JP7200166B2

JP7200166B2 - 混合ガス供給装置及び方法

Info

Publication number: JP7200166B2
Application number: JP2020067616A
Authority: JP
Inventors: 直規古村; 淳弘藤井; 元博西野
Original assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Current assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Priority date: 2020-04-03
Filing date: 2020-04-03
Publication date: 2023-01-06
Anticipated expiration: 2040-04-03
Also published as: JP2021159900A

Description

本発明は、混合ガス供給装置及び方法に関し、詳しくは、複数のガスを所定の流量比率で混合して供給する装置及び方法に関する。

半導体製造の分野においては、様々な特殊材料ガスが使用されており、例えば、ウェハー上の結晶をエピタキシャル成長させるために、トリクロロシラン（ＴＣＳ）と水素（Ｈ２）との混合ガスが用いられている。このような混合ガスは、使用量が変動しても混合比率が保たれた状態で製造・供給されることが望ましい。

そのような技術としては、例えば、圧力調整弁と流量調整弁と遮断弁とが設けられた複数のガス供給経路を合流させ、圧力計を備えたバッファータンクにつなぎ、バッファータンク内の圧力に応じて各ガス供給経路の遮断弁を開閉制御する混合ガス供給装置が提案されている（特許文献１参照。）。

また、流量検出手段と圧力調整部とが設けられたメインガス流通路と、流量調整手段が設けられた添加ガス流通路とを接続し、流量計が検出したメインガスの流量に基づいて、添加ガスの流量を流量調整手段が制御し、添加ガスの圧力に応じて圧力調整部がメインガスの圧力を調整する混合ガス供給装置が提案されている（特許文献２参照。）。

特許３８６３６４４号公報特許５５５７８２７号公報

しかしながら、特許文献１に記載された発明では、ガスの流量や圧力を安定させるべく、バッファータンクを設けて蓄圧しており、高圧ガス用設備を用いることなくガス混合をしたいという需要に応えることができていなかった。

また、特許文献２に記載された発明でも、圧力調整部が構成として必須となり、圧力調整部における圧力損失が大きいので、原料となるガスを低圧のまま取り扱うことができなかった。

そこで本発明は、高圧ガス用設備を用いることなく、複数の原料ガスを流量に依らず一定の混合比率を維持して混合でき、混合したガスを低圧のまま消費設備に供給可能な混合ガス供給装置及び方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明の混合ガス供給装置は、複数の原料ガスを所定の割合で混合して供給する混合ガス供給装置であって、複数の原料ガス供給経路と、各原料ガス供給経路から供給される複数の原料ガスを合流させて混合ガスとするガス合流部と、混合ガスを使用先に供給するための混合ガス供給経路と、を備え、前記原料ガス供給経路の一つが複数に分岐され、各分岐経路にそれぞれ流量計測器が設けられ、他の原料ガス供給経路も同様に複数に分岐され、各分岐経路にそれぞれ流量調整器が設けられ、前記流量調整器は、対応する前記流量計測器からの信号を受信可能に構成され、前記流量計測器は、検出した流量に応じて、前記流量計測器の計測可能な流量の上限値で割って得られる流量比を示す信号を対応する前記流量調整器に送信し、前記流量調整器は、前記信号を受信すると、原料ガスの流量を、前記流量調整器の調整可能な流量の上限値に前記流量比を掛けて得られる流量に調整し、前記原料ガス供給経路の一つの分岐経路に設けられた前記流量計測器の検出した流量が、あらかじめ設定された第１流量を上回ると、隣接する分岐経路の原料ガスを流し始め、前記第１流量よりも少ないあらかじめ設定された第２流量を下回ると、隣接する分岐経路の原料ガスの流れを遮断することを特徴としている。

また、上記目的を達成するため、本発明の混合ガス供給方法は、複数の原料ガスを所定の割合で混合して供給する混合ガス供給方法であって、複数の原料ガスを各原料ガス供給経路に供給し、前記原料ガス供給経路の一つを複数に分岐し、各分岐経路にそれぞれ流量計測器を設け、他の原料ガス供給経路も同様に複数に分岐し、各分岐経路にそれぞれ流量調整器を設け、前記流量計測器を介して一の原料ガスを供給し、前記流量計測器によって検出された流量に基づく出力信号を、入力信号として対応する流量調整器で他の原料ガスの流量を調整し、前記原料ガス供給経路の一つの分岐経路に設けられた前記流量計測器の検出した流量が、あらかじめ設定された第１流量を上回ると、隣接する分岐経路の原料ガスを流し始め、前記第１流量よりも少ないあらかじめ設定された第２流量を下回ると、隣接する分岐経路の原料ガスの流れを遮断し、複数の原料ガスを合流させて混合ガスとする
ことを特徴としている。

