JP5134841B2 - ガス供給ユニット - Google Patents

Description

本発明は、作用ガスを供給するガス供給ユニットに関する。

従来、半導体製造装置において、例えば、ウエハ表面に薄膜を形成させるＣＶＤ装置では、薄膜材料を構成する元素からなる１種又は数種の作用ガスをウエハ上に供給している。このとき、ウエハ表面に形成される薄膜を所望のものにするために、例えば特許文献１に記載されるガス供給ユニットをＣＶＤ装置に組み込み、ウエハ上に供給される作用ガスを一定量連続して供給する。

図１７は、従来のガス供給ユニット１００の回路図である。
ガス供給ユニット１００は、ハンドバルブ１１と、レギュレータ１２と、圧力計１３と、マスフローコントローラ１４と、第１遮断弁１５とが設置された供給ライン４を備える。供給ライン４は、上流側が作用ガス供給源２に接続され、下流側が処理室３に接続されている。供給ライン４は、マスフローコントローラ１４と第１遮断弁１５との間から排気ライン５が分岐している。排気ライン５は、第２遮断弁１７を配置され、真空ポンプ６に接続されている。真空ポンプ６には、処理室３も接続している。

かかるガス供給ユニット１００は、プロセス時には、第１遮断弁１５を開き、第２遮断弁１７を閉じた状態で、マスフローコントローラ１４によって流量制御された作用ガスを処理室３に供給する。一方、プロセス時以外は、第１遮断弁１５を閉じ、第２遮断弁１７を開いた状態で、作用ガスを排気ライン５に流しながら、処理室３を真空引きする。従って、第１遮断弁１５と第２遮断弁１７とは、交互に開閉される。

特開２０００−１２２７２５号公報

しかしながら、従来のガス供給ユニット１００は、マスフローコントローラ１４が作用ガスの流量を調整するにもかかわらず、積算流量がばらついていた。積算流量がばらつく理由は、以下の通りと考えられる。

第１遮断弁１５が弁閉状態から弁開状態に切り替えられ、第２遮断弁１７が弁開状態から弁閉状態に切り替えられるときに、第１遮断弁１５の二次側圧力Ｐ１と第２遮断弁１７の二次側圧力Ｐ２とが同じ圧力であれば、マスフローコントローラ１４の二次側圧力は変動せず、作用ガスが所定流量で第１遮断弁１５を通過して処理室３に供給される。ところが、実際には、第１遮断弁１５の二次側圧力Ｐ１と第２遮断弁１７の二次側圧力Ｐ２とが同じ圧力であることは少ない。

例えば、第２遮断弁１７の方が第１遮断弁１５よりＣｖ値が大きい場合や、排気ライン５の方が供給ライン４より流路径が大きい場合や管路が短い場合などには、排気ライン５の方が供給ライン４より作用ガスが流れやすい。この場合、第１遮断弁１５を閉状態、第２遮断弁１７を開状態にすると、排気ライン５の方が供給ライン４より真空引きされやすく、排気ライン５の真空度が供給ライン４の真空度より高くなる。また例えば、排気ライン５への排気時間が処理室３への供給時間より短い場合には、排気ライン５の真空度が供給ライン４の真空度より高くなる。これらの要因によって、第１遮断弁１５の二次側圧力Ｐ１が第２遮断弁１７の二次側圧力Ｐ２より高くなる。

この場合に、第１遮断弁１５を弁閉状態から弁開状態に切り替えると共に、第２遮断弁１７を弁開状態から弁閉状態に切り替えると、第１遮断弁１５の二次側圧力Ｐ１が第１遮断弁１５の一次側圧力より高いため、作用ガスが第１遮断弁１５側からマスフローコントローラ１４側に逆流する。これにより、マスフローコントローラ１４の二次側圧力が上昇し、マスフローコントローラ１４の動作差圧が小さくなるため、マスフローコントローラ１４の流量が減少する。この結果、処理室３に供給する作用ガスの積算流量が減少する。処理室３内の圧力状態で確認すると、例えば図９のようにＸ１だけ減少している。

逆に、例えば、第１遮断弁１５の方が第２遮断弁１７よりＣｖ値が大きい場合や、供給ライン４の方が排気ライン５より流路径が大きい場合や管路が短い場合などには、供給ライン４の方が排気ライン５より作用ガスが流れやすい。この場合に、第１遮断弁１５を閉状態、第２遮断弁１７を開状態にすると、供給ライン４の方が排気ライン５より真空引きされやすく、処理室３の真空度が排気ライン５の真空度より高くなる。また例えば、処理室３へのガス供給時間が排気ライン５からの排気時間より短い場合には、供給ライン４の真空度が排気ライン５の真空度より高くなる。これらの要因によって、第１遮断弁１５の二次側圧力Ｐ１が第２遮断弁１７の二次側圧力Ｐ２より低くなる。

この場合に、第１遮断弁１５を弁閉状態から弁開状態に切り替えると共に、第２遮断弁１７を弁開状態から弁閉状態に切り替えると、第１遮断弁１５の二次側圧力Ｐ１が第１遮断弁１５の一次側圧力より低いため、作用ガスがマスフローコントローラ１４側から第１遮断弁１５側に多量に流れる。これにより、マスフローコントローラ１４の二次側圧力が下降し、マスフローコントローラ１４の動作差圧が大きくなるため、マスフローコントローラ１４の流量が増加する。この結果、処理室３に供給する作用ガスの積算流量が増加する。処理室３内の圧力状態で確認すると、例えば図１２のようにＸ２だけ増加している。

