JP5177864B2 - 熱式質量流量調整器用自動圧力調整器 - Google Patents

Description

本発明は、半導体製造用のチャンバ等へガスを供給するガス供給装置の自動圧力調整器に関するものであり、供給ガス流量の切替時等に流量調整器の流量出力に生ずるオーバーシュートをほぼ完全に防止できるようにした自動圧力調整器に関するものである。

半導体製造装置等のガス供給装置に於いては、従前から図１３に示す如く、ガス供給源ＳＧからのガス供給ラインに圧力調整器Ｒを設け、この圧力調整器Ｒの出力側のガス供給管路Ｌｏに複数の分岐管路Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃを設けると共に、各分岐管路Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃにレギュレータ１ａ、１ｂ、１ｃ，入力側圧力センサ２ａ、２ｂ、２ｃ，出口側圧力センサ３ａ、３ｂ、３ｃ，コントローラ４ａ、４ｂ、４ｃから成る自動圧力制御装置５ａ、５ｂ、５ｃと，熱式質量流量調整器ＭＦＣ₁，ＭＦＣ₂，ＭＦＣ₃とを設け、各熱式質量流量調整器ＭＦＣ₁、ＭＦＣ₂、ＭＦＣ₃の入口側圧力センサ２ａ、２ｂ、２ｃと出口側圧力センサ３ａ、３ｂ、３ｃとの圧力差ΔＰが設定値外になると、コントローラ４ａ、４ｂ、４ｃを介してレギュレータに１ａ、１ｂ、１ｃにフィードバックをかけ、各レギュレータ１ａ、１ｂ、１ｃの出口側圧力を調整して上記圧力差ΔＰが設定値内になるよう自動制御することにより、設定流量のガスを各ガス使用対象６ａ、６ｂ、６ｃへ安定供給するようにしている。

また、前記各コントローラ４ａ、４ｂ、４ｃによる制御には所謂ＰＩＤ制御動作の特性が備えられており、入口側圧力センサ２と出口側圧力センサ３との間の圧力差（偏差）ΔＰがより少ないサイクリングでもって早期に零に収斂するようＰ制御動作、Ｉ制御動作及びＤ制御動作の各制御動作量を自動的に調整するオートチューニング機能が備えられている。

上記図１３に示した従前の自動圧力調整器５はガス使用対象である真空チャンバ等へ供給するガス流量を高精度で制御することが出来ると共に、供給ガス流量を変化させた場合に於いても、比較的迅速にガス流量を新たな設定流量に収斂させることが出来、優れた実用的効用を奏するものである。

しかし、当該図１３に示した自動圧調整器５にも解決すべき問題点が多く残されている。その中でも、緊急に解決すべき問題は、流量１０〜１０００ＳＣＣＭ程度のガスを真空チャンバ（１０¹〜１０^-5ｔｏｒｒ）へ供給している際に、自動圧力調整器５によりガス流を断続させると、ガス供給開始時に熱式質量流量調整器ＭＦＣ₁の出口側流量に所謂オーバーシュートが発生し、ガス種の切換供給の激しい成膜装置等にあっては、膜の緻密さや膜厚等に変動を来たして均一な膜質の成膜が困難になると云う問題である。

特開平７−２４０３７５ 特開２００５−３３９４３９

本願発明は、従前の自動圧力調整器に於ける上述の如き問題、即ちガス流量設定の切替時、特にガス供給開始時にコントローラ４の制御特性やオートレギュレータ１の流量制御特性によって質量流量調整器ＭＦＣに所謂流量のオーバーシュートが生じると云う現象を解消して、小流量ガスの流量制御であっても、オーバーシュートを生じることなく熱式質量流量調整器でもって高精度な流量制御を行えるようにした自動圧力調整器を提供することを発明の主目的とするものである。

本願発明者等は、先ず最初に、手動圧力調整器４０と流量調整器１７とを用いて、図１に示す如き試験装置を形成し、手動圧力調整器４０の流量応答性を調査した。即ち、手動圧力調整器４０に制御圧の設定値Ｐｓｔを設定し、その時の流量調整器１７の流量出力のステップ応答及び安定性を調査した。

