JP4743745B2 - 小孔孔径自動計測装置、小孔孔径計測方法及びシャワープレート - Google Patents

Description

本発明は、基体に穿たれた小孔の孔径の計測に関し、特に例えば半導体製造装置等の真空チャンバーに於ける流体（ガス）の分散供給に使用するシャワープレートのオリフィス孔径等のプレートに穿設した小孔の孔径を自動計測するシステムの改良に関するものである。より具体的には、一枚のプレートに穿孔された複数の小孔の有効内径を高精度で迅速に自動計測できるようにしたプレートの小孔孔径計測システムに関するものである。

半導体製造装置・液晶ディスプレイ用では、被処理材の大型化により面内の均一性を確保する必要性がある。そのため、例えば、半導体製造用の真空チャンバーでは、チャンバーの内部上方に多数の小孔を有するプレートを配設し、当該プレートを介して被処理材（例えばシリコンウエハ）の上方へ各種の処理ガスを供給することが一般的に行なわれている。

而して、この種プレートは通常厚さ約３〜３０ｍｍ、外径約１００ｍｍ〜３００ｍｍ程度のステンレス鋼材やセラミック材等から形成されており、内径約５０μｍ〜３０００μｍの断面円形の小孔が規則的又は不規則的に約２０個〜１００個程度穿孔されている。
また、前記小孔は機械加工や化学的加工により形成されており、その加工精度は±１μｍ（誤差寸法）以内に規制されている。

上記プレートの小孔孔径は、処理ガスの噴出量に直接関係するため厳密に管理される必要があり、これ迄にも各種の技術が開発されている。
その中でも、（イ）小孔の一端から圧縮エアを供給し、小孔出口側のエア背圧の変化から小孔内径を検出する方法（例えば特開２００３−６５７４２号等）及び（ロ）小孔を流通するガス流量から小孔孔径を検出する方法（例えば、特表平４−５０２６６６号等）は、実用化が可能な技術として注目されている。

しかし、前記（イ）の方法は、比較的細径の管状体の内径測定を直接の目的とするものであるため、被測定対象がプレートに穿孔された断面円形の小孔のような場合には、小孔の長さが比較的短かいため、小孔出口側圧力（背圧）を簡単にしかも高精度で測定することが出来ないと云う問題がある。

一方、後者の（ロ）の方法は、図８に示されているように、臨界条件下に於いて空気流を被検出材である小孔へ流し、空気流の温度を温度検出器により、また空気流量を差圧式流量計で夫々測定すると共に、前記測定した空気流量値と空気温度値を用いて、小孔の有効断面積を演算するものである。
尚、図８に於いて、２０はフィルタ、２１は多数のチューブ体２２を並列に組み合せした差圧式流量測定器、２３は被検出材である小孔、２４は真空ポンプ、２５は圧力計、２６は温度計である。

小孔２３の内径測定に際しては、先ず真空ポンプ２４の運転により空気流通系を所謂臨界条件下に置き（Ｐ₁ ／Ｐ₂ が約２倍以上、換言すれば臨界圧力比Ｐ ₂ ／Ｐ ₁ が約０．５以下）、差圧式流量測定器２１により小孔２３を流通する空気流量ＶE を測定すると共に、空気温度Ｔを測定する。
次に、前記各測定値から小孔断面積Ａを
Ａ＝Ｋ′・ＶE ・〔１−０．００１７（Ｔ−２０）〕を用いて演算する。但し、ここでＫ′は定数、ＶE は空気の体積流量の測定値、Ｔは空気温度（℃）である。

しかし、上記（ロ）の方法は、空気の体積流量ＶE を多数のチューブ体２２を並列に組み合せて形成した層流区間の差圧ΔＰを用いて演算するようにした所謂差圧式流量計を用いており、流量計そのものの構成が複雑になると共に高精度な空気体積流量ＶE の計測が困難であると云う問題がある。

また、前記（ロ）の方法では、小孔２３の断面積Ａを前述の如き式を用いて演算するようにしているが、小孔２３の長さ寸法が比較的長くなり（例えば３〜１０ｍｍ）且つ断面積Ａの変化部分が小孔の長さ方向に複数箇所存在するような場合には、空気流の粘性等の影響により前記の如き式でもって小孔２３の断面積Ａを正確に計測することが困難となり、本願発明者等の実証テストに於いても、大幅な誤差を生じることが判明している。

更に、当該（ロ）の方法は、被検査体である小孔２３の交換に手数と時間が掛かるため、プレートに形成された多数の小孔の如き被検査体の場合には、能率よくしかも高精度で小孔内径を測定することが困難となる。

加えて、当該（ロ）の方法では、被検査体である小孔２３の自動交換や測定した小孔の孔径の結果に対する処理（例えば、小孔の孔径の検査結果の良否の判定や判定値の伝達等）について一切考慮がされていないため、現実の半導体製造プラントへは容易に適用することが出来ないと云う問題がある。
更に、小孔から流出するガス流量は、小孔の内径の管理だけでは高精度でこれを管理することは困難である。何故なら、ガス流量は小孔の内径だけでなく、真円度や深さ、テーパーの有無等によっても大きく変動するからである。

