JP7425109B2 - ガス供給システム及びガス供給方法 - Google Patents
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Description
[ガス供給システムの概要]
図1は、第1実施形態に係るガス供給システム1の概要図である。図1に示されるガス供給システム1は、基板処理装置のチャンバ12(処理容器の一例)内の処理空間へガスを供給するシステムである。ガス供給システム1は、第1ガスソースGS1及び第2ガスソースGS2を備える。第1ガスソースGS1は、第1ガスを貯留する。第2ガスソースGS2は、第2ガスを貯留する。第1ガス及び第2ガスは任意である。一例として、第2ガスはプロセスのメインガス、第1ガスはプロセスの添加ガスとしてもよい。
複数の第1ダイヤフラムバルブDV1~DV4は、全て同一構成であるため、以下では、第1ダイヤフラムバルブDV1を例に説明する。図2は、第1ダイヤフラムバルブDV1を概略的に示す断面図である。第1ダイヤフラムバルブDV1は、第1流路L1上に配置される。図2に示されるように、第1ダイヤフラムバルブDV1は、下部本体部71及び上部本体部72を備える。下部本体部71と上部本体部72との間には、弁機能を発揮する封止部材74が配置される。下部本体部71は、その内部に気体を流通させる流路を画成する。上部本体部72は、封止部材74を動作させる構成要素を備える。封止部材74は、可撓性を有する部材で構成され得る。封止部材74は、例えば、弾性部材、ダイヤフラム、ベローズ等であってもよい。
ガス供給システム1を備える基板処理装置(基板処理システム)として、一実施形態のプラズマ処理装置について説明する。図4は、一実施形態に係るプラズマ処理装置を概略的に示す図である。図4に示すプラズマ処理装置10は、容量結合型プラズマ処理装置であり、プラズマ処理として、例えば、プラズマエッチングのために用いられる装置である。
図5は、図4の上部電極30の概略的な断面図である。図5に示されるように、上部電極30の支持体36の内部には、水平方向に延在する第1流路L1及び第2流路L2が設けられている。第1流路L1は、第2流路L2の下方に位置している。
コントローラC2は、記憶部に記憶されたレシピを入力し、複数の第1ダイヤフラムバルブの開閉動作を制御する。第1流路L1は、供給口から排気口まで延在するため、第1流路L1の長さによっては、供給口に近い第1ガス吐出孔と、排気口に近い第1ガス吐出孔との間で第1ガスの圧力差が生じるおそれがある。この場合、第1ガス吐出孔ごとに処理空間への第1ガスの供給量が異なるおそれがある。このため、第1流路L1の排気口OT1に、排気用オリフィスOL9が設けられている。これにより、多少の誤差が存在するものの、第1流路L1の圧力は位置に依存せずにほぼ均一とすることができる。
次に、ガス供給システム1によるガス供給方法を説明する。ガス供給方法は、コントローラC2によってガス供給システム1の構成要素が動作されることで実現し得る。図8は、第1実施形態に係るガス供給方法のフローチャートである。
ガス供給システム1においては、第1ガスは第1流路L1から複数の第1ガス吐出孔34bを介して処理空間Sへ供給され、第2ガスは第2流路L2から複数の第2ガス吐出孔34aを介して処理空間Sへ供給される。このように、第1ガス及び第2ガスは、合流されることなく処理空間Sへ供給される。このため、ガス供給システム1は、チャンバ12に供給する前に第1ガス及び第2ガスを合流させる場合と比べて、合流したガスがチャンバ12に到達するまでの時間を省略することができる。よって、応答速度に優れている。また、各第1ダイヤフラムバルブDV1~DV4は、第1流路L1と第1ガス吐出孔34bとの間、つまり、処理空間Sの近傍において配置されている。このため、ガス供給システム1は、第1ガスを第1ダイヤフラムバルブDV1~DV4によって応答性良く供給制御することができるとともに、処理空間Sに第2ガスのみ供給する場合と、処理空間Sに第1ガス及び第2ガスの混合ガスを供給する場合とを高速で切り替えることができる。よって、ガス供給システム1は、プロセスガスの応答速度を向上させ、さらにプロセスガスの切り替え速度も向上させることができる。さらに、ガス供給システム1は、第1ガス吐出孔ごとに第1ガスの供給及び停止を制御することができる。
