WO2020158459A1 - バルブ装置、このバルブ装置を用いた流量制御方法、流体制御装置、半導体製造方法、および半導体製造装置 - Google Patents

バルブ装置、このバルブ装置を用いた流量制御方法、流体制御装置、半導体製造方法、および半導体製造装置 Download PDF

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俊英 吉田
竜太郎 丹野
裕也 鈴木
研太 近藤
中田　知宏
篠原　努
昌彦 滝本
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    • G05D7/0635—Control of flow characterised by the use of electric means specially adapted for fluid materials characterised by the type of regulator means by action on throttling means

Definitions

  • the present invention relates to a valve device, a flow rate control method and a fluid control device using the valve device, and a semiconductor manufacturing method.
  • a fluid control device in which various fluid control devices such as an on-off valve, a regulator and a mass flow controller are integrated is used in order to supply an accurately metered processing gas to a processing chamber.
  • the processing gas output from the above fluid control device is directly supplied to the processing chamber.
  • Process gas supplied from the fluid control device for temporary supply is temporarily stored in the tank as a buffer, and the valve provided in the immediate vicinity of the process chamber is opened and closed frequently to vacuum the process gas from the tank. Supplying to an atmosphere processing chamber is underway.
  • the valve provided in the immediate vicinity of the processing chamber refer to, for example, Patent Document 1.
  • the ALD method is one of the chemical vapor deposition methods, and under the film forming conditions such as temperature and time, two or more kinds of processing gases are alternately flowed one by one on the surface of a substrate to generate atoms on the surface of the substrate. It is a method of reacting and depositing films in single layers. Since it is possible to control single atom layers, it is possible to form a uniform film thickness, and it is possible to grow the film very densely as a film quality. .. In the semiconductor manufacturing process by the ALD method, it is necessary to precisely adjust the flow rate of the processing gas.
  • Patent Document 2 proposes a simple valve device. Conventionally, there has been a demand for the valve device disclosed in Patent Document 2 to detect the opening degree of a diaphragm as a valve element and to perform more precise flow rate control.
  • An object of the present invention is to provide a valve device capable of precisely adjusting the flow rate. Another object of the present invention is to provide a flow control method, a fluid control apparatus, a semiconductor manufacturing method, and a semiconductor manufacturing apparatus using the above valve device.
  • a valve device a valve body that defines a flow path through which a fluid flows, and an opening that opens to the outside in the middle of the flow path, A valve seat provided around the opening of the valve body.
  • Diaphragm An operating member for operating the diaphragm, which is movably provided between a closed position where the diaphragm closes the flow path and an open position where the diaphragm opens the flow path, A main actuator that moves the operating member to the open position or the closed position by receiving the pressure of the supplied driving fluid; Utilizing a passive element that expands and contracts according to a given input signal, and an adjusting actuator for adjusting the position of the operating member positioned in the open position, A position detection mechanism for detecting the position of the operating member with respect to the valve body, An origin position determining unit that determines an origin position of the position detection mechanism by utilizing a valve closed state in which the diaphragm contacts the valve seat.
  • the origin position determining unit determines and updates the origin position every time the valve is closed.
  • control unit that drives the adjustment actuator to control the operating member to the target position from the origin position determined by the origin determination unit so that the valve opening becomes the target opening.
  • the flow rate control method of the present invention is a flow rate control method in which the flow rate of a fluid is adjusted using the valve device having the above configuration.
  • the fluid control device of the present invention is a fluid control device in which a plurality of fluid devices are arranged,
  • the plurality of fluid devices include the valve device having the above configuration.
  • the semiconductor manufacturing method of the present invention uses the valve device having the above-mentioned configuration for controlling the flow rate of the process gas in the manufacturing process of the semiconductor device which requires the process step of the process gas in the closed chamber.
  • the semiconductor manufacturing apparatus of the present invention uses the valve device having the above-described configuration for controlling the flow rate of the process gas in the manufacturing process of the semiconductor device which requires a process step with the process gas in the closed chamber.
  • the origin position of the position detection mechanism is determined by utilizing the contact of the diaphragm with the valve seat, it is possible to detect the valve opening more precisely and realize highly accurate flow rate control.
  • FIG. 1B is a vertical cross-sectional view of the valve device according to the embodiment of the present invention, taken along the line 1A-1A in FIG. 1B is a top view of the valve device of FIG. 1A.
  • FIG. 1D is an enlarged cross-sectional view of the actuator portion taken along the line 1D-1D in FIG. 1B.
  • Explanatory drawing which shows operation
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing an application example of the valve device according to the embodiment of the present invention to a process gas control system of a semiconductor manufacturing apparatus.
  • the functional block diagram which shows schematic structure of a control system.
  • FIG. 1B is an enlarged cross-sectional view of a main part for explaining a state of the valve device of FIG.
  • the flowchart which shows an example of a process of a control part.
  • the graph which shows an example of the relationship between the voltage applied to a piezoelectric actuator, and a deviation.
  • FIG. 3 is an external perspective view showing an example of a fluid control device.
  • FIG. 1A is a cross-sectional view showing the configuration of a valve device 1 according to an embodiment of the present invention, showing a state in which the valve is fully closed.
  • 1B is a top view of the valve device 1
  • FIG. 1C is an enlarged vertical cross-sectional view of the actuator portion of the valve device 1
  • FIG. 1D is an enlarged vertical cross-sectional view of the actuator portion in a direction different by 90 degrees from FIG. 1C
  • FIG. It is an expanded sectional view within a circle A.
  • A1 in FIG. 1A is upward and A2 is downward.
  • the valve device 1 includes a housing box 301 provided on the support plate 302, a valve body 2 installed in the housing box 301, and a pressure regulator 200 installed on the ceiling of the housing box 301.
  • 10 is a valve body
  • 15 is a valve seat
  • 20 is a diaphragm
  • 25 is a presser adapter
  • 27 is an actuator receiver
  • 30 is a bonnet
  • 40 is an operating member
  • 48 is a diaphragm presser
  • 50 is a casing
  • 70 is an adjusting body
  • 80 is an actuator retainer
  • 85 is a position detecting mechanism
  • 86 is a magnetic sensor
  • 87 is a magnet
  • 90 is a coil spring
  • 100 is a piezoelectric actuator as an adjusting actuator
  • 120 is a disc spring
  • 130 Is a partition member
  • 150 is a supply pipe
  • 160 is a limit switch
  • OR is an O-ring as a seal member
  • G is compressed
  • the valve body 10 is made of a metal such as stainless steel and defines the flow paths 12 and 13.
  • the flow path 12 has an opening 12a that opens on one side surface of the valve body 10 at one end, and the pipe joint 501 is connected to the opening 12a by welding.
  • the other end 12b of the flow passage 12 is connected to the flow passage 12c extending in the vertical directions A1 and A2 of the valve body 10.
  • the upper end of the flow path 12c is opened on the upper surface side of the valve body 10, the upper end is opened on the bottom surface of the recess 11 formed on the upper surface side of the valve body 10, and the lower end is on the lower surface side of the valve body 10. It is open.
  • a pressure sensor 400 is provided at the opening on the lower end side of the flow path 12c to close the opening on the lower end side of the flow path 12c.
  • a valve seat 15 is provided around the opening at the upper end of the flow path 12c.
  • the valve seat 15 is made of a synthetic resin (PFA, PA, PI, PCTFE, etc.), and is fitted and fixed in a mounting groove provided at the upper edge of the opening of the flow path 12c. In this embodiment, the valve seat 15 is fixed in the mounting groove by caulking.
  • the flow path 13 has an opening 13a, one end of which opens at the bottom surface of the recess 11 of the valve body 10 and the other end of which opens at the other side surface of the valve body 10 opposite to the flow path 12.
  • the pipe joint 502 is connected to 13a by welding.
  • the diaphragm 20 is disposed above the valve seat 15, defines a flow path that connects the flow path 12c and the flow path 13, and the central portion of the diaphragm 20 moves up and down to be seated on the valve seat 15. As a result, the flow paths 12 and 13 are opened and closed.
  • the diaphragm 20 is made into a spherical shell shape in which the upward convex arc shape is in a natural state by bulging the central portion of a metal thin plate of special stainless steel or the like and a nickel-cobalt alloy thin plate upward. ing.
  • the diaphragm 20 is constructed by laminating three thin plates of this special stainless steel and one thin plate of nickel-cobalt alloy.
  • the outer peripheral edge of the diaphragm 20 is placed on the protrusion formed on the bottom of the recess 11 of the valve body 10, and the lower end of the bonnet 30 inserted into the recess 11 is screwed into the threaded portion of the valve body 10.
  • the valve body 10 is pressed against the protruding portion side via the stainless alloy pressing adapter 25, and is clamped and fixed in an airtight state.
  • the nickel-cobalt alloy thin film may have a different structure as the diaphragm arranged on the gas contact side.
  • the operation member 40 is a member for operating the diaphragm 20 so that the diaphragm 20 opens and closes the space between the flow passage 12 and the flow passage 13, and is formed in a substantially cylindrical shape, and the upper end side is open.
  • the operating member 40 is fitted on the inner peripheral surface of the bonnet 30 via an O-ring OR (see FIGS. 1C and 1D), and is movably supported in the vertical directions A1 and A2.
  • a diaphragm retainer 48 having a retainer made of a synthetic resin such as polyimide that contacts the upper surface of the central portion of the diaphragm 20 is attached to the lower end surface of the operation member 40.
