JP4522195B2 - 半導体製造装置用の切換え弁 - Google Patents

Description

本発明は、切換え弁に関し、さらに詳しくは、耐食性に優れ、プロセスガスに影響を与えることがなく、半導体製造装置に好適に用いることができる切換え弁に関する。

半導体製造装置として、酸化膜、ポリシリコン膜、Ｓｉ₃Ｎ₄膜を成膜する減圧ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置等の成膜装置や、絶縁膜、ポリシリコン膜、金属膜等をパターニングするプラズマエッチング装置等が知られている。
例えば、上述した半導体製造装置の一例として、Ｓｉ₃Ｎ₄膜を形成する縦型のＣＶＤ装置を例にとって説明すると、この装置には、ＣＶＤ法により半導体ウエハＷにＳｉ₃Ｎ₄膜を堆積する反応炉部と、シラン系ガスと窒素系ガスを供給するガス供給装置とが設けられている。そしてまた、前記ガス供給装置と反応炉部の間のガス供給配管には、切換え弁が設けられ、必要に応じて所望のガスを反応炉に供給し、あるいはガス供給管内部のガスを排出することができるように構成されている。

このような半導体製造装置に用いられる切換え弁としては、一般的には、図５に示すような三方弁５０が用いられる。この三方弁５０は、筐体５１の中心部に、三叉状の貫通路５２ａが形成された回転体５２が、前記筐体５１に対して回動自在に構成されている。
その結果、前記回転体５２を所定角度回動させることにより、ガス発生装置に接続された供給管５３と反応炉に接続された導出管５４とを連通した状態にし、あるいは供給管５３と排出管５５とを連通した状態にすることができる。

ところで、この三方弁（切換え弁）は、一般的に金属製であり、耐食性を向上させるため、その表面にステンレスメッキ等の耐腐食性加工を施している。
しかしながら、使用するにしたがってメッキが剥離し、三方弁を構成する金属部材が露出し、反応ガスであるＳｉＨ₂Ｃｌ₂ガス、ＮＨ₃ガス等によって腐食するという技術的課題があった。
これを解決するために、前記三方弁（切換え弁）をステンレス部材で形成することが考えられるが、供給ガスと金属との接触反応により、供給ガスの特性を失うというあらたな技術的課題が生じる。

本願発明者らは、上記した課題を解決するために、反応ガスであるＳｉＨ₂Ｃｌ₂ガス、ＮＨ₃ガス等に対して耐腐食性を有する高純度のシリカガラス部材で、切換え弁を形成することに着目し、シリカガラス部材で形成するに適した切換え弁の構造を鋭意研究し、本発明をするに至った。
本発明は、シリカガラス部材で形成することにより、耐食性に優れ、プロセスガスに影響を与えることがなく、半導体製造装置に好適に用いることができる切換え弁を提供することを目的とする。

上記目的を達成するためになされた本発明にかかる半導体製造装置用の切換え弁は、二つの貫通路が形成されたシリカガラスからなる弁体と、一つの供給口と二つの導出口が形成された、前記弁体を収容するシリカガラスからなる筐体と、前記筐体の供給口と導出口の周辺部のシリカガラス部位が露出するように前記筐体を収容するステンレス製のケーシングと、前記筐体と前記ケーシングとの間に設けられたテフロン（登録商標）部材と、前記弁体を上下方向に摺動させるピストン・シリンダとを備え、前記ピストン・シリンダにより弁体を上下方向に移動させることにより、前記第一、第二の貫通路を切換え、前記供給口から供給されるガスを、いずれかの導出口から導出するように構成されていることを特徴としている。
尚、前記供給口と前記導出口の周辺部における前記筐体のシリカガラス部位が露出した部分には、Ｏリングが取り付けられていることが望ましい。

このように、弁体及び筐体をシリカガラスで形成しているため、高純度で耐食性に優れ、プロセスガスに影響を与えることがなく、半導体製造装置において好適に用いることができる。

