KR102470755B1

KR102470755B1 - 유체 제어 장치, 유체 제어 방법, 및, 유체 제어 장치용 프로그램이 기록된 프로그램 기록 매체

Info

Publication number: KR102470755B1
Application number: KR1020180077715A
Authority: KR
Inventors: 히로시 니시자토
Original assignee: 가부시키가이샤 호리바 에스텍
Priority date: 2017-07-05
Filing date: 2018-07-04
Publication date: 2022-11-25
Also published as: EP3425472B1; EP3425472A2; US20190011936A1; KR20190005131A; CN109207963B; US10747239B2; CN109207963A; EP3425472A3; JP6978865B2; JP2019016096A

Abstract

펄스 제어에서 각 온(on) 기간에 밸브를 통과하는 유체의 유량 또는 압력에 대해 종래보다도 높은 제어 정밀도를 실현할 수 있는 유체 제어 장치를 제공하기 위해서, 제어 기구가, 제1 밸브에 대해서 소정의 펄스 높이, 및, 소정의 펄스 폭을 가지는 펄스 신호를 입력하는 펄스 신호 생성기와, 압력 센서에서 측정되는 압력값에 근거하여, 상기 제1 밸브가 개방시키는 온(on) 기간에 내부 용적에서 생긴 압력 강하량의 시간 적분값을 피드백값으로서 산출하는 피드백값 산출부와, 상기 피드백값과, 기준값과의 편차에 근거하여, 상기 펄스 신호 생성기로부터 상기 제1 밸브에 입력되는 펄스 신호를 보정하는 신호 보정부를 구비했다.

Description

유체 제어 장치, 유체 제어 방법, 및, 유체 제어 장치용 프로그램이 기록된 프로그램 기록 매체{Fluid control device, fluid control method, and program recording medium recorded with program for fluid control device}

본 발명은, 예를 들면 반도체 제조 장치에서 각종 가스의 유체량을 펄스 제어하기 위해서 이용되는 유체 제어 장치에 관한 것이다.

예를 들면 반도체의 성막(成膜) 장치의 일종인 원자층 퇴적 장치(ALD(Atomic　Layer　Deposition))에서는, 성분 가스와 수증기 가스를 교호로 단시간만 도입하여, 옹스트롬(Angstrom) 단위의 막 두께로 성막을 실현하는 것이 의도되고 있다.

이 때문에, 예를 들면 1원자분(分)의 막이 성막되는데 필요한 유량의 각종 가스를 성막 챔버 내로 도입할 수 있도록, 성막 챔버 내에 도입되는 각종 가스의 유량을 제어하는 매스 플로우 컨트롤러는, 펄스 제어에 의해서 구동된다(특허 문헌 1).

이러한 펄스 제어에서 구동되는 매스 플로우 컨트롤러는, 유로에 마련된 저항체와, 상기 저항체의 하류측에 마련되는 밸브와, 상기 밸브를 개방시키는 온(on) 기간과, 상기 밸브를 폐쇄시키는 오프(off) 기간을 교호로 상기 밸브에 반복시키는 제어 기구를 구비하고 있다. 보다 구체적으로는, 상기 매스 플로우 컨트롤러는, 오프(off) 기간에서 상기 저항체와 상기 밸브와의 사이의 유로의 내부 용적에 대해서 가스를 유입시키고, 소정 압력이 되도록 충전하여, 온(on) 기간에서는 내부 용적에 충전된 가스를 밸브의 하류측으로 흘린다.

게다가, 상기 밸브는, 자신의 개도를 실측하기 위한 변위 센서를 구비하고 있음과 아울러, 상기 제어 기구는, 상기 온(on) 기간에서는, 상기 변위 센서에서 측정되는 실측 개도가, 흘려야 할 가스의 유량에 상당하는 설정 개도와 일치하도록 상기 밸브의 개도 피드백 제어를 행하도록 구성되어 있다.

그렇지만, 본원 발명자가 열심히 검토를 행한 바, 상기와 같이 개도 피드백 제어를 행해도, 특히 펄스 폭이 짧은 경우에는 실제로 상기 밸브의 하류측으로 흐르는 유량은 상정(想定)되어 있는 유량에 대해서 오차가 발생하고 있는 것이 찾아내어졌다. 즉, 단순한 개도 피드백만으로는, 예를 들면 원자층 퇴적 장치에서 요구되고 있는 유량 정밀도를 실현하는 것은 어렵다.

특허 문헌 1 : 일본특허공표 제2017－509793호 공보

본 발명은 상술한 한 바와 같은 문제를 감안하여 이루어진 것이며, 펄스 제어에서 각 온(on) 기간에 밸브를 통과하는 유체의 유량 또는 압력에 대해 종래보다도 높은 제어 정밀도를 실현할 수 있는 유체 제어 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

즉, 본 발명에 관한 유체 제어 장치는, 유체가 흐르는 유로에 마련된 저항체와, 상기 유로에서 상기 저항체보다도 하류측에 마련된 제1 밸브와, 상기 유로에서 상기 저항체와 상기 제1 밸브와의 사이에 마련되고, 상기 저항체와 상기 제1 밸브와의 사이의 내부 용적에서의 유체의 압력을 측정하는 압력 센서와, 상기 제1 밸브를 제어하는 제어 기구를 구비하며, 상기 제어 기구가, 상기 제1 밸브에 대해서 소정의 펄스 높이, 및, 소정의 펄스 폭을 가지는 펄스 신호를 입력하는 펄스 신호 생성기와, 상기 압력 센서에서 측정되는 압력값에 근거하여, 상기 제1 밸브를 개방시키는 온(on) 기간에 상기 내부 용적에서 생긴 압력 강하량(降下量)의 시간 적분값을 피드백값으로서 산출하는 피드백값 산출부와, 상기 피드백값과, 기준값과의 편차에 근거하여, 상기 펄스 신호 생성기로부터 상기 제1 밸브에 입력되는 펄스 신호에 대해서 보정하는 신호 보정부를 구비한 것을 특징으로 한다.

본원 발명자가 처음으로 찾아낸 지견(知見)에 의하면, 종래와 같이 밸브의 개도를 실측하고, 개도 피드백에 의해, 상기 제1 밸브를 펄스 제어한 경우와 비교하여, 온(on) 기간에서의 압력 강하량의 시간 적분값을 피드백하여 상기 제1 밸브를 펄스 제어하는 쪽이, 실현되는 유량 또는 압력의 제어 정밀도를 향상시킬 수 있다.

