JPH05223186A - 質量流量制御器のバルブ構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】質量流量制御器のバルブ構造を簡素化して供給
流体の種類を切り替える場合や内部の洗浄時に迅速なパ
ージを可能にし、供給流体の汚染を防止して高い清浄度
の流体を供給し、制御弁の制御性能を広い範囲で十分に
適応できるようにする。 【構成】質量流量制御器Ａの制御バルブ部Ｂを、対向面
にダイアフラム１９ａ，１９ｂが配置され流量制御孔２
０が穿設された中央隔壁２１で仕切られた１次側の室１
１ａに１次側バルブ流路１２が接続され、２次側の室１
１ｂに２次側バルブ流路１３が接続された弁室１１と、
流量制御孔を閉塞・開放する制御弁１６と、一方のダイ
ヤフラムを介して制御弁を作動させ流量制御孔の開度制
御を行う駆動部１５及び、他方のダイヤフラムを介して
制御弁を駆動部側に押圧付勢する押圧バネ３０とで構成
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、被制御流体に対する制
御可能な適用圧力や適用流量の範囲が広く、しかも被制
御流体中にパーティクルなどの不純物が混入するような
事がほとんどなく、更に流体切り替え時や内部洗浄時に
パージを簡単に行う事ができる新規な質量流量制御器の
バルブ構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】質量流量制御器は、被制御流体の質量流
量を正確に測定しつつ供給する事が要求される用途、例
えば、半導体製造装置に対する半導体ガスの供給用に使
用されている。以下、半導体製造の場合を例にとって説
明する。近年、超ＬＳＩの高集積化に伴い、質量流量制
御された供給半導体ガスに不純物粒子が混入するような
事がない清浄度の非常に高い質量流量制御器の開発が切
望されていた。これは歩留まり向上に不可欠の要因であ
るためである。又、製造プロセスの複雑化に伴い、使用
ガスの種類も多岐にわたり、使用ガスの切り替えのたび
に質量流量制御器の内部をパージしなければならない
が、パージ時間の長短が稼動率に影響するために短時間
でパージ出来るような構造も要求されていた。

【０００３】更に、半導体ガスはアルシン、ホスフィ
ン、シランなど爆発性、高い毒性を持つものが多く、こ
れら危険物質ガスが装置から漏れた場合には人命にかか
わる災害を引き起こすものであり、質量流量制御器に対
しても高い安全性が求められている。そこで、質量流量
制御器には、停電や地震発生などの異常事態に備えてガ
スの供給を瞬時に停止出来るようにするために、非通電
時に制御弁を閉じるノルマル・クローズ型のものが普及
している。

【０００４】加えて、半導体製造装置の技術発展に伴
い、使用ガスの圧力範囲も高圧から低圧(乃至減圧)に移
り、又、半導体ウェハーの口径の巨大化に従って装置も
巨大化して使用ガスの流量範囲も小流量から大流量へと
広範囲に拡大してきている。

【０００５】図５は従来例のバルブ構造(B')を持つ質量
流量制御器(A')で、バルブ構造(B')の詳細は図６に示
す。図によれば、弁(40)内にコイルばね(41)とノズルブ
ロック(42)並びにガイドブロック(43)が配設されてい
る。これらはプランジャ部(44)が上下に動く事によって
摩擦を生じ、摩擦面において微粒不純物の発生を引き起
こす。更に、弁室(40)内に前記コイルばね(41)、ノズル
ブロック(42)など大容量のデッドボディが存在するため
に、これら部材へのガス吸着やこれら部材からのガス再
放出などがあり、又、図から分かるようにバルブ部分の
内部構造が極めて複雑なため部品間の間隙にガスの流通
がほとんどないガス溜りが発生したり不純物が付着した
りして内部汚染が発生しやすく、供給ガスを汚染しやす
いと言う傾向があった。

【０００６】又、ガスの種類を変える場合や内部を洗浄
する場合にパージガスを通流させてもガス溜りのため十
分にパージされず、ガスの残留があったり、デッドボデ
ィのためにガスの吸着・再放出量が多く、質量流量制御
器(A')内の浄化に手間がかかるという問題もあった。

