JP5669583B2 - 流量算出システム、集積型ガスパネル装置及びベースプレート - Google Patents

Description

本発明は、例えばダイアフラム式等の圧力センサを用いた流量算出システム、この質量流量計を用いた集積型ガスパネル装置及び流量算出システムに用いられるベースプレートに関するものである。

従来、質量流量計としては、特許文献１に示すように、流体抵抗体の上流側及び下流側に圧力センサを設け、その圧力センサにより得られる差圧に基づいて流路を流れる流体の質量流量を測定するものがある。この質量流量計を用いたマスフローコントローラとしては、質量流量計の圧力センサの上流側又は下流側に設けた流量制御バルブの弁開度を制御するものである。そして、圧力センサとしては、流体の圧力に基づいて変形するダイアフラムを有し、このダイアフラムの変化量に基づいて流体の圧力を検出するダイアフラム式のものを用いている

ところで、半導体プロセスにおいては、複数種のプロセスガスが使用されることが一般的であり、各プロセスガスの流量制御を独立して行うものであって、各ガス供給制御ラインが集積化されたガスパネルが考えられている。このガスパネルは、特許文献２に示すように、ベースプレート上に複数のガス供給制御ラインが並列に設けられて構成されている。

しかしながら、このガスパネルをさらに高集積化するためには、ベースプレート上に配置する構成部品の小型化が考えられるところ、流量制御性能及び安全性を考慮すると部品を小型化することは望ましいことではない。特に、圧力センサを小さくして高集積化することが考えられるが、ダイアフラム式の圧力センサを用いた場合には小型化に制限（最小径；約２０ｍｍ）がある。なぜなら、圧力の測定感度の関係から、ダイアフラムを小径化すると受圧面が小さくなってしまい、感度性能の低下につながってしまうからである。したがって、このような圧力センサを用いて高集積化を試みると、ガスパネルのライン並列方向（幅方向）の寸法が大きくなってしまうだけでなく、設置スペースも大きくなってしまう。また、ベースプレートも大型化してしまい、製造に用いる資源も多くなってしまうという問題もある。

特開２００８−１９６８５８号公報 特開平１０−１６９８８１号公報

そこで本発明は、上記問題点を一挙に解決するためになされたものであり、例えばダイアフラム式等の圧力センサを有する複数の測定ラインを備えた流量算出システム又は集積型ガスパネル装置において、小型化、省スペース化及び省資源化することをその主たる所期課題とするものである。

すなわち本発明に係る流量算出システムは、流体抵抗体の少なくとも上流側又は下流側に圧力センサが設けられ、流路方向が互いに略同一である複数の測定ラインと、前記各測定ラインにおける圧力センサから得られる圧力によって、各ラインを流れる流体の流量を算出する算出部と、を備え、互いに隣接する測定ラインに設けられた圧力センサが、前記測定ラインの流路方向に沿って互い違いに配置されるとともに、互いに隣接する測定ラインに設けられた圧力センサの一部が、前記測定ラインの流路方向から見て重なり合って見えるように配置されていることを特徴とする。

このようなものであれば、互いに隣接する測定ラインの圧力センサを測定ラインの流路方向に沿って互い違いに配置するとともに、測定ラインの流路方向から見て重なり合うように配置しているので、圧力センサを密に配置することができ、流量算出システムを小型化することができるとともに、設置スペースを省スペース化することができる。また、流量算出システムを小型化することにより省資源化することもできる。さらに、圧力センサを不必要に小型化することがないので、圧力センサの感度性能を保ちつつ、システム全体を小型化することができる。その上、限られたスペースに圧力センサを配置する場合には、圧力センサのサイズを可及的に大きくすることができるので、流量算出システムの測定精度を可及的に向上させることができる。

上記のとおり、小型化、省スペース化及び省資源化だけでなく、各測定ライン間の測定精度を均一にするためには、各測定ラインの上流側に設けられた圧力センサと流体を導入する導入ポートとの間の流路の流体特性が、略同一となるように構成されていることが望ましい。

各測定ライン間の測定精度を簡単な構成に均一するためには、各測定ラインの上流側に設けられた圧力センサと流体を導入する導入ポートとの間の流路の容積又は長さが、略同一となるように構成されていることが望ましい。

システムの構成を簡単化すると共に、部品点数を削減し、さらに省資源化を可能にするためには、前記各測定ラインの圧力センサが共通のベースプレートの一面に固定され、そのベースプレートの内部に流体が通過する内部流路が形成されていることが望ましい。

