JP4331539B2

JP4331539B2 - チャンバへのガス供給装置及びこれを用いたチャンバの内圧制御方法

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Publication number: JP4331539B2
Application number: JP2003284527A
Authority: JP
Inventors: 博河南; 富雄宇野; 亮介土肥; 功二西野; 修中村; 篤諮松本; 信一池田
Original assignee: Tokyo Electron Ltd; Fujikin Inc
Current assignee: Tokyo Electron Ltd; Fujikin Inc
Priority date: 2003-07-31
Filing date: 2003-07-31
Publication date: 2009-09-16
Anticipated expiration: 2023-07-31
Also published as: US20070193628A1; TW200504484A; US7594517B2; TWI296744B; KR100804646B1; JP2005056031A; CN100520657C; KR20060031687A; WO2005013026A1; CN1833209A

Description

本発明は半導体製造装置等に於いて利用されるチャンバへのガス供給装置と、これを用いたチャンバの内圧制御方法に関するものである。

近年、半導体製造装置等に於いては、プロセスチャンバへのガス供給装置として所謂圧力式流量制御装置を備えたガス供給装置が多く利用されている。

図８はその一例を示すものであり、圧力式流量制御装置Ｃ₁、Ｃ₂、Ｃ₃と流体切換弁Ｄ₁、Ｄ₂、Ｄ₃を設け、制御装置Ｂからの信号によりプロセスチャンバＥへ供給する流体の切換及びその流量調整を自動的に行なう構成となっている（特開平１１−２１２６５３号等）。
尚、前記圧力式流量制御装置Ｃ₁、Ｃ₂、Ｃ₃は、図９に示すようにオリフィスＫａを流通する流体を臨界条件下に保持（Ｐ₁／Ｐ₂が約２以上）することにより、演算装置Ｍに於いてオリフィス流通流量ＱｃをＱｃ＝ＫＰ₁として演算し、設定流量Ｑｓとの差Ｑｙが零となるようにコントロール弁Ｖを開閉（オリフイス上流側圧力Ｐ₁を調整）する構成となっている。尚、Ａ／Ｄは信号変換器、ＡＰは増幅器である（特開平８−３３８５４６号）。

また、前記プロセスチャンバＥは、図１０に示すように、自動圧力調整器ＡＰＣ及びコンダクタンスバルブＣＶを備えた比較的大口径の真空排気ラインＥｘを通して真空ポンプＶＰ₁及びＶＰ₂を連続的に運転することにより、その内圧が設定値（１０^-6〜１０²Ｔｏｒｒ）に保持されている。
尚、前記真空ポンプとしては、ターボ分子ポンプ等の一次真空ポンプ（高真空ポンプ）ＶＰ₁とスクロールポンプ等の二次真空ポンプ（低真空ポンプ）ＶＰ₂とを組み合せたものが広く利用されており、１台の圧縮比の大きな大排気容量の真空ポンプによる排気システムは、製造コスト等の点に問題があるためあまり利用に供されていない。

前記図８に示したチャンバへの流体供給装置は、その使用する圧力式流量制御装置Ｃ₁〜Ｃ_nがチャンバＥ側の内圧変動に影響を受けないと云う特性を具備しているため、臨界条件が保持されている限り、チャンバ内圧が変動しても比較的安定した供給ガスの流量制御を行なうことができ、優れた実用的効用を奏するものである。

しかし、この種の流体供給装置にも解決すべき問題点が多く残されており、その中でも特に解決が急がれる問題は、低流量域に於ける流量制御精度を高めることである。
例えば、定格流量が１ＳＬＭ（標準状態に換算した気体流量）である圧力式流量制御装置の流量制御精度を設定１０％以下で０．１％Ｆ．Ｓ．とすると、設定１％の制御流量値には最大で１ＳＣＣＭの誤差が含まれている可能性がある。そのため、制御流量が定格流量の１０％以下（例えば１０〜１００ＳＣＣＭ以下）になれば、前記１ＳＣＣＭの誤差の影響が無視できなくなり、結果として定格容量が１ＳＬＭの流量制御装置であれば、１００ＳＣＣＭの以下の小流量域は高精度な流量制御ができないと云う問題がある。

