調圧機能付高速ガス切替装置
【課題】真空装置中の全圧を制御しつつ気体供給路を短時間で変更できる調圧機能付高速ガス切替装置とする。
【解決手段】第１流量制御バルブを介して第１供給ガスを真空装置に供給する第１管路と、第２流量制御バルブを介して第２供給ガスを供給する第２管路とを第１三方向バルブで連結して、第１供給ガスと第２供給ガスのいずれかのガスを第１三方向バルブから第３流量制御バルブを介して真空装置に供給可能とする。また、第２管路の第２流量制御バルブと第１三方向バルブとの間の管路と、第４流量制御バルブを介して排気する排気管路とを第２三方向バルブで連結するとともに、排気管路の第４流量制御バルブと第２三方向バルブとの間の管路に前記第１管路から分岐した管路を連結して、第１供給ガスと第２供給ガスのいずれかのガスを第４流量制御バルブを介して排気可能とする。
【解決手段】第１流量制御バルブを介して第１供給ガスを真空装置に供給する第１管路と、第２流量制御バルブを介して第２供給ガスを供給する第２管路とを第１三方向バルブで連結して、第１供給ガスと第２供給ガスのいずれかのガスを第１三方向バルブから第３流量制御バルブを介して真空装置に供給可能とする。また、第２管路の第２流量制御バルブと第１三方向バルブとの間の管路と、第４流量制御バルブを介して排気する排気管路とを第２三方向バルブで連結するとともに、排気管路の第４流量制御バルブと第２三方向バルブとの間の管路に前記第１管路から分岐した管路を連結して、第１供給ガスと第２供給ガスのいずれかのガスを第４流量制御バルブを介して排気可能とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は２種類のガスを切替ながら供給するガス切替装置に関し、特に切替操作を高速で、且つ切替時の圧力変動が小さく、全圧を任意に制御しながら切替供給することができるようにした調圧機能付高速ガス切替装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
真空中でガスを高周波電源によって励起させ、反応性の高いプラズマ状にしたものを、処理対象物に触れさせることによって処理を行うプラズマ処理は、例えば半導体製造工程等においてエッチングやＣＶＤ等の処理のために広く行われている。その際は各種処理を行う真空装置中のガスは、処理の種類によってプラズマ状態にするガスを変える必要があり、特に１つの製品を製造するときにも多数の処理工程が必要となることが多く、処理の種類毎にガスを交換する必要が生じる。
【０００３】
その際、各種処理を行う真空装置に供給するガスは、内部の全圧を制御しつつ、気体供給路を短時間で変更する必要があり、そのときガス供給管路内に先に供給したガスが残っていると、次に供給するガスと混合し、真空装置内のガスを排除した後も先のガスと混合したガスが供給されることとなり、真空装置内を所定の純度のガスに交換するまで多くの時間を要すると共に、無駄なガス供給を長時間継続する必要がある。
【０００４】
なお、ベントガス流入部を有するプラズマ分解装置と、そのプラズマ分解装置の後段に連結されたプラズマ分解装置内を排気する真空ポンプと、真空ポンプの後段に連結されプラズマ分解装置で分解したベントガスを最終処理する分解ガス処理装置とからなるベントガス除外装置によって、難分解性ガスを小型の設備で、高い分解効率で分解処理でき、高い置換効率でガス交換できるようにする技術は特開２００２−３０６９２７号公報（特許文献１）に開示されている。なお、特許文献１記載の技術は本発明とは構成も用途も異なる。
【特許文献１】特開２００２−３０６９２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記のように、真空装置で各種の処理を連続して行わなければならないとき、真空装置に供給するガスは頻繁にその種類及び全圧を変更する必要が生じる。そのためそのときの気体供給路では短時間で、全圧を制御しながら供給するガスの種類及び流量を変更することができる必要がある。またそのときのガスの切り替えが適切に行わなければ、処理が適切に行われず、製品の性能に影響する。また、短時間でガスを全て交換するには、先のガスが管路内にできる限り残留しないようにする必要もある。
【０００６】
上記のような所定の装置に所望のガスを、全圧を調整しながら高速で切り替えて供給する装置は、前記のようなプラズマ処理を行うとき以外にも、例えばガスセンサの性能を検査するときにも必要となる。即ち、ガスセンサは、所定の性状のガスをできる限り早く検出する必要があるため検出の応答時間が重要な性能のひとつであるが、その応答速度を測定するためには、その応答時間よりも遅くとも１桁以上高速に所定の性状のガスを供給する必要がある。
【０００７】
したがって本発明は、真空装置中の全圧を制御しつつ気体供給路を短時間で変更できる装置を提供することにより、気体の種類、流量を短い時間のうちに頻繁に変更することによって主としてプラズマ製膜及びプラズマ処理によって得られる製品の性能及び機能を向上させ、また、高速に気体供給を変更することによりガスセンサの正確な応答時間を測定することができる調圧機能付高速ガス切替装置を提供することを主たる目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
２つの異なる気体の流れを、それを流す装置中の圧力を制御しながら切り替える装置を提供するのが本発明であるが、そのためには、２つの気体流路を迅速に切り替えるための切替バルブと、装置中の圧力を制御する圧力制御バルブが必要である。さらに気体流れの切替直後に発生しうる圧力変動を小さくするためには、装置中への流れとは別に、装置中へ供給されない方の気体流れを排気する必要があるため、この気体排気のために実際の処理装置とは別な真空排気系であるバイパス真空排気系を併設する必要がある。
【０００９】
２つの気体流路を迅速に切り替えるための気体経路切替バルブはその開閉が迅速であり外部から容易に制御できる電磁開閉バルブを複数個組み合わせたものである。この切替バルブに今切り替えたい２種類の気体の供給源、気体を実際に利用する装置、及び前段落に記述したバイパス真空排気系が接続される。
【００１０】
実際の切替を行うに当たっては、予め切替前後の気体供給の状態で装置中の圧力を圧力制御バルブで調整し、さらに切替直後の圧力変動を小さくするためのバイパスライン上の圧力制御バルブを調整した上で、切替バルブを構成する各電磁弁の開閉を同時に電気的に反転させることによって装置中の圧力を制御した高速な気体流れの切替を行う。詳細は以下の実施例に示すが、本発明の特徴点は以下のようなものである。
【００１１】
