JP2006222133A

JP2006222133A - 原料ガス供給方法及びその装置

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Publication number: JP2006222133A
Application number: JP2005031804A
Authority: JP
Inventors: Hisataka Nagai; 久隆永井
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2005-02-08
Filing date: 2005-02-08
Publication date: 2006-08-24

Abstract

【課題】原料ガス流量が安定な原料ガス供給方法及びその装置を提供する。
【解決手段】原料Ｓと原料から発生した原料ガスが収容された原料容器１にキャリアガスＣＧを導入することにより、このキャリアガスＣＧに原料ガスが混合された混合ガスＭＧを上記原料容器１から取り出して外部へ供給する原料ガス供給方法において、上記原料容器１から取り出された混合ガスＭＧ中の原料濃度を測定し、この原料濃度に基づくＰＩＤ制御により、キャリアガスＣＧの導入量×混合ガスＭＧ中の原料濃度で定義される原料ガス流量が一定となるようにキャリアガスＣＧの導入量を制御する。キャリアガス流量がＰＩＤ制御により緩やかに変化するため、原料ガス流量の変動が小さく抑えられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、キャリアガスで原料ガスを搬送する原料ガス供給方法及びその装置に係り、原料ガス流量が安定な原料ガス供給方法及びその装置に関する。

半導体製造に際して原料としてガスを使用する場合が多く、その原料ガスの供給源には、ガスボンベとシリンダがある。ガスボンベを使用した場合は、原料ガスの供給量を流量制御装置で高精度に制御できるというメリットがある反面、使用条件下で液体または固体になってしまう原料は使用できないというデメリットがある。一方、シリンダを用いた場合は、使用条件下で原料が液体または固体であっても、蒸発したガスを原料として使用できるというメリットがある反面、原料を入れたシリンダを一定の温度及び圧力で保持しなければならないというデメリットがある。このデメリットについて次に説明する。

シリンダを用いた場合の原料ガス供給装置の構成は図５のようになる。図５はガスのフロー図である。流量制御装置７によって流量制御されたキャリアガスＣＧを原料Ｓが入ったシリンダ１内に導入する。原料Ｓは温度に応じた蒸気圧を持っているため、キャリアガスＣＧの流れに乗って、原料ガスが運ばれる。なお、原料ガスの蒸気圧を一定とするために、シリンダ１は恒温槽２内に浸され、一定温度に保たれている。ちなみに、シリンダ１に導入するガスは、原料ガスを運ぶという意味で、キャリアガスＣＧと呼ばれている。

原料Ｓの入ったシリンダ１へのキャリアガスＣＧの供給はブロック弁１５で制御されており、原料を使用するときは、図５の様に、シリンダ側の２つのバルブ１２，１３が開き、バイパス弁１４が閉じる。原料を使用しないときは、シリンダ側の２つのバルブ１２，１３が閉じ、バイパス弁１４が開く。シリンダ出口配管４にはキャリアガスと原料ガスの混合気体ＭＧが流れ、この混合気体ＭＧにさらに希釈用ガスＫＧが合流する。シリンダ出口配管４内の圧力が変動すると、原料ガスの供給量が変化してしまうため、シリンダ出口配管４には圧力計８と圧力調整バルブ９が取り付けられており、シリンダ出口配管４内の圧力を一定に保っている。

この原料ガス供給装置では、使用条件下で液体または固体である原料Ｓを充填したシリンダ内に、キャリアガスＣＧを導入し、蒸発した原料ガスをキャリアガスＣＧで運ぶことによって、原料ガスを外部に供給しているが、原料（液体または固体）Ｓの蒸発を利用しているため、蒸発量が不安定になる場合がある。例えば、液体原料の場合は、原料を使用し続けると、シリンダ１内の原料の液面が低下し、原料の蒸気圧が低下する傾向にある。一方、固定原料の場合は、蒸気圧を安定させることが困難であり、精密な制御を要求される半導体膜を安定生産することが難しい。

原料の蒸気圧が変動することの対策として、図６の様に、蒸気圧の変化つまり原料濃度の変化を測定するための濃度計５をシリンダ１の出口側に取り付け、原料濃度の変化に応じてキャリアガスＣＧの流量を調整する方法がある。濃度計５自体に、濃度の変化に応じたキャリアガスＣＧの調整機能のあるものが多く、この機能を利用すれば容易に原料ガス供給装置を構築することができるというメリットがある。