特開２００３−６５７４２号 特表平４−５０２６６６号

本発明は、従前の小孔を通過する流体の流量を計測し、その流量計測値から小孔の等価的な断面積Ａを検出（演算）するようにした小孔の孔径の測定方法に於ける上述の如き問題、即ち（１）層流区間を備えた差圧式流量計を使用するようにしているため、流量計そのものが複雑になること、（２）プレートに形成した小孔のように比較的短い寸法の小孔の場合には、流量計測値から正確な小孔の有効断面積Ａを演算することができないこと、（３）プレートに形成した小孔のような場合には、迅速に効率よく小孔の孔径の測定が出来ないこと及び（４）小孔の孔径の測定値の処理やその伝達に関する対応が未完成で、現実の半導体製造プラントへの適用が困難なこと等の問題の少なくとも一つを解決せんとするものであり、プレートに穿設された複数の小孔の孔径を迅速且つ正確に測定（又は検出）することが出来ると共に、検出した小孔の孔径（或いは有効断面積）が許容範囲内のものであるかを自動的に判別し、更にその判別結果を任意の箇所へリアルタイムで伝達できるようにしたプレートの小孔孔径自動計測システムを提供することを主たる発明の目的とするものである。

請求項１の発明は、プレートに形成した複数の小孔の孔径を順次連続的に計測するプレートの小孔孔径計測装置に於いて、プレート７の小孔８の出口側圧力Ｐ₂ と小孔８の入口側圧力Ｐ₁ とを流体の臨界状態に保持し乍ら、所望の設定入口側圧力Ｐ₁ で流体流量を制御しつつ前記小孔８の入口側へ流体を供給する自動圧力制御器４を主体する流量計測部Ｂと、前記プレート７を回転自在に保持するプレート支持装置１２と、その上方に前記小孔８の入口側へ気密に密接して流量計測部Ｂからの流体を供給するテストプローブ６を昇降並びに横移動自在に支持するテストプローブ支持装置１３と、前記両支持装置１２・１３の制御装置１４・１５とから成るプレート保持部Ｄと，前記流量計測部Ｂからの流量計測値に基づいて流体を供給中の小孔８の孔径又は断面積を演算する演算・判定部Ｃ₂ と、当該演算値を外部へ出力する外部出力部Ｃ₃ とを備えたコントロール部Ｃと，を発明の基本構成とするものである。

請求項２の発明は請求項１の発明に於いて、コントロール部Ｃの演算・判定部Ｃ₂ を、下記の数式により小孔８の断面積Ａを演算する演算・判定部としたものである。
Ａ＝Ｑｇ・（Ｇｇ・Ｔ）^1/2 ・１７／（２０３・Ｐ₁ ・αｏ）
但し、Ｑｇは標準状態に換算した小孔への流体の供給量（Ｎｍ³ ／ｈ）、Ｐ₁ は小孔入口側の流体の絶対圧力（ｋｇｆ／ｃｍ² ａｂｓ）、Ｔは流体の温度（Ｋ），Ｇｇは流体の比重、αｏは流体の縮流係数。

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、流体を窒素又は空気とすると共に、縮流係数αｏを０．８とするようにしたものである。

請求項４の発明は、請求項１の発明に於いて、プレート支持装置をプレート７の小孔８の出口側を大気へ開放させた構成のプレート支持装置としたものである。

請求項５の発明は、請求項１の発明に於いてプレート支持装置１２をプレート受台１２ｄと、前記プレート受台１２ｄを所定の角度ピッチで間欠的に回動させる回転駆動モータ１２ｂと、前記回転駆動モータ１２ｂの駆動を制御するモータ制御装置１４とから構成するようにしたものである。

請求項６の発明は、請求項１の発明に於いてテストプローブ支持装置１３をガイドレール１３ｃに移動自在に支持した台車１３ｂと、前記台車１３ｂに上端部を固定したテレスコープ状に伸縮するプローブ支持体１３ａと、前記プローブ支持体１３ａの下端部に固定したテストプローブ６とから構成するようにしたものである。

請求項７の発明は、請求項１の発明に於いて、コントロール部Ｃの外部出力部Ｃ ₃ を、流量計測値及び孔径又は断面積の演算値を外部へ出力する外部出力部としたものである。

請求項８の発明は、請求項６の発明に於いてテストプローブ６を保持体６ａと、保持体６ａに固定した押え部材６ｂと、押え部材６ｂの下端面に設けたシール材６ｄと、押え部材６ｂに穿設した流体通路６ｅとを備えたものとしたものである。

請求項９の発明は、基体に形成された小孔の孔径を計測する小孔孔径計測装置に於いて、前記小孔の出口側圧力Ｐ₂ と入口側圧力Ｐ₁ とを流体の臨界状態に保持しながら所望の入口側圧力Ｐ₁ で流体を前記小孔の入口側に供給する圧力制御手段と、前記圧力制御手段によって前記小孔の入口側に供給される流体の流量を計測する流量計測手段と、下記の数式により前記小孔の断面積Ａを算出する算出手段とを備えたことを発明の基本構成とするものである。
Ａ＝Ｑｇ・（Ｇｇ・Ｔ）^1/2 ・１７／（２０３・Ｐ₁ ・αｏ）
但し、Ｑｇは標準状態に換算した小孔への流体の供給量（Ｎｍ³ ／ｈ）、Ｐ₁ は小孔入口側の流体の絶対圧力（ｋｇｆ／ｃｍ² ａｂｓ）、Ｔは流体の温度（Ｋ），Ｇｇは流体の比重、αｏは流体の縮流係数

