JPH1194603A - 真空設備への実際のガスの流れを監視するための方法および真空処理装置 - Google Patents

真空設備への実際のガスの流れを監視するための方法および真空処理装置

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JPH1194603A
JPH1194603A JP17594098A JP17594098A JPH1194603A JP H1194603 A JPH1194603 A JP H1194603A JP 17594098 A JP17594098 A JP 17594098A JP 17594098 A JP17594098 A JP 17594098A JP H1194603 A JPH1194603 A JP H1194603A
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gas
conducting member
pressure
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Shiyumitsuto Jiyatsuku
ジャック・シュミット
Touurotsuto Emaniyueru
エマニュエル・トゥーロット
Reburan Efu
エフ・レブラン
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Balzers AG
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 真空設備への実際のガスの流れを監視するた
めの方法および真空処理装置を提供する。 【解決手段】 ガス流伝導部材を真空設備と質量流量コ
ントローラとの間に相互接続する。所望のガス流におけ
る上記ガス流伝導部材に沿った圧力降下を予め定める。
実際のガス流を、同部材に沿った圧力降下を測定するこ
とによって監視する。その後、これら2つの圧力降下を
比較する。1以上のガス供給管が、加圧ガスリザーバ装
置から1以上のガス質量流量コントローラを介して真空
設備に延び、1以上のガス流伝導部材が上記位置に接続
される。圧力差測定装置は、その入力がガス流伝導部材
の両端にそれぞれ動作的に接続され、同装置が管路に沿
って真空設備に向かう実際のガスの質量流量を示す信号
を生成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の背景】この発明は一般に、真空設備内へのガス
の流れの正確な制御に関する。より特定的にはこの発明
は、真空設備内へのガスの流れを監視するための方法に
関し、このガスの流れは、真空設備とガス用加圧リザー
バ装置との間に相互接続された少なくとも1つの調節可
能な質量流量コントローラによって所望のガス流れを設
定することによって得られたものである。
【0002】質量流量コントローラは、かなり不安定な
調整装置であるため、定期的に校正用ベンチに戻される
必要がある。多数の質量流量コントローラを運用してい
る大会社は、校正用ベンチを社内で購入して使用する傾
向にある。
【0003】質量流量コントローラにおける最も深刻な
問題の1つに、それらが予め設定した値から、容易に検
出できるような急激な変化を遂げるのではなく、徐々に
移行するという問題がある。この移行の様子は常に監視
されねばならず、また、それが未だ受入れ可能であるか
またはもはや受入れ可能ではないかのオフセットの限界
を適切に設定することはさらに困難である。質量流量コ
ントローラの変化に伴って、真空設備内のガスの流れに
依存するプロセスから得られる特性もまた徐々に変化す
る可能性がある。したがって、たとえば真空反応装置内
で処理される基板またはワークピースの特性が、質量流
量コントローラの変化によって変化するおそれがある。
【0004】質量流量コントローラMFCの移行の理由
は完全にはわかっていない。理由の1つに、MFCが非
常に細い管を使用するために、非常に細かい粒状物から
なるダストの擾乱からも影響を受けることがある。MF
Cが熱伝達を利用して流れを検出することも、理由の1
つである。高熱の領域は、化学反応および局所的な化学
蒸着を、特に反応ガスが送り込まれている際に、局所的
に促進し得る。これら双方の現象はおそらくは、少なく
とも感熱ブリッジの不均衡をもたらすものと考えられ、
したがって、特に、アンモニア、塩化水素等の腐食ガス
および反応ガスの流れのために使用されるMFCが、シ
ラン等のダストを生成するガスとともに使用されるMF
Cとともに、変化しやいすことの説明となるであろう。
【0005】純粋にMFCに依存することによって、当
業界におけるコストは高くついている。たとえば、何百
ものMFCを使用している半導体製造プラントにおい
て、それらのMFCは系統的な制御のために計画的に交
換される。このような作業は、3週間から4週間毎に繰
返され、それに対応するコストは非常に高い。このよう
な頻繁な制御はまた、副次的な危険をさらに増す。具体
的には、MFCを交換する間にガス管路のいくつかの区
分が頻繁に周囲の環境にさらされることによって、ガス
管路の汚染が生じる。しかし、MFCの系統的な交換に
よるコストおよび危険にかかわらず、プラントの責任あ
るスタッフは、そのようなコストがMFCが変化しかつ
製造プロセスが変化することに付随する危険およびその
結果に比べればそれほど深刻ではない、と結論付けてい
るようである。
【0006】MFCにおける移行は容易に予測できるも
のではない。MFCによっては、何年もの間全く安定で
あるものもあれば、校正後に設置したその最初の日から
移行を開始するものもある。そのため、再校正の頻度
は、最悪の場合を考慮に入れて、かつしたがって、MF
Cのうち短い寿命を有するものに基づいて、非常に慎重
に規定されねばならない。このとき、設置の後に同日中
に移行を開始するMFCのような場合については明確に
考慮に入れることができないが、そのような危険は覚悟
せねばならない。
【0007】図1に、先行技術による、真空設備、具体
的には真空処理反応装置内へのガスの流れを示す。
【0008】加圧ガスタンク1として示されるガスタン
