JP2015138338A5 - - Google Patents

Description

圧力式流量制御装置及びその流量制御開始時のオーバーシュート防止方法。

本発明は圧力式流量制御装置の改良に関するものであり、流量制御の追従性の向上及び流量立上げ時や流量立下げ時の応答性を高めることにより半導体製造装置用等の原料ガス供給装置の作動性能を大幅に高めることを可能にした圧力式流量制御装置と、その流量制御開始時のオーバーシュートを防止する方法に関するものである。

従前から、半導体製造装置用等の原料ガス供給装置に於いては、供給ガス流量の制御に熱式流量制御装置や圧力式流量制御装置が広く利用されている。特に、後者の圧力式流量制御装置ＦＣＳは、図５に示すように、コントロール弁ＣＶ、温度検出器Ｔ、圧力検出器Ｐ、オリフィスＯＬ及び演算制御部ＣＤ等から構成されており、一次側供給圧が大きく変動しても安定した流量制御が行えるという優れた流量特性を具備している。

即ち、図５の圧力式流量制御装置ＦＣＳにおいては、その演算制御部ＣＤが、温度補正・流量演算回路ＣＤａと比較回路ＣＤｂと入出力回路ＣＤｃと出力回路ＣＤｄ等から構成されている。そして、圧力検出器Ｐ及び温度検出器Ｔからの検出値が温度補正・流量演算回路ＣＤａへ入力され、ここで検出圧力の温度補正と流量演算が行われ、流量演算値Ｑｔが比較回路ＣＤｂへ入力される。

また、設定流量に対応する入力信号Ｑ_Sが端子Ｉｎから入力され、入出力回路ＣＤｃを介して比較回路ＣＤｂへ入力され、ここで前記温度補正・流量演算回路ＣＤａからの流量演算値Ｑｔと比較される。比較の結果、設定流量入力信号Ｑｓと流量演算値Ｑｔとの間に差異があると、コントロール弁ＣＶの駆動部へ制御信号Ｐｄが出力され、これによりコントロール弁ＣＶが駆動され、設定流量入力信号Ｑｓと演算流量値Ｑｔとの差（Ｑｓ−Ｑｔ）が零となるように自動調整される。

尚、上記圧力式流量制御装置ＦＣＳでは、オリフィスＯＬの下流側圧力Ｐ_２と上流側圧力Ｐ_１との間にＰ_１／Ｐ_２≧約２の所謂臨界膨張条件が保持されていると、オリフィスＯＬを流通するガス流量ＱはＱ＝ＫＰ_１（但しＫは定数）で表され、また、臨界膨張条件が満たされていないと、オリフィスＯＬを流通するガス流量ＱはＱ＝ＫＰ_２ ^ｍ（Ｐ_１−Ｐ_２）^ｎ（但しＫ、ｍ、ｎは定数）として算出される。

従って、圧力Ｐ_１を制御することにより流量Ｑを高精度で制御することができ、しかも、コントロール弁ＣＶの上流側ガスＧｏの圧力が大きく変化しても、制御流量値が殆ど変化しないという優れた特性を発揮することができる。
尚、上記ガス流量ＱをＱ＝ＫＰ_１（但しＫは定数）として演算する方式の圧力式流量制御装置は、一般にＦＣＳ−Ｎ型と呼ばれており、また、ガス流量ＱをＱ＝ＫＰ_２ ^ｍ（Ｐ_１−Ｐ_２）^ｎ（但しＫ、ｍ、ｎは定数）として演算する方式の圧力式流量制御装置は、ＦＣＳ−ＷＲ型と呼ばれている。

また、この種の圧力式流量制御装置には、この他に、上記ＦＣＳ−Ｎ型のオリフィスを、並列状に連結した複数のオリフィスＯＬを切換弁により任意に選択する構造のオリフィスとし、流量制御範囲を変更できるようにしたもの（ＦＣＳ−ＳＮ型）や、同じオリフィス機構を上記ＦＣＳ−ＷＲ型のオリフィスとして用いたもの（ＦＣＳ−ＳＷＲ型）が存在する。

