使用压力式流量控制装置的流体非连续式流量切换控制方法

摘要

本发明是使用了流量范围可变型流量控制装置的流体流量控制方法，该装置使得压力式流量控制装置的控制阀的下游侧和流体供给用管道之间的流体通道为至少两个以上的并列状流体通道，并且使流体流量特性不同的孔口分别位于所述各并列状的流体通道中，在第1流量域的流体的流量控制中，使所述第1流量域的流体流过一个孔口，并且在第2流量域的流体的流量控制中使所述第2流量域的流体流过至少另一个孔口，选定所述各孔口的流量特性，使得所述小流量的第1流量域的流体的最大控制流量小于所述大流量的第2流量域的最大控制流量的10％，在规定的流量控制误差内流量控制将第1流量域中的可能的最小流量降低。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体制造设备、化学工业设备或药品工业设备等所使用的流体供给方法的改善，并涉及在使用压力式流量控制装置对不同流量的多种类的流体进行流量控制并向期望的场所进行供给的流体供给系统中，使用压力式流量控制装置使得在使流体供给设备的小型化和制造成本的降低变得可能的同时，实现流量控制范围的扩大和维持高流量控制精度的流体非连续式流量切换控制方法。

背景技术

半导体制造装置等中，一般地从一台的流体供给装置(下面称为气体箱(gas box))向气体使用场所在流量控制的同时切换供给多种类的气体。例如，在所谓的蚀刻机中，如图4所示从一台的气体箱GX通过16台流量控制装置A₁～A₁₆分别向蚀刻机C(下面称为处理室)供给流量不同的各种处理用气体。并且，在图4中，S₁～S₁₆为气体源，A₁～A₁₆为压力式流量控制装置，Ar～O₂为气体种类，1600SCCM～50SCCM为换算到压力式流量控制装置的标准状态的N₂气体的最大流量。

然后，在如图4所示的上述蚀刻机C的流体供给设备GX中设有16台压力式流量控制装置A₁～A₁₆，分别通过不同流量和气体种类的气体供给线路L₁～L₁₆，以规定的时刻切换供给期望流量的气体。

此外，各气体供给线路L₁～L₁₆中，存在有多个同种气体的供给线路，并且其中存在不同时进行气体供给的气体供给线路。例如，来自气体源S₁₀的O₂(100SCCM)和来自气体源S₁₁的O₂(2000SCCM)不会同时供给至处理室C。并且，存在来自气体源S₁₆的O₂(50SCCM)与所述气体源S₁₀或者气体源S₁₁的O₂同时供给的情况。

如上所述，由于气体源S₁₀的O₂供给线路L₁₀和气体源S₁₁的O₂供给线路L₁₁为不同时供给的线路，如果压力流量控制装置A₁₀和压力流量控制装置A₁₁的流量控制精度保持必要的精度，能够将两气体供给线路L₁₀、L₁₁置换成使用一台压力式流量控制装置的一个O₂供给线路。

另一方面，压力式流量控制装置具有如图5(a)和(b)的回路结构，前者的压力式流量控制装置主要用于孔口上游侧气体压力P₁和孔口下游侧气体压力P₂之比P₂/P₁等于流体的临界值或者比其低的情况(所谓气体的流动始终处于临界状态下)，流过孔口8的气体流量Qc由Qc＝KP₁(其中，K为比例常数)给出。此外，后者的压力式流量控制装置主要用于临界状态和非临界状态两种流动状态的气体的流量控制，流过孔口8的气体流量由Qc＝KP₂^m(P₁-P₂)ⁿ(K为比例常数、m和n为常数)给出。

并且，在图5中，2为控制阀门，3为孔口上游侧配管，4为阀门驱动部，5为孔口下游侧配管，6、27为压力检测器，7为温度检测器，8为孔口，9为阀门，13、31为流量运算回路，14为流量设定回路，16为运算控制回路，12为流量输出回路，10、11、22、28为增幅器，15为流量转换回路，17、18、29为A/D转换器，19为温度修正回路，20、30为运算回路，21为比较回路，Qc为运算流量信号，Qe为流量设定信号，Qo为流量输出信号，Qy为流量控制信号，P₁为孔口上游侧气体压力，P₂为孔口下游侧气体压力，k为流量转换率。