ク装置は、一例として、10バールを超える圧力p1
加圧される。タンク1の下流に、圧力調整器2が設けら
れる。これは、入力圧力p1 を1バールをわずかに超え
る出力圧力p2 に減じる。調整器2の下流には、質量流
量コントローラMFC3が設けられる。質量流量コント
ローラ3の入力と出力との間の圧力降下は、約1バール
であり、したがって、出力圧力p3 は約0.01バール
となる。
【0009】MFC3の下流には、真空設備4がたとえ
ば真空表面処理反応装置として設けられ、その中には概
略的に示すように、タンク1からのガスがシャワー状の
ガス分散器等を介して入力される。
【0010】MFC3の出力における出力圧力p3 は、
反応装置4への接続管路に沿って、その流れの断面およ
び長さに従って徐々に降下していく。入力ノズル装置に
よって圧力はさらにわずかに降下して、真空反応装置に
おけるプロセスに必要な圧力p4 に近づく。反応装置4
は、スロットル5を介して真空ポンプ6に接続される。
【0011】このため、ガスタンク1から低圧真空設備
4またはプロセス機器まで全経路を通じてガスが流れる
際に、そのガスの圧力は、この図1に示すように、降下
の一途をたどる。
【0012】ガスは、ポンプ6の入口へと、全経路にわ
たって自然に流れるが、これは、ガス供給業者によって
搬送されてきた際のタンク1における圧縮の位置エネル
ギが、真空ポンプ6によってもたらされる位置エネルギ
と組合わさって、真空設備4における圧力を所望の低い
レベルに保つためである。
【0013】MFCは、予め定められた圧力降下、たと
えば30ミリバール以上、がp23に従って維持されてい
る限り、ガスの流れを上述の限界内で正確に調整する。
図1においては、最小限必要な圧力降下p23を、p
23min として示す。MFCの上流における圧力p2 が通
常1〜2バール程度である場合、MFCの直後における
出力圧力p3 が0.95バール程度である限り、MFC
はうまく調整動作が可能である。このため、MFCにわ
たって必要とされる圧力降下p23min は、図1に従っ
た、1バールの範囲内である実際の圧力降下p23よりも
非常に小さいことになる。これは、MFCの下流に、真
空設備が必要な低圧力p4 、したがって反応装置4内の
プロセス圧力にほぼ等しい圧力が存在するためである。
これは、一例としては、0.01〜10ミリバールの範
囲内であるか、または、なおさらにはるかに低い、すな
わち10-3、10-4ミリバールの範囲であり得る。
【0014】
【発明の概要】この発明の1つの目的は、真空設備内へ
のガスの実際の流れを監視するための方法を提供するこ
とであって、この方法により、実際のガスの流れを質量
流量コントローラにおいて設定された所望のガスの流れ
から逸らせることにつながる、質量流量コントローラに
おける不正確さを、比較的廉価のハードウェアによって
正確に監視することができるようにし、それにより、既
存のプラントにおいても容易に旧装置を改装できるよう
にすることである。
【0015】この目的は、ガス流伝導部材を設備と質量
流量コントローラとの間に相互接続するステップと、質
量流量コントローラにおいて設定される所望のガスの流
れにおけるガス流伝導部材に沿った圧力降下を予め定め
るステップと、ガス流伝導部材に沿った実際のガスの流
れをその部材に沿った圧力降下を測定することによって
監視するステップとによって達成される。その後、この
圧力降下は、予め定められた圧力降下と比較される。こ
の予め定められた圧力降下が所望のガスの流れに準じか
つ校正の手順において構築されたものであるのに対し、
測定される圧力降下は実際のガスの流れに準じる。
【0016】この発明の別の目的は、加圧タンク1内の
圧力を変化させる必要なく、最も包括的な局面下でこの
発明の方法を実現することである。このことは、ガスの
所望の流れにおける予め定められた圧力降下が質量流量
コントローラにわたる「保持された」先行技術の圧力降
下の一部を利用するように、ガス流伝導部材をさらに選
択することによって、実現される。上述のように、MF
Cにわたる圧力降下がかなり減じられた場合にも、適切
な調整機能は維持される。
【0017】この発明のさらに別の目的は、実際のガス
の流れと所望のガスの流れとの差を監視するばかりでは
なく、ガスの流れに影響を及ぼすガス供給管内の部材を
自動的に再調節することによって、実際のガスの流れを
所望のガスの流れの値に自動的に維持することである。
このことは、測定された圧力降下と予め定められた圧力
降下とを比較して識別信号を生成し、かつ、たとえば、
質量流量コントローラを負のフィードバックループにお
ける識別信号の関数として調節することによって、達成
される。
【0018】上に述べた包括的な目的を実現するため
に、以下のものを含む真空装置がさらに提案される。す
なわち、真空設備と、加圧ガスリザーバ装置から少なく
とも1つのガス質量流量コントローラを介してその設備
へと通じる少なくとも1つのガス供給管と、その設備と
そのガス質量流量コントローラとの間に相互接続された
少なくとも1つのガス流伝導部材とを含む、真空装置で
ある。また、圧力差測定装置もまた提供されるが、その
一方入力は上記ガス流部材の上流部分に動作的に接続さ
れ、その第2の入力は、ガス流部材の下流部分に動作的
に接続される。圧力差測定装置の出力は、その管路に沿
いかつ上記設備へと向かう実際のガスの質量流量を示す
信号を生成する。
【0019】ここで、基礎となる概念は、質量流量コン
トローラの出口と設備の入口との間でガスにもたらされ
る圧力降下による、ガス流の位置エネルギ損失を使用す
ることである。その設備とは具体的には、ワークピース
または基板の表面処理用真空処理反応装置である。この
流れの測定は、プロセスガスまたは混合ガスが中を流れ
る受動的な流れ抵抗管路であるガス流伝導部材に沿っ
た、圧力降下を使用する。後に記載するように、ガス流
伝導部材は、比較的径の小さい比較的長い管のような部
材によって、管内の流れの断面に1または複数の制限を
加えることによって、ノズルによって、管内に導入され
る多孔性部材によって、または、並列に接続された管の
ように、そのような部材を複数個並列に接続することに