また、前記図１０のプロセスチャンバＥに於いては、高圧縮度で、しかも排気流量の大きなターボ分子ポンプ等の一次真空ポンプＶＰ₁等を連続的に運転する必要がある。
更に、一次真空ポンプＶＰ₁や二次真空ポンプＶＰ₂の負荷を軽減する必要があるため、真空排気系Ｅｘの管径は比較的太径にしなければならず、そのうえにコンダクタンスバルブＣＶや自動圧力調整器ＡＰＣ等を必要とする。その結果、真空チャンバＥの設備費やランニングコストが高騰し、その引下げを図れないと云う問題がある。

特開平１１−２１２６５３号公報特開平８−３３８５４６号公報

本発明は、従前の圧力式流量制御装置を備えた真空チャンバへのガス供給装置並びに前記真空チャンバの真空排気系に於ける上述の如き問題、即ち（１）ガス供給装置にあっては、小流量域に於ける流量制御精度が低下するため、流量制御範囲が約１〜１００％の範囲に限定され、１％以下の流量範囲の高精度な流量制御が困難なこと、及び（２）真空チャンバの真空排気系にあっては、設備の小型化、設備費やランニングコストの引下げが図り難いこと等の問題を解決せんとするものであり、所要最大設定流量の０．１％〜１００％の広範囲に亘って、真空チャンバの内圧変動と無関係に高精度な流量制御が行なえるようにした流体供給装置と当該流体供給装置を用いた真空チャンバの内圧制御方法を提供することを、発明の主たる目的とするものである。

請求項１の発明は、並列状に接続したチャンバへの最大供給流量の１０％に相当する流量容量を有する小流量域を制御する小流量レンジの圧力式流量制御装置及びチャンバへの最大供給流量の１００％に相当する流量容量を有する大流量域を制御する大流量レンジの圧力式流量制御装置と、前記２基の圧力式流量制御装置の作動を制御する制御装置とから構成され、前記圧力式流量制御装置をオリフィスと、オリフィス上流側の圧力検出器と、圧力検出器の上流側に設けたコントロールバルブと、圧力検出器の検出圧力Ｐ ₁ からオリフィスを通過するガス流量ＱｃをＱｃ＝ＫＰ ₁ （但しＫは定数）により演算して当該演算したガス流量Ｑｃと設定流量Ｑｓとの差Ｑｙをコントロールバルブへ駆動用信号として出力する演算制御部とから形成し且つオリフィス上流側圧力Ｐ ₁ と下流側圧力Ｐ ₂ の比Ｐ ₁ ／Ｐ ₂ を約２倍以上に保持した状態下で使用する圧力式流量制御装置とすると共に、前記小流量レンジの圧力式流量制御装置の流量制御域をチャンバへの最大供給流量の０．１〜１０％に、また大流量レンジの圧力式流量制御装置の流量制御域を前記最大供給流量の１０〜１００％にし、更に、前記制御装置に流量入力設定部と信号変換部とを設けて信号変換部からの制御信号により小流量レンジの圧力式流量制御装置及び大流量レンジの圧力式流量制御装置を作動させ、前記２基の圧力式流量制御装置により広い流量域に亘って高精度な流量制御を行う構成としたガス供給装置からガスが供給されると共に、コンダクタンスバルブを備えた真空排気ラインを通して真空ポンプにより内部を連続的に減圧するようにしたチャンバに於いて、先ず、前記真空ポンプを連続的に運転すると共に前記ガス供給装置から所定のガスを供給し、前記コンダクタンスバルブを最大開度にしたとき及び最小開度にしたときの夫々の場合について、最大供給流量の０．１％から１００％の流量範囲に亘ってガス供給流量とチャンバ内圧との関係を求めて縦軸をガス供給流量、横軸をチャンバ内圧とする最大開度時の曲線Ａ及び最小開度時の曲線Ｂを求め、次に、前記横軸上にチャンバ内圧の制御範囲の上限値を定めると共に、当該チャンバ内圧の上限値を通る垂線と前記コンダクタンスバルブの最小開度時の曲線Ｂの交点（７）及び前記垂線と最大供給流量に対応する横線との交点（２）並びに前記最大供給流量に対応する横線と前記曲線Ａとの交点（５）を求め、更に、最小供給流量に対応する横線と前記曲線Ａとの交点（１）及び最小供給流量に対応する横線と前記曲線Ｂとの交点（６）を求め、前記各点（７）、（２）、（５）、（１）及び（６）で囲まれる範囲内を前記真空排気系を備えたチャンバに於けるチャンバへのガス供給流量とチャンバ内圧の制御範囲として定め、その後前記チャンバ内圧の制御範囲内においてコンダクタンスバルブの任意開度時のガス供給流量とチャンバ内圧との関係曲線Ｃを求めると共に、前記ガス供給流量とチャンバ内圧との関係曲線から設定したチャンバ内圧に対応するガス供給流量を求め、前記ガス供給装置から供給中のガス流量を前記関係曲線から求めたガス供給流量に調整することにより、チャンバ内圧を所望の設定圧力に保持する構成としたことを発明の基本構成とするものである。

