KR102320188B1 - 분해 검출 장치, 농도 측정 장치 및 농도 제어 장치 - Google Patents

분해 검출 장치, 농도 측정 장치 및 농도 제어 장치 Download PDF

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Abstract

간이한 구성이면서 반도체 재료가 기화한 재료 가스 중에 있어서 분해가 발생해 있는지 여부를 검출할 수 있는 분해 검출 장치를 제공한다. 반도체 재료가 기화한 재료 가스를 포함하는 혼합 가스에 대해서, 상기 반도체 재료가 흡수하는 파장의 흡광도인 제1 흡광도와, 상기 반도체 재료가 분해되었을 때 생기는 물질이 흡수하는 파장의 흡광도인 제2 흡광도를 측정하는 NDIR 방식 또는 레이저 흡수 분광 방식의 흡광도 측정 기구(1)와, 상기 제1 흡광도와 상기 제2 흡광도에 기초하여 산출되는 제1 농도와 상기 제2 흡광도에 기초하여 산출되는 제2 농도의 비에 기초하여, 상기 재료 가스의 분해를 검출하는 분해 검출부(4)를 구비했다.

Description

분해 검출 장치, 농도 측정 장치 및 농도 제어 장치{DECOMPOSITION DETECTING UNIT, CONCENTRATION MEASURING UNIT, AND CONCENTRATION CONTROL APPARATUS}
본 발명은 반도체 재료가 기화(氣化)한 재료 가스에 생기는 분해를 검출하는 분해 검출 장치, 이 분해 검출 장치를 이용한 농도 측정 장치 및 농도 제어 장치에 관한 것이다.
반도체 제조 프로세스에서는, 고체 또는 액체의 반도체 재료를 버블링 시스템(bubbling system)에 의해 기화시켜 진공 챔버 등에 기화된 재료 가스를 도입(導入)시키는 것이 행해지고 있다.
이 버블링 시스템은 상기 반도체 재료가 수용되는 탱크와, 상기 탱크에 캐리어 가스(carrier gas)를 도입하는 도입관과, 상기 탱크로부터 캐리어 가스와 상기 반도체 재료가 기화한 재료 가스의 혼합 가스를 도출(導出)하기 위한 도출관을 구비하고 있다.
제조되는 반도체의 성능이나 품질은, 진공 챔버 내에 도입되는 혼합 가스 중에 있어서의 재료 가스의 농도의 영향을 받는다. 이 때문에, 혼합 가스 중의 재료 가스의 농도를 상기 도출관에 마련한 예를 들면 초음파 방식이나 비분산형 적외선 흡수(NDIR) 방식 등의 농도계에 의해 측정하고, 그 측정되는 농도가 소정의 값으로 일정하게 유지되도록 상기 도출관에 마련된 밸브에 의해서 농도 제어가 행해진다(특허 문헌 1 참조).
그런데, 종래 TEOS 등의 비교적 안정된 반도체 재료가 버블링에 의해 기화되고 있었지만, LED나 최선단(最先端)의 Si반도체 프로세스에서는 화합물 반도체를 성막(成膜)할 필요가 있기 때문에 유기 금속으로 이루어지는 분해가 발생하기 쉬운 불안정한 반도체 재료도 이용되도록 되고 있다.
예를 들면, 상기 도출관 내에 있어서 재료 가스에 자기 분해가 생겨 버리면, 본래 의도하고 있지 않은 종류의 물질이 진공 챔버에 도입되게 되어, 제조되는 반도체의 성능이나 품질에 어떠한 영향이 있을 우려가 있다.
또, 상기 농도계로 측정되는 농도는 혼합 가스가 캐리어 가스와 재료 가스만으로 구성되어 있는 것을 전제로 하고 있으므로, 재료 가스의 자기 분해에 의해 다른 물질이 생성되면 농도 측정이나 농도 제어에도 오차가 발생할 가능성도 생각할 수 있다.
특허 문헌 1: 일본 특개 2013－145887호 공보
본 발명은 상술한 것 같은 문제를 감안하여 이루어진 것으로서, 간이(簡易)한 구성이면서 반도체 재료가 기화한 재료 가스 중에 있어서 반도체 재료의 분해가 발생해 있는지 여부를 검출할 수 있는 분해 검출 장치, 및 이를 이용한 농도 측정 장치, 농도 제어 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
즉, 본 발명의 분해 검출 장치는, 반도체 재료가 기화한 재료 가스를 포함하는 혼합 가스에 대해서, 상기 반도체 재료가 흡수하는 파장의 흡광도(吸光度)인 제1 흡광도와, 상기 반도체 재료가 분해되었을 때 생기는 물질이 흡수하는 파장의 흡광도인 제2 흡광도를 측정하는 NDIR 방식 또는 레이저 흡수 분광 방식의 흡광도 측정 기구와, 상기 제1 흡광도와 상기 제2 흡광도에 기초하여, 상기 반도체 재료의 분해를 검출하는 분해 검출부를 구비한 것을 특징으로 한다.
이러한 것이면, 상기 분해 검출부는 상기 제1 흡광도와 상기 제2 흡광도에 기초하여 상기 반도체 재료의 분해를 검출하도록 구성되어 있으므로, 재료 가스의 농도 변화와 분해의 발생을 분리하여 분해만을 정확하게 검출하는 것이 가능해진다.
보다 구체적으로는, 반도체 재료 자체(自體)가 복수 파장의 광을 흡수하여, 분해시에 생기는 물질과 같은 파장의 광을 흡수하는 경우에는, 상기 제2 흡광도는 재료 가스의 농도가 상승해 있을 때와 분해가 발생해 있을 때의 양쪽에서 그 값이 커져 버린다. 따라서 제2 흡광도의 값만을 감시해도 실제로 분해가 발생해 있는지 여부를 검출할 수 없는 경우가 있다.
이러한 문제를 해결할 수 있는 상기 분해 검출부의 구체적인 구성예로서는, 상기 분해 검출부가, 상기 반도체 재료에 분해가 발생하지 않은 상태에서 측정된 상기 제1 흡광도와 상기 제2 흡광도의 비와, 현재의 제1 흡광도와 제2 흡광도 비의 비교 결과에 기초하여 상기 반도체 재료의 분해를 검출하도록 구성되어 있는 것을 들 수 있다.
