JPH11154022A - マスフローコントローラ及びその運転制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 オーバーシュート、捨てガス、大流量パー
ジ、コンパクト化、開閉制御のタイミングという問題を
解決したマスフローコントローラ及びその運転制御方法
を提供するものである 【解決手段】 マスフローコントローラ１の流量制御弁
４の下流側に垂直流路１５を設け、ここに流路を開閉す
る遮断弁５または６をマスフローコントローラと同じ本
体内に一体的に対向配置したものである。また、センサ
流路及びバイパス流路より前にある流入流路１２と流量
制御弁４より後ろにある流出流路１６とを連通する迂回
流路７１、７２を設け、ここに迂回流路を開閉する遮断
弁５または６をマスフローコントローラと同じ本体内に
一体的に対向配置したものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、ガス等の流体の質
量流量を精密に制御すると共に、流体の完全遮断機能ま
たは大流量パージ機能を有するマスフローコントローラ
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】成膜処理やエッチング処理等を精度よく
行って半導体製品を製造するためには微量のプロセスガ
スを精度よく制御しながら流す必要がある。このときの
流量制御は一般にマスフローコントローラが用いられて
いる。

【０００３】以下、マスフローコントローラについて説
明する。マスフローコントローラは、例えば図１０に示
すように微量流体（以下ガスを例にとって説明する。）
の質量流量を検出する流量センサ部２と、アクチュエー
タを備えた流量制御弁８と、これらを制御する制御回路
部３（詳細は図示せず）とにより主に構成されている。
このマスフローコントローラＭでは、まず流入口（流入
側継手）９１から流入したガスは、流入流路９２を介し
下記するセンサ管を所定本数だけ束ねて構成したバイパ
ス流路９３に流入する。一方で、このバイパス流路９３
に対して所定の流量比率に設定されたセンサ流路２０に
分岐して流れ、そして、これらは再び中間流路９４で合
流するようになっている。

【０００４】ここでセンサ流路２０は、例えば内径０．
５ｍｍ程度のステンレス製細管を略Ｕ字状に形成したも
ので、両端は上記流入流路９２と中間流路９４に開口し
ている。センサ流路２０の上流側と下流側にはそれぞれ
感熱コイル２１、２２が巻回されており、さらに他の抵
抗体と組み合わせてブリッジ回路を構成し、これらによ
ってセンサ部２を構成している。このセンサの感熱コイ
ル２１、２２はガス温度より高い一定温度に加熱される
のであるが、上流側の感熱コイル２１は、ガスが流れる
ことによって熱が奪われて温度が下がり、他方の下流側
コイル２２は上流側で温まったガスが流れるために逆に
温度が上がる傾向になり温度勾配が生じる。このような
熱移動はブリッジ回路の不平衡電圧として検出され、こ
の電位差は質量流量に比例することから熱式質量流量セ
ンサとして機能する。

【０００５】尚、このような質量流量センサの種類とし
ては、定電流センサ（特公昭56-23094号）や定温度セン
サ（特公平4-49893号）及び定温度差センサ（特開平1-1
50817号）等があり、これらのセンサを適宜利用するこ
とができる。

【０００６】次に、上記した質量流量センサからの流量
信号は、増幅回路によって増幅され、その後、比較制御
回路へ入力される。ここで予め設定された設定流量信号
と比較され、その差分を無くすような駆動信号（バルブ
駆動電圧）がアクチュエータに入力され、その結果、流
量制御弁８の開度を調節してガス流量を制御することが
できる。これらの制御は制御回路部３によって行われて
いる。また、弁開度を制御するには、全体のガス流量自
体が非常に少ないことから数10μｍ程度のストローク範
囲内で制御をすることが必要となる。そのためアクチュ
エータとしては、小さなストロークで大きな推力を発生
することができる積層型圧電素子体等が用いられてい
る。

【０００７】図１０の流量制御弁８のアクチュエータも
積層型圧電素子体８０を用いており、金属ダイアフラム
を直接上下動させる流量制御弁である。すなわち中間流
路９４の端に設けられた金属製弁座８１と、この弁座８
１に対向して配置された自己弾性復元力を有する金属製
ダイアフラム８２（以下、金属ダイアフラムという。）
と、内部に積層型圧電素子体８０を収容し、金属ダイア
フラム８２を押圧するようになした弁棒８３と、この弁
棒８３を常時弁座８１に当接させて閉弁状態におくため
のバネ部材８５とから構成されている。ここで積層型圧
電素子体８０の上端は調節部材８６に係止されており、
一方の下端は弁棒８３を貫通して本体９０に載置された
ブリッジ部材８４に支持されている。

【０００８】従って、電圧印可によって積層型圧電素子
体８０が伸張すると、その推力の方向は、ブリッジ部材
８４によって反転しバネ部材８５に抗して弁棒８３を押
し上げる方向に作用する。その結果、金属ダイアフラム
８２は自身の復元力によって弁座８１から離間して流量
が調節されるものである。尚、この例はノーマリークロ
ーズ型の流量制御弁を示したが、ブリッジ部材やバネ部
材の構造を変更したノーマリーオープン型の流量制御弁
も用いられている。

