JP6372998B2 - 圧力式流量制御装置 - Google Patents

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Description

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、特に、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た圧力式流量制御装置に関する。
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、供給ガスの流量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、図6に示すように、圧力式流量制御装置FCS(登録商標)は、圧力制御用コントロール弁CV、温度検出器T、圧力センサP、オリフィスOL、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等から成る演算制御部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6の圧力式流量制御装置FCSでは、圧力センサ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QS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が流量演算値Qtより小さい場合には、コントロール弁CVの駆動部へ制御信号Pdが出力される。これによりコントロール弁CVが閉鎖方向へ駆動され、設定流量入力信号Qsと演算流量値Qtとの差(Qs−Qt)が零となるまで閉弁方向へ駆動される。
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と上流側圧力Pとの間にP/P≧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がQ=KP(但しKは定数)となり、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がQ=KP (P−P(但しK、m、nは定数)となる。
従って、圧力P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。
ガス流量QをQ=KP(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、FCS−N型と呼ばれることがあり、また、ガス流量QをQ=KP (P−P(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型と呼ばれることがある。
更に、この種の圧力式流量制御装置には、この他に、複数のオリフィスOLを並列状に連結し、切換弁によって少なくとも一つのオリフィスにガスを流通させるようにしたオリフィス機構、例えば、二個のオリフィスを並列状に接続し、一つのオリフィスの入口側に切換弁を設けてそれを開又は閉とすることにより流量制御範囲を変更できるようにしたオリフィス機構を上記FCS−N型のオリフィスとして用いた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FCS−SWR型と呼ばれているものもある。
尚、上記FCS−N型、FCS−SN型、FCS−WR型及びFCS−SWR型の各圧力式流量制御装置そのもの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(特開平8−338546号、特開2003−195948号等)。
また、圧力式流量制御装置FCSには、図7に示すように、(a)の如き構成の臨界条件下のガス流体を対象とする圧力式流量制御装置FCS(以下、FCS-N型と呼ぶ。特開平8−338546号等)、(b)の臨界条件下と非臨界条件下の両ガス流体を対象とするFCS-WR型(特開2003−195948号等)、(c)の臨界条件下のガス流体を対象とする流量切換型のFCS-S型(特開2006−330851号等)、及び(d)の臨界条件下と非臨界条件下の両ガス流体を対象とする流量切換型のFCS-SWR型(国際公開WO2009/141947号パンフレット等)が存在する。
尚、図7において、P,Pは圧力センサ、CVはコントロール弁、OLはオリフィス、OLは小口径オリフィス、OLは大口径オリフィス、ORVはオリフィス切換弁である。
図8は、従来の圧力式流量制御装置(FCS−WR型)を示す断面図であり、5Aは本体、2は流体入口、CVは圧力制御用コントロール弁、P1、P2は圧力センサ、OLはオリフィス、3は流体出口である。
