(57)【要約】      （修正有）【課題】１つの機器で流量制御と圧力制御が可能な制御装置を提供する。【解決手段】流体流路１０と、流体流路を通過する流体の流量を調整するコントロールバルブ２０と、流体流路の圧力Ｐ１を検出する圧力センサ３０と、流体流路を通過する流体の流量を絞るオリフィス４０と、流体流路のオリフィス４０の１次側から分岐して、オリフィス４０の２次側で流体流路に合流するバイパス流路１１と、バイパス流路１１を開閉する開閉バルブ５０と、コントロールバルブ２０及び開閉バルブ５０を制御する制御部７０と、を有し、制御部７０は、開閉バルブ５０を閉じた状態で、圧力Ｐ１に基づいて行う流量制御と、開閉バルブ５０を開いた状態で、圧力Ｐ１に基づいて行う圧力制御と、を選択的に実施する。【選択図】図１
2020107113.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が通過する流体流路と、
前記流体流路を通過する流体の流量を制御するコントロールバルブと、
前記流体流路の前記コントロールバルブの２次側に設けられ、前記流体流路の圧力Ｐ１を検出する圧力センサと、
前記流体流路の前記圧力センサの２次側に設けられ、前記流体流路を通過する流体の流量を絞る絞り部と、
前記流体流路の前記絞り部の１次側から分岐して、前記絞り部の２次側で前記流体流路に合流するバイパス流路と、
前記バイパス流路を開閉する開閉バルブと、
前記コントロールバルブ及び前記開閉バルブを制御する制御部と、
を有し、
前記制御部は、
前記開閉バルブを閉じた状態で、前記検出圧力Ｐ１に基づいて流体の流量Ｑｃを演算し、前記流量Ｑｃが設定流量Ｑｓに等しくなるように前記コントロールバルブの開度を制御する流量制御と、
前記開閉バルブを開いた状態で、前記検出圧力Ｐ１が設定圧力Ｐｓに等しくなるように前記コントロールバルブの開度を制御する圧力制御と、
を選択的に実施する、流量圧力制御装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記流量制御において、前記検出圧力Ｐ１から流体の流量をＱｃ＝ＫＰ１（但しＫは比例定数）として演算する、請求項１に記載の圧力・流量制御装置。
【請求項３】
流体が通過する流体流路と、
前記流体流路を通過する流体の流量を調整するコントロールバルブと、
前記流体流路の前記コントロールバルブの２次側に設けられ、前記流体流路の圧力Ｐ１を検出する第１の圧力センサと、
前記流体流路の前記第１の圧力センサの２次側に設けられ、前記流体流路を通過する流体の流量を絞る絞り部と、
前記流体流路の前記絞り部の１次側から分岐して、前記絞り部の２次側で前記流体流路に合流するバイパス流路と、
前記バイパス流路を開閉する開閉バルブと、
前記流体流路の前記絞り部の２次側に設けられ、前記流体流路の圧力Ｐ２を検出する第２の圧力センサと、
前記コントロールバルブ及び前記開閉バルブを制御する制御部と、
を有し、
前記制御部は、
前記開閉バルブを閉じた状態で、前記検出圧力Ｐ１及びＰ２の少なくとも一方に基づいて流体の流量Ｑｃを演算し、前記流量Ｑｃが設定流量Ｑｓに等しくなるように前記コントロールバルブの開度を制御する流量制御と、
前記開閉バルブを開いた状態で、前記検出圧力Ｐ１又はＰ２が設定圧力Ｐｓに等しくなるように前記コントロールバルブの開度を制御する圧力制御と、
を選択的に実施する、流量圧力制御装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記流量制御において、前記検出圧力Ｐ１とＰ２から流体の流量をＱｃ＝ＫＰ２ｍ（Ｐ１−Ｐ２）ｎ（但しＫは比例定数、ｍとｎは定数）として演算することを特徴とする、請求項３に記載の圧力・流量制御装置。
【請求項５】
前記制御部は、前記検出圧力Ｐ２又は外部の圧力検出手段から入力された下流側の圧力が、設定圧力Ｐｓに近づいたか否かを判定する圧力判定部を有し、
前記圧力判定部の判定に基づいて、前記流量制御から前記圧力制御への切り替えを行う、請求項１〜４のいずれかに記載の圧力・流量制御装置。