従って、第１，第２遮断弁１５，１７や配管、マスフローコントローラ１４の個体差や経年変化、第１，第２遮断弁１５，１７の弁開閉制御状態などの複合的要因により、積算流量がばらつく。積算流量のばらつきは、処理室３に供給する作用ガスのガス供給量を不安定にし、成膜品質にばらつきを生じさせるため、好ましくない。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、ガス供給量を安定させることができるガス供給ユニットを提供することを目的とする。

本発明に係るガス供給ユニットは、次のような構成を有している。
（１）一次側が作用ガス供給源に接続されるマスフローコントローラと、前記マスフローコントローラの二次側に接続する第１流体制御弁と、一次側が前記マスフローコントローラと前記第１流体制御弁との間に接続されることによって前記第１流体制御弁と並列に接続された第２流体制御弁と、前記第２流体制御弁の二次側に配置された第３流体制御弁と、前記第１流体制御弁の二次側圧力と前記第２流体制御弁の二次側圧力との差圧を測定する差圧測定手段と、を有し、前記第３流体制御弁は、前記差圧測定手段の測定結果に基づいて、前記第１流体制御弁の二次側圧力と前記第２流体制御弁の二次側圧力との差圧が±２０ｋＰａ未満になるように動作すること、前記第１流体制御弁を弁閉状態から弁開状態に切り替え、第２流体制御弁を弁開状態から弁閉状態に切り替えたときに、作用ガスが前記マスフローコントローラに逆流することなく、かつ、作用ガスが前記マスフローコントローラ側から前記第１流体制御弁側に多量に流れないことにより、前記マスフローコントローラからの作用ガスの供給量を安定させることができる。

（２）（１）に記載するガス供給ユニットにおいて、前記第１流体制御弁の二次側に配置される第４流体制御弁を有し、前記第３流体制御弁と前記第４流体制御弁とにより、前記第１流体制御弁の二次側圧力と前記第２流体制御弁の二次側圧力とを調整する。

（３）（１）又は（２）に記載するガス供給ユニットにおいて、前記第１流体制御弁の二次側圧力又は前記第２流体制御弁の二次側圧力に生じた異常を報知する異常報知手段を有する。

上記構成を有する本発明のガス供給ユニットは、第１流体制御弁の二次側圧力と第２流体制御弁の二次側圧力との差圧に基づいて第３流体制御弁の弁開度を調整することにより、第１流体制御弁の二次側圧力と第２流体制御弁の二次側圧力とを同じ圧力にする。但し、ここでいう同じ圧力は、完全同一だけでなく、圧力差が±２０ｋＰａ未満の場合とすることが望ましい（圧力差を±２０ｋＰａ未満とする根拠については、後述する。）。そのため、第１流体制御弁を弁閉状態から弁開状態にしたときに、ガスがマスフローコントローラ側に逆流して積算流量が極端に減少したり、ガスがマスフローコントローラ側から第１流体制御弁側に多量に流れて積算流量が極端に増加しない。よって、本発明のガス供給ユニットによれば、ガス供給量を安定させることができる。

尚、第３流体制御弁は、圧力制御弁で構成してもよいし、流量制御弁で構成してもよい。そして、第３流体制御弁は、電気信号や操作圧によって弁開度を自動調整されるものであってもよいし、手動で弁開度を調整するものであってもよい。

また、本発明のガス供給ユニットは、第１流体制御弁の二次側圧力と第２流体制御弁の二次側圧力との差圧を差圧測定手段により測定し、その測定結果に基づいて第３流体制御弁が動作するので、第２流体制御弁の二次側圧力と第１流体制御弁の二次側圧力との圧力差を同じ圧力（望ましくは圧力差±２０ｋＰａ未満）にさせることができる。

尚、差圧測定手段は、第１流体制御弁と第２流体制御弁の二次側にそれぞれ配置する第１圧力測定手段と第２圧力測定手段で構成してもよいし、第１流体制御弁の二次側圧力と第２流体制御弁の二次側圧力との差圧を測る１個の差圧計で構成してもよい。

また、本発明のガス供給ユニットは、第１流体制御弁と第２流体制御弁の二次側にそれぞれ配置される第４流体制御弁と第３流体制御弁によって、第１流体制御弁の二次側圧力と第２流体制御弁の二次側圧力とを調整するので、第１流体制御弁の二次側圧力と第２流体制御弁の二次側圧力との圧力差を短時間のうちに同じ圧力（望ましくは圧力差±２０ｋＰａ未満）にさせることができる。
尚、第４流体制御弁は、圧力制御弁で構成してもよいし、流量制御弁で構成してもよい。

また、本発明のガス供給ユニットは、第１流体制御弁の二次側圧力又は第２流体制御弁の二次側圧力に生じた異常を報知するので、不安定なガス供給を未然に防止することができる。
尚、異常報知手段は、アラームなどの音声出力手段でも、ランプの点滅や液晶パネルのメッセージ表示などの表示手段であってもよい。

次に、本発明に係るガス供給ユニットの一実施の形態について図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
＜回路構成＞
図１は、本発明の第１実施形態に係るガス供給ユニット１の回路図である。
第１実施形態のガス供給ユニット１は、図１７に示す従来のガス供給ユニット１００と基本的な構成が同じである。そのため、図１に示すガス供給ユニット１は、従来のガス供給ユニット１００と共通する構成には、同一符号を付している。第１実施形態のガス供給ユニット１は、従来のガス供給ユニット１００と同様に、例えばＣＶＤ装置に組み込まれる。ガス供給ユニット１は、供給ライン４と、分岐ライン５を備える。供給ライン４は、ユニット１の外部に設けられた作用ガス供給源２と処理室３とを接続する。排気ライン５は、供給ライン４から分岐して、ユニット１の外部に設けられた真空ポンプ６に接続する。尚、真空ポンプ６には、処理室３も接続している。