【０００９】ところで、半導体製造プロセスでは、流量
制御の前後で流体を完全に遮断する遮断機能が必要であ
る。しかしながら、マスフローコントローラでは微少流
量制御は出来るが、流体を確実且つ完全に遮断するとい
うことは不完全で、マスフローコントローラ単体では出
来なかった。そのため、通常は図９に示すようにマスフ
ローコントローラＭ１の下流側に手動あるいはエアーシ
リンダ式の遮断弁Ｖ１を設けることが行われていた。そ
して両者の駆動制御は、マスフローコントローラＭ１は
電気的に、一方のエアーシリンダ式遮断弁Ｖ１は空気圧
の負荷と解除をソレノイドバルブの開閉によって行うと
いうように、両者それぞれ別々に制御していた。

【００１０】他方、半導体製造プロセスでは小流量で高
精度、例えば１±０．０１ＳＣＣＭ（標準状態でのｃｍ
³／ｍｉｎ）のプロセスガスが要求される工程があるか
と思うと、この直後にこれらの配管系内を大流量、例え
ば２０，０００ＳＣＣＭ程度の不活性ガスを流してパー
ジするというような工程がある。そのため、従来はこの
工程を図８に示すようにフルスケール流量が１ＳＣＣＭ
のマスフローコントローラＭ２とこのマスフローコント
ローラを迂回する遮断弁Ｖ２を継手Ｊを用いて並列に配
管し、これらマスフローコントローラと遮断弁を適宜切
り替えることで微少流量制御と大流量パージとに対処し
ていた。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】以上のことより、従
来、次のような問題があった。 （１）まず遮断機能に関して、マスフローコントローラ
Ｍ１と遮断弁Ｖ１との間の流路Ｆ内には、締切時にマス
フローコントローラＭ１の流量制御弁から少しずつ漏れ
たガスが内封される。この内封ガスは、再び流量制御を
行う流し始め時に悪影響を与える。即ち、遮断弁Ｖ２を
開にした途端過大な流量が流れ設定流量に落ち着くまで
に時間が掛かる、これは図４の（ｂ2）に示すような
「オーバーシュート現象」となってマスフローコントロ
ーラの応答性能を低下させる。これを避けるために従来
のプロセスでは、流量制御を開始する前にわざわざ流路
Ｆ内のガスを捨てるという無駄な「捨てガス」工程を設
けなければならなかった。また、ガスの種類が異なる場
合は、置換するまでに無駄なパージ処理の時間が更に必
要になるという問題があった。

【００１２】（２）次ぎに、従来パージ処理と言えば不
活性ガスを細い管路となったバイパス流路と細い管で且
つ曲がったセンサ流路を流してパージするものであっ
た。例えば、フルスケールで流れたときのセンサ流路に
流れる流量をセンサの流量検知可能範囲となるようにバ
イパス流路を設定している。そのため、バイパス流路の
細管の本数はフルスケール流量が小さいほど少なくなっ
ており、例えば１ＳＣＣＭフルスケールのマスフローコ
ントローラでは、バイパス流路と言うものは無くなり、
ガスは全てセンサパイプを流れるという程度である。こ
のような場合、短時間に十分なパージは行えないので、
プロセスガスがマスフローコントローラ内部およびマス
フローコントローラ近傍の配管内に残る。よって、次工
程に移って別のプロセスガスを流した場合に残存したプ
ロセスガスが半導体製品を製造する上で不良品を作る等
の悪影響を及ぼすという問題がある。

【００１３】（３）次ぎに、半導体製造装置ではマスフ
ローコントローラ等を含む配管系を集約してシリンダー
キャビネットにまとめることが行われているが、従来構
造ではこれをコンパクトにすることが出来ないという問
題がある。近年特に、小型コンパクトであるにもかかわ
らず大流量を流すことが出来るマスフローコントローラ
が求められている。

【００１４】（４）さらに、制御方法について考える
と、従来マスフローコントローラの流量制御と遮断弁の
開閉制御がそれぞれ制御回路部とソレノイドバルブとい
う別々の制御系で行われることから、流量制御弁の流量
制御と遮断弁の開閉制御という両者のタイミングを考慮
した運転制御が出来ていないという問題がある。これら
のタイミングのずれが上記オーバーシュートの一つの原
因であるとも言える。

【００１５】従って、本発明は上記した「オーバーシュ
ート」、「捨てガス」、「大流量パージ」、「コンパク
ト化」、「開閉制御のタイミング」という問題を解決し
たもので、遮断機能を備えたマスフローコントローラ
と、大流量パージ機能を備えたマスフローコントローラ
をそれぞれ提供するものである。また、これらマスフロ
ーコントローラを応答性良く制御するためのマスフロー
コントローラの運転制御方法を提供するものである。

【００１６】

【発明を解決するための手段】本発明は、流体の流入流
路と、この流入流路の下流に設けたバイパス流路および
センサ流路と、このバイパス流路およびセンサ流路の下
流に設けた中間流路と、中間流路の下流に設けた流量制
御弁と、この流量制御弁の下流に設けた流出流路と、前
記センサ流路の流量を検出する流量センサと、この流量
センサの信号により前記流量制御弁を制御する制御回路
部と、を有するマスフローコントローラにおいて、前記
流量制御弁と流出流路との間に開閉遮断弁を一体的に設
けたマスフローコントローラである。以上のように、マ
スフローコントローラの流量制御弁の下流にある流出流
路を直接開または閉とする開閉遮断弁（以下、単に遮断
弁ということがある。）を一体的に設けたことによっ
て、デットスペースと内封容量が極少となり「オーバー
シュート」と「捨てガス」及び「コンパクト化」の問題
が解消される。

