JP2020035291A - 流量制御装置、流量制御方法、流体制御装置、半導体製造装置および半導体製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化、薄型化に適した構造の流量制御装置を提供する。【解決手段】対向する上面２ｄと底面２ｃとを有し、底面２ｃの上流側で開口する入力ポート２ａと連通する上流側流路２１と、底面２ｃの下流側で開口する出力ポート２ｂと連通する下流側流路２２とが形成された単一のボディブロック２と、ボディブロック２の上面２ｄに配置され、流量制御弁６と圧力センサ１０が設置された設置ブロック４と、を有し、設置ブロック４は、ボディブロック２の上流側流路２１と流量制御弁６の入力側とを結ぶための第1流路４１と、流量制御弁６の出力側とボディブロック２の下流側流路２２とを結ぶための第２流路４２とを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、流量制御装置、流量制御方法、流体制御装置、半導体製造装置および半導体製造方法に関する。

半導体製造プロセス等の各種製造プロセスにおいては、正確に計量したプロセスガスをプロセスチャンバに供給するために、開閉バルブ、レギュレータ、マスフローコントローラ等の各種の流体機器を集積化してボックスに収容した集積化ガスシステムと呼ばれる流体制御装置が用いられている。
上記のような集積化ガスシステムでは、管継手の代わりに、流路を形成した設置ブロック(以下、ベースブロックと呼ぶ)をベースプレートの長手方向に沿って配置し、このベースブロック上に複数の流体制御機器や管継手が接続される継手ブロック等の各種流体用機器を設置することで、集積化を実現している(例えば、特許文献１、２参照)。

特開平１０−２２７３６８号公報 特開２００８−２９８１７７号公報 特許第６０８２０８２号公報

各種製造プロセスにおけるプロセスガスの供給制御には、より高い応答性が求められており、そのためには流体制御装置をできるだけ小型化、集積化して、流体の供給先であるプロセスチャンバのより近くに設置する必要がある。
半導体ウエハの大口径化等の処理対象物の大型化が進んでおり、これに合わせて流体制御装置からプロセスチャンバ内へ供給する流体の供給流量も増加させる必要がある。
流体制御装置の小型化、集積化を進めていくには、流体制御機器の小型化を進展させるだけでなく、小型化された流体機器が設置されるベースブロックの寸法も小さくする必要がある。次世代の流体制御装置では、ベースブロックの幅として１０ｍｍ以下が要求されている。
マスフローコントローラは、流量調整弁、圧力センサ、オリフィス等の流体機器を含み、これらの流体機器を複数のボディブロック上に設置したものも存在するが、特許文献３に開示されているように、共通のボディブロックに流量調整弁、複数の圧力センサが設置されたものも存在する。
特許文献３に開示されたような共通のボディブロックの幅方向の寸法を縮小していくと、ボディブロックの曲げ剛性が低下し、安定したシール性能を確保できない可能性がある。

本発明の一の目的は、小型化、薄型化に適した構造の流量制御装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、上記の流量制御装置を用いた、流量制御方法、流体制御装置、半導体製造装置および半導体製造方法を提供することにある。

本発明に係る流量制御装置は、流路に設けられたオリフィスと、流路に設けられた流量制御弁と、前記オリフィスと前記流量制御弁との間の流路の流体圧力を検出する圧力センサと、を有し、入力ポートを通じて供給される流体の流量を制御して出力ポートに出力する流量制御装置であって、
対向する上面と底面とを有し、前記底面の上流側で開口する前記入力ポートと連通する上流側流路と、前記底面の下流側で開口する前記出力ポートと連通する下流側流路とが形成された単一のボディブロックと、
前記ボディブロックの上面に配置され、前記流量制御弁と前記圧力センサが設置された設置ブロックと、を有し、
前記設置ブロックは、前記ボディブロックの上流側流路と前記流量制御弁の入力側とを結ぶための第1流路と、前記流量制御弁の出力側と前記ボディブロックの下流側流路とを結ぶための第２流路とを有する。