供給ライン４には、上流側からハンドバルブ１１と、レギュレータ１２と、圧力計１３と、マスフローコントローラ１４と、「第１流体制御弁」の一例である第１遮断弁１５と、「差圧測定手段」の一例である圧力計１６とが配置されている。
一方、排気ライン５には、上流側から、「第２流体制御弁」の一例である第２遮断弁１７と、「差圧測定手段」の一例である圧力計１８と、「第３流体制御弁」の一例である圧力制御弁１９が配設されている。

ガス供給ユニット１は、第１，第２遮断弁１５，１７、圧力計１６，１８、圧力制御弁１９及び制御装置４０によって圧力制御装置２０が構成されている。圧力制御装置２０は、第１，第２遮断弁１５，１７の二次側圧力Ｐ１，Ｐ２を同じ圧力にさせるように圧力制御弁１９に動作信号Ｖｐを出力する。但し、ここでいう同じ圧力は、完全同一だけでなく、圧力差±２０ｋＰａ未満の場合をいうものとする（数値の根拠は後述する。）。尚、第１，第２遮断弁１５，１７は、外部装置４２から動作信号Ｖｓ，Ｖｖを入力し、弁開閉動作を制御される。

＜具体的構成＞
図２は、ガス供給ユニット１の平面図である。図３は、図２の図中Ａ方向から見たガス供給ユニットの側面図である。図４は、図２の図中Ｂ方向から見たガス供給ユニットの側面図である。尚、図３及び図４の図中太線は、作用ガスの流れを示す。
図２及び図３に示すように、ガス供給ユニット１は、ハンドバルブ１１と、レギュレータ１２と、圧力計１３と、マスフローコントローラ１４と、第２遮断弁１７と、第１遮断弁１５と、圧力計１６とを、流路ブロック２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９，３０，３１，３２の上面に上方からボルトで固定し、直列一体に連結している。

ハンドバルブ１１は、入力ポートが流路ブロック２１の入力部２１ａに連通する。入力部２１ａは、作用ガス供給源２に接続される。そのため、作用ガス供給源２から入力部２１ａに供給された作用ガスは、ハンドバルブ１１によって供給・遮断を制御される。ハンドバルブ１１の出力ポートは、流路ブロック２２を介してレギュレータ１２の入力ポートに接続している。レギュレータ１２の出力ポートは、流路ブロック２３を介して圧力計１３の入力ポートに接続し、レギュレータ１２によって調整された圧力を圧力計１３で測定する。。圧力計１３の出力ポートは、流路ブロック２３，２４，２５を介してマスフローコントローラ１４の入力ポートに接続する。

マスフローコントローラ１４の出力ポートは、流路ブロック２６，２７，２８，２９，３０を介して第１遮断弁１５の入力ポートに接続し、流量調整された作用ガスが第１遮断弁１５に供給される。第１遮断弁１５の出力ポートは、流路ブロック３１を介して圧力計１６の入力ポートに接続し、第１遮断弁１５の二次側圧力Ｐ１が測定される。圧力計１６の出力ポートは、流路ブロック３２の出力部３２ａに連通している。出力部３２ａには、処理室３が接続される。

流路ブロック２９の上面には、第２遮断弁１７とバイパスブロック３６が上方からボルトで固定されている。流路ブロック２９は、マスフローコントローラ１４と第１遮断弁１５とを連通させる流路から分岐した流路が上面に開口し、第２遮断弁１７の入力ポートに接続している。流路ブロック２９は、上面からＶ字流路が形成され、第２遮断弁１７の出力ポートとバイパスブロック３６とを連通させている。

図２及び図４に示すように、圧力計１８と圧力制御弁１９は、流路ブロック３３，３４，３５に上方からボルトで固定され、直列一体に連結されている。流路ブロック３３の上面には、バイパスブロック３６が上方からボルトで固定されている。圧力計１８は、入力ポートが、流路ブロック３３、バイパスブロック３６、流路ブロック２９を介して第２遮断弁２７の出力ポートに接続し、第２遮断弁２７の二次側圧力Ｐ２を測定する。

圧力計１８の出力ポートは、流路ブロック３４を介して圧力制御弁１９の入力ポートに接続する。圧力制御弁１９は、出力ポートが流路ブロック３５の排気部３５ａに連通し、圧力計１８から供給された作用ガスの圧力を調整して排気部３５ａに出力する。排気部３５ａは、真空ポンプ６に接続される。

＜制御装置＞
図１に示すように、制御装置４０は、制御回路４１と異常報知手段４３とを備える。制御回路４１には、圧力計１６，１８と圧力制御弁１９が接続している。制御回路４１は、圧力計１６，１８から第１，第２遮断弁１５，１７の二次側圧力Ｐ１，Ｐ２を入力して差圧を算出し、算出した差圧に基づいて圧力制御信号Ｖｐを圧力制御弁１９に出力する。一方、異常報知手段４３は制御回路４１に接続し、圧力計１６，１８が検出した圧力Ｐ１，Ｐ２に異常がある場合（例えば、圧力Ｐ１，Ｐ２が上限値を超えている場合や、圧力Ｐ１，Ｐ２の差圧が所定値より大きい場合など）に、アラームの発呼や警告灯の表示などにより異常を報知する。尚、異常報知手段４３は、異常報知時に外部装置４２に異常信号を出力する。