しかし、この種の圧力式流量制御装置FCSでは、微小な穴径のオリフィスOLを使用しているためガスの置換性が悪く、圧力式流量制御装置FCSの圧力制御用コントロール弁CVを閉鎖して出力側を開放した場合に、コントロール弁CVとオリフィスOL間の空間部のガスの排出に多くの時間が掛かり、所謂ガスの立下げ応答性が極めて悪いと云う問題がある。
図9は、従来の圧力式流量制御装置FCS-N型の連続ステップ時の立下げ応答特性の一例を示すものであり、オリフィスOLの下流側の空気圧作動弁(図示省略)を開放して一定流量のガスを圧力式流量制御装置を介して供給中に、ガス供給量をステップ状に立下げした場合、大流量用の圧力式流量制御装置の場合(線A)に比較して小流量用の圧力式流量制御装置の場合(線B)には、所定の流量にまで立下げるのに1.5秒以上の時間を必要とするのが現状である。
より具体的には、FCS-N型及びFCS-WR型の場合、オリフィスOLの下流側圧力が100Torrで、流量を100%から1%及び100%から4%に立下げするには、夫々約1秒以上を必要とするが、半導体製造装置(例えば、エッチャー)の方からは、1秒以下の時間内で流量を100%から1%に立下げることが求められている。
また、FCS-S型及びFCS-SWR型の場合、オリフィスOL の下流側圧力が100Torrで、流量を100%から10%及び100%から0.16%に立下げるには、夫々約1.2秒以上を必要とするが、半導体製造装置(例えば、エッチャー)の方からは、1.2秒以下の時間内で流量を100%から10%に立下げることが求められている。
特開平8−338546号 特開平10−55218号 特開2003−195948号 特開2006−330851号 国際公開第WO2009/141947号パンフレット
本願発明は、従来の圧力式流量制御装置に於ける上述のような問題を改善すべく、流量制御に於ける立下げ応答性の向上、即ち、流量制御に於ける立ち下がり時間をいっそう短縮し得る圧力式流量制御装置を提供することを主たる目的とする。
上記目的を達成するため、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を設けた本体と、該本体に固定されて前記流体通路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前記流体通路に介在させたオリフィスと、前記本体に固定されて該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の内圧を検出する圧力センサと、を備え、前記流体通路は、前記圧力制御用コントロール弁と前記圧力センサの圧力検知面上の圧力検知室とを接続する第1通路部と、該第1通路部と離間して前記圧力検知室と前記オリフィスとを接続する第2通路部とを備えることにより、前記圧力検知室を経由するように構成されていることを特徴とする。
前記圧力制御用コントロール弁の下方に前記圧力センサが配設され、前記第1通路部は、前記圧力制御用コントロール弁から前記圧力検知室に垂下するように構成されていることが好ましい。
前記圧力制御用コントロール弁が金属製ダイヤフラム弁体を備え、前記第1通路部は、前記圧力制御用コントロール弁の前記金属製ダイヤフラム弁体の中心部から垂下するように構成されていることが好ましい。
前記第1通路部が、前記圧力検知室の端部に接続されていることが好ましい。
前記第2通路部が、前記圧力検知室の端部に接続されていることが好ましい。
前記第2通路部が、前記圧力検知室の前記第1通路部とは反対側の端部に接続されていることが好ましい。
また、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間を連通する流体通路を設けた本体と、該本体に固定されて前記流体通路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前記流体通路に介在させたオリフィスと、前記本体に固定され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の内圧を検出する圧力センサと、を備え、前記圧力制御用コントロール弁の下方に前記圧力センサが配設され、前記流体通路は、前記圧力制御用コントロール弁から前記圧力センサの圧力検知面上の圧力検知室に垂下する第1通路部と、該第1通路部と前記オリフィスとを接続する第3通路部とを備えることを特徴とする。
前記圧力センサは、前記本体の底面に形成された凹部にリングガスケットを介して挿着され、前記圧力検知室は、前記凹部の内底面と前記リングガスケットと前記圧力センサの圧力検知面とで囲まれており、前記リングガスケットは、両側のシール面が内周面側に偏って形成されていることが好ましい。
