JPH0642938B2 - 気化ガスの流量制御装置 - Google Patents

気化ガスの流量制御装置

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JPH0642938B2
JPH0642938B2 JP1090290A JP9029089A JPH0642938B2 JP H0642938 B2 JPH0642938 B2 JP H0642938B2 JP 1090290 A JP1090290 A JP 1090290A JP 9029089 A JP9029089 A JP 9029089A JP H0642938 B2 JPH0642938 B2 JP H0642938B2
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) この発明は、半導体や光ファイバー等の製造工程で、液
体原料を気化して供給を行う場合に用いられる気化ガス
の流量制御装置に関するものである。
(従来の技術) 半導体製造における薄膜作成やエッチング、または、光
ファイバー母材の製造は、ガス種の反応により行われ
る。ここで、反応のガス種は常温で気体であるものばか
りでなく、液体のものも用いられる。常温で液体のガス
種を用いる場合、不活性ガスであるキャリアガスを用
い、キャリアガス中に飽和蒸気圧まで原料の液体を気化
させてガス種を含ませ、反応炉へ供給する手法が一般的
である。
この場合、従来においては第5図に示すような装置によ
る流量制御が行われていた。容器501 に適量の液体原料
502 を入れ、液体原料502 内にHe (ヘリウム),H
(水素)等の原料ガスに対して不活性なガスであるキャ
リアガスを導びく。キャリアガスのガス源と容器501 と
の間に、ガスの熱伝導率を検出するセンサ503 、ガス流
量を調整するバルブ504 、質量流量計505 を設け、ま
た、容器501 と反応炉との間に、ガスの熱伝導率を検出
するセンサ506 を設ける。容器501 の気体の部分からキ
ャリアガスに飽和蒸気圧まで含まれる液体原料502 の気
化ガスを反応炉へ導びく。センサ503 とセンサ506 とか
ら得られる熱伝導率の検出信号をブリッジ回路507 へ導
出し、容器501 から送出されるガス中の液体原料502 の
気化ガスの濃度Rを検出する。濃度Rの信号は、ブリッ
ジ回路507 から演算回路508 へ送出される。演算回路50
8 には質量流量計505 からキャリアガスの質量流量Cの
信号が与えられ、演算回路508 は所定の演算を行って濃
度Rと質量流量Cとにより液体原料502 の気体ガスが容
器501 から送出されるソース流量Sを算出する。ソース
流量Sの信号は比較制御部509 へ与えられ、外部から入
力された設定流量Sの信号と比較される。比較制御部
509 は比較結果に基づきバルブ504 の開度制御を行って
キャリアガスの質量流量Cを変化させて設定流量S
ソース流量Sとの一致を図る。
(発明が解決しようとする課題) しかしながら上記の気化ガスの流量制御装置によると、
熱伝導率のセンサを用いているため、キャリアガスと液
体原料との熱伝導率は大きく異なるほどよく、キャリア
ガスとしてはHe やHなどのような他のガスと比べて
著しく熱伝導率が高いガスが使用され、熱伝導率があま
り高くないガス(例えば、NやAr等)を用いると検
出精度が悪くなり、低蒸気圧のソース流量Sを的確に検
出できない問題点があった。
また、熱伝導率はガスの圧力により変化するものである
から、センサ付近のガス圧が減圧または加圧となると誤
差を生じる。即ち、キャリアガス源を高圧とした場合や
反応炉側を減圧した場合には誤差が大きくなり使用でき
ないという問題点があった。
本発明はこのような従来の気化ガスの流量制御装置の問
題点を解決せんとしてなされたもので、その目的は、キ
ャリアガスの種類に係りなく、気化ガスの流量制御を精
度よく行うことができるとともに、ガス源とガス供給先
との圧力状態に係りなく、的確な気化ガスの流量制御を
行うことのできる気化ガスの流量制御装置を提供するこ
とである。
(課題を解決するための手段) 本発明では、液体原料を気化させる気化手段と、 この気化手段へキャリアガスを送出する流路に設けられ
る第1の質量流量センサと、 前記気化手段からキャリアガスとともに気化ガスが送ら
れる流路に設けられる第2の質量流量センサと、 前記第1の質量流量センサへ到るキャリアガス入出路と
前記第2の質量流量センサへ到るキャリアガス及び気化
ガスの入出路とのうち少なくとも一箇所に設けられるガ
ス流量調整用のバルブと、 前記第1の質量流量センサにより得られるキャリアガス
の質量流量データと、前記第2の質量流量センサにより
得られるキャリアガス及び気化ガスの質量流量データ
と、前記キャリアガス及び気化ガスのコレクションファ
クター、比熱および密度に基づき前記気化手段から送ら
れる気化ガスの質量流量を算出する演算手段と、 外部から設定された前記気化手段から送られる気化ガス
の質量流量データと、前記演算手段により得られた質量
流量データとの比較を行い、この比較結果に基づき前記
バルブの制御を行う流量調整手段とを備えさせて気化ガ
スの流量制御装置を構成した。
