DE69907890T2

DE69907890T2 - Verfahren und vorrichtung zur druckregelung in vakuumanlagen

Info

Publication number: DE69907890T2
Application number: DE69907890T
Authority: DE
Inventors: K. Brian MCMILLIN; Farro F. Kaveh; Michael Barnes
Original assignee: Lam Research Corp
Current assignee: Lam Research Corp
Priority date: 1998-03-31
Filing date: 1999-03-30
Publication date: 2004-02-19
Anticipated expiration: 2019-03-31
Also published as: JP4382984B2; WO1999050730A1; EP1066550B1; ATE301303T1; US6142163A; DE69907890D1; KR100528229B1; JP2002510083A; TW425592B; DE69926551T2; EP1306737A2; EP1306737A3; EP1066550A1; ES2242820T3; EP1306737B1; ES2197633T3; DE69926551D1; KR20010042381A; ATE240544T1

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung ist eine Teilfortsetzung der US-Anmeldung Seriennummer 08/627,712, die am 29. März 1996 angemeldet wurde, wobei der Inhalt davon hier in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen ist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft das Gebiet der Halbleiterwaferverarbeitung und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Regeln des Druckes der Reaktionskammer bei der Halbleiterwaferverarbeitungsgerät.
Beschreibung der betroffenen Technik
Vollautomatisierte Waferverarbeitungssysteme sind zur Zeit im kommerziellen Einsatz weit verbreitet. Bei derartigen Systemen werden Wafer mit Robotern in und aus einer Reaktionskammer oder Prozeßkammer transportiert, wo unter einer kontrollierten evakuierten Umgebung verschiedene Prozesse ausgeführt werden. Ein Beispiel eines derartigen Waferverarbeitungssystems ist das TCP^TM 9400 Einwaferplasma-Ätzsystem, das von Lam Research Corporation hergestellt wird.
In dem Fall von Plasmaätzen werden Halbleiterwafer in der Reaktionskammer geätzt, indem der Wafer den ionisierten Gasverbindungen (Plasma) unter sehr niedrigen Drücken ausgesetzt wird. Üblicherweise müssen während der Verarbeitung Drücke unter einem Torr in der Reaktionskammer aufrechterhalten werden. Prozeßanweisungen bestehen aus einer Reihe von Schritten, die die Gasströmraten, den Kammerdruck, die RF-Leistung, den Lückenabstand, den Kammerdruck und die Wafertemperatur regeln. Vorprogrammierte Sätze von Prozeßanweisungen werden typischerweise von dem Hersteller angegeben. Der Bediener kann entweder eine programmierte Anweisung auswählen, oder eine geänderte oder vertriebene Anweisung einsetzen.
Wenn das Ätzverfahren beginnt, werden ausgewählte Gase, die für die Verarbeitung eingesetzt werden, gemischt und in die Reaktionskammer mit Raten gemäß der Prozeßanweisung eingeleitet. Die RF-Leistung wird durch eine Spule im oberen Teil der Reaktionskammer geliefert und eingestellt, um die Prozeßgase zu ionisieren. Die RF-Leistung wird auch zu dem Wafer geliefert und eingestellt, um eine DC-Vorspannung auf dem Wafer zu induzieren, wodurch die Richtung und die Energie der Ionenbombardierung des Wafers gesteuert wird. Während des Ätzverfahrens reagiert das Plasma chemisch mit der Waferoberfläche, um Material zu entfernen, das nicht durch eine Maske bedeckt ist. Das Plasma und das elektrische RF-Feld sind vollständig in der Reaktionskammer enthalten. Ein Evakuiersystem entfernt andauernd Gase aus der Reaktionskammer, und hält dadurch den gewünschten Druck aufrecht. Das Evakuiersystem umfaßt typischerweise eine Turbopumpe, die von der Reaktionskammer durch einen Regelschieber getrennt ist. Ein Druckregler verwendet Druckdaten von einem Manometer in der Reaktionskammer, um den Grad der Schließstellung des Regelschiebers einzustellen. Der Druckregler öffnet und schließt den Schieber, um das von der Turbopumpe an die Reaktionskammer gelieferte Vakuum zu verstärken oder zu vermindern. Auf diese Weise versucht der Druckregler, den gewünschten Druck in der Reaktionskammer aufrechtzuerhalten, wenn sich die Gasströmraten in die Reaktionskammer von einem Prozeßschritt zu dem nächsten verändern.
Der Druckregler vergleicht die Daten von dem Reaktionskammermanometer mit den in der Anweisung programmierten Einstellwerten. Wenn sich entweder die Prozeßgasströmrate oder der gewünschte Druck in der Reaktionskammer stark von einem Prozeßschritt zu dem nächsten ändert, kann der Druckregler nicht fähig sein, die Schieberstellung entsprechend einzustellen.
Wenn es zum Beispiel der nächste Prozeßschritt erfordert, daß Gas mit viel höheren Strömraten eingeleitet wird, kann der Schieber anfänglich über- oder unterkompensieren, was zu einem falschen Druck in der Reaktionskammer an dem Anfang des Schritts führt. Um dieses Problem abzuschwächen, führen derzeit erhältliche Systeme ein Lernverfahren durch, jedes Mal, wenn eine neue Anweisung eingesetzt wird. Das Lernverfahren erzeugt eine Tabelle der ungefähren Schieberstellungen, die für jeden Prozeßschritt in der neuen Anweisung erforderlich sind. Bei dem Lernverfahren werden Dummywafer gemäß den Prozeßschritten der Anweisung verarbeitet, und der Regler zeichnet die Schieberstellungen auf, die für jeden Schritt erforderlich sind.
Ein Problem mit den derzeitigen Systemen besteht darin, daß ein neues Lernverfahren jedes Mal erforderlich ist, wenn eine neue Prozeßanweisung auf einer Maschine eingesetzt wird. Folglich veranlaßt der Bediener, wenn er die Anweisung durch Ändern des Einstelldrucks oder der Gasströmung von einem der Prozeßschritte ändert, notwendigerweise die Zeit und die Kosten zum Ableiten einer neuen Tabelle. Das Fahren neuer Lernverfahren kann insbesondere zeitintensiv sein, wenn man mit neuen Ansätzen experimentiert.
Ein anderes Problem bei den derzeitigen Systemen besteht darin, daß die Ergebnisse von den Lernverfahren ungültig sein werden, wenn irgendeines der Gaszuführventile oder -instrumente falsch eingestellt oder kalibriert ist. Wenn zum Beispiel eines der Gaseinströmventile während des Lernverfahrens falsch kalibriert ist, wird auch die sich ergebende Tabelle der Schieberstellungen falsch sein. Überdies kann der Fehler in der Tabelle nicht detektiert werden, bis verschiedene Wafer falsch verarbeitet sind.
Ein weiteres Problem bei den derzeit erhältlichen System betrifft die Bewegung des Schiebers selber. Während des Verarbeitens sammelt sich eine bestimmte Menge Abfallmaterial, das von dem Ätzvorgang erzeugt wird, auf der Oberfläche des Schiebers.
Wann immer die Schieberstellung geändert wird, werden Schwebstoffteilchen in die Umgebung entlassen. Aufgrund der extrem niedrigen Betriebsdrucke kann eine Zurückdiffusion die Schwebstoffteilchen zurück stromauf zu der Reaktionskammer tragen, wo eine unerwünschte Verunreinigung des Wafers auftreten kann.
Eine weitere Einschränkung bei den derzeitigen Systemen besteht darin, daß die Übergangszeit oder Stabilisationszeit manchmal unerwünscht lang sein kann. Die Übergangs- oder Stabilisationszeit ist die Zeit, die erforderlich ist, um den Druck in der Reaktionskammer auf den Druckeinstellpunkt für den Verarbeitungsschritt zu stabilisieren. Insbesondere, wenn die Kammer von einem relativ niedrigen Druck aus startet, wie zum Beispiel am Beginn der Verarbeitung, und der nächste Schritt einen relativ hohen Druck erfordert, wie zum Beispiel 80 mTorr, dauert die Stabilisierungszeit üblicherweise ungefähr 20 Sekunden in Abhängigkeit von dem Einstellwert der Gasströmung. Gemäß der derzeitigen Praxis wird die Kammerstabilisierung erreicht, indem die Prozeßgase in die Reaktionskammer mit den Einstellströmraten eingeleitet werden, die für den nächsten Verarbeitungsschritt erforderlich sind. Folglich ist in Fällen, wo der nächste Verarbeitungsschritt eine relativ niedrige Strömung erfordert, und der Kammerdruck wesentlich vergrößert werden muß, die Stabilisierungszeit oft unerwünscht lang.
