JP7054207B2 - 流体制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、流体制御装置に関し、特に複数の流路が設けられた流体制御装置に関する。

半導体製造装置や化学プラントにおいて、原料ガスやエッチングガス等の流体を制御するための種々のタイプの流量計や流量制御装置が利用されている。このなかで圧力式流量制御装置は、例えばピエゾ素子駆動型のコントロール弁と絞り部（オリフィスプレートや臨界ノズル）とを組み合せた比較的簡単な機構によって各種流体の流量を高精度に制御することができるので広く利用されている。

圧力式流量制御装置には、臨界膨張条件Ｐ１／Ｐ２≧約２（Ｐ１：絞り部上流側のガス圧力（上流圧力）、Ｐ２：絞り部下流側のガス圧力（下流圧力））を満足するとき、流量は下流圧力Ｐ２によらず上流圧力Ｐ１によって決まるという原理を利用して流量制御を行っているものがある。この種の圧力式流量制御装置では、圧力センサとコントロール弁とを用いて上流圧力Ｐ１を制御するだけで、絞り部下流側に流れるガスの流量を高精度に制御することができる。

特許第５４３０００７号 特許第５９４７６５９号 特許第３６１６８７５号

幅広い流量レンジで精度よく流量を制御することを可能にするために、大流量用の絞り部と、小流量用の絞り部とを備える圧力式流量制御装置が知られている。例えば、特許文献１には、切換弁を用いて大流量用オリフィス（絞り部）が設けられた流路を開閉制御することによって、大流量供給と小流量供給とを流路を変えて行う構成が記載されている。

特許文献１に記載の圧力式流量制御装置では、大流量用オリフィスおよび小流量用オリフィスの上流側に共通に設けられたコントロール弁によって、上流圧力および流量を制御している。ただし、上記の圧力式流量制御装置では、単一のコントロール弁を用いており、コントロール弁と各オリフィスとの間の流路が連通しているので、小流量レンジと大流量レンジとを切り替えた直後に、上流圧力を所望の圧力まで即座に制御することが困難な場合があった。この場合、オーバーシュートやアンダーシュートなどの不要な流量変動を引き起こすおそれがある。

一方、特許文献２には、単一の流入ポートが形成された本体ブロックにおいて、コントロール弁を含む２つの流量制御ユニットを２つの流路に沿って別個に設ける構成が記載されている。この構成では、２つの流路が独立して設けられているとともに、各流路に設けられたコントロール弁を独立して制御することができるので、各流路での圧力制御をより精度よく行い得る。

しかしながら、特許文献２に記載の構成では、流入ポートから各流量制御ユニットに向かう流路のそれぞれが平面視にて斜めに延びるように設けられているため、流路を形成するためのドリルでの孔開けの位置合わせが容易ではないという問題が生じ得る。また、特許文献２に記載の構成では、幅方向に広がるように流入ポートから延びる斜め流路が設けられているので、本体ブロックの幅および長さを小さく設計しにくいという問題もあった。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、複数の流路が設けられた流体制御装置において、流路切り替え時の流体制御を適切に行うとともに、サイズをコンパクトに設計し得る構成を提供することをその主たる目的とする。

本発明の実施形態による流体制御装置は、共通流入口および共通流出口と、前記共通流入口および共通流出口にそれぞれが連通する第１流路および第２流路とを有する本体ブロックと、前記第１流路に設けられた第１流体制御ユニットと、前記第２流路に設けられた第２流体制御ユニットとを備えており、前記第１流体制御ユニットの少なくとも一部および前記第２流体制御ユニットの少なくとも一部は、前記本体ブロックの取り付け面に固定されており、前記第１流路および第２流路のうちの少なくともいずれか一方は、前記取付け面の法線方向から見たときに第１の方向に沿って延びる第１流路部分と、前記法線方向から見たときに前記第１の方向と直交する第２の方向に沿って延びる第２流路部分とを含み、前記第２流路部分は、前記本体ブロックの前記取付け面の側方に配された面から前記第２の方向に沿って延びる穴部と、前記穴部の開口部を塞ぐ封止部材とによって形成されている。

ある実施形態において、前記第１流体制御ユニットおよび前記第２流体制御ユニットのそれぞれは、コントロール弁と、前記コントロール弁の下流側に設けられた上流圧力センサと、前記上流圧力センサの下流側に設けられた絞り部と、前記上流圧力センサおよび前記コントロール弁に接続された制御部とを有し、圧力式流量制御ユニットを構成している。

ある実施形態において、前記第１流体制御ユニットの前記コントロール弁と、前記第２流体制御ユニットの前記コントロール弁とは、前記第１の方向において離れた位置に設けられている。

ある実施形態において、前記法線方向から見たときに、前記第１流路と前記第２流路とは、少なくとも部分的に重なっている。

ある実施形態において、前記制御部は、前記第１流路および前記第２流路のうちの一方の流路において流体を流すとき、前記一方の流路に設けられた前記上流圧力センサの出力に基づいて前記コントロール弁の開度を制御するとともに、他方の流路に設けられた前記コントロール弁を閉じるように制御する。

