JP7454220B2

JP7454220B2 - ガス供給装置

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Publication number: JP7454220B2
Application number: JP2020073622A
Authority: JP
Inventors: 卓也石松; 亨明峰原; 健太深井
Original assignee: Shinwa Controls Co Ltd
Current assignee: Shinwa Controls Co Ltd
Priority date: 2020-04-16
Filing date: 2020-04-16
Publication date: 2024-03-22
Anticipated expiration: 2040-04-16
Also published as: JP2021169847A; TW202205412A; WO2021210597A1

Description

本発明は、例えば半導体製造プロセス等に利用されるガス供給装置に関する。

半導体製造プロセスでは種々の処理でガスが利用される。例えば成膜処理では、一般に材料ガスとキャリアガスとの混合ガスが利用される。また、異物の洗浄及び除去処理でも材料ガスとキャリアガスとの混合ガスが利用されることがある。

ガスを供給する装置としては従来から種々のものが提案されており、例えば特許文献１は成膜処理で利用される混合ガスの供給装置を開示し、特許文献２は除去処理で利用される混合ガスの供給装置を開示する。

またクリーンルームでは内部空間の温度の一定化とともに湿度の一定化が望まれる場合がある。このような場合に、ガスとしての水蒸気を生成するガス供給装置が空気調和装置とともに用いられることがある。このような構成では、空調された空気に所望の量の水蒸気を混合させてクリーンルームに供給することにより、クリーンルームの湿度を制御できる。

特開２０１９－９２１０号公報特開２０１３－１４５８８７号公報

半導体製造プロセス用のガス供給装置では、供給するガスの供給量を所望の量に精度良く制御することが強く望まれる場合がある。

本発明は上記事情に着目してなされたものであり、液体から気化させるガスの供給量の制御精度を向上でき、これにより、例えば２種以上のガスを混合させて混合ガスを生成する際のガス濃度（例えば湿度）の制御精度を向上できるガス供給装置を提供することを目的とする。

本発明の一実施の形態にかかるガス供給装置は、液体を貯留する液体容器と、前記液体容器に貯留された前記液体を加熱する液体用ヒータと、前記液体容器に貯留された前記液体の液面高さを所定高さに常時維持する液面高さ維持機構と、を備え、前記液体用ヒータの加熱により前記液体から気化した処理用ガスを前記液体容器の外部に供給するガス供給装置、である。

前記液体容器は、前記液体を流入させるための流入口を有し、前記流入口は、前記液体容器における前記所定高さに対応する位置よりも下方に設けられてもよい。

前記液面高さ維持機構は、前記液体容器の内部に前記液体を常時流入させる液体供給部と、前記液体容器に貯留された前記液体の液面高さが前記所定高さを越えないように前記液体を排出する液体排出部と、を有してもよい。

前記液体排出部は、前記液体容器における前記所定高さに対応する位置で前記液体容器の内部に開口する排出管を有してもよい。

前記液体容器は、前記処理用ガスに対するキャリアガスを流入させるためのキャリアガス入口と、前記処理用ガスと前記キャリアガスとの混合ガスを前記液体容器の外部に流出させるための流出口と、を有してもよい。

前記液体用ヒータは、前記液体容器における前記所定高さに対応する位置よりも下方において前記液体容器の内部に設けられてもよい。

また実施の形態にかかるガス供給装置は、前記液体容器における前記所定高さに対応する位置よりも上方において前記液体容器の内部に設けられるガス用ヒータをさらに備えてもよい。

本発明によれば、液体から気化させるガスの供給量の制御精度を向上でき、これにより、例えば２種以上のガスを混合させて混合ガスを生成する際のガス濃度（例えば湿度）の制御精度を向上できる。

