JP2021033800A - 流量制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大流量から小流量への切り替えを迅速にできる圧力式流量制御装置の提供。【解決手段】流体流路のコントロールバルブ２０とオリフィス５０の間に、流体流路１１ｂの圧力Ｐ１を測定する圧力センサ４０とともに、流体流路１１ｂの容積を調整することにより、ボイルシャルルの法則で、流体流路１１ｂの圧力を調整する流路圧力調整機構３０を有し、制御部は、圧力Ｐ１と流体の流量Ｑｃとの関係性に基づいて、設定流量Ｑｓが得られる目標圧力Ｐｓを算出し、検出された圧力Ｐ１が目標圧力Ｐｓに等しくなるように前記コントロールバルブ２０の開度を制御するとともに、コントロールバルブ２０を閉じても検出された圧力Ｐ１が目標圧力Ｐｓより高いときは、前記圧力Ｐ１を下げるように、流路圧力調整機構３０を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、流量制御装置、流体制御装置、及び半導体製造装置に関する。

従来、半導体製造プロセス、特に原子層堆積（ＡＬＤ:Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等の微細プロセスにおいては、微量のプロセスガスの精密な流量制御や圧力制御が要求される。
このようなプロセスガスの流量制御装置として、マスフローコントローラ（質量流量制御装置）が用いられており、ガスの種類の制約が少なくレスポンスの速い圧力式マスフローコントローラ（圧力式ＭＦＣともいう）が広く用いられている（例えば特許文献１）。
流量制御装置は、流体制御装置として統合され、成膜装置やエッチング装置などの半導体製造装置に組み込まれている。

特開２０１５−１０９０２２号公報 特開平８−３３８５４６号公報 特許第４８５６９０５号

圧力式ＭＦＣでは、オリフィスの１次側の圧力、またはさらにオリフィスの２次側の圧力、から流量を検出するので、流量を大きく制御するときは、オリフィスの１次側の圧力を高くし、流量を小さく制御するときは、オリフィスの１次側の圧力を低くする必要がある。
このため、制御流量を大流量から小流量に変更するときは、オリフィスの１次側の圧力を低下させる必要がある。しかし、この圧力低下は２次側からの吸気による減圧を待つしかなく、圧力式ＭＦＣではオリフィス等により流路が狭いので、この減圧に時間がかかり、その結果、実流量が大流量から小流量になるのに時間がかかるという問題があった。

本発明の目的は、上記問題を解決し、大流量から小流量への切り替えを迅速にできる圧力式流量制御装置を提供することにある。

本発明の第１の態様に係る流量制御装置は、
流体が通過する流体流路と、
前記流体流路を通過する流体の流量を調整するコントロールバルブと、
前記流体流路の前記コントロールバルブの２次側に設けられ、前記流体流路の圧力Ｐ_１を検出する圧力センサと、
前記流体流路の前記圧力センサの２次側に設けられ、前記流体流路を通過する流体の流量を絞るオリフィスと、
前記コントロールバルブを制御する制御部と、
を有する流量制御装置であって、
前記流体流路の前記コントロールバルブと前記オリフィスの間に設けられ、該流体流路の容積を調整することにより、ボイルシャルルの法則で、該流体流路の圧力Ｐ_１を調整する流路圧力調整機構をさらに有し、
前記制御部は、前記圧力Ｐ_１と流体の流量Ｑｃとの関係性に基づいて、設定流量Ｑｓが得られる目標圧力Ｐｓを算出し、検出された圧力Ｐ_１が目標圧力Ｐｓに等しくなるように前記コントロールバルブの開度を制御するとともに、
前記コントロールバルブを閉じても検出された前記圧力Ｐ_１が目標圧力Ｐｓより高いときは、前記圧力Ｐ_１を下げるように、前記流路圧力調整機構をも制御することを特徴とする。

本発明の第２の態様に係る流量制御装置は、
流体が通過する流体流路と、
前記流体流路を通過する流体の流量を調整するコントロールバルブと、
前記流体流路の前記コントロールバルブの２次側に設けられ、前記流体流路の圧力Ｐ_１を検出する第１の圧力センサと、
前記流体流路の前記第１の圧力センサの２次側に設けられ、前記流体流路を通過する流体の流量を絞るオリフィスと、
前記流体流路の前記オリフィスの２次側に設けられ、前記流体流路の圧力Ｐ_２を検出する第２の圧力センサと、
前記コントロールバルブを制御する制御部と、
を有する流量制御装置であって、
前記流体流路の前記コントロールバルブと前記オリフィスの間に設けられ、前記流体流路の容積を調整することにより、該流体流路の圧力を調整する流路圧力調整機構をさらに有し、
前記制御部は、前記圧力Ｐ_１とＰ_２と流体の流量Ｑｃとの関係性に基づいて、検出圧力Ｐ_２のもとで設定流量Ｑｓが得られるＰ_１の目標圧力Ｐｓを算出し、検出された圧力Ｐ_１が目標圧力Ｐｓに等しくなるように前記コントロールバルブの開度を制御するとともに、
前記コントロールバルブを閉じても検出された前記圧力Ｐ_１が目標圧力Ｐｓより高いときは、前記圧力Ｐ_１を下げるように、前記流路圧力調整機構をも制御することを特徴とする。