여기서, 상기 제1 흡광도와 상기 제2 흡광도의 비란, 상기 제2 흡광도가 제로인 경우를 포함하는 개념이다. 구체적으로는 상기 제1 흡광도와 상기 제2 흡광도의 비가 1：0 등이어도 상관없다. 또, 상기 제1 흡광도와 상기 제2 흡광도의 비는, 흡광도로부터 1대1로 환산 가능한 값의 비여도 상관없다. 예를 들면 흡광도로부터 환산되는 농도끼리의 비를 포함해도 좋다.
추가로 다른 상기 분해 검출부의 구체적인 구성예로서는, 상기 분해 검출부가, 상기 반도체 재료에 분해가 발생하지 않은 상태에서 측정된 상기 제1 흡광도와 상기 제2 흡광도의 차와, 현재의 제1 흡광도와 제2 흡광도의 차의 비교 결과에 기초하여 상기 반도체 재료의 분해를 검출하도록 구성되어 있는 것을 들 수 있다.
또, 상기 분해 검출부가, 동시각(同時刻)에 있어서의 상기 제1 흡광도의 증감 경향과 상기 제2 흡광도의 증감 경향이 다른 경우에 상기 반도체 재료에 분해를 검출하도록 구성되어 있는 것이어도 좋다.
이와 같은 것이면, 상기 분해 검출부는 상기 제1 흡광도와 상기 제2 흡광도의 비 또는 차, 혹은, 상기 제1 흡광도의 증감 경향과 상기 제2 흡광도의 증감 경향의 비교 결과를 감시하고 있으므로, 재료 가스의 농도 변화와 분해가 동시에 발생해 있는 것과 같은 경우에도, 반도체 재료의 분해를 검출하는 것이 가능하다. 보다 구체적으로는, 재료 가스의 농도가 상승해 있을 때에는 상기 제1 흡광도와 상기 제2 흡광도의 비는 유지되는데 비하여, 분해가 발생해 있는 경우에는 제2 흡광도만이 크게 변화하므로, 상기 제1 흡광도와 상기 제2 흡광도의 비에 변화가 나타난다. 따라서 상기 제1 흡광도와 상기 제2 흡광도의 비를 감시함으로써 상기 분해 검출부는 재료 가스의 분해를 검출할 수 있다. 이것은 각 흡광도의 차나 상기 제1 흡광도의 증감 경향과 상기 제2 흡광도의 증감 경향의 비교 결과를 감시하고 있는 경우에도 마찬가지이다.
상기 흡광도 측정 기구가 열의 영향을 받기 어렵게 함과 아울러, 상기 흡광도 측정 기구의 구성을 간단한 것으로 하는 구체적인 구성예로서는, 상기 흡광도 측정 기구가, 혼합 가스가 통과하는 측정 셀과, 소정의 파장 대역폭을 가지는 광을 상기 측정 셀로 사출(射出)하는 광원부와, 상기 측정 셀을 통과한 광 중 상기 반도체 재료가 흡수하는 파장의 광을 통과시키는 제1 필터와, 상기 측정 셀을 통과한 광 중 상기 반도체 재료가 분해되었을 때 생기는 물질이 흡수하는 파장의 광을 통과시키는 제2 필터와, 상기 제1 필터 또는 상기 제2 필터를 통과한 광을 검출하는 광검출부를 구비한 NDIR 방식의 가스 분석계인 것을 들 수 있다. 이러한 것이면, FTIR 등과 같이 대형이면서 또한 고가인 것을 이용하지 않더라도, 반도체 재료의 분해를 검출하는 것이 가능해진다.
상기 흡광도 측정 기구의 다른 구성예로서는, 상기 흡광도 측정 기구가, 혼합 가스가 통과하는 측정 셀과, 상기 반도체 재료가 흡수하는 파장의 레이저광과, 상기 반도체 재료가 분해되었을 때 생기는 물질이 흡수하는 파장의 레이저광을 상기 측정 셀로 사출하는 광원부와, 상기 측정 셀을 통과한 광을 검출하는 광검출부를 구비한 레이저 흡수 분광 방식의 가스 분석계인 것을 들 수 있다.
종래와 비교하여 분해가 발생하기 쉽고, 분해의 유무에 관계없이 제2 흡광도가 측정될 가능성이 있는 반도체 재료로서는, 상기 반도체 재료가 유기 금속인 것을 들 수 있다. 이러한 것에 대해서 본 발명을 이용하면, 재료 가스의 농도 변화와 분해가 발생해 있는지 여부를 분리하여 검출할 수 있으므로 특히 그 효과가 현저해진다.
예를 들면 반도체 프로세스에 있어서, 분해의 유무를 검출할 수 있도록 하여 측정되고 있는 재료 가스의 농도가 신뢰할 수 있는 값인지 여부를 판정할 수 있도록 농도 측정 장치를 구성하려면, 본 발명의 분해 검출 장치와, 상기 제1 흡광도에 기초하여, 상기 혼합 가스 중의 상기 재료 가스의 농도인 상기 제1 농도를 산출하는 농도 산출부를 구비한 농도 측정 장치이면 좋다.
재료 가스에 분해가 발생해 있는 경우에는 만약을 위해 농도 제어를 정지시키거나, 혹은 분해가 발생해 있는 상태에 따른 농도 제어로 변경할 수 있도록 하려면, 상기 반도체 재료가 수용되는 탱크와, 상기 탱크 내에 캐리어 가스를 도입하는 도입관과, 상기 탱크로부터 상기 재료 가스와 상기 캐리어 가스를 포함하는 혼합 가스를 도출하는 도출관을 구비한 버블링 시스템에 이용되는 농도 제어 장치로서, 전술한 농도 측정 장치와, 상기 도출관에 마련되는 조정 밸브와, 미리 설정되는 목표 농도와, 상기 농도 측정 장치로 측정되는 재료 가스의 측정 농도에 기초하여 상기 조정 밸브를 제어하는 밸브 제어부를 구비한 농도 제어 장치이면 좋다.