ある実施形態において、前記制御部は、前記一方の流路において流体を流すとき、前記他方の流路に設けられた前記コントロール弁を閉じた後の前記他方の流路における流量を検出し、前記検出した結果に基づいて、前記一方の流路に設けられた前記コントロール弁を制御する。

ある実施形態において、前記第１流体制御ユニットおよび前記第２流体制御ユニットの前記絞り部の下流側において、前記第１流路と前記第２流路とに共通に設けられた下流圧力センサをさらに備える。

ある実施形態において、前記本体ブロックは、前記第１流路および前記第２流路の一部が形成された第１のブロック部分と、前記第１流路および前記第２流路の一部が形成された第２のブロック部分とを接続して固定することによって形成されており、前記第１のブロック部分と前記第２のブロック部分との接続部において、前記第１流体制御ユニットおよび前記第２流体制御ユニットのそれぞれの前記絞り部が設けられている。

ある実施形態において、前記それぞれの前記絞り部はオリフィス部材を含む。

ある実施形態において、前記コントロール弁は、樹脂製のシートを含む。

ある実施形態において、前記本体ブロックは、前記法線方向から見たときに略長方形の形状を有し、前記第１の方向は前記本体ブロックの長手方向であり、前記第２の方向は前記本体ブロックの幅方向である。

ある実施形態において、前記第１流路および前記第２流路は、前記法線方向から見たときに前記第１の方向および前記第２の方向とは異なる斜め方向に沿って延びる流路部分を含まない。

ある実施形態において、前記第１流路および前記第２流路を含む流路の全体において、前記法線方向から見たときにコの字型（angular U shaped）の流路部分が含まれている。

本発明の実施形態によれば、複数の流路が設けられた流体制御装置において、流路変更時の流体制御を好適に行うとともに、コンパクトな設計を可能にすることができる。

本発明の実施形態による流体制御装置（圧力式流量制御装置）の構成を示す模式図である。 第２流路を用いて小流量を流すときの流量と制御圧力との関係、および、第１流路を用いて大流量を流すときの流量と制御圧力との関係を示すグラフである。 本発明の実施形態における流路切り替え時の流体制御ユニットの動作例を説明するための図であり、（ａ）は第１流路（大流量）Ｆ１および第２流路（小流量）Ｆ２におけるコントロール弁の開閉のタイミングを示し、（ｂ）は各流路Ｆ１、Ｆ２を流れるガス流量の変化を示し、（ｃ）は合計流量の変化を示す。 本発明の実施形態による流体制御装置の構成例を説明する模式図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ－Ａ’線およびＢ－Ｂ’線に沿った断面図であり、中央部においてＡ－Ａ’線に沿った断面を、両端部においてＢ－Ｂ’線に沿った断面を示す合成断面図である。 本発明の実施形態による流体制御装置のより具体的な構成を示す平面図である。 図５におけるＣ－Ｃ’線に沿った断面図である。 図５におけるＤ－Ｄ’線に沿った断面図である。 図５～図７に示した流体制御装置の流路を模式的に示す透視図であり、第１流路をガスが流れる様子を矢印で示す。 図５～図７に示した流体制御装置の流路を模式的に示す透視図であり、第２流路をガスが流れる様子を矢印で示す。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

図１は、本発明の実施形態による流体制御装置である圧力式流量制御装置１の構成を示す模式図である。圧力式流量制御装置１は、共通流入口１１と共通流出口１２とを有しており、これらの間には第１流路Ｆ１と第２流路Ｆ２との２つの流路が設けられている。第１流路Ｆ１と第２流路Ｆ２は、共通流入口１１および共通流出口１２に連通しており、共通流入口１１から分岐するとともに共通流出口１２へと再び合流するように形成されている。なお、第１流路Ｆ１と第２流路Ｆ２とは、共通流入口１１と共通流出口１２との間の流路において互いに分離して設けられた部分であり、共通流入口１１側の流路分岐点から共通流出口１２側の流路合流点までの間の分離した２流路に対応する。

圧力式流量制御装置１の上流側はガス供給源に接続され、下流側は半導体製造装置のプロセスチャンバに接続されている。プロセスチャンバには真空ポンプが接続されており、プロセスチャンバ内を真空引きすることができる。また、圧力式流量制御装置１の下流側には、図示しない下流開閉弁が設けられており、下流開閉弁を用いてプロセスチャンバへのガスの供給を遮断することができる。下流開閉弁は、圧力式流量制御装置１の内部に組み込まれていてもよい。

第１および第２流路Ｆ１、Ｆ２に対して、第１および第２圧力式流量制御ユニット（流体制御ユニット）２０ａ、２０ｂがそれぞれ設けられている。第１および第２圧力式流量制御ユニット２０ａ、２０ｂは、それぞれ、コントロール弁２２ａ、２２ｂと、コントロール弁２２ａ、２２ｂの下流側に設けられた上流圧力センサ２３ａ、２３ｂと、上流圧力センサ２３ａ、２３ｂの下流側に設けられた絞り部２４ａ、２４ｂとを備えている。また、第１および第２圧力式流量制御ユニット２０ａ、２０ｂは、上流圧力センサ２３ａ、２３ｂおよびコントロール弁２２ａ、２２ｂに接続された共通の制御部５を備えている。