流量设定给予电压值作为流量设定信号Qe，通常上游侧压力P₁的压力控制范围0～3(kg f/cm² abs)用电压范围0～5V表示，Qe＝5V(满标度值)为与3(kg f/cm² abs)的压力P₁所对应的流量Qc＝KP₁相当的满标度流量。

例如，若当前流量转换回路15的转换率k设定为1，通过流量设定信号Qe＝5V的输入，运算流量信号Qc变成5V，对控制阀门2进行开闭操作直到上游侧压力P₁变成3(kg f/cm² abs)为止，对应P₁＝3(kg f/cm² abs)的流量Qc＝KP₁的气体流过孔口8。

此外，需要控制的压力范围切换到0～2(kg f/cm² abs)，用0～5(V)的流量设定信号Qe表示该压力范围的情况(即、满标度值5V为2(kg f/cm² abs)的情况)下，所述流量转换率k设定为2/3。

结果是，输入流量设定信号Qe＝5(V)，由Qf＝kQc，切换运算流量信号Qf变为Qf＝5×2/3(V)，对控制阀门2进行开闭操作直到上游侧压力P1变为3×2/3＝2(kg f/cm² abs)。

即、变换满标度的流量使得Qe＝5V表示相当于P₁＝2(kg f/cm² abs)的流量Qc＝KP₁。

在临界状态下，流过孔口8的气体流量Qc由上述Qc＝KP₁给出，如果需要流量控制的气体种类发生变化，即使是同一孔口8比例常数K也可以发生变化。另外，这种情况在图5(b)的压力式流量控制装置中也是同样的，即使是同一个孔口8，只要气体种类变化，则比例常数K也变化。

该压力式流量控制装置不仅构造简单，还在响应性和控制精度、控制的稳定性、制造成本、可维护性等方面上也具有优良的特性。

然而，在图5(a)的压力式流量控制装置中，由于临界条件下流量Qc运算为Qc＝KP₁，随着孔口二次侧压力P₂的上升，流量控制范围也随之变窄。这是因为孔口一次侧压力P₁根据流量设定值控制在一定压力值，如果在P₂/P₁满足临界膨胀条件的状态下孔口二次侧的压力P₂上升，必然地孔口一次侧压力P₁的调整范围，即P₁所带来的流量Qc的控制范围也变窄。因此，如果减少流体的控制流量而脱离上述临界条件，则流量控制精度将大幅度降低。

同样地，在图5(b)的压力式流量控制装置中，尽管通过适当地选择常数m、n来修正运算流量值使得接近实测流量值，但如果流体的控制流量减少，则流量控制精度的降低也不可避免。

具体地，在临界条件下进行流体的流量控制的图5(a)的压力式流量控制装置中，当前的流量控制精度即流量控制误差的界限为±1.0％S.P.内(在设定信号为10～100％的范围中)和±0.1％F.S.内(在设定信号为1～10％的范围中)。并且，±1.0％S.P.为表示相对于设定点流量的百分比误差，±0.1％F.S.为表示相对于满标度流量的百分比误差。

另一方面，半导体制造装置用的压力式流量控制装置不仅需要高流量控制精度而且需要大流量控制范围。因此，在所要求的流量控制范围较大时将流量控制域划分为多个域，分别设置分担各分割域的、最大流量不同的压力式流量控制装置。