또, 온(on) 기간에서의 압력 강하량의 시간 적분값과, 상기 제1 밸브를 통과하는 유체의 유량은 좋은 선형성(線形性)을 나타내고, 제어량으로서 개도보다도 취급하기 쉽다.

이러한 제어 특성이 얻어지는 것은, 개도를 피드백하고 있는 경우에는 상기 제1 밸브의 상류측의 압력이 변동하고 있어도, 그러한 정보나 실제로 흐르고 있는 유량에 관련하고 있는 값이 피드백되지 않아, 오차가 발생하는 것에 대해서, 압력 강하량의 시간 적분값이면 실제로 흐르고 있는 유량에 관련하는 값이기 때문에 발생하고 있는 유량 오차를 피드백하여 보정할 수 있기 때문이라고 생각되어진다.

각 온(on) 기간에서 목표 유량이 가능한 한 유지되도록 하려면, 상기 기준값이, 상기 제1 밸브를 통과하는 유체의 유량이 목표 유량이 되는 경우에서의 압력 강하량의 시간 적분값의 실적값(實積値)이면 좋다.

예를 들면, ALD 등에서 레시피가 종료할 때까지의 시간에 대해서는 변경하지 않고, 각 펄스가 입력되었을 때에 흐르는 유체의 유량을 일정하게 하여, 생성되는 막 두께가 일정하게 되도록 하려면, 상기 신호 보정부가, 상기 피드백값과 상기 기준값과의 편차가 작아지도록 상기 펄스 신호의 펄스 폭을 일정하게 한 채로 펄스 높이를 변경하도록 구성된 것이면 좋다. 이러한 것이면, 성막 프로세스에 관한 시간은 예정대로 하여 단위시간당 처리수를 유지한 채로 고품질의 성막을 실현할 수 있다.

각 온(on) 기간에서 상기 제1 밸브를 통과하는 유체의 유량 또는 압력을 일정하게 유지하기 위한 다른 제어 상태로서는, 상기 신호 보정부가, 상기 피드백값과 상기 기준값과의 편차가 작아지도록 상기 펄스 신호의 펄스 높이를 일정하게 한 채로 펄스 폭을 변경하도록 구성된 것을 들 수 있다.

상기 제1 밸브의 상류측인 상기 내부 용적에서의 유체의 압력을 각 온(on) 기간이 개시되기 전에 소정의 압력으로 유지되도록 하여, 각 온(on) 기간에서 상기 제1 밸브를 통과하는 유체의 유량 또는 압력의 변동이 보다 생기기 어렵게 하려면, 상기 저항체가, 개도를 제어할 수 있는 제2 밸브이며, 상기 제어 기구가, 상기 제1 밸브를 폐쇄시키는 오프(off) 기간에서, 상기 압력 센서에서 측정되는 압력값과, 설정 압력값과의 편차가 작아지도록 상기 제2 밸브를 제어하는 제2 밸브 제어부를 더 구비한 것이면 좋다. 또, 이러한 것이면, 보다 넓은 유량 레인지에 대해서, 압력 강하량의 시간 적분값은 높은 선형성을 나타내게 되므로, 1개의 교정 곡선만으로도 제어 레인지를 넓게 취하는 것이 가능해진다.

상기 제1 밸브가 펄스 제어에 의해 상정되어 있는 바와 같이 동작하고 있는지의 여부를 모니터링 할 수 있도록 하려면, 상기 제1 밸브가, 그 개도를 측정하는 변위 센서를 더 구비하는 것이면 좋다.

본 발명에 관한 다른 형태의 유체 제어 장치로서는, 유체가 흐르는 유로에 마련된 저항체인 제2 밸브와, 상기 유로에서 상기 저항체보다도 하류측에 마련된 제1 밸브와, 상기 유로에서 상기 저항체와 상기 제1 밸브와의 사이에 마련되고, 상기 저항체와 상기 제1 밸브와의 사이의 내부 용적에서의 유체의 압력을 측정하는 압력 센서와, 상기 제1 밸브를 제어하는 제어 기구를 구비하며, 상기 제1 밸브가, 그 개도를 측정하는 변위 센서를 더 구비하고, 상기 제어 기구가, 상기 제1 밸브를 폐쇄시키는 오프(off) 기간에서, 상기 압력 센서에서 측정되는 압력값과, 설정 압력값과의 편차가 작아지도록 상기 제2 밸브를 제어하는 제2 밸브 제어부와, 상기 제1 밸브에 대해서 소정의 펄스 높이, 및, 소정의 펄스 폭을 가지는 펄스 신호를 입력하는 펄스 신호 생성기와, 상기 제1 밸브를 개방시키는 온(on) 기간에서 상기 변위 센서에서 측정되는 측정 개도와, 미리 정해진 설정 개도와의 편차에 근거하여, 상기 펄스 신호 생성기로부터 상기 제1 밸브에 입력되는 펄스 신호를 보정하는 신호 보정부를 구비한 것을 들 수 있다.

이러한 것이면, 개도 피드백에 의해 상기 제1 밸브를 펄스 제어하는 경우라도, 상기 내부 용적의 압력이 상기 오프(off) 기간에서 소정의 압력으로 유지되도록 유체가 충전되므로, 온(on) 기간에 상기 제1 밸브를 통과하는 유체의 유량 또는 압력의 제어 정밀도를 종래보다도 향상시킬 수 있다.

