JP6554404B2 - ガス温度測定方法及びガス導入システム - Google Patents

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Description

本発明は、ガス温度測定方法及びガス導入システムに関する。
半導体デバイスの製造工程では、処理ガスから生成したプラズマを用いることが多いため、プラズマの生成に係わるパラメータは重要なパラメータである。プラズマの生成に係わるパラメータとしては、例えば、処理室の減圧度、印加される高周波電力の周波数の他に処理ガスの流量が該当する。処理ガスの流量は、FCS(Flow Control System)(登録商標)やMFC(Mass Flow Controller)等のガス流量制御器によって制御されるが、ガス流量制御器における流量の設定値と、ガス流量制御器が実際に制御する流量は、製造誤差や経時劣化等により、一致しない場合がある。したがって、ガス流量制御器の出荷時や定期メンテナンス時においてガス流量制御器の校正が行われる。
ガス流量制御器の校正方法としては、ガス流量制御器へ直列に接続される、内部容積が既知のビルドアップタンクへ設定流量のガスを流し、ビルドアップタンクのガス温度及びガス圧力から実際の流量を算出して設定流量と比較する方法が知られている(例えば、特許文献1参照。)。また、ガス流量制御器の下流に配置された、内部容積が既知の配管へガスを流した際、異なるタイミングで配管におけるガス温度及びガス圧力を測定し、測定したガス温度及びガス圧力からそれぞれのタイミングにおいて流入したガスの質量を求め、これらのガス質量の差からガス流量制御器の絶対流量を検定する方法も知られている(例えば、特許文献2参照。)。
さらに、処理室の容積を算出する方法として、まず内部容積が既知である配管へ所定流量のガスを導入し、その後、配管から処理室へガスを導入し、配管内のガスの圧力と処理室内のガスの圧力の変化代に基づいて処理室の容積を推定する方法も知られている。
上述したガス流量制御器の校正方法や処理室の容積の算出方法では、いずれもガス温度を室温や配管の温度と同じと見なしている。
特開2012−32983号公報 特開2006−337346号公報
しかしながら、配管内やビルドアップタンク内の実際のガス温度は室温や配管の温度と異なる場合がある。この場合、ガス流量制御器の校正や処理室容積の算出を正しく行うことができない。一方、配管はガスボックス等に収容されることが多く、温度センサを追加で配置することが難しいため、配管内のガス温度を直接測定するのは困難であるという問題がある。
本発明の目的は、配管内のガス温度を測定することができるガス温度測定方法及びガス導入システムを提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明のガス温度測定方法は、両端がガス供給源及び減圧器のそれぞれに接続される配管であって、前記ガス供給源側から順に配置される開閉自在の第1のバルブ、第2のバルブ及び第3のバルブにより、前記第1のバルブ及び前記第2のバルブの間の第1の配管、並びに前記第2のバルブ及び前記第3のバルブの間の第2の配管に仕切られ、前記第2の配管の内部容積は既知である配管におけるガス温度測定方法において、所定流量のガスを前記第1の配管及び前記第2の配管に導入したときの前記第1の配管内のガスの第1の圧力上昇率を測定するステップと、前記所定流量のガスを前記第1の配管のみに導入したときの前記第1の配管内のガスの第2の圧力上昇率を測定するステップと、前記第2の配管の内部容積、前記第1の圧力上昇率及び前記第2の圧力上昇率に基づいて前記第1の配管内のガス温度を算出するステップとを有することを特徴とする。
上記目的を達成するために、本発明のガス導入システムは、ガス供給源と、減圧器と、両端が前記ガス供給源及び前記減圧器のそれぞれに接続される配管と、前記配管において前記ガス供給源側から順に配置される開閉自在の第1のバルブ、第2のバルブ及び第3のバルブと、制御部とを備えるガス導入システムであって、前記配管は、前記第1のバルブ、前記第2のバルブ及び前記第3のバルブにより、前記第1のバルブ及び前記第2のバルブの間の第1の配管、並びに前記第2のバルブ及び前記第3のバルブの間の第2の配管に仕切られ、前記第2の配管の内部容積は既知であり、前記制御部は、所定流量のガスを前記第1の配管及び前記第2の配管に導入したときの前記第1の配管内のガスの第1の圧力上昇率を測定し、前記所定流量のガスを前記第1の配管のみに導入したときの前記第1の配管内のガスの第2の圧力上昇率を測定し、前記第2の配管の内部容積、前記第1の圧力上昇率及び前記第2の圧力上昇率に基づいて前記第1の配管内のガス温度を算出することを特徴とする。
