JP3586075B2 - 圧力式流量制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気体等の流体の圧力式流量制御装置の改良に関するものであり、主として半導体製造設備のガス供給系に於いて利用されるものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造設備のガス供給系の流量制御装置としては、従前からマスフローコントローラが多く使用されて来たが、近年これに代わるものとして圧力式流量制御装置が開発されている（特開平８−３３５１１７号、特開平８−３３８５４６号等）。
【０００３】
図１１は、本願発明者が先きに公開した前記特開平８−３３８５４６号の圧力式流量制御装置を示すものであり、オリフィス５の上流側圧力Ｐ_１ と下流側圧力Ｐ_２ との比Ｐ_２ ／Ｐ_１ をガスの臨界圧力比以下に保持した状態に於いて、オリフィス下流側の流体流量ＱをＱ＝ＫＰ_１ （但しＫは定数）として演算することを基本とするものである。
尚、図１１に於いて、１は圧力式流量制御装置、２はコントロール弁、３は弁駆動部、４は圧力検出器、５はオリフィス、７は制御装置、７ａは温度補正回路、７ｂは流量演算回路、７ｃは比較回路、７ｄは増幅回路、２１ａ・２１ｂは増幅回路、２２ａ・２２ｂはＡ／Ｄ変換回路、２４は反転増幅器、２５はバルブ、Ｑｙは制御信号、Ｑｃは演算信号、Ｑｓは流量設定信号である。
【０００４】
前記圧力式流量制御装置はコントロール弁（２）を開・閉制御してオリフィス上流側圧力Ｐ_１ を調整することにより、オリフィス下流側流量Ｑを高精度で制御することができ、優れた実用的効用を奏するものである。
しかし、この圧力式流量制御装置では、オリフィス５が所謂固定径のものであるため、特定の流量範囲にしか適用することができず、流量範囲の切換変更が出来ないと云う問題があった。
また、流量範囲を変更するためには、オリフィス５を取換自在に挿着すると共に複数の異なる口径のオリフィス５を準備しておく必要があり、オリフィス５の加工精度のバラツキがそのまま流量制御の誤差に結びつくこととも相俟って、経済性や制御精度の点に問題があった。
【０００５】
一方、所謂音速ノズル（又はオリフィス）を利用した定流量制御装置に於いては、流量範囲を変更とするために可変断面積型ノズル（又はオリフィス）が多く開発されている（実開昭５６−４１２１０号、実公昭６０−４２３３２号等）。しかし、これ等の可変断面積型オリフィスは何れもニードル型バルブに類似した機構のオリフィスであり、構造的に流体流路内にデッドスペースが多くなってガスの置換性に劣るうえ、発塵が多くなって半導体製造装置用のガス供給系には適用し難いと云う難点がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従前の圧力式流量制御装置に於ける上述の如き問題、即ち（イ）オリフィスが固定径であって流量範囲の切換変更ができないこと、（ロ）オリフィスの加工が困難なうえ、加工精度のバラツキがそのまま制御流量の固体差に結びつき、高精度で安定した流量制御ができないこと、及び（ハ）従前の可変断面積型オリフィスでは、ガスの置換性が悪いうえに発塵が多く、半導体製造装置用のガス供給系には使用が困難なこと等の問題を解決せんとするものであり、オリフィス断面積を簡単に調整することができ、広い流量範囲に亘って高精度な流量制御が可能になると共に、ガス置換性や発塵の点にも優れ、半導体製造装置のガス供給系にも使用可能な圧力式流量制御装置を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
先ず本願発明者等は、半導体製造装置のガス供給系に適用する機器に不可欠な高クリーン性と高ガス置換性の両特性を備えたダイレクトタッチ型のメタルダイヤフラム弁を可変断面積型オリフィスとして使用することを着想し、当該ダイレクトタッチ型メタルダイヤフラム弁の流体通路が所謂超音速オリフィス（又はノズル）とほぼ等価な流量制御機能を有するか否かを調査した。
【０００８】