유체가 흐르는 유로에 마련된 저항체와, 상기 유로에서 상기 저항체보다도 하류측에 마련된 제1 밸브와, 상기 유로에서 상기 저항체와 상기 제1 밸브와의 사이에 마련되고, 상기 저항체와 상기 제1 밸브와의 사이의 내부 용적에서의 유체의 압력을 측정하는 압력 센서를 구비한 유체 제어 장치를 이용한 유체 제어 방법으로서, 상기 제1 밸브를 제어하는 제어 스텝을 구비하며, 상기 제어 스텝이, 상기 제1 밸브에 대해서 소정의 펄스 높이, 및, 소정의 펄스 폭을 가지는 펄스 신호를 입력하는 펄스 신호 생성 스텝과, 상기 압력 센서에서 측정되는 압력값에 근거하여, 상기 제1 밸브를 개방시키는 온(on) 기간에 상기 내부 용적에서 생긴 압력 강하량의 시간 적분값을 피드백값으로서 산출하는 피드백 스텝과, 상기 피드백값과, 기준값과의 편차에 근거하여, 상기 피드백값이 산출된 후에 상기 펄스 신호 생성 스텝에서 상기 제1 밸브에 입력되는 펄스 신호를 보정하는 신호 보정 스텝을 구비한 유체 제어 방법을 이용하면, 개도 피드백에 의해 제1 밸브를 펄스 제어한 경우보다도 높은 정밀도로 유량 또는 압력을 제어할 수 있다.

기존의 유체 제어 장치에 대해 프로그램을 업데이트하는 것만으로, 본 발명에 관한 유체 제어 장치와 동일한 효과를 나타내도록 하려면, 유체가 흐르는 유로에 마련된 저항체와, 상기 유로에서 상기 저항체보다도 하류측에 마련된 제1 밸브와, 상기 유로에서 상기 저항체와 상기 제1 밸브와의 사이에 마련되고, 상기 저항체와 상기 제1 밸브와의 사이의 내부 용적에서의 유체의 압력을 측정하는 압력 센서와, 상기 제1 밸브를 제어하는 제어 기구를 구비하며, 상기 제어 기구가 컴퓨터를 구비한 유체 제어 장치에 이용되는 유체 제어 장치용 프로그램이 기록된 프로그램 기억 매체로서, 상기 제1 밸브에 대해서 소정의 펄스 높이, 및, 소정의 펄스 폭을 가지는 펄스 신호를 입력하는 펄스 신호 생성기(生成器)와, 상기 압력 센서에서 측정되는 압력값에 근거하여, 상기 제1 밸브를 개방시키는 온(on) 기간에 상기 내부 용적에서 생긴 압력 강하량의 시간 적분값을 피드백값으로서 산출하는 피드백값 산출부와, 상기 피드백값과, 기준값과의 편차에 근거하여, 상기 피드백값이 산출된 후에 상기 펄스 신호 생성기로부터 상기 제1 밸브에 입력되는 펄스 신호를 보정하는 신호 보정부로서의 기능을 컴퓨터에 발휘시키는 유체 제어 장치용 프로그램을 이용하면 좋다.

또, 유체 제어 장치용 프로그램은, 전자적으로 전송되는 것이라도 좋고, CD, DVD, HDD, 플래쉬 메모리 등의 프로그램 기억 매체에 기억된 것이라도 상관없다.

이와 같이 본 발명에 관한 유체 제어 장치에 의하면, 온(on) 기간에서의 압력 강하량의 시간 적분값에 근거하여 상기 제1 밸브의 개도가 펄스 제어되므로, 개도 그 자체를 피드백하여 펄스 제어하는 경우와 비교하여, 온(on) 기간에 상기 제1 밸브를 통과하는 유체의 유량 또는 압력의 제어 정밀도를 향상시킬 수 있다. 따라서, 각 온(on) 기간에서 각종 가스를 필요한 미소량만큼 성막 챔버에 정확하게 공급하는 것이 가능하게 되어, 예를 들면 ALD 등에서 고정밀도의 성막을 실현할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 유체 제어 장치, 및, 이 유체 제어 장치가 이용된 원자층 퇴적 장치를 나타내는 모식도이다.
도 2는 제1 실시 형태에서의 유체 제어 장치의 하드웨어, 및, 소프트 웨어의 구성을 나타내는 모식도이다.
도 3은 제1 실시 형태에서 제1 밸브에 입력되는 펄스 신호를 나타내는 모식적 그래프이다.
도 4는 제1 실시 형태에서의 펄스 제어에 의한 제1 밸브의 개도 변화와, 내부 용적에 있는 유체의 압력 변화와, 압력 강하량의 시간 적분값에 대해 나타내는 모식적 그래프이다.
도 5는 제1 실시 형태에서의 유체 제어 장치의 동작을 나타내는 플로우차트이다.
도 6은 종래의 유체 제어 장치와 제1 실시 형태의 유체 제어 장치의 제어 정밀도를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 유체 제어 장치의 하드웨어, 및, 소프트 웨어의 구성을 나타내는 모식도이다.
도 8은 제2 실시 형태에서의 유체 제어 장치의 동작을 나타내는 플로우차트이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 유체 제어 장치의 하드웨어, 및, 소프트 웨어의 구성을 나타내는 모식도이다.
도 10은 제3 실시 형태에서의 유체 제어 장치의 동작을 나타내는 플로우차트이다

＜제1 실시 형태의 구성＞

본 발명의 제1 실시 형태에 관한 유체 제어 장치(100)에 대해 도 1 내지 도 5를 참조하면서 설명한다. 제1 실시 형태의 유체 제어 장치(100)는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 원자층 퇴적 장치(200)(ALD)의 성막(成膜) 챔버(CH)에 대해서 각종 가스를 펄스 제어에 의해서 간헐적으로 공급하는 것이다. 상기 유체 제어 장치(100)는, 성막 챔버(CH)에 연통하는 제1 가스 공급 유로(L1)와, 제2 가스 공급 유로(L2)에 각각 1개씩 마련하고 있다. 제1 가스 공급 유로(L1)는, 예를 들면 프리커서(precursor)로 불리는 TMA 등의 성분 가스를 상기 성막 챔버(CH) 내에 공급하기 위한의 것이며, 제2 가스 공급 유로(L2)는, 예를 들면 수증기 가스를 상기 성막 챔버(CH) 내에 공급하기 위한 것이다.

제1 가스 공급 유로(L1)와, 제2 가스 공급 유로(L2)에 마련되어 있는 각 유체 제어 장치(100)는, 펄스 제어의 타이밍이 겹치지 않도록 하여, 성막 챔버(CH) 내에 성분 가스와 수증기 가스가 교호로 공급한다. 또, 각 유체 제어 장치(100)는, 1펄스에 의해 상기 성막 챔버(CH) 내에 1원자분(分)의 두께의 층이 형성되는데 필요 충분한 유량의 각종 가스가 공급되도록 구성되어 있다.

