JP4585035B2 - 流量比率制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体製造プロセスに用いられる原料ガス等を、所望の比率で分流する流量比率制御装置等に関するものである。

昨今、半導体製造プロセス分野ではウェーハの大型化に伴い、そのウェーハを収容するプロセスチャンバも大型化されている。ところで、半導体ウェーハに成膜する場合、その成膜のための原料ガスは、濃度が均一であることが望ましいが、このように大型化されたプロセスチャンバに、１箇所からだけ原料ガスを導入すると、濃度分布に偏りが生じることがある。

そこで、近時では、プロセスチャンバに複数のガス導入口を設け、各導入口から、チャンバ内でのガス濃度が均一になるように質量流量比を制御された原料ガスを送り込むようにしている。このときに原料ガスを所望の比率に分流する装置として、流量比率制御装置が用いられる。

従来、この種の流量比率制御装置として、各配管内での圧力で分配する方式が一般的であるが、直接質量流量の比率を制御しているわけではないので、実際の質量流量の比率は不明である。

そこで、特許文献１に示すように、質量流量を測定して比率制御するものも発案されている。図５は、この種の流量比率制御装置における特に２分流タイプの一例を示している。この図５において、符号ＲＸＭは、ガスが流れ込むメイン流路である。このメイン流路ＲＸＭには圧力センサ４Ｘが設けられており、その終端は２つに分岐している。分岐した各分岐流路ＲＸ１、ＲＸ２上には、流量計２１Ｘ、２２Ｘと制御バルブ３１Ｘ、３２Ｘとがそれぞれ直列に設けられている。そして、バルブ制御部５Ｘが、各流量計２１Ｘ、２２Ｘから出力される流量データ及び圧力センサから出力される圧力データをモニタするとともに、それら各データの値に基づいて、制御バルブ３１Ｘ、３２Ｘをコントロールし、各分岐流路ＲＸ１、ＲＸ２を流れるガスの質量流量の総流量に対する比率（流量比率と言う）が、与えられた設定比率となるように制御する。具体的にこのバルブ制御部５Ｘは、まず、前記圧力データの値（実測圧力とも言う）が予め定められた一定の目標圧力となるように、一方の分岐流路ＲＸ１の制御バルブ３１Ｘをフィードバック制御する。そして、実測圧力が目標圧力の近傍あるいはそれ以上に制御されている条件下において、流量データの値（実測流量とも言う）の総流量に対する比率が、前記設定比率となるように、他方の制御バルブ３２Ｘをフィードバック制御する。
特開２００５−３８２３９号公報

しかしながら、このような装置では、流量制御装置と圧力制御装置という２種類の機器が必要となる。

本発明はかかる不具合に鑑みて行われたものであって、この種の流量比率制御装置において、複数種類の機器を必要とすることがなく、部品種類数の低減を図ることができ、低コスト化が可能なものを提供することを所期課題としたものである。

かかる課題を解決するために本発明は次のような手段を講じたものである。
すなわち、本発明の流量比率制御装置は、流体が流通する内部流路上に、当該内部流路を流れる流体流量を制御する流量制御バルブ、第１圧力センサ、流体抵抗及び第２圧力センサをこの順で直列に配設してなり、各圧力センサで検知された検知圧力に基づいて前記流体流量を測定可能に構成した差圧式流量制御装置と、前記流量制御装置に指令を与えてこれを制御する制御処理機構と、を具備したものであって、メイン流路の終端から分岐させた複数の分岐流路上に前記流量制御装置をそれぞれ設けておき、一の分岐流路上に設けた流量制御装置については、第２圧力センサが上流側になるように配置するとともに、その第２圧力センサで検知された検知圧力が予め定めた目標圧力となるように該流量制御装置を動作させる一方、他の分岐流路上に設けた流量制御装置については、流量制御バルブが上流側になるように配置するとともに、全ての流量制御装置から出力される測定流量の総量と予め設定した流量比率とから、他の分岐流路上に設けた流量制御装置に流すべき目標流量を前記制御処理機構に算出させ、その目標流量となるように該流量制御装置を動作させることを特徴とする。

このようなものであれば、一の分岐流路と他の流路とに、同じ種類の流量制御装置を用いつつ、一の分岐流路では予め定めた目標圧力となるように該流量制御装置を動作させる一方、他の分岐流路では目標流量となるように該流量制御装置を動作させることによって、各分岐流路を流れる流体の質量流量比率を制御することができる。

さらに、同じ種類の流量制御装置しか用いていないので、流量比率制御装置を構成する機器の種類を低減することができ、コストダウンを図ることができる。
また、差圧式の流量制御装置のみを用いているので、この流量比率制御装置に流出入する流体の圧力変化が大きい場合にも、サーマル式の質量流量計を用いた場合に比べて、各分岐流路を流れる流体の質量流量比率を常に高い精度で制御できる。また差圧式の流量制御装置のみを用いていることから、入口側及び出口側が負圧の場合でも質量流量比率をやはり高い精度で制御できる。

