(57)【要約】 外部センサを用いることなく、経時、経年等による流量変動を精密に調整可能なバルブ装置を提供する。  開位置に位置付けられた操作部材の位置を調整するための圧電素子を利用した調整用アクチュエータ（１００）を有し、調整用アクチュエータ（１００）の駆動回路（２００）は、圧電素子に生じるひずみ量に係わる電気信号を検出する検出部（２１０）と、圧電素子のひずみ量に係わる電気信号に基づいて、弁体による流路の開度が目標開度になるように調整用アクチュエータ（１００）を制御する制御部（２１０）とを有する。
2019059043.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流路を画定するバルブボディと、前記バルブボディの流路を開閉可能に設けられた弁体と、前記弁体に流路を閉鎖させる閉位置と前記弁体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、前記弁体を操作する操作部材と、を有するバルブ装置であって、  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圧電素子を利用した調整用アクチュエータを有し、  前記調整用アクチュエータの駆動回路は、前記圧電素子に生じるひずみ量に係わる電気信号を検出する検出部と、  前記圧電素子のひずみ量に係わる電気信号に基づいて、前記弁体による前記流路の開度が目標開度になるように前記調整用アクチュエータを制御する制御部と、を有するバルブ装置。
【請求項２】
前記操作部材を前記開位置および閉位置の一方に移動させる主アクチュエータと、  前記操作部材を前記開位置および閉位置の他方に移動させるばね機構と、を有し、  前記調整用アクチュエータは、前記主アクチュエータ又は前記ばね機構により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、請求項１に記載のバルブ装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のバルブ装置の流量調整方法であって、  前記調整用アクチュエータの駆動回路において、前記圧電素子に生じるひずみ量に係わる電気信号を抽出し、  検出した前記圧電素子のひずみ量に係わる電気信号に基づいて、前記弁体による前記流路の開度が目標開度になるように前記調整用アクチュエータを制御する、ことを含む流量調整方法。
【請求項４】
請求項２に記載のバルブ装置の流量調整方法であって、  前記主アクチュエータを駆動して前記弁体に流路を開放させ、  前記調整作業予め設定された制御電圧を前記圧電素子に印可し、  前記制御電圧が印可された前記圧電素子のひずみに係わる電気信号を抽出し、  前記電気信号に基づいて、開度調整量を決定し、  決定した開度調整量に応じた制御信号を前記調整用アクチュエータに入力する、ことを含む流量調整方法。
【請求項５】
上流側から下流側に向かって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又は２に記載のバルブ装置を含む流体制御装置。
【請求項６】
請求項１又は２のバルブ装置を用いて、流体の流量を制御する流量制御方法。
【請求項７】
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又は２に記載のバルブ装置を用いる半導体製造方法。
【請求項８】
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又は２に記載のバルブ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、バルブ装置、このバルブ装置の流量調整方法、このバルブを含む流体制御装置、半導体製造装置、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、上記のガスボックス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】  しかしながら、エア駆動式のバルブにおいて、空圧調整や機械的調整により流量を精密に調整するのは容易ではない。また、ＡＬＤ法による半導体製造プロセスでは、処理チャンバ周辺が高温となるため、バルブが温度の影響を受けやすい。さらに、高頻度でバルブを開閉するので、バルブの経時、経年変化が発生しやすく、流量調整作業に膨大な工数を要する。  また、バルブの経時、経年によるバルブ開度の変化を、センサを用いて検出するには、センサを設置するスペースを確保する必要があり、装置の小型化が困難になる、装置のコストが高くなる等の問題もある。【０００５】  本発明の一の目的は、外部センサを用いることなく、経時、経年等による流量変動を精密に調整可能なバルブ装置を提供することにある。  本発明の他の目的は、流量調整工程を大幅に削減できるバルブ装置を提供することにある。  本発明のさらに他の目的は、上記のバルブ装置を用いた、流体制御装置、流量調整方法、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、流路を画定するバルブボディと、前記バルブボディの流路を開閉可能に設けられた弁体と、前記弁体に流路を閉鎖させる閉位置と前記弁体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、前記弁体を操作する操作部材と、を有するバルブ装置であって、  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圧電素子を利用した調整用アクチュエータを有し、  前記調整用アクチュエータの駆動回路は、前記圧電素子に生じるひずみ量に係わる電気信号を検出する検出部と、  前記圧電素子のひずみ量に係わる電気信号に基づいて、前記弁体による前記流路の開度が目標開度になるように前記調整用アクチュエータを制御する制御部と、を有する。