JP2004280788A - ガス分流システム - Google Patents

Abstract

【課題】 分流範囲を大きくすることができ、且つ、分流比を変化させたときの応答性と、特性の大きく異なるガスに対する流量精度に優れた分流システムを提供すること。
【解決手段】 分流システム１０は、単一のガス流を複数の二次流路Ｑ１，Ｑ２に所定の比率で分流させるもので、二次流路Ｑ１，Ｑ２にそれぞれ（圧力式）マスフローコントローラ１４，１６と、これらの（圧力式）マスフローコントローラ１４，１６に接続された共通のコントローラ１２とを具えている。二次流路Ｑ１，Ｑ２の一方が全開とされ、その全開とされた流量に対する残りの二次流路の流量の比率が１以下の数値で設定される。コントローラ１２は、全開とされた二次流路の検出流量に前記比率を掛けた信号を、残りの二次流路の（圧力式）マスフローコントローラに設定信号として与える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体製造装置のプロセスチェインバーへプロセスガスを精度よく供給するガス供給装置の分流システムに関し、特に、ガスを一定の比率で分流して複数のチェインバーへ供給するガス分流システム（以下、単に「分流システム」ということがある。）に関する。

半導体製造においては、半導体の研磨・洗浄・酸化・マスキング・エッチング等の工程があるが、これらの工程で、複数の種類のガスを混合し、一定の比率で複数のプロセスチェインバーに供給する必要がある場合がある。

このために、従来、図１０に示すような分流システムがある。この分流システム１０Ａは、ガスボンベ１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃ，１０４ｄに貯蔵され、ガスボックス１１０で混合されたガスを分流して、製造装置のプロセスチェインバー１０６，１０８に供給するものである。

この分流システム１０Ａでは、二次流路１３０，１３２が、プロセスチェインバー１０６，１０８に接続されており、ガスボックス１１０からの混合ガスが一定の比率で二次流路１３０，１３２に分流されるように、流量制御器１３４が各々の二次流路１３０，１３２に設けられる。
しかし、この分流方法では、二次流路上流のガスの圧力を比較的高くしなければならず、上流圧が低い場合は、精度よく供給することができないという問題を有する。

そこで、図１１に示すような、一方の二次流路１１４で流量を測定し、それに基づき他方の二次流路１１６の流量をマスフローコンローラで制御する分流システム１０Ｂがある（例えば、特許文献１参照。）。
これは、１つのマスフローメータ１１８の流量出力信号をそのまま、又は、一定比率で減衰させて、他のマスフローコントローラ１２２の設定信号として入力し、同一流量又は一定の流量比で分流させているもので、上流の圧力を高くすることなしに、正確な量のガスを二次流路に供給することができる。

米国特許第６４１８９５４号明細書

しかし、特許文献１の分流システムは、マスフローメータの流量出力信号を基準にして、他のマスフローメータを制御するため、分流範囲が狭く、一方のマスフローメータの流量よりも他方のマスフローコントローラの流量を大きくすることができないという問題を有する。
また、この分流システムは、熱式マスフローメータ及びマスフローコントローラを使用しているため、分流割合を変化させたときの応答性が悪く、特性の大きく異なるガスに対しては流量精度が悪くなり、正しい分流割合が得られないという問題を有する。

本発明は、単一のガス流を複数の二次流路に所定の比率の流量で分流させるガス分流システムであって、
前記二次流路のそれぞれに設けられたマスフローコントローラと、該マスフローコントローラに接続された共通のコントローラとを具え、
前記複数の二次流路のいずれかが全開とされ、当該全開とされた二次流路の流量に対する残りの二次流路の流量の比率が１以下の数値で設定され、
前記コントローラは、前記全開とされた二次流路の検出流量に前記比率を掛けた信号を残りのマスフローコントローラに設定信号として与えることにより、残りの二次流路の流量を制御することを特徴とするガス分流システムによって、前記の課題を解決した。

本発明では、二次流路のそれぞれに設けられたマスフローコントローラを、共通のコントローラによって制御することで、分流範囲を大きくすることが可能になる。
また、マスフローコントローラに圧力式マスフローコントローラを用いることで、分流比率を変化させたときの応答性、及び特性の大きく異なるガスに対する流量精度を向上させることができる。

図１は、ガスを２つの二次流路に分流する場合の本発明の分流システムの概要図である。
ガスボンベ１０４から供給されたガスは、開閉弁２０を通り、マスフローコントローラ３０で一定流量に制御され、開閉弁４０、５０を通り、本発明の分流システム１０において、二次流路Ｑ１，Ｑ２に分流され、プロセスチェインバー６０に供給される。

分流システム１０は、二次流路Ｑ１，Ｑ２にそれぞれマスフローコントローラ１４，１６と、マスフローコントローラ１４，１６に接続された共通のコントローラ１２とを具え、所定の分流比率が共通のコントローラ１２に設定され、その分流比率と二次流路Ｑ１，Ｑ２の一方の検出流量に基づいて、共通のコントローラ１２が、他方のマスフローコントローラ１４，１６を制御することで、二次流路Ｑ１，Ｑ２における流量の比率制御がなされる。

