JP6923220B2 - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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Description

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。
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、処理ガスの流量をより高精密に調節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。
特開２００７−６４３３３号公報 特開２０１６−１２１７７６号公報
上記したような従来のバルブは、製造プロセスの仕様毎に設計され、汎用性は乏しい。また、従来のバルブは、予め設定された開度で開閉動作するため、プロセス実行中にバルブの開度を変更して処理ガスの流量を異なる値に制御することはできない。さらに、従来のバルブにおいて、流量調節をより高精密に実現するには、流量調節用のねじのピッチをより狭める必要があり、その代わりに流量調節可能な範囲を犠牲にする必要がある。同様に、流量調節可能な範囲をより拡大するには、流量調節精度を犠牲にする必要がある。
本発明の一の目的は、流量調節が可能な範囲を維持しつつより高精密な流量調節が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、流量調節精度を維持しつつ流量調節可能な範囲が拡大された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、流体制御を実行中に、バルブ開度を変更可能な開閉式の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、流量制御範囲が広がり、汎用性が向上したバルブ装置を提供することにある。
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、
前記流路を開閉可能に設けられた弁体と、
前記弁体を開閉方向へ移動可能に設けられた操作部材と、
与えられた操作圧に応じた駆動力を前記操作部材に付与する主アクチュエータと、
前記流路の開度を規定する前記操作部材の位置を、互いに異なる第１の開位置又は第２の開位置に前記操作圧の大きさに応じて選択的に切り換え可能な切換機構と、
前記第１の開位置および第２の開位置をそれぞれ独立に調節可能な調節機構と、
前記第１の開位置または第２の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、を有し、
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である、ことを特徴とする。
好適には、前記調節機構の前記第１の開位置の調節可能な範囲と前記第２の開位置の調節可能な範囲とは一部が重複している構成を採用できる。
さらに好適には、前記調節機構は、前記流路に流体を流通させた状態で操作可能に設けられている構成を採用できる。
さらに好適には、前記弁体は、ダイヤフラムを含み、
前記操作部材は、前記第１の開位置および第２の開位置において、前記ダイヤフラムが弾性変形した状態にそれぞれ維持する、構成を採用できる。
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ことを特徴とする。
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たことを特徴とする。
本発明の流体制御装置は、複数の流体機器を有する流体制御装置であって、
前記流体機器に上記構成のバルブ装置が含まれる。
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制御のために上記構成のバルブ装置を含む。
本発明によれば、開度切換機構を設けるとともに第１の開位置および第２の開位置を調節可能とする構成を採用することで、流量調節精度を維持しつつ流量調節可能な範囲を広げることができ、あるいは、流量調節が可能な範囲を維持しつつより高精密な流量調節が可能となる。また、第１の開位置または第２の開位置を予め所望の位置に調節し、操作圧によって使用する開位置を選択することで、様々な流量に対応することができて装置の適用可能範囲が格段に広がり、装置の汎用性が高まる。さらに、第１の開位置の調節可能な範囲と第２の開位置の調節可能な範囲を一部重複させることで、拡大された調節範囲内で連続的に開度調節が可能になる。
本発明によれば、操作圧を変更することで、第１の開位置と第2の開位置のいずれかを選択できるので、流体制御の実行途中の流量変更が容易に可能となる。
