WO2023182105A1 - 流量制御装置の排気構造、排気方法及びそれを備えたガス供給システム及びガス供給方法 - Google Patents

Abstract

流量制御装置１０の排気構造は、流体入口１３ｉと流体出口１３ｏとを連通する本体流路１３を形成した本体１１、本体流路上に設けられたコントロール弁１２、コントロール弁の下流に設けられた絞り部１４、及び、コントロール弁と絞り部との間の圧力を測定する圧力センサ１６を備える流量制御装置１０と、流量制御装置にガスを供給するガス源２と、ガス源と流量制御装置との間のガス供給路上の分岐点Ａで分岐する排気路４とを備え、分岐点よりも上流のガス供給路３に第１バルブＶ１を配設するとともに、排気路に第２バルブＶ２を配設し、第１流量を制御している状態から第２流量の制御へ変更した時、コントロール弁１２が開いた状態で、第１バルブＶ１を閉止するとともに第２バルブＶ２を開くことで、コントロール弁から絞り部の間に溜まっているガスを排気路４から排気する。

Description

流量制御装置の排気構造、排気方法及びそれを備えたガス供給システム及びガス供給方法

　本発明は、半導体製造設備や化学プラント等で用いられる流量制御装置の排気構造および排気方法ならびにそれらを用いたガス供給システムおよびガス供給方法に関する。

　半導体製造装置や化学プラントにおいて、材料ガスやエッチングガス等の流量を制御するために、種々の流量計および流量制御装置が利用されている。このなかで圧力式流量制御装置は、コントロール弁と絞り部（例えばオリフィスプレートや臨界ノズル）とを組み合せた比較的簡単な機構によって各種流体の質量流量を高精度に制御することができるので広く利用されている。圧力式流量制御装置は、熱式流量制御装置とは異なり、一次側供給圧すなわちコントロール弁上流側の圧力が大きく変動しても、安定した流量制御が行えるという優れた流量制御特性を有している。

　圧力式流量制御装置には、絞り部の上流側の流体圧力（以下、上流圧力Ｐ１と呼ぶことがある）を制御することによって流量を調整するものがある。臨界膨張条件（上流圧力Ｐ１／下流圧力Ｐ２≧約２：アルゴンガスの場合）を満たすとき、絞り部下流側の下流圧力Ｐ２の大きさにかかわらず、絞り部を流れるガスの流速は音速に固定され、絞り部の下流側に流れるガスの質量流量は上流圧力Ｐ１に比例する。このため、絞り部の上流側に設けたコントロール弁を用いて上流圧力Ｐ１を適切に制御することによって、精度よく流量制御を行うことが可能である。

国際公開第２０１５／０６４０３５号 特開２０１３－２３１４６０号公報

　ただし、圧力式流量制御装置は、絞り部の微細孔を通してガスを流す構成であるため、流量を低下させるためにコントロール弁の開度を小さくした後にも、コントロール弁と絞り部との間の残留ガスの圧力が急激には下がらず、例えば１秒程度の比較的長い時間をかけて流出することがある。このため、圧力式流量制御装置には、流量立ち下げ、つまり制御流量を大流量から小流量へ変更する時の応答性をより向上させるために残留ガスをできるだけ早く排出しなければならないという課題があった。

　これに対し、特許文献１には、ガス供給量をステップ状に立ち下げる、いわゆる流量のステップダウン制御を行うときに、より迅速に、コントロール弁と絞り部との間のガス圧力を低下させるための技術が開示されている。特許文献１に記載の圧力式流量制御装置では、コントロール弁と絞り部との間の位置に分岐路としての排気路が接続されており、流量ステップダウンの際には、排気路に設けられた排気弁を短期間開くことによって、より急速に上流圧力Ｐ１を低下させるようにしている。

　しかしながら、特許文献１に記載の方法では、圧力式流量制御装置のコントロール弁と絞り部との間の位置に排気路および排気弁を設ける必要があるため、圧力式流量制御装置の内部の構造がどうしても複雑になりやすいという問題があった。また、特許文献１に記載の方法では、既存の圧力式流量制御装置に対して、改造によって付加的に排気機能を付与することが容易ではなかったため、改めて設計し直した圧力式流量制御装置を用いられることが多かった。

　本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、既存の流量制御装置の構成を利用しながらも、流量ステップダウンの応答性を向上させることができる流量制御装置の排気構造および排気方法ならびにそれらを用いたガス供給システムおよびガス供給方法を提供することをその主たる目的とする。

　本発明の実施形態による流量制御装置の排気構造は、流体入口と流体出口とを連通する本体流路を形成した本体、前記本体流路上に設けられたコントロール弁、前記コントロール弁の下流に設けられた絞り部、及び、前記コントロール弁と前記絞り部との間にある前記本体流路の圧力を測定する圧力センサを備える流量制御装置と、前記流量制御装置にガスを供給するガス源と、前記ガス源と流量制御装置との間のガス供給路上の分岐点で分岐する排気路とを備え、前記分岐点よりも上流の前記ガス供給路に第１バルブを配設するとともに、前記排気路に第２バルブを配設し、前記第１バルブ、前記第２バルブ、および、前記コントロール弁の動作を制御する制御部を有し、前記制御部は、第１流量を制御している状態から第２流量の制御へ変更した時、前記コントロール弁が開いた状態で、前記第１バルブを閉止するとともに前記第２バルブを開くことで、前記コントロール弁から前記絞り部の間に溜まっている前記ガスを前記排気路から排気する。

