KR20060054461A - 챔버의 내압 제어 장치 및 내압 피제어식 챔버 - Google Patents

챔버의 내압 제어 장치 및 내압 피제어식 챔버 Download PDF

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아츠시 마츠모토
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노부카즈 이케다
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Abstract

본 발명은 유량의 제어 정밀도가 소유량 영역에서 대폭 저하하는 것을 방지하고, 전체 유량 제어 영역에 걸쳐서 고정밀도의 유량 제어를 가능하게 함으로써 챔버로 공급되는 가스 유량을 조정해서 챔버 내압을 광범위에 걸쳐서 고정밀도로 제어한다. 구체적으로는, 본 발명은 병렬상으로 접속된 복수 기의 압력식 유량 제어 장치와, 복수 기의 압력식 유량 제어 장치의 작동을 제어하는 제어 장치로 형성되고, 진공 펌프에 의해 배기된 챔버로 소망의 가스를 유량 제어하면서 공급하는 챔버로의 가스 공급 장치에 있어서, 1기의 압력식 유량 제어 장치를 챔버로 공급하는 최대 유량 중 많아도 10%까지의 가스 유량 영역을 제어하는 장치로 하고, 잔여의 압력식 유량 제어 장치를 나머지의 가스 유량 영역을 제어하는 장치로 하고, 더욱이 챔버에 압력 검출기를 설치함과 아울러 상기 압력 검출기의 검출값을 제어 장치로 입력하고, 압력식 유량 제어 장치로의 제어 신호를 조정해서 챔버로의 가스 공급량을 제어함으로써 챔버 내압을 제어한다.
챔버의 내압 제어 장치, 내압 피제어식 챔버, 가스 유량 제어부

Description

챔버의 내압 제어 장치 및 내압 피제어식 챔버{DEVICE FOR CONTROLLING CHAMBER INNER PRESSURE AND INNER PRESSURE CONTROLLED-TYPE CHAMBER}
본 발명은 반도체 제조 장치 등에서 이용되는 챔버의 내압 제어 장치 및 내압 피제어식 챔버에 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 나타내는 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 공급되는 유체의 스위칭 및 그 유량 조정을 자동적으로 행하는 구성으로 되어 있다(일본 특허 공개 평 11-212653호 등).
또한, 상기 압력식 유량 제어 장치(C1, C2, C3)는, 도 9에 나타낸 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 차이(Qy)가 0이 되도록 컨트롤 밸브(V0)를 개폐[오리피스 상류측 압력(P1)을 조정]하는 구성으로 되어 있다. 또한, A/D는 신호 변환기, AP는 증폭기이다( 일본 특허 공개 평 8-338546호).
또한, 상기 프로세스 챔버(E)는, 도 10에 나타낸 바와 같이, 자동 압력 조정기(APC) 및 컨덕턴스 밸브(CV)를 구비한 비교적 대구경의 진공 배기 라인(Ex)을 통하여 진공 펌프(VP)를 연속적으로 운전함으로써 그 내압이 설정값(10-6∼102 Torr)으로 유지되어 있다.
그런데, 상기 진공 펌프(VP)로서는 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, 압축비가 큰 대배기 용량의 1대의 진공 펌프에 의한 배기 시스템은 제조 가격 등의 점에 문제가 있기 때문에 그다지 이용에 제공되지 않고 있다.
또한, 챔버(E)의 내압의 유지는 오로지 진공 배기 시스템측의 운전 제어에 의해서만 행해지고 있고, 구체적으로는 자동 압력 조정기(APC)나 컨덕턴스 밸브(CV)의 개도(開度)를 조정함으로써 소정의 설정 내압을 유지하도록 하고 있다.
그러나, 상기 도 10의 프로세스 챔버(E)에 있어서는 고압축도로, 게다가 배기 유량이 큰 터보 분자 펌프 등의 1차 진공 펌프(VP1) 등을 연속적으로 운전할 필요가 있을 뿐만 아니라, 1차 진공 펌프(VP1)나 2차 진공 펌프(VP2)의 부하를 경감할 필요가 있기 때문에, 진공 배기계(Ex)의 관지름을 비교적 큰 지름으로 해야만 하고, 아울러 컨덕턴스 밸브(CV)나 자동 압력 조정기(APC) 등을 필요로 한다. 그 결과, 진공 챔버(E)의 설비비나 런닝 코스트(running cost)가 높아지고, 그 인하를 도모하지 않는다고 하는 문제가 있다.
또한, 상기 도 10의 프로세스 챔버(E)에 있어서는 자동 압력 조정기(APC) 등의 운전 제어만으로 챔버 내압을 제어하도록 하고 있기 때문에, 소위 압력 제어의 응답성이 나빠서 챔버 내압의 조정에 시간이 지나치게 걸리고, 결과적으로 프로세스 챔버의 가동률이 저하되거나, 처리 제품의 품질에 변화가 생긴다고 하는 문제가 있다.
한편, 챔버(E)의 내압 제어의 응답성을 높이기 위해서는 배기측의 제어에 중첩되어 챔버(E)내로 공급되는 가스 유량을 제어하는 방책이 고려된다.
그러나, 챔버(E)내로의 가스 공급 유량을 조정함으로써 챔버 내압을 고정밀도로, 게다가 광범위에 걸쳐서 조정하기 위해서는 챔버(E)로 공급되는 가스의 유량 제어 정밀도를 대폭 높일 필요가 있다.
그런데, 상기 도 8에 나타낸 챔버로의 유체 공급 장치는 그 사용하는 압력식 유량 제어 장치(C1∼C3)가 챔버(E)측의 내압 변동에 영향을 받지 않는다고 하는 특성을 구비하고 있기 때문에, 임계 조건이 유지되어 있는 한 챔버 내압이 변동되어도 비교적 안정한 공급 가스의 유량 제어를 행할 수 있고, 뛰어난 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 정밀도를 높이는 것이다.