圧力式流量制御装置１は、さらに、各流路Ｆ１、Ｆ２に共通するものとして、コントロール弁２２ａ、２２ｂの上流側に設けられた流入圧力センサ２１と、絞り部２４ａ、２４ｂの下流側に設けられた下流圧力センサ２５とを備えている。

上流圧力センサ２３ａ、２３ｂは、コントロール弁２２ａ、２２ｂと絞り部２４ａ、２４ｂとの間の流路の圧力を測定することができ、下流圧力センサ２５は、絞り部２４ａ、２４ｂの下流側の圧力を測定することができる。また、流入圧力センサ２１は、共通流入口１１に接続されたガス供給装置（例えば原料気化器）から供給されるガスの圧力を測定することができ、ガス供給量または供給圧を制御するために用いることができる。

コントロール弁２２ａ、２２ｂは、例えば、弁機構としての金属製ダイヤフラムバルブと、これを駆動する駆動装置としてのピエゾ素子（ピエゾアクチュエータ）とによって構成されたピエゾ素子駆動型コントロール弁であってよい。上流圧力センサ２３ａ、２３ｂ、下流圧力センサ２５、および、流入圧力センサ２１は、例えばシリコン単結晶のセンサチップとダイヤフラムとを内蔵するものであってよい。

また、図示しないが、第１および第２圧力式流量制御ユニット２０ａ、２０ｂは、流路Ｆ１、Ｆ２を流れるガスの温度を測定するための温度センサを有していてよい。温度センサは、上流圧力センサ２３ａ、２３ｂの近傍において各流路Ｆ１、Ｆ２に対して別個に設けられていてもよいし、流路Ｆ１、Ｆ２が近接して配置されている場合には共通に設けられていてもよい。温度センサとしては、例えばサーミスタを用いることができる。温度センサの出力は、制御部５においてより精度高く流量を演算するために用いられ得る。

圧力式流量制御装置１において、制御部５は、上流圧力センサ２３ａ、２３ｂの出力に基づいて、絞り部２４ａ、２４ｂを通過する流量が設定流量となるようにコントロール弁２２ａ、２２ｂを制御する。制御部５は、回路基板上に設けられたＣＰＵ、ＲＯＭやＲＡＭなどのメモリ（記憶装置）Ｍ、Ａ／Ｄコンバータ等を含んでおり、後述する動作を実行するように構成されたコンピュータプログラムを含んでいてよく、ハードウェアおよびソフトウェアの組み合わせによって実現され得る。制御部５は、第１および第２圧力式流量制御ユニット２０ａ、２０ｂの動作を独立して制御できる限り任意の態様で設けられていてよく、第１および第２圧力式流量制御ユニット２０ａ、２０ｂに対して共通に設けられたものであってもよい。

本実施形態において、第１流路Ｆ１は、大流量のガスを流すときに用いられる流路であり、第２流路Ｆ２は、小流量のガスを流すときに用いられる流路である。具体的には、第１流路Ｆ１に設けられた絞り部２４ａの口径が、第２流路Ｆ２に設けられた絞り部２４ｂの口径よりも大きく形成されている。この構成において、第２流路Ｆ２に設けられたコントロール弁２２ｂを閉じて第２流路Ｆ２を遮断するとともに、第１圧力式流量制御ユニット２０ａを用いて流量制御を行うことで、第１流路Ｆ１を介して所望流量のガスをプロセスチャンバに供給することができる。同様に、第１流路Ｆ１に設けられたコントロール弁２２ａを閉じて第１流路Ｆ１を遮断するとともに、第２圧力式流量制御ユニット２０ｂを用いて流量制御を行うことで、第２流路Ｆ２を介して所望流量のガスを供給することができる。

図２は、流量（最大流量を１００％としたときの比率）と、制御圧力（流量に対応する上流圧力）との関係を示すグラフである。０．１％～５％流量（例えば１～５０ｓｃｃｍの小流量）のときには、グラフＧ１からわかるように、第２流路Ｆ２においてコントロール弁２２ｂの開閉度を調整して上流圧力を制御することによって、所望流量で精度よくガスを供給することができる。同様に、５％～１００％流量（例えば５０～１０００ｓｃｃｍの大流量）のときには、グラフＧ２からわかるように、第１流路Ｆ１おいてコントロール弁２２ａの開閉度を調整して上流圧力を制御することによって、所望流量で精度よくガスを供給することができることがわかる。なお、小流量レンジと大流量レンジとは、上記の例に限られず、様々なレンジに設定されてよいことは言うまでもない。

圧力式流量制御装置１では、第１流路Ｆ１と第２流路Ｆ２とに対して、独立して動作可能な第１圧力式流量制御ユニット２０ａと第２圧力式流量制御ユニット２０ｂとが個別に設けられているので、流路の切り替え時においても各コントロール弁２２ａ、２２ｂを個別に制御して応答性高く圧力調整を行うことができる。また、第１流路Ｆ１と第２流路Ｆ２とで、コントロール弁２２ａ、２２ｂと絞り部２４ａ、２４ｂとの間の空間が分離して設けられているので、流路を切り替える際に、一方の流路の上流圧力が他方の流路の上流圧力に直接的に影響を与えることがない。このため、流路切り替え時のオーバーシュートやアンダーシュートの発生を抑制し、任意の設定流量で適切にガスを供給することができる。

