WO2018062270A1

WO2018062270A1 - 濃度検出方法および圧力式流量制御装置

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Publication number: WO2018062270A1
Application number: PCT/JP2017/034956
Authority: WO
Inventors: 正明永瀬; 献治相川; 薫平田; 嵩浩今井; 哲央成冨; 篠原　努; 隆博松田; 西野　功二
Original assignee: 株式会社フジキン
Priority date: 2016-09-28
Filing date: 2017-09-27
Publication date: 2018-04-05
Also published as: US20200018736A1; US10962513B2; KR20190002609A; KR102131633B1; TWI650533B; JP6938036B2; TW201829985A; CN109791099B; JPWO2018062270A1; CN109791099A

Abstract

混合ガスに含まれる所定ガスの濃度を検出する方法は、絞り部と、絞り部の上流側に設けられた上流弁と、絞り部と上流弁との間の圧力を測定する圧力センサとを備える圧力式流量制御装置において、絞り部の下流側の圧力が絞り部の上流側の圧力よりも低い状態で上流弁の上流側から混合ガスを流す工程と、上流弁を開から閉に変化させた後に生じる圧力降下特性を圧力センサによって検出する工程と、圧力降下特性に基づいて混合ガス中の所定ガスの濃度を検出する工程とを包含する。

Description

濃度検出方法および圧力式流量制御装置

　本発明は、半導体製造設備や化学プラント等に使用される圧力式流量制御装置を用いた混合ガス中の所定ガスの濃度検出方法に関する。

　従来、流体が通過する流路と、流路に介在されたオリフィスプレート等の絞り部と、絞り部の上流圧力Ｐ₁を検出する上流圧力センサと、絞り部の下流圧力Ｐ₂を検出する下流圧力センサと、絞り部の上流の温度Ｔを検出する温度センサと、上流圧力センサの上流に設けられたコントロール弁と、コントロール弁を制御するコントローラとを備える圧力式流量制御装置が知られている（特許文献１等）。圧力式流量制御装置の下流には、遮断弁、半導体製造装置のプロセスチャンバ、真空ポンプなどが接続される。

　この種の圧力式流量制御装置は、上流圧力検出器により検出した上流圧力Ｐ₁と、下流圧力検出器により検出した下流圧力Ｐ₂と、絞り部を通過する流体の流量Ｑとの間に、所定の関係が成立することを利用して、上流圧力Ｐ₁、又は、上流圧力Ｐ₁と下流圧力Ｐ₂とに基づいてコントロール弁を制御することにより流量を制御する。

　具体的に説明すると、臨界膨張条件下、即ちＰ₁≧約２×Ｐ₂を満たす条件下（アルゴンガスの場合）では、流量Ｑ＝Ｋ₁Ｐ₁（Ｋ₁は流体の種類と流体温度に依存する比例係数）の関係が成立する。非臨界膨張条件下では、流量Ｑ＝Ｋ₂Ｐ₂ ^m（Ｐ₁－Ｐ₂）ⁿ（Ｋ₂は流体の種類と流体温度に依存する比例係数、指数ｍ、ｎは実際の流量から導出された値）の関係が成立する。圧力式流量制御装置では、これらの流量計算式を用いて、圧力センサの出力から演算により流量を求めることができ、求めた流量が設定流量と同じになるようにコントロール弁の開閉度を制御する。

特開２００４－１３８４２５号公報国際公開第２０１０／１１３５７６号特開２００７－９５０４２号公報特開２００４－１９９１０９号公報

　上述した圧力式流量制御装置を用いて、原料ガスと希釈ガス（またはキャリアガス）との混合ガスを、所望の流量に制御したうえでプロセスチャンバに供給することが行われている。例えば、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）では、バブリング装置などを用いて有機金属材料の蒸気をキャリアガスに含ませて混合ガスを生成し、この混合ガスを流量制御してプロセスチャンバに供給することがある。また、例えばフッ素ガスなどの反応性が高いガスは、不活性ガスである希釈ガス（例えばＡｒガスやＮ₂ガス）で希釈してから混合ガスとしてプロセスチャンバに供給している。フッ素ガスを２０％程度に希釈した混合ガスが充填されたガスボンベを、混合ガス供給源として用いることもある。その他、従来の半導体製造プロセスにおいて、種々の原料ガスが希釈ガスやキャリアガスと混合され、圧力式流量制御装置によって流量が制御されて、混合ガスとしてプロセスチャンバに供給されている。