本発明の第１の実施の形態にかかるガス供給装置の概略構成を示す図である。本発明の第２の実施の形態にかかるガス供給装置の概略構成を示す図である。

以下、本発明の各実施の形態について説明する。

＜第１の実施の形態＞
図１は第１の実施の形態にかかるガス供給装置１の概略構成を示す図である。

図１に示すガス供給装置１は、液体Ｗを貯留する液体容器としてのタンク１０と、タンク１０に貯留された液体Ｗを加熱する液体用ヒータ２０と、タンク１０に貯留された液体Ｗの液面高さＷａを所定高さＨに常時維持する液面高さ維持機構３０と、を備える。

ガス供給装置１では、液体用ヒータ２０の加熱により液体Ｗから気化した処理用ガスがタンク１０の外部に流出し、タンク１０に接続された流出管５０を介して供給対象空間又は供給対象物Ｔ側に供給される。本実施の形態におけるガス供給装置１は、上記処理用ガスに対するキャリアガスを貯留するガス貯留部４０を備えており、ガス貯留部４０からタンク１０の内部にキャリアガスが供給される。すなわち、上記処理用ガスは、詳しくはキャリアガスとの混合ガスの状態でタンク１０の外部に流出し、流出管５０を介して供給対象空間又は供給対象物Ｔ側に供給される。また図１における符号６０は、ガス供給装置１の各部の動作を制御するコントローラ６０を示す。

タンク１０は、液体Ｗを流入させるための流入口１１と、上記キャリアガスを流入させるためのキャリアガス入口１２と、上記混合ガスをタンク１０の外部に流出させるための流出口１３と、を有する。

流入口１１は、タンク１０における上記所定高さＨに対応する位置よりも下方に設けられ、詳しくは図示の例ではタンク１０の底壁で開口している。流入口１１は、液面高さ維持機構３０が備える後述の液体供給部３１から液体Ｗを受け入れる。なお、流入口１１の形成位置は図示の例に限られるものではない。

キャリアガス入口１２は、タンク１０における上記所定高さＨに対応する位置よりも上方に設けられ、詳しくは図示の例ではタンク１０の側壁で開口している。キャリアガス入口１２はキャリアガス配管４１を介してガス貯留部４０に接続し、ガス貯留部４０からのキャリアガスをキャリアガス配管４１を介して受け入れる。なお、キャリアガス入口１２の形成位置は図示の例に限られるものではない。

流出口１３は、タンク１０における上記所定高さＨに対応する位置よりも上方に設けられ、詳しくは図示の例ではタンク１０の側壁で開口している。流出口１３には上述した流出管５０が接続されている。なお、流出口１３の形成位置は図示の例に限られるものではない。

タンク１０は気密空間を形成しており、図示の例では、底壁と、底壁から上方に立ち上がる側壁と、側壁を閉塞する頂壁とを有するが、その形状も特に限られるものではない。なお、タンク１０にキャリアガスを導入せず、液体Ｗから気化した処理用ガスを例えば上方の空間に供給（放出）する場合には、タンク１０に頂壁が形成されなくもよいし、または頂壁に開口が形成されてもよい。

タンク１０は液体Ｗとして超純水を貯留する。タンク１０が貯留する液体Ｗは超純水に限られるものではなく、純水、水道水等でもよいし、ＩＰＡ（イソプロピルアルコール）等の有機溶媒や、その他の液体でもよい。

液体用ヒータ２０は、タンク１０の上記所定高さＨに対応する位置よりも下方においてタンク１０の内部に設けられている。すなわち、液体用ヒータ２０は液体Ｗ内に配置される浸漬タイプのヒータである。

液体用ヒータ２０は加熱部分がステンレス等の電熱ヒータでもよいが、液体Ｗから気化した処理用ガス内の異物が問題となり得る場合には、液体用ヒータ２０として、加熱部分を石英カバーで覆う石英ヒータが用いられてもよい。

また、本実施の形態におけるガス供給装置１は混合ガスを加熱するためのガス用ヒータ２５を更に備えている。ガス用ヒータ２５は、タンク１０における上記所定高さＨに対応する位置よりも上方においてタンク１０の内部に設けられている。このようなガス用ヒータ２５が設けられることで、混合ガスの温度を調節することが可能となる。

