JP5001757B2 - 流体混合システム及び流体混合装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の流体を所定の混合比で出力する流体混合システム及び流体混合装置に関する。

例えば、半導体の製造工程では、例えば、ウエハに絶縁膜や金属膜を成長させた後（成膜形成工程）、フォトレジストパターンをウエハに形成し（フォトリソグラフィ工程）、そのフォトレジストパターンを使って膜を加工して（エッチング工程）、その後、シリコンウエハに導電層を形成し（不純物添加工程）、凹凸のある膜の表面を研磨して平らにする（ＣＭＰ工程）。この間にも、半導体製造工程では、ウエハの汚れやゴミを取り除いたり（洗浄工程）、使用後のフォトレジストを取り除いたり（レジスト剥離工程）、ウエハを加熱したり（アニール工程）することが行われている。

このように、半導体製造工程では、何種類もの工程を組み合わせて繰り返すことにより、トランジスタなどの素子や配線がウエハにつくりこまれる。このとき、例えば、薄膜形成工程やアニール工程、エッチング工程などでは、複数のガスを混合させてウエハに供給する。また例えば、フォトリソグラフィ工程などでは、複数の薬液を混合させてウエハに供給する。複数のガスの混合比や複数の薬液を混合比は、膜厚等に影響するため、厳密に管理する必要がある。その管理のために、従来より、半導体製造装置には、複数の流体（ガス、薬液等）を混合して出力する流体混合システムが適用されている。

図１４は、従来の流体混合システム１００の一例を示すブロック図である。
流体混合システム１００は、第１ガス供給源１１０Ａと第２ガス供給源１１０Ｂとから供給される第１ガスＡと第２ガスＢとを所定の混合比で混合させ、真空ポンプ１１２を用いて減圧された処理室１１１に出力する。

流体混合システム１００は、第１及び第２開閉弁１０２Ａ，１０２Ｂを弁開させて第１ガスＡと第２ガスＢを処理室１１１へ流す際に、第１マスフローコントローラ１０１Ａと第２マスフローコントローラ１０１Ｂによって第１ガスＡと第２ガスＢを混合比に応じ設定流量に調整する。第１及び第２開閉弁１０２Ａ，１０２Ｂから出力された第１ガスＡと第２ガスＢは、合流して混合された後、処理室１１１へ供給される。

処理室１１１では、第１ガスＡと第２ガスＢが所定の混合比で供給されると、成膜形成工程などのプロセスを開始する（例えば特許文献１参照）。

特開２００７−１７５６９１号公報

しかしながら、従来の流体混合システム１００は、第１及び第２マスフローコントローラ１０１Ａ，１０１Ｂが流量制御を開始した後から、第１及び第２ガスＡ，Ｂを設定流量に調整して処理室１１１へ安定供給するまでに、時間がかかっていた。

具体的には、発明者らは、混合ガスの混合比が（３：１００）になるように、比重が大きい第１ガスＡ（例えばＳＦ６）の設定流量を６ｓｃｃｍ、比重が小さい第２ガスＢ（例えば窒素）の設定流量を２００ｓｃｃｍとし、第１及び第２マスフローコントローラ１０１Ａ，１０１Ｂが出力する流量と、流体混合システム１００が処理室１１１に出力する出口流量とを計測した。尚、流速は、管路径によって決まるが、ここでは、第１及び第２ガスＡ，Ｂの管路径に伴う流速条件を同じにしている。この実験結果を図１５に示す。

流体混合システム１００は、図１５の第１ＭＦＣ指令信号と第２ＭＦＣ指令信号に示すように、第１及び第２マスフローコントローラ１０１Ａ，１０１ＢをＯＦＦからＯＮに切り替えて第１及び第２ガスＡ，Ｂの流量制御を同時に開始すると、図１５の実線と点線に示すように、第１及び第２マスフローコントローラ１０１Ａ，１０１Ｂの出力流量が、流量制御開始後から約１ｓｅｃ後に、各設定流量に到達する。

これに対して、流体混合システム１００の出口流量は、図１５の太線に示すように、流量制御開始後約５ｓｅｃが経過した頃から、流量が２００ｓｃｃｍに安定し、その後、流量制御開始後約１５ｓｅｃ経過した頃から流量が少しずつ増加し始め、更にその後、流量制御開始後約４０ｓｅｃ経過した頃に、流量が第１及び第２ガスＡ，Ｂの総流量である２０６ｓｃｃｍに到達して安定する。

このように、流体混合システム１００は、第１及び第２マスフローコントローラ１０１Ａ，１０１Ａが同時にＯＦＦからＯＮに切り替えられて第１及び第２ガスＡ，Ｂを設定流量に制御し始めても、比重の大きい（重い）第１ガスＡが比重の小さい（軽い）第２ガスＢより遅く処理室１１１に到達し、第１及び第２ガスＡ，Ｂをそれぞれ設定流量で処理室１１１へ安定出力するのに、約４０ｓｅｃもかかっていた。

この理由について、発明者らは以下のように考えた。
第２ガスＢは、比重が第１ガスＡの比重より小さいため、第１ガスＡより流れやすい。しかも、第２ガスＢは、流量が第１ガスＡの流量より多い。よって、第２ガスＢは、第２マスフローコントローラ１０１Ｂと処理室１１１との間に生じる差圧が大きく、第１ガスＡより早く処理室１１１へ設定流量で供給される。

