JP5912597B2 - 流体二酸化炭素の供給装置及び供給方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体デバイス製造プロセスや液晶表示デバイス製造プロセスなどにおいて使用できる高清浄度な流体二酸化炭素を供給する供給装置および供給方法に関する。

半導体デバイスや液晶表示デバイスなどの製造では、表面に微細構造が形成されているウエハや基板などの被処理体を処理する工程が繰り返される。被処理体に付着した汚染物を除去することによって被処理体での高度な清浄度を達成しこれを維持することは、最終的な製品の品質保持や製造時の歩留まり向上にとって重要である。

近年、半導体デバイスや液晶表示デバイスなどの製造工程での被処理体の高度化、高集積化、微細化などがさらに進行しており、これに伴って、従来の超純水や薬液を用いた洗浄や乾燥といったウェット（湿式）洗浄処理の限界が指摘され始めてきている。これを克服するため、低粘性、低表面張力などの特徴を有する超臨界流体、特に、超臨界二酸化炭素を使用して洗浄や乾燥を行う処理装置が注目されるようになってきている。超臨界流体は、密度は液体に近いものの、粘性が小さくかつ拡散性が大きくて気体のような挙動を示し、浸漬力に優れ、汚染成分を拡散しやすい性質を有し、表面に微細構造を有する被処理体を洗浄するのに適している。また、超臨界状態では表面張力が働かないので、洗浄後の乾燥工程において、被処理体表面に残存する流体の毛管力に起因する倒壊現象を発生させることなく乾燥を行うことが可能になる。

このような超臨界流体として採用される物質としては、二酸化炭素、一酸化二窒素（Ｎ₂Ｏ）、二酸化硫黄（ＳＯ₂）、エタン（Ｃ₂Ｈ₆）、プロパン（Ｃ₃Ｈ₈）及びフロンなどがある。特に、二酸化炭素は、不燃性で無害であり、また臨界温度が約３１℃、臨界圧力が約７．４ＭＰａであるなど取り扱いが容易であるという利点を有する。臨界圧力以上に圧縮された液体二酸化炭素（液化炭酸ガスとも呼ばれる）を加熱することで超臨界二酸化炭素（超臨界炭酸ガスとも呼ばれる）を得ることができる。近年、半導体デバイスの製造プロセスに超臨界二酸化炭素を使用した洗浄や乾燥の工程を導入することが検討されているが、その実用化にあたり、含有する不純物およびパーティクル（微粒子）数を極限にまで低下させた高清浄度な二酸化炭素を安定して供給できるようにする必要がある。

特許文献１には、高度な清浄度を維持して超臨界二酸化炭素を供給するシステムが開示されている。特許文献１のシステムでは、循環処理によって二酸化炭素の精製を行っている。この特許文献１のシステムは、精製された二酸化炭素を常時循環させる循環系と、必要に応じて使用点（ユースポイント）に対して循環系から超臨界二酸化炭素を供給する供給系とを備えている。

特開２００６−３２６４２９号公報

特許文献１に示すシステムでは、循環系内の二酸化炭素の流量は、ユースポイントでの二酸化炭素の使用量によって影響を受ける。特に、循環系から複数のユースポイントが分岐している場合、循環系内の二酸化炭素の流量は、各々のユースポイントでの二酸化炭素の使用量の合計値によって影響を受ける。

各ユースポイントでの二酸化炭素の使用量を測定すれば、各ユースポイントでの使用量の合計値を求めることができる。しかしながら、各ユースポイントでの流量の変化や各ユースポイントの稼動状況によって使用量の合計値は著しく変化するため、使用量の合計値の算出は複雑である。

そこで本発明は、循環系内の二酸化炭素の流量を容易に管理できる流体二酸化炭素の供給装置および供給方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様は流体二酸化炭素の供給装置に関する。この供給装置は、二酸化炭素から不純物および汚染物を除去する精製部と、精製部を経た二酸化炭素を液体状態で貯留する貯留部と、貯留部の二酸化炭素をユースポイントへ圧送するポンプを有する供給部と、供給部から供給されてユースポイントで使用しない余剰の二酸化炭素を貯留部へ向けて戻す返送ラインと、を備えた循環系と、原料又は回収ガスとしての二酸化炭素を循環系に導入する二酸化炭素導入部と、返送ライン上に設置され、二酸化炭素の流量を測定する流量計と、を備えている。

