TWI534576B - Gas shunt supply device and gas shunt supply method - Google Patents

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TWI534576B
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Eiji Takahashi
Norikazu Sasaki
Atsushi Sawachi
Yohei Sawada
Nobukazu Ikeda
Ryousuke Dohi
Kouji Nishino
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Fujikin Kk
Tokyo Electron Ltd
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Description

氣體分流供應裝置以及氣體分流供應方法
本發明係關於氣體分流供應系統之改良,該氣體分流供應系統係以既定之流量比,將氣體從氣體供應源分流供應到設置有複數並列狀地連結的熱式流量感測器之氣體分流路,且係關於氣體分流供應裝置及氣體分流供應方法,該氣體分流供應裝置及氣體分流供應方法係使氣體分流供應裝置的構造能簡單化及小型化,而且能簡單且確實地防止開始供應氣體到各氣體分流路之初期產生氣體過剩流入(過衝),並且能更加提升流量控制的應答性及控制精度。
近年來,在半導體製造裝置和化學品製造裝置的領域中,隨著製程處理室和反應裝置等之大型化而大多正在採用氣體的分流供應系統,因而開發有各種形式的氣體分流供應系統。
第12圖係顯示使用從前的熱式流量控制裝置MFC(質流量控制器)或壓力式流量控制裝置FCS的氣體分流供應裝置之一例,其係將來自氣體供應源S的氣體G 分流,通過熱式或壓力式流量控制裝置以分流量Q1,Q2之比例供應到製程處理室C等。
並且,在設置於上述各分流路的流量控制裝置,一般於開始供應氣體時容易產生氣體過剩流入(過衝),特別是在熱式流量控制裝置MFC的情形,前述過衝之產生為不可避免的狀態。
又,在熱式流量控制裝置和熱式流量感測器,溫度造成的零點之變動、整流層部的壓力造成的檢測流量之變化比較大,是提升流量控制精度上的一大障礙。
再者,於氣體分流供應量的切換頻率高時,包含流量比(分流比)之設定等,從分流量控制之開始到穩定控制需要相當的時間,提升分流量控制的應答性處於困難狀況。
例如,本發明人等,使用如第13圖所示之構造的氣體供應裝置解析在剛開始供應氣體後產生的氣體過衝現象的發生原因之結果發現,在使用從前的熱式流量控制裝置MFC之氣體供應裝置中,(a)滯留在連結各切換閥V1~V3和各熱式流量控制裝置MFC1~MFC3的管路L1~L3內的氣體佔過衝氣體的大部分,及(b)熱式流量控制裝置MFC1~MFC3的構造本身,係使前述過衝的原因亦即氣體滯留增加之構造。
亦即,第14圖係眾所周知的熱式流量控制裝置MFC的基本構造之方塊圖,從一次側流入的氣體是分流到層流旁通部(整流層部)59和感測器旁通部60,藉 由感測器61使氣體的質流量成為與其成比例之溫度變化,並且以橋式電路62將該溫度變化轉換成電訊號,經由放大電路63等作為線性電壓訊號而輸出到顯示器64和比較控制電路65。又,來自外部的設定訊號係由設定器66輸入到比較控制電路65,在此處運算與前述檢測訊號之差,並且將該差訊號傳送到閥驅動部67,在該差訊號成為零的方向將流量控制閥68開閉控制。此外,69為電源部。
現在,若於熱式流量控制裝置MFC使用中緊急關閉設置在二次側的切換閥V1,則在感測器61內流通的氣流會停止。因此,熱式流量控制裝置MFC的控制系統過渡性地往增加氣體的流動之方向動作,而使流量控制閥68打開。結果,二次側路線L1內的氣壓上升,且該部分的氣體滯留量增加。而且,該滯留氣體於後來打開切換閥V1時,急劇地通過切換閥V1而流入處理室側,引起前述氣體過衝。
並且,氣體分流供應系統中如上述之氣體過衝,必然會導致半導體製造設備等的運轉率降低和製品品質降低。因此,必須儘量防止產生過衝。
又,近年來在這種氣體分流供應裝置的領域中,對於氣體分流供應裝置極力要求小型化和降低成本,為了對應這些期望,如第15圖所示開發出如下述之氣體分流供應裝置,使用壓力式流量控制裝置FCS作為流量控制裝置4,將來自氣體供應源1的供應氣體流量控制成 總流量Q,並且藉由流量調整器16控制各分流路L1~Ln的分流量Q1~Qn。
此外,第15圖中,1為氣體供應源、2為壓力調整器、3為壓力感測器、4為流量控制裝置(壓力式流量控制裝置FCS)、5a、5b為壓力計、6為熱式流量感測器(MFM)、7為電動閥、8為閥驅動部、9為真空泵、10為節流閥、11為訊號產生器、12為PID控制器、13為製程處理室、16為流量調整器、Sm為流量檢測訊號、Sa為流量設定訊號、Sv為閥驅動訊號。