ここで、前記弁体には、弁体の移動方向と略垂直方向に延びる第一の貫通路と、前記第一の貫通路の下側に位置して、前記弁体の側面部から底面部に向けて形成されたＬ字状の第二の貫通路とが形成され、前記供給口は、前記ピストン・シリンダにより弁体を上下方向に移動させることにより、第一の貫通路あるいは第二の貫通路に連通するように、筐体の側面部に形成され、前記一の導出口は、前記ピストン・シリンダにより弁体を上下方向に移動させることにより、第一の貫通路に連通するように、前記供給口が形成された側面部と相対向する側の側面部に形成され、他の導出口は、第二の貫通路に連通するように、筐体の底面部に形成されていることが望ましい。

また、前記弁体は弁体保持部材を介してピストン・シリンダのピストンに取り付けられると共に、前記筐体上面と弁体保持部材との間にベローズを形成し、前記弁体を密閉した空間内に配置したことが望ましい。
このように、前記筐体上面と弁体保持部材との間にベローズを形成し、前記弁体を密閉した空間内に配置されているため、弁体と筐体の間から漏れるガスの外部への漏出を防止できる。

更に、前記弁体保持部材にガイド棒が設けられると共に、前記筐体に固体されたフレームに取り付けられたピストン・シリンダ保持体に、前記ピストン・シリンダが設けられ、前記ピストン・シリンダ保持体には、前記ガイド棒が挿通されるガイド孔が形成されていることが望ましい。
このように、前記弁体保持部材にガイド棒が設けられ、ピストン・シリンダ保持体のガイド孔に案内されるため、弁体が傾くことなく、上下動させることができる。

本発明にかかる切換え弁によれば、シリカガラス部材で形成されているため、高純度で耐食性に優れ、プロセスガスに影響を与えることがなく、半導体製造装置に好適に用いることができる切換え弁を提供することができる。

以下、本発明にかかる切換え弁の一実施形態について図１乃至図４に基づいて説明する。なお、図１は一実施形態にかかる切換え弁の正面図、図２は、図１におけるＩ−Ｉ断面図、図３は図１に示した一実施形態の底面図である。図４は本発明の切換え弁を半導体製造装置に用いた場合を示す概略構成図である。

図２に示すように、この切換え弁１は、二つの貫通路２ｃ、２ｄが形成されたシリカガラスからなる弁体２と、一つの供給口３ｄと二つの導出口３ｅ、３ｇが形成され、前記弁体２を収容するシリカガラスからなる筐体３と、前記弁体２を上下方向に摺動させるピストン・シリンダ４とを備え、前記ピストン・シリンダ４により弁体２を上下方向に移動することにより、供給口３ｄから供給されるガスを前記導出口３ｅ、３ｇのいずれかの導出口から導出できるように構成されている点に特徴がある。

前記弁体２について詳述すると、弁体２はシリカガラスからなり円柱状に形成され、この弁体２には、径が小さい小径部２ａが上端部から中間部にかけて形成され、また中間部から下端部にかけて径が大きい大径部２ｂが形成されている。
この小径部２ａの上端部は、ピストン・シリンダ４のピストン４ａの先端部に設けられた弁体保持部材５に保持され、前記ピストン４ａによって，弁体２が上下動可能に構成されている。なお、前記ピストン４ａの駆動源としては、ガスシリンダ、電気モータ等適宜選定することができる。
また前記大径部２ｂは、シリカガラスからなる筐体３の円筒孔３ａの内部に、上下動可能（摺動可能）に収容されている。また、前記弁体２の大径部２ｂには、弁体２の移動方向と略垂直方向に延びる第一の貫通路２ｃが形成されている。また、前記第一の貫通路２ｃの下方には、前記弁体２の大径部２ｂの側面から底面に向けて、Ｌ字状の第二の貫通路２ｄが形成されている。

次に、筐体３について説明する。この筐体３は、弁体２と同様に、シリカガラスから構成され、その全体形状は略長方体に形成されている。また、この筐体３には、上面が開口した円筒孔３ａが上下方向に延設されている。この筐体３の一側面部３ｂには、弁体２の移動方向と略垂直方向に延びる供給口３ｄが形成されている。また、筐体３の他面部３ｃには、弁体２の移動方向と略垂直方向に延びる導出口３ｅが形成されている。また、前記筐体３の底面部３ｆには、円筒孔３ａと連通した導出口３ｇが形成されている。