ここで、分流比率とは、二次流路Ｑ１，Ｑ２のいずれかが全開とされたときの流量を１として、それに対する他方の二次流路の流量を１以下の数値で表わした数値である。
各マスフローコントローラ１４，１６の制御は、共通のコントローラ１２が、全開時の二次流路Ｑ１（又はＱ２）の前記マスフローコントローラ１４（又は１６）の検出流量に前記分流比率を掛けた信号を、他方のマスフローコントローラ１６（又は１４）に設定信号として出力することでなされる。
なお、この場合、マスフローコントローラ１４，１６は、応答性に優れた圧力式マスフローコントローラであることが好ましい。

ガスは、プロセスチェインバー６０に接続された真空ポンプ７０により、稼動中、ガスボンベ１０４からプロセスチェインバー６０に送られる。
ガスボンベ１０４及びマスフローコントローラ３０を切替えることにより、各種のガス（図１では４種類）を分流システムに供給することができる。

なお、図２に示すように、二次流路Ｑ１，Ｑ２からコントローラ(ＣＰＵ)１１１への出力は、アナログからデジタルに変換され、コントローラ（ＣＰＵ）１１１から二次流路Ｑ１，Ｑ２への出力は、デジタルからアナログに変換されることで、流量制御がなされる。

具体的には、二次流路Ｑ１，Ｑ２の一方の全開時流量を１として、それに対する二次流路Ｑ１，Ｑ２の他方の設定流量の比率を示す１以下の数値である、分流比率ａ，ｂ（ａ、ｂ≦１、Ｍａｘ（ａ，ｂ）＝１）をコントローラに設定し、図３に示される分流コマンドにより、コントローラから設定信号をマスフローコントローラに出すことで制御がなされる。すなわち、ａ（＝１）＞ｂの場合、二次流路Ｑ１側を全開にし、検出された二次流路Ｑ１の流量に比率ｂを乗じた値を二次流路Ｑ２の設定信号として与え、逆に分流比率ｂ（＝１）＞ａの場合は二次流路Ｑ２側を全開にし、検出された二次流路Ｑ２の流量にａを乗じた値を二次流路Ｑ１側の設定信号として与える。また、分流比率ａ＝ｂ（＝１）の場合は、（全開時の二次流路Ｑ１の流量）＞（全開時の二次流路Ｑ２の流量）とすることで、二次流路Ｑ２側を全開にし、検出された二次流路Ｑ２の流量をそのまま二次流路Ｑ１の設定信号として与えればよい。

次に、図４は３分流の場合の概要図であり、図５、図６はその構成ブロック図と分流コマンドである。３分流の場合は、二次流路Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３のいずれかの全開時流量を１として、それに対する二次流路Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３の残りのものの設定流量の比率を示す１以下の数値である、分流比率ａ，ｂ，ｃ（ａ，ｂ，ｃ≦１、Ｍａｘ（ａ，ｂ，ｃ）＝１）をコントローラに設定し、図６に示される分流コマンドにより、コントローラより設定信号をマスフローコントローラに出すことで制御がなされる。ここでは、（全開時の二次流路Ｑ１の流量）＞（全開時の二次流路Ｑ２の流量）＞（全開時の二次流路Ｑ３の流量）とされる。

ａ（＝１）＞ｂ，ｃの場合は、二次流路Ｑ１側を全開にし、それ以外の二次流路Ｑ２，Ｑ３に対しては、検出された二次流路Ｑ１の流量にｂを乗じた信号を二次流路Ｑ２の設定信号として与え、検出された二次流路Ｑ１の流量にｃを乗じた信号を二次流路Ｑ３の設定信号として与える。ｂ（＝１）＞ａ，ｃ及びｃ（＝１）＞ａ，ｂの場合も同様であるので、説明を省略する。
ａ＝ｂ（＝１）＞ｃの場合は、分流比率ａ，ｂが１である二次流路Ｑ１，Ｑ２のうち、全開時の流量の少ない二次流路Ｑ２側を全開にし、もう一方の二次流路Ｑ１に対しては検出された二次流路Ｑ２の流量を設定信号として与え、二次流路Ｑ３に対しては検出された二次流路Ｑ２の流量にｃを乗じた信号を設定信号として与える。ａ＝ｃ（＝１）＞ｂの場合、ｂ＝ｃ（＝１）＞ａの場合も同様であるので、説明を省略する。
また、分流比率ａ＝ｂ＝ｃ（＝１）の場合は、二次流路Ｑ３側を全開にし、検出された二次流路Ｑ３の流量を、そのまま二次流路Ｑ１，Ｑ２の設定信号として与えればよい。

