KR20210118162A

KR20210118162A - 밸브장치, 유량 제어방법, 유체 제어장치, 반도체 제조방법, 및 반도체 제조장치

Info

Publication number: KR20210118162A
Application number: KR1020217027214A
Authority: KR
Inventors: 류타로 탄노; 토시히데 요시다; 다이히 츠치구치; 유야 스즈키; 켄타 콘도; 토모히로 나카타; 츠토무 시노하라; 마사히코 타키모토
Original assignee: 가부시키가이샤 후지킨
Priority date: 2019-01-31
Filing date: 2020-01-23
Publication date: 2021-09-29
Also published as: US20220082176A1; JPWO2020158573A1; CN113423987A; TW202041801A; TWI727634B; JP7352971B2; WO2020158573A1

Abstract

유량을 정밀하게 조정가능한 밸브장치를 제공한다. 다이어프램(20)에 유로를 폐쇄시키는 폐쇄 위치(CP)와 다이어프램(20)에 유로를 개방시키는 개방 위치(OP) 사이에서 이동가능하게 설치된 다이어프램을 조작하는 조작부재(40)와, 공급되는 구동 유체의 압력을 받고, 상기 조작부재를 상기 개방 위치 또는 폐쇄 위치로 이동시키는 주 액추에이터(60)와, 개방 위치에 위치가 부여된 조작부재(40)의 위치를 조정하기 위한 조정용 액추에이터(100)와, 밸브 보디(10)에 대한 조작부재(40)의 변위를 검출하기 위한 위치 검출기구(85)를 갖는다.

Description

밸브장치, 유량 제어방법, 유체 제어장치, 반도체 제조방법, 및 반도체 제조장치

본 발명은, 밸브장치, 이 밸브장치를 사용한 유량 제어방법, 유체 제어장치 및 반도체 제조방법에 관한 것이다.

반도체 제조 프로세스에 있어서는, 정확하게 계량한 처리 가스를 처리 챔버에 공급하기 위해, 개폐 밸브, 레귤레이터, 매스플로우 콘트롤러 등의 각종의 유체 제어 기기를 집적화한 유체 제어장치가 사용되고 있다.

통상, 상기한 유체 제어장치로부터 출력되는 처리 가스를 처리 챔버에 직접 공급하지만, 원자층 퇴적법(ALD: Atomic Layer Deposition 법)에 의해 기판에 막을 퇴적시키는 처리 프로세스에 있어서는, 처리 가스를 안정적으로 공급하기 위해서 유체 제어장치로부터 공급되는 처리 가스를 버퍼로서의 탱크에 일시적으로 저류하고, 처리 챔버의 직근에 설치된 밸브를 고빈도로 개폐시켜 탱크로부터의 처리 가스를 진공 분위기의 처리 챔버에 공급하는 것이 행해지고 있다. 이때, 처리 챔버의 직근에 설치되는 밸브로서는, 예를 들면, 특허문헌 1을 참조.

ALD법은, 화학기상성장법의 1개이며, 온도나 시간 등의 성막 조건 하에서, 2종류 이상의 처리 가스를 1종류씩 기판 표면 위에 교대로 흘려, 기판 표면 위 원자와 반응시켜 단층씩 막을 퇴적시키는 방법이며, 단원자층씩 제어가 가능하기 때문에, 균일한 막 두께를 형성시킬 수 있고, 막질로서도 매우 치밀하게 막을 성장시킬 수 있다.

ALD법에 의한 반도체 제조 프로세스에서는, 처리 가스의 유량을 정밀하게 조정할 필요가 있다.

일본국 특개 2007-64333호 공보 국제공개 WO2018/088326호 공보

에어 구동식의 다이어프램 밸브에 있어서는, 수지제의 밸브 시트가 경시적으로 찌부러져 가는, 열 변화로 수지제의 밸브 시트가 팽창 또는 수축하는 것 등의 원인으로, 유량이 경시적으로 변화하여 버린다.

이 때문에, 처리 가스의 유량을 보다 정밀하게 콘트롤하기 위해서는, 유량의 경시 변화에 따라 유량 조정의 필요가 있다.

본 출원인은, 공급되는 구동 유체의 압력을 받아 작동하는 주 액추에이터 이외에, 다이어프램을 조작하는 조작부재의 위치를 조정하기 위한 조정용 액추에이터를 설치하여, 자동으로 유량을 정밀하게 조정가능한 밸브장치를 특허문헌 2에 있어서 제안하고 있다.

종래에 있어서는, 특허문헌 2에 개시된 밸브장치에 대해서는, 밸브체로서의 다이어프램의 개도를 검출하여, 더욱더 정밀한 유량 제어에 대한 요청이 있었다.

본 발명의 한가지 목적은, 유량을 정밀하게 조정가능한 밸브장치를 제공하는 것에 있다.

본 발명의 다른 목적은, 상기한 밸브장치를 사용한 유량 제어방법, 유체 제어장치, 반도체 제조방법 및 반도체 제조장치를 제공하는 것에 있다.

본 발명에 따른 밸브장치는, 유체가 유통하는 유로와, 해당 유로의 도중에서 외부로 개구하는 개구부를 획정하는 밸브 보디와,

상기 개구부를 덮으면서 유로와 외부 사이를 떼고, 또한, 상기 개구부의 주위에 당접 및 이격함으로써 유로를 개폐하는 밸브체로서의 다이어프램과,

상기 다이어프램에 유로를 폐쇄시키는 폐쇄 위치와 상기 다이어프램에 유로를 개방시키는 개방 위치 사이에서 이동가능하게 설치된 상기 다이어프램을 조작하는 조작부재와,

공급되는 구동 유체의 압력을 받고, 상기 조작부재를 상기 개방 위치 또는 폐쇄 위치로 이동시키는 주 액추에이터와,

상기 개방 위치에 위치가 부여된 상기 조작부재의 위치를 조정하기 위한 조정용 액추에이터와,

상기 밸브 보디에 대한 상기 조작부재의 변위를 검출하기 위한 위치 검출기구를 갖는다.

