(57)【要約】  流路に差圧を発生させ、半導体デバイスに用いられるガスの流量を制御する差圧式流量制御器が提供される。差圧発生要素は半導体デバイスの製造に用いられるガスの流路に差圧を発生させ、流路上のバイパスに設置される圧力センサは差圧を検出し、中央処理装置（ＣＰＵ）はガスの流量を測定および制御する。その結果、本発明は、ガスの流量を精密かつ迅速に制御することができるとともに、差圧発生要素自体のフィルタリング機能によってガスの純度を高めることができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体工程ガスの流路を有する本体と、
前記本体の流路を開閉して前記ガスの流れを制御するコントロールバルブと、
前記本体の流路に差圧を発生させることができるように設けられる差圧発生要素と、
前記差圧発生要素を貫いて設置されるチューブと、
前記差圧発生要素によって発生する前記流路上の差圧を検出し得るように前記チューブに収容される圧力センサと、
前記圧力センサから入力される検出信号に応じて前記ガスの流量を算出し、前記コントロールバルブを制御する中央処理装置と
を含む、半導体工程用ガス流量を制御する差圧式流量制御器。
【請求項２】
前記差圧発生要素は、多孔性物質からなることを特徴とする、請求項１に記載の半導体工程用ガス流量を制御する差圧式流量制御器。
【請求項３】
前記チューブは、前記多孔性物質の中央を貫くように設置されることを特徴とする、請求項２に記載の半導体工程用ガス流量を制御する差圧式流量制御器。
【請求項４】
前記差圧発生要素は、前記流路の下壁面に垂直に接触する第１垂直板部と、前記第１垂直板部の下流端に水平に延長されている水平板部と、前記水平板部の下流端に垂直に延長されており且つ前記流路の上壁面に接触する第２垂直板部とを有する多孔性物質からなることを特徴とする、請求項１に記載の半導体工程用ガス流量を制御する差圧式流量制御器。
【請求項５】
前記多孔性物質の水平板部には、前記チューブがガスの流れ方向に対して直角を成すように貫設され、前記チューブに前記圧力センサが水平に収容されることを特徴とする、請求項４に記載の半導体工程用ガス流量を制御する差圧式流量制御器。
【請求項６】
前記差圧発生要素は、前記ガスの流れ方向に沿って設置される多数の毛細管からなることを特徴とする、請求項１に記載の半導体工程用ガス流量を制御する差圧式流量制御器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体工程用ガス流量を制御する差圧式流量制御器に係り、さらに詳しくは、半導体工程ガスが流れる流路に差圧を発生させてガスの流量を測定および制御する差圧式流量制御器に関する。
【背景技術】
【０００２】
周知の如く、半導体工程には、ガス、例えば半導体の製造に用いられるドーパント(Dopant)ガスやエッチャント(Etchant)ガス、拡散(Diffusion)ガス、パージ(Purge)ガスなどが使用されている。このような半導体工程ガスは、超高純度が要求される。また、半導体の製造工程において半導体の特性を決定付けるガスの流量は、精密かつ迅速に制御されるべきである。
【０００３】
このような半導体の製造工程においてガスの流量を制御する技術の一例としての熱感知式質量流量制御器の動作は、次のとおりである。本体の流量を流れるガスは、バイパス(Bypass)を経由して一定の比率で分配されて流量センサ(flow sensor)に送られる。流量センサのサーマルレジスタ(Thermal resistor)は、ガスの流れによる熱伝導によって温度を変化させ、ホイートストン・ブリッジ(Wheatstone bridge)は、サーマルレジスタの温度変化を電圧の変化から検出して電気信号を出力し、増幅器は、ホイートストン・ブリッジの電気信号を増幅してコントローラに入力する。コントローラは、入力される電気信号とセットポイント(Set point)値とを比較し、その結果に応じてソレノイドまたはサーマルアクチュエータ(Thermal actuator)によって作動するコントロールバルブを開閉してガスの流量を制御する。
【０００４】