図１は、前記ダイレクトタッチ型メタルダイヤフラム弁を可変オリフィスとして用いた流量制御試験装置の構成を示すものであり、図１に於いて２は圧力コントロール弁、３はコントロール弁駆動部、４は圧力検出器、５は可変オリフィス（ダイレクトタッチ型メタルダイヤフラム弁）、６はオリフィス駆動部、７′は制御回路、８ａはガス入口、８ｂはガス出口、９は質量流量計（マスフローメーター）、１０は真空チャンバ、１０ａは真空計、１１は真空ポンプである。
【０００９】
前記コントロール弁２には、特開平８−３３８５４６号に開示されているのと同様のダイレクトタッチ型のメタルダイヤフラム弁が使用されており、またその駆動部３には、駆動装置が使用されている。尚、コントロール弁２の駆動部３としてはこの他に、磁歪素子形駆動装置やソレノイド型駆動装置、モータ型駆動装置、空気圧形駆動装置、熱膨張型駆動装置等の使用が可能である。
また、前記圧力検出器４には半導体歪ゲージが使用されており、具体的には特開平８−３３８５４６号の場合と同様に、圧力検出器４は圧力コントロール弁２の弁本体に一体的に組み込まれている。
更に、前記可変オリフィス５には後述するようにダイレクトタッチ型のメタルダイヤフラム弁が使用されており、その駆動部６にはパルスモータとボールねじ機構を利用したリニアーアクチエータ（以下パルスモータ型駆動部と呼ぶ）が設けられている。
【００１０】
前記制御回路７′は圧力検出器４からのオリフィス上流側の圧力検出信号Ｑｐ_１ を設定圧力Ｑｐｓと対比し、両者の差が零となる方向に制御信号Ｑｙをコントロール弁駆動部３へ入力し、コントロール弁２を開閉制御する。
【００１１】
前記可変オリフィス５を形成するダイレクトタッチ型のメタルダイヤフラム弁は、図２に示す如く流体入口１２ａ、弁座１２ｂ、弁室１２ｃ、流体出口１２ｅ等を備えたステンレス鋼製の弁本体１２と、ステンレス鋼やニッケル・コバルト合金製のダイヤフラム１３と、ダイヤフラム１３を下方へ押圧するパルスモータ型駆動部６等から形成されている。
即ち、パルスモータ１４を初期位置へセットすると、前記ダイヤフラム１３は、ボールねじ機構１９を介してガイドスライダ１８及びダイヤフラム押え１６によりスプリング１７、１５の弾力に抗して下方へ押圧され、弁座１２ｂへ接当した状態（閉弁状態）となる。
次に、パルスモータ１４へオリフィス制御信号Ｑｚが入力されると、パルスモータ１４はボールねじ機構１９を介してガイドスライダ１８を上方へ引き上げる方向に回転され、スプリング１５の弾力によりダイヤフラム押え１６が上方へ押圧されることになる。
その結果、ダイヤフラム１３が上方へ弾性復帰し、弁座１２ｂから離間することにより、弁座１２ｂとダイヤフラム１３との間にリング状の流体通路（オリフィス）が形成される。
【００１２】
尚、本実施態様では図２に示すように、パルスモータ１４として５００００パルス／回転の所謂ステピッングモータが使用されている。また、ボールねじ機構１９には、ねじピッチが０．５ｍｍ／回転のものが使用されている。
その結果、パルスモータ１４への入力パルス１個当り１０ｎｍのダイヤフラム変位を得ることができ、極めて高精度なオリフィス開度制御が可能となる。尚、図２に於いて、２０はカップリング、２１はベアリング、２２はボールねじ機構のシャフト部である。
【００１３】
前記マスフローメータ９は可変オリフィス５の下流側のガス流量Ｑを測定するものであり、流量検出信号Ｑｘを出力する。
また、前記真空チャンバ１０、真空圧力計１０ａ及び真空ポンプ１１等は半導体製造装置を構成するものであり、前記真空チャンバ１０内の圧力は通常数ｔｏｒｒ程度の真空に保持されている。
【００１４】
可変オリフィス５の流量特性の試験に際しては、先ず適宜のオリフィス制御信号Ｑｚを入力して可変オリフィス５の開度を所定値に設定し、次にガス入口８ａへ圧力６．０ｋｇ／ｃｍ^２ Ｇの窒素ガスＮ_２ を供給した。その後、設定圧力信号Ｑｐｓを０〜３（ｋｇｆ／ｃｍ^２ ａｂｓ）の間の適宜値に設定して圧力コントロール弁２を開閉制御すると共に、マスフローメータ９で可変オリフィス５の下流側のＮ_２ 流量を測定した。
尚、チャンバー１０は前記の通り９．２６ｌの容積を有しており、真空ポンプ１１により約１ｔｏｒｒの真空度に保持されている。
【００１５】
