JP2007041870A - ガス流量制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 限られた占有スペース内で必要なコンダクタンスを精度よく求めて、所定のガス流量を安定よく、かつ、再現性よく設定することができるガス流量制御方法を提供する。
【解決手段】 ガス配管２の途中に設けられる流量制限部材８に、予め設定された径及び長さで、かつ、角部のない切り溝１５を機械加工することによってコンダクタンスを所定の公式に基いて算出可能な単一の制限流路１６を形成し、その単一制限流路１６によるコンダクタンスＣと圧力差（Ｐ１−Ｐ２）とにより、プロセスチャンバー１へ供給されるガス流量Ｑを設定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば半導体製造プロセスや液晶製造プロセスなどのような各種の製造プロセスにおいて必要とされる種々ガスの供給量を設定するためのガス流量制御方法に関する。

各種製造プロセスへ供給されるガス流量Ｑは、ガス配管の途中に設けられたリストリクタと呼ばれる流量制限部材よりも上流側の一次圧力をＰ１、下流側の二次圧力をＰ２、前記流量制限部材の制限流路によるコンダクタンスをＣとすると、
Ｑ＝Ｃ・（Ｐ１−Ｐ２） ……（１）
なる式で設定される。なお、Ｐ１：Ｐ２＝１００：１の場合は、Ｐ２を無視して、
Ｑ＝Ｃ・Ｐ１ ……（２）
なる式で設定可能である。

これら（１），（２）式におけるＰ１やＰ２は、汎用の圧力計を用いて正確に計測可能である一方、Ｃはガス配管の途中に設けられる流量制限部材の制限流路の形態によって左右され、このＣが確定しない限り、ガス流量Ｑを安定よく設定することができない。

ところで、従来のガス流量制御方法では、前記流量制限部材として、薄い円板に細径の孔や流路断面積の非常に小さいスリットを形成してなるオリフィスあるいは多孔質な焼結体または複数本の細管を集束化したものが使用されていた。

しかしながら、オリフィスを流量制限部材として使用する場合は、配管内のガスの流れが粘性流となり、流れやすいところから流れるという粘性流の性質と圧力が要因となって必要なコンダクタンスを得ることができない。また、多孔質焼結体や複数本の細管を集束化したものを流量制限部材として使用する場合は、複数のガス制限流路のうちのいずれかに詰まり等を生じやすくて実際にガスが通過する制限流路が不確定であるために、ガス流量を決定する上で必要不可欠なコンダクタンスを精度よく求めることができず、したがって、ガス流量の安定化及び再現性の確保が困難で、製造プロセスへのガス供給量のばらつきによって製造品質の低下は避けられないという問題があった。

本発明は上述の実情に鑑みてなされたもので、その目的は、限られた占有スペース内に必要なコンダクタンスを精度よく求めることが可能で、所定のガス流量を安定よく、かつ、再現性よく設定することができるガス流量制御方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係るガス流量制御方法は、ガス配管の途中に流量制限部材を設け、この流量制限部材よりも上流側の一次圧力及び下流側の二次圧力の差と前記流量制限部材の制限流路によるコンダクタンスとにより、二次側へ供給されるガス流量を設定するガス流量制御方法であって、
前記流量制限部材に、予め設定された径及び長さで、かつ、角部のない切り溝を機械加工することによって前記コンダクタンスを所定の公式に基いて算出可能な単一の制限流路を形成し、この流量制限部材の単一制限流路によるコンダクタンスと前記圧力差とにより二次側への供給ガス流量を設定することを特徴とするものである。

上記のような特徴を有する本発明によれば、予め設定された径及び長さで、かつ、角部のない切り溝を機械加工することによって流量制限部材に単一の制限流路を形成しているので、その制限流路のコンダクタンスＣは、機械加工時に設定された既知値である切り溝の径ｄ及び長さｌから、
Ｃ＝１３４９×ｄ⁴ ／ｌ×（Ｐ１−Ｐ２）／２ ……（３）
なる簡易な公式に基いて正確に算出することができる。また、制限流路の単一化によって、流量が極端に低下するデッドボリウムや、詰まり、滞留等の流れの不確定要素を最大限に抑制することが可能であり、上記コンダクタンスの再現性を確保することができる。したがって、限られた占有スペース内にガス流量を決定する上で必要不可欠なコンダクタンスを容易かつ正確に算出することができ、この正確なコンダクタンスを既述（１）式または（２）式に代入することでガス流量を安定よく、かつ、再現性よく設定し、製造プロセスへのガス供給量のばらつきをなくして製造品質の安定化に大きく寄与できるという効果を奏する。