本発明に係る調圧機能付高速ガス切替装置は、上記課題を解決するため、第１流量制御バルブを介して第１供給ガスを真空装置に供給する第１管路と、第２流量制御バルブを介して第２供給ガスを供給する第２管路とを第１三方向バルブで連結して、第１供給ガスと第２供給ガスのいずれかのガスを第１三方向バルブから第３流量制御バルブを介して真空装置に供給可能とし、前記第２管路の第２流量制御バルブと前記第１三方向バルブとの間の管路と、第４流量制御バルブを介して排気する排気管路とを第２三方向バルブで連結するとともに、排気管路の第４流量制御バルブと第２三方向バルブとの間の管路に前記第１管路から分岐した管路を連結して、第１供給ガスと第２供給ガスのいずれかのガスを第４流量制御バルブを介して排気可能とし、前記第１三方向バルブと第２三方向バルブとの間の管路に第１オンオフバルブを設けると共に、前記第１管路と排気管路を連結する管路に第２オンオフバルブを設け、第１供給ガスの供給時には第１オンオフバルブと第２オンオフバルブとを閉じるとともに、第１三方向バルブ及び第２三方向バルブを全て開放し、第２供給ガスの供給時には第１オンオフバルブと第２オンオフバルブとを開放すると共に、第１三方向バルブの第１管路側と、第２三方向バルブの排気管路側を閉じることを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る他の調圧機能付高速ガス切替装置は、前記調圧機能付高速ガス切替装置において、前記調圧機能付高速ガス切替装置を複数直列に接続することにより、３種類以上の供給ガスの切り替えを行うことを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る他の調圧機能付高速ガス切替装置は、前記調圧機能付高速ガス切替装置をプラズマによって各種処理を行うプラズマ処理装置に用いることを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る他の調圧機能付高速ガス切替装置は、前記調圧機能付高速ガス切替装置をガスセンサの応答時間の測定装置におけるガス供給装置として用いることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は上記のように構成したので、気体供給路における気体の切り替え管路部分において、先に供給していたガスの残留量を減少することができ、真空装置中の全圧を制御しつつ気体供給路を短時間で変更できることができるようになる。それにより、気体の種類、流量を短い時間のうちに頻繁に変更することによって主としてプラズマ製膜及びプラズマ処理によって得られる製品の生産性を向上し、また製品の性能及び機能を向上させることができる。また、高速に気体供給を変更することにより、ガスセンサの正確な応答時間を測定することができる調圧機能付き高速ガス切替装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明は真空装置中の全圧を制御しつつ気体供給路を短時間で変更できるようにするという課題を、第１流量制御バルブを介して第１供給ガスを真空装置に供給する第１管路と、第２流量制御バルブを介して第２供給ガスを供給する第２管路とを第１三方向バルブで連結して、第１供給ガスと第２供給ガスのいずれかのガスを第１三方向バルブから第３流量制御バルブを介して真空装置に供給可能とし、前記第２管路の第２流量制御バルブと前記第１三方向バルブとの間の管路と、第４流量制御バルブを介して排気する排気管路とを第２三方向バルブで連結するとともに、排気管路の第４流量制御バルブと第２三方向バルブとの間の管路に前記第１管路から分岐した管路を連結して、第１供給ガスと第２供給ガスのいずれかのガスを第４流量制御バルブを介して排気可能とし、前記第１三方向バルブと第２三方向バルブとの間の管路に第１オンオフバルブを設けると共に、前記第１管路と排気管路を連結する管路に第２オンオフバルブを設け、第１供給ガスの供給時には第１オンオフバルブと第２オンオフバルブとを閉じるとともに、第１三方向バルブ及び第２三方向バルブを全て開放し、第２供給ガスの供給時には第１オンオフバルブと第２オンオフバルブとを開放すると共に、第１三方向バルブの第１管路側と、第２三方向バルブの排気管路側を閉じることによって実現した。
【実施例１】
【００１７】
本発明の実施例を図面に沿って説明する。図１に本発明の典型的な構成例を示しており、真空装置へ供給されている供給ガスＡとＢの供給を短時間のうちに切り替えることができるようにしている。即ち、図１（ａ）において第１三方向バルブＶ１と第２三方バルブＶ３は三方向の管と接続する三方向バルブであり、このバルブでは、同図（ｂ）のように（ｉ）の二方向への供給と、（ｉｉ）の一方向のみの供給とに切換る作用をなす。なお、同図（ｉｉ）においてバルブの黒塗り部分は遮断状態を示す。なお、このような三方向バルブは従来から知られている種々のバルブを用いることができる。
【００１８】
第１オンオフバルブＶ２と第２オンオフバルブＶ４は直管中の気体流れのオンオフを制御するバルブであり、このバルブは通常用いられているバルブと同様に、図１（ｃ）の（ｉ）のバルブを通過する状態と、（ｉｉ）の遮断する状態とに切り替える。以上の三方向バルブ及びオンオフバルブは電磁バルブとして高速で作動可能であり、バルブの開放及び閉止に要する時間はそれぞれ３．５及び５ｍｓである。
【００１９】
これらのバルブは図１（ａ）に示すように連結されており、更にそれぞれ図示するように第１管路としての供給ガス系Ａと、第２管路としての供給ガス系Ｂに接続されると共に第１流量制御バルブＣＶ１を通して第１ガスを供給し、例えばプラズマ処理装置等の各種製品を製造する真空装置と、また第２流量制御バルブＣＶ２を通してバイパス排気ラインへと接続している。なお、真空装置には圧力を測定する圧力計(真空計)が取り付けられている。
【００２０】
これらの管路の連結状態をまとめると次のようなものである。即ち、第１流量制御バルブＣＶ１を介して第１供給ガスＡを真空装置に供給する第１管路と、第２流量制御バルブＣＶ２を介して第２供給ガスＢを供給する第２管路とを第１三方向バルブＶ３で連結して、第１供給ガスＡと第２供給ガスＢのいずれかのガスを第１三方向バルブＶ３から第３流量制御バルブＣＶ３を介して真空装置に供給可能としている。また、第２供給ガスＢを供給する第２管路の第２流量制御バルブＣＶ２と前記第１三方向バルブＶ３との間の管路と、第４流量制御バルブＣＶ４を介して排気する排気管路とを第２三方向バルブＶ１で連結するとともに、排気管路の第４流量制御バルブＣＶ４と第２三方向バルブＶ１との間の管路に第１管路から分岐した管路を連結して、第１供給ガスＡと第２供給ガスＢのいずれかの、装置に供給されていないガスを第４流量制御バルブＣＶ４を介して排気可能としている。また、第１三方向バルブＶ３と第２三方向バルブＶ１との間の管路に第１オンオフバルブＶ２を設けると共に、第１管路と排気管路を連結する管路に第２オンオフバルブＶ４を設ける。
【００２１】
このような管路構成において、後に詳述するように、第１供給ガスＡの供給時には第１オンオフバルブＶ２と第２オンオフバルブＶ４とを閉じるとともに、第１三方向バルブＶ３及び第２三方向バルブＶ１を全て開放し、第２供給ガスＢの供給時には第１オンオフバルブＶ２と第２オンオフバルブＶ４とを開放すると共に、第１三方向バルブＶ３の第１管路側と、第２三方向バルブＶ１の排気管路側を閉じることにより本発明が実施される。
【００２２】
図１（ａ）に示すシステムにより、真空装置へ供給される供給ガスＡ、Ｂを短時間のうちに切替、交換する手順をより詳細に説明する。まず当初の第１の段階では図２（ａ）に示すように、供給ガスＡが真空装置に供給されている。即ち、この供給ガスＡの真空装置への供給は、第１及び第２オンオフバルブＶ２及びＶ４を閉じ、第１及び第２三方向バルブ１及びＶ３を開けることによって行われる。この状態では供給ガスＡは第１流量制御バルブＣＶ１、第１三方向バルブＶ３及び第３流量制御バルブＣＶ３を通して真空装置へと流れる。
【００２３】
一方この時供給ガスＢは、第１及び第２オンオフバルブＶ２及びＶ４が閉じているために真空装置へと流れることができず、図中において第１流量制御バルブＣＶ２、第２三方バルブＶ１、及び第４流量制御バルブＣＶ４を通してバイパス排気される。以上の気体流れの状態は配管中に実線で示している。
【００２４】