【０００７】又、バルブ構造(B')自体を見ると、流体が
流れる弁室(40)はダイアフラム(45)によって外気と隔離
されており、この弁室(40)内に配置された流体制御用の
プランジャ部(44)はダイアフラム(45)を介して駆動部(4
6)の動きをノズルブロック(42)に伝達するようになって
いる。このような構造では、半導体ウェハーの大口径化
に伴って使用ガス量が増大するとプランジャ部(44)のス
トロークも大きくしなければならず、これがダイアフラ
ム(45)の大口径化を招くことになる。処が、ダイアフラ
ム(45)の口径を大きくすると弁室(40)内を流れる流体に
対するダイアフラム(45)の受圧面積が大きくなる。即
ち、流体の圧力が大きくなるとダイアフラム(45)を外方
に押し出す方向の力が大きくなる。その結果、駆動部(4
6)の力が不足してノズルブロック(42)が閉まらなくなっ
たり、逆にノズルブロック(42)が閉じてしまって流量制
御が困難になるという問題がある。特に、２次圧が高い
場合には後述するように制御が困難になる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明の解決課題は、
第１にバルブ構造の簡素化によりデッドボディを出来る
限り小さくして流体の吸着・再放出量を小さくしたり、
バルブ内の流路をシンプルにし、流体の流れを円滑にし
て流体溜りの発生をなくしたり不純物粒子の付着をなく
すことによって供給流体の清浄度の向上を高める事であ
り、第２にはバルブ流路のシンプル化により前記流体溜
りをなくし、パージを簡単且つ迅速化させる事による流
体の切り替えの迅速化を計る事であり、第３に駆動部の
制御性能を制御流体の圧力範囲並びに流量範囲を大から
小まで広い範囲で十分に適応させるようにする事にあ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記課題を解
決するために、 流体の流量測定を行うセンサ部(C)と、センサ部(C)
に流れる流体の流量に比例して流体が流れるバイパス部
(D)とを有し、バイパス部(D)とセンサ部(C)から流出し
た流体が合流して外部装置に接続される出口継ぎ手(24)
に連通せる流路に制御バルブ部(B)を設けた質量流量制
御器(A)において、 前記制御バルブ部(B)を、対向面にダイアフラム(19
a)(19b)が配置され、流量制御孔(20)が穿設された中央
隔壁(21)を有し、中央隔壁(21)で仕切られた一方の１次
側である室(11a)に流体流入用の１次側バルブ流路(12)
が接続され、他方の２次側の室(11b)に流体流出用の２
次側バルブ流路(13)が接続された弁室(11)と、弁室(11)
内に配設され、前記ダイアフラム(19a)(19b)にて両側か
ら支持され、前記流量制御孔(20)を閉塞・開放する制御
弁(16)と、一方のダイアフラム(11a)を介して制御弁(1
6)を作動させ、流量制御孔(20)の開度制御を行う駆動部
(15)と、他方のダイアフラムを介して制御弁(16)を駆動
部(15)側に押圧付勢する押圧バネ(30)とで構成した事を
特徴とする。

【００１０】これにより、第１の点に対しては、制御バ
ルブ部(B)を構成する弁室(11)内に制御弁(16)しか存在
しないので、構造がシンプルであり、従来例のように各
種のデッドボディが存在せず、これらによる流体の吸着
や再放出などが非常に小さく、又、流体の流れが円滑で
あるために不純物粒子の付着もほとんどなく、供給流体
を汚染する事が非常に少なく、高い清浄度で流体供給を
行える。第２の点は、前述のように弁室(11)内に制御弁
(16)しか存在せず、構造がシンプルであるから、ガス溜
りの発生もなく、不純物粒子の付着も非常に小さいので
パージ流体を流すと簡単に流体の置換や内部洗浄を行う
事ができ、パージ時間の短縮、即ち流体切り替え時間の
短縮を図る事が出来た。又、第３の点に関しては、２つ
のダイアフラム(19a)(19b)にて制御弁(16)が支持されて
いるために、２次側圧力が一方のダイアフラム(19b)に
作用して制御弁(16)を他方の制御側ダイアフラム(19a)
から離間する方向に働き、その分だけ小さい力で制御弁
(16)を作動させる事ができ、駆動部(15)の必要とする制
御力を軽減する。これにより駆動部の制御性能を制御流
体の圧力範囲を低圧から高圧まで広い範囲で十分に適応
させる事が出来、引いては、小さい駆動力で大流量にも
対応する事ができ、制御バルブ部分の小型化、軽量化、
低コスト化を達成できる。