본 발명의 유량 제어방법은, 상기 구성의 밸브장치를 사용하여, 유체의 유량을 조정하는 유량 제어방법이다.

본 발명의 유체 제어장치는, 복수의 유체기기가 배열된 유체 제어장치로서,

상기 복수의 유체기기는, 상기 구성의 밸브장치를 포함한다.

본 발명의 반도체 제조방법은, 밀폐된 챔버 내에 있어서 프로세스 가스에 의한 처리공정을 필요로 하는 반도체장치의 제조 프로세스에 있어서, 상기 프로세스 가스의 유량 제어에 상기 구성의 밸브장치를 사용한다.

본 발명의 반도체 제조장치는, 밀폐된 챔버 내에 있어서 프로세스 가스에 의w한 처리공정을 필요로 하는 반도체장치의 제조 프로세스에 있어서, 상기 프로세스 가스의 유량 제어에 상기 구성의 밸브장치를 사용하고 있다.

본 발명에 따르면, 밸브 보디에 대한 조작부재의 변위를 검출함으로써, 밸브 개도의 검출이 가능해지므로, 조정용 액추에이터에 의한 더욱 더 정밀한 유량 조정이 가능해진다.

도1a는 본 발명의 일 실시형태에 따른 밸브장치의 종단면도로서, 도1b의 1a-1a선에 따른 단면도.
도1b는 도1a의 밸브장치의 평면도.
도1c는 도1a의 밸브장치의 액추에이터부의 확대 단면도.
도1d는 도1b의 1D-1D선에 따른 액추에이터부의 확대 단면도.
도1e는 도1a의 원 A 내의 확대 단면도.
도2는 압전 액추에이터의 동작을 나타낸 설명도.
도3은 반도체 제조장치의 프로세스 가스 제어계에의 본 발명의 일 실시형태에 따른 밸브장치의 적용 예를 도시한 개략도.
도4는 제어계의 개략 구성을 나타낸 기능 블록도.
도5는 도1a의 밸브장치의 완전 폐쇄 상태를 설명하기 위한 주요부의 확대 단면도.
도6은 도1a의 밸브장치의 완전 개방 상태를 설명하기 위한 주요부의 확대 단면도.
도7은 유량의 경시 변화의 발생의 주 원인을 설명하기 위한 도면.
도8a는 도1a의 밸브장치의 유량 조정시(유량 감소시)의 상태를 설명하기 위한 주요부의 확대 단면도.
도8b는 도1a의 밸브장치의 유량 조정시(유량 증가시)의 상태를 설명하기 위한 주요부의 확대 단면도.
도9는 유체 제어장치의 일례를 나타낸 외관 사시도.

도1a는, 본 발명의 일 실시형태에 따른 밸브장치(1)의 구성을 나타낸 단면도로서, 밸브가 완전 폐쇄시의 상태를 나타내고 있다. 도1b는 밸브장치(1)의 평면도, 도1c는 밸브장치(1)의 액추에이터부의 확대 종단면도, 도1d는 도1c와 90도 다른 방향의 액추에이터부의 확대 종단면도, 도1e는 도1a의 원 A 내의 확대 단면도다. 이때, 이하의 설명에 있어서 도1a의 A1을 상측 방향, A2를 하측 방향으로 한다.

밸브장치(1)는, 지지 플레이트(302) 위에 설치된 수용 박스(301)와, 수용 박스(301) 내에 설치된 밸브 본체(2)와, 수용 박스(301)의 천정부에 설치된 압력 레귤레이터(200)를 갖는다.

도1a∼도1e에 있어서, 10은 밸브 보디, 15는 밸브 시트, 20은 다이어프램, 25는 누르개 어댑터, 27은 액추에이터 받이, 30은 본네트, 40은 조작부재, 48은 다이어프램 누르개, 50은 케이싱, 60은 주 액추에이터, 70은 조정 보디, 80은 액추에이터 누르개, 85는 위치 검출기구, 86은 자기 센서, 87은 자석, 90은 코일 스프링, 100은 조정용 액추에이터로서의 압전 액추에이터, 120은 디스크 스프링, 130은 격벽부재, 150은 공급관, 160은 리미트 스위치, OR는 씰 부재로서의 O링, G는 구동 유체로서의 압축 에어를 나타낸다. 이때, 구동 유체는, 압축 에어에 한정되는 것은 아니고 다른 유체를 사용하는 것도 가능하다.

밸브 보디(10)는, 스테인레스강 등의 금속에 의해 형성되어 있고, 유로 12, 13을 획정하고 있다. 유로 12는, 일단에 밸브 보디(10)의 일 측면에서 개구하는 개구부 12a를 갖고, 개구부 12a에 관 조인트 501이 용접에 의해 접속되어 있다. 유로 12는, 타단 12b가 밸브 보디(10)의 상하 방향 A1, A2로 뻗는 유로 12c와 접속되어 있다. 유로 12c의 상단부는, 밸브 보디(10)의 상면측에서 개구하고, 상단부는, 밸브 보디(10)의 상면측에 형성된 오목부(11)의 바닥면에서 개구하고, 하단부는 밸브 보디(10)의 하면측에서 개구하고 있다. 유로 12c의 하단측의 개구에는, 압력 센서(400)가 설치되고, 유로 12c의 하단측의 개구를 막고 있다.

유로 12c의 상단부의 개구의 주위에 밸브 시트(15)가 설치되어 있다. 밸브 시트(15)는, 합성 수지(PFA, PA, PI, PCTFE 등)제이며, 유로 12c의 상단측의 개구 둘레에 설치된 장착 홈에 끼워맞추어 고정되어 있다. 이때, 본 실시형태에서는, 코킹 가공에 의해 밸브 시트(15)가 장착 홈 내에 고정되어 있다.