Die WO 97/37161 beschreibt ein Verfahren, das einige der oben erwähnten Probleme überwindet. Dabei wird der Druck in der Prozeßkammer geregelt, indem ein Balastgas in das Evakuierungssystem eingeleitet und die Strömrate des Balastgases gemäß dem gemessenen Druck in der Prozeßkammer eingestellt wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, die derzeitige Technik der Druckregelung auf dem Gebiet der Waferverarbeitung zu verbessern, indem die Bewegung minimiert wird, die von dem Schieber während der Verarbeitung erforderlich ist, um dadurch die Menge an Schwebstoffteilchenabfallmaterial zu minimieren, das in die Reaktionskammer eingeleitet wird.
Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, die vorliegende Technik der Druckregelung auf dem Gebiet der Waferverarbeitung zu verbessern, indem die Notwendigkeit eliminiert wird, ein Lernverfahren durchzuführen, wann immer die Einstellwerte des Drucks oder der Gasströmraten für einen bestimmten Prozeßschritt wesentlich geändert werden, oder wann immer eine neue Anweisung eingesetzt wird.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die gegenwärtige Technik der Druckregelung auf dem Gebiet der Waferverarbeitung zu verbessern, indem die Stabilisierungs- oder Übergangszeit erheblich reduziert wird, die für bestimmte Prozeßschritte mit einem Druckeinstellwert erforderlich ist, der erheblich höher oder niedriger als der von dem vorhergehenden Schritt ist.
Um diese und andere Aufgaben zu erfüllen, ist die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren und eine Vorrichtung wie in den unabhängigen Ansprüchen angegeben gerichtet. Einige bevorzugte Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine Ansicht der rechten Seite, die einige der größeren Baugruppen einer Waferverarbeitungsmaschine darstellt;
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Gaszuführsystems, einer Reaktionskammer und eines Evakuiersystems einer Waferverarbeitungsmaschine;
3 zeigt eine Kurve, die Beispiele von Stabilisierungszeiten darstellt;
4 zeigt ein Blockdiagramm, das einige Komponenten eines Regelsystems und verschiedene Verbindungen zwischen solchen Komponenten darstellt;
5 zeigt eine Kurve, die Beispiele von Schieberstellungsabschätzungskurven darstellt;
6 zeigt ein Flußdiagramm, das ein alternatives Druckregelungsschema darstellt;
7 zeigt charakteristische Zeitläufe des Drucks und von dP/dt nach Druckeinstellwertänderungen;
8a zeigt ein Blockdiagramm einer konventionellen bekannten PID-Regeleinstellung; und
8b zeigt ein Blockdiagramm einer PID-Regeleinstellung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die folgenden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Zusammenhang mit einem automatisierten Einwaferplasmaäztsystem beschrieben, obwohl den Fachleuten klar sein wird, daß die offenbarten Verfahren und Strukturen ohne weiteres für breitere Anwendung anpaßbar sind. Zum Beispiel ist die Erfindung ohne weiteres für andere Waferverarbeitungsgeräte und Vakuumverarbeitungsgeräte anpaßbar. Man beachte, daß, wann immer das gleiche Bezugszeichen bezüglich verschiedener Figuren wiederholt wird, es auf die entsprechende Struktur in jeder derartigen Figur verweist.
Ein Plasmaätzsystem 100 ist in 1 dargestellt. Es sollte erwähnt werden, daß die vorliegende Erfindung in den 1 bis 2 nur beispielhaft dargestellt wird, wenn sie mit dem TCP^TM 9400 Einwaferplasmaätzsystem verwendet wird, das von Lam Research Corporation hergestellt wird. Aufgrund der oben dargelegten Lehre kann ein Durchschnittsfachmann ohne weiteres die vorliegende Erfindung mit irgendeinem geeigneten Vakuum- oder Waferverarbeitungsgerät verwenden, das die Regelung und Manipulation von Bearbeitungsdrucken in einer evakuierten Umgebung erfordert.
Wie in 1 gezeigt, umfaßt das Ätzsystem 100 eine Bedienerschnittstelle und Schalttafel 102, von der die Bediener die verschiedenen Prozesse und Merkmale des Ätzsystems überwachen und steuern. Wafersender- und -empfängerindizierer 104 senden Wafer zu und empfangen Wafer von den anderen Prozeßbaugruppen in dem Ätzsystem 100. In dem Fall des TCP^TM 9400 werden die Wafer mit Robotern von den Sendeindizierern entlang der linken Seite des Ätzsystems zu der Eingangsschleuse (nicht gezeigt) transportiert. von der Eingangsschleuse werden die Wafer in der Reaktionskammer 106 angeordnet, wo der Plasmaätzprozess stattfindet. In 1 ist das obere Kammergehäuse 108, das Quarzfenster 110 und das Kammermanometer 112 gezeigt. Nach der Verarbeitung treten die Wafer in die Ausgangschleuse 114 ein, und sie werden zurück zu den Indizierern 104 transportiert. Ebenso sind in 1 eine Gasbox 120, ein Luftverteiler 122, ein Schieber 124 und eine Turbopumpe 126 gezeigt, die alle unten detaillierter beschrieben werden.
2 stellt in schematischer Form die Reaktionskammer 106, das Gasliefersystem 128, das Abgassystem 130 und das Regelsystem 132 dar. Während des Ätzvorgangs ist ein Wafer an einer unteren Elektrodenanordnung in der Reaktionskammer 106 angeordnet oder darangeklemmt. Um eine kontrollierte Waferätzumgebung aufrechtzuerhalten, wird die Reaktionskammer 106 immer unter Vakuum gehalten, außer während der Wartung. Das Abgassystem 130 dient dazu, dieses Vakuum aufrechtzuerhalten, indem Gas aus der Reaktionskammer evakuiert wird.
Das Gasliefersystem 128 leitet Prozeßgase in die Reaktionskammer 106 durch einen Gasring 134 ein, der eine Vielzahl an Gasauslässen umfaßt, die in einem Ring um die untere Elektrodenanordnung und den Wafer angeordnet sind. Das Gasliefer system 128 steht unter der Kontrolle des Regelsystems 132. Das Gasliefersystem 128 liefert Prozeßgase zu der Reaktionskammer über mehrere Gasströmwege, die manuelle Absperrventile 138, Hauptabsperrventile 140, Massenströmregler 142 und Gasmischkrümmer 144 umfassen. Obwohl vier getrennte Gasströmwege in 2 gezeigt sind, kann im großen und ganzen irgendeine beliebige Anzahl von Gasströmwegen gemäß den Bedürfnissen der besonderen Anwendung eingesetzt werden. Von dem Gasmischkrümmer 144 treten die Prozeßgase durch die Prozeßgasleitung 146 und dann in die Reaktionskammer 106 über den Gasring 134.
Das Regelsystem 132 weist die Gassteuerschnittstelle 136 an, die Massenstromregler 142 zu öffnen und zu schließen, um die Strömung von Gasen zu dem Gasmischkrümmer 144 zu regulieren. Gemäß den zur Zeit erhältlichen Systemen würde während eines Stabilisierungsschritts oder eines Übergangs zwischen zwei Schritten, die eine Zunahme oder eine Abnahme in den Druckeinstellwerten erfordern, das Regelsystem die Massenströmregler anweisen, einfach die Strömung der Gase auf die Strömrate einzustellen, die für den nächsten Schritt erforderlich ist. Jedoch hat man herausgefunden, daß für Schritte, die eine Zunahme im Druck erfordern, die Geschwindigkeit der Antwort eine starke Funktion der Gaseinströmrate ist. Somit kann die Stabilisierungszeit oder Übergangszeit vorteilhafterweise reduziert werden, indem anfänglich die Massenströmregler auf Strömraten gestellt werden, die viel größer als die sind, die für den nächsten Ätzschritt erforderlich sind. Überdies hat man herausgefunden, daß diese vergrößerte Gasströmrate während der Stabilisierung einen minimal schädlichen Einfluß auf den Prozeß hat, weil die RF-Leistung während des Stabilisierungsschritts nicht eingesetzt wird.
