JP2814378B2 - マスフローコントローラ - Google Patents

マスフローコントローラ

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、基体に形成された流体入口と流体出口との
間に、流体流量を測定するマスフローメータ部と、流体
流量を制御する流体制御部とを設けてなるマスフローコ
ントローラの改良に関する。
〔従来の技術〕
上記マスフローコントローラとして、例えば特公昭59
−41126号公報に示されるように、マスフローメータ部
に毛細管を設けると共に、バイパス部に前記毛細管と同
一特性を有する毛細管を1又は複数本設けたものがあ
る。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかしながら、上記従来技術には次のような欠点があ
る。
即ち、一般に、この種マスフローコントローラは半導
体製造等に用いられるガスの供給系に使用されることが
多く、制御するガスはN2,Ar等の不活性ガスやH2,SiH4,B
2H6等の可燃性ガスやHCl,Cl2,WF6,BCl3等の高腐蝕性ガ
ス等多種に亘っている。そして、半導体製造時には、供
給ガスやマスフローコントローラ内壁に残存する水分に
より汚染されないようにするため、随時必要に応じてマ
スフローコントローラに高純度(露点−100℃以下)のN
2等の不活性ガスを流しながらベークアウトし、前記水
分を除去する必要がある。このベークアウトは、マスフ
ローコントローラを含むガス配管系にテープヒータを巻
き付けたり、或いは直接電流を流したり、又はガス配管
系全体を保温容器内に入れるなどして所定温度にまで加
熱することによって行われる。
而して、上記公報に開示されたマスフローコントロー
ラにおいては、流量制御弁の流量非制御時における最大
流量と流量制御時における最大流量との比が5:1程度で
あり、特に、最大制御流量が数10〜数cc/minのマスフロ
ーコントローラの場合、ベークアウト時の温度を120℃
にしてこれを3ヵ月間行っても、水分量は20〜30ppbま
でしか低下しないという欠点がある。
このことをより詳しく、例えばマスフローコントロー
ラが半導体製造用のプロセスガス供給系に使用される場
合について説明する。
ポリシリコン、SiO2,Si3N4,Al,Al−Si,Al−Si−Cuと
いった大規模集積回路(LSI)に使われる薄膜は、スパ
ッタ成膜或いはCVD(Chemical Vapor Deposition)成膜
によって形成される。
スパッタ成膜の際、スパッタ装置に流すガスとして通
常Arが用いられる。LSIのパターンが微細化すると、シ
リコン基板と配線及び多層配線の上下を接続するコンタ
クトホール及びスルーホールのアスペクト比は高くな
る。サブミクロン孔径の細くて深いコンタクトホール,
スルーホールに電極材料をきちんと詰めようとすると、
スパッタ時のプロセスガス圧力は例えば10-3Torr台とい
ったように低ガス圧化する。プロセスチャンバ排気用の
ポンプの排気量を実用的な大きさに保とうとすれば、当
然のことながら、プロセスガス圧力が低くなると、供給
されるArガス流量は小さくなる。
一方、CVD成膜の際使用されるガスは、SiH4,Si2H6,WF
6,NH3等のガスであり、通常その流量は大きい。
又、微細パターンをエッチング加工するRIE(Reactiv
e Ion Etching)装置やイオン注入装置においては、そ
のガス流量は殆どの場合精々数10cc/minである。
このような小さいガス流量を精密に制御するために使
用されるマスフローコントローラの最大流量は通常精々
100cc/minである。
従来、マスフローコントローラは反応性ガスの堆積物
等による目詰まり事故の多い部品であった。この目詰ま
り事故は殆どの場合マスフローコントローラ自身によっ
て生ずるのではなく、ガス配管系の外部リークや内壁か
らの脱ガスの主成分である水分と例えばSiH4やSi2H6
の反応生成物であるSiOX粉末等によって引き起こされる
のである。
又、最近4〜5年間の部品及び突き合わせ溶接技術等
の施工技術の進歩により、外部リーク量は1×10-11Tor
r・l/sec(検出器限界)以下にまで小さくなってきてい
る。現状では、ガス配管系内壁からの水分を中心とする
放出ガスが最大の汚染源である。
従って、マスフローコントローラ等を含むガス配管系
は組み立てられた後、超高純度のN2ガス或いはArガスに
よるパージされ、ガス配管系内壁に吸着する汚染分子を
脱離させている。水分のように脱離させ難い分子の場合
には、最低限100℃を超える状態でのベーキングが必要
である。
故障の可能性が高いこと及び定期的な流量較正の必要
性から、マスフローコントローラはガス配管系に組み込
まれるときは、第2図に示すようなユニットに構成され
る。即ち、同図において、101はマスフローコントロー
ラ、102,103,104,105はストップバルブ、106はガス流入