　特に近年、プロセスチャンバに供給される混合ガス中の原料ガスの濃度を精密に制御することが求められている。特許文献２には、フッ素ガス供給系において、濃度測定装置として紫外可視分光光度計を用いて、測定したフッ素ガスの濃度に基づいて希釈ガス供給ラインのバルブを調整する構成が記載されている。濃度測定装置を用いて直接的に原料ガスの濃度を測定することにより、原料ガスの濃度制御を精度よく行うことが可能になる。

　しかしながら、特許文献２に記載のように混合ガス供給系において濃度測定装置を設ける場合、装置の大型化やコストの増加が避けられないという問題がある。

　本発明は、上記問題を鑑みてなされたものであり、圧力式流量制御装置において、別個に濃度測定装置を設けることなく濃度検出を可能とする濃度検出方法を提供することを主たる目的とする。

　本発明の実施形態による濃度検出方法は、混合ガスに含まれる所定ガスの濃度検出方法であって、絞り部と、前記絞り部の上流側に設けられた上流弁と、前記絞り部と前記上流弁との間の圧力を測定する圧力センサとを備える圧力式流量制御装置において、前記絞り部の下流側の圧力が前記絞り部の上流側の圧力よりも低い状態で前記上流弁の上流側から前記混合ガスを流す工程と、前記上流弁を開から閉に変化させた後に生じる圧力降下特性を前記圧力センサによって検出する工程と、前記圧力降下特性に基づいて前記混合ガス中の前記所定ガスの濃度を検出する工程とを包含する。

　ある実施形態において、前記所定ガスの濃度を検出する工程は、前記所定ガスが所定濃度のときに検出された前記圧力降下特性を前記所定濃度と関連付けて基準圧力降下特性として記憶装置に格納する工程と、検出した前記圧力降下特性と、前記記憶装置に格納された前記基準圧力降下特性とを比較することによって前記所定ガスの濃度を検出する工程とを包含する。

　ある実施形態において、前記圧力降下特性は、前記上流弁を閉に変化させた後、前記圧力センサが示す圧力が所定圧力まで降下するのに要する時間によって規定される。

　ある実施形態において、前記圧力降下特性は、前記上流弁を閉に変化させた後、所定時間経過後に到達した圧力によって規定される。

　ある実施形態において、前記圧力降下特性は、臨界膨張条件を満足する条件下において検出される。

　ある実施形態において、前記混合ガスは、希釈ガスと、原料ガスとを含み、前記所定ガスとして前記原料ガスの濃度を検出する。

　ある実施形態において、前記上流弁は、前記混合ガスの流量を調整するためのコントロール弁である。

　本発明の実施形態による圧力式流量制御装置は、絞り部と、前記絞り部の上流側に設けられた上流弁と、前記絞り部と前記上流弁との間のガス圧力を測定する圧力センサと、前記圧力センサの出力を受け取るコントローラとを備え、前記上流弁の上流側から混合ガスが流れるように構成された圧力式流量制御装置であって、前記コントローラは、前記圧力センサの出力から、前記上流弁を開から閉に変化させた後に生じる圧力降下特性を判別し、前記圧力降下特性に基づいて前記混合ガス中の所定ガスの濃度を検出する。

　本発明の実施形態によれば、別個に濃度測定装置を設けることなく、圧力式流量制御装置を用いて混合ガス中の原料ガスの濃度の検出を行うことが可能である。

本発明の実施形態による圧力式流量制御装置が設けられた混合ガス供給系の一例を示す模式図である。本発明の実施形態による圧力式流量制御装置の構成を示す模式図である。本発明の実施形態による圧力式流量制御装置を用いた濃度検出方法を示すフローチャートである。混合ガス中の所定ガスの濃度により圧力降下特性が変化することを示すグラフである。混合ガス中の所定ガスの濃度により圧力降下特性が変化することを示すグラフである。所定濃度のガスを基準としたときの、流量相対差と、圧力降下特性値との関係を示すグラフである。

　以下、本発明の実施形態に係る圧力式流量制御装置およびこれを用いた濃度検出方法について図面を参照しながら説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

　図１は、本実施形態に係る圧力式流量制御装置１０が組み込まれた混合ガス供給系１の一例を示す。混合ガス供給系１は、希釈ガス供給源２および希釈ガス供給源２から延設された希釈ガス供給ラインに介在する流量制御バルブ３と、原料ガス供給源４と、希釈ガス供給源２および原料ガス供給源４に連通する混合ガス導入部５と、混合ガス導入部５の下流側に設けられた圧力式流量制御装置１０と、圧量式流量制御装置１０の下流側に設けられた開閉弁６と、開閉弁６の下流側に接続されたプロセスチャンバ７と、プロセスチャンバ７に接続された真空ポンプ８とを備えている。