在上述第15圖的氣體分流供應裝置,經壓力式流量控制裝置(FCS)4控制流量的總流量Q之氣體,分別以分流量Q1、Q2、Qn供應到分流路L1、L2、Ln。亦即,流過各分流路L1、L2、Ln的分流量Q1、Q2、Qn係例如,如分流路L1般,藉由來自流量感測器6的流量檢測訊號Sm透過PID控制器12將電動閥7反饋控制,控制成與來自訊號產生器11的流量設定訊號Sa相等的分流量Q1,而供應到處理室13。此外,第15圖中省略分流路L2~Ln的流量調整器16。
但是,在上述第15圖的氣體分流供應裝置也是,例如從訊號產生器11輸入流量設定訊號Sa,在剛起動壓力式流量控制裝置(FCS)4而對分流路L1開始導入氣體之後(亦稱為氣體供應導入時),在熱式流量感測器(MFM)6的流量檢測訊號Sm顯示峰值,而在所謂分流路L1的分流量Q1產生過衝使得分流量Q1的控制精度大 幅降低。
又,作為防止上述對分流路L1剛開始導入氣體後產生的流量過衝以提升分流量Q1的控制精度之策略,本發明人等開發出如第16圖所示之氣體分流供應系統,反覆進行其動作測試等。
亦即,第16圖係動作測試中的氣體分流供應系統之全體構造圖,讓4系統(n=4)分流路L1~L4通過一個大型反應爐(例如,大型製程處理室)15,將既定分流量Q1~Q4的氣體G分流供應。
此外,第16圖中,15為大型反應爐、16為流量調整器、16a~16d為切換型控制器、Sv1~Sv4為閥驅動訊號、Sk1~Sk4為閥開啟度控制訊號、Sm1~Sm4為流量檢測訊號、Sa1~Sa4為流量設定訊號。又,第16圖中,對與前述第15圖共通之部位、構件附加與其相同的參考符號。
參考第16圖,在穩定狀態中,將來自氣體供應源1且藉由壓力調整器2調整成壓力300~500KPa(abs)之氣體G,在壓力式流量控制裝置(FCS)4將流量控制成所希望的設定流量Q(例如1000~3000sccm),而供應到各分流路L1~L4
在各分流路L1~L4,從外部將分流量控制指令訊號Ss輸入到各流量調整器16的各切換型控制器16a~16d,進行所謂的反饋分流量控制,且從切換型控制器16a~16d將閥驅動訊號Sv1~Sv4輸入到閥驅動部8a~8d而驅動電動閥7a~7d,藉此將對應於流量設定訊號Sa1~ Sa4的分流流量Q1~Q4供應到反應爐15。
亦即,閥驅動訊號Sv1~Sv4因為來自熱式流量感測器6a~6d的流量檢測訊號Sm1~Sm4而受到反饋控制,藉此將各分流量Q1~Q4控制成對應於流量設定訊號Sa1~Sa4的設定分流量。
又,如以暫時中止供應氣體G之後再度進行氣體供應(亦即,氣體導入開始時)的方式,使壓力式流量控制裝置(FCS)4於流量未控制的狀態下對各分流路L1~L4進行氣體供應時,首先對各切換型控制器16a~16d輸入開啟度控制指令訊號Sp,藉此將切換型控制器16a~16d保持於開啟度控制模式,該開啟度控制模式係對電動閥7a~7b進行開啟度控制。
其結果,從各切換型控制器16a~16d對各電動閥7a~7d的閥驅動部8a~8d輸出閥開啟度控制訊號Sk1~Sk4,各電動閥7a~7d並非全開狀態,而是保持在藉由閥開啟度控制訊號Sk1~Sk4事先設定的一定之閥開啟度(亦即,限制狀態)。
然後,經過一定時間(例如0.1~1秒鐘)由壓力式流量控制裝置(FCS)4進行流量控制,達到經控制流量後的總流量Q的氣體被供應之狀態時,輸入分流量控制指令訊號Ss,將切換型控制器16a~16d的控制模式自動地(或者手動操作)從閥開啟度控制狀態切換到分流量控制狀態。藉此,進行藉由來自熱式流量感測器6a~6d的流量檢測訊號Sm1~Sm4之反饋流量控制,將各分流 路L1~L4的分流量Q1~Q4控制成設定分流量。
此外,前述開啟度控制模式下的閥開啟度控制訊號Sk1~Sk4,係依據壓力式流量控制裝置(FCS)4的總流量或分流比(Q1/Q2/Q3/Q4)等而事先適當地設定。
又,作為電動閥7a~7d,係使用以脈衝馬達作為驅動源之凸輪驅動型開閉閥。
第17圖係分流量控制裝置的主要部即切換型控制器16a之構造說明圖,17為閥開啟度控制指令訊號發訊器,18為分流量控制指令訊號發訊器,19為控制切換機構,20為閥開啟度控制機構,21為依據來自熱式流量感測器6的流量檢測訊號Sm之分流量控制機構,23為流量檢測訊號Sm的輸入端子,24為來自壓力式流量控制裝置(FCS)4的控制切換訊號Sx的輸入端子。
當氣體開始導入時(壓力式流量控制裝置(FCS)4於未控制流量的狀態下對分流路供應氣體時),首先從閥開啟度控制指令訊號發訊器17透過端子22將開啟度控制指令訊號Sp輸入到閥開啟度控制機構20,此處事先設定的閥開啟度訊號(例如,40%開啟度、50%開啟度等)Sk係從閥開啟度控制機構20輸入到閥驅動部8,將電動閥7保持在既定之閥開啟度。
此外,在前述閥開啟度控制指令訊號發訊器17當然附設有閥開啟度設定訊號Sk的輸入機構。
實行藉由前述壓力式流量控制裝置(FCS)4 的流量控制來控制總流量Q時,切換訊號Sx從端子24輸入到控制切換機構19,藉此發出分流量控制指令訊號Ss使分流量控制機構21動作,藉由來自熱式流量感測器6的流量檢測訊號Sm和來自附設在分流量控制指令訊號發訊器18的流量設定機構之流量設定訊號Sa,進行閥驅動訊號Sv的反饋控制,進行藉由電動閥7的分流量控制。