기존의 반도체 프로세스에 마련되어 있는 센서 등을 이용하여 재료 가스에 분해가 발생해 있는지 여부를 검출할 수 있는 기능을 부가하려면, 반도체 재료가 기화한 재료 가스를 포함하는 혼합 가스에 대해서, 상기 반도체 재료에 대응하는 파장의 흡광도인 제1 흡광도와, 상기 반도체 재료가 분해되었을 때 생기는 물질에 대응하는 파장의 흡광도인 제2 흡광도를 측정하는 NDIR 방식 또는 레이저 흡수 분광 방식의 흡광도 측정 기구를 구비한 장치에 이용되는 프로그램으로서, 상기 제1 흡광도와 상기 제2 흡광도에 기초하여, 상기 반도체 재료의 분해를 검출하는 분해 검출부로서의 기능을 컴퓨터에 실현시키는 것을 특징으로 하는 분해 검출 장치용 프로그램을 이용하면 좋다. 또한, 이 프로그램은 CD, DVD, 플래쉬 메모리 등의 기억 매체에 기억되어 있는 것이어도 좋고, 인터넷 등을 통해서 전자적으로 배포되는 것이어도 상관없다.
이와 같이 본 발명의 분해 검출 장치는, 2개의 파장의 흡광도를 측정하는 것만으로 반도체 재료의 분해를 검출할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 버블링 시스템에 이용되는 농도 제어 장치를 나타내는 모식도이다.
도 2는 실시 형태에 있어서의 흡광도 측정 기구의 상세를 나타내는 모식도이다.
도 3은 실시 형태에 있어서의 농도 제어 장치의 모식적 기능 블록도이다.
도 4는 동 실시 형태에 있어서의 흡광도와 분해와의 관계를 설명하기 위한 모식적 그래프이다.
도 5는 동 실시 형태에 있어서의 농도 제어 장치의 동작을 나타내는 순서도이다.
도 6은 그 외의 실시 형태에 있어서의 흡광도와 분해와의 관계를 설명하기 위한 모식적 그래프이다.
도 7은 그 외의 실시 형태에 있어서의 흡광도 측정 기구의 상세를 나타내는 모식도이다.
본 발명의 일 실시 형태에 따른 분해 검출 장치(100), 농도 측정 장치(200), 및, 농도 제어 장치(300)에 대해 도 1 내지 도 5를 참조하면서 설명한다.
본 실시 형태의 농도 제어 장치(300)는, 반도체 제조 프로세스에 이용되는 것으로서, 예를 들면 MOCVD(유기 금속 기상 성장법)에 의해서 반도체 결정이 제조되는 진공 챔버에 기화된 반도체 재료를 소정의 농도로 공급하는 것이다. 보다 구체적으로는, 유기 금속으로 이루어지는 반도체 재료에 대해서 캐리어 가스를 공급해서 버블링하여, 반도체 재료가 기화된 재료 가스와 캐리어 가스의 혼합 가스를 진공 챔버로 공급하는 버블링 시스템(B)에 대해서 상기 농도 제어 장치(300)는 이용된다.
도 1에 도시하는 것처럼 상기 버블링 시스템(B)은, 반도체 재료가 수용되는 탱크(B1)와, 상기 탱크(B1)에 대해서 캐리어 가스를 공급하는 도입관(B2)과, 상기 탱크(B1)와 진공 챔버의 사이를 접속하도록 마련되어, 재료 가스와 캐리어 가스의 혼합 가스를 상기 탱크(B1)로부터 외부로 도출하여, 진공 챔버로 공급하는 도출관(B3)을 구비하고 있다.
상기 탱크(B1)는 본 실시 형태에서는 액체의 반도체 재료가 수용되어 있고, 상기 도입관(B2)은 반도체 재료의 액면보다도 낮은 위치에 설치되도록 하고 있다. 즉, 캐리어 가스에 의해서 반도체 재료 내에 거품이 일도록 되어 있다.
상기 도입관(B2)은 질소나 수소 등의 캐리어 가스의 공급원과 접속되어 있음과 아울러, 상기 탱크(B1) 내에 공급되는 캐리어 가스의 유량을 일정하게 유지하기 위한 매스 플로우 컨트롤러를 구비하고 있다.
상기 도출관(B3)에는, 상류측으로부터 차례로 압력 센서(P), 흡광도 측정 기구(1), 조정 밸브(2)가 마련되어 있고, 이들 기기와 각 기기의 제어, 연산을 맡는 제어 기구(COM)로 상기 농도 제어 장치(300)를 구성하고 있다. 또한, 상기 제어 기구(COM)는 CPU, 메모리, A/D·D/A 컨버터, 입출력 수단 등을 구비한 이른바 컴퓨터로서, 메모리에 격납된 프로그램이 실행되어, 각 기기가 협업함으로써 적어도 농도 산출부(3), 분해 검출부(4), 밸브 제어부(5)로서의 기능을 발휘하도록 구성되어 있다.
이하에서는, 도 3의 기능 블록도에 기초하여, 상기 농도 제어 장치(300)의 상세에 대해서 설명한다.
상기 농도 제어 장치(300)는 상기 도출관(B3)을 흐르는 혼합 가스 중의 재료 가스의 농도를 측정하는 농도 측정 장치(200)와, 상기 농도 제어 장치(300)로 측정되는 측정 농도, 및 목표 농도에 기초하여 상기 조정 밸브(2)의 개도(開度)를 제어하는 밸브 제어부(5)를 구비하고 있다.
상기 농도 측정 장치(200)는 재료 가스를 구성하는 반도체 재료의 분해를 검출하는 분해 검출 장치(100)와, 상기 분해 검출 장치(100)의 출력에 기초하여 혼합 가스 중의 재료 가스의 농도를 산출하는 상기 농도 산출부(3)를 구비하고 있다.
보다 구체적으로는 상기 분해 검출 장치(100)는 상기 흡광도 측정 기구(1)와, 상기 흡광도 측정 기구(1)로 측정되는 흡광도에 기초하여, 재료 가스의 자기 분해를 검출하는 분해 검출부(4)를 구비하고 있다.
