DE3233094A1

DE3233094A1 - Gasregeleinrichtung fuer eine chemische bedampfungsanlage

Info

Publication number: DE3233094A1
Application number: DE19823233094
Authority: DE
Inventors: Jon C. 92665 Orange Calif. Goldman; Robert E. 92683 Westminster Calif. Rappaport
Original assignee: Thermco Products Corp
Current assignee: Thermco Products Corp
Priority date: 1981-09-15
Filing date: 1982-09-07
Publication date: 1983-03-24
Also published as: US4369031A; JPS5867856A; FR2512983A1; GB2108285A; GB2108285B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasregeleinricbtung für chemische Bedampfungsanlage^ insbesondere zum Gebrauch für Anlagen zur Bedampfung mit einem Niedertemperaturoxid. Dabei werden Strömungsmengenregler zur Steuerung der Gasströmung durch.mehrere Gasinjektoren benutzt, die in dem Reaktionsrohr eines mit Vakuum arbeitenden Systems zur chemischen Bedampfung mit einem Oxid bei niedriger Temperatur angeordnet sind.

Bei der fabrikmässigen Herstellung von Halbleiteranordnungen ist es erwünscht, einen Niederschlag von Schichten aus Siliziumdioxid herzustellen, einem dichten, chemisch inerten dielektrischen Material von äusserst hoher Härte, niedriger thermischer Leitfähigkeit und hohem Widerstand gegen Molekulardiffusion. Siliziumdioxid wird nicht nur als dielektrische Zwischenschicht bei Anordnungen mit mehreren Metallschichten, sondern auch in Verbindung mit dotiertem Siliziümdioxid benutzt.

Es hat sich herausgestellt, dass es schwierig ist, Halbleitersubstrate auf wirtschaftliche Weise derart mit Siliziumdioxid zu beschichten, dass sich gleichmassige' fehlerfreie Schichten von hoher Güte ergeben. ■ Die Technik wurde von der Verwendung einatmosphäriger Systeme aus entwickelt, welche sogenannte Kaltwandöfen zur Bedampfung bei Niederdruck oder partiellem Vakuum verwenden, wobei das Siliziumdioxid durch Öxidierung von Silan <Siliziumwasserstoff) als OberfiSchenbe-

schichtung auf die Halbleitersubstrate aufgebracht wird, die innerhalb einer beheizten Vakuumkammer erhitzt werden, Im Falle der Beschichtung mit dotierten Siliziumdioxidschichten werden Gase wie z.B. Phosphin (Phosphorwasserstoff) mit Silan gemischt, um einen Niederschlag von dotiertem .Siliziumdioxid zu bilden. Die Beheizung der Substrate vor der Beschichtung geschieht in einem Diffusionsofen üblicher Art, bei dem das Diffusionsrohr mit Einrichtungen versehen ist, die zur Evakuierung der darin enthaltenen Gase vor der Einführung des Silans, Phosphins und Sauerstoffs dienen. Die Bedampfung bei Niederdruck ergibt zwar wesentliche Vorteile während des einatmosphärigen Prozesses. Jedoch bestehen erhebliche Schwierigkeiten zur Erhaltung der gewünschten Gleichmässigkeit des Niederschlags sowie der Freiheit von Oberflächenfehlern. In dem U.S. Patent k 098 923 ist ein Niederdrucksystem zur Beschichtung mit Siliziumdioxid beschrieben, das eine Anzahl von Merkmalen zur Verbesserung der Gleichmässigkeit der Beschichtung auf verschiedenen Substraten erhält, welche senkrecht längs des Prozeßrohres angeordnet sindjsowie auch auf den Substraten gleichmässig zur Plättchenquerrrichtung. Zu den verschiedenen in dem genannten Patent beschriebenen Hilfsmitteln zur Verbesserung der Gleichmässigkeit gehört die Verwendung einer Ummantelung in Verbindung mit dem Plättchentragschiff zur Verbesserung der Verteilung der gemischten Gase über die von dem Schiff

getragenen Substrate. Ausserdem werden danach.die gemischten Gase wie Silan und Phosphin sowie der damit reagierende Sauerstoff nicht am Ende des Proüeßrohrs, sondern durch Injektoren zugeführt, die sich in Längsrichtung des Prozeßrohrs neben dem Substratschiff erstrecken. Diese Injektoren waren mit öffnungen versehen, die wiederum neben dem Substrattragschiff angeordnet sind, um die verschiedenen Gase direkt der Beschichtungszone zuzuleiten. Ferner waren in dem

genannten Patent Ventile und Strömungsregeleinrichtungen vorgesehen, um die Strömungen und.Anteile der verschiedenen Gase zu steuern.

Später wurde eine weitere Abwandlung des Gasinjektoraufbaues entwickelt, bei der mehrere getrennt steuerbare Gasinjektoren vorgesehen wurden, um das
Volumen der in verschiedenen Bereichen längs des
Rohres abgegebenen ßasmischung zu verändern oder nachzustellen. Bei einer Ausführungsform waren fünf getrennte Injektoren vorhanden, die je mehrere' Löcher aufwiesen, um eine geregelte Strömung der gemischten Gase einem Längsabschnitt des Prozeßrohrs zuzuführen. Da die Strömungsgeschwindigkeit und Sauerstoffverteilung weniger kritisch war, waren nur zwei Injektorrohre mit öffnungen zur Sauerstoffzuleitung auf der ganzen Länge der Prozeßzone vorgesehen. Wenngleich die praktisch verwirklichten Ausführungsformen des vor-

stehend beschriebenen Niederdrucksystems zur chemischen Bedampfung mit Strömungsmessern und von Hand einstellbaren Ventilen ausgerüstet waren, um die Strömungsgeschwindigkeiten der verschiedenen Gasinjektoren zu steuern, war es bereits allgemein in der Technik der chemischen Bedampfungssysteme bekannt, einzelne Strömungsmengenregler für jeden der vorhandenen Gasinjektoren vorzusehen.

Bei der Gasregeleinrichtung gemäss der Erfindung sind mehrere Strömungsmengenregler vorgesehen, die dazu dienen, die Gasströmung eines jeden der Injektoren zu regeln, welche die gemischten Gase den Prozeßrohren zuführen. Um die Einstellung des Prozesses zu erleichtern, werden die Strömungen durch sämtliche Gasmischungsinjektoren ausser einem abhängig gemacht von den Gasmischungsströmungsreglern für diesen einen Injektor. Dadurch wird es möglich, dass die abhängigen Regler auf einen bestimmten Prozentsatz der Strömung des Hauptreglers eingestellt werden, durch den sie geregelt werden. Die Mengen der Gase, welche in einem Verteiler gemischt werden, aus dem die verschiedenen Injektoren gespeist werden, werden auf eine neuartige Weise geregelt. Die Dotierungs- oder Phosphingasströmung wird durch einen Strömungsmengenregler geregelt, während 2b die Silanströmung in den Verteiler durch die Regler an den Injektoren geregelt und durch einen Strömungs- ' messer überwacht wird. Das Strömungsmessersignal erzeugt,

wenn es mit dem Silan-Sollwert. verglichen wird, ein Fehlersignal, das dazu benutzt wird, den Sollwert an dem Haupt strornungsregler elektronisch nachzustellen, um den Fehler zu kompensieren. Wegen ihrer Beziehung auf den Hauptregler erfahren die abhängigen Regler gleichfalls eine Korrektur. Dadurch wird eine einfache und wirksame Einrichtung zum Regeln der Gasströmung in dem System, um die erwünschten Strömungen zu erhalten, geschaffen. Es wird ferner eine Einrichtung geschaffen, durch welche die relativen Strömungen zu den verschiedenen Injektoren leicht verändert werden können, um eine verbesserte Gleichmässigkeit zu erhalten, ohne die Gesamtströmung oder die prozentuale Mischung der.Gase zu ändern, die vorher ausgewählt worden war. Es wird eine Einrichtung ge-schaffen, bei der Anteile oder Beträge der gasförmigen Bestandteile der Gasmischung verändert werden können, ohne die relativen Anteile der gemischten Gase, die durch die einzelnen Injektoren zugeführt werden, zu

20 verändern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Gasregeleinrichtung für eine chemische Bedampfungsanlage zu schaffen, insbesondere eine Anlage, in der bei niederer Temperatur Oxid aufgedampft werden kann. Es werden Strömungsmengenregler an mehreren einzelnen Gasinjektoren vorgesehen, um ausge-

wählte Volumina gemischter Gase längs eines evakuierten Prozeßrohrs verteilt angeordneten Bereichen zuzuführen.

Es sollen Strömungsmengenregler an den einzelnen Injektoren verwendet und ein Strömungsmengenregler an. einem der Gasbestandteile vorgesehen werden, während ein Strömungsmesser an dem anderen Gasbestandteil vorgesehen wird, der dazu dient, ein von Abweichungen eines Sollwerts abhängiges Fehlersignal zu erzeugen, um das Gesamtvolumen des durch die mit den Injektoren verbundenen Strömungsmengenregler fliessenden Gases zu regeln.

Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, bei einer solchen Anlage mehrere Mischgasinjektoren an dem Prozeßrohr vorzusehen, wobei die Strömung durch jeden dieser Injektoren durch einen Strömungsmengenregler geregelt wird, von denen einer als Hauptregler und die anderen von dem Hauptregler abhängig gemacht sind.

Im folgenden sind die Erfindung und weitere Vorteile dieser anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

F i g . 1 ein Flußschema des Gasströmungsregelsystems gemäss der Erfindung,

F i g . 2 die Seitenansicht eines typischen Prozeßrohrs zur Verwendung bei einem solchen System, teilweise geschnitten; ■

F i g . 3 eine Ansicht des Prozeßrohrs von Fig. 2;

Pig.¹! eine Ansicht des Prozeßrohrs von Fig. 2 von oben gesehen,

F i g . 5 ein Blockscheina der Regelkreise für das Gasregelsystem und

F i g . 6a und 6B ein schematisches Schaltbild der Regelschaltung.

In Fig. 1 der Zeichnungen ist ein Flußschema gezeigt, das die Kombination eines Diffusionsofens und eines Gasströmungsregelsystems, die allgemein mit der Bezugsziffer 12 versehen ist, umfasst. 13 ist der Diffusionsofen mit dem Prozeßrohr 15, der von einem Heizelement 17 umgeben ist. Das Prozeßrohr 15 besteht gewöhnlich aus Quarz oder korrosionsfestem Stahl und kann gegen den Atmosphärendruck dicht abgeschlossen werden. Ein Ende des Prozeßrohrs 15 ist mit einem abgedichteten Verschlussteil 19 versehen, das leicht entfernt werden kann, um die mit·Plättchen beladenen Schiffe in das Prozeßrohr 15 einführen zu können. Das von dem Verschlussglied 19 entfernte Ende des Prozeßrohrs ist mit einem vergrösserten Auslaß 21 versehen, an den eine Vakuumpumpeinrichtung 23 angeschlossen werden kann. Einzelheiten einer geeigneten Ausführungsform einer solchen Vakuumpumpeinrichtung sind in'dem U.S. Patent 4 228 004 besehrieben.

Die Kombination 12 enthält ferner ein Gaszuführsystem 25» mit dem geregelte Mengen von Gas dem Prozeßrohr 15 zugeführt werden können." Bei einem Zwischensystern, das in der Lage ist, bei niederer Temperatur und niederem Druck chemische Aufdampfprozesse durchzuführen, sind Einrichtungen zur Zufuhr verschiedener Gase wie SiI an, SiHj,, und dotierender Gase wie Phosphin, PH-, vorhanden. Das dotierende Gas kann in der Gasvorratsflasche mit einem Trägergas wie Stickstoff oder Argon, das nicht an der Reaktion teilnimmt, vorgemischt werden. Außerdem ist es erforderlich, Sauerstoff und wahlweise Stickstoff dem Prozeßrohr 15 zuzuführen. Wie in der schematischen Darstellung von Pig. I gezeigt, bestehen Druckgasquellen der erforderlichen Gase wie Silan, Phosphin, Sauerstoff und Stickstoff, aus Metallbehältern, die über geeignete Armaturen aus korrosionsbeständigem Stahl an das System 25 angeschlossen sind.

Um das Silän oder die Mischung aus Silan und Phosphin dem Prozeßrohr 15 verteilt zuzuführen, sind mehrere Injektorrohre 27 vorgesehen, die am besten aus Fig. 2 bis 4 zu erkennen sind. Es sind fünf Injektorrohre 2 7 vorhanden, die einzeln als 27a, 27b, 27c, 27d und 27e bezeichnet und über den 90 Quadranten des Prozeßrohrs 15 wie in Fig. 3 gezeigt verteilt angeordnet sind. Die Injektorrohre 27a. bis 27e erstrecken sich von außerhalb des Prozeßrohrs 15 durch dessen Endwand 15a hindurch in der Nachbarschaft der Auslaßöffnung 21. Außerdem

erstrecken sieh die Injektorrohre in das Innere des Prozeßrohrs 15 über verschiedene Abstände wie am besten aus Pig. H zu erkennen ist. Die inneren Enden von vier solchen Injektorrohren haben etwa Z-förmige Teile ?7f» 27g, 27h und 27i, wobei das mittlere Rohr ?7c einen, geraden End ab schnitt 2-7 j aufweist. Die Abschnitte der Injektorrohre 27, welche.paralIeI &u der Mittelachse des Prozeßrohrs 15 verlaufen, wie aus Fig. 4 zu ersehen, sind perforiert, wodurch Gasaustrittsöffnungen in Abständen fortlaufend längs des mittleren Teils des Prozeßrohrs 15 gebildet werden. Bei dem Injektorrohr 27c ist nur der innere Endabschnitt mit Perforationen versehen, so dass jedes der Injektorrohre 27 einen perforierten Abschnitt von etwa 15 bis.18 cm (6 bis 7 Zoll) hat, was eine Gesamtlänge der Gasverteilerstrecke von etwa 89 bis 102 cm-(35 bis kö Zoll) ergibt. Die Injektorrohre 27 sind durch einzelne Leitungen 29 über elektromagnetische Absperrventile 31 mit den Strömungsmengenreglern 33, J>H, 35, 36 und 37 verbunden. Die Strömungsmengenregler können von jeder beliebigen Ausführung sein, die für eine genaue Regelung kleiner Strömungsmengen von Gas geeignet sind. Sie können beispielsweise denen der U.S.-Anmeldung Serial No..193 876 vom 3. Oktober I98O entsprechen. Die Strömungsmengenregler sind über Leitungen 39 mit einem Verteiler ¹Jl verbunden, in welchem verschiedene Reaktionsgase gemischt werden können.

- Ib -

Um dem Verteiler Hl Silan zuzuführen, führt eine Leitung 43 über ein elektromagnetisches Absperrventil 45 und einen Strömungsmengenmesser 47 zu der Silanquelle 49· In ähnlicher Weise verbindet eine Leitung 51 den Verteiler 4l .über das Absperrventil 53 und einen Strömungsmengenregler 55 mit der Phosphinquelle 57. ■

Vor einer weiteren Beschreibung der G.asströmungsregeleinrichtung im einzelnen soll kurz der Grund erwähnt werden, warum die fünf Injektorrohre 27 vorgesehen werden. Wie bereits einleitend erwähnt, erfolgt der Niederschlag von Siliziumdioxid bei niederer Temperatur und niederem Druck sehr rasch und ist daher schwierig zu überwachen bzw. zu regeln. Wie schon in der genannten Patentschrift 4 098 923 erwähnt, kann das die Plättchen enthaltende Schiff mit einer Umhüllung versehen sein, die begrenzte öffnungen aufweist und • die Verteilung des. Gases über die darauf getragenen Plättchen auszugleichen sucht. Aber auch bei der Anwendung einer solchen Umhüllung und von Gasinjektoren, die über die ganze Länge des Bereichs, indem die Plättchen getragen werden, angeordnet, sind, bestehen noch Schwierigkeiten, einen gleichmässigen Niederschlag auf allen Plättchen längs des Prozeßrohrs und über die Oberfläche jedes Plättchens zu erhalten, das normalerweise senkrecht zur Achse des Prozeßrohrs angeordnet ist. Es ist bekannt, mehrere getrennte In-

jektorrohre, wie z.B. die Rohre 27a bis 27e, vorzusehen, um eine Einrichtung zum Verändern der Relativmengen der Reaktionsgase über verschiedene Teile der Länge des Prozeßrohrs zu schaffen. Zu den bekannten Gauregelsystemen gehört die Verwendung von entweder von Hand geregelten Ventilen für jeden einzelnen der vorhandenen Injektoren oder in manchen Fällen Strömungsmengenregler, die auf ausgewählte Strömungsgeschwindigkeiten für jedes der vorhandenen Injektorrohre eingestellt werden können.. Jedoch muß das Strömungsmuster durch die verschiedenen Injektorrohre βηρirisch bestimmt werden. Es hängt offenbar von zahlreichen Unbekannten ab, welche die Muster der Gasströmung, der Temperaturdifferentiale u.dgl.. betreffen, die offenbar schwierig herzustellen oder zu überwachen bzw. zu regeln sind. Wegen der empirischen Natur der Herstellung des optimalen Gasströmungsmusters wäre es erwünscht, die maximale Flexibilität bei der Einstellung der relativen Strömungen in den verschiedenen Injektorrohren zu erhalten, und es wäre erwünscht, in der Lage zu sein, die Gesamtströmung oder Zusammensetzung der Gasmischung zu ändern, ohne dabei die relativen Anteile der Strömungen durch die verschiedenen Injektoren zu ändern. Wie nachstehend beschrieben, lässt sich durch die An-Ordnung der Strömungsregler an den verschiedenen Injektorrohren und die damit verbundene Regeleinrichtung eine weit grössere Flexibilität und eine bedeutende

Verbesserung gegenüber den bereits bekannten Gasregeleinrichtungen erreichen.

