CN102057340B - 热式质量流量调整器用的自动压力调整器 - Google Patents

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Abstract

在变更流量调整器的输出流量或变更流通的气体种类时，其输出侧的流量不产生过冲。本发明是一种向流量调整器供给的气体供给压力的自动压力调整器(20)，由压电元件驱动型压力调整阀(15)、控制压检测器(14)以及控制器(16)构成上述自动压力调整器(20)，该控制压检测器设在压力调整阀(15)的输出侧，该控制器被输入控制压检测器(14)的检测值(P2)和控制压的设定值(Pst)，利用比例控制方式而向压力调整阀(15)的压电元件驱动部供给控制信号，进行阀的开度调整，并且，通过使积分动作无效，将控制器的所述比例控制方式作为控制压产生残留偏差的控制。

Description

热式质量流量调整器用的自动压力调整器
技术领域
本发明涉及一种向半导体制造用的室等供给气体的气体供给装置的流量调整器用自动压力调整器，涉及在切换供给气体流量时等能够几乎完全防止在流量调整器的流量输出所产生的过冲(overshoot)的流量调整器用自动压力调整器。 
背景技术
在半导体制造装置等的气体供给装置中，以往如图13所示，在来自气体供给源SG的气体供给线设置压力调整器R，在该压力调整器R的输出侧的气体供给管路Lo设置多个分支管路La、Lb、Lc，并且，在各分支管路La、Lb、Lc设置自动压力调整器5a、5b、5c和热式质量流量调整器MFC1、MFC2、MFC3，该自动压力调整器5a、5b、5c由调节器1a、1b、1c，输入侧压力传感器2a、2b、2c，出口侧压力传感器3a、3b、3c，控制器4a、4b、4c构成，如果各热式质量流量调整器MFC1、MFC2、MFC3的入口侧压力传感器2a、2b、2c和出口侧压力传感器3a、3b、3c的压力差ΔP处于设定值的范围外，则经由控制器4a、4b、4c而对调节器1a、1b、1c施加反馈，调整各调节器1a、1b、1c的出口侧压力，进行自动控制，从而使上述压力差ΔP处于设定值的范围内，能够将设定流量的气体向各气体使用对象6a、6b、6c稳定地供给。 
另外，上述各控制器4a、4b、4c的控制具备所谓的PID控制动作的特性，为了以更少的循环使入口侧压力传感器2和出口侧压力传感器3之间的压力差(偏差)ΔP尽早地收敛至零，具备自动地调整P控制动作、I控制动作以及D控制动作的各控制动作量的自动调整功能。 
上述图13所示的以往的自动压力调整器5a、5b、5c，能够以高精度控制向作为气体使用对象的真空室等供给的气体流量，并且，即使在使供给气体流量变化的情况下，也能够比较迅速地使气体流量收敛至新的设定流量，起到优异的实用效用。 
但是，该图13所示的自动压力调整器5a、5b、5c还留有许多应该解决的问题。其中，一个应该紧急解决的问题是，在将流量10～1000SCCM的程度的气体向真空室(101～10-5torr)供给时，如果利用自动压力调整器5a、5b、5c使气流间断，则在气体供给开始时，热式质量流量调整器MFC1、MFC2、MFC3的出口侧流量产生所谓的过冲，在气体种类的切换供给激烈的成膜装置等中，对膜的致密性或膜厚等带来变动，难以形成均一膜质的膜。 
专利文献1：日本特开平7-240375号公报 
专利文献2：日本特开2005-339439号公报 
发明内容
本发明申请解决了以往的自动压力调整器5a、5b、5c中的如上所述的问题，即，解决了这样的现象：在切换气体流量设定时，尤其是在气体供给开始时，由于控制器4a、4b、4c的控制特性或自动调节器1a、1b、1c的流量控制特性，在热式质量流量调整器MFC产生所谓的流量的过冲，发明的主要目的在于，提供一种流量调整器用自动压力调整器，即使是小流量气体的流量控制，也不产生过冲，能够以热式质量流量调整器来进行高精度的流量控制。 
首先，本发明申请人等最初使用手动压力调整器40和热式质量流量调整器17，形成如图1所示的试验装置，调查手动压力调整器40的流量响应性。即，在手动压力调整器40设定控制压的设定值Pst，调查此时的热式质量流量调整器17的流量输出的阶跃响应和稳定性。 
另外，在图1中，10是N2气体供给源，11是手动压力调整器，12是过滤器，13是供给压检测器，14是控制压检测器，17是热式质 量流量调整器，18、19是阀，40是手动压力调整器，21是真空泵。 