本発明の第１の混合ガス供給装置によれば、第１原料ガスの流量に対して、第２原料ガスの流量を、流量計測器の計測上限値と、流量調整器の調整上限値とによって決定して混合できるので、複数の原料ガスを流量に依らず一定の混合比率を維持して混合でき、混合したガスを低圧のまま消費設備に供給可能になる。

また、本発明の第２の混合ガス供給装置によれば、１台の流量計測器と流量調整器では供給できない大流量の混合ガスが必要とされる場合に、複数台を多段式に接続することにより、供給することができる。

本発明の第１形態例を示す混合ガス供給装置の系統図である。混合ガス供給装置による各原料ガスの流量と混合比率との関係を示すグラフである。本発明の第２形態例を示す多段式の混合ガス供給装置の系統図である。図３の多段式の混合ガス供給装置において、第１原料ガスの流量増加に伴って各第１ガス分岐経路に流入するガス流量の遷移を示すグラフである。図３の多段式の混合ガス供給装置において、第１原料ガスの流量減少に伴って各第１ガス分岐経路に流入するガス流量の遷移を示すグラフである。他の多段式の混合ガス供給装置において、第１原料ガスの流量増加に伴って各第１ガス分岐経路に流入するガス流量の遷移を示すグラフである。他の多段式の混合ガス供給装置において、第１原料ガスの流量減少に伴って各第１ガス分岐経路に流入するガス流量の遷移を示すグラフである。本発明の変形例を示す混合ガス供給装置の系統図である。

図１は、本発明の第１形態例を示す混合ガス供給装置１１の系統図である。本形態例では、トリクロロシラン（ＴＣＳ）を水素（Ｈ_２）で２０％に希釈した混合ガスを供給する場合に適用される場合について説明する。

混合ガス供給装置１１は、第１原料ガスであるトリクロロシラン（ＴＣＳ）を供給するＴＣＳ供給部１２から延びた第１ガス供給経路１３と、第２原料ガスである水素（Ｈ_２）を供給するＨ２供給部１４から延びた第２ガス供給経路１５と、ＴＣＳとＨ_２とを混合した混合ガスを、混合ガスを使用する消費設備１６に供給する混合ガス供給経路１８とを備えており、第１ガス供給経路１３と第２ガス供給経路１５とは、合流部１７で合流して混合ガス供給経路１８に繋げられている。

ＴＣＳ供給部１２には、供給するＴＣＳを所定の温度に保つ温度調整装置１２ａが取り付けられている。蒸気圧が０．２ＭＰａ以上となると高圧ガス用設備としての取り扱いとなるため、温度調整装置１２ａにより、蒸気圧が０．２ＭＰａ以上となることを防ぐため５３℃を超えないよう、蒸気圧０．１８３ＭＰａとなる５０℃にて温度調整している。

第１ガス供給経路１３には、流量計測器であるマスフローメータ１９（ＭＦＭ）と、ガス流を遮断可能な第１遮断弁２０とが設けられており、第２ガス供給経路１５には、流量調整器であるマスフローコントローラ２１（ＭＦＣ）と、ガス流を遮断可能な第２遮断弁２２とが設けられている。

合流部１７と、マスフローメータ１９と、第１遮断弁２０と、マスフローコントローラ２１と、第２遮断弁２２とは、それぞれ、恒温槽２３の内部に配置されて、内部のガス温度を一定に保つように構成されている。

マスフローメータ１９は、フルスケールと称される計測可能な流量の上限値（計測上限値）Ｈｍと、計測精度が保証される流量の下限値（計測下限値）Ｌｍとが、あらかじめ定まっている。本形態例では、５０Ｌ／ｍｉｎが計測上限値Ｈｍとなるマスフローメータ１９を採用しており、計測下限値Ｌｍは、一般的な機種であれば、計測上限値Ｈｍの２％程度、高精度な機種であっても０．５％程度である。

