TWI507836B - Flow control device with flow monitor - Google Patents

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Atsushi Hidaka
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Nobukazu Ikeda
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Description

具流量監測器之流量控制裝置
本發明是關於一種具流量監測器的流量控制裝置的改良，更詳而言之，是藉由自由地將具備耐壓力變動特性的流量控制裝置與降低式(build-down)流量監測部加以組合，可即時監測流量控制裝置所為的控制流量，並且當控制流量與監測流量間的差異超過設定值時，可自動調整流量控制裝置側的流量設定值之具流量監測器之流量控制裝置。
以往以來，於半導體控制裝置用氣體供給裝置，廣泛利用熱式流量控制裝置MFC、壓力式流量控制裝置FCS。尤其，後者的壓力式流量控制裝置FCS是如圖19所示，由：控制閥CV；溫度檢出器T；壓力檢出器P；以及由孔口OL及溫度補正‧流量演算電路CDa和比較電路CDb和輸入輸出電路CDc和輸出電路CDd等形成的演算控制部CD等所構成，且具備所謂即使一次測供給壓力大幅變動，也能進行穩定的流量控制的優秀的流量特性。
亦即，在圖19的壓力式流量控制裝置FCS，將來自壓力檢出器P及溫度檢出器T的檢出值轉換成數位值，之後，被輸入到溫度補正‧流量演算電路CDa。於此，進行檢出壓力的溫度補正與流量演算，並將流量演算值Qt輸入到比較電路CDb。又，從端子In輸入對應設定流量的輸入訊號QS ，在輸入輸出電路CDc轉換成數位值之後輸入到比較電路CDb，於此與來自前述溫度補正‧流量演算電路CDa的流量演算值Qt進行比較。比較結果，設定流量輸入訊號QS 比流量演算值Qt大的時候，朝控制閥CV的驅動部輸出控制訊號Pd。藉此，控制閥CV朝閉鎖方向被驅動，且朝關閥方向驅動到設定流量輸入訊號QS 與演算流量值Qt的差(QS -Qt)到零為止。
在該壓力式流量控制裝置FCS，在孔口OL的下游側壓力P2 與上游側壓力P1 之間保持P1 /P2 ≧約2的所謂臨界膨脹條件時，在孔口OL流通的氣體流量Q為Q=KP1 (可是K為常數)，藉由控制壓力P1 可高精度地控制流量Q，並且即使控制閥CV的上游側氣體Go的壓力大幅變化，也具備所謂控制流量值幾乎沒有變化的優秀的特性。
此外，因為壓力式流量控制裝置FCS其為周知者，所以於此省略其詳細的說明。
然而，在這種的壓力式流量控制裝置FCS，因為使用微小孔徑的孔口OL，所以孔口OL的孔徑的經年變化是不可避免的。而且，當孔徑變化時，會在壓力式流 量控制裝置FCS的設定流量(亦即控制流量值)、與現實在孔口OL流通的氣體Go的實際流量值之間產生差異。又，為了檢出此差異，所以必須頻繁地進行所謂流量監測，而會有所謂對半導體製造裝置的稼動性、所製造的半導體的品質等造成大幅影響的問題。
因此，於壓力式流量控制裝置的領域，以往以來有採用盡可能地早期檢出孔口OL的孔徑的變化，來防止壓力式流量控制裝置FCS所為的控制流量值、與現實中在孔口流通的氣體Go的實際流量值之間的差異的產生用的對策，且在這種的孔口OL的孔徑變化等的檢出常使用所謂上升方式、下降方式的氣體流量測定方法。
另一方面，在前述上升方式、下降方式的氣體流量測定，因為必須暫時停止實際氣體的供給，所以會有所謂氣體流量測定對半導體製造裝置的稼動率的下降、所製造的半導體的品質等造成大幅影響的問題。
因此，近年來，於這種的流量控制裝置的領域，進行了不用暫時停止實際氣體的供給，可簡單地即時監測供給氣體的流量控制是否適當地進行之具流量監測器之流量控制裝置的開發。
例如，圖20表示其一例者，該具流量監測器之流量控制裝置20是由：流路23；檢出入口側壓力的第1壓力感測器27a；開閉控制閥24；熱式質量流量感測器25；第2壓力感測器27b；節流部(音速噴嘴)26；演算控制部28a；以及輸入輸出電路28b等所構成。
又，前述熱式質量流量感測器25具有：整流體25a；從流路23分歧成預定的比例F/A的流量的分歧流路25b；以及設在分歧流路25b的感測器本體25c，將表示總流量F的流量訊號Sf輸出到演算控制部28a。
再者，節流部26，是當其上游側與下游側的壓力差為預定值以上時(亦即，臨界條件下的流體流的時候)，流出跟上游側壓力成比例的流量的流體的音速噴嘴。此外，於圖20，SPa、SPb是壓力訊號，Pa、Pb是壓力，F是總流量，Sf是流量訊號，Cp是閥開度控制訊號。
前述演算控制部28a，是反饋來自壓力感測器27a、27b的壓力訊號Spa、Spb及來自流量感測器25的流量訊號Sf，輸出閥開度控制訊號Cp，對開閉控制閥24進行反饋控制。亦即，對演算控制部28a是從輸入輸出電路28b輸入流量設定訊號Fs，調整流到質量流量控制裝置20的流體的流量F成為流量設定訊號Fs。
