(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスプロセス装置（５５）であって、
ガス入口（１１０）と、
ガス出口（１２０）と、
入口および出口を有し、前記入口はガスプロセス装置（５５）のガス入口（１１０）に流体を通すように結合された第１の制流部（４０）と、
入口および出口を有し、前記入口は第１の制流部（４０）の出口に流体を通すように結合され、前記ガスプロセス装置（５５）を介してのガスの流れを示す信号を提供するガスセンサ（５０）と、
入口および出口を有し、前記入口はガスセンサ（５０）の出口に流体を通すように結合され、前記出口はガスプロセス装置（５５）のガス出口（１２０）に流体を通すように結合された第２の制流部（６０）とを備え、
第１の制流部（４０）と第２の制流部（６０）の一方が、前記信号の提供時に基づいて前記ガスプロセス装置を介してガスの流れを調節するバルブを含み、
前記第１の制流部（４０）と第２の制流部（６０）の他方が、前記入口から出口への圧力低下を引き起こしたときに、前記ガスプロセス装置が、前記第１の制流部（４０）と第２の制流部（６０）の他方の上流と下流の少なくとも一方におけるガスの圧力の変化に対して実質的に無感応であることを特徴とするガスプロセス装置（５５）。
【請求項２】
ガスセンサ（５０）がサーマルマスフローメータを含むことを特徴とする請求項１に記載のガスプロセス装置（５５）。
【請求項３】
第１の制流部（４０）が、フリット、フィルタ、ソニックオリフィス、バッフル、およびバルブの何れか１つを含むことを特徴とする請求項２に記載のガスプロセス装置（５５）。
【請求項４】
第２の制流部（６０）が、フリット、フィルタ、ソニックオリフィス、バッフル、およびバルブの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項３に記載のガスプロセス装置（５５）。
【請求項５】
第１の制流部（４０）は、焼結粒子で形成されるフリットであることを特徴とする請求項４に記載のガスプロセス装置（５５）。
【請求項６】
第１の制流部（４０）が、第１の制流部（４０）の入口から第１の制流部（４０）の出口までの圧力低下が１．２５を超えるように構成され配置されていることを特徴とする請求項５に記載のガスプロセス装置（５５）。
【請求項７】
第１の制流部（４０）が、チョークされたガスの流れをもたらすように構成され配置されていることを特徴とする請求項５に記載のガスプロセス装置（５５）。
【請求項８】
焼結粒子が金属であることを特徴とする請求項５に記載のガスプロセス装置（５５）。
【請求項９】
第２の制流部（６０）が、フリット、フィルタ、ソニックオリフィスおよびバッフルの１つを含むことを特徴とする請求項３に記載のガスプロセス装置（５５）。
【請求項１０】
第２の制流部（６０）は、焼結粒子で形成されるフリットであることを特徴とする請求項９に記載のガスプロセス装置（５５）。
【請求項１１】
第２の制流部（６０）が、第２の制流部（６０）の入口から第２の制流部（６０）の出口までの圧力低下が１．２５を超えるように構成され配置されていることを特徴とする請求項１０に記載のガスプロセス装置（５５）。
【請求項１２】
第２の制流部（６０）が、チョークされたガスの流れをもたらすように構成され配置されていることを特徴とする請求項１０に記載のガスプロセス装置（５５）。
【請求項１３】
焼結粒子が金属であることを特徴とする請求項１０に記載のガスプロセス装置（５５）。
【請求項１４】
ガスセンサ（５０）がガスアナライザを含むことを特徴とする請求項１に記載のガスプロセス装置（５５）。
【請求項１５】
第１の制流部（４０）が、第１の制流部（４０）の入口から第１の制流部（４０）の出口までの圧力低下が１．２５を超えるように構成され配置されていることを特徴とする請求項１に記載のガスプロセス装置（５５）。
【請求項１６】
第１の制流部（４０）が、チョークされたガスの流れをもたらすように構成され配置されていることを特徴とする請求項１に記載のガスプロセス装置（５５）。
【請求項１７】
第２の制流部（６０）が、第２の制流部（６０）の入口から第２の制流部（６０）の出口までの圧力低下が１．２５を超えるように構成され配置されていることを特徴とする請求項１に記載のガスプロセス装置（５５）。
【請求項１８】
ガスプロセス装置がマスフローコントローラであり、バルブが第１の制流部に含まれ、かつ制御バルブ（４１）であり、さらに、
ガスセンサ（５０）および制御バルブ（４１）と連絡するコントローラを含むことを特徴とする請求項１に記載のガスプロセス装置（５５）。
【請求項１９】
第２の制流部（６０）が、チョークされたガスの流れをもたらすように構成され配置されていることを特徴とする請求項１に記載のガスプロセス装置（５５）。
【請求項２０】
制御バルブを有する、請求項１〜１９のいずれか１項に記載のガスプロセス装置（５５）内のガス流れを停止する方法であって、
ガスプロセス装置（５５）上流の入口バルブを閉じる工程と、
制御バルブに対する所定のドライブを維持する工程と、
ガス流量が所定の値を下回ったときにガスプロセス装置（５５）下流の出口バルブを閉じて、ガス流れを制御された仕方で停止する工程と、を含むことを特徴とする方法。