【実施例】以下、本発明を図示実施例に従って詳述す
る。図１は本発明にかかる質量流量制御器(A)の正断面
図で、図２が本発明にかかる制御バルブ部(B)の拡大断
面図である。質量流量制御器(A)は、主としてボディ(1)
と、ボディ(1)上に載設されたセンサ部(C)と制御バルブ
部(B)とで構成されている。

【００１１】ボディ(1)には、その両端に入り口継ぎ手
(23)と出口継ぎ手(24)とがそれぞれ固着されており、入
り口継ぎ手(23)にガス流入用の入り口(2)が設けられて
おり、出口継ぎ手(24)にガス流出用の出口(3)が設けら
れている。ボディ(1)には一端に開口する円筒穴(10)が
穿設されており、円筒穴(10)の穴底中央には制御バルブ
部(B)の弁室(11)に連通する１次側バルブ流路(12)と、
弁室(11)から他端に連通する２次側バルブ流路(13)とが
穿設されている。

【００１２】センサ部(C)は、センサ管(5)とスペーサ
(8)とで構成されており、ボディ(1)の上面に前記スペー
サ(8)が載設固定されており、このスペーサ(8)に２つの
管路(7)(7)が穿設されており、後述するバイパス素子
(6)を跨ぐように設けられている。センサ管(5)の周囲に
は２本のヒータ(Hu)(Hd)が巻設されており、センサ管
(5)中を流れる流体の質量流量を測定するようになって
いる。

【００１３】バイパス素子(6)は、例えば帯状体の表面
に幅方向に凹溝をエッチングにて多数本凹設し、この帯
状体を芯棒の回りに巻設して軸方向にバイパス孔を構成
したようなものやセンサ管(5)のような毛細管を多数束
ねたものである。このように形成されたバイパス素子
(6)は図１に示すように円筒穴(10)内に嵌め込まれて使
用される。バイパス孔の数は、流量に合わせて適宜選択
される。

【００１４】制御バルブ部(B)は、図２に示すようにバ
ルブハウジング(14)と駆動部(15)とで構成されており、
バルブハウジング(14)は上部バルブハウジング(14a)と
下部バルブハウジング(14b)とで構成されている。上部
バルブハウジング(14a)はボディ(1)の上面に設置されて
おり、制御側ダイアフラム(19a)を介して駆動部(15)が
その上に搭載されている。上部バルブハウジング(14a)
内には制御側ダイアフラム(19a)の下に１次側室(11a)が
形成されており、被制御用流体流入用の１次側バルブ流
路(12)が接続されている。１次側室(11a)の底部には流
量制御孔(20)が穿設されており、ボディ(1)に穿設され
た２次側室(11b)に連通している。前記１次側室(11a)と
２次側室(11b)とで弁室(11)が形成されており、前記１
次側室(11a)の底部が弁室(11)の中央隔壁(21)である。
２次側室(11b)には流体流出用の２次側バルブ流路(13)
が接続されている。

【００１５】制御弁(16)は、本実施例では下部(16a)が
太く、下部上面から上面突起(16b)が突設しており、下
部(16a)の下面中央には下面突起(16c)が突設されてい
る。制御弁(16)の下部(16a)は、２次側室(11b)内に収納
されており、上面突起(16a)が中央隔壁(21)の流量制御
孔(20)を通って１次側室(11a)に突出している。そし
て、下部上面が中央隔壁(21)に当接・離間してノルマル
・クローズにて流量制御するするようになっている。

