JP5457021B2 - 混合ガスの供給方法及び混合ガスの供給装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体製造装置の処理チャンバー等のガス使用対象に、複数種のガスからなる混合ガスを処理ガスとして供給するための混合ガスの供給方法及び混合ガスの供給装置に関する。

従来から、半導体製造装置の処理チャンバー等のガス使用対象に、複数種のガスからなる混合ガスを処理ガスとして供給する場合、例えば、プラズマエッチング装置の処理チャンバーにエッチングガスを供給する場合は、一般にガスボックス（ＧＡＳ ＢＯＸ）等と称される混合ガスの供給装置を用いている。

上記の混合ガスの供給装置では、１本の共通配管（マニホールド）に接続された複数の個別ガス供給ラインを通して複数種のガスを供給し、それらの混合ガスを、共通配管のガスアウト部を通じて混合ガス供給ラインによりガス使用対象に供給する構成となっている。そして、従来では、ガスアウト部に最も近い位置に設けられた個別ガス供給ラインから使用流量が最大のガス、若しくは分子量の最も大きなガスを供給し、ガスアウト部に最も遠い位置に設けられたガス供給ラインから使用流量が最少のガス、若しくは分子量の最も小さなガスを供給するようになっている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平９−２８３５０４号公報

しかしながら、本発明者等が詳査したところ、上記した従来の技術では、大流量ガスと少流量ガスを同時に流した場合、大流量ガスが共通配管内に充満してしまい、少流量ガスの流れを妨害し、その結果少流量ガスが処理チャンバーに到達する時間に大きな遅れが発生することが判明した。

本発明は、上記従来の事情に対処してなされたもので、少流量ガスが処理チャンバーに到達する時間に大きな遅れが発生することを抑制することができ、所定の混合ガスをより早くガス使用対象に供給することのできる混合ガスの供給方法及び混合ガスの供給装置を提供しようとするものである。

請求項１の混合ガスの供給方法は、共通配管に接続された複数の個別ガス供給ラインを通して複数種のガスを供給し、当該複数種のガスの混合ガスを、前記共通配管のガスアウト部を通じて混合ガス供給ラインによりガス使用対象に供給する混合ガスの供給方法であって、流量の異なる２種類以上のガスを同時に供給する際に、流量の少ないガスを、流量の多いガスより前記ガスアウト部に近い位置に設けた前記個別ガス供給ラインから供給するとともに、前記共通配管の内径を、前記混合ガス供給ラインの内径より小さくし、前記混合ガス供給ラインより内径の小さな前記共通配管から、より内径の大きな前記混合ガス供給ラインに混合ガスを流すことを特徴とする。

請求項２の混合ガスの供給方法は、請求項１記載の混合ガスの供給方法であって、前記複数種のガスのうち、最少流量のガスを、前記ガスアウト部に最も近い位置に設けた前記個別ガス供給ラインから供給し、かつ、前記複数種のガスのうち、最大流量のガスを、前記ガスアウト部から最も遠い位置に設けた前記個別ガス供給ラインから供給することを特徴とする。

請求項３の混合ガスの供給方法は、請求項１又は２記載の混合ガスの供給方法であって、前記混合ガス供給ラインに、フィルタを設け、混合ガス中のパーティクルを除去することを特徴とする。

請求項４の混合ガスの供給装置は、共通配管に接続された複数の個別ガス供給ラインを通して複数種のガスを供給し、当該複数種のガスの混合ガスを、前記共通配管のガスアウト部を通じて混合ガス供給ラインによりガス使用対象に供給する混合ガスの供給装置であって、流量の異なる２種類以上のガスを同時に供給する際に、流量の少ないガスを、流量の多いガスより前記ガスアウト部に近い位置に設けた前記個別ガス供給ラインから供給するよう構成され、かつ、前記共通配管の内径を、前記混合ガス供給ラインの内径より小さくしたことを特徴とする。

請求項５の混合ガスの供給装置は、請求項４記載の混合ガスの供給装置であって、前記複数種のガスのうち、最少流量のガスを、前記ガスアウト部に最も近い位置に設けた前記個別ガス供給ラインから供給し、かつ、前記複数種のガスのうち、最大流量のガスを、前記ガスアウト部から最も遠い位置に設けた前記個別ガス供給ラインから供給するよう構成されたことを特徴とする。

請求項６の混合ガスの供給装置は、請求項４又は５記載の混合ガスの供給装置であって、前記混合ガス供給ラインに、混合ガス中のパーティクルを除去するためのフィルタを設けたことを特徴とする。

本発明によれば、少流量ガスが処理チャンバーに到達する時間に大きな遅れが発生することを抑制することができ、所定の混合ガスをより早くガス使用対象に供給することのできる混合ガスの供給方法及び混合ガスの供給装置を提供することができる。

