JP5124410B2 - ガス供給システム - Google Patents

Description

本発明は、半導体製造装置などのチャンバ内にガスを供給するためのガス供給システムに関するものである。

従来、複数種のガスをチャンバ内に選択的に供給するものとして、例えば特許文献１に示すように、ガス種毎に供給ラインを設け、当該供給ラインに、流量センサおよび流量制御弁（コントロールバルブ）をそれぞれ設けたものがある。

しかしながら、チャンバ内に供給するガスの種類が増えれば増えるほど、流量センサおよび流量制御弁等の部品点数が増えてしまい、ガス供給システムが肥大化して小型化を妨げ、また製造コストが増大するという問題がある。
特開２００６−３３６１１４号公報

そこで本発明は、上記問題点を一挙に解決するため、ガス供給システムを構成する部品点数を削減し、小型化及び低コスト化が実現可能なガス供給システムを提供することを所期課題とするものである。

すなわち本発明に係るガス供給システムは、複数種のガスを選択的にチャンバ内に供給するガス供給システムであって、流量を測定するための流量測定部及び当該流量測定部を用いて得られた流量測定信号に基づいて制御される流量制御弁が設けられるメイン流路と、前記チャンバ内に同時に供給しない複数のガス種毎に対応して設けられ、前記メイン流路の上流側に並列接続される複数のサブ流路と、当該サブ流路毎に設けられ、又は前記メイン流路及び前記サブ流路の間に介在して設けられ、前記メイン流路を流れるガスを切り替える切替機構と、を有するガス供給機構を複数備えることを特徴とする。

このようなものであれば、ガス供給システムの構成部品を削減することができる。具体的には、流量測定部及び流量制御弁が設けられたメイン流路に、複数のサブ流路を並列接続することにより、従来複数のガス毎に設けられていた流量測定部及び流量制御弁の個数を削減することができ、ガス供給システムの小型化及び低コスト化が可能となる。

また、前記流量制御弁を制御する制御部と、前記チャンバ内の圧力を検出する圧力測定部と、をさらに備え、前記制御部が、前記チャンバ内の圧力が所定値に達するまで、前記圧力測定部からの圧力測定信号に基づいて流量制御弁を制御し、前記チャンバ内の圧力が所定値に達した後は、前記流量測定部の流量測定信号に基づいて流量制御弁を制御するものであることが望ましい。これならば、チャンバ内におけるガスの圧力（全圧又は分圧）を圧力制御した後に流量制御を行うことで、チャンバ内の圧力が所定値に到達するまでのガス供給時間を短縮することができる。

このように構成した本発明によれば、ガス供給システムを構成する部品点数を削減し、小型化及び低コスト化が実現可能なガス供給システムを提供することができる。

以下に本発明に係るガス供給システム１００の一実施形態について図面を参照して説明する。なお、図１は本実施形態に係るガス供給システム１００を示す模式的構成図である。

＜１．装置構成＞

本実施形態に係るガス供給システム１００は、例えば半導体製造装置に組み込まれるものであり、例えばＣＶＤ処理などの薄膜成形処理、エッチング処理等においてチャンバ２００内に半導体プロセスガスを供給するものである。

具体的にこのものは、図１に示すように、複数種のガスを選択的にチャンバ２００内に供給するものであり、同時に供給しない複数のガス種のうちから選択的に１つのガスをチャンバ２００に供給するガス供給機構１を複数備える。なお、以下では、ガス供給システム１００が２つのガス供給機構１を有する場合について説明する。

＜２．ガス供給機構１＞

ガス供給機構１は、流量を測定するための流量測定部２、及び当該流量測定部２を用いて得られた流量測定信号に基づいて制御される流量制御弁３が設けられるメイン流路４と、前記チャンバ２００内に同時に供給しない複数のガス種毎に対応して設けられ、前記メイン流路４の上流側に並列接続される複数のサブ流路５と、１つのメイン流路４に並列接続された複数のサブ流路５のうちいずれか１つからメイン流路４にガスを流すための切替機構６と、を有する。

メイン流路４には、流量測定部２及び流量制御弁３が１つずつ設けられ、これら流量測定部２、流量制御弁３及び後述する流量制御弁制御部７４により、マスフローコントローラが構成される。

本実施形態の流量測定部２は、圧力を測定し、リストリクタ（絞り機構）２３の流量特性を利用して流量を測定するものである。具体的には、流量測定部２は差圧式のものであり、メイン流路４の上流側に設けた上流側圧力センサ２１と、下流側に設けた下流側圧力センサ２２と、上流側圧力センサ２１及び下流側圧力センサ２２との間に設けられ圧力差を生じさせるリストリクタ２３とを備える。そして、上流側圧力センサ２１が上流側圧力データを、下流側圧力センサ２２が下流側圧力データを制御装置７に出力する。

