DE10043783A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung des Vakuums in einer Kammer - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Regelung des Vakuums in einer KammerInfo
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Abstract
Eine Kammer (10), in der ein Vakuum (pHv) geregelt aufrechterhalten werden soll, ist mit einer Saugleitung (14) verbunden, die mehrere Pumpen (15, 16, 17) in Serie enthält. Die Regelung des Vakuums (pHv) erfolgt durch einen Regler (21), der einen Saugparameter verändert, beispielsweise den Vorvakuumdruck (pHv) oder die Drehzahl einer Pumpe (16). Infolge des großen Regelbereichs ist der Regelbereich in Abschnitte unterteilt, in denen unterschiedliche Regelparameter wirksam sind. Die Abschnitte werden anhand des von einem Drucksensor (22) gemessenen Vakuumdrucks (pHv) ausgewählt. Der jeweils aktive Regelparameter wird also in Abhängigkeit vom Vakuumdruck bestimmt. Hierdurch wird die Regelung schneller und sicherer.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung des Vakuums
in einer Kammer, insbesondere zur Regelung des Vakuumdruckes in
einer Vakuumkammer, in der Prozessabläufe durchgeführt werden,
wie beispielsweise Aufdampfprozesse, Ätzprozesse in der Halb
leitertechnik und ähnliches.
Zur Erzeugung eines Vakuums in einer Kammer wird üblicherweise
eine mehrstufige Pumpvorrichtung eingesetzt, bei der häufig die
erste Pumpe eine Turbomolekularpumpe ist und die nachgeordneten
Pumpen als Roots-Pumpe und/oder Vorpumpen ausgebildet sind.
Eine derartige Pumpvorrichtung ist in WO 99/04325 beschrieben.
Bei dieser Pumpvorrichtung wird der in der Kammer herrschende
Druck gemessen und durch einen Regler auf einem Sollwert kon
stantgehalten, welcher auf den Druck auf der Vorvakuumseite der
mit der Kammer verbundenen ersten Vakuumpumpe einwirkt. Die
Druckregelung erfolgt in der Weise, dass bei einem Abweichen
des Drucks in der Kammer von einem Solldruck der Vorvakuumdruck
derart verändert wird, dass der Druck in der Kammer seinen
Sollwert einnimmt.
Eine Schwierigkeit bei der Druckregelung in Vakuumkammern be
steht darin, dass das Saugvermögen z. B. einer Reibungsvakuum
pumpe vom. Gasfluss und von der Gasart abhängig ist und dass
diese Abhängigkeit die Druckregelung beeinflusst. So besteht
z. B. für eine Reibungsvakuumpumpe, wie in der WO 99/04325 be
schrieben, eine starke Abhängigkeit des Saugvermögens vom an
liegenden Vorvakuumdruckes, im Vorvakuumdruck-Bereich von 2-4
mbar für N2. In diesem Druckbereich ist also eine Regelung in
einfacher Weise möglich. Anders ist dies jedoch im Bereich
unterhalb von etwa 2 mbar. Hierbei verläuft die Kurve, die den
Kammerdruck auf der Ordinate als Funktion des Vorvakuumdrucks
auf der Abszisse wiedergibt, nahezu horizontal. Bei schweren
Gasen, wie beispielsweise SF6 ist der horizontale Verlauf
dieser Kurve noch ausgeprägter, so dass hier eine Druckregelung
außerordentlich schwierig ist. Das Problem besteht in den
stark unterschiedlichen Steigungen, nicht im absoluten Wert.
WO 99/04325 beschreibt ein Verfahren zur Regelung des Vakuums
in einer Kammer unter Benutzung eines Reglers, der als PID-Reg
ler ausgebildet sein kann und bei dem die Regelparameter in Ab
hängigkeit von dem jeweils vorgegebenen Solldruck verändert
werden. Der Regelparameter besteht aus dem bzw. den Koef
fizienten der PID-Regelung, insbesondere dem Proportional-Koef
fizienten und dem Integral-Koeffizienten. Diese Regelparameter
können entsprechend der Art des zu pumpenden Gases verändert
werden. Dadurch ist es möglich, in einem sehr weiten Druckbe
reich eine akzeptable Druckregelung vorzunehmen.