【請求項２１】
制御バルブと、ガスセンサ（５０）と、制御バルブおよびガスセンサ（５０）の下流の制流部とを有する、請求項１〜１９のいずれか１項に記載のガスプロセス装置（５５）内のガス流れを開始する方法であって、
制御バルブの上流の第１の圧力と、制御バルブよりも下流で制流部よりも上流の第２の圧力とを、制流部の下流の第３の圧力と等しくする工程と、
ガスプロセス装置（５５）上流の入口バルブと、ガスプロセス装置（５５）下流の出口バルブとを開ける工程と、
制御バルブを開け、所望の流量に対応する位置にして、ガス流れを制御された仕方で開始する工程と、を含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の背景
１．発明の分野
本発明は、ガスプロセス装置（たとえば、マスフローメータ、マスフローコントローラ、ガスアナライザなど）、およびより詳細には、ガス圧力の変動に対して無感応なガスプロセス装置に方向付けられている。
【０００２】
２．関連技術
半導体産業および製薬産業などの多くの産業においては、特定のツールまたは装置に供給するガスの量を正確に制御するために、マスフローコントローラ（ＭＦＣ）を用いている。例えば、半導体産業においては通常、プロセスデバイスまたはツールに供給するガスの量を選択するために、多数のＭＦＣを用いている。各ＭＦＣの入口は通常、特定の供給ガスに結合されている。各ＭＦＣの出口は通常、共通の出口に結合され、この共通の出口は、複数のＭＦＣの間で共有されるとともに、プロセスデバイスまたはツールに結合されている。このようなシステムにおいては、ガス流れの安定性が常に問題となっている。
【０００３】
例えば、ＭＦＣへガスを供給する際の圧力が変動するために、ＭＦＣ内部のガスの質量が変化する可能性がある。ＭＦＣ内の構成要素が質量変化に反応する際、通常、圧力の増加または低下を過剰に補償するため、流れが不安定になる。これが特に顕著であるのは、短時間での圧力の一時的な変化（過渡現象として知られる）の場合、および低流量で多量のガスの場合である。例えば、１００ミリセカンド（ｍｓｅｃ）において５ポンド／平方インチ（ｐｓｉ）または約３４パスカル（Ｐａ）と小さい過渡的圧力（ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ）によっても、劇的な影響が流れに出る可能性がある。
【０００４】
ＭＦＣの入口側における過渡的圧力（これは例えば不十分な圧力調整に起因する）に加えて、流れ不安定性が、過渡的圧力が原因でＭＦＣの出口側に起こる可能性もある。特に、複数のＭＦＣが共通出口と相互に結合する場合があるため、１つのＭＦＣからの流れの変化が共通出口の圧力に影響を及ぼす結果、共通出口に結合された他のＭＦＣの特性にも影響を及ぼす場合がある。その代わりに、または前述した問題に加えて、共通出口が接続されているプロセスデバイスまたはツールの圧力変化によって、共通出口に接続された１または複数のＭＦＣの特性に影響が出る場合もある。このような過渡的圧力は通常、ガスパネル（すなわち、構成要素、供給ライン、プロセス装置またはツールに接続された導管の集合）内での過渡的段階、およびガスパネルの種々の構成要素間の相互作用が原因である。この相互作用は、たとえば異なるＭＦＣ間、ＭＦＣと圧力レギュレータ間、ＭＦＣとバルブ間、またはＭＦＣとプロセス装置もしくはツールそれ自体との間である。このような過渡的段階の間、プロセス装置（たとえばＭＦＣ）は互いに補償し合って、事実上互いの作用を強め合う可能性がある。その結果、流れおよび圧力が振動する（これは一般に「クロストーク」と言われる）。半導体産業においては、ガス流れを正確に制御できないと、処理されている１または複数の最初のウェハを廃棄することになることが多い。これは、「ファーストウェハ効果」または「バッドファーストウェハ効果」と言われる。
【０００５】
圧力変動に起因する問題、特に過渡的圧力に起因する問題を回避するために、圧力レギュレータを、ガスパネルのそれぞれの流体プロセス装置（たとえばＭＦＣ、圧力トランスデューサなど）に付加することが多い。こうすることで圧力変動の影響は緩和され得るが、圧力レギュレータを各ＭＦＣに用いることは著しいコストおよびメンテナンスを招く。
【０００６】
概要
本発明の１つの実施形態によれば、ガス入口とガス出口とを有するガスプロセス装置が提供される。ガスプロセス装置は、第１の制流部（ｒｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎ）と、第２の制流部と、ガスセンサとを備え、それぞれ入口および出口を有している。第１の制流部の入口はガスプロセス装置のガス入口に流体を通すように結合され、ガスセンサの入口は、第１の制流部の出口に流体を通すように結合されている。第２の制流部の入口はガスセンサの出口に流体を通すように結合され、第２の制流部の出口はガスプロセス装置のガス出口に流体を通すように結合されている。この実施形態のさらなる態様においては、第２の制流部は、チョークされたガスの流れをもたらすように構成され配置されていても良い。
【０００７】
