KR101014697B1 - 유량비 가변형 유체 공급 장치 - Google Patents

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가부시키가이샤 후지킨
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Abstract

반도체 제조 장치용 챔버로의 유량비 가변형 가스 분류 공급 장치를 대폭적으로 소형화 및 저비용화함과 아울러, 유량비의 조정을 간단하고 또한 고정밀도로 할 수 있도록 한다. 유량 제어 장치(6)로부터 공급된 유량(Q)의 가스를 제 1 분류관로(1) 및 제 2 분류관로(2)에 소정 유량(Q1, Q2)으로 분류시켜 양 분류관로(1, 2)로부터 유량(Q)의 가스를 챔버(7) 내에 공급하도록 한 유량비 가변형 유체 공급 장치에 있어서, 상기 제 1 분류관로(1)에 개구 면적(S1)의 제 1 오리피스(3)를 끼워 설치하고, 또한 상기 제 2 분류관로(2)를 복수의 분기관로(2a~2n)를 병렬 형상으로 직접 연결한 관로로 하여 상기 각 분기관로(2a~2n)에 각각 개구 면적(S2a~S2n)의 오리피스(4a~4n)를 끼워 설치함과 아울러 상기 분기관로의 전부 또는 일부에 개폐 밸브(Vb~Vn)를 끼워 설치하며, 상기 개폐 밸브(Vb~Vn)의 개방 또는 폐쇄에 의해 제 2 분류관로(2)의 유통 가능한 오리피스의 합계 개구 면적(S2o)을 조정함으로써 상기 제 1 분류관로(1)의 제 1 오리피스(3)와 상기 제 2 분류관로(2)의 유통 가능한 오리피스의 합계 개구 면적(S2o)의 비와 동등한 유량비(Q1/Q2)로 각 분류관로(1, 2)에 유량(Q)의 가스류를 분류시킨다.
유량비 가변형 유체 공급 장치

Description

유량비 가변형 유체 공급 장치{VARIABLE FLOW RATE RATIO TYPE FLUID SUPPLY DEVICE}
본 발명은 반도체 제조 장치 등에 사용되는 것이고, 유량 제어 장치로부터 공급되는 설정 유량의 가스를 원하는 유량비로 챔버에 분류 공급하는 유량비 가변형 유체 공급 장치에 관한 것이다.
최근, 반도체 제조에 이용하는 실리콘 웨이퍼는 대경화되는 경향에 있고, 그 때문에 반도체 제조 장치에 있어서도 챔버로의 처리용 가스의 공급을 복수 공급 라인을 이용하여 행함과 아울러, 각 공급 라인간의 가스 유량비를 비교적 세밀하게 제어하는 것이 요구되고 있다.
도 7은 종전의 반도체 제조 장치에 있어서의 복수 공급 라인을 이용한 챔버로의 가스 공급 시스템의 일례를 나타내는 것이고, 각 가스 공급 라인(GL1, GL2)에 유량 제어 장치(FCS1, FCS2)를 각별히 설치하고, 이로 인해 각 공급 라인(GL1, GL2)의 유량비 γ=Q1/Q2를 조정하도록 한 것이다. 또한, 도 7에 있어서 S는 가스 공급원, G는 처리 가스, C는 챔버, D는 가스 방출기, H는 웨이퍼, I는 웨이퍼 유지대이다.
그러나, 이 도 7의 장치에서는 2기의 유량 제어 장치(FCS1, FCS2)를 필요로 하기 때문에 반도체 제조 장치의 대형화나 설비비 및 메인터넌스비의 상승을 초래하게 되어 설비의 소형화 및 저비용화의 요구에 대응할 수 없다는 문제가 있다.
또한, 도 8은 상기 도 7의 결점을 개량하는 것으로서 본 출원 발명자들이 앞서 개발을 한 가스 공급 설비를 나타내는 것이고, 유량 제어 장치(FCS)에 의해 설정 유량(Q)으로 제어된 가스(G)를 분류량 제어 장치(FRC)에 의해 제어되는 압력식 분류량 제어기(FV1, FV2)를 설치한 공급 라인(GL1, GL2)을 통해 원하는 유량비 γ=Q1/Q2로 챔버(C)에 공급하도록 한 것이다.
즉, 도 8의 가스 공급 장치는 소정 구경(φ1, φ2)의 오리피스 구멍(OL1, OL2)을 구비한 가스 방출기(D)를 챔버(C) 내에 설치함과 아울러, 분류량 제어기(FV1, FV2)에 의해 그 하류측 가스 압력(P3′, P3″)을 조정함으로써 가스 방출기(D)의 오리피스 구멍(OL1, OL2)을 통해 Q1=K1P3′ 및 Q2=K2P3″(단, K1 및 K2는 오리피스 구멍(OL1, OL2)의 단면적 등에 의해 정해지는 정수)로 나타내어지는 원하는 분류량(Q1, Q2)으로 총량(Q=Q1+Q2)의 가스를 챔버(C) 내에 공급하도록 한 것이다(일본 특허 공개 2004-5308).
그러나, 상기 도 8의 가스 공급 장치에서는 챔버(C) 내에 소정 구경(φ1, φ2)의 오리피스 구멍(OL1, OL2)을 갖는 가스 방출기(D)를 설치하는 구성으로 하고 있 기 때문에 가스 방출기(D)의 형태 등이 대폭 제약된다는 문제가 있다.
또한, 상기 도 7의 가스 공급 장치와 같이 2기의 유량 제어 장치(FCS1, FCS2)를 각별히 설치하고 있지 않기 때문에 상기 도 7의 장치에 비해 설비비 등을 삭감할 수 있지만, 2기의 분류량 제어기(FV1, FV2)나 분류량 제어 장치(FRC)를 필요로 하기 때문에 설비비의 대폭적인 삭감 및 분류 가스 공급 장치의 대폭적인 소형화를 도모할 수 없는데다가, 유량비(Q1/Q2)의 제어 그 자체가 지나치게 복잡해진다는 문제가 있다.
