JP7470375B2 - 流体制御装置及びこれを用いた流体制御システム - Google Patents

Description

この発明は、半導体製造装置等に使用される流体制御装置に関し、特に、気化器付き流体制御装置及びこれを用いた流体制御システムに関する。

半導体製造装置に使用される流体制御装置においては、半導体製造装置に送り込むガスを液体材料から気化する気化器を含むものが利用されている。この流体製造装置には、気化器に液体材料を送る量を調整するための液体流量制御器等の制御器や半導体製造装置に送る気化したガスの量を調整する気体流量制御器等の制御機器が搭載される。

特許文献１に記載の流体制御装置は、液体材料を気化する気化器と、気化器への液体材料の供給量を制御する供給量制御機器と、内部に流路が形成されるとともに、気化器及び供給量制御機器がそれぞれ取り付けられる機器取り付け面を有するマニホールドブロックとを具備し、気化器及び供給量制御機器が、機器取り付け面に取り付けられることにより、流路を介して繋がるように構成された流体制御装置である。

特許第６５７７８６０号公報

特許文献1に記載の流体制御装置では、下段層に機器取り付け面を有するマニホールドブロックが配置され、マニホールドの上に気化器や各種制御機器が搭載されている。

半導体製造装置は、一般にシリコンウェハ上に各種のプロセスガスを流して反応させるための処理炉が設けられ、各種のプロセスガスは、流体制御装置が複数組み合わされた流体制御システム内で混合、分離、混合比調整、流量調整等がなされて処理炉に流し込まれる。

半導体製造における流すプロセスガスの流量等の調整は、場合によっては気化器に送り込む液体流量制御器や気化したガスを下流に流す量を調整する気体流量制御器等自体を入れ替えて変更する必要がある場合がある。

このような場合、特許文献１に記載の流体制御装置では、機器取り付け面を有するマニホールドブロック全体を交換する必要があり、本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、気化器を備える流体製造装置であって、搭載される各種制御機器の入れ替え等の必要が生じても入れ替えられる機器以外の部材の交換が必要ないか、または部材の交換を最小限に抑えることができる流体制御機器を提供することにある。

本発明（１）は、液体材料を受け入れる液体流入ポートと、内部に流体通路を有し、少なくとも一面に前記流路の開口部を有し、下段層に配置される複数の下段通路ブロックと、複数の前記下段通路ブロックの上の中段層に配置され、当該下段通路ブロックにより流路が連結される、上流側開閉バルブ、当該上流側開閉バルブの下流に配置される気化器、当該気化器の下流に配置される気体流量制御器、及び当該気体流量制御器の下流に配置される下流側開閉バルブと、前記下流側開閉バルブからのガスを外部に流出させるガス流出ポートと、前記気化器の上の上段層に配置され、前記気化器に送り込む前記液体材料の流量を調整する液体流量制御器と、を有する流体制御装置である。

本発明（１）によると、例えば、気化器に送り込む液体材料の流量を調整する液体流量制御器を外形寸法の大きなサイズのものに変更する必要が生じたとしても、下段通路ブロック間の距離を長くするだけで液体流量制御器の入れ替えが可能となる。

本発明（２）は、前記気化器が、気化室を有し、前記液体流量制御器は、予め加熱する液体加熱室で加熱された前記液体材料を受け入れる液体流量制御器流入通路と、前記気化室に前記液体材料を流出する液体流量制御器流出通路を有している本発明（１）の流体制御装置である。

本発明（２）によると、気化器は、気化室を備え、前記液体流量制御器は、液体加熱室からの加熱された前記液体材料を受け入れる液体流量制御器流入通路と、前記気化室に前記液体材料を流出する液体流量制御器流出通路を有しているので、例えば、液体流量制御器を外形寸法の大きなサイズのものに変更する必要が生じたとしても、下段通路ブロック間の距離を長くすると液体加熱室と気化室との間の距離がその分長くなり、気化器を変更する必要がなくなる。