本発明の一実施形態に係るバルブ装置の縦断面図。 閉状態にある図１のバルブ装置の上側要部拡大断面図。 閉状態にある図１のバルブ装置の下側要部拡大断面図。 圧電アクチュエータの動作を示す説明図。 ピストン駆動力と操作部材の移動位置の関係を示すグラフ。 第１の開位置にある図１のバルブ装置の下側要部拡大断面図。 第２の開位置にある図１のバルブ装置の上側要部拡大断面図。 第２の開位置にある図１のバルブ装置の下側要部拡大断面図。 第1の開位置からの圧電アクチュエータによる流量微調節動作（流量減少時）を説明するための下側要部拡大断面図。 第１の開位置からの圧電アクチュエータによる流量微調節動作（流量増加時）を説明するための下側要部拡大断面図。 第２の開位置からの圧電アクチュエータによる流量微調節動作（流量減少時）を説明するための下側要部拡大断面図。 第２の開位置からの圧電アクチュエータによる流量微調節動作（流量増加時）を説明するための下側要部拡大断面図。 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。
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の上側要部の拡大断面図、図３は図１の下側要部の拡大断面図、図４は調節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、１５は弁座、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は調節キャップ、７８はロックナット、８０は調節ロッド、９０はコイルばね、１００は圧電アクチュエータ、１１０はアクチュエータ受け、１２０，１３０は皿ばね、１４０はアクチュエータ押え、１４５は皿ばね受け、７５は調節ボディ、１５０は管継手、ＯＲはシール部材としてのＯリング、ＭＧは操作ガスを示している。
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。なお、本実施形態では、図３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。なお、弁座１５は金属（ＳＵＳ等）製の弁座を用いても良いし、バルブボディ１０の一部を弁座として用いても良い。この場合、温度変化による弁座の寸法変化、及び弁座が応力を受けることによる寸法変化を緩和し、より高精度な開度調節が可能になる。
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。なお、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、弁体としては、他の構成のものも使用可能である。
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、下端側の内周面に形成されたねじ部４４（図３参照）に皿ばね受け４８が螺合して固定され、上端側が開口し、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〜図３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の外周面に固定された円環状のばね受けプレート４５の上面と、ケーシング５０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、ばね受けプレート４５は、操作部材４０と一体であっても、別体であっても良い。
皿ばね受け４８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。なお、ダイヤフラム押え３８はＳＵＳやアルミ合金等の金属を用いても良いし、皿ばね受け４８と一体になっていても良い。ダイヤフラム押えに金属を用いた場合、温度変化によるダイヤフラム押えの寸法変化、及びダイヤフラム押えが応力を受けることによる寸法変化を緩和し、より高精度な開度調節が可能になる。
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。コイルばね９０は常時圧縮されており、図１に示す状態において、所定の値の復元力（例えば、５００Ｎ）がケーシング５０と操作部材４０とに作用するように設定されている。
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ねじ部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。
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に移動させる駆動力を発生す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ＭＧ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。
