JP7446618B2 - 流体供給システム、流体制御装置、及び半導体製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、流体供給システム、流体制御装置、及び半導体製造装置に関する。

特許文献１は、流体制御機器及び継手が直列に配管で接続された流体ラインが並列に複数配置された流体供給システムを開示している。このような流体供給システムは、複数の流体制御機器を集積化して配置することにより構成され、この流体供給システムを筐体に収容した流体制御装置（ガスボックス）の小型化を実現している。

特開２０１８－８４２５５号公報

高度に集積化された小型の流体制御装置を実現するためには、流体ラインの配列方向における流体制御機器の面幅を小さく（例えば従来の１／３程度）し、これらの並列方向における配置のピッチ幅を小さくして密に集積する必要がある。しかし、継手は、スパナ等の工具で回動して締結するトルク付与部の強度を確保するために、ある程度の肉厚を要し、小さくするには限度がある。従って、密に集積された配管構造においては、継手の締結作業を行うための施工スペースを確保しなければならず、流体供給システム及び流体制御装置のさらなる小型化を阻んでいた。

また、例えば半導体製造プロセスにおいては、ガスボックスを経由した処理ガス（流体）は、処理を行うためのチャンバに供給される。原子層堆積法（ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ 法）により半導体基板に膜を堆積させる処理プロセスにおいては、チャンバに微小流量の処理ガスを迅速に且つ高精度に供給しなければならない。つまり、ＡＬＤ法の処理プロセスのより一層の応答性及び制御性向上を図ることが求められている。

このように、流体供給システムの配管構造における施工スペースを確保しながら、流体供給システムのより一層の小型化を図り、さらに当該システムを備える流体制御装置のより一層の小型化を図り、さらに当該装置を備える半導体製造装置においてＡＬＤ法の処理プロセスのより一層の応答性向上及び制御性向上を実現するには、依然として課題が残されていた。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、配管構造における施工スペースを確保しつつ、より一層小型化した流体供給システム、より一層小型化した流体制御装置、ＡＬＤ法の処理プロセスのより一層の応答性及び制御性向上を実現した半導体製造装置を提供することにある。

本発明は以下の態様として実現することができる。
本態様に係る流体供給システムは、流体制御機器及び継手が直列に配管で接続された流体ラインを並列に複数配列した流体供給システムであって、各流体ラインは、これらの配列方向を含む平面で見たとき、配列方向と実質的に直交する延設方向に直線状に延設され、各流体制御機器は、配管が接続される接続面を同一方向に向けて配列方向に並んで配置され、配管の直径は、接続面の配列方向における面幅以下であり、継手の直径は、接続面の配列方向における面幅以上であり、配列方向に隣り合う各配管は、継手が延設方向に互いにずれた位置に位置付けられ、配列方向と延設方向との双方と実質的に直交する交差方向を規定したとき、配列方向に隣り合う各配管の少なくとも何れか一方は、継手を交差方向に向けて互いにずれた位置に位置付ける屈曲部を有する。

また、本態様に係る前述した流体供給システムにおいて、継手は、第１継手部材と、第１継手部材に螺合される第２継手部材と、第１継手部材に対する第２継手部材の螺合に際して回転トルクが付与されるトルク付与部とを有し、配列方向と延設方向との双方と実質的に直交する交差方向を規定したとき、配列方向に隣り合う各配管は、継手の少なくともトルク付与部が延設方向と交差方向との双方に互いにずれた位置に位置付けられる。

一方、本態様に係る流体制御装置は、前述した流体供給システムを筐体に収容してなる。
一方、本態様に係る半導体製造装置は、前述した流体制御装置を備え、流体制御装置から延設された配管が接続され、流体制御装置から供給される流体を処理するチャンバと、流体制御装置とチャンバとの間の配管に設けられ、流体制御装置からチャンバに供給される流体の流量を制御する開閉バルブとをさらに備える。