図６は、上記ＦＣＳ−Ｎ型（特開平８−３３８５４６号等）、ＦＣＳ−ＳＮ型（特開２００６−３３０８５１号等）、ＦＣＳ−ＷＲ型（特開２００３−１９５９４８号等）及びＦＣＳ−ＳＷＲ型（特願２０１０−５１２９１６号等）の構成系統図であり、その構成や作動原理等は既に公知であるため、ここではその詳細な説明を省略する。
尚、図６において、Ｐ_１，Ｐ_２は圧力センサ、ＣＶはコントロール弁、ＯLはオリフィス、ＯL_１は小口径オリフィス、ＯL_２は大口径オリフィス、ORVはオリフィス切換弁である。

原料ガス供給においては、この種の圧力式流量制御装置ＦＣＳを用いて、原料ガスを所定量供給することが可能であるが、より精密な原料ガスの供給を行うために、流量の立上りや立下り特性を改良した所謂パルス制御を行うことが求められている。

図７は、上記パルス制御が可能な圧力式流量制御装置の構成系統図であり、オリフィスOLと開閉弁Ｖｐとの間の内容積を極小化することにより、良好な立上り及び立下り特性が得られ、高精度なパルス制御を行うことが可能となる。

しかし、従前の圧力式流量制御装置において、オリフィス下流側に開閉弁を設けてこれを開閉制御することでパルス流量制御を行う場合、コントロール弁ＣＶを閉鎖して流量制御を中止した場合に、該コントロール弁からの原料ガスの微小リークにより流体通路内圧が高くなることがある。その結果、再度流量制御を開始したときに、流体通路内圧が高くなっていることにより、立上げ時の制御流量値に所謂オーバーシュートを生じると云う問題がある。

特開平８−３３８５４６号 特開平1０−５５２１８号 特開２００３−１９５９４８号 特開２００６−３３０８５１号 特願２０１０−５１２９１６号 特開２０００−２１３６６７号

本発明は、パルス流量制御可能な圧力式流量制御装置及びその流量制御開始時のオーバーシュート防止方法を提供することを発明の主目的とするものである。即ち、従前の圧力式流量制御装置のオリフィス下流側に開閉弁を設け、これを開閉制御することでパルス流量制御を行うことが可能となるが、流量制御を行っていない状態では、制御弁からの原料ガスの微小リークによって流体通路内圧が高くなり、そのため、流量制御開始時の流体通路内圧が設定値より大きくなってオーバーシュートが発生する。
本発明は、流量制御開始時の上記オーバーシュートの問題を解決せんとするものであり、パルス流量制御可能な圧力式流量制御装置及びその流量制御開始時のオーバーシュート防止方法の提供を発明の主要な課題とするものである。

本発明は、従前の圧力式流量制御装置のオリフィス下流側に開閉弁を設け、この開閉弁を開閉制御することでパルス流量制御が可能な圧力式流量制御装置において、流量制御の開始時にオーバーシュートが生じると云う前記課題を解決するためにオリフィス上流側にベントラインを設け、流量制御の開始前に予め排気通路より排気を行なってオリフィス下流側の圧力を下げることにより、流量制御開始時のオーバーシュートを防止する。
即ち、本発明に係る圧力式流量制御装置は、流体入口と流体出口との間を連通する流体通路及び該流体通路から分岐して該流体通路と排気出口との間を連通する排気通路を設けた本体と、該本体の前記流体入口側に固定されて前記流体通路の上流側を開閉する圧力制御用コントロール弁と、該圧力制御用コントロール弁の下流側の前記流体通路内圧を検出する第１圧力センサと、前記排気通路の分岐箇所より下流の前記流体通路内に設けたオリフィスと、前記第１圧力センサの下流側の前記流体通路を開閉する開閉弁と、前記排気通路を開閉する排気用弁と、を備えることを基本構成とする。当該圧力式流量制御装置による流体流量の制御開始前に圧力制御用コントロール弁と排気用弁を作動して圧力制御用コントロール弁と開閉弁の間の流体通路空間内を強制排気することにより、流量制御開始時のオーバーシュートを防止することを可能にする。