一方、第１ガスＡは、比重が第２ガスＢの比重より大きく、第２ガスＢより流れにくい。そして、第１ガスＡが第２ガスＢに合流しようとするときには、処理室１１１の圧力が第２ガスＢによって既に上昇しており、第２ガスＢより流れにくい状態となる。つまり、、第１ガスＡは、第２ガスＢに合流しにくい。第１ガスＡは、第１マスフローコントローラ１０１Ａが出力する第１ガスＡの圧力が、処理室１１１の圧力より高くなると、やっと第２ガスＢに合流し始める。その後、第１ガスＡは、少しずつ流量を増やし、やがて設定流量で処理室１１１へ供給されるようになる。

このように、重い第１ガスＡは、軽い第２ガスＢによって流れを阻害され、処理室１１１への到達時間が第２ガスＢより遅れると考えられる。

半導体製造工程において混合ガスを使用する工程では、混合ガスの混合比が安定してから、すなわち混合する複数のガスの流量が設定流量に安定してから、プロセスを開始する。この間の待ち時間は、ウエハに何のプロセスも行わない無駄な時間であり、半導体等の生産性を低下させる。このため、半導体製造産業等からは、混合する複数の流体の流量を短時間で安定させることが強く望まれている。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、混合する複数の流体の流量を短時間で安定させることができる流体混合システム及び流体混合装置を提供することを目的とする。

本発明に係る流体混合システム及び流体混合装置は、次のような構成を有している。
（１）複数の流体を混合して容器に出力する流体混合システムにおいて、各流体に対応して設けられ、前記流体を前記容器に出力する複数の開閉弁を有し、前記複数の開閉弁を、１周期の間に開閉する割合を示すデューティ値に従って、順番に開閉すること、前記デューティ値が、前記デューティ値に従って前記開閉弁を開閉した場合に前記開閉弁が出力する流量とリニアな関係になる流量特性を、前記流体毎に記憶する流量特性記憶手段を有し、前記流量特性記憶手段に記憶されている前記流量特性の前記デューティ値に基づいて、前記複数の開閉弁を開閉すること、前記１周期が、５〜５００ｍｓｅｃである。
尚、１周期とは、弁開閉時の脈動が小さく、且つ、応答性を満たすバルブの動作周期をいう（以下同じ）。

（２）（１）に記載の発明において、前記各開閉弁の上流側に、前記流体の圧力を調整する圧力調整手段を配置している。

（３）（１）又は（２）に記載する流体混合システムに使用され、前記複数の開閉弁を出力配管に並列に接続している流体混合装置。

（４）（３）に記載の発明において、前記開閉弁と前記圧力調整手段とを直列一体に連結した流体供給ユニットを複数有する。

本発明の流体混合システム及び流体混合装置は、複数の開閉弁を、１周期の間に開閉する割合を示すデューティ値に従って順番に開閉することにより、複数の流体を順次出力する。すると、例えば、重い流体は、軽い流体に流れを阻害されず、開閉弁から容器に早く到達することが可能である。よって、本発明の流体混合システム及び流体混合装置によれば、混合する複数の流体の流量を短時間で安定させることができる。

これにより、本発明の流体混合システム又は流体混合装置を使用する半導体製造装置では、混合流体を構成する複数の流体が設定流量に安定するまで待つ時間が短縮され、生産性が向上する。

本発明の流体混合システム及び流体混合装置は、デューティ値が、当該デューティ値に従って開閉弁を開閉した場合に開閉弁が出力する流量とリニアな関係になる流量特性を、流体毎に、流量特性記憶手段に予め記憶しておき、流体混合時に、混合する流体に応じて流量特性記憶手段に記憶されている流量特性を取得し、デューティ値を決定する。そのため、本発明の流体混合システム及び流体混合装置によれば、混合する流体の種類や混合比などが変えられても、デューティ値を即座に変更して、流体の流量を設定流量に早く制御することができる。

本発明の流体混合システム及び流体混合装置は、各開閉弁の上流側に圧力調整手段を配置している。流量は、圧力によって変動する。よって、本発明の流体混合システム及び流体混合装置によれば、圧力調整手段によって流体の圧力を変えるだけで、デューティ値と流量との関係を示す流量特性を変更し、流体の混合比を瞬時に変更できる。

次に、本発明に係る流体混合システム及び流体混合装置の一実施形態について図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
＜半導体製造装置の全体構成＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る流体混合システム１０を適用した半導体製造装置１のブロック図である。
第１実施形態の流体混合システム１０は、従来技術と同様、半導体製造工程に使用され、第１ガスＡと第２ガスＢを混合して処理室１１１に出力する。第１実施形態の流体混合システム１０及び流体混合装置２０は、混合する「流体」の一例である第１ガスＡと第２ガスＢを制御する第１及び第２開閉弁１５Ａ，１５Ｂを順番に開閉して、第１及び第２ガスＡ，Ｂを順次出力することにより、第１及び第２ガスＡ，Ｂを混合させる点に特徴を有する。