具體而言，演算控制部28a使用第2壓力感測器27b的輸出(壓力訊號Spb)反饋控制開閉控制閥24的開閉，藉此，控制在音速噴嘴26流的流體的流量F，並且使用此時的熱式流量感測器25的輸出(流量訊號Sf)進行實際在流的流量F的測定，進而確認質量流量控制裝置20的動作者。
如上述，於圖20的具流量監測器之流量控制裝置20，因為是將所謂使用第2壓力感測器27b的壓力訊號Spb調整開閉控制閥24的開度的壓力式流量控制、 與使用進行實際流量的監視的熱式流量感測器25的流量測定的兩種的方式裝到演算控制部8a，所以可即時監測對應設定流量Fs的控制流量的流體是否有實際在流，亦即，可簡單且確實地即時監測在控制流量與實際流量之間是否有差，而達到高的實用效果者。
可是，在該圖20的具流量監測器之流量控制裝置20也剩下很多必須解決的問題。
首先，第1個問題是在監測流量值(實際流量值)與控制流量值之間產生差異時，可藉由警報等感知異常的發生，卻不能自動進行控制流量值的修正，亦即，不能進行設定流量值Fs的調整。因此，如果因什麼樣的原因，例如運轉重要人員不在等，而使控制流量值的修正延遲時，會持續供給與設定流量值不同的流量的氣體(實際流量氣體)的供給，而衍生出半導體製造上各式各樣的問題。
第2個問題，因為安裝有使用進行流量控制用的第2壓力感測器27b的壓力式流量測定；與進行流量監視用的熱式流量感測器25的流量測定的所謂二種不同的測定方法，所以具流量監測器之流量控制裝置20的構造變得複雜，且不能謀求裝置的小型化及製造成本的下降。
第3個問題演算控制部28a是構成使用第2壓力感測器27b的輸出Spb與熱式流量感測器25的流量輸出Sf的兩訊號對開閉控制閥24進行開閉控制，並且使用第1壓力感測器27a的輸出Spa對熱式流量感測器25 的流量輸出Sf進行補正，使用第1壓力感測器27a及第2壓力感測器27b的兩個壓力訊號與來自熱式流量感測器25的流量訊號的三個訊號進行開閉控制閥24的開閉控制。因此，不僅演算控制部28a的構成變的複雜，且會有所謂作為壓力式流量控制裝置FCS的穩定的流量控制特性、優異的高應答性反而減低的問題。
〔先行技術文獻〕 〔專利文獻〕
專利文獻1：日本特許第2635929號公報
專利文獻2：日本特許第2982003號公報
專利文獻3：日本特許第4308350號公報
專利文獻4：日本特許第4137666號公報
本發明是以解決：a使用從前的降壓、升壓式的流量測定方法之具流量監測器之流量控制裝置時，在進行流量監測時必須暫時停止實際氣體的供給，而衍生出半導體製造裝置的稼動率的下降、所製造的半導體的品質變動等的情況；以及b將從前的圖20這類的熱式流量計與壓力式流量控制裝置加以組合的構造的具流量監測器之流量控制裝置，即使明確知道實際流量的差異，也不能自動進行控制流量的設定值的修正，如此除了衍生因流量修正 的延遲所造成的各式各樣的問題，而使流量控制裝置本身的構造的簡素化及裝置的小型化變的困難，除此之外，並減少具有壓力式流量控制裝置的優異的應答特性、穩定的流量控制特性等的問題作為主要的發明的目的。
為了達成上述目的，本發明是提供一種，將壓力式流量控制裝置FCS與設在其上游側的降低式的流量測定部組合成一體，且在流量控制裝置的上游側壓力(輸入側壓力)所容許的壓力變動範圍內使前述降低式的流量測定部作動，從降低式流量測定部至少在1秒以內發出1次(所期望的是在一秒鐘發出複數次)流量監測訊號，藉此與壓力式流量控制裝置所為的流量控制同時並行地進行降低式流量測定部所進行之實質上接近即時監測的流量監測，並且，當監測流量值與控制流量值的差異超過預定流量值時，自動調整壓力式流量控制裝置側的流量設定值，而將壓力式流量控制裝置所為的流量控制值修正成降低式流量測定部所為的流量值之具流量監測器之流量控制裝置者。
亦即，不得不提供一種，充分活用流量控制特性幾乎不會因輸入側的壓力變動受到影響的所謂壓力式流量控制裝置的流量特性，可在大略接近即時(至少1次/1秒)的狀況下進行降低式流量監測部所為的流量監測，而且，可簡化演算控制部、機器本體部大幅的小型化、以及氣體置換性的提昇等之具降低式流量監測器的流量控制裝置。
本發明者們，首先，使用利用孔口的壓力式流量控制裝置FCS構成如圖1所示的試驗裝置，由壓力式流量控制裝置FCS與一次側開閉切換閥(上游側閥)AV間的壓力下降的斜率，進行關於進行流量算出的降低方式所為的流量測定的基礎的各種試驗。
亦即，於圖1，N2 是氣體供給源，RG是壓力調整器，ECV是電磁驅動部，AV是一次側開閉切換閥(上游側閥)，FCS是壓力式流量控制裝置，VP是真空泵，BC降低容量，T是溫度感測器，P是設在壓力式流量控制裝置FCS內的控制閥的1次側的壓力感測器，P0 是壓力感測輸出，E是電源部，E1 壓力式流量控制裝置用電源，E2 是演算控制部用電源，E3 是一次側開閉切換閥(上游側閥)用電源，S是訊號產生器，CP是演算控制部，CPa是壓力式流量演算控制部，CPb是降低監測流量演算控制部，PC是演算顯示部，NR是資料記錄器。
