JP2006031498A - クラスター化する流体の流量制御方法及びこれに用いるクラスター化する流体用の流量制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 圧力式流量制御装置を用いて、真空チャンバ等へ供給するＨＦガス等のクラスター化する流体を、３〜３００ＳＣＣＭ程度の流量範囲について、高精度で流量制御できるようにしたものである。
【解決手段】 オリフィス上流側のガスの圧力Ｐ₁ とオリフィス下流側のガスの圧力Ｐ₂ との比Ｐ₂ ／Ｐ₁ を気体の臨界圧力比以下に保持した状態でオリフィスを流通するガスの流量ＱをＱ＝ＫＰ₁ （但しＫは定数）として演算するようにした圧力式流量制御装置を用いたクラスター化する流体の流量制御方法に於いて、前記圧力式流量制御装置を４０℃以上の温度に加温するか、或いはクラスター化する流体に希釈ガスを加えて分圧以下にすることにより、分子の会合を解離させ、その後単分状態にしたクラスター化する流体を前記オリフィスを通して流通させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は医薬品や原子燃料、化学品、半導体等の製造分野で主として利用されるものであり、流量制御装置を用いて弗化水素ガス（以下ＨＦガスと呼ぶ）やオゾン、水等の流体（以下、クラスター化する流体と呼ぶ）の供給流量を高精度で且つ安定して制御することを可能としたクラスター化する流体の流量制御方法と、これに用いるクラスター化する流体用の流量制御装置に関するものである。

従前から、ＨＦガス等のクラスター化する流体は化学品や半導体等の製造分野で広く利用されて来ている。従って、ＨＦガス等のクラスター化する流体の供給設備では様々な型式の流量制御装置が用いられており、その中でもマスフローコントローラや差圧式流量制御装置等は比較的多く利用されているものである。

而して、ＨＦガス等のクラスター化する流体は高密度であること、比熱比が大であること、分子会合の温度及び圧力の依存性が高いこと、分子解離時の吸熱量の温度依存性が大きいこと等の特異な物性を有する物質である。
そのため、酸素ガスや窒素ガスのように理想気体としてボイルシャールの法則が適用できず、その流量制御にも酸素や窒素ガスの流量制御とは異なる多くの問題が存在する。何故なら、分子会合の温度・圧力依存性により、ＨＦガス等のクラスター化する流体の分子量は圧力変動等によって大きく変化するが、分子量Ｍが変ると、同重量のＨＦガス等のクラスター化する流体でもそのモル数が変動するからである。

また、ＨＦガス等のクラスター化する流体の分子の持つ会合熱が大きいため、供給時の圧力差が大きいほど吸熱効果が大きく現れることになり、吸熱効果が顕著に現れた場合には、蒸気圧が低いために液化現象が生じるという問題がある。
そのため、従前のＨＦガス等のクラスター化する流体の供給系に於いては、多量の希釈ガス内にＨＦガス等のクラスター化する流体を混入し、希釈ガスを制御することによってＨＦガス等のクラスター化する流体の流量制御精度を高めるようにしたり、或いはＨＦガス等のクラスター化する流体の供給源に加熱装置を設け、高温加熱によりクラスター化を生じ難くした状態下で、しかも比較的高圧力でもってＨＦガス等のクラスター化する流体を供給するようにしている。

しかし、希釈ガスを大量に使用したり、或いは高温加熱したＨＦガス等のクラスター化する流体を高圧力で供給する場合には、経済性や制御性に多くの問題点があるうえ、半導体製造装置のようにＨＦガス等のクラスター化する流体の供給対象であるプロセス側が１０^-2〜１０² Ｔｏｒｒ程度の真空に近い低圧の場合には、従前のマスフローコントローラを用いる流量制御では高精度な流量制御が到底不可能であり、実用上様々な問題が起生している。

一方、近年半導体製造装置等の分野では、従前の移動熱量の検出を流量制御の基本とするマスフローコントローラに替えて、圧力式流量制御装置が供給ガスの流量制御に多く用いられている。当該圧力式流量制御装置は、オリフィスを通過する流体が所謂臨界条件下にある場合には、流体流量ＱをＱ＝ＫＰ₁ （但しＫはノズルによって決まる定数、Ｐ₁ はノズル上流側のガス圧力）で求めることができ、ノズル下流側（即ち、ガス供給対象であるプロセス側）の圧力が一般的に真空に近い低圧である半導体製造装置等に於いては、前記臨界条件の保持の点からも好都合だからである。

しかし、上記のようにオリフィス上流側の圧力Ｐ₁ とオリフィス下流側の圧力Ｐ₂ との比Ｐ₂ ／Ｐ₁ を約０．５以下に保持した所謂臨界条件下で被制御ガスがオリフィスを流通することを基本としてガスの流量演算を行なう圧力式流量制御装置にあっては、分子の解離時の吸熱によって温度が変動したり或いはオリフィス下流側（プロセス側）の圧力が変動することによりＨＦガス等のクラスター化する流体の分子会合の度合いが変化し、これによって上記ＨＦガス等のクラスター化する流体の臨界条件が満足されなくなると、ＨＦガス等のクラスター化する流体の高精度な流量制御が基本的に不可能となって、様々な支障を生ずることになる。