本発明に係るガス流量制御方法において、前記流量制限部材の単一制限流路としては、請求項２に記載のように、ガス配管に同心接続可能なガス導入口を中心部に有する円板のガス流線方向に垂直な面に、前記ガス導入口を起点として渦巻き形状に機械加工された切り溝によって形成されたもの、あるいは、請求項３に記載のように、ガス配管に同心接続可能な円筒体内に嵌合保持された円柱体の外周面に、ガス流線方向に沿って螺旋状に機械加工された切り溝によって形成されたもののいずれであってもよい。このうち、特に、前者のものは、ガス流線方向での占有スペースを小さくしつつ、全長の長い制限流路を形成することが可能で、一次圧力を可変してワイドレンジで用いる場合も、上記公式（３）を用いてコンダクタンスを確実に再現することができる。

また、本発明に係るガス流量制御方法において、請求項４に記載のように、前記ガス配管に同心接続可能な円筒体内に嵌合保持された円柱体の外周面でその軸線方向に間隔を隔てた複数個所に、ガス流線方向に沿って螺旋状に機械加工された径及び／または長さの異なる複数の切り溝によってガス流線方向に複数の単一制限流路を形成し、この流量制限部材における前記円柱体と前記円筒体との軸線方向相対移動により、複数の単一制限流路のいずれか一つを選択使用して二次側への供給ガス流量を設定変更可能としてもよい。
この場合は、流量制限部材における円柱体と円筒体とを軸線方向に相対移動させて複数の制限流路の一つを選択使用することにより、コンダクタンスを複数段に変化させて供給ガス流量を広範囲に亘って設定変更することが可能となり、これによって、同一のガス配管を通して製造プロセスに異なる複数のガスをプロセス内容に見合った量で供給するといったマルチガス化、ワイドレンジ化を容易に実現でき、ガス流量制御方法を実現するために用いられるマスフローコントローラの製造及び保管コストの削減効果をも達成することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は半導体プロセス等の各種製造プロセスにおいて必要な種々のガスを供給するためのガス配送システムの概要図であって、プロセスチャンバー１に接続されたガス配管２に、第１のガス圧力調整機構３と第１開閉バルブ４とガス流量制御機構５と第２のガス圧力調整機構６と第２開閉バルブ７とが上流側から下流側にかけて順番に配設されている。

前記第１のガス圧力調整機構３は、ガス配管２内のガス元圧力Ｐ０を計測する圧力計３Ａとこの圧力計３Ａの計測圧力を受けて配管２内のガス元圧力Ｐ０が設定圧力になるように流路開度がフィードバック制御される可変バルブ３Ｂとからなる。また、第２のガス圧力調整機構６は、ガス流量制御機構５により流量設定された後のガス圧力Ｐ３が設定圧力になるように調整するもので、上記した第１のガス圧力調整機構３と同様に、圧力計６Ａと可変バルブ６Ｂとからなり、ここで調整された圧力のガスが開閉バルブ７を経てプロセスチャンバー１に供給される。

前記ガス流量制御機構５は、本発明に係るガス流量制御方法を実現するためのものであって、前記ガス配管２中に介在された流量制限部材８とこの流量制限部材８よりも上流側に配置されて一次圧力Ｐ１を測定する一次圧力計９と前記流量制限部材８よりも下流側の二次圧力Ｐ２を測定する二次圧力計１０とから構成されている。

前記ガス流量制御機構５における流量制限部材８は、図２〜図４に明示するように、前記ガス配管２に同心接続可能なガス導入口１１を中心部に有する直径Ｄが２０ｍｍ程度、厚さｔが２．５ｍｍ程度の円板１２と前記ガス配管２に接続可能なガス放出口１３を外周面に有する直径Ｄが２０ｍｍ程度、厚さｔが２．５ｍｍ程度の円板１４とからなり、そのうち一方の円板１４側のガス配管２内でのガス流線方向に垂直な面で他方の円板１２に密着される側の面には、切り溝１５が機械加工されている。