このように、弁体２に貫通路２ｃ、２ｄが形成され、また筐体３に供給口３ｄ、導出口３ｅ、３ｇが形成されているため、図２に示すように、弁体２が下降位置にあるとき、前記供給口３ｄと導出口３ｅは貫通路２ｃを介して連通する。
また、弁体２が、図２の矢印方向に移動した上昇位置にあるとき、前記供給口３ｄは貫通路２ｄを介して導出口３ｇと連通する。
したがって、例えば、図４に示すように、前記供給口３ｄをガス供給装置２２に接続された供給側口とし、導出口３ｅを反応炉部２１に接続された導出側口とし、更に、導出口３ｇを排出口とすることで、ガス供給装置２２から供給されたガスを反応炉部２１に供給でき、一方、反応炉部２１に対して供給する必要がない場合には、ガスを排出口３ｇに導き出すことができる。

また、前記筐体３は、ステンレス製のケーシング６の内部に収納されている。このケーシング６はシリカガラスからなる筐体３を衝撃などから保護するものである。また、前記した供給口３ｄ、導出口３ｅ、３ｇの周辺部分は、前記ケーシング６によって覆われることなく、筐体３のシリカガラス部位が露出している。
そのため、供給口３ｄが接続されるガス供給装置２２の接続口がシリカガラス材で形成され、導出口３ｅが接続される反応炉部２１の接続口がシリカガラス材で形成されている場合には、金属部材を介することなくシリカガラス部位同志でと接続できるため、金属不純物等の混入を抑制できる。しかも、かかる金属部材の腐蝕を防止できる。

前記筐体３のシリカガラス部位が露出した部分（供給口３ｄ、導出口３ｅ、３ｇの周囲部分）には、Ｏリング７が取り付けられ、接続部の密着性を高めるように構成されている。
更に、Ｏリングが取り付けられる凹部上面であるシリカガラス面は、ケーシング側面（ステンレス）より０．５ｍｍ低く位置し、ガラス供給装置等の接続口が接続される際の過剰な面応力がガラス面に加わり破損となる要因を軽減する構造としている。

また前記ステンレス板６と筐体３のとの間には、前記ステンレス板６と筐体３（シリカガラス部位）との接触を避けるため、厚さ１ｍｍ程度のテフロン（登録商標）部材８が設けられている。このように、テフロン（登録商標）部材８が設けられているため、ステンレス板６からの伝熱を抑制でき、シリカガラスからなる筐体３及び弁体２の熱の影響を極力少なくすることができる。
例えば、反応炉部２１の熱がステンレス板６を介して直接伝熱されるのを防止している。

また、筐体３の上面を覆うステンレス板６と弁体保持部材５との間には、ベローズ９が形成され、弁体２は、ベローズ９及び弁体保持部材５によって形成された密閉空間内部に配置されている。
このように、弁体２が密閉された空間内部に配置されるため、弁体２の側面と円筒孔３ａの側壁との間に生じる隙間からガスが漏れたとしても、密閉された空間であるため、外部へのガスの漏出を防止できる。

また、図１に示すように、筐体３の上面に設けられたステンレス板６にはフレーム１０が上方に延設され、その上端部にピストン・シリンダ保持体１１が取り付けられている。そして、このピストン・シリンダ保持体１１の中央部に、前記したピストン・シリンダ４が取り付けられている。
また、このピストン・シリンダ保持体１１の両側には、ガイド孔１１ａが形成され、弁体保持部材５の上面に設けられたガイド棒１２が挿通している。
したがって、ピストン４ａが伸縮した際、弁体保持部材５はガイド孔１１ａに案内されながら、上下移動する。その結果、弁体２は傾くことなく、筐体に３に形成された円筒孔３ａ内部を摺動する。