예컨대, 정격 유량이 1SLM(표준 상태로 환산한 기체 유량)인 압력식 유량 제 어 장치의 유량 제어 정밀도를 설정 10% 이하에서 0.1% F.S.로 하면, 설정 1%의 제어 유량값에는 최대 1SCCM의 오차가 포함되어 있을 가능성이 있다. 그 때문에, 제어 유량이 정격 유량의 10% 이하(예컨대 10∼100SCCM 이하)로 되면, 상기 1SCCM의 오차의 영향이 무시될 수 없게 되고, 결과적으로 정격 용량이 1SLM의 유량 제어 장치이면, 100SCCM 이하의 소유량 영역은 고정밀도의 유량 제어가 될 수 없다고 하는 문제가 있다.
[특허문헌1] 일본 특허 공개 평 11-212653호 공보
[특허문헌2] 일본 특허 공개 평 8-338546호 공보
본 발명은 종전의 압력식 유량 제어 장치를 구비한 진공 챔버의 내압 제어에 있어서의 상술한 바와 같은 문제, 즉 (1) 챔버의 내압 제어의 응답성이 낮은 것, (2) 가스 공급 장치의 압력식 유량 제어 장치는 소유량 영역에 있어서의 유량 제어 정밀도가 저하되기 때문에 유량 제어 범위가 약 1∼100%의 범위로 한정되고, 1% 이하의 유량 범위의 고정밀도의 유량 제어가 곤란해진다. 그 결과, 챔버로의 공급 가스량을 제어함으로써 챔버 내압을 고정밀도로 조정하는 것이 곤란한 것, (3) 진공 챔버의 진공 배기계의 설비의 소형화, 설비비나 런닝 코스트의 인하가 도모되기 어려운 것 등의 문제를 해결하지 못하는 것이며, 소요 최대 설정 유량의 0.1% ∼100%의 광범위에 걸쳐서 진공 챔버의 내압 변동과 무관하게 고정밀도의 유량 제어가 행해지도록 한 유체 공급 장치를 이용하여, 넓은 압력 범위에 걸쳐서 고정밀도로 또한 높은 응답성으로 진공 챔버의 내압 제어를 행하도록 한 챔버 내압 제어 장치를 제공함과 아울러, 상기 챔버 내압 제어 장치를 적용함으로써 내압을 고정밀도로 제어하도록 한 내압 피제어식 챔버를 제공하는 것을 발명의 주된 목적으로 하는 것이다.
청구항 1의 발명은 공급 가스 입력부; 공급 가스 출력부; 상기 가스 입력부와 가스 출력부 사이에 배치된 가스 유량 제어부; 및 상기 공급 가스 출력을 받는 챔버의 압력 데이터를 상기 가스 유량 제어부에 제공하는 수단을 갖는 챔버의 내압 제어 장치에 있어서: 상기 가스 유량 제어부는 병렬상으로 접속된 복수 기의 압력식 유량 제어 장치, 및 상기 복수 기의 압력식 유량 제어 장치의 작동을 제어하는 제어 장치를 구비하고, 상기 압력식 유량 제어 장치를 오리피스와, 오리피스 상류측의 압력 검출기와, 압력 검출기의 상류측에 설치된 컨트롤 밸브와, 압력 검출기의 검출 압력(P1)으로부터 오리피스를 통과하는 가스 유량(Qc)을 Qc=KP1(단, K는 정수)에 의해 연산하여 설정 유량(Qs)과의 차이(Qy)를 컨트롤 밸브로 구동용 신호로서 출력하는 연산 제어부를 포함해서 형성하고, 오리피스 상류측 압력(P1)을 하류측 압력(P2)의 약 2배 이상으로 유지한 상태하에서 사용하는 압력식 유량 제어 장치로 함과 아울러, 상기 복수 기 중 1기의 압력식 유량 제어 장치를 챔버로 공급하는 최대 유량 중 많아도 10%까지의 가스 유량 영역을 제어하는 장치로 하여 잔여의 압력식 유량 제어 장치를 나머지의 가스 유량 영역을 제어하는 장치로 하고, 상기 압력 데이터를 상기 제어 장치로 입력하여 상기 압력식 유량 제어 장치로의 제어 신호를 조정하고, 상기 가스 출력부로의 가스 공급량을 제어하도록 한 것을 발명의 기본 구성으로 하는 것이다.
청구항 2의 발명은 청구항 1의 발명에 있어서, 제어 장치가 챔버로 공급하는 가스 유량을 설정하는 입력 설정부, 상기 입력 설정부로의 입력값을 유량 제어 신호로 변환하는 제 1 신호 변환부, 챔버내의 검출 압력을 유량 제어 신호로 변환하는 제 2 신호 변환부, 및 양 신호 변환부로부터의 유량 제어 신호의 비교 보정부를 구비하고, 상기 비교 보정부로부터 각 압력식 유량 제어 장치로 보정된 제어 신호를 발신함으로써 챔버로의 가스 공급량을 제어하는 구성으로 한 것이다.
청구항 3의 발명은 청구항 1의 발명에 있어서, 상기 병렬상으로 접속되는 압력식 유량 제어 장치를 2기로 하고, 한쪽을 소유량 영역을 제어하는 소유량 레인지의 압력식 유량 제어 장치로 하고, 다른 쪽을 대유량 영역을 제어하는 대유량 레인지의 압력식 유량 제어 장치로 한 것이며, 또한, 청구항 4의 발명은 소유량용의 압력식 유량 제어 장치의 유량 제어 영역을 챔버로 공급하는 최대 유량의 0.1∼10%로 하도록 하고, 또한 대유량용의 압력식 유량 제어 장치의 유량 제어 영역을 챔버로 공급하는 최대 유량의 10∼100%로 하도록 한 것이다.
