(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を音速で連続して通過させる絞り部と、前記絞り部の上流側で流体圧力を検出する圧力センサと、前記絞り部の上流側で流体温度を検出する温度センサと、前記絞り部の圧力を調節する圧力制御バルブとを有し、前記圧力センサ及び温度センサの検出結果に基づいて前記圧力制御バルブを制御することにより、流体供給量を制御するガス供給制御装置において、
前記絞り部を通過する流体の流量を検出する熱式流量センサと、
前記圧力センサと前記温度センサの検出結果に基づいて算出された前記絞り部に供給される流量と、前記熱式流量センサが検出する流量との差を求め、その差が許容範囲を超えたときに、前記絞り部が故障したと判断する比較回路と、を有することを特徴とするガス供給制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載するガス供給制御装置において、
前記圧力センサ及び温度センサの検出結果に基づいて、前記絞り部を通過する流体流量を算出する第１演算回路と、
前記熱式流量センサの検出結果に基づいて、前記絞り部の有効断面積を算出する第２演算回路と、
前記絞り部を通過する流体の流量設定値が入力された制御回路とを有し、
前記第２演算回路の第２算出結果が、前記圧力センサの検出結果を補正し、前記第１演算回路が、前記補正後の圧力センサの検出結果を利用して流体流量を算出して、その第１算出結果を前記制御回路へ送信することを特徴とするガス供給制御装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２のいずれかに記載するガス供給制御装置において、
前記熱式流量センサの検出結果に基づいて警告信号を発する比較回路を有することを特徴とするガス供給制御装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載するガス供給制御装置において、
前記熱式流量センサ、前記圧力センサ及び前記温度センサを、同一カバー内に収納することを特徴とするガス供給制御装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか一つに記載するガス供給制御装置において、
前記絞り部を、前記流体供給量を調節する最終遮断バルブの入口ポート近傍に設けたことを特徴とするガス供給制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、絞り部の圧力流量特性を利用したガス供給制御装置に関し、特に、絞り部の有効断面積を熱式流量センサにより検知し、流体流量を制御するガス供給制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体製造装置において、例えば、ウエハ表面に薄膜を形成させるＣＶＤ装置では、薄膜材料を構成する化合物からなる１種又は数種の材料ガスをウエハ上に供給している。このとき、ウエハ表面に形成される薄膜を所望のものにする（例えば、薄膜の厚さを均一にする）ために、ウエハ上に供給される材料ガスを一定量連続して供給させる必要がある。
【０００３】
そこで、ＣＶＤ装置においては、ウエハ上に供給される材料ガスを一定量連続して供給させるガス供給制御装置が使用されている。かかるガス供給制御装置には、マスフローコントローラが使用されていた。しかし、近年の微細加工の要求に応えるには、マスフローコントローラは応答性が鈍く、しかも低流量領域における制御精度が悪いという問題があった。
【０００４】
この問題を解決するために、特開平１０−５５２１８号公報に記載されたガス供給制御装置は、マスフローコントローラに換えて音速ノズルを使用したガス供給制御装置を提案している。
特開平１０−５５２１８号公報に記載されたガス供給制御装置は、直径０．２ｍｍの丸穴が形成された金属薄板からなるオリフィスを使用している。そして、かかるオリフィスの下流側の圧力Ｐ２に対するオリフィスの上流側の圧力Ｐ１の比Ｐ１／Ｐ２が約１．４より大きい場合に、オリフィスを音速流で通過する材料ガスの流量Ｑｃが、
Ｑｃ＝Ｋ×Ｓ×Ｐ１
（但し、Ｋは定数、Ｓは有効断面積）のベルヌーイの式で近似される、オリフィスの圧力流量特性を利用するものである。
【０００５】
従って、材料ガスが音速流にあり、オリフィスの下流側の圧力Ｐ２に対するオリフィスの上流側の上流圧力Ｐ１の比Ｐ１／Ｐ２  が約１．４より大きければ、一次圧力検出器で検出されるオリフィスの上流側の圧力Ｐ１に基づいて、オリフィスを通過する材料ガスの流量Ｑｃを算出することができる。また、オリフィスの上流側の圧力Ｐ１を、オリフィスの上流側に配設された圧力制御バルブで調節することにより、オリフィスを通過する材料ガスの流量Ｑｃを設定値に保つことができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平１０−５５２１８号公報に記載されたガス供給制御装置には、次のような問題があった。