本発明の他の実施形態によれば、ガス入口とガス出口とを有するガスプロセス装置が提供される。ガスプロセス装置は、ガス入口とガス出口とに流体を通すように結合されたガスセンサと、ガス入口とガスセンサとの間およびガスセンサとガス出口との間にそれぞれ、流体を通すように結合された、圧力低下を起こすための第１および第２の手段とを備える。この実施形態のさらなる態様においては、ガスセンサは、サーマルマスフローメータを含んでいても良い。
【０００８】
本発明の別の実施形態によれば、入口および出口を備えるガスプロセス装置内のガスの特性を非感圧で測定する方法が提供される。本方法は、ガス流れを受け取る行為と、前記ガスの圧力を低下させて第１の減圧ガスを生成する行為と、第１の減圧ガスをガスセンサへ供給する行為と、第１の減圧ガスの特性をガスセンサによって測定する行為と、第１の減圧ガスの圧力をさらに低下させて第２の減圧ガスを生成する行為と、第２の減圧ガスを出口へ供給する行為とを含む。
【０００９】
本発明のさらなる実施形態によれば、制御バルブを有するガスプロセス装置内のガス流れを停止する方法が提供される。本方法は、ガスプロセス装置上流の入口バルブを閉じる行為と、制御バルブに対する所定のドライブを維持する行為と、ガス流量が所定の値を下回ったときにガスプロセス装置下流の出口バルブを閉じて、ガス流れを制御された仕方で停止する行為とを含む。
【００１０】
本発明の他の実施形態によれば、制御バルブと、ガスセンサと、制御バルブおよびガスセンサの下流の制流部とを有するガスプロセス装置内のガス流れを開始する方法が提供される。本方法は、制御バルブの上流の第１の圧力と、制御バルブよりも下流で制流部よりも上流の第２の圧力とを、制流部の下流の第３の圧力と等しくする行為と、ガスプロセス装置上流の入口バルブと、ガスプロセス装置下流の出口バルブとを開ける行為と、制御バルブを開け、所望する流量に対応する位置にして、ガス流れを制御された仕方で開始する行為とを含む。
【００１１】
本発明の好ましいが限定を何ら意味しない実施形態を、添付図面を参照しながら、実施例として説明する。
【００１２】
発明の詳細な説明
本発明の１つの態様によれば、ガス圧力の変動に対して実質的に無感応なガスプロセス装置が提供される。１つの実施形態においては、ガスプロセス装置には、入口および出口の両方の圧力変化に対して実質的に無感応なマスフローコントローラ（ＭＦＣ）が含まれる。この実施形態によって、例えば、従来のＭＦＣにおいてこのような圧力変化に対して無感応にするために必要な局所的で冗長な圧力調節に対する必要性をなくすことができる。追加の圧力調節装置が必要でないため、ガスプロセス装置および関連装置（ガスパネルなど）のサイズ、コスト、複雑さを低減することができる。さらに、ガスプロセス装置および関連装置のサイズおよび複雑さを低減できるため、これらの装置の運転に付随する保守コストも低減できる。本発明の実施形態は、大気プロセスだけでなく真空プロセスに対しても使用することができる。
【００１３】
本発明の実施形態は、主にマスフローコントローラについて説明するが、本発明はそれには限定されないことを理解されたい。この点について、本発明の態様は、種々のガスセンサとともに使用することができる。ガスセンサの精度は、ガスセンサの上流、ガスセンサの下流または両方の圧力の一時的な変化の影響を受ける。例えば、本発明の実施形態は、マスフローメータ、ガス組成アナライザ、およびその他の種々のタイプのガスセンサとともに使用することができる。
【００１４】
図１に、本発明の１つの実施形態によるガスプロセス装置を示す。ここでは、装置はガススティックまたはガスパネル１００の一部に配置されている。ガスプロセス装置５５は、ガスセンサ５０を備えている。ガスセンサ５０は、第１の制流部４０と第２の制流部６０とに流体を通すように結合されている。これらの制流部は、ガスプロセス装置５５のガス入口１１０とガス出口１２０との間にある。ここで用いる場合、用語「制流部」は、どんな構造もしくは装置または構造もしくは装置の集合であれ、圧力低下を、構造、装置、または構造もしくは装置の集合の入口から出口にかけて起こすことができるものを指す。図１に示した実施形態においては、第１の制流部４０の入口は、ガスプロセス装置５５のガス入口１１０に流体を通すように結合され、第１の制流部の出口はガスセンサ５０の入口に流体を通すように結合されている。ガスセンサ５０の出口は、第２の制流部６０の入口に流体を通すように結合され、第２の制流部６０の出口は、ガスプロセス装置５５のガス出口１２０に流体を通すように結合されている。
【００１５】
本発明の１つの態様において、出願人は、制流部４０、６０を用いることで、ガスプロセス装置５５を、上流および／または下流の圧力変動に対して不感圧にできることを確認した。具体的には、出願人は、制流部４０、６０においてわずかでも圧力低下があれば、圧力変動に対するガスプロセス装置５５の感度を下げるのに十分であることを見出した。例えば、制流部６０を通るガス流れをチョークすれば、ガスプロセス装置５５は、ガスプロセス装置５５の下流における圧力変動に対して実質的に無感応になる。また、制流部４０を通るガス流れも制限またはチョークすれば、ガスプロセス装置５５の、ガスプロセス装置５５の上流における圧力変動に対する感度も下がる。チョークされた流れを起こすのに必要な圧力低下の正確な値は、ガスによって異なる。しかし、半導体製造工業で使用される大部分のガスに対して、チョークされた流れが実現するのは通常、制流部４０、６０の上流の圧力が制流部の下流の圧力の約２倍であるときである。
