JP4351495B2 - 流量比率制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、流量比率制御装置に関する。

近年、半導体製造プロセスにおいては、半導体ウエハの大型化に伴い、半導体ウエハを収容して半導体ウエハの膜付けを行うために用いるチャンバも大型化されている。この場合、チャンバ内に導入される膜付け用のガス（流体の一例）の濃度分布の均一性が問題となっている。例えば、図１１に示すように、複数のガス供給ライン８７，８８および８９にそれぞれ設けられたマスフローコントローラ（ＭＦＣ）９０，９１，９２により流量制御されたガスａ，ｂ，ｃが各ガス供給ライン８７，８８および８９を通じて混合ガスｄとなり、この混合ガスｄがチャンバ９３内に流れ込むが、チャンバ９３は一つのガス導入口９４しか持たないのでチャンバ９３内部で混合ガスｄの濃度分布に偏りが生じることがある。Ｓは、半導体ウエハである。そこで、図１０に示すように、チャンバ９３内に流れ込んできた混合ガスｄに対して任意の比率で２ライン９５，９６、もしくは、３ライン以上に混合ガスｄを分配し、多方向からチャンバ９３内に混合ガスｄを送り込むために使用されるものとして従来から流量比率制御装置（レシオコントローラ）９７がある。同時に、この装置９７から前記マスフローコントローラ９０，９１，９２に通じる配管内の圧力も任意で調圧が行われる。図１０において、９８，９９は、チャンバ９３に設けた二つのガス導入口である。１００は合流ラインである。

従来の前記流量比率制御装置（レシオコントローラ）９７は、図７に示すように、マスフローメータ（ＭＦＭ）７０と、マスフローメータ７０の下流側に配置されたマスフローコントローラ７１（図８参照）と、マスフローメータ７０の下流側に配置された圧力センサを備えた電子制御レギュレータ７２（図９参照）とで構成されていた。マスフローコントローラ７１と電子制御レギュレータ７２は並列配置されている。
図８において、マスフローコントローラ７１は、本体ブロック６１に形成された流体入口６２と流体出口６３との間に、ガスＧをバイパスさせるバイパス素子６４と、ガスＧの流量測定を行うマスフローメータ（流量センサ部）６５とを並列的に設け、マスフローメータと流量制御バルブ６６とを同じ側に設置してある。
また、図９において、電子制御レギュレータ７２は、本体ブロック６１’に形成された流体入口６２’から流量制御バルブ６６’に通じる流路７３の途中に圧力センサ７４を設け、この圧力センサ７４と流量制御バルブ６６’とを同じ側に設置してある。

前記従来の流量比率制御装置９７では、図７に示すように、合流ライン１００に流れ込んできたガスの全流量をマスフローメータ（ＭＦＭ）７０で計測し、その出力〔ＭＦＭ出力（Ａ）〕を基にして、マスフローメータ７０より下流側に位置する一台のマスフローコントローラ７１で「ＭＦＭ出力（Ａ）×比率」分のガスを逃がし、更に、もう一台の電子制御レギュレータ７２にて、この装置９７から前記マスフローコントローラ９０，９１，９２（図１０参照）に繋がる配管圧力が一定になるように制御している。

すなわち、図示しない制御部にＭＦＭ出力（Ａ）が入力され、前記制御部から、前記ＭＦＭ出力（Ａ）に基いて、予め設定されている設定比率に相当する設定比率信号〔ＭＦＭ出力（Ａ）×比率〕（制御信号）をマスフローコントローラ７１の流量制御バルブ６６に出力し、出力された前記設定比率信号〔ＭＦＭ出力（Ａ）×比率〕（制御信号）に基づいて流量制御バルブ６６の開度を制御することで、合流ライン１００に流れ込んできたガスの全流量のうち、「ＭＦＭ出力（Ａ）×比率」に相当する流量のガスがマスフローコントローラ７１の流体出口６３から一方のライン９５に至り一方のガス導入口９８（図１０参照）を介してチャンバ９３内に送り込まれるととともに、「ＭＦＭ出力（Ａ）−ＭＦＭ出力（Ａ）×比率」に相当する流量のガスが電子制御レギュレータ７２の流体出口６３’から他方のライン９６に至り他方のガス導入口９９（図１０参照）を介してチャンバ９３内に送り込まれる。