前述降低容量BC相當於一次側開閉切換閥(上游側閥)AV的出口側與壓力式流量控制裝置FCS的控制閥(省略圖示)的入口側之間的管路空間容積。該降低容量BC的內容積V，是構成藉由前述管路的長度、內徑等的調整；或介設在該管路的降低用腔室(省略圖示)的內容積的調整，可在1.78cc與9.91cc、4.6~11.6cc及1.58cc~15.31cc的各容積進行切換調整。
此外，使用降低用腔室時，是如在後述的實施例的說 明，將一次側開閉切換閥(上游側閥)AV的出口與控制閥CV的入口之間的流路內徑設定在1.8mm，且將降低容量BC的內容積V選定在1.58cc~15.31cc。
在前述演算控制部CP內的降低監測流量演算控制部CPb，是如後述使用降低容量BC中的壓力下降率進行監測流量的演算，且又在壓力式流量演算控制部CPa，與從前的壓力式流量控制裝置FCS的控制演算部同樣，進行在孔口(省略圖示)流通的流量的演算及控制閥(省略圖示)的開閉控制等。
此外，因為壓力式流量控制裝置FCS、一次側開閉切換閥(上游側閥)AV、壓力調整器RG及其他的機器類全部為周知者，所以於此省略其說明。
又，前述一次側開閉切換閥(上游側閥)AV因為必須在短時間內進行開閉，所以雖使用壓電驅動式金屬簧片閥、直動型電磁閥，可是也可為設置導頻(pilot)電磁閥的氣動閥。
可將降低式的流量測定部配置在壓力式流量控制裝置FCS的上游側，是因為使用如前述孔口的壓力式流量控制裝置FCS不易受到氣體供給壓變動的影響。又，藉由降低方式可進行高精度的流量測定為周知的事情。
亦即，於降低方式，在內容積V(1)的降低容量BC內流通的流量Q，是可根據下述的(1)式算出。
可是，於此，V是降低容量BC的內容積(1)，△P/△t是降低容量V中的壓力下降率，T是氣體溫度(℃)。
首先，使用圖1的試驗裝置，將壓力式流量控制裝置FCS的上游側壓力設為400kPa abs，將下降壓力(壓力差△P)設在50kPa abs以上，並且將降低容量BC的內容積V設為4.6~11.6cc，進行降低方式所為的流量測定。圖2表示此時的壓力下降狀態者，且是可比較精度佳地進行流量其量的測定者，因為需要壓力回復時間(a)，所以測定流量的輸出變的不連續，且可知1循環所需的時間成為數秒以上。
亦即，將一次側開閉切換閥(上游側閥)AV設為打開，並以壓力達到規定值以上的壓力的時間作為壓力回復時間(a)，又，將一次側開閉切換閥(上游側閥)AV設為關閉，並以壓力下降到規定值以下的時間作為流量輸出可能時間(b)時，根據上述(a)與(b)的比例，能決定可進行流量輸出的時間的比例。又，該流量輸出可能時間(b)，因為是根據FCS的控制流量、降低容量的內容積V、壓力下降範圍△P所決定，因此可知必須更嚴密地檢討FCS的控制流量、降低容量的內容積V以及壓力下降範圍△P，來將前述各值設定在適當的範 圍，否則無法使降低方式所為的流量測定接近即時流量監測。
另一方面，因為是即時流量監測，所以理想上連續性的流量輸出雖然必須，可是在現實的半導體製造裝置等的運轉，只要在1秒鐘內至少能獲得1次以上的流量輸出，便可進行幾乎接近即時的流量監測。
於此，本發明者等，於降低式所為的流量測定，為了獲得1秒鐘至少1次以上的流量輸出而可進行接近即時流量監測，而想到了將前述壓力差△P及降低容量的內容積V更加縮小，來縮短氣體再填充所需要的時間(壓力回復時間(a))，且，依據該想法，檢討因降低容量BC的內容積V及流量測定時的壓力差△P的減少是否可確保即時性，並且針對流量監測精度、其再現性等進行各種的試驗。
〔試驗1〕
首先，於圖1的試驗裝置，準備額定流量F20、F200及F600(sccm)的三種類的FCS作為壓力式流量控制裝置FCS。
又，將降低容量BC的內容積V設定成約1.78cc、與約9.91cc的二種類。此外，9.91cc的降低容量BC是藉由調整配管長度及配管內徑進行容量的調整。
再者，流量輸出的檢出可能時間(b)是0.5sec(0.25ms×2000點)作為目標，且試驗環境溫度是23℃±1 ℃。
接著，將FCS上游側壓力設為370kPa abs.，設定壓力差△P=20kPa abs，流量N2 =100sccm(在FCS側設定)，測定降低流量測定時的壓力回復特性(壓力回復特性(a))。
圖3表示壓力回復特性的測定結果者，而圖4為其放大圖。
再者，圖5表示那個時點的壓力下降特性。
如由圖3及圖4可明白，藉由將降低容量BC的內容積V縮小到1.78cc以及將壓力下降範圍△P縮小到20kPa abs，即使於N2 流量100sccm也可大幅縮短再填充時間(壓力回復時間(a))，且如圖5所示，可確認至少可在1秒以內的間隔進行測定流量輸出。
關於試驗1可知一次側開閉切換閥(上游側閥)AV的開閉速度，相對於流量輸出可能時間(b)縮小壓力回復時間(a)的點具有很大的影響。因此，以一次側開閉切換閥(上游側閥)AV來說，可知壓電驅動式金屬簧片閥、電磁直接型閥為期望。
又，壓力下降範圍△P及降低容量BC的內容積V的減少造成壓力回復時間(a)的縮短化，因為會造成壓力下降時間(流量輸出可能時間(b))的縮短化，所以測定流量與降低容量BC的內容積V和壓力下降時間(b)的關係變的特別重要。