同様に、マスフローコントローラ２１についても、フルスケールと称される調整可能な流量の上限値（調整上限値）Ｈｃと、調整精度が保証される流量の下限値（調整下限値）Ｌｃとが、あらかじめ定まっている。本形態例では、ＴＣＳを２０％に希釈することから、２００Ｌ／ｍｉｎが調整上限値Ｈｃとなるマスフローコントローラ２１を採用している。調整下限値Ｌｃもマスフローメータ１９と同様に、一般的な機種であれば、調整上限値Ｈｃの２％程度、高精度な機種であっても０．５％程度となる。

マスフローメータ１９は、マスフローコントローラ２１、第１遮断弁２０及び第２遮断弁２２のそれぞれに対して、電気的に接続されて情報伝達可能に形成されており、計測した第１ガス供給経路１３のガス流量Ｌ１を、計測上限値Ｈｍで割って得られる流量比に応じた０～５Ｖの範囲の電圧信号Ｓ（出力信号）に変換して送るように設定されている。

すなわち、Ｓ＝５・Ｌ１／Ｈｍである。例えば、マスフローメータ１９によって、計測されたＴＣＳの流量が４０Ｌ／ｍｉｎの場合、電圧信号Ｓは４Ｖとなる。このとき、第１ガス供給経路１３におけるＴＣＳの圧力は、マスフローメータ１９の上流側では０．１８３ＭＰａであったのが、マスフローメータ１９の下流側では、配管等の圧力損失により、０．１８ＭＰａとなる。

マスフローコントローラ２１は、マスフローメータ１９から受け取った電圧信号Ｓ（入力信号）に応じて第２ガス供給経路１５の流量を調整するように形成されており、これにより調整される流量Ｌ２は、調整上限値Ｈｃに電圧信号Ｓの最大値５Ｖに応じた流量比を掛けて得られる値になるように設定されている。

すなわち、Ｌ２＝Ｈｃ・Ｓ／５である。したがって、電圧信号Ｓが４Ｖの場合、Ｈ_２の流量が１６０Ｌ／ｍｉｎとなるように調整される。このとき、Ｈ_２の圧力は、第２ガス供給経路１５において、マスフローコントローラ２１の上流側では０．２５ＭＰａであったのが、マスフローコントローラ２１の下流側では、混合されるＴＣＳ供給圧力となる（本形態例では、０．１８ＭＰａ）。

このように、合流部１７に送り込まれるＴＣＳとＨ_２との割合は、Ｌ１／Ｌ２＝Ｈｍ／Ｈｃとなり、ＴＣＳの流量が変動しても、常に一定のガス混合比になるように、Ｈ_２の流量が調整可能となる。

また、第１遮断弁２０及び第２遮断弁２２は、それぞれ、マスフローメータ１９が計測した流量Ｌ１が計測上限値Ｈｍに達した、又は、計測下限値Ｌｍを下回った場合の電圧信号Ｓを受け取ると、各弁を閉じて第１ガス供給経路１３及び第２ガス供給経路１５のガス流をそれぞれ遮断するように形成されている。

図２は、第１形態例における混合ガス供給装置１１による各原料ガスの流量と混合比率との関係を示すグラフで、ＴＣＳの流量を０～５０Ｌ／ｍｉｎの範囲で１０Ｌ／ｍｉｎずつ断続的に変化させた場合の各経路におけるガス流量を計測した結果を示している。

図２に示されるように、時刻ｔにおける第１ガス供給経路１３の流量Ｌ１（ｔ）と、第２ガス供給経路１５の流量Ｌ２（ｔ）と、混合ガス供給経路１８の流量Ｌ３（ｔ）との関係を見ると、流量が一定の範囲では、Ｌ３（ｔ）＝Ｌ１（ｔ）＋Ｌ２（ｔ）が成り立っており、かつ、Ｌ２（ｔ）＝４・Ｌ１（ｔ）であることがわかる。

したがって、ＴＣＳとＨ_２の混合比率は、Ｌ１（ｔ）：Ｌ２（ｔ）＝２０％：８０％＝Ｈｍ：Ｈｃとなって、実際に、マスフローメータ１９の計測上限値Ｈｍとマスフローコントローラ２１の調整上限値Ｈｃとの関係で決まっていることがわかる。

このように、本発明の混合ガス供給装置１１によれば、第１原料ガスであるＴＣＳの流量Ｌ１に対して、第２原料ガスであるＨ２の流量Ｌ２を、マスフローメータ１９の計測上限値Ｈｍと、マスフローコントローラ２１の調整上限値Ｈｃとによって決定して混合できるので、複数の原料ガスを流量に依らず一定の混合比率を維持して混合でき、混合したガスを低圧のまま消費設備に供給可能になる。