ところで、従来の流量比率制御装置９７では上記の制御を行うために、個々に異なる製品７０〜７２が三台必要であり、これらを得るためには多くの工数が必要であるとともに、コスト高になっていた。

また、マスフローコントローラ７１は、流量センサ部６５と制御バルブ６６とを同じ側に設置していたため、マスフローコントローラ７１をガス供給ラインの基板（図示せず）に設置する際に、図８において、マスフローコントローラ７１の流体入口６２と流体出口６３の前記基板への設置方向（Ｙ方向）に直角な方向（Ｘ方向）におけるマスフローコントローラ７１の横の長さに比してＹ方向における縦の長さｙが大であり、また、図９において、電子制御レギュレータ７２でも流体入口６２’と流体出口６３’の前記基板への設置方向（Ｙ方向）の長さｙがこの設置方向に直角な方向の長さよりも大であり、ガス供給ラインを小型化できる集積タイプのものが望まれている。

この発明は、上述の事柄に留意してなされたもので、その目的は、小型化および軽量化できるとともに、少ない工数で、かつ、コスト安に得ることができる流量比率制御装置を提供することである。

上記目的を達成するために、この発明の流量比率制御装置は、上流側から供給される流体の流量を計測するマスフローメータおよび比率設定分の流量の流体を流すよう制御される流量制御弁を有する少なくとも一つの比率設定用のマスフローコントローラと、上流側から供給される流体の流量を計測するマスフローメータ、流量制御弁および圧力センサを有する調圧用のマスフローコントローラとを備え、上流側から供給される流体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よう前記比率設定用のマスフローコントローラと調圧用のマスフローコントローラが並列配置されてなり、前記調圧用のマスフローコントローラの上流側の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を制御部にフィードバックさせた後前記各流量出力信号を加算し、トータルの流量出力信号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とを前記制御部において乗算し、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のマスフローコントローラの前記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ことを特徴としている。

この発明では、マスフローメータ、流量制御弁に圧力センサを追加してなる調圧用のマスフローコントローラを電子制御レギュレータとして機能させているので、二種類とは言え、別機能を持つ比率設定用のマスフローコントローラとの構成部品を共通化でき、従来、個々に異なる構造を持つ三種類の製品（マスフローメータ、マスフローコントローラ、電子制御レギュレータ）が必要であった場合に比して、少ない工数で二種類の製品をコスト安に得ることができる。

以下、この発明の実施形態を、図を参照しながら説明する。なお、それによってこの発明は限定されるものではない。

図１〜図６は、この発明の一実施形態を示す。
図１〜図６において、流量比率制御装置１は、上流側の一つの合流ライン１００から供給されるガスｄ（流体の一例）（図１０参照）を予め設定されている任意の比率Ｒで下流側の複数のライン９５，９６に分配するためのもので、一つの比率設定用のマスフローコントローラ４と一つの調圧用のマスフローコントローラ８とで主として構成されている。前記比率設定用のマスフローコントローラ４と調圧用のマスフローコントローラ８は合流ライン１００に対して並列配置されている。
前記比率設定用のマスフローコントローラ４は、上流側から供給されるガスｄの流量を計測するマスフローメータ（流量センサ）２と、比率Ｒ設定分の流量のガスを流すよう制御される小型比例電磁弁（流量制御弁）３とを有する。
前記調圧用のマスフローコントローラ８は、上流側から供給されるガスｄの流量を計測するマスフローメータ（流量センサ）５、小型比例電磁弁（流量制御弁）６および圧力センサ７を有する。
前記マスフローメータ（流量センサ）２，５は、層流素子（パイパス素子）８と、キャピラリ９より構成される。

