JP5456879B2 - 混合ガス供給装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体製造装置用の混合ガス供給装置の改良に関するものであり、複数のガスを、逆流や逆拡散を生ずることなしに迅速に切換え供給できるようにすることにより、プロセス時間の短縮、ガス損失の減少及び混合ガス製造装置の小型化等を可能にした混合ガス供給装置に関するものである。

近年、半導体製造装置の分野においては、装置の小型化や製造コストの引下げ、製品品質の向上等が強く要請されており、これ等の要請に応えるため、次世代用の半導体製造装置として、例えばウエハに対する酸化膜処理とポリシリコン膜処理を連続的に行うようにした統合型処理装置の開発が進められている。

しかし、このような統合型処理装置では、供給すべきガス種が３０種の多種となり、酸化膜処理におけるエッチング用ガス種に加えて、ＨＢｒやＣｌ_２等の腐食性ガス種も加わることになる。そのため、所謂ガス種の切換時の逆流や逆拡散の防止と高速ガス置換によるガス利用率の向上がより一層重要な問題となりつつある。

而して、本件特許出願人は、これ迄に、上記供給ガス種の切換時の逆流や逆拡散の防止に関する技術を多数開発し、これを公開している。

例えば、特許第３４４２６０４号はその一例を示すものであり、図１８に示す如く、複数のガス種Ｇ_１〜Ｇ_ｎを切換弁Ｖ_１〜Ｖ_ｎの操作により切換え供給する場合に、イ．最小流量のガス種の供給ラインをガスアウト部Ｇｏから一番離れた位置に配置したり、ロ．オリフィスＳ_１〜Ｓ_ｎを設けて各ラインＬ_１〜Ｌ_ｎの通路面積と各ラインのガス流量との比が一定になるようにしたり、或いは、ハ．最小流量ラインＬnの切換弁Ｖnに図１９の如きオリフィスＯＬを内蔵した弁を使用して最小流量のガス種の流速を高めることにより、前記切換弁Ｖ_１〜Ｖ_ｎの切換えによるガス種の変更時に生じる他のガスの逆流や逆拡散の防止を図っている。例えば、切換弁Ｖ₃を開から閉、切換弁Ｖ₁を閉から開に同時操作してガス種をガスＧ₃からガスＧ₁に変更した際に、ガスＧ₁が切換弁Ｖ₃の上流側へ逆流するのを防止するようにしている。

また、特許第３３８７７７号は、前記図１８の切換弁Ｖ_１〜Ｖ_ｎを全て図１９の如き構成のオリフィス内蔵型弁とし、各ガス種Ｇ_１〜Ｇ_ｎの各ラインＬ_１〜Ｌ_ｎの流路断面積と各ラインＬ_１〜Ｌ_ｎのガス流量比を、各切換弁Ｖ_１〜Ｖ_ｎに内蔵したオリフィスの口径を変えることにより一定とすることにより、切換弁Ｖ_１〜Ｖ_ｎの切換え操作時に生ずるガスの逆流や逆拡散を防止しようとするものである。

尚、ガスの流量制御装置に於いて、オリフィスを流路に介設したり、オリフィス内蔵型弁を使用したり、或いはオリフィスをガスケット型オリフィスとすること等は公知であるが、複数のガス供給ラインを並列状に連結し、各ガス供給ラインからの混合ガスをマニホールドを通してガス使用箇所へ供給するようにした混合ガス供給装置に於いて、切換弁の操作時に於ける大流量ガスの小流量ガスライン内への逆流や逆拡散を防止する目的でオリフィス或いはオリフィス内蔵弁を使用する構成としたものは、前記特許第３４４２６０４号や特許第３３８７７７号等のみに限られている。

特許第３３８７７７号公報

特許第３４４２６０４号公報

特許第４１３７２６７号公報

特開２００３−８６５７９号公報

特開２００７−５７４７４号公報

特開２００７−４６４４号公報

特開２００７−７６４４号公報

前記特許第３４４２６０４号や特許第３３８７７７号の技術は、例えば切換弁の開閉操作時に、大流量ガスラインのガスが小流量ガスラインの切換弁の一次側（上流側）へ逆流又は逆拡散するのを有効に防止することができ、優れた実用的効用を奏するものである。
しかし、上記特許発明の技術は、何れもガスアウト部Ｇｏに対して、小流量ガスラインを大流量ガスラインの上流側（ガスアウト部Ｇｏからより離れた箇所）に位置させることを基本としているため、プロセスガスが小流量の場合には、各ガス供給ラインを接合するマニホールド部のガス置換に長時間を必要とし、ガス置換の点から半導体製造におけるプロセス時間の大幅な短縮が図れないという問題がある。

本願発明は、従前の半導体製造装置用の混合ガス供給装置に於ける上述の如き問題、即ち、小流量ガス供給ラインをガスアウト部Ｇｏに対して大流量ガス供給ラインの上流側に位置させることなしに、ガス種の逆流や逆拡散を有効に防止でき、しかもマニホールド部を含めてガス供給系のガス置換性を高め、プロセス処理時間の大幅な短縮を可能とした混合ガス供給装置を提供することを、発明の主目的とするものである。

