CN105247433B

CN105247433B - 带流量监控器的流量控制装置

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Publication number: CN105247433B
Application number: CN201480003757.4A
Authority: CN
Inventors: 永濑正明; 日高敦志; 西野功二; 池田信; 池田信一
Original assignee: Fujikin Inc
Current assignee: Fujikin Inc
Priority date: 2013-03-25
Filing date: 2014-03-17
Publication date: 2018-01-30
Anticipated expiration: 2034-03-17
Also published as: KR101707877B1; US20160282880A1; TWI507836B; CN105247433A; JP2014186662A; KR20150121156A; WO2014156042A1; TW201506568A; US9791867B2; JP5847106B2

Abstract

本发明提供一种带流量监控器的流量控制装置，通过有效地利用压力式流量控制部所具备的高耐压力变动特性，将衰减式流量监控器部组合在压力式流量控制部的上游侧，能够接近于实时地进行流量监控，并且能够使用监控流量自动调整压力式流量控制部的设定流量，而且能够实现装置的大幅度小型化和低成本化。本发明由下述部件构成：设置在上游侧的衰减式流量监控器部(BDM)；设置在其下游侧的压力式流量控制部(FCS)；将衰减式流量监控器部(BDM)与压力式流量控制部(FCS)连结，并将衰减式流量监控器部(BDM)的监控流量(Q)向压力式流量控制部(FCS)传输的信号传输电路(CT)；和设置于压力式流量控制部(FCS)，利用来自所述衰减式流量监控器部(BDM)的监控流量(Q)调整压力式流量控制部(FCS)的设定流量(Qs)的流量设定值调整机构(QSR)。

Description

带流量监控器的流量控制装置

技术领域

本发明涉及一种带流量监控器的流量控制装置的改良，详细而言，涉及一种带流量监控器的流量控制装置，通过有机地将具备耐压力变动特性的流量控制装置与衰减式(build-down，也称为下降式)流量监控器组合，能够实时监控基于流量控制装置的控制流量，并且当控制流量和监控流量间的差异超过设定值时，能够自动地调整流量控制装置侧的流量设定值。

背景技术

以往，在半导体控制装置用气体供给装置中，广泛利用热式流量控制装置MFC、压力式流量控制装置FCS。特别是，后者的压力式流量控制装置FCS如图19所示，由控制阀CV、温度检测器T、压力检测器P、孔口OL和由温度补正(校正)·流量计算电路CDa、比较电路CDb、输入输出电路CDc和输出电路CDd等形成的计算控制部CD等构成，具备所谓的即使一次侧供给压力大幅度变动，也能够进行稳定的流量控制的优良流量特性。

即，在图19的压力式流量控制装置FCS中，来自压力检测器P和温度检测器T的检测值被转换为数字值，其后被输入温度补正·流量计算电路CDa。在此进行检测压力的温度补正和流量计算，流量计算值Qt被输入比较电路CDb。另外，从端子In输入与设定流量对应的输入信号Qs，在输入输出电路CDc转换为数字值后输入到比较电路CDb，在此与来自上述温度补正·流量计算电路CDa的流量计算值Qt进行比较。在比较的结果为设定流量输入信号Qs比流量计算值Qt大的情况下，向控制阀CV的驱动部输出控制信号Pd。由此，控制阀CV被向闭锁方向驱动，直到设定流量输入信号Qs与计算流量值Qt的差(Qs-Qt)为零为止，驱动到闭阀方向。

在该压力式流量控制装置FCS中，在孔口OL的下游侧压力P₂与上游侧压力P₁之间保持P₁/P₂≥大约2的所谓临界膨胀条件的情况下，在孔口OL流通的气体流量Q为Q＝KP₁(其中K为常数)，通过控制压力P₁能够高精度地控制流量Q，并且即使控制阀CV的上游侧气体Go的压力大幅度变化，也具备所谓的控制流量值基本不变化的优秀特性。

其中，压力式流量控制装置FCS其本身为公知结构，所以在此省略其详细说明。

但是，在这种压力式流量控制装置FCS中，因为使用微小孔径的孔口OL，所以孔口OL的孔径的经年变化不可避免。而且，当孔径变化时，压力式流量控制装置FCS的设定流量(即控制流量值)与现实中在孔口OL流通的气体Go的实际流量值之间会产生差异。另外，为了检测该差异，需要频繁地进行所谓流量监控，存在对半导体制造装置的运转性、所制造的半导体的品质等造成很大影响的问题。

因此，在压力式流量控制装置的领域中，以往采用的对策是尽可能早地检测出孔口OL的孔径的变化，以防止基于压力式流量控制装置FCS的控制流量值与现实中在孔口流通的气体Go的实际流量值之间产生差异，在这种孔口OL的孔径变化等的检测中，大多采用使用所谓增进方式(build-up，也称为上升方式)或衰减方式(build-down、也称为下降方式)的气体流量测定方法。

