ES2197633T3 - Metodo y aparato para el control de presion en procesadores a vacio. - Google Patents
Metodo y aparato para el control de presion en procesadores a vacio.Info
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Abstract
Un método para controlar la presión en una cámara de procesado que ha sido sometida a evacuación (106), que comprende los pasos de: recuperar de la memoria electrónica (190) un valor deseado de la presión que refleje un nivel de presión deseado para la cámara de procesado; recuperar de la memoria electrónica un valor deseado del flujo de gas que represente un caudal de gas deseado a través de la cámara de procesado; situar en posición una válvula de estrangulación (124) en una posición inicial, la válvula de estrangulación usada para controlar la presión en la cámara de procesado; medir la presión dentro de la cámara de procesado; calcular una diferencia entre la presión deseada y la presión medida; y a continuación de dicho paso de colocar en posición, modificar la posición de la válvula de estrangulación al menos una vez sobre la base de la diferencia entre la presión deseada y la presión medida caracterizado porque: dicha modificación de la posición se efectúa usando control proporcionaly control integral, siendo retardado el control integral en lo correspondiente a un período de tiempo predeterminado.
Description
Método y aparato para el control de presión en
procesadores a vacío.
Esta solicitud es una continuación en parte de la
solicitud para los EE.UU. Nº de Serie 08/627.712, presentada con
fecha 29 de marzo de 1996, cuyo contenido queda aquí incorporado en
su totalidad por su referencia.
Este invento se refiere al campo del procesado de
obleas semiconductoras, y en particular a un método y un aparato
para controlar la presión en la cámara de reacción en un equipo de
procesado de obleas semiconductoras.
Los sistemas de procesado de obleas totalmente
automatizados están actualmente en uso comercial muy generalizado.
En tales sistemas, las obleas son transportadas por medio de robots
a y fuera de una cámara de reacción o cámara de proceso donde, bajo
un ambiente de evacuación controlada, se llevan a cabo varios
procesos. Un ejemplo de uno de tales sistemas de procesado de obleas
es el sistema de ataque químico con plasma de una sola oblea ``TCP™
9400'' fabricado por la firma Lam Research Corporation.
En el caso de ataque químico con plasma, las
obleas semiconductoras son sometidas a ataque químico en la cámara
de reacción, exponiendo para ello la oblea a compuestos de gas
ionizado (plasma) bajo presiones muy bajas. Típicamente, durante el
procesado es necesario mantener en la cámara de reacción presiones
por debajo de un Torr. Las recetas para el proceso consisten en una
serie de pasos en los que se controlan los caudales de gas, la
presión en la cámara, la potencia de RF (radiofrecuencia), el
espaciamiento de las separaciones, la temperatura en la cámara, y la
temperatura de la oblea. El fabricante proporciona típicamente
conjuntos preprogramados de recetas para el proceso. El operador
puede; o bien seleccionar una receta programada, o bien usar una
receta alterada o adaptada a las necesidades particulares del
caso.
Cuando se inicia el proceso de ataque químico,
los gases seleccionados usados para el procesado son mezclados e
introducidos en la cámara de reacción con regímenes de acuerdo con
la receta del proceso. La potencia de RF es suministrada mediante
una bobina en la parte superior de la cámara de reacción, y es
sintonizada de modo que ionice los gases del proceso. También se
suministra potencia de RF a la oblea y se sintoniza de modo que
induzca una polarización de corriente continua en la oblea,
controlándose con ello la dirección y la energía del bombardeo de la
oblea con iones. Durante el proceso de ataque químico, el plasma
reacciona químicamente con la superficie de la oblea para retirar el
material que no esté cubierto por una máscara. El plasma y el campo
eléctrico de RF están contenidos por completo dentro de la cámara de
reacción. Un sistema de evacuación retira continuamente gases de la
cámara de reacción, y mantiene con ello la deseada presión. El
sistema de evacuación comprende típicamente una turbobomba separada
de la cámara de reacción por una válvula de compuerta de control. Un
controlador de la presión hace uso de los datos de la presión
procedentes de un manómetro en la cámara de reacción para ajustar el
grado de posición de cierre de la válvula de compuerta de control.
El controlador de presión abre y cierra la válvula de compuerta para
aumentar y disminuir el vacío suministrado desde la turbobomba a la
cámara de reacción. De este modo, el controlador de presión trata de
mantener la presión deseada en la cámara de reacción al variar los
caudales de gas al interior de la cámara de reacción de un paso del
proceso al siguiente.
El controlador de presión compara los datos
procedentes del manómetro de la cámara de reacción con los valores
de punto fijo programados en la receta. Si ya sea el caudal de gas
del proceso o ya sea la presión deseada en la cámara de reacción
cambia mucho de un paso del proceso al siguiente, el controlador de
presión puede no ser capaz de ajustar apropiadamente la posición de
la válvula de compuerta. Por ejemplo, si el siguiente paso del
proceso requiere que el gas sea introducido con caudales mucho
mayores, la válvula de compuerta puede inicialmente compensar por
exceso o por defecto, lo que da por resultado que la presión en la
cámara de reacción sea incorrecta al principio del paso. Para
aliviar este problema, los sistemas de los que actualmente se
dispone efectúan un procedimiento de aprendizaje cada vez que se usa
una nueva receta. El procedimiento de aprendizaje crea una tabla de
las posiciones aproximadas de la válvula de compuerta requeridas
para cada paso del proceso en la nueva receta. Durante el
procedimiento de aprendizaje, se procesan obleas simuladas de
acuerdo con los pasos del proceso de la receta, y el controlador
toma nota de las posiciones de la válvula de compuerta requeridas
para cada paso.
Un problema que plantean los sistemas actuales es
el de que se requiere un nuevo procedimiento de aprendizaje cada vez
que se usa en una máquina una nueva receta del proceso. Así, cuando
el operador altera la receta, cambiando para ello la presión de
punto fijo o el flujo de gas de uno de los pasos del proceso,
incurre necesariamente en el consumo de tiempo y el gasto que
implica el deducir una nueva tabla. Hacer pasar nuevos
procedimientos de aprendizaje puede ser particularmente oneroso en
términos de consumo de tiempo cuando se experimenta con nuevas
recetas.
Otro problema que plantean los sistemas actuales
es el de que los resultados del procedimiento de aprendizaje no
serán válidos si cualquiera de las válvulas de suministro de gas o
de los instrumentos está incorrectamente sintonizado o calibrado.
Por ejemplo, si una de las válvulas de flujo de entrada de gas está
calibrada incorrectamente durante el procedimiento de aprendizaje,
la tabla resultante de posiciones de la compuerta también será
incorrecta. Además, el error en la tabla puede no ser detectado
hasta que hayan sido procesadas incorrectamente varias obleas.
Otro problema que plantean los sistemas de los
que actualmente se dispone está asociado con el movimiento de la
propia válvula de compuerta. Durante el procesado, sobre la
superficie e la válvula de compuerta se recoge una cierta cantidad
de material de desecho generado por el proceso de ataque químico.
Siempre que se cambie la posición de la válvula de compuerta, se
libera materia en partículas en el ambiente circundante. Debido a
las extremadamente bajas presiones de funcionamiento, la
retrodifusión puede llevar las partículas hacia atrás, aguas arriba,
a la cámara de reacción, donde se puede producir una contaminación
no deseable de la oblea.