本発明によれば、第2の配管の内部容積、第1の配管内及び第2の配管内のガスの第1の圧力上昇率、第1の配管内のガスの第2の圧力上昇率に基づいて第1の配管内のガス温度が算出されるので、第1の配管に温度センサ等を配置しなくても第1の配管内のガス温度を測定することができる。
本発明の実施の形態に係るガス温度測定方法を実行するガス導入システムの構成を概略的に示す図である。 本発明の実施の形態に係るガス温度測定方法を示すフローチャートである。 図2のガス温度測定方法を実行したときの圧力上昇率を示すグラフである。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本発明の実施の形態に係るガス温度測定方法を実行するガス導入システムの構成を概略的に示す図である。
図1において、ガス導入システム10は、図示しないガス供給源及び処理室11のそれぞれに両端が接続される配管12と、配管12においてガス供給源側(図中左方)から順に配置される開閉自在の第1のバルブ13、第2のバルブ14及び第3のバルブ15と、処理室11を介して配管12と接続される真空ポンプ16(減圧器)と、第1のバルブ13及び第2のバルブ14の間に配置されるFCS17(ガス流量制御器)と、第1のバルブ13及び第2のバルブ14の間において配管12から分岐した支管18に取り付けられる圧力計19と、ガス導入システム10の各構成要素の動作を制御するコントローラ20(制御部)とを備える。配管12において、第1のバルブ13及び第2のバルブ14の間の部分は第1の配管12aを構成し、第2のバルブ14及び第3のバルブ15の間の部分は第2の配管12bを構成する。第1の配管12aにはヒータ21が配置され、第2の配管12bにはヒータ22が配置される。圧力計19は第1の配管12a内のガスの圧力を測定する。また、第1のバルブ13、FCS17、第1の配管12a及び圧力計19はガスボックス23内に収容される。ガス導入システム10では、ガス供給源から供給されるガスがFCS17によって流量を制御された上で処理室11内へ導入される。真空ポンプ16は処理室11内、及び処理室11を介して第1の配管12a内や第2の配管12b内を減圧する。
ところで、上述したように、処理室11の容積を算出する方法として、配管12へまず所定量のガスを導入し、その後、配管12から処理室11へガスを導入し、配管12内のガスの圧力と処理室11内のガスの圧力の変化代に基づいて処理室11の容積を推定する方法が知られている。この方法では容積の推定に配管12内のガスの温度が必要であるが、第1の配管12aはガスボックス23に収容されるため、温度センサの配置が困難であり、温度センサによって第1の配管12a内のガスの温度を直接測定するのは不可能である。本実施の形態では、これに対応して、第1の配管12aに温度センサを配置することなく第1の配管12a内のガスの温度を測定する。
ガス導入システム10において、第3のバルブ15のみを閉鎖し、第1の配管12a及び第2の配管12bへ流量Q(sccm)でガスを導入したときの第1の配管12a(及び第2の配管12b)内のガスの圧力上昇率bに関しては、気体の状態方程式に基づいて下記式(1)が成立する。ここで、Vは第1の配管12aの内部容積であり、Vは第2の配管12bの内部容積であり、Tは第1の配管12aや第2の配管12bへ導入されるガスの温度であり、Tは第1の配管12a内のガスの温度である。
また、ガス導入システム10において第3のバルブ15だけでなく第2のバルブ14を閉鎖し、第1の配管12aのみへ流量Qでガスを導入したときの第1の配管12a内のガスの圧力上昇率bに関しては、気体の状態方程式に基づいて下記式(2)が成立する。
ここで、上記式(1),(2)を第1の配管12aの内部容積Vを消去するように連立させ、流量QをSI単位系の流量Qに置き換え、流量QのSI単位系への置き換えに伴い導入されるガスの温度Tを絶対温度Tに置き換えると、第1の配管12a内のガスの温度Tは下記式(3)に示す通りとなる。
また、第1の配管12aの内部容積Vは下記式(4)に示す通りとなる。
本実施の形態では、上記式(3)を用い、第1の配管12a内のガスの温度Tを算出する。
図2は、本発明の実施の形態に係るガス温度測定方法を示すフローチャートである。本方法はコントローラ20においてCPUがプログラムを実行することによって実現される。また、第2の配管12bの内部容積Vは事前の測定や設計図面等から既知であるものとする。
