JPS6247719A - 真空容器の圧力制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の属する技術分野） 半導体製造装置において圧力制御は重要な技術であって
、特にプラズマエツチング装置、減圧ＣＶＤ装置など現
在半導体デバイスの量産に広く使用されている装置にお
いては必要不可欠なものとなっている。これらの装置は
通常１００　Ｐ　ａ以下の減圧状態にて動作する。また
近時基板（ウェハ）の大口径化に伴ってウェハの処理を
１枚ずつ行う枚葉処理形の装置が注目されているが、そ
のような装置では圧力の応答性がそのまま生産能力に影
響を与えるので、圧力の制御精度が良好でかつより高速
で応答できる圧力制御装置の出現が望まれている。本発
明はこのような圧力制御装置に関するものである。

（従来の技術） 第１図は従来一般に用いられている半導体製造用真空容
器とその圧力制御系の構成側図である。

図中の１は真空容器または炉、２は排気部で各種の真空
ポンプやトラップからなっている。３はガスボンベなど
のガス供給部、４はマスフローメータでガス流量を制御
する。５は圧力検出器、６はモータ、７は可変コンダク
タンスバルブであるが、モータ６は配管９のコンダクタ
ンスを調節する可変コンダクタンスバルブ７のバルブ開
度を変更するに用いる。８はバルブ開度検出器である。

この装置においてマスフローメータ４を通じて供給され
るガスの種類や流量は半導体素子などの製造条件に合わ
せて適当に設定れれる。真空容器１内の圧力は圧力検出
器５の指示値が設定値と等しくなるようにバルブ７の開
度を調節することによって自動制御が行われる。

第２図は従来一般に用いられている圧力自動制御装置の
サーボ動作回路図で、１０は圧力設定値、１１は圧力偏
差、１２は圧力偏差に応じて出力されるバルブ７の開度
設定値、１３はバルブ開度偏差、１４はバルブ開度、１
５は真空容器内の圧力、１７はＰＩ（比例−積分）増幅
器、１８はＰ（比例）増幅器、１９はバルブ開度→圧力
の応答特性を実現するための物理的伝達関数（装置）で
ある。また１６は手動でバルブ開度を調節するとき使用
するバルブ開度設定値で、スイッチ２０を実線から破線
のように切替えて使用する。

ここで第１図の各部との対応を説明する。第１図の圧力
検出器５の電気的出力は第２図の１５として圧力偏差１
１を得るに使用される。１１の値に応じ′″Ｃ’ＰＩ増
幅器１７でＰＩＤ等の演算が行われ、その演算結果がバ
ルブ７のその時点における最適な開度（ポジション）設
定値として１２に出力される。

バルブ７０開度を電気的に検出するために検出器８が使
用されるが、その出力は第２図の１４として開度偏差１
３を得るのに使用される。１３の値に応じてＰ増幅器１
８で演算が行われ、その結果開度偏差１３を零とするよ
うにモータ６が自動的に回転し停止する。１３．１８．
１４の系は上記のバルブ開度フィードバック系をまとめ
て表わしたものである。バルブ７の開度すなわちポジシ
ョンは結果として真空容器１内の圧力を変化させるが、
この圧力は圧力検出器５によって検出され、かつ電気量
に変換された制御パラメータ１５となることは前記の通
りである。第２図の装置では圧力偏差１１がゼロになる
ように制御勤行を行うので、制御パラメータ１５は圧力
設定値１０と等しくなり定常状態に到達することになる
。次に実際の使用状態によって説明する。

さて一般に半導体素子などの処理前はバルブが全開とな
るように１６を設定して排気し、真空容器１内の圧力を
０．１〜ＩＰａ程度にする。次にマスフローメータ４よ
り所定の流量で所定のガスを真空容器１に流し始めるが
、１０に容器１内の目標圧力を設定し、スイッチ２０は
実線のように切替える。

第２図の制御装置はその時点から圧力偏差１１がゼロに
なるようにフィードバック制御を行い、応答に要する時
間を経て容器１の内圧と目標圧力が一致するようになる
。この状態で処理を開始する。

第３図は従来の制御処理開始時の時間を対圧力Ｐ特性を
示すもので、原点は圧力フィードバック制御を開始する
時点にとっである。マスフローメータ４の応答特性や真
空容器１の容積、排気能力。

設定圧力や設定流量の相違により応答特性にばらつきが
あるが、第２図の装置では最短の応答時間となるように
ＰＩパラメータを設定したときでも、第３図に示すよう
に大きなオーバーシュート２１を生じ、さらにそれに起
因するアンダーシュート２２を経て安定化することはよ
く知られている。一般にオーバーシュートの大きい程応
答時間（安定するまでの時間）は長くかかる。