　ある実施形態において、前記第１流量から第２流量に流量を変更するとき、前記コントロール弁と前記絞り部との間のガスの排気を行う前に、前記第１バルブを閉じ前記第２バルブを開くとともに前記コントロール弁を一旦閉じることによって、前記第１バルブと前記コントロール弁との間のガスを予め排気するように構成されている。

　ある実施形態において、上記の流量制御装置の排気構造は、前記コントロール弁と前記第１バルブとの間の流路の圧力を測定する供給圧力センサをさらに備え、前記第１流量から第２流量に流量を変更するとき、前記供給圧力センサの出力に基づいて前記コントロール弁の開閉動作を制御するように構成されている。

　ある実施形態において、上記の流量制御装置の排気構造は、前記コントロール弁と前記分岐点との間に配置された緩和部をさらに備えている。

　ある実施形態において、複数の前記ガス供給路および対応する複数の前記流量制御装置を備え、前記複数のガス供給路のそれぞれにおいて前記第１バルブが設けられている一方で、前記第２バルブを備える前記排気路が、前記複数のガス供給路に対して共通に接続されている。

　ある実施形態において、複数の前記ガス供給路および対応する複数の前記流量制御装置を備え、前記複数のガス供給路および前記排気路が１つの流路ブロック内に形成されており、前記１つの流路ブロックに、前記第１バルブおよび前記第２バルブが固定されている。

　本発明の実施形態によるガス供給システムは、上記いずれかに記載の流量制御装置の排気構造を含み、前記コントロール弁と前記絞り部との間のガスを第２流量に相当する圧力になるまで前記排気した後、前記第２バルブを閉鎖し、前記第１バルブ及び前記コントロール弁を開いて、第２流量で制御を行うように構成されている。

　本発明の実施形態による流量制御装置の排気方法は、流体入口と流体出口とを連通する本体流路を形成した本体、前記本体流路上に設けられたコントロール弁、前記コントロール弁の下流に設けられた絞り部及び前記コントロール弁と絞り部との間にある前記本体流路の圧力を測定する圧力センサを備える流量制御装置と、前記流量制御装置にガスを供給するガス源と、前記ガス源と流量制御装置との間のガス流路上の分岐点で分岐する排気路とを備え、前記分岐点よりも上流の前記ガス供給路に第１バルブを配設するとともに、前記排気路に第２バルブを配設して構成された流量制御装置の排気構造を用いて行われる流量制御装置の排気方法であって、第１流量を制御している状態から第２流量の制御へ変更する信号を出力するステップと、前記コントロール弁が開いた状態で、前記第１バルブを閉止するとともに前記第２バルブを開くステップと、前記コントロール弁から絞り部の間に溜まっている前記流体を前記排気装置へと排気するステップとを有する。

　ある実施形態において、上記の流量制御装置の排気方法は、前記第１流量を制御している状態から第２流量の制御へ変更する信号を出力するステップの後、前記コントロール弁と前記絞り部との間のガスの排気を行う前に、前記第１バルブを閉じ前記第２バルブを開くとともに前記コントロール弁を一旦閉じることによって、前記第１バルブと前記コントロール弁との間のガスを予め排気をしてから前記コントロール弁を開くステップを含む。

　本発明の実施形態によるガス供給方法は、上記の流量制御装置の排気方法を含み、前記コントロール弁から絞り部の間に溜まっている前記流体を前記排気装置へと排気するステップの後、前記第２バルブを閉鎖し、前記第１バルブ及び前記コントロール弁を開いて、第２流量で制御を行うステップを含む。

　本発明の実施形態にかかる流量制御装置の排気構造を用いたガス供給システムおよび排気方法を用いたガス供給方法によれば、流量ステップダウン時の応答性を向上させることができる。

本発明の実施形態による流量制御装置の排気構造を用いたガス供給システムを示す模式図である。 ガス供給システムが備える流量制御装置の構成例を示す図である。 本発明の他の実施形態による流量制御装置の排気構造を用いたガス供給システムを示す模式図である。 本実施形態にかかる流量ステップダウン動作を行う際のバルブ開閉動作を示す図であり、（ａ）～（ｄ）は順次的なステップを示す。 本実施形態にかかる流量ステップダウン動作を行う際の、上流圧力Ｐ１およびコントロール弁開度ＣＶの時間変化を示すグラフである。 流量ステップダウン時の各信号の一例を示す図である。 本発明の実施形態にかかる流量制御装置の排気動作を含むガス供給動作を示すフローチャートである。 複数のガス供給ラインに対して共通の１の排気路が設けられた実施形態を示す図である。 複数のガス供給ラインのガス供給路および排気路を１の金属ブロック内に形成する実施形態を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。

　以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明するが、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。