半導体製造装置１は、例えば、処理室１１１を真空ポンプ１１２によって所定圧まで減圧した後、流体混合システム１０から第１ガスＡと第２ガスＢの混合ガスを処理室１１１に導入し、処理室１１１に設置したウエハに薄膜を形成する。第１実施形態では、例えば、第１ガスＡは、窒素ガス等のように、比重が小さい（軽い）ガスであり、第２ガスＢは、ＳＦ６等のように、比重が大きい（重い）ガスであるとする。

＜流体混合システムの全体構成＞
流体混合システム１０は、第１ガスＡのガス供給源１０１Ａに接続する第１供給ライン１１Ａと、第２ガスＢのガス供給源１０１Ｂに接続する第２供給ライン１１Ｂを、共通ライン１２に接続する。第１及び第２供給ライン１１Ａ，１１Ｂには、それぞれ上流側から、第１及び第２レギュレータ（「圧力調整手段」の一例）１３Ａ，１３Ｂと第１及び第２圧力センサ１４Ａ，１４Ｂと第１及び第２開閉弁１５Ａ，１５Ｂとが配置されている。第１及び第２レギュレータ１３Ａ，１３Ｂと、第１及び第２圧力センサ１４Ａ，１４Ｂと、第１及び第２開閉弁１５Ａ，１５Ｂは、コントローラ（「制御装置」の一例）１６に接続し、動作を制御される。

＜流体混合装置の全体構成＞
図２は、図１に示す流体混合装置２０を具体化したものの平面図である。図３は、図２に示す流体混合装置２０の部分断面側面図である。
流体混合装置２０は、第１供給ライン１１Ａを構成する第１ガス供給ユニット（「流体供給ユニット」の一例）２１Ａと、第２供給ライン１１Ｂを構成する第２ガス供給ユニット（「流体供給ユニット」の一例）２１Ｂとを、出力配管２２に並列に接続している。第１及び第２ガス供給ユニット２１Ａ，２１Ｂは同一構造を有している。Ａ，Ｂは、第１及び第２ガス供給ユニット２１Ａ，２１Ｂを区別するための添え字であり、以下の説明で、第１及び第２ガス供給ユニット２１Ａ，２１Ｂを特に区別する必要がない場合には、添え字Ａ，Ｂを適宜省略する。

ガス供給ユニット２１は、レギュレータ１３と、圧力センサ１４と、開閉弁１５とを、入力ブロック２４と、流路ブロック２５，２６と、出力ブロック２７の上にそれぞれ載置し、上方からボルトＶを締結して各ブロックに固定することにより、直列一体に連結したものである。出力ブロック２７の接続ポート２８は、継手２９を用いて出力配管２２に接続されている。

出力配管２２は、第１及び第２ガス供給ユニット２１Ａ，２１Ｂに接続するコの字型の合流管に１本の出力管が設けられ、出力管の端部に継手２９が設けられている。

流体混合装置２０は、入力ブロック２４の接続ポート２３が、ガスを供給する配管に接続され、出力配管２２が継手２９を用いて処理室１１１に接続されることにより、半導体製造装置１に組み付けられる。

図３に示すように、レギュレータ１３は、第１ポート３１と第２ポート３２とが弁シート３３を介して連通している。弁体３４は、第１ばね３５によって図中上向きに常時付勢されている。弁体３４は、ピン３４ａが上方へ突き出し、弁シート３３に貫き通されている、ピン３４ａの上方には、ダイアフラム３６が配置されている。ダイアフラム３６の背圧面には、可動軸３８が当接し、圧力調整機構３９によって調整された第２ばね３７の弾性力が作用している。

このようなレギュレータ１３は、ダイアフラム３６の受圧面に図中上向きに作用する第１ばね３５の弾性力とガス圧との合力と、ダイアフラム３６の背圧面に図中下向きに作用する第２ばね３７の弾性力とのバランスに応じて、ダイアフラム３６が変位し、ガス圧を調整する。ガス圧が設定圧より高くなれば、ダイアフラム３６が図中上向きに変位して弁体３４と弁シート３３との間の距離を狭め、第２ポート３２から出力するガスの流量を減少させてガス圧を低下させる。一方、ガス圧が設定圧より低くなれば、ダイアフラム３６が図中下向きに変位して弁体３４と弁シート３３との間の距離を広げ、第２ポート３２から出力するガスの流量を増加させてガス圧を上昇させる。

尚、レギュレータ１３は、手動で、設定圧力を調整する。すなわち、レギュレータ１３は、圧力調整機構３９を正方向に回転させ、第２ばね３７の弾性力を大きくすれば、設定圧力を上昇させることができ、逆に、圧力調整機構３９を正方向と反対方向に回転させ、第２ばね３７の弾性力を小さくすれば、設定圧力を低下させることができる。

また、圧力センサ１４は、開閉弁１５の上流側圧力を測定するものである。本実施形態の圧力センサ１４は、キャパシタンスマノメータである。圧力センサ１４は、厚さ０．１ｍｍ程度に薄く形成した金属製のダイアフラム４０をガス圧に応じて変位するように保持し、そのダイアフラム４０の背圧面側に、金属基板４１を固定している。金属基板４１には、導電性電極が配線されている。このような圧力センサ１４は、ダイアフラム４０が受圧面にガス圧を受けて変位すると、金属基板４１とダイアフラム４０との間隔が変化して静電容量が変化するので、静電容量の変化をガス圧の変化として検出する。