上記の流量算出システムを集積型ガスパネルに用いた場合には、小型化、省スペース化及び省資源化しながら、さらに高集積化を可能にすることができる。

また、上記流量算出システム又は集積型ガスパネルに好適に用いられるベースプレートとしては、流路方向が互いに略同一である複数の測定ライン毎に形成された内部流路と、当該内部流路と連通し、圧力センサが取り付けられるセンサ取付部と、を有するベースプレートであって、互いに隣接する測定ラインを構成する内部流路に連通するセンサ取付部が、前記測定ラインの流路方向に沿って互い違いに配置されるとともに、当該センサ取付部に前記圧力センサが取り付けられた状態において、前記圧力センサの一部が前記測定ラインの流路方向から見て重なり合って見えるように配置されていることを特徴とする。

このように構成した本発明によれば、例えばダイアフラム式等の圧力センサを有する複数の測定ラインを備えた流量算出システム又は集積型ガスパネル装置において、小型化、省スペース化及び省資源化することができる。

本発明の一実施形態に係る集積型ガスパネル装置の上面視における模式的構成図である。 同実施形態における流路方向に沿った断面を模式的に示す図である。 同実施形態における流路方向から見た断面を模式的に示す図である。

１００ ・・・集積型ガスパネル装置
Ｌ１〜Ｌ４・・・測定ライン
ＰＴ１ ・・・導入ポート
Ｖ ・・・流量制御バルブ
Ｒ ・・・流体抵抗体
ＰＳ１ ・・・上流側圧力センサ
ＰＳ２ ・・・下流側圧力センサ
２ ・・・ベースプレート
２１１ ・・・内部主流路
２１２ ・・・内部枝流路

以下に、本発明に係る流量算出システムを用いた集積型ガスパネル装置の一実施形態について、図面を参照して説明する。

本実施形態の集積型ガスパネル装置１００は、半導体製造システムの一部を構成するものであり、成膜用の各種ガスを図示しないガス供給源からそれぞれ導入し、半導体の成膜チャンバ（不図示）に供給するために用いられる。

具体的にこのものは、図１に示すように、流体を内部に導入するための導入ポートＰＴ１と、当該導入ポートＰＴ１により内部に導入された流体の抵抗となる例えばオリフィス又はキャピラリ等の流体抵抗体Ｒと、当該流体抵抗体Ｒの上流側及び下流側に設けられた上面視概略円形をなす圧力センサＰＳ１、ＰＳ２と、当該上流側圧力センサＰＳ１及び導入ポートＰＴ１の間に設けられた流量制御バルブＶとを有する複数の測定ラインＬ１〜Ｌ４を備えている。各測定ラインＬは、各ガスの質量流量をコントロールするマスフローコントローラとして機能する。なお、図１においては４つの測定ラインＬ１〜Ｌ４を有する集積型ガスパネル装置１００を示しているが、複数の測定ラインは４つに限定されない。

本実施形態の圧力センサＰＳ１、ＰＳ２は、概略円柱状をなすものであり、流体の圧力に基づいて変形するダイアフラムを有し、このダイアフラムの変化量に基づいて流体の圧力を検出するダイアフラム式圧力センサである。

また、この集積型ガスパネル装置１００は、各測定ラインＬ１〜Ｌ４における圧力センサＰＳ１、ＰＳ２から得られる差圧に基づいて、各ラインＬ１〜Ｌ４を流れる流体の質量流量を算出する算出部（不図示）と、その測定流量値と目標流量である設定流量値に基づいて流量制御バルブＶの弁開度を制御する制御部（不図示）と、を備えている。

そして、複数の測定ラインＬ１〜Ｌ４は、１つのベースプレート２に等間隔に設けられている。このベースプレート２は、概略矩形状をなすものであり、その上面に各測定ラインＬ１〜Ｌ４の流量制御バルブＶを取り付けるためのバルブ取付部（例えば凹部）２ａ、上流側圧力センサＰＳ１及び下流側圧力センサＰＳ２を取り付けるためのセンサ取付部（例えば凹部）２ｂ、２ｃが形成されている。（図２参照）。また、内部には、測定ラインＬ１〜Ｌ４のガス流路を形成する内部流路２１が形成されている。さらに、ベースプレート２の一端面に、測定ラインＬ１〜Ｌ４の導入ポートＰＴ１を形成する付属配管具が取り付けられ、他端面に測定ラインＬ１〜Ｌ４の導出ポートＰＴ２を形成する付属配管具が取り付けられる。

内部流路２１は、図２及び図３に示すように、導入ポートＰＴ１及びバルブ取付部２ａ、又はバルブ取付部２ａ及び導出ポートＰＴ２を連通する内部主流路２１１と、内部主流路２１１と各センサ取付部２ｂ、２ｃとを連通する内部枝流路２１２とを有する。