【０００７】  好適には、本発明のバルブ装置は、前記操作部材を前記開位置および閉位置の一方に移動させる主アクチュエータと、  前記操作部材を前記開位置および閉位置の他方に移動させるばね機構と、を有し、  前記調整用アクチュエータは、前記主アクチュエータ又は前記ばね機構により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、構成とすることができる。【０００８】  本発明のバルブ装置の流量調整方法は、上記のバルブ装置の流量調整方法であって、前記調整用アクチュエータの駆動回路において、前記圧電素子に生じるひずみ量に係わる電気信号を抽出し、  検出した前記圧電素子のひずみ量に係わる電気信号に基づいて、前記弁体による前記流路の開度が目標開度になるように前記調整用アクチュエータを制御する、ことを含む。【０００９】  好適には、本発明のバルブ装置の流量調整方法は、上記のバルブ装置の流量調整方法であって、  前記主アクチュエータを駆動して前記弁体に流路を開放させ、  前記調整作業予め設定された制御電圧を前記圧電素子に印可し、  前記制御電圧が印可された前記圧電素子のひずみに係わる電気信号を抽出し、  前記電気信号に基づいて、開度調整量を決定し、  決定した開度調整量に応じた制御信号を前記調整用アクチュエータに入力する、ことを含む。【００１０】  本発明の流体制御装置は、上流側から下流側に向かって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、上記のバルブ装置を含む流体制御装置。【００１１】  本発明の流量制御方法は、上記のバルブ装置を用いて、流体の流量を制御する。【００１２】  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のバルブ装置を用いる。【００１３】  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のバルブ装置を用いる。
【発明の効果】
【００１４】  本発明によれば、外部センサを用いる代わりに、調整用アクチュエータの圧電素子に所定の制御電圧を印可したときに発生するひずみに係わる電気信号を調整用アクチュエータの駆動回路に設けた検出部で検出することで、調整用アクチュエータに作用する外力を推定することができる。この外力の変化から、バルブ装置の経時、経年変化による流量変動量を推定し、この変動量を調整用アクチュエータで補償することで、精密な流量管理が可能となる。  本発明によれば、処理チャンバに供給するプロセスガスをより精密にコントロールできるため、基板上に高品質な膜を安定的に形成可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係るバルブ装置の縦断面図。
【図２】閉状態にある図１のバルブ装置の要部の拡大断面図。
【図３】圧電アクチュエータの動作を示す説明図。
【図４】開状態にある図１のバルブ装置の縦断面図。
【図５】図４のバルブ装置の要部の拡大断面図。
【図６Ａ】図４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６Ｂ】図４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７】本発明の駆動回路の概略構成を示す機能ブロック図。
【図８】図７の検出部の具体的な回路例を示す図。
【図９】流量調整工程の一例を示すフローチャート。
【図１０】本発明の一実施形態に係るバルブ装置の半導体製造プロセスへの適用例を示す概略図。
【図１１】本実施形態のバルブ装置を用いる流体制御装置の一例を示す斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】  以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、本明細書および図面においては、機能が実質的に同様の構成要素には、同じ符号を使用することにより重複した説明を省略する。  図１は、本発明の一実施形態に係るバルブ装置の構成を示す図であって、バルブが全閉時の状態を示しており、図２は図１の要部の拡大断面図、図３は調整用アクチュエータとしての圧電アクチュエータの動作を説明するための図である。なお、以下の説明において上方向を開方向Ａ１、下方向を閉方向Ａ２とする。  図１において、１はバルブ装置、１０はバルブボディ、２０は弁体としてのダイヤフラム、３８はダイヤフラム押え、３０はボンネット、４０は操作部材、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、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、１１０はアクチュエータ受け、１２０は弾性部材としての皿ばね、ＯＲはシール部材としてのＯリングを示している。
