JP5654099B2 - ガスの流量を決定する方法、ガス・フロー・コントローラの動作を決定する方法、ガスフローコントロールシステムの一部の容量を決定する方法、及びガス搬送システム - Google Patents

Description

ある工業的なプロセスの善し悪しは、ガスの流れが適切に制御されるか否かに依存する。一例として、半導体装置の製造分野では、シリコンウェーハの加工のために様々な種類のガスを用い、集積回路（ＩＣ）を加工している。
プラズマエッチングは特に重要な半導体プロセスであり、いくつかの異なるガスの流れが慎重に制御されるか否かで善し悪しが決まるプロセスである。プラズマエッチングにおいては、さまざまなガスが真空チャンバに供給される。電力（一般的には無線周波数励起（Radio Frequency Excitation）の形式）が、反応ガス種を生成するプラズマを発生させるために用いられる。反応ガス種は、シリコンウェーハに対しパターンエッチングを施し、ＩＣの異なる構成要素を作り出す。

最新のＩＣの構成要素は非常に小さい寸法を有しているため、効率的な製造のためには、ガス流の使用が、非常に安定的で且つ一貫した大流量特性を呈していることが必要となる。従来は、このような大量のガス流は、１分当たりの標準立方センチメートル単位（ｓｃｃｍ）で測定される。
しかし、一般的には、ガスの流れを制御するのに使用される電気機械式マス・フロー・コントローラ（ＭＦＣ）は、時間とともに変動しやすい。半導体の製造工程は特にこれらの変動に特に敏感である。数パーセント程度の変動により、ＩＣの性能は大きく悪化することがある。したがって、安定したガス流の維持のためには、マス・フロー・コントローラ（ＭＦＣ）の頻繁なテストおよび校正が必要になることがある。

従来、ＭＦＣｓのテストは、ガスを既知の大きさを有する真空チャンバに供給し、その一方でそのチャンバの中の圧力をモニタすることにより達成される。
圧力、容量及び導入されるガスの量（それは、ガスの分子数を特定する）との間の既知の相関関係に基づいて、真空チャンバにガス流が流れ込んだときの圧力の上昇（上昇率）は、モニタされ得る。そして、チャンバの中の圧力変化に関する情報は、マス・フロー・コントローラを通るガスの実際の流量を決定するために用いられ得る。

便宜上の理由で、加工チャンバ自体が、ガス流の測定のための真空チャンバとしてしばしば使用される。例えば、正確であると知られているＭＦＣを通ってガスが流れるときの圧力上昇をモニタすることにより、加工チャンバの容量を測定することができる。こうして、加工チャンバに接続されているマス・フロー・コントローラのいずれかによるガス流の測定は、容易に達成することができる。この従来の方法の１つの潜在的欠点は、加工チャンバのスループットの損失である。具体的には、ガス流テスト工程は非常に貴重な時間を浪費する。そして、その間、設備による生産的な処理は何ら実行することができない。従来の方法による別の潜在的な悪い結果としては、先に実行されたプロセスにより生じるチャンバ壁の堆積物が、テストの最中に、ガスを吸着又は脱着（desorb）してしまうことが挙げられる。これらの堆積物がガスを吸着する場合、圧力増大の測定率は小さ過ぎることになる。また、チャンバの堆積物がガスを脱着する場合、圧力の増大が大きすぎることになる。どちらの場合も、測定が不正確となる。さらに、チャンバ内に堆積物がない場合であっても、特定の条件下においては、チャンバの壁に存在する材料が測定値の精度に悪影響を与えることがある。一例として、チャンバの壁の水分が流れるガス（例えばシラン）と反応することがあり、これにより他のガス（例えば水素）が生成され、このガスが圧力変化をもたらし、それ故に流量率の計算を狂わせることがあり得る。他の例では、チャンバ壁に結合されたアンモニアがチャンバに向けて流されるＴｉＣｌ４と反応することがあり得る。これにより、流量計算が狂うことがあり得る。

従来のガス流測定方法の更に別の潜在的不利益は、加工チャンバの容量が変化すると、チャンバ容量の他の測定が必要になるということである。例えば、圧力計のような構成要素が追加又は除去されると、チャンバの容量が変化し得る。それによって、圧力上昇率に基づいて算出される流量が不正確なものになり得る。

これらの問題の幾つかに対処するために、過去においてさまざまな方法が提案されてきた。例えば、上昇率の測定が行われる加工チャンバの上流側に別の容量を配置することができる。この別の容量は加工チャンバの中に存在する堆積物の類を有することがなく、また、この別の容量は、そこから構成が除かれたり加えられたりすることがないので、前述の不利益は存在しない。しかしながら、この方法は、その実行中に生産的な処理を行うことが不可能な別のステップをさらに必要とする。そして、先の処理で供給されたガスによりチャンバの壁上に吸着された物質がガスと反応する可能性がある。
この方法を更に改良したものとしては、容量の内部に熱伝導アセンブリを設け、ガスが容量内に流れ込み又は容量から流れ出したときにおいて温度を一定に保つものがある。１つの方法においては、別の容量の代わりに、マス・フロー・コントローラ内に既にある容量を既知の容量として使用する。

他の別の方法としては、ガスが工程の通常の一部として流れ続ける間にガス流の測定を可能にしたものがある。この手法では、既知の容量および弁は、一定のガス流を維持しているガス・フロー・コントローラの上流に配置される。ガス・フロー・コントローラが一定のガス流を維持している間に弁を閉じると、当該容量内で圧力が低下する。圧力低下の率がガス流量に比例する。このような方法によれば、ガス・フロー・コントローラがその通常の生産のために使用されているのと同時に測定を行うことが可能になるが、このような測定ができるのは、圧力の変化がガス・フロー・コントローラの動作に影響しない場合に限られる。

この問題を回避するため、ガス・フロー・コントローラの上流（または後述するように、流量制限器の上流）、及び既知の容量及びガス流を遮断する弁の下流に圧力調整器を取り付けることができる。この解決方法の不都合の１つは、この圧力調整器の要件が厳密であるため、標準的な圧力調整器はこの役割を果たすのに十分ではないという点である。圧力調整器の機能は、上流側の圧力が下流側の圧力より高いいかなる値もとり得る間、下流側の圧力を一定に保つことである。しかし実際は、下流側圧力は上流の圧力によって影響される。加えて、大部分の圧力調整器は、若干のヒステリシスを有する。圧力調整器の下流におけるいかなる圧力の変化も、ガス流の測定値の誤差を引き起こす可能性がある。従って、これらのシステムでは、非常に高機能の圧力調整器が効果的に動作することが必要とされる。

高機能の圧力調整器は、実際にはマス・フロー・コントローラの一部であってもよく、この場合、マス・フロー・コントローラは、圧力調整器、圧力変換器、および臨界オリフィスとして使用される流量制限器からなる。この場合、ガス流量をテストするために、既知の容量およびバルブ構造を使用することが意味をなす。なぜなら、圧力調整器はすでに所定の位置にあるからである。しかしながら、シリコンウェーハの処理において使用する多くのマス・フロー・コントローラのような生産使用される大部分のガス・フロー・コントローラは、それらの設計の一部としてこの種の圧力調整器を含まない。従って、これらのマス・フロー・コントローラをテストするには、この高機能の圧力調整器の追加が必要である。例えば、マス・フロー・コントローラのテストを大いに必要とする半導体産業がこれらの方法を極めて限定的にしか利用してこられていないのは、確実にこれら著しい不利益の結果である。

図１は、従来技術を表す装置１００の一例を示す（特許文献１及び特許文献２参照）。この装置は、ガス・ライン１０１を有する。ガス・ライン１０１は、ガス供給源１０４と流体のやりとりを行う入口１０３と、流量制限器またはマス・フロー・コントローラのいずれかと流体のやりとりを行う出口１０５を含む。圧力調整器１０２は、流量制限器またはマス・フロー・コントローラへと流れるガスの圧力を一定にするのに用いられる。標準的な処理条件下では、弁１０６は開いており、ガスは圧力調整器を通って流量制限器またはマス・フロー・コントローラに流れ、最後に加工チャンバに流れる。