(作用) 上記構成によると、気化手段へ流入するキャリアガスの
流量と、気化手段から送出される液体原料の気化ガスを
含んだキャリアガスの流量とが質量流量として検出され
るため、ガス種別やガス圧力に関係なく流量の検出が可
能であり、この質量流量を用いて流量制御を行うため的
確な制御ができる。
(実施例) 以下、図面を参照して本発明の一実施例を説明する。第
1図は本発明の一実施例のブロック図である。同図にお
いて、101 は気化手段を構成する容器を示し、液体原料
102 が適量入れられている。液体原料102 内にはキャリ
アガス源から送られたキャリアガスが導入される。容器
101 の液体原料102 がない空間からは、液体原料102 の
気化ガスを飽和蒸気圧まで含んだキャリアガスが送出さ
れ反応炉へ導びかれる。キャリアガス源と容器101 との
間の流路には質量流量センサ103 及びバルブ104 が設け
られている。また、容器101 と反応炉との間の流路には
質量流量センサ105 が設けられている。質量流量センサ
103,105の出力F,Fは演算手段を構成する演算器1
06 へ送出される。ここに、質量流量センサ103,105は例
えば、特願昭59-227844 号(特開昭61-107407号)に開
示されている熱式の質量流量センサである。ところで、
この種の質量流量センサが検出した質量流量Fは、流体
の物性値(C;比熱、ρ(密度))により検出感度を
異にし、 F∝ρ・C なる関係がある。従って、質量流量センサ103 の場合に
はキャリアガスの比熱と密度とにより校正すると質量流
量が求められるが、質量流量センサ105 の場合には混合
ガスについての質量流量であり、物性値が不定であり上
記のような校正を行えない。即ち、混合ガスの混合比は
容器101 内の圧力Pによって、 混合比=(P−P):P となる。なお、Pは容器101 内の温度における液体原
料102 の飽和蒸気圧を示す。また、上記混合比は、P
が温度に依存するため容器101 内の温度によっても変化
する。このように混合比の異なるガスについて、物性値
が不定になることが判る。
そこで、本実施例では、質量流量センサ105 についても
キャリアガスが100 %であるガスを検出しているものと
して校正を行うと、以下の式が成立することから、演算
器106 に演算を行わせて混合ガス中の液体原料102 の気
化ガスの質量流量Qを求める。一般的に、質量流量セン
サにおいて、 Q=F・KN/C・ρ …(1) ここで、Fは質量流量センサの出力、Nはコレクション
ファクター(ガスによる定数)、Kは定数、ρはガスの
密度、Cはガスの比熱である。
さて、混合ガスの場合、混合モル比をx:yとすると、
混合ガスの質量流量QMIXは質量流量センサの出力をF
MIXとして、(1)式は次式のように変形できる。
MIX=FMIX・K(xN+yN)/ (xρp1+yρp2) …(2) サフィックスはx:yの夫々のガスに対応することを示
す。
今質量流量センサ103,105の出力をF,Fとする。
このとき、混合ガスのモル比はF:Qであるから、
(2)式は、 Q+F=F・K(N+NQ)/ (Fρp1+Qρp2)…(3) となる。このQについての二次方程式を解いて、正の根
を求めるように演算器106 は動作する。
演算器106 の出力Qは、流量調整手段を構成する比較制
御回路107 へ与えられる。比較制御回路107 には、外部
から液体原料102 の気化ガスのソース流量Qが与えら
れる。比較制御回路107 はQとQとが一致するように
バルブ104 を制御する。
このように構成された気化ガスの流量制御装置は、第2
図に示すようなフローチャートに基づき動作する。キャ
リアガス源からキャリアガスの供給が開始され、装置の
電源が投入されてスタートとなると、設定されたソース
流量Qを比較制御回路107 が取込む(201)。次に、演
算器106 は質量流量センサ103,105の出力F,F
取込み(202)(3) 式の正の根を求める演算を行って(20
3)、結果を比較制御回路107 へ送る。演算器106 は、例
えば、マイクロコンピュータで構成され、(3) 式の正の
根を求めるプログラム、各定数データを予め有している
ものとする。演算器106 からQを受け取った比較制御回
路107 はQがQと等しいか検出し(204)、等しくなけ
ればその大小関係を検出して(205)、Q>Qであれば
バルブ104を開き(206)、Q>Qであれば、バルブ104
を閉じる(207)ようにして、再び、ステップ202 からの
動作を続ける。このようにして、設定されたソース流量
の液体原料102 の気化ガスが反応炉へ供給される。
第3図には第1図の装置のより詳細な構成図が示されて
いる。質量流量センサ103,105には、2つの抵抗発熱体
とブリッジ回路の2つの抵抗とによるブリッジが備えら
れ、このブリッジへ電源301 から直流電圧を与える。ブ
リッジのab間の電圧を増幅器302 で増幅して演算器10
6 及び表示器303 へ送出する。表示器303 は例えば7セ
グメントのLCD を所要桁だけ並べて、表示制御を行う構
成であり、質量流量センサ103,105から出力された出力
によるキャリアガスと混合ガスとの流量のほか、演算器
106 の出力による混合ガス中のソース流量が表示され