請求項１０の発明は、請求項９の発明に於いて、前記流量計測手段は、マスフローコントローラーを含むものとしたものである。

請求項１１の発明は、基体に形成された小孔の孔径を計測する小孔孔径計測方法に於いて、前記小孔の出口側圧力Ｐ₂ と入口側圧力Ｐ₁ とを流体の臨界状態に保持しながら、圧力制御手段によって所望の入口側圧力Ｐ₁ で流体を前記小孔の入口側に供給する段階と、前記圧力制御手段によって前記小孔の入口側に供給される流体の流量を計測する段階と、下記の数式により前記小孔の断面積Ａを算出する段階とを含むことを発明の基本構成とするものである。
Ａ＝Ｑｇ・（Ｇｇ・Ｔ）^1/2 ・１７／（２０３・Ｐ₁ ・αｏ）
但し、Ｑｇは標準状態に換算した小孔への流体の供給量（Ｎｍ³ ／ｈ）、Ｐ₁ は小孔入口側の流体の絶対圧力（ｋｇｆ／ｃｍ² ａｂｓ）、Ｔは流体の温度（Ｋ），Ｇｇは流体の比重、αｏは流体の縮流係数

請求項１２の発明は、請求項１１の発明に於いて、前記流量の計測は、マスフローコントローラーを少なくとも用いて行うものとしたものである。

請求項１３の発明は、プレートの所定の部分に所定の孔径で２個以上の所定の個数の小孔を有するプレートの前記小孔の孔径を、請求項１乃至請求項１０の何れか一つに記載の小孔孔径計測装置を用いて測定する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、プレートの所定の部分に所定の孔径で２個以上の所定の個数の小孔を有するプレートの前記小孔の孔径を、請求項１１又は請求項１２に記載の小孔孔径計測方法によって測定することを発明の基本構成とするものである。

請求項１５の発明は、請求項１３又は請求項１４の発明に於いて、前記孔径の測定によって、前記所定の個数の小孔の口径のばらつきが所定の範囲内にあるかどうかを判定する工程を含むようにしたものである。

請求項１６の発明は、請求項１３乃至請求項１５の何れか一つに記載の小孔孔径計測方法によって小孔の孔径を計測したシャワープレートであることを発明の基本構成とするものである。

本願発明に於いては、プレートを回転自在なプレート受台上に載置すると共に、その上方に横方向移動可能に支持したテストプローブを上方より所定のプレート上の小孔の流体入口側へ向けて下降させ、その先端を気密に小孔の流体入口側上面へ押圧する構成としているため、予かじめ定めた所定のプログラムに従ってテストプローブの先端をプレート上の各小孔の流体入口側へ自動連結することが出来、小孔孔径の測定をより効率的に行なえる。

また、本願発明にあっては、流体流量計に使用実績の多い自動圧力制御器と熱量式マスフローコントローラを使用する構成としているため、小孔を流通する流体流量を迅速且つ正確に測定することができる。

更に、本発明に於いては、小孔孔径（小孔有効断面積）を、流体機器分野に於いて長期の使用実績を有する「小孔断面積とＣｖ値と小孔縮流係数αｏ」との関係式を用いて演算するようにしているため、より高い精度でもって小孔孔径（小孔有効断面積）を測定することができる。即ち、本発明では、小孔Ｃｖ値と断面積Ａとから求められる小孔の有効断面積に着目し、同一圧力の時に流れるガス流量でもって小孔相互のバラツキを管理するようにしているため、単に小孔の内径のみによって小孔のバラツキを管理する場合に比較して、より高精度な管理が可能となる。

加えて、本発明に於いては、小孔孔径の測定結果と予かじめ定めた小孔孔径の基準値とを自動的に対比し、その結果を任意の箇所へ伝達できる構成としているため、測定結果の管理及び処理をより効率的に行なうことが出来る。

以下、図面に基づいて、本発明の創作の基礎を為す基礎実験とその結果を述べ、続いて本発明の各実施形態を説明する。

図１は、本発明の基礎データを得るための試験装置の概要図であり、図に於いて１は圧力調整器、２はフィルタ、３は熱量式マスフローコントローラ（定格５００ＳＣＣＭ）、４は自動圧力制御器、５は連結チューブ（ＰＦＡチューブ３．２ｍｍφ×３ｍ）、６はテストプローブ、７はプレート、８はプレートの小孔、９は操作制御盤、１０は電源装置、１１はペンレコーダである。