【請求項６】
前記開閉バルブとして、エアオペレートバルブを用いた、請求項１〜５のいずれかに記載の圧力・流量制御装置。
【請求項７】
前記開閉バルブとして、電磁弁を用いた、請求項１〜５のいずれかに記載の圧力・流量制御装置。
【請求項８】
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１〜７のいずれかに記載圧力・流量制御装置を含む、流体制御装置。
【請求項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の製造プロセスにおいて、前記プロセスガスの制御に請求項１〜７のいずれかに記載の圧力・流量制御装置又は請求項７に記載の流体制御装置を用いる、半導体製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流量圧力制御装置、流体制御装置、及び半導体製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体製造プロセス、特に原子層堆積（ＡＬＤ:Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等の微細プロセスにおいては、微量のプロセスガスの精密な流量制御や圧力制御が要求される。
このようなプロセスガスの流量制御装置として、マスフローコントローラ（質量流量制御装置）が用いられており、従来から実績のあるサーマル式マスフローコントローラと、ガスの種類の制約が少なくレスポンスの速い圧力式マスフローコントローラが広く用いられている（例えば、特許文献１、２）。
一方、圧力制御装置としては、圧力センサと制御バルブを備えた自動圧力制御装置が使用され、プロセスチャンバにおける圧力制御や、特にサーマル式マスフローコントローラの動作安定化のための供給圧制御に用いられている（例えば、特許文献３）。
このような、流量制御装置や圧力制御装置は、流体制御装置として統合され、成膜装置やエッチング装置などの半導体製造装置に組み込まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８−３３８５６号公報
【特許文献２】特許第４８５６９０５号
【特許文献３】特開２０１７−１８２４１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、半導体基板の大型化やプロセスの均一性要求のために、プロセスガス等を処理チャンバへの複数箇所へ独立して供給するケースが増えたこと等の理由により、より多くの流量制御装置が必要になってきている。流量制御には専用の流量制御器、圧力制御に専用の圧力制御器を使用すると、制御機器の台数が増加し、流体制御装置や半導体製造装置の小型化の要求に応えることができなくなる。
【０００５】
本発明の目的は、このような課題を解決して、流体制御装置や半導体製造装置の小型化の要求に応えるべく、１つの機器で流量制御と圧力制御が可能な制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の態様に係る流量圧力制御装置は、
流体が通過する流体流路と、
前記流体流路を通過する流体の流量を調整するコントロールバルブと、
前記流体流路の前記コントロールバルブの２次側に設けられ、前記流体流路の圧力Ｐ１を検出する圧力センサと、
前記流体流路の前記圧力センサの２次側に設けられ、前記流体流路を通過する流体の流量を絞る絞り部と、
前記流体流路の前記絞り部の１次側から分岐して、前記絞り部の２次側で前記流体流路に合流するバイパス流路と、
前記バイパス流路を開閉する開閉バルブと、
前記コントロールバルブ及び前記開閉バルブを制御する制御部と、
を有し、
前記制御部は、
前記開閉バルブを閉じた状態で、前記検出圧力Ｐ１に基づいて流体の流量Ｑｃを演算し、該流量Ｑｃが設定流量Ｑｓに等しくなるように前記コントロールバルブの開度を制御する流量制御と、