本発明の前述した態様によれば、配管構造における施工スペースを確保しつつ、より一層小型化した流体供給システム、より一層小型化した流体制御装置、ＡＬＤ法の処理プロセスのより一層の応答性及び制御性向上を実現した半導体製造装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る流体供給システムの斜視図である。 本発明の一実施形態に係る流体制御装置の正面図である。 流体供給システムの配管構造を拡大した平面図である。 配管構造を図３の配列方向Ｙから見た側面図である。 配管構造においてメスナットのトルク付与部にスパナでトルクを付与するときの斜視図である。 配管構造を図３の延設方向Ｘから見たときの断面図である。 （ａ）従来の半導体製造装置と、（ｂ）本実施形態の半導体製造装置との一部をそれぞれ示して比較したブロック図である。 従来の配管から形成された従来の配管構造を交差方向から見た平面図である。

以下、図面に基づき本発明の一実施形態に係る流体供給システム、当該システムを備えた流体制御装置、及び当該装置を備えた半導体製造装置について説明する。
図１は、流体供給システム１の斜視図を示す。流体供給システム１は、流体制御機器２及び継手４が直列に配管６ａ、６ｂ（以下、代表して配管６と称することもある）で接続された流体ライン８を並列に複数配列して構成されている。なお、流体ライン８は延設方向Ｘに延設されるとともに配列方向Ｙに配列され、延設方向Ｘと配列方向Ｙとの双方と実質的に直交するのは交差方向Ｚであると規定して以降の各図面について説明する。

流体制御機器２は、例えばマスフローコントローラ、或いは圧力制御式流量コントローラ等であり、流体制御機器２の本体はベースブロック１０に固定される。ベースブロック１０には、流体制御機器２への流体の入口側の配管６ａがねじ込み等により接続される接続面２ａと、流体制御機器２からの流体の出口側の配管６ａがねじ込み等により接続される接続面２ｂとが形成されている。

配管６ａから流体制御機器２に流入した流体は、流体制御機器２にて流量制御された後、ベースブロック１０内の図示しない流路を通過して配管６ｂに流出される。なお、１つの流体ライン８に、図示しない開閉バルブ、レギュレータ等の他の流体制御に関わる機器を流体制御機器２の１つとしてベースブロック１０に固定して設けても良い。

また、ベースブロック１０を設けない場合、流体制御機器２の本体に形成した接続面２ａ、２ｂにそれぞれ配管６ａ、６ｂを接続しても良い。また、１つの流体ライン８に、複数の流体制御機器２及び継手４を設けても良い。また、ベースブロック１０は集合流路が形成された一体型ベースブロックであっても良い。

図２は、流体制御装置１２の正面図を示す。流体制御装置１２は、流体供給システム１を図２に断面で示す筐体１４に収容したものであり、制御対象の流体がガスの場合には、いわゆるガスボックスと称され、多数のガス供給ラインを流体ライン８として備えている。筐体１４内の空きスペースには、図示しない開閉バルブ、レギュレータ等の流体制御に関わる機器が適宜配置され、これらの機器に干渉しない位置に各流体ライン８が配置されている。

各流体ライン８は、これらの配列方向Ｙ（図２における上下方向）を含む平面、つまり図２の状態で見たとき、配列方向Ｙと実質的に直交する延設方向Ｘ（図２における左右方向）に直線状に延設されている。換言すると、配管６は後述する屈曲部１８を有するため、各流体ライン８の図２における正射投影が延設方向Ｘに直線状に延設されたように見えるのである。また、各流体制御機器２は、接続面２ａを図１における左側の同一方向に向け、接続面２ｂを図１における右側の同一方向に向けるとともに、配列方向Ｙに並んで配置されている。

図３は、流体供給システム１の配管構造１６を拡大した平面図を示す。配管６の直径Ｄｐは、流体制御機器２の接続面２ａの配列方向Ｙにおける面幅Ｗ以下である。接続面２ｂの面幅Ｗも同様である。このように、各流体制御機器２の接続面２ａ、２ｂをそれぞれ同一方向に向けて配置し、配管６の直径Ｄｐを接続面２ａ、２ｂの面幅Ｗ以下としたことにより、配管６は、接続面２ａ、２ｂの面幅Ｗに収まる範囲で延設方向Ｘに直線状に延設可能となり、配列方向Ｙに隣り合う配管６同士が互いに接触することはない。