表1表示將降低容量BC的內容積V設為1.78cc時的測定流量(sccm)與壓力下降時間(sec)的關係者，可知降低容量BC的內容積V為1.78cc的時候，不是50sccm以下的流量時要在1秒鐘以內進行1次以上的流量輸出變得困難，且要進行相當於即時的流量監測變得困難。
另一方面，流量輸出可能時間(b)中的壓力下降特性由測定誤差的點必須具有直線性，流量算出可能的範圍被限定於壓力下降率固定(亦即，具有直線性的部分)的範圍。
圖6至圖8表示於試驗1調查測定流量100、50及10sccm中的壓力下降特性的形態的結果者，且即使於任何的情況，壓力下降特性成為在降低之後馬上喪失直線性者。此外，此時的降低容量BC是1.78cc，流體是N2 氣體。
來自上述圖6至圖8所示的降低之後馬上來自直線性的偏移，是被假設為是因為隨著壓力變化的氣體的斷熱膨脹造成的氣體內部溫度變化所產生者。而且，測定流量愈小，來自該直線性的偏移會有變大的傾向，因而可知流量算出可能的時間寬幅變窄。
接著，關於流量測定可能時間(b)為1秒以內時，藉由在每0.25秒進行5點測定來計測來自壓力下降特性曲線的直線性的偏離造成流量測定誤差。
亦即，將降低容量BC的內容積V設為1.78cc及9.91cc，將壓力下降範圍△P設為20kPa abs，將來自一次側開閉切換閥(上游側閥)AV的關閉到流量穩定為止的時間設為1秒，算出每0.25sec的流量，並檢討對於控制流量的算出流量的誤差。
圖9及圖10表示其結果者，可知任何一個情況也因為藉由一次側開閉切換閥(上游側閥)AV的閉鎖經過0.25sec以上，而使誤差大幅地減少。亦即，隨著壓力下降特性曲線接近直線，能確認誤差減少的情況。
此外，表2表示降低容量BC的內容積V、測定流量、及壓力下降時間(b)的關係者，且當降低容量BC的內容積V=1.78cc時，形成流量20~50sccm的時候，在約1秒以內的間隔進行流量輸出。
又，當降低容量BC的內容積V=9.91cc時，在流量100~200sccm的時候可在約1秒以內的間隔進行流量輸出。
再者，為了進行再現性的確認，調查反覆進 行對應圖9的測定時的流量精度。
亦即，關閉一次側開閉切換閥(上游側閥)AV之後在0.5~1sec間進行流量算出(3點)。此外，下降時間未滿1sec時使用由最終點到0.5sec的數據進行演算，而，關於表2的50sccm(V=1.79cc)及200sccm(V=9.91cc)，是使用0.25秒鐘的數據(2點)進行流量演算。
圖11表示反覆進行測定(10次)時的流量精度的測定數據者，當壓力下降時間(b)在0.5秒以下時，因為如圖7所示在壓力下降特性曲線的非直線區域內進行流量演算，所以可知流量誤差如圖11有出現在正方向的傾向。
此外，降低方式所為的流量Q，是如由前述(1)是可知，為Q=K×(降低容量×壓力下降率×1/溫度)的關係。
其結果，雖然假設即使因壓力變化所為的斷熱膨脹產生溫度下降，壓力下降率會變大演算流量Q成為一定，可是實際上變成演算流量上昇的情況。其理由，因為是在壓力式流量控制裝置FCS的主體外表面進行氣體溫度的測定，所以溫度計測值除了容易受到室溫的支配之外，因為不僅氣體本身的熱容量小且溫度感測器的熱容量大，所以可想而知並沒有正確地測定到氣體溫度。
本發明是以上述各試驗的結果作為基礎所創作者，其特徵是由：設在上游側的降低式流量監測部 BDM；設在其下游側的壓力式流量控制部FCS；連結降低式流量監測部BDM與壓力式流量控制部FCS，將降低式流量監測部BDM的監測流量Q傳送到壓力式流量控制部FCS的訊號傳送電路CT；以及被設在壓力式流量控制部FCS，根據來自前述降低式流量監測部BDM的監測流量Q調整壓力式流量控制部FCS的設定流量QS 的流量設定值調整機構QSR所構成。
壓力式流量控制部FCS能作為含有壓力感測器的流量控制部。
流量設定值調整機構QSR，是具備監測流量Q與設定流量QS 的比較器，且能構成當監測流量Q與設定流量QS 的差異超過設定值時，將設定流量QS 自動修正成監測流量Q之流量設定值調整機構。
降低式流量監測部BDM，是能構成具備有：開閉來自氣體供給源的氣體的流通之一次側開閉切換閥PV1 ；連接於一次側開閉切換閥PV1 的出口側具有預定的內容積V之降低容量BC；檢出在該降低容量BC流通的氣體的溫度的溫度感測器；檢出在前述降低容量BC流通的氣體的壓力之壓力感測器P3 ；以及監測流量演算控制部CPb，其係進行前述一次側開閉切換閥PV1 的開閉控制的同時，藉由一次側開閉切換閥PV1 的開放使降低容量BC內的氣體壓力成為設定上限壓力值後，藉由一次側開閉切換閥PV1 的閉鎖讓氣體壓力在經過預定時間t秒後下降到設定下限壓力值，藉此根據下降式演算監測流量Q並輸 出，將前述監測流量Q寫成
(可是，T是氣體溫度(℃)，V是降低容量BC的內容積(1)，△P是壓力下降範圍(設定上限壓力值-設定下限壓力值)(Torr)，△t是一次側開閉切換閥AV的閉鎖到開放的時間(sec))進行演算。
壓力式流量控制部FCS，是能構成具備由控制閥CV與孔口OL或臨界流噴嘴與壓力計P1 以及或是壓力計P2 與流量演算控制部CPa形成的耐壓力變動性的壓力式流量控制裝置FCS。