このように真空装置に供給ガスＡが供給されている状態から供給ガスＢへの供給への切替は、図２（ｂ）に示すように、前記（ａ）の第１及び第２三方向バルブＶ１、Ｖ３、及び第１及び第２オンオフバルブＶ２、Ｖ４の全バルブの開閉を、すべて逆にすることによって達成される。これらの開閉は電気信号によって全て同時に行われるが、これによって第１及び第２三方向バルブＶ１及びＶ３は閉じ、第１及び第２オンオフバルブＶ２及びＶ４は開放される。
【００２５】
その結果、真空装置に供給されていた供給ガスＡは第１三方向バルブＶ３が閉じられたために真空装置への流れが停止され、第２オンオフバルブＶ４が開放されたためにバイパス排気ラインから排気される。一方、供給ガスＢは第１及び第２三方向バルブＶ１及びＶ３が閉鎖されたために、図中第２流量制御バルブＣＶ２、第２三方向バルブＶ１、第１オンオフバルブＶ２、第１三方向バルブＶ３、第３流量制御バルブＣＶ３を通して真空装置へと供給される。以上のように電磁バルブを用いることにより短時間に真空装置への供給ガスを切り替え、真空装置内のガス交換が可能になる。
【００２６】
このようなガス切替を、図示の装置構成において供給ガスＡとして空気を、供給ガスＢとして水素−空気混合ガスを用いて確認した。ガス切替は真空装置での圧力を、絶対圧力を測定することのできる隔膜真空計及び水晶振動子型圧力計を用いて測定することにより確認した。水晶振動子型圧力計の出力は全圧の他、気体の粘性及び分子量に依存して変化するため、絶対圧力を同時に測定し水晶振動子型圧力計出力を全圧で校正することによって被測定気体の粘性及び分子量に依存した出力を得ることにより真空装置内の気体構成の変化を検出できる。
【００２７】
このガス切替においては、用途としてこの切替が大気中への水素漏洩を模したものであるため、ガス切替前後の全圧を大気圧（１００ｋｐａ）に保つ必要があった。そこで、初めにこのガス切替前後で全圧が１００ｋＰａになるように、気体の完全閉止はできないもののバルブ中を通過するガス経路のコンダクタンスを変化させることができる流量調節バルブＣＶ１、ＣＶ２、ＣＶ４を用いて真空装置での圧力調整を行った。その手順を以下に示す。
【００２８】
最初、空気(供給ガスＡ)を流量１０１ｓｃｃｍで真空装置へ流した状態で、第１流量制御バルブＣＶ１を調節して真空装置内の絶対圧力を１００ｋＰａに保持する。次にこの供給ガスをＡからＢへ切替え、供給ガスＢとして空気１４７ｓｃｃｍ及び水素１０ｓｃｃｍを前述した方法で真空装置に供給する。その後、第２流量制御バルブＣＶ２のみを用いて１００ｋＰａに調整する。以上によりガス供給の前後において１００ｋＰａが達成される。なお、供給ガスＡの総流量よりも供給ガスＢの総流量が大きい場合には、第１流量制御バルブＣＶ１の代わりに第３流量制御バルブＣＶ３も用いることができる。また、バイパス排気ラインに接続する第４流量制御バルブＣＶ４は、ガス切替に伴う圧力変動及び切替直後の圧力変動をできるだけ小さくするために適宜用いられる。以上による調整の後、供給ガスの空気から水素−空気混合ガスへの切替を行い、圧力測定によるガス切替を確認した。
【００２９】
得られた結果を図３に示す。横軸の時間に対してガス切替に対する絶対圧力及び水晶振動子型圧力計出力を図３(a)に、また絶対圧力の相対変化及び圧力校正した水晶振動子型圧力計出力値を図３(b)にプロットしたが、横軸の時間で約５秒の時点で供給気体Ａ、Ｂの切替を行うと、絶対圧力も若干変化するが、圧力校正した水晶振動子型圧力計の値はそれよりも大きく変化した。圧力校正した水晶振動子型圧力計の指示値が減少していることから、このガス切替によって供給ガスの粘性・分子量が低下していること、すなわち供給ガスの種類が変化し、ガス切替が迅速に行われていることがわかる。この、分子量及び粘性の低下は、供給ガス種類が純空気から水素混合空気への切り替わったことと定性的に一致する。なぜなら水素ガスの分子量及び粘性（分子量2.02、粘性8.35 μ・Pa・s）は空気（分子量28.97、粘性17.08 μ・Pa・s）と比較して極めて小さいからである。別途、図４に示す圧力校正したＱゲージ値の空気中水素濃度依存性の結果を参照すると、図３(b)中の圧力校正した水晶振動子圧力計指示値の結果（＝０.４９９）から、供給ガス切替後の空気中水素濃度は約４５.７ｖｏｌ％であることがわかる。供給ガス切替前は純空気、すなわち水素濃度０ｖｏｌ％のガスを供給していたことから、極めて短時間に真空装置への供給ガスの切替が行われたことが示された。
【００３０】
ここで図３(a)における絶対圧力が、時間分解測定の時間分解能の時間内で変化していることを考慮すると、実際にガス切替に要した時間はここでの時間分解能である50 msよりも短い可能性がある。時間分解能が50 msであることは、現状の測定に関する装置の性能によって制限されているものであり、ガス切替の本来の性能とは無関係である。したがってより時間分解能の速い測定を行うことができればこのガス切替法のより速い切替速度をより正確に求めることができる。
【００３１】
圧力計の応答時間を、切替後飽和値に至るまでの変化量の９０％に達するまでの時間と定義すると、水晶振動子型圧力計の指示値の応答時間は隔膜圧力計に比べると数倍から数十倍長い。この応答時間の遅延は、隔膜圧力計のより迅速な指示値の変化を考慮すると、ガス切替時間の遅さによるものではなく、この水晶振動子型圧力計の本来の応答時間の遅さに由来するものと考えられる。ちなみにここで用いた隔膜真空計及び水晶振動子型圧力計の応答時間はそれぞれメーカー公称で16 ms以下及び数百ms以下であるから、図３の結果はほぼこれらの公称値に対応している。しかしながら隔膜真空計に比較して遅いとは言え約数百ミリ秒程度の応答時間測定は、ここで提案するようなミリ秒単位、遅くとも数十ミリ秒単位で高速なガス切替法を用いることによって初めて測定可能となるのであるから、本ガス切替法はこのような、数百ミリ秒以上の種々のセンサの応答速度を測定する方法として有効な方法である。この、応答時間測定の限界値は現状数百ミリ秒であるが、これも時間分解の測定限界である５０ミリ秒によって制限されているものであるから、測定の時間分解能の改善によってさらに速い応答時間を測定することが可能である。
【００３２】
以上のように、本発明によりガス切替後前後のそれぞれ異なる供給流量に対し、圧力をも同時に制御しながら５０ｍｓ以内にガス切替が可能なことが示された。上記の例ではガス切替前後の圧力を等しくしたが、当然のことながら流量制御バルブＣＶの調節によりガス切替前後の圧力は供給流量による制限の範囲内で任意に制御できる。その例については後に示す。
【００３３】
本発明はこのバルブ切り替えシステムの構成により、真空装置中の全圧を制御しつつ気体供給路を短時間で変更できるものであるが、特に三方向バルブＶ１及びＶ３を用いたことにより、確実にガスの切り替えを行うことができる。即ち、これらの三方向バルブの機能は、例えばこの部分に全くバルブを設けることなくＴ字管路とし、その縦管路におけるオンオフバルブＶ４の管路と交差する部分の手前にオンオフバルブを設けても同様の流路の切り替え作用を行うことができるが、その際にはＴ字管路の管結合部分と新たに設けたオンオフバルブとの間にデッドスペースができ、正確なガス供給量の制御が困難となるほか、切り替え直後においてデッドスペースに存在する残留ガスが供給されることによっても適切なガスの切り替えが行われない。したがって本発明では、前記のような三方向バルブを用いることにより、Ｔ字管路の結合部分で直接管路の切り替えを行うことができ、適切な切り替えが可能となる。
【００３４】
