JP2013229001A

JP2013229001A - 流体制御システム、流体制御方法

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Publication number: JP2013229001A
Application number: JP2013002386A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Watanabe; 雅之渡辺; Yoshiyuki Yamada; 芳幸山田; Shunsuke Umezawa; 俊祐梅澤
Original assignee: CKD Corp
Current assignee: CKD Corp
Priority date: 2012-03-29
Filing date: 2013-01-10
Publication date: 2013-11-07
Anticipated expiration: 2033-01-10
Also published as: KR101914446B1; US8794261B2; KR20130111319A; US20130255793A1; JP5960614B2

Abstract

【課題】真空チャンバ内の調圧時間を短くし、半導体等の製造コストを下げること。
【解決手段】
真空チャンバ１１と、ガスを供給するガス供給源１８と、真空チャンバ１１の流体を排出するための排気配管１２と、真空チャンバ１１とガス供給源１８とを接続するためのガス供給配管１５と、真空チャンバ１１内の圧力値を検出するための圧力センサ１９とを有する。また、ガス供給源１８と真空チャンバ１１との間に設置される流量計１７と、流量計１７と真空チャンバ１１との間に設置される比例弁１６と、圧力センサ１９の出力を受けて比例弁１６を制御する圧力コントローラ２２と、排気配管１２上に配置される、絞り弁１３と、流量計１７の出力を受けて絞り弁１３を制御する流量コントローラと、を有する真空制御システム１を用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は、真空チャンバと、前記真空チャンバにガスを供給するガス供給源と、前記真空チャンバの流体を排出するための排気配管と、前記真空チャンバと前記ガス供給源とを接続するためのガス供給配管と、前記真空チャンバ内の圧力値を検出するための圧力センサとを有する流体制御システムに関するものである。

従来使用されていた流体制御システム、例えば、図７の真空制御システム１００がある。真空制御システム１００は、半導体ウエハに成膜処理を行う場である真空チャンバ１０１を備える。真空チャンバ１０１の中には、半導体ウエハ１枚又は複数枚が配置される。真空チャンバ１０１は、排気配管１０２により、絞り弁１０３を介して、真空源である真空ポンプ１０４に接続されている。真空チャンバ１０１は、ガス供給配管１０５により、遮断弁１０６、流体の流量を制御するマスフローコントローラ１０７を介して、プロセスガス供給源１０８に接続されている。排気配管１０２には、真空圧力センサ１０９と絞り弁１０３が取り付けられている。そして、真空圧力センサ１０９と絞り弁１０３には、真空圧力センサ１０９により計測された圧力値に基づいて絞り弁１０３の開度を制御するコントローラ１１０が接続されている。

上記構成を有する従来の真空制御システム１００の作用について、図８を用いて説明する。図８に、真空制御システム１００の作用を示すタイムチャートを示す。図８（ａ）〜（ｄ）のうち横軸に時間を採る。図８（ａ）の縦軸は圧力を採り、実線Ｐ２は真空チャンバ１０１内の圧力を示す。図８（ｂ）の縦軸は流量を採り、実線Ｍ２は、マスフローコントローラ１０７を通過するプロセスガスの流量を示す。図８（ｃ）の縦軸は開度を採り、実線Ｈ２は、遮断弁１０６の開度を示す。図８（ｄ）の縦軸は開度を採り、実線Ｖ２は、絞り弁１０３の開度を示す。

真空制御システム１００においては、真空チャンバ１０１内が真空圧状態値ＲにあるＴＡ２段階、及び真空チャンバ１０１内が圧力設定値ＱにあるＴＣ２段階がある。また、圧力設定値ＱにするためのＴＢ２段階、及び真空圧状態値ＲとするためのＴＤ２段階がある。真空制御システム１００は、ＴＡ２段階、ＴＢ２段階、ＴＣ２段階、ＴＤ２段階を経て、またＴＡ２段階へと戻るローテーションを繰り返すシステムである。当該ローテーションを繰り返し、ウエハに対して都度成膜を行う。

ＴＡ２段階では、遮断弁１０６を閉じ絞り弁１０３を開けるため真空ポンプ１０４により真空チャンバ１０１内の真空圧力は真空圧状態値Ｒ（真空引ききり状態）となる。

ＴＢ２段階では、真空チャンバ１０１内の圧力を真空圧状態値Ｒから圧力設定値Ｑにするため、実線Ｖ２に示すように絞り弁１０３を短時間に閉弁状態とする。他方、実線Ｈ２に示すように遮断弁１０６は開弁状態とする。遮断弁１０６が開弁状態となることにより、実線Ｍ２に示すようにマスフローコントローラ１０７により流量を制御されているプロセスガスが一定量流れる。プロセスガスが真空チャンバ１０１内に一定量流入することで、実線Ｐ２に示すように、真空チャンバ１０１内の圧力は上昇する。

ＴＣ２段階では、真空チャンバ１０１内の真空圧力が圧力設定値Ｑに達するのを真空圧力センサ１０９が計測する。

圧力設定値Ｑに達すると同時に、実線Ｖ２に示すように絞り弁１０３を開弁する。それにより、実線Ｐ２に示すように真空チャンバ１０１内の圧力は圧力設定値Ｑで安定させることができる。

特許第４２９８０２５号公報

しかしながら、従来技術には、以下の問題があった。すなわち、真空制御システム１００では、マスフローコントローラ１０７を使っているが、マスフローコントローラは本来指示された一定量を高精度で流すことを得意としており、流量を変化させることを短時間に行うことができない。そのため、ＴＢ２段階においてマスフローコントローラによるプロセスガスの制御をＴＣ２段階に必要な値である流量設定値Ｗで一定とする必要がある。これにより、真空チャンバ１０１の調圧に約１５秒以上もの時間が掛かることとなる。これにより、半導体の製造時間が長くなり生産コストが高くなるため問題となる。

