特開 2024-170836 流体制御装置

(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】P2024170836

(43)【公開日】2024-12-11

(54)【発明の名称】流体制御装置

(51)【国際特許分類】

   G05D 7/06 20060101AFI20241204BHJP

   G01F 1/00 20220101ALI20241204BHJP

【ＦＩ】

G05D7/06 Z

G01F1/00 F

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023087572

(22)【出願日】2023-05-29

(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】平田 薫

(72)【発明者】

【氏名】小川 慎也

(72)【発明者】

【氏名】杉田 勝幸

(72)【発明者】

【氏名】西野 功二

【テーマコード（参考）】

2F030

5H307

【Ｆターム（参考）】

2F030CA04

2F030CC11

2F030CD01

2F030CE04

2F030CF05

2F030CF08

5H307AA02

5H307BB01

5H307DD11

5H307EE02

5H307EE04

5H307FF03

5H307FF06

5H307FF12

5H307HH04

5H307LL05

(57)【要約】

【課題】 ビルドダウン法によって、より広い流量範囲で流量測定を行うことができる流体制御装置を提供する。
【解決手段】
流体制御装置３０は、上流開閉弁４と、上流開閉弁の下流側に設けられたコントロール弁１２を有する流量制御装置１０と、上流開閉弁４とコントロール弁１２との間の流体の圧力を測定する供給圧力センサ１６とを備え、上流開閉弁を閉じた後の供給圧力センサの出力に基づいて流量測定可能なように構成されており、上流開閉弁４と流量制御装置１０とはベースプレート４０に対して固定されており、流量制御装置１０とベースプレート４０との間に設けられ、上流開閉弁４および流量制御装置１０に連通する空間３２ｆを内部に有する容量増加部材３２を備えている。
【選択図】 図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

上流開閉弁と、
前記上流開閉弁の下流側に設けられたコントロール弁を有する流量制御装置と、
前記上流開閉弁と前記コントロール弁との間の流体の圧力を測定する供給圧力センサと
を備え、前記上流開閉弁を閉じた後の前記供給圧力センサの出力に基づいて流量測定可能なように構成された流体制御装置であって、
前記上流開閉弁および前記流量制御装置はベースプレートに対して固定されており、
前記流量制御装置と前記ベースプレートとの間に、前記上流開閉弁および前記流量制御装置に連通する空間を有する容量増加部材が設けられている、流体制御装置。

【請求項2】

前記容量増加部材は、内部に折り返し流路を含み、前記容量増加部材の流入口と流出口とが前記容量増加部材の同じ側に配置されている、請求項１に記載の流体制御装置。

【請求項3】

前記容量増加部材は、第１の細長穴と、前記第１の細長穴に挿入され前記第１の細長穴より小径の棒状の第１の詰め物と、第２の細長穴と、前記第２の細長穴に挿入され前記第２の細長穴より小径の棒状の第２の詰め物とを有し、
前記第１の細長穴と前記第１の詰め物との間の空間によって第１流路が形成され、
前記第２の細長穴と前記第２の詰め物との間の空間によって第２流路が形成され、
前記第１流路と前記第２流路とが、前記容量増加部材の流入口と流出口とが設けられた側とは反対の側で孔によって連通しており、これによって、前記折り返し流路が形成されている、請求項２に記載の流体制御装置。

【請求項4】

前記容量増加部材は、前記流入口が設けられた部分と、前記流出口が設けられた部分との間に段差を有しており、
低段部に設けられた前記流入口が前記上流開閉弁と直接的に接続され、高段部に設けられた前記流出口が前記流量制御装置と直接的に接続されている、請求項２または３に記載の流体制御装置。

【請求項5】

前記ベースプレートに対して固定された段差流路ブロックであって、前記流量制御装置と、前記流量制御装置の下流側に設けられた下流開閉弁とを連通させる流路を有する段差流路ブロックをさらに備える、請求項４に記載の流体制御装置。

【請求項6】

前記流量制御装置は、内部に流路を有する本体流路ブロックと、前記本体流路ブロックの上面に配置された前記コントロール弁と、前記コントロール弁の下流側の流路に設けられた絞り部と、前記コントロール弁と前記絞り部との間の流体圧力を測定する上流圧力センサとを備える圧力式流量制御装置であり、
前記流量制御装置の前記本体流路ブロックの下面と、前記ベースプレートの上面との間の空間に、前記容量増加部材の少なくとも一部が配置されている、請求項１から３のいずれかに記載の流体制御装置。

【請求項7】

前記ベースプレートには、流路ブロックを介して前記上流開閉弁が固定され、前記流量制御装置は、前記容量増加部材を介して前記ベースプレートに固定されており、前記ベースプレート上には集積化ガス供給システムが形成されている、請求項１から３のいずれかに記載の流体制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、流体制御装置に関し、特に、ビルドダウン法を利用して流量測定可能に構成された流体制御装置に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体製造装置や化学プラントのガス供給システムにおいて、プロセスチャンバに多種類のガスを切り替えて供給することがある。プロセスチャンバに供給されるガスには、原料ガス、エッチングガス、パージガスなどが含まれる。供給されるガスの流量は、各ガスに対応して設けられた供給ラインにそれぞれ設けられた流量制御装置によって制御される。