【００１７】  バルブボディ１０は、ステンレス鋼により形成されており、ブロック状のバルブボディ本体１０ａと、バルブボディ本体１０ａの側方からそれぞれ突出する接続部１０ｂ、１０ｃを有し、流路１２，１３を画定している。流路１２、１３の一端は、接続部１０ｂ、１０ｃの端面でそれぞれ開口し、他端は上方が開放された凹状の弁室１４に連通している。弁室１４の底面には、流路１２の他端側の開口周縁に設けられた装着溝に合成樹脂（ＰＦＡ、ＰＡ、ＰＩ、ＰＣＴＦＥ等）製の弁座１５が嵌合固定されている。尚、本実施形態では、図２から明らかなように、加締め加工により弁座１５が装着溝内に固定されている。
【００１８】  ダイヤフラム２０は、バルブボディ１０の流路１２，１３を開閉可能に設けられた弁体であり、弁座１５の上方に配設されており、弁室１４の気密を保持すると共に、その中央部が上下動して弁座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、その周縁部が弁室１４の内周面の突出部上に載置され、弁室１４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１６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  なお、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。
【００１９】  操作部材４０は、ダイヤフラム２０に流路１２、１３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、下端側が閉塞部４８により閉塞し、上端側が開口しており、ボンネット３０の内周面とケーシング５０内に形成された筒状部５１の内周面に嵌合し、上下方向に移動自在に支持されている。なお、図１および図２に示すＡ１，Ａ２は操作部材４０の開閉方向であり、Ａ１は開方向、Ａ２は閉方向を示している。本実施形態では、バルブボディ１０に対して上方向が開方向Ａ１であり、下方向が閉方向Ａ２であるが、本発明はこれに限定されるわけではない。  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３８が装着されている。  操作部材４０の外周面に形成された鍔部４５の上面と、ケーシング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により閉方向Ａ２に向けて常時付勢されている。このため、図２に示すように、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は弁座１５に押し付けられ、流路１２，１３の間は閉じられた状態となっている。  なお、鍔部４５は、操作部材４０と一体であっても、別体であっても良い。
【００２０】  コイルばね９０は、ケーシング５０の内周面と筒状部５１との間に形成された保持部５２に収容されている。本実施形態では、コイルばね９０を使用しているが、これに限定されるわけではなく、皿ばねや板バネ等の他の種類のばねを使用できる。
【００２１】  ケーシング５０は、その下端部内周がボンネット３０の上端部外周に形成されたネジ部３６にねじ込まれることで、ボンネット３０に固定されている。なお、ボンネット３０上端面とケーシング５０との間には、環状のバルクヘッド６３が固定されている。  操作部材４０の外周面と、ケーシング５０およびボンネット３０との間には、バルクヘッド６３によって上下に区画されたシリンダ室Ｃ１，Ｃ２が形成されている。
【００２２】  上側のシリンダ室Ｃ１には、環状に形成されたピストン６１が嵌合挿入され、下側のシリンダ室Ｃ２には、環状に形成されたピストン６２が嵌合挿入されている。これらシリンダ室Ｃ１，Ｃ２およびピストン６１，６２は、操作部材４０を開方向Ａ１に移動させる主アクチュエータ６０を構成している。主アクチュエータ６０は、２つのピストン６１，６２を用いて圧力の作用面積を増加させることにより、操作ガスによる力を増力できるようになっている。  シリンダ室Ｃ１のピストン６１の上側の空間は、通気路５３により大気につながっている。シリンダ室Ｃ２のピストン６２の上側の空間は、通気路ｈ１により大気につながっている。
【００２３】  シリンダ室Ｃ１，Ｃ２のピストン６１，６２の下側の空間は高圧の操作ガスが供給されるため、ＯリングＯＲにより気密が保たれている。これらの空間は、操作部材４０に形成された流通路４１，４２とそれぞれ連通している。流通路４１，４２は、操作部材４０の内周面と圧電アクチュエータ１００のケース本体１０１の外周面との間に形成された流通路Ｃｈに連通し、この流通路Ｃｈは、操作部材４０の上端面と、ケーシング５０の筒状部５１と調整ボディ７０の下端面とで形成される空間ＳＰと連通している。そして、環状のアクチュエータ押え８０に形成された流通路８１は、空間ＳＰと調整ボディ７０の中心部を貫通する流通路７１とを接続している。調整ボディ７０の流通路７１は、管継手１５０を介して管１６０と連通している。
【００２４】  圧電アクチュエータ１００は、図３に示す円筒状のケース本体１０１に図示しない積層された圧電素子を内蔵している。ケース本体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可して伸長させることで、ケース本体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、開閉方向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１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の流通路７１および管継手１５０を通じて管１６０に導かれており、管１６０の途中から外部に引き出されている。