制御部５は、好適には、第１流路Ｆ１および第２流路Ｆ２のいずれか一方で流体を流すとき、その流路に設けられた上流圧力センサ等の出力に基づいてコントロール弁の開度をフィードバック制御して流量を制御するとともに、他方の流路に設けられたコントロール弁を閉じて、両方の流路を同時にガスが流れないように制御を行う。このようにいずれか一方の流路のみをガスが流れるようにすることによって、精度よく流量制御を行うことがより容易になる。

また、圧力式流量制御装置１は、上記のように一方の流路のみをガスが流れるようにするために、他方の流路に設けられたコントロール弁は流路を完全に閉じることができるように構成されていることが好ましい。このためには、コントロール弁のシートとして樹脂製（例えば、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＥＴＦＥ）製）のシートを用いることが好適である。樹脂製のシートを用いれば、コントロール弁を閉じたときの気密性を向上させることができるので、流路切り替えを好適に行うことができる。

なお、流量制御は、従来と同様の種々の方法（例えば特許文献１に記載の方法）によって行うことができる。例えば、臨界膨張条件（Ｐ１≧約２×Ｐ２：アルゴンガスの場合）を満たすときには、流量Ｑ＝Ｋ１Ｐ１（Ｋ１は流体の種類と流体温度に依存する比例係数）の関係にしたがって上流圧力センサの出力Ｐ１から演算流量を求め、演算流量が設定流量と同じになるようにコントロール弁をフィードバック制御すればよい。また、非臨界膨張条件下では、流量Ｑｃ＝Ｋ２Ｐ２^m（Ｐ１－Ｐ２）ⁿ（Ｋ２は流体の種類と流体温度に依存する比例係数、指数ｍ、ｎは実際の流量から導出された値）の関係にしたがって上流圧力センサの出力Ｐ１および下流圧力センサの出力Ｐ２から演算流量を求め、演算流量が設定流量と同じになるようにコントロール弁をフィードバック制御すればよい。演算流量は、温度センサの出力に基づいて補正されてもよい。

以下、図３（ａ）～（ｃ）を参照しながら、流量Ｑ１（大流量レンジ）から流量Ｑ２（小流量レンジ）に切り替える際のコントロール弁の制御の具体例について説明する。

図３（ａ）は、第１流路Ｆ１および第２流路Ｆ２に設けられたコントロール弁２２ａ、２２ｂの開閉タイミングを示す。図３（ａ）に示す例では、時刻ｔｓにおいて、第１流路Ｆ１のコントロール弁２２ａを開から閉に切り替えるのに同期させて、第２流路Ｆ２のコントロール弁２２ｂを閉から開に切り替えている。

ただし、図３（ｂ）に示すように、第１流路Ｆ１を流量Ｑ１でガスが流れていた場合、時刻ｔｓにコントロール弁２２ａを閉じた後、ガス流量が瞬時に０まで低下するわけではなく、上流圧力の低下を伴いながら減衰するようにして低下する。これは、コントロール弁２２ａを閉じた後にも、コントロール弁２２ａと絞り部２４ａとの間のガスが、上流圧力が下流圧力よりも高い状態のもと、絞り部２４ａを介して流出するからである。

一方で、第２流路Ｆ２におけるガス流量も、瞬時に設定流量Ｑ２にまで上昇するわけではなく、時間とともに徐々に上昇する。なお、急激な流量変化を防止するために、コントロール弁を公知のランプ関数制御にしたがって制御することが知られており、この場合には、流量目標値自体が時間と共に増加する。

ここで、本実施形態では、第１流路Ｆ１に設けられたコントロール弁２２ａを閉じた後に第１流路Ｆ１を流れるガス流量を上流圧力センサ２３ａを用いて検出するとともに、この検出結果に基づいて、第２流路Ｆ２に設けられたコントロール弁２２ｂの開度を制御するようにしている。より具体的に説明すると、第１流路Ｆ１を流れるガス流量の低下の程度に適合するように、第２流路Ｆ２を流れるガス流量を増加させている。これによって、図３（ｃ）における実線のグラフに示すように、第１流路Ｆ１を流れるガスの流量と第２流路Ｆ２を流れるガスの流量との合計流量Ｑｔｏｔａｌを、流量Ｑ１から流量Ｑ２へとスムーズに変化させることが可能になる。したがって、流量の切り替え時において、破線のグラフに示すようなアンダーシュートＵの発生やオーバーシュートの発生を防止することが可能になる。

第２流路Ｆ２を流れるガス流量は、例えば、検出した第１流路Ｆ１のガス流量から減衰の時定数を求め、この時定数に基づいて第２流路Ｆ２のコントロール弁２２ｂの制御信号（例えばランプレートなど）を決定することによって、適切に制御することができる。

