JP2005115501A - チャンバの内圧制御装置及び内圧被制御式チャンバ - Google Patents

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Abstract

【課題】流量の制御精度が小流量域で大幅に低下するのを防止し、全流量制御域に亘って高精度な流量制御を可能とすることにより、チャンバへ供給するガス流量を調整してチャンバ内圧を広範囲に亘って高精度で制御する。
【解決手段】並列状に接続した複数基の圧力式流量制御装置と、複数基の圧力式流量制御装置の作動を制御する制御装置とから形成され、真空ポンプにより排気されたチャンバへ所望のガスを流量制御しつつ供給するチャンバへのガス供給装置に於いて、一基の圧力式流量制御装置をチャンバへ供給する最大流量の多くとも１０％までのガス流量域を制御する装置に、残余の圧力式流量制御装置を残りのガス流量域を制御する装置とし、更にチャンバに圧力検出器を設けると共に当該圧力検出器の検出値を制御装置へ入力し、圧力式流量制御装置への制御信号を調整してチャンバへのガス供給量を制御することにより、チャンバ内圧を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体製造装置等に於いて利用されるチャンバの内圧制御装置及び内圧被制御式チャンバに関するものである。
近年、半導体製造装置等に於いては、プロセスチャンバへのガス供給装置として所謂圧力式流量制御装置を備えたガス供給装置が多く利用されている。
図８はその一例を示すものであり、圧力式流量制御装置Ｃ1 、Ｃ2 、Ｃ3 と流体切換弁Ｄ1 、Ｄ2 、Ｄ3 を設け、制御装置Ｂからの信号によりプロセスチャンバＥへ供給する流体の切換及びその流量調整を自動的に行なう構成となっている（特開平１１−２１２６５３号等）。
尚、前記圧力式流量制御装置Ｃ1 、Ｃ2 、Ｃ3 は、図９に示すようにオリフィスＫａを流通する流体を臨界条件下に保持（Ｐ1 ／Ｐ2 が約２以上）することにより、演算装置Ｍに於いてオリフィス流通流量ＱｃをＱｃ＝ＫＰ1 として演算し、設定流量Ｑｓとの差Ｑｙが零となるようにコントロール弁Ｖ0 を開閉（オリフイス上流側圧力Ｐ1 を調整）する構成となっている。尚、Ａ／Ｄは信号変換器、ＡＰは増幅器である（特開平８−３３８５４６号）。
また、前記プロセスチャンバＥは、図１０に示すように、自動圧力調整器ＡＰＣ及びコンダクタンスバルブＣＶを備えた比較的大口径の真空排気ラインＥｘを通して真空ポンプＶＰを連続的に運転することにより、その内圧が設定値（１０-6〜１０2 Ｔｏｒｒ）に保持されている。
ところで、前記真空ポンプＶＰとしては、ターボ分子ポンプ等の一次真空ポンプ（高真空ポンプ）ＶＰ1 とスクロールポンプ等の二次真空ポンプ（低真空ポンプ）ＶＰ2 とを組み合せたものが広く利用されており、１台の圧縮比の大きな大排気容量の真空ポンプによる排気システムは、製造コスト等の点に問題があるためあまり利用に供されていない。
また、チャンバＥの内圧の保持は、専ら真空排気システム側の運転制御によってのみ行なわれており、具体的には自動圧力調整器ＡＰＣやコンダクタンスバルブＣＶの開度を調整することにより所定の設定内圧を保持するようにしている。
しかし、前記図１０のプロセスチャンバＥに於いては、高圧縮度で、しかも排気流量の大きなターボ分子ポンプ等の一次真空ポンプＶＰ1 等を連続的に運転する必要があるだけでなく、一次真空ポンプＶＰ1 や二次真空ポンプＶＰ2 の負荷を軽減する必要から、真空排気系Ｅｘの管径を比較的太径にしなければならず、加えてコンダクタンスバルブＣＶや自動圧力調整器ＡＰＣ等を必要とする。その結果、真空チャンバＥの設備費やランニングコストが高騰し、その引下げを図れないと云う問題がある。
また、前記図１０のプロセスチャンバＥに於いては、自動圧力調整器ＡＰＣ等の運転制御のみでチャンバ内圧を制御するようにしているため、所謂圧力制御の応答性が悪くてチャンバ内圧の調整に時間が掛かり過ぎ、結果としてプロセスチャンバの稼働率が低下したり、処理製品の品質にバラツキが生じると云う問題がある。
一方、チャンバＥの内圧制御の応答性を高めるためには、排気側の制御に重畳してチャンバＥ内へ供給するガス流量を制御する方策が考えられる。
しかし、チャンバＥ内へのガス供給流量を調整することによりチャンバ内圧を高精度で、しかも広範囲に亘って調整するためには、チャンバＥへ供給するガスの流量制御精度を大幅に高める必要がある。