청구항 5의 발명은 청구항 1 또는 청구항 3의 발명에 있어서, 제어 장치의 신호 변환부로부터 발신된 제어 신호에 의해 복수 기의 압력식 유량 제어 장치를 그 제어 유량 영역이 작은 압력식 유량 제어 장치로부터 차례대로 작동시키는 구성으로 한 것이다.
청구항 6의 발명은 청구항 1의 발명에 있어서, 진공 배기계에 가스를 유입시킴으로써 배기 속도를 가변시킬 수 있는 구성의 진공 배기계로 한 것이다.
청구항 7의 발명은 청구항 1의 발명에 있어서, 상기 병렬상으로 접속된 복수 기의 압력식 유량 제어 장치를 4개 이상의 유닛으로 설치하고, 복수 종류의 가스를 챔버로 공급하는 구성으로 한 것이다.
청구항 8의 발명은 청구항 2의 발명에 있어서, 제어 장치에 각 유량 영역을 분담하는 압력식 유량 제어 장치로 발신하는 제어 신호의 상승율 설정 기구를 설치하고, 상기 제어 신호의 발신으로부터 소정의 시간 경과후에 상기 압력식 유량 제어 장치가 설정 유량의 가스 유량을 공급하는 구성으로 한 것이다.
청구항 9의 내압 피제어식 챔버의 발명은 진공 펌프에 의해 배기되는 챔버와 상기 챔버로 소망의 가스를 유량 제어하면서 공급하는 가스 공급 수단을 포함하고, 상기 가스 공급 수단은 병렬상으로 접속된 복수 기의 압력식 유량 제어 장치, 및 상기 복수 기의 압력식 유량 제어 장치의 작동을 제어하는 제어 장치를 구비하고, 상기 압력식 유량 제어 장치를 오리피스와, 오리피스 상류측의 압력 검출기와, 압력 검출기의 상류측에 설치된 컨트롤 밸브와, 압력 검출기의 검출 압력(P1)으로부터 오리피스를 통과하는 가스 유량(Qc)을 Qc=KP1(단, K는 정수)에 의해 연산하여 설정 유량(Qs)과의 차이(Qy)를 컨트롤 밸브로 구동용 신호로서 출력하는 연산 제어부를 포함해서 형성하고, 오리피스 상류측 압력(P1)을 하류측 압력(P2)의 약 2배 이상으로 유지한 상태하에서 사용하는 압력식 유량 제어 장치로 함과 아울러, 상기 복수 기 중 1기의 압력식 유량 제어 장치를 챔버로 공급하는 최대 유량 중 많아도 10%까지의 가스 유량 영역을 제어하는 장치로 하여 잔여의 압력식 유량 제어 장치를 나머지의 가스 유량 영역을 제어하는 장치로 하고, 더욱이 상기 챔버에 압력 검출기를 설치함과 아울러 상기 압력 검출기의 검출값을 상기 제어 장치로 입력하고, 압력식 유량 제어 장치로의 제어 신호를 조정하여 챔버로의 가스 공급량을 제어함으로써 광범위에 걸쳐서 챔버 내압을 고정밀도 제어하는 구성으로 한 것을 발명의 기본 구성으로 하는 것이다.
본 발명의 챔버의 내압 제어 장치에 있어서는 필요로 하는 유량 범위를 복수의 유량 영역으로 분할하고, 최대 유량의 10% 이하의 소유량 영역은 소유량용의 압력식 유량 제어 장치에 의해 유량 제어를 행하는 구성으로 되어 있기 때문에, 넓은 유량 범위에 걸쳐서 고정밀도의 유량 제어가 행해진다.
또한, 각 유량 영역을 분담하는 압력식 유량 제어 장치에 의한 유량 제어의 중첩 시에도, 제어 신호의 상승율에 제한을 가하는 구성으로 되어 있기 때문에, 챔버로 공급되는 가스 유량(Q)의 연속적인 제어가 행해진다.
그 결과, 챔버로의 공급 가스 유량을 신속 또한 정확하게 조정할 수 있고, 챔버 내압을 용이하게 소정의 설정압에 조정ㆍ유지할 수 있다. 그 때문에, 종전의 자동 압력 조정기(APC)의 삭제나 챔버의 진공 배기계의 설비비를 대폭 삭감하는 것이 가능해진다.
또한, 진공 펌프는 예정된 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 가능해진다.
도 1은 본 발명에 의한 챔버의 내압 제어 장치의 제 1 실시예의 전체 계통도이다.
도 2는 도 1의 챔버 내압 제어 장치에 있어서의 입력 설정(%)과 제어 신호(%)의 관계를 나타내는 선도이다.
도 3은 도 1의 챔버 내압 제어 장치에 있어서의 유량 설정(%)과, 각 압력식 유량 제어 장치의 유량(SCCM) 및 챔버(E)로의 공급 유량(Q)의 관계를 나타내는 선도이다.
도 4는 도 1의 챔버 내압 제어 장치에 있어서의 각 압력식 유량 제어 장치로의 제어 신호의 입력 상태와, 각 압력식 유량 제어 장치의 유량 출력(Q1, Q2) 및 챔버(E)내의 압력(P)의 관계를 나타내는 선도이며, (a)는 60sec 동안에 2대의 압력식 유량 제어 장치의 유량을 0%로부터 100%로 변화시킨 경우, (b)는 30sec 동안에 유량을 0%로부터 100%로 변화시킨 경우, (c)는 스텝상으로 유량을 0%로부터 100%로 변화시킨 경우를 나타내는 것이다.
도 5는 3기의 압력식 유량 제어 장치를 이용한 본 발명의 제 2 실시예에 의한 챔버 내압 제어 장치의 유량 설정(%)과 제어 유량(Q)의 관계를 나타내는 선도이다.