【００１６】(14b)は下部バルブハウジングで、ボディ
(1)の下面開口に嵌入されており、２次側室(11b)の底面
を構成する押圧側ダイアフラム(19b)が張設されてい
る。(22)は、下部バルブハウジング(14b)の天井部で、
中央に通孔(25)が穿設されており、その近傍に通気孔(2
6a)が穿設されている。前記天井部(22)の上面は若干浅
いすり鉢状になっており、押圧側ダイアフラム(19b)と
の間に間隙(K)が形成されており、通気孔(26a)によって
前記間隙(K)が大気圧に保たれるようになっている。

【００１７】下部バルブハウジング(14b)の下面開口部
(27)には押し螺子(28)が螺入されており、押し螺子(28)
にプランジャ(29)が押圧ばね(30)を介して装着されてい
る。(26b)は、押し螺子(28)に穿設された通気孔(26b)で
ある。プランジャ(29)は前記押圧ばね(30)によって駆動
部(15)側に押圧付勢されており、押圧側ダイアフラム(1
9b)を介して制御弁(16)の下面突起(16c)に当接して制御
弁(16)を駆動部(15)側に押圧している。

【００１８】駆動部(15)は駆動ハウジング(31)に収納さ
れた駆動素子(32)にて構成されており、駆動素子(32)の
下面からは駆動突起(33)が突設されていて制御側ダイア
フラム(19a)を介して制御弁(16)の上面突起(16b)の上端
面に当接している。このようにして制御弁(16)は上下か
らダイアフラム(19a)(19b)によって両側から支持されて
いる。

【００１９】次に流体の質量流量の測定に付いて説明す
る。流体が質量流量制御器(A)に供給されると、流体の
大部分はバイパス素子(6)を通過し、ごく少量の流体が
センサ管(5)を通過する。

【００２０】センサ管(5)を流れる流体は上流側ヒータ
(Hu)の熱を奪って下流側に流れ、下流側ヒータ(Hd)の加
熱量を抑制する。上流側ヒータ(Hu)では奪われた熱量を
補給して平衡温度に達するよう制御回路が上流側ヒータ
(Hu)を制御する。これにより両ヒータ(Hu)(Hd)への供給
電力のバランスが崩れ、この差を検出演算する事により
センサ管(5)に流れる流体の質量流量が検出される。こ
のような質量流量検出は一般的な方法である。

【００２１】一方、バイパス素子(6)を流れる流体の流
量はセンサ管(5)の流量に比例しているから、全体のガ
ス流量はセンサ管(5)の流量に所定の係数を乗ずる事に
より簡単に知る事が出来る。そして、この出力は制御バ
ルブ部(B)へフィードバックされ、制御部(15)によって
制御弁(16)が駆動されて弁室(11)を流れる流体の質量流
量が正確に制御される。

【００２２】バイパス素子(6)を出た流体はセンサ管(5)
を通った流体と合流して１次側バルブ流路(12)に入る。
この時、センサ管(5)からの信号電圧に比例して制御部
(15)が作動し、押圧ばね(30)の弾発力と協働して制御弁
(16)と弁座である中央隔壁(21)との間隙を厳密に調整し
て１次側室(11a)から２次側室(11b)に流れる流体の質量
流量を厳しく制御する。正確に制御された流体は２次側
バルブ流路(13)を通って外部に流出し、半導体製造装置
など次工程に供給される。

【００２３】ここで、本発明の制御バルブ部(B)の作用
を詳述すると、２次側室(11b)の圧力が高い場合、２次
圧は制御弁(16)を支持している押圧側ダイアフラム(19
b)を、押圧バネ(30)に抗して押し下げる方向に作用す
る。その分だけ２次圧の制御側ダイアフラム(19a)を押
圧する力が小さくなり、駆動部(15)の制御力が軽減され
る事になる。これに対して従来方式の場合は、２次圧は
ダイアフラム(45)に直接作用する事になり、２次圧が高
い場合には大きい制御力を必要とする事になる。逆に、
本発明方式では２次圧が小さい場合、押圧側ダイアフラ
ム(19b)を押圧バネ(30)に抗して押し下げる方向の力が
小さいので、従来方式も本発明方式も大差がない事にな
る。これにより、本発明方式のバルブ構造(B)は、２次
圧が高い場合から低い場合まで、小さい制御力で対応す
る事ができ、従来例では２次圧の大きさに合わせて大き
な制御力を選定しなければならなくなる。