ところで従来多数枚のウェハを一時に処理する装置にお
いていは、この応答時間はプロセスの障害となる程では
なかった。その理由は単位時間当りの処理枚数で考える
と応答時間の効果は１／枚数に軽減されることにあった
。ところが他方前記枚葉式の装置においてはこの応答特
性は大きな障害となっている。

第４図は従来の圧力制御装置に用いられているＰＩ増幅
器１７の構成例図である。ただし特に説明を要しない部
分は省略した。この図において演算増幅器２３と抵抗Ｒ
２４，可変抵抗Ｒｔｓは圧力偏差１１を入力とするＰ（
比例）増幅器を構成し、演算増幅器２６と抵抗ＲＺ’Ｔ
とＲ２Ｂは利得１の増幅器を、演算増幅器２９と可変抵
抗Ｒ３゜、コンデンサＣ３１はＩ（積分）増幅器をそれ
ぞれ構成し、３２はこの積分器をリセットするための接
点である。演算増幅器３３と抵抗Ｒ３４＋　Ｒ３１，Ｒ
３＆は加算増幅器を構成している。（以下演算増幅器は
増幅器と略記する）いま１１に入力する偏差信号をεと
すると、結果として出力端の１２には なる出力信号が得られる。ここでに、は比例利得で次式
で与えられる。

Ｋ　ｐ　”　Ｒｔ　ｓ　／　Ｒｚ　ａ　　　　　−−−
−−−−−−−−−−−−−−−−−一・・−（２）Ｔ
１は積分時間で Ｔ　＋　＝Ｒ：Ｉ。　Ｃａ１１　　　　　・−−−−−
−−−一・−−−一−−・−・・−（３）どなる。なお
（１）式で時刻ｔ＝Ｑは接点３２を開放した時点にとっ
ている。ところで応答のオーバーシュートは、応答時間
が最小となるようにに、、Ｔ。

を調整した場合には主に積分動作に起因して起こる。そ
の理由は伝達関数１９が一般に応答の遅れや、むだ時間
を持っていて、過渡応答の時間１１　　（第３図）に積
分器が必要以上の“ため込み”動作を行うために、圧力
値が設定値Ｐ０に一致した後に積分器はその反作用とし
て“はき出し”動作を行うことにある。

（発明の具体的な目的） 本発明は定常状態における制御精度が従来と同等であっ
て、かつ立上り時の高速応答が可能で、高度な技術を必
要とせず製造容易でコストも安い圧力制御装置を提供す
ることを目的としている。

（発明の構成と作用） 第５図は本発明を実施した圧力制御回路の一部ＰＩ増幅
器の構成例図である。図中の３７．　Ｃｚｅ。

Ｒ３９はＤ増幅器（Ｄ＝ａ分）で、Ｒ４゜は微分動作を
不完全微分形とするための付加抵抗である。ここで不完
全微分形とするとは雑音による誤動作を防止し、増幅器
３７を飽和させないで系の応答に従って効率よく微分動
作を行わせることである。またＲ３４．　Ｒ３１Ｒ４１
，Ｒｓｉ、３３は加算器を形成し、左上の接点４２は右
端のスイッチ２０の切替に連動して切替られる。Ｒ４４
１Ｒ４３は接点４２を接地側とし、スイッチ４５を閉じ
たとき増幅器２９の利得を１とし、その出力がバルブ開
度の値１４と同一となるようにするための抵抗である。

この第５図の本発明回路は第４図と比較して、１４を補
助入力としＲ４３゜Ｒ４４，スイッチ４５を付加したこ
とが特徴の１つであることがわかる。

次に第５図の作用を説明する。真空容器内を真空にする
ときなどバルブ開度の手動設定を行うときは、スイッチ
２０を破線のように接続すると接点４２は接地側に接続
され、またスイッチ４５を閉じる。

このとき利得が１となった増幅器２９の出力にはバルブ
開度１４の値が現れ、従って１２にはその時点における
バルブ開度１４そのものが出力しているごとになる。な
おこの動作をポジショントラッキングと呼ぶ。

目標とする圧力制御を行おうとするときは、１２におけ
る値をあらかじめ定めである値、たとえば第３図におい
て圧力が安定化圧力Ｐ０の近傍となるようなバルブ開度
の値（この値は実験によって容易に知ることができる）
になるように１６から設定しておき、その状態でスイッ
チ４５を開（と１２はホールドされる。これをポジショ
ンホールドと呼ぶ。この状態においてスイッチ２０を実
線のように１２側に接続し、同時に接点４２を圧力偏差
１１側に接続すると、積分器２９の余分なためた込み動
作がなく従って大きなオーバーシュートがなくて、制御
領域に的をしぼった最適な圧力制御を行うことができる
。以上のシーケンスは実際には自動的に行わせることが
できる。

