JP5773360B2

JP5773360B2 - 流量測定装置

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Publication number: JP5773360B2
Application number: JP2011218343A
Authority: JP
Inventors: 智志柴; 裕利中尾; 吾郷　健二; 健二吾郷
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2015-09-02
Anticipated expiration: 2031-09-30
Also published as: JP2013076685A

Description

本発明は、細孔内を流れるガスの流量を測定する流量測定装置に関し、より詳しくは、ＣＶＤ装置にて、減圧下の反応室内に原料ガスを導入するシャワープレートのガス噴射口たる細孔を流れるガスの流量測定に用いられるものに関する。

半導体デバイスの製造工程には例えば成膜工程があり、この成膜工程に利用される成膜方法の一つとしてＣＶＤ法がある。ＣＶＤ法を実施するＣＶＤ装置は、反応室を画成する真空チャンバを備え、この真空チャンバには、真空ポンプに通じる、圧力制御弁等が介設された排気管が接続されている。また、真空チャンバの天板内側には原料ガスのガス導入部が設けられ、このガス導入部に対向させて真空チャンバの底部には、処理すべき基板を位置決め保持するステージが設けられている（例えば特許文献１参照）。

ガス導入部は、例えば、真空チャンバの天板内側に真空チャンバ内方に向けて立設した環状壁と、環状壁の下面に装着される、板状の部材に所定のパターンで同一形態（同一径及び同一長さ）の細孔が複数穿設されたシャワープレートとを有し、環状壁とシャワープレートとで区画される空間には、予め混合された、または、混合することなく少なくとも二種の原料ガスを一定の流量で導入するガス導入管が接続されている。そして、上記空間に導入された原料ガスが当該空間で一旦拡散され、シャワープレートの各細孔を通して処理室内の基板表面へと供給される。

ここで、ＣＶＤ法にて成膜する際に基板面内における膜厚の均一性を高める方法の一つとして、シャワープレートの各細孔を介して基板に夫々供給される原料ガスのガス流量を均一にすることが考えられ、これには、シャワープレートの各細孔の加工精度にばらつきがないこと、言い換えると、各細孔のコンダクタンスが互いに一致していることが必要となる。従来、このようにシャワープレートに穿設された細孔の加工精度のばらつきは、例えばピンゲージを各細孔に挿通することで管理されていた。

然しながら、近年では、膜厚分布の更なる均一性向上等のため、板状の部材に形成する各細孔として、例えば、径１ｍｍで孔長が２０ｍｍ以上の高アスペクト比のものが利用される場合もある。このような場合、シャワープレートの母材の材質等によっては、細孔の全てを母材に精度よく機械加工することが困難な場合がある。このため、ピンゲージを用いた従来法の管理方法では、作業性が悪いだけでなく、各細孔のコンダクタンスが互いに一致しているかの判断が実質上できず、高アスペクト比の細孔に対しても効率よくかつ精度よくそのコンダクタンスを測定する、即ち、細孔内を流れるガス流量を測定する装置の開発が望まれている。

特開２００５−１５８９１９号公報

本発明は、上記点に鑑み、高アスペクト比の細孔に対しても効率よくかつ精度よく当該細孔内を流れるガスの流量を測定することができる作業性のよい流量測定装置を提供することをその課題とするものである。

上記課題を解決するために、本発明は、測定対象物を所定形状の部材に穿設した細孔とし、この細孔内を流れるガスの流量を測定する流量測定装置であって、大気圧より低い所定圧力で吸引する吸引手段と、この吸引手段に夫々接続される主吸気通路及び比較吸気通路とを備え、主吸気通路が細孔の一側に着脱自在に接続され、比較吸気通路が細孔に対応する第１の測定基準孔に連通し、この比較吸気通路に細孔に対応する第２の測定基準孔が介設されると共に主吸気通路に細孔に対応する第３の測定基準孔が介設され、吸引手段を稼働して細孔及び第１の測定基準孔を通してガスを夫々吸引し、細孔及び第３の測定基準孔備の間、及び、第１及び第２の両測定基準孔の間における主吸気通路と比較吸気通路との圧力差を測定する第１の測定手段を設けたことを特徴とする。