　図１は、本実施形態によるガス供給システム１００を示す。ガス供給システム１００は、ガス源１からのガスＧを、ガス供給路３に設けられた圧力式流量制御装置１０を介してプロセスチャンバ２４に供給することができる。圧力式流量制御装置１０の下流側には遮断弁２２が設けられており、プロセスチャンバ２４へのガス供給を停止することができる。また、プロセスチャンバ２４には真空ポンプ２６が接続されており、ガス供給時にプロセスチャンバ２４や流路内を真空引きすることができる。遮断弁２２としては、例えばＡＯＶ（空気駆動弁）や電磁弁が用いられ、圧力式流量制御装置１０に内蔵されていてもよい。

　本実施形態の圧力式流量制御装置１０は、流路に設けられた絞り部１４と、絞り部１４の上流側に設けられたコントロール弁１２と、絞り部１４とコントロール弁１２との間の上流圧力Ｐ１を検出する圧力センサ１６と、絞り部１４とコントロール弁１２との間の温度を検出する温度センサ１８とを備えている。圧力式流量制御装置１０は、絞り部１４の下流側の下流圧力Ｐ２を測定する圧力センサ（図示せず）をさらに備えていても良い。下流圧力Ｐ２を測定する圧力センサは、圧力式流量制御装置１０と一体的に設けられても良いし、圧力式流量制御装置１０とは別に設けられても良い。

　圧力センサ１６としては、例えば、半導体ピエゾ抵抗拡散圧力センサやキャパシタンスマノメータが用いられ、温度センサ１８としては、例えば測温抵抗体やサーミスタが用いられる。コントロール弁１２としては、例えば金属製ダイヤフラム弁体をピエゾアクチュエータによって開閉するピエゾ素子駆動型バルブ（以下、ピエゾバルブと称することがある）が用いられる。ピエゾバルブは、ピエゾ素子に印加する駆動電圧を調整することによって任意開度に開くことができる弁（例えば比例弁）である。

　また、絞り部１４としては、例えばオリフィスプレートや音速ノズルが用いられ、絞り部１４の開口径は、例えば１０～２０００μmに設定される。絞り部１４としては、任意の流れ抵抗体、すなわち、流体の流れや圧力等に制限を与えるものが用いられる。

　図２は、圧力式流量制御装置１０の例示的な構成を示す。圧力式流量制御装置１０は、流体入口１３ｉと流体出口１３ｏとを連通する本体流路１３が形成された本体１１を用いて構成されている。本体１１は、例えばステンレス鋼製の金属ブロックから形成され、本体流路１３は、金属ブロックに穿孔された細長い孔を組み合わせることによって形成される。本体流路１１上には、コントロール弁１２および絞り部１４が設けられる。また、本体１１には、コントロール弁１２と絞り部１４との間にある本体流路１３の圧力を測定する圧力センサ１６が取り付けられている。なお、図２では、図１に示した温度センサ１８等を省略しているが、温度センサ１８は、例えば本体流路１３の近傍にまで穿孔された有底細孔内に配置される。

　再び図１を参照して、圧力式流量制御装置１０は、また、圧力センサ１６、温度センサ１８およびコントロール弁１２に接続された制御回路２０を備えている。制御回路２０は、回路基板上に設けられたＣＰＵ、メモリ、Ａ／Ｄコンバータ等を内蔵し、後述する動作を実行するためのコンピュータプログラムを含んでおり、ハードウェアおよびソフトウェアの組み合わせによって実現される。

　プロセスチャンバ２４にガスを供給するとき、制御回路２０は、圧力センサ１６の出力を用いて流量を求めるとともに、絞り部１４を通過する流量が設定流量になるようにコントロール弁１２を制御する。より具体的には、臨界膨張条件（Ｐ１／Ｐ２≧約２：アルゴンガスの場合）を満たすときには、流量Ｑ＝Ｋ１Ｐ１（Ｋ１は流体の種類と流体温度に依存する比例係数）の関係にしたがって圧力センサ１６の出力から演算流量を求め、演算流量が設定流量と同じになるようにコントロール弁１２をフィードバック制御する。また、下流圧力Ｐ２を測定する圧力センサ（図示せず）を有している場合、非臨界膨張条件下においても、流量Ｑ＝Ｋ２Ｐ２^ｍ（Ｐ１－Ｐ２）^ｎ（Ｋ２は流体の種類と流体温度に依存する比例係数、指数ｍ、ｎは実際の流量から導出された値）の関係にしたがって流量制御を行うことができる。演算により求められた流量は、外部制御装置の表示部において流量出力値として表示されてもよい。

　また、本実施形態のガス供給システム１００において、圧力式流量制御装置１０の上流側には、ガス源１と圧力式流量制御装置１０との間に第１バルブ（ガス供給バルブ）Ｖ１を有するガス供給路３が設けられている。また、ガス供給路３に設けられた第１バルブＶ１と圧力式流量制御装置１０との間の分岐点Ａには、第２バルブ（排気バルブ）Ｖ２を有する排気路４が接続されている。排気路４は排気装置２に接続されており、第２バルブＶ２を開くことによってガス供給路３からのガス排気Ｅを行うことができる。第１バルブＶ１および第２バルブＶ２としては、応答性の良好な例えばＡＯＶ（空気駆動弁）、電磁弁または電動弁などのオンオフ弁が好適に用いられるが、ピエゾバルブなどの開度調整可能なバルブを用いることもできる。

