CN101809712A - 半导体制造设备用的气体供给装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种半导体制造设备用的气体供给装置，其基于有机金属气相生长法，具备向反应炉供给原料气体的主气体供给线和进行所述原料的排气的排出气体供给线，在两条气体线的中间部配设多个气体供给机构而构成，在该气体供给装置中，对比在压力式流量控制装置的孔下游侧检测的主气体供给线的气体(P10)和排出气体供给线的压力(P2)，由所述排出气体供给线的入口侧的压力控制装置进行压力调整，从而在原料气体的供给切换时使主气体供给线和排出气体供给线之间的两者的压力差为零。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造设备用的气体供给装置，主要作为有机金属气相生长装置的气体供给装置而利用。
背景技术
关于通过所谓的有机金属气相生长法(以下，称为MOCVD法)而制造的薄膜层叠构造的半导体，提高通过外延生长来层叠的各薄膜的界面的陡峭性在提高半导体质量的方面成为必须的必要条件。即，为了提高各薄膜的界面的陡峭性，即使通过气相生长反应用原料气体的切换操作来改变原料气体的种类，向反应炉供给的气体的总流量也不发生变化，而且，有必要瞬间地进行原料气体的切换。
因此，首先，为了使反应炉内或配管内的气体压力在原料气体切换时不发生变动，有必要以高精度、高响应性控制气体流量，为了与这些必要性相对应，一直以来，在基于MOCVD法的半导体制造装置中，大多使用如图10所示的构成的气体供给装置。
即，图10显示了现有技术的MOCVD法的气体供给系的基本构成的一个示例，在图10中，L1是主气体供给线，L2是排出气体线，PC是反应炉(处理室)，VP是真空泵，MFC1、MFC2、MFC是质量流量控制器，P1～P4是压力检测器，P1S是压力检测信号，DP是差压检测器，ΔP是差压检测信号，VR1、VR2是压力调整器，V0 V1 V2V3 V4 V是控制阀，A1、A2是气体供给机构，B1、B2是切换阀机构，OM是有机金属液，GB是气体瓶，C0～C5是运载气体，CA、CB是原料气体。
现在，将主气体供给线L1的质量流量控制器MFC1和排出气体供给线L2的质量流量控制器MFC2的流量设定值分别设定为Q1、Q2，并且，设定反应炉PC的压力值等，使运载气体C01、C02流向各条线L1、L2。另外，分别设定两个原料气体供给机构A1、A2工作，将原料气体CA和运载气体C3的流量调整为相同值，并且，将原料气体CB和运载气体C5的流量调整为相同值。而且，使阀切换机构B1、B2工作，打开V1a和V2b，关闭V1b和V2a，打开V3a和V4b，关闭V3b和V4a。
结果，原料气体CA+原料气体CB+运载气体C01(流量为MFC1的设定值Q1)的气体流动于主气体供给线L1中，向反应炉PC供给。另外，运载气体C5+运载气体C3+运载气体C02(总流量为MFC2的设定流量Q2)的运载气体流向排出气体供给线L2，通过真空泵VP而排气。
从该状态开始，停止原料气体CA的供给，在将原料气体CD(省略图示)从另一个原料气体供给机构A3(省略图示)经由切换阀机构B3(省略图示)而向主气体供给线L1供给，以代替原料气体CA的供给的情况下(将原料气体CA切换成原料气体CD(省略图示))，首先，关闭阀V1a，打开阀V1b，并且，关闭阀V2b，打开阀V2a。
如果在该阀V1a、V1b、V2b、V2a的切换操作时，在流过主气体线L1的气体和流过排出气体供给线L2的气体之间产生压力差，则随后在新向主气体线L1供给的原料气体CD的流量中发生过渡响应，由此，已形成的薄膜和新的由原料气体CD形成的薄膜的界面的陡峭性引起下降。
