TWI497248B - A gas split supply device and a gas diversion supply method using the same - Google Patents

A gas split supply device and a gas diversion supply method using the same Download PDF

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TWI497248B
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Nobukazu Ikeda
Ryousuke Dohi
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Description

氣體分流供給裝置及使用其之氣體分流供給方法
本發明係關於由設在氣體供給源側的壓力式 流量控制裝置，對設有熱式流量感測器的複數氣體分流供給路進行氣體之分流供給的氣體分流供給系統的改良，且關於可簡單且確實地防止對各氣體分流供給路的氣體供給開始初期中的所謂氣體過剩流入(越標(overshoot))的發生的氣體分流供給裝置及使用其之氣體分流供給方法。
近年來，在半導體製造裝置相關領域，隨著製程腔室的大型化，逐漸大部分採用所謂氣體的分流供給系統，而開發出各種形式的氣體分流供給系統。
圖5係顯示使用習知之熱式流量控制裝置MFC(質流控制器)或壓力式流量控制裝置FCS的氣體分流供給裝置之一例，來自氣體供給源S的氣體G通過流量控制裝置而朝向製程腔室C以流量Q1 、Q2 的比例進行分流供給。
但是，在流量控制裝置MFC(或FCS)中，氣體供給開始時，容易發生所謂氣體流入現象(越標現 象)，尤其若為熱式流量控制裝置MFC時，前述越標的發生處於不可避免的狀態。
例如，本案發明人等根據使用如圖6所示構 成的氣體供給裝置，對氣體供給開始後馬上產生的流體的越標現象的發生原因進行解析的結果，發現在使用習知之質流控制器的氣體供給裝置50中，a滯留在將各切換閥V1 ~V3 與各質流控制器MFC1 ~MFC3 相連結的管路L1 ~L3 內的氣體佔有越標的氣體的大部分、及b使質流控制器MFC1 ~MFC3 的構造本身形成為前述越標的原因的氣體的滯留增加。其中，51為腔室。
亦即，圖7係顯示習知之質流控制器的基本 構造的區塊圖，由一次側流入的氣體係被分流至層流旁通部59及感測器旁通部60，藉由感測器61，掌握氣體的質量流量成為與此成正比的溫度變化，並且將該溫度變化以橋接電路62轉換成電訊號，經由放大電路63等形成為線性電壓訊號而被輸出至顯示器64及比較控制電路65。此外，來自外部的設定訊號係由設定器66被輸入至比較控制電路65，在此運算與前述檢測訊號的差，並且將該差訊號送至閥驅動部67，以該差訊號為零的方向對流量控制閥68進行開閉控制。其中，69為電源部。
現在若在質流控制器使用中突然關閉設在二 次側的切換閥V1 時，由於在感測器61內流通的氣體流會停止，因此質流控制器的控制系統係過渡性朝增加氣體流的方向作動，流量控制閥68即被開放。結果，二次側線 L1 內的氣體壓上升，氣體會滯留在此。接著，該滯留氣體在接著開放切換閥V1 時急劇通過切換閥V1 而流入腔室側，而會引起前述氣體的越標現象。
而且氣體分流供給裝置中如上所述之氣體越 標的發生係必然導致半導體製造設備的運轉率降低或製品品質降低。因此，越標的發生係必須儘可能防止。