特開２００１−１４７７２３号公報特開平６−２３６８５７号公報

従来技術では図５の様に、流量制御装置７によって流量を制御されたキャリアガスＣＧを一定温度に保ったシリンダ１内に導入し、シリンダ１から出てきたキャリアガスと原料ガスの混合ガスＭＧを希釈ガスＫＧで希釈した後、圧力調整バルブ９によって一定圧力に保ち、外部への原料ガス流量を安定化させている。ところが、原料Ｓを一定温度に保っても、原料Ｓの残量が減ってくると、原料Ｓの蒸発が少なくなるため、原料ガスの蒸気圧が飽和蒸気圧まで達しなくなり、原料ガスの供給量が減ってしまうという問題があった。そこで、原料ガスの蒸気圧が変化しても原料ガス流量を一定にするために、図６の様に、原料濃度計８を取り付け、原料ガスの濃度変化に応じて、キャリアガスＣＧの流量を調整している。

ところが、原料濃度が不安定であり、キャリアガス流量を変更すると原料濃度も変化してしまうような場合には、原料濃度の変化に応じてキャリアガス流量を変更すると、原料濃度も変化してしまうため、またキャリアガス流量を変更するという繰り返しになり、原料ガス流量が変動してしまう。

従来技術におけるキャリアガス流量と原料濃度の変化及び原料ガス流量の変化の様子を図７，８に示す。原料としてＩｎ（ＣＨ₃）₃（トリメチルインジウム。以下、ＴＭＩとする）を使用した。保持温度は３０℃、保持圧力は大気圧（１０１．３ｋＰａ）である。ＴＭＩは３０℃で固体であるため、液体原料に比べて蒸気圧が不安定である。また、ＴＭＩは飽和蒸気圧が低いため、目的とする原料ガス流量を得るためにキャリアガスを多く流す必要があり、キャリアガス流量が多いことも蒸気圧が不安定になる要因の一つである。

図７はキャリアガス流量及び原料濃度の変化を示したものである。横軸は時間であり、単位は秒である。左縦軸はキャリアガス流量であり、単位はｃｍ³／分である。右縦軸は原料濃度であり、単位は％である。図中の黒丸がキャリアガス流量、黒三角が原料濃度である。原料濃度が不安定であるため、その濃度変化を補い、原料ガス流量が一定になるように、キャリアガス流量が変化しているが、その変化が約±１０％と大きい。

図８は図７のキャリアガス流量と原料濃度から計算した原料ガス流量の変化である。横軸は時間であり、単位は秒である。縦軸は原料ガス流量であり、単位はｃｍ³／分である。原料濃度の変化をキャリアガス流量の調整で補っているため、原料ガス流量の変動は小さくなってはいるが、その変化は±２％と厳密な制御を要求される半導体結晶の成長にとってはそのばらつきは大きい。原料ガス流量が変動してしまうと、半導体結晶の特性が変化してしまうため、製品の歩留が低下するという問題がある。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、原料ガス流量が安定な原料ガス供給方法及びその装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明の方法は、原料と原料から発生した原料ガスが収容された原料容器にキャリアガスを導入することにより、このキャリアガスに原料ガスが混合された混合ガスを上記原料容器から取り出して外部へ供給する原料ガス供給方法において、上記原料容器から取り出された混合ガス中の原料濃度を測定し、この原料濃度に基づくＰＩＤ制御により、キャリアガスの導入量×混合ガス中の原料濃度で定義される原料ガス供給量が一定となるようにキャリアガスの導入量を制御するものである。

上記原料容器から取り出された混合ガスに希釈ガスを追加して希釈した混合ガスを外部へ供給するものとし、原料ガス供給量が多くない場合にはキャリアガスの導入量と希釈ガスの追加量との和が一定になるように、原料ガス供給量が多い場合にはキャリアガスの導入量と希釈ガスの追加量と原料ガス供給量との和が一定となるように、希釈ガスの追加量を制御してもよい。