尚、本実施形態では、制御装置４０を含んだ圧力制御装置２０をガス供給ユニット１に組み込んでいるが、制御装置４０をガス供給ユニット１に外付けしてもよい。例えば、制御装置４０を、半導体制御装置の制御部など上位装置に設け、上位装置を圧力計１６，１８、圧力制御弁１９に配線によって通信可能に接続してもよい。

＜動作説明＞
次に、ガス供給ユニット１の動作について説明する。
ガス供給ユニット１は、プロセス時以外の場合には、手動弁１１と第２遮断弁１７と圧力制御弁１９を弁開し、第１遮断弁１５を弁閉する。作用ガス供給源２から入力部２１ａに供給された作用ガスは、手動弁１１からレギュレータ１２、圧力計１３、マスフローコントローラ１４、第２遮断弁１７、圧力計１８、圧力制御弁１９、排気部３５ａを介して真空ポンプ６へ排気される。

このとき、制御回路４１は、圧力計１６，１８から第１，第２遮断弁１５，１７の二次側圧力Ｐ１，Ｐ２を入力している。制御回路４１は、常時、二次側圧力Ｐ１，Ｐ２の差圧を測定し、二次側圧力Ｐ１，Ｐ２が同じ圧力（本実施形態では圧力差が±２０ｋＰａ未満）になるように圧力制御弁１９に圧力制御信号Ｖｐを出力する。

具体的には、制御回路４１は、第１遮断弁１５の二次側圧力Ｐ１が第２遮断弁１７の二次側圧力Ｐ２より高い場合には、圧力制御弁１９に弁開度を小さくする圧力制御信号Ｖｐを出力する。圧力制御弁１９が弁開度を閉じる方向にコンダクタンスを小さくすることにより排気される作用ガスの量が減少し、第２遮断弁１７の二次側圧力Ｐ２が上昇する。

また、制御回路４１は、第１遮断弁１５の二次側圧力Ｐ１が第２遮断弁１７の二次側圧力Ｐ２より低い場合には、圧力制御弁１９に弁開度を大きくする圧力制御信号Ｖｐを出力する。圧力制御弁１９が弁開度を開く方向にコンダクタンスを大きくすることにより排気される作用ガスの量が増加し、第２遮断弁１７の二次側圧力Ｐ２が低下する。

上記のようにして、第１，第２遮断弁１５，１７の二次側圧力Ｐ１，Ｐ２を同じ圧力（本実施形態では圧力差±２０ｋＰａ未満）にした状態で、ガス供給ユニット１は、外部より第１，第２遮断弁１５，１７が操作され、作用ガスを処理室３に供給する。

＜作用効果＞
本実施形態のガス供給ユニット１の作用効果について説明する。
発明者らは、第１，第２遮断弁１５，１７の二次側圧力Ｐ１，Ｐ２が、処理室３内の圧力Ｐ３及びマスフローコントローラ１４にどのような影響を与えるか調べた。

図５、図７、図１０は、第１遮断弁１５の弁開閉動作とマスフローコントローラ１４の流量との関係を調べた流量測定試験の試験結果を示し、縦軸にマスフローコントローラ流量（ＳＬＭ）を示し、横軸に時間（ｓｅｃ）を示す。尚、図５、図７、図１０は、マスフローコントローラ流量と第１，第２遮断弁１５，１７の開閉動作との関係を示すため、第１，第２遮断弁１５，１７の開閉状態を表に重ねて記載している。
図６、図８、図１１は、第１，第２遮断弁１５，１７の弁開閉動作と処理室３の圧力Ｐ３との関係を調べた出力圧検定試験の試験結果を示し、縦軸にライン圧力Ｐ１，Ｐ２（ｋＰａ）と処理室内圧力変動ΔＰ３（Ｐａ）を示し、横軸に時間（ｓｅｃ）を示す。尚、図６、図８、図１１は、第１，第２遮断弁１５，１７の二次側圧力及び処理室３内の圧力変動と第１，第２遮断弁１５，１７の開閉動作との関係を示すため、第１，第２遮断弁１５，１７の開閉状態を表に重ねて記載している。
図９及び図１２は、第１，第２遮断弁１５，１７の二次側圧力Ｐ１，Ｐ２を異なった圧力にした場合と、二次側圧力Ｐ１，Ｐ２を同じ圧力にした場合とで処理室３の圧力Ｐ３がどのように異なるかをまとめた図である。

図５に示すように、第１，第２遮断弁１５，１７の二次側圧力Ｐ１，Ｐ２を同じ圧力にした状態で第１遮断弁１５を弁閉状態から弁開状態に切り替え、第２遮断弁１７を弁開状態から弁閉状態に切り替える場合には、マスフローコントローラ１４の二次側圧力が変化しないため一定であり、処理室３へのガス供給流量が安定する。

そのため、図６に示すように、処理室３の圧力Ｐ３は、第１遮断弁１５が弁開してから弁閉するまでの間、緩やかに上昇して、リニアに変化する。

よって、第１，第２遮断弁１５，１７の二次側圧力Ｐ１，Ｐ２を同じ圧力にした状態で第１遮断弁１５を弁閉状態から弁開状態に切り替え、第２遮断弁１７を弁開状態から弁閉状態に切り替える場合には、マスフローコントローラ１４や第１，第２遮断弁１５，１７などの個体差と関係なく、マスフローコントローラ１４の流量が一定になり、処理室３への作用ガスの供給流量が安定する。