本発明によれば、主吸気通路の一端を細孔の一側に接続した後、吸引手段を稼働し、吸引手段により大気圧より低い所定圧力で主吸気通路と比較吸気通路とが夫々吸引されると、細孔の他側から当該細孔を通して主吸気通路に（例えば、大気中の）ガスが吸引されると共に第１の測定基準孔を通して比較吸気通路に（例えば、大気中の）ガスが吸引される。そして、主吸気通路及び比較吸気通路との所定位置（例えば中間位置）での圧力差を測定することで、第１〜第３の各測定基準孔を、測定しようとする細孔に対応させて（つまり、測定しようする細孔の形態に一致させて）精密に機械加工しておけば、主吸気通路及び比較吸気通路の圧力差の絶対値を小さくすることができ、測定環境の影響を受けることなく、上記圧力差から細孔のコンダクタンス、ひいては、細孔を流れるガス流量を精密に相対測定することができる。

本発明においては、前記吸引手段の吸引口と大気圧との圧力差を測定する第２の測定手段を設け、この第２の測定手段で測定した圧力差に応じて吸引手段の吸引速度を制御するように構成することが好ましい。これによれば、大気圧、主吸気通路及び比較吸気通路並びに吸引手段相互の圧力差を一定に保持して測定することで、大気圧の変動の影響を受けずにより一層精度よくガス流量を測定することができる。

また、本発明においては、前記主吸気通路の少なくとも先端部分が可撓性部材で構成され、可撓性部材の一端に吸着パッドを備えてなることが好ましい。これによれば、測定対象物をＣＶＤ装置に利用されるシャワープレートの各細孔とし、これらの細孔を流れるガスの流量を測定するような場合に、吸着パッドを任意の位置に移動させ、吸着パッドを細孔の一側周縁部の周囲を囲って密着するように押圧して吸着させるだけで、主吸気通路と細孔とを連通させて流量測定のための準備ができ、その結果、作業を向上することができ、有利である。

ところで、シャワープレートを備えたＣＶＤ装置にて所定面積の基板に対して所定の薄膜を成膜する場合、シャワープレートの各細孔からの噴射されるガス流量にばらつきがあると、基板面内のうち一定の範囲で膜厚のむらが生じる場合が多い。このような場合には、膜厚のむらが生じる部分に対応する位置に存する複数の細孔から噴射されるガスの総流量を管理した方が、膜厚分布の更なる均一性向上を図ることができる。そこで、本発明においては、前記部材に同一形態の細孔が複数形成されているものの場合、前記細孔の複数を集合細孔とし、前記吸着パッドは、集合細孔の周囲を囲って各細孔を通してガスを同時に吸引するように構成することができる。これによれば、流量測定装置の構成を変更することなく、複数の細孔から噴射されるガスの総流量を管理することもでき、有利である。なお、吸着パッドを主吸気通路に着脱自在に設けておき、膜厚分布のむらが生じている範囲に応じて交換できるようにしておけば、使い勝手が向上する。

本発明の実施形態の流量測定装置の構成を模式的に示す図。図１に示す流量測定装置でのガス流量の測定を説明する図。吸着パッドの変形例を説明する拡大断面図。

以下、図面を参照して、ＣＶＤ装置のガス導入部を構成する板状の部材に複数の細孔（ガス噴射口）Ｈを所定パターンで穿設したシャワープレートＳＰを用い、測定対象物をシャワープレートＳＰの各細孔（径０．７ｍｍ、長さが２０ｍｍ）とし、この細孔Ｈを通して流れるガスの流量を測定する場合を例に本発明の実施形態の流量測定装置を説明する。