또한, 도 9는 상기 도 8(일본 특허 공개 2004-5308호)의 결점을 개량하는 것으로서 본 출원 발명자들이 앞서 개발한 것이고, 구조가 간단한 개폐 밸브(V1, V2)와 1대의 압력식 분류량 제어기(SV)와 유량비 제어 장치(CT)를 이용하여 유량이 큰 쪽의 공급 라인의 개폐 밸브를 완전 개방으로 함과 아울러 압력식 분류량 제어기(SV)의 개방도 조정을 행함으로써, 대유량측의 공급 라인으로부터 소유량측의 공급 라인으로의 가스 유량을 조정하여 양 분기 공급 라인(GL1, GL2)의 압력 조정을 행하며, 원하는 분류비 γ=Q1/Q2로 총 유량 Q=Q1+Q2의 가스류(G)를 챔버(C) 내에 공급하는 구성으로 한 것이다(일본 특허 공개 2005-11258호).
그러나, 도 9의 가스 공급 장치에 있어서도 분류 공급 장치의 대폭적인 소형화 및 설비비의 대폭적인 삭감을 도모할 수 없을 뿐만 아니라, 가스 방출기(D)의 형태를 자유롭게 선택할 수 없다는 상기 도 8의 가스 공급 장치(일본 특허 공개 2004-5308호)와 같은 문제가 남겨져 있다.
한편, 이러한 종류의 분류 가스 공급 장치로서는, 도 10에 나타내는 바와 같이, 각 분기 공급로(GL1, GL2)에 음속 노즐(SN1, SN2)을 설치함과 아울러 음속 노즐(SN1, SN2)의 상류측 관로의 가스압(P1)을 자동 조압기(ACP)로 조정함으로써 각 분기 공급로(GL1, GL2)로부터의 가스 공급량(Q1, Q2)을 조정하도록 한 유량 제어 시스템이 개발되어 있다(일본 특허 공개 2003-323217호 등).
또한, 도 10에 있어서 ACQ는 유량 제어부, V1, V2는 제어 밸브이다.
그러나, 도 10의 분류 가스 공급 장치는 자동 조압 장치(ACP)에 의한 1차측 압력(P1)을 조정함으로써 각 음속 노즐(SN1, SN2)(또는 오리피스)을 통해 유통되는 각 가스 유량(Q1, Q2)을 동시에 제어시키는 것을 목적으로 하는 것이고, 각 분기관로(GL1, GL2)의 유량비 γ=Q1/Q2를 임의로 조정하는 것은 발명의 직접적인 목적으로 되어 있지 않다.
특허문헌 1 : 일본 특허 공개 2004-5308호 공보
특허문헌 2 : 일본 특허 공개 2005-11258호 공보
특허문헌 3 : 일본 특허 공개 2003-323217호 공보
본 출원 발명은 종전의 챔버로의 가스 분류 공급 장치에 있어서의 상술한 바와 같은 문제, 즉 자동 조압 장치나 개폐 제어 밸브 및 이들의 제어부를 필요로 하여 가스 분류 공급 장치의 대폭적인 소형화 및 저비용을 도모할 수 없는데다가 분류비의 제어 정밀도도 낮다는 문제를 해결하려고 하는 것이고, 구조가 매우 단순한 개폐 밸브와 오리피스만을 이용하여 소정 유량(Q)의 가스를 원하는 분류비로 분류 공급하는 것을 가능하게 한 소형이고 또한 저렴한 유량비 가변형 유체 공급 장치를 제공하는 것을 발명의 주목적으로 하는 것이다.
본 출원 발명자들은 오리피스를 이용한 각종 유량 제어 장치의 개발을 통해 임계 팽창 조건하에 있어서는 오리피스의 이른바 보정 계수의 관리를 고정밀도로 행함으로써 매우 간단한 구성의 유량비 가변형 유체 공급 장치의 형성이 가능하다는 것에 착상했다.
본 출원 발명은 본 출원 발명자들의 상기 착상에 기초하여 창작된 것이고, 청구항 1의 발명은 유량 제어 장치(6)로부터 공급된 유량(Q)의 가스를 복수의 분류관로(11~1n)에 소정 유량(Q1~Qn)으로 분류시켜 각 분류관로(11~1n)로부터 유량(Q)의 가스를 챔버(7) 내에 공급하도록 한 유량비 가변형 유체 공급 장치에 있어서: 상기 분류관로(11~1n) 중 1개 또는 복수의 분류관로에 적절한 개구 면적(S‥)의 오리피스(3‥)를 끼워 설치하고, 또한 상기 남은 각 분류관로는 복수의 분기관로(2a~2n)가 병렬 형상으로 연결된 관로로 이루어져, 상기 각 분기관로(2a~2n)에 각각 적절한 개구 면적(S2‥)의 오리피스(4‥)를 끼워 설치함과 아울러 상기 분기관로(2a~2n)의 전부 또는 일부에 개폐 밸브(Vb~Vn)를 끼워 설치하며, 상기 개폐 밸브(Vb~Vn)의 개방 또는 폐쇄에 의해 남은 각 분류관로의 유통 가능한 오리피스의 합계 개구 면적(S2o‥)을 조정함으로써 상기 각 분류관로(11~1n)의 각 오리피스(3)의 개구 면적(S‥) 및 분기관로를 형성한 각 분류관로의 유통 가능한 오리피스의 합계 개구 면적(S2o‥)의 비와 동등한 유량비(Q1/Q2/Q3/‥/Qn)로 각 분류관로(11~1n)에 유량(Q)의 가스류를 분류시키는 구성으로 한 것을 발명의 기본 구성으로 하는 것이다.