Der Sauerstoff wird dem Prozeßrohr 15 mittels eines einzelnen Rohres 59 zugeleitet, das zentral am Boden des Prozeßrohrs angeordnet ist, wie aus Fig. 2 und 3 zu ersehen. Das Sauerstoffrohr 59 hat auf seiner gesamten Länge öffnungen und weist einen Endabschnitt 59a auf, der sich durch die Endwand 15a des Prozeßrohrs erstreckt. Kr ist mit einer Leitung 6l über ein elektrornagnetisches Absperrventil 63 und einen Strömungsmengenregler 65 an die Sauerstoffvorratsflasche 67 angeschlossen. Zur Reinigung des Systems und auch für andere Zwecke ist eine .Stickstoffquelle 69 über ein elektromagnetisches Ventil 71 und eine Leitung 73 an die Leitung 6l angeschlossen, die auch zur Zuführung des Sauerstoffs zu dem Injektor 59 dient.

Vor Erörterung der Einzelheiten der Regelschaltung für die Gasverteilereinrichtung 25 soll auf folgende Aspekte hingewiesen werden: Zunächst dient der Strömungs· mengenregler 33, der die Strömung F. steuert, als Hauptregler für die Injektoren mit den anderen vier Strömungsmengenreglern 3*1 > 35> 36 und 37 (welche die Strömungen Fp, F,, F₁. und Fp- steuern), die mit Reglern versehen sind, welche ihre Strömungen auf die Strömung durch F₁ auf einer prozentualen Basis beziehen. Somit bilden die Sollwertregler oder -einsteller für die Regeleinrichtungen 3^, 35» 36 bzw. 37 die Strömungen

F₂, F,, F^ und Fj-, die einen Prozentsatz der Strömung durch F₁ ausmachen.

Der zweite Aspekt des Systems besteht darin, dass die Strömung von Silan nur durch die Strömungsregeleinrichtungen 33 bis 37 für die einzelnen Injektoren geregelt wird und dass nur der Strömungsmengenmesser 47 an der Silanleitung vorhanden ist, so dass kein einzelner Regler für diese Strömung vorgesehen ist. Das Phosphin wird durch einen getrennten Strömungsmengenregler 55 geregelt.

Die sich hieraus ergebenden Vorteile des Systems betreffen alle die Flexibilität hinsichtlich der Möglichkeit der Regelung der Strömungsverhältnisse in den verschiedenen Injektoren, ohne die Gesamtmenge oder Mischung des Gases zu beeinflussen oder hinsichtlich der Möglichkeit von Veränderungen der Gesamtmenge oder Mischung, ohne die durch die einzelnen Injektoren gelieferten Anteilverhältnisse zu beeinflussen.

Bezüglich der Funktion des Gasregelsystems 25 empfiehlt es sich, die Beziehungen zwischen den an verschiedenen Stellen des Systems vorhandenen Gasströmungen zu analysieren. Der Einfachheit- halber sei angenommen, dass der Gesamtgasstrom der Gasbestandteile gleich FT sei, wobei die einzelnen Gasströme von Silan und Phosphin durch F(SiH^) bzw. F(PH₅) dargestellt werden. Danach lässt sich die Beziehung zwischen den Gasströmungen durch die folgende Gleichung (1) ausdrücken:

(1) PT = P(SiHjIj) + F(PH,)

Da der gesarate Gasstrom, der dem Verteiler ^l zugeführt wird, auch durch die einzelnen Injektoren 27a bis 27e abgegeben wird, ist er gleich der Summe der GasstrSme durch die verschiedenen Injektoren. Wenn die Ströme durch die Injektoren 27a, 27b, 27c, 27d und 27e mit P₁, Fp, F,, Fj. und P₁- bezeichnet werden, lässt sichdie Beziehung zwischen dem Gesamtstrom und den Injektorströmen durch Gleichung (2) wie folgt darstellen:

(2) FT = F₁ + F₂ + F_ + F₁₄ +

Eine Substitution der Gleichung (1) in die Gleichung (2) ergibt die Gleichung (3):

(3) F(SiH₂₁) + F(PH₃) = F₁ + F₂ + F₃ + F₁, + F₅

Wie noch näher im Zusammenhang mit dem Schaltschema der Regelkreise erläutert wird, werden die Einzelströme F₂, F₃, Fj₄ und Fj- in den Injektoren 27b, 27c, 27d und 27e eingestellt oder geregelt als ein Prozentsatz des Stromes durch'den Injektor 27a, oder in anderen Worten als ein Prozentsatz von F₁. Dies geschieht durch Einstellen eines Potentiometers, das für jeden Einzelstrom von 05ί bis 1005? geeicht ist; diese Prozentsätze werden als die Sollwerte für die verschiedenen abhängigen

Strömungsregler bezeichnet und mit SP.2, SP.3, SP. und SP.5 benannt. Auf diese Weise werden die Sollwerte für die Strömungsmengenregler 3^, 33, 36 und 37 angegeben. Somit können die abhängigen Regler-5 oder Injektorströine als Gleichungen (^a) bis ('Jd) wie folgt ausgedrückt werden:

(4) a. F₂ = SP.2 {%) χ

b. F₃ = SP.3 (?) x

c. F₁, = SP.k {%) χ d. F₅ = SP.5 (*) x

Substituiert man nun die obigen Ausdrücke für F₂, F,, Fm und Fa in die Gleichung (3), so erhält man folgende Gleichung (5): ■■

(5) F(SiH₂₁) + F(PH₃) = (SP.2 + SP-.3 + SP.^i + SP.5 + 1)

Wird die Gleichung (5) für F₁ aufgelöst, so entsteht die Gleichung (6):

F(SiH₁,) + F(PH₃) (6) F

¹ SP.2 + SP.3 + SP.4 + SP.5 +

Um eine genaue Regelung der Strömung von Silan F(SiH₁.) sicherzustellen, ist der Strömungsmesser 47 vorgesehen, der die Silanströmung von der Quelle 49 zu dem Vertei-

ler ¹Jl überwacht. Anhand des Schaltschemas der Pig. 6A und 6b wird der Regelkreis noch näher erläutert. Er enthält Einrichtungen zum Auswählen der Strömungsgeschwindigkeit des Silans, d.h. zur Silan-Sollwerteinstellung. Die verschiedenen Injektorströmungsregler· regeln dann die jeweiligen Strömungen zum Hervorbringen der gewählten Silanströmung. Um die Genauigkeit und Flinkheit des Systems beim'Ansprechen auf Korrekturen zu verbessern, wird die tatsächliche Strömung des Silans, wie sie durch den Strömungsmesser 47 gemessen wird, mit dem Sollwert der Silanströmung verglichen, um ein Pehlersignal zu bilden, das dazu benutzt werden kann, die Injektorströmungen zu berichtigen und das System abzugleichen. Es ist ferner zu bemerken, dass, wenn der Strömungsfehler über die Korrekturfähigkeit des Systems hinausgeht, etwa infolge eines blockierten Strömungsmengenreglers oder einer unrichtigen Einstellung eines abhängigen Sollwerts, ein Fehlersignal erzeugt wird, um eine Signallampe aufleuchten zu lassen, durch welche die Bedienungsperson darüber informiert wird, dass die Strömung kleiner ist als es dem Sollwert entspricht.

Die Verwendung des .Fehlersignals zum Abgleich der Strömungsgeschwindigkeiten lässt sich als abgewandelte Passung der Gleichung (6) betrachten, die das Fehlersignal als Zusatz zu oder als Abzug von der Gesamtströmung wie folgt in Gleichung (7) darstellt:

^|λ Β --'

on:

- 25 -

(7) ρ =

P(SiH^) + P(PH₃) + (SiH₂₁ Fehler)

SP.2 + SP.3 + SP.4 + SP.5 + 1

Wenn der Messwert der Strömung im Strömungsmesser kl mit dem Sollwert der Silanströmung übereinstimmt, ent-" steht naturgemäß kein Fehlersignal. Der Ausdruck für den SiH^-Fehler wird dann gleich Null. Andererseits wird die Strömung F.. derart modifiziert, dass die Einstellung zur Beseitigung des Fehlers vollendet wird.

Anhand des Blockschemas von Fig. 5 sollen nun die von den verschiedenen Teilen des Regelkreises durchgeführten Funktionen erläutert werden. Jedem der abhängigen Injektorstromungsmengenregler 3**, 35, 36 und 37 ist ein Sollwertverstärkungsregler oder -einsteller zugeordnet, der mit 100, 102, 104 bzw. 106 bezeichnet ist. Die einzelnen Sollwertverstärkungsregler bilden' eine Signalspannung, die über Leitungen 108,110, 112 und 11*J den jeweiligen Strömungsmengenreglern 3*1, 35_a 36 und 37 zugeführt werden, um die Strömungsgeschwindigkeiten einzustellen, die den gewählten Prozentsätzen der Strömung F. entsprechen, die durch den Hauptinjektor-Strömungsmengenregler 33 kontrolliert oder geregelt wird. Wie noch in einer ins Einzelne gehenden Analyse der Schaltung von Fig. 6A und 6B erläutert werden wird, enthält jeder Sollwertverstärkungseinsteller eine Einstellungskontrolle, welche die Auswahl einer Strömungsgeschwindigkeit von 0% bis 100? der Strömung F₁ für die jeweiligen Strömungsmengen-

regler ermöglicht.