サブ流路５は、メイン流路４の上流側に接続されて、メイン流路４を介してチャンバ２００内にガスを供給するためのものであり、半導体処理工程（具体的にはガスの供給順序）の観点などからチャンバ２００内に同時に供給しない複数種のガスに対応する複数のサブ流路５がメイン流路４の上流側に並列接続されている。

チャンバ２００内に供給されるガス種が、例えば四フッ化炭素（ＣＦ_４）、水素（Ｈ_２）、アルゴン（Ａｒ）、酸素（Ｏ_２）及び窒素（Ｎ_２）である場合において、これらガス種を２つのガス供給機構１によりチャンバ２００に供給することを考える。このとき、各ガス供給機構１のメイン流路４に並列接続される複数のサブ流路５は、図１に示すように、（ｉ）アルゴン（Ａｒ）、水素（Ｈ_２）及び窒素（Ｎ_２）の流路群と、（ｉｉ）酸素（Ｏ２）、四フッ化炭素（ＣＦ_４）及び窒素（Ｎ_２）の流路群と、に分類される。つまり、チャンバ２００に同時に供給しない複数種のガスに対応するサブ流路５は、共通のマスフローコントローラに接続されることになる。なお、上記（ｉ）及び（ｉｉ）に示すように、各ガス供給機構１により供給するガス種は重複してもよい。

サブ流路５の上流側には、各ガスの原料タンク（図示しない）が接続される。また、各サブ流路５上には、電磁弁などにより構成される開閉弁６１が設けられている。各サブ流路５に配置された開閉弁６１によって切替機構６が構成される。そして、この開閉弁６１は、後述する制御装置７の切替機構制御部７２によって制御され、チャンバ２００内に供給されるガス種が選択される。具体的には、各ガス供給機構１において、複数のサブ流路５のうち１つのガスのみがメイン流路４に流れるように、１つの開閉弁６１のみを開放し、その他の開閉弁６１を閉塞する。

＜３．制御装置７＞

制御装置７は、各サブ流路５に設けられた開閉弁６１を制御するとともに、上流側圧力センサ２１及び下流側圧力センサ２２から圧力データを取得して流量を算出して、当該流量測定信号により流量制御弁３を制御するものである。なお、本実施形態では、１つの制御装置７が複数のガス供給機構１の制御を行う。その構成は、ＣＰＵやメモリ、ＡＤコンバータ、バッファなどのデジタル乃至アナログ電子回路で構成されている。そして、前記メモリの所定領域に格納してあるプログラムに基づいてＣＰＵやその周辺機器等が作動することにより、図２に示すように、処理条件受付部７１、切替機構制御部７２、流量算出部７３及び流量制御弁制御部７４、等として機能する。

以下各部７１〜７４について説明する。

処理条件受付部７１は、半導体基板を処理する場合にチャンバ２００内に供給するガスの種類及び供給方法等の処理条件を示す処理条件データを受け付けるものである。この処理条件データは、ユーザによって入力手段により入力される。また、処理条件受付部７１は、受け付けたデータのうち、ガスの種類により決定される供給ガス設定信号を切替機構制御部７２に出力し、流量設定信号を流量制御弁制御部７４に出力する。

切替機構制御部７２は、設定条件受付部７１から供給ガス設定信号を受け付けて、サブ流路５上に設けられた開閉弁６１を制御するものである。例えば、チャンバ２００内に四フッ化炭素（ＣＦ_４）のみを供給する場合には、四フッ化炭素（ＣＦ_４）のサブ流路５上に設けられた開閉弁６１のみを開放し、その他のサブ流路５上に設けられた開閉弁６１は全て閉塞する。また、チャンバ２００内に水素（Ｈ_２）及び酸素（Ｏ_２）を供給する場合には、水素（Ｈ_２）のサブ流路５上に設けた開閉弁６１及び酸素（Ｏ_２）のサブ流路５上に設けた開閉弁６１のみを開放し、その他のサブ流路５上に設けられた開閉弁６１は全て閉塞する。このように、切替機構制御部７２は、複数のガス供給機構１の有する開閉弁６１の全てを制御する。

流量算出部７３は、上流側圧力センサ２１からの上流側圧力データ及び下流側圧力センサ２２からの下流側圧力データを受け取り、リストリクタ２３上流側の圧力値及びリストリクタ２３下流側の圧力値から、リストリクタ２３上流及び下流の圧力差を算出し、その圧力差からメイン流路４を流れるガスの流量を算出する。そして、流量算出部７３は、その流量を示す流量測定信号を流量制御弁制御部７４に出力する。

