特開 2023-130676 流量制御装置および気化供給装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023130676

(43)【公開日】2023-09-21

(54)【発明の名称】流量制御装置および気化供給装置

(51)【国際特許分類】

   G05D 7/06 20060101AFI20230913BHJP

【ＦＩ】

G05D7/06 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022035107

(22)【出願日】2022-03-08

(71)【出願人】

【識別番号】390033857

【氏名又は名称】株式会社フジキン

(74)【代理人】

【識別番号】100129540

【弁理士】

【氏名又は名称】谷田 龍一

(74)【代理人】

【識別番号】100137648

【弁理士】

【氏名又は名称】吉武 賢一

(72)【発明者】

【氏名】日高 敦志

(72)【発明者】

【氏名】池田 信一

(72)【発明者】

【氏名】西野 功二

(72)【発明者】

【氏名】中谷 貴紀

(72)【発明者】

【氏名】森崎 和之

【テーマコード（参考）】

5H307

【Ｆターム（参考）】

5H307AA02

5H307BB01

5H307DD02

5H307DD03

5H307EE02

5H307FF03

5H307FF12

5H307HH04

(57)【要約】

【課題】 広い制御範囲で適切に流量制御を行うことができる流量制御装置およびこれを備える気化供給装置を提供する。
【解決手段】 流量制御装置２０は、コントロール弁２２と、コントロール弁の下流側の流路に設けられた小流量絞り部２７Ｓと、コントロール弁の下流側の流路において小流量絞り部と並列に設けられた絞り部内蔵弁２６であって、弁座および弁体を含み流路を開閉する弁機構に大流量絞り部２７Ｌが一体的に設けられた絞り部内蔵弁２６と、コントロール弁と小流量用絞り部および絞り部内蔵弁との間の流体圧力を測定する上流圧力センサ２４とを備え、絞り部内蔵弁の開閉を制御するとともに、上流圧力センサの出力に基づいてコントロール弁の開度を調整することによって流量を制御するように構成されている。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

コントロール弁と、
前記コントロール弁の下流側の流路に設けられた小流量絞り部と、
前記コントロール弁の下流側の流路において前記小流量絞り部と並列に設けられた絞り部内蔵弁であって、弁座および弁体を含み流路を開閉する弁機構に大流量絞り部が一体的に設けられた絞り部内蔵弁と、
前記コントロール弁と、前記小流量絞り部および前記絞り部内蔵弁との間の流体圧力を測定する上流圧力センサと
を備え、
前記絞り部内蔵弁の開閉を制御するとともに、前記上流圧力センサの出力に基づいて前記コントロール弁の開度を調整することによって流量を制御するように構成されている、流量制御装置。

【請求項2】

前記絞り部内蔵弁において、前記大流量絞り部は、前記弁座よりも上流側に配置されている、請求項１に記載の流量制御装置。

【請求項3】

前記小流量絞り部および前記大流量絞り部のそれぞれはオリフィスプレートを含む、請求項１または２に記載の流量制御装置。

【請求項4】

気化器と、
前記気化器の下流側に接続された請求項１から３のいずれかに記載の流量制御装置と
を備える気化供給装置。

【請求項5】

前記気化器と前記流量制御装置との間の流体圧力を測定する供給圧力センサをさらに備える、請求項４に記載の気化供給装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、流量制御装置および気化供給装置に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体製造設備又は化学プラント等において、原料ガスやエッチングガスを所望の流量でプロセスチャンバに供給することが求められている。ガス流量の制御装置としては、マスフローコントローラ（熱式質量流量制御器）や圧力式流量制御装置が知られている。

【0003】

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構成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、一次側の供給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。

【0004】

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。上流圧力Ｐ１は、絞り部の上流側の流路に配置されたコントロール弁の開度を調整することによって制御される。

【0005】

コントロール弁としては、例えば、ピエゾアクチュエータによってダイヤフラム弁体を開閉するように構成されたピエゾ素子駆動式バルブが用いられている。ピエゾ素子駆動式バルブは高い応答性を有しており、これを上流圧力Ｐ１に基づいてフィードバック制御することによって、絞り部下流側のガス流量を適切に制御することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特許第５４３００７号公報

