JPH07310841A - 流体の流量制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高速開閉型バルブを通してパルス状流体を供
給する流体供給システムに於いて、供給流体の流量制御
の高精度化と流量制御の容易化を図る。 【構成】 高速開閉型バルブを通してパルス状流体を供
給する流体供給システムに於いて、高速開閉型バルブを
圧電素子によりダイヤフラム弁体を駆動する形式のバル
ブとすると共に、制御装置から高速開閉型バルブの圧電
素子へ加えるパルス入力信号を調整し、高速開閉型バル
ブより流出するパルス状流体のデューティー比αを変え
ることにより、流体流量を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、主として半導体製造装
置等の高精度な流体流量制御を必要とする装置・設備に
利用されるものであり、パルス状の流体流れのパルス幅
やその周波数を調整することにより、所謂ヒステリシス
特性の無い高精度な流体流量の自動制御を可能とした高
速開閉型バルブを用いた流体の流量制御方法に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】半導体製造装置の拡散炉等に於いては、
図７に示す如く、複数の異なるガスＡ，Ｂ，Ｃを小流量
つづ同時に若しくは順次切換え乍ら、プロセスチャンバ
ー（拡散炉）Ｄへ供給する必要があり、前記各ガスＡ，
Ｂ，Ｃの供給流量は、高速開閉型バルブＥ₁ 〜Ｅ₃ の開
度を調整することにより制御されている。尚、図７に於
いて、Ｆ₁ 〜Ｆ₃ はボリュームタンク、Ｇ₁ 〜Ｇ₃ は圧
力調整バルブ、Ｈは真空ポンプである。

【０００３】ところで、前記図７のガス供給システムに
於いて、より高精度な流量制御を行なうためには、高速
開閉バルブＥの作動速度を高めて、パルス状の微小ガス
流Ａ，Ｂ，Ｃの流通制御を可能とする必要がある。即
ち、より高精度な流量制御の達成には、パルス幅が約
２０〜１００ｍｓｅｃ、パルス周期が約１００〜１００
０ｍｓｅｃ程度のパルス状ガス流が容易に得られ、しか
も前記パルス状ガス流による流量制御特性が所謂ヒス
テリシス現象を呈さないこと、が必要不可欠の条件とな
る。

【０００４】しかし、従前の半導体製造装置等に於いて
は、前記高速開閉型バルブＥとして、ダイヤフラム型バ
ルブにエアーシリンダー型アクチエータを組み付けた形
式のエアーシリンダー駆動式ダイヤフラム型流量制御弁
が使用されているため、パルス状作動に追従できる周波
数は、後述する如く１Ｈｚ程度までであり、ガス流のパ
ルス幅Ｗを５００ｍｓｅｃ以下にすることは不可能であ
る。その結果、より高精度な流量制御が達成出来ないと
云う難点がある。

【０００５】また、従前のエアーシリンダ駆動式ダイヤ
フラム型高速開閉型バルブでは、図８に示す如くバルブ
の流量特性にヒステリシス現象が表われることになり、
且つこのヒステリシス現象の発生を避けることは不可能
である。その結果、入力信号の印加方向により、同じ入
力信号値であってもガス流量Ｖ ₁ ，Ｖ₂ に差異を生ずる
ことになり、高精度な流量制御が基本的に出来ないと云
う問題がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従前の高速
開閉型バルブを用いた流体の流量制御方法に於ける上述
の如き問題、即ちパルス幅の短かいパルス状の流れを
形成することが不可能であり、より高精度な流量制御が
出来ないこと、及びバルブの流量制御特性にヒステリ
シス現象が表われ、制御精度の向上に限界があること等
の問題を解決せんとするものであり、パルス状ガス流の
デューティ比α（α＝パルス状ガス流が流れる時間／パ
ルス状ガス流の周期）を変えることにより、極めて高精
度な制御を可能とした流体の流量制御方法を提供するも
のである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本願発明は、高速開閉型
バルブを通し、流体をパルス状の流れとして供給する流
体供給システムに於いて、前記高速開閉型バルブを圧電
素子によりダイヤフラム弁体を駆動する圧電素子駆動式
ダイヤフラム型バルブとするとと共に、制御装置から前
記高速開閉型バルブの圧電素子駆動部へ加えるパルス入
力信号を調整し、前記高速開閉型バルブより流出するパ
ルス状流体のデューティー比αを変えることにより、供
給する流体の流量を制御することを発明の基本構成とす
るものである。

