JPH09320968A - バルブシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 切り替えの時間遅れやデッドスペースの発生
や圧力の変化を極力少なくしたうえで、２入力、２出力
系統の切り替えが同時に可能なバルブシステムの実現を
課題とする。 【解決手段】 第１の入力端からのガス流を第１の出力
端に接続する第１のノーマルオープンバルブ１と、第２
の入力端からのガス流を第２の出力端に接続する第２の
ノーマルオープンバルブ３と、第１の入力端からのガス
流を第２の出力端にバイパスする第１のノーマルクロー
ズバルブ４と、第２の入力端からのガス流を第１の出力
端にバイパスする第２のノーマルクローズバルブ２と、
これらのバルブの開閉の動作を同時に制御する制御手段
とを設けて、この制御手段の動作によって第１の入力端
からのガス流および第２の入力端からのガス流の出力先
を同時に切り替える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、バブルシステムに
関し、特に半導体の気相成長に用いられるバブルシステ
ムの改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】基板上に比較的薄い結晶を成長させるエ
ピタキシャル成長の方法の中で、気相エピタキシャル成
長法は現在広く用いられているエピタキシャル成長法で
ある。これは、気相エピタキシャル成長法では生産性の
良いシステムを容易に構成できる、かなり結晶性の良い
エピタキシィが可能である、不純物の制御が比較的容易
であるなどの理由による。

【０００３】気相エピタキシャル成長法には、大気圧で
気相エピタキシャル成長を行なう常圧気相エピタキシャ
ル成長法、減圧状態で気相エピタキシャル成長を行なう
減圧気相エピタキシャル成長法、有機化合物と水素化合
物を用いて化合物半導体単結晶を成長させる有機金属気
相エピタキシャル成長法（ＭＯＶＰＥ：Metal Organic
Vapor Phase Epitaxial Growth System ）、熱エネルギ
ーに光エネルギーを付加して気体分子やウェーハ表面の
活性化を行なってエピタキシャル成長を行なう光気相エ
ピタキシャル成長法などがある。

【０００４】また、一般の気相エピタキシャル成長法と
は区別されることが多いが、薄膜材料を構成する１ない
し数種類の化合物ガス、単体ガスを供給し、気相または
ウェーハ表面出の化学反応によって所望の薄膜を形成さ
せる化学的気相成長（ＣＶＤ）法も広く用いられる。こ
の方法にも、ＣＶＤの励起エネルギーとして熱を用いる
熱ＣＶＤ法、大気圧でＣＶＤを行なう常圧ＣＶＤ法、減
圧状態でＣＶＤを行なう減圧ＣＶＤ法、有機金属化合物
の熱分解反応を利用して化合物半導体膜を作成する有機
金属ＣＶＤ法（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical V
apor Deposition ）等の種類がある。

【０００５】これらのエピタキシャル成長を行なわせる
気相成長装置やＣＶＤ装置においては、原料としてガス
原料を用いるために、複数の配管と、この複数の配管の
中を流れるガス流を制御するためのエアオペレートバル
ブ（ＡＶ）等のバルブや、さらにそのエアオペレートバ
ルブ（ＡＶ）を駆動制御するための電磁弁（ＥＶ）等が
非常に多数用いられている。

【０００６】このようなエアオペレートバルブ（ＡＶ）
のうち、エアによる圧力をかけるとバブル開の状態にな
り、圧力をかけないときはバブル閉の状態になる物をノ
ーマルクローズ（ＮＣ）バルブと呼ぶ。また、逆に、エ
アによる圧力をかけるとバブル閉の状態になり、圧力を
かけないときにはバブル開の状態になる物をノーマルオ
ープンバルブ（ＮＯ）と呼ぶ。いずれにせよ、バブルが
閉の状態ではそのバブルからガスが流れているメイン配
管までをつなぐ接続用配管中は、ガスが流れていない状
態になってガスが澱んでいる。このようなガスが流れて
いない配管中ではガスが澱んでいる状態にあることか
ら、デッドスペースと呼ばれ、極力このような配管を短
くする工夫をする必要がある。なぜなら、澱んでいる原
料の残留物が、組成制御、ドーピング濃度制御に影響を
与えることがあるからである。