流量制御時に前記開閉弁を開閉することにより流量のパルス制御を行うことができる。

前記開閉弁は、前記オリフィスの下流側に設けられ得る。

前記排気用弁は、制御弁であり得る。

前記本体に、前記オリフィス下流側の前記流体通路内圧を検出する第２圧力センサを設け得る。

前記第２圧力センサを、前記オリフィスと前記開閉弁の間の前記流体通路内圧を検出するセンサとし得る。

前記オリフィス及び前記開閉弁を、オリフィスと開閉弁を一体的に組み付け固定した構成のオリフィス内蔵型弁とし得る。

前記オリフィスの複数を並列状に連結し、切換弁により少なくとも一つの前記オリフィスに流体を流通させる構成とし得る。

前記オリフィスの複数を並列状に連結し、切換弁により少なくとも一つの前記オリフィスに流体を流通させると共に、該オリフィス下流側の前記流体通路内圧を検出する圧力センサを備えることもできる。

前記圧力制御用コントロール弁及び前記排気用弁は、ピエゾ素子駆動型の金属ダイヤフラム式制御弁であり得る。

前記開閉弁は、空気圧駆動弁又は電磁駆動弁であり得る。

前記排気出口に接続した真空ポンプにより排気通路内を強制排気する構成とし得る。

また、本発明の方法は、流体入口と流体出口との間を連通する流体通路及び該流体通路から分岐して該流体通路と排気出口間を連通する排気通路を設けた本体と、該本体の前記流体入口側に固定されて前記流体通路の上流側を開閉する圧力制御用コントロール弁と、該圧力制御用コントロール弁の下流側の流体通路内圧を検出する第１圧力センサと、前記排気通路の分岐箇所より下流の前記流体通路内に設けたオリフィスと、前記オリフィスの下流側の前記流体通路を開閉する開閉弁と、前記排気通路を開閉する排気用弁と、を備える圧力式流量制御装置のオーバーシュート防止方法であって、当該圧力式流量制御装置による流量制御開始前に前記排気用弁を作動して前記圧力制御用コントロール弁と前記オリフィスとの間の前記流体通路空間内を強制排気することにより、流量制御開始時のオーバーシュートを防止する前記方法である。

本発明に於いては、圧力式流量制御装置が、流体入口と流体出口間を連通する流体通路及び前記流体通路と排気出口間を連通する排気通路を設けた本体と、前記本体の流体入口側に固定されて前記流体通路の上流側を開閉する圧力制御用コントロール弁と、該圧力制御用コントロール弁の下流側の流体通路内圧を検出する第１圧力センサと、前記排気通路の分岐箇所より下流の前記流体通路内に設けたオリフィスと、前記第１圧力センサの下流側の前記流体通路を開閉する開閉弁と、前記排気通路を開閉する排気用弁と、を備える。当該圧力式流量制御装置による流体流量の制御開始時に前記圧力制御用コントロール弁と前記排気用弁を作動して前記圧力制御用コントロール弁と前記開閉弁との間の流体通路空間内を強制排気することにより、流量制御開始時のオーバーシュートを防止し得る。

その結果、本発明に係る圧力式流量制御装置では、制御流量の変動時に於ける制御応答性が高まり、流量制御の立上げ時間や立下げ時間を大幅に短縮できるだけでなく、その時間調整も容易に行うことができ、圧力式流量制御装置の所謂ガス置換性の向上とこれよる設備稼働率の向上、半導体製品の品質向上等が可能となる。

更に、流体供給通路に設ける開閉弁をオリフィス内蔵型開閉弁とすることにより、圧力式流量制御装置の一層の小型化が図れると共に、排気用弁を閉鎖することにより、通常の圧力式流量制御装置としても適用することが出来る。

加えて、流体通路に設けた開閉弁を用いて流体流量の所謂パルス流量制御を行う場合に於いても、オリフィス上流側の流体通路内圧が減圧されていることにより、制御の追従性が大幅に向上することになる。