液面高さ維持機構３０は、上述した液体供給部３１と、液体排出部３２とを有している。液体供給部３１はタンク１０の内部に液体Ｗを常時流入させるようになっており、液体排出部３２はタンク１０に貯留された液体Ｗの液面高さＷａが上記所定高さＨを越えないように液体Ｗを排出するようになっている。

液体供給部３１は、タンク１０の内部に供給するための液体Ｗ、すなわち超純水を貯留する液体貯留部３１Ａと、液体貯留部３１Ａとタンク１０の流入口１１とを接続する液体流路３１Ｂと、液体流路３１Ｂ上に設けられた液体流量調節弁３１Ｃと、を有する。

本実施の形態では、ガス供給装置１の運転時に、液体貯留部３１Ａが液体流量調節弁３１Ｃに向けて一定の流量の液体Ｗを送る。また、液体流量調節弁３１Ｃは一定の開度で開く。これにより、液体供給部３１は、タンク１０の内部に一定の流量で液体Ｗを常時流入させるようになっている。液体貯留部３１Ａは例えば内部に備えるポンプの駆動により、液体流量調節弁３１Ｃに向けて液体Ｗを送るが、このような態様に代えて、液体流路３１Ｂ上に設けたポンプにより液体Ｗを通流させてもよい。液体供給部３１からの液体Ｗの通流及び液体流量調節弁３１Ｃの開閉及び開度調節は、コントローラ６０によって制御されることになる。なお、液体流量調節弁３１Ｃに代えて開閉弁が用いられてもよい。

一方で、液体排出部３２は、図示の例ではタンク１０の側壁に形成された排出口１４に接続された排出管３２Ａと、排出管３２Ａに設けられたドレインタンク３２Ｂと、排出管３２Ａにおいてドレインタンク３２Ｂよりも下流側に設けられた排出流量調節弁３２Ｃと、を有する。本実施の形態における排出管３２Ａは、タンク１０の側壁における上記所定高さＨに対応する位置でタンク１０の内部に開口している。これにより、タンク１０に貯留された液体Ｗの液面高さＷａが所定高さＨに達した際に、液体Ｗが自動的に排出管３２Ａに排出され、液面高さＷａが所定高さＨに常時維持される。
図示の例の排出管３２Ａは、逆Ｕ字管部３２Ａ１を有する。この場合、排出管３２Ａのタンク１０側の開口が液体Ｗに浸された後、液体Ｗがさらに増加した際に、液体Ｗが逆Ｕ字管部３２Ａ１に次第に入り込んでいき、その後、逆Ｕ字管部３２Ａ１の上端を越えて排出される。この場合、排出管３２Ａのタンク１０側の開口の上端又はタンク１０の排出口１４の上端が、所定高さＨの位置に対応する。この構成では、排出管３２Ａのタンク１０側の開口が液体Ｗに浸された状態で、タンク１０内の液体Ｗを順次排出できるため、排出管３２Ａへのガスの流入を抑制できる。なお、排出管３２Ａは逆Ｕ字管部３２Ａ１を有していなくてもよい。また、排出管３２Ａは、タンク１０を貫通するように設けられてもよく、この場合、排出管３２Ａの開口は、タンク１０の内部で開口する。

ドレインタンク３２Ｂは、タンク１０から排出管３２Ａを介して排出された液体Ｗを一時的に貯留することができる。排出流量調節弁３２Ｃは、ドレインタンク３２Ｂ内の液体Ｗの貯留及び排出を切り換えるとともに、排出される液体Ｗの流量調節を行うために設けられている。排出流量調節弁３２Ｃはコントローラ６０によって開度を制御され、ドレインタンク３２Ｂ内の液体Ｗの排出流量を調節できる。このような構成では、排出流量調節弁３２Ｃの開度の調節によって液体Ｗを緩やかに、好ましくは一定流量で排出することが可能となり、これにより、液体Ｗを急激に排出した場合に生じ得る、排出管３２Ａへのガスの流入を抑制できる。排出管３２Ａへのガスの流入の抑制は、液体Ｗから生じるガスの供給量の制御精度及び混合ガスのガス濃度（本例では湿度）の制御制度を向上させ得る。なお、排出流量調節弁３２Ｃの代わりにオリフィスを用いた場合においても、液体Ｗを緩やかに排出することができる。
また、液体排出部３２は、排出流量調節弁３２Ｃに加えて開閉弁をさらに備えてもよい。