각 유체 제어 장치(100)는 거의 동일한 구성을 가지고 있으므로, 이하에서는 1개의 유체 제어 장치(100)에 주목하여, 그 상세에 대해서 도 2를 참조하면서 설명한다.

상기 유체 제어 장치(100)는, 유로에 대해서 상류측으로부터 차례로 저항체(1), 압력 센서(2), 제1 밸브(3)를 마련하고 있고, 상기 압력 센서(2)의 출력에 근거하여 상기 제1 밸브(3)를 펄스 제어하는 제어 기구(C)를 더 구비한 것이다.

상기 저항체(1)는, 예를 들면 유로 내에 유로 저항을 발생시키는 오리피스 등이다. 또, 제1 실시 형태에서는, 오리피스의 내경(內徑)은 고정되어 있어, 유로 저항이 고정되도록 하고 있다.

상기 압력 센서(2)는, 유로에서 상기 저항체(1)와 상기 제1 밸브(3)와의 사이의 부분인 내부 용적(5)에 있는 유체의 압력을 측정하는 것이다.

상기 제1 밸브(3)는, 예를 들면 피에조 액추에이터에 의해 밸브 본체를 구동하고, 밸브 본체와 밸브 시트와의 사이의 간극인 개도를 변경할 수 있게 구성되어 있다. 이 제1 밸브(3)는 변위 센서(4)를 더 내장하고 있고, 상기 밸브 본체의 변위량을 실측하여 개도를 측정할 수 있도록 구성되어 있다.

상기 제어 기구(C)는, 상기 제1 밸브(3)를 제어하는 것이며, 상기 제1 밸브(3)를 개방시키는 온(on) 기간과, 상기 제1 밸브(3)를 폐쇄시키는 오프(off) 기간을 교호로 상기 제1 밸브(3)에 반복시키는 것이다. 보다 구체적으로는, 상기 제어 기구(C)는, CPU, 메모리, A/D·D/A 컨버터, 입출력 수단 등을 구비한 이른바 컴퓨터로서, 상기 메모리에 격납되어 있는 유체 제어 장치(100)용 프로그램이 실행되어, 각종 기기가 협업하는 것에 의해 적어도 펄스 신호 생성기(6), 피드백값 산출부(7), 신호 보정부(8)로서의 기능을 발휘하도록 구성되어 있다.

상기 펄스 신호 생성기(6)는, 상기 제1 밸브(3)에 대해서 소정의 펄스 높이, 및, 소정의 펄스 폭을 가지는 펄스 신호를 입력한다. 제1 실시 형태에서는, 상기 펄스 신호 생성기(6)는, 상기 제1 밸브(3)의 피에조 액추에이터에 대해서, 도 3에 나타내는 바와 같은, 소정 주기마다 전압의 펄스 신호를 입력하도록 구성되어 있다. 즉, 상기 펄스 신호 생성기(6)가 펄스 신호를 상기 제1 밸브(3)에 대해서 입력하고 있는 동안은 상기 제1 밸브(3)가 개방되는 온(on) 기간이 되고, 각 펄스 신호의 사이이고 상기 제1 밸브(3)에 대해서 펄스 신호가 입력되어 있지 않은 동안은 제1 밸브(3)가 폐쇄되는 오프(off) 기간이 된다. 또, 펄스 신호의 펄스 높이에 대해서는 후술하는 보정부에 의해 순차적으로 변경 가능하게 구성되어 있지만, 펄스 폭, 및, 펄스 신호의 주기에 대해서는 고정되어 있다. 펄스 폭에 대해서는 예를 들면 10msec 오더로 설정되어 있고, 주기에 대해서는 100msec 오더로 설정되어 있다. 또, 펄스 폭, 펄스 신호의 주기에 대해서는 일례를 나타내는 것이며, 용도에 따라 적절히, 임의의 값으로 설정해도 괜찮다.

상기 피드백값 산출부(7)는, 상기 압력 센서(2)에서 측정되는 압력값에 근거하여, 온(on) 기간에 상기 내부 용적(5)에서 생긴 압력 강하량의 시간 적분값을 피드백값으로서 산출한다. 즉, 도 4의 그래프에 나타내는 바와 같이, 상기 제1 밸브(3)에 대해서 펄스 신호가 입력되고, 상기 제1 밸브(3)가 개방되면 내부 용적(5)에 충전되어 있는 가스가 상기 제1 밸브(3)를 통과하여, 내부 용적(5)의 가스의 양이 감소하기 때문에 압력 강하가 생긴다. 이 압력 강하는 펄스 신호의 입력이 개시되어, 상기 제1 밸브(3)가 개방되고 나서, 펄스 신호의 입력이 종료하여 상기 제1 밸브(3)가 폐쇄될 때까지 계속된다. 제1 실시 형태에서는 피드백값은 도 4의 그래프에서 해칭 부분에 상당하는 면적이며, 예를 들면 구분(區分) 구적법(求積法)에 의해 이 압력 강하량의 시간 적분값은 산출된다.

보다 구체적으로는, 상기 피드백값 산출부(7)는, 상기 압력 센서(2)에서 측정되는 압력값을 순차적으로 기억하는 압력값 기억부(71)와, 상기 압력값 기억부(71)에 기억되어 있는 압력값에 근거하여, 압력 강하량의 시간 적분값을 산출하는 적분값 산출부(72)를 구비하고 있다.

상기 압력값 기억부(71)는, 예를 들면 상기 펄스 신호 생성기(6)에 의해 상기 제1 밸브(3)에 대해서 펄스 신호가 입력된 시점으로부터 종료하는 시점까지의 압력값의 시계열 데이터를 기억하는 것이다.

상기 적분값 산출부(72)는, 상기 압력값 기억부(71)에 기억되어 있는 압력값의 시계열 데이터에 근거하여, 압력 강하량의 시간 적분값을 산출한다. 예를 들면, 상기 적분값 산출부(72)는, 제1 밸브(3)에 펄스 신호가 입력된 시점에서의 초기 압력값과, 각 시점에서 측정되는 압력값과의 차이에 샘플링 타임을 곱하여 구분 구적법에 의해 도 4의 해칭 부분의 면적을 산출하여, 피드백값으로서 출력한다.