切替バルブは電磁バルブを組み合わせることによって作製されるが、その組み合わせ方については図１中に示す組み合わせ方だけではなく、いくつか異なる種類の組み合わせ方が存在する。例えば図５（ｂ）のような組み合わせでもここでのガス切替は可能である。ここで、ガス切替時に生じうる圧力変動の一因として、切替後に導入するガスが切替前にその流れを止められていた分(図５(a)、(b)中の太線部分)のガスによるものであると考えられることから、その、流れを止められていたガスの量を最小にするために図１(図５(a))のような三方弁を用いた構成とした。しかしながらこの構成は最適のものとは限らず、ガス切替時に圧力変動の小さくなるようなバルブ構成を用いるのが有効である。したがって、個々のバルブの内部構造によっては図５(b)の方がガス切替時に発生しうる圧力変動が小さくなる可能性もある。
【００３５】
次にバイパス排気系の効用について説明する。例えばバイパス排気系のない図６のようなバルブ構成を用いても、供給ガスＡ，Ｂを高速に切り替えることは可能である。まずＶ３を開、Ｖ２を閉にすることによって切替前のガスＡが装置に供給される(図６中の灰色線)。次にＶ２、Ｖ３の開閉を電気的に同時に反転させるとＶ２が開、Ｖ３が閉になることからガスＢのみが装置に供給される(図６中の黒色線)。しかしながら図６の構成では切替前にＶ２で閉止されている部分に存在するガスＢがこの部分で滞留してしまい、Ｖ２でのガスＢの圧力がこれより上流の部分の圧力、ここではガスボンベに接続している圧力制御器の２次圧と同等となる。この状態でガス切替を行うと、切替時に装置中の圧力がこの部分の圧力の影響を受け、例え流量制御バルブＣＶ２があったとしても切替時の圧力変動を制御することができない。切替時の圧力変動を小さくするためには切替前においてもその流れが止められることなく流れており、かつその時の圧力が制御されている状態にする必要がある。その、切替前のガスを切替前の時点で流れのある状態にしておくために用いられるのがバイパス真空排気系である。なお、この排気系は切替前に供給されているガスＡが切替後に迅速に排気されるためにも有効である。
【００３６】
図７に、切替前後で圧力が異なる場合の結果について示した。この場合、切替前はアルゴン24 SCCM、8 kPa、切替後は水素50 SCCM、10 kPaである。初めアルゴンを上記条件で流し、約７秒後に水素ガスに切り替えた。その後約２２秒のところで再びアルゴンガスの流れに戻した。図７(a)はこの時の、絶対圧力を測定する隔膜真空計及び測定するガスの粘性・分子量に敏感な水晶振動子圧力計の指示値である。ガス切替のタイミングを実線で同時に図７中に示した。アルゴンから水素に切り替えた際、絶対圧力は増加するが圧力校正された水晶振動子圧力計の指示値は減少していることから、このガス切替によって供給ガスの粘性・分子量が低下していること、すなわち供給ガスの種類が変化し、ガス切替が迅速に行われていることがわかる。この分子量及び粘性の低下は、アルゴンの分子量及び粘性（分子量39.95、粘性20.96 μ・Pa・s）が水素ガス（分子量2.02、粘性8.35 μ・Pa・s）と比較して大きいことを考慮すると。供給ガス種類がアルゴンから水素への切り替わったことと定性的に一致する。
【００３７】
なお、図３と比較すると絶対圧力が安定するのに時間がかかっている。これはガス切替の前後で圧力が異なることにより、同じ真空排気速度の設定では圧力が新しい平衡値に達するのに時間がかかることによるものである。これをより迅速に圧力制御するためには、切替直後において過渡的に真空排気の速度を変化させるか、流路上の開閉度を変化させる必要がある。この場合は真空排気速度を低下させるか、流路上開閉度を小さくすることで圧力上昇の速度を速めることができる。以上のようにガス切替前後において圧力が異なる場合でもその制御は可能であるが、この場合には上記のように過渡的に真空排気速度や流路上開閉度を制御する必要が生じる。
【００３８】
また、前記の例においては供給ガスＡと供給ガスＢの２種類のガスを切り替える例を示したが、例えば図８のように供給ガスＢの管路の上流に前記と同様の管路構成を直列に連結し、それらの管路のバルブを前記と同趣旨で開閉制御することによって、更に多数のガスの切り替えを同様に行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は前記のように、プラズマ製膜を初めとした各種プラズマ処理を行う装置、更にはガスセンサの応答時間の測定等に有効に利用することができるが、そのほか各種容器や室内に複数のガスを切り替えて供給する同様の装置に有効に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明による調圧機能付高速ガス切替装置の実施例の典型的な構成例を示す図である。
【図２】同実施例のガス切替態様を示す図である。
【図３】本発明の実験例である、純空気―水素・空気混合ガス切替時の隔膜圧力計指示値及び水晶振動子圧力計指示値の変化(a)及び絶対圧力の相対変化及び圧力校正した水晶振動子圧力計指示値(b)の変化を示す図である。
【図４】圧力校正した水晶振動子圧力計指示値の空気中水素濃度依存性の結果を示すグラフである。
【図５】ガス切替バルブのバルブ構成図を示す図である。
【図６】バイパス排気系が存在しない場合に考えられるガス切替装置構成を示す図である。
【図７】アルゴン―水素切替時の隔膜圧力計指示値及び水晶振動子圧力計指示値の変化（a）及び絶対圧力に対する相対変化及び圧力校正した水晶振動子圧力計指示値の変化（b）を示す図である。
【図８】３種類のガス切替に用いられるバルブ構成図を示す図である。
【技術分野】
【０００１】
この発明は２種類のガスを切替ながら供給するガス切替装置に関し、特に切替操作を高速で、且つ切替時の圧力変動が小さく、全圧を任意に制御しながら切替供給することができるようにした調圧機能付高速ガス切替装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
真空中でガスを高周波電源によって励起させ、反応性の高いプラズマ状にしたものを、処理対象物に触れさせることによって処理を行うプラズマ処理は、例えば半導体製造工程等においてエッチングやＣＶＤ等の処理のために広く行われている。その際は各種処理を行う真空装置中のガスは、処理の種類によってプラズマ状態にするガスを変える必要があり、特に１つの製品を製造するときにも多数の処理工程が必要となることが多く、処理の種類毎にガスを交換する必要が生じる。
【０００３】
その際、各種処理を行う真空装置に供給するガスは、内部の全圧を制御しつつ、気体供給路を短時間で変更する必要があり、そのときガス供給管路内に先に供給したガスが残っていると、次に供給するガスと混合し、真空装置内のガスを排除した後も先のガスと混合したガスが供給されることとなり、真空装置内を所定の純度のガスに交換するまで多くの時間を要すると共に、無駄なガス供給を長時間継続する必要がある。
【０００４】
なお、ベントガス流入部を有するプラズマ分解装置と、そのプラズマ分解装置の後段に連結されたプラズマ分解装置内を排気する真空ポンプと、真空ポンプの後段に連結されプラズマ分解装置で分解したベントガスを最終処理する分解ガス処理装置とからなるベントガス除外装置によって、難分解性ガスを小型の設備で、高い分解効率で分解処理でき、高い置換効率でガス交換できるようにする技術は特開２００２−３０６９２７号公報（特許文献１）に開示されている。なお、特許文献１記載の技術は本発明とは構成も用途も異なる。