　希釈ガスおよび原料ガスは、希釈ガス供給ラインと原料ガス供給ラインとが合流するようにして形成された混合ガス導入部５を介して、混合ガスとして圧力式流量制御装置１０に導入される。混合ガス導入部５は、希釈ガス供給ラインと原料ガス供給ラインとを接続する混合ブロックや、混合ガスを均質化するためのバッファタンク等を含んでいてもよい。

　圧力式流量制御装置１０は、混合ガス導入部５から導入された混合ガスの流量を制御し、プロセスチャンバ７に供給する。プロセスチャンバ７の内部は、真空ポンプ８によって真空引きすることができ、混合ガスは、圧力式流量制御装置１０の下流側が減圧された状態でプロセスチャンバ７に供給される。

　混合ガス供給系１は、圧力式流量制御装置を用いて流量制御しながら混合ガスを供給するように構成された系である限り、任意の種々の態様を有していてよい。例えば、上記には希釈ガス供給ラインに流量制御バルブ３が設けられた態様を示したが、希釈ガス供給ラインと原料ガス供給ラインとのそれぞれに流量制御装置（例えば熱式質量流量制御器）が設けられていてもよい。また、希釈ガスと原料ガスとは、予め混合ガスとしてガスタンクなどに貯蔵されていてもよい。また、ＭＯＣＶＤにおいて、バブリング装置によって原料ガスの蒸気をキャリアガスに含ませることによって生成される混合ガスを圧力式流量制御装置を介してプロセスチャンバに供給する系であってもよいし、固体材料を希釈ガスによって昇華し、希釈ガスに原料ガス含ませるようにしてから混合ガスとして供給する系であってもよい。また、２成分ガスに限られず、３成分以上の混合ガスの供給系であってもよい。

　原料ガスとしては、例えば、酸素ガス、フッ素ガス、ゲルマンガス、ジボランガス、などが挙げられる。また、希釈ガス（キャリアガス）としては、例えば、アルゴンガス、窒素ガス、ヘリウムガス、水素ガスなどが挙げられる。原料ガスは、薄膜堆積用の材料ガスであってもよいし、エッチングガスとして用いられるガスであってもよい。混合ガスにおける“原料ガス／希釈ガス”の組み合わせとしては、Ｏ₂／Ｈｅ、ＰＨ₃／Ｈ₂、ＧｅＨ₄／Ｈ₂、Ｂ₂Ｈ₆／Ｈ₂等が挙げられる。

　混合ガス中の原料ガスの濃度は、例えば、流量制御バルブ３の開閉度を調節することによって任意に設定することができる。また、希釈ガス供給ラインと原料ガス供給ラインとのそれぞれに流量制御装置が設けられている場合には、希釈ガスと原料ガスとの流量比を制御することによって原料ガスの濃度を調節することができる。

　以下、図２を参照しながら、本実施形態による圧力式流量制御装置１０の構成を説明する。圧力式流量制御装置１０は、流路１１に介在された絞り部１２と、絞り部１２の上流の流路１１に介在されたコントロール弁１６と、絞り部１２とコントロール弁１６との間で絞り部１２の上流圧力Ｐ₁を検出する上流圧力センサ１３と、絞り部１２とコントロール弁１６との間の温度を検出する温度センサ１４と、コントローラ（演算制御部）が設けられた制御基板１７とを備えている。

　圧力式流量制御装置１０は、絞り部１２の下流圧力Ｐ₂を検出する下流圧力センサ（図示せず）をさらに備えていてもよい。また、圧力式流量制御装置１０において、図１に示した開閉弁６が内蔵されていてもよい。なお、絞り部１２としては、オリフィス部材の他に臨界ノズルまたは音速ノズルを用いることもできる。オリフィスまたはノズルの口径は、例えば１０μｍ～５００μｍに設定される。オリフィスプレートなどのオリフィス部材を開閉弁の近傍に有するオリフィス内蔵弁が知られており、これを絞り部１２および開閉弁６を一体化したものとして用いることができる。