本発明（３）は、下段通路ブロックの上に載置され、前記液体流入ポートと前記上流側開閉バルブとの間、前記上流側開閉バルブと前記液体加熱室との間、前記気化室と前記気体流量制御器との間、前記気体流量制御器と前記下流側開閉バルブとの間及び前記下流側開閉バルブと前記ガス流出ポートとの間の少なくともいずれか１つに、前記中段層に配置され、流体流路を連結するための流体通路が形成された中段流路ブロックが備えられている本発明（１）または（２）の流体制御装置である。

本発明（３）によると、下段通路ブロックの上に載置され、前記液体流入ポートと前記上流側開閉バルブとの間、前記上流側開閉バルブと前記液体加熱室との間、前記気化室と前記気体流量制御器との間、前記気体流量制御器と前記下流側開閉バルブとの間及び前記下流側開閉バルブと前記ガス流出ポートとの間の少なくともいずれか１つに、前記中段層に配置され、流体流路を連結するための流体通路が形成された中段流路ブロックが備えられているので、同形状の中段流路ブロックによりシンプルな構造とすることができる。

本発明（４）は、複数の流体が流れる複数のラインを有する流体制御システムであって、前記ラインの少なくとも１つには、本発明（１）～（３）のいずれか１つの流体制御装置が配置され、前記流体制御装置の流路の途中または当該流体制御装置の外部に、流体の流路を結合する流体結合通路が形成された流路結合ブロック及び／または流体の流路を分岐する流体分岐通路が形成された流路分岐ブロックが備えられている流体制御システムである。

本発明（４）によると、複数の流体が流れる複数のラインを有する流体制御システムであって、前記ラインの少なくとも１つには、本発明（１）～（３）のいずれかの流体制御装置が配置され、前記流体制御装置の流路の途中または当該流体制御装置の外部に、流体の流路を結合する流体結合通路が形成された流路結合ブロック及び／または流体の流路を分岐する流体分岐通路が形成された流路分岐ブロックが備えられているので、気化器を内蔵する複雑な流体制御システムであっても、流路結合ブロックや流路分岐ブロックを使うことによってシステマティックに流体制御システムを構築することができる。

本発明によれば、気化器を備える流体製造装置であって、搭載される各種制御機器の入れ替え等の必要が生じても入れ替えられる機器以外の部材の交換が必要ないか、または部材の交換を最小限に抑えることができる。

本発明の実施例１に係る流体制御装置を示す。 図１に示す実施例１の流体制御装置の流体流量制御器を大きなものに変更したときの流体制御装置を示す。 実施例１の流体制御装置に用いられる気体流量制御器の制御フローを示すブロック図である。 実施例１に係る流体制御装置を複数有する流体制御システムの例を示す。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

図１に実施例１の流体制御装置１の正面図（下側）と平面図（上側）を示す。流体制御装置１は、下段層、中段層及び上段層の３層を備えている。処理する液体材料は、図示するように液体状態と気体状態とを模様を変えて示している。

中段層に、気化器５０と各種制御機器が備えられている。処理する液体材料は、液体流入ポート２１から流入し、上流側開閉バルブ３０を通過し、液体加熱室５１を通過し、気化器５０を通過し、気体流量制御装置６０を通過し、下流側開閉バルブ７０を通過し、その後、ガス流出ポート２２から流出する。

下段層には、５つの下段通路ブロック１０が配置され、下段通路ブロック１０にはＶ字形の流体通路１０ａが形成され、上面に、流体の流入と流出のための開口部があいている。なお、下段流路ブロック１０に形成された流路はＶ字形の流体通路１０ａ以外に、Ｕ字形、コの字形、半円形等であっても良い。下段通路ブロック１０によって、中段層の各種機器の流路が連結される。また、中段層のＬ字形の流路２０ａが形成された中段流路ブロック２０によっても、下段通路ブロック１０と中段層の各種機器とが連結されている。中段流路ブロック２０は、左に開口しているものと右に開口しているものがあるが、左右対称形となっているので、中段流路ブロック２０は、同一ものを使うことができて、流体制御装置１をシンプルな構造とすることができる。なお、液体流入ポート２１やガス流出ポート２２は中段流路ブロック２０に接続されているが、下段流路ブロック１０に接続された構造であっても良い。

