JP5222935B2 - ガス流量検定ユニット - Google Patents
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Description
これらのガスはその流量を厳格に管理しなければならない。
その理由として、ガス流量がプロセスの良否に直接影響することが挙げられる。すなわち、ガス流量は、成膜プロセスにおいては膜質に、また、エッチングプロセスにおいては回路加工の良否に、それぞれ多大な影響を与え、半導体製品の歩留まりがガス流量の精度により決定される。
また、これらのガス、特に半導体製造プロセスに使用しうる高純度かつ無塵のものは高価な上、ガス種によっては自然劣化による使用制限があるため大量保管ができないことも理由として挙げられる。
このように、マスフローコントローラは、印加電圧と実流量との関係が変化し、実流量が変化する可能性がある。そのため、マスフローコントローラは、定期的に流量を検定され、較正される必要がある。
(1)流量制御機器の下流側に配設されるガス流量検定ユニットにおいて、ガスを入力する入力部材と、前記ガスを出力する出力遮断弁と、前記入力部材と前記出力遮断弁とを連通させる連通部材と、前記入力部材と前記出力遮断弁との間に供給される前記ガスの圧力を検出する圧力検出器と、前記入力部材と前記出力遮断弁との間に供給される前記ガスの温度を検出する温度検出器と、前記圧力検出器が検出する圧力検出結果と、前記温度検出器が検出する温度検出結果を用いて前記流量制御機器を流れるガスの流量を検定する制御手段と、を有し、前記入力部材、前記圧力検出器、及び前記出力遮断弁が、直列に配置されていること、前記制御手段が前記直列に配置された前記入力部材、前記圧力検出器、及び前記出力遮断弁と密着して配置されていること、前記制御手段は、前記圧力検出器が検出する圧力値を所定間隔でサンプリングして、新規にサンプリングした圧力値と直前にサンプリングした圧力値との傾きを算出し、算出した傾きが測定可能範囲内になったときに、ガスの流量を検定することを特徴とする。
(3)(1)又は(2)に記載の発明において、前記温度検出器が棒状の温度センサであって、流路ブロックの側面には、前記温度センサを取り付ける取付部が設けられていることを特徴とする。
上記構成を有する本発明のガス流量検定ユニットによれば、棒状の温度センサを流路ブロックの取付部に取り付け、流路ブロックの温度を計測することにより、第1遮断弁と第2遮断弁との間に供給されたガスの温度を検出するので、第1遮断弁と第2遮断弁との間の体積を小さくしたまま、温度センサをガス流量検定ユニットに取り付けることができる。
図1は、ガス流量検定ユニット11を内蔵するガスボックス1の概略構成図である。図2は、図1に示すガスユニット2の側面図である。
図1に示すように、ガス流量検定ユニット11は、例えば、ガスボックス1に内設される。ガスボックス1は、箱状をなし、複数(図1では12個)のガスユニット2…を集積したガス供給集積ユニットが内蔵されている。図1及び図2に示すように、ガスユニット2は、レギュレータ3、圧力計4、入力用遮断弁5、「流量制御機器」の一例であるマスフローコントローラ10、出力用遮断弁6などの流体制御機器を流路ブロック7の上面にそれぞれ固定し、直列一体に連結したものである。
図3は、図1に示すガス流量検定ユニット11の側面図である。図4は、図1に示すガス流量検定ユニット11の上面図である。
図3及び図4に示すように、ガス流量検定ユニット11は、第1遮断弁12、第2遮断弁13、「圧力検出器」である圧力センサ14、「温度検出器」である温度センサ15、「制御手段」であるコントローラ16などで構成されている。ガス流量検定ユニット11は、圧力センサ14を覆うようにセンサカバー17がネジ止めされ、ユニット取付時などにユーザが圧力センサ14にさわって設定を変更しないようにしている。
第1遮断弁12と、圧力センサ14と、第2遮断弁13は、「連通部材」である流路ブロック18の上面に、ボルト40で固定されている。また、温度センサ15は、流路ブロック18内に配設されている。
温度センサ15は、棒状の熱電対である。
第2遮断弁13は、図示しないガスケットを介してボディ25の第1ポート26を流路ブロック18の第2ポート34に接続させ、図中上方からボルト40を締め付けることにより図示しないガスケットを押し潰した状態で流路ブロック18の図中上面に固定される。