상기 흡광도 측정 기구(1)는 2개의 파장 또는 파장 대역에 있어서의 흡광도를 측정하는 NDIR 방식의 가스 분석계로서, 파장마다 흡광도의 크기에 따른 신호를 출력하도록 구성되어 있다. 본 실시 형태에서는, 도 2에 도시하는 것처럼 상기 흡광도 측정 기구(1)는 측정 셀(1A)과, 광원부(1B)와, 제1 필터(1C)와, 제2 필터(1D)와, 광검출부(1E)를 구비한 것이다.
상기 측정 셀(1A)은 상기 도출관(B3)상에 마련되어 혼합 가스가 통과하는 케이스 바디(箱體)이다. 이것은 상기 광원부(1B)로부터 사출된 광이 도입되는 도입창과, 도입된 광을 상기 광검출부(1E)측으로 도출시키는 도출창을 구비하고, 광의 진행 방향을 길이 방향으로 하여 연장되도록 형성되어 있다.
상기 광원부(1B)는 소정의 파장 대역폭을 가지는 적외광을 상기 측정 셀(1A)로 사출하는 램프이며, 상기 측정 셀(1A)의 도입창에 대해서 떨어져서 마련되어 있다.
상기 제1 필터(1C)는 상기 측정 셀을 통과한 광 중 상기 반도체 재료가 흡수하는 파장의 광을 통과시키는 것이다.
상기 제2 필터(1D)는 상기 측정 셀을 통과한 광 중 상기 반도체 재료가 분해되었을 때 생기는 물질이 흡수하는 파장의 광을 통과시키는 것이다.
상기 광검출부(1E)는 상기 제1 필터(1C)를 통과한 광의 강도를 검출하는 제1 검출기(11)와, 상기 제2 필터(1D)를 통과한 광의 강도를 검출하는 제2 검출기(12)를 구비하는 것이다. 상기 광검출부(1E)는 제1 검출기(11)와 제2 검출기(12)의 출력에 기초하여, 상기 반도체 재료가 흡수하는 제1 파장의 흡광도인 제1 흡광도와, 상기 반도체 재료가 분해되었을 때 생기는 물질이 흡수하는 제2 파장의 흡광도인 제2 흡광도를 출력하도록 구성되어 있다.
보다 구체적으로는 반도체 재료로서 유기 금속인 트리메틸갈륨(trimethylgallium)을 이용하고 있는 경우로 설명하면, 상기 흡광도 측정 기구(1)는 상기 제1 검출기(11)의 출력에 기초하여, 트리메틸갈륨의 주된 흡수 파장인 제1 파장에 대응하는 제1 흡광도를 측정하도록 하고 있다. 또, 상기 흡광도 측정 기구(1)는 상기 제2 검출기(12)의 출력에 기초하여, 트리메틸갈륨이 자기 분해되었을 때 생기는 메탄의 흡수 파장인 제2 파장에 대응하는 제2 흡광도를 측정하도록 하고 있다.
트리메틸갈륨과 같은 유기 금속으로 이루어지는 반도체 재료의 흡수 파장의 피크는 자기 분해가 발생해 있지 않은 경우에도 도 4 (a)의 스펙트럼에 도시하는 것처럼 2개 존재하는 것이 있다. 이것은 트리메틸갈륨에 있어서 갈륨과 접속되어 있는 메틸기(基)가 진동함으로써 주된 흡수 파장과는 다른 부(副)의 흡수 파장이 발생하기 때문이다. 또, 메틸기와 트리메틸갈륨의 자기 분해에 의해 생기는 메탄은 거의 같은 흡수 파장을 가지고 있다.
도 4 (b)는 반도체 재료에 자기 분해가 발생하지 않은 상태에서 재료 가스의 농도가 어느 농도에서 다른 농도로 변경되었을 경우에 측정되는 제1 흡광도와 제2 흡광도의 시계열 데이터의 그래프를 나타내고 있다. 자기 분해가 생기지 않은 경우에는 유기 금속인 트리메틸갈륨의 흡수 파장에 대응하는 제1 흡광도와, 메틸기 등에 팔(arm)의 흡수 파장에 대응하는 제2 흡광도는 도 4 (b)의 그래프에 도시하는 것처럼 재료 가스의 농도에 의존하지 않고 소정의 비 1：1/n가 유지된다. 즉, 재료 가스의 농도가 고농도로 일정하게 유지되고 있는 초기 상태 구간, 재료 가스의 농도가 고농도에서 저농도로 변화하고 있는 변화 구간, 재료 가스의 농도가 저농도로 일정하게 유지되고 있는 최종 상태 구간 중 어느 것에 있어서도, 제1 흡광도와 제2 흡광도의 비는 각 시각에 있어서 1：1/n으로 유지되고 있다.
이것은, 1개의 유기 금속에 대해서 메틸기 등의 팔의 수는 고정되어 있기 때문이다. 예를 들면 트리메틸갈륨의 경우에는, 갈륨 1개에 대해서 3개의 메틸기가 있으므로, 이 관계가 무너지지 않는 한, 제1 흡광도와 제2 흡광도의 비는 일정한 관계가 유지되면서, 재료 가스의 농도에 따라 흡광도의 값 자체는 변화하게 된다.
도 4 (c)는 재료 가스의 농도가 일정하게 유지되고 있는 상태에 있어서 도중에 반도체 재료에 자기 분해가 발생했을경우에 측정되는 제1 흡광도와 제2 흡광도의 시계열 데이터의 그래프를 나타내고 있다. 초기 상태 구간에서는 반도체 재료에 자기 분해가 발생해 있지 않기 때문에, 도 4 (b)와 마찬가지로, 제1 흡광도와 제2 흡광도의 비는 1：1/n으로 유지되고 있다. 한편, 반도체 재료에 자기 분해가 발생하면 반도체 재료보다도 제2 파장을 흡수하기 쉬운 메탄이 생성되기 때문에, 제2 흡광도의 값이 커진다. 이때 재료 가스의 농도가 일정하게 유지되도록 농도 제어가 행해지고 있는 것이나 분해 후의 반도체 재료의 생성물인 갈륨 화합물도 제1 파장에 가까운 파장에서 광을 흡수하기 때문에 제1 흡광도는 자기 분해가 생겨도 거의 일정하게 유지된다. 즉, 자기 분해가 발생해 있는 경우에는 제1 흡광도와 제2 흡광도의 증감 경향이 일치하지 않고, 그 결과, 각 시각에 있어서의 제1 흡광도와 제2 흡광도의 비도 변화하게 된다.