図１において、容量Ｖ（１１０）はパイプと、弁１０６とガス・フロー・コントローラ（ＧＦＣ）との間に存在するその他の構成要素との内部とにおける合計の固定容量を示している。ガス・フロー・コントローラは、例えば、流量制限器またはマス・フロー・コントローラ（ＭＦＣ）であってよい。圧力変換器１１２は、圧力調整器１０２の直ちに上流で容量Ｖ １１０の圧力を測定するように構成される。

圧力調整器１０２の機能は、調整器の上流の圧力に関係なく（上流の圧力が下流の圧力以上である限り）、調整器の下流に定圧を維持することである。これらの条件下では、圧力調整器と流量制限器もしくはＭＦＣとの間でガスのモル数の減少が拡大しない。従って、ＭＦＣまたは流量制限器から出たガスの流れは、圧力調整器を通過したガスの流れに等しい。

弁１０６を閉じると、容量１１０の左側から流入もしくは流出するガスがなくなるので、容量から流出するガスは必ず圧力調整器１０２を通過して流れるはずである。しかし、圧力調整器を通過した流れはＭＦＣまたは流量制限器を通過した流れに等しいので、容量を出た流れはＭＦＣまたは流量制限器を通過した流れに等しい。容量１１０を流出するガスの量は容量の中での圧力低下の率に基づいて計算できるので、この計算により流量制限器またはＭＦＣを通過した流量を決定することができる。

残念なことに、オリヴィエが特許文献３において説明しているように、大部分の圧力調整器はこの流量測定システムの有効な実施のために必要とされる精度のレベルに下流側圧力を制御することができない。下流側圧力が十分に制御されない場合、次の２つの重要なエラーは導かれ得る。
（１）容量１１０を流出するガス流が、ＭＦＣまたは流量制限器を通過するガス流と等しくならない。
（２）流量制限器を通過するガス流は、流量制限器の上流の圧力に比例するが、所望の値とならない。
さらなる情報としては、Ｈｉｎｋｌｅの特許（特許文献４）、Ｌａｒａｇｉｏｎｅ他の特許（特許文献５）、Ｓｈａｊｉｉ他の特許（特許文献６及び特許文献７）、Ｋｅｎｎｅｄｙの特許（特許文献８）、及びＯｌｌｉｖｉｅｒの特許（特許文献９）を参照されたい。以上の説明から、ガス・フロー・コントローラによるガス流をテストするための改良された技術が要求されることが理解されよう。

米国特許４２８５２４５号公報 米国特許第６３６３９５８号公報 米国特許第６３６３９５８号公報 米国特許第５６８４２４５号 米国特許第５９２５８２９号公報 米国特許第６９４８５０８号公報 米国特許第７１３６７６７号公報 米国特許第４２８５２４５号公報 米国特許第６３６３９５８号公報

本願明細書において多くの構成を述べるので、さまざまな配管要素について言及する際の決まりを前もって定めておくことは有用である。ここで使用しているように、弁は、流体の流れを遮断または開通するのに用いられる配管要素である。
開通／遮断動作は、手動でも、若干の制御スキームを使用した自動でもよい。
計量バルブは、流体の流れを遮断または完全にもしくは部分的に開通するために用いる配管要素である。これは、家庭用水配管において使われているものと類似の軽量バルブであり、ユーザは流れを所望のレベルにすることができる。開通／遮断及び部分的な動作は、手動でも、若干の制御スキームを使用した自動でもよい。圧力調整器は、その出力側が特定の圧力なるまで流体の流れを自動的に遮断する配管要素である。圧力調整器は、その出力側の圧力に反応し、配管の圧力が指定されたレベルに達すると閉じる。圧力が下がると（例えば誰かがコックを開いた場合、すなわち、調整器の下流の計量バルブを開いた場合）、調整器は圧力がその所望のレベルに戻るまで流れを開通して流れを許容する。所望レベルは、設定点と一般的に呼ばれる。一般的な圧力調整器は、出力側（つまり、下流側）の圧力を所望の設定点に持っていく基準として、外界の空気、つまり気圧を利用する。圧力調整器は、入力側と出力側との圧力差でなく、出力側と気圧との圧力差に基づいて調整する。

以下に記載の要旨は、本発明の幾つかの態様及びの特徴の基本的な理解を提供するために含められている。この要旨は、本発明を広範囲に概観したものではなく、そのため、特に本発明の鍵となるか又は重要な要素を特定し、又は本発明の範囲を詳細に描写することを意図したものではない。その唯一の目的は、以下で示される、より詳細な説明の前置きとして、本発明の概念を単純化された形式で示すことである。
本発明の実施例は、ガス・フロー・コントローラの上流で圧力低下率を用いて、ガス・フロー・コントローラを通る流量を正確に測定する。しかしながら、従来技術とは対照的に、これらの実施例は、いかなる特別なもしくは高機能な圧力調整器またはその他の特別な構成要素を必要とすることなしに、今日生産使用されている多くのガス・フロー・コントローラによるガス流の測定を許容する。一実施例によれば、弁を閉じるタイミングは、測定の最中もしくは後に起こる圧力変化のいずれもが、試験対象のガス・フロー・コントローラを通過するガスの安定した流れを乱すことのないように選択される。

もう一つの実施例では、弁が再び開かれた後での圧力の上昇は、ガス・フロー・コントローラを通過するガスの安定した流れが乱されないように、もしくは設定点、たとえば１０％、５％、または１％を超えて乱されないように制御される。

さらにもう一つの実施例では、既存の半導体および関連のプロセスツールのパネルをガスへ直接挿入することを可能にし、いかなる容量をも再充填することなくガス・フロー・コントローラを連続的に稼働することを可能にしているのであるが、ガス・フロー・コントローラを通過するガスの流れを測定する前に、容量およびガス・フロー・コントローラの上流の標準的圧力調整器の設定点を、瞬間的に増加させる。圧力の低下は、ガス・フロー・コントローラを通過するガスの正確な流量を明らかにする。

さらに別の実施形態では、試験中のガス・フロー・コントローラは圧力低下の測定値に対して閉ループ制御される制御弁と置き換えられ、圧力の低下、したがって流れの低下は所望のレベルに保たれる。

本明細書中に組み込まれて、この明細書の一部を構成する添付の図面は、本発明の実施の形態を例示して、明細書の記載と共に、本発明の原則を説明して、例示する役割を有している。図面は、例示的な実施例の主要な特徴を図式的に例示することを意図したものである。図面は、実際の実施例のすべての特徴や図示する要素の相対的寸法を表すことを意図しておらず、一定の縮尺で描かれていない。

従来技術の簡略的な概略図である。 ガス・フロー・コントローラをテストする本発明に係る装置の実施例の簡略的な概略図である。 図２の実施例に従って実行されるステップの流れを例示している簡略的な概略図である。 本発明の実施例に係る弁を閉じ、開くタイミングを決定する１つの考えうる方法のフローチャートを示す。 ガス流を遮断するために用いられる弁が開かれたときの圧力上昇とガス・フロー・コントローラを通過するガス流の乱れを示す。 図２に示す実施例の一実施態様における圧力の低下と上昇のタイミングを示す。 図２に示す実施例の別の実施態様における圧力の低下と上昇のタイミングを示す。 ガス・フロー・コントローラをテストする本発明に係る装置の実施例の簡略的な概略図であり、圧力の上昇率は特定値に制御される。 ガス・フロー・コントローラをテストする本発明に係る装置の別の実施例の簡略的な概略図であり、圧力の上昇率は特定値に制御される。 容量へのガス流を本発明に従って制御するときの、圧力の制御と、ガス・フロー・コントローラを通過するガス流の乱れの欠如を示す。 半導体および関連産業において使用する典型的ガス供給システムの簡略的な概略図である。 ガス・フロー・コントローラをテストする本発明に係る装置の実施例の簡略的な概略図であり、当該装置は、既存の半導体および関連のガス供給システムへの直接挿入を可能にする。 図６の実施例に従って実行されるステップの流れを例示している簡略図である。 図６の装置の代替的実施例の簡略的な概略図である。 処理をその一般的な形態で示す。 制御弁によりガス流量の制御を可能にする本発明にかかる装置の実施例の簡略的な概略図である。 図８の実施例に従って実行されるステップの流れを例示している簡略図である。 既存の構成要素のいずれも変更する必要なしに容量の測定を可能にする本発明に係る別の実施例を示す。 本発明の実施例に従って、図９の装置において使用されるステップの流れ９５０の簡略図を提供する。 本発明の実施例に係る、可変容量という発想についての変形例を示す。 本発明の実施例に係る、可変容量という発想の一般化を示す。