另一方面，在上述增进方式、衰减方式的气体流量测定中，由于需要暂时停止实际气体的供给，所以存在气体流量测定对半导体制造装置的运转率的下降、所制造的半导体的品质等造成大影响的问题。

因此，近年来，在这种流量控制装置的领域中，在不断推进无需暂时停止实际气体的供给，就能实时且简单地监控供给气体的流量控制是否适当进行的带流量监控器的流量控制装置的开发。

例如，图20是表示其一个例子的图，该带流量监控器的流量控制装置20由以下部件构成：流路23、检测入口侧压力的第一压力传感器27a、开闭控制阀24、热式质量流量传感器25、第二压力传感器27b、节流部(音速喷嘴)26、计算控制部28a和输入输出电路28b等。

另外，上述热式质量流量传感器25具有整流体25a、从流路23分成规定的比例F/A的流量的分支流路25b和设置于分支流路25b的传感器主体25c，将表示总流量F的流量信号Sf向计算控制部28a输出。

进一步，节流部26是在其上游侧和下游侧的压力差为规定值以上时(即，临界条件下的流体流时)，流出与上游侧压力成比例的流量的流体的音速喷嘴。其中，在图20中，SPa、SPb为压力信号，Pa、Pb为压力，F为总流量，Sf为流量信号，Cp为阀开度控制信号。

上述计算控制部28a通过将来自压力传感器27a、27b的压力信号Spa、Spb和来自流量传感器25的流量信号Sf反馈并且输出阀开度控制信号Cp，对开闭控制阀24进行反馈控制。即，从输入输出电路28b向计算控制部28a输入流量设定信号Fs，调整使得质量流量控制装置20中流动的流体的流量F成为流量设定信号Fs。

具体而言，计算控制部28a通过使用第二压力传感器27b的输出(压力信号Spb)对开闭控制阀24的开闭进行反馈控制，由此控制在音速喷嘴26中流动的流体的流量F，并且利用此时的热式流量传感器25的输出(流量信号Sf)，进行实际上流动的流量F的测定，确认质量流量控制装置20的动作。

如上所述，在图20的带流量监控器的流量控制装置20中，由于在计算控制部8a中加入有使用第二压力传感器27b的压力信号Spb调整开闭控制阀24的开度的压力式流量控制和使用进行实际流量的监视的热式流量传感器25的流量测定这两种方式，所以能够简单、可靠且实时地监控与设定流量Fs对应的控制流量的流体是否实际上在流动，即是否控制流量与实际流量之间存在差值，起到高实用性的效果。

但是，在该图20的带流量监控器的流量控制装置20中也残留有很多需要解决的问题。

首先，第一问题是：在监控流量值(实际流量值)与控制流量值之间产生了差异的情况下，虽然能够利用警报等感知差异的发生，但是不能够自动地进行控制流量值的修正，即不能够进行设定流量值Fs的调整。因此，假如因某些原因例如重要操作人员不在等导致控制流量值的修正被延迟的情况下，会持续地供给与设定流量值不同的流量的气体(实际流量气体)，会在半导体制造上产生各种不良问题。

第二问题是：由于加入了使用进行流量控制用的第二压力传感器27b的压力式流量测定和使用进行流量监视用的热式流量传感器25的流量测定这两种不同的测定方式，所以带流量监控器的流量控制装置20的构造复杂，难以实现装置的小型化和制造成本的降低。

第三问题是：计算控制部28a为使用第二压力传感器27b的输出Spb和热式流量传感器25的流量输出Sf这两个信号来对开闭控制阀24进行开闭控制，并且使用第一压力传感器27a的输出Spa对热式流量传感器25的流量输出Sf进行校正的结构，形成为使用第一压力传感器27a和第二压力传感器27b的两个压力信号和来自热式流量传感器25的流量信号这三个信号进行开闭控制阀24的开闭控制。因此，不仅计算控制部28a的结构变得复杂，还存在作为压力式流量控制装置FCS的稳定的流量控制特性、优异的高响应性反而降低这样的问题。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第2635929号

专利文献2：日本专利第2982003号

专利文献3：日本专利第4308350号

专利文献4：日本专利第4137666号

发明内容

本发明的目的主要在于解决以下等问题：a在使用现有的衰减、增进式的流量测定方法的带流量监控器的流量控制装置的情况下，在进行流量监控之际必须暂时停止实际气体的供给，产生半导体制造装置的运转率的降低及所制造的半导体的品质变动等；以及，b在现有的如图20所示的将热式流量计与压力式流量控制装置加以组合的构造的带流量监控器的流量控制装置中，即使判明实际流量的异常也不能自动地进行控制流量的设定值的修正，因流量修正的延迟而产生各种不良问题，并且流量控制装置自身的构造的简单化和装置的小型化也变得困难，除此以外，抵消了压力式流量控制装置所具有的优异的响应特性和稳定的流量控制特性等。