特に、ウエハに対して成膜（プロセスガス供給）と排気を３５０〜５００回繰り返すＡＬＤプロセスにおいては、調圧時間が長いことで半導体の製造時間が長くなり生産コストが高くなるため問題となる。

また、真空制御システム１００のマスフローコントローラ１０７は高価であり、精度補正や故障によるメンテナンス頻度も高いため、その分製造コストが上昇する問題がある。

そこで、本出願人は、マスフローコントローラを使用せず、調圧時間を短くするものとして以下の図３に示す参考例の流体制御システム２００を考えた。

図３に示すように、真空チャンバ２０１は、排気管２１２により絞り弁２１３を介して、真空源である真空ポンプ２１４に接続されている。また、真空チャンバ２０１には、ガス供給配管２１５が接続されている。ガス供給配管２１５は、比例弁２１６を介して、プロセスガス供給源２１８に接続されている。

また、比例弁２１６及び絞り弁２１３は、圧力センサ２１９により計測された圧力に基づいて、比例弁２１６及び絞り弁２１３の開度を制御するためのコントローラ２２２が接続されている。

参考例における流体制御システム２００を用いた場合には、マスフローコントローラを使用しないため製造設備を安価にすることができる。また、マスフローコントローラに代わり比例弁２１６を用いるためにプロセスガスの供給量を短時間に変化させ調圧時間を短くすることもできる。

しかし、流体制御システム２００は、流量計を用いていないためプロセスガスの流量を制御することができない。半導体製造工程において重要な処理条件の１つであるプロセスガスの流量制御を行うことができない問題がある。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、真空チャンバ内の調圧時間を短くし半導体の製造コストを低減し、かつ、プロセスガスの流量を制御することができる流体制御システムを提供することを目的とする。

（１）上記課題を解決するために、本発明の一態様によれば、真空チャンバと、前記真空チャンバにガスを供給するガス供給源と、前記真空チャンバの流体を排出するための排気配管と、前記真空チャンバと前記ガス供給源とを接続するためのガス供給配管と、前記真空チャンバ内の圧力値を検出するための圧力センサとを有する流体制御システムにおいて、前記ガス供給源と前記真空チャンバとの間に設置される流量計と、前記流量計と前記真空チャンバとの間に設置される比例弁と、前記圧力センサの出力を受けて前記比例弁を制御する圧力コントローラと、前記排気配管上に配置される絞り弁と、前記流量計の出力を受けて前記絞り弁を制御する流量コントローラと、を有すること、を特徴とする。

それにより、真空チャンバ内の調圧時間を短くすることができる。その理由は、調圧の際にマスフローコントローラを用いずに、比例弁によりガス流量を調整するため大量のプロセスガスを真空チャンバ内に短時間で供給することができるからである。真空チャンバ内の圧力は短時間に上昇するため、調圧時間を短くすることができる。調圧時間を短くすることができるため、ウエハに対して成膜するまでの作業時間を短くでき半導体の製造時間を短縮し製造コストを低減することができる。

また、マスフローコントローラを用いずに圧力とガス供給量を制御できる流体制御システムを構成することができるため、流体制御システムを安価に提供することができる。

（２）（１）に記載する流体制御システムにおいて、前記流量コントローラに流量設定値が設定されていること、前記流量コントローラが、前記ガス供給配管を流れるガス流量が前記流量設定値に一致するように前記絞り弁を制御すること、前記圧力コントローラに圧力設定値が設定されていること、前記圧力コントローラが、前記真空チャンバ内の圧力が前記圧力設定値に一致するように前記比例弁を制御すること、が好ましい。

それにより、絞り弁を使ってガス供給量を流量設定値に合わせることができ、高価でメンテナンス頻度の高いマスフローコントローラを用いる必要がなくなる。

また、プロセスガスの供給量を流量設定値の値で供給することができる。

また、プロセスガスの流量を制御するために、真空チャンバの出口側に位置する絞り弁を用いる。真空チャンバの出口側に位置する絞り弁によりプロセスガスの流量を制御することができるのは、真空チャンバ内の圧力が比例弁で制御された状態であるためである。そのため、真空チャンバを介したとしても出口側の絞り弁によりプロセスガスの流量を制御することができる。

また、マスフローコントローラを用いずに流体制御システムを構成することができるため、流体制御システムを安価に提供することができる。

また、比例弁を使って真空チャンバ内の圧力を圧力設定値に合わせることができ、高価でメンテナンス頻度の高いマスフローコントローラを用いる必要がなくなる。

（３）（１）又は（２）に記載する流体制御システムにおいて、前記流量コントローラが前記絞り弁を制御し、前記圧力コントローラが前記比例弁を制御する第１モードと、前記流量コントローラが前記比例弁を制御し、前記圧力コントローラが前記絞り弁を制御する第２モードと、を有し、前記第１モードと前記第２モードを切り替え可能であること、が好ましい。

それにより、第１モード及び第２モードを自由に選択することができ、従来技術と同様の形式でＡＬＤプロセスを行うことができる。そのため、現在従来技術の流体制御システムを使用しているラインにそのまま組み付けることができる。

（４）（１）乃至（３）に記載するいずれか一つの流体制御システムにおいて、前記ガス供給源と、前記ガス供給源に対応する前記ガス供給配管上に前記流量計と前記比例弁が配置され一組のガス供給ユニットを形成すること、複数の前記ガス供給ユニットが、前記真空チャンバに対して並列に配置されていること、が好ましい。