よって、構築することが可能である。
【0020】この発明の方法およびその好ましい実施
例、ならびにこの発明の装置とそのすべての好ましい実
施の形およびそれぞれの利点を、次に、添付の図面に関
連して例示により説明する。
【0021】
【詳細な説明】図2は、この発明をその最も包括的な局
面下で示した図である。ガスまたは混合ガスを含む加圧
ガスタンク1が、図1と同様にかつしたがって先行技術
と同様に、圧力調整器2に接続されている。調整器2の
下流には、質量流量コントローラMFC3がさらに設け
られている。これは、通例、制御または調整入力Sによ
って制御が可能である。
【0022】ガスの流れは真空設備4、具体的には真空
ワークピース処理反応装置へと導かれる。この反応装置
は具体的には、低圧CVD反応装置、もしくは、プラズ
マ強化CVD用反応装置、または、実際には、予め正確
に定められた流れで入り込む作業ガスおよび/または反
応ガスを利用する、いかなる真空処理反応装置であって
もよい。真空設備4は、真空ポンプ6によって排気され
る。
【0023】MFC3の出力と真空設備4の入力との間
には、ガス流伝導部材8が相互接続される。これは、図
6から図9に示すような好ましい形状で実現される。ガ
ス流伝導部材8は、流れ抵抗コンダクタンスを示し、そ
れにより、その部材8に沿ったガスの流れが圧力降下p
34をもたらすようにする。これは、後に説明する、図6
から図9に示すすべての部材にあてはまる。
【0024】図2に従って、圧力差測定装置が設けられ
る。その一方入力はガス流伝導部材8の上流端部に動作
的に接続され、その他方入力はその部材8の下流端部に
動作的に接続される。このような圧力差測定装置は、単
一の差圧力測定センサによって、または、図2に示すよ
うに、2つの圧力測定ゲージ10u および10d によっ
て実現されてもよい。ここで、ゲージ10u および10
d は双方とも機械的電気トランスデューサであって、そ
れぞれ、電気出力信号Au およびAd を生成する。
【0025】この場合、それらの電気出力は差形成ユニ
ット12に導かれ、これが、圧力降下p34の関数とし
て、かつしたがって部材8に沿った実際のガスの流れの
関数として、出力信号A12を生成する。
【0026】図3に、この発明の機能および構造を量的
な一例において図示する。図3では、図1または図2と
同じ参照番号を使用する。
【0027】図からわかるように、図1と比較して、圧
力p1 が等しく、かつ、調整器2によって等しく減圧さ
れてp2 になる場合、図3においてはMFC3にわたっ
て約0.7バールのより少ない圧力降下p23が構築され
るが、これはMFC3が適正な調整動作を維持するのに
やはり十分満足な値である。この発明によって導入され
るガス流伝導部材8の上流端部と下流端部との間に、Δ
8 に従った圧力降下p34が生成される。これは、MF
Cの出力と真空設備4における圧力p4 との間の圧力差
に実質的に等しい。この値はしかし、上流圧力センサ1
u と下流圧力センサ10d とがMFC3と反応装置4
との間の管路に沿って厳密にどこに位置付けられるかに
依存する。したがって、それらの圧力は図2および図3
において、それぞれ、p3 ′およびp4 ′と示される。
【0028】図3からはっきり分かるように、MFC3
にわたる圧力降下は、正確な調整機能に必要な最小限度
の圧力降下p23min よりも未だはるかに大きい。圧力降
下p 34は好ましくは0.05バールから1バールの間で
選択され、好ましくは0.1バール以上とされる。この
圧力降下は、上流圧力ゲージ10u によって測定され、
好ましいモードにおいては、真空設備4、すなわち真空
反応装置内の圧力を測定する圧力ゲージ10d によって
直接測定される。この測定された圧力差は、実際のガス
の流れに直接対応付けられる。したがって、この発明の
基本的な概念は、この圧力差の測定値を使用して、プラ
ント全体の動作中におけるMFC3の動作をかつしたが
ってその精度をダブルチェックすることである。
【0029】図6から図9を参照して、ガス流伝導部材
8が異なる実施の形状8aから8dで示される。
【0030】図6に従えば、ガス流伝導部材8は所与の
長さの少なくとも1本の細い管からなる。
【0031】図7に従えば、その部材は、MFC3の出
力と真空設備4への入力とを相互接続する管の流れ断面
に1または複数の制限を加えている。
【0032】図8に従えば、この発明に適用されるガス
流伝導部材は、MFC3と真空設備4とを相互接続する
管内に導入された多孔性ブロックまたは多孔性膜からな
る。
【0033】部材8のコンダクタンスは、部材8の入口
における、かつしたがってMFC3の出力に等しい、所
望の最大限のガスの流れによって生成される圧力P0
従って設計されかつ計算されねばならない。再現性、所
望のガスの流れの最小値および所望のガスの流れの最大
値を考慮し、かつ、P0 を基準として、等しいガスの流
れは等しい値のP0 をもたらし、P0 の最小値はハード
ウェアにあまり負担をかけることなく正確に測定可能で
なければならない。また、P0 の最大値はやはりMFC
3が正確に調整動作を行なえるようにp23min を保証で
きなければならず、かつしたがって、p2 −0.1バー
ルを超えてはならない。p2 とは前述のように、調整器
2によって規定されたガス管路内の圧力である。これ
は、通常約2バールである。
【0034】受動的流れ制限器であるガス流伝導部材8
はさらに、たとえばプラズマ強化型またはそうではない
反応性真空表面処理のために使用される、化学ガスに耐
性のある材料で作られなければならない。ガス流伝導部
材を実現するための異なる可能性における主要な差は、
ガス流部材内のガスの流動様式の性質に依存する。これ
は、分子状、粘性、乱流、またはそれらの組合せであり
得る。設計の例を以下に示す。
【0035】別の重要な構成要素は、圧力ゲージ10u
である。実際に、システムの精度は、この圧力ゲージに
よって規定される。たとえば図2に示すような圧力様式
において、本発明者は、最も好適な圧力ゲージが容量性
のものであることを発見した。後述のように、それが温
度制御式のものであるとすれば、そのような容量性の圧