以下、本発明の詳細を、図面を参照して実施形態について説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る混合ガスの供給装置の概略構成を模式的に示す図である。図１に示すように、混合ガスの供給装置１００は、複数のガス種に対応した複数（本実施形態では１６）の個別ガス供給ライン１Ａ〜１Ｐを具備しており、これらの個別ガス供給ライン１Ａ〜１Ｐの一端は、１本の共通配管（マニホールド）１０に接続されている。

上記した各個別ガス供給ライン１Ａ〜１Ｐの他端は、図示しないガス供給源に接続されている。また、各個別ガス供給ライン１Ａ〜１Ｐには、ガスの流量を制御するためのガス流量制御器（ＭＦＣやＦＣＳ）２Ａ〜２Ｐ、弁３Ａ〜３Ｐ、弁４Ａ〜４Ｐ等が設けられている。

また、上記した共通配管（マニホールド）１０の一端のガスアウト部１１は、混合ガス供給ライン２０に接続されており、この混合ガス供給ライン２０は、ガス使用対象である半導体製造装置（例えば、プラズマエッチング装置）の処理チャンバー３０に接続されている。この混合ガス供給ライン２０には、混合ガス中のパーティクルを除去するためのフィルタ２１、弁２２等が設けられている。

本実施形態において、流量の異なる２種類以上のガスを同時に供給する際に、流量の少ないガスを、流量の多いガスよりガスアウト部１１に近い位置に設けた個別ガス供給ライン１Ａ〜１Ｐから供給するようになっている。さらに、複数種のガスのうち、最少流量のガスを、ガスアウト部１１に最も近い位置に設けた個別ガス供給ライン１Ａから供給し、複数種のガスのうち、最大流量のガスを、ガスアウト部１１から最も遠い位置に設けた個別ガス供給ライン１Ｐから供給するようになっている。

また、共通配管（マニホールド）１０は、その内径を、混合ガス供給ライン２０の内径より小さく（細く）なるように構成されている。本実施形態では、共通配管（マニホールド）１０の内径が６．３５ｍｍ（１／４インチ）、混合ガス供給ライン２０の内径が１２．７ｍｍ（１／２インチ）とされている。このように、共通配管（マニホールド）１０の内径を６．３５ｍｍ（１／４インチ）以下、混合ガス供給ライン２０の内径を１２．７ｍｍ（１／２インチ）以上とすることが好ましい。この理由については後述する。

なお、従来の混合ガスの供給装置では、共通配管（マニホールド）の内径と、混合ガス供給ラインの内径は同一とされており、例えばこれらの内径は、１２．７ｍｍ（１／２インチ）等とされている。

次に、上記構成の混合ガスの供給装置１００による混合ガスの供給方法について説明する。上記した通り、本実施形態では、流量の異なる２種類以上のガスを同時に供給する際に、流量の少ないガスを、流量の多いガスよりガスアウト部１１に近い位置に設けた個別ガス供給ライン１Ａ〜１Ｐから供給する。例えば、ＡｒガスとＯ₂ガスを同時に供給し、ＡｒガスとＯ₂ガスの混合ガスを処理チャンバー３０に供給する場合であって、Ｏ₂ガスの流量がＡｒガスの流量より少ない場合は、Ｏ₂ガスをＡｒガスよりガスアウト部１１に近い位置に設けた個別ガス供給ライン１Ａ〜１Ｐから供給する。

具体的には、例えば、Ａｒガスをガスアウト部１１から１３番目の位置に設けられた個別ガス供給ライン（１３）１Ｍから供給し、Ｏ₂ガスを、ガスアウト部１１から１２番目の位置に設けられた個別ガス供給ライン（１２）１Ｌから供給する。このような場合について、Ａｒガス／Ｏ₂ガス＝５００／２０ｓｃｃｍ、５００／５０ｓｃｃｍ、１０００／２０ｓｃｃｍ、１０００／５０ｓｃｃｍ、１０００／１００ｓｃｃｍ、の各流量について、実際にガスを流し、処理チャンバー３０内に到達したガスを質量分析装置（Ｑ−ＭＡＳＳ）で分析して、Ａｒガス及びＯ₂ガスの到達時間（ガスの供給を開始してから処理チャンバー３０内に到達した時間）を調査した結果を表１に示す。