【００１７】また本発明は、前記流量制御弁の流出口に
繋がる垂直流路と、この垂直流路の下流端に設けた弁座
と、この弁座に対向して設け中央部が膨らんだ金属製ダ
イアフラムと、この金属ダイアフラムの周縁を固定する
ふた部材と、前記流出流路に繋がる流出口と、を有し、
前記流量制御弁に対して対向配置されており、前記ふた
部材に形成した流体圧導出入孔より流体圧を導入し、前
記金属ダイアフラムに流体圧をかけて金属ダイアフラム
を前記弁座に直接当接させて閉とし、前記流体圧力の解
除によって金属ダイアフラムを原形状に復帰させて開と
する開閉遮断弁を用いることができる。この場合、ふた
部材と金属ダイアフラムだけが遮断弁の構成部材である
ので、構造が単純で高さ方向にも小型化ができ、特に
「コンパクト化」の問題が解消される。

【００１８】同じく、前記流量制御弁の流出口に繋がる
垂直流路と、この垂直流路の下流端に設けた弁座と、こ
の弁座に対向して設け中央部が膨らんだ金属製ダイアフ
ラムと、この金属ダイアフラムの周縁を固定するシリン
ダ部材と、前記流出流路に繋がる流出口と、を有し、前
記流量制御弁に対して対向配置されており、シリンダー
内に流体圧力を導入又は解除することによって押圧部材
を介して前記金属ダイアフラムを前記弁座に直接当接さ
せて閉とし、または金属ダイアフラムを原形状に復帰さ
せて開とする開閉遮断弁を用いることもできる。この遮
断弁の場合、シリンダー内のばね部材の力を利用して弁
を締め切ることができるので、使用ガス圧が高くても完
全に遮断でき漏れの心配がないという効果がある。尚、
上記した２例の遮断弁は空気圧作動型であることが好ま
しい。また、これらの他に電磁弁を用いることもでき
る。

【００１９】また本発明は、流体の流入流路と、この流
入流路の下流に設けたバイパス流路およびセンサ流路
と、このバイパス流路およびセンサ流路の下流に設けた
中間流路と、中間流路の下流に設けた流量制御弁と、こ
の流量制御弁の下流に設けた流出流路と、前記センサ流
路の流量を検出する流量センサと、この流量センサの信
号により前記流量制御弁を制御する制御回路部と、を有
するマスフローコントローラにおいて、前記バイパス流
路およびセンサ流路の上流と前記流量制御弁の下流とを
連通する迂回流路を設け、この迂回流路に開閉遮断弁を
一体的に設けたマスフローコントローラである。ここで
も前記遮断弁として、上記した空気圧作動型の各遮断弁
あるいは電磁弁等を用いることが出来る。以上によっ
て、センサ流路およびバイパス流路を通ることなく、こ
れらよりも管径が太く流過抵抗の小さい迂回流路を通し
てパージガスを流入流路から直接流出流路に導くことが
出来るので「大流量パージ」が短時間に行える。

【００２０】さらに本発明は、流体の流入流路と、この
流入流路の下流に設けたバイパス流路およびセンサ流路
と、このバイパス流路およびセンサ流路の下流に設けた
中間流路と、中間流路の下流に設けた流量制御弁と、こ
の流量制御弁の下流に設けた流出流路と、前記センサ流
路の流量を検出する流量センサと、この流量センサの信
号により前記流量制御弁を制御する制御回路部と、を有
するマスフローコントローラにおいて、前記流量制御弁
と流出流路との間に開閉遮断弁を一体的に設けると共
に、前記開閉遮断弁を開あるいは閉の二位置動作を指示
する開閉器を設け、この開閉器の指示信号を前記マスフ
ローコントローラの制御回路部に取り込んで、前記流量
制御弁と前記遮断弁の制御を連動させたマスフローコン
トローラの運転制御方法である。

【００２１】これによって、マスフローコントローラの
制御回路部内に遮断弁の開閉器の指示信号を取り込み連
動制御が出来るようになる。例えば、エアー開閉用の電
磁弁のＯＮ−ＯＦＦ電気信号を制御回路内に取り込み、
遮断弁を開にした後、所定のデレイタイムをおいて流量
制御弁を開にするというように両者の制御を電気的に連
動して制御することが容易になった。また、遮断弁の空
気圧作動部（エアーシリンダー）とエアー開閉用の電磁
弁との間の配管長さが短く且つ一定になるので、それだ
け遮断弁開閉操作の応答が早くタイミングにもばらつき
がなくなる。よって「開閉制御のタイミング」が難しい
という問題を解消できる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を図面を
参照して説明する。図１は、本発明の遮断機能を備えた
マスフローコントローラの一実施例を示す縦断面図、図
２は、図１の要部拡大断面図である。図３は、他の実施
例を示す遮断機能を備えたマスフローコントローラの縦
断面図である。図４は、本発明と従来のマスフローコン
トローラの応答特性を比較した特性線図である。図５
は、本発明の大流量パージ機能を備えたマスフローコン
トローラの一実施例を示す縦断面図、図６及び図７は、
他の実施例を示す大流量パージ機能を備えたマスフロー
コントローラの縦断面図である。尚、図１から図７にお
いて、上述した従来のマスフローコントローラと同様の
構成については同一符号を付してその説明は省略する。