Otra limitación de los sistemas actuales está en
que el tiempo de transición o tiempo de estabilización puede ser a
veces indeseablemente largo. El tiempo de transición o de
estabilización es el tiempo requerido para estabilizar la presión en
la cámara de reacción a la presión de punto fijo para un paso del
proceso. En particular, cuando la cámara empieza a funcionar a una
presión relativamente baja, tal como al principio del procesado, y
el paso siguiente requiere una presión relativamente alta, tal como
de 80 mTorr, el tiempo de estabilización necesita típicamente en
torno a 20 segundos, dependiendo del flujo de gas de punto fijo. De
acuerdo con la práctica actual, se consigue la estabilización de ña
cámara introduciendo para ello los gases del proceso en la cámara de
reacción con los caudales de punto fijo requeridos por el siguiente
paso del procesado. Así, en los casos en los que el siguiente paso
del proceso requiera un flujo relativamente bajo, y se deba aumentar
sustancialmente la presión de la cámara, el tiempo de estabilización
es con frecuencia indeseablemente largo.
En el documento WO 97/37161 se describe un método
que supera algunos de los antes mencionados problemas. En éste, la
presión en la cámara de procesado se controla introduciendo para
ello un gas de lastre en el sistema de evacuación y ajustando el
caudal del gas de lastre de acuerdo con la presión medida en la
cámara de procesado.
Un objeto de este invento es el de mejorar la
presente técnica de control de la presión en el campo del procesado
de obleas, reduciendo para ello al mínimo el movimiento requerido
por la válvula de compuerta durante el procesado, reduciéndose por
lo tanto al mínimo la cantidad de material de desecho en partículas
introducido en la cámara de reacción.
Otro objeto de este invento es el de mejorar la
actual técnica de control de la presión en el campo del procesado de
obleas, eliminando para ello la necesidad de seguir un procedimiento
de aprendizaje siempre que se cambien sustancialmente la presión de
punto fijo o los caudales de gas de punto fijo para un paso del
proceso particular, o siempre que se use una nueva receta.
Otro objeto del presente invento es el de mejorar
la actual técnica de control de la presión en el campo del procesado
de obleas, reduciendo para ello significativamente el tiempo de
estabilización o de transición requerido para ciertos pasos del
proceso que tienen una presión de punto fijo significativamente más
alta o más baja que la del paso anterior.
Con objeto de lograr éstos y otros objetivos, el
presente invento está orientado hacia un método y un aparato tal
como se han definido en las Reivindicaciones independientes. Algunas
características preferidas se definen en las Reivindicaciones
subordinadas.
La Fig. 1 es una vista por el lado derecho, en la
que se han ilustrado algunos de los conjuntos principales de una
máquina de procesado de obleas;
La Fig. 2 es un esquema en el que se ha
representado un sistema de entrega de gas, una cámara de reacción y
un sistema de evacuación de una máquina de procesado de obleas;
La Fig. 3 es un gráfico en el que se han
ilustrado ejemplos de tiempos de estabilización;
La Fig. 4 es un diagrama bloque en el que se han
ilustrado algunos componentes de un sistema de control y varias
interconexiones entre tales componentes;
La Fig. 5 es un gráfico en el que se han
ilustrado ejemplos de curvas de estimación de la posición de la
válvula de compuerta;
La Fig. 6 es un organigrama en el que se ha
ilustrado un esquema de control de la presión alternativo;
En la Fig. 7 se han ilustrado gráficos
característicos en función del tiempo de la presión y de dP/dt a
continuación de cambios del punto fijo de la presión;
En la Fig. 8a se ha ilustrado un diagrama bloque
de una formulación de control de PID de la técnica anterior, usual;
y
En la Fig. 8b se ha ilustrado un diagrama bloque
de una formulación de control de PID.
Las realizaciones del presente invento que siguen
se describirán en el contexto de un sistema de ataque químico con
plasma de una sola oblea automatizado, aunque quienes sean expertos
en la técnica reconocerán que los métodos y las estructuras que se
describen son fácilmente adaptables para unas aplicaciones más
amplias. Por ejemplo, el invento es fácilmente adaptable a otros
tipos de equipo de procesado de obleas y de equipo de procesado en
vacío. Obsérvese que siempre que se repita el mismo número de
referencia con respecto a diferentes figuras, éste se refiere a la
estructura correspondiente en cada una de tales figuras.
En la Fig. 1 se ha ilustrado un sistema 100 de
ataque químico con plasma. Es de hacer notar que el presente invento
se ha ilustrado a modo de ejemplo en las Figs. 1-2
con el sistema de ataque químico con plasma de una sola oblea ``TCP™
9400'' fabricado por la firma Lam Research Corporation. Sobre la
base de la exposición que se hace aquí en lo que sigue, quien posea
los conocimientos corrientes de la técnica puede utilizar fácilmente
el presente invento con cualquier equipo de procesado en vacío o de
obleas adecuado que requiera control y manipulación de las presiones
en el proceso, en un ambiente en el que se haya hecho un vacío.
Como se ha ilustrado en la Fig. 1, el sistema 100
de ataque químico comprende una interfaz y un panel de control del
operador 102, desde el cual el operador vigila y controla los
diversos procesos y características del sistema de ataque químico.
Los graduadores 104 de envío y recepción de obleas envían y reciben
las obleas a y desde los otros conjuntos de procesado en el sistema
de ataque químico 100. En el caso del ``TCP™ 9400'', las obleas son
transportadas mediante robots desde el graduador de envío a lo largo
del lado izquierdo del sistema de ataque químico, a una esclusa de
carga de entrada (no ilustrada). Desde la esclusa de carga de
entrada, las obleas son situadas en la cámara de reacción 106, donde
tiene lugar el proceso de ataque químico con plasma. En la Fig. 1 se
ha ilustrado el alojamiento 108 de cámara superior, la ventana de
cuarzo 110, y el manómetro 112 de la cámara. Después de procesadas,
las obleas entran en la esclusa de carga de salida 114, y son
transportadas de vuelta a los graduadores 104. También se han
ilustrado en la Fig. 1 la caja de gas 120, la cámara impelente 122,
la válvula de compuerta 124, y la turbobomba 126, todas las cuales
se describirán con mayor detalle en lo que sigue.
En la Fig. 2 se ha ilustrado, en forma
esquemática, la cámara de reacción 106, el sistema 128 de entrega de
gas, el sistema de escape 130, y el sistema de control 132. Durante
el proceso de ataque químico, se fija una oblea en un conjunto de
electrodo inferior dentro de la cámara de reacción 106. Para
mantener un ambiente controlado de ataque químico a la oblea, se
mantiene la cámara de reacción 106 bajo vacío en todo momento,
excepto durante el mantenimiento. El sistema de escape 130 sirve
para mantener ese vacío evacuando para ello el gas de la cámara de
reacción.
El sistema 128 de entrega de gas introduce los
gases del proceso en la cámara de reacción 106 a través de un anillo
de gas 134, el cual comprende una pluralidad de salidas de gas
dispuestas en un anillo alrededor del conjunto de electrodo inferior
y de la oblea. El sistema 128 de entrega de gas está bajo el control
del sistema de control 132. El sistema 128 de entrega de gas
suministra los gases del proceso a la cámara de reacción por medio
de múltiples caminos de flujo de gas que comprenden válvulas de
cierre manuales 138, válvulas de cierre principales 140,
controladores del caudal másico 142, y el colector de mezcla de
gases 144. Aunque en la Fig. 2 se han ilustrado cuatro caminos de
flujo de gas separados, en general se pueden usar cualquier número
de caminos de flujo de gas de acuerdo con las necesidades de una
aplicación particular. Desde el colector de mezcla de gases 144, los
gases del proceso pasan a través de la conducción 146 de gases del
proceso y luego a la cámara de reacción 106, a través del anillo de
gas 134.