本発明の他の態様は、二酸化炭素から不純物および汚染物を除去する精製部と、精製部を経た二酸化炭素を液体状態で貯留する貯留部と、貯留部の二酸化炭素をユースポイントへ圧送するポンプを有する供給部と、供給部から供給されてユースポイントで使用しない余剰の二酸化炭素を貯留部へ向けて戻す返送ラインと、を備えた循環系と、原料又は回収ガスとしての二酸化炭素を循環系に導入する二酸化炭素導入部と、を備えた流体二酸化炭素の供給装置を用いた流体二酸化炭素の供給方法に関する。この供給方法は、返送ライン上で二酸化炭素の流量の測定をする工程と、測定された二酸化炭素の流量に応じて循環系内の二酸化炭素の流量の調節をする工程と、を含む。

この供給装置および供給方法によれば、循環系内の二酸化炭素の流量を容易に管理することができる。

上記供給装置および供給方法において、二酸化炭素の流量は循環系の返送ライン上で測定されることが好ましい。また、測定された流量値に応じて、ポンプの出力を制御したり、流量の測定を行った位置より下流の返送ライン上で二酸化炭素の流量を調節したりしても良い。この場合、省エネルギーで効率的に流体二酸化炭素を供給することができるという利点もある。

本発明によれば、循環系内の二酸化炭素の流量を容易に管理できる流体二酸化炭素の供給装置および供給方法を提供することができる。

本発明の実施の一形態による高清浄度な流体二酸化炭素の供給装置を表す配管系統図。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は本発明の実施の一形態による高清浄度な流体二酸化炭素の供給装置を表す配管系統図である。供給装置１００は、精製された流体二酸化炭素、特に液体または超臨界二酸化炭素を装置外のユースポイント（使用点）２００へ供給するものである。

供給装置１００は、二酸化炭素を精製する精製部１０と、精製部１０にて精製された二酸化炭素を液体状態で貯留する貯留部１２と、貯留した液体二酸化炭素（液化炭酸ガス）をユースポイント２００に送るポンプ２５を含む供給部１３と、原料ガスとして又はユースポイント２００からの回収ガスとしての二酸化炭素を精製部１０を介して貯留部１２に導入する二酸化炭素導入部１１と、を有している。

この供給装置１００の各部についてさらに詳しく説明する。

二酸化炭素導入部１１としては、コールドエバポレータ（ＣＥ）またはボンベ形超低温容器などの二酸化炭素タンク１４が用いられる。もちろん、精製部１０に対して導入するものは原料ガスとしての二酸化炭素に限られず、ユースポイント２００で使用されて回収された回収ガスとしての二酸化炭素であってもよい。

二酸化炭素タンク１４と精製部１０とが開閉弁１５を介して接続され、二酸化炭素が精製部１０に導入される。二酸化炭素タンク１４と開閉弁１５の間を接続する配管には二酸化炭素を昇圧するポンプ１６が設けられるとよい。二酸化炭素タンク１４から精製部１０への二酸化炭素の供給は、貯留部１２内の二酸化炭素保有量が所定値以上となったところで停止される。

精製部１０は、導入された二酸化炭素をろ過するフィルタ１７と、このフィルタ１７を通った二酸化炭素を加熱する蒸発器１９と、蒸発器１９から流出する気体二酸化炭素をろ過するフィルタ２１と、を含むと良い。また、フィルタ２１から流出する気体二酸化炭素が貯留部１２に供給されるが、フィルタ１７を出た気体二酸化炭素を蒸発器１９、フィルタ２１などを経由させずに貯留部１２へ送るバイパスと切換え弁（不図示）が設けられてもよい。

貯留部１２は、精製部１０から供給された気体二酸化炭素を液化させる凝縮器２２と、凝縮器２２で液化された二酸化炭素を一時的に貯える貯槽２３と、貯槽２３の出口に設けられて液体二酸化炭素（液化炭酸ガス）を過冷却する過冷却器２４と、を含むと良い。