EP 0 857 876 A2 und EP 0 898 083 A2 beschreiben jeweils Regel
verfahren zur Regelung des Drucks einer Vakuumkammer, wobei
über ein Regelventil die erste Pumpe der Pumpenbaugruppe über
brückt ist und das Regelventil von dem Kammerdruck gesteuert
ist. Damit ist das Problem, das mit der Regelung eines extrem
großen Druckbereichs verbunden ist, und das Problem, das sich
durch die flache Kurve des Hochvakuumdrucks in Abhängigkeit vom
Vorvakuumdruck ergibt, noch nicht gelöst.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und
eine Vorrichtung zur Regelung des Vakuums in einer Kammer an
zugeben, mit denen eine schnelle und präzise Regelung des Kam
merdrucks möglich ist.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß bei dem Ver
fahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und bei der Vor
richtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7. Nach der Er
findung erfolgt die Regelung des Kammerdrucks mit unterschied
lichen Regelparametern, wobei der jeweils aktuelle Regelpara
meter in Abhängigkeit von dem in der Kammer herrschenden Ist
druck bestimmt wird. Es hat sich herausgestellt, dass zur Be
stimmung des Regelparameters der in der Kammer herrschende Ist
druck besser verwendbar ist als der jeweilige Solldruck. Die
Bestimmung des Regelparameters anhand des Istdrucks hat den
Vorteil, dass eine schnelle Ausregelung erfolgt und Über
schwingen weitgehend vermieden wird.
Grundsätzlich erfolgt die Festlegung des Regelparameters anhand
des Istdrucks der Kammer, jedoch kann zusätzlich auch der Soll
druck Berücksichtigung finden, insbesondere in Situationen, in
denen der Istdruck im unteren Teil des für die Druckregelung
relevanten Druckbereichs liegt bzw. im horizontalen Teil der
Kurve, die die Abhängigkeit des Kammerdrucks vom Vorvakuumdruck
für das jeweilige Gas angibt. Wenn der Istdruck in diesem
unteren Teil liegt, sollte es für die Wahl des Regelparameters
bedeutsam sein, ob der Sollwert mehr oder weniger weit über dem
Istwert liegt. Wenn die Regelung diesen extrem niedrigen Druck
zustand verlassen hat und der Istdruck in dem Bereich höherer
Werte angestiegen ist, kann die Regelung unter Verwendung des
ausschließlich vom Istdruck abhängigen Regelparameters weiter
geführt werden.
Ein Parameter, der durch die Regelung verändert wird, kann der
Vorvakuumdruck zwischen zwei Pumpen der Pumpvorrichtung sein.
Die Veränderung des Vorvakuumdrucks ist in der Weise möglich,
dass die betreffende Saugleitung über ein Regelventil mit einer
Druckquelle oder einer Vakuumquelle verbunden wird oder auch
mit der Kammer, deren Druck geregelt werden soll. Eine andere
Alternative besteht darin, die Laufgeschwindigkeit bzw. die
Saugleistung der nachfolgenden Pumpe der Pumpvorrichtung durch
den Regler zu verändern.
Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Aus
führungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Kammer, in der ein
Vakuum geregelt aufrechterhalten wird, und
Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Auswahl des Regelpara
meters in Abhängigkeit von dem Kammerdruck.
Gemäß Fig. 1 ist eine Kammer 10 vorgesehen, die hermetisch ab
geschlossen ist und in der ein Vakuum erzeugt werden soll. Die
Kammer 10 ist beispielsweise eine Kammer, in der eine Bearbei
tung von Werkstücken oder Halbleitern bei einem niedrigen Druck
durchgeführt werden soll. Die Kammer 10 weist einen Einlass 11
auf, der an eine Prozessgasquelle PQ angeschlossen ist, durch
die mindestens ein Prozessgas der Kammer 10 zugeführt wird.
