JP2011248773A - 流量比率制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】流量センサを用いずとも、供給流路からの流量を所定の比率で分割することができ、且つ低価格化を実現できる流量比率制御装置Ａを提供する。
【解決手段】混合プロセスガスＧが流れる一つの供給パイプＰＸをその下流側で分流させた第１の分流路１ａ及び第２の分流路１ｂと、前記各分流路上にそれぞれ設けられ、且つ、導入口及び導出口を有しこれら導入出口間に各々の抵抗値と対応する差圧を発生させるとともにその抵抗値比が所定比の第１の抵抗体２ａ及び第２の抵抗体２ｂと、前記第１の分流路１ａ上にある前記第１の抵抗体２ａの下流側に設けられ該第１の分流路１ａを流れる流体の流量を制御するコントロールバルブ３と、前記第１の抵抗体２ａの導出口２ａ１の圧力値と前記第２の抵抗体２ｂの導出口２ｂ１の圧力値との差がゼロとなるように、前記コントロールバルブ３を開閉制御する制御部６と、を具備するようにした。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体や液晶等の電子デバイス製造などに用いられる流量比率制御装置に関するものである。

従来、半導体ウエハ製造のために一つの供給ラインから供給されるガスを、予め設定されている任意の比率で下流側の複数のラインに分配する流量比率制御装置が知られている。

具体的にこの種の流量比率制御装置は、前記供給ラインに対して並列配置させた一つの比率設定用のマスフローコントローラ（以下、「比率設定用ＭＦＣ」とする）と、一つの調圧用のマスフローコントローラ（以下、「調圧用ＭＦＣ」とする）とを具備し、さらに前記比率設定用ＭＦＣは、上流側から供給されるガスの流量を計測する第１のマスフローメータ（流量センサ）と比率設定分の流量のガスを流すよう制御される第１の小型比例電磁弁（流量制御弁）とを有する一方、前記調圧用ＭＦＣは、上流側から供給されるガスの流量を計測する第２のマスフローメータ（流量センサ）と第２の小型比例電磁弁（流量制御弁）と圧力センサとを有するように構成されている。

そして、調圧を行いながら前記各マスフローメータからの流量出力信号値ａ１，ａ２をフィードバックさせた後、各流量出力信号値ａ１，ａ２を制御部の演算部で加算し、トータルの流量出力信号値（ａ１＋ａ２）とトータル流量に対する比率を設定するための流量比率設定信号値とを制御部において比較し、この制御部から出力される制御信号に基づいて、前記比率設定用ＭＦＣの第１の小型比例電磁弁（流量制御弁）を、比率設定分だけ制御するよう構成されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−０３８２３９号公報

しかしながら従来の構成では、流量センサが２個、流量制御弁が２個、圧力センサが１個必要であり、特に、流量センサを２個用いているために高価になるといった問題点を有している。また、流量の分割比率を変更できるようにしているため、構成が複雑になるといった問題点を有している。このため、分割比率を動的に可変する必要のないユーザからは、分割比率が固定の安価な流量比率制御装置の提供の要望が多い。

そこで本発明は、流量センサを用いずとも、供給流路からの流量を所定の比率で分割することができ、且つ低価格化を実現できる流量比率制御装置を提供することをその主たる課題としたものである。

すなわち、本発明に係る流量比率制御装置は、流体が流れる一つの供給流路をその下流側で分流させた第１の分流路及び第２の分流路と、前記各分流路上にそれぞれ設けられ、且つ、導入口及び導出口を有しこれら導入出口間に各々の抵抗値と対応する差圧を発生させるとともにその抵抗値比が所定比の第１の抵抗体及び第２の抵抗体と、前記第１の分流路上にある前記第１の抵抗体の下流側に設けられ該第１の分流路を流れる流体の流量を制御するコントロールバルブと、前記第１の抵抗体の導出口の圧力値と前記第２の抵抗体の導出口の圧力値との差がゼロとなるように、前記コントロールバルブを開閉制御する制御部と、を具備していることを特徴とする。