また、前記自動圧力制御器４はフィルタ４ａ、コントロール弁４ｂ、圧力検出器４ｃ、演算制御装置４ｄ、サーミスター４ｅ等から形成されており、プレート７の小孔８の上流側圧力Ｐ₁ （連結チューブ５内の圧力Ｐ₁ ）と小孔８の下流側圧力Ｐ ₂ （大気圧）とが臨界状態にある場合、つまり小孔８の上流側圧力Ｐ ₁ が小孔８の下流側圧力Ｐ ₂ の約２倍以上（換言すれば、小孔８の下流側圧力Ｐ ₂ と小孔８の上流側圧力Ｐ ₁ との臨界圧力比が約０．５以下）の所謂臨界条件下にある場合には、上流側圧力Ｐ₁ のみによって小孔８を通過する流量が規制されると云う流量制御特性を有している。

更に、前記テストプローブ６はステンレス鋼製の保持体６ａ、樹脂製の押え部材６ｂ、接続具６ｃ、シール材６ｄ、６ｆ等を備えており、上方より保持体６ａをプレート７の上面側へ押し付けることにより、シール材６ｄによって接続具６ｃの流体通路６ｅと小孔６とが気密状に連結される。

前記プレート７は、図２に示す如く２列の同芯円の上に等間隔で１２個（内側）及び２８個（外側）の断面円形の小孔８を備えており、各小孔８の孔径は１００μｍ±１μｍの精度で形成（機械的加工）されている。尚、プレート７の厚さｔはｔ＝３ｍｍ〜３０ｍｍに設定されている。

試験に際しては、先ずテストプローブ６をプレート７の所定の小孔８の入口端（プレート７の上面）へ気密状に押し付け固定する。次に、流体供給源から圧縮流体例えば圧縮空気を供給し、圧力調整器１でフィルタ２への流入圧力Ｐｏを５００ＫＰａに調整をすると共に、操作制御盤９から自動圧力制御器４へ圧力制御信号（即ち、圧力Ｐ₁ の制御信号）を送り、コントロール弁４ｂを調整して小孔８の上流側圧力Ｐ₁ を順次変化させ、夫々の上流側圧力Ｐ₁ に於ける小孔８の流体通過流量（供給流量Ｑ）を測定した。
尚、自動圧力制御器４の作動と同時に熱量式マスフローコントローラ３による流量測定も行ない、夫々の測定値をペンレコーダ１１へ送って自動記録をした。

図３は、前記図１の試験装置によって試験を行なった結果を示すものであり、曲線Ａは、小孔入口側圧力Ｐ₁ を変化させたときの熱量式マスフローコントローラ３による測定流量である。
尚、測定は各小孔入口側圧力Ｐ₁ について３回づつ行なったが、流量測定誤差は何れの場合も１ＳＣＣＭ以下であることが確認されている。

図３の曲線Ａからも明らかなように、空気流に対する所謂臨界条件（Ｐ₁／Ｐ₂ （Ｐ ₂ は大気圧）が約２倍以上）が満足されている限り、小孔８を流通する空気量（小孔８への供給空気量は、小孔８の上流側圧力Ｐ₁ に比例していることが判る。
結果から、自動圧力制御器４を用いて、小孔８の空気流通量を正確に計測可能なことが確認できる。

図４は、前記図１の実験装置を用いて測定した、小孔入口側の空気圧力Ｐ₁ を３００ＫＰａａｂｓとした場合に於けるプレート７に形成されている全小孔８（合計４０個）に対する流量測定値を示すものである。
尚、ＮＯ１５及びＮＯ２０は測定値が大きく他の小孔の場合と異なるため（小孔の孔径が、人為的又は加工精度の狂いにより他のものよりも異なっていると想定される）、これ等を除いた場合と、これ等を含めた場合について、夫々小孔の平均流量と標準偏差を求めている（前者の場合・・２１４．５４ＳＣＣＭ、標準偏差σ：７．３５、後者の場合・・２１０．３２ＳＣＣＭ、標準偏差σ：２０．３）。

表１は、前記図１の実験に使用したプレート７の小孔８の中の一部の現実の孔径（μｍ）寸法と、入口側圧力Ｐ₁ ＝３００ＫＰａａｂｓに於ける空気流通量とを別途に測定した場合を示すものであり、孔径は精密孔径測定装置によって機械的に、また空気流通量は熱量式マスフローメータ（日本アエラ製）を用いて測定したものである。

表１のＮＯ１５及びＮＯ２０からも明らかなように、機械式の孔径測定装置による測定値が約１００μｍであっても、ＮＯ１５とＮＯ２０とでは空気流通量の上に大きな変化が見られるが、その原因は、測定箇所から外れた小孔奥部の位置で部分的に孔径が小さくなっていて、それによって流量の減少が生じているものと想定される。

勿論、前記図４からも明らかなように、このような孔径の狂い（機械式精密孔径測定装置では検出出来ない狂い）の場合であっても、本願発明の方法によればその孔径の異常を容易に検出することが可能である（図４のＮＯ１５及びＮＯ２０の例）。

上記のように、小孔８を流通する空気流量を測定出来れば、次に、測定流量値から、小孔８の孔径即ち有効断面積Ａを求める。
本願発明に於いては、水等の液体の流体の分野に於いて慣用されている「流体の流れ易さを示すＣｖ値と流体流路の有効断面積Ａｍｍ² 」との間の関係式Ｃｖ＝Ａ／１７…（１）式に着目し、この（１）式の有効断面積Ａｍｍ² に縮流係数αｏを乗じてＣｖ＝αｏＡ／１７…（２）の型とすることにより、ガス流体も水等の流体の場合と同じように取扱いすることが可能なことを着想し、これを実験により確認することとした。

