JP7153328B2 - 流体制御用ガスボックス - Google Patents

Description

本発明は、ガスボックス及びそれを用いた半導体製造装置に関する。

従来、半導体製造プロセスに用いるプロセスガスの供給を制御するシステムとして、特許文献１、特許文献２、特許文献３に記載のシステムが知られている。
このような流体制御システムは、万一のガスのリークが発生した際の安全性等を担保するため、全体が筐体に収納されたガスボックスとして形成されるのが一般的である。このガスボックスには、排気機構を有し、常時外部から空気を取り入れつつ内部を排気して、リークの際にも有害なプロセスガスが、環境雰囲気中に流出せず、適切に工場内の除害設備で処理されるようになっている。

一方、各プロセスガスのラインや各パージガスのラインは、手動弁が配置された上流部分（手動弁部）と自動弁が配置された下流部分（自動弁部）とからなるが、全体を１つの箱に収納すると内容積が大きくなって、排気に時間がかかってしまう。そこで、手動弁部と自動弁部とを別々のボックスに収容し、よりバルブの使用頻度が高く故障リスクの高い自動弁部のボックスにのみ排気機能を設けたガスボックスが広く用いられている。

特開２００３－２５７８７０号公報 特開２００９－２５９９８９号公報 特開平１０－９９６３３号公報

手動弁は使用頻度が低いため、リークが発生する確率は極めて低いが、万一手動弁部でリークが発生した場合、上記ガスボックスのように排気機能がないと手動弁の操作の安全性が確保できないという問題がある。

本発明の目的は、上記課題を解決し、ガスボックス内の除害のための排気速度を維持しつつ、手動弁部の操作の安全性をより高めたガスボックスを提供することにある。

本発明のガスボックスは、１以上の手動弁と前記手動弁の下流側の１以上の自動弁とを含むガスラインを１以上収容するガスボックスであって、
内部空間は、仕切りにより、操作室と非操作室とに隔離され、
前記操作室を前記非操作室部分から独立して外部に対して開閉する蓋又は扉を有し、
前記自動弁は、前記非操作室部分に収容され、
前記手動弁は、本体部分が前記非操作室部分に収容されるとともに操作部が前記仕切りに設けられた貫通孔を挿通して前記操作室に収容され、
前記操作室は、前記貫通孔と、該貫通孔を挿通する前記手動弁の操作部分との間の隙間を通って前記非操作室部分と連通し、
前記非操作室部分に外気を取り入れるとともに内部の雰囲気を排出する排出機能を設けた、ことを特徴とする。

前記ガスラインは、半導体製造プロセスのプロセスガスのガスラインと、パージガスのガスラインの少なくとも一方を含む、構成を好ましく採用できる。

前記ガスラインは、半導体製造プロセスのプロセスガスのガスラインと、パージガスのガスラインの両方を含み、
前記操作室は、前記プロセスガスのガスラインの手動弁の操作部分を収容する第１の操作室と、前記パージガスのガスラインの手動弁の操作部分を収容する第２の操作室と、を含む、構成を好ましく採用できる。

本発明の半導体製造装置は、半導体製造プロセスのプロセスガス及びパージガスのうち少なくとも一方を供給するために、上記いずれかのガスボックスを用いたことを特徴とする。

本発明の半導体製造方法は、上記いずれかのガスボックスから供給されたプロセスガス及びパージガスのうち少なくとも一方を用いた半導体プロセスを含むことを特徴とする。

本発明によれば、自動弁と共に各手動弁の本体部分を、排気機能を有する非操作室部分（以下、「通常排気空間」という）に収容したので、万一の手動弁からのリークの際にも、リークしたガスを適切に排気できる。
また、各手動弁の操作部分を、通常排気空間から仕切りで隔離されつつ、隙間を介して連通する操作室に収容したので、リークしたガスが手動弁の操作部分に回り込むことが殆どなく、また、通常排気空間の排気機能が隙間を通して操作室にも一部及ぶので、手動操作の安全性を高めることができる。
また、排気機能が直接は及ばない操作室を設けることにより、排気の対象となる通常排気空間の内容積が実質的に低減できるので、除害のための排気速度を維持でき、リークしたガスの確実な排気が可能になる。