유로 13은, 일단이 밸브 보디(10)의 오목부(11)의 저면에서 개구하고, 또한, 타단에 밸브 보디(10)의 유로 12와는 반대측의 타측면에서 개구하는 개구부 13a를 갖고, 개구부 13a에 관 조인트 502가 용접에 의해 접속되어 있다.

다이어프램(20)은, 밸브 시트(15)의 윗쪽에 배치되어 있고, 유로 12c와 유로 13을 연통하는 유로를 획정하는 동시에, 그것의 중앙부가 상하 작동해서 밸브 시트(15)에 당접 및 분리됨으로써, 유로 12, 13을 개폐한다. 본실시형태에서는, 다이어프램(20)은, 특수 스테인레스강 등의 금속제 박판 및 니켈·코발트 합금 박판의 중앙부를 윗쪽으로 볼록하게 돌출시킴으로써, 위로 볼록형의 원호 형상이 자연 상태의 구각 형상으로 되어 있다. 이 특수 스테인레스강 박판 3매와 니켈·코발트 합금 박판 1매가 적층되어 다이어프램(20)이 구성되어 있다.

다이어프램(20)은, 그것의 외주 가장자리부가 밸브 보디(10)의 오목부(11)의 바닥부에 형성된 돌출부 위에 재치되고, 오목부(11) 내에 삽입한 본네트(30)의 하단부를 밸브 보디(10)의 나사부에 비틀어 박는 것에 의해, 스테인레스 합금제의 누르개 어댑터(25)를 통해 밸브 보디(10)의 상기 돌출부측에 가압되어, 기밀 상태에서 끼워져 고정되어 있다. 이때, 니켈·코발트 합금 박막은, 접 가스측에 배치되어 있는 다이어프램으로서는, 다른 구성의 것도 사용가능하다.

조작부재(40)는, 다이어프램(20)에 유로 12와 유로 13 사이를 개폐시키도록 다이어프램(20)을 조작하기 위한 부재이며, 대략 원통 형성으로 형성되고, 상단측이 개구하고 있다. 조작부재(40)는, 본네트(30)의 내주면에 O링 OR을 거쳐 끼워맞추어지고(도1c, 1d 참조), 상하 방향 A1, A2로 이동이 자유롭게 지지되어 있다.

조작부재(40)의 하단면에는 다이어프램(20)의 중앙부 상면에 당접하는 폴리이미드 등의 합성 수지제의 누르개부를 갖는 다이어프램 누르개(48)가 장착되어 있다.

다이어프램 누르개(48)의 외주부에 형성된 플랜지부(48a)의 상면과, 본네트(30)의 천정면 사이에는, 코일 스프링(90)이 설치되고, 조작부재(40)는 코일 스프링(90)에 의해 하측 방향 A2를 향해 항상 부세되어 있다. 이 때문에, 주 액추에이터(60)가 작동하고 있지 않는 상태에서는, 다이어프램(20)은 밸브 시트(15)에 눌러지고, 유로 12와 유로 13 사이는 닫혀진 상태가 된다.

액추에이터 받이(27)의 하면과 다이어프램 누르개(48)의 상면 사이에는, 탄성부재로서의 디스크 스프링(120)이 설치되어 있다.

케이싱(50)은, 상측 케이싱 부재(51)와 하측 케이싱 부재(52)로 이루어지고, 하측 케이싱 부재(52)의 하단부 내주의 나사가 본네트(30)의 상단부 외주의 나사에 나사결합하고 있다. 또한, 하측 케이싱 부재(52)의 상단부 외주의 나사에 상측 케이싱 부재(51)의 하단부 내주의 나사가 나사 결합하고 있다.

하측 케이싱 부재(52)의 상단부와 이것에 대향하는 상측 케이싱 부재(51)의 대향면(51f) 사이에는, 고리 형상의 벌크 헤드(65)가 고정되어 있다. 벌크 헤드(65)의 내주면과 조작부재(40)의 외주면 사이 및 벌크 헤드(65)의 외주면과 상측 케이싱 부재(51)의 내주면 사이는, O링 OR에 의해 각각 씰되어 있다.

주 액추에이터(60)는, 고리 형상의 제1∼제3 피스톤(61, 62, 63)을 갖는다.

제1∼제3 피스톤(61, 62, 63)은, 조작부재(40)의 외주면에 끼워맞추어져 있고, 조작부재(40)와 함께 상하 방향 A1, A2로 이동 가능하게 되어 있다. 제1∼제3 피스톤(61, 62, 63)의 내주면과 조작부재(40)의 외주면 사이, 및, 제1∼제3 피스톤(61, 62, 63)의 외주면과 상측 케이싱 부재(51), 하측 케이싱 부재(52), 본네트(30)의 내주면 사이는 복수의 O링 OR으로 씰되어 있다.

도1c 및 1d에 나타낸 것과 같이, 조작부재(40)의 내주면에는, 원통형의 격벽부재(130)가 해당 조작부재(40)의 내주면과의 사이에 간격 GP1을 갖도록 고정되어 있다. 간격 GP1은, 격벽부재(130)의 상단측 및 하단측의 외주면과 조작부재(40)의 내주면 사이에 설정된 복수의 O링 OR1∼OR3에 의해 씰되어, 구동 유체로서의 압축 에어 G의 유통로로 되고 있다. 이 간격 GP1으로 형성되는 유통로는, 압전 액추에이터(100)와 동심 형상으로 배치되어 있다. 후술하는 압전 액추에이터(100)의 케이싱(101)과 격벽부재(130) 사이에는, 간격 GP2가 형성되어 있다.

도1d에 나타낸 것과 같이, 제1∼제3 피스톤(61, 62, 63)의 하면측에는, 각각 압력실 C1∼C3이 형성되어 있다.