상기 신호 보정부(8)는, 상기 피드백값과 기준값과의 편차에 근거하여, 상기 피드백값이 산출된 후에 상기 펄스 신호 생성기(6)로부터 상기 제1 밸브(3)에 입력되는 펄스 신호에 대해 보정한다. 보다 구체적으로는, 상기 신호 보정부(8)는, 어느 펄스 신호가 상기 제1 밸브(3)에 입력되었을 때의 압력 강하로부터 산출된 피드백값과, 기준값과의 편차가 작아지도록, 어느 펄스 신호 다음에 입력되는 펄스 신호의 펄스 높이를 보정한다. 이 때, 상기 신호 보정부(8)는, 상기 펄스 신호 생성기(6)의 설정을 변경함으로써 차회(次回)에 출력되는 펄스 신호의 펄스 높이를 변경한다. 즉, 상기 신호 보정부(8)에 의해서 상기 펄스 신호 생성기(6)로부터 출력되는 펄스 신호는, 1회전에 입력된 펄스 신호에 의해 얻어진 압력 강하량의 시간 적분값에 의해서 순차적으로 펄스 높이가 보정되게 된다.

여기서, 상기 기준값은, 미리 정해진 값으로서, 상기 제1 밸브(3)를 통과하는 유체의 유량이 목표 유량이 되는 경우에서의 압력 강하량의 시간 적분값의 실적값(實積値)이다. 즉, 1회의 온(on) 기간에서 성막 챔버(CH)로 흘리고 싶은 목표 유량에 상당하는 압력 강하량의 시간 적분값을 기준값으로서 미리 실험 등에 의해 취득하고 있다.

＜제1 실시 형태의 동작＞

다음으로 제1 실시 형태의 유체 제어 장치(100)에 의한 유량의 펄스 제어에 관한 동작에 대해 도 5의 플로우 차트를 참조하면서 설명한다.

먼저, 상기 내부 용적(5)에 충분한 압력의 가스가 충전되어 있는 상태로부터, 상기 유체 제어 장치(100)가, 펄스 제어에 의한 유량 제어를 개시한다. 즉, 상기 펄스 신호 생성기(6)는 초기 설정의 펄스 높이, 펄스 폭으로 펄스 신호를 상기 제1 밸브(3)에 대해서 입력한다(스텝 S1).

상기 제1 밸브(3)는, 상기 펄스 신호의 펄스 폭분(分)에 상당하는 소정 시간 동안, 개방된다(스텝 S2). 상기 제1 밸브(3)가 개방되어 있는 동안은 상기 내부 용적(5)에 충전되어 있는 가스는, 상기 제1 밸브(3)를 통과하여 성막 챔버(CH)로 흐른다. 따라서, 내부 용적(5)에 있는 가스의 압력은 온(on) 기간 동안, 도 4의 그래프에 나타내는 바와 같이 계속 저하된다 (스텝 S3). 상기 제1 밸브(3)로의 펄스 신호의 입력이 종료되면, 상기 제1 밸브(3)가 폐쇄된 상태가 소정 시간 유지된다(스텝 S4). 상기 제1 밸브(3)가 폐쇄되어 있는 동안은, 상류측으로부터 새로운 가스가 상기 저항체(1)를 통과하여 상기 내부 용적(5) 내에 충전되어, 가스의 압력이 상승하게 된다(스텝 S5).

스텝 S2로부터 스텝 S5와 병행하여, 상기 피드백값 산출부(7)는, 상기 제1 밸브(3)가 개방되고 나서 폐쇄될 때까지의 온(on) 기간 동안에서의 압력 강하량의 시간 적분값을 피드백값으로서 산출한다(스텝 S6). 그 후, 상기 신호 보정부(8)는, 피드백값과 기준값과의 편차에 근거하여, 상기 펄스 신호 생성기(6)로부터 다음에 출력되는 펄스 신호의 펄스 높이를 보정한다(스텝 S7). 예를 들면, 피드백값이 기준값에 대해서 작은 경우에는, 유량이 부족하므로 펄스 높이가 전회 보다도 높게 되도록 변경된다. 반대로 피드백값이 기준값에 대해서 큰 경우에는, 유량이 과잉인 상태이므로, 펄스 높이가 전회(前回)보다도 낮게 되도록 변경된다.

다음으로 상기 펄스 신호 생성기(6)는, 미리 정해진 규정수(規定數)의 펄스 신호를 출력했는지의 여부를 판정하고(스텝 S8), 아직 규정수에 도달하고 있지 않은 경우에는, 스텝 S8에서 보정된 펄스 높이를 가지는 펄스 신호를 전회와 동일 펄스 폭으로 상기 제1 밸브(3)에 대해서 입력한다(스텝 S9).

이후는, 펄스 신호가 상기 제1 밸브(3)에 대해서 규정수 입력될 때까지의 동안은 스텝 S2~S9의 동작이 반복된다. 모든 사이클이 완료한 후, 상기 유체 제어 장치의 동작이 종료된다.

＜제1 실시 형태의 효과＞

이와 같이 구성된 제1 실시 형태의 유체 제어 장치(100)에 의하면, 온(on) 기간에서의 압력 강하량의 시간 적분값을 피드백값으로서, 상기 제1 밸브(3)에 입력되는 펄스 신호의 펄스 높이가 순차적으로 보정되도록 하고 있으므로, 각 온(on) 기간에서 상기 제1 밸브(3)를 통과하는 가스의 유량을 목표 유량으로 균일하게 유지할 수 있다.

보다 구체적으로는, 도 6의 그래프에 나타내는 바와 같이, 종래와 같이 상기 제1 밸브(3)의 개도를 피드백하여 펄스 제어하는 경우와 비교하여, 제1 실시 형태와 같이 압력 강하량의 시간 적분값을 피드백하여 펄스 제어를 행하면, 피드백되는 값과 실제로 흐르는 유량과의 사이의 선형성을 종래보다도 향상시킬 수 있다. 따라서, 종래와 같이 개도를 실측하여 피드백하는 경우와 비교하여, 실제 유량의 제어 정밀도를 보다 높일 수 있다.

이들로부터, 각 펄스 신호에 의해 상기 제1 밸브(3)를 통과시켜 성막 챔버(CH) 내에 유입되는 각 가스의 유량을 예를 들면 원자 1개분의 막을 형성하는데 필요 충분한 양에 조정할 수 있어, 고품질의 성막을 ALD에서 실현할 수 있다.