【００２３】先ず、図１のマスフローコントローラ１Ａ
の全体構成について説明する。マスフローコントローラ
本体１は、ステンレス材（SUS316L）等からなり流量セ
ンサ部２と流量制御弁４及び流出継手部分１８を含む一
体的なブロック状本体１ａと流入側継手部１９を備えた
本体１ｂとから構成されている。次ぎに、その流路を流
入側からたどると、流入口１１、流入流路１２、バイパ
ス流路１３、中間流路１４と流れ、中間流路１４は流量
制御弁４の上流側にあたる弁室４０に通じている。弁室
４０には平坦状の金属製のダイアフラム４２（以下、平
坦状金属ダイアフラムという。）が置かれており、これ
によって流量制御弁の上流側と下流側が仕切られてい
る。

【００２４】下流側には垂直下方に伸びる垂直流路１５
が形成され、その上端部にはステンレス材（SUS316L）
等からなる流量制御弁用の弁座４１がかしめ手段により
装着され、一方の下端部には樹脂材（四ふっ化エチレン
樹脂等）からなる遮断弁用の弁座５１がかしめ手段によ
り装着されている。そして、この弁座５１に対向して球
殻状の金属ダイアフラム５２（以下、球殻状金属ダイア
フラムという。）が配置され、最終的にこの流路は流出
流路１６と流出口１７に通じている。尚、上記弁座４
１、５１は金属や樹脂に限定されるものではない。従っ
て、図のように垂直流路１５を挟んで流量制御弁４と遮
断弁５が同軸上に対向配置されており、流量制御弁用の
弁座４１と平坦状金属ダイアフラム４２及び遮断弁用弁
座５１と球殻状金属ダイアフラム５２はそれぞれ直接的
に接離（当接と乖離）するようになっている。尚、流量
制御弁４と遮断弁５は同軸上に対向していることが望ま
しいが、同軸上に限定されるものではない。

【００２５】次ぎに、本実施例の流量制御弁４は以下よ
うな構造をしている。即ち、メタルＯリング３１介して
載置された金属ダイアフラム４２をダイアフラム押さえ
４３によりその周縁部４２３を挟着し、その上にハウジ
ング４４とフタ４５をボルト３３を用いて本体１ａに締
結している。一方、金属ダイアフラム４２の平坦部４２
１の上面には上部が凸状となったダイアフラムスペーサ
４６が乗せられており、これはピエゾスペーサ４７側の
凹部と係合し調芯作用を持って結合している。さらに、
ばね３２及びベアリング３４を配置して圧電アクチュエ
ータ４８の押圧力を伝達するように構成している。

【００２６】圧電アクチュエータ４８は、ステンレス等
の金属製、望ましくは熱膨張係数が極めて小さい金属材
料からなるケース内に積層型圧電素子体を密封したもの
で、その上部はハウジングキャップ４９によってハウジ
ング４４に対し軸芯を合わせた状態で螺合し組み付けら
れている。従って、このマスフローコントローラ１Ａ
は、通常は、ばね３２によって圧電アクチュエータ４８
を押し上げ、金属ダイアフラム４２は自己の弾性力によ
り浮き上がった開弁状態となっている。そして、通電に
よってばね力に抗してピエゾスペーサ４７とダイアフラ
ムスペーサ４６を下方に押し下げ、金属ダイアフラム４
２の移動量を調節して流量制御を行うノーマリーオープ
ン型のマスフローコントローラである。尚、これは従来
と同様にノーマリークローズ型のマスフローコントロー
ラに構成しても良いことは無論である。

【００２７】上記した各部材は基本的にはステンレス材
（SUS316L等）で形成されているが、平坦状金属ダイア
フラム４２及び球殻状金属ダイアフラム５２について
は、Ｃｏ基合金やＮｉ−Ｃｏ合金、例えば本実施例で
は、重量％でＮｉ１３〜１８％、Ｃｒ１８〜２３％、Ｍ
ｏ５〜９％、Ｃｏ３８〜４４％、残部Ｆｅおよび不純物
からなる高弾性金属材料から構成し、耐食性と耐久性が
高く、自己復元力を有するものとしている。流量制御弁
用の金属ダイアフラム４２は、厚さ約０．１５ｍｍ程度
の円形薄板で、中央部に平坦部４２１とその外側に環状
で断面半円形の弾性変形部４２２を、更にその外側に挟
着周縁部４２３からなるものである。この平坦状金属ダ
イアフラムによれば、弁座シール面に対して平坦部が平
行移動できるので微少流量制御に適している。さらに剛
性をアップするために平坦部４２１に同材料の円形薄板
をスポット溶接又は接着剤などで一体的に貼り付けたも
のを使用することもできる。