それにより、真空チャンバ内の調圧時間を短くし半導体の製造コストを低減し、かつ、複数のプロセスガスを制御することができる。また、半導体の製造においては、ガスの種類を変えてプロセスを行うため、複数のガス供給ユニットを真空チャンバに対して並列に配置することが好ましい。

（５）（２）乃至（４）に記載するいずれか一つの流体制御システムにおいて、前記絞り弁の制御と前記比例弁の制御は連続的に行われること、が好ましい。

それにより、圧力調整と流量調整を短時間で行うことができる。

（６）（２）乃至（５）に記載するいずれか一つの流体制御システムにおいて、前記圧力設定値が、圧力カーブ又は圧力直線パターンに基づいて決定すること、が好ましい。

それにより、真空チャンバ内へのガス供給量を自在にコントロールすることができ、真空チャンバ内へのガス供給によるパーティクルの巻きあげを防止しながら、短い調圧時間とすることが可能となる。

（７）上記課題を解決するために、本発明の一態様によれば、真空チャンバと、前記真空チャンバにガスを供給するガス供給源と、前記真空チャンバの流体を排出するための排気配管と、前記真空チャンバと前記ガス供給源とを接続するためのガス供給配管と、前記真空チャンバ内の圧力値を検出するための圧力センサとを有する流体制御システムを制御する流体制御方法において、前記ガス供給源と前記真空チャンバとの間に設置される流量計と、前記流量計と前記真空チャンバとの間に設置される比例弁と、前記圧力センサの出力を受けて前記比例弁を制御する圧力コントローラと、前記排気配管上に配置される絞り弁と、前記流量計の出力を受けて前記絞り弁を制御する流量コントローラと、を有すること、前記絞り弁はガス流量を流量設定値に合わせるように制御すること、が好ましい。

それにより、真空チャンバ内の調圧時間を短くすることができる。具体的には、調圧時間を約５秒で調圧することができるようになる。その理由は、調圧の際にマスフローコントローラを用いずに、比例弁によりガス流量を調整するため、大量のプロセスガスを真空チャンバ内に短時間で供給することができるからである。真空チャンバ内の圧力は短時間に上昇するため、調圧時間を短くすることができる。調圧時間を短くすることができるため、ウエハに対して成膜するまでの作業時間を短くでき半導体等の製造時間を短縮し製造コストを低減することができる。

本発明によれば、高価でメンテナンス頻度の高いマスフローコントローラを使用することなく、調圧時間を短くし、プロセスガスの流量を制御することができる流体制御システムを提供することができる。

本発明の第１実施形態である流体制御システムの全体構成を示す図である。本発明の第１実施形態である流体制御システムの圧力調整と流量調整の作用を示すタイムチャート図である。参考例の流体制御システムの全体構成を示す図である。本発明の第１実施形態である流体制御システムの圧力調整と流量調整の作用を特徴的に示したタイムチャート図である。本発明の第１実施形態である流体制御システムの変形例１の全体構成を示す図である。本発明の第１実施形態である流体制御システムの変形例２の全体構成を示す図である。従来技術に係る流体制御システムの全体構成を示す図である。従来技術に係る流体制御システムの圧力調整と流量調整の作用を示すタイムチャート図である。本発明の第２実施形態である流体制御システムの全体構成を示す図である。本発明の第３実施形態である流体制御システムの全体構成を示す図である。本発明の第３実施形態の第２モードに係る流体制御システムの圧力調整と流量調整の作用を示すタイムチャート図である。本発明の第３実施形態である流体制御システムの変形例の全体構成を示す図である。本発明の第１実施形態である流体制御システムの真空チャンバの圧力と流量及び従来の流体制御システムの真空チャンバの圧力と流量の実験結果を示した図である。

次に、本発明に係る流体制御システムの一実施の形態である真空制御システムについて図面を参照して説明する。

［第１実施形態］
＜真空制御システムの全体構成＞
図１には、真空制御システムの全体構成を示す。本実施形態における真空制御システム１は、ＡＬＤプロセスに適したシステムである。ここで、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）プロセスとは、真空チャンバ内に設置したウエハ上に、プロセスガスを供給することにより第１に原料化合物の分子を表面へ吸着、反応による成膜、第２にプロセスガス排気による余剰分子の取り除き、再び原料化合物の分子を表面へ吸着、反応による成膜を行いプロセスガス排気するサイクルを繰返し行う方法である。それにより、原子層を一層ずつ積み上げていく。

図１に示すように、真空チャンバ１１には、プロセスガスを供給するためのプロセスガス供給源１８と連通するガス供給配管１５が接続されている。１つ又は複数のプロセスガスを供給するため、プロセスガス供給源１８、流量計１７、比例弁１６、ガス供給配管１５は１つ又は複数であってもよい。真空チャンバ１１内には、１枚又は複数のウエハが挿入され成膜処理が行われる。ガス供給配管１５は、比例弁１６を介してプロセスガスの供給源１８に接続されている。また、ガス供給配管１５には、供給配管１５のプロセスガスの供給流量を計測するための流量計１７が接続されている。なお、プロセスガス供給源１８は、本発明のガス供給源の一例である。

また、真空チャンバ１１には、真空ポンプ１４と連通するガス排気用の排気配管１２が接続されている。排気配管１２は、絞り弁１３を介して真空ポンプ１４に接続されている。また、排気配管１２には、真空チャンバ１１内の圧力を計測するための圧力センサ１９が接続されている。

また、絞り弁１３は、流量計１７による計測値に基づいた指令値によりコントロールを行う流量コントローラ２１が接続されている。流量コントローラ２１は、図２（ｂ）又は図４（ｂ）に示す流量設定値Ｗを図示しない記憶手段に記憶をしている。流量コントローラ２１は、流量設定値Ｗの値に基づいて絞り弁１３の開度を制御する。なお、流量設定値Ｗは、予め設定を行う。