なお、質量分析装置（Ｑ−ＭＡＳＳ）での分析結果では、図２に示すように、ガス濃度が、図中実線で示すＡｒガスの濃度が立ち上がった後、遅れてＯ₂ガスが立ち上りを開始し、その後Ｏ₂ガスの濃度が安定した。このため、表１に示したＯ₂立ち上り時間は、図２中に示すように、Ｏ₂ガス検出信号が立ち上りを開始した時間、Ｏ₂安定時間は、Ｏ₂ガス検出信号が安定した時間を示している。また、比較例１として、Ａｒガスをガスアウト部１１から１番近い位置に設けられた個別ガス供給ライン（１）１Ａから供給し、Ｏ₂ガスを、ガスアウト部１１から１２番目の位置に設けられた個別ガス供給ライン（１２）１Ｌから供給した場合のＡｒガス及びＯ₂ガスの到達時間を調査した結果を表１に示す。

表１に示すように、上記の実施例１の場合、Ｏ₂立ち上り時間は、Ａｒと略同時であり、Ｏ₂安定時間も数秒（３．３〜５．２秒）であった。これに対して、比較例１の場合は、Ｏ₂立ち上り時間が３．９〜１５．９秒かかり、Ｏ₂安定時間も５．９〜２０．６秒となった。この結果から明らかなように、実施例１では、比較例１の場合に比べて、Ｏ₂立ち上り時間も、Ｏ₂安定時間も大幅に短縮できた。

上記の比較例１のような場合、ガス流量の少ないガスに到達時間の大幅な遅れが生じるのは、以下のような理由によるものと推測される。すなわち、図３は、ガスアウト部に近い位置に設けられた個別ガス供給ラインからガス流量の多いＡｒガスを供給し、これよりガスアウト部から遠い位置に設けられた個別ガス供給ラインからガス流量の少ないＯ₂ガスやその他のプロセスガスを供給した場合の共通配管（マニホールド）内の図３中に示す１，２，３の部位の圧力及びガス分布を推定したものである。

同図に示すように、ガス流量の多いＡｒガスを、ガスアウト部に近い１の位置から共通配管（マニホールド）に供給した場合、一時的にＡｒガスが共通配管（マニホールド）の２の位置、３の位置まで廻り込み逆流した状態となり、このようなＡｒガスを少流量のＯ₂ガス等が押し出してＯ₂ガス等が処理チャンバーに到達するまでには、時間がかかるためと推測される。

上記のように混合ガスの処理チャンバー３０への到達時間を短縮するためには、共通配管（マニホールド）１０内の容積を減少させることも有効である。この場合、共通配管（マニホールド）１０の内径を小さくすることによって、混合ガスの処理チャンバー３０への到達時間を短縮することができる。但し、配管の内径を小さくするとコンダクタンスが低下し、混合ガスの処理チャンバー３０への到達時間を遅らせる要因にもなる。したがって、混合ガス供給ライン２０の内径は、共通配管（マニホールド）１０の内径より大きくすることが好ましい。また、この混合ガス供給ライン２０に設けられるフィルタ２１は、コンダクタンスが高く、低圧損のものを用いることが好ましい。前述したとおり、本実施形態では、共通配管（マニホールド）１０の内径が６．３５ｍｍ（１／４インチ）、混合ガス供給ライン２０の内径が１２．７ｍｍ（１／２インチ）とされている。

上記のような共通配管（マニホールド）１０の内径の相違によって流量の少ないガスに生じる到達時間の遅れの相違を調べた結果を以下に示す。この実験では、到達時間の遅れが多い状態で内径の相違による効果を調べるため、Ａｒガスをガスアウト部１１から２番目の位置に設けられた個別ガス供給ライン（２）１Ｂから供給し、Ｏ₂ガスを、ガスアウト部１１から一番遠い１６番目の位置に設けられた個別ガス供給ライン（１６）１Ｐから供給した。また、ガス流量は、Ａｒガス／Ｏ₂ガス＝５００／１０ｓｃｃｍ、５００／２０ｓｃｃｍ、５００／５０ｓｃｃｍ、５００／７０ｓｃｃｍ、１０００／１０ｓｃｃｍ、１０００／２０ｓｃｃｍ、１０００／５０ｓｃｃｍ、１０００／７０ｓｃｃｍ、の各流量について、実際にガスを流し、処理チャンバー３０内に到達したガスを質量分析装置（Ｑ−ＭＡＳＳ）で分析して、Ａｒガス及びＯ₂ガスの到達時間（ガスの供給を開始してから処理チャンバー３０内に到達した時間）を調査した。この結果を表２に示す。なお、Ｏ₂立ち上り時間は、Ｏ₂安定時間は、前述した場合と同一である。

表２に示されるように、共通配管（マニホールド）１０の内径を６．３５ｍｍ（１／４インチ）とした場合、共通配管（マニホールド）１０の内径を１２．７ｍｍ（１／２インチ）とした場合に比べて、Ｏ₂立ち上り時間、Ｏ₂安定時間の双方を大幅に短縮することができた。