이와 같이 반도체 재료에 있어서 자기 분해가 발생하면 갈륨 1개에 대해서 3개의 메틸기가 있다고 하는 관계가 무너지기 때문에, 도 4 (c)에 도시되는 것처럼 제1 흡광도가 일정하게 유지되고 있어도, 제2 흡광도만이 변화하게 된다. 이 경우, 제1 흡광도와 제2 흡광도의 비는 1：1/m과 같이 다른 비로 변화한다.
도 3에 도시하는 상기 분해 검출부(4)는, 상술한 것 같은 제1 흡광도와 제2 흡광도의 비에 관한 특성에 기초하여, 재료 가스의 농도를 변화시켰는지, 재료 가스에 있어서 반도체 재료의 자기 분해가 발생해 있는지 검출하는 것이다. 보다 구체적으로는 상기 분해 검출부(4)는, 자기 분해가 발생하지 않은 상태에서 측정된 제1 흡광도와 제2 흡광도 비의 값 n과, 현재의 제1 흡광도와 제2 흡광도 비의 값을 비교하여 자기 분해가 발생해 있는지 여부를 검출하도록 구성되어 있다. 본 실시 형태에서는, 자기 분해가 발생하지 않은 상태에서 정한 제1 흡광도와 제2 흡광도 비의 값 n을 기준으로 하여 정한 허용 범위 내에 현재의 제1 흡광도와 제2 흡광도 비의 값이 들어가 있지 않은 경우에 자기 분해가 발생해 있다고 판정하여 검출하도록 상기 분해 검출부(4)는 구성되어 있다. 만약, 자기 분해가 발생해 있는 경우에는 유저에 대해서, 버블링 시스템(B)이나 각종 설정에 문제가 생겨 있지 않은지 확인하도록 주의 환기가 상기 분해 검출부(4)에 의해 행해진다.
상기 농도 산출부(3)은, 람베르트·비어 법칙(Lambert-Beer law)에 기초하여, 측정된 제1 흡광도로부터 혼합 가스 중의 재료 가스의 농도를 산출하는 것이다. 구체적으로는 이하와 같은 식에 기초하여, 재료 가스의 측정 농도는 산출된다.
A(λ)=ε(λ)×C×L
여기서, A(λ)：파장 λ에 있어서의 흡광도,ε(λ)：파장 λ에 있어서의 흡광 계수, C：재료 가스의 농도, L：혼합 가스 중의 광로 길이이다.
다음으로 상기 밸브 제어부(5)의 상세에 대해서 설명한다.
상기 밸브 제어부(5)는 혼합 가스 중의 재료 가스의 농도가 목표 농도로 일정하게 유지되도록 상기 조정 밸브(2)의 개도를 제어하는 것이다. 여기서, 상기 조정 밸브(2)가 제어할 수 있는 것은 재료 가스의 농도 그 자체는 아니고 혼합 가스의 전압(全壓)뿐이다. 또, 재료 가스의 농도 Cz, 재료 가스의 분압 Pz, 혼합 가스의 전압(全壓) Pt의 사이에는 이하의 식과 같은 관계가 있다.
Cz=Pz/Pt
이 관계식과 상기 조정 밸브(2)는 전압 Pt를 제어할 수 있다는 것을 이용하여, 상기 밸브 제어부(5)는 조정 밸브(2)의 개도를 제어하여 전압 Pt를 제어해서, 결과적으로 재료 가스의 농도 Cz를 제어하도록 구성되어 있다.
보다 구체적으로는 상기 밸브 제어부(5)는 목표 농도에 비해서 측정 농도가 낮은 경우에는, 농도를 상승시키기 위해서 분모인 전압 Pt가 작아지도록 상기 조정 밸브(2)의 개도를 현재 상태(現狀)보다도 크게 한다. 상기 조정 밸브(2)의 개도가 커지면 혼합 가스가 상기 조정 밸브(2)를 통과하기 쉬워지기 때문에, 상기 탱크(B1) 및 상기 도출관(B3) 내의 혼합 가스의 양이 감소하여, 전압 Pt는 저하된다. 재료 가스의 분압 Pz는 증기압이기 때문에 거의 일정하기 때문에 전압 Pt가 저하하면 재료 가스의 농도가 상승하는 것은 농도식으로부터 분명하다.
반대로 상기 밸브 제어부(5)는 목표 농도에 대해서 측정 농도가 높은 경우에는, 농도를 저하시키기 위해서 분모인 Pz가 커지도록 상기 조정 밸브(2)의 개도를 현재 상태보다도 작게 한다.
이러한 동작을 상기 밸브 제어부(5)에서 실현하기 위해서, 상기 밸브 제어부(5)는 목표 농도, 측정 농도, 및 측정 전압에 기초하여 목표 전압을 설정하는 목표 전압 설정부(51)와, 상기 목표 전압 설정부(51)에서 설정된 목표 전압과, 상기 압력 센서(P)로 측정되는 측정 전압의 편차가 작아지도록 조작량인 전압(電壓) 인가량을 산출하는 조작량 산출부(52)와, 상기 조작량 산출부(52)로 산출된 조작량에 따른 분만큼 상기 조정 밸브(2)에 인가되는 전압(電壓)을 변경하는 전압(電壓) 인가부(53)를 구비하고 있다.
다음으로 본 실시 형태의 농도 제어 장치(300)의 동작에 대해서 도 5의 순서도를 참조하면서 설명한다. 여기서, 밸브 제어부(5)를 구성하는 각 부의 구성 및 동작의 상세에 대해서도 상술한다.
우선, 상기 분해 검출 장치(100)에 있어서 제1 흡광도와 제2 흡광도 비의 값이 미리 정해진 임계치의 범위 내에 있는지 여부에 기초하여, 재료 가스에 자기 분해가 발생해 있지 않은지 여부의 판정이 행해진다(스텝 S1).