　また、第１バルブＶ１と圧力式流量制御装置１０との間において、ガス供給路３には、供給圧力Ｐ０を測定するための供給圧力センサ２８が設けられている。供給圧力センサ２８は、通常のガス供給時において、供給圧力Ｐ０が十分高い値に保たれているかを確認するために用いられる他、後述する流量ステップダウン時における供給圧力Ｐ０のモニタのために用いられる。供給圧力センサ２８としても、圧力センサ１６と同様に、例えば、半導体ピエゾ抵抗拡散圧力センサやキャパシタンスマノメータが用いられ、図１に示す態様とは異なり、圧力式流量制御装置１０に組み込まれていてもよい。

　図３は、他の実施形態によるガス供給システム１００ａを示す。ガス供給路３やコントロール弁１２と絞り部１４の間のガスを排気路４を介して急激に排気した場合、コントロール弁１２より下流の圧力Ｐ１が急激な圧力変動を起こすため、不安定な状態で制御を行うことになり、その結果、流量制御が不安定になる可能性もある。そのような状況を防止するために、図３に示すように、圧力式流量制御装置１０またはコントロール弁１２と分岐点Ａとの間に、排気時のガスの流れをある程度緩和（制限）するための緩和部２９を設けても良い。これによって、上流圧力Ｐ１の急激な圧力変動を抑えて、スムーズな流量制御が行えるようになる。緩和部２９としては、絞り部１４で使用しているオリフィスや音速ノズル等よりは開口面積が大きいものを用いれば良い。

　以下、図４および図５を参照しながら、流量ステップダウンを行うときのガス供給システム１００の動作を説明する。

　図４は、第１流量ＱＨから、これよりも低い第２流量ＱＬに流量をステップダウンさせるときの第１バルブＶ１、第２バルブＶ２、および、コントロール弁１２の開閉動作を（ａ）～（ｄ）へと順次的に示す図である。図４において、白抜きのバルブは、バルブが開いた状態であることを示し、黒塗りのバルブは、バルブが閉じた状態であることを示す。なお、図４において、簡単化のため、図１に示した供給圧力センサ２８、温度センサ１８、および、制御回路２０は省略している。

　なお、制御回路２０の一部または全ての構成要素は、圧力式流量制御装置１０の外部に設けられていても良い。コントロール弁１２を制御する制御回路２０は、圧力式流量制御装置１０の内部に設け、第1バルブＶ１および第２バルブＶ２の制御は、別の外部にある制御回路によって行うようにしても良いし、圧力式流量制御装置１０のコントロール弁１２の制御も含めて全てを外部から制御するようにしても良い。なお、圧力式流量制御装置１０に内蔵する制御回路２０と他の制御を行う制御回路とが連携が可能なように通信機能や連携する機能を設けておいて、制御回路２０や他の制御回路を含めて制御部として全体を制御するようにしても良い。

　図５は、図４（ａ）～（ｄ）に示す各状態に対応づけて、上流圧力Ｐ１の時間変化、および、コントロール弁１２の開度ＣＶの時間変化を示している。ここで、上記のように圧力式流量制御装置１０において上流圧力Ｐ１は流量に比例するため、流量Ｑを示すものと考えることができる。

　まず、図４（ａ）および図５の（ａ）区間に示すように、第２バルブＶ２を閉じ、第１バルブＶ１およびコントロール弁１２を開いた状態で、ガスを第１流量ＱＨ（例えば１００％流量）で流す。なお、流量は定格流量を１００％として比率で表すことができる。このとき、上流圧力Ｐ１も第１流量ＱＨに対応する高い値を示している。また、コントロール弁１２の開度ＣＶも対応する大きい開度に開かれている。

　また、第１流量でガスを流している状態において、コントロール弁１２の上流側の供給圧力Ｐ０は、上流圧力Ｐ１に対して十分に大きい値に維持されている。一方で、絞り部１４の下流側の下流圧力Ｐ２は、典型的には真空圧（例えば１００Ｔｏｒｒ以下）に維持されており、プロセスチャンバ２４に第１流量でガスの供給が行われている。

　次に、図５に示す時刻ｔ１において、第１流量ＱＨからこれよりも低い第２流量ＱＬへの変更の指令が出されると、図４（ｂ）および図５の（ｂ）区間に示すように、第１バルブＶ１が閉じられ、ガスの供給が停止されるとともに、第２バルブＶ２が開かれて排気Ｅが開始される。

　ここで、本実施形態では、この流量ステップダウンの開始時において、コントロール弁１２も閉じている。すなわち、コントロール弁１２と絞り部１４との間のガスの排気を行う前に、コントロール弁１２を一旦閉じることによって、第１バルブＶ１とコントロール弁１２との間のガスを予め排気している。このようにして、排気路４から、第１バルブＶ１と第２バルブＶ２とコントロール弁１２との間の流路が排気された結果、供給圧力Ｐ０は急速に低下する。一方で、コントロール弁１２が閉じられた状態であっても、コントロール弁１２と絞り部１４との間の残留ガスは、絞り部１４を介して下流側へと流出し、これに伴い、上流圧力Ｐ１も低下する。