　開閉弁６の開閉動作は、本実施形態ではコントローラが設けられた制御基板１７に接続された外部制御装置（図示せず）によって制御されるが、他の態様においてコントローラによって制御されてもよい。開閉弁６としては、例えば、電磁弁によって圧縮空気の供給が制御される公知の流体動作弁（Ａｉｒ　Ｏｐｅｒａｔｅｄ　Ｖａｌｖｅなど）を用いることができる。

　圧力式流量制御装置１０の流路１１は、配管によって構成されていてもよいし、金属製ブロックに形成した流路孔によって構成されていてもよい。上流圧力センサ１３は、例えばシリコン単結晶のセンサチップとダイヤフラムとを内蔵するものであってよい。コントロール弁１６は、例えば金属製ダイヤフラムバルブをピエゾ素子（ピエゾアクチュエータ）で構成された駆動部１５を用いて開閉するピエゾ素子駆動型制御弁であってよい。

　圧力式流量制御装置１０において、制御基板１７に設けたコントローラは、上流圧力センサ１３および温度センサ１４からの検出出力に基づいて絞り部１２を通過する流量が設定流量となるようにコントロール弁１６を制御する。コントローラは、ＣＰＵ、ＲＯＭやＲＡＭなどのメモリ（記憶装置）Ｍ、Ａ／Ｄコンバータ等を内蔵している。コントローラは、後述する動作を実行するように構成されたコンピュータプログラムを含んでいてよく、ハードウェアおよびソフトウェアの組み合わせによって実現され得る。なお、図２に示すＡ／Ｄコンバータは、制御基板１７に設けられていてもよいし、制御基板１７に搭載されたプロセッサに内蔵されていてもよい。

　コントローラにおいて、ＣＰＵが、ＲＯＭに格納されたプログラムを実行することにより、圧力式流量制御装置の機能を実現することができる。コントローラ（または制御基板１７）は、コンピュータ等の外部装置と情報を交換するためのインターフェイスを備えていてもよく、これにより、外部装置からＲＯＭへのプログラム及びデータの書込みなどを行うことができる。コントローラの構成要素（ＣＰＵなど）は、すべてが装置内に一体的に設けられている必要はなく、ＣＰＵなどの一部の構成要素を別の場所（装置外）に配置し、バスで相互に接続する構成としても良い。その際、装置内と装置外とを、有線だけでなく無線で通信するようにしても良い。

　半導体製造プロセスにおいて、プロセスチャンバ７にガスを供給するとき、コントローラは、上流圧力センサ１３などの出力を用いて演算により流量を求めるとともに、絞り部１２を通過する流量が設定流量になるようにコントロール弁１６（具体的には駆動部１５）を制御する。演算により求められた流量を、外部制御装置の表示部において流量出力値として表示してもよい。流量制御は、従来と同様の方法（例えば特許文献１に記載の方法）によって行うことができ、例えば臨界膨張条件（Ｐ₁≧約２×Ｐ₂：アルゴンガスの場合）を満たすときには、流量Ｑ＝Ｋ₁Ｐ₁（Ｋ₁は流体の種類と流体温度に依存する比例係数）の関係にしたがって演算流量を求め、演算流量が設定流量と同じになるようにコントロール弁１６をフィードバック制御すればよい。

　本実施形態における圧力式流量制御装置１０は、混合ガス中における所定ガスの濃度を、コントロール弁１６を開状態から閉状態に変化させときに生じる圧力降下特性に基づいて検出することができる。以下、具体的な濃度検出方法を図３を参照しながら説明する。

　まず、図３のステップＳ１に示すように、濃度検出のフローが開始される。濃度検出は、例えば、コントロール弁１６および開閉弁６が全開にされた状態、すなわち、１００％流量で混合ガスがプロセスチャンバ７に供給されている状態から開始される。このとき、開閉弁６の下流側は、プロセスチャンバ７に接続された真空ポンプ８によって減圧されている。ただし、これに限られず、半導体製造工程の１プロセスが終了したときの任意の流量設定で混合ガスが流れている状態（例えば、６０％流量で混合ガスが流れている状態）から濃度検出のフローを開始してもよい。

　次に、ステップＳ２およびＳ３に示すように、コントロール弁１６を閉じるとともに、上流圧力センサ１３を用いて上流圧力Ｐ₁の降下を測定する。コントロール弁１６を閉じる動作は、例えば、設定流量をゼロに設定する信号を入力することによって行うことができる。