上述N2气体供给源10使用N2填充容器，手动压力调整器11使用ERSB-2069-WE(YUTAKA制)。另外，手动压力调整器40使用SQMICROHF502PUPG6010(Parker制)，而且，热式质量流量调整器17使用FC-D98CT-BF(Aera制，F.S.50SCCM)。 
具体而言，首先，连接各设备，构成图1的试验装置。接下来，使真空泵21运转，对热式质量流量调整器17的2次侧进行抽真空。然后，接下来分别将手动压力调整器11的供给压设定为300kPaG，将手动压力调整器40的控制压设定为280kPa abs.。 
然后，利用数据记录器来计测热式质量流量调整器17的输入侧和输出侧的阶跃响应，并且，同样地计测手动压力调整器40的控制压。另外，关于热式质量流量调整器17的输入输出侧的阶跃响应和手动压力调整器40的控制压的计测，使用NR-600(基恩士(KEYENCE)制)的数据记录器。 
图2显示了上述试验中的手动压力调整器40的流量响应特性，显示了手动压力调整器40的控制压和热式质量流量调整器17的输入输出侧的阶跃响应特性。 
即，在图2中，曲线A表示热式质量流量调整器17的流量输入的值(电压值)，曲线B表示流量输出的值(电压值)，在手动压力调整器40的情况下，从放大部分C可以判明，热式质量流量调整器17的上升时的过冲极低，为满刻度(F.S.)流量的0.8％。另外，在手动压力调整器40所涉及的情况下，可以判断，如曲线D所示，在静止时和动压时，控制压产生偏差，静止时(流量0SCCM)的时候和动压时(流量50SCCM)的时候的控制压的偏差差为约5kPa左右。 
接下来，对于将图1所示的手动压力调整器40替换成如图3所示地由压力调整阀15和控制器16构成的基于PID控制动作的自动压力调整器20的情况，与上述图2时相同，调查自动压力调整器20的控制压和热式质量流量调整器17的输入输出侧的阶跃响应特性。 
另外，由于自动压力调整器20利用控制器16来进行PID控制动作所涉及的自动控制，因而其控制压的偏差最终为零。 
图4显示其结果，通过利用控制器16来进行PID控制动作，从而如曲线D所示，将自动压力调整器20的控制压向其偏差被消除的方向调整。结果，热式质量流量调整器17的流量输出的值如曲线B所示，从其放大部C可以判明，产生满刻度(F.S.)流量的约7.8％左右的过冲。 
即，判明了通过将自动压力调整器20的控制压作为利用控制器16附加有PID控制动作的自动反馈控制，从而在气体流量提高时，产生大于热式质量流量调整器17的输出值的过冲。 
本发明申请是基于如上所述的知识而开发的，其构思为通过调整对自动压力控制器20的压力调整阀15进行反馈控制的控制器16的控制特性，防止气体流量提高时的在热式质量流量调整器17的输出产生的过冲，对于基于该构思的多个自动压力控制器20，实施压力调整阀15和热式质量流量调整器17的流量响应特性试验。 
本发明申请是基于上述流量响应特性试验结果而创作的，发明的基本构成为，权利要求1的发明是一种向流量调整器供给的气体供给压力的自动压力调整器20，由压力调整阀15、控制压检测器14以及控制器16构成上述自动压力调整器20，该控制压检测器设在压力调整阀15的输出侧，该控制器被输入控制压检测器14的检测值P2和控制压的设定值Pst，利用比例控制方式向压力调整阀15的驱动部供给控制信号Q，进行阀的开度调整，并且，将上述比例控制方式作为控制压产生残留偏差的比例动作的控制。 
优选，使用压电元件驱动型的金属隔膜阀作为上述压力调整阀15。 
优选，上述流量调整器为向真空室供给气体的流量调整器。 
优选，上述压力调整阀15的控制压的范围为-0.07～0.7MPaG，另外，优选，热式质量流量调整器17的最小额定流量为1SCCM。 
优选，上述比例控制方式通过从能够进行PID控制的状态使积分控制动作无效，从而作为控制压产生残留偏差的比例动作的控制。 
在本发明中，构成为使自动压力调整器20的控制器16的控制方式为通过使积分动作无效而使控制压产生残留偏差的控制，防止流量调整器的输出侧的响应特性产生过冲。结果，即使是微小流量的气体供给，也能够防止气体流量的变更和供给气体种类的切换时的过冲，在半导体制造装置等中，力图大幅提高制品品质，并且，提高制品成品率。 
附图说明
图1是使用手动压力调整器的热式质量流量调整器的流量响应特性测量装置的说明图。 