另一方面，近年來在該類半導體製造裝置的 氣體分流供給裝置中，對於氣體分流供給裝置的小型化或低成本化的要求不斷增高。
以對應該等要求者而言，已開發出一種氣體分流供給裝置，其係如圖8所示，使用壓力式流量控制裝置(FCS)4，進行來自氣體供給源的供給氣體總量Q的流量控制，並且進行各分流供給路L1 ~Ln的分流氣體流量Q1 ~Qn流量控制。
9]其中，在圖8中，1為氣體供給源、2為壓力 調整器、3為壓力感測器、4為壓力式流量控制裝置(FCS)、5a‧5b為壓力計、6為熱式流量感測器(MFM)、7為電動閥、8為閥驅動部、9為真空泵、10為節流閥、11為訊號發生器、12為PID控制器、13為製程腔室、Sm為流量檢測訊號、Sa為流量設定訊號、Sv為閥驅動訊號。
上述圖8的氣體分流供給裝置中，以壓力式 流量控制裝置4予以流量控制的總流量Q的氣體分別以分流量Q1 、Q2 、Qn被供給至分流路L1 、L2 、Ln。亦即，在 各分流路L1 、L2 、Ln流動的分流流量Q1 、Q2 、Qn係例如分流路L1 般，藉由來自流量感測器6的流量檢測訊號Sm，透過控制器12，對電動閥7進行回授控制，藉此被控制成與來自訊號發生器11的流量設定訊號Sa相等的分流量Q1 ，且被供給至腔室13。其中，在圖8中，分流路L1 、L2 、Ln的分流量控制機構被省略。
但是，在該氣體分流供給裝置中，亦例如由 訊號發生器11輸入流量設定訊號Sa，起動壓力式流量控制裝置FCS4而在開始對分流路L1 導入氣體的瞬後(稱為氣體的供給導入時)，如圖9所示，在熱式流量感測器(MFM)6的流量檢測訊號Sm出現峰值Smp，而在所謂分流路L1 的流量Q1 發生越標。
亦即，如圖9所示，若在點t0 中，對控制器 12被輸入相當於額定流量(100% F.S流量輸出)的流量設定訊號Sa，之後，對熱式流量感測器(MFM)6，在點t1 中被供給氣體而流量檢測訊號Sm被輸入至控制器12時，係在流量檢測訊號Sm發生峰值Smp，而在分流流量Q1 發生越標。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]WO2004-114038號公報
[專利文獻2]日本特開平11-212653號公報
本案發明係將提供一種簡單且廉價而且可大 致完全防止習知之氣體分流供給裝置中的上述問題，亦即對分流路開始導入氣體時所產生的氣體的越標的氣體分流供給裝置作為發明的主要目的。
本案發明人等為了對前述圖8的氣體分流供 給裝置中的氣體導入開始初期所產生的越標進行解析，作成圖1所示之評估試驗裝置，對導入氣體時的裝置作動狀況等進行檢討。其中，圖1的評估試驗裝置係在實質上與前述圖8的分流量控制裝置為相同的構造。
結果，所得之試驗結果亦與前述圖9的情形 相同，如圖9所示，在點t0 ，對圖1的控制器12輸入相當於100%流量的流量設定訊號Sa，藉此由控制器12對閥驅動部8輸入閥驅動訊號Sv，電動閥7係瞬時被保持在全開狀態。接著，該電動閥7的全開狀態係由熱式流量感測器(MFM)6對控制器12輸入流量檢測訊號Sm，藉由回授控制，被保持至調整前述閥驅動訊號Sv為止。
現在，若壓力式流量控制裝置(FCS)4作 動，該壓力式流量控制裝置(FCS)4的流量輸出Sf在點t1 中成為相當於100%流量的值時，亦即藉由壓力式流量 控制裝置所為之流量控制被開始而對熱式流量感測器(MFM)6開始供給氣體時，來自熱式流量感測器(MFM)6的流量檢測訊號Sm會增加，在控制器12進行所謂回授控制，藉此以流通與流量設定訊號Sa相對應的設定流量的氣體的方式調整閥驅動訊號Sv，電動閥7的開度由全開狀態至預定開度受到開度控制。