ガス貯留部４０は、キャリアガスとして窒素ガス（Ｎ_２ガス）を貯留する。ただし、ガス貯留部４０が貯留するキャリアガスは窒素ガスに限られるものではなく、例えばアンモニアガス（ＮＨ_３ガス）やアルゴンガス（Ａｒガス）等の希ガスであってもよい。

ガス貯留部４０とタンク１０とを接続するキャリアガス配管４１上には、キャリアガス流量調節弁４２と、キャリアガス流量センサ４３とが設けられる。キャリアガス流量調節弁４２は、キャリアガス流量センサ４３が検出するガス流量に基づくコントローラ６０の制御によって、タンク１０に所望の流量でキャリアガスを供給する。

流出管５０には、混合ガス流量調節弁５１と、その下流側に配置される混合ガス開閉弁５２と、これら混合ガス流量調節弁５１と混合ガス開閉弁５２との間に配置される混合ガス流量センサ５３と、混合ガス流量調節弁５１の上流側に配置される温度センサ５４及び湿度センサ５５と、を有している。これら各弁５１、５２及び各センサ５３～５５は、コントローラ６０に電気的に接続されている。

混合ガスを供給対象空間又は供給対象物Ｔ側に供給する場合、混合ガス開閉弁５２はコントローラ６０によって閉状態から開状態に切り換えられ、混合ガスを供給しない場合には閉状態となる。

混合ガス流量センサ５３は、流出管５０を通流する混合ガスの流量を検出し、その検出結果をコントローラ６０に送る。混合ガス流量調節弁５１は、混合ガス流量センサ５３が検出する流量が目標の流量になるようにその開度をコントローラ６０によって制御される。

また、温度センサ５４は、流出管５０を通流する混合ガスの温度を検出し、その検出結果をコントローラ６０に送る。湿度センサ５５は、流出管５０を通流する混合ガスの湿度を検出し、その検出結果をコントローラ６０に送る。

コントローラ６０は、温度センサ５４が検出する混合ガスの温度及び湿度センサ５５が検出する混合ガスの湿度に基づいて液体用ヒータ２０及びガス用ヒータ２５を制御し、これにより、混合ガスの温度及び湿度を目標の値に調節することが可能となる。

コントローラ６０は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等を備えるコンピュータで構成されてもよく、この場合、記憶されたプログラムに従って各部の動作を制御してもよい。コントローラ６０は、上述した各弁（３１Ｃ，３２Ｃ，４２，５１，５２）の開閉や、ヒータ（２０、２５）の加熱量の調節等を行う。

次に本実施の形態にかかるガス供給装置１の作用を説明する。

混合ガスを供給対象空間又は供給対象物Ｔ側に供給する場合、まず、液体流量調節弁３１Ｃが開かれ、タンク１０に液体Ｗが貯留される。そしてタンク１０に貯留された液体Ｗの液面高さＷａが所定高さＨに達した際、液体Ｗは排出管３２Ａに排出される。これにより、液面高さＷａが所定高さＨに常時維持される。また、液体用ヒータ２０は液体Ｗの液面高さＷａが所定高さＨに達した際又は達する前において加熱を開始し、これにより、タンク１０内において超純水が気化し、超純水から処理用ガスとしての水蒸気が生成される。