【特許文献2】特許第５４６１７８６号公報

【特許文献3】特許第３５２２５３５号公報

【特許文献4】特開２０２１－３２３９１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

特許文献１には、コントロール弁の下流側において、大流量用のオリフィスが設けられた流路と小流量用のオリフィスが設けられた流路とが並列に接続された圧力式流量制御装置が開示されている。この圧力式流量制御装置では、大流量流路に設けられた開閉弁の開閉を切り替えることによって、制御レンジを変更することができ、幅広い流量レンジで正確に流量制御を行うことができる。

【0008】

ただし、特許文献１に記載の圧力式流量制御装置では、大流量レンジに移行するために開閉弁を閉から開に切り替えたときに、開閉弁と、その下流側に配置された大流量用オリフィスとの間の流路にガスが流れ込み、一時的に上流圧力Ｐ１の比較的大幅な低下が生じる場合がある。この場合、上流圧力Ｐ１に基づく流量制御では、流量切り替え時に出力に揺らぎ（ハンチング、アンダーシュート、オーバーシュート）が生じることがあった。

【0009】

また、小流量レンジに移行するために開閉弁を開から閉に切り替えたときは、開閉弁とオリフィスとの間のガスが、閉弁後にもオリフィスを介して時間をかけて流出する。このため、即時には流量が低下せず応答性に問題が生じる場合があった。また、切り替え直後のガス流出中は、上流圧力Ｐ１から求められる流量と実際流量とにずれが生じているため、流量制御が即座に安定しにくいという問題もあった。

【0010】

また、特許文献２には、気化器に導入された液体材料を加熱し、生成された材料ガスを流量制御して供給するように構成された気化供給装置が開示されている。このような気化供給装置では、比較的高温（例えば１５０℃以上）のガスの流量制御を行うことが求められる。

【0011】

ただし、高温のガスの流量制御を行う場合、ガスのリークになおさら注意する必要がある。ところが、特許文献１に記載されているような２つのオリフィス部材を金属ブロックの連結部に配置する構成では、その部分からリークが生じる可能性が高まる。したがって、気化供給装置を用いて高温ガスの供給を行う場合には、リーク発生の可能性をより低減させながらも、広い流量制御範囲で正確な流量でガスの供給を行うことが求められていた。

【0012】

本発明は、上記課題を解決するために為されたものであり、大流量域と小流量域とを切り替えて制御することで広い流量制御範囲を実現しながらも、切り替え時における流量制御の応答性や安定性を向上させることができ、なおかつ、リーク発生の可能性も低減された流量制御装置および気化供給装置を提供することを主たる目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0013】

本発明の実施態様に係る流量制御装置は、コントロール弁と、前記コントロール弁の下流側の流路に設けられた小流量絞り部と、前記コントロール弁の下流側の流路において前記小流量絞り部と並列に設けられた絞り部内蔵弁であって、弁座および弁体を含み流路を開閉する弁機構に大流量絞り部が一体的に設けられた絞り部内蔵弁と、前記コントロール弁と、前記小流量用絞り部および前記絞り部内蔵弁との間の流体圧力を測定する上流圧力センサとを備え、前記絞り部内蔵弁の開閉を制御するとともに、前記上流圧力センサの出力に基づいて前記コントロール弁の開度を調整することによって流量を制御するように構成されている。

【0014】

ある実施形態において、前記絞り部内蔵弁において、前記大流量絞り部は、前記弁座よりも上流側に配置されている。

【0015】

ある実施形態において、前記小流量絞り部および前記大流量絞り部のそれぞれはオリフィスプレートを含む。

【0016】

本発明の実施形態に係る気化供給装置は、気化器と、前記気化器の下流側に接続された上記いずれかの流量制御装置とを備える。

【0017】

ある実施形態において、上記の気化供給装置は、前記気化器と前記流量制御装置との間の流体圧力を測定する供給圧力センサをさらに備える。

【発明の効果】

【0018】

本発明の実施形態による流量制御装置および気化供給装置によれば、広い制御流量範囲にわたって、半導体製造装置などで用いられるガスを適切に流量制御して供給することができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明の実施形態による気化供給装置を含むガス供給システムを示す模式図である。