本発明の実施形態に係るガスボックスを示す平面図。 図１のガスボックスを示す左側面図。 図１のガスボックスを示す背面図。 図１のガスボックスを示す概略斜視図。 図１のガスボックスの概略配管図。 図１のガスボックスの第１の操作室を示す拡大平面図。 図１のガスボックスの第２の操作室を示す拡大平面図。 ガスボックス内の空気の流れを示す模式図で、（ａ）は、操作室が蓋で閉じられているとき、（ｂ）操作室が外部に開放されているとき。 本発明の一実施形態に係る半導体製造装置を示すブロック図。

以下、本発明の実施形態のガスボックスについて図面を参照して説明する。本実施形態は、半導体プロセスのＡＬＤ工程に用いられるガスボックスの例で、プロセスガスの手動弁の操作部を収容する操作室と、パージガスの手動弁の操作部の操作室と別々に設けたものである。
尚、本明細書において、用語「プロセスガス」には、それ自体反応に関与しないキャリアガスをも含むものとする。

図１～５に示すように、本実施形態のガスボックス１は、メインボックス１０と、プロセスガスライン部３０と、パージガスライン部５０と、電磁弁ボックス７０とを含む。

メインボックス１０は、プロセスガスライン部３０と、パージガスライン部５０とを収容するもので、底板１１と、その各辺から立設された前後左右の各側板１２～１５と、その上に固定された天板１６からなる、略直方体の箱型を有する。
メインボックス１０の右側の側板１５の前側のコーナー近傍には、除害塔１７が設けられている。この除害塔１７は、メインボックス１０内部を排気する排気ダクトを取り付ける筒状の継手として機能するとともに、内部にガスセンサを有し、万一プロセスガスのリークが発生すると、それを検知できるようになっている。
メインボックス１０の左側の側板１４の、前記除害塔１７の略対角位置には、吸気口１８が設けられ、排気されることでメインボックス内が負圧となり、上記排気された空気を補う新たな空気を外部からメインボックス１０内部に取り入れている。このため、外部から吸入された空気は、後述する操作室８０，９０内を除くメインボックス１０内部を略均等に通過して、除害塔１７から排出される。
メインボックス１０の後面の側板１３には、各プロセスガスの入力配管が通る孔１９とパージガスの入力配管が通る孔２０が設けられており、各孔には、配管を保護するとともに孔と配管との隙間をシールするグロメット２１が装着されている。
メインボックス１０の前面の側板１２にも、同様にプロセスガスの出力配管が通る孔２２とパージガスの出力配管が通る孔２３が設けられ、グロメット２１が装着されている。
メインボックス１０の天板１６には、内部の圧力計３５，５５をモニターするための透明の窓２４，２５が設けられている。

プロセスガスライン部３０は、図１に示すようにメインボックス１０内の底板１１の上に配置された基板３１と、その上に固定された、プロセスガスを供給する５本のプロセスガスライン３２を有している。各プロセスガスライン３２は、上流側から、プロセスガスの入力配管が接続される入力継手（図示省略）、手動開閉弁３３、レギュレータ３４、圧力計３５、逆止弁３６、エアオペレートバルブ３７、マスフローコントローラ３８、エアオペレートバルブ３９が配置されている。これらのプロセスガスライン３２の下流側には、これらを合流するマニホルド４０、合流後の配管４１、ガスフィルタＧＦ２、及び出力継手４２が配置され、該出力継手４２に出力側配管が接続できるようになっている。

パージガスライン部５０も、前記メインボックス１０内の底板１１の上に配置された基板５１と、その上に固定された１本のガスライン５２を有し、上流側から、バージガスの入力配管が接続される入力継手（図示省略）、手動開閉弁５３、レギュレータ５４、圧力計５５、エアオペレートバルブ５６、手動開閉弁５７、ガスフィルタＧＦ１、及び出力継手５８が配置され、該出力継手５８に出力側配管が接続できるようになっている。

