KR100804646B1 - 챔버로의 가스 공급 장치 및 이것을 이용한 챔버의 내압제어 방법 - Google Patents

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Abstract

유량의 제어 정밀도가 소유량 영역에서 대폭으로 저하하는 것을 방지하고, 전 유량 제어 영역에 걸쳐서 고 정밀도의 유량 제어를 행하도록 함과 아울러, 고 정밀도의 유량 제어에 의해 광역의 챔버의 압력 범위를 제어할 수 있게 한다. 구체적으로는, 병렬상으로 접속된 복수기의 압력식 유량 제어 장치와, 상기 복수기의 압력식 유량 제어 장치의 작동을 제어하는 제어 장치로부터 형성되어, 진공 펌프에 의해 배기된 챔버로 소망의 가스를 유량 제어하면서 공급하는 챔버로의 가스 공급 장치에 있어서, 상기 1기의 압력식 유량 제어 장치를 챔버로 공급하는 최대 유량의 10%이하의 가스 유량 영역을 제어하는 장치로 하고, 잔여 압력식 유량 제어 장치를 나머지의 가스 유량 영역을 제어하는 장치로 한다.
챔버, 내압 제어 방법, 가스 공급 장치

Description

챔버로의 가스 공급 장치 및 이것을 이용한 챔버의 내압 제어 방법{DEVICE FOR FEEDING GAS TO CHAMBER AND METHOD FOR CONTROLLING CHAMBER INNER PRESSURE USING THE DEVICE}
본 발명은 반도체 제조 장치 등에 있어서 이용되는 챔버로의 가스 공급 장치와 이것을 이용한 챔버의 내압 제어 방법에 관한 것이다.
최근, 반도체 제조 장치 등에 있어서는 프로세스 챔버로의 가스 공급 장치로서 소위 압력식 유량 제어 장치를 구비한 가스 공급 장치가 많이 이용되고 있다.
도 8은 그 일예를 나타낸 것이며, 압력식 유량 제어 장치(C1,C2,C3)와 유체 스위칭 밸브(D1,D2,D3)를 설치하고, 제어 장치(B)로부터의 신호에 의해 프로세스 챔버(E)로 공급하는 유체의 스위칭 및 그 유량 조정을 자동적으로 행하는 구성으로 되어 있다(일본 특허 공개평 11-212653호 등).
또한, 상기 압력식 유량 제어 장치(C1,C2,C3)는 도 9에 나타난 바와 같이 오리피스(Ka)를 유통하는 유체를 임계 조건하에 유지(P1/P2가 약 2 이상)함으로써, 연산 장치(M)에 있어서 오리피스 유통 유량(Qc)을 Qc=KP1로서 연산하고, 설정 유량(Qs)과의 차(Qy)가 0이 되도록 컨트롤 밸브(V)를 개폐[오리피스 상류측 압력(P1)을 조정]하는 구성으로 되어 있다. 한편, A/D는 신호 변환기, AP는 증폭기이다(일본 특허 공개평 8-338546호).
또한, 상기 프로세스 챔버(E)는 도 10에 나타난 바와 같이, 자동 압력 조정기(APC) 및 컨덕턴스 밸브(CV)를 구비한 비교적 대구경의 진공 배기 라인(Ex)을 통하여 진공 펌프(VP1 및 VP2)를 연속적으로 운전함으로써, 그 내압이 설정값(1O-6∼102Torr)으로 유지되어 있다.
또한, 상기 진공 펌프로서는 터보 분자 펌프 등의 1차 진공 펌프(고진공 펌프)(VP1)와 스크롤 펌프 등의 ２차 진공 펌프(저진공 펌프)(VP2)를 조합시킨 것이 널리 이용되고 있고, 1대의 압축비의 큰 대 배기 용량의 진공 펌프에 의한 배기 시스템은 제조 코스트 등의 점에 문제가 있기 때문에 그다지 이용에 제공되지 않고 있다.
상기 도 8에 도시한 챔버로의 유체 공급 장치는 그 사용하는 압력식 유량 제어 장치(C1∼Cn)가 챔버(E) 측의 내압 변동에 영향을 받지 않는다고 하는 특성을 구비하고 있기 때문에, 임계 조건이 유지되어 있는 한 챔버 내압이 변동하여도 비교적 안정한 공급 가스의 유량 제어를 행할 수 있고, 우수한 실용적 효용을 이루는 것이다.
그러나, 이 종류의 유체 공급 장치에도 해결해야 할 문제점이 많이 남아 있고, 그 중에서도 특히 해결이 급한 문제는 저유량 영역에 있어서의 유량 제어 정밀 도를 향상시키는 것이다.
예컨대, 정격 유량이 1 SLM(표준 상태로 환산된 기체 유량)인 압력식 유량 제어 장치의 유량 제어 정밀도를 설정 10% 이하에서 0.1% F.S.로 하면, 설정 1%의 제어 유량값에는 최대로 1 SCCM의 오차가 포함되어 있을 가능성이 있다. 그 때문에, 제어 유량이 정격 유량의 10% 이하(예컨대 10∼100 SCCM 이하)로 되면, 상기 1 SCCM의 오차 영향을 무시할 수 없게 되고, 결과로서 정격 용량이 1 SLM의 유량 제어 장치이면, 100 SCCM 이하의 소유량 영역은 고정밀도의 유량 제어를 할 수 없다고 하는 문제가 있다.