第2実施形態に係るガス供給システム1Aは、第1実施形態に係るガス供給システム1と比較して、制御回路C1及びコントロールバルブVL1の代わりに流量制御装置を備える点、第1流路L1が排気口を有していない点、第2流路L2に第2ガス吐出孔34aに対応してオリフィス及びダイヤフラムバルブが配置されている点、第1流路L1及び第2流路L2に供給されるガスそれぞれが混合ガスである点、及び、コントローラC2の動作が相違し、その他は同一である。第2実施形態では、第1実施形態との相違点を中心に説明し、重複する説明は繰り返さない。
図9は、第2実施形態に係るガス供給システム1Aの概要図である。図9に示されるガス供給システム1Aは、基板処理装置のチャンバ12(処理容器の一例)内の処理空間へガスを供給するシステムである。ガス供給システム1Aは、第1ガスボックスCG1と、第2ガスボックスCG2と、を有する。第1ガスボックスCG1は、第1ガスソースGS1を含む複数のガスソースを有する。一例として、第1ガスボックスCG1は、第1ガスソースGS1、第3ガスソースGS3、第4ガスソースGS4、及び、第5ガスソースGS5を含むが、これに限定されない。第2ガスボックスCG2は、第2ガスソースGS2を含む複数のガスソースを有する。一例として、第2ガスボックスCG2は、第2ガスソースGS2、第6ガスソースGS6、第7ガスソースGS7、及び、第8ガスソースGS8を含むが、これに限定されない。
ダイヤフラムバルブの構成は、第1実施形態と同一である。なお、第2実施形態では、ダイヤフラムバルブの駆動源は圧電素子である。また、ガス供給システム1Aが適用される基板処理装置は、第1実施形態と比較して、上部電極の構造のみ相違する。
図10は、第2実施形態に係るガス供給システム1Aの上部電極30Aの概略的な断面図である。図10に示されるように、上部電極30Aの支持体36の内部には、水平方向に延在する第1流路L1及び第2流路L2が設けられている。第1流路L1は、第2流路L2の下方に位置している。
コントローラC2は、記憶部に記憶されたレシピを入力し、複数の第1ダイヤフラムバルブDV1~DV4及び複数の第2ダイヤフラムバルブDV5~DV8の開閉動作を制御する。コントローラC2は、第1ガス吐出孔34bごとに予め取得された、流量と圧力とバルブ開度との関係と、第3圧力検出器PM3の測定結果と、第1ガス吐出孔34bごとに設定された目標流量と、に基づいて、複数の第1ダイヤフラムバルブDV1~DV4の開度をそれぞれ制御する。同様に、コントローラC2は、第2ガス吐出孔34aごとに予め取得された、流量と圧力とバルブ開度との関係と、第4圧力検出器PM4の測定結果と、第2ガス吐出孔34aごとに設定された目標流量と、に基づいて、複数の第2ダイヤフラムバルブDV5~DV8の開度をそれぞれ制御する。
次に、ガス供給システム1Aによるガス供給方法を説明する。ガス供給方法は、コントローラC2によってガス供給システム1の構成要素が動作されることで実現し得る。図14は、第2実施形態に係るガス供給方法のフローチャートである。なお、開始時において、第1ダイヤフラムバルブ及び第2ダイヤフラムバルブは、閉であるとする。
次に、圧電素子を用いたダイヤフラムバルブのガス流量の制御について詳細を説明する。図15は、圧電素子のピエゾ変位量(ピエゾ開度)と印加電圧との関係の一例である。第1の圧電素子(図15の説明(A))は、印加電圧120Vで全開(流量100%設定)、印加電圧0Vで閉(流量0%設定)となる。第2の圧電素子(図15の説明(B))も、第1の圧電素子と同様に、印加電圧120Vで全開(流量100%設定)、印加電圧0Vで閉(流量0%設定)となる。しかし、流量をX%(100>X>1)に設定する場合、第1の圧電素子は印加電圧75Vが必要となり、第2の圧電素子は印加電圧60Vが必要となる。また、流量を1%に設定する場合、第1の圧電素子は印加電圧50Vが必要となり、第2の圧電素子は印加電圧20Vが必要となる。このように、圧電素子は、素子ごとに、ピエゾ変位量に到達させる印加電圧にばらつきがある。