発明の要旨

図２は、本発明に従った使用のための装置２００の実施例を示す。この装置は、ガス供給源２０４と流体のやりとりを行う入口２０３と、加工チャンバ（図示せず）と流体のやりとりを行う出口２０５とを有するガス・ライン２０１を備えている。標準的な処理条件下では、弁２０６は開いており、ガスは容器２１０を介してガス・フロー・コントローラ２０８（ＧＦＣ）に向かって流れ、そして最終的には加工チャンバへと流れる。
ガス・フロー・コントローラは、加工チャンバに向かうガスの所望の流量を確立するものであり、半導体産業又はその他の分野で一般的に採用される幾つかのタイプのフロー・コントローラのいずれかであってもよい。最も一般的には、ガス・フロー・コントローラは、マス・フロー・コントローラ（ＭＦＣ）である。あるいは、ガス・フロー・コントローラは、容積測定フロー・コントローラであってもよい。

図２において、容量Ｖ２１０は、パイプと、バルブ２０６とガス・フロー・コントローラ２０８との間に存在する他の構成要素との内部の合計の固定容量を示している。圧力変換器２１２は、ガス・フロー・コントローラのすぐ上流において容量Ｖ２１０の圧力を測定するように構成されている。
温度センサ２１４は、構成要素の近傍の温度を測定するために配置されている。
いくつかの実施形態では、センサ２１４は、一つ以上の構成要素と直接熱のやりとりを行う特殊なセンサであってもよい。しかしながら、一般的な半導体製造設備は温度制御されているので、場所によって、もしくは時間によって温度が大幅に変化することは考えにくい。したがって、他の実施例では、ガス供給システムの近傍に配置される温度計によって、関心対象の温度について十分な情報が提供される。

ガス流をテストする手順は、以下の通りに図２Ａの手順フロー２５０に要約することができる。
１.ステップ２５２において、ガス・フロー・コントローラを所望の流量にセットし、ガス流を確立する。
２.ステップ２５４において、弁２０６を閉じる。
３.ステップ２５６において、圧力変換器２１２によって圧力を一定の周期で、通常、毎秒もしくは何分の１秒毎に、所定の期間にわたり、通常数秒ないし数分にわたり測定する。
４.圧力がいくらかの量（通常、出発値の５―３０％）だけ低下したあと、ステップ２５８で弁２０６を開き、テスト手順は完了する。
５.ステップ２６０において、図２に示す構成要素の近傍の温度を観察する。

これらのステップの順序には若干の柔軟性がある。例えば、ステップ１および２を入れ替えることができる。ステップ５は、テスト手順の間いつでも実行することができる。一般に、本手順についても後述するその他の手順についても、この種の柔軟性を設けてよい。

理想気体方程式によれば、容量Ｖ２１０におけるガス量は、以下によって与えられる。

[数１]
ｎ＝ＰＶ／ＲＴ
ｎ：ガス量（モルで測定）
Ｐ：圧力変換器で測定される圧力
Ｖ：ガスの体積
Ｒ：理想気体定数＝＝１．９８７ｃａｌ／（ｍｏｌ・Ｋ）
Ｔ：絶対温度（Ｋ）

すべての実在のガスは、ある程度、非理想的である。これらの非理想ガスについて、[数１]は以下のように書き直すことができる。

[数２]
ｎ＝ＰＶ／ＺＲＴ
Ｚ：圧縮係数

圧縮係数は、どのような特定のガスからでも実験的測定により決定することができ、温度および圧力の機能の関数である。

ガスの流量は、単位時間当たりのガス量の変化として記述することができる。それは、つまり以下の通りである。

[数３]
流量＝Δｎ／Δｔ
ｔ：時間

[数２]から[数３]に代入すると以下のようになる。

[数４]
流量＝（ΔＰ／Δｔ）Ｖ／ＺＲＴ

第１の要因（ΔＰ／Δｔ）は、単に上記の手順のステップ３において得られる、時間の関数としての圧力測定値の傾きである。したがって、容量、温度および圧縮係数（さまざまなハンドブックで見つけることができる）と関連付けてこれらの圧力測定値を取得することにより、ガス・フロー・コントローラを通過するガスの実際の流量は、本発明の実施例に従って決定することができる。

前記説明は圧力低下から流量の実際の大きさを正確に算出することに関連しているが、これは本発明おいて必須ではない。別の実施例によると、異なる圧力低下測定値どうしを比較することにより、流量の相対的変化を測定することができる。例えば、ある実施例では、変化する流量の相対的な測定を提供するべく２セットの圧力低下測定を行ってよい。一実施例においては、第１の測定値をテスト対象のガス・フロー・コントローラから取得し、第２の測定値を既知性能のガス・フロー・コントローラから取得してもよい。実際の流量を決定しなくとも、２つの圧力低下測定値の差によってテスト対象装置による流量の狂いが明らかになる。

別の実施形態では、テスト対象のガス・フロー・コントローラから第１の圧力低下測定値を一回目に取得し、当該ガス・フロー・コントローラから第２の圧力低下測定値を二回目に取得する。繰り返しになるが、２つの圧力低下測定値の差によって、テスト対象装置における流量の経時的な変化（変動）の大きさが明らかになる。

本発明の各種実施形態の一つ以上のステップを手動もしくは自動の動作によって実行してもよい。たとえば、弁を開閉するステップや圧力測定値を取得するステップを、コンピュータ制御により自動的に実行することができる。あるいは、さまざまな弁の一つ以上を手動で作動させてよく、結果として生じる流量は、検出した圧力低下から自動的に算出する。一つ以上のステップの自動的実行は、コンピュータ読出し可能な記憶媒体に保存された指示に基づき、図１および２に示す制御ラインを通じた通信を利用して達成することができる。

この測定システムの他の利点は、所望の流量と測定された流量の間に差がある場合、ガス・フロー・コントローラの設定を変えて差を訂正し、所望の流量を得ることができることである。この訂正は、同じ工程、または、次の工程で実行することができる。システムがコンピュータ制御されていると、この種の訂正は非常に簡易になる。
多くのガス・フロー・コントローラ、特に半導体産業において使用されるマス・フロー・コントローラは、上流の圧力における遅い変化には適応して一定の流量を維持することができる。しかしながら、圧力があまりに急に変化する場合、所望の流量からの狂いを呈する。図２の実施例において、弁２０６が閉じられている間の圧力の変化率は、一般的なマス・フロー・コントローラを通過する流れが中断しない程度に十分に低い。他方、弁２０６を開くと、圧力の急速な上昇によりマス・フロー・コントローラを通過する流量に著しい乱れが必ず生じる。これらの乱れの例が図２Ｃに示されており、約５７秒弁を開くと、流量が５０ｓｃｃｍから７０ｓｃｃｍに上昇し、その後、所望の５０ｓｃｃｍに戻って安定する前に４０ｓｃｃｍへと低下する。従って、図２の実施例の実施態様のうちの一つにおいては、弁２０６を閉止、開放するタイミングは、実際の処理ステップ中において開くことがないように選択される。

図２Ｂは、弁を閉じて開くタイミングを決定するための、考えられる一つの方法のフローチャートを示す。図３は弁２０６の閉止と開放のタイミングチャートを示す。圧力は、トレース３５０によって示される。時間ｔ_０（ステップ２７２）で、ガス・フロー・コントローラはオンにされる。しかし、しばしば、ガス・フロー・コントローラ及び処理ツール上の他の構成要素が各々の所望値を取る時間である安定化ステップが存在する。時間ｔ_１（ステップ２７４）で、製造チャンバもしくは加工チャンバでの処理が開始する。たとえば、プラズマエッチングもしくは成膜プロセスにおいてＲＦ電力がオンされるのはこの時である。上記したように、処理の間、弁２０６を閉じても問題はなく、時間ｔ_２（ステップ２７６）で閉じる。ステップ２７８で、圧力を一定間隔で測定し、流量の算出を可能にする。時間ｔ_３（ステップ２８０）で、製造チャンバでの処理は終了し、その後、時刻ｔ_４（ステップ２８２）で、弁２０６を開く。任意に、ステップ２８４で、温度を観察する。