  • a coil spring 90 is provided between the upper surface of the collar portion 48a formed on the outer peripheral portion of the diaphragm retainer 48 and the ceiling surface of the bonnet 30, and the operating member 40 is constantly moved downward by the coil spring 90 in the downward direction A2. Being energized. Therefore, when the main actuator 60 is not operating, the diaphragm 20 is pressed against the valve seat 15 and the space between the flow passage 12 and the flow passage 13 is closed.
  • a disc spring 120 as an elastic member is provided between the lower surface of the actuator receiver 27 and the upper surface of the diaphragm retainer 48.
  • the casing 50 is composed of an upper casing member 51 and a lower casing member 52, and a screw on the inner periphery of the lower end portion of the lower casing member 52 is screwed into a screw on the outer periphery of the upper end portion of the bonnet 30. Further, a screw on the outer circumference of the upper end portion of the lower casing member 52 is screwed with a screw on the inner circumference of the lower end portion of the upper casing member 51.
  • An annular bulkhead 65 is fixed between the upper end of the lower casing member 52 and the facing surface 51f of the upper casing member 51 facing the upper end.
  • An O-ring OR seals between the inner peripheral surface of the bulkhead 65 and the outer peripheral surface of the operating member 40, and between the outer peripheral surface of the bulkhead 65 and the inner peripheral surface of the upper casing member 51.
  • the main actuator 60 has annular first to third pistons 61, 62, 63.
  • the first to third pistons 61, 62, 63 are fitted on the outer peripheral surface of the operating member 40 and are movable in the vertical direction A1, A2 together with the operating member 40.
  • the lower casing member 52 and the inner peripheral surface of the bonnet 30 are sealed with a plurality of O-rings OR. As shown in FIGS.
  • a cylindrical partition wall member 130 is fixed to the inner peripheral surface of the operating member 40 so as to have a gap GP1 between the inner peripheral surface of the operating member 40.
  • the gap GP1 is sealed by a plurality of O-rings OR1 to OR3 provided between the outer peripheral surfaces on the upper and lower end sides of the partition member 130 and the inner peripheral surface of the operating member 40, and the compressed air G as the driving fluid is sealed. It is a flow passage.
  • the flow passage formed by the gap GP1 is arranged concentrically with the piezoelectric actuator 100.
  • a gap GP2 is formed between the casing 101 and the partition member 130 of the piezoelectric actuator 100, which will be described later.
  • pressure chambers C1 to C3 are formed on the lower surfaces of the first to third pistons 61, 62 and 63, respectively.
  • the operation member 40 is formed with flow passages 40h1, 40h2, 40h3 that penetrate in the radial direction at positions communicating with the pressure chambers C1, C2, C3.
  • a plurality of flow passages 40h1, 40h2, 40h3 are formed at equal intervals in the circumferential direction of the operating member 40.
  • the flow passages 40h1, 40h2, 40h3 are respectively connected to the flow passages formed by the above-mentioned gap GP1.
  • the upper casing member 51 of the casing 50 is formed with a flow passage 51h which opens at the upper surface, extends in the vertical directions A1, A2, and communicates with the pressure chamber C1.
  • the supply pipe 150 is connected to the opening of the flow passage 51h via a pipe joint 152.
  • the compressed air G supplied from the supply pipe 150 is supplied to the pressure chambers C1, C2, C3 through the respective flow passages described above.
  • the space SP above the first piston 61 in the casing 50 is connected to the atmosphere through the through hole 70a of the adjustment body 70.
  • the limit switch 160 is installed on the casing 50, and the movable pin 161 penetrates the casing 50 and contacts the upper surface of the first piston 61.
  • the limit switch 160 detects the amount of movement of the first piston 61 (operation member 40) in the vertical direction A1, A2 in accordance with the movement of the movable pin 161.
  • Position Detection Mechanism As shown in FIG. 1E, the position detection mechanism 85 is provided on the bonnet 30 and the operation member 40, and has a magnetic sensor 86 embedded along the radial direction of the bonnet 30 and the magnetic sensor 86.
  • the magnet 87 is embedded in a part of the operation member 40 in the circumferential direction so as to face each other.
  • the wiring 86a is led out to the outside of the hood 30, the wiring 86a includes a power supply line and a signal line, and the signal line is electrically connected to the control unit 300 described later.
  • the magnetic sensor 86 for example, one using a Hall element, one using a coil, one using an AMR element whose resistance value changes depending on the strength and direction of the magnetic field, and the like can be cited. Detection can be non-contact.
  • the magnet 87 may be magnetized in the vertical directions A1 and A2, or may be magnetized in the radial direction. Further, the magnet 87 may be formed in a ring shape.
  • the magnetic sensor 86 is provided on the bonnet 30 and the magnet 87 is provided on the operation member 40.
  • the present invention is not limited to this and can be appropriately changed.
  • the piezoelectric actuator 100 has a stacked piezoelectric element (not shown) built in a cylindrical casing 101 shown in FIG.
  • the casing 101 is made of a metal such as a stainless alloy, and has a hemispherical end surface on the side of the front end portion 102 and a closed end surface on the side of the base end portion 103.
  • the total length of the piezoelectric actuator 100 becomes L0 by applying a predetermined voltage V0 at which the expansion of the piezoelectric actuator 100 becomes d.
  • V0 a voltage higher than the predetermined voltage V0
  • the total length of the piezoelectric actuator 100 becomes L0+d at maximum
  • a voltage (including no voltage) lower than the predetermined voltage V0 the total length of the piezoelectric actuator 100 is minimum L0. -D. Therefore, the entire length from the tip end portion 102 to the base end portion 103 can be expanded and contracted in the vertical directions A1 and A2.
  • the tip portion 102 of the piezoelectric actuator 100 has a hemispherical shape, but the present invention is not limited to this, and the tip portion may have a flat surface.
  • electric power is supplied to the piezoelectric actuator 100 through the wiring 105.
  • the wiring 105 is led to the outside through the through hole 70a of the adjustment body 70.
  • the vertical position of the base end portion 103 of the piezoelectric actuator 100 is defined by the lower end surface of the adjustment body 70 via the actuator retainer 80, as shown in FIGS. 1C and 1D.
  • the adjustment body 70 has a screw hole formed in the upper portion of the casing 50, and a screw portion provided on the outer peripheral surface of the adjustment body 70 is screwed into the adjustment body 70 to adjust the position of the adjustment body 70 in the vertical direction A1, A2.
  • the tip portion 102 of the piezoelectric actuator 100 is in contact with a conical receiving surface formed on the upper surface of the disk-shaped actuator receiver 27 as shown in FIG.
  • the actuator receiver 27 is movable in the vertical directions A1 and A2.
  • the supply pipe 203 is connected to the primary side via the pipe joint 201, and the pipe joint 151 provided at the tip of the supply pipe 150 is connected to the secondary side.
  • the pressure regulator 200 is a well-known poppet valve type pressure regulator, and detailed description thereof will be omitted.
  • the high-pressure compressed air G supplied through the supply pipe 203 is lowered to a desired pressure and the pressure on the secondary side is preset.
  • the controlled pressure is controlled to be the adjusted pressure. When there is a fluctuation due to pulsation or disturbance in the pressure of the compressed air G supplied through the supply pipe 203, this fluctuation is suppressed and output to the secondary side.
  • FIG. 3 shows an example in which the valve device 1 according to the present embodiment is applied to a process gas control system of a semiconductor manufacturing device.
  • the semiconductor manufacturing apparatus 1000 of FIG. 3 is, for example, an apparatus for performing a semiconductor manufacturing process by the ALD method
  • 800 is a supply source of compressed air G
  • 810 is a supply source of process gas PG
  • 900A to 900C are fluid control.
  • Devices, VA to VC are opening/closing valves
  • 1A to 1C are valve devices according to the present embodiment
  • CHA to CHC are processing chambers.
  • the fluid control devices 900A to 900C are integrated gas systems in which various fluid devices such as open/close valves, regulators, and mass flow controllers are integrated in order to supply accurately measured process gases PG to the processing chambers CHA to CHC, respectively. is there.
  • the valve devices 1A to 1C precisely control the flow rates of the process gas PG from the fluid control devices 900A to 900C by opening and closing the diaphragm 20 and supply the process gases PG to the processing chambers CHA to CHC, respectively.
  • the opening/closing valves VA to VC execute the cutoff of the supply of the compressed air G according to the control command in order to open/close the valve devices 1A to 1C.
  • compressed air is supplied from the common supply source 800, but the open/close valves VA to VC are driven independently.
  • the compressed air G having a substantially constant pressure is constantly output from the common supply source 800.
  • the open/close valves VA to VC are independently opened/closed, they are affected by pressure loss when the valves are opened/closed.
  • the pressure of the compressed air G supplied to each of the devices 1A to 1C fluctuates and is not constant. If the pressure of the compressed air G supplied to the valve devices 1A to 1C fluctuates, the flow rate adjustment amount by the piezoelectric actuator 100 may fluctuate.
  • the pressure regulator 200 described above is provided.
  • the control unit 300 receives the detection signal of the magnetic sensor 86 and drives and controls the piezoelectric actuator 100.
  • the control unit 300 includes, for example, hardware such as a processor and a memory and required software (not shown) and a driver that drives the piezoelectric actuator 100. A specific example of the control of the piezoelectric actuator 100 by the control unit 300 will be described later.