청구항 2의 발명은 유량 제어 장치(6)로부터 공급된 유량(Q)의 가스를 복수의 분류관로(11~1n)에 소정 유량(Q1~Q0)으로 분류시켜 각 분류관로(11~1n)로부터 유량(Q)의 가스를 챔버(7) 내에 공급하도록 한 유량비 가변형 유체 공급 장치에 있어서: 상기 분류관로(11)~분류관로(1n-1)에 개구 면적(S1~Sn-1)의 오리피스(31~3n-1)를 끼워 설치하고, 또한 상기 남은 분류관로(1n)는 복수의 분기관로(2a~2n)가 병렬 형상으로 연결된 관로로 이루어져, 상기 각 분기관로(2a~2n)에 각각 개구 면적(S2a~S2n)의 오리피스(4a~4n)를 끼워 설치함과 아울러 상기 분기관로(2a~2n)의 전부 또는 일부에 개폐 밸브(Vb~Vn)를 끼워 설치하며, 상기 개폐 밸브(Vb~Vn)의 개방 또는 폐쇄에 의해 상기 분류관로(1n)의 유통 가능한 오리피스의 합계 개구 면적(S2o)을 조정함으로써 상기 각 분류관로(11~1n)의 각 오리피스(31~3n-1)의 개구 면적 및 분류관로(1n)의 유통 가능한 오리피스의 합계 개구 면적(S2o)의 비와 동등한 유량비(Q1/Q2/Q3/‥Qn-1/Q0)로 각 분류관로(11~1n)에 유량(Q)의 가스류를 분류시키는 구성으로 한 것을 발명의 기본 구성으로 하는 것이다.
청구항 3의 발명은 청구항 1 또는 청구항 2의 발명에 있어서, 상기 오리피스(3)는 개구 면적(S11)이 일정한 오리피스(3a)와 개구 면적(S12)이 조정 가능한 오리피스(3b)가 병렬로 접속되는 것을 특징으로 하는 것이다.
청구항 4의 발명은 유량 제어 장치(6)로부터 공급된 유량(Q)의 가스를 제 1 분류관로(1) 및 제 2 분류관로(2)에 소정의 유량(Q1, Q0)으로 분류시켜 양 분류관로(1, 2)로부터 유량(Q)의 가스를 챔버(7) 내에 공급하도록 한 유량비 가변형 유체 공급 장치에 있어서: 상기 제 1 분류관로(1)에 개구 면적(S1)의 제 1 오리피스(3)를 끼워 설치하고, 또한 상기 제 2 분류관로(2)는 복수의 분기관로(2a~2n)가 병렬 형상으로 연결된 관로로 이루어져 상기 각 분기관로(2a~2n)에 각각 개구 면적(S2a~S2n)의 오리피스(4a~4n)를 끼워 설치함과 아울러 상기 분기관로(2a~2n)의 전부 또는 일부에 개폐 밸브(Vb~Vn)를 끼워 설치하며, 상기 개폐 밸브(Vb~Vn)의 개방 또는 폐쇄에 의해 제 2 분류관로(2)의 유통 가능한 오리피스의 합계 개구 면적(S2o)을 조정함으로써 상기 제 1 분류관로(1)의 제 1 오리피스(3)와 상기 제 2 분류관로(2)의 유통 가능한 오리피스의 합계 개구 면적(S2o)의 비와 동등한 유량비(Q1/Q0)로 각 분류관로(1, 2)에 유량(Q)의 가스류를 분류시키는 구성으로 한 것을 발명의 기본 구성으로 하는 것이다.
청구항 5의 발명은 청구항 4의 발명에 있어서, 상기 개구 면적(S1)의 제 1 오리피스(3)는 개구 면적(S11)이 일정한 오리피스(3a)와 개구 면적(S12)이 조정 가능한 오리피스(3b)가 병렬로 접속되는 것을 특징으로 하는 것이다.
청구항 6의 발명은 청구항 4의 발명에 있어서, 상기 제 2 분류관로(2)를 복수의 분기관로(2a~2n)로 형성함과 아울러, 그 중 1개의 분기관로(2a)의 오리피스(4a)의 개구 면적(S2a)을 상기 제 1 분류관로(1)의 제 1 오리피스(3)의 개구 면적(S1)과 동일하게 함과 아울러, 상기 분기관로(2a)를 개폐 밸브를 끼워 설치하지 않고 제 2 분기관로(2)에 연결하는 구성으로 한 것이다.
청구항 7의 발명은 청구항 4의 발명에 있어서, 제 2 분류관로(2)를 4개의 분기관로(2a~2d)로 형성함과 아울러, 분기관로(2a)의 오리피스(4a)의 개구 면적(S2a)을 제 1 분기관로의 제 1 오리피스(3)의 개구 면적(S1)과 동일하게 하고, 또한 다른 남은 분기관로(2b~2d)의 오리피스(4b~4d)의 개구 면적(S2b~S4d)을 상기 제 1 분기관로의 제 1 오리피스(3)의 개구 면적(S1)의 각각 5%, 10% 및 20%로 함과 아울러, 남은 분기관로(2b~2d)에 각각 개폐 밸브(Vb~Vd)를 끼워 설치하도록 한 것이다.
청구항 8의 발명은 청구항 4의 발명에 있어서, 상기 개폐 밸브(Vd~Vn)는 분기관로(2d~2n)를 완전 개방 또는 완전 폐쇄하는 기능만을 구비한 개폐 밸브로 이루어진 것을 특징으로 하는 것이다.
청구항 9의 발명은 청구항 4의 발명에 있어서, 상기 각 오리피스(3, 4a~4n)의 오리피스 개구 면적은 오리피스의 형상 및 오리피스 상류측 압력 조건에 따라 그 보정 계수가 적절한 값으로 선정되어 설정되는 구성인 것을 특징으로 하는 것이다.
