JP2021047474A - 流量制御装置および流量制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】制御流量の精度が圧力センサの精度に依存しない流量制御装置および流量制御方法を提供する。【解決手段】流体が流通するオリフィスの開度を変更可能な可変オリフィス３１と、可変オリフィス３１の上流側に設けたコントロールバルブ１１と、コントロールバルブ１１と可変オリフィス３１との間に設けた圧力センサ２０と、を有する流量制御装置の流量制御方法であって、圧力センサ２０の検出圧力が目標圧力に維持されるようにコントロールバルブ１１を制御しつつ、可変オリフィス３１を通過する流体の流量が目標流量となるように当該可変オリフィス３１の開度を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、流量制御装置および流量制御方法に関する。

半導体製造設備のガス供給系の流量制御装置としては、従前からマスフローコントローラが多く使用されて来たが、これに代わるものとして、例えば、特許文献１は、圧力制御式流量制御装置を開示している。
この圧力制御式流量制御装置は、オリフィスの上流側圧力Ｐ１と下流側圧力Ｐ２との比Ｐ２／Ｐ１をガスの臨界圧力比以下に保持した状態に於いて、オリフィス下流側の流体の流量ＱをＱ＝ＫＰ１（但しＫは定数）として演算する。コントロール弁を開・閉制御してオリフィス上流側圧力Ｐ１を調整することにより、オリフィス下流側の流量Ｑを高精度で制御することができる。
特許文献２は、上記したオリフィスに代えてダイレクトタッチ型メタルダイヤフラム弁の弁座とダイヤフラム間のリング状の間隙からなる可変オリフィスとした可変オリフィス型圧力制御式流量制御装置を開示している。

特開平８−３３８５４６号公報 特許第５６６５７９３号

上記したような圧力制御式流量制御装置では、オリフィスの上流側圧力を圧力センサで検出した値から流量を決定する。
このため、測定した圧力値から流量が演算されるので、圧力センサが例えば非線形性特性を有する場合にはこの特性が制御流量に反映されてしまう。すなわち、制御流量の精度が圧力センサの精度に依存する。

本発明の一の目的は、制御流量の精度が圧力センサの精度に依存しない流量制御装置および流量制御方法を提供することにある。

本発明に係る流量制御装置は、流体が流通するオリフィスの開度を変更可能な可変オリフィスと、
前記可変オリフィスの上流側に設けたコントロールバルブと、
前記コントロールバルブと前記可変オリフィスとの間に設けた圧力センサと、
前記圧力センサの検出圧力が目標圧力に維持されるように前記コントロールバルブを制御する圧力制御部と、
前記コントロールバルブによる圧力制御の下で、目標流量に応じて前記可変オリフィスの開度を制御する流量制御部と、を有し、

前記可変オリフィスは、開度を変更するアクチュエータとして、積層型圧電素子を有し、
前記積層型圧電素子に対する印加電圧の大きさによって前記オリフィスの開度を制御する。

好適には、前記コントロールバルブと前記可変オリフィスとの間の複数の圧力の各々の場合について、流量と前記積層型圧電アクチュエータに対する印加電圧との関係を規定する複数のテーブルを有し、
前記圧力制御部および流量制御部は、選択されたテーブルに基づいて前記コントロールバルブおよび可変オリフィスをそれぞれ制御する。

本発明の流量制御方法は、流体が流通するオリフィスの開度を変更可能な可変オリフィスと、前記可変オリフィスの上流側に設けたコントロールバルブと、前記コントロールバルブと前記可変オリフィスとの間に設けた圧力センサと、を有する流量制御装置の流量制御方法であって、
前記圧力センサの検出圧力が目標圧力に維持されるように前記コントロールバルブを制御しつつ、前記可変オリフィスを通過する流体の流量が目標流量となるように当該可変オリフィスの開度を制御し、
前記可変オリフィスは、開度を変更するアクチュエータとして、積層型圧電アクチュエータを有し、
前記積層型圧電アクチュエータに対する印加電圧の大きさによって前記オリフィスの開度を制御する。