内部主流路２１１は、上面視においてベースプレート２に略直線状に形成されている（図１参照）。本実施形態では、各測定ラインＬ１〜Ｌ４を構成する内部主流路２１１は、互いに並行となるように設けられ、且つ等間隔に設けられている。また、内部主流路２１１において、上流側圧力センサＰＳ１への内部枝流路２１２と、下流側圧力センサＰＳ２への内部枝流路２１２との間に流体抵抗体Ｒが設けられている。

しかして本実施形態の集積型ガスパネル装置１００は、図１に示すように、互いに隣接する測定ラインＬ１〜Ｌ４に設けられた圧力センサＰＳ１、ＰＳ２が、その測定ラインＬ１〜Ｌ４の圧力センサＰＳ１、ＰＳ２の設置面に垂直な方向から見た流路方向（上面視における流路方向（図１における矢印方向））に沿って互い違いに配置されている。つまり、隣接する測定ラインＬ１〜Ｌ４の圧力センサＰＳ１、ＰＳ２は、上面視における流路方向においてずれて配置され、１つの測定ライン（例えばＬ１）の圧力センサＰＳ１、ＰＳ２間に、これに隣接する測定ライン（例えばＬ２）の圧力センサの１つ（例えばＰＳ１）が位置するように配置されている。なお、各測定ラインＬ１〜Ｌ４の流路方向は、測定ラインＬ１〜Ｌ４の全体的な流路の方向であり、図１及び図２に示すように、互いに略同一であり、内部主流路２１１の流路方向と一致し、ベースプレート２の長手方向と略同一方向である。

また、集積型ガスパネル装置１００は、互いに隣接する測定ラインＬ１〜Ｌ４に設けられた圧力センサＰＳ１、ＰＳ２の一部が、その上面視における流路方向上流側から下流側に見て重なり合って見えるように配置されている（図３参照）。つまり、本実施形態では、ベースプレート２の長手方向から見て隣接する測定ラインＬ１〜Ｌ４の圧力センサＰＳ１、ＰＳ２の一部が重なり合うように配置されている。ここで、図１においては、互いに隣接する測定ライン（例えばＬ１とＬ２）において、それら測定ラインＬ１、Ｌ２の間隔が、測定ラインＬ１に設けられた圧力センサＰＳ１の半径（ｒ_Ａ）及び測定ラインＬ２に設けられた圧力センサＰＳ１の半径（ｒ_Ｂ）の和（ｒ_Ａ＋ｒ_Ｂ）よりも小さくなるように、測定ラインＬ１、Ｌ２が設けられている。

ここで、互いに隣接する測定ラインＬ１〜Ｌ４の圧力センサＰＳ１、ＰＳ２を互い違いに配置することによって、隣接する測定ラインＬ１〜Ｌ４における導入ポートＰＴ１及び上流側圧力センサＰＳ１の間の流路長さが異なることになる。このとき、それらの流路を同一径にすると、内部流路の長い測定ラインが、短いものに比べて流路抵抗が大きくなってしまう。その結果、互いに隣接する測定ラインＬ１〜Ｌ４は、流体特性が異なる。そこで、各測定ラインＬ１〜Ｌ４の上流側圧力センサＰＳ１と導入ポートＰＴ１との間の流路の流体特性を、略同一となるように構成している。

流体特性を略同一にするための構成としては、上流側圧力センサＰＳ１と導入ポートＰＴ１との間の内部主流路２１１の容積又は長さを略同一となるように構成している。より具体的には、隣接する測定ライン（例えばＬ１及びＬ２）の内部主流路２１１の容積を略同一にし、２つ隣りの測定ライン（例えばＬ１及びＬ３）の内部主流路２１１の長さを略同一にしている。さらに、本実施形態では、各測定ラインＬ１〜Ｌ４の内部枝流路２１２の構成、具体的には内径及び長さを略同一にしている。

＜本実施形態の効果＞
このように構成した本実施形態に係る集積型ガスパネル装置１００によれば、互いに隣接する測定ライン（例えばＬ１とＬ２）の圧力センサＰＳ１、ＰＳ２を上面視における流路方向に沿って互い違いに配置するとともに、上面視における流路方向から見て重なり合うように配置しているので、圧力センサＰＳ１、ＰＳ２を密に配置することができ、高集積化しながら、測定ラインＬ１〜Ｌ４の並列方向（幅方向）の寸法を小型化することができる。またこれによって設置スペースにおいても省スペース化することができとともに、ガスパネル装置１００を小型化することにより省資源化することもできる。さらに、圧力センサＰＳ１、ＰＳ２を不必要に小型化することがないので、圧力センサＰＳ１、ＰＳ２の感度性能を保ちつつ、装置全体を小型化することができる。その上、限られたスペースに圧力センサＰＳ１、ＰＳ２を配置する場合には、圧力センサＰＳ１、ＰＳ２のサイズを可及的に大きくすることができるので、集積化ガスパネル装置１００の測定精度及びコントロール精度を可及的に向上させることができる。