本願発明者等は、半導体製造装置用の混合ガス供給装置に於いて、ガスの供給ライン数の増加やシャワープレートの大型化に対応して、そのガス置換の高速化やガス逆拡散の防止を図るため、先ず、オリフィスの介設位置とガスの逆流や逆拡散の防止作用の関係を実験により確認し、次に、混合ガス供給装置に於けるガス供給ラインの配列やマニホールドの内径、シャワープレートの特性等と、チャンバ内のガス置換時間との関係を実験により確認した。本願発明は、本願発明者等の上記各試験の結果に基づいて創案されたものであり、ガス置換の高速化と逆流や逆拡散の防止を可能とした半導体製造装置用の混合ガス供給装置を提供するものである。

先ず、本願発明者等は、混合ガス供給装置のガス置換に関連するガスの逆流及び逆拡散を下記イ〜ハのように定義し、これに基づいて逆流や逆拡散の抑制策を検討した。
イ 弁の同時開閉時のガスの逆流・・・同時に複数ラインのバルブを開閉したときに、バルブを開にしたラインのガスが、閉にしたラインのバルブの上流側に流れ込み、閉じ込められる現象。
ロ 弁の開時の逆流・・・定常状態で流れているガスに、別のガスを追加するためにそのバルブを開にしたときに、別のガスが先に流れているラインの上流に流れ込む現象（一度は逆流するが、徐々に押し出される）。
ハ ガスの逆拡散・・・同時に複数のガスを流しているときに、大流量ラインのガスが小流量ラインに拡散して入り込む現象。

上記イの弁の同時開閉時に生じるガスの逆流は、基本的には弁の同時開閉時に、双方の弁が同時に開放されている時間が存在するために生ずる現象であるから、弁の開閉動作特性に関係するものである。逆流防止のためには、両弁の開閉に時間差（デイレイタイム）を設ける必要があり、例えば、弁を空気圧作動型の金属ダイヤフラム弁（株式会社フジキン製型）とした場合、操作用空気圧供給系の構成によっても差異があるものの、空気圧チューブの長さ１０００ｍｍ、外径３ｍｍφ、供給圧０．４〜０．６ＭＰａの場合には、約４０ｍｓｅｃのデイレイタイムを設けることにより、上記イの逆流を完全に防止できることが確認されている。

図１は、上記ロの逆流及びハの逆拡散の検討に用いたガス拡散試験装置を示すものであり、当該試験装置を用いて、Ａｒと小流量Ｈｅとを同時供給した場合の逆拡散現象を、小流量ラインＨｅの流量、マニホールド部の圧力、Ａｒ／Ｈｅの同時供給時間、大流量ラインＡｒの流量、ＡｒとＨｅの供給ラインの間の位置（距離）、オリフィスの介設位置等をパラメータにして検討をした。

尚、図１に於いて、ＧＳ_１〜ＧＳ_４はガス供給口、ＲＧは圧力調整器、ＰＧは圧力計、Ｆはフィルタ、ＶＳ_１〜ＶＳ_４は入口側弁、ＦＣＳは圧力式流量制御装置、ＶＯ_１〜ＶＯ_４は出口側切換弁、１はマニホールド（内径４．４ｍｍφ）、２は混合ガス出口、３は混合ガス供給管（１／４”×０．６ｍ）、４は調整弁、５はプロセスチャンバ（３９．５ｌ）、６は真空ポンプ、７は調整弁、８は四重極質量分析計（Ｑｍａｓｓ・取込圧力３．０×１０^−４Ｐａ）、９は圧力調整器、ＣＭは圧力計（キャパシタンスマノメータ・１００Ｔｏｒｒ、１Ｔｏｒｒ）、１０は２連３方弁、１１はＰＣ、１２は電磁弁、１３は制御装置（ＰＬＣ）、１４はエアチューブ（内径２．５ｍｍ×１ｍ）である。

前記ガス供給口ＧＳへの供給圧は２５０ＫＰａＧであり、入口側弁ＶＳ及び出口側切換弁ＶＯには金属ダイヤフラム弁が使用されている。

試験の結果、ａ 同時に流す大流量ラインが小流量ラインの上流に位置するとき、逆拡散が生じ易いこと、ｂ 小流量ラインの流量が７ｓｃｃｍ以下のとき、逆拡散が大となること、ｃ マニホールド部の圧力が高くなると、逆拡散が生じ易くなること等が判明した。
また、逆拡散を抑制するためには、ａ．小流量ガスラインを、同時に流す大流量ガスの上流側になるべく離して設けること、ｂ．小流量ガス流量を１０ｓｃｃｍ以上とすること、ｃ．マニホールド部の圧力を低くすること、ｄ．オリフィスが大きな逆拡散防止効果を有すること等が判明した。