【００２８】一方、遮断弁用の金属ダイアフラム５２
は、厚さ０．０１ｍｍ程度の部分球殻形状で球殻部分５
２１と周縁の挟着部５２３とからなっている。この球殻
状金属ダイアフラムによれば、球殻形状による飛び移り
座屈の大変形を利用してリフトを大きく稼げるので大流
量を流すことに適している。また剛性をアップするため
に複数枚重ねて使用しても良い。

【００２９】さて、マスフローコントローラ１Ａは上記
のような構成をしているが、特に図２に示すように、中
間流路１４は金属製ダイアフラム４２によって仕切られ
た弁室４０内に開口し、一方、下流側は流量制御弁の弁
座４１がある流出口から垂直流路１５が下向きに本体１
ａの裏側に向けて延びている。さらに、この垂直流路１
５の下流側端部に、本例では樹脂製の弁座５１をかしめ
て装着し、この樹脂製弁座５１に対向して開（ＯＮ）あ
るいは閉（ＯＦＦ）の二位置制御をとる遮断弁５が本体
１ａを共通にして一体的に対向配置されている。

【００３０】この遮断弁５は、上記したNiーCo系合金か
らなり中央部が部分球殻状に膨らんだ球殻状金属ダイア
フラム５２とふた部材５０と導出入口５３を有する空気
導出入部材５４とからなり極めて簡単な構造となってい
る。球殻状金属ダイアフラム５２は、中央の膨らんだ球
殻部５２１を樹脂製弁座５１に対向させてその周縁部５
２３を本体１ａの段差部に載置し、本体１ａに対してふ
た部材５０を螺合することによって挟着シールして組み
付けている。従って、金属ダイアフラム５２を仕切りに
して上部の駆動部分と下部接ガス部分に分かれており、
接ガス部は垂直流路と金属ダイアフラム及び流出口を介
して流出流路１６に繋がっている。

【００３１】この球殻状金属ダイアフラム５２の動作
は、上方からの空気圧等の負荷によって球殻状金属ダイ
アフラム５２は下方（紙面上方）に変位を始め、ある時
点で急激に変位が増大する飛び移り座屈現象を起こし、
弾性変形域内で樹脂製弁座５１に当接して弁を閉じるよ
うになっている。そして逆に空気圧の解除によって球殻
状金属ダイアフラム５２は元に戻ろうとする弾性復元力
により樹脂製弁座５１から離間を始め、ある時点で急激
に変位して元の開弁状態に復帰する。このように開ある
いは閉の二位置動作をする遮断弁でありシール性能が良
好であるし、球殻状金属ダイアフラムで直接弁座をシー
ルすることから大流量を流すことができ、かつ不活性で
クリーンであるという特徴を有している。本発明ではこ
の弁をダイレクトシール式遮断弁と呼ぶことが出来る。

【００３２】また、上述した流量制御弁４には平坦状金
属ダイアフラム４２を用いているが、このダイアフラム
との違いは、平坦状金属ダイアフラム４２は、その名の
通り中央部が平坦面で、その廻りに円環状の弾性変形部
４２２を有しており、先ず形状的に相違する。そして、
平坦面４２１によって精密流量制御が可能となってお
り、他方弾性変形部４２２で復元力を持たせるという作
用の点でも相違する。

【００３３】次ぎにこの遮断弁機能を備えたマスフロー
コントローラ１Ａの運転制御について説明を加える。先
ず、前記遮断弁の二位置動作を指示する開閉器、ここで
はエアー開閉用の電磁弁３５をマスフローコントローラ
１Ａのカバーの裏側に付設（２点鎖線で示す）してお
り、この電磁弁３５の前後に空気圧の一次側配管３６と
二次側配管３７がなされている。そして、マスフローコ
ントローラ１Ａの制御回路部３内には、別途、遮断弁に
関する開閉回路と遅れ回路及びバルブ開閉回路を設けて
おり、遮断弁５の全開、全閉の指示信号が取り込まれる
ようになっており、この信号をもとに前記流量制御弁４
と前記遮断弁５の制御を連動して行えるようになってい
る。

【００３４】例えば、外部より遮断弁開閉回路に指示信
号（電圧）を印加すると、電磁弁３５が開き、配管３７
にエアーが流入し遮断弁に空気圧が作用して遮断弁は開
となる。このとき同時に上記指示信号は遅れ回路にも入
力されており、予め設定されたデレイタイムをおいてバ
ルブ開閉回路に入力されて流量制御弁を開とする。具体
的には0.1〜0.2秒遅れて流量制御弁を開にして制御を開
始するようにしている。ここでユーザは上記のうち遮断
弁開閉回路への指示信号の入力を全体プロセスのプログ
ラムの中に組み込むだけでよいので極めて使い勝手がよ
い。尚、このデイレイタイムは配管３７の内容量と配管
３６のエアー圧力によって予め最適化しておくことが望
ましいが、特に本実施例では開閉器をマスフローコント
ローラに付設しているので、配管３７の長さと内容量が
ほぼ一定となり、電磁弁３５が開いてから遮断弁が開く
までの時間に遅れがなくほぼ一定となり、これらの設定
も簡単かつ正確に行える。以上のようにしてデレイタイ
ムを含む制御等もマスフローコントローラの制御回路内
で電気的に連動して行うことが出来る。