好適には、前記コントロールバルブと前記可変オリフィスとの間の複数の圧力の各々の場合について、流量と前記積層型圧電アクチュエータに対する印加電圧との関係を規定する複数のテーブルの中から所望のテーブルを選択し、
選択されたテーブルに基づいて前記コントロールバルブおよび可変オリフィスをそれぞれ制御する。

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流量制御装置を用いる。

本発明によれば、圧力センサの検出圧力が目標圧力に維持されるようにコントロールバルブを制御しつつ、可変オリフィスを通過する流体の流量が目標流量となるように当該可変オリフィスの開度を制御するので、制御流量の精度が圧力センサの精度に依存しない。

本発明の一実施形態に係る流量制御装置の機能ブロック図。 流量と積層型圧電素子の印加電圧（オリフィス開度）の関係を示すテーブル。 制御部のメインルーチンの処理の一例を示すフローチャート。 圧力制御の処理の一例を示すフローチャート。 流量制御の処理の一例を示すフローチャート。 本発明が適用される半導体製造装置の一例を示す概略構成図。

図１は、本発明の一実施形態に係るバルブ装置の構成を示す機能ブロック図である。
図１に示す流量制御装置１０は、コントロールバルブ１１と、圧力センサ２０と、可変オリフィス３１と、制御部５０とを有している。

コントロールバルブ１１は、流路６１に設けられたダイレクトタッチ型メタルダイヤフラム弁１２とこれを駆動するアクチュエータ１３からなる。
ダイレクトタッチ型メタルダイヤフラム弁１２は、制御部５０からの制御指令に応じて流路６１を開閉する。

圧力センサ２０は、コントロールバルブ１１と可変オリフィス３１との間の流路６１の流体の圧力を検出し、制御部５０に出力する。

可変オリフィス３１は、流路６１に設けられたダイレクトタッチ型メタルダイヤフラム弁３２とこれを駆動するアクチュエータ３３からなる。ダイレクトタッチ型メタルダイヤフラム弁３２の図示しない弁座とダイヤフラムとの間のリング状の間隙が、流体が流通するオリフィスを構成している。すなわち、この間隙の大きさが可変オリフィス３１の開度（流量）を規定する。弁座とダイヤフラムとの間のリング状の間隙の大きさが大きくなると開度が大きくなり、間隙が小さくなると開度が小さくなる。
アクチュエータ３３は、本実施形態では、積層型圧電素子であり、積層型圧電素子への印加電圧の大きさに応じて上記した可変オリフィス３１の開度が決まる。すなわち、アクチュエータとして、積層型圧電素子を用いるので、可変オリフィス３１の開度を積層型圧電素子への印加電圧の大きさで決定できる。積層型圧電素子は、電圧変化に対して正確に伸縮するので、位置検出器は不要である。
可変オリフィス３１は、流路６１を絞る役割をしており、絞りの程度は開度で決まる。
可変オリフィス３１を通過する流体の流量は、可変オリフィス３１の上流側の圧力を所定圧力に維持した状態で可変オリフィス３１の各開度(印加電圧)について可変オリフィス３１を通過する流体の流量を、流量計を使って予め測定し、可変オリフィス３１の開度(印加電圧)と流量との関係を取得しておく。
可変オリフィス３１を通過する流体の流量は、可変オリフィス３１の上流側の圧力を所定圧力の下で、可変オリフィス３１の開度、すなわち、積層型圧電素子への印加電圧の大きさに応じて決まる。
なお、アクチュエータ３３がステッピングモータ等の回転モータの場合には、モータの回転量で可変オリフィス３１の開度が決まる。