＜その他の変形実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば前記実施形態では、前記実施形態では、圧力センサは、ダイアフラム式のものであったが、その他の圧力センサを用いたものであっても良い。

また、流体抵抗体の上流側及び下流側に圧力センサを設けているが、音速ノズル式のものであれば、上流側又は下流側に圧力センサを設けるようにしても良い。

さらに、前記実施形態では、互いに隣接する測定ラインの導入ポート及び上流側圧力センサの間の流路の長さが異なる構成であるが、互いに隣接する測定ラインの導入ポート及び上流側圧力センサの間の流路の長さを略同一とするように導入ポートを配置しても良い。

その上、前記実施形態の複数の測定ラインは、共通のベースプレートに設けられるものであったが、１又は複数の測定ラインが設けられたブロック体を組み合わせて構成しても良い。

加えて、各測定ラインの上流側圧力センサ及び下流側圧力センサの配列方向が同一であれば、測定ラインの構成及び内部主流路の構成は前記実施形態に限られない。なお、このとき上流側圧力センサ及び下流側圧力センサの配列方向を測定ラインの上面視の流路方向とする。

さらに加えて、複数の測定ラインＬ１〜Ｌ４のうち、互いに隣接する第１の測定ラインＬ１、第２の測定ラインＬ２のみ等、複数の測定ラインのうち一部の互いに隣接する測定ラインに設けられた圧力センサが、その設置面に垂直な方向から見た測定ラインの流路方向に沿って互い違いに配置されるとともに、互いに隣接する測定ラインに設けられた圧力センサの一部が、設置面に垂直な方向から見た測定ラインの流路方向から見て重なり合うように配置されているものでも良い。

また、前記実施形態では、圧力センサの配置について説明したものであったが、その他、バルブ等の流路上に配置される構成部材の配置についても適用できる。この場合、流量算出システムは、バルブ等の流路上に配置される構成部材が設けられた複数の測定ラインを備え、互いに隣接する測定ラインに設けられた構成部材が、前記測定ラインの流路方向に沿って互い違いに配置されるとともに、互いに隣接する測定ラインに設けられた構成部材の一部が、前記測定ラインの流路方向から見て重なり合って見えるように配置されていることを特徴とする。各測定ラインを流れる流体が大流量となればバルブ等の構成部材も大型化してしまうが、これならば、システム全体として小型化、省スペース化及び省資源化しながら、さらに高集積化を可能にすることができる。

さらに上記の流量算出システムに好適に用いられるベースプレートとしては、複数の測定ライン毎に形成された内部流路と、当該内部流路と連通し、バルブ等の構成部材が取り付けられる取付部と、を有するベースプレートであって、互いに隣接する測定ラインを構成する内部流路に連通する取付部が、前記測定ラインの流路方向に沿って互い違いに配置されるとともに、当該取付部に前記構成部材が取り付けられた状態において、前記構成部材の一部が前記測定ラインの流路方向から見て重なり合って見えるように配置されていることを特徴とする。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

本発明により、例えばダイアフラム式等の圧力センサを有する複数の測定ラインを備えた流量算出システム又は集積型ガスパネル装置において、小型化、省スペース化及び省資源化することができる。

Claims (5)

1. 流体抵抗体の少なくとも上流側又は下流側に圧力センサが設けられ、流路方向が互いに略同一である複数の測定ラインと、
   前記各測定ラインにおける圧力センサから得られる圧力によって、各ラインを流れる流体の流量を算出する算出部と、を備え、
   互いに隣接する測定ラインに設けられた圧力センサが、前記測定ラインの流路方向に沿って互い違いに配置されるとともに、互いに隣接する測定ラインに設けられた圧力センサの一部が、前記測定ラインの流路方向から見て重なり合って見えるように配置されている流量算出システム。
2. 各測定ラインの上流側に設けられた圧力センサと流体を導入する導入ポートとの間の流路の流体特性が、略同一となるように構成されている請求項１記載の流量算出システム。
3. 前記各測定ラインの圧力センサが共通のベースプレートの一面に固定され、そのベースプレートの内部に流体が通過する内部流路が形成されている請求項１記載の流量算出システム。
4. 請求項１記載の流量算出システムを有する集積型ガスパネル装置。
5. 流路方向が互いに略同一である複数の測定ライン毎に形成された内部流路と、当該内部流路と連通し、圧力センサが取り付けられるセンサ取付部と、を有するベースプレートであって、
   互いに隣接する測定ラインを構成する内部流路に連通するセンサ取付部が、前記測定ラインの流路方向に沿って互い違いに配置されるとともに、当該センサ取付部に前記圧力センサが取り付けられた状態において、前記圧力センサの一部が前記測定ラインの流路方向から見て重なり合って見えるように配置されているベースプレート。
   

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