【特許文献１】特開２００２−３０６９２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記のように、真空装置で各種の処理を連続して行わなければならないとき、真空装置に供給するガスは頻繁にその種類及び全圧を変更する必要が生じる。そのためそのときの気体供給路では短時間で、全圧を制御しながら供給するガスの種類及び流量を変更することができる必要がある。またそのときのガスの切り替えが適切に行わなければ、処理が適切に行われず、製品の性能に影響する。また、短時間でガスを全て交換するには、先のガスが管路内にできる限り残留しないようにする必要もある。
【０００６】
上記のような所定の装置に所望のガスを、全圧を調整しながら高速で切り替えて供給する装置は、前記のようなプラズマ処理を行うとき以外にも、例えばガスセンサの性能を検査するときにも必要となる。即ち、ガスセンサは、所定の性状のガスをできる限り早く検出する必要があるため検出の応答時間が重要な性能のひとつであるが、その応答速度を測定するためには、その応答時間よりも遅くとも１桁以上高速に所定の性状のガスを供給する必要がある。
【０００７】
したがって本発明は、真空装置中の全圧を制御しつつ気体供給路を短時間で変更できる装置を提供することにより、気体の種類、流量を短い時間のうちに頻繁に変更することによって主としてプラズマ製膜及びプラズマ処理によって得られる製品の性能及び機能を向上させ、また、高速に気体供給を変更することによりガスセンサの正確な応答時間を測定することができる調圧機能付高速ガス切替装置を提供することを主たる目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
２つの異なる気体の流れを、それを流す装置中の圧力を制御しながら切り替える装置を提供するのが本発明であるが、そのためには、２つの気体流路を迅速に切り替えるための切替バルブと、装置中の圧力を制御する圧力制御バルブが必要である。さらに気体流れの切替直後に発生しうる圧力変動を小さくするためには、装置中への流れとは別に、装置中へ供給されない方の気体流れを排気する必要があるため、この気体排気のために実際の処理装置とは別な真空排気系であるバイパス真空排気系を併設する必要がある。
【０００９】
２つの気体流路を迅速に切り替えるための気体経路切替バルブはその開閉が迅速であり外部から容易に制御できる電磁開閉バルブを複数個組み合わせたものである。この切替バルブに今切り替えたい２種類の気体の供給源、気体を実際に利用する装置、及び前段落に記述したバイパス真空排気系が接続される。
【００１０】
実際の切替を行うに当たっては、予め切替前後の気体供給の状態で装置中の圧力を圧力制御バルブで調整し、さらに切替直後の圧力変動を小さくするためのバイパスライン上の圧力制御バルブを調整した上で、切替バルブを構成する各電磁弁の開閉を同時に電気的に反転させることによって装置中の圧力を制御した高速な気体流れの切替を行う。詳細は以下の実施例に示すが、本発明の特徴点は以下のようなものである。
【００１１】
本発明に係る調圧機能付高速ガス切替装置は、上記課題を解決するため、第１流量制御バルブを介して第１供給ガスを真空装置に供給する第１管路と、第２流量制御バルブを介して第２供給ガスを供給する第２管路とを第１三方向バルブで連結して、第１供給ガスと第２供給ガスのいずれかのガスを第１三方向バルブから第３流量制御バルブを介して真空装置に供給可能とし、前記第２管路の第２流量制御バルブと前記第１三方向バルブとの間の管路と、第４流量制御バルブを介して排気する排気管路とを第２三方向バルブで連結するとともに、排気管路の第４流量制御バルブと第２三方向バルブとの間の管路に前記第１管路から分岐した管路を連結して、第１供給ガスと第２供給ガスのいずれかのガスを第４流量制御バルブを介して排気可能とし、前記第１三方向バルブと第２三方向バルブとの間の管路に第１オンオフバルブを設けると共に、前記第１管路と排気管路を連結する管路に第２オンオフバルブを設け、第１供給ガスの供給時には第１オンオフバルブと第２オンオフバルブとを閉じるとともに、第１三方向バルブ及び第２三方向バルブを全て開放し、第２供給ガスの供給時には第１オンオフバルブと第２オンオフバルブとを開放すると共に、第１三方向バルブの第１管路側と、第２三方向バルブの排気管路側を閉じることを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る他の調圧機能付高速ガス切替装置は、前記調圧機能付高速ガス切替装置において、前記調圧機能付高速ガス切替装置を複数直列に接続することにより、３種類以上の供給ガスの切り替えを行うことを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る他の調圧機能付高速ガス切替装置は、前記調圧機能付高速ガス切替装置をプラズマによって各種処理を行うプラズマ処理装置に用いることを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る他の調圧機能付高速ガス切替装置は、前記調圧機能付高速ガス切替装置をガスセンサの応答時間の測定装置におけるガス供給装置として用いることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は上記のように構成したので、気体供給路における気体の切り替え管路部分において、先に供給していたガスの残留量を減少することができ、真空装置中の全圧を制御しつつ気体供給路を短時間で変更できることができるようになる。それにより、気体の種類、流量を短い時間のうちに頻繁に変更することによって主としてプラズマ製膜及びプラズマ処理によって得られる製品の生産性を向上し、また製品の性能及び機能を向上させることができる。また、高速に気体供給を変更することにより、ガスセンサの正確な応答時間を測定することができる調圧機能付き高速ガス切替装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明は真空装置中の全圧を制御しつつ気体供給路を短時間で変更できるようにするという課題を、第１流量制御バルブを介して第１供給ガスを真空装置に供給する第１管路と、第２流量制御バルブを介して第２供給ガスを供給する第２管路とを第１三方向バルブで連結して、第１供給ガスと第２供給ガスのいずれかのガスを第１三方向バルブから第３流量制御バルブを介して真空装置に供給可能とし、前記第２管路の第２流量制御バルブと前記第１三方向バルブとの間の管路と、第４流量制御バルブを介して排気する排気管路とを第２三方向バルブで連結するとともに、排気管路の第４流量制御バルブと第２三方向バルブとの間の管路に前記第１管路から分岐した管路を連結して、第１供給ガスと第２供給ガスのいずれかのガスを第４流量制御バルブを介して排気可能とし、前記第１三方向バルブと第２三方向バルブとの間の管路に第１オンオフバルブを設けると共に、前記第１管路と排気管路を連結する管路に第２オンオフバルブを設け、第１供給ガスの供給時には第１オンオフバルブと第２オンオフバルブとを閉じるとともに、第１三方向バルブ及び第２三方向バルブを全て開放し、第２供給ガスの供給時には第１オンオフバルブと第２オンオフバルブとを開放すると共に、第１三方向バルブの第１管路側と、第２三方向バルブの排気管路側を閉じることによって実現した。
【実施例１】
【００１７】