为了达成上述目的，本发明提供一种带流量监控器的流量控制装置，其通过将压力式流量控制装置FCS及设置于其上游侧的衰减式的流量测定部组合为一体，使上述衰减式的流量测定部在流量控制装置的上游侧压力(输入侧压力)容许的压力变动范围内动作，从衰减式流量测定部至少1秒以内发送一次(优选一秒钟多次)流量监控信号，从而能够与基于压力式流量控制装置的流量控制同时并行地进行基于衰减式流量测定部的实质上接近实时监控的流量监控，并且在监控流量值与控制流量值的差异超过规定流量值的情况下，自动地调整压力式流量控制装置侧的流量设定值，将基于压力式流量控制装置的流量控制值修正为基于衰减式流量测定部的流量值。

即，本发明意欲提供一种带衰减式流量监控器的流量控制装置，充分地活用流量控制特性基本上不被输入侧的压力变动影响的所谓压力式流量控制装置的流量特性，能够在大致接近实时(至少1次/1秒)的状况下进行基于衰减式流量监控器部的流量监控，而且，能够实现计算控制部的简单化、设备主体部的大幅度的小型化和气体置换性的提高等。

本发明的发明人首先使用采用孔口的压力式流量控制装置FCS构成如图1所示的试验装置，并且根据压力式流量控制装置FCS和一次侧开闭切换阀(上游侧阀)AV间的压力下降的斜率，进行了与计算出流量的基于衰减方式的流量测定相关的各种基础性试验。

即，在图1中，N₂为气体供给源，RG为压力调整器，ECV为电磁驱动部，AV为一次侧开闭切换阀(上游侧阀)，FCS为压力式流量控制装置，VP为真空泵，BC为衰减容量，T为温度传感器，P为设置在压力式流量控制装置FCS内的控制阀的1次侧的压力传感器，P₀为压力传感器输出，E为电源部，E₁为压力式流量控制装置用电源，E₂为计算控制部用电源，E₃为一次侧开闭切换阀(上游侧阀)用电源，S为信号发生器，CP为计算控制部，CPa为压力式流量计算控制部，CPb为衰减监控流量计算控制部，PC为计算显示部，NR为数据记录器(data logger数据输出器)。

上述衰减容量BC相当于一次侧开闭切换阀(上游侧阀)AV的出口侧与压力式流量控制装置FCS的控制阀(图示省略)的入口侧之间的管路空间容积。该衰减容量BC构成为：通过上述管路的长度、内径等的调整、或者插入设置在该管路中的衰减用腔室(省略图示)的内容积的调整，该衰减容量BC的内容积V能够切换调整为1.78cc和9.91cc、4.6～11.6cc和1.58cc～15.31cc的各容积。

而且，在使用衰减用腔室的情况下，如在后述的实施例中说明的那样，使一次侧开闭切换阀(上游侧阀)AV的出口与控制阀CV的入口间的流路内径为1.8mm，并且将衰减容量BC的内容积V选定为1.58cc～15.31cc。

在上述计算控制部CP内的衰减监控流量计算控制部CPb中，如后述那样使用衰减容量BC中的压力下降率进行监控流量的计算，进一步，在压力式流量计算控制部CPa中，与现有的压力式流量控制装置FCS的控制计算部同样地，进行在孔口(省略图示)中流通的流量的计算和控制阀(省略图示)的开闭控制等。

其中，压力式流量控制装置FCS、一次侧开闭切换阀(上游侧阀)AV、压力调整器RG及其他的设备类均为公知的结构，在此省略其说明。

另外，由于上述一次侧开闭切换阀(上游侧阀)AV需要在短时间内进行开闭，所以使用压电驱动式金属隔膜阀(压电驱动式金属膜片阀piezo driven metal diaphragmvalve)或直动型电磁阀，但也可以是设置有导向(pilot)电磁阀的气动阀。

衰减式的流量测定部之所以能够配置在压力式流量控制装置FCS的上游侧，是因为如前所述使用孔口的压力式流量控制装置FCS难以受到气体供给压变动的影响。另外，基于衰减方式，能够进行高精度的流量测定这一点是公知常识。

即，在衰减方式中，在内容积V(1)的衰减容量BC内流通的流量Q能够由以下的数学式(1)计算得出。

[数学式1]