請求項２の発明は、請求項１の発明に於いて、真空排気系のコンダクタンスバルブの開度とガス供給装置からのガス供給流量の両者を調整することにより、チャンバ内圧を設定圧力に保持するようにしたものである。

請求項３の発明は、請求項１の発明に於いて、制御装置に、大流量域を制御する大流量レンジの圧力式流量制御装置へ発信する制御信号の上昇率設定機構を設け、前記制御信号の発信から所定の時間経過後に、大流量レンジの圧力式流量制御装置が設定流量のガス流量を供給する構成としたガス供給装置からガスを供給するようにしたものである。

本発明で使用するチャンバへのガス供給装置に於いては、必要とするガス供給流量の流量制御範囲を２つの流量域に分割し、最大流量の１０％以下の小流量域は小流量用の圧力式流量制御装置により流量制御を行なう構成としているため、広い流量範囲に亘って高精度な流量制御が行なえ、チャンバ内圧を所望の設定圧力に制御することができる。

また、各流量域を分担する圧力式流量制御装置による流量制御の重乗に際しては、制御信号の上昇率に制限を加える構成としているため、チャンバへ供給するガス流量Ｑの調整によりチャンバ内圧を連続的に比例制御することが出来る。

本発明のチャンバの内圧制御方法に於いては、チャンバへの供給ガス流量を迅速且つ高精度で調整することができるため、チャンバ内圧を容易に所定の設定圧に調整・保持することができる。その結果、従前の自動圧力調整器ＡＰＣの削除が可能となり、チャンバの真空排気系の設備費を大幅に削減することができる。
また、真空ポンプは、予かじめ定めたチャンバの最低圧力を達成するだけの排気容量のものを設備すればよく、従前のチャンバの真空排気系のように、真空ポンプの排気容量に大幅な余裕を見込む必要はない。その結果、真空排気系の設備費の大幅な削減が可能となる。

以下、図面に基づいて本発明の各実施例を説明する。

図１は、本発明に係るチャンバへのガス供給装置の第１実施例を示すものであり、当該ガス供給装置の基本型を示すものである。
図１に於いてＡはガス供給装置、Ｇｓは供給ガス、ＦＣＳ（Ａ）は小流量用圧力式流量制御装置、ＦＣＳ（Ｂ）は大流量用圧力式流量制御装置、Ｅはチャンバ、Ｑ₁は小流量用圧力式流量制御装置ＦＣＳ（Ａ）の制御流量、Ｑ₂は大流量用圧力式流量制御装置ＦＣＳ（Ｂ）の制御流量、ＱはチャンバＥへの供給流量、ＰはチャンバＥ内の圧力、ＣＶはコンダクタンスバルブ、ＶＰは真空ポンプ、Ｖ₁〜Ｖ₃は制御弁、Ｌ₁はガス供給管、Ｌ₂、Ｌ₃は排気管路、１は制御装置、１ａは流量入力設定部、１ｂは信号変換部、１ｃ・１ｄは制御信号である。

前記圧力式流量制御装置ＦＣＳ（Ａ）及びＦＣＳ（Ｂ）は、図９に示した従前の圧力式流量制御装置と基本的に同一のものであり、オリフィス上流側圧力Ｐ₁と下流側圧力Ｐ₂との間に流体の臨界条件であるＰ₁／Ｐ₂が約２以上の条件を成立させることにより、オリフィスを流通するガス流量をＱｃ＝ＫＰ₁（但しＫは定数）により演算し、この演算値Ｑｃと設定値Ｑｓとの差信号Ｑｙにより上流側に設けたコントロールバルブＶを自動開閉制御することにより圧力Ｐ₁を調整し、オリフィスの実通過流量を前記設定値Ｑｓに制御することを基本構成とするものである。