コントローラC2は、ダイヤフラムバルブの流量が制御目標通りになっているか否かを判定する機能を有していてもよい。図17は、流量自己診断を行う構成の一例である。図17では、第3流路L3上にダイヤフラムバルブ201が配置されている。ダイヤフラムバルブ201の下流には、圧力検出器PM8、温度検出器TM8、オリフィス203及び二次バルブ202が配置されている。ここで、ダイヤフラムバルブ201の上流には、一次バルブ200及び圧力検出器PM9が配置されている。圧力検出器PM9が配置されていることにより、ダイヤフラムバルブ201の一次側の圧力を測定することができる。このため、ダイヤフラムバルブ201のピエゾ変位量と実際の流量とを対応させて記憶することができる。そして、コントローラC2は、記憶されたデータと実測値とを比較して、ピエゾ変位量と実際の流量との関係が許容範囲よりもずれている場合には、正しく流量を制御できていないと判定する。このように、コントローラC2は、流量に関して自己診断をすることができる。また、コントローラC2は、正しく流量を制御できていないと判定した場合、圧電素子が経年劣化していると判定することもできる。このため、コントローラC2は、圧電素子の交換タイミングを予測することもできる。
ガス供給システム1Aにおいては、第1ガスを含む第1混合ガスは、圧力式流量制御装置FC1によって所定流量に制御されて、第1流路L1に供給される。各第1ダイヤフラムバルブDV1~DV4は、コントローラC2によって動作する。これにより、第1流路L1内の所定流量の第1混合ガスは、第1ガス吐出孔34bごとに分配制御される。第2ガスを含む第2混合ガスは、圧力式流量制御装置FC2によって所定流量に制御されて、第2流路L2に供給される。各第2ダイヤフラムバルブDV5~DV8は、コントローラC2によって動作する。これにより、第2流路L2内の第2混合ガスは、第2ガス吐出孔34aごとに分配制御される。このように、ガス供給システムは、吐出孔ごとに流量を分配制御することができる。
以下、上記効果を説明すべく本発明者が実施した実施例及び比較例について述べるが、本開示は以下の実施例に限定されるものではない。
ダイヤフラムバルブの流量制御応答性について検証した。実施例として、ピエゾ変位量を制御パラメータとして流量レートをシミュレーションした。比較例として、印加電圧を制御パラメータとして流量レートをシミュレーションした。結果を図18に示す。図18は、比較例及び実施例における流量レートと時間との関係を示すグラフである。図18のグラフ(A)は比較例であり、横軸は時間、縦軸は流量レート又は印加電圧である。グラフG1が制御目標値、グラフG2が印加電圧値、グラフG3が流量である。図18のグラフ(B)は実施例であり、横軸は時間、縦軸は流量レート又はバルブ開度(ピエゾ変位量)である。グラフG1が制御目標値、グラフG2がバルブ開度、グラフG3が流量である。実施例及び比較例を比較すると、実施例の方が比較例に比べてグラフG3の立ち上がりが速いことが確認された。このため、制御パラメータをバルブ開度(ピエゾ変位量)とすることで、流量制御の応答性が向上することが確認された。
ダイヤフラムバルブの流量制御時のアンダーシュートについて検証した。実施例として、ピエゾ変位量を制御パラメータとして流量レートをシミュレーションした。比較例として、印加電圧を制御パラメータとして流量レートをシミュレーションした。結果を図19に示す。図19は、比較例及び実施例における流量レートと時間との関係を示すグラフである。図19のグラフ(A)は比較例であり、横軸は時間、縦軸は流量レート又は印加電圧である。グラフG1が制御目標値、グラフG2が印加電圧値、グラフG3が流量である。図19のグラフ(B)は実施例であり、横軸は時間、縦軸は流量レート又はバルブ開度(ピエゾ変位量)である。グラフG1が制御目標値、グラフG2がバルブ開度、グラフG3が流量である。実施例及び比較例を比較すると、実施例の方が比較例に比べてグラフG3がたち下がった時にアンダーシュートしていないことが確認された。このため、制御パラメータをバルブ開度(ピエゾ変位量)とすることで、アンダーシュートが改善されることが確認された。