電磁弁ボックス７０は、各エアオペレートバルブ３７、３９、５６を駆動する電磁弁７１を収容するボックスで、メインボックス１０の右側の側板１５（図４参照）に取り付けられている。ニップル継手７２へ導入された圧縮エアが、内部の分岐配管（図示省略）によって分岐され、各電磁弁７１を介して各エアオペレートバルブ３７、３９、５６に供給される。尚、図５では、電磁弁７１は１つのみ示したが、実際には、エアオペレートバルブ３７、３９、５６と同数設けてある。
これにより、各電磁弁７１をＯＮ／ＯＦＦすることにより、各エアオペレートバルブ３７、３９、５６を開閉して、各プロセスガス及びパージガスの処理チャンバなどへの供給・停止を制御できるようになっている。
電磁弁ボックス７０の上面には、ドアスイッチ７３が配置されている。このドアスイッチ７３は、メインボックス１０の天板１６を外すと作動するもので、作動すると、安全を確保するために、各電磁弁７１をＯＦＦにして、各プロセスガス及びパージガスの、処理チャンバなどへの供給を停止できるようになっている。
各電磁弁７１の出力配管（図示省略）は、電磁弁ボックス７０とメインボックス１０との間の連絡孔（図示省略）を通って各エアオペレートバルブ３７、３９、５６へ接続されているが、連絡孔と出力配管との間はシールされ、メインボックス１０内部の雰囲気が電磁弁ボックス７０に侵入しないようになっている。

ここで、本発明では、メインボックス１０内部に、各プロセスガスライン３２の手動開閉弁３３及びレギュレータ３４（以下「手動弁（３３，３４）」ともいう）のレバー部及びノブ（以下「操作部分」ともいう）を収容する第１の操作室８０と、パージガスライン部５０の手動開閉弁５３、レギュレータ５４、圧力計５５及び手動開閉弁５７（以下「手動弁等（５３，５４，５５，５７）」ともいう）の各々レバー部、ノブ、表示部及びレバー部（以下「操作部分等」ともいう）を収容する第２の操作室９０とを設けている。

図６、７は、第１及び第２の操作室を示す拡大平面図である。
第１の操作室８０は、床板８１と、該床板８１から立設された各側板８２～８５と、その上部を覆う蓋８６からなる、略直方体の箱型を有し、第２の操作室９０は、床板９１と、該床板９１から立設された各側板９２～９５と、その上部を覆う蓋９６からなる、略直方体の箱型を有する。
第１の操作室８０は、プロセスガスライン部３０の基板３１に設けられた支柱（図示省略）を介して取り付けられ、床板８１の下側には、前記各手動弁（３３，３４）の本体部分（ボンネットより下側）が配置されるスペースが確保されている。また、第２の操作室９０は、パージガスライン部５０の基板５１に設けられた支柱（図示省略）を介して取り付けられ、床板８１の下側には、前記各手動弁等（５３，５４，５５，５７）の本体部分（ボンネットより下側）が配置されるスペースが確保されている。

第１の操作室８０の床板８１には、貫通孔８７が設けられ、前記各手動弁（３３，３４）のレバー部やノブ（操作部分）がこれらの貫通孔８７を通って、下側から第１の操作室８０内部に突設されている。また、第２の操作室９０の床板９１には、貫通孔９７が設けられ、各手動弁等（５３，５４，５５，５７）のレバー部やノブや表示部（操作部分等）がこれらの貫通孔９７を通して、下側から第２の操作室９０内部に突設されている。尚、貫通孔８７，９７と突設する操作部分等との間には、所定の隙間ｇが設けられている。

この隙間ｇは、１ｍｍから数ｍｍ程度である。操作室８０，９０では、この隙間ｇを通して通常排気空間の排気機能が一部及ぶだけであるため、排気機能は小さい。しかし、操作室８０，９０にガスのリークが及ぶのは、直下に配置された手動弁等（５３，５４，５５，５７）に不備が発生した場合が主であり、施工不良による締結部からの微小リークが主であるため、操作室８０，９０での排気能力は低くてよい。
一方、エアオペレートバルブ３７，３９，５６等の自動弁は、開閉の回数が多く、相対的に故障の可能性が高いため、これを収容する通常排気空間の排気能力は高く設定している。