尚、本実施例では、小流量用圧力式流量制御装置ＦＣＳ（Ａ）として定格流量が１００ＳＣＣＭのものを、また大流量用圧力式流量制御装置ＦＣＳ（Ｂ）として定格流量３０００ＳＣＣＭのものを使用し、最小５ＳＣＣＭから最大３１００ＳＣＣＭまでの流量範囲に亘って、連続的に高精度な流量制御を行なうように構成されている。
また、前記圧力式流量制御装置ＦＣＳ（Ａ）、ＦＣＳ（Ｂ）の構成は公知であるため、ここではその詳細な説明を省略する。

前記プロセスチャンバＥは内容量が１１ｌに設定されており、３００ｌ／ｍｉｎの排気流量を有する真空ポンプＶＰにより、自動圧力調整器ＡＰＣ及びコンダクタンスバルブＣＶを設けた真空排気ラインＬ₂〜Ｌ₃を通して連続的に真空引きされており、チャンバＥの内部は１０^-2〜１０¹Ｔｏｒｒの中真空に保持されている。

前記コンダクタンスバルブＣＶは真空排気系の管路コンダクタンスを調整するためのものである。また、コンダクタンスバルブＣＶは、公知であるため、その詳細な説明を省略する。

前記ガス供給管Ｌ₁には外径６．３５ｍｍφ、内径４．２ｍｍφのステンレス管が、また排気管Ｌ₂、Ｌ₃には外径２８ｍｍφ、内径２４ｍｍφのステンレス管が夫々使用されている。

前記制御装置１は入力設定部１ａと信号変換部１ｂとから形成されており、入力設定部１ａで定格最大流量に対する所望の流量（％）を設定する。
即ち、当該入力設定部１ａには、小流量用圧力式流量制御装置ＦＣＳ（Ａ）の制御信号１ｃの上昇率設定機構１ａ′と、大流量用圧力式流量制御装置ＦＣＳ（Ｂ）の制御信号１ｄの上昇率設定機構１ａ″とが設けられており、プロセスチャンバＥで必要とするプロセスガスＧｓの流量は、後述するように流量％の入力設定部１ａにより設定される。

また、前記入力設定部１ａの制御信号の上昇率設定機構１ａ′、１ａ″は、後述するように、最小設定流量０％から最大設定流量１００％の間の任意の流量に流量設定をして両圧力式流量制御装置ＦＣＳ（Ａ）、ＦＣＳ（Ｂ）を作動させる際に、各流量用圧力式流量制御装置ＦＣＳ（Ａ）、（Ｂ）へ印加する制御信号１ｃ、１ｄの上昇率を調整するための機構であり、例えば設定流量５０ＳＣＣＭ（入力設定値１．６１３％）でガスＧｓを供給中に、２０００ＳＣＣＭ（入力設定６４．５１６％）に増量する場合、小流量用圧力式流量制御装置ＦＣＳ（Ａ）のみの作動から両圧力式流量制御装置ＦＣＳ（Ａ）、ＦＣＳ（Ｂ）の作動に切換えられるが、大流量圧力式流量制御装置ＦＣＳ（Ｂ）の方が０からその１９００ＳＣＣＭに達するまでに若干の時間遅れ（０→１００％の流量変化で約３０ｓｅｃ）を設けることが必要となり、そのためＦＣＳ（Ｂ）への制御入力信号１ｄの上昇率が調整されることになる。

前記信号変換部１ｂは、流量の入力設定（％）に対応した各圧力式流量制御装置ＦＣＳ（Ａ）、ＦＣＳ（Ｂ）への制御信号１ｃ、１ｄを出力するものである。
尚、最大流量が１００ＳＣＣＭの圧力式流量制御装置ＦＣＳ（Ａ）の制御信号は、０Ｖ（０ＳＣＣＭ）から５Ｖ（１００ＳＣＣＭ）の値に、また最大流量が３０００ＳＣＣＭの圧力式流量制御装置ＦＣＳ（Ｂ）の制御信号も０Ｖ（０ＳＣＣＭ）から５Ｖ（３０００ＳＣＣＭ）の値に夫々設定されており、両圧力式流量制御装置ＦＣＳ（Ａ）、ＦＣＳ（Ｂ）へは夫々の分担する制御流量に対応した制御信号１ｃ、１ｄが信号変換部１ｂから入力される。