  • FIGS. 5 and 6 show the valve device 1 in the fully open state
  • FIG. 6 shows the valve device 1 in the fully closed state.
  • the compressed air G is not supplied.
  • the disc spring 120 has already been compressed to some extent and elastically deformed, and the restoring force of the disc spring 120 constantly urges the actuator receiver 27 in the upward direction A1.
  • the piezoelectric actuator 100 is always biased in the upward direction A1, and the upper surface of the base end portion 103 is pressed against the actuator retainer 80.
  • the piezoelectric actuator 100 receives a compressive force in the vertical directions A1 and A2 and is arranged at a predetermined position with respect to the valve body 10. Since the piezoelectric actuator 100 is not connected to any member, it can move relative to the operating member 40 in the vertical directions A1 and A2.
  • the number and direction of the disc springs 120 can be changed appropriately according to the conditions. Further, other elastic members such as a coil spring and a leaf spring can be used in addition to the disc spring 120, but the use of the disc spring has an advantage that the spring rigidity, stroke and the like can be easily adjusted.
  • a gap is formed between the contact surface 48t.
  • the positions of the restriction surface 27b in the vertical direction A1 and A2 are the open positions OP in the state where the opening degree is not adjusted.
  • the distance between the regulation surface 27b and the contact surface 48t in the fully closed state corresponds to the lift amount Lf of the diaphragm 20 shown in FIG.
  • the lift amount Lf defines the opening degree of the valve, that is, the flow rate.
  • the lift amount Lf can be changed by adjusting the positions of the adjustment body 70 in the vertical directions A1 and A2.
  • the diaphragm retainer 48 (operation member 40) in the state shown in FIG. 5 is located at the closed position CP with reference to the contact surface 48t.
  • the contact surface 48t moves to a position where it contacts the restriction surface 27b of the actuator receiver 27, that is, to the open position OP, the diaphragm 20 is separated from the valve seat 15 by the lift amount Lf.
  • the compressed air G When the compressed air G is supplied into the valve device 1 through the supply pipe 150, a thrust force that pushes up the operating member 40 in the upward direction A1 is generated in the main actuator 60.
  • the pressure of the compressed air G is set to a value sufficient to move the operating member 40 in the upward direction A1 against the downward A2 biasing force acting on the operating member 40 from the coil spring 90 and the disc spring 120. There is.
  • the operating member 40 moves in the upward direction A1 while further compressing the disc spring 120, and the contact surface 48t of the diaphragm retainer 48 comes into contact with the restriction surface 27b of the actuator receiver 27.
  • the actuator receiver 27 receives a force from the operation member 40 in the upward direction A1.
  • This force acts as a force that compresses the piezoelectric actuator 100 in the vertical directions A1 and A2 through the tip portion 102 of the piezoelectric actuator 100. Therefore, the upward force A1 acting on the operating member 40 is received by the tip portion 102 of the piezoelectric actuator 100, and the movement of the operating member 40 in the A1 direction is restricted at the open position OP. In this state, the diaphragm 20 is separated from the valve seat 15 by the lift amount Lf described above.
  • the position detection mechanism 85 detects the relative displacement between the valve body 10 and the magnetic sensor 86 in the state shown in FIGS. 5 and 6.
  • the valve opening VOP is calculated as shown in FIG. 9 by using sampling data obtained by sampling the signal detected by the position detection mechanism 85 at a predetermined sampling time (step S1).
  • the valve opening degree VOP is defined by the difference between the displacement P converted from the detection output of the position detection mechanism 85 and the origin position P0, and basically, the magnetic sensor 86 at the position where the diaphragm 20 is in contact with the valve seat 15.
  • the origin position P0 is determined from the detection output of the magnetic sensor 86 when the diaphragm 20 is in contact with the valve seat 15, and the initial origin position P0 is set on the valve seat 15 in the condition shown in FIG. 7A. Is in contact with. However, even when the diaphragm 20 is in contact with the valve seat 15, since the valve seat 15 is made of resin, it may be deformed as shown in FIG. 7B or FIG. , The output of the magnetic sensor 86 is not constant. Therefore, as described later, it is necessary to determine the origin position P0 from the output of the magnetic sensor 86 that has sampled. The initial origin position P0 can be determined when the product is shipped. In addition, a temperature sensor may be separately provided to correct the temperature of the value of the displacement P and the value of the origin position P0.
  • the deviation e between the valve opening VOP and the lift amount Lf is calculated (step S2).
  • a deviation occurs between the valve opening degree VOP and the lift amount Lf in the open state.
  • the deviation e is ⁇
  • the deviation e is ⁇ .
  • step S3: Y a voltage according to the magnitude of the deviation e is applied to the piezoelectric actuator 100. That is, feedback control is performed. Although the deviation e is compensated only by the gain element Kp in the present embodiment, it may be compensated by PID.
  • step S3: N 0 [V] is applied to the piezoelectric actuator 100. As shown in FIG.
  • step S4 the voltage is applied to the piezoelectric actuator 100 only when the deviation e is ⁇ eth or more (step S4), and 0 [V] is applied otherwise (step S5).
  • step S5 the piezoelectric actuator 100 does not operate (does not expand), so the life of the piezoelectric actuator 100 can be extended accordingly.
  • the displacement P is close to the value of the origin position P0, and the value of the valve opening degree VOP, which is the calculation result of step S1, becomes extremely small.
  • the lift amount Lf is subtracted from the valve opening degree VOP in the valve closed state in step S2
  • the deviation e always becomes a negative value.
  • the deviation e When the deviation e is negative, it means that the valve opening degree VOP is smaller than the lift amount Lf, and when step S4 is performed in this state, the voltage applied to the piezoelectric actuator 100 is always a negative value. As a result, the voltage applied to the piezoelectric actuator 100 has a negative value and is substantially 0 [V]. Therefore, it is not necessary to determine that the valve opening degree VOP has fallen below the predetermined opening degree, and therefore the above-mentioned steps S3 and 5 can be omitted. Can be expected.
  • the origin position determination control unit 300 determines from the output of the magnetic sensor 86 whether the valve is closed (step S6). When it is determined that the valve is closed, the origin position is detected (step S7).
  • the control unit 300 also serves as the origin position determining unit (step S6:Y).
  • the detection of the origin position is performed by the following method, for example. (1) The output value of the magnetic sensor is sampled, and the sensor output value at the time point traced back by a predetermined time T0 from the time point when the valve closed state changes to the valve open state (time point when the sensor output value exceeds the threshold value) is set as the origin position.
  • Adopt and update step S8.
  • the left side of the center line Ct in FIGS. 8A and 8B shows the state shown in FIG. 5, and the right side of the center line Ct shows the state after adjusting the position of the operation member 40 in the vertical direction A1, A2. Showing.
  • the piezoelectric actuator 100 is extended to move the operating member 40 in the downward direction A2.
  • the lift amount Lf- after adjustment which is the distance between the diaphragm 20 and the valve seat 15, becomes smaller than the lift amount Lf before adjustment.
  • the extension amount of the piezoelectric actuator 100 may be the deformation amount of the valve seat 15 detected by the position detection mechanism 85.
  • the piezoelectric actuator 100 When adjusting in the direction of increasing the flow rate of the fluid, as shown in FIG. 8B, the piezoelectric actuator 100 is shortened to move the operating member 40 in the upward direction A1. As a result, the lift amount Lf+ after adjustment, which is the distance between the diaphragm 20 and the valve seat 15, becomes larger than the lift amount Lf before adjustment.
  • the reduction amount of the piezoelectric actuator 100 may be the deformation amount of the valve seat 15 detected by the position detection mechanism 85.
  • the maximum value of the lift amount Lf of the diaphragm 20 is about 100 to 200 ⁇ m, and the adjustment amount by the piezoelectric actuator 100 is about ⁇ 20 ⁇ m. That is, the stroke of the piezoelectric actuator 100 cannot cover the lift amount of the diaphragm 20, but by using the main actuator 60 operating with the compressed air G and the piezoelectric actuator 100 together, the main actuator 60 having a relatively long stroke. Since the flow rate can be precisely adjusted by the piezoelectric actuator 100 having a relatively short stroke while ensuring the flow rate supplied by the valve device 1, there is no need to manually adjust the flow rate by the adjustment body 70 or the like. Man-hours are significantly reduced. According to the present embodiment, the flow rate can be precisely adjusted by simply changing the voltage applied to the piezoelectric actuator 100. Therefore, the flow rate can be immediately adjusted and the flow rate can be controlled in real time.
  • the piezoelectric actuator 100 is used as the adjustment actuator that uses the passive element that expands and contracts according to a given input signal, but the present invention is not limited to this.
  • an electrically driven material made of a compound that deforms in response to a change in electric field can be used as the actuator. It is possible to change the shape and size of the electrically driven material by an electric current or a voltage to change the defined open position of the operating member 40.
  • Such an electrically driven material may be a piezoelectric material or an electrically driven material other than the piezoelectric material.
  • an electrically driven polymer material can be used.
  • the electrically driven polymer material is also called an electro active polymer (EAP).
  • EAP electro active polymer
  • an electric EAP driven by an external electric field or Coulomb force and a solvent swelling the polymer are caused to flow by the electric field.
  • nonionic EAP to be deformed ionic EAP driven by movement of ions or molecules by an electric field, and the like, and any one or a combination thereof can be used.