조작부재(40)에는, 압력실 C1, C2, C3에 연통하는 위치에 있어서 반경 방향으로 관통하는 유통로 40h1, 40h2, 40h3이 형성되어 있다. 유통로 40h1, 40h2, 40h3은, 조작부재(40)의 둘레 방향으로 등간격으로 복수 형성되어 있다. 유통로 40h1, 40h2, 40h3은, 상기한 간격 GP1로 형성되는 유통로와 각각 접속되어 있다.

케이싱(50)의 상측 케이싱 부재(51)에는, 상면에서 개구하고 상하 방향 A1, A2로 뻗고 또한, 압력실 C1에 연통하는 유통로 51h가 형성되어 있다. 유통로 51h의 개구부에는, 관 조인트 152를 거쳐 공급관 150이 접속되어 있다. 이에 따라, 공급관 150으로부터 공급되는 압축 에어 G는, 상기한 각 유통로를 통해 압력실 C1, C2, C3에 공급된다.

케이싱(50) 내의 제1 피스톤(61)의 윗쪽의 공간 SP은, 조정 보디(70)의 관통공(70a)을 통해 대기에 연결되어 있다.

도1c에 나타낸 것과 같이, 리미트 스위치(160)는, 케이싱(50) 위에 설치되고

가동 핀(161)이 케이싱(50)을 관통하여 제1 피스톤(61)의 상면에 접촉하고 있다. 리미트 스위치(160)는, 가동 핀(161)의 이동에 따라, 제1 피스톤(61)(조작부재(40))의 상하 방향 A1, A2의 이동량을 검출한다.

위치 검출기구

도1e에 나타낸 것과 같이, 위치 검출기구(85)는, 본네트(30)와 조작부재(40)에 설치되어 있고, 본네트(30)의 반경 방향을 따라 매립된 고정부로서의 자기 센서(86)와, 이 자기 센서(86)에 대향하도록 조작부재(40)의 둘레 방향의 일부에 매립된 가동부로서의 자석(87)을 포함한다.

자기 센서(86)는, 배선(86a)이 본네트(30)의 외부로 도출되어 있고, 배선(86a)은 전원 공급선과 신호선으로 이루어지고, 신호선은 후술하는 제어부(300)에 전기적으로 접속된다. 자기 센서(86)로서는, 예를 들면, 홀 소자를 이용한 것, 코일을 이용한 것, 자계의 강도나 방향에 의해 저항값이 변화하는 AMR 소자를 이용한 것 등을 들 수 있고, 자석과의 조합에 의해, 위치 검지를 비접촉으로 할 수 있다.

자석(87)은, 상하 방향 A1, A2로 착자되어 있어도 되고, 반경 방향으로 착자되어 있어도 된다. 또한, 자석(87)은 링 형상으로 형성되어 있어도 된다.

이때, 본 실시형태에서는, 자기 센서(86)를 본네트(30)에 설치하고, 자석(87)을 조작부재(40)에 설치했지만, 이것에 한정되는 것은 아니고, 적절히 변경할 수 있다. 예를 들면, 누르개 어댑터(25)에 자기 센서(86)를 설치하고, 다이어프램 누르개(48)의 외주부에 형성된 플랜지부(48a)의 대향하는 위치에 자석(87)을 설치하는 것도 가능하다. 밸브 보디(10)에 대해 이동하는 측에 자석(87)을 설치하고, 밸브 보디(10) 또는 밸브 보디(10)에 대해 이동하지 않는 측에 자기 센서(86)를 설치하는 것이 바람직하다.

여기에서, 도2를 참조해서 압전 액추에이터(100)의 동작에 대해 설명한다.

압전 액추에이터(100)는, 도2에 나타낸 원통형의 케이싱(101)에 도시하지 않은 적층된 압전소자를 내장하고 있다. 케이싱(101)은, 스테인레스 합금 등의 금속제이고, 반구형의 선단부(102)측의 단부면 및 기단부(103)측의 단부면이 막혀 있다. 적층된 압전소자에 전압을 인가해서 신장시킴으로써, 케이싱(101)의 선단부(102)측의 단부면이 탄성변형하여, 반구형의 선단부(102)가 길이 방향에 있어서 변위한다. 적층된 압전소자의 최대 스트로크를 2d로 하면, 압전 액추에이터(100)의 늘어남이 d가 되는 소정 전압 V0을 미리 걸어 둠으로써, 압전 액추에이터(100)의 전체 길이는 L0이 된다. 그리고, 소정 전압 V0보다도 높은 전압을 걸면, 압전 액추에이터(100)의 전체 길이는 최대로 L0+d가 되고, 소정 전압 V0보다도 낮은 전압(무전압을 포함한다)을 걸면, 압전 액추에이터(100)의 전체 길이는 최소로 L0-d가 된다. 따라서, 상하 방향 A1, A2에 있어서 선단부(102)로부터 기단부(103)까지의 전체 길이를 신축시킬 수 있다. 이때, 본 실시형태에서는, 압전 액추에이터(100)의 선단부(102)를 반구형으로 했지만, 이것에 한정되는 것은 아니고, 선단부가 평탄면이어도 된다.

도1a나 도1c에 나타낸 것과 같이, 압전 액추에이터(100)에의 전원 공급은, 배선(105)에 의해 행해진다. 배선(105)은, 조정 보디(70)의 관통공(70a)을 통해 외부로 도출되어 있다.

압전 액추에이터(100)의 기단부(103)의 상하 방향의 위치는, 도1c나 도1d에 나타낸 것과 같이, 액추에이터 누르개(80)를 거쳐 조정 보디(70)의 하단면에 의해 규정되어 있다. 조정 보디(70)는, 케이싱(50)의 상부에 형성된 나사 구멍에 조정 보디(70)의 외주면에 설치된 나사부가 나사결합되어 있고, 조정 보디(70)의 상하 방향 A1, A2의 위치를 조정함으로써, 압전 액추에이터(100)의 상하 방향 A1, A2의 위치를 조정할 수 있다.