また、本発明の装置は、原料と原料から発生した原料ガスを一定温度及び一定圧力で収容する原料容器と、この原料容器へキャリアガスを導入するキャリアガス流路と、上記原料容器からキャリアガスに原料ガスが混合された混合ガスを取り出して外部へ供給する混合ガス流路と、この混合ガス流路における混合ガス中の原料濃度を測定する濃度計と、この濃度計で測定した原料濃度に基づくＰＩＤ制御により、キャリアガスの導入量×混合ガス中の原料濃度で定義される原料ガス供給量が一定となるようにキャリアガスの導入量を決定するＰＩＤ制御部と、上記キャリアガス流路におけるキャリアガスの流量を上記決定に従って制御するキャリアガス流量制御装置とを備えたものである。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）原料の供給量を安定にすることができる。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１に示されるように、本発明に係る原料ガス供給装置は、原料Ｓと原料Ｓから発生した原料ガスを一定温度及び一定圧力で収容する原料容器（シリンダ）１と、この原料容器１を一定温度に保持するための恒温槽２と、原料容器１へキャリアガスＣＧを導入するキャリアガス流路３と、原料容器１からキャリアガスＣＧに原料ガスが混合された混合ガスＭＧを取り出して外部へ供給する混合ガス流路（シリンダ出口配管）４と、この混合ガス流路４における混合ガスＭＧ中の原料濃度を測定する濃度計５と、この濃度計５で測定した原料濃度に基づくＰＩＤ制御により、キャリアガスＣＧの導入量×混合ガスＭＧ中の原料濃度で定義される原料ガス供給量（以下、原料ガス流量という）が一定となるようにキャリアガスＣＧの導入量（以下、キャリアガス流量という）を決定するＰＩＤ制御部６と、キャリアガス流路３におけるキャリアガスＣＧの流量を上記決定に従って制御するキャリアガス流量制御装置７と、原料容器１及び混合ガス流路４中の混合ガスＭＧの圧力を測定する圧力計８と、圧力計８で測定される圧力に応じて開度を調整することにより原料容器１及び混合ガス流路４を一定圧力に保持する圧力調整バルブ９と、混合ガス流路４へキャリアガスＣＧと同じ成分の希釈ガスＫＧを追加する希釈ガス流路１０と、その希釈ガス流路１０における希釈ガスＫＧの追加量（流量）を制御する希釈ガス流量制御装置１１と、キャリアガス流路３と原料容器１との間を開閉する入口弁１２と、原料容器１と混合ガス流路４との間を開閉する出口弁１３と、キャリアガス流路３と混合ガス流路４との間をバイパスするバイパス弁１４とを備えたものである。

キャリアガス流量制御装置７及び希釈ガス流量制御装置１１の上流にはキャリアガス及び希釈ガスのガス源（図示せず）が設けられている。また、圧力調整バルブ９の下流は原料の需要先である外部に繋がっている。

ここで本発明の目的は、原料流量の変動を小さく抑えることである。原料流量は下記の計算式（１）で求めることができるので、実際には計算式（１）から計算した原料流量の変動を小さく抑えることになる。

（原料流量）＝（キャリアガス流量）×（混合ガス中の原料濃度）
…（１）
一般的なフィードバック制御は図９の通りである。本発明の要件を図９の各項目に当てはめると、
目標値：原料流量目標値
（原料流量目標値）＝（キャリアガス流量目標値）
×（混合ガス中の原料濃度目標値）
制御入力の決定：従来技術はＰＩＤ制御なし。本発明はＰＩＤ制御あり。

制御対象システム：キャリアガス流量制御装置
出力：原料流量測定値
（原料流量測定値）＝（キャリアガス流量測定値）
×（混合ガス中の原料濃度測定値）
検知器：キャリアガス流量制御装置内の流量計、つまりキャリアガス測定値
従来技術と本発明を比較すると、従来技術は（目標値）＝（出力）、つまり
（原料流量目標値）＝（原料流量測定値）＝
（キャリアガス流量測定値）×（混合ガス中の原料濃度測定値）
となるように制御するが、ＰＩＤ制御がないため、制御対象システム（キャリアガス流量制御装置）への制御入力値は、
（原料流量目標値）／（混合ガス中の原料濃度測定値）
となる。

一方、本発明でも（目標値）＝（出力）、つまり（原料流量目標値）＝（原料流量測定値）となるように制御するが、ＰＩＤ制御があるため、制御対象システム（キャリアガス流量制御装置）への制御入力値は、
（原料流量目標値）／（混合ガス中の原料濃度測定値）
となるとは限らない。