3 zeigt Beispiele von Kurven, die zwei Stabilisierungs- oder Übergangszeiten 200 und 202 darstellen. Bei dem Beispiel von 3 muß die Reaktionskammer nur um einige paar mTorr für einen Prozeßschritt angehoben werden, der 80 mTorr Druck erfordert, und eine Strömrateneinstellwert von 40 SCCM. Unter Verwendung herkömmlicher Verfahren, wie in Kurve 200 gezeigt, wird das Gas einfach bei einem Einstellwert von 40 SCCM eingeleitet, und die Stabilisierungszeit beträgt ungefähr 20 Sekunden. Wie in Kurve 202 gezeigt, führt das Einleiten des Prozeßgases während der Stabilisierung am Anfang bei einer Rate von 320 SCCM zu einer Stabilisierungszeit von nur ungefähr 3 Sekunden. Eine derartige Abnahme in der Stabilisierungszeit führt zu einer erheblichen Zunahme im Durchsatz.
Andere Einleitungsraten können in Abhängigkeit von den Prozeßanforderungen und dem sich ergebenden Vorteil des erhöhten Durchsatzes eingesetzt werden. Im großen und ganzen wird die Stabilisierungszeit multipliziert mit der Durchflußrate unmittelbar proportional zu der Änderung im Druck sein. Unter Verwendung dieser Beziehung kann für eine gewünschte Druckzunahme eine geeignete Strömrate ausgewählt werden, um die Stabilisierungszeit zu vermindern.
Jetzt mit Bezug auf 4 wird ein Blockdiagramm des Regelsystems 132 dargestellt, das einen Hostcomputer 180, einen Bus 184, eine Gassteuerschnittstelle 136 und einen Druckregler 160 umfaßt. Der Hostcomputer 180 ist an einen Speicher 182 angeschlossen, der üblicherweise die Prozeßanweisungen in der Form einer Tabelle von Prozeßschritten und den entsprechenden Kammerdrucken, Prozeßgasströmraten, RF-Leistungseinstellungen, Lückenabständen und Temperatureinstellungen für jeden Prozeßschritt speichert. Der Bus 184 umfaßt typischerweise einen Standardbus, wie zum Beispiel einen VME-Bus, der mit dem Host 180 über ein lokales Netz kommuniziert, wie zum Beispiel dem Ethernet. Die Gassteuerschnittstelle 136 kommuniziert mit dem Bus 184 typischerweise über Analogleitungen und Digital- zu Analog- und Analog- zu Digitalkonvertern, die an dem Bus 184 sitzen. Durch die Gassteuerschnittstelle 136 und den Bus 184 kann der Host 180 Strömraten für die Massenströmregler 142 einstellen und Strömeinstellungen davon auslesen. Jedoch sind die Massenstromregler 142 auch durch Druckregler 160 über Konverter 188 regelbar. Der Druckregler 160 kommuniziert mit dem Bus 184 über einen RS232-Anschluß oder dergleichen. Der Druckregler 160 empfängt Druckauslesungen von dem Manometer 112, regelt den Schieberantriebsmotor 162 und regelt die Balastgasmassenströmregler 164a oder 164b (unten detaillierter erläutert).
Die zunehmende Einströmung von Prozeßgas in die Reaktionskammer kann entweder durch den Druckregler 160 oder durch den Host 180 geregelt werden. In dem Fall, wo der Druckregler 160 den Einfluß von Prozeßgas regelt, stellt der Druckregler 160 den Einfluß auf eine hohe Flußrate ein und überwacht den Druck in der Reaktionskammer 106 über das Kammermanometer 112. Wenn der Druck in der Reaktionskammer 106 in einen Bereich des Drucks gerät, der für den folgenden Prozeßschritt erforderlich ist, setzt der Druckregler 160 die Massenstromrelger 142 zurück, um Gas bei der Einstellwertrate des folgenden Prozeßschritts einzuleiten. Ein geeigneter Schwellwertdruck zum Rücksetzen der Strömraten auf die Einstellwertströmrate sollte für jeden bestimmten Aufbau des Geräts gewählt werden, so daß ein glatter Übergang zu dem Einstellwertdruck erreicht wird. Zum Beispiel hat man bei einigen Maschinen herausgefunden, daß, wenn der Druck innerhalb von 10% des Einstellwertdrucks liegt, die Strömrate auf die Einstellwertströmrate zurückgesetzt werden sollte.
Alternativ kann der Host 108 die Gaseinströmraten über die Gassteuerschnittstelle 136 regeln. Bei der Reglung durch den Host wird das Prozeßgas mit einer hohen Rate für eine Zeit t eingeleitet, nach der die Strömraten auf die Einstellwerte zurückgesetzt werden. Man hat herausgefunden, daß die richtige Zeit t zum Ändern der Strömrate von dem hohen Wert auf den Einstellwert per Experiment herausgefunden werden kann, indem ein Dummywafer einmal gefahren wird, und die Zeit überwacht wird, die erforderlich ist, um den Einstellwertdruck zu erreichen. Die Zeit t kann auch berechnet werden, indem eine Beziehung verwendet wird, die über einfaches Modellieren der Kammer geschaffen wurde, wie unten gezeigt:
P = αṁ·t – t = P/ṁα
Der wert von alpha variiert mit dem bestimmten Aufbau des Geräts einen Wert von ungefähr 0,3 hat man für eine Experimentiermaschine herausgefunden, die von Lam Research Corporation hergestellt wurde.
Folglich kann die Stabilisierungszeit und die Übergangszeit während Druckschrittänderungen erheblich verkürzt werden, wodurch das Prozeß effizienter gemacht und der Durchsatz erhöht wird.
Wieder mit Bezug auf 2 wird das Evakuiersystem detaillierter beschrieben. Das Evakuiersystem 130 dient dazu, ein Vakuum in der Reaktionskammer 106 zu erzeugen. Das Evakuiersystem 130 umfaßt einen Luftverteiler 122, einen Schieber 124, eine Turbopumpe 126 und Ballastöffnungen iii und bi. Wie in 2 gezeigt, ist der Luftverteiler 122 unmittelbar mit der Reaktionskammer 106 verbunden. Zwischen dem Luftverteiler 122 und der Turbopumpe 126 ist der Schieber 124. Man beachte, daß, obwohl das Ventil 124 gezeigt und als Schieber bezeichnet ist, die Durchschnittsfachleute auf dem Gebiet erkennen, daß viele alternative Ventilarten eingesetzt werden können, die einen Drosseleffekt auf die Strömung von Gas zwischen der Prozeßkammer und der Vakuumpumpe haben. Derartige Ventile umfassen zum Beispiel Klappenventile, Flügelventile, schlitzartige Ventile und irisartige Ventile.
Außerdem kann das Evakuiersystem 130 auch eine Unterstützungspumpe (nicht gezeigt) umfassen, die verwendet wird, um anfänglich die Reaktionskammer 106 von Athmosphärendruck auf einen Grobvakuumdruck von ungefähr 1 mTorr leerzupumpen. Das Regelsystem 132 koordiniert das Öffnen und Schließen der Isolierventile, die jede Pumpe mit der Kammer verbinden, so daß die Turbopumpe 126 fortfährt, den Druck zu vermindern, wenn die Hilfspumpe ihre untere Druckgrenze erreicht. Sobald die Hilfspumpe die Kammer auf ihre untere Druckgrenze leergepumpt hat, wir die Turbopumpe benutzt, um dem Kammerdruck auf weniger als 1 mTorr zu vermindern.