前記リングガスケットは、両側のシール面、内周面、外周面、前記内周面と両側のシール面との間の内側テーパー面、及び、前記外周面と両側のシール面との間の外側テーパー面を備え、前記内側テーパー面が前記外側テーパー面より小さく形成されていることが好ましい。
また、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間を連通する流体通路を設けた本体と、該本体に固定されて前記流体通路を開閉する圧力制御用コントロール弁と、前記本体に固定されて該圧力制御用コントロール弁の下流側の前記流体通路の内圧を検出する圧力センサと、前記圧力センサの下流側の前記流体通路に介在させたオリフィスと、を備え、前記圧力センサは、前記本体底面に形成された凹部にリングガスケットを介して挿着され、前記圧力検知室は、前記凹部の内底面と前記リングガスケットと前記圧力センサの圧力検知面とで囲まれており、前記リングガスケットは、両側のシール面が内周面側に偏って形成されていることが好ましい。
前記凹部の内底面と前記圧力検知面との距離が0.13〜0.30mmであることが好ましい。
本願発明によれば、流体通路が圧力検知室を経由する構成としたことにより、圧力制御用コントロール弁とオリフィスとの間の流体通路の内容積を、従来に比して小さくすることができ、その結果、立下がり特性を向上させることができる。
また、圧力センサを圧力制御用コントロール弁の下方に配設し、両者をつなぐ流体通路(第1流路部)を前記圧力制御用コントロール弁から前記圧力検知室に垂下させることで、両者最短距離でつなぎ、圧力制御用コントロール弁とオリフィスとの間の流体通路の内容積を小さくすることができる。
また、第1流路部及び第2流路部は、圧力検出の端部に設けることで、流体通路として利用する圧力検知室を効率的に利用し、圧力制御用コントロール弁とオリフィスとの間の流体通路の内容積縮小に寄与し得る。
また、圧力検知室の高さ寸法を規定するリングガスケットを、シール面を内周面側に偏らせた断面形状とすることで、シール能力確保のために必要とされるシール面の面積を保持しつつ、内周面を平坦面に近づけて、内周面で囲まれる空間容積を縮小し、圧力制御用コントロール弁とオリフィスとの間の流体通路の内容積縮小に寄与し得る。
本発明に係る圧力式流量制御装置の第1実施形態を示す断面図である。 図1の一点鎖線円で囲んだ部分の拡大図である。 図1の圧力式流量制御装置に装着されているリングガスケットの拡大断面図である。 本発明に係る圧力式流量制御装置と従来の圧力式流量制御装置の圧力降下時間(立下がり時間)を示すグラフである。 本発明に係る圧力式流量制御装置の第2実施形態を示す断面図である。 従来の圧力式流量制御装置を示す基本構成図である。 従来の各種形式の圧力式流量制御装置を示す概略構成図である。 従来の圧力式流量制御装置を示す要部断面図である。 従来の圧力式流量制御装置(FCS−N型)の連続ステップ時の立下がり応答特性の一例を示すグラフである。 従来の圧力式流量制御装置に装着されているリングガスケットの拡大断面図である。
本発明に係る圧力式流量制御装置の実施形態について、以下に図1〜図5を参照して説明する。
図1は本発明に係る圧力式流量制御装置の第1実施形態の断面図を示し、図2は図1の一点鎖線の円で囲んだ部分の拡大図を示している。圧力式流量制御装置1は、流体入口2と流体出口3との間を連通する流体通路4を設けた本体5と、本体5に固定されて流体通路4を開閉する圧力制御用コントロール弁CVと、圧力制御用コントロール弁CVの下流側の流体通路4に介在させたオリフィスOLと、本体5に固定されて圧力制御用コントロール弁CVとオリフィスOLとの間の流体通路4の内圧を検出する圧力センサP1と、を備え、流体通路4は、圧力制御用コントロール弁CVと圧力センサP1の圧力検知面P1a(図2)上の圧力検知室4bとを接続する第1通路部4aと、第1通路部4aと離間して圧力検知室4bとオリフィスOLとを接続する第2通路部4cとを備えることにより、流体通路4が圧力検知室を経由するように構成されている。
図1に示された第1実施形態の圧力式流量制御装置1は、前述の所謂FCS−WR型であり、オリフィスOLの下流側の流体通路4の内圧を検出する第2圧力センサP2が装着されている。なお、図1において、10はプリント配線板に電子部品が実装された制御板、11はケーシング、12は接続用コネクタである。