청구항 10의 발명은 청구항 9의 발명에 있어서, 각 오리피스(3, 4a~4n)의 구경(φ)의 가공 형상에 따라 보정 계수를 0.6 또는 보정 계수를 0.7로 하도록 한 것이다.
청구항 11의 발명은 청구항 4의 발명에 있어서, 제 1 오리피스(3) 및 제 2 오리피스(4a~4n)로서 메탈 다이어프램 밸브의 다이어프램 밸브체와 밸브 시트의 간극을 이용하도록 한 것이다.
청구항 12의 발명은 청구항 1, 청구항 2 또는 청구항 4의 발명에 있어서, 오리피스(3) 및 오리피스(4) 또는 제 1 오리피스(3) 및 제 2 오리피스(4a~4n) 중 어느 하나를 다른 2개의 오리피스 구멍(OL1, OL2)을 구비한 2단계 절삭형인 오리피스로 함과 아울러, 소경의 오리피스 구멍으로부터 대경의 오리피스 구멍을 향해 가스류를 유통시키도록 한 것이다.
(발명의 효과)
본 발명에 있어서는 소정의 구경(φ)을 갖는 오리피스와 관로의 통로를 단순히 완전 개방 또는 완전 폐쇄로 할 뿐인 매우 구조가 간단한 개폐 밸브(Vb~Vn)만으로 유량비 가변형 유체 공급 장치를 구성하고 있기 때문에, 유체 공급 장치의 구조를 간소화할 수 있고, 그 대폭적인 소형화 및 저비용화가 가능해진다.
또한, 본 발명에 있어서는 개폐 밸브(Vb~Vn)를 적절하게 스위칭함으로써 분류비(γ)를 복수 단으로 용이하게 변경할 수 있는데다가, 오리피스 그 자체를 변환함으로써 분류비(γ)를 복수 단으로 용이하게 변경할 수 있고, 또한 오리피스 그 자체를 변환함으로써 분류비(γ)의 대폭적인 변경에도 용이하게 대응할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 오리피스 구경의 결정에 있어서 그 보정 계수를 엄격하게 관리하고, 가공 형상에 의해 구경(φ)=0.3 이상인 오리피스 구멍에 대해서는 보정 계수를 0.7로 함과 아울러 구경(φ)=0.3 미만인 오리피스 구멍에 대해서는 보정 계수를 0.6으로 하도록 하고 있다. 그 결과, 본 발명에 따른 유량비 가변형 유체 공급 장치에서는 분류 유량(Q1, Q0)의 오차를 1% S.P.% 이하로 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 유량비 가변형 유체 공급 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 1단 절삭형 오리피스의 단면도이다.
도 3은 2단 절삭형 오리피스의 단면도이다.
도 4는 오리피스 유량 특성 시험의 시험 장치의 구성도이다.
도 5는 φ=0.55㎜와 φ=0.1㎜의 각 오리피스 유량 특성과 오리피스 보정 계수의 연산값을 나타내는 것이다.
도 6은 오리피스(OF)의 하류측 압력(P2)을 20Torr로 한 경우의 오리피스 상류측 압력(P1)과 유량 측정 오차(rdg 에러)의 관계를 나타내는 것이다.
도 7은 종전의 복수 라인을 이용한 챔버로의 가스 공급 장치의 설명도이다.
도 8은 종전의 복수 라인을 이용한 챔버로의 가스 공급 장치의 다른 예를 나타내는 설명도이다.
도 9는 종전의 복수 라인을 이용한 챔버로의 가스 공급 장치의 또 다른 예를 나타내는 설명도이다.
도 10은 종전의 음속 노즐을 이용한 분류 가스 공급 장치의 일례를 나타내는 설명도이다.
(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)
A : 유량비 가변형 유체 공급 장치 G : 가스
Q : 전체 유량 Q1 : 제 1 분류관로의 유량
Q0 : 제 2 분류관로의 유량 Q2~Q5 : 분기관로의 유량
γ : 유량비(Q1/Q0) OF : 오리피스
OL, OL1, OL2 : 오리피스 구멍 1 : 제 1 분류관로
2 : 제 2 분류관로 2a~2d : 분기관로
3 : 제 1 오리피스 4a : 제 2 오리피스
4b : 제 3 오리피스 4c : 제 4 오리피스
4d : 제 5 오리피스 S : 전체 오리피스 구멍 개구 단면적
S1 : 제 1 오리피스 개구 면적 S2a~S2d : 제 2~제 5 오리피스 개구 면적
S20 : 제 2 분류관로(2)의 유통 가능한 오리피스의 합계 개구 면적
φ : 오리피스 구경 Vb~Vd : 개폐 밸브
5 : 가스 공급원 6 : 유량 제어 장치
7 : 프로세스 챔버 8a·8b : N2 공급원
9 : 몰블럭 10a·10b : 압력 조정기
11 : 진공계 12 : 개폐 제어 밸브
13 : 진공 펌프
이하, 도면에 기초하여 본 발명의 실시 형태를 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 유량비 가변형 유체 공급 장치(A)의 구성을 나타내는 도면이고, 도 1에 있어서 A는 유량비 가변형 유체 공급 장치, Q, Q1, Q2, Q3~Q5, Q0은 유량, 1은 제 1 분류관로, 2는 제 2 분류관로, 2a, 2b, 2c, 2d는 분기관로, 3은 제 1 오리피스, 4a는 제 2 오리피스, 4b는 제 3 오리피스, 4c는 제 4 오리피스, 4d는 제 5 오리피스, S1, S2a~S2d는 각 오리피스의 단면적, Vb, Vc, Vd는 개폐 밸브, 5는 가스 공급원, 6은 유량 제어 장치, 7은 프로세스 챔버이다.