尚、図１に於いて、１０はＮ₂ガス供給源、１１は手動圧力調整器、１２はフィルタ、１３は供給圧検出器、１４は制御圧検出器、１７は熱式質量流量調整器、１８・１９は弁４０は手動圧力調整器、２１は真空ポンプである。

前記Ｎ₂ガス供給源にはＮ₂充填容器が使用されており、手動圧力調整器１１にはＥＲＳＢ−２０６９−ＷＥ（ユタカ製）が用いられている。また、手動圧力調整器４０には、ＳＱＭＩＣＲＯＨＦ５０２ＰＵＰＧ６０１０（Ｐａｒｋｅｒ製）が使用されており、更に、熱式質量流量調整器１７にはＦＣ−Ｄ９８ＣＴ−ＢＦ（Ａｅｒａ製、Ｆ．Ｓ．５０ＳＣＣＭ）が使用されている。

具体的には、先ず各機器を接続し、図１の試験装置を構成する。次に、真空ポンプ２１を運転して熱式質量流量調整器１７の２次側を真空引きした。引き続き、手動圧力調整器１１の供給圧を３００ｋＰａＧに及び手動圧力調整器４０の制御圧を２８０ｋＰａ ａｂｓ．に夫々設定した。

そして、熱式質量流量調整器１７の入力と出力のステップ応答をデータロガーにより計測すると共に、手動圧力調整器４０の制御圧を同様に計測した。尚、熱式質量流量調整器１７の入・出力側のステップ応答及び手動圧力調整器４０の制御圧の計測は、ＮＲ−６００（キーエンス製）のデータロガーを使用した。

図２は、上記試験に於ける手動圧力調整器４０の流量応答特性を示すものであり、手動圧力調整器４０の制御圧と熱式質量流量調整器１７の入・出力とのステップ応答特性を示している。
即ち、図２に於いて、曲線Ａは熱式質量流量調整器１７の入力の値（電圧値）、曲線Ｂは出力の値（電圧値）を示すものであり、手動圧力調整器４０の場合には、拡大部分Ｃからも明らかなように、熱式質量流量調整器１７の立上り時のオーバーシュートはフルスケール（Ｆ．Ｓ．）流量の０．８％と極めて低いものであることが判明した。また、手動圧力調整器４０による場合には、制御圧Ｄに静止時と動圧時とで偏差が生じ、静止時の流量０（ＳＣＣＭ）の時と動圧時の流量５０（ＳＣＣＭ）のときの制御圧の差は約５ｋＰａ程度となることが判った。

次に、図１に示す手動圧力調整器４０を、図３に示すように圧力調整弁１５及びコントローラ１６とから成るＰＩＤ制御動作による自動圧力調整器２０へ置き換えた場合について、上記図２のときと同様に、自動圧力調整器２０の制御圧と熱式質量流量調整器１７の入・出力とのステップ応答特性を調査した。

尚、自動圧力調整器２０はコントローラ１６によってＰＩＤ制御動作による自動制御が行われるため、その制御圧の偏差は最終的に零となる。

図４は、その結果を示すものであり、コントローラ１６によるＰＩＤ制御動作が行われることにより、自動圧力調整器２０の制御圧Ｄは、その偏差が無くなる方向に調整される。その結果、熱式質量流量調整器１７の出力側の値は曲線Ｂのようになり、その拡大部Ｃからも明らかなように、フルスケール（Ｆ．Ｓ．）流量の約７．８％程度のオーバーシュートが生ずることが判明した。
即ち、自動圧力調整器２０の制御圧を、コントローラ１６によりＰＩＤ制御動作を付加した自動フィードバック制御とすることにより、ガス流量の立上げ時に熱式質量流量調整器１７の出力値により大きなオーバーシュートが起生することが判明した。

本願発明は、上記の如き知見をベースにして開発されたものであり、自動圧力制御器２０の圧力調整弁１５をフィードバック制御するコントローラ１６の制御特性を調整することにより、ガス流量の立上げ時に於ける熱式質量流量調整器の出力に起生するオーバーシュートを防止することを着想し、当該着想に基づいて数多くの自動圧力制御器２０について、圧力調整弁１５と熱式質量流量調整器１７との流量応答特性試験を実施した。