【図2】本発明の実施形態による気化供給装置の具体構成例を示す側面図である。

【図3】本発明の実施形態による流量制御装置が備える絞り部内蔵弁を示す断面図である。

【図4】本発明の実施形態による流量制御装置が備える別の態様の絞り部内蔵弁を示す断面図である。

【図5】本発明の実施形態による流量制御装置が備えるコントロール弁の具体構成例を示す断面図である。

【図6】制御流量レンジの変更を伴いながら流量制御を行うときの動作を説明するための図であり、絞り部内蔵弁の動作、上流圧力および流量を示す。

【発明を実施するための形態】

【0020】

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。ただし、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。

【0021】

図１は、本発明の実施形態にかかる気化供給装置５０が組み込まれたガス供給システム１００を示す。ガス供給システム１００は、液体材料源２と、液体材料源２に接続された気化供給装置５０と、遮断弁４を介して気化供給装置５０に接続されたプロセスチャンバ６とを備えている。

【0022】

ガス供給システム１００は、液体材料源２から送られた液体材料Ｌを気化供給装置５０において気化し、得られた材料ガスＧを流量制御してプロセスチャンバ６に供給するように構成されている。なお、図１において、液体材料Ｌの供給路を太い実線で示し、材料ガスＧの供給路を太い破線で示している。

【0023】

プロセスチャンバ６には、真空ポンプ８が接続されており、チャンバ内およびチャンバに接続された流路を減圧することができる。図１には、１系統のガス供給ラインのみが示されているが、種々のガスを供給するために、複数のガス供給ラインがプロセスチャンバ６に接続されていてもよいことは言うまでもない。

【0024】

使用される液体材料Ｌとしては、例えば、ＨＣＤＳ（Ｓｉ_２Ｃｌ_６）、あるいは、ＴＥＯＳ（オルトケイ酸テトラエチル）、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）などの有機金属材料があげられる。これらの材料は室温では液体であり、例えば１５０℃～２００℃程度に加熱することによって気化させることができる。生成された材料ガスＧは、プロセスチャンバ６において、例えば、シリコン窒化膜（ＳｉＮ_ｘ膜）やシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）などの絶縁膜を形成するために用いられる。

【0025】

材料ガスＧは、再液化されないように、比較的高温に保ったままプロセスチャンバ６に供給する必要がある。本実施形態の気化供給装置５０は、供給された液体材料Ｌを気化させるとともに流量制御できるように構成されているので、気化供給装置５０をプロセスチャンバ６の近傍に配置することによって、高温に維持すべき領域を小さくまとめることが可能である。

【0026】

図２は、気化供給装置５０の具体的な構成例を示す。図１および図２に示すように、本実施形態の気化供給装置５０は、気化器１０と、気化器１０の下流側に設けられた流量制御装置２０とを備えている。

【0027】

気化器１０は、液体材料源２から圧送されてきた液体材料Ｌを、図示しないヒータによって加熱し、材料ガスＧを生成するように構成されている。図２に示すように、気化器１０は、予加熱部１４と気化部１６とこれらの間の流路に設けられた液体補充弁１８とを備えていてよい。予加熱部１４において液体材料Ｌを気化しない程度の高温にまで予め加熱しておくことによって、気化部１６での気化を容易にすることができる。これにより、気化潜熱による気化室内での液温の低下を抑制し、材料ガスＧの供給圧力Ｐ０を高い値に維持して安定的にガスを供給しやすくなる。

【0028】

また、本実施形態の気化供給装置５０において、気化器１０で生成した材料ガスＧの供給圧力Ｐ０は、供給圧力センサ１２によって測定されている。供給圧力Ｐ０を測定することによって、気化部１６内の液体材料Ｌの量が十分であるか否かを判断することができる。供給圧力Ｐ０が閾値よりも低下しているときには、液体補充弁１８を開いて液体材料を補充することができ、気化部１６において安定的にガスの生成を行うことができる。

【0029】

また、気化器１０は、気化部１６に所定量を超える液体材料Ｌが供給されたことを検知することができる液体検知部（図示せず）を備えていてもよい。液体検知部を設けることによって、気化部１６への液体材料Ｌの過供給を防止することができる。液体検知部は、例えば、気化室に配置された温度計（白金測温抵抗体、熱電対、サーミスタなど）、液面計、ロードセルなどによって構成される。

