(57)【要約】【課題】長寿命化されたバルブ装置を提供する。【解決手段】与えられた電力を伸縮する力に変換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１００と、検出したバルブ開度と設定開度との偏差に応じた電圧を前記調整用アクチュエータに印加し、前記バルブ開度が所定開度を下回った場合には、前記調整用アクチュエータに印加する電圧をゼロボルトにする制御部３００と、を有する。【選択図】図９
2020122539.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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、
前記開口部を覆いつつ流路と外部とを隔て、かつ、前記開口部の周囲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、
与えられた電力を伸縮する力に変換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、
検出したバルブ開度と設定開度との偏差に応じた電圧を前記調整用アクチュエータに印加し、前記バルブ開度が所定開度を下回った場合には、前記調整用アクチュエータに印加する電圧をゼロボルトにする制御部と、を有するバルブ装置。
【請求項２】
前記バルブ開度を検出するべく、前記バルブボディに対する前記操作部材の変位を検出する位置検出機構をさらに有する、請求項１に記載のバルブ装置。
【請求項３】
前記主アクチュエータは、前記操作部材を前記開位置に移動させ、
前記調整用アクチュエータは、前記主アクチュエータにより前記開位置に位置付けられた前記操作部材に作用する力を当該調整用アクチュエータの先端部で受け止めて当該操作部材の移動を規制しつつ、当該操作部材の位置を調整する、請求項１または２に記載のバルブ装置。
【請求項４】
前記操作部材と前記調整用アクチュエータの間には、当該調整用アクチュエータを前記所定位置に向けて付勢し、かつ、前記ダイヤフラムを弁閉方向に付勢する弾性部材が介在している、ことを特徴とする請求項３に記載のバルブ装置。
【請求項５】
前記調整用アクチュエータは、圧電素子の伸縮を利用したアクチュエータを含む、請求項１ないし４のいずれかに記載のバルブ装置。
【請求項６】
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６に記載のバルブ装置。
【請求項７】
請求項１ないし６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。
【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ないし６のいずれかに記載のバルブ装置を含む、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６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。
【請求項１０】
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６のいずれかに記載のバルブ装置を用いた半導体製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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半導体製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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集積化ガスシステムと呼ばれる流体制御装置が用いられている。この集積化ガスシステムをボックスに収容したものがガスボックスと呼ばれている。
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ガスボックス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１，２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とともに、基板の大口径化等により、処理ガスの流量をある程度確保する必要もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−６４３３３号公報
【特許文献２】特開２０１６−１２１７７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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、バルブの流路内の圧力を受けてダイヤフラムが開放方向に移動する等の原因で、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。
特許文献２に開示されたバルブ装置においては、圧電アクチュエータに常に電圧を印加していると、圧電アクチュエータの寿命が短くなるという問題があった。
【０００５】
本発明の一の目的は、長寿命化された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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、
前記開口部を覆いつつ流路と外部とを隔て、かつ、前記開口部の周囲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、
与えられた電力を伸縮する力に変換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、
検出したバルブ開度と設定開度との偏差に応じた電圧を前記調整用アクチュエータに印加し、前記バルブ開度が所定開度を下回った場合には、前記調整用アクチュエータへの印加電圧をゼロボルトにする制御部と、を有する。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、バルブ開度が所定開度を下回った場合、すなわち、バルブ開度調整が不要の場合には、調整用アクチュエータへゼロボルトが印加されるので、調整用アクチュエータが長寿命化される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１Ａ】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１Ｂ】図１Ａのバルブ装置の上面図。
【図１Ｃ】図１Ａのバルブ装置のアクチュエータ部の拡大断面図。
【図１Ｄ】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１Ｅ】図１Ａの円Ａ内の拡大断面図。
【図２】圧電アクチュエータの動作を示す説明図。
【図３】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。
【図４】制御系の概略構成を示す機能ブロック図。
【図５】流量の経時変化の発生の主原因を説明するための図。
【図６】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７】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。
【図８Ａ】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８Ｂ】図１Ａ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。
【図９】制御部の処理の一例を示すフローチャート。
【図１０】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。
【図１１】流体制御装置の一例を示す外観斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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バルブ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。
【００２７】
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Ｇ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。
【００２８】
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。
【００２９】
次に、図６および図７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。
【００３０】
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。規制面２７ｂと当接面４８ｔとの隙間の距離がダイヤフラム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６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。
【００３１】
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、図７に示すように、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、図７に示すように、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。
【００３２】
次に、バルブ装置１において流量変動が発生する主な原因について図７を参照して説明する。
バルブ装置１において流量が経時的に変化する主原因としては、バルブシート１５の変形が挙げられる。図７の（ａ）に示す状態を変形の無い初期状態とし、ＶＯＰをバルブシート１５のシート面から上記したリフト量Ｌｆだけ離隔する開位置とする。
バルブシート１５には、ダイヤフラム２０を介してダイヤフラム押え４８により繰り返し応力が印加されるので、例えば、図７の（ｂ）に示すように、バルブシート１５が潰れる。バルブシート１５の潰れによる変形量をαとすると、バルブ開度は、シート面と開位置ＶＯＰとの距離Ｌｆ＋αとなり、初期状態と比べて流量が増加する。
バルブシート１５は、高温雰囲気に曝されるので、図７の（ｃ）に示すように、バルブシート１５が熱膨張する。バルブシート１５の熱膨張による変形量をβとすると、バルブ開度は、シート面と開位置ＶＯＰとの距離Ｌｆ-βとなり、初期状態と比べて流量が減少する。
【００３３】
次に、バルブ装置１の流量調整の一例について図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との相対変位を所定のサンプリング時間でサンプリングしている。そして、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ＯＰを算出する（ステップＳ１）。バルブ開度ＯＰ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が、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が樹脂であり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。
【００３４】
バルブ開度ＯＰが算出されると、バルブ開度ＯＰ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ＯＰ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、バルブ開度が所定開度を下回ったかを判断する。
バルブ開度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ＯＰ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ＯＰ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ＯＰ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。
【００３５】
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。制御部３００は原点位置決定部を兼ねている。
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。
（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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
上記実施形態では、与えられた電力を伸縮する力に変換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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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９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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【符号の説明】
【００４６】
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
５１ｈ        ：流通路
５１          ：上側ケーシング部材
５１ｆ        ：対向面
５２          ：下側ケーシング部材
６０          ：主アクチュエータ
６１          ：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          ：Ｏリング
ＰＧ          ：プロセスガス
Ｐ            ：変位
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
１０００      ：半導体製造装置
【図１Ａ】
2020122539.tif 000003
【図１Ｂ】
2020122539.tif 000004
【図１Ｃ】
2020122539.tif 000005
【図１Ｄ】
2020122539.tif 000006
【図１Ｅ】
2020122539.tif 000007
【図２】
2020122539.tif 000008
【図３】
2020122539.tif 000009
【図４】
2020122539.tif 000010
【図５】
2020122539.tif 000011
【図６】
2020122539.tif 000012
【図７】
2020122539.tif 000013
【図８Ａ】
2020122539.tif 000014
【図８Ｂ】
2020122539.tif 000015
【図９】
2020122539.tif 000016
【図１０】
2020122539.tif 000017
【図１１】
2020122539.tif 000018