好ましくは、前記流路圧力調整機構は、前記流体流路のみに連通するとともに一面がダイヤフラムで構成された圧力調整室と、前記ダイヤフラムを変形させて前記圧力調整室の内容積を調整するアクチュエータと、を含む構成を採用できる。

代替的には、前記流路圧力調整機構は、前記流体流路のみに連通する圧力調整室と、前記圧力調整室と前記流体流路との間を連通・遮断するダイヤフラムバルブとを含む、構成を採用できる。

好ましくは、前記ダイヤフラムバルブは、前記流体流路からの連通路の前記圧力調整室への開口部の周囲に配置されたバルブシートと、前記バルブシートに近接して対向し、前記圧力調整室の一面を構成するダイヤフラムと、前記ダイヤフラムを前記バルブシートから離間・当接させて、前記圧力調整室と前記流体流路との間を連通・遮断するアクチュエータとを含む、構成を採用できる。

好ましくは、前記流路圧力調整機構のアクチュエータは、ピエゾアクチュエータである構成を採用できる。

好ましくは、前記コントロールバルブと前記流路圧力調整機構は、前記流体流路の同一の側に平行に伸びるように配置された、構成を採用できる。

代替的には、前記コントロールバルブと前記流路圧力調整機構は、前記流体流路の異なる側に逆方向に伸びるように配置された、構成を採用できる。

本発明の流体制御装置は、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、上記いずれかの流量制御装置を含むことを特徴とする。

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いずれかの流量制御装置又は流体制御装置を用いることを特徴とする。

本発明によれば、流量制御装置のコントロールバルブとオリフィスの間の流体流路に流路圧力調整機構を設け、コントロールバルブを閉じても検出された前記圧力Ｐ_１が目標圧力Ｐｓより高いときは、前記流路圧力調整機構を制御して前記圧力Ｐ_１を下げるようにしたので、制御流量を大流量から小流量に変更する際に、前記流体流路の圧力を迅速に下げることができ、大流量から小流量への切り替えを迅速にできるようになった。

本発明の第１の実施形態に係る流量制御装置の概略断面図。 図１の流量制御装置の流路容積調節機構の拡大断面図で、（ａ）は圧力調整室縮小、（ｂ）は圧力調整室拡大の状態を示す。 第１の実施形態の流量制御装置の流量低減時の動作を示すフローチャート。 本発明の第２の実施形態に係る流量制御装置の流路容積調節機構の拡大断面図で、（ａ）はダイヤフラム閉、（ｂ）はダイヤフラム開の状態を示す。 第２の実施形態の流量制御装置の流量低減時の動作を示すフローチャート。 本発明の第３の実施形態に係る流量制御装置の概略断面図。 本発明の第４の実施形態に係る流量制御装置の概略断面図。 本発明の一実施形態に係る流体制御装置の概略斜視図。 本発明の一実施形態に係る半導体製造装置のブロック図。

（第１の実施形態）
以下、本発明の実施形態の流量制御装置について図面を参照して説明する。
本実施形態は、圧力センサをオリフィスの１次側のみに設け、流量調整機構は圧力調整室の容積を可変するタイプで、コントロールバルブと流路調整機構を、流体流路の同一の側に平行に伸びるように配置した形態である。本願においてオリフィスとは清流素子、音速ノズル、絞り、その他流量抵抗を含む。
図１に本実施形態の流量制御装置の概略断面図を示す。

本実施形態の流量制御装置１は、内部に流体流路１１が形成されたボディ１０と、コントロールバルブ２０と、流路圧力調整機構３０と、圧力センサ４０と、オリフィス５０と、制御部（図示省略）とを主に備える。

流体流路１１は、流体を通過させるもので、入口からコントロールバルブ２０までの流路１１ａとコントロールバルブ２０からオリフィス５０までの流路１１ｂと、オリフィス５０から出口までの流路１１ｃからなる。

コントロールバルブ２０は、前記流体流路１１を通過する流体の流量を調整するものである。本実施形態では、応答性の良いピエゾアクチュエータで駆動されるダイヤフラムバルブを用いる。流路圧力調整機構３０については、後述する。

圧力センサ４０は、流体流路１１のコントロールバルブ２０の２次側（オリフィス５０の１次側）に設けられ、流体流路１１の圧力Ｐ_１を検出するものである。

オリフィス５０は、流体流路１１の圧力センサ４０の２次側に設けられ、流体流路１１を通過する流体の流量を絞るものであり、それにより、本装置を圧力式流量制御装置として機能させるものである。オリフィス５０は、流体流路１１内の障壁に設けた微小な貫通孔で形成されている。
本実施形態では、オリフィス５０の１次側の圧力Ｐ_１と２次側の圧力Ｐ_２との圧力比Ｐ_２／Ｐ_１が０．５以下の臨界膨張条件で流量制御を実施する。この場合、オリフィスを通過する流体の流速が音速になり、２次側の圧力Ｐ_２の変動が上流側に伝搬せず、流体流量は、上流側の気体の圧力Ｐ_１に正比例して変化する（特許文献２）。これにより、オリフィス５０の１次側の圧力センサ４０の検出圧力Ｐ_１のみに基づいて圧力制御ができる、したがって、オリフィス径は、上記臨界条件を満たすように選択される。