其中，此处V为衰减容量BC的内容积(1)，ΔP/Δt为衰减容量V中的压力下降率，T为气体温度(℃)。

首先，使用图1的试验装置，使压力式流量控制装置FCS的上游侧压力为400kPaabs，下降压力(压力差ΔP)为50kPa abs以上，并且使衰减容量BC的内容积V为4.6～11.6cc，进行了基于衰减方式的流量测定。图2是表示此时的压力下降状态的图，判断出虽然能够精度比较良好地测定流量本身，但由于需要压力回复时间(a)而使得测定流量的输出不连续，并且1个周期所需时间为几秒以上。

即，以一次侧开闭切换阀(上游侧阀)AV设为打开使压力成为规定值以上的压力为止的时间作为压力回复时间(a)，另外，以一次侧开闭切换阀(上游侧阀)AV设为关闭使压力下降至规定值以下的时间作为流量输出可能时间(b)，根据上述(a)和(b)的比例，决定能够输出流量的时间的比例。另外，由于该流量输出可能时间(b)由FCS的控制流量、衰减容量的内容积V、压力下降范围ΔP所确定，所以判明了如果不更严密地探讨FCS的控制流量、衰减容量的内容积V和压力下降范围ΔP，并将其分别设为适宜的值，就不能够使基于衰减方式的流量测定接近于实时流量监控。

另一方面，为了成为实时流量监控，理想的是必须为连续的流量输出，但在现实的半导体制造装置等的运转中，只要能够在1秒钟内进行至少1次以上的流量输出，就能成为大致接近实时的流量监控。

因此，本发明的发明人为了在基于衰减式的流量测定中，在1秒种内进行至少1次以上的流量输出而实现接近实时的流量监控，想到了进一步减小上述压力差ΔP和衰减容量的内容积V以缩短再填充气体必需的时间(压力回复时间(a))，并且，基于该想法，在探讨通过减小衰减容量BC的内容积V和流量测定时的压力差ΔP是否能够确保实时性的同时，对流量监控精度及其再现性等进行了各种试验。

[试验1]

首先，在图1的试验装置中，作为压力式流量控制装置FCS，准备了额定流量为F20、F200和F600(sccm)的三种FCS。

另外，将衰减容量BC的内容积V设定为大约1.78cc和大约9.91cc两种。而且，9.91cc的衰减容量BC通过调整配管长度和配管内径进行容量的调整。

进一步，流量输出的检测可能时间(b)以0.5sec(0.25ms×2000点)为目标，并且试验环境温度为23℃±1℃。

接着，使FCS上游侧压力为370kPa abs.，设定压力差ΔP＝20kPa abs，流量N₂＝100sccm(在FCS侧设定)，并测定了衰减流量测定时的压力回复特性(压力回复时间(a))。

图3是表示压力回复特性的测定结果的图，另外，图4是其放大图。

进一步，图5是表示此时的压力下降特性的图。

如图3和图4所明示的那样，通过使衰减容量BC的内容积V减小至1.78cc和使压力下降范围ΔP减小至20kPa abs，即使在N₂流量100sccm下也能够大幅度缩短再填充时间(压力回复时间(a))，如图5所示，可以确认能够以至少1秒以内的间隔进行测定流量输出。

与试验1相关联，判明了一次侧开闭切换阀(上游侧阀)AV的开闭速度在相对于流量输出可能时间(b)缩小压力回复时间(a)这一点上具有很大影响。因此，判明了作为一次侧开闭切换阀(上游侧阀)AV，优选为压电驱动式金属隔膜阀或电磁直动型阀。

另外，由于由压力下降范围ΔP和衰减容量BC的内容积V的减小引起的压力回复时间(a)的缩短会造成压力下降时间(流量输出可能时间(b))的缩短，所以判明了测定流量和衰减容量BC的内容积V和压力下降时间(b)的关系变得特别重要。

表1

衰减容量1.78cc时的气体流量和每一个周期的下降时间

流量(sccm)	下降时间(s)
		5	4.22
10	2.11
		50	0.42
100	0.21

表1表示在使衰减容量BC的内容积V为1.78cc的情况下的测定流量(sccm)与压力下降时间(sec)的关系，判明在衰减容量BC的内容积V为1.78cc的情况下，如非50sccm以下的流量则难以在1秒钟以内进行一次以上的流量输出，难以进行相当于实时的流量监控。

另一方面，从测定误差的观点出发流量输出可能时间(b)中的压力下降特性必须具有直线性，能够计算出流量的范围被限定在压力下降率为一定(即具有直线性的部分)的范围内。

图6乃至图8是表示在试验1中，对测定流量为100、50和10sccm的压力下降特性的形态进行调查的结果的图，无论在哪一种情况下，压力下降特性成为在衰减之后马上丧失直线性的性质。其中，该情况下的衰减容量BC为1.78cc，流体为N₂气体。

上述图6乃至图8中所示的刚衰减后的从直线性的偏离被认为是因伴随压力变化的气体的绝热膨胀引起的气体内部温度变化而产生。而且，判明存在测定流量越小，则从该直线性的偏离越大的倾向，由此，流量算出的可能时间幅度变窄。