このようなものによれば、制御部が、第１の抵抗体の導出口の圧力値と、第２の抵抗体の導出口の圧力値との差がゼロとなるように、コントロールバルブの開閉制御を行うため、第１の抵抗体による圧力降下量（ｒ１×Ｑ１）と、第２の抵抗体による圧力降下量（ｒ２×Ｑ２）とは常に等しくなる。ここで、ｒ１は第１の抵抗体の抵抗値、ｒ２は第２の抵抗体の抵抗値、Ｑ１は第１の抵抗体を流れる流量、Ｑ２は第２の抵抗体を流れる流量とする。

そして、このようにそれぞれの圧力降下が等しいときの、第１の抵抗体を流れる流量と第２の抵抗体を流れる流量との比（Ｑ１：Ｑ２）は、ｒ１×Ｑ１＝ｒ２×Ｑ２より、これら各抵抗体の抵抗値比の逆数（ｒ２：ｒ１）である所定比になる。しかも供給流路から流れ込んで来る流量変化の影響を受けない。

例えば、第1の抵抗体と第２の抵抗体とに抵抗値の等しい層流素子を用いれば、第１の抵抗体を流れる流量と第２の抵抗体を流れる流量との比は１：１となり、供給流路からの流量を、その流れ込んでくる流量にかかわらず、第１の分流路及び第２の分流路に２等分割することができる。

なお、制御部が、前記圧力値差を「ゼロ」ではなく例えば「一定差」となるように、コントロールバルブの開閉制御を行うように構成した場合には、各抵抗体に流れる流量の流量比は、上述したような単純比とはならず、また、流量比を求める際に供給流路の圧力変動の影響を受けるため、構成が複雑化してしまう。

すなわち、本願発明によれば、流量センサを用いずとも、供給流路からの流量を各分流路に所定比の流量比で分割することができ、低価格化を図ることができるといった流量比率制御装置を提供することができる。

本発明の望ましい態様としては、前記第１の抵抗体の導出口側の圧力を検知する第１の圧力センサと、前記第２の抵抗体の導出口側の圧力を検知する第２の圧力センサと、を具備し、前記制御部が、前記第１の圧力センサで検知した圧力値と前記第２の圧力センサで検知した圧力値とに基づいて、各圧力値の差がゼロとなるように、前記コントロールバルブを開閉制御するようにしたものが挙げられる。

また、本発明の他の望ましい態様としては、前記第１の抵抗体の導出口側と前記第２の抵抗体の導出口側との差圧を検知する差圧センサを具備し、前記制御部が、前記差圧センサで検知した差圧値に基づいて、その差圧値がゼロとなるように、前記コントロールバルブを開閉制御するようにしたものが挙げられる。

前記抵抗体が層流素子であれば、抵抗値比が所定比のものを用意するのが容易であり、無用なコストアップを招くことがない。

このように本発明に係る流量比率制御装置は、分割比率を例えばｍ：ｎにしたい場合には、抵抗値比がｍ：ｎの抵抗体を、第１の分流路及び第２の分流路に設けるとともに一方の抵抗体の下流側にコントロールバルブを設け、さらに、各抵抗体の下流側の圧力値がゼロになるように、制御部によってコントロールバルブを制御れば良く、いたって簡単な構成でありながら、供給流路からの流量を、その流れ込んでくる流量にかかわらず、各分流路にｍ：ｎに分割することができる。

このように、流量を固定比率で分割可能な流量比率制御装置を安価に供給できるため、比率設定を動的に可変させる必要のないユーザの要望を満たすことができる。

本発明の一実施形態に係る流量比率制御装置を用いた半導体ウエハ製造装置を示す全体機器構成図。 同実施形態における流量比率制御装置の機器構成図。 同実施形態における各抵抗体の差圧−流量特性を示す図。 同実施形態における流量比率制御装置の制御部の機能構成図。 本発明の他の実施形態における流量比率制御装置の機器構成図。 本発明の他の実施形態における流量比率制御装置の機器構成図。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