また、開閉弁１５は、指示流量を満足できるＣＶ値を有するものであって、電磁弁でもエアオペレイトバルブでも良い。第１及び第２開閉弁１５Ａ，１５Ｂは、後述する流量特性を広い範囲で確保するために、弁開閉時に生じる脈動が小さく、かつ、デューティ制御に対する応答性を確保できる動作周期であるものが好ましい。この動作周期が、第１及び第２開閉弁１５Ａ，１５Ｂをデューティ制御する際に基準となる１周期（１００％）となる。例えば、開閉弁１５は、動作周期が５ｍｓ〜５００ｍｓであり、この動作周期を１周期とすることが望ましい。

第１実施形態の開閉弁１５は、可動鉄心４２と弁シート４３を固定した板バネ４４の外周縁をボンネット４５とボディ４６との間で狭持し、ボンネット４５に内設されたソレノイド４７に固定鉄心４８を固設した電磁弁を使用している。

このような開閉弁１５は、板バネ４４のばね力によって弁シート４３が弁座４８に当接し、弁シール力を得ている。ソレノイド４７に電流を供給して固定鉄心４８を励磁すると、固定鉄心４８が板バネ４４のばね力に抗して可動鉄心４２を吸引し、弁シート４３が弁座４８から離間する。これにより、入力ポート４９に供給されたガスは弁座４８を介して出力ポート５０へ流れ、出力される。このとき、ガスは、弁開度によって流量が決められる。換言すれば、ガス流量は、ソレノイド４７に供給する電流値によって決められる。

＜コントローラの電気ブロック構成＞
図４は、図１に示すコントローラ１６の電気ブロック図である。
コントローラ１６は、周知のマイクロコンピュータであって、ＣＰＵ５１にＲＯＭ５２と、ＲＡＭ５３と、ＮＶＲＡＭ５４と、入出力インターフェース５５とが接続している。コントローラ１６は、流体混合装置２０に組み込んでもよいし、流体混合装置２０に付属させて上位装置５９に組み込むようにしても良い。第１実施形態では、前者を採用する。

ＲＯＭ５２は、不揮発性の読み出し専用メモリであって、各種データやプログラムを記憶している。
ＲＡＭ５３は、揮発性の読み書き可能なメモリであって、ワーキングメモリとして機能する。

入出力インターフェース５５は、信号の入出力を制御するものである。入出力インターフェース５５には、第１及び第２圧力センサ１４Ａ，１４Ｂや、第１及び第２開閉弁１５Ａ，１５Ｂ、表示部５７、音声出力部５８、上位装置５９等が接続している。コントローラ１６は、第１及び第２開閉弁１５Ａ，１５Ｂの一次側圧力を第１及び第２圧力センサ１４Ａ，１４Ｂで監視し、異常がある場合には、表示部５７や音声出力部５８から警告を発してユーザに知らせたり、半導体製造装置１全体を統括する上位装置５９に異常検出信号を送信する。

ＮＶＲＡＭ５４は、不揮発性の読み書き可能なメモリである。ＮＶＲＡＭ５４には、一定周期の間に開閉弁１５が開閉する割合を示すデューティ値と、デューティ値に従って開閉弁１５を開閉したときに開閉弁１５が出力する流量とがリニアな関係である流量特性を、ガスの種類別に記憶する流量特性記憶手段５６が設けられている。流量特性は、ガスの特性や流体混合装置２０の設計値などから算出した理論値でも、流体混合装置２０に混合するガスを実際に流して計測した実測値でも良い。そして、流量特性は、テーブルデータとして記憶してもよいし、マップデータとして記憶しても良い。

図５及び図６は、図４に示す流量特性記憶手段５６に記憶された流量特性の一例を示す図である。
第１実施形態では、例えば、第１ガスＡと第２ガスＢの流量特性は、図５及び図６に示すように、ガスの流量とデューティ値との関係を圧力別にマップデータとして、予め流量特性記憶手段５６に記憶されている。流量特性は、デューティ値と流量とがリニアな関係になる範囲を利用して設定している。

第１実施形態では、デューティ値が１０％未満の範囲では、開閉弁１５が開き始める動作に当たり、流量特性が不安定になる。一方、デューティ値が９０％超の範囲では、開閉弁１５が全開する瞬間にあたり、流量特性が不安定になる。この点、デューティ値が１０％以上９０％以下の範囲は、開閉弁１５の弁シート４３がほぼ等加速で移動し、弁開度に応じてガス流量が安定して変化している。よって、第１実施形態では、デューティ値１０％以上９０％以下の範囲で流量との関係を流量特性として、流量特性記憶手段５６に記憶している。

図５及び図６に示すように、第１及び第２ガスＡ，Ｂは、圧力が大きいほど、流量特性の傾きが大きくなる。つまり、第１及び第２カスＡ，Ｂは、ガス圧が大きいほど、各デューティ値に対応する流量が多くなる。

ここで、比重が小さい（軽い）第１ガスＡの流量特性（図５）と、比重が大きい（重い）第２ガスＢの流量特性（図６）とを比べると、第１ガスＡの流量特性は、第２ガスの流量特性より傾きが大きい。これは、第１ガスＡは、第２ガスＢより比重が小さいため、第２ガスＢより流れやすく、同じデューティ値でも流量が多くなるからである。