制御部５０は、プロセッサ、メモリ、入出力回路等のハードウエアと所要のソフトウエアから構成され、圧力センサ２０の検出値をサンプリングするとともに、コントロールバルブ１１のアクチュエータ１３および可変オリフィス３１のアクチュエータ３３を駆動制御する。
制御部５０は、例えば、図２に示すように、コントロールバルブ１１と可変オリフィス３１との間の複数の圧力（例えば、1.0[MPa],0.5[MPa]）の各々の場合について、流量と積層型圧電素子に対する印加電圧(ピエゾ電圧)との関係を規定する複数のテーブルを保持している。流量制御の際はこの複数のテーブルの中から所望のテーブルを選択し、選択されたテーブルに基づいてコントロールバルブ１１および可変オリフィス３１をそれぞれ制御する。図２の(a)のテーブルが選択された場合には、1.0[MPa]が目標圧力となり、（ｂ）が選択された場合には、0.5[MPa]が目標圧力となる。

次に、図３〜図５のフローチャートを参照して、制御部５０による圧力制御と流量制御の一例について説明する。
制御部５０では、制御開始かを判断し（ステップＳＴ１）、開始の場合には、コントロールバルブ１１を開く制御指令を出力し（ステップＳＴ２）、可変オリフィス３１の開度を目標流量に対応する目標開度に設定する（ステップＳＴ３）。

次いで、コントロールバルブ１１では図４に示すような圧力制御が行われる（ステップＳＴ１０）。圧力制御では、圧力センサ２０の検出圧力が目標圧力に維持されるようにコントロールバルブ１１を制御する。具体的には、圧力センサ２０の検出した圧力値をサンプルし（ステップＳＴ１１）、検出された圧力値が目標圧力に維持されているかを判断する（ステップＳＴ１２）。検出された圧力値が目標圧力に維持されていない場合には、コントロールバルブ１１の開度を変更し(ステップＳＴ１３)、圧力センサ２０の検出圧力が目標圧力に維持されるようにする。

この圧力制御により、流路６１のコントロールバルブ１１と可変オリフィス３１との間の流体の圧力は目標圧力に維持される。可変オリフィス３１の開度が変更されると、流路６１のコントロールバルブ１１と可変オリフィス３１との間の流体の圧力は影響を受けるが、上記の圧力制御により速やかに目標圧力に維持される。流路６１のコントロールバルブ１１と可変オリフィス３１との間の流体の圧力が目標圧力の状態で、可変オリフィス３１の開度が目標流量に対応する目標開度に調整されると、所望の流量の流体が可変オリフィス３１を通過する。

流路６１のコントロールバルブ１１と可変オリフィス３１との間の流体の圧力が目標圧力に維持された状態で、流量制御が行われる(ステップＳＴ２０)。
この流量制御では、図５に示すように、目標流量が変更されたか、すなわち、可変オリフィス３１の目標開度が変更されたかを判断する（ステップＳＴ２１）。目標流量が変更された場合には、変更後の目標流量に応じた可変オリフィス３１の目標開度に可変オリフィス３１の開度を変更する（ステップＳＴ２２）。これにより、可変オリフィス３１から出力される流体の流量が所望の流量に制御される。

制御終了かを判断し(ステップＳＴ４)、制御終了と判断した場合には、コントロールバルブ１１を閉じ（ステップＳＴ５）、可変オリフィス３１も閉じる(ステップＳＴ６)。

以上のように、本実施形態によれば、コントロールバルブ１１により可変オリフィス３１の上流側の圧力を目標圧力に維持しつつ、可変オリフィス３１の開度調整により可変オリフィス３１を通過する流体の流量を制御する。したがって、可変オリフィス３１を通過する流体の流量は、可変オリフィス３１の開度によって規定される。この結果、制御流量の精度が圧力センサ２０の精度に依存することを回避することができる。

本実施形態に係る流量制御装置１０の他のメリットとしては、制御流量を流量設定0%時（流量ゼロ）に変更した際に、コントロールバルブ１１を閉じるとともに可変オリフィス３１も閉めると、より早い立下り特性が期待できる。

