TWI534575B - Aperture plate and pressure flow control device - Google Patents
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Description
本發明是關於孔口板及壓力式流量控制裝置,特別是,針對半導體製造裝置用之氣體供應裝置等所使用的壓力控制式流體控制裝置中,為了能夠將流通在孔口之符合流體臨界膨脹條件之孔口上游側壓力P1、孔口下游側壓力P2的壓力比P2/P1的範圍保持成較寬並且穩定,而遍及寬廣的流量範圍執行高精度流量控制的流量控制用多孔型孔口板及使用該孔口板之壓力控制式流量控制裝置。
當孔口上游側壓力P1、孔口下游側壓力P2的壓力比P2/P1為符合氣體之臨界膨脹條件的壓力比以下時,流動在孔口的氣體流速就會變成音速,導致孔口下游側之壓力P2的變動不會傳達至上游側,其結果,流通在孔口板的氣體流量,只要孔口的孔徑為一定值則不拘氣體種類,其流量都會對孔口上游側的氣體壓力P1成正比地變化。
另一方面,利用孔口所具有之上述所示特
性,現已有多數開發使用孔口之流體的流量控制裝置。
第13圖為表示本發明者等先前已公開之使用孔口的壓力控制式流量控制裝置的構成一例,該流量控制裝置21是由控制閥22、壓力檢測器23、溫度檢測器24、孔口25、運算控制裝置26、增幅器27a、27b及A/D轉換器28a、28b等所構成(日本特開平8-338546號)。
接著,由壓力檢測器23檢測孔口25之上游側的流體壓力P1並輸入運算控制裝置26,於運算控制裝置26使用Qc=KP1的運算式來運算流量Qc的同時執行流量指令值Qs和Qc的比較,然後將相當於兩者差值Qc-Qs的控制訊號Qy輸入控制閥22的驅動部30。
此外,控制閥22,是由控制訊號Qy使其往兩者差值Qc-Qs為0的方向開閉控制,藉此使孔口25之下游側的流量經常保持設定流量(流量指令值)Qs。
再加上,上述孔口25,是經由對厚度0.02~0.20mm的金屬板進行壓製加工、放電加工或蝕刻加工穿設有內徑0.01~0.20mm的一個小孔所形成,根據氣體的所需控制流量來適當選擇孔口的孔徑。
另外,孔口25的形成,一般是經由放電加工或蝕刻加工來執行,但為了降低加工成本,有時也會經由使用鑽軸的所謂切削加工來形成孔口(日本特開平11-117915號)。
第14圖為表示第13圖之壓力控制式流量控制裝置中氣體為氮氣時的流量控制特性,且表示孔口25
之下游側大氣壓時的形態。
從該第14圖也可明確得知:當上游側壓力P1超過下游側壓力P2的2倍範圍時,流量Qc和P1會保持成為線性關係,Qc會對孔口上游側的壓力P1成正比,藉由自動控制孔口上游側壓力P1,就能夠執行流通在孔口之流量的反饋控制。另外,第14圖中,A線表示孔口的孔徑為0.37mm 時的流量控制特性,B線表示孔口的孔徑為0.20mm 時的流量控制特性。
從第14圖也可明確得知:兩線A、B於P2<0.5P1的範圍(即,P2/P1<0.5)時,都可保持良好的直線性,藉由P1的調整就可執行高精度流量控制。
但是,又明白符合氣體之臨界膨脹條件(P2/P1<0.5或P1/P2>2)的P1下限值(即,可保持直線性時的P1下限值),實際上是會根據孔口的內徑而有所若干改變,孔口的孔徑愈大則符合臨界膨脹條件的P2/P1範圍會有逐漸變小的傾向。即,當P2=一定值時,P1之控制範圍的下限值就會變大。
具體而言,當孔口的孔徑變大時則臨界壓比P2/P1<0.5會降低成為P2/P1<0.45程度,P2=一定值時,P1之控制範圍的下限值會變大,使P1之控制範圍減少。