同じ種類の流量制御装置のみを用いることによって、部品種類数を低減しつつ、高い精度で各分岐流路を流れる流体の質量流量比率を制御できる流量比率制御装置の別の態様としては、流体が流通する内部流路上に、初段圧力センサ、当該内部流路を流れる流体流量を制御する流量制御バルブ、第１圧力センサ、流体抵抗及び第２圧力センサをこの順で直列に配設してなり、前記第１、第２圧力センサで検知された検知圧力に基づいて流体流量を測定可能に構成した差圧式流量制御装置と、前記流量制御装置に指令を与えてこれを制御する制御処理機構と、を具備したものであって、メイン流路の終端から分岐させた複数の分岐流路上に前記流量制御装置をそれぞれ設けておき、一の分岐流路上に設けた流量制御装置については、初段圧力センサで検知された検知圧力が予め定めた目標圧力となるように該流量制御装置を動作させる一方、他の分岐流路上に設けた流量制御装置については、全ての流量制御装置から出力される測定流量の総量と予め設定した流量比率とから、他の分岐流路上に設けた流量制御装置に流すべき目標流量を前記制御処理機構に算出させ、その目標流量となるように該流量制御装置を動作させるものが挙げられる。

このように構成した本発明によれば、同じ種類の機器だけを用いることによって、部品種類数を低減し、コストダウンを図りながらも、各分岐流路を流れる流体の質量流量比率を高い精度で制御することができる。

本発明の第一実施形態における流量比率制御装置を示す模式的全体図。 第一実施形態における流量制御装置の内部構造を示す模式図。 本発明の第二実施形態における流量比率制御装置を示す模式的全体図。 第二実施形態における流量制御装置の内部構造を示す模式図。 従来の流量比率制御装置を示す模式的全体図。

符号の説明

１００・・・流量比率制御装置
Ｌ１、Ｌ２・・・内部流路
Ｖ１、Ｖ２・・・流量制御バルブ
Ｐ１１、Ｐ１２・・・第１圧力センサ
Ｒ１、Ｒ２・・・流体抵抗
Ｐ２１、Ｐ２２・・・第２圧力センサ
ＭＦＣ１、ＭＦＣ２・・・流量制御装置
Ｃ・・・制御処理機構
ＭＬ・・・メイン流路
ＢＬ１、ＢＬ２・・・分岐流路
Ｐ０１、Ｐ０２・・・初段圧力センサ

以下、本発明の第一実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態に係る流量比率制御装置１００を示す模式的概略図である。この流量比率制御装置１００は、例えば、半導体製造用の原料ガスを所定比率に分流して、半導体プロセスチャンバに供給するものであり、図示しない半導体製造システムの一部を構成する。しかしてこのものは、メイン流路ＭＬの終端から分岐させた２つの分岐流路ＢＬ１、ＢＬ２上に、同一の流量制御装置たるマスフローコントローラＭＦＣ１、ＭＦＣ２をそれぞれ設けて、それらマスフローコントローラＭＦＣ１、ＭＦＣ２を制御するための制御処理機構Ｃを備えたものである。

前記マスフローコントローラＭＦＣ１（ＭＦＣ２）は、図２に示すように、その内部流路Ｌ１（Ｌ２）を流れる流体流量を制御する流量制御バルブＶ１（Ｖ２）と、第１圧力センサＰ１１（Ｐ１２）と、流体抵抗Ｒ１（Ｒ２）と、第２圧力センサＰ２１（Ｐ２２）とをこの順で直列に配置したものである。通常の使用方法では、前記流体抵抗Ｒ１（Ｒ２）の前後で発生する差圧を第１圧力センサＰ１１（Ｐ１２）と第２圧力センサＰ２１（Ｐ２２）によって検知し、その流体抵抗Ｒ１（Ｒ２）を通過する流体の質量流量を算出して、前記流量制御バルブＶ１（Ｖ２）の制御に用いるように構成してある。

片方の分岐流路ＢＬ１には、図１に示すように、前記マスフローコントローラＭＦＣ１を通常の使用方法とは逆向きになるように第２圧力センサＰ２１が上流側になるように配置してあり、もう片方の分岐流路ＢＬ２には、前記マスフローコントローラＭＦＣ２を通常の使用方法と同じ向きになるように、前記流量制御バルブＶ２が上流になるように配置してある。

前記制御処理機構Ｃは、少なくとも、ハードウェア構成としては、ＣＰＵ、メモリ、各種ドライバ回路などを具備したものであり、前記メモリに記憶させたプログラムに従って、前記ＣＰＵや周辺機器が共同することで種々の機能を発揮する。