【００１６】
１つの実施形態においては、制流部４０、６０における圧力低下をチョークされた流れを起こすのに必要な値よりも大きくして、非感圧を確実にしても良い。しかし本発明は、チョークされた流れを起こす制流部に限定されず、それほど大きくない圧力低下を代わりに用いても良いことを理解されたい。例えば、出願人が見出したところによれば、制流部４０、６０における圧力低下が約１．２５以上（制流部４０、６０の上流対下流の圧力の比で表わす）であれば、ガスプロセス装置５５の上流および下流における圧力変動に対する装置５５の感度が大きく低下する。好適な圧力低下は、ガスプロセス装置５５を通るガスの特性だけでなく、制流部４０、６０の空気抵抗によっても異なる。例えば、制流部４０がもたらすわずかな空気抵抗の作用によって、ガスプロセス装置５５上流における短時間の過渡的圧力の急な立ち上がりが取り除かれる。１つの実施形態においては、制流部４０、６０の作用は、流れ対圧力の挙動が非線形な領域で行われる。その結果、上流の圧力変動に対する制流部４０の緩衝効果が高まるため、ガスプロセス装置５５は下流におけるわずかな圧力変動からも効果的に隔離される。
【００１７】
図１ａに示した実施形態においては、制流部４０には、制御バルブ４１が含まれていても良いが、その他のタイプの制流部を用いても良い。これについては後述する。またガスセンサ５０には、マスフローメータ、圧力トランスデューサ、ガス成分アナライザ、または当該技術分野において周知のその他のどんなタイプのガスセンサが含まれていても良い。１つの実施形態においては、制流部４０には制御バルブ４１が含まれ、ガスセンサ５０はマスフローメータであり、制御バルブ４１とマスフローメータと制流部６０とが組み合わさって単一の装置（たとえばマスフローコントローラ（ＭＦＣ））となっていても良い。このＭＦＣもまた、ガスパネル１００の一部であり得る。本発明の種々の態様を、図１ａに示した実施形態を参照して主に説明しているが、本発明はそれに限らないことを理解されたい。具体的には、本発明は、図１ｂおよび１ｃに示したような他の構成で具体化しても良い。例えば、図１ｂに示した実施形態では、制流部６０には制御バルブ６１が含まれていても良く、図１ｃに示した実施形態では、制流部４０および制流部６０の両方がバルブ４１、６１であっても良く、これらのバルブの何れかまたは両方が制御バルブであっても良い。さらに、ガスセンサ５０はマスフローメータ以外であっても良く、ガスセンサ５０にはガス成分アナライザ、圧力トランスデューサ、またはこのようなセンサの組み合わせが含まれていても良いことを理解されたい。
【００１８】
図１ａに示した実施形態においては、ガスパネル１００は、入口バルブ２０（プロセスガスを受け取る）、ガスプロセス装置５５（ＭＦＣとして構成されている）、出口バルブ８０を備えている。プロセスガスは、単一のプロセスガスであっても良いし、複数のプロセスガスの混合物であっても良い。ガス出口バルブ８０は、例えば、プロセス装置もしくはツールまたはその他の何らかの共通出口に結合されていても良い。図１ａの実施形態においては、ガスプロセス装置５５は入口バルブ２０および出口バルブ８０に直接結合されている。しかし、その他のフローモニタリングまたは制御装置を、その間に設けても良いことを理解されたい。ガスパネル１００は、図１ａに示すように、パージバルブ１０を備えていても良い。例えば、パージバルブ１０を作動させて、ガスプロセス装置５５をパージガスでフラッシュすることができる。通常、このようなパージングプロセスの間は、入口バルブ２０を閉じ、制御バルブ４０および出口バルブ８０を開けて、流路をパージする。通常動作の間は、パージバルブ１０は典型的に閉位置にセットされる。
【００１９】
１つの実施形態においては、プロセスガスを、ガスプロセス装置５５に入口バルブ２０を通して工場分配の圧力で直接供給しても良く、圧力レギュレータをその間に設ける必要はない。例えば、ガスを種々の圧力で供給しても良く、典型的な圧力は、約５ｐｓｉ（約３４Ｐａ）から１００ｐｓｉ（約６９０Ｐａ）、または約２５ｐｓｉ（約１７０Ｐａ）から４０ｐｓｉ（約２７５Ｐａ）である。入口バルブ２０は、使用ガスに適合すればどんなフロー制御装置であっても良い。例えば、入口バルブ２０は、メンテナンスを安全にするためにマニュアルロックアウトオーバーライドが設けられた、従来のプロセスガスニューマチックシャットオフバルブであっても良い。同様に、ガス出口バルブ８０およびパージバルブ１０は、使用ガスに適合すればどんなガスフロー制御装置であっても良い。これはたとえば、従来のプロセスガス出口アイソレーションニューマチックシャットオフバルブである。バルブ１０、２０、８０は、腐食性で、爆発性で、または従来の方法では有害となる可能性があるガスを取り扱うように作製しても良いことを理解されたい。
【００２０】