또한, 상기 도 10의 프로세스 챔버(E)에 있어서는 고압축도로, 게다가 배기 유량이 큰 터보 분자 펌프 등의 일차 진공 펌프(VP1) 등을 연속적으로 운전할 필요가 있다.
또한, 1차 진공 펌프(VP1)나 ２차 진공 펌프(VP2)의 부하를 경감할 필요가 있기 때문에, 진공 배기계(Ex)의 관직경은 비교적 대직경으로 하지 않으면 안되고, 그 위에 컨덕턴스 밸브(CV)나 자동 압력 조정기(APC) 등을 필요로 한다. 그 결과, 진공 챔버(E)의 설비비나 런닝 코스트(running cost)가 앙등하고, 그 인하를 도모하지 않는다고 하는 문제가 있다.
[특허 문헌 1] 일본 특허 공개평 11-212653호 공보
[특허 문헌 2] 일본 특허 공개평 8-338546호 공보
본 발명은 종전의 압력식 유량 제어 장치를 구비한 진공 챔버로의 가스 공급 장치 및 상기 진공 챔버의 진공 배기계에 있어서의 상술한 바와 같은 문제, 즉, (1) 가스 공급 장치에 있어서는 소유량 영역에 있어서의 유량 제어 정밀도가 저하하기 때문에, 유량 제어 범위가 약 1∼100%의 범위로 한정되어 1% 이하 유량 범위의 고정밀도의 유량 제어가 곤란한 것, 및 (2) 진공 챔버의 진공 배기계에 있어서는 설비의 소형화, 설비비나 런닝 코스트의 인하가 도모되기 어려운 것 등의 문제를 해결하지 않는다고 하는 것이며, 소요 최대 설정 유량 O.1%∼100%의 광범위에 걸쳐 진공 챔버의 내압 변동과 관계없이 고정밀도의 유량 제어를 행할 수 있도록 한 유체 공급 장치와 해당 유체 공급 장치를 이용한 진공 챔버의 내압 제어 방법을 제공하는 것을 발명의 주된 목적으로 하는 것이다.
청구항 1의 발명은 병렬상으로 접속한 복수기의 압력식 유량 제어 장치와, 상기 복수기의 압력식 유량 제어 장치의 작동을 제어하는 제어 장치로 형성되고, 진공 펌프에 의해 배기된 챔버로 소망의 가스를 유량 제어하면서 공급하는 챔버로의 가스 공급 장치에 있어서:
상기 압력식 유량 제어 장치를 오리피스와, 상기 오리피스 상류측의 압력 검출기와, 상기 압력 검출기의 상류측에 설치한 컨트롤 밸브와, 상기 압력 검출기의 검출 압력(P1)으로부터 오리피스를 통과하는 가스 유량(Qc)을 Qc=KP1(단, K는 정수)에 의해 연산함과 아울러 설정 유량(Qs)과의 차(Qy)를 컨트롤 밸브에 구동용 신호로서 출력하는 연산 제어부로 형성하고, 또한 오리피스 상류측 압력(P1)과 하류측 압력(P2)의 비(P1/P2)를 약 2배 이상으로 유지한 상태하에서 사용하는 압력식 유량 제어 장치로 함과 아울러; 상기 1기의 압력식 유량 제어 장치를 챔버로 공급하는 최대 유량의 10%이하의 가스 유량 영역을 제어하는 장치로 하고, 잔여 압력식 유량 제어 장치를 나머지의 가스 유량 영역을 제어하는 장치로 하여, 넓은 유량 영역에 걸쳐 고정밀도의 유량 제어를 행하며,
상기 압력식 유량 제어 장치의 작동을 제어하는 상기 제어 장치는, 챔버로 공급하는 가스 유량을 설정하는 입력설정부와, 해당 입력 설정부로의 입력값을 각 압력식 유량 제어 장치로의 제어 신호로 변환하는 신호 변환부를 구비하고,
상기 신호 변환부로부터 발신된 제어 신호에 의해 상기 복수기의 압력식 유량 제어 장치를 그 제어 유량 영역이 작은 압력식 유량 제어 장치로부터 순서대로 작동시키는 구성으로 한 것이며,
상기 입력설정부에, 각 유량 영역을 분담하는 압력식 유량 제어 장치로 발신하는 제어 신호의 상승률 설정 기구를 설치하고, 상기 제어 신호의 발신으로부터 소정의 시간 경과 후에 해당 압력식 유량 제어 장치가 설정 유량의 가스 유량을 공급하는 구성으로 한 것을 발명의 기본 구성으로 하는 것이다.
청구항 2의 발명은 청구항 1의 발명에 있어서, 상기 병렬상으로 접속하는 압력식 유량 제어 장치를 2기로 하고, 한쪽을 소유량 영역을 제어하는 소유량 레인지의 압력식 유량 제어 장치로 하고, 다른쪽을 대유량 영역을 제어하는 대유량 레인지의 압력식 유량 제어 장치로 한 것이다.
청구항 3의 발명은 청구항 1의 발명에 있어서, 상기 병렬상으로 접속하는 압력식 유량 제어 장치를 2기로 하고, 또한 소유량용의 압력식 유량 제어 장치의 유량 제어 영역을 최대 유량의 0.1∼10%로 하고, 또한 대유량용의 압력식 유량 제어 장치의 유량 제어 영역을 최대 유량의 10∼100%로 하도록 한 것이다.