本実施形態の流量比率制御装置Ａは、図１に示す半導体ウエハ製造装置Ｚの一部を構成するものである。

半導体ウエハ製造装置Ｚは、半導体ウエハの製造に用いる数種類のガスを高圧でそれぞれ貯蔵する複数のガスボンベＢ１〜Ｂｎ（以下、「ガスボンベＢ」と総称する）と、各ガスボンベＢから供給される各ガスの流量制御をそれぞれ制御する複数のマスフローコントローラＣ１〜Ｃｎ（以下、「マスフローコントローラＣ」と総称する）と、各マスフローコントローラＣの下流側に設けた流量比率制御装置Ａと、流量比率制御装置Ａの下流側に設けた半導体チャンバＤとを具備して成る。そして、本実施形態では、各マスフローコントローラＣのぞれぞれの出口側に接続したパイプＰ１〜Ｐｎの下流側を、１つの供給パイプＰＸ（本発明の「供給流路」に相当）に集合させてから、流量比率制御装置Ａに接続させている。これにより、各マスフローコントローラＣからの各ガスは、供給パイプＰＸ内で混合し、混合プロセスガスＧ（本発明の「流体」に相当）として、流量比率制御装置Ａに供給されることとなる。

以下、流量比率制御装置Ａについて、具体的に説明する。

流量比率制御装置Ａは、図２に示すように、前記供給パイプＰＸをその下流側で分流させた第１の分流路１ａ及び第２の分流路１ｂと、第１の分流路１ａ上に設けた第１の抵抗体２ａと、この第１の抵抗体２ａの下流側に設けたコントロールバルブ３と、第１の抵抗体２ａの導出口２ａ２側の圧力を検知する第１の圧力センサ４ａと、第２の分流路１ｂ上に設けた第２の抵抗体２ｂと、この第２の抵抗体２ｂの下流側に設けた第３の抵抗体５と、第２の抵抗体２ｂの導出口２ｂ２側の圧力を検知する第２の圧力センサ４ｂと、第１の抵抗体２ａの導出口２ａ２の圧力値と第２の抵抗体２ｂの導出口２ｂ２の圧力値との差がゼロとなるように、コントロールバルブ３を開閉制御する図示しない制御部６と、を具備して成る。以下、各部を詳述する。

第１の抵抗体２ａは、導入口２ａ１及び導出口２ａ２を有しこれら導入出口間に自身の抵抗値と対応する差圧を発生させるものであって、本実施形態では、この第１の抵抗体２ａの抵抗値と第２の抵抗体２ｂの抵抗値との抵抗比が、ｍ：ｎとなる層流素子を用いている（図３参照）。

コントロールバルブ３は、詳細は図示しないが、例えば、その弁開度をピエゾ素子よりなるアクチュエータによって変化させ得るように構成したものであって、制御部６からの開度制御信号によって前記アクチュエータを駆動し、その開度制御信号の値に応じた弁開度に調整して、第１の分流路１ａを流れる混合プロセスガスＧの流量を制御するものである。

第１の圧力センサ４ａは、やはり詳細は図示しないが、例えば圧力トランスデューサよりなり、所定の時間間隔、例えば数ｍＳｅｃ毎に、第１の抵抗体２ａの導出口側の第１の分流路１ａを流れる混合プロセスガスＧの圧力をサンプリングして検出し、その検出された圧力値を圧力検出信号として制御部６に向けて出力するものである。

第２の抵抗体２ｂは、第１の抵抗体２ａと同様であるので説明を省略する。

第３の抵抗体５は、第２の抵抗体２ｂの下流側に圧力を発生させる目的で設けたものであって、本実施形態では、層流素子を用いている。なお、この第３の抵抗体５は、流路を細くするといった構成でも良い。

第２の圧力センサ４ｂは、第１の圧力センサ４ａと同様であるので説明を省略する。

制御部６は、図示しないＣＰＵやメモリ、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器等を有したデジタル乃至アナログ電気回路で構成されたもので、専用のものであってもよいし、一部又は全部にパソコン等の汎用コンピュータを利用するようにしたものであってもよい。また、ＣＰＵを用いず、アナログ回路のみで前記各部としての機能を果たすように構成してもよいし、物理的に一体である必要はなく、有線乃至無線によって互いに接続された複数の機器からなるものであってもよい。