前記開閉バルブを開いた状態で、前記圧力センサの検出圧力Ｐ１が設定圧力Ｐｓに等しくなるように前記コントロールバルブの開度を制御する圧力制御と、
を選択的に実施することを特徴とする。
【０００７】
好ましくは、前記制御部は、前記流量制御において、前記検出圧力Ｐ１から流体の流量をＱｃ＝ＫＰ１（但しＫは比例定数）として演算する、構成を採用できる。
【０００８】
本発明の第２の態様に係る流量圧力制御装置は、
流体が通過する流体流路と、
前記流体流路を通過する流体の流量を調整するコントロールバルブと、
前記流体流路の前記コントロールバルブの２次側に設けられ、前記流体流路の圧力Ｐ１を検出する第１の圧力センサと、
前記流体流路の前記第１の圧力センサの２次側に設けられ、前記流体流路を通過する流体の流量を絞る絞り部と、
前記流体流路の前記絞り部の１次側から分岐して、前記絞り部の２次側で前記流体流路に合流するバイパス流路と、
前記バイパス流路を開閉する開閉バルブと、
前記流体流路の前記絞り部の２次側に設けられ、前記流体流路の圧力Ｐ２を検出する第２の圧力センサと、
前記コントロールバルブ及び前記開閉バルブを制御する制御部と、
を有し、
前記制御部は、
前記開閉バルブを閉じた状態で、前記検出圧力Ｐ１及びＰ２の少なくとも一方に基づいて流体の流量Ｑｃを演算し、該流量Ｑｃが前記設定流量Ｑｓに等しくなるように前記コントロールバルブの開度を制御する流量制御と、
前記開閉バルブを開いた状態で、前記検出圧力Ｐ１又はＰ２が設定圧力Ｐｓに等しくなるように前記コントロールバルブの開度を制御する第２の圧力制御と、
を選択的に実施することを特徴とする、流量圧力制御装置。
【０００９】
前記第２の態様において、好ましくは、前記制御部は、前記流量制御において、前記検出圧力Ｐ１とＰ２から流体の流量をＱｃ＝ＫＰ２ｍ（Ｐ１−Ｐ２）ｎ（但しＫは比例定数、ｍとｎは定数）として演算する、構成を採用できる。
【００１０】
前記制御部は、前記検出圧力Ｐ２又は外部の圧力検出手段から入力された下流側の圧力が、設定圧力Ｐｓに近づいたか否かを判定する圧力判定部を有し、前記圧力判定部の判定に基づいて、前記流量制御から前記圧力制御への切り替えを行う、構成を採用できる。
【００１１】
好ましくは、前記開閉バルブとして、エアオペレートバルブを用いた構成を採用できる。
【００１２】
代替的には、前記開閉バルブとして、電磁弁を用いた構成を採用できる。
【００１３】
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、上記いずれかの流量圧力制御装置を含むことを特徴とする。
【００１４】
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の製造プロセスにおいて、前記プロセスガスの制御に上記いずれかの流体制御装置を用いることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、圧力式流量制御装置（ＭＦＣ）において、絞り部であるオリフィスをバイパスするバイパス流路と、該バイパス流路に開閉バルブを設けて、該開閉バルブを閉じた状態では圧力式流量制御を行い、該開閉バルブを開いた状態では、圧力制御制御を行うようにしたので、１台の制御装置で流量制御と圧力制御が可能になる。
それにより、流体制御装置や半導体製造装置の小型化の要求に応えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る流量圧力制御装置を示す構成図。
【図２】図１の装置の流量制御動作を示す説明図。
【図３】図１の装置の圧力制御動作を示す説明図。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る流量圧力制御装置を示す構成図。
【図５】図４の装置の流量制御動作を示す説明図。
【図６】図４の装置の圧力制御動作を示す説明図。
【図７】本発明の実施形態に係る流体制御装置と半導体製造装置を示す構成図
【発明を実施するための形態】
【００１７】
