JP2020165468A - バルブ装置、これを用いたマスフローコントローラ、流体制御装置および半導体製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】集積化に適しかつ高温に対応可能なバルブ装置を提供する。【解決手段】流路を画定するバルブボディ２と、バルブボディ２の流路を開閉可能に設けられた弁体としてのダイヤフラム４７と、ダイヤフラム４７に流路を閉鎖させる閉位置と前記弁体に流路を開放させる開位置との間で移動可能に設けられた前記ダイヤフラムを操作する可動部材４０と、前記可動部材を前記開市又は閉位置に移動させる圧電素子の伸縮を利用した圧電アクチュエータ５０と、バルブボディ２から圧電アクチュエータ５０に向かう伝熱経路の途中に設けられ、かつ、前記圧電アクチュエータの一部に常時接触する強制冷却機構１００と、を有する【選択図】図２

Description

本発明は、圧電アクチュエータを利用したバルブ装置、これを用いたマスフローコントローラ、流体制御装置および半導体製造装置に関する。

特許文献１や特許文献２は、半導体製造用に用いられるバルブであって、弁体の開閉に圧電アクチュエータを利用したバルブを開示しているとともに、高温流体に対応するために、圧電アクチュエータと弁体との間に断熱スペーサ又は放熱スペーサを介在させ、熱源と圧電アクチュエータを遠ざけると共に、バルブボディ側からの圧電アクチュエータへの伝熱を抑制する技術を開示している。

特開2011-117499号公報 特開2004-62733号公報

特許文献１や特許文献２に開示されたバルブは、弁体と圧電アクチュエータとの間に断熱スペーサ又は放熱スペーサを介在させるため、高さ方向の寸法が長くなる。
半導体製造分野で使用されるバルブやマスフローコントローラは、集積化に伴う小型化が求められており、特許文献１や特許文献２に開示されたバルブはこの要請に反する。

本発明の目的の一つは、集積化に適しかつ高温に対応可能なバルブ装置、これを用いたマスフローコントローラ、流体制御装置および半導体製造装置を提供することにある。

本発明のバルブ装置は、流路を画定するバルブボディと、
前記バルブボディの流路を開閉可能に設けられた弁体と、
前記弁体に流路を閉鎖させる閉位置と前記弁体に流路を開放させる開位置との間で移動可能に設けられた前記弁体を操作する可動部材と、
前記可動部材を前記開市又は閉位置に移動させる圧電素子の伸縮を利用したアクチュエータと、
前記バルブボディから前記圧電アクチュエータに向かう伝熱経路の途中に設けられ、かつ、前記圧電アクチュエータの一部に常時接触する強制冷却機構と、を有する。

好適には、前記伝熱経路は、前記バルブボディに接続され、かつ、内部に前記可動部材の少なくとも一部を収容するボンネットと、
前記ボンネットに対して固定され、伸縮する前記アクチュエータの一端を支持する支持部と、を含み、
前記強制冷却機構は、前記支持部を兼ねている。

さらに好適には、前記支持部は、冷却媒体の流通する流通路を備える。

さらに好適には、前記支持部は、前記ボンネットを横断するように配置されている。

前記伝熱経路は、前記可動部材を前記閉位置に向けて付勢する付勢ばねをさらに含む。

本発明のバルブ装置は、前記バルブボディを加熱する加熱機構をさらに有する。

本発明のマスフローコントローラは、上記のバルブ装置を、流量を制御するコントロールバルブとして用いたマスフローコントローラである。

本発明の流体制御装置は、上流側から下流側に向かって複数の流体機器が配列された流体制御装置であって、
前記複数の流体機器は、上記のバルブ装置またはマスフローコントローラを含む。

本発明の半導体製造装置は、密閉されたチャンバ内においてプロセスガスによる処理工程を要する半導体装置の製造プロセスにおいて、前記プロセスガスの制御に上記のバルブ装置、上記のマスフローコントローラ、又は、上記の流体制御装置を用いる半導体製造装置である。

本発明によれば、圧電アクチュエータに常時接触するように伝熱経路に自然放熱機構や断熱材の代わりに、強制冷却機構を設けたので、バルブ装置が大型化することなく圧電アクチュエータが高温になるのを効果的に防ぐことができる。

本発明の一実施形態に係るマスフローコントローラの外観斜視図。 図１のマスフローコントローラの縦断面図。 本発明の一実施形態に係るマスフローコントローラの半導体製造プロセスへの適用例を示す概略図。 本実施形態のバルブ装置を用いる流体制御装置の一例を示す斜視図。