Claims (6)
- 基板処理装置の処理容器内の処理空間へガスを供給するガス供給システムであって、
第1ガスの第1ガスソースに接続され、前記処理容器の天井を構成する天井部材の内部又は前記処理容器の側壁の内部に形成された第1流路と、
前記第1流路と前記処理空間とを連通させる複数の第1ガス吐出孔と、
第2ガスの第2ガスソースに接続され、前記天井部材の内部又は前記処理容器の側壁の内部に形成された第2流路と、
前記第2流路と前記処理空間とを連通させる複数の第2ガス吐出孔と、
複数の第1ダイヤフラムバルブであって、各第1ダイヤフラムバルブは、前記第1流路と前記第1ガス吐出孔との間に前記第1ガス吐出孔ごとに設けられる、前記複数の第1ダイヤフラムバルブと、
複数の第2ダイヤフラムバルブであって、各第2ダイヤフラムバルブは、前記第2流路と前記第2ガス吐出孔との間に前記第2ガス吐出孔ごとに設けられる、前記複数の第2ダイヤフラムバルブと、
前記複数の第1ダイヤフラムバルブ及び前記複数の第2ダイヤフラムバルブを動作させる第2コントローラと、
前記第1流路に供給される前記第1ガスの圧力を測定する第3圧力検出器と、
前記第2流路に供給される前記第2ガスの圧力を測定する第4圧力検出器と、
を備え、
前記第2コントローラは、
前記第1流路内の前記第1ガスの流量が前記第1ガス吐出孔ごとに分配制御されるように、前記各第1ダイヤフラムを動作させ、
前記第2流路内の前記第2ガスの流量が前記第2ガス吐出孔ごとに分配制御されるように、前記各第2ダイヤフラムを動作させ、
前記第1ガス吐出孔ごとに予め取得された、流量と圧力とバルブ開度との関係と、前記第3圧力検出器の測定結果と、前記第1ガス吐出孔ごとに設定された目標流量と、に基づいて、前記複数の第1ダイヤフラムバルブの開度をそれぞれ制御し、
前記第2ガス吐出孔ごとに予め取得された、流量と圧力とバルブ開度との関係と、前記第4圧力検出器の測定結果と、前記第2ガス吐出孔ごとに設定された目標流量と、に基づいて、前記複数の第2ダイヤフラムバルブの開度をそれぞれ制御する、
ガス供給システム。 - 前記第1ガスソースを含む複数のガスソースを有し、前記複数のガスソースから得られる第1混合ガスを前記第1流路に供給する第1ガスボックスと、
前記第1ガスボックスと前記第1流路との間に設けられた第1流量制御器と、
前記第2ガスソースを含む複数のガスソースを有し、前記複数のガスソースから得られる第2混合ガスを前記第2流路に供給する第2ガスボックスと、
前記第2ガスボックスと前記第2流路との間に設けられた第2流量制御器と、
をさらに備え、
前記第1流路は、前記第1混合ガスが供給される閉空間であり、
前記第2流路は、前記第2混合ガスが供給される閉空間である、
請求項1に記載のガス供給システム。 - 第1バルブと、第2バルブと、第3バルブと、第4バルブとをさらに備え、前記第1流量制御器は、前記第1バルブと前記第2バルブとの間に設けられ、前記第2流量制御器は、前記第3バルブと前記第4バルブとの間に設けられる、請求項2に記載のガス供給システム。
- 前記第1ダイヤフラムバルブ及び前記第2ダイヤフラムバルブそれぞれは、ダイヤフラムを駆動する圧電素子を有し、
前記圧電素子それぞれの変位量を測定する検出器をさらに備え、
前記第2コントローラは、前記変位量とパラメータとして前記第1ダイヤフラムバルブの開度及び前記第2ダイヤフラムバルブの開度を制御する、請求項2又は3に記載のガス供給システム。 - 前記第1流路及び前記第2流路は、前記天井部材の内部にそれぞれ複数設けられ、前記天井部材の中心から外側に向けて延在し、交互に径方向に配置されている、請求項1~4の何れか一項に記載のガス供給システム。
- 前記第1流路は、前記第2流路の下方に設けられている、請求項1~5の何れか一項に記載のガス供給システム。
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