ところが、従来の熱感知式流量制御器は、ガスの流れによる熱容量を流量センサのサーマルレジスタで温度を変化させ、ホイートストン・ブリッジによってサーマルレジスタの温度変化を電圧の変化から検出して間接的にガスの流量を測定することにより、応答性が非常に低いという問題点がある。また、従来の熱感知式流量制御器は、ガスの全体流量範囲内で流量と流量センサの起電力との関係が直線性(Linearity)を保障しておらず、ガスの圧力に応じて流量センサの感度が変化するため、信頼性が大幅低下するという問題点をもっている。それだけでなく、従来の熱感知式流量制御器は、ガスの種類に応じて、流量の測定に使用される補償定数を変更しなければならないという点で厄介な問題点を持つ。
【発明の開示】
【０００５】
本発明は、前述した従来の技術における各種問題点を解決するためのもので、その目的は、流路に沿って流れるガスに差圧を発生させ、このガスの差圧によって流量を測定して応答性と信頼性を大幅向上させることができる、半導体工程用ガス流量を制御する差圧式流量制御器を提供することにある。
【０００６】
また、本発明の他の目的は、速い応答速度とガスの安定的な流れによってガスの流量を精密かつ迅速に制御することができる、半導体工程用ガス流量を制御する差圧式流量制御器を提供することにある。
【０００７】
また、本発明の別の目的は、簡単な構造によって簡便且つ経済的に製作および補修することができる、半導体工程用ガス流量を制御する差圧式流量制御器を提供することにある。
【０００８】
また、本発明の別の目的は、流路に設けられてガスの流れに差圧を発生させる差圧発生要素自体のフィルタリング機能によってガスの純度を高めることができる、半導体工程用ガス流量を制御する差圧式流量制御器を提供することにある。
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明のある観点によれば、半導体工程ガスの流量を有する本体と、本体の流量を開閉してガスの流れを制御するコントロールバルブと、本体の流路に差圧を発生させることができるように設けられる差圧発生要素と、差圧発生要素を貫いて設置されるチューブと、差圧発生要素によって発生する流路上の差圧を検出し得るようにチューブに収容される圧力センサと、圧力センサから入力される検出信号に応じてガスの流量を算出し、コントロールバルブを制御する中央処理装置とを含む、半導体工程ガス用差圧式流量制御器が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
まず、図１〜図３に示した本発明に係る流量制御器の第１実施例について説明する。図１および図２を参照すると、本発明に係る流量制御器の外観を構成する本体１０には、半導体の製造に用いられるドーパントガス、エッチャントガス、拡散ガスおよびパージガスなどの流路１２が設けられており、流路１２は、ガスの導入口１４とガスの排出口１６を有する。導入口１４はよく知られているガス供給装置１８に連結されており、排出口１６を介して排出されるガスは半導体の製造工程に供給される。流路１２の上流は、コントロールバルブ２０のバルブ室２２に連結されている。コントロールバルブ２０のバルブ室２２には、アクチュエータ２４の作動によって流路１２を開閉してガスの流れを制御するバルブ体２６が備えられている。本実施例において、コントロールバルブ２０のアクチュエータ２４は、一般的なソレノイドから構成することができる。
【００１１】
図１〜図３を参照すると、本発明の流量制御器は、流路１２の下流に設けられてガスの流れに差圧を発生させる差圧発生要素３０を備える。差圧発生要素３０は、ガスの流れに対して抵抗を発生する多孔性物質(Porous material)３２から構成されており、この多孔性物質３２は、多数の微細な気孔３４を有するセラミックフィルムまたはステンレススチール(Stainless steel filter)から構成されている。セラミックフィルタおよびステンレススチールフィルタは、焼結によって製作される。また、ステンレススチールフィルタは、電解研磨(electropolishing)によって、精密度、清浄度、化学的安定性、耐食性などに優れた表面を持つように製作できる。このようなセラミックフィルタおよびステンレススチールフィルタは、気孔を通過するガス中の不純物を効果的に吸着して除去することができる。
【００１２】