【0003】

複数のガス供給ラインを形成する手段として、本出願人によって開発された集積化ガス供給システムＩＧＳ（登録商標）が利用されている（例えば特許文献１）。集積化ガス供給システムでは、ベースプレート上に、流路ブロック（継手ブロック）、開閉弁、流体制御器などを配置・固定することによって、各ガス供給ラインをコンパクトな態様でまとめて形成することができる。

【0004】

ガス供給ラインに設けられる流量制御装置としては、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。このうち、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ため、広く利用されている。

【0005】

圧力式流量制御装置には、コントロール弁の開度調整によって絞り部の上流側の流体圧力（以下、上流圧力Ｐ１または制御圧力Ｐ１と称することがある）を制御し、この上流圧力Ｐ１に応じた流量で、絞り部の下流側に流体を流すものがある。圧力式流量制御装置は、一次側供給圧、すなわち、コントロール弁の上流側の流体圧力が大きく変動する状況にあっても、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。

【0006】

また、流量制御装置の運用において、随時、流量精度の確認や流量制御装置の校正を行うことが望まれている。特に、上記の圧力式流量制御装置は、直接的な流量測定機構を備えていないので、経年変化によって絞り部の口径が変動したときなどには、上流圧力Ｐ１に基づいて正しい流量を把握することが困難になる。したがって、特に圧力式流量制御装置では、他の方法によっても流量測定を行うことができれば有利であった。絞り部の口径は、ガス堆積による詰まりやガスによる腐食の発生によって、使用を続けるうちに変動し得ることが知られている。

【0007】

圧力式流量制御装置に適用可能な流量測定方法として、ビルドアップ法やビルドダウン法が知られている。ビルドアップ法は、下流側のバルブを閉じた後のビルドアップ容量における圧力の上昇率（すなわち、圧力上昇幅ΔＰ／要した時間Δｔ）に基づいて、ガスの流量を測定する方法である。また、ビルドダウン法は、上流側のバルブを閉じた後のビルドダウン容量内の圧力の降下率（すなわち、圧力降下幅ΔＰ／要した時間Δｔ）に基づいて、ガスの流量を測定する方法である。

【0008】

ビルドダウン法では、流量制御装置の上流側に設けられたビルドダウン容量の内部に存在していたガスを、ビルドダウン容量の上流側の開閉弁を閉じた後、流量制御装置を介して流出させる。そして、そのときのビルドダウン容量内の圧力降下率（ΔＰ／Δｔ）と温度（Ｔ）とを測定することにより、例えば、Ｑ＝Ｋ×（ΔＰ／Δｔ）×Ｖ／ＲＴ（Ｋ：定数、Ｒ：気体定数、Ｖ：ビルドダウン容量の容積）から流量Ｑを演算により求めることができる（例えば、特許文献２および特許文献３）。ビルドダウン法によって求めた流量は、流量制御装置が示す流量と比較され、流量制御装置の校正のために用いることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】国際公開第２００７／０１７９３７号

【特許文献2】国際公開第２０１３／１７９５５０号

【特許文献3】特開２０２１－１６３４１０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

ビルドダウン法によって流量を測定するときのビルドダウン容量として、流路に接続されたビルドダウンチャンバ等が用いられる場合がある。ただし、小流量の流量測定を行う場合は、容量が大きくなる分だけ圧力降下率が小さくなり流量測定に時間がかかるという問題がある。また、エッチングガスとして、例えばフッ化水素（ＨＦ）ガスが用いられることがあり、ＨＦガスは、ステンレス鋼などからなる流路等の内表面に吸着しやすいという性質を有しているため、ガスが溜まるビルドダウンチャンバ等を設けると、その後、清浄化しづらいという問題が生じ得た。

【0011】

このため、ビルドダウンチャンバを別途接続することなく、上流側開閉弁と圧力式流量制御装置のコントロール弁との間の流路自体をビルドダウン容量として利用し、この流路における供給圧力Ｐ０の降下率を測定することによって流量を求める場合がある。この場合、小流量（例えば３０ｓｃｃｍ以下）の流量測定を比較的短時間で正確に行いやすく、また、別途チャンバを接続しないので、ガス供給システムをコンパクトな態様で提供できるという利点が得られる。

【0012】

しかしながら、特に、上記の集積化ガス供給システムに圧力式流量制御装置を配置する場合には、現状の構成では、上流側開閉弁とコントロール弁との間の流路容積を大きく変更することは容易ではなく、より大流量（例えば１００ｓｃｃｍ以上）の流量測定を精度よく行うことが困難である。また、集積化ガス供給システムには、複数のガス供給ラインがコンパクトに形成されていることが多いため、タンク状のビルドダウンチャンバを各ラインに対して接続することが困難な場合があり、また、接続する場合には、装置の大幅な設計変更や肥大化を招きかねない。

【0013】

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、既存の集積化ガス供給システムの構成をできるだけ利用しながら、比較的コンパクトな態様でビルドダウン法を用いてより幅広い範囲での流量測定を行うことができる流体制御装置を提供することをその主たる目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0014】

本発明の実施態様に係る流体制御装置は、上流開閉弁と、前記上流開閉弁の下流側に設けられたコントロール弁を有する流量制御装置と、前記上流開閉弁と前記コントロール弁との間の流体の圧力を測定する供給圧力センサとを備え、前記上流開閉弁を閉じた後の前記供給圧力センサの出力に基づいて流量測定可能なように構成されており、前記上流開閉弁および前記流量制御装置はベースプレートに対して固定されており、前記流量制御装置と前記ベースプレートとの間に設けられた、前記上流開閉弁および前記流量制御装置に連通する空間を有する容量増加部材を備える。