本願発明は、上記流量応答特性試験結果に基づいて創作されたものであり、熱式質量流量調整器へ供給するガスの自動圧力調整器２０であって、当該自動圧力調整器２０を、圧力調整弁１５と，圧力調整弁１５の出力側に設けた制御圧検出器１４と，制御圧検出器１４の検出値Ｐ_２と制御圧の設定値Ｐｓｔとが入力され、前記圧力調整弁１５の駆動部へ比例制御方式により制御信号を供給して弁の開度調整を行うコントローラ１６と，から構成すると共に、前記比例制御方式を、制御圧に残留偏差を生ずる比例動作の制御とするようにしたことを特徴とする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、圧力調整弁１５の制御圧の範囲を−０．０７〜０．７ＭＰａＧとすると共に熱式質量流量調整器１７の最小定格流量を １（ＳＣＣＭ）とするようにしたものである。

請求項３の発明は、請求項１の発明に於いて、PID制御可能な状態から積分制御動作を無効とすることにより、制御圧に残留偏差を生ずる比例動作の制御とするようにしたものである。

本発明に於いては、自動圧力調整器２０のコントローラ１６の制御方式を、積分動作を無効とすることにより制御圧に残留偏差を生ずる制御とし、流量調整器の出力側の応答特性にオーバーシュートが発生するのを防止する構成としている。その結果、微小流量のガス供給においても、ガス流量の変更や供給ガス種の切換時のオーバーシュートが防止されることになり、半導体製造装置等に於いては製品品質の大幅な向上が図れると共に製品歩留りが高まることになる。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。
図５は、本願発明の一実施形態を示すものである。尚、当該図５は、使用する熱式質量流量調整器１７を、フルスケール（Ｆ．Ｓ．）流量が１０ＳＣＣＭ及び５００ＳＣＣＭのものとした点、並びにコントローラ１６を、ＰＩＤ制御動作と積分動作を無効とすることにより制御圧に残留偏差を生ずる制御動作の何れかを選択可能なものとした点、のみが前記図３の場合と異なるだけである。

尚、周知の如くＰＩＤ制御動作は、圧力調整弁１５の制御圧の制御偏差を最終的に零に収斂する制御方式であり、積分動作を無効とした制御動作は、制御偏差が零にならず、ある一定の偏差（オフセット）を有して収斂する制御方式である。

図６は、本発明に係る自動圧力制御器２０を構成する圧力調整弁１５の断面概要図であり、圧力調整弁１５には所謂ピエゾ駆動式メタルダイヤフラム型制御弁が使用されている。即ち、当該圧力調整弁１５は、ステンレス鋼製の弁本体２２と、金属ダイヤフラム弁体２３と、押えアダプタ２４と、下端部にダイヤフラム押え２５が設けられ、弁本体２３の孔部２２ａ内へ垂直状に挿着した底壁を有する筒状の圧電素子支持筒体２６と、支持筒体２６の底壁上に配設した皿ばね２７と、押えアダプタ２４を押圧する割りベース２８と、割りベース２８の鍔部を下方に押圧することにより割りベース２８を弁本体２２へ固定する筒体固定・ガイド体２９と、支持筒体２６内に設けた下部受台３０と、支持筒体２６内へ挿着した圧電素子３１と、圧電素子３１の上端部に配設したベアリング３２と、支持筒体２６の上方に配設した位置決め材３３等からその主要部が構成されている。また、弁本体２２は出口側（２次側）の制御圧を検出するケージ圧センサ３４及び弁本体２２の気密性を保持するロングガスケット３５が設けられており、更に、弁本体２２には流体入口３６、流体出口３７、漏洩検査孔３８等が設けられている。

駆動信号が入力されない時には、スプリング２７の弾性力によって支持筒体２６が下方へ押圧され、樹脂シート製のダイヤフラム押え２５を介して弁体２３が弁座３９側へ接当され、流体通路が閉鎖される。また、駆動信号が圧電素子３１へ入力されると、圧電素子３１が伸長し、下部受台３０上に下端部が支持された圧電素子３１の上端が上方へ上昇し、支持筒体２６をスプリング２７の弾性力に抗して上方へ持ち上げる。これにより、ダイヤフラム押え２５も上方へ移動して弁体２３が弁座３９から離れることにより、流体通路が導通される。
尚、当該圧力調整弁１５そのものの主要構成は公知であり、例えば特開２００３−１２０８３２等により公開されているので、ここではその詳細な説明を省略する。

