JP2008187139A - 減圧処理室の圧力制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】定数を最適な値に設定するのみで、ガス種、ガス流量、目標圧力に関わらず、減圧処理室を速やかに所望圧力に調整する。
【解決手段】減圧処理室１と、該減圧処理室に処理ガスを供給するガス供給手段９と、前記減圧処理室に供給された処理ガスに電磁エネルギを供給してプラズマを生成するプラズマ生成手段５と、前記減圧処理室内のガスを排気する排気手段２と、前記減圧処理室内のガス圧力を測定するガス圧力測定手段４と、前記排気手段により排気されるガスの排気速度を調整する排気速度調整手段３と、前記圧力測定手段により測定したガス圧力が目標値に一致するように制御演算を施して排気速度を演算し、演算結果に基づいて前記排気速度調整手段を制御する演算制御装置１３とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマ処理室等の減圧処理室の圧力を制御する圧力制御技術にかかり、特に、プラズマの解離状態あるいは実効的な流量の増減にかかわらず高速な制御が可能な圧力制御技術に関する。

図２は減圧処理室の圧力を調整する装置を説明する図である。図２に示すように、減圧処理室１と排気装置２の間にスロットルバルブ（絞り弁）３を設ける。この装置では、演算制御装置１３を介して減圧処理室１に接続した圧力計４の測定値をスロットルバルブ３の開度にフィードバックすることにより、減圧処理室１の圧力を自動制御することができる（特許文献１参照）。

圧力計の測定値をバルブ開度にフィードバックする方式は、種々知られており、最も一般的な方式はＰＩＤ制御方式である。一般的なＰＩＤ制御方式では、通常、（１）式に示すＰＩＤ制御演算式にしたがって制御周期毎にバルブ開度の操作量ΔＶＶを演算し、バルブの開度を制御する。

ここで、
ΔＶＶ： バルブ開度の操作量（％）
ＶＶｎ＋１：次回のバルブ開度（％）
ＶＶｎ：現在のバルブ開度（％）
Ｐｎ：現在の圧力（Ｐａ）
Ｐｎ−１：前回の圧力（Ｐａ）
Ｐｎ−２：前々回の圧力（Ｐａ）
Ｐ０：目標の圧力（Ｐａ）
Ｇｉ：積分ゲイン（一定値）
Ｇｐ：比例ゲイン（一定値）
Ｇｄ：微分ゲイン（一定値）
である。
特開平１０−１１１５２号公報

前記制御周期毎にバルブ開度の操作量ΔＶＶを演算し、バルブの開度を制御する方式のＰＩＤ制御では、ＰＩＤ制御演算式のゲイン値が最適化された条件では、安定な制御ができる。しかし、目標圧力に達するまでに長い時間を要することがある。また、ガス種、ガス流量、ガスの解離状態、あるいは目標圧力値が最適化した条件と大きく異なる場合は、目標圧力に達するまで要する時間が極端に長くなることがある。

すなわち、前述の制御方式では、制御時間が長い上に、条件ごとにゲイン値の最適化作業が必要であった。さらに、バルブ開度と排気速度の関係が極めて非線形な特性を示すバタフライ式スロットルバルブなどでは、ハンチングが生じやすい。

本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたもので、定数を最適な値に設定するのみで、ガス種、ガス流量、目標圧力に関わらず、減圧処理室を速やかに所望圧力に調整することのできる制御技術を提供するものである。

本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。

減圧処理室と、該減圧処理室に処理ガスを供給するガス供給手段と、前記減圧処理室に供給された処理ガスに電磁エネルギを供給してプラズマを生成するプラズマ生成手段と、
前記減圧処理室内のガスを排気する排気手段と、前記減圧処理室内のガス圧力を測定するガス圧力測定手段と、前記排気手段により排気されるガスの排気速度を調整する排気速度調整手段と、前記圧力測定手段により測定したガス圧力が目標値に一致するように制御演算を施して排気速度を演算し、演算結果に基づいて前記排気速度調整手段を制御する演算制御装置とを備えた。

本発明は、以上の構成を備えるため、定数を最適な値に設定するのみで、ガス種、ガス流量、目標圧力に関わらず、減圧処理室を速やかに所望圧力に調整することができる。

以下、最良の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。まず、本願の発明者らは、ガス種、ガス流量、目標圧力に関わらず、減圧処理室を速やかに所望圧力に調整することのできる制御技術を提供することを目的とし、この目的を達成することのできるＰＩＤ制御演算式を考案した。この制御演算式を用いて行う制御の特徴は以下の通りである。

（１）積分ゲインＧｉは一定値ではなく、制御周期毎のバルブ開度から計算される排気速度Ｓｎと正の相関を有して、かつ、目標圧力値Ｐ０と負の相関を有する関数であって、制御周期ごとに変化する。すなわち、バルブ開度が大きく、目標圧力値が小さいときは、積分ゲインが大きく、逆にバルブ開度が小さく、目標圧力値が大きいときは、積分ゲインが小さくなる。