上記構成において、前記ボディブロックの上面と前記設置ブロックの底面との間には、前記ボディブロックの上流側流路と前記設置ブロックの前記第1流路との間をシールする第1のガスケットと、前記ボディブロックの下流側流路と前記設置ブロックの前記第２流路との間をシールする第２のガスケットとが設けられており、
前記設置ブロックを貫通し前記ボディブロックに形成されたねじ孔に螺合する複数の締結ボルトの締結力により、前記第１および第２のガスケットは圧せられる。

好適には、前記オリフィスは、前記ボディブロックと前記設置ブロックとの間に設けられている、構成を採用できる。
さらに好適には、前記オリフィスを形成するオリフィスプレートが、前記第２のガスケットに一体的に保持されている構成を採用できる。

さらに好適には、第２の圧力センサが前記ボディブロックの上面にさらに設けられている、構成を採用できる。

本発明の流量制御方法は、上記の流量制御装置を用いて、流体の流量を制御する。

本発明の流体制御装置は、上流側から下流側に向かって複数の流体機器が配列された流体制御装置であって、
前記複数の流体機器は、上記の流量制御装置を含む。

本発明の半導体製造方法は、密閉されたチャンバ内においてプロセスガスによる処理工程を要する半導体装置の製造プロセスにおいて、前記プロセスガスの流量制御に上記の流量制御装置を用いる。

本発明の半導体製造装置は、処理チャンバにプロセスガスを供給する流体制御装置を有し、
前記流体制御装置は、複数の流体機器を含み、
前記流体機器は、上記の流量制御装置を含む。

本発明によれば、流量制御装置を構成する複数の流体機器の一部を設置ブロックに設置し、この設置ブロックを単一のボディブロック上に配置することで、ボディブロックの長手方向の寸法を短縮化できる。この結果、ボディブロックの曲げ剛性が高まり、小型化、薄型化に適した構造が得られる。

本発明の一実施形態に係る流量制御装置の縦断面図。 ボディブロックと設置ブロックとの関係を示す側面図。 図２の３-３線に沿った断面図。 ボディブロックと設置ブロックとの関係を示す上面図。 本実施形態の流量制御装置を用いる流体制御装置の一例を示す斜視図。 本発明の一実施形態に係る流量制御装置の半導体製造プロセスへの適用例を示す概略図。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、本明細書および図面においては、機能が実質的に同様の構成要素には、同じ符号を使用することにより重複した説明を省略する。以下、図１〜図４を参照して本発明の一実施形態に係る流量制御装置１について説明する。図中、Ａ１,Ａ２は流量制御装置１の長手方向を示し、Ａ１が上流側、Ａ２が下流側を示し、Ｂ１，Ｂ２は幅方向であり、上流側から見てＢ１が左手側、Ｂ２が右手側を示し、Ｃ１，Ｃ２は上下方向であって、Ｃ１は上方向、Ｃ２は下方向を示す。なお、図２〜図４は、ボディブロック２と設置ブロック４との関係を示すために、他の構成要素については記載を省略している。さらに、図１は、ボディブロック２の幅方向の中央を通過する縦断面である。

図１において、流量制御装置１は、単一のボディブロック２と、設置ブロック４と、流量制御弁６と、第1の圧力センサ１０と、第２の圧力センサ１２と、第１のガスケットとしてのガスケット型フィルタ８と、第２のガスケットとしてのガスケット型オリフィス５０とを有する

ボディブロック２は、ステンレス合金等の金属製で、断面形状が矩形のブロック状の部材であり、長手方向Ａ１，Ａ２の寸法が幅方向Ｂ１，Ｂ２よりも長くなるように形成されている。ボディブロック２の幅寸法は、本実施形態では、１．１２５インチであるが、１０ｍｍの場合又はそれより小さい幅寸法の場合もあり得る。ボディブロック２の上流側端部および下流側端部に形成された貫通孔はリーク検査孔２５である。
ボディブロック２には、上流側流路２１と、下流側流路２２が形成されている。

