JP2008170410A - 質量流量制御装置、その検定方法及び半導体製造装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】流路6の最上流に設けられた検定用バルブ42と、質量流量制御バルブ機構10と、質量流量制御バルブ機構10より上流側の流路6に設けられたタンク44と、質量流量検出手段8と、圧力検出手段46と、質量流量制御バルブ機構10を制御する手段18と、質量流量検定制御手段48とを有する質量流量制御装置を検定する方法であって、(1) 流路6に設定質量流量の流体を流し、(2) 流体の質量流量が設定質量流量と一致するように質量流量制御バルブ機構10の開度を保持し、(3) 検定用バルブ42を閉じ、(4) タンク44から流出する流体の流れが安定化した後で流体の圧力及び質量流量を測定し、(5) 初期状態において同じ手順で測定しておいた基準の圧力及び質量流量に対する圧力及び質量流量の変化率を求め、(6) 変化率に応じて検定を行う方法。
【選択図】図1
Description
前記流路の最上流に設けられ、前記流路を開閉する検定用バルブと、
前記流体の質量流量が設定質量流量と一致するように開度を変える質量流量制御バルブ機構と、
前記質量流量制御バルブ機構より上流側の流路に設けられたタンクと、
前記流体の質量流量を検出して質量流量信号を出力する手段と、
前記流体の圧力を検出して圧力信号を出力する手段と、
前記検定用バルブ、前記タンク、前記質量流量検出手段及び前記圧力検出手段を用いて質量流量検定を行う検定制御手段と
を有することを特徴とする質量流量制御装置。
H=[1−(Af/Ai)]×100 (%)・・・(1)
(ただし、Afは前記圧力の低下量と前記タンクの容積との積と、前記質量流量の積算値との比又は差により表される検定用比較値であり、Aiは基準の圧力及び質量流量から同様に求めた基準比較値である。)により表される。
本発明の質量流量制御装置及びその検定方法を添付図面を参照して以下詳細に説明する。図1は本発明の質量流量制御装置40の一例を示し、図2は質量流量制御装置40の内部構造を示す。なお図13及び図14に示すのと同じ部品には同じ符号を付し、それらの説明を省略する。勿論、同じ部品を使用するのは必須ではない。本発明の質量流量制御装置40は液体及びガスのいずれの流体に対しても用いることができるが、ガス(例えばN2ガス)に用いる場合を例にとって説明する。従って、この説明はそのまま液体の場合にも適用できる。
図3は、検定用バルブ42を閉じた後の質量流量及び圧力の時間的変化を示す。一定流量のガスを流している状態で、バルブ10の開度を固定し、検定用バルブ42を完全に閉じると(時刻Tc)、質量流量検出手段8及び圧力センサ46によりそれぞれ検出される質量流量及び圧力は次第に減少し、最終的に質量流量は零となり、また圧力は下流側のガス管4内の圧力(例えば真空圧又は大気圧)となる。
ΔP×V=ΣR・・・(3)
に示すように、TcからTeまでの圧力低下量ΔPとタンク44の容積Vとの積(ΔP×V)と質量流量の積算値ΣRとは等しい。しかし、質量流量制御装置40に経時変化があると、式(1) が成り立たなくなる。質量流量制御装置40の経時変化の程度が大きくなると、ΔP×VとΣRとの違いも大きくなる。従って、ΔP×VとΣRとの違いを初期状態と経時後とで比較すると、経時変化の程度が分かる。経時変化の程度を定量化するために、ΔP×VとΣRとの比(ΔP×V/ΣR)又は差(ΔP×V−ΣR)により表される比較値Aを用いる。初期状態における比較値AをAiとし、経時後の比較値AをAfとすると、Aiに対するAfの変化率Hは経時変化による質量流量の変化率を表す。例えば変化率Hが+2%であれば、設定質量流量が90%であるとしても実際に質量流量制御バルブ20を流れるガスの流量は90%×1.02=91.8%となる。従って、質量流量信号Sg1を90/91.8 = 1/1.02倍に校正すれば、実際に質量流量制御バルブ20を流れるガスの流量は90%となる。このように変化率Hの分だけ質量流量信号Sg1を変えれば、実際に質量流量制御バルブ20を流れるガスの流量を設定通りにすることができる。質量流量検出手段8のセンサ回路16に校正信号Sg10を出力し、センサ回路16から出力される質量流量信号Sg1を校正する。このように、ΔP×V及びΣRから求めた比較値の変化率Hにより質量流量制御装置40の校正を行うことができる。