도 6은 복수의 가스 공급 설비를 이용한 챔버 내압 제어 장치의 실시예를 나타내는 전체 계통도이다.
도 7은 도 1에 나타낸 챔버 내압 제어 장치에 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 압력식 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 압력
E: 프로세스 챔버 V: 조정 밸브
VP: 진공 펌프 V1∼V3: 제어 밸브
L1: 가스 공급관 L2ㆍL3: 배기관
1: 제어 장치 1a: 유량 입력 설정부 (유량 % 설정 기구)
1a'ㆍ1a": 제어 신호 상승율 설정 기구
1bㆍ1c: 신호 변환부 1d: 비교 보정부
1p: 압력 검출 신호 1gㆍ1e'ㆍ1fㆍ1f': 제어 신호
1h: 스위칭 조작부 2: 압력 검출기
3: 압력계 4: 압력식 유량 제어 장치
5: 스위칭 밸브
이하, 도면에 의거하여 본 발명의 각 실시예를 설명한다.
[제 1 실시예]
도 1은 본 발명에 의한 챔버의 내압 제어 장치의 제 1 실시예를 나타내는 것이며, 상기 내압 제어 장치의 기본형을 나타내는 것이다.
도 1에 있어서 A는 가스 공급 장치, Gs는 공급 가스 입력부로부터의 공급 가스, FCS(A)는 소유량용 압력식 유량 제어 장치, FCS(B)는 대유량용 압력식 유량 제어 장치, E는 챔버, P은 챔버 내압, 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, V는 조정 밸브, VP는 진공 펌프, V1∼V3는 제어 밸브, L1은 가스 공급관, L2ㆍL3는 배기관로, 1은 제어 장치, 1a는 입력 설정부(유량 % 설정 기구), 1b는 제 1 신호 변환부, 1c는 제 2 신호 변환부, 1d는 비교 보정부, 1eㆍ1fㆍ1e'ㆍ1f'ㆍ1g는 제어 신호, 2는 압력 검출기, 3은 압력계, 4는 압력식 유량 제어 장치이다.
즉, 상기 공급 가스 입력부로부터의 공급 가스(Gs)가 가스 공급 장치(A) 및 제어 장치(1)로 이루어지는 가스 유량 제어부로 유량 제어되면서, 가스 공급관(L1) 등으로 이루어지는 공급 가스 출력부를 거쳐서 챔버(E)로 공급된다.
또한, 상기 공급 가스 입력부, 가스 유량 제어부 및 공급 가스 출력부 등에 의해 챔버(E)로의 가스 공급 수단이 형성되어 있다.
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) 사이에서 유체의 임계 조건인 P1/P2가 약 2 이상의 조건을 성립시킴으로써 오리피스를 유통하는 가스 유량을 Qc=KP1(단, K는 정수)에 의해 연산하고, 이 연산값(Qc)과 설정값(Qs)의 차이 신호(Qy)에 의해 상류측에 설치된 컨트롤 밸브(V0)를 자동 개폐 제어함으로써 압력(P1)을 조정하고, 오리피스(Ka)의 실통과 유량을 상기 설정값(Qs)으로 제어하는 것을 기본 구성으로 하는 것이다.
또한, 본 실시예에서는 소유량용 압력식 유량 제어 장치[FCS(A)]로서 정격 유량이 100SCCM의 것을, 또한 대유량용 압력식 유량 제어 장치[FCS(B)]로서 정격 유량 3000SCCM의 것을 사용하고, 최소 5SCCM에서 최대 3100SCCM까지의 유량 범위에 걸쳐서 연속적으로 고정밀도의 유량 제어를 행하도록 구성되어 있다.
또한, 상기 압력식 유량 제어 장치[FCS(A), FCS(B)]의 구성은 공지이기 때문에 여기서는 그 상세한 설명을 생략한다.
상기 프로세스 챔버(E)는 내용량이 11 ℓ로 설정되어 있고, 300 ℓ/min의 배 기 유량을 갖는 진공 펌프(VP)에 의해 조정 밸브(V)를 설치한 진공 배기 라인(L2ㆍL3)을 통해서 연속적으로 진공흡인되어 있고, 챔버(E)의 내부는 10-2∼102 Torr의 중진공으로 유지되어 있다.
상기 압력식 유량 제어 장치(4)는 진공 펌프(VP)[또는 배기관로(L3)]로 공급되는 가스(Gv)의 유량을 조정하는 것이며, 상기 가스(Gv)의 공급에 의해 진공 펌프(VP)의 배기 능력을 저하시켜 챔버(E)의 내압을 제어한다. 또한, 진공 펌프(VP)로 가스(Gv)를 공급함으로써 챔버(E)의 내압으로의 영향을 경감할 수 있음과 아울러, 내압 조정의 응답성을 높일 수 있다. 가스(Gv)로서는 공급 가스(Gs)와 동일한 것이어도, 다른 것(불활성 가스)이어도 좋다.
상기 가스 공급관(L1)에는 외경 6.35㎜φ, 내경 4.35㎜φ의 스테인리스 관이, 또한 배기관(L2)에는 외경 60.5㎜φ, 내경 54.9㎜φ의 스테인리스 관이, 배기관(L3)에는 외경 28㎜φ, 내경 24㎜φ의 스테인리스 관이 각각 사용되어 있다.
상기 제어 장치(1)는 입력 설정부(1a)(유량 % 설정 기구)와 제 1ㆍ제 2 신호 변환부(1bㆍ1c)와, 비교 보정부(1d)로 형성되어 있고, 입력 설정부(1a)(유량 % 설정 기구)에서 정격 최대 유량에 대한 소망의 유량(%)을 설정한다.