次に、この流量比率制御装置の動作について説明する。以下、説明の便宜上、２つのマスフローコントローラＭＦＣ１、ＭＦＣ２を第１マスフローコントローラＭＦＣ１、第２マスフローコントローラＭＦＣ２と分けて記述するが、それぞれは全く同じマスフローコントローラである。

前記制御処理機構Ｃは、第２圧力センサＰ２１が上流側になるように配置した第１マスフローコントローラＭＦＣ１について、この第２圧力センサＰ２１によって検知する圧力と、前記メモリに格納してある目標圧力との偏差を用いて、この第１マスフローコントローラＭＦＣ１の流量制御バルブＶ１をフィードバック制御する。合わせて、前記制御処理機構Ｃは、第２圧力センサＰ２１と第１圧力センサＰ１１によって検知される前記流体抵抗Ｒ１において発生する圧力差から、この第１マスフローコントローラＭＦＣ１の内部流路Ｌ１を流れる質量流量を算出する。

前記制御処理機構Ｃは、流量制御バルブＶ２が上流側になるように配置した第２マスフローコントローラＭＦＣ２について、第１圧力センサＰ１２と第２圧力センサＰ２２によって検知される前記流体抵抗Ｒ２において発生する圧力差から、この第２マスフローコントローラＭＦＣ２の内部を流れる質量流量を算出する。そして、各分岐流路ＢＬ１、ＢＬ２を流れる流体の質量流量と、前記メモリに格納してある各分岐流路ＢＬ１、ＢＬ２の目標流量比率とから、この第２マスフローコントローラＭＦＣ２に流すべき目標質量流量を前記制御処理機構Ｃは算出する。前記制御処理機構Ｃは、第２マスフローコントローラＭＦＣ２の内部流路Ｌ２を流れる質量流量と目標質量流量の偏差を用いて、第２マスフローコントローラＭＦＣ２の流量制御バルブＶ２をフィードバック制御する。

このようなものであれば、全く同じマスフローコントローラＭＦＣ１、ＭＦＣ２だけを用いて、流量比率制御装置１００を構成することができ、部品種類数を低減することによる、コストダウンを図りつつも、高い精度で流量比率を制御することができる。

さらに、全く同じマスフローコントローラＭＦＣ１、ＭＦＣ２の一つを通常とは逆向きに取り付けるだけという非常に簡単な取付方法の変更を行うだけで、流量比率を制御することができる。

しかも、差圧式の質量流量測定のみを行っているので、サーマル式の測定方法を用いた場合と比べると、マスフローコントローラＭＦＣ１、ＭＦＣ２に流れ込む流体の圧力変化が大きい場合でも常に精度よく流量比率を制御することができる。

次に本発明の第２実施形態について図３を参照しながら説明する。第１実施形態に対応する部材には、同じ符号を付すこととする。

この実施形態での流量制御装置たるマスフローコントローラＭＦＣ１、ＭＦＣ２は、図４に示すように、内部流路Ｌ１、Ｌ２上に、初段圧力センサＰ０１、Ｐ０２、当該内部流路Ｌ１、Ｌ２を流れる流体流量を制御する流量制御バルブＶ１、Ｖ２、第１圧力センサＰ１１、Ｐ１２、流体抵抗Ｒ１、Ｒ２及び第２圧力線をこの順で直列に配列したものである。

第二実施形態の流量比率制御装置１００は、図３に示すように、メイン流路ＭＬの終端から分岐させた２つの分岐流路ＢＬ１、ＢＬ２上に初段圧力センサＰ０１、Ｐ０２を上流にしてマスフローコントローラＭＦＣ１、ＭＦＣ２をそれぞれ設け、それらマスフローコントローラＭＦＣ１、ＭＦＣ２を制御するための制御処理機構Ｃを備えたものである。

次に動作について説明する。ここでも、説明の便宜上、２つのマスフローコントローラＭＦＣ１、ＭＦＣ２を第１マスフローコントローラＭＦＣ１、第２マスフローコントローラＭＦＣ２と分けて記述するが、それぞれは全く同じマスフローコントローラである。

前記制御処理機構Ｃは、第１マスフローコントローラＭＦＣ１について、初段圧力センサＰ０１によって検知する圧力と、前記メモリに格納してある目標圧力との偏差を用いて、この第１マスフローコントローラＭＦＣ１の流量制御バルブＶ１をフィードバック制御する。合わせて、前記制御処理機構Ｃは、第１圧力センサＰ１１と第２圧力センサＰ２１によって検知される前記流体抵抗Ｒ１において発生する圧力差から、この第１マスフローコントローラＭＦＣ１の内部流路Ｌ１を流れる質量流量を算出する。