上記各試験結果の殆どは、従前の公知技術から予測されたことであるが、実験の過程を通して、オリフィスが特に大きな逆拡散防止効果を有するものであることが判明したため、本願発明者等は引き続きオリフィスの設置箇所と逆拡散防止作用との関係について検討をした。

図２は、上記検討の対象とした混合ガス供給装置のオリフィスの設置箇所を示すものであり、ガス供給口ＧＳ_１へパージ用Ｈｅガス、大流量ラインのガス供給口ＧＳ_４へＡｒガス１４０ｓｃｃｍ、小流量ラインのガス供給口ＧＳ_５へＨｅガス１〜１０ｓｃｃｍを供給し、入口側弁ＶＳ_１〜ＶＳ_３を閉、ＶＳ_４〜ＶＳ_５を開、出口側弁ＶＯ_１〜ＶＯ_３を閉、ＶＯ_４〜ＶＯ_５を開にして、マニホールド１の圧力を１００Ｔｏｒｒとした条件下で１分間ＨｅとＡｒを同時供給し、その後、ＶＯ_４、ＶＯ_５を閉とし、ＶＳ_１及びＶＯ_１を開にして合流部をＨｅで十分パージしたのちに、ＶＯ_１を閉、ＶＯ_５を開にして図１のＱｍａｓｓ８へ小流量ラインのＨｅを引き込み、Ｈｅガス内のＡｒイオン濃度を測定した。
尚、オリフィスの介設位置は、出口側弁ＶＯ_５の下流側Ａと、出口側弁ＶＯ_５の上流側Ｂと、流量制御装置ＦＣＳの上流側Ｃの３箇所に替え、夫々の場合に付いてＡｒイオン濃度を測定した。

図３は、前記Ａｒの逆拡散試験の結果を示すものであり、曲線ａは図２の位置Ａにオリフィスを介設した場合、曲線ｂは位置Ｂにオリフィスを介設した場合、曲線Ｃは位置Ｃにオリフィスを介設した場合を示すものであり、オリフィスを出口側弁ＶＯの下流側に設けるのが逆拡散防止や逆流防止に最も効果的であることが判明した。

尚、図２の試験装置において、大流量ガスラインの流量制御装置として圧力式流量制御装置ＦＣＳを使用しているのは、オリフィスＣとしてＦＣＳの出口側に設けられているガスケット型オリフィスを流用するためであり、小流量ガスラインと同様に熱式流量制御装置ＭＦＣを用いて、その下流側（出口側）にオリフィスＣを介設するようにしてもよいことは勿論である。

また、図２に於いては、大流量ガスラインの直近の下流側（約４０ｍｍ間隔）に小流量ガスラインを配置するようにしているが、このようなガス供給ラインの配置関係であっても、出口側弁ＶＯ_５の下流側にオリフィスを配置することにより、大流量ガスの小流量ライン内への逆拡散を有効に防止できることが判明した。

次に、本願発明者等は、混合ガス供給装置におけるガス置換に関する基礎データを得るため、図４に示す如き混合ガス供給装置を用いた試験装置を準備し、当該試験装置を用いて後述する各種のガス供給条件下に於けるチャンバ内ガス置換特性を検討した。

尚、図４では前記図１の場合と同一の部材には、これと同じ参照番号が付されており、混合ガス供給管３が３／８”×１．２ｍとなっている点、及び混合ガス供給管３内に擬似シャワープレートＳＰを介設している点のみが、主に異なる点である。即ち、この擬似シャワープレートＳＰは、プロセスチャンバ５内に設置されているシャワープレートの機能を代替えするものであって、内容量１３７．８ｃｃ、圧力３，５０，１００Ｔｏｒｒに調整可能なものが使用されている。

先ず、ガス供給口ＧＳ₁からプロセスガスＡｒ及びガス供給口ＧＳ⁴からキャリアガスＮ_２を、夫々図５に示す如きガス供給シーケンスで供給し、チャンバ５（内容積３９．５ｌ）に設置した四重極質量分析計８により、チャンバ５内のガス置換を測定した。

測定は、擬似シャワープレートＳＰの内圧（３Ｔｏｒｒ、５Ｔｏｒｒ、１００Ｔｏｒｒ）、マニホールド１の内径（４．４ｍｍφ、１０ｍｍφ）及びプロセスガスＡｒの流量（３ｓｃｃｍ、５ｓｃｃｍ、１０ｓｃｃｍ）をパラメータとして夫々行い、図６（マニホールド１の内径４．４ｍｍφ）及び図８（マニホールド１の内径１０ｍｍφ）の如き結果を得た。

図６及び図８のガス置換特性の試験結果からも明らかなように、ａ．擬似シャワープレートＳＰの圧力が高くなると、シャワープレート及びマニホールド１を含む上流配管を満たすために時間を要し、その結果チャンバ５内のガス置換に要する時間が長くなること、ｂ．小流量ガスラインがキャリアガスラインの上流にある場合には、小流量プロセスラインの流量によってガス置換時間が変ること等が判明した。