（１）腐食性の高い材料ガスを使用すると、オリフィスの丸穴が腐食し、腐食部分が流体圧力により吹き飛ばされ、拡径する場合があった。また、上流側流路内に発生したパーティクルが、オリフィスの丸穴周辺に付着し、丸穴が目詰まりする可能性があった。
このとき、丸穴の直径が僅かに変化しただけで、オリフィスを通過する材料ガスの流量が大きく変化する。例えば、オリフィスの丸穴が変形する前の上流側圧力Ｐ１を１０Ｐａ、オリフィスを通過する材料ガスの流量Ｑを２５０ｃｃ／ｓｅｃとすると、オリフィスの直径が僅か０．２ｍｍから０．２１ｍｍに（５％）拡径しただけで、流量は１０．２５％増加して、約２７５．６ｃｃ／ｓｅｃとなり、約２５ｃｃ／ｓｅｃも増加する。
このように有効断面積の変化は流体流量を大きく変化させるので、特に微細加工の場合には、製品が粗悪になり、深刻な問題である。それにもかかわらず、特開平１０−５５２１８号公報に記載されたガス供給制御装置には、オリフィスの径の拡大や目詰まり等による有効断面積Ｓの変化を検出するシステムが設けられていなかった。従って、オリフィスを取り外して点検しなければ、有効断面積の変化、すなわち、オリフィスの故障を発見することができなかった。
【０００７】
（２）しかも、特開平１０−５５２１８号公報に記載されたガス供給制御装置は、上述した流量Ｑｃの算出式において、有効断面積Ｓを予め所定値に設定し、定数的に取り扱っていた。
従って、特開平１０−５５２１８号公報に記載されたガス供給制御装置は、上述した算出式に対して有効断面積Ｓの変化を補うことができないので、オリフィスが交換を要しない程に劣化している場合に、材料ガスの流量を精度よく制御することができないという問題があった。
【０００８】
（３）また、特開平１０−５５２１８号公報のオリフィスは、ねじにより弁本体に取り付けられていたため、ガス供給制御装置の構造が大型化していた。このため、オリフィスからオリフィスの下流に配設された最終遮断バルブまでの流路面積が大きく、一定時間最終バルブを閉鎖した後に、再度最終バルブを開放すると、オーバーシュートが発生する問題があった。
すなわち、最終遮断バルブが閉鎖されても、オリフィスの下流側圧力Ｐ２は上流側圧力Ｐ１よりも小さいため、材料ガスが上流側から下流側へ供給され続ける。そのため、オリフィス３３の下流側に蓄積された材料ガスは、所定の圧力値よりも大きくなる。その後、再度最終遮断バルブを開放すると、下流側に蓄積された材料ガスが一気にチャンバへ流れ込み、オーバーシュートを発生する。このようなオーバーシュートは、オリフィスから最終遮断バルブまでの流路面積が大きいほど、顕著に発生する。
また、オーバーシュートが発生すると、流量は振動しながら目標値に整定されるため、応答時間が長くなり、問題であった。
【０００９】
そこで、本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、絞り部を取り外さなくても絞り部の故障を検出することができ、絞り部の有効断面積の変化と絞り部の上流側圧力の変化に基づいて、精度よく流体流量を制御することができるコンパクトなガス供給制御装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
（１）本発明のガス供給制御装置は、流体を音速で連続して通過させる絞り部と、前記絞り部の上流側で流体圧力を検出する圧力センサと、前記絞り部の上流側で流体温度を検出する温度センサと、前記絞り部の圧力を調節する圧力制御バルブとを有し、前記圧力センサ及び温度センサの検出結果に基づいて前記圧力制御バルブを制御することにより、流体供給量を制御するガス供給制御装置であって、前記絞り部を通過する流体の流量を検出する熱式流量センサと、前記圧力センサと前記温度センサの検出結果に基づいて算出された前記絞り部に供給される流量と、前記熱式流量センサが検出する流量との差を求め、その差が許容範囲を超えたときに、前記絞り部が故障したと判断する比較回路と、を有する。
【００１１】
（２）また、本発明のガス供給制御装置は、（１）に記載するガス供給制御装置であって、前記圧力センサ及び温度センサの検出結果に基づいて、前記絞り部を通過する流体流量を算出する第１演算回路と、前記熱式流量センサの検出結果に基づいて、前記絞り部の有効断面積を算出する第２演算回路と、前記絞り部を通過する流体の流量設定値が入力された制御回路とを有し、前記第２演算回路の第２算出結果が、前記圧力センサの検出結果を補正し、前記第１演算回路が、前記補正後の圧力センサの検出結果を利用して流体流量を算出して、その第１算出結果を前記制御回路へ送信する。