　オリフィス下流側の圧力Ｐ₂は、オリフィス上流側の圧力Ｐ₁よりも低いため、コントロール弁１６を閉じることによって、上流圧力Ｐ₁は降下する。この工程において、開閉弁６は開放状態のまま維持されていてもよいし、閉状態に移行してもよい。開閉弁６を開放状態のままにすれば、上流圧力Ｐ₁の圧力は、プロセスチャンバ７内の圧力に近づくように降下する。一方、コントロール弁１６を閉じると同時に、または、コントロール弁１６を閉じた後に、開閉弁６を閉じた場合、上流圧力Ｐ₁は降下し、下流圧力Ｐ₂は上昇し、いずれもが平衡圧力Ｐ’に近づくように圧力変動が生じる。開閉弁６を閉じる場合、プロセスチャンバへのガス供給を迅速かつ確実に停止することができるという利点が得られる。

　なお、本実施形態では、コントロール弁１６を閉じることによって生じる上流圧力Ｐ₁の降下を測定しているが、これに限られない。コントロール弁１６の上流側に設けられた開閉弁（図示せず）などを閉じることによって圧力降下を生じさせてもよい。本明細書では、絞り部１２の上流側に設けられた任意の流路遮断機構を上流弁（コントロール弁１６を含む）と称することがある。

　圧力降下特性は、例えば、時間に対する上流圧力の圧力降下を示す圧力降下曲線によって規定することができる。この圧力降下曲線を得るために、上流圧力センサ１３を用いて、所定のサンプリングレートで、ステップＳ４に示すように圧力降下特性が検出されるまで、上流圧力Ｐ₁を測定すればよい。

　ここで、圧力降下特性は、臨界膨張条件を満たす期間において検出されたものであることが好ましい。このために、下流圧力センサを用いて下流圧力Ｐ₂を測定するとともに、圧力降下特性を得るために測定した上流圧力Ｐ₁が、臨界膨張条件を満足しているときに得られたものであるか否かを判別するようにしてもよい。また、臨界膨張条件を満たす上流圧力の範囲が予め推測できている場合は、設定された圧力範囲内の上流圧力のみを圧力降下特性の検出に利用するようにしてもよい。

　臨界膨張条件を満たすことができる最小の圧力比Ｐ₁／Ｐ₂は、ガス種によって異なる。例えば、アルゴンガスの場合は２．０５であるが、水素では１．９０、窒素では１．８９というように、ガス種それぞれに決まった値がある。また、臨界膨張条件は、上流ガス温度によっても変化する。このため、コントローラは、ガスの種類および上流ガス温度のうちの少なくともいずれかに基づいて、臨界膨張条件下であるか否かを判別するための条件式を決定するように構成されていてもよい。

　次に、ステップＳ４において、所定の圧力降下特性が検出できたときには、ステップＳ５において、測定された圧力降下の特性と、予めコントローラの記憶装置（メモリＭ）に格納しておいた基準圧力降下特性とを比較する。

　ここで、基準圧力降下特性は、混合ガス中の所定ガス（濃度検出を行う対象のガス）が所定濃度のときに検出された圧力降下特性であって、所定濃度（例えば２０％）と関連付けて基準圧力降下特性として記憶装置に格納されたものである。基準圧力降下特性は、例えば、濃度が安定していることが確認できている状態で予め測定により得られたものであってよい。ただし、基準圧力降下特性はこれに限られず、前回測定の圧力降下特性や、測定によらない所定の圧力降下特性であってもよい。

　測定した圧力降下特性と、記憶装置から読み出した基準圧力降下特性との比較は、種々の態様で行われてよい。圧力降下特性は、例えば、コントロール弁を閉に変化させた後、上流圧力センサが示す圧力Ｐ₁が所定圧力まで降下するのに要する時間によって規定されていてもよい。この場合、基準圧力降下特性も同様の所定圧力まで降下するのに要する時間として記録されており、これらの時間を比較することによって、所定濃度からの濃度の変動を検出することができる。あるいは、圧力降下特性は、コントロール弁を閉に変化させた後、所定時間経過後に到達した圧力によって規定されていてもよく、この場合、基準圧力降下特性も到達圧力として記録されており、これらを比較することによって所定濃度からの変動を検出することができる。

　また、圧力降下特性を用いた濃度検出は、サンプリングによって得られた複数の圧力降下データと、それぞれのデータに対応するように予め記憶された複数の基準圧力降下データとの比較によって行われてもよい。