亦即，在熱式流量感測器(MFM)6的流量檢測值Sm與流量設定訊號Sa相一致的點，閥驅動訊號Sv成為0，電動閥7的開度被保持在流通設定流量Q的一定的開度。
換言之，對熱式流量感測器(MFM)6的氣 體供給在點t0 至點t1 之間延遲，藉此電動閥7係受到流量設定訊號Sa來支配其開度，且被保持在全開狀態。可知該全開狀態的電動閥7藉由流量檢測訊號Sm的輸入，依序朝向閉鎖方向被驅動，至到達相當於預定的設定流量Sa的閥開度為止會有時間延遲，因此在該延遲時間內流入至全開狀態的電動閥7的氣體作為所謂越標而呈現出來。
本案發明係根據使用前述圖1所示之評估試 驗裝置所得之資料的解析結果來創作者，如習知技術般，將設在各分流路的電動閥7的閥開度在氣體導入開始時未形成為全開狀態，而保持在預先設定的預定的閥開度，藉此防止因電動閥7的控制時間延遲而起的氣體導入開始時的越標，請求項1之發明係一種氣體分流供給裝置，其形 成為以下構成：具備有：壓力式流量控制裝置4；用以將來自壓力式流量控制裝置4的氣體對製程腔室15進行分流供給之作並聯連接的複數分流路L1 ~Ln ；介設於各分流路L1 ~Ln 的熱式流量感測器6a~6n；設在熱式流量感測器6a~6n之下游側的電動閥7a~7n；及控制各電動閥7a~7n之開閉的切換型控制器16a~16n，並且可將前述切換型控制器16a~16n切換成：藉由閥開度控制指令訊號Sp，將電動閥7a~7n保持在預定的一定閥開度的閥開度控制；及藉由分流量控制指令訊號Ss，藉由根據熱式流量感測器6的流量檢測訊號Sm的回授控制，調節電動閥7a~7n的開度的分流量控制。
請求項2之發明係在請求項1之發明中，形成為以下構成：將切換型控制器16a~16n，手動或自動切換成：壓力式流量控制裝置4在未流量控制狀態下切換成閥開度控制，此外，壓力式流量控制裝置4在流量控制狀態下則切換成分流量控制。
請求項3之發明係在請求項1之發明中，預先讀取在設定流量下定常運轉中的電動閥7的閥開度(%)，並且將預先所讀取的閥開度設為閥開度控制時預先設定的閥開度。
請求項4之發明係在請求項1之發明中，將分流路形成為1至4。
請求項5之發明係在使用如請求項1之分流供給裝置的分流氣體供給中，形成為以下構成：在壓力式 流量控制裝置4運轉前，係透過切換型控制器16將電動閥7a~7n的開度保持在預先設定的一定開度，之後，在流量控制裝置4運轉而進行總流量Q的流量控制的時點，透過前述切換型控制器16，將電動閥7a~7n的開度，根據來自熱式流量感測器6a~6n的流量檢測訊號Sm進行回授控制，且將設定分流量Q1 ~Qn分流供給至各分流路。
請求項6之發明係在請求項5之發明中，將分流路形成為1~4，並且將閥開度控制時的電動閥7的閥開度形成為全開時的40~70%。
在本案發明中，係形成為以下構成：將設在各分流路的熱式流量感測器6a~6n的下游側的電動閥7a~7n的開閉控制，控制總流量Q的壓力式流量控制裝置4處於未運轉狀態下時，將其開度非為全開狀態地保持在預先設定的一定開度，並且前述壓力式流量控制裝置4若形成為在運轉狀態下使總流量Q受到流量控制的狀態，將各電動閥7a~7n，根據熱式流量感測器6a~6n的流量檢測訊號Sm，切換成藉由回授控制所為之分流量控制。