또, 상기 신호 보정부(8)는 펄스 높이만을 변경하여 상기 제1 밸브(3)가 개방되어 있는 상태에서 흐르는 가스의 유량을 조정하고, 펄스 폭 및 주기는 고정하고 있으므로, 예를 들면 다수의 사이클을 실시하여, 성막 챔버(CH) 내에 가스를 도입하는 경우에서도 개시로부터 종료까지 걸리는 시간은 변화하지 않는다. 즉, ALD에서 설정되는 레시피를 유량의 정밀도에 대해서는 높이면서, 프로세스 타임에 대해서는 변화시키지 않고, 고생산성을 유지할 수 있다.

＜제2 실시 형태의 구성＞

다음으로 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 유체 제어 장치(100)에 대해 도 7 및 도 8을 참조하면서 설명한다.

제2 실시 형태의 유체 제어 장치(100)는, 제1 실시 형태와 비교하여, 저항체(1)가 제2 밸브(1)인 점과, 제어 기구(C)가 상기 제2 밸브(1)를 제어하는 제2 밸브 제어부(9)를 구비하고 있는 점이 다르다. 구체적으로는, 제2 실시 형태에서는 상기 제2 밸브(1)의 개도를 변경하는 것에 의해 내부 용적(5)에 대해서 유입하는 유체에 대한 유로 저항을 조정할 수 있도록 되어 있다.

상기 제2 밸브(1)는, 상기 제1 밸브(3)와 마찬가지로 피에조 액추에이터에 의해서 밸브 본체를 구동하고, 밸브 시트에 대한 밸브 본체의 위치인 개도를 변경할 수 있게 구성되어 있다.

상기 제2 밸브 제어부(9)는, 상기 압력 센서(2)에 의해 측정되는 내부 용적(5) 내의 가스의 압력값에 근거하여, 상기 제2 밸브(1)의 개도를 제어한다. 구체적으로는, 상기 압력 센서(2)에서 측정되는 압력값과, 미리 정해진 설정 압력값과의 편차가 작아지도록 상기 제2 밸브(1)에 인가하는 전압을 제어한다. 여기서, 설정 압력값은, 목표 유량을 실현하기 위해서 상기 제1 밸브(3)에 펄스 신호를 입력하여 개방시키는 시점에서 상기 내부 용적(5)가 유지하고 있어야 할 압력값이다. 제2 실시 형태에서는, 상기 제2 밸브(1)를 제어함으로써, 상기 제1 밸브(3)가 적어도 개방되기 직전에 동일 압력이 상기 내부 용적(5)에 충전되도록 구성되어 있다.

＜제2 실시 형태의 동작＞

제2 실시 형태의 유체 제어 장치(100)는, 도 8의 플로우 차트에 나타내는 바와 같이 제1 실시 형태의 유체 제어 장치(100)와 동일한 스텝 S1~S9까지의 동작을 행하지만, 스텝 S1을 실행하기 전의 상태로부터 모든 사이클이 완료할 때까지의 동안에, 상기 제2 밸브(1)를 상기 압력 센서(2)에서 측정되는 압력값이, 설정 압력값이 되도록 압력 피드백에 의한 개도 제어가 계속된다(스텝 S0).

＜제2 실시 형태의 효과＞

이와 같이 구성된 유체 제어 장치(100)이면, 상기 제1 밸브(3)에 대해서 펄스 신호를 입력하여 온(on) 기간을 실시하기 전에 상기 제2 밸브(1)에 의해서 상기 내부 용적(5)에서의 가스의 압력을 설정 압력값으로 유지되도록 하고 있으므로, 각 온(on) 기간의 개시시에 상기 제1 밸브(3)의 전후의 차압(差壓)을 항상 일정하게 유지할 수 있다. 이 때문에, 펄스 높이 이외의 제어 대상이 아닌 물리량을 일정하게 유지할 수 있으므로, 각 사이클에서 상기 제1 밸브(3)를 통과하는 가스의 유량의 제어 정밀도를 더 향상시킬 수 있다.

다음으로 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 유체 제어 장치(100)에 대해 도 9 및 도 10을 참조하면서 설명한다.

제3 실시 형태의 유체 제어 장치(100)는, 제2 실시 형태와 비교하여, 제1 밸브(3)가 압력 강하량의 시간 적분값을 피드백하는 것이 아니라, 변위 센서(4)에서 측정되는 실제 개도를 피드백함으로써 제어되는 점이 다르다.

보다 구체적으로는, 제3 실시 형태의 제어 기구(C)에는 제1및 제2 실시 형태에서의 피드백값 산출부(7)가 생략되어 있다.

게다가 상기 신호 보정부(8)는, 상기 변위 센서(4)에서 측정되는 실제 개도와, 미리 정해진 설정 개도와의 편차에 근거하여, 상기 펄스 신호 생성기(6)로부터 출력되는 펄스 신호의 펄스 높이를 보정하도록 구성되어 있다. 구체적으로는, 상기 신호 보정부(8)는 어떤 펄스 신호가 출력되었을 때의 상기 제1 밸브(3)의 개도를 상기 변위 센서(4)에서 측정해 두고, 그 실제 개도에 근거하여 차회(次回)의 펄스 신호의 펄스 높이로 실현하고 있는 개도를 설정 개도에 가까워지도록 상기 펄스 신호 생성기(6)의 설정을 변경하도록 구성되어 있다.

상기 설정 개도는, 예를 들면 상기 제1 밸브(3)의 상류측이 설정 압력으로 유지되어 있고, 하류측이 거의 진공으로 유지되어 있는 상태에서 목표 유량을 흘리기 위해서 필요한 개도의 실적값이다.

＜제3 실시 형태의 유체 제어 장치(100)의 동작＞

제3 실시 형태의 유체 제어 장치(100)의 동작은, 도 8에 나타내는 제2 실시 형태의 유체 제어 장치(100)의 동작과 비교하여, 스텝 S6 및 스텝 S7의 동작만이 다르다. 즉, 제3 실시 형태의 유체 제어 장치(100)에서는, 온(on) 기간에서 상기 제1 밸브(3)가 실현하고 있는 개도를 상기 변위 센서(4)에서 실측하고(스텝 S6'), 실제 개도와 설정 개도에 근거하여 차회에 출력되는 펄스 신호의 펄스 높이의 보정량을 변경한다(스텝 S7').