尚、前記「水等の液流体の流れ易さを示すＣｖ値と流体流路の有効断面積Ａｍｍ² 」との間の関係式Ｃｖ＝Ａ／１７…（１）式は、下記の如き過程を経て得られるものである。

即ち、今、流体（水）が流れる小孔を考えると、小孔を通過する流量Ｑの演算式は、ベルヌーイの連続の式より
Ｑ＝αＡｏ×１０^-6（２ｇ／Ｇ（Ｐ₁ −Ｐ₂ ））^1/2 ×１０⁹ ×６０×６０
＝１．５９３αＡｏ（（Ｐ₁ −Ｐ₂ ）／Ｇ）^1/2 となる。
ここで、液体の比重（水を１０００としたときの水との比重）をＧL ′とすると、ＧL ′＝Ｇ／１０００となる。この関係を上式に代入すると、
Ｑ＝０．０５０４αＡｏ（（Ｐ₁ −Ｐ₂ ）／ＧL ′）^1/2 …イ

また、ここでαＡｏ＝Ａ（有効断面積Ａｍｍ² ）とすると、
Ｑ＝０．０５０４Ａ×（（Ｐ₁ −Ｐ₂ ）／ＧL ′）^1/2 …ロとなる。
但し、上記各式に於いて、
Ｑ＝流量ｍ³ ／ｈ、
Ｐ₁ ＝小孔入口圧（ｋｇ／ｃｍ² ）、
Ｐ₂ ＝小孔出口圧（ｋｇ／ｃｍ² ）、
Ａｏ＝小孔断面積（ｍｍ² ）、
α＝流量係数（０．６５〜０．９５）、
ｇ＝重力の加速度（ｍ／ｓｅｃ² ）、
Ｇ＝流体の密度（ｋｇ／ｃｍ³ ）、
ＧL ′＝液体の比重（水との）である。

一方、Ｃｖ値の定義は「清水を小孔等の出入口の差圧を１ｐｓｉ（０．０７ｋｇ／ｃｍ² ）に保って流した時の流量をｇａｌ／ｍｉｎで表した数値をその小孔等のＣｖ値とする。」とあるので、これを式で表すと、
Ｑ′＝Ｃｖ（（Ｐ₁ ′−Ｐ₂ ′）／ＧL ′）^1/2 …ハ
ここで、Ｑ′＝ｇａｌ／ｍｉｎ、Ｐ₁ ′＝入口圧ｐｓｉ、Ｐ₂ ′＝出口圧Ｐｓｉ、１ｇａｌ＝３．７８５ｌ、１ｐｓｉ≒０．０７ｋｇ／ｃｍ² であるので、
Ｑ′＝（Ｑ×１０００）／（３．７８５×６０）及びＰ₁ ′−Ｐ₂ ′＝（Ｐ₁ −Ｐ₂ ）／０．０７の関係を上記ハ式に代入すると、メートル単位系にハ式を直した下記のニ式が得られる。
Ｑ＝０．８５８Ｃｖ（（Ｐ₁ −Ｐ₂ ）／ＧL ′）^1/2 …ニ

ニ式は又、Ｃｖ＝１．１６５Ｑ（ＧL ′／√（Ｐ₁ −Ｐ₂ ））^1/2 …ニ′と書くことが出来る。
ここで、前記ロ式とニ式とを比較すると、０．０５０４Ａ＝０．８５８Ｃｖとなり、ここから下記の式ホが得られる。
Ｃｖ＝Ａ／１７…ホ
即ち、この式ホが前記流体が液流体（水）の場合の「流体の流れ易さを示すＣｖ値と流体流路の有効断面積Ａ」との関係を示す（１）式を示すものである。

一方、上記ホ式のＣｖ値は小孔に水を流した時の、Ｃｖ値の定義から導出したものである。従って、これをガス流体（例えば空気）に直接適用した場合には、小孔に於けるガス流体の流れ易さを表す値（Ｃｖ値）は、下記の式（４）のような型で表されることになる。
Ｃｖ＝Ｑｇ・（Ｇｇ・Ｔ）^1/2 ／（２０３・Ｐ₁ ）…（４）
但し、ここでＱｇ＝標準状態における気体の流量（Ｎｍ³ ／ｈ）、
Ｐ₁ ＝小孔上流側の絶対圧力（ｋｇｆ／ｃｍ² ａｂｓ）、Ｇｇ＝ガス流体の比重（空気＝１としたとき）、Ｔ＝ガス流体の温度（Ｋ）であって、ガス流体は臨界条件（Ｐ₁ ／Ｐ₂ が約２倍以上）を満足している場合である。

本願発明に於いては、前述の通り流体が液体とは異なってガス流体であることに着目し、流体が水の場合の前記Ｃｖ値と流路有効断面積Ａとの関係を示す（１）式に於ける有効断面積Ａに縮流係数αｏを乗じ、このαｏＡを０．８Ａとすること、即ちαｏを０．８とすることにより、前記Ｃｖ＝αｏＡ／１７…（２）式が空気流等のガス流に対しても極めて高精度で成立することを見出した。