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ＭＧ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に連通している。この流通路Ｃｈは、操作部材４０の上端面と、円筒状の皿ばね受け１４５の外周面と、ケーシング５０の筒状部５１と、調節ボディ７５の下端面とで画定される空間ＳＰと連通している。そして、環状のアクチュエータ押え１４０に形成された流通路１４１は、空間ＳＰと、皿ばね受け１４５の中心部を貫通する貫通孔１４５ｈおよび調節キャップ７０の中心部を貫通する貫通孔７１とを接続している。調節キャップ７０の貫通孔７１は、管継手１５０を介して図示しない管と接続される。
調節キャップ７０は外周部にねじ部７０ａを有し、これがケーシング５０の上部に形成されたねじ孔５６に螺合している。調節キャップ７０の上側には、ロックナット７８が設けられ、このロックナット７８がねじ孔５６に螺合するとともに調節キャップ７０の当接面に当接することで、調節キャップ７０の回転位置が固定されるようになっている。調節キャップ７０の下側には調節ボディ７５が設けられており、図１に示すように、調節ボディ７５は調節キャップ７０の外周に形成されたねじ部に螺合して固定されており、調節キャップ７０と一体化されている。調節ボディ７５と調節キャップ７０との間および調節ボディ７５とケーシング５０との間は、ＯリングＯＲでシールされ、操作ガスＭＧが供給される空間ＳＰが気密に保たれる。
調節キャップ７０には、図１に示すように、開閉方向Ａ１，Ａ２に２つのねじ孔７２が調節キャップ７０の中心軸線に対して対称な位置に形成されている。ねじ孔７２には、調節ロッド８０が挿入され、この調節ロッド８０の上端側に形成されたねじ部８１が螺合している。調節ロッド８０の上端部（頭部）には、工具を受け入れる、例えば六角形の凹部（図示せず）が形成され、バルブ装置１の外部から回転させることができるように形成されている。これにより、後述する規制面８０ｂの位置を調節できる。調節キャップ７０の上部も工具が嵌る形状に加工されており、バルブ装置１の外部から当該工具を用いて回転させることができるようになっている。
なお、調節キャップ７０、調節ボディ７５および調節ロッド８０は本発明の調節機構を構成するが、詳細は後述する。
圧電アクチュエータ１００は、後述するように流量を微調節するために用いられ、図４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、皿ばね受け１４５の貫通孔１４５ｈ、調節キャップ７０の貫通孔７１および管継手１５０を通じて外部に導き出されている。
圧電アクチュエータ１００の先端部１０２は、図３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、操作部材４０に対して開閉方向Ａ１，Ａ２に移動可能となっている。アクチュエータ受け１１０の中心部から突出した円柱部１１０ｃの外周に複数の環状の皿ばね１２０が設けられている。複数の皿ばね１２０は、向きが交互に逆になるように積層され、アクチュエータ受け１１０の規制面１１０ｂと皿ばね受け４８との間で常時圧縮されている。したがって、操作部材４０（皿ばね受け４８）は、皿ばね１２０から閉方向Ａ２へ向かう復元力を常時受け、圧電アクチュエータ１００（アクチュエータ受け１１０）は開方向Ａ１へ向かう復元力を常時受けている。皿ばね１２０の復元力は、図３に示す状態において、所定の値（例えば、１５０Ｎ）となるように設定されている。
圧電アクチュエータ１００の基端部１０３は、図1に示すように、アクチュエータ押え１４０に当接し、アクチュエータ押え１４０は皿ばね受け１４５の下端面に当接している。皿ばね受け１４５は、図２に示すように、調節ボディ７５に挿通されている。皿ばね受け１４５は、いずれの部材にも連結されておらず、開閉方向Ａ１，Ａ２に移動可能になっている。
図２に示すように、皿ばね受け１４５の当接面１４５ｔと、調節キャップ７０の下面７０ｂとの間には複数の環状の皿ばね１３０が設けられている。複数の皿ばね１３０は、調節キャップ７０の円筒部７３の外周に嵌め込まれている。複数の皿ばね１３０は、皿ばね受け１４５の当接面１４５ｔと調節キャップ７０の下面７０ｂとの間で常時圧縮されている。複数の皿ばね１３０は、同じ向きに重ねられた２枚の皿ばねが交互に逆向きに積み上げられている。すなわち、並列に配置された２枚の皿ばねの対が直列に配置されている。皿ばね１３０と皿ばね１２０は、一枚の皿ばね単位では同一のものであるが、複数の皿ばね１３０の全体のばね定数は、配置方法の違いにより、複数の皿ばね１２０の約２倍となっている。皿ばね受け１４５は複数の皿ばね１３０の復元力により閉方向Ａ２に向けて常時押圧されている。複数の皿ばね１３０の復元力は、図２に示す状態において、所定の値（例えば３００Ｎ）になるように設定されている。