因此，为了使两条线L1、L2之间的差压ΔP为零，首先，由质量流量控制器MFC2将流过排出气体供给线L2的气体流量设定为恒定值，接着，由差压检测器DP检测两条线L1、L2之间的差压ΔP，向压力调整器VR2反馈该检测值ΔP，通过调整排出气体供给线L2的阻力而使上述差压ΔP为零。
另外，作为另外的第2方法，如图10的单点划线所示，预先使压力调整装置VR2的设定值恒定，向质量流量控制器MFC2反馈由差压检测器DP检测的差压ΔP，控制流过排出气体供给线L2的气体流量，由此，也能够使上述差压ΔP为零。当然，在这种情况下，为了将主气体供给线L1内的气体压力保持恒定，如图10的单点划线所示，由压力检测器P1检测主气体供给线L1内的压力，向压力调整器VR1反馈该检测值P1s，调整主气体供给线L1的阻力，由此，使主气体供给线L1的气体压力恒定。
在上述的图10所示的气体供给装置中，在原料气体的切换时，两条线L1、L2之间的差压ΔP大致保持为零，结果，良好地保持了先形成的薄膜和由切换后的原料气体新形成的薄膜之间的所谓的界面的陡峭性，起到了得到高质量的半导体的优良效用。
可是，在图10的气体供给装置中还残留着很多应该改善的问题点，其中尤其成为问题的点是这样的两点：(a)除了质量流量控制器MFC1和质量流量控制器MFC2以外，差压检测器DP和用于安装差压检测器DP的分支管、压力调整器VR1、VR2、反馈控制线FBL等成为必要，因此，机器装置复杂化，并且，需要大的空间以用于差压检测器DP的安装，从而难以谋求气体供给装置的小型化；以及(b)由于有必要根据差压检测值ΔP经由压力调整器VR2而调整排出气体供给线L2的内压，使差压ΔP为零(或者，根据差压检测值ΔP经由压力调整器VR1而调整主气体供给线L1的内压，使差压ΔP为零)，因而压力控制的响应性低。
专利文献1：日本特开2005-223211号公报
专利文献2：日本特开平8-288226号公报
发明内容
本发明解决现有技术的具备主气体供给线L1和排出气体供给线L2的MOCVD用的原料气体供给系统的如上所述的问题，即这样的问题：(a)质量流量控制器MFC1、MFC2和差压检测器DP、压力调整器VR1、VR2、反馈控制线FBL等成为必要，难以谋求装置构造的简单化和小型化；以及(b)压力调整的响应性低，结果，原料切换时的薄膜界面的陡峭性下降，半导体制品的质量下降等，发明的主要目的在于，提供一种气体供给设备，该气体供给设备通过使用流量和压力控制的响应性优良的压力式流量控制装置和压力控制装置以代替质量流量控制器MFC1、MFC2，从而得到薄膜的异质界面的陡峭性优良的层叠构造的高质量的半导体。
本案申请人以前开发了压力式流量控制装置(FCS)而作为代替热量式质量流量控制装置(质量流量控制器MFC)的装置，以该压力式流量控制装置作为日本特开平8-338546号等而公开。该压力式流量控制装置基于这样的情况：在如后所述地流通于孔的气体流为所谓的临界状态下的流动的情况下，孔流通气体流量Q由Q＝KP1(但是，K是常数，P1是孔上游侧压力)表示，不受孔下游侧压力P2影响而与孔上游侧压力P1成比例，该压力式流量控制装置具有这样的特征：能够全部以电气信号(电压信号)来设定并表示流量的设定和流量输出、孔上游侧压力P1以及孔下游侧压力P2等，而且，具备高的流量和压力的控制响应性。
本申请的发明者等构思，通过在基于MOCVD法的半导体制造装置的气体供给装置中利用该压力式流量控制装置(FCS)所具有的优良的流量和压力的控制响应特性，能够得到原料气体切换时的薄膜界面的所谓的陡峭性，并且，以该构思为基础而构成在MOCVD法中使用的气体供给装置，对使用该气体供给装置切换供给原料气体时的流量、压力的控制特性进行了许多试验。