今、ここで、前記ガス流に対する（３）式のＣｖ値と、前記（２）式のＣｖ値を結合すると、
１７・Ｃｖ＝αｏＡ １７・Ｑｇ・（Ｇｇ・Ｔ）^1/2 ／（２０３・Ｐ₁ ）＝αｏ・Ａ
Ａ＝Ｑｇ・（Ｇｇ・Ｔ）^1/2 ・１７／（２０３・Ｐ₁ ・αｏ）（ｍｍ² ）…（４）
となり、この（４）式にＱｇ（標準状態に於けるガスの流量（Ｎｍ³ ／ｈ））、Ｐ₁ （ガスの小孔上流側絶対圧力（ｋｇｆ／ｃｍ² ａｂｓ））、Ｔ（ガスの温度Ｋ）、Ｇｇ（ガス（空気）の比重＝１）及びαｏ（ガス流の場合の縮流係数＝０．８）を代入することにより、ガスが流通する小孔８の有効断面積Ａ（ｍｍ² ）を演算により求めることが出来る。

図５は、前記図４に示した空気流量の測定値から上記（４）式を用いて演算をした各小孔の有効断面積Ａ（ｍｍ² ）から、各小孔８の孔径φ（ｍｍ）を求めた結果であり、合計４０個の小孔８の平均孔径は９６．１５μｍ（標準偏差σ＝５．２８）であり、製作時から孔径φ（ｍｍ）に狂のあるＮＯ１５及びＮＯ２０の小孔８を除くと、小孔８の演算平均孔径は９７．２４μｍ（標準偏差σ＝１．６９）となった。

即ち、本願発明に於いては、プレート７の各小孔８へ臨界条件下で空気を流通させ、自動圧力制御器４と熱量式マスフローコントローラ３を用いて空気流量計測を行うことにより、±１ｓｃｃｍ以内の誤差でもって各小孔８を流通する空気流量を再現性をもって計測できることが判明した。
また、本願発明に於いては、式（２）及び式（３）より導出した式（４）を用いることにより、各小孔８の孔径を平均９７．２μｍ、標準偏差１．６９として演算することができ、現実の平均孔径が１００μｍと仮定しても、平均２．３μｍの差異でもって各小孔孔径を演算することが出来た。
更に、各小孔８相互間の孔径のバラツキも本発明により十分に確認できることが、前記図１に示した試験装置による小孔ガス流量等の測定試験により判明した。

図６は、本発明に係る小孔孔径測定システムで使用するプレート支持装置１２とテストプローブ支持装置１３の概要図である。

前記プレート支持装置１２はモータ支持架台１２ａ、回転駆動モータ１２ｂ、モータ回転支軸１２ｃ、プレート受台１２ｄ及びモータ制御装置１４等から形成されており、プレート受台１２ｄ上にプレート７を水平状態に支持した状態でプレート受台１２ｄが、モータ制御装置１４からの制御信号により、回転駆動モータ１２ｂを介して所定の角度づつ間欠的に回転駆動される。

前記テストプローブ支持装置１３は、テレスコープ状に伸縮するプローブ支持体１３ａ、プルーブ支持体１３ａを移動させる台車１３ｂ、台車１３ｂのガイドレール１３ｃ及びテストプローブ制御装置１５等から形成されており、前記プローブ支持体１３ａの先端にテストプローブ６が固定されている。

前記プローブ支持体１３ａは、テストプローブ制御装置１５からの制御信号によって台車１３ｂを移動させることにより、左右方向へ任意に移動される。また、プローブ支持体１３ａは、内挿したシリンダ装置（図示省略）により所定の位置で適宜に伸縮され、先端のテストプローブ６をプレート７上へ押圧することにより、各小孔８へ空気流を供給する。

尚、プローブ支持体１３ａの横方向移動とプレート受台１２ｃの間欠回動とを適宜に組み合わせすることにより、プレート７に同芯状に穿設された全小孔８へテストプローブ６を気密状に接当させることが可能となる。
また、図６に於いて、１２ｅは空気抜孔、１２ｆはクッション受台である。

図７は、本発明に係るプレートの小孔孔径自動測定システムの実施形態を示す全体系統図であり、図７に於いてＡは小孔孔径自動計測装置、Ｂは流量計測部、Ｃはコントロール部、Ｄはプレート保持部である。

プレートの小孔孔径自動計測装置Ａは流量計測部Ｂとコントロール部Ｃとプレート保持部Ｄ等とから形成されている。
また、流量計測部Ｂは前述の通り圧力調整器１、フィルタ２、自動圧力制御器４等から形成されている。
更に、コントロール部Ｃは、設定部Ｃ₁ 、演算・判定部Ｃ₂ 、外部出力部Ｃ₃ 、電源部Ｃ₄ 及び表示部Ｃ₅ 等から形成されており、プレート保持部Ｄはプレート支持装置１２、テストプローブ支持装置１３、モータ制御装置１４及びテストプローブ制御装置１５等から形成されている。
尚、図７に於ける流量計測部Ｂ及びプレート保持部Ｄの各構成部材については、図１及び図６等記載のものと同一であるため、ここではその説明を省略する。