力ゲージが最も高い再現性をもたらし、反応ガスおよび
混合ガス濃度に影響されず、かつ、正確に1ミリバール
から1バールの圧力範囲をカバーすることが可能であ
る。
【0036】もしガス流部材8が図6に従ってたとえば
長さ約50cmで内径が2mmのステンレス鋼管で実現
された場合、典型的なガス流れとしての層流が得られ
る。異なるガス流の範囲および異なる圧力値を有する別
のシステムに適合するには、しかし、異なる長さおよび
/または内径が考慮され得る。
【0037】圧力とガス流との関係を図16に示す。こ
こでは、管の下流の圧力は無視できるほど僅かである
と、すなわちプロセス真空範囲内であると仮定される。
ガスの流れは、1メートルの長さを有する管の上流の圧
力と関連づけられる。この上流の圧力は、パイプの長さ
に逆比例して変動する。測定は、室温でかつ空気中で行
なわれたものであり、他のガスについては異なるであろ
う。影を付した領域は、乱流が粘性流のモデルからずれ
を生じさせる時間を示す。典型的な低圧プロセスシステ
ムにおける動作範囲については、パイプ内のガス流は実
質的に層流であるかまたは粘性流であることが理解され
るであろう。流動様式は、3デカードを通じて粘性であ
り、流れの範囲は圧力の二乗に比例する。
【0038】所与のプロセスシステムについては、10
00の因数の力が極めて好都合である。この範囲内にお
いて、流れと圧力との間の簡単かつ信頼できるこの発明
によって利用された物理的な関係に基づいて、流れを容
易に測定することが可能である。
【0039】図17に、長さ50cmで内径が2mmの
管内の窒素の流れの関数としての二乗された圧力の例を
示す。ここでもやはり、窒素は室温で流され、かつ、使
用される圧力ゲージは標準的な容量性ゲージである。こ
の図から、流れと圧力の二乗との間に明確な関係が構築
されることがわかる。直線性からの僅かなずれが、非常
に大きな流れに関して認められるが、これは、乱流様式
の開始に関連するものである。本発明はたとえば図6ま
たは図7に示すようなガス流伝導部材を測定用ツールと
して使用する場合には、この領域に入らないように注意
が必要であり、または、少なくともそれがじょう乱のみ
である場合に乱流を考慮に入れなければならない。ここ
で強調されねばならないことは、この発明にとって再現
性が最重要事項であるということである。多くの状況を
注意深くチェックすることにより、本発明者は、図6、
図7および図9に従ったガス流伝導部材8を使用する実
施例における圧力対流れの関係は、乱流様式内でさえ
も、非常に高い再現性を有することを発見した。
【0040】もし大きなガスの流れを実現しなくてはな
らない場合には、図9に従ったガス流部材8の概念が好
ましい。これによれば、乱流を恐れることなく大きいガ
ス流を使用することが可能である。乱流の開始は、レイ
ノルズ数によって規定される。これは、流れの制約をΦ
としてパイプの直径をDとすると、 Φ/D<a となり、ここで、aは定数である。
【0041】ガスの流れをN個の等価であるガス流伝導
部材内のN個の並列かつ好ましくは等しい流量の流れへ
と分割することによって、レイノルズ数および組合せら
れたガス流伝導部材8に沿った圧力降下とは独立して動
作することが可能となる。ガス流部材8に沿った流動様
式を(単一の長いパイプにおいて)広く用いられている
粘性流から(短い毛細管の密集した配列において)広く
用いられている分子流へと変位させるのにも、同じ概念
を利用することが可能である。ただし、ガス流伝導部材
8が粒子間にガスのための径が非常に小さい流れの経路
を有する多孔性媒体8cから製造されている場合には、
この限りではない。
【0042】図7に示したものと同様の、非常に小さい
オリフィスを有するノズルに基づいたガス流伝導部材を
使用することもまた考えられる。いずれの場合にも、ガ
ス流伝導部材8の最も重要な特性はそれを通じて流れる
流れの動的な規則ではない。ガス流伝導部材8の最も重
要なパラメータは、再現性である。したがって、ガス流
伝導部材8の主要な目的は、MFCの役割である流れの
絶対値を測定することではなく、MFCが一定でありか
つ再現可能な流れを発しているかどうかをチェックする
ことである。以下に、このガス流部材8の最も重要な局
面である再現性および安定性について説明する。
【0043】その説明に入る前に、図2に従ったこの発
明の最も包括的な局面に立ち返り、さらに別の実施例を
いくつか考えてみる。
【0044】図4は、図2に従った表現に基づいている
が、この図4に従えば、たとえば差動増幅器であり得る
差形成ユニット12の出力信号A12は、圧力降下p34
実際の値に依存し、圧力降下p34自体は実際のガスの流
れFact に依存する。
【0045】この信号A12は、さらに別の差形成ユニッ
ト20の一方入力に導かれ、その第2の入力は、出力信
号A14を生成する調節可能な基準値ユニット14に接続
される。この出力信号A14はガス流部材8において予め
測定された圧力降下p34に従って予め設定される。圧力
降下p34は、正しく決定された所望のガスの流れFde s
において、校正ステップで測定されたものである。した
がって、A14は所望のガスの流れFdes における部材8
に沿った圧力降下p34を表わす。差形成ユニット20の
出力信号A20として現われる差はいずれも、所望の流れ
と実際の流れとの間のずれの程度を表わす。図4に従っ
た実施例においては、この識別信号はしきい値検出ユニ
ット22に送られる。このユニット22には、しきい値
を調節するための調節可能ユニット24の出力信号A24
が送られる。ユニット24によって、所望の流れと実際
の流れの間の未だ受入れ可能なずれのための許容帯域が
設定される。もしこのユニット24によって設定された
限界に達すると、警告灯26によって概略的に示すよう
に、表示が生成される。
【0046】これにより、MFC3のうち1つまたは複
数がいつ取り替えられおよび再校正されねばならないか
を明確に表示することができるようになる。
【0047】図5に従った実施例においては、MFC3
が自動的に再調節される。この図5に従えば、所望の流
れと実際の流れFとの間のずれΔを表わす差形成ユニッ