接着，对流量测定可能时间(b)为1秒以内的情况，通过每0.25秒测定5点的方式计测出来自压力下降特性曲线的直线性的偏离引起的流量测定误差。

即，使衰减容量BC的内容积V为1.78cc和9.91cc，使压力下降范围ΔP为20kPaabs，使一次侧开闭切换阀(上游侧阀)AV的从关闭到流量稳定的时间为1秒，每0.25sec计算流量，探讨出所算出流量相对于控制流量的误差。

图9和图10是表示其结果的图，判明在任一种的情况下通过使一次侧开闭切换阀(上游侧阀)AV从闭锁经过0.25sec以上均会带来误差大幅度减小。即，确认了随着压力下降特性曲线接近于直线，误差减小。

而且，表2表示衰减容量BC的内容积V、测定流量、压力下降时间(b)的关系，在衰减容量BC的内容积V＝1.78cc的情况下，当流量20～50sccm时，能够以大约1秒以内的间隔进行流量输出。

另外，判明在衰减容量BC的内容积V＝9.91cc的情况下，流量100～200sccm时能够以大约1秒以内的间隔进行流量输出。

表2

压力下降范围ΔP＝20kPa abs.

进一步，为了确认再现性，调查了反复进行与图9对应的测定的情况下的流量精度。

即，在使一次侧开闭切换阀(上游侧阀)AV关闭后在0.5～1sec间进行了流量算出(3点)。而且，在下降时间不足1sec的情况下使用从最终点到0.5sec为止的数据进行流量计算，另外，关于上述表2的50sccm(V＝1.79cc)和200sccm(V＝9.91cc)，使用0.25秒钟的数据(2点)进行流量计算。

图11是表示进行了反复测定(10次)的情况下的流量精度的测定数据的图，判明在压力下降时间(b)为0.5秒以下的情况下，由于在如图7所示的压力下降特性曲线的非直线区域内进行流量计算，所以流量误差存在如图11所示有在正方向出现的倾向。

而且，基于衰减方式的流量Q根据上述数学式(1)也可明确，存在Q＝K×(衰减容量×压力下降率×1/温度)的关系。其结果，虽然假定即使因基于压力变化的绝热膨胀而产生温度下降，压力下降率变大计算流量Q也为一定，但现实中会造成计算流量上升。其理由估计如下：由于在压力式流量控制装置FCS的主体外表面进行气体温度的测定，所以温度计测值容易受室温左右，而且，尽管气体自身的热容量小但温度传感器的热容量大，因此气体温度未被正确测定。

本发明是以上述各试验的结果为基础而创作得出，其特征在于，由下述部件构成：设置在上游侧的衰减式流量监控器部BDM；设置在其下游侧的压力式流量控制部FCS；将衰减式流量监控器部BDM与压力式流量控制部FCS连结，并将衰减式流量监控器部BDM的监控流量Q向压力式流量控制部FCS传输的信号传输电路CT；和设置于压力式流量控制部FCS，利用来自上述衰减式流量监控器部BDM的监控流量Q调整压力式流量控制部FCS的设定流量Qs的流量设定值调整机构QSR。

压力式流量控制部FCS可以是包含压力传感器的流量控制部。

流量设定值调整机构QSR可以具备监控流量Q与设定流量Qs的比较器，可以是如下结构的流量设定值调整机构：当监控流量Q与设定流量Qs的差异超过设定值时，将设定流量Qs自动修正为监控流量Q。

衰减式流量监控器部BDM具备：对来自气体供给源的气体的流通进行开闭的一次侧开闭切换阀PV₁；与一次侧开闭切换阀PV₁的出口侧连接的具有规定的内容积(也可称之为内部容积)V的衰减容量(也可称之为衰减容器)BC；检查在该衰减容量BC中流通的气体的温度的温度传感器；检查在上述衰减容量BC中流通的气体的压力的压力传感器P₃；和监控流量计算控制部CPb，上述监控流量计算控制部CPb进行上述一次侧开闭切换阀PV₁的开闭控制，并且在通过打开一次侧开闭切换阀PV₁使衰减容量BC内的气体压力为设定上限压力值以后，通过关闭一次侧开闭切换阀PV₁使气体压力在规定时间t秒后下降至设定下限压力值，由此通过衰减方式计算并输出监控流量Q，

上述监控流量Q能够通过以下数学式计算：

数学式2

(其中，T为气体温度(℃)，V为衰减容量BC的内容积(1)，ΔP为压力下降范围(设定上限压力值-设定下限压力值)(Torr)，Δt为一次侧开闭切换阀AV的从关闭到打开的时间(sec))。