ところで、前記図８に示したチャンバへの流体供給装置は、その使用する圧力式流量制御装置Ｃ1 〜Ｃ3 がチャンバＥ側の内圧変動に影響を受けないと云う特性を具備しているため、臨界条件が保持されている限り、チャンバ内圧が変動しても比較的安定した供給ガスの流量制御を行なうことができ、優れた実用的効用を奏するものである。
しかし、この種の流体供給装置にも解決すべき問題点が多く残されており、その中でも特に解決が急がれる問題は、低流量域に於ける流量制御精度を高めることである。
例えば、定格流量が１ＳＬＭ（標準状態に換算した気体流量）である圧力式流量制御装置の流量制御精度を設定１０％以下で０．１％Ｆ．Ｓ．とすると、設定１％の制御流量値には最大で１ＳＣＣＭの誤差が含まれている可能性がある。そのため、制御流量が定格流量の１０％以下（例えば１０〜１００ＳＣＣＭ以下）になれば、前記１ＳＣＣＭの誤差の影響が無視できなくなり、結果として定格容量が１ＳＬＭの流量制御装置であれば、１００ＳＣＣＭの以下の小流量域は高精度な流量制御ができないと云う問題がある。
特開平１１−２１２６５３号公報 特開平８−３３８５４６号公報
本発明は、従前の圧力式流量制御装置を備えた真空チャンバの内圧制御に於ける上述の如き問題、即ち（１）チャンバの内圧制御の応答性が低いこと、（２）ガス供給装置の圧力式流量制御装置は、小流量域に於ける流量制御精度が低下するため流量制御範囲が約１〜１００％の範囲に限定され、１％以下の流量範囲の高精度な流量制御が困難となる。その結果、チャンバへの供給ガス量を制御することによって、チャンバ内圧を高精度で調整することが困難であること、（３）真空チャンバの真空排気系の設備の小型化、設備費やランニングコストの引下げが図り難いこと等の問題を解決せんとするものであり、所要最大設定流量の０．１％〜１００％の広範囲に亘って、真空チャンバの内圧変動と無関係に高精度な流量制御が行なえるようにした流体供給装置を用いて、広圧力範囲に亘って高精度で且つ高い応答性でもって真空チャンバの内圧制御を行なえるようにしたチャンバ内圧制御装置を提供すると共に、当該チャンバ内圧制御装置を適用することにより内圧を高精度で制御するようにした内圧被制御式チャンバを提供することを、発明の主たる目的とするものである。
請求項１の発明は、供給ガス入力部と、供給ガス出力部と、該ガス入力部とガス出力部との間に配置されたガス流量制御部と、前記供給ガス出力を受けるチャンバの圧力データを前記ガス流量制御部へ与える手段とを有するチャンバの内圧制御装置に於いて、前記ガス流量制御部は、並列状に接続した複数基の圧力式流量制御装置と、前記複数基の圧力式流量制御装置の作動を制御する制御装置とを備え、前記圧力式流量制御装置をオリフィスと、オリフィス上流側の圧力検出器と、圧力検出器の上流側に設けたコントロールバルブと、圧力検出器の検出圧力Ｐ1 からオリフィスを通過するガス流量ＱｃをＱｃ＝ＫＰ1 （但しＫは定数）により演算して設定流量Ｑｓとの差Ｑｙをコントロールバルブへ駆動用信号として出力する演算制御部とを含んで形成し、オリフィス上流側圧力Ｐ1 を下流側圧力Ｐ2 の約２倍以上に保持した状態下で使用する圧力式流量制御装置とすると共に、前記複数基のうちの一基の圧力式流量制御装置をチャンバへ供給する最大流量の多くとも１０％までのガス流量域を制御する装置とし残余の圧力式流量制御装置を残りのガス流量域を制御する装置とし、前記圧力データを前記制御装置へ入力して前記圧力式流量制御装置への制御信号を調整して前記ガス出力部へのガス供給量を制御するようにしたことを発明の基本構成とするものである。
請求項２の発明は、請求項１の発明に於いて、制御装置を、チャンバへ供給するガス流量を設定する入力設定部と、当該入力設定部への入力値を流量制御信号に変換する第１信号変換部と、チャンバ内の検出圧力を流量制御信号に変換する第２信号変換部と、両信号変換部からの流量制御信号の比較補正部とを備え、前記比較補正部から各圧力式流量制御装置へ補正した制御信号を発信して、チャンバへのガス供給量を制御する構成としたものである。
請求項３の発明は、請求項１の発明に於いて、並列状に接続する圧力式流量制御装置を２基とし、一方を小流量域を制御する小流量レンジの圧力式流量制御装置に、他方を大流量域を制御する大流量レンジの圧力式流量制御装置としたものであり、また、請求項４の発明は、小流量用の圧力式流量制御装置の流量制御域をチャンバへ供給する最大流量の０．１〜１０％に、また大流量用の圧力式流量制御装置の流量制御域をチャンバへ供給する最大流量の１０〜１００％とするようにしたものである。