換句話說,當流量控制裝置的控制流量增加造成孔口的孔徑需為大徑時,臨界壓比P2/P1的控制範圍就會減少,以致當對半導體製造裝置之真空室執行氣體供應時就會產生各種問題。
如上述所示,對於使用先前技術之設有一個孔口的孔口板的壓力式流量控制裝置,就會有孔口的孔徑愈大徑則符合臨界膨脹條件的壓力比P2/P1愈會變動導致流量(壓力)控制範圍變動的難點,因此針對應用在半導體製造用裝置之壓力控制式流量控制裝置的技術領域,就強烈請求出現有一種即使孔口的孔徑改變但現實之符合臨界膨脹條件的壓力比P2/P1不會產生變動的流量控制用孔口板及使用該孔口板之壓力控制式流量控制裝置。
專利文獻1:日本特開平8-338546號
專利文獻2:日本特開平11-117915號
本申請的發明,其發明之主要目的是在於解決先前技術之流量控制用孔口板及使用該孔口板之壓力控制式流量控制裝置的上述問題,即,解決所謂隨著孔口的內徑變大以致現實之符合臨界膨脹條件的壓力比P2/P1變動(減少),導致壓力比P2/P1的控制範圍變窄並且使壓力控制式流量控制裝置的流量控制精度降低等問題,提供一種即使流體流量增加造成需要增大孔口的內徑,但現實之流量控制的壓力比P2/P1還是能夠經常保持成一定,並
且可降低孔口板製造成本的流量控制用孔口板及使用該孔口板之壓力控制式流量控制裝置。
首先,本發明者們,針對孔口為一個的孔口板(以下稱單孔口板)進行了下述查證:當孔口的孔徑改變會使符合流體臨界膨脹條件的孔口上游側壓力P1和孔口下游側壓力P2之比P2/P1(以下稱壓力比P2/P1)實際上有多少程度的變動。
第1圖為供先前技術的流量控制用單孔口板及本發明相關之流量控制用多孔型孔口板的壓力比P2/P1等之流量特性測試用的測試裝置(流量測定裝置)之系統圖,圖中的符號:1為氣體入口,2為壓力調整器,3為壓力計,4為摩爾塊流量測定器,5為壓力控制式流量控制裝置,6為控制閥,7為孔口板,8為孔口上游側壓力檢測器,9為孔口下游側壓力檢測器,10為孔口下游側壓力P2的調整閥,11為真空排氣泵浦,P1為孔口上游側壓力,P2為孔口下游側壓力。另外,最大流量範圍F.S.以N2氣體為基準。
供測試用的孔口板共有三種都是採用厚度50μm鋼板,分別設有=67μm、=179μm、=250μm的孔口,=67μm的孔口是使用在最大流量範圍(滿量程:Full Scale)F.S.=130sccm的壓力控制式流量控制裝置5,此外,=179μm的孔口是使用在最大流量
範圍F.S.=850sccm的壓力控制式流量控制裝置5,再加上,=250μm的孔口是使用在最大流量範圍F.S.=1600sccm的壓力控制式流量控制裝置5。
於測試時,首先是利用壓力調整器2將壓力計3的壓力Po調整成300kPa abs。其次,將壓力控制式流量控制裝置5的設定流量設定成100%F.S.(額定流量),接著使真空排氣泵浦11運轉。然後,調整真空排氣泵浦11之上游側的調整閥10藉此調整孔口下游側壓力P2的同時,於摩爾塊流量測定器4及壓力式流量控制裝置5分別測定氣體流量。另外,測試用的氣體為N2氣體。
其次,以摩爾塊流量測定器4的測定流量Qs為基準值來對壓力控制式流量控制裝置5之各測定流量Qc的誤差〔設定值誤差(S.P.%)〕進行了(Qc-Qs)×100/Qs(S.P.%)的運算。
另外,流量測定是針對壓力控制式流量控制裝置5之設定流量的100%、50%、20%及10%分別進行了測定。
