JP6786096B2 - 圧力式流量制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、圧力式流量制御装置に関し、特に、オリフィス内蔵弁を備えた圧力式流量制御装置に関する。
半導体製造装置や化学プラントにおいて、原料ガスやエッチングガス等の流体を制御するための種々のタイプの流量計や流量制御装置が利用されている。このなかで圧力式流量制御装置は、例えばピエゾ素子駆動型のコントロール弁と絞り部(オリフィスプレートや臨界ノズル)とを組み合せた比較的簡単な機構によって各種流体の流量を高精度に制御することができるので広く利用されている。
圧力式流量制御装置には、臨界膨張条件P1/P2≧約2(P1:絞り部上流側のガス圧力、P2:絞り部下流側のガス圧力)を満足するとき、流量は下流側ガス圧力P2によらず上流側ガス圧力P1によって決まるという原理を利用して流量制御を行っているものがある。この種の圧力式流量制御装置では、圧力センサとコントロール弁とを用いて上流圧力P1を制御するだけで、絞り部下流側に流れるガスの流量を高精度に制御することができる。
特許文献1には、絞り部としてオリフィス部材を内蔵する開閉弁(オリフィス内蔵弁)を備えた圧力式流量制御装置が開示されている。オリフィス内蔵弁を備えた圧力式流量制御装置では、コントロール弁によってオリフィス上流側の圧力が制御されるとともに、オリフィス内蔵弁によりガスの流出が制御されるので、立ち上がりおよび立ち下がり特性よく流量制御されたガスを供給することができる。
また、近年では、ALD(原子層堆積)プロセスまたはALE(原子層エッチング)プロセスにおいて、プロセスチャンバに短期間だけ(パルス状に)ガスを供給することが望まれており、オリフィス内蔵弁が設けられた圧力式流量制御装置の活用が望まれている。
特許第4137267号 特開2003−316442号公報 特開2011−154433号公報
開閉弁の弁機構として、流量制御装置のガス流路に介在する空気作動弁(AOV:Air Operated Valve)を用いるとともに、この空気作動弁への圧縮空気の供給を制御する電磁弁を設ける構成が知られている(例えば特許文献2)。この構成をオリフィス内蔵弁に採用することができ、この場合、オリフィス内蔵弁の開閉動作は、電磁弁への開閉信号によって制御され、この開閉信号によって弁の開閉状態を判断することができる。
しかし、電磁弁に対して出力される開閉信号と、オリフィス内蔵弁の実際の開閉動作とが異なる場合がある。例えば、AOVへの圧縮空気の供給系に不具合が生じているとき、電磁弁が開状態であったとしてもAOVが動作しないことがある。また、AOVは圧縮空気の供給によって動作するので、空気供給系の設計(例えばエアチューブの径や長さ)に応じてAOVの開閉が電磁弁の開閉から遅れることがある。このため、電磁弁に入力される開閉信号とAOVの実際の開閉動作とが同期していないことも多かった。
オリフィス内蔵弁が用いられる近年の用途(例えば上記のALDプロセス)では、複数種類のガスを切り替えて供給するが、このガス切り替えのタイミングが非常に速く設定されている。したがって、立ち上がり、立ち下がり特性よくガス流量を制御できるとともに、実際のガス流量をリアルタイムで正確に確認できることが重要となってきている。このため、上記のようにAOVの実際の開閉動作が検出できていないときには、近年の用途への適用が困難な場合があった。
また、オリフィス内蔵弁を備えた圧力式流量制御装置において、オリフィス上流のガス圧力から流量を演算により求めることがあるが、オリフィス内蔵弁を閉じた後は、通常、オリフィス上流のガス圧力は上昇する。このため、実際には弁が閉じ、ガスが流れていない状態であるにも関わらず、上昇したガス圧力に応じた流量が演算流量として出力されることがある。
この問題に対して、特許文献2には、開閉弁を閉じている間は、圧力センサの出力にかかわらず流量値を0として表示することが記載されている。しかしながら、実際の弁開閉状態が確認できていないときには、結局は誤った流量を表示したり、タイミングがずれて不正確な流量を表示してしまうことになっていた。