El sistema de control 132 dirige la interfaz 136
del panel de gas para abrir y cerrar los controladores de caudal
másico 142, para regular el flujo de gases al colector 144 de mezcla
de gases. De acuerdo con los sistemas actualmente disponibles,
durante un paso de estabilización o una transición entre dos pasos
que requiera un aumento o una disminución de la presión de punto
fijo, el sistema de control dirigiría los controladores de caudal
másico para simplemente establecer el flujo de gases en el régimen
de flujo requerido por el siguiente paso. No obstante, se ha
comprobado que para los pasos que requieren un aumento de la
presión, la velocidad de respuesta es función muy principalmente del
caudal de entrada de gas. Así, se puede reducir ventajosamente el
tiempo de estabilización o e tiempo de transición, dirigiendo para
ello inicialmente los controladores de caudal másico para caudales
mucho mayores que los que puedan ser requeridos para el siguiente
paso de ataque químico. Además, se ha comprobado que ese caudal
aumentado de gas durante la estabilización tiene un efecto
perjudicial mínimo en el proceso, dado que la potencia de RF no está
siendo usada durante el paso de estabilización.
En la Fig. 3 se han representado ejemplos de
curvas que ilustran dos tiempos de estabilización o de transición
200 y 202. En el ejemplo de la Fig. 3, es necesario que la cámara de
reacción sea elevada desde una presión de solamente unos pocos mTorr
hasta un paso del proceso que requiere una presión de 80 mTorr y un
caudal de punto fijo de 40 SCCM (Centímetros Cúbicos Normales por
Minuto). Empleando los métodos usuales, como se ha ilustrado en la
curva 200, el gas es simplemente introducido con el caudal de punto
fijo de 40 SCCM, y el tiempo de estabilización es de aproximadamente
20 segundos. Como se ha representado mediante la curva 202,
introduciendo los gases del proceso durante la estabilización
inicialmente a un régimen de 320 SCCM, se obtiene como resultado un
tiempo de estabilización de tan solo unos 3 segundos. Tal
disminución del tiempo de estabilización se convierte en un aumento
sustancial de producción.
Se pueden usar otros regímenes de introducción,
dependiendo de los requisitos del proceso y del beneficio resultante
en cuanto al aumento de producción. En general, el tiempo de
estabilización multiplicado por el caudal será directamente
proporcional al cambio de presión. Usando esta relación, para un
aumento deseado de la presión se puede elegir un caudal apropiado
para disminuir el tiempo de estabilización.
Con referencia ahora a la Fig. 4, se ha ilustrado
en ella un diagrama bloque del sistema de control 132, el cual
comprende el ordenador principal 180, el bus 184, la interfaz del
panel de gas 136, y el controlador de presión 160. El ordenador
principal 180 está conectado a una memoria 182, la cual almacena
típicamente las recetas del proceso en forma de una tabla de pasos
del proceso, y las correspondientes presiones en la cámara, caudales
de gas del proceso, valores fijados de la potencia de RF,
espaciamientos de separación, y valores fijados de la temperatura
para cada paso del proceso. El bus 184 comprende típicamente un bus
normal, tal como un bus VME, el cual comunica con el ordenador
principal 180 a través de una red de área local tal como una red
``Ethernet''. La interfaz 136 del panel de gas comunica con el bus
184 típicamente por medio de líneas analógicas y convertidores de D
a A (Digital a Analógico) y de A a D (Analógico a Digital) en el bus
184. A través de la interfaz 136 del panel de gas y del bus 184, el
ordenador principal 180 puede establecer caudales y leer valores
fijados del flujo a y desde los controladores 142 del caudal másico.
No obstante, los controladores 142 del caudal másico son también
controlables por el controlador de presión 160 a través de
convertidores 188. El controlador de presión 160 comunica con el bus
184 a través de una conexión RS232 o similar. El controlador de
presión 160 recibe las lecturas de presión del manómetro 112,
controla el motor 162 de accionamiento de la válvula de compuerta, y
controla el controlador de caudal másico de gas de lastre 164a o
164b (que se explica con más detalle en lo que sigue).
El flujo aumentado de entrada de gases del
proceso en la cámara de reacción puede ser controlado por ya sea el
controlador de presión 160 o ya sea el ordenador principal 180. En
el caso de que el controlador de presión 160 controle el flujo de
entrada de los gases del proceso, el controlador de presión 160
establece el flujo de entrada en un caudal alto, y vigila la presión
en la cámara de reacción 106 a través del manómetro 112 de la
cámara. Cuando la presión en la cámara de reacción 106 queda dentro
de un cierto margen de la presión requerida para el siguiente paso
del proceso, el controlador de presión 150 restablece los
controladores 142 del caudal másico para introducir gas al régimen
de punto fijo del siguiente paso del proceso. Para cada
configuración particular del equipo se deberá elegir una presión
umbral adecuada para restablecer los caudales al caudal de punto
fijo, de modo que se obtenga un acceso suavizado a la presión de
punto fijo. Por ejemplo, se ha comprobado en algunas máquinas que
cuando la presión está dentro de aproximadamente el 10% de la
presión de punto fijo, deberá restablecerse el caudal al caudal de
punto fijo.
Alternativamente, el ordenador principal 108
puede controlar los caudales de entrada de gas a través de la
interfaz 136 del panel de gas. Cuando se controla desde el ordenador
principal, se introduce el gas del proceso a un régimen alto durante
un tiempo t, después del cual se restablecen los caudales a los
niveles de punto fijo. Se ha comprobado que el tiempo t apropiado
para cambiar el caudal del nivel alto al nivel de punto fijo puede
establecerse por experimentación, haciendo que siga una vez el
proceso una oblea simulada y vigilando el tiempo requerido para
alcanzar la presión de punto fijo. También se puede calcular el
tiempo t usando una relación que ha sido establecida a través de una
simple modelización de la cámara, como se ilustra a continuación P
= \alpha M.t\;-\;t = P/M\alpha
El valor de alfa varía con la configuración
particular delequipo; se ha comprobado un valor de aproximadamente
0,3 para una máquina experimental fabricada por la firma Lam
Research Corporation.
Por lo tanto, el tiempo de estabilización y el
tiempo de transición se pueden acortar significativamente durante
los cambios de paso de presión, haciéndose con ello que el proceso
sea más eficaz y aumentándose la producción.
Con referencia de nuevo a la Fig. 2, se
describirá con mayor detalle el sistema de evacuación 130. El
sistema de evacuación 130 sirve para crear un vacío en la cámara de
reacción 106. El sistema de evacuación 130 comprende la cámara
impelente 122, la válvula de compuerta 124, la turbobomba 126, y las
lumbreras de lastre iii y bi. Como se ha ilustrado en la Fig. 2, una
cámara impelente 122 comunica directamente con la cámara de reacción
106. Entre la cámara impelente 122 y la turbobomba 126 está la
válvula de compuerta 124. Obsérvese que aunque la válvula 124 se ha
representado, y se hace referencia a ella, como una válvula de
compuerta, quienes posean los conocimientos corrientes de la técnica
reconocerán que se pueden usar muchos tipos de válvulas alternativos
que tengan un efecto de estrangulación en el flujo de gas entre la
cámara del proceso y la bomba de vacío. Entre tales válvulas se
incluyen, por ejemplo, las válvulas de mariposa, las válvulas del
tipo de paleta, las válvulas del tipo de persiana y las válvulas del
tipo de iris.
Además, el sistema de evacuación 130 puede
también comprender una bomba de refuerzo (no representada) que se
usa para el bombeo de extracción inicial de la cámara de reacción
106 desde la presión atmosférica hasta una presión de vacío
aproximada de aproximadamente 1 mTorr. El sistema de control 132
coordina la apertura y el cierre de las válvulas de aislamiento que
conectan cada bomba con la cámara, de modo que la turbobomba 126
continúe reduciendo la presión cuando la bomba de refuerzo alcance
su límite de presión baja. Una vez que la bomba de refuerzo haya
extraído de la cámara hasta su límite de presión baja, se aplica la
turbobomba 126 para reducir la presión de la cámara a menos de 1
mTorr.