次に、図４に示すように、小流量ガスラインＡｒをガス供給口ＶＯ₄、キャリアガスＮ_２をガス供給口ＶＯ₁から供給した場合についても同様の試験を行った。図７（マニホールド１の内径４．４ｍｍφ）及び図９（マニホールド１の内径１０ｍｍφ）はその結果を示すものであり、擬似シャワープレートＳＰの圧力が高くなるとチャンバ５内のガス置換に要する時間が長くなり、また、チャンバ内ガス置換に必要な時間は、小流量ラインが大流量ラインの下流にあるときには小流量ガスラインの流量に依存しないことが判明した。

本願発明者等は、上記各試験等の結果から、半導体製造装置用の混合ガス供給装置に於いて、小流量ガス供給ラインを混合ガス出口の直近に配置すると共に、小流量ガス供給ラインの出口側切換弁Ｖｏのガス流出口端部に適宜の口径の逆拡散防止用オリフィスを介設するか、或いはオリフィスに代えて流量制御装置の出口側ガス通路の一部の通路断面積を絞ってガスの逆流や逆拡散を防止し、高速ガス置換とガス逆拡散防止を可能とすることによりガス供給ラインの増加やシャワープレートの大型化、複雑化にも対応可能なことを着想し、当該着想に基づいて本願発明に係る混合ガス供給装置を創案した。

即ち、請求項１の発明は、流量制御装置と出口側切換弁ＶＯとから成る複数のガス供給ラインを並列状に配設し、各出口側切換弁ＶＯのガス出口をマニホールド１へ連絡すると共に、マニホールド１の混合ガス出口に近い位置のガス供給ラインを小流量用ガスの供給用にした混合ガス供給装置に於いて、流量制御装置の出口側と出口側切換弁ＶＯの入口側とを前記流量制御装置の出口側連結金具２２及びガス通路１９ａを有する取付台１９を介して気密に連結し、前記出口側切換弁ＶＯとマニホールド１の混合ガス流通孔２０とを連通する流路２５に小孔部２６を設け、出口側切換弁ＶＯの上流側又は流量制御装置の上流側への他のガスの逆拡散の防止とマニホールド１の混合ガス出口２に連結したプロセスチャンバ５の高速ガス置換を可能にしたことを発明の基本構成としたものである。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、流量制御装置を流量レンジ可変型圧力式流量制御装置とすると共に、前記出口側連結金具２２の流路２８を大径の水平方向通路２９ａと小径の水平方向通路２９ｂとこれ等を連通する小径の垂直方向通路２８ａとから形成し、小径の垂直方向通路２８ａの一部に前記小孔部２６を設けるようにしたものである。

請求項３の発明は、請求項１の発明において、流量制御装置を流量レンジ可変型圧力式流量制御装置とすると共に、前記出口側連結金具２２の流路２８を大径の水平方向通路２９ａと小径の水平方向通路２９ｂとこれ等を連通する大径の垂直方向通路２８ｂとから形成し、小径の水平方向通路２９ｂの一部に前記小孔２６を設けるようにしたものである。

請求項４の発明は、請求項１、請求項２又は請求項３の発明に於いて、混合ガス出口２に連結したプロセスチャンバ５をシャワープレートＳＰ付きのプロセスチャンバ５とするようにしたものである。

請求項５の発明は、請求項１、請求項２又は請求項３の発明において、出口側切換弁ＶＯを金属ダイヤフラム製弁体を弁座に接・離させる空気圧作動型弁としたものである。

請求項６の発明は、流量制御装置と出口側切換弁ＶＯとから成る複数のガス供給ラインを並列状に配設し、各出口側切換弁ＶＯのガス出口をマニホールド１へ連絡すると共に、マニホールド１の混合ガス出口に近い位置のガス供給ラインを小流量用ガスの供給用にした混合ガス供給装置に於いて、小流量ガス供給ラインの流量制御装置の出口側と出口側切換弁ＶＯの入口側とを前記流量制御装置の出口側連結金具２２及びガス通路１９ａを有する取付台１９を介して気密に連結すると共に、前記出口側切換弁ＶＯのガス出口側通路２７とマニホールド１を、当該出口側切換弁ＶＯのガス出口側通路２７の出口側端部とマニホールド１の混合ガス流通路２０に連通するガス流路２５の入口側との間に逆拡散防止用オリフィス３０を設けて気密に連結し、出口側切換弁ＶＯの上流側への他のガスの逆拡散の防止とマニホールド１の混合ガス出口２に連結したプロセスチャンバ６の高速ガス置換を可能にしたことを発明の基本構成としたものである。

請求項７の発明は、請求項６の発明において、流量制御装置を大流量用オリフィスＯＬ_１と小流量用オリフィスＯＬ_２を備えた流量レンジ可変型圧力式流量制御装置とすると共に、流量制御装置の流量制御範囲を３ＳＣＣＭ〜２０００ＳＣＣＭ及びオリフィス３０の内径を０．６ｍｍφとするようにしたものである。