そして前記メモリに所定のプログラムを格納し、そのプログラムにしたがってＣＰＵやその周辺機器を協働動作させることによって、この制御部６が、図４に示すように、第１の圧力検出信号受信部６ａ、第２の圧力検出信号受信部６ｂ、開度制御信号生成部６ｃ、及び開度制御信号出力部６ｄとしての機能を少なくとも発揮するように構成している。

第１の圧力検出信号受信部６ａは、第１の圧力センサ４ａ部から送信されてくる圧力検出信号を受信するものである。

第２の圧力検出信号受信部６ｂは、第２の圧力センサ４ｂ部から送信されてくる圧力検出信号を受信するものである。

開度制御信号生成部６ｃは、第１の圧力検出信号受信部６ａで受信した圧力検出信号が示す第１の圧力センサ４ａの圧力値と、第２の圧力検出信号受信部６ｂで受信した圧力検出信号が示す第２の圧力センサ４ｂの圧力値とに基づいて、各圧力値の差がゼロとなるように、コントロールバルブ３を開閉制御する開度制御信号を生成するものである。

開度制御信号出力部６ｄは、開度制御信号生成部６ｃで生成した開度制御信号を、コントロールバルブ３に出力するものである。

次に上記構成の流量比率制御装置Ａの動作について説明する。

各マスフローコントローラＣで流量制御された各ガスが、供給パイプＰＸ内で混合され、混合プロセスガスＧとして流量比率制御装置Ａに導入されると、供給パイプＰＸの下流側で分流させた第１の分流路１ａ及び第２の分流路１ｂに流れ込む。

このとき、制御部６が、第１の抵抗体２ａの導出口２ａ２の圧力値と、第２の抵抗体２ｂの導出口２ｂ２の圧力値との差がゼロとなるように、コントロールバルブ３の開閉制御を行っているため、第１の抵抗体２ａによる圧力降下量（ｒ１×Ｑ１）と、第２の抵抗体２ｂによる圧力降下量（ｒ２×Ｑ２）とは常に等しくなる。なお、ｒ１は第１の抵抗体２ａの抵抗値、ｒ２は第２の抵抗体２ｂの抵抗値、Ｑ１は第１の抵抗体２ａを流れる流量、Ｑ２は第２の抵抗体２ｂを流れる流量である。

そして、このようにそれぞれの圧力降下が等しいときの、第１の抵抗体２ａを流れる流量と第２の抵抗体２ｂを流れる流量との比（Ｑ１：Ｑ２）は、ｒ１×Ｑ１＝ｒ２×Ｑ２より、これら各抵抗体２ａ，２ｂの抵抗値比の逆数（ｒ２：ｒ１）である所定比になる。しかも供給パイプＰＸから流れ込んで来る流量変化の影響を受けない。

例えば、第１の抵抗体２ａと第２の抵抗体２ｂとに抵抗値の等しい層流素子を用いれば、第１の抵抗体２ａを流れる流量と第２の抵抗体２ｂを流れる流量との比は１：１となり、供給パイプＰＸからの流量を、その流れ込んでくる流量にかかわらず、第１の分流路１ａ及び第２の分流路１ｂに２等分割することができる。

したがって、このような流量比率制御装置Ａによれば、抵抗値の等しい２つの抵抗体２ａ，２ｂを、第１の分流路１ａ及び第２の分流路１ｂに設けるとともに一方の抵抗体２ａの下流側にコントロールバルブ３を設け、さらに、各抵抗体２ａ，２ｂの下流側の圧力値がゼロになるように、制御部６によってコントロールバルブ３を制御するといった簡単な構成でありながら、供給パイプＰＸからの流量を、その流れ込んでくる流量にかかわらず、各分流路に２等分割することができる。

また、分割比率を例えばｍ：ｎに変えたい場合には、抵抗値比がｍ：ｎの抵抗体を用いればよい。

このように、簡単な構成であるため安価に構成でき、比率設定を動的に可変させる必要のないユーザには、低価格で提供することができる。

すなわち、流量センサを用いずとも、供給パイプＰＸからの流量を各分流路１ａ、１ｂに所定比の流量比で分割することができ、低価格化を図れる流量比率制御装置Ａを提供することができる。