能夠將降低容量BC的內容積V設為0.5~20cc，並且將設定上限壓力值設為400~100kPa abs及將設定下限壓力值設為350kPa abs~50kPa abs，且將預定時間t設在0.5~5秒以內。
能夠將一次側開閉切換閥AV設為壓電驅動式金屬簧片閥或電磁直動型電動閥，並且藉由閥的高速開閉而使得氣體壓力從一次側開閉切換閥AV的開啟所為的設定下限壓力值回復到設定上限壓力值的時間比氣體壓力由一次側開閉切換閥AV的關閉所為的設定上限壓力值下降到設定下限壓力值的時間更大幅縮短。
能夠一體形成壓力式流量控制部FCS的流量演算控制部CPa與降低式流量監測部BDM的演算控制裝置CPb的構成。
能構成以降低容量BC作為腔室，並且將該腔室設成內筒與外筒成同心狀配設固定的構造，並且以形成腔室的內‧外筒間的間隙作為氣體流通路，並在該腔室設置壓力感測器P3 。
於本發明，是由：設在上游側的降低式流量監測部BDM；設在降低式流量監測部BDM的下游側的壓力式流量控制部FCS；連結降低式流量監測部BDM與壓力式流量控制部FCS，將降低式流量監測部BDM的監測流量Q傳送到壓力式流量控制部FCS的訊號傳送電路CT；以及被設在壓力式流量控制部FCS，根據來自前述降低式流量監測部BDM的監測流量Q調整壓力式流量控制部FCS的設定流量QS 的流量設定值調整機構QSR構成具流量監測器之流量控制裝置，且是根據降低式流量監測部BDM的監測流量自動調整壓力式流量控制部FCS的設定流量值。
其結果，毫無監測流量值(在孔口流通的實際流量值)、與壓力式流量控制部FCS的設定流量值(控制流量值)大幅不同的狀態長期持續的情況，而在半導體製品的品質提昇上等能獲得許多的效用。
且，構成在壓力式流量控制部FCS的上游部設定降低式流量監測部BDM，並活用相對於壓力式流量控制裝部的輸入側壓力變動的高回應性，讓對應容許壓力 式流量控制部FCS的輸入側壓力變動的範圍內的氣體壓力差的壓力下降△P以1秒鐘內1次以上的比例在前述降低容量BC內產生，而可由該壓力下降率△P/△t與降低容量BC的內容積V而氣體溫度K演算1秒鐘內至少1次以上的監測流量加以輸出，來設定上述壓力下降值(壓力差△P)、壓力下降時間(△t)以及降低容量BC的內容量V。
其結果，藉由將前述壓力下降值(壓力差)△P設定在略20~30kPa abs，將壓力下降時間△t設定在0.5~0.8sec、以及將降低容量BC的內容積V設定在1.8~18cc，而至少可以每1秒鐘1次以上的比例高精度地演算監測流量並輸出，雖然利用降低方式也可進行接近即時的高精度的流量監測。
又，和組合以往的熱式流量感應器的方式比較，可大幅簡化具流量監測器之壓力式流量控制裝置的構造，並予以小型化與降低製造費，而使具流量監測器之流量控制裝置的附加價值顯著提昇。
BDM‧‧‧降低式流量監測部
FCS‧‧‧壓力式流量控制部(壓力式流量控制裝置)
AV‧‧‧一次側開閉切換閥(上游側閥)
BC‧‧‧降低容量
V‧‧‧降低容量的內容積
RG‧‧‧壓力調整器
N2 ‧‧‧N2 供給源
T‧‧‧溫度感測器(電阻式溫度感測器)
P1 、P2 ‧‧‧壓力感測器
P3 ‧‧‧差壓檢出用壓力感測器
CV‧‧‧控制閥
OL‧‧‧孔口
OL1 ‧‧‧小口徑孔口
OL2 ‧‧‧大口徑孔口
OIP‧‧‧外部輸入輸出電路
OLV‧‧‧孔口切換閥
VB1 ‧‧‧監測入口側區塊
VB2 ‧‧‧監測出口側區塊
VB3 ‧‧‧流量控制部入口側區塊
VB4 ‧‧‧流量控制部出口側區塊
VB5 ‧‧‧連結部墊片
CT‧‧‧訊號傳送電路(數位通訊電路)
CP‧‧‧演算控制部
CPa‧‧‧流量演算控制部
CPb‧‧‧監測流量演算控制部
E1 ‧‧‧壓力式流量控制裝置用電源
E2 ‧‧‧演算控制部用電源
E3 ‧‧‧電磁閥用電源
ECV‧‧‧電驅動部
NR‧‧‧資料記錄器
S‧‧‧訊號產生器
PC‧‧‧演算顯示部
PV1 ‧‧‧入口側切換閥(入口側壓電切換閥)
PV2 ‧‧‧出口側切換閥(出口側壓電切換閥)
L1 ‧‧‧入口側壓電切換閥的氣體入口側通路
L2 ‧‧‧入口側壓電切換閥的氣體出口側通路
L3 ‧‧‧出口側壓電切換閥的氣體入口側通路
L4 ‧‧‧出口側壓電切換閥的氣體出口側通路
Cu‧‧‧銅棒片
Q‧‧‧監測流量(降低流量)
CH‧‧‧腔室
CHa‧‧‧外筒
CHb‧‧‧內筒
QSR‧‧‧流量設定值調整機構
QS ‧‧‧設定流量
QS ’‧‧‧調整流量
1‧‧‧氣體入口
2‧‧‧氣體出口
[圖1]為測定具降低式流量監測器之壓力式流量控制裝置的流量監測特性用的試驗裝置的概要構造圖。
[圖2]為降低式流量監測器的壓力下降狀態的說明圖。
[圖3]表示降低流量測定時的壓力回復特性曲線的一例者。
[圖4]為部分放大圖。
[圖5]表示試驗1中的壓力回復特性曲線者。
[圖6]表示壓力下降特性的形態者(控制流量=100sccm)。
[圖7]表示壓力下降特性的形態者(控制流量=50sccm)。
[圖8]表示壓力下降特性的形態者(控制流量=10sccm)。
[圖9]表示自一次側開閉切換閥(上游側閥)AV的閉鎖起的經過時間與流量穩定性的關係的線圖(降低容量BC=1.78cc)。
[圖10]表示自一次側開閉切換閥(上游側閥)AV的閉鎖起的經過時間與流量穩定性的關係的線圖(降低容量BC=9.91cc)。