压力式流量控制部FCS可以是由控制阀CV、孔口OL或者临界喷嘴、压力计P₁和/或压力计P₂、流量计算控制部CPa构成的具备耐压力变动性的压力式流量控制装置FCS。

可以使衰减容量BC的内容积V为0.5～20cc，设定上限压力值为400～100kPa abs以及设定下限压力值为350kPa abs～50kPa abs，另外，使规定时间t为0.5～5秒以内。

可以使一次侧开闭切换阀AV为压电驱动式金属隔膜阀或者电磁直动型电动阀，并且利用阀的高速开闭，使基于一次侧开闭切换阀AV的打开的从设定下限压力值到设定上限压力值的气体压力的回复时间比基于一次侧开闭切换阀AV的关闭的从设定上限压力值到设定下限压力值的气体压力下降时间大幅度缩短。

可以是压力式流量控制部FCS的流量计算控制部CPa与衰减式流量监控器部BDM的计算控制装置CPb一体地形成的结构。

可以是使衰减容量BC作为腔室，并且该腔室为将内筒与外筒呈同心状配置固定的构造，并且使形成腔室的内·外筒间的间隙为气体流通路径，在该腔室设置有压力传感器P₃的结构。

发明的效果

在本发明中，使带流量监控器的流量控制装置由下述部件构成：设置在上游侧的衰减式流量监控器部BDM；设置在衰减式流量监控器部BDM的下游侧的压力式流量控制部FCS；将衰减式流量监控器部BDM与压力式流量控制部FCS连结，并将衰减式流量监控器部BDM的监控流量Q向压力式流量控制部FCS传输的信号传输电路CT；和设置于压力式流量控制部FCS，利用来自上述衰减式流量监控器部BDM的监控流量Q调整压力式流量控制部FCS的设定流量Qs的流量设定值调整机构QSR，形成为根据衰减式流量监控器部BDM的监控流量能够自动地调整压力式流量控制部FCS的设定流量值。

其结果，完全不会出现长期持续监控流量值(孔口中流通的实际流量值)与压力式流量控制部FCS的设定流量值(控制流量值)大不相同的状态，在半导体制品的品质提高等方面获得了更多有效作用。

另外，本发明为如下结构：在压力式流量控制部FCS的上游侧设置衰减式流量监控器部BDM，活用压力式流量控制装部的对输入侧压力变动的高响应性，使与压力式流量控制部FCS的输入侧压力变动容许的范围内的气体压力差相对应的压力下降ΔP在上述衰减容量BC内以1秒钟内一次以上的比例发生，以能够根据该压力下降率ΔP/Δt、衰减容量BC的内容积V和气体温度K，在1秒钟内计算并输出至少一次以上的监控流量的方式，设定上述压力下降值(压力差ΔP)、压力下降时间(Δt)和衰减容量BC的内容量V。

其结果，通过将上述压力下降值(压力差)ΔP设定为大致20～30kPa abs，将压力下降时间Δt设定为0.5～0.8sec，以及将衰减容量BC的内容积V设定为1.8～18cc，能够以至少每1秒钟一次以上的比例高精度地计算并输出监控流量，即使利用衰减方式也能够实现大致接近实时的高精度的流量监控。

另外，与现有的组合热式流量传感器的方式相比较，带流量监控器的压力式流量控制装置的大幅度的构造简单化、小型化及制造费用的降低成为可能，带流量监控器的流量控制装置的附加价值显著提高。