압전 액추에이터(100)의 선단부(102)는, 도1a에 나타낸 것과 같이 원반형의 액추에이터 받이(27)의 상면에 형성된 원추면 형형의 받침면에 당접하고 있다. 액추에이터 받이(27)는, 상하 방향 A1, A2로 이동 가능하게 되어 있다.

압력 레귤레이터(200)는, 1차측에 관 조인트 201을 거쳐 공급관 203이 접속되고, 2차측에는 공급관 150의 선단부에 설치된 관 조인트 151이 접속되어 있다.

압력 레귤레이터(200)는, 주지의 포펫 밸브식의 압력 레귤레이터이며, 상세설명을 생략하지만, 공급관 203을 통해 공급되는 고압의 압축 에어 G를 원하는 압력으로 하강시켜 2차측의 압력이 미리 설정된 조절된 압력이 되도록 제어된다. 공급관 203을 통해 공급되는 압축 에어 G의 압력에 맥동이나 외란에 의한 변동이 존재하는 경우에, 이 변동을 억제해서 2차측에 출력한다.

도3에, 반도체 제조장치의 프로세스 가스 제어계에 본 실시형태에 따른 밸브장치(1)를 적용한 예를 나타낸다.

도3의 반도체 제조장치(1000)는, 예를 들면, ALD법에 의한 반도체 제조 프로세스를 실행하기 위한 장치로서, 800은 압축 에어 G의 공급원, 810은 프로세스 가스 PG의 공급원, 900A∼900C는 유체 제어장치, VA∼VC은 개폐 밸브, 1A∼1C는 본 실시형태에 따른 밸브장치, CHA∼CHC은 처리 챔버이다.

ALD법에 의한 반도체 제조 프로세스에서는, 프로세스 가스의 유량을 정밀하게 조정할 필요가 있는 동시에, 기판의 대구경화에 의해, 처리 가스의 유량을 확보할 필요도 있다.

유체 제어장치(900A∼900C)는, 정확하게 계량한 프로세스 가스 PG을 처리 챔버 CHA∼CHC에 각각 공급하기 위해, 개폐 밸브, 레귤레이터, 매스플로우 콘트롤러 등의 각종의 유체기기를 집적화한 집적화 가스 시스템이다.

밸브장치(1A∼1C)는, 상기한 다이어프램 밸브(20)의 개폐에 의해, 유체 제어장치(900A∼900C)로부터의 프로세스 가스 PG의 유량을 정밀하게 제어해서 처리 챔버 CHA∼CHC에 각각 공급한다.

개폐 밸브 VA∼VC은, 밸브장치(1A∼1C)에게 개폐 동작시키기 위해, 제어 지령에 따라 압축 에어 G의 공급 차단을 실행한다.

상기와 같은 반도체 제조장치(1000)에서는, 공통의 공급원(800)으로부터 압축 에어 G가 공급되지만, 개폐 밸브 VA∼VC은 각각 독립적으로 구동된다.

공통의 공급원(800)으로부터는, 거의 일정한 압력의 압축 에어 G가 항상 출력되지만, 개폐 밸브 VA∼VC이 각각 독립적으로 개폐되면, 밸브 개폐시의 압력 손실 등의 영향을 받아 밸브장치(1A∼1C)에 각각 공급되는 압축 에어 G의 압력이 변동을 일으켜, 일정하게는 되지 않는다.

밸브장치(1A∼1C)에 공급되는 압축 에어 G의 압력이 변동하면, 상기한 압전 액추에이터(100)에 의한 유량 조정량이 변동해 버릴 가능성이 있다. 이 문제를 해결하기 위해, 상기한 압력 레귤레이터(200)가 설치되어 있다.

다음에, 본 실시형태에 따른 밸브장치(1)의 제어부에 대해 도4를 참조해서 설명한다.

도4에 나타낸 것과 같이, 제어부(300)는, 자기 센서(86)의 검출 신호가 입력되고, 압전 액추에이터(100)를 구동제어하게 되어 있다. 제어부(300)는, 예를 들면, 도시하지 않은, 프로세서, 메모리 등의 하드웨어 및 필요한 소프트웨어와 압전 액추에이터(100)를 구동하는 드라이버를 포함한다. 제어부(300)에 의한 압전 액추에이터(100)의 제어의 구체 예에 대해서는 후술한다.

다음에, 도5 및 도6을 참조하여, 본 실시형태에 따른 밸브장치(1)의 기본 동작에 대해 설명한다.

도5는, 밸브장치(1)의 밸브 완전 폐쇄 상태를 나타내고 있다. 도5에 나타낸 상태에서는, 압축 에어 G는 공급되지 않고 있다. 이 상태에 있어서, 디스크 스프링(120)은 이미 어느 정도 압축되어 탄성변형하고 있고, 이 디스크 스프링(120)의 복원력에 의해, 액추에이터 받이(27)는 상측 방향 A1을 향해 항상 부세되어 있다. 이에 따라, 압전 액추에이터(100)도 상측 방향 A1을 향해 항상 부세되어, 기단부(103)의 상면이 액추에이터 누르개(80)에 눌러진 상태로 되어 있다. 이에 따라, 압전 액추에이터(100)는, 상하 방향 A1, A2의 압축력을 받아, 밸브 보디(10)에 대해 소정의 위치에 배치된다. 압전 액추에이터(100)는, 어느쪽의 부재에도 연결되어 잇지 않으므로, 조작부재(40)에 대해 상하 방향 A1, A2에 있어서 상대적으로 이동가능하다.

디스크 스프링(120)의 개수나 방향은 조건에 따라 적절히 변경할 수 있다. 또한, 디스크 스프링(120) 이외에도 코일 스프링, 판 스프링 등의 다른 탄성부재를 사용할 수 있지만, 디스크 스프링을 사용하면, 스프링 강성이나 스트로크 등을 조정하기 쉽다고 하는 이점이 있다.