前記比率設定用のマスフローコントローラ４において、マスフローメータ（流量センサ）２および小型比例電磁弁（流量制御弁）３をそれぞれ、本体ブロック１０の側面ｎおよび平面視正方形（一辺ａの長さが例えば３９ｍｍ）の本体ブロック１０の上面Ｅに設置してある。そのため、図８に示すように、従来では流量センサ部６５と制御バルブ６６とを本体ブロック上にＹ方向に設置しており、Ｙ方向が長くなっていたが、マスフローコントローラ４では、Ｙ方向における長さを小さくできるとともに、図８においては、弁ブロック６６ａの上面中央開口１０１に向かう層流素子（パイパス素子）側からの流路１０２は真っ直ぐではなくカーブしており最短距離ではないのに対して、マスフローコントローラ４では、層流素子（パイパス素子）８取り付け用のブロック１１の上方開口１１ａの直上に弁体１２を設置してあり、そのため、図８に示したマスフローコントローラ７２のＹ方向における長さに比してマスフローコントローラ４のＹ方向における長さを短くでき、コンパクト化および軽量化を実現できる。すなわち、比率設定用のマスフローコントローラ４として小型・軽量タイプのものを得ることができる。

また、前記調圧用のマスフローコントローラ８は、前記マスフローコントローラ４の本体ブロック１０直下に圧力センサ７が内蔵された下ブロック１３を有するだけであり、図９に示した電子制御レギュレータ７１のＹ方向における長さに比してマスフローコントローラ８のＹ方向における長さを短くでき、コンパクト化および軽量化を実現できる。すなわち、調圧用のマスフローコントローラ８として小型・軽量タイプのものを得ることができる。

１６は、比率設定用のマスフローコントローラ４のケース、１７は、調圧用のマスフローコントローラ８のケース、１８は、本体ブロック１０の下面に設けた流体入口で、この流体入口１８から層流素子（パイパス素子）８の上流端に至る流路が本体ブロック１０内に形成されている。１８ａは、下ブロック１３に形成された、流体入口１８に連通する入口である。１９は、本体ブロック１０の下面に設けた流体出口であり、１９ａは、下ブロック１３に形成された、流体出口１９に連通する出口である。２０は、流体入口１８に連接された継手、２１は、流体出口１９に連接された継手、２２は、出口１９ａに連接された継手である。４０は、比率設定用のマスフローコントローラ４および調圧用のマスフローコントローラ８を覆う外ケースである。

而して、図１に示すように、調圧を行いながら前記各マスフローメータ２，５からの流量出力信号ａ₁ ，ａ₂ をコントローラ（制御部）３０にフィードバックさせた後各流量出力信号ａ₁ ，ａ₂ をコントローラ（制御部）３０の演算部で加算し、トータルの流量出力信号（ａ₁ ＋ａ₂ ）とトータル流量Ａに対する比率を設定するための流量比率Ｒ設定信号とをコントローラ３０において乗算し、このコントローラ３０から出力される制御信号ｂに基づいて前記比率設定用のマスフローコントローラ４の前記流量制御弁３を比率Ｒ設定分だけ制御するよう構成されている。

すなわち、上流側から流量Ａのガスｄが供給される場合、マスフローコントローラ４ではマスフローメータ（流量センサ）２にてマスフローコントローラ４を通過する流量Ｂが計測され、マスフローコントローラ８では、マスフローメータ（流量センサ）５にてマスフローコントローラ８を通過する流量Ｃが計測される。計測後、コントローラ３０においてトータルの流量（Ｂ＋Ｃ）が計算され、比率Ｒ設定分の流量だけマスフローコントローラ４で制御される。比率Ｒ設定分の流量Ｂ（＝Ａ×Ｒ）のガスｄがマスフローコントローラ４からチャンバ９３に設けた例えばガス導入口９８を介してチャンバ９３内に流れるとともに、〔Ａ−（Ａ×Ｒ）〕分の流量のガスｄがマスフローコントローラ８からチャンバ９３に設けた例えばガス導入口９９を介してチャンバ９３内に流れる。これにより、チャンバ９３内部で混合ガスｄの濃度分布の均一性を確保できる。