(1) 基準データ取得ルーチン
図4は質量流量検定モードにおける各信号の時間的変化を示し、図5は基準データ取得ルーチンの工程を示す。まず検定用バルブ42を開き(工程S1)、タンク44内にガスを充満させる。ガス管4の下流側は真空引きしても良い。時刻T1で設定質量流量信号Sg0を外部のホストコンピュータ又は検定制御手段48から質量流量制御手段18に送る(工程S2)。設定質量流量信号Sg0は例えば0〜5 Vの範囲で調節可能であるので、全範囲で検定を行う必要がある。このため、例えば100%(フルスケール、5 V)から最少値(例えば10%)まで10%ずつ低減した設定質量流量信号Sg0を質量流量制御手段18に送る。質量流量制御バルブ20の開度は、質量流量信号Sg1と設定質量流量信号Sg0とが一致するように、例えばPID制御法により制御する。
質量流量制御装置40の経時変化を調べるために、装置40をクリーンルームの半導体製造装置等のガス供給ラインに組み込んだまま検定ルーチンを定期的又は不定期的に行う。図6は第一の検定ルーチンを示し、図7は検定ルーチンにおける検定工程を示す。第一の検定ルーチンにおける工程S21〜S31は、図5に示す基準データ取得ルーチンの工程S1〜S11と基本的に同じである。従って、検定ルーチンにおける各信号の変化も図4に示す通りである。基準データ取得ルーチンと同様に、設定質量流量信号Sg0をフルスケール(100%)から10%ずつ10%まで低減させて、検定ルーチンを行う。
H=[1−(Af/Ai)]×100 (%)・・・(4)
H=[1−(Af/Ai)×(273.15+Ti)/(273.15+Tf)]×100 (%)・・・(5)
(ただし、Tiは図5に示す工程S5で求めたタンク44内の初期温度であり、Tfは図6に示す工程S25で求めたタンク44内の検定時の温度である。)
(a) 比較値AがΔP×VとΣRの比の場合
ΔA=(ΔPn×V/ΣRn−ΔPn+1×V/ΣRn+1)/(ΔPn×V/ΣRn)
=(ΔPn/ΣRn−ΔPn+1/ΣRn+1)/(ΔPn/ΣRn)・・・(6)
(b) 比較値AがΔP×VとΣRの差の場合
ΔA=[(ΔPn×V−ΣRn)−(ΔPn+1×V−ΣRn+1)]/(ΔPn×V−ΣRn)・・・(7)
ΔH=(Hn−Hn-1)/Hn・・・(8)
により表される。
10〜5000 SCCM(大気圧における1分当たりの流量)の範囲内で異なる流量範囲を有する10台の本発明の質量流量制御装置MFCに対して、下記の検定評価を行った。結果を表1に示す。No.8のMFCは、流量範囲を2つに分けた。
流路6を流れるガスの圧力を0.2 MPaとした初期状態で、図5に示す基準データ取得ルーチンにより基準比較値Ai(=ΔPi×V/ΣRi)を求めた。その後直ちに、初期状態と同じガス圧で同じ検定工程を2回行い、検定用比較値Af1(=ΔPf1×V/ΣRf1),Af2(=ΔPf2×V/ΣRf2)を求めた。基準比較値Ai及び検定用比較値Af1,Af2から、2つの変化率H1, H2を得た。変化率H1,H2の差(|H1−H2|)の大小は質量流量の測定値のバラツキの大小に対応する。従って、|H1−H2|により一定圧力での繰り返し性(設定質量流量に対する誤差の大きさ)を評価した。
流路6を流れるガスの圧力を初期状態の0.2 MPaから、検定工程で0.25 MPa(+0.05 MPa)に変えた以外上記(a) と同じ方法により、2つの変化率H1, H2を得た。|H1−H2|により異なる圧力での繰り返し性を評価した。
第一の検定方法では設定質量流量が下限か否かの判定工程S30を検定工程S32の前に行い、異なる設定質量流量で取った基準データ及び検定用データをメモリに記憶しておいたが、図10に示すように、設定質量流量ごとに検定(工程S30)を行っても良い。この場合、基準データ取得ルーチンも図10に示すように変える。