前記切り溝１５は、予め設定された直径ｄ及び１００ｍｍ程度の距離（長さ）ｌを有するとともに、全長に亘って角部が生じないように、前記ガス導入口１１を起点としガス放出口１３を終点として渦巻き形状（蝸牛形状）にフライス盤で一筆書き状に加工されている。この渦巻き形状の切り溝１５を有する円板１４と他方の円板１２とをシール（図示省略する）を介して気密状態に密着することにより、流量制限部材８に、既述（３）式、即ち、
Ｃ＝１３４９×ｄ⁴ ／ｌ×（Ｐ１−Ｐ２）／２ ……（３）
なる所定の公式に基いてコンダクタンスＣを算出可能な単一の制限流路１６が形成されている。

上記のような構成の流量制限部材８を用いたガス流量制御機構５によれば、その流量制限部材８における制限流路１６のコンダクタンスＣを、切り溝１５の機械加工時に予め設定されて既知の径ｄ及び長さ（距離）ｌを用いて簡易な公式（３）に基いて正確に算出することが可能であり、その算出されたコンダクタンスＣと一次圧力計９により測定された一次圧力Ｐ１及び二次圧力計１０で測定された二次圧力Ｐ２を既述（１）式または（２）式に代入することにより、プロセスチャンバー１へ供給されるガス流量を容易かつ正確に設定することが可能である。

因みに、図５は、切り溝１５の形態（径ｄと距離ｌ）と差圧ΔＰ（Ｐ１−Ｐ２）による流量（ｓｃｃｍ）変化の理論値を例示するグラフであって、該グラフ中に括弧書きして示した例からも明らかなように、流量制限部材８における制限流路１６を予め設定された直径ｄ及び距離（長さ）ｌのもとで機械加工された切り溝１５から形成することによって、ガス流量（ｓｃｃｍ）を安定よく、かつ、再現性よく設定することができ、これによって、プロセスチャンバー１に対して設定量のガスをばらつきなく供給して半導体等の製造品質の安定化が図れることは明らかである。

図６は前記ガス流量制御機構５における流量制限部材８の他の例を示す要部の概略断面構造であり、この流量制限部材８は、ガス配管２に同心接続可能な円筒体１７とこの円筒体１７内に同心状に嵌合保持させた円柱体（コンダクタンスビレット）１８とから構成されている。そして、前記コンダクタンスビレット１８の軸線方向に間隔を隔てた複数個所（図面上では３箇所で示すが、２箇所でも４箇所以上であってもよい）には、ガス流線方向に沿って螺旋状で互いに径ｄ及び長さｌの異なる切り溝１９ａ，１９ｂ，１９ｃが機械加工されており、これら切り溝１９ａ，１９ｂ，１９ｃによって、既述の（３）式示す公式に基いて３つのコンダクタンスＣ１、Ｃ２，Ｃ３を算出可能な単一制限流路２０ａ，２０ｂ，２０ｃがガス流線方向に３つ形成されている。

前記円筒体１７内部の軸線方向の中央部分には、前記コンダクタンスビレット１８における３つの単一制限流路２０ａ，２０ｂ，２０ｃの外周面に密接可能な小径部１７Ａが形成されているとともに、その両側部分には、各単一制限流路２０ａ，２０ｂ，２０ｃの外周面から離間して環状の直線ガス通路２１を形成可能な大径部１７Ｂが形成されている。また、前記コンダクタンスビレット１８の軸線方向一端側には、該コンダクタンスビレット１８をボールねじ等により軸線方向に駆動移動可能とするモータ２２がブラケット２３を介して円筒体１７に支持される状態に設けられている。

上記のような構成の流量制限部材８を用いたガス流量制御機構５によれば、前記モータ２２を駆動しコンタクタンスビレット１８を軸線方向に移動させて図６の（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示すように、３つの単一制限流路２０ａ，２０ｂ，２０ｃを択一的に前記小径部１７Ａ内に位置変更することにより、流量制限部材８によるコンダクタンスをＣ１〜Ｃ３の間で段階的に変化させて、そのコンダクタンスＣ１〜Ｃ３と一次圧力計９により測定された一次圧力Ｐ１及び二次圧力計１０で測定された二次圧力Ｐ２を既述（１）式または（２）式に代入することにより、プロセスチャンバー１へ供給されるガス流量を容易かつ連続的に設定変更することが可能である。