このように、小型のマスフローコントローラ４をベースにして、これに圧力センサ７を追加し、この圧力センサ出力を基に制御を行うようにし、かつ、マスフローコントローラ４とは別のマスフローコントローラ８を電子制御レギュレータとして機能させるようにし、マスフローコントローラ４，８に内蔵されたマスフローメータ（流量センサ）２，５をモニタ用として使用し、マスフローメータ（流量センサ）２，５で流量を計測するように構成したので、マスフローコントローラ８も小型化できるとともに、マスフローコントローラ４，８の部品は共通するものが多くあり、少ない工数で二種類の製品をコスト安に得ることができる。また、三種類の部品を二種類にしたので、しかも、マスフローコントローラ４を従来のものよりコンパクト化し、また、電子制御レギュレータとして機能するマスフローコントローラ８を従来のものよりコンパクト化したので、装置の軽量化と小型化わ実現できる。

そして、従来では、分流前にトータルの流量を測定し、比率Ｒ設定に応じたガスの分配を行っていたが、この発明では、分配を行いながら、随時流量を制御部にフィードバックし、流路内のトータル流量を演算後比率Ｒ設定分の流量を制御するようにしている。つまり、従来マスフローメータ（流量センサ）７０でライン上の流量をモニタした後分配しているところを、この発明では、分配時のマスフローコントローラ８、マスフローコントローラ４の流量をそれぞれ計測し、これらを合計したものをライン上に流れているガス流量として、その流量に対する比率Ｒ設定分のガスを分配するように制御を施したものである。

この発明の一実施形態における動作を示すブロック図である。 （Ａ）は、前記実施形態で用いた比率設定用のマスフローコントローラを示す平面図である。（Ｂ）は、図２（Ａ）におけるＤ−Ｄ断面図である。（Ｃ）は、前記実施形態で用いた比率設定用のマスフローコントローラの正面図である。 （Ａ）は、前記実施形態で用いた調圧用のマスフローコントローラを示す平面図である。（Ｂ）は、図３（Ａ）におけるＦ−Ｆ断面図である。（Ｃ）は、前記実施形態で用いた調圧用のマスフローコントローラの正面図である。 前記実施形態を示す斜視図である。 前記実施形態を示す平面図である。 （Ａ）は、前記実施形態を示す斜視図である。（Ｂ）は、前記実施形態を示す平面図である。（Ｃ）は、前記実施形態を示す正面図である。（Ｄ）は、前記実施形態を示す右側面である。（Ｅ）は、前記実施形態を示す背面面である。 従来例における動作を示すブロック図である。 従来例で用いたマスフローコントローラを示す構成説明図である。 従来例で用いた電子制御レギュレータを示す構成説明図である。 流量比率制御装置導入後のラインを示す構成説明図である。 流量比率制御装置導入前のラインを示す構成説明図である。

１ 流量比率制御装置
４ 比率設定用のマスフローコントローラ
８ 調圧用のマスフローコントローラ
２，５ マスフローメータ（流量センサ）
３，６ 流量制御弁
７ 圧力センサ

Claims (3)

1. 上流側から供給される流体の流量を計測するマスフローメータおよび比率設定分の流量の流体を流すよう制御される流量制御弁を有する少なくとも一つの比率設定用のマスフローコントローラと、上流側から供給される流体の流量を計測するマスフローメータ、流量制御弁および圧力センサを有する調圧用のマスフローコントローラとを備え、上流側から供給される流体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よう前記比率設定用のマスフローコントローラと調圧用のマスフローコントローラが並列配置されてなり、前記調圧用のマスフローコントローラの上流側の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を制御部にフィードバックさせた後前記各流量出力信号を加算し、トータルの流量出力信号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とを前記制御部において乗算し、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のマスフローコントローラの前記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ことを特徴とする流量比率制御装置。
2. 前記比率設定用のマスフローコントローラは、本体ブロック内にバイパス素子を設けるとともに、前記本体ブロックの側面に前記マスフローメータを設ける一方、前記本体ブロックの上面に前記流量制御弁を設けてなる請求項１に記載の流量比率制御装置。
3. 前記調圧用のマスフローコントローラは、該調圧用のマスフローコントローラの上流側の調圧を行うものであり、また、本体ブロック内にバイパス素子を設けるとともに、前記本体ブロックの側面に前記マスフローメータを設ける一方、前記本体ブロックの上面に前記流量制御弁を設けてなり、更に、本体ブロック直下に圧力センサが内蔵された下ブロックを有する請求項１に記載の流量比率制御装置。

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