請求項５の発明は、請求項１又は請求項３の発明に於いて、制御装置の信号変換部から発信した制御信号により、複数基の圧力式流量制御装置をその制御流量域が小さな圧力式流量制御装置から順に作動させる構成としたものである。
請求項６の発明は、請求項１の発明に於いて、真空排気系にガスを流入させることにより、排気速度を可変できる真空排気系としたものである。
請求項７の発明は、請求項１の発明に於いて、並列状に接続した複数基の圧力式流量制御装置を少なくとも４ユニット設け、複数種類のガスをチャンバへ供給する構成としたものである。
請求項８の発明は、請求項２の発明に於いて、制御装置に、各流量域を分担する圧力式流量制御装置へ発信する制御信号の上昇率設定機構を設け、前記制御信号の発信から所定の時間経過後に当該圧力式流量制御装置が設定流量のガス流量を供給する構成としたものである。
請求項９の内圧被制御式チャンバの発明は、真空ポンプにより排気されるチャンバと該チャンバへ所望のガスを流量制御しつつ供給するガス供給手段とを含み、前記ガス供給手段は、並列状に接続した複数基の圧力式流量制御装置と、前記複数基の圧力式流量制御装置の作動を制御する制御装置とを備え、前記圧力式流量制御装置をオリフィスと、オリフィス上流側の圧力検出器と、圧力検出器の上流側に設けたコントロールバルブと、圧力検出器の検出圧力Ｐ1 からオリフィスを通過するガス流量ＱｃをＱｃ＝ＫＰ1 （但しＫは定数）により演算して設定流量Ｑｓとの差Ｑｙをコントロールバルブへ駆動用信号として出力する演算制御部とを含んで形成し、オリフィス上流側圧力Ｐ1 を下流側圧力Ｐ2 の約２倍以上に保持した状態下で使用する圧力式流量制御装置とすると共に、前記複数基のうちの一基の圧力式流量制御装置をチャンバへ供給する最大流量の多くとも１０％までのガス流量域を制御する装置とし残余の圧力式流量制御装置を残りのガス流量域を制御する装置とし、更に前記チャンバに圧力検出器を設けると共に当該圧力検出器の検出値を前記制御装置へ入力し、圧力式流量制御装置への制御信号を調整してチャンバへのガス供給量を制御することにより、広範囲に亘ってチャンバ内圧を高精度制御する構成としたことを発明の基本構成とするものである。
本発明のチャンバの内圧制御装置に於いては、必要とする流量範囲を複数の流量域に分割し、最大流量の１０％以下の小流量域は小流量用の圧力式流量制御装置により流量制御を行なう構成としているため、広い流量範囲に亘って高精度な流量制御が行なえる。
また、各流量域を分担する圧力式流量制御装置による流量制御の重畳に際しても、制御信号の上昇率に制限を加える構成としているため、チャンバへ供給するガス流量Ｑの連続的な制御が行なえる。
その結果、チャンバへの供給ガス流量を迅速且つ正確に調整することができ、チャンバ内圧を容易に所定の設定圧に調整・保持することができる。そのため、従前の自動圧力調整器ＡＰＣの削除やチャンバの真空排気系の設備費を大幅に削減することが可能となる。
また、真空ポンプは、予かじめ定めたチャンバの最低圧力を達成するだけの排気容量のものを設備すればよく、従前のチャンバの真空排気系のように、真空ポンプの排気容量に大幅な余裕を見込む必要はない。その結果、真空排気系の設備費の大幅な削減が可能となる。
以下、図面に基づいて本発明の各実施例を説明する。
図１は、本発明に係るチャンバの内圧制御装置の第１実施例を示すものであり、当該内圧制御装置の基本型を示すものである。
図１に於いてＡはガス供給装置、Ｇｓは供給ガス入力部からの供給ガス、ＦＣＳ（Ａ）は小流量用圧力式流量制御装置、ＦＣＳ（Ｂ）は大流量用圧力式流量制御装置、Ｅはチャンバ、Ｐはチャンバ内圧、Ｑ1 は小流量用圧力式流量制御装置ＦＣＳ（Ａ）の制御流量、Ｑ2 は大流量用圧力式流量制御装置ＦＣＳ（Ｂ）の制御流量、ＱはチャンバＥへの供給流量、Ｖは調整バルブ、ＶＰは真空ポンプ、Ｖ1 〜Ｖ3 は制御弁、Ｌ1 はガス供給管、Ｌ2 ・Ｌ3 は排気管路、１は制御装置、１ａは入力設定部（流量％設定機構）、１ｂは第１信号変換部、１ｃは第２信号変換部、１ｄは比較補正部、１ｅ・１ｆ・１ｅ′・１ｆ′・１ｇは制御信号、２は圧力検出器、３は圧力計、４は圧力式流量制御装置である。
即ち、前記供給ガス入力部からの供給ガスＧｓが、ガス供給装置Ａ及び制御装置１から成るガス流量制御部で流量制御されつつ、ガス供給管Ｌ1 等から成る供給ガス出力部を経てチャンバＥへ供給される。