本申请发明是以上述构思以及由适用上述构思的气体供给设备进行的流量和压力控制试验的结果为基础而创作的，权利要求1的发明的基本构成在于，半导体制造设备用的气体供给装置基于有机金属气相生长法，具备向反应炉供给原料气体的主气体供给线和进行所述原料气体的排气的排出气体供给线，在两条气体线的中间部配设多个气体供给机构而构成，在该气体供给装置中，在所述主气体线的入口侧设置压力式流量控制装置，一边由该压力式流量控制装置进行流量控制，一边向主气体线供给规定流量的运载气体，并且，在所述排出气体供给线的入口侧设置压力控制装置，一边由该压力控制装置进行压力调整，一边向排出气体供给线供给规定压力的运载气体，对比在所述压力式流量控制装置的孔下游侧检测的主气体供给线的气体压力P10和排出气体供给线的气体压力P2，由压力控制装置调整排出气体供给线的气体压力P2，从而使两者的差为零。
权利要求2的发明为，在权利要求1的发明中，设在主气体供给线上的压力式流量控制装置由设有阀驱动部的控制阀、设在控制阀的下游侧的孔、设在孔的上游侧和控制阀之间的压力检测器P1、设在孔的下游侧的压力检测器P10以及控制电路部构成，其中，该控制电路部根据来自压力检测器P1的压力信号计算流通于孔的气体流量Q，并且，计算从外部输入的设定流量Qs和所述计算流量Q的差Y，向控制阀的驱动部输入该差Y，向着所述差Y成为零的方向对控制阀进行开闭控制，并且，设在所述排出气体供给线上的压力控制装置由设有阀驱动部的控制阀、设在控制阀的下游侧的压力检测器P2以及控制电路部构成，其中，该控制电路部被输入所述压力检测器P2的检测压力信号和设在所述压力式流量控制装置的孔下游侧的压力检测器P10的检测压力信号，计算两个检测压力信号的差，并且，向阀驱动部输入与该差相对应的信号X，向着所述差X成为零的方向对控制阀进行开闭控制，调整排出气体供给线的气体压力，从而使两条线L1、L2之间的压力差为零。
权利要求3的发明为，在权利要求1的发明中，设在主气体供给线上的压力式流量控制装置作为气体流在临界状态下流通于孔的构成。
权利要求4的发明为，在权利要求1的发明中，构成为，在任一气体供给机构切换操作供给气体种类之前，向排出气体供给线的压力控制装置的控制电路部输入设在主气体供给线的压力式流量控制装置的孔下游侧的压力检测器P10的检测压力信号，以两条线L1、L2之间的压力差为零的方式进行调整。
权利要求5的发明为，在权利要求1的发明中，在压力控制装置或压力式流量控制装置的任一个，设置两条线L1、L2之间的压力差的显示机构。
在本发明申请中，由于构成为，利用压力式流量控制装置以及具有与其类似的构成的压力控制装置来进行主气体供给线L1的流量控制和排出气体供给线L2的压力控制，因而能够有效地活用压力式流量控制装置和压力控制装置所固有的高响应性并将两条气体供给线L1、L2之间的压力差瞬时地调整并保持为零。
结果，在所供给的原料气体的切换时，在两条线之间完全不产生压力差，不发生新供给的原料气体的过渡流通现象，能够防止所谓的薄膜界面的陡峭性的下降而得到高质量的半导体制品。
另外，能够原封不动地使用压力式流量控制装置和压力控制装置本身所具备的压力检测器和计算控制部，并且，完全没有必要像现有技术那样在两条线L1、L2上设置压力调整器或反馈控制线FBL等，因而能够谋求设备的小型化和低成本化。
附图说明
图1是本发明的半导体制造用原料气体供给装置的整体系统图。
图2是图1的气体供给装置的差压调整部的构成的详细说明图。
图3是工作确认用试验装置的整体系统图。
图4是显示本发明的原料气体供给装置的差压调整试验的结果的一个示例的图表。
图5是显示在图4的试验中排出气体供给线L2的排气量为4SLM的情况的、与图4相同的内容的图表。