상기 유체 공급원(5)은 이른바 반도체 제조용의 각종 가스의 공급원이고, 본 실시 형태에서는 N2 가스의 공급원이 설치되어 있다.
또한, 유량 제어 장치(6)는 프로세스 챔버(7)에 공급하는 가스 유량(Q)을 일정 유량으로 조정하고 있고, 본 실시 형태에 있어서는 압력식 유량 제어 장치(FCS)에 의해 Q=1SLM의 N2 가스가 공급되고 있다.
상기 프로세스 챔버(7)는 본 실시 형태에 있어서는 내부압이 10Torr로 조정 된 챔버(7)가 사용되고 있고, 그 중앙부에 제 1 분류관로(1)로부터 원하는 유량(Q1)의, 또한 그 끝 가장자리부에 제 2 분류관로(2)로부터 유량(Q0)의 N2 가스류가 각각 공급되고 있다.
상기 가스 공급원(5)으로부터 공급된 가스(G)는 유량 제어 장치(6)에 있어서, 예를 들면 Q=1SLM으로 조정된 후 제 1 분류관로(1) 및 제 2 분류관로(2)를 통해 프로세스 챔버(7) 내로 공급된다.
또한, 각 분류관로(1, 2)를 통과하는 가스 유량의 분류비 γ=Q1/Q0는 개폐 밸브(Vb~Vd)를 적절히 개폐 스위칭(완전 개방 또는 완전 폐쇄)함으로써 미리 정한 분류비 γ=Q1/Q0로 스위칭 조정된다.
또한, 본 실시 형태에 있어서는 상술한 바와 같이 유량 제어 장치(6)로부터 Q=1SLM의 N2 가스가 정량 공급되고 있다.
본 실시 형태에서는 이하에 기술하는 바와 같이, 상기 분류비 γ=Q1/Q0를 개폐 밸브(Vc~Vd)의 스위칭 조작에 의해 1/1~1/1.35까지의 사이 5% 간격으로, 합계 8단계(즉, 1/1, 1/1.05, 1/1.1, 1/1.15, 1/1.20, 1/1.25, 1/1.30, 1/1.35)로 조정할 수 있도록 되어 있다.
도 1을 참조하여, 각 오리피스(3, 4a~4d)의 오리피스 구멍을 유통하는 가스 유량은 각 오리피스(3, 4a~4d)의 상류측 압력(P1)과 하류측 압력(P21 또는 P22) 사이에 이른바 임계 팽창 조건이 유지되고 있는 경우에는 각 오리피스(3, 4a~4d)의 단 면적에 비례한다. 즉, 임계 팽창 조건 하에 있어서는 각 오리피스를 통과하는 가스 유량의 유량비는 오리피스 구멍의 단면적비로 결정되게 된다.
그리고, 현재 도 1에 있어서, 각 오리피스(3, 4a~4d)의 오리피스 구멍의 단면적을 S1, S2a, S2b, S2c, S2d, 제 1 분류관로(1)의 유량을 Q1, 제 2 분류관로의 유량을 Q0, 총공급 유량을 Q로 하면, 분류비 γ=Q1/Q0는 하기의 (1)식으로 나타내어진다.
γ=Q1/Q0=S1/(S2a+(S2b+S2c+S2d)) ‥(1)
또한, 분류비(γ)는 상술한 바와 같이 γ=1/1~1/3.5(5%마다 8단계 스위칭)로 하는 것이기 때문에 하기의 (2) 및 (3)식의 성립이 필요해진다.
S1/S2a=1/1 ‥‥(2)
S2a/S2b/S2c/S2d=100/20/10/5 ‥‥(3)
다음으로, 필요로 하는 각 오리피스(S1, S2a~S2d)의 단면적의 총 합과 각 오리피스 단면적(S1, S2a~S2d)의 연산에 대해서 설명한다.
현재, 챔버(7)의 내압을 10Torr로 하면 밸브(Vb~Vd) 등의 압력 손실을 고려하여 오리피스 하류측 압력(P21, P22)은 최대로 20Torr 정도가 된다.
또한, 임계 팽창 조건을 성립시키기 위해서는 Vb~Vd를 완전 개방으로 했을 때의 오리피스 상류측 압력(P1)은 40Torr(P1/P2=2 이상)이 되도록 전체 오리피스의 개구 단면적(S)을 정할 필요가 있다.
본 출원 발명에 있어서는 각 오리피스(S1, S2b~S2d)의 단면적의 총 합(S)을 하기의 (4) 및 (5)식에 나타낸 오리피스 Cv값의 연산식에 의해 산출한다.
Cv=α×S/17 ‥‥(4)
Cv=Qg/(2019×P1)×(Gg(273+t))1/2 ‥‥(5)
단, (4) 및 (5)식에 있어서, α는 보정 계수(0.8), S는 전체 오리피스의 총 개구 단면적(㎟), Qg는 유량(㎥/h=0.06), P1은 오리피스 상류측 압력(㎫abs=0.0053), Gg는 가스 유체 비중(0.97), t는 유체 온도(℃=21)이고, 본 실시 형태에서는 가스 총 유량(Q)=1SLM, 오리피스 상류측 압력(P1)=40Torr, 가스 종류 N2, 가스 온도 21℃로 하여 각 연산을 행하고 있다.
즉, 상기 (4) 및 (5)식으로부터 각 오리피스(S1, S2a~S2d)의 개구 단면적의 총 합(S)은 S=2.01㎟가 되고, 또한 상기 (1)~(3)식으로부터 각 오리피스(S1, S2a~S2d)의 개구 단면적은 S1=S2a=0.855㎟, S2b=0.171㎟, S2c=0.086㎟, S2d=0.043㎟가 된다.