本体5は、入口側ブロック5a、本体ブロック5b、及び、出口側ブロック5cをボルトで連結して一体化されている。入口側ブロック5aに流体入口2が形成されている。入口側ブロック5aと本体ブロック5bとの間の流体通路4の連結箇所には、金属製ガスケット13が介在されている。また、本体ブロック5bと出口側ブロック5cとの間の流体通路4の連結箇所には、オリフィスOL(微小孔であるため図面上は明確に現れていない。)が中心部に形成されたオリフィスプレート7を挟持している金属製ガスケット14、15が介在されている。出口側ブロック5cに流体出口3が形成されている。
圧力制御用コントロール弁CVは、公知の金属製ダイヤフラム弁体CVaとピエゾ駆動素子CVbを用いた開閉弁であり、ピエゾ駆動素子CVbへの通電によりこれが伸長し、円筒体CVcを弾性体CVdの弾力に抗して上方へ押し上げることにより弁体押えCVeが上方へ移動し、ダイヤフラム弁体CVaが自己弾性力により湾曲形状に復元して弁座5eから離座し、弁が開放される。また、弁開度は、ピエゾ駆動素子CVbへの印加電圧を変動することにより調節される。
圧力センサP1は、半導体ひずみゲージが表面に形成されたダイヤフラムを備え、その表面が圧力検知面(受圧面)となり、そこにかかる圧力によって変形して発生するピエゾ抵抗効果による電気抵抗の変化を電気信号に変換することで、圧力を検出する。
圧力センサP1は、本体ブロック5bの底面に形成された凹部5dにリングガスケット16を介して挿入され、押え螺子17によって固定されている。このように圧力センサP1を凹部5dに挿着することにより、凹部5dの内底面とリングガスケット16と圧力センサP1の受圧面である圧力検知面P1aとによって囲まれた圧力検知室4bが形成されている。
圧力制御用コントロール弁CVの金属製ダイヤフラム弁体CVaが接離する弁座5eは、ダイヤフラム弁体CVaの中央部の位置に形成される。図示例においては、圧力制御用コントロール弁CVのダイヤフラム弁体CVaの外周縁部と弁座5eとの間隙4eを通してガスを流入させ、弁座5eの中央からガスを流出させる構造としている。これは、図8に示した従来の圧力制御用コントロール弁の流体の流れ方向とは逆向きになっており、このような構造とすることにより、ダイヤフラム弁体CVaを閉じた状態で圧力制御用コントロール弁CVとオリフィスOLとの間の流体通路4の内容積を従来構造よりも減少させることができる。
圧力センサP1は、圧力制御用コントロール弁CVの下方に配設されており、第1通路部4aは、圧力制御用コントロール弁CVから圧力検知室4bに垂下するように構成されている。それによって、第1通路部4aは最短距離で圧力制御用コントロール弁CVと圧力検知室4bとをつなぐことができるので、第1通路部4aの内容積が縮小され得る。
また、第1通路部4aはその内容積を出来るだけ小さくするためには、できるだけ小さい孔径とすることが好ましく、例えば、直径0.5〜1.0mmとすることができる。また、第1通路部4aはその内容積を出来るだけ小さくするためには、第1通路部4aの長さはできるだけ短い方が好ましく、圧力センサP1をダイヤフラム弁体CVaにできるだけ近づけて配置することで、短くすることができる。
第1通路部4aと第2通路部4cは、圧力検知室4bの両端部に接続されている。そうすることにより、圧力検知室4bを流体通路4として最大限利用することで、流体通路4の内容積を小さくすることができる。すなわち、圧力検知室4bの空間容積は不可避であるため、これを流体通路として利用することで、流体通路4の内容積を減少させ得る。
圧力検知室4bの内容積もできるだけ小さくすることが望まれるが、圧力センサP1の受圧面を構成するダイヤフラムはステンレス等で形成されており、高温になると膨張し、凹部5dの内底面側に膨らんで盛り上がるので、圧力センサP1のダイヤフラムの熱膨張を圧力検知室4bが許容し得る程度の深さ寸法とする必要がある。例えば、ある種の圧力センサのダイヤフラムは、100℃で0.13mm程度膨れ上がり、圧力検知室4bの深さ寸法、即ち凹部5dの内底面と圧力検知面P1a(非変形時)との距離は、例えば、0.13〜0.30mmとされる。リングガスケット16は、ステンレス等で形成され、鏡面仕上げ、真空炉での固溶化熱処理等が施され、高精度に仕上げられる。
リングガスケット16は、ガスケットとしてのシール性を担保するためシール面が一定以上の面圧を確保する必要があるが、シール面の面積を大きくすると圧力センサP1の固定に必要なトルクも大きくなる。圧力検知室P1aの内容積を少しでも小さくしつつ、所要面積のシール面を保ち、しかも、材料費が増えないようにするために、図3に示すように、両側のシール面16a、16bが内周面16cの側に偏って形成されている。
図示例では、リングガスケット16は、内周面16cと両側のシール面16a、16bとの間の内側テーパー面16d、16eが、外周面16fと両側のシール面16a、16bとの間の外側テーパー面16g、16hより小さくなっている。内側テーパー面16d、16eは無くして、内周面16cと両側のシール面16a、16bとを直角にしてもよい。