上流側の制御機器として、上流側開閉バルブ３０があり、内部に流入通路３０ａと流出通路３０ｂが形成されている。上部に開閉制御のための駆動エア流出入口３１が設けられている。

上流側開閉バルブ３０の下流に気化器５０が設置されている。気化器５０は、液体材料を加熱して液体材料を気化する気化室５２及び気化したガスをさらに過熱するガス加熱室５３に分かれている。中段通路ブロック２０と各種制御機器との間には、流体が漏れ出ないようにシール部材２５がセットされている。気化器５０の周りには、気化室５２に供給された液体材料を気化するために加熱するためのヒーターが設置されている（図示無し）。ヒーターは、液体材料に合わせて温度を調整することが可能である。

液体加熱室５１の流入通路５１ａから液体材料が流入し、液体加熱室の周りに配置され、液体材料を気化温度よりも低い温度になるよう調整されたヒーター（図示無し）で液体材料を加熱され、流出通路５１ｂから上段層の液体流量制御器４０の流入通路４０ａに流れ込む。液体流量制御器４０で気化するための液体材料の量を調整し、調整された液体材料は、流出通路４０ｂを通って気化室５２の流入通路５２ａに流れ込む。流れ込んだ液体材料は、気化室５２周りに配置されたヒーターで加熱気化され、気化されたガスは、流出通路５２ｂからガス加熱室５３の流入通路５３ａに流れ込み、さらに過熱されて流出通路５３ｂから下流に向けて流れる。液体流量制御器４０の上部には、制御するための駆動エア流出入口４１が備えられている。なお、気化室５２で十分な加熱を行うことが出来るのなら、ガス加熱室５３を省略しても良い。

気化器５０で気化されたガスは、その後、気体流量制御器６０の流入通路６０ａを通って気体流量制御器６０の中に入り、半導体制動装置等に送り込まれなければならないガス量を制御して流出通路６０ｂ及びオリフィス６２を通過してさらに下流に流れる。オリフィス６２は、流れるガスの流量を制御する構成の一部として配置されている。

その後、ガスは、下流側開閉バルブ７０の流入通路７０ａを通り、開閉制御され、流出通路７０ｂから流れ出て、ガス流出ポート２２より、半導体製造装置等の処理炉等に向けて流れる。下流側開閉バルブ７０の上部には、制御するための駆動エア流出入口７１が備えられている。なお、気化器５０で気化したガスが再液化することが無いように、気体流量制御器６０や下流側開閉バルブ７０等、気化したガスが流れる流路にもヒーターが設置されている（図示無し）。

図１に示す流体制御装置１の液体流量制御器４０をさらに大きな液体流量制御器４０’に変えたい場合がある。その場合は、液体加熱室５１と気化室５２の間の空隙Ｌを図２に示すような空隙Ｌ’になるように間隔をあけるだけで対応することができる。同様に、気化量を増加させるため、気化器５２の大きさを変えたい場合も、下段通路ブロック１０を少し移動させることで対応することが出来る。

図３は、図１に示す流体制御装置１に用いられる気体流量制御器６０の制御フローを示すブロック図である。気体流量制御器６０として使用している圧力制御式流量制御装置は、図３に示すように、コントロール弁６３、駆動部６４、オリフィス６２、演算制御部６１、圧力検出器６５、温度検出器６６等を備えている。圧力検出器６５及び温度検出器６６の検出値（Ｐ，Ｔ）は、増幅・ＡＤ変換部６１ａを通して流量演算部６１ｂへ入力され、オリフィス６２を流通するガス流量がＱｃ＝ＫＰとして演算される。その後、設定入力部６１ｃからの設定流量値Ｑｓと演算流量値Ｑｃとが比較部６１ｄで比較され、両者の差信号Ｑｙがコントロール弁６３の駆動部６４へ入力されることにより、差信号Ｑｙが零となる方向にコントロール弁６３が開閉される。