口、107はガス流出口、108はバイパスラインである。そ
して、ストップバルブ102と104及びストップバルブ103
と105はそれぞれ一体に構成された2連3方モノブロッ
クバルブである。而して、プロセスガスを流すときに
は、ストップバルブ102,103を開、ストップバルブ104,1
05を閉とする。マスフローコントローラ101を取り外す
ときはストップバルブ102,103を閉、ストップバルブ10
4,105を開とし、ガス流入口106→バイパスライン108→
ガス流出口107の経路でN2,Ar等のパージガスを流しなが
ら脱着する。
RIE装置用ガス配管系に最大流量20cc/minのマスフロ
ーコントローラを組み込んだ場合のガスパージ効果を第
3図に示す。
この図において、縦軸はパージに用いたN2ガスがガス
配管系を通過して装置に流れ込む寸前のところでの露点
及び水分濃度を示し、横軸はパージの経過日数である。
パージに用いているN2ガス中の水分量は、1ppb以下であ
る。そして、露点と水分濃度との関係は既に各ハンドブ
ック等に示されているが、概略、−90℃:95ppb,−100
℃:14ppb,−110℃:1ppbである。
そして、図中、太い実線部分は、バイパスラインを通
して5/minのN2ガス流量でパージしている状態を示
し、細い実線部分はマスフローコントローラを通して10
0cc/minのN2ガス流量でパージしている状態を示してい
る。又、図中の上部斜線部は通ガス状態で全系が120℃
に昇温されていることを示し、斜線部以外は昇温を行っ
ていないことを示している。
そして、5/minのN2ガス流量でパージを行えば、数
日で露点が−110℃(水分濃度1ppb)に到達するが、マ
スフローコントローラを通して100cc/minのN2ガス流量
でパージした場合は、露点は−95℃程度にしか下がら
ず、マスフローコントローラ内壁に吸着されている水分
が完全に除去できてないことが判る。又、ベーキングを
繰り返しながら3ヵ月間N2パージを行ったが、マスフロ
ーコントローラを通した場合には、露点が−97℃(水分
濃度25ppb)がやっとであった。
而して、プロセスの高性能化を図るには、マスフロー
コントローラのパージが少なくとも1週間程度で露点が
−110℃(水分濃度1ppb)に到達することが絶対に必要
である。
本発明は、上述の事柄に留意してなされたもので、そ
の目的とするところは、外部回路を設けることなく、ベ
ークアウトの際、短期間のうちに完全に水分を除去する
ことができるパージ機能付きマスフローコントローラを
提供することにある。
〔課題を解決するための手段〕
上述の目的を達成するため、本発明に係るマスフロー
コントローラは、基体に形成された流体入口と流体出口
との間に、流体流量を測定するマスフローメータ部と、
流体流量を制御する流体制御部とを設けてなる常開のマ
スフローコントローラにあって、前記流体制御部には、
所定のオリフィス径に開口する弁口を備えた弁座が設け
られる一方、その弁座との間の隙間を調整するために弁
体駆動部によって駆動される弁体がダイヤフラムを介し
て前記基体側に支持され、その弁座及び弁体の相対向す
る部分がそれぞれ鏡面仕上げされた平面に形成されると
共に、流体非制御時には、流体制御時における最大流量
の50倍以上の流量を確保できるように、前記弁座のオリ
フィス径と、前記弁座と弁体との間の隙間を設定してな
ることを特徴としている。
〔作用〕
上記構成によれば、流体制御部に設けられる弁座及び
弁体の相対向する部分を平面とし、この平面が鏡面仕上
げされているから、微小流量領域における流量制御が高
精度に行え、しかも、流量非制御時には、流量制御時に
おける最大流量の50倍以上の流量を確保できるように、
弁座のオリフィス径と弁座と弁体との間の隙間を設定し
ているので、パージモードを用いたベークアウトの際、
外部回路を設けることなく短期間のうちに完全に水分を
除去することができ、上記目的は完全に達成される。
〔実施例〕
以下、本発明の一実施例を、図面を参照しながら説明
する。
第1図は所謂ノルマルオープンタイプのマスフローコ
ントローラの一例を示し、同図において、1は基体、2,
3は基体1に形成された流体入口,流体出口である。4
は流体入口2と流体出口3との間に形成される流体流路
で、マスフローメータ部5と流体制御部6とが設けてあ
る。尚、図示する例においては、マスフローメータ部5
が流体制御部6よりも上流側に設けてあるが、この配置
を逆にしてもよい。
前記マスフローメータ部5は、流体流路4に臨むよう
に開設された測定流路入口7と測定流路出口8との間を
接続する例えば薄肉毛細管よりなる導管9に例えば熱式
質量流量センサよりなる抵抗体10u,10dを巻回してなる
もので、熱式質量流量センサ10u,10dは図外のブリッジ
回路に接続してある。11は流体流路4に形成された定分
流比特性を有するバイバス部である。
そして、前記流体制御部6は、次のように構成されて