さらに、比例弁１６は、圧力センサ１９による計測値に基づいた指令値によりコントロールを行う圧力コントローラ２２が接続されている。圧力コントローラ２２は、図２（ａ）又は図４（ａ）に示す圧力設定値Ｑ、及び一定値Ｙを図示しない記憶手段に記憶をしている。圧力コントローラ２２は、圧力設定値Ｑ、及び一定値Ｙの値に基づいて比例弁１６の開度を制御する。

また、流量コントローラ２１と圧力コントローラ２２には、指令値線２４，２３がそれぞれ接続されており、流量設定値の変更指令や圧力コントロール後の流量制御までのタイミング指令が伝えられる。なお、圧力設定値Ｑ、及び一定値Ｙは、予め設定される。

・真空制御システムの特徴
真空制御システム１は、その構成上の特徴としては、真空チャンバ１１内に流入するプロセスガスの流量を絞り弁１３により制御していることにある。なぜなら、従来、プロセスガスの流量を制御するには、マスフローコントローラを使いプロセスガス供給源１８に近いガス供給配管１５上で行うのが一般的だからである。

真空制御システム１において、真空チャンバ１１の出口側に位置する絞り弁１３によりプロセスガスの流量を制御することができるのは、真空チャンバ１１内の圧力をあらかじめ比例弁１６で制御しているからである。そのため真空チャンバ１１を介したとしても出口側の絞り弁１３によりプロセスガスの流量を制御することができるのである。従来、真空チャンバの出口側の絞り弁によりプロセスガスの流量を制御しようとしなかったのは、出口側においてプロセスガスの流量を制御できるとは考えられなかったためである。それに対して、本発明者は、真空チャンバ１１内に流入するプロセスガスにより真空チャンバ１１内の圧力が制御されていればプロセスガスを出口側の絞り弁１３により流量制御できることを発見した。そのため、本真空制御システム１は、従来の考えによっては導くことができないものである。

＜真空制御システムの作用効果＞
上記構成を有する真空制御システム１の作用について、図４を用いて説明する。
図４（ａ）〜（ｄ）のうち横軸に時間を採る。図４（ａ）の縦軸は圧力を採り、実線Ｐ１１は真空チャンバ１１内の圧力を示す。図４（ｂ）の縦軸は流量を採り、実線Ｍ１１は、流量計１７を通過するプロセスガスの流量を示す。図４（ｃ）の縦軸は開度を採り、実線Ｈ１１は、比例弁１６の開度を示す。図４（ｄ）の縦軸は開度を採り、実線Ｖ１１は、絞り弁１３の開度を示す。

真空制御システム１においては、真空チャンバ１１内が真空圧状態値ＲにあるＴＡ１段階、及び真空チャンバ１１内が圧力設定値ＱにあるＴＣ１段階がある。また、圧力設定値ＱにするためのＴＢ１段階、及び真空圧状態値ＲとするためのＴＤ１段階がある。真空制御システム１は、ＴＡ１段階、ＴＢ１段階、ＴＣ１段階、ＴＤ１段階を経て、またＴＡ１段階へと戻るローテーションを繰り返すシステムである。当該ローテーションを繰り返し、ウエハに対して都度成膜を行う。

・ＴＡ１段階
ＴＡ１段階では、比例弁１６は閉弁、絞り弁１３は開弁することにより真空チャンバ１１は、真空引き切り状態にある。そのため、図４（ａ）の実線Ｐ１１に示すように真空チャンバ１１内の圧力は真空引き切り状態値である真空圧状態値Ｒにある。

・ＴＢ１段階
ＴＢ１段階をＴＢ１（Ｉ）段階、ＴＢ１（ＩＩ）段階、ＴＢ１（ＩＩＩ）段階の３つに分ける。
ＴＢ１（Ｉ）段階では、絞り弁１３を閉弁し真空排気を止め、圧力コントローラ２２に圧力設定値Ｑとするように圧力設定がされる。それにより、実線Ｐ１１が一定値Ｙに到達するまで比例弁１６は弁を開ける方向に作動する。そのため、プロセスガスが真空チャンバ１１に導入され、真空チャンバ１１内の圧力制御を開始する。真空チャンバ１１の容量が大きい場合であっても、比例弁１６は短時間で大きく開くため、短時間で圧力設定値Ｑに近づけることができる。

次に、実線Ｐ１１が一定値Ｙに達したことを圧力センサ１９が計測すると比例弁１６は弁を閉める方向に作動し、プロセスガスの流れを減少させる。さらに、実線Ｐ１１が圧力設定値Ｑに到達すると比例弁１６は完全に閉弁する。

ここで、一定値Ｙは制御指令の伝達時間や弁の動作時間などにより制御のタイミングが遅れることを防ぐための圧力設定値Ｑに対する予測値である。

ＴＢ１（ＩＩ）段階では、流量コントローラ２１への流量設定値Ｗがゼロであれば、比例弁１６及び絞り弁１３は閉弁を保持し、圧力設定値Ｑを維持する。

ＴＢ１（ＩＩＩ）段階では、流量コントローラ２１に流量設定値Ｗとするように流量設定がされる。それにより、図４（ｄ）の実線Ｖ１１に示すように、絞り弁１３は弁を開ける方向に動作し、真空チャンバ１１の排気が開始される。このとき真空チャンバ１１内の圧力は、圧力設定値Ｑとなるよう設定された状態にある。そのため、圧力センサ１９が圧力降下を検出すると、図４（ｃ）の実線Ｈ１１に示すように、比例弁１６は、圧力設定値Ｑになるまでプロセスガスを真空チャンバ１１に導入するように動作する。真空チャンバ１１内の圧力が圧力設定値Ｑになるように比例弁１６は圧力コントローラ２２から指令を受けて動作し、プロセスガスの流量を流量設定値Ｗになるように絞り弁１３は流量コントローラ２１から指令を受けて動作する。