図３は、オリフィス制御信号Ｑｚにより、可変オリフィス５のリング状の間隙（流体通路）面積をφ＝０．１４ｍｍの円孔形オリフィスの断面積に等価とした場合の、上流側圧力（即ち、圧力設定値Ｑｐｓ）とオリフィス下流側のガス流量Ｑ（ｓｃｃｍ）との関係を示すものである。
尚、ここでｓｃｃｍとは標準状態に換算した場合の流量ｃｃ／ｍｉｎを意味するものである。
【００１６】
また、図４はオリフィス制御信号Ｑｚを変え、可変オリフィス５のリング状の開隙面積をφ＝０．２５ｍｍの円孔形オリフィスの断面積と等価にした場合の、オリフィス５上流側の圧力（即ち、設定圧力信号Ｑｐｓ）とオリフィス下流側のガス流量（ｓｃｃｍ）との関係を示すものである。
【００１７】
図３及び図４からも明らかなように、可変オリフィス５の下流側圧力Ｐ_２ が１ｔｏｒｒ≒１３３．３Ｐａのとき、可変オリフィス上流側圧力Ｐ_１ が０．５ｋｇｆ／ｃｍ^２ ａｂｓ以上の領域に於いては、流量Ｑと上流側圧力Ｐ_１ との間にはＱ＝ＫＰ_１ の関係がほぼ成立していることが認められる。
換言すれば、前記図２に示した構造のダイレクトタッチ型のメタルダイヤフラム弁の弁座とダイヤフラム間のリング状の流体通路（間隙）であっても、所謂固定オリフィスの場合にほぼ等しい圧力・流量制御特性を有するものであることが判る。
【００１８】
図５は、可変オリフィス５の流量特性を示すものであり、前記図１の試験装置に於いて可変オリフィス５の上流側圧力Ｐ_１ を０．５ｋｇｆ／ｃｍ^２ ａｂｓに、また下流側圧力Ｐ_２ を１ｔｏｒｒの真空度に夫々保持した状態に於いて、可変オリフィス５の作動ストロークＬ（ダイヤフラム１３の間隙長さ）とオリフィス下流流量Ｑとの関係を測定したものである。
作動ストロークＬが０〜約０．１２ｍｍの範囲に於いては、ストロークＬ（ｍｍ）と流量Ｑ（ｓｃｃｍ）とがほぼ直線状の比例関係になっており、且つこの関係が常に再現されるものであることが判った。
【００１９】
図６は、可変オリフィス５のストロークＬ（ｍｍ）と、図５の各流量値からオリフィスが円孔であるとして計算したオリフィス口径φｍｍとの関係を示す線図であり、ストロークＬ（ｍｍ）とオリフィス口径φｍｍとの関係は、常に再現性のある関係であることが判った。
即ち、前記図５及び図６からも明らかなように、可変オリフィス５のストロークＬ（ｍｍ）と流量Ｑ（ｓｃｃｍ）又はストロークＬ（ｍｍ）とオリフィス口径φ（ｍｍ）は常に一定の対応関係にあるため、ストロークＬ（ｍｍ）を変えることにより可変オリフィスの口径φ（ｍｍ）又は流量Ｑ（ｓｃｃｍ）を所望の値へ正確に切換え変更することができ、所謂可変オリフィスとして十分に機能し得るものであることが判る。
【００２０】
本件発明は、上述の如き図２に示したダイレクトタッチ型メタルダイヤフラム弁を可変オリフィス５とする圧力・流量特性試験の結果を基にして開発されたものであり、請求項１の発明は、駆動部６を備えたダイレクトタッチ型メタルダイヤフラム弁の弁座１２ｂと金属薄板製ダイヤフラム１３との間のリング状の間隙から成る可変オリフィス５と、前記リング状の間隙から成る可変オリフィス５の上流側に設けたコントロール弁２と、コントロール弁２と前記オリフィス５間に設けた流体の圧力検出器４と、圧力検出器４の検出圧力Ｐ₁ から流体の流量をＱｃ＝ＫＰ₁ （但し、Ｋは定数）として演算し、流量指令信号Ｑｓと前記演算した流量信号Ｑｃとの差を制御信号Ｑｙとして前記コントロール弁２の駆動部３へ出力すると共に、オリフィス開度設定信号が入力され、当該オリフィス開度設定信号に対応するオリフィス制御信号Ｑｚを前記ダイレクトタッチ型メタルダイヤフラム弁の駆動部６へ出力する制御装置７とから構成され、オリフィス５の上流側圧力Ｐ₁ と下流側圧力Ｐ₂ との比を被制御流体の臨界圧比以下に保持した状態で前記コントロール弁２の開閉によりオリフィス上流側圧力Ｐ₁ を調整し、オリフィス下流側の流体流量Ｑを制御すると共に、前記オリフィス制御信号Ｑｚにより前記駆動部６を作動させ、可変オリフィス５を形成するリング状の間隙の大きさを調整して流体流量の制御範囲を切換えることを発明の基本構成とするものである。
【００２１】