En los sistemas actualmente disponibles, el
controlador de presión 160 hace uso de los datos de presión
procedentes del manómetro 112 de la cámara para abrir y cerrar la
válvula de compuerta 124, a fin de controlar la presión en la cámara
de reacción 106. No obstante, se ha comprobado que la presión en la
cámara de reacción 106 puede ser controlada introduciendo para ello
un gas de lastre en la turbobomba a través de la lumbrera de lastre.
En la Fig. 2, la lumbrera de lastre 150a y la lumbrera de lastre
150b ilustran dos colocaciones alternativas de una lumbrera de
lastre. La lumbrera de lastre 150a está situada inmediatamente
aguas arriba de la válvula de compuerta 124; la lumbrera de lastre
150b está situada aguas abajo de la válvula de compuerta 124 e
introduce el gas de lastre directamente en la turbobomba 126. En
general, se prefiere que la colocación de la lumbrera de lastre sea
lo más lejos posible aguas abajo, para reducir la posibilidad de que
el gas de lastre penetre por retrodifusión en la cámara de reacción
e interfiera con el proceso. En el caso de la lumbrera de lastre
150b, el gas de lastre puede ser, preferiblemente, forzado a entrar
directamente en una de las etapas de la turbobomba, reduciéndose con
ello grandemente la posibilidad de retrodifusión. Es también
preferible usar como gas de lastre un gas neutro, tal como el
nitrógeno, que pueda ser también usado para otros fines en el
funcionamiento o el mantenimiento del sistema.
El caudal del gas de lastre se controla,
preferiblemente, mediante un controlador del caudal másico, bajo la
dirección del sistema de control 132. Los controladores del caudal
másico 164a y 164b controlan el caudal del gas de lastre para las
lumbreras de lastre 160a y 150b, respectivamente. Como se ha
ilustrado en la Fig. 4, los controladores del caudal másico 164a y
164b son controlados por el controlador de la presión 160.
La introducción de gas de lastre a través de la
lumbrera de lastre puede usarse ventajosamente para aumentar la
velocidad de respuesta durante los cambios de la presión de punto
fijo, así como para el control activo de la presión en la cámara, en
vez de mover la válvula de compuerta. Durante la operación, la
introducción de gas de lastre puede controlar con precisión la
presión en la cámara, dentro de un margen sustancial de presiones de
funcionamiento, reduciéndose ventajosamente la necesidad de cambios
de posición de la válvula de compuerta. La válvula de compuerta
puede ser situada en unas pocas posiciones fijas predeterminadas,
ampliándose con ello el margen de control mediante el gas de lastre
para todo el margen de funcionamiento de las presiones de la cámara
de reacción. Por ejemplo, se ha comprobado en ciertas máquinas
fabricadas por la firma Lam Research Corporation que usando el gas
de lastre en combinación con la colocación en posición de la válvula
de compuerta en tres posiciones diferentes, por ejemplo, la de
totalmente abierta, la de dos tercios cerrada, y la de totalmente
cerrada, se proporciona la cobertura de un margen adecuado de
conductancias para el sistema de evacuación.
Así, un gas de lastre puede ser introducido
ventajosamente por medio de una lumbrera de lastre directamente en,
o inmediatamente aguas arriba de, la turbobomba, controlándose con
ello de un modo efectivo la presión de la cámara de reacción sin
necesidad de ajuste del caudal de entrada de gas del proceso, o bien
ajustar la velocidad de la turbobomba reduciéndose así al mínimo la
cantidad de movimiento requerido de la válvula de compuerta.
Reduciendo al mínimo el movimiento de la válvula de compuerta, se
reducen grandemente la cantidad de materia en partículas introducida
y las posibilidades de contaminación del proceso por las
partículas.
Se pueden usar una serie de curvas de
conductancia para estimar la posición de la válvula de compuerta
para un caudal y un punto fijo de la presión dados, eliminándose con
ello la necesidad de seguir un procedimiento de aprendizaje siempre
que se efectúe un cambio en la presión de punto fijo o en el flujo
para un paso particular, o siempre que se use una nueva receta. En
la Fig. 5 se han ilustrado ejemplos de tales curvas de estimación de
la válvula de compuerta. En particular, se ha representado una
familia de curvas para diversos caudales. Se ha comprobado que las
curvas tienen a converger para caudales altos; en el caso de la Fig.
5, las curvas tienden a converger para caudales por encima de 100
SCCM.
Un método preferido para deducir las curvas de
estimación de la posición de la compuerta es el siguiente. Para cada
caudal, se pasa a través de una serie de posiciones de la válvula de
compuerta y se mide la presión resultante para cada posición. El
caudal dividido por la presión medida es la conductancia para esa
posición de la válvula de compuerta. Se repite este proceso para
cada caudal. Se ha comprobado que una vez que se hayan deducido las
curvas de estimación de la posición de la compuerta, éstas siguen
siendo precisas en ausencia de algún cambio radical en la turbobomba
o en la válvula de compuerta. Así, las curvas pueden ser almacenadas
permanentemente en la memoria del sistema de control. En la Fig. 4
se ha representado la memoria 190 como parte del controlador de la
presión 160, y se usa preferiblemente para almacenar las curvas de
estimación de la posición de la compuerta. Por ejemplo, las curvas
pueden ser almacenadas en la memoria 190 en forma de una matriz o
disposición ordenada de valores, o bien en forma de fórmulas o
funciones que han sido adaptadas a las curvas deducidas
experimentalmente.
Las válvulas de compuerta y los controladores de
que actualmente se dispone operan típicamente en ya sea el modo de
control de la presión o ya sea el modo de control de la posición. En
el modo de control de la presión, el controlador vigila la presión
en la cámara y trata de mantener la presión establecida, ajustando
para ello la posición de la válvula de compuerta, mientras que en el
modo de control de la posición el controlador simplemente sitúa la
válvula de compuerta en una posición fija. Inicialmente, la válvula
de compuerta deberá ser hecha funcionar en el modo de control de la
posición, en el cual se sitúa previamente en posición la válvula en
un punto adecuado para llevar al sistema a una presión próxima a la
de punto fijo. El controlador de presión puede estimar el punto de
la posición previa a partir de las curvas de estimación de la
posición de la compuerta almacenadas en la memoria. Por ejemplo, si
el punto fijo del proceso es de una presión de 20 mTorr, con un
flujo de 100 SCCM, el controlador de presión estima la posición de
la compuerta a partir de la curva almacenada en la memoria. En el
caso de la Fig. 5, la posición sería aproximadamente la 380. Cuando
la presión esté dentro de un pequeño tanto por ciento del valor de
punto fijo, se conmuta preferiblemente el controlador de presión al
modo de control de la presión. Por ejemplo, se ha comprobado que en
algunas máquinas cuando se conmuta el controlador de presión al modo
de control de la presión, cuando la presión está dentro de un 5% de
la presión de punto fijo, se produce generalmente un acceso
suavizado al valor de la presión de punto fijo.