Die Ausgänge der Sollwertverstärkungseinsteller sind auch mit den Sollwertprozentsatzrechnern Il6, 118, und 122 durch Leitungen 132, 13^, 136 bzw. 138 verbunden. Eine Signalspannung, die gleich ist der Strömung F., wird auch den Sollwertverstärkungseinstellern 100, 102, 104- und 106 über Leitungen 12¹I, 126, 1?8 bzw. 130 zugeführt. Die Sollwertverstärkungsennsteller dienen zur Vervielfachung des Spannungssignals F. um den jeweils eingestellten Prozentsatz, so dass Ausgangsspannungen gebildet werden, die den Strömungsgeschwindigkeiten Fp, F.,, Fju und F,- gemäss den Gleichungen (4a), (¹Ib), (JJc) und (4d) proportional sind. Diese der Strömungsgeschwindigkeit entsprechenden Spannungen werden den abhängigen Injektorströmungsmengenreglern "5k _t 35, 36 und 37 durch die Leitungen 108, 110, 112 und 11*1 zugeführt.

Das der Strömung P^ entsprechende Spannungssignal wird auch über die Leitungen l40, 1*12, I¹I¹J und I¹Jo den Sollwertprozentsatzrechnern Il6, 118, 120 und 122 zugeführt. Die Ausgangssignale dieser Sollwertprozentsatzrechner sind jeweils proportional dem Verhältnis der Strömungsgeschwindigkeiten durch die abhängigen Injektor strömungsmengenregler 3¹I, 35 > 36 und 37, geteilt durch die Strömungsgeschwindigkeit in dem Hauptinjektor-Strömungsmengenregler 33 und können zwischen null und eins schwanken, da die Strö-

mungsgeschwindigkeiten der abhängigen Strömungsmengenregler 34 (P₂), 35 (F₃), 36 (P₂₁) und 37 (P₅) niemals grosser sein können als diejenige des Hauptreglers 33 (F.). Diese Verhältnisse, welche den Sollwerten SP.2, SP.3, SP.4 und SP.5 entsprechen, werden jeweils dargestellt durch Signale von null bis eins Volt, die dann über Leitungen 150, 152, 15*1 und 156 einem Summierverstärker 148 zugeführt werden, wo sie mit einem ein Volt betragenden Bezugssignal addiert werden, das von einer Quelle 158 geliefert wird. Das ein Volt-Signal entspricht der 100% betragenden Strömungsgeschwindigkeit durch den Hauptregler 33·

Der Ausgangswert am Summierungsverstärker 1^8, dessen Betrag gleich dem Nenner der Gleichung (6) ist, -wird über den Leiter I60 dem Teiler l62 zugeführt. Der Teiler I62 enthält über eine Leitung 16Ί auch ein Signal zugeführt, das gleich der Summe des Phosphin-Sollwerts, des Silan-Sollwerts und der Silan-Pehlersignale ist. Durch Teilung .der Gesamtströmung durch die Summe der Sollwerte der abhängigen Strömungsmengenregler plus eins ergibt sich am Ausgang des Teilers 162 eine Spannung, die gleich -dem gewünschten Fluß F₁ durch den Hauptströmungsmengenregler 33 ist, wie in der Gleichung {6) zum Ausdruck gebracht.

Um das oben beschriebene Gesamtströmungs- oder FT-Signal zu bilden, ist ein Summierverstärker I66 vorgesehen, der über eine Leitung 168 ein Spannungssignal

gleich dem Phosphin-Sollwert, über die Leitung 170 ein Spannungssignal gleich dem Silan-Sollwert und über die Leitung 172 ein Silan-Fehlersignal empfängt. Das Silan-Fehlersignal wird in dem Fehlerverstärker 174 erzeugt, der das Silan-Sollwert-Spannungssignal über eine Leitung 176 und ein Signal gleich der tatsächlichen Silanströmung, wie durch, den Strömungsmesser 4? angegeben, über eine Leitung 178 empfängt. Der Fehlerverstärker 174 vergleicht die Sila.n-Sollwertspannung mit dem Ausgang des Silanströmungsmessers 47 und erzeugt das Fehlersignal, das über die Leitung 172 dem Summierverstärker 166 zugeführt wird. Ein zweiter Ausgang aus dem Fehlerverstärker 174 führt über eine Leitung I8I zu einem Fehleranzeiger in Form der lichtemittierenden Diode I80, die ein sichtbares Signal hervorbringt, wenn der Silan-Fehler eine vorbestimmte Höhe überschreitet und nicht.korrigierbar ist.

Das Ausgangssignal aus dem Teiler I62 ist, wie oben festgestellt, eine Spannung gleich der Strömung F-.

oder der Gesamtgasströmung geteilt durch die Summe der Sollwerte der abhängigen Regler plus eins wie in der Gleichung (6) ausgedrückt. Dieses Ausgangssignal wird über die Leitung 182 den Sollwertverstärkerreglern 100, 102, 104, 106 und den Sollwertprozentrechnern II6, 118, 120 und 122 zugeführt, wie in Fig. 6A und 6B gezeigt. Eine weitere Leitung 18*1 führt das Spannungs-

signal F^ dem Hauptströmungsmengenregler 33 zu.

Damit ist vollständig beschrieben, auf welche Weise die Strömungsmengenregler 33, 3¹J, 35, 36 und 37 für die einzelnen Injektoren, der Phosphin-Ströinunßsmengünregler 55 und der Silan-Ströinungsmesser ^7 funktionell in dem Gasregelsystem 25 miteinander verknüpft sind. In Fig. 6a und 6B ist die spezielle Schaltung von der Ausführung ihrer Punktionen aus gezeigt. Es können aber auch Variationen oder Alternativen der Schaltung angewendet werden, um solche Punktionen zu erfüllen.

Bei der nach den Lehren der Erfindung gebauten speziellen Ausführungsform wurden Strömungsmengenregler mit verschiedenen Strömungskapazitäten verwendet, um die einzelnen Injektorströme sowie die Phosphin- und Sauerstoffströme zu steuern. Dabei wird an jedem der verschiedenen Regler eine standardmässige, der vollen Strömung entsprechende Steuerspannung angewendet, die in diesem Fall fünf Volt betrug. Im Fall der einzelnen Injektorströmungsmengenregler 33, 3'¹J, 35, 36 und 37 betrug die maximale Strömung fünfzig Standardkubikzentimeter pro Minute .(sccm) bei einer Steuerspannung von fünf Volt. Der Phosphin-Strömungsmengenregler war geeicht für eine Mischung von 155? Phosphin, 85$ Stickstoff,- und hatte eine maximale Strömungsgeschwindigkeit von 100 sccm für eine fünf Volt betragende Steuerspannung. Der Silan-Strömungsmesser erzeugte beim Ansprechen auf .eine maximale. Strömung von 150 sccm Silan

eine Spannung von fünf Volt. Daraus wird ersichtlich, dass die Strömungsgeschwindigkeiten durch die verschiedenen Strömungsmengenregler und den Silan-Strörnungsmesser für ein einzelnes Steuerspannungssignal nicht sämtlich gleich sind. Betrachten wir zunächst das Phosphin, so ergibt sich ein Verhältnis der Strömungsgeschwindigkeit zur Signalamplitude von 20 sccm pro Volt, wogegen an den einzelnen Injektoren dieses Verhältnis 10 sccm pro Volt beträgt.· Was das Silan angeht, so beträgt das Verhältnis JO sccm pro Volt. Bei der obigen Analyse des Gasströmungsmengenregelsystems 25 wurde bezüglich der von den verschiedenen Teilen der Schaltung ausgeführten Funktionen angegeben, dass die Spannungssignale proportional den Gasströmungen wären. Bei der Analyse der nachfolgenden Schaltung ist zu beachten, dass Vervielfacher verwendet werden, welche den .Mangel .an Übereinstimmung zwischen den Verhältnissen der Strömungsgeschwindigkeiten zu den Signal.amplituden an den verschiedenen Strömungsmengenreglern und dem Strömungsmesser kompensieren.