然而，在设置多台流量控制装置的情况下，必然导致装置的大型化和高成本化，产生诸多不理想情况。

因此，本申请的发明者之前开发并公开了如图6所示的通过一台压力式流量控制装置以比较高的精度进行大流量域的流量控制的流量切换型的压力式流量控制装置。

该流量切换型压力式流量控制装置，如图6所示组合了切换阀门34、切换用电磁阀门32、小流量用孔口8a和大流量用孔口8c，例如，在进行最大流量2000SCCM的流量控制的情况下，分别利用小流量用孔口8a对200SCCM以下的流量和利用大流量用孔口8c对200至2000SCCM的流量进行流量控制。

具体地，在控制200SCCM以下的小流量的情况下，保持切换阀门为关闭的状态，进行流量控制，使得流过小流量孔口8a的流体流量Qs为Qs＝KsP₁(其中，Ks为孔口8a的固有常数)。流量特性曲线如图7的特性S所示。

另外，在控制流量2000SCCM以下的流体的情况下，通过切换用电磁阀门32开放切换阀门34。由此，流体通过管道5a、切换阀门34、大流量孔口8c以及小流量孔口8a、管道5a，流入管道5。在此情况下，流入管道5的流体流量为大流量孔口8c带来的控制流量Qc＝KcP₁(其中，Kc为大流量孔口8c的固有常数)和小流量孔口8a所带来的控制流量Qs＝KsP₁(其中，Ks为小流量孔口8a的固有常数)之和，其流量特性曲线为图7的曲线L所示。

上述两流量特性S、L的控制流量域的关系用图表示为图8(a)，如上所述设定信号为10～100％时(即在小流量特性S控制中的情况下，流量为20～200SCCM时)流量控制误差为±1.0％S.P.内，最小流量控制值20SCCM。

另一方面，所述图4的气体源S₁₀(100SCCM)和气体源S₁₁(2000SCCM)的气体流路利用一台切换型压力式流量控制装置对流量进行切换控制的情况下，如图8(a)的连续式范围的流量控制的情况下，为了保持流量控制误差在±1.0％S.P.内，需要20SCCM以上(设定信号10％以上)的控制流量。因此，在来自气体源S₁₀的O₂供给流量是最大流量100SCCM的情况下，如图8(a)的连续式范围的流量控制中，流量的未控制范围最大达到20SCCM，在小流量域中的流量控制精度极度下降。

此外，若要使流量控制精度提高，如图8(b)所示使切换段数为为3段(例如，20SCCM、200SCCM和2000SCCM的3个流量区域)，能够使流量未控制范围为2SCCM以下(即20SCCM×10％)。但是，在此情况下使用的孔口8为3种，使切换型压力式流量控制装置的构造复杂化，存在其制造成本和维护管理费用增大等难点。

专利文献1：日本专利公开2003-195948号公报

专利文献2：日本专利公开2004-199109号公报

专利文献3：日本专利公开2007-4644号公报

发明内容

本发明为了解决使用以往的连续流量范围型的流量切换型压力式流量控制装置的流量控制方法中的上述问题，即，如果要提高小流量域(下面称为第1流量域)的流量控制精度，需要增加切换型压力式流量控制装置的切换段数，导致流量控制装置的大型化和制造成本的上升等问题，提供一种利用了压力式流量控制装置的流体非连续式流量切换控制方法，通过使使用切换型压力式流量控制装置的流量控制为非连续型流量控制，在不降低第1流量域中的流量控制精度下，能够进行第1流量域和大流量域(下面称为第2流量域)的切换，并且使装置的小型化和制造成本的大幅度削减变得可能。

以前，为了提高第1流量域的流量控制精度，在将期望的流量范围，例如0～2000SCCM的流量范围分割成多个流量控制区域来进行流量控制的情况下，如上述图8(a)、(b)所示，通过使用200～2000SCCM和20～200SCCM两种流量域用的孔口的压力式流量控制装置，或者使用200～2000SCCM、20～200SCCM和2～20SCCM三种流量域用的孔口的压力式流量控制装置，来对2～2000SCCM的流量范围连续地进行流量控制。