また、第１ガス供給経路１３にマスフローメータ１９の計測上限値Ｈｍから計測下限値Ｌｍの範囲を外れた流量の第１原料ガスが流されても、第１ガス供給経路１３を第１遮断弁２０が、第２ガス供給経路１５を第２遮断弁２２が、それぞれ遮断するので、マスフローメータ１９が精度よく計測可能な場合のみガスの混合を行うことができ、一定の混合比率を保つことができる。

図３は、本発明の第２形態例を示す混合ガス供給装置３０の系統図である。本形態例は、消費設備において、１台のマスフローメータとマスフローコントローラでは供給できない大流量の混合ガスが必要とされる場合に、複数台のマスフローメータとマスフローコントローラを多段式に接続するものである。

図３に示されるように、本形態例における多段式の混合ガス供給装置３０は、第１形態例とは恒温槽２３内の構成が異なっており、ＴＣＳとＨ_２とを混合させる経路が３段、並列に配設されたものである。

第１ガス供給経路１３からは第１ガス分岐経路１３ａ，１３ｂ，１３ｃがそれぞれ延びており、第２ガス供給経路１５からは第２ガス分岐経路１５ａ，１５ｂ，１５ｃがそれぞれ延びている。

第１ガス分岐経路１３ａと第２ガス分岐経路１５ａとは、合流部１７ａで混合ガス供給経路１８と接続しており、第１ガス分岐経路１３ｂと第２ガス分岐経路１５ｂとは、合流部１７ｂで混合ガス供給経路１８と接続しており、第１ガス分岐経路１３ｃと第２ガス分岐経路１５ｃとは、合流部１７ｃで混合ガス供給経路１８と接続している。

また、混合ガス供給経路１８において、合流部１７ｂは、合流部１７ａよりも上流に配置されており、合流部１７ｃは、合流部１７ｂよりも上流に配置されている。

第１ガス分岐経路１３ａ，１３ｂ，１３ｃには、それぞれ、マスフローメータ１９ａ，１９ｂ，１９ｃが取り付けられており、第２ガス分岐経路１５ａ，１５ｂ，１５ｃには、それぞれ、マスフローコントローラ２１ａ，２１ｂ，２１ｃが取り付けられている。また、第１ガス分岐経路１３ａには、マスフローメータ１９ａの上流に第１開閉弁３１が、第１ガス分岐経路１３ｂには、マスフローメータ１９ｂの上流に第２開閉弁３２が、第１ガス分岐経路１３ｃには、マスフローメータ１９ｃの上流に第３開閉弁３３が取り付けられている。

なお、マスフローメータ１９ａ，１９ｂ，１９ｃは、それぞれ同一のフルスケールである計測上限値Ｈｍを有し、マスフローコントローラ２１ａ，２１ｂ，２１ｃは、それぞれ同一のフルスケールである調整上限値Ｈｃを有している。

マスフローメータ１９ａは、マスフローコントローラ２１ａと第２開閉弁３２とのそれぞれに対して、電気的に接続されて情報伝達可能に形成されており、第１ガス分岐経路１３ａで計測したガス流量Ｌ１ａの情報を、計測上限値Ｈｍとの比に応じた０～５Ｖの範囲の電圧信号Ｓａに変換して送るように設定されている。

マスフローメータ１９ｂは、マスフローコントローラ２１ｂと第３開閉弁３３とのそれぞれに対して、電気的に接続されて情報伝達可能に形成されており、第１ガス分岐経路１３ｂで計測したガス流量Ｌ１ｂの情報を、計測上限値Ｈｍとの比に応じた０～５Ｖの範囲の電圧信号Ｓｂに変換して送るように設定されている。

マスフローメータ１９ｃは、マスフローコントローラ２１ｃに対して、電気的に接続されて情報伝達可能に形成されており、第１ガス分岐経路１３ｃで計測したガス流量Ｌ１ｃの情報を、計測上限値Ｈｍとの比に応じた０～５Ｖの範囲の電圧信号Ｓｃに変換して送るように設定されている。

マスフローコントローラ２１ａは、マスフローメータ１９ａから受け取った電圧信号Ｓａに応じて第２ガス分岐経路１５ａの流量を調整するように形成されており、これにより調整される流量Ｌ２ａは、調整上限値Ｈｃに電圧信号Ｓの最大値５Ｖに対する割合を掛けて得られる量に設定されている。