る。304 は設定器であって例えば、ポテンショメータ等
で構成され、設定により電圧値としてソース流量Q
与えられる。バルブ104 は公知のサーマルバルブであ
り、比較制御回路107 より与えられる電圧で、弁棒に装
着された発熱線の発熱を制御して弁棒を伸縮させる。
第4図にはバルブ104 の設置位置を、容器101 と質量流
量センサ105 との間とした他の実施例が示されている。
他の構成は第1図の場合と同様であるから、その詳細は
説明せぬが、同様な流量制御が行われる。バルブ104 の
設置位置としては上記2例以外に、キャリアガス源と質
量流量センサ103 との間、質量流量センサ105 と反応炉
との間があり、これら4箇所の少なくとも1箇所に設け
られる。ここで、バルブ104 の設置位置及び個数と関連
して、混合ガス中の液体原料の気化ガスの流量を所定と
する手法について考察する。この手法として、(1) 容器
内の圧力Pを制御する手法、(2) 容器内の温度Tを制御
する手法、(3) キャリアガスの流量を制御する手法が考
えられる。(1) では容器の二次側にもバルブが必要とな
り、制御が煩雑となり易い。(2) ではヒータが必要でし
かも容器の温度を均一としかつ、流路においても加熱が
必要で構成が大型化する。(3) の場合には、キャリアガ
スの流量制御のバルブが1つあればよく、(1)(2)のよう
な問題点を除去できる。
また、本実施例のように熱式質量流量センサを用いた場
合には、比熱Cは約3000種のガスについて公知であ
り、新らたに作られたガス等でない限り実際の計測なし
で装置の動作が可能である。この点、熱伝導率のセンサ
を用いた従来例では、熱伝導率が公知であるガスの種類
が約70種と少なく、半導体や光ファイバの製造に用いら
れるガスでは、熱伝導率の計測を当該ガスを用いて行わ
ねばならず、本実施例が優れていると言える。
なお、本実施例では、演算器106 をマイクロコンピュー
タとしたが、(3) 式で示されるQについての二次方程式
を解く回路(電子回路によって近似的に求めるものも含
む)を用いてもよい。特に、近似回路を用いると構成が
簡単となる。
[発明の効果] 以上説明したように本発明によれば、気化手段へ流入す
るキャリアガスの流量と、気化手段から送出される液体
原料の気化ガスを含んだキャリアガスの流量とが質量流
量として検出されるため、ガス種別やガス圧力に関係な
く流量の検出が可能であり、キャリアガスを液体原料と
の関係で選択する必要がなく、また、キャリアガス源と
ガス供給先との圧力関係がどのようであっても用いるこ
とができる。そして、上記で検出された質量流量により
流量制御が行われて、的確な制御が保証される。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例のブロック図、第2図は本発
明の一実施例の動作を説明するためのフローチャート、
第3図は本発明の一実施例の詳細な構成図、第4図は本
発明の他の実施例のブロック図、第5図は従来の気化ガ
スの流量制御装置のブロック図である。 101 ……容器、102 ……液体原料 103,105……質量流量センサ 104 ……バルブ、106 ……演算器 107 ……比較制御回路、301 ……電源 302, 302……増幅器、303 ……表示器 304 ……設定器

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】液体原料を気化させる気化手段と、 この気化手段へキャリアガスを送出する流路に設けられ
    る第1の質量流量センサと、 前記気化手段からキャリアガスとともに気化ガスが送ら
    れる流路に設けられる第2の質量流量センサと、 前記第1の質量流量センサへ到るキャリアガス入出路と
    前記第2の質量流量センサへ到るキャリアガス及び気化
    ガスの入出路とのうち少なくとも一箇所に設けられるガ
    ス流量調整用のバルブと、 前記第1の質量流量センサにより得られるキャリアガス
    の質量流量データと、前記第2の質量流量センサにより
    得られるキャリアガス及び気化ガスの質量流量データ
    と、前記キャリアガス及び気化ガスのコレクションファ
    クター、比熱および密度に基づき前記気化手段から送ら
    れる気化ガスの質量流量を算出する演算手段と、 外部から設定された前記気化手段から送られる気化ガス
    の質量流量データと、前記演算手段により得られた質量
    流量データとの比較を行い、この比較結果に基づき前記
    バルブの制御を行う流量調整手段とを備えたことを特徴
    とする気化ガスの流量制御装置。
  2. 【請求項2】前記演算手段は、前記第1の質量流量セン
    サにより得られるキャリアガスの質量流量データと前記
    第2の質量流量センサにより得られるキャリアガス及び
    気化ガスの質量流量データとを含み前記気化手段から送
    出される気化ガスの質量流量を未知数とする二次方程式
    の解を求める演算を行うことを特徴とする請求項(1) 記
    載の気化ガスの流量制御装置。
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