また、前記供給ガス入力部、ガス流量制御部及び供給ガス出力部等によりチャンバＥへのガス供給手段が形成されている。
前記圧力式流量制御装置ＦＣＳ（Ａ）及びＦＣＳ（Ｂ）は、図９に示した従前の圧力式流量制御装置と基本的に同一のものであり、オリフィス上流側圧力Ｐ1 と下流側圧力Ｐ２ との間に流体の臨界条件であるＰ1 ／Ｐ2 が約２以上の条件を成立させることにより、オリフィスを流通するガス流量をＱｃ＝ＫＰ1 （但しＫは定数）により演算し、この演算値Ｑｃと設定値Ｑｓとの差信号Ｑｙにより上流側に設けたコントロールバルブＶ0を自動開閉制御することにより圧力Ｐ1 を調整し、オリフィスＫａの実通過流量を前記設定値Ｑｓに制御することを基本構成とするものである。
尚、本実施例では、小流量用圧力式流量制御装置ＦＣＳ（Ａ）として定格流量が１００ＳＣＣＭのものを、また大流量用圧力式流量制御装置ＦＣＳ（Ｂ）として定格流量３０００ＳＣＣＭのものを使用し、最小５ＳＣＣＭから最大３１００ＳＣＣＭまでの流量範囲に亘って、連続的に高精度な流量制御を行なうように構成されている。
また、前記圧力式流量制御装置ＦＣＳ（Ａ）、ＦＣＳ（Ｂ）の構成は公知であるため、ここではその詳細な説明を省略する。
前記プロセスチャンバＥは内容量が１１ｌに設定されており、３００ｌ／ｍｉｎの排気流量を有する真空ポンプＶＰにより、調整バルブＶを設けた真空排気ラインＬ2 ・Ｌ3 を通して連続的に真空引きされており、チャンバＥの内部は１０-2〜１０2 Ｔｏｒｒの中真空に保持されている。
前記圧力式流量制御装置４は、真空ポンプＶＰ（又は排気管路Ｌ3 ）へ供給するガスＧｖの流量を調整するものであり、当該ガスＧｖの供給により真空ポンプＶＰの排気能力を低下させ、チャンバＥの内圧を制御する。尚、真空ポンプＶＰへガスＧｖを供給することにより、チャンバＥの内圧への影響を軽減することが出来ると共に、内圧調整の応答性を高めることが出来る。ガスＧｖとしては供給ガスＧｓと同じものであっても、異なるもの（不活性ガス）でもよい。
前記ガス供給管Ｌ1 には外径６．３５ｍｍφ、内径４．３５ｍｍφのステンレス管が、また排気管Ｌ2 には外径６０．５ｍｍφ、内径５４．９ｍｍφのステンレス管が、排気管Ｌ3 には外径２８ｍｍφ、内径２４ｍｍφのステンレス管が夫々使用されている。
前記制御装置１は、入力設定部１ａ（流量％設定機構）と第１・第２信号変換部１ｂ・１ｃと、比較補正部１ｄとから形成されており、入力設定部１ａ（流量％設定機構）で定格最大流量に対する所望の流量（％）を設定する。
即ち、真空ポンプＶＰを所定の条件下で連続的に定常運転した場合のチャンバＥの内圧ＰとチャンバＥへの流入ガス供給量Ｑとの関係は、後述するように予かじめ判明している。その結果、チャンバＥの内圧制御に対しては、先ずチャンバＥの設定内圧Ｐに対する所要ガス供給量Ｑが予かじめ求めたテーブル数値の参照により求められ、当該所要ガス供給量Ｑに対応する流量％設定値が入力設定部１ａへ入力される。
具体的には、当該入力設定部１ａには、設定圧力Ｐに対応した所要流量Ｑを両圧力式流量制御装置ＦＣＳ（Ａ）、ＦＣＳ（Ｂ）の合計最大流量に対する流量（％）で表わすようにした流量％設定機構と、両流量用圧力式流量制御装置ＦＣＳ（Ａ）、ＦＣＳ（Ｂ）の制御信号１ｅ・１ｆの上昇率設定機構１ａ′・１ａ″とが設けられており、プロセスチャンバＥの内圧Ｐを設定値にコントロールするために必要とするプロセスガスＧｓの流量は、入力設定部１ａの流量％設定機構により設定される。
また、前記入力設定部１ａの両制御信号上昇率設定機構１ａ′・１ａ″は、最小設定流量０％から最大設定流量１００％の間の任意の流量に流量設定をして両圧力式流量制御装置ＦＣＳ（Ａ）、ＦＣＳ（Ｂ）を作動させる際に、各流量用圧力式流量制御装置ＦＣＳ（Ａ）、（Ｂ）へ印加する制御信号１ｅ・１ｆの上昇率を調整するための機構であり、例えば設定流量５０ＳＣＣＭ（入力設定値１．６１３％）でガスＧｓを供給中に、２０００ＳＣＣＭ（入力設定６４．５１６％）に増量する場合、小流量用圧力式流量制御装置ＦＣＳ（Ａ）のみの作動から両圧力式流量制御装置ＦＣＳ（Ａ）、ＦＣＳ（Ｂ）の作動に切換えられるが、大流量圧力式流量制御装置ＦＣＳ（Ｂ）の方が０からその１９００ＳＣＣＭに達するまでに若干の時間遅れ（０→１００％の流量変化で約３０ｓｅｃ）を設けることが必要となり、そのためＦＣＳ（Ｂ）への制御入力信号１ｆの上昇率が調整されることになる。