以下、本発明における原料ガス供給の動作を説明すると共に本発明と従来技術とを対比する。

図１に示した原料ガス供給装置では、キャリアガス流量制御装置７で流量制御されたキャリアガスＣＧが一定温度に保たれた原料容器１に導入され、原料容器１から混合ガス流路４へ出たキャリアガスと原料ガスの混合ガスＭＧは希釈ガス流路１０からの希釈ガスＫＧによって希釈された後、圧力調整バルブ９によって一定圧力に保たれる。原料濃度を濃度計５で測定しており、ＰＩＤ制御部６では、原料濃度が変化しても、（キャリアガス流量）×（原料濃度）＝一定となるように、キャリアガスＣＧの流量をＰＩＤ制御しているため、原料容器１からの原料ガス流量（すなわち外部への原料ガス供給量）を大幅に安定化できる。

従来技術では、シリンダ内に入った原料の蒸気圧の変動による影響を抑え、原料ガス流量を一定にするために、図６のように濃度計によって原料の濃度を測定し、濃度変化に応じて、キャリアガスの流量をフィードバックしていた。濃度計にはフィードバック機構が備えられているものが多く、従来技術でも濃度計のフィードバック機構を利用している。ところが、濃度計のフィードバック機構では、（キャリアガス流量）×（原料濃度）＝一定（ＰＩＤ制御なし）という調整を行っており、原料濃度が変動すると、直ちにキャリアガス流量を変更してしまう。原料濃度が不安定な場合は、キャリアガス流量の変更により、原料濃度が変化し、さらにキャリアガス流量を変更するという繰り返しになってしまい、原料ガス流量が一定にならなくなってしまうことがある。

本発明では、キャリアガス流量の調整にＰＩＤ制御を用いることにより、原料ガス流量を安定化させることができる。

ＰＩＤ制御は、温度制御等の比較的緩やかな変化の制御に広く用いられる。一方、本発明の対象としているキャリアガス流量は応答性がよく、流量変更時間は数秒以内で完了することもあり、従来技術では原料ガス流量を変更する時に、流量制御装置に対してＰＩＤ制御された流量設定値を入力することはない。

従来技術では図６のように、濃度計からキャリアガスの流量制御装置に対しフィードバック信号が送られる。フィードバック信号は、原料供給量が一定となるように、（キャリアガス流量）×（原料濃度）＝一定となるキャリアガス流量を計算し、キャリアガスの流量制御装置に送っている。このため、原料濃度が不安定な場合は、キャリアガス流量のフィードバックがうまくいかず、キャリアガス流量が変動してしまう場合がある。

本発明では、濃度計５からＰＩＤ制御を介して、キャリアガス流量制御装置７へフィードバックを行うため、キャリアガス流量ＣＧの過敏な変動を抑えることができ、原料供給量を安定化できる。

本発明におけるキャリアガス流量と原料濃度の変化及び原料ガス流量の変化の様子を図２，３に示す。図７，８の場合と同様に、原料としてＴＭＩを使用し、保持温度は３０℃、保持圧力は大気圧（１０１．３ｋＰａ）である。

図２はキャリアガス流量及び原料濃度の変化を示したものである。横軸は時間であり、単位は秒である。左縦軸はキャリアガス流量であり、単位はｃｍ³／分である。右縦軸は原料濃度であり、単位は％である。図中の黒丸がキャリアガス流量、黒三角が原料濃度である。原料濃度の変動に対して、キャリアガス流量がＰＩＤ制御により緩やかに変化するため、原料濃度の変動が小さく抑えられていることが分かる。

図３は図２のキャリアガス流量と原料濃度から計算した原料ガス流量の変化である。横軸は時間であり、単位は秒である。縦軸は原料ガス流量であり、単位はｃｍ³／分である。原料濃度の変化に対し、キャリアガス流量をＰＩＤ制御で調整しているため、原料ガス流量の変動はほとんどなく、ＰＩＤ制御が優れていることが分かる。また原料ガス流量を一定とすることができ、半導体結晶成長の歩留を大幅に向上できる。

図４は本発明の他の実施の形態を示すガスフロー図である。図４ではＰＩＤ制御部６において希釈ガスＫＧの流量を考慮して希釈ガス流量制御装置１１にフィードバックを行うことにより、希釈ガスＫＧの流量も調整している。半導体製造装置では、原料ガス、キャリアガス及び希釈ガスの合計流量を一定としているため、本発明のように、キャリアガスを調整し、その変更量が大きい場合は、希釈ガス流量も調整した方がよい。一般的に原料ガス流量は少なく、図４のように（キャリアガス流量）＋（希釈ガス流量）＝一定とすればよい。ただし、原料ガス流量が多い場合には、（キャリアガス流量）＋（希釈ガス流量）＋（原料ガス流量）＝一定としなければならない。