図３に示すように、本発明の流量制御器は、多孔性物質３２の上部に、多孔性物質３２を貫くチューブ４０がガスの流れ方向に沿って設置されている。チューブ４０のボア(Bore)４２には、圧力を検出する圧力センサ５０が収容されている。本実施例において、圧力センサ５０は気密を保ち得るようにする。圧力センサ５０は、多孔性物質３２の上流と下流間の差圧を検出する差圧センサから構成することができる。
【００１３】
図１および図２に示すように、多孔性物質３２とチューブ４０の長さは同一であり、圧力センサ５０はチューブ４に比べて短い長さでチューブ４０の一側に収容されている。このような多孔性物質３２、チューブ４０および圧力センサ５０の長さは、必要に応じて適正に変更することができ、圧力センサ５０の位置は、チューブ４０のいずれの位置にも変更することができる。図３には、チューブ４０と圧力センサ５０が四角断面を持つことが示されている。チューブ４０と圧力センサ５０は、円形断面を持つように構成してもよい。
【００１４】
一方、圧力センサ５０の導線５２は、チューブ４０、多孔性物質３２および本体１０を貫いて中央処理装置(Central Processing Unit、ＣＰＵ)６０に連結されている。圧力センサ５０の検出信号は、中央処理装置６０に入力され、中央処理装置６０は、圧力センサ５０から入力される検出信号に応じてコントロールバルブ２０のアクチュエータ２４を作動させて流路１２を開閉することにより、ガスの流れを制御する。コントロールバルブ２０と中央処理装置６０は、本体１０に着脱し得るように取り付けられるケーシング７０に収容されている。
【００１５】
このような構成を持つ本発明に係る半導体工程用ガス流量を制御する差圧式流量制御器においては、コントロールバルブ２０のバルブ体２６が開放された状態でガス供給装置１８から供給されるガスは、本体１０の導入口１４を介して導入された後、本体１０の流路１２に沿って流れながらバルブ室２２と多孔性物質３２の気孔３４を順次経由する。流路１２の断面積より狭い多孔性物質３２の気孔３４を通過することにより、ガスの圧力は降下する。したがって、多孔性物質３２の上流と下流間には圧力の差異が発生する。
【００１６】
続いて、チューブ４０のボア４２に収容されている圧力センサ５０は、多孔性物質３２の上流側と下流側間の差圧を検出して検出信号を出力し、中央処理装置６０は、圧力センサ５０から入力される検出信号をセットポイント値と比較してガスの流量を求める。この際、多孔性物質３２の気孔３４を通過するガスの流れが層流(Laminar flow)の場合、圧力センサ５０の検出信号と実際流量との相関関係がリニア(linear)なので、中央処理装置６０によって求めるガスの流量に対する応答性と信頼性を大幅高めることができる。
【００１７】
また、中央処理装置６０は、得られたガスの流量が予め設定されている適切なガスの流量なのかを判断し、ガスの流量が適正に保たれるようにコントロールバルブ２０のアクチュエータ２４を作動させる制御信号を出力し、アクチュエータ２４の作動によりバルブ体２６が流路１２を開閉するようにしてガスの流れを制御する。
【００１８】
このように多孔性物質３２の上流と下流間の差圧を圧力センサ５０によって検出し、中央処理装置６０によってガスの流量を算出した後、流路１２を開閉するコントロールバルブ２０のバルブ体２６によってガスの流量を制御して応答性と信頼性を大幅向上させることができるとともに、半導体の製造に適するようにガスの流量を精密かつ迅速に制御することができる。本発明の流量制御器は、本体１０の流路１２に多孔性物質３２を設け、多孔性物質３２に起因するガスの差圧を圧力センサ５０を用いて検出する簡単な構造によって簡便かつ低いコストで製作することができる。多孔性物質３２と圧力センサ５０は、交換および修理が容易且つ簡便であるうえ、経済的にメンテナンスすることができる。しかも、多孔性物質３２の気孔３４を通過するガス中に含まれている極少量の不純物は、気孔３４に吸着されて除去されるので、ガスの純度を効果的に高めることができる。
【００１９】