以下、本開示の実施形態について図面を参照して説明する。説明において同様の要素には同一の符号を付して、重複する説明を適宜省略する。図２において、Ａ１を上方向とし、Ａ２を下方向とする。
図１に本発明の一実施形態に係る圧力式マスフローコントローラ１は、ステンレス合金製の３つのブロック２Ａ，２Ｂ，２Ｃが互いに連結してなるバルブボディ２、バルブボディに接続された円筒状のボンネット３０、ボンネット３０の上端部に螺合するナット部材７０，ボンネット３０およびナット部材７０の内周側に配置された可動部材４０，圧電アクチュエータ５０および圧電アクチュエータ５０の支持部１００を含む。

バルブボディ２は、図２に示すように、流路２１，２２，２３，２４が内部に形成されている。流路２１は一端にバルブボディ２の底面で開口する開口部２１ａを有する。
流路２１と流路２２との間には、ガスケット１２が設けられ流路、流路２１と流路２２との間には、オリフィスガスケット１３が設けられている。バルブボディ２の上面に設置された圧力センサ１０、１１は流路２１内の流体の圧力と流路２２内の圧力をそれぞれ検出する。バルブボディ２の両側面には、仮想線で示すように、加熱ジャケット９０が設けられており、バルブボディ２内を流通するガス等の流体の温度をコントロールする。

流路２２と流路２３との間には、インナーディスク４６を介して弁体としての球殻状のダイヤフラム４７が設けられている。ダイヤフラム４７の外周縁部は、押えアダプタ４５を介してボンネット３０の下端面がバルブボディ２に向けて押圧されることで固定されている。インナーディスク４６には図示しないバルブシートが形成され、このバルブシートにダイヤフラムが当接および離隔することでバルブが開閉する。
可動部材４０は、金属製で、先端部がダイヤフラム操作部４０ａとなっており、ダイヤフラム操作部４０ａの上方に延在する下側筒状部４０ｂは積層された金属製の複数の皿ばね６０を収容し、支持部１００よりも上方に延在する上側筒状部４０ｃには圧電アクチュエータ５０が収容されている。可動部材４０の下端部の外周とボンネット３０の内周との間には、ドライベアリング４１が圧入され、可動部材４０の上端部の外周とナット部材７０の内周との間にはドライベアリング４２が圧入され、可動部材は、上下方向Ａ1，Ａ２方向に移動自在に案内されている。

ボンネット３０の中途には、支持部１００が貫通する貫通孔３０ｂが半径方向の２箇所に形成され、支持部１００が２つの貫通孔３０ｂにより支持されている。ボンネット３０の上端側にはねじ部３０ｃが形成され、これにナット部材７０が螺合することで、貫通孔３０ｂに支持された支持部１００がナット部材７０の下端面により押圧され、支持部１００はボンネット３０に固定されている。

支持部１００は、金属製部材であり、内部に冷却媒体ＣＬを流通させる流通孔１００ａが形成される。冷却媒体ＣＬは、特に限定されないが、不活性ガス等が挙げられる。支持部１００は、冷却媒体ＣＬを流通させることで、本発明の強制冷却機構を構成する。

皿ばね６０は、可動部材４０の筒状部４０ｂの底面と支持部１００の下面の間に配置されており、皿ばね６０の弾性復元力が可動部材４０を下方向に向けて付勢している。これにより、圧電アクチュエータが作動していない状態では、可動部材４０のダイヤフラム操作部４０ａがダイヤフラム４７をインナーディスク４６のバルブシートに向けて押圧することで、バルブ閉状態となる。なお、本実施形態では、皿ばねを用いたが、コイルばね等の他のばねを用いることも可能である。

可動部材４０の上側筒状部４０ｃの上端部には、環状部材５１を介してキャップ部材５２が螺合している。
圧電アクチュエータ５０は、ケースに図示しない積層された圧電素子を内蔵している。ケースは、ステンレス合金等の金属製で、半球状の先端部端面および基端部側端面が閉塞している。圧電アクチュエータ５０は、下端部が支持部１００に支持されており、積層された圧電素子に電圧を印加して伸長させると、キャップ部材５２を介して可動部材４０が上方向Ａ１に押し上げられる。これにより、可動部材４０のダイヤフラム操作部４０ａが上方向Ａ１に移動し、ダイヤフラム４７がインナーディスク４６のバルブシートから離れ、バルブ開状態となる。

マスフローコントローラ1では、オリフィスガスケット１３および圧力センサ１０，１１以外の部分で、バルブ装置が構成され、圧力センサ１０，１１の検出値に基づいて、バルブ装置の圧電アクチュエータ５０を駆動することで、流量を制御する。