前記コントロール部Ｃは主として流量計測部Ｂ及びプレート保持部Ｄ等を制御するものであり、その設定部Ｃ₁ へは流量計測部Ｂの空気圧力値Ｐ₀ 、Ｐ₁ 、自動圧力制御器４のの制御圧力範囲の指定、被検査体であるプレート７の小孔８に関する情報及びその孔径測定順位、孔径判別の基準値、小孔有効断面積Ａの演算式等の必要情報が入力される。

また、演算・判定部Ｃ₂ では流量計測部Ｂの熱量式マスフローコントローラ３からの測定流量測定値信号に基づいて、小孔孔径の演算並びに基準値との対比等が行われ、その結果が外部出力部Ｃ₃ を通して外部へ伝送されると共に、表示部Ｃ₅ に表示される。

更に、コントロール部Ｃからはプレート保持部Ｄの各制御装置１４、１５へ制御信号が遅られ、テストフローブ６の昇降及びプレート受台１２ｄの回転角度等の制御が行われる。

本発明は、主として半導体製造用のプロセスチャンバー内で使用されるシャワープレートのオリフィス孔径のチェックに使用されるが、円形や角形の板状体に複数の小孔を形成し、全部又は一部の小孔を通してガス等の流体を供給する型式のプレートであれば、半導体製造装置用以外で使用されるプレートであっても、或いはプロセスチャンバーの内部以外の箇所で使用されるプレートであっても、本発明を適用することが可能であり、化学装置や一般産業装置で使用されるプレートにも利用されるものである。

本発明の基礎データを得るための試験装置の概要説明図である。 プレートの平面図である。 図１の試験装置による試験結果を示す線図である。 図１の試験結果の流量測定値を表した結果を示す線図である。 図１の試験結果よりＡ＝Ｃｖ×１７／０．８の実験式を用いて演算した結果を示す線図である。 プレート支持装置及びテストプローブ支持装置の概要図である。 小孔孔径測定システムのシステム構成図である。 従前の小孔孔径の測定方法の説明図である。

符号の説明

Ａ 小孔孔径自動計測装置、Ｂ 流量計測部、Ｃ コントロール部、Ｃ₁ 設定部、Ｃ₂ 演算判定部、Ｃ₃ 外部出力部、Ｃ₄ 電源部、Ｃ₅ 表示部、Ｄ プレート保持部、１ 圧力調整器、２ フィルタ、３ 熱量式マスフローコントローラ、４ 自動圧力制御器、４ａ フィルタ、４ｂ コントロール弁、４ｃ 圧力検出器、４ｄ 演算制御装置、５ 連結チューブ、６ テストフローブ、６ａ 保持体、６ｂ 押え部材、６ｃ 接続具、６ｄ シール材、６ｅ 流体通路、７ プレート、８ プレートの小孔、９ 操作制御盤、１０ 電源装置、１１ ペンレコーダ、１２ プレート支持装置、１２ａ モータ支持架台、１２ｂ 回転駆動モータ、１２ｃ モータ回転支軸、１２ｄ プレート受台、１２ｅ 空気抜孔、１２ｆ クッション受台、１３ テストプローブ支持装置、１３ａ プローブ支持体、１３ｂ 台車、１３ｃ ガイドレール、１４ モータ制御装置、１５ テストプローブ制御装置。

Claims (16)