請求項８の発明は、請求項６の発明において、オリフィス３０をガスケット型オリフィスとしたものである。

請求項９の発明は、請求項６、請求項７又は請求項８の発明に於いて、混合ガス出口２に連結したプロセスチャンバ５をシャワープレートＳＰ付きのプロセスチャンバ５とするようにしたものである。

請求項１０の発明は、請求項６、請求項７又は請求項８の発明において、出口側切換弁ＶＯを金属ダイヤフラム製弁体を弁座に接・離させる空気圧作動型弁としたものである。

本発明に於いては、混合ガス供給装置のマニホールドの混合ガス出口２に近い位置に小流量プロセスガスの供給ラインを設けると共に、大流量ガスの供給ラインを混合ガス出口２の上流側、即ち混合ガス出口２から離れた位置に設けるようにしているため、従前の小流量のプロセスガス供給ラインを大流量ガスの供給ラインの上流側、即ち混合ガス出口２からより離れた位置に設けるようにした場合に比較して、マニホールド部分のガス置換がより迅速に行える。その結果、シャワープレートＳＰ部分の圧力が高くなっても、即ち、シャワープレートが大型化してもプロセスチャンバのガス置換時間の短縮が可能となり、半導体の生産性やガス利用効率が著しく向上する。

また、圧力式流量制御装置の出口側連結金具２２内の流路２４に小孔部２６を設け、当該小孔部２６により圧力式流量制御装置ＦＣＳの本体内へのガスの逆拡散を有効に防止するようにしている。その結果、大幅な圧力損失を生じて圧力式流量制御装置ＦＣＳの制御特性を低下させることなしに、ガスの逆拡散を有効に防止することができ、しかも、オリフィスを使用しないため、混合ガス製造装置の構造の簡素化や組立の容易化が可能となる。

更に、出口側切換弁ＶＯのガス出口側通路２７の出口側端部とマニホールド１の混合ガス流通路２０に連通するガス流路２５の入口側部との間にガスケット型オリフィス２８を設けて、出口側切換弁ＶＯの上流側へのガスを有効に防止するようにしている。

その結果、マニホールドの混合ガス出口２に近い位置に小流量プロセスガスの供給ラインを設けても、出口側切換弁ＶＯのガス出口側通路２７内へのガスの逆拡散が全く無くなり、ガス切換時間の大幅な短縮が図れると共に、混合ガス製造装置の構造の簡素化及び組立の容易化が可能となる。

ガス逆流及び逆拡散に関する基礎実験に使用したガス拡散試験装置の構成系統図である。 オリフィスの介設装置と逆拡散防止効果の試験に於ける混合ガス供給装置のオリフィス介設位置を示す図面である。 図２の試験装置によるＡｒの逆拡散試験結果を示すものである。 ガス置換性の基礎試験に使用した試験装置の構成系統図である。 図４の試験におけるキャリアガスＮ_２とプロセスガスＡｒの供給シーケンスを示すものである。 マニホールドの内径が４．４ｍｍφの場合のガス置換特性を示すものである（小流量Ａｒラインがキャリアガスの上流）。 小流量ガスラインをマニホールドの下流側とした場合のガス置換特性を示すものである。 マニホールドの内径が１０ｍｍφの場合のガス置換特性を示すものである（小流量Ａｒラインがキャリアガスの上流）。 小流量ガスラインをマニホールドの下流側とした場合のガス置換特性を示すものである。 本発明の第１実施例に係る混合ガス供給装置の系統図である。 図１０に示した混合ガス供給装置の正面概要図である。 本発明の第１実施例及び第２実施例に係る混合ガス供給装置で使用する流量レンジ可変型圧力式流量制御装置の構造図である。 流量レンジ可変型圧力式流量制御装置に用いる出口側連結金具の断面概要図である。 流量レンジ可変型圧力式流量制御装置に用いる出口側連結金具の他の例を示す断面概要図である。 本発明の第２実施例に係る混合ガス供給の正面概要図である。 オリフィス径をパラメータとする小流量Ｈｅガス流量とＨｅガス内へのＡｒガスの逆拡散の関係を示す線図である。 図１５の混合ガス供給装置で使用する流量可変型圧力式流量制御装置の説明図である。 従前の混合ガス供給装置の構成系統図である。 従前の混合ガス供給装置で使用する出口側切換弁の一例を示す断面図である。

図１０は、本発明の第１実施例に係る混合ガス供給装置の系統図であり、図１１はその正面概要図である。
図１０及び図１１に於いて、ＧＳ_１〜ＧＳ_ｎはガス供給口、ＲＧは圧力調整器、ＰＧは圧力計、Ｆはフィルタ、ＶＳ_１〜ＶＳ_ｎは入口側弁、ＦＣＳは圧力式流量制御装置、ＶＯ_１〜ＶＯnは出口側切換弁、１はマニホールドである。尚、本実施例に於いては、流量制御装置として圧力式流量制御装置を用いているが、圧力式流量制御装置に替えて熱式流量制御装置ＭＦＣを使用するようにしても良いことは勿論である。