【０００７】通常、配管や反応器においてデッドスペー
スの発生を避けるためにガス原料をによる気相成長工程
の合間に気相成長を停止する場合にはパージガスを導入
する工程をいれてガス原料を排除するようにする。この
ような工程の途中で配管や反応器にパージガスが導入さ
れていないような状態は非常に好ましくない状態であ
り、装置設計においてはこのことを考慮した配慮が必要
になる。

【０００８】従来、パージ工程と気相成長工程の切り替
えには、パージガス閉栓、ガス抜き、反応ガス導入、排
気量制御ライン開栓の作業が連続して行なわれるＮＯが
普通であった。。このうち、反応ガス導入、排気量制御
ライン開栓の作業は同時に行なわれる作業であるため、
電気的な切り替えの時間差と排気量差の変化によって、
反応器や配管に圧力の変動を生じることがあった。この
ような圧力の変動も反応器内の雰囲気を不安定にし、製
造する膜の均一性等に影響を与えることが多く好ましい
ことではない。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上述のごとく、従来の
エアオペレートバルブにおいてはガス流の切り替えに際
し、切り替え作業に時間差が生じたりデッドスペースが
発生したりして、これが組成制御上あるいはドーピング
濃度制御上の問題になることがあった。

【００１０】本発明は、このような切り替えの時間遅れ
やデッドスペースの発生や大きな圧力の変化を極力なく
するように考慮したうえで２入力、２出力の系統の切り
替えが可能なバルブシステムの実現を課題とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、ガス流の流れを制御するバルブシステム
において、第１の入力端からのガス流を第１の出力端に
接続する第１のノーマルオープンバルブと、第２の入力
端からのガス流を第２の出力端に接続する第２のノーマ
ルオープンバルブと、前記第１の入力端からのガス流を
前記第２の出力端にバイパスする第１のノーマルクロー
ズバルブと、前記第２の入力端からのガス流を前記第１
の出力端にバイパスする第２のノーマルクローズバルブ
と、前記第１のノーマルオープンバルブと前記第２のノ
ーマルオープンバルブの閉および開の動作と、前記第１
のノーマルクローズバルブと前記第２のノーマルクロー
ズバルブの開および閉の動作と同時に制御する制御手段
とを具備し、前記制御手段の動作によって前記第１の入
力端からのガス流および前記第２の入力端からのガス流
の出力先を同時に切り替えることを特徴とする。

【００１２】また、ガス流の流れを制御するバルブシス
テムにおいて、複数の入力端からのガス流をそれぞれ複
数の出力端に接続する複数のノーマルオープンバルブ
と、前記複数の入力端からのガス流を前記ノーマルオー
プンバルブが接続する出力端とは異なる出力端に接続す
る複数のノーマルクローズバルブと、前記複数のノーマ
ルオープンバルブおよび前記複数のノーマルクローズバ
ルブを同時に制御する制御手段とを具備し、前記制御手
段の制御により前記複数の入力端からのガス流の出力を
切り替えることを特徴とする。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明にかかるバルブシス
テムを添付図面を参照にして詳細に説明する。図１は、
本発明のバルブシステムの構成を示す配管系統図であ
る。図１で１および３はノーマルオープンのエアオペレ
ートバルブ（ＡＶ・ＮＯ）であり、２および４はノーマ
ルクローズのエアオペレートバルブ（ＡＶ・ＮＣ）であ
る。また５はエアオペレートバルブ（ＡＶ）１〜４を駆
動させる電磁弁であり、６はエアオペレートバルブ（Ａ
Ｖ）１〜４駆動用のエアーチューブである。また、１１
はガス配管である。ここで、配管１１というのはガス伝
搬を行うための構造の総称であり、一般的にはステンレ
スのチューブであるが、単にブロック中にガス伝搬のた
めの穴を設けたものであっても差支えない。また、この
配管系統図はガスフローの概念図であって、実際の物理
的配置は３次元になっているのが普通で、図１の形に拘
束されるものではない。