また本実施の形態では、超純水から処理用ガスとしての水蒸気が生成される適宜のタイミングで、キャリアガス流量調節弁４２、混合ガス流量調節弁５１及び混合ガス開閉弁５２が開かれる。これ以降、超純水から気化した水蒸気とキャリアガスとの混合ガスが、流出管５０を介して供給対象空間又は供給対象物Ｔ側に供給される。コントローラ６０は、温度センサ５４が検出する混合ガスの温度及び湿度センサ５５が検出する混合ガスの湿度に基づいて液体用ヒータ２０及びガス用ヒータ２５を制御し、これにより、混合ガスの温度及び湿度は、次第に目標の値に調節されていく。

上述のように混合ガスを供給する際、本実施の形態におけるガス供給装置１は液面高さ維持機構３０を備えることで、タンク１０に貯留された液体Ｗの液面高さＷａが所定高さＨに常時維持される。この場合、常時、概ね一定の量でタンク１０に貯留された液体Ｗから処理用ガスが気化するため、液体Ｗから気化する処理用ガスも一定の供給量で供給され易くなる。

詳しくは、本実施の形態とは異なり、タンク１０内の液体Ｗの液面高さが所定量だけ低くなった際にまとめて液体Ｗを補充するような態様である場合には、液体Ｗの温度分布が大きくなり処理用ガスである水蒸気の気化量（つまり供給量）が変化することで、処理用ガスの供給量及び温度、並びに混合ガスの濃度（本例では湿度）の制御精度が低下し得る。これに対して、本実施の形態では液体Ｗの液面高さＷａが所定高さＨに常時維持されることで、処理用ガスである水蒸気の気化量（つまり供給量）が安定する。その結果、処理用ガスの供給量及び温度、並びに供給対象空間又は供給対象物Ｔ側に供給される混合ガスの濃度の制御精度を向上できる。さらに、本実施の形態では、液体Ｗの液面高さＷａが所定高さＨに常時維持されることで、タンク１０内に供給される液体Ｗが常時流動していることになり、液体Ｗの停滞によるバクテリアの発生等の液体Ｗの劣化が抑制され、異物が供給対象空間又は供給対象物Ｔ側に供給されることも抑制できる。

したがって、以上に説明した本実施の形態におけるガス供給装置１によれば、液体から気化させるガスの供給量の制御精度を向上でき、これにより、例えば２種以上のガスを混合させて混合ガスを生成する際のガス濃度（例えば湿度）の制御精度を向上できる。

また、本実施の形態ではタンク１０に液体Ｗを流入させるための流入口１１が、タンク１０における上記所定高さＨに対応する位置よりも下方に設けられる。これにより、タンク１０に供給される液体Ｗは、貯留された液体Ｗ中でタンク１０の内部に供給されるため、液体Ｗ供給時の液体Ｗの跳ねが抑制され、その結果、気化しないままの液体Ｗが供給対象空間又は供給対象物Ｔ側に供給される虞を効果的に低減できる。

また、液面高さ維持機構３０は、タンク１０の内部に液体Ｗを常時流入させる液体供給部３１と、タンク１０に貯留された液体Ｗの液面高さＷａが所定高さＨを越えないように液体Ｗを排出する液体排出部３２と、を有し、液体排出部３２は、タンク１０における所定高さＨに対応する位置でタンク１０の内部に開口する排出管３２Ａを有する。これにより、タンク１０に貯留された液体Ｗの液面高さＷａが所定高さＨに達した際に、液体Ｗが自動的に排出管３２Ａに排出される。本実施の形態では、このような機械的な構造で液面高さ維持機構３０を構成し得るため、ガス供給装置１の製造コスト、耐久性及び信頼性を向上できる。

また、液体用ヒータ２０は、タンク１０における所定高さＨに対応する位置よりも下方においてタンク１０の内部に設けられるため、効率的に液体Ｗから処理用ガスを生成でき、液体用ヒータ２０の占有スペースも抑制できる。

＜第２の実施の形態＞
次に、第２の実施の形態にかかるガス供給装置２について図２を参照しつつ説明する。図２はガス供給装置２の概略構成を示す図である。本実施の形態における構成のうちの第１の実施の形態と同一のものには同一の符号を付し、説明は省略する。