圧電アクチュエータ５０の使用温度範囲は、一般的に、最高で１２０℃程度であるが、半導体製造に用いられるプロセスガスはこれよりも高い温度にする必要がある場合がある。このため、バルブボディ２に加熱ジャケット９０を搭載している。
バルブボディ２が加熱されると、バルブボディ２に接続されたボンネット３０にも伝熱する。また、可動部材４０、皿ばね６０を通じても熱が伝わる。すなわち、ボンネット３０、可動部材４０、皿ばね６０等は圧電アクチュエータ５０に熱を伝える伝熱経路となっている。

強制冷却機構としての支持部１００は、伝熱経路の一部であるボンネット３０に直接設けてあり、かつ、圧電アクチュエータの手前に配置されているので、圧電アクチュエータに熱が伝わる前に、バルブボディ２からボンネット３０に伝わる熱を効果的に吸収できる。
また、支持部１００は、圧電アクチュエータ５０の下端部に常に接触しているので、圧電アクチュエータ５０の熱を常時強制的に排除することができる。

次に、図３を参照して、上記したマスフローコントローラ１の適用例について説明する。上記したマスフローコントローラ１は、以下に説明する半導体製造装置や流体制御装置に適用されて利用される。

図３に示す半導体製造装置１０００は、密閉されたチャンバ（処理チャンバ８００）内においてプロセスガスによる処理工程を要する半導体装置の製造プロセスにおいて、プロセスガスの流量制御にバルブ装置１００を用いたものである。たとえば、図３に示す半導体製造装置１０００は、原子層堆積法（ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ 法）による半導体製造プロセスを実行するためのシステムであり、６００はプロセスガス供給源、７００はガスボックス、７１０はタンク、８００は処理チャンバ、９００は排気ポンプを示している。

基板に膜を堆積させる処理プロセスにおいては、処理ガスを安定的に供給するためにガスボックス７００から供給される処理ガスをバッファとしてのタンク７１０に一時的に貯留し、処理チャンバ８００の直近に設けられたバルブ７２０を高頻度で開閉させてタンクからの処理ガスを真空雰囲気の処理チャンバへ供給する。

ＡＬＤ法は、化学気相成長法の１つであり、温度や時間等の成膜条件の下で、２種類以上の処理ガスを１種類ずつ基板表面上に交互に流し、基板表面上原子と反応させて単層ずつ膜を堆積させる方法であり、単原子層ずつ制御が可能であるため、均一な膜厚を形成させることができ、膜質としても非常に緻密に膜を成長させることができる。
ＡＬＤ法による半導体製造プロセスでは、処理ガス（プロセスガス）の流量を精密に調整する必要があるとともに、基板の大口径化等により、処理ガスの流量をある程度確保する必要もある。

ガスボックス７００は、正確に計量したプロセスガスを処理チャンバ８００に供給するために、各種の流体機器を集積化した流体制御装置をボックスに収容したものである。流体制御装置は、複数の流体機器が配列されたものである。マスフローコントローラ１は、ガスボックス７００内に収容される。

タンク７１０は、ガスボックス７００から供給される処理ガスを一時的に貯留するバッファとして機能する。
処理チャンバ８００は、ＡＬＤ法による基板への膜形成のための密閉処理空間を提供する。
排気ポンプ９００は、処理チャンバ８００内を真空引きする。

図４を参照して、本発明のマスフローコントローラ１が適用される流体制御装置の一例を説明する。
図４に示す流体制御装置には、幅方向Ｗ１，Ｗ２に沿って配列され長手方向Ｇ１，Ｇ２に延びる金属製のベースプレートＢＳが設けられている。なお、Ｗ１は正面側、Ｗ２は背面側，Ｇ１は上流側、Ｇ２は下流側の方向を示している。ベースプレートＢＳには、複数の流路ブロック９９２を介して各種流体機器９９１Ａ〜９９１Ｅが設置され、複数の流路ブロック９９２によって、上流側Ｇ１から下流側Ｇ２に向かって流体が流通する図示しない流路がそれぞれ形成されている。

ここで、「流体機器」とは、流体の流れを制御する流体制御装置に使用される機器であって、流体流路を画定するボディを備え、このボディの表面で開口する少なくとも２つの流路口を有する機器である。具体的には、開閉弁（二方弁）９９１Ａ、レギュレータ９９１Ｂ、プレッシャーゲージ９９１Ｃ、開閉弁（三方弁）９９１Ｄ、マスフローコントローラ９９１Ｅ等が含まれるが、これらに限定されるわけではない。なお、導入管９９３は、上記した図示しない流路の上流側の流路口に接続されている。例えば、マスフローコントローラ１はマスフローコントローラ９９１Ｅに適用される。