【0030】

以下、気化器１０を用いて生成された材料ガスＧの流量制御を行うための流量制御装置２０の詳細構成について説明する。

【0031】

図１および図２に示すように、本実施形態の流量制御装置２０は、コントロール弁２２と、コントロール弁２２の下流側に設けられた上流圧力センサ２４と、コントロール弁２２の下流側で分岐し再度合流する大流量流路ＰＬおよび小流量流路ＰＳとを備えている。流量制御装置２０は、コントロール弁２２の下流側のガスの温度を測定するための図示しない温度センサを備えていても良い。

【0032】

コントロール弁２２としては、例えば、ピエゾ素子駆動型バルブが用いられる。ピエゾ素子駆動型バルブは、ピエゾ素子への印加電圧の制御によってダイヤフラム弁体の移動量を調節することができ、その開度を任意に調節することができる。また、上流圧力センサ２４としては、例えば、歪ゲージが設けられた感圧ダイヤフラムを有するシリコン単結晶製の圧力センサや、キャパシタンスマノメータが用いられる。また、温度センサとしては、例えば、サーミスタや白金測温抵抗体が用いられる。

【0033】

流量制御装置２０において、大流量流路ＰＬには、絞り部内蔵弁２６が設けられている。絞り部内蔵弁２６は、大流量絞り部２７Ｌ（図３および図４参照）が内部流路の弁座の近傍に設けられた開閉弁であり、絞り部内蔵弁２６において、流路を開閉する弁機構（弁座および弁体）と大流量絞り部２７Ｌとが一体的に設けられている。

【0034】

一方、小流量流路ＰＳには、小流量絞り部２７Ｓが設けられている。大流量絞り部２７Ｌが絞り部内蔵弁２６に組み込まれるのに対して、小流量絞り部２７Ｓは、例えば、図２に示されるようにガスケットオリフィスとして流路ブロックの接続部において封止固定されている。大流量絞り部２７Ｌの開口面積は、典型的には、小流量絞り部２７Ｓの開口面積よりも大きく設定されるが、これらは同等であっても良い。

【0035】

大流量絞り部２７Ｌおよび小流量絞り部２７Ｓは、本実施形態では、オリフィスプレートを用いて構成されている。大流量絞り部２７Ｌのオリフィス径は、例えば、約１８０μｍ～２２００μｍに設定され、小流量絞り部２７Ｓのオリフィス径は、例えば、約４０μｍ～１５００μｍに設定される。ただし、絞り部２７Ｓ、２７Ｌとしては、臨界ノズルまたは音速ノズルなどを用いることもできる。

【0036】

また、本実施形態において、絞り部内蔵弁２６は、圧縮空気が駆動部に供給されることによって弁体が動作し流路を開閉させるように構成されている。図１に示すように、絞り部内蔵弁２６には、圧縮空気の供給を制御する電磁弁２９が接続されており、電磁弁２９を制御することによって絞り部内蔵弁２６の開閉を迅速に行うことができる。ただし、これに限られず、絞り部内蔵弁２６は、電磁弁、または、電動弁などの他の態様のオンオフ弁を用いて構成されていてもよい。

【0037】

以上に説明した流量制御装置２０は、上流圧力センサ２４の出力に基づいてコントロール弁２２の開度を調整することによって、小流量絞り部２７Ｓおよび大流量絞り部２７Ｌ（または絞り部内蔵弁２６）の下流側に流れるガスＧ’の流量を制御するように構成されており、圧力式流量制御装置をなしている。流量制御装置２０は、絞り部内蔵弁２６を閉じたときには、小流量流路ＰＳのみを通ってガスが流れるので小流量でのガス供給を行うことができる。また、絞り部内蔵弁２６を開いたときには、主として大流量流路ＰＬ（絞り部２７Ｌ、２７Ｓの口径比によっては大流量流路ＰＬと小流量流路ＰＳとの双方）を通ってガスが流れるので、大流量でのガス供給を行うことができる。

【0038】

より具体的には、流量制御装置２０は、臨界膨張条件Ｐ１／Ｐ２≧約２（ここで、Ｐ１は上流圧力、Ｐ２は下流圧力、約２は窒素ガスの場合）を満たすとき、流量Ｑは下流圧力Ｐ２（絞り部下流側の圧力）によらず上流圧力Ｐ１によって決まるという原理を利用して流量制御を行う。

