JPWO2008072614A1 - 流量比率制御装置 - Google Patents

Abstract

メイン流路（ＲＭ）と、メイン流路（ＲＭ）の終端から分岐する複数の分岐流路（Ｒ１、Ｒ２）と、各分岐流路（Ｒ１、Ｒ２）上にそれぞれ設けられた制御バルブ（３１、３２）と、メイン流路（ＲＭ）の流量及び各分岐流路（Ｒ１、Ｒ２）の流量を測定する流量測定手段と、一の分岐流路（Ｒ２）に設けた制御バルブ（３１）を制御して、その制御バルブ（３１）よりも上流側圧力が与えられた目標圧力となるように制御するとともに、その圧力が目標圧力近傍又はそれ以上である場合に初めて、各分岐流路（Ｒ１、Ｒ２）の流量比率が予め定めた設定比率となるように、その他の制御バルブ（３２）の制御を開始するバルブ制御部（５）と、メイン流路（ＲＭ）の流量が小さいほど前記目標圧力を低く設定する目標圧力設定部（６）と、を設けた。

Description

本発明は、半導体製造プロセスに用いられる原料ガス等を、所望の比率で分流する流量比率制御装置等に関するものである。

昨今、半導体製造プロセス分野ではウェーハの大型化に伴い、そのウェーハを収容するプロセスチャンバも大型化されている。ところで、半導体ウェーハに成膜する場合、その成膜のための原料ガスは、濃度が均一であることが望ましいが、このように大型化されたプロセスチャンバに、１箇所からだけ原料ガスを導入すると、濃度分布に偏りが生じることがある。

そこで、近時では、プロセスチャンバに複数のガス導入口を設け、各導入口から、チャンバ内でのガス濃度が均一になるように質量流量比を制御された原料ガスを送り込むようにしている。このときに原料ガスを所望の比率に分流する装置として、流量比率制御装置が用いられる。

図５は、２分流タイプの従来の流量比率制御装置１００Ｘの一例を示している。この図５において、符号ＲＸＭは、ガスが流れ込むメイン流路である。このメイン流路ＲＸＭには圧力センサ４Ｘが設けられており、その終端は２つに分岐している。分岐した各分岐流路ＲＸ１、ＲＸ２上には、流量計２１Ｘ、２２Ｘと制御バルブ３１Ｘ、３２Ｘとがそれぞれ直列に設けられている。そして、バルブ制御部５Ｘが、各流量計２１Ｘ、２２Ｘから出力される流量データ及び圧力センサから出力される圧力データをモニタするとともに、それら各データの値に基づいて、制御バルブ３１Ｘ、３２Ｘをコントロールし、各分岐流路ＲＸ１、ＲＸ２を流れるガスの質量流量の総流量に対する比率（流量比率と言う）が、与えられた設定比率となるように制御する。

具体的にこのバルブ制御部５Ｘは、まず、前記圧力データの値（実測圧力とも言う）が予め定められた一定の目標圧力となるように、一方の分岐流路ＲＸ２の制御バルブ３１Ｘをフィードバック制御する。そして、実測圧力が目標圧力の近傍あるいはそれ以上に制御されている条件下において、流量データの値（実測流量とも言う）の総流量に対する比率が、前記設定比率となるように、他方の制御バルブ３２Ｘをフィードバック制御する。
特開２００５−３８２３９号公報

しかしながら、このような装置では、メイン流路ＲＸＭの流量が少ない状態において応答性が悪くなり過渡的な分流制御性能が不安定になるという問題がある。

その理由を、一例を挙げて具体的に説明する。例えばメイン流路ＲＸＭの根元を他の流路にも接続するなどといった流路切替が行われ、メイン流路ＲＸＭの流量が少なくなるとともに圧力低下が生じると、その圧力を上昇させるべく、まずは一方の分岐流路ＲＸ１の制御バルブ３１Ｘが閉じる。しかし、流量が少ないため、圧力はゆっくりとしか上昇せず、目標圧力に到達するまで時間がかかる。そしてその間は他方の制御バルブ３２Ｘも制御されない閉止状態となる。このように一旦、圧力が低下すると、ある程度の長い時間、各バルブの動作が停止し、その間の分流制御が行われなくなる。図６にその実験結果を示す。流量が少ない状態において、圧力が落ち込む（タイミングＴＳ）と、その圧力が復帰するまでにかなりの時間（ｔ１）がかかり、その間、制御が不安定になっていることがわかる。