図２は、前記制御装置１の入力設定部１ａに於ける流量入力設定（％）と制御信号１ｃ、１ｄの関係を示す線図である。図２に於いて、曲線Ｌは小流量（１００ＳＣＣＭ）用圧力式流量制御装置ＦＣＳ（Ａ）の制御信号１ｃを、また曲線Ｈは大流量（３０００ＳＣＣＭ）用圧力式流量制御装置の制御信号１ｄを夫々示すものであり、例えば設定流量が５０ＳＣＣＭ（設定流量％＝５０／３１００＝１．６１３％）の時にはＦＣＳ（Ａ）のみが作動され、制御信号１ｃ＝５Ｖ×５０／１００＝２．５ＶがＦＣＳ（Ａ）へ入力される。
同様に、設定流量が２０００ＳＣＣＭ（設定流量％＝２０００／３１００＝６４．５２％）の時には、ＦＣＳ（Ａ）の方は流量設定％＝１００％でもって１００ＳＣＣＭの流量を出力し、制御信号１ｃ＝５Ｖ×１００／１００＝５ＶがＦＣＳ（Ａ）へ入力され、またＦＣＳ（Ｂ）の方は流量１９００ＳＣＣＭを出力し、制御信号１ｄ＝５Ｖ×１９００／３０００＝３．１７ＶがＦＣＳ（Ｂ）へ入力されることになる。

図３は、図１の流体供給装置Ａに於ける各圧力式流量制御装置ＦＣＳ（Ａ）、ＦＣＳ（Ｂ）の分担制御流量Ｑ₁、Ｑ₂とチャンバＥへの全供給流量Ｑとの関係を示すものであり、全供給流量ＱはＱ＝１００／３・設定％（ＦＣＳ（Ａ）のみが作動、Ｑ＝１００ＳＣＣＭ以下のとき）、又はＱ＝３０００／９７・設定％＋１００／９７ＳＣＣＭ（ＦＣＳ（Ａ）、ＦＣＳ（Ｂ）の両方が作動、Ｑ＝１００ＳＣＣＭ以上のとき）となる。

図４の（ａ）〜（ｃ）は、前記入力設定部１ａの制御信号上昇率設定機構１ａ′、１ａ″の必要性を示す実験データであり、１００ＳＣＣＭのＦＣＳ（Ａ）と３０００ＳＣＣＭのＦＣＳ（Ｂ）の両方を作動させ、全流量を０％（０ＳＣＣＭ）から１００％（３１００ＳＣＣＭ）へ増加させた場合の流量制御信号１ｃ及び流量制御信号１ｄの印加状況と、チャンバ圧力Ｐへの制御流量Ｑの追随性の関係を示すものである。尚、当該実験に於いては、チャンバ排気系のコンダクタンスバルブＣＶは、全開状態（真空ポンプＶＰが連続的にフル出力で運転される状態）にセットされている。

即ち、図４の（ａ）は、入力設定部１ａへの設定信号を約６０ｓｅｃ間で０〜１００％へ変化させるようにした場合のチャンバ圧力Ｐの変化の状態を示すものである。
また、図４の（ｂ）は入力設定部１ａへの設定信号を約３０ｓｅｃ間で０〜１００％へ変化させるようにした場合のチャンバ圧力Ｐの変化状態を、更に図４の（ｃ）は入力設定部１ａへの設定信号をステップ状に変化させるようにした場合のチャンバ圧力Ｐの変化状況を示すものである。

図４の（ａ）及び図４の（ｂ）に於いては、チャンバ圧力Ｐが、流量設定％（ＳＥＴ）にほぼ比例した状態で連続的に増加し、所謂圧力制御が完全に実現されていることが判る。

これに対して、図４の（ｃ）に於いては、流量設定％（ＳＥＴ）のステップ変化（即ち、制御信号１ｃ（又は流量Ｑ₁）及び制御信号１ｄ（又は流量Ｑ₂）のステップ変化）に対して、チャンバ圧力Ｐ（チャンバＥへの供給流量Ｑ）はステップ状に変化をすることができず、約２０秒間は、チャンバ圧力Ｐの制御が追随できないことが判る。