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청구항 6의 발명은 압력식 유량 제어 장치를 구비한 가스 공급 장치로부터 가스가 공급됨과 아울러, 컨덕턴스 밸브와 진공펌프, 및 진공 배기 라인으로 형성된 진공 배기계를 구비한 챔버로서, 상기 컨덕턴스 밸브를 구비한 상기 진공 배기 라인을 통하여 상기 진공 펌프에 의해 내부를 연속적으로 감압하도록 한 챔버에 있어서, 우선, 상기 진공 펌프를 연속적으로 운전함과 아울러 가스 공급 장치로부터 소망의 가스를 공급하고, 상기 컨덕턴스 밸브를 최대 개도로 했을 때 및 최소 개도로 했을 때의 가스 공급 유량과 챔버 내압의 관계를 각각 구하고, 이어서, 이 챔버 내압과 가스 공급 유량의 관계로부터 상기 진공 배기계를 구비한 챔버에 있어서의 챔버로의 가스 공급 유량과 챔버 내압의 제어 범위를 정함과 아울러, 해당 가스 공급 유량과 챔버 내압의 관계 선도로부터 구한 설정해야 할 챔버 내압에 대응하는 가스 공급 유량으로 상기 가스 공급 장치로부터 공급중의 가스 유량을 조정함으로써, 챔버 내압을 소망의 설정 압력으로 유지하는 구성으로 한 것을 발명의 기본 구성으로 하는 것이다.
청구항 7의 발명은 청구항 6의 발명에 있어서, 상기 진공 배기계의 컨덕턴스 밸브의 개도와 상기 가스 공급 장치로부터의 공급 가스 유량 양자를 조정함으로써 챔버 내압을 설정 압력으로 유지하도록 한 것이다.
청구항 8의 발명은 가스 공급 장치를 청구항 1의 가스 공급 장치로 한 것이다.
본 발명의 챔버로의 가스 공급 장치에 있어서는, 필요로 하는 유량 범위를 복수의 유량 영역으로 분할하고, 최대 유량의 많더라도 10% 이하의 소유량 영역은 소유량용의 압력식 유량 제어 장치에 의해 유량 제어를 행하는 구성으로 하고 있기 때문에, 넓은 유량 범위에 걸쳐 고정밀도의 유량 제어가 행해진다.
또한, 각 유량 영역을 분담하는 압력식 유량 제어 장치에 의한 유량 제어의 중승(重乘)시에는, 제어 신호의 상승률에 제한을 가하는 구성으로 하고 있기 때문에 챔버로 공급하는 가스 유량(Q)의 연속적인 제어가 행해진다.
본 발명의 챔버의 내압 제어 방법에 있어서는, 챔버로의 공급 가스 유량을 신속 또한 정확하게 조정할 수 있기 때문에, 챔버 내압을 용이하게 소정의 설정압으로 조정·유지할 수 있다. 그 결과, 종전의 자동 압력 조정기(APC)의 삭제가 가능해 지고, 챔버의 진공 배기계의 설비비를 대폭 삭감할 수 있다.
또한, 진공 펌프는 미리 정한 챔버의 최저 압력을 달성하는 것만의 배기 용량의 것을 설비하면 좋고, 종전의 챔버의 진공 배기계와 같이 진공 펌프의 배기 용량에 대폭적인 여유를 예상할 필요는 없다. 그 결과, 진공 배기계의 설비비의 대폭적인 삭감이 가능해 진다.
도 1은 본 발명에 의한 챔버로의 가스 공급 설비의 제 1 실시예의 전체 계통도이며, 기초 실험에 이용한 것의 가스 공급 설비이다.
도 2는 도 1의 가스 공급 설비(A)에 있어서의 입력 설정(%)과 제어 신호(%)의 관계를 나타내는 선도이다.
도 3은 도 1의 가스 공급 설비(A)에 있어서의 유량 설정(%)과, 각 압력식 유량 제어 장치의 유량(%) 및 챔버(E)로의 공급 유량(Q)의 관계를 나타내는 선도이다.
도 4는 도 1의 가스 공급 설비(A)에 있어서의 각 압력식 유량 제어 장치로의 제어 신호의 입력 상태와, 각 장력식 유량 제어 장치의 유량 출력(Q1,Q2) 및 챔버(E) 내의 압력(P)의 관계를 나타내는 선도이며, (a)는 60sec 사이에서 2대의 압력식 유량 제어 장치의 유량을 0%로부터 100%로 변화시켰을 경우, (b)는 30sec 사이에서 유량을 0%로부터 100%로 변화시켰을 경우, (c)는 스텝상으로 유량을 0%로부터 100%로 변화시켰을 경우를 나타내는 것이다.
도 5는 3대의 압력식 유량 제어 장치를 이용한 본 발명의 제 2 실시예에 의한 가스 공급 설비의 유량 설정(%)과 제어 유량(Q)의 관계를 나타내는 선도이다.
도 6은 본 발명의 가스 공급 설비를 이용한 챔버의 내압 제어 방법의 실시 상태를 나타내는 전체 계통도이다.