例えば、同じ圧力式流量制御装置へ同一条件下でＮ₂ ガスを流した時の流量をＱ_N （ＳＣＣＭ）、ＨＦガス等のクラスター化する流体を流した時の流量をＱＨＦとし、両者の比ＱＨＦ／Ｑ_N （フローファクタＦ．Ｆ．）を予かじめ実測により求めておけば、Ｎ₂ ガスによって目盛校正された同じ圧力式流量制御装置へＨＦガス等のクラスター化する流体を流した時のＨＦガス等のクラスター化する流体の実流量ＱＨＦは、当該圧力式流量制御装置へＨＦガス等のクラスター化する流体を流した時の読み取り流量値に前記フローファクタ値Ｆ．Ｆ．を乗ずることにより求めることができる。このように、ＨＦガス等のクラスター化する流体のフローファクタＦ．Ｆ．が常に一定に保持されている場合には、圧力式流量制御装置を用いてＨＦガス等のクラスター化する流体の流量制御を比較的高精度で行なうことが可能となる。

一方、前記各種ガスのフローファクタＦ．Ｆ．は理論式から計算することが可能であり、通常は下記の式により演算することができる。

尚、ここでｒｓはガスの標準状態に於ける密度、κはガスの比熱比、Ｒはガス定数、Ｋはガス種に依存しない比例定数である（特開２０００−３２２１３０号等）。

前記理論式から常温に於けるＨＦガスのフローファクタＦ．Ｆ．を計算すると、Ｆ．Ｆ．＝０．４４０１００となる。
これに対して、後述する図１の如き流量試験装置を用いてＨＦガスのフローファクタＦ．Ｆ．を実測すると、その値は下記の表１のようになる。

尚、温度は圧力式流量制御装置のボディ部の加熱温度である。
上記フローファクタの値からも明らかなように、ＨＦガスは、圧力、温度条件により結合した分子状態を形成する特有の物性により、理論式より求められるフローファクタＦ．Ｆ．値とは大きく異なり、圧力式流量制御装置では、Ｎ₂ やＯ₂ 、Ｈ₂ 等の通常ガスに対する対応と同じ概念でもって、ＨＦガスの流量制御に適用できないことが判る。

尚、上記説明に於いては、圧力式流量制御装置を用いる場合について述べたが、このことは、マスフローコントローラ等の熱式流量制御装置であっても、或いは流量制御弁を用いる流量制御装置であっても同様であり、従前の酸素ガスや窒素ガス等の通常ガスに対する対応と同じ概念でもって、ＨＦガス等のクラスター化する流体の流量制御にこれらを適用することはできない。

特開２０００−３２２１３０公報 特開２００３−１９５９４８公報 特開２００４−５３０８公報

本発明は、流量制御装置を用いてＨＦガス等のクラスター化する流体の流量制御を行なう場合の上述の如き問題、即ち分子会合等による分子量やモル数の変化、解離時の吸熱による温度変化、圧力や温度の変動による分子会合の度合の変化等によって、従前の流量制御装置では、低圧力のチャンバ等へ供給するＨＦガス等のクラスター化する流体の流量制御を高精度で行なえないと云う問題を解決せんとするものであり、流量制御装置の本体部を約４０℃〜約８５℃、望ましくは約６５℃以上に保持するか、或いはクラスター化する流体が温度だけでなしに圧力にも依存することを利用して、希釈ガスを加えることによってクラスター化する流体を分圧以下にすることにより、ＨＦガス等のクラスター化する流体の会合を分離させ、理論的な単分子状態（又はクラスター分子数の小さな状態）にして流量制御装置を通すことにより、低圧力のチャンバ等へも、ＨＦガス等のクラスター化する流体を高精度で流量制御を行ないつつ供給することが出来るようにした流量制御装置を用いたＨＦガス等のクラスター化する流体の流量制御方法と、これに用いるＨＦガス等のクラスター化する流体用の流量制御装置を提供するものである。

本願発明者等は、流量制御装置を用いて低圧力の半導体製造装置のプロセスチャンバへ、流量が３〜３００ＳＣＣＭのＨＦガス等のクラスター化する流体を高精度で流量制御しつつ供給することを具現化するために、先ず圧力式流量制御装置を用い、その本体要部を加温することを着想した。そして、前記着想に基づいて、加温温度と流量制御特性（流量制御精度）との関係を、圧力式流量制御装置の複数の設定流量（７５％、６０％、４５％、３０％、１５％）について夫々精査した。

本発明は、上記各試験結果を基にして創作されたものであり、請求項１の発明は、ガス供給源からのクラスター化する流体を流量制御器により所望の機器・装置へ供給するクラスター化する流体の供給方法に於いて、前記流量制御器を加熱して当該流量制御器を流通する弗化水素分子の会合を解離させ、単分子状態にしたクラスター化する流体を流量制御器により流量制御しつつ供給する構成としたことを発明の基本構成とするものである。

請求項２の発明は、流体供給源からのクラスター化する流体を流量制御器により所望の機器・装置へ供給するクラスター化する流体の供給方法に於いて、前記クラスター化する流体を分圧以下に希釈して前記流量制御器を流通するクラスター化する流体の分子の会合を解離させ、単分子状態にしたクラスター化する流体を流量制御器により流量制御しつつ供給する構成としたことを発明の基本構成とするものである。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２の発明に於いて、流量制御器を、流量制御弁と熱式流量制御器と圧力式流量制御器の何れかとしたものである。