次に、図６を参照して、本実施形態に係る流量制御装置１０の適用例について説明する。
図６に示す半導体製造装置１０００は、ＡＬＤ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、３００はプロセスガス供給源、４００は本実施形態に係る流量制御装置を収容したガスボックス、５００はタンク、６００は開閉バルブ、６１０は制御部、７００は処理チャンバ、８００は排気ポンプを示している。

ＡＬＤ法（ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ 法）による半導体製造プロセスでは、処理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４００は、正確に計量したプロセスガスを処理チャンバ７００に供給するために、開閉バルブ、レギュレータ、本実施形態の流量制御装置１０等の各種の流体機器を集積化してボックスに収容している。
タンク５００は、ガスボックス４００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。
開閉バルブ６００は、ガスボックス４００で計量されたガスの流量を制御する。
制御部６１０は、開閉バルブ６００を制御して流量制御を実行する。
処理チャンバ７００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８００は、処理チャンバ７００内を真空引きする。

上記適用例では、本発明の流量制御装置を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：Ａｔｏｍｉｃ 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。

１０ ：流量制御装置
１１ ：コントロールバルブ
１２ ：ダイレクトタッチ型メタルダイヤフラム弁
１３ ：アクチュエータ
２０ ：圧力センサ
３１ ：可変オリフィス
３２ ：ダイレクトタッチ型メタルダイヤフラム弁
３３ ：アクチュエータ
５０ ：制御部
６１ ：流路
４００ ：ガスボックス
５００ ：タンク
６００ ：開閉バルブ
６１０ ：制御部
７００ ：処理チャンバ
８００ ：排気ポンプ
１０００ ：半導体製造装置

Claims (5)

1. 流体が流通するオリフィスの開度を変更可能な可変オリフィスと、
   前記可変オリフィスの上流側に設けたコントロールバルブと、
   前記コントロールバルブと前記可変オリフィスとの間に設けた圧力センサと、
   前記圧力センサの検出圧力が目標圧力に維持されるように前記コントロールバルブを制御する圧力制御部と、
   前記コントロールバルブによる圧力制御の下で、目標流量に応じて前記可変オリフィスの開度を制御する流量制御部と、を有し、
   前記可変オリフィスは、開度を変更するアクチュエータとして、積層型圧電素子を有し、
   前記積層型圧電素子に対する印加電圧の大きさによって前記オリフィスの開度を制御する、流量制御装置。
2. 前記コントロールバルブと前記可変オリフィスとの間の複数の圧力の各々の場合について、流量と前記積層型圧電素子に対する印加電圧との関係を規定する複数のテーブルを有し、
   前記圧力制御部および流量制御部は、選択されたテーブルに基づいて前記コントロールバルブおよび可変オリフィスをそれぞれ制御する、請求項１に記載の流量制御装置。
3. 流体が流通するオリフィスの開度を変更可能な可変オリフィスと、前記可変オリフィスの上流側に設けたコントロールバルブと、前記コントロールバルブと前記可変オリフィスとの間に設けた圧力センサと、を有する流量制御装置の流量制御方法であって、
   前記圧力センサの検出圧力が目標圧力に維持されるように前記コントロールバルブを制御しつつ、前記可変オリフィスを通過する流体の流量が目標流量となるように当該可変オリフィスの開度を制御し、
   前記可変オリフィスは、開度を変更するアクチュエータとして、積層型圧電素子を有し、
   前記積層型圧電アクチュエータに対する印加電圧の大きさによって前記オリフィスの開度を制御する、流量制御方法。
4. 前記コントロールバルブと前記可変オリフィスとの間の複数の圧力の各々の場合について、流量と前記積層型圧電素子に対する印加電圧との関係を規定する複数のテーブルの中から所望のテーブルを選択し、
   選択されたテーブルに基づいて前記コントロールバルブおよび可変オリフィスをそれぞれ制御する、請求項３に記載の流量制御方法。
5. 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に記載の流量制御装置を用いる半導体製造装置。

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