도 7은 도 6에 나타낸 챔버의 내압 제어 방법에 있어서의 제어가능한 챔버 내압(P)과 공급 유량(Q)의 관계를 나타내는 선도이다.
도 8은 종전의 압력식 유량 제어 장치를 이용한 챔버로의 유체 공급 장치의 설명도이다.
도 9는 장력식 유량 제어 장치의 구성도이다.
도 10은 종전의 프로세스 챔버의 진공 배기계를 나타내는 설명도이다.
[부호의 설명]
A: 가스 공급 장치 Gs: 공급 가스
FCS(A): 소유량용 압력식 유량 제어 장치
FCS(B): 대유량용 압력식 유량 제어 장치
Q1: 소유량용 압력식 유량 제어 장치의 제어 유량
Q2: 대유량용 압력식 유량 제어 장치의 제어 유량
Q: 챔버로의 공급 유량 P: 챔버 내압력
E: 프로세스 챔버 APC: 자동 압력 조정기
CV: 컨덕턴스 밸브 VP: 진공 펌프
V1∼V3: 제어 밸브 L1: 가스 공급관
L2∼L3: 배기 관 1: 제어 장치
1a: 유량 입력 설정부 1a' 및 1a": 제어 신호 상승률 설정 기구
1b: 신호 변환부 1cㆍ1d: 제어 신호
이하, 도면에 의거하여 본 발명의 각 실시예를 설명한다.
[실시예 1]
도 1은 본 발명에 의한 챔버로의 가스 공급 장치의 제 1 실시예를 나타내는 것이며, 해당 가스 공급 장치의 기본형을 나타내는 것이다.
도 1에 있어서 A는 가스 공급 장치, Gs는 공급 가스, FCS(A)는 소유량용 압력식 유량 제어 장치, FCS(B)는 대유량용 압력식 유량 제어 장치, E는 챔버, Q1은 소유량용 압력식 유량 제어 장치 [FCS(A)]의 제어 유량, Q2는 대유량용 압력식 유량 제어 장치 [FCS(B)]의 제어 유량, Q는 챔버(E)로의 공급 유량, P는 챔버(E) 내의 압력, CV는 컨덕턴스 밸브, VP는 진공 펌프, V1∼V3은 제어 밸브, L1은 가스 공급관, L2,L3은 배기 관로, 1은 제어 장치, 1a는 유량 입력 설정부, 1b는 신호 변환부, 1cㆍ1d는 제어 신호이다.
상기 압력식 유량 제어 장치[FCS(A) 및 FCS(B)]는 도 9에 나타낸 종전의 압력식 유량 제어 장치와 기본적으로 동일한 것이며, 오리피스 상류측 압력(P1)과 하류측 압력(P2) 사이에 유체의 임계 조건인 P1/P2이 약 2 이상의 조건을 성립시킴으로써, 오리피스를 유통하는 가스 유량을 Qc=KP1(단, K는 정수)에 의해 연산하고, 이 연산값(Qc)과 설정값(Qs)의 차신호(Qy)에 의해 상류측에 설치된 컨트롤 밸브(V)를 자동 개폐 제어함으로써 압력(P1)을 조정하고, 오리피스의 실 통과 유량을 상기 설정값(Qs)으로 제어하는 것을 기본 구성으로 하는 것이다.
또한, 본 실시예에서는 소유량용 압력식 유량 제어 장치[FCS(A)]로서 정격 유량이 100 SCCM인 것을, 또한, 대유량용 압력식 유량 제어 장치[FCS(B)]로서 정격 유량이 3000 SCCM의 것을 사용하고, 최소 5 SCCM으로부터 최대 3100 SCCM까지의 유량 범위에 걸쳐 연속적으로 고정밀도의 유량 제어를 행하도록 구성되어 있다.
또한, 상기 압력식 유량 제어 장치[FCS(A), FCS(B)]의 구성은 공지되었으므로, 여기에서는 그 상세한 설명을 생략한다.
상기 프로세스 챔버(E)는 내용량이 11 l로 설정되어 있고, 300 l/min의 배기 유량을 갖는 진공 펌프(VP)에 의해 자동 압력 조정기(APC) 및 컨덕턴스 밸브(CV)를 설치한 진공 배기 라인(L2∼L3)을 통하여 연속적으로 진공 흡인되어 있고, 챔버(E)의 내부는 10-2∼1O1 Torr 의 중진공으로 유지되어 있다.
상기 컨덕턴스 밸브(CV)는 진공 배기계의 관로 컨덕턴스를 조정하기 위한 것이다. 또한, 컨덕턴스 밸브(CV)는 공지이기 때문에, 그 상세한 설명을 생략한다.
상기 가스 공급관(L1)에는 외경 6.35mmΦ, 내경 4.2mmΦ의 스테인레스관이 또한, 배기관(L2,L3)에는 외경 28mmΦ, 내경 24mmΦ의 스테인레스관이 각각 사용되어 있다.
상기 제어 장치(1)는 입력 설정부(1a)와 신호 변환부(1b)로 형성되어 있고, 입력 설정부(1a)에서 정격 최대 유량에 대한 소망의 유량(%)을 설정한다.