制御部（図示省略）は、外部から設定流量Ｑｓを入力可能で、また圧力センサ４０の検出圧力Ｐ_１を入力可能であり、コントロールバルブ２０及び流路圧力調整機構３０を制御するものである。
本実施形態では、制御部は、所定のプログラムを実行するＣＰＵを含むマイコン、外部との通信インターフェース、コントロールバルブ２０及び流路圧力調整機構３０を駆動するドライバ回路、圧力センサ４０の圧力信号を入力する入力インターフェース等を含む。
この他に、コントロールバルブ２０の１次側には、流体中のパーティクル等を除去するフィルタ（図示省略）が設けられている。

ここで、本発明の流量制御装置は、流路圧力制御機構３０を備える。
流路圧力調整機構３０は、流体流路１１のコントロールバルブ２０の２次側（オリフィス５０の１次側）に設けられ、コントロールバルブ２０とオリフィス５０の間の流路１１ｂの容積を変化させることにより、ボイルシャルルの法則で、該流体流路１１ｂの圧力を調整するものである。
本実施形態の流路圧力調整機構３０の詳細は、図２に示すように、連通路１１ｄを介して流体流路１１ｂのみに連通するとともに一面がダイヤフラム３２で構成された圧力調整室３１と、ダイヤフラム３２を変形させて前記圧力調整室の内容積を調整するアクチュエータ３６とを含む。

圧力調整室３１は、ダイヤフラムバルブの弁室に類似する形態で、ボディ１０（図１参照）の上面に設けられた円筒状凹部１２の底面と、この底面に配置されたダイヤフラム３２との隙間で構成されている。この底面中央には、流路１１ｂに連通する連通路１１ｄが開口している。
ダイヤフラム３２は、通常のダイヤフラムバルブに使用されるものと同様で、金属等の一層又は多層の積層された薄片で形成され、自然状態では、上方に球殻状に膨出した形状を有する。ダイヤフラム３２の周縁部は、ボンネット３４の下端部により、押さえアダプタ（図示省略）を介して、円筒状凹部１２の底面に押さえつけられ、この底面との間は気密にシールされている。
操作部材３３は、ダイヤフラムを変形操作する部材で、コイルバネ３５によって下方向に付勢され、下端部３３ａがダイヤフラム３２を押圧している。操作部材３３は筒状の部材で、ボンネット３４の架橋部分３４ａを前後方向から迂回してその上方に伸び、アクチュエータ３６の上側で左右の部分がつながった天井部分が形成されている（図１参照）。
アクチュエータ３６は、応答速度の理由で、コントロールバルブ２０と同様に、ピエゾアクチュエータを用いる。ピエゾアクチュエータ３６は、円筒状のケースに積層された圧電素子を内蔵したもので、積層された圧電素子への印加電圧を加減すると全長が伸縮するようになっている。
ピエゾアクチュエータ３６は、下端部がボンネット３４の架橋部分３４ａ上面に当接し、上端部が操作部材の天井部分の下面に当接している。このピエゾアクチュエータ３６が伸長すると、コイルバネ３５の付勢力に抗して操作部材３３全体を押し上げ、ダイヤフラム３２が自然形状に戻って、圧力調整室３１の体積が増加するようになっている。

図２（ａ）は、圧力調整室３１が縮小した状態を示す。このとき、ピエゾアクチュエータ３６には電圧は印加されておらず、ダイヤフラム３２は、コイルバネに付勢された操作部材に押圧されて押しつぶされ、このダイヤフラム３２の下面と、ボディ１０（図１参照）の凹部１２の底面の間で構成される圧力調整室３１の容積は最小になっている。このときの圧力調整室３１及び各分岐路を含む流路１１ｂの容積をＶａとし、その圧力をＰａとする。
図２（ｂ）は、圧力調整室３１が拡大した状態を示す。このとき、ピエゾアクチュエータ３６は電圧が印加されて伸長し、操作部材３３が引き上げられて、ダイヤフラム３２は上方に球殻状に膨出し、圧力調整室３１は最大の容積を有している。このときの圧力調整室３１及び各分岐路を含む流路１１ｂの容積をＶｂとし、その圧力をＰｂとする。

コントロールバルブ２０を閉じた状態で、流路圧力調整機構３０を駆動して、急速に図２（ａ）の縮小状態から図２（ｂ）の拡大状態に変化させた場合、その間にオリフィス５０を通過する流体の量は無視できると仮定すると、拡大状態の圧力Ｐｂは、ボイルシャルルの法則より、
Ｐｂ＝Ｐａ×（Ｖａ／Ｖｂ） ・・・（式１）
となり、体積の拡大に反比例して圧力が減少する。