1. プレートに形成した複数の小孔の孔径を順次連続的に計測するプレートの小孔孔径計測装置に於いて、プレート（７）の小孔（８）の出口側圧力Ｐ₂ と小孔（８）の入口側圧力Ｐ₁ とを流体の臨界状態に保持し乍ら、所望の設定入口側圧力Ｐ₁ で流体流量を制御しつつ前記小孔（８）の入口側へ流体を供給する自動圧力制御器（４）を主体する流量計測部（Ｂ）と，前記プレート（７）を回転自在に保持するプレート支持装置（１２）と、その上方に前記小孔（８）の入口側へ気密に密接して流量計測部（Ｂ）からの流体を供給するテストプローブ（６）を昇降並びに横移動自在に支持するテストプローブ支持装置（１３）と、前記両支持装置（１２）・（１３）の制御装置（１４）・（１５）とから成るプレート保持部（Ｄ）と，前記流量計測部（Ｂ）からの流量計測値に基づいて流体を供給中の小孔（８）の孔径又は断面積を演算する演算・判定部（Ｃ₂ ）と、当該演算値を外部へ出力する外部出力部（Ｃ₃ ）とを備えたコントロール部（Ｃ）と，から構成したことを特徴とする小孔孔径計測装置。
2. コントロール部（Ｃ）の演算・判定部（Ｃ₂ ）を、下記の数式により小孔（８）の断面積（Ａ）を演算する演算・判定部とした請求項１に記載の小孔孔径計測装置。
   Ａ＝Ｑｇ・（Ｇｇ・Ｔ）^1/2 ・１７／（２０３・Ｐ₁ ・αｏ）
   但し、Ｑｇは標準状態に換算した小孔への流体の供給量（Ｎｍ³ ／ｈ）、Ｐ₁ は小孔入口側の流体の絶対圧力（ｋｇｆ／ｃｍ² ａｂｓ）、Ｔは流体の温度（Ｋ），Ｇｇは流体の比重、αｏは流体の縮流係数
3. 流体を窒素又は空気とすると共に、縮流係数αｏを０．８とするようにした請求項１又は請求項２に記載の小孔孔径計測装置。
4. プレート支持装置（１２）をプレート（７）の小孔（８）の出口側を大気へ開放させた構成のプレート支持装置とした請求項１に記載の小孔孔径計測装置。
5. プレート支持装置（１２）をプレート受台（１２ｄ）と、前記プレート受台（１２ｄ）を所定の角度ピッチで間欠的に回動させる回転駆動モータ（１２ｂ）と、前記回転駆動モータ（１２ｂ）の駆動を制御するモータ制御装置（１４）とから構成した請求項１に記載の小孔孔径計測装置。
6. テストプローブ支持装置（１３）を支持レール（１３ｃ）に移動自在に支持した台車（１３ｂ）と、前記台車（１３ｂ）に上端部を固定したテレスコープ状に伸縮するプローブ支持体（１３ａ）と、前記プローブ支持体（１３ａ）の下端部に固定したテストプローブ（６）とから構成した請求項１に記載の小孔孔径計測装置。
7. コントロール部（Ｃ）の外部出力部（Ｃ₃ ）を、流量計測値及び孔径又は断面積の演算値を外部へ出力する外部出力部とした請求項１に記載の小孔孔径計測装置。
8. テストプローブ（６）を保持体（６ａ）と、保持体（６ａ）に固定した押え部材（６ｂ）と、押え部材（６ｂ）の下端面に設けたシール材（６ｄ）と、押え部材（６ｂ）に穿設した流体通路（６ｅ）とを備えた構成とした請求項６に記載の小孔孔径計測装置。
9. 基体に形成された小孔の孔径を計測する小孔孔径計測装置に於いて、前記小孔の出口側圧力Ｐ₂ と入口側圧力Ｐ₁ とを流体の臨界状態に保持しながら所望の入口側圧力Ｐ₁ で流体を前記小孔の入口側に供給する圧力制御手段と、前記圧力制御手段によって前記小孔の入口側に供給される流体の流量を計測する流量計測手段と、下記の数式により前記小孔の
   
   断面積Ａを算出する算出手段とを備えたことを特徴とする小孔孔径計測装置。
   Ａ＝Ｑｇ・（Ｇｇ・Ｔ）^1/2 ・１７／（２０３・Ｐ₁ ・αｏ）
   但し、Ｑｇは標準状態に換算した小孔への流体の供給量（Ｎｍ³ ／ｈ）、Ｐ₁ は小孔入口側の流体の絶対圧力（ｋｇｆ／ｃｍ² ａｂｓ）、Ｔは流体の温度（Ｋ），Ｇｇは流体の比重、αｏは流体の縮流係数
10. 前記流量計測手段は、マスフローコントローラーを含むことを特徴とする請求項９に記載の小孔孔径計測装置。
11. 基体に形成された小孔の孔径を計測する小孔孔径計測方法に於いて、前記小孔の出口側圧力Ｐ₂ と入口側圧力Ｐ₁ とを流体の臨界状態に保持しながら、圧力制御手段によって所望の入口側圧力Ｐ₁ で流体を前記小孔の入口側に供給する段階と、前記圧力制御手段によって前記小孔の入口側に供給される流体の流量を計測する段階と、下記の数式により前記小孔の断面積Ａを算出する段階とを含むことを特徴とする小孔孔径計測方法。
    Ａ＝Ｑｇ・（Ｇｇ・Ｔ）^1/2 ・１７／（２０３・Ｐ₁ ・αｏ）
    但し、Ｑｇは標準状態に換算した小孔への流体の供給量（Ｎｍ³ ／ｈ）、Ｐ₁ は小孔入口側の流体の絶対圧力（ｋｇｆ／ｃｍ² ａｂｓ）、Ｔは流体の温度（Ｋ），Ｇｇは流体の比重、αｏは流体の縮流係数
12. 前記流量の計測は、マスフローコントローラーを少なくとも用いて行うことを特徴とする請求項１１に記載の小孔孔径計測方法。
13. プレートの所定の部分に所定の孔径で２個以上の所定の個数の小孔を有するプレートの前記小孔の孔径を、請求項１乃至請求項１０の何れか一つに記載の小孔孔径計測装置を用いて測定することを特徴とする小孔孔径計測方法。
14. プレートの所定の部分に所定の孔径で２個以上の所定の個数の小孔を有するプレートの前記小孔の孔径を、請求項１１又は請求項１２に記載の小孔孔径計測方法によって測定することを特徴とする小孔孔径計測方法。
15. 前記孔径の測定によって、前記所定の個数の小孔の孔径のばらつきが所定の範囲内にあるかどうかを判定する工程を含むことを特徴とする請求項１３又は請求項１４に記載の小孔孔径計測方法。
16. 請求項１３乃至請求項１５の何れか一つに記載の小孔孔径計測方法によって小孔の孔径を計測したシャワープレート。

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