図2において、まず、第1の配管12a内及び第2の配管12b内へ導入されるガスの温度Tが室温の差と所定温度差以上の温度、例えば、100℃となるように、ヒータ21,22によって第1の配管12a及び第2の配管12bを加熱する。次いで、第1のバルブ13を閉鎖する一方、第2のバルブ14及び第3のバルブ15を開弁し、処理室11を介して真空ポンプ16によって第1の配管12a内及び第2の配管12b内を減圧する(ステップS201)。なお、第1の配管12a及び第2の配管12bを真空ポンプ16と直接接続するバイパス管又は別の真空ポンプと接続する別のバイパス管を設け、該バイパス管によって第1の配管12a内及び第2の配管12b内を直接減圧してもよい。
次いで、第3のバルブ15を閉鎖し、圧力計19によって第1の配管12a内及び第2の配管12b内の圧力Pを測定する。その後、第1のバルブ13を開弁するともにガス供給源からガス、例えば、窒素(N)ガスを第1の配管12a内及び第2の配管12b内へ導入する(ステップS202)。導入する窒素ガスの流量は、FCS17によって所定の流量、例えば、200sccmに制御される。
次いで、圧力計19によって第1の配管12a内及び第2の配管12b内の圧力Pを測定する。さらに、第1の配管12a内及び第2の配管12b内の圧力が圧力Pから圧力Pに達するために要した時間T及び圧力差P−Pに基づき、導入される窒素ガスによる第1の配管12a内(及び第2の配管12b内)のガスの圧力上昇率bを算出して測定する(ステップS203)。その後、第1のバルブ13を閉鎖するとともに第3のバルブ15を開弁し、処理室11を介して真空ポンプ16によって第1の配管12a内及び第2の配管12b内を減圧する(ステップS204)。
次いで、ガスの圧力上昇率bの測定回数が3回未満か否かを判別し(ステップS205)、3回未満であれば、ステップS202に戻り、3回以上であれば、第2のバルブ14を閉鎖し、圧力計19によって第1の配管12a内の圧力Pを測定する。その後、第1のバルブ13を開弁するともにガス供給源から窒素ガスを第1の配管12a内のみへ導入する(ステップS206)。このときも、導入する窒素ガスの流量は、FCS17によって所定の流量、例えば、200sccmに制御される。なお、窒素ガスの導入前に第1の配管12aを真空ポンプ16によって再度減圧してもよい。
次いで、圧力計19によって第1の配管12a内の圧力Pを測定する。さらに、第1の配管12a内の圧力が圧力Pから圧力Pに達するために要した時間T及び圧力差P−Pに基づき、導入される窒素ガスによる第1の配管12a内のガスの圧力上昇率bを算出して測定する(ステップS207)。その後、第1のバルブ13を閉鎖するとともに第2のバルブ14及び第3のバルブ15を開弁し、処理室11を介して真空ポンプ16によって第1の配管12a内を減圧する(ステップS208)。
次いで、ガスの圧力上昇率bの測定回数が3回未満か否かを判別し(ステップS209)、3回未満であれば、ステップS202に戻り、3回以上であれば、既知の第2の配管12bの内部容積V、ステップS203で測定されたガスの圧力上昇率b、ステップS207で測定されたガスの圧力上昇率b、SI単位系に置き換えられた窒素ガスの流量Q及び絶対温度に置き換えられた窒素ガスの温度Tを用い、上記式(3)に基づいて第1の配管12a内のガスの温度Tを算出し(ステップS210)、本方法を終了する。
図2のガス温度測定方法によれば、第2の配管12bの内部容積V、第1の配管12a内及び第2の配管12b内へ窒素ガスを導入したときの第1の配管12a内のガスの圧力上昇率b、第1の配管12a内のみへ窒素ガスを導入したときの第1の配管12a内のガスの圧力上昇率b、SI単位系に置き換えられた導入される窒素ガスの流量Q及び絶対温度に置き換えられた窒素ガスの温度Tに基づいて第1の配管12a内のガスの温度Tが算出されるので、第1の配管12aに温度センサ等を配置しなくても第1の配管12a内のガスの温度Tを測定することができる。
また、図2のガス温度測定方法では、第1の配管12a内及び第2の配管12b内へ導入されるガスの温度Tが室温の差と所定温度差以上の温度、例えば、100℃となるように第1の配管12a及び第2の配管12bが加熱される。これにより、導入されるガスの温度は外気温や室温の影響を受けにくくなり、もって、ガスの圧力上昇率bやガスの圧力上昇率bを安定した状態で測定することができる。その結果、正確なガスの圧力上昇率bやガスの圧力上昇率bを測定することができる。