즉, 해당 입력 설정부(1a)에는 소유량용 압력식 유량 제어 장치[FCS(A)]의 제어 신호(1c)의 상승률 설정 기구(1a')와, 대유량용 압력식 유량 제어 장치[FCS(B)]의 제어 신호(1d)의 상승률 설정 기구(1a")가 설치되어 있고, 프로세스 챔버(E)에서 필요로 하는 프로세스 가스(Gs)의 유량은 후술하는 바와 같이 유량 %설정 기구(1a)에 의해 설정된다.
또한, 상기 입력 설정부(1a)의 제어 신호의 상승률 설정 기구(1a',1a")는 후술하는 바와 같이, 최소 설정 유량 0%로부터 최대 설정 유량 100% 사이의 임의의 유량으로 유량 설정을 하여 양 압력식 유량 제어 장치[FCS(A),FCS(B)]를 작동시킬 때에, 각 유량용 압력식 유량 제어 장치[FCS(A),(B)]에 인가하는 제어 신호(1c,1d) 의 상승률을 조정하기 위한 기구이며, 예컨대 설정 유량 50 SCCM(입력 설정값 1.613%)으로 가스(Gs)를 공급 중에, 2000 SCCM(입력 설정 64.516%)로 증량할 경우, 소유량용 압력식 유량 제어 장치[FCS(A)]만의 작동으로부터 양 압력식 유량 제어 장치[FCS(A),FCS(B)]의 작동으로 스위칭되지만, 대유량 압력식 유량 제어 장치[FCS(B)] 쪽이 0으로부터 그 1900 SCCM에 달할 때까지 약간의 시간 지연(0→100%의 유량 변화로 약 30 sec)을 형성하는 것이 필요해지고, 그 때문에 FCS(B)로의 제어 입력 신호(1d)의 상승률이 조정되게 된다.
상기 신호 변환부(1b)는 유량의 입력 설정(%)에 대응한 각 압력식 유량 제어 장치[FCS(A),FCS(B)]로의 제어 신호(1c,1d)를 출력하는 것이다.
또한, 최대 유량이 100 SCCM의 압력식 유량 제어 장치[FCS(A)]의 제어 신호는 0V(0 SCCM)로부터 5V(100 SCCM)의 값으로, 또한 최대 유량이 3000 SCCM의 압력식 유량 제어 장치[FCS(B)]의 제어 신호도 0V(0 SCCM)로부터 5V(3000 SCCM)의 값으로 각각 설정되고 있고, 양 압력식 유량 제어 장치[FCS(A),FCS(B)]에는 각각의 분담하는 제어 유량에 대응한 제어 신호(1c,1d)가 신호 변환부(1b)로부터 입력된다.
도 2는 상기 제어 장치(1)의 입력 설정부(1a)에 있어서의 유량 입력 설정(%)과 제어 신호(1c,1d)의 관계를 나타내는 선도이다. 도 2에 있어서 곡선(L)은 소유량(100 SCCM)용 압력식 유량 제어 장치[FCS(A)]의 제어 신호(1c)를, 또한 곡선(H)는 대유량(3000 SCCM)용 압력식 유량 제어 장치의 제어 신호(1d)를 각각 나타내는 것이며, 예컨대 설정 유량이 50 SCCM(설정 유량 %=50/3100=1.613%)의 시에는 FCS(A)만이 작동되어, 제어 신호 1c=5V×50/100=2.5V가 FCS(A)로 입력된다.
마찬가지로, 설정 유량이 2000 SCCM(설정 유량 %=2000/3100=64.52%)의 시에는 FCS(A) 쪽은 유량 설정 %=100%로써 100 SCCM의 유량을 출력하고, 제어 신호 1c=5V×100/100=5V가 FCS(A)로 입력되고, 또한 FCS(B) 쪽은 유량 1900 SCCM을 출력하고, 제어 신호 1d=5V×1900/3000=3.17V가 FCS(B)로 입력되게 된다.
도 3은 도 1의 유체 공급 장치(A)에 있어서의 각 압력식 유량 제어 장치[FCS(A),FCS(B)]의 분담 제어 유량(Q1,Q2)과 챔버(E)로의 전 공급 유량(Q)의 관계를 나타내는 것이며, 전 유량(Q)은 Q=100/3ㆍ설정 %[FCS(A)만이 작동, Q=100 SCCM 이하의 때], 또는 Q=3000/97ㆍ설정 %+700/97 SCCM[FCS(A), FCS(B)의 양쪽이 작동, Q=100 SCCM 이상의 때]이 된다.
도 4의 (a)∼(c)는 상기 입력 설정부(1a)의 제어 신호 상승률 설정 기구(1a',1a")의 필요성을 나타내는 실험 데이터이며, 100 SCCM의 FCS(A)와 3000 SCCM의 FCS(B)의 양쪽을 작동시키고, 전 유량을 0%(0 SCCM)로부터 100%(3100 SCCM)로 증가시켰을 경우의 유량 제어 신호(1c) 및 유량 제어 신호(1d)의 인가 상황과, 챔버 압력(P)으로의 제어 유량(Q)의 추종성의 관계를 나타내는 것이다. 또한, 해당 실험에 있어서는 챔버 배기계의 컨덕턴스 밸브(CV)는 전개 상태[진공 펌프(VP)가 연속적으로 풀 출력으로 운전되는 상태]로 세트되어 있다.