ト20の出力は、コントローラユニット28を介してM
FCの制御入力Sに、または、部材8の上流および/ま
たは下流の制御可能な部材の1または複数の制御入力
に、送られる。これにより、ガスの流れを調節すること
が可能となる。図5の実施例によれば、負のフィードバ
ック制御ループ内で、MFCの不正確さが、開ループ利
得に依存して自動的に補償される。部材8にわたる圧力
降下を使用して負のフィードバック制御ループにおける
実際の値が測定されて、その値がユニット14において
設定された所望の値となるように調節可能に制御され
る。
【0048】図10に、この発明の装置内に装着される
べき予め定められたガス流伝導部材8を校正するための
装置および方法が概略的に示される。実際のガスの流れ
Fを正確に表示する校正質量流量コントローラ3c の助
けによって、予め定められたガス流伝導部材8にわたる
圧力差が測定されるが、これは好ましくは、後にプラン
トでの作業において使用される校正のための圧力ゲージ
10ucおよび10lcと同じ装置で行なわれる。すべての
所望の流れFx およびそれらの流れに従った結果として
の出力信号A12x について、校正テーブルが登録され
る。この値A12 x は、図4および図5に従った実施例に
おいて基準値A14を応じて設定するのに使用される。
【0049】発生し得るさらに別の問題は、温度制御の
問題である。たとえば図6から図9に従ったすべての実
施の形態においてこの発明によって使用されるガス流伝
導部材8における流れから圧力降下への変換は、温度に
非常に影響を受けやすい。このため、再現性を高めるた
めには、動作中に測定されるのと同じ温度で図10に従
った校正を行なうか、または、校正における温度と動作
における温度との間の差を考慮にいれるかのいずれかが
重要である。図11に従えば、好ましい技術の1つは、
ガス流部材8の温度を校正中にも存在していた温度へと
適切に制御することである。図11に従えば、ガス流部
材8は校正温度θ0cに準じる所望の温度θ0 にもたらさ
れる、高い熱容量を有する材料の大きなコンパートメン
ト内に埋込まれる。
【0050】図12に従えば、ガス流伝導部材8と熱的
に密に結合された、少なくとも1つの温度センサ30が
設けられる。その出力信号A30は差形成ユニット32に
送られ、差形成ユニット32の第2の入力には、調節可
能な基準信号ユニット34から基準信号A34が送られ
る。ユニット34において、信号は部材8における所望
の温度に準じるよう調節される。したがって、差形成ユ
ニット32の出力は、所望の温度と実際の温度との間の
差Δθの関数であり、かつ、コントローラユニット36
を介して、部材8に熱的に密に結合された加熱器および
/または冷却器部材38へと、負のフィードバックがな
される。この実施例においては、ガス流部材の動作中に
存在する温度は、校正温度υocに準じる予め定められた
値で、負のフィードバック制御がなされる。言うまでも
なく、図10に従った校正については、部材8に対する
のと同じ温度制御技術を、またそれにより好ましくは、
図12に従った負のフィードバック温度制御ループを提
供し、かつ、後に動作において構築されるであろう値に
設定することが、明確に提案される。
【0051】図13に、さらに別の温度制御技術を示
す。これは、真空設備4、たとえば基板の表面処理のた
めの反応容器が、正確に温度制御される場合に概して好
ましいものである。これにより、反応装置4内のプロセ
スを制御するために既に提供されている温度制御が、同
時に、ガス流伝導部材8における温度を制御するのにも
利用できるようになる。図13に従えば、ガス流部材8
は処理反応容器の壁部40内にまたはその上に統合さ
れ、これがプロセス制御のために、それ自体、正確に温
度制御される(図示せず)。ここで、校正は、処理反応
装置および壁部40が処理中に動作するのと同じ温度で
行なわれなければならない。ここでもやはり、下流の温
度ゲージとして、反応装置内のプロセスの圧力を監視す
る圧力ゲージ10d が使用されることに着目されたい。
【0052】所与の処理動作においては、ガスの混合物
がしばしば使用される。標準的な動作において、その混
合物がほぼ同じ比率を有する複数のガスからなる場合に
は、この発明の制御は、図2、図4および図5において
示したように圧力降下p34を測定することによって達成
することが可能である。しかし、混合物の成分の各比率
を別個に正しく制御することもまた望ましい。それによ
り、たとえば、混合比もまた正しく制御可能となる。こ
れを、図14に概略的に示す。図14においては、たと
えば2要素からなる混合ガスのそれぞれの成分のための
ガスタンク1aおよびガスタンク1bからの2つのガス
供給システムについて、たとえば図2で既に使用したの
と同じ参照番号が使用されている。ガスの流れFa およ
びFb は、42において概略的に示すように組合せられ
る。これら2つの流れFa およびFb は、この発明に従
って監視されるが、ここで、両方の流れについて単一の
下流圧力ゲージ10dab が使用される。したがって、図
から明らかなように、各々の実際のガスの流れについて
それぞれ1つの表示信号A12a 、A12b が得られる。こ
れらの信号は、評価ユニット44に導かれ、そのユニッ
ト44によって、各流れは別個に所望の値へと調節さ
れ、および/または、それら2つの流れFa 、Fb の間
の所望の流量比が、自動的に調整され得る。この技術
は、ガスの成分が最終的な混合ガスに対して相対的に占
める割合にかかわらず使用することが可能である。
【0053】含有率の低いガス成分を含む混合ガスが真
空設備4へと制御可能に導入され、かつ、それぞれの実
際のガスの流れを別個に監視する必要がない場合には、
たとえば図4に示した装置で、以下の手順をたどること
が提案される。すなわち: −含有率の低いガスのための流れを開き、かつ、その所
望のガスの流れに提供されるべき1つの質量流量コント
ローラを設定する; −含有率の低いガス流れについて結果として得られる圧
力降下p23を、たとえばA12を監視することによって監
視する; −たとえばA12に従って含有率の低いそのガス流れにつ