＜제3 실시 형태의 유체 제어 장치(100)의 효과＞

이와 같이 구성된 제3 실시 형태의 유체 제어 장치(100)이면, 상기 제2 밸브(1)에 의해 내부 용적(5)의 압력을 설정 압력으로 유지되도록 하고 있으므로, 개도 피드백에 의해 제1 밸브(3)를 펄스 제어해도, 종래보다도 유량의 제어 정밀도를 향상시킬 수 있다.

또, 피드백값을 산출하기 위한 적분 등의 연산을 행하지 않아도 좋고, 연산 부하가 작으므로, 펄스 폭, 및, 주기가 짧고, 연산에 걸리는 시간이 짧은 경우에도 충분히 여유를 가져 개도 피드백이 가능하다. 즉, 제어 기구(C)에서 고속의 CPU 등을 이용하지 않아도 각 사이클에서 고정밀도로 유량을 제어할 수 있다.

게다가, 상기 제2 밸브(1)에 의해 상기 내부 용적(5)에서의 가스의 압력이 일정하게 유지되도록 제어되므로, 상기 제2 밸브(1)보다도 상류측에서 가스의 압력에 변동이 있었다고 해도, 그러한 변동은 상기 제1 밸브(3)를 통과하는 가스의 유량의 제어 정밀도에 대해서 영향이 거의 나타나지 않도록 할 수 있다. 즉, 유량 제어의 로버스트성(robust性)을 높게 할 수 있다. 게다가, 넓은 유량 레인지에 대해서 개도와 유량과의 사이의 선형성을 실현할 수 있으므로, 예를 들면 1개의 교정 곡선만을 결정하는 것만으로, 넓은 레인지에서 유량 제어를 정밀도 좋게 실현할 수 있다.

그 외의 실시 형태에서 설명한다.

각 실시 형태에서는, 펄스 신호의 펄스 높이를 보정함으로써, 각 사이클에서 제1 밸브를 통과하는 유체의 유량이 일정값으로 유지되도록 하고 있었지만, 예를 들면 펄스 신호의 펄스 폭을 보정함으로써 유량 제어를 행하도록 해도 괜찮다. 또, 펄스 높이와 펄스 폭 양쪽 모두를 보정함으로써 각 사이클에서의 유량이 일정하게 유지되도록 해도 괜찮다.

신호 보정부에서 이용되는 기준값에 대해서는, 미리 정해 두는 것이 아니라, 펄스 제어를 개시하고 나서부터의 수(數) 펄스를 조정용 펄스로서 사용하여 설정해도 괜찮다. 구체적으로는, 펄스 제어 개시후의 수(數) 펄스에서 실측되는 압력 강하량의 시간 적분값이 목표 유량에 상당하는 값으로 된 경우의 것을 기준값으로 해도 좋다. 또, 펄스 제어 개시시의 수(數) 펄스에서만 압력 강하량의 시간 적분값이 피드백되어, 기준값과 동일한 시간 강하량의 적분값을 실현할 수 있으면, 이후에 대해서는 신호 보정부를 동작시키지 않고 동일한 펄스 높이, 펄스 폭으로 계속 동작하도록 해도 괜찮다.

상기 실시 형태에서는, 신호 보정부는 어떤 펄스 신호에 대해서 1개 전에 출력된 펄스 신호에 의한 온(on) 기간에서 발생한 압력 강하량의 적분값에 근거하여 펄스 높이, 또는, 펄스 폭을 보정하고 있었지만, 예를 들면 2개 전, 3개 전에 출력되는 펄스 신호에 의한 온(on) 기간에서 발생한 압력 강하량의 적분값에 근거하여 현재 출력하는 펄스 신호를 보정하도록 구성해도 괜찮다. 또, 어느 펄스 신호에 의한 온(on) 기간에서 생기고 있는 압력 강하량의 적분값에 근거하여, 동일한 온(on) 기간 중에 펄스 신호의 펄스 높이, 또는, 펄스 폭을 보정하도록 해도 괜찮다. 예를 들면 온(on) 기간의 전반(前半)에서 얻어진 압력 강하량의 적분값에 근거하여, 기준값과 비교하여, 온(on) 기간의 후반(後半)의 펄스 신호에 대해 보정하도록 해도 괜찮다. 또, 예를 들면 압력 강하량의 적분값을 순차적으로 산출하면서, 동시에 펄스 신호의 펄스 높이를 순차적으로 변경하도록 해도 괜찮다.

유체 제어 장치는, 제1 밸브를 통과하는 유체의 유량을 제어하는 것이 아니라, 압력을 제어하는 것이라도 상관없다.

본 발명에 관한 유체 제어 장치는, ALD에 한정되지 않고 여러 가지 용도에 유체를 펄스 공급하기 위해서 이용해도 상관없다.

제1 밸브, 제2 밸브에 대해서는 피에조 액추에이터를 이용한 것에 한정되지 않고, 솔레노이드 등의 여러가지 액츄에이터에 의해 밸브 본체를 구동하는 것이라도 상관없다.

저항체에 대해서도 유로 저항을 형성하는 것이면 좋고, 각 실시 형태에 기재한 것에 한정되지 않는다.

압력 강하량의 시간 적분값을 산출하는 방법에 대해서는 구분 구적법에 한정되지 않고, 여러가지 방법으로 산출해도 괜찮다. 예를 들면, 온(on) 기간의 개시점과 종료점에서의 압력값만을 기초로 하여, 삼각형의 영역의 면적을 압력 강하량의 시간 적분값의 근사값으로서 이용하도록 해도 괜찮다.

그 외, 본 발명의 취지에 반하지 않는 한에서 여러가지 실시 형태의 조합이나 변형을 행해도 상관없다.