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、ガスの流量を適切に制御および検出することができる、オリフィス内蔵弁を備えた圧力式流量制御装置を提供することをその主たる目的とする。
本発明の実施形態による圧力式流量制御装置は、コントロール弁と、前記コントロール弁の下流側に設けられた圧力センサと、前記圧力センサの下流側に設けられたオリフィス内蔵弁と、前記コントロール弁および前記圧力センサに接続された制御部とを備え、前記圧力センサの出力に基づいて前記コントロール弁を制御するように構成されており、前記オリフィス内蔵弁は、前記流路の開閉を行うための弁座体および弁体を有する弁機構と、前記弁機構を駆動する駆動機構と、前記弁機構に近接して設けられたオリフィス部材とを有しており、前記弁機構の開閉状態を検出するための開閉検出機構を備え、前記制御部は、前記開閉検出機構から検出信号を受け取るように構成されている。
ある実施形態において、前記弁機構は流体作動弁を含み、前記駆動機構は前記流体作動弁への流体の供給を制御する電磁弁を含む。
ある実施形態において、前記開閉検出機構は、リミットスイッチを含み、前記リミットスイッチは、前記弁体の動きに連動してオンオフ信号を生成するように設けられている。
ある実施形態において、前記制御部は、前記圧力センサからの出力信号と、前記開閉検出機構からの前記検出信号とに基づいて、前記オリフィス内蔵弁を通過するガスの流量を検出する。
ある実施形態において、前記開閉検出機構からの前記検出信号が前記オリフィス内蔵弁の閉状態を示している時、前記制御部は、前記圧力センサの出力値にかかわらず、流量をゼロと判断する。
本発明の実施形態によれば、オリフィス内蔵弁を備えた圧力式流量制御装置において、ガスの流量を適切に制御および検出することができる。
本発明の実施形態による圧力式流量制御装置の構成を示す模式的な図である。 本発明の実施形態による圧力式流量制御装置のより具体的な構成を示す側面図である。 本発明の実施形態による圧力式流量制御装置において、制御部がガス流量を検出する工程の一例を示すフローチャートである。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
図1は、本発明の実施形態による圧力式流量制御装置100の全体構成を示す図である。圧力式流量制御装置100は、ガス流路11に介在するコントロール弁12と、コントロール弁12の下流側に設けられたオリフィス内蔵弁16と、コントロール弁12とオリフィス内蔵弁16との間に設けられた第1圧力センサ(上流圧力センサ)P1および温度センサTと、オリフィス内蔵弁16の下流側に設けられた第2圧力センサ(下流圧力センサ)P2とを備える。第1圧力センサP1は、コントロール弁12とオリフィス内蔵弁16との間の流路の圧力を測定することができ、第2圧力センサP2は、オリフィス内蔵弁16の下流側(例えばオリフィス内蔵弁16と図示しない下流遮断弁との間の流路)の圧力を測定することができる。また、本実施形態の圧力式流量制御装置100は、コントロール弁12の上流側に第3圧力センサP3を備えており、図示しないガス供給装置(例えば原料気化器)から供給されるガスの圧力を測定し、原料供給量の制御に利用することができる。
オリフィス内蔵弁16は、オリフィス部材14と、オリフィス部材14の上流側に設けられた開閉弁としての流体作動弁15とを有しており、流体作動弁15には駆動機構としての電磁弁18が接続されている。オリフィス内蔵弁16では、電磁弁18を用いてエア源2(エアタンクやコンプレッサなど)からオリフィス内蔵弁16への流体の供給を制御することによって、開閉動作が行われる。なお、オリフィス部材14は、流体作動弁15の上流側に設けられていても良く、重要なのは、オリフィス部材14と流体作動弁15との間に形成される流路容積をできるだけ小さくすることである。このようにオリフィスの近傍に弁機構が設けられたオリフィス内蔵弁16を用いれば、プロセスチャンバへの短時間のガス供給や、高速なガス遮断動作を適切に行うことが可能である。