次に、このように構成された第１の実施形態の流量制御装置１の動作について、説明する。
（通常の流量制御動作）
上記のように、本実施形態では、オリフィス５０の１次側の圧力Ｐ_１と２次側の圧力Ｐ_２との圧力比Ｐ_２／Ｐ_１が０．５以下の臨界膨張条件で流量制御を実施する。本流量制御装置１の１次側の圧力Ｐ_０は、オリフィス５０の１次側の圧力Ｐ_１より、フィルタ（図示省略）とコントロールバルブ２０の圧力損失分僅かに高くする必要があるため、本装置の１次側の圧力Ｐ_０と２次側の圧力Ｐ_２との圧力比Ｐ_２／Ｐ_０が０．５未満の条件で使用する必要がある。
制御部（図示省略）に対し、外部のコントローラ（半導体製造装置のコントローラ等）が、設定流量Ｑｓを指定する。
制御部は、圧力Ｐ_１と流体の流量Ｑｃとの関係性に基づいて、設定流量Ｑｓが得られる目標圧力Ｐｓを算出する。このとき、オリフィス５０の１次側と２次側の圧力比Ｐ_２／Ｐ_１が上記臨界膨張条件を満たしていると、上記関係性は、Ｑｃ＝ＫＰ_１（但しＫは比例定数）となる。制御部は、圧力センサ４０の検出圧力Ｐ_１を読み込み、この検出圧力Ｐ_１が目標圧力Ｐｓに等しくなるように前記コントロールバルブ２０の開度を制御する。

（流量低減時の流量制御動作）
本実施形態の流量制御装置の流量低減時の動作について、図３に示すフローチャートを参照して説明する。尚、この動作は一例であり、状況に応じて種々の変更が可能である。
まず、制御部（図示省略）は、検出圧力Ｐ_１が、小流量に対応する目標圧力Ｐｓまで下がるように、コントロールバルブ２０を絞るが、Ｐ_１とＰｓの差が大きい時は完全に閉じる（ステップ１）。
制御部は、コントロールバルブ２０を閉じて所定時間内に、検出圧力Ｐ_１が目標圧力Ｐｓまで下がるか判定する（ステップ２）。
所定時間内に検出圧力Ｐ_１が目標圧力Ｐｓまで下がる場合、コントロールバルブ２０のみによる制御を再開する（後述するステップ９）。
ステップ２の結果、所定時間経過しても検出圧力Ｐ_１が目標圧力Ｐｓより高いときは、制御部は、流路圧力調整機構３０のピエゾアクチュエータ３６への印加電圧を上げることより、圧力調整室３１の容積を拡大させる（ステップ３）。これにより、圧力調整室３１等を含む流体流路１１ｂの容積が拡大して、ボイルシャルルの法則により、流体流路１１ｂの圧力Ｐ_１が下がる。
制御部は、検出圧力Ｐ_１が目標圧力Ｐｓに等しくなったか、または、圧力調整室３１の容積が上限（ピエゾアクチュエータ３６への印加電圧が上限）になったか判定する（ステップ４）。ＮＯの場合は、さらに圧力調整室３１の容積を拡大させ、圧力Ｐ_１を下げる。
ステップ４の判定がＹＥＳのとき、制御部は、圧力調整室３１の容積の拡大を停止する（ステップ５）。
制御部は、上記のように検出圧力Ｐ１が目標圧力Ｐｓに等しくなったか、または、圧力調整室の容積が上限になったので、圧力制御とそれによる流量制御をコントロールバルブ２０による制御に切り替えると同時に、流路圧力調整機構３０のリセット動作として圧力調整室３１の容積を徐々に減少させる（ステップ６）。
制御部は、圧力調整室３１の容積が下限（ピエゾアクチュエータ３６への印加電圧がゼロ）になったか否か判定する（ステップ７）。ＮＯの場合は、さらに圧力調整室３１の容積を減少させる。
ステップ７の判定がＹＥＳのとき、制御部は、圧力調整室３１の容積の減少を停止し（ステップ８）、コントロールバルブ２０のみによる流量制御を再開する（ステップ９）。

第１の実施形態の流量制御装置１では、上記のように、制御流量を大流量から小流量に変更する際に、流路圧力調整機構３０を作動させて圧力調整室３１の容積を拡大させたので、流体流路１１ｂの圧力を迅速に下げることができ、大流量から小流量への切り替えを迅速にできるようになった。
また、図１に示すように、コントロールバルブと流路調整機構を、流体流路の同一の側に平行に伸びるように配置したので、全体の大きさがコンパクトで、ＩＧＳ（集積ガスシステム）に搭載しやすい。

（第２の実施形態）
本実施形態は、第１の実施形態において、流路圧力調整機構として、圧力調整室と前記流体流路との間を連通・遮断するダイヤフラムバルブとを含むものとした形態である。
本実施形態の流量制御装置１０１全体の構成は、流路圧力調整機構１３０を除いて第１の実施形態の流量制御装置１と同一なので、流路圧力調整機構１３０以外の説明は省略する。

本実施形態の前記流路圧力調整機構１３０は、図４に示すように、流体流路１１ｂのみに連通する圧力調整室３１と、前記圧力調整室３１と前記流体流路１１ｂとの間を連通・遮断するダイヤフラムバルブ３８とを含むものである。
具体的には、このダイヤフラムバルブ３８は、流体流路１１ｂからの連通路１１ｄの圧力調整室３１への開口部の周囲に配置されたバルブシート３７と、このバルブシート３７に近接して対向し圧力調整室３１の一面を構成するダイヤフラム３２と、このダイヤフラム３２を前記バルブシート３７から離間・当接させて、圧力調整室３１と流体流路１１ｂとの間を連通・遮断するアクチュエータ３６とを含む。アクチュエータ３６としては、第１の実施形態と同様に応答速度の理由でピエゾアクチュエータを用いる。