供給部１３は、貯留部１２の出口すなわち過冷却器２４の出口に設けられていて液化炭酸ガスを昇圧して送出するポンプ２５を有する。供給部１３には、貯留部１２の液化炭酸ガスが昇圧され、昇圧された液化炭酸ガスを半導体プロセス用チャンバー等のユースポイント２００に向けて送るための開閉弁２６も設けられている。ユースポイント２００で使用されない余剰の液化炭酸ガスは、保圧弁２７を経て、液化炭酸ガスの流量を調節する流量調節弁６８を備えた返送ライン２８を経由して、精製部１０または貯留部１２に送られる。流量調節弁６８は、流量計５０よりも下流の返送ライン２８上に設置されていれば良い。なお、ポンプ２５の出口から開閉弁２６までの供給路に、不純物を物理的に除去するフィルタ２９が設けられているとよい。これは、供給部１２の機器や配管、ポンプ２５からの万一の発塵（微粒子）を、ユースポイント２００へ供給する液化炭酸ガスに混入させないためである。

さらに本例ではフィルタ２９の出口と返送ライン２８との間の供給路から、二酸化炭素をユースポイント２００に供給するための配管３０が複数分岐し、これら分岐した各配管３０に開閉弁２６が設けられている。

開閉弁２６の出口は、フィルタ３１を介し、ユースポイント２００に接続可能とされる。ユースポイント２００としては、高清浄度な二酸化炭素の供給を受ける各種のものが考えられる。図１に示した一例では、ユースポイント２００は、フィルタ３１の出口に接続されるマスフローコントローラ（ＭＦＣ）３２と、ＭＦＣ３２の出口に接続されたフィルタ３３と、フィルタ３３を経て供給された高清浄度な二酸化炭素を加熱し臨界点以上の温度及び圧力にして超臨界二酸化炭素とする加熱器３４と、超臨界二酸化炭素が供給されウエハに対する洗浄や乾燥などの処理が行われるチャンバー（容器）３５と、チャンバー３５の出口に接続してユースポイント２００内での二酸化炭素の圧力を一定に保つための保圧弁３７と、を備えている。ユースポイント２００で使用された二酸化炭素は、保圧弁３７の出口から排気される。

当然のことながらユースポイント２００自体は、本発明に係る供給装置１００を構成する要素ではない。上記例では、ユースポイント２００内で液体二酸化炭素を臨界温度以上の温度に加熱して超臨界二酸化炭素にしているが、供給装置１００の供給部１３に加熱機構を設置し、供給部１３で液体二酸化炭素を加熱して超臨界二酸化炭素にしても良い。

図１では、返送ライン２８は３つに分岐した分岐ライン６０，６１，６２を含んでいる。これらの分岐ライン６０，６１，６２は返送ライン２８の一部を構成している。返送ライン２８は、いずれの分岐ライン６０，６１，６２に流体二酸化炭素を返送するかを選択するバルブ６３，６４，６５，６６を備えている。

第１の分岐ライン６０を通った流体二酸化炭酸は、精製部１０の蒸発器１９に導入される。第２の分岐ライン６１を通った流体二酸化炭酸は、精製部１０のフィルタ２１に導入される。どちらの場合であっても、貯留部１２、供給部１３、返送ライン２８および精製部１０（またはその一部）によって、流体二酸化炭素が循環する循環系が形成される。

第３の分岐ライン６２を通った流体二酸化炭酸は、貯留部１２の貯槽２３に導入される。この場合、貯留部１２（またはその一部）、供給部１３および返送ライン２８によって、二酸化炭素が循環する循環系が形成される。なお、第３の分岐ライン６２上にはフィルタ６７が設けられていても良い。

図１では、返送ライン２８は３つの分岐ライン６０，６１，６２を有している。しかし、供給装置１００は、ユースポイントで使用されない余剰量の液化炭酸ガスを、貯留部１２に直接返送、または精製部１０を介して貯留部１２に返送する少なくとも１つの返送ラインを有していればよい。