ところが、図８に示すように、第１遮断弁１５の二次側圧力Ｐ１が第２遮断弁１７の二次側圧力Ｐ２より２０ｋＰａ高い状態で、第１遮断弁１５を弁閉状態から弁開状態に切り替え、第２遮断弁１７を弁開状態から弁閉状態に切り替える場合には、処理室３内の圧力Ｐ３は、第１遮断弁１５を弁開状態に切り替えた瞬間低下し、その後、第１遮断弁１５を弁開状態から弁閉状態に切り替えるまで上昇する。これは、第１遮断弁１５を開き、第２遮断弁１７を閉じた瞬間、第１遮断弁１５の一次側圧力の方が第１遮断弁１５の二次側圧力より低いため、処理室３側からガス供給ユニット１側に作用ガスが逆流する逆流現象が起こることが理由と考えられる。

このため、図７に示すように、第１遮断弁１５の二次側圧力Ｐ１が第２遮断弁１７の二次側圧力Ｐ２より２０ｋＰａ高い状態で、第１遮断弁１５を弁閉状態から弁開状態に切り替え、第２遮断弁１７を弁開状態から弁閉状態に切り替えた場合に、マスフローコントローラ１４の流量は、第１遮断弁１５が弁閉状態から弁開状態に切り替えられ、第２遮断弁が弁開状態から弁閉状態に切り替えられる瞬間に減少した後、設定流量に調整される。これは、第１遮断弁１５を弁閉状態から弁開状態に切り替え、第２遮断弁１７を弁開状態から弁閉状態に切り替える瞬間に起こる逆流現象によってマスフローコントローラ１４の二次側圧力が上昇し、マスフローコントローラ１４の動作差圧が小さくなるためである。

図９に示すように、処理室３内の圧力Ｐ３について、第１，第２遮断弁１５，１７の二次側圧力Ｐ１，Ｐ２を同じ圧力にした場合（図中太線）と、第１遮断弁１５の二次側圧力Ｐ１が第２遮断弁１７の二次側圧力Ｐ２より２０ｋＰａ高い場合（図中実線）とを比較すると、図中Ｘ１に示すように、第１遮断弁１５の二次側圧力Ｐ１が第２遮断弁１７の二次側圧力Ｐ２より２０ｋＰａ高い場合（図中実線）の処理室３内の圧力Ｐ３は、第１，第２遮断弁１５，１７の二次側圧力Ｐ１，Ｐ２を同じ圧力にした場合（図中太線）の処理室３内の圧力Ｐ３より全体的に低くなる。

上記試験結果より、第１遮断弁１５の二次側圧力Ｐ１が第２遮断弁１７の二次側圧力Ｐ２より２０ｋＰａ高い状態で、第１遮断弁１５を弁閉状態から弁開状態に切り替え、第２遮断弁１７を弁開状態から弁閉状態に切り替えると、第１遮断弁１５を開いた瞬間に、処理室３側のガスがマスフローコントローラ１４側に逆流することにより、マスフローコントローラ１４の二次側の圧力が上昇してマスフローコントローラ１４の動作差圧が小さくなるため、マスフローコントローラ１４の流量が一時的に変動することが分かる。そのため、処理室３内の圧力Ｐ３の上昇率は、二次側圧力Ｐ１，Ｐ２を同じ圧力にした状態で第１遮断弁１５を弁閉状態から弁開状態に切り替える場合より全体的に小さくなり、処理室３への作用ガスの積算流量が不十分になることが分かる。

一方、図１１に示すように、第１遮断弁１５の二次側圧力Ｐ１が第２遮断弁１７の二次側圧力Ｐ２より２０ｋＰａ低い状態で、第１遮断弁１５を弁閉状態から弁開状態に切り替え、第２遮断弁１７を弁開状態から弁閉状態に切り替えた場合には、処理室３内の圧力Ｐ３は、第１遮断弁１５を開いてから閉じるまでの間、放物線を描くように大きく上昇する。これは、第１遮断弁１５を開き、第２遮断弁１７を閉じる瞬間、第１遮断弁１５の一次側圧力の方が第１遮断弁１５の二次側圧力より高いため、処理室３側に作用ガスが多量に流れる過流現象が起こることが理由と考えられる。

このため、図１０に示すように、第１遮断弁１５の二次側圧力Ｐ１が第２遮断弁１７の二次側圧力Ｐ２より２０ｋＰａ低い状態で、第１遮断弁１５を弁閉状態から弁開状態に切り替え、第２遮断弁１７を弁開状態から弁閉状態に切り替えた場合には、マスフローコントローラ１４の流量は、第１遮断弁１５が弁閉状態から弁開状態に切り替えられ、第２遮断弁１７が弁開状態から弁閉状態に切り替えられる瞬間に設定流量より多くなり、その後、設定流量に安定する。これは、第１遮断弁１５を弁閉状態から弁開状態に切り替え、第２遮断弁１７を弁開状態から弁閉状態に切り替えた瞬間に起こる過流現象によってマスフローコントローラ１４の二次側圧力が下降し、マスフローコントローラ１４の動作差圧が大きくなるために生じると考えられる。これにより、第１遮断弁１５を開いた瞬間に、作用ガスが設定流量より多く処理室３側に流れていることが分かる。

図１２に示すように、処理室３内の圧力Ｐ３について、第１，第２遮断弁１５，１７の二次側圧力Ｐ１，Ｐ２を同じ圧力にする場合（図中太線）と、第１遮断弁１５の二次側圧力Ｐ１が第２遮断弁１７の二次側圧力Ｐ２より２０ｋＰａ低い場合（図中実線）とを比較すると、図中Ｘ２に示すように、第１遮断弁１５の二次側圧力Ｐ１が第２遮断弁１７の二次側圧力Ｐ２より２０ｋＰａ低い場合（図中実線）の処理室３内の圧力Ｐ３は、第１，第２遮断弁１５，１７の二次側圧力Ｐ１，Ｐ２を同じ圧力にする場合（図中太線）の処理室３内の圧力Ｐ３より全体的に高くなる。