本発明の実施例を図面に沿って説明する。図１に本発明の典型的な構成例を示しており、真空装置へ供給されている供給ガスＡとＢの供給を短時間のうちに切り替えることができるようにしている。即ち、図１（ａ）において第１三方向バルブＶ１と第２三方バルブＶ３は三方向の管と接続する三方向バルブであり、このバルブでは、同図（ｂ）のように（ｉ）の二方向への供給と、（ｉｉ）の一方向のみの供給とに切換る作用をなす。なお、同図（ｉｉ）においてバルブの黒塗り部分は遮断状態を示す。なお、このような三方向バルブは従来から知られている種々のバルブを用いることができる。
【００１８】
第１オンオフバルブＶ２と第２オンオフバルブＶ４は直管中の気体流れのオンオフを制御するバルブであり、このバルブは通常用いられているバルブと同様に、図１（ｃ）の（ｉ）のバルブを通過する状態と、（ｉｉ）の遮断する状態とに切り替える。以上の三方向バルブ及びオンオフバルブは電磁バルブとして高速で作動可能であり、バルブの開放及び閉止に要する時間はそれぞれ３．５及び５ｍｓである。
【００１９】
これらのバルブは図１（ａ）に示すように連結されており、更にそれぞれ図示するように第１管路としての供給ガス系Ａと、第２管路としての供給ガス系Ｂに接続されると共に第１流量制御バルブＣＶ１を通して第１ガスを供給し、例えばプラズマ処理装置等の各種製品を製造する真空装置と、また第２流量制御バルブＣＶ２を通してバイパス排気ラインへと接続している。なお、真空装置には圧力を測定する圧力計(真空計)が取り付けられている。
【００２０】
これらの管路の連結状態をまとめると次のようなものである。即ち、第１流量制御バルブＣＶ１を介して第１供給ガスＡを真空装置に供給する第１管路と、第２流量制御バルブＣＶ２を介して第２供給ガスＢを供給する第２管路とを第１三方向バルブＶ３で連結して、第１供給ガスＡと第２供給ガスＢのいずれかのガスを第１三方向バルブＶ３から第３流量制御バルブＣＶ３を介して真空装置に供給可能としている。また、第２供給ガスＢを供給する第２管路の第２流量制御バルブＣＶ２と前記第１三方向バルブＶ３との間の管路と、第４流量制御バルブＣＶ４を介して排気する排気管路とを第２三方向バルブＶ１で連結するとともに、排気管路の第４流量制御バルブＣＶ４と第２三方向バルブＶ１との間の管路に第１管路から分岐した管路を連結して、第１供給ガスＡと第２供給ガスＢのいずれかの、装置に供給されていないガスを第４流量制御バルブＣＶ４を介して排気可能としている。また、第１三方向バルブＶ３と第２三方向バルブＶ１との間の管路に第１オンオフバルブＶ２を設けると共に、第１管路と排気管路を連結する管路に第２オンオフバルブＶ４を設ける。
【００２１】
このような管路構成において、後に詳述するように、第１供給ガスＡの供給時には第１オンオフバルブＶ２と第２オンオフバルブＶ４とを閉じるとともに、第１三方向バルブＶ３及び第２三方向バルブＶ１を全て開放し、第２供給ガスＢの供給時には第１オンオフバルブＶ２と第２オンオフバルブＶ４とを開放すると共に、第１三方向バルブＶ３の第１管路側と、第２三方向バルブＶ１の排気管路側を閉じることにより本発明が実施される。
【００２２】
図１（ａ）に示すシステムにより、真空装置へ供給される供給ガスＡ、Ｂを短時間のうちに切替、交換する手順をより詳細に説明する。まず当初の第１の段階では図２（ａ）に示すように、供給ガスＡが真空装置に供給されている。即ち、この供給ガスＡの真空装置への供給は、第１及び第２オンオフバルブＶ２及びＶ４を閉じ、第１及び第２三方向バルブ１及びＶ３を開けることによって行われる。この状態では供給ガスＡは第１流量制御バルブＣＶ１、第１三方向バルブＶ３及び第３流量制御バルブＣＶ３を通して真空装置へと流れる。
【００２３】
一方この時供給ガスＢは、第１及び第２オンオフバルブＶ２及びＶ４が閉じているために真空装置へと流れることができず、図中において第１流量制御バルブＣＶ２、第２三方バルブＶ１、及び第４流量制御バルブＣＶ４を通してバイパス排気される。以上の気体流れの状態は配管中に実線で示している。
【００２４】
このように真空装置に供給ガスＡが供給されている状態から供給ガスＢへの供給への切替は、図２（ｂ）に示すように、前記（ａ）の第１及び第２三方向バルブＶ１、Ｖ３、及び第１及び第２オンオフバルブＶ２、Ｖ４の全バルブの開閉を、すべて逆にすることによって達成される。これらの開閉は電気信号によって全て同時に行われるが、これによって第１及び第２三方向バルブＶ１及びＶ３は閉じ、第１及び第２オンオフバルブＶ２及びＶ４は開放される。
【００２５】
その結果、真空装置に供給されていた供給ガスＡは第１三方向バルブＶ３が閉じられたために真空装置への流れが停止され、第２オンオフバルブＶ４が開放されたためにバイパス排気ラインから排気される。一方、供給ガスＢは第１及び第２三方向バルブＶ１及びＶ３が閉鎖されたために、図中第２流量制御バルブＣＶ２、第２三方向バルブＶ１、第１オンオフバルブＶ２、第１三方向バルブＶ３、第３流量制御バルブＣＶ３を通して真空装置へと供給される。以上のように電磁バルブを用いることにより短時間に真空装置への供給ガスを切り替え、真空装置内のガス交換が可能になる。
【００２６】
このようなガス切替を、図示の装置構成において供給ガスＡとして空気を、供給ガスＢとして水素−空気混合ガスを用いて確認した。ガス切替は真空装置での圧力を、絶対圧力を測定することのできる隔膜真空計及び水晶振動子型圧力計を用いて測定することにより確認した。水晶振動子型圧力計の出力は全圧の他、気体の粘性及び分子量に依存して変化するため、絶対圧力を同時に測定し水晶振動子型圧力計出力を全圧で校正することによって被測定気体の粘性及び分子量に依存した出力を得ることにより真空装置内の気体構成の変化を検出できる。
【００２７】
このガス切替においては、用途としてこの切替が大気中への水素漏洩を模したものであるため、ガス切替前後の全圧を大気圧（１００ｋｐａ）に保つ必要があった。そこで、初めにこのガス切替前後で全圧が１００ｋＰａになるように、気体の完全閉止はできないもののバルブ中を通過するガス経路のコンダクタンスを変化させることができる流量調節バルブＣＶ１、ＣＶ２、ＣＶ４を用いて真空装置での圧力調整を行った。その手順を以下に示す。
【００２８】
最初、空気(供給ガスＡ)を流量１０１ｓｃｃｍで真空装置へ流した状態で、第１流量制御バルブＣＶ１を調節して真空装置内の絶対圧力を１００ｋＰａに保持する。次にこの供給ガスをＡからＢへ切替え、供給ガスＢとして空気１４７ｓｃｃｍ及び水素１０ｓｃｃｍを前述した方法で真空装置に供給する。その後、第２流量制御バルブＣＶ２のみを用いて１００ｋＰａに調整する。以上によりガス供給の前後において１００ｋＰａが達成される。なお、供給ガスＡの総流量よりも供給ガスＢの総流量が大きい場合には、第１流量制御バルブＣＶ１の代わりに第３流量制御バルブＣＶ３も用いることができる。また、バイパス排気ラインに接続する第４流量制御バルブＣＶ４は、ガス切替に伴う圧力変動及び切替直後の圧力変動をできるだけ小さくするために適宜用いられる。以上による調整の後、供給ガスの空気から水素−空気混合ガスへの切替を行い、圧力測定によるガス切替を確認した。
【００２９】