도5에 나타낸 것과 같이, 다이어프램(20)이 밸브 시트(15)에 당접해서 밸브가 닫힌 상태에서는, 액추에이터 받이(27)의 하면측의 규제면(27b)과, 조작부재(40)에 장착된 다이어프램 누르개(48)의 상면측의 당접면(48t) 사이에는 간극이 형성되어 있다. 규제면(27b)의 상하 방향 A1, A2의 위치가, 개도 조정하고 있지 않는 상태에서의 개방 위치 OP이 된다. 규제면(27b)과 당접면(48t)의 간극의 거리가 다이어프램(20)의 리프트 량 Lf에 해당한다. 리프트 량 Lf는, 밸브의 개도, 즉, 유량을 규정한다. 리프트 량 Lf가, 상기한 조정 보디(70)의 상하 방향 A1, A2의 위치를 조정함으로써 변경할 수 있다. 도6에 나타낸 상태의 다이어프램 누르개(48)(조작부재(40))는, 당접면(48t)을 기준으로 하면, 폐쇄 위치 CP에 위치한다. 이 당접면(48t)가, 액추에이터 받이(27)의 규제면(27b)에 당접하는 위치, 즉, 개방 위치 OP로 이동하면, 다이어프램(20)이 밸브 시트(15)로부터 리프트 량 Lf분만큼 떨어진다.

공급관 150을 통해 압축 에어 G를 밸브장치(1) 내에 공급하면, 도6에 나타낸 것과 같이, 조작부재(40)를 상측 방향 A1로 밀어올리는 추력이 주 액추에이터(60)에 발생한다. 압축 에어 G의 압력은, 조작부재(40)에 코일 스프링(90) 및 디스크 스프링(120)으로부터 작용하는 하측 방향 A2의 부세력에 대항해서 조작부재(40)를 상측 방향 A1로 이동시키는데 충분한 값으로 설정되어 있다. 이러한 압축 에어 G가 공급되면, 도6에 나타낸 것과 같이, 조작부재(40)는 디스크 스프링(120)을 더 압축하면서 상측 방향 A1로 이동하여, 액추에이터 받이(27)의 규제면(27b)에 다이어프램 누르개(48)의 당접면(48t)이 당접하고, 액추에이터 받이(27)는 조작부재(40)로부터 상측 방향 A1로 향하는 힘을 받는다. 이 힘은, 압전 액추에이터(100)의 선단부(102)를 통해, 압전 액추에이터(100)를 상하 방향 A1, A2로 압축하는 힘으로서 작용한다. 따라서, 조작부재(40)에 작용하는 상측 방향 A1의 힘은, 압전 액추에이터(100)의 선단부(102)에서 받아내고, 조작부재(40)의 A1 방향의 이동은, 개방 위치 OP에 있어서 규제된다. 이 상태에 있어서, 다이어프램(20)은, 밸브 시트(15)로부터 상기한 리프트 량 Lf만큼 이격한다.

다음에, 밸브장치(1)에 있어서 유량 변동이 발생하는 주된 원인에 대해 도7을 참조해서 설명한다.

밸브장치(1)에 있어서 유량이 경시적으로 변화되는 주 원인으로서는, 밸브 시트(15)의 변형을 들 수 있다. 도7a에 나타낸 상태를 변형이 없는 초기 상태로 하고, VOP을 밸브 시트(15)의 시트 면으로부터 상기한 리프트 량 Lf만큼 이격하는 개방 위치로 한다.

밸브 시트(15)에는, 다이어프램(20)을 통해 다이어프램 누르개(48)에 의해 반복하여 응력이 인가되므로, 예를 들면, 도7b에 나타낸 것과 같이, 밸브 시트(15)가 찌부러진다. 밸브 시트(15)의 찌부러짐에 의한 변형량을 α로 하면, 밸브 개도는, 시트 면과 개방 위치 VOP의 거리 Lf+α이 되어, 초기 상태와 비교해서 유량이 증가한다.

밸브 시트(15)는, 고온 분위기에 노출되므로, 도7c에 나타낸 것과 같이, 밸브 시트(15)가 열팽창한다. 밸브 시트(15)의 열팽창에 의한 변형량을 β로 하면, 밸브 개도는, 시트 면과 개방 위치 VOP의 거리 Lf-β가 되어, 초기 상태와 비교해서 유량이 감소한다.

다음에, 밸브장치(1)의 유량 조정의 일례에 대해 도8a 및 도8b를 참조해서 설명한다.

우선, 상기한 위치 검출기구(85)는, 도5 및 도6에 나타낸 상태에 있어서의 밸브 보디(10)와 자기 센서(86)의 상대 변위를 항상 검출하고 있다. 도6에 나타낸, 밸브 폐쇄 상태에 있어서의 자기 센서(86)와 자석(87)의 상대 위치 관계를 위치 검출기구(85)의 원점 위치로 할 수 있다.

여기에서, 도8a 및 도8b의 중심선 Ct의 좌측은, 도5에 나타낸 상태를 나타내고 있고, 중심선 Ct의 우측은 조작부재(40)의 상하 방향 A1, A2의 위치를 조정한 후의 상태를 나타내고 있다.

유체의 유량을 감소시키는 방향으로 조정할 경우에는, 도8a에 나타낸 것과 같이, 압전 액추에이터(100)를 신장시켜, 조작부재(40)를 하측 방향 A2로 이동시킨다. 이에 따라, 다이어프램(20)과 밸브 시트(15)의 거리인 조정후의 리프트 량 Lf-은, 조정전의 리프트 량 Lf보다도 작아진다. 압전 액추에이터(100)의 신장량은 위치 검출기구(85)에서 검출한 밸브 시트(15)의 변형량으로 해도 된다.