第６図は本発明を実施した圧力自動制御回路の改善され
た時間対圧力特性の一例で、実線で示したのは時間ｔ０
まで圧力がＰｏで安定平衡するようなバルブ開度でホー
ルドし、ｔｏ、以後は圧力制御を行った例であり、１点
鎖線はｔｌまでバルブを全開としてホールドし、さらに
ｔ２まで圧力がＰｏで平衡するようなバルブ開度でホー
ルドし、ｔ０以後は圧力制御を行うことにより更に高速
応答をねらった例である。なお第３図、第６図および第
７図は同一スケールで描いである。

制御性能は真空容器の容積や排気能力、バルブの形状等
によって相違はあるが、実測例では従来の装置に比べて
応答時間（圧力Ｐがゼロから安定圧力に到達するまでの
時間）をＡ以下に短縮することができた。

また従来の技術でもバルブ開度を適当な値でホールドし
、その後制御を行うというシーケンスそのものは可能で
あるが、切替え時点で積分器２９の出力はゼロであるか
らオフセットをとるのに時間を要し、応答時間は短縮さ
れない。第７図はその特性例を示したもので、第６図の
実線の場合と同じ条件でポジショントラッキングのみ行
わなかった例（切替え時点ｔ０で積分器の出力がゼロ）
である。

第５図の１２に出力される圧力制御信号Ｐ（ｔ）は次式
（４）で示される。

式中のＴｏは微分時間で Ｔｏ　＝Ｒ３９Ｃ３゜　　　　　　　・−−−−−−〜
−−・・（５）で与えられ、この微分回路３７による微
分動作はむだ時間の効果を軽減するために付加したもの
で、Ｐ　（０）はポジショントラッキングの効果（積分
器の初期値として寄与する）である。

（発明の効果） １）圧力制御のための応答の立上りが早くオーバーシュ
ートの小さい高速応答が可能であることが最大の効果で
ある。そのほかに、 ２）手動と自動の切替え時にバルブ開度出力の変動がな
い、 ３）従来の装置のＰＩ増幅器（第４図）を本願のＰＩ増
幅器（第５図）に置換えれば同等の効果が得られるが、
その置換は著しく容易である、４）本発明の制御装置は
温度、流量等の高速応答制御に応用できる等の効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は真空容器とその圧力制御系の構成例図、第２図
は圧力自動制御装置の構成例図、第３図は従来の装置に
おける圧力制御処置開始時の時間対圧力特性図、第４図
は従来め圧力制御装置に用いられているｐｉ増幅器の回
路構成別図、第５図は本発明装置に用いられているＰＩ
Ｄ増幅器の回路構成別図、第６図は本発明装置による改
善された圧力制御開始時の時間対圧力特性図、第７図は
従来の装置においてバルブ開度を適当な値に保ったのち
圧力制御を開始したときの時間対圧力特性別図である。 １・・・真空容器、２・・・排気部、３・・・ガス供給
部、４・・・流量制御部、５・・・圧力検出器、６・・
・モータ、７・・・可変コンダクタンスバルブ、８・・
・バルブ開度検出器、９・・・配管、１０・・・圧力設
定値、１工・・・圧力偏差、１２・・・１７の出力によ
るバルブ７の開度設定値、１３・・・バルブ開度偏差、
１４・・・バルブ開度、工５・・・容器１内の圧力、１
６・・・バルブ開度設定値、１７・・・ＰＩ増幅器、１
８・・・Ｐ増幅器、１９・・・伝達関数、２０・・・ス
イッチ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 真空容器の排気路に設けた開閉弁の開度を制御して容器
   内圧力を急速に設定値に一致させるために、容器内圧力
   に比例する電気的圧力検知出力と設定圧力に比例する電
   気的出力との偏差値を入力とし前記開閉弁の制御出力を
   得るために設ける圧力帰還制御回路に含まれ前記圧力偏
   差値からその時点における前記開閉弁の最適開度を出力
   するＰＩＤ（比例−積分−微分）増幅器を、比例増幅器
   と、それに続く利得１の増幅器、微分器、および積分器
   の３つよりなる並列回路と、この並列回路の合成出力を
   求める加算器にて構成し、前記積分器には前記開閉弁の
   開度検出値を補助入力とし前記圧力偏差値入力側を短絡
   した場合に利得が１の増幅器として手動設定によるその
   時点の前記開閉弁の開度検出値を前記加算器の出力に保
   持しこれを前記積分器の初期値として利用する回路素子
   切替回路を設けたことを特徴とする真空容器の圧力制御
   装置。