第１及び第２の操作室８０，９０の各側板８２～８５、９２～９５の上端部は、外側へ折り曲げられたフランジ部８８，９８を有し、このフランジ部８８，９８にパッキン（図示省略）が配置され、該パッキンを介してメインボックス１０の天板１６と密着している。この天板１６の、操作室８０，９０内部に対応する部分には、開口が設けられ、該開口を密封する着脱可能な蓋８６，９６が、つまみ付ねじ８９，９９で取り付けられている。
これにより、第１及び第２の操作室８０，９０内部を、非操作室部分から独立して、外部に対して開口することができる。メンテナンス作業者は、必要なときに蓋８６，９６を取り外して、各手動弁等（３３，３４，５３，５４，５５，５７）の操作部等を操作することができる。この蓋８６，９６を取り外しても、前記ドアスイッチ７３が作動することはない。
尚、蓋８６，９６の代わりに開閉可能な扉を設けてもよい。

次に、このように構成された本実施形態のガスボックス１の動作について、図１～５を参照して説明する。
（ガス制御動作）
稼動の準備として、ガスボックス１内部の各出力継手４２，５８に各ガスの出力配管（図示省略）を接続し、各入力継手（図示省略）に各ガスの入力配管（図示省略）を接続して、各ガスを供給する。各プロセスガスの手動開閉弁３３を開き、レギュレータ３４のノブを調節して、圧力計３５で示される各プロセスガスの圧力を所定値に調整する。パージガスの手動開閉弁５３、５７も開き、圧力計５５で示されるパージガスの圧力が所定の値になるように、レギュレータ５４を調整する。さらに、電磁弁７１へ供給する圧縮空気の配管も接続する。
ガスボックス１への非通電時には、電磁弁ボックス７０の各電磁弁７１はＯＦＦであるため、各エアオペレートバルブ３７，３９，５６へ駆動用圧縮空気は供給されず、これらのエアオペレートバルブ３７，３９，５６は閉じられて、各ガスは流れない。

電源をＯＮ状態にし、外部の制御装置（半導体製造装置の制御装置）からガスボックスの入力インターフェース（図示省略）を介して所定の電磁弁７１にＯＮすべき信号が入力されると、その電磁弁７１はＯＮになり、対応するエアオペレートバルブ３７，３９，５６に駆動用圧縮空気が供給されて、そのエアオペレートバルブ３７，３９，５６が開き、ガスが流れる。プロセスガスの場合、マスフローコントローラ３８により、流量が所定の質量流量に制御される。その電磁弁７１にＯＦＦすべき信号が入力されると、その電磁弁７１はＯＦＦになり、対応するエアオペレートバルブ３７，３９，５６への駆動用圧縮空気の供給は停止して、そのエアオペレートバルブ３７，３９，５６が閉じ、ガスの流れは停止する。
このようにして、ガスボックス１を使用する装置（半導体製造装置）の動作シーケンスにしたがって、所定のタイミングで所定のガスを流すことができる。

（除害のための排気動作）
図６は、ガスボックス内の空気の流れを示す模式図で、図８（ａ）は、操作室８０，９０の蓋８６，９６が閉じられているとき、図８（ｂ）は、操作室８０，９０が外部に開放されているときの状態を示す。
メインボックス１０内の通常排気空間（操作室８０，９０以外の部分）においては、上記いずれの場合も、吸気口１８から外気が取り入れられる一方、内部雰囲気が除害塔１７から排気されている。
万一、自動弁（エアオペレートバルブ３７，３９，５６等）や手動弁等（３３，３４，５３，５４，５５，５７）が故障してガスがリークした場合、これらの機器は、通常排気空間に配置されているため、リークしたガスも、除害塔１７により排気されて、工場の除害設備で処理される。また、この排気のため、通常排気空間は負圧になっているので、リークしたガスが外部に拡散することはない。
また、除害塔１７にはガスセンサ（図示省略）が備えられ、このガスセンサがガスのリークを検知すると、外部の制御装置は、安全確保のため、ガスラインの上流側のエアオペレートバルブ３７，３９，５６を閉じ、ガスの流れを緊急停止することができる。