圧力センサ14は、図示しないガスケットを介して検出ポート39を流路ブロック18の第3ポート35に接続させ、図中上方からボルト40を締め付けることにより図示しないガスケットを押し潰した状態で流路ブロック18の上面に固定される。
温度センサ15は、挿通孔38に挿通して流路ブロック18に取り付けられる。
図6は、コントローラ16の電気ブロック図である。
コントローラ16は、コンピュータ機能を備え、CPU41、入出力インターフェース42、ROM43、RAM44、ハードディスクドライブ(以下「HDD」という。)45で構成される。
ところで、図3、図4、図5に示すように、第1実施形態のガス流量検定ユニット11は、従来技術のようにチャンバを備えていない。ガス流量検定ユニット11は、既知体積Vkがシステム側流路体積Ve以下に設定されている。既知体積Vkをシステム側流路体積Ve以下にするのは、ガス流量検定ユニット11の流路を短くすることにより、マスフローコントローラ10が出力したガスの圧力がガス流量検定ユニット11内でばらつくこと(偏在すること)を防止するためである。従って、ガス流量検定ユニット11は、第1遮断弁12、圧力センサ14、温度センサ15、第2遮断弁13を配設する上で可能な限り既知体積Vkを小さくすることが望ましい。第1実施形態では、図1に示すガスボックス1において、各ガスユニット2のマスフローコントローラ10の出口からガス流量検定ユニット11を構成する第1遮断弁12の弁座22までのシステム側流路体積Veが100ccに設定されているのに対して、ガス流量検定ユニット11を構成する第1遮断弁12の弁座22(図5参照。)から第2遮断弁13の弁座28(図5参照。)までの既知体積Vkが10ccに設定されている。
次に、第1実施形態のガス流量検定ユニット11による検定方法の概略について説明する。概略としたのは、後述する評価試験の説明において検定方法を具体的に記載しているからである。図7は、第1実施形態のガス流量検定ユニット11が実行する流量検定方法を示すフローチャートである。
ここで、発明者らは、第1実施形態のガス流量検定ユニット11の評価実験を行った。図8は、評価装置50のブロック図である。
評価装置50は、4個のガスユニット2A,2B,2C,2Dをガス流量検定ユニット11に並列に接続して構成されている。以下の説明では、ガスユニットを区別する必要がないときには、「ガスユニット2」と称する。また、ガスユニット2を構成する流体制御機器についても、特に区別する必要がない場合には、符号の添字「A」、「B」、「C」を省略して説明する。
評価実験は、上記(i),(ii),(iii)で使用する評価装置50A,50B,50Cについてそれぞれ行った。評価実験は、先ず、タンク体積V(Ve+Vk)とシステム側流路体積Veを測定した後、誤差測定を5回繰り返し、誤差の平均値を算出した。誤差測定は、ガス流量検定ユニットが算出した流量と高精度流量計56が計測した流量との間に生じる誤差を算出することにより行った。誤差測定は、マスフローコントローラ10の制御流量を大流量(500sccm)にした場合と、小流量(100sccm)にした場合とに分けて行った。そして、図10に示すように、誤差測定結果を(i),(ii),(iii)の場合に分けて、比較した。評価実験の方法を以下に具体的に説明する。
ガス流量検定ユニット11を外部システムに接続する場合、マスフローコントローラ10の出口からガス流量検定ユニット11を構成する第1遮断弁12の弁座22までのシステム流路側体積Veが、外部システムの流路構成によって異なる。すなわち、タンク体積Vが、外部システムによって変化する。そこで、ガス流量検定ユニット11は、ガス流量の検定に先立ち、タンク体積Vとシステム流路側体積Veを測定する。タンク体積V及びシステム側流路体積Veの測定は、コントローラ16が体積測定プログラム47を実行することにより行われる。
誤差測定は、コントローラ16に流量検定プログラム48を実行させて流量検定を行わせ、ガス流量検定ユニットが算出した流量を高精度流量計56が計測した流量と比較して誤差を算出することにより行う。
上記のように誤差を測定して評価した結果について図10を参照しながら説明する。