上記した供給装置１００の基本的な動作の一例を説明する。

図１に示した供給装置１００では、ユースポイント２００に繋がる開閉弁２６を閉じた状態で、まず、二酸化炭素タンク１４から開閉弁１５を介して二酸化炭素が精製部１０に供給される。精製部１０に供給された二酸化炭素は、フィルタ１７、蒸発器１９、及び、フィルタ２１をこの順番に通過する。精製された気体二酸化炭素は、貯留部１２に供給され、凝縮器２２で液化され、貯槽２３に一時的に貯えられる。貯槽２３の液体二酸化炭素（液化炭酸ガス）は、過冷却器２４で過冷却され、ポンプ２５によって圧送されて、フィルタ２９を通る。ユースポイント２００で使用されない余剰の流体二酸化炭素は、返送ライン２８上の流量調節弁６８を経由して精製部１０または貯留部１２に導入される。以下では、主に、流体二酸化炭素が、返送ライン２８の第１の分岐ライン６０を通る場合について説明する。

第１の分岐ライン６０を通った流体二酸化炭素は、精製部１０の蒸発器１９に供給される。蒸発器１９にはヒータが組み込まれており、蒸発器１９内に二酸化炭素の気液界面が形成されるようになっている。蒸発器１９に供給された液化炭酸ガスは気化し、二酸化炭素中の難揮発性の不純物やパーティクルは液相側に残ることとなる。そして、蒸発器１９において気化することにより精製された二酸化炭素は、気体状態のまま、パーティクル類をさらに除去するためのフィルタ２１に送られる。その後、精製された気体二酸化炭素は、凝縮器２２において冷却されることにより再度液化され、液化炭酸ガスとして貯槽２３に戻される。

上記のように、蒸発器１９は、その内部に二酸化炭素の気液界面を形成する気液分離器であることが好ましい。この場合、全ての二酸化炭素を蒸発させる蒸発器に比べて安定で効果的な精製ができる。気液分離器は液面を制御するようにヒータから熱が加えられる。このとき、気液分離器内の二酸化炭素は気液平衡の状態にあるので、ヒータにより熱を加えても温度／圧力の顕著な変化はない。

このように供給装置１００内で二酸化炭素を精製部１０に何度も通過させるように循環させることによって、循環系内の二酸化炭素を高清浄に保つことが出来る。

二酸化炭素導入部１１から循環系内に二酸化炭素を導入した直後では、循環系内の精製部１０に二酸化炭素を何度も通過させることで、二酸化炭素内のパーティクル等の不純物が次第に減少する。そして、二酸化炭素の清浄度が所定のレベルに達したら、開閉弁２６を開けて、ユースポイント２００に向けて液体二酸化炭素（液化炭酸ガス）を供給する。二酸化炭素の清浄度が所定のレベルに達したかどうかは、予め規定した所定時間以上の循環動作を行ったことを検知するか、又は、清浄度を検出するセンサーを使用することで判断すればよい。

貯留部１２内に保有する二酸化炭素量が減少したら、開閉弁２６を閉じて、ユースポイント２００に対する二酸化炭素の供給を停止し、二酸化炭素タンク１４から精製部１０に対して二酸化炭素の供給を行い、貯留部１２内に二酸化炭素を補給する。補給された二酸化炭素に対して、循環動作による精製処理を行うことが好ましい。

これ以降は、貯留部１２内での二酸化炭素量が所定値に達し、かつ二酸化炭素の清浄度が所定のレベルに達した時点で開閉弁２６を開けてユースポイント２００に対して二酸化炭素を供給し、貯留部１２内の二酸化炭素量が減少したら開閉弁２６を閉じて供給装置１００内に二酸化炭素を補給することを繰り返す。

上述した供給装置１００は、循環系内の少なくとも１箇所で二酸化炭素の流量を測定する流量計５０を備えている。流量計５０は、任意のもので良い。循環系内に流量計５０を設置したことで、循環系の二酸化炭素の流量を容易に管理することができる。

図１に示すように、流量計５０は返送ライン２８上に設置されていることが好ましい。返送ライン２８上に流量計５０を設置したことで、ユースポイント２００で使用されなかった余剰の二酸化炭素の流量を確認することができる。

特に、供給装置１００が複数のユースポイント２００を有する場合であっても、各ユースポイントでの二酸化炭素の使用量の総和を算出することなく、ユースポイント２００で使用されなかった余剰の二酸化炭素の流量の合計値を容易に確認することができる。