前記第１信号変換部１ｂは、設定圧力Ｐに対応した流量％設定入力に相当する制御信号１ｅ・１ｆを各圧力式流量制御装置ＦＣＳ（Ａ）、ＦＣＳ（Ｂ）へ出力するものである。 即ち、最大流量が１００ＳＣＣＭの圧力式流量制御装置ＦＣＳ（Ａ）の制御信号は、０Ｖ（０ＳＣＣＭ）から５Ｖ（１００ＳＣＣＭ）の値に、また最大流量が３０００ＳＣＣＭの圧力式流量制御装置ＦＣＳ（Ｂ）の制御信号も０Ｖ（０ＳＣＣＭ）から５Ｖ（３０００ＳＣＣＭ）の値に夫々設定されており、両圧力式流量制御装置ＦＣＳ（Ａ）、ＦＣＳ（Ｂ）へは夫々の分担する制御流量Ｑ１ 、Ｑ２ に対応した制御信号１ｅ・１ｆが第１信号変換部１ｂから比較部１ｄへ入力される。
また、前記第２信号変換部１ｃはチャンバ内圧Ｐを検出する圧力検出器２からの検出信号１ｐを流量制御信号１ｇに変換するためのものであり、変換された流量制御信号１ｇは比較補正部１ｄへ入力される。
更に、前記比較補正部１ｄは第１信号変換部１ｂからの設定流量制御信号１ｅ・１ｆと第２信号変換部１ｃからの圧力検出値より求められた流量制御信号１ｇとの対比が行なわれ、圧力検出器２からの圧力検出信号１ｐより算定された流量制御信号１ｇの方が設定流量制御信号１ｅ・１ｆより大のとき（即ち、供給流量Ｑが大で、チャンバ内圧Ｐが設定圧力よりプラス側で真空度が低下しているとき）は、制御信号１ｅ・１ｆが減少方向に補正され、これによって供給流量Ｑが減少方向に修正される。また、逆に前記圧力検出信号１ｐにより算定された流量制御信号１ｇが設定流量制御信号１ｅ・１ｆより小さいとき（即ち、供給流量Ｑが不足で、チャンバ内圧Ｐが設定圧力よりマイナス側で真空度が上っているとき）には、制御信号１ｅ・１ｆが増加方向に補正され、これによって供給流量Ｑが増加方向に修正されることになる。
本発明では、上記図１の第１実施例で示すように圧力検出器２で検出したチャンバ内圧の圧力検出信号１ｐをフィードバック信号として用い、各圧力式流量制御装置ＦＣＳ（Ａ）、ＦＣＳ（Ｂ）への流量制御信号１ｅ・１ｆを補正し、補正後の制御信号１ｅ′・１ｆ′を各圧力式流量制御装置へ入力するようにしているため、チャンバ内圧Ｐが常に迅速に、しかも高い応答性をもって設定値に保持されることになる。
図２は、前記制御装置１の入力設定部１ａに於ける流量入力設定（％）と制御信号１ｅ・１ｆの関係を示す線図である。図２に於いて、曲線Ｌは小流量（１００ＳＣＣＭ）用圧力式流量制御装置ＦＣＳ（Ａ）の制御信号１ｅを、また曲線Ｈは大流量（３０００ＳＣＣＭ）用圧力式流量制御装置の制御信号１ｆを夫々示すものであり、例えば設定流量が５０ＳＣＣＭ（設定流量％＝５０／３１００＝１．６１３％）の時にはＦＣＳ（Ａ）のみが作動され、制御信号１ｅ＝５Ｖ×５０／１００＝２．５ＶがＦＣＳ（Ａ）へ入力される。
同様に、設定流量が２０００ＳＣＣＭ（設定流量％＝２０００／３１００＝６４．５２％）の時には、ＦＣＳ（Ａ）の方は流量設定％＝１００％でもって１００ＳＣＣＭの流量を出力し、制御信号１ｅ＝５Ｖ×１００／１００＝５ＶがＦＣＳ（Ａ）へ入力され、またＦＣＳ（Ｂ）の方は流量１９００ＳＣＣＭを出力し、制御信号１ｆ＝５Ｖ×１９００／３０００＝３．１７ＶがＦＣＳ（Ｂ）へ入力されることになる。
図３は、図１の流体供給装置Ａに於ける各圧力式流量制御装置ＦＣＳ（Ａ）、ＦＣＳ（Ｂ）の分担制御流量Ｑ1 、Ｑ2 とチャンバＥへの全供給流量Ｑとの関係を示すものであり、全流量ＱはＱ＝１００／３・設定％（ＦＣＳ（Ａ）のみが作動、Ｑ＝１００ＳＣＣＭ以下のとき）、又はＱ＝３０００／９７・設定％＋７００／９７ＳＣＣＭ（ＦＣＳ（Ａ）、ＦＣＳ（Ｂ）の両方が作動、Ｑ＝１００ＳＣＣＭ以上のとき）となる。
図４の（ａ）〜（ｃ）は、前記入力設定部１ａの制御信号上昇率設定機構１ａ″の必要性を示す実験データであり、１００ＳＣＣＭのＦＣＳ（Ａ）と３０００ＳＣＣＭのＦＣＳ（Ｂ）の両方を作動させ、全流量を０％（０ＳＣＣＭ）から１００％（３１００ＳＣＣＭ）へ増加させた場合の流量制御信号１ｅ及び流量制御信号１ｆの印加状況と、チャンバ圧力Ｐ（制御流量Ｑ）の追随性関係を示すものである。尚、当該実験に於いては、チャンバ排気系は全開状態（調整バルブＶは全開、真空ポンプＶＰが連続的にフル出力で運転される状態）にセットされている。
即ち、図４の（ａ）は、入力設定部１ａへの設定信号を約６０ｓｅｃ間で０〜１００％へ変化させるようにした場合のチャンバ圧力Ｐの変化の状態を示すものである。