また、前述した混合ガス供給ライン２０のコンダクタンスを増大させるための方法の一例として、この混合ガス供給ライン２０に介挿されたフィルタ２１を従来のフィルタ（市販品）から、フィルタの通ガス部の表面積が２倍の低圧損フィルタに変更し、かつ、上記のように共通配管（マニホールド）１０の内径を６．３５ｍｍ（１／４インチ）とした場合について、上記と同様にしてＡｒガス及びＯ₂ガスの到達時間（ガスの供給を開始してから処理チャンバー３０内に到達した時間）を調査した。この結果を表２の最下段部に示す。表２に示されるように、低圧損フィルタを用いた場合、単に共通配管（マニホールド）１０の内径を６．３５ｍｍ（１／４インチ）とした場合よりも、ほとんどの流量域において、さらに、Ｏ₂立ち上り時間、Ｏ₂安定時間の双方を短縮することができた。したがって、フィルタ２１を低圧損のフィルタとする、混合ガス供給ライン２０の内径を大きくする等により、混合ガス供給ライン２０のコンダクタンスを増大させることが好ましい。

なお、本発明は、上記した実施形態及び実施例に限定されるものではなく、各種の変形が可能であることは、勿論である。例えば、処理チャンバー３０は、プラズマエッチング装置の場合に限らず、ＣＶＤ装置等の成膜装置の処理チャンバーであってもよい。また、個別ガス供給ラインの数は、１６に限らず、１６以上であっても、１６未満であってもよい。

本発明の一実施形態に係る混合ガスの供給装置の概略構成を模式的に示す図。 Ｏ₂ガスの立ち上り時間、安定時間を説明するための図。 少流量ガスに到達時間の遅れが生じる理由を説明するための図。

符号の説明

１Ａ〜１Ｐ……個別ガス供給ライン、１０……共通配管（マニホールド）、１１……ガスアウト部、２０……混合ガス供給ライン、２１……フィルタ、３０……処理チャンバー、１００……混合ガスの供給装置。

Claims (6)

1. 共通配管に接続された複数の個別ガス供給ラインを通して複数種のガスを供給し、当該複数種のガスの混合ガスを、前記共通配管のガスアウト部を通じて混合ガス供給ラインによりガス使用対象に供給する混合ガスの供給方法であって、
   流量の異なる２種類以上のガスを同時に供給する際に、流量の少ないガスを、流量の多いガスより前記ガスアウト部に近い位置に設けた前記個別ガス供給ラインから供給するとともに、
   前記共通配管の内径を、前記混合ガス供給ラインの内径より小さくし、前記混合ガス供給ラインより内径の小さな前記共通配管から、より内径の大きな前記混合ガス供給ラインに混合ガスを流す
   ことを特徴とする混合ガスの供給方法。
2. 請求項１記載の混合ガスの供給方法であって、
   前記複数種のガスのうち、最少流量のガスを、前記ガスアウト部に最も近い位置に設けた前記個別ガス供給ラインから供給し、かつ、前記複数種のガスのうち、最大流量のガスを、前記ガスアウト部から最も遠い位置に設けた前記個別ガス供給ラインから供給する
   ことを特徴とする混合ガスの供給方法。
3. 請求項１又は２記載の混合ガスの供給方法であって、
   前記混合ガス供給ラインに、フィルタを設け、混合ガス中のパーティクルを除去することを特徴とする混合ガスの供給方法。
4. 共通配管に接続された複数の個別ガス供給ラインを通して複数種のガスを供給し、当該複数種のガスの混合ガスを、前記共通配管のガスアウト部を通じて混合ガス供給ラインによりガス使用対象に供給する混合ガスの供給装置であって、
   流量の異なる２種類以上のガスを同時に供給する際に、流量の少ないガスを、流量の多いガスより前記ガスアウト部に近い位置に設けた前記個別ガス供給ラインから供給するよう構成され、かつ、
   前記共通配管の内径を、前記混合ガス供給ラインの内径より小さくした
   ことを特徴とする混合ガスの供給装置。
5. 請求項４記載の混合ガスの供給装置であって、
   前記複数種のガスのうち、最少流量のガスを、前記ガスアウト部に最も近い位置に設けた前記個別ガス供給ラインから供給し、かつ、前記複数種のガスのうち、最大流量のガスを、前記ガスアウト部から最も遠い位置に設けた前記個別ガス供給ラインから供給するよう構成された
   ことを特徴とする混合ガスの供給装置。
6. 請求項４又は５記載の混合ガスの供給装置であって、
   前記混合ガス供給ラインに、混合ガス中のパーティクルを除去するためのフィルタを設けたことを特徴とする混合ガスの供給装置。

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