然而，在如上连续流量控制方式中，为了提高第1流量域中的流量控制精度，必然地需要增加切换段数，并使最小流量域用的流量调整用孔口为小额定流量。这是因为在压力式流量控制装置中，能够将流量控制误差保持在1.0％S.P.内的控制流量被限定为额定流量的10～100％的流量范围内。

因此，作为在不增加流量控制范围的切换段数下，即在使用更少种类的控制用孔口下，提高第1流量域的流量控制精度的方法，本申请发明者设想了利用去除中间的流量区域的流量控制的非连续式流量控制方法，并基于该设想进行了多次流量控制实验。

具体地，上述图1所示，例如对0～2000SCCM的流量范围进行流量控制的情况下，其构成为，将0～2000SCCM的流量控制用孔口和10～100SCCM的流量控制用孔口组合在一台压力式流量控制装置中，将10～100SCCM的区域以具有后者的流量控制用孔口的压力式流量控制装置并将200～2000的流量区域以具有前者的流量控制用孔口的压力式流量控制装置分别进行流量控制，并且使100～200SCCM的流量区域为不进行流量控制的所谓非流量控制区域。

通过使用该非连续式的流量控制的方法，能够以1.0％S.P.内的流量控制误差对最小1SCCM的流量进行流量控制，能够使用更简单结构的流量切换型压力式流量控制装置进行直到小流量域的高精度的流量控制。

结果是，例如，即使将上述图4的气体供给线路L₁₀和气体供给线路L₁₁合并成一条供给线路，也能够将100SCCM和2000SCCM的不同流量域的O₂用一台切换型压力式流量控制装置并以1.0％S.P.内的流量控制误差(10～100％流量范围)进行流量控制。

本发明为经过如上所述的过程所完成，权利要求1的发明其特征为，使压力式流量控制装置的控制阀门的下游侧与流体供给用管道之间的流体通道成为至少两条以上并列状的流体通道，并且使流体流量特性不同的孔口分别位于所述各并列状的流体通道中，其中，在所述压力式流量控制装置中，由孔口上游侧的压力P₁和/或孔口下游侧的压力P₂，将流过孔口的流体的流量运算为Qc＝KP₁(K为比例常数)或Qc＝KP₂^m(P₁-P₂)ⁿ(K为比例常数，m和n为常数)，在第1流量域的流体的流量控制中，使所述第1流量域的流体流过一个孔口，并且在第2流量域的流体的流量控制中使所述第2流量域的流体流过至少另一个孔口，并使所述第2流量域的最小流量比所述第1流量域的最大流量更大，使所述第2流量域的最小流量和所述第1流量域的最大流量之间的流量域是非控制的而能够自由切换。

权利要求2的发明为在权利要求1的发明中，使第2流量域的流量控制和第1流量域的流量控制为不连续，使所述第2流量域和所述第1流量域之间的流量域在流量控制的对象之外。

权利要求3的发明为在权利要求1的发明中，使并列状的流体通道的数量为2个，并使孔口为第1流量域用孔口和第2流量域用孔口中的2个。

权利要求4的发明为在权利要求3的发明中，使流过孔口的流体为临界条件下的流体，并且通过第2流量域用孔口的流体通道中设置的切换阀门的工作将流体流量的控制范围在第1流量域和第2流量域中切换。

权利要求5的发明为在权利要求1的发明中，使得第1流量域的上限值为10～1000SCCM的范围内选择的数值，下限值为1SCCM以上并比上限值小的值，使第2流量域的下限值为100～5000SCCM的范围内选择的数值，上限值为10000SCCM以下并且比下限值大的值。

本发明中，在流体流量为最大流量的100～10％范围内，使得流量控制误差在1.0％S.P.内。

本发明中，使得第1流量域的流体的最大流量为例如50SCCM、65SCCM、100SCCM、200SCCM或者1000SCCM中的任一个。

本发明中，使得第2流量域的流体的最大流量为例如1000SCCM、1500SCCM、2000SCCM、3000SCCM或者10000SCCM。

本发明中，通过选定并使用与必需的第1流量域的流量控制范围相适应的流量控制用孔口，使用更简单结构的流量切换型压力式流量控制装置，进行第1流量域和第2流量域的高精度的流量控制，虽然在中间流量区域中不能保证流量控制精度，但能够进行大致的流量控制，在实用上得到优良的效果。