以下、圧力式流量制御装置１の具体的な構成例を、図４（a）および（ｂ）を参照しながら説明する。図４（a）および（ｂ）には、図１に示した流入圧力センサ２１が設けられていない態様を示しているが、本構成例においても、コントロール弁２２ａ、２２ｂの上流側において、流入圧力センサ２１が第１流路Ｆ１および第２流路Ｆ２に共通して設けられていてもよいことは言うまでもない。また、図４（ｂ）は、図４（ａ）の断面図に対応するが、流路のつながりを明瞭にするために、図中の中央部において、図４（ａ）のＡ－Ａ’線に対応する断面を示すとともに、図中の両端部において、図４（ａ）のＢ－Ｂ’線に対応する断面を示している。

図４（ａ）および（ｂ）に示すように、圧力式流量制御装置１は、第１流路Ｆ１および第２流路Ｆ２が形成された本体ブロック１０を備えており、この本体ブロック１０の取付面１０Ｘ上に、第１および第２圧力式流量制御ユニット２０ａ、２０ｂの構成要素であるコントロール弁２２ａ、２２ｂおよび上流圧力センサ２３ａ、２３ｂと、下流圧力センサ２５とが取り付けられている。なお、絞り部２４ａ、２４ｂは、後述するように本体ブロック１０の内部において各流路Ｆ１、Ｆ２に介在するように取り付けられているが、本明細書では、このように一部の構成要素が他の場所に配置される場合であっても、第１圧力式流量制御ユニット２０ａ（または第１流体制御ユニット）および第２圧力式流量制御ユニット２０ｂ（または第２流体制御ユニット）とが本体ブロック１０の取付け面１０Ｘに取り付けられているというように記載することがある。

図４（ａ）および（ｂ）に示すように、本実施形態では、本体ブロック１０は、４つのブロック部分１０ａ～１０ｄを接続し固定することによって構成されている。また、４つのブロック部分１０ａ～１０ｄのうちの２つの中間ブロック部分１０ａ、１０ｂには、第１流路Ｆ１および第２流路Ｆ２の一部が形成されており、これらのブロック部分１０ａ、１０ｂを接続することによって第１流路Ｆ１および第２流路Ｆ２が形成されている。

本体ブロック１０は、全体として平面視にて略長方形の形状を有しており、図に示すように長手方向Ｄ１と幅方向Ｄ２とを有している。本体ブロック１０は、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ３１０Ｌなど）などからなる金属製のブロック部分１０ａ～１０ｄを用いて作製されていてよく、ブロック部分同士の接続および固定は、溶接やネジ留めなどによって行われてよい。

両端のブロック部分１０ｃ、１０ｄにおいて、共通流入口１１と共通流出口１２とがそれぞれ設けられている。一方で、２つの中間のブロック部分１０ａ、１０ｂには、制御ユニットが取り付けられる。また、２つの中間のブロック部分１０ａ、１０ｂの接続部には、各流路Ｆ１、Ｆ２に介在する絞り部２４ａ、２４ｂが固定されている。

絞り部２４ａ、２４ｂとしては、オリフィス部材（オリフィスプレートなど）の他に臨界ノズルまたは音速ノズルを用いることもできる。オリフィスまたはノズルの口径は、例えば１０μｍ～５００μｍに設定される。

このようにブロック部分１０ａ、１０ｂの接続部に絞り部２４ａ、２４ｂを配置する構成では、絞り部２４ａ、２４ｂの取り付けや交換を比較的容易に行うことが可能である。このため、堆積物によるオリフィスの詰まりや、腐食によるオリフィス径の拡大などが生じたときにも、絞り部２４ａ、２４ｂを交換して不具合に迅速に対処することができる。なお、ブロック部分１０ａ、１０ｂの接続部に設ける絞り部としては、気密性を向上させることができるガスケットオリフィスを用いることが好適である。ガスケットオリフィスを用いれば、ブロック部分での接続部におけるリークを防止することができるとともに、交換が比較的容易に行えるという利点が得られる。

以下、本体ブロック１０に設けられた第１流路Ｆ１および第２流路Ｆ２について詳細に説明する。

図４（ａ）に示すように、本実施形態における第１流路Ｆ１および第２流路Ｆ２は、取付け面１０Ｘの法線方向Ｄ３から見たときに、本体ブロック１０の長手方向Ｄ１（第１の方向と呼ぶことがある）に沿って延びる第１流路部分１３と、本体ブロック１０の幅方向Ｄ２（第２の方向と呼ぶことがある）に沿って延びる第２流路部分１４とを含んでいる。また、第１流路Ｆ１および第２流路Ｆ２は、法線方向Ｄ３から見たときに斜め方向（長手方向Ｄ１および幅方向Ｄ２とは異なる方向）に沿って延びる流路部分を含んでいない。

なお、上記の長手方向Ｄ１と幅方向Ｄ２とは互いに直交する方向であるが、本明細書において、直交する方向とは、約８０°～９０°の角度で交わる方向を意味するものとする。つまり、第１流路部分１３と第２流路部分１４とが、加工誤差などによって９０°から多少ずれた方向に交差している場合も、これらは直交する方向に形成されたものとする。