・ＴＣ１段階
ＴＣ１段階では、圧力設定値Ｑ及び流量設定値Ｗは一定であるため、絞り弁１３と比例弁１６は弁開度をそのまま保ち流量と圧力を維持する。

・ＴＤ１段階
ＴＤ１段階では、圧力設定値Ｑ及び流量設定値Ｗを維持した状態から真空引き切り状態にするため、比例弁１６を閉弁し、絞り弁１３の開度を上げる。それにより、真空引き切り状態であるＴＡ１段階の状態に戻る。

・圧力調整時の別実施例の動作説明
ＴＢ１（Ｉ）段階において、圧力コントローラ２２において、圧力設定値Ｑに至るまでに段階的な圧力設定を行えば、段階的な圧力設定値に対して比例弁１６は段階的に弁の開閉動作を行う。それにより、真空チャンバ１１内の圧力を段階的に変化させることができる。また、段階的な圧力設定値はあらかじめ設定し記憶させておくこともできる。

それにより、真空チャンバ１１へのプロセスガス導入量を自在にコントロールすることができ、真空チャンバ１１内でのパーティクルの巻き上げ防止を行いながら、調圧時間を短くすることが可能となる。

・真空調整時間を短縮する場合の動作説明
ＴＢ１（ＩＩ）段階を省略し、ＴＢ１（Ｉ）段階である圧力調整とＴＢ１（ＩＩＩ）段階である流量調整を連続的に行った場合を図２に示す。ここで、実線Ｐ１は真空チャンバ１１内の圧力であり、実線Ｍ１は流量計１７を通過するプロセスガスの流量であり、実線Ｈ１は比例弁１６の開度であり、実線Ｖ１は絞り弁１３の開度である。圧力調整と流量調整を連続的に行うことにより、図２（ｃ）の実線Ｈ１に示すように、比例弁１６が閉弁してまた開くことが不要になり真空調整時間（ＴＢ１）を短くすることができる。

したがって、プロセスガス流量は絞り弁１３の開度を変更することにより行う。また、真空チャンバ１１内の圧力は比例弁１６の開度を変更することにより行う。すなわち、絞り弁１３はプロセスガス流量を調整し、比例弁１６は圧力を調整し、相互に異なる対象である圧力及び流量を調整することで、結果として真空チャンバ１１内の圧力を圧力設定値Ｑ及びプロセスガス流量を流量設定値Ｗとすることができる。

本実施形態においては、上述したように、図２の真空チャンバ１１内の圧力を圧力設定値Ｑとするための調圧動作、及び、プロセスガス流量を流量設定値Ｗとするための流量調動作を連続して行っている。それにより、ＴＢ１段階に係る時間を短くすることができる。

本実施形態においては、比例弁１６を用いて短時間にプロセスガスの流量を増やすことができる。そのため、短時間に真空チャンバ１１内の圧力を上げ、短時間で圧力設定値Ｑとすることができる。具体的には真空圧状態値Ｒから圧力設定値ＱにするまでのＴＢ１段階に掛かる時間を約５ｓｅｃとすることができる。それにより、ウエハに対して成膜処理するまでの作業時間を短くでき半導体を短時間で製造することができる。

・従来技術との比較
従来技術の真空制御システム１００においては、図８（ａ）に示す真空チャンバ１０１内が真空圧状態値Ｒから圧力設定値Ｑへと移し替えるＴＢ２段階に約１５秒以上要する。その理由は、プロセスガスの流量を図７に示すマスフローコントローラ１０７で流量制御しているため、本実施形態における図２に示すようにプロセスガスの流量を短時間に増加させることができないからである。そのため、真空チャンバ１０１内の圧力を圧力設定値Ｑにするまでに約１５秒以上要するのである。

マスフローコントローラの流量設定値を変えて真空チャンバ１０１の調圧時間を短縮する方法が考えられるが、流量設定値の切換時に真空チャンバ１０１内の圧力が乱れてしまい、真空チャンバ１０１が設定圧力に安定するまでに時間を要する。

さらに、従来技術においてはマスフローコントローラ１０７を使用するため、製造設備が高価になる。また、マスフローコントローラはトラブルの発生頻度が高いためメンテナンス頻度が高いことにより半導体の生産効率が悪くなる。

本実施形態においては、図２（ａ）の実線Ｐ１に示す真空チャンバ１１内が真空圧状態値Ｒから圧力設定値Ｑへと移し替えるＴＢ１段階は約５秒となる。そのため、従来技術と比較して約３分の１の時間で真空チャンバ１１内を圧力設定値Ｑにすることができる。したがって、ウエハを短時間で成膜処理することができるため、従来技術と比較して半導体を短時間で製造することができる。

特に、ＡＬＤプロセスにおいては、ＴＡ１段階、ＴＢ１段階、ＴＣ１段階、ＴＤ１段階を繰り返して行うため時間短縮の効果は大きい。

さらに、本実施形態においてはマスフローコントローラを使用せず代わりに安価な流量計（マスフローメータ）によりプロセスガスの流量を制御するため、製造設備を安価にすることができる。また、流量計（マスフローメータ）は単純な構成であるためトラブルが発生することも少なく生産効率を上げることができる。