Bei Betrachtung der Fig. 6A und 6B ist zunächst die zu den Sollwertverstärkerreglern 100, 102, 104 und 106 gehörende Schaltung zu erörtern. Da alle diese Verstärkungsregler einander gleich sind, genügt es, nur den Sollwertregler 100 im einzelnen zu beschreiben, der sich auf die Strömung durch den StrÖ-

mungsmengenregler 3^ bzw. die Strömung P₂ bezieht. Der strichpunktiert gezeichnete Rechteckrahrnen 100 in Fig. 6a umschliesst zwei Arbeitsverstärker A-3 und A~^}\, von denen jeder ein Teil eines Bausteins LM32^N Quad 5 Op-Amp der Firma National Semiconductor ist. Der erste dieser Arbeitsverstärker, der mit der Bezugsziffer 190 versehen ist, ist an seiner positiven oder nieht-invertierenden Eingangsklemme über einen *)?Κ Widerstand mit Erde verbunden, während seine negative oder invertierende Eingangsklemme über einen lOOK Widerstand und die Leitungen 12*J und 182 mit dem Ausgang des Teilers 162 verbunden ist. Diese Verbindung ergibt ein Spannungssignal an der negativen oder invertierenden Klemme des Arbeitsverstärkers 190, das dem F.-Spannungssignal gleich ist. Die invertierende Klemme des Arbeitsverstärkers 190 ist über einen lOOK Rückkopplungswiderstand mit der Ausgangsklemme verbunden. Der Arbeitsverstärker 190 erzeugt ein negatives oder invertiertes F.-Spannungssignal am Ausgang. · Dieser'invertierte Ausgangswert wird durch eine Leitung 192 über einen 20K Widerstand der invertierenden Klemme eines zweiten Arbeitsverstärkers 19^ zu- · geführt, der gleichfalls ein Teil eines Bausteins LM324N Quad Op-rAmp ist. Die nicht-invertierende Eingangsklemme des Arbeitsverstärkers 19^ ist durch einen 1OK Widerstand mit Erde verbunden. Die invertierende Eingangsklemme des Arbeitsverstärkers 19^ ist in einer

Rückkopplungsschleife über einen veränderbaren Widerstand 196 mit der Ausgangsklemme verbunden. Der veränderbare Widerstand 196 ergibt einen Widerstand von O bis 2OK und erlaubt eine Veränderung der Verstärkung des Arbeits-Verstärkers 194 von null bis minus eins. - Die Abkürzung K bedeutet Kiloohm. -

Der veränderbare Widerstand 196 bildet den Sollwertregler oder -einsteller SP.2 für den Strömungsmengenregler 3*1 und ist in Prozenten von 0% bis 100$ geeicht.

Bei der Einstellung auf 100$ liegt der volle 2OK betragende Widerstand zwischen den Klemmen 6 und 7_S so dass eine einfache Umkehr und ein Verstärkungsgrad eins an dem Arbeitsverstärker 194 vorhanden sind. Wenn gewünscht wird, dass die Strömung durch den Strömungsmengenregler 34 gleich ist der Strömung durch den Strömungsmengenregler 33, den Hauptregler, so wird der veränderbare Widerstand 196 auf den grössten Widerstandswert eingestellt, so dass an dem Arbeitsverstärker 194 ein invertierender Verstärkungsgrad eins herrscht und eine positive Spannung gleich F₁ am Ausgang zur Verfügung gestellt wird. Das Eingangssignal aus dem Pp-Sollwertverstärkungsregler 100 ist durch die Leitung 108 mit einem Baustein CD-4O53B der Firma National Semiconductor, einem Zweikanal-Analogmultiplexer/Demultiplexer 198 verbunden. Das dem Multiplexer 198 über die Leitung IO8 zugeführte Signal wird schliesslich dem abhängigen Injektorströmungs-

mengenregler 34 zugeführt. Der Ausgang aus dem Sollwertverstärkungsregler 100 ist auch über eine Leitung 132 mit dem Sollwertprozentrechner Il6 verbunden. Das Ausgangssignal dient dort als eine der Komponenten bei der Errechnung von F₁, der Strömung durch den Hauptströmungsregler 33.

Der Sollwertprozentrechner 13-6, der in Verbindung mit dem Sollwert für den Strömungsregler 34 benutzt wird, ist hinsichtlich Aufbau und Funktion den anderen SoIlwertprozentrechnern Il8, 120 und 122 gleich. Daher wird nur die Schaltung des Rechners 116 im einzelnen beschrieben. . ' ■

Der Sollwertproz.entrechner Il6 enthält einen Arbeitsverstärker 200 und einen als integrierte· Schaltung aus- geführten Zweiquadrantteiler 202. Der Arbeitsverstärker 200 ist ein Teil eines Bausteins LM324N, hergestellt von National Semiconductor, und der Spannungsteiler 202 ist eine Analogschaltung vom Typ AD535· Die Leitung 132 liefert das F_? entsprechende Eingangsspannungssignal Über einen 90,9K Widerstand an die nicht-invertierende Klemme 5 des Arbeitsverstärkers 200, die auch über einen 1OK Widerstand mit Erde verbunden ist. Die invertierende Eingangsklemme 6 des Arbeitsverstärkers 200 ist über einen 1OK Widerstand in einer Rückkopplungsschleife mit der Ausgängsklemme 7 verbunden. Bei dieser Anordnung wird das Fp-Spannungssignal um einen Faktor 10 gedämpft und über die Leitung 204 zu der

Klemme 22 des Zweiquadrantteilers 202 geführt, und das F.-Spannungssignal wird über die Leitungen 182 und 1*10 an die Klemme XI des Teilers 202 geleitet. Der Teiler 202 ist im Innern so ausgebildet, dass das Eingangssignal an der Klemme 22 mit zehn multipliziert und durch das XI-Eingangssignal dividiert wird, so dass der Quotient an der Ausgangsklemme erzeugt wird wie dargestellt. Als Folge des Umstandes, dass das F„-Spannungssignal geschwächt und 1/10 des Fp-Spannungssignals am Ausgang des Arbeitsverstärkers 200 erzeugt und in dem Teiler 202 mit zehn multipliziert wurde, ist das an die Leitung 150 gelangende Ausgangssignal aus dem Sollwertprozentrechner 116 das Verhältnis des F_?-Signals zu dem F.-Signal oder gleich der prozentualen Einstellung des Sollwerts 2 für den abhängigen Injektorströmungsrnengenregler J>k.

Die Summierung der Sollwertsignale, die in jedem Fall zwischen null und eins liegen, wird an dem Suirimierungsverstärker "1^8 durchgeführt. Der Summierungsv.erstärker 1*18 enthält vier Arbeitsverstärker 206, 208, 210 und 212, die je Teile eines einzelnen Quadrantenarbeitsverstärkers vom Typ LM32^N von National Semiconductor sind. Die Ausgangssignale aus den Sollwertprozentrechnern 116 und 118 werden durch 1OQK Widerstände 205 und 207 bzw. Leitungen 150 und 152 der nicht-invertierten Eingangsklemme des Arbeitsverstärkers 2O6 zugeführt. Das Signal an der gemeinsamen

Klemme zwischen den Widerständen 205 und 207 ist der Mittelwert der Spannungen aus den Sollwertproaentreehnern 116 und 118. Die invertierende Klemme des Arbeitsverstärkers 206 ist über einen lOOK Widerstand mit Erde und über eine Rückkopplungsschleife mit einem IQOK Widerstand mit der Ausgangsklemme 1*1 verbunden, wodurch ein Verstärkungsgrad 2 erreicht wird. Dadurch, dass der Mittelwert der beiden Signale aus 116 und 118 genommen und dann mit zwei multipliziert wird, erhält man die Summe der beiden Signale. In gleicher Weise sind die Ausgangsleitungen 15^ und 156 aus den Prozentrechnern 120 und 122 über lOOK Widerstände und 211 mit der nicht-invertierendei Eingangsklemme des Arbeitsverstärkers 208 in dem Summierungsverstärker 1*18 verbunden, um die Summe der Signale aus den Rechnern 120 und 122 zu bilden. Die invertierende Eingangsklemme des Arbeitsverstärkers 208 ist gleichfalls über einen lOOK Widerstand mit Erde und über eine Rückkopplungsschleife mit einem lOOK Widerstand mit der Ausgangsklemme verbunden. Die Ausgänge aus den Arbeitsverstärkern 206 und 208 sind über Leitungen 21*1 und 126 jeweils über lOOK Widerstände mit der nicht· invertierenden Eingangsklemme des Arbeitsverstärkers 212 verbunden. Die nicht-invertierende Eingangsklemme des Arbeitsverstärkers 212 ist über einen lOOK Widerstand mit Erde und über eine Rückkopplungsschleife mit einem lOOK.Widerstand mit der Ausgangsklemme ver-

bunden. Der Ausgang des Arbeitsverstärkers 212 ist durch die Leitung 218 über einen lOOK Widerstand mit der nichtinvertierenden Eingangsklemme des Arbeitsverstärkers 210 verbunden.

Ausserdom wird dem Eingang des Arbeitsverstärkers 210 ein 1 Volt-Signal zugeführt, das von dem 1 VoIt-Bezugagenerator 158 erzeugt ist, der einen 680 Ohmwiderstand aufweist, welcher über eine Zenerdiode 220 (im Handel erhältlich als Motorola Typ 1N7*J6 mit '3,3 Volt Durchbruchpotential) mit Erde verbunden ist. Das 1 Volt-Signal wird von einem Potentiometer 222 abgegriffen, das parallel zu der Zenerdiode 220 liegt. Das 1 Volt-Signal wird über eine Leitung 224 mit einem lOOK Widerstand an die nicht-invertierende Eingangsklemme des Arbeitsverstärkers 210 geführt. Die invertierende Eingangsklemme des Arbeitsverstärkers 210 ist über einen lOOK Widerstand mit Erde und über eine Rückkopplungsschleife mit einem lOOK Widerstand mit der Ausgangsklemme verbunden'. Wie bei den Arbeitsverstärkern 206, 208 und 212, empfängt der Arbeitsverstärker 210 den Mittelwert der beiden Eingangssignale an der nichtinvertierenden Eingangsklemme, hat einen Verstärkungsgrad 2 und erzeugt ein Ausgangssignal, das gleich ist der Summe der beiden Eingangssignale. Der Ausgang des Arbeitsverstärkers 210 ist mit der Ausgangsleitung l60 verbunden und bildet ein Signal gleich der Summe der Sollwerte für die.Strömungsmengenregler 3¹J,

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35, 36 und 37 plus 1. Dieses Signal wird dem Teiler zugeführt.