图6是显示在图4的试验中排出气体供给线L2的排气量为5SLM的情况的、与图4相同的内容的图表。
图7是显示本发明的原料气体供给装置的差压调整试验的结果的另一个示例的图表。
图8是显示主气体供给线L1侧的真空排气泵VP1的排气压为100Torr的情况的、与图7的情况相同的内容的图表。
图9是显示主气体供给线L1侧的真空排气泵VP1的排气压为75Torr的情况的、与图7的情况相同的内容的图表。
图10是显示现有技术的使用质量流量控制器的基于MOCVD法的半导体制造用气体供给装置的一个示例的整体系统图。
符号说明
L1是主气体供给线，L2是排出气体供给线，PC是反应炉(处理室)，VP是真空泵，MFC1是主气体供给线的质量流量控制器，MFC2是排出气体供给线的质量流量控制器，Q1和Q2是质量流量控制器MFC1和MFC2的流量设定值，MFC是质量流量控制器，P1～P4是压力检测器以及各自的检测信号，DP是差压检测器，ΔP是差压检测器DP的检测信号，VR1～VR4是压力调整器，V0～V4是切换阀，A1和A2是气体供给机构，B1和B2是切换阀机构，OM是有机金属液(原料气体)，GB是原料气体瓶，C01和C02是向各条线L1和L2供给的运载气体，C1～C5是运载气体，CA和CB是原料气体，L1是主气体供给线，L2是排出气体供给线，FBL是反馈控制线，FCS-N是压力式流量控制装置，FCS-RV是压力控制装置，Ps是来自外部的设定压力，Qs是来自外部的设定输入，P0是向外部输出的压力输出信号，Q0是向外部输出的流量输出信号，D1和D2是阀驱动装置，VC1和VC2是控制阀，OL是孔，P1是主气体供给线L1的孔上游侧的气体压力，P10是主气体供给线L1的孔下游侧的气体压力，P2是排出气体供给线L2的气体压力，10、11是控制电路部，12是运载气体供给源，RG是压力调整器，PT是压力计，NV1和NV2是压力调整阀。
具体实施方式
以下，基于附图，说明本发明的实施方式。
图1显示本发明的半导体制造设备用的气体供给装置的实施方式，在图1中，FCS-N是压力式流量控制装置，FCS-RV是压力控制装置，A1是有机金属的原料气体供给机构，A2是另一个原料气体供给机构，L1是主气体供给线，L2是排出气体供给线，其他各构成部件与上述图10所示的现有技术的气体供给装置的情况相同，因而在此省略其说明。
即，在本发明中，不同点仅在于，去除现有技术的气体供给设备的质量流量控制器MFC1、MFC2和差压检测器ΔP、压力调整器VR1、VR2、差压信号ΔP的反馈控制线FBL以及压力检测信号P1s的反馈控制线FBL等，分别利用压力式流量控制装置FCS-N和压力控制装置FCS-RV，以代替上述部件。
图2显示图1的压力式流量控制装置FCS-N、压力控制装置FCS-RV的具体的构成，压力式流量控制装置FCS-N由控制阀VC1、阀驱动部D1、孔OL、孔上游侧的压力检测器P1、孔下游侧的压力检测器P10以及控制电路部10等构成。另外，压力控制装置FCS-RV由控制阀CV2、阀驱动部D2、控制阀下游侧的压力检测器P2以及控制电路部11等形成。
在压力式流量控制装置FCS-N中，在控制电路部10计算出流通于孔OL的流量Q以作为Q＝KP1(但是，K是由孔OL等决定的常数，P1是压力检测器P1的检测压力)，并且，由控制电路部10对比从外部输入的设定流量Qs和上述计算值Q，向阀驱动部D1供给控制信号Y，对控制阀VC1进行开度控制，从而使差Y＝Qs-Q为零。
另外，在压力控制装置(FCS-RV)中也相同，在控制电路部11比较主气体供给线L1的压力检测器P10的检测值P10和排出气体供给线L2的检测器P2的检测值P2，向控制阀VC2的驱动部D2发送控制信号X，进行控制阀VC2的开度控制，从而使两者的差X＝P10-P2为零。