請求項４の発明は、請求項１の発明に於いて、流量制御器の本体の加熱温度を４０℃以上とするようにしたものである。

請求項５の発明は、オリフィス上流側のガスの圧力Ｐ₁ とオリフィス下流側のガスの圧力Ｐ₂ との比Ｐ₂ ／Ｐ₁ を気体の臨界圧力比以下に保持した状態でオリフィスを流通するガスの流量ＱをＱ＝ＫＰ₁ （但しＫは定数）として演算するようにした圧力式流量制御装置を用いたクラスター化する流体の流量制御方法に於いて、前記圧力式流量制御装置を４０℃以上の温度に加温しつつ、クラスター化する流体を前記オリフィスを通して流通させることを発明の基本構成とするものである。

請求項６の発明は、請求項５の発明に於いて、圧力式流量制御装置の下流側に接続されたクラスター化する流体の受入れ先きを真空装置とするようにしたものである。

請求項７の発明は、請求項５の発明に於いて、圧力式流量制御装置を、窒素ガスを基準として目盛校正をした圧力式流量制御装置とすると共に、圧力式流量制御装置の本体の温度に応じて窒素ガスに対するクラスター化する流体のフローファクタＦ．Ｆ．を適宜に選定し、クラスター化する流体を流通させたときの流量測定値に前記フローファクタＦ．Ｆ．を乗じてクラスター化する流体の流量を得るようにしたものである。

請求項８の発明は、請求項６の発明に於いて、圧力式流量制御装置を４０℃〜８５℃の温度に加温すると共に、圧力式流量制御装置の下流側に接続されたクラスター化する流体を受入れする真空装置を真空チャンバとし、且つその圧力を１０^-3Ｔｏｒｒ〜１０² Ｔｏｒｒとするようにしたものである。

請求項９の発明は、請求項６の発明に於いて、圧力式流量制御装置から真空チャンバへ供給するクラスター化する流体の流量制御範囲を３〜３００ＳＣＣＭとするようにしたものである。

請求項１０の発明は、請求項１乃至請求項９の発明に於いて、クラスター化する流体を弗化水素、水又はオゾンの何れかとするようにしたものである。

請求項１１の発明は、請求項７の発明に於いて、圧力式流量制御装置の本体の温度が４５℃で、流体が弗化水素ガスの時のフローファクタＦ．Ｆ．を１．１６６５とするようにしたものである。

請求項１２のクラスター化する流体用の流量制御装置は、流体供給源からのクラスター化する流体を流量制御装置により所望の機器・装置へ供給するクラスター化する流体の流量制御装置に於いて、前記流量制御装置の本体を加熱して当該流量制御装置を流通するクラスター化する流体の会合を解離させ、単分子状態にしたクラスター化する流体を流量制御装置により流量制御する構成としたことを発明の基本構成とするものである。

請求項１３の発明は、流体供給源からのクラスター化する流体を流量制御器により所望の機器・装置へ供給するクラスター化する流体の流量制御装置に於いて、前記クラスター化する流体を分圧以下に希釈して前記流量制御器を流通するクラスター化する流体の分子の会合を解離させ、単分子状態にしたクラスター化する流体を流量制御装置により流量制御する構成としたことを発明の基本構成とするものである。

請求項１４の発明は、請求項１２又は請求項１３の発明に於いて、流量制御装置を、流量制御弁と熱式流量制御装置と圧力式流量制御装置の何れかとしたものである。

請求項１５の発明は、請求項１２の発明に於いて、流量制御装置の本体の加熱温度を４０℃以上とするようにしたものである。

請求項１６の発明は、オリフィス上流側のガスの圧力Ｐ₁ とオリフィス下流側のガスの圧力Ｐ₂ との比Ｐ₂ ／Ｐ₁ を気体の臨界圧力比以下に保持した状態でオリフィスを流通するガスの流量ＱをＱ＝ＫＰ₁ （但しＫは定数）として演算するようにした圧力式流量制御装置に於いて、被制御流体をクラスター化する流体とすると共に圧力式流量制御装置に加温装置を設け、当該加温装置により圧力式流量制御装置の本体を４０℃以上に加温する構成としたことを発明の基本構成とするものである。

請求項１７の発明は、請求項１６の発明に於いて圧力式流量制御装置を、圧力式流量制御装置の本体の温度に応じて窒素ガスを基準としたクラスター化する流体のフローファクタＦ．Ｆ．を適宜に選定し、当該選定したフローファクタＦ．Ｆ．の値を用いて目盛校正をした圧力式流量制御装置とするようにしたものである。

請求項１８の発明は、請求項１３乃至請求項１７の発明に於いて、クラスター化する流体を弗化水素、水又はオゾンの何れかとするようにしたものである。

請求項１９の発明は、請求項１７の発明に於いて、圧力式流量制御装置の本体の温度が４５℃で、流体が弗化水素ガスの時のフローファクタＦ．Ｆ．を１．１６６５とするようにしたものである。