（２）比例ゲインＧｐは一定値ではなく、目標圧力値Ｐ０と負の相関を有する関数である。すなわち、目標圧力値が小さいときは、比例ゲインが大きく、逆に、目標圧力値が大きいときは、比例ゲインが小さくなる
（３）前記積分ゲインＧｉ、比例ゲインＧｐを用いて計算した値によってバルブ開度を直接操作するのではなく、前記値が排気速度の操作量になるようにバルブ開度を調整する。

なお、排気速度とバルブ開度の相関については、事前に標準ガスを用いて測定した値を用いることができる。このため、ガス種、ガス流量ごとに測定しておく必要はない。

前記条件を満たす積分ゲインＧｉおよび比例ゲインＧｐは、式（２）、式（３）で求めることができる。

排気バルブのバルブ開度ΔＶＶは、前記積分ゲインＧｉ、比例ゲインＧｐおよび微分ゲインを用いた式（４）、式（５）により与えられる。

ここで
ΔＶＶ：バルブ開度の操作量（％）
ΔＳ：排気速度の操作量（Ｌ／ｓ）
ＶＶｎ＋１：次回のバルブ開度（％）
ＶＶｎ：現在のバルブ開度（％）
Ｓｎ＋１：次回の排気速度（Ｌ／ｓ）
Ｓｎ：現在の排気速度（Ｌ／ｓ）
Ｐｎ：現在の圧力（Ｐａ）
Ｐｎ−１：前回の圧力（Ｐａ）
Ｐ０：目標の圧力（Ｐａ）
Ｇｉ：積分ゲイン（制御周期毎に変化）
Ｇｐ：比例ゲイン（制御周期毎に変化）
Ｇｄ：微分ゲイン（一定値）
Ｆ（ｓ）：事前に標準ガスを用いて測定した排気速度−バルブ開度の関数
ａ１、ｂ１、ｃ１： ０もしくは正の定数（一定値）
ａ２、ｂ２、ｃ２： 正の定数（一定値）
これらの演算式にしたがって、排気速度の操作量ΔＳを演算し、更に演算結果であるΔＳをもとにバルブ開度の操作量ΔＶＶを求め、求められたΔＶＶにしたがってバルブ開度を操作した。この結果、前記演算式を用いることにより以下の効果が得られることがわかった。

式（２）、式（３）の定数ａｎ、ｂｎ、ｃｎを適切な値に設定することにより、制御周期毎の圧力と排気速度から実効的な流量が算出されて、自動的にゲイン値にフィードバックされて、制御が最適化される。このため、ガス流量や目標圧力の大きさによらず、高速かつ安定な制御ができる。また、制御演算式による演算結果（ΔＳ）によりバルブ開度を直接制御するのではなく、前記値（ΔＳ）が排気速度の操作量になるようにバルブ開度を調整する。これにより、スロットルバルブのバルブ開度と排気速度の関数Ｆ（Ｓ）が極めて非線形性な場合でも、ハンチングの少ない安定制御が可能である。

また、式（２）、式（３）の定数ａｎ、ｂｎ、ｃｎの値を特定のガス種、ガス流量および目標圧力において最適化し、かつ、事前に排気特性の関数Ｆ（Ｓ）を求めておけば、スロットルバルブの構造にかかわらず最適な制御を実現できる。また、ガス種、ガス流量、ガスの解離状態、目標圧力が変化しても、最適な制御が可能である。

このようにして得られた最適制御に関する知見について、以下に詳述する。

［実施例１］
図１は、本発明の圧力制御をマイクロ波プラズマ処理装置に適用した例を説明する図である。

この装置では、マグネトロン５で発生させたマイクロ波を導波管６、石英窓７を介して減圧処理室１に導入して、プラズマ８を生成する。ガス導入口９から導入された処理ガスはプラズマ８によって解離され、解離によって生じたラジカルを用いて試料台１０上に載置した試料１１を処理する。なお、減圧処理室１の容積は５９Ｌである。

また、前記プラズマ処理装置は、減圧処理室１と排気装置２の間に排気速度調整手段としてのバタフライ式のスロットルバルブ３を備え、減圧処理室１に接続された圧力計４の測定値と目標値との偏差を演算制御装置１３を介してスロットルバルブ３の開度にフィードバックして、減圧処理室の圧力を自動制御する構造になっている。なお、スロットルバルブ３の動作速度は毎秒２５％（全閉から全開までに要する時間は４ｓ）である。

また、前記処理ガスとして、Ｏ_２ガスを１５０ｓｃｃｍの流量で供給して、バルブ３の開度と処理室圧力の関係を測定した。図３は、測定した処理室圧力から計算した排気速度とバルブ開度の関係を示す図である。本発明の圧力制御装置においては、図３に示す結果を前記式（５）における関数Ｆとして使用した。