【0015】

ある実施形態において、前記容量増加部材は、内部に折り返し流路を含み、前記容量増加部材の流入口と流出口とが前記容量増加部材の同じ側に配置されている。

【0016】

ある実施形態において、前記容量増加部材は、第１の細長穴と、前記第１の細長穴に挿入され前記第１の細長穴より小径の棒状の第１の詰め物と、第２の細長穴と、前記第２の細長穴に挿入され前記第２の細長穴より小径の棒状の第２の詰め物とを有し、前記第１の細長穴と前記第１の詰め物との間の空間によって第１流路が形成され、前記第２の細長穴と前記第２の詰め物との間の空間によって第２流路が形成され、前記第１流路と前記第２流路とが、前記容量増加部材の流入口と流出口とが設けられた側とは反対の側で孔によって連通しており、これによって、前記折り返し流路が形成されている。

【0017】

ある実施形態において、前記容量増加部材は、前記流入口が設けられた部分と、前記流出口が設けられた部分との間に段差を有しており、低段部に設けられた前記流入口が前記上流開閉弁と直接的に接続され、高段部に設けられた前記流出口が前記流量制御装置と直接的に接続されている。

【0018】

ある実施形態において、上記の流体制御装置は、前記ベースプレートに対して固定された段差流路ブロックであって、前記流量制御装置と、前記流量制御装置の下流側に設けられた下流開閉弁とを連通させる流路を有する段差流路ブロックをさらに備える。

【0019】

ある実施形態において、前記流量制御装置は、内部に流路を有する本体流路ブロックと、前記本体流路ブロックの上面に配置された前記コントロール弁と、前記コントロール弁の下流側の流路に設けられた絞り部と、前記コントロール弁と前記絞り部との間の流体圧力を測定する上流圧力センサとを備える圧力式流量制御装置であり、前記流量制御装置の前記本体流路ブロックの下面と、前記ベースプレートの上面との間の空間に、前記容量増加部材の少なくとも一部が配置されている。

【0020】

ある実施形態において、前記ベースプレートには、流路ブロックを介して前記上流開閉弁が固定され、前記流量制御装置は、前記容量増加部材を介して前記ベースプレートに固定されており、前記ベースプレート上には集積化ガス供給システムが形成されている。

【発明の効果】

【0021】

本発明の実施形態による流体制御装置によれば、比較的コンパクトな態様でビルドダウン法を用いてより幅広い範囲で流量測定を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】本発明の実施形態による流体制御装置を含む流体供給システムの構成を示す模式図である。

【図2】比較例の流体制御装置の構成を示す図である。

【図3】本発明の実施形態による流体制御装置の構成を示す図である。

【図4】本発明の実施形態による流体制御装置が備える流量制御装置の構成を示す図である。

【図5】本発明の実施形態による流体制御装置が備える容量増加部材を示す断面図である。

【図6】本発明の別の実施形態による流体制御装置の構成を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

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。

【0024】

図１は、本発明の実施形態にかかる流体制御装置３０を備えるガス供給システム１００を示す。ガス供給システム１００は、ガス供給源２からのガスＧを、流体制御装置３０に含まれる圧力式流量制御装置１０を介して、半導体製造装置のプロセスチャンバ８に供給できるように構成されている。

【0025】

なお、本実施形態において、流体制御装置３０は、上流開閉弁４と、後述する圧力式流量制御装置１０とによって構成されている。また、図示する態様では、上流開閉弁４とコントロール弁１２との間の流体圧力（以下、供給圧力Ｐ０と称することがある）を測定するための供給圧力センサ１６が圧力式流量制御装置１０に含まれているが、供給圧力センサ１６は、流体制御装置３０に含まれていればよく、圧力式流量制御装置１０の外側に設けられていても良い。

【0026】

ガス供給システム１００において、ガス供給源２からは、原料ガス、エッチングガスまたはパージガスなど、半導体製造プロセスに用いられる種々のガスが供給され得る。ガス供給源２からは、半導体製造プロセスにおいて、クリーニング用のガス、または、ドライエッチング用のガスとして一般的に用いられているＨＦガスが供給されてもよい。

【0027】

プロセスチャンバ８には、真空ポンプ９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真空引きすることができる。なお、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、流体制御装置３０が各々に設けられた複数のガス供給ラインが、共通ラインを介してプロセスチャンバ８に接続されていてもよい。

【0028】

本実施形態で用いる圧力式流量制御装置１０は、絞り部１４と、絞り部上流側のコントロール弁１２と、コントロール弁１２と絞り部１４との間の圧力（すなわち上流圧力Ｐ１）を測定する上流圧力センサ１７と、制御回路２０とを備えている。また、本実施形態の圧力式流量制御装置１０は、流量制御可能な圧力範囲を拡大するために、絞り部１４の下流側の圧力である下流圧力Ｐ２を測定する下流圧力センサ１８を備えているが、下流圧力センサ１８は必ずしも必要ではない。また、圧力式流量制御装置１０は、コントロール弁１２と絞り部１４との間の温度を測定する温度センサ（図示せず）を備えていてもよい。