100 - 유체 제어 장치 1 - 저항체(제2 밸브)
2 - 압력 센서 3 - 제1 밸브
4 - 변위 센서 5 - 내부 용적
6 - 펄스 신호 생성기 7 - 피드백값 산출부
71 - 압력값 기억부 72 - 적분값 산출부
8 - 신호 보정부 9 - 제2 밸브 제어부

Claims

유체가 흐르는 유로에 마련된 저항체와,
상기 유로에서 상기 저항체보다도 하류측에 마련된 제1 밸브와,
상기 유로에서 상기 저항체와 상기 제1 밸브와의 사이에 마련되고, 상기 저항체와 상기 제1 밸브와의 사이의 내부 용적에서의 유체의 압력을 측정하는 압력 센서와,
상기 제1 밸브를 제어하는 제어 기구를 구비하며,
상기 제어 기구가,
상기 제1 밸브에 대해서 소정의 펄스 높이, 및, 소정의 펄스 폭을 가지는 펄스 신호를 입력하는 펄스 신호 생성기와,
상기 압력 센서에서 측정되는 압력값에 근거하여, 상기 제1 밸브가 개방되어 있는 온(on) 기간에 상기 내부 용적에서 생긴 압력 강하량(降下量)의 시간 적분값을 피드백값으로서 산출하는 피드백값 산출부와,
상기 피드백값과, 기준값과의 편차에 근거하여, 상기 펄스 신호 생성기로부터 상기 제1 밸브에 입력되는 펄스 신호를 보정하는 신호 보정부를 구비한 유체 제어 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 기준값이, 상기 제1 밸브를 통과하는 유체의 유량이 목표 유량이 되는 경우에서의 압력 강하량의 시간 적분값의 실적값(實績値)인 유체 제어 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 신호 보정부가, 상기 피드백값과 상기 기준값과의 편차가 작아지도록 상기 펄스 신호의 펄스 폭을 일정하게 한 채로 펄스 높이를 변경하도록 구성된 유체 제어 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 신호 보정부가, 상기 피드백값과 상기 기준값과의 편차가 작아지도록 상기 펄스 신호의 펄스 높이를 일정하게 한 채로 펄스 폭을 변경하도록 구성된 유체 제어 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 저항체가, 개도(開度)를 제어할 수 있는 제2 밸브이며,
상기 제어 기구가,
상기 제1 밸브를 폐쇄시키는 오프(off) 기간에서, 상기 압력 센서에서 측정되는 압력값과, 설정 압력값과의 편차가 작아지도록 상기 제2 밸브를 제어하는 제2 밸브 제어부를 더 구비한 유체 제어 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 밸브가, 그 개도를 측정하는 변위 센서를 더 구비하는 유체 제어 장치.
유체가 흐르는 유로에 마련된 저항체인 제2 밸브와,
상기 유로에서 상기 저항체보다도 하류측에 마련된 제1 밸브와,
상기 유로에서 상기 저항체와 상기 제1 밸브와의 사이에 마련되고, 상기 저항체와 상기 제1 밸브와의 사이의 내부 용적에서의 유체의 압력을 측정하는 압력 센서와,
상기 제1 밸브 및 상기 제2 밸브를 제어하는 제어 기구를 구비하며,
상기 제1 밸브가, 그 개도를 측정하는 변위 센서를 더 구비하고,
상기 제어 기구가,
상기 제1 밸브를 폐쇄시키는 오프(off) 기간에서, 상기 압력 센서에서 측정되는 압력값과, 설정 압력값과의 편차가 작아지도록 상기 제2 밸브를 제어하는 제2 밸브 제어부와,
상기 제1 밸브에 대해서 소정의 펄스 높이, 및, 소정의 펄스 폭을 가지는 펄스 신호를 입력하는 펄스 신호 생성기와,
상기 제1 밸브를 개방시키는 온(on) 기간에서 상기 변위 센서에서 측정되는 측정 개도와 미리 정해진 설정 개도와의 편차에 근거하여, 상기 펄스 신호 생성기로부터 상기 제1 밸브에 입력되는 펄스 신호를 보정하는 신호 보정부를 구비한 유체 제어 장치.
유체가 흐르는 유로에 마련된 저항체와, 상기 유로에서 상기 저항체보다도 하류측에 마련된 제1 밸브와, 상기 유로에서 상기 저항체와 상기 제1 밸브와의 사이에 마련되고, 상기 저항체와 상기 제1 밸브와의 사이의 내부 용적에서의 유체의 압력을 측정하는 압력 센서를 구비한 유체 제어 장치를 이용한 유체 제어 방법으로서,
상기 제1 밸브를 제어하는 제어 스텝을 구비하며,
상기 제어 스텝이,
상기 제1 밸브에 대해서 소정의 펄스 높이, 및, 소정의 펄스 폭을 가지는 펄스 신호를 입력하는 펄스 신호 생성 스텝과,
상기 압력 센서에서 측정되는 압력값에 근거하여, 상기 제1 밸브를 개방시키는 온(on) 기간에 상기 내부 용적에서 생긴 압력 강하량의 시간 적분값을 피드백값으로서 산출하는 피드백값 산출 스텝과,
상기 피드백값과, 기준값과의 편차에 근거하여, 상기 펄스 신호 생성 스텝에서 상기 제1 밸브에 입력되는 펄스 신호를 보정하는 신호 보정 스텝을 구비한 유체 제어 방법.
유체가 흐르는 유로에 마련된 저항체와, 상기 유로에서 상기 저항체보다도 하류측에 마련된 제1 밸브와, 상기 유로에서 상기 저항체와 상기 제1 밸브와의 사이에 마련되고, 상기 저항체와 상기 제1 밸브와의 사이의 내부 용적에서의 유체의 압력을 측정하는 압력 센서와, 상기 제1 밸브를 제어하는 제어 기구를 구비하며, 상기 제어 기구가 컴퓨터를 구비한 유체 제어 장치에 이용되는 유체 제어 장치용 프로그램이 기록된 프로그램 기록 매체로서,
상기 제1 밸브에 대해서 소정의 펄스 높이, 및, 소정의 펄스 폭을 가지는 펄스 신호를 입력하는 펄스 신호 생성기(生成器)와,
상기 압력 센서에서 측정되는 압력값에 근거하여, 상기 제1 밸브를 개방시키는 온(on) 기간에 상기 내부 용적에서 생긴 압력 강하량의 시간 적분값을 피드백값으로서 산출하는 피드백값 산출부와,
상기 피드백값과, 기준값과의 편차에 근거하여, 상기 펄스 신호 생성기로부터 상기 제1 밸브에 입력되는 펄스 신호를 보정하는 신호 보정부로서의 기능을 컴퓨터에 발휘시키는 유체 제어 장치용 프로그램이 기록된 프로그램 기록 매체.