本実施の形態では液面高さ維持機構３０の構成が第１の実施の形態と異なる。本実施の形態における液面高さ維持機構３０は、液体供給部３１と、液体排出部３２とを有する。このうちの液体供給部３１は、第１の実施の形態と同じ構成を有するが、液体排出部３２が第１の実施の形態と異なる。

液体排出部３２は、排出管３２Ａがタンク１０の底壁に接続される点及びドレインタンク３２Ｂを備えない点で第１の実施の形態と異なる。コントローラ６０は、液面高さＷａが所定高さＨに常時維持されるように排出流量調節弁３２Ｃの開度を調節して液体Ｗの排出流量を調節する。なお、排出流量調節弁３２Ｃの代わりにオリフィスを用いてもよい。

このような第２の実施の形態にかかるガス供給装置２においても第１の実施の形態と同様の効果が得られる。とりわけ簡易な構成で排出管３２Ａへのガスの流入を抑制できるため、製造効率が良い。

以上、本発明の各実施の形態を説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、上述の実施の形態には各種の変更を加えることができる。例えば、ガス供給装置１は、キャリアガスをタンク１０の内部に導入しない構成であってもよい。

１，２…ガス供給装置、１０…タンク、１１…流入口、１２…キャリアガス入口、１３…流出口、１４…排出口、２０…液体用ヒータ、２５…ガス用ヒータ、３０…液面高さ維持機構、３１…液体供給部、３１Ａ…液体貯留部、３１Ｂ…液体流路、３１Ｃ…液体流量調節弁、３２…液体排出部、３２Ａ…排出管、３２Ａ１…逆Ｕ字管部、３２Ｂ…ドレインタンク、３２Ｃ…排出流量調節弁、３３…液面レベルセンサ、４０…ガス貯留部、４１…キャリアガス配管、４２…キャリアガス流量調節弁、４３…キャリアガス流量センサ、５０…流出管、５１…混合ガス流量調節弁、５２…混合ガス開閉弁、５３…混合ガス流量センサ、６０…コントローラ、Ｔ…供給対象空間又は供給対象物、Ｗ…液体、Ｗａ…液面高さ、Ｈ…所定高さ

Claims

液体を貯留する液体容器と、
前記液体容器に貯留された前記液体を加熱する液体用ヒータと、
前記液体容器に貯留された前記液体の液面高さを所定高さに常時維持する液面高さ維持機構と、を備え、
前記液体は、超純水、純水、水道水、又は有機溶媒であり、
前記液体容器は、前記液体を流入させるための流入口と、前記液体用ヒータの加熱により前記液体から気化した処理用ガスに対するキャリアガスを流入させるためのキャリアガス入口と、前記処理用ガスと前記キャリアガスとの混合ガスを前記液体容器の外部に流出させるための流出口と、を有し、
前記流入口は、前記液体容器における前記所定高さに対応する位置よりも下方に設けられ、
前記キャリアガス入口及び前記流出口は、前記所定高さに対応する位置よりも上方に設けられ、
前記液面高さ維持機構は、前記流入口から前記液体容器の内部に前記液体を常時流入させる液体供給部と、前記液体容器に貯留された前記液体の液面高さが前記所定高さを越えないように前記液体を排出する液体排出部と、を有し、前記液面高さ維持機構が前記液体の液面高さが前記所定高さを越えないように動作しつつ、前記混合ガスは、供給対象空間又は供給対象物に供給される、ガス供給装置。
前記液体排出部は、前記液体容器における前記所定高さに対応する位置で前記液体容器の内部に開口する排出管を有する、請求項１に記載のガス供給装置。
前記液体用ヒータは、前記液体容器における前記所定高さに対応する位置よりも下方において前記液体容器の内部に設けられる、請求項１又は２に記載のガス供給装置。
前記液体容器における前記所定高さに対応する位置よりも上方において前記液体容器の内部に設けられるガス用ヒータをさらに備える、請求項１乃至３のいずれかに記載のガス供給装置。