附图说明

图1是用于测定带衰减式流量监控器的压力式流量控制装置的流量监控特性的试验装置的概要结构图。

图2是衰减式流量监控器的压力下降状态的说明图。

图3是表示衰减流量测定时的压力回复特性曲线的一个例子的图。

图4是图4的局部放大图。

图5是表示试验1中的压力回复特性曲线的图。

图6是表示压力下降特性的形态的图(控制流量＝100sccm)。

图7是表示压力下降特性的形态的图(控制流量＝50sccm)。

图8是表示压力下降特性的形态的图(控制流量＝10sccm)。

图9是表示一次侧开闭切换阀(上游侧阀)AV的从闭锁开始经过的时间与流量稳定性的关系的线图(衰减容量BC＝1.78cc)。

图10是表示一次侧开闭切换阀(上游侧阀)AV的从闭锁开始经过的时间与流量稳定性的关系的线图(衰减容量BC＝9.91cc)。

图11是表示反复测定10次的流量精度的图。

图12是表示本发明涉及的带流量监控器的压力式流量控制装置的基本结构的系统图。

图13是表示本发明涉及的带衰减式的流量监控器的压力式流量控制装置的纵截面概要图。

图14是表示在实施例中使用的各腔室A～E中使可测定时间为1秒以下的情况下的气体流量sccm与压力下降的斜率kPa/sec的关系的线图。

图15是表示在本实施例中使用的各腔室A～E的压力下降的斜率为20kPa/sec的压力下降特性的形态的图。

图16是表示在本实施例中使用的各腔室A～E的一次侧开闭切换阀(上游侧阀)AV的从闭锁开始经过的时间与流量稳定性的关系的线图。

图17是表示在本实施方式中使用的腔室A和腔室B的反复测定下的流量精度％S.P.与流量sccm的关系的线图。

图18是表示在本实施方式中使用的腔室A和腔室B的反复测定下的流量精度％S.P.与压力下降的斜率kPa/sec的关系的线图。

图19是现有的压力式流量控制装置的基本结构图。

图20是现有的带流量监控器的压力式流量控制装置的基本结构图。

符号说明

BDM 衰减式(build-down)流量监控器部

FCS 压力式流量控制部(压力式流量控制装置)

AV 一次侧开闭切换阀(上游侧阀)

BC 衰减容量

V 衰减容量的内容积

RG 压力调整器

N₂ N₂供给源

T 温度传感器(测温电阻元件)

P₁、P₂ 压力传感器

P₃ 差压检测用压力传感器

CV 控制阀

OL 孔口(orifice，又叫孔板)

OL₁ 小口径孔口

OL₂ 大口径孔口

OIP 外部输入输出电路

OLV 孔口切换阀

VB₁ 监控器入口侧块体(block)

VB₂ 监控器出口侧块体

VB₃ 流量控制部入口侧块体

VB₄ 流量控制部出口侧块体

VB₅ 连结部垫片(gasket)

CT 信号传输电路(数字通信电路)

CP 计算控制部

CPa 流量计算控制部

CPb 监控流量计算控制部

E₁ 压力式流量控制装置用电源

E₂ 计算控制部用电源

E₃ 电磁阀用电源

ECV 电驱动部

NR 数据记录器

S 信号发生器

PC 计算显示部

PV₁ 入口侧切换阀(入口侧压电(piezo)切换阀)

PV₂ 出口侧切换阀(出口侧压电切换阀)

L₁ 入口侧压电切换阀的气体入口侧通路

L₂ 入口侧压电切换阀的气体出口侧通路

L₃ 出口侧压电切换阀的气体入口侧通路

L₄ 出口侧压电切换阀的气体出口侧通路

Cu 铜棒片

Q 监控流量(衰减流量)

CH 腔室

CHa 外筒

CHb 内筒

QsR 流量设定值调整机构

Qs 设定流量

Qs‘ 调整流量

1 气体入口

2 气体出口

具体实施方式

接着，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

图12是表示本发明涉及的带流量监控器的流量控制装置的基本结构的系统图，该带流量监控器的流量控制装置由衰减部BDM、压力式流量控制部FCS和将两者之间连结的信号传输电路(数字通信电路)CT构成。

而且，在图12中，PV₁为入口侧切换阀，PV₂为出口侧切换阀，BC为衰减容量(也可以称为衰减容器、下降容器)，P₃为差压检测用压力传感器，CPb为监控流量计算控制部，VB₁为监控器入口侧块体，VB₂为监控器出口侧块体。

另外，在图12中，CV为控制阀，CPa为流量计算控制部，OL₁为小径孔口，OL₂为大径孔口，P₁为第一压力传感器，P₂为第二压力传感器，VB₃为流量控制部入口侧块体，VB₄为流量控制部出口侧块体，VB₅为连结用块体，SK为连结部的垫片(gasket、密封垫)。

进一步，在压力式流量控制部FCS设置有设定流量调整机构QSR，利用比较器(图示省略)比较预先设定的流量值Qs与经信号传输电路CT输入的衰减流量Q，当两者的差异为规定以上的流量值时，自动地将设定流量值Qs修正为Qs’，调整使得压力式流量控制部FCS的流量控制值与衰减流量Q一致。即，调整使得实际流量与衰减流量Q一致。

而且，在图12中，温度检测传感器T、过滤器F等被省略，另外，毋庸置疑，压力式流量控制部FCS可以为任何形式，例如可以是孔口为一个的形式，进一步，由于压力式流量控制部FCS、衰减式流量监控器部BDM的基本结构本身为公知结构，在此省略其详细说明。

参照图12，从气体入口1向衰减式流量监控器部BDM流入的压力500～320kPa abs的气体以入口侧压电切换阀PV₁、腔室式的衰减容量BC、出口侧压电切换阀PV₂的顺序流通，由监控流量计算控制部CPb对监控流量Q进行计算，将其输入压力式流量控制部FCS的设定流量调整机构QSR。

另外，从衰减式流量监控器部BDM流出的气体通过控制阀CV、小径孔口OL₁和/或大径孔口OL₂，从气体出口2流出。其间，上述流量计算控制部CPa对孔口流通气体流量进行计算，并且进行控制阀CV的开闭控制、孔口切换阀OLV的开闭控制。