以上のように、それぞれの２次流路にマスフローコントローラを設け、そのマスフローコントローラをコントローラが設定された分流比率に基づいて制御することにより、大きい分流範囲をとることが可能となる。

次に、図７は、圧力式マスフローコントローラを用いた、２分流の場合の本発明の分流システムの応答性を表す特性図であり、圧力式マスフローコントローラ１４，１６で２００ｓｃｃｍに制御されたガスを分流システム１０で、二次流路Ｑ１，Ｑ２の分流比率ａ，ｂをａ＝ｂ＝１からａ＝１／３，ｂ＝１に変化させた場合の応答性を表している。
一方、図８は熱式マスフローメータ及びマスフローコントローラを用い、それ以外は図７と同じ条件の分流システムの応答性を表している。

図７と図８を比べると、本発明の圧力式マスフローコントローラを使用した場合の方が、熱式マスフローメータ及びマスフローコントローラを用いた場合よりも、格段に応答性が優れていることが分かる。

なお、図９は、従来型に使用されている熱式マスフローメータの流量と出力の関係を表す特性図である。実際に使用する際は、電気的に直線補正をかけているが、特性の大きく異なるガスを流した場合には直線補正がうまくできないため、本装置のように各種ガスが切替わって供給されるような使われ方には適していない。本発明の分流システムでは、特開平１０−２６８９４２に開示してあるような、直線性に優れた圧力式マスフローコントローラを使用することで、各種のガスに対して精度よく分流することができる。

図１や図４には、単一の流入口からプロセスチェインバーにガスを供給するシステムが示されている。しかし、この発明は、図１２に示されるように、複数の流入口からプロセスチェインバーにガスを供給する場合にも適用することができる。
ガスを単一の流入口からプロセスチェインバーに供給する場合は、チェインバー内の位置によってガスの密度や温度が異なってしまい、処理されるウェハ表面の条件が均一でなくなることが起こり得る。これは、チェインバー内においては、ガス流入口からガスが供給されると同時にガス排気口からガスが排気されており、ガスの流れが場所によって不均一になりやすいためである。
これに対し、図１２のガス分流システムでは、１つのプロセスチェインバーに複数のガス流入口が設けられ、所定の比率でガスがチェインバー内に供給されるとともに、単一のガス排気口から排気されるので、分流比率を適切にコントロールすることによって、チェインバー内のガスの密度及び温度を均一に保ち、その結果、処理されるウェハ表面の条件を均一にすることができる利点がある。
なお、この場合、プロセスチェインバーに対するガス流入口の数が２つに限定されないことは言うまでもない。

以上説明したように、本発明によれば、分流ライン毎にマスフローコントローラを設置し、分流比率に応じて、いずれかの二次流路のマスフローコントローラを全開にし、そこで検出された流量に１以下の所定の分流比率を乗じた信号を他のマスフローコントローラに対する流量設定信号として与えることにより、分流範囲を大きくすることができるので、あらゆる分流パターンに対応することができる。
また、マスフローコントローラとして、圧力式マスフローコントローラを使用することで、応答性を向上させ、プロセスにおける単位時間当たりの処理量を上げることができる。
さらに、圧力式マスフローコントローラを使用することで、流量直線性が得られるので、各種のガスに対して、精度よく分流することが可能になるという効果を奏する。

本発明の分流システム（２分流）の概要図。 本発明の分流システム（２分流）の構成ブロック図。 本発明の分流システム（２分流）の分流コマンドを示す図。 本発明の分流システム（３分流）の概要図。 本発明の分流システム（３分流）の構成ブロック図。 本発明の分流システム（３分流）の分流コマンドを示す図。 圧力式マスフローコントローラを使用した場合の応答性を表す特性図。 熱式マスフローメータ及びマスフローコントローラを使用した場合の応答性を表す特性図。 熱式マスフローメータの流量と出力の関係を表す特性図。 従来の分流システムの概要図。 他の従来の分流システムの概要図。 本発明のさらなる実施形態の分流システムの概要図。

符号の説明

１０：分流システム
１２：コントローラ
１４，１６：（圧力式）マスフローコントローラ
Ｑ１，Ｑ２：二次流路

Claims (3)

1. 単一のガス流を複数の二次流路に所定の比率の流量で分流させるガス分流システムであって、
   前記二次流路のそれぞれに設けられたマスフローコントローラと、該マスフローコントローラに接続された共通のコントローラとを具え、
   前記複数の二次流路のいずれかが全開とされ、当該全開とされた二次流路の流量に対する残りの二次流路の流量の比率が１以下の数値で設定され、
   前記コントローラは、前記全開とされた二次流路の検出流量に前記比率を掛けた信号を残りのマスフローコントローラに設定信号として与えることにより、残りの二次流路の流量を制御することを特徴とする、
   ガス分流システム。
2. 前記マスフローコントローラが圧力式マスフローコントローラである、請求項１のガス分流システム。
3. 前記二次流路が単一のプロセスチェインバーに接続されている、請求項１又は２のガス分流システム。

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