즉, 진공 펌프(VP)를 소정의 조건하에서 연속적으로 정상 운전한 경우의 챔버(E)의 내압(P)과 챔버(E)로의 유입 가스 공급량(Q)의 관계는 후술하는 바와 같이 사전에 판명되어 있다. 그 결과, 챔버(E)의 내압 제어에 대하여는 우선 챔버(E)의 설정 내압(P)에 대한 소요 가스 공급량(Q)이 사전에 구한 테이블 수치의 참조에 의해 구해지고, 상기 소요 가스 공급량(Q)에 대응하는 유량 % 설정값이 입력 설정부(1a)로 입력된다.
구체적으로는, 상기 입력 설정부(1a)에는 설정 압력(P)에 대응한 소요 유량(Q)을 양 압력식 유량 제어 장치[FCS(A), FCS(B)]의 합계 최대 유량에 대한 유량(%)으로 표시하도록 한 유량 % 설정 기구와, 양 유량용 압력식 유량 제어 장치[FCS(A), FCS(B)]의 제어 신호(1eㆍ1f)의 상승율 설정 기구(1a'ㆍ1a")가 설치되어 있고, 프로세스 챔버(E)의 내압(P)을 설정값으로 컨트롤하기 위해서 필요로 하는 프로세스 가스(Gs)의 유량은 입력 설정부(1a)의 유량 % 설정 기구에 의해 설정된다.
또한, 상기 입력 설정부(1a)의 양 제어 신호 상승율 설정 기구(1a'ㆍ1a")는 최소 설정 유량 0%에서 최대 설정 유량 100% 사이의 임의의 유량으로 유량 설정을 해서 양 압력식 유량 제어 장치[FCS(A), FCS(B)]를 작동시킬 때에, 각 유량용 압력식 유량 제어 장치[FCS(A), FCS(B)]에 인가하는 제어 신호(1eㆍ1f)의 상승율을 조정하기 위한 기구이며, 예컨대 설정 유량 50SCCM(입력 설정값 1.613%)에서 가스(Gs)를 공급중에 2000SCCM(입력 설정 64.516%)으로 증량할 경우, 소유량용 압력식 유량 제어 장치[FCS(A)]만의 작동으로부터 양 압력식 유량 제어 장치[FCS(A), FCS(B)]의 작동으로 스위칭할 수 있지만, 대유량 압력식 유량 제어 장치[FCS(B)]의 쪽이 0으로부터 그 1900SCCM에 이를 때까지 약간의 시간 지연(0→100%의 유량 변화에서 약 30sec)을 형성하는 것이 필요해지고, 그 때문에 FCS(B)로의 제어 입력 신 호(1f)의 상승율이 조정되게 된다.
상기 제 1 신호 변환부(1b)는 설정 압력(P)에 대응한 유량 % 설정 입력에 상당하는 제어 신호(1eㆍ1f)를 각 압력식 유량 제어 장치[FCS(A), FCS(B)]로 출력하는 것이다.
즉, 최대 유량이 100SCCM의 압력식 유량 제어 장치[FCS(A)]의 제어 신호는 0V(0SCCM)에서 5V(100SCCM)의 값으로, 또한 최대 유량이 3000SCCM의 압력식 유량 제어 장치[FCS(B)]의 제어 신호도 0V(0SCCM)에서 5V(3000SCCM)의 값으로 각각 설정되어 있고, 양 압력식 유량 제어 장치[FCS(A), FCS(B)]로는 각각 분담하는 제어 유량(Q1, Q2)에 대응한 제어 신호(1eㆍ1f)가 제 1 신호 변환부(1b)에서 비교부(1d)로 입력된다.
또한, 상기 제 2 신호 변환부(1c)는 챔버 내압(P)을 검출하는 압력 검출기(2)로부터의 검출 신호(1p)를 유량 제어 신호(1g)로 변환하기 위한 것이고, 변환된 유량 제어 신호(1g)는 비교 보정부(1d)로 입력된다.
더욱이, 상기 비교 보정부(1d)는 제 1 신호 변환부(1b)로부터의 설정 유량 제어 신호(1eㆍ1f)와 제 2 신호 변환부(1c)로부터의 압력 검출값으로부터 구해진 유량 제어 신호(1g)의 대비가 행해지고, 압력 검출기(2)로부터의 압력 검출 신호(1p)로부터 산정된 유량 제어 신호(1g)의 쪽이 설정 유량 제어 신호(1eㆍ1f)보다 클 때[즉, 공급 유량(Q)이 크고, 챔버 내압(P)이 설정 압력보다 플러스측에서 진공도가 저하되어 있을 때]에는 제어 신호(1eㆍ1f)가 감소 방향으로 보정되고, 이것에 의해 공급 유량(Q)이 감소 방향으로 수정된다. 또한, 반대로 상기 압력 검출 신호(1p)에 의해 산정된 유량 제어 신호(1g)가 설정 유량 제어 신호(1eㆍ1f)보다 작을 때[즉, 공급 유량(Q)이 부족하고, 챔버 내압(P)이 설정 압력보다 작은 마이너스측에서 진공도가 상승되어 있을 때]에는 제어 신호(1eㆍ1f)가 증가 방향으로 보정되고, 이것에 의해 공급 유량(Q)이 증가 방향으로 수정되게 된다.
본 발명에서는 상기 도 1의 제 1 실시예에 나타낸 바와 같이 압력 검출기(2)에서 검출된 챔버 내압의 압력 검출 신호(1p)를 피드백 신호로서 이용하고, 각 압력식 유량 제어 장치[FCS(A), FCS(B)]로의 유량 제어 신호(1eㆍ1f)를 보정하고, 보정후의 제어 신호(1e'ㆍ1f')를 각 압력식 유량 제어 장치로 입력하도록 하고 있기 때문에, 챔버 내압(P)이 항상 신속하고, 게다가 높은 응답성을 가져서 설정값으로 유지되게 된다.