制御バルブ４１は、ガス流れを所望の精度で制御できれば、どんなバルブであっても良い。例えば、制御バルブ４１はプロポーショナルメータリングバルブであっても良い。その代わりに、制御バルブ４１を所望の程度まで開けて、一定の流量を流しても良い。制御バルブ４１をフローメータ（たとえばガスセンサ５０）の前に配置して動作させることによって、フローメータが下流の圧力変動に対して実質的に無感応となるようにしても良い。すなわち、制御バルブ４１を通るガス流れを調節して、制御バルブ４１の入口側の圧力が制御バルブ４１の出口側の圧力よりも十分に大きくなるようにする。その結果、制御バルブ４１を通るガス流れは、下流における圧力変動に対して実質的に無感応になる。例えば、制御バルブ４１の上流の圧力は、制御バルブ４１の下流の圧力よりも約２倍大きい。また制御バルブ４１を、制御バルブ４１の下流の圧力が上流の圧力変動に対して無感応となるように動作させても良い。例えば、制御バルブ４１における圧力低下は、上流の圧力変動を減衰させるのに十分であるか、またはガスプロセス装置５５を上流の圧力変動に対して実質的に無感応にするのに十分であるようにしても良い。バルブを、このバルブの下流の圧力変動に対して実質的に無感応となるように動作させるとき、このバルブはチョークされた状態にあると言う。
【００２１】
図１ａに示したガスプロセス装置５５の構成は、従来のＭＦＣとは対照的である。従来のＭＦＣでは、制御バルブ（たとえば制御バルブ４１）は通常、ＭＦＣの出口側のフローメータ（たとえばガスセンサ５０）よりも後（すなわち下流）に配置されている。このような従来の配置では、制御バルブによって、上流の圧力変動に対するフローメータの感度を下げることはできない。
【００２２】
制御バルブ４１を完全に閉じる必要はないことを理解されたい。この点に関して、本発明は、完全に閉じるバルブだけでなく完全には閉じないバルブとともに使用することができる。例えば、制御バルブ４１が閉位置でリークしても、容積３０（バルブ１０、２０、および４１の間で相互連絡する経路の内部容積を表す）と容積７０（バルブ４１と８０との間で相互連絡する経路の内部容積を表わし、フローメータおよび制流部６０の内部容積も含む）との異なる圧力は、短時間の間に等しくなる。これについては、後述する。制御バルブ４１を、ガスプロセス装置５５の他のバルブ１０、２０、８０と同様に、特定のタイプの使用ガス（たとえば腐食性で、爆発性で、有毒であるなど）に対して特に適合させても良い。
【００２３】
図１ａに示した実施形態においては、ガスセンサ５０にはマスフローメータが含まれる。フローメータは、ガスのマスフローレートを所望の精度まで測定するのであれば、どんなマスフロー測定装置であっても良い。例えば、フローメータは、サーマルマスフローメータ（従来のバイパス型サーマルマスフローメータなど）であっても良い。ガスセンサ５０がサーマルバイパスマスフローメータである場合には、サーマルバイパス型フローメータの種々のタイプのプロセスガスに対する較正における業界での多くの経験を、本発明の実施形態とともに使用することができる。サーマルマスフローメータは、マスフローレートを、ガスの熱容量に基づいて測定するため、変動要因としてのガス圧力および温度を排除している。しかし、ガス圧力がマスフローレート測定とは関係がなくても、圧力が変化すると、過渡的段階においてマスフローレートが変化する。ガスセンサ５０にはサーマルマスフローメータが含まれ得るが、本発明はこれには限定されないことを理解されたい。従って、ガスセンサ５０を上流および下流の圧力変動から保護する能力を、その他のタイプのマスフローメータとともに用いても良い。例えば、圧力ベースのフローメータ、ベンチュリーフローメータ、「コリオリ（Ｃｏｒｒｉｏｌｕｓ）」効果フローメータ、ボリュームフローメータ（ドップラーおよびポジティブディスプレースメントピストンフローメータなど）である。
【００２４】
上述したように、制流部４０、６０は、ガス流れを制限し、そうでなければ限定して、制流部の入口側の圧力が制流部の出口側の圧力よりも大きいのであれば、どんな装置または構造であっても良い。例えば、制流部４０、６０は、フィルタ、フリット、バルブ、バッフル、制限オリフィス、またはその他のどんな装置であっても良い。これらの装置においては、制流部４０、６０から出る流量は、制流部４０、６０の出口の圧力に実質的に関係しない。例えば、本発明の１つの態様において、このことを幅広い様々なガスに対して実現するためには、制流部４０、６０での圧力低下が、上流のガス圧力の半分をほぼ上回ることを保障すれば良い。制流部４０、６０には、フィルタ（圧力低下をもたらす以外に、プロセスガス流れからの粒子状汚染物質をろ過できる）が含まれていても良い。また制流部４０、６０には、フリット（焼結された金属板など）が含まれていても良い。また制流部４０、６０には、オリフィスが含まれていても良い。オリフィスは、たとえばソニックオリフィス（オリフィスを通過する流れが遷音速）である。その代わりに、制流部４０、６０には１または複数のバッフルが含まれていても良い。本発明は、特定のタイプの制流部に限定されず、その他のタイプのガス流れ限定装置（所望する圧力低下を生じるように構成されたバルブなど）を代わりに用いても良いことを理解されたい。
【００２５】