【０００８】

【作用】制御装置から、所要流量に対応するパルス入力
信号Ｏが高速開閉型バルブの圧電素子駆動部へ入力され
ることにより、高速開閉型バルブを通して前記パルス入
力信号Ｏに対応したパルス状ガス流がガス供給対象へ供
給される。制御装置からの前記パルス入力信号Ｏの周波
数やパルス幅を調整することにより、パルス状ガス流の
周波数やパルス幅が変わり、所謂パルス状ガス流のデユ
ーティー比αが調整される。前記デューティー比αとガ
ス流量との関係は、各パルス状ガス流の形状が同一であ
るためヒステリシスの無い直線状特性となる。また、前
記デューティー比αは、パルス状ガス流の周波数を５０
Ｈｚ程度まで高めることができるため、細かい範囲に亘
って調整することができる。その結果、より高速度な流
量制御が可能となる。

【０００９】

【実施例】以下、図面に基づいて本発明の実施例を説明
する。図１は、半導体製造装置のプロセスチャンバー２
へのガス供給システムに本発明の流量制御方法を適用し
た場合を示すものであり、ガス供給対象であるプロセス
チャンバーへ供給するガスＡの流れをパルス状Ａ₁ （又
はパフＡ₂ ）の形状とし、そのデューティー比αを調整
することにより、供給ガスの流量制御を行なうものであ
る。

【００１０】図１に於いて、１は制御装置、２はガス供
給対象であるプロセスチャンバー、３は高速開閉型バル
ブ、４は真空ポンプ、Ａは供給ガスである。前記制御装
置１は発振器１ａ、設定器１ｂ、電源装置１ｃ等より形
成されており、プロセスチャンバー２側から所望の流量
制御信号Ｓ₁ が入力される。即ち、流量制御信号Ｓ₁ が
入力されるか、若しくは設定器１ｂから設定流量信号Ｓ
₂ が発信されると、発振器１ａから前記入力信号Ｓ₁ 又
は入力信号Ｓ₂ に対応するパルス信号Ｐ₁ （又はパフ信
号Ｐ₂ ）が電源装置１ｃへ入力され、電源装置１ｃから
は、前記パルス信号Ｐ₁ （又はパフ信号Ｐ₂ ）に対応し
たパルス入力信号Ｏ₁ 又はパフ入力信号Ｏ₂ が、後述す
る高速開閉型バルブ３の圧電素子駆動部へ入力される。

【００１１】電源装置１ｃからパルス入力信号Ｏ₁ 又は
パフ入力信号Ｏ₂ が高速開閉型バルブ３へ供給され、こ
れによって高速開閉型バルブ３が作動すると、プロセス
チャンバー２へはパルス状のガス流Ａ₁ （又はパフ状の
ガス流Ａ₂ ）が供給される。この時、後述する如く、発
振器１ａからのパルス信号Ｐ₁ （又はパフ信号Ｐ₂ ）を
変えると、パルス状ガス流Ａ₁ 又はパフ状ガス流Ａ₂ の
デューティー比αが調整され、これによってプロセスチ
ャンバー２への供給ガス流量が制御される。

【００１２】尚、本発明に於いては、図１のパルス信号
Ｐ₁ やパルス状ガス流Ａ₁ のように、一定の幅Ｗと一定
の高さＨを有する信号又はガス流が連続的に繰り返し発
生する場合をパルス状と称呼し、また、図１の信号Ｐ₂
やガス流Ａ₂ のように、一定の幅Ｗと一定の高さＨを有
する信号又はガス流が間欠的に発生する場合を、パフ状
と称呼している。

【００１３】また、本発明では、前記パルス状ガス流Ａ
₁ のデューティ比αを、α＝流体が流れる時間Ｔ_O ／周
期Ｔ×１００％で定義している。即ち、図１のパルス状
ガス流Ａ₁ に於いて、流体が流れる時間Ｔ_O はパルス状
ガス流Ａ₁ のパルス幅Ｗであり、周期Ｔは繰り返し周波
数ｆの逆数である。

【００１４】図２は、本発明の実施に使用する高速開閉
型バルブの一例を示すものである。図２に於いて、５は
弁座を有するバルブボディ、６はダイヤフラム弁体、７
は押えアダプター、８はダイヤフラム押え、９は押えガ
イド、１０はボンネットナットである。また、１１はダ
イヤフラム押えの上方に配設したピエゾ受け台、１２は
ボール、１３は圧電素子の保持ケース、１４は圧電素子
（ピエゾ素子）、１５はロックナット、１６は位置決め
ナット、１７はボール、１８はボール受け、１９はケー
ス、２０はコネクター、２１はケーブルである。

