流量范围可变型流量控制装置 |
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| 申请号 | CN200680023200.2 | 申请日 | 2006-06-22 | 公开(公告)号 | CN101208641B | 公开(公告)日 | 2012-11-07 |
| 申请人 | 株式会社富士金; 国立大学法人东北大学; 东京毅力科创株式会社; | 发明人 | 大见忠弘; 斋藤雅仁; 日野昭一; 岛津强; 三浦和幸; 西野功二; 永濑正明; 杉田胜幸; 平田薰; 土肥亮介; 广濑隆; 筱原努; 池田信一; 今井智一; 吉田俊英; 田中久士; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种流量范围可变型流量控制装置，通过一台流量控制装置也能对较广的流量区域的 流体 进行高 精度 的流量控制，从而可实现流量控制装置的小型化和设备 费用 的降低。具体而言，在使用节流孔上游侧压 力 P1以及或者节流孔下游侧压力P2而以Qc＝KP1(K为比例常数)或者Qc＝KP2m(P1-P2)n(K为比例常数、m和n为常数)运算在节流孔(8)中流通的流体的流量的压力式流量控制装置中，将该压力式流量控制装置的控制 阀 的下游侧与流体供给用管路之间的流体通路设置为至少两个以上的并列状的流体通路，并且向上述各并列状的流体通路分别设置流体流量特性不同的节流孔，在小流量区域的流体的流量控制时使上述小流量区域的流体向一方的节流孔流通，此外，在大流量区域的流体的流量控制时使上述大流量区域的流体向另一方的节流孔切换并流通。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种流量范围可变型压力式流量控制装置，使用节流孔上游侧压力P1以及/或者节m n |
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| 说明书全文 | 流量范围可变型流量控制装置技术领域[0001] 本发明涉及半导体制造设备或化学工业设备、药品工业设备、食品工业设备等的流体供给系统的流量控制装置，特别涉及在压力式流量控制装置或热式质量流量控制装置中能够容易地实现流量控制范围的扩大和高控制精度的维持的流量范围可变型流量控制装置。 背景技术[0002] 对于在半导体制造装置等中使用的流量控制装置，不仅要求高流量控制精度，而且对于其流量控制范围，也要求相当大的控制范围。 [0003] 另一方面，若流量控制范围变大，则必然地低流量区域的控制精度降低，存在仅利用流量控制装置中所设的测定值的修正功能无法补偿并消除低流量区域中的控制精度的降低的问题。 [0004] 因此，一般而言，与所要求的流量控制范围对应而将流量控制区域分割为多个区域，例如大流量区域、中流量区域、以及小流量区域，并且并列地设置分别进行各流量区域的流量控制的三组流量控制装置，由此在较广的流量控制范围中维持较高的流量控制精度。 [0005] 但是，在并列地设置多组流量控制范围不同的装置的系统中，设备费的升高无法避免，存在不仅设备费无法降低且流量控制装置的切换操作麻烦的问题。 [0006] 此外，在半导体制造设备等中，多代替以往的热式质量流量控制装置而使用压力式流量控制装置。 [0007] 压力式流量控制装置不仅结构简单，而且在响应性及控制精度、控制稳定性、制造成本、维护性等方面也具有优异特性，进而，还能够简单地与热式质量流量控制装置相更换。 [0008] 图7(a)以及图7(b)表示上述以往的压力式流量控制装置FCS的基本结构的一例，压力式流量控制装置FCS的主要部分由控制阀2、压力检测器6、27、节流孔8、流量运算电路13、31、流量设定电路14、运算控制电路16、流量输出电路12等形成。 [0009] 另外，图7(a)以及图7(b)中，3是节流孔上游侧配管，4是阀驱 动部、5是节流孔下游侧配管、9是阀、15是流量转换电路、10、11、22、28是放大器、7是温度检测器、17、28、29是A/D转换器、19是温度修正电路、20、30是运算电路、21是比较电路、Qc是运算流量信号、Qf是切换运算流量信号、Qe是流量设定信号、Qo是流量输出信号、Qy是流量控制信号，P1是节流孔上游侧气体压力、P2是节流孔下游侧气体压力、k是流量转换率。 [0010] 上述图7(a)的压力式流量控制装置FCS，主要在节流孔上游侧气体压力P1与节流孔下游侧气体压力P2的比P2/P1与流体的临界值相等或者比该临界值低的情况下(即气体的流动总在临界状态下时)使用，通过节流孔8的气体流量Qc由Qc＝KP1(其中，K是比例常数)给出。 [0011] 此外，上述图7(b)的压力式流量控制装置FCS，主要用于临界状态与非临界状态m这两个流量状态下的气体的流量控制，在节流孔8中流动的气体的流量由Qc＝KP2(P1-P2)n (K是比例常数，m与n是常数)给出。 [0012] 上述图7(a)以及图7(b)的压力式流量控制装置中，流量的设定值作为流量设定信号Qe而由电压值给出。例如，若用电压范围0～5V表示上游侧压力P1的压力控制范围2 2 0～3(kgf/cmabs)，则Qe＝5V(满刻度值)与3(kgf/cmabs)的压力P1的流量Qc＝KP1相当。 [0013] 例如，在将当下流量转换电路15的转换率k设定为1时，若输入流量设定信号Qe2 ＝5V，则切换运算流量信号Qf(Qf＝kQc)为5V，在上游侧压力P1变为3(kgf/cmabs)之前， 2 控制阀2被开闭操作，与P1＝3(kgf/cmabs)对应的流量Qc＝KP1的气体通过节流孔8。 [0014] 此外，在将要控制的压力范围切换为0～2(kgf/cm2abs)而用0～5(V)的流量设 2 定信号Qe表示该压力范围时(即，满刻度值5V给出2(kgf/cmabs)时)上述流量转换率k设定为2/3。 [0015] 结果，若输入流量设定信号Qe＝5(V)，则根据Qf＝kQc，切换运算流量信号Qf为2 Qf＝5×2/3(V)，在上游侧压力P1变为3×2/3＝2(kgf/cmabs)之前，控制阀2被开闭操作。 [0016] 即，转换满刻度的流量，以Qe＝5V表示与P1＝2(kgf/cm2abs)相当的流量Qc＝KP1。 [0017] 此外，在临界条件下，在节流孔8中流通的气体流量Qc如上所述由Qc＝KP1的式子给出，但若要进行流量控制的气体种类发生变化，则在使用同一节流孔8时，上述比例常数K变化。 [0018] 另外，在上述图7(b)的压力式流量控制装置中也同样，在节流孔8中流通的气体m n的流量Qc作为Qc＝KP2(P1-P2)(K是比例常数、m与n是常数)给出，若气体种类变化则上述比例常数K变化。 [0020] (专利文献2)特开2000-66732号公报 [0021] (专利文献3)特开2000-322130号公报 [0022] (专利文献4)特开2003-195948号公报 [0023] (专利文献5)特开2004-199109号公报 [0024] 但是，压力式流量控制装置，特别地，在图7(a)所示的使用在临界条件下以Qc＝KP1运算控制流量Qc的方式的装置中，随着节流孔二次侧压力P2(即作为气体供给目标的腔装置等)上升，流量控制范围逐渐变窄。这是因为节流孔一次侧压力P1随着流量设定值而被控制为一定压力值，所以若在P2/P1满足临界膨胀条件的状态下节流孔二次侧压力P2上升，则必然地节流孔一次侧压力P1的调整范围即基于P1的流量Qc的控制范围变窄。 [0025] 此外，若流体的流通状态不符合上述临界条件，则流量控制精度大幅降低，结果，半导体制品的品质发生波动。 [0026] 换言之，在临界条件下进行流体的流量控制的方式的压力式流量控制装置中，可进行流量控制的范围与以往的热式质量流量控制装置或所谓的压差式流量控制装置相比由于节流孔二次侧的压力的上升而大幅变窄。 [0027] 结果，需要流量控制范围不同的两个压力式流量控制装置，导致半导体制造装置等的制造成本的上升。 发明内容[0028] 本申请发明可解决以往的流体流量控制装置的上述那样的问题，即1.