상기 분해 검출 장치(100)에 있어서 재료 가스의 자기 분해가 검출되었을 경우에는, 버블링 시스템(B)의 이상, 또는 탱크(B1) 내의 설정 온도 등의 설정치에 오류가 없는지 확인하도록 유저에게 통지가 행해진다(스텝 S2). 그리고 유저에 의해 확인이 행해진 후에 농도 제어 개시의 지령이 입력될 때까지, 상기 농도 제어 장치(300)는 농도 제어에 관한 동작을 정지하고 있다.
상기 분해 검출 장치(100)에 있어서 재료 가스의 자기 분해가 검출되어 있지 않은 경우에는, 농도 제어를 위한 루틴이 반복된다.
보다 구체적으로는 상기 농도 측정 장치(200)는 상기 흡광도 측정 기구(1)로 측정되는 제1 흡광도로부터 혼합 가스 중의 재료 가스의 농도 Cz를 산출한다(스텝 S3).
다음으로 상기 목표 전압 설정부(51)는, 하기의 식에 기초하여 목표 전압을 산출해서, 상기 조작량 산출부(52)에 산출된 목표 전압을 설정한다(스텝 S4).
Ptr=Pt×(Cz/Cr)
여기서, Ptr：목표 전압, Pt：상기 압력 센서(P)로 측정되는 측정 전압, Cz：상기 농도 산출부(3)로 산출되는 측정 농도, Cr：목표 농도이다.
추가로 상기 조작량 산출부(52)는, 목표 전압과 상기 압력 센서(P)로 측정되는 측정 전압 Pt의 편차에 대해서 피드백 연산을 행하여, 상기 조정 밸브(2)의 인가 전압(電壓)에 대한 조작량을 산출한다(스텝 S5). 상기 전압(電壓) 인가부(53)는 산출된 조작량에 따라 현재 상태로부터 인가 전압(電壓)을 상대적으로 변화시켜, 상기 조정 밸브(2)의 개도를 변화시킨다.
또, 상기 목표 전압 설정부(51)는 소정 제어 사이클마다 목표 농도와 측정 농도가 일치하고 있는지를 판정하여, 일치하고 있는 경우에는 현재 상태의 제어를 유지하고, 일치하고 있지 않은 경우에는 스텝 S3~S5의 동작이 반복되어, 개도의 재조정이 행해진다(스텝 S6).
이와 같이 구성된 상기 농도 제어 장치(300) 및 상기 분해 검출 장치(100)에 의하면, 제1 흡광도와 제2 흡광도의 비에 기초하여 상기 분해 검출부(4)가 재료 가스에 자기 분해가 발생해 있는지 여부를 검출하도록 구성되어 있으므로, 유기 금속과 같이 자기 분해의 유무에 관계없이 제2 흡광도가 측정되는 것 같은 반도체 재료더라도 재료 가스의 농도의 변화와 자기 분해를 분리하여 자기 분해만을 검출할 수 있다.
따라서 재료 가스에 있어서 반도체 재료의 자기 분해가 발생해 있어, 농도 측정 또는 제어에 어떠한 결함이 생길 우려가 있는 경우에는, 유저에게 그 취지를 통지하여, 대책을 행하도록 할 수 있게 된다. 이 때문에, 진공 챔버에 공급되는 혼합 가스 중의 재료 가스의 농도를 유기 금속 등의 자기 분해하기 쉬운 반도체 재료더라도 정확한 농도를 공급하는 것을 보증할 수 있어, 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또, 자기 분해의 유무를 2개의 파장에 있어서의 흡광도를 측정하는 것만으로 검출할 수 있으므로, 예를 들면 FTIR과 같은 대형이고 고가인 측정기를 이용할 필요가 없다. 또, 농도 측정 장치(200)나 농도 제어 장치(300)이면, 재료 가스의 농도를 측정하기 위해서 적어도 1 파장의 흡광도를 측정할 수 있도록 구성되어 있으므로, 또 추가로 1 파장 측정할 수 있도록 추가하는 것만으로 본 실시 형태의 분해 검출 장치(100)를 버블링 시스템(B)에 추가할 수 있다.
또, 상기 흡광도 측정 기구(1)의 광원부(1B) 및 광검출부(1E)는 상기 도출관(B3) 및 상기 측정 셀(1A)에 비접촉으로 마련할 수 있으므로, 재료 가스의 응축을 막기 위해서 상기 도출관(B3)을 가열하고 있는 경우에도 그 열의 영향이 상기 흡광도 측정 기구(1)에 나타나지 않도록 할 수 있다. 따라서 열의 영향에 의해 재료 가스의 자기 분해를 오검출하는 것 등도 매우 적합하게 막을 수 있다.
그 외의 실시 형태에 대해 설명한다.
반도체 재료는 유기 금속으로 한정되는 것이 아니고, 그 외의 반도체 재료더라도 상관없다. 요컨대 반도체 제조 공정에 있어서 기화되어서 이용되는 반도체 재료 로서, 분해가 생길 수 있는 것이면 본 발명을 적용할 수 있다. 또, 반도체 재료는 액체의 것에 한정되지 않고, 고체의 것이어도 좋다.
상기 실시 형태에서는, 제1 흡광도와 제2 흡광도의 비에 기초하여 상기 분해 검출부는 재료 가스의 분해의 유무를 검출하고 있었지만, 상기 제1 흡광도로부터 산출되는 제1 농도와 제2 흡광도로부터 산출되는 제2 농도의 비에 기초하여 상기 분해 검출부가 분해의 유무를 검출하도록 구성해도 상관없다. 또, 상기 분해 검출부는 비의 값을 이용하는 것이 아니라, 비(比) 그 자체를 비교하여 분해의 유무를 검출하도록 구성해도 좋다. 추가로, 반도체 재료의 흡수 파장은 1개여도 좋고, 분해 후에 생기는 물질의 흡수 파장과 겹치지 않아도 좋다. 즉, 제1 흡광도와 제2 흡광도의 비를 생각했을 경우에, 분해가 생기지 않고, 제2 흡광도가 제로로 되어 있는 경우도 비로서 정의해도 좋다.