図１に示すように、返送ライン２８が複数の分岐ライン６０，６１，６２を有する場合、ユースポイントで使用されなかった二酸化炭素を、返送ライン２８のうちのいずれの分岐ライン６０，６１，６２に通すかという選択は、返送ライン２８を通る余剰の二酸化炭素の清浄度に応じて決めれば良い。二酸化炭素の清浄度は、サンプリングによる分析や、不図示の清浄度を検出するセンサーによって確認することができる。

供給装置１００は、流量計５０の測定値に応じてポンプ２５の出力を制御する制御系、例えばインバータ７０が設けられていることが好ましい。このようにポンプ２５の出力を制御することで、二酸化炭素の流量を適切に維持することができる。例えば、返送ライン２８上での流量計５０の測定値が所定の値より大きいときにはポンプ２５の出力を下げ、返送ライン２８上での流量計５０の測定値が所定の値以下のときにはポンプ２５の出力を上げれば良い。

ポンプ２５の出力は、ユースポイント２００での二酸化炭素の最大流量を基準にして選定される。ポンプ２５の出力は、１つのユースポイント２００での最大流量を基準にして選定しても良いが、一般には複数のユースポイント２００での流量を考慮して決定される。

例えば、ユースポイント２００での二酸化炭素の使用量の合計値が小さい場合、返送ライン２８を通る余剰の二酸化炭素の流量が多くなり、無駄に二酸化炭素を循環系内で循環させてしまう。この場合には、上記のようにポンプ２５の出力を下げることで、供給装置１００を省エネルギーで効率的に運転することができる。

ポンプ２５の出力の調整はインバータ７０で自動的に行っても良いが、供給装置の管理者によって手動で行っても良い。

また、流量調整弁６８は、流量計５０の測定値に応じて、二酸化炭素の流量を制御することが好ましい。例えば、返送ライン上での流量計の測定値が所定の値より大きいときには流量調整弁６８を絞ることによって二酸化炭素の流量を下げ、返送ライン上での流量計の測定値が所定の値より小さいときには流量調整弁６８を開放することによって二酸化炭素の流量を上げれば良い。この場合であっても、ポンプの出力制御と同様に、供給装置を省エネルギーで効率的に運転することができる。なお、流量調整弁６８による調整は、上述のポンプの出力制御とともに実施しても良い。

流量調整弁６８による流量の調整は、コンピュータによる自動制御であっても良く、供給装置の管理者による手動制御であっても良い。

返送ライン２８の流体二酸化炭素が第２の分岐ライン６１を通った場合、流体二酸化炭素は、精製部１０のフィルタ２１を経由して貯留部１２に送られる。返送ライン２８の流体二酸化炭素が第３の分岐ライン６２を通った場合、流体二酸化炭素は、フィルタ６７を経由して貯留部１２の貯槽２３に送られる。

このように、流量計５０よりも下流且つ貯留部１２の上流の循環系内に、二酸化炭素から不純物および汚染物を除去する精製部１０または６７を備えていることが好ましい。精製部１０または６７を通して二酸化炭素を循環させることで、二酸化炭素を高清浄に維持することが出来る。

精製部１０または６７は必要に応じて設置されていればよい。精製部１０は少なくとも微粒子除去フィルタを有していることが好ましい。

二酸化炭素の流量の許容値は、二酸化炭素を精製する方法に応じて適切な範囲に設計される。したがって、流量計５０の測定値に応じて、流量調整弁６８の開度を調整することにより、フィルタ２１，６７を適切な流量範囲で使用することが可能となり、二酸化炭素を安定的に循環させることが出来る。

また、流量調整弁６８で二酸化炭素の流量を制御した上で、分岐ライン６０，６１，６２の選択を行っても良い。

１００ 流体二酸化炭素の供給装置
２００ ユースポイント
１０ 精製部
１１ 二酸化炭素導入部
１２ 貯留部
１３ 供給部
１４ 二酸化炭素タンク
１５ 開閉弁
１６ ポンプ
１７，２１，２９，３１，３３，６７ フィルタ
１９ 蒸発器
２２ 凝縮器
２３ 貯槽
２４ 過冷却器
２５ ポンプ
２６ 開閉弁
２７，３７ 保圧弁
２８ 返送ライン
５０ 流量計
６０ 第１の分岐ライン
６１ 第２の分岐ライン
６２ 第３の分岐ライン
６３，６４，６５，６６ 弁
６８ 流量調整弁
７０ 制御系