また請求項２に記載の発明は、請求項１の発明に於いて、可変オリフィス５を、パルスモータ型駆動部を備えた可変オリフィスとしたことを発明の基本構成とするものである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施態様を説明する。
図７は本発明に係る圧力式流量制御装置の構成図であり、図７に於いて１は圧力式流量制御装置、２は圧力コントロール弁、３は弁駆動部、４は圧力検出器、５は可変オリフィス、６はオリフィス駆動部、７は制御装置、８ａはガス入口、８ｂはガス出口、１０は真空チャンバー、１０ａは真空計、１１は真空ポンプ、Ｑｙはコントロール弁制御信号、Ｑｐ_１ は圧力検出信号、Ｑｚはオリフィス制御信号、Ｑｓは流量設定信号、Ｑｏｓはオリフィス開度設定信号である。
【００２３】
図７に於いて、圧力コントロール弁２には、前記特開平８−３３８５４６号の場合と同様の図８のような構造のダイレクトタッチ型のメタルダイヤフラム弁が使用されている。
また、圧力検出器４としては半導体歪ゲージが使用されており、圧力コントロール弁２の圧力検出器取付孔１２ｄ内へ挿入固定されている。
更に、可変オリフィス５及び駆動部６としては前記図２に示したダイレクトタッチ型のメタルダイヤフラム弁とパルスモータ型駆動部６が使用されている。尚、当該可変オリフィス５及び駆動部６の構造は、前記図２の場合と同じであるため、ここではその説明を省略する。
【００２４】
次に、当該圧力式流量制御装置の作動について説明をする。
先ず、流量設定信号Ｑｓ及びオリフィス開度設定信号Ｑｏｓが制御装置７へ入力される。
次に、ガス入口８ａへ所定圧力Ｐ_１ のガスが供給されると、圧力検出器４により検出した上流側圧力Ｐ_１ に相当する圧力検出信号Ｑｐ_１ が制御装置７へ入力され、流量Ｑ＝ＫＰが制御装置７内で演算される。
また、制御装置７からは前記流量設定信号Ｑｓと流量Ｑとの差に相当するコントロール弁制御信号Ｑｙが出力され、圧力コントロール弁２は前記ＱｓとＱとの差が減少する方向にコントロール弁２を開閉制御する。
【００２５】
更に、可変オリフィス５の口径を変化せしめて制御流量の範囲を変更する場合には、オリフィス開度信号Ｑｏｓの設定を変更する。これにより、オリフィス制御信号Ｑｚが変わり、その結果オリフィス駆動部６の作動ストロークＬが変化して、オリフィス口径φが変わることになる。
【００２６】
尚、図７の実施態様に於いては、作動ストロークＬの所謂フィードバック制御をしていないが、オリフィス駆動部６の作動ストロークＬを検出してその検出値を制御装置７へフィードバックすることにより、ストロークＬのフィードバック制御を行なってもよいことは勿論である。
また、図７の実施態様に於いては、図１１に示した従前の圧力式流量制御装置のように、ガス温度に基づく補正回路や、オリフィス５の下流側圧力Ｐ_２ が上昇してＰ_２ ／Ｐ_１ の値が臨界値に近づいた場合（又は臨界値以上となった場合）の警報回路やガス供給の停止回路を設けていないが、これ等の各回路を設けてもよいことは勿論である。
【００２７】
加えて、図７の制御装置７には、流量Ｑの演算値Ｑ＝ＫＰ_１ が図３や図４等の圧力−流量曲線に合致するように補正する回路や、これ等の補正に必要とするデータの記憶装置が設けられていることは勿論である。
【００２８】
【実施例】
図９は、本発明で使用する可変オリフィス５を構成するダイレクトタッチ型のメタルダイヤフラム弁の弁本体１２の要部を示すものであり、図１０は図９のＢ部の部分拡大図である。
弁本体１２に設けた弁室１２ｃの内径φ_１ は１５ｍｍ、流体流入通路の内径φ_２ は０．４ｍｍに夫々設定されており、また、弁座１２ｂの外径は３ｍｍφ、流体流出路の内径は２．５ｍｍφに夫々設定されている。
【００２９】
【発明の効果】
本発明に於いては、流量圧力制御装置の可変オリフィスとしてダイレクトタッチ型のメタルダイヤフラム弁を使用し、制御流量範囲の切替えをダイヤフラムの作動ストロークを変更することにより行なう構成としている。
その結果、例えば、従前のニードル式の可変オリフィスを使用する場合に比較して、オリフィスの構造が簡素化されると共に、摺動部が皆無となり、発塵等もほぼ無視することができる。