＜動作説明＞
例えば、流体混合システム１０は、第１ガスＡを０．７５ＳＬＭずつ、第２ガスＢを０．２５ＳＬＭずつ処理室１１１に供給する旨の指示を、コントローラ１６が上位装置５９から受信したとする。

コントローラ１６は、混合する第１及び第２ガスＡ，Ｂに対応する流量特性を、ＮＶＲＡＭ５４の流量特性記憶手段５６から読み出し、ＲＡＭ５３にコピーする。このとき、流体混合システム１０は、第１及び第２ガスＡ，Ｂの複数の流量特性Ｌ１〜Ｌ３（図５参照）、Ｍ１〜Ｍ３（図６参照）のうち、９０％デューティ値に対応する流量が混合する第１及び第２ガスＡ，Ｂの流量（０．７５ＳＬＭと０．２５ＳＬＭ）を加算した総流量（１．０ＳＬＭ）になる流量特性Ｌ１，Ｍ２を流量特性記憶手段５６から読み出し、ＲＡＭ５３に記憶する。

流体混合システム１０は、デューティ値に従って、第１及び第２開閉弁１５Ａ，１５Ｂを交互に開閉動作させ、第１ガスＡと第２ガスＢを処理室１１１に出力する。そのために、コントローラ１６は、ＲＡＭ５３に記憶した第２ガスＢの流量特性Ｍ２のデューティ値を反転させる。これを第１ガスＡの流量特性Ｌ１と共に１つのグラフに記載すると、図７のＭ２’に示すようになる。

図７は、図１に示す流体混合システム１０の動作時に第１及び第２開閉弁１５Ａ，１５Ｂを制御するデューティ値と、そのデューティ値に対応する流量と、第１ガスＡと第２ガスＢの混合率と、の関係の一例を示す図である。横軸はデューティ値（％）を示し、左側縦軸は流量（ＳＬＭ）を示し、右側縦軸は第１ガスＡの第２ガスＢに対する混合率（％）を示す。
図７に示すように、混合率は、第１ガスＡのデューティ値と流量との関係に倣ってリニアに変化している。そのため、流体混合システム１０は、デューティ値を制御すれば、第１及び第２ガスＡ，Ｂを所望の混合比に調整することができる。

コントローラ１６は、第１ガスＡの流量（０．７５ＳＬＭ）をＲＡＭ５３に記憶した流量特性Ｌ１に照合し、第１ガスＡのデューティ値を７０％と求め、ＲＡＭ５３に記憶する。また、コントローラ１６は、第２ガスＢの流量（０．２５ＳＬＭ）をＲＡＭ５３に記憶した流量特性Ｍ２に照合し、第２ガスＢのデューティ値を３０％と求める。

その後、コントローラ１６は、第１及び第２開閉弁１５Ａ，１５Ｂを開き、第１及び第２圧力センサ１４Ａ，１４Ｂが測定した圧力を表示部５７に表示する。ユーザは、表示部５７を見ながら、第１及び第２レギュレータ１３Ａ，１３Ｂの設定圧力が、ＲＡＭ５３に記憶した第１及び第２ガスＡ，Ｂの流量特性Ｌ１，Ｍ２に対応する圧力に調整する。

コントローラ１６は、第１及び第２ガスＡ，Ｂが、ＲＡＭ５３に記憶した流量特性に対応する圧力、すなわち第１ガスＡについては０．１ＭＰａ、第２ガスＢについては０．２ＭＰａに到達したか否かを、第１及び第２第１及び第２圧力センサ１４Ａ，１４Ｂが測定した圧力測定結果に基づいて確認する。

図８は、図１に示す流体混合システム１０の動作を説明するためのタイミングチャートである。
コントローラ１６は、第１及び第２ガスＡ，Ｂが、０．１ＭＰａと０．２ＭＰａにそれぞれ到達したことを確認したら、ＲＡＭ５３に記憶したデューティ値（第１ガスＡについては７０％、第２ガスＢについては３０％）に従って、第１及び第２開閉弁１５Ａ，１５Ｂを交互に開閉する。

つまり、流体混合システム１０は、第１及び第２開閉弁１５Ａ，１５Ｂを１回ずつ交互に開閉する１周期当たりの動作時間をＴ１とした場合、コントローラ１６は、Ｔ１のうち第１ガスＡのデューティ値７０％に対応する時間Ｔ２だけ第１開閉弁１５Ａを弁開させた後、第１開閉弁１５Ａを閉じ、その後、Ｔ１のうち第２ガスＢのデューティ値３０％に対応する時間Ｔ３（Ｔ１−Ｔ２）だけ第２開閉弁１５Ｂを弁開させてから第２開閉弁１５Ｂを閉じる。

流体混合システム１０は、この１周期分の動作を繰り返しながら、第１及び第２ガスＡ，Ｂを処理室１１１に供給する。

ここで、上位装置５９は、プロセスで使用するガス種を変える場合には、変更後のガス種に関する情報（混合する流体やその設定流量等）を含む信号をコントローラ１６に送信する。コントローラ５８は、信号に含まれる流体の種類やその設定流量に従って、上記と同様にしてデューティ値を求め、複数のガスの流量を制御する。