유체의 유량을 증가시키는 방향으로 조정할 경우에는, 도8b에 나타낸 것과 같이, 압전 액추에이터(100)를 단축시켜, 조작부재(40)를 상측 방향 A1로 이동시킨다. 이에 따라, 다이어프램(20)과 밸브 시트(15)의 거리인 조정후의 리프트 량 Lf+은, 조정전의 리프트 량 Lf보다도 커진다. 압전 액추에이터(100)의 축소량은 위치 검출기구(85)에서 검출한 밸브 시트(15)의 변형량으로 해도 된다.

본 실시형태에서는, 다이어프램(20)의 리프트 량 Lf의 최대값은 100∼200㎛ 정도이고, 압전 액추에이터(100)에 의한 조정량은 ±20㎛ 정도이다.

즉, 압전 액추에이터(100)의 스트로크에서는, 다이어프램(20)의 리프트량을 커버할 수 있지만, 압축 에어 G로 동작하는 주 액추에이터(60)와 압전 액추에이터(100)를 병용함으로써, 상대적으로 스트로크가 긴 주 액추에이터(60)로 밸브장치(1)의 공급하는 유량을 확보하면서, 상대적으로 스트로크가 짧은 압전 액추에이터(100)로 정밀하게 유량 조정할 수 있고, 조정 보디(70) 등에 의해 수동으로 유량 조정을 할 필요가 없어지므로, 유량 조정 공정수가 대폭 삭감된다.

본 실시형태에 따르면, 압전 액추에이터(100)에 인가하는 전압을 변화시키는 것만으로 정밀한 유량 조정이 가능하므로, 유량 조정을 곧바로 실행할 수 있는 동시에, 실시간으로 유량 제어를 하는 것도 가능해진다.

상기 실시형태에서는, 주어진 전력을 신축하는 힘으로 변환하는 수동 요소를 이용한 조정용 액추에이터로서, 압전 액추에이터(100)를 사용했지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 전계의 변화에 따라 변형하는 화합물로 이루어진 전기 구동재료를 액추에이터로서 사용할 수 있다. 전류 또는 전압에 의해 전기 구동재료의 형상이나 크기를 변화시켜, 규정되는 조작부재(40)의 개방 위치를 변화시킬 수 있다. 이러한 전기 구동재료는, 압전재료이어도 되고, 압전재료 이외의 전기 구동재료이어도 된다. 압전재료 이외의 전기 구동재료로 하는 경우에는 전기 구동형 고분자 재료로 할 수 있다.

전기 구동형 고분자 재료는, 전기 활성 고분자 재료(Electro Active Polymer: EAP)로도 불리며, 예를 들면, 외부 전기장이나 쿨롬력에 의해 구동하는 전기성 EAP, 및 폴리머를 팽윤시키고 있는 용매를 전기장에 의해 유동시켜 변형시키는 비이온성 EAP, 전기장에 의한 이온이나 분자의 이동에 의해 구동하는 이온성 EAP 등이 있으며, 이들 중 어느 한개 또는 조합을 사용할 수 있다.

상기 실시형태에서는, 소위 노멀리 클로즈 타입의 밸브를 예로 들었지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니고, 노멀리 오픈 타입의 밸브에도 적용가능하다.

상기 적용 예에서는, 밸브장치(1)을 ALD법에 의한 반도체 제조 프로세스에 사용하는 경우에 대해 예시했지만, 이것에 한정되는 것은 아니고, 본 발명은, 예를 들면, 원자층 에칭법(ALE: Atomic Layer Etching법) 등, 정밀한 유량 조정이 필요한 모든 대상에 적용가능하다.

상기 실시형태에서는, 주 액추에이터로서, 가스압으로 작동하는 실린더 실에 내장된 피스톤을 사용했지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니고, 제어 대상에 따라 최적의 액추에이터를 다양하게 선택가능하다.

상기 실시형태에서는, 위치 검출기구로서 자기 센서 및 자석을 포함하는 것을 예시했지만, 이것에 한정되는 것은 아니고, 광학식의 위치 검출 센서 등의 비접촉식 위치 센서를 채용가능하다.

도9를 참조하여, 본 발명의 밸브장치가 적용되는 유체 제어장치의 일례를 설명한다.

도9에 나타낸 유체 제어장치에는, 폭 방향 W1, W2를 따라 배열되고 길이 방향 G1, G2로 뻗는 금속제의 베이스 플레이트 BS가 설치되어 있다. 이때, W1은 정면측, W2는 배면측, G1은 상류측, G2는 하류측의 방향을 나타내고 있다. 베이스 플레이트 BS에는, 복수의 유로 블록(992)을 거쳐 각종 유체기기 991A∼991E가 설치되고, 복수의 유로 블록(992)에 의해, 상류측 G1로부터 하류측 G2를 향해서 유체가 유통하는 도시하지 않은 유로가 각각 형성되어 있다.

여기에서, 「유체기기」는, 유체의 흐름을 제어하는 유체 제어장치에 사용되는 기기이며, 유체 유로를 획정하는 보디를 구비하고, 이 보디의 표면에서 개구하는 적어도 2개의 유로구를 갖는 기기이다. 구체적으로는, 개폐 밸브(2방향 밸브)(991A), 레귤레이터(991B), 프레셔 게이지(991C), 개폐 밸브(3방향 밸브)(991D), 매스플로우 콘트롤러(991E) 등이 포함되지만, 이것들에 한정되는 것은 아니다. 이때, 도입 관(993)은, 상기한 도시하지 않은 유로의 상류측의 유로구에 접속되어 있다.

본 발명은, 상기한 개폐 밸브 991A, 991D, 레귤레이터(991B) 등의 다양한 밸브장치에 적용가능하다.