También se pueden usar las curvas de estimación
de la posición de la válvula de compuerta cuando se controla la
presión usando gas de lastre. A fin de abarcar un margen más amplio
de conductancias, se puede establecer la válvula de compuerta en un
pequeño número de posiciones previamente seleccionadas. Se pueden
usar curvas de estimación de la válvula de compuerta para
seleccionar cuál de las posiciones de la válvula de compuerta es la
mejor para un paso particular del proceso. En general, para un
sistema, un cierto margen de flujo de lastre es el óptimo para
controlar la presión en la cámara de reacción. Suponiendo un flujo
de gas de lastre próximo al punto medio del margen adecuado de
caudales de gas de lastre, sumando ese régimen al régimen de punto
fijo, y dividiendo luego el caudal combinado por la presión de punto
fijo, se obtendrá un valor de la conductancia. Este valor de la
conductancia indicará, cuando se usen las curvas de estimación de la
posición de la válvula de compuerta, cuál de las condiciones de la
válvula de compuerta previamente seleccionadas es la apropiada. Por
ejemplo, supongamos que el caudal de gas de lastre es de
0-300 SCCM para una configuración dada, que el punto
fijo del caudal de gas del proceso es de 50 SCCM, y que el punto
fijo de la presión en la cámara es de 15 mTorr. Entonces, el valor
de 150 SCCM, el central del margen del gas de lastre, sumado al
flujo de punto fijo y dividido por la presión da un valor para la
conductancia de aproximadamente 13,3 SCCM/mTorr. Usando las curvas
de la Fig. 5, la posición ideal de la compuerta sería de
aproximadamente 500, y debería elegirse la posición previamente
seleccionada más próxima. En caso de usar tres posiciones
previamente seleccionadas de la compuerta, la de totalmente abierta,
la de totalmente cerrada, y la de dos tercios cerrada, se elegiría
la posición de dos tercios cerrada.
Las curvas de posición de la válvula de compuerta
que representan la velocidad de bombeo del sistema en función del
cierre de la válvula, conocidas también como funciones de
correlación de la velocidad de bombeo, se establecen bajo
condiciones que se aproximan a las condiciones reales del proceso.
Puesto que las condiciones se aproximan a las condiciones reales,
las curvas de posición de la válvula tienen una cierta cantidad de
error inherente cuando se usan para situar en posición la válvula y
controlar la presión bajo las condiciones reales del proceso. Entre
las diferencias que pueden existir entre las condiciones de
``establecimiento'' de las curvas, y las condiciones reales del
proceso, se incluyen la relación de los calores específicos, los
pesos moleculares, las temperaturas, y similares. Para ciertos
procesos, este error inherente no afecta significativamente a los
tiempos de estabilización de la presión, pero en otros puede
conducir a tiempos de establecimiento indeseablemente largos. Una
solución sería la de generar muchas curvas de posición de la válvula
bajo muchas condiciones diferentes. Una solución alternativa, y más
preferida, es la de usar una sola curva de correlación y tomar en
cuenta el error dentro del esquema de control de la presión,
reduciéndose así significativamente el tiempo que llevaría el
proceso de establecer muchas curvas de correlación.
Por consiguiente, se usa la curva de estimación
de la posición de la válvula a fin de situar en posición previamente
la válvula sobre la base del punto fijo del caudal y una fracción
predeterminada del punto fijo de la presión. Se elige la fracción
para asegurar que la presión aumente monótonamente hacia la de punto
fijo para el proceso que requiera un aumento de la presión, y que la
presión disminuya monótonamente hacia la de punto fijo para los
pasos del proceso que requieran una disminución de la presión, sin
que se sobrepasen esos valores ni por arriba ni por abajo,
respectivamente. El uso de una fracción predeterminada de la presión
de punto fijo es ventajoso para evitar que se produzca rebasamiento
de la presión por arriba o por abajo, debido al error inherente
dentro de las curvas de estimación de la posición de la válvula de
compuerta, como se vio en lo que antecede. En general, la fracción
predeterminada variará entre aproximadamente el 50 y el 150% de la
presión de punto fijo, y preferiblemente entre aproximadamente el 70
y el 130%. Se aplica un valor inferior al 100% a los pasos en los
que se aumente la presión de punto fijo, y se aplica un valor mayor
que el 100% a los pasos en los que se disminuya la presión de punto
fijo.
Se usan las curvas de estimación de la válvula a
fin de situar en posición previamente la válvula sobre la base del
flujo de entrada efectivo calculado, en que se determina el flujo de
entrada efectivo combinando para ello la ecuación de conservación de
la masa, la correlación de la velocidad de bombeo almacenada y la
presión medida. Se sitúa la válvula en cualquier posición inicial
adecuada y después de que se haya estabilizado el flujo se calcula
el flujo de entrada efectivo usando para ello la ecuación de
conservación de la masa para la cámara: m_{in}-m_{out} =
V.d\rho_{mix}/dt.
Donde m_{in} es el caudal másico al interior de
la cámara, m_{out} es el caudal másico hacia fuera de la cámara, V
es el volumen de la cámara y d\rho_{mix}/dt es la derivada con
respecto al tiempo de la densidad del gas dentro de la cámara.
Sustituyendo el caudal másico en términos de la densidad y el caudal
volumétrico en las condiciones normales, y usando la ley de los
gases ideales, la ecuación de conservación de la masa se reduce a
\frac{M_{in}}{M_{out}} \cdot Q_{in}-Q_{out} =
\frac{V.T^{STP}}{P^{STP}.T_{mix}} \cdot \frac{dP_{mix}}{dt} donde
M es el peso molecular, el subíndice ``mix'' se refiere al gas
dentro de la cámara, P es la presión del gas, y T es la temperatura
del gas. Se ha supuesto implícitamente que dT_{mix}/dt = 0 y que
M_{mix} = M_{out}. Definiendo el flujo de entrada efectivo
Q^{eff}_{in} = Q_{in} \cdot M_{in}/M_{out} y estableciendo el
parámetro \beta = p^{STP}.T_{mix}/V.T^{STP}, la ecuación se
simplifica convirtiéndose en: Q^{eff}_{in} - Q_{out} = \beta.
\cdot P_{mix}/dt.
El parámetro \beta puede evaluarse usando el
volumen de la cámara conocido o estimado y un valor medido o
estimado para T_{mix}.
Con referencia a la Fig. 6, 300 se refiere a un
bucle de control de la posición previa de la válvula. El recuadro
302 representa la inversa de la curva de estimación de la posición
de la válvula de compuerta. La entrada de Q/P en el recuadro 302 da
por resultado una posición \theta de la válvula correspondiente.
El recuadro 304 representa la curva de estimación de la válvula de
compuerta donde una entrada de una posición de la válvula da por
resultado un valor de Q/P correspondiente. El recuadro 308 da salida
a \beta (dP/dt). En este caso, el valor Q_{set}/P_{set}
conocido de la receta o de otro modo, es dado de entrada en el
recuadro 302, el cual, usando la curva de estimación de la posición
de la válvula de compuerta inversa, da salida a una primera posición
de la válvula \theta_{f}. El valor \theta_{f} es entrado en el
recuadro 304 y en el controlador 310 de la válvula. El controlador
310 de la válvula ajusta la posición de la válvula en consecuencia y
la caja 304, usando la curva de estimación de la posición de la
válvula de compuerta, da salida a Q_{out}/P, donde P =
P_{measured} suponiendo que las curvas sean totalmente exactas. El
valor Q_{out}/P se multiplica por P_{measured} en el recuadro
306, donde el valor P_{measured} es proporcionado por el
manómetro 312, para obtener Q_{out}. Se suma Q_{out} a \beta
(dP/dt) en el recuadro 316, para obtener un caudal volumétrico de
entrada efectivo, Q^{eff}_{in}. Después se divide Q^{eff}_{in}
por P_{measured} en el recuadro 314, y la salida, Q^{eff}_{in}
/ P_{measured}, es entrada en el recuadro 302 el cual, usando la
curva de estimación de la posición de la válvula de compuerta
inversa, da salida a una nueva posición de la válvula,
\theta_{new}. Después se usa \theta_{new} para situar en
posición la válvula a través del controlador de la válvula 310.