　図５に示すように、予排気におけるコントロール弁１２の開度ＣＶは、一次関数的に低下させるようにしてもよい。また、予排気のために第２バルブＶ２を開く前に、全てのバルブ、すなわち第１バルブＶ１、第２バルブＶ２、および、コントロール弁１２を閉じた状態としてから、第２バルブＶ２を開くようにしてもよい。

　そして、供給圧力Ｐ０が十分に低くなった状態で、図５に示す時刻ｔ２のタイミングで、コントロール弁１２を開くようにする。これによって、図４（ｃ）および図５の（ｃ）区間に示すように、コントロール弁１２と絞り部１４との間の残留ガスは、絞り部１４を介して下流側に流出するだけでなく、コントロール弁１２を介して排気路４からも排気される。したがって、上流圧力Ｐ１はより急速に低下し、これとともに、下流側に流れるガスの流量もより迅速に低下させることができる。

　このように排気路４を用いて上流圧力Ｐ１の低下を効果的に促進させるためには、排気の際にコントロール弁１２を大きく開くことが考えられ、少なくとも絞り部１４の開口断面積よりもコントロール弁１２の開度（流路断面積）を大きくすることが好適である。ただし、コントロール弁１２を大きく開きすぎると、その後、第２流量ＱＬでガスを流すときに、コントロール弁１２の開度調整に時間がかかりアンダーシュートを引き起こす可能性もある。これらのことを考慮して、排気動作中のコントロール弁１２の開度は、第１流量や第２流量の大きさに応じて任意に設定されてよく、例えば、図５の（ｃ）区間に示すように一次関数的に徐々に開いていくようなランプ関数制御が採用されてもよい。

　次に、図５に示すように、時刻ｔ３において、上流圧力Ｐ１の十分な低下が確認されたときには、第２流量ＱＬでガスを流す通常の動作に切り替えられる。すなわち、図４（ｄ）に示すように、第１バルブＶ１を開いてガス源２からのガスの供給を再開するとともに、第２バルブＶ２を閉じて排気路４を閉鎖する。これにより、コントロール弁１２の上流側の供給圧力Ｐ０は急速に回復する。

　また、コントロール弁１２は、圧力センサ１６の出力に基づくフィードバック制御に移行し、上流圧力Ｐ１が第２流量ＱＬに対応する圧力に維持されるように開度調整が行われる。これにより、図５の（ｄ）区間に示すように、時刻ｔ３の後も、絞り部１４の下流側に、第２流量ＱＬでガスを継続的に流すことが可能である。上記の流量ステップダウンでは、排気路４を用いて、より迅速に上流圧力Ｐ１を低下させることができるので、その応答性を向上させることができる。

　図６は、第１流量（ここでは１００％流量）から第２流量（ここでは３０％流量）への流量ステップダウンを含む流量制御動作シーケンスの一例を示すグラフである。図６において、Ｖ１、Ｖ２は、第１バルブＶ１および第２バルブＶ２の開閉動作を示し、Ｐ０は、コントロール弁の上流側の供給圧力Ｐ０を示す。また、ＩＮおよびＯＵＴは、圧力式流量制御装置１０への入力信号（設定流量信号）および出力信号（測定した上流圧力Ｐ１に基づく演算流量信号）を示す。さらに、ＣＶＶは、コントロール弁１２を構成するノーマルクローズ型のピエゾバルブに与えられるピエゾ駆動電圧を示し、Ｐ１は、コントロール弁１２と絞り部１４との間の上流圧力Ｐ１を示す。

　図６に示す例では、ピエゾ駆動電圧ＣＶＶ＝０Ｖでコントロール弁１２が閉じられ、ガス供給が停止されている０％流量制御状態から、時刻ｔ０に、１００％流量でガスを流す信号が、圧力式流量制御装置１０に入力される。このとき、第１バルブＶ１は開、第２バルブＶ２は閉に維持されており、供給圧力Ｐ０は、十分に高い圧力（ここでは２５０ｋＰａゲージ圧以上）に維持されている。

　一方、ピエゾ駆動電圧ＣＶＶに初期電圧が与えられ、また、ここでは目標上流圧力Ｐ１のランプ関数制御または一次遅れ制御にしたがい、ピエゾ駆動電圧ＣＶＶも徐々に増加する。このような制御を行うことによって、コントロール弁１２を急激に開くことによる流量オーバーシュートの発生を抑制することができる。なお、コントロール弁１２の制御方法としては、最初からフィードバック制御を行うなど、他の方法を用いても良い。

　その後、コントロール弁１２のフィードバック制御により、上流圧力Ｐ１が一定圧（ここでは３００ｋＰａ絶対圧）に保たれて１００％流量でガスを流している状態から、時刻ｔ１に、３０％流量に低下させる入力信号ＩＮが圧力式流量制御装置１０に与えられる。