An einen Sauganschluss 12 der Kammer 10 ist die Pumpvorrichtung
13 angeschlossen. Diese besteht aus mehreren hintereinander in
die Saugleitung 14 geschalteten Pumpen, wobei die erste Pumpe
15 eine Reibungsvakuumpumpe, beispielsweise eine Turbomoleku
larpumpe ist. Die zweite Pumpe 16 ist hier eine Verdränger
pumpe, z. B. eine Roots-Pumpe. Die dritte Pumpe 17 ist eine
Pumpe, die gegen den Atmosphärendruck komprimiert.
Der Gasdruck in der Kammer 10 ist mit pHv (Hochvakuum) bezeich
net und der Druck hinter der ersten Pumpe 15, die die Hochva
kuumpumpe darstellt, ist mit pVv (Vorvakuumdruck) bezeichnet.
In die Saugleitung 14 führt zwischen den Pumpen 15 und 16 eine
Zuführleitung 18 hinein, die ein Regelventil 19 enthält und an
eine Druckquelle angeschlossen ist, welche z. B. ein Inertgas
mit einem definierten Druck liefert. Durch das Regelventil 19
wird bei diesem Ausführungsbeispiel der Vorvakuumdruck pVv als
erster Saugparameter verändert.
Ein zweiter Saugparameter wird von der Drehzahl oder Frequenz f
der Pumpe 16 gebildet. Diese Pumpe wird von einem Spannungs-
Frequenz-Umsetzer 20 über einen (nicht dargestellten)
Asynchron-Motor angetrieben.
Das Regelventil 19 und die Pumpe 16 werden von einem Regler 21
gesteuert, wobei die Steuerung in der Weise erfolgt, dass das
Öffnen des Ventils 19 zugleich mit einer Verringerung der
Frequenz f der Pumpe 16 verbunden ist. Durch beide Maßnahmen
wird eine Erhöhung des Vorvakuumdrucks pVv verursacht. Anderer
seits ist das Schließen des Ventils 19 mit einer Erhöhung der
Frequenz f der Pumpe 16 verbunden, was zu einer Verringerung
des Vorvakuumdrucks pVv führt. Eine Erhöhung des Vorvakuum
drucks hat eine Erhöhung des Hochvakuumdrucks pHv zur Folge und
eine Verringerung des Vorvakuumdrucks hat eine Verringerung des
Hochvakuumdrucks zur Folge.
Der Regler 21 empfängt das Signal eines Drucksensors 22,
welcher den Hochvakuumdruck pHv in der Kammer 10 misst. Er
empfängt außerdem über eine Leitung 23 einen Sollwert, der
manuell oder von einer Steuervorrichtung vorgegeben werden
kann. Dieser Sollwert gibt den Solldruck an, der in der Kammer
10 erzeugt und konstantgehalten werden soll.
Der Regler 21 ist ein PID-Regler, der die Frequenz f (t) der
Pumpe 16 nach folgender Formel zeitlich verändert:
f(t) = Kp(P(t) - Ps(t)) + Ki t(P(x) - Ps(x)) dx
+ Kd(d(P(t) - Ps(t))/dt)
Hierin ist Kp der Proportional-Koeffizient oder Proportional-
Verstärkungsfaktor des PID-Reglers, Ki der Integral-Koeffizient
Kd der Ableitungs-Koeffizient, P der Istdruck in der Kammer und
Ps der vorgegebene Solldruck. x ist die Integrationsvariable
und t die Zeit.
Die Koeffizienten Kp, Ki und Kd werden in ihrer Gesamtheit als
Regelparameter Kn bezeichnet, wobei n eine laufende Nummer dar
stellt, die einen bestimmten Regelparameter bezeichnet.