具体的には、流体制御機器２の接続面２ａは従来の１／３程度の面幅Ｗを有している。また、配管６は、それぞれ、軸中心Ｃが平面視で一定のピッチ幅Ｗｐとなるように配列方向Ｙに密に配列される。例えば、面幅Ｗは１０ｍｍであって、ピッチ幅Ｗｐは１１ｍｍであり、この場合、配列方向Ｙに隣り合う流体制御機器２同士の隙間は１ｍｍである。このように、本実施形態の流体供給システム１は従来に比してさらなる集積化と小型化が図られている。
図４は、配管構造１６を図３の配列方向Ｙから見た側面図を示す。

本実施形態の流体供給システム１は、配列方向Ｙと延設方向Ｘとの双方と実質的に直交する交差方向Ｚを規定したとき、配列方向Ｙに隣り合う各配管６の何れか一方は、継手４を交差方向Ｚに向けて互いにずれた位置に位置付ける屈曲部１８を有する。なお、屈曲部１８を必ずしも配管６の直管部から交差方向Ｚに沿って直角に屈曲して形成する必要はなく、屈曲部１８が継手４を交差方向Ｚに向けて互いにずれさせることが可能であれば、配管６の直管部と屈曲部１８との角度は鋭角又は鈍角であっても良い。

図３に示すように、継手４は、ねじ込み式の管継手であって、六角ナットであるオスナット（第１継手部材）２０と、六角ナットであるメスナット（第２継手部材）２２とを備えている。オスナット２０にメスナット２２を螺合することにより、延設方向Ｘに分離された配管６が互いに接続される。メスナット２２には、対角寸法Ｄｄ１を有するトルク付与部２４が形成されている。オスナット２０に対するメスナット２２の螺合に際し、トルク付与部２４にスパナ等の工具を係合して回動することによりメスナット２２に回転トルクが付与される。

一方、オスナット２０には、対角寸法Ｄｄ２を有する固定部（トルク付与部）２６が形成されている。トルク付与部２４へのトルク付与に際し、固定部２６にスパナ等の工具を係合してオスナット２０を固定することによりオスナット２０の空回りが阻止される。なお、オスナット２０に空回りを阻止するための固定のためのトルク付与がなされていると考えると、固定部２６もトルク付与部２４として扱うことが可能である。従って、以降、固定部２６も含めてトルク付与部２４と総称することがある。

継手４の直径、特にトルク付与部２４の対角寸法Ｄｄ１と固定部２６の対角寸法Ｄｄ２とは、流体制御機器２の接続面２ａ、２ｂの面幅Ｗ以上である。継手４は、スパナ等の工具で回動して締結するトルク付与部２４の強度を確保するために、ある程度の肉厚を要し、小さくするには限度があり、接続面２ａ、２ｂの面幅Ｗ以上の大きさが必要となるのである。しかしながら、配列方向Ｙに隣り合う各配管６は、継手４が延設方向Ｘに互いにずれた位置に位置付けられるため、配列方向Ｙに隣り合う配管６に設けられた継手４同士が互いに接触することはない。

さらに本実施形態では、図３及び図４から明らかなように、配列方向Ｙに隣り合う各配管６は、継手４の少なくともトルク付与部２４が延設方向Ｘと交差方向Ｚとの双方に互いにずれた位置に位置付けられる。
図５は、配管構造１６においてメスナット２２のトルク付与部２４にスパナ２８でトルクを付与するときの斜視図を示す。

スパナ２８が係合されるトルク付与部２４を有する配管６に隣り合う配管６には、前述した屈曲部１８が形成されている。これにより、配列方向Ｙに隣り合う各配管６において、継手４を延設方向Ｘのみならず交差方向Ｚにも互いにずれた位置に位置付けることができる。従って、配列方向Ｙに密に集積された配管構造１６にも拘わらず、トルク付与部２４へのスパナ２８の係合及び回動が可能な施工スペースが配管構造１６に確保される。