  • a so-called normally closed type valve is taken as an example, but the present invention is not limited to this, and can be applied to a normally open type valve.
  • valve device 1 is used in the semiconductor manufacturing process by the ALD method
  • present invention is not limited to this, and the present invention is, for example, an atomic layer etching method (ALE: Atomic Layer Etching method) or the like. It can be applied to any object that requires precise flow rate adjustment.
  • ALE Atomic Layer Etching method
  • the piston contained in the cylinder chamber operated by gas pressure is used as the main actuator, but the present invention is not limited to this, and various optimum actuators can be selected according to the control target. Is.
  • the position detection mechanism includes a magnetic sensor and a magnet, but the position detection mechanism is not limited to this, and a non-contact position sensor such as an optical position detection sensor can be adopted.
  • FIG. 11 An example of a fluid control device to which the valve device of the present invention is applied will be described with reference to FIG. 11.
  • the fluid control device shown in FIG. 11 is provided with a metal base plate BS which is arranged along the width directions W1 and W2 and extends in the longitudinal directions G1 and G2.
  • W1 indicates the front side
  • W2 indicates the rear side
  • G1 indicates the upstream side
  • G2 indicates the downstream direction.
  • Various fluid devices 991A to 991E are installed on the base plate BS via a plurality of flow path blocks 992, and the plurality of flow path blocks 992 allow a fluid to flow from the upstream side G1 toward the downstream side G2 (not shown). Are formed respectively.
  • the "fluid device” is a device used in a fluid control device that controls the flow of fluid, and includes a body that defines a fluid flow path, and at least two flow path ports that open at the surface of this body. Is a device having. Specifically, it includes an on-off valve (two-way valve) 991A, a regulator 991B, a pressure gauge 991C, an on-off valve (three-way valve) 991D, a mass flow controller 991E, and the like, but is not limited thereto.
  • the introduction pipe 993 is connected to a flow path port on the upstream side of the above-mentioned flow path (not shown).
  • the present invention can be applied to various valve devices such as the on-off valves 991A and 991D and the regulator 991B described above.
  • Valve device 2 Valve body 10: Valve body 11: Recess 12: Flow path 12a: Opening 12b: Other end 12c, 13: Flow path 15: Valve seat 20: Diaphragm 25: Presser adapter 27: Actuator receiver 27b: Control surface 30: Bonnet 40: Operating members 40h1-40h3: Flow passage 48: Diaphragm retainer 48a: Collar portion 48t: Contact surface 50: Casing 51: Upper casing member 51f: Opposing surface 51h: Flow passage 52: Lower casing member 60: Main actuator 61: First piston 62: Second piston 63: Third piston 65: Bulkhead 70: Adjustment body 70a: Through hole 80: Actuator retainer 85: Position detection mechanism 86 : Magnetic sensor 86a: Wiring 87: Magnet 90: Coil spring 100: Piezoelectric actuator (adjustment actuator) 101: Casing 102: Tip part 103: Base part 105: Wiring 120: Disc spring 130: Part

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Abstract

【課題】流量を精密に調整可能なバルブ装置を提供する。 【解決手段】ダイヤフラム２０に流路を閉鎖させる閉位置ＣＰとダイヤフラム２０に流路を開放させる開位置ＯＰとの間で移動可能に設けられたダイヤフラムを操作する操作部材４０と、供給される駆動流体の圧力を受けて、操作部材４０を開位置ＯＰ又は閉位置ＣＰに移動させる主アクチュエータ６０と、与えられた入力信号に応じて伸縮する受動要素を利用し、かつ、開位置ＯＰに位置付けられた操作部材４０の位置を調整するための調整用アクチュエータ１００と、バルブボディ１０に対する操作部材４０の位置を検出するための位置検出機構８５と、ダイヤフラム２０がバルブシート１５に当接する弁閉状態を利用して位置検出機構８５の原点位置を決定する原点位置決定部と、を有する。

Description

バルブ装置、このバルブ装置を用いた流量制御方法、流体制御装置、半導体製造方法、および半導体製造装置
　本発明は、バルブ装置、このバルブ装置を用いた流量制御方法および流体制御装置、半導体製造方法に関する。
　半導体製造プロセスにおいては、正確に計量した処理ガスを処理チャンバに供給するために、開閉バルブ、レギュレータ、マスフローコントローラ等の各種の流体制御機器を集積化した流体制御装置が用いられている。
　通常、上記の流体制御装置から出力される処理ガスを処理チャンバに直接供給するが、原子層堆積法（ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉｃ　Ｌａｙｅｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　法）により基板に膜を堆積させる処理プロセスにおいては、処理ガスを安定的に供給するために流体制御装置から供給される処理ガスをバッファとしてのタンクに一時的に貯留し、処理チャンバの直近に設けられたバルブを高頻度で開閉させてタンクからの処理ガスを真空雰囲気の処理チャンバへ供給することが行われている。なお、処理チャンバの直近に設けられるバルブとしては、例えば、特許文献１を参照。