本実施形態において、オリフィス部材14は、ホルダに保持されたステンレス製のオリフィスプレートを用いて構成されており(図2参照)、例えば、20〜500μmの厚さを有するオリフィスプレートに、口径が10〜500μmのオリフィスが形成されている。ただしこれに限られず、オリフィス部材14は、例えばオリフィスが弁座体に一体形成されたものであってもよく、オリフィスとして単数または複数の微細開口あるいはノズル状の開口部が形成された任意の態様の部材であってよい。
流体作動弁15は、典型的には、圧縮空気を用いて弁の開閉動作を行うAOVである。AOVとしては公知の種々のものを用いることができる。ただし、他の態様において、流体作動弁15は、空気以外の流体を用いて動作する開閉弁であってもよく、また、流体作動弁15の代わりに電磁弁などの開閉弁(オンオフ弁)を用いることもできる。
オリフィス内蔵弁16には、さらに、弁開閉検出機構としてのリミットスイッチ20が設けられている。リミットスイッチ20は、流体作動弁15の弁体16a(図2参照)の動きに連動してオンオフ信号を生成するスイッチであり、流体作動弁15の実際の開閉動作を検出することができるように構成されている。リミットスイッチ20としては、例えば、特許文献3(特開2011−154433号公報)に記載のリミットスイッチを用いることができる。
また、圧力式流量制御装置100には制御部5が設けられており、制御部5は、例えば、第1圧力センサP1、温度センサT、オリフィス内蔵弁16のリミットスイッチ20、第2圧力センサP2、第3圧力センサP3に接続されている。本実施形態において、制御部5は、第1圧力センサP1の出力、温度センサTの出力、および第2圧力センサP2の出力(任意)に基づいてコントロール弁12を制御するように構成されており、上記各センサの出力から演算により求めた流量が、外部装置から入力された設定流量と異なる場合には、その差を解消するようにコントロール弁12の開閉度を制御する。また、制御部5は、開閉検出機構(リミットスイッチ20)から検出信号を受け取るように構成されており、オリフィス内蔵弁16の実際の開閉をリアルタイムに検知することができる。制御部5はまた、オリフィス内蔵弁16の駆動機構(電磁弁18)に開閉信号を送るように構成されていてもよい。ただし、これに限られず、電磁弁18には外部装置によって開閉信号が入力されてもよい。
図2は、図1に示した圧力式流量制御装置100に対応した構成を有する圧力式流量制御装置200を示す。図2に示す圧力式流量制御装置200では、流路11が形成されたブロック部材10に対して、コントロール弁12、オリフィス内蔵弁16、第1〜第3圧力センサP1〜P3が流路11と連通するように固定されている。
なお、圧力式流量制御装置200では、オリフィス内蔵弁16が有するオリフィス部材14を介して底面側の流路からガスが流入し、その上方に設けられた流体作動弁15を介してオリフィス部材14の外側側方からガスが流出する。流体作動弁15は、弁体16a(例えば金属ダイアフラム)および弁座体16bを備えており、弁座体16bは、周縁部に複数のガス連通孔が設けられたインナーディスクによって保持されていてもよい。弁体16aが弁座体16bから離間しているとき、流体作動弁15に流入したガスは、インナーディスクに設けられた上記の複数のガス連通孔を通って外側へと流出することができる。この構成において、図1に示した圧力式流量制御装置100とは異なり、オリフィス部材14の下流側に流体作動弁15が配置されている。また、流体作動弁15には、電磁弁18を介して圧縮空気が供給されるが、図2では、流体作動弁15と電磁弁18との間の流体供給部材(エアチューブなど)は図示せずに省略している。
圧力式流量制御装置200は、回路基板19を有しており、回路基板19には、図1に示した制御部5が設けられている。制御部5は、例えば、回路基板19上に設けられた図示しないプロセッサやメモリなどによって構成され、所定の動作を実行するコンピュータプログラムを含んでいてよく、ハードウェアおよびソフトウェアの組み合わせによって実現され得る。