従来技術では、図５の様に濃度計がない場合には、例えば原料の濃度が初期値の１割低下すると、原料ガス流量も初期値の１割低下してしまう。図６の様に濃度計を取り付け、（キャリアガス流量）×（原料濃度）＝一定という調整を行った場合でも、原料濃度が不安定な原料では、図７のように原料濃度とキャリアガス流量が変動してしまい、図８のように原料ガス流量がばらついてしまい、半導体結晶の特性がばらついてしまうため、歩留が低下してしまう。

一方、本発明では図１のようにフィードバックにＰＩＤ制御を用いており、図２のように、原料濃度とキャリアガス流量の変動が少なく、図３のように原料ガス流量を非常に安定化することができ、半導体結晶の特性を一定とすることができるため、歩留まりを向上することができる。

本発明により原料の供給量を安定にすることができ、その結果、半導体結晶の特性の変化が少なくなり、製品の特性も安定化し、製品の歩留を向上できる。

上記実施の形態では触れなかったが、原料ガスの需要先に置かれるウエハとして、Ｇ５ｓ（ガリウム砒素）、ＩｎＰ（インジウム燐）、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＳｉＣ（炭化珪素）、またはサファイアを用いる。原料として、Ｇａ（ＣＨ₃）₃（トリメチルガリウム）、Ａｌ（ＣＨ₃）₃（トリメチルアルミニウム）、Ｉｎ（ＣＨ₃）₃（トリメチルインジウム）、Ｇａ（ＣＨ₃ＣＨ₂）₃（トリエチルガリウム）、ＡｓＨ₃（アルシン）、ＰＨ₃（ホスフィン）、またはＮＨ₃（アンモニア）を用いる。キャリアガスとして、Ｈ₂（水素）、Ｎ₂（窒素）、Ｈｅ（ヘリウム）、またはＡｒ（アルゴン）を用いる。

本発明の一実施形態を示す原料ガス供給装置のガス回路図である。本発明におけるキャリアガス流量及び原料濃度の時間変化図である。図２に基づく原料ガス流量の時間変化図である。本発明の他の実施形態を示す原料ガス供給装置のガス回路図である。従来の原料ガス供給装置のガス回路図である。従来の原料ガス供給装置のガス回路図である。従来技術におけるキャリアガス流量及び原料濃度の時間変化図である。図７に基づく原料ガス流量の時間変化図である。一般的なフィードバック制御の図である。

符号の説明

１原料容器（シリンダ）
３キャリアガス流路
４混合ガス流路
５濃度計
６ＰＩＤ制御部
７キャリアガス流量制御装置

Claims

原料と原料から発生した原料ガスが収容された原料容器にキャリアガスを導入することにより、このキャリアガスに原料ガスが混合された混合ガスを上記原料容器から取り出して外部へ供給する原料ガス供給方法において、上記原料容器から取り出された混合ガス中の原料濃度を測定し、この原料濃度に基づくＰＩＤ制御により、キャリアガスの導入量×混合ガス中の原料濃度で定義される原料ガス供給量が一定となるようにキャリアガスの導入量を制御することを特徴とする原料ガス供給方法。
上記原料容器から取り出された混合ガスに希釈ガスを追加して希釈した混合ガスを外部へ供給するものとし、原料ガス供給量が多くない場合にはキャリアガスの導入量と希釈ガスの追加量との和が一定になるように、原料ガス供給量が多い場合にはキャリアガスの導入量と希釈ガスの追加量と原料ガス供給量との和が一定となるように、希釈ガスの追加量を制御することを特徴とする請求項１記載の原料ガス供給方法。
原料と原料から発生した原料ガスを一定温度及び一定圧力で収容する原料容器と、この原料容器へキャリアガスを導入するキャリアガス流路と、上記原料容器からキャリアガスに原料ガスが混合された混合ガスを取り出して外部へ供給する混合ガス流路と、この混合ガス流路における混合ガス中の原料濃度を測定する濃度計と、この濃度計で測定した原料濃度に基づくＰＩＤ制御により、キャリアガスの導入量×混合ガス中の原料濃度で定義される原料ガス供給量が一定となるようにキャリアガスの導入量を決定するＰＩＤ制御部と、上記キャリアガス流路におけるキャリアガスの流量を上記決定に従って制御するキャリアガス流量制御装置とを備えたことを特徴とする原料ガス供給装置。