このようにシール面16a、16bを内周面16cの側に偏った断面形状とすることで、従来のリングガスケット(図10参照)に比べて、圧力検知室4bの内容積を小さくすることができる。
図4は、図1に示した構造の圧力式流量制御装置と、図8に示した従来タイプの圧力式流量制御装置とで、流体出口の真空チャンバに接続し、窒素ガスを所定流量で制御している途中で圧力制御用コントロール弁を閉じ、流量が100%から1%になるまでの立下がり時間を其々の内容積から算出し、比較した棒グラフである。図4のグラフにおいて、横軸は、流量レンジであり、右へいくほど制御流量が大きいタイプのものであり、縦軸は立下がり時間である。この棒グラフから、本発明の圧力式流量制御装置は、従来の圧力式流量制御装置に比較して、大幅に立下がり時間を短縮し得ることが分かる。また、本発明の圧力式流量制御装置では、殆どの流量レンジにおいて、立下がり時間を1秒以下に短縮することが可能になると考えられる。
図5は、本発明に係る圧力式流量制御装置の第2実施形態を示す断面図である。図1の実施形態と同様の構成部分には同符号を付して重複説明を省略する。
第2実施形態の圧力式流量制御装置1は、上記第1実施形態の第2通路部4cに代えて、第1通路部4aに接続された第3通路部4fを備えている点が上記第1実施形態と相違し、その他の構成は、上記第1実施形態と同様である。第2実施形態においても、圧力制御用コントロール弁CVと圧力センサP1の配置、及び、第1通路部4aの配置構成を第1実施形態と同様にしたことにより、立下がり時間に関与する流体通路4の内容積を小さくすることができる。
本発明は、上記実施形態に限定解釈されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
1 圧力式流量制御装置
2 流体入口
3 流体出口
4 流体通路
4a 第1通路部
4b 圧力検知室
4c 第2通路部
4f 第3通路部
5 本体
5d 凹部
CV 圧力制御用コントロール弁
CVa 金属製ダイヤフラム弁体
OL オリフィス
P1 圧力センサ
P1a 圧力検知面
16 リングガスケット

Claims (4)

  1. 流体入口と流体出口との間を連通する流体通路を設けた本体と、
    該本体に固定されて前記流体通路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前記流体通路に介在させたオリフィスと、
    前記本体に固定され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の内圧を検出する圧力センサと、を備え、
    前記流体通路は、前記圧力制御用コントロール弁と前記圧力センサの圧力検知面上の圧力検知室とを接続する第1通路部と、該第1通路部と離間して前記圧力検知室と前記オリフィスとを接続する第2通路部とを備えることにより、前記圧力検知室を経由するように構成されており、
    前記圧力センサは、前記圧力制御用コントロール弁の下方に配設されており、前記第1通路部は、前記圧力制御用コントロール弁の弁体の中心部から前記圧力検知室に垂下して、前記圧力検知室の端部に接続されるように構成されており
    前記第2通路部は、前記圧力検知室の前記第1通路部とは反対側の端部に接続され垂直上方に延びる垂直部と、前記垂直部から水平方向に延びる水平部とを含み、前記オリフィスは前記水平部の端部に配置されており、
    前記第1通路部の径および前記第2通路部の径は、前記流体入口から前記圧力制御用コントロール弁の弁体の外周縁部と弁座との隙間に流体を流入させるために前記本体に設けられた流入側通路部の径よりも小さい、圧力式流量制御装置。
  2. 前記圧力センサは、前記本体の底面に形成された凹部にリングガスケットを介して挿着され、前記圧力検知室は、前記凹部の内底面と前記リングガスケットと前記圧力センサの圧力検知面とで囲まれており、前記リングガスケットは、両側のシール面が内周面側に偏って形成されていることを特徴とする請求項に記載の圧力式流量制御装置。
  3. 前記リングガスケットは、両側のシール面、内周面、外周面、前記内周面と両側のシール面との間の内側テーパー面、及び、前記外周面と両側のシール面との間の外側テーパー面を備え、前記内側テーパー面が前記外側テーパー面より小さいことを特徴する請求項に記載の圧力式流量制御装置。
  4. 前記圧力検知室において、前記凹部の内底面と前記圧力検知面との距離が0.13〜0.30mmである、請求項2または3に記載の圧力式流量制御装置。
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