上記試験結果より、第１遮断弁１５の二次側圧力Ｐ１が第２遮断弁１７の二次側圧力Ｐ２より２０ｋＰａ低い状態で、第１遮断弁１５を弁閉状態から弁開状態に切り替え、第２遮断弁１７を弁開状態から弁閉状態に切り替えると、第１遮断弁１５を開いた瞬間は、第１遮断弁１５の一次側圧力が第１遮断弁１５の二次側圧力より高いため、作用ガスが第１遮断弁１５側から処理室３側へ多量に流れて、マスフローコントローラ１４の二次側圧力が下降する。これにより、マスフローコントローラ１４は、動作差圧が大きくなり、流量が一時的に変動する。そのため、処理室３内の圧力Ｐ３の上昇率は、二次側圧力Ｐ１，Ｐ２を同じ圧力にする状態で、第１遮断弁１５を弁閉状態から弁開状態に切り替え、第２遮断弁１７を弁開状態から弁閉状態に切り替える場合より全体的に大きくなり、処理室３への作用ガスの積算流量が過剰になることが分かる。

従って、第１実施形態のガス供給ユニット１は、第１遮断弁１５の二次側圧力Ｐ１と第２遮断弁１７の二次側圧力Ｐ２を圧力計１６，１８で測定し、二次側圧力Ｐ１，Ｐ２を同じ圧力にさせるように圧力制御弁１９の弁開度（コンダクタンス）を調整した後、第１遮断弁１５を弁閉状態から弁開状態にする。ここで、同じ圧力は、二次側圧力Ｐ１，Ｐ２の圧力差が±２０ｋＰａ未満であることが望ましい。これは、図８及び図１１に示すように、二次側圧力Ｐ１，Ｐ２の圧力差が２０ｋＰａ以上であると、図９及び図１２に示すように処理室３の圧力Ｐ３が、二次側圧力Ｐ１，Ｐ２が同じ圧力の場合より大きくずれ、積算流量にばらつきを生じるためである。このように、二次側圧力Ｐ１，Ｐ２の差圧に基づいて圧力制御弁１９の弁開度を調整することにより、マスフローコントローラ１４の二次側圧力が第１，第２遮断弁１５，１７の動作にかかわらず常に安定する。このため、第１実施形態のガス供給ユニット１は、処理室３側の作用ガスがマスフローコントローラ１４側に逆流し、積算流量が極端に減少したり、マスフローコントローラ１４側から第１遮断弁１５側に作用ガスが多量に流れ、積算流量が極端に増加する不具合を回避して、処理室３に供給する作用ガスのガス供給量を安定させることができる。

特に、図７及び図１０に示すように、第１，第２遮断弁１５，１７の二次側圧力Ｐ１，Ｐ２が同じ圧力（圧力差±２０ｋＰａ未満）でない状態で、第１遮断弁１５が弁閉状態から弁開状態に切り替えられ、第２遮断弁１７が弁開状態から弁閉状態に切り替えられる場合には、マスフローコントローラ１４の二次側圧力が急激に変化し、マスフローコントローラ１４の動作差圧が変化するため、流量が不安定になる。この場合に、流量が安定するのには、数百ｍｓｅｃかかる。このため、第１，第２遮断弁１５，１７の弁開閉状態を切り替えるサイクルタイムが短いほど、積算流量への影響が大きく、二次側圧力Ｐ１，Ｐ２を同じ圧力（圧力差±２０ｋＰａ未満）にさせて第１遮断弁１５を開くようにすることの効果が大きい。

しかも、マスフローコントローラ１４、第１，第２遮断弁１５，１７その他の機器は、個体差があり、経年変化を生じやすい。そのため、第１，第２遮断弁１５，１７の二次側圧力Ｐ１，Ｐ２の圧力が一致しにくいが、圧力制御弁１９により、第１，第２遮断弁１５，１７の二次側圧力Ｐ１，Ｐ２の圧力差を±２０ｋＰａ未満にさせるため、マスフローコントローラ１４や第１，第２遮断弁１５，１７などに個体差や経年変化が生じても、作用ガスの供給量を安定させることができる。

ガス供給ユニット１の積算流量が安定することにより、成膜条件を固定することができる。よって、半導体製造装置では、第１実施形態のガス供給ユニット１を使用することにより、成膜品質が向上する。

また、第１実施形態のガス供給ユニット１は、第１遮断弁１５の二次側圧力Ｐ１を圧力センサ１６で測定し、第２遮断弁１７の二次側圧力Ｐ２を圧力センサ１８で測定し、測定した二次側圧力Ｐ１，Ｐ２の差圧を算出して圧力制御弁１９の弁開度を調整するので、第２遮断弁１７の二次側圧力Ｐ２を第１遮断弁１５の二次側圧力Ｐ１と同じ圧力（圧力差±２０ｋＰａ未満）にさせることができる。

更に、第１実施形態のガス供給ユニット１は、第１遮断弁１５の二次側圧力Ｐ１又は第２遮断弁１７の二次側圧力Ｐ２に異常が生じた場合には、異常報知手段４３がアラームを鳴らしたり、警告灯を点灯させるなどして、ユーザに異常を報知する。よって、第１実施形態のガス供給ユニット１は、不安定なガス供給を未然に防止することができる。