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、第１の圧力センサ４ａと第２の圧力センサ４ｂとを用いているが、それらに代えて、図５に示すように、第１の抵抗体２ａの導出口側と第２の抵抗体２ｂの導出口側との差圧を検知する差圧センサ４Ｘを設け、制御部６が、差圧センサ４Ｘで検知した差圧値に基づいて、その差圧値がゼロとなるように、コントロールバルブ３を開閉制御するように構成してもよい。

また、図６に示すように、１つの供給パイプＰＸの下流側を３以上の分流路１ａ〜１ｎに分流するとともに、そのうちの１つの分流路１ａに比率制御用の第１の抵抗体２ａとコントロールバルブ３とを直列配置する一方、他の分流路１ｂ〜１ｎには比率制御用の第２の抵抗体２ｂと圧力発生用の抵抗体５とを直列配置し、さらに各比率制御用の抵抗体２ａ，２ｂの下流側の圧力差がゼロとなるように制御部６でコントロールバルブ３を制御するといった実施態様も考えられる。

ここで、全ての比率制御用の抵抗体の抵抗値が等しければ、供給パイプＰＸからの流量を、その流れ込んでくる流量にかかわらず、各分流路にｎ等分割することができる。

また、供給パイプＰＸから流量比率制御装置Ａに導入されるガスを混合ガスとしているが、混合していないガスであってもよい。

その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

Ａ・・・・・流量比率制御装置
Ｇ・・・・・流体（混合プロセスガス）
ＰＸ・・・・供給流路（供給パイプ）
１ａ・・・・第１の分流路
１ｂ・・・・第２の分流路
２ａ・・・・第１の抵抗体
２ａ１・・・第１の抵抗体２ａの導入口
２ａ２・・・第１の抵抗体２ａの導出口
２ｂ・・・・第２の抵抗体
２ｂ１・・・第２の抵抗体２ｂの導入口
２ｂ２・・・第２の抵抗体２ｂの導出口
３・・・・・コントロールバルブ
４ａ・・・・第１の圧力センサ
４ｂ・・・・第２の圧力センサ
４Ｘ・・・・差圧センサ
６・・・・・制御部

Claims (4)

1. 流体が流れる一つの供給流路をその下流側で分流させた第１の分流路及び第２の分流路と、
   前記各分流路上にそれぞれ設けられ、且つ、導入口及び導出口を有しこれら導入出口間に各々の抵抗値と対応する差圧を発生させるとともにその抵抗値比が所定比の第１の抵抗体及び第２の抵抗体と、
   前記第１の分流路上にある前記第１の抵抗体の下流側に設けられ該第１の分流路を流れる流体の流量を制御するコントロールバルブと、
   前記第１の抵抗体の導出口の圧力値と前記第２の抵抗体の導出口の圧力値との差がゼロとなるように、前記コントロールバルブを開閉制御する制御部と、を具備していることを特徴とする流量比率制御装置。
2. 前記第１の抵抗体の導出口側の圧力を検知する第１の圧力センサと、
   前記第２の抵抗体の導出口側の圧力を検知する第２の圧力センサと、を具備し、
   前記制御部が、前記第１の圧力センサで検知した圧力値と前記第２の圧力センサで検知した圧力値とに基づいて、各圧力値の差がゼロとなるように、前記コントロールバルブを開閉制御することを特徴とする請求項１記載の流量比率制御装置。
3. 前記第１の抵抗体の導出口側と前記第２の抵抗体の導出口側との差圧を検知する差圧センサを具備し、
   前記制御部が、前記差圧センサで検知した差圧値に基づいて、その差圧値がゼロとなるように、前記コントロールバルブを開閉制御することを特徴とする請求項１記載の流量比率制御装置。
4. 前記抵抗体が、層流素子であることを特徴とする請求項１乃至３いずれか記載の流量比率制御装置。