図４（ａ）は、ダイヤフラムバルブ３８の閉状態を示す。ピエゾアクチュエータ３６に電圧は印加されておらず、ダイヤフラム３２は、コイルバネ３５に付勢された操作部材３３に押圧されてバルブシート３７に当接し、連通路１１ｄと圧力調整室３１との間は遮断されている。このときの圧力調整室３１の容積をＶａ１その圧力をＰａ１、それ以外の各分岐路を含む流路１１ｂの容積をＶａ２、その圧力をＰａ２とする。
図４（ｂ）は、ダイヤフラムバルブ３８の開状態を示す。ピエゾアクチュエータ３６には電圧が印加され、印加電圧に比例してピエゾアクチュエータ３６の長さが伸張し、操作部材３３は押し上げられて、ダイヤフラム３２は上方に球殻状に膨出し、このダイヤフラム３２の下面とバルブシート３７の間の隙間を通して連通路１１ｄと圧力調整室３１との間は連通し、流体が流通できるようになっている。このときの圧力をＰｂとする。

コントロールバルブ２０を閉じた状態で、流路圧力調整機構３０のダイヤフラムバルブ３８を閉から開に変化させて、流路１１ｂと圧力調整室３１の圧力を同じにした場合、その間にオリフィス５０を通過する流体の量は無視できると仮定すると、その圧力Ｐｂは、ボイルシャルルの法則より、
Ｐｂ＝（Ｐａ１×Ｖａ１＋Ｐａ２×Ｖａ２）／（Ｖａ１＋Ｖａ２） ・・・（式２）
となる。
すなわち、流路１１ｂの圧力は、流路１１ｂと圧力調整室３１のそれぞれの圧力の、体積比を考慮した加重平均となる。

次に、このように構成された第２の実施形態の流量制御装置１０１の動作について説明する。
（通常の流量制御動作）
本実施形態の流量制御装置１０１の通常の流用制御動作は、第１の実施形態の流量制御装置１の通常制御動作と同じである。

（流量低減時の流量制御動作）
本実施形態の流量制御装置の流量低減時の動作について、図５に示すフローチャートを参照して説明する。尚、この動作は一例であり、状況に応じて種々の変更が可能である。
まず、制御部（図示省略）は、検出圧力Ｐ_１が、小流量に対応する目標圧力Ｐｓまで下がるように、コントロールバルブ２０を絞るが、Ｐ_１とＰｓの差が大きい時は完全に閉じる（ステップ１）。
制御部は、コントロールバルブ２０を閉じて所定時間内に、検出圧力Ｐ_１が目標圧力Ｐｓまで下がるか判定する（ステップ２）。
所定時間内に検出圧力Ｐ_１が目標圧力Ｐｓまで下がる場合、コントロールバルブ２０による制御を再開する（後述するステップ６）。
ステップ２の結果、所定時間経過しても検出圧力Ｐ_１が目標圧力Ｐｓより高いときは、制御部は、流路圧力調整機構３０のピエゾアクチュエータ３６への印加電圧を上げることより、ダイヤフラムバルブ３８を開き、流路１１ｂと圧力調整室３１とを連通させる（ステップ３）。これにより、流体流路１１ｂのガスが圧力調整室３１へ吸い込まれ、流体流路１１ｂの圧力Ｐ_１が下がる。
制御部は、検出圧力Ｐ_１が目標圧力Ｐｓに等しくなったか、または、ダイヤフラムバルブ３８を開いてから所定時間経過したか判定する（ステップ４）。
ＮＯの場合は、さらに圧力Ｐ_１の低下を待つが、Ｐ_１は（式２）の圧力Ｐｂまでしか下がらないので、目標圧力Ｐｓまで低下しない可能性もある。その場合、圧力調整室３１と連通させておくと、流体流路１１ｂの目標圧力Ｐｓまでの圧力低下が却って遅くなる可能性があるので、所定時間が経過したらこの待機状態を打ち切る。
ステップ４の判定がＹＥＳになったら、制御部は、ダイヤフラムバルブ３８を閉じ、流路１１ｂと圧力調整室３１とを遮断する（ステップ５）。
制御部は、圧力制御とそれによる流量制御をコントロールバルブ２０による制御に切り替える（ステップ６）。
制御部は、流路圧力調整機構３０をリセットする（ステップ７）。すなわち、流路１１ｂの検出圧力Ｐ１が低い状態で、ダイヤフラムバルブ３８を開いて圧力調整室３１を流路１１ｂと連通させ、連通後も流路１１ｂの検出圧力Ｐ１が低く安定していることを確認して、ダイヤフラムバルブを閉じる。これにより、圧力調整室３１内が低圧時の流路１１ｂの圧力と同じになり、次の圧力低減動作に備えることができる。

第２の実施形態の流量制御装置１０１でも、上記のように、制御流量を大流量から小流量に変更する際に、前記流体流路の圧力を迅速に下げることができ、大流量から小流量への切り替えを迅速に行うことができる。