発明者らが評価装置50Cを用いて従来のガス流量検定ユニットUを評価したところ、図10(iii)に示すように、マスフローコントローラ10Aの流量が100sccmである場合には、従来のガス流量検定ユニットUが算出した流量Q13は、高精度流量計56が計測するマスフローコントローラ10Aの真値との誤差が、0.012%と小さかった(図中黒丸参照。)。このように従来のガス流量検定ユニットUの流量検定精度が良いのは図19に示すようにチャンバ153を備えるからであると発明者らは考えた。
また、流量検定を精度よく行うためには、単位時間あたりの上昇圧力値(図9に示すグラフの傾き)を小さくすることが望ましい。しかし、あまりにも上昇圧力値を小さくし過ぎると、流量検定時間が長くなる不具合がある。よって、圧力計測時間を確保するためには、半導体製造プロセスで許される流量検定時間を考慮してチャンバ153の体積を決める必要があると、発明者らは考えた。
評価装置50BにN2ガスを500sccm流した場合には、図10(ii)に示すように、チャンバ60を備えるガス流量検定ユニットが算出した流量Q22は、真値との誤差が0.982%であった(図中黒塗り三角参照。)。そして、100sccmの小流量を流した場合の誤差(0.099%)と、500sccmの大流量を流した場合の誤差(0.982%)を比較すると、0.883%の差が生じた。
評価装置50CにN2ガスを500sccm流した場合には、図10(iii)に示すように、従来のガス流量検定ユニットUが算出した流量Q23は、真値との誤差が1.150%であった(図中黒塗り三角参照。)。そして、100sccmの小流量を流した場合の誤差(0.012%)と、500sccmの大流量を流した場合の誤差(1.150%)を比較すると、1.138%の差が生じた。
従って、第1実施形態のガス流量検定ユニット11によれば、既知体積Vkがシステム側流路体積Ve以下であるため、例えば、第1遮断弁12と第2遮断弁13との間に供給するガスの流量が100sccmの小流量から500sccmの大流量に変化しても、第1遮断弁12と第2遮断弁13との間の圧力が均一になりやすい。そのため、第1実施形態のガス流量検定ユニット11は、第1遮断弁12と第2遮断弁13との間に供給されるガスの流量が増加しても、圧力センサ14や温度センサ15が圧力と温度を正確に検出することができ、圧力センサ14の圧力検出結果と温度センサ15の温度検出結果を用いてガス流量を精度良く算出して検定することが可能である。よって、第1実施形態のガス流量検定ユニット11によれば、マスフローコントローラ10が制御する制御流量の変化に対する計測流量誤差が小さくなり(図10の(i)参照。)、流量検定に対する信頼性を向上させることができる。
第1実施形態のガス流量検定ユニット11によれば、棒状の温度センサ15を流路ブロック18の挿通孔38に挿通し、流路ブロック18の温度を計測することにより、第1遮断弁12と第2遮断弁13との間に供給されたガスの温度変化を検出するので(図5参照。)、第1遮断弁12と第2遮断弁13との間の既知体積Vkを小さくしたまま、温度センサ15をガス流量検定ユニット11に取り付けることができる。
続いて、本発明のガス流量検定ユニットについて第2実施形態を図面を参照して説明する。図11は、ガス流量検定ユニット11Aを備えるガス供給集積ユニット63の一例を示すブロック図である。
第2実施形態のガス流量検定ユニット11Aは、例えば、図11に示すガス供給集積ユニット63の流量検定を行うために用いられる。ガス供給集積ユニット63の回路構成は、第1実施形態で説明した評価装置50(図8参照。)と同様であるので、各流体制御機器には評価装置50と同じ符号を用いる。第2実施形態のガス流量検定ユニット11Aは、コントローラ61の構成が第1実施形態のコントローラ16と相違する。よって、ここでは、第1実施形態と相違する点を中心に説明し、共通する点は、第1実施形態で用いた符号を図面に付し、説明を適宜省略する。
図12は、第2実施形態に係るガス流量検定ユニット11Aに使用されるコントローラ61の電気ブロック図である。