图2是显示使用图1的流量响应特性测量装置时的热式质量流量调整器的流量响应特性的曲线图。 
图3是使用自动压力调整器的热式质量流量调整器的流量响应特性测量装置的说明图。 
图4是显示将图3的流量响应特性测量装置的自动压力调整器作为PID控制动作时的热式质量流量调整器的流量响应特性的曲线图。 
图5是显示本发明所涉及的流量调整器用自动压力调整器的构成的系统图。 
图6是本发明所使用的压力调整阀的截面概要图。 
图7显示将本发明所涉及的流量调整器用自动压力调整器的控制器作为PID控制动作时的热式质量流量调整器(10SCCM)的流量响应特性的一个示例。 
图8显示将本发明所涉及的流量调整器用自动压力调整器的控制器作为PID控制动作时的热式质量流量调整器(500SCCM)的流量响应特性的一个示例。 
图9显示与图7相同的流量响应特性的其他示例。 
图10显示将本发明所涉及的流量调整器用自动压力调整器的控制器作为使积分动作无效的控制动作时的热式质量流量调整器(10SCCM)的流量响应特性的一个示例。 
图11显示将本发明所涉及的流量调整器用自动压力调整器的控制器作为使积分动作无效的控制动作时的热式质量流量调整器(500SCCM)的流量响应特性的一个示例。 
图12显示与图10相同的流量响应特性的其他示例。 
图13是显示以往的热式质量流量调整器用的自动压力调整器的一个示例的说明图。 
标号说明
A是热式质量流量调整器(MFC)的输入值，B是热式质量流量调整器(MFC)的输出值，C是放大部分，D是压力调整阀的控制压力，Pst是控制压的设定值，10是N2气体，11是压力调整器，12是过滤器、13是供给压检测器，14是控制压检测器，15是压力调整阀(调节器)，16是控制器，17是热式质量流量调整器，18、19是阀，20是流量调整器用自动压力调整器(自动调节器)，21是真空泵，22是阀主体，22a是阀主体的孔部，23是隔膜阀芯，24是按压适配器，25是隔膜按压件，26是压电元件支撑筒体，27是蝶形弹簧，28是分割基座，29是筒体固定引导体，30是下部承受台，31是压电元件，32是轴承，33是定位件，34是仪表压传感器，35是长衬垫，36是流体入口，37是流体出口，38是泄漏检查孔，39是阀座，40手动压力调整器。 
具体实施方式
下面，基于附图，说明本发明的实施方式。 
图5显示本发明申请的一个实施方式。另外，该图5与上述图3的情况的不同点仅在于，所使用的热式质量流量调整器17是满刻度(F.S.)流量为10SCCM和500SCCM的热式质量流量调整器，以及控制 器16能够选择PID控制动作和通过使积分动作无效而使控制压产生残留偏差的控制动作中的任一个。 
另外，众所周知，PID控制动作是压力调整阀15的控制压的控制偏差最终收敛至零的控制方式，使积分动作无效的控制动作是控制偏差不为零，具有某个一定的偏差(偏移)而收敛的控制方式。 
图6是构成本发明所涉及的自动压力控制器20的压力调整阀15的截面概要图，压力调整阀15使用所谓的压电驱动式金属隔膜型控制阀。即，该压力调整阀15的主要部分由以下构成：不锈钢制的阀主体22；金属隔膜阀芯23；按压适配器24；筒状的压电元件支撑筒体26，在下端部设有隔膜按压件25，具有向阀主体23的孔部22a内垂直状地插入的底壁；配设在支撑筒体26的底壁上的蝶形弹簧27；对按压适配器24进行按压的分割基座28；筒体固定引导体29，通过将分割基座28的凸缘部向下方按压，从而将分割基座28向阀主体22固定；设在支撑筒体26内的下部承受台30；向支撑筒体26内插入的压电元件31；配设在压电元件31的上端部的轴承32；以及配设在支撑筒体26的上方的定位件33等。另外，阀主体22设有检测出口侧(2次侧)的控制压的仪表压传感器34和保持阀主体22的气密性的长衬垫35，而且，在阀主体22设有流体入口36、流体出口37、泄漏检查孔38等。 
在未输入驱动信号时，弹簧27的弹性力向下方按压支撑筒体26，经由树脂片材制的隔膜按压件25而使阀芯23向阀座39侧抵接，封闭流体通路。另外，如果向压电元件31输入驱动信号，则压电元件31伸长，下端部被支撑在下部承受台30上的压电元件31的上端向上方上升，克服弹簧27的弹性力而将支撑筒体26向上方抬起。由此，隔膜按压件25也向上方移动且阀芯23从阀座39离开，使得流体通路被导通。 
另外，由于该压力调整阀15其自身的主要构成是已知的，例如被日本特开2003-120832等公开，因而，在此省略其详细的说明。 