圧力制御式の気体流量制御器６０は、オリフィス６２を流通するガス流速が音速以上の所謂臨界状態下の流体流れの場合には、オリフィス４０を通過するガス流量ＱがＱ＝ＫＰ（Ｋは常数、Ｐはオリフィス上流側圧力）として演算できることを作動原理とするものであり、流量制御の応答性が極めて早く且つ安定しており、優れた制御応答性と高い制御精度を有するものである。尚、圧力制御式流量制御装置（圧力式流量制御装置とも言う。）そのものは、特開平８－３３８５４６号等その他によって公知である。

図４は、実施例１に係る流体制御装置を複数有し、複数ラインを有する流体制御システム例を示している。上段の（Ｉ）図は、液２種類の液体材料Ｌ１とＬ２が流入して、流路結合ブロック８０で混合されて開閉バルブ１００を通って、半導体製造装置等の処理炉等に向けて流れる。（Ｉ）図中の上側の気体流量制御器６０と下側の気体流量制御器６０との開閉状態を変えて、液体材料Ｌ１が気化したガスＧ１と液体材料Ｌ２が気化したガスＧ２の割合を変えて半導体製造装置等の処理炉等に送り込むことができる。

図４の中段の（ＩＩ）図では、１種類の液体材料Ｌ３が流入して、流路分離ブロック９０によって２つの流路に分離して、液体材料Ｌ３が気化したガスＧ３が２本に分かれて流れ出している。このようにすることによって、１本の液体材料Ｌ３が流れるラインから、２つの半導体製造装置等の処理炉等に気化したガスＧ３を送り込むことができる。なお、この場合は、流路分離ブロックは、流体制御装置１の流路の途中に配置されて２つの流路に分岐するようになっている。

図４の下段の（ＩＩＩ）図では、１種類の液体材料Ｌ４が流入して、流路分離ブロック９０によって２つの流路に分離して、液体材料Ｌ４が気化したガスＧ４が２本に分かれて流れ出、さらに流路結合ブロック８０で１つにまとめられ、開閉バルブ１００を通過して半導体製造装置等の処理炉等に送り込まれる。このケースでは、例えば、２つある気体流量制御器６０のいずれかを使用し、使用しない他方をバックアップ用として、使用している気体流量制御器６０が故障等をした場合に、すぐに使用していない気体流量制御器６０に切り替えることによって、生産ラインを止めることなく生産を継続することができる。他のケースでは、流量制御範囲が異なる２つの流量制御器６０を複数配置し、それぞれの状況に応じて、一方のみ、もしくは両方の流量制御器６０を用いて流量を制御することで、さまざまな流量に対応することが出来る。

図４の（Ｉ）、（ＩＩ）、（ＩＩＩ）に示す流体制御システム２は、例示に過ぎず、このような流体制御システムを多数複雑に組み合わせることによって、種々多数の用途に応じた流体制御システムを簡便に作り上げることができる。例えば、図４の（Ｉ）では液２種類の液体材料としているが、これを３種類以上としても良く、図４の（ＩＩ）にある分岐数を更に増加しても良く、図４の（Ｉ）と（ＩＩ）とを組み合わせた構造でも良い。また、図４では、流体制御装置１全体を複数配置しているが、これを、気化器５２の部分のみを複数配置したり、気化器５２の下流部分で分岐し、流量制御器６０を複数配置したり、流量制御器６０の下流部分で分岐して下流側開閉バルブ７０を複数配置する、とすることも可能である。これは、機器毎に下段通路ブロック１０で接続する構造としているため、下段通路ブロック１０と流路結合ブロック８０や流路分離ブロック９０とを組合せることによって、さまざまな分岐および合流の構造が可能となり、複雑な接続構造を実施する事を可能とする。