【００１２】
（３）また、本発明のガス供給制御装置は、（１）又は（２）のいずれかに記載するガス供給制御装置であって、前記熱式流量センサの検出結果に基づいて警告信号を発する比較回路を有する。
【００１３】
（４）また、本発明のガス供給制御装置は、（１）乃至（３）のいずれか一つに記載するガス供給制御装置であって、前記熱式流量センサ、前記圧力センサ及び前記温度センサを、同一カバー内に収納する。
【００１４】
（５）また更に、本発明のガス供給制御装置は、（１）乃至（４）のいずれか一つに記載するガス供給制御装置であって、前記絞り部を、前記流体供給量を調節する最終遮断バルブの入口ポートに近傍に設けた。
【００１５】
以下、上記構成を有するガス供給制御装置の作用について説明する。
流体が音速流で通過する絞り部は、マスフローコントローラとは異なり、高流量領域、中流量領域及び低流量領域の各領域において、測定精度が優れており、しかも、構造がシンプルであるため故障が生じにくいという利点があることが、一般に知られている。
【００１６】
そこで、本発明のガス供給制御装置は、絞り部の下流側圧力Ｐ２に対する上流側圧力Ｐ１の比Ｐ１／Ｐ２が一定値以上になるように全体を制御し、流体が音速流で絞り部を通過するようにしている。
音速流で絞り部を通過する流体には、下流側圧力Ｐ２の変動が上流側に伝播しないため、絞り部を通過する流体の流量を上流側圧力Ｐ１のみで検出できるという圧力特性がある。
【００１７】
本発明のガス供給制御装置は、上記流体の圧力特性を利用するものである。すなわち、ガス供給制御装置は、第１演算回路において、絞り部を音速流で通過する流体の圧力特性を利用して、ベルヌーイの式で近似される第１算出式、すなわち、
Ｑ＝Ｋ×Ｓ×Ｐ１×（２７３／Ｔ１）１／２
（但し、Ｋは定数、Ｓは絞り部の有効断面積、Ｔ１は絞り部の上流温度）から、絞り部を音速流で通過する流体の流量Ｑを算出する。
【００１８】
これによると、圧力センサで検出される絞り部の上流側の圧力検出結果Ｐ１と、温度センサで検出される絞り部の上流側の温度検出結果Ｔ１とに基づいて、絞り部を音速流で通過する材料ガスの流量Ｑを算出することができる。また、絞り部の上流圧力Ｐ１を上流圧力制御バルブで調節することにより、絞り部を音速流で通過する流体の流量Ｑを設定値に保つことができる。
【００１９】
しかし、ガス供給制御装置が制御する流体として、腐食性の高い流体を長時間使用した場合に、絞り部の流路が腐食され、腐食部分が流体圧力により吹き飛ばされて流路が拡径したり、パーティクルが流路に目詰まりするなどして、絞り部の有効断面積が変化する可能性がある。
【００２０】
そこで、本発明は、有効断面積の変化を検出するべく、熱式流量センサを絞り部の上流側に配設した。
熱式流量センサには、応答性が悪く、しかも低流量領域における精度が悪いという欠点がある。しかし、絞り部を通過する流体の流量は、僅かな絞り部の有効断面積の変化により大きく変化する。例えば、絞り部の流路が丸穴である場合、丸穴の径が０．２ｍｍから０．２１ｍｍに拡径しただけで、流量は１０．２５％増加する。また、熱式流量センサは、流量の変化から絞り部の有効断面積の変化を検出し、絞り部の故障を検出するものであるから、低流量領域でないときに流量を測定し、絞り部の故障を発見すればよい。
従って、本発明のガス供給制御装置においては、上記熱式流量センサの欠点は問題とならない。
【００２１】
熱式流量センサは、ガス供給制御装置が作動している間、絞り部を音速流で通過する流体の流量を検出する。そして、熱式流量センサの流量検出結果Ｑ’は、第２演算回路へ送信される。第２演算回路は、第２算出式、すなわち、
Ｓ’＝（Ｔ１／２７３）１／２＊Ｑ’／ＫＰ１
（但し、Ｋは定数、Ｑ’は熱式流量センサが検出した流量、Ｔ１は絞り部の上流温度）から、絞り部の有効断面積Ｓ’を算出する。
【００２２】
第２算出式の第２算出結果Ｓ’は、第１演算回路へ送られる。そして、第２算出結果Ｓ’は、第１演算回路が受信した圧力センサの圧力検出結果を補正する。すなわち、第２算出結果Ｓ’がしきい値を上回る場合には、有効断面積が拡大しているので、圧力センサの圧力検出結果を小さくする補正を行う。また、第２算出結果Ｓ’がしきい値を下回る場合には、有効断面積が縮小しているので、圧力センサの圧力検出結果を大きくする補正を行う。
【００２３】
第１演算回路は、上記のように補正された圧力センサの圧力検出結果Ｐ１と、温度センサの検出結果Ｔ１とを第１算出式に代入し、絞り部に供給される流体の流量を算出する。また、第１演算回路は、第２算出結果Ｓ’がしきい値と等しい場合には、圧力センサの検出結果をそのまま第１算出式に代入し、絞り部に供給される流体の流量を算出する。
よって、作業中に僅かに有効断面積が変化した場合であっても、絞り部へ供給される流体の流量を正確に制御することができる。