さらに、図2のガス温度測定方法では、ガスの圧力上昇率bの測定を繰り返す際、ガスの圧力上昇率bの測定を繰り返す際、さらには、ガスの圧力上昇率bの測定後に初めてガスの圧力上昇率bの測定を行う前に、第1の配管12a内や第2の配管12b内が減圧されるので、ガスの圧力上昇率bやガスの圧力上昇率bの測定条件をほぼ同じにすることができ、もって、繰り返し測定されるガスの圧力上昇率bやガスの圧力上昇率bがばらついて信頼性が低下するのを防止することができる。
なお、図2のガス温度測定方法では、ヒータ21,22によって第1の配管12a及び第2の配管12bを加熱したが、第1の配管12a内及び第2の配管12b内へ導入されるガスの温度Tは上記式(3)において用いられないため、スループットを優先する場合、ヒータ21,22によって第1の配管12a及び第2の配管12bを加熱しなくてもよい。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。
例えば、図2のガス温度測定方法では、先に第1の配管12a内及び第2の配管12b内へ窒素ガスを導入したときのガスの圧力上昇率bの測定が繰り返され、その後、第1の配管12a内のみへ窒素ガスを導入したときのガスの圧力上昇率bの測定が繰り返されたが、先に第1の配管12a内のみへ窒素ガスを導入したときのガスの圧力上昇率bの測定が繰り返され、その後、第1の配管12a内及び第2の配管12b内へ窒素ガスを導入したときのガスの圧力上昇率bの測定が繰り返されてもよい。
本実施の形態では、特に処理室11を特定しないが、容積を測定する必要がある処理室であれば処理室11に該当し、例えば、ドライエッチング装置の処理室や成膜装置の処理室が処理室11に該当する。
また、本発明の目的は、上述した実施の形態の機能を実現するソフトウェアのプログラムコードを記録した記憶媒体を、ガス導入システム10が備えるコントローラ20に供給し、コントローラ20のCPUが記憶媒体に格納されたプログラムコードを読み出して実行することによっても達成される。
この場合、記憶媒体から読み出されたプログラムコード自体が上述した実施の形態の機能を実現することになり、プログラムコード及びそのプログラムコードを記憶した記憶媒体は本発明を構成することになる。
また、プログラムコードを供給するための記憶媒体としては、例えば、RAM、NV−RAM、フロッピー(登録商標)ディスク、ハードディスク、光磁気ディスク、CD−ROM、CD−R、CD−RW、DVD(DVD−ROM、DVD−RAM、DVD−RW、DVD+RW)等の光ディスク、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、他のROM等の上記プログラムコードを記憶できるものであればよい。或いは、上記プログラムコードは、インターネット、商用ネットワーク、若しくはローカルエリアネットワーク等に接続される不図示の他のコンピュータやデータベース等からダウンロードすることによりコントローラ20に供給されてもよい。
また、コントローラ20が読み出したプログラムコードを実行することにより、上記実施の形態の機能が実現されるだけでなく、そのプログラムコードの指示に基づき、CPU上で稼動しているOS(オペレーティングシステム)等が実際の処理の一部又は全部を行い、その処理によって上述した実施の形態の機能が実現される場合も含まれる。
更に、記憶媒体から読み出されたプログラムコードが、コントローラ20に挿入された機能拡張ボードやコントローラ20に接続された機能拡張ユニットに備わるメモリに書き込まれた後、そのプログラムコードの指示に基づき、その機能拡張ボードや機能拡張ユニットに備わるCPU等が実際の処理の一部又は全部を行い、その処理によって上述した実施の形態の機能が実現される場合も含まれる。
上記プログラムコードの形態は、オブジェクトコード、インタプリタにより実行されるプログラムコード、OSに供給されるスクリプトデータ等の形態から成ってもよい。
次に、本発明の実施例について説明する。
ここでは、ガス供給源から導入される窒素ガスの流量をFCS17によって200sccmに制御して図2のガス温度測定方法を実行した。
図3は、図2のガス温度測定方法を実行したときの圧力上昇率を示すグラフである。ここでは、ステップS203及びステップS207において、第1の配管12a内の圧力が凡そ60Torrへ達したときに窒素ガスの導入を停止し、直ちに、続くステップS204やステップS208を実行した。