도 2는 상기 제어 장치(1)의 입력 설정부(1a)에 있어서의 유량 입력 설정(%)과 제어 신호(1eㆍ1f)의 관계를 나타내는 선도이다. 도 2에 있어서, 곡선(L)은 소유량(100SCCM)용 압력식 유량 제어 장치[FCS(A)]의 제어 신호(1e)를, 또한 곡선(H)은 대유량(3000SCCM)용 압력식 유량 제어 장치의 제어 신호(1f)를 각각 나타내는 것이며, 예컨대 설정 유량이 50SCCM(설정 유량%＝50/3100=1.613%)일 때에는 FCS(A)만이 작동되고, 제어 신호(1e)=5V×50/100=2.5V가 FCS(A)로 입력된다.
마찬가지로, 설정 유량이 2000SCCM(설정 유량%＝2000/3100=64.52%)일 때에는 FCS(A)의 쪽은 유량 설정%＝100%로 100SCCM의 유량을 출력하고, 제어 신호(1e)=5V×100/100=5V가 FCS(A)로 입력되고, 또한 FCS(B)의 쪽은 유량 1900SCCM을 출력하 고, 제어 신호(1f)=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 전체 공급 유량(Q)의 관계를 나타내는 것이며, 전체 유량(Q)은 Q=100/3ㆍ설정 %[FCS(A)만이 작동, Q=100SCCM 이하인 때], 또는 Q=3000/97ㆍ설정 %+700/97SCCM[FCS(A), FCS(B)의 양쪽이 작동, Q=100SCCM 이상인 때]가 된다.
도 4의 (a)∼(c)는 상기 입력 설정부(1a)의 제어 신호 상승율 설정 기구(1a")의 필요성을 나타내는 실험 데이터이며, 100SCCM의 FCS(A)와 3000SCCM의 FCS(B)의 양쪽을 작동시키고, 전체 유량을 0%(0SCCM)에서 100%(3100SCCM)로 증가시킨 경우의 유량 제어 신호(1e) 및 유량 제어 신호(1f)의 인가 상황과, 챔버 압력(P)[제어 유량(Q)]의 추종성 관계를 나타내는 것이다. 또한, 상기 실험에 있어서는 챔버 배기계는 전개(全開) 상태[조정 밸브(V)는 전개, 진공 펌프(VP)가 연속적으로 풀(full) 출력으로 운전되는 상태]로 세트되어 있다.
즉, 도 4의 (a)는 입력 설정부(1a)로의 설정 신호를 약 60sec 동안 0∼100%로 변화시키도록 한 경우의 챔버 압력(P)의 변화의 상태를 나타내는 것이다.
또한, 도 4의 (b)는 입력 설정부(1a)로의 설정 신호를 약 30sec 동안 0∼100%로 변화시키도록 한 경우의 챔버 압력(P)의 변화 상태를, 더욱이 도 4의 (c)는 입력 설정부(1a)로의 설정 신호를 스텝상으로 변화시키도록 한 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 것을 알 수 있다.
이에 대하여, 도 4의 (c)에 있어서는 유량 설정%(SET)의 스텝 변화[즉, 제어 신호(1e){또는 유량(Q1)} 및 제어 신호(1f){또는 유량(Q2)}의 스텝 변화]에 대해서, 챔버(E)로의 가스 공급 유량(Q)은 스텝상으로 변화를 할 수 없고, 약 20초간은 챔버 압력(P)의 제어를 추종할 수 없는 것을 알 수 있다.
[제 2 실시예]
도 5는 본 발명의 유체 공급 장치의 제 2 실시예에 의한 설정 유량과 유량 출력의 관계를 나타내는 선도이며, 상기 제 2 실시예에 있어서는 정격 유량이 100SCCM과 3000SCCM과 5000SCCM의 3대의 압력식 유량 제어 장치[FCS(A), FCS(B), FCS(C)]를 이용하여, 5SCCM∼8100SCCM의 보다 넓은 유량 범위에 대해서 고정밀도의 유량 제어를 행할 수 있는 구성으로 한 것이다.
도 5에 있어서, 곡선(L)은 100SCCM의, 곡선(H)는 3000SCCM의, 곡선(M)은 5000SCCM의 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∼3100SCCM 이하일 때에는,
Q = (3100-100)/(40-1)ㆍ(SET%－1) + 100
= (3000/39)ㆍSET% + (900/39)으로 유량(Q)이 구해지고,
또한, 공급 유량(Q)이 3100∼8100SCCM일 때에는,
Q = (5000/60)ㆍSET% - (14000/60)에 의해 유량(Q)이 주어진다.
또한, 상기 도 1의 제 1 실시예 및 도 5의 제 2 실시예에 있어서는 공급 가스(Gs)가 1종류인 것으로 되어 있지만, 공급 가스(Gs)가 2종류 이상(GS1, GS2 ㆍㆍㆍ)인 때에는, 도 6에 나타낸 바와 같이 가스 종류의 수와 동수의 제 1 실시예나 제 2 실시예와 같은 구성의 가스 공급 장치(A)의 복수 기를 각각 병렬로 설치하고, 스위칭 밸브(5)를 스위칭 작동시킴으로써 복수 종류의 가스를 임의로 챔버(E)로 공급하게 된다.
더욱이, 상기 제 1 실시예나 제 2 실시예에 있어서는 공급 가스(Gs 또는 GS1, GS2 ㆍㆍㆍ)를 단독 종류의 가스로 하고 있지만, 공급 가스(Gs 또는 GS1, GS2 ㆍㆍㆍ중 어느 것)가 예컨대 Ar과 CF4의 혼합 가스(혼합 비율은 임의)이어도 좋은 것은 물론이다.
이어서, 본 발명에 의한 챔버의 내압 제어 장치의 작동에 대해서 설명한다.