즉, 도 4의 (a)는 입력 설정부(1a)로의 설정 신호를 약 60sec 사이에서 0∼100%로 변화시키도록 했을 경우의 챔버 압력(P)의 변화 상태를 나타내는 것이다.
또한, 도 4의 (b)는 입력 설정부(1a)로의 설정 신호를 약 30sec 사이에서 0 ∼100%로 변화시키도록 했을 경우의 챔버 압력(P)의 변화 상태를, 또한 도 4의 (c)는 입력 설정부(1a)로의 설정 신호를 스텝상으로 변화시키도록 했을 경우의 챔버 압력(P)의 변화 상황을 나타내는 것이다.
도 4의 (a) 및 도 4의 (b)에 있어서는 챔버 압력(P)이 유량 설정 %(SET)에 거의 비례한 상태로 연속적으로 증가하고, 소위 압력 제어가 완전히 실현되어 있는 것으로 판단된다.
이에 대하여, 도 4의 (c)에 있어서는 유량 설정 %(SET)의 스텝 변화[즉, 제어 신호(1c)(또는 유량Q1) 및 제어 신호(1d)(또는 유량Q2)의 스텝 변화]에 대하여 챔버 압력(P)[챔버E로의 공급 유량Q]은 스텝상으로 변화를 할 수 있지 않고, 약 20초간은 챔버압력(P)의 제어를 추종할 수 없는 것으로 판단된다.
[실시 예2]
도 5는 본 발명의 유체 공급 장치의 제 2 실시예에 의한 설정 유량과 유량 출력의 관계를 나타내는 선도이며, 해당 제 2 실시예에 있어서는 정격 유량이 100 SCCM과 3000 SCCM과 5000 SCCM의 3대의 압력식 유량 제어 장치[FCS(A),FCS(B),FCS(C)]를 이용하여, 5 SCCM∼8100 SCCM의 보다 넓은 유량 범위에 대하여 고정밀도의 유량 제어가 행해지는 구성으로 한 것이다.
도 5에 있어서 곡선(L)은 100 SCCM의, 곡선(H)는 3000 SCCM의, 곡선(M)은 5000 SCCM의 각 압력식 유량 제어 장치[FCS(A),FCS(B),FCS(C)]의 유량 특성을 나타내는 것이며, 또한 Q는 챔버(E)로의 공급 유량을 나타내는 것이다.
즉, 공급 유량(Q)이 100∼3100 SCCM 이하의 시에는,
Q=(3100-100)/(40-1)ㆍ(SET %-1)+100=(3000/39)ㆍSET %+(900/39)에 유량(Q)이 요구되고,
또한, 공급 유량(Q)이 3100∼8100 SCCM의 시에는,
Q=(5000/60)ㆍSET %-(14000/60)에 의해, 유량(Q)이 제공된다.
또한, 상기 도 1의 제 1 실시예 및 도 5의 제 2 실시예에 있어서는 공급 가스(Gs)가 1종류이다라고 하고 있지만, 공급 가스(Gs)가 2종류 이상 있을 때에는, 가스 종의 수와 동수의 제 1 실시예나 제 2 실시예의 같은 구성의 가스 공급 장치(A)를 복수대 각각 병렬로 설치하고, 각 가스 공급 장치(A)를 임의로 스위칭 작동시킴으로써, 복수 종의 가스를 챔버(E)로 공급하게 된다.
또한, 상기 제 1 실시예나 제 2 실시예에 있어서는 공급 가스(Gs)를 단독 종의 가스로 하고 있지만, 공급 가스(Gs)가 예컨대, Ar와 CF4의 혼합 가스(혼합 비율은 임의임)여도 좋은 것은 물론이다.
(가스 공급 장치를 이용한 챔버의 내압 제어 방법)
[실시 예3]
도 6은 본 발명에 의한 가스 공급 장치를 이용한 챔버(E)의 내압 조정 방법을 나타내기 위한 계통도이다.
도 6을 참조하여 챔버(E)는 11 l의 내용적을 갖고 있고, 그 진공 배기계는 컨덕턴스 밸브(CV)와 진공 펌프(VP)과 관로(L2)와 관로(L3)에 의해 형성되어 있다.
또한, 진공 펌프(VP)로는 300 l/min의 배기량을 갖는 진공 펌프가 사용되어 있다.
해당 챔버의 내압 제어 방법은 일정 배기 능력을 갖는 진공 펌프에 의해 연속적으로 배기되어 있는 챔버(E) 내의 내압을 그 내부로 공급하는 유체의 유량을 세밀하게 조정함으로써, 1O-2∼1O2 Torr 정도의 소정 프로세스 압력으로 제어하는 것이다.
도 6을 참조하여 우선 컨덕턴스 밸브(CV)를 전개(全開)로 하여 진공 배기계의 유로 저항을 최소로 함과 아울러, 진공 펌프(VP)를 작동시켜서 챔버(E) 내를 진공 펌프(VP)의 배기 능력에 대응하는 진공도로까지 진공 흡인한다.
이어서, 미리 요구되어 있는 도 7의 챔버(E) 및 진공 배기계의 압력-유량 특성 곡선으로부터 압력(P)에 대한 공급 가스 유량(Q)을 구한다.
그 후, 가스 공급 장치(A)를 작동시켜 상기 설정 압력(P)을 얻기 위하여 필요로 하는 유량(Q)의 가스(Gs)를 챔버(E) 내로 공급한다.