前記コントローラ１６は、制御圧検出器Ｐ₂からの検出圧と圧力調整弁の設定圧Ｐｓｔとの差を演算し、その偏差の大きさに比例した制御信号Ｑを圧力調整弁の駆動部（圧電素子３１）へ供給するものであり、ここでは、比例制御方式における制御動作を、積分動作を無効とすることにより制御圧に残留偏差を生ずる制御動作とＰＩＤ制御動作とに切換え可能なコントローラ１６が使用されている。

図７は、熱式質量流量調整器１７をＦ．Ｓ．１０ＳＣＣＭのものとし、これにＰＩＤ制御動作によりコントローラ１６を介して圧力調整弁１５の制御圧を１００ｋＰａ ａｂｓ．に制御すると共に、熱式質量流量調整器１７の流量設定を0−２０−４０−６０−８０−１００％設定に切換した場合の熱式質量流量調整器１７の入力値と出力値を示すものである。

図７の拡大部分Ｃからも明らかなように、圧力調整弁の制御圧Ｄが設定値１００ｋＰａ ａｂｓ．に復帰する際に、熱式質量流量調整器１７の出力側値に振れの発生することが見られる。尚、この事象は発明者に予め予想されていたところである。

図８は、図７に於ける熱式質量流量調整器１７をＦ．Ｓ．５００ＳＣＣＭの流量のものに換えた場合の測定値を示すものであり、図７の場合と同じ結果となった。

図９は、図７と同じ条件下で熱式質量流量調整器１７の流量設定を０−１００％に切換えした場合を示すものであり、熱式質量流量調整器１７の出力値に振れが発生する。

図７乃至図９からも明らかなように、自動圧力調整器２０をＰＩＤ制御動作による比例制御方式として作動させた場合には、何れの場合であっても熱式質量流量調整器１７の出力値Ｂに振れが生ずる事となる。

図１０は、本願発明の主要部を成すものであり、前記図７と同一の試験条件下で、コントローラ１６の制御動作をＰ１Ｄ制御動作から積分動作を無効とすることにより制御圧に残留偏差を生ずる制御動作に切換えした場合の試験結果を示すものである。
図１０に於いては、積分動作を無効としているため、圧力調整弁の制御圧Ｄは、流量切換によって偏差が生じても、偏差が直ちに零に戻され無い。その結果、熱式質量流量調整器１７の出力値Ｂに振れが生じなくなり、試験の結果からも明らかなように、万一振れが発生したとしてもそのＦ．Ｓ．流量に対する割合は極く小さなものとなり、実用上悪影響を生じる虞れが全くない。

図１１は、前記図１０における熱式質量流量調整器をＦ．Ｓ．５００ＳＣＣＭのものに取り替えした場合を示すものであり、図１０の場合と同様に、熱式質量流量調整器１７の出力値Ｂに振れを生ずることが殆ど無い。即ち、枠Ｃで示すように、圧力調整弁の制御圧が切換前の値に復帰されないため、熱式質量流量調整器１７の出力値には振れが生じないことになる。

図１２は、前記図９に於けるＰＩＤ制御動作を積分動作を無効とした制御動作に切替えした場合を示すものであり、ガス流量を０−１００％に切換えした場合でも、熱式質量流量調整器１７の出力値に殆ど振れが生じないことが示されている。

上記各実施例では、熱式質量流量調整器（ＭＦＣ）１７のフルスケール流量（Ｆ．Ｓ．）を１０ＳＣＣＭ又は５００ＳＣＣＭとしているが、 １ＳＣＣＭ程度のフルスケール（Ｆ．Ｓ．）流量であっても同様の流量特性が得られている。レギュレータ制御圧についても同様であり、上記各実施例では１００ｋＰａ ａｂｓ．としているが、−０．０７〜０．７ＭＰａＧであっても、同じ流量特性が得られている。