また、図４の（ｂ）は入力設定部１ａへの設定信号を約３０ｓｅｃ間で０〜１００％へ変化させるようにした場合のチャンバ圧力Ｐの変化状態を、更に図４の（ｃ）は入力設定部１ａへの設定信号をステップ状に変化させるようにした場合のチャンバ圧力Ｐの変化状況を示すものである。
図４の（ａ）及び図４の（ｂ）に於いては、チャンバ圧力Ｐが、流量設定％（ＳＥＴ）にほぼ比例した状態で連続的に増加し、所謂圧力制御が完全に実現されていることが判る。
これに対して、図４の（ｃ）に於いては、流量設定％（ＳＥＴ）のステップ変化（即ち、制御信号１ｅ（又は流量Ｑ1 ）及び制御信号１ｆ（又は流量Ｑ2 ）のステップ変化）に対して、チャンバＥへのガス供給流量Ｑはステップ状に変化をすることができず、約２０秒間は、チャンバ圧力Ｐの制御が追随できないことが判る。
図５は、本発明の流体供給装置の第２実施例に係る設定流量と流量出力の関係を示す線図であり、当該第２実施例に於いては、定格流量が１００ＳＣＣＭと３０００ＳＣＣＭと５０００ＳＣＣＭの３台の圧力式流量制御装置ＦＣＳ（Ａ）、ＦＣＳ（Ｂ）、ＦＣＳ（Ｃ）を用いて、５ＳＣＣＭ〜８１００ＳＣＣＭのより広い流量範囲について高精度な流量制御を行なえる構成としたものである。
図５に於いて、曲線Ｌは１００ＳＣＣＭの、曲線Ｈは３０００ＳＣＣＭの、曲線Ｍは５０００ＳＣＣＭの各圧力式流量制御装置ＦＣＳ（Ａ）、ＦＣＳ（Ｂ）、ＦＣＳ（Ｃ）の流量特性を示すものであり、またＱはチャンバＥへの供給流量を示すものである。
即ち、供給流量Ｑが１００〜３１００ＳＣＣＭ以下の時には、
Ｑ＝（３１００−１００）／（４０−１）・（ＳＥＴ％−１）＋１００
＝（３０００／３９）・ＳＥＴ％＋（９００／３９）に流量Ｑが求められ、
また、供給流量Ｑが３１００〜８１００ＳＣＣＭの時には、
Ｑ＝（５０００／６０）・ＳＥＴ％−（１４０００／６０）により、流量Ｑが与えら れる。
尚、前記図１の第１実施例及び図５の第２実施例に於いては、供給ガスＧｓが一種類であるとしているが、供給ガスＧｓが二種類以上ＧS1，ＧS2…あるときには、図６に示すようにガス種の数と同数の第１実施例や第２実施例の如き構成のガス供給装置Ａを複数基夫々並列に設け、切換バルブ５を切換作動させることにより、複数種のガスを任意にチャンバＥへ供給することになる。
更に、前記第１実施例や第２実施例に於いては、供給ガスＧｓまたはＧS1，ＧS2…を単独種のガスとしているが、供給ガスＧｓまたはＧS1，ＧS2…のどれかが例えばＡｒとＣＦ4 との混合ガス（混合比率は任意）であってもよいことは勿論である。
次に、本発明に係るチャンバの内圧制御装置の作動について説明する。
図１を参照して、チャンバＥは１１ｌの内容積を有しており、その真空排気系は調整バルブＶと真空ポンプＶＰと管路Ｌ2 と管路Ｌ3 とにより形成されている。
また、真空ポンプＶＰには３００ｌ／ｍｉｎの排気量を有する真空ポンプが使用されている。
当該チャンバの内圧制御装置は、一定の排気能力を有する真空ポンプＶＰにより連続的に排気されているチャンバＥ内の内圧Ｐを、その内部へ供給する流体の流量Ｑを細かく調整することにより、１０-2〜１０2 Ｔｏｒｒ程度の所定のプロセス圧力に制御するものである。
図１を参照して、先ず調整バルブＶを最大開度の状態にして真空排気系の流路抵抗を最小にすると共に、真空ポンプＶＰを作動させてチャンバＥ内を真空ポンプＶＰの排気能力に対応した真空度にまで真空引きする。
次に、予かじめ求められている図７のチャンバＥ及び真空排気系の圧力−流量特性曲線から、圧力Ｐに対する供給ガス流量Ｑを求める。尚、内圧Ｐと供給流量Ｑとの関係はデータ化され、記憶装置に記憶されている。
その後、ガス供給装置Ａを作動させ、前記設定圧力Ｐを得るために必要とする流量ＱのガスＧｓをチャンバＥ内へ供給する。
尚、ガスＧｓの供給によるチャンバＥの内圧調整の範囲は、真空ポンプＶＰの排気能力が一定の条件下では調整バルブＶの開度調整によって変化させることができ、後述するようにチャンバ内圧を上昇（低真空度）させる場合には調整バルブＶの開度を低下させて真空排気系の管路抵抗を増大させ、また逆にチャンバ内圧を低下（高真空度）させる場合には、調整バルブＶを全開状態とする。
図７は、前記図１に於けるチャンバＥへの供給流量Ｑとチャンバ内圧Ｐとの関係を示す線図であり、真空ポンプＶＰを定格下で連続運転すると共に、調整バルブＶを最大開度又は最小開度の状態にした時の圧力−流量特性を示すものである。
即ち、図７の曲線Ａは調整バルブＶを最大開度にしたときの圧力−流量特性、曲線Ｂは調整バルブＶを最小開度の状態にしたときの圧力−流量特性を示すものである。