流量制御弁制御部７４は、処理条件受付部７１から流量設定信号を受け付け、流量算出部７３から流量測定信号を受け付けて、流量設定信号の示す設定流量値と流量測定信号の示す測定流量値とを比較し、その比較結果に基づいて流量制御弁３に制御弁制御信号を出力して、その弁開度を制御するものである。また、流量制御弁制御部７４は、それぞれのガス供給機構１の流量制御弁３に制御信号を出力する。

しかして本実施形態のガス供給機構１は、チャンバ２００内の圧力を測定するチャンバ圧力センサ８を備え、流量制御弁制御部７４が、チャンバ２００内の圧力が所定値に達するまで、チャンバ圧力センサ８からの圧力測定信号に基づいて流量制御弁３を制御し、チャンバ２００内の圧力が所定値に達した後は、流量測定部２の流量測定信号に基づいて流量制御弁３を制御する。

流量制御弁制御部７４は、単一のガスをチャンバ２００内に供給する場合には、チャンバ２００内の全圧が所定値（処理条件を満たす圧力）に到達するまでは、チャンバ２００内の圧力が当該所定値となるように、チャンバ圧力センサ８からの圧力測定信号に基づいて流量制御弁３を制御する。そして、流量制御弁制御部７４は、チャンバ２００内の全圧が所定値に到達して処理条件を満たした後は、前述したように、流量測定部２により得られた流量測定信号に基づいて流量制御弁３を制御する。

また、流量制御弁制御部７４は、複数のガスをチャンバ２００内に供給する場合には、チャンバ２００内における各供給成分の分圧が所定値（処理条件を満たす分圧）に到達するまでは、チャンバ２００内の各成分の分圧が所定値となるように、チャンバ圧力センサ８からの圧力測定信号に基づいて流量制御弁３を制御（圧力制御）する。そして、流量制御弁制御部７４は、チャンバ２００内の各成分の分圧が所定値に到達して処理条件を満たした後は、前述したように、流量測定部２により得られた流量測定信号に基づいて流量制御弁３を制御（流量制御）する。なお、例えば、圧力制御時における流量測定部２によって得られた積算流量値を用いて流量制御の初期値設定を行うことにより、その後の流量制御において総流量単位での安定制御を可能にすることができる。

このように、チャンバ圧力センサ８からの圧力測定信号に基づいて流量制御弁３を制御（圧力制御）した後、流量測定部２からの流量測定信号に基づいて流量制御弁３を制御（流量制御）しているので、チャンバ２００内の圧力（全圧又は分圧）が一定になるまでのガス供給時間を短縮することができる。

＜本実施形態の効果＞

このように構成した本実施形態に係るガス供給システム１００によれば、ガス供給システム１００の構成部品を削減することができる。具体的には、複数のサブ流路５をメイン流路４に並列接続することにより、従来複数種のガス毎に設けられていた流量測定部（流量センサ）２及び流量制御弁３の個数を削減することができ、ガス供給システム１００の小型化及び低コスト化が可能となる。

＜その他の変形実施形態＞

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。以下の説明において前記実施形態に対応する部材には同一の符号を付すこととする。

前記実施形態の流量測定部は、上流側圧力センサと、下流側圧力センサと、上流側圧力センサ及び下流側圧力センサとの間に設けられたリストリクタ（絞り機構）とを備えるものであり、各圧力センサから圧力測定信号を制御装置に出力して、制御装置の流量算出部により流量を算出するようにしているが、流量測定部が、差圧伝送器を用いた流量センサであり、当該流量センサにより得られた測定流量信号を制御装置に出力するようにしても良い。この場合制御装置７は、図３に示すように流量算出部を備えなくても良い。

流量測定部としては、差圧式の他、面積式や超音波式等の堆積流量型の流量センサを用いても良いし、熱式やコリオリ式等の質量流量型の流量センサを用いても良い。

また、切替機構としては、前記実施形態のように各サブ流路それぞれに開閉弁を設けたものであったが、メイン流路及びサブ流路の間、具体的にはサブ流路の合流点に切替弁を設けても良い。