이하에서는 도 6에 도시하는 제1 흡광도와 제2 흡광도의 시계열 데이터의 그래프를 참조하면서 상기 분해 검출부에 의한 상기 실시 형태와는 다른 반도체 재료의 분해 검출에 대해서 보다 상세하게 설명한다. 도 6 (a) 및 도 6 (b)는 반도체 재료와 자기 분해의 결과 생기는 물질의 광의 흡수 파장이 일치하고 있지 않은 경우의 흡광도의 그래프를 나타내는 것이다. 도 6 (a)는 재료 가스의 농도가 고농도인 상태에서 저농도인 상태로 농도 제어되어 있는 상태이고, 또한 자기 분해가 생기지 않은 경우의 제1 흡광도와 제2 흡광도의 변화를 나타낸다.
도 6 (a)에 도시하는 것처럼 분해가 발생하지 않은 상태에서는, 제2 파장을 흡수하는 물질이 존재하지 않기 때문에 제2 흡광도는 상기 흡광도 측정 기구에 있어서 측정되지 않는다. 따라서 제1 흡광도만이 재료 가스의 농도에 따라 변화한다. 예를 들면, 재료 가스의 농도가 일정하게 유지되고 있는 구간에 있어서는, 제1 흡광도와 제2 흡광도의 비는 1：0으로 유지되고 있으므로 상기 분해 검출부는, 반도체 재료의 분해는 생겨 있지 않다고 판정한다.
도 6 (b)는 재료 가스의 농도가 항상 일정하게 유지되고 있는 상태의 도중에 반도체 재료의 분해가 발생했을 경우를 나타낸다. 반도체 재료의 분해가 발생하면, 제1 흡광도는 유지되는 반편, 새롭게 생성된 제2 파장을 흡수하는 물질의 기여에 의해 제2 흡광도는 분해가 진행되는 것에 따라 커진다. 이와 같이 제1 흡광도의 증감 경향과 제2 흡광도의 증감 경향은 달라 제1 흡광도와 제2 흡광도의 비도 변화하므로, 상기 분해 검출부는 제1 흡광도와 제2 흡광도에 기초하여 분해를 검출할 수 있다.
또, 상술한 것과는 또 다른 반도체 재료를 기화시켜 재료 가스의 농도가 일정하게 되도록 농도 제어를 행하고 있는 상태에서, 반도체 재료에 분해가 발생했을경우의 제1 흡광도와 제2 흡광도의 변화를 도 6 (c), (d)에 나타낸다. 또한, 도 6 (c), (d)에서는 제2 흡광도가 증가하고 있는 중앙 구간에 있어서만 반도체 재료의 분해가 발생해 있다.
반도체 재료에 따라서는 도 4 (c), 도 6 (b)에 도시되는 것처럼 분해가 발생하고 있는 동안에 재료 가스의 농도를 일정하게 유지하는 농도 제어를 행하고 있어도 제1 흡광도도 저하하는 경우도 있다. 이러한 경우에도, 분해가 발생하면 제1 흡광도와 제2 흡광도의 비, 차, 증감 경향은 반도체 재료의 분해가 발생하기 전과 비교하여 변화하고 있다는 것을 도 6 (c), (d)로부터 알 수 있다. 따라서 상기 분해 검출부는 제1 흡광도와 제2 흡광도를 비교함으로써 반도체 재료의 분해를 검출할 수 있다.
상기 분해 검출부는 제1 흡광도와 제2 흡광도의 비를 비교하여 반도체 재료의 분해를 검출하고 있는 것으로 한정되지 않고, 제1 흡광도와 제2 흡광도에 기초하여 반도체 재료의 분해를 검출하는 것이면 좋다.
예를 들면, 상기 분해 검출부가 상기 반도체 재료에 분해가 발생하지 않은 상태에서 측정된 상기 제1 흡광도와 상기 제2 흡광도의 차와, 현재의 제1 흡광도와 제2 흡광도의 차의 비교 결과에 기초하여 상기 반도체 재료의 분해를 검출하도록 구성되어 있어도 좋다. 이와 같이 제1 흡광도와 제2 흡광도의 차를 비교하는 것이어도, 도 4 및 도 6의 예로부터 알 수 있듯이 분해시에는 그 차가 크게 변화하기 때문에 분해를 검출할 수 있다.
또, 상기 분해 검출부가 동시각에 있어서의 상기 제1 흡광도의 증감 경향과 상기 제2 흡광도의 증감 경향이 다른 경우에 상기 반도체 재료에 분해를 검출하도록 구성되어 있어도 좋다. 예를 들면, 제1 흡광도의 시계열 데이터와 제2 흡광도의 시계열 데이터의 각각에 대해서 미분을 취하여, 각각의 부호가 불일치하고 증가 경향이 다른 경우에는 분해가 발생해 있다고 판정하도록 상기 분해 검출부를 구성하면 좋다. 이러한 것이어도, 예를 들면 도 4 (c)의 예로부터 알 수 있듯이 분해가 발생했을 경우에는, 제1 흡광도가 증감 없는데 비하여, 제2 흡광도는 증가 경향에 있어, 증감 경향이 불일치인 것부터 분해가 발생해 있는 것을 검출할 수 있다.
상기 흡광도 측정 기구에 대해서는 NDIR 방식의 것으로 한정되지 않고, 예를 들면 레이저 흡수 분광 방식의 것이어도 상관없다. 보다 구체적으로는, 도 7에 도시하는 것처럼 상기 흡광도 측정 기구(1)가, 혼합 가스가 통과하는 측정 셀(1A)과, 상기 반도체 재료가 흡수하는 파장의 레이저광과, 상기 반도체 재료가 분해되었을 때 생기는 물질이 흡수하는 파장의 레이저광을 상기 측정 셀로 사출하는 광원부(1B)와, 상기 측정 셀(1A)을 통과한 광을 검출하는 광검출부(1E)를 구비한 레이저 흡수 분광 방식의 가스 분석계여도 상관없다. 상기 광원부(1B)에 대해서는 복수의 레이저 광원을 준비해도 좋고, 1개의 레이저 광원으로 복수의 파장의 레이저광을 사출할 수 있는 것을 이용해도 좋다.