尚、ここでは、２個のガス供給ユニット２１Ａ，２１Ｂを出力配管２２に接続した流体混合装置２０を使用したが、図９に示すように、３個以上のガス供給ユニット２１を出力配管２２に並列に接続し、流体混合装置７１を使用して流体混合システム７０を構成してもよい。

このように、ガス供給ユニット２１を３連以上備え、３種類以上のガスを混合して処理室１１１へ出力する場合でも、各ガスについて、混合するガスの総流量が９０％デューティ値の流量となる流量特性を流量特性記憶手段５６から読み出し、上記と同様にしてデューティ値を決定し、図１０に示すように、各開閉弁１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃを順番に開閉すればよい。

ところで、半導体の製造等に用いられるガスの中には、爆発性等の関係で、圧力をあまり上げられないものがあり、９０％デューティ値が混合ガスの総流量になる流量特性が流量特性記憶手段５６に記憶されていない場合がある。例えば、第１ガスＡの設定流量を１．０ＳＬＭ、第２ガスＢの設定流量を０．５ＳＬＭとする指示をコントローラ１６が上位装置５９から入力したとする。

この場合、第１及び第２ガスＡ，Ｂの総流量が１．５ＳＬＭになるのに対して、第２ガスＢの圧力を０．３ＭＰａ以上にすることができない場合には、流量特性記憶手段５６に記憶されている第２ガスＢの流量特性から、９０％デューティ値が１．５ＳＬＭになる流量特性を選択できない。

この場合、コントローラ１６は、第１ガスＡが最も流れる条件の流量特性Ｌ３を流量特性記憶手段５６から読み出し、ＲＡＭ５３に記憶する。そして、コントローラ１６は、流量特性Ｌ３のうち、流量が設定流量（１．０ＳＬＭ）となるデューティ値（５０％）を検索し、そのデューティ値（５０％）を第１ガスＡのデューティ値に決定する。

そして、コントローラ１６は、第１ガスＡのデューティ値が５０％であることから、残りの５０％を第２ガスＢのデューティ値に決定する。そして、デューティ値が５０％のときに、流量が設定流量０．５ＳＬＭになる流量特性Ｍ２を、流量特性記憶手段５６から読み出し、ＲＡＭ５３に記憶する。

コントローラ１６は、このようにして、第１ガスＡのデューティ値が５０％、第２ガスＢのデューティ値が５０％に決定したら、表示部５７に、第１及び第２ガスＡ，Ｂを、ＲＡＭ５３に記憶した流量特性Ｌ３，Ｍ２に対応する圧力（０．３ＭＰａと０．２ＭＰａ）に制御するメッセージを表示する。ユーザは、第１及び第２圧力センサ１４Ａ，１４Ｂが測定する圧力がぞれぞれ０．３ＭＰａと０．２ＭＰａになるように、第１及び第２レギュレータ１３Ａ、１３Ｂを操作する。

その後、上記のように決定したデューティ値に従って、第１開閉弁１５Ａをデューティ値５０％で開閉させた後、第２開閉弁１５Ｂをデューティ値５０％で開閉する動作を繰り返し、第１及び第２ガスＡ，Ｂを処理室１１１へ供給する。

なお、例えば、図９に示す流体混合システム１Ｂを用いて第１〜第３ガスＡ，Ｂ，Ｃの流量を制御する場合に、第２ガスＢが、圧力を上げられないガスであって、９０％デューティ値に対応する流量が第１〜第３ガスＡ，Ｂ，Ｃの総流量となる流量特性を備えないとする。ここでは、第３ガスＣ、第１ガスＡ、第２ガスＢの順に設定流量が大きいとする。

この場合には、上記と同様にして、設定流量が大きいものから順にデューティ値を決定する。すなわち、設定流量が最大の第３ガスＣについて、９０％デューティ値に対応する流量が最大となる流量特性を検索し、第３ガスＣの設定流量に対応するデューティ値を決定する。そして、その次に設定流量が多い第１ガスＡについて、第３ガスＣと同様にしてデューティ値を決定する。さらに、設定流量が最小の第２ガスＢについて、１００％から第１及び第３ガスＡ、Ｃのデューティ値を減算してデューティ値を決定し、決定したデューティ値において流量が第２ガスＢの設定流量になる流量特性を流量特性記憶手段５６から検索する。

そして、流体混合システム１Ｂは、第１〜第３レギュレータ１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃを操作して、第１〜第３ガスＡ，Ｂ，Ｃのデューティ値を決定した流量特性に対応する圧力に、第１〜第３ガスＡ，Ｂ，Ｃのガス圧を調整する。それから、流体混合システム１Ｂは、第１〜第３開閉弁１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃをデューティ値に従って順番に開閉する。

＜第１実施形態に係る流体混合システム及び流体混合装置の作用効果＞
従って、第１実施形態に係る流体混合システム１０及び流体混合装置は、第１及び第２ガス供給ユニット２１Ａ，２１Ｂが備える第１及び第２開閉弁１５Ａ，１５Ｂを、１周期の間に開閉する割合を示すデューティ値に従って順番に開閉することにより、第１ガスＡと第２ガスＢを順次（交互に）出力する。すると、比重が大きくて重い第２ガスＢは、共通ライン１２に流れ込む際に、比重が小さくて軽い第１ガスＡに流れを阻害されず、第２開閉弁１５Ｂから処理室１１１へ早く到達することが可能である。よって、第１実施形態の流体混合システム１０及び流体混合装置２０によれば、混合する第１及び第２ガスＡ，Ｂの流量を短時間で安定させることができる。