（第１の実施形態）
以下、本発明の実施形態の流量圧力制御装置について図面を参照して説明する。
本実施形態は、圧力センサをオリフィスの1次側のみに設け、バイパス流路の開閉バルブにエアオペレートバルブを用いた形態である。
図１に本実施形態の流量圧力制御装置の構成図を示す。
【００１８】
本実施形態の流量圧力制御装置１は、流体流路１０と、コントロールバルブ２０と、圧力センサ３０と、絞り部であるオリフィス４０と、バイパス流路１１と、開閉バルブ５０と、制御部７０を主に備える。
【００１９】
流体流路１０は、流体を通過させるものである。
【００２０】
コントロールバルブ２０は、前記流体流路を通過する流体の流量を調整するものである。本実施形態では、流量制御範囲の広い、ソレノイドアクチュエータで駆動されるダイヤフラムバルブを用いる。
【００２１】
圧力センサ３０は、流体流路１０のコントロールバルブ２０の２次側（オリフィス４０の１次側）に設けられ、流体流路１０の圧力Ｐ１を検出するものである。
【００２２】
オリフィス４０は、流体流路１０の圧力センサ３０の２次側に設けられ、流体流路１０を通過する流体の流量を絞るものであり、それにより、本装置を圧力式流量制御装置として機能させるものである。オリフィス４０は、流体流路１０内の障壁に設けた微小な貫通孔で形成されている。
本実施形態では、オリフィス４０の１次側の圧力Ｐ１と２次側の圧力Ｐ２との圧力比Ｐ２／Ｐ１が約０．５以下の臨界膨張条件で流量制御を実施する。この場合、オリフィスを通過する流体の流速が音速になり、２次側の圧力Ｐ２の変動が上流側に伝搬せず、流体流量は、上流側の気体の圧力Ｐ１に正比例して変化する（特許文献１）。これにより、オリフィス４０の１次側の圧力センサ３０の検出圧力Ｐ１のみに基づいて圧力制御ができる、したがって、オリフィス径は、上記臨界条件を満たすように選択される。
【００２３】
バイパス流路１１は、流体流路１０のオリフィス４０の１次側から分岐して、オリフィス４０の２次側で流体流路１０に合流している。このバイパス流路１１は、圧力制御の際、流体がオリフィス４０をバイパスして流れるようにするものである。この流路には、流体の流量を絞るオリフィス等は設けず、後述する開閉バルブ５０が開のときは、流体が抵抗なく流れるようになっている。
【００２４】
開閉バルブ５０は、バイパス流路１１に設けられ、該バイパス流路を開閉するものである。本実施形態では、エアオペレートバルブ５０を用いており、電磁弁６０を通して供給される駆動エアによりＯＮ／ＯＦＦするようになっている。
この電磁弁６０は、三方弁であり、ＯＦＦ（非通電時）のときは、駆動エアの供給源からの駆動エアをストップし、エアオペレートバルブ５０の圧力室への供給ラインを大気開放することにより、エアオペレートバルブ５０を閉にする。
一方、電磁弁６０は、ＯＮ（通電時）のときは、駆動エアの供給源からの駆動エアをエアオペレートバルブ５０の圧力室へ供給することにより、エアオペレートバルブ５０を開にする。
これにより、電磁弁６０の少ない動作電力で、エアオペレートバルブによりバイパス流路１１を開閉できるとともに、開状態では大流量の流体の通過も可能になる。
【００２５】
制御部７０は、外部から設定流量Ｑｓと設定圧力Ｐｓを入力可能で、また圧力センサ３０の検出圧力Ｐ１を入力可能であり、コントロールバルブ２０を制御するとともに、電磁弁６０を制御することにより開閉バルブ５０を制御するものである。
本実施形態では、所定のプログラムを実行するＣＰＵを含むマイコン、外部との通信インターフェース、コントロールバルブ２０や電磁弁６０を駆動するドライバ回路、圧力センサ３０の圧力信号を入力する入力インターフェース等を含む。
この他に、コントロールバルブ２０の１次側には、流体中のパーティクル等を除去するフィルタ１２が設けられている。
【００２６】
次に、このように構成された第１の実施形態の流量圧力制御装置１の動作について、説明する。
【００２７】
（流量制御動作）
図２は、本実施形態の流量圧力制御装置１の流量制御動作を示す説明図である。