本発明に於いては、圧力式流量制御装置を４０℃以上の温度に加温した状態で被制御ガスであるＨＦガス等のクラスター化する流体をオリフィスへ流通させるか、又は希釈ガスを加えてＨＦガス等のクラスター化する流体圧分圧以下にし、流体の分子を単分子化させた状態で被制御ガスであるＨＦガス等のクラスター化するガスをオリフィスへ流通させるようにしているため、ＨＦガス等のクラスター化する流体の分子会合や解離時の吸熱量がＨＦガス等のクラスター化する流体の圧力によって影響されなくなり、結果として、圧力式流量制御装置でもってＨＦガス等のクラスター化する流体の流量を、通常の酸素ガスや窒素ガスの流量制御の場合と同程度の高い精度でもって安定に制御することができる。

また、加温温度を４０℃〜８５℃の間にすれば、温度が相対的に低いため、圧力式流量制御装置を構成する電子機器部品類に対する影響も簡単に回避することができ、圧力式流量制御装置の製造コストの上昇を招くことが無い。

更に、ＨＦガス等のクラスター化する流体の供給先であるチャンバの真空度が１０^-3〜１０² Ｔｏｒｒのときに、３〜３００ＳＣＣＭの流量範囲に亘ってＨＦガス等のクラスター化する流体を高精度で流量制御することができ、従前の大量の希釈ガスを利用する場合に比較してランニングコストや設備費の大幅な削減が可能となる。

本発明は上述の通り、窒素ガスを基準とするＨＦガス等のクラスター化する流体のフローファクタＦ．Ｆ．を活用することにより、従前の圧力式流量制御装置でもって容易にＨＦガス等のクラスター化する流体の高精度な流量制御を行なうことが出来ると云う優れた実用的効用を奏するものである。

次に、本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の基礎をなすＨＦガス等のクラスター化する流体に対する圧力式流量制御装置の各種特性を得るための試験装置の全体構成を示すものであり、具体的には当該試験装置を用いて下記の（１）〜（７）の各試験を実施した。

（１）圧力式流量制御装置（Ｎ₂ ガス用）を２台使用して、ＨＦガスを４〜１００ＳＣＣＭの流量で流した時の流量制御特性を確認する。
（２）ビルドアップ用チャンバを加温したときと、加温しないときの流量制御
の状態を確認する。
（３）流量レンジの異なる圧力式流量制御装置（Ｎ₂ ガス用）について、同一流量のＨＦガスを流した場合の流量制御誤差を確認する。
（４）ＨＦガスの流量制御時の流量制御の直線性を確認する。（中間設定及びビルドアップ流量測定装置による測定時）。
（５）圧力式流量制御装置（Ｎ₂ ガス用）の加温温度を変化させた（４５℃±２℃）場合の流量制御精度を確認する。
（６）高温用圧力式流量制御装置を用い、その加温温度を高温（８５℃）にした場合の流量を確認する。
（７）高温用圧力式流量制御装置を用い、その加温温度を高温（８５℃±２℃）に変化させた場合の流量精度を確認する。

また、上記（１）〜（７）の各試験結果から、圧力式流量制御装置を用いてＨＦガスを流量制御する場合の流量測定精度と温度条件との関係を検討し、加温条件の最適範囲を決定する。

図１を参照して、１は窒素ガス供給ライン、２はＨＦガス供給ライン、３は圧力式流量制御装置（供試品）、４はビルドアップ用チャンバ、５は真空ポンプ、６は加熱装置、Ｐは圧力センサ、Ｔは温度センサ、Ｖ₁ 〜Ｖ₆ はバルブであり、圧力式流量制御装置３及びビルドアップ用チャンバ４の部分は加熱装置（加温用ヒータ）６により温調されている。

前記窒素ガス供給ライン１へは２０１ｋＰａ ａｂｓ．のＮ₂ ガスが、またＨＦガス供給ライン２へはＨＦガスが夫々供給されている。
更に、圧力センサＰにはキャパシタンスマノメータ（定格１３．３ｋＰａ ａｂｓ．）が使用されており、温度センサＴには測温抵抗体（Ｐｔ１００）が使用されている。

前記供試品である圧力式流量制御装置３には株式会社フジキン製のＦＣＳ−４ＷＳ−Ｆ１１５Ａ（１１５ＳＣＣＭＦ．Ｓ．）、ＦＣＳ−４ＷＳ−Ｆ６５Ａ（６５ＳＣＣＭＦ．Ｓ．）、ＦＣＳ−４ＷＳ−Ｆ２０Ａ（２０ＳＣＣＭＦ．Ｓ．）及びＦＣＳ−４ＪＲ−１２４−Ｆ１１５Ａ−ＨＴ（１１５ＳＣＣＭＦ．Ｓ．・高温用）が夫々利用されており、またビルドアップ用チャンバ４には内容積が１０００ｃｃのものが、更に真空ポンプ５にはＥｄｗａｒｄｓ社製の真空ポンプが使用されている。

尚、圧力式流量制御装置３とビルドアップ用チャンバ４と圧力計Ｐ及びバルブＶ₄ 、Ｖ₅ 等により所謂ビルドアップ流量測定装置Ｓが形成されている。
また、圧力式流量制御装置３とビルドアップ用チャンバ４は温調器６（理研計器株式会社製ＣＢ１００）により所定の加温条件温度に温調されており、後述するように各部（合計８点）の温度がシース型Ｋ熱電対を用いて測定されている。