此外，还能够向压力控制装置FCS-RV输入外部设定压力Ps，在这种情况下，对控制阀VC2进行开度控制，从而使Ps-P2为零。另外，在将设定压力Ps设定为与P10不同的值的情况下，截断来自上述压力检测器P10的输入P10。
依照本发明的原料气体供给装置，通过将主气体供给线L1的流量Q1设定为规定的流量值，从而通过线L1而以必要的恒定压力P10向反应器PC供给流量Q1的原料气体。
另一方面，在排出气体供给线L2的方面，排出气体经由排出气体供给线L2而以规定的压力P2流通，通过向控制电路部11输入主气体供给线L1的压力检测值P10，从而通过控制阀VC2的开闭控制而以自动地成为P10-P2＝0的方式瞬时地调整排出气体供给线L2的压力P2。即，以瞬时地为零的方式调整两条线L1、L2之间的压力差。
此外，当然，通过截断主气体供给线的检测压力P10的输入，能够将排出气体供给线L2的压力P2自动控制成外部设定压力Ps，但通常，通过向排出气体供给线L2的控制电路部11输入主气体供给线L1的压力检测值P10，从而在将两条线L1、L2之间的压力差保持为零的状态下进行原料气体供给装置的运转。
另外，在本发明中所使用的压力式流量控制装置FCS-N和压力控制装置FCS-RV的响应特性极其优良，如从后述的实验结果明显看出的，在原料气体的切换时，即使在使切换阀机构B工作的情况下，几乎也不产生两条线L1、L2之间的压力差，即，以更高的响应性将两条线L1、L2之间的压力差调整为零。
图3是在本发明的原料气体供给装置的原料气体切换时的两条线L1、L2的压力差的发生状况的确认中使用的差压调整机构的试验装置的整体系统图。
在图3中，12是运载气体源(N2)，RG是压力调整器，PT是压力计(250KPas)，控制阀CV1和控制阀CV2的阀座直径是6
主气体供给线L1和排出气体供给线L2的下游侧容积是约38cc，NV1、NV2是压力调整阀，VP1、VP2是真空排气泵。
此外，真空排气泵VP1在流量Q＝4SLM(换算成H2)时，能够将排气压调整为75Torr、100Torr以及125Torr，另外，真空排气泵VP2，使用在压力为100Torr时能够将排气流量调整为3SLM、4SLM以及5SLM的真空排气泵。
而且，压力式流量控制装置FCS-N的流量设定输入为0SLM、3SLM、4SLM、5SLM以及10SLM(换算成H2)。
(实验结果1)
首先，使主气体供给线L1的压力调整阀NV1一定，将压力式流量控制装置FCS-N设定为4SLH，使真空排气泵VP1的排气压为100Torr。另外，调整排出气体供给线L2的压力调整阀NV2，将压力控制装置FCS-RV设定为100Torr，使真空排气泵VP2的排气流量为3SLM(H2换算)。
从该状态开始，测量按照0→3→4→5→10SLM的顺序切换主气体供给线L1的流量设定值Qs时的压力式流量控制装置FCS-N的设定流量Qs和流量输出Q的变化(曲线F)、流量测量器MFM的流量输出Q0(曲线G)、压力控制装置FCS-RV的压力输出P2(曲线H)以及两条线L1和L2之间的压力差ΔP＝P10-P2(曲线I)。图4图示了上述结果，判定差压ΔP几乎为零。此外，图4的1个刻度是500ms。另外，曲线F和曲线H显示两种数据大致重叠。
图5显示使排出气体供给线L2的真空排气泵VP2的排气量为3SLM(H2换算)的情况的与图4相同的条件下的试验结果，另外，图6显示使真空排气泵VP2的排气量为5SLM的情况的与图4相同的条件下的试验结果。
(实验结果2)
接着，调整压力调整阀NV1，将压力式流量控制装置FCS-N设定为4SLM(换算成H2)，使真空排气泵VP1的排气压为75Torr。另外，使排出气体供给线L2的压力调整阀NV2一定，将压力控制器FCS-RV设定为100Torr，使真空排气泵VP2的排气量为4SLM(H2换算)。