　ＡＬＤ法は、化学気相成長法の１つであり、温度や時間等の成膜条件の下で、２種類以上の処理ガスを１種類ずつ基板表面上に交互に流し、基板表面上原子と反応させて単層ずつ膜を堆積させる方法であり、単原子層ずつ制御が可能である為、均一な膜厚を形成させることができ、膜質としても非常に緻密に膜を成長させることができる。
　ＡＬＤ法による半導体製造プロセスでは、処理ガスの流量を精密に調整する必要がある。
特開２００７－６４３３３号公報 国際公開ＷＯ２０１８/０８８３２６号公報
　エア駆動式のダイヤフラムバルブにおいては、樹脂製のバルブシートが経時的に潰れていく、熱変化で樹脂製のバルブシートが膨張又は収縮する等の原因で、流量が経時的に変化してしまう。
　このため、処理ガスの流量をより精密にコントロールするには、流量の経時変化に応じて流量調整の必要がある。
　本出願人は、供給される駆動流体の圧力を受けて作動する主アクチュエータに加えて、ダイヤフラムを操作する操作部材の位置を調整するための調整用アクチュエータを設け、自動で流量を精密に調整可能なバルブ装置を特許文献２において提案している。
　従来においては、特許文献２に開示されたバルブ装置に対しては、弁体としてのダイヤフラムの開度を検出して、さらに精密な流量制御に対する要請があった。
　本発明の一の目的は、流量を精密に調整可能なバルブ装置を提供することにある。
　本発明の他の目的は、上記のバルブ装置を用いた流量制御方法、流体制御装置、半導体製造方法および半導体製造装置を提供することにある。
　本発明に係るバルブ装置は、流体が流通する流路と、当該流路の途中で外部に開口する開口部とを画定するバルブボディと、
　前記バルブボディの前記開口部の周囲に設けられたバルブシート
　前記開口部を覆いつつ流路と外部とを隔て、かつ、前記バルブシートに当接および離隔することで流路を開閉する弁体としてのダイヤフラムと、
　前記ダイヤフラムに流路を閉鎖させる閉位置と前記ダイヤフラムに流路を開放させる開位置との間で移動可能に設けられた前記ダイヤフラムを操作する操作部材と、
　供給される駆動流体の圧力を受けて、前記操作部材を前記開位置又は閉位置に移動させる主アクチュエータと、
　与えられた入力信号に応じて伸縮する受動要素を利用し、かつ、前記開位置に位置付けられた前記操作部材の位置を調整するための調整用アクチュエータと、
　前記バルブボディに対する前記操作部材の位置を検出するための位置検出機構と、
　前記ダイヤフラムが前記バルブシートに当接する弁閉状態を利用して前記位置検出機構の原点位置を決定する原点位置決定部と、を有する。
　好ましくは、前記原点位置決定部は、弁閉毎に原点位置を決定し、更新する。
　さらに好ましくは、弁開度が目標開度になるように、前記調整用アクチュエータを駆動して前記原点決定部の決定した原点位置から前記操作部材を目標位置に制御する制御部をさらに有する。
　本発明の流量制御方法は、上記構成のバルブ装置を用いて、流体の流量を調整する流量制御方法である。
　本発明の流体制御装置は、複数の流体機器が配列された流体制御装置であって、
　前記複数の流体機器は、上記構成のバルブ装置を含む。
　本発明の半導体製造方法は、密閉されたチャンバ内においてプロセスガスによる処理工程を要する半導体装置の製造プロセスにおいて、前記プロセスガスの流量制御に上記構成のバルブ装置を用いる。
　本発明の半導体製造装置は、密閉されたチャンバ内においてプロセスガスによる処理工程を要する半導体装置の製造プロセスにおいて、前記プロセスガスの流量制御に上記構成のバルブ装置を用いている。
　本発明によれば、ダイヤフラムがバルブシートに接触することを利用して位置検出機構の原点位置を決定するので、バルブ開度をより精密に検出でき、精度の高い流量制御が実現される。
本発明の一実施形態に係るバルブ装置の縦断面図であって、図１Ｂの１Ａ－１Ａ線に沿った断面図。 図１Ａのバルブ装置の上面図。 図１Ａのバルブ装置のアクチュエータ部の拡大断面図。 図１Ｂの１Ｄ－１Ｄ線に沿ったアクチュエータ部の拡大断面図。 図１Ａの円Ａ内の拡大断面図。 圧電アクチュエータの動作を示す説明図。 半導体製造装置のプロセスガス制御系への本発明の一実施形態に係るバルブ装置の適用例を示す概略図。 制御系の概略構成を示す機能ブロック図。 図１Ａのバルブ装置の全開状態を説明するための要部の拡大断面図。 図１Ａのバルブ装置の全閉状態を説明するための要部の拡大断面図。 流量の経時変化の発生の主原因を説明するための図。 図１Ａのバルブ装置の流量調整時（流量減少時）の状態を説明するための要部の拡大断面図。 図１Ｂのバルブ装置の流量調整時（流量増加時）の状態を説明するための要部の拡大断面図。 制御部の処理の一例を示すフローチャート。 圧電アクチュエータへの印加電圧と偏差との関係の一例を示すグラフ。 流体制御装置の一例を示す外観斜視図。
　図１Ａは、本発明の一実施形態に係るバルブ装置１の構成を示す断面図であって、バルブが全閉時の状態を示している。図１Ｂはバルブ装置１の上面図、図１Ｃはバルブ装置１のアクチュエータ部の拡大縦断面図、図１Ｄは図１Ｃと９０度異なる方向のアクチュエータ部の拡大縦断面図、図１Ｅは図１Ａの円Ａ内の拡大断面図である。なお、以下の説明において図１ＡのＡ１を上方向、Ａ２を下方向とする。
　バルブ装置１は、支持プレート３０２上に設けられた収容ボックス３０１と、収容ボックス３０１内に設置されたバルブ本体２と、収容ボックス３０１の天井部に設置された圧力レギュレータ２００とを有する。
　図１Ａ～図１Ｅにおいて、１０はバルブボディ、１５はバルブシート、２０はダイヤフラム、２５は押えアダプタ、２７はアクチュエータ受け、３０はボンネット、４０は操作部材、４８はダイヤフラム押え、５０はケーシング、６０は主アクチュエータ、７０は調整ボディ、８０はアクチュエータ押え、８５は位置検出機構、８６は磁気センサ、８７は磁石、９０はコイルばね、１００は調整用アクチュエータとしての圧電アクチュエータ、１２０は皿ばね、１３０は隔壁部材、１５０は供給管、１６０はリミットスイッチ、ＯＲはシール部材としてのＯリング、Ｇは駆動流体としての圧縮エアを示す。なお、駆動流体は、圧縮エアに限定されるわけではなく他の流体を用いることも可能である。
　バルブボディ１０は、ステンレス鋼等の金属により形成されており、流路１２，１３を画定している。流路１２は、一端にバルブボディ１０の一側面で開口する開口部１２ａを有し、開口部１２ａに管継手５０１が溶接により接続されている。流路１２は、他端１２ｂがバルブボディ１０の上下方向Ａ１，Ａ２に延びる流路１２ｃと接続されており。流路１２ｃの上端部は、バルブボディ１０の上面側で開口し、上端部は、バルブボディ１０の上面側に形成された凹部１１の底面で開口し、下端部はバルブボディ１０の下面側で開口している。流路１２ｃの下端側の開口には、圧力センサ４００が設けられ、流路１２ｃの下端側の開口を閉塞している。
　流路１２ｃの上端部の開口の周囲にバルブシート１５が設けられている。バルブシート１５は、合成樹脂（ＰＦＡ、ＰＡ、ＰＩ、ＰＣＴＦＥ等）製であり、流路１２ｃの上端側の開口周縁に設けられた装着溝に嵌合固定されている。なお、本実施形態では、かしめ加工によりバルブシート１５が装着溝内に固定されている。
　流路１３は、一端がバルブボディ１０の凹部１１の底面で開口し、かつ、他端にバルブボディ１０の流路１２とは反対側の他側面で開口する開口部１３ａを有し、開口部１３ａに管継手５０２が溶接により接続されている。
　ダイヤフラム２０は、バルブシート１５の上方に配設されており、流路１２ｃと流路１３とを連通する流路を画定すると共に、その中央部が上下動してバルブシート１５に当離座することにより、流路１２,１３を開閉する。本実施形態では、ダイヤフラム２０は、特殊ステンレス鋼等の金属製薄板及びニッケル・コバルト合金薄板の中央部を上方へ膨出させることにより、上に凸の円弧状が自然状態の球殻状とされている。この特殊ステンレス鋼薄板３枚とニッケル・コバルト合金薄板１枚とが積層されてダイヤフラム２０が構成されている。
　ダイヤフラム２０は、その外周縁部がバルブボディ１０の凹部１１の底部に形成された突出部上に載置され、凹部１１内へ挿入したボンネット３０の下端部をバルブボディ１０のねじ部へねじ込むことにより、ステンレス合金製の押えアダプタ２５を介してバルブボディ１０の前記突出部側へ押圧され、気密状態で挾持固定されている。尚、ニッケル・コバルト合金薄膜は、接ガス側に配置されているダイヤフラムとしては、他の構成のものも使用可能である。
　操作部材４０は、ダイヤフラム２０に流路１２と流路１３との間を開閉させるようにダイヤフラム２０を操作するための部材であり、略円筒状に形成され、上端側が開口している。操作部材４０は、ボンネット３０の内周面にＯリングＯＲを介して嵌合し（図１Ｃ，１Ｄ参照）、上下方向Ａ１，Ａ２に移動自在に支持されている。
　操作部材４０の下端面にはダイヤフラム２０の中央部上面に当接するポリイミド等の合成樹脂製の押え部を有したダイヤフラム押え４８が装着されている。
　ダイヤフラム押え４８の外周部に形成された鍔部４８ａの上面と、ボンネット３０の天井面との間には、コイルばね９０が設けられ、操作部材４０はコイルばね９０により下方向Ａ２に向けて常時付勢されている。このため、主アクチュエータ６０が作動していない状態では、ダイヤフラム２０はバルブシート１５に押し付けられ、流路１２と流路１３の間は閉じられた状態となる。
　アクチュエータ受け２７の下面とダイヤフラム押え４８の上面との間には、弾性部材としての皿ばね１２０が設けられている。