いて観測された圧力降下p23を、校正手順中に認められ
たそれぞれの値と比較する; −観測された実際の値が図4のA14に従った予め定めら
れたずれ値から離れ過ぎていないかどうかを判定し、も
しそうであれば中止してチェックする; −もし実際の測定値が予め設定した許容範囲を超える差
を有さない場合には、含有率の低い他のガスについて繰
返す; −含有率の低いガスに関する流れの制御が正確に行なわ
れると、主要なガスの流れを開いて、その流れを質量流
量コントローラによって所望の値に設定する; −たとえば信号A12によって、結果としての圧力降下p
23を監視する; −A12に従った実際の値と校正に従った値(A14)との
間の許容可能なずれをチェックする。もし校正値と実際
の値との差が大き過ぎる場合には中止する。差が許容範
囲内であれば、処理を開始する。
【0054】図15に、並列の反応装置処理にこの発明
を組込む好ましい実施例を概略的に示す。図から、並列
の処理反応装置の各々に対する1または複数のガスの流
れを、図2、図4、図5を参照して説明したのと同様に
制御することが確かに可能であることが明らかである。
【0055】図15に従えば、たとえば41 から44
n個の反応装置を有する並列のシステムが提供され、ガ
スの流れは、n個の等しいガス流伝導部材8n 、図15
に従えば81 〜84 から製造される分流器によって、n
個の等しい支流へと分割される。
【0056】n個のMFCの組によってもたらされた流
れを通常どおりに制御する場合は、並列システムの動作
は図2、図4または図5に従った単一の反応装置システ
ムの動作と全く同一である。すべてのバルブ2n は開放
され、制御されるコンダクタンスは、n個の並列のガス
流部材8n のすべてから得られるコンダクタンスであ
る。
【0057】並列の反応プラントを操作する別の方法
は、分流器のコンダクタンスがすべて厳密に平衡に保た
れるように制御することである。この手順については、
以下のステップが提案される。すなわち: −所与の予め定められた流れに対して1つのMFCを開
く; −1つを除いてすべてのバルブ2n を閉じる; −結果としての圧力降下を圧力ゲージ10u および10
d において監視する; −対応して1つのMFCが開かれかつ予め定められた流
れの値に設定されたすべてのバルブ2n について以上を
繰返す。
【0058】動作において、かつ、圧力ゲージ10u
10d との間の圧力降下を観測することによって、すべ
てのガス流部材8n を通じるガスの流れの不均衡が、測
定された圧力降下の変動として現われる。ここでもやは
り、測定された実際の圧力降下と比較するために、正確
な校正が必要となる。
【0059】明らかにこの発明は、単一のガスまたは混
合ガスの流れを自動的に制御し、それにより、単一のお
よび並列の処理用真空設備へのそれらの流量比を付加的
に監視することについて、広範囲の可能性を提供するも
のである。この発明は、複雑な混合ガスを使用する場合
に、また、混合ガスの組成に非常に影響されるプロセス
のために、特に有利である。典型的な例として、半導体
ドーピングプロセスのための低圧CVD、シリコン窒化
物層を生成するためのPECVD、反応性エッチング、
および反応性スパッタリングが挙げられる。したがっ
て、この発明は、ガスの流れおよび/または混合ガスの
組成を正確に制御する必要のあるすべての真空処理に非
常に好適であり、特に、通例のMFCにすばやく打撃を
与える非常に反応性の高いガス、または、ダストを生成
するガスを使用する場合に、非常に好適である。
【図面の簡単な説明】
【図1】真空設備としての真空処理反応装置への先行技
術によるガス供給装置、および、一例としてガス供給管
路に沿った結果としての圧力の変動を示す図である。
【図2】この発明の方法に従って基本的な実施の形で動
作する、この発明の装置を概略的に示す図である。
【図3】図1に従った表現で、一方でこの発明の方法に
従って動作するこの発明の装置を示し、かつ、他方でガ
ス供給管路に沿った結果としての圧力の変化を示す図で
ある。
【図4】図2の表現から離れて、この発明の装置および
方法のさらに別の実施例であって、限界値に達する様子
が監視され、かつ、明らかに質量流量コントローラを置
換せねばならない必要性を示す実施例を、概略的に示す
図である。
【図5】図4に従った表現で、この発明の装置のさらに
別の好ましい実施の形状を示す図であって、実際のガス
の流れを所望の値に自動的に制御するためのこの発明の
方法に従って動作する装置を示す図である。
【図6】図2、図4および図5に従ったガス流伝導部材
の、第1の実施の形状を示す図である。
【図7】ガス流伝導部材の第2の実施の形状を示す図で
ある。
【図8】ガス流伝導部材のさらに別の実施の形状を示す
図である。
【図9】比較的大きなガスの流れのために特に使用され
る、また別のガス流伝導部材を示す図である。
【図10】所望のガスの流れにおける、ガス流伝導部材
に沿った圧力降下を予め定めるための校正装置を示す図
である。
【図11】ガス流伝導部材の温度を制御する1つの可能
性を概略的に示す図である。
【図12】温度の制御を実現するための第2のかつ好ま
しい形状を示す図である。
【図13】温度が制御される真空反応装置におけるガス
流伝導部材の温度制御の好ましい形状を示す図である。
【図14】真空設備に混合ガスを制御された態様で供給
するための、この発明の方法に従って動作する、この発
明の装置を概略的に示す図である。
【図15】2つ以上の並列に動作する真空設備、特に真
空処理反応装置を動作させるための、この発明の方法に
従って動作する、この発明の装置を概略的に示す図であ
る。
【図16】ガス流伝導部材の例としての、異なる管に沿
った圧力降下の特徴を示す図である。
【図17】そのような管に沿い、かつ流れの速度の関数
としての圧力降下を示す図である。
【符号の説明】
1 加圧ガスタンク 2 圧力調整器 3 質量流量コントローラ 4 真空設備 6 真空ポンプ 8 ガス流伝導部材 10 圧力ゲージ 12 差形成ユニット p34 圧力降下

Claims (43)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 真空設備への実際のガスの流れを監視す