得られた結果を図３に示す。横軸の時間に対してガス切替に対する絶対圧力及び水晶振動子型圧力計出力を図３(a)に、また絶対圧力の相対変化及び圧力校正した水晶振動子型圧力計出力値を図３(b)にプロットしたが、横軸の時間で約５秒の時点で供給気体Ａ、Ｂの切替を行うと、絶対圧力も若干変化するが、圧力校正した水晶振動子型圧力計の値はそれよりも大きく変化した。圧力校正した水晶振動子型圧力計の指示値が減少していることから、このガス切替によって供給ガスの粘性・分子量が低下していること、すなわち供給ガスの種類が変化し、ガス切替が迅速に行われていることがわかる。この、分子量及び粘性の低下は、供給ガス種類が純空気から水素混合空気への切り替わったことと定性的に一致する。なぜなら水素ガスの分子量及び粘性（分子量2.02、粘性8.35 μ・Pa・s）は空気（分子量28.97、粘性17.08 μ・Pa・s）と比較して極めて小さいからである。別途、図４に示す圧力校正したＱゲージ値の空気中水素濃度依存性の結果を参照すると、図３(b)中の圧力校正した水晶振動子圧力計指示値の結果（＝０.４９９）から、供給ガス切替後の空気中水素濃度は約４５.７ｖｏｌ％であることがわかる。供給ガス切替前は純空気、すなわち水素濃度０ｖｏｌ％のガスを供給していたことから、極めて短時間に真空装置への供給ガスの切替が行われたことが示された。
【００３０】
ここで図３(a)における絶対圧力が、時間分解測定の時間分解能の時間内で変化していることを考慮すると、実際にガス切替に要した時間はここでの時間分解能である50 msよりも短い可能性がある。時間分解能が50 msであることは、現状の測定に関する装置の性能によって制限されているものであり、ガス切替の本来の性能とは無関係である。したがってより時間分解能の速い測定を行うことができればこのガス切替法のより速い切替速度をより正確に求めることができる。
【００３１】
圧力計の応答時間を、切替後飽和値に至るまでの変化量の９０％に達するまでの時間と定義すると、水晶振動子型圧力計の指示値の応答時間は隔膜圧力計に比べると数倍から数十倍長い。この応答時間の遅延は、隔膜圧力計のより迅速な指示値の変化を考慮すると、ガス切替時間の遅さによるものではなく、この水晶振動子型圧力計の本来の応答時間の遅さに由来するものと考えられる。ちなみにここで用いた隔膜真空計及び水晶振動子型圧力計の応答時間はそれぞれメーカー公称で16 ms以下及び数百ms以下であるから、図３の結果はほぼこれらの公称値に対応している。しかしながら隔膜真空計に比較して遅いとは言え約数百ミリ秒程度の応答時間測定は、ここで提案するようなミリ秒単位、遅くとも数十ミリ秒単位で高速なガス切替法を用いることによって初めて測定可能となるのであるから、本ガス切替法はこのような、数百ミリ秒以上の種々のセンサの応答速度を測定する方法として有効な方法である。この、応答時間測定の限界値は現状数百ミリ秒であるが、これも時間分解の測定限界である５０ミリ秒によって制限されているものであるから、測定の時間分解能の改善によってさらに速い応答時間を測定することが可能である。
【００３２】
以上のように、本発明によりガス切替後前後のそれぞれ異なる供給流量に対し、圧力をも同時に制御しながら５０ｍｓ以内にガス切替が可能なことが示された。上記の例ではガス切替前後の圧力を等しくしたが、当然のことながら流量制御バルブＣＶの調節によりガス切替前後の圧力は供給流量による制限の範囲内で任意に制御できる。その例については後に示す。
【００３３】
本発明はこのバルブ切り替えシステムの構成により、真空装置中の全圧を制御しつつ気体供給路を短時間で変更できるものであるが、特に三方向バルブＶ１及びＶ３を用いたことにより、確実にガスの切り替えを行うことができる。即ち、これらの三方向バルブの機能は、例えばこの部分に全くバルブを設けることなくＴ字管路とし、その縦管路におけるオンオフバルブＶ４の管路と交差する部分の手前にオンオフバルブを設けても同様の流路の切り替え作用を行うことができるが、その際にはＴ字管路の管結合部分と新たに設けたオンオフバルブとの間にデッドスペースができ、正確なガス供給量の制御が困難となるほか、切り替え直後においてデッドスペースに存在する残留ガスが供給されることによっても適切なガスの切り替えが行われない。したがって本発明では、前記のような三方向バルブを用いることにより、Ｔ字管路の結合部分で直接管路の切り替えを行うことができ、適切な切り替えが可能となる。
【００３４】
切替バルブは電磁バルブを組み合わせることによって作製されるが、その組み合わせ方については図１中に示す組み合わせ方だけではなく、いくつか異なる種類の組み合わせ方が存在する。例えば図５（ｂ）のような組み合わせでもここでのガス切替は可能である。ここで、ガス切替時に生じうる圧力変動の一因として、切替後に導入するガスが切替前にその流れを止められていた分(図５(a)、(b)中の太線部分)のガスによるものであると考えられることから、その、流れを止められていたガスの量を最小にするために図１(図５(a))のような三方弁を用いた構成とした。しかしながらこの構成は最適のものとは限らず、ガス切替時に圧力変動の小さくなるようなバルブ構成を用いるのが有効である。したがって、個々のバルブの内部構造によっては図５(b)の方がガス切替時に発生しうる圧力変動が小さくなる可能性もある。
【００３５】
次にバイパス排気系の効用について説明する。例えばバイパス排気系のない図６のようなバルブ構成を用いても、供給ガスＡ，Ｂを高速に切り替えることは可能である。まずＶ３を開、Ｖ２を閉にすることによって切替前のガスＡが装置に供給される(図６中の灰色線)。次にＶ２、Ｖ３の開閉を電気的に同時に反転させるとＶ２が開、Ｖ３が閉になることからガスＢのみが装置に供給される(図６中の黒色線)。しかしながら図６の構成では切替前にＶ２で閉止されている部分に存在するガスＢがこの部分で滞留してしまい、Ｖ２でのガスＢの圧力がこれより上流の部分の圧力、ここではガスボンベに接続している圧力制御器の２次圧と同等となる。この状態でガス切替を行うと、切替時に装置中の圧力がこの部分の圧力の影響を受け、例え流量制御バルブＣＶ２があったとしても切替時の圧力変動を制御することができない。切替時の圧力変動を小さくするためには切替前においてもその流れが止められることなく流れており、かつその時の圧力が制御されている状態にする必要がある。その、切替前のガスを切替前の時点で流れのある状態にしておくために用いられるのがバイパス真空排気系である。なお、この排気系は切替前に供給されているガスＡが切替後に迅速に排気されるためにも有効である。
【００３６】
図７に、切替前後で圧力が異なる場合の結果について示した。この場合、切替前はアルゴン24 SCCM、8 kPa、切替後は水素50 SCCM、10 kPaである。初めアルゴンを上記条件で流し、約７秒後に水素ガスに切り替えた。その後約２２秒のところで再びアルゴンガスの流れに戻した。図７(a)はこの時の、絶対圧力を測定する隔膜真空計及び測定するガスの粘性・分子量に敏感な水晶振動子圧力計の指示値である。ガス切替のタイミングを実線で同時に図７中に示した。アルゴンから水素に切り替えた際、絶対圧力は増加するが圧力校正された水晶振動子圧力計の指示値は減少していることから、このガス切替によって供給ガスの粘性・分子量が低下していること、すなわち供給ガスの種類が変化し、ガス切替が迅速に行われていることがわかる。この分子量及び粘性の低下は、アルゴンの分子量及び粘性（分子量39.95、粘性20.96 μ・Pa・s）が水素ガス（分子量2.02、粘性8.35 μ・Pa・s）と比較して大きいことを考慮すると。供給ガス種類がアルゴンから水素への切り替わったことと定性的に一致する。
【００３７】
なお、図３と比較すると絶対圧力が安定するのに時間がかかっている。これはガス切替の前後で圧力が異なることにより、同じ真空排気速度の設定では圧力が新しい平衡値に達するのに時間がかかることによるものである。これをより迅速に圧力制御するためには、切替直後において過渡的に真空排気の速度を変化させるか、流路上の開閉度を変化させる必要がある。この場合は真空排気速度を低下させるか、流路上開閉度を小さくすることで圧力上昇の速度を速めることができる。以上のようにガス切替前後において圧力が異なる場合でもその制御は可能であるが、この場合には上記のように過渡的に真空排気速度や流路上開閉度を制御する必要が生じる。