つまり、上述したように、メイン流路の流量が減少すると装置の応答性が悪くなり、過渡的な状況における分流制御性能が劣化する。

本発明はかかる不具合に鑑みて行われたものであって、この種の流量比率制御装置において、物理的構成をなんら変えることなく、メイン流路の流量が少ない状態においても、応答性を維持し過渡的な分流制御性能を担保することをその主たる所期課題としたものである。

かかる課題を解決するために本発明は次のような手段を講じたものである。

すなわち、本発明は、流体が流れ込むメイン流路と、そのメイン流路の終端から分岐する複数の分岐流路と、各分岐流路上にそれぞれ設けられ当該分岐流路を流れる流量を調節する制御バルブと、メイン流路の流量及び各分岐流路の流量を直接的又は間接的に測定する流量測定手段と、一の分岐流路に設けた制御バルブを制御して、その制御バルブよりも上流側圧力が与えられた目標圧力となるように制御するとともに、その圧力が目標圧力近傍を超えた場合に、各分岐流路の流量比率が予め定めた設定比率となるように、その他の制御バルブの制御を開始するバルブ制御部と、メイン流路の流量が小さいほど前記目標圧力を低く設定し、その目標圧力を前記バルブ制御部に対して出力する目標圧力設定部と、を備えている流量比率制御装置に係るものである。

比率制御を行ううえで好ましい分岐流路の本数は２本である。

また、本発明は、流体が流れ込むメイン流路と、そのメイン流路の終端から分岐する複数の分岐流路と、各分岐流路上にそれぞれ設けられ当該分岐流路を流れる流量を調節する制御バルブと、メイン流路の流量及び各分岐流路の流量を直接的又は間接的に測定する流量測定手段と、一の分岐流路における制御バルブよりも上流に設けた圧力センサと、を備えた流体回路機構に適用されるものであって、

一の分岐流路に設けた制御バルブを制御して、その制御バルブよりも上流側圧力が与えられた目標圧力となるように制御するとともに、その圧力が目標圧力近傍を超えた場合に、各分岐流路の流量比率が予め定めた設定比率となるように、その他の制御バルブの制御を開始するバルブ制御部と、メイン流路の流量が小さいほど前記目標圧力を低く設定し、その目標圧力を前記バルブ制御部に対して出力する目標圧力設定部と、を備えている制御機構に係るものである。

このように構成した本発明によれば、導入された流体の総流量が少なくても、それに応じて目標圧力が低く設定変更されるので、実測圧力が目標圧力近傍又はそれ以上に直ぐに到達する。その結果、制御バルブに対する制御停止期間を短縮でき、低流量時においても、従来に比べて制御応答性が良くなり、過渡的な分流制御性能の向上を図ることができるようになる。

本発明の一実施形態における流量比率制御装置を示す模式的全体図。 同実施形態における実測流量とそれに対する目標圧力との関係を示すグラフ。 同実施形態の変形例であり、実測流量とそれに対する目標圧力との関係を示すグラフ。 同実施形態での応答特性を示す実験結果。 従来の流量比率制御装置を示す模式的全体図。 従来の応答特性を示す実験結果。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る流量比率制御装置１００を示す模式的概略図である。この流量比率制御装置１００は、例えば、半導体製造用の原料ガスを所定比率に分流して、半導体プロセスチャンバに供給するものであり、図示しない半導体製造システムの一部を構成する。しかしてこのものは、大きくは、流体回路機構２００と、その流体回路機構２００を制御するための制御機構３００とからなる。