コントローラ61は、ガス供給集積ユニット63の圧力センサ59と真空ポンプ58と出力用遮断弁55が入出力インターフェース42に接続されている点が、第1実施形態のコントローラ16(図6参照。)と相違する。圧力センサ59は、ガスユニット2をガス供給弁57に連通させるシステム側流路(図11参照。)の圧力を検出して圧力検出信号をコントローラ61に出力する。真空ポンプ58は、コントローラ61から指令を受けて、ガス供給集積ユニット63内の真空引きを行う。出力用遮断弁55は、コントローラ61の指令を受けて弁開閉動作を行い、各ガスユニット2のプロセスガス出力を制御する。
タンク体積V及びシステム側流路体積Veの測定は、コントローラ61が体積測定プログラム62を実行することにより行われる。尚、ここでは、評価装置50(図8参照。)と同様の回路構成を有するガス供給集積ユニット63(図11参照。)を用いて体積を測定する場合を例に挙げて説明する。
上記の通り、第2実施形態のガス流量検定ユニット11Aは、真空ポンプ58に第2遮断弁13の第2ポート27が接続され、マスフローコントローラ10の出口と第1遮断弁12の弁座22との間の圧力を検出する圧力計59と、ガスユニット2の出力用遮断弁55にコントローラ16が接続されている(図11、図12参照。)。コントローラ16が体積測定プログラム62を実行することにより、システム側流路体積Veが測定される。すなわち、第1遮断弁12と第2遮断弁13との間を真空ポンプ58で真空引きした後、マスフローコントローラ10と第1遮断弁12との間に封入されたガスを第1遮断弁12と第2遮断弁13との間に放出したときに、第1遮断弁12と第2遮断弁13との間の圧力変化と温度変化を圧力センサ14と温度センサ15でそれぞれ検出し、その圧力検出結果と温度検出結果をボイル・シャルルの法則にあてはめることによりタンク体積Vを測定する。そして、体積記憶手段46から既知体積Vkを読み出し、タンク体積Vから既知体積Vkを減算することにより、システム側流路体積Veを測定する。よって、第2実施形態のガス流量検定ユニット11Aによれば、ユニット取付先のシステム構成によりシステム側流路体積Veがバラツキを生じる場合でも、そのバラツキの影響を排除してガス流量検定の精度を良好に保つことができる。
続いて、本発明のガス流量検定ユニットについて第3実施形態を図面を参照して説明する。
第3実施形態のガス流量検定ユニット11Bは、上記第1実施形態のガス流量検定ユニット11の流量検定処理を改良し、流量検定時間を短縮したものである。よって、ここでは、第1実施形態と相違する点を中心に説明し、第1実施形態と共通する点については図面に第1実施形態と同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
以上説明したように、第3実施形態のガス流量検定ユニット11Bは、圧力センサ14が既定の測定開始圧力P1を測定する前であっても、圧力上昇率(傾き)Pn/Δt、ΔP/tn又は圧力値Pの傾きPn/Δt、ΔP/tnの相関係数が測定可能範囲X1,X2内に属すれば、流量を測定して検定を行う(図13のS302〜S309参照)。これに対して、第1実施形態のガス流量検定ユニット11は、圧力センサ14が既定の測定開始圧力P1を検出するのを待って、流量Qを測定して検定を行う(図7のS105〜S107参照)。
ガス流量検定ユニット11,11Bは、機器構成が同じであるが、流量検定処理のみが相違する。そのため、ガス流量検定ユニット11,11Bは、タンク体積Vが同じである。また、ガス流量検定ユニット11Bは圧力センサ14の圧力値Pを所定時間間隔で監視し、圧力値の傾きにより流量検定タイミングを計るものとする。
(2)上記実施形態では、マスフローコントローラ10を流量制御機器として使用したが、圧変動補正定流量弁や流量調整弁などの流量設定機能を有するものを流量制御機器として使用してもよい。
(4)例えば、上記実施形態では、圧力検出器として静電容量型の圧力センサを使用したが、ピエゾ抵抗型の圧力センサや、液注型真空計やマクラウド真空計などを圧力検出器として使用してもよい。
(5)例えば、上記実施形態では、第1遮断弁12と第2遮断弁13に電磁駆動系の電磁弁としたが、エアオペレート弁など他の駆動系を用いる弁であってもよい。また、ダイアフラム弁でなく、ポペット弁などであってもよい。