Usando esta técnica, se corrige a continuación la colocación en
posición de la válvula, empleando el flujo de entrada efectivo
calculado, reduciéndose con ello los posibles rebasamientos
potenciales por arriba o por abajo del valor de la presión que
pudieran producirse debido al error inherente en las curvas. Si
fuese necesario, se puede repetir el bucle. Se usa el bucle de
control como un paso de colocación en posición previa anterior a
pasar el control a un esquema de control diferente, tal como un
control proporcional, integral y/o derivado, como se describe con
más detalle en lo que sigue.
Por consiguiente, el uso de las curvas de
estimación de la posición de la compuerta almacenadas en la memoria
elimina ventajosamente la necesidad de efectuar un nuevo
procedimiento de aprendizaje siempre que se use una nueva receta del
proceso. Usando la información de punto fijo del flujo y de la
presión con las correlaciones de la velocidad de bombeo almacenada
en el presente invento, se puede efectuar fiablemente la colocación
en posición previa de la válvula, incluso cuando se incorporen
cambios de receta. En contraposición con esto, los esquemas de
control de la presión usuales se basan frecuentemente en guardar las
posiciones de la válvula de compuerta aprendidas para cada paso de
una receta en la memoria, y simplemente volver a llamar esos valores
aprendidos para situar en posición previa la válvula en cada paso.
Esta técnica da buen resultado si se pasa repetidamente la misma
receta. Sin embargo, si se modifica la receta, o si se usa una
receta completamente nueva, los valores aprendidos almacenados en la
memoria pueden no ser los apropiados para la nueva receta. Por
consiguiente, al principio de cada nueva receta se hace pasar
usualmente una oblea simulada, para permitir que el controlador
aprenda los valores de la colocación en posición previa de la
válvula apropiados para asegurar que todas las obleas de producción
son procesadas de un modo idéntico. Usando las curvas de estimación
descritas, se eliminan esas pasadas de la oblea simulada y, por
consiguiente, se mejora la productividad de la herramienta.
De acuerdo con el invento, en primer lugar se
sitúa la válvula en posición previa de acuerdo con una de las
anteriores alternativas de colocación en posición previa, o bien
simplemente de acuerdo con una posición de una pasada anterior.
Después de la colocación en posición previa inicial de la válvula,
se aplica un control proporcional (o proporcional y derivado) hasta
que se satisfaga una condición predeterminada, tras lo cual se hace
también posible un control integral. Aplicando inicialmente solo el
control proporcional (o bien el proporcional y del derivado), se
lleva la presión a un valor próximo al de punto fijo deseado, sin
que se produzcan rebasamientos por arriba ni por abajo, y sin un
movimiento no deseable de la válvula. A continuación, se hace
posible un control integral para reducir cualquier diferencia de
estado estable entre la presión de punto fijo y la presión actual.
El retardar la iniciación del control integral elimina de un modo
efectivo los rebasamientos por arriba o por abajo del valor de la
presión, que dan por resultado el recogimiento del integrador o el
rebasamiento del integrador, originados por la no linealidad y la
naturaleza de un orden más alto del sistema.
La válvula se sitúa inicialmente en posición
previa sobre la base de una pasada previa, o bien de las antes
descritas alternativas de colocación en posición. A continuación de
la colocación en posición previa, se aplica control proporcional (o
proporcional y derivado) hasta que el valor absoluto del error de la
presión,\left|\frac{(P_{measured})-P_{set}}{P_{set}}\right|,
cae por debajo de aproximadamente 0,25 y preferiblemente por
debajo de 0,05, después de lo cual se hace también posible el
control integral. Este criterio del error de la presión para hacer
posible el control integral resulta muy efectivo, especialmente en
los casos en los que la válvula sea colocada en posición previa
sobre la base de una pasada anterior.
En algunos casos, sin embargo, la combinación de
la colocación en posición en previa de la válvula y el control
proporcional (o proporcional y derivado) puede no conseguir un error
de la presión lo suficientemente pequeño como para disparar la
iniciación del control integral. Esto ocurre a veces, por ejemplo,
en los casos en los que la colocación en posición previa está basada
en una correlación extremadamente inexacta de la velocidad de
bombeo. En esta situación, es ventajoso capacitar el integrador
después de haber sido satisfecho un criterio de tiempo. Este tiempo
puede estimarse midiendo dP/dt y suponiendo que dP/dt es constante,
el tiempo para alcanzar el punto fijo es (dP/dt).P_{measured}.
Otro modo de estimar el tiempo para alcanzar el punto fijo consiste
en usar la relación: t = \frac{(P_{puntofijo}) \times
V_{cámara}}{Q_{set}}.
Cuando se usa la curva de estimación de la
posición de la válvula de compuerta, sin corrección, para situar en
posición previa la válvula, el tiempo constituye un buen criterio
para capacitar el control integral, debido a las inexactitudes que
pueden existir en la correlación de la velocidad de bombeo
almacenada. El cálculo del tiempo de retardo del integrador de este
modo es ventajoso con respecto al uso de un retardo del integrador
fijo, debido a que para cada proceso se puede reducir al mínimo el
tiempo de retardo del integrador, lo cual puede aumentar la
productividad de la herramienta. Además, el cálculo del retardo del
integrador de este modo es ventajoso con respecto a que el usuario
especifique un tiempo de retardo del integrador para cada paso del
proceso, ya que no se requiere intervención alguna del operador.
Además, no se requieren ciclos del proceso no productivos con obleas
figuradas para determinar empíricamente el tiempo de retardo óptimo
del integrador. Un operario experto reconocerá fácilmente otros
modos de estimar el tiempo requerido para alcanzar la presión de
punto fijo.
El criterio para capacitar el control integral
está basado en la derivada respecto al tiempo de la presión medida
(P_{measured)}). Más concretamente, el control integral se
capacita únicamente después de que el valor absoluto de dP/dt haya
disminuidos hasta por debajo de aproximadamente el 50% del valor
máximo de dP/dt registrado para las condiciones actuales del paso de
la receta o de punto fijo. Esta realización se basa en la medición
de dP/dt y en la variación característica con el tiempo esperada
para dP/dt. En la Fig. 7 se han ilustrado las curvas en función
características de la presión y de dP/dt a continuación de los
cambios en la presión de punto fijo desde 0 a 40 a 20 mTorr, para un
flujo constante de 200 SCCM. En este ejemplo, cuando el punto fijo
de la presión aumenta de 0 a 40 mTorr, la presión aumenta
monótonamente y a continuación se estabiliza en el nuevo punto fijo,
con un mínimo de rebasamiento. El valor medido de dP/dt aumenta
inicialmente, alcanza un pico, y luego disminuye al irse aproximando
la presión medida al valor de punto fijo. El pico en dP/dt tiene
lugar, típicamente, cuando la presión medida está próxima al punto
medio de las presiones inicial y final. Se observa una tendencia
similar cuando se cambia el punto fijo de 40 a 20 mTorr, excepto en
que se invierte el signo de dP/dt.