図４および図５は本発明に係る差圧式流量制御器の第２実施例の構成を示す。第２実施例の差圧式流量制御器の構成および作用は、前述した第１実施例の差圧式流量制御器の構成および作用と基本的に同一である。図４および図５を参照すると、本体１０の流路１２に多孔性物質３２が設けられており、多孔性物質３２の中央には、多孔性物質３２を貫くチューブ４０がガスの流れ方向に沿って設置されている。チューブ４０のボア４２に収容される圧力センサ５０の導線５２は、チューブ４０、多孔性物質３２および本体１０を貫いて、図１と同様に中央処理装置６０に連結される。
【００２０】
このように多孔性物質３２の中央にチューブ４０と圧力センサ５０が設置される構成によっては、ガスが流路１２の中央に配置されている圧力センサ５０の周囲の多孔性物質３２を通じて流れる。圧力センサ５０は、本体１０の流路１２において、ガスの流れ抵抗を発生させる抵抗体として作用する。図２および図３に示すように、多孔性物質３２の上部にチューブ４０と圧力センサ５０が設置され、流路１２の壁面に近接する第１実施例の差圧式流量制御器では、ガスの流れに抵抗体として作用する圧力センサ５０によって、流路１２の上壁面と圧力センサ５０とが接する上流および下流にデッドボリューム(Dead Volume)が存在する。第２実施例の差圧式流量制御器では、ガスが圧力センサ５０周囲の多孔性物質３２を通じて流れることにより、デッドボリュームの発生を防止する。したがって、第２実施例の差圧式流量制御器は、第１実施例の差圧式流量制御器に比べて、ガスの流れを円滑に保つことができ且つ応答性に優れるという利点を保有する。
【００２１】
図６および図７は本発明に係る差圧式流量制御器の第３実施例の構成を示す。第３実施例の差圧式流量制御器は、図１に示した第１実施例の差圧式流量制御器と同様に、本体１０、コントロールバルブ２０、中央処理装置６０およびケーシング７０を備える。図６および図７を参照すると、本体１０の流路１２には、差圧発生要素３０として多孔性物質１３２が設けられており、多孔性物質１３２は、多数の微細な気孔１３４を有するセラミックフィルタまたはステンレスフィルタから構成されている。
【００２２】
多孔性物質１３２は、流路１２の下壁面に垂直に接触する第１垂直板部１３６ａと、水平板部１３６ｂの下流端に水平に延長されている水平板部１３６ｂと、水平板部１３６ｂの下流端に延長されており且つ流路１２の上壁面に接触する第２垂直板部１３６ｃとから構成されている。多孔性物質１３２の水平板部１３６ｂには、チューブ１４０が垂直、すなわちガスの流れ方向に対して直角を成すように貫設されており、チューブ１４０のボア１４２には、圧力センサ１５０が気密を保ち得るように収容されている。圧力センサ１５０の導線１５２は、チューブ１４０、多孔性物質１３２の水平板部１３６ｂ、第２垂直板部１３６ｃおよび本体１０を貫いて、図１と同様に中央処理装置６０に連結される。
【００２３】
このような構成を有する第３実施例の差圧式流量制御器においては、本体１０の導入口１４を介して導入されるガスが流路１２に沿って流れながら第１垂直板部１３６ａと第２垂直板部１３６ｃそれぞれの気孔１３４を通過する。この際、流路１２の断面積より狭い気孔３４を通過したガスの圧力は降下し、水平板部１３６ｂの上部と下部間には圧力の差が発生する。チューブ１４０のボア１４２に収容されている圧力センサ１５０は、水平板部１３６ｂの上部と下部間の差圧を検出して検出信号を出力する。中央処理装置６０は、圧力センサ１５０から入力される検出信号をセットポイント値と比較してガスの流量を求め、前述と同様に、コントロールバルブ２０のアクチュエータ２４を作動させて流路１２を開閉することにより、ガスの流れを制御する。
【００２４】
一方、図６に示した第３実施例の差圧式流量制御器においては、圧力センサ１５０がガスの流れ方向に対して水平に設置されるため、ガスの流れ方向から見られる圧力センサ１５０の断面積は、図３および図４に示した圧力センサ５０の断面積より大きく減少する。このように圧力センサ１５０の正面面積が減少することにより、圧力センサ５０に比べて抗力を減少させることができ、その結果、流動損失を最小化することができる。
【００２５】