【0029】

圧力式流量制御装置１０は、上流圧力センサ１７の出力等に基づいてコントロール弁１２の開度を調整することによって、絞り部１４の下流側に流れるガスの流量を制御するように構成されている。絞り部１４としては、オリフィスプレート、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。オリフィスまたはノズルの口径は、例えば１０μｍ～２０００μｍに設定される。

【0030】

コントロール弁１２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。供給圧力センサ１６、上流圧力センサ１７、および、下流圧力センサ１８としては、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好適に用いられる。温度センサとしては、サーミスタや白金測温抵抗体が好適に用いられる。

【0031】

圧力式流量制御装置１０において、制御回路２０は、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ように構成されたコンピュータプログラムを含んでいてよく、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得る。

【0032】

圧力式流量制御装置１０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ことができる。臨界膨張条件を満たすとき、流量Ｑは、Ｑ＝Ｋ１×Ｐ１（Ｋ１は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、下流圧力センサ１８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は流体の種類と流体温度に依存する定数、ｍおよびｎは実際の流量から導出される指数）から算出することができる。

【0033】

設定流量Ｑｓが制御回路に入力されると、制御回路は、上流圧力センサ１７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１２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。

【0034】

また、本実施形態では、圧力式流量制御装置１０の上流側の上流開閉弁４と、圧力式流量制御装置１０の下流側の下流開閉弁６とが設けられている。上流開閉弁４は、圧力式流量制御装置１０へのガス供給の制御のために用いられるとともに、後述するビルドダウン法による供給ガスの流量測定を実行するために用いられる。下流開閉弁６は、プロセスチャンバ８へのガスの供給を確実に停止するために用いられる。複数のガス供給ラインが設けられている場合、下流開閉弁６は、供給ガス種の切り替えのためにも用いられる。

【0035】

上流開閉弁４および下流開閉弁６としては、ＡＯＶ（Ａｉｒ Ｏｐｅｒａｔｅｄ Ｖａｌｖｅ）などの流体駆動弁、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。下流開閉弁６は、絞り部１４と一体的に形成されたオリフィス内蔵弁として圧力式流量制御装置１０に内蔵されていてもよい。オリフィス内蔵弁として一体的に設けられる場合、下流開閉弁６は、絞り部１４の直ぐ上流に配置されてもよい。

【0036】

なお、本実施形態の流体制御装置３０において、圧力式流量制御装置１０に限られず、例えば、熱式流量制御装置や、その他のタイプの流量制御装置を用いても良い。ただし、以下に説明するビルドダウン法による流量測定を行うためには、流体制御装置３０は、流量制御用のコントロール弁１２と、その上流側の上流開閉弁４と、上流開閉弁４とコントロール弁１２との間の流路の供給圧力Ｐ０を測定する供給圧力センサ１６とを備えている必要がある。

【0037】

この構成の流体制御装置３０において、ビルドダウン法による流量測定は、次のようにして行うことができる。まず、上流開閉弁４、下流開閉弁６および圧力式流量制御装置１０のコントロール弁１２を開いて、所望の流量でガスを流す状態から流量測定を開始する。このとき、典型的には、供給圧力Ｐ０は、上流圧力Ｐ１よりも十分に大きく、また、上流圧力Ｐ１は、下流圧力Ｐ２よりも十分に大きい。下流圧力Ｐ２は、典型的には、真空圧（例えば１００Ｔｏｒｒ以下）に設定されている。圧力式流量制御装置１０では、コントロール弁１２の開度調整により上流圧力Ｐ１を制御することによって、所望流量で絞り部１４の下流側に供給ガスが流れている。

【0038】

次に、上流開閉弁４を閉じることによって、ビルドダウンを開始する。このときも、コントロール弁１２の開度は、所望流量でガスを流すように上流圧力Ｐ１に基づいてフィードバック制御されている。上流開閉弁４を閉じた後、供給圧力Ｐ０は、絞り部１４を介してガスが流出するとともに低下する。

【0039】

本実施形態では、図１に示すように、上流開閉弁４とコントロール弁１２との間の流路をビルドダウン容量Ｖｓとし、このビルドダウン容量Ｖｓからコントロール弁１２を介して流出するガスの流量を、供給圧力センサ１６の出力の時間変化に基づいて測定する。ただし、後述するように、本実施形態でのビルドダウン容量Ｖｓは、圧力式流量制御装置１０の直下に配置され、流路としても利用される容量増加部の容量を含むものである。

【0040】

そして、供給圧力センサ１６を用いて、ビルドダウンにおける供給圧力Ｐ０の圧力降下率ΔＰ／Δｔが測定される。圧力降下率ΔＰ／Δｔの測定は、予め設定された計測開始時圧力から最終圧力に達するまでに要した時間Δｔを計測することによって行っても良いし、予め設定されたビルドダウン時間Δｔにおいて降下した圧力幅ΔＰを計測することによって行っても良い。その他にも、計測開始圧力に達した時刻からサンプリング周期ごとに供給圧力の圧力値Ｐ０（ｔ）を測定し、所定の時刻に達するまでに得られた圧力値Ｐ０（ｔ）のサンプリングデータから最小二乗法によって直線の傾きとしてΔＰ／Δｔを求めるようにしてもよい。また、特許文献３に開示されているように、ＨＦガスの流量測定を行う場合には、ＨＦガスのクラスタ化が生じないことが確認されている圧力範囲内に限定して圧力降下率ΔＰ／Δｔの測定を行うようにしてもよい。