図６は、配管構造１６を延設方向Ｘから見たときの断面図を示す。図６から明らかなように、配管６に屈曲部１８を形成したことにより、トルク付与部２４へのスパナ２８の係合及び回動を可能としながら、配列方向Ｙのみならず交差方向Ｚにも密に集積された配管構造１６を形成することができる。従って、継手４の締結作業を可能としながら、配管構造１６、流体供給システム１、ひいては流体制御装置１２のさらなる小型化を実現することができる。

また、継手４の締結作業は主としてトルク付与部２４において行われることから、継手４の全体ではなく、継手４の少なくともトルク付与部２４を延設方向Ｘと交差方向Ｚとの双方に互いにずれた位置に位置付けるようにしても良い。これにより、継手４の全体ではなく、継手４において締結作業を要する部位の施工スペースのみを確保することができる。従って、配管構造１６、流体供給システム１、ひいては流体制御装置１２のより一層の小型化を実現することが可能である。

図７は、（ａ）従来の半導体製造装置４０と、（ｂ）本実施形態の半導体製造装置４２との一部をそれぞれ示して比較したブロック図である。
図７（ａ）に示すように、従来の半導体製造装置４０は、流体制御装置であるガスボックス４４と、ガスボックス４４から延設された配管４６が接続され、ガスボックス４４から供給されるガスを処理するチャンバ４８と、ガスボックス４４とチャンバ４８との間の配管４６に設けられ、ガスボックス４４からチャンバ４８に供給されるガスの流量を制御する開閉バルブ５０とを備えている。

図８は、従来の配管４６から形成された従来の配管構造５２を交差方向Ｚから見た平面図を示す。配管構造５２は、面幅Ｗを有する本実施形態と同様の流体制御機器２と、本実施形態と同様の継手４とが配管４６で接続された流体ライン５４を並列に複数配列した流体供給システム５６を構成している。

しかし、この従来の流体供給システム５６の配管構造５２においては、各流体ライン５４は、図８の状態、つまり配列方向Ｙを含む平面で見たとき、配列方向Ｙに大きく屈曲されている。すなわち、各流体ライン５４は、延設方向Ｘに直線状に延設された投影を有していない。これは、配管４６を延設方向Ｘに直線状に延設した場合、配列方向Ｙに隣り合う継手４が接触するため、継手４の施工スペースを確保するべく各配管４６を配列方向Ｙに大きく屈曲せざるを得ないことに起因する。

従って、従来においては、各配管４６を配列方向Ｙに大きく屈曲させて延設することにより、継手４を互いに離間させ、継手４の締結作業を可能とする施工スペースを隣り合う各配管４６の間の配列方向Ｙのみにおいて確保する他ないのである。
一方、図７（ｂ）に示すように、本実施形態の半導体製造装置４２は、前述した流体制御装置１２（以下、ガスボックス１２とも称する。図７（ｂ）への図示も同様である。）、前述した配管６と、従来と同様のチャンバ４８と、従来と同様の開閉バルブ５０とを一部に備えている。

ガスボックス１２は、配管６に屈曲部１８を形成した結果、流体供給システム１の配管構造１６において、交差方向Ｚから見たとき、各配管６が延設方向Ｘに直線状に延設されることとなったため、従来のガスボックス４４よりも、配列方向Ｙにおける幅がΔＨだけ短くなる。このように、筐体１４内の交差方向Ｚのスペースを有効活用したことにより、より一層小型化されたガスボックス１２を提供することができる。従って、半導体製造装置４２においてガスボックス１２を狭小空間に設置することができ、従来のガスボックス４４からチャンバ４８までの各配管６の距離をΔＬ縮めることができる。

また、従来においては、各配管４６のすべてを配列方向Ｙに大きく屈曲させていたが、本実施形態では、配列方向Ｙに隣り合う各配管６の何れか一方に屈曲部１８を設けて交差方向Ｚに屈曲するだけで良い。これにより、流体供給システム１における屈曲部の数が少なくなり、各流体ライン８の長さを従来の各流体ライン５４よりも相対的に短くすることができる。