此外,上述藉由分流量控制機構21對分流量控制之切換,亦可藉由閥開啟度控制機構20動作後經過一定時間即自動地將控制切換訊號Sx發送到控制切換機構19進行切換,以取代從輸入端子24輸入控制切換訊號Sx。又,當然亦可藉由從分流量控制指令訊號發訊器18對控制切換機構19輸入分流量控制指令訊號Ss來切換成分流量控制。
又,前述閥開啟度(亦即,閥開啟度控制訊號Sk)的設定,係記憶使用該氣體分流供應裝置進行目標分流量(設定流量Sa)的流量控制時的電動閥7的閥開啟度,較佳為將該閥開啟度事先設定輸入到閥開啟度控制機構20作為閥開啟度控制訊號Sk。
上述第16圖的氣體分流供應系統,不是如第15圖所示之從前的氣體分流供應系統的情形在氣體導入開始時讓設置在各分流路的所有的電動閥7的閥開啟度為全開狀態,而是保持在事先設定的既定之閥開啟度,藉此能防止起因於電動閥7的開啟度控制之時間延遲造成的開 始導入氣體時的過衝,因此具有能大幅提升分流量控制精度的效用。
但是,上述第16圖的氣體分流供應系統仍存留有許多必須解決的問題。例如,由於控制氣流量較多,作為電動閥,大多使用脈衝馬達驅動型凸輪閥,但該脈衝馬達驅動型凸輪閥,由於藉由彈簧機構於一定之按壓負重施加在閥座部之狀態進行閥全閉位置調整,因此需要位置調整用彈簧機構,除了難以謀求電動閥7的構造之簡單化及小型化之外,閥全閉位置的調整需耗費時間,並且有容易經常發生全閉時產生座部洩漏之問題(日本特開2008-57594號、日本特開2011-117473號等)。
又,熱式流量感測器6的零點輸出值容易產生所謂溫度偏差,因此分流量控制精度會變動。
再者,熱式流量感測器6的流量檢測值一般會因為整流層部的壓力使得檢測流量值變動,且檢測流量存在有壓力依賴性。因此,會有開啟度控制和分流量控制的控制精度降低之問題。
此外,熱式流量感測器6的檢測流量誤差為最小時的整流層部的壓力係依各個熱式流量感測器而各自不同。其結果,100Torr以下的減壓環境中,起因於熱式流量感測器的整流層部的壓力之不同,使得有各分流路L1~Ln的分流量控制精度的降低成為問題。
此外,分流量控制裝置的主要部切換型控制器16a~16d的PID控制常數係完全以固定值設定,因此 與總流量Q之大小無關,而是依據一定之PID控制常數進行分流量控制,結果並非由最適當的PID控制常數來控制,因此會有控制的應答性和控制精度無法提升之問題。
此外,基於根據總流量Q和分流比(Q1/Q2/Q3/Q4)等而適當設定的開啟度控制訊號Sk1~Sk4,將所有的電動閥7a~7d同時且並行地分別控制於既定閥開啟度。因此,形成開啟度控制互相干涉的情形,結果除了控制容易變得不穩定之外,達到控制穩定為止要花很多時間,而有分流量控制的應答性降低且無法提升控制應答性之問題。
本案之發明係為了解決從前的氣體分流供應裝置之如上述的各問題,本發明之主要目的在於,(a)簡單且低廉地防止開始對分流路導入氣體時產生的氣體過衝,(b)謀求電動閥7構造的簡單化、小型化、閥全閉位置調整的容易化及防止全閉時的座部洩漏問題,(c)防止熱式流量感測器6的流量檢測值的零點溫度偏差和起因於檢測流量誤差的壓力依賴性等的閥開啟度控制和分流量控制精度之降低,(d)依據對應於總流量Q的大小之最適當PID控制常數,提升控制的應答性和控制精度,(e)首先只將最大分流量這一條流路固定在既定之閥開啟度,防止開啟度控制互相干涉,藉由提升分流量控制的 應答性等,提供具備高分流量(分流比)控制精度和控制應答性且構造能簡單化及小型化之氣體分流供應系統。
關於本發明之氣體分流供應裝置的第1態樣,具備:流量控制裝置,係控制來自氣體供應源的氣體之流量;複數個分流路L1~Ln,係並列連接而使來自流量控制裝置的氣體分流到氣體使用部位;熱式流量感測器29a~29n,係介設在各分流路L1~Ln;電動閥281~28n,係設置在各熱式流量感測器291~29n的下游側;控制器16a~16n,係控制各電動閥281~28n的開閉;以及流量比設定運算器RSC,係從外部輸入流量比指令值並且依據各熱式流量感測器291~29n的流量來運算總流量,且根據該運算後的總流量和前述流量比指令值來運算各分流路L1~Ln的流量值,將該運算流量值作為設定流量而輸入到各切換型控制器16a~16n;首先,將從前述流量比設定運算器RSC輸入的設定流量值成為最大的任一分流路L1~Ln之開啟度保持於一定值而作為非控制狀態,並且將其他分流路L1~Ln的開啟度控制在設定開啟度,然後,藉由各控制器16a~16n將各分流路L1~Ln的分流量進行反饋控制。
本發明之第2態樣,係於上述第1態樣的發明中,保持於一定值的閥開啟度為75%之構造。
本發明之第3態樣,係於上述第1態樣的發 明中,依據各熱式流量感測器291~29n的流量檢測訊號Sm透過各控制器16a~16n來調節電動閥281~28n的開啟度之分流量的反饋控制時的PID控制常數,是對應於來自流量控制裝置的氣體之總流量進行調整。
本發明之第4態樣,係於上述第1態樣的發明中,電動閥281~28n為脈衝馬達驅動型凸輪式電動閥,並且閥體為不銹鋼製之隔膜,以及閥座為具有彈性之樹脂材製,當閥全閉時,藉由閥座的彈性確保前述隔膜和閥座間的接觸壓之構造。
本發明之第5態樣,係於上述第1態樣的發明中,流量控制裝置為壓力式流量控制裝置,並且能將各控制器16a~16n切換為閥開啟度控制及分流量控制之構造。