【0041】

測定された圧力降下率ΔＰ／Δｔに基づいて、例えば、Ｑ＝Ｋ×（ΔＰ／Δｔ）×Ｖ／ＲＴ（Ｋ：定数、Ｒ：気体定数、Ｖ：ビルドダウン容量Ｖｓの容積）から流量Ｑを演算により求めることができる。より具体的には、特許文献２および特許文献３に開示されているように、例えば、以下の式に基づいて流量Ｑ[ｓｃｃｍ]を演算により求めることができる。
Ｑ[sccm]＝1[atm]／760[Torr]×1000[cc/l]×60[sec/min]×（273[K]／(273+T)[K]）×Ｖ[l]×（ΔＰ[Torr]／Δｔ[sec]）
上記式において、Ｔはガス温度（℃）であり、Ｖはビルドダウン容積であり、ΔＰ／Δｔは測定された圧力降下率である。なお、角括弧(ブラケット)内は単位を示している。

【0042】

ここで、例えば３０ｓｃｃｍ以下の小流量の測定であれば、ビルドダウン容量Ｖｓの容積Ｖが例えば１ｃｃ～２ｃｃ程度であっても十分に高い精度での測定が可能である。ただし、１００ｓｃｃｍ以上の流量を測定しようとすると、圧力降下率ΔＰ／Δｔが急峻すぎるために、測定精度の大幅な低下を招いたり、実質的に測定不可能な状態となったりすることがある。このため、より広い流量範囲での測定を可能にするためには、ビルドダウン容量Ｖｓの容積Ｖを増加させることが考えられる。容積Ｖが大きいほど、圧力降下率ΔＰ／Δｔの傾きが緩やかになり、より大流量でガスを流しているときにも測定精度の低下は防止されるからである。

【0043】

しかしながら、容積Ｖを増加させるために、タンクなどの大容量のチャンバを接続することは、装置の大幅な設計変更を伴うためにコスト増となり、また、省スペース化が求められている半導体製造装置の用途には適合させづらい。そこで、本実施形態では、既存のガス供給システムの構成から大幅な設計変更を伴うことなく、邪魔にならない位置に容積Ｖを増加させるための部材を設け、これによって、小流量から大流量（例えば３ｓｃｃｍ～３００ｓｃｃｍ）までの流量測定を精度よくできるようにしている。以下、具体的な構成例について説明するが、その前に、まず、比較例の流体制御装置について説明する。

【0044】

図２は、本出願人が従来実施していた比較例の流体制御装置９０の構成を示す図である。流体制御装置９０は、上流開閉弁４、圧力式流量制御装置１０、および下流開閉弁６を備えており、これらは、例えば特許文献１に開示されている集積化ガス供給システムに組み込まれている。

【0045】

より具体的には、流体制御装置９０では、集積化ガス供給システムのベースプレート４０上に、Ｖ字流路ブロック４２、４４、４６、４８を用いて、上流開閉弁４、圧力式流量制御装置１０および下流開閉弁６が互いに連通可能な状態で固定されている。図において、Ｖ字流路ブロック４２、４４、４６、４８に示されているＶ字の破線は、内部に形成された流路（細孔）を示している。流体制御装置９０の上流側からの供給ガスは、Ｖ字流路ブロック４２、上流開閉弁４、Ｖ字流路ブロック４４、圧力式流量制御装置１０、Ｖ字流路ブロック４６、下流開閉弁６およびＶ字流路ブロック４８を順に通って、下流のプロセスチャンバへと供給される。

【0046】

なお、流路ブロックの内部に形成される流路は、必ずしもＶ字である必要はなく、例えばＵ字等であってもよい。ただし、Ｖ字流路ブロックでは、ブロック上面に入口と出口とを有する閉じた流路を、２方向からのドリル穿孔によって容易に形成することができるので、製造が比較的容易であるという利点が得られる。また、集積化ガス供給システムにおいてベースプレート上に固定される流路ブロックは上面に入口と出口との双方を有していることが好適であるが、他の態様において、流路ブロックの入口および出口の少なくとも一方が上面以外の面に設けられていてもよい。

【0047】

また、図には示していないが、ベースプレート４０上には、上流開閉弁４の上流側および下流開閉弁６の下流側の他の種々の流路ブロック（例えば複数の供給ラインからのガスが流れ込むマニフォールドブロック）やバルブ等が設けられていてもよいことは言うまでもない。また、本明細書では、便宜上、図面に即して、ベースプレート４０の側を下側とし、上流開閉弁４や圧力式流量制御装置１０の側を上側として上下方向を説明するが、これら方向は、装置の取り付け姿勢などによって、実際の鉛直方向と異なっていてもよい。また、本明細書において、横方向（または左右方向）とは、上記の上下方向と直交する方向を指しており、実際の水平方向とは異なっていても良い。