図１３に、真空圧状態値Ｒ（０Ｔｏｒｒ（０ｋＰａ））から圧力設定値Ｑ（７Ｔｏｒｒ（０．９３３１ｋＰａ））へと移行するための、真空制御システム１を用いた真空チャンバ内の圧力波形Ｐ１２と流量計で計測された流量波形Ｍ１２、及び、従来の流体制御システムを用いた真空チャンバ内の圧力波形Ｐ２２と流量計（マスフローメータ）で計測された流量波形Ｍ２２の実験結果を示す。本実験の条件は、真空チャンバ１１内を７Ｔｏｒr（０．９３３１ｋＰａ）/３ｓｌｍとした。また、初期値はＭ１２、Ｍ２２及びＰ１２、Ｐ２２全てにおいて流量値ゼロ、圧力値ゼロであり、時間も０ｓｅｃである。

本実施形態の真空制御システム１では、比例弁１６が大きく開くことにより、流量波形Ｍ１２は約０．５ｓｅｃ経過後には２０ｓｌｍを超える。それに伴い、真空チャンバ１１内の圧力波形Ｐ１２も約５ｓｅｃ経過後には７Ｔｏｒｒ（０．９３３１ｋＰａ）の値になる。

他方、従来の真空制御システムでは、遮断弁が大きく開くことがないため、流量波形Ｍ２２は約３．５ｓｌｍで推移する。それに伴い、真空チャンバ内の圧力波形Ｐ２２が７Ｔｏｒｒ（０．９３３１ｋＰａ）になるには、約１５ｓｅｃ以上要する。

そのため、従来技術と比較して本実施形態の真空制御システム１を用いることで３倍以上早く真空チャンバ１１内を設定圧力にすることができる。特に、ウエハに対して成膜（プロセスガス供給）と排気を３５０〜５００回繰り返すＡＬＤプロセスにおいては、調圧時間を短くすることができ半導体の製造時間を短くすることができる。そのため、生産コストを低減させることができるため有効なシステムである。

［第２実施形態］
図９に、本発明の第２実施形態である真空制御システム１Ｄの全体構成を示す。図９には、ガス供給源１８７Ａに連通しガス供給配管１５７Ａ上に流量計１７７Ａと比例弁１６７Ａを有する一組のガス供給ユニット１１７が形成されている。

ガス供給ユニット１１７と同じく流量計１７７Ｂ、１７７Ｃと比例弁１６７Ｂ、１６７Ｃがガス供給配管１５７Ｂ、１５７Ｃ上に配置された複数のガス供給ユニット１１８、１１９が形成されている。また、ガス供給ユニット１１７、１１８、１１９はそれぞれ真空チャンバ１１に対して並列に連通している。また、流量計１７７Ａ、１７７Ｂ、１７７Ｃはそれぞれ流量コントローラ２１７に指令値線にて接続されている。

その他、図９のうち、図１に示す第１実施形態と同じ符号を用いている部材は、第１実施形態と同様であるため詳細な説明を割愛する。

真空制御システム１Ｄは、複数のガス供給源１８７Ａ、１８７Ｂ、１８７Ｃを有するため、複数のガスを真空チャンバ１１に供給することができる。さらに、ガス供給ユニット１１７、１１８、１１９は、それぞれ第１実施形態の真空制御システム１と同様の構成を有する。そのため、ガス供給ユニット１１７、１１８、１１９を有する真空制御システム１Ｄは、真空チャンバ内の調圧時間を短くし半導体の製造コストを低減し、かつ、複数のプロセスガスの流量を制御することができる。特に、ウエハに対して成膜（プロセスガス供給）と排気を３５０〜５００回繰り返すＡＬＤプロセスにおいては、調圧時間を短くすることができ半導体の製造時間を短くすることができる。そのため、生産コストを低減させることができるため有効なシステムである。

［第３実施形態］
図１０に、本発明の第３実施形態である真空制御システム１Ｅの全体構成を示す。図１０には、ガス供給源１８８に連通するガス供給配管１５８上に流量計１７８と比例弁１６８が配置されている。

また、真空ポンプ１４に連通する排気配管１２８上に圧力センサ１９８、絞り弁１３８が配置されている。

また、流量コントローラ２１と圧力コントローラ２２とは指令値線８５により接続され制御的にリンクしている。流量コントローラ２１及び圧力コントローラ２２により、総合コントローラ８３を構成する。流量コントローラ２１及び圧力コントローラ２２は、指令値線８５により接続していることにより、図１０に示す第１モードと第２モードとを切り換えることができる。

その他、図１０のうち、図１に示す第１実施形態と同じ符号を用いている部材は、第１実施形態と同様であるため詳細な説明を割愛する。

図１０に示す真空制御システム１Ｅは、流量コントローラ２１と圧力コントローラ２２が指令値線８５により接続した総合コントローラ８３を有する以外は、図１に示す真空制御システム１と同様の構成を有する。そのため、指令値線８５の接続を解除することにより、真空制御システム１と全く同じ構成となる。

＜第１モード＞
図１０の実線Ｄ１１、Ｄ１２により第１モードの制御ラインを示す。第１モードでは、指令値線８５の接続は解除されている。第１モードでは、実線Ｄ１１に示すように、真空制御システム１と同様に流量コントローラ２１が流量計１７８の値を用いて絞り弁１３８を制御する。また、実線Ｄ１２に示すように、圧力コントローラ２２が圧力センサ１９８の値を用いて比例弁１６８を制御する。当該制御方法は、第１実施形態で示す真空制御システム１と同様の制御方法をとるため、図２及び図４に示す第１実施形態の真空制御システム１と同様の作用効果を奏する。図２及び図４と同様の圧力調整と流量調整のシステムを第３実施形態では第１モードとする。