도 1을 참조하여, 챔버(E)는 11 ℓ의 내용적을 가지고 있고, 그 진공 배기계는 조정 밸브(V)와 진공 펌프(VP)와 관로(L2)와 관로(L3)에 의해 형성되어 있다.
또한, 진공 펌프(VP)에는 300 ℓ/min의 배기량을 갖는 진공 펌프가 사용되어 있다.
상기 챔버의 내압 제어 장치는 일정한 배기 능력을 갖는 진공 펌프(VP)에 의해 연속적으로 배기되어 있는 챔버(E)내의 내압(P)을, 그 내부로 공급되는 유체의 유량(Q)을 미세하게 조정함으로써, 10-2∼102 Torr 정도의 소정의 프로세스 압력으로 제어하는 것이다.
도 1을 참조하여, 우선 조정 밸브(V)를 최대 개도의 상태로 해서 진공 배기계의 유로 저항을 최소로 함과 아울러, 진공 펌프(VP)를 작동시켜서 챔버(E)내를 진공 펌프(VP)의 배기 능력에 대응한 진공도까지 진공흡인한다.
이어서, 사전에 구해져 있는 도 7의 챔버(E) 및 진공 배기계의 압력-유량 특성 곡선으로부터 압력(P)에 대한 공급 가스 유량(Q)을 구한다. 또한, 내압(P)과 공급 유량(Q)의 관계는 데이터화되어, 기억 장치에 기억되어 있다.
그 후, 가스 공급 장치(A)를 작동시켜 상기 설정 압력(P)을 얻기 위해서 필요로 하는 유량(Q)의 가스(Gs)를 챔버(E)내로 공급한다.
또한, 가스(Gs)의 공급에 의한 챔버(E)의 내압 조정의 범위는 진공 펌프(VP)의 배기 능력이 일정한 조건하에서는 조정 밸브(V)의 개도 조정에 의해 변화될 수 있고, 후술하는 바와 같이 챔버 내압을 상승(저진공도)시킬 경우에는 조정 밸브(V)의 개도를 저하시켜서 진공 배기계의 관로 저항을 증대시키고, 또한 반대로 챔버 내압을 저하(고진공도)시킬 경우에는 조정 밸브(V)를 전개 상태로 한다.
도 7은 상기 도 1에 있어서의 챔버(E)로의 공급 유량(Q)과 챔버 내압(P)의 관계를 나타내는 선도이며, 진공 펌프(VP)를 정격하에서 연속 운전함과 아울러, 조정 밸브(V)를 최대 개도 또는 최소 개도의 상태로 한 때의 압력-유량 특성을 나타내는 것이다.
즉, 도 7의 곡선(A)은 조정 밸브(V)를 최대 개도로 한 때의 압력-유량 특성, 곡선(B)은 조정 밸브(V)를 최소 개도의 상태로 한 때의 압력-유량 특성을 나타내는 것이다.
또한, 곡선(C)은 챔버(E)내에 임의의 프로세스 조건(1)이나 프로세스 조건(3)을 실현하는 진공 배기계의 임의 컨덕턴스에 있어서의 압력-유량 특성이다.
도 7로부터도 명확한 바와 같이, 도 1의 챔버(E) 및 진공 배기계에 있어서는 챔버(E)로의 가스 공급 유량(Q)을 5∼3100SCCM 사이에서 유량 제어를 함과 아울러, 진공 배기계의 컨덕턴스를 적절히 조정함으로써 기호 (1) - (4) - (5) - (3) - (2) - (7) - (6)로 둘러싼 유량ㆍ압력 범위, 즉 압력이면 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 변화시킴으로써 상기 도 7의 유량ㆍ압력의 조정 범위는 변화되게 되고, 프로세스 챔버(E)에 요구되는 조건에 따라서 유체 공급 장치(A)의 유량 범위나 진공 배기 펌프(VP)의 배기 능력은 적절히 선정된다.
또한, 진공 펌프(VP)[또는 배기관로(L3)]에 압력식 유량 제어 장치(4)를 통해서 가스(Gv)를 공급함으로써 진공 펌프(VP)의 배기 능력을 조정하고, 이것에 의해 프로세스 챔버(E)의 내압을 소정의 압력값으로 유지하는 것도 가능하다.
더욱이, 상기 도 1의 실시예에서는 챔버(E)의 내압을 10-5∼102 Torr 정도로 하고 있지만, 압력계 및 압력식 유량 제어 장치(4)의 유량 레인지를 변화시킴으로써 10-7∼10-6 Torr 정도의 챔버(E)의 내압 제어도 가능하다.
또한, 반도체 제조 장치 등에 있어서는 압력 제어 범위는 보통 10-2∼101 Torr, 유량 제어 범위(Q)는 3SCCM∼5000SCCM의 범위로 선정되어 있다.
또한, 압력 조정용으로 진공 펌프(VP)내로 공급되는 가스(Gv)로서는 He나 Ar 등의 불활성 가스나 그 혼합 가스가 이용된다.
본 발명은 반도체 제조 장치 등의 프로세스 챔버 및 프로세스 챔버로의 가스의 공급량 제어나 프로세스 챔버의 내압 제어 등에 이용될 수 있다.