制流部４０、６０を選択して圧力低下を起こすことによって、フローメータにおいて十分な出口圧力が測定され、使用可能な最小の流れおよび公称の出口圧力において較正の移動が起きることが回避されなければならない。従って、制流部４０、６０の圧力低下はフルスケールの流れにおいて非常に大きなものとなるが、それにも拘わらずこの圧力低下は許容できるものであり得る。例えば、圧力低下が流れとともに線形に変化すると仮定した場合、５Ｔｏｒｒ（約７００Ｐａ）の圧力低下が装置のフルスケール流れの１％で生じれば、５００Ｔｏｒｒ（約７００００Ｐａ）の低下が装置のフルスケール流れの１００％で生じる。容積７０を満たすガスが原因で、フローメータの過渡的な応答において変化が生じるが、当業者であれば、この影響は定常状態では消え、ガスプロセス装置５５のパラメータを最適化することによってこの影響を調整できることを理解するであろう。
【００２６】
入口圧力が急速に変化する間、コントローラバルブ４１を通る流量は、絶対圧力の変化に比例して変化する。例えば、２ポンド／平方インチ（ｐｓｉ）（約１４Ｐａ）の圧力低下が急速に起こり、圧力が５０ポンド／平方インチゲージ（ｐｓｉｇ）（約４０Ｐａ）のラインで復帰した場合、２／６５または約３％の流れの変化が過渡状態のピークにおいて生じる。ガスプロセス装置５５がＭＦＣとして構成されている場合、このような圧力変化によって、同じ大きさの過渡的な流れ変化が生じ得るが、ＭＦＣ制御回路によって、ＭＦＣのターンオン修正時間の一部において補正され得る。圧力変化に応答したこれらの流れ変化は、従来の下流の制御バルブのＭＦＣの場合よりも、数桁小さい。
【００２７】
本発明の１つの態様によれば、入口および出口を有するガスプロセス装置内のガス流れを非感圧で制御する方法が提供される。ガスの特性を非感圧で測定する方法には、ガス流れを入口で受け取ることと、このガスの圧力を低下させて第１の減圧ガスを生成することと、第１の減圧ガスをガスセンサへ供給することとが含まれる。本方法にはさらに、ガスの特性をガスセンサによって測定することと、ガスの圧力をさらに低下させて第２の減圧ガスを生成することと、第２の減圧ガスをガスプロセス装置の出口へ供給することとが含まれる。圧力を低下させる行為には、ガス圧力を低下させてガス流れをチョークさせることが含まれていても良い。
【００２８】
本発明の他の態様によれば、ガスプロセス装置においてガス流れを制御された仕方で停止させる方法が提供される。本方法には、ガスプロセス装置上流の入口バルブを閉じる行為と、制御バルブに対する所定のドライブを維持する行為と、ガス流量が所定の値を下回ったときにガスプロセス装置下流の出口バルブを閉じる行為とが含まれる。この方法の実施は、例えば、フロー制御回路（例えば、入口バルブ（たとえば入口バルブ２０）、制御バルブ（たとえば制御バルブ４１）、フローメータ（たとえばガスセンサ５０）、出口バルブ（たとえば出口バルブ８０）に作用的に結合した、マイクロプロセッサに基づくコントローラ）を用いて行うことができる。例えば、マスフローコントローラ回路の構成は、入口バルブ２０に供給されるバルブ駆動電圧が最大電圧に到達して流れがある閾値を下回ったことがこの回路によって検出されたときに、出口バルブ８０を閉じるようなものであっても良い。閾値およびタイミングは、容積３０および７０の圧力が実質的にプロセス出口圧力と等しくなったらすぐにバルブ８０を閉じるように選択しても良い。バルブ８０を閉じた後に、設定点をゼロにして、システム（たとえば、フロー制御回路、バルブ２０および８０、ガスプロセス装置５５）が流れを何時でも再開始できるようにする。流れの実際の停止は、命令によって容積３０および７０内の残量が放出される時間だけ、命令に遅れる可能性がある。これらの容積を流量と比べて小さくすることで、十分な放出に必要なのはほんの一瞬だけとすることができる。この効果は、流量が低いほど顕著になるが、内部容積３０および７０を小さくして、この効果を最小限にしても良い。しかし、流量が非常に低い場合、たとえば５標準立方センチメートル／分（ｓｃｃｍ）の場合には、遅れは依然として著しい。これは特に入口圧力が高いときにそうである。ガス流れを制御された仕方で停止するこの方法とともに使用できるフロー制御回路は、当該技術分野において周知である。そのため、フロー制御トロール回路のこれ以上の詳細はここでは省略する。
【００２９】
本発明の他の態様によれば、ガス流れを制御された方法で開始するための方法が提供される。ガスプロセス装置においてガス流れを制御された仕方で開始するための方法には、制御バルブの上流の第１の圧力と、制御バルブの下流の第２の圧力とを、制流部の下流の第３の圧力と等しくする行為、ガスプロセス装置上流の入口バルブと、ガスプロセス装置下流の出口バルブとを開ける行為、制御バルブを開けて所望の流量に対応する位置にする行為が含まれる。この方法を実施可能なガスプロセス装置の１つの実施形態を、図１ａに示す。図１ａに示したガスプロセス装置５５に対してこの方法を実施すると、容積３０および７０の圧力がプロセス出口圧力に実質的に等しいため、出口バルブ８０を開けたときに、容積７０内に残存し得るガスの放出に起因する出口圧力のサージは全く起こらない。制御バルブ４１の両側の圧力をバルブを締めた状態で等しくすることで、制御バルブ４１の漏れは重要なことではなくなる。このような圧力の均一化がないと、容積３０は、バルブ２０、４１、８０が閉じたときに供給圧力になる。容積７０の圧力は、最初はプロセス出口圧力に近いが、容積３０の圧力が制御バルブ４１を通ってリークするにつれて上昇する。出口バルブ８０をこのような状況の下で開けたときの圧力「破裂（ｐｏｐ）」の大きさは、制御バルブ４１の漏れ、および流れが最後に起きてからの時間によって変わり得る。この突然の圧力変化のために、従来の設備を備えたプロセスツールにおいて「バッドファーストウェハ」効果が起こり得る。