Der jeweils aktuelle Regelparameter K1 bis K8 wird in Abhängig
keit von dem Hochvakuumdruck pHv bestimmt, der von dem Druck
sensor 22 gemessen wird. Die Bestimmung des Parameters erfolgt
nach der nachstehend aufgeführten Tabelle 1.
Bereich 1: 0 mTorr ≦ pHv ≦ 5 mTorr → K1
Bereich 2: 5 mTorr < pHv ≦ 10 mTorr → K2
Bereich 3: 10 mTorr < pHv ≦ 20 mTorr → K3
Bereich 4: 20 mTorr < pHv ≦ 35 mTorr → K4
Bereich 5: 35 mTorr < pHv ≦ 50 mTorr → K5
Bereich 6: 50 mTorr < pHv ≦ 110 mTorr → K6
(0 mTorr ≦ pHv ≦ 10 mTorr) & (12 mTorr < Ps
Bereich 2: 5 mTorr < pHv ≦ 10 mTorr → K2
Bereich 3: 10 mTorr < pHv ≦ 20 mTorr → K3
Bereich 4: 20 mTorr < pHv ≦ 35 mTorr → K4
Bereich 5: 35 mTorr < pHv ≦ 50 mTorr → K5
Bereich 6: 50 mTorr < pHv ≦ 110 mTorr → K6
(0 mTorr ≦ pHv ≦ 10 mTorr) & (12 mTorr < Ps
) → K7
(0 mTorr ≦ pHv ≦ 10 mTorr) & (25 mTorr < Ps
(0 mTorr ≦ pHv ≦ 10 mTorr) & (25 mTorr < Ps
) → K8
Die Bereiche 1 bis 6 kennzeichnen die Druckbereiche des Hoch
vakuumdrucks, in denen der Regelparameter ausschließlich vom
Hochvakuumdruck abhängig ist.
Dies ist in dem Diagramm von Fig. 2 verdeutlicht. Dort ist auf
der Abszisse der Vorvakuumdruck pVv in mbar aufgezeichnet und
längs der Ordinate der Hochvakuumdruck pHv in mTorr. Die Dar
stellung ist entlang der Ordinate logarithmisch und entlang der
Abszisse nichtlinear. Die Kurve 25 gibt für ein bestimmtes Gas
(hier: Argon) die Abhängigkeit des Hochvakuumdrucks pHv von dem
Vorvakuumdruck pVv wieder. Man erkennt, dass unterhalb eines
Vorvakuumdruckes von 2 mbar die Kurve 25 im wesentlichen hori
zontal verläuft, d. h. dass in diesem Bereich der Hochvakuum
druck weitgehend unabhängig ist vom Vorvakuumdruck. Oberhalb
von 2 mbar steigt dagegen die Kurve 25 stark an. Dieser Bereich
kann für eine Druckregelung durch Beeinflussung des Vorvakuum
drucks benutzt werden.
Die Grenzwerte der Bereiche 1 bis 6 des Hochvakuumdrucks sind
5, 10, 15, 20, 35, 50 und 110 mTorr. Wenn der Solldruck für das
Hochvakuum kleiner ist als 12 mTorr, erfolgt die Festsetzung
des Regelparameters K allein aufgrund des Hochvakuumdrucks. Ist
der Solldruck Ps dagegen größer als 12 mTorr und pHv < 10
mTorr, geht auch die Sollwerthöhe in die Bestimmung des Regel
parameters ein.