後述する試験に際しての加温条件は、各圧力式流量制御装置３及びビルドアップ用チャンバ４について、下記の通りとしている。

また、流量等の測定点は各供試品３について５点とし（Ｆ２０Ａのみは６点）、夫々定格設定値の７５％、６０％、４５％、３０％、１５％、９０％（Ｆ２０Ａのみ）の点としている。尚、設定値（％）とは、圧力式流量制御装置３に対する入力信号０−１００％、入力電圧信号０−５Ｖに対する設定である。

更に、同一流量点の測定を行なう場合には、各供試品３について４８．８ＳＣＣＭ、２０．０ＳＣＣＭ及び９．７５ＳＣＣＭ（Ｎ₂ 基準時）の３点について、夫々行なっている。

尚、前記温度の各測定点は、具体的には表１に記載の通りであり、Ａは圧力式流量制御装置本体のリークポート部の温度モニタの表示、Ｂは圧力式流量制御装置本体のサーミスタ取付部、Ｃ点は演算制御部の基板下部、Ｄ点は試験室内の室温、Ｅ点はビルドアップ用チャンバの温度モニタの表示、Ｆ点はビルドアップ用チャンバに設けられている温調器６の表示温度、Ｇ点は圧力式流量制御装置に設けられている温調器６の表示温度である。

前記（１）〜（８）の各試験は、下記の順序により実施した。
（１）供試品である圧力式流量制御装置３を図１の如き状態に接続する（ビルドアップ流量測定装置Ｓへ接続する）。
（２）圧力式流量制御装置３及び各種測定機器類はテスト前に１時間以上の暖気運転をしておく。
（３）真空ポンプ５により圧力式流量制御装置３の上流側までの大気成分を真空排気する。
（４）Ｎ₂ ガスによるサイクルパージを実施して、ガスを置換する。
（５）系内を真空状態にして圧力式流量制御装置３の前後のバルブを閉鎖し、１０分間放置して圧力指示出力が上昇しないことを確認する（リークが無いことを確認する）。
（６）次に、圧力式流量制御装置３へ測定ガス（ＨＦガス又はＮ₂ ガス）を流し、ビルドアップ法により流量測定を実施する。測定は３回行ない、その平均値を測定結果とする。尚、ビルドアップ用チャンバ４内の圧力は流量の測定前に１０^-2Ｔｏｒｒの真空度に真空引きされている。
（７）圧力式流量制御装置３の加温は専用ヒータを使用して行なう。
（８）温調時は十分に時間を置き、温度が安定したことを確認した後に測定を開始する。

温度測定の結果は下記の表１〜表３の通りである。尚、加温条件（１）は供試器３の温度４５℃及びビルドアップ用チャンバは加温なし、及び（２）は供試器３の温度４５℃及びビルドアップ用チャンバの温度４０℃の場合を夫々示す。

［温度測定の結果］

供試品 Ｆ１１５Ａ

供試品 Ｆ６５Ａ

供試品 Ｆ２０Ａ

表３乃至表５の結果からも明らかなように、Ｇ項のＦＣＳ温調器６の表示値とＢ項のサーミスタ部の温度の間に約０．２〜２．２℃程度の差異が見られるので、電子機器部品類の温度管理が厳しい場合には、この点に留意が必要となる。

表６は流量測定の結果を示すものであり、同一加温条件下に於いても、Ｎ₂ ガスとＨＦガスとでは、各流量設定（７５％、６０％、４５％、３０％、１５％）共に夫々差異の出ることが判る。また、各測定に於ける測定流量は、３回の測定をした結果を示すものであり、圧力式流量制御装置では測定毎に測定した流量値が変ると云うようなことの無いことが判る。更に、表７は、前記００３０項の（３）に記載の試験を行なうために測定した流量を示すものである。

流量測定結果（供試品Ｆ１１５Ａ）

同一流量の測定結果（供試品Ｆ１１５Ａ）

表８は供試品（圧力式流量制御装置）３をＦ６５Ａとした時の流量測定結果を、また、表９は、Ｆ６５Ａの場合の同一流量測定の結果を夫々示すものである。

同様に表１０は供試品（圧力式流量制御装置）３をＦ２０Ａとした場合の流量測定結果を、また、表１１はＦ２０Ａの場合の同一流量測定の結果である。

流量測定（供試品Ｆ６５Ａ）

同一流量の測定（供試品Ｆ６５Ａ）

流量測定（供試品Ｆ２０Ａ）

流量測定（供試品Ｆ２０Ａ）

表１２は各供試品（圧力式流量制御装置）３についてフローファクタＦ．Ｆ．を流量の実測値から算出したものであり、Ｆ．Ｆ．＝ＨＦガス流量／Ｎ₂ ガス流量を表わすものである。

また、Ｆ．Ｆ．の平均値は、流量レンジ１５〜６０％の平均として計算したものである。加温条件（２）の下では、１／１００オーダ以上に於いて各流量レンジ（％）の間に差異の出ることが判る。

更に、表１３〜表１５は同一設定流量に対する供試品３相互間の測定誤差を求めたものであり、各供試品３の間で同一流量値を測定しても、機種間で、ＨＦガスの場合には、最大で０．８ＳＣＣＭの誤差の生ずることが判る。

Ｆ．Ｆ．測定結果（加温条件（２））

同一設定流量比較結果（加温条件（２））

同一設定流量比較結果（加温条件（２））

同一設定流量比較結果（加温条件（２））

図２の（ａ）は、供試品Ｆ１１５Ａの加温条件（２）の下に於ける流量測定試験データをグラフ化したものであり、同様に図２の（ｂ）は供試品Ｆ６５Ａの、また図２の（ｃ）は供試品Ｆ２０Ａの流量測定試験データをグラフ化したものである。