(7)例えば、上記実施の形態では、タンク体積Vとシステム側流路体積Veを事後的に体積記憶手段46に記憶させたが、例えば、ガス流量検定ユニット11をガスボックス1に組み込み、タンク体積Vとシステム側流路体積Veが分かっている場合には、既知のタンク体積Vとシステム側流路体積Veを初期値として体積記憶手段46に記憶させてもよい。この場合、ユーザ側でガスボックス内の流路構成に変更を加えた場合には、上記実施形態で説明した体積測定を実施することにより、流路構成の変更に伴う流量検定不良を防止することができる。
2 ガスユニット
10 マスフローコントローラ(流量制御機器)
11 ガス流量検定ユニット
12 第1遮断弁
13 第2遮断弁
14 圧力センサ(圧力検出器)
15 温度センサ(温度検出器)
16 コントローラ(制御手段)
18 流路ブロック(連結部材)
21 第2ポート(出力ポート)
26 第1ポート(入力ポート)
47 体積測定プログラム(体積測定手段)
58 真空ポンプ
62 体積測定プログラム(体積測定手段)
Claims (5)
- 流量制御機器の下流側に配設されるガス流量検定ユニットにおいて、
ガスを入力する入力部材と、
前記ガスを出力する出力遮断弁と、
前記入力部材と前記出力遮断弁とを連通させる連通部材と、
前記入力部材と前記出力遮断弁との間に供給される前記ガスの圧力を検出する圧力検出器と、
前記入力部材と前記出力遮断弁との間に供給される前記ガスの温度を検出する温度検出器と、
前記圧力検出器が検出する圧力検出結果と、前記温度検出器が検出する温度検出結果を用いて前記流量制御機器を流れるガスの流量を検定する制御手段と、を有し、
前記入力部材、前記圧力検出器、及び前記出力遮断弁が、直列に配置されていること、
前記制御手段が、前記直列に配置された前記入力部材、前記圧力検出器、及び前記出力遮断弁と密着して配置されていること、
前記制御手段は、
前記圧力検出器が検出する圧力値を所定間隔でサンプリングして、新規にサンプリングした圧力値と直前にサンプリングした圧力値との傾きを算出し、算出した傾きが測定可能範囲内になったときに、ガスの流量を検定すること、
を特徴とするガス流量検定ユニット。 - 流量制御機器の下流側に配設されるガス流量検定ユニットにおいて、
ガスを入力する入力部材と、
前記ガスを出力する出力遮断弁と、
前記入力部材と前記出力遮断弁とを連通させる連通部材と、
前記入力部材と前記出力遮断弁との間に供給される前記ガスの圧力を検出する圧力検出器と、
前記入力部材と前記出力遮断弁との間に供給される前記ガスの温度を検出する温度検出器と、
前記圧力検出器が検出する圧力検出結果と、前記温度検出器が検出する温度検出結果を用いて前記流量制御機器を流れるガスの流量を検定する制御手段と、を有し、
前記入力部材、前記圧力検出器、及び前記出力遮断弁が、直列に配置されていること、
前記制御手段が、前記直列に配置された前記入力部材、前記圧力検出器、及び前記出力遮断弁と密着して配置されていること、
前記制御手段は、
前記圧力検出器が検出する圧力値を所定間隔でサンプリングして、新規にサンプリングした圧力値の傾きに対する相関係数を算出し、算出した相関係数が測定可能範囲内になったときに、ガスの流量を検定すること、
を特徴とするガス流量検定ユニット。 - 請求項1又は請求項2に記載するガス流量検定ユニットにおいて、
前記温度検出器が棒状の温度センサであって、
流路ブロックの側面には、前記温度センサを取り付ける取付部が設けられていることを特徴とするガス流量検定ユニット。 - 請求項1乃至請求項3の何れか1つに記載するガス流量検定ユニットにおいて、
前記流量制御機器が搭載されたガスユニットを内蔵するガスボックスに内設されることを特徴とするガス流量検定ユニット。 - 請求項1乃至請求項4の何れか1つに記載するガス流量検定ユニットにおいて、
前記制御手段は、
前記流量制御機器と前記出力遮断弁との間にガスを目標圧力だけ封入するときに、前記圧力検出器が既定の初期圧力を検出した後、前記目標圧力を検出するまでの単位時間あたりの上昇圧力値を算出するとともに、圧力検出時のガス温度を前記温度検出器により検出し、前記上昇圧力値と前記ガス温度を用いて前記流量制御機器から前記出力遮断弁までのタンク体積を測定する体積測定手段を有することを特徴とするガス流量検定ユニット。
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