長手方向Ｄ１に沿って延びる第１流路部分１３は、本体ブロック１０を構成するブロック部分１０ａ～１０ｄの接続面や底面などから、長手方向Ｄ１に沿ってドリルなどを用いて細穴を開けておき、その後、ブロック部分１０ａ～１０ｄを接続および固定することによって形成することができる。一方、第２流路部分１４は、本体ブロック１０の側面１０Ｙから、幅方向Ｄ２に沿ってドリルなどを用いて穴部１４’を開け、穴部１４’の開口部１４ａを封止することによって形成することができる。

第２流路部分１４を構成する穴部１４’の開口部１４ａを封止する封止部材１５としては、種々のものを用いることができる。例えば、後述するように、ブラインドプラグのようなもので開口部１４’を封止してもよい。なお、特許文献３には、金属ブロックの側面から穿孔するとともに、開口部を塞ぐことによって流路を形成する方法が記載されている。本発明の実施形態においても、特許文献３に記載の方法と同様の方法を利用して、第２流路部分１４を形成することが可能である。

以上のように、本実施形態において、第１流路Ｆ１および第２流路Ｆ２は、複数のブロック部分から本体ブロックを構成するとともに、法線方向Ｄ３から見たときに長手方向Ｄ１および幅方向Ｄ２に沿って延びる流路部分を組み合わせて形成されており、典型的には、全体流路においてコの字型の流路部分が含まれている。

そして、本実施形態の構成によれば、斜め方向の流路を設けるときのように、ドリルでの孔開けの位置合わせに困難が伴わず、正確に流路を形成することができる。また、斜めの流路を形成する場合には必要とされる、長手方向と幅方向との両方での流路形成用のスペースの確保が不要となる。このため、必要最小限の分だけ幅方向に沿って流路を設けることが可能であり、長手方向にサイズを大きくすることなく圧力式流量制御ユニットを種々の態様でコンパクトに搭載することが可能になる。

以下、図５～図９を参照しながら、圧力式流量制御装置１のより具体的な構成例を説明する。以下に説明する構成例では、第１流路Ｆ１と第２流路Ｆ２（図８および図９参照）とが、法線方向Ｄ３から見たときに長手方向Ｄ１に沿った中心軸に対して非対称に形成されており、上記のように必要最小限の分だけ幅方向Ｄ２に沿った流路部分を設けた構成を採用している。これにより、本体ブロック１０上においてコンパクトに制御ユニットや圧力センサが配置され、幅方向Ｄ２に離間して平行に第１流路Ｆ１および第２流路Ｆ２を設けたときよりも本体ブロック１０の幅を狭小化し得る。

なお、図５～図９に示す圧力式流量制御装置１において、上記に説明した構成要素と同様の構成要素については同じ参照符号を付すとともに、詳細な説明は省略する場合がある。

図５は、取付け面１０Ｘの法線方向から見たときの本体ブロック１０の平面図である。また、図６は、図５に示すＣ－Ｃ’線に沿った断面を示し、図７は、図５に示すＤ－Ｄ’線に沿った断面を示す。ただし、図６および図７には、圧力式流量制御ユニットが取り付けられた状態が示されている。

また、図８および図９は、図５～図７に示した流体制御装置の流路を模式的に示す透視図である。図８および図９において、第１流路Ｆ１をガスが流れる様子および第２流路Ｆ２をガスが流れる様子を矢印で示しているが、流路等の構成については同じものが図示されている。図８に示すように、第１流路Ｆ１をガスが流れるときには、共通流入口１１からのガスが、矢印Ａ１で示すようにコントロール弁２２ａを通り、絞り部２４ａを介して矢印Ａ２で示すように共通流出口１２へと流れる。このとき、第２流路Ｆ２のコントロール弁２２ｂは閉じられており、コントロール弁２２ｂおよび絞り部２４ｂを介してガスが流れることはない。一方、図９に示すように、第２流路Ｆ２をガスが流れるときには、共通流入口１１からのガスが、矢印Ｂ１で示すようにコントロール弁２２ｂを通り、その後、絞り部２４ｂを介して矢印Ｂ２で示すように共通流出口１２へと流れる。このとき、第１流路Ｆ１のコントロール弁２２ａは閉じられており、コントロール弁２２ａおよび絞り部２４ａを介してガスが流れることはない。また、図８および図９に示すように、第１流路Ｆ１および第２流路Ｆ２のいずれをガスが流れる場合にも、矢印Ａ３、Ｂ３に示すように流入圧力センサ２１にガスが流れるので流入側圧力を検出することが可能であり、矢印Ａ４、Ｂ４で示すように下流圧力センサ２５にガスが流れるので下流圧力を検出することが可能である。

図５～図９に示すように、本体ブロック１０において、共通流入口１１と共通流出口１２との間において、第１流路Ｆ１および第２流路Ｆ２が設けられているが、これらの流路Ｆ１、Ｆ２は、取付け面１０Ｘの法線方向Ｄ３から見たときに、長手方向Ｄ１に沿って延びる第１流路部分１３と、幅方向Ｄ２に沿って延びる第２流路部分１４との組み合わせによって構成されており、斜め方向に設けられた流路部分を含んでいない。また、幅方向Ｄ２に沿って延びる流路部分１４は、第２流路Ｆ２においてのみ設けられ、図５、図８および図９に示すように、本体ブロックの側面１０Ｙに開口する穴部１４’が、封止部材１５（ここではブラインドプラグ）によって封止されることによって形成されている。