本發明之第6態樣,係於上述第1態樣的發明中,分流路為2~4個,並且閥開啟度控制時的電動閥7的閥開啟度為全開時的40~70%。
本發明之第7態樣,係於上述第1態樣的發明中,熱式流量感測器291~29n構成為,將熱式流量感測器291~29n的溫度和零點溫度之關係事先記憶於控制器16a~16n,使用該記憶值修正零點溫度偏差。
本發明之第8態樣,係於上述第1態樣的發明中,熱式流量感測器291~29n構成為,將熱式流量感測器291~29n的檢測流量和流量檢測部的壓力之關係事先記憶於控制器16a~16n,利用該記憶值修正檢測流量 誤差。
本發明之第9態樣,係於上述第1態樣的發明中,熱式流量感測器291~29n構成為,具備將複數個管狀體並列狀地排列而成的整流層部,且使整流層部中的氣體之壓力下降減少而減少檢測流量和供應流量的誤差。
關於本發明之分流氣體供應方法,係使用上述第1態樣的分流供應裝置,從外部將流量比指令輸入到流量比設定運算器RSC,且將來自氣體供應源的氣體從流量控制裝置供應到各分流路,並且在前述流量比設定運算器RSC中使用以各熱式流量感測器291~29n檢測出的流量來運算總流量,進一步,藉由該運算出的總流量和前述流量比指令值運算各分流路L1~Ln需要的流量值,且將該運算流量值輸入到各控制器16a~16n作為設定流量之分流氣體供應方法,首先,判別從前述流量比設定運算器RSC所輸入的設定流量值成為最大的任一分流路L1~Ln,將該判別出的一個分流路之閥開啟度保持於一定值而作為非控制狀態,並且將其他分流路進行開啟度控制以調節流量比,然後,藉由各控制器16a~16n將各分流路L1~Ln的分流量進行PID反饋控制。
本案之發明中,具備:流量控制裝置,係控制來自氣體供應源的氣體之流量;複數個分流路L1~Ln,係並列連接而使來自流量控制裝置的氣體分流到氣體 使用部位;熱式流量感測器29a~29n,係介設在各分流路L1~Ln;電動閥281~28n,係設置在熱式流量感測器291~29n的下游側;控制器16a~16n,係控制各電動閥281~28n的開閉;以及流量比設定運算器RSC,係從外部輸入流量比指令值並且依據各熱式流量感測器291~29n的流量來運算總流量,且根據該運算後的總流量和前述流量比指令值來運算各分流路L1~Ln的流量值,將該運算流量值作為設定流量而輸入到各切換型控制器16a~16n;將從前述流量比設定運算器RSC輸入的設定流量值成為最大的任一分流路L1~Ln之開啟度保持於一定值而作為非控制狀態,並且控制其他分流路L1~Ln的開啟度而調節流量比,然後,藉由各控制器16a~16n將各分流路L1~Ln的分流量進行反饋控制。
其結果,能有效地防止氣體開始導入各分流路L1~Ln時的分流氣體過度流入(過衝),並且在高精度之分流量控制下,通過各分流路L1~Ln將氣體供應到氣體使用部位。
又,從前述流量比設定運算器RSC所輸入的設定流量值成為最大的任一分流路L1~Ln設為非控制狀態,於其閥開啟度保持在一定值之狀態,控制其他分流路的閥開啟度以調節流量比,因此開啟度控制的應答性提升並且開啟度控制不會互相干涉使得控制不穩定,達到控制穩定為止的時間變短,使得分流量控制的應答性提升。
再者,藉由在因應供應氣體總量之最適當的 PID控制常數下進行反饋控制,控制的應答性和控制精度能大幅提升。
此外,氣體分流供應裝置的構造能簡單化及小型化,而能減少製造成本。
L1、Ln‧‧‧分流路
Q‧‧‧總流量
Ss‧‧‧分流量控制指令訊號
Sp‧‧‧開啟度控制指令訊號
Sm‧‧‧流量檢測訊號
Sa、Sa1~Sa4‧‧‧流量設定訊號
Sv、Sv1~Sv4‧‧‧閥驅動訊號
Sk、Sk1~Sk4‧‧‧閥開啟度控制訊號
Sx‧‧‧控制切換訊號
1‧‧‧氣體供應源
2‧‧‧壓力調整器
3‧‧‧壓力感測器
4‧‧‧壓力式流量控制裝置(FCS)
5a、5b‧‧‧壓力計
6‧‧‧熱式流量感測器
7‧‧‧電動閥
8‧‧‧閥驅動部
9‧‧‧真空泵
10、10a‧‧‧節流閥
11‧‧‧訊號發訊器
12‧‧‧PID控制器
13‧‧‧製程處理室
14‧‧‧真空泵
15‧‧‧大型反應爐
16‧‧‧流量調整裝置
16a~16d‧‧‧切換型控制器
17‧‧‧閥開啟度指令訊號發訊器
18‧‧‧分流量控制指令發訊器
19‧‧‧控制切換機構
20‧‧‧閥開啟度控制機構
21‧‧‧分流量控制機構
22、23、24‧‧‧端子
OD‧‧‧外部裝置
RSC‧‧‧流量比設定運算器
U1~U4‧‧‧分流量控制單元
25‧‧‧基座本體
25a‧‧‧氣體通路
25b‧‧‧熱式流量感測器***孔
25c‧‧‧閥本體***孔
26‧‧‧入口側塊體
26a‧‧‧氣體入口
26b‧‧‧氣體通路
27‧‧‧出口側塊體
27a‧‧‧氣體出口
27b‧‧‧氣體通路
28‧‧‧凸輪式電動閥
28a‧‧‧閥本體
28b‧‧‧閥座
28c‧‧‧隔膜閥體
28d‧‧‧閥體按壓件
28e‧‧‧線形襯套
28f‧‧‧桿
28g‧‧‧齒輪
29‧‧‧熱式質量流量感測器
29a‧‧‧整流層部
29b‧‧‧流量檢測部
29c‧‧‧細管
30‧‧‧控制用基板
31‧‧‧固定用螺絲
32‧‧‧殼體
33‧‧‧凸輪板
34‧‧‧步進脈衝馬達
