(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボンベの内圧が、該ボンベに充填された液化ガスに含まれる水分を液体に保つことができる圧力以上の時にのみ、前記ボンベからガスを供給することを特徴とするガス供給方法。
【請求項２】
ボンベより導かれるガスを、該ボンベ内の液化ガスに含まれる水分を液体に保つことができる圧力以上に設定された第１減圧弁によって減圧し、該第１減圧弁によって減圧されたガスを、第２減圧弁によって減圧して供給することを特徴とする請求項１記載のガス供給方法。
【請求項３】
前記液化ガスは液化塩化水素であり、前記第１減圧弁は２．９ＭＰａ以上に設定することを特徴とする請求項２記載のガス供給方法。
【請求項４】
液化ガスを充填した複数本のボンベからガスを供給するガス供給装置において、
前記ボンベの内圧が、該ボンベ内の液化ガスに含まれる水分を液体に保つことができる圧力以上の状態の時にのみ、該ボンベからガスを供給するように構成されているガス供給制御手段を備えたことを特徴とするガス供給装置。
【請求項５】
前記ガス供給制御手段は、前記複数のボンベと第２減圧弁との間にそれぞれ介在される圧力制御弁であり、
該圧力制御弁は、前記複数のボンベのうちいずれかの内圧が、該ボンベ内の液化ガスに含まれる水分を液体に保つことができる圧力よりも低下したときに閉弁して、該ボンベから前記第２減圧弁へのガス供給を停止させることを特徴とする請求項４記載のガス供給装置。
【請求項６】
前記液化ガスは液化塩化水素であることを特徴とする請求項４又は５に記載のガス供給装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液化ガスが充填されたボンベからガスを供給するガス供給装置に関し、特に気相成長装置に適したガス供給装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造プロセスにおいて、各種ガスが使用される。
例えばシリコンエピタキシャルウェーハを製造する気相成長装置では、シリコン単結晶ウェーハ（以下単に「ウェーハ」と称する）上に所定のガスを供給し、シリコンエピタキシャル層を気相エピタキシャル成長させる。
即ち、図５に示すように、気相成長装置１０の反応炉１１内に備えられるサセプタ１１ａ上にウェーハＷを載置し、反応炉１１内を所定温度まで昇温する。この状態で、反応炉１１内に、ジクロロシラン（ＳｉＨ2Ｃｌ2：ｄichlorosilane）等の原料ガス、アルシン（ＡｓＨ3：arsine）やホスフィン（ＰＨ3：ｐhosphine）等のドーパントガス、キャリアガスとしての水素ガス等からなる混合ガス（「プロセスガス」と称する）を供給し、ウェーハＷの主表面にシリコンエピタキシャル層を形成する。その際、反応炉１１の内壁面やサセプタ１１ａ等にシリコンが堆積するので、反応炉１１内にエッチングガスを供給して堆積したシリコンを除去する。
【０００３】
こうしたシリコンエピタキシャルウェーハの製造におけるエッチングガスとして、例えば塩化水素（ＨＣｌ）ガスが使用される。
図５に示すように、塩化水素ガスは、例えばボンベ３０より供給される。このボンベ３０内には、液化塩化水素Ｌが高圧で充填されている。この液化塩化水素Ｌから気化した塩化水素ガスは、ボンベ３０のガス供給口３０ａから減圧弁３１に導かれて、気相成長装置１０で使用される圧力にまで減圧される。そして開閉弁３２が開かれると、配管３３を介して塩化水素ガスが反応炉１１内に供給される。
シリコンエピタキシャルウェーハの製造では、塩化水素ガスは、例えば温度３００Ｋにおいて内圧５０ｋｇｆ／ｃｍ2（４．９ＭＰａ）であるボンベ３０から減圧弁３１において１０ｋｇｆ／ｃｍ2（０．９８ＭＰａ）以下の圧力まで減圧されて反応炉１１に供給される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ボンベ３０から供給される塩化水素ガス中に、不純物として水分が含まれてしまい、その純度が低下する場合がある。
そして、塩化水素ガスの純度が低下すると、反応炉１１内に水分が不純物として供給されてしまうだけでなく、塩化水素ガスに含まれる水分によって配管３３の内面が腐蝕してしまう場合もある。
このために、高純度ガスを安定して供給できるガス供給方法およびガス供給装置が望まれていた。
【０００５】
本発明の課題は、不純物として含まれる水分の量が低減された高純度ガスを安定して供給できるガス供給方法およびガス供給装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