時間ｔ_４（ステップ２８２）での弁の開放が、時間ｔ_３（ステップ２８０）の後で、つまり処理ステップが終了した後で実行されるようにステップ２７６での弁の閉止のタイミングを決定することに言及することは重要である。このようにすることで、ガス・フロー・コントローラは、圧力の急速な上昇により乱されない。これは、処理に必要とされる全時間と圧力低下の測定に必要とされる全時間とを初めに記録することにより達成し得る。例えば、処理に３０秒かかり、測定に１０秒かかる場合、弁を処理を開始して２１秒後に閉じ、処理を開始して３１秒後に再び開けるようにすれば、処理が終了した後に弁が再び開くことを確実にすることができる。もちろん、この測定（ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ）は、事前に一度実行しておけば、処理を行うたびに利用することができる。

あるいは、処理ステップの開始前に弁２０６を開くことにより、流量の測定を安定化ステップ中に実行することができる。この場合、実際には、安定化ステップの開始前に弁が閉じられてもよい。これは図３Ａに図示される。時間ｔ_０で弁を閉じる。しかし、ガス・フロー・コントローラも閉じるので、圧力は低下しない。時間ｔ_１で、ガス・フロー・コントローラが安定化ステップのために開くと、圧力は低下し始めるので、測定をこの期間中に実行すればよい。まだ安定化ステップの最中である時間ｔ_２で、圧力を設定点に戻すべく弁を開く。時間ｔ_３で製造チャンバでの処理が始まり、時間ｔ_４で処理は終わる。時間ｔ_３と時間ｔ_４の間の時間においては測定は実行されない。

図３Ａに示すように測定を安定化ステップの間に実行する場合、現在の処理ステップについて流量の修正を行うことができ、図３に示すように測定を処理ステップ終了時に行う場合、次のステップについてのみ修正することができる。しかし、これは重大な欠点ではない。なぜなら、ガス・フロー・コントローラ、特に半導体産業において使用されるマス・フロー・コントローラの変動は、たいてい、処理ステップが多数含まれる期間にわたって発生するからである。

図４は図２の実施例と類似の別の実施例を示す。しかし、広範囲の設定条件にわたって多様なガス流量を提供する設計の弁である計量弁４０６によって遮断弁２０６が置き換えられている。すなわち、遮断弁２０６が単純なオン／オフ弁である一方、計量弁４０６の開放、閉止の量は制御することができ、弁を介して様々な流量を生成することができる。すなわち、本実施例において、測定期間の終わりに計量弁４０６が開くとき、コントローラは、圧力変換器４１２で決定される圧力の上昇が、ガス・フロー・コントローラを通過する流れが乱れないような十分に低い所定の率に維持されるように、弁を開放する量を制御する。換言すれば、ガス・フロー・コントローラが乱れないように、計量弁４０６は急激にでなく徐々に開かれる。あるいは、処理ステップの最中に圧力を上昇させるのでなく、測定期間の終わりに圧力を一定に保ち、処理ステップが終了すると上昇させてもよい。この方法は、ガス・フロー・コントローラ流量の乱れに与える影響が最少である。図４Ｂに例を示す。ここでは、圧力が低下している間もしくは圧力が一定状態に移行している間のいずれにおいても、流量に観察可能な狂いがないことがわかる。

図４Ａに示すさらに別の実施例においては、弁４０６’は遮断弁のままであるが、弁が開いたときに、容量４１０への流れが、圧力上昇率が十分に低い値に抑えられるような値に制限されるように、弁４０６’に直列に流量制限器４２２が配置される。従って、弁４０６’が急に開かれても、圧力上昇は流量制限器４２２があるため緩やかである。この場合、制限器が許容する流量は、ガス・フロー・コントローラによる最大流量よりも大きくなるようにすることが重要である。
前記実施例は、半導体製造等の標準的な産業プロセスにおいてガス流量を測定するという所望の目的を達成するには完全に効果的ではあるが、高機能な圧力調整器を追加しない限り、容量の上流に制御された弁を追加することが依然として必要であり、弁を開くタイミングまたは弁を開いたときの圧力上昇率のいずれかをある程度制御する必要がある。

図５は、半導体および関連産業において使用されるほとんどすべてのガス供給システムの一般的構成を示す。圧力調整器の左側に手動の安全遮断弁、及び／又は、マス・フロー・コントローラの前及び／又は後ろに遮断弁等、いくつか追加的な構成要素が存在することが殆どである。しかし、図５は、ここでの議論に関連する主要な構成要素を示す。この図において、圧力調整器５０２は標準的な圧力調整器であり、いくらかのヒステリシスを有しており、下流の圧力の制御に上流の圧力がいくらか影響を及ぼす。
ガス純度が重要とされる半導体および関連産業では特に、ガス供給システムのどのような配管の変更を行うことも大いに躊躇される。このことは、既に設置済みのシステムについては確実に真実であるが、構築中の新しいシステムについても真実である。設計構築中の新しいシステムのほぼすべては、図５と同一である。しかし、これは、構成要素が変更されることはないということではない。事実、ガス供給システムは、弁、圧力調整器、マス・フロー・コントローラ、等の交換が可能なように設計されている。単に、構成要素の追加ができないだけである。したがって、図１、２、または４に示す実施例の実施は、半導体及び関連産業においては困難である。

図６は、既存の半導体および関連ガス供給システムに直接挿入できる本発明の実施例を示す。この実施例は、現在使用されている調整器の多くが、殆ど使用されない構成を有しており、その構成が、圧力調整器の隔壁（diaphragm）より上の圧力を上昇させることにより設定点を増加させることを可能にするという事実を利用している。通常、隔壁より上の容量は、大気にさらされる。しかし、この容量内の圧力を気圧より上のレベルに上昇させることによって、圧力調整器の圧力も上昇する。図６の実施例において、圧力のこの上昇は、圧縮空気、もしくは窒素等のその他の圧縮ガスを所定量、調整器６０２の上部へと送達すよう制御することができる弁６０６を追加し、調整器６０２の設定点を制御することにより達成される。圧縮空気は調整器６０２の上部に送達されるため、空気は、加工チャンバへ供給されるガスに混じらない。

図２および４の実施例が弁（２０６または４０６）の閉止により規定される固定容量を利用するのに対して、図６の実施例は弁を使用しない。むしろ、図６の実施例は、本発明に必要な条件を生成するべく、圧力調整器における流れ対圧力の関係を利用する。重要なことであるが、これらの条件は、圧力調整器の下流の圧力が、通常の状況下では調整器により確立されるであろう圧力より大きい間だけ存在する。
上流の圧力調整器が固定容量を規定するとは考えられない。例えば、圧力調整器は本発明の目的のために弁として働くのであるから、調整器の重要な特性は、ガス・フロー・コントローラを通過するガス流の測定の最中に、圧力調整器を介していずれの方向にもガスが流れないということである。圧力調整器の挙動によると、調整器の下流のガスの圧力がその設定値より低くない限り、調整器の下流側へのガスの流れは調整器によって許容されない。加えて、調整器の下流のガスの圧力が確立されるべく設定された圧力より高い場合であっても、ガスを下流側から上流側へと流すことを可能にする調整器の能力はない。これらの条件下では、調整器によってどちらの方向にもガスは流れないので、本発明に係るガス・フロー・コントローラを通過するガス流の測定に必要とされる条件を調整器は満たす。

図６で、この実施例の鍵となる利点は、圧力調整器６０２、容量６１０、圧力変換器６１２およびガス・フロー・コントローラ６０８だけが高純度ガス供給システムの一部であるということに留意すべきである。重要なことであるが、これらは、図５に示されるのと同じ従来の構成要素である。弁６０６は、高純度ガス供給システムの外部にあり、製造システム内の様々な空気弁を作動させる圧縮空気もしくはその他のガスを供給する弁と類似している。したがって、これは、ガス供給システムに容易に加えられる。本発明に必要な実際の圧力調整器または圧力変換器が、どんな理由であってもシステムに既に存在するものと異なる場合、これら構成要素は簡単に入れ替えることができる。さらに、既存のシステムの容量が所望の大きさでない場合、圧力変換器も含む特別に作られた容量を既存の圧力変換器の代わりに挿入することができる。