Claims (9)

  1. 공급 가스 입력부; 공급 가스 출력부; 상기 가스 입력부와 가스 출력부 사이에 배치된 가스 유량 제어부; 및 상기 공급 가스 출력을 받는 챔버의 압력 데이터를 상기 가스 유량 제어부에 제공하는 수단을 갖는 챔버의 내압 제어 장치에 있어서:
    상기 가스 유량 제어부는 병렬상으로 접속된 복수 기의 압력식 유량 제어 장치, 및 상기 복수 기의 압력식 유량 제어 장치의 작동을 제어하는 제어 장치를 구비하고, 상기 압력식 유량 제어 장치를 오리피스와, 오리피스 상류측의 압력 검출기와, 압력 검출기의 상류측에 설치된 컨트롤 밸브와, 압력 검출기의 검출 압력(P1)으로부터 오리피스를 통과하는 가스 유량(Qc)을 Qc=KP1(단, K는 정수)에 의해 연산하여 설정 유량(Qs)과의 차이(Qy)를 컨트롤 밸브로 구동용 신호로서 출력하는 연산 제어부를 포함해서 형성하고, 오리피스 상류측 압력(P1)을 하류측 압력(P2)의 약 2배 이상으로 유지한 상태하에서 사용하는 압력식 유량 제어 장치로 함과 아울러, 상기 복수 기 중 1기의 압력식 유량 제어 장치를 챔버로 공급하는 최대 유량 중 많아도 10%까지의 가스 유량 영역을 제어하는 장치로 하여 잔여의 압력식 유량 제어 장치를 나머지의 가스 유량 영역을 제어하는 장치로 하고, 상기 압력 데이터를 상기 제어 장치로 입력하여 상기 압력식 유량 제어 장치로의 제어 신호를 조정하고, 상기 가스 출력부로의 가스 공급량을 제어하도록 한 것을 특징으로 하는 챔버의 내 압 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 장치는 챔버로 공급하는 가스 유량을 설정하는 입력 설정부, 상기 입력 설정부로의 입력값을 유량 제어 신호로 변환하는 제 1 신호 변환부, 챔버내의 검출 압력을 유량 제어 신호로 변환하는 제 2 신호 변환부, 및 양 신호 변환부로부터의 유량 제어 신호의 비교 보정부를 구비하고, 상기 비교 보정부로부터 각 압력식 유량 제어 장치로 보정된 제어 신호를 발신함으로써 챔버로의 가스 공급량을 제어하는 것을 특징으로 하는 챔버의 내압 제어 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 병렬상으로 접속되는 압력식 유량 제어 장치를 2기로 하고, 한쪽을 소유량 영역을 제어하는 소유량 레인지의 압력식 유량 제어 장치로 하고, 다른 쪽을 대유량 영역을 제어하는 대유량 레인지의 압력식 유량 제어 장치로 한 것을 특징으로 하는 챔버의 내압 제어 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 병렬상으로 접속되는 압력식 유량 제어 장치를 2기로 하고, 소유량용의 압력식 유량 제어 장치의 유량 제어 영역을 챔버로 공급하는 최대 유량의 0.1∼10%로 하도록 하고 또한 대유량용의 압력식 유량 제어 장치의 유량 제어 영역을 챔버 로 공급하는 최대 유량의 10∼100%로 하도록 한 것을 특징으로 하는 챔버의 내압 제어 장치.
  5. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 제어 장치의 신호 변환부로부터 발신된 제어 신호에 의해 복수 기의 압력식 유량 제어 장치를 그 제어 유량 영역이 작은 압력식 유량 제어 장치로부터 차례대로 작동시키는 구성으로 한 것을 특징으로 하는 챔버의 내압 제어 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    진공 배기계에 가스를 유입시킴으로써 배기 속도를 가변시킬 수 있는 구성의 진공 배기계로 한 것을 특징으로 하는 챔버의 내압 제어 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 병렬상으로 접속된 복수 기의 압력식 유량 제어 장치를 4개 이상의 유닛으로 설치하고, 복수 종류의 가스를 챔버로 공급하는 것을 특징으로 하는 챔버의 내압 제어 장치.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어 장치에 각 유량 영역을 분담하는 압력식 유량 제어 장치로 발신하는 제어 신호의 상승율 설정 기구를 설치하고, 상기 제어 신호의 발신으로부터 소 정의 시간 경과후에 상기 압력식 유량 제어 장치가 설정 유량의 가스 유량을 공급하는 구성으로 한 것을 특징으로 하는 챔버의 내압 제어 장치.
  9. 진공 펌프에 의해 배기되는 챔버와 상기 챔버로 소망의 가스를 유량 제어하면서 공급하는 가스 공급 수단을 포함하고;
    상기 가스 공급 수단은 병렬상으로 접속된 복수 기의 압력식 유량 제어 장치, 및 상기 복수 기의 압력식 유량 제어 장치의 작동을 제어하는 제어 장치를 구비하고, 상기 압력식 유량 제어 장치를 오리피스와, 오리피스 상류측의 압력 검출기와, 압력 검출기의 상류측에 설치된 컨트롤 밸브와, 압력 검출기의 검출 압력(P1)으로부터 오리피스를 통과하는 가스 유량(Qc)을 Qc=KP1(단, K는 정수)에 의해 연산하여 설정 유량(Qs)과의 차이(Qy)를 컨트롤 밸브로 구동용 신호로서 출력하는 연산 제어부를 포함해서 형성하고, 오리피스 상류측 압력(P1)을 하류측 압력(P2)의 약 2배 이상으로 유지한 상태하에서 사용하는 압력식 유량 제어 장치로 함과 아울러, 상기 복수 기 중 1기의 압력식 유량 제어 장치를 챔버로 공급하는 최대 유량 중 많아도 10%까지의 가스 유량 영역을 제어하는 장치로 하여 잔여의 압력식 유량 제어 장치를 나머지의 가스 유량 영역을 제어하는 장치로 하고, 더욱이 상기 챔버에 압력 검출기를 설치함과 아울러 상기 압력 검출기의 검출값을 상기 제어 장치로 입력하고, 압력식 유량 제어 장치로의 제어 신호를 조정하여 챔버로의 가스 공급량을 제어함으로써 광범위에 걸쳐서 챔버 내압을 고정밀도 제어하는 것을 특징으로 하는 내압 피제어식 챔버.
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