液化塩化水素Ｌは、ボンベ３０内の液化塩化水素Ｌ自体から熱を奪いながら気化してその温度を低下させる。こうして液化塩化水素Ｌの温度が水の凝固点以下まで低下すると、液化塩化水素Ｌ中に僅かに含まれる水分から微細な氷が生成する。液化塩化水素Ｌの密度１．２ｋｇ／ｍ3に比べると、氷の密度が１ｋｇ／ｍ3と軽いことから、微細な氷は、気化する塩化水素の蒸気に容易に同伴されてしまう。この微細な氷が、液化塩化水素Ｌの蒸気に同伴されると、ボンベ３０から供給される塩化水素ガス中に水分が含まれるようになり、その純度が低下してしまうのである。
【０００７】
そこで、上記課題を解決するため、本発明のガス供給方法は、ボンベの内圧が、該ボンベに充填された液化ガスに含まれる水分を液体に保つことができる圧力以上の時にのみ、前記ボンベからガスを供給することを特徴とする。
【０００８】
本発明のガス供給方法において、ボンベより導かれるガスを、該ボンベ内の液化ガスに含まれる水分を液体に保つことができる圧力以上に設定された第１減圧弁によって減圧し、該第１減圧弁によって減圧されたガスを、第２減圧弁によって減圧して供給することが好ましい。
【０００９】
ここで、液化ガスとしては、例えばアルシン（ＡｓＨ3）、ホスフィン（ＰＨ3）、ジクロロシラン（ＳｉＨ2Ｃｌ2）、塩化水素ガスが挙げられる。例えば、液化ガスが塩化水素ガスである場合には、第１減圧弁は２．９ＭＰａ以上に設定することが好ましい。
【００１０】
また、本発明のガス供給装置は、液化ガスを充填した複数本のボンベからガスを供給するガス供給装置において、前記ボンベの内圧が、該ボンベ内の液化ガスに含まれる水分を液体に保つことができる圧力以上の状態の時にのみ、該ボンベからガスを供給するように構成されているガス供給制御手段を備えたことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明において、ガス供給制御手段を、前記複数のボンベと第２減圧弁との間にそれぞれ介在される圧力制御弁として、該圧力制御弁は、前記複数のボンベのうちいずれかの内圧が、該ボンベ内の液化ガスに含まれる水分を液体に保つことができる圧力よりも低下したときに閉弁して、該ボンベから前記第２減圧弁へのガス供給を停止させるように構成しても良い。
【００１３】
本発明によれば、ガスの供給は、液化ガス中に含まれる水分を液体に保った状態でなされる。即ち、ガスの供給に際して、液化ガス中に含まれる水分から微細な氷を生じさせない。すると、水は液化ガスよりも極めて高沸点であるため、液体に保たれている水は気化せず、液化ガスだけが気化するようになる。これにより、化学処理装置等に供給されるガス中に水分が含まれることを抑制できる。以上から、高純度のガスを安定して供給できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
〔第１の実施の形態〕
以下、図１、図４を参照して、第１の実施の形態のガス供給装置１を詳細に説明する。このガス供給装置１は、シリコンエピタキシャルウェーハを製造する気相成長装置８に、エッチングガスとして使用する塩化水素ガスを供給するものである。
図１に示すように、ガス供給装置１は、液化塩化水素（液化ガス）２Ｌ、３Ｌが充填された２本のボンベ２、３を備える。これらボンベ２、３が設置される雰囲気Ｆは、その温度が室温（３００Ｋ）に保たれている。そしてボンベ２、３のガス供給口２ａ、３ａには、減圧弁（第１減圧弁）４、５がそれぞれ配管１ａ、１ｂを介して接続されている。これら配管１ａ、１ｂには、それぞれ逆止弁１ｅ、１ｆが設けられている。そして減圧弁４、５の下流側は、それぞれ配管１ｃを介して減圧弁６（第２減圧弁）に接続されている。この減圧弁６は、開閉弁７を有する配管１ｄを介して気相成長装置８に接続されている。こうして、ボンベ２、３は互いに並列に接続されている。
この結果、減圧弁４、５は、配管１ｃでのガス圧がスプリング４ａ、５ａに設定した設定圧Ａ、Ｂよりも小さい時にはそれぞれ開弁しているが、配管１ｃでのガス圧が設定圧Ａ、Ｂよりも大きくなると閉弁する。この設定圧Ａ、Ｂは、後述する所定圧Ｐ０以上で、かつ、およそ１ｋｇｆ／ｃｍ2（９．８×１０-2ＭＰａ）程度互いに僅かにずれるように設定されている。
【００１５】
この所定圧Ｐ０は、以下のように設定されている。
液化塩化水素２Ｌ、３Ｌは、塩化水素ガスとして気化する際に、液化塩化水素２Ｌ、３Ｌ自体から気化熱を奪う。この気化熱の消費が著しいと、ボンベ２、３が設置される雰囲気Ｆから流入する熱量Ｑ１（図１参照）だけでは補うことができず、液化塩化水素２Ｌ、３Ｌの温度Ｔは、塩化水素の蒸気圧曲線（図４に実線で図示）に沿って下降する。これに伴って、ボンベ２、３の内圧Ｐが蒸気圧曲線に沿って下降していく。