次に、図１に示す圧力制御装置を用いて、制御周期３００ｍｓで圧力の自動制御を行うことを考える。ここで、本実施例によるＰＩＤ制御に先立って、まず、従来の一般的なＰＩＤ制御について検討する（従来の制御法では、通常、（１）式に示すＰＩＤ制御演算式にしたがって制御周期毎にバルブ開度の操作量ΔＶＶを演算し、バルブの開度を制御する）。従来の制御法の検討に際しては、処理ガスとして１５０ｓｃｃｍのＯ２ガスを用いて、プラズマ放電のない状態で、一旦、目標圧力０．５Ｐａになるように圧力の自動制御を行い、時刻ｔ＝０ｓにおいて目標圧力をそれぞれ、１．０Ｐａ、２．０Ｐａ、３．０Ｐａに増やした場合の圧力の応答を調べた。なお、ＰＩＤ制御演算式のゲイン値については、それぞれの条件で最適化した値を用いた。従来の制御法による制御結果を図４に示す。この方法では、図４に示すように目標の圧力に達するのに７−１２ｓ（秒）を要する。

次に、本実施例の制御法（式２，３，４，５に示す演算式にしたがってＰＩＤ制御演算を施して排気速度を演算し演算結果に基づいて前記排気速度調整手段にフィードバックする制御）を実施する。なお、制御演算に用いたａｎ、ｂｎ、ｃｎの各定数は図５に示す通りである。この制御法による制御結果を図６に示す。

図６に示すように、本実施例の制御法の場合は、１−２ｓで目標の圧力に達していることがわかる。また、目標圧力を１．０Ｐａ、２．０Ｐａおよび３．０Ｐａから０．５Ｐａに下げる場合についても調査した。従来の制御法および本実施例の制御法における圧力の応答をそれぞれ図７、８に示す。従来の制御法では、図７に示すように圧力が目標の０．５Ｐａに達するのに、５−７ｓ要しているのに対して、本実施例の制御法の場合は、図８に示すように２ｓで０．５Ｐａに達している。

すなわち、本実施例によれば、ａｎ、ｂｎ、ｃｎの各定数を最適な値に設定すれば、目標圧力にかかわらず、高速な制御が可能であることがわかる。

次に、処理ガスとして、Ｏ_２ガスを１５０ｓｃｃｍの流量で供給したまま、プラズマ放電を発生させた状態で目標圧力を０．５Ｐａから２．０Ｐａに増やした。従来の制御法および本実施例の制御法のそれぞれについて、マイクロ波電力を変化させて圧力の応答を調査した。なお、従来の制御法におけるゲイン値はプラズマ放電のない状態においてＯ_２ガスを１５０ｓｃｃｍの流量で供給する条件において最適化した値を用いた。 また、本実施例の制御法におけるａｎ、ｂｎ、ｃｎの各定数に関しては、図５に示す値をそのまま用いた。この調査結果をそれぞれ図９、図１０に示す。

マイクロ波電力が大きくなると、解離が進み１個のＯ_２ガス分子が２個のＯラジカルになるため、モル数が増えて、実効的な流量が増加する。このため、従来の制御法の場合、プラズマのない状態におけるゲイン値を用いると、図９に示すように目標圧力に達するのに要する時間が長くなり、マイクロ波電力が１０００Ｗでは１５ｓ経過しても目標の２Ｐａに達しない。

これに対して、本実施例の制御法では、制御周期毎に実効的な流量を算出して、自動的にゲイン値にフィードバックしている。このため、図１０に示すようにマイクロ波電力０、５００、１０００Ｗのいずれの場合でも、約２ｓで２Ｐａに達している。また、目標圧力を２．０Ｐａから０．５Ｐａに下げる場合についても、従来の制御法および本実施例の制御法を用いた調査結果をそれぞれ図１１、１２に示す。

従来の制御法では、図１１に示すようにマイクロ波電力が大きい程、目標圧力である０．５Ｐａに達する時間が延びており、最大で１３ｓ程度かかっている。これに対して、本実施例の制御法では、図１２に示すように、いずれの条件でも圧力の応答は同じであり、約２ｓで目標圧力０．５Ｐａに達している。

すなわち、本実施例の制御法では、ａｎ、ｂｎ、ｃｎの各定数を最適な値に設定すれば、プラズマ解離状態や実効的な流量の増減によらず、高速な制御が可能であることがわかる。

次に、処理ガスとしてＳＦ_６ガスを１５０ｓｃｃｍの流量で供給し、プラズマ放電のない状態で目標圧力を０．５Ｐａから２．０Ｐａに増やした。従来の制御法および本実施例の制御法における圧力の応答をそれぞれ調査した。なお、従来の制御法におけるゲイン値は、Ｏ_２ガスを１５０ｓｃｃｍの流量で供給し、プラズマ放電のない状態について最適化した値を用いた。また、本発明のａｎ、ｂｎ、ｃｎの各定数に関しては、図５に示す値を用いた。この調査結果をそれぞれ図１３、図１４に示す。