【００３０】
実施例
実施例１
本発明の実施形態によって、上流圧力が変化する間のガスプロセス装置の流れ安定性がどのように改善されるかを示すために、従来のＭＦＣと本発明の実施形態によるＭＦＣとに対する上流圧力の影響を比較する実験を行った。
【００３１】
これらの実験で用いる従来のＭＦＣは、入口バルブ（例えば図１ａの入口バルブ２０）と、このバルブが結合されるバイパス型サーマルマスフローメータ（例えば図１ａのガスセンサ５０）とを備え、サーマルマスフローメータは入口バルブの下流に配置されている。サーマルマスフローメータも、プロポーショナルメータリングバルブ（例えば図１ｂの制御バルブ６１）に結合されており、メータリングバルブはサーマルマスフローメータの下流に配置されている。
【００３２】
本発明の実施形態によるＭＦＣにおいては、ガスパネルとして、図１ａに示したガスパネル１００と同様のものを使用した。このガスパネルでは、入口バルブ１０および２０が、プロポーショナルメータリングバルブ４１の入口に結合されていた。プロポーショナルメータリングバルブ４１の出口は、サーマルマスフローメータ（例えばガスセンサ５０）の入口に結合されていた。サーマルマスフローメータの出口は、制流部６０に結合されていた。入口バルブ１０は、常時閉のソレノイドバルブであった。入口バルブ２０は、標準的なバルブであった。制流部６０は、装置のフルスケール流れの１０％を真空へ通すときに２０Ｔｏｒｒ（約２６００Ｐａ）の圧力低下を維持するように選ばれており、遷音速オリフィス（０．００６インチの２つの孔が０．００２インチ厚みの金属箔に設けられている）として設けられた。これらのテストにおいて、バルブ４１の圧力低下は約４０ｐｓｉ（約２７５Ｐａ）から４５ｐｓｉ（約３１０Ｐａ）であった。
【００３３】
定常状態の流れである１００ｓｃｃｍの窒素ガスを、バルブ２０を通して２５ｐｓｉｇ（約１７０Ｐａ）で各ＭＦＣへ供給した。各バルブ４１の表示流量（電圧）をモニタした。バルブ１０への供給圧力を３０ｐｓｉ（約２０５Ｐａ）にセットした後、バルブ１０を開けて、約５ｐｓｉ（約３４Ｐａ）の圧力サージを約１００ミリセコンド（ｍｓｅｃ）に渡って、各ＭＦＣのガス供給において発生させた。バルブ４１の表示流量の変化を、圧力サージの前、サージの間、サージの後においてモニタした。
【００３４】
図２ａおよび２ｂはそれぞれ、従来のＭＦＣにおける供給圧力（ｐｓｉｇ）対時間（秒）と、制御バルブ４１を通る表示流量（ボルト。５ボルトが装置のフルスケール流れの１００％に対応する）対時間（秒）とのグラフである。これらのグラフから分かるように、従来のＭＦＣは、圧力変化に対して、最初に表示流量を劇的に増加させてフルスケール流れを超えさせた後に、急激に下げている。この劇的な変化によって、同様の変化がＭＦＣから出る流量にも起きるため、流れが不安定になる。
【００３５】
図３ａおよび３ｂはそれぞれ、本発明の実施形態によるＭＦＣにおける供給圧力（ｐｓｉｇ）対時間（秒）と、制御バルブ４１を通る表示流量（ボルト。５ボルトが装置フルスケール流れの１００％に対応する）対時間（秒）とのグラフである。これらのグラフが示すように、本発明の態様に係るＭＦＣは、制御バルブ４１を通る表示流量において実質的において何の変化も受けない。そのため、実質的に流れ不安定は全くない。このことは、本発明によって、上流の圧力変化に対するＭＦＣの流れ安定性が、従来のデザインに対して劇的に改善されたことを示す。
【００３６】
実施例２
本発明の実施形態によるＭＦＣにおいて下流圧力が変化する間の流れ安定性を測定するために、流れ安定性実験を行った。本発明の実施形態によるＭＦＣにおいては、ガスパネルとして、図１ａに示すガスパネル１００と同様で実施例１で用いたガスパネルを使用した。ただし実施例２のガスパネルにおいては、出口バルブ８０を制流部６０の出口に結合し、また出口バルブ８０を真空ポンプと圧力貯蔵タンクとに結合した。真空ポンプと圧力貯蔵タンクは、出口バルブ８０下流の同じ地点に接続した。圧力貯蔵タンクには、ニューマチックバルブ（ソレノイドによって間接的に作動する）を取り付けた。圧力貯蔵タンクには、最初に空気を、下流におけるサージ実験に適した圧力で充填した。例えば、実験として結果が図４ａに示されるようなものを行う場合、圧力貯蔵タンク内の圧力は約１８Ｔｏｒｒ（約２４００Ｐａ）とした。
【００３７】
