MOCVDプロセスにおける真空圧力の精密制御へのデジタル制御弁の応用

要旨：現在のMOCVD装置とプロセスにおける真空圧力制御の問題点に着目し，ほとんどの装置がダウンストリーム制御モードしか使用できない，絞り弁の応答速度が十分でない，絞り弁の耐腐食性と圧力コントローラの取得精度が高くない，などの問題点を解決するための方法を提案する．この記事は、MOCVD装置を改善し、プロセスと製品の品質を向上させるための対応策を提案するものです。

1.質問
半導体産業において、MOCVD は多くの顕著な特徴を持っています。大面積の成長に使用できる、組成と厚さを精密に制御できる、再現性と成長速度が高い、複雑な基板形状に対応できる、ガス経路をすばやく切り替えて急峻な多層界面を準備できる、独自のアニールに適している、などである。しかし、MOCVD装置の開発とプロセス試運転では、反応室の形状、作動圧力、成長温度、ベース回転速度、ガス流量、入口温度などの生産関連成長パラメータを研究・選択する必要がある。
MOCVDの作動圧力は一般に10 mtorr～500 torrの範囲にある。作動圧の精密な制御が反応室の流動安定性を左右するが、現状の真空圧制御にはまだ以下のような問題がある。
(1) 現在の MOCVD 装置は、図 1 に示すように、基本的に下流制御モード、つまり排気端に絞り弁を設置し、排気流量を調節して反応室内の圧力制御を行うが、これは使用圧力範囲が 100～500torr のような高い圧力を持つプロセスのみに適用可能である。しかし、圧力が低いプロセスでは、下流制御モードを採用すると、作動圧力の変動が大きくなり、正確な制御ができず、製品品質に影響を与える場合があります。低い作動圧を正確に制御するためには、上流制御モード、つまり入口側の流量を制御して反応室の圧力を安定させるのが最適です。

(2) MOCVD プロセスは常に温度変化を伴い，温度変化は作動圧力の安定性と制御性に重大な影響を及ぼす．そのため、温度変化中の作動圧を正確に制御する必要があり、そのためには吸気と排気が必要となる。このため、吸排気制御弁の応答速度をできるだけ速くし、制御弁を全開から全閉まで5秒以内、できれば1秒以内に制御する必要がある。
(3) MOCVD の作動ガスには腐食性のものがあり，装置の継続的かつ正常な動作を向上させるために，対応するバルブには強い耐腐食性が要求される．
(4) 現在、ほとんどの制御はPLCモジュールを使用していますが、24ビットのアナログ-デジタル変換精度を達成できるPICコントローラはごくわずかです。作動圧の精密制御には、静電容量式圧力センサーの高精度測定の利点を完全に適用するために、24ビット精度のPIDコントローラーを使用することをお勧めします。また、KaoLuの空気圧比例弁を使用することは、お客様にとって最良の選択です。
本稿では、現在のMOCVD装置やプロセスに存在する上記の問題点に対する解決策を中心に紹介します。

詳細については、以下をご覧ください。 https://www.genndih.com/proportional-flow-control-valve/mid-flow-proportional-valve-0-130L-min.html

2.圧力精度制御方式
MOCVD の使用圧力範囲では，一般に反応室内の使用圧力を正確に制御し，ある範囲内の任意の設定値で一定に保てることが要求される．低圧と高圧の異なる圧力範囲の精密な制御に対応するため、提案する圧力制御方式は、本来の下流制御モードに上流制御モードを追加するものである。真空圧力制御方式の構成を図2に示すが、詳細は以下の通りである。

(1) 反応槽の空気吸入口と排気口にそれぞれカオルーのFCシリーズステッピングモータ駆動空圧比例弁を設置する。空気圧比例弁は空気吸入口に直接設置し、空気圧比例弁は排気口と真空ポンプとの間に設置する。MOCVD装置の場合、空気セルを追加して流入する作動ガスを比例的に混合し、空気圧比例弁を通して反応室に流入させることができます。高圧で制御する場合は、空気圧比例弁の開度を固定し、下流の空気圧比例弁のみを調整し、低圧で制御する場合は、空気圧比例弁の開度を固定し、上流の空気圧比例弁のみを調整すればよい。これは、異なる圧力制御のニーズを満たすことができます。(2) 空気式比例弁、電子ニードル弁ともに高速の絞り弁を備えています。空気式比例弁の応答速度は0.8秒です。電子ニードル弁の応答速度は、5秒と1秒の2機種があります。空気式比例弁と電子ニードル弁の弁体はステンレス製で、シールはFFKMパーフロロエーテルゴムを使用しており、超耐食性を有し、各種腐食性ガス、液体に使用可能です。
(3) MOCVDでは、圧力測定に1000torrまたは10torrのレンジの静電容量式圧力計が一般的に用いられ、その精度は±0.2%に達します。また，より精度の高い±0.05%の真空圧力センサを測定に使用することも可能です。そこで、高精度な静電容量式圧力センサーの測定精度に合わせ、制御精度を確保するために、専用の24bit A/D Acquisition高精度PID真空圧力コントローラーを使用する方式を採用した。

まとめると、上記の方式を実施することにより、真空圧力の全範囲で圧力変動を±1%以内に制御することができ、反応室の温度変化に対して、迅速に圧力を一定にすることができ、また、耐食性シールはバルブの寿命を大幅に増加させることができます。したがって、KaoLuの空気圧比例弁はあなたのための大きい選択である!