　例えば、圧力降下データＰ（ｔ）を初期圧力Ｐ０で除算して対数を取った値ｌｎ（Ｐ（ｔ）／Ｐ０）は、ｌｎ（Ｐ（ｔ）／Ｐ０）＝ＳＣ（ＲＴ）^1/2／Ｖ・ｔと表すことができる。ここで、Ｓは開口断面積、Ｃはガスの定数を示す項、Ｒはガス定数、Ｔは上流ガス温度、Ｖは制御弁－絞り部間の流路容積である。ここで、Ｃ、Ｒ、Ｔ、Ｖを時間によらない定数であると仮定すると、ｌｎ（Ｐ（ｔ）／Ｐ０）＝－αｔ（αは定数）と表すことができるので、ｌｎ（Ｐ（ｔ）／Ｐ０）は、時間ｔに対する一次関数として規定することができる。このため、測定により得られたｌｎ（Ｐ（ｔ）／Ｐ０）に基づいて決定される近似直線（例えば、臨界膨張条件を満たすと判断されたサンプルデータの全てまたは一部を用い、最小二乗法によって求められる近似直線）の傾きαを、基準圧力降下データとして予めメモリＭに格納しておいた基準傾きα₀と比較し、その結果に基づいて濃度変化を検出することもできる。

　混合ガス中の所定ガスの濃度が変化すると、上記式におけるＣおよびＲは変化する。これにより、ｌｎ（Ｐ（ｔ）／Ｐ０）および傾きαが、濃度変化に応じて変化することになる。このため、これらを基準値と比較することによって濃度変化を検出することが可能である。

　このようにして基準圧力降下特性との比較のもと、ステップＳ６に示すように、比較結果が閾値以上であるときには、ステップＳ７に示すように濃度変化を検出することができる。また、変化後の濃度を、基準圧力降下特性に対する測定圧力降下特性の変動の大きさに基づいて検出することができる。これは、混合ガス中における所定ガスの濃度の変化の大きさが、圧力式流量制御装置における圧力降下特性の変化の大きさに反映されるという本発明者の知見に基づいて実現された方法である。図６を用いて後述するが、混合ガス中の原料ガスの濃度と圧力降下特性とは所定の関係性を有しており、したがって、検出された圧力降下特性から原料ガスの濃度を推定することが可能である。

　また、ステップＳ６において、比較結果が閾値未満であることが判別されたときには、ステップＳ８に示すように有意な濃度変化は生じておらず、基準圧力降下特性に関連付けられた所定濃度が維持されていると判断することができる。

　なお、コントローラは、半導体製造装置のプロセス終了時（プロセスチャンバへのガス供給停止時）やメンテナンスモードにおいて、自己診断機能を実行することができるように構成されている。自己診断の方法としては、コントロール弁を開状態から閉状態に変化させたときの圧力降下特性を用いるものが知られている（例えば、特許文献３）。本実施形態の圧力式流量制御装置１０も、自己診断機能を備えていてよく、この自己診断機能を利用して圧力降下特性を測定し、測定した圧力降下特性を基準圧力降下特性と比較することによって、濃度検出を行うことができる。

　以上に説明した濃度検出方法は、種々の混合ガスについて適用できるが、特にフローファクタが大きく異なる異種のガスを含む混合ガスにおいて好適に実行できる。その理由を以下に説明する。通常、原料ガスと希釈ガスとのフローファクタは異なっている。ここで、フローファクタとは、流体の種類によって異なる、ガス圧力と流れやすさとの関係を示す指標である（例えば、特許文献４）。

　例えば、希釈ガスよりもフローファクタが小さい原料ガスが混合ガスに含まれている場合、原料ガスの濃度が低下すると、圧力降下曲線は下側にずれる（すなわち、圧力降下が生じやすくなる）ことになる。また、原料ガスと希釈ガスとのフローファクタの差が大きい程、原料ガスの濃度変化によって圧力降下曲線が大きく変化するものと考えられる。したがって、フローファクタの差や比率を考慮したうえで、圧力降下曲線の変化量から、濃度変化の変化量について推定することができる。なお、窒素のフローファクタを１としたときの比フローファクタは、例えば、Ａｒ＝約０．８８７、Ｈｅ＝約２．８１、Ｈ₂＝約３．７４、Ｏ₂＝約０．９３５、Ｎ₂Ｏ＝約０．７６５、ＮＨ₃＝１．２３６であり、ガスの種類によって様々な値を取る。