（第２実施形態）
続いて、本発明に係るガス供給ユニット１の第２実施形態について、図面を参照して説明する。図１３は、第２実施形態に係るガス供給ユニット６１の平面図である。図１４は、図１３に示す回路を具体化したガス供給ユニット６１の側面図である。
第２実施形態のガス供給ユニット６１は、「第４流体制御弁」の一例である圧力制御弁６２を圧力計１６の二次側に配置した点が、第１実施形態のガス供給ユニット１と相違する。ここでは、第１実施形態と相違する構成を説明し、共通する構成については第１実施形態と同じ符号を図面に付し、説明を省略する。

圧力制御弁６２は、入力ポートが流路ブロック６３を介して圧力計１６に出力ポートに接続し、出力ポートが流路ブロック３２の出力部３２ａに連通している。制御装置４０は、制御回路４１が圧力制御弁６２に接続し、圧力制御信号Ｖｐａを圧力制御弁６２に出力する。

第２実施形態のガス供給ユニット６１は、圧力計１６，１８が測定した第１，第２遮断弁１５，１７の二次側圧力Ｐ１，Ｐ２に基づいて、圧力制御弁１９，６２に圧力制御信号Ｖｐ，Ｖｐａを出力し、圧力調整弁１９，６２の弁開度を調整する。圧力制御弁１９，６２により第１，第２遮断弁１５，１７の二次側圧力Ｐ１，Ｐ２を同時に制御するので、短時間のうちに二次側圧力Ｐ１，Ｐ２を同じ圧力（圧力差を±２０ｋＰａ未満）にさせることができる。

（第３実施形態）
続いて、本発明に係るガス供給ユニット１の第３実施形態について、図面を参照して説明する。図１５は、第３実施形態に係るガス供給ユニット７１の平面図である。
第３実施形態のガス供給ユニット７１は、圧力計１６，１８の変わりに、「差圧測定手段」の一例である差圧計７２を設けた点が、第１実施形態のガス供給ユニット１と相違する。ここでは、第１実施形態と相違する構成を説明し、共通する構成については第１実施形態と同じ符号を図面に付し、説明を省略する。

ガス供給ユニット７１は、第１，第２遮断弁１５，１７の二次側に差圧計７２が接続している。排気ライン５では、差圧計７２の二次側に圧力制御弁１９が配設されている。制御装置４０は、制御回路４１が差圧計７２に接続し、差圧計７２から第１，第２遮断弁１５，１７の二次側圧力Ｐ１，Ｐ２の差圧を入力して圧力制御弁１９に圧力制御信号Ｖｐを出力し、二次側圧力Ｐ１，Ｐ２を同じ圧力（圧力差±２０ｋＰａ未満）にさせる。

第３実施形態のガス供給ユニット７１は、圧力計１６，１８の変わりに差圧計７２を用いるので、第１実施形態のガス供給ユニット１よりフットスペースを小さくできると共に、安価にできる。

（第４実施形態）
続いて、本発明に係るガス供給ユニット１の第３実施形態について、図面を参照して説明する。図１６は、第４実施形態に係るガス供給ユニット８１の平面図である。
第４実施形態のガス供給ユニット８１は、圧力制御弁１９の変わりに、「第３流体制御弁」の一例である手動式流量調整弁８２を使用した点が、第１実施形態のガス供給ユニット１と相違する。ここでは、第１実施形態と相違する構成を説明し、共通する構成については第１実施形態と同じ符号を図面に付し、説明を省略する。

ガス供給ユニット８１は、圧力計１８の二次側に、手動で弁開度を調整する手動式流量調整弁８２を配設している。圧力制御装置８３は、手動式流量調整弁８２を用いるので、制御装置４０を備えない。

第４実施形態のガス供給ユニット８１は、第２遮断弁１７を弁閉状態、第１遮断弁１５を弁開状となるときに、圧力計１６，１８が示す圧力を同じ圧力（圧力差±２０ｋＰａ未満）にするように手動式流量調整弁８２の弁開度を調整する。この調整は、例えば、定期メンテナンス時の他、マスフローコントローラ１４の流量が乱れた場合などに行うとよい。

かかる第４ガス供給ユニット８１は、手動式流量調整弁８２を用いることにより制御装置４０が不要になるので、第１実施形態のガス供給ユニット１より簡易なユニットになり、コストダウンすることができる。

また、第４実施形態のガス供給ユニット８１では、圧力計１６，１８を省き、マスフローコントローラ１４の流量が一定値を示すように手動式流量調整弁８２の弁開度を調整してもよい。圧力計１６，１８がなくても、マスフローコントローラ１４の流量が一定であることで、第１，第２遮断弁１５，１７の二次側圧力Ｐ１，Ｐ２の圧力差が小さいことを確認できるからである。

尚、本発明のガス供給ユニットは、上記実施の形態に限定されることなく、色々な応用が可能である。
例えば、上記実施形態では、流量測定のためにマスフローコントローラ１４を使用したが、マスフローメータを使用してもよい。
例えば、上記第２実施形態では、供給ライン４に圧力制御弁６２を配置したが、圧力制御弁６２に換えて手動式流量調整弁を配置してもよい。