附图说明

图1是本发明中的非连续式流量切换方法的说明图。

图2是本发明所使用的流量切换型压力式流量控制装置的结构说明图。

图3是表示本发明中的非连续式流量切换方法的其它例子的说明图。

图4是表示以往的半导体制造装置中的蚀刻机用气体供给说明的一个例子的说明图。

图5(a)是表示压力式流量控制装置的一个例子的系统图。(b)是显示压力式流量控制装置的另一个例子的系统图。

图6是以往的流量切换型压力式流量控制装置的系统图。

图7是图6的流量切换型压力式流量控制装置的流量控制特性图。

图8(a)是图6的流量切换型压力式流量控制装置中的连续型流量控制区域的说明图。(b)是为了提高小流量域中的流量控制精度而设有三种流量切换区域的情况下的连续型流量控制区域的说明图。

标号说明

A为流量切换型压力式流量控制装置，Gc为驱动用气体，Qe为设定输入信号，Qo为流量输出信号，S_L、S_S为流量区域切换信号，C₁为切换信号，P₀为供给侧压力，P₁为孔口上游侧压力，GX为流体供给装置(气体箱，gas box)，A₁～A_n为压力式流量控制装置，C为蚀刻机(处理室)，S₁～S_n为气体源，Ar～O₂为处理用气体，L₁～L_n为气体供给线路，F100为最大流量为100SCCM的压力式流量装置的控制区域，F2L为最大流量为2000SCCM的压力式流量装置的控制区域，B为非流量控制区域，1为控制部，2为控制阀门，3为孔口上游侧管道，4为驱动部，5为孔口下游侧配管，6为压力传感器，7为温度检测器，8为孔口，8a’为第1流量域用孔口，8c为第2流量域用孔口，32为切换用电磁阀门，34为切换阀门，34a为阀门驱动部，34b为接近传感器。

具体实施方式

下面，基于附图对本发明的实施方式进行说明。图2是本发明的实施中所使用的流量切换型压力式流量控制装置A的结构说明图。该流量切换型压力式流量控制装置A与上述图6所示的以往的流量控制装置相同，仅在所使用的第1流量域用的孔口8a’的孔口径不同。

在图2中，1为控制部，2为控制阀门，3为孔口上游侧(一次侧)管道，4为阀门驱动部，5为流体供给用管道，6为压力传感器，8a’为第1流量域用孔口，8c为第2流量域用孔口，32为切换用电磁阀门，34为切换阀门。压力式流量控制装置的控制部1、控制阀门2、阀门驱动部4、压力传感器6是公知的，控制部1中设有流量的输入输出信号端子(设定流量的输入信号Qe、控制流量的输出信号Qo，DC 0～5V)Qe、Qo、电源供给端子(±DC 15V)E、控制流量切换指令信号的输入端子S_L、S_S。存在输入输出信号利用串行的数字信号进行通信的情况。

所述切换用电磁阀门32为公知的气动型电磁阀门，通过从控制部1输入切换信号C₁，供给驱动用气体Gc(0.4～0.7MPa)，切换用电磁阀门32工作。由此，驱动用气体Gc被供给至切换阀门34的阀门驱动部34a，使切换阀门34开闭操作。此外，切换阀门34的工作由设在各阀门驱动部34a的限位开关34b检测，输入到控制部1中。并且，切换阀门34使用气压操作的常闭型阀门。