[圖11]表示重複10次的測定的流量精度者。
[圖12]表示本發明的具流量監測器的壓力式流量控制裝置的基本構造的系統圖。
[圖13]為本發明的具降低式流量監測之壓力式流量控制裝置的縱剖面概要圖。
[圖14]表示在實施例所使用的各腔室A~E中，將可測定時間設為1秒以下時的氣體流量sccm與壓力下降的斜率kPa/sec的關係的線圖。
[圖15]表示在本實施例所使用的各腔室A~E的壓力下降斜率為20kPa/sec的壓力下降特性的形態者。
[圖16]表示在本實施例所使用的各腔室A~E自一次側開閉切換閥(上游側閥)AV的關閉起的經過時間與流量穩定性的關係的線圖。
[圖17]表示在本實施形態所使用的腔室A及腔室B的反覆進行測定的流量精度%S.P.與流量sccm的關係的線圖。
[圖18]表示在本實施形態所使用的腔室A及腔室B的反覆進行測定的流量精度%S.P.與壓力下降的斜率kPa/sec的關係的線圖。
[圖19]為以往的壓力式流量控制裝置的基本構造圖。
[圖20]為具有以往的流量監測器之壓力式流量控制裝置的基本構造圖。
以下，依據圖面說明本發明的實施的形態。
圖12表示本發明的具流量監測器的流量控制裝置的基本構造的系統圖，且該具流量監測器的流量控制裝置是由連結在降低部BDM與壓力式流量控制部FCS兩者間的訊號傳送電路(數位通訊電路)CT所構成。
此外，於圖12，PV1 為入口側切換閥，PV2 為出口側切換閥，BC為降低容量，P3 為差壓檢出用壓力感測器，CPb是監測流量演算控制部，VB1 是監測入口側區塊， VB2 是監測出口側區塊。
又，於圖12，CV是控制閥，CPa是流量演算控制部，OL1 是小徑孔口，OL2 是大徑孔口，P1 是第1壓力感測器，P2 是第2壓力感測器，VB3 是流量控制部入口側區塊，VB4 是流量控制部出口側區塊，VB5 是連結用區塊，SK是連結部的墊片。
再者，在壓力式流量控制部FCS設有設定流量調整機構QSR，藉由比較器(省略圖示)比較預先所設定的流量值QS 與經由訊號傳送電路CT所輸入的降低流量Q，當兩者的差異成為規定以上的流量值時，自動將設定流量值QS 修正成QS ’，而將壓力式流量控制部FCS的流量控制值調整成和降低流量Q一致。亦即，將實際流量調整成和降低流量Q一致。
此外，在圖12，溫度檢出感測器T、過濾器F等被省略，且，壓力式流量控制部FCS當然可為任何的形式者，例如孔口當然也可為1個者，再者，因為壓力式流量控制部FCS、降低式流量監測部BDM的基本構造為周知，所以於此省略其詳細的說明。
參照圖12，從氣體入口1流入降低式流量監測部BDM的壓力500~320kPa abs的氣體，是以入口側壓電切換閥PV1 、腔室式的降低容量BC、出口側壓電切換閥PV2 的順序流通，利用監測流量演算控制部CPb演算監測流量Q，並將這個輸入到壓力式流量控制部FCS的設定流量調整機構QSR。
又，從降低式流量監測部BDM流出的氣體，是通過控制閥CV、小徑孔口OL1 及大徑孔口OL2 從氣體出口2流出。在此期間，前述流量演算控制部CPa演算孔口流通氣體流量，並且進行控制閥CV的開閉控制、孔口切換閥OLV的開閉控制。
再者，在前述流量演算控制部CPa的設定流量調整機構QSR，比較來自降低式流量監測部BDM的監測流量Q與孔口流通流量(亦即，在流量演算控制部CPa的控制流量)，當兩者的差異超過預先所決定的設定值時，調整設定流量QS 之側使壓力式流量控制部FCS的控制流量和前述監測流量Q一致，並將這個自動修正成QS ’。
亦即，形成本發明的要部的降低式流量監測控制部CPb，是由入口側(上游側)壓電切換閥PV1 的開閉控制、差壓檢出壓力感測器P3 、溫度檢出感測器T(在圖12省略)及兩切換閥PV1 、PV2 間的上升容量BC的容積V等演算降低流量Q，並將這個輸出到流量演算控制部CPa。
如上述，在本發明的具流量監測器之流量控制裝置，是利用降低式流量監測部BDM進行壓力下降率△P/△t的測定、監測流量Q的演算，經由外部輸入輸出電路PIO將指令訊號及或設定訊號輸入到監測流量演算控制部CPb，藉此，監測流量至少1秒鐘以1次的比例被監視器顯示，並且自動進行上述壓力式流量控制部FCS的控制流量值的修正、補正。
此外，因為壓力式流量控制裝置FCS、降低式流量監測部BDM為周知者，所以於此省略其詳細的說明。
且，在監測流量輸出Q(來自監測流量演算控制部CPb的流量輸出)與壓力式流量控制部FCS的流量輸出(來自壓力式流量演算控制部CPa的流量輸出)之間產生設定值以上的差異時，傳送流量異常的警報，或者必要的時候，實施所謂壓力式流量控制部FCS的流量自我診斷也可特定流量異常的原因、其發生場所，再者，設定值以上的流量差異產生時，也可自動實施壓力式流量控制部FCS的本身的零點調整等。
此外，於本實施形態，雖將入口(上游)側切換閥等設為壓電驅動式閥，可是也可將這個設為直動型的電磁驅動閥。又，降低容量BC的內容積V是選定在1.78cc~9.91cc的範圍。再者，壓力下降範圍△P是被選定在20kPa abs(350~320kPa abs)，且構成至少在1秒鐘輸出1次以上的監測流量。除此之外，前述溫度檢出感測器T(圖示省略)雖設為外面黏貼型的電阻測溫式溫度感測器，可是也可使用***監測入口側區塊VB1 或監測出口側區塊VB2 的內部的恆溫型溫度計。