本発明の第１実施形態に係るガス供給ユニットの回路図である。 図１に示す回路を具体化したガス供給ユニットの平面図である。 図２の図中Ａ方向から見たガス供給ユニットの側面図である。図中太線は、作用ガスの流れを示す。 図２の図中Ｂ方向から見たガス供給ユニットの側面図である。図中太線は、作用ガスの流れを示す。 第１，第２遮断弁の二次側圧力を同じにする場合における第１遮断弁の弁開閉動作とマスフローコントローラの流量との関係を調べた流量測定試験の試験結果を示す。縦軸は、マスフローコントローラ流量（ＳＬＭ）を示し、横軸は時間（ｓｅｃ）を示す。 第１，第２遮断弁の二次側圧力を同じにする場合における第１，第２遮断弁の弁開閉動作と処理室の圧力との関係を調べた出力圧検定試験の試験結果を示す。縦軸は、ライン圧力Ｐ１，Ｐ２（ｋＰａ）と処理室内圧力変動ΔＰ３（Ｐａ）を示し、横軸は、時間（ｓｅｃ）を示す。 第１遮断弁の二次側圧力が第２遮断弁の二次側圧力より高い場合における第１遮断弁の弁開閉動作とマスフローコントローラの流量との関係を調べた流量測定試験の試験結果を示す。縦軸は、マスフローコントローラ流量（ＳＬＭ）を示し、横軸は時間（ｓｅｃ）を示す。 第１遮断弁の二次側圧力が第２遮断弁の二次側圧力より高い場合における第１，第２遮断弁の弁開閉動作と処理室の圧力との関係を調べた出力圧検定試験の試験結果を示す。縦軸は、ライン圧力Ｐ１，Ｐ２（ｋＰａ）と処理室内圧力変動ΔＰ３（Ｐａ）を示し、横軸は、時間（ｓｅｃ）を示す。 図８に示す流量検定時における処理室内の圧力変動を、第１，第２遮断弁の二次側圧力とが等しい場合と比較した図である。縦軸は、処理室内圧力変動ΔＰ３（Ｐａ）を示す。横軸は、時間（ｓｅｃ）を示す。 第１遮断弁の二次側圧力が第２遮断弁の二次側圧力より低い場合における第１遮断弁の弁開閉動作とマスフローコントローラの流量との関係を調べた流量測定試験の試験結果を示す。縦軸は、マスフローコントローラ流量（ＳＬＭ）を示し、横軸は時間（ｓｅｃ）を示す。 第１遮断弁の二次側圧力が第２遮断弁の二次側圧力より低い場合における第１，第２遮断弁の弁開閉動作と処理室の圧力との関係を調べた出力圧検定試験の試験結果を示す。縦軸は、ライン圧力Ｐ１，Ｐ２（ｋＰａ）と処理室内圧力変動ΔＰ３（Ｐａ）を示し、横軸は、時間（ｓｅｃ）を示す。 図１１に示す流量検定時における処理室内の圧力変動を、第１遮断弁の二次側圧力と第２遮断弁の二次側圧力とが等しい場合と比較した図である。縦軸は、処理室内圧力変動ΔＰ３（Ｐａ）を示す。横軸は、時間（ｓｅｃ）を示す。 本発明の第２実施形態に係るガス供給ユニットの回路図である。 図１３に示す回路を具体化したガス供給ユニットの側面図である。 本発明の第３実施形態に係るガス供給ユニットの回路図である。 本発明の第４実施形態に係るガス供給ユニットの回路図である。 従来のガス供給ユニットの回路図である。

符号の説明

１，６１，７１，８１ ガス供給ユニット
１５ 第１遮断弁（第１流体制御弁）
１６ 圧力計（差圧計測手段）
１７ 第２遮断弁（第２流体制御弁）
１８ 圧力計（差圧計測手段）
１９ 圧力制御弁（第３流体制御弁）
４３ 異常報知手段
６２ 圧力制御弁（第４流体制御弁）
７２ 差圧計（差圧計測手段）
８２ 手動式流量調整弁（第３流体制御弁）

Claims (3)

1. 一次側が作用ガス供給源に接続されるマスフローコントローラと、
   前記マスフローコントローラの二次側に接続する第１流体制御弁と、
   一次側が前記マスフローコントローラと前記第１流体制御弁との間に接続されることによって前記第１流体制御弁と並列に接続された第２流体制御弁と、
   前記第２流体制御弁の二次側に配置された第３流体制御弁と、
   前記第１流体制御弁の二次側圧力と前記第２流体制御弁の二次側圧力との差圧を測定する差圧測定手段と、を有し、
   前記第３流体制御弁は、前記差圧測定手段の測定結果に基づいて、前記第１流体制御弁の二次側圧力と前記第２流体制御弁の二次側圧力との差圧が±２０ｋＰａ未満になるように動作すること、
   前記第１流体制御弁を弁閉状態から弁開状態に切り替え、第２流体制御弁を弁開状態から弁閉状態に切り替えたときに、作用ガスが前記マスフローコントローラに逆流することなく、かつ、作用ガスが前記マスフローコントローラ側から前記第１流体制御弁側に多量に流れないことにより、前記マスフローコントローラからの作用ガスの供給量を安定させることができること、
   を特徴とするガス供給ユニット。
2. 請求項１に記載するガス供給ユニットにおいて、
   前記第１流体制御弁の二次側に配置される第４流体制御弁を有し、
   前記第３流体制御弁と前記第４流体制御弁とにより、前記第１流体制御弁の二次側圧力
   と前記第２流体制御弁の二次側圧力とを調整すること
   を特徴とするガス供給ユニット。
3. 請求項１又は請求項２に記載するガス供給ユニットにおいて、
   前記第１流体制御弁の二次側圧力又は前記第２流体制御弁の二次側圧力に生じた異常を報知する異常報知手段を有すること
   を特徴とするガス供給ユニット。

Images