また、流体流路内の所謂デッドスペースが大幅に減少すると共に、流体流路内にガスの噛み込みを生ずる間隙が存在しなくなり、ガスの置換性が大幅に向上する。
更に、ダイヤフラムの作動ストロークを変えることにより簡単且つ正確にオリフィス口径の変更（即ち流量範囲の変更）を行なうことができ、従前の固定オリフィスを変換する場合に比較して圧力流量制御装置の制御性が大幅に向上する。本発明は上述の通り、半導体製造装置のガス供給系のように、超高純度ガスを取り扱う圧力式流量制御装置として、特に優れた実用的効用を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明で使用をする可変オリフィス（ダイレクトタッチ型の金属ダイヤフラム弁）の流量制御試験装置の構成図である。
【図２】本発明で使用する可変オリフィスの縦断面図である。
【図３】図１の試験装置による圧力−流量の測定値の一例を示すものである。
【図４】図１の試験装置による圧力−流量の測定値の他の例を示すものである。
【図５】可変オリフィス上流側圧力Ｐ_１ と下流側圧力Ｐ_２ とを一定値とした場合のオリフィスストロークＬ（ｍｍ）と流量Ｑ（ｓｃｃｍ）の関係を示すものである。
【図６】可変オリフィス上流側圧力Ｐ_１ と下流側圧力Ｐ_２ とを一定値とした場合のオリフィスストロークＬ（ｍｍ）と、流量Ｑ（ｓｃｃｍ）より算出したオリフィス口径φ（ｍｍ）との関係を示すものである。
【図７】本発明に係る圧力式流量制御装置の構成図である。
【図８】圧力コントロール弁の縦断面図である。
【図９】本発明の実施例に係る可変オリフィスの要部を示す縦断面図である。
【図１０】図９の部分拡大図である。
【図１１】従前の圧力式流量制御装置の構成図である。
【符号の簡単な説明】
１は流量圧力制御装置、２は圧力コントロール弁、３はコントロール弁駆動部、４は圧力検出器、５は可変オリフィス、６はオリフィス駆動部、７は圧力制御装置、７ａは制御装置、８ａはガス入口、８ｂはガス出口、９はマスフローメータ（質量流量計）、１０は真空チャンバ、１０ａは真空計、１１は真空ポンプ、１２は弁本体、１２ａは流体入口、１２ｂは弁座、１２ｃは弁室、１２ｄは圧力検出器取付孔、１２ｅは流体出口、１３は金属ダイヤフラム、１４はパルスモータ、１５はスプリング、１６はダイヤフラム押え、１７はスプリング、１８はガイドスライダー、１９はボールねじ機構、２０はカップリング、２１はベアリング、２２はシャフト部、ＱＰ_１ は圧力検出信号、ＱＰｓは設定圧力信号、Ｑｚはオリフィス制御信号、Ｑｙはコントロール弁制御信号、Ｑｓは流量設定信号、Ｑｏｓはオリフィス開度設定信号。

Claims (2)

1. 駆動部（６）を備えたダイレクトタッチ型メタルダイヤフラム弁の弁座（１２ｂ）と金属薄板製ダイヤフラム（１３）との間のリング状の間隙から成る可変オリフィス（５）と、前記リング状の間隙から成る可変オリフィス（５）の上流側に設けたコントロール弁（２）と、コントロール弁（２）と前記オリフィス（５）間に設けた流体の圧力検出器（４）と、圧力検出器（４）の検出圧力Ｐ₁ から流体の流量をＱｃ＝ＫＰ₁ （但し、Ｋは定数）として演算し、流量指令信号Ｑｓと前記演算した流量信号Ｑｃとの差を制御信号Ｑｙとして前記コントロール弁（２）の駆動部（３）へ出力すると共に、オリフィス開度設定信号が入力され、当該オリフィス開度設定信号に対応するオリフィス制御信号（Ｑｚ）を前記ダイレクトタッチ型メタルダイヤフラム弁の駆動部（６）へ出力する制御装置（７）とから構成され、オリフィス（５）の上流側圧力Ｐ₁ と下流側圧力Ｐ₂ との比を被制御流体の臨界圧比以下に保持した状態で前記コントロール弁（２）の開閉によりオリフィス上流側圧力Ｐ₁ を調整し、オリフィス下流側の流体流量Ｑを制御すると共に、前記オリフィス制御信号（Ｑｚ）により前記駆動部（６）を作動させ、可変オリフィス（５）を形成するリング状の間隙の大きさを調整して流体流量の制御範囲を切換えることを特徴とする圧力式流量制御装置。
2. 駆動部（６）をパルスモータ型駆動部（６）とした請求項１に記載の圧力式流量制御装置。

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