Der Teiler l62 umfasst einen Arbeitsverstärker ?30, etwa einen vom Typ UA? ¹TfCN von Texas Instruments, und einen als integrierte Schaltung ausgeführten Zweiquadrantteiler 232, der eine Analogschaltung AD535 sein kann. Die Eingangsleitung 16¹I zu dem Arbeitsverstärker 230 ist mit der invertierenden Klemme verbunden und liefert ein Signal gleich der Summe des Silan-Signals plus dem Phosphin-Signal und dem Silan-Feblersignal oder, wie in Gleichung (7) als Zähler ausgedrückt, F(SiH^) + F(PH₃) + (SiH₁₁ Fehler).

Die Leitung 16¹J führt zu der nic.ht-invertierenden Eingangsklemme des Arbeitsverstärkers 230 über einen 37J¹IK Widerstand, wobei die Eingangskiemine über einen l6,2K Widerstand mit Erde verbunden ist. Die Eingangsklemme des Arbeitsverstärkers 230 ist über eine Rückkopplungsschleife mit einem 15K Widerstand mit der Ausgangsklemme verbunden» "Das über die Leitung 16¹I geführte, Eingangssignal ist gedämpft, so dass der Ausgang aus dem Arbeitsverstärker 230 drei Zehntel der Spannung beträgt, welche die gesamte Strömung wie im Zähler der Gleichung (7) zum Ausdruck gebracht darstellt. Der Ausgang aus dem Arbeitsverstärker 230 ist -durch die Leitung 23^ mit der Klemme 22 verbunden, wogegen der Ausgang des Summierverstärkers 1^8 durch die Leitung l60 mit der Klemme XI des als integrierte Schaltung

Ί *

ausgeführten Teilers 232 verbunden ist. Der Teiler 232 multipliziert das Eingangssignal an Z2 mit zehn, er macht auf diese Weise den Zähler gleich dem dreifachen des Gesamtstromsignals im Hinblick auf die drei Zehntel betragende Dämpfung an dem Arbeitsverstärker 230. Diese Multiplikation des Gesamtströmungssignals PT um einen Faktor drei ist erforderlich wegen der Strömungsdifferenzreaktionen der einzelnen Injektorströmungsmengenregler 33» 3^, 35, 36 und 37» verglichen mit dem Silan-Strömungsmesser 47· Da diese Ströraungsregler eine Reaktion (response) von 10 sccm/Volt aufweisen, während der Strömungsmesser eine Reaktion von 30 sccm/Volt hat, muss das die Größe PT darstellende Spannungssignal mit drei multipliziert werden, um es auf die tatsächliche Strömung, und zwar auf einer Basis zu beziehen, die normalisiert oder vergleichbar ist derjenigen, die für die Injektoren benutzt wird■> _;-PasA"usgangssignal aus ■■-dem die Form einer integrierten Schaltung aufweisenden Teiler 232 wird durch einen als Puffer 236 wirkenden Arbeitsverstärker mit dem Verstärkungsgrad eins gelei-.tet und ist gleich F₁ wie in der obigen Gleichung (7) ausgedrückt. Dieses Ausgangssignal gleich F₁ wird dann über die Leitung 184 dem Multiplexer 198 zugeleitet, von wo aus es den Hauptströmungsmengenregler 33 steuert. Dieses Ausgangssignal aus dem Teiler 162 wird auch über die Leitung 182.den Sollwertprozentrechnern 116, .118 und 120-Una'122. sowie den Sollwert-

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Verstärkungsreglern IQO, 102, 104 und 1θ6 zu den oben erläuterten Zwecken zugeführt.

Um den Teiler 162 das der Gesamtgasströmung entsprechende Signal zusammen mit dem Fehlersignal zuzuführen, sind der Fehlerveratärker 17^4 und der Sollwertsummierverstärker l66 vorgesehen. Der Fehlerverstärker 174 enthält Arbeitsverstärker 2*10 und 242. Der Arbeitsverstärker 240 ist ein Teil eines Bausteins LM324N Quad Op-Amp (Hersteller: National Semiconductor) und der Arbeitsverstärker 2*12 ist ein Baustein LMT⁴IlCN (Hersteller: National Semiconductor). Die nicht-invertierende Eingangskleirane des Arbeitsverstärkers 2^0 wird mit einer Spannung gleich dem Silan-Sollwert gespeist, die über die Leitung 2kk durch einen 1OK Widerstand an die nicht-invertierende Klemme geführt wird. Ein 200K Widerstand "i#$t von der nicht-invertierenden Eingangsklemme des Arbeite Verstärkers .2¹IO mit Erde verbunden. Die Leitung 178 leitet das Signal aus dem Silan-Strömungsmesser 47, zu der invertierenden Eingangsklemme über einen 1OK Widerstand. Die invertierende Eingangsklemme ist über eine Rückkopplungsschleife mit einem 200K Widerstand an die Ausgangsklemme angeschlossen, so dass sich ein Verstärkungsgrad 20 an dem Arbeitsverstärker 240 ergibt. Der Arbeitsverstärker 240 wirkt als Differentialverstärker zum Vergleichen des Silan-Sollwertsignals mit dem Silan-Strömungsmessereignal und erzeugt, ein Fehlersignal

gleich der Differenz zwischen den beiden Signalen multipliziert um einen Paktor 20. Diese Ausgangsgrösse wird über einen lOOK Widerstand und die Leitung 172 an den Summersöl 1wertverstärker geführt.

An dem anderen Arbeitsverstärker 2^2 ist das Silan-Sollwertsignal über einen 1OK Widerstand an die nichtinvertierende Eingangsklemme angeschlossen und das Silan-Strömungsiriessersignal von der Leitung 178 über einen 1OK Widerstand an die invertierende Eingangsklemme geleitet. Ein 120 0hm Widerstand liegt zwischen den beiden Eingangsklemraen. Die Ausgangsklemme ist mit dem übergang zwischen einem 56K Widerstand, der auf plus 15 Volt vorgespannt ist, und einem 56O 0hm Widerstand angeschlossen. Der 56K Widerstand ist durch eine Leitung 181 mit einer LED-Signallampe in Form einer lichtemittierenden Diode verbunden, Wenn das Silan-Strömungsmessersignal kleiner ist als der Silan-Soll-' wert und zwar um einen Betrag, der etwa gleich 0,20 Volt oder mehr ausmacht, so schaltet die Spannung zwischen den Eingangsklemmen des Arbeitsverstärkers 242 den Vergleicher, wodurch eine positive Spannung erzeugt wird, durch die die lichtemittierende Diode 180 in Vorwärtsrichtung vorgespannt wird.

Der Sollwertsummierverstärker I66 enthält drei Arbeitsverstärker 260, 262 und 26¹J, von denen jeder ein Teil eines Bausteins LM32*tN Quad Op-Amp-Arbeitsverstärkers (von National Semiconductor)■ist. Die Eingangs-

leitung l68 wird mit einem Spannungssignal gespeist, das gleich dem Sollwertsignal des Pbosphin-Strömungsinengenreglers 55 ist. Die Leitung 168 führt über einen 63,4k Widerstand an die nicht-invertierende Eingangsklemme des Arbeitsverstärkers 260 und die nicht-invertierende Eingangskleinrne ist auch über einen 33,?K Widerstand mit Erde verbunden. Die invertierende Eingangsklemme des Arbeitsverstärkers ist mit der Ausgangsklemme über einen 33K betragenden Rückkopplungswiderstand verbunden. Dieses Netzwerk erzeugt eine 0,3^ betragende Dämpfung in dem den Phosphin-Sollwert darstellenden Signal. Diese Dämpfung ist notwendig, um das Phosphin-Signal an das Silan-Signal anzugleichen, so dass beide eine entsprechende Basis von 30 sccm pro Volt haben. Die Silan-Sollwertspannung und die angeglichene oder gedämpfte Phosphin-Sollwertspannung werden in einem nicht-invertierenden Summierverstärker 266 summiert, der zwei in Reihe geschaltete lOOK Widerstände 266a und 266b, aufweist und einen Spannungsmittelwert zwischen den beiden angelegten Spannungen hervorbringt. Die Ausgangsklemme des Arbeitsverstärkers 260 ist durch eine Leitung 268 mit einem der lOOK Widerstände 266a verbunden und die Silan-Sollwertspannung wird dem lOOK Widerstand 266b durch -die Leitung 170 zugeführt.