34a‧‧‧馬達軸
35、36‧‧‧行程調整用螺絲
37‧‧‧凸輪式電動閥的閥部
38‧‧‧凸輪式電動閥的閥驅動部
39‧‧‧溫度檢測器
40‧‧‧CPU
41‧‧‧壓力檢測器
42‧‧‧PID常數調整機構
43‧‧‧放大器
第1圖係有關於本發明的4分流路型氣體分流供應裝置的分流量控制單元之外形圖,(a)為前視概要圖,(b)為右側視概要圖,(c)為左側視概要圖,(d)為俯視概要圖。
第2圖係構成氣體分流供應裝置的分流量控制單元之構造圖,(a)為縱剖視概要圖,(b)為右側視概要圖,(c)為左側視概要圖。
第3圖係第2圖(a)的凸輪式閥的閥部之部分放大圖。
第4圖係顯示4分流路型氣體分流供應裝置的分流量控制單元部分的構造之系統圖。
第5圖係顯示4分流路型氣體分流供應裝置的分流量控制單元部分的構造之方塊圖。
第6圖係關於本發明的氣體分流供應裝置的分流量控制單元之動作說明圖,分別說明(a)為電源投入(起動)動作,(b)為第1分流路L1的分流比變更時之開啟度固定分流路的選定動作,(c)為第1分流路L1的分流 量控制單元的各分流路的分流量控制動作,(d)為(c)中的處理A之內容。
第7圖(a)為第2分流路L2~第4分流路L4的各分流量控制單元的分流量控制動作之說明圖,(b)為步驟S17中的PID控制的切換狀態之說明圖。
第8圖係各分流量控制單元的PID控制常數變更時的說明圖。
第9圖係本發明中使用的熱式流量感測器的零點溫度偏差對策之說明圖,分別顯示(a)為零點和溫度之關係,(b)為溫度偏差對策的處理流程,(c)為溫度偏差處理機構的構造。
第10圖係本發明中使用的熱式流量感測器的壓力依賴性對策之說明圖,分別顯示(a)為與3個個體有關的熱式流量感測器的整流層部的壓力和檢測流量誤差之關係,(b)為與施行壓力依賴性對策後的3個個體有關的熱式流量感測器的整流層部的壓力和檢測流量誤差之關係,(c)為壓力依賴性對策機構的構造。
第11圖(a)為顯示能減少熱式流量感測器的壓力依賴性的熱式流量感測器的整流層部之一例的立體圖,(b)為顯示(a)所示之熱式流量感測器的整流層部的壓力依賴性特性X者。
第12圖係顯示從前的氣體分流供應裝置之一例的系統圖。
第13圖係顯示從前的使用熱式流量控制裝置(質流 量控制器)的氣體供應裝置之一例的系統圖。
第14圖係顯示熱式流量控制裝置的構造之說明圖。
第15圖係從前的使用PID控制器的流量調整裝置的氣體分流供應裝置之一例的說明圖。
第16圖係先前開發的氣體分流供應裝置的構造系統圖。
第17圖係先前開發的切換型控制器的構造及動作之說明圖。
以下,根據圖式說明本發明之一實施形態。
第1圖係關於本發明之一實施形態的4分流路型氣體分流供應裝置的分流量控制單元之外形圖,(a)是前視圖,(b)是右側視圖,(c)是左側視圖,(d)是俯視圖。又,本實施形態中,構成為以並列狀(橫向排列狀)一體組合4台分流量控制單元U1~U4,藉此讓既定流量Q1~Q4的氣體G通過4系統(n=4)的分流路L1~L4而供應到4處之氣體使用部位。
又,4分流路型分流量控制單元的外形尺寸形成為高度H約160mm、橫寬W約100mm、深度L約180mm,單元U1和單元U2以及單元U3和單元U4係各自形成為一體。
此外,前述第1分流路L1又稱為主分流路或主路線,但本發明中稱為第1分流路L1。同樣地,第1分流 路L1用的分流量控制單元U1又稱為主分流量控制單元或主分流量控制單元,但本發明中僅稱為分流量控制單元。
第2圖係構成氣體分流供應裝置的一個分流量控制單元之構造圖,(a)是縱剖視概要圖,(b)是右側視概要圖,(c)是左側視概要圖。第1圖及第2圖中,各分流量控制單元U1~U4具備:不鏽鋼製的基座本體25、固定於其兩側的入口側塊體26及出口側塊體27、凸輪式電動閥28、熱式流量感測器29、控制用基板30、殼體32、固定用螺絲31等,在前述基座本體25設置有氣體通路25a、熱式流量感測器***孔25b、閥本體***孔25c等。
又,在前述入口側塊體26,氣體入口26a、氣體通路26b在出口側塊體27分別設置有氣體出口27a、氣體通路27b。
前述凸輪式電動閥28具備:旋入到基座本體25的閥本體***孔25c內而固定之閥本體28a、配置到閥本體28a底面的金屬隔膜製之閥體28c、作為閥座的合成樹脂製之閥座28b、閥體按壓件28d、線形襯套28e、桿28f、透過軸承28g軸支在桿28f上端之凸輪輥28h、抵接在凸輪輥28h之凸輪板33、步進馬達34、馬達軸34a、行程調整螺絲35、36等。
又,前述熱式流量感測器29裝設在基座本體25的熱式流量感測器***孔25b內,具備整流用的整流層部29a和流量檢測部29b等。進一步,39係設置在基座本體25 內之氣體溫度檢測器。
此外,上述凸輪式電動閥28除了行程調整機構部分之基本構造和熱式流量感測器29之構造,不鏽鋼製之基座本體25及固定於其兩側的入口側塊體26和出口側塊體27之構造,凸輪式電動閥28、熱式流量感測器29、控制用基板30及殼體32等之組裝構造等本身,係已為眾所周知之事項。因此在此處省略其詳細說明。