또한, 가스(Gs)의 공급에 의한 챔버(E)의 내압 조정 범위는 진공 펌프(VP)의 배기 능력이 일정한 조건하에서는 컨덕턴스 밸브(CV)의 개도 조정에 의해 변화시킬 수 있고, 후술하는 바와 같이 챔버 내압을 상승(저 진공도)시킬 경우에는 컨덕턴스 밸브(CV)의 개도를 저하시켜 진공 배기계의 관로 저항을 증대시키고, 또한 역으로 챔버 내압을 저하(고 진공도)시킬 경우에는 컨덕턴스 밸브(CV)를 전개 상태로 한다.
도 7은 상기 도 6의 챔버(E) 및 진공 배기계에 있어서의 챔버(E)로의 공급 유량(Q)과 챔버 내압(P)의 관계를 나타내는 선도이며, 진공 펌프(VP)를 정격 하에서 연속 운전함과 아울러, 컨덕턴스 밸브(CV)를 최대 개도 또는 최소 개도 상태로 했을 때의 압력-유량 특성을 나타내는 것이다.
즉, 도 7의 곡선(A)은 컨덕턴스 밸브(CV)를 최대 개도로 했을 때의 압력-유량 특성, 곡선(B)는 컨덕턴스 밸브(CV)를 최소 개도로 했을 때의 압력-유량 특성을 나타내는 것이다.
또한, 곡선(C)은 챔버(E) 내에 임의의 프로세스 포인트(1)나 프로세스 포인트(3)를 실현하는 진공 배기계의 임의 컨덕턴스에 있어서의 압력-유량 특성이다.
도 7로부터도 명확한 바와 같이, 도 6의 챔버(E) 및 진공 배기계에 있어서는 챔버(E)로의 가스 공급 유량(Q)을 5∼3100 SCCM의 사이에서 유량 제어를 함과 아울러, 진공 배기계의 컨덕턴스를 적절히 조정함으로써, 기호(1)-(4)-(5)-(3)-(2)-(7)-(6)으로 둘러싸여진 유량ㆍ압력 범위, 즉 압력에서라면 101∼0.8×10-1 Torr에 걸쳐서 챔버(E) 내의 압력을 조정할 수 있다.
물론, 진공 배기계의 구성[진공 배기계의 컨덕턴스나 진공 배기 펌프(VP)의 배기 능력 등]이나 유체 공급 장치(A)의 유량 제어 범위를 변경함으로써, 상기 도 7의 유량ㆍ압력의 조정 범위(점선 부분의 면적)는 변화되게 되어, 프로세스 챔버(E)에 요구되는 조건에 따라 유체 공급 장치(A)의 유량 범위나 진공 배기 펌프(VP)의 배기 능력은 적절히 선정된다.
또한, 반도체 제조 장치 등에 있어서는, 압력 제어 범위는 통상 10-2∼1O1 Torr, 유량 제어 범위(Q)는 3 SCCM∼5000 SCCM의 범위로 선정되어 있다
또, 압력 조정용으로 챔버(E) 내에 공급하는 가스(Gs)로서는 He 이나 Ar 등의 불활성 가스나 그것의 혼합 가스가 이용된다.
또한, 상기 챔버(E) 내로의 공급 가스(Gs)로서 프로세스 가스 자체를 이용하는 것도 가능하고, 또한 혼합 가스여도 좋은 것은 물론이다.
본 발명은 반도체 제조 장치의 프로세스 챔버로의 가스 공급량 제어나, 프로세스 챔버의 내압 제어 등에 이용할 수 있다.

Claims (8)

  1. 병렬상으로 접속한 복수기의 압력식 유량 제어 장치와, 상기 복수기의 압력식 유량 제어 장치의 작동을 제어하는 제어 장치로 형성되고, 진공 펌프에 의해 배기된 챔버로 소망의 가스를 유량 제어하면서 공급하는 챔버로의 가스 공급 장치에 있어서:
    상기 압력식 유량 제어 장치를 오리피스와, 상기 오리피스 상류측의 압력 검출기와, 상기 압력 검출기의 상류측에 설치한 컨트롤 밸브와, 상기 압력 검출기의 검출 압력(P1)으로부터 오리피스를 통과하는 가스 유량(Qc)을 Qc=KP1(단, K는 정수)에 의해 연산함과 아울러 설정 유량(Qs)과의 차(Qy)를 컨트롤 밸브에 구동용 신호로서 출력하는 연산 제어부로 형성하고, 또한 오리피스 상류측 압력(P1)과 하류측 압력(P2)의 비(P1/P2)를 약 2배 이상으로 유지한 상태하에서 사용하는 압력식 유량 제어 장치로 함과 아울러; 상기 1기의 압력식 유량 제어 장치를 챔버로 공급하는 최대 유량의 10%이하의 가스 유량 영역을 제어하는 장치로 하고, 잔여 압력식 유량 제어 장치를 나머지의 가스 유량 영역을 제어하는 장치로 하여, 넓은 유량 영역에 걸쳐 고정밀도의 유량 제어를 행하며,
    상기 압력식 유량 제어 장치의 작동을 제어하는 상기 제어 장치는, 챔버로 공급하는 가스 유량을 설정하는 입력설정부와, 해당 입력 설정부로의 입력값을 각 압력식 유량 제어 장치로의 제어 신호로 변환하는 신호 변환부를 구비하고,
    상기 신호 변환부로부터 발신된 제어 신호에 의해 상기 복수기의 압력식 유량 제어 장치를 그 제어 유량 영역이 작은 압력식 유량 제어 장치로부터 순서대로 작동시키는 구성으로 한 것이며,