    るための方法であって、前記ガスの流れは、前記設備と
    前記ガスのための加圧リザーバ装置との間に相互接続さ
    れた少なくとも1つの調節可能な質量流量コントローラ
    によって所望のガスの流れを設定することによって得ら
    れ、前記方法は、 前記設備と前記質量流量コントローラとの間にガス流伝
    導部材を相互接続するステップと、 前記質量流量コントローラによって設定されるべき前記
    所望のガスの流れにおける前記ガス流伝導部材に沿った
    圧力降下を予め定めるステップと、 前記ガス流伝導部材に沿った圧力降下を測定することに
    よって前記実際のガスの流れを監視するステップと、 前記測定された圧力降下を前記予め定められた圧力降下
    と比較するステップとを含む、方法。
  2. 【請求項2】 前記所望のガスの流れにおいて前記予め
    定められた圧力降下が0.1バール以上になるように前
    記ガス流伝導部材を選択するステップをさらに含む、請
    求項1に記載の方法。
  3. 【請求項3】 前記予め定められた圧力降下は前記所望
    のガスの流れにおいて1バール以下である、請求項2に
    記載の方法。
  4. 【請求項4】 前記比較するステップから識別信号を生
    成し、前記識別信号を予め定められたしきい値信号とさ
    らに比較し、かつ、前記識別信号が前記しきい値信号に
    達するや否やそれを指示する信号を生成するステップを
    含む、請求項1に記載の方法。
  5. 【請求項5】 前記比較するステップから識別信号を生
    成し、かつ、前記ガスの流れを前記所望のガスの流れへ
    と負のフィードバック制御を行なうよう、前記リザーバ
    と前記設備との間の質量流量制御部材を前記識別信号の
    関数として調節するステップをさらに含む、請求項1に
    記載の方法。
  6. 【請求項6】 前記ガス流伝導部材として、管、ガス流
    管路の流れの断面におけるくびれ、ガス流管路内の多孔
    性部材のうち少なくとも1つを提供するステップをさら
    に含む、請求項1に記載の方法。
  7. 【請求項7】 前記方法により、前記ガス流伝導部材に
    沿って予め定められた校正質量流量の前記ガスを流すこ
    とによって前記伝導部材における前記圧力降下を予め定
    め、前記ガス流伝導部材の一方端における圧力と前記部
    材の他方端における圧力との間の結果としての圧力差を
    測定する、請求項1に記載の方法。
  8. 【請求項8】 前記ガス流伝導部材の上流の第1の圧力
    および前記伝導部材の下流の第2の圧力を測定すること
    によって前記圧力降下を測定し、かつ、前記第1および
    第2の測定された圧力から識別信号を形成するステップ
    をさらに含む、請求項1に記載の方法。
  9. 【請求項9】 第1の温度における前記圧力降下を予め
    定め、第2の温度における前記圧力降下を測定し、それ
    により、前記第1および第2の温度を少なくとも実質的
    に等しくなるように選択するか、または、前記第1およ
    び第2の温度の間に存在する差に従って前記2つの圧力
    降下のうち少なくとも一方を調節するステップをさらに
    含む、請求項1に記載の方法。
  10. 【請求項10】 前記ガス流伝導部材の温度を制御する
    ステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
  11. 【請求項11】 前記ガス流伝導部材の温度を負のフィ
    ードバック制御するステップをさらに含む、請求項1に
    記載の方法。
  12. 【請求項12】 前記ガス流伝導部材を前記設備の温度
    が制御される領域に熱的に密に結合するステップをさら
    に含む、請求項1に記載の方法。
  13. 【請求項13】 前記ガス流伝導部材を温度が制御され
    る真空受容体の壁部にまたはその中に統合するステップ
    をさらに含む、請求項12に記載の方法。
  14. 【請求項14】 前記それぞれの圧力降下を少なくとも
    1つの容量性圧力ゲージによって予め定めおよび/また
    は監視するステップをさらに含む、請求項1に記載の方
    法。
  15. 【請求項15】 少なくとも2つの並列のガス流伝導部
    材を提供するステップをさらに含み、前記少なくとも2
    つの並列のガス流伝導部材は前記1つのガス流伝導部材
    を形成する、請求項1に記載の方法。
  16. 【請求項16】 前記設備は少なくとも2つの並列に動
    作する下位設備によって形成され、前記並列に動作する
    設備の各々はそれへのガスの流れに対して別個に監視さ
    れるかまたは前記下位設備の少なくとも1グループがそ
    れへのガスの流れに対して共通に監視される、請求項1
    に記載の方法。
  17. 【請求項17】 所望のガスの流れの範囲に対して前記
    ガス流伝導部材を選択し、それにより、前記部材に沿っ
    て乱流でない流れが得られるようにするステップをさら
    に含む、請求項1に記載の方法。
  18. 【請求項18】 前記ガス流伝導部材を多数の並列のガ
    ス流伝導部材として選択することにより乱れが生じるの
    を防ぐステップをさらに含む、請求項17に記載の方
    法。
  19. 【請求項19】 前記並列のガス流伝導部材を名目上等
    しいガス流伝導部材となるよう選択するステップをさら
    に含む、請求項18に記載の方法。
  20. 【請求項20】 前記設備は、少なくとも1つのワーク
    ピースのための少なくとも1つの真空処理反応装置であ
    る、請求項1に記載の方法。
  21. 【請求項21】 前記設備は、プラズマ強化型化学蒸着
    反応装置および低圧化学蒸着反応装置のうち少なくとも
    1つである、請求項1に記載の方法。
  22. 【請求項22】 前記ガス流伝導部材の流れの断面とし
    て、ダストの堆積によって著しく断面積が減少すること