図５は、本発明の流体供給装置の第２実施例に係る設定流量と流量出力の関係を示す線図であり、当該第２実施例に於いては、定格流量が１００ＳＣＣＭと３０００ＳＣＣＭと５０００ＳＣＣＭの３台の圧力式流量制御装置ＦＣＳ（Ａ）、ＦＣＳ（Ｂ）、ＦＣＳ（Ｃ）を用いて、５ＳＣＣＭ〜８１００ＳＣＣＭのより広い流量範囲について高精度な流量制御を行なえる構成としたものである。

図５に於いて、曲線Ｌは１００ＳＣＣＭの、曲線Ｈは３０００ＳＣＣＭの、曲線Ｍは５０００ＳＣＣＭの各圧力式流量制御装置ＦＣＳ（Ａ）、ＦＣＳ（Ｂ）、ＦＣＳ（Ｃ）の流量特性を示すものであり、またＱはチャンバＥへの供給流量を示すものである。
即ち、供給流量Ｑが１００〜３１００ＳＣＣＭ以下の時には、
Ｑ＝（３１００−１００）／（４０−１）・（ＳＥＴ％−１）＋１００
＝（３０００／３９）・ＳＥＴ％＋（９００／３９）に流量Ｑが求められ、
また、供給流量Ｑが３１００〜８１００ＳＣＣＭの時には、
Ｑ＝（５０００／６０）・ＳＥＴ％−（１４０００／６０）により、流量Ｑが与えら
れる。

尚、前記図１の第１実施例及び図５の第２実施例に於いては、供給ガスＧｓが一種類であるとしているが、供給ガスＧｓが二種類以上あるときには、ガス種の数と同数の第１実施例や第２実施例の如き構成のガス供給装置Ａを、複数基夫々並列に設け、各ガス供給装置Ａを任意に切換作動させることにより、複数種のガスをチャンバＥへ供給することになる。

更に、前記第１実施例や第２実施例に於いては、供給ガスＧｓを単独種のガスとしているが、供給ガスＧｓが例えばＡｒとＣＦ₄との混合ガス（混合比率は任意）であってもよいことは勿論である。
（ガス供給装置を用いたチャンバの内圧制御方法）

図６は、本発明に係るガス供給装置を用いたチャンバＥの内圧調整方法を示すための系統図である。
図６を参照して、チャンバＥは１１ｌの内容積を有しており、その真空排気系はコンダクタンスバルブＣＶと真空ポンプＶＰと管路Ｌ₂と管路Ｌ₃とにより形成されている。
また、真空ポンプＶＰには３００ｌ／ｍｉｎの排気量を有する真空ポンプが使用されている。

当該チャンバの内圧制御方法は、一定の排気能力を有する真空ポンプにより連続的に排気されているチャンバＥ内の内圧を、その内部へ供給する流体の流量を細かく調整することにより、１０^-2〜１０²Ｔｏｒｒ程度の所定のプロセス圧力に制御するものである。

図６を参照して、先ずコンダクタンスバルブＣＶを全開にして真空排気系の流路抵抗を最小にすると共に、真空ポンプＶＰを作動させてチャンバＥ内を真空ポンプＶＰの排気能力に対応した真空度にまで真空引きする。
次に、予かじめ求められている図７のチャンバＥ及び真空排気系の圧力−流量特性曲線から、圧力Ｐに対するガス供給流量Ｑを求める。

その後、ガス供給装置Ａを作動させ、前記設定圧力Ｐを得るために必要とする供給流量ＱのガスＧｓをチャンバＥ内へ供給する。
尚、ガスＧｓの供給によるチャンバＥの内圧調整の範囲は、真空ポンプＶＰの排気能力が一定の条件下ではコンダクタンスバルブＣＶの開度調整によって変化させることができ、後述するようにチャンバ内圧を上昇（低真空度）させる場合にはコンダクタンスバルブＣＶの開度を低下させて真空排気系の管路抵抗を増大させ、また逆にチャンバ内圧を低下（高真空度）させる場合には、コンダクタンスバルブＣＶを全開状態とする。

図７は、前記図６のチャンバＥ及び真空排気系に於けるチャンバＥへの供給流量Ｑとチャンバ内圧Ｐとの関係を示す線図であり、真空ポンプＶＰを定格下で連続運転すると共に、コンダクタンスバルブＣＶを最大開度又は最小開度状態にした時の圧力−流量特性を示すものである。