図８および図９は本発明に係る差圧式流量制御器の第４実施例の構成を示す。第４実施例の差圧式流量制御器は、図１に示した第１実施例の差圧式流量制御器と同様に、本体１０、コントロールバルブ２０、中央処理装置６０およびケーシング７０を備える。図８および図９を参照すると、差圧発生要素３０の他の例である複数の毛細管３６は、本体１０の流路１２にガスの流れ方向に沿って設置されてガスの流れに抵抗を発生し、毛細管３６の孔３８を通過するガス中の不純物は、孔３８の表面に吸着されて除去される。毛細管３６は、第１実施例の差圧式流量制御器の多孔性物質３２と同様に、ステンレススチールを素材として製作して電解研磨する。差圧発生要素３０の毛細管３６は多孔板で置換することもでき、毛細管３６と多孔板の表面は必要に応じてガラスによってコートしてもよい。
【００２６】
また、毛細管３６の中央にガスの流れ方向に沿ってチューブ４０が設置されており、チューブ４０のボア４２には圧力センサ５０が設置されている。本実施例において、毛細管３６とチューブ４０は同一に構成することができる。この場合、圧力センサ５０は、毛細管３６のいずれか一つに設置することができる。圧力センサ５０の導線５２は、毛細管３６と本体１０を貫いて、図１と同様に中央処理装置６０に連結される。
【００２７】
一方、毛細管３６の孔３８を通過したガスの圧力は、前述した多孔性物質３２と同様に降下し、圧力センサ５０は、毛細管３６の上流と下流間の差圧を検出して検出信号を出力する。中央処理装置６０は、圧力センサ５０から入力される検出信号をセットポイント値と比較してガスの流量を求め、前述と同様に、コントロールバルブ２０のアクチュエータ２４を作動させてガスの流れを制御する。そして、毛細管３６の孔３８を通過するガス中の不純物は、孔３８の内面に吸着されて除去されるので、ガスの純度を効果的に高めることができる。
【００２８】
以上説明した実施例は、本発明の好適な実施例を説明したものに過ぎず、本発明の権利範囲を限定するものではない。当業者であれば、本発明の技術的思想と特許請求の範囲の範疇内において、各種の変更例、変形例または置換例に想到し得ることは明らかであり、これらについても本発明の範囲に属するものと了解される。また、本発明は、半導体工程ガスの流量を制御するものと説明されているが、化学工程のガスまたはその他流体の流量の制御に適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
以上述べたように、本発明に係る半導体工程ガス用差圧式流量制御器によれば、ガスの流路に多孔性物質や毛細管などの差圧発生要素を設けて、流路に沿って流れるガスに差圧を発生させ、このガスの差圧によって流量を測定して応答性と信頼性を大幅向上させることができ、速い応答速度およびガスの安定的な流れによってガスの流量を精密かつ迅速に制御することができる。また、簡単な構造によって簡便かつ経済的に製作およびメンテナンスすることができ、流路に設置されてガスの流れに差圧を発生させる差圧発生要素自体のフィルタリング機能によってガスの純度を高めることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明に係る差圧式流量制御器の第１実施例の構成を示す断面図である。
【図２】本発明に係る差圧式流量制御器の第１実施例の構成を部分的に拡大して示す断面図である。
【図３】図２のIII−III線に沿った部分断面図である。
【図４】本発明に係る差圧式流量制御器の第２実施例の構成を部分的に拡大して示す断面図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ線に沿った部分断面図である。
【図６】本発明に係る差圧式流量制御器の第３実施例を部分的に拡大して示す断面図である。
【図７】図６のVII−VII線に沿った部分断面図である。
【図８】本発明に係る差圧式流量制御器の第４実施例を部分的に拡大して示す断面図である。
【図９】図８のIX−IX線に沿った部分断面図である。
【図１】
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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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【図９】
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【国際調査報告】
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