    상기 입력설정부에, 각 유량 영역을 분담하는 압력식 유량 제어 장치로 발신하는 제어 신호의 상승률 설정 기구를 설치하고, 상기 제어 신호의 발신으로부터 소정의 시간 경과 후에 해당 압력식 유량 제어 장치가 설정 유량의 가스 유량을 공급하는 구성으로 한 것을 특징으로 하는 챔버로의 가스 공급 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 병렬상으로 접속하는 압력식 유량 제어 장치를 2기로 하고, 한쪽을 소유량 영역을 제어하는 소유량 레인지의 압력식 유량 제어 장치로 하고, 다른쪽을 대유량 영역을 제어하는 대유량 레인지의 압력식 유량 제어 장치로 한 것을 특징으로 하는 챔버로의 가스 공급 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 병렬상으로 접속하는 압력식 유량 제어 장치를 2기로 하고, 소유량용의 압력식 유량 제어 장치의 유량 제어 영역을 최대 유량의 0.1∼10%로 하고, 또한 대유량용의 압력식 유량 제어 장치의 유량 제어 영역을 최대 유량의 10∼100%로 하도록 한 것을 특징으로 하는 챔버로의 가스 공급 장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 압력식 유량 제어 장치를 구비한 가스 공급 장치로부터 가스가 공급됨과 아울러, 컨덕턴스 밸브와 진공펌프, 및 진공 배기 라인으로 형성된 진공 배기계를 구비한 챔버로서, 상기 컨덕턴스 밸브를 구비한 상기 진공 배기 라인을 통하여 상기 진공 펌프에 의해 내부를 연속적으로 감압하도록 한 챔버에 있어서, 우선, 상기 진공 펌프를 연속적으로 운전함과 아울러 가스 공급 장치로부터 소망의 가스를 공급하고, 상기 컨덕턴스 밸브를 최대 개도로 했을 때 및 최소 개도로 했을 때의 가스 공급 유량과 챔버 내압의 관계를 각각 구하고, 이어서, 이 챔버 내압과 가스 공급 유량의 관계로부터 상기 진공 배기계를 구비한 챔버에 있어서의 챔버로의 가스 공급 유량과 챔버 내압의 제어 범위를 정함과 아울러, 해당 가스 공급 유량과 챔버 내압의 관계 선도로부터 구한 설정해야 할 챔버 내압에 대응하는 가스 공급 유량으로 상기 가스 공급 장치로부터 공급중의 가스 유량을 조정함으로써, 챔버 내압을 소망의 설정 압력으로 유지하는 구성으로 한 것을 특징으로 하는 챔버의 내압 제어 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 진공 배기계의 컨덕턴스 밸브의 개도와 상기 가스 공급 장치로부터의 공급 가스 유량 양자를 조정함으로써 챔버 내압을 설정 압력으로 유지하도록 한 것을 특징으로 하는 챔버의 내압 제어 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 가스 공급장치를, 병렬상으로 접속한 복수기의 압력식 유량 제어 장치와, 상기 복수기의 압력식 유량 제어 장치의 작동을 제어하는 제어 장치로 형성되고, 진공 펌프에 의해 배기된 챔버로 소망의 가스를 유량 제어하면서 공급하는 챔버로의 가스 공급 장치에 있어서, 상기 압력식 유량 제어 장치를 오리피스와, 상기 오리피스 상류측의 압력 검출기와, 상기 압력 검출기의 상류측에 설치한 컨트롤 밸브와, 상기 압력 검출기의 검출 압력(P1)으로부터 오리피스를 통과하는 가스 유량(Qc)을 Qc=KP1(단, K는 정수)에 의해 연산함과 아울러 설정 유량(Qs)과의 차(Qy)를 컨트롤 밸브에 구동용 신호로서 출력하는 연산 제어부로 형성하고, 또한 오리피스 상류측 압력(P1)과 하류측 압력(P2)의 비(P1/P2)를 약 2배 이상으로 유지한 상태하에서 사용하는 압력식 유량 제어 장치로 함과 아울러, 상기 1기의 압력식 유량 제어 장치를 챔버로 공급하는 최대 유량의 10%이하의 가스 유량 영역을 제어하는 장치로 하고, 잔여 압력식 유량 제어 장치를 나머지의 가스 유량 영역을 제어하는 장치로 하고, 또한 상기 압력식 유량 제어 장치의 작동을 제어하는 상기 제어 장치를, 챔버로 공급하는 가스 유량을 설정하는 입력 설정부와, 해당 입력 설정부로의 입력값을 각 압력식 유량 제어 장치로의 제어 신호로 변환하는 신호 변환부를 구비한 구성으로 하여, 신호 변환부로부터 각 압력식 유량 제어 장치로 제어 신호를 발신함으로써 넓은 유량 영역에 걸쳐서 고정밀도의 유량 제어를 행하는 가스 공급 장치로 한 것을 특징으로 하는 챔버의 내압 제어 방법.
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