結果，完全防止對各分流路L1 ~Ln 開始導入氣體時的分流氣體的過渡性流入(越標)，可在高精度的分流量控制下，通過各分流路L1 ~Ln 而對製程腔室13供給氣體，可進行更高品質的半導體製品的製造。
此外，切換型控制器16本身亦為構造簡單者即可，亦不會有造成製造成本等大幅上升的情形。
Q‧‧‧總流量
Q1 ~Q4 、Qn‧‧‧分流流量
L1 ~L4 、Ln‧‧‧分流路
Ss‧‧‧分流量控制檢測訊號
Sm、Sm1 ~Sm4 ‧‧‧流量檢測訊號
Smp‧‧‧流量檢測訊號的峰值
Sa‧‧‧流量設定訊號
Sv‧‧‧閥驅動訊號
Sk‧‧‧閥開度控制訊號
t0 ‧‧‧流量設定訊號Sa的輸入時點
t1 ‧‧‧流量檢測訊號Sm的輸入時點
Sf‧‧‧壓力式流量控制裝置的流量輸出曲線
1‧‧‧氣體供給源
2‧‧‧壓力調整器
3‧‧‧壓力感測器
4‧‧‧壓力式流量控制裝置FCS
5a、5b‧‧‧壓力計
6、6a~6n‧‧‧熱式流量感測器
7、7a~7n‧‧‧電動閥
8、8a~8b‧‧‧閥驅動部
9‧‧‧真空泵
10、10a‧‧‧節流閥
11‧‧‧訊號發送器
12‧‧‧PID控制器
13‧‧‧製程腔室
14‧‧‧真空泵
15‧‧‧大型製程腔室
16a~16d‧‧‧切換型控制器
17‧‧‧閥開度指令訊號發送器
18‧‧‧分流量控制指令發送器
19‧‧‧控制切換單元
20‧‧‧閥開度控制單元
21‧‧‧分流量控制單元
Sv1 ~SV4 ‧‧‧閥驅動訊號
Sk1 ~Sk4 ‧‧‧閥開度控制訊號
Sp‧‧‧開度指令訊號
Ss‧‧‧分流量控制指令訊號
Sx‧‧‧控制切換訊號
Sf‧‧‧壓力式流量控制輸出訊號
圖1係本發明之基礎試驗裝置之系統圖。
圖2係本發明之實施形態之氣體分流供給裝置的說明圖。
圖3係本發明中所使用之切換型控制器的構成及作動的說明圖。
圖4係本發明之實施形態之氣體導入時的氣體分流量特性的說明圖。
圖5係顯示習知之氣體分流供給裝置之一例的系統圖。
圖6係顯示使用習知之熱式流量控制裝置(質流控制器)之氣體供給裝置之一例的系統圖。
圖7係顯示熱式流量控制裝置之構成的說明圖。
圖8係顯示使用習知之PID控制器之氣體分流供給裝置之一例的說明圖。
圖9係圖8的氣體分流供給裝置中開始導入氣體時的氣體分流量特性的說明圖。
以下根據圖示，說明本發明之一實施形態。
圖2係本發明之氣體分流供給裝置的全體構成圖，在本實施形態中，對一個大型製程腔室15，通過4系統(n=4)的分流路L1 ~L4 ，供給預定流量Q1 ~Q4 的氣體G。
其中，在圖2的裝置中，對於與前述圖1及圖8等為共通的部位、構件係標註與其相同的元件符號。
此外，在圖2中，15為大型製程腔室15、16a~16d為切換型控制器、Sv1 ~Sv4 為閥驅動訊號、Sk1 ~Sk4 為閥開度控制訊號。
參照圖2，在定常狀態下，由氣體供給源1藉由壓力調整器2而被調整為壓力300~500Kpaabs的氣體G在壓力式流量控制裝置4中被流量控制成所希望的設定流量Q(例如1000~3000sccm)，而被供給至各分流路L1 ~L4 。
在各分流路L1 ~L4 中，藉由分流量控制指令訊號Ss的輸入，閥驅動訊號Sv1 ~Sv4 由進行回授分流量控制的切換型控制器16a~16d被輸入至閥驅動部8a~8d，電動閥7a~7d被驅動，藉此與流量設定訊號Sa1 ~Sa4 相對應的分流流量Q1 ~Q4 被供給至腔室15。
亦即，閥驅動訊號Sv1 ~Sv4 藉由來自熱式流量感測器6a~6d的流量檢測訊號Sm1 ~Sm4 被回授控制，藉此各分流量Q1 ~Q4 即被控制成與流量設定訊號Sa1 ~Sa4 相對應的設定分流量。