Bei zur Zeit erhältlichen Systemen verwendet der Druckregler 160 Druckdaten von dem Kammermanometer 112, um den Schieber 124 zu öffnen und zu schließen, um den Druck in der Reaktionskammer 106 zu regeln. Jedoch hat man herausgefunden, daß der Druck in der Reaktionskammer 106 geregelt werden kann, indem ein Ballastgas in die Turbopumpe durch eine Ballastöffnung eingeleitet wird. In 2 stellen die Ballastöffnung 150a und die Ballastöffnung 150b zwei alternative Anordnungen einer Ballastöffnung dar. Die Ballastöffnung 150a ist unmittelbar stromaufwärts von dem Schieber 124 angeordnet; die Ballastöffnung 150b ist stromabwärts von dem Schieber 124 angeordnet und leitet Ballastgas unmittelbar in die Turbopumpe 126 ein. Im großen und ganzen bevorzugt man, daß die Anordnung der Ballastöffnung soweit stromabwärts wie möglich liegt, um die Möglichkeit zu vermindern, daß Ballastgas zurück in die Reaktionskammer diffundiert und bei dem Prozeß stört. In dem Fall der Ballastöffnung 150b kann das Ballastgas vorzugsweise unmittelbar in eine der Stufen der Turbopumpe gedrängt werden, wodurch die Möglichkeit der Rückdiffusion in starkem Maße reduziert wird. Es ist auch vorzuziehen, ein neutrales Gas als ein Ballastgas zu verwenden, wie zum Beispiel Stickstoff, das für andere Zwecke bei dem Systembetrieb oder der Wartung eingesetzt werden kann.
Die Strömrate des Ballastgases wird vorzugsweise durch einen Massenstromregler kontrolliert, unter der Leitung von dem Regelsystem 132. Die Massenstromregler 164a und 164b regeln die Strömrate von Ballastgas für die Ballastöffnung 150a bzw. 150b. wie in 4 gezeigt, werden die Massenstromregler 164a und 164b durch Druckregler 160 geregelt.
Das Einleiten von Ballastgas durch die Ballastöffnung kann vorteilhafterweise eingesetzt werden, um die Antwortgeschwindigkeit während Druckeinstellwertänderungen zu vergrößern, ebenso wie zur aktiven Kontrolle des Kammerdrucks anstatt des Bewegens des Schiebers. Während des Betriebs kann die Ballastgaseinleitung genau den Druck in der Kammer über einen erheblichen Bereich von Betriebsdrucken regeln, wobei vorteilhafterweise die Notwendigkeit für Schieberstellungsänderungen vermindert wird. Der Schieber kann in ein paar vorbestimmte feste Stellungen angeordnet werden, wodurch der Bereich der Kontrolle durch das Ballastgas über den gesamten Betriebsbereich der Reaktionskammerdrucke erweitert wird. Zum Beispiel hat man herausgefunden, daß bei bestimmten von Lam Research Corporation hergestellten Maschinen das Verwenden des Ballastgases in Kombination mit dem Anordnen des Schiebers in drei verschiedene Stellungen, zum Beispiel voll offen, zwei Drittel geschlossen und voll geschlossen, eine Abdeckung eines adäquaten Bereichs von Konduktanzen für das Evakuiersystem schafft.
Folglich kann ein Ballastgas vorteilhafterweise über eine Ballastöffnung unmittelbar in oder unmittelbar stromaufwärts von der Turbopumpe eingeleitet werden, um dadurch den Druck der Reaktionskammer effektiv zu kontrollieren, ohne die Notwendigkeit, die Prozeßgaseinströmrate einzustellen oder die Turbopumpendrehzahl einzustellen, um auf diese Weise die Menge an erforderlicher Bewegung des Schiebers zu minimieren. Durch das Minimieren der Bewegung des Schiebers wird die Menge an eingeleiteten Schwebstoffteilchen und Änderungen der Schwebstoffteilchenverunreinigung des Prozesses in starkem Maße vermindert.
Eine Anzahl von Konduktanzkurven kann eingesetzt werden, um die Stellung des Schiebers für einen bestimmten Strömraten- und Druckeinstellwert abzuschätzen, um dadurch die Notwendigkeit zu eliminieren, ein Lernverfahren durchzuführen, wann immer eine Änderung im Druckeinstellwert oder Stromeinstellwert für einen bestimmten Schritt gemacht wird, oder wann immer eine neue Anweistung eingesetzt wird. 5 stellt Beispiele derartiger Schieberabschätzkurven dar. Insbesondere wird eine Familie von Kurven für verschiedene Strömraten gezeigt. Man hat herausgefunden, daß die Kurven dazu neigen, bei hohen Strömraten zu konvergieren; in dem Fall von 5 neigen die Kurven dazu, bei Strömraten oberhalb von 100 SCCM zu konvergieren.
Ein bevorzugtes Verfahren zum Ableiten der Schieberstellungsabschätzungskurven ist wie folgt. Gehe für jede Strömrate durch eine Abfolge von Schieberstellungen und messe den sich für jede Stellung ergebenden Druck. Die Strömrate geteilt durch den gemessenen Druck ist die Konduktanz für diese Schieberstellung. Wiederhole dieses Verfaren für jede Strömrate. Man hat herausgefunden, daß, sobald die Schieberstellungsabschätzungskurven abgeleitet wurden, sie in Abwesenheit einiger drastischer Änderungen bei der Turbopumpe oder dem Schieber genau bleiben. Somit können die Kurven permanent in dem Speicher des Regelsystems gespeichert werden. Bei 4 wird der Speicher 190 als ein Teil des Druckreglers 160 gezeigt und vorzugsweise eingesetzt, um die Schieberstellungsabschätzungskurven zu speichern. Zum Beispiel können die Kurven in dem Speicher 190 in der Form einer Matrix oder eines Felds von Werten oder in der Form von Formeln oder Funktionen gespeichert werden, die an die experimentiell abgeleiteten Kurven angepaßt wurden.
Schieber und Regler, die derzeit erhältlich sind, arbeiten typischerweise entweder auf eine Druckregelweise oder eine Stellungsregelweise. Bei der Druckregelweise überwacht der Regler den Druck in der Kammer und versucht, den eingestellten Druck aufrechtzuerhalten, indem die Stellung des Schiebers eingestellt wird, während bei der Stellungsregelweise der Regler einfach den Schieber auf eine eingestellte Stellung einstellt. Am Anfang sollte der Schieber auf eine Stellungsregelweise betrieben werden, die den Schieber in einen Punkt voreinstellt, der geeignet ist, um das System in die Nähe des Druckeinstellwertes zu bringen. Der Stellungsregler kann den Voreinstellungswert von der Schieberstellungsabschätzungskurve abschätzen, die in dem Speicher gespeichert ist. Wenn zum Beispiel der Prozeßeinstellwert 20 mTorr Druck bei 100 SCCM Strömung ist, schätzt der Druckregler die Schieberstellung aus der in dem Speicher gespeicherten Kurve ab. In dem Fall von 5 würde die Stellung ungefähr 380 sein. Wenn der Druck in einem kleinen Prozentbereich des Einstellwerts liegt, wird der Druckregler vorzugsweise auf Druckregelweise geschaltet. Zum Beispiel hat man bei einigen Maschinen herausgefunden, daß, wenn der Druckregler auf Druckregelweise geschaltet ist, wenn der Druck innerhalb von 5 Prozent des Einstellwertdrucks liegt, eine glatte Annäherung an den Einstellwertdruck im großen und ganzen geschieht.
Die Schieberstellungsabschätzungskurven können auch eingesetzt werden, wenn der Druck unter Verwendung von Ballastgas geregelt wird. Um einen größeren Bereich von Konduktanzen abzudecken, kann der Schieber auf eine kleine Anzahl vorgewählter Stellungen eingestellt werden. Die Schieberabschätzungskurven können eingesetzt werden, um auszuwählen, welche Schieberstellung für einen bestimmten Prozeßschritt am besten ist. Im allgemeinen ist für ein System ein bestimmter Bereich an Ballastströmung optimal zum Regeln des Drucks in der Reaktionskammer. Das Annehmen einer Ballastgasströmung in der Nähe des Mittelpunkts des geeigneten Bereichs an Ballastgasströmraten, das Addieren dieser Raten zu der Einstellwertrate und dann das Teilen der kombinierten Strömrate durch den Einstellwertdruck wird einen Konduktanzwert ergeben. Dieser Konduktanzwert wird anzeigen, wenn die Schieberstellungsabschätzungskurven verwendet werden, welche der wenigen vorgewählten Schieberstellungen geeignet ist. Zum Beispiel nehme man an, daß der Bereich an Ballastgasströmung 0 bis 300 SCCM für einen bestimmten Aufbau ist, der Prozeßgasströmungseinstellwert 50 SCCM ist, und der Kammerdruckeinstellwert 15 mTorr ist. Dann ergibt 150 SCCM, der Mittelwert des Bereichs an Ballastgas, addiert zu dem Einstellwertstrom und geteilt durch den Druck, eine Konduktanz von ungefähr 13,3 SCCM/mTorr. Unter Verwendung der Kurven in 5 würde die ideale Schieberstellung ungefähr 500 sein, und die nächste vorausgewählte Stellung würde ausgewählt werden. In dem Fall des Verwendens von drei vorausgewählten Schieberstellun gen, weit offen, vollkommen geschlossen und zwei Drittel geschlossen, würde die Stellung von zwei Drittel geschlossen gewählt werden.