流体回路機構２００は、前述した従来のものと同様の構成のものであり、分流すべき流体が流れ込んでくるメイン流路ＲＭと、このメイン流路ＲＭの終端部から分岐する２本の分岐流路Ｒ１、Ｒ２とからなる。メイン流路ＲＭに導入される流体は、前述したように例えば半導体製造用の混合原料ガスであるが、この実施形態では、このメイン流路ＲＭの上流に図示しない流量制御装置が設けてあり、この流量制御装置により、導入される流体の質量流量が制御されている。なおメイン流路や分岐流路は、流路を区別するために便宜上つけた名称であり、物理的形状や性状を示すものではない。すなわち、分岐流路に分岐する流体の全てが流れている流路部分がメイン流路であり、例えば太い管が一本あり、その側壁から細い管が分岐している場合、メイン流路は分岐部分までであり、そこから下流の細い管及び太い管がそれぞれ分岐流路ということとなる。

各分岐流路Ｒ１、Ｒ２上には、流量測定手段である流量計２１、２２と、制御バルブ３１、３２とがそれぞれ直列に設けられている。

流量計２１（２２）は、ここを通過する流体の質量流量を直接的に測定するものであり、詳細は図示しないが、熱式のもの、差圧式のものなど、種々のタイプのものを用いて構わない。また、本実施形態では、メイン流路ＲＭの流量を、各分岐流路Ｒ１、Ｒ２を流れる実測流量を足し合わせることにより間接的に求めているが、例えば、メイン流路の流量と一方の分岐流路を直接測定し、他方の分岐流路の流量は、その差分から間接的に求めるなどしてもよい。間接的に求める場合には、その演算を行うための制御機構３００（後述する）が流量測定手段の機能の一部を担うことになる。

制御バルブ３１（３２）は、受信したバルブ制御信号（後述する）の値に応じて流路径を拡縮する遠隔操作が可能なピエゾバルブや電磁バルブ、サーマルバルブ、バタフライバルブなどである。同図では、流量計２１、２２の下流に制御バルブ３１、３２が設けられているが、流量計の種類によっては、制御バルブ３１、３２の下流に流量計２１、２２を設けてもよい。符合４は、メイン流路ＲＭの圧力を測定し、その値を示す圧力測定信号を出力する圧力センサ４である。本実施形態では、この圧力センサ４を、メイン流路ＲＭの終端の分岐点に配置してあるが、ここに圧損なく連通している部位、例えば分岐流路Ｒ１、Ｒ２における流量計２１、２２よりも上流や、メイン流路ＲＭの中間部位に設けるなどしてもよいし、その配置場所は、例えば圧損があっても、要はメイン流路の圧力が測定できる部位であればよい。

制御機構３００は、アナログ回路あるいはＣＰＵなどを用いたデジタル回路あるいはそれらを混在させた電気回路であり、その電気回路の動作によって、バルブ制御部５、目標圧力設定部６等としての機能を発揮する。

各部を説明すると、バルブ制御部５は、各制御バルブ３１、３２に前記バルブ制御信号を出力し、バルブ開度を制御するもので、第１制御部５１と第２制御部５２とからなる。

第１制御部５１は、一方の分岐流路Ｒ１に設けた制御バルブ３１に対する制御を行うもので、圧力センサ４から出力される圧力測定データの値（以下、実測圧力とも言う）が、別途与えられた目標圧力となるように、その偏差からフィードバック演算してバルブ制御信号の値を算出し、そのバルブ制御信号を出力する。

ところで、目標圧力が低く、それに伴って実測圧力も低い場合には、低圧の影響でそもそもバルブ３１が動作しにくいうえ、バルブ制御信号の値が小さいと、バルブ３１の不感帯の影響で動作が不安定になるおそれがある。そこで、この実施形態では、目標圧力が低くても安定した早い制御ができ、当該圧力の安定制御後、引き続き行われる流量制御が早く開始されるように、目標圧力が低いほど、フィードバックゲインの値を大きくする制御を採用している。より具体的には、フィードバックゲインの値を以下の式（１）で決定している。
ｆ（ｓ）＝（１００＋Ｋ_１）／（Ｋ_１＋ｓ）・・・（式１）
ここで、ｆ（ｓ）はフィードバックゲイン、ｓは目標圧力、Ｋ_１は、適宜設定される調整係数である。なお、ｆ（ｓ）の演算適用箇所であるが、ここでは、目標圧力と実測圧力との偏差にＰＩＤ演算を施して算出された値に、ｆ（ｓ）を掛けてバルブ制御値を算出するようにしている。その他、制御系によっては、前記偏差にｆ（ｓ）を掛けてバルブ制御値を算出するようにしてもよいし、偏差にｆ（ｓ）を掛けて算出された値にＰＩＤ演算を施してバルブ制御値を算出するようにしても構わない。