＜第２モード＞
さらに、真空制御システム１Ｅは、図１に示す真空制御システム１と異なり流量コントローラ２１と圧力コントローラ２２が指令値線８５により接続した総合コントローラ８３を有する。そのため、図１に示す、真空制御システム１とは異なる第２モードの制御を行うことが可能となる。

図１０の破線Ｄ２１、Ｄ２２により第２モードの制御ラインを示す。第２モードでは、破線Ｄ２２に示すように、流量コントローラ２１が流量計１７８の値を用いて比例弁１６８を制御し、真空チャンバ１１に流れ込むプロセスガスの流量を制御する。また、破線Ｄ２１に示すように、圧力コントローラ２２が圧力センサ１９８の値を用いて絞り弁１３８を制御し、真空チャンバ１１内の圧力を制御する。流量コントローラ２１と圧力コントローラ２２が指令値線８５により接続され、１つの総合コントローラ８３とみなされるため、前述した制御が可能となる。

図１０の真空制御システム１Ｅの中で、図１１において、実線Ｐ３を真空チャンバ１１内の圧力、実線Ｍ３を流量計１７８を通過するプロセスガスの流量、実線Ｈ３を比例弁１６８の開度、実線Ｖ３を絞り弁１３８の開度とする。図１１に示すように、真空チャンバ内を真空圧状態値Ｒから圧力設定値Ｑにする場合、ＴＢ２段階では、図１１（ｄ）の実線Ｖ３に示すように、圧力コントローラ２２が圧力センサ１９８の値を用いて絞り弁１３８を短時間に閉弁状態とする。他方、図１１（ｃ）の実線Ｈ３に示すように、流量コントローラ２１が流量計１７８の値を用いて比例弁１６８を開弁状態としてプロセスガスを真空チャンバ１１内に一定量流す。プロセスガスが、真空チャンバ内に一定量流入することで、図１１（ａ）の実線Ｐ３に示すように、真空チャンバ内の圧力が上昇する。

続いて、真空チャンバ内の圧力が圧力設定値Ｑに達するのを図１０の圧力センサ１９８が計測する。圧力設定値Ｑに達すると同時に、図１１（ｄ）の実線Ｖ３に示すように、圧力コントローラ２２が圧力センサ１９８の値を用いて絞り弁１３８を開弁する。それにより、真空チャンバ１１内の圧力は圧力設定値Ｑで安定させることができる。

真空制御システム１Ｅは、流量コントローラ２１が流量計１７８の値を用いて比例弁１６８を制御して、真空チャンバ１１内に流れ込むプロセスガスの流量を調整し、圧力コントローラ２２が圧力センサ１９８の値を用いて絞り弁１３８を制御して、真空チャンバ１１内の圧力を制御する。当該図１１に示す真空制御システム１Ｅの圧力調整と流量調整のシステムを第３実施形態では第２モードとする。

真空制御システム１Ｅにおいては、指令値線８５を使用するか使用しないかにより、第１モードと第２モードを自由に選択することができる。その選択は、例えば、真空制御システム１Ｅに備えたプログラムにより選択するものでも良いし、真空制御システム１Ｅに備えたボタン等により選択するものでもよい。第１モード及び第２モードを自由に選択することができることにより、従来技術と同様の形式でＡＬＤプロセスを行うことができるため、現在従来技術の流体制御システムを使用しているラインにそのまま組み付けることができる。現在従来技術と同様の第２モードを使用しているが、将来的に第１モードを使用したいユーザーにとって利便性が向上する。

図１２に、第３実施形態の変形例を示す。真空制御システム１Ｆは、複数のガス供給ユニット１２１，１２２，１２３を有する。なお、各ガス供給ユニット１２１，１２２，１２３は、第３実施形態と同様に構成され、ガス供給源１８９Ａ、１８９Ｂ，１８９Ｃに連通するガス供給配管１５９Ａ，１５９Ｂ，１５９Ｃ上に、それぞれ、流量計１７９Ａ，１７９Ｂ，１７９Ｃと比例弁１６９Ａ，１６９Ｂ，１６９Ｃとが配置されている。また、流量コントローラ２１と圧力コントローラとは指令値線９５により接続されている。そのため、第２実施形態と同様に、複数のガスを供給することができる。さらに、それぞれのガス供給ユニット１２１，１２２，１２３は、第３実施形態と同様の作用効果を奏する。

＜変形例＞
尚、本発明は、上記実施の形態に限定されることなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で色々な応用が可能である。

例えば、本実施形態においては真空制御システムをＡＬＤプロセスに用いることとしたが、ＣＶＤプロセス等その他の方法に用いることもできる。

例えば、図５に示す真空制御システム１Ｂのように、流量計１７１、１７２、１７３と遮断弁２４１，２４２，２４３とを複数設置することができる。流量計１７１はプロセスガス供給源１８１と遮断弁２４１の間に設置され、流量計１７２はプロセスガス供給源１８２と遮断弁２４２の間に設置され、流量計１７３はプロセスガス供給源１８３と遮断弁２４３の間に設置されている。流量計１７１，１７２，１７３は、流量コントローラ２１と接続している。図５に示す真空制御システム１Ｂの比例弁１６及びその下流は、図１に示す真空制御システムと同じである。真空制御システム１Ｂにおいては、複数のプロセスガス供給源を複数の種類の流量計を用いて制御することができる。それにより、複数のガスを真空チャンバ１１内に供給することができる。