なお、図７に示すように、第２流路Ｆ２に設けられたコントロール弁２２ｂの近傍において、図示する断面では斜め方向に設けられた流路部分１６が形成されているが、この流路部分１６は、法線方向Ｄ３から見たときには長手方向Ｄ１に沿って延びる流路部分である。

本実施形態において、第１流路Ｆ１に設けられたコントロール弁２２ａと、第２流路Ｆ１に設けられたコントロール弁２２ｂとは、長手方向Ｄ１において離れた位置に設けられており、図３に示した態様のように幅方向Ｄ２に並んで配置されたものではない。同様に、第１流路Ｆ１に設けられた上流圧力センサ２３ａと、第２流路Ｆ２に設けられた上流圧力センサ２３ｂも、幅方向Ｄ２に並んだものではなく、長手方向Ｄ１に沿って並んで配置されている。なお、流入圧力センサ２１および下流圧力センサ２５は、本構成例においても、第１流路Ｆ１および第２流路Ｆ２に共通するように設けられている。

また、上記のコントロール弁２２ａと、コントロール弁２２ｂとは、異なる態様のものが用いられている。より具体的には、コントロール弁２２ａとしては大流量の制御に適した大型のコントロール弁が用いられ、コントロール弁２２ｂとしては、小流量の制御に適した小型のコントロール弁が用いられている。このように小型のコントロール弁２２ｂを用いているので、省スペース化を実現することができる。

さらに、図５、図８および図９に示すように、本実施形態では、法線方向Ｄ３から見たときに、第１流路Ｆ１と第２流路Ｆ２とは部分的に重なるように形成されており、これに対応して、絞り部２４ａ、２４ｂも、法線方向Ｄ３に沿って並ぶように配置されている。

以上の構成において、本体ブロック１０の幅方向中央部分において流路や制御ユニットを集約して配置できるので、本体ブロック１０の幅を小さくすることができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、種々の改変が可能である。例えば、上記には第１流路Ｆ１と第２流路Ｆ２との２つの流路が設けられた流体制御装置を説明したが、３つ以上の流路が設けられていてもよい。３つ以上の流路が設けられている場合であっても、流路が、上記の直交する２方向に沿って延びる流路部分のみから構成されていることが好ましい。

また、絞り部として、オリフィス部材と遮断弁とが近接して一体的に形成された構成を有するオリフィス内蔵弁を用いてもよい。オリフィス内蔵弁を用いれば、立ち上がりおよび立ち下がり特性よくガスを供給することができ、プロセスチャンバへの短時間（パルス的）ガス供給も好適に行い得る。

また、上記には、小流量と大流量との切り替えのために２つの流路を設ける態様を説明したが、他の目的で複数の流路が設けられていてもよく、例えば、ガスの種類や温度に応じて流路が選択されるような用途であってもよい。また、圧力式流量制御装置に限られず、複数の流路が設けられた種々の流体制御装置において本発明を適用可能である。

本発明の実施形態にかかる流体制御装置は、例えば、半導体製造のガス供給ラインに接続されて流量制御を行うために好適に利用される。

１ 圧力式流量制御装置 （流体制御装置）
５ 制御部
１０ 本体ブロック
１０Ｘ 取付け面
１０Ｙ 側面
１１ 共通流入口
１２ 共通流出口
１３ 第１流路部分
１４ 第２流路部分
１４’ 穴部
１４ａ 開口部
１５ 封止部材
２０ａ 第１圧力式流量制御ユニット （第１流体制御ユニット）
２０ｂ 第２圧力式流量制御ユニット （第２流体制御ユニット）
２１ 流入圧力センサ
２２ａ、２２ｂ コントロール弁
２３ａ、２３ｂ 上流圧力センサ
２４ａ、２４ｂ 絞り部
２５ 下流圧力センサ
Ｆ１ 第１流路
Ｆ２ 第２流路
Ｄ１ 長手方向（第１の方向）
Ｄ２ 幅方向（第２の方向）
Ｄ３ 法線方向

Claims (12)