操作室８０，９０内部については、リーク源となりうる手動弁の本体部や自動弁がある通常排気空間とは、仕切り（８１～８５、９１～９５）により隔てられているので、リークが発生しても、ガスが操作室８０，９０内部に侵入する確率は低い。
操作室８０，９０が、蓋８６，９６により外部に対して閉じられているときは、操作室８０，９０には、外部から空気の流入がないが、図８（ａ）の小さい両方向矢印で示すように、排気されている通常排気空間と前記隙間ｇを通って空気が出入りする（実際には、小さい両方向矢印は、紙面に垂直方向の流れを示す）ことにより、弱い排気（除害）が行われていると考えられる。
一方、作業者が修理やメンテナンスのために蓋を開けた場合、図８（ｂ）の小さい矢印で示すように、操作室８０，９０内には外部から空気が流入する一方、操作室８０，９０内の空気は、隙間ｇを通して通常排気空間に吸引される（実際には小さい矢印は紙面に垂直方向の流れを示す）。これにより、操作室８０，９０の内部がやや強く排気されるので、作業者はより安全に手動バルブの手動操作等を行うことができる。

尚、本実施形態のガスボックスでは、操作室８０，９０を設けたので、通常排気空間の容積が減少し、排気時間（内部の空気が１回入れ替わるのに要する時間）を短くすることができる。これにより、リークしたガスを、より確実に排気することができる。

尚、本実施形態では、プロセスガスのガスラインの手動弁の操作部分を収容する第１の操作室８０と、パージガスのガスラインの手動弁の操作部分を収容する第２の操作室９０とを設けたが、これらの２つの操作室を１つにまとめ、プロセスガスのガスラインの手動弁の操作部分と、パージガスのガスラインの手動弁の操作部分とを、１つの操作室に収容してもよい。

また、本実施形態では、操作室８０，９０を、それぞれプロセスガスライン部３０の基板３１及びパージガスライン部５０の基板５１に取り付ける構造としたが、メインボックス１０の底板１１に直接取り付けてもよい。

次に、本発明の半導体製造装置について説明する。
図９は、本発明の一実施形態に係る半導体製造装置のブロック図である。
図９に示す半導体製造装置９８０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装置であり、９８１はガス供給源、９８２は本発明のガスボックス、９８５は制御部、９８６は処理チャンバ、９８７は排気ポンプを示している。例えば、ＡＬＤ法等においては、基板に膜を堆積させる処理プロセスに使用する処理ガスをより大きな流量で安定的に供給することが求められている。

ガスボックス９８２は、正確に計量したプロセスガスを処理チャンバ９８６に供給する装置で、本発明のガスボックス１に相当する。ガスボックス９８２は、手動開閉弁３３、５３、レギュレータ３４、５４、マスフローコントローラ３８（図１参照）、エアオペレートバルブ３７，３９、５６（図１参照）等の各種の流体機器を集積化してメインボックス１０に収容している。
電磁弁ボックス７０は、各エアオペレートバルブ３７，３９、５６を駆動エアで駆動する各電磁弁７１を収容するとともに、マスフローコントローラ３８（図１参照）との通信インターフェースも有している。

制御部９８５は、電磁弁ボックス７０に収容された各電磁弁７１を制御することにより、各エアオペレートバルブ３７，３９、５６をＯＮ／ＯＦＦさせ、また、マスフローコントローラ３８（図１参照）を制御することにより、処理ガスの流量制御を実行する。
処理チャンバ９８６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９８７は、処理チャンバ９８６内を真空引きする。