上記のように、本実施形態では、オリフィス４０の１次側の圧力Ｐ１と２次側の圧力Ｐ２との圧力比Ｐ２／Ｐ１が約０．５以下の臨界膨張条件で流量制御を実施する。本流量圧力制御装置１の１次側の圧力Ｐ０は、オリフィス４０の１次側の圧力Ｐ１より、フィルタ１２とコントロールバルブ２０の圧力損失分僅かに高くする必要があるため、本装置の１次側の圧力Ｐ０と２次側の圧力Ｐ２との圧力比Ｐ２／Ｐ０が約０．５未満の条件で使用する必要がある。
制御部７０に対し、外部のコントローラ（半導体製造装置のコントローラ等）から、動作モードとして流量制御動作を指定し、設定流量Ｑｓを指定する。尚、この動作モードは、デフォルトで選択されるようにしてもよく、または、装置の設定スイッチで指定できるようにしてもよい。
この動作を設定されると、制御部７０は、電磁弁６０をＯＦＦ（非通電状態）にし、開閉バルブ５０を閉じた状態にする。これにより、本流量圧力制御装置１を通過する流体は全てオリフィス４０を通過するようになる。
制御部７０は、圧力センサ３０の検出圧力Ｐ１を読み込み、該検出圧力Ｐ１に基づいて流体の流量Ｑｃを演算する。このとき、オリフィス４０の１次側と２次側の圧力比Ｐ２／Ｐ１が上記臨界膨張条件を満たしていると、流量をＱｃ＝ＫＰ１（但しＫは比例定数）として演算できる。
制御部７０は、前記流量Ｑｃが前記設定流量Ｑｓに等しくなるように、流量Ｑｃと設定流量Ｑｓとの差分Ｑｙに応じて前記コントロールバルブ２０の開度を制御する流量制御を実施する。この制御は、差分Ｑｙに基づく比例制御でもよいが、差分Ｑｙの積分値と微分値も考慮したＰＩＤ制御が好ましい。
【００２８】
（圧力制御動作）
図３は、本実施形態の流量圧力制御装置１の圧力制御動作を示す説明図である。
制御部７０に対し、外部のコントローラ（半導体製造装置のコントローラ等）から、動作モードとして圧力制御動作を指定し、設定圧力Ｐｓを指定する。尚、この動作モードは、装置の設定スイッチで指定できるようにしてもよい。
この動作を設定すると、制御部７０は、電磁弁６０をＯＮ（通電状態）にし、開閉バルブ（エアオペレートバルブ）５０を開いた状態にする。
これにより、本流量圧力制御装置１を通過する流体の大部分は、バイパス流路１１を通過するようになる。開閉バルブ５０を含むバイパス流路１１の管路抵抗は極めて小さいので、圧力センサ３０で検出する圧力Ｐ１は、本装置１の２次側の圧力Ｐ２と略等しくなる。
この状態で、制御部７０は、圧力センサ３０の検出圧力Ｐ１を読み込み、該検出圧力Ｐ１が前記設定圧力Ｐｓに等しくなるように、圧力Ｐ１と設定圧力Ｐｓとの差分Ｐｙに応じて前記コントロールバルブ２０の開度を制御する圧力制御を実施する。この制御は、差分Ｐｙに基づく比例制御でもよいが、差分Ｐｙの積分値と微分値も考慮したＰＩＤ制御が好ましい。
【００２９】
第１の実施形態の流量圧力制御装置１では、上記のように、圧力センサ３０を１つだけ用いるシンプルな構成で、流量制御と圧力制御と選択的に実施することができる。
また、コントロールバルブ２０にソレノイドアクチュエータ駆動のダイヤフラムバルブを用い、開閉バルブ５０にエアオペレートバルブを用いたので、広い流量範囲の流量制御及び圧力制御が可能になる。
【００３０】
（第２の実施形態）
本実施形態は、圧力センサをオリフィスの１次側と２次側に設け、バイパス流路の開閉バルブに電磁弁を用いた形態である。
【００３１】
図４に本実施形態の流量圧力制御装置の構成図を示す。
本実施形態の流量圧力制御装置２は、流体流路１０と、コントロールバルブ２０と、第１の圧力センサ３０と、絞り部であるオリフィス４０と、第２の圧力センサ８０と、バイパス流路１１と、開閉バルブ９０と、制御部７０を主に備える。
【００３２】
流体流路１０は、流体を通過させるものである。
【００３３】
コントロールバルブ２０は、前記流体流路１０を通過する流体の流量を調整するものである。本実施形態では、応答性に優れた、ピエゾアクチュエータで駆動されるダイヤフラムバルブを用いる。
【００３４】