【００１４】図１（ａ）は、電磁弁５が働いていないノ
ーマル状態であって、エアーチューブ６にはエアオペレ
ートバルブ（ＡＶ）１〜４を駆動するための圧空等が供
給されていない。この状態では、ノーマルオープンのエ
アオペレートバルブ（ＡＶ・ＮＯ）１、３は開状態、ノ
ーマルクローズのエアオペレートバルブ（ＡＶ・ＮＣ）
２、４は閉状態であり、入力Ａからのガスが出力Ａに供
給され、入力Ｂからのガスが出力Ｂに供給されている。
図１（ｂ）は、電磁弁５が働いた状態であって、エアー
チューブ６に駆動用の圧空等が供給され、エアオペレー
トバルブ（ＡＶ）１〜４に駆動用の圧力がかかった状態
を示している。

【００１５】これにより、エアオペレートバルブ（Ａ
Ｖ）１〜４の開閉の組み合わせが変わり、ノーマルオー
プンのエアオペレートバルブ（ＡＶ・ＮＯ）１、３は閉
状態、ノーマルクローズのエアオペレートバルブ（ＡＶ
・ＮＣ）２、４は開状態になる。これによって、入力Ａ
からのガスが出力Ｂに供給され、入力Ｂからのガスが出
力Ａに供給されるようになって、入力端からの供給ガス
が異なった出力端に切り替わる。このような構成である
と、ガス流の切り替えが同一の電磁弁５で行なわれるた
め、切り替えに時間差が発生することがなく、かつ、デ
ッドスペースとなる可能性のある空間はバブル間の配管
のわずかな容積に限られるので、切り替え作業の時間差
なででデッドスペースが発生することがなくなり、組成
制御あるいはドーピング濃度制御を精密に行なうことが
できる。このような切り替えの構成はノーマルオープン
またはノーマルクローズのバルブ１種類ででも実現可能
であるが、その場合は電磁弁の数を少なくとももう一つ
増やす必要がある。

【００１６】図２に、このバルブシステムを半導体成長
装置に用いた実施形態を示す。気相成長装置へのガス原
料の供給は、非常に厳密に供給流量やライン圧力を制御
する必要があるので、各種の半導体製造ガスの供給を自
動的に行うことのできるマスフローコントローラ（ＭＦ
Ｃ）や、性能の良いニードルバルブ（ＮＶ）やピエゾバ
ルブ（ＰＶ）等を用いて行う。

【００１７】今日、気相エピタキシャル成長法を用いた
半導体成長装置の１つで有機化合物と水素化合物を用い
て化合物半導体単結晶を成長させる有機金属気相エピタ
キシャル成長（ＭＯＶＰＥ）装置や、化学的気相成長
（ＣＶＤ）法を用いた半導体成長装置の１つであり、有
機金属化合物の熱分解反応を利用して化合物半導体膜を
形成する有機金属ＣＶＤ（ＭＯＣＶＤ）装置は半導体の
シリコンエピタキシャル成長に広く用いられている。こ
のＭＯＶＰＥ装置やＭＯＣＶＤ装置のように数多くのマ
スフローコントローラ（ＭＦＣ）やバルブ類を使用しな
ければならない装置では、ガス制御系の装置が非常に高
価なものになってしまう。この様な装置では、１制御系
で１反応器というのが従来の一般的な形態であった。こ
れを例えば１制御系で２反応器に対して制御できれば、
高価なガス制御系を共有できることになり、経済的な利
点が大きい。