【００２４】
第１演算回路で算出された第１算出結果Ｑは、比較回路及び制御回路へ送られる。
比較回路は、第１演算回路４２で算出された第１算出結果Ｑと、熱式流量センサの検出結果Ｑ’とを受信する。そして、比較回路は、第１算出結果Ｑと熱式流量センサの検出結果Ｑ’とを比較し、両者の差が許容範囲を超えた場合には、外部に警報信号を発信し、絞り部の異常を知らせる。
よって、作業中に絞り部に故障が発生しても、その時点で絞り部を交換するなどして故障に対処することができるので、絞り部が故障したまま作業を継続することがなく、歩留まり率が向上する。
【００２５】
一方、制御回路には、あらかじめ流量設定値が入力されている。制御回路は、第１算出結果Ｑが流量設定値に近づくように、圧力制御バルブの開度を調節する。すなわち、第１算出結果Ｑが流量設定値よりも大きい場合には、圧力制御バルブを閉鎖する方向に制御し、流量を減少させる。一方、第１算出結果Ｑが流量設定値よりも小さい場合には、圧力制御バルブを開放する方向に制御し、流量を増加させる。
このように、圧力制御バルブが、絞り部の上流側圧力Ｐ１を常に最適の開度で調節するので、流体を一定量連続して供給し続けることができる。
【００２６】
ここで、更に流体流量を正確に制御するためには、絞り部の位置が重要である。すなわち、ガス供給制御装置をコンパクト化し、絞り部から最終遮断遮断バルブまでの距離を小さくして、オーバーシュートの発生を防止することが必要である。
そこで、本発明のガス供給制御装置は、圧力センサ、温度センサ及び熱式流量センサを同一カバー内に収納して、センサパックとすることにより、ガス供給制御装置自体をコンパクト化した。
また、制御不能領域を縮小するために、本発明のガス供給制御装置は、最終遮断バルブの入口ポートに絞り部を配設している。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は、半導体製造のウエハ処理工程における、ＣＶＤ装置を使用した薄膜形成のラインの一部であって、本実施の形態のガス供給制御装置を備えたものを示したブロック図である。
【００２８】
チャンバ３０は、真空ポンプ３１によって減圧状態に保たれるものである。そして、チャンバ３０と真空ポンプ３１の間には、チャンバ３０の減圧状態を電気信号で制御する下流圧力制御バルブ２０と、チャンバ３０と真空ポンプ３１を遮断する遮断バルブ１０が設けられている。
【００２９】
チャンバ３０には、最終遮断バルブ１１を介して、ウエハ表面の薄膜材料を構成する一種類の元素からなる材料ガスが供給される。かかる材料ガスを、図１の半導体製造のウエハ処理工程においては、一定量連続してチャンバ３０内に供給することによって、ウエハ表面に所望の薄膜を形成させている。
ここで、材料ガスとして、一種または数種の化合物ガスを使用する場合もある。
【００３０】
チャンバ３０に一定量の材料ガスを連続して供給するため、最終遮断バルブ１１の上流側には、材料ガスの流量調節を行うガス供給制御装置が設けられている。ガス供給制御装置は、圧縮空気で駆動される圧力制御バルブ２１、熱式流量センサ３６、温度センサ３５、圧力センサ３４、中央に直径０．２ｍｍの孔が設けられた金属薄板からなるオリフィス３３などを備え、コントローラ４０で制御される。
【００３１】
図２は、かかるガス供給制御装置の具体例を断面図で示したものである。
図２に示すように、ガス供給制御装置は、圧力制御バルブ２１、温度センサ３５、熱式流量センサ３６、圧力センサ３４及び最終遮断バルブ１１を有している。図１には図示されていないが、圧力制御バルブ２１と圧力センサ３４との間には、パージ弁２３が配設されている。
【００３２】
図２に示すように、圧力制御バルブ２１及びパージ弁２３は、上方からねじで第１固定ブロック１３に固設されている。第１固定ブロック１３の図中左側面には、第１流路変更ブロック１６が接続されている。
圧力制御バルブ２１は、耐熱用樹脂であるロッドパッキン２２を除くほか、その内部は全て金属で構成されている。また、圧力制御バルブ２１は、図１に示すように、電−空レギュレータ３９を介して送られる圧縮空気により駆動される。よって、圧力制御バルブ２１は、耐熱性能に優れている。
【００３３】
図２に示すように、温度センサ３５、熱式流量センサ３６及び圧力センサ３４は、第２固定ブロック１４の図中上側面に固設されている。第２固定ブロック１４の図中左右側面には、第２、第３流路変更ブロック１７、１８が接続されている。また、これらのセンサは同一カバー３８内に収納されて、センサパック３７を構成している。
【００３４】
ここで、圧力センサ３４は、１．０×１０−１〜１．０×１０５  Ｐａを測定範囲とするピラニ真空計である。また、温度センサ３５については、圧力センサ３４であるピラニ真空計の温度測定機能を使用している。