【００２４】上記本発明の制御バルブ部(B)と従来のバ
ルブ構造(B')の作用の相違を数式と図によって説明す
る。図３は従来のバルブ構造であり、図４は本発明のバ
ルブ構造である。図３において、 Ｆ1:制御弁(47)を押し下げるのに必要な駆動部(46)の力 Ｆ2:制御弁(47)を押し上げるのに必要な押圧ばね(41)の
力 Ｐ1:単位面積当たりの流体の入口圧力(ここではゲージ
圧を採用) Ｐ2:単位面積当たりの流体の出口圧力(ここではゲージ
圧を採用) Ｄ1:ダイアフラムの直径 Ｄ2:流量制御孔(20)の直径 Ｄ3:制御弁(47)の直径、とすると、 Ｆ1＝Ｆ2＋(πＤ3²/４)Ｐ2−(πＤ2²/４)Ｐ1＋(1/3)(πＤ1²/４)Ｐ1 ここで、Ｄ1,Ｄ2,Ｄ3をほぼ等しいものとし、これをＤ
とおくと、前式は下記の式に書き替えられる。 Ｆ1＝Ｆ2＋(πＤ²/４)Ｐ2−(πＤ²/６)Ｐ1………式

【００２５】次に、図４の場合に付いて説明する。符号
は図３と同じであるが、図面番号は制御弁が(16)、駆動
部は(15)、押圧ばねは(30)、流量制御孔は(20)である。 Ｆ3＝Ｆ4＋(πＤ3²/４)Ｐ2−(πＤ2²/４)Ｐ1 ＋(1/3)(πＤ1²/４)Ｐ1−(1/3)(πＤ4²/４)Ｐ2 図３と同様、Ｄ1,Ｄ2,Ｄ3をほぼ等しいものとし、これ
をＤとおくと、前式は下記の式に書き替えられる。 Ｆ3＝Ｆ4＋(πＤ²/６)Ｐ2−(πＤ²/６)Ｐ1………式

【００２６】式から式を引くと、下記の式になる。 Ｆ1−Ｆ3＝Ｆ2−Ｆ4＋(πＤ²/12)Ｐ2 次に、Ｆ2＝Ｆ4とすると、前式は以下の式に書き替えら
れる。 Ｆ1−Ｆ3＝(πＤ²/12)Ｐ2 …………………………式

【００２７】式は、Ｐ2＝０の場合、Ｆ1＝Ｆ3 Ｐ2＞０の場合、Ｆ1＞Ｆ3 Ｐ2＜０の場合、Ｆ1＜Ｆ3 、となる。 即ち、定性的に見れば、２次圧が０の場合、従来例も本
発明も必要とする制御力は同じになるが、２次圧が０よ
り高い場合には、従来例の方が本発明の場合より高い制
御力を必要とし、２次圧が０より低い場合には、従来例
の方が本発明より小さい制御力で足る事になる。

【００２８】次に、Ｆ1とＦ3との関係を具体的数字で定
量的に説明する。今、このバルブ系において、耐圧10kg
f/cm²Ｇ,Ｄ＝1.5cmとし、１次圧を耐圧にとった場合、
Ｐ1＝10kgf/cm²Ｇ,差圧(Ｐ1−Ｐ2)＝３kgf/cm²Ｇ(通
常、0.5〜３kgf/cm²Ｇにとる)からＰ2＝７kgf/cm²Ｇと
なる。 この時、Ｆ1−Ｆ3＝(π×1.5²)÷12×７＝4.1kgf……………式