【００３５】図４は、本発明のマスフローコントローラ
の応答特性（ａ）と従来の図９に示した配管例の応答特
性（ｂ）をそれぞれ示している。尚、図中（ａ1）（ｂ
1）はマスフローコントローラの流量出力信号を、（ａ
2）（ｂ2）は実際の流量出力変化を示している。そして
両者を比較すると、まず従来技術の応答特性（ｂ）で
は、開弁信号を受けると配管内に内封された残留ガスの
影響を受けて、一旦大流量が流れ（ｂ2）のようにオー
バーシュート現象を起こす。ところが、マスフローコン
トローラの流量センサにはこのときガスは流れていない
のでマスフローコントローラ自身の流量出力信号は（ｂ
1）のようにオーバーシュート現象は表れることはな
い。このようにマスフローコントローラの流量出力信号
と実際の流量特性が一致しないという現象が起こってい
る。一方、本発明の応答特性（ａ）では、オーバーシュ
ート現象も見られず応答時間は約１秒と速く応答特性に
優れていることがわかった。また、マスフローコントロ
ーラの流量出力信号と実際の流量特性も良く一致してい
る。以上により「オーバーシュートが無くなり「応答
性」が向上するものである。

【００３６】また、本実施例のマスフローコントローラ
１Ａでは、流量制御弁４と遮断弁５が垂直流路１５を挟
んで対向配置される構造となっており、残留ガスが内封
され得るデッドスペースが０．０１CC以下と極めて小さ
くすることが出来ているので「デッドスペース」と「捨
てガス」の問題を解決できる。また、ダイレクトシール
遮断弁５は構造がシンプルかつ小型であるのでマスフロ
ーコントローラ全体が「コンパクト」になる。

【００３７】図３は、本発明の他の実施例を示すマスフ
ローコントローラ１Ｂの断面図である。本実施例におい
て上記実施例と異なる点はピストンシリンダー式の遮断
弁６を用いているところである。この遮断弁６は、上記
と同様に球殻状金属ダイアフラム６２の中央の膨らんだ
球殻部６２１を樹脂製弁座６１に対向させて本体１ａの
段差部に載置し、ダイアフラム押さえ６３を介してシリ
ンダー本体６４を本体１ａに対して螺合することによ
り、球殻状金属ダイアフラム６２の周縁部を本体１ａに
挟着シールして組み付けている。従って、球殻状金属ダ
イアフラム６２を仕切りにして上部の駆動部分と下部接
ガス部分に分かれている。

【００３８】本例のシリンダーは、シリンダー本体６４
の上部にシリンダふた６５が密封的に取り付けられ、ピ
ストン６６と弁棒６７は止め輪を介して一体化されてい
る。常時は、ばね６８によって弁棒６７を下方に押しや
って閉弁となし、開弁するときは上部の空気導出入口６
９から空気圧を導入して弁棒６７に形成した貫通孔６７
１を介してシリンダ下部室６６１に空気圧を導入して、
ばね６８に抗してピストン６６と弁棒６７を押し上げて
開弁状態となすようになっている。他方、弁棒６７の先
端には滑らかな曲面を有する押えコマ６７３が球体６７
２を介して置かれている。このように空気圧を導入する
ことによって押圧手段である弁棒６７が上昇（紙面下
方）し、逆に空気圧を排出することによって降下し、よ
って球殻状金属ダイアフラム６２の球殻部が弁座６１に
接離して弁が開閉されるようになっている。

【００３９】尚、上記では空気圧の導入によって開弁
し、解除によって閉弁するノーマリクローズ弁の例を示
したが、逆に空気圧の導入によって閉弁し、解除によっ
て開弁するノーマリオープン弁とすることもできる。ま
た、ピストンを複数段に積層して高圧型にすることもで
きる。さらに、このシリンダー式の遮断弁においても球
殻状金属ダイアフラム６２は弾性変形範囲内でダイアフ
ラムの球殻部が弁座６１に圧接して閉弁となるように金
属製ダイアフラムと弁座との間隔を定めておく。

【００４０】また、このマスフローコントローラ１Ｂの
運転制御については、開閉用の電磁弁を付設して、この
信号をマスフローコントローラの制御部内に取り込み両
者を連動して制御するもので、上記実施例と同様なので
説明は省略する。この遮断弁機能付きのマスフローコン
トローラ１Ｂによれば、上記実施例と同様に「デッドス
ペース」と「捨てガス」の問題を解決できる。また、特
にシリンダーを用いているので弁の締め切り性能が良く
使用するガス圧が高くても漏れの心配がない。

【００４１】さて、次ぎに本発明の大流量パージ機能を
備えたマスフローコントローラについて説明する。図５
及び図６は、その一実施例を示す縦断面図である。尚、
図においてマスフローコントローラ及び遮断弁の構成に
ついては上記実施例と同様であるので代表の同一符号を
付してその説明は省略する。