　本例では、第１バルブＶ１が閉じられるとともに、第２バルブＶ２が開かれ、供給圧力Ｐ０は減圧状態となる。ピエゾ駆動電圧ＣＶＶは、一瞬０にされてコントロール弁１２を閉とし、ガス供給路３に残留しているガスを一瞬だけ排気した後、元の電圧に戻してコントロール弁１２が開とされ、その後、徐々に開度が小さくされる。このとき、コントロール弁１２が開いているので、コントロール弁１２および第２バルブＶ２を介して、コントロール弁１２と絞り部１４との間の残留ガスは、排気路４を介してより急速に排気される。

　その後、時刻ｔ３において、上流圧力Ｐ１が、第２流量に対応する圧力（ここでは９０ｋＰａ絶対圧）に達した時点で、コントロール弁１２は、第２流量に対応する圧力を維持するためのフィードバック制御に戻される。同時に、第１バルブＶ１が開かれ、第２バルブＶ２が閉じられ、供給圧力Ｐ０が十分に高い圧力に回復するとともに、その後に継続して第２流量でガスを流し続けることができる。

　図７は、流量ステップダウン制御の一例を示すフローチャートである。まず、ステップＳ１に示すように、ガス供給バルブである第１バルブＶ１が開かれ、排気バルブである第２バルブＶ２が閉じられた状態で、コントロール弁開度ＣＶは第１流量に対応する開度に調整されて、絞り部１４の下流側に第１流量でガスが流れている。

　ここで、設定流量信号として、第１流量よりも小さく、かつ、ゼロではない第２流量への流量変更の指令を受け取ったときには、ステップＳ２に示すように、第１バルブＶ１を閉じ、第２バルブＶ２を開いて排気動作を行う。ここでは、コントロール弁開度ＣＶも閉とされ、第１バルブＶ１とコントロール弁１２との間の上流側の流路の予排気が行われる。なお、第１バルブＶ１は、第１流量でガスを流す最後の短期間は閉じられていてもよい。コントロール弁１２と絞り部１４との間の上流圧力Ｐ１を所望値に維持できる限り、第１バルブＶ１を閉じて供給圧力Ｐ０を低下させながら、第２流量へのステップダウンを行う直前の、第１流量でのガス供給を行うことも可能である。

　次に、ステップＳ３において、供給圧力Ｐ０が十分に低下したか否かを、上流圧力Ｐ１との比較によって判断する。供給圧力Ｐ０が上流圧力Ｐ１よりも小さければ、コントロール弁１２を開くことで残留ガスを上流側に排気するのに十分な状況であることが確認できる。このように、供給圧力センサ２８の出力に基づいて、流量ステップダウン時のコントロール弁１２の開閉動作を制御することによって、上流側への排気をより確実、効果的に実施し得る。

　ただし、このステップＳ３は必ずしも必要ではなく、第１バルブＶ１とコントロール弁１２との間の流路体積が比較的小さい場合など、予排気により供給圧力Ｐ０が短時間で急速に低下することが確認できている場合などにおいては、特に圧力の比較を行うことなく、所定の短期間だけコントロール弁１２を閉鎖するように制御してもよい。また、供給圧力Ｐ０が必ずしも上流圧力Ｐ１を下回る必要はなく、供給圧力Ｐ０が所定圧力まで低下したかどうかで予排気を完了するか否かを判断してもよい。さらには、コントロール弁１２をいったん閉じて予排気を行うステップＳ２、Ｓ３そのものを省略することも可能である。

　次に、ステップＳ４に示すように、コントロール弁１２を開くことによって、コントロール弁１２と絞り部１４との間の残留ガスを、上流側の排気路４を介して排気する。これにより、上流圧力Ｐ１および下流側に流れるガスの流量を急速に低下させることができる。このステップＳ４において、コントロール弁１２は、一気に所定開度まで開かれても良いし、徐々に時間をかけて所定開度まで開かれてもよい。また、コントロール弁１２には、上流圧力Ｐ１に基づくフィードバック制御が継続して行われてもよい。残留ガスの上流側への排気が行われている場合であっても、測定された上流圧力Ｐ１が、第２流量に対応する圧力値へと低下するまでは、コントロール弁１２は開いた状態に保たれると考えられるからである。

　そして、ステップＳ５に示すように、上流圧力Ｐ１が、第２流量に対応する上流圧力の閾値Ｐｔｈまで低下したか否かが判断される。この閾値Ｐｔｈは、第２流量に対応する上流圧力Ｐ１の値そのものであってもよいし、これとは異なる値に設定された閾値であってもよい。閾値Ｐｔｈを小さくすれば、上流側への排気時間が長くなるため、より迅速に上流圧力Ｐ１を低下させ得るが、その後、第２流量でガスを流すときに、供給圧力Ｐ０の不足によりアンダーシュートが生じる可能性もある。したがって、閾値Ｐｔｈは、第２流量に対応する上流圧力Ｐ１よりもある程度高い値に設定されていても良い。

　次に、上流圧力Ｐ１の十分な低下が確認されたときには、ステップＳ６に示すように、第１バルブＶ１を開放するとともに、第２バルブＶ２を閉鎖して、供給圧力Ｐ０を回復し、上流側のガス供給態勢を整えたうえで、コントロール弁開度ＣＶを第２流量に対応する開度に制御する。具体的には、上流圧力Ｐ１を測定する圧力センサ１６の出力に基づいてコントロール弁１２をフィードバック制御することにより、絞り部１４の下流側に第２流量でガスを流すことができる。