これにより、第１実施形態の流体混合システム１０又は流体混合装置２０を使用する半導体製造装置１では、混合ガスを構成する第１及び第２ガスＡ，Ｂが設定流量に安定するまで待つ時間が短縮され、生産性が向上する。

第１実施形態の流体混合システム１０及び流体混合装置２０は、デューティ値が、当該デューティ値に従って開閉弁１５を開閉した場合に開閉弁１５が出力する流量とリニアな関係になる流量特性Ｌ１〜Ｌ３，Ｍ１〜Ｍ３を、ガス毎に、流量特性記憶手段５６に予め記憶しておき、流量混合時に、混合するガスに応じて流量特性記憶手段５６に記憶されている流量特性を取得し、デューティ値を決定する。そのため、第１実施形態の流体混合システム１０及び流体混合装置２０によれば、混合するガスの種類や混合比などが変えられても、流量特性記憶手段５６に記憶されている流量特性に基づいてデューティ値を即座に変更して、ガスの流量を設定流量に早く制御することができる。

第１実施形態の流体混合システム１０及び流体混合装置２０は、第１及び第２開閉弁１５Ａ，１５Ｂの上流側に第１及び第２レギュレータ１３Ａ，１３Ｂを配置している。流量は、圧力によって変動する。よって、第１実施形態の流体混合システム１０及び流体混合装置２０によれば、第１及び第２レギュレータ１３Ａ，１３Ｂの圧力調整機構３９を手動で回転させて第１及び第２開閉弁１５Ａ，１５Ｂを流れる第１及び第２ガスＡ，Ｂの設定圧力を変えるだけで、デューティ値と流量との関係を示す流量特性を変更し、流体の混合比を瞬時に変更できる。

このように、流体混合システム１０及び流体混合装置２０は、混合比を瞬時に変更できるので、半導体製造装置１に適用された際に、成膜形成工程において膜質を自由に変えたり、エッチング工程において様々な条件で膜を削ったりすることを即座に可能にする。

なお、第１実施形態の流体混合システム１０及び流体混合装置２０は、出力配管２２を処理室１１１に直接接続することによって、処理室１１１に近づけて配置しているので、第１及び第２ガスＡ，Ｂが処理室１１１に到達する時間をより一層短くできる。

（第２実施形態）
続いて、本発明の第２実施形態について図面を参照して説明する。図１１は、本発明の第２実施形態にかかる流体混合システム６１で使用する流体混合装置６２の平面図である。
流体混合システム６１は、流体混合装置６２の構成を除き、第１実施形態の流体混合システム１０と構成が共通する。よって、ここでは、第１実施形態と相違する流体混合装置６２を中心に説明し、第１実施形態と共通する構成や作用効果については、適宜説明を省略する。

流体混合装置６２は、第１及び第２ガス供給ユニット６３Ａ，６３Ｂが、第１及び第２レギュレータ１３Ａ，１３Ｂと第１及び第２開閉弁１５Ａ，１５Ｂを入力ブロック２４Ａ，２４Ｂと流路ブロック２５Ａ，２５Ｂを用いて直列一体に連結して構成されている。第１及び第２ガス供給ユニット６３Ａ，６３Ｂは、流路ブロック２６Ａ，２６Ｂを介して合流ブロック６３に連結されている。合流ブロック６３は、流路ブロック６７を介して圧力センサ６５に接続している。圧力センサ６５は、流路ブロック６８を介して遮断弁６６に接続している。遮断弁６６は、出力ブロック６９に固定される。

＜動作説明＞
第２実施形態の流体混合システム６１は、第１及び第２開閉弁１５Ａ，１５Ｂをデューティ制御する前に、第１及び第２ガスＡ，Ｂを設定圧力に調整する。このとき、流体混合システム６１は、第１ガスＡの圧力を調整するときには、第２開閉弁１５Ｂと遮断弁６６を閉じる一方、第１開閉弁１５Ａを開き、圧力センサ６５によって圧力を計測する。そして、圧力センサ６５の圧力計測結果に基づいて、第１レギュレータ１３Ａによって第１開閉弁１５Ａを流れる第１ガスＡの圧力を調整する。なお、第２ガスＢの圧力調整も、これと同様に行う。

流体混合システム６１は、第１及び第２ガスＡ，Ｂが設定圧力に調整されたことを圧力センサ６５の測定結果に基づいて確認したら、第１及び第２開閉弁１５Ａ，１５Ｂをデューティ値に従って順番に開閉させ、第１及び第２ガスＡ，Ｂを順番に（交互に）出力する。

＜第２実施形態に係る流体混合装置の作用効果＞
第２実施形態に係る流体混合装置は、ガス供給ユニット６３Ａ，６３Ｂが１個の圧力センサ６５を共通して使用するので、圧力センサの数を第１実施形態より減らすことができる。もっとも、流体混合装置６１は、遮断弁６６が第１実施形態より増えるが、ガス供給ユニット６３の連数を増加した場合には、連数に応じて圧力センサの数を減らしつつ、遮断弁６６は１個で済む。よって、流体混合装置６１は、ガス供給ユニット６３の連数が多いほど、コストメリットの上で有効である。