第2圖、第3圖及第4圖是以輸入在壓力控制式流量控制裝置5的設定值(設定流量)為參數表示孔口之孔徑不同的三種壓力控制式流量控制裝置(F.S.130sccm、F.S.850sccm、F.S.1600sccm)的壓力比(P2/P1)和設定值誤差(S.P.%)的關係,從第2圖~第4圖的比對可確認得知流量範圍(額定流量S.P.)愈大且孔口的孔徑愈大,則設定值誤差(S.P.%)就會成為零,即,符合臨界膨脹條件的P2/P1範圍會愈小。
此外,第5圖、第6圖及第7圖為根據上述第1圖的測試裝置所獲得的流量調查結果,表示設定值誤差(S.P.%)為±1%以內之壓力比P2/P1的設定流量(%)和,以100%設定時之控制流量為基準的流量直線性誤差(F.S.%)的關係,即表示設定流量(%)和直線性誤差(F.S.%)的關係,從該等圖明確得知於符合臨界膨脹條件之壓力比P2/P1的範圍內,單孔口板的流量直線性誤差F.S.%會在±1%F.S.以內。
本發明是基於上述第2圖至第7圖所示之流量特性測試的結果而創作的發明,本發明者們是著眼在單孔口板之孔口的孔徑愈小則符合臨界膨脹條件之壓力比P2/P1的範圍會愈大,於控制流量需增大時,並不採用如先前技術所示根據流量寬度將單孔口板之孔口的孔徑加大的措施,而想到的是藉由改變小孔徑之多孔型孔口板的孔口數量就可應對控制流量的增大,藉此就能夠將孔口流通流體之符合臨界膨脹條件的壓力比P2/P1範圍保持成最大且為一定的狀態下對應流量增加。
本發明的第1形態,是使用於流量控制裝置的孔口板,包含複數個孔口,上述複數個孔口的總開口面積是與指定流量的流通上所需要之單一孔口的開口面積相等,厚度為20~200μm,上述複數個孔口的各個口徑為0.010~0.200mm,且上述複數個孔口的數量是2~100個為本發明的基本構成。
本發明的第2形態,是於上述第1形態中,
上述流量控制裝置係具備控制閥、壓力檢測器、溫度檢測器、上述孔口板及運算控制裝置的壓力式流量控制裝置。
本發明的第3形態,是於上述第1或第2形態中,上述孔口的縱剖平面形狀為長方形部份和梯形部份所構成的形狀。
本發明的第4形態,是於壓力式流量控制裝置中,具備控制閥、壓力檢測器、溫度檢測器、孔口板及運算控制裝置,上述孔口板包含複數個孔口為本發明的基本構成。
本發明的第5形態,是於上述第4形態中,上述孔口板的厚度為20~200μm,上述複數個孔口的各個口徑為0.010~0.200mm,且上述複數個孔口的數量為2~100個。
本發明,是於構成為可使流體在臨界膨脹條件下流通,並使流通在孔口之流體流量Q對孔口上游側壓力P1成正比的流量控制用孔口板,設有將所期望流量之流體的流通上所需要之一個孔口的開口面積經分割後形成的複數個孔口,且該複數個孔口的總開口面積等於上述開口面積。
其結果,使符合臨界膨脹條件之孔口上游側壓力P1和下游測壓力P2的壓力比P2/P1就算在控制流量增大而需要加大孔口之開口面積時,實際上也不會變動且保持成一定值,如此一來就能夠有效防止P2/P1之控制範圍的減少。此外,就使用該孔口板的壓力控制式流量控制裝置而言,是能夠擴大流量控制範圍和提昇控制精度。
另外,上述複數的孔口,由於利用壓製加工就能夠容易形成,因此與先前技術利用雷射加工等製造形成相比,以較低的成本就能夠製造孔口板。
1‧‧‧氣體入口
2‧‧‧壓力調整器
3‧‧‧壓力計
4‧‧‧摩爾塊流量測定器
5‧‧‧壓力式流量控制裝置
6‧‧‧控制閥
7‧‧‧孔口板(單孔型)
7a‧‧‧多孔型孔口板
8‧‧‧孔口上游側壓力檢測器
9‧‧‧孔口下游側壓力檢測器
10‧‧‧孔口下游側壓力P2的調整閥
11‧‧‧真空排氣泵浦
P1‧‧‧孔口上游側壓力
P2‧‧‧孔口下游側壓力
