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

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＝Ｋ₁Ｐ₁（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−Ｐ₂）ⁿ（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＝Ｋ₁Ｐ₁）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。