皿ばね受け１４５は、その上端側に形成された突出部１４５ａの下面側の当接面１４５ｂが、皿ばね１３０の閉方向Ａ２に向かう復元力により調節ボディ７５の規制面７５ｔに当接して移動が規制されることにより開閉方向Ａ１，Ａ２において位置決めされている。
皿ばね受け１４５が図２に示す位置に位置決めされることにより、操作部材４０に固定された皿ばね受け４８は、図３に示す位置に位置決めされる。操作部材４０の位置は、皿ばね受け１４５の位置、すなわち、調節ボディ７５（調節キャップ７０）の位置により規定される。
図３において、Ｐ０は操作部材４０の閉位置、Ｐ１は第１の開位置Ｐ２は第２の開位置を示している。Ｌｆ１は閉位置Ｐ０と第１の開位置Ｐ１との間のリフト量、Ｌｆ２は第１の開位置Ｐ１と第２の開位置Ｐ２との間のリフト量を示している。なお、操作部材４０の位置とは、バルブボディ１０に対する皿ばね受け４８の当接面４８ｔの開閉方向Ａ１，Ａ２の位置である。リフト量Ｌｆ１は、図３に示すアクチュエータ受け１１０の規制面１１０ｂと皿ばね受け４８の当接面４８ｔとの距離で規定される。リフト量Ｌｆ２は、図２に示す、調節ロッド８０の規制面８０ｂと皿ばね受け１４５の当接面１４５ｔとの距離で規定される。
ダイヤフラム押え３８には、閉方向Ａ２に向けて、コイルバネ９０および皿ばね１２０の復元力が作用し、これにより、ダイヤフラム２０がダイヤフラム押え３８により押圧されることで弾性変形して弁座１５に押し付けられ、バルブが閉じた状態となっている。コイルバネ９０および皿ばね１２０の復元力は、例えば、合計すると約６５０Ｎである。すなわち、主アクチュエータ６０のピストン駆動力がコイルバネ９０および皿ばね１２０の復元力よりも小さい状態では、操作部材４０が閉位置Ｐ０に位置付けられ、流路１２，１３は閉じられた状態となる。
ここで、図５は、操作部材４０の移動位置と主アクチュエータ６０の発生するピストン駆動力との関係を示すグラフである。
主アクチュエータ６０の発生するピストン駆動力が、例えば、６５０Ｎを超過して、コイルバネ９０および皿ばね１２０の復元力を超えると、操作部材４０は図５に示す第１の開位置Ｐ１に移動する。本実施形態では、操作ガスＭＧの操作圧が０．４５ＭＰａの場合に、主アクチュエータ６０は約７００Ｎの駆動力を発生し、操作ガスＭＧの操作圧が０．７ＭＰａの場合に、主アクチュエータ６０は約１０００Ｎの駆動力を発生するようになっている。
図５に示すように、ピストン駆動力が約７００Ｎ〜９５０Ｎの範囲にある場合には、操作部材４０は第１の開位置Ｐ１に位置する。
操作部材４０が第１の開位置Ｐ１に移動した状態では、図６に示すように、皿ばね１２０がさらに圧縮され、皿ばね受け４８の当接面４８ｔがアクチュエータ受け１１０の規制面１１０ｂに当接して、操作部材４０の開方向Ａ１への移動が規制され、操作部材４０は第１の開位置Ｐ１に位置付けられる。図６からわかるように、ダイヤフラム２０は、弁座１５からリフト量Ｌｆ１だけ離れて流路が開く。
操作ガスＭＧの操作圧を０．７ＭＰａに上昇させると、操作部材４０は図５に示す第２の開位置Ｐ２に移動する。すなわち、コイルばね９０および皿ばね１２０，１３０の合計の復元力は、約９５０Ｎであるので、これに抗し得るピストン駆動力が発生すると、操作部材４０は第２の開位置Ｐ２に移動する。
操作部材４０が第２の開位置Ｐ２に移動した状態では、図７に示すように、皿ばね受け１４５が開方向Ａ１に押し上げられて、皿ばね１３０がさらに圧縮され、皿ばね受け１４５の当接面１４５ｔが調節ロッド８０の規制面８０ｂに当接し、皿ばね受け１４５は開方向Ａ１への移動が規制される。これにより、
図８に示すように、皿ばね受け４８の当接面４８ｔが第２の開位置Ｐ２に位置付けられ、ダイヤフラム２０は、弁座１５からリフト量Ｌｆ１＋Ｌｆ２だけ離れて流路がさらに開く。
上記したように、本実施形態に係るバルブ装置１は、ばね定数の異なる皿ばね１２０，１３０を用いて操作部材４０の開位置を操作ガスＭＧの操作圧に応じて２段階で切り換え可能な切換機構を備えている。調節ねじを用いて開度を大きく変更するには多大な工数を必要とするが、本実施形態では、操作ガスＭＧの操作圧の変更で必要な開度を容易に選択することができる。
次に、バルブ装置１の調節機構について説明する。
図５に示した、第１の開位置Ｐ１および第２の開位置Ｐ２は、上記したように機械的に規定されているが、製造プロセスの初期段階等においてはバルブ装置１の開度（流量）を調節する必要がある。
バルブ装置１では、調節キャップ７０の開閉方向Ａ１，Ａ２の位置を調節することで、図５に示すように、上限値Ｐ１maxおよび下限値Ｐ１minの調節可能範囲Ｒ１で第１の開位置Ｐ１の位置を調節可能である。また、２本の調節ロッド８０の規制面８０ｂの開閉方向Ａ１，Ａ２の位置を調節することで上限値Ｐ２maxおよび下限値Ｐ２minの調節可能範囲Ｒ２で第２の開位置Ｐ２の位置を調節可能である。