예를 들면, 현재 도 1에 있어서, 개폐 밸브(Vb~Vd)를 완전 개방으로 하면 유량비 γ=Q1/Q0=S1/(S2a+S2d+S2c+S2d)=1/1.35가 된다.
또한, 개폐 밸브(Vb~Vd)를 완전 폐쇄로 하면 유량비 γ=Q1/Q0=S1/S2a=1/1이 된다.
또한, 개폐 밸브(Vb)를 개방, Vc 및 Vd를 폐쇄로 하면 유량비 γ=Q1/Q0=S1/(S2a+S2b)=1/1.2가 되고, 개폐 밸브(Vb~Vd)의 스위칭에 의해 유량비 γ=Q1/Q0는 1/1~1/1.35의 사이에서 0.5 간격의 8단계로 스위칭 조정되게 된다.
또한, 도 1의 실시 형태에 있어서는 제 1 분류관로(1)와 제 2 분류관로의 2개의 분류관로를 이용하여 챔버(7)에 가스류를 공급하도록 하고 있지만, 분류관로를 3 이상의 분류관로로 함과 아울러, 그 중 어느 1개 관로 또는 복수의 관로를 복수의 분기관로를 구비한 관로로 해도 되는 것은 물론이다.
(실시예 1)
단면적이 작은 오리피스(OF)의 유량 특성 및 보정 계수는 현실적으로는 실측값을 이용할 필요가 있다. 그 때문에, 도 2 및 도 3과 같은 형태의 2종류의 오리피스(OF)에 대해서 도 4의 유량 특성 시험 장치를 이용하여 보정 계수 등의 측정을 행했다.
즉, 이번 실시예에서는 내경 0.3㎜ 이상인 오리피스(OF)의 경우에는, 도 2와 마찬가지로, 1단 절삭에 의해 오리피스 구멍(OL)이 형성되어 있고, 또한 내경이 0.3㎜φ 미만인 오리피스(OF)의 경우에는, 도 3과 마찬가지로, 오리피스 구멍(OL)이 OL1 및 OL2의 2단 절삭에 의해 형성되어 있다. 1단 절삭으로 할지 2단 절삭으로 할지는 오리피스의 두께나 가공 기계의 정밀도 등에 따라 적절히 판단된다.
또한, 각 오리피스(OF)는 이른바 개스킷 타입으로 형성되어 있고, 관로에 삽 입된 오리피스 홀더(도시 생략) 내에 각 오리피스(OF)가 교환 가능하게 기밀 형상으로 삽입 고정되어 있다.
또한, 본 실시예에서는 구멍 지름(φ)이 0.3㎜φ, 0.4㎜φ, 0.9㎜φ인 오리피스(OF)로서 도 2에 나타낸 구성의 오리피스를, 또한 구멍 지름(φ)이 0.2㎜φ인 오리피스(OF)로서 도 3에 나타낸 구성의 오리피스를 사용하고 있다.
각 오리피스(OF)의 유량 특성이나 보정 계수는 도 4와 같이 시험 장치를 이용하여 실측했다.
즉, 도 4에 있어서, 8a, 8b는 N2 공급원, 9는 몰블럭, 10a, 10b는 압력 조정 장치, OF는 오리피스, 11은 진공계(100Torr 바라트론), 12는 개폐 제어 밸브, 13은 진공 펌프이다.
또한, 몰블럭(9)의 측정 정밀도는 ±0.2%rdg., 압력 조정 장치(10a, 10b)의 측정 정밀도는 ±0.2%F.S.(1~40%) 및 ±0.5%S.P.(40~100%)이다.
측정은 오리피스(OF)의 상류측 압력(P1)을 압력 조정기(10a)에 의해 조정하고, 오리피스 유통 가스량을 몰블럭(9)에 의해 측정했다. 또한, 하류측 압력(P2)에 의한 의존성을 확인하기 위해 하류측 압력 조정기(10b)에 의해 오리피스(OF)의 하류측 압력을 조정했다.
도 5의 (a) 및 (b)는 본 실시예에 있어서의 오리피스(OF)의 유량 특성을 나타내는 것이고, 또한 도 5의 (c)는 도 5의 (a) 및 (b)의 데이터로부터 보정 계수(α)를 연산한 것이다.
상기 실시예 1의 시험 결과로부터 본 발명에 있어서는, 하기의 표 1에 나타내는 바와 같이, 오리피스 상류측 압력(P1)을 64Torr로 하고, 도 1의 제 1 분류관로(1), 각 분기관로(2a, 2b, 2c, 2d)의 오리피스 지름 및 보정 계수를 각각 선정한다.
또한, 도 6은 상기 도 4의 시험 장치에 있어서 오리피스(OF)의 하류측 압력(P2)을 20Torr로 한 경우의 오리피스 상류측 압력(P1)과 유량 측정 정밀도의 관계를 나타내는 것이다.
오리피스 하류측 압력(P2)이 20Torr이 되면, 도 6으로부터도 알 수 있는 바와 같이, 오리피스 하류측 압력(P2)을 진공 상태로 한 경우의 측정 정밀도와 같이 그 측정값 오차(rdg. 에러)를 1% 이내로 하기 위해서는 오리피스 상류측 압력(P1)을 64Torr 이상으로 유지할 필요가 있다는 것을 알 수 있었다.
표 2는 상기 실시예로부터 얻어진 측정 결과를 정리한 것이고, 오리피스 상류측 압력(P1)=64Torr, 가스 공급 유량(Q)=1SLM, 가스 온도 21℃, 가스 계수(가스 비중) 0.97(N2), 보정 계수 1로 한 경우에는 필요한 오리피스 총 개구 단면적은 1.018㎟가 된다.