又，在本實施形態，雖如後述使用具有壓力感測器的腔室作為降低容量BC，可是也可用氣體流路的內容積形成該降低容量BC，藉由適當選定氣體流路的內徑及流路長度，能獲得所期望的內容積V的降低容量BC 的構造。
〔實施例〕
圖13為本發明的實施例的具降低式流量監測器之壓力式流量控制裝置的縱剖面概要圖。在該實施例，使用具壓力感測器的腔室CH作為降低容量BC，將降低式流量監測部BDM的各氣體通路L1 、L2 、L4 的內徑設定成1.8mm的細徑。又，在孔口OL1 、OL2 的下游側另外設有第2壓力感測器P2 。再者，在腔室CH設置差壓檢出用壓力感測器P3 。
亦即，於該實施例，是在入口側切換閥PV1 與出口側切換閥PV2 之間設置小型的壓力腔室CH，而構成藉由調整該壓力腔室CH的內容積，調整前述降低容量BC的內容積V。又，為了提昇兩切換閥PV1 、PV2 的開閉速度，利用壓電驅動金屬簧片閥型常閉閥。此外，因為壓電驅動金屬簧片閥型常閉閥其為周知，所以說明省略。
前述壓力腔室CH被形成呈外筒CHa與內筒CHb的2重筒，且內外筒CHa、CHb間的縫隙G於本實施形態被選定在1.8mm。而且，壓力腔室CH的內容積被選定在1.3~12cc左右，且構成在這裏附設差壓檢出用壓力感測器P3 。
此外，於該實施例，可自由選定壓力腔室CH的容積，並且可將氣體流通路L1 、L2 、L4 等全部設成同一細徑(例如1.8mm)，而可將降低容量BC的內容積正確 且容易地設定成預定的容積值。
具體而言，將前述縫隙G作成如表3的1.8mm及3.6mm的尺寸的5種的腔室，作為供試驗用的腔室CH，讓該等適用於圖1的試驗裝置，並調查氣體流量(sccm)與壓力下降的斜率(kPa/sec)和壓力下降時間(sec)等的關係等。
此外，在使用圖1的試驗裝置進行調查時，流量感測器T黏貼固定在腔室CH的外表面。且，腔室CH以外的氣體流路L2 、L4 的容積是0.226cc。
圖14表示針對各腔室A~E測定將圖2中的壓力下降時間(b)設定在1秒以內時的氣體流量(sccm)與壓力下降的斜率(kPa/sec)的關係的結果，組裝在試驗裝置的狀態的實際的各上升容量在2.31cc~15.45cc。
如由圖14也可知，將壓力下降範圍△P設為20kPa/sec的時候，可在腔室A的時候25.2sccm，在腔室 B的時候106.6sccm，在腔室E的時候169.0sccm的各流量測定。
圖15表示於圖1的試驗裝置，調整氣體流量使壓力下降的斜率成為20kPa/sec時的壓力下降的直線性者，且與前述圖6~圖8同樣的線圖。此外，測定數據，是由圖1的資料記錄器NR所取得者。
如由圖15也可知，降低容量BC的內容積V為愈小的腔室CH的時候(亦即，腔室A、B)，壓力下降特性的直線性變得愈良好。
又，圖16是與前述圖9及圖10的情況同樣，求取在1秒以內的流量測定可能時間(b)內每0.25秒測定5點自壓力下降特性曲線的直線性偏離造成的流量測定誤差者，且愈是上升容量BC小的腔室A、B，愈能從壓力下降開始後早期明白流量誤差變少的情況(亦即，可說壓力下降特性的直線性優異)。
圖17表示針對腔室A及腔室B調查流量測定精度的再現性的結果者，且是由與前述圖11的情況同宗旨所進行者。
此外，於該流量測定精度的再現性試驗，為了讓壓力下降的斜率穩定，所以從關閉一次側開閉切換閥(上游側閥)AV到等待預定時間後進行側定，且為了獲得再現性雖長時間進行側定，可是流量輸出時間皆設為1秒以內。
如由圖17可知，從再現性的點可明白在腔室A的情況流量3~50sccm為可適用範圍，且，在腔室B的 情況30~300sccm為適用範圍。
表4為表示用於上述圖17所示的流量測定精度的再現性的線圖的作成的基礎數據，且是以腔室A(降低容量BC的內容積V=2.31cc)及腔室B(降低容量BC的內容積V=9.47cc)作為試驗對象者。
又，圖18是由上述表4的數據調查腔室A及腔室B的壓力下降的斜率kPa/sec與誤差%S.P.的關係者，可知壓力下降的斜率若在2~60kPa/sec的範圍內，則流量測定誤差%S.P.在±1%的範圍內。
〔產業上的可利用性〕
本發明不僅是半導體製造裝置用氣體供給設 備，只要是使用孔口或臨界噴嘴的壓力式流量控制裝置，則也可廣泛適用到化學品製造裝置用氣體供給設備。
BDM‧‧‧降低式流量監測部
CT‧‧‧訊號傳送電路(數位通訊電路)
PIO‧‧‧外部輸入輸出電路
FCS‧‧‧壓力式流量控制部(壓力式流量控制裝置)
Q‧‧‧監測流量(降低流量)
PV1 ‧‧‧入口側切換閥(入口側壓電切換閥)
PV2 ‧‧‧出口側切換閥(出口側壓電切換閥)
CPb‧‧‧監測流量演算控制部
P3 ‧‧‧差壓檢出用壓力感測器
CV‧‧‧控制閥
OLV‧‧‧孔口切換閥
QS ‧‧‧設定流量
QSR‧‧‧流量設定值調整機構
CPa‧‧‧流量演算控制部
QS ’‧‧‧調整流量
1‧‧‧氣體入口
VB1 ‧‧‧監測入口側區塊
BC‧‧‧降低容量