（第３の実施形態）
本実施形態は、第１の実施形態において、コントロールバルブ２０と前記流路圧力調整機構３０は、前記流体流路１１ｂの異なる側に逆方向に伸びるように配置した形態である。

本実施形態の流量制御装置２０１を図６に示す。
この図に示すように、コントロールバルブ２０は、第１の実施形態と同様に流体流路１１ｂの上側に上方向に伸びるように配置されているが、流路圧力調整機構３０は、流体流路１１ｂの下側に下方向に伸びるように配置されている。
本実施形態の構成及び動作は、この点を除いて第１の実施形態と同一なので、詳しい説明は省略する。
これにより、流路圧力調整機構３０の幅だけ、コントロールバルブ２０とオリフィス５０の間の流体流路１１ｂの長さを短くすることができ、内容積を小さくできるので、第１の実施形態に比べて、コントロールバルブ２０による制御時及び流路圧力調整機構３０の動作時の流体流路１１ｂにおける目標圧力Ｐｓに対する実際の圧力の追従性が向上し、設定流量Ｑｃに対する実際の流量Ｑｃの追従性を向上させることが可能になる。

（第４の実施形態）
本実施形態は、第１の実施形態において、流体流路の前記オリフィスの２次側の圧力Ｐ_２を検出する第２の圧力センサをさらに有する形態である。これにより、第１の実施形態と異なり、臨界膨張条件以外でも流量制御動作が可能になる。

本実施形態の流量制御装置３０１は、図７に示ように、内部に流体流路１１が形成されたボディ１０と、コントロールバルブ２０と、流路圧力調整機構３０と、圧力センサ（第１の圧力センサ）４０と、オリフィス５０と、第２の圧力センサ６０と、制御部（図示省略）とを主に備える。

流体流路１１、コントロールバルブ２０、流路圧力調整機構３０、第１の圧力センサ４０、オリフィス５０は、それぞれ第１の実施形態の対応する各要素と同様である。
但し、本実施形態の流量制御装置３０１は、第１の実施形態と異なり、臨界膨張条件以外でも流量制御動作するので、オリフィス５０のオリフィス径は、臨界条件を満たすようにすることは必ずしも必要ない。本実施形態では、オリフィス５０の１次側の圧力Ｐ_１のみならず、２次側の圧力Ｐ_２も考慮して流量Ｑｃを演算するので、２次側の圧力Ｐ_２が無視できない非臨界膨張条件でも流量Ｑｃを算出できるからである。

第２の圧力センサ６０は、流体流路１１のオリフィス５０の２次側の流路１１ｃに設けられ、流体流路１１ｃの圧力Ｐ_２を検出するものである。

制御部（図示省略）は、外部から設定流量Ｑｓを入力可能で、また第１及び第２の圧力センサ４０、６０の検出圧力Ｐ_１を入力可能であり、コントロールバルブ２０及び流路圧力調整機構３０を制御するものである。
本実施形態では、制御部は、所定のプログラムを実行するＣＰＵを含むマイコン、外部との通信インターフェース、コントロールバルブ２０や流路圧力調整機構３０を駆動するドライバ回路、第１及び第２の圧力センサ４０、６０の圧力信号を入力する入力インターフェース等を含む。

次に、このように構成された第４の実施形態の流量制御装置３０１の動作について説明する。第１の実施形態では、目標圧力Ｐｓを圧力Ｐ_１と流体の流量Ｑｃとの関係性に基づいて算出したのに対し、本実施形態では、上記のように目標圧力Ｐｓを圧力Ｐ_１とＰ_２と流体の流量Ｑｃとの関係性に基づいて算出する点で異なるが、この点を除いて、流量制御装置３０１の動作は第１の実施形態と同様である。

（通常の流量制御動作）
すなわち、制御部（図示省略）は、外部のコントローラ（半導体製造装置のコントローラ等）から、設定流量Ｑｓを受信する。
制御部は、第１の圧力センサ４０の検出圧力Ｐ_１と第２の圧力センサ６０の検出圧力Ｐ_２とを読み込み、圧力Ｐ_１とＰ_２と流体の流量Ｑｃとの関係性に基づいて、検出圧力Ｐ_２のもとで設定流量Ｑｓが得られるＰ_１の目標圧力Ｐｓを算出する。この関係性は、例えば、Ｑｃ＝ＫＰ_２ ^ｍ（Ｐ_１−Ｐ_２）^ｎ（但しＫは比例定数、ｍとｎは定数）とすることができる。
上記関係性は、臨界膨張条件のみならず、２次側の圧力Ｐ_２が無視できない非臨界膨張条件でも成り立つので（特許文献３の［０００７］など）、非臨界膨張条件での流量制御に使用できる。
制御部は、検出された圧力Ｐ_１が目標圧力Ｐｓに等しくなるように前記コントロールバルブの開度を制御する。