第3圖係前述凸輪式電動閥28的閥部分之部分放大圖,構成為:隔膜閥體28c的外表面側被按壓到PCTFE等合成樹脂製閥座28b上面,該閥座28b係固定到基座本體25側,藉由此時產生的閥座28b自體的反彈力,確保閥座28b和隔膜閥體28c間的密封性。亦即,桿28f及閥體按壓件28d不像從前的凸輪式電動閥具有用以調整桿28f的按壓力之彈簧等機構,而是構成為藉由閥座28b自身具有的彈性力來確保閥座28b和隔膜閥體28c間的密封性。
此外,閥部分的構造本身與從前的金屬隔膜型閥的閥部相同。
前述桿28f及閥體按壓28d的行程(閥全閉的閥體按壓件28d的下端位置)之調整,係藉由行程調整螺絲35、36的鎖入量之調整來進行,藉由這種構成則不需要從前的凸輪式電動閥時的彈性力調整用之彈簧等,而藉由閥座28b的彈性力確保密封功能,使凸輪式電動閥28的構造能簡單化及大幅小型化。
第4圖係顯示關於構成本發明之一實施形態的4分流路型氣體分流供應裝置的主要部之分流量控制單元部分的全體構造圖,亦為進行4個分流路L1~L4的分流量控制之構造。又,第5圖係分流量控制單元部分的零件構造圖,與第4圖實質上相同。
此外,作為氣體分流供應裝置,除了該分流量控制單元部分以外,前述第16圖記載的氣體供應源1、壓力調整器2、流量控制裝置等當然是必要的。
參考第4圖及第5圖,該分流量控制單元係將從氣體供應源(省略圖示)供應來的總流量Q的氣體分流成分流量Q1、Q2、Q3、Q4,供應到反應爐15等氣體使用部位。此外,第4圖係顯示分流到4分流路L1~L4的情形,但分流路的數目也有2路線或者3路線的情形,或4路線以上的情形。
上述第4圖及第5圖中,Q為總流量,Q1、Q2、Q3、Q4為分流量,U1為分流路L1用的分流量控制單元,U2、U3、U4為分流路L2、分流路L3、分流路L4用的分流量控制單元,291~294為熱式質流量感測器(MFM),16a~16d為切換型控制器(PCB1~PCB4),15為反應爐,9為真空泵,371~374為凸輪式電動閥的閥部(V1、V2、V3、V4),381~384(D1、D2、D3、D4)是閥驅動部。421~424為PID常數調整機構,431~434為放大器。
此外,上述切換型控制器16a、16b、16c、16d有時為一體形成,於該情形時,在各控制器16a、 16b、16c、16d使用相同的基板,其結果為在各控制器16a、16b、16c、16d也分別設置有流量比設定運算器RSC,但製品出貨時,將第1分流路L1用的控制器16a和分流路L2~L4用的控制器16b、16c、16d分別設定,僅讓第1分流路L1用的控制器16a的流量比設定運算器RSC動作。此外,第4圖係將控制器PCB1(16a)設定在第1分流路用控制器16a。
接著,說明該分流量控制單元的控制動作。
參考第4圖,在分流量控制單元U1(第1流路L1)的切換型控制器PCB1(16a)設置有流量比設定運算器RSC,從上位裝置或外部裝置OD輸入對各分流路的流量比設定指令,並且在必要時,從流量比設定運算器RSC對上位裝置或外部裝置OD輸出運算後的各時點之各分流路的分流量和分流比(流量比)。
上述流量比設定運算器RSC係對應從上位裝置或外部裝置OD輸入的流量比指令訊號,設定各分流路L1~L4的切換型控制器16a~16d的流量比,或使用來自各熱式流量感測器291~294的流量檢測訊號進行總流量Q及各分流路L1~L4的流量比之運算。
又,流量比設定運算器RSC係將上述運算後的流量比輸出到各控制器16a~16d,並且進行來自各控制器16a~16d的閥開啟度指令訊號之檢查和各分流路的凸輪式電動閥28的開啟度檢查等。
亦即,如後述,各切換型控制器16a~16d首 先以閥開啟度控制模式,將各凸輪式電動閥28的閥開啟度對應於流量比指令訊號予以控制,然後以分流量控制模式,藉由PID控制方式將各凸輪式電動閥28的閥開啟度進行反饋控制,使閥驅動部381~384動作以達到由流量比設定運算器RSC指定的既定之分流量Q1,Q2,Q3,Q4
又,在各控制器16a~16d事先記憶有PID控制資訊,對應於經指定的分流流量Q1,Q2,Q3,Q4之值而選擇最適當的PID控制常數(控制參數),進行藉由PID控制方式之各凸輪式電動閥28的反饋控制。
第6圖係顯示各分流量控制單元等的具體動作序列,首先如第6圖(a)所示,藉由將電源供應到氣體分流供應裝置而驅動各分流量控制單元等,使各切換型控制器16a~16d進入開啟度控制模式。而且,各凸輪式電動閥28的馬達3朝閥閉方向轉動(S1),首先檢測全閉時的閥開啟度原點(S2)。而且,檢測原點時,接著將各閥28的閥開啟度暫時保持於100%開啟度(S3)。
接著,流量比設定運算器RSC將從外部裝置(上位裝置)OD接受到的流量比指令值輸入到第1分流路用的分流量控制單元U1,進行第1分流路L1的流量比之變更(設定)(第6圖(b))。亦即,如第6圖(b)所示,設定或者變更第1分流路L1的流量比時,分析流量比(S4),判斷流量比(分流比)的最大設定分流路是否為2個以上(S5)。判斷結果,最大流量比的分流路為一個時,將其最大流量比的分流路的電動閥28之開啟度 保持於75%(S6)。又,最大流量比的分流路為2個以上時,將指定ID較年輕的編號之分流路的電動閥28之開啟度固定於75%並保持之(S7)。