또한, 오리피스의 면적비를 도 1의 경우와 동일(S1/S2a/S2b/S2c/S2d=100/100/20/10/5)하게 했을 때에는 각 오리피스(3, 4a~4d)와, 유량비(γ)와, 오리피스 구멍 단면적(보정 계수 0.6 및 0.7)과, 연산 오리피스 구경(φ)(㎜)(보정 계수 0.6 및 0.7)과, 현실의 선정 오리피스 구경(φ)(㎜)은 표 2와 같이 된다.
Figure 112008075531216-pct00002
또한, 현실의 오리피스 구경(φ)은 0.05㎜ 간격으로 제작되어 있기 때문에 오리피스 지름 0.25㎜φ 이하는 보정 계수를 0.6, 및 오리피스 지름 0.30㎜ 이상은 보정 계수를 0.7로 각각 선정하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 실시 형태 및 실시예에 있어서는 분류관로를 제 1 분류관로(1)와 제 2 분류관로(2)의 2계통만으로 하고 있지만, 분류관로가 2계통 이상의 복수 계통이어도 되는 것은 물론이다.
또한, 분류관로를 복수로 했을 경우에는 그 중 1 또는 2 이상의 분류관로를 개구 면적(S)이 일정한 오리피스(3)를 구비한 분류관로로 함과 아울러, 남은 분류관로를 분기관로(2a~2d)를 구비한 분류관로로 하도록 해도 좋다.
또한, 상기 실시 형태 및 실시예에 있어서는 유량비를 1/1.35로 하고, 그 사이를 0.5 간격으로 8단계로 분류비의 선정이 가능하도록 하고 있지만, 분류비의 범위 및 그 분류비의 스위칭 크기는 임의로 설정할 수 있는 것은 물론이다.
또한, 본 실시 형태 및 실시예에 있어서는 오리피스를 이용하는 것을 기본으로 하고 있지만, 오리피스 대신에 이른바 임계 노즐을 이용하거나, 또는 메탈 터치형 다이어프램 밸브의 밸브체와 밸브 시트의 간격을 오리피스의 대체로서 이용하는 것도 가능하다.
상기 도 1에 나타낸 실시 형태에서는 개구 면적(S1)이 일정한 제 1 오리피스(3)를 1개의 오리피스로 형성하고 있지만, 개구 면적(S11)이 일정한 오리피스(3a)와 개구 면적(S12)이 조정 가능한 오리피스(예를 들면, 메탈 터치형 다이어프램 밸브 등)(3b)를 병렬로 접속하여 개구 면적[S1(S1=S11+S12)]이 일정한 제 1 오리피스(3)를 형성하도록 해도 좋다.
이렇게, 2개의 오리피스 중 1개의 오리피스의 개구 면적(S12)을 조정 가능 하게 함으로써 제 1 오리피스(3)의 개구 면적(S1)의 크기를 일정 범위에 걸쳐 조절한 후 이것을 고정할 수 있어서 편리하다.
본 발명은 반도체 제조 장치용의 챔버로의 유량비 가변형 유체 공급 장치로서 뿐만 아니라, 각종 가스 공급 설비의 유량비 가변형 유체 공급 장치로서 이용하는 것도 가능하다.

Claims (12)

  1. 유량 제어 장치(6)로부터 공급된 유량(Q)의 가스를 복수의 분류관로(11~1n)에 소정 유량(Q1~Qn)으로 분류시켜 각 분류관로(11~1n)로부터 유량(Q)의 가스를 챔버(7) 내에 공급하도록 한 유량비 가변형 유체 공급 장치에 있어서: 상기 분류관로(11~1n) 중 1개 또는 복수의 분류관로에 적절한 개구 면적(S‥)의 오리피스(3‥)를 끼워 설치하고, 또한 상기 남은 각 분류관로는 복수의 분기관로(2a~2n)가 병렬 형상으로 연결된 관로로 이루어져, 상기 각 분기관로(2a~2n)에 각각 적절한 개구 면적(S2‥)의 오리피스(4‥)를 끼워 설치함과 아울러 상기 분기관로(2a~2n)의 전부 또는 일부에 개폐 밸브(Vb~Vn)를 끼워 설치하며, 상기 개폐 밸브(Vb~Vn)의 개방 또는 폐쇄에 의해 남은 각 분류관로의 유통 가능한 오리피스의 합계 개구 면적(S2o‥)을 조정함으로써 상기 각 분류관로(11~1n)의 각 오리피스(3)의 개구 면적(S‥) 및 분기관로를 형성한 각 분류관로의 유통 가능한 오리피스의 합계 개구 면적(S2o‥)의 비와 동등한 유량비(Q1/Q2/Q3/‥/Qn)로 각 분류관로(11~1n)에 유량(Q)의 가스류를 분류시키는 구성으로 한 것을 특징으로 하는 유량비 가변형 유체 공급 장치.
  2. 유량 제어 장치(6)로부터 공급된 유량(Q)의 가스를 복수의 분류관로(11~1n)에 소정 유량(Q1~Q0)으로 분류시켜 각 분류관로(11~1n)로부터 유량(Q)의 가스를 챔버(7) 내에 공급하도록 한 유량비 가변형 유체 공급 장치에 있어서: 상기 분류관로(11)~분류관로(1n-1)에 개구 면적(S1~Sn-1)의 오리피스(31~3n-1)를 끼워 설치하고, 또한 상기 남은 분류관로(1n)는 복수의 분기관로(2a~2n)가 병렬 형상으로 연결된 관로로 이루어져, 상기 각 분기관로(2a~2n)에 각각 개구 면적(S2a~S2n)의 오리피스(4a~4n)를 끼워 설치함과 아울러 상기 분기관로(2a~2n)의 전부 또는 일부에 개폐 밸브(Vb~Vn)를 끼워 설치하며, 상기 개폐 밸브(Vb~Vn)의 개방 또는 폐쇄에 의해 상기 분류관로(1n)의 유통 가능한 오리피스의 합계 개구 면적(S2o)을 조정함으로써 상기 각 분류관로(11~1n)의 각 오리피스(31~3n-1)의 개구 면적 및 분류관로(1n)의 유통 가능한 오리피스의 합계 개구 면적(S2o)의 비와 동등한 유량비(Q1/Q2/Q3/‥Qn-1/Q0)로 각 분류관로(11~1n)에 유량(Q)의 가스류를 분류시키는 구성으로 한 것을 특징으로 하는 유량비 가변형 유체 공급 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 오리피스(3)는 개구 면적(S11)이 일정한 오리피스(3a)와 개구 면적(S12)이 조정 가능한 오리피스(3b)가 병렬로 접속되는 것을 특징으로 하는 유량비 가변형 유체 공급 장치.