以上説明したように、本発明の流体制御装置は、気化器を備える流体製造装置であって、搭載される各種制御機器の入れ替え等の必要が生じても入れ替えられる機器以外の部材の交換が必要ないか、または部材の交換を最小限に抑えることができる。

１ 流体制御装置
１０ 下段通路ブロック
１０ａ 流体通路
２ 流体制御システム
２０ 中段通路ブロック
２０ａ 流体通路
２１ 液体流入ポート
２２ ガス流出ポート
２５ シール部材
３０ 上流側開閉バルブ
３０ａ 流入通路
３０ｂ 流出通路
３１ 駆動エア流出入口
４０ 液体流量制御器
４０’ 液体流量制御器
４０ａ 流入通路
４０ｂ 流出通路
４１ 駆動エア流出入口
５０ 気化器
５１ 液体加熱室
５１ａ 流入通路
５１ｂ 流出通路
５２ 気化室
５２ａ 流入通路
５２ｂ 流出通路
５３ ガス加熱室
５３ａ 流入通路
５３ｂ 流出通路
６０ 気体流量制御器
６０ａ 流入通路
６０ｂ 流出通路
６１ 演算制御部
６１ａ 増幅・ＡＤ変換部
６１ｂ 流量演算部
６１ｃ 設定入力部
６１ｄ 比較部
６２ オリフィス
６３ コントロール弁
６４ 駆動部
６５ 圧力検出器
６６ 温度検出器
７０ 下流側開閉バルブ
７０ａ 流入通路
７０ｂ 流出通路
７１ 駆動エア流出入口
８０ 流路結合ブロック
９０ 流路分岐ブロック
１００ 開閉バルブ

Claims (4)

1. 液体材料を受け入れる液体流入ポートと、
   内部に流体通路を有し、少なくとも一面に前記流体通路の開口部を有し、下段層に配置される複数の下段通路ブロックと、
   複数の前記下段通路ブロックの上の中段層に配置され、当該下段通路ブロックにより流路が連結される、上流側開閉バルブ、当該上流側開閉バルブの下流に配置される気化器、当該気化器の下流に配置される気体流量制御器、及び当該気体流量制御器の下流に配置される下流側開閉バルブと、
   前記下流側開閉バルブからのガスを外部に流出させるガス流出ポートと、
   前記気化器の上の上段層に配置され、前記気化器に送り込む前記液体材料の流量を調整する液体流量制御器と、を有し、
   前記上流側開閉バルブ、気体流量制御器及び、下流側開閉バルブの流路は、前記下段通路ブロックの前記流体通路と直接に連通している流体制御装置。
2. 前記気化器は、気化室を有し、
   前記液体流量制御器は、予め加熱する液体加熱室で加熱された前記液体材料を受け入れる液体流量制御器流入通路と、前記気化室に前記液体材料を流出する液体流量制御器流出通路を有している請求項１に記載の流体制御装置。
3. 下段通路ブロックの上に載置され、前記液体流入ポートと前記上流側開閉バルブとの間、前記上流側開閉バルブと前記液体加熱室との間、前記気化室と前記気体流量制御器との間、前記気体流量制御器と前記下流側開閉バルブとの間及び前記下流側開閉バルブと前記ガス流出ポートとの間の少なくともいずれか１つに、前記中段層に配置され、流体流路を連結するための流体通路が形成された中段流路ブロックが備えられている請求項２に記載の流体制御装置。
4. 複数の流体が流れる複数のラインを有する流体制御システムであって、
   前記ラインの少なくとも１つには、請求項1～３に記載のいずれか１つの流体制御装置が配置され、
   前記流体制御装置の流路の途中または当該流体制御装置の外部に、流体の流路を結合する流体結合通路が形成された流路結合ブロック及び／または流体の流路を分岐する流体分岐通路が形成された流路分岐ブロックが備えられている流体制御システム。

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