次に、この切換え弁１を、Ｓｉ₃Ｎ₄膜を形成する縦型の減圧ＣＶＤ装置にガス供給配管中に設けた場合について、図４に基づいて説明する。
この縦型の減圧ＣＶＤ装置２０は、図４に示すように、ＣＶＤ法により半導体ウエハＷにＳｉ₃Ｎ₄膜を堆積する反応炉部２１、シラン系ガスと窒素系ガスを供給するガス供給装置２２、切換え弁１を含むガス供給系２４、反応生成物ガスや未反応ガス等を排気する排気系２５、ロードロック部２６（一部図示）により概略構成されている。
前記反応炉部２１は、ベース２７と、ベース２７上に設置された、内心管２８と外心管２９とで構成されたプロセスチャンバ３０と、プロセスチャンバ３０を加熱する加熱ヒータ（図示省略）と、半導体ウエハＷが載置されたウエハボート（図示省略）がロードロック部２６のロードロックチャンバ３１よりプロセスチャンバ３０の内心管２８部内に出入りする際に開閉されるゲートバルブ３２等で概略構成されている。

前記ガス供給系２４は、減圧ＣＶＤ装置に反応ガスを供給するガス供給装置２２と、供給配管３３と、供給配管３３の途中に設けられた切換え弁１と、前記切換え弁１に設けられた排気管３４とにより概略構成されている。
また、排気系２５は、排気管３５と、図示しないがバルブと、減圧ＣＶＤ時の反応生成物等を除去するトラップと、メカニカルブースタポンプとドライポンプを組み合わせた排気ポンプ等で概略構成されている。

次に、この減圧ＣＶＤ装置２０の動作について説明する。
ウエハボートに半導体ウエハＷを載置し、ロードロックチャンバ３１をロックした後、ロードロックチャンバ３１内を真空ポンプ（図示省略）により排気し、所定の真空に到達した時点で、窒素ガスをロードロックチャンバ３１内に導入して大気圧にすることで、ロードロックチャンバ３１内の窒素置換を行う。
次に、ゲートバルブ３２を開き、ウエハボートをロードロックチャンバ３１より、予め所定の温度に加熱されている反応炉部２１の内心管２８内に移動させる。ウエハボートの移動完了後、ゲートバルブ３２を閉じる。

次に、排気系２５によりプロセスチャンバ３０内の排気を行う。この排気によって、プロセスチャンバ３０内の真空度が所定の真空度以上となった段階で、ガス供給系２４のガス供給部より、反応ガスであるＳｉＨ₂Ｃｌ₂ガスとＮＨ₃ガスとを所定の流量で、供給配管３３を通して、プロセスチャンバ３０内の内心管２８内に導入する。
このとき、切換え弁１は、図２に示した状態、即ち、供給口３ｄと導出口３ｅが連通した状態にある。
内心管２８内に導入された反応ガスは、加熱されている半導体ウエハＷ表面やプロセスチャンバ３０の内心管２８表面で反応、所謂表面反応してこれら表面にＳｉ₃Ｎ₄膜を堆積しながら上方に向かい、その後内心管２８と外心管２９の間を通り、この内心管２８と外心管２９の表面にＳｉ₃Ｎ₄膜を堆積しながら、排気系２５に向かい、排気される。

半導体ウエハＷ上に所定膜厚のＳｉ₃Ｎ₄膜が堆積した段階で、切換え弁１を切換え、反応ガスの供給を停止すると共に、供給配管３３の内部に残存する反応ガスを排気管３４から排気する。このとき、切換え弁１は、図２に示す状態から弁体２が上方に移動した状態、即ち、供給口３ｄと導出口３ｇが連通した状態にある。
その後、供給配管３３に接続した窒素ガス供給部等より、供給配管３３を通して、プロセスチャンバ３０内に窒素ガスを導入し、プロセスチャンバ３０内が所定の真空度になった時点で排気系２５閉じ、窒素ガスはそのまま導入し続けてプロセスチャンバ３０内を大気圧にする。
その後、ゲートバルブ３２を開き、半導体ウエハＷを載置したウエハボートを、プロセスチャンバ３０からロードロックチャンバ３１に移動させ、ゲートバルブを閉じる。次に、ロードロックチャンバ３１の扉を開けて、ウエハボートより、Ｓｉ₃Ｎ₄膜が形成された半導体ウエハＷを取り出す。