【００４２】本実施例では、マスフローコントローラ本
体７ａの内部にセンサ流路とバイパス流路より上流にあ
る流入流路１２、具体的にはバイパスホルダー１３１に
連通する上流側迂回流路７１と流量制御弁４の下流にあ
る流出流路１６に連通する下流側迂回流路７２とを設
け、さらに上流側迂回流路の下流端に弁座５１を設け
て、両流路の合流位置に上記実施例で説明した遮断弁５
を本体７ａを共通にして流量制御弁側４と対向する側に
一体的に構成したものである。従って、通常は、この遮
断弁５は閉弁状態としておき、パージ処理が必要になっ
たときこの遮断弁を開となし迂回流路７１、７２を介し
て不活性パージガスを流出流路に大量に且つ短時間に導
出することができるというものである。

【００４３】本例は上述した実施例と同様、本体を共通
にして遮断弁を設けるというコンパクト化の点では一致
しているが、流量制御機能と切り離して大流量パージ処
理ができる点で異なっている。また、流量センサ２ある
いは流量制御弁４部分に詰まりや作動不良等のトラブル
が発生した場合に、この遮断弁５を開となし迂回流路７
１、７２にガスを通過させ、この間にトラブルを解消で
きるなどメンテナンス性に優れている。

【００４４】図６は、図示の通り図５の遮断弁５に代え
て上述したピストンシリンダー式の遮断弁６を用いた実
施例を示すものである。また、図７は従来例で示したノ
ーマリクローズ型のマスフローコントローラに上述した
遮断弁５を構成した本発明の実施例を示すものである。
尚、図５および図６では遮断弁５、６は流量制御弁４の
弁座の中心軸と同軸上に設けているが、この位置はこれ
に限定されるものではない。

【００４５】

【発明の効果】以上のように本発明のマスフローコント
ローラによれば、流量制御機能と開閉遮断機能が効率的
に且つコンパクトに集約されており、流量制御弁と遮断
弁との間のデッドスペースが極めて小さく、大量のガス
が内封されることもなくなった。よって、オーバーシュ
ートがなく応答性が向上すると共に、捨てガスや置換時
間が無くなり無駄のないマスフローコントローラとなっ
た。さらに、シリンダーキャビネット用の配管系として
も好適でシリンダーキャビネット自身のコンパクト化も
計れる。

【００４６】また、本発明の運転制御方法によれば、マ
スフローコントローラの制御系の中に遮断弁の制御系を
取り込んで両者の動作を連動して行うことが出来るの
で、制御を組むことが極めて容易になった。

【００４７】さらに、本発明によればパージ機能もコン
パクトに集約することができ短時間に大流量パージ処理
が行えるようになった。よって、不活性ガス量が削減で
き、ひいては製造コストの削減が図られる。更には半導
体製品の不良品の発生を抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例を示す遮断機能付きマスフ
ローコントローラの縦断面図である。

【図２】 図１の要部断面図である。

【図３】 本発明の他の実施例を示す遮断機能付きマス
フローコントローラの縦断面図である。

【図４】 本発明と従来のマスフローコントローラの応
答特性を比較した特性線図である。

【図５】 本発明の一実施例を示す大流量パージ機能付
きマスフローコントローラの縦断面図である。

【図６】 本発明の他の実施例を示す大流量パージ機能
付きマスフローコントローラの縦断面図である。

【図７】 本発明の他の実施例を示す大流量パージ機能
付きマスフローコントローラの縦断面図である。

【図８】 従来のパージ配管の配管例を示す説明図であ
る。

【図９】 従来のマスフローコントローラと遮断弁の配
管例を示す説明図である。

【図１０】 従来のマスフローコントローラの一例を示
す縦断面図である。

【符号の説明】

１Ａ、１Ｂ：遮断弁機能付マスフローコントローラ １Ｃ、１Ｄ、１Ｅ：パージ機能付マスフローコントロー
ラ ２：センサ部 ３：制御回路部 ４、８：マスフローコントローラの流量制御弁 ５：ダイレクトシール式の遮断弁 ６：ピストンシリンダー式の遮断弁 １ａ、１ｂ、７ａ、７ｂ、８ａ、８ｂ：マスフローコン
トローラ本体 １１、９１：流入口 １２、９２：流入流路 １３、９３：バイパス流路（バイパス管） １４、９４：中間流路 １５：垂直流路 １６、９６：流出流路 １７、９７：流出口 １８：出口側継
手 １９：入口側継手 ２０：センサ流
路（センサ管） ２１：上流側感熱コイル ２２：下流側感
熱コイル ３５：開閉器（電磁弁） ３６：空気圧の
一次側配管 ３７：空気圧の二次側配管 ４１：金属製弁
座 ４２：平坦状金属ダイアフラム ４３：ダイアフ
ラム押さえ ４４：ハウジング ４５：押さえふ
た部材 ４６：ダイアフラムスペーサ ４７：ピエゾス
ペーサ ４８：ピエゾアクチュエータ ４９：ハウジン
グキャップ ５０：ふた部材 ５１、６１：樹脂製弁
座 ５２、６２：球殻状金属ダイアフラム ６１：ダイアフラム押さえ ６４：シリンダー
本体 ６５：シリンダー ６６：ピストン ６７：弁棒 ６８：ばね