En otra realización alternativa preferida del
presente invento, se utiliza una nueva aplicación de la compensación
de cancelación para reducir la no linealidad del sistema en su
conjunto. En la Fig. 8a se ha ilustrado una formulación de diagrama
bloque de PID usual, de la técnica anterior, de un sistema de
control de la presión, en la que para mayor claridad se ha omitido
la lógica de colocación previa en posición de la válvula. En el
sistema de control de la presión de PID usual, el error de la
presión es entrado en un bloque de compensación de PID, el cual
genera una señal de actuador que es enviada al sistema. Luego se
mide la respuesta del sistema (en este caso, la presión), se
realimenta y se compara con la presión de punto fijo, para
determinar el error del sistema. El actuador de la válvula y el
dispositivo de medición de la presión, en esta formulación usual,
son fácilmente modelizados como un sistema de primer orden con una
respuesta de tiempo exponencial. No obstante, en esta formulación
usual, es difícil modelizar matemáticamente el sistema completo
usando la teoría de control estándar, debido a la no linealidad del
sistema de válvula/cámara. El sistema de válvula/cámara, en esta
formulación usual, está compuesto efectivamente de la convolución de
la función de estimación de la posición de la válvula de compuerta
no lineal (flujo de salida) y la naturaleza, similar a la de un
integrador, de la cámara (es decir, que la presión en la cámara se
determina por la integral en el tiempo de la diferencia entre los
caudales de flujo de entrada y flujo de salida de gas de la
cámara).
Así, se introduce en el modelo la función inversa
de la curva de estimación de la posición de la válvula de compuerta,
F^{-1}, como se ha ilustrado en la Fig. 8b, la cual cancela
sustancialmente la no linealidad del sistema de válvula/cámara. En
esta realización alternativa preferida, con referencia a la Fig. 8b,
el error de la presión es entrado en bloques de compensación de PID.
La salida de la compensación de PID es efectivamente una orden de
caudal volumétrico, Q, con unidades de centímetros cúbicos normales
por minuto (SCCM). Después se divide Q por la presión en unidades de
mTorr (ya sea la presión de punto fijo o ya sea la presión medida)
para calcular el cociente de Q/P. Después se entra el cociente en la
curva de estimación de la posición de la válvula de compuerta
inversa, F^{-1}, para determinar la nueva orden de posición de la
válvula, la cual es a su vez entrada en el controlador de la
válvula. Cuando se aplica, la nueva posición de la válvula establece
entonces el flujo de salida de la cámara a través de la velocidad de
bombeo del sistema, por ejemplo, modelizada matemáticamente como la
curva de estimación de la posición de la válvula de compuerta, F. En
esta formulación, la curva de estimación de la posición de la
válvula de compuerta inversa actúa como una ganancia del sistema,
pero, lo que es más importante, actúa para cancelar sustancialmente
la no linealidad del sistema de válvula/cámara. (Desde un punto de
vista de la teoría del control, se multiplican bloques consecutivos
en un diagrama de bloques. El producto de F^{-1} por F es
nominalmente la unidad; no obstante, en realidad ese producto no es
exactamente la unidad, debido a las diferencias inherentes entre las
curvas de correlación de la velocidad de bombeo almacena y actual en
las diversas condiciones. La formación del producto de F^{-1} por
F es una ejecución específica de una técnica conocida como la de
compensación por cancelación en la teoría del control. Véase la
publicación de Edward Doebelin, titulada ``Dynamic Analysis and
Feedback Control'' 254 (1962). Con esta formulación, se puede
analizar el sistema usando la teoría de control estándar para
optimizar el control.
Así, en esta realización alternativa preferida.
la válvula es inicialmente situada en posición previa sobre la base
de una pasada previa o a partir de las antes descritas alternativas
de colocación en posición previa. A continuación de la colocación en
posición previa, se aplica control proporcional (o proporcional y
derivado) hasta que se satisfaga una condición predeterminada,
después de lo cual se capacita el control integral Esto es
exactamente como se ha descrito previamente en lo que antecede,
excepto en que en esta realización alternativa preferida se aplica
la curva de estimación de la posición de la válvula de compuerta
inversa para cancelar sustancialmente la no linealidad del sistema
de válvula/cámara. Aunque se prefiere colocar en posición previa la
válvula, un experto en la técnica reconocerá fácilmente que el
control proporcional, integral y/o derivado, en cualquier
combinación, acoplado con la curva de posición de la válvula de
compuerta inversa para cancelar la no linealidad del sistema de
válvula/cámara, como aquí se ha descrito, puede ser usado con o sin
la colocación en posición previa para controlar la presión dentro de
la cámara. Generalmente, en la formulación de PID la ganancia óptima
aplicada al control proporcional, integral y derivado, se determina
empíricamente. En un esquema de Ziegler-Nicols, por
ejemplo (publicación de G. F. Franklin, J. D. Powel & A.
Eamani-Naeini, titulada "Feedback Control of
Dynamic Systems" 103-106 (1.986)), las
ganancias óptimas pueden ser relacionadas con el régimen de reacción
y el retardo de la respuesta del sistema. Las ganancias
seleccionadas son usualmente constantes, o están programadas con
algún parámetro relacionado con el sistema. Se ha comprobado
experimentalmente que se consigue el control óptimo de la presión
programando para ello la ganancia integral con la posición de la
válvula, donde la ganancia viene dada por K_{i} = (constante)
(F(\theta_{actual})), donde F es la curva de estimación de
la posición de la válvula de compuerta. K_{p} y K_{d}, las
ganancias proporcional y derivada, respectivamente, pueden ser
constantes o estar programadas con el flujo. Los valores típicos
para K_{p} y K_{d}, para cámaras de procesado de obleas de 200
mm, son del orden de la unidad, mientras que K_{d} se establece en
general en una fracción de K_{p} (por ejemplo, de 0,1).
Aunque en las realizaciones alternativas
preferidas del presente invento antes descritas se hace uso del
control proporcional y del control integral, quien sea experto en la
técnica reconocerá fácilmente que se puede también usar el control
derivado, además del control proporcional y del control integral, en
cualquier momento después de la colocación en posición previa de la
válvula, sin rebasar el alcance del presente invento. Además, se han
descrito varias formas de colocar en posición previa la válvula
antes del control de PID. Quien sea experto en la técnica reconocerá
fácilmente que se pueden usar otras muchas formas de colocación en
posición previa de la válvula con anterioridad al control de PID,
sin rebasar el alcance del presente invento.
Aunque se han descrito realizaciones preferidas
del invento, las descripciones son simplemente ilustrativas, y no
están destinadas a limitar el presente invento. Por ejemplo, ha de
quedar entendido que aunque el invento se ha descrito usando un
ejemplo de equipo de procesado de obleas con plasma en vacío, el
invento es aplicable a otros tipos de equipo de procesado de obleas,
así como a otros tipos de equipo de procesado en vacío. Por
consiguiente, quien posea los conocimientos corrientes de la técnica
reconocerá que el invento es igualmente aplicable a otros tipos de
equipo, en los que haya necesidad de manipular y controlar con
precisión una presión baja, próxima a un vacío, en una cámara que
haya sido sometida a evacuación.
Claims (24)
1. Un método para controlar la presión en una
cámara de procesado que ha sido sometida a evacuación (106), que
comprende los pasos de:
recuperar de la memoria electrónica (190) un
valor deseado de la presión que refleje un nivel de presión deseado
para la cámara de procesado;
recuperar de la memoria electrónica un valor
deseado del flujo de gas que represente un caudal de gas deseado a
través de la cámara de procesado;
situar en posición una válvula de estrangulación
(124) en una posición inicial, la válvula de estrangulación usada
para controlar la presión en la cámara de procesado;
medir la presión dentro de la cámara de
procesado;
calcular una diferencia entre la presión deseada
y la presión medida; y
a continuación de dicho paso de colocar en
posición, modificar la posición de la válvula de estrangulación al
menos una vez sobre la base de la diferencia entre la presión
deseada y la presión medida
caracterizado
porque:
dicha modificación de la posición se efectúa
usando control proporcional y control integral, siendo retardado el
control integral en lo correspondiente a un período de tiempo
predeterminado.
2. El método de acuerdo con la Reivindicación 1,
en el que el paso de modificar la posición incluye usar el control
derivado.