管道5a、5c形成孔口8a’的旁路通道，在控制流量为第1流量域的情况下，由第1流量域用孔口8a’进行流量控制的流体通过管道5g流通。

此外，控制流量为第2流量域的情况下，流体通过管道5a流入第2流量域用孔口8c，主要由第2流量域用孔口8c进行流量控制的流体流入流体供给用管道5内。

现在将2000SCCM以下的流量分割为100SCCM以下的第1流量域和200～2000SCCM的第2流量域，进行流量控制。在此情况下，在100SCCM以下的流量控制时，切换阀门34保持闭合状态，流过小流量孔口8a’的流体流量Qs用Qs＝KsP₁(其中，Ks为孔口8a’中的固有常数)进行流量控制。当然，作为孔口8a’使用最大流量100SCCM用孔口。

通过使用该第1流量域用孔口8a’的流量控制，孔口下游侧的管道5在100Torr以下的情况下，在流量100SCCM至10SCCM的范围中以误差±1.0％S.P.以下的精度进行流量控制。

另一方面，对流量为200～2000SCCM的第2流量域进行流量控制的情况下，通过切换用电磁阀门32开放切换阀门34。由此，流体通过管道5a、切换阀门34、第2流量域用孔口8c以及第1流量域用孔口8a’、管道5g，流入管道5。

即、流入管道5的流体流量为第2流量域用孔口8c带来的控制流量Qc＝KcP₁(其中，Kc为第2流量域用孔口8c的固有常数)和第1流量域用孔口8a’所带来的控制流量Qs＝KsP₁(其中，Ks为第2流量域用孔口8a的固有常数)之和，孔口8c、8a’的下游侧压力为100Torr以下的情况下，在流量200～2000SCCM(10～100％流量)的流量域中进行误差1.0％S.P.以下的高精度的流量控制。

此外，在所述图2中，使用两个孔口8a’、8c将流量控制范围分割成两个流量域，当然也可以使孔口和并列管道为两个以上，将流量域分割为三个以上。

上述图1为本发明的非连续型流量切换式流量控制方法的说明图，表示了通过切换使用使用了第1流量域用孔口8a’的最大流量100SCCM的压力式流量控制装置F100和使用了第2流量域用孔口8c与第1流量域用孔口8a’两者的最大流量2000SCCM的压力流量控制装置F2L，在孔口下游侧压力为100Torr以下的情况下，能够在小于10SCCM的流量值下进行1.0％S.P.内的流量控制。并且，在图1中流量区域B(100～200SCCM)为不能确保误差1.0％S.P.以下的流量控制精度的范围，意味着在本发明中所谓的流量控制的非连续区域(非流量控制区域)。

并且，在上述实施例中针对使用了最大流量100SCCM的压力式流量控制装置F100和最大流量2000SCCM的压力式流量控制装置F2L的非连续式的切换流量控制方法进行了说明，但如上述图3所示可以采用最大流量50SCCM和最大流量1300SCCM的压力式流量控制装置F50、F1300的组合，最大流量65SCCM和最大流量2000SCCM的压力式流量控制装置F65、F2L的组合等。并且，流量区域(50～130SCCM)B1和流量区域(65～200SCCM)B2为流量控制的非连续区域(非流量控制区域)。

具体地，作为上述第1流量域的控制最大流量，例如能够选择50、65、100、200、1000SCCM等，一般地将与在10～1000SCCM的范围中选择的第1数值相当的流量，选定为第1流量域的最大控制流量。此外，作为上述第2流量域的控制最大流量，能够选择1000、1300、1500、2000、3000、10000SCCM等。

此外，选定1SCCM作为上述第1流量域的控制最小流量，并且，作为上述第2流量域的控制最小流量，将与在100～5000SCCM的范围内选择的第2数值相当的流量选定为第2流量域的控制最小流量。

即、上述第1流量域的流量范围为从1SCCM到与上述第1数值相当的流量的流量域，并且，上述第2流量域的流量范围为从与上述第2数值相当的流量到10000SCCM的流量域。

工业上的实用性

本发明适用于半导体制造、化学工业、药品工业、食品工业等中的各种流体的流体供给。