SK‧‧‧連結部的墊片
VB2 ‧‧‧監測出口側區塊
VB5 ‧‧‧連結部墊片
P1 、P2 ‧‧‧壓力感測器
VB3 ‧‧‧流量控制部入口側區塊
VB4 ‧‧‧流量控制部出口側區塊
OL2 ‧‧‧大口徑孔口
OL1 ‧‧‧小口徑孔口
2‧‧‧氣體出口

Claims (9)

  1. 一種具流量監測器之流量控制裝置，係具備有：設在上游側的降低式流量監測部；設在該降低式流量監測部的下游側的流量控制部；連結降低式流量監測部與流量控制部，將降低式流量監測部的監測流量傳送到流量控制部的訊號傳送電路；以及被設在流量控制部，根據來自前述降低式流量監測部的監測流量調整流量控制部的設定流量的流量設定值調整機構，流量控制部，係具備耐壓力變動性的流量控制部，且包含：控制閥；設在該控制閥之下游側的孔口或臨界噴嘴；檢出前述控制閥與前述孔口或臨界噴嘴之間壓力的第一壓力感測器；以及根據前述第一壓力感測器之檢測值來演算流通於前述孔口或臨界噴嘴的流量，並控制前述控制閥的流量演算控制部。
  2. 如申請專利範圍第1項記載的具流量監測器之流量控制裝置，其中，流量控制部包含檢出前述孔口或臨界噴嘴之下游側壓力的第二壓力感測器。
  3. 如申請專利範圍第1項記載的具流量監測器之流量控制裝置，其中，流量設定值調整機構，是構成具備監測流量與設定流量的比較器，且當監測流量與設定流量的差異超過設定值時，將設定流量自動修正成監測流量。
  4. 如申請專利範圍第1項記載的具流量監測器之流量控制裝置，其中，降低式流量監測部具備有：開閉來自氣體供給源的氣體的流通之一次側開閉切換閥；連接於一 次側開閉切換閥的出口側具有預定的內容積之降低容量；檢出在該降低容量流通的氣體的溫度的溫度感測器；檢出在前述降低容量流通的氣體的壓力之壓力感測器；以及監測流量演算控制部，其係進行前述一次側開閉切換閥的開閉控制的同時，藉由一次側開閉切換閥的開放使降低容量內的氣體壓力成為設定上限壓力值後，藉由一次側開閉切換閥的閉鎖讓氣體壓力在經過預定時間後下降到設定下限壓力值，藉此根據降低式演算監測流量並輸出，前述監測流量，是將氣體溫度(℃)設為T，將降低容量的內容積(公升)設為V，將設定上限壓力值與設定下限壓力值的差的壓力下降範圍(Torr)設為△P，將一次側開閉切換閥的閉鎖到開放的時間(秒)設為△t，藉由下述式子進行演算
  5. 如申請專利範圍第4項記載的具流量監測器之流量控制裝置，其中，降低容量的內容積為0.5~20cc，設定上限壓力值為400~100kPa abs，設定下限壓力值為350kPa abs~50kPa abs，且前述預定時間為0.5~5秒。
  6. 如申請專利範圍第4項記載的具流量監測器之流量控制裝置，其中，一次側開閉切換閥是壓電驅動式金屬簧片閥或電磁直動型電動閥，且氣體壓力因閥的高速開閉而由一次側開閉切換閥的開啟所為的設定下限壓力值回復到設定上限壓力值的時間比氣體壓力由一次側開閉切換閥的關閉所為的設定上限壓力值下降到設定下限壓力值的時 間更為短。
  7. 一種具流量監測器之流量控制裝置，係具備有：設在上游側的降低式流量監測部；設在該降低式流量監測部的下游側的流量控制部；連結降低式流量監測部與流量控制部，將降低式流量監測部的監測流量傳送到流量控制部的訊號傳送電路；以及被設在流量控制部，根據來自前述降低式流量監測部的監測流量調整流量控制部的設定流量的流量設定值調整機構，降低式流量監測部具備有：開閉來自氣體供給源的氣體的流通之一次側開閉切換閥；連接於一次側開閉切換閥的出口側具有預定的內容積之降低容量；檢出在該降低容量流通的氣體的溫度的溫度感測器；檢出在前述降低容量流通的氣體的壓力之壓力感測器；以及監測流量演算控制部，其係進行前述一次側開閉切換閥的開閉控制的同時，藉由一次側開閉切換閥的開放使降低容量內的氣體壓力成為設定上限壓力值後，藉由一次側開閉切換閥的閉鎖讓氣體壓力在經過預定時間後下降到設定下限壓力值，藉此根據降低式演算監測流量並輸出，一次側開閉切換閥是壓電驅動式金屬簧片閥或電磁直動型電動閥，前述監測流量，是將氣體溫度(℃)設為T，將降低容量的內容積(公升)設為V，將設定上限壓力值與設定下限壓力值的差的壓力下降範圍(Torr)設為△P，將一次側開閉切換閥的閉鎖到開放的時間(秒)設為△t，藉由 下述式子進行演算
  8. 如申請專利範圍第1項記載的具流量監測器之流量控制裝置，其中，流量控制部的流量演算控制部與降低式流量監測部的監測流量演算控制部一體被形成。
  9. 一種具流量監測器之流量控制裝置，係具備有：設在上游側的降低式流量監測部；設在該降低式流量監測部的下游側的流量控制部；連結降低式流量監測部與流量控制部，將降低式流量監測部的監測流量傳送到流量控制部的訊號傳送電路；以及被設在流量控制部，根據來自前述降低式流量監測部的監測流量調整流量控制部的設定流量的流量設定值調整機構，降低式流量監測部具備降低用腔室，該腔室是將內筒與外筒配設固定成同心狀的構造，並且以形成該腔室的內‧外筒間的間隙作為氣體流通路，且在該腔室設有壓力感測器。
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