また、曲線ＣはチャンバＥ内に任意のプロセス条件（１）やプロセス条件（３）を実現する真空排気系の任意コンダクタンスに於ける圧力−流量特性である。
図７からも明らかなように、図１のチャンバＥ及び真空排気系に於いては、チャンバＥへのガス供給流量Ｑを５〜３１００ＳＣＣＭの間で流量制御をすると共に、真空排気系のコンダクタンスを適宜に調整することにより、記号（１）−（４）−（５）−（３）−（２）−（７）−（６）で囲まれた流量・圧力範囲、即ち圧力であれば１０1 〜０．８×１０-1Ｔｏｒｒに亘ってチャンバＥ内の圧力を調整することが出来る。
勿論、真空排気系の構成（真空排気系のコンダクタンスや真空排気ポンプＶＰの排気能力等）や流体供給装置Ａの流量制御範囲を変えることにより、前記図７の流量・圧力の調整範囲は変化することになり、プロセスチャンバＥに要求される条件に応じて流体供給装置Ａの流量範囲や真空排気ポンプＶＰの排気能力は適宜に選定される。
また、真空ポンプＶＰ（又は排気管路Ｌ3 ）へ圧力式流量制御装置４を通してガスＧｖを供給することにより、真空ポンプＶＰの排気能力を調整し、これによってプロセスチャンバＥの内圧を所定の圧力値に保持することも可能である。
更に、前記図１の実施例では、チャンバＥの内圧を１０-5〜１０2 Ｔｏｒｒ程度としているが、圧力計及び圧力式流量制御装置４の流量レンジを変えることにより、１０-7〜１０-6Ｔｏｒｒ程度のチャンバＥの内圧制御も可能である。
尚、半導体製造装置等に於いては、圧力制御範囲は通常１０-2〜１０1 Ｔｏｒｒ、流量制御範囲Ｑは３ＳＣＣＭ〜５０００ＳＣＣＭの範囲に選定されている。
又、圧力調整用にチャンバＥ内へ供給するガスＧｖとしては、ＨｅやＡｒ等の不活性ガスやそれの混合ガスが利用される。
更に、前記チャンバＥ内への供給ガスＧｓとして、プロセスガス自体を利用することも可能であり、且つ混合ガスであってもよいことは勿論である。
本発明は、半導体製造装置等のプロセスチャンバ並びにプロセスチャンバへのガスの供給量制御やプロセスチャンバの内圧制御等に利用できる。
本発明に係るチャンバの内圧制御装置の第１実施例の全体系統図である。 図１のチャンバ内圧制御装置に於ける入力設定（％）と制御信号（％）の関係を示す線図である。 図１のチャンバ内圧制御装置に於ける流量設定（％）と、各圧力式流量制御装置の流量ＳＣＣＭ及びチャンバＥへの供給流量Ｑの関係を示す線図である。 図１のチャンバ内圧制御装置に於ける各圧力式流量制御装置への制御信号の入力状態と、各圧力式流量制御装置の流量出力Ｑ1 、Ｑ2 及びチャンバＥ内の圧力Ｐの関係を示す線図であり、（ａ）は６０ｓｅｃ間で２台の圧力式流量制御装置の流量を０％から１００％へ変化させた場合、（ｂ）は３０ｓｅｃ間で流量を０％から１００％へ変化させた場合、（ｃ）はステップ状に流量を０％から１００％へ変化させた場合を示すものである。 ３基の圧力式流量制御装置を用いた本発明の第２実施例に係るチャンバ内圧制御装置の流量設定（％）と、制御流量Ｑとの関係を示す線図である。 複数のガス供給設備を用いたチャンバ内圧制御装置の実施例を示す全体系統図である。 図１に示したチャンバ内圧制御装置に於ける制御可能なチャンバ内圧Ｐと、供給流量Ｑの関係を示す線図である。 従前の圧力式流量制御装置を用いたチャンバへの流体供給装置の説明図である。 圧力式流量制御装置の構成図である。 従前のプロセスチャンバの真空排気系を示す説明図である。
符号の説明
Ａはガス供給装置、Ｇｓは供給ガス、ＦＣＳ（Ａ）は小流量用圧力式流量制御装置、ＦＣＳ（Ｂ）は大流量用圧力式流量制御装置、Ｑ1 は小流量用圧力式流量制御装置の制御流量、Ｑ2 は大流量用圧力式流量制御装置の制御流量、Ｑはチャンバへの供給流量、Ｐはチャンバ圧力、Ｅはプロセスチャンバ、Ｖは調整バルブ、ＶＰは真空ポンプ、Ｖ1 〜Ｖ3 は制御弁、Ｌ1 はガス供給管、Ｌ2 ・Ｌ3 は排気管、１は制御装置、１ａは流量入力設定部（流量％設定機構）、１ａ′・１ａ″は制御信号上昇率設定機構、１ｂ・１ｃは信号変換部、１ｄは比較補正部、１ｐは圧力検出信号、１ｇ・１ｅ′・１ｆ・１ｆ′は制御信号、１ｈは切換操作部、２は圧力検出器、３は圧力計、４は圧力式流量制御装置、５は切換バルブ。

Claims (9)