図６に示す実施例の他の鍵となる利点は、弁により封鎖される固定容量がないので、ガスの供給が、たとえば図２及び４の実施例でのようには制限されないことである。

ガス・フロー・コントローラを通過するガス流をテストする手順は、以下の通りに図６Ａの処理フロー６５０に要約される。
１．ステップ６５２において、ガス・フロー・コントローラを所望の流量に設定し、ガス流を確立する。
２．ステップ６５４において、弁６０６を開く。
３．ステップ６５６において、調整器６０２の下流で所定の圧力を確立した後に弁を閉じる。この圧力は圧力変換器６１２によって測定してもよく、それにしたがって弁６０６をシステム・コントローラによって制御してもよい。あるいは、弁６０６によって供給されてくるガスの圧力は、所定の圧力に維持され得る。これにより、弁６０６を十分な時間開いてから閉じたときに、容量６１０における圧力上昇を最適な値に設定することができる。弁６０６が閉じられたとき、もしくはその直後において、調整器６０２の設定点はその通常値（つまり、ステップ２の前のその値）に戻される。これは、弁６０６を適切に選択することにより（たとえば、三方弁（３ウェイバルブ）を使用することにより）、または、大気圧に対して開き、調整器の隔壁より上の圧力が大気圧へと戻ることを可能にする弁６０６’を追加することにより行うことができる。
弁６０６を閉じ、且つ設定点が通常値に戻った時点で、調整器６０２の下流の圧力はその設定点より高いため、調整器６０２は閉じられ、調整器６０２の下流には流体は流れない。しかし、チャンバでの処理は続行し、調整器６０２の下流の配管からの流体を消費するので、容量６１０の中の圧力は低下し始める。
４．ステップ６５８において、チャンバでの処理が進行する間、圧力変換器６１２によって圧力を一定の周期で、通常、毎秒もしくは何分の１秒毎に、所定の期間にわたり、通常数秒ないし数分にわたり測定する。
５．圧力がいくらか（通常、出発値の５―３０％）低下した後、圧力が圧力調整器の設定点に低下する前に、テスト手順は終了する。
６．ステップ６６０において、図６に示す構成要素の近傍の温度を観察する。

この実施例のガス・フロー・コントローラの流量は、図２の実施例と同一の方法で算出されるので、[数４]によって与えられる。
弁６０６を開閉する前にガス・フロー・コントローラを所望の流量に設定することは重要ではない。事実、弁６０６を開いた後に、しかし閉じる前に、ガス・フロー・コントローラを所望の流量にセットしてよい。あるいは、弁を開いて閉じることの両方を行った後に、ガス・フロー・コントローラを所望の流量に設定してもよい。

図６は、圧力調整器によりもたらされる圧力上昇を制御するある特定の実施例を示すが、圧力調整器の下流の圧力を瞬間的に上昇させるどのような方法でも適切である。必要なことは、ガス・フロー・コントローラの上流の容量の中の圧力を通常の設定点より高く上昇させたあとで測定を行い、したがって、ガスがチャンバに供給されるとき、圧力が標準圧力に向かって減少し、ガス・フロー・コントローラの乱れが回避されるようにすることである。また、通常の設定点は、隔壁の上の大気圧により生成される設定点であると想定しているが、これは必須ではない。必要なのは、弁６０６を開くことにより、調整器６０２の設定点がその通常の設定点より高い圧力に上昇することである。

図７は、図６の実施例の代替的実施例の簡略的な概略図である。図７の実施例は、標準的な調整器７０２、容量７１０、変換器７１２、およびガス・フロー・コントローラ７０８を使用しているが、バイパス弁７０６が圧力調整器７０２に並列に追加されている。理解されるように、通常の動作では、調整器７０２の上流の配管（ｌｉｎｅ）７０１における圧力は調整器の下流の圧力よりも高い。バイパス弁７０６は、調整器７０２の下流の圧力を、調整器７０２の設定点よりも高くすることが可能である。これにより、図６の実施例と類似の効果が創出される。もちろん、この場合、追加されたバイパス弁７０６は、高純度ガス供給システムの一部であり、システムの清浄度基準に従ったものである必要がある。

図７の実施例の動作は、図６の実施例と類似している。つまり、ステップは、図６のステップを模したものであるが、例外は、空気圧弁を動作させるのでなく、図７の実施例では、バイパス弁７０６を開いて調整器７０２の下流の圧力を上昇させてからそれを閉じることである。この条件下では、調整器の下流の圧力が調整器７０２の設定点を下回るまではガスは調整器７０２を介して流れない。測定は、弁７０６を閉じてから、下流の圧力が調整器７０２の設定点に到達するまでの期間に実行する。

別の言い方をすると、図６と図７の両実施例では、測定を実行するために調整器の下流の圧力を上昇させる。図６では、調整器の設定点を、調整器が流れを許し、通常の設定点より高い下流圧力を確立するよう上昇させる点において、圧力を「間接的」に上昇させる。他方、図７では、調整器をバイパスすることにより圧力を「直接的」に上昇させる。しかし、テストを行う視点からは、結果は同じである。

図７Ａは、処理を一般的形式で示す。ステップ７５２では、ガス・フロー・コントローラの流量（ｆｌｏｗ）を確立し、その間に圧力調整器をその標準の設定点に設定する。ステップ７５４では、調整器の下流の圧力を上昇させる。ステップ７５２と７５４の順序は、逆にしてもよい。ステップ７５８では、チャンバでの処理が進行する間、調整器の下流の圧力を周期的に測定する。また、いつ実行してもよいステップ７６０では、温度を測定する。ステップ７５８で取得した圧力測定値を用いて流量（ｆｌｏｗ）を計算する。

図６または７の実施例を利用する最も簡単な方法の一つは、図６の圧縮空気（もしくは、窒素等のその他の圧縮ガス）、または図７の弁７０６を介した処理ガスのバイパス流を用いて圧力調整器の下流の圧力を所定値に上昇させ、ガス・フロー・コントローラが動作する間、圧力を調整器の通常の設定点にまで低下させることである。この方法では、ガス・フロー・コントローラ流量の最大値以外に向けて、流量測定を行った後でも圧力は低下する。ガス・フロー・コントローラが最適に動作するためには、ガス・フロー・コントローラの上流の圧力をできる限り迅速に安定させることが望ましい。その場合、流量測定を行ってからなるべく早くに、処理ステップの残りの時間のために圧力が一定になるように、この圧力を制御してもよい。

もしガス・フロー・コントローラの設定流量が推測でわかる場合、流量測定を行った直後に、圧力が調整器の通常の設定点圧力になるように、開始圧力を適切な値に上げることができる。しかし、ガス・フロー・コントローラの流量が前もってわからないことのほうが普通である。この場合、開始圧力をいつも同じにし、測定の終了時に圧力を制御することが好ましい。これは、図６の実施例では、圧縮空気もしくはその他のガスを制御して、圧力調整器の設定点を、流量測定の終了時に存在する圧力へと効果的に上昇させ、その効果的な設定点を全処理ステップの期間維持することにより行うことができる。

図６は、調整器の制御を、圧縮空気もしくはその他のガスを使用することにより行う実施例を示すが、調整器の効果的設定点を制御することができるその他の電気機械的手段を想像することもできるであろう。
上記のように圧力低下のタイミングを十分に制御して決定するさらに別の方法は、圧力変換器４１２に対して閉ループ制御される計量弁４０６を用いる図４に示す実施例を使用することである。流量測定を実行するには、計量弁４０６を閉じる。しかし、測定の終了後に圧力を開始点に戻すべく計量弁を用いるよりも、弁の下流の圧力が一定値に、つまり流量測定の実行直後の圧力値に維持されるように弁の開放を制御してもよい。計量弁をこのように用いる場合、計量弁は図６の圧力調整器６０２の代わりとなり得、また、既存のガス供給システムに簡単に組み込むことができる。

図４、６、および７の実施例の利点は、既存の半導体および関連のガス供給システムで使用することができることであるが、図に示すガス・フロー・コントローラが、米国特許第６，３６３，９５８号のＯｌｌｉｖｉｅｒによって記載されている、特殊な調整器と、圧力変換器と、臨界オリフィスとの組み合わせであってはならない理由はない。たとえば、図２に破線に示す、任意に設けられる圧力調整器２０２を参照されたい。