しかし、圧力センサ３４として、金属抵抗歪みセンサ、半導体抵抗歪みセンサ、可変容量形圧力センサ等を使用してもよい。また、温度センサ３５として、熱電形温度センサ、金属抵抗温度センサ、サーミスタ等を使用してもよい。
【００３５】
最終遮断バルブ１１は、第３固定ブロック１５の図中上側面に上方からねじで固定されている。第３固定ブロック１５には、第１、第２流路１５ａ、１５ｂが形成されている。第１流路１５ａは、オリフィスブロック１２を介して、最終遮断バルブ１１の入口ポート１１ａに連通している。
オリフィスブロック１２の中央部には流路が形成され、その一端には、オリフィス３３が設けられている。オリフィスブロック１２は、オリフィス３３が入力ポート１１ａに面するように配設されている。
また、第２流路１５ｂは、最終遮断バルブ１１の出口ポート１１ｂに連通している。
【００３６】
第１連結ブロック２４は、第１流路変更ブロック１６及び第２流路変更ブロック１７に連結し、第２連結ブロック２５は、第３流路変更ブロック１８及び第３固定ブロック１５に連結している。これにより、圧力制御バルブ２１、センサパック３７及び最終遮断バルブ１１は一体化されている。
【００３７】
図１に示すように、コントローラ４０には、流量設定値Ｑｘを入力され、圧力制御バルブ２１に制御信号を送信する制御回路４１と、オリフィス３３を通過する材料ガスの流量を算出する第１演算回路４２と、オリフィス３３の流路面積（以下、有効断面積という）を算出する第２演算回路４３と、流量異常アラームを発する比較回路４４が設けられている。
【００３８】
次に、図１を参照しながら、ガス供給制御装置が、材料ガスをチャンバ３０に一定量連続して供給し、その供給量を制御する仕組みについて説明する。
本実施の形態のガス供給制御装置は、オリフィス３３の下流側圧力Ｐ２に対する上流側圧力Ｐ１の比Ｐ１／Ｐ２を一定値以上に維持するよう、全体を制御している。このように、全体を制御するのは、以下の理由による。
【００３９】
オリフィス３３の上下流の圧力比Ｐ１（上流）／Ｐ２（下流）を一定値以上に維持することにより、材料ガスがオリフィス３３を音速流で通過する。材料ガスがオリフィス３３を音速流で通過すると、下流側圧力Ｐ２の圧力変動が上流側に伝播しない。よって、オリフィス３３の上下流の圧力比Ｐ１（上流）／Ｐ２（下流）を一定値以上に維持すると、オリフィス３３を音速流で通過する材料ガスの流量Ｑを、上流側圧力Ｐ１に基づいて制御することができる。
本実施の形態においては、オリフィス３３の下流側圧力Ｐ２に対する上流側圧力Ｐ１の比Ｐ１／Ｐ２を約２．８以上に設定している。
【００４０】
このような材料ガスの圧力特性を利用して、第１演算回路４２は、ベルヌーイの式に近似する第１算出式から、オリフィス３３に供給される材料ガスの流量Ｑを算出している。すなわち、第１演算回路は、
Ｑ＝Ｋ×Ｓ×Ｐ１×（２７３／Ｔ１）１／２
（但し、Ｋは定数、Ｓはオリフィス３３の有効断面積、Ｔ１はオリフィス３３の上流温度）から、オリフィス３３を音速流で通過する材料ガスの流量Ｑを算出している。
【００４１】
ここで、ガス供給装置に長時間腐食ガスを使用すると、オリフィス３３が腐食して流路が拡径したり、オリフィス３３の流路にパーティクルが目詰まりするなどして、有効断面積が変化する場合がある。
この有効断面積の変化を検出するため、本実施の形態のガス供給制御装置は、熱式流量センサ３６をオリフィス３３の上流側に配設している。すなわち、熱式流量センサ３６が、オリフィス３３を音速流で通過する材料ガスの流量Ｑ’を、検出し、その流量変化から有効断面積の変化を検出するのである。
【００４２】
ここで、熱式流量センサ３６には、応答性が悪く、しかも低流量領域においては精度が悪いという欠点がある。
しかし、オリフィス３３を通過する材料ガスの流量Ｑ’は、オリフィス３３の有効断面積が僅かに変化しただけで、大きく変化する。例えば、オリフィス３３の流路の径が直径０．２ｍｍ、上流側圧力Ｐ１が１０Ｐａであって、オリフィス３３を通過する材料ガスの流量Ｑが２５０ｃｃ／ｓｅｃであると仮定する。そして、上流側圧力Ｐ１が１０Ｐａであって、オリフィス３３の流路の直径が僅か０．２ｍｍから０．２１ｍｍに（５％）拡径した場合、有効断面積は１０．２５％増加する。有効断面積の増加に伴い、流量Ｑ’も１０．２５％増加して、約２７５．６ｃｃ／ｓｅｃとなり、約２５ｃｃ／ｓｅｃ増加する。
よって、熱式流量センサ３６は、微妙な流量変化を検出しなくても、有効断面積の変化を検出することができる。
【００４３】
また、熱式流量センサ３６は、流量の変化からオリフィス３３の故障を検出することを目的としているので、常に材料ガスの流量を検出する必要はない。よって、熱式流量センサ３６は、低流量でないときに、オリフィス３３を通過する材料ガスの流量Ｑ’を検出し、オリフィス３３の故障を検出すればよい。