基準圧力データ及び基準質量流量データの取得と同時に基準比較値Aiを算出して基準データメモリ52Aに記憶し、検定用の圧力データ及び質量流量データを取得したときごとに検定用比較値Afを算出しても良い。この場合、基準比較値Ai及び検定用比較値Afはサンプリング回数ごとに変化するので、比較値の変化率によりガス流の安定化を判定しても良い。
質量流量制御装置の検定に当たり、検定用バルブ42及び零点測定用バルブ36に漏れのないことが必要である。検定用バルブ42に漏れがあると、圧力低下量ΔPが不正確となる。また零点測定用バルブ36に漏れがあると、質量流量検出手段8の零点補正が不正確となる。そのため、零点補正及び検定の前に、検定用バルブ42及び零点測定用バルブ36の漏れを検査する。
本発明の流量検定機能付質量流量制御装置を搭載した半導体製造装置の一例を図12に示す。プロセスガス源L1及びL2から出たプロセスガスは、圧力制御装置R1及びR2で適度な圧力に調整され、開閉バルブV1及びV4を経て流量検定機能付質量流量制御装置40-1及び40-2に入り、流量を制御した後開閉バルブV2、V5及びV10を経て処理室Dに入る。処理室Dの出口は開閉バルブV12を経て排気装置Pに連結している。プロセスガスの置換や流量検定に利用する不活性ガスは、不活性ガス源L3から出て、圧力制御装置R3で適度な圧力に調整され、開閉バルブV7、V9、V3、V6を経て質量流量制御装置40-1及び40-2に入り、流量を制御した後開閉バルブV8及びV10を経て処理室Dに入る。
6 流路
8 質量流量検出手段
10 質量流量制御バルブ機構
12 バイパス管
14 センサ管
16 センサ回路
18 質量流量制御手段
20 質量流量制御バルブ
28 バルブ駆動回路
36 零点測定用バルブ
40 質量流量制御装置
40A 質量流量制御部
40B 質量流量検定部
42 検定用バルブ
44 タンク
45 温度検出手段
46 圧力検出手段
48 検定制御手段
52A 基準データメモリ
52B 検定用データメモリ
54 表示手段
56 警報手段
Sg0 設定質量流量信号
Sg1 質量流量信号
Sg2 バルブ駆動信号
Sg3 バルブ開閉信号
Sg4 圧力信号
Sg10 校正信号
Claims (15)
- 流体を流す流路を有する質量流量制御装置であって、
前記流路の最上流に設けられ、前記流路を開閉する検定用バルブと、
前記流体の質量流量が設定質量流量と一致するように開度を変える質量流量制御バルブ機構と、
前記質量流量制御バルブ機構より上流側の流路に設けられたタンクと、
前記流体の質量流量を検出して質量流量信号を出力する手段と、
前記流体の圧力を検出して圧力信号を出力する手段と、
前記検定用バルブ、前記タンク、前記質量流量検出手段及び前記圧力検出手段を用いて質量流量検定を行う検定制御手段と
を有することを特徴とする質量流量制御装置。 - 請求項1に記載の質量流量制御装置において、前記検定制御手段は、前記流体の初期状態における圧力及び質量流量を基準圧力及び基準質量流量として記憶する基準データメモリと、経時後の流体の圧力及び質量流量を検定用圧力及び検定用質量流量として記憶する検定用データメモリとを有することを特徴とする質量流量制御装置。
- 請求項2に記載の質量流量制御装置において、前記基準圧力の低下量と前記タンクの容積との積と、前記基準質量流量の積算値との比又は差を基準比較値Aiとし、前記検定用圧力の低下量と前記タンクの容積との積と、前記検定用質量流量の積算値との比又は差を検定用比較値Afとし、Aiに対するAfの変化率Hを予め設定した値と比較することにより、検定を行うことを特徴とする質量流量制御装置。
- 請求項1〜3のいずれかに記載の質量流量制御装置において、前記タンクに温度センサが設けられており、前記タンク内の温度により前記変化率Hを補正することを特徴とする質量流量制御装置。
- 請求項1〜4のいずれかに記載の質量流量制御装置において、前記質量流量検出手段は、前記流路に沿って設けられた2つの抵抗線の電位差より質量流量を検出する機構を有することを特徴とする質量流量制御装置。
- 請求項1〜5のいずれかに記載の質量流量制御装置において、検定結果に基づき前記質量流量信号を校正することを特徴とする質量流量制御装置。
