半導体製造装置等では、一般に一基の流体� ��給装置(以下、ガスボックスと呼ぶ)から多� �類のガスがガス使用箇所へ流量制御しつつ� �替え供給されている。例えば、所謂エッチ� �ーに於いては、図4に示すように一基のガス� ��ックスGXから16基の流量制御装置A ₁ ~A ₁₆ を通して夫々流量の異なる各種の処理用ガス がエッチャー(以下プロセスチャンバーと呼� �)Cへ供給されている。尚、図4に於いて、S ₁ ~S ₁₆ はガス源、A ₁ ~A ₁₆ は圧力式流量制御装置、Ar~O ₂ はガス種、1600SCCM~50SCCMは圧力式流量制御装置 の標準状態に換算したN ₂ ガスの最大流量である。

 而して、図4に示した従前のエッチャーCへ� �流体供給設備GXでは16基の圧力式流量制御装� ��A ₁ ~A ₁₆ を設け、夫々異なる流量及びガス種のガス供 給ラインL ₁ ~L ₁₆ を通して、所望流量のガスを所定のタイミン グで切替え供給するようにしている。

 また、各ガス供給ラインL ₁ ~L ₁₆ の中には、同種ガスの供給ラインが複数存在 しており、且つその中には、同時にガス供給 が行われることのないガス供給ラインが存在 する。例えば、ガス源S ₁₀ からのO ₂ (100SCCM)とガス源S ₁₁ からのO ₂ (2000SCCM)とは、同時にプロセスチャンバーCへ� ��給されることが無いものである。尚、ガス� ��S ₁₆ からのO ₂ (50SCCM)は前記ガス源S ₁₀ 又はガス源S ₁₁ のO ₂ と同時に供給される場合がある。

 上述のように、ガス源S ₁₀ のO ₂ 供給ラインL ₁₀ とガス源S ₁₁ のO ₂ 供給ラインL ₁₁ は同時供給を行わないラインであるから、も しも圧力流量制御装置A ₁₀ 及び圧力流量制御装置A ₁₁ の流量制御精度が必要な精度を保持するもの であれば、両ガス供給ラインL ₁₀ 、L ₁₁ を一基の圧力式流量制御装置を用いた一つの O ₂ 供給ラインに置き替えすることができる。

 一方、圧力式流量制御装置は、図5(a)及び(b) の如き回路構成を有するものであり、前者の 圧力式流量制御装置は、オリフィス上流側気 体圧力P ₁ とオリフィス下流側気体圧力P ₂ との比P ₂ /P ₁ が流体の臨界値に等しいか、若しくはこれよ り低い場合(所謂気体の流れが常に臨界状態� �にあるとき)に主として用いられるものであ� ��、オリフィス8を流通する気体流量Qcは、Qc=K P ₁ (但し、Kは比例定数)で与えられる。また、後 者の圧力式流量制御装置は、臨界状態と非臨 界状態の両方の流れ状態となる気体の流量制 御に主として用いられるものであり、オリフ ィス8を流れる気体の流量は、Qc=KP ₂ ^m (P ₁ -P ₂ ) ⁿ (Kは比例定数、mとnは定数)として与えられる� ��

 尚、図5に於いて、2はコントロール弁、3は� ��リフィス上流側配管、4は弁駆動部、5はオ� �フィス下流側配管、6、27は圧力検出器、7は� ��度検出器、8はオリフィス、9はバルブ、13、 31は流量演算回路、14は流量設定回路、16は演 算制御回路、12は流量出力回路、10、11、22、2 8は増幅器、15は流量変換回路、17、18、29はA/D 変換器、19は温度補正回路、20、30は演算回路 、21は比較回路、Qcは演算流量信号、Qeは流量 設定信号、Qoは流量出力信号、Qyは流量制御� �号、P ₁ はオリフィス上流側気体圧力、P ₂ オリフィス下流側気体圧力、kは流量変換率� �ある。

 流量設定は、流量設定信号Qeとして電圧値� �与えられ、通常は上流側圧力P ₁ の圧力制御範囲0~3(kgf/cm ²  abs)が電圧範囲0~5Vで表示され、Qe=5V(フルスケ� ��ル値)は、3(kgf/cm ²  abs)の圧力P ₁ における流量Qc=KP ₁ に相当するフルスケール流量となる。
 例えば、いま流量変換回路15の変換率kが1に 設定されていると、流量設定信号Qe=5Vの入力� ��より、演算流量信号Qcは5Vとなり、上流側圧 力P ₁ が3(kgf/cm ²  abs)になるまでコントロール弁2が開閉操作さ� ��、P ₁ =3(kgf/cm ²  abs)に対応する流量Qc=KP ₁ のガスがオリフィス8を流通する。

 また、制御すべき圧力範囲を0~2(kgf/cm ²  abs)に切替え、この圧力範囲を0~5(V)の流量設� �信号Qeで表示する場合(即ち、フルスケール� �5Vが2(kgf/cm ²  abs)を与える場合)には、前記流量変換率kは2/3 に設定される。
 その結果、流量設定信号Qe=5(V)が入力される と、Qf=kQcから、切替演算流量信号QfはQf=5×2/3( V)となり、上流側圧力P ₁ が3×2/3=2(kgf/cm ²  abs)になるまで、コントロール弁2が開閉操作� ��れる。
 即ち、Qe=5Vが、P ₁ =2(kgf/cm ²  abs)に相当する流量Qc=KP ₁ を表すようにフルスケールの流量が変換され る。

 臨界状態下においては、オリフィス8を流通 する気体流量Qcは、前記Qc=KP ₁ で与えられるが、流量制御すべきガス種が変 れば、同一オリフィス8であっても比例定数K� ��変化する。尚、このことは、図5(b)の圧力式 流量制御装置においても同様であり、オリフ ィス8が同一であってもガス種が変われば比� �定数Kが変化する。