マスフローコントローラ２１ｂは、マスフローメータ１９ｂから受け取った電圧信号Ｓｂに応じて第２ガス分岐経路１５ｂの流量を調整するように形成されており、これにより調整される流量Ｌ２ｂは、調整上限値Ｈｃに電圧信号Ｓの最大値５Ｖに対する割合を掛けて得られる量に設定されている。

マスフローコントローラ２１ｃは、マスフローメータ１９ｃから受け取った電圧信号Ｓｃに応じて第２ガス分岐経路１５ｃの流量を調整するように形成されており、これにより調整される流量Ｌ２ｃは、調整上限値Ｈｃに電圧信号Ｓｃの最大値５Ｖに対する割合を掛けて得られる量に設定されている。

多段式の混合ガス供給装置における開閉弁の開閉動作について、次段の開閉弁の開閉設定を1つの閾値で制御すると、開閉時に流量変動が大きくなり濃度変動がおきてしまうため、開時、閉時の閾値をそれぞれ別に設定することで、流量変動を小さくすることができる。

具体的には、第２開閉弁３２は、電圧信号Ｓａの８０％までは機器の自己制御とし、マスフローメータ１９ａから受け取った電圧信号Ｓａが最大値５Ｖの８０％（４Ｖ）を超えると第２開閉弁３２を開き、電圧信号Ｓｂの最大値の２０％（１Ｖ）を下回ると弁を閉じるように設定されている。

第３開閉弁３３は、電圧信号Ｓｂの７５％までは機器の自己制御とし、マスフローメータ１９ｂから受け取った電圧信号Ｓｂが最大値５Ｖの７５％（３．７５Ｖ）を超えると弁を開き、電圧信号Ｓｃの最大値の２５％（１．２５Ｖ）を下回ると弁を閉じるように設定されている。

多段式の混合ガス供給装置３０による混合ガスの供給は、次のように行われる。

第１開閉弁３１を開き、ＴＣＳ供給部１２からＴＣＳが第１ガス供給経路１３に供給されると、まず、ＴＣＳが第１段目の第１ガス分岐経路１３ａに流れ込み、マスフローメータ１９ａがＴＣＳの流量を計測して電圧信号Ｓａを送る。

マスフローコントローラ２１ａが電圧信号Ｓａを受け取ると、マスフローコントローラ２１ａによって電圧信号Ｓａに応じた流量のＨ_２が、Ｈ２供給部１４から第２ガス分岐経路１５ａに流されるので、ＴＣＳとＨ_２とが合流部１７ａで混合されて混合ガス供給経路１８に流され、混合ガス供給経路１８を介して消費設備１６に供給される。

また、第１ガス分岐経路１３ａに流れ込むＴＣＳの流量がマスフローメータ１９ａの計測上限値Ｈｍの８０％に達すると、第２開閉弁３２がその電圧信号Ｓａに反応して開放されるので、ＴＣＳが２段目の第１ガス分岐経路１３ｂにも流れ込む。

第１ガス分岐経路１３ｂにＴＣＳが流れると、マスフローコントローラ２１ｂがＴＣＳの流量を計測して電圧信号Ｓｂを送る。マスフローメータ１９ｂが電圧信号Ｓｂを受け取ると、マスフローメータ１９ｂによって電圧信号Ｓｂに応じた流量のＨ_２が、Ｈ２供給部１４から第２ガス分岐経路１５ｂに流されるので、ＴＣＳとＨ_２とが合流部１７ｂでも混合されて混合ガス供給経路１８に流される。

さらに、第１ガス分岐経路１３ｂに流れ込むＴＣＳの流量がマスフローメータ１９ｂの計測上限値Ｈｍの７５％に達すると、第３開閉弁３３がその電圧信号Ｓｂに反応して開放されるので、ＴＣＳが３段目の第１ガス分岐経路１３ｃにも流れ込む。

第１ガス分岐経路１３ｃにＴＣＳが流れると、マスフローコントローラ２１ｃがＴＣＳの流量を計測して電圧信号Ｓｃを送る。マスフローメータ１９ｃが電圧信号Ｓｃを受け取ると、マスフローメータ１９ｃによって電圧信号Ｓｃに応じた流量のＨ_２が、Ｈ２供給部１４から第２ガス分岐経路１５ｃに流されるので、ＴＣＳとＨ_２とが合流部１７ｃでも混合されて混合ガス供給経路１８に流される。