また、図2に示すように、圧力式流量制御装置200において、リミットスイッチ20はオリフィス内蔵弁16の直上に設けられている。リミットスイッチ20は、弁体16aと連動して移動する弁棒部(ステムやピストン)16sの上端と接するときに電気が流れる電気接点22を有している。このような電気接点22を用いれば、弁の開閉をリアルタイムに検出することができる。リミットスイッチ20の位置合わせは、特開2011−154433号公報(特許文献3)に記載されているように、例えば、リミットスイッチ20を固定するためのネジ部材の回転調整によって行われてよい。参考のため、特開2011−154433号公報の開示内容の全てを本明細書に援用する。
ただし、開閉検出機構としては、上記態様のリミットスイッチ20に限られず、種々の公知の検出機構を用いることが可能である。例えば、開閉検出機構として、AOVの操作圧をモニタすることができる圧力センサを設け、操作圧のモニタ値に基づいてAOVの開閉を判断しても良い。また、本実施形態では、リミットスイッチ20はオリフィス内蔵弁16の直上に設けられているが、直上でなく、直上からずれた位置にあっても良い。開閉検出機構は、弁体16aの移動を検知出来るものである限り、その構造(種類)や位置等が限定されるものではない。
以上に説明した圧力式流量制御装置100、200では、上流圧力センサP1により検出した上流圧力(P1)と、下流圧力センサP2により検出した下流圧力(P2)と、絞り部(オリフィス)を通過する流量との間に、所定の関係が成立することを利用して、検出した上流圧力(P1)又は、上流圧力(P1)及び下流圧力(P2)に基づいて、制御部5がコントロール弁12を制御することにより流量を所定流量に制御する。例えば、臨界膨張条件下、即ちP1≧約2×P2を満たす条件下では流量Qc=K11(K1一定)の関係が成立する。また、非臨界膨張条件下では流量Qc=KP2 m(P1−P2n(Kは流体の種類と流体温度に依存する比例係数、指数m、nは実際の流量から導出された値)の関係が成立する。したがって、これらの流量計算式を用いて演算により流量Qcを求めることができる。上記の流量Qcは、温度センサによって検出されたガス温度に基づいて補正されてもよい。
外部装置から入力された設定流量Qsと、上記の演算により求めた流量Qcとが異なる場合には、その差が0に近づくように、制御部5がコントロール弁12の開閉度を制御する。これにより、オリフィス内蔵弁16を流れるガスの流量を設定流量Qsに適合させることができる。なお、外部装置から入力される設定流量信号は、例えば、公知のランプ関数制御にしたがって生成されたもの(すなわち、目標値が時間とともに変化する設定信号)であってもよく、制御部5は、外部装置から設定流量とともにランプレートを受け取るように構成されていてもよい。
以上のようにコントロール弁12を制御してガス流量を制御するとともに、ガス供給/停止の切り替えは、流体作動弁15の開閉によって行う。圧力式流量制御装置100、200において、流体作動弁15への圧縮空気の供給は、電磁弁18の開閉によって制御される。電磁弁18は、例えば、ノーマルオープン型の開閉弁であり、閉信号が与えられていない期間において流体作動弁15にエアを供給することができる。電磁弁18に閉信号が与えられると、流体作動弁15への圧縮空気の供給が停止され、流体作動弁15は閉じる動作を行う。
ただし、流体作動弁15は、電磁弁18や図示しないレギュレータを介して空気源に接続されており、圧空系の応答性の低さに起因して、瞬時に閉弁することはできない。つまり、電磁弁18への開閉信号が、流体作動弁15の実際の開閉動作と同期していないことが多いので、電磁弁18への開閉信号に基づいてガスの流量を判断すると、実際にはガスが流れている状態であるのに、流量が0と判断してしまうおそれがある。
これに対して、圧力式流量制御装置100、200では、制御部5がリミットスイッチ20による弁開閉検出信号を受け取るので、実際の弁開閉状態を検出することができる。これにより、電磁弁18への開閉信号と実際の弁開閉動作とが異なっていたり、タイミング的にずれている場合であっても、ガスの流れを判断することができ、遮断期間(ガス流量0期間)を含めて実際のガス流量を正確に求めることが可能になる。
以下、図3を参照して、圧力式流量制御装置100、200の制御部5による流量測定工程の一例を説明する。