第１の圧力センサ３０は、流体流路１０のコントロールバルブ２０の２次側（オリフィス４０の１次側）に設けられ、流体流路１０の圧力Ｐ１を検出するものである。
【００３５】
オリフィス４０は、流体流路１０の第１の圧力センサ３０の２次側に設けられ、流体流路１０を通過する流体の流量を絞るものであり、それにより、本装置を圧力式流量制御装置として機能させるものである。オリフィス４０は、流体流路１０内の障壁に設けた微小な貫通孔で形成されている。
本実施形態の流量圧力制御装置２は、第１の実施形態と異なり、臨界膨張条件以外でも流量制御動作するので、オリフィス径は、上記臨界条件を満たすようにすることは必ずしも必要ない。本実施形態では、オリフィス４０の１次側の圧力Ｐ１のみならず、２次側の圧力Ｐ２も考慮して流量Ｑｃを演算するので、２次側の圧力Ｐ２が無視できない非臨界膨張条件でも流量Ｑｃを算出できるからである。
【００３６】
バイパス流路１１は、第１の実施形態と同様に、流体流路１０のオリフィス４０の１次側から分岐して、オリフィス４０の２次側で流体流路１０に合流している。このバイパス流路１１は、圧力制御の際、流体がオリフィス４０をバイパスして流れるようにするものである。この流路には、流体の流量を絞るオリフィス等は設けず、後述する開閉バルブ９０が開のときは、流体が抵抗なく流れるようになっている。
【００３７】
第２の圧力センサ８０は、流体流路１０のオリフィス４０の２次側に設けられ、流体流路１０の圧力Ｐ２を検出するものである。
【００３８】
開閉バルブ９０は、バイパス流路１１に設けられ、該バイパス流路１１を開閉するものである。本実施形態では、応答性に優れた、ピエゾアクチュエータで駆動されるダイヤフラムバルブを用いている。
【００３９】
制御部７０は、外部から設定流量Ｑｓと設定圧力Ｐｓを入力可能で、また第１及び第２の圧力センサ３０、８０の検出圧力Ｐ１を入力可能であり、コントロールバルブ２０及び開閉バルブ９０を制御するものである。
本実施形態では、所定のプログラムを実行するＣＰＵを含むマイコン、外部との通信インターフェース、コントロールバルブ２０や開閉バルブ９０を駆動するドライバ回路、第１及び第２の圧力センサ３０、８０の圧力信号を入力する入力インターフェース等を含む。
この他に、コントロールバルブ２０の１次側には、流体中のパーティクル等を除去するフィルタ１２が設けられている。
【００４０】
次に、このように構成された第２の実施形態の流量圧力制御装置２の動作について説明する。
【００４１】
（流量制御動作）
図５は、本実施形態の流量圧力制御装置２の流量制御動作を示す説明図である。
上記のように、第１の実施形態と異なり、臨界膨張条件以外でも流量制御動作するので、使用条件として上記臨界条件を満たすようにすることは必ずしも必要ない。
第１の実施形態と同様に、制御部７０に対し、外部のコントローラ（半導体製造装置のコントローラ等）から、動作モードとして流量制御動作を指定し、設定流量Ｑｓを指定する。
この動作を設定すると、制御部７０は、開閉バルブ９０をＯＦＦにし閉じた状態にする。
これにより、本装置１を通過する流体は全てオリフィス４０を通過するようになる。
制御部７０は、第１の圧力センサ３０の検出圧力Ｐ１と第２の圧力センサ８０の検出圧力Ｐ２とを読み込み、該検出圧力Ｐ１とＰ２に基づいて流体の流量Ｑｃを演算する。このとき、例えば、非臨界膨張条件下において検出圧力Ｐ１とＰ２から流体の流量をＱｃ＝ＫＰ２ｍ（Ｐ１−Ｐ２）ｎ（但しＫは比例定数、ｍとｎは定数）として演算することができる。
この式による演算により、臨界膨張条件のみならず、２次側の圧力Ｐ２が無視できない非臨界膨張条件でも流量Ｑｃを算出でき（特許文献２の［０００７］など）、流量制御に使用できる。
制御部７０は、前記流量Ｑｃが前記設定流量Ｑｓに等しくなるように、流量Ｑｃと設定流量Ｑｓとの差分Ｑｙに応じて前記コントロールバルブ２０の開度を制御する流量制御を実施する。この制御は、差分Ｑｙに基づく比例制御でもよいが、差分Ｑｙの積分値と微分値も考慮したＰＩＤ制御が好ましい。