Die Schieberstellungskurven, die die Systempumpgeschwindigkeit als eine Funktion der Ventilschließstellung darstellen, die auch auch als Pumpgeschwindigkeitskorrelationsfunktionen bekannt sind, werden unter Bedingungen ermittelt, die tatsächlichen Prozeßbedingungen angenähert sind. Da die Bedingungen tatsächlichen Bedingungen angenähert sind, haben die Ventilstellungskurven eine bestimmte Menge an inhärenten Fehlern, wenn sie für die Ventileinstellung und die Druckregelung unter tatsächlichen Prozeßbedingungen verwendet werden. Unterschiede, die zwischen Kurven-"ermittlungs"-bedingungen und tatsächlichen Prozeßbedingungen existieren, umfassen das Verhältnis der spezifischen Wärmen, der Molekulargewichte, der Temperaturen und dergleichen. Für bestimmte Prozesse beeinflußt dieser inhärente Fehler die Druckstabilisierungszeiten nicht entscheidend, aber bei anderen kann er zu unerwünscht langen Einstellzeiten führen. Eine Lösung würde es sein, viele Ventilstellungskurven unter vielen verschiedenen Bedingungen zu erzeugen. Eine Alternative oder eher bevorzugte Lösung ist es, eine einzige Korrelationskurve einzusetzen, und den Fehler in dem Druckregelschema einzuberechnen, um auf diese Weise die Zeit, die für den Vorgang des Ermittelns vieler Korrelationskurven verbraucht wird, erheblich zu reduzieren.
Folglich wird die Ventilstellungsabschätzungskurve eingesetzt, um das Ventil auf der Basis des aktuellen Strömungseinstellwertes und eines vorbestimmten Anteils des Druckeinstellwertes voreinzustellen. Der Anteil wird gewählt, um zu gewährleisten, daß der Druck monoton in Richtung des Einstellwertes für den Prozeß zunehmen wird, der eine Zunahme im Druck erfordert, und daß der Druck monoton in Richtung des Einstellwertes für Prozeßschritte abnehmen wird, die eine Abnahme im Druck erfordern, ohne ein Überregeln beziehungsweise ein Unterregeln zu zeigen. Das Verwenden eines vorbestimmten Anteils des Druckeinstellwertes ist vorteilhaft beim Verhindern der Drucküberregelungen/-unterregelungen aufgrund des inhärenten Fehlers in den Schieberstellungsabschätzungskurven, wie oben erläutert. Im großen und ganzen wird der vorbestimmte Anteil sich zwischen ungefähr 50 bis 150 Prozent des Druckeinstellwertes bewegen, und vorzugsweise zwischen ungefähr 70 bis 130 Prozent. Ein Wert von weniger als 100 Prozent gilt für Schritte, bei denen der Druckeinstellwert vergrößert wird, oder ein Wert größer als 100 Prozent gilt für Schritte, bei denen der Druckeinstellwert vermindert wird.
Die Ventilabschätzungskurven werden eingesetzt, um das Ventil aufgrund eines berechneten effektiven Einflusses voreinzustellen, wobei der effektive Einfluß bestimmt wird, indem die Gleichung zur Erhaltung von Masse, der gespeicherten Pumpgeschwindigkeitskorrelation und des gemessenen Drucks kombiniert wird. Das Ventil wird auf irgendeine geeignete Anfangsstellung eingestellt, und nachdem die Strömung sie stabilisiert hat, wird der effektive Einfluß berechnet, indem die Massenerhaltungsgleichung für die Kammer verwendet wird:
m_ein – m_aus = V·dρ_gemischt/dt.
Dabei ist m_ein die Massenströmrate in die Kammer, m_aus die Massenströmrate aus der Kammer, V das Kammervolumen und dρ_gemischt/dt die Zeitableitung der Gasdichte in der Kammer. Durch Ersetzen durch die Massenströmrate in Ausdrücken der Dichte und der Volumenströmrate bei Standardbedingungen und Verwenden des idealen Gasgesetzes reduziert sich die Massenerhaltungsgleichung zu:
Dabei ist M das Molekulargewicht, verweist die tiefgestellte Schrift "gemischt" auf das Gas in der Kammer, ist P der Gasdruck, und ist T die Gastemperatur. Man hat implizit angenommen, daß dT_gemischt/dt = 0 ist, und daß M_gemischt = Maus ist. Durch definieren der effektiven Einströmung als Qeff ein = Q_ein·M_ein/M_aus und Setzen des Parameters β = P^STP·T_gemischt/V·T^STP, vereinfacht sich die Gleichung zu:
Qeff ein – Q_aus = β·dP_gemischt/dt.
Der Parameter β kann unter Verwendung des bekannten oder abgeschätzten Kammervolumens und eines gemessenen oder abgeschätzten Wertes für T_gemischt berechnet werden.
Mit Bezug auf 6 verweist 300 auf eine Ventilvoreinstellungsregelschleife. Der Block 302 representiert das Inverse der Schieberstellungsabschätzungskurve. Ein Eingang von Q/P in Block 302 führt zu einer entsprechenden Ventilstellung θ. Der Block 304 repräsentiert die Schieberstellungsabschätzungskurve, wobei ein Eingang von einer Ventilstellung zu einem entsprechenden Q/P-Wert führt. Der Block 308 gibt β (dP/dt) aus. In diesem Fall ist Q_eingestellt/P_eingestellt, was aus der Anweisung oder anderweitig bekannt ist, der Eingang in Block 302, der unter Verwendung der inversen Schieberstellungsabschätzungskurve eine erste Ventilstellung θ_f ausgibt. θ_f ist der Eingang in Block 304 und in den Ventilregler 310. Der Ventilregler 310 stellt die Ventilstellung entsprechend ein, und Block 304 gibt unter Verwendung der Schieberstellungsabschätzungskurve Q_aus/P _aus, wobei P = P_gemessen, unter der Annahme, daß die Kurven vollständig genau sind. Q_aus/P wird mit P_gemessen in Block 306 multipliziert, wobei P_gemessen von Manometer 312 bereitgestellt wird, um Q_aus zu ergeben. Q_aus wird in Block 316 zu β (dP/dt) addiert, um eine effektive Volumeneinströmung Qeff ein zu ergeben. Qeff ein wird dann in Block 314 durch P_g _emessen geteilt, und der Ausgang Qeff ein/P_gemessen wird in dem Block 302 eingegeben, der unter Verwendung der inversen Schieberstellungsabschätzungskurve eine neue Ventilstellung θ_neu ausgibt. θ_neu wird dann verwendet, um das Ventil über den Ventilregler 310 einzustellen. Durch Verwenden dieser Technik wird das Einstellen des Ventils anschließend unter Verwendung der berechneten effektiven Einströmung korrigiert, wodurch mögliche Drucküber regelungen/-unterregelungen reduziert werden, die aufgrund des inhärenten Fehlers in den Kurven auftreten können. Die Schleife kann wiederholt werden, wenn es notwendig ist. Die Kontrollschleife, die als Voreinstellungsschritt vor der Übergabe der Regelung zu einem anderen Regelungsschema, wie zum Beispiel Proportional-, Integral- und/oder Differentialregelung, ist unten detaillierter beschrieben.