上述控制器16，计算来自控制压检测器14的检测压P2和压力调整阀15的设定压Pst的偏差，向压力调整阀15的驱动部(压电元件31)供给与该偏差的大小成比例的控制信号Q，在此，使用能够将比例控制方式的控制动作切换成通过使积分动作无效而使控制压产生残留偏差的控制动作和PID控制动作的控制器16。 
图7显示了，在图5中的热式质量流量调整器17是满刻度(F.S.)为10SCCM的热式质量流量调整器，另外，利用PID控制动作经由控制器16而将压力调整阀15的控制压控制为100kPa abs.的状态下，在0-20-40-60-80-100％设定将热式质量流量调整器17的流量设定进行切换时的热式质量流量调整器17的输入值和输出值。 
从图7的放大部分C可知，在压力调整阀15的控制压D复原为设定值100kPa abs.时，观察到热式质量流量调整器17的输出侧的值产生振动。另外，该现象是发明人预先预想到的。 
图8显示了将图7中的热式质量流量调整器17替换成满刻度(F.S.)流量为500SCCM的热式质量流量调整器时的测量值，成为与图7的情况相同的结果。 
图9显示了在与图7相同的条件下，在0-100％将热式质量流量调整器17的流量设定进行切换的情况，热式质量流量调整器17的输出值产生振动。 
从图7至图9可知，在将流量调整器用自动压力调整器20作为基于PID控制动作的比例控制方式而使其工作时，在任何情况下，热式质量流量调整器17的输出值B均产生振动。 
图10显示了本发明申请所涉及的流量调整器用自动压力调整器20的响应特性的主要部分，显示了在与上述图7相同的试验条件下，将控制器16的控制动作从PID控制动作切换至通过使积分动作无效而使控制压产生残留偏差的控制动作时的试验结果。 
在图10中，由于使积分动作无效，因而即使压力调整阀15的控制压D由于流量切换而产生偏差，偏差也不立即返回至零。结果，热 式质量流量调整器17的输出值B不产生振动，从试验的结果可知，即使万一产生振动，相对于满刻度(F.S.)流量的比例也极小，完全不会有产生实用上不利影响的可能性。 
图11显示了将上述图10的热式质量流量调整器17更换成满刻度(F.S.)为500SCCM的热式质量流量调整器的情况，与图10的情况相同，热式质量流量调整器17的输出值B几乎不产生振动。即，如框C所示，由于压力调整阀15的控制压不复原至切换前的值，因而热式质量流量调整器17的输出值不产生振动。 
图12显示了将上述图9中的PID控制动作切换成使积分动作无效的控制动作的情况，显示了即使在0-100％将气体流量进行切换的情况下，热式质量流量调整器17的输出值也几乎不产生振动。 
在上述各实施例中，热式质量流量调整器17的满刻度(F.S.)流量为10SCCM或500SCCM，但是，即使是1SCCM左右的满刻度(F.S.)流量，也能够得到同样的流量特性。压力调整阀15的控制压也相同，在上述各实施例中，为100kPa abs.，但是，即使是-0.07～0.7MPaG，也能够得到相同的流量特性。 
工业上的实用性 
本发明所涉及的流量调整器用自动压力调整器不仅能够适用于半导体制造领域，而且能够广泛地适用于化学品制造领域和药品制造领域等的使用流量调整器的气体供给装置，即使是微流量的气体供给，由于在气体流量的变动或供给气体种类的切换时，流量调整器的输出侧也不产生过冲，因而能够进行高精度的气体流量控制。 

Claims (2)

1.一种热式质量流量调整器用的自动压力调整器(20)，是向热式质量流量调整器(17)供给的气体的自动压力调整器，由压力调整阀(15)、控制压检测器(14)以及控制器(16)构成所述自动压力调整器(20)，该控制压检测器(14)设在压力调整阀(15)的输出侧，该控制器(16)被输入控制压检测器(14)的检测值P2和控制压的设定值Pst，利用比例控制方式而向上述压力调整阀(15)的驱动部供给控制信号(Q)，进行阀的开度调整，并且，通过从能够进行PID控制的状态使积分控制动作无效，将所述比例控制方式作为控制压(D)产生残留偏差的比例动作的控制。
2.根据权利要求1所述的热式质量流量调整器用的自动压力调整器，其特征在于，压力调整阀(15)的控制压的范围为-0.07～0.7MPaG，并且，热式质量流量调整器(17)的最小额定流量为1SCCM。
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