第２制御部５２は、他方の分岐流路Ｒ２に設けた制御バルブ３２に対する制御を行うもので、当該分岐流路Ｒ２の実測流量の流量比率が、外部のコンピュータ等から送信されてくる設定比率データの値（以下、設定比率とも言う）となるように、フィードバック演算して、バルブ制御信号の値を算出し、そのバルブ制御信号を出力する。ただし、前記実測圧力が目標圧力近傍を超えていない場合、すなわち目標圧力から所定値分だけ低い圧力を超えていない場合は、バルブクローズ信号、すなわち、バルブを全閉する信号を出力し、フィードバック演算された値は使用しない。なお、流量比率とは、全体の流量、つまりメイン流路ＲＭを流れる流量に対する個々の分岐流路Ｒ１、Ｒ２を流れる流量の比率である。

ところで、以上に述べたバルブ制御部５の機能は、原理的な大枠を述べたものであって、機能的に同一であっても、実際には物理構成の相違やそれに基づく演算過程の違いなどが若干生じる場合がある。

例えば、この実施形態では、第２制御部５２が、目標流量算出部５２２とローカル制御部５２１とから構成されており、そのローカル制御部５２１が、他方の分岐流路Ｒ２に設けたマスフローコントローラＭＦＣの構成要素となっている。マスフローコントローラＭＦＣは、前述した制御バルブ３２、流量計２２、ローカル制御部５２１を備えており、外部から与えられた目標流量となるように、前記ローカル制御部５２１が、流量計２２によって測定された実測流量と目標流量との偏差に基づいてバルブ制御信号の値を算出し、制御バルブ３２を制御するようにしてある。

このような構成下においてどのような演算がなされるかを説明すると、まず、マスフローコントローラＭＦＣと物理的には別に設けられた前記目標流量算出部５２２によって、他方の分岐流路Ｒ２における流量比率が前記設定比率となる目標流量が算出され、その目標流量がマスフローコントローラＭＦＣに出力される。なお、ここでの設定比率は、マスフローコントローラＭＦＣに流す流量の全質量流量に対する割合である。そしてマスフローコントローラＭＦＣが、実測流量と目標流量との偏差からバルブ制御信号の値を算出して制御バルブ３２を制御する。

なお、目標流量算出部５２２による目標流量の算出は、例えば以下のようにして行われる。

まず、各流量計２１、２２からの実測流量Ｑｍｆｍ、Ｑｍｆｃを足し合わせて、メイン流路ＲＭに流れる流体の全質量流量Ｑを求める（式２参照）。
Ｑ＝Ｑｍｆｍ＋Ｑｍｆｃ・・・（式２）

次に、設定比率ＲＡＴＩＯ＿ＳＥＴから、目標流量Ｑｍｆｃ＿ＳＥＴを以下の（式３）により算出する。
Ｑｍｆｃ＿ＳＥＴ
＝Ｑ×ＲＡＴＩＯ＿ＳＥＴ
＝Ｑｍｆｍ×ＲＡＴＩＯ＿ＳＥＴ／（１−ＲＡＴＩＯ＿ＳＥＴ）・・・（式３）

一方、前記目標圧力設定部６は、メイン流路ＲＭの実測流量が少ないほど、前記目標圧力を低く設定し、その目標圧力を前記バルブ制御部５に対して出力するものである。実測流量とそれに対する目標圧力との関係は、例えば図２に示すように、実測流量の変化に対して必ず目標圧力が変化するように構成してもよいし、図３に示すように、実測流量の変化に対して、段階的に目標圧力が変化するように構成してもよい。なお、実測流量が０のときの目標圧力は０ではなく、オフセットさせてわずかに正の値となるように設定している。これは、バルブには、不感帯やヒステリシスがあり、その影響によって初動が遅れることを防止するためである。なお、この実施形態では、前記オフセット圧を、流量比率装置１００の最低動作流量を流すために最低限必要な圧力と同じかそれ以上に設定している。しかして、流量比率装置１００の最低動作流量は、マスフローコントローラＭＦＣの最低流量制御値と、流量比率装置１００の最低流量比率制御値とから定まる。例えば、マスフローコントローラＭＦＣの最低流量制御値が２％、流量比率装置１００の最低流量比率制御値が１０％であれば、マスフローコントローラＭＦＣのフルスケール流量の２０％（２％×１００／１０）が、流量比率装置１００の最低動作流量となる。