　ケーシング５０は、上側ケーシング部材５１と下側ケーシング部材５２からなり、下側ケーシング部材５２の下端部内周のねじがボンネット３０の上端部外周のねじに螺合している。また、下側ケーシング部材５２の上端部外周のねじに上側ケーシング部材５１の下端部内周のねじが螺合している。
　下側ケーシング部材５２の上端部とこれに対向する上側ケーシング部材５１の対向面５１ｆとの間には、環状のバルクヘッド６５が固定されている。バルクヘッド６５の内周面と操作部材４０の外周面との間およびバルクヘッド６５の外周面と上側ケーシング部材５１の内周面との間は、ＯリングＯＲによりそれぞれシールされている。
　主アクチュエータ６０は、環状の第１～第３のピストン６１，６２，６３を有する。第１～第３のピストン６１，６２，６３は、操作部材４０の外周面に嵌合しており、操作部材４０とともに上下方向Ａ１，Ａ２に移動可能となっている。第１～第３のピストン６１，６２，６３の内周面と操作部材４０の外周面との間、および、第１～第３のピストン６１，６２，６３の外周面と上側ケーシング部材５１，下側ケーシング部材５２，ボンネット３０の内周面との間は複数のＯリングＯＲでシールされている。
　図１Ｃおよび１Ｄに示すように、操作部材４０の内周面には、円筒状の隔壁部材１３０が当該操作部材４０の内周面との間に間隙ＧＰ１を持つように固定されている。間隙ＧＰ１は、隔壁部材１３０の上端側および下端側の外周面と操作部材４０の内周面との間に設けられた複数のＯリングＯＲ１～ＯＲ３によりシールされ、駆動流体としての圧縮エアＧの流通路となっている。この間隙ＧＰ１で形成される流通路は、圧電アクチュエータ１００と同心状に配置されている。後述する圧電アクチュエータ１００のケーシング１０１と隔壁部材１３０との間には、間隙ＧＰ２が形成されている。
　図１Ｄに示すように、第１～第３のピストン６１，６２，６３の下面側には、それぞれ圧力室Ｃ１～Ｃ３が形成されている。
　操作部材４０には、圧力室Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３に連通する位置において半径方向に貫通する流通路４０ｈ１，４０ｈ２，４０ｈ３が形成されている。流通路４０ｈ１，４０ｈ２，４０ｈ３は、操作部材４０の周方向に等間隔に複数形成されている。流通路４０ｈ１，４０ｈ２，４０ｈ３は、上記した間隙ＧＰ１で形成される流通路とそれぞれ接続されている。
　ケーシング５０の上側ケーシング部材５１には、上面で開口し上下方向Ａ１，Ａ２に延びかつ圧力室Ｃ１に連通する流通路５１ｈが形成されている。流通路５１ｈの開口部には、管継手１５２を介して供給管１５０が接続されている。これにより、供給管１５０から供給される圧縮エアＧは、上記した各流通路を通じて圧力室Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３に供給される。
　ケーシング５０内の第１のピストン６１の上方の空間ＳＰは、調整ボディ７０の貫通孔７０ａを通じて大気につながっている。
　図１Ｃに示すように、リミットスイッチ１６０は、ケーシング５０上に設置され可動ピン１６１がケーシング５０を貫通して第1のピストン６１の上面に接触している。リミットスイッチ１６０は、可動ピン１６１の移動に応じて、第1のピストン６１（操作部材４０）の上下方向Ａ１，Ａ２の移動量を検出する。
位置検出機構
　図１Ｅに示すように、位置検出機構８５は、ボンネット３０と操作部材４０とに設けられており、ボンネット３０の半径方向に沿って埋め込まれた磁気センサ８６と、この磁気センサ８６に対向するように操作部材４０の周方向の一部に埋め込まれた磁石８７とを含む。
　磁気センサ８６は、配線８６ａがボンネット３０の外部に導出されており、配線８６ａは給電線と信号線からなり、信号線は後述する制御部３００に電気的に接続される。磁気センサ８６としては、例えば、ホール素子を利用したもの、コイルを利用したもの、磁界の強さや向きによって抵抗値が変化するAMR素子を利用したもの等が挙げられ、磁石との組み合わせにより、位置検知を非接触にできる。
　磁石８７は、上下方向Ａ１，Ａ２に着磁されていてもよいし、半径方向に着磁されていてもよい。また、磁石８７はリング状に形成されていてもよい。
　なお、本実施形態では、磁気センサ８６をボンネット３０に設け、磁石８７を操作部材４０に設けたが、これに限定されるわけではなく、適宜変更できる。例えば、押えアダプタ２５に磁気センサ８６を設け、ダイヤフラム押え４８の外周部に形成された鍔部４８ａの対向する位置に磁石８７を設けることも可能である。バルブボディ１０に対して移動する側に磁石８７を設置し、バルブボディ１０又はバルブボディ１０に対して移動しない側に磁気センサ８６を設置することが好ましい。
　ここで、図２を参照して圧電アクチュエータ１００の動作について説明する。
　圧電アクチュエータ１００は、図２に示す円筒状のケーシング１０１に図示しない積層された圧電素子を内蔵している。ケーシング１０１は、ステンレス合金等の金属製で、半球状の先端部１０２側の端面および基端部１０３側の端面が閉塞している。積層された圧電素子に入力信号としての電圧を印加して伸長させることで、ケーシング１０１の先端部１０２側の端面が弾性変形し、半球状の先端部１０２が長手方向において変位する。積層された圧電素子の最大ストロークを２ｄとすると、圧電アクチュエータ１００の伸びがｄとなる所定電圧Ｖ０を予めかけておくことで、圧電アクチュエータ１００の全長はＬ０となる。そして、所定電圧Ｖ０よりも高い電圧をかけると、圧電アクチュエータ１００の全長は最大でＬ０＋ｄとなり、所定電圧Ｖ０よりも低い電圧（無電圧を含む）をかけると、圧電アクチュエータ１００の全長は最小でＬ０－ｄとなる。したがって、上下方向Ａ１，Ａ２において先端部１０２から基端部１０３までの全長を伸縮させることができる。なお、本実施形態では、圧電アクチュエータ１００の先端部１０２を半球状としたが、これに限定されるわけではなく、先端部が平坦面であってもよい。
　図１Ａや図１Ｃに示すように、圧電アクチュエータ１００への給電は、配線１０５により行われる。配線１０５は、調整ボディ７０の貫通孔７０ａを通じて外部に導出されている。
　圧電アクチュエータ１００の基端部１０３の上下方向の位置は、図１Ｃや図１Ｄに示すように、アクチュエータ押え８０を介して調整ボディ７０の下端面により規定されている。調整ボディ７０は、ケーシング５０の上部に形成されたねじ孔に調整ボディ７０の外周面に設けられたねじ部が螺合されており、調整ボディ７０の上下方向Ａ１，Ａ２の位置を調整することで、圧電アクチュエータ１００の上下方向Ａ１，Ａ２の位置を調整できる。
　圧電アクチュエータ１００の先端部１０２は、図１に示すように円盤状のアクチュエータ受け２７の上面に形成された円錐面状の受け面に当接している。アクチュエータ受け２７は、上下方向Ａ１，Ａ２に移動可能となっている。
　圧力レギュレータ２００は、一次側に管継手２０１を介して供給管２０３が接続され、二次側には供給管１５０の先端部に設けられた管継手１５１が接続されている。
　圧力レギュレータ２００は、周知のポペットバルブ式の圧力レギュレータであり、詳細説明を省略するが、供給管２０３を通じて供給される高圧の圧縮エアＧを所望の圧力へ下げて二次側の圧力が予め設定された調節された圧力になるように制御される。供給管２０３を通じて供給される圧縮エアＧの圧力に脈動や外乱による変動が存在する場合に、この変動を抑制して二次側へ出力する。
　図３に、半導体製造装置のプロセスガス制御系へ本実施形態に係るバルブ装置１を適用した例を示す。
　図３の半導体製造装置１０００は、例えば、ＡＬＤ法による半導体製造プロセスを実行するための装置であり、８００は圧縮エアＧの供給源、８１０はプロセスガスＰＧの供給源、９００Ａ～９００Ｃは流体制御装置、ＶＡ～ＶＣは開閉バルブ、１Ａ～１Ｃは本実施形態に係るバルブ装置、ＣＨＡ～ＣＨＣは処理チャンバである。
　ＡＬＤ法による半導体製造プロセスでは、プロセスガスの流量を精密に調整する必要があるとともに、基板の大口径化により、処理ガスの流量を確保する必要もある。
　流体制御装置９００Ａ～９００Ｃは、正確に計量したプロセスガスＰＧを処理チャンバＣＨＡ～ＣＨＣにそれぞれ供給するために、開閉バルブ、レギュレータ、マスフローコントローラ等の各種の流体機器を集積化した集積化ガスシステムである。
　バルブ装置１Ａ～１Ｃは、上記したダイヤフラム２０の開閉により、流体制御装置９００Ａ～９００ＣからのプロセスガスＰＧの流量を精密に制御して処理チャンバＣＨＡ～ＣＨＣにそれぞれ供給する。
　開閉バルブＶＡ～ＶＣは、バルブ装置１Ａ～１Ｃに開閉動作させるために、制御指令に応じて圧縮エアＧの供給遮断を実行する。
　上記のような半導体製造装置１０００では、共通の供給源８００から圧縮エアが供給されるが、開閉バルブＶＡ～ＶＣはそれぞれ独立に駆動される。
　共通の供給源８００からは、ほぼ一定の圧力の圧縮エアＧが常時出力されるが、開閉バルブＶＡ～ＶＣがそれぞれ独立に開閉されると、バルブ開閉時の圧力損失等の影響を受けてバルブ装置１Ａ～１Ｃにそれぞれ供給される圧縮エアＧの圧力が変動を起こし、一定ではなくなる。
　バルブ装置１Ａ～１Ｃに供給される圧縮エアＧの圧力が変動すると、上記した圧電アクチュエータ１００による流量調整量が変動してしまう可能性がある。この問題を解決するために、上記した圧力レギュレータ２００が設けられている。
　次に、本実施形態に係るバルブ装置１の制御部について図４を参照して説明する。
　図４に示すように、制御部３００は、磁気センサ８６の検出信号が入力され、圧電アクチュエータ１００を駆動制御するようになっている。制御部３００は、例えば、図示しない、プロセッサ、メモリ等のハードウエアおよび所要のソフトウエアと圧電アクチュエータ１００を駆動するドライバとを含む。制御部３００による圧電アクチュエータ１００の制御の具体例については後述する。