　以上のようにして上流側に設けた排気路４を用いて流量ステップダウンを行うことによって、上流圧力Ｐ１の低下を促進させることができ、応答性を向上させることができる。また、排気路４は、圧力式流量制御装置１０の上流側のガス供給路３に改造によって追加接続することが比較的容易であるので、既存の圧力式流量制御装置１０はそのまま利用して、付加的に応答性向上の効果を付与することができる。

　以下、他の実施形態にかかるガス供給システムを説明する。図８は、複数のガス供給ラインＬ１～Ｌ３に対して、共通の１つの排気路４が設けられた態様を示す。図８に示すガス供給システムでは、それぞれのガス供給ラインのガス供給路３に、それぞれの圧力式流量制御装置１０が設けられており、異なる種類のガスを所望流量でプロセスチャンバに供給することができる。なお、いずれか１つのガス供給ラインでガス供給が行われている期間、通常、他のガス供給ラインでは、第１バルブＶ１およびコントロール弁１２が閉じられている。

　一方で、排気路４は、各ガス供給路３における第１バルブＶ１とコントロール弁１２との間の分岐点に共通に接続されている。排気路４は、いずれのガス供給ラインＬ１～Ｌ３に対しても、流量ステップダウン時の上流側排気を行うために利用可能であり、応答性を向上させることができる。

　このように共通の排気路４を設けることによって、排気装置２や排気路４、第２バルブＶ２が１つで足りるため、システム構成を簡素化し、低コスト化を図ることができる。また、図示しない供給圧力センサを設ける場合にも、排気路４またはいずれかのガス供給路３に１つ設けるだけで足りる場合もある。

　また、排気装置２を別途設けるのではなく、図１に示した真空ポンプ２６を排気装置２として用いることもできる。この場合、各ガス供給ラインL１～L３が同じプロセスチャンバ２４に接続されるとともに、このプロセスチャンバ２４に接続された真空ポンプ２６を含む排気系に、上流側からの排気を行うための上記の共通の排気路４が接続される。また、本実施形態のように複数のガス供給ラインL１～L３を有する場合だけでなく、図１に示した１系統のガス供給システムにおいても、排気装置２としてチャンバ接続の真空ポンプ２６を利用できることはもちろんである。

　図９（ａ）および（ｂ）は、複数のガス供給ラインＬ１～Ｌ３のガス供給路３および排気路４が、１つの流路ブロック５に設けられた態様を示す。複数のガス供給ラインに対応する流路ブロック自体は、例えば特許文献２に開示されており、一体化されたガス供給システムを形成するために利用されているものである。

　本実施形態では、流路ブロック５としての金属（例えばステンレス鋼）製のブロックに、ドリルを用いた穿孔によって各流路を形成している。なお、図９（ａ）には、Ｕ字型の流路が示されているが、このような流路を穿孔により形成することは容易ではないので、実際には、ブロック端面から穿孔した細孔の開口を封止プラグによって封止したり、上面から斜め下方向に延びるＶ字の細孔を穿孔することによって、各流路を容易に形成可能である。

　図９（ａ）および（ｂ）に示すように、流路ブロック５には、第１バルブＶ１および第２バルブＶ２が固定されており、分岐点Ａで接続されたガス供給路３および排気路４を、複数ライン分、コンパクトに形成することができる。このような流路ブロック５を流量制御装置が設けられた流路ブロックの前段に設けることによって、複数ラインでガスＧの供給を問題なく行いながら、上流側からの排気Ｅも行うことができ、各ラインで流量ステップダウンの応答性を向上させることが可能である。

　以上、本発明の実施形態について説明したが、種々の改変が可能である。例えば、第１流量ＱＨは１００％としているが、それに限らない。同様に、第２流量ＱＬは３０％に限らない。第１流量ＱＨから第２流量ＱＬへ流量の設定が変更になった時に、残圧が発生する状態であれば、第１流量ＱＨも第２流量ＱＬもどのような設定流量であって良い。また、図９（ａ）および（ｂ）には、複数の各ガス供給ラインＬ１～Ｌ３に対応する複数の排気路４および第２バルブＶ２を１つの流路ブロック５に設ける態様を説明したが、各ガス供給路３に共通接続される幅方向に延びる排気路４を形成することなどによって、図８に示したような共通の１つの排気路４および１つの第２バルブＶ２を、１つの流路ブロック５に設ける構成とすることも可能である。

　本発明の実施形態による流量制御装置の排気構造および排気方法ならびにそれらを用いたガス供給システムおよびガス供給方法は、例えば、半導体製造装置などにおいてガス供給のために利用される。

　１　ガス源
　２　排気装置
　３　ガス供給路
　４　排気路
　５　流路ブロック
　１０　圧力式流量制御装置
　１１　本体
　１２　コントロール弁
　１３　本体流路
　１３ｉ　流体入口
　１３ｏ　流体出口
　１４　絞り部
　１６　圧力センサ
　１８　温度センサ
　２０　制御回路（制御部）
　２２　遮断弁
　２４　プロセスチャンバ
　２６　真空ポンプ
　２８　供給圧力センサ
　２９　緩和部
　Ｖ１　第１バルブ　（ガス供給バルブ）
　Ｖ２　第２バルブ　（排気バルブ）
　１００　ガス供給システム
 