【００１５】即ち、当該高速開閉型バルブ３は、所謂ダ
イヤフラム弁体６を弁座へ直接に接当させ且つダイヤフ
ラム弁体６の弾性力により複帰させる形式のダイヤフラ
ム弁と、圧電素子型のアクチエータを組み合せた圧電素
子駆動式ダイヤフラム型バルブに構成されており、前記
位置決めナット１６の締込み量を変えることにより、ダ
イヤフラム弁体６の作動ストロークが微調整されるよう
になっている。また、当該高速開閉型バルブ３では、圧
電素子１４の伸長によりダイヤフラム押え８にかかる下
向きの弁体作動力が、正確に軸芯と一致した方向となる
ように、圧電素子１４の上端面とボール受け１８及びピ
ェゾ受け台１１とダイヤフレム押え８との間に夫々ボー
ル１７、ボール１８を介挿しており、これによって、ダ
イヤフラム弁体６の作動の安定化が計られている。更
に、当該高速開閉型バルブ３では、温度変化による流量
特性の変動を避けるため、圧電素子の保持ケース１３、
位置決めナット１６及びロックナット１５等の総合的な
熱膨張係数が、ボール受け１８、圧電素子１４及びピェ
ゾ受け１１等の総合熱膨張係数と等しくなるように、前
者の各部材の材料が選定されており、これによって、周
囲温度の変化による流量誤差の発生を防止している。

【００１６】次に、本発明によるプロセスチャンバー２
への供給ガス流量の制御について説明する。図３は、前
記図１のガス供給システムに於けるパルス入力信号Ｏ₁
（又はパルス信号Ｐ₁ ）とパルス状ガス流Ａ₁ の関係を
示す線図であり、所謂入力ー流量応答特性を示すもので
ある。即ち、当該図３はノーマルオープン型の図２に示
す高速開閉型バルブを用いて、温度２０℃、流体Ｎ₂ ガ
ス、一次側圧力０．４ｋｇｆ／ｃｍ² 、二次側圧力０ｋ
ｇｆ／ｃｍ² （大気開放）、パルス入力信号Ｏ₁ の周波
数５Ｈｚの条件下で測定されたものであり、各パルス入
力信号Ｏ₁ に対して、実質的に同形状のパルス状ガス流
Ａ₁ が発生していることが判る。

【００１７】また、図４は、前記図３の試験に供した高
速開閉型バルブ３の全開→全閉及び全閉→全開の過程に
於ける入力電圧と流量の関係を示す線図であり、パルス
入力信号Ｏ₁ の周波数１０Ｈｚ、一次側流体圧力１．０
ｋｇｆ／ｃｍ² 、二次側大気開放、流体Ｎ₂ ガス、周囲
温度２０℃の条件下で測定をしたものである。即ち、図
４の曲線イは、図３に於けるＡ₁₁に相当する部分の電圧
ー流量特性を、また、曲線ロは、図３に於けるＡ₁₀に相
当する部分の電圧ー流量特性を夫々示すものである。

【００１８】ところで、本発明の高速開閉型バルブ３に
於いては、図３に示す如くパルス入力信号Ｏ₁ 又はパル
ス信号Ｐ₁ の形状が同一であれば、常に同一形状のパル
ス状ガス流Ａ₁ が得られる。また、一個のパルス状ガス
流Ａ₁ には、図４の曲線イ及び曲線ロに示すように流量
特性の異なる部分が夫々含まれるが、これらイ及びロで
表わされる１対の異なる流量特性部分は、夫々のパルス
状ガス流Ａ₁ の中に常に等しく含まれている。従って、
各パルス入力信号Ｏ₁ 又は入力信号Ｐ₁ のパルス幅Ｗを
変化するか、若しくは各パルス入力信号Ｏ₁ 又は入力信
号Ｐ₁ の周波数を変えることによって前記デューティー
比αを変えた場合のαー流量特性は、図５の様な形状と
なり、所謂直線状特性となる。

【００１９】即ち、図５に於いて、実線部分はデューテ
ィー比αを０→１００％とした場合を、また点線部分は
前記αを１００→０％とした場合を表わしており、両者
は実質的に重なった状態となる。換言すれば、デューテ
ィー比αと流量との関係は、直線状で且つヒステリシス
の無い曲線となり、その結果、αを調整することにより
極めて高精度な流量制御が可能となる。尚、図５のα−
流量特性曲線は、前記図４と同じ条件下で試験した場合
のものである。

【００２０】図６は、従来のエアーシリンダー駆動式ダ
イヤフラム型の高速開閉型バルブと、本発明で使用する
圧電素子駆動式ダイヤフラム型の高速開閉バルブの周波
数と流量比の関係を示すものであり、曲線Ｒは前者の、
また、曲線Ｊは後者の特性を夫々示すものである。即
ち、高速開閉型弁を作動せしめてパルス状流体Ａ₁ を流
通せしめた場合、パルス入力信号Ｏ₁ の周波数が増加す
るとアクチエータの作動やダイヤフラム弁体の作動が信
号周波数に追従し得なくなり、流量比（実測流量値／理
論計算流量値）が増大して行く。例えば、前者では、パ
ルス入力信号Ｏ₁ の周波数が１Ｈｚを越えれば、流量比
が増大して弁のパルス状作動が追従しなくなるのに対
し、後者では、周波数が５０Ｈｚ程度まで流量比が一定
値を示し、弁がパルス状作動に追従していることが判
る。