【0048】

この流体制御装置９０において、ベースプレート４０には、上流開閉弁４および下流開閉弁の入口と出口とに接続するためのＶ字流路ブロック４２、４４、４６、４８が配置されている。上面に開口部を有するＶ字流路ブロック４２、４４、４６、４８を用いれば、横方向に詰めた状態で各要素（バルブや機器等）を並べやすくコンパクト化が可能である。また、流路ブロックに対して上方から各要素の固定を行うので、シール性を確保しながら孔の位置合わせを適切に行いやすく、製造プロセスを容易化できるという利点が得られる。なお、比較例の流体制御装置９０では、ビルドダウン容量の容積値としては、例えば１～２ｃｃ程度が確保できる。

【0049】

ただし、流体制御装置９０では、圧力式流量制御装置１０は、Ｖ字流路ブロック４４とＶ字流路ブロック４６に跨って配置されており、その結果、圧力式流量制御装置１０の下面とベースプレート４０の上面との間には、空間ＳＰが形成されている。そこで、以下に説明する本実施形態では、この空間ＳＰを利用し、圧力式流量制御装置１０の下面とベースプレート４０の上面との間に、ビルドダウン容量に含まれる容積を増量させるための部材を配置し、コンパクトな態様を保ったまま、流量測定の有効範囲を広げるようにしている。

【0050】

図３は、本発明の実施形態に係る流体制御装置３０および下流開閉弁６を示す。本実施形態においても、比較例の流体制御装置９０（図２）と同様に、流体制御装置３０を構成する上流開閉弁４、圧力式流量制御装置１０および下流開閉弁６は、集積化ガス供給システムのベースプレート４０上に固定されている。図４は、圧力式流量制御装置１０のより具体的な構成例を示している。

【0051】

ただし、流体制御装置３０では、圧力式流量制御装置１０とベースプレート４０との間の空間（圧力式流量制御装置１０の直下のスペース）に、容量増加部材３２が配置されている。容量増加部材３２は、上流開閉弁４の流出口に接続される流入口３２ｉと、圧力式流量制御装置１０の流入口に接続される流出口３２ｏとを有しており、流入口３２ｉと流出口３２ｏとは、容量増加部材３２の内部に設けられた空間（典型的には流路）３２ｆを介して連通している。なお、図３において、容量増加部材３２のみは、その内部構造も示す断面が示されている。容量増加部材３２の詳細構造については後述する。

【0052】

容量増加部材３２の内部に設けられた流路３２ｆは、左右の一端（図では右端）で折り返す流路として形成されており、流入口３２ｉと流出口３２ｏとは、いずれも容量増加部材３２の他端部（図では左端）に位置している。この構成においては、比較例の流体制御装置９０と同様に、上流開閉弁４と圧力式流量制御装置１０とを横方向に近接して配置することが可能である。

【0053】

また、本実施形態では、比較的厚さが大きい（すなわち、図２に示した空間ＳＰの高さよりも厚さが大きい）容量増加部材３２を設けたことによって、比較例の流体制御装置９０に比べて、圧力式流量制御装置１０がより高い位置に配置されている。このため、圧力式流量制御装置１０の出口と下流開閉弁６とを連通させるために、図２に示したＶ字流路ブロック４６に代えて、より高い位置に入口を有する段差Ｖ字流路ブロック３８が用いられている。段差Ｖ字流路ブロック３８の内部には、図において破線で示すように、高さの異なるＶ字型の流路が形成されている。

【0054】

この構成において、流体制御装置３０の上流側から供給されたガスＧは、Ｖ字流路ブロック４２、上流開閉弁４、容量増加部材３２、圧力式流量制御装置１０、段差Ｖ字流路ブロック３８、下流開閉弁６、Ｖ字流路ブロック４８を順に通って、下流のプロセスチャンバへと供給される。

【0055】

ここで、図４に示すように、圧力式流量制御装置１０は、互いに連通する流路を内部に有する前段流路ブロック２４、本体流路ブロック２２、後段流路ブロック２６を用いて構成されている。各流路ブロックに設けられた流路については破線で示されている。また、本体流路ブロック２２の上面には、流路に接続された供給圧力センサ１６、コントロール弁１２、上流圧力センサ１７が固定されており、後段流路ブロック２６の上面には、流路に接続された下流圧力センサ１８が固定されている。ここでは、絞り部１４として、ガスケット型オリフィス部材が、本体流路ブロック２２と後段流路ブロック２６との接続面においてシール性高く挟持・固定されている。

【0056】

また、圧力式流量制御装置１０は、ガスＧを流入させる開口部を下面に有する前段流路ブロック２４と、ガスＧを流出させる開口部を下面に有する後段流路ブロック２６とを用いて構成されている。このため、容量増加部材３２および段差Ｖ字流路ブロック３８の上面に対して載置されることによって全体的な高さが上昇しているものの、比較例の流体制御装置９０と同様の構成の圧力式流量制御装置１０をそのまま利用し、同様の手順で取り付けることが可能である。

【0057】

このため、流体制御装置３０は、容量増加部材３２および段差Ｖ字流路ブロック３８を用いることを除いては、比較例の流体制御装置９０と同様にして作製することができ、本実施形態の流体制御装置３０においても、横方向に詰めた状態で各要素を並べやすくコンパクト化が可能であり、シール性を確保しながら孔の位置合わせを適切に行いやすいので製造プロセスを容易化できる。なお、集積化ガス供給システムのベースプレート４０の上方には、通常、余剰の空間が存在しているため、圧力式流量制御装置１０の高さ位置が多少上がったとしても、特に支障が生じることはなく、コンパクトな設置態様を維持することができる。この構成においては、上流開閉弁４から下流開閉弁６までの距離を、比較例の流体制御装置９０と同様に、例えば１００ｍｍ～１５０ｍｍに設計することが可能である。