ＳＦ_６ガスは、Ｏ_２ガスと比べて排気されにくいため、実効的な排気速度が６割程度に減少する。このため従来の制御法の場合、ＳＦ_６ガスはＯ_２ガスに比べて、目標圧力に達するのに要する時間が長くなり、図１３に示すように１５ｓ経過しても目標の２Ｐａに達しない。これに対して、本実施例の制御法ではＳＦ_６ガスとＯ_２ガスの特性の差は小さく、図１４に示すように約２ｓで２Ｐａに達している。

また、目標圧力を２．０Ｐａから０．５Ｐａに下げる場合について、従来の制御法および本実施例の制御法による制御結果をそれぞれ図１５、１６に示す。従来の制御法の場合、ＳＦ_６ガスはＯ_２ガスに比べて、０．５Ｐａに達する時間が長く、図１５に示すように最大で１０ｓ程度かかっている。これに対して、本実施例の制御法の場合は、いずれの条件でも圧力の応答の差は小さく、図１６に示すように約２ｓで０．５Ｐａに達している。

すなわち、本実施例の制御法では、ａｎ、ｂｎ、ｃｎの各定数を最適な値に設定すれば、ガス種によらず、高速な制御が可能であることがわかる。

このように、本実施例の制御法によれば、ガス圧力、ガス流量、ガス種およびガスの解離状態に依存しないロバストな高速圧力制御が可能である。また、本実施例では、流量が一定の状態における圧力制御の例を示したが、流量が大きく変動するガス切り換え時の圧力制御、あるいはガス流量変動時に圧力を一定に制御する場合においても同様の効果を得ることができる。

なお、本実施例では、積分ゲインＧｉおよび比例ゲインＧｐをそれぞれ式（２）および式（３）、バルブ開度の操作量を式（４）および式（５）で算出した値を使用している。しかし、（ａ）積分ゲインＧｉが排気速度Ｓｎと正の相関を有する関数であって、かつ、圧力値Ｐｎおよび目標圧力値Ｐ０と負の相関を有する関数であって、（ｂ）比例ゲインＧｐが圧力値Ｐｎおよび目標圧力値Ｐ０と負の相関を有する関数であり、かつ、（ｃ）ＰＩＤ制御演算式の値が排気速度の操作量になるようにバルブ開度を調整することができれば、前記式に関わらず同様な効果が得られる。また、本実施例では、微分ゲインＧｄは０としたが、微分ゲインはＧｄは適切な値であれば、０以外の値であっても、同様の効果が得られる。

［比較例１］
実施例１では、ＰＩＤ制御演算式の値にしたがってバルブ開度を直接操作するのではなく、前記演算式の値が排気速度の操作量になるようにバルブ開度を調整することを特徴の１つとしている。次に、この特徴の優位性について検証する。

まず、積分ゲインＧｉおよび比例ゲインＧｐを表す前記式（２）および式（３）はそのまま使用し、ＰＩＤ制御演算式の演算値が、直接、バルブ開度の操作量となる式（１）を用いて、圧力制御を行った。

処理ガスとしてＯ_２ガスを１５０ｓｃｃｍの流量で使用し、プラズマ放電を発生させた状態で目標圧力を０．５Ｐａから２．０Ｐａに増やした。実施例１と同様に、マイクロ波電力を変えて圧力の応答を調査した。なお、ａｎ、ｂｎ、ｃｎの各定数に関しては、プラズマのない状態で最適化した図１７に示す値を用いた。調査結果を図１８に示す。

図１８に示すように、マイクロ波電力が小さい場合（０Ｗ、５００Ｗ）には、安定制御ができているが、マイクロ波電力が大きい場合（１０００Ｗ）には２Ｐａを中心としてハンチングするようになる。この原因について考えた。マイクロ波電力が大きくなると、実効的な流量が増加するため、２Ｐａ定常時のバルブ開度は、マイクロ波電力が０Ｗ時の８．４％から、１０００Ｗ時には１５％に増加していることがわかった。バルブ開度と排気速度の関係（図３）から、バルブ開度１％当たりの排気速度の変化量は、バルブ開度が８．４％付近では１５Ｌ／ｓであるのに対して、１５％付近では２５Ｌ／ｓと大きくなっている。このため、同じバルブ開度の操作量でも、１０００Ｗ時には排気速度の変化が大きくなり過ぎ、ハンチングが生じたものと考えられる。

一方、実施例１においては、式（４）および式（５）を用いて、ＰＩＤ制御演算式で演算された値が排気速度の操作量になるように調整されている。このため、非線形性の強い排気特性のバルブを使用した場合においても、また、ガスの解離した場合においても、図１０に示すようなハンチングのない安定制御ができたと考えられる。