従って、上記熱式流量センサの欠点は、本実施の形態においては何ら問題とならない。
【００４４】
よって、第２演算回路４３は、熱式流量センサ３６の流量検出結果Ｑ’に基づいて、第２算出式、すなわち、
Ｓ’＝Ｑ’／ＫＰ１＊（Ｔ１／２７３）１／２
（但し、Ｋは定数、Ｑ’は熱式流量センサ３６が検出した流量、Ｔ１はオリフィス３３の上流温度）から、オリフィス３３の有効断面積を算出する。
そして、第２演算回路４３は、この第２算出結果Ｓ’を第１演算回路４２へ送信する。
【００４５】
第２算出結果Ｓ’は、圧力センサ３４の圧力検出結果Ｐ１を補正する。すなわち、第２算出結果Ｓ’がしきい値を上回る場合には、オリフィス３３の有効断面積が拡径しているので、圧力センサ３４の圧力検出結果Ｐ１を小さくする補正を行う。一方、第２算出結果Ｓ’がしきい値を下回る場合には、オリフィス３３の有効断面積が小径となっているので、圧力センサ３４の圧力検出結果Ｐ１を大きくする補正を行う。また、第２算出結果Ｓ’がしきい値に等しい場合には、圧力センサ３４の補正を行わない。
【００４６】
そして、適正値に補正された圧力センサ３４の圧力検出結果Ｐ１を第１算出式に代入して、オリフィスへ供給される材料ガスの流量Ｑが算出される。
よって、有効断面積の変化に応じて圧力センサ３４の圧力検出結果Ｐ１を適正値に補正するので、作業中に有効断面積が変化しても、オリフィス３３へ供給される材料ガスの流量Ｑが一定となり、チャンバ３０内の材料ガスの濃度を所定値に維持することができる。これにより、不良品の数が減少し、歩留まり率が向上する。
【００４７】
第１算出結果Ｑは、制御回路４１と比較回路４４へ送信される。
制御回路４１には、流量設定値Ｑｘが入力されている。そして、制御回路４１は、第１算出式から算出された第１算出結果Ｑが、流量設定値Ｑｘに近づくように、圧力制御バルブ２１の開度を制御して、オリフィス３３の上流側圧力Ｐ１を調節する。
【００４８】
圧力制御バルブ２１の開度の調節は、電−空レギュレータ３９に制御信号を発信して、圧力制御バルブ２１の駆動源である圧縮空気の供給量を調節することによって行う。すなわち、第１算出結果Ｑが流量設定値Ｑｘよりも大きい場合には、圧力制御バルブ２１を閉鎖する方向に制御し、上流側圧力Ｐ１を減圧する。一方、第１算出結果Ｑが流量設定値Ｑｘよりも小さい場合には、圧力制御バルブ２１を開放する方向に制御し、上流側圧力Ｐ１を増圧する。
これにより、ガス供給制御装置は、チャンバ３０内に材料ガスを一定量連続して供給し、チャンバ３０内の材料ガスの濃度が所定値に維持されるので、不良品の数が減少し、歩留まり率が向上する。
【００４９】
また、比較回路４４は、第１算出結果Ｑと熱式流量センサの検出結果Ｑ’とを受信する。そして、比較回路は、第１算出結果Ｑと熱式流量センサの検出結果Ｑ’とを比較し、両者の差が許容範囲を超えた場合には、外部に流量異常アラームを発し、オリフィス３３の故障を知らせる。
よって、作業者は、オリフィス３３が交換を要するほどに劣化したことを流量異常アラームにより確認することができるので、その時点でオリフィス３３を交換する等して故障に対処することができる。これにより、オリフィス３３が故障したまま作業を継続することがなく、歩留まり率が向上する。
【００５０】
ところで、発明者らは、ガス供給制御装置の精度を更に向上させるために、オリフィス３３の配置と応答時間との関係について実験を行った。図５にその結果を示す。また、図３は、オリフィス３３を最終遮断バルブ１１の出口ポート１１ｂの一端に配設した図である。図４は、オリフィス３３を圧力センサ３４の近傍に配設した場合のガス供給制御装置の断面図である。
図５の（ａ）は、オリフィス３３を圧力センサ３４の近傍に配設した場合（図４参照）の実験結果を示す図である。（ｂ）は、オリフィス３３を最終遮断バルブ１１の入口ポート１１ａの一端に配設した場合（図２参照）の実験結果を示す図である。（ｃ）は、オリフィス３３を最終遮断バルブ１１の出口ポート１１ｂの一端に配設した場合（図３参照）の実験結果を示す図である。（ａ）〜（ｃ）のいずれも、縦軸に流量（ｃｃ／ｓｅｃ）をとり、横軸に時間（ｓｅｃ）をとっている。
【００５１】
図５の（ａ）〜（ｃ）を比較すると、（ａ）の圧力センサ３４の近傍にオリフィス３３を設置した場合のみに、オーバーシュートＡが発生していることが分かる。
すなわち、材料ガスの流量の目標値Ｑ１を２５０ｃｃ／ｓｅｃとすると、（ｂ）の入口ポート１１ａの一端にオリフィス３３を配設した場合、及び、（ｃ）の出口ポート１１ｂの一端にオリフィス３３を配設した場合は、材料ガスの流量が目標値Ｑ１（２５０ｃｃ／ｓｅｃ）以上になることなく整定している。しかし、（ａ）は、材料ガスの流量が、まずＱ２（約２８０ｃｃ／ｓｅｃ）に達してから、目標値Ｑ１（２５０ｃｃ／ｓｅｃ）に整定している。