【0058】

また、本実施形態において、容量増加部材３２の上に、圧力式流量制御装置１０が直接的に載置されているが、これに限られず、容量増加部材３２と圧力式流量制御装置１０（より具体的には本体流路ブロック２２）との間に他の部材が介在していてもよい。本実施形態の流体制御装置３０において、圧力式流量制御装置１０の本体流路ブロック２２の下面とベースプレート４０の上面とによって挟まれる空間において、上流開閉弁４および圧力式流量制御装置１０に連通する閉じた流路を内部に有する容量増加部材３２の少なくとも一部が存在していればよい。以下、容量増加部材３２の具体例の詳細構成について説明する。

【0059】

図５は、容量増加部材３２の内部構成を示す断面図である。本実施形態において、容量増加部材３２は、横方向に延びる２本の細長穴（または横穴）が並列に形成された穴開き本体ブロック３２ａと、各細長穴にそれぞれ挿入される棒状の詰め物３４ａ、３４ｂとを用いて構成されている。穴開き本体ブロック３２ａおよび詰め物３４ａ、３４ｂは、他の流路ブロックと同様に、金属製（典型的にはステンレス鋼製）であってよい。

【0060】

穴開き本体ブロック３２ａに形成された下側の細長穴（第１の細長穴）の底部は、上流開閉弁４の流出口に接続される流入口３２ｉに繋がっている。また、上側の細長穴（第２の細長穴）の底部近傍の側面は、圧力式流量制御装置１０の流入口に接続される流出口３２ｏに繋がっている。そして、ここでは、各細長穴の開口部寄りの位置に設けられた細孔状の流路ｆ２によって、上下の細長穴は連通している。

【0061】

本実施形態では、流入口３２ｉが形成された部分（低段部）の高さが、Ｖ字流路ブロック４２と同じ高さ（例えば約１５ｍｍ）であり、一方で、流出口３２ｏが設けられた部分の高さ（高段部）は、より高く（例えば約３５ｍｍ）なっており、これらの間に段差が形成されている。これにより、上流開閉弁４を水平にシール性高く安定的に取り付けながら、容量増加部材３２において、十分な大きさの容積（例えば５ｃｃ以上）を確保することができる。なお、この段差の分（例えば約２０ｍｍ）だけ、圧力式流量制御装置１０の高さ位置が上方にシフトすることになるが、高さ方向へのサイズ拡張は特に問題が生じない。

【0062】

また、図３に示したように、段差Ｖ字流路ブロック３８については、入口が形成された部分の高さが、容量増加部材３２の流出口３２ｏが設けられた部分の高さと同じであり、出口が形成された部分の高さが、Ｖ字流路ブロック４８の高さ（通常は、Ｖ字流路ブロック４２と同じ高さ）と同じである。これにより、圧力式流量制御装置１０および下流開閉弁６を水平にシール性高く安定的に取り付けることができる。

【0063】

再び図５を参照して、穴開き本体ブロック３２ａに形成された下側の細長穴に挿入される詰め物３４ａ（第１の詰め物）は、細長穴よりもわずかに短く小径であり、また、同心状に配置されており、これによって、横方向に延びる断面円環状の流路ｆ１（第１流路）が形成されている。同様に、上側の細長穴に挿入される詰め物３４ｂ（第２の詰め物）は、細長穴よりも短く小径であり、また、同心状に配置されており、これによって、横方向に延びる断面円環状の流路ｆ３（第２流路）が形成されている。各細長穴の径は、例えば、１２ｍｍ～１３ｍｍに設計され、詰め物３４ａ、３４ｂの径は、例えば、８ｍｍ～９ｍｍに設計され、これらの間のギャップは、例えば、１．５ｍｍ～２．５ｍｍに設計される。

【0064】

各詰め物３４ａの挿入口近傍には、環状のメタルガスケット３６がそれぞれ配置されており、詰め物３４ａのフランジ部と細長穴の拡径部とに挟持されて外部シールを形成している。詰め物３４ａの固定は、例えば、フランジ部の外周に設けた外ネジを、細長穴の拡径部に設けた内ネジに螺合させることによって行うことができる。さらに、フランジ部の端面を覆う封止キャップが細長穴の開口を埋めるようにして設けられていても良い。この構成において、流入口３２ｉから流入したガスＧは、外部に対して閉じた流路ｆ１、流路ｆ２、流路ｆ３を通って流出口３２ｏまで流れることができる。

【0065】

このようにして、圧力式流量制御装置１０の本体流路ブロック２２の下側に、容量増加部材３２を配置することによって、比較例の流体制御装置９０が有していた空間ＳＰを利用して、ビルドダウン容量Ｖｓの容積Ｖ、すなわち、上流開閉弁４の弁体からコントロール弁１２の弁体までの流路の容積を増加させることができる。増加させる容量の大きさは、所望の流量測定範囲に合せて任意に選択されてよいが、例えば、３００ｓｃｃｍまでの流量測定を行いたい場合には、容量増加部材３２による増加分を含めて、容積Ｖを１０～２０ｃｃに増加させることができる。