図１を参照して、Ｍは、本実施形態の流量測定装置である。流量測定装置Ｍは、大気圧より低い所定圧力で吸引する吸引手段１を備える。吸引手段１はハウジング１１を備え、ハウジング内にはシロッコファン１２が内蔵されている。シロッコファン１２は、ハウジング１１に付設したサーボモータ１３の出力軸１３ａに接続され、一定の回転速度で回転駆動されるようになっている。ハウジング１１に形成した吸引口１４にはＴ型継手１４ａが設けられ、主排気通路を構成する第１配管２と、比較排気通路を構成する第２配管３とが夫々接続されている。また、吸引口１４には、当該吸引口１４と大気圧との間の圧力差を測定する公知の構造の差圧計（第２の測定手段）１５が設けられている。

第１配管２及び第２配管３には、筒状部材４_１、４_２が、Ｔ型継手１４ａから等距離の位置に夫々介設されている。筒状部材４_１、４_２には、測定しようとする細孔Ｈの形態に対応させて、即ち、測定しようする細孔Ｈの内径ｄ及び長さｌを一致させて精密に機械加工した細孔が穿設され、第２配管３に設けた筒状部材４_２の細孔が第２の測定基準孔ＲＨ２を構成し、第１配管２に設けた筒状部材４_１の孔が第３の測定基準孔ＲＨ３を構成する。更に、第１配管２と第２配管３とには、Ｔ型継手１４ａから等距離の位置（好ましくは、主吸気通路及び比較吸気通路の全長の中間位置）で夫々分岐され、この分岐した分岐配管５_１、５_２が公知の構造の差圧計（第１の測定手段）６に夫々接続されている。そして、上記各部品が、持ち運び可能な筺体Ｆ（図１中、一点鎖線で示す）に収納されている。

第１配管２及び第２配管３の端部には夫々継手（所謂ワンタッチ継手）７_１、７_２が設けられている。そして、一方の継手７_１には、筺体Ｆを貫通して外方にのびる、主排気通路を構成する第３配管２ａが接続され、第３配管２ａの端部に吸着パッド８が着脱自在に取り付けられている。吸着パッド８としては、樹脂製等の公知のものが利用でき、その基端が第３配管２ａに外嵌され、基端からスカート状に下方にのびる吸着部を、細孔Ｈの一側周縁部の周囲を囲うようにシャワープレートの平坦面（図１中、上面）に押圧して吸着させることができるようになっている。これにより、第３配管２ａと細孔Ｈとが互いに連通される。なお、第３配管２ａへの吸着パッド８の取付方法は、気密保持されるように取付できるものであれば、上記限定されるものではない。また、他方の継手７_２には、筺体Ｆを貫通して外方にのびる、比較排気通路を構成する第４配管３ａが接続されている。第３配管２ａ及び第４配管３ａとしては、同一径かつ同一の長さの合成樹脂製のエアーチューブを用いられる。そして、第４配管３ａの端部が、筺体Ｆに取り付けられた筒状部材４_３に接続されている。この場合、筒状部材４_３には、上記同様、測定しようする細孔Ｈの形態に一致させて精密に機械加工した孔が穿設され、第４配管３ａに設けた筒状部材４_３の孔が第１の測定基準孔ＲＨ１を構成する。

また、筐体Ｆにはコンピュータ、メモリやシーケンサ等を備えた制御ユニットＣが内蔵され、吸引手段１の稼動や差圧計６の測定値から細孔Ｈを通して流れるガス流量等を算出すること等を統括して制御するようになっている。なお、サーボモータ１３の回転速度は、差圧計１５の測定値に基づき、吸気口１４での吸気速度が大気圧より低い所定圧力（例えば、大気圧−２００Ｐａ）に維持されるようにフィードバック制御される。以下に、本実施形態の流量測定装置を用いた細孔Ｈを通して流れるガスの流量測定について説明する。