上記実施形態では、強制冷却機構として、支持部１００に冷却媒体ＣＬを流通させたものを例示したが、これに限定されるわけではなく、ペルチェ素子等を用いて強制冷却することも可能である。
上記実施形態では、マスフローコントローラとして圧力式のものを例示したが、これに限定されるわけではなく、サーマル式のものにも本発明を適用できる。

上記実施形態では、バルブ装置に加熱ジャケット９０を設けた場合を例示したが、流体制御装置の複数の流体機器のボディを共通に加熱するように設けることも可能である。

１ ：マスフローコントローラ
２ ：バルブボディ
２Ａ，２Ｂ，２Ｃ：ブロック
１０，１１：圧力センサ
１２ ：ガスケット
１３ ：オリフィスガスケット
２１ ：流路
２１ａ ：開口部
２２，２３，２４：流路
３０ ：ボンネット
３０ｂ ：貫通孔
４０ ：可動部材
４０ｂ ：下側筒状部
４０ｃ ：上側筒状部
４１，４２：ドライベアリング
４５ ：押えアダプタ
４６ ：インナーディスク
４７ ：ダイヤフラム
５０ ：圧電アクチュエータ
５１ ：ベアリング
５２ ：キャップ部材
６０ ：皿ばね
７０ ：ナット部材
９０ ：加熱ジャケット
１００ ：支持部
７００ ：ガスボックス
７１０ ：タンク
７２０ ：バルブ
８００ ：処理チャンバ
９００ ：排気ポンプ
９９１Ａ―９９１Ｄ：流体機器
９９１Ｅ ：マスフローコントローラ
９９２ ：流路ブロック
９９３ ：導入管
１０００ ：半導体製造装置
Ａ１ ：上方向
ＢＳ ：ベースプレート
ＣＬ ：冷却媒体
Ｇ１ ：長手方向（上流側）
Ｇ２ ：長手方向（下流側）
Ｗ１，Ｗ２ ：幅方向

Claims (11)

1. 流路を画定するバルブボディと、
   前記バルブボディの流路を開閉可能に設けられた弁体と、
   前記弁体に流路を閉鎖させる閉位置と前記弁体に流路を開放させる開位置との間で移動可能に設けられた前記弁体を操作する可動部材と、
   前記可動部材を前記開位置又は閉位置に移動させる圧電素子の伸縮を利用した圧電アクチュエータと、
   前記バルブボディから前記圧電アクチュエータに向かう伝熱経路の途中に設けられ、かつ、前記圧電アクチュエータの一部に常時接触する強制冷却機構と、を有するバルブ装置。
2. 前記伝熱経路は、前記バルブボディに接続され、かつ、内部に前記可動部材の少なくとも一部を収容するボンネットと、
   前記ボンネットに対して固定され、伸縮する前記アクチュエータの一端を支持する支持部と、を含み、
   前記強制冷却機構は、前記支持部を兼ねている、請求項１に記載のバルブ装置。
3. 前記支持部は、冷却媒体の流通する流通路を備える、請求項２に記載のバルブ装置。
4. 前記支持部は、前記ボンネットを横断するように配置されている、請求項２又は３に記載のバルブ装置。
5. 前記強制冷却機構は、ペルチェ素子を含む、請求項１に記載のバルブ装置。
6. 前記伝熱経路は、前記可動部材を前記閉位置に向けて付勢する付勢ばねをさらに含む、請求項２ないし５のいずれかに記載のバルブ装置。
7. 前記バルブボディを加熱する加熱機構をさらに有する、請求項１ないし６のいずれかに記載のバルブ装置。
8. 請求項１ないし７のいずれかに記載のバルブ装置を、流量を制御するコントロールバルブとして用いたマスフローコントローラ。
9. 上流側から下流側に向かって複数の流体機器が配列された流体制御装置であって、
   前記複数の流体機器は、請求項１ないし７のいずれかに記載のバルブ装置または請求項８に記載のマスフローコントローラを含む流体制御装置。
10. 前記複数の流体機器のボディを共通に加熱する加熱機構をさらに有する、請求項８に記載の流体制御装置。
11. 密閉されたチャンバ内においてプロセスガスによる処理工程を要する半導体装置の製造プロセスにおいて、前記プロセスガスの制御に請求項１ないし６のいずれかに記載のバルブ装置、請求項７に記載のマスフローコントローラ、又は、請求項８若しくは９に記載の流体制御装置を用いる半導体製造装置。
    
    

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