まず、ステップS1で流量測定が開始され、ステップS2においてリミットスイッチ20のON/OFFが検出される。
ステップS3においてリミットスイッチ20がONであり、オリフィス内蔵弁16が開状態であることが確認された場合、ステップS4およびS5において、上流圧力センサP1の出力など(温度センサTの出力や下流圧力センサP2などを含む場合もある)に基づいて、所定の演算式(例えば上記のQc=K11)を用いて流量Qcを算出する。
一方、ステップS3においてリミットスイッチ20がOFFであり、オリフィス内蔵弁16が閉状態であることが確認された場合、圧力センサの出力値にかかわらず、流量が0であると判断し、ステップS6において流量Qcを0に設定する。
そして、ステップS7において、測定流量として、ステップS5またはステップS6で設定された流量Qcを現在の流量として出力する。このようにすれば、流体作動弁への圧縮空気の供給系に不具合が生じているときにおいても実際の流量を正しく出力することができ、また、実際の弁の閉状態を確認してから流量を0に設定するので、リアルタイムで正確な流量を出力することが可能になる。
本発明の実施形態にかかる圧力式流量制御装置は、例えば、半導体製造のガス供給ラインに接続されて流量制御および流量測定を行うために好適に利用される。
2 エア源
5 制御部
10 ブロック部材
11 流路
12 コントロール弁
14 オリフィス部材
15 流体作動弁
16 オリフィス内蔵弁
16a 弁体
16b 弁座体
18 電磁弁
20 リミットスイッチ
100、200 圧力式流量制御装置
P1 第1(上流)圧力センサ
P2 第2(下流)圧力センサ
P3 第3圧力センサ
T 温度センサ

Claims (5)

  1. コントロール弁と、前記コントロール弁の下流側に設けられた圧力センサと、前記圧力センサの下流側に設けられたオリフィス内蔵弁と、前記コントロール弁および前記圧力センサに接続された制御部とを備え、前記圧力センサの出力に基づいて前記コントロール弁を制御するように構成された圧力式流量制御装置であって、
    前記オリフィス内蔵弁は、流路の開閉を行うための弁座体および弁体を有する弁機構と、前記弁機構を駆動する駆動機構と、前記弁機構に近接して設けられたオリフィス部材とを有しており、
    前記弁機構の開閉状態を検出するための開閉検出機構を備え、
    前記制御部は、前記開閉検出機構から検出信号を受け取り、前記開閉検出機構からの前記検出信号が前記オリフィス内蔵弁の閉状態を示している時、前記圧力センサの出力値にかかわらず流量をゼロと判断する、圧力式流量制御装置。
  2. コントロール弁と、前記コントロール弁の下流側に設けられた圧力センサと、前記圧力センサの下流側に設けられたオリフィス内蔵弁と、前記コントロール弁および前記圧力センサに接続された制御部とを備え、前記圧力センサの出力に基づいて前記コントロール弁を制御するように構成された圧力式流量制御装置であって、
    前記オリフィス内蔵弁は、流路の開閉を行うための弁座体および弁体を有する弁機構と、前記弁機構を駆動する駆動機構と、前記弁機構に近接して設けられたオリフィス部材とを有しており、
    前記弁機構の開閉状態を検出するための開閉検出機構を備え、
    前記制御部は、前記開閉検出機構から検出信号を受け取り、前記圧力センサからの出力信号と、前記開閉検出機構からの前記検出信号とに基づいて、前記オリフィス内蔵弁を通過するガスの流量を検出する、圧力式流量制御装置。
  3. 前記弁機構は流体作動弁を含み、前記駆動機構は前記流体作動弁への流体の供給を制御する電磁弁を含む、請求項1または2に記載の圧力式流量制御装置。
  4. 前記開閉検出機構は、リミットスイッチを含み、前記リミットスイッチは、前記弁体の動きに連動してオンオフ信号を生成するように設けられている、請求項1から3のいずれかに記載の圧力式流量制御装置。
  5. 前記開閉検出機構からの前記検出信号が前記オリフィス内蔵弁の閉状態を示している時、前記制御部は、前記圧力センサの出力値にかかわらず流量をゼロと判断する、請求項2に記載の圧力式流量制御装置。

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