ここで、ＡＬＤ法による処理プロセスにおいては、チャンバ４８に微小流量の処理ガスを迅速に且つ高精度に供給しなければならない。このため、開閉バルブ５０の切り換え回数が著しく増大するとともに、開閉バルブ５０の高速切り換えが求められ、開閉バルブ５０による流体制御は精密なパルス制御で行われる。本実施形態では、各流体ライン８の長さが従来に比して短くなったことにより、流体のパルス制御に係るパルス幅を従来に比して小さくすることができ、また、パルス形を従来に比してより精密な矩形とすることができる。

従って、本実施形態の半導体製造装置４２は、チャンバ４８に微小流量の処理ガスを従来に比してより一層迅速に且つ高精度に供給することができ、ＡＬＤ法の処理プロセスのより一層の応答性及び制御性向上を図ることができる。

以上のように、本実施形態によれば、流体供給システム１の配管構造１６における施工スペースを確保しながら、流体供給システム１のより一層の小型化を図り、さらに流体供給システム１を備える流体制御装置１２のより一層の小型化を図り、さらに流体制御装置１２を備える半導体製造装置４２においてＡＬＤ法の処理プロセスのより一層の応答性向上及び制御性向上を図ることができる。

以上で本発明の一実施形態についての説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更ができるものである。
例えば、流体供給システム１は、ガス供給システムに限らず、液体も含む流体供給システムに広く適用可能であり、また、流体制御装置１２は半導体製造装置４２等の半導体製造プロセスに限らず、種々のプロセスに適用することも可能である。

１ 流体供給システム
２ 流体制御機器
２ａ、２ｂ 接続面
４ 継手
６、６ａ、６ｂ 配管
８ 流体ライン
１２ ガスボックス、流体制御装置
１４ 筐体
１８ 屈曲部
２０ オスナット（第１継手部材）
２２ メスナット（第２継手部材）
２４ トルク付与部
４２ 半導体製造装置
４８ チャンバ
５０ 開閉バルブ
Ｄｐ 配管の直径
Ｄｄ１、Ｄｄ２ 継手の直径
Ｗ 接続面の面幅
Ｘ 延設方向
Ｙ 配列方向
Ｚ 交差方向

Claims (4)

1. 流体制御機器及び継手が直列に配管で接続された流体ラインを並列に複数配列した流体供給システムであって、
   前記各流体ラインは、これらの配列方向を含む平面で見たとき、前記配列方向と実質的に直交する延設方向に直線状に延設され、
   前記各流体制御機器は、前記配管が接続される接続面を同一方向に向けて前記配列方向に並んで配置され、
   前記配管の直径は、前記接続面の前記配列方向における面幅以下であり、前記継手の直径は、前記面幅以上であり、
   前記配列方向に隣り合う前記各配管は、前記継手が前記延設方向に互いにずれた位置に位置付けられ、
   前記配列方向と前記延設方向との双方と実質的に直交する交差方向を規定したとき、
   前記配列方向に隣り合う前記各配管の少なくとも何れか一方は、前記継手を前記交差方向に向けて互いにずれた位置に位置付ける屈曲部を有する、流体供給システム。
2. 前記継手は、
   第１継手部材と、
   前記第１継手部材に螺合される第２継手部材と、
   前記第１継手部材に対する前記第２継手部材の螺合に際して回転トルクが付与されるトルク付与部と
   を有し、
   前記配列方向と前記延設方向との双方と実質的に直交する交差方向を規定したとき、
   前記配列方向に隣り合う前記各配管は、前記継手の少なくとも前記トルク付与部が前記延設方向と前記交差方向との双方に互いにずれた位置に位置付けられる、請求項１に記載の流体供給システム。
3. 請求項１又は２に記載の流体供給システムを筐体に収容してなる、流体制御装置。
4. 請求項３に記載の流体制御装置を備える半導体製造装置であって、
   前記流体制御装置から延設された前記配管が接続され、前記流体制御装置から供給される流体を処理するチャンバと、
   前記流体制御装置と前記チャンバとの間の前記配管に設けられ、前記流体制御装置から前記チャンバに供給される流体の流量を制御する開閉バルブと
   を備える、半導体製造装置。

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