また、１５〜１９は取付台、２１は圧力式流量制御装置の入口側連結金具、２２は出口側連結金具であり、ガス供給口ＧＳから流入したガスは入口側連結金具２１の流路２３を通して流量制御装置の本体内へ流入し、所定の流量に制御されたガスが出口側連結金具２２の流路２４、取付台１９の流路１９aを通して出口側切換弁ＶＯ内へ流入する。また、出口側切換弁ＶＯから流出したガスはマニホールド１の流路２５を通して混合ガス通路２０内へ流入し、混合ガス出口２よりプロセスチャンバへ供給されて行く。尚、図１０に於いて５はプロセスチャンバ、ＳＰはプロセスチャンバ５内に設けたシャワープレート、６は真空ポンプである。

本実施例にあっては、出口側切換弁ＶＯのマニホールド１に形成した流路２５の少なくとも１〜５ｍｍの長さ部分の内径を約０．４ｍｍ〜１．２ｍｍφの小孔部２６とし、この小孔部２６に従前の逆拡散防止用のオリフィスの機能を代替させるようにするものである。尚、前記小孔２６の長さは１〜５ｍｍ位が最適であり、５ｍｍを越えるとガス流量が多い場合に圧力損失が増大し、圧力式流量制御装置の二次側圧力が上昇して流量制御範囲が減少することになる。このことは小孔部２６の内径についても同様であり、当該小孔部２６の内径及び長さ寸法は、圧力式流量制御装置の制御特性に悪影響を与えない値に選定しなければならない。

尚、前記各取付台１５〜１９と各機器ＲＧ、Ｆ、ＶＳ、ＦＣＳ、ＶＯ等とは公知の通り着脱自在に気密に連結されており、同様に圧力式流量制御装置ＦＣＳの本体と各連結金具２１、２２間も着脱自在に気密に取付け固定されている。
また、圧力式流量制御装置ＦＣＳやその他機器類は全て公知のものであるため、その詳細な説明は省略する。

当該第１実施例においては、小流量ガスラインをキャリアガスラインの下流に配置した場合においてでも、前記マニホールド１の流路２５に設けた小孔部２６により、ガスが出口側切換弁ＶＯ側へ逆流若しくは逆拡散をせず、特別に長いガス置換時間を必要とすることなしに、迅速なチャンバ内ガス置換、即ち理論計算値にほぼ等しい時定数Ｚ＝ＰＶ／ｆ（Ｚは時定数、Ｐはチャンバ内圧力、Ｖはチャンバ内容積、ｆはトータル流量）でもって、ガス置換が行える。

また、図１１に於いては、マニホールド１の流路２５に小孔部２６を設けているが、当該小孔部２６を出口側連結金具２２の流路２４の一部に設けるようにしてもよい。この場合には、圧力式流量制御装置ＦＣＳの本体内へのガスの逆拡散を有効に防止することが出来る。同様に、小孔部２６を取付台１９の流路１９aの一部に設けることも可能である。

図１２は、本発明の第１実施例及び後述する第２実施例に係る混合ガス供給装置で使用する流量レンジ可変型圧力式流量制御装置の構造図であり、図１３及び図１４は、その出口側連結金具の断面図である。
この流量レンジ可変型圧力式流量制御装置は、特許文献６及び特許文献７により公知のものであり、本体内に大流量用オリフィスＯＬ_１と小流量用オリフィスＯＬ_２が設けられていて、電磁弁ＥＶを操作して弁Ｖを開閉することにより、大流量用（ＯＬ_１及びＯＬ_２の両方をガスが流通する）又は小流量用（ＯＬ_２のみをガスが流通する）として、切換え利用するものである。

当該流量レンジ可変型圧力式流量制御装置の各オリフィスＯＬ_１及びＯＬ_２の出口側は、連結金具２２に設けたガス通路に連結されている。即ち、連結金具２２のガス通路は、図１３及び図１４に示す如く垂直方向通路２８ａ又は２８ｂと、その上端に連通する大流量の水平方向通路２９ａと、垂直方向通路２８ａ又は２８ｂの下方部に連通する小流量用水平方向通路２９ｂとから形成されており、垂直方向通路２８ａ、２８ｂの下端部がガス出口となっている。

図１３の連結金具２２にあっては、垂直方向通路２８ａの下端部、即ち小流量用水平方向２９ｂの連通部より下方が内径が０．４〜１．２ｍｍの小口径（小孔部２ｂ）となっており、この部分が前記図１１の小孔２６部分と同様にガスの逆拡散防止作用を行うことになり、圧力式流量制御装置本体内へのガスの逆拡散が防止されることになる。

また、図１４の連結金具２２に於いては、小流量用水平方向通路２９ｂの部分の内径が０．４〜１．２ｍｍφの小口径（小孔部２６）に形成されており、この部分が前記図１１の小孔２６部分と同様にガスの逆拡散防止作用を行うことになる。