Der Verbindungspunkt zwischen den beiden Widerstän<den 266a und 266b ist mit -der nicht-invertierenden

Eingangükleniine des Arbeitsverstärkers 262 verbunden. Die invertierende Eingangsklemme ist über einen lOOK Widerstand mit Erde und über einen lOOK Widerstand einer Rückkopplungssehleife mit der Ausgangsklemme verbunden. Der so geschaltete Arbeitsverstärker weist einen Verstärkungsgrad 2 auf und ergibt eine Spannung gleich der Summe der Silan- und Pbosphin-Sollwertspannungssignale. Das Signal aus dem Summierverstärker 266 ist gleich dem Mittelwert der beiden E-irißarjgssignale, welche, wenn sie mit zwei multipliziert werden, gleich der Summe der Eingangssignale sind.

Die nicht-invertierende Klemme des Arbeitsverstärkers 26·4 ist mit dem Ausgang des Arbeitsverstärkers 262 durch einen 1ΟΌΚ Widerstand 265 verbunden, während die Leitung 172 die nicht-invertierende Klemme des Arbeitsverstärkers 26-U mit der Ausgangsklemme des Arbeitsverstärkers· 24o über einen lOOK Widerstand 267 verbindet. Die Widerstände 265 und 267 bilden einen Summierverstärker, wobei die gemeinsame Klemme so geschaltet ist, dass sie den Mittelwertsbetrag der Ausgangssignale der Arbeitsverstärker 262 und 2^0 den nicht-invertierenden Eingangsklemmen des Arbeitsverstärkers 26k zuführt. Die invertierende Eingangsklemme des Arbeitsverstärkers 26*J ist über einen lOOK Widerstand mit Erde und über eine Rückkopplungssehleife mit einem lOOK Widerstand mit der Ausgangs-

klemme verbunden. Dies ergibt einen Verstärkungsgrad von 2 an dem Arbeitsverstärker 264, der ein Signal in der Ausgangsleitung 164 zu dem Teiler 162 erzeugt, das gleich der Gesaintströmung FT von Si]an und Fhosphin plus oder minus dem Silan-Fehlersignal ist.

Zur Regelung der übertragung der Steuer:.; ignal e aus dem Teiler 162 und aus den Sol I worlvorstarkunf.oeinstellern 100, 102, 104, 106 sind zwei Analog-Multiplexer 198 und 298 in Form je eines Bausteins CD4O53 (National Semiconductor) vorgesehen, welche das Anlaufen und Auslaufen des Systems grundsätzlich steuern. Diese Multiplexer 198 und 298 sind digital geregelte Analogschalter mit niedriger "EIN-" Impedanz und sehr niedrigen "AUS-" Leckströmen.

Vor dem Anlaufen wird das Silan-Sollwertsignal, das sich zwischen 0 und 5 Volt ändern kann, von einem (nicht dargestellten) Schaltpultpotentiometer an eine Leitung 300 gelegt, die zu der Klemme 12 (AO) des Multiplexers 298 führt. Der Ausgangswert dieses Signals erscheint an der Klemme 14, AZ, wenn die Logikwahl-Eingangs spannung an dem Stift 11 "niedrig" ist. Bevor der Verdampfungsvorgang beginnt, wird das Vorbereitungssignal, das "hoch" ist, über die Leitung 302 an die Stifte 9, 10 und 11 der Multiplexer 298 und 198 geführt, und zwar über einen 2,4K Widerstand, der ausserdem über einen 4,7K Widerstand geerdet ist. Das Vorbereitungssignal wird ferner an die Transistoren 304

und 306 gelegt, und zwar über die Leitung 308 und zwei Widerstände, einen 2,YK Widerstand, der mit der Basis des Transistors 304, ein PNP-Transistor vom Typ TIP (Texas Instruinents), und einen 33K Widerstand, der mit d«;r Basis des Transistors 306 verbunden ist, ein NPN-Tram..vistor vom Typ 2N2219 (Pairchild).

Während des normalen Betriebs sind die Strömungsmengenregler 33, 34, 35, 36 und 37 durch Leitungen 312 mit einer 12 Volt-Energiequelle 310 verbunden. Während das Ausschaltsignal auf der Leitung 308 hoch ist, ist der Transistor 304 im Ausschaltsinn vorgespannt (biased off), und der Transistor 306 ist leitend, klemmt die Leitung 312 an Erdpotential und gewährleistet dadurch, dass die Strömungsregler 33, 34, 35, 36 und 37 geschlossen bleiben, so dass kein. "Jagen" (hunting) oder "Suchen" (searching) auftritt.

Vor dem Anlaufen wird eine negative Spannung von annähernd 0,6 Volt aus VEE, Anschlußstift 7, an den Anschlußstift 13, Al, über einen Leiter 314 gelegt, der die Anschlußstifte 7, 13, 1 und 3 beider Multiplexer 198 und 298 verbindet. Während das Vorbereitungssignal (enable signal) hoch ist, ist das Ausgangssignal an dem Stift 14, AZ,.das minus 0,6 Volt-Signal aus dem Stift 13, Al, das auf den Pehlerverstärker 174 und den Summierverstärker I66 durch die Leitung 316 übertragen wird. Mit der negativen Spannung von 0,6 Volt, die dem Arbeitsverstärker 242 in dem Fehler-

verstärker 174 zugeführt wird, gelangt eine negative · Spannung an den Fehleranzeiger l8O, so dass kein Fehler signalisiert wird.

Wenn der AufdampfVorgang beginnt, geht das Vorbereitungssignal an den Leitungen 302 und 308 nach unten auf niedrig und legt Erdpotential an die Basiselektroden der Transistoren }0k und 306, was zur Folge hat, dass der Transistor 304 leitend wird, und der Transistor 306 abschaltet und die 12 Volt-Knc-rgde an die Strömungsmengenregler 33, 34, 35j 36 und 37 legt. Ausserdem veranlasst das Vorbereitungssignal die Multiplexer I98 und 298 zur Übertragung der Sollwertsignale von den Leitungen 184, 108, 110, 112 und 114 auf ihre entsprechenden Strömungsmengenregler 33, 34, 35, 36 und 37. Somit halten die Multiplexer 198-und 298 die Injektorströmungsmengenregler bis zu dem Zeitpunkt geschlossen, an dem der AufdampfVorgang beginnt. Diese Bedingung ist wichtig, da ein sogenannter "weicher Start" bei vielen Arten chemischer Aufdampfprozesse einschliesslich des Niedertemperatur-Oxid-CVD-Prozesses von geradezu wesentlicher Bedeutung ist.

Die vorstehende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung betrifft ein bedeutend verbessertes System zur Regelung oder Steuerung der Gasströmungen in Verbindung mit einem chemischen Aufdampfprozess. Im Hinblick auf die wesentlichen Probleme, die bestehen, wenn eine gleichmässige Aufdampfung von

Oxidschichten über die ganze Länge der Prozeßzone und über den Durchmesser der zu bearbeitenden Plättchen erhalten werden soll, ist es von grösster Wichtigkeit, eine Apparatur zu schaffen, bei der die Strömung der gemischten Gase durch die einzelnen Injektoren verändert werden kann, um die oben erwähnten Schwankungen zu kompensieren und zu beseitigen. Die Verwendung von Strömungsmengenregler)! an jedem einzelnen Injektor bedeutete eine Verbesserung. Aber die praktischen Erfordernisse bei Bearbeitungssituationen, die Gasmischung zu verändern und die Gesamtgasströmung zu verändern, ohne dabei die relativen Prozentsätze der Strömung durch die verschiedenen Injektoren zu verändern, war mit den Vorgängersystemen nicht zu erreichen. Dadurch aber, dass für eine Pührungs- und Abhängigkeitsbeziehung (master/slave relationship) zwischen den verschiedenen Injektoren gesorgt wird, wurde mit der Erfindung ein System geschaffen, das eine bedeutend grössere Flexibilität aufweist als sie bisher erreichbar war. Die dazu verwendeten Mittel und Einrichtungen sind einfach, praktisch und wirtschaftlich.

Claims

D.PL.-I NG. J. RICHTER -^l \ ·,.- R..A T F. N-^-A N W A L T E

DIPL.-!NG. F. WERDERMANN

ZUOEU. VERTRETER BEIM EPA · PROFESSIONAL REPRESENTATIVES BEFORE EPO - MANDATAIRES AGREES PRES L¹OEB

2OOO HAMBURG 36 6. Sept . 1 ^cl 8 NEUER WALL 1O

¹S (O 4O) 34OO4S/34OO 56

TELEGRAMME:
INVENTIUS HAMBURG

TELEX 8163 551 INTU D

UNSER ZEICHEN OUR FILE T. 82 3^3

Wdm/le

Anmelder:

THERMCO PRODUCTS CORPORATION,

1465 North Batavia, Orange, Kalif. 92668 (V.St.A.)

Gasregeleinrichtung für eine' chemische Bedampfungsanlage.