- 請求項1〜6のいずれかに記載の質量流量制御装置において、前記流路の出口に前記流路を開閉する零点測定用バルブが設けられていることを特徴とする質量流量制御装置。
- 流路の最上流に設けられた検定用バルブと、質量流量制御バルブ機構と、前記質量流量制御バルブ機構より上流側の流路に設けられたタンクと、質量流量検出手段と、圧力検出手段と、前記質量流量制御バルブ機構を制御する手段と、質量流量検定制御手段とを有する質量流量制御装置を検定する方法であって、(1) 前記流路に設定質量流量の流体を流し、(2) 前記流体の質量流量が前記設定質量流量と一致するように前記質量流量制御バルブ機構の開度を保持し、(3) 前記検定用バルブを閉じ、(4) 前記タンクから流出する流体の流れが安定化した後で前記流体の圧力及び質量流量を測定し、(5) 初期状態において同じ手順で測定しておいた基準の圧力及び質量流量に対する前記圧力及び質量流量の変化率を求め、(6) 前記変化率に応じて検定を行うことを特徴とする方法。
- 請求項8に記載の質量流量制御装置の検定方法において、前記工程(5) における変化率Hが下記式:
H=[1−(Af/Ai)]×100 (%)
(ただし、Afは前記圧力の低下量と前記タンクの容積との積と、前記質量流量の積算値との比又は差により表される検定用比較値であり、Aiは基準の圧力及び質量流量から同様に求めた基準比較値である。)により表されることを特徴とする方法。 - 請求項9に記載の質量流量制御装置の検定方法において、前記変化率Hを前記流体の温度により補正することを特徴とする方法。
- 請求項8〜10のいずれかに記載の質量流量制御装置の検定方法において、前記流体の流れが安定化したか否かの判定を、前記圧力、前記質量流量、及び前記比較値及びその変化率のいずれかを所定の値と比較することにより行うことを特徴とする方法。
- 請求項8〜11のいずれかに記載の質量流量制御装置の検定方法において、前記流路の出口に前記流路を開閉する零点測定用バルブを設け、検定の前に前記検定用バルブ及び前記零点測定用バルブの漏れを検査することを特徴とする方法。
- 請求項12に記載の質量流量制御装置の検定方法において、前記漏れ検査は、前記検定用バルブを閉じた後、前記検定用バルブと前記零点測定用バルブとの間のガスの圧力が所定の値に降下したときに前記零点測定用バルブを閉じ、前記ガスの圧力変化を監視することにより行い、圧力が上昇した場合には前記検定用バルブの漏れがあると判定し、圧力が下降した場合には前記零点測定用バルブの漏れがあると判定することを特徴とする方法。
- 流路の最上流に設けられた検定用バルブと、質量流量制御バルブ機構と、前記質量流量制御バルブ機構より上流側の流路に設けられたタンクと、質量流量検出手段と、圧力検出手段と、前記質量流量制御バルブ機構を制御する手段と、質量流量検定制御手段とを有する質量流量制御装置を検定する方法であって、(1) 前記流路に設定質量流量の流体を流し、(2) 前記流体の質量流量が前記設定質量流量と一致するように前記質量流量制御バルブ機構の開度を保持し、(3) 前記検定用バルブを閉じ、(4) 前記タンクから流出する流体の流れが安定化した後で前記流体の圧力Pf及び質量流量Rfを測定し、(5) 前記圧力Pfの所定時間における低下量ΔPfと前記タンクの容積Vとの積ΔPf×Vと、前記質量流量の積算値ΣRとの比又は差により表される検定用比較値Afを求め、(6) 初期状態において前記工程(1)〜(4) と同様に測定した基準の圧力Pi及び質量流量Riから、所定時間における圧力低下量ΔPiと前記タンクの容積Vとの積ΔPi×Vと、質量流量積算値ΣRiとの比又は差により表される検定用比較値Aiを求め、(7) H=[1−(Af/Ai)]×100 (%)の式により表される変化率Hに応じて検定を行うことを特徴とする方法。
- 請求項1〜7のいずれかに記載の少なくとも2つの質量流量制御装置と、複数の開閉バルブとを有する半導体製造装置であって、1つの質量流量制御装置の検定中に他の質量流量制御装置が質量流量制御を行えるように、前記開閉バルブが駆動されることを特徴とする半導体製造装置。
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