（流量低減時の流量制御動作）
外部のコントローラからの設定流量が、大流量から小流量に変更された場合に変更に時間がかかるという問題に対処するため、第１の実施形態と同様に、コントロールバルブ２０を閉じても検出圧力Ｐ_１が目標圧力Ｐｓより高いときは、制御部は、圧力Ｐ_１を下げるように、流路圧力調整機構３０を制御する。
この流量低減時の流量制御動作も第１の実施形態と同様である。
但し、制御部は、第１の圧力センサ４０の検出圧力Ｐ_１のみならず第２の圧力センサ６０の検出圧力Ｐ_２をも読み込み、圧力Ｐ_１とＰ_２と流体の流量Ｑｃとの上記関係性に基づいて、検出圧力Ｐ_２のもとで設定流量Ｑｓが得られるＰ_１の目標圧力Ｐｓを常に算出しながら、図３のフローチャート等に示す動作を行う。

第４の実施形態の流量制御装置３０１でも、上記のように、流路圧力調整機構３０を導入したので、制御流量を大流量から小流量に変更する際に、前記流体流路の圧力を迅速に下げることができ、大流量から小流量への切り替えを迅速に行うことができる。

尚、上記各実施形態では、流路圧力調整機構３０のアクチュエータ３６として、応答速度の理由でピエゾアクチュエータを採用したが、これに限られず、例えばソレノイドアクチュエータを用いてもよい。その場合、動作ストロークが大きくなるので、第１の実施形態等では、圧力調整室３１の体積可変量を大きくできる。

また、上記第１の実施形態等では、制御のし易さの理由から、アクチュエータに電圧を印加しない通常状態で圧力調整室が最小になる構成にしたが、通常状態で圧力調整室が最大になる構成にしてもよい。その場合、操作部材とコイルバネ等からなる駆動力反転機構が不要になり、構造がコンパクトになる。

同様に、上記第２の実施形態では、制御のし易さの理由から、圧力調整室と流路１１ｂとの間のダイヤフラムバルブ３８をノーマルクローズの構成にしたが、ダイヤフラムバルブ３８をノーマルオープンの構成にしてもよい。その場合も、操作部材とコイルバネ等からなる駆動力反転機構が不要になり、構造がコンパクトになる。

（適用例）
次に、本発明の流体制御装置について説明する。
図８は、本発明の一実施形態に係る流体制御装置の概略斜視図である。
図８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には、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つの流路ロを有する機器である。具体的には、開閉弁（２方弁）９９１Ａ、レギュレータ９９１Ｂ、プレッシャーゲージ９９１Ｃ、開閉弁（３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。

本発明は、上記したマスフローコントローラ９９１Ｅに適用可能である。

次に、本発明の半導体製造装置について説明する。
図９は、本発明の一実施形態に係る半導体製造装置のブロック図である。
図９に示す半導体製造装置９８０は、原子層堆積法（ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉ ｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ 法）による半導体製造プロセスを実行するための装置であり、９８１はプロセスガス供給源、９８２はガスボックス、９８３はタンク、９８４は開閉バルブ、９８５は制御部、９８６は処理チャンバ、９８７は排気ポンプを示している。例えば、ＡＬＤ法等においては、基板に膜を堆積させる処理プロセスに使用する処理ガスをより大きな流量で安定的に供給することが求められている。
ガスボックス９８２は、正確に計量したプロセスガスを処理チャンバ９８６に供給するために、開閉バルブ、レギュレータ、マスフローコントローラ等の各種の流体機器を集積化してボックスに収容した集積化ガスシステム（流体制御装置）である。
タンク９８３は、ガスボックス９８２から供給される処理ガスを一時的に貯留するバッフアとして機能する。
開閉バルブ９８４は、プロセスガスの供給を正確なタイミングでＯＮ／ＯＦＦするダイヤフラムバルブである。
制御部９８５は、開閉バルブ９８４への操作ガスの供給制御による流量調整制御を実行する。
処理チャンバ９８６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９８７は、処理チャンバ９８６内を真空引きする。
本発明の流量制御装置は、上記ガスボックス９８２に含まれるマスフローコントローラとして用いられる。

上記のようなシステム構成によれば、制御部９８５から開閉バルブ９８４に制御指令を送れば、処理ガスの流量制御が可能になる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されない。当業者であれば、本発明の範囲内で、種々の追加や変更等を行うことができる。例えば、上記適用例では、開閉バルブ９８４をＡＬＤ法による半導体製造プロセスに用いる場合について例示したが、これに限定されるわけではなく、本発明は、例えば原子層エッチング法（ＡＬＥ ：Ａｔ ｏｍｉ ｃ Ｌａｙｅｒ Ｅｔｃｈｉｎｇ 法）等、精密な流量調整が必要なあらゆる対象に適用可能である。