なお、実施例１では、ＰＩＤ制御演算式、およびＰＩＤ制御演算式からバルブ開度操作量への変換式として式（４）および式（５）を用いたが、ＰＩＤ制御演算式の値が排気速度の操作量になるようにバルブ開度を調整することができればどのような式を用いても、同様な効果が得られる。また、実施例１では、バルブ開度と排気速度の関係Ｆ（ｓ）が非線形なバタフライ式のスロットルバルブを用いたが、排気特性が比較的線形な特性を示す振り子式のスロットルバルブを用いても同様の効果が得られる。

［比較例２］
実施例１では、式（２）、式（３）に示すように、積分ゲインＧｉおよび比例ゲインＧｐが目標圧力値Ｐ０と負の相関を有する関数であることを特徴の１つとしている。次に、この特徴の優位性について検証する。

まず、積分ゲインＧｉおよび比例ゲインＧｐと目標圧力値Ｐ０との相関をなくすため、式（２）および式（３）におけるｂ２、ｃ２の値を０にして、圧力制御性を調査した。

ここでは、処理ガスとしてＯ２ガスを１５０ｓｃｃｍの流量で用い、プラズマ放電のない状態で目標圧力を０．５Ｐａから１．０Ｐａ、２．０Ｐａ、３．０Ｐａに増やした場合の圧力の応答を調査した。なお、ｂ２、ｃ２以外のａｎ、ｂｎ、ｃｎの各定数については、０．５Ｐａから２．０Ｐａへの調圧について最適化された図１９に示す値を用いた。この調査結果を図２０に示す。

最適化した２．０Ｐａ条件では、ｂ２、ｃ２が０でない条件である図６に示す制御結果と同様に高速な制御ができているのに対して、最適化条件ではない目標圧力１．０Ｐａの条件では圧力の立上りが悪くなっている。また、目標圧力３．０Ｐａの条件では、昇圧初期にハンチングが発生している。

また、同じ定数を用いて、目標圧力を１．０Ｐａ、２．０Ｐａおよび３．０Ｐａから０．５Ｐａに下げた場合についても調査した。その結果を図２１に示す。定数ｂ２、ｃ２が０でない図８に示す結果と比べて、圧力が目標の０．５Ｐａに達するのに要する時間が延びていることがわかる。

すなわち、実施例１においては、積分ゲインＧｉと比例ゲインＧｐが目標圧力値Ｐ０と負の相関を有することによって、異なる圧力条件でも、高速な制御を実現できたことがわかる。なお、実施例１では、積分ゲインＧｉおよび比例ゲインＧｐの値をそれぞれ式（２）および式（３）で与えたが、積分ゲインＧｉおよび比例ゲインＧｐが目標圧力値Ｐ０と負の相関を有する関数であれば同様な効果が得られる。

［比較例３］
実施例１では、式（２）に示すように、積分ゲインＧｉが排気速度Ｓｎと正の相関を有する関数であることを特徴の１つとしている。この特徴の優位性について検証する。

まず、積分ゲインＧｉと排気速度Ｓｎとの相関をなくすため、式（２）のａ２の値を０にして、圧力制御性を調査した。

処理ガスとしてＯ_２ガスを１５０ｓｃｃｍの流量で使用し、プラズマ放電のない状態で目標圧力を０．５Ｐａから１．０Ｐａ、２．０Ｐａ、３．０Ｐａに増やした場合の圧力の応答を調査した。なお、ａ２以外のａｎ、ｂｎ、ｃｎの各定数については、０．５Ｐａから２．０Ｐａへの調圧について最適化された図２２に示す値を用いた。調査結果を図２３に示す。最この適化した２．０Ｐａ条件では、ａ２が０でない図６の結果と同じくらい高速な制御ができているのに対して、最適化条件ではない１．０Ｐａでは圧力の立上りが悪くなっている。また、同じ定数を用いて、目標圧力を１．０Ｐａ、２．０Ｐａおよび３．０Ｐａから０．５Ｐａに下げた場合についても調査した。その結果を図２４に示す。ａ２が０でない図８の結果と比べて、圧力が目標の０．５Ｐａに達するのに要する時間が延びていることがわかる。

すなわち、実施例１では積分ゲインＧｉが排気速度Ｓｎと正の相関を有することによって、異なる圧力条件においても、高速な制御を実現できることがわかる。

なお、実施例１では、積分ゲインＧｉの値を式（２）により与えたが、積分ゲインＧｉが排気速度Ｓｎと正の相関を有する関数であれば、どのような関数でも同様な効果が得られる。なお、ａｎ、ｂｎ、ｃｎの各定数については、０．５Ｐａから２．０Ｐａへの調圧について最適化された図２５の値を用いた。

［実施例２］
図１に示す圧力制御装置において、処理室と圧力計をつなぐパイプ１２の長さを５ｍｍから１ｍに伸ばして圧力制御の実験をおこなった。パイプ１２の長さを伸ばすことにより、処理室の実際の圧力が圧力計に伝達されるまでの時間遅れが２５ｍｓから５００ｍｓに増加した。