    を防ぐのに十分な大きさの最小限の流れの断面を選択
    し、それにより、前記十分に大きい流れの断面をそれに
    応じて前記ガス流伝導部材の長さを増すことによって補
    償するステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
  23. 【請求項23】 前記ガスは混合ガスであって、前記方
    法は、混合ガスの成分の少なくとも一部分に対して前記
    方法を独立して実行し、かつ、前記設備の上流でおよび
    前記ガス流伝導部材の下流で前記ガスを混合するステッ
    プをさらに含む、請求項1に記載の方法。
  24. 【請求項24】 前記ガスは混合ガスであって、前記方
    法はさらに、前記混合ガスを形成する成分のうち少なく
    とも一部分に対して前記ガス流伝導部材に沿った前記圧
    力降下を予め定め、かつ、前記混合ガスに対して前記ガ
    ス流伝導部材に沿った前記圧力降下を予め定め、また、
    前記設備を動作する前に前記成分のうち前記少なくとも
    一部分によって引起こされる前記圧力降下を監視し、か
    つ、前記設備の動作中に前記混合ガスによって引起こさ
    れる前記圧力降下を監視するステップをさらに含む、請
    求項1に記載の方法。
  25. 【請求項25】 前記所望の質量流量のガスにおいて、
    前記加圧リザーバの下流の圧力調整器と前記設備との間
    に、全体の圧力降下に対して大きな部分を占める圧力降
    下を引起こすように、前記少なくとも1つのガス流伝導
    部材を選択するステップをさらに含む、請求項1に記載
    の方法。
  26. 【請求項26】 少なくとも1つのワークピースのため
    の真空処理装置であって、 真空設備と、 加圧ガスリザーバ装置から少なくとも1つの調節可能な
    ガス質量流量コントローラを介して前記設備へと続く少
    なくとも1つのガス供給管と、 前記設備と前記ガス質量流量コントローラとの間に相互
    接続された少なくとも1つのガス流伝導部材と、 一方入力が前記ガス流伝導部材の上流部分に動作的に接
    続されかつ第2の入力が前記ガス流伝導部材の下流部分
    に動作的に接続された圧力差測定装置とを含み、 前記圧力差測定装置の出力は前記設備に向かう前記ガス
    の実際の質量流量を示す信号を生成する、真空処理装
    置。
  27. 【請求項27】 前記圧力差測定装置の出力はしきい値
    ユニットに動作的に接続される、請求項26に記載の真
    空処理装置。
  28. 【請求項28】 前記圧力差測定装置の前記出力は差形
    成ユニットの一方入力に動作的に接続され、前記差形成
    ユニットの第2の入力は調節可能な基準信号ユニットに
    動作的に接続される、請求項26に記載の真空処理装
    置。
  29. 【請求項29】 前記差形成ユニットの出力は、制御可
    能な質量流量制御部材の制御入力に動作的に接続され
    て、前記実際の質量流量を負のフィードバックループ内
    で前記差形成ユニットの出力信号の関数として調整す
    る、請求項28に記載の装置。
  30. 【請求項30】 前記ガス流伝導部材は、管、少なくと
    も1つの凹みを有するガス流管路、ノズル、ガス流管路
    内の多孔性部材、のうち少なくとも1つからなる、請求
    項26に記載の装置。
  31. 【請求項31】 前記圧力差測定装置は、前記ガス流伝
    導部材の上流端における圧力測定用ゲージと前記ガス流
    伝導部材の下流端における圧力測定用ゲージとを含み、
    前記圧力差測定装置の出力信号は、前記ゲージの少なく
    とも2つの電気出力信号の差を形成することによって形
    成される、請求項26に記載の装置。
  32. 【請求項32】 前記下流の圧力ゲージは前記設備に設
    けられる、請求項31に記載の装置。
  33. 【請求項33】 前記ガス流伝導部材のための温度制御
    装置をさらに含む、請求項26に記載の装置。
  34. 【請求項34】 前記温度制御装置は負のフィードバッ
    ク温度制御ループを含む、請求項33に記載の装置。
  35. 【請求項35】 前記少なくとも1つのガス流伝導部材
    は前記設備の温度が制御される領域に熱的に密に結合さ
    れる、請求項26に記載の装置。
  36. 【請求項36】 前記ガス流伝導部材は反応装置の受容
    体の壁部内に統合されるかまたはその壁部に装着され
    る、請求項35に記載の装置。
  37. 【請求項37】 前記ガス流伝導部材は、管、少なくと
    も1つの凹みを有する管、ノズル、および多孔性部材の
    グループから選択された、少なくとも2つの並列のガス
    流伝導部材を含む、請求項26に記載の装置。
  38. 【請求項38】 前記並列のガス流伝導部材は1つの調
    節可能な質量流量コントローラと前記設備との間に相互
    接続される、請求項37に記載の装置。
  39. 【請求項39】 前記ガス流伝導部材は、前記設備の動
    作中に乱流でない流れを生成するよう選択される、請求
    項26に記載の装置。
  40. 【請求項40】 前記設備は真空処理反応装置である、
    請求項26に記載の装置。
  41. 【請求項41】 前記設備はPECVDまたはLPCV
    D反応装置である、請求項26に記載の装置。
  42. 【請求項42】 前記加圧ガスリザーバ装置は混合ガス
    を含み、前記混合ガスの成分のうち少なくとも一部分は
    調節可能な質量流量コントローラおよび前記ガス流伝導
    部材のうち1つを介して前記設備へと導かれる、請求項
    26に記載の装置。
  43. 【請求項43】 2つ以上の設備を含み、各設備はそれ
    ぞれの調節可能な質量流量コントローラおよびガス流伝
    導部材を介して1つの共通の加圧ガスリザーバからガス
    を供給される、請求項26に記載の装置。
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