具体的な実験結果を図４に示す。図６に示された従来の結果と比較すれば、目標圧力が低く設定され、応答性が大幅に改善していることがわかる。

したがって、本実施形態によれば、導入された流体の総流量が少なくても、それに応じて目標圧力が低く設定変更されるので、”実測圧力が目標圧力近傍又はそれ以上”という、制御バルブ３１、３２に対する制御条件が短い時間で満たされ、各制御バルブ３１、３２への制御が行われないデッドタイムを短縮できる。その結果、低流量時において、従来に比べて制御応答性が良くなり、過渡的な分流制御性能の向上を図ることができるようになる。

また、既存のものから、単にソフトウェア的な構成を変えれば実現できるので、大幅なコストアップや設備投資などを必要としない。

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、分岐流路は３本以上設けても良い。ただし、そのうちの１本のみを、圧力をパラメータにして制御バルブの開度を制御する圧力制御ラインとし、他の分岐流路を、所望の分流比率となるように流量を制御する流量制御ラインにしておくことが、制御上望ましい。

また、前記実施形態では、測定した実測流量をリアルタイムで用いて目標圧力を定めていたが、これに限られず、制御安定等の目的から時間遅れを設けたり、あるいは何らかの条件が揃った時点での実測流量によって目標圧力を定めるなどしてもよい。

さらに、前記制御機構は、物理的に独立している必要はなく、その機能を、例えば他の半導体製造に係る制御装置や情報処理装置等に付帯させて構わない。具体的には、例えば他の目的で使用されているコンピュータに、この制御機構を実現するためのソフトウェアを搭載してもよい。

また、本発明は、半導体製造プロセスのみならず、その他のガスに適用可能であるし、気体の他、液体にも適用して前記実施形態同様の作用効果を奏し得るものである。

その他、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で、種々変形が可能である。

Claims (3)

1. 流体が流れ込むメイン流路と、
   そのメイン流路の終端部から分岐する複数の分岐流路と、
   各分岐流路上にそれぞれ設けられた制御バルブと、
   メイン流路の流量及び各分岐流路の流量を直接的又は間接的に測定する流量測定手段と、
   一の分岐流路に設けた制御バルブを制御して、その制御バルブよりも上流側圧力が与えられた目標圧力となるように制御するとともに、その圧力が目標圧力近傍を超えた場合に、各分岐流路の流量比率が予め定めた設定比率となるように、その他の制御バルブの制御を開始するバルブ制御部と、
   メイン流路の流量が少ないほど前記目標圧力を低く設定し、その目標圧力を前記バルブ制御部に対して出力する目標圧力設定部と、を備えている流量比率制御装置。
2. 前記分岐流路が２本である請求項１記載の流量比率制御装置。
3. 流体が流れ込むメイン流路と、そのメイン流路の終端部から分岐する複数の分岐流路と、各分岐流路上にそれぞれ設けられた制御バルブと、メイン流路の流量及び各分岐流路の流量を直接的又は間接的に測定する流量測定手段と、一の分岐流路における制御バルブよりも上流に設けた圧力センサと、を備えた流体回路機構に適用されるものであって、
   一の分岐流路に設けた制御バルブを制御して、その制御バルブよりも上流側圧力が与えられた目標圧力となるように制御するとともに、その圧力が目標圧力近傍を超えた場合に、各分岐流路の流量比率が予め定めた設定比率となるように、その他の制御バルブの制御を開始するバルブ制御部と、
   メイン流路の流量が少ないほど前記目標圧力を低く設定し、その目標圧力を前記バルブ制御部に対して出力する目標圧力設定部と、を備えている制御機構。

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