Patentansprüche:

Ij. Gasregeleinrichtung für eine chemische Bedampfungsanlage mit zwei regelbaren" Quellen zu mischender und in
eine Reaktionszone einzuführender Gase, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Gasquelle'durch einen Strömungsregler geregelt wird und die andere mit einem Strömungsmengenmesser versehen ist, der ein Fehlersignal liefert, sobald die Strömung durch ihn von einem vorgewählten
Sollwert der Strömung abweicht, daß ein Mischverteiler, an den beide Strömungsquellen angeschlossen sind und der dazu dient, die Gase auf der Abströmseite des

Strömungsmengenreglers und des Strömungsmengenmessers zu mischen, sowie mehrere zur Abgabe der gemischten Gase an Bereiche der Reaktionszone dienende Gasinjektoren vorgesehen sind, die mit dem Mischverteiler über Strömungsmengenregler, welche zum Steuern der Strömung der gemischten Gase zu den einzelnen Injektoren dienen, verbunden sind, und dass die Injektorströmungsmengenregler von einem gemeinsamen Regler mit einer Einrichtung zur Lieferung eines ausgewählten Teils der Gesamtströmung von jedem der verschiedenen Indiktaoren entsprechenden Bedingungen des sich ändernden Gesamtstromes der gemischten Gase' geregelt sind, und das Pehlersignal an den gemeinsamen Regler für die Injektorströmungsmengenregler angelegt wird, um den Gesamtstrom der gemischten Gase so zu regeln, dass die Strömung durch den Strömungsmengenmesser mit dem vorgewählten Sollwert übereinstimmt.
2. Gasregeleinrichtung .nach Anspruch 1, dadurch' gekennzeichnet, dass der gemeinsame Regler einen 'Hauptregler für einen der Indikatoren und abhängige Regler für die anderen Indikatoren umfasst, und dass die abhängigen Regler mit einzelnen Regelvorrichtungen zur Auswahl der Geschwindigkeit der Strömung durch jeden Injektor versehen sind, die einen ausgewählten Prozentsatz der Geschwindigkeit der Strömung in den zu dem Hauptregler gehörenden Injektor beträgt. ·

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3. Gasregeleinrichtung nach'Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptregler durch einen Teiler geregelt wird, der auf ein der Summe der gewählten Strömungsgeschwindigkeiten der zu mischenden Gase., geteilt durch die Summe der ausgewählten Prozentsätze für die Gasströmungen in den anderen Injektoren plus eins entsprechendes Signal anspricht.
k. Gasregeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Fehlersignal verstärkt und dem die Summe der gewählten Strömungsgeschwindigkeiten der zu mischenden Gase entsprechenden Signal zugesetzt wird, um die Strömung durch den Strömungsmengenmesser auf den Sollwert zu berichtigen.
5. Gasregeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Pehlersignal einem Vergleicher zugeführt wird und dazu dient, ein Alarmsignal zu bilden, wenn der Fehler das Maß einer vorbestimmten Strömungsgeschwindigkeit überschreitet.
6. Gasregeleinrichtung für eine chemische Bedampfungsanlage mit .zwei regelbaren Quellen zu mischender und in die erhitzte Zone eines Prozeßrohres in einem Diffusionsofen einführbarer Gase, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Gasquelle durch, einen Strömungsmengenregler geregelt und die andere m.it einem Strömungsmengenmesser versehen ist, der ein

Pehlersignal liefert, wenn die Strömung durch den Strömungsmengenmesser von einem vorgewählten Sollwert abweicht, beide Quellen mit einem auf der Abströmseite des Ströinungsmengenreglers und des Strömungsmengenmessers angeordneten Mischverteiler verbunden sind, und mehrere Gasinjektoren vorgesehen sind, die dazu dienen, die gemischten Gase, benachbarten Bereichen längs der Heizzone des Prozeßrohres zuzuführen, und die mit dem M.ischverteiler über Strömungsmengenregler zum Regeln der Strömung der gemischten Gase zu den einzelnen Injektoren verbunden sind, wobei einer der Injektor-Strömungsmengenregler ein Hauptregler ist, der die Strömung der Gasmischung auf einen vorgewählten Wert regelt und die anderen Injektor-Strömungsmengenregler von dem Hauptregler abhängig sind und Regler aufweisen, die dazu dienen, in den abhängigen Reglern Strömungen eines ausgewählten Prozentsatzes der Strömung durch den Hauptregler zu bilden, und wobei das Pehlersignal dazu dient, die Gesamt strömung der gemischten Gase durch die abhängigen Regler zu regeln und dafür zu sorgen, dass die Strömung durch den Strömungsmengenmesser dem Sollwert entspricht.
7. Gasregeleinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Regler für die abhängigen Regler je einen einstellbaren Regler zum Auswählen

3233034

einer Strömungsgeschwindigkeit von null bis einhundert Prozent der Strömungsgeschwindigkeit durch den Hauptregler aufweisen, ferner eine Vorrichtung zum Addieren der ausgewählten Prozentsätze und zum Aufteilen der Summe plus eins in ein der Gesamtströmung der zu mischenden Gase entsprechendes Signal und zum Erzeugen eines Signals zum Regeln des· Hauptreglers.
8, Gasregeleinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gesamtströmungssignal die Summe des Regelsignals .für die Strömungsmengenregler der einen Gasquelle, eines Signals, das dem Strömungssollwert der anderen Gasquelle durch den Strömungsmengenmesser entspricht, und des verstärkten Fehlersignals darstellt.
9. Gasregeleinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Fehlersignal einem Vergleicher zugeführt wird und dazu dient, ein Alarmsignal zu erzeugen, wenn der Fehler ein vorbestimmtes Maß der Strömungsgeschwindigkeit überschreitet.
10. Gasregeleinrichtung für eine chemische Bedampfungsanlage zur Bearbeitung von Halbleitermaterialien, in einem mit niederer Temperatur und niederem Druck arbeitenden Verfahren, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mischung aus luftentzündliehen Gasen und Sauerstoff getrennt in die beheizte Zone eines Prozeßrohres eines Diffusionsofens mit folgenden Merkmalen eingeführt werden:

Ein abgeschlossenes Prozeßrohr mit Einrichtungen zum Evakuieren darin enthaltener Gase und zum Beheizen von Plättchen, die in einer Prozeßzone enthalten sind, eine erate Gasinjektionsvorrichtung mit mehreren in das Pro'zeürohr hineinreichenden Gasinjektoren, deren .Austrittsöffnungen in Abständen längs der Prozeßzone verteilt sind, eine zweite Injektionsvorrichtung, die in dem Prozeßrohr mit Abstand von der ersten Injektionsvorrichtung angeordnet ist und sich in der gleichen Richtung wie diese erstreckt, individuelle Strömungsmengenregler zur Regelung der Gasströmung zu jedem der Injektoren der ersten Gasinjektionsvorrichtung, ein Gasmischverteiler mit Leitungen zur Zuführung einer Gasmischung zu den einzelnen Strömungsmengenreglern, zwei getrennte Quellen luftentzündlicher Gase mit Verbindungen zur Speisung des Verteilers mit solchem Gas, einem Strömungsmengenregler zur Herstellung einer gewählten Strömungsgeschwindigkeit eines der luftentzündlichen Gase, während die Strömungsgeschwindigkeit des anderen luftentzündlichen Gases durch die Strömungsmengenregler geregelt wird, welche auch die einzelnen Injektorströme regeln.
11. Gasregeleinrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch einen die Strömung der .anderen luftentzündlichen Gase messenden Strömungsmengenmesser, der ein Signal erzeugt, das der Strömungsgeschwindigkeit proportional ist, eine Einrichtung zur Erzeugung

eines Sollwertsignals, das der gewählten Strömung der anderen luftentzündlichen Gase entspricht, und eine Hauptregeleinrichtung zur Regelung der Strömungsmengenregler, welche die einzelnen Injektorströme regeln, um die in dem Strömungsmengenmesser gemessene Strömung der gewählten Strömungsgeschwindigkeit anzupassen.
12. Gasregeleinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptregeleinrichtung einen Vergleicher enthält, der dazu dient, das Signal aus dem Strömungsmengenmesser.mit dem Sollwertsignal zu vergleichen und ein Fehlersignal zu bilden, das dazu dient, die Strömungen in den einzelnen Injektoren zu . berichtigen und den Fehler zwischen der gemessenen Strömung und dem Strömungs-Sollwert zu beseitigen.
13. Gasregeleinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsmengenregler, welche die einzelnen Injektorströme regeln, einen Hauptströmungsmengenregler und mehrere abhängige Strömungsmengenregler enthalten, welche wählweise einstellbare Regelvorrichtungen zum Einstellen der einzelnen Ströme auf einen gewählten Prozentsatz der Strömung in dem Hauptströmungsmengenregler aufweisen. .

I²J. Gasregeleinrichtung nach Anspruch .13, gekennzeichnet durch einen Vergleicher zum Vergleichen des Strömungsmengenmessersignals und des Sollwertsignals und zur Bildung eines Fehlersignals sowie eine Einrichtung zum Anlegen des Fehlersignals an den

Hauptströmungsmengenregler, so dass die Strömung durch sämtliche Injektoren so eingestellt wird, dass das Fehlersignal beseitigt wird und die gleichen relativen Ströme in den einzelnen Injektoren aufrechterhalten werden.