具体的には、図４に示すように、Ａ点で示される内圧Ｐ１（この場合には５ＭＰａ）から塩化水素ガスを気化させると、ボンベの内圧Ｐは蒸気圧曲線に沿って下降する。さらに内圧Ｐが下降すると、水の状態図における固体／液体の境界線と塩化水素の蒸気圧曲線との交点（Ｂ点）で示される内圧Ｐ２に至る。この内圧Ｐ２は、およそ２．５ＭＰａである。この状態で塩化水素ガスをさらに気化させると、液化塩化水素２Ｌ、３Ｌの温度が水の状態図における固体／液体の境界線よりも低下し、液化塩化水素２Ｌ、３Ｌ中に微細な氷を生成させてしまう。そこで前記所定圧Ｐ０は、Ｐ２よりも高圧、すなわち、ボンベ２、３内の液化塩化水素２Ｌ、３Ｌに含まれる水分を常に液体に保つことができる２．９ＭＰａ以上の圧力に設定する。
【００１６】
このようなガス供給装置１によれば、各ボンベ２、３の内圧Ｐを所定圧Ｐ０以上に制御しながら、減圧弁４、５および減圧弁６を介して塩化水素ガスが気相成長装置８に供給される。
以下、ガス供給装置１によって気相成長装置８に塩化水素ガスが供給される様子をより具体的に説明する。但し以下の説明では、一例として減圧弁４、５の設定圧をＡ＞Ｂとした場合を説明する。
【００１７】
先ず、減圧弁４、５のうち配管１ｃ側のガス圧が最も大きく設定されているボンベ２からのみガスが供給され始める。これにより、配管１ｃのガス圧力は設定圧Ａとなる。この時、減圧弁５は閉弁している。
こうしてボンベ２からのみガス供給されると、気化熱により液化塩化水素２Ｌの温度がしだいに下る為、ボンベ２の内圧Ｐが下降していく。そして、ボンベ２の内圧Ｐが設定圧Ａよりさらに下降してＢに至ると、減圧弁５が開弁してボンベ３からガスが供給され始めるとともに、ボンベ２からのガス供給が一旦停止する。なおこの時、他の減圧弁４は開弁しているが逆止弁１ｅによってガスの逆流が防止される。一方、ボンベ３からガスを供給している間に、ガス供給が停止したボンベ２は、雰囲気Ｆから流入する熱量Ｑ１によって液化塩化水素２Ｌの温度を上昇させながら、内圧Ｐがそれぞれの設定圧Ａを越えるまで回復させる。
こうして、ボンベ２、３の内圧が、該ボンベ２、３に充填された液化塩化水素２Ｌ、３Ｌに含まれる水分を液体に保つことができる所定圧Ｐ０以上の時にのみ、何れかのボンベ２、３から継続してガスが供給される。即ち、第１の実施の形態では、減圧弁４、５と、減圧弁６と、これらを接続する配管１ｃとからガス供給制御手段が構成される。
【００１８】
〔第２の実施の形態〕
第２の実施の形態のガス供給装置１は、図２に示すように、ボンベ２、３のガス供給口２ａ、３ａに、それぞれ配管１ａ、１ｂを介して圧力制御弁（ガス供給制御手段）１１、１２が接続されている。これら圧力制御弁１１、１２は、それぞれ配管１ａ、１ｂでのガス圧がスプリング１１ａ、１２ａに設定した所定圧Ｐ０以上の時には開弁しているが、配管１ａ、１ｂでのガス圧が所定圧Ｐ０よりも小さくなると閉弁する。そして圧力制御弁１１、１２の下流側はそれぞれ配管１ｃを介して減圧弁６（第２減圧弁）に接続されている。
【００１９】
このガス供給装置１によって、気相成長装置８に塩化水素ガスを供給するうちに、気化熱により液化塩化水素２Ｌの温度がしだいに下り、例えばボンベ２の内圧Ｐが前記所定圧Ｐ０よりも低下すると、このボンベ２に対応する圧力制御弁１１が閉弁してガス供給を停止させる。そして、ガス供給が停止したボンベ２内の液化塩化水素２Ｌに雰囲気Ｆから熱量Ｑ１が流入し、その内圧Ｐが所定圧Ｐ０を越えるまで回復すると、圧力制御弁１１が開弁してガス供給が再開される。
このボンベ２と同様にして、ボンベ３からも塩化水素ガスが供給される。こうして、複数のボンベ２、３から長期間に渡って継続して塩化水素ガスが供給される。
【００２０】
〔第３の実施の形態〕
第３の実施の形態のガス供給装置１は、図３に示すように、ボンベ２、３のガス供給口２ａ、３ａに、それぞれ配管１ａ、１ｂを介して電磁弁２３、２４が接続されている。これら電磁弁２３、２４の下流側はそれぞれ配管１ｃを介して減圧弁６（第２減圧弁）に接続されている。そして電磁弁２３、２４は制御部２５に接続されている。この制御部２５には、ボンベ２、３の内圧Ｐをモニタする圧力センサ２１、２２が接続されている。
そして、例えばボンベ２の内圧Ｐが前記所定圧Ｐ０より低くなると、圧力センサ２１から信号が出力され、この出力信号を受けた制御部２５が、電磁弁２３を閉弁させる。こうしてボンベ２からのガス供給が停止される。