定常状態の流れである１００ｓｃｃｍの窒素ガスを約７ｐｓｉｇ（約４８Ｐａ）で、バルブ２０を通して供給した。ＭＦＣを通る流れを装置のフルスケール流れの１０％にセットした。定常状態の排気圧力を約１Ｔｏｒｒ（約１３３Ｐａ）に維持した。次に、圧力貯蔵タンクのバルブを約２秒間開けて、排気圧力を約１８Ｔｏｒｒ（約２４００Ｐａ）まで上げた。次にそのバルブを閉じて、下流の圧力を約１Ｔｏｒｒ（約１３３Ｐａ）に戻した。排気圧力の変化が、装置のフルスケール流れのパーセンテージに及ぼす影響をモニタした。図４ａおよび４ｂはそれぞれ、排気圧力（Ｔｏｒｒ）対時間（秒）と、装置のフルスケール流れのパーセンテージ対時間（秒）である。これらのグラフが示すように、本発明の態様に係るＭＦＣは、装置のフルスケール流れのパーセンテージにおいて実質的に何の変化も受けない。そのため、流れ不安定は全くない。
【００３８】
この実験の繰り返しを、装置のフルスケール流れの２５％（図５ａおよび５ｂ）、装置のフルスケール流れの５０％（図６ａおよび６ｂ）、装置のフルスケール流れの７５％（図７ａおよび７ｂ）、および装置のフルスケール流れの１００％（図８ａおよび８ｂ）で行った。装置のフルスケール流れの５０％、７５％、１００％においては、定常状態の排気圧力は約２．５Ｔｏｒｒ（約３３０Ｐａ）であり、圧力サージは約４０Ｔｏｒｒ（約５３００Ｐａ）であった。図５ａから８ｂで示すように、本発明の態様に従って構成されたＭＦＣは、装置のフルスケール流れの複数のパーセンテージにおいて実質的に何の変化も受けない。従って、装置のフルスケール流れのこれらのパーセンテージの何れにおいても実質的に流れ不安定性が全くない。これは、本発明の態様に係るＭＦＣが、下流における圧力変化に対して実質的に無感応であることを示す。
【００３９】
本発明の実施形態を、主に半導体プロセシング装置に関して説明してきたが、本発明はそれに限らないことを理解されたい。この点について、本発明の実施形態は、ガスなどの流体の正確な制御が必要とされるどんな場合においても使用できる。
【００４０】
ガスセンサ５０にはフローメータ以外の装置が含まれること、および複数のガスセンサ５０を用いても良いことを理解されたい。例えば、フローメータの代わりにまたはこれに加えて、過渡的な圧力の影響を受け得るその他のガスセンサを、制流部４０と制流部６０との間に配置しても良い。その他のガスセンサとしては、例えばガス流れ中の水蒸気を測定するためのセンサ、およびその他の成分分析を行うセンサであっても良い。
【００４１】
ここで説明した要素のそれぞれまたは２以上を一緒にしたものに対して、修正を施しても良いし、上述した用途とは異なる他の用途において有用性を見出しても良いことを理解されたい。本発明の特定の実施形態について説明し記述してきたが、本発明は、示した詳細に限定されることを意図しておらず、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の趣旨からどのようにであれ逸脱することなく、種々の修正および置き換えを行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ａは本発明の１つの実施形態によるガスプロセス装置を示す概略図であり、ｂは本発明の他の実施形態によるガスプロセス装置を示す概略図であり、ｃは本発明の他の実施形態によるガスプロセス装置を示す概略図である。
【図２】ａは従来のマスフローコントローラにおける供給圧力対時間のグラフを示す図であり、ｂは従来のマスフローコントローラにおける表示流量対時間のグラフを示す図である。
【図３】ａは本発明の実施形態によるマスフローコントローラにおける供給圧力対時間のグラフを示す図であり、ｂは本発明の実施形態によるマスフローコントローラにおける表示流量対時間のグラフを示す図である。
【図４】ａは本発明の実施形態によるマスフローコントローラにおける排気圧力対時間のグラフを示す図であり、ｂは本発明の実施形態によるマスフローコントローラにおける、デバイスのフルスケール流れのパーセンテージ対時間のグラフを示す図である。
【図５】ａは本発明の実施形態によるマスフローコントローラにおける排気圧力対時間のグラフを示す図であり、ｂは本発明の実施形態によるマスフローコントローラにおける、デバイスのフルスケール流れのパーセンテージ対時間のグラフを示す図である。
【図６】ａは本発明の実施形態によるマスフローコントローラにおける排気圧力対時間のグラフを示す図であり、ｂは本発明の実施形態によるマスフローコントローラにおける、デバイスのフルスケール流れのパーセンテージ対時間のグラフを示す図である。
【図７】ａは本発明の実施形態によるマスフローコントローラにおける排気圧力対時間のグラフを示す図であり、ｂは本発明の実施形態によるマスフローコントローラにおける、デバイスのフルスケール流れのパーセンテージ対時間のグラフを示す図である。
【図８】ａは本発明の実施形態によるマスフローコントローラにおける排気圧力対時間のグラフを示す図であり、ｂは本発明の実施形態によるマスフローコントローラにおける、デバイスのフルスケール流れのパーセンテージ対時間のグラフを示す図である。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図１ｃ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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