因みに、図７は、差圧４０Ｔｏｒｒ時における３つの単一制限流路２０ａ，２０ｂ，２０ｃのコンダクタンスＣ１，Ｃ２，Ｃ３と流量（ｓｃｃｍ）変化の理論値を例示するグラフであって、該グラフからも明らかなとおり、コンダクタンスをＣ１→Ｃ２→Ｃ３といつた具合に段階的に変化させることにより、ガス流量（ｓｃｍｍ）を広範囲に亘って設定変更することが可能であり、これによって、同一ガス配管１を通してプロセスチャンバー１に異なる複数のガスを製造プロセスの内容に見合った量で供給するといったマルチガス化、ワイドレンジ化を容易に実現することができ、ひいては、ガス流量制御方法を実現するために用いられるマスフローコントローラの製造及び保管コストの削減効果をも達成することができる。

なお、図６の例では、モータ等を用いてコンダクタンスを連続的に複数段に変化させ得るように、一つのコンダクタンスビレット１８に切り溝１９ａ，１９ｂ，１９ｃによる３つの制限流路２０ａ，２０ｂ，２０ｃを形成した構造の流量制限部材８について説明したが、機械加工された螺旋状の切り溝によって一つの制限流路を形成した構造の流量制限部材８を、図２〜図４に示すような構造の流量制限部材に代えて用いる場合においても、ガス流量を決定する上で必要不可欠なコンダクタンスを容易かつ正確に算出することが可能で、再現性のよい流量設定を行うことができるものである。

半導体プロセス等の各種製造プロセスにおいて必要な種々のガスを供給するためのガス配送システムの概要図である。 本発明に係るガス流量制御方法を実現するために用いられるガス流量制御機構における流量制限部材の構造を示す要部の側面図である。 図２のＸ−Ｘ矢視正面図である。 図２のＹ−Ｙ矢視正面図である。 流量制限部材における制限流路を形成する切り溝の形態と差圧による流量変化の理論値を例示するグラフである。 流量制限部材の他の例を示す要部の概略断面構造である。 図６に示す流量制限部材を用いた場合の差圧４０Ｔｏｒｒ時におけるコンダクタンスと流量変化の理論値を例示するグラフである。

符号の説明

２ ガス配管
８ 流量制限部材
１１ ガス導入口
１２，１４ 円板
１５，１９ａ〜１９ｃ 切り溝
１６，２０ａ〜２０ｃ 制限流路
１７ 円筒体
１８ コンダクタンスビレット（円柱体）
Ｐ１ 一次圧力
Ｐ２ 二次圧力
Ｃ，Ｃ１〜Ｃ３ コンダクタンス

Claims (4)

1. ガス配管の途中に流量制限部材を設け、この流量制限部材よりも上流側の一次圧力及び下流側の二次圧力の差と前記流量制限部材の制限流路によるコンダクタンスとにより、二次側へ供給されるガス流量を設定するガス流量制御方法であって、
   前記流量制限部材に、予め設定された径及び長さで、かつ、角部のない切り溝を機械加工することにより前記コンダクタンスを所定の公式に基いて算出可能な単一の制限流路を形成し、この流量制限部材の単一制限流路によるコンダクタンスと前記圧力差とにより二次側への供給ガス流量を設定することを特徴とするガス流量制御方法。
2. 前記流量制限部材の単一制限流路が、ガス配管に同心接続可能なガス導入口を中心部に有する円板のガス流線方向に垂直な面に、前記ガス導入口を起点として渦巻き形状に機械加工された切り溝によって形成されたものである請求項１に記載のガス流量制御方法。
3. 前記流量制限部材の単一制限流路が、ガス配管に同心接続可能な円筒体内に嵌合保持された円柱体の外周面に、ガス流線方向に沿って螺旋状に機械加工された切り溝によって形成されたものである請求項１に記載のガス流量制御方法。
4. 前記ガス配管に同心接続可能な円筒体内に嵌合保持された円柱体の外周面でその軸線方向に間隔を隔てた複数個所に、ガス流線方向に沿って螺旋状に機械加工された径及び／または長さの異なる複数の切り溝によってガス流線方向に複数の単一制限流路を形成し、この流量制限部材における前記円柱体と前記円筒体との軸線方向相対移動により、複数の単一制限流路のいずれか一つを選択使用して二次側への供給ガス流量を設定変更可能としている請求項３に記載のガス流量制御方法。