尚、本実施形態の流量圧力制御装置２を臨界膨張条件でのみ使用する場合であれば、制御部７０は、第１の実施形態と同様に、オリフィスの１次側の検出圧力Ｐ１のみに基づく流量制御を実施してもよい。
【００４２】
（圧力制御動作）
図６は、本実施形態の流量圧力制御装置２の圧力制御動作を示す説明図である。
第１の実施形態と同様に、制御部７０に対し、外部のコントローラ（半導体製造装置のコントローラ等）から、動作モードとして、動作モードとして圧力制御動作を指定し、設定圧力Ｐｓを指定する。
この動作を設定すると、制御部７０は、開閉バルブ９０をＯＮにし開いた状態にする。
この状態で、制御部７０は、第２の圧力センサ８０の検出圧力Ｐ２を読み込み、該検出圧力Ｐ２が前記設定圧力Ｐｓに等しくなるように、圧力Ｐ２と設定圧力Ｐｓとの差分Ｐｙに基づいて前記コントロールバルブ２０の開度を制御する圧力制御を実施する。この制御は、差分Ｐｙに基づく比例制御でもよいが、差分Ｐｙの積分値と微分値も考慮したＰＩＤ制御が好ましい。
尚、制御部７０は、第２の圧力センサ８０の検出圧力Ｐ２の替わりに、第１の実施形態と同様に第１の圧力センサ３０の検出圧力Ｐ１に基づいて上記圧力制御を実施してもよいが、本流量圧力制御装置２を通過する流体の流量によっては、開閉バルブ９０で若干の圧力降下が発生しうるので、第２の圧力センサ８０の検出圧力Ｐ２を用いることが好ましい。
【００４３】
（流量制御・圧力制御の自動切り替え動作）
制御部７０に対し、設定圧力Ｐｓと設定流量Ｑｓを指定して、上述した流量制御と圧力制御を自動で切り替える動作モードを指定することができる。
この動作を設定すると、制御部７０はまず上述の流量制御動作と同様に、設定流量Ｑｓを流す動作を始める。並行して、制御部７０内の圧力判定部７１で、第２の圧力センサ８０の検出圧力Ｐ２が設定圧力Ｐｓに近づいたか否かの判定を常時行う。圧力判定部７１の判定が正の場合、制御部７０の動作を上述の圧力制御動作と同様の設定圧力Ｐｓを保持する動作に切り替える。
圧力判定部７１の判定処理は、所定の値Δに対して、Ｐｓ−Ｐ２＜Δ の条件で判定される。この条件を用いる理由は、下流側の検出圧力Ｐ２が低い状態でこの動作モードが動作し始める、という想定による。
【００４４】
第２の実施形態の流量圧力制御装置２では、上記のように、２つの圧力センサ３０、８０を用いた構成で、流量制御と圧力制御と選択的に実施することができ、臨界膨張条件下のみならず、非臨界膨張条件下でも流量制御ができる。
また、コントロールバルブ２０及び開閉バルブ５０にピエゾアクチュエータ駆動のダイヤフラムバルブを用いたので、応答性の高い流量制御及び圧力制御が可能になる。
また、流量制御・圧力制御の自動切り替え動作を使うことで、真空状態のチャンバを流量圧力制御装置２の下流側に接続して、このチャンバにガスを導入して所定の圧力に保ちたい場合においても、ガスを入れ始めた際の圧力の上昇カーブを同一に保つことができ、製品のばらつき（例えば、コントロールバルブ２０の流量特性のばらつき）による圧力上昇カーブへの影響を最小限に抑えることができる。下流側の圧力、つまりチャンバの圧力、が設定圧力Ｐｓに近づいた後は、圧力制御動作に切り替わって開閉バルブ９０が開く。そのため、コントロールバルブ２０の動作がオリフィス部の影響なしに素早くチャンバ圧力に影響を及ぼすようになり、より精度の高いフィードバック制御が可能になる。
【００４５】
尚、上記各実施形態では、コントロールバルブ２０や開閉バルブ５０，９０として用いるバルブとして各種バルブを記載したが、本発明においては、これらの機能が発揮できるバルブであればいずれでもよく、上記記載以外の種類のバルブでもよい。
【００４６】