図２から明らかなように、圧力式流量制御装置の場合には、設定流量レンジが１００％に近づくほど、Ｎ₂ ガスの場合よりも測定流量が増加することが判る。

表１６及び表１７は、ＨＦガスの流量測定時に常に前記臨界条件が成立しているかを確認するためにビルドアップ法による流量測定のデータから各圧力区間毎に流量の変化が無いか否かを確認した。何故なら、ＨＦガスの比熱比が通常のガスよりも大きく、臨界圧力比が小さくなる可能性があるためである。

より具体的には、補正流量の計算は圧力範囲を３０Ｔｏｒｒ〜９０Ｔｏｒｒと想定し、圧力間隔を２０Ｔｏｒｒ毎に選定して行なった。

表１６及び表１７の結果からも明らかなように、各圧力範囲に亘って計算流量比には差異が殆んど見られず、その結果ガス比熱の大きなＨＦガスであっても、当該流量測定実験の全区間に亘って所謂臨界条件が充足された状態下でその流量測定が行なわれていることが判る。

サンプルデータ
（Ｆ１１５Ａ、ＨＦガス、加温条件（２）、設定信号７５％）

サンプルデータ
（Ｆ６５Ａ、ＨＦガス、加温条件（２）、設定信号７５％）

表１８乃至２１は、供試品（圧力式流量制御装置）３をＦ１１５Ａ及びＦ１１５Ａ−ＨＴとし、且つ供試品３の加熱温度を４５℃±２℃及び８５℃±２℃としたときの流量測定結果を示すものである。尚、表１８乃至表２１の流量測定では、ビルドアップ用チャンバ４側の温度は４０℃に固定されている。

尚、表１８〜表２２に於けるΔＱは設定温度時と基準温度時（４５℃及び８５℃）との間の流量誤差を示すものである。

また、表２２は、供試品３がＦ１１５Ａ−ＨＴの場合のフローファクタＦ．Ｆ．を求めたものであり、Ｆ．Ｆ．（測定値）はＨＦガス流量／Ｎ₂ ガス流量として、またＦ．Ｆ．の平均値は設定流量レンジ、１５〜６０％の平均を示すものである。

流量測定
（供試品Ｆ１１５Ａ・チャンバ温度：４０℃（固定））

流量測定
（供試品Ｆ１１５Ａ・チャンバ温度：４０℃（固定））

流量測定
（供試品Ｆ１１５Ａ−ＨＴ・チャンバ温度：４０℃（固定））

流量測定
（供試品Ｆ１１５Ａ−ＨＴ・チャンバ温度：４０℃（固定））

Ｆ．Ｆ．測定結果（高温用）

図３の（ａ）及び（ｂ）は、前記表１８〜表２１の測定結果をプロットしたものであり、図３の（ａ）からも明らかなように、供試品３の加温温度が４５℃前後の場合には、ＨＦガスに於いては設定流量レンジが上昇するにつれて流量誤差が大きくなる傾向にある。

しかし、供試品３の加温温度が８５℃位になれば、設定流量レンジの全範囲に亘って温度差による流量誤差はほぼ零となる。

即ち、図３の（ａ）及び図３（ｂ）の結果から、圧力式流量制御装置を用いたＨＦガスの流量制御に於いては、圧力式流量制御装置３を４０℃〜８５℃位の間に加温するのが望ましく、より望ましくは６０℃以上である。当該加温によってオリフィス下流側のプロセス側の圧力が１０^-2〜１０² Ｔｏｒｒ程度である場合にも、３〜３００ＳＣＣＭの流量範囲に亘って実用に耐える高精度なＨＦガスの流量制御が可能なことが判る。

また、図４−（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、供試品３がＦ１１５Ａ、Ｆ６５Ａ及びＦ２０Ａの場合について、供試品（圧力式流量制御装置）３の温度及びビルドアップ用チャンバの温度条件をパラメータとしてその流量の実測値をプロットしたものである。

図４の（ａ）〜（ｃ）からも明らかなように加温条件が（１）及び（２）の場合には、Ｆ．Ｆ．の直線性が高いことが判る。

上記各試験結果から、下記の如き事項が判明した。
（１）即ち、圧力式流量制御装置を適宜の温度に加温することにより、これを用いて３〜１００ＳＣＣＭの流量範囲のＨＦガスを十分に流量制御できること （表６〜表１０）。
（２）圧力式流量制御装置の加温温度は４０℃〜８５℃の間で可能であり、例えば加温温度が４５℃の場合の供試品のシャーシ内基板（電子部品のマウント用基板）の温度は保証温度の５０℃以下であり、耐熱仕様でない圧力式流量制御装置であっても十分にＨＦガスの流量制御に適用できること（表３〜表５）。
（３）流量レンジの異なる二種の供試品に於いて、同一流量の測定を行った場合のＨＦガスの流量誤差は、最大で０．８ＳＣＣＭであること（Ｆ１１５Ａ−４２．４％、Ｆ６５Ａ−７５％、表１３）。
（４）流量測定特性の直線性については、殆んど問題がないこと（図２の（ａ）〜（ｃ））。
また、実測したフローファクタＦ．Ｆ．は平均値で１．１６５３となり、どの設定レンジに於いても同等の値となる（表１２）。
（５）一定の流量レンジの設定に於ける流量の直線性についても、流量計算に用いるビルドアップの圧力間隔（２０Ｔｏｒｒ）毎に計算を行なった結果、各区間毎の流量直線性誤差は＋０．６％〜−０．４％以下であり、直線性の上では特に問題がないこと（表１６、表１７）。
（６）供試品３の加温温度を４５±２℃に設定した場合には、流量の誤差は２．４ＳＣＣＭ以下となる（４５〜４７℃加温時：流量設定７５％）。しかし高温用の供試品に於いて加温温度を８５±２℃に設定した場合には、流量誤差は０．１ＳＣＣＭ以下（８３〜８５℃加温時：流量設定１５％）となった（表１８〜２１）。