上流側流路２１は、ボディブロック２の底面２ｃで開口する入力ポート２ａを有し、入力ポート２ａから傾斜して延びており、ボディブロック２の上面２ｄで開口している。
下流側流路２２は、ボディブロック２の上面２ｄの上流側流路２１よりも下流側で開口しており、出力ポート２ｂに向かって傾斜して延びているが、ボディブロック２の上面２ｄに設けられた第２の圧力センサのセンシング面と連通するように途中で屈曲し、その後、出力ポート２ｂに向かって傾斜して延びている。

入力ポート２ａおよび出力ポート２ｂの周囲には円環状突起が形成され、ボディブロック２とこれに連結される図示しない継手ブロックとの間にシール部材としての金属合金製のガスケットが介在される。図３や図４に示す複数の貫通孔２９を通じて、ボディブロック２と図示しない継手ブロックとが締結ボルトにより締結されると、各ガスケットは、入力ポート２ａおよび出力ポート２ｂの周囲の円環状突起により塑性変形し、入力ポート２ａおよび出力ポート２ｂがシールされる。また、入力ポート２ａおよび出力ポート２ｂが同一面に開口していることで、ボディブロック２の平面度が確保され，図示しない継手ブロックとの組付が容易となる。

設置ブロック４は、ステンレス合金等の金属製で、断面形状が矩形のブロック状の部材であり、長手方向Ａ１，Ａ２の寸法がボディブロック２よりも短く形成され、幅寸法がボディブロック２と同じ１．１２５インチに形成されている。また、設置ブロック４は、上面の下流側に、傾斜面が形成されている。
設置ブロック４は、ボディブロック２の上面２ｄに配置されており、設置ブロック４の上部には、流量制御弁６が上下方向Ｃ１,Ｃ２方向に延びるように設置され、下流側の傾斜面には第１の圧力センサ１０が螺合することにより設置されている。

設置ブロック４には、第１流路４１および第２流路４２が形成されている。第１流路４１は、設置ブロック４の底面から流量制御弁６の入力側まで延びており、ガスケット型フィルタ８を介してボディブロック２の上流側流路２１と接続されている。第２流路４２は、流量制御弁６の出力側から下流側に向かって延びており、途中で、ガスケット型オリフィス５０と接続される流路４２ａと第1の圧力センサ１０に達する流路４２ｂとに分岐している。第1の圧力センサ１０は、第２流路４２内の流体圧力を検出する。
第２流路４２は、装置の応答性等を考慮して、ガスケット型オリフィス５０のオリフィス径に応じて流路径が設定される。オリフィス径の仕様に応じて、第２流路４２の流路径を変更する必要がある。

流量制御弁６は、公知の金属製のダイヤフラム９０と圧電アクチュエータ６０とを用いたバルブであり、第１流路４１の上端側の開口の周囲に設けられた環状の座面４１ａに対して、弁体としてのダイヤフラム９０が接触および離隔することにより、第１流路４１と第２流路４２との間が開閉される。
圧電アクチュエータ６０への通電によりこれが伸長し、円筒体６１をばね７５の復元力に抗して上方へ押し上げることにより、ダイヤフラム押え８０が上方へ移動し、ダイヤフラム９０が自己復元力によりばね７５の力に抗して座面４１ａから離れると、バルブが解放される。バルブの開度は、圧電アクチュエータ６０への印加電圧に応じて制御される。

第１および第２の圧力センサ１０，１２は、半導体ひずみゲージが表面に形成されたダイヤフラムを備え、その表面が圧力検知面(受圧面)となり、そこにかかる圧力によって変形して発生するピエゾ抵抗効果による電気抵抗の変化を電気信号に変換することで、圧力を検出する。