 

Claims (10)

1. 　流体入口と流体出口とを連通する本体流路を形成した本体、前記本体流路上に設けられたコントロール弁、前記コントロール弁の下流に設けられた絞り部、及び、前記コントロール弁と前記絞り部との間にある前記本体流路の圧力を測定する圧力センサを備える流量制御装置と、
   　前記流量制御装置にガスを供給するガス源と、
   　前記ガス源と流量制御装置との間のガス供給路上の分岐点で分岐する排気路とを備え、
   　前記分岐点よりも上流の前記ガス供給路に第１バルブを配設するとともに、前記排気路に第２バルブを配設し、
   　前記第１バルブ、前記第２バルブ、および、前記コントロール弁の動作を制御する制御部を有し、
   　前記制御部は、第１流量を制御している状態から第２流量の制御へ変更した時、前記コントロール弁が開いた状態で、前記第１バルブを閉止するとともに前記第２バルブを開くことで、前記コントロール弁から前記絞り部の間に溜まっている前記ガスを前記排気路から排気する、流量制御装置の排気構造。
2. 　前記第１流量から第２流量に流量を変更するとき、前記コントロール弁と前記絞り部との間のガスの排気を行う前に、前記第１バルブを閉じ前記第２バルブを開くとともに前記コントロール弁を一旦閉じることによって、前記第１バルブと前記コントロール弁との間のガスを予め排気するように構成されている、請求項１に記載の流量制御装置の排気構造。
3. 　前記コントロール弁と前記第１バルブとの間の流路の圧力を測定する供給圧力センサをさらに備え、
   　前記第１流量から第２流量に流量を変更するとき、前記供給圧力センサの出力に基づいて前記コントロール弁の開閉動作を制御するように構成されている、請求項１または２に記載の流量制御装置の排気構造。
4. 　前記コントロール弁と前記分岐点との間に配置された緩和部をさらに備えている、請求項１または２に記載の流量制御装置の排気構造。
5. 　複数の前記ガス供給路および対応する複数の前記流量制御装置を備え、前記複数のガス供給路のそれぞれにおいて前記第１バルブが設けられている一方で、前記第２バルブを備える前記排気路が、前記複数のガス供給路に対して共通に接続されている、請求項１または２に記載の流量制御装置の排気構造。
6. 　複数の前記ガス供給路および対応する複数の前記流量制御装置を備え、前記複数のガス供給路および前記排気路が１つの流路ブロック内に形成されており、前記１つの流路ブロックに、前記第１バルブおよび前記第２バルブが固定されている、請求項１または２に記載の流量制御装置の排気構造。
7. 　請求項１または２に記載の流量制御装置の排気構造を含むガス供給システムであって、前記コントロール弁と前記絞り部との間のガスを第２流量に相当する圧力になるまで前記排気した後、前記第２バルブを閉鎖し、前記第１バルブ及び前記コントロール弁を開いて、第２流量で制御を行うように構成されている、ガス供給システム。
8. 　流体入口と流体出口とを連通する本体流路を形成した本体、前記本体流路上に設けられたコントロール弁、前記コントロール弁の下流に設けられた絞り部及び前記コントロール弁と絞り部との間にある前記本体流路の圧力を測定する圧力センサを備える流量制御装置と、
   　前記流量制御装置にガスを供給するガス源と、
   　前記ガス源と流量制御装置との間のガス流路上の分岐点で分岐する排気路とを備え、
   　前記分岐点よりも上流の前記ガス供給路に第１バルブを配設するとともに、前記排気路に第２バルブを配設して構成された流量制御装置の排気構造を用いて行われる流量制御装置の排気方法であって、
   　第１流量を制御している状態から第２流量の制御へ変更する信号を出力するステップと、
   　前記コントロール弁が開いた状態で、前記第１バルブを閉止するとともに前記第２バルブを開くステップと、
   　前記コントロール弁から絞り部の間に溜まっている前記流体を前記排気装置へと排気するステップと、
   　を有する、流量制御装置の排気方法。
9. 　前記第１流量を制御している状態から第２流量の制御へ変更する信号を出力するステップの後、前記コントロール弁と前記絞り部との間のガスの排気を行う前に、前記第１バルブを閉じ前記第２バルブを開くとともに前記コントロール弁を一旦閉じることによって、前記第１バルブと前記コントロール弁との間のガスを予め排気をしてから前記コントロール弁を開くステップを含む、請求項８に記載の流量制御装置の排気方法。
10. 　請求項８または９に記載の流量制御装置の排気方法を含むガス供給方法であって、前記コントロール弁から絞り部の間に溜まっている前記流体を前記排気装置へと排気するステップの後、前記第２バルブを閉鎖し、前記第１バルブ及び前記コントロール弁を開いて、第２流量で制御を行うステップを含む、ガス供給方法。
     
     

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