【００２５】  圧電アクチュエータ１００の基端部１０３の開閉方向の位置は、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ネジ孔５６に調整ボディ７０の外周面に設けられたネジ部がねじ込まれており、調整ボディ７０の開閉方向Ａ１，Ａ２の位置を調整することで、圧電アクチュエータ１００の開閉方向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２に示すように円盤状のアクチュエータ受け１１０の上面に形成された円錐面状の受け面１１０ａに当接している。アクチュエータ受け１１０は、開閉方向Ａ１，Ａ２に移動可能となっている。
【００２６】  アクチュエータ受け１１０の下面と操作部材４０の閉塞部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。図２に示す状態において、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１１０は開方向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も開方向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、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に対して開閉方向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。
【００２７】  図２に示すように、ダイヤフラム２０が弁座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１１０の下面側の規制面１１０ｔと、操作部材４０の閉塞部４８の上面側の当接面４０ｔとの間には隙間が形成されている。こ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の開閉方向Ａ１，Ａ２の位置を調整することで変更できる。図２に示す状態の操作部材４０は、当接面４０ｔを基準にすると、閉位置ＣＰに位置する。この当接面４０ｔが、アクチュエータ受け１１０の規制面１１０ｔ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が弁座１５からリフト量Ｌｆ分だけ離れる。
【００２８】  次に、上記構成のバルブ装置１の動作について図４〜図６Ｂを参照して説明する。  図４に示すように、管１６０を通じて所定圧力の操作ガスＧをバルブ装置１内に供給すると、ピストン６１，６２から操作部材４０へ開方向Ａ１に押し上げる推力が作用する。操作ガスＧの圧力は、操作部材４０にコイルばね９０および皿ばね１２０から作用する閉方向Ａ２の付勢力に抗して操作部材４０を開方向Ａ１に移動させるのに十分な値に設定されている。このような操作ガスＧが供給されると、図５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開方向Ａ１に移動し、アクチュエータ受け１１０の規制面１１０ｔに操作部材４０の当接面４０ｔが当接し、アクチュエータ受け１１０は操作部材４０から開方向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を開閉方向Ａ１，Ａ２に圧縮する力として作用するが、圧電アクチュエータ１００はこの力に抗する十分な剛性を有する。したがって、操作部材４０に作用する開方向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、弁座１５から上記したリフト量Ｌｆだけ離隔する。
【００２９】  図５に示す状態におけるバルブ装置１の流路１３から出力し供給される流体の流量を調整したい場合には、圧電アクチュエータ１００を作動させる。  図６Ａおよび図６Ｂ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の開閉方向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６Ａ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を閉方向Ａ２に移動させる。これにより、ダイヤフラム２０と弁座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。  流体の流量を増加させる方向に調整する場合には、図６Ｂ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を開方向Ａ１に移動させる。これにより、ダイヤフラム２０と弁座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。
【００３０】  本実施形態では、ダイヤフラム２０のリフト量の最大値は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、操作ガス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に印可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。