ガスケット型オリフィス５０は、第１のオリフィスベース５１と、第２のオリフィスベース５２と、オリフィスプレート５３からなり、オリフィスプレート５３は第１のオリフィスベース５１と第２のオリフィスベース５２との間に嵌合挟着されており、第１のオリフィスベース５１および第２のオリフィスベース５２の外側端面がガスケットのシール面となっている。第１のオリフィスベース５１および第２のオリフィスベース５２の中心部には貫通路が形成され、この貫通路が第２流路４２の分岐流路４２ａと連通する流路となっており、かつ、ボディブロック２の下流側流路２２と接続されている。
オリフィスプレート５３は、金属板やセラミックプレートで形成され、図示しないオリフィスが形成されている。

図２〜図４から分かるように、ボディブロック２の上面２ｄに設置された設置ブロック４は、複数の締結ボルトＢＴによって連結されている。具体的には、幅方向Ｂ１，Ｂ２において、ガスケット型フィルタ８の両側と、ガスケット型オリフィス５０の両側の合計４本の締結ボルトＢＴがボディブロック２に形成されたねじ穴２ｈ１，２ｈ２(図３参照)に螺合することにより、設置ブロック４がボディブロック２の上面２ｄに固定されている。これら４本の締結ボルトＢＴの締結力がガスケット型フィルタ８およびガスケット型オリフィス５０を圧する。

流量制御装置１を構成する流体機器である、流量制御弁６、第１の圧力センサ１０および第２の圧力センサ１２のうち、流量制御弁６および第１の圧力センサ１０を設置ブロック４に設けることにより、ボディブロック２の上面２ｄに全ての流体機器を設ける場合と比べて、ボディブロック２の長手方向Ａ１，Ａ２の全長を短縮化できる。加えて、ガスケット型フィルタ８およびガスケット型オリフィス５０の長手方向Ａ１，Ａ２の距離を短縮化できる。この結果、ボディブロック２の曲げ剛性を高めることができ、締結ボルトＢＴによる締め付け力によりボディブロック２が撓む等の変形を起こしにくくすることができる。
また、設置ブロック４は、ボディブロック２よりも曲げ剛性が高いので、上記したように、４本の締結ボルトＢＴを用いて設置ブロック４をボディブロック２に連結した際に、設置ブロック４が撓む等の変形を起こしにくいので、ガスケット型フィルタ８およびガスケット型オリフィス５０のシール性能を安定化できる。
ボディブロック２と設置ブロック４とを組み合わせることで、装置全体の合成が高まり、外乱等の影響に強い装置にすることができる。

本実施形態の流量制御装置１では、流量制御弁６とオリフィスとを結ぶ流路を設置ブロック４に形成したので、オリフィス径に応じた流路径の流路が形成された設置ブロック４を共通のボディブロック２に組み合わせることで、汎用性を高めることができる。

本実施形態では、ガスケット型フィルタ８の両側と、ガスケット型オリフィス５０の両側にそれぞれ締結ボルトを設ける構成としているが、ボディブロック２と設置ブロック４の幅を１０ｍｍ以下のように狭小化していくと、締結ボルトＢＴを幅方向において一列しか設置できなくなる。この場合、ガスケット型フィルタ８の上流側に一本の締結ボルトＢＴを配置し、ガスケット型オリフィス５０の下流側に一本の締結ボルトＢＴを配置すればよい。ボディブロック２と設置ブロック４の曲げ剛性の低下による撓みが問題になる場合には、ガスケット型フィルタ８とガスケット型オリフィス５０との間において、ボディブロック２と設置ブロック４を締結ボルトＢＴで締結することにより、ボディブロック２と設置ブロック４の曲げ剛性の低下を抑制できる。なお、この場合には、締結ボルトＢＴのための貫通孔をボディブロック２に加工し、これに螺合するねじ穴を設置ブロック４に加工する必要がある。