尚、本発明は、上記実施形態に限定されることなく、色々な応用が可能である。
（１）例えば、上記実施形態で使用した手動式の第１及び第２レギュレータ１３Ａ，１３Ｂを電子レギュレータにしても良い。この場合、外部よりガス種、混合比を指示することで、様々なガス種や混合比の条件に対応して自動的に圧力調整をすることができる。
（２）例えば、上記実施形態では、コントローラ１６が上位装置５８から混合比を入力して第１及び第２ガスＡ，Ｂを制御したが、コントローラ１６に混合比を入力する入力部を設け、コントローラ１６に混合比を直接入力するようにしてもよい。
（３）例えば、上記実施形態では、複数のガス供給ユニット２１を出力配管２２に接続し、出力配管２２を処理室１１１に接続した。これに対して、図１３に示すように、ガス供給ユニット２１の出力ブロック２７を直接処理室１１１に接続して、流体混合システムを構成してもよい。このとき、処理室１１１に、第１及び第２ガス供給ユニット２１Ａ，２１Ｂが出力する第１及び第２ガスＡ，Ｂを混合する部屋を設けると、第１及び第２ガスＡ，Ｂをしっかり混合させてから処理室１１１のウエハに供給することが可能である。この場合でも、上記実施形態と同様にデューティ値を求め、各ガス供給ユニット２１の開閉弁１５を順番に開閉させて、各ガスを処理室１１１へ出力すればよい。
（４）上記実施形態では、流量出力システム１，６１，７０及び流体混合装置２０，６２，７１をガス等の気体の混合に使用したが、薬液等の液体の混合に使用してもよい。

本発明の第１実施形態に係る流体混合システムを適用したプロセス装置のブロック図である。 図１に示す流体混合装置を具体化したものの平面図である。 図２に示す流体混合装置の部分断面側面図である。 図１に示すコントローラの電気ブロック図である。 図４に示す流量特性記憶手段に記憶された第１ガスの流量特性の一例を示す図である。 図４に示す流量特性記憶手段に記憶された第２ガスの流量特性の一例を示す図である。 図１に示す流体混合システムの動作時に第１及び第２開閉弁を制御するデューティ値と、そのデューティ値に対応する流量と、第１ガスＡと第２ガスＢとの混合率と、の関係の一例を示す図である。横軸はデューティ値（％）を示し、左側縦軸は流量（ＳＬＭ）を示し、右側縦軸は第１ガスＡの第２ガスＢに対する混合率（％）を示す。 図１に示す流体混合システムの動作を説明するためのタイミングチャートである。 本発明の流体混合システムの変形例を示すブロック図である。 図９に示す流体混合システムの動作を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態にかかる流体混合システムで使用する流体混合装置の平面図である。 に示す流体混合システムの側面図である。 流体混合システムの変形例を示す。 従来の流体混合システムの一例を示すブロック図である。 図１４に示す流体混合システムにおいて、比重が大きい第１ガスＡと、比重が小さい第２ガスＢと、第１及び第２ガスＡ，Ｂの混合ガスとの流量変化を時系列で示すものである。横軸には、時間（ｓｅｃ）を示し、右側の縦軸には、マスフローコントローラが出力する第１ガスＡ（軽いガス）の流量（ｓｃｃｍ）、左側の縦軸には、マスフローコントローラが出力する第２ガスＢ（重いガス）の流量と処理室での流量（ｓｃｃｍ）を示す。

符号の説明

１，６１，７０ 流体混合システム
１３Ａ，１３Ｂ レギュレータ（圧力調整手段）
１５Ａ，１５Ｂ 開閉弁
１６ コントローラ（制御装置）
２０，６２，７１ 流体混合装置
２１Ａ，２１Ｂ,６２ ガス供給ユニット（流体供給ユニット）
２２ 出力配管
５６ 流量特性記憶手段
Ａ，Ｂ ガス（流体）

Claims (4)

1. 複数の流体を混合して容器に出力する流体混合システムにおいて、
   各流体に対応して設けられ、前記流体を前記容器に出力する複数の開閉弁を有し、
   前記複数の開閉弁を、１周期の間に開閉する割合を示すデューティ値に従って、順番に開閉すること、
   前記デューティ値が、前記デューティ値に従って前記開閉弁を開閉した場合に前記開閉弁が出力する流量とリニアな関係になる流量特性を、前記流体毎に記憶する流量特性記憶手段を有し、
   前記流量特性記憶手段に記憶されている前記流量特性の前記デューティ値に基づいて、前記複数の開閉弁を開閉すること、
   前記１周期が、５〜５００ｍｓｅｃであること、
   を特徴とする流体混合システム。
2. 請求項１に記載する流体混合システムにおいて、
   前記各開閉弁の上流側に、前記流体の圧力を調整する圧力調整手段を配置していることを特徴とする流体混合システム。
3. 請求項１または請求項２に記載する流体混合システムに使用され、
   前記複数の開閉弁を出力配管に並列に接続していることを特徴とする流体混合装置。
4. 請求項３に記載する流体混合装置において、
   前記開閉弁と前記圧力調整手段とを直列一体に連結した流体供給ユニットを複数有することを特徴とする流体混合装置。

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