処理ガスとしては、Ｏ_２ガスを１５０ｓｃｃｍの流量で用い、プラズマ放電のない状態で目標圧力を０．５Ｐａから１．０Ｐａ、２．０Ｐａ、３．０Ｐａに増やした場合の圧力の応答を調査した。なお、積分ゲインＧｉおよび比例ゲインＧｐは式（２）および式（３）を用い、ａｎ、ｂｎ、ｃｎの各定数については、０．５Ｐａから２．０Ｐａへの調圧について最適化された図２５の値を用いた。

調査結果を図２６に示す。制御に要する時間は、実施例１で得られた１−２ｓから４−６ｓに伸びている。これはパイプ１２を伸ばしたことにより、圧力計の測定値と処理室の実際の圧力の間に遅れが生じているためである。

このような状況で、これ以上応答性を高くしようとすると、オーバーシュートが大きくなる。また、図２５に示す定数を用いて、目標圧力を１．０Ｐａ、２．０Ｐａおよび３．０Ｐａから０．５Ｐａに下げた場合についても調査した。１．０Ｐａから減圧する際には比較的良好な特性を示すが、図２７に示すように２．０Ｐａや３．０Ｐａから減圧する際には極端なアンダーシュートが発生する。

この問題を解決するための方法として、本発明の積分ゲインＧｉおよび比例ゲインＧｐを表す式（２）および式（３）の分母に制御周期毎の圧力値Ｐｎを追加した式（６）および式（７）を考案した。

但し、ａ３、ｂ３、ｃ３： 正の定数（一定値）
積分ゲインＧｉおよび比例ゲインＧｐを表す式として、式（６）、式（７）を用い、処理ガスとしてＯ_２ガスを１５０ｓｃｃｍの流量で用いて、プラズマ放電のない状態で目標圧力を０．５Ｐａから１．０Ｐａ、２．０Ｐａ、３．０Ｐａに変更した場合の圧力の応答を調査した。なお、ａｎ、ｂｎ、ｃｎの各定数については、０．５Ｐａから２．０Ｐａへの調圧について最適化された図２８に示す値を用いた。調査結果を図２９に示す。目標の圧力に達するまでの時間は１ｓ程度短縮されている。

また、図２８に示す定数を用いて目標圧力を１．０Ｐａ、２．０Ｐａおよび３．０Ｐａから０．５Ｐａに変更する場合についても調査した。この結果を図３０に示す。図２７に示されるアンダーシュートは発生せず、２−３ｓで目標圧力０．５Ｐａに達している。

すなわち、式（２）および式（３）の分母に制御周期毎の圧力値Ｐｎを追加した式（６）および式（７）を積分ゲインＧｉおよび比例ゲインＧｐの計算に用いることで時間遅れに対するロバスト性が向上することがわかる。

なお、本実施例では、積分ゲインＧｉと比例ゲインＧｐの値をそれぞれ式（６）および式（７）で与えたが、積分ゲインＧｉおよび比例ゲインＧｐが目標圧力値Ｐ０および制御周期毎の圧力値Ｐｎの双方と負の相関を有する関数であれば、同様な効果が得られる。

［実施例３］
図１に示す圧力制御装置を用いて、図３１に示す３ステップ処理を施し、図３２（ａ）に示す構造の試料をエッチングした。このエッチング処理は、レジストパターンのマスク６０に沿って、ポリシリコン６１、シリコン酸化膜６２、ポリシリコン６３をエッチングする一方、シリコン酸化膜６４を基板のシリコン６５上に残す処理である。

処理に際しては、まず、第１ステップにおいて、ポリシリコン６１、シリコン酸化膜６２をエッチングする。第２ステップにおいて、シリコン酸化膜６４が露出するまで、ポリシリコン６３をエッチングする。このときの加工形状は、図３２（ｂ）に示すように、ポリシリコン６３はテーパ形状にエッチングされる。第３ステップにおいて、前記テーパ形状の裾部をエッチング除去する。このとき、シリコン酸化膜６４がエッチングされないようにするため、シリコン酸化膜のエッチング速度が遅くなる高圧のガス条件を用いる。

このような３ステップ処理を施すことにより、図３２（ｃ）のような垂直な加工形状が期待できる。なお、本実施例では、スループット向上のため、各ステップ間の待ち時間をなくして、３ステップを連続で処理した。

圧力制御に際して、本発明の制御法を用いた場合と、従来の制御法を用いた場合について、それぞれ図３２（ａ）に示す構造の試料を処理して加工形状を比較した。

本発明の制御法を用いた場合は、図３２（ｃ）に示すように十分な膜厚のシリコン酸化膜６４が残っている。これに対して、従来の制御法を用いた場合は、図３３に示すように、パターン裾部のシリコン酸化膜６４が消失して、基板のシリコン６５の一部がエッチングされていた。また、シリコン酸化膜の表面の一部には残渣６６が見られた。

次に、従来の制御法を用いた場合に、パターン裾部のシリコン酸化膜６４が消失する理由を調査した。図３４は従来の制御法を用いた場合における、実効ガス流量および圧力の変化を示す図である。