마찬가지로, NDIR 방식의 흡광도 측정 기구이었다고 해도 복수의 광원을 이용하여 제1 흡광도와 제2 흡광도를 측정하도록 해도 상관없다. 또한, 반도체 재료에 따라서는 3개 이상의 흡광도를 측정하도록 하여, 분해를 검출하도록 해도 상관없다.
상기 농도 제어 장치는 목표 농도와 측정 농도의 편차에 기초하여 상기 조정 밸브의 개도를 제어하도록 구성해도 상관없다.
상기 실시 형태에 있어서의 농도 측정 장치, 분해 검출 장치는 버블링 시스템용으로 한정되는 것이 아니고, 여러가지 용도에 이용할 수 있다. 즉, 반도체 재료가 기화한 재료 가스를 적어도 포함하는 혼합 가스에 있어서 재료 가스에 분해가 발생해 있는지 여부를 상기 분해 검출 장치로 검출해도 좋다.
재료 가스의 분해란 자기 분해로 한정되지 않고, 여러가지 양태의 분해를 포함해도 좋다. 예를 들면 반도체 재료로서 플루오르화(Fluor化) 텅스텐을 이용하고 있는 경우에는, 물과 반응하여 플루오르화 수소가 생성되는 분해 반응이 있지만, 이러한 분해를 본 발명의 분해 검출 장치로 검출하도록 해도 상관없다.
상기 흡광도 측정 기구에 대해서는, NDIR로 한정되는 것이 아니고, 2개의 파장의 흡광도를 측정할 수 있는 측정기이면 좋다. 예산이나 스페이스가 허락된다면 FTIR를 이용해도 상관없다.
그 외, 본 발명의 취지에 반하지 않는 한에 있어서 여러가지 실시 형태의 변형이나 조합을 행해도 상관없다.
300 … 농도 제어 장치
200 … 농도 측정 장치
100 … 분해 검출 장치
1 … 흡광도 측정기구
2 … 조정 밸브
P … 압력 센서
COM … 제어 기구
3 … 농도 산출부
4 … 분해 검출부
5 … 밸브 제어부
51 … 목표 전압 설정부
52 … 조작량 산출부
53 … 전압(電壓) 인가부
B … 버블링 시스템
B1 … 탱크
B2 … 도입관
B3 … 도출관

Claims (9)

  1. 반도체 재료가 기화(氣化)한 재료 가스를 포함하는 혼합 가스에 대해서, 상기 반도체 재료가 흡수하는 파장의 흡광도(吸光度)인 제1 흡광도와, 상기 반도체 재료가 분해되었을 때 생기는 물질이 흡수하는 파장의 흡광도인 제2 흡광도를 측정하는 NDIR 방식 또는 레이저 흡수 분광 방식의 흡광도 측정 기구와,
    상기 제1 흡광도와 상기 제2 흡광도에 기초하여, 상기 반도체 재료의 분해를 검출하는 분해 검출부를 구비한 것을 특징으로 하는 분해 검출 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 분해 검출부가, 상기 반도체 재료에 분해가 발생하지 않은 상태에서 측정된 상기 제1 흡광도와 상기 제2 흡광도의 비와, 현재의 제1 흡광도와 제2 흡광도 비의 비교 결과에 기초하여 상기 반도체 재료의 분해를 검출하도록 구성되어 있는 분해 검출 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 분해 검출부가, 상기 반도체 재료에 분해가 발생하지 않은 상태에서 측정된 상기 제1 흡광도와 상기 제2 흡광도의 차와, 현재의 제1 흡광도와 제2 흡광도의 차의 비교 결과에 기초하여 상기 반도체 재료의 분해를 검출하도록 구성되어 있는 분해 검출 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 분해 검출부가, 동시각(同時刻)에 있어서의 상기 제1 흡광도의 증감 경향과 상기 제2 흡광도의 증감 경향이 다른 경우에 상기 반도체 재료에 분해를 검출하도록 구성되어 있는 분해 검출 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 흡광도 측정 기구가,
    혼합 가스가 통과하는 측정 셀과,
    소정의 파장 대역폭을 가지는 광을 상기 측정 셀로 사출(射出)하는 광원부와,
    상기 측정 셀을 통과한 광 중 상기 반도체 재료가 흡수하는 파장의 광을 통과시키는 제1 필터와,
    상기 측정 셀을 통과한 광 중 상기 반도체 재료가 분해되었을 때 생기는 물질이 흡수하는 파장의 광을 통과시키는 제2 필터와,
    상기 제1 필터 또는 상기 제2 필터를 통과한 광을 검출하는 광검출부를 구비한 NDIR 방식의 가스 분석계인 분해 검출 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 흡광도 측정 기구가,
    혼합 가스가 통과하는 측정 셀과,
    상기 반도체 재료가 흡수하는 파장의 레이저광과, 상기 반도체 재료가 분해되었을 때 생기는 물질이 흡수하는 파장의 레이저광을 상기 측정 셀로 사출하는 광원부와,
    상기 측정 셀을 통과한 광을 검출하는 광검출부를 구비한 레이저 흡수 분광 방식의 가스 분석계인 분해 검출 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 반도체 재료가 유기 금속인 분해 검출 장치.
  8. 청구항 1에 기재된 분해 검출 장치와,
    상기 제1 흡광도에 기초하여, 상기 혼합 가스 중의 상기 재료 가스의 농도를 산출하는 농도 산출부를 구비한 농도 측정 장치.
  9. 반도체 재료가 수용되는 탱크와, 상기 탱크 내에 캐리어 가스를 도입(導入)하는 도입관과, 상기 탱크로부터 재료 가스와 캐리어 가스를 포함하는 혼합 가스를 도출(導出)하는 도출관을 구비한 버블링 시스템(bubbling system)에 이용되는 농도 제어 장치로서,
    청구항 8에 기재된 농도 측정 장치와,
    상기 도출관에 마련되는 조정 밸브와,
    미리 설정되는 목표 농도와, 상기 농도 측정 장치로 측정되는 재료 가스의 측정 농도에 기초하여 상기 조정 밸브를 제어하는 밸브 제어부를 구비한 농도 제어 장치.

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