【００５２】
また、（ａ）は、（ｂ）及び（ｃ）に比べて、応答時間が長いことが分かる。すなわち、（ｂ）及び（ｃ）の応答時間Ｍ２、Ｍ３は、約０．２５ｓｅｃであるのに対し、（ａ）の応答時間Ｍ１は、約０．５ｓｅｃである。よって、（ａ）は、（ｂ）及び（ｃ）の約２倍の応答時間がかかることが分かる。
このように、（ａ）がオーバーシュートＡを発生し、しかも応答時間が長い理由は、（ａ）が、（ｂ）及び（ｃ）に比べて、オリフィス３３から最終遮断バルブ１１までの流路容積（以下、制御不能領域という）が大きいことにあると考えられる。
【００５３】
すなわち、圧力制御バルブ２１は、オリフィス３３の上流側圧力Ｐ１が所定値になるように材料ガスを常時供給している。また、材料ガスは、オリフィス３３において、上流側の流量よりも下流側の流量方が少量になるように調節される。よって、最終遮断バルブ１１が開放されている場合には、オリフィス３３の下流側圧力Ｐ２は上流側圧力Ｐ１に比べて小さい。ここでは、上流側圧力Ｐ１が、２．８ｋｇ／ｃｍ２に設定され、下流側圧力Ｐ２が１ｋｇ／ｃｍ２に設定されているとする。
しかし、最終遮断バルブ１１が閉鎖されると、上流側圧力Ｐ１と下流側圧力Ｐ２のバランスがくずれる。すなわち、最終遮断バルブ１１が閉鎖された直後の下流側圧力Ｐ２は、上流側圧力Ｐ１よりも小さいため、材料ガスは、オリフィス３３の上流側から下流側へ供給され続ける。そのため、材料ガスは、上流側圧力Ｐ１を２．８ｋｇ／ｃｍ２に維持するために、圧力制御バルブ２１から供給され続ける。下流側圧力Ｐ２が２．８ｋｇ／ｃｍ２に達すると、材料ガスは、圧力制御バルブ２１から供給されなくなる。よって、制御不能領域が大きいほど、多量の材料ガスが、オリフィス３３の下流側に蓄積される。そして、最終遮断バルブ１１が開放されると、作業不能領域に蓄積された所定圧力以上の材料ガスが、一気にチャンバ３０へ供給される。これが、オーバーシュートＡを引き起こす原因であると考えられる。
【００５４】
従って、オーバーシュートＡの発生を防止し、応答時間を短縮するためには、制御不能領域を小さくしなければならない。制御不能領域を完全に排除し、チャンバ３０に供給される材料ガスの流量を一定量に制御するためには、最終遮断バルブ１１の出口ポート１１ｂにオリフィス３３を配設することが適切であると、考えられる。しかし、最終遮断バルブ１１の出口ポート１１ｂの一端にオリフィス３３を配設すると、チャンバ３０内の生成物がオリフィス３３の流路に目詰まりしたり、又は、オリフィス３３の流路を腐食させ、流路が拡径したりする等して、オリフィス３３が故障する可能性がある。
【００５５】
そこで、次にオリフィス３３を配置する場所として考えられるのは、最終遮断バルブ１１の入口ポート１１ａである。図５（ｂ）のオリフィス３３を最終遮断バルブ１１を入口ポート１１ａの一端に配設した場合（図２参照）と、（ｃ）のオリフィス３３を最終遮断バルブ１１を出口ポート１１ｂの一端に配設した場合（図３参照）とを比較すると、流量を目標値（２５０ｃｃ／ｓｅｃ）に整定するための応答時間Ｔ２、Ｔ３は、共に約０．２５ｓｅｃであり、殆ど差がないことが分かる。
よって、オリフィス３３は、最終遮断バルブ１１の入口ポート１１ａの一端に配設することが望ましい。最終遮断バルブ１１の入口ポート１１ａの一端にオリフィス３３を配設することにより、制御不能領域を小さくすることができる。これにより、オーバーシュートＡの発生を防止することができ、応答時間を短縮することができるので、流量制御の精度が向上し、歩留まり率が向上する。
【００５６】
以上詳細に説明した本実施の形態のガス供給制御装置によれば、材料ガスを音速で連続して通過させるオリフィス３３と、オリフィス３３の上流側で材料ガスの圧力を検出する圧力センサ３４と、オリフィス３３の上流側で材料ガスの温度を検出する温度センサ３５と、オリフィス３３の圧力を調節する圧力制御バルブ２１とを有し、圧力センサ３４及び温度センサ３５の検出結果Ｐ１、Ｔ１に基づいて圧力制御バルブ２１を制御することにより、材料ガスの供給量を制御するガス供給制御装置であって、オリフィス３３を通過する材料ガスの流量を検出する熱式流量センサ３６と、圧力センサ３４と前記温度センサ３５の検出結果に基づいて算出したオリフィス３３に供給される流量Qと、熱式流量センサ３６が検出する流量Q’との差を求め、その差が許容範囲を超えたときに、オリフィス３３が故障したと判断する比較回路４４と、を有するので、オリフィス３３を取り外さなくても、オリフィス３３の故障を検出することができる。
【００５７】