また、ＴＣＳの供給によって第２開閉弁３２及び第３開閉弁３３が開放されている状態で、第１ガス分岐経路１３ｃに分配されて流れ込むＴＣＳの流量がマスフローメータ１９ｃの計測上限値Ｈｍの２５％にまで下がると、第３開閉弁３３がその電圧信号Ｓｃに反応して閉鎖されるので、ＴＣＳが第１ガス分岐経路１３ｃに流れなくなる。

さらに、第１ガス分岐経路１３ｂに分配されて流れ込むＴＣＳの流量がマスフローメータ１９ｂの計測上限値Ｈｍの２０％にまで下がると、第２開閉弁３２がその電圧信号Ｓｂに反応して閉鎖されるので、ＴＣＳが第１ガス分岐経路１３ｂに流れなくなる。

図４は、図３の多段式の混合ガス供給装置３０において、ＴＣＳの流量増加に伴って各第１ガス分岐経路１３ａ，１３ｂ，１３ｃに流入するガス流量の遷移を示すグラフであり、図５は、図３の多段式の混合ガス供給装置３０において、ＴＣＳの流量減少に伴って各第１ガス分岐経路１３ａ，１３ｂ，１３ｃに流入するガス流量の遷移を示すグラフである。

図４及び図５において、各第１ガス分岐経路１３ａ，１３ｂ，１３ｃの流量を計測する各マスフローメータ１９ａ，１９ｂ，１９ｃの計測上限値Ｈｍは、それぞれ５０Ｌ／ｍｉｎに設定されている。

図４に示されるように、ＴＣＳの流量を０／ｍｉｎから増加させると、０～４０Ｌ／ｍｉｎの範囲では、第１ガス分岐経路１３ａのみ流入可能であるが、４０Ｌ／ｍｉｎ（Ｈｍの８０％）を超えたところで第２開閉弁３２が開くので、第１ガス分岐経路１３ｂにもＴＣＳが流入可能になり、ＴＣＳの流量を２つの経路で分け合って第１ガス分岐経路１３ａ及び第１ガス分岐経路１３ｂの流量が２０Ｌ／ｍｉｎまで下がる。

さらにＴＣＳの流量を増加させ、第１ガス分岐経路１３ａ及び第１ガス分岐経路１３ｂにおけるＴＣＳの流量が３７．５Ｌ／ｍｉｎ（Ｈｍの７５％）を超えると、第３開閉弁３３が開くので、第１ガス分岐経路１３ｃにもＴＣＳが流入可能になり、ＴＣＳの流量を３つの経路で分け合って第１ガス分岐経路１３ａ，第１ガス分岐経路１３ｂ及び第１ガス分岐経路１３ｃの流量は２５Ｌ／ｍｉｎまで下がる。

そして、さらに流量を増加させることで第１ガス分岐経路１３ａ，１３ｂ，１３ｃの流量がそれぞれ５０Ｌ／ｍｉｎに達するので、ＴＣＳの流量を全体で１５０Ｌ／ｍｉｎまで精度よく増やすことが可能である。

図５に示されるように、ＴＣＳの流量を１５０Ｌ／ｍｉｎから減少させると、１５０～４０Ｌ／ｍｉｎの範囲では、第１ガス分岐経路１３ａ，１３ｂ，１３ｃ全てで流入可能であるが、総流量が３７．５Ｌ／ｍｉｎ、つまり、各経路で１２．５Ｌ／ｍｉｎ（Ｈｍの２５％）を下回ると、第１ガス分岐経路１３ｃで第３開閉弁３３が閉じるので、第１ガス分岐経路１３ｃにＴＣＳが流入できなくなり、ＴＣＳの流量を２つの経路で分け合って第１ガス分岐経路１３ａの流量及び第１ガス分岐経路１３ｂの流量は１８．７５Ｌ／ｍｉｎまで上がる。

さらにＴＣＳの流量を減少させ、第１ガス分岐経路１３ａ及び第１ガス分岐経路１３ｂにおけるＴＣＳの総流量が２０Ｌ／ｍｉｎ、つまり、各経路で１０Ｌ／ｍｉｎ（（Ｈｍの２０％）を下回ると、第１ガス分岐経路１３ｂで第２開閉弁３２が閉じるので、第１ガス分岐経路１３ａのみ流入可能になり、第１ガス分岐経路１３ａの流量は２０Ｌ／ｍｉｎまで上がる。