3. El método de acuerdo con la Reivindicación 1,
que comprende además:
calcular el valor absoluto de un error
fraccionario entre la presión medida y la presión deseada, en que
dicho período predeterminado se establece cuando el valor absoluto
del error de la presión fraccionario cae por debajo de un valor
umbral previamente establecido.
4. El método de acuerdo con la Reivindicación 3,
en el que el valor umbral es menor que aproximadamente 0,25.
5. El método de acuerdo con la Reivindicación 3,
en el que el valor umbral es de menos de aproximadamente 0,05.
6. El método de acuerdo con la Reivindicación 1,
que comprende además:
estimar un tiempo requerido para que se
estabilice la presión en la cámara, en el que dicho período
predeterminado es sustancialmente igual al tiempo estimado.
7. El método de acuerdo con la Reivindicación 6,
en el que se calcula el tiempo estimado usando para ello la ecuación
t = P_{deseada} \times V_{cámara}/Q_{deseado}.
8. El método de acuerdo con la Reivindicación 6,
que comprende además:
almacenar en la memoria electrónica la presión
medida;
almacenar en la memoria electrónica el tiempo en
el cual se mide la presión, en donde el tiempo estimado se
calcula:
- (a)
- calculando el cambio de presión con respecto al cambio en el tiempo; y
- (b)
- dividiendo la presión medida por el cambio de presión con respecto al cambio en el tiempo.
9. El método de acuerdo con la Reivindicación 1,
que comprende además:
almacenar en la memoria electrónica la presión
medida;
almacenar en la memoria electrónica el tiempo en
el cual se mide la presión;
calcular el cambio en la presión con respecto al
cambio en el tiempo;
almacenar en la memoria electrónica el cambio en
la presión con respecto al cambio en el tiempo;
seleccionar el valor absoluto máximo del cambio
en la presión con respecto al cambio en el tiempo, en donde dicho
período predeterminado se establece cuando el valor absoluto del
cambio de presión con respecto al cambio en el tiempo cae por debajo
de un tanto por ciento umbral previamente establecido del valor
absoluto máximo.
10. El método de acuerdo con la Reivindicación 9,
en el que el tanto por ciento umbral es menor que aproximadamente el
50%.
11. El método de acuerdo con la Reivindicación 1,
en el que el paso de colocación en posición comprende:
acceder desde la memoria electrónica a una
función matemática que tiene un dominio que comprende presiones en
la cámara de procesado y caudales de gas al interior de la cámara de
procesado, y que tiene un margen que comprende posiciones de la
válvula de estrangulación;
calcular una conductancia igual al valor deseado
del flujo dividido por el valor deseado de la presión; y
colocar en posición la válvula de estrangulación
de acuerdo con la función matemática, aplicando para ello la
conductancia a la inversa de la función matemática a la que se ha
accedido desde la memoria electrónica.
12. El método de acuerdo con la Reivindicación
11, en el que, antes del paso de colocación en posición, se divide
la conductancia por una fracción que varía desde aproximadamente el
50 a aproximadamente el 150 por ciento.
13. El método de acuerdo con la Reivindicación
12, en el que la fracción tiene un margen desde aproximadamente el
70 hasta aproximadamente el 130%.
14. El método de acuerdo con la Reivindicación
12, que comprende además:
estimar un tiempo requerido para que se
estabilice la presión en la cámara, en el que dicho período
predeterminado es sustancialmente igual al tiempo estimado.
15. El método de acuerdo con la Reivindicación 1,
en el que el paso de colocación en posición comprende además:
recuperar la posición actual de la válvula;
recuperar de la memoria electrónica una
constante, \beta, igual a la presión normal, dividida por el
volumen de la cámara, dividida por la temperatura normal.
acceder desde la memoria electrónica a una
función matemática que tiene un dominio que comprende presiones en
la cámara de procesado y caudales de gas a la cámara de procesado, y
que tiene un margen que comprende posiciones de la válvula de
estrangulación;
medir la presión y la temperatura dentro de la
cámara de procesado;
calcular el cambio de presión con respecto al
cambio en el tiempo;
calcular un flujo de salida aplicando para ello
la posición actual de la válvula a la inversa de la función
matemática a la que se ha accedido desde la memoria electrónica y
multiplicar el resultado por la presión medida;
calcular un flujo de entrada efectivo igual al
cambio de presión con respecto al cambio en el tiempo multiplicado
por la constante, multiplicado por la temperatura de la cámara más
el flujo de salida, Q^{eff}_{in} = [(dP/dt)\times\beta\times
T_{cámara}]+Q_{out};
calcular una conductancia que sea igual al flujo
de entrada efectivo dividido por la presión medida; y
colocar en posición la válvula de estrangulación
de acuerdo con la función matemática aplicando para ello la
conductancia a la inversa de la función matemática a la que se ha
accedido desde la memoria electrónica.
16. El método de acuerdo con la Reivindicación 1,
que comprende además:
calcular el cambio en la presión con respecto al
cambio en el tiempo;
almacenar en la memoria electrónica el cambio en
la presión con respecto al cambio en el tiempo; y
seleccionar el valor máximo absoluto del cambio
en la presión con respecto al cambio en el tiempo;
en que el control integral se retarda hasta que
el valor absoluto del cambio en la presión con respecto al cambio en
el tiempo haya disminuido hasta por debajo de un tanto por ciento
umbral previamente establecido del valor absoluto máximo
seleccionado.
17. El método de acuerdo con la Reivindicación
16, en el que el paso de volver a colocar en posición incluye usar
el control derivado.
18. El método de acuerdo con la Reivindicación
16, en el que dicho umbral es menor que el 50 por ciento del valor
absoluto máximo seleccionado.
19. Un aparato para procesar materiales bajo un
ambiente de baja presión controlada, que comprende:
una cámara de procesado (106);
un sistema de introducción de gas (128) en
comunicación de fluido con dicha cámara de procesado;
una bomba de vacío (130) en comunicación de
fluido con dicha cámara de procesado configurada para retirar gas de
dicha cámara de procesado;
una válvula de estrangulación (124) montada entre
dicha cámara de procesado y dicha bomba de vacío, siendo dicha
válvula de estrangulación susceptible de ser colocada en posición
para regular el régimen de gas retirado de dicha cámara de procesado
por dicha bomba de vacío;
un controlador (132) para controlar la presión en
dicha cámara de procesado dirigiendo para ello la válvula de
estrangulación a una pluralidad de posiciones de estrangulación
seleccionadas por dicho controlador, en el que se preselecciona una
primera posición de estrangulación y en el que las subsiguientes
posiciones de estrangulación son seleccionadas por el controlador
sobre la base de la diferencia entre una presión deseada y una
presión medida
caracterizado
porque:
el controlador usa control proporcional y control
integral, siendo retardado el control integral durante un período de
tiempo predeterminado.
20. El aparato según la Reivindicación 19, en el
que para la selección de las posiciones de estrangulación
subsiguientes se hace uso también del control derivado.
21. El aparato según la Reivindicación 19, en el
que se establece dicho período cuando el valor absoluto de un error
fraccionario entre la presión medida y la presión deseada es menor
que aproximadamente 0,25.
22. El aparato según la Reivindicación 19, en el
que se establece dicho período cuando el valor absoluto de un error
fraccionario entre la presión medida y la presión deseada es menor
que aproximadamente 0,05.
23. El aparato según la Reivindicación 19, en el
que dicho período es sustancialmente igual al tiempo estimado
requerido para que se estabilice la presión en la cámara.
24. El aparato según la Reivindicación 19, en el
que se establece dicho período predeterminado cuando el valor
absoluto del cambio en la presión con respecto al cambio en el
tiempo es menor que aproximadamente el 50 por ciento de un valor
absoluto máximo del cambio en la presión con respecto al cambio en
el tiempo.
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