此外，如在將氣體G的供給暫時中止之後再次進行氣體供給時(亦即氣體導入開始時)般，壓力式流 量控制裝置4在流量未控制的狀態下對各分流路L1 ~L4 進行氣體供給時，首先，對各切換型控制器16a~16d被輸入開度控制指令訊號Sp，藉此，切換型控制器16a~16d將電動閥7a~7d保持在開度控制的狀態。
結果，如後所述，由切換型控制器16a~16d輸出閥開度控制訊號Sk1 ~Sk4 至各電動閥7a~7d的閥驅動部8a~8d，各電動閥7a~7d未被全開而保持在被節流至預先設定的閥開度的狀態的開閥。
經過一定時間(例如0.1~1秒鐘)進行藉由壓力式流量控制裝置4所為之流量控制，若形成為供給經流量控制的控制流量Q的氣體的狀態，切換型控制器16a~16d係自動(或手動)由閥開度控制狀態切換為分流量控制狀態，如前所述，藉由利用來自熱式流量感測器6a~6d的流量檢測訊號Sm1 ~Sm4 所為之回授控制，進行各分流路L1 ~L4 的分流量Q1 ~Q4 的控制。
其中，前述預先設定的閥開度控制訊號Sk1 ~Sk4 係藉由壓力式流量控制裝置4的流量或分流比(Q1/Q2/Q3/Q4)等來適當選定。
此外，在本實施形態中，以電動閥7a~7d而言，使用將脈衝馬達作為驅動源的凸輪驅動型開閉閥。
圖3係在本實施形態中所使用的切換型控制器16的構成說明圖，在圖3中，17為閥開度控制指令訊號發送器、18為分流量控制指令訊號發送器、19為控制切換單元、20為閥開度控制單元、21為藉由來自熱式流 量感測器6的流量檢測訊號Sm所致之分流量控制單元、23為流量檢測訊號Sm的輸入端子、24為來自壓力式流量控制裝置4的控制切換訊號Sx的輸入端子。
氣體導入開始時(壓力式流量控制裝置4在未流量控制的狀態下對分流路供給氣體時)，首先，由閥開度控制指令訊號發送器17對閥開度控制單元20被輸入開度控制指令訊號Sp，在此預先設定的閥開度控制訊號(例如40%開度、50%開度等)Sk由單元20被輸入至閥驅動部8，電動閥7被保持在預定的閥開度。
其中，在前述閥開度控制指令訊號發送器17當然附設有閥開度控制訊號Sk的輸入機構。
若執行藉由前述壓力式流量控制裝置4所為之流量控制時，由端子24對控制切換單元19輸入控制切換訊號Sx，藉此發出分流量控制指令訊號Ss，分流量控制單元21進行作動，藉由來自熱式流量感測器6的流量檢測訊號Sm、與來自附設在分流量控制指令訊號發送器18的流量設定機構的流量設定訊號Sa，進行閥驅動訊號Sv的回授控制，且進行藉由電動閥7所為之分流量控制。
其中，藉由上述分流量控制單元21所為之對分流量控制的切換亦可在閥開度控制單元20作動後經過一定時間時，自動發出控制切換訊號Sx來進行，此外，由分流量控制指令訊號發送器18輸入指令訊號Ss，藉此切換成分流量控制，自不待言。
圖4係顯示實施本發明之氣體導入開始時的 分流量控制結果，顯示首先藉由閥開度控制單元20，將閥開度由全開(100%)保持在52%開度之後，在時刻t1 ，藉由分流量控制單元21，將分流量Q1 ~Q4 進行流量控制(回授流量控制)的情形。
由圖4亦可知，在熱式流量感測器的流量檢 測訊號Sm，並未發現習知之圖9所示之如未進行開度控制時的特性曲線般的峰值，可判別藉由將電動閥7的開度適當節流，可完全防止分流路中的氣體越標。
其中，在圖4中，曲線Sf係壓力式流量控制裝置4的流量輸出曲線。
此外，在圖4的試驗中，係將閥開度設為52 %，但是該閥開度(亦即閥開度控制訊號Sk)的設定係先記憶使用該氣體分流供給裝置進行目標流量(設定流量Sa)的流量控制時的電動閥7的閥開度，將此在閥開度控制單元20作為閥開度控制訊號Sk而預先設定輸入為宜。