先ず、第３配管２ａの吸着パッド８をシャワープレートＳＰに押圧し、細孔Ｈの一側周縁部の周囲を囲って密着するように吸着させた後（図１参照）、吸引手段１を稼働する。そして、吸引手段１により大気圧より低い所定圧力で主吸気通路２、２ａと比較吸気通路３、３ａが夫々吸引されると、細孔Ｈの他側から当該細孔Ｈを通して主吸気通路２、２ａに（大気中の）ガスが吸引されると共に第１の測定基準孔ＲＨ１を通して比較吸気通路３、３ａに（大気中の）ガスが吸引される。

ここで、図２を参照して、細孔Ｈを通して主吸気通路２、２ａを流れるガス流量をＱ１、第１の測定基準孔ＲＨ１を通して比較吸気通路３、３ａを流れるガス流量をＱ２とし、また、第１の測定基準孔ＲＨ１のコンダクタンスをＣ１、第２の測定基準孔ＲＨ２のコンダクタンスをＣ２、第３の測定基準孔ＲＨ３のコンダクタンスをＣ３及び細孔ＨのコンダクタンスをＣ４とし、更に、細孔Ｈ及び第３の測定基準孔ＲＨ３の間における主吸気通路２、２ａの圧力をＰ_１、第１及び第２の両測定基準孔ＲＨ１、ＲＨ２の間における比較吸気通路３、３ａ内の圧力をＰ_２（つまり、差圧計１５の圧力差）とすると共に、吸引手段１のうち主吸気通路２、２ａ及び比較吸気通路３、３ａに通じる吸引口１４の圧力をＰ_３、大気圧をＰ_０とした場合、次の関係が成立する。即ち、
Ｑ２＝Ｃ１（Ｐ_０−Ｐ_２）＝Ｃ２（Ｐ_２−Ｐ_３）・・・（式１）
Ｑ１＝Ｃ３（Ｐ_１−Ｐ_３）＝Ｃ４（Ｐ_０−Ｐ_１）・・・（式２）
上記式１及び式２から、
Ｃ４／Ｃ３＝（Ｐ_１−Ｐ_２＋（Ｐ_０−Ｐ_２）×Ｃ１／Ｃ２）／（Ｐ_０−Ｐ_１）・・・（式３）

以上より、第１〜第３の各測定基準孔ＲＨ１、ＲＨ２、ＲＨ３を、測定しようとする細孔Ｈに対応させて（つまり、測定しようする細孔の径ｄ及び長さｌを一致させて）精密に機械加工しておけば、上記圧力差、即ち、差圧計１５の測定値から細孔Ｈのコンダクタンス、ひいては、細孔Ｈを流れるガスの流量を精密に相対測定することができる。この場合、制御ユニットＣに差圧計１５で測定した圧力差が入力され、これを基にガス流量が指示されるようになっている。

以上説明したように、本実施形態によれば、主吸気通路２、２ａ及び比較吸気通路３、３ａとの所定位置（例えば中間位置）での圧力差を測定することで、第１〜第３の各測定基準孔ＲＨ１〜ＲＨ３を、測定しようとする細孔Ｈに対応させて精密に機械加工しておけば、主吸気通路２、２ａ及び比較吸気通路３、３ａの圧力差の絶対値を小さくすることができ、測定環境の影響を受けることなく、上記圧力差（Ｐ_１−Ｐ_２）から細孔ＨのコンダクタンスＣ４、ひいては、細孔Ｈを流れるガス流量を精密に相対測定することができる。また、第２の測定手段１５の測定値に応じてサーボモータ１３の速度（即ち、吸引速度）を制御するため、大気圧、主吸気通路２、２ａ及び比較吸気通路３、３ａ並びに吸引手段１相互の圧力差の一定に保持して測定することで、大気圧の変動の影響を受けずにより精度よくガス流量を測定することができる。更に、第３配管２ａを可撓性のエアーチューブで構成したため、吸着パッド８を任意の位置に移動させ、細孔Ｈの一側周縁部の周囲を囲って密着するように吸着パッド８を吸着させるだけで流量測定のための準備ができ、その結果、作業を向上することができ、有利である。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記に限定されるものではない。上記実施形態では、サーボモータ１３とシロッコファン１２とを備えたものを例に吸引手段１を説明したが、脈動等することなく、一定の吸引速度で安定して吸引できるものであれば、特に制限はなく、例えば駆動源としてＤＣモータ等を利用することもできる。また、第１〜第４の各配管として、エアーチューブを用いた場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、金属製のものを用いてもよい。この場合、少なくとも第３配管２ａのみが可撓性を有していればよい。更に、上記実施形態では、シャワープレートＳＰの線状の細孔Ｈを測定対象物としたが、これに限定されるものではなく、湾曲させて形成したようなものであっても本発明の流量測定装置を用いてガス流量を測定することができる。