いる。即ち、前記バイバス部11よりも下流側の流体流路
4に弁口12を備えた弁座13が設けられると共に、弁口12
との間隔を調整することにより、その弁口12の開度を調
節する弁体14がその弁頭部14Aを弁口12に近接した状態
で設けられている。この弁体14は弁体ガイド15内を上下
方向に移動し得るように、しかも、通常時、弁座13との
間に若干の隙間が形成されるように、金属製のダイヤフ
ラム16によって保持されている。
更に、前記弁座13及び弁体14の相対向する部分13a,14
aはそれぞれ鏡面仕上げによって極めて平滑な平面(R
maxが0.5tl以下)に形成されている。
17は弁体14を所定の方向に駆動する弁体駆動部で、例
えば複数の圧電素子を積層してなるピエゾスタックより
なる。この弁体駆動部17は弁ブロック18に螺着された筒
状カバー体19内に収容され、所定の直流電圧を印加する
ことによりその出力部が下方に変位し、これによって弁
体14が下降し、弁口12の開度が変化するのである。
そして、上記流体制御部6においては、流量制御部材
13,14の流量非制御時における最大流量が、流量制御時
における最大流量に比べてはるかに大きくなるように、
例えば50〜100倍又はそれ以上になるように設定してあ
る。
尚、第1図において、20〜26はシール部材としての金
属製Oリングである。
而して、上記構成のマスフローコントローラにおい
て、流量制御部材13,14の流量制御部分13a,14aが鏡面仕
上げされているので、弁口12の開度調節をサブミクロン
乃至ミクロンオーダーで行うことができ、それだけ小さ
い制御分解能を得ることができるから、極めて小流量領
域において精度よく流量制御することができると共に、
従来技術に比べて弁座13のオリフィス径を約20倍、開度
を約3倍に拡大しているので、流量非制御時における最
大流量が流量制御時における最大流量に比べてはるかに
大きく、ベークアウト時においてバイパスライン等の外
部回路を設けなくても、最大制御流量が数10cc/minとい
ったマスフローコントローラでもパージモード状態にす
れば、不活性ガスを5/minといった大流量で流すこと
ができるもので、ベークアウトを短時間で、しかも、水
分を完全に除去した状態にすることができる。
本発明は、上述の実施例に限られるものではなく、例
えば弁体駆動部17はサーマル駆動方式等種々のもので構
成することができる。又、ノルマルクローズタイプのマ
スフローコントローラにも適用することができる。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明に係るマスフローコント
ローラは、流体制御部に設けられる弁座及び弁体の相対
向する部分を平面とし、この平面を鏡面仕上げすると共
に、流量非制御時には、流量制御時における最大流量の
50倍以上の流量を確保できるようにして、水分パージ機
能を持たせているので、ベークアウトの際、外部回路を
設けることなく短期間のうちに完全に水分を除去するこ
とができる。従って、本発明によれば、例えば半導体製
造におけるプロセスを高性能化させることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例に係るマスフローコントロー
ラを示す縦断面図である。 第2図は従来技術を説明するためのブロック図、第3図
はガスパージ効果を説明するための図である。 1……基体、2……流体入口、3……流体出口、5……
マスフローメータ部、6……流体制御部、13……弁座、
14……弁体、13a,14a……流量制御部分。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 実開 昭61−94906(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01F 1/68 G05D 7/06

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】基体に形成された流体入口と流体出口との
    間に、流体流量を測定するマスフローメータ部と、流体
    流量を制御する流体制御部とを設けてなる常開のマスフ
    ローコントローラにおいて、前記流体制御部には、所定
    のオリフィス径に開口する弁口を備えた弁座が設けられ
    る一方、その弁座との間の隙間を調整するために弁体駆
    動部によって駆動される弁体がダイヤフラムを介して前
    記基体側に支持され、その弁座及び弁体の相対向する部
    分がそれぞれ鏡面仕上げされた平面に形成されると共
    に、流体非制御時には、流体制御時における最大流量の
    50倍以上の流量を確保できるように、前記弁座のオリフ
    ィス径と、前記弁座と弁体との間の隙間を設定してなる
    ことを特徴とするマスフローコントローラ。
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