即ち、図７の曲線ＡはコンダクタンスバルブＣＶを最大開度にしたときの圧力−流量特性、曲線ＢはコンダクタンスバルブＣＶを最小開度にしたときの圧力−流量特性を示すものである。
また、曲線ＣはチャンバＥ内に任意のプロセスポイント（１）やプロセスポイント（３）を実現する真空排気系の任意コンダクタンスに於ける圧力−流量特性である。

図７からも明らかなように、図６のチャンバＥ及び真空排気系に於いては、チャンバＥへのガス供給流量Ｑを５〜３１００ＳＣＣＭの間で流量制御をすると共に、真空排気系のコンダクタンスを適宜に調整することにより、記号（１）−（４）−（５）−（３）−（２）−（７）−（６）で囲まれた流量・圧力範囲、即ち圧力であれば１０¹〜０．８×１０^-1Ｔｏｒｒに亘ってチャンバＥ内の圧力を調整することが出来る。

勿論、真空排気系の構成（真空排気系のコンダクタンスや真空排気ポンプＶＰの排気能力等）や流体供給装置Ａの流量制御範囲を変えることにより、前記図７の流量・圧力の調整範囲（点線部分の面積）は変化することになり、プロセスチャンバＥに要求される条件に応じて流体供給装置Ａの流量範囲や真空排気ポンプＶＰの排気能力は適宜に選定される。

尚、半導体製造装置等に於いては、圧力制御範囲は通常１０^-2〜１０¹Ｔｏｒｒ、流量制御範囲Ｑは３ＳＣＣＭ〜５０００ＳＣＣＭの範囲に選定されている。
又、圧力調整用にチャンバＥ内へ供給するガスＧｓとしては、ＨｅやＡｒ等の不活性ガスやそれの混合ガスが利用される。
更に、前記チャンバＥ内への供給ガスＧｓとして、プロセスガス自体を利用することも可能であり、且つ混合ガスであってもよいことは勿論である。

本発明は、半導体製造装置のプロセスチャンバへのガスの供給量制御や、プロセスチャンバの内圧制御等に利用できる。

本発明に係るチャンバへのガス供給設備の第１実施例の全体系統図であり、基礎実験に用いたものガス供給設備である。図１のガス供給設備Ａに於ける入力設定（％）と制御信号（％）の関係を示す線図である。図１のガス供給設備Ａに於ける流量設定（％）と、各圧力式流量制御装置の流量（％）及びチャンバＥへの供給流量Ｑの関係を示す線図である。図１のガス供給設備Ａに於ける各圧力式流量制御装置への制御信号の入力状態と、各圧力式流量制御装置の流量出力Ｑ₁、Ｑ₂及びチャンバＥ内の圧力Ｐの関係を示す線図であり、（ａ）は６０ｓｅｃ間で２台の圧力式流量制御装置の流量を０％から１００％へ変化させた場合、（ｂ）は３０ｓｅｃ間で流量を０％から１００％へ変化させた場合、（ｃ）はステップ状に流量を０％から１００％へ変化させた場合を示すものである。３基の圧力式流量制御装置を用いた本発明の第２実施例に係るガス供給設備の流量設定（％）と、制御流量Ｑとの関係を示す線図である。本発明のガス供給設備を用いたチャンバの内圧制御方法の実施状態を示す全体系統図である。図６に示したチャンバの内圧制御方法に於ける制御可能なチャンバ内圧Ｐと、供給流量Ｑの関係を示す線図である。従前の圧力式流量制御装置を用いたチャンバへの流体供給装置の説明図である。圧力式流量制御装置の構成図である。従前のプロセスチャンバの真空排気系を示す説明図である。

Ａはガス供給装置、Ｇｓは供給ガス、ＦＣＳ（Ａ）は小流量用圧力式流量制御装置、ＦＣＳ（Ｂ）は大流量用圧力式流量制御装置、Ｑ₁は小流量用圧力式流量制御装置の制御流量、Ｑ₂は大流量用圧力式流量制御装置の制御流量、Ｑはチャンバへの供給流量、Ｐはチャンバ内圧力、Ｅはプロセスチャンバ、ＡＰＣは自動圧力調整器、ＣＶはコンダクタンスバルブ、ＶＰは真空ポンプ、Ｖ₁〜Ｖ₃は制御弁、Ｌ₁はガス供給管、Ｌ₂〜Ｌ₃は排気管、１は制御装置、１ａは流量入力設定部、１ａ′及び１ａ″は制御信号上昇率設定機構、１ｂは信号変換部、１ｃ・１ｄは制御信号。