また、上記実施形態では、吸着パッド８を１本の細孔Ｈの一側周縁部の周囲を囲って密着するように吸着させたものを例に説明したが、これに限定されるものではない。ここで、上記シャワープレートＳＰを備えたＣＶＤ装置にて基板に対して所定の薄膜を成膜する場合、シャワープレートの各細孔Ｈからの噴射されるガス流量にばらつきがあると、基板面内のうち一定の範囲で膜厚のむらが生じる場合が多く、膜厚のむらが生じる部分に対応する位置に存する複数の細孔Ｈから噴射されるガスの総流量を管理した方が、膜厚分布の更なる均一性向上を図ることができる。このため、図３に示すように、シャワープレートＳＰに穿設された細孔Ｈのうち一定の範囲（つまり、膜厚のむらが生じる部分に対応する範囲）内に存する各細孔Ｈを集合細孔Ｈｓとし、吸着パッド８０は、集合細孔Ｈｓの周囲を囲って各細孔Ｈを通してガスを同時に吸引するように構成することができる。これによれば、流量測定装置の構成を変更することなく、複数の細孔から噴射されるガスの総流量を管理することもでき、有利である。

ＳＰ…シャワープレート、Ｈ…細孔（測定対象物）、１…吸引手段、１４…吸気口、２…第１配管（主吸引通路）、２ａ…第３配管、３…第２配管（比較吸引通路）、３ａ…第４配管（比較吸引通路）、ＲＨ１〜ＲＨ４…第１〜第３の各測定基準孔、６、１５…差圧計、８…吸着パッド。

Claims

測定対象物を所定形状の部材に穿設した細孔とし、この細孔内を流れるガスの流量を測定する流量測定装置であって、
大気圧より低い所定圧力で吸引する吸引手段と、この吸引手段に夫々接続される主吸気通路及び比較吸気通路とを備え、
主吸気通路が細孔の一側に着脱自在に接続され、比較吸気通路が細孔に対応する第１の測定基準孔に連通し、この比較吸気通路に細孔に対応する第２の測定基準孔が介設されると共に主吸気通路に細孔に対応する第３の測定基準孔が介設され、
吸引手段を稼働して細孔及び第１の測定基準孔を通してガスを夫々吸引し、細孔及び第３の測定基準孔の間、及び、第１及び第２の両測定基準孔の間における主吸気通路と比較吸気通路との圧力差を測定する第１の測定手段を設け、
前記吸引手段の吸引口と大気圧との圧力差を測定する第２の測定手段を設け、この第２の測定手段で測定した圧力差に応じて吸引手段の吸引速度を制御するように構成し、前記主吸気通路の少なくとも先端部分が可撓性部材で構成され、可撓性部材の一端に吸着パッドを備えてなり、前記部材に同一形態の細孔が複数形成され、前記細孔の複数を集合細孔とし、前記吸着パッドは、集合細孔の周囲を囲って各細孔を通してガスを同時に吸引するように構成されることを特徴とする流量測定装置。