【0066】

また、図５に示した容量増加部材３２では、詰め物３４ａ、３４ｂを用いることによって流路ｆ１、ｆ３が断面円環状に形成されており、流路の容積に比して金属との接触面積が大きくなるため、内部を流れるガスＧとの熱伝導性が向上している。このため、ビルドダウン法による流量計測時に、容量内の圧力降下に伴う温度変動を効果的に抑制することができ、短時間のうちに流量測定を安定的に行うことができる。

【0067】

さらに、図５に示した容量増加部材３２は、穴開き本体ブロック３２ａをなす金属ブロックにドリル等を用いて穴あけを行い、これに詰め物３４ａを固定するだけで、流入口３２ｉから流出口３２ｏに達する流路ｆ１、ｆ２、ｆ３を形成することができ、製作が比較的容易であり、製造コストを抑制することができる。また、本実施形態では、繋ぎの流路ｆ２は、上側の細長穴の開口部から下側の細長穴に向けて斜めにドリル穿孔するだけで、斜め流路として容易に形成することができている。

【0068】

以上のように構成された流体制御装置３０では、ビルドダウン容量が増加したビルドダウン法によって、より大流量までの流量測定（例えば３ｓｃｃｍ～３００ｓｃｃｍ）を、比較的短時間で精度よく安定的に実行することが可能である。特に、集積化ガス供給システムのベースプレート４０上において、圧力式流量制御装置１０の直下に、折り返し流路を有する容量増加部材３２を配置しているので、既存の構成を十分に利用しながら、問題とならない高さ方向のサイズ拡張のみで、コンパクトな態様を保ったままビルドダウン法による流量測定の測定範囲を広げることができる。

【0069】

また、ビルドダウン法によって測定した流量と、圧力式流量制御装置１０が示す流量（上流圧力Ｐ１から算出される流量）とを比較して、圧力式流量制御装置１０の校正を行うこともできる。圧力式流量制御装置１０の校正は、例えば、測定されたビルドダウン流量と圧力式流量制御装置１０が示す流量との比に基づいて、圧力式流量制御装置１０の流量演算式（例えば、Ｑ＝Ｋ１×Ｐ１におけるＫ１の値）を更新することによって容易に実行することができる。特に、流体制御装置３０では、より広い範囲で流量測定が可能であるので、圧力式流量制御装置１０の校正も、より広い流量範囲にわたって適切に実行することが可能である。

【0070】

以上に説明した実施形態に限らず、種々の改変が可能である。例えば、図６に示す他の態様の流体制御装置３０Ｂのように、容量増加部材３２Ｂとして、３段の横穴およびこれにそれぞれ配置される詰め物によって形成された流路（増加容積）を有する部材を用いても良い。ただし、奇数段の場合には、実質的に流路としては利用されにくい横穴（３段の場合には真ん中の段）が生じるため、スムーズな流れを形成するためには、偶数段であることが好適である。なお、４段以上の場合、隣接する段を連通させる斜め流路をより容易に形成するために、横穴を空ける方向（および詰め物の挿入方向）を左右互い違いにして段を重ねてもよい。また、折り返しの流路は形成されなくなるが、段数は１段であってもよい。

【0071】

また、上記には、容量増加部材３２として、横穴に均熱用の棒状体の詰め物３４ａ、３４ｂを挿入した態様を説明したが、詰め物３４ａ、３４ｂは必ずしも設けられていなくても良い。また、詰め物３４ａ、３４ｂは、中実の棒状体であってもよいし、空洞の有底筒状体であってもよい。

【0072】

さらに、上記には流入口３２ｉと流出口３２ｏの高さ位置が異なる態様を説明したが、必要な容積増加が達成できる流路を内部に形成できるようであれば、流入口３２ｉと流出口３２ｏの高さ位置が同じ（典型的にはＶ字流路ブロック４２、４８とも高さ位置が同じ）である容量増加部材を用いても良い。この場合、圧力式流量制御装置１０の高さ位置は変更されない。また、段差Ｖ字流路ブロック３８を新たに用意する必要もなく、比較例と同様のＶ字流路ブロック４６を用いることができる。

【0073】

さらに、ビルドダウン法による流量測定は、圧力式流量制御装置に限られず、他の態様の流量制御装置（例えば熱式質量流量制御器）においても実行可能であるので、他の態様の流量制御装置が用いられても良い。ただし、本実施形態の流体制御装置は、直接的な流量測定手段を有しない圧力式流量制御装置を備える態様において特に有用である。

【産業上の利用可能性】

【0074】

本発明の実施形態による流体制御装置は、ビルドダウン法を利用して広い範囲で流量測定を行うために好適に利用される。

【符号の説明】

【0075】

４ 上流開閉弁
６ 下流開閉弁
１０ 圧力式流量制御装置
１２ コントロール弁
１４ 絞り部
１６ 供給圧力センサ
１７ 上流圧力センサ
１８ 下流圧力センサ
２０ 制御回路
２２ 本体流路ブロック
３０ 流体制御装置
３２ 容量増加部材
３２ａ 穴開き本体ブロック
３４ａ、３４ｂ 詰め物
３６ メタルガスケット
３８ 段差Ｖ字流路ブロック
４０ ベースプレート
４２、４４、４６、４８ Ｖ字流路ブロック
１００ ガス供給システム

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】