次に、図５を参照して、上記実施形態に係る流量制御装置１が適用される流体制御装置の一例を説明する。
図５に示す流体制御装置には、幅方向Ｗ１，Ｗ２と長手方向Ｇ１，Ｇ２に延びる金属製のベースプレートＢＳが設けられている。なお、Ｗ１は背面側、Ｗ２は正面側，Ｇ１は上流側、Ｇ２は下流側の方向を示している。ベースプレートＢＳには、複数のベースブロック９９２を介して各種流体機器９９１Ａ〜９９１Ｅが設置され、複数のベースブロック９９２によって、上流側Ｇ１から下流側Ｇ２に向かって流体が流通する図示しない流路がそれぞれ形成されている。

ここで、「流体機器」とは、流体の流れを制御する流体制御装置に使用される機器であって、流体流路を画定するボディを備え、このボディの表面で開口する少なくとも２つの流路口を有する機器である。具体的には、開閉弁（２方弁）９９１Ａ、レギュレータ９９１Ｂ、プレッシャーゲージ９９１Ｃ、開閉弁（３方弁）９９１Ｄ、流量制御装置９９１Ｅ等が含まれるが、これらに限定されるわけではない。なお、導入管９９３は、上記した図示しない流路の上流側の流路口に接続されている。
上記実施形態に係る流量制御装置１は、流量制御装置９９１Ｅに適用可能である。

次に、図５に示したような流体制御装置の適用される半導体製造装置の例を図６に示す。
半導体製造装置１０００は、原子層堆積法（ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ 法）による半導体製造プロセスを実行するためのシステムであり、６００はプロセスガス供給源、７００は流体制御装置、７１０はタンク、８００は処理チャンバ、９００は排気ポンプを示している。
基板に膜を堆積させる処理プロセスにおいては、処理ガスを安定的に供給するためにガスボックス７００から供給される処理ガスをバッファとしてのタンク７１０に一時的に貯留し、処理チャンバ８００の直近に設けられたバルブ７２０を高頻度で開閉させてタンクからの処理ガスを真空雰囲気の処理チャンバへ供給する。
ＡＬＤ法は、化学気相成長法の１つであり、温度や時間等の成膜条件の下で、２種類以上の処理ガスを１種類ずつ基板表面上に交互に流し、基板表面上原子と反応させて単層ずつ膜を堆積させる方法であり、単原子層ずつ制御が可能である為、均一な膜厚を形成させることができ、膜質としても非常に緻密に膜を成長させることができる。
ＡＬＤ法による半導体製造プロセスでは、処理ガスの流量を精密に調整する必要があるとともに、基板の大口径化等により、処理ガスの流量をある程度確保する必要もある。
流体制御装置７００は、正確に計量したプロセスガスを処理チャンバ８００に供給する。この流体制御装置７００に、上記した流量制御装置１が含まれる。
タンク７１０は、流体制御装置７００から供給される処理ガスを一時的に貯留するバッファとして機能する。
処理チャンバ８００は、ＡＬＤ法による基板への膜形成のための密閉処理空間を提供する。
排気ポンプ９００は、処理チャンバ８００内を真空引きする。