Folglich beseitigt der Einsatz der Schieberstellungsabschätzungskurven, die im Speicher gespeichert sind, vorteilhafterweise die Notwendigkeit, ein neues Lernverfahren durchzuführen, wann immer eine neue Prozeßanweisung eingesetzt wird. Indem die Ström- und Druckeinstellwertinformation mit den gespeicherten Pumpgeschwindigkeitskorrelationen bei der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird, kann die Ventilvoreinstellung zuverlässig durchgeführt werden, sogar wenn Anweisungsänderungen damit verbunden sind. Im Gegensatz dazu sind konventionelle Druckregelschemata oft auf das Sichern der gelernten Schieberstellungen im Speicher für jeden Schritt einer Anweisung angewiesen, und rufen einfach diese gelernten Werte für die Voreinstellungen des Ventils bei jedem Schritt wieder ab. Diese Technik arbeitet gut, wenn die gleiche Anweisung wiederholt läuft. Wenn jedoch die Anweisung modifiziert wird, oder wenn eine vollständig neue Anweisung eingesetzt wird, können die gelernten Werte, die in dem Speicher gespeichert sind, für die neue Anweisung nicht passend sein. Daher wird üblicherweise ein Dummywafer an dem Beginn von jeder neuen Anweisung gefahren, um es dem Regler zu ermöglichen, die passenden Ventilvoreinstellungswerte zu lernen, um zu gewährleisten, daß alle Produktionswafer identisch verarbeitet werden. Durch Verwenden der beschriebenen Abschätzungskurven werden diese Dummywaferabläufe beseitigt und folglich wird die Werkzeugproduktivität verbessert.
Gemäß der Erfindung wird das Ventil zuerst gemäß einer der obigen Voreinstellungsalternativen oder einfach gemäß einer Stellung eines früheren Durchgangs voreingestellt. Nach der anfänglichen Ventilvoreinstellung wird eine Proportional- (oder Proportional- und Differential-)Regelung angewendet, bis eine bestimmte Bedingung erfüllt ist, nach der eine integrale Regelung auch aktiviert wird. Durch das anfängliche Anwenden nur einer Proportional- (oder Proportional- und Differential-) Regelung wird der Druck nahe zu dem gewünschten Einstellwert ohne Überregelung/Unterregelung und ohne unerwünschte Ventilbewegung gebracht. Anschließend wird die integrale Regelung aktiviert, um irgendeinen ständigen Unterschied zwischen dem Einstellwert und dem tatsächlichen Druck zu vermindern. Das Verzögern des Anstellens der integralen Regelung beseitigt effektiv Drucküberregelungen/-unterregelungen, die aus einem Aufbauen des Integrators oder einem Überregeln des Integrators herrühren, was durch die Nichtlinearität und die Natur höherer Ordnungen des Systems verursacht wird.
Das Ventil wird am Anfang auf Basis eines früheren Durchlaufs oder durch die oben beschriebenen Einstellalternativen voreingestellt. Im Anschluß an die Voreinstellung wird eine Proportional- (oder Proportional- und Differential-)Regelung angewendet, bis der Absolutwert des Druckfehlers,
, unter ungefähr 0,25 fällt und vorzugsweise unter 0,05, wonach die Integralregelung auch aktiviert wird. Dieses Druckfehlerkriterium zum Aktivieren der Integralregelung arbeitet sehr effektiv, insbesondere in Fällen, wo das Ventil aufgrund eines früheren Durchlaufs voreingestellt wird.
In einigen Fällen kann jedoch die Kombination aus Ventilvoreinstellung und Proportional- (oder Proportional- und Differential-)Regelung nicht einen Druckfehler erreichen, der klein genug ist, um das Anstellen der Integralregelung auszulösen. Das passiert manchmal, zum Beispiel in Fällen, wo die Voreinstellung auf einer extrem ungenauen Pumpgeschwindigkeitskorrelation basiert. In dieser Situation ist es vorteilhaft, den Integrator zu aktivieren, nachdem ein Zeitkriterium erfüllt ist. Diese Zeit kann abgeschätzt werden, indem dP/dt gemessen wird, und unter der Annahme, daß dP/dt konstant ist, die Zeit, um den Einstellwert zu erreichen (dP/dt)^–1(P_gemessen) ist. Ein anderer Weg, um die Zeit abzuschätzen, um den Einstellwert zu erreichen, ist es, die folgende Beziehung zu verwenden:
Wenn die Schieberstellungsabschätzungskurve ohne Korrektur eingesetzt wird, um das Ventil voreinzustellen, macht sich die Zeit als ein gutes Kriterium zur Aktivierung der Integralregelung wegen der Ungenauigkeiten, die in der gespeicherten Pumpgeschwindigkeitskorrelation existieren können. Das Berechnen der Verzögerungszeit für den Integrator auf diese Weise ist vorteilhaft gegenüber der Verwendung einer festen Verzögerung für den Integrator, weil die Verzögerungszeit des Integrators für jeden Prozeßschritt minimiert werden kann, was die Produktivität des Werkzeugs vergrößern kann. Außerdem ist das Berechnen der Verzögerung des Integrators auf diese Weise vorteilhaft gegenüber dem Verfahren, den Anwender eine Verzögerungszeit des Integrators für jeden Prozeßschritt spezifizieren zu lassen, weil keine Tätigkeit des Bedieners erforderlich ist. Außerdem sind keine nicht produktiven Prozeßzyklen mit Dummywafern erforderlich, um empirisch die optimale Verzögerungszeit des Integrators zu bestimmen. Ein Durchschnittsfachmann wird ohne weiteres weitere Wege erkennen, die Zeit abzuschätzen, die erforderlich ist, um den Druckeinstellwert zu erreichen.
Das Kriterium zum Aktivieren der Integralregelung basiert auf der Zeitableitung des gemessenen Drucks. Genauer wird die Integralregelung nur aktiviert, nachdem der Absolutwert von dP/dt unter ungefähr 50% des maximalen Werts von dP/dt abgenommen hat, der für den aktuellen Anweisungsschritt oder die Einstellbedingungen aufgezeichnet wurde. Diese Ausführung beruht auf der Messung von dP/dt und der erwarteten charakteristischen Veränderung von dP/dt mit der Zeit. 7 zeigt charakteristische Zeitspuren von Druck und dP/dt gefolgt von Druckeinstellwertänderungen von 0 auf 40 auf 20 mTorr bei einer konstanten Strömung von 200 SCCM. Bei diesem Beispiel nimmt, wenn der Druckeinstellwert von 0 auf 40 mTorr zunimmt, der Druck monoton zu und stellt sich anschließend auf den neuen Einstellwert ein, mit einer minimalen Überregelung. Der gemessene Wert von dP/dt nimmt anfänglich zu, hat eine Spitze und nimmt dann ab, wenn sich der gemessene Druck an den Einstellwert annähert. Die Spitze bei dP/dt tritt typischerweise auf, wenn der gemessene Druck in der Nähe der Mitte zwischen Anfangs- und Enddruck ist. Ein ähnlicher Trend wird beobachtet, wenn der Einstellwert von 40 auf 20 mTorr geändert wird, außer daß das Vorzeichen von dP/dt umgekehrt ist.
Bei einer weiteren bevorzugten alternativen Ausführung der vorliegenden Erfindung wird eine neue Anwendung der Löschkompensation eingesetzt, um die Nichtlinearität des Gesamtsystems zu vermindern. 8a zeigt einen herkömmlichen bekannten PID-Blockdiagrammansatz eines Druckregelsystems, wobei die Ventilvoreinstellungslogik zur Klarheit weggelassen ist. Bei dem herkömmlichen PID-Druckregelsystem wird der Druckfehler in einen PID-Kompensationsblock eingegeben, der ein Betätigungssignal erzeugt, das zu dem System gesendet wird. Die Systemantwort (in diesem Fall der Druck) wird dann gemessen, zurückgeführt und mit dem Druckeinstellwert verglichen, um den Systemfehler zu bestimmen. Die Ventilbetätigungs- und die Druckmeßeinrichtung sind bei diesem herkömmlichen Ansatz ohne weiteres als ein System erster Ordnung mit einem exponentiellen Zeitantwortverhalten aufgebaut. Jedoch ist es bei diesem konventionellen Ansatz aufgrund der Nichtlinearität des Ventil/Kammersystems schwierig, das gesamte System mathematisch unter Verwendung einer Standardregeltheorie zu modellieren. Das Ventil-/Kammersystem ist bei diesem konventionellen Ansatz effektiv aus der Faltung der nichtlinearen (Ausströmungs-) Schieberstellungsabschätzungsfunktion und der integratorartigen Natur der Kammer zusammengesetzt (das heißt, daß der Druck in der Kammer durch das Zeitintegral des Unterschieds zwischen der Gaseinströmrate und der Gasausströmrate der Kammer bestimmt wird).