Claims (16)

1. 二酸化炭素から不純物および汚染物を除去する精製部と、前記精製部を経た二酸化炭素を液体状態で貯留する貯留部と、前記貯留部の二酸化炭素をユースポイントへ圧送するポンプを有する供給部と、前記供給部から供給されて前記ユースポイントで使用しない余剰の二酸化炭素を前記貯留部へ向けて戻す返送ラインと、を備えた循環系と、
   原料又は回収ガスとしての二酸化炭素を前記循環系に導入する二酸化炭素導入部と、
   前記返送ライン上に設置され、二酸化炭素の流量を測定する流量計と、を備えた流体二酸化炭素の供給装置。
2. 前記ユースポイントは複数設けられている、請求項１に記載の流体二酸化炭素の供給装置。
3. 前記流量計の測定値に応じて前記ポンプの出力を制御する制御系を備えている、請求項２に記載の流体二酸化炭素の供給装置。
4. 前記流量計よりも下流の前記返送ライン上に、前記流量計の測定値に応じて二酸化炭素の流量を調整する流量調節弁を備えている、請求項２または３に記載の流体二酸化炭素の供給装置。
5. 前記精製部が、気相の二酸化炭素をろ過するフィルタを備えている、請求項１から４のいずれか１項に記載の流体二酸化炭素の供給装置。
6. 前記精製部が、前記フィルタの前段に配置され、二酸化炭素を気化させる蒸発器を備えている、請求項５に記載の流体二酸化炭素の供給装置。
7. 前記蒸発器は、内部に二酸化炭素の気液界面を形成する気液分離器である、請求項６に記載の流体二酸化炭素の供給装置。
8. 前記二酸化炭素導入部は、原料又は回収ガスとしての二酸化炭素を前記精製部に導入する、請求項１から７のいずれか１項に記載の流体二酸化炭素の供給装置。
9. 二酸化炭素から不純物および汚染物を除去する精製部と、前記精製部を経た二酸化炭素を液体状態で貯留する貯留部と、前記貯留部の二酸化炭素をユースポイントへ圧送するポンプを有する供給部と、前記供給部から供給されて前記ユースポイントで使用しない余剰の二酸化炭素を前記貯留部へ向けて戻す返送ラインと、を備えた循環系と、
   原料又は回収ガスとしての二酸化炭素を前記循環系に導入する二酸化炭素導入部と、を備えた流体二酸化炭素の供給装置を用いた流体二酸化炭素の供給方法であって、
   前記返送ライン上で二酸化炭素の流量の測定をする工程と、
   測定された前記二酸化炭素の流量に応じて前記循環系内の二酸化炭素の流量の調節をする工程と、を含む流体二酸化炭素の供給方法。
10. 前記ユースポイントは複数設けられている、請求項９に記載の流体二酸化炭素の供給方法。
11. 測定された前記二酸化炭素の流量に応じて前記ポンプの出力を制御する、請求項１０に記載の流体二酸化炭素の供給方法。
12. 測定された前記二酸化炭素の流量に応じて、前記流量の測定を行った位置より下流の前記返送ライン上で二酸化炭素の流量を調整する、請求項１０または１１に記載の流体二酸化炭素の供給方法。
13. 前記精製部が、気相の二酸化炭素をろ過するフィルタを備えている、請求項９から１２のいずれか１項に記載の流体二酸化炭素の供給方法。
14. 前記精製部が、前記フィルタの前段に配置され、二酸化炭素を気化する蒸発器を備えている、請求項１３に記載の流体二酸化炭素の供給方法。
15. 前記蒸発器の内部で二酸化炭素の気液界面を形成する、請求項１４に記載の流体二酸化炭素の供給方法。
16. 原料又は回収ガスとしての二酸化炭素を前記二酸化炭素導入部から前記精製部に導入する、請求項９から１５のいずれか１項に記載の流体二酸化炭素の供給方法。