【００１８】ここで、図２に図示したようなバルブシス
テムの入力の一方に原料ガスを、他方の入力に配管パー
ジ用のガスを導入し、この出力側にそれぞれ反応器を２
つ接続する。このようにすると、一方の反応器である反
応器Ａに原料ガスが供給されているときは、他方の反応
器である反応器Ｂにパージガスが供給されていて、反応
器Ｂに原料ガスが供給されているときは、反応器Ａにパ
ージガスが供給されていることになる。このような構成
によると、原料ガスとパージガスの相互の供給がスムー
ズに行われ、切り替え時の圧力の変動を少なくでき、反
応器や配管に残留ガスが澱んで高品質の結晶成長を妨げ
る虞をなくすることができる。また、装置価格の高価な
原料供給制御系を２つの反応器で共通にして、一方の反
応器に原料供給を行い、原料供給を行わない側の反応器
にはパージを行いながら、２つの反応器間で原料供給の
切り替えを行うことができ、経済的なメリットが大き
い。

【００１９】また図２に示したような本発明の構成は、
以上に説明したように同一の１制御系で２反応器を制御
する場合以外にも、同一反応器に対してガス導入ライン
を２組設けて気相成長時にこれらのラインを交互に切り
替えて用いることで、反応器内の温度勾配をなくし均一
性の良い気相成長を行なう目的に使用するような場合に
も効果的に用いることができる。

【００２０】また、以上の説明では１つの制御系で２つ
の反応器への原料供給を制御する場合について話してき
たが、この考えをさらに進めて、１つの制御系で原料ガ
スとパージガスを同時に切り替えながら複数の反応器に
交互に導入したり、１つの制御系で複数の入力端からの
ガス流を複数の出力端に切り替えて用いるようにしたバ
ルブシステムを構成することも可能である。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように本発明の請求項１の
発明は、ガス流の流れを切り替えて制御するバルブシス
テムにおいて、第１の入力端からのガス流を第１の出力
端に接続する第１のノーマルオープンバルブと、第２の
入力端からのガス流を第２の出力端に接続する第２のノ
ーマルオープンバルブと、前記第１の入力端からのガス
流を前記第２の出力端にバイパスする第１のノーマルク
ローズバルブと、前記第２の入力端からのガス流を前記
第１の出力端にバイパスする第２のノーマルクローズバ
ルブと、前記第１のノーマルオープンバルブと前記第２
のノーマルオープンバルブの閉および開の動作と、前記
第１のノーマルクローズバルブと前記第２のノーマルク
ローズバルブの開および閉の動作と同時に制御する制御
手段とを具備し、前記制御手段の動作によって前記第１
の入力端からのガス流および前記第２の入力端からのガ
ス流の出力先を同時に切り替えることを特徴とする。こ
れにより、１つの制御手段によって、切り替えに時間差
が発生することがなく、デッドスペースの発生が少な
く、圧力変動も小さい２入力、２出力の２系統の切り替
えが可能なバルブシステムを実現することができる。ま
た、装置価格の高価な原料供給制御系を２つの反応器で
共通に利用できるので、経済的なメリットが大きい。

【００２２】請求項２の発明は、ガス流の流れを制御す
るバルブシステムにおいて、複数の入力端からのガス流
をそれぞれ複数の出力端に接続する複数のノーマルオー
プンバルブと、前記複数の入力端からのガス流を前記ノ
ーマルオープンバルブが接続する出力端とは異なる出力
端に接続する複数のノーマルクローズバルブと、前記複
数のノーマルオープンバルブおよび前記複数のノーマル
クローズバルブを同時に制御する制御手段とを具備し、
前記制御手段の制御により前記複数の入力端からのガス
流の出力を切り替えることを特徴とする。これにより、
１つの制御手段によって、切り替えに時間差が発生する
ことがなく、デッドスペースの発生が少なく、圧力変動
も小さい、複数入力、複数出力の複数系統の切り替えが
可能なバルブシステムを実現することができ、さらに高
価な原料供給制御系を複数の入出力に共通に利用できる
ので、経済的なメリットが大きい。