Folglich ist die inverse Funktion der Schieberstellungsabschätzungskurve, F^–1, in das Modell eingebaut, wie in 8b gezeigt, was im wesentlichen die Nichtlinearität des Ventil-/ Kammersystems beseitigt. Bei dieser alternativen bevorzugten Ausführung, wobei auf 8 verwiesen wird, ist der Druckfehler ein Eingang für die PID-Kompensationsblöcke. Der Ausgang der PID-Kompensation ist effektiv ein Volumenströmungsbefehl Q, dessen Einheiten Standardkubikzentimeter pro Minute (sccm) sind. Q wird dann durch den Druck in Einheiten von mTorr (entweder den Druckeinstellwert oder den gemessenen Druck) geteilt, um den Quotienten von Q/P zu berechnen. Der Quotient wird dann in die inverse Schieberstellungsabschätzungskurve, F^–1, eingegeben, um den neuen Ventilstellungsbefehl zu bestimmen, der wiederum in den Ventilregler eingegeben wird. Wenn angewendet, dann stellt die neue Ventilstellung den Kammerausfluß durch die Systempumpgeschwindigkeit ein, zum Beispiel mathematisch als die Schieberstellungsabschätzungskurve, F, modelliert. Bei diesem Ansatz wirkt die inverse Schieberstellungsabschätzungskurve als eine Systemverstärkung, aber, noch wichtiger, sie bewirkt auch, daß im wesentlichen die Nichtlinearität des Ventil-/Kammersystems ausgelöscht wird. (von einem Regeltheoriegesichtspunkt werden nachfolgende Blocks in einem Blockdiagramm multipliziert. Das Produkt von F^–1 und F ist nominell eine Einheit; jedoch ist in der Realität ihr Produkt nicht exakt eine Einheit aufgrund der inhärenten Differenzen zwischen der gespeicherten und tatsächlichen Pumpgeschwindigkeitskorrelationskurve bei verschiedenen Bedingungen. Das Bilden des Produkts von F^–1 und F ist eine bestimmte Implemenitierung einer Technik, die als Löschungskompensation in der Regelungstheorie bekannt ist. Siehe Edward Doebelin, Dynamic Analysis and Feedback Control 254 (1962)). Bei diesem Ansatz kann das System unter Verwendung einer Standardregeltheorie analysiert werden, um die Regelung zu optimieren.
Folglich wird bei diesem alternativen bevorzugten Ausführungsbeispiel das Ventil anfänglich aufgrund eines früheren Durch laufs oder durch die oben beschriebenen Voreinstellungsalternativen voreingestellt. Im Anschluß an die Voreinstellung wird eine Proportional- (oder Proportional- und Differential-)-Regelung angewendet, bis eine bestimmte Bedingung erfüllt ist, nach der die Integralregelung aktiviert wird. Das ist genau wie oben beschrieben, außer daß bei diesem alternativen bevorzugten Ausführungsbeispiel die inverse Schieberstellungsabschätzungskurve angewendet wird, um im wesentlichen die Nichtlinearität des Ventil-/Kammersystems herauszulöschen. Während man bevorzugt, das Ventil voreinzustellen, wird ein Durchschnittsfachmann ohne weiteres erkennen, daß eine Proportional-, Integral- und/oder Differentialregelung in irgendeiner Kombination gekoppelt mit der inversen Schieberstellungskurve, um die Nichtlinearität des Ventil-/Kammersystems herauszulöschen, wie hier offenbart, mit oder ohne die Voreinstellung eingesetzt werden kann, um den Druck in der Kammer zu regeln. Im großen und ganzen wird bei dem PID-Ansatz die optimale Steigerung, die auf die Proportional-, Integral- und Differentialregelung angewendet wird, empirisch bestimmt. Bei einem Ziegler-Nicols-Schema können zum Beispiel (G. F. Franklin, J. D. Powel & A. Eamami-Naeini, Feedback Control of Dynamic Systems 103–106 (1986)) die optimalen Anstiege mit der Reaktionsrate und der Verzögerung der Systemantwort verbunden werden. Die ausgewählten Anstiege sind üblicherweise Konstanten oder werden mit einigen Parametern geplant, die das System betreffen. Man hat experimentiell herausgefunden, daß die optimale Druckregelung erreicht wird, indem der integrale Anstieg mit der Ventilstellung geplant wird, wobei der Anstieg durch K_i = (konstant)(F(θ_aktuell)) gegeben ist, wobei F die Schieberstellungsabschätzungskurve ist. K_p und K_d, die Proportionalbeziehungsweise Differentialanstiege, können Konstanten oder mit der Strömung geplant sein. Typische Werte von K_p und K_d für Prozeßkammern für 200 mm Wafer sind in der Größenordnung von 1, wobei K_d im großen und ganzen auf einen Bruchteil von K_p eingestellt wird (zum Beispiel 0,1).
Während die oben beschriebenen alternativen bevorzugten Ausführungen der vorliegenden Erfindung Proportional- und Integralregelung einsetzen, wird der Durchschnittsfachmann ohne weiteres erkennen, daß auch eine Differentialregelung zusätzlich zu der Proportional- und Integralregelung zu irgendeiner Zeit nach der Voreinstellung des Ventils eingesetzt werden kann, ohne den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Außerdem wurden verschiedene Wege des Voreinstellens des Ventils vor der PID-Regelung beschrieben. Der Durchschnittsfachmann wird ohne weiteres erkennen, daß viele weitere Wege des Voreinstellens des Ventils vor der PID-Regelung eingesetzt werden können, ohne den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Während bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben wurden, sind die Beschreibungen nur illustrativ und nicht dazu gedacht, die vorliegende Erfindung zu beschränken. Zum Beispiel ist es klar, daß, obwohl die Erfindung unter Verwendung eines Beispiels eines Vakuumplasmawaferverarbeitungsgeräts beschrieben wurde, die Erfindung auf andere Arten von Waferverarbeitungsgeräten anwendbar ist, ebenso wie auf andere Arten von Vakuumverarbeitungsgeräten. Folglich wird ein Durchschnittsfachmann erkennen, daß die Erfindung gleichermaßen auf andere Arten von Geräten anwendbar ist, wo es eine Notwendigkeit gibt, einen niedrigen Druck in der Nähe des Vakuums in einer evakuierten Kammer zu manipulieren und genau zu regeln.

Claims

Verfahren zum Regeln des Druckes in einer evakuierten Prozesskammer (106) mit den folgenden Schritten: Lesen eines Werts eines gewünschten Drucks aus einem elektronischen Speicher (190), der ein gewünschtes Druckniveau für die Prozesskammer wiedergibt; Lesen eines Werts einer gewünschten Gasströmung aus dem elektronischen Speicher, der eine gewünschte Gasströmrate durch die Prozesskammer darstellt; Einstellen eines Drosselventils (124) in eine Anfangsstellung, wobei das Drosselventil zum Regeln des Drucks in der Prozesskammer eingesetzt wird; Messen des Drucks in der Prozesskammer; Berechnen eines Unterschieds zwischen dem gewünschten Druck und dem gemessenen Druck; und anschließend an den Einstellschritt zumindest einmal Neueinstellen des Drosselventils auf Grund des Unterschieds zwischen dem gewünschten Druck und dem gemessenen Druck; dadurch gekennzeichnet, daß das Neueinstellen unter Verwendung einer proportionalen und integralen Regelung durchgeführt wird, wobei die integrale Regelung für eine bestimmte Zeitdauer verzögert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Neueinstellschritt das Verwenden einer Differentialregelung umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 1, desweiteren mit dem folgenden Schritt: Berechnen des Absolutwerts eines Bruchteilfehlers zwischen dem gemessenen Druck und dem gewünschten Druck, wobei die bestimmte Zeitdauer ermittelt wird, wenn der Absolutwert des Bruchteilfehlers des Drucks unter einen voreingestellten Schwellwert fällt.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der Schwellwert kleiner als ungefähr 0,25 ist.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der Schwellwert kleiner als ungefähr 0,05 ist.