【0039】

臨界膨張条件を満たすとき、流量Ｑは、Ｑ＝Ｋ１・Ｐ１（Ｋ１は絞り部の開口面積と流体の種類と流体温度に依存する定数）から算出される。また、図示しない下流圧力センサを備える場合、臨界膨張条件を満足しない場合であっても、流量Ｑを、Ｑ＝Ｋ２・Ｐ２^ｍ（Ｐ１－Ｐ２）^ｎ（ここでＫ２は絞り部の開口面積と流体の種類と流体温度に依存する定数、ｍ、ｎは実際の流量を元に導出される指数）から算出することができる。

【0040】

ここで、流量制御装置２０では、絞り部内蔵弁２６が開いている時には、大流量用の流量演算式（具体的には上記のＫ１またはＫ２として、大流量絞り部の開口面積と小流量絞り部の開口面積との合計に対応する定数を用いた式）を用いて演算流量を求め、絞り部内蔵弁２６が閉じている時には、小流量用の演算式（具体的には上記のＫ１またはＫ２として、小流量絞り部の開口面積に対応する定数を用いた式）を用いて演算流量を求めるように構成されている。このため、いずれの場合においても、上流圧力Ｐ１を制御することによって、絞り部下流側の流量制御を行うことができる。

【0041】

流量制御を行うために、設定流量Ｑｓが制御回路（図示せず）に入力され、制御回路は、絞り部内蔵弁２６の開閉状況や、上流圧力センサ２４の出力などに基づいて、上記の式に従って演算流量Ｑｃを求める。そして、この演算流量Ｑｃが、入力された設定流量Ｑｓに近づくようにコントロール弁２２をフィードバック制御する。演算流量Ｑｃは、流量出力値として外部のモニタに表示されてもよい。

【0042】

ここで、絞り部内蔵弁２６のより具体的な構成例について説明する。図３および図４は、大流量流路ＰＬに設けられた絞り部内蔵弁２６（ここではオリフィス内蔵弁）の弁体近傍を拡大して示す断面図であり、それぞれ別の構成例を示す。図３および図４に示すように、絞り部内蔵弁２６において、開口２７Ｏを有する大流量絞り部２７Ｌ（ここではオリフィスプレート）が、内部流路において弁座（または弁座部材２６Ｓ）の近傍位置に設けられている。なお、オリフィス内蔵弁の構成自体は、例えば特許文献３においても示されており、本実施形態でも同様の構成を採用し得る。

【0043】

図３および図４に示すように、絞り部内蔵弁２６では、弁座（または弁座部材２６Ｓ）および弁体２６Ｖによって構成され流路を開閉することができる弁機構に、大流量絞り部２７Ｌが一体的に設けられている。ここで、「一体的」に設けられるとは、弁機構と大流量絞り部２７Ｌとが、流路ブロックの共通の取り付け位置（典型的には凹所）にまとめて配置されることを広く意味し、弁機構と絞り部とが流路ブロックにおける離れた位置に別々に配置された状態ではないことを意味する。「一体的」に設けられるという場合、ダイヤフラム弁体２６Ｖ（または弁座部材２６Ｓ）と大流量絞り部２７Ｌとが同じ取り付け位置にまとめて配置されていればよく、これらが互いに対して固定されている必要はない。また、弁機構（例えば弁座部材２６Ｓ）と、絞り部２７Ｌ（またはこれを固定する支持部材を含む絞り部材）との間に他の任意部材が介在することを排除しない。

【0044】

絞り部内蔵弁２６は、アクチュエータピストン部２６Ａによって、ダイヤフラム弁体２６Ｖを弁座（ここでは弁座部材２６Ｓの上面に形成された環状の接触面）に押圧することによって閉弁するように構成されている。アクチュエータピストン部２６Ａは、圧縮空気を用いて上下動させることができる。また、圧縮空気を供給しないときには、図示しない弾性部材によってピストン部２６Ａを解放方向に移動させることでダイヤフラム弁体２６Ｖの自己復元力を利用して開弁することができる。