1, 1A, 1B, 1C: 밸브장치
2: 밸브 본체
10: 밸브 보디
11: 오목부
12: 유로
12a: 개구부
12b: 타단
12c, 13: 유로
15: 밸브 시트
20: 다이어프램
25: 누르개 어댑터
27: 액추에이터 받이
27b: 규제면
30: 본네트
40: 조작부재
40h1, 40h2, 40h3: 유통로
48: 다이어프램 누르개
48a: 플랜지부
48t: 당접면
50: 케이싱
51h: 유통로
51: 상측 케이싱 부재
51f: 대향면
52: 하측 케이싱 부재
60: 주 액추에이터
61: 제1 피스톤
62: 제2 피스톤
63: 제3 피스톤
65: 벌크 헤드
70: 조정 보디
70a: 관통공
80: 액추에이터 누르개
85: 위치 검출기구
86: 자기 센서
86a: 배선
87: 자석
90: 코일 스프링
100: 압전 액추에이터(조정용 액추에이터)
101: 케이싱
102: 선단부
103: 기단부
105: 배선
120: 디스크 스프링
130: 격벽부재
150: 공급관
151, 152: 관 조인트
160: 리미트 스위치
161: 가동 핀
200: 압력 레귤레이터
201: 관 조인트
203: 공급관
300: 제어부
301: 수용 박스
302: 지지 플레이트
400: 압력 센서
501, 502: 관 조인트
800, 810: 공급원
900A-900C: 유체 제어장치
A: 원
A1: 상측 방향
A2: 하측 방향
C1-C3: 압력실
CHA, CHB, CHC: 처리 챔버
CP: 폐쇄 위치
Ct: 중심선
G: 압축 에어(구동 유체)
GP1, GP2: 간격
Lf: 리프트량
OP: 개방 위치
OR: O링
PG: 프로세스 가스
SP: 공간
V0: 소정 전압
VA-VC: 개폐 밸브
VOP: 개방 위치
991A-991E: 유체기기
992: 유로 블록
993: 도입 관
1000: 반도체 제조장치

Claims

유체가 유통하는 유로와, 해당 유로의 도중에서 외부로 개구하는 개구부를 획정하는 밸브 보디와,
상기 개구부를 덮으면서 유로와 외부 사이를 떼고, 또한, 상기 개구부의 주위에 당접 및 이격함으로써 유로를 개폐하는 다이어프램과,
상기 다이어프램에 유로를 폐쇄시키는 폐쇄 위치와 상기 다이어프램에 유로를 개방시키는 개방 위치 사이에서 이동가능하게 설치된 상기 다이어프램을 조작하는 조작부재와,
공급되는 구동 유체의 압력을 받고, 상기 조작부재를 상기 개방 위치 또는 폐쇄 위치로 이동시키는 주 액추에이터와,
주어진 전력을 신축하는 힘으로 변환하는 수동 요소를 이용하고, 또한, 상기 개방 위치에 위치가 부여된 상기 조작부재의 위치를 조정하기 위한 조정용 액추에이터와,
상기 밸브 보디에 대한 상기 조작부재의 변위를 검출하기 위한 위치 검출기구를 갖는 밸브장치.
제 1항에 있어서,
상기 위치 검출기구는, 가동부와 고정부를 포함하고,
상기 가동부는, 상기 조작부와 함께 이동하도록 설치되고,
상기 고정부는, 상기 밸브 보디에 대해 이동하지 않도록 설치되어 있는 밸브장치.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 위치 검출기구의 검출 신호는, 상기 조정용 액추에이터를 구동제어하는 제어부에서 사용되는 밸브장치.
제 2항 또는 제3항에 있어서,
상기 위치 검출기구는, 자석과, 상기 자석과의 상대 위치에 따른 자계의 강도를 검출하는 자기 센서를 포함하는 밸브장치.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 주 액추에이터는, 상기 조작부재를 상기 개방 위치로 이동시키고,
상기 조정용 액추에이터는, 상기 주 액추에이터에 의해 상기 개방 위치에 위치가 부여된 상기 조작부재에 작용하는 힘을 해당 조정용 액추에이터의 선단부에서 받아내어 해당 조작부재의 이동을 규제하면서, 해당 조작부재의 위치를 조정하는 밸브장치.
제 5항에 있어서,
상기 조작부재와 상기 조정용 액추에이터 사이에는, 해당 조정용 액추에이터를 상기 소정 위치를 향해 부세하고, 또한, 상기 다이어프램을 밸브 폐쇄 방향으로 부세하는 탄성부재가 개재하고 있는 것을 특징으로 하는 밸브장치.
제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 조정용 액추에이터는, 전원 공급에 따라 신축하는 구동원을 갖는 밸브장치.
제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 조정용 액추에이터는, 압전소자의 신축을 이용한 액추에이터를 포함하는 밸브장치.
제 8항에 있어서,
상기 조정용 액추에이터는, 기단부와 선단부를 갖는 케이싱과, 해당 케이싱 내에 수용되고 상기 기단부와 상기 선단부 사이에서 적층된 압전소자를 갖고, 상기 압전소자의 신축을 이용해서 해당 케이싱의 상기 기단부와 상기 선단부 사이의 전체 길이를 신축시키는 밸브장치.
제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 조정용 액추에이터는, 전기 구동형 폴리머를 구동원으로서 갖는 액추에이터를 포함하는 밸브장치.
청구항 1 내지 10 중 어느 한 항에 기재된 밸브장치를 사용하여, 유체의 유량을 조정하는 유량 제어방법.
복수의 유체기기가 배열된 유체 제어장치로서,
상기 복수의 유체기기는, 청구항 1 내지 10 중 어느 한 항에 기재된 밸브장치를 포함하는 유체 제어장치.
밀폐된 챔버 내에 있어서 프로세스 가스에 의한 처리공정을 필요로 하는 반도체장치의 제조 프로세스에 있어서, 상기 프로세스 가스의 유량 제어에 청구항 1 내지 10 중 어느 한 항에 밸브장치를 사용한 반도체 제조방법.
밀폐된 챔버 내에 있어서 프로세스 가스에 의한 처리공정을 필요로 하는 반도체장치의 제조 프로세스에 있어서, 상기 프로세스 가스의 유량 제어에 청구항 1 내지 10 중 어느 한 항에 기재된 밸브장치를 사용한 반도체 제조장치.