さらに、図４に示すように、メイン流路４の下流側に比率調整機構９を設けることができる。この比率調整機構９は、チャンバ２００内にガスを複数箇所から供給する場合に、各箇所における供給比率を調整するものである。具体的には、各ガス供給機構１のメイン流路４が混合器（図示しない）を介して合流し、その後、複数の供給箇所の数に応じて分岐される。この分岐路４Ａ、４Ｂそれぞれには流量センサ９１及び流量制御弁９２が設けられている。そして、図５に示すように、制御装置７が比率調整機構制御部７５を有し、当該比率調整機構制御部７５が、各分岐路４Ａ、４Ｂに設けられた流量センサ９１から測定流量信号を受け付けて、比率設定信号の示す設定比率と、各分岐路４Ａ、４Ｂの流量測定信号により得られた測定比率とを比較して、その比較結果に基づいて、流量制御弁９２に制御弁制御信号を出力し、各分岐路４Ａ、４Ｂの流量制御弁９２を制御するものである。このように、流量センサ９１からの流量測定信号に基づいて分岐路４Ａ、４Ｂに設けられた流量制御弁９２の弁開度を調整することにより、それぞれの分岐路４Ａ、４Ｂに流れるガス（混合ガス）の分流比を調整することができ、その結果、複数の供給箇所における供給比率を調整することができる。また、図４に示すガス供給システム１００は、メイン流路４に流れるガスの圧力を所定の範囲内となるように、メイン流路４の上流側に、ガスの圧力を調節するための調圧機構１０を備えている。なお、流量センサ９１は、上流側圧力センサ２１、リストリクタ２３及び下流側圧力センサ２２からなる流量測定部２に置き換えることも可能である。

その上、前記実施形態の構成をガス集積パネルとしてユニット化しても良い。

加えて、ガス供給機構１は２つに限られず、１つでも良いし、３つ以上でも良い。

さらに加えて、図６に示すように、上流側圧力センサとして測定レンジの異なる上流側圧力センサ２１ａ、２１ｂを設け、それら上流側圧力センサ２１ａ、２１ｂを切り替えることにより流量測定部２をワイドレンジ化することができる。また、図７に示すように、測定レンジの異なるリストリクタ２３ａ、２３ｂを上流側圧力センサ２１及び下流側圧力センサ２２の間に並列に設け、それらを開閉弁２４により切り替えることにより、流量測定部２をワイドレンジ化することができる。これならば、ガス供給システム１００の構成部品を削減しつつ、ワイドレンジの流量制御を行うことができる。

また、本実施形態では、圧力センサ８がチャンバ内の圧力を測定しているが、圧力センサ２２がチャンバ内の圧力を測定するようにしてもよい。これにより、圧力センサ８が削減されるので、装置全体の更なる小型化が可能であるとともに、制御装置７が、一方の流路の圧力及び他方の流路の流量を同時に制御することが可能となる。

さらに、圧力センサ２２に３つの様態を持たせることが可能である。具体的には、圧力センサ２２は、圧力センサ２１とともに使用して流量測定、チャンバの圧力測定、又はＭＦＣの診断をするために使用することもできる。

その他、前述した実施形態や変形実施形態の一部又は全部を適宜組み合わせてよいし、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

本発明の一実施形態に係るガス供給システムの模式的構成図。 同実施形態の制御装置の機能構成図。 変形実施形態に係る制御装置の機能構成図。 その他の変形実施形態に係るガス供給システムの模式的構成図。 制御装置の更なる機能を示す図。 ガス供給機構の変形例を示す図。 ガス供給機構の変形例を示す図。

符号の説明

１００・・・ガス供給システム
２００・・・チャンバ
１ ・・・ガス供給機構
２ ・・・流量測定部
３ ・・・流量制御弁
４ ・・・メイン流路
５ ・・・サブ流路
６ ・・・切替機構
７４ ・・・流量制御弁制御部
８ ・・・チャンバ圧力測定部

Claims (2)

1. 複数種のガスを選択的にチャンバ内に供給するガス供給システムであって、
   流量を測定するための流量測定部及び当該流量測定部を用いて得られた流量測定信号に基づいて制御される流量制御弁が設けられるメイン流路と、前記チャンバ内に同時に供給しない複数のガス種毎に対応して設けられ、前記メイン流路の上流側に並列接続される複数のサブ流路と、当該サブ流路毎に設けられ、又は前記メイン流路及び前記サブ流路の間に介在して設けられ、前記メイン流路を流れるガスを切り替える切替機構と、を有するガス供給機構を複数備える、ガス供給システム。
2. 前記流量制御弁を制御する制御部と、
   前記チャンバ内の圧力を検出する圧力測定部と、をさらに備え、
   前記制御部が、前記チャンバ内の圧力が所定値に達するまで、前記圧力測定部からの圧力測定信号に基づいて流量制御弁を制御し、前記チャンバ内の圧力が所定値に達した後は、前記流量測定部の流量測定信号に基づいて流量制御弁を制御するものである、請求項１記載のガス供給システム。