本発明に係る自動圧力調整器は、半導体製造分野のみならず、化学品製造分野や薬品製造分野等の流量調整器を用いるガス供給装置に広く適用することができるものであり、微流量のガス供給であっても、ガス流量の変動や供給ガス種の切換時に流量調整器の出力側にオーバーシュートが生じないため、高精度なガス流量制御が行える。

手動圧力調整器を用いた熱式質量流量調整器の流量応答特性測定装置の説明図である。 図１の流量応答特性測定装置を用いた場合の熱式質量流量調整器の流量応答特性を示す線図である。 自動圧力調整器を用いた熱式質量流量調整器の流量応答特性測定装置の説明図である。 図３の流量応答特性測定装置の自動圧力調整器をＰＩＤ制御動作とした場合の熱式質量流量調整器の流量応答特性を示す線図である。 本発明に係る自動圧力調整器２０の構成を示す系統図である。 本発明で使用する圧力調整弁の断面概要図である。 本発明に係る自動圧力調整器のコントローラをＰＩＤ制御動作とした場合の熱式質量流量調整器（１０ＳＣＣＭ）の流量応答特性の一例を示すものである。 本発明に係る自動圧力調整器のコントローラをＰＩＤ制御動作とした場合の熱式質量流量調整器（５００ＳＣＣＭ）の流量応答特性の一例を示すものである。 図７と同様の流量応答特性の他の例を示すものである。 本発明に係る自動圧力調整器のコントローラを積分動作を無効とした制御動作とした場合の熱式質量流量調整器（１０ＳＣＣＭ）の流量応答特性の一例を示すものである。 本発明に係る自動圧力調整器のコントローラを積分動作を無効とした制御動作とした場合の熱式質量流量調整器（５００ＳＣＣＭ）の流量応答特性の一例を示すものである。 図１０と同様の流量応答特性の他の例を示すものである。 従前の自動圧力調整器の一例を示す説明図である。

符号の説明

Ａ 熱式質量流量調整器（ＭＦＣ）の入力値
Ｂ 熱式質量流量調整器（ＭＦＣ）の出力値
Ｃ 拡大部分
Ｄ 圧力調整弁の制御圧力
Ｐｓｔ 制御圧の設定値
１０ Ｎ２ガス
１１ 圧力調整器
１２ フィルタ
１３ 供給圧検出器
１４ 制御圧検出器
１５ 圧力調整弁（レギュレータ）
１６ コントローラ
１７ 熱式質量流量調整器
１８・１９ 弁
２０ 自動圧力調整器（オートレギュレータ）
２１ 真空ポンプ
２２ 弁本体
２２ａ 弁本体の孔部
２３ ダイヤフラム弁体
２４ 押えアダプタ
２５ ダイヤフラム押え
２６ 圧電素子支持筒体
２７ 皿ばね
２８ 割りベース
２９ 筒体固定・ガイド体
３０ 下部受台
３１ 圧電素子
３２ ベアリング
３３ 位置決め材
３４ ゲージ圧センサ
３５ ロングガスケット
３６ 流体入口
３７ 流体出口
３８ 漏洩検査孔
３９ 弁座
４０ 手動圧力調整器

Claims (3)

1. 熱式質量流量調整器へ供給するガスの自動圧力調整器２０であって、当該自動圧力調整器２０を、圧力調整弁１５と，圧力調整弁１５の出力側に設けた制御圧検出器１４と，制御圧検出器１４の検出値Ｐ_２と制御圧の設定値Ｐｓｔとが入力され、前記圧力調整弁１５の駆動部へ比例制御方式により制御信号を供給して弁の開度調整を行うコントローラ１６と，から構成すると共に、前記比例制御方式を制御圧に残留偏差を生ずる比例動作の制御とするようにしたことを特徴とする熱式質量流量調整器用自動圧力調整器。
2. 圧力調整弁１５の制御圧の範囲を−０．０７〜０．７ＭＰａＧとすると共に熱式質量流量調整器１７の最小定格流量を１（ＳＣＣＭ）とするようにした請求項１に記載の熱式質量流量調整器用自動圧力調整器。
3. PID制御可能な状態から積分制御動作を無効とすることにより、制御圧に残留偏差を生ずる比例動作の制御とするようにした請求項１に記載の熱式質量流量調整器用自動圧力調整器。

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