また、文献調査の結果、ＨＦガスは、７６Ｔｏｒｒの時には２５℃以上で、また７６０Ｔｏｒｒの時には８０℃以上で、分子量が２０ｇ／ｍｏｌとなること、及びＨＦの６分子の会合熱が４０，８００ｃａｌ／ｍｏｌになることが判明した。従って、ＨＦガスの制御時には、６５℃以上（上限７５％設定）加温すると、計算式通りに流量制御を行なうことが可能と考えられる。

尚、上述した本発明に係る基本思想は、マスフローコントローラ等によるＨＦガスの流量制御へも適用できることは勿論である。

更に、本発明では、圧力式流量制御装置の加熱温度の上限を８５℃としているが、８５℃以上になるとＨＦガスの分子会合等の圧力・温度依存性が無くなるからである。

上記実施形態に於いては、クラスター化する流体の温度を上昇させることにより流体のクラスター化を防止する場合について述べたが、クラスター化する流体のクラスター化は温度だけでなしに圧力にも依存するものであるため、クラスター化する流体に希釈ガスを加えて分圧以下とすることにより、クラスター化する流体のクラスター化を防止することができる。

即ち、図５に示すように希釈ガス（Ｎ₂ ）を混合して流体（ＨＦガス）を希釈し、流体（ＨＦガス）を分圧以下にして複数のガス分子を集合した状態からガス分子が単分子化（クラスター分子数を小さくする）した状態にすることにより、流体の分子がクラスター化するのを抑える。これによって、加熱をすること無しに安定したＨＦガス等のクラスター化する流体の供給を行うことが可能となる。

尚、図５に於いて、２はＨＦガス等のクラスター化する流体の供給ライン、７は窒素ガス等の希釈ガス供給ライン、８は希釈器、９は圧力式流量制御装置、１０はＨＦガス等のクラスター化する流体の使用機器である。

本発明は、医薬品や原子燃料、化学品、半導体等の製造分野で主として利用されるものであり、流量制御装置を用いて弗化水素ガス等のクラスター化する流体の供給流量を制御する分野へ広く適用し得るものである。

ＨＦガス等のクラスター化する流体に対する圧力式流量制御装置の各種特性を調査する試験装置の全体構成図である。 圧力式流量制御装置の流量特性を示すものであり、（ａ）は供試品がＦ１１５Ａのとき、（ｂ）は供試品がＦ６５Ａのとき、（ｃ）は供試品がＦ２０Ａのときの流量特性を夫々示すものである。 供試品がＦ１１５Ａ及びＦ１１５Ａ−ＨＴ型の場合の、加温温度の変化（４５℃±２℃及び８５℃±２℃）による流量誤差を示すものである。 供試品がＦ１１５Ａ、Ｆ６５Ａ及びＦ２０Ａの場合に於ける加温条件をパラメータとした測定流量を示す線図である。 希釈によってＨＦガス等のクラスター化する流体を分圧以下とするようにしたクラスター化する流体の流量制御方法の説明図である。

符号の説明

１は窒素ガス供給ライン、２はＨＦガス等のクラスター化する流体の供給ライン、３は圧力式流量制御装置（供試品）、４はビルドアップ用チャンバ、５は真空ポンプ、６は加温装置、Ｐは圧力センサ、Ｔは温度センサ、Ｓはビルドアップ流量測定装置、７は希釈ガス供給ライン、８は希釈器、９は圧力式流量制御装置（非加熱型）、１０はＨＦガス等のクラスター化する流体の使用機器。

Claims (19)