例えば、図６に示す真空制御システム１Ｃのように、プロセスガス供給源１８４、１８５、１８６が流量計１７４に対して連通している。プロセスガス供給源１８４と流量計１７４の間には遮断弁２４４が設置され、プロセスガス供給源１８５と流量計１７４の間には遮断弁２４５が設置され、プロセスガス供給源１８６と流量計１７６の間には遮断弁２４６が設置されている。流量計１７４は、複数の種類のプロセスガスを測定できるタイプである。図６に示す真空制御システム１Ｃの流量計１７４及びその下流は、図１に示す真空制御システムと同じである。真空制御システム１Ｃにおいては、複数のプロセスガス供給源からのガス供給を１つの流量計１７４と絞り弁１３により制御する。そのため、複数のプロセスガスを１つの流量計を使用して真空チャンバ１１へ供給できるため、流量計を削減でき、真空制御システムを安価にすることができる。

例えば、図２（ａ）の実線Ｐ１又は図４（ａ）の実線Ｐ１１に基づく圧力設定値を、予め決められた圧力カーブ、又は、圧力直線パターンに基づいて決定することができる。それにより、任意の時間で真空チャンバ内を圧力状態にすることができる。また、真空チャンバへのガス供給量を自在にコントロールすることができる。これにより、真空チャンバ内へのガス供給による流体の乱れを抑制し、パーティクルの巻きあげ防止等を行いながら、短い調圧時間とすることが可能となる。

また、圧力設定値及び流量設定値は一定値のほかに、曲線値、一定の傾きの直線値や段階値とすることができる。

また、圧力設定値及び流量設定値は、都度上位コントローラから指示を設定しておくことも、予め記憶し設定しておくことも可能である。

また、実施例では真空圧状態値Ｒを真空の圧力設定値Ｑとする制御を行っているが、圧力設定値Ｑを大気圧を超える圧力とすることも可能である。さらに、実施例の真空ポンプ１４を大気開放に置き換えれば、実施例の真空圧状態値Ｒを大気圧状態値とすることができる。言い換えると、ガス供給配管１５側と排気配管１２側との間の差圧により、真空圧から大気圧を超える圧力範囲において圧力と流量制御が可能である。

また、本実施形態においては、流体制御システムを真空制御システムとして説明したが、真空制御システム以外であっても、流体を制御するものであれば、他のシステムに応用することができる。

１真空制御システム
１１真空チャンバ
１２排気配管
１３絞り弁
１４真空ポンプ
１５ガス供給配管
１６比例弁
１７流量計
１８プロセスガス供給源
１９圧力センサ
２１流量コントローラ
２２圧力コントローラ

Claims

真空チャンバと、前記真空チャンバにガスを供給するガス供給源と、前記真空チャンバの流体を排出するための排気配管と、前記真空チャンバと前記ガス供給源とを接続するためのガス供給配管と、前記真空チャンバ内の圧力値を検出するための圧力センサとを有する流体制御システムにおいて、
前記ガス供給源と前記真空チャンバとの間の前記ガス供給配管上に設置される流量計と、
前記流量計と前記真空チャンバとの間の前記ガス供給配管上に設置される比例弁と、
前記圧力センサの出力を受けて前記比例弁を制御する圧力コントローラと、
前記排気配管上に設置される絞り弁と、
前記流量計の出力を受けて前記絞り弁を制御する流量コントローラと、
を有すること、
を特徴とする流体制御システム。
請求項１に記載する流体制御システムにおいて、
前記流量コントローラに流量設定値が設定されていること、
前記流量コントローラが、前記ガス供給配管を流れるガス流量が前記流量設定値に一致するように前記絞り弁を制御すること、
前記圧力コントローラに圧力設定値が設定されていること、
前記圧力コントローラが、前記真空チャンバ内の圧力が前記圧力設定値に一致するように前記比例弁を制御すること、
を特徴とする流体制御システム。
請求項１又は請求項２に記載する流体制御システムにおいて、
前記流量コントローラが前記絞り弁を制御し、前記圧力コントローラが前記比例弁を制御する第１モードと、
前記流量コントローラが前記比例弁を制御し、前記圧力コントローラが前記絞り弁を制御する第２モードと、を有し、
前記第１モードと前記第２モードを切り替え可能であること、
を特徴とする流体制御システム。
請求項１乃至請求項３に記載するいずれか一つの流体制御システムにおいて、
前記ガス供給源と、前記ガス供給源に対応する前記ガス供給配管上に前記流量計と前記比例弁が配置され一組のガス供給ユニットを形成すること、
複数の前記ガス供給ユニットが、前記真空チャンバに対して並列に配置されていること、
を特徴とする流体制御システム。
請求項２乃至請求項４に記載するいずれか一つの流体制御システムにおいて、
前記絞り弁の制御と前記比例弁の制御は連続的に行われること、
を特徴とする流体制御システム。
請求項２乃至請求項５に記載するいずれか一つの流体制御システムにおいて、
前記圧力設定値が、圧力カーブ又は圧力直線パターンに基づいて決定すること、
を特徴とする流体制御システム。
真空チャンバと、前記真空チャンバにガスを供給するガス供給源と、前記真空チャンバの流体を排出するための排気配管と、前記真空チャンバと前記ガス供給源とを接続するためのガス供給配管と、前記真空チャンバ内の圧力値を検出するための圧力センサとを有する流体制御システムを制御する流体制御方法において、
前記ガス供給源と前記真空チャンバとの間に設置される流量計と、
前記流量計と前記真空チャンバとの間に設置される比例弁と、
前記圧力センサの出力を受けて前記比例弁を制御する圧力コントローラと、
前記排気配管上に配置される絞り弁と、
前記流量計の出力を受けて前記絞り弁を制御する流量コントローラと、
を有すること、
前記絞り弁はガス流量を流量設定値に合わせるように制御すること、
を特徴とする流体制御方法。