藉由上述閥開啟度控制模式,一個最大流量比(分流比)的分流路之選擇及其電動閥的閥開啟度固定(75%)完成後,接著將各切換型控制器16a~16d切換成分流量控制模式,進行各分流路的分流量控制。
此外,最大流量比(分流比)的分流路的開啟度設定於75%,係因在通常的電動閥,設計成閥開啟度75%程度之下的控制流量為最大,閥開啟度超過75%時,控制性能會大幅降低。又,該閥開啟度75%可根據電動閥的種類在40~80%範圍內適當選定。
首先,如第6圖之(c)及(d)所示,在第1分流路L1用的分流量控制單元U1,流量比控制為ON時,進行:各分流路的檢測流量值之讀取(S7)、總流量及流量比之運算以及其輸出(S8)、根據設定的流量比(分流比)運算各分流路的控制流量(S9)、運算後的流量指令值對各分流路之輸出(S10)、各分流路的閥開啟度之再檢查(S11),開啟度75%的閥為一個時,結束藉由第1分流路L1用的分流量控制單元U1之處理,進入切換型控制器16a的PID反饋控制。當然,其他分流量控制單元的切換型控制器也同時並行地進入PID反饋控制。
又,開啟度75%的閥為二個以上時,判斷其為二個或者三個(S13),為二個閥時更換75%開啟度指令的分 流路(S14)。亦即,將分流量增加上去的分流路的電動閥之開啟度予以固定。
又,為三個閥時,將75%開啟度指令輸入前述ID較新的分流路之電動閥(S15)。
上述第6圖(d)所示之藉由第1分流路L1用分流量控制單元U1的流量比設定運算器RSC之處理A,係即使在控制中的分流路變得流量不足之情形仍能進行流量比控制,流量比設定運算器RSC係根據開啟度判斷而進行處理。
第7圖係最大流量比(分流比)的75%開啟度固定分流路之指定結束後,顯示藉由分流量控制模式之各分流路L1~L4的藉由各切換型控制器16a~16d之分流量控制者,從流量比設定運算器RSC將流量值的更新指令輸入到各控制器16a~16d(S16)後,首先各切換型控制器16a~16d以一定速度驅動各凸輪式電動閥28(S17),判斷流量檢測值是否進入流量指令值的上、下1SCCM之範圍(S17a)。於進入上、下1SCCM之範圍的情形,開始所謂的PID反饋控制(S18)。亦即,操作各凸輪式電動閥28使來自流量比設定運算器RSC的流量指令值和各分流路L1~L4的檢測流量一致。
此外,第7圖(b)係上述各凸輪式電動閥28的一定速度驅動之說明圖,在流量控制目標值的上、下設定切換位準(第7圖(a)中的上、下1SCCM),以一定速度驅動控制各凸輪式電動閥28的開啟度至達到各切換 位準為止,然後藉由切換成PID控制來提升分流量控制的應答性。此外,上述上、下1SCCM的切換位準可適當變更。
第8圖係上述PID反饋控制中的PID參數之控制說明圖。本發明係於各分流路的各切換型控制器16a~16d的記憶體內,記憶事先求出的流量和最適當控制時的PID常數值之關係,從流量比設定運算器RSC將總流量Q、分流量Q1~Q4之資訊輸入到各分流路L1~L4的切換型控制器16a~16d(S19),參考該總流量Q、分流量Q1~Q4之資訊和記憶在各切換型控制器16a~16d的記憶體內的PID常數(S20),進行與總流量等一致的PID常數之選定及使用該常數之PID反饋控制(S21)。
已了解本發明使用的熱式流量感測器29於室溫下進行零點調整後,與環境溫度變化一起產生零點偏差。第9圖的(a)係顯示從前的泛用型熱式流量感測器的零點和溫度之關係,本發明為了避免該零點變動(溫度偏差)之影響,如第9圖(b)所示,事先確認過檢測溫度和零點之關係(S22),將該關係記憶於CPU(S23),使用前述記憶值算出實際的檢測溫度下的熱式流量感測器29的零點(S24),藉由將算出的零點加算/減算於檢測溫度下的熱式流量感測器29的流量輸出,以修正熱式流量感測器29的溫度偏差(S25)。
第9圖(c)係用於進行上述第9圖(b)的處理之處理機構的構造圖,在熱式流量感測器29的上流側設置溫 度檢測器39,且在CPU40設置溫度和零點特性的記憶部40a及流量值的運算部40b之構造。
又,在熱式流量感測器29可見到較大的所謂之壓力依賴特性,該壓力依賴特性對熱式流量感測器的校正面及流量測定值的修正面皆有影響。
第10圖(a)係顯示將相同流量的氣體供應到3個熱式流量感測器29時的整流層部之壓力(Torr)和檢測流量誤差之關係,了解各個體的流量誤差為零時之壓力值不同。此外,直線E係誤差為零之路線。
亦即,藉由熱式流量感測器29檢測到的流量值,會因為熱式流量感測器的整流層部的壓力條件而各個有不同的流量誤差。因此,本發明係於進行流量校正時,以統一壓力條件而實施的方式,即使在減壓環境下,如第10圖(b)所示,熱式流量感測器29的流量誤差亦不會出現顯著的個體差異。
進一步,本發明係事先調査熱式流量感測器29的檢測流量值和熱式流量感測器部的壓力之關係,將其記憶在CPU,並且監視熱式流量感測器的整流層部之壓力,利用該熱式流量感測器的整流層部的壓力和前述記憶在CPU的檢測流量值和整流層部的壓力之關係資訊,運算檢測流量值的誤差量。而且,將該運算後的誤差量加算/減算於檢測流量值,藉此將實際的檢測流量值的誤差歸零。
第10圖(c)係用以進行上述檢測流量值之 修正的修正機構之構造圖,40為CPU,40a1為壓力-流量誤差特性之記憶部,40b1為流量值之運算部,與前述第9圖(c)的情形基於相同的思想。