【００２９】一方、Ｐ2＝−１kgf/cm²Ｇ(真空)の場合、 Ｆ1−Ｆ3＝(π×1.5²)÷12×(−１)＝−0.6kgf…… 式

【００３０】従って、図３に示す従来のバルブ構造(B')
の場合、式のように２次圧が高いと図４の本発明にか
かるバルブ構造(B)の場合に比べて4.1kgfだけ大きい荷
重を負担しなければならず、円滑な作動が阻害されやす
い。一方、式のように２次圧が低いと、図３に示す従
来のバルブ構造(B')と図４の本発明にかかるバルブ構造
(B)はほぼ同じ値を示す。従って、図３に示す従来のバ
ルブ構造(B')に比べて図４の本発明にかかるバルブ構造
(B)は、２次側圧力の変動に左右される事がなく、広範
囲で円滑な作動が保証される。

【００３１】

【効果】本発明は、叙上のように制御バルブ部を構成す
る弁室内に制御弁しか存在しないので、構造がシンプル
であり、従来例のように各種のデッドボディが存在せ
ず、これらによる流体の吸着や再放出などが非常に小さ
く、又、流体の流れが円滑であるために不純物粒子の付
着もほとんどなく、供給流体を汚染する事が非常に少な
く、高い清浄度で流体供給を行えるという利点を有す
る。

【００３２】又、前述のように弁室内に制御弁しか存在
せず、構造がシンプルであるから、ガス溜りの発生もな
く、不純物粒子の付着も非常に小さいのでパージ流体を
流すと簡単に流体の置換や内部洗浄を行う事ができ、パ
ージ時間の短縮、即ち流体切り替え時間の短縮を図る事
が出来るという利点がある。

【００３３】更に、２つのダイアフラムにて制御弁が支
持されているために、２次側圧力が一方のダイアフラム
に作用して制御弁を他方の制御側ダイアフラムから離間
する方向に働き、その分だけ小さい力で制御弁を作動さ
せる事ができ、駆動部の必要とする制御力を軽減する事
ができる。これにより駆動部の制御性能を制御流体の圧
力範囲並びに流量範囲を小から大まで広い範囲で十分に
適応させる事が出来、引いては、小さい駆動力で大流量
にも対応する事ができ、制御バルブ部分の小型化、軽量
化、低コスト化を達成できるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に使用した質量流量制御器の一実施例の
中央縦断面図

【図２】本発明のバルブ構造の一実施例の中央拡大縦断
面図

【図３】計算モデルに使用した従来例のバルブ構造の中
央縦断面図

【図４】計算モデルに使用した本発明のバルブ構造の中
央縦断面図

【図５】従来の質量流量制御器の中央縦断面図

【図６】図５のバルブ構造の拡大中央縦断面図

【符号の説明】

(A)…質量流量制御器 (B)…制御バルブ部 (C)…センサ部 (D)…バイパス部 (11)…弁室 (11a)…１次側室 (11b)…２次側室 (12)…１次側バルブ流路 (13)…２次側バルブ流路 (15)…駆動部 (16)…制御弁 (19a)…制御側ダイヤフ
ラム (19b)…押圧側ダイヤフラム (20)…流量制御孔 (21)…中央隔壁 (24)…出口継ぎ手 (30)…押圧バネ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流体の流量測定を行うセンサ部
   と、センサ部に流れる流体の流量に比例して流体が流れ
   るバイパス部とを有し、バイパス部とセンサ部から流出
   した流体が合流して外部装置に接続される出口継ぎ手に
   連通せる流路に制御バルブ部を設けた質量流量制御器に
   おいて、 前記制御バルブ部を、対向面にダイアフラムが配置さ
   れ、流量制御孔が穿設された中央隔壁を有し、中央隔壁
   で仕切られた一方の１次側である室に流体流入用の１次
   側バルブ流路が接続され、他方の２次側の室に流体流出
   用の２次側バルブ流路が接続された弁室と、弁室内に配
   設され、前記ダイアフラムにて両側から支持され、前記
   流量制御孔を閉塞・開放する制御弁と、一方のダイアフ
   ラムを介して制御弁を作動させ、流量制御孔の開度制御
   を行う駆動部と、他方のダイアフラムを介して制御弁を
   駆動部側に押圧付勢する押圧バネとで構成した事を特徴
   とする質量流量制御器のバルブ構造。