上記のようなシステム構成によれば、制御部９８５から電磁弁ボックス７０の電磁弁７１等に制御指令を送れば、処理ガスの流量制御が可能になる。
ここで、本発実施形態の半導体製造装置９８０では、ガスボックス９８２のメインボックス１０のうち、自動弁と共に各手動弁の本体部分を、通常排気空間に収容し、各手動弁の操作部分を操作室８０，９０に収容したので、万一の手動弁からのリークの際にも、リークしたガスを適切に排気できるとともに、手動操作の安全性を高めることができる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されない。当業者であれば、本発明の範囲内で、種々の追加や変更等を行うことができる。

１ ガスボックス
１０ メインボックス
１１ 底板
１２ 前面の側板
１３ 後面の側板
１４ 左側の側板
１５ 右側の側板
１６ 天板
１７ 除害塔
１８ 吸気口
１９ 孔
２０ 孔
２１ グロメット
２２ 孔
２３ 孔
２４，２５ 透明の窓
３０ プロセスガスライン部
３１ 基板
３２ プロセスガスライン
３３ 手動開閉弁
３４ レギュレータ
３５ 圧力計
３６ 逆止弁
３７ エアオペレートバルブ
３８ マスフローコントローラ
３９ エアオペレートバルブ
４０ マニホルド
４１ 合流後の配管
４２ 出力継手
５０ パージガスライン部
５１ 基板
５２ ガスライン
５３ 手動開閉弁
５４ レギュレータ
５５ 圧力計
５６ エアオペレートバルブ
５７ 手動開閉弁
５８ 出力継手
７０ 電磁弁ボックス
７１ 電磁弁
７２ ニップル継手
７３ ドアスイッチ
８０ 第１の操作室
８１ 床板
８２～８５ 側板
８６ 蓋
８７ 貫通孔
８８ フランジ部
８９ つまみ付ねじ
９０ 第２の操作室
９１ 床板
９２～９５ 側板
９６ 蓋
９７ 貫通孔
９８ フランジ部
９６ 蓋
９９ つまみ付ねじ
９８０ 半導体製造装置
９８１ ガス供給源
９８２ ガスボックス
９８５ 制御部
９８６ 処理チャンバ
９８７ 排気ポンプ
ｇ 隙間
ＧＦ１ ガスフィルタ
ＧＦ２ ガスフィルタ

Claims (5)

1. １以上の手動弁と前記手動弁の下流側の１以上の自動弁とを含むガスラインを１以上収容するガスボックスであって、
   内部空間は、仕切りにより、操作室と非操作室部分とに隔離され、
   前記操作室を前記非操作室部分から独立して外部に対して開閉する蓋又は扉を有し、
   前記自動弁は、前記非操作室部分に収容され、
   前記手動弁は、本体部分が前記非操作室部分に収容されるとともに操作部が前記仕切りに設けられた貫通孔を挿通して前記操作室に収容され、
   前記操作室は、前記貫通孔と、該貫通孔を挿通する前記手動弁の操作部分との間の隙間を通って前記非操作室部分と連通し、
   前記非操作室部分に外気を取り入れるとともに内部の雰囲気を排出する排出機能を設けた、ガスボックス。
2. 前記ガスラインは、半導体製造プロセスのプロセスガスのガスラインと、パージガスのガスラインの少なくとも一方を含む、請求項１に記載のガスボックス。
3. 前記ガスラインは、半導体製造プロセスのプロセスガスのガスラインと、パージガスのガスラインの両方を含み、
   前記操作室は、前記プロセスガスのガスラインの手動弁の操作部分を収容する第１の操作室と、前記パージガスのガスラインの手動弁の操作部分を収容する第２の操作室と、を含む、請求項２に記載のガスボックス。
4. 半導体製造プロセスのプロセスガス及びパージガスのうち少なくとも一方を供給するために、請求項１に記載のガスボックスを用いた、半導体製造装置。
5. 請求項１に記載のガスボックスから供給されたプロセスガス及びパージガスのうち少なくとも一方を用いた半導体プロセスを含む、半導体製造方法。

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