1. 共通流入口および共通流出口と、前記共通流入口および共通流出口にそれぞれが連通する第１流路および第２流路とを有する本体ブロックと、
   前記第１流路に設けられた第１流体制御ユニットと、
   前記第２流路に設けられた第２流体制御ユニットと
   を備え、
   前記第１流体制御ユニットの少なくとも一部および前記第２流体制御ユニットの少なくとも一部は、前記本体ブロックの取り付け面に固定されており、
   前記第１流路および第２流路のうちの少なくともいずれか一方は、前記取付け面の法線方向から見たときに第１の方向に沿って延びる第１流路部分と、前記法線方向から見たときに前記第１の方向と直交する第２の方向に沿って延びる第２流路部分とを含み、
   前記第２流路部分は、前記本体ブロックの前記取付け面の側方に配された面から前記第２の方向に沿って延びる穴部と、前記穴部の開口部を塞ぐ封止部材とによって形成されており、
   前記第１流体制御ユニットおよび前記第２流体制御ユニットのそれぞれは、コントロール弁と、前記コントロール弁の下流側に設けられた上流圧力センサと、前記上流圧力センサの下流側に設けられた絞り部と、前記上流圧力センサおよび前記コントロール弁に接続された制御部とを有し、圧力式流量制御ユニットを構成しており、
   前記本体ブロックは、前記第１流路および前記第２流路の一部が形成された第１のブロック部分と、前記第１流路および前記第２流路の一部が形成された第２のブロック部分とを接続して固定することによって形成され、前記第１のブロック部分と前記第２のブロック部分との接続部において、前記第１流体制御ユニットおよび前記第２流体制御ユニットのそれぞれの前記絞り部が設けられている、流体制御装置。
2. 前記第１流体制御ユニットの前記コントロール弁と、前記第２流体制御ユニットの前記コントロール弁とは、前記第１の方向において離れた位置に設けられている、請求項１に記載の流体制御装置。
3. 前記法線方向から見たときに、前記第１流路と前記第２流路とは、少なくとも部分的に重なっている、請求項１または２に記載の流体制御装置。
4. 前記制御部は、前記第１流路および前記第２流路のうちの一方の流路において流体を流すとき、前記一方の流路に設けられた前記上流圧力センサの出力に基づいて前記コントロール弁の開度を制御するとともに、他方の流路に設けられた前記コントロール弁を閉じるように制御するように構成されている、請求項１から３のいずれかに記載の流体制御装置。
5. 前記制御部は、前記一方の流路において流体を流すとき、前記他方の流路に設けられた前記コントロール弁を閉じた後の前記他方の流路における流量を検出し、前記検出した結果に基づいて、前記一方の流路に設けられた前記コントロール弁を制御するように構成されている、請求項４に記載の流体制御装置。
6. 前記第１流体制御ユニットおよび前記第２流体制御ユニットの前記絞り部の下流側において、前記第１流路と前記第２流路とに共通に設けられた下流圧力センサをさらに備える、請求項１から５のいずれかに記載の流体制御装置。
7. 前記それぞれの前記絞り部はオリフィス部材を含む、請求項１から６のいずれかに記載の流体制御装置。
8. 前記コントロール弁は、樹脂製のシートを含む、請求項１から７のいずれかに記載の流体制御装置。
9. 前記本体ブロックは、前記法線方向から見たときに略長方形の形状を有し、前記第１の方向は前記本体ブロックの長手方向であり、前記第２の方向は前記本体ブロックの幅方向である、請求項１から８のいずれかに記載の流体制御装置。
10. 前記第１流路および前記第２流路は、前記法線方向から見たときに前記第１の方向および前記第２の方向とは異なる斜め方向に沿って延びる流路部分を含まない、請求項１から９のいずれかに記載の流体制御装置。
11. 前記第１流路および前記第２流路を含む流路の全体において、前記法線方向から見たときにコの字型の流路部分が含まれている、請求項１から１０のいずれかに記載の流体制御装置。
12. 共通流入口および共通流出口と、前記共通流入口および共通流出口にそれぞれが連通する第１流路および第２流路とを有する本体ブロックと、
    前記第１流路に設けられた第１流体制御ユニットと、
    前記第２流路に設けられた第２流体制御ユニットと
    を備え、
    前記第１流体制御ユニットの少なくとも一部および前記第２流体制御ユニットの少なくとも一部は、前記本体ブロックの取り付け面に固定されており、前記第１流路および第２流路のうちの少なくともいずれか一方は、前記取付け面の法線方向から見たときに第１の方向に沿って延びる第１流路部分と、前記法線方向から見たときに前記第１の方向と直交する第２の方向に沿って延びる第２流路部分とを含み、前記第２流路部分は、前記本体ブロックの前記取付け面の側方に配された面から前記第２の方向に沿って延びる穴部と、前記穴部の開口部を塞ぐ封止部材とによって形成されている流体制御装置であって、
    前記第１流体制御ユニットおよび前記第２流体制御ユニットのそれぞれは、コントロール弁と、前記コントロール弁の下流側に設けられた上流圧力センサと、前記上流圧力センサの下流側に設けられた絞り部と、前記上流圧力センサおよび前記コントロール弁に接続された制御部とを有し、圧力式流量制御ユニットを構成しており、
    前記制御部は、前記第１流路および前記第２流路のうちの一方の流路において流体を流すとき、前記一方の流路に設けられた前記上流圧力センサの出力に基づいて前記コントロール弁の開度を制御するとともに、他方の流路に設けられた前記コントロール弁を閉じるように制御するように構成され、前記一方の流路において流体を流すとき、前記他方の流路に設けられた前記コントロール弁を閉じた後の前記他方の流路における流量を検出し、前記検出した結果に基づいて、前記一方の流路に設けられた前記コントロール弁を制御するように構成されている、流体制御装置。
    
    

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