尚、前記小口径部２６の内径及びその長さ寸法は、前記図１１の第１実施例の場合と同様であり、圧力式流量制御装置の制御性能に悪影響を及ぼさない範囲の小孔とすべきであることは勿論であり、ガス制御流量が２０００ｓｃｃｍ程度の圧力式流量制御装置の場合には、内径０．４〜１．２ｍｍφ、長さ２〜３ｍｍ程度に選定されている。

図１５は、本発明の第２実施例に係る混合ガス供給装置の正面図であり、（ａ）圧力式流量制御装置の出口側連結金具２２の流路２４に小径２４に小径部を設けていない点、（ｂ）マニホールド１の流路２５に小孔部を設けていない点及び（ｃ）出口側切換弁ＶＯのガス出口側通路２７の出口側端部とマニホールド１のガス通路２５の入口側端部との間にガスケット型オリフィス３０を介設している点のみが、前記図１１の第１実施例に係る混合ガス供給装置と異なっており、その他の点は図１１の場合と全く同じである。

即ち、出口側切換弁ＶＯのガス出口側通路２７の出口側端部とマニホールド１のガス通路２５の入口側端部との間隙にガスケット型オリフィス３０を挿着し、出口側切換弁ＶＯの本体とマニホールド１間を挟圧固定することにより、ガスケット型オリフィス３０が気密に介設されている。なお、図１５の第２実施例ではガスケット型オリフィス３０を使用しているが、オリフィスそのものは如何なる形態のものであってもよいことは勿論である。

図１６は、図２の試験装置を用い、オリフィスサイズ３０をパラメーターとして測定した小流量Ｈｅガス流量（ＳＣＣＭ）とＡｒガスのＨｅ内への逆拡散の関係を示す線図であり、小流量ヘリウムガス流量が約３ＳＣＣＭ以上の場合には、オリフィス３０の口径を０．６ｍｍφ以下とすることにより、小流量ヘリウムガス内への逆拡散が防止されることが判る。

表１は、図１５の混合ガス供給装置に於いて、圧力式流量制御装置として図１７に示した流量可変圧力式流量制御装置を用いた場合の、オリフィスＯＬ１の上流側圧力Ｐ１と下流側圧力Ｐ２と逆拡散防止用オリフィス２８の口径との実測値を示すもので

表１からも明らかなように、圧力式流量制御装置の流量が増加すると、例えば、図１７の流量可変型圧力式流量制御装置において、大口径オリフィスＯＬ１を流通するガス流量が２０００（ＳＣＣＭ）になると、オリフィスＯＬ１の上流側圧力Ｐ１＝２２５０Ｔｏｒｒに対して、逆拡散防止用オリフィス３０の口径が０．４ｍｍφの場合には、圧力降下が大となってオリフィスＯＬ１の下流側圧力Ｐ２＝１２６３．８Ｔｏｒｒとなり、オリフィスＯＬ１に於けるガスの臨界膨張条件（Ｐ２／Ｐ１＝０．５以下）が確保できなくなる。従って、この場合にはオリフィス３０の口径を０．４ｍｍφ以上（例えば０．６ｍｍφ）とする必要がある。
尚、オリフィス３０の口径を０．６ｍｍφとした場合には、図１６からも明らかなように、小流量Ｈｅガス流量が３ＳＣＣＭ以上であれば、逆拡散を示すＡｒイオン強度が１０^−１２（Ａ）のレベルになり、逆拡散が生じないこと即ちＡｒの逆拡散を防止できることが判る。

上記図１６の測定結果及び表１の測定結果から、基準ガスＮ２の場合、流量２０００ＳＣＣＭ〜３ＳＣＣＭの流量範囲に於いては、出口側切換弁ＶＯのガス出口流路端部に設ける逆拡散防止用オリフィス３０の口径を０．６ｍｍφ以上とするのが望ましいことが判る。

本発明に於いては、小流量のガスの供給を混合ガス出口の近辺に配置しても、ガスの逆拡散が有効に防止できると共に、出口側切換弁の開閉速度を高め、両バルブが同時に開放状態となる時間を可能な限り短縮してデイレイタイムを少なくすることにより、シャワープレート容量が大きい場合でも、チャンバ内やマニホールド内のガス置換をより高速で行うことが可能となる。