[產業上可利用性]
本發明係不僅半導體製造裝置用的氣體分流供給裝置，若為在總流量的控制使用流量控制裝置的裝置，亦可廣泛適用在化學品製造裝置用氣體供給設備等。
Q‧‧‧總流量
Q1 ~Q4 ‧‧‧分流流量
L1 ~L4 ‧‧‧分流路
Ss‧‧‧分流量控制檢測訊號
Sm1 ~Sm4 ‧‧‧流量檢測訊號
1‧‧‧氣體供給源
2‧‧‧壓力調整器
3‧‧‧壓力感測器
4‧‧‧壓力式流量控制裝置FCS
5a‧‧‧壓力計
6a~6d‧‧‧熱式流量感測器
7a~7d‧‧‧電動閥
8a~8b‧‧‧閥驅動部
14‧‧‧真空泵
15‧‧‧大型製程腔室
16a~16d‧‧‧切換型控制器
Sv1 ~Sv4 ‧‧‧閥驅動訊號
Sk1 ~Sk4 ‧‧‧閥開度控制訊號
Sp‧‧‧開度指令訊號

Claims (6)

  1. 一種氣體分流供給裝置，其特徵為：形成為以下構成：具備有：壓力式流量控制裝置(4)；將來自壓力式流量控制裝置(4)的氣體對製程腔室(15)進行分流供給之作並聯連接的複數分流路(L1 ~Ln )；介設於各分流路(L1 ~Ln )的熱式流量感測器(6a~6n)；設在熱式流量感測器(6a~6n)之下游側的電動閥(7a~7n)；及前述壓力式流量控制裝置(4)在未流量控制狀態下，係將各電動閥(7a~7n)的開閉藉由閥開度控制進行控制，而壓力式流量控制裝置(4)在流量控制狀態下，則將各電動閥(7a~7n)的開閉藉由分流量控制進行控制的切換型控制器(16a~16n)，並且可將前述各切換型控制器(16a~16n)切換成：藉由利用流量或分流比而預先設定的閥開度控制指令訊號(Sp)的輸入，將各電動閥(7a~7n)保持在預定的一定閥開度的閥開度控制；及藉由分流量控制指令訊號(Ss)的輸入，根據各熱式流量感測器(6a~6n)的各流量檢測訊號(Sm1 ~Smn )，藉由回授控制，調節電動閥(7a~7n)的開度的分流量控制。
  2. 如申請專利範圍第1項之氣體分流供給裝置，其中，形成為以下構成：將切換型控制器(16a~16n)，自動或手動切換成：壓力式流量控制裝置(4)在未流量控制狀態下切換成閥 開度控制，此外，壓力式流量控制裝置(4)在流量控制狀態下則切換成分流量控制。
  3. 如申請專利範圍第1項之氣體分流供給裝置，其中，預先讀取在設定流量下定常運轉中的電動閥(7)的閥開度(%)，並且將預先所讀取的閥開度設為閥開度控制時預先設定的閥開度。
  4. 如申請專利範圍第1項之氣體分流供給裝置，其中，將分流路形成為1至4。
  5. 一種氣體分流供給方法，其係在使用如申請專利範圍第1項之分流供給裝置的分流氣體供給中，在壓力式流量控制裝置(4)運轉前，係透過各切換型控制器(16a~16n)而將各電動閥(7a~7n)的開度保持在預先設定的一定開度，之後，在流量控制裝置(4)運轉而進行總流量(Q)的流量控制的時點，透過前述各切換型控制器(16a~16n)，將各電動閥(7a~7n)的開度，根據來自熱式流量感測器(6a~6n)的流量檢測訊號(Sm1 ~Smn )進行回授控制，來供給設定流量的分流量(Q1 ~Qn)。
  6. 如申請專利範圍第5項之氣體分流供給方法，其中，將分流路形成為1~4，並且將閥開度控制時的電動閥(7)的閥開度形成為全開時的40~70%。
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