【００３１】 流量自動調整  上記実施形態では、流量を調整する際に、流量調整量（リフト量）が予め既知であることが前提である。  しかしながら、バルブ装置１を構成するダイヤフラム２０、皿ばね１２０、コイルばね９０等の構成要素の機械的特性は、バルブ装置１の開閉頻度や稼働期間に応じて変化していく。例えば、ダイヤフラム２０の初期段階の復元力と、長期間使用した後の復元力とを比較すると、初期段階の復元力のほうが大きい。このため、バルブ装置１の開閉動作を長期間繰り返していくと、徐々に上記したような構成要素の機械特性の変化により、予め設定した流量から乖離していく。  しかしながら、小型化、集積化が進んだバルブ装置では、流量の変動をモニターする外部センサ等を設けることは実用的ではなく、装置のコストも高くなってしまう。
【００３２】  ここでは、流量の変動をモニターする外部センサ等を設けて検出する代わりに、圧電アクチュエータ１００をセンサとしても使用し、流量調整の自動化の一例について図７〜図９を参照して説明する。  図７に示すように、圧電アクチュエータ１００を駆動する駆動回路２００は、検出部２１０および制御部２２０を有する。  ここで、圧電アクチュエータ１００の電気的等価モデルは、電気的共振周波数未満の低周波領域においては、図８の破線中に示すように、ひずみによる電圧源（電圧信号とも呼ぶ）ＶｐとキャパシタＣｐを直列に接続したものと近似できる。  電圧源Ｖｐは、圧電素子のひずみに比例するため、圧電素子の両端子電圧を測定することにより圧電素子の外力によるひずみを検知できる。すなわち、圧電アクチュエータ１００を、外力を検知するセンサとしても使用できる。  圧電アクチュエータ１００の圧電素子のひずみ量は、外力による圧電素子の変形に起因する成分と、印可電圧Ｖａによる圧電素子の変形に起因する成分の和となる。  圧電アクチュエータ１００の圧電素子に印可電圧Ｖａがかかった状態でひずみによる電圧源Ｖｐを抽出することは不可能である。このため、図８に示すように、ブリッジ回路を構成し、圧電素子の自己検出ひずみを抽出する。このブリッジ回路では、制御電圧Ｖｃが圧電素子に直接印可されるわけではなく、Ｖａ＝Ｖｃ−Ｖ１である。なお、図８のブリッジ回路において、Ｃ１は参照キャパシタ、Ｃ２はゲインキャパシタである。  センサ電圧Ｖｓを、Ｖ１−Ｖ２と定義し、Ｃ１＝Ｃｐとなるように調整すると、センサ電圧Ｖｓは、
【００３３】  Ｖｓ＝Ｖｐ×Ｃｐ／（Ｃｐ＋Ｃ２）＝Ｋ×Ｖｐ  （１）
【００３４】  このように、制御電圧Ｖｃの影響を取り除き、圧電素子のひずみに係わる電圧信号ＶｐのみにゲインＫがかかった分圧の形でセンサ電圧Ｖｓを抽出することができる。
【００３５】  流量調整は、図９に示すように、主アクチュエータ６０を駆動してバルブを開放する（ステップＳＴ１）。この状態では、圧電アクチュエータ１００には、コイルばね９０の復元力等の外力が作用し、圧電素子に変形が生じている。ここで、予め設定された所定の制御電圧Ｖｃを印可する（ステップＳＴ２）。これにより、圧電アクチュエータ１００の圧電素子のひずみ量は、外力による圧電素子の変形に起因する成分と、印可電圧Ｖａによる圧電素子の変形に起因する成分が含まれた状態となる。  そして、上記したセンサ電圧Ｖｓを検出する（ステップＳＴ３）。  バルブ装置１の初期設定状態におけるセンサ電圧をＶｓ０とすると、バルブ装置１の機械的特性（コイルばね９０やダイヤフラム２０の機械的特性）が経時、経年等により変化しているとすると、検出されたセンサ電圧Ｖｓの値も初期のセンサ電圧Ｖｓ０とは異なる。検出されたセンサ電圧Ｖｓと初期のセンサ電圧Ｖｓ０との偏差ΔＶを算出し（ステップＳＴ４）は、バルブ装置１の機械特性の変化の大きさに比例した値となると予想される。バルブ装置１の機械特性の変化が流量変化の主原因であるので、偏差ΔＶの大きさに応じて流量調整量（開度調整量）を決定する（ステップＳＴ５）。そして、決定した開度調整量に応じた制御電圧Ｖｃ′を決定して、圧電アクチュエータ１００に与える（ステップＳＴ６）。
【００３６】  なお、上記した流量調整の手順は一例であり、このほかにも、種々の方法を採用できる。図８に示したブリッジ回路で圧電素子のひずみ量に係わる電圧信号Ｖｐのみを抽出した場合を例示したが、外部センサを用いることなく圧電素子のひずみ量に係わる電圧信号Ｖｐが抽出できるのであれば、他の方法を採用できる。
【００３７】  次に、図１０を参照して、上記したバルブ装置１の適用例について説明する。  図１０に示すシステムは、ＡＬＤ法による半導体製造プロセスを実行するための半導体製造装置１０００であり、３００はプロセスガス供給源、４００はガスボックス、５００はタンク、６００はコントローラ、７００は処理チャンバ、８００は排気ポンプを示している。  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、基板の大口径化により、処理ガスの流量をある程度確保する必要もある。  ガスボックス４００は、正確に計量したプロセスガスを処理チャンバ７００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機器を集積化してボックスに収容した流体制御装置である。  タンク５００は、ガスボックス４００から供給される処理ガスを一時的に貯留するバッファとして機能する。  コントローラ６００は、バルブ装置１への操作ガスＧの供給制御や圧電アクチュエータ１００による流量調整制御を実行する指令を与える。  処理チャンバ７００は、ＡＬＤ法による基板への膜形成のための密閉処理空間を提供する。  排気ポンプ８００は、処理チャンバ７００内を真空引きする。