Po‧‧‧氣體供應源側壓力
12‧‧‧孔口
第1圖為供孔口之流量特性測試用的測試裝置系統圖。
第2圖為表示F.S.130sccm之壓力控制式流量控制裝置的壓力比P2/P1和設定值誤差(S.P.%)的關係線圖。
第3圖為表示F.S.850sccm之壓力控制式流量控制裝置的壓力比P2/P1和設定值誤差(S.P.%)的關係線圖。
第4圖為表示F.S.1600sccm之壓力控制式流量控制裝置的壓力比P2/P1和設定值誤差(S.P.%)的關係線圖。
第5圖為表示F.S.130sccm之壓力控制式流量控制裝置的設定值誤差(S.P.%)為±1%以內之壓力比P2/P1的設定流量(%)和滿量程所相對之誤差(直線性誤差)(F.S.%)的關係線圖。
第6圖為表示F.S.850sccm之壓力控制式流量控制裝置的設定值誤差(S.P.%)為±1%以內之壓力比P2/P1的設定流量(%)和滿量程所相對之誤差(直線性誤差)(F.S.%)的關係線圖。
第7圖為表示F.S.1600sccm之壓力控制式流量控制裝置的設定值誤差(S.P.%)為±1%以內之壓力比P2/P1的設定流量(%)和滿量程所相對之誤差(直線性誤差)(F.S.%)的關係線圖。
第8圖為表示本發明相關之多孔型孔口板的一例圖。
第9圖為表示本發明相關之多孔型孔口板另一例的平面圖。
第10圖為表示本發明相關之多孔型孔口板又另一例的參考照片圖。
第11圖為使用第10圖之多孔型孔口板時與第2圖至第4圖相同的壓力比P2/P1和設定值誤差(S.P.%)的關係線圖。
第12圖為使用第10圖之多孔型孔口板時與第5圖至第7圖相同的設定流量(%)和直線性誤差(F.S.%)的關係線圖。
第13圖為眾所周知之壓力控制式流量控制裝置的構成圖。
第14圖為表示第13圖壓力控制式流量控制裝置的流量控制特性線圖。
以下,根據本發明的實施形態和圖面進行說明。
第8圖為本發明相關之流量控制用孔口板的一例圖,(a)圖平面圖,(b)圖為背面圖,(c)圖為(b)圖的c-c剖面圖。
於該第8圖中,是在外徑3.5mm、厚度0.05mm的孔口板7a設有孔徑為0.085mm且數量合計為15個的孔口12。
此外,上述孔口12的縱剖平面形狀如第8(c)圖所示是經由壓製加工形成為由長方形部12a和梯形部12b所形成的形狀,孔口12的深度是與孔口板7a的厚度0.05mm為同一尺寸。
再加上,孔口板7a之背面側的孔口12設置部份,是研磨成細寬幅狀,且形成有研磨面12c,根據該研磨面12c來辨別孔口板7a的表面和背面。
第9圖為表示本發明相關之流量控制用多孔型孔口板7a的另一例,除了孔口12的數量為5個,並且孔口12的孔徑為0.135mm之外,其他的構成都是和上述第8圖的流量控制用多孔型孔口板相同。
第10圖為表示本發明相關之流量控制用多孔型孔口板7a又另一例的放大平面圖,孔徑為79μm(0.079mm)的孔口12共設有37個。
另外,第10圖之孔口板7a的外徑、厚度等是與上述第8圖及第9圖的孔口板7a相同。
該孔口12的孔徑=79μm,是相當於日本株式會社製之F180型壓力控制式流量控制裝置的單孔型孔口板7之孔口的孔徑,屬於額定流量180sccm(F.S.)之控制用孔口板。
基於此,第10圖的流量控制用多孔型孔口板7a,是相當於180sccm×37=6.660sccm的F.S.流量。
第11圖為表示該第10圖之多孔型孔口板7a取代第1圖之測試裝置的單孔型孔口板7使用時與上述第2圖相同的關係曲線即與壓力比P2/P1的關係。