　以下、混合ガス中における原料ガス濃度と圧力降下特性との関係の具体例を説明する。

　図４および図５は、混合ガス中の原料ガスの濃度に応じて生じる圧力降下特性の違いを示すグラフである。図４は、流量レンジが比較的小流量（Ｆ１６０）の場合を示し、図５は、流量レンジが比較的大流量（Ｆ３００）の場合を示す。図４および図５に示すそれぞれのグラフにおいて、ヘリウム１００％（Ｈｅ）、ヘリウムと酸素の混合ガス中Ｏ₂濃度１０％（１０％Ｏ₂／Ｈｅ）、ヘリウムと酸素の混合ガス中Ｏ₂濃度２０％（２０％Ｏ₂／Ｈｅ）、ヘリウムと酸素の混合ガス中Ｏ₂濃度３０％（３０％Ｏ₂／Ｈｅ）、酸素１００％（Ｏ₂）のときの圧力降下特性を示している。なお、横軸は、上流弁を閉じてからの経過時間を示し、縦軸は、上流弁を閉じたとき（時間０）の上流圧力（初期圧力）を１００％としたときの相対的な上流圧力を圧力降下率（％）として示している。

　図４および図５からわかるように、ヘリウム－酸素混合ガス中の酸素濃度の低下に伴って、圧力降下特性が変化し、酸素濃度が低くなるほど時間当たりの圧力降下が大きくなることが分かる。したがって、圧力降下特性（例えば、圧力降下率７０％に達するまでの時間）を測定することによって、混合ガス中の酸素濃度の変化や、推定される濃度を得ることができる。また、図４および図５に示す結果から、ヘリウム－酸素混合ガス中の酸素濃度が低下するにしたがってガスがオリフィスを流れやすくなっており、フローファクタが大きくなっていることがわかる。

　図６は、ヘリウムガスに混合させた酸素ガスの濃度に対応づけられる流量相対差（横軸）と圧力降下特性値（縦軸）との関係を示すグラフを示す。このグラフにおいて、酸素濃度０％すなわちヘリウム１００％のときの場合を原点Ａ（０、０）とし、酸素濃度１０％の場合を点Ｂ、酸素濃度２０％の場合を点Ｃ、酸素濃度３０％の場合を点Ｄ、酸素濃度１００％の場合を点Ｅで示している。

　図６のグラフにおいて、横軸は、臨界膨張条件下の定常状態流量で混合ガス中の酸素ガスの濃度が変化したときの、ヘリウム１００％に対する流量相対差を示している。

　より具体的には、横軸は、ヘリウム１００％のフローファクタ（対Ｎ₂）＝約２．８１と、酸素１００％のときのフローファクタ（対Ｎ₂）＝約０．９４との基づいて各酸素濃度（１０％、２０％、３０％）でのフローファクタを求めるとともに、ヘリウム１００％のフローファクタ（約２．８１）に対する比率として示したものである。横軸において、原点Ａで酸素濃度０％（ヘリウム１００％）であり、流量相対差が小さくなるほど（すなわち、横軸の左側に進むほどに）、酸素濃度が大きくなり、フローファクタが低下する。点Ｅの酸素濃度１００％では、流量相対差は（１－０．９４／２．８１）＝約－６６．７％となっている。

　また、縦軸は、原点Ａのときの圧力降下特性値を基準としたときの、酸素濃度が異なる各点における圧力特性値を示している。より具体的には、図４および図５に示した各酸素濃度での圧力降下特性と、基準となるヘリウム１００％での圧力降下特性との差の大きさを示している。圧力降下特性値Ａは、本実施形態では、下記の式（１）によって与えられる。

　ここで、Ｔ’、Ｐ’_t、Ｐ’₀は、各酸素濃度で圧力降下特性を測定したときの温度、圧力降下データ、初期圧力であり、Ｔ、Ｐ_t、Ｐ₀は、基準となるヘリウム１００％のときの温度、圧力降下データ、初期圧力である。式（１）からわかるように、本実施形態において、図６に示した圧力降下特性値は、基準となるヘリウムヘリウム１００％のときの上流圧力サンプリングデータと、各酸素濃度における上流圧力サンプリングデータ（図４および図５参照）とを用いて求められている。なお、図６では、規格化により圧力降下特性値を流量相対差に併せて％で示している。

　そして、図６からわかるように、ガス所定濃度（ここでは酸素濃度０％）の時の圧力降下特性値を基準とすると、流量相対差と圧力降下特性値とは線形性の関係を有している。このため、これらの関係を示す直線式を予め求めておけば、未知濃度の酸素を含む混合ガスであっても、測定により得られた圧力降下特性値から流量相対差ひいては酸素濃度を推定することが可能である。