以上、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではない。例えば、本発明の実施の形態例では、減圧状態する半導体ウエハを処理する成膜装置およびエッチング装置の例としてＳｉ₃Ｎ₄膜を形成する減圧ＣＶＤ装置に用いたが、ＴＥＯＳ（Tetraethy Orthosilicate）酸化膜やポリシリコン膜を形成する減圧ＣＶＤ装置等の成膜装置や、半導体ウエハ上の各種膜をプラズマエッチング法でエッチングするプラズマエッチング装置等、広く半導体製造装置に本発明にかかる切換え弁を用いることができる。

また、前記実施形態にあっては、切換え弁を供給系の配管の途中に設けた場合について説明したが、本発明は特にこれに限定されるものではなく、該切換え弁を半導体製造装置の排気系に設けても良い。

以上の説明から明らかなように、本発明にかかる切換え弁は、半導体製造装置に好適に用いることができる。

図１は本発明にかかる一実施形態の正面図である。 図２は、図１におけるＩ−Ｉ断面図である。 図３は、図１に示した一実施形態の底面図である。 図４は、本発明にかかる切換え弁を適用した減圧ＣＶＤ装置の概略図である。 図５は、従来の切換え弁を示す概略図である。

符号の説明

１ 切換え弁
２ 弁体
２ｃ 貫通路
２ｄ 貫通路
３ 筐体
３ａ 円筒孔
３ｄ 供給口
３ｅ 導出口
３ｇ 導出口
４ ピストン・シリンダ
５ 弁体保持部材
６ ケーシング
９ ベローズ
１０ フレーム
１１ ピストン・シリンダ保持体
１１ａ ガイド孔
１２ ガイド棒

Claims (5)

1. 二つの貫通路が形成されたシリカガラスからなる弁体と、一つの供給口と二つの導出口が形成された、前記弁体を収容するシリカガラスからなる筐体と、前記筐体の供給口と導出口の周辺部のシリカガラス部位が露出するように前記筐体を収容するステンレス製のケーシングと、前記筐体と前記ケーシングとの間に設けられたテフロン（登録商標）部材と、前記弁体を上下方向に摺動させるピストン・シリンダとを備え、
   前記ピストン・シリンダにより弁体を上下方向に移動させることにより、前記第一、第二の貫通路を切換え、前記供給口から供給されるガスを、いずれかの導出口から導出するように構成されていることを特徴とする半導体製造装置用の切換え弁。
2. 前記供給口と前記導出口の周辺部における前記筐体のシリカガラス部位が露出した部分には、Ｏリングが取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載された半導体製造装置用の切換え弁。
3. 前記弁体には、弁体の移動方向と略垂直方向に延びる第一の貫通路と、前記第一の貫通路の下側に位置して、前記弁体の側面部から底面部に向けて形成されたＬ字状の第二の貫通路とが形成され、
   前記供給口は、前記ピストン・シリンダにより弁体を上下方向に移動させることにより、第一の貫通路あるいは第二の貫通路に連通するように、筐体の側面部に形成され、
   前記一の導出口は、前記ピストン・シリンダにより弁体を上下方向に移動させることにより、第一の貫通路に連通するように、前記供給口が形成された側面部と相対向する側の側面部に形成され、
   他の導出口は、第二の貫通路に連通するように、筐体の底面部に形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載された半導体製造装置用の切換え弁。
4. 前記弁体は弁体保持部材を介してピストン・シリンダのピストンに取り付けられると共に、前記筐体上面と弁体保持部材との間にベローズを形成し、前記弁体を密閉した空間内に配置したことを特徴する請求項１乃至請求項３のいずれかに記載された半導体製造装置用の切換え弁。
5. 前記弁体保持部材にガイド棒が設けられると共に、前記筐体に固体されたフレームに取り付けられたピストン・シリンダ保持体に、前記ピストン・シリンダが設けられ、前記ピストン・シリンダ保持体には、前記ガイド棒が挿通されるガイド孔が形成されていることを特徴とする請求項４に記載された半導体製造装置用の切換え弁。

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