在需要较广的流量控制范围时，为了确保既定的控制精度而并列状地设置多个流量范围不同的流量控制装置，需要切换使用它们，难以降低流量控制装置的费用；2.以临界条件下的流量控制为基本原理的压力式流量控制装置中，流量控制范围随着节流孔二次侧的压力上升而逐渐减小，为了与之对应而需要流量范围不同的多个流量控制装置；发明的主要目的在于提供一种流量范围可变型流量控制装置，通过适当地切换控制流量控制装置内部的流体通路，即便使用一台流量控制装置也能在较广的流量控制范围中进行高精度的流体的流量控制。 [0029] 为了解决上述发明的问题，本申请的技术方案1的发明的基本构成为，作为通向流量控制装置的流量检测部的流体通路，至少设置小流量用的流体通路和大流量用的流体通路，使小流量区域的流体通过上述小流量用流体通路而向流量检测部流通，并且将流量控制部的检测电平切换为适于小流量区域的检测的检测电平，此外，使大流量区域的流体通过上述大流量用流体通路而向上述流量检测部流通，并且将流量控制部的检测电平切换为适于大流量区域的流量的检测的检测电平，由此分别切换大流量区域和小流量区域的流体而进行流量控制。 [0030] 此外，为了解决上述发明的问题，本申请的技术方案2的发明的基本结构为，是一种压力式流量控制装置，使用节流孔上游侧压力P1以及/或者节流孔下游侧压力P2，根据m nQc＝KP1(K为比例常数)或者Qc＝KP2(P1-P2) (K为比例常数、m和n为常数)来运算在节流孔8中流通的流体的流量，其中，将该压力式流量控制装置的控制阀的下游侧与流体供给用管路之间的流体通路设置为至少两个以上的并列状的流体通路，并且向上述各并列状的流体通路分别设置流体流量特性不同的节流孔，在小流量区域的流体的流量控制时使上述小流量区域的流体向一方的节流孔流通，此外，在大流量区域的流体的流量控制时使上述大流量区域的流体向另一方的节流孔流通。 [0031] 技术方案3的发明，在技术方案2的发明中，并列状的流体通路的个数为两个，此外，节流孔为大流量用节流孔和小流量用节流孔这两个节流孔，并且借助设置在大流量用节流孔的流体通路上的切换阀的动作将流体流量的控制范围切换为小流量区域和大流量区域。 [0032] 技术方案4的发明，在技术方案2的发明中，将节流孔分为大流量用节流孔、中流量用节流孔和小流量用节流孔这三种，并且，在一方的流量通路上串联状地设置第一切换用阀、第二切换阀和大流量节流孔，此外，在另一方的流体通路上设置小流量节流孔和中流量节流孔，进而，使连通上述两切换阀之间的通路、和连通小流量节流孔和中流量节流孔之间的通路连通。 [0033] 技术方案5的发明，在技术方案2的发明中，在压力式流量控制装置节流孔中流通的流体是临界条件下的流体。 [0034] 进而，为了解决上述发明的课题，本申请的技术方案6的发明的基本构成为，是一种热式质量流量控制装置，由流量控制阀、层流元件装置部 和流量传感器部等构成，由流量传感器部检测与流体的质量流量成比例的温度变化，并根据该检测温度而控制流量控制阀的开闭，由此使一定的设定流量的流体流出，其中，将直到流量控制阀的流体通路形成为至少两个以上的并列的流体通路，并且向上述各并列状的流体通路分别设置粗度不同的层流元件以及流量传感器，在小流量区域的流体的流量控制时使上述小流量区域的流体向一方的层流元件流通，此外，在大流量区域的流体的流量控制时使上述大流量区域的流体向另一方的层流元件流通。 [0035] 技术方案7的发明，在技术方案6的发明中，并列状的流体通路的个数为两个，此外，使层流元件为大流量用的粗层流元件和小流量用的细层流元件这两个，并且，利用设置在各自的流体通路上的切换阀的动作而将流体流量的控制范围切换为小流量区域和大流量区域。 [0036] 本申请发明中，由于通过适当地组合由大流量用节流孔8c与小流量用节流孔8a(或者大流量用节流孔8c、中流量用节流孔8b和小流量用节流孔8a)进行的流量控制而进行流量控制，所以能够在较广范围的流量区域中进行误差1％设定点以下的高精度的流量控制。 [0037] 此外，本申请发明中，可利用切换阀的操作而自动地切换选择流量控制区域，不会导致操作的复杂化。 [0039] 图1是第1实施方式的流量范围可变型流量控制装置的结构说明图。 [0040] 图2是表示图1的流量控制装置的流量特性的线图。 [0041] 图3是本发明的第2实施方式的流量范围可变型流量控制装置的结构说明图。 [0042] 图4是表示图3所示的流量控制装置的流量特性的线图。 [0043] 图5是表示压力式流量控制装置FCS的临界条件范围外的流量控制特性的一例的图。 [0044] 图6是本发明的第3实施方式的流量范围可变型流量控制装置的结构说明图。 [0045] 图7是表示以往的压力式流量控制装置的基本结构的说明图。 [0046] 附图标记说明 [0047] FCS...压力式流量控制装置 [0048] MFC...热式质量流量控制装置 [0049] 1...控制部 [0050] 2...控制阀 [0051] 3...节流孔一次侧管路 [0052] 4...驱动部 [0053] 5...流体供给用管路 [0054] 6...压力传感器 [0055] 8a...小流量用节流孔 [0056] 8b...中流量用节流孔 [0057] 8c...大流量用节流孔 [0058] 32...第一切换用电磁阀 [0059] 33...第二切换用电磁阀 [0060] 34...第一切换阀 [0061] 34a...阀驱动部 [0062] 34b...接近传感器 [0063] 35...第二切换阀 [0064] 35a...阀驱动部 [0065] 35b...接近传感器 [0066] 36...控制部 [0067] 36a...电桥电路 [0068] 37...流量控制阀 [0069] 38、38a、38b...层流元件旁通管 [0070] 39...流量传感器部 [0071] 40a、40b...流体通路 [0072] 41、42...切换阀 具体实施方式[0073] (第一实施方式) [0074] 以下，根据附图说明本发明的各实施方式。 [0075] 图1表示本发明的第1实施方式的流量范围可变型流量控制装置的结构图，图1中，1是控制部，2是控制阀，3是节流孔上游侧(一次侧)管路，4是阀驱动部，5是流体供给用管路，6是压力传感器，8a是小流量用节流孔，8b是中流量用节流孔，8c是大流量用节流孔，32、33是切换用电磁阀，34、35是切换阀。 [0076] 上述压力式流量控制装置FCS的控制部1、控制阀2、阀驱动部4、压力传感器6等是公知的部件，控制部1上设置流量的输入输出信号(设定流量的输入信号、控制流量的输出信号·DC0-5V)端子Qe、Qo、电源供给端子(±DC15V)E、控制流量切换指使信号的输入端子SL、SM、SS。 [0077] 此外，上述切换用电磁阀32、33是公知的气体动作型电磁阀，通过从控制部1输入切换信号C1、C2而供给驱动用气体(0.4～0.7Mpa)Gc，切换用电磁阀32、33动作。由此，驱动用气体Gc供给到切换阀的阀驱动部34a、35a，切换阀34、35进行开闭动作。 [0078] 进而，各切换阀34、35的动作被设置在各阀驱动部34a、35a上的接近开关34b、35b检测出，输入到控制部1。 [0079] 另外，在本实施方式中，作为切换阀34、35使用空气压动作的常态封闭型的阀。 [0080] 图1的管路5a、5b、5c、5d、5e、5f形成各节流孔8a、8b、8c的旁通通路，在控制流量为小流量区域时，由小流量用节流孔8a控制流量的流体主要通过管路5b、5d、5c、5e流通。 [0081] 此外，在控制流量为中流量区域时，流体通过管路5a、5b、5d流向中流量节流孔8b，主要由中流量用节流孔8b控制流量的流体向流体供给用管路5内流出。 [0082] 进而，在控制流量为大流量区域时，流体通过管路5a而向大流量用节流孔8c流入，主要由大流量用节流孔8c控制流量的流体向流体供给用管路5内流入。 [0083] 更具体而言，在例如最大控制流量为2000SCCM时，作为小流量用节流孔8a使用最大流量20SCCM的节流孔，作为中流量用节流孔8b使用最大200SCCM的节流孔，作为最大流量用节流孔8c使用最大流量1780SCCM的节流孔。 [0084] 即，在进行20SCCM以下的小流量流体的流量控制时，向控制部1输入切换信号Ss，打开第二切换用电磁阀33而将驱动用气体Gc送入第二切换阀35，打开该第二切换阀35(第一切换阀34保持关闭状态)。 [0085] 结果，流体通过管路3、小流量节流孔8a、管路5b、阀35、大流量节流孔8c、管路5c以及管路5d、中流量节流孔8b、管路5f而向管路5流通，利用小流量节流孔8a将流量QL控制为QL＝KLP1(KL是小流量节流孔8a固有的常数)。 [0086] 另外，其流量特性如图2的特性A所示，在20～2SCCM的流量范围内能够以误差±1％设定点以下的精度进行流量控制。 [0087] 此外，在控制流量为200SCCM(中流量程度)时，切换到打开第一切换阀34以及关闭第二切换阀35的状态，使流体通过管路3、管路5a、阀34、管路5b以及管路3、小流量节流孔8a而向中流量节流孔8b流通，利用该中流量节流孔8b将流量QM控制为QM＝KMP1(其中，KM是中流量节流孔8b固有的常数)。 [0088] 另外，此时的流量控制特性为如图2的特性B所示那样的状态，在200～20SCCM的流量范围内能够以误差±1％设定点以下的精度进行流量控制。 [0089] 进而，在控制流量为2000SCCM(最大流量)时，经由两切换用电磁阀32、33打开两切换阀34、35，通过管路3、管路5a、阀34、阀35、大流量节流孔8c、管路5c以及小流量节流孔8a、中流量节流孔8b、管路5f而向管路5供给流体。 [0090] 此时，流体的流量主要利用大流量节流孔8c将流量Qc控制为Qc＝KcP1(其中，Kc是大流量节流孔8c固有的常数)，但严格地讲，利用通过中流量节流孔8b的流量QM＝KMP1和通过大流量节流孔8c的流量Qc＝KcP1的和，控制管路5的流量。 [0091] 另外，此时的流量控制特性如图2的特性C所示，在2000～200SCCM的流量范围内能够以误差±1％设定点以下的精度进行流量Qc的控制。 [0092] (第二实施方式) [0093] 图3表示本发明的第2实施方式，使用小流量用节流孔8a和大流量用节流孔8c适当地切换并进行流量控制。 [0094] 例如，在进行最大流量2000SCCM的流量控制时，利用小流量用节流孔8a控制直到200SCCM的流量，此外，利用大流量用节流孔8c控制直到2000SCCM的流量。 [0095] 具体而言，在直到200SCCM之前的流量控制时，保持关闭切换阀34的状态，并将在小流量节流孔8a中流通的流体流量Qs控制为Qs＝KsP1(其中， Ks是节流孔8a固有的常数)。 [0096] 借助利用了该小流量节流孔8a的流量控制，在流量200SCCM～20SCCM的范围内能够以误差±1％设定点以下的精度进行流量控制。 [0097] 另外，图4的特性D表示此时的流量控制特性，在节流孔下游侧管路5在100Torr以下时，在流量20SCCM时，确认可以将误差抑制在±1％设定点以下。 [0098] 在上述图3的流量控制方式中，在节流孔下游侧压力超过100Torr时或节流孔下游侧压力在100Torr以下时，在流体流量QS在20SCCM以下时，难以将流量控制误差保持在±1％设定点以下。 [0099] 因此，此时，如图4所示，也可利用所谓的脉冲控制对流量20SCCM以下的区域进行流量控制。 [0100] 另外，在此所述的脉冲控制是指利用脉冲信号进行节流孔上游侧的控制阀2的开闭并使流体脉冲状地向管路3内流通的控制方式，通过调整开闭阀的数量而以比较高的精度控制在小流量节流孔8a中流通的流体流量。 [0101] 另一方面，在控制流量2000SCCM以下的流体的情况下，经由切换用电磁阀32打开切换阀34。由此，流体通过管路5a、切换阀34、大流量节流孔8c以及小流量节流孔8a、管路5 g而向管路5流入。 [0102] 即，向管路5流入的流体流量是由大流量节流孔8c控制的流量QC＝KCP1 (其中，KC是大流量节流孔8c固有的常数)和由小流量节流孔8a控制的流量QS＝KSP1(其中KS是小流量节流孔8a固有的常数)之和，其流量特性曲线由图4的特性E表示。 [0103] 如上所述，在本申请的第1实施方式以及第2实施方式中，通过适当组合利用大流量节流孔8c与小流量节流孔8a(或者大流量节流孔8c、中流量节流孔8b和小流量节流孔8a)进行的流量控制，在例如2000～2SCCM的较广范围的流量控制区域中，可实现误差±1％设定点以下的高精度的流量控制。 [0104] 此外，在由小流量用节流孔8a进行流量控制的状态下要改变气体流量的情况下，要求迅速的切换操作。这样的情况下，本发明中设置与节流孔8a的流路并列的旁通流路(5a、34、8c、5c)，通过打开该旁通流路而可容易地实现节流孔二次侧管路的压力下降时间的缩短。 [0105] 进而，在本发明的第一实施方式以及第二实施方式中，在临界条件下进行流体的流量控制，所以即便改变气体种类也可利用所谓流体因子F.F 将运算流量Q转换为实际气体的流量，能够充分发挥压力式流量控制装置的优异特性。 [0106] 图5以节流孔二次侧压力P2为参数而表示本发明的第一实施方式以及第二实施方式中使用的压力式流量控制装置的流体的临界条件范围外的状态下的流量控制精度，在例如P2＝100Torr时，如曲线F所示，控制流量为额定设定流量的大约5％的点，误差超过-1％F.S。 [0107] 结果，如例如图4的特性D(小流量节流孔8a的200～20SCCM)所示，在200～20SCCM之间，能够在误差±1％设定点以下的精度下可靠地进行流量控制，但若控制流量为20SCCM以下，则节流孔二次侧压力P2在100Torr时成为在临界条件外的状态，所以实际上难以直到设定流量的大约5％的流量(200SCCM×5％＝10SCCM)的点将误差可靠地控制在1％F.S以下。 [0108] 结果，如图4所示，在设定流量的10％～5％的小流量区域(20SCCM～10SCCM)中，也可采用脉冲控制方式(当然，不采用脉冲控制方式误差也能保持在误差0.1％(以大流量节流孔的满刻度为基准时)F.S以下)。 [0109] (第三实施方式) [0110] 图6表示本发明的第三实施方式，流量控制装置使用所谓热式质量流量控制装置MFC。 [0111] 该热式质量流量控制装置MFC，如图6所示，包括控制部36、流量控制阀37、层流元件旁通部38、流量传感器部39、切换阀41、42等，通过流量传感器部39检测出与流体的质量流量成比例的温度变化，通过根据该检测温度开闭控制流量控制阀37，使一定的设定流量的流体流出。 [0112] 另外，由于热式质量流量控制装置MFC是公知的装置，所以在此省略其详细说明。 [0113] 此外，图6中，36a是电桥电路，36b是放大电路、36c是修正电路、36d是比较电路，36e是阀驱动电路、36f是促动器。 [0114] 在本发明的第三实施方式中，作为层流元件旁通部38的旁通通路分别设置两个通路40a、40b，并且分别在各通路上设置切换阀41、42。 [0115] 即，在旁通流路的一方的流体通路40a上设置粗层流元件38a，用于中流量流体的流量控制。此外，在另一方的流体通路40b上设置更粗的层流元件38b，用于大流量流体的流量控制。 [0116] 具体而言，在大流量的流量控制时，打开切换阀41以及切换阀42。 [0117] 此外，在小流量的流量控制时关闭切换阀42以及切换阀41，并且将 控制部36的放大电路36b的放大电平切换为适于小流量的检测的电平。 [0118] 进而，在中流量的流量控制时，关闭切换阀41而打开切换阀42，并且将上述放大电路36b的放大电平等切换为适于中流量的检测的电平。 [0119] 通过切换上述各切换阀41、42的切换以及控制部36的放大电平等，可使用一台热式质量流量控制装置MFC在大、中、小的三种流量范围内进行高精度的流量控制。 [0120] 本发明，可使用在半导体制造或化学工业、药品工业、食品工业等的各种流体的流体供给设备中。 |
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