そして、さらに流量を減少させることで第１ガス分岐経路１３ａの流量が５Ｌ／ｍｉｎに達するので、ＴＣＳの流量を計測下限値Ｌｍまで精度よく減らすことが可能である。

このように、本発明の多段式の混合ガス供給装置３０によれば、ＴＣＳとＨ_２とを混合する経路を分岐させて複数段設け、ＴＣＳの流量増加に応じてＴＣＳが流れる経路を順次開放することで、最大でマスフローメータ１９ａ，１９ｂ，１９ｃの各計測上限値Ｈｍを合算した流量のＴＣＳを流すことができるので、単一の経路では対応できない大流量の混合ガスを供給可能になる。

また、二段目以降の第１ガス分岐経路１３ｂ，１３ｃのそれぞれを前段のＴＣＳの流量が所定の範囲を上回ったら開き、下回ったら閉じるように構成したことで、ＴＣＳが第１ガス分岐経路１３ａ，１３ｂ，１３ｃのいずれかに偏って流入するいわゆる片流れを防止できるので、ＴＣＳの流量を、計測上限値Ｈｍを段数倍した値から計測下限値Ｌｍの範囲で、Ｈ２と精度よく混合することができる。

さらに、各段で混合が正しくされているかの濃度検定を行うことで、故障・異常箇所の検知も容易となる。

なお、本形態例の多段式の混合ガス供給装置では、第１分岐経路及び第２分岐経路をそれぞれ３段ずつ設けているが、必ずしも３段である必要はなく、２段でもよいし、消費設備先の混合ガスの必要量に応じて４段以上設けてもよい。

例えば、第１分岐経路及び第２分岐経路を８段設けた場合、ＴＣＳの流量増加又は減少に伴う各第１ガス分岐経路に流入するガス流量は、図６及び図７に示されるように遷移するので、第１原料ガスの流量を、マスフローメータの計測上限値を段数倍した値から計測下限値の範囲で、第２原料ガスと精度よく混合することができる。

ここで、第２形態例では、開時の閾値を８０％から７５％、閉時の閾値を２５％から２０％へと段々と幅を絞っていくようにしているが、図６及び図７の場合は、各第１分岐経路に設けられた機器の自己制御幅はいずれも８０％～４０％の範囲に設定されている

このように不感帯の設定については、マスフローメータ、マスフローコントローラのフルスケールや段数、供給する混合ガスの成分・比率によって適宜設けることができる。

なお、本発明は、以上の形態例に限定されることなく、発明の範囲内において種々の変更が可能である。例えば、本形態例では、原料ガスを、第１ガス供給経路と第２ガス供給経路との２つから供給しているが、原料ガスの供給経路は必ずしも２つである必要はなく、３つ以上の供給経路から原料ガスを供給するようにしてもよい。

例えば、二酸化炭素（ＣＯ_２）８９％、ヘリウム（Ｈｅ）１０％、窒素（Ｎ_２）１％のレーザーガスを２０Ｌ／ｍｉｎで供給する場合には、二酸化炭素を１７．８Ｌ／ｍｉｎを計測上限値（フルスケール）とするマスフローメータを介して供給し、その信号に基づいて、ヘリウムを２Ｌ／ｍｉｎを調整上限値（フルスケール）とするマスフローメータを介して、窒素を０．２Ｌ／ｍｉｎを調整上限値（フルスケール）とするマスフローメータを介して供給することで、連続供給が可能となる。

また、フッ素（Ｆ２）、クリプトン（Ｋｒ）、ネオン（Ｎｅ）等を混合するレーザーガスでも同様に適用でき、本発明は、高圧ガス用設備や圧力調整部を用いることなく、低蒸気圧ガスを混合して供給する場合に好適である。

さらに、３つ以上の供給経路から原料ガスを供給する場合、同種の原料ガスを２つ以上の経路から供給してもよい。このようにマスフローメータとマスフローコントローラの連携台数を増やすことで、機器による流量誤差を小さくすることができる。