１ ：流量制御装置
１０ ：ボディ
１１ ：流体流路
１１ａ〜１１ｃ：流路
１１ｄ ：連通路
１２ ：円筒状凹部
２０ ：コントロールバルブ
３０ ：流路圧力調整機構
３１ ：圧力調整室
３２ ：ダイヤフラム
３３ ：操作部材
３３ａ ：下端部
３４ ：ボンネット
３４ａ ：架橋部分
３５ ：コイルバネ
３６ ：アクチュエータ（ピエゾアクチュエータ）
３７ ：バルブシート
３８ ：ダイヤフラムバルブ
４０ ：圧力センサ（第１の圧力センサ）
５０ ：オリフィス
６０ ：第２の圧力センサ
１３０ ：流路圧力調整機構
２０１ ：流量制御装置
３０１ ：流量制御装置
９８０ ：半導体製造装置
９８１ ：プロセスガス供給源
９８２ ：ガスボックス
９８３ ：タンク
９８４ ：開閉バルブ
９８５ ：制御部
９８６ ：処理チャンバ
９８７ ：排気ポンプ
９９１Ａ〜９９１Ｅ：流体機器
９９２ ：流路ブロック
９９３ ：導入管
ＢＳ ：ベースプレート
ＧＩ、Ｇ２：長手方向
Ｗ１、Ｗ２：幅方向

Claims (10)

1. 流体が通過する流体流路と、
   前記流体流路を通過する流体の流量を調整するコントロールバルブと、
   前記流体流路の前記コントロールバルブの２次側に設けられ、前記流体流路の圧力Ｐ_１を検出する圧力センサと、
   前記流体流路の前記圧力センサの２次側に設けられ、前記流体流路を通過する流体の流量を絞るオリフィスと、
   前記コントロールバルブを制御する制御部と、
   を有する流量制御装置であって、
   前記流体流路の前記コントロールバルブと前記オリフィスの間に設けられ、該流体流路の容積を調整することにより、ボイルシャルルの法則で、該流体流路の圧力Ｐ_１を調整する流路圧力調整機構をさらに有し、
   前記制御部は、前記圧力Ｐ_１と流体の流量Ｑｃとの関係性に基づいて、設定流量Ｑｓが得られる目標圧力Ｐｓを算出し、検出された圧力Ｐ_１が目標圧力Ｐｓに等しくなるように前記コントロールバルブの開度を制御するとともに、
   前記コントロールバルブを閉じても検出された前記圧力Ｐ_１が目標圧力Ｐｓより高いときは、前記圧力Ｐ_１を下げるように、前記流路圧力調整機構を制御することを特徴とする、流量制御装置。
2. 流体が通過する流体流路と、
   前記流体流路を通過する流体の流量を調整するコントロールバルブと、
   前記流体流路の前記コントロールバルブの２次側に設けられ、前記流体流路の圧力Ｐ_１を検出する第１の圧力センサと、
   前記流体流路の前記第１の圧力センサの２次側に設けられ、前記流体流路を通過する流体の流量を絞るオリフィスと、
   前記流体流路の前記オリフィスの２次側に設けられ、前記流体流路の圧力Ｐ_２を検出する第２の圧力センサと、
   前記コントロールバルブを制御する制御部と、
   を有する流量制御装置であって、
   前記流体流路の前記コントロールバルブと前記オリフィスの間に設けられ、前記流体流路の容積を調整することにより、該流体流路の圧力を調整する流路圧力調整機構をさらに有し、
   前記制御部は、前記圧力Ｐ_１とＰ_２と流体の流量Ｑｃとの関係性に基づいて、検出圧力Ｐ_２のもとで設定流量Ｑｓが得られるＰ_１の目標圧力Ｐｓを算出し、検出された圧力Ｐ_１が目標圧力Ｐｓに等しくなるように前記コントロールバルブの開度を制御するとともに、
   前記コントロールバルブを閉じても検出された前記圧力Ｐ_１が目標圧力Ｐｓより高いときは、前記圧力Ｐ_１を下げるように、前記流路圧力調整機構を制御することを特徴とする、流量制御装置。
3. 前記流路圧力調整機構は、前記流体流路のみに連通するとともに一面がダイヤフラムで構成された圧力調整室と、前記ダイヤフラムを変形させて前記圧力調整室の内容積を調整するアクチュエータとを含む、請求項１又は２に記載の流量制御装置。
4. 前記流路圧力調整機構は、前記流体流路のみに連通する圧力調整室と、前記圧力調整室と前記流体流路との間を連通・遮断するダイヤフラムバルブとを含む、請求項１又は２に記載の流量制御装置。
5. 前記ダイヤフラムバルブは、前記流体流路からの連通路の前記圧力調整室への開口部の周囲に配置されたバルブシートと、前記バルブシートに近接して対向し、前記圧力調整室の一面を構成するダイヤフラムと、前記ダイヤフラムを前記バルブシートから離間・当接させて、前記圧力調整室と前記流体流路との間を連通・遮断するアクチュエータとを含む、請求項４に記載の流量制御装置。
6. 前記流路圧力調整機構のアクチュエータは、ピエゾアクチュエータである、請求項３〜５のいずれかに記載の流量制御装置。
7. 前記コントロールバルブと前記流路圧力調整機構は、前記流体流路の同一の側に平行に伸びるように配置された、請求項１〜６のいずれかに記載の流量制御装置。
8. 前記コントロールバルブと前記流路圧力調整機構は、前記流体流路の異なる側に逆方向に伸びるように配置された、請求項１〜６のいずれかに記載の流量制御装置。
9. 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１〜８のいずれかに記載の流量制御装置を含むことを特徴とする流体制御装置。
10. 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１〜８のいずれかに記載の流量制御装置又は請求項９に記載の流体制御装置を用いることを特徴とする半導体製造装置。

Images