１ ：流量制御装置
２ ：ボディブロック
２ａ ：入力ポート
２ｂ ：出力ポート
２ｃ ：底面
２ｄ ：上面
２ｈ１ ：ねじ穴
２ｈ２ ：ねじ穴
４ ：設置ブロック
６ ：流量制御弁
８ ：ガスケット型フィルタ
１０ ：第１の圧力センサ
１２ ：第２の圧力センサ
２１ ：上流側流路
２２ ：下流側流路
２５ ：リーク検査孔
２９ ：貫通孔
４１ ：第１流路
４１ａ ：座面
４２ ：第２流路
４２ａ，４２ｂ ：分岐流路
５０ ：ガスケット型オリフィス
５１ ：第１のオリフィスベース
５２ ：第２のオリフィスベース
５３ ：オリフィスプレート
６０ ：圧電アクチュエータ
６１ ：円筒体
７５ ：ばね
８０ ：ダイヤフラム押え
９０ ：ダイヤフラム
７００ ：流体制御装置
７１０ ：タンク
７２０ ：バルブ
８００ ：処理チャンバ
９００ ：排気ポンプ
９９１Ａ ：流体機器
９９１Ｂ ：レギュレータ
９９１Ｃ ：プレッシャーゲージ
９９１Ｄ ：流体機器
９９１Ｅ ：流量制御装置
９９２ ：ベースブロック
９９３ ：導入管
１０００ ：半導体製造装置
Ａ１ ：長手方向(上側)
Ａ２ ：長手方向(下側)
Ｂ１ ：幅方向
Ｂ２ ：幅方向
ＢＳ ：ベースプレート
ＢＴ ：締結ボルト
Ｇ１ ：長手方向（上流側）
Ｇ２ ：長手方向（下流側）
Ｗ１，Ｗ２ ：幅方向

Claims (9)

1. 流路に設けられたオリフィスと、流路に設けられた流量制御弁と、前記オリフィスと前記流量制御弁との間の流路の流体圧力を検出する圧力センサと、を有し、入力ポートを通じて供給される流体の流量を制御して出力ポートに出力する流量制御装置であって、
   対向する上面と底面とを有し、前記底面の上流側で開口する前記入力ポートと連通する上流側流路と、前記底面の下流側で開口する前記出力ポートと連通する下流側流路とが形成された単一のボディブロックと、
   前記ボディブロックの上面に配置され、前記流量制御弁と前記圧力センサが設置された設置ブロックと、を有し、
   前記設置ブロックは、前記ボディブロックの上流側流路と前記流量制御弁の入力側とを結ぶための第1流路と、前記流量制御弁の出力側と前記ボディブロックの下流側流路とを結ぶための第２流路とを有する、流量制御装置。
2. 前記ボディブロックの上面と前記設置ブロックの底面との間には、前記ボディブロックの上流側流路と前記設置ブロックの前記第1流路との間をシールする第1のガスケットと、前記ボディブロックの下流側流路と前記設置ブロックの前記第２流路との間をシールする第２のガスケットとが設けられており、
   前記設置ブロックを貫通し前記ボディブロックに形成されたねじ孔に螺合する複数の締結ボルトの締結力により、前記第１および第２のガスケットは圧せられる、請求項１に記載の流量制御装置。
3. 前記オリフィスは、前記ボディブロックと前記設置ブロックとの間に設けられている、請求項１又は２に記載の流量制御装置。
4. 前記オリフィスを形成するオリフィスプレートが、前記第１のガスケットまたは前記第２のガスケットに一体的に保持されている、請求項２又は３に記載の流量制御装置。
5. 第２の圧力センサが前記ボディブロックの上面にさらに設けられている、請求項１ないし４のいずれかに記載の流量制御装置。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の流量制御装置を用いて、流体の流量を制御する流量制御方法。
7. 上流側から下流側に向かって複数の流体機器が配列された流体制御装置であって、
   前記複数の流体機器は、請求項１ないし５のいずれかに記載の流量制御装置を含む流体制御装置。
8. 密閉されたチャンバ内においてプロセスガスによる処理工程を要する半導体装置の製造プロセスにおいて、前記プロセスガスの流量制御に請求項１ないし５のいずれかに記載の流量制御装置を用いる半導体製造方法。
9. 処理チャンバにプロセスガスを供給する流体制御装置を有し、
   前記流体制御装置は、複数の流体機器を含み、
   前記流体機器は、請求項１ないし５のいずれかに記載の流量制御装置バルブ装置を含む半導体製造装置。
   
   

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