また、第１形態例では、遮断弁を設けてマスフローメータの計測上限値Ｈｍと計測下限値Ｌｍとから外れた流量の場合にガス供給を遮断できるようにしているが、マスフローメータの計測下限値Ｌｍから外れる場合には、図８に示すように、混合ガス供給経路１８に設けられたベント経路４１に混合ガスを流すようにしてもよい。原料ガスの混合比率が保証されない場合に、消費設備１６へ供給されることを避けることができる。ベント経路に開閉弁を設け、マスフローメータ１９の計測下限値を下回る場合には、開閉弁を開けて、混合ガスをすべてベント経路４１に流すようにしてもよいが、図８に示すようにベント経路４１にマスフローコントローラ４２を設けてもよい。これにより、計測下限値Ｌｍを下回っている電圧信号Ｓをマスフローコントローラ４２が受信して、ベント経路に流れる流量を制御することができる。ただし、配管長が長い場合には変動差が生じるため制御が難しいので、マスフローメータ１９が高精度な機種であり、計測下限値Ｌｍが計測上限値Ｈｍの０．５％のときには、マスフローコントローラ４２のベントへの制御流量は、マスフローメータ１９の計測下限値Ｌｍよりも少し高めの流量を維持できる値を採用するのが好ましい。なお、第１形態例の遮断弁の機構と、本形態例のベント経路の機構を併用することも可能である。

なお、原料ガスの混合比率を変更した場合には、所定の比率となるようなフルスケールを有するマスフローメータ、マスフローコントローラに適宜組合せを変更すればよい。

１１…混合ガス供給装置、１２…ＴＣＳ供給部、１３…第１ガス供給経路、１３ａ，１３ｂ，１３ｃ…第１ガス分岐経路、１４…Ｈ２供給部、１５…第２ガス供給経路、１５ａ，１５ｂ，１５ｃ…第２ガス分岐経路、１６…消費設備、１７（１７ａ，１７ｂ，１７ｃ）…合流部、１８…混合ガス供給経路、１９（１９ａ，１９ｂ，１９ｃ）…マスフローメータ、２０…第１遮断弁、２１（２１ａ，２１ｂ，２１ｃ）…マスフローコントローラ、２２…第２遮断弁、２３…恒温槽、３０…混合ガス供給装置、３１…第１開閉弁、３２…第２開閉弁、３３…第３開閉弁、４１…ベント経路、４２…マスフローコントローラ

Claims

複数の原料ガスを所定の割合で混合して供給する混合ガス供給装置であって、
複数の原料ガス供給経路と、
各原料ガス供給経路から供給される複数の原料ガスを合流させて混合ガスとするガス合流部と、
混合ガスを使用先に供給するための混合ガス供給経路と、を備え、
前記原料ガス供給経路の一つが複数に分岐され、各分岐経路にそれぞれ流量計測器が設けられ、
他の原料ガス供給経路も同様に複数に分岐され、各分岐経路にそれぞれ流量調整器が設けられ、
前記流量調整器は、対応する前記流量計測器からの信号を受信可能に構成され、
前記流量計測器は、検出した流量に応じて、前記流量計測器の計測可能な流量の上限値で割って得られる流量比を示す信号を対応する前記流量調整器に送信し、
前記流量調整器は、前記信号を受信すると、原料ガスの流量を、前記流量調整器の調整可能な流量の上限値に前記流量比を掛けて得られる流量に調整し、
前記原料ガス供給経路の一つの分岐経路に設けられた前記流量計測器の検出した流量が、あらかじめ設定された第１流量を上回ると、隣接する分岐経路の原料ガスを流し始め、前記第１流量よりも少ないあらかじめ設定された第２流量を下回ると、隣接する分岐経路の原料ガスの流れを遮断することを特徴とする混合ガス供給装置。
複数の原料ガスを所定の割合で混合して供給する混合ガス供給方法であって、
複数の原料ガスを各原料ガス供給経路に供給し、
前記原料ガス供給経路の一つを複数に分岐し、各分岐経路にそれぞれ流量計測器を設け、
他の原料ガス供給経路も同様に複数に分岐し、各分岐経路にそれぞれ流量調整器を設け、
前記流量計測器を介して一の原料ガスを供給し、前記流量計測器によって検出された流量に基づく出力信号を、入力信号として対応する流量調整器で他の原料ガスの流量を調整し、
前記原料ガス供給経路の一つの分岐経路に設けられた前記流量計測器の検出した流量が、あらかじめ設定された第１流量を上回ると、隣接する分岐経路の原料ガスを流し始め、
前記第１流量よりも少ないあらかじめ設定された第２流量を下回ると、隣接する分岐経路の原料ガスの流れを遮断し、
複数の原料ガスを合流させて混合ガスとする混合ガス供給方法。