In Fig. 2 ist der Fall dargestellt, dass der Istdruck Pi der
vom Drucksensor 22 gemessen wird, 2 mTorr beträgt. Der in der
Leitung 23 vorgegebene Solldruck Ps betrage 100 mTorr. Hieraus
ergibt sich, dass der Regelparameter K8 wirksam wird, was zur
Folge hat, dass der Hochvakuumdruck und der Vorvakuumdruck an
steigen. Sobald der Hochvakuumdruck den Grenzwert 10 mTorr er
reicht hat, ist die Bedingung zur Beibehaltung von K8 nicht
mehr erfüllt. Folglich wird die Sollwertabhängigkeit beendet
und die weitere Regelung auf den Solldruck Ps erfolgt aufein
anderfolgend mit den Regelparametern K3, K4, K5 und K6.
Die Größe der Regelparameter wird jeweils empirisch bestimmt,
indem die Ausregelzeit auf einen Sollwertsprung ermittelt und
minimiert wird.
Abweichend von dem vorstehenden Ausführungsbeispiel ist es auch
möglich, den Regelparameter nicht in Schritten zu verändern,
sondern kontinuierlich, wobei zwischen den festgelegten Regel
parametern eine Interpolation erfolgen kann. Wenn der Regel
parameter in Schritten verändert wird, ist in einem Rechner
eine Liste der einzelnen Bereiche und der zugehörigen Regel
parameter gemäß Tabelle 1 hinterlegt. Aus dieser Liste wird der
jeweils aktuelle Regelparameter ausgelesen.
Claims (10)
1. Verfahren zur Regelung des Vakuums in einer Kammer (10),
welche mit einer mehrere Pumpen (15, 16, 17) in Serie enthal
tenden Pumpvorrichtung (13) verbunden ist, bei welchem min
destens ein Saugparameter in Abhängigkeit von dem in der
Kammer herrschenden Hochvakuumdruck (pHv) und einem vorge
gebenen Solldruck (Ps) verändert wird, wobei die Verände
rung des Saugparameters unter Verwendung mindestens eines
Regelparameters (Kn) erfolgt,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Regelparameter (Kn) in Abhängigkeit von dem in der
Kammer (10) herrschenden Hochvakuumdruck (pHv) bestimmt
wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der
Regelparameter (Kn) zusätzlich in Abhängigkeit von dem
Solldruck (Ps) bestimmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Be
reiche (1-6) des Hochvakuumdrucks (pHv) vorbestimmt werden,
in denen der Regelparameter (Kn) ausschließlich durch den
Hochvakuumdruck (pHv) bestimmt wird, und ein Bereich, in
dem der Regelparameter zusätzlich durch den Solldruck (Ps)
bestimmt wird, wenn dieser Solldruck einen Schwellwert
übersteigt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekenn
zeichnet, dass ein Saugparameter, der durch die Regelung
verändert wird, der Vorvakuumdruck (pVv) zwischen zwei Pum
pen (15, 16) der Pumpvorrichtung ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekenn
zeichnet, dass ein Saugparameter, der durch die Regelung
verändert wird, die Drehzahl einer der Pumpen (16) der
Pumpvorrichtung (13) ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekenn
zeichnet, dass ein Regelparameter (K) mit einem Propor
tional-Koeffizienten (Kp) und einem Integral-Koeffizienten
(Ki) verwendet wird.
7. Vorrichtung zur Regelung des Vakuums in einer Kammer (10),
welche mit einer mehrere Pumpen (15, 16, 17) in Serie enthal
tenden Pumpvorrichtung (13) verbunden ist, mit einem Regler
(21), der den Wert des in der Kammer (10) herrschenden
Hochvakuumdrucks (pHv) und einen Sollwert empfängt, dadurch
gekennzeichnet, dass der Regler (21) mindestens einen
Regelparameter (Kn) benutzt, der in Abhängigkeit von dem
Hochvakuumdruck (pHv) veränderbar ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass
der Regelparameter (Kn) ein Regelkoeffizient ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet,
dass der Regler (21) ein mit einer Saugleitung (14) verbun
denes Regelventil (19) steuert.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7-9, dadurch gekenn
zeichnet, dass der Regler (21) die Drehzahl einer der Pum
pen (16) der Pumpvorrichtung (13) steuert.
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