上記の記載は、流量の実際の大きさを圧力低下から正確に計算すること関連するが、これは本発明にとって必須ではない。別の実施例によると、異なる圧力低下測定値どうしの比較に基づいて流量の相対変化を測定しもよい。
たとえば、ある実施例では、２セットの圧力低下測定値を取得して、変化した流量の相対的値を取得してよい。一実施例では、テスト対象のガス・フロー・コントローラから第１の測定値を取得し、既知性能のガス・フロー・コントローラから第２の測定値を取得してよい。実際の流量を測定しなくとも、２つの圧力測定値から、テスト対象の装置による流量の狂いが明らかになりうる。

別の実施例では、一回目に、テスト対象のガス・フロー・コントローラから第１の圧力低下測定値を取得し、二回目に同じガス・フロー・コントローラから第２の圧力低下測定値を取得してよい。繰り返しになるが、２つの圧力低下測定値から、テスト対象装置における流量の経時的な変化（変動）の大きさが明らかになりうる。

本発明は自動的な操作で実施することができ、また、ガスを加工チャンバに流入させているときにリアルタイムで測定が実行されているので、本発明により、処理が実行されている間にガスの実際の流量の狂いを訂正することが可能となる。たとえば、ガス・フロー・コントローラのガス流量が１００立方センチメートル毎秒（ｓｃｃｍ）に設定されていて、測定結果が９８ｓｃｃｍであった場合、設定点を１０２ｓｃｃｍに上昇させてよく、それにより実際の流量を所望の１００ｓｃｃｍにすることができる。
この概念をその論理的結論に帰結させた例として、図８は、テスト対象のガス・フロー・コントローラを制御弁に置き換えた実施例を示す。ガス・フロー・コントローラの設定点を訂正して所望の流量を達成するべく本発明を用いるのでなく、本例では、出力制御弁を直接的に制御して所望の流量を達成するべく本発明を用いる。

従来のマス・フロー・コントローラでは、設定点が変更されると、コントローラは、測定された流量と所望の設定点との差を検出し、この差を最少化するべく弁の開放度を変更する。１ないし数秒のうちに、実際の流量は所望の流量に非常に接近する。しかし、図８の実施例では、このような方法はより時間がかかる。制御弁８０８の位置が変更されると、複数の測定を実行する必要があり、各測定に約半秒ないし数秒かかるので、所望の流量に到達するのにかかる時間はずっと長くなる。幸いなことに、本発明では、測定を実行し、制御弁８０８を制御するコントローラに、所望の流量を達成するために必要な弁の位置についての推測情報を得る機能を与えている。

操作方法では、図８に示されるように、処理に流入するガスを制御するためにシステムを使用する前に、初期校正が行われ、圧力、温度、制御弁８０８の駆動信号、および流量についてのテーブルが生成される。これは、一連の測定が実行され、各回での圧力低下率が一定となるように駆動信号により示される弁の位置が制御されるようにして行うことができる。この圧力低下を、温度と[数４]の利用と併せて考慮することで、その回での流量が提示される。各回について、圧力低下率を異なるレベルにすることで、異なる圧力（及び温度）で異なる流量を達成するための弁位置についてのテーブルの生成が可能になる。または、所定の圧力および温度において所定の流量を達成するための弁位置を観察するべく、別の測定技術、たとえば、制御弁８０８の下流に位置する容量の上昇率等を使うだけでもよく、圧力は、圧力調整器により設定・維持される。この初期校正は一回だけ行うので、流量を測定する別の技術を用いることは大きな不都合とはならない。

テーブルを確立した後、制御弁８０８を通過するガス流を制御する手順は、以下のように図８Ａの処理フロー８５０に要約される。
１．ステップ８５２において、温度を測定する。これは、参照テーブルと、実際の流量の計算とにおいて使用される。
２．ステップ８５４において、流れが始まる時間より前から開始して、圧力を一定間隔で、通常何分の１秒毎に測定する。ステップ８５２で測定した温度と、本ステップで測定した圧力とを用いて、参照テーブルを使用し、まさに所望とする流量を得るために必要とされる制御弁８０８の駆動信号を決定する。
３．ステップ８５６において、流れが開始する時間において、ステップ８５４で決定した駆動信号を制御弁８０８に対して発動する。
４．ステップ８５７において、圧力を一定間隔で測定し続ける。この圧力は、制御弁８０８のあるべき位置を決定するために参照テーブルにおいて使用される。制御弁８０８の位置は、圧力が変化すると変化する。
５．ステップ８５８において、圧力がいくらか（通常、開始値の５−３０％）低下した後、しかし圧力が圧調整器８０２の設定点に低下する前に、測定した圧力低下から（[数４]によって）流量を計算する。
６．ステップ８６０において、圧力、温度、および制御弁の駆動信号の関数としての計算された流量を、参照テーブルの中の値と比較する。
７．ステップ８６２において、差があまりに大きい場合、通常１％を超える場合、警報が発され、担当の人々に対して、その差についての可能性のある原因を調査するよう通知が発される。
８．ステップ８６４において、差が十分に小さい場合は、参照テーブルを新しい値で更新するのみである。
９．ステップ８６６において、圧力が低下し続け、最終的に圧力調整器８０２が確立した値、つまり通常の調整器設定点に達したとき、コントローラは、新しい参照テーブルに基づいて制御弁への駆動信号を制御する。
１０．ステップ８６８において、プロセス終了後、または、その他の適切な時機に、制御弁８０８を閉じる。

代替的な方法では、ステップ８６６において、圧力が調整器８０２の設定点に低下するのを待つのでなく、流量を測定した直後に圧力が安定値に至るように、図６を参照して記載した方法で有効設定点を制御することができる。

また別の実施例では、図８の調整器８０２および弁８０６を、図４の計量弁、または図４Ａの遮断弁および制限器に置き換えることができる。流量測定が完了した後、図４Ａの遮断弁および制限器を用いて圧力を開始値に持っていくことができ、あるいは図４の計量弁を用いて圧力を一定に維持し、またはゆっくりと上昇させることができる。

これらの代替的方法では、さらに圧力低下に耐える能力があるので、同一の処理ステップの間に多数の測定を行うことができる。これは、処理ステップが長く続く場合、特に貴重である。

図９は、既存の構成要素をいずれも取り替えることなく容量の測定を可能にする本発明に係る別の実施例を示す。この特性を、図２の構成を模した構成を参照して示すが、この特徴は、上記した実施例のいずれを用いて実施してもよいことは容易に理解されよう。図９では、装置９００により現場での容量Ｖの測定が可能である。ここで、Ｖは、ガス・フロー・コントローラと遮断弁９０６（図４の実施例を用いる場合は計量弁、あるいは図６及び７の実施例を用いる場合は調整器）との間のガス供給システムの全容量である。図９の特定的実施例では、容量Ｖは、Ｖ_１＋Ｖ_２に等しい。ここで、Ｖ_２は既知容量を有するチャンバ９１１の容量であり、Ｖ_１はガス・フロー・コントローラ９０８と弁９０６との間のガス供給システムにおけるその他の全構成要素の固定容量（ボックス９１０により表される）である。

図９において、既知容量Ｖ_２は、弁９１２が閉じているときのチャンバ９１１の容量である。この既知容量Ｖ_２は、チャンバ９１１をガス供給システムに組み込む前に、数多くの方法のうちいずれの方法を用いてでも決定することができる。直接的方法の一つは、（１）弁９１２を超える点までチャンバに液体を充填し、（２）弁９１２を閉じ、（３）弁９１２の外部の液体を流し去り、（４）弁９１２を開いて液体をビーカーもしくはビュレット等の測定容器へと流し入れる。

既知容量のチャンバ９１１がガス供給システムに組み込まれると、Ｖの測定が進行され得る。具体的には、ガス・フロー・コントローラ９０８を通過して流すことにより固定容量９１０を排気し、その後に第２の弁９１２を開いて固定容量９１０をチャンバ９１１に結合することにより、固定容量９１０の正確な算出を可能にする圧力低下が生じさせることができる。