 当該圧力式流量制御装置は、構造の簡素で� ��るだけでなく、応答性や制御精度、制御の� ��定性、製造コスト、メンテナンス性等の点� ��も優れた特性を具備している。
 しかし、図5(a)の圧力式流量制御装置におい ては、臨界条件下で流量QcをQc=KP ₁ として演算するため、オリフィス二次側圧力 P ₂ が上昇するにつれて、流量制御範囲が斬次狭 くなる。何故ならオリフィス一次側圧力P ₁ は流量設定値に従って一定圧力値に制御され ているため、P ₂ /P ₁ が臨界膨張条件を満たしている状態の下でオ リフィス二次側圧力P ₂ が上昇すると、必然的にオリフィス一次側圧 力P ₁ の調整範囲、即ちP ₁ による流量Qcの制御範囲が狭くなるからであ� ��。そのため、流体の制御流量が減少して前� ��臨界条件を外れると、流量制御精度が大幅� ��低下することになる。
 同様に、図5(b)の圧力式流量制御装置にあっ ても、定数m、nを適宜に選定することにより� ��算流量値が実測流量値に近づくように補正� ��れているものの、流体の制御流量が減少す� ��と流量制御精度の低下が不可避となる。

 具体的には、臨界条件下で流体の流量制� ��を行う図5(a)の圧力式流量制御装置にあって は、現在の流量制御精度、即ち流量制御誤差 の限界は±1.0%S.P.以内(設定信号が10~100%の範囲 内に於いて)及び±0.1%F.S.以内(設定信号が1~10%� ��範囲内に於いて)である。尚、±1.0%S.P.はセ� �トポイント流量に対するパーセント誤差を� �また、±0.1%F.S.はフルスケール流量に対する� ��ーセント誤差を、夫々示すものである。

 一方、半導体製造装置用の圧力式流量制� ��装置は、高い流量制御精度のみならず広い� ��量制御範囲を必要とされる。そのため、要� ��される流量制御範囲が広いときには流量制� ��域を複数域に分割し、各分割域を分担する� ��大流量の異なる圧力式流量制御装置を夫々� ��けるようにしている。

 しかし、複数基の流量制御装置を設ける場� ��には、必然的に装置の大型化や高コスト化� ��招き、様々な不都合を生ずることになる。
 そのため、本願発明者は先に図6のような1� �の圧力式流量制御装置により広い流量域の� �量制御を比較的高精度で行えるようにした� �量切替型の圧力式流量制御装置を開発し、� �れを公開している。

 当該流量切替型圧力式流量制御装置は、図6 に示すように切替バルブ34と切替用電磁弁32� �小流量用オリフィス8aと大流量用オリフィス 8cとを組み合せ、例えば、最大流量2000SCCMの� �量制御を行う場合には、小流量用オリフィ� �8aにより200SCCMまでの流量を、また大流量用� �リフィス8cにより200から2000SCCMまでの流量を� ��々流量制御するものである。
 具体的には、200SCCMまでの小流量を制御する 場合には切替弁34を閉の状態に保持し、小流� ��オリフィス8aを流通する流体流量QsをQs=KsP ₁ (但し、Ksはオリフィス8aに固有の定数)として 流量制御する。流量特性曲線は図7の特性Sで� ��される。
 また、流量2000SCCM以下の流体を制御する場� �には、切替用電磁弁32を介して切替バルブ34� ��開放する。これにより、流体は管路5a・切� �弁34・大流量オリフィス8c及び小流量オリフ� ��ス8a・管路5gを通して管路5へ流入する。こ� �場合、管路5へ流入する流体流量は、大流量� ��リフィス8cによる制御流量Q _C =K _C P ₁ (但し、Kcは大流量オリフィス8cに固有の定数) と小流量オリフィス8aによる制御流量Q _S =K _S P ₁ (但しK _S は小流量オリフィス8aに固有の定数)との和と なり、その流量特性曲線は図7の曲線Lで示さ� ��たものとなる。

 前記両流量特性S、Lの制御流量域の関係� �図示すれば図8の(a)のようになり、前述のよ� ��に設定信号が10~100%のときに(即ち、小流量� �性Sで制御中の場合には,流量が20~200SCCMのと� �に)流量制御誤差を±1.0%S.P.以内とするために は、最小流量制御値が20SCCMとなる。

 一方、前記図4のガス源S ₁₀ (100SCCM)及びガス源S ₁₁ (2000SCCM)のガス流路を1台の切替型圧力式流量� ��御装置を用いて流量を切替制御する場合に� ��図8の(a)の如き連続式レンジの流量制御とし た場合には、流量制御誤差を±1.0%S.P.以内に� �持するためには20SCCM以上(設定信号10%以上)の 制御流量を必要とすることになる。そのため 、ガス源S ₁₀ からのO ₂ 供給流量が最大流量100SCCMの場合には、図8の( a)の如き連続式レンジの流量制御では流量の� ��制御範囲が最大で20SCCMにまで達することに� ��り、小流量域に於ける流量制御精度が極端� ��低下することとなる。

 また、流量制御精度を高めようとすれば� ��図8(b)に示すように切替段数を3段(例えば、2 0SCCMと200SCCMと2000SCCMの3流量領域)として、未� �量制御範囲を2SCCM以下(即ち、20SCCM×10%)とす� �ことも可能である。しかし、この場合には� �用するオリフィス8が3種類となって切替型圧 力式流量制御装置の構造が複雑化し、その製 造コストや維持管理費が増大すると云う難点 がある。

特開2003-195948号公報

特開2004-199109号公報

特開2007-4644号公報