【0045】

このような絞り部内蔵弁２６を用いれば、閉弁時のダイヤフラム弁体２６Ｖと大流量絞り部２７Ｌとの間の流路容積２６Ｃを、極めて小さく（例えば、０．０５ｃｃ以下）設計することができる。流路容積２６Ｃは、コントロール弁２２と大流量絞り部２７Ｌおよび小流量絞り部２７Ｓとの間の流路容積と比較して十分に小さいものであり、例えば、１／３０以下である。

【0046】

したがって、閉弁時に絞り部２７Ｌを介して流路容積２６Ｃに流れ込むガスの量が少なく、上流圧力Ｐ１の一時的な低下もほとんど生じない。また、開弁時に、流路容積２６Ｃから流れ出るガスの量もごくわずかであるので、ほとんど無視できるものである。このため、絞り部内蔵弁２６を閉じて小流量レンジでの流量制御への切り替えの際や、絞り部内蔵弁２６を開いて大流量レンジでの流量制御への切り替えの際に生じ得た流量出力の揺らぎ（ハンチング、アンダーシュート、オーバーシュート）を抑制し、また、切り替え後に応答性高く安定した流量制御を行うことができる。

【0047】

また、絞り部内蔵弁２６は、その下方において本体ブロックとの間に大流量絞り部２７Ｌを挟み込んで固定することができるので、大流量絞り部２７Ｌを有しながらもシール性高く設計することが容易である。特に、図３および図４に示したように、大流量絞り部２７Ｌを、互いの凹凸部が嵌合可能な２つの金属部材間に挟持させる構成を採用すれば、組み立ての容易性が向上するとともに、よりシール性を高めて大流量絞り部２７Ｌの固定箇所からのガスリークの発生をより効果的に低減できる。

【0048】

また、弁座部材２６Ｓ（金属製または樹脂製のいずれであってもよい）を、ガスの通り道を周辺部に有する押さえ部材２６Ｐによって、本体ブロックに押さえつけながら固定することによって、ガス流路を形成しながら、しっかりとした固定ができるとともに、絞り部内蔵弁２６の全体のシール性も向上させることができる。したがって、絞り部内蔵弁２６を用いることによって、気化器１０からの比較的高温のガスが流れるときにもリーク発生の可能性を低減することができる。

【0049】

なお、図３に示した態様では、弁座部材２６Ｓの径が、絞り部２７Ｌを挟持する金属部材（まとめて絞り部材と呼ぶことがある）の径よりも大きく、弁座部材２６Ｓが金属部材の側面上部まで覆うように設けられている。これに対して、図４に示した態様では、弁座部材２６Ｓの径が、絞り部材の径よりも小さく、押さえ部材２６Ｐによって例えば樹脂製の弁座部材２６Ｓを絞り部材に対して強く押さえつけることで固定が行われている。絞り部材のサイズと弁機構（ピストン部２６Ａなど）のサイズとが比較的近い場合にはコンパクトに設計できる図４に示した構成を採用すればよいが、閉弁時の入り口側流路と出口側流路との絞り部材周辺で生じ得るリーク発生をより抑制したいときには図３に示した構成を採用すればよい。ただし、絞り部２７Ｌが弁座の近傍に配置されて流路容積２６Ｃを小さく設計できる限り、これら以外にも、絞り部内蔵弁２６は種々の態様を取り得る。

【0050】

また、図３および図４に示したように、本実施形態では、絞り部内蔵弁２６において、材料ガスＧは、絞り部内蔵弁２６の中央部から流入し、周辺部から流出する。この構成において、大流量絞り部２７Ｌは、弁座および弁体よりも上流側に配置されている。このことによって、小流量レンジへの切り替えのときに、閉弁した後に大流量流路ＰＬからのガスの流れは即座に遮断され、流路容積２６Ｃからのガスの流出がない。したがって、小流量レンジでの制御に、より応答性良く移行することができるという利点が得られる。ただし、これに限られず、絞り部内蔵弁２６の周辺部にガスの入り口を設け、中央部にガスの出口を設けるように流路設計するなどして、大流量絞り部２７Ｌが、弁座および弁体よりも下流側に配置されていてもよい。