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流体の流入流路と、この流入流路の下流
   に設けたバイパス流路およびセンサ流路と、このバイパ
   ス流路およびセンサ流路の下流に設けた中間流路と、中
   間流路の下流に設けた流量制御弁と、この流量制御弁の
   下流に設けた流出流路と、前記センサ流路の流量を検出
   する流量センサと、この流量センサの信号により前記流
   量制御弁を制御する制御回路部と、を有するマスフロー
   コントローラにおいて、 前記流量制御弁と流出流路との間に開閉遮断弁を一体的
   に設けたことを特徴とするマスフローコントローラ。
2. 【請求項２】 前記開閉遮断弁は、前記流量制御弁の流
   出口に繋がる垂直流路と、この垂直流路の下流端に設け
   た弁座と、この弁座に対向して設け中央部が膨らんだ金
   属製ダイアフラムと、この金属ダイアフラムの周縁を固
   定するふた部材と、前記流出流路に繋がる流出口と、を
   有し、前記流量制御弁に対して対向配置されており、前
   記ふた部材に形成した流体圧導出入孔より流体圧を導入
   し、前記金属ダイアフラムに流体圧をかけて金属ダイア
   フラムを前記弁座に直接当接させて閉とし、前記流体圧
   力の解除によって金属ダイアフラムを原形状に復帰させ
   て開とすることを特徴とする請求項１記載のマスフロー
   コントローラ。
3. 【請求項３】 前記開閉遮断弁は、前記流量制御弁の流
   出口に繋がる垂直流路と、この垂直流路の下流端に設け
   た弁座と、この弁座に対向して設け中央部が膨らんだ金
   属製ダイアフラムと、この金属ダイアフラムの周縁を固
   定するシリンダ部材と、前記流出流路に繋がる流出口
   と、を有し、前記流量制御弁に対して対向配置されてお
   り、シリンダー内に流体圧力を導入又は解除することに
   よって押圧部材を介して前記金属ダイアフラムを前記弁
   座に直接当接させて閉とし、または金属ダイアフラムを
   原形状に復帰させて開とすることを特徴とする請求項１
   記載のマスフローコントローラ。
4. 【請求項４】 流体の流入流路と、この流入流路の下流
   に設けたバイパス流路およびセンサ流路と、このバイパ
   ス流路およびセンサ流路の下流に設けた中間流路と、中
   間流路の下流に設けた流量制御弁と、この流量制御弁の
   下流に設けた流出流路と、前記センサ流路の流量を検出
   する流量センサと、この流量センサの信号により前記流
   量制御弁を制御する制御回路部と、を有するマスフロー
   コントローラにおいて、 前記バイパス流路およびセンサ流路の上流と前記流量制
   御弁の下流とを連通する迂回流路を設け、この迂回流路
   に開閉遮断弁を一体的に設けたことを特徴とするマスフ
   ローコントローラ。
5. 【請求項５】 前記開閉遮断弁は、前記迂回流路の流入
   側とこの流入側迂回流路の下流端に設けた弁座と、この
   弁座に対向して設け中央部が膨らんだ金属製ダイアフラ
   ムと、この金属ダイアフラムの周縁を固定するふた部材
   と、前記迂回流路の流出側と、を有し、前記流量制御弁
   側に対して対向配置されており、前記ふた部材に形成し
   た流体圧導出入孔より流体圧を導入し、前記金属ダイア
   フラムに流体圧をかけて金属ダイアフラムを前記弁座に
   直接当接させて閉とし、前記流体圧力の解除によって金
   属ダイアフラムを原形状に復帰させて開とすることを特
   徴とする請求項４記載のマスフローコントローラ。
6. 【請求項６】 前記開閉遮断弁は、前記迂回流路の流入
   側とこの流入側迂回流路の下流端に設けた弁座と、この
   弁座に対向して設け中央部が膨らんだ金属製ダイアフラ
   ムと、この金属ダイアフラムの周縁を固定するシリンダ
   部材と、前記迂回流路の流出側と、を有し、前記流量制
   御弁側に対して対向配置されており、シリンダー内に流
   体圧力を導入又は解除することによって押圧部材を介し
   て前記金属ダイアフラムを前記弁座に直接当接させて閉
   とし、または金属ダイアフラムを原形状に復帰させて開
   とすることを特徴とする請求項４記載のマスフローコン
   トローラ。
7. 【請求項７】 流体の流入流路と、この流入流路の下流
   に設けたバイパス流路およびセンサ流路と、このバイパ
   ス流路およびセンサ流路の下流に設けた中間流路と、中
   間流路の下流に設けた流量制御弁と、この流量制御弁の
   下流に設けた流出流路と、前記センサ流路の流量を検出
   する流量センサと、この流量センサの信号により前記流
   量制御弁を制御する制御回路部と、を有するマスフロー
   コントローラにおいて、前記流量制御弁と流出流路との
   間に開閉遮断弁を一体的に設けると共に、前記開閉遮断
   弁を開あるいは閉の二位置動作を指示する開閉器を設
   け、この開閉器の指示信号を前記マスフローコントロー
   ラの制御回路部に取り込んで、前記流量制御弁と前記遮
   断弁の制御を連動させたことを特徴とするマスフローコ
   ントローラの運転制御方法。
8. 【請求項８】 前記流量制御弁および遮断弁を個々閉か
   ら開にする際、先ず前記開閉遮断弁を開とし、所定時間
   後に流量制御弁側を開となすことを特徴とする請求項７
   記載のマスフローコントローラの運転制御方法。