本発明に係る圧力式流量制御装置の基本構成を示す系統図である。 本発明に係る圧力式流量制御装置の基本構成を示す縦断面図である。 本発明に係る圧力式流量制御装置の平面図（a）、正面図（b）及びオリフィス内蔵型開閉弁の部分拡大断面図（c）である。 本発明に係る圧力式流量制御装置を適用したガス供給ボックスの構成を示す系統図である。 従前の圧力式流量制御装置（ＦＣＳ−Ｎ型）の基本構成図である。 従前の各種形式の圧力式流量制御装置の概略構成図であり、（a）はＦＣＳ−Ｎ型，b）は圧力式流量制御装置（ＦＣＳ−ＷＲ型）、（c）はＦＣＳ−ＳＮ型、（d）はＦＣＳ−ＳＷＲ型を示すものである。 従前の圧力式流量制御装置（ＦＣＳ−Ｎ型）と開閉弁によるパルス流量制御を組み合わせたシステムの構成図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。
図１は本発明の圧力式流量制御装置の基本構成を示す系統図であり、図２は本発明に係る圧力式流量制御装置の基本構成を示す縦断面図、図３は本発明に係る圧力式流量制御装置の平面図（a）と正面図（b）及びオリフィス内蔵型開閉弁の部分拡大断面図（c）である。
また、図４は、本発明に係る圧力式流量制御装置を用いたガス供給ボックスの構成を示す系統図である。

図１〜図３を参照して、本発明に係る圧力式流量制御装置１は、本体２、圧力制御用コントロール弁６、排気用弁７、空気圧駆動型の開閉弁８、第１圧力センサＰ_１、第２圧力センサＰ₂、オリフィスＯＬ等から構成されている。また、図２の実施形態では、１個のオリフィスＯＬと第１圧力センサＰ_１及び第２圧力センサＰ₂と空気圧駆動型の開閉弁８を使用したＦＣＳ−ＷＲ型の圧力式流量制御装置とされており、オリフィスＯＬを流通する流体が臨界状態又は非臨界状態の何れであっても、圧力制御用コントロール弁６による圧力調整により流量制御が可能な構成とされている。

尚、図１〜図３において、２a弁座、３は入口側ブロック、４は本体ブロック、５は出口側ブロック、８は空気圧駆動型の開閉弁、８aは空気圧型弁駆動部、９は流体入口、１０aは流体通路、１０bは排気通路、１１は流体出口、１２は排気出口、１３はガスケット、１４は制御用のパネルコントロールボード、１５はケーシング、１６は接続用コネクタである。

前記本体２は、入口側ブロック３、本体ブロック４及び出口側ブロック５を固定ボルト（図示省略）により相互に組付け一体化したものであり、圧力制御用コントロール弁６、排気用弁７、第１圧力センサＰ₁及び第２圧力センサＰ₂などは、本体２へ夫々ねじ込み固定されている。また、第２圧力センサＰ₂は、出口側ブロック５の内側面の下部に配置されており、排気通路１０bとの交差を避けて流体通路１０aへ連通されている。

前記圧力制御用コントロール弁６は、公知の金属製ダイヤフラムを弁体２０とするピエゾ駆動素子６aを用いた開閉弁であり、ピエゾ駆動素子６aへの通電によりこれが伸長し、円筒体１７を弾性体１８の弾力に抗して上方へ押し上げることにより弁体押え１９が上方へ移動し、ダイヤフラム弁体２０の自己弾性力により弁体２０が弁座２aから離座して弁が開放される。また、弁開度は、ピエゾ駆動素子６aへの印加電圧を変動することにより調節される。
また、排気用弁７の構造及び作動は、圧力制御用コントロール弁６の場合と同一とすることができ、ピエゾ駆動素子７aの伸長量調節により、弁開度制御が行なうことができる。
尚、排気用弁７には、上記ピエゾ駆動式金属ダイヤフラム型開閉弁に代えて、公知の空気圧駆動式や電磁駆動式の開閉制御弁を用いることも可能であり、また、コントロール弁ではなく開閉弁を用いることも可能である。
更に、前記圧力制御用コントロール弁６、排気用弁７及び開閉弁８等の作動制御は、パネルコントロールボード１４を介して全て自動的に行なわれ得ることは、従前のこの種圧力式流量制御装置の場合と同様である。