前記制御処理機構Ｃは、第２マスフローコントローラＭＦＣ２について、第１圧力センサＰ１２と第２圧力センサＰ２２によって検知される前記流体抵抗Ｒ２において発生する圧力差から、この第２マスフローコントローラＭＦＣ２の内部流路Ｌ２を流れる質量流量を算出する。そして、各分岐流路ＢＬ１、ＢＬ２を流れる流体の質量流量と、前記メモリに格納してある各分岐流路ＢＬ１、ＢＬ２の目標流量比率とから、この第２マスフローコントローラＭＦＣ２に流すべき目標流量を前記制御処理機構Ｃは算出する。前記制御処理機構Ｃは、第２マスフローコントローラＭＦＣ１、ＭＦＣ２の内部を流れる質量流量と目標流量の偏差を用いて、第２マスフローコントローラＭＦＣ２の流量制御バルブＶ２をフィードバック制御する。

このようなものであっても、部品の種類数を低減することによって、コストダウンを図りながら、各分岐流路ＢＬ１、ＢＬ２の質量流量比率を高い精度で制御することができる。しかも、この第２実施形態の場合は、マスフローコントローラＭＦＣ１、ＭＦＣ２の向きを変えるという手間すら省くことができ、全ての流路に同じマスフローコントローラＭＦＣ１、ＭＦＣ２を設けるだけでよい。

また、差圧式の質量流量測定のみを行っているので、マスフローコントローラＭＦＣ１、ＭＦＣ２の前後における圧力変化が大きい場合でも、常に精度よく流量比率を制御することができる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
例えば、本実施形態では、分岐流路の数は２つであったが、さらに複数の分岐流路が設けられていても構わない。この場合、各分岐流路に設けてある流量制御装置たるマスフローコントローラのうち、１つが圧力を基準として制御するものであればよい。

前記実施形態では、制御処理機構は、各流量制御装置に設けられるものであり、それぞれの制御処理機構が協業して、流量比率を制御するものであっても構わない。

さらに、本発明は半導体製造プロセスのみならず、その他のガスに適用可能であるし、気体の他、液体にも適用して前記実施形態と同様の作用効果を奏し得るものである。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変形が可能である。

本発明によって、流量比率制御装置において、同じ種類の機器だけを用いることによって、部品種類数を低減し、コストダウンを図りながらも各分岐流路を流れる流体の質量流量比率を高い精度で制御する事が可能となる。

Claims (2)

1. 流体が流通する内部流路上に、当該内部流路を流れる流体流量を制御する流量制御バルブ、第１圧力センサ、流体抵抗及び第２圧力センサをこの順で直列に配設してなり、各圧力センサで検知された検知圧力に基づいて前記流体流量を測定可能に構成した差圧式流量制御装置と、前記流量制御装置に指令を与えてこれを制御する制御処理機構と、を具備したものであって、
   メイン流路の終端から分岐させた複数の分岐流路上に前記流量制御装置をそれぞれ設けておき、
   一の分岐流路上に設けた流量制御装置については、第２圧力センサが、流量制御バルブ、第１圧力センサ及び流体抵抗よりも上流側になるように配置するとともに、その第２圧力センサで検知された検知圧力が予め定めた目標圧力となるように該流量制御装置を動作させる一方、
   他の分岐流路上に設けた流量制御装置については、流量制御バルブが第１圧力センサ、流体抵抗及び第２圧力センサよりも上流側になるように配置するとともに、全ての流量制御装置から出力される測定流量の総量と予め設定した流量比率とから、他の分岐流路上に設けた流量制御装置に流すべき目標流量を前記制御処理機構に算出させ、その目標流量となるように該流量制御装置を動作させるようにしたことを特徴とする流量比率制御装置。
2. 流体が流通する内部流路上に、初段圧力センサ、当該内部流路を流れる流体流量を制御する流量制御バルブ、第１圧力センサ、流体抵抗及び第２圧力センサをこの順で直列に配設してなり、前記第１、第２圧力センサで検知された検知圧力に基づいて流体流量を測定可能に構成した差圧式流量制御装置と、前記流量制御装置に指令を与えてこれを制御する制御処理機構と、を具備したものであって、
   メイン流路の終端から分岐させた複数の分岐流路上に前記流量制御装置をそれぞれ設けておき、
   一の分岐流路上に設けた流量制御装置については、初段圧力センサで検知された検知圧力が予め定めた目標圧力となるように該流量制御装置を動作させる一方、
   他の分岐流路上に設けた流量制御装置については、全ての流量制御装置から出力される測定流量の総量と予め設定した流量比率とから、他の分岐流路上に設けた流量制御装置に流すべき目標流量を前記制御処理機構に算出させ、その目標流量となるように該流量制御装置を動作させるようにしたことを特徴とする流量比率制御装置。

Images