　次に、図５および図６を参照して、本実施形態に係るバルブ装置１の基本動作について説明する。
　図５はバルブ装置１のバルブ全開状態を示し、図６はバルブ装置１のバルブ全閉状態を示している。図６に示す状態では、圧縮エアＧは供給されていない。この状態において、皿ばね１２０は既にある程度圧縮されて弾性変形しており、この皿ばね１２０の復元力により、アクチュエータ受け２７は上方向Ａ１に向けて常時付勢されている。これにより、圧電アクチュエータ１００も上方向Ａ１に向けて常時付勢され、基端部１０３の上面がアクチュエータ押え８０に押し付けられた状態となっている。これにより、圧電アクチュエータ１００は、上下方向Ａ１，Ａ２の圧縮力を受け、バルブボディ１０に対して所定の位置に配置される。圧電アクチュエータ１００は、いずれの部材にも連結されていないので、操作部材４０に対して上下方向Ａ１，Ａ２において相対的に移動可能である。
　皿ばね１２０の個数や向きは条件に応じて適宜変更できる。また、皿ばね１２０以外にもコイルばね、板ばね等の他の弾性部材を使用できるが、皿ばねを使用すると、ばね剛性やストローク等を調整しやすいという利点がある。
　図６に示すように、ダイヤフラム２０がバルブシート１５に当接してバルブが閉じた状態では、アクチュエータ受け２７の下面側の規制面２７ｂと、操作部材４０に装着されたダイヤフラム押え４８の上面側の当接面４８ｔとの間には隙間が形成されている。規制面２７ｂの上下方向Ａ１，Ａ２の位置が、開度調整していない状態での開位置ＯＰとなる。全閉状態における規制面２７ｂと当接面４８ｔとの隙間の距離が図５に示すダイヤフラム２０のリフト量Ｌｆに相当する。リフト量Ｌｆは、バルブの開度、すなわち、流量を規定する。リフト量Ｌｆが、上記した調整ボディ７０の上下方向Ａ１，Ａ２の位置を調整することで変更できる。図５に示す状態のダイヤフラム押え４８（操作部材４０）は、当接面４８ｔを基準にすると、閉位置ＣＰに位置する。この当接面４８ｔが、アクチュエータ受け２７の規制面２７ｂに当接する位置、すなわち、開位置ＯＰに移動すると、ダイヤフラム２０がバルブシート１５からリフト量Ｌｆ分だけ離れる。
　供給管１５０を通じて圧縮エアＧをバルブ装置１内に供給すると、操作部材４０を上方向Ａ１に押し上げる推力が主アクチュエータ６０に発生する。圧縮エアＧの圧力は、操作部材４０にコイルばね９０および皿ばね１２０から作用する下方向Ａ２の付勢力に抗して操作部材４０を上方向Ａ１に移動させるのに十分な値に設定されている。このような圧縮エアＧが供給されると、操作部材４０は皿ばね１２０をさらに圧縮しつつ上方向Ａ１に移動し、アクチュエータ受け２７の規制面２７ｂにダイヤフラム押え４８の当接面４８ｔが当接し、アクチュエータ受け２７は操作部材４０から上方向Ａ１へ向かう力を受ける。この力は、圧電アクチュエータ１００の先端部１０２を通じて、圧電アクチュエータ１００を上下方向Ａ１，Ａ２に圧縮する力として作用する。したがって、操作部材４０に作用する上方向Ａ１の力は、圧電アクチュエータ１００の先端部１０２で受け止められ、操作部材４０のＡ１方向の移動は、開位置ＯＰにおいて規制される。この状態において、ダイヤフラム２０は、バルブシート１５から上記したリフト量Ｌｆだけ離隔する。
　次に、バルブ装置１の流量調整の一例について図７，図８Ａ，図８Ｂおよび図９のフローチャートを参照して説明する。
　先ず、上記した位置検出機構８５は、図５および図６に示す状態におけるバルブボディ１０と磁気センサ８６との相対変位を検出している。位置検出機構８５の検出する信号を所定のサンプリング時間でサンプリングしたサンプリングデータを用いて、図９に示すように、バルブ開度ＶＯＰを算出する（ステップＳ１）。バルブ開度ＶＯＰは、位置検出機構８５の検出出力から換算された変位Ｐと原点位置Ｐ０の差で定義され、基本的には、バルブシート１５にダイヤフラム２０が接触した位置での磁気センサ８６の出力と、ダイヤフラム２０がバルブシート１５から離れた状態の磁気センサ８６との差を変位量に換算することで求めることができる。
　原点位置Ｐ０は、ダイヤフラム２０がバルブシート１５に接触した状態の磁気センサ８６の検出出力から決定され、初期の原点位置Ｐ０は、図７の（ａ）に示した状態のバルブシート１５にダイヤフラム２０が当接した状態である。しかし、バルブシート１５にダイヤフラム２０が当接した状態であっても、バルブシート１５が樹脂であるため図７の（ｂ）や図７の（ｃ）のように変形することや外乱の影響で、磁気センサ８６の出力が一定にはならない。このため、後述するように、原点位置Ｐ０をサンプリングした磁気センサ８６の出力から決定する必要がある。なお、初期の原点位置Ｐ０は製品出荷時に決定することができる。また、別途温度センサを設けて、変位Ｐの値、および原点位置Ｐ０の値に温度補正を行っても良い。
　バルブ開度ＶＯＰが算出されると、バルブ開度ＶＯＰとリフト量Ｌｆとの偏差ｅを算出する(ステップＳ２)。図７で説明したように、ダイヤフラム２０に変形が生じると、開状態において、バルブ開度ＶＯＰとリフト量Ｌｆとの間に偏差が生じる。図７の（ｂ）の場合、偏差ｅは－αであり、図７の（ｃ）の場合、偏差ｅはβである。
　次いで、偏差ｅが所定の閾値－ｅth（ｅthは正の値）よりも小さいかを判断する（ステップＳ３）。これは、バルブ装置１がバルブ閉状態にある場合には開度調整が不要であるため、開度調整が不要かどうかを判断する。すなわち、バルブ開度ＶＯＰが所定開度を下回ったかを判断する。
　バルブ開度ＶＯＰが所定開度よりも大きいと判断される場合（ステップＳ３：Ｙ）には、圧電アクチュエータ１００に偏差ｅの大きさに応じた電圧が印加される。すなわち、フィードバック制御が行われる。なお、本実施形態では、偏差ｅをゲイン要素Ｋｐのみで補償したが、ＰＩＤ補償してもよい。
　バルブ開度ＶＯＰが所定開度を下回ったと判断される場合（ステップＳ３：Ｎ）には、圧電アクチュエータ１００に０[Ｖ]が印加される。
　図１０に示すように、偏差ｅが－ｅth以上の場合にのみ圧電アクチュエータ１００に電圧が印加され（ステップＳ４）、それ以外は０[Ｖ]が印加される(ステップＳ５)。これにより、バルブの開度調整が不要の場合には、圧電アクチュエータ１００は作動しない(伸長しない)ので、その分、圧電アクチュエータ１００の寿命を延ばすことができる。
　なお、バルブ閉状態では、変位Ｐは原点位置Ｐ０の値の近傍となり、ステップＳ１の算出結果であるバルブ開度ＶＯＰの値は極端に小さくなる。次いで、ステップＳ２で当該バルブ閉状態でのバルブ開度ＶＯＰからリフト量Ｌｆを減算すると、偏差ｅは必ず負の値になる。偏差ｅが負の場合はリフト量Ｌｆよりバルブ開度ＶＯＰが少ないことを意味し、この状態でステップＳ４が行われると、圧電アクチュエータ１００への印加電圧は必ず負の値になる。この結果、圧電アクチュエータ１００への印加電圧は負の値となり、実質的に０[Ｖ]となる。従って、バルブ開度ＶＯＰが所定開度を下回ったと判断する必要がないため、上述のステップＳ３、ステップ５は省略が可能であり、省略した場合、ステップ数の減少によって、処理速度の高速化が期待できる。
原点位置決定
　制御部３００では、磁気センサ８６の出力からバルブ閉状態かを判断する（ステップＳ６）。バルブ閉状態にあると判断される場合には、原点位置を検出する（ステップＳ７）。制御部３００は原点位置決定部を兼ねている（ステップＳ６：Ｙ）。
　原点位置の検出は、例えば、以下のような方法により行われる。
（１）磁気センサの出力値をサンプルし、弁閉状態から弁開状態になった時点(センサ出力値が閾値を超えた時点）から所定時間Ｔ０だけさかのぼった時点のセンサ出力値を原点位置として採用し更新する（ステップＳ８）。
（２）磁気センサの出力値をサンプルし、弁閉状態から弁開状態になる時点まで(センサ出力値が閾値を超える時点まで）、センサ出力値の移動平均をt時間毎に算出し、原点位置として更新する。
（３）磁気センサの出力値をサンプルし、弁閉状態から弁開状態になる時点(センサ出力値が閾値を超えた時点）までのセンサ出力値の中で最も低い出力値を原点位置として採用し更新する。
　ここで、図８Ａおよび図８Ｂの中心線Ｃｔの左側は、図５に示す状態を示しており、中心線Ｃｔの右側は操作部材４０の上下方向Ａ１，Ａ２の位置を調整した後の状態を示している。
　流体の流量を減少させる方向に調整する場合には、図８Ａに示すように、圧電アクチュエータ１００を伸長させて、操作部材４０を下方向Ａ２に移動させる。これにより、ダイヤフラム２０とバルブシート１５との距離である調整後のリフト量Ｌｆ-は、調整前のリフト量Ｌｆよりも小さくなる。圧電アクチュエータ１００の伸長量は位置検出機構８５で検出したバルブシート１５の変形量としてもよい。
　流体の流量を増加させる方向に調整する場合には、図８Ｂに示すように、圧電アクチュエータ１００を短縮させて、操作部材４０を上方向Ａ１に移動させる。これにより、ダイヤフラム２０とバルブシート１５との距離である調整後のリフト量Ｌｆ+は、調整前のリフト量Ｌｆよりも大きくなる。圧電アクチュエータ１００の縮小量は位置検出機構８５で検出したバルブシート１５の変形量としてもよい。
　本実施形態では、ダイヤフラム２０のリフト量Ｌｆの最大値は１００～２００μｍ程度で、圧電アクチュエータ１００による調整量は±２０μｍ程度である。