1. 流体供給源からのクラスター化する流体を流量制御器により所望の機器・装置へ供給するクラスター化する流体の供給方法に於いて、前記流量制御器を加熱して当該流量制御器を流通するクラスター化する流体の分子の会合を解離させ、単分子状態にしたクラスター化する流体を流量制御器により流量制御しつつ供給する構成としたことを特徴とするクラスター化する流体の流量制御方法。
2. 流体供給源からのクラスター化する流体を流量制御器により所望の機器・装置へ供給するクラスター化する流体の供給方法に於いて、前記クラスター化する流体を分圧以下に希釈して前記流量制御器を流通するクラスター化する流体の分子の会合を解離させ、単分子状態にしたクラスター化する流体を流量制御器により流量制御しつつ供給する構成としたことを特徴とするクラスター化する流体の流量制御方法。
3. 流量制御器を、流量制御弁と熱式流量制御器と圧力式流量制御器の何れかとした請求項１又は請求項２に記載のクラスター化する流体の流量制御方法。
4. 流量制御器の本体の加熱温度を４０℃以上とするようにした請求項１に記載のクラスター化する流体の流量制御方法。
5. オリフィス上流側のガスの圧力Ｐ₁ とオリフィス下流側のガスの圧力Ｐ₂ との比Ｐ₂ ／Ｐ₁ を気体の臨界圧力比以下に保持した状態でオリフィスを流通するガスの流量ＱをＱ＝ＫＰ₁ （但しＫは定数）として演算するようにした圧力式流量制御装置を用いたクラスター化する流体の流量制御方法に於いて、前記圧力式流量制御装置を４０℃以上の温度に加温しつつ、クラスター化する流体を前記オリフィスを通して流通させる構成としたことを特徴とする圧力式流量制御装置を用いたクラスター化する流体の流量制御方法。
6. 圧力式流量制御装置の下流側に接続されたクラスター化する流体の受入れ先きを真空装置とするようにした請求項５に記載の圧力式流量制御装置を用いたクラスター化する流体の流量制御方法。
7. 圧力式流量制御装置を、窒素ガスを基準として目盛校正をした圧力式流量制御装置とすると共に、圧力式流量制御装置の本体の温度に応じて窒素ガスに対するクラスター化する流体のフローファクタＦ．Ｆ．を適宜に選定し、クラスター化する流体を流通させたときの流量測定値に前記フローファクタＦ．Ｆ．を乗じてクラスター化する流体の流量を得るようにした請求項５に記載の圧力式流量制御装置を用いたクラスター化する流体の流量制御方法。
8. 圧力式流量制御装置を４０℃〜８５℃の温度に加温すると共に、圧力式流量制御装置の下流側に接続されたクラスター化する流体を受入れする真空装置を真空チャンバとし、且つその圧力を１０^-3Ｔｏｒｒ〜１０² Ｔｏｒｒとするようにした請求項６に記載の圧力式流量制御装置を用いたクラスター化する流体の流量制御方法。
9. 圧力式流量制御装置から真空チャンバへ供給するクラスター化する流体の流量制御範囲を３〜３００ＳＣＣＭとするようにした請求項５に記載の圧力式流量制御装置を用いたクラスター化する流体の流量制御方法。
10. クラスター化する流体を弗化水素、水又はオゾンの何れかとするようにした請求項１乃至請求項９に記載のクラスター化する流体の流量制御方法。
11. 圧力式流量制御装置の本体の温度が４５℃で、流体が弗化水素ガスの時のフローファクタＦ．Ｆ．を１．１６６５とするようにした請求項７に記載の圧力式流量制御装置を用いたクラスター化する流体の流量制御方法。
12. 流体供給源からのクラスター化する流体を流量制御装置により所望の機器・装置へ供給するクラスター化する流体の流量制御装置に於いて、前記流量制御装置の本体を加熱して当該流量制御装置を流通するクラスター化する流体の分子の会合を解離させ、単分子状態にしたクラスター化する流体を流量制御装置により流量制御する構成としたことを特徴とするクラスター化する流体用の流量制御装置。
13. 流体供給源からのクラスター化する流体を流量制御器により所望の機器・装置へ供給するクラスター化する流体の流量制御装置に於いて、前記クラスター化する流体を分圧以下に希釈して前記流量制御器を流通するクラスター化する流体の分子の会合を解離させ、単分子状態にしたクラスター化する流体を流量制御装置により流量制御する構成としたことを特徴とするクラスター化する流体用の流量制御装置。
14. 流量制御装置を、流量制御弁と熱式流量制御装置と圧力式流量制御装置の何れかとした請求項１２又は請求項１３に記載のクラスター化する流体用の流量制御装置。
15. 流量制御装置の本体の加熱温度を４０℃以上とするようにした請求項１２に記載のクラスター化する流体用の流量制御装置。
16. オリフィス上流側のガスの圧力Ｐ₁ とオリフィス下流側のガスの圧力Ｐ₂ との比Ｐ₂ ／Ｐ₁ を気体の臨界圧力比以下に保持した状態でオリフィスを流通するガスの流量ＱをＱ＝ＫＰ₁ （但しＫは定数）として演算するようにした圧力式流量制御装置に於いて、被制御流体をクラスター化する流体とすると共に圧力式流量制御装置に加温装置を設け、当該加温装置により圧力式流量制御装置の本体を４０℃以上に加温する構成としたことを特徴とするクラスター化する流体用の流量制御装置。
17. 圧力式流量制御装置を、圧力式流量制御装置の本体の温度に応じて窒素ガスを基準としたクラスター化する流体のフローファクタＦ．Ｆ．を選定し、当該選定したフローファクタＦ．Ｆ．の値を用いて目盛校正をした圧力式流量制御装置とするようにした請求項１６に記載のクラスター化する流体用の流量制御装置。
18. クラスター化する流体を弗化水素、水又はオゾンの何れかとするようにした請求項１３乃至請求項１７に記載のクラスター化する流体の流量制御装置。
19. 圧力式流量制御装置の本体の温度が４５℃で、流体が弗化水素ガスの時のフローファクタＦ．Ｆ．を１．１６６５とするようにした請求項１７に記載のクラスター化する流体用の流量制御装置。

Images