従来の制御法では、図３４に示すようにステップ３の開始後の圧力上昇が遅く、２Ｐａに達しないままの状態でウエーハが処理されたことがわかる。

図３５に、ステップ３に示すガス条件において、圧力を０．４Ｐａから２Ｐａまで変えた場合のポリシリコンおよびシリコン酸化膜のエッチング速度を示す。図３５に示すように、２Ｐａでは、シリコン酸化膜のエッチング速度が非常に低いのに対して、圧力を下げた状態ではシリコン酸化膜のエッチング速度が増加しており、０．５Ｐａ近傍では、４０ｎｍ／ｍｉｎ程度の高い値となり、シリコンとの選択比が大幅に低下していることがわかる。

このため、シリコン酸化膜６４の膜厚が薄い場合は、ステップ３の開始後、２Ｐａに達するまでの間にシリコン酸化膜６４の一部がエッチング除去されたと考えられる。

さらに、ステップ２では、流量の急激な減少に圧力制御が追随できず圧力が０．３Ｐａ以下と低い状態が続いている。０．３Ｐａ以下の低圧では、Ｐｏｌｙ−Ｓｉのエッチ速度が６０ｎｍ／ｍｉｎ以下に低下しており、Ｐｏｌｙ−Ｓｉのエッチングがほとんど進行しない。このため、Ｐｏｌｙ−Ｓｉの残渣６６が発生したものと考えられる。

次に、本発明の制御法を用いた場合における圧力の変化を調査した結果を図３６に示す。図３６に示すように、ステップ３の開始後２Ｐａに達するのに要する時間は１ｓに短縮されている。さらに、ステップ２の開始直後における圧力の低下もほとんどみられない。この結果、図３２（ｃ）示すような良好な加工形状が得られたものと考えられる。

このように、本発明の制御法を用いることによって、ステップ間を連続処理しても良好なエッチングが可能であり、スループット向上を図ることができる。

以上説明したように、本発明の実施例によれば、処理室内圧力が目標圧力に一致するようにＰＩＤ制御演算を施して排気速度を演算し、演算した排気速度に応じた開度に排気速度調整手段（スロットルバルブ）をフィードバック制御する。また、前記ＰＩＤ制御演算における積分ゲインおよび比例ゲインは目標圧力値に対して負の相関を有し、積分ゲインは排気速度に対して正の相関を有している。このため、スロットルバルブの排気特性（排気速度−バルブ開度特性の非線形性）に関わらず、処理室内を速やかに所望の圧力に調整することができる。また、ガス種、ガス流量、目標圧力が変更された場合においても、ゲイン値の最適化作業は必要としない。このため、高速且つ汎用性の高い圧力制御を行うことができる。

本発明の圧力制御法をマイクロ波プラズマ処理装置に適用した例を説明する図である。 従来の減圧処理室の圧力を調整する装置を説明する図である。 排気速度とバルブ開度の関係を示す図である。 従来の制御法による圧力応答を示す図である。 実施例１で用いる各定数を示す図である。 実施例１の制御法における圧力応答を示す図である。 従来の制御法における圧力応答を示す図である。 実施例１の制御法における圧力応答を示す図である。 従来の制御法における圧力応答を示す図である。 実施例１の制御法における圧力応答を示す図である。 従来の制御法における圧力応答を示す図である。 実施例１の制御法における圧力応答を示す図である。 従来の制御法における圧力応答を示す図である。 実施例１の制御法における圧力応答を示す図である。 従来の制御法における圧力応答を示す図である。 実施例１の制御法における圧力応答を示す図である。 比較例１で用いる各定数を示す図である。 比較例１の制御法における圧力応答を示す図である。 比較例２で用いる各定数を示す図である。 比較例２の制御法における圧力応答を示す図である。 比較例２の制御法における圧力応答を示す図である。 比較例３で用いる各定数を示す図である。 比較例３の制御法における圧力応答を示す図である。 比較例３の制御法における圧力応答を示す図である。 実施例２で用いる各定数を示す図である。 実施例２の制御法における圧力応答を示す図である。 実施例２の制御法における圧力応答を示す図である。 実施例２で用いる各定数（改訂後）を示す図である 実施例２の制御法における圧力応答（改訂後）を示す図である。 実施例２の制御法における圧力応答（改訂後）を示す図である。 実施例３における３ステップ処理を説明する図である。 エッチングされた試料の構造を示す図である。 エッチングされた試料の構造を示す図である。 従来の制御法を用いた場合における、実効ガス流量および圧力の変化を示す図である 圧力を変えた場合のポリシリコンおよびシリコン酸化膜のエッチング速度を示す図である。 本発明の制御法を用いた場合における圧力の変化を示す図である。