図９Ａは、この方法のステップのフロー９５０の簡略図であり、このフローはコンピュータ９２０により実行され得る。
１．ステップ９５２において、弁９１２を開く（閉じていた場合）。弁９０６は既に開いていると仮定する。
２．ステップ９５４において、調節器９０２を、その標準値（または他のいずれかの適切な値）に設定する。
３．ステップ９５６において、ガス・フロー・コントローラをゼロ流量に設定する。
４．ステップ９５７において、弁９１２を閉じる。
５．ステップ９５８において、弁９０６を閉じる。
６．ステップ９６０において、これらの条件下での圧力Ｐ_１を、圧力変換器９１３で観察する。
７．ステップ９６２において、ガス・フロー・コントローラを、圧力が妥当な時間でほぼゼロに低下するような流量に設定し、固定容量Ｖ_１を排気する。
８．ステップ９６４において、圧力がゼロに達したあと、ガス・フロー・コントローラをゼロ流量に設定する。
９．ステップ９６６において、弁９１２を開き、固定容量Ｖ_１をチャンバ９１１の既知容量と結合する。
１０．ステップ９６８において、これらの条件下での圧力Ｐ_２を、圧力変換器９１３で観察する

ステップ９６４でのシステム内のガス量は以下で与えられる。

[数５]
ｎ＝Ｐ_１Ｖ_２／Ｚ_１ＲＴ
Ｚ：圧力Ｐ_１での圧縮係数

[数５]にＶではなくＶ_２が存在するのは、ステップ９６４において、容量Ｖ_２のチャンバ９１１を除くシステムにおける全ては、ガスを完全に排気されたからである。

ステップ９６６では、システム内の全ガス量は依然ｎである。なぜなら、ステップ９６４と９６６の間でシステムを流入出するガスはないからである。しかし、ステップ９６６では、ガスを容量Ｖ全体に行き渡らせる。したがって、以下のように書くことができる。

[数６]
ｎ＝Ｐ_２Ｖ／Ｚ_２ＲＴ
Ｖ：Ｖ_１＋Ｖ_２
Ｚ_２＝圧力Ｐ_２での圧縮係数

[数５]と[数６］を結合すると以下のようになる。

[数７]
Ｐ_１Ｖ_２／Ｚ_１ＲＴ＝Ｐ_２Ｖ／Ｚ_２ＲＴ

[数７]を簡略化すると、Ｖ＝Ｐ_１Ｖ_２Ｚ_２／Ｐ_２Ｚ_１となる。

Ｖ_１は、数式Ｖ_１＝Ｖ−Ｖ_２から取得することができる。

この方法でＶおよびＶ_１をこのように測定するには、加工チャンバを生産的に使用することができない期間となる別のステップが必要となる。しかし、この容量測定は、比較的低い頻度で実行されると予測される。その他の実施例に関連して上述したガス流量の測定は、毎日もしくはより頻繁に実行されるであろう一方、図９及び９Ａに関連して記載した容量ＶおよびＶ_１の測定は、最初に装置を設置するときと、それ以後は、おそらくシステムの構成要素を変更するときだけ実行されるであろう。

図９の実施例によりさらに別の利点が提供される。具体的には、流量もしくはその他の要因の大きさによっては、流量をテストするのにより小さい容量もしくはより大きい容量を使用することが有利である場合もある。たとえば、流量が結合容量Ｖに対して小さい場合、十分な大きさの圧力低下を生じさせて正確に流量を測定するには、過度に長いテスト期間が必要となってしまう。したがって、容量Ｖ_１の測定の後、ガス流量の測定にはＶではなく容量Ｖ_１だけが用いられるように弁９１２を閉じることができる。反対に、流量が固定容量Ｖ_１に対して大きい場合、第２の弁を開いたままにしてより大きな結合容量（Ｖ_１＋Ｖ_２）を提供し、それにより、圧力低下を生じさせるための十分な時間を与えることは適切であろう。加工チャンバで実行される処理において処理中にガス流量の変更が必要となったとき、ホスト・コンピュータにより弁９１２を制御して容量をガス流に適合させてよい。チャンバがガスを低い流量で消費する場合、ホスト・コンピュータは弁９１２を閉じ、容量Ｖ_１のみが使用されるようにする。反対に、ガス流が増加すると、ホスト・コンピュータは弁９１２を開き、容量Ｖが使用されるようにする。

図９Ｂは、本発明の実施例に係る、可変容量という発想についての変形例を示す。図９Ｂでは、システム９００Ｂは２つの追加的な容量９１１および９３１を含んでおり、これらは、弁９１２および９３２を用いてシステムに対して開閉される。容量９１１および９３１は、同一値もしくは異なる値のものであってよい。したがって、ガス・フロー・コントローラ９０８の流量に依存して、使用される容量は、Ｖ_１、Ｖ_１＋Ｖ_２、Ｖ_１＋Ｖ_３、またはＶ_１＋Ｖ_２＋Ｖ_３である。もちろん、必要であれば、さらなる容量を、対応する弁とともに追加してもよい。

図９Ｃは、本発明の実施例に係る、可変容量という発想についての概念的一般化を示す。図９Ｃでは、膜９１１と両矢印とにより概念的に示されるように、容量Ｖ_１’は可変とされている。破線で示すように、容量は、手動で、もしくはホスト・コンピュータを用いて変更することができる。容量Ｖ_１’の大きさは、全ての処理について一回で設定してもよく、あるいは、処理の間に流量が変更されれば処理中に変更してもよい。

さらに別の方法を図９の実施例と共に用いて、未知の容量Ｖ_１を測定することができる。ガス・フロー・コントローラを、容量Ｖ_１のみ、または容量Ｖ_１＋Ｖ_２のいずれかを用いて（ΔＰ／Δｔ）を正確に測定することを可能にする流量に設定する。測定の初期部において、弁９１２は開いている。これらの条件下で、（ΔＰ／Δｔ）’の測定を行う。ＧＦＣがまだ流している間に、弁９１２を閉じる。さらに、（ΔＰ／Δｔ）”の測定を行う。以下の数式に示すように、これら２つの（ΔＰ／Δｔ）の値の比により、未知の容量の測定が可能になる。［数４］を繰り返す。

[数４]
流量＝（ΔＰ／Δｔ）Ｖ／ＺＲＴ

流量は、測定の両部において変化しないので、以下のようになる。

[数８]
（ΔＰ／Δｔ）’Ｖ／ＺＲＴ＝（ΔＰ／Δｔ）”Ｖ_１／ＺＲＴ

これを簡略化すると、以下のようになる。

[数９]
Ｖ_１＝Ｖ_２／（（ΔＰ／Δｔ）”／（ΔＰ／Δｔ）’−１）

本発明の多様な実施例の一つ以上のステップを、手動または自動の操作で実行することができる。たとえば、弁を開閉するステップや圧力測定値を取得するステップをコンピュータ制御にしたがって自動で実行し、容量の実際の測定を手動でもしくは自動で実行することができる。または、さまざまな弁の一つ以上を手動で作動させてもよく、結果として生じる流量は、検出した圧力低下から自動的に算出する。一つ以上のステップの自動的実行は、プロセッサを有するホスト・コンピュータのコンピュータ読出し可能な記憶媒体に保存された指示に基づき、図面において一点鎖線で示す制御ラインを通じた通信を利用して達成することができる。

本発明の実施例により、従来の方法に優る数多くの利点が提供される。利点の一つは、マス・フロー・コントローラが通常操作を行っている間に流量のテストを実行してもよいことである。具体的には、弁の開閉により生じる圧力変化はガス・フロー・コントローラが阻害されるのを防ぐように制御されるので、入口の圧力に意図的に変化をもたらしたとしても、ガス・フロー・コントローラは特定の流量を維持することができる。

ガス流のテストは、ガス・フロー・コントローラが通常動作を行って製造中の加工チャンバへとガスを供給している間に行うことができる。さらに、テスト装置はガス供給システムの不可欠の部分であり、ガス流テストの全ステップを自動化することができる。したがって、本発明の実施例は、テスト手順の開始を含めた全自動動作に役立つ。たとえば、ガス・フロー・コントローラ、処理ツール、及び／又は、設備のネットワークとの適切な通信を利用して、処理ステップ毎に、又は特定のイベント時において、流量テストが行われるようにプログラムすることができる。特定のイベント時とは、たとえばガス・フロー・コントローラが特定の流量に設定されているときにおける特定の処理の中の特定のステップの最中等である。または、毎日、特定の時間もしく複数の時間にテストが行われるようにプログラムすることができる。