【0051】

次に、流量制御装置２０が備えるコントロール弁２２の具体例について説明する。コントロール弁２２は、通常のピエゾ素子駆動型バルブや、高温対策用にピエゾアクチュエータの下方（ダイヤフラム弁体との間）に棒状の放熱スペーサ（エクステンション）が配置されたバルブを用いて構成されていてもよい。放熱スペーサは、例えばインバー材によって形成されており、これをピエゾアクチュエータと連動して動かすことによって、ガス流路に高温のガスが流れたときにも、ピエゾ素子が耐熱温度以上になることを防ぎながら、流量制御を適切に行うことができる。

【0052】

ただし、より広い制御範囲、特により大流量での流量制御を行うために、図５に示すような、複数のアクチュエータを備えるダイヤフラムバルブを、流量制御装置２０のコントロール弁２２として用いることもできる。このようなバルブは、例えば、本出願人による特許文献４に開示されている。

【0053】

図５に示すように、本実施形態のコントロール弁２２は、ダイヤフラム弁体４４を開閉動作させるための操作部材４２と、操作部材４２を比較的大きく移動させるための主アクチュエータ４０と、操作部材４２を比較的小さく移動させるための副アクチュエータ４１とを備えている。操作部材４２の先端には、ダイヤフラム弁体４４と接する弁体押さえ４５が固定されている。

【0054】

主アクチュエータ４０、副アクチュエータ４１、および、操作部材４２は、いずれも、バルブ筐体４３の内側に収容されている。バルブ筐体４３は流路ブロックに固定されており、流路ブロックに対して不動の部材である。一方、操作部材４２は、バルブ筐体４３に対して内側で移動可能に設けられている。

【0055】

主アクチュエータ４０としては、操作部材４２を上下動させる空気駆動式のアクチュエータ（駆動流体によって動作するアクチュエータ）が用いられる。主アクチュエータ４０は、複数の環状ピストンによって構成されており、これらの環状ピストンは操作部材４２と共に上下方向に移動可能である。また、主アクチュエータ４０の圧力室には、供給管４７を介して駆動流体としての圧縮空気が送られる。供給する圧縮空気の空気圧を、電空レギュレータなどの圧力調整器を用いて制御することによって、操作部材４２の移動量およびダイヤフラム弁体４４の開度を制御することができる。

【0056】

また、副アクチュエータ４１としては、ピエゾアクチュエータ（電気的な駆動により伸長可能なアクチュエータ）が用いられている。副アクチュエータ４１は、操作部材４２の内側において、操作部材４２に対して摺動可能に設けられている。副アクチュエータ４１の印加電圧を制御することによって、操作部材４２の移動量およびダイヤフラム弁体４４の開度を、より精密に制御することができる。

【0057】

図４に示すコントロール弁２２は、ノーマルクローズ型のバルブであり、主アクチュエータ４０および副アクチュエータ４１が駆動されていないとき、ダイヤフラム弁体４４は、コイルばね４６や、副アクチュエータ４１の上面とバルブ筐体４３（蓋部）との間に配置された皿ばね４８から受ける付勢力によって、操作部材４２を介して弁座に押し付けられている。

【0058】

一方、開弁するときには、主アクチュエータ４０に開度相応の圧力を有する圧縮空気が供給され、コイルばね４６および皿ばね４８の付勢力に抗して、操作部材４２を上側に持ち上げる。これによって、ダイヤフラム弁体４４を概ね所望の開度に開くことができる。

【0059】

また、主アクチュエータ４０による駆動によって、操作部材４２だけでなく、その内側に配された副アクチュエータ４１も上側に移動する。このとき、副アクチュエータ４１に印加する電圧ひいてはその伸長度を制御することによって、下方向への付勢力を増加させることができる。これにより、操作部材４２の変位を下方向に微調整することができる。

【0060】

したがって、主アクチュエータ４０の操作圧力と、副アクチュエータ４１の印加電圧との双方を組み合わせて制御することによって、小流量から大流量までの広い範囲にわたって、精度よく流量制御を行うことが可能になる。主アクチュエータ４０の使用によって大流量のガスを流すことが可能になるとともに、副アクチュエータ４１よる応答性の高い微調整が可能であるので、コントロール弁２２として用いたときに、上流圧力Ｐ１を広い範囲で所望の値に適切に制御することができる。