  4. 유량 제어 장치(6)로부터 공급된 유량(Q)의 가스를 제 1 분류관로(1) 및 제 2 분류관로(2)에 소정의 유량(Q1, Q0)으로 분류시켜 양 분류관로(1, 2)로부터 유량(Q)의 가스를 챔버(7) 내에 공급하도록 한 유량비 가변형 유체 공급 장치에 있어서: 상기 제 1 분류관로(1)에 개구 면적(S1)의 제 1 오리피스(3)를 끼워 설치하고, 또한 상기 제 2 분류관로(2)는 복수의 분기관로(2a~2n)가 병렬 형상으로 연결된 관로로 이루어져 상기 각 분기관로(2a~2n)에 각각 개구 면적(S2a~S2n)의 오리피스(4a~4n)를 끼워 설치함과 아울러 상기 분기관로(2a~2n)의 전부 또는 일부에 개폐 밸브(Vb~Vn)를 끼워 설치하며, 상기 개폐 밸브(Vb~Vn)의 개방 또는 폐쇄에 의해 제 2 분류관로(2)의 유통 가능한 오리피스의 합계 개구 면적(S2o)을 조정함으로써 상기 제 1 분류관로(1)의 제 1 오리피스(3)와 상기 제 2 분류관로(2)의 유통 가능한 오리피스의 합계 개구 면적(S2o)의 비와 동등한 유량비(Q1/Q0)로 각 분류관로(1, 2)에 유량(Q)의 가스류를 분류시키는 구성으로 한 것을 특징으로 하는 유량비 가변형 유체 공급 장치.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 개구 면적(S1)의 제 1 오리피스(3)는 개구 면적(S11)이 일정한 오리피스(3a)와 개구 면적(S12)이 조정 가능한 오리피스(3b)가 병렬로 접속되는 것을 특징으로 하는 유량비 가변형 유체 공급 장치.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 제 2 분류관로(2)를 복수의 분기관로(2a~2n)로 형성함과 아울러, 그 중 1개의 분기관로(2a)의 오리피스(4a)의 개구 면적(S2a)을 상기 제 1 분류관로(1)의 제 1 오리피스(3)의 개구 면적(S1)과 동일하게 함과 아울러, 상기 분기관로(2a)를 개폐 밸브를 끼워 설치하지 않고 제 2 분기관로(2)에 연결하는 구성으로 한 것을 특징으로 하는 유량비 가변형 유체 공급 장치.
  7. 제 4 항에 있어서, 상기 제 2 분류관로(2)를 4개의 분기관로(2a~2d)로 형성함과 아울러 분기관로(2a)의 오리피스(4a)의 개구 면적(S2a)을 제 1 분기관로의 제 1 오리피스(3)의 개구 면적(S1)과 동일하게 하고, 또한 나머지 분기관로(2b~2d)의 오리피스(4b~4d)의 개구 면적(S2b~S4d)을 상기 제 1 분기관로의 제 1 오리피스(3)의 개구 면적(S1)의 각각 5%, 10% 및 20%로 함과 아울러 나머지 분기관로(2b~2d)에 각각 개폐 밸브(Vb~Vd)를 끼워 설치하는 구성으로 한 것을 특징으로 하는 유량비 가변형 유체 공급 장치.
  8. 제 4 항에 있어서, 상기 개폐 밸브(Vd~Vn)는 분기관로(2d~2n)를 완전 개방 또는 완전 폐쇄하는 기능만을 구비한 개폐 밸브로 이루어진 것을 특징으로 하는 유량비 가변형 유체 공급 장치.
  9. 제 4 항에 있어서, 상기 각 오리피스(3, 4a~4n)의 오리피스 개구 면적은 오리피스의 형상 및 오리피스 상류측 압력 조건에 따라 그 보정 계수가 적절한 값으로 선정되어 설정되는 구성인 것을 특징으로 하는 유량비 가변형 유체 공급 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 각 오리피스(3, 4a~4n)의 구경(φ)의 가공 형상에 따라 보정 계수를 0.6 또는 보정 계수를 0.7로 하도록 한 것을 특징으로 하는 유량비 가변형 유체 공급 장치.
  11. 제 4 항에 있어서, 상기 제 1 오리피스(3) 및 제 2 오리피스(4a~4n)로서 메탈 다이어프램 밸브의 다이어프램 밸브체와 밸브 시트의 간극을 이용하는 구성으로 한 것을 특징으로 하는 유량비 가변형 유체 공급 장치.
  12. 제 1 항, 제 2 항 또는 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 각 오리피스(3, 4, 4a~4n) 중 어느 하나를 다른 2개의 오리피스 구멍(OL1, OL2)을 구비한 2단계 절삭형인 오리피스로 함과 아울러, 소경의 오리피스 구멍으로부터 대경의 오리피스 구멍을 향해 가스류를 유통시키도록 한 것을 특징으로 하는 유량비 가변형 유체 공급 장치.
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