【００３８】
また、前記の例においては供給ガスＡと供給ガスＢの２種類のガスを切り替える例を示したが、例えば図８のように供給ガスＢの管路の上流に前記と同様の管路構成を直列に連結し、それらの管路のバルブを前記と同趣旨で開閉制御することによって、更に多数のガスの切り替えを同様に行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は前記のように、プラズマ製膜を初めとした各種プラズマ処理を行う装置、更にはガスセンサの応答時間の測定等に有効に利用することができるが、そのほか各種容器や室内に複数のガスを切り替えて供給する同様の装置に有効に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明による調圧機能付高速ガス切替装置の実施例の典型的な構成例を示す図である。
【図２】同実施例のガス切替態様を示す図である。
【図３】本発明の実験例である、純空気―水素・空気混合ガス切替時の隔膜圧力計指示値及び水晶振動子圧力計指示値の変化(a)及び絶対圧力の相対変化及び圧力校正した水晶振動子圧力計指示値(b)の変化を示す図である。
【図４】圧力校正した水晶振動子圧力計指示値の空気中水素濃度依存性の結果を示すグラフである。
【図５】ガス切替バルブのバルブ構成図を示す図である。
【図６】バイパス排気系が存在しない場合に考えられるガス切替装置構成を示す図である。
【図７】アルゴン―水素切替時の隔膜圧力計指示値及び水晶振動子圧力計指示値の変化（a）及び絶対圧力に対する相対変化及び圧力校正した水晶振動子圧力計指示値の変化（b）を示す図である。
【図８】３種類のガス切替に用いられるバルブ構成図を示す図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１流量制御バルブを介して第１供給ガスを真空装置に供給する第１管路と、第２流量制御バルブを介して第２供給ガスを供給する第２管路とを第１三方向バルブで連結して、第１供給ガスと第２供給ガスのいずれかのガスを第１三方向バルブから第３流量制御バルブを介して真空装置に供給可能とし、
前記第２管路の第２流量制御バルブと前記第１三方向バルブとの間の管路と、第４流量制御バルブを介して排気する排気管路とを第２三方向バルブで連結するとともに、排気管路の第４流量制御バルブと第２三方向バルブとの間の管路に前記第１管路から分岐した管路を連結して、第１供給ガスと第２供給ガスのいずれかのガスを第４流量制御バルブを介して排気可能とし、
前記第１三方向バルブと第２三方向バルブとの間の管路に第１オンオフバルブを設けると共に、前記第１管路と排気管路を連結する管路に第２オンオフバルブを設け、
第１供給ガスの供給時には第１オンオフバルブと第２オンオフバルブとを閉じるとともに、第１三方向バルブ及び第２三方向バルブを全て開放し、
第２供給ガスの供給時には第１オンオフバルブと第２オンオフバルブとを開放すると共に、第１三方向バルブの第１管路側と、第２三方向バルブの排気管路側を閉じることを特徴とする調圧機能付高速ガス切替装置。
【請求項２】
前記調圧機能付高速ガス切替装置を複数直列に接続することにより、３種類以上の供給ガスの切り替えを行うことを特徴とする請求項１記載の調圧機能付き高速ガス切替装置。
【請求項３】
前記調圧機能付高速ガス切替装置をプラズマによって各種処理を行うプラズマ処理装置に用いることを特徴とする請求項１記載の調圧機能付高速ガス切替装置。
【請求項４】
前記調圧機能付高速ガス切替装置をガスセンサの応答時間の測定装置におけるガス供給装置として用いることを特徴とする請求項１記載の調圧機能付高速ガス切替装置。
【請求項５】
前記バルブは、気体切替時の圧力変動が小さいガス切替バルブであることを特徴とする請求項１記載の調圧機能付高速ガス切替装置。
【請求項６】
前記バルブは電磁弁などの高速動作のバルブから成るガス切替バルブであり、バイパス排気、及び圧力制御機構を備えたことを特徴とする請求項１記載の調圧機能のついた高速ガス切替装置。
【請求項１】
第１流量制御バルブを介して第１供給ガスを真空装置に供給する第１管路と、第２流量制御バルブを介して第２供給ガスを供給する第２管路とを第１三方向バルブで連結して、第１供給ガスと第２供給ガスのいずれかのガスを第１三方向バルブから第３流量制御バルブを介して真空装置に供給可能とし、
前記第２管路の第２流量制御バルブと前記第１三方向バルブとの間の管路と、第４流量制御バルブを介して排気する排気管路とを第２三方向バルブで連結するとともに、排気管路の第４流量制御バルブと第２三方向バルブとの間の管路に前記第１管路から分岐した管路を連結して、第１供給ガスと第２供給ガスのいずれかのガスを第４流量制御バルブを介して排気可能とし、
前記第１三方向バルブと第２三方向バルブとの間の管路に第１オンオフバルブを設けると共に、前記第１管路と排気管路を連結する管路に第２オンオフバルブを設け、
第１供給ガスの供給時には第１オンオフバルブと第２オンオフバルブとを閉じるとともに、第１三方向バルブ及び第２三方向バルブを全て開放し、
第２供給ガスの供給時には第１オンオフバルブと第２オンオフバルブとを開放すると共に、第１三方向バルブの第１管路側と、第２三方向バルブの排気管路側を閉じることを特徴とする調圧機能付高速ガス切替装置。
【請求項２】
前記調圧機能付高速ガス切替装置を複数直列に接続することにより、３種類以上の供給ガスの切り替えを行うことを特徴とする請求項１記載の調圧機能付き高速ガス切替装置。
【請求項３】
前記調圧機能付高速ガス切替装置をプラズマによって各種処理を行うプラズマ処理装置に用いることを特徴とする請求項１記載の調圧機能付高速ガス切替装置。
【請求項４】
前記調圧機能付高速ガス切替装置をガスセンサの応答時間の測定装置におけるガス供給装置として用いることを特徴とする請求項１記載の調圧機能付高速ガス切替装置。
【請求項５】
前記バルブは、気体切替時の圧力変動が小さいガス切替バルブであることを特徴とする請求項１記載の調圧機能付高速ガス切替装置。
【請求項６】
前記バルブは電磁弁などの高速動作のバルブから成るガス切替バルブであり、バイパス排気、及び圧力制御機構を備えたことを特徴とする請求項１記載の調圧機能のついた高速ガス切替装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図７】
【図６】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図７】
【図６】
【図８】
【公開番号】特開２００９−２７９５２７（Ｐ２００９−２７９５２７Ａ）
【公開日】平成２１年１２月３日（２００９．１２．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１３４９６３（Ｐ２００８−１３４９６３）
【出願日】平成２０年５月２３日（２００８．５．２３）
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１２月３日（２００９．１２．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年５月２３日（２００８．５．２３）
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]