ここで、調節可能範囲Ｒ１と調節可能範囲Ｒ２とが図５に示すように一部が重複していることで、調節可能範囲Ｒ１と調節可能範囲Ｒ２を合わせた全調節範囲Ｒ０で、連続的な操作部材４０の開位置の調節が可能となる。なお、調節可能範囲Ｒ１と調節可能範囲Ｒ２とは分離されていてもよい。
本実施形態では、調節キャップ７０と調節ロッド８０の調節ピッチを従来と同様に維持した場合には、調節キャップ７０と調節ロッド８０の２つの調節範囲が得られるので、流量調節範囲を拡大することができる。また、調節キャップ７０と調節ロッド８０の調節ピッチを従来に比べて半分にすると、流量調節精度が２倍となり、より高精密な流量調節が可能となる。
また、本実施形態では、図６および図８に示したように、ダイヤフラム２０が弾性変形した状態を維持しつつ第１の開位置Ｐ１および第２の開位置Ｐ２を調節できるので、より高精度な開度調節が可能になるとともに、適切な開度（ダイヤフラム２０の変位量）調節が可能になりダイヤフラム２０の寿命を延ばすことができる。また、調節キャップ７０と調節ロッド８０の２つで調節できるので、ダイヤフラム２０の経時変化にも対応可能となる。
次に、図９Ａ〜図１０Ｂを参照して圧電アクチュエータ１００による流量微調節について説明する。
調節キャップ７０と調節ロッド８０に加えて、圧電アクチュエータ１００を用いることで、さらに高精度な流量調節が可能となり、バルブ装置１の動作中に流量調節が可能となる。
図９Ａ〜図１０Ｂの中心線Ｃｔの左側は、図６および図８に示したように、第１の開位置Ｐ１又は第２の開位置Ｐ２に操作部材４０が位置付けられた状態を示しており、中心線Ｃｔの右側は操作部材４０の開閉方向Ａ１，Ａ２の位置を微調節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節する場合には、図９Ａ又は図１０Ａ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、操作部材４０の第１の開位置Ｐ１又は第２の開位置Ｐ２は、それぞれＰ１−，Ｐ２−に補正される。
流体の流量を増加させる方向に調節する場合には、図９Ｂ又は図１０Ｂ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、操作部材４０の第１の開位置Ｐ１又は第２の開位置Ｐ２は、それぞれＰ１＋，Ｐ２＋に補正される。
本実施形態では、ダイヤフラム２０のリフト量の最大値は１００〜３００μｍ程度で、圧電アクチュエータ１００による調節量は±３０μｍ程度である。
すなわち、調節キャップ７０と調節ロッド８０を用いてダイヤフラム２０のリフト量の全範囲での調節を実施し、圧電アクチュエータ１００の伸縮によりさらなる微調節を実施する。
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節が可能であるので、流量調節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。
次に、図１１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１１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は制御部、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節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制御機器を集積化してボックスに収容した集積化ガスシステム（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。
制御部６００は、バルブ装置１への操作ガスＭＧの供給制御や圧電アクチュエータ１００による流量調節制御を実行する。
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。
バルブ装置１の初期設定においては、第１の開位置Ｐ１と第２の開位置Ｐ２のうち、使用すべき開位置を選択し、それに応じた操作圧の操作ガスＭＧを供給する。また、処理ガス流量の調節は、調節キャップ７０又は調節ロッド８０で実行し、流路に流体を流通させた状態で流量調節を実行できる。
また、成膜プロセスを実行途中であっても、処理ガスの流量を大きく変更する必要がある場合等には、バルブ装置１に供給する操作ガスＭＧの操作圧を変更することで容易に対応可能である。
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、精密な流量調節が必要なあらゆる対象に適用可能である。