本発明に係る混合ガス供給装置は、あらゆる種類の半導体製造装置のガス供給装置に適用出来るものである。

ＧＳ_１〜ＧＳ_４はガス供給口、ＲＧは圧力調整器、ＰＧは圧力計、Ｆはフィルタ、ＶＳ_１〜ＶＳ_４は入口側弁、ＦＣＳは圧力式流量制御装置、ＶＯ_１〜ＶＯ_４は出口側切換弁、１はマニホールド、２は混合ガス出口、３は混合ガス供給管、４は調整弁、５はプロセスチャンバ、６は真空ポンプ、７は調整弁、８は四重極質量分析計（Ｑｍａｓｓ）、９は圧力調整器、１０は二連三方弁、１１はＰＣ、１２は電磁弁、１３は制御装置（ＰＬＣ）、１４は空気チューブ、１５〜１９は取付台、１５ａ〜１９ａはガス流路、２０はマニホールド１の混合ガス流通孔、２１は圧力式流量制御装置の入口側連結金具、２２は圧力式流量制御装置の出口側連結金具、２３は流路、２４は流路、２５は流路、２６は小孔部、２７は出口側切換弁の出口側ガス通路、２８ａは小径の垂直方向通路、２８ｂは大径の垂直方向通路、２９ａは大径の水平方向通路、２９ｂは小径の水平方向通路、３０は逆拡散防止用オリフィス、ＭＦＣは熱式流量制御装置、ＥＶは電磁弁、ＯＬ_１は大流量用オリフィス、ＯＬ_２は小流量用オリフィス、Ｆはフィルタ、ＣＭは圧力計（キャパシタンスマノメータ）、ＳＰは擬似シャワープレート。

Claims (10)

1. 流量制御装置と出口側切換弁とから成る複数のガス供給ラインを並列状に配設し、各出口側切換弁のガス出口をマニホールドへ連絡すると共に、マニホールドの混合ガス出口に近い位置のガス供給ラインを小流量用ガスの供給用にした混合ガス供給装置に於いて、流量制御装置の出口側と出口側切換弁の入口側とを前記流量制御装置の出口側連結金具及びガス通路を有する取付台を介して気密に連結し、前記出口側切換弁とマニホールドの混合ガス流通孔とを連通する流路に小孔部を設け、出口側切換弁の上流側又は流量制御装置の上流側への他のガスの逆拡散の防止とマニホールドの混合ガス出口に連結したプロセスチャンバの高速ガス置換を可能にしたことを特徴とする混合ガス供給装置。
2. 流量制御装置を流量レンジ可変型圧力式流量制御装置とすると共に、前記出口側連結金具の流路を大径の水平方向通路と小径の水平方向通路とこれ等を連通する小径の垂直方向通路とから形成し、小径の垂直方向通路の一部に小孔部を設けるようにした請求項１に記載の混合ガス供給装置。
3. 流量制御装置を流量レンジ可変型圧力式流量制御装置とすると共に、前記出口側連結金具の流路を大径の水平方向通路と小径の水平方向通路とこれ等を連通する大径の垂直方向通路とから形成し、小径の水平方向通路の一部に小孔部を設けるようにした請求項２に記載の混合ガス供給装置。
4. 混合ガス出口に連結したプロセスチャンバをシャワープレート付きのプロセスチャンバとするようにした請求項１、請求項２又は請求項３に記載の混合ガス供給装置。
5. 出口側切換弁を金属ダイヤフラム製弁体を弁座に接・離させる空気圧作動型弁とした請求項１、請求項２又は請求項３に記載の混合ガス供給装置。
6. 流量制御装置と出口側切換弁ＶＯとから成る複数のガス供給ラインを並列状に配設し、各出口側切換弁ＶＯのガス出口をマニホールドへ連絡すると共に、マニホールドの混合ガス出口に近い位置のガス供給ラインを小流量用ガスの供給用にした混合ガス供給装置に於いて、小流量ガス供給ラインの流量制御装置の出口側と出口側切換弁ＶＯの入口側を前記流量制御装置の出口側連結金具及びガス通路を有する取付台を介して気密に連結すると共に、前記出口側切換弁ＶＯのガス出口側通路とマニホールドを、当該出口側切換弁ＶＯのガス出口側通路の出口側端部とマニホールドの混合ガス流通路に連通するガス通路の入口側端部との間に逆拡散防止用オリフィスを設けて気密に連結し、出口側切換弁ＶＯの上流側への他のガスの逆拡散の防止とマニホールドの混合ガス出口に連結したプロセスチャンバの高速ガス置換を可能にしたことを特徴とする混合ガス供給装置。
7. 流量制御装置を大流量用オリフィスＯＬ_１と小流量用オリフィスＯＬ_２を備えた流量レンジ可変型圧力式流量制御装置とすると共に、流量制御装置の流量制御範囲を３ＳＣＣＭ〜２０００ＳＣＣＭに、オリフィスの内径を０．６ｍｍφとするようにした請求項６に記載の混合ガス供給装置。
8. オリフィスをガスケット型オリフィスとした請求項６又は請求項７に記載の混合ガス供給装置。
9. 混合ガス出口に連結したプロセスチャンバをシャワープレートＳＰ付きのプロセスチャンバとするようにした請求項６、請求項７又は請求項８に記載の混合ガス供給装置。
10. 出口側切換弁ＶＯを金属ダイヤフラム製弁体を弁座に接・離させる空気圧作動型弁とした請求項６、請求項７、請求項８又は請求項９に記載の混合ガス供給装置。

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