本発明の実施例では、処理ツール上に配置される聴覚的もしくは視覚的警報を含む警報を提供することができる。聴覚的もしくは視覚的警報に代えて、またはそれと併せて、測定された流量が所定の限度を超えた場合に、Ｅメール形式での警報を指定された一人以上の人に送ることができる。このような方法は、上述の全自動化された開始および動作と連動させると十分に機能する。

本発明の実施例は、マス・フロー・コントローラの過渡応答を測定するためにも使用することができる。マス・フロー・コントローラが、たとえばそれをオンすることにより、もしくはその設定点を変更することにより、またはマス・フロー・コントローラの上流の圧力を急に上昇させることにより乱れたとき、その流れを安定状態にするには数秒かかる。この数秒の間に、マス・フロー・コントローラの流量は設定点から狂い、しばしば設定点の上下に振れる。流量が狂う様子の測定は、本発明により、マス・フロー・コントローラが乱れた直後に、比較的高いサンプリング・レート（たとえば、１秒当たり１０−１００回測定）で、複数の圧力測定値を取得することにより行うことができる。この過渡応答の測定にはいくつかの利点がある。特定のマス・フロー・コントローラの経時的な過渡応答をモニタすることができる。変化が観察された場合、それはマス・フロー・コントローラの中の１以上の構成要素が劣化したことの兆候である可能性がある。一つのチャンバから別のチャンバへの同一のマス・フロー・コントローラの過度応答を比較することもでき、それにより、効果的なチャンバのマッチングが可能となる。また、用途にとって最適なマス・フロー・コントローラを選択するために、特定のマス・フロー・コントローラ又はマス・フロー・コントローラの特定のモデルもしくはブランドの品質を表す尺度として過渡応答を用いることもできる。

本発明に係る実施例によって、ガスの測定が原則的に不変の環境で行われるようにすることもできる。このような不変の条件下では、システム内の堆積物もしくは吸着されたガスとの反応によるエラーによって結果が狂うことが、原則的に防がれる。

また、本発明の実施例によって、システムに関連する何かが変更されたときに、システム自身により行われるシステム容量の測定が迅速に行われるようにすることも可能になる。これにより、加工チャンバの容量の測定に必要な測定等の、手作業集約的で時間のかかる測定の必要性が除かれる。

本明細書において記載されている方法および技術は、いかなる特定の装置とも固有の関連は有しておらず、構成要素のいかなる適切な組合せによっても実行することができると理解されるべきである。更に、様々なタイプの汎用装置が、本明細書において記載されている教示に従って用いられることができる。本願明細書において記載されている方法を実行するために特別な装置を組み立てることは、有益であると証明される可能性がある。本明細書において、本発明はいくつかの特定の実施例との関連において説明された。これら実施例は、あらゆる点で制限的な意図で記載されているのではなく、図示することを意図して記載されているものである。当業者は、ハードウェア、ソフトウェアおよびファームウェアの様々な組合せが本発明を実行するのに適していることを理解するであろう。さらに、本明細書に開示される本発明の態様および実施から、他の実施形態も可能であることは当業者にとって明らかである。記載されている実施例のさまざまな態様または部品が、単独で用いられることができるか、またはサーバ技術のいかなる組合せでも用いられることができる。明細書および実施例は、単に例示的なものとして示すことを意図したものであり、本発明の真の視点及び精神は、以下の請求項に示されている。

Claims (7)

1. 設定点を有する圧力調整器の下流に位置するガス・フロー・コントローラを通るガスの流量を決定する方法であって、
   前記ガス・フロー・コントローラを通るガスの流れを一定量に定め、
   前記ガス・フロー・コントローラの上流にあるが、前記圧力調整器の下流にある既知容量における圧力を、前記圧力調整器の前記設定点より上のレベルに上昇させ、
   第１回目に、前記容量における第１の圧力を測定し、
   前記第１回目より後の第２回目に、前記容量における第２の圧力を測定し、
   前記第１の圧力および前記第２の圧力から、圧力の低下率を決定し、
   前記圧力の低下率および前記既知容量に基づいて前記一定量を決定する
   ことを特徴とする方法。
2. 圧力の前記上昇は、大気圧より上のガス圧を、前記圧力調整器の本体へと所定の期間導入し て前記設定点を上昇させることによりもたらされる
   ことを特徴とする請求項１の方法。
3. 圧力の前記上昇は、前記圧力調整器を迂回することにより、前記圧力調整器の上流から前記圧力調整器の下流へと、所定の期間ガスを流すことによりもたらされる
   ことを特徴とする請求項１の方法。
4. ガス・フロー・コントローラの性能を決定する方法であって、
   ガス・フロー・コントローラを通るガスの流れを一定量に定め、
   前記ガス・フロー・コントローラの上流にあるが、設定点を有する圧力調整器の下流にある既知容量における圧力を、前記圧力調整器の前記設定点より上のレベルに上昇させ、
   前記既知容量の第１の圧力低下を測定し、
   期間の経過後、前記ガス・フロー・コントローラの上流にあるが、前記圧力調整器の下流にある前記既知容量における圧力を、再び前記圧力調整器の前記設定点より上のレベルに上昇させ、
   前記固定容量における第２の圧力低下を測定し、
   前記第１の圧力低下と前記第２の圧力低下との差に基づいて、前記ガス・フロー・コントローラの流量の変動を検出する
   ことを特徴とする方法。
5. ガス・フロー・コントローラの性能を決定する方法であって、
   校正されたガス・フロー・コントローラを通すガスの流れを一定量に定め、
   前記ガス・フロー・コントローラの上流にあるが、設定点を有する圧力調整器の下流にある既知容量における圧力を、前記圧力調整器の前記設定点より上のレベルに上昇させ、
   前記既知容量の第１の圧力低下を測定し、
   前記校正されたガス・フロー・コントローラを、テスト対象のガス・フロー・コントローラに置き換え、
   前記ガス・フロー・コントローラの上流にあるが、前記圧力調整器の下流にある前記既知容量における圧力を、前記圧力調整器の前記設定点より上のレベルに上昇させ、
   前記固定容量における第２の圧力低下を測定し、
   前記第１の圧力低下と前記第２の圧力低下との差に基づいて、流量の狂いを検出する
   ことを特徴とする方法。
6. ガスの流量を制御する方法であって、
   ガス・フロー・コントローラの上流にあるが、設定点を有する圧力調整器の下流にある既知容量における圧力を、前記圧力調整器の前記設定点より上のレベルに上昇させ、
   前記ガス・フロー・コントローラを通るガスの流れを一定量に定め、
   第１回目に、前記容量における第１の圧力を測定し、
   前記第１回目の後の第２回目に、前記容量における第２の圧力を測定し、
   前記第１の圧力及び第２の圧力から、圧力の低下率を決定し、
   前記圧力の低下率及び前記既知容量に基づいてガスの流量を決定し、
   所望の流量と測定された流量との差に基づいて、前記ガス流制御バルブの開放量を増減させ、
   前記容量における圧力の測定を続行し、実際の流量を決定し、所望の流れが達成されるまで前記ガス流制御バルブを調整する
   ことを特徴とする方法。
7. ガスの流量を制御する方法であって、
   ガス流制御バルブの複数の開放位置における流量についての参照テーブルを、弁の上流の圧力、温度、及びバルブ開放量に基づいて確立し、
   前記ガス流制御バルブの上流にあるが、設定点を有する圧力調整器の下流にある既知容量における圧力を、前記圧力調整器の前記設定点より上のレベルに上昇させ、
   前記ガス流制御バルブを、前記参照テーブルに示される選択位置まで開いて所望の流量を提供し、
   圧力が低下していくときに、前記ガス流制御バルブが、前記参照テーブルに示される適切な選択位置まで開かれた状態を維持し続け、
   第１回目に、前記容量における第１の圧力を測定し、
   前記第１回目の後の第２回目に、前記容量における第２の圧力を測定し、
   前記第１の圧力および前記第２の圧力から、圧力の低下率を決定し、
   前記圧力の低下率および前記既知容量にもとづいて、ガスの流量を決定し、
   所望の流量と測定された流量との差に基づいて、前記テーブルを更新し更に前記容量における圧力の測定を続行し、前記容量における前記ガス流制御バルブを調整して所望の流量を得るか、又は前記差が所定の値より上である場合警報もしくは通知を送るか、いずれか一つを実行する
   ことを特徴とする方法。

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