上記図２に示したＦＣＳ−ＷＲ型の圧力式流量制御装置では、装置の小型化及び流体通路容積の削減を図るために、オリフィスＯＬと開閉弁８とを一体的に組み付けした構造のオリフィス内蔵型の開閉弁を使用している。当該オリフィス内蔵型開閉弁８そのものの構造は公知（特許文献６・特開２０００−２１３６６７号等）であるため、ここではその詳細な説明を省略するが、図３（ｃ）に示すように、出口側ブロック５の上面に弁機構を収納する孔部３４を設け、その内部へオリフィスＯＬ、弁座リング３０、弁体（金属ダイヤフラム）２０、押え筒体３３、弁体押え１９、ステム３１、スプリング３２等の弁機構の構成部材を配置し、本体２を構成する出口側ブロック５上に開閉弁８を固設する構成としたものである。

オリフィス内蔵型開閉弁を用いることで、オリフィスと弁体間の内容積を極小にすることができ、弁開閉時の流量の立上り特性および立下り特性が改良される。
なお、オリフィス内蔵型開閉弁については、上流側にオリフィスが下流側に弁体が設けられているが、この場合、立下り特性は、開閉弁の動作のみの影響を受け、また内容積が極小であるため、立上り特性における内容積の影響が小さい。オリフィス内蔵型開閉弁の取付け方向を反対にすることで、上流側に弁体が、下流側にオリフィスが設けられるが、この場合は立上り特性は開閉弁の動作のみの影響を受け、立下り特性における内容積の影響が小さい。

図４は、本発明に係る圧力式流量制御装置を用いたガス供給ボックスの構成を示す系統図であり、３種の実ガスＧ₁〜Ｇ₃及びＮ₂ガスを夫々単独に、または、適宜のガス種を所定の割合で混合して、プロセスチャンバ２９へ供給するものである。尚、排気用弁７（図示省略）を介してＦＣＳ−Ｎの内部空間ガスが、排気ライン２７の出口側開閉弁２４を通して真空ポンプ２８により強制排気（真空排気）されることは、前述の通りである。
尚、図４において、２１はガス供給口、２２は供給側切換弁、２３は出口側切換弁、２６は混合ガス供給ラインである。

上記図１〜図３の実施形態においては、図３の（Ｃ）に示したオリフィス内蔵型の開閉弁８を用いたＦＣＳ−ＷＲ型の圧力式流量制御装置に基づいて説明をしたが、圧力式流量制御装置としては、ＦＣＳ−Ｎ型、ＦＣＳ−ＳＮ 型、ＦＣＳ−ＳＷＲ型であっても良いことは勿論であり、図５に示した従前の各型式の圧力式流量制御装置は、何れも本発明の実施に適用し得ることが可能なものである。

また、本発明に係る圧力式流量制御装置でパルス流量制御を行う場合には、数１０〜数１００msecのパルス間隔でもって、高精度なパルス流量制御が行える。
尚、圧力式流量制御装置の作動原理や構成は既に公知であるため、ここではその詳細な説明を省略する。