【００３８】  上記のようなシステム構成によれば、コントローラ６００からバルブ装置１に流量調整のための指令を送れば、処理ガスの初期調整が可能になる。  また、処理チャンバ７００内で成膜プロセスを実行途中であっても、処理ガスの流量調整が可能であり、リアルタイムに処理ガス流量の最適化ができる。
【００３９】  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、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。
【００４０】  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。
【００４１】  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。この場合には、例えば、弁体の開度調整を調整用アクチュエータで行うようにすればよい。
【００４２】  上記実施形態では、弁体としてダイヤフラムを例示したが、本発明はこれに限定されるわけではなく、他の種類の弁体を採用することも可能である。
【００４３】  上記実施形態では、圧電素子のひずみに係わる電圧信号を抽出する場合を例示したが、これに限定されるわけではなく、圧電素子のひずみに係わる電流信号を抽出する回路を採用することも可能である。
【００４４】  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１１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。
【００４５】  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。
【００４６】  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】
【００４７】１        ：バルブ装置１０      ：バルブボディ１０ａ    ：バルブボディ本体１０ｂ    ：接続部１０ｃ    ：接続部１２      ：流路１３      ：流路１４      ：弁室１５      ：弁座１６      ：ねじ部２０      ：ダイヤフラム２５      ：押えアダプタ３０      ：ボンネット３６      ：ネジ部３８      ：ダイヤフラム押え４０      ：操作部材４０ｔ    ：当接面４１      ：流通路４２      ：流通路４５      ：鍔部４８      ：閉塞部５０      ：ケーシング５１      ：筒状部５２      ：保持部５３      ：通気路５６      ：ネジ孔６０      ：主アクチュエータ６１      ：ピストン６２      ：ピストン６３      ：バルクヘッド７０      ：調整ボディ７１      ：流通路８０      ：アクチュエータ押え８１      ：流通路９０      ：コイルばね１００    ：圧電アクチュエータ１０１    ：ケース本体１０２    ：先端部１０３    ：基端部１０５    ：配線１１０    ：アクチュエータ受け１１０ａ  ：受け面１１０ｔ  ：規制面１２０    ：皿ばね１５０    ：管継手１６０    ：管２００    ：駆動回路２１０    ：検出部２２０    ：制御部３００    ：プロセスガス供給源４００    ：ガスボックス５００    ：タンク６００    ：コントローラ７００    ：処理チャンバ８００    ：排気ポンプ９９１Ａ  ：開閉弁９９１Ｂ  ：レギュレータ９９１Ｃ  ：プレッシャーゲージ９９１Ｄ  ：開閉弁９９１Ｅ  ：マスフローコントローラ９９２    ：流路ブロック９９３    ：導入管１０００  ：半導体製造装置Ａ１      ：開方向Ａ２      ：閉方向ＢＳ      ：ベースプレートＣ１      ：シリンダ室Ｃ２      ：シリンダ室ＣＰ      ：閉位置Ｃｈ      ：流通路Ｃｐ      ：キャパシタＣｔ      ：中心線Ｇ        ：操作ガスＧ１      ：長手方向（上流側）Ｇ２      ：長手方向（下流側）Ｋ        ：ゲインＬ０      ：全長Ｌｆ      ：リフト量ＯＰ      ：開位置ＯＲ      ：ＯリングＳＰ      ：空間ＳＴ１    ：ステップＳＴ２    ：ステップＳＴ３    ：ステップＳＴ４    ：ステップＳＴ５    ：ステップＳＴ６    ：ステップＶ０      ：所定電圧Ｖａ      ：印可電圧Ｖｃ      ：制御電圧Ｖｃ′    ：制御電圧Ｖｐ      ：電圧源(電圧信号)Ｖｓ      ：センサ電圧Ｖｓ０    ：センサ電圧Ｗ１，Ｗ２：幅方向ｈ１      ：通気路ΔＶ      ：偏差
【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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