符号の説明

１ 減圧処理室
２ 排気装置
３ スロットルバルブ
４ 圧力計
５ マグネトロン
６ 導波管
７ 石英窓
８ プラズマ
９ ガス導入口
１０ 試料台
１１ 試料
１２ 処理室−圧力計間をつなぐパイプ
１３ 演算制御装置
６０ レジストマスク
６１ ポリシリコン
６２ シリコン酸化膜
６３ ポリシリコン
６４ シリコン酸化膜
６５ 基板のシリコン
６６ 残渣

Claims (13)

1. 減圧処理室と、
   該減圧処理室に処理ガスを供給するガス供給手段と、
   前記減圧処理室に供給された処理ガスに電磁エネルギを供給してプラズマを生成するプラズマ生成手段と、
   前記減圧処理室内のガスを排気する排気手段と、
   前記減圧処理室内のガス圧力を測定するガス圧力測定手段と、
   前記排気手段により排気されるガスの排気速度を調整する排気速度調整手段と、
   前記圧力測定手段により測定したガス圧力が目標値に一致するように制御演算を施して排気速度を演算し、演算結果に基づいて前記排気速度調整手段を制御する演算制御装置とを備えたことを特徴とする減圧処理室の圧力制御装置。
2. 請求項１記載の減圧処理室の圧力制御装置において、
   前記制御演算はＰＩＤ制御演算であり、該演算結果に基づいて前記排気速度調整手段をフィードバック制御することを特徴とする減圧処理室の圧力制御装置。
3. 請求項１記載の減圧処理室の圧力制御装置において、
   前記排気速度調整手段は排気バルブを備え、演算制御装置は前記演算された排気速度に応じた開度に前記排気バルブの開度を調整することを特徴とする減圧処理室の圧力制御装置。
4. 請求項１記載の減圧処理室の圧力制御装置において、
   前記処理ガスは前記電磁エネルギにより解離されてモル数が増加するガスを含むことを特徴とする減圧処理室の圧力制御装置。
5. 請求項１記載の減圧処理室の圧力制御装置において、
   前記処理ガスは前記電磁エネルギにより解離されてモル数が増加するガスを含むことを特徴とする減圧処理室の圧力制御装置。
6. 請求項１記載の減圧処理室の圧力制御装置において、
   前記制御演算はＰＩＤ制御演算であり、該ＰＩＤ制御演算における積分ゲインおよび比例ゲインは目標圧力値に対して負の相関を有していることを特徴とする減圧処理室の圧力制御装置。
7. 請求項１記載の減圧処理室の圧力制御装置において、
   前記制御演算はＰＩＤ制御演算であり、該ＰＩＤ制御演算における積分ゲインは排気速度に対して正の相関を有していることを特徴とする減圧処理室の圧力制御装置。
8. 減圧処理室に処理ガスを供給するガス供給手段と、
   前記減圧処理室内のガスを排気する排気手段と、
   前記減圧処理室内のガス圧力を測定するガス圧力測定手段を備え、
   前記排気手段により排気されるガスの排気速度を調整して前記圧力測定手段により測定したガス圧力が目標値に一致するようにガス圧力を調整する減圧処理室の圧力制御方法において、
   前記圧力測定手段により測定したガス圧力が目標値に一致するように制御演算を施して排気速度を演算し、演算結果に基づいて排気速度調整手段を制御することを特徴とする減圧処理室の圧力制御方法。
9. 請求項８記載の減圧処理室の圧力制御方法において、
   前記制御演算はＰＩＤ制御演算であり、該演算結果に基づいて前記排気速度調整手段をフィードバック制御することを特徴とする減圧処理室の圧力制御方法。
10. 減圧処理室に処理ガスを供給するガス供給手段と、
    前記減圧処理室に供給された処理ガスに電磁エネルギを供給してプラズマを生成するプラズマ生成手段と、
    前記減圧処理室内のガスを排気バルブを介して排気する排気手段と、
    前記減圧処理室内のガス圧力を測定するガス圧力測定手段を備え、
    前記排気手段により排気されるガスの排気速度を排気バルブの開度により調整して前記圧力測定手段により測定したガス圧力が目標値に一致するようにガス圧力を調整する減圧処理室の圧力制御方法において、
    前記圧力測定手段により測定したガス圧力が目標値に一致するように制御演算を施して排気速度を演算し、演算結果に基づいて前記排気バルブを制御することを特徴とする減圧処理室の圧力制御方法。
11. 請求項１０記載の減圧処理室の圧力制御方法において、
    前記制御演算はＰＩＤ制御演算であり、該演算結果に基づいて前記排気バルブをフィードバック制御することを特徴とする減圧処理室の圧力制御方法。
12. 請求項１１記載の減圧処理室の圧力制御方法において、
    前記フィードバック制御は、前記演算された排気速度に応じた開度に前記排気バルブの開度を調整する制御であることを特徴とする減圧処理室の圧力制御方法。
13. 請求項１０記載の減圧処理室の圧力制御方法において、
    前記処理ガスは前記電磁エネルギにより解離されてモル数が増加するガスを含むことを特徴とする減圧処理室の圧力制御方法。

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