更に、本実施の形態のガス供給制御装置は、圧力センサ３４及び温度センサ３５の検出結果Ｐ１、Ｔ１に基づいて、オリフィス３３を通過する材料ガスの流量Ｑを算出する第１演算回路４２と、熱式流量センサ３６の検出結果Ｑ’に基づいて、オリフィス３３の有効断面積Ｓ’を算出する第２演算回路４３と、オリフィス３３を通過する材料ガスの流量設定値Ｑｘが入力された制御回路４１とを有し、第２演算回路４３の第２算出結果Ｓ’が、圧力センサの検出結果Ｐ１を補正し、第１演算回路４２が、補正後の圧力センサの検出結果Ｐ１を利用して材料ガスの流量Ｑを算出して、その第１算出結果Ｑを制御回路４１へ送信するため、チャンバ３０へ材料ガスを一定量連続して供給し、チャンバ３０内の材料ガスの濃度を所定値に維持することができるので、不良品の数が減少し、歩留まり率が向上する。
【００５８】
更に、本実施の形態のガス供給制御装置は、熱式流量センサ３６の検出結果Ｑ’基づいて流量異常アラームを発する比較回路４４を有するので、作業中においても、オリフィス３３が交換を要するほど劣化したことを確認することができる。これにより、オリフィス３３が故障したまま作業を継続することがなく、歩留まり率が向上する。
【００５９】
また、本実施の形態のガス供給制御装置は、熱式流量センサ３６、圧力センサ３４及び温度センサ３５を、同一カバー３８内に収納するので、ガス供給制御装置をコンパクト化することができ、省スペース化を図ることができる。
しかも、本実施の形態のガス供給制御装置は、オリフィス３３を、材料ガスの供給量を調節する最終遮断バルブ１１の入口ポート１１ａ近傍に設けたので、制御不能領域が小さくなり、オーバーシュートＡの発生を防止し、応答時間を短縮させることができる。これにより、流量制御の精度が向上し、歩留まり率が向上する。
【００６０】
尚、本発明のガス供給制御装置は、上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、適宜、変更が可能である。
例えば、上記実施の形態においては、絞り部としてオリフィスを使用しているが、ノズル等を使用してもよい。
特に、ノズルのスロート部の下流に拡大管が組み付けられているものについては、オリフィス３３や通常のノズルなどと比べ、絞り部の下流圧力Ｐ２に対する絞り部の上流圧力Ｐ１の比Ｐ１／Ｐ２が低い（絞り部の上流圧力Ｐ１と絞り部の下流圧力Ｐ２が比較的近い）場合でも、スロート部における音速流は維持されるので、材料ガスを音速流で通過させたいときにおいて、絞り部の圧力流量特性を利用する際に必要な要件（絞り部の下流圧力Ｐ２に対する絞り部の上流圧力Ｐ１の比Ｐ１／Ｐ２）を緩和することができる。
【００６１】
【発明の効果】
流体を音速で連続して通過させる絞り部と、前記絞り部の上流側で流体圧力を検出する圧力センサと、前記絞り部の上流側で流体温度を検出する温度センサと、前記絞り部の圧力を調節する圧力制御バルブとを有し、前記圧力センサ及び温度センサの検出結果に基づいて前記圧力制御バルブを制御することにより、流体供給量を制御するガス供給制御装置において、前記絞り部を通過する流体の流量を検出する熱式流量センサと、前記圧力センサと前記温度センサの検出結果に基づいて算出された前記絞り部に供給される流量と、前記熱式流量センサが検出する流量との差を求め、その差が許容範囲を超えたときに、前記絞り部が故障したと判断する比較回路と、を有するので、絞り部を取り外さなくても、絞り部の故障を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】半導体製造のウエハ処理工程における、ＣＶＤ装置を使用した薄膜形成のラインの一部であって、本実施の形態のガス供給制御装置を備えたものを示したブロック図である。
【図２】ガス供給制御装置の具体例を示した断面図である。
【図３】オリフィスを最終遮断バルブの出口ポートの一端に配設した図である。
【図４】オリフィスを圧力センサの近傍に配設した図である。
【図５】オリフィスの配置と応答性との関係を示す図である。（ａ）は、オリフィスを圧力センサ近傍に配設した場合の実験結果を示す図である。（ｂ）は、オリフィスを最終遮断バルブの入口ポートの一端に配設した場合の実験結果を示す図である。（ｃ）は、オリフィスを最終遮断バルブの出口ポートの一端に配設した図である。
【符号の説明】
２１  圧力制御バルブ
３３  オリフィス
３４  圧力センサ
３５  温度センサ
３６  熱式流量センサ
３７  センサパック
Ｐ１  オリフィスの上流側圧力
Ｐ２  オリフィスの下流側圧力
Ｔ１  オリフィスの上流側温度
４０  コントローラ
４１  制御回路
４２  第１演算回路
４３  第２演算回路
４４  比較回路
【図１】
0003577236.tif 000002
【図２】
0003577236.tif 000003
【図３】
0003577236.tif 000004
【図４】
0003577236.tif 000005
【図５】
0003577236.tif 000006