【００２３】請求項３の発明は、請求項１のバルブシス
テムで前記第１の入力端からのガス流および前記第２の
入力端からのガス流がそれぞれ２系統のガス入力であ
り、前記第１の出力端および前記第２の出力端はそれぞ
れ２系統の反応器側に接続されて、前記２系統のガス入
力の前記２系統の反応器への接続を切り替え可能にし
て、半導体成長装置に用いられるようにしたことを特徴
とする。これにより、１つの制御手段によってデッドス
ペースの発生を極力なくするように考慮した上で、２系
統のガス入力を２系統の反応器へ切り替える半導体成長
装置を実現することができ、高価な原料供給制御系を２
つの反応器で共通に利用できる。

【００２４】請求項４の発明は、請求項３の前記２系統
のガス入力のうち、１系統は半導体成長用のガス原料で
あり、１系統はパージ用のガスであることを特徴とす
る。これにより、デッドスペースの発生を極力なくする
ようにし、半導体成長用のガス原料をパージ用のガスで
完全に置き換えることができ、反応器や配管に残留ガス
が澱んで高品質の結晶成長を妨げる虞をなくすることが
できる。また、高価な原料供給制御系を２つの反応器で
共通に利用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態のバルブシステムの系統
図。

【図２】図１に示す実施形態をバルブシステムを半導体
成長装置に用いた場合の系統図。

【符号の説明】

１……ノーマルオープンのエアオペレートバルブ、２…
…ノーマルクローズのエアオペレートバルブ、３……ノ
ーマルオープンのエアオペレートバルブ、４……ノーマ
ルクローズのエアオペレートバルブ、５……エアオペレ
ートバルブ駆動用電磁弁、６……エアオペレートバルブ
駆動用エアーチューブ、１１……ガス配管。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガス流の流れを切り替えて制御するバル
   ブシステムにおいて、 第１の入力端からのガス流を第
   １の出力端に接続する第１のノーマルオープンバルブ
   と、 第２の入力端からのガス流を第２の出力端に接続する第
   ２のノーマルオープンバルブと、 前記第１の入力端からのガス流を前記第２の出力端にバ
   イパスする第１のノーマルクローズバルブと、 前記第２の入力端からのガス流を前記第１の出力端にバ
   イパスする第２のノーマルクローズバルブと、 前記第１のノーマルオープンバルブと前記第２のノーマ
   ルオープンバルブの閉および開の動作と、前記第１のノ
   ーマルクローズバルブと前記第２のノーマルクローズバ
   ルブの開および閉の動作と同時に制御する制御手段とを
   具備し、 前記制御手段の動作によって前記第１の入力端からのガ
   ス流および前記第２の入力端からのガス流の出力先を同
   時に切り替えることを特徴とするバルブシステム。
2. 【請求項２】 ガス流の流れを制御するバルブシステム
   において、 複数の入力端からのガス流をそれぞれ複数の出力端に接
   続する複数のノーマルオープンバルブと、 前記複数の入力端からのガス流を前記ノーマルオープン
   バルブが接続する出力端とは異なる出力端に接続する複
   数のノーマルクローズバルブと、 前記複数のノーマルオープンバルブおよび前記複数のノ
   ーマルクローズバルブを同時に制御する制御手段とを具
   備し、 前記制御手段の制御により前記複数の入力端からのガス
   流の出力を切り替えることを特徴とするバルブシステ
   ム。
3. 【請求項３】 前記第１の入力端からのガス流および前
   記第２の入力端からのガス流がそれぞれ２系統のガス入
   力であり、 前記第１の出力端および前記第２の出力端はそれぞれ２
   系統の反応器側に接続されいて、 前記２系統のガス入力の前記２系統の反応器への接続を
   同時に切り替え可能にして、半導体成長装置に用いられ
   ることを特徴とする請求項１記載のバルブシステム。
4. 【請求項４】 前記２系統のガス入力のうち、１系統は
   半導体成長用のガス原料であり、１系統はパージ用のガ
   スであることを特徴とする請求項３記載のバルブシステ
   ム。