從該第11圖和上述第2圖的比對也可明確得知:本發明的多孔型孔口板7a的形態,設定值誤差(S.P.%)為±1%範圍內之壓力比P2/P1的值,即使於輸入為10%(設定流量10%)時也不會低於0.45,於輸入為100%(設定流量100%)時,可獲得約0.52的P2/P1值。
相對於此,最大流量為850sccm的上述第3圖中,輸入為100%時的壓力比P2/P1約0.42,最大流量為1600sccm的上述第4圖中,輸入為100%時的壓力比P2/P1約0.40程度,因此可明確得知當利用本申請發明之多孔型孔口板7a時,就能夠擴大符合臨界膨脹條件之P2/P1的範圍。另外,理論上符合臨界膨脹條件的壓力比P2/P1和實際上測試時符合臨界膨脹條件的壓力比P2/P1之間,會產生如上述所示若干不相同的原因,是在於尚未理論性解
析且現在考察中,但可假定其原因在於孔口出口側之流體的流動狀態不同所造成的影響。
第12圖中,表示使用本發明之多孔型孔口板7a時與上述第5圖相同的線圖,且表示設定值誤差(S.P.%)為±1%以內之壓力比P2/P1的設定流量(%)和100%設定時之控制流量所相對的誤差(流量直線性誤差)(F.S.%)之關係線圖。
從第12圖中也可明確得知:針對本發明之多孔型孔口板7a經確認結果流量直線性誤差(F.S.%)也是在±1%F.S.以內。
另外,本發明相關的壓力控制式流量控制裝置,是將上述日本株式會社製之F180型壓力控制式流量控制裝置或第13圖所示之壓力控制式流量控制裝置等的孔口板換成本發明的孔口板之後的壓力控制式流量控制裝置。基於此就省略其詳細的說明。
如以上所述,本發明相關之流量控制用多孔型孔口板及使用該孔口板之壓力控制式流量控制裝置,是根據控制流量調整孔口12的數量,如此一來即使控制流量變大,還是能夠將符合臨界膨脹條件的壓力比P2/P1之範圍保持成較寬且保持成一定,基於此就能夠遍及廣範圍穩定執行高精度的流量控制。
本發明相關之流量控制用多孔型孔口板,並
不限於應用在壓力控制式流量控制裝置,還可應用在***通常之配管路內來控制流體流量的孔口裝置或流體分流裝置等的任何孔口。
1‧‧‧氣體入口
2‧‧‧壓力調整器
3‧‧‧壓力計
4‧‧‧摩爾塊流量測定器
5‧‧‧壓力式流量控制裝置
6‧‧‧控制閥
7‧‧‧孔口板(單孔型)
8‧‧‧孔口上游側壓力檢測器
9‧‧‧孔口下游側壓力檢測器
10‧‧‧孔口下游側壓力P2的調整閥
11‧‧‧真空排氣泵浦
P1‧‧‧孔口上游側壓力
P2‧‧‧孔口下游側壓力
Po‧‧‧氣體供應源側壓力
Claims (5)
- 一種孔口板,係使用於流量控制裝置的孔口板,其特徵為:包含複數個孔口,上述複數個孔口的總開口面積是與指定流量的流通上所需要之單一孔口的開口面積相等,厚度為20~200μm,上述複數個孔口的各個口徑為0.010~0.200mm,且上述複數個孔口的數量為2~100個。
- 如申請專利範圍第1項所記載的孔口板,其中,上述流量控制裝置係具備控制閥、壓力檢測器、溫度檢測器、上述孔口板及運算控制裝置的壓力式流量控制裝置。
- 如申請專利範圍第1項或第2項所記載的孔口板,其中,上述孔口的縱剖平面形狀為長方形部份和梯形部份所構成的形狀。
- 一種壓力式流量控制裝置,係具備控制閥、壓力檢測器、溫度檢測器、孔口板及運算控制裝置,上述孔口板包含複數個孔口。
- 如申請專利範圍第4項所記載的壓力式流量控制裝置,其中,上述孔口板的厚度為20~200μm,上述複數個孔口的各個口徑為0.010~0.200mm,且上述複數個孔口的數量為2~100個。
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