Verfahren nach Anspruch 1, desweiteren mit dem folgenden Schritt: Abschätzen einer Zeit, die erforderlich ist, damit sich der Kammerdruck stabilisiert, wobei die bestimmte Zeitdauer im wesentlichen gleich der abgeschätzten Zeit ist.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die abgeschätzte Zeit unter Verwendung der Gleichung t ≃ P_gewünscht·V_Kammer/Q_gewünscht berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, desweiteren mit den folgenden Schritten: Speichern des gemessenen Drucks in dem elektronischen Speicher; Speichern der Zeit in dem elektronischen Speicher, zu der der Druck gemessen wird, wobei die abgeschätzte Zeit durch folgende Schritte berechnet wird: (a) Berechnen der auf die Änderung in der Zeit bezogenen Änderung im Druck; und (b) Teilen des gemessenen Drucks durch die auf die Änderung in der Zeit bezogene Änderung im Druck.
Verfahren nach Anspruch 1, desweiteren mit den folgenden Schritten: Speichern des gemessenen Druckes im elektronischen Speicher; Speichern der Zeit im elektronischen Speicher, zu der der Druck gemessen wird; Berechnen der auf die Änderung in der Zeit bezogenen Änderung im Druck; Speichern der auf die Änderung in der Zeit bezogenen Änderung im Druck im elektronischen Speicher; Auswählen des absoluten Maximalwerts der auf die Änderung in der Zeit bezogenen Änderung im Druck, wobei die bestimmte Zeitdauer ermittelt wird, wenn der absolute Wert der auf die Änderung in der Zeit bezogenen Änderung im Druck unter einen voreingestellten Schwellwertprozentsatz des absoluten Maximalwerts fällt.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der Schwellwertprozentsatz kleiner als ungefähr 50 Prozent ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Einstellschritt folgende Schritte umfaßt: Zugreifen auf eine mathematische Funktion aus dem elektronischen Speicher mit einem Wertebereich, der Drucke in der Prozesskammer und Gasströmraten in die Prozesskammer umfaßt, und mit einem Wertebereich, der Stellungen des Drosselventils umfaßt; Berechnen eines Leitwerts der gleich dem Wert der gewünschten Strömung geteilt durch den Wert des gewünschten Drucks ist; Einstellen des Drosselventils gemäß der mathematischen Funktion, indem der Leitwert auf das Inverse der mathematischen Funktion angewendet wird, auf die aus dem elektronischen Speicher zugegriffen wurde.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem vor dem Einstellschritt der Leitwert durch einen Bruchteil im Bereich von ungefähr 50 bis ungefähr 150 Prozent geteilt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der Bruchteil einen Bereich von ungefähr 70 bis ungefähr 130 Prozent aufweist.
Verfahren nach Anspruch 12, desweiteren mit dem folgenden Schritt: Abschätzen einer Zeit, die erforderlich ist, damit sich der Kammerdruck stabilisiert, wobei die bestimmte Zeitdauer im wesentlichen gleich der abgeschätzten Zeit ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Einstellschritt desweiteren die folgenden Schritte umfaßt: Lesen der aktuellen Ventilstellung; Lesen einer Konstante β aus dem elektronischen Speicher, die gleich dem Standarddruck geteilt durch das Volumen der Kammer geteilt durch die Standardtemperatur ist; Zugreifen auf eine mathematische Funktion aus dem elektronischen Speicher mit einem Wertebereich, der Drucke in der Prozesskammer und Gasströmraten in die Prozesskammer umfaßt, und mit einem Wertebereich, der Stellungen des Drosselventils umfaßt; Messen des Drucks und der Temperatur in der Prozesskammer; Berechnen der auf die Änderung in der Zeit bezogenen Änderung im Druck; Berechnen einer Ausströmung, indem die aktuelle Ventilstellung auf das Inverse der mathematischen Funktion angewendet wird, auf die aus dem elektronischen Speicher zugegriffen wurde; und indem das Ergebnis mit dem gemessenen Druck multipliziert wird; Berechnen einer effektiven Einströmung, die gleich der auf die Änderung in der Zeit bezogenen Änderung im Druck multipliziert mit der Konstanten multipliziert mit der Temperatur der Kammer plus der Ausströmung ist, Qeff ein = [(dP/dt)·β·T_Kammer] + Q_aus; Berechnen eines Leitwerts, der gleich der effektiven Einströmung geteilt durch den gemessenen Druck ist; und Einstellen des Drosselventils gemäß der mathematischen Funktion, indem der Leitwert auf das Inverse der mathematischen Funktion angewendet wird, auf die aus dem elektronischen Speicher zugegriffen wurde.
Verfahren nach Anspruch 1, desweiteren mit den folgenden Schritten: Berechnen der auf die Änderung in der Zeit bezogenen Änderung im Druck; Speichern der auf die Änderung in der Zeit bezogenen Änderung im Druck im elektronischen Speicher; und Auswählen des absoluten Maximalwerts der auf die Änderung in der Zeit bezogenen Änderung im Druck; wobei die Integralregelung verzögert wird, bis der absolute Wert der auf die Änderung in der Zeit bezogenen Änderung im Druck unter einen voreingestellten Schwellwertprozentsatz des ausgewählten Maximalwerts abgenommen hat.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem der Neueinstellschritt das Verwenden einer Differentialregelung umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem der Schwellwert geringer als 50 Prozent des ausgewählten absoluten Maximalwerts beträgt.
Vorrichtung zur Verarbeitung von Materialien unter einer geregelten Niedrigdruckumgebung mit einer Prozesskammer (106); einem Gaseinleitungssystem (128) in Fluidverbindung mit der Prozesskammer; einer Vakuumpumpe (130) in Fluidverbindung mit der Prozesskammer, ausgelegt, um Gas aus der Prozesskammer zu entfernen; einem Drosselventil (124), das zwischen der Prozesskammer und der Vakuumpumpe montiert ist, wobei das Drosselventil einstellbar ist, um die Rate von Gas zu regulieren, das aus der Prozesskammer durch die Vakuumpumpe entfernt wird; einer Regeleinrichtung (132) zum Regeln des Drucks in der Prozesskammer durch Einstellen des Drosselventils in eine Vielzahl von Drosselstellungen, die von der Regeleinrichtung ausgewählt werden, wobei eine erste Drosseleinstellung vorausgewählt ist, und wobei anschließende Drosselstellungen von der Regeleinrichtung auf Grund des Unterschieds zwischen einem gewünschten Druck und einem gemessenen Druck ausgewählt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung eine Proportional- und Integralregelung einsetzt, wobei die Integralregelung für eine bestimmte Zeitdauer verzögert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 19, bei dem die Auswahl von nachfolgenden Drosselstellungen auch eine Differentialregelung einsetzt.
Vorrichtung nach Anspruch 19, bei dem die Zeitdauer ermittelt wird, wenn der absolute Wert eines Bruchteilfehlers zwischen dem gemessenen Druck und dem gewünschten Druck weniger als ungefähr 0,25 beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 19, bei dem die Zeitdauer ermittelt wird, wenn der absolute Wert eines Bruchteilfehlers zwischen dem gemessenen Druck und dem gewünschten Druck weniger als ungefähr 0,05 beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 19, bei dem die Zeitdauer im wesentlichen gleich der abgeschätzten Zeit ist, die erforderlich ist, damit sich der Kammerdruck stabilisiert.
Vorrichtung nach Anspruch 19, bei dem die bestimmte Zeitdauer ermittelt wird, wenn der Absolutwert der auf die Änderung in der Zeit bezogenen Änderung im Druck geringer als ungefähr 50 Prozent eines absoluten Maximalwerts der auf die Änderung in der Zeit bezogenen Änderung im Druck ist.