　すなわち、圧電アクチュエータ１００のストロークでは、ダイヤフラム２０のリフト量をカバーすることができないが、圧縮エアＧで動作する主アクチュエータ６０と圧電アクチュエータ１００を併用することで、相対的にストロークの長い主アクチュエータ６０でバルブ装置１の供給する流量を確保しつつ、相対的にストロークの短い圧電アクチュエータ１００で精密に流量調整することができ、調整ボディ７０等により手動で流量調整をする必要がなくなるので、流量調整工数が大幅に削減される。
　本実施形態によれば、圧電アクチュエータ１００に印加する電圧を変化させるだけで精密な流量調整が可能であるので、流量調整を即座に実行できるとともに、リアルタイムに流量制御をすることも可能となる。
　上記実施形態では、与えられた入力信号に応じて伸縮する受動要素を利用した調整用アクチュエータとして、圧電アクチュエータ１００を用いたが、これに限定されるわけではない。たとえば、電界の変化に応じて変形する化合物からなる電気駆動材料をアクチュエータとして用いることができる。電流又は電圧により電気駆動材料の形状や大きさを変化させ、規定される操作部材４０の開位置を変化させることができる。このような電気駆動材料は、圧電材料であってもよいし、圧電材料以外の電気駆動材料であってもよい。圧電材料以外の電気駆動材料とする場合には電気駆動型高分子材料とすることができる。
　電気駆動型高分子材料は、電気活性高分子材料（Electro Active Polymer:ＥＡＰ）ともよばれ、例えば外部電場やクーロン力により駆動する電気性ＥＡＰ、およびポリマーを膨潤させている溶媒を電場により流動させて変形させる非イオン性ＥＡＰ、電場によるイオンや分子の移動により駆動するイオン性ＥＡＰ等があり、これらのいずれか又は組合せを用いることができる。
　上記実施形態では、いわゆるノーマリクローズタイプのバルブを例に挙げたが、本発明はこれに限定されるわけではなく、ノーマリオープンタイプのバルブにも適用可能である。
　上記適用例では、バルブ装置１をＡＬＤ法による半導体製造プロセスに用いる場合について例示したが、これに限定されるわけではなく、本発明は、例えば原子層エッチング法（ＡＬＥ：Ａｔｏｍｉｃ　Ｌａｙｅｒ　Ｅｔｃｈｉｎｇ　法）等、精密な流量調整が必要なあらゆる対象に適用可能である。
　上記実施形態では、主アクチュエータとして、ガス圧で作動するシリンダ室に内蔵されたピストンを用いたが、本発明はこれに限定されるわけではなく、制御対象に応じて最適なアクチュエータを種々選択可能である。
　上記実施形態では、位置検出機構として磁気センサおよび磁石を含むものを例示したが、これに限定されるわけではなく、光学式の位置検出センサ等の非接触式位置センサを採用可能である。
　図１１を参照して、本発明のバルブ装置が適用される流体制御装置の一例を説明する。
　図１１に示す流体制御装置には、幅方向Ｗ１，Ｗ２に沿って配列され長手方向Ｇ１，Ｇ２に延びる金属製のベースプレートＢＳが設けられている。なお、Ｗ１は正面側、Ｗ２は背面側，Ｇ１は上流側、Ｇ２は下流側の方向を示している。ベースプレートＢＳには、複数の流路ブロック９９２を介して各種流体機器９９１Ａ～９９１Ｅが設置され、複数の流路ブロック９９２によって、上流側Ｇ１から下流側Ｇ２に向かって流体が流通する図示しない流路がそれぞれ形成されている。
　ここで、「流体機器」とは、流体の流れを制御する流体制御装置に使用される機器であって、流体流路を画定するボディを備え、このボディの表面で開口する少なくとも２つの流路口を有する機器である。具体的には、開閉弁（２方弁）９９１Ａ、レギュレータ９９１Ｂ、プレッシャーゲージ９９１Ｃ、開閉弁（３方弁）９９１Ｄ、マスフローコントローラ９９１Ｅ等が含まれるが、これらに限定されるわけではない。なお、導入管９９３は、上記した図示しない流路の上流側の流路口に接続されている。
　本発明は、上記した開閉弁９９１Ａ、９９１Ｄ、レギュレータ９９１Ｂ等の種々のバルブ装置に適用可能である。
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ　：バルブ装置
２　　　　　　：バルブ本体
１０　　　　　：バルブボディ
１１　　　　　：凹部
１２　　　　　：流路
１２ａ　　　　：開口部
１２ｂ　　　　：他端
１２ｃ，１３　：流路
１５　　　　　：バルブシート
２０　　　　　：ダイヤフラム
２５　　　　　：押えアダプタ
２７　　　　　：アクチュエータ受け
２７ｂ　　　　：規制面
３０　　　　　：ボンネット
４０　　　　　：操作部材
４０ｈ１－４０ｈ３　：流通路
４８　　　　　：ダイヤフラム押え
４８ａ　　　　：鍔部
４８ｔ　　　　：当接面
５０　　　　　：ケーシング
５１　　　　　：上側ケーシング部材
５１ｆ　　　　：対向面
５１ｈ　　　　：流通路
５２　　　　　：下側ケーシング部材
６０　　　　　：主アクチュエータ
６１　　　　　：第1のピストン
６２　　　　　：第２のピストン
６３　　　　　：第３のピストン
６５　　　　　：バルクヘッド
７０　　　　　：調整ボディ
７０ａ　　　　：貫通孔
８０　　　　　：アクチュエータ押え
８５　　　　　：位置検出機構
８６　　　　　：磁気センサ
８６ａ　　　　：配線
８７　　　　　：磁石
９０　　　　　：コイルばね
１００　　　　：圧電アクチュエータ(調整用アクチュエータ)
１０１　　　　：ケーシング
１０２　　　　：先端部
１０３　　　　：基端部
１０５　　　　：配線
１２０　　　　：皿ばね
１３０　　　　：隔壁部材
１５０　　　　：供給管
１５１，１５２　：管継手
１６０　　　　：リミットスイッチ
１６１　　　　：可動ピン
２００　　　　：圧力レギュレータ
２０１　　　　：管継手
２０３　　　　：供給管
３００　　　　：制御部
３０１　　　　：収容ボックス
３０２　　　　：支持プレート
４００　　　　：圧力センサ
５０１，５０２　：管継手
８００，８１０：供給源
９００Ａ－９００Ｃ　：流体制御装置
１０００　　　：半導体製造装置
Ａ　　　　　　：円
Ａ１　　　　　：上方向
Ａ２　　　　　：下方向
Ｃ１－Ｃ３　　：圧力室
ＣＨＡ,ＣＨＢ,ＣＨＣ：処理チャンバ
ＣＰ　　　　　：閉位置
Ｃｔ　　　　　：中心線
Ｇ　　　　　　：圧縮エア（駆動流体）
ＧＰ１，ＧＰ２：間隙
Ｌｆ　　　　　：リフト量
ＯＰ　　　　　：開位置
ＯＲ－ＯＲ３　：Ｏリング
ＰＧ　　　　　：プロセスガス
Ｐ　　　　　　：変位
Ｐ０　　　　　：原点位置
ＳＰ　　　　　：空間
Ｖ０　　　　　：所定電圧
ＶＡ－ＶＣ　　：開閉バルブ
ＶＯＰ　　　　：開位置
９９１Ａ－９９１Ｅ　：流体機器
９９２　　　　：流路ブロック
９９３　　　　：導入管

 

Claims (9)

  1. 　流体が流通する流路と、当該流路の途中で外部に開口する開口部とを画定するバルブボディと、
    　前記バルブボディの前記開口部の周囲に設けられたバルブシート
    　前記開口部を覆いつつ流路と外部とを隔て、かつ、前記バルブシートに当接および離隔することで流路を開閉する弁体としてのダイヤフラムと、
    　前記ダイヤフラムに流路を閉鎖させる閉位置と前記ダイヤフラムに流路を開放させる開位置との間で移動可能に設けられた前記ダイヤフラムを操作する操作部材と、
    　供給される駆動流体の圧力を受けて、前記操作部材を前記開位置又は閉位置に移動させる主アクチュエータと、
    　与えられた入力信号に応じて伸縮する受動要素を利用し、かつ、前記開位置に位置付けられた前記操作部材の位置を調整するための調整用アクチュエータと、
    　前記バルブボディに対する前記操作部材の位置を検出するための位置検出機構と、
    　前記ダイヤフラムが前記バルブシートに当接する弁閉状態を利用して前記位置検出機構の原点位置を決定する原点位置決定部と、を有するバルブ装置。
  2. 　前記原点位置決定部は、弁閉毎に原点位置を決定し、更新する、請求項１に記載のバルブ装置。
  3. 　前記原点位置決定部は、前記位置検出機構の検出信号をサンプリングし、弁閉状態から弁開状態に移行する際のサンプリングデータに基づいて、原点位置を決定する、請求項１又は２に記載のバルブ装置。
  4. 　弁開度が目標開度になるように、前記調整用アクチュエータを駆動して前記原点決定部の決定した原点位置から前記操作部材を目標位置に制御する制御部をさらに有する、請求項１ないし３のいずれかに記載のバルブ装置。
  5. 　前記調整用アクチュエータは、基端部と先端部とを有するケーシングと、当該ケーシング内に収容され前記基端部と前記先端部との間で積層された圧電素子と、を有し、前記圧電素子の伸縮を利用して当該ケーシングの前記基端部と前記先端部との間の全長を伸縮させる、請求項１ないし４のいずれかに記載のバルブ装置。
  6. 　請求項１ないし５のいずれかに記載のバルブ装置を用いて、流体の流量を調整する流量制御方法。
  7. 　複数の流体機器が配列された流体制御装置であって、
    　前記複数の流体機器は、請求項１ないし５のいずれかに記載のバルブ装置を含む、流体制御装置。
  8. 　密閉されたチャンバ内においてプロセスガスによる処理工程を要する半導体装置の製造プロセスにおいて、前記プロセスガスの流量制御に請求項１ないし５のいずれかに記載のバルブ装置を用いた半導体製造方法。
  9. 　密閉されたチャンバ内においてプロセスガスによる処理工程を要する半導体装置の製造プロセスにおいて、前記プロセスガスの流量制御に請求項１ないし５いずれかに記載のバルブ装置を用いた半導体製造装置。
     
PCT/JP2020/001534 2019-01-31 2020-01-17 バルブ装置、このバルブ装置を用いた流量制御方法、流体制御装置、半導体製造方法、および半導体製造装置 Ceased WO2020158459A1 (ja)

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