图7显示了从该状态开始，与实验1的情况相同，按照0SLM、3SLM、4SLM、5SLM以及10SLM的顺序切换变化主气体供给线L1的流量设定值Qs的情况的与上述实验1的情况相同的各部分的变化状况。
另外，图8和图9图示了在图7中使主气体供给线L1侧的真空排气泵VP1的排气压变化成100Torr和125Torr的情况的与图7相同的各值。
如从图7至图9明显看出的，判定即使在主气体供给线L1侧的真空排气侧的压力值改变的情况下，气体流量的切换时的两条线L1和L2之间的差压ΔP也大致保持为零。
产业上的实用性
本发明不仅适用于基于MOCVD法或MOVPE法等的半导体制造设备，还能够广泛地适用于将配置成并列状的多个气体配管路之间的气体压力差调整并保持为零的装置。
Claims (5)
1.一种半导体制造设备用的气体供给装置，基于有机金属气相生长法，具备向反应炉供给原料气体的主气体供给线和进行所述原料的排气的排出气体供给线，并在两条气体线的中间部配设多个气体供给机构而构成，在该气体供给装置中，构成为，在所述主气体线的入口侧设置压力式流量控制装置，一边由该压力式流量控制装置进行流量控制，一边向主气体线供给规定流量的运载气体，并且，在所述排出气体供给线的入口侧设置压力控制装置，一边由该压力控制装置进行压力调整，一边向排出气体供给线供给规定压力的运载气体，对比在所述压力式流量控制装置的孔下游侧检测的主气体供给线的气体压力(P10)和排出气体供给线的气体压力(P2)，由压力控制装置调整排出气体供给线的气体压力(P2)，从而使两者的差为零。
2.根据权利要求1所述的半导体制造设备用的气体供给装置，其特征在于，设在主气体供给线上的压力式流量控制装置由设有阀驱动部的控制阀、设在控制阀的下游侧的孔、设在孔的上游侧和控制阀之间的压力检测器(P1)、设在孔的下游侧的压力检测器(P10)以及控制电路部构成，其中，该控制电路部根据来自压力检测器(P1)的压力信号而计算流通于孔的气体流量(Q)，并且，计算从外部输入的设定流量(Qs)和所述计算流量(Q)的差(Y)，向控制阀的驱动部输入该差(Y)，向着所述差(Y)成为零的方向对控制阀进行开闭控制，
设在所述排出气体供给线上的压力控制装置由设有阀驱动部的控制阀、设在控制阀的下游侧的压力检测器(P2)以及控制电路部构成，其中，该控制电路部被输入所述压力检测器(P2)的检测压力信号和设在所述压力式流量控制装置的孔下游侧的压力检测器(P10)的检测压力信号，计算两个检测压力信号的差，并且，向阀驱动部输入与该差相对应的信号(X)，向着所述差(X)成为零的方向对控制阀进行开闭控制，
调整排出气体供给线的气体压力，从而使两条线(L1、L2)之间的压力差(X)为零。
3.根据权利要求1所述的半导体制造设备用的气体供给装置，其特征在于，设在主气体供给线上的压力式流量控制装置作为气体流在临界状态下流通于孔的构成。
4.根据权利要求1所述的半导体制造设备用的气体供给装置，其特征在于，构成为，在任一气体供给机构切换操作供给气体种类之前，向排出气体供给线的压力控制装置的控制电路部输入设在主气体供给线的压力式流量控制装置的孔下游侧的压力检测器(P10)的检测压力信号，以两条线(L1、L2)之间的压力差为零的方式进行调整。
5.一种半导体制造设备用的气体供给装置，其特征在于，在压力控制装置或压力式流量控制装置的任一个，设置两条线(L1、L2)之间的压力差的显示机构。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20130424 |