本発明は、半導体製造装置用のガス供給設備やガス供給装置のみならず、化学産業や食品産業等のあらゆるガス供給設備の流量制御装置に適用できるものである。

１ 圧力式流量制御装置
２ 本体
２a 弁座
３ 入口側ブロック
４ 本体ブロック
５ 出口側ブロック
６ 圧力制御用コントロール弁
６a ピエゾ駆動素子
７ 排気用弁
７a ピエゾ駆動素子
８ 空気圧駆動型の開閉弁
８a 空気圧型弁駆動部
９ 流体入口
１０a 流体通路
１０b 排気通路
１０c 漏洩検査用通路
１１ 流体出口
１２ 排気出口
１３ ガスケット
１４ パネルコントロールボード
１５ ケーシング
１６ 接続用コネクタ
１７ 円筒体
１８ 弾性体
１９ 弁体押さえ
２０ 弁体
２１ ガス供給口
２２ 供給側切換弁
２３ 出口側開閉弁
２４ 出口側開閉弁
２６ 混合ガス供給ライン
２７ 真空排気ライン
２８ 真空ポンプ
２９ プロセスチャンバ
３０ 弁座用リング
３１ ステム
３２ スプリング
３３ 押え筒体
３４ 孔部
Ｐ_１ 第１圧力センサ
Ｐ_２ 第２圧力センサ
ＯＬ オリフィス
Ｇ_１〜Ｇ_３ 実ガス

Claims (13)

1. 流体入口と流体出口との間を連通する流体通路と、該流体通路から分岐して該流体通路と排気出口との間を連通する排気通路とを設けた本体と、
   前記本体の前記流体入口側に固定されて前記流体通路の上流側を開閉する圧力制御用コントロール弁と、
   前記圧力制御用コントロール弁の下流側の流体通路内圧を検出する第１圧力センサと、
   前記排気通路の分岐箇所より下流の前記流体通路内に設けたオリフィスと、
   前記第１圧力センサの下流側の前記流体通路を開閉する開閉弁と、
   前記排気通路を開閉する排気用弁と、を備えることを特徴とする圧力式流量制御装置。
2. 流量制御時に前記開閉弁を開閉することにより流量のパルス制御がなされる請求項1に記載の圧力式流量制御装置。
3. 前記開閉弁が前記オリフィスの下流側に設けられる請求項１又は２に記載の圧力式流量制御装置。
4. 前記排気用弁を制御弁とした請求項１乃至３の何れかに記載の圧力式流量制御装置。
5. 前記本体に、オリフィス下流側の前記流体通路内圧を検出する第２圧力センサを設けた請求項１に記載の圧力式流量制御装置。
6. 前記第２圧力センサを、前記開閉弁の下流側の前記流体通路内圧を検出するセンサとした請求項３に記載の圧力式流量制御装置。
7. 前記オリフィス及び前記開閉弁を、オリフィスと開閉弁を一体的に組み付け固定した構成のオリフィス内蔵型弁により形成するようにした請求項１に記載の圧力式流量制御装置。
8. 複数のオリフィスを並列状に連結し、切換弁により少なくとも一つのオリフィスに流体を流通させるように構成した請求項１に記載の圧力式流量制御装置。
9. 複数のオリフィスを並列状に連結し、切換弁により少なくとも一つのオリフィスに流体を流通させると共に、オリフィス下流側の流体通路内圧を検出する圧力センサを備える請求項１に記載の圧力式流量制御装置。
10. 前記圧力制御用コントロール弁が、ピエゾ素子駆動型の金属ダイヤフラム式制御弁である請求項１に記載の圧力式流量制御装置。
11. 前記開閉弁は、空気圧駆動弁又は電磁駆動弁である請求項１に記載の圧力式流量制御装置。
12. 前記排気出口に接続した真空ポンプにより前記排気通路内を強制排気する構成とした請求項１に記載の圧力式流量制御装置。
13. 流体入口と流体出口との間を連通する流体通路及び該流体通路から分岐して該流体通路と排気出口との間を連通する排気通路とを設けた本体と、前記本体の流体入口側に固定されて前記流体通路の上流側を開閉する圧力制御用コントロール弁と、該圧力制御用コントロール弁の下流側の流体通路内圧を検出する第１圧力センサと、前記排気通路の分岐箇所より下流の流体通路内に設けたオリフィスと、前記第１圧力センサの下流側の前記流体通路を開閉する開閉弁と、前記排気通路を開閉する排気用弁と、を備える圧力式流量制御装置のオーバーシュート防止方法であって、前記圧力式流量制御装置による流量制御開始前に前記排気用弁を作動して前記圧力制御用コントロール弁と開閉弁間の流体通路空間内を強制排気することにより、流量制御開始時のオーバーシュートを防止する前記方法。