  1. 供給ガス入力部と、供給ガス出力部と、該ガス入力部とガス出力部との間に配置されたガス流量制御部と、前記供給ガス出力を受けるチャンバの圧力データを前記ガス流量制御部へ与える手段とを有するチャンバの内圧制御装置に於いて、前記ガス流量制御部は、並列状に接続した複数基の圧力式流量制御装置と、前記複数基の圧力式流量制御装置の作動を制御する制御装置とを備え、前記圧力式流量制御装置をオリフィスと、オリフィス上流側の圧力検出器と、圧力検出器の上流側に設けたコントロールバルブと、圧力検出器の検出圧力Ｐ1 からオリフィスを通過するガス流量ＱｃをＱｃ＝ＫＰ1 （但しＫは定数）により演算して設定流量Ｑｓとの差Ｑｙをコントロールバルブへ駆動用信号として出力する演算制御部とを含んで形成し、オリフィス上流側圧力Ｐ1 を下流側圧力Ｐ2 の約２倍以上に保持した状態下で使用する圧力式流量制御装置とすると共に、前記複数基のうちの一基の圧力式流量制御装置をチャンバへ供給する最大流量の多くとも１０％までのガス流量域を制御する装置とし残余の圧力式流量制御装置を残りのガス流量域を制御する装置とし、前記圧力データを前記制御装置へ入力して前記圧力式流量制御装置への制御信号を調整して前記ガス出力部へのガス供給量を制御するようにしたことを特徴とするチャンバの内圧制御装置。
  2. 制御装置を、チャンバへ供給するガス流量を設定する入力設定部と、当該入力設定部への入力値を流量制御信号に変換する第１信号変換部と、チャンバ内の検出圧力を流量制御信号に変換する第２信号変換部と、両信号変換部からの流量制御信号の比較補正部とを備え、前記比較補正部から各圧力式流量制御装置へ補正した制御信号を発信することによりチャンバへのガス供給量を制御する構成とした請求項１に記載のチャンバの内圧制御装置。
  3. 並列状に接続する圧力式流量制御装置を２基とし、一方を小流量域を制御する小流量レンジの圧力式流量制御装置に、他方を大流量域を制御する大流量レンジの圧力式流量制御装置とした請求項１に記載のチャンバの内圧制御装置。
  4. 並列状に接続する圧力式流量制御装置を２基とし、且つ小流量用の圧力式流量制御装置の流量制御域をチャンバへ供給する最大流量の０．１〜１０％に、また大流量用の圧力式流量制御装置の流量制御域をチャンバへ供給する最大流量の１０〜１００％とするようにした請求項１に記載のチャンバの内圧制御装置。
  5. 制御装置の信号変換部から発信した制御信号により、複数基の圧力式流量制御装置をその制御流量域が小さな圧力式流量制御装置から順に作動させる構成とした請求項１又は請求項３に記載のチャンバの内圧制御装置。
  6. 真空排気系にガスを流入させることにより、排気速度を可変できる構成の真空排気系とした請求項１に記載のチャンバの内圧制御装置。
  7. 並列状に接続した複数基の圧力式流量制御装置を少なくとも４ユニット設け、複数種類のガスをチャンバへ供給する構成とした請求項１に記載のチャンバの内圧制御装置。
  8. 制御装置に、各流量域を分担する圧力式流量制御装置へ発信する制御信号の上昇率設定機構を設け、前記制御信号の発信から所定の時間経過後に当該圧力式流量制御装置が設定流量のガス流量を供給する構成とした請求項２に記載のチャンバの内圧制御装置。
  9. 真空ポンプにより排気されるチャンバと該チャンバへ所望のガスを流量制御しつつ供給するガス供給手段とを含み、前記ガス供給手段は、並列状に接続した複数基の圧力式流量制御装置と、前記複数基の圧力式流量制御装置の作動を制御する制御装置とを備え、前記圧力式流量制御装置をオリフィスと、オリフィス上流側の圧力検出器と、圧力検出器の上流側に設けたコントロールバルブと、圧力検出器の検出圧力Ｐ1 からオリフィスを通過するガス流量ＱｃをＱｃ＝ＫＰ1 （但しＫは定数）により演算して設定流量Ｑｓとの差Ｑｙをコントロールバルブへ駆動用信号として出力する演算制御部とを含んで形成し、オリフィス上流側圧力Ｐ1 を下流側圧力Ｐ2 の約２倍以上に保持した状態下で使用する圧力式流量制御装置とすると共に、前記複数基のうちの一基の圧力式流量制御装置をチャンバへ供給する最大流量の多くとも１０％までのガス流量域を制御する装置とし残余の圧力式流量制御装置を残りのガス流量域を制御する装置とし、更に前記チャンバに圧力検出器を設けると共に当該圧力検出器の検出値を前記制御装置へ入力し、圧力式流量制御装置への制御信号を調整してチャンバへのガス供給量を制御することにより、広範囲に亘ってチャンバ内圧を高精度制御する構成としたことを特徴とする内圧被制御式チャンバ。
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