図3において、第1の配管12a内及び第2の配管12b内へ窒素ガスを導入したときの第1の配管12a内のガスの圧力上昇率bは15.447Torr/秒、15.436Torr/秒、15.448Torr/秒であり、第1の配管12a内のみへ窒素ガスを導入したときの第1の配管12a内のガスの圧力上昇率bは30.533Torr/秒、30.546Torr/秒、30.534Torr/秒であった。本実施例では、圧力上昇率b及び圧力上昇率bのそれぞれのばらつきが小さいことから、それぞれの最初の測定結果を用いた。また、第2の配管12bの内部容積Vは設計図面から0.10511Lと算出され、200sccmの流量QがSI単位系に置き換えられた流量Qは2.54093Torr・L/秒であることから、上記式(3)に基づいて第1の配管12a内のガスの温度Tは80.1℃と算出された。また、上記式(4)に基づいて第1の配管12aの内部容積Vは0.10863Lと算出された。算出結果の正確性を確認するため、算出された第1の配管12a内のガスの温度T(80.1℃)と、第1の配管12aの内部容積V及び第2の配管12bの内部容積Vの合計値(0.21374L)とを用い、下記式(5)に基づいて流量Qを逆算したところ、流量Qとして200.6sccmが得られた。これは、FCS17によって制御される流量Q(200sccm)とほぼ一致した。
以上より、図2のガス温度測定方法によって算出された第1の配管12a内のガスの温度Tはほぼ正確であることが確認された。
10 ガス導入システム
12 配管
12a 第1の配管
12b 第2の配管
13 第1のバルブ
14 第2のバルブ
15 第3のバルブ
16 真空ポンプ
17 ガス流量制御器
19 圧力計
20 コントローラ

Claims (6)

  1. 両端がガス供給源及び減圧器のそれぞれに接続される配管であって、前記ガス供給源側から順に配置される開閉自在の第1のバルブ、第2のバルブ及び第3のバルブにより、前記第1のバルブ及び前記第2のバルブの間の第1の配管、並びに前記第2のバルブ及び前記第3のバルブの間の第2の配管に仕切られ、前記第2の配管の内部容積は既知である配管におけるガス温度測定方法において、
    所定流量のガスを前記第1の配管及び前記第2の配管に導入したときの前記第1の配管内のガスの第1の圧力上昇率を測定するステップと、
    前記所定流量のガスを前記第1の配管のみに導入したときの前記第1の配管内のガスの第2の圧力上昇率を測定するステップと、
    前記第2の配管の内部容積、前記第1の圧力上昇率及び前記第2の圧力上昇率に基づいて前記第1の配管内のガス温度を算出するステップとを有することを特徴とするガス温度測定方法。
  2. 下記式に基づいて前記第1の配管内のガス温度を算出することを特徴とする請求項1記載のガス温度測定方法。

    但し、T:前記第1の配管内のガス温度、b:前記第1の圧力上昇率、b:前記第2の圧力上昇率、V:前記第2の配管の内部容積、Q:前記導入されるガスの所定流量(SI単位系)、T:前記導入されるガスの絶対温度
  3. 前記導入されるガスを加熱して該導入されるガスの温度及び室温の差を所定温度差以上に設定することを特徴とする請求項1又は2記載のガス温度測定方法。
  4. 前記第1の圧力上昇率の測定及び前記第2の圧力上昇率の測定の間に前記第1の配管及び前記第2の配管を減圧するステップをさらに有することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のガス温度測定方法。
  5. 前記第1の圧力上昇率を測定するステップと、前記第2の圧力上昇率を測定するステップとのいずれも複数回繰り返して実行することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載のガス温度測定方法。
  6. ガス供給源と、減圧器と、両端が前記ガス供給源及び前記減圧器のそれぞれに接続される配管と、前記配管において前記ガス供給源側から順に配置される開閉自在の第1のバルブ、第2のバルブ及び第3のバルブと、制御部とを備えるガス導入システムであって、 前記配管は、前記第1のバルブ、前記第2のバルブ及び前記第3のバルブにより、前記第1のバルブ及び前記第2のバルブの間の第1の配管、並びに前記第2のバルブ及び前記第3のバルブの間の第2の配管に仕切られ、
    前記第2の配管の内部容積は既知であり、
    前記制御部は、所定流量のガスを前記第1の配管及び前記第2の配管に導入したときの前記第1の配管内のガスの第1の圧力上昇率を測定し、前記所定流量のガスを前記第1の配管のみに導入したときの前記第1の配管内のガスの第2の圧力上昇率を測定し、前記第2の配管の内部容積、前記第1の圧力上昇率及び前記第2の圧力上昇率に基づいて前記第1の配管内のガス温度を算出することを特徴とするガス導入システム。
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