Claims

並列状に接続したチャンバへの最大供給流量の１０％に相当する流量容量を有する小流量域を制御する小流量レンジの圧力式流量制御装置及びチャンバへの最大供給流量の１００％に相当する流量容量を有する大流量域を制御する大流量レンジの圧力式流量制御装置と、前記２基の圧力式流量制御装置の作動を制御する制御装置とから構成され、前記圧力式流量制御装置をオリフィスと、オリフィス上流側の圧力検出器と、圧力検出器の上流側に設けたコントロールバルブと、圧力検出器の検出圧力Ｐ ₁ からオリフィスを通過するガス流量ＱｃをＱｃ＝ＫＰ ₁ （但しＫは定数）により演算して当該演算したガス流量Ｑｃと設定流量Ｑｓとの差Ｑｙをコントロールバルブへ駆動用信号として出力する演算制御部とから形成し且つオリフィス上流側圧力Ｐ ₁ と下流側圧力Ｐ ₂ の比Ｐ ₁ ／Ｐ ₂ を約２倍以上に保持した状態下で使用する圧力式流量制御装置とすると共に、前記小流量レンジの圧力式流量制御装置の流量制御域をチャンバへの最大供給流量の０．１〜１０％に、また大流量レンジの圧力式流量制御装置の流量制御域を前記最大供給流量の１０〜１００％にし、更に、前記制御装置に流量入力設定部と信号変換部とを設けて信号変換部からの制御信号により小流量レンジの圧力式流量制御装置及び大流量レンジの圧力式流量制御装置を作動させ、前記２基の圧力式流量制御装置により広い流量域に亘って高精度な流量制御を行う構成としたガス供給装置からガスが供給されると共に、コンダクタンスバルブを備えた真空排気ラインを通して真空ポンプにより内部を連続的に減圧するようにしたチャンバに於いて、先ず、前記真空ポンプを連続的に運転すると共に前記ガス供給装置から所定のガスを供給し、前記コンダクタンスバルブを最大開度にしたとき及び最小開度にしたときの夫々の場合について、最大供給流量の０．１％から１００％の流量範囲に亘ってガス供給流量とチャンバ内圧との関係を求めて縦軸をガス供給流量、横軸をチャンバ内圧とする最大開度時の曲線Ａ及び最小開度時の曲線Ｂを求め、次に、前記横軸上にチャンバ内圧の制御範囲の上限値を定めると共に、当該チャンバ内圧の上限値を通る垂線と前記コンダクタンスバルブの最小開度時の曲線Ｂの交点（７）及び前記垂線と最大供給流量に対応する横線との交点（２）並びに前記最大供給流量に対応する横線と前記曲線Ａとの交点（５）を求め、更に、最小供給流量に対応する横線と前記曲線Ａとの交点（１）及び最小供給流量に対応する横線と前記曲線Ｂとの交点（６）を求め、前記各点（７）、（２）、（５）、（１）及び（６）で囲まれる範囲内を前記真空排気系を備えたチャンバに於けるチャンバへのガス供給流量とチャンバ内圧の制御範囲として定め、その後前記チャンバ内圧の制御範囲内においてコンダクタンスバルブの任意開度時のガス供給流量とチャンバ内圧との関係曲線Ｃを求めると共に、前記ガス供給流量とチャンバ内圧との関係曲線から設定したチャンバ内圧に対応するガス供給流量を求め、前記ガス供給装置から供給中のガス供給流量を前記関係曲線から求めたガス供給流量に調整することにより、チャンバ内圧を所望の設定圧力に保持する構成としたことを特徴とするチャンバの内圧制御方法。
真空排気系のコンダクタンスバルブの開度とガス給装置からのガス供給流量の両者を調整することにより、チャンバ内圧を設定圧力に保持するようにした請求項１に記載のチャンバの内圧制御方法。
制御装置に、大流量域を制御する大流量レンジの圧力式流量制御装置へ発信する制御信号の上昇率設定機構を設け、前記制御信号の発信から所定の時間経過後に、大流量レンジの圧力式流量制御装置が設定流量のガス流量を供給する構成としたガス供給装置からガスを供給するようにした請求項１に記載のチャンバの内圧制御方法。