また、上記各実施形態では、流量制御の際における流量Ｑｃの計算式として、Ｑｃ＝ＫＰ１（但しＫは比例定数）やＱｃ＝ＫＰ２ｍ（Ｐ１−Ｐ２）ｎ（但しＫは比例定数、ｍとｎは定数）を用いた。しかし、本発明において、流量Ｑｃを求める計算式は、これらの計算式に限られず、少なくともＰ１を考慮するものであればよい。また、温度センサをさらに設けて、検知した温度Ｔも考慮して流量Ｑｃを求めてもよい。また、圧力判定部７１が判定に用いる圧力センサは流量圧力制御装置に設けられたものでなくても良く、チャンバに取り付けられた圧力センサなどの外部から入力される圧力値であっても良い。また、絞り部は流量測定に用いるための圧力損失を生む素子であればオリフィス以外であってもよく、例えばノズル構造を使うことができる。
【００４７】
（適用例）
次に、上記流量圧力制御装置を用いた本発明の流体制御装置及び半導体製造装置について説明する。
図７は、本発明の実施形態に係る流体制御装置と半導体製造装置を示す構成図である。
半導体製造装置２００は、半導体基板に処理（成膜、エッチング等の処理）を行う２つのチャンバＣＨ１，ＣＨ２を有し、チャンバＣＨ１については、処理の実施時に供給するプロセスガスの圧力制御を行い、チャンバＣＨ２については、処理実施時に供給するプロセスガスの流量制御を行う。各処理チャンバは、排気ポンプ１２０ａ，１２０ｂにより真空引きされている。各チャンバＣＨ１，ＣＨ２と排気ポンプ１２０ａ，１２０ｂの間にはそれぞれ、バタフライ弁や絞り弁などの図示しないバルブを含む。
【００４８】
本発明の流体制御装置１００は、半導体製造装置２００に組み込まれ、チャンバＣＨ１とＣＨ２にプロセスガスやパージガスを供給するガス供給系を成すもので、プロセスガス又はパージガスの供給ライン上に設けられた本発明の流量圧力制御装置１又２と、その下流で分岐した各分岐ラインに設けられた開閉バルブ１１０ａ、１１０ｂを含む。開閉バルブ１１０ａ、１１０ｂの２次側の配管は、チャンバＣＨ１，ＣＨ２に接続されている。
【００４９】
このように構成された本発明の流体制御装置１００及び半導体製造装置２００の動作について説明する。
チャンバＣＨ１内のプロセスガスの圧力制御を行う場合は、半導体製造装置の２００のコントローラ（図示省略）は、開閉バルブ１１０ａを開け、開閉バルブ１１０ｂを閉じて、本発明の流量圧力制御装置１又は２を圧力制御動作させる。
チャンバＣＨ２に供給するガスの流量制御を行う場合は、前記コントローラは、開閉バルブ１１０ａを閉じ、開閉バルブ１１０ｂを開けて、本発明の流量圧力制御装置１又は２を流量制御動作させる。
これにより、流体制御装置１００及び半導体製造装置２００は、少ない台数の制御機器で、圧力制御と流量制御を実施することができる。
【００５０】
上記の実施形態では圧力制御と流量制御を時間的に切り替えて使う方法を示したが、流量制御・圧力制御の自動切り替え動作を使ったり、通常動作時には圧力制御だけを使うよう設定したりしていても良い。
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されない。当業者であれば、本発明の範囲内で、種々の追加や変更等を行うことができる。
【符号の説明】
【００５１】
１      ：流量圧力制御装置
２      ：流量圧力制御装置
１０    ：流体流路
１１    ：バイパス流路
１２    ：フィルタ
２０    ：コントロールバルブ
３０    ：圧力センサ（第１の圧力センサ）
４０    ：オリフィス
５０    ：開閉バルブ（エアオペレートバルブ）
６０    ：電磁弁
７０    ：制御部
７１    ：圧力判定部
８０    ：第２の圧力センサ
９０    ：開閉バルブ
１００  ：流体制御装置
１１０ａ：開閉バルブ
１１０ｂ：開閉バルブ
１２０ａ：排気ポンプ
１２０ｂ：排気ポンプ
２００  ：半導体製造装置
ＣＨ１  ：チャンバ
ＣＨ２  ：チャンバ
Ｐ０    ：圧力
Ｐ１    ：圧力、検出圧力
Ｐ２    ：圧力、検出圧力
Ｐｓ    ：設定圧力
Ｐｙ    ：差分
Ｑｃ    ：流量
Ｑｓ    ：設定流量
Ｑｙ    ：差分
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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