【0061】

以下、図６を参照しながら、流量制御装置２０を用いて行う、制御流量レンジの変更を伴う流量制御の例示的な動作について説明する。

【0062】

図６に示すように、まず、コントロール弁２２および絞り部内蔵弁２６が閉じられ、流量が０の状態から、時刻ｔ１においてコントロール弁２２が開かれて、所望の小流量レンジでの流量制御が行われる。流量制御中、上流圧力センサ２４によって測定された上流圧力Ｐ１に基づいてコントロール弁２２をフィードバック制御することによって、一定の上流圧力Ｐ１ひいては一定の流量Ｑに維持することができる。この期間中、絞り部内蔵弁２６は閉じられており、小流量流路ＰＳのみを介してガスの供給が行われる。

【0063】

次に時刻ｔ２において、大流量レンジでの流量制御に切り替えるものとする。このとき、絞り部内蔵弁２６は瞬時に開かれ、大流量流路ＰＬをも介してのガス供給が開始される。また、このときには、より低い上流圧力Ｐ１であっても、より大流量でガスを流すことができる。もちろん、図示する態様とは異なり、上流圧力Ｐ１をより高い値または同値に維持するように制御されてもよく、この場合にはさらに大流量でガスを流し続けることができる。

【0064】

なお、気化器１０を用いて生成したガスの流量制御を行う場合、生成ガスの圧力（供給圧力Ｐ０）は、上流圧力Ｐ１よりも常に高いことが求められる。本実施形態の流量制御装置２０（および特に図５に示したコントロール弁２２）を用いれば、従来よりも大流量のガスを所望流量で流すことが可能であるが、一方で、供給圧力Ｐ０の低下はより著しいものとなる。このため、気化器１０は、ガス生成能力が十分に高く構成されていることが好ましく、また、供給圧力Ｐ０の監視をして、これを上流圧力Ｐ１よりも高い値に維持できるように気化供給装置５０が構成されていることが好ましい。

【0065】

また、時刻ｔ３において、再び小流量レンジでの流量制御に切り替えるものとする。このとき、絞り部内蔵弁２６は瞬時に閉じられ、小流量流路ＰＳを介してのガス供給が開始される。上流圧力Ｐ１は、コントロール弁２２のフィードバック制御により、所望流量が実現できる任意に圧力に維持される。

【0066】

以上のようにして、大流量レンジと小流量レンジとで制御範囲を切り替えてガスの供給を行うときにも、大流量絞り部２７Ｌを、絞り部内蔵弁２６の内部流路の弁座近傍位置に設けているため、切り替え時の出力の揺らぎを防止して、安定的に、また、応答性良く流量制御を行うことができる。

【0067】

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、上記にはコントロール弁の下流側に並列接続された小流量流路ＰＳと大流量流路ＰＬとの２流路を設ける態様を説明したが、３流路以上を並列接続してもよい。この場合にも、小流量流路以外の流路において絞り部が内部流路の弁座近傍位置に設けられた絞り部内蔵弁を配置することによって、複数制御レンジの切り替えを可能とするとともに、レンジ切り替え時にも安定して流量制御を行うことができる。

【産業上の利用可能性】

【0068】

本発明の実施形態による流量制御装置および気化供給装置は、例えば、半導体製造設備等のガス供給システムに組み込まれ、幅広い制御レンジで流量制御を行うために好適に利用される。

【符号の説明】

【0069】

２ 液体材料源
４ 遮断弁
６ プロセスチャンバ
８ 真空ポンプ
１０ 気化器
１２ 供給圧力センサ
１４ 予加熱部
１６ 気化部
１８ 液体補充弁
２０ 流量制御装置
２２ コントロール弁
２４ 上流圧力センサ
２６ 絞り部内蔵弁（オリフィス内蔵弁）
２６Ｐ 押さえ部材
２６Ｓ 弁座部材
２６Ｖ ダイヤフラム弁体
２７Ｏ 開口
２７Ｌ 大流量絞り部
２７Ｓ 小流量絞り部
２９ 電磁弁
４０ 主アクチュエータ
４１ 副アクチュエータ
４２ 操作部材
４３ バルブ筐体
４４ ダイヤフラム弁体
５０ 気化供給装置
１００ ガス供給システム
Ｐ０ 供給圧力
Ｐ１ 上流圧力
ＰＬ 大流量流路
ＰＳ 小流量流路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】