そして、雰囲気Ｆから流入する熱量Ｑ１によってボンベ２の内圧Ｐが回復すると、制御部２５による制御の下で電磁弁２３が開弁し、ボンベ２からのガス供給が再開される。即ち、第３の実施の形態では、圧力センサ２１、２２と、制御部２５と、電磁弁２３、２４とからガス供給制御手段が構成される。
【００２１】
［実施例］
２５ｋｇの液化塩化水素を内圧５０ｋｇｆ／ｃｍ2（４．９ＭＰａ）で充填した
４本のボンベを使用して、第１の実施の形態に示した通りにガス供給装置１を構成する。これらボンベに接続される第１減圧弁の設定圧は、何れも３０ｋｇｆ／ｃｍ2（２．９ＭＰａ）以上で互いに１ｋｇｆ／ｃｍ2（９．８×１０-2ＭＰａ）ずらして設定する。またボンベを設置する雰囲気は３００Ｋ程度の室温に保たれている。ここで図４に示すように、ボンベの内圧が３０ｋｇｆ／ｃｍ2（２．９ＭＰａ）であるとき（図４に示すＤ点）、ボンベの内圧Ｐは、前記Ｐ２（水の状態図における固体／液体の境界線と塩化水素の蒸気圧曲線との交点（Ｂ点）で示される内圧）よりも高圧に保たれることになる。
このガス供給装置１により塩化水素ガスを気相成長装置１０に供給したところ、ボンベ１本あたりの液化塩化水素の残渣量が５ｋｇとなるまで、露点は−４０℃を確保できていた。従来、液化塩化水素の残渣量が５ｋｇ程度になるまで使用すると、露点は−３０℃以上になる。こうして、不純物として含まれる水分の量が低減された高純度の塩化水素ガスを長期間に渡って安定して供給することができる。
【００２２】
なお、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、本実施の形態では、２本のボンベ２、３を用いる構成としたが、ボンベの本数は同様にして任意に設計できる。
また、本実施の形態では、第１の実施の形態における減圧弁４、５の設定圧Ａ、Ｂ、および、第２の実施の形態における圧力制御弁１１、１２の所定圧Ｐ０は、それぞれスプリング４ａ、５ａ、１１ａ、１２ａにより設定するように構成したが、その他にも、油圧、空気圧等により設定するように構成しても良い。
さらに、本実施の形態では、気相成長装置８にエッチングガスとして塩化水素ガスを供給する場合を例示したが、ジクロロシラン等の原料ガスや、アルシンあるいはホスフィン等のドーパントガスについても同様に適用できる。さらに本発明は、気相成長装置とは異なる他の化学処理装置に、水分量を低減して高純度に各種ガスを供給する場合にも適用できる。
その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、適宜に変更可能であることは勿論である。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、液化ガス中に微細な氷を生じさせないため、この微細な氷がガス中に同伴されることがない。さらに、液化ガス中に含まれる水分が液体状態に保たれるので、液化ガスだけが気化する。従って、水分量が低減された高純度のガスを安定して化学処理装置に供給できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した第１の実施の形態のガス供給装置１を示す配管図である。
【図２】本発明を適用した第２の実施の形態のガス供給装置１を示す配管図である。
【図３】本発明を適用した第３の実施の形態のガス供給装置１を示す配管図である。
【図４】本発明のガス供給装置１により塩化水素ガスが高純度に供給される理由を説明するための塩化水素と水の状態図を示す図である。
【図５】従来のガス供給装置を概念的に示した図である。
【符号の説明】
１          ガス供給装置
２、３      ボンベ
２Ｌ、３Ｌ  液化塩化水素（液化ガス）
４、５      減圧弁（第１減圧弁）
６          減圧弁（第２減圧弁）
１１、１２  圧力制御弁（ガス供給制御手段）
２１、２２  圧力センサ（ガス供給制御手段の一部）
２３、２４  電磁弁（ガス供給制御手段の一部）
２５        制御部（ガス供給制御手段の一部）
【図１】
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【図２】
0004815711.tif 000003
【図３】
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【図４】
0004815711.tif 000005
【図５】
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