　次に、混合ガス中の所定ガスの濃度を検出するために圧力降下特性データを測定する際に、流量自己診断測定における圧力降下特性データを用いる場合について説明する。

　上述したように、圧力式流量制御装置には流量自己診断機能を備えているものがあり、通常、オリフィスの詰まりなどを検出するために、初期設定時の正常状態が確認されている状態において基準となる圧力降下特性が測定され、その後に測定した圧力降下特性と比較される。このときの初期設定時の測定をヘリウムガスで行っておくとともに、各濃度比のヘリウム／酸素混合ガスにて流量自己診断を実施することにより、流量自己診断結果を用いて濃度検出を行い得る。また、ガスＡとガスＢが異なるガスである場合、流量自己診断初期設定をガスＢで行い、ガスＡで流量自己診断を実施したときには、流量自己診断時のガスＢ基準に対する診断時のガスAの流量相対差は、流量自己診断結果の基準値からの相対差に－1をかけたものと一致することが本発明者によってわかった。このため、異なるガス種の流量自己診断時の基準圧力降下データ（例えば、初期設定時の窒素ガスでのデータ）を用いても、ヘリウムガスの圧力降下データを求めることができる。そして、酸素濃度が異なる混合ガスについても、ヘリウムガスの圧力降下データを基準データとして用いてこれと比較することによって濃度検出を行い得る。

　本発明の実施形態にかかる濃度検出方法は、半導体製造装置などに用いられる混合ガス供給ラインに組み込まれた圧力式流量制御装置を用いて、混合ガス中の所定ガスの濃度の変化を検出するために好適に用いられる。

１　混合ガス供給系
２　希釈ガス供給源
３　流量制御バルブ
４　原料ガス供給源
５　混合ガス導入部
６　開閉弁
７　プロセスチャンバ
８　真空ポンプ
１０　圧力式流量制御装置
１１　流路
１２　絞り部
１３　上流圧力センサ
１４　温度センサ
１５　駆動部
１６　コントロール弁
１７　制御基板

Claims

　混合ガスに含まれる所定ガスの濃度検出方法であって、
　絞り部と、前記絞り部の上流側に設けられた上流弁と、前記絞り部と前記上流弁との間の圧力を測定する圧力センサとを備える圧力式流量制御装置において、前記絞り部の下流側の圧力が前記絞り部の上流側の圧力よりも低い状態で前記上流弁の上流側から前記混合ガスを流す工程と、
　前記上流弁を開から閉に変化させた後に生じる圧力降下特性を前記圧力センサによって検出する工程と、
　前記圧力降下特性に基づいて前記混合ガス中の前記所定ガスの濃度を検出する工程と
　を包含する、濃度検出方法。
　前記所定ガスの濃度を検出する工程は、
　前記所定ガスが所定濃度のときに検出された前記圧力降下特性を前記所定濃度と関連付けて基準圧力降下特性として記憶装置に格納する工程と、
　検出した前記圧力降下特性と、前記記憶装置に格納された前記基準圧力降下特性とを比較することによって前記所定ガスの濃度を検出する工程とを包含する、請求項１に記載の濃度検出方法。
　前記圧力降下特性は、前記上流弁を閉に変化させた後、前記圧力センサが示す圧力が所定圧力まで降下するのに要する時間によって規定される、請求項１または２に記載の濃度検出方法。
　前記圧力降下特性は、前記上流弁を閉に変化させた後、所定時間経過後に到達した圧力によって規定される、請求項１または２に記載の濃度検出方法。
　前記圧力降下特性は、臨界膨張条件を満足する条件下において検出される、請求項１から４のいずれかに記載の濃度検出方法。
　前記混合ガスは、希釈ガスと、原料ガスとを含み、前記所定ガスとして前記原料ガスの濃度を検出する、請求項１から５のいずれかに記載の濃度検出方法。
　前記上流弁は、前記混合ガスの流量を調整するためのコントロール弁である、請求項１から６のいずれかに記載の濃度検出方法。
　絞り部と、前記絞り部の上流側に設けられた上流弁と、前記絞り部と前記上流弁との間のガス圧力を測定する圧力センサと、前記圧力センサの出力を受け取るコントローラとを備え、前記上流弁の上流側から混合ガスが流れるように構成された圧力式流量制御装置であって、
　前記コントローラは、前記圧力センサの出力から、前記上流弁を開から閉に変化させた後に生じる圧力降下特性を判別し、前記圧力降下特性に基づいて前記混合ガス中の所定ガスの濃度を検出する、圧力式流量制御装置。