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、例えば、液圧で作動するアクチュエータ等の他の種類のアクチュエータも選択可能である。
上記実施形態では、切換機構に皿ばねを用いたが、これに限定されるわけではなく、コイルばね等の他の弾性部材を用いることも可能である。
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、主アクチュエータの駆動力で弁体を閉じ、ばねの力でバルブを弁開する際に、操作ガスＭＧの操作圧に応じて操作部材（弁体）の位置を２段階に切り換えるようにすればよい。
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。
上記実施形態では、バルブ装置１を流体制御装置としてのガスボックス４００の外部に配置する構成としたが、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に上記実施形態のバルブ装置１を含ませることも可能である。
１ バルブ装置
１０ バルブボディ
１５ 弁座
２０ ダイヤフラム
２５ 押えアダプタ
３０ ボンネット
３８ ダイヤフラム押え
４０ 操作部材
４５ ばね受けプレート
４８ 皿ばね受け
５０ ケーシング
６０ 主アクチュエータ
６１，６２ ピストン
６３ バルクヘッド
７０ 調節キャップ（調節機構）
７０ａ ねじ部
７１ 貫通孔
７２ ねじ孔
７５ 調節ボディ（調節機構）
７８ ロックナット
８０ 調節ロッド（調節機構）
８０ｂ 規制面
８１ ねじ部
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
１１０ｂ 規制面
１２０,１３０ 皿ばね（切換機構）
１４０ アクチュエータ押え
１４１ 流通路
１４５ 皿ばね受け
１５０ 管継手
３００ プロセスガス供給源
４００ ガスボックス
５００ タンク
６００ 制御部
７００ 処理チャンバ
８００ 排気ポンプ
１０００ 半導体製造装置
Ａ１ 開方向
Ａ２ 閉方向
Ｃ１，Ｃ２ シリンダ室
Ｃｈ 流通路
ＳＰ 空間
Ｐ０ 閉位置
Ｐ１ 第１の開位置
Ｐ２ 第２の開位置
Ｒ１，Ｒ２ 調節可能範囲
Ｒ０ 全調節可能範囲
ＯＲ Ｏリング
ＭＧ 操作ガス
Ｌｆ１，Ｌｆ２ リフト量

Claims (8)

  1. 流路を画定するバルブボディと、
    前記流路を開閉可能に設けられた弁体と、
    前記弁体を開閉方向へ移動可能に設けられた操作部材と、
    与えられた操作圧に応じた駆動力を前記操作部材に付与する主アクチュエータと、
    前記流路の開度を規定する前記操作部材の位置を、互いに異なる第１の開位置又は第２の開位置に前記操作圧の大きさに応じて選択的に切り換え可能な切換機構と、
    前記第１の開位置および第２の開位置をそれぞれ独立に調節可能な調節機構と、
    前記第１の開位置または第２の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、を有し、
    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である、バルブ装置。
  2. 前記調節機構の前記第１の開位置の調節可能な範囲と前記第２の開位置の調節可能な範囲とは一部が重複していることを特徴とする請求項１に記載のバルブ装置。
  3. 前記調節機構は、前記流路に流体を流通可能な状態で操作可能に設けられている、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のバルブ装置。
  4. 前記弁体は、ダイヤフラムを含み、
    前記操作部材は、前記第１の開位置および第２の開位置において、前記ダイヤフラムが弾性変形した状態にそれぞれ維持する、ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のバルブ装置。
  5. 請求項１ないし４に記載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。
  6. 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４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。
  7. 複数の流体機器を有する流体制御装置であって、
    前記流体機器に請求項１ないし４のいずれかに記載のバルブ装置が含まれる流体制御装置。
  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制御のために請求項１〜４のいずれかに記載のバルブ装置を含む半導体製造装置。
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