【００２１】

【発明の効果】本発明に於いては、高速開閉型バルブと
して圧電素子駆動式ダイヤフラム型バルブを使用し、制
御装置からパルス状の入力信号を圧電素子へ印加するこ
とにより、圧電素子の高速で且つ大きな駆動力を利用し
てダイヤフラム弁体を開閉駆動する構成としている。そ
のため、高速開閉型バルブの作動性能が高まり、約５０
Ｈｚ程度までの高速作動に追従することが可能となり、
パルス状ガス流の周波数を高めることにより、パルス幅
が小さくしかも波形に乱れのないパルス状ガス流を容易
に得ることができる。また、高速開閉型バルブを通して
流れる各パルス状ガス流は常に一定の形状を保ってお
り、且つ一つのパルス状ガス流には、ガス流の立上り部
と立下り部とが常に対として含まれている。そのため、
パルス状ガス流のデューティー比とガス流量との関係は
ヒステリシスの無い直線状の関係となる。その結果、高
速開閉型バルブの圧電式駆動部へのパルス入力信号のパ
ルス幅や周期を変えてパルス状ガス流のデューティー比
αを調整することにより、パルス状ガス流の総合である
ガス流量を極めて高精度で制御することが可能となる。
また、従前のエアー駆動式高速開閉型弁を使用した場合
に比較して、開閉作動時の振動音等が皆無になると共
に、空気配管も不要になり、前記流量制御性以外の部分
に於いても優れた実用的効用を有している。上述の如
く、本発明は、パルス状ガス流の供給や短時間のパフ状
ガス流の供給を必要とする半導体製造装置のガス供給シ
ステム等に於いても、特に優れた効用を奏するものであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る流体の流量制御方法を適用したガ
ス供給システムの系統図を示すものである。

【図２】本発明で使用する高速開閉型バルブの縦断面図
である。

【図３】パルス入力信号とパルス状ガス流の関係を示す
線図である。

【図４】本発明で使用する高速開閉型バルブの入力電圧
と流量の関係を示す線図である。

【図５】本発明で使用する高速開閉型バルブのデューテ
ィー比αと流量との関係線図である。

【図６】従前のエアーシリンダー駆動式ダイヤフラム型
高速開閉弁と本発明の圧電素子駆動式ダイヤフラム型高
速開閉型との周波数ー流量比特性を示すものである。

【図７】従前のエアーシリンダー駆動式ダイヤフラム型
高速開閉弁を用いたガス供給システムの一例を示すもの
である。

【図８】従前のエアーシリンダー駆動式ダイヤフラム型
高速開閉弁の流量特性を示すものである。

【符号の説明】

Ａはガス、Ａ₁ はパルス状ガス流、Ａ₂ はパフ状ガス
流、αはデューティー比、Ｓ₁ は流量制御信号、Ｓ₂ は
設定流量信号、Ｐ₁ はパルス信号、Ｏ₁ はパルス入力信
号、Ｐ₂ はパフ信号、Ｏ₂ はパフ入力信号、１は制御装
置、１ａは発振器、１ｂは設定器、１ｃは電源装置、２
はガス供給対象（プロセスチャンバー）、３は高速開閉
型バルブ、４は真空ポンプ、５はバルブボディー、６は
ダイヤフラム弁体、７は押えアダプター、８はダイヤフ
ラム押え、９は押えガイド、１０はボンネットナット、
１１はピエゾ受台、１２はボール、１３は圧電素子の保
持ケース、１４は圧電素子、１５はロックナット、１６
は位置決めナット、１７はボール、１８はボール受け、
１９はケース、２０はコネクター、２１はケーブル。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高速開閉型バルブを通し、流体をパルス
   状の流れとして供給する流体供給システムに於いて、前
   記高速開閉型バルブを圧電素子によりダイヤフラム弁体
   を駆動する圧電素子駆動式ダイヤフラム型バルブとする
   と共に、制御装置から前記高速開閉型バルブの圧電素子
   駆動部へ加えるパルス入力信号を調整し、前記高速開閉
   型バルブより流出するパルス状流体のデューティー比α
   を変えることにより、供給する流体の流量を制御するこ
   とを特徴とする流体の流量制御方法。
2. 【請求項２】 パルス入力信号の周期Ｔを変えることに
   より、パルス状流体のデューティー比αを変えるように
   した請求項１に記載の流体の流量制御方法。
3. 【請求項３】 パルス入力信号のパルス幅Ｗを変えるこ
   とにより、パルス状流体のデューティー比αを変えるよ
   うにした請求項１に記載の流体の流量制御方法。