此外,作為減少熱式流量感測器的整流層部29a的壓力依賴性之策略,本案之發明人做成如第11圖之(a)般使複數細管29c平行狀配置之構造的整流層部29a,使用其調査熱式流量感測器29的檢測流量誤差和熱式流量感測器部之壓力關係。
第11圖之(b)顯示其調査結果,分別表示:曲線X為使用細管29c之如第11圖之(a)形態的整流層部(層流元件)的情形,且曲線Y為從前的旁通座型的整流層部(層流元件)的情形。直線E係誤差為零之路線。
從曲線X能了解,使用細管之毛細管型整流層部能使熱式流量感測器的檢測流量誤差的壓力依賴性顯著地減少。
〔產業上之可利用性〕
本發明不僅用於半導體製造裝置用的氣體分流供應裝置,只要是總流量控制使用流量控制裝置之裝置,則亦能廣泛適用於化學品製造裝置用氣體供應設備等。
D1、D2、D3、D4、381、382、383、384‧‧‧閥驅動部
L1、L2、L3、L4‧‧‧分流路
OD‧‧‧來自外部裝置(上位)的流量比指令訊號
Q、Q1、Q2、Q3、Q4‧‧‧分流量
RSC‧‧‧流量比設定運算器
U1、U2、U3、U4‧‧‧分流量控制單元
9‧‧‧真空泵
15‧‧‧大型反應爐
16a~16d‧‧‧切換型控制器
291、292、293、294‧‧‧熱式流量感測器
371、372、373、374‧‧‧凸輪式電動閥

Claims (10)

  1. 一種氣體分流供應裝置,其特徵在於,係具備:流量控制裝置,係控制來自氣體供應源的氣體之流量;複數個分流路,係並列連接而使來自流量控制裝置的氣體分流到氣體使用部位;熱式流量感測器,係介設在各分流路;電動閥,係設置在熱式流量感測器的下游側;控制器,係控制各電動閥的開閉;以及流量比設定運算器,係從外部輸入流量比指令值並且依據各熱式流量感測器的流量來運算總流量,且根據該運算後的總流量和前述流量比指令值來運算各分流路的流量值,將該運算流量值作為設定流量而輸入到各控制器,首先,將從前述流量比設定運算器輸入的設定流量值成為最大的任一分流路之開啟度保持於一定值而作為非控制狀態,並且將其他分流路的開啟度控制在設定開啟度,然後,藉由各控制器將各分流路的分流量進行反饋控制。
  2. 如申請專利範圍第1項之氣體分流供應裝置,其中,將閥開啟度保持於75%。
  3. 如申請專利範圍第1項之氣體分流供應裝置,其中,依據各熱式流量感測器的流量檢測訊號透過控制器來調節電動閥的開啟度之分流量的反饋控制時的PID控制常數,是對應於來自流量控制裝置的氣體之總流量進行調整。
  4. 如申請專利範圍第1項之氣體分流供應裝置,其中,電動閥係脈衝馬達驅動型凸輪式電動閥,且閥體為不 銹鋼製之隔膜,以及閥座為具有彈性之樹脂材製,當閥全閉時,藉由閥座的彈性確保前述隔膜和閥座間的接觸壓。
  5. 如申請專利範圍第1項之氣體分流供應裝置,其中,流量控制裝置係壓力式流量控制裝置,並且能將控制器切換為閥開啟度控制及分流量控制。
  6. 如申請專利範圍第1項之氣體分流供應裝置,其中,分流路為2~4個,並且閥開啟度控制時的電動閥的閥開啟度為全開時的40~70%。
  7. 如申請專利範圍第1項之氣體分流供應裝置,其中,熱式流量感測器構成為,將熱式流量感測器的溫度和零點溫度之關係事先記憶於控制器,使用該記憶值修正零點溫度偏差。
  8. 如申請專利範圍第1項之氣體分流供應裝置,其中,熱式流量感測器構成為,將熱式流量感測器的檢測流量和流量檢測部的壓力之關係事先記憶於控制器,利用該記憶值修正檢測流量誤差。
  9. 如申請專利範圍第1項之氣體分流供應裝置,其中,熱式流量感測器構成為,具備將複數個管狀體並列狀地排列而成的整流層部,且使整流層部中的氣體之壓力下降減少而減少檢測流量和供應流量的誤差。
  10. 一種氣體分流供應方法,係使用氣體分流供應裝置,該氣體分流供應裝置具備:流量控制裝置,係控制來自氣體供應源的氣體之流量;複數個分流路,係並列連接而使來自流量控制裝置的氣體分流到氣體使用部位;熱式 流量感測器,係介設在各分流路;電動閥,係設置在熱式流量感測器的下游側;控制器,係控制各電動閥的開閉;以及流量比設定運算器,係從外部輸入流量比指令值並且依據各熱式流量感測器的流量來運算總流量,且根據該運算後的總流量和前述流量比指令值來運算各分流路的流量值,將該運算流量值輸入到各控制器作為設定流量;該氣體分流供應方法係從外部將流量比指令輸入到流量比設定運算器,且從流量控制裝置將來自氣體供應源的氣體供應給各分流路,並且在前述流量比設定運算器,使用由各熱式流量感測器檢測到的流量來運算總流量,而且,根據該運算後的總流量和前述流量比指令值來運算各分流路所需的流量值,將該運算流量值輸入到各控制器作為設定流量;在前述氣體分流供應方法,首先,判別從前述流量比設定運算器所輸入的設定流量值成為最大的任一分流路,將該判別出的一個分流路之閥開啟度保持於一定值而作為非控制狀態,並且將其他分流路進行開啟度控制以調節流量比,然後,藉由各控制器將各分流路的分流量進行PID反饋控制。
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