进一步，在上述流量计算控制部CPa的设定流量调整机构QSR中，比较来自衰减式流量监控器部BDM的监控流量Q与孔口流通流量(即，流量计算控制部CPa的控制流量)，当两者的差异超过预先设定的设定值时，对设定流量Qs这一方进行调整，使得压力式流量控制部FCS的控制流量与上述监控流量Q一致，并将其自动修正为Qs’。

即，形成本发明的主要部分的衰减式流量监控器控制部CPb根据入口侧(上游侧)压电切换阀PV₁的开闭控制以及差压检测压力传感器P₃、温度检测传感器T(图12中省略)和两切换阀PV₁、PV₂之间的增加容量(上升容量、上升容器)BC的容积V等，对衰减流量Q进行计算，并将其向流量计算控制部CPa输出。

如以上所述，在本发明涉及的带流量监控器的流量控制装置中，由衰减式流量监控器部BDM进行压力下降率ΔP/Δt的测定及监控流量Q的计算，通过经外部输入输出电路PIO向监控流量计算控制部CPb输入指令信号和/或设定信号，监控流量以至少1秒钟内一次的比例在监控器显示，并且自动地进行上述压力式流量控制部FCS的控制流量值的修正、补正。

而且，压力式流量控制装置FCS、衰减式流量监控器部BDM其本身为公知结构，所以在此省略其详细说明。

另外，在监控流量输出Q(来自监控流量计算控制部CPb的流量输出)与压力式流量控制部FCS的流量输出(来自压力式流量计算控制部CPa的流量输出)之间产生了设定值以上的差异的情况下，发送流量异常的警报，或者在必要的情况下，实施所谓压力式流量控制装置FCS的流量自我诊断，还能够确定流量异常的原因及其发生场所，进一步，在产生了设定值以上的流量差异的情况下，还能够自动地实施压力式流量控制部FCS自身的零点调整等。

而且，在本实施方式中，使入口(上游)侧切换阀等为压电驱动式阀，但也可以使它们为直动型的电磁驱动阀。另外，衰减容量BC的内容积V选定为1.78～9.91cc的范围。进一步，压力下降范围ΔP选定为20kPa abs(350～320kPa abs)，构成为至少1秒钟内输出一次以上的监控流量。除此以外，上述温度检测传感器T(省略图示)为外面贴附型的测温电阻式温度传感器，但也能够使用向监控器入口侧块体VB₁或者监控器出口侧块体VB₂的内部插入的恒温调节型温度计(或者也称为自动调温型温度计，thermostat thermometer)。

另外，在本实施方式中，如后述那样使用带压力传感器的腔室作为衰减容量BC，但也可以采用以气体流路的内容积形成该衰减容量BC，通过适宜地选定气体流路的内径和流路长度，得到所希望的内容积V的衰减容量BC的结构。

[实施例]

图13是表示本发明的实施例涉及的带衰减式流量监控器的流量控制装置的纵截面概要图。在该实施例中，使用带压力传感器的腔室CH作为衰减容量BC，使衰减式流量监控器部BDM的各气体通路L₁、L₂、L₄的内径为1.8mm的细径。另外，在孔口OL₁、OL₂的下游侧另外设置有第二压力传感器P₂。进一步，在腔室CH设置有差压检测用压力传感器P₃。

即，在该实施例中，采用如下结构：在入口侧切换阀PV₁与出口侧切换阀PV₂之间设置小型的压力腔室CH，通过调整该压力腔室CH的内容积来调整上述衰减容量BC的内容积V。另外，为了提高两切换阀PV₁、PV₂的开闭速度，利用压电驱动金属隔膜型常闭阀。其中，压电驱动金属隔膜型常闭阀其本身为公知结构，所以省略说明。

上述压力腔室CH形成为包括外筒CHa和内筒CHb的双重筒，并且在内外筒CHa、CHb之间的间隙G在本实施方式中被选定为1.8mm。其次，压力腔室CH的内容积被选定为1.3～12cc的程度，采用在其上附设有差压检测用压力传感器P₃的结构。

而且，在该实施例中，能够自由地选定压力腔室CH的容积，并且能够使气体流通路L₁、L₂、L₄等全部统一为同一细径(例如1.8mmΦ)，还能够将衰减容量BC的内容积正确且容易地设定为规定的容积值。

具体而言，制作使上述间隙G为1.8mm和3.6mm的如表3所示尺寸的5种腔室作为供试验用的腔室CH，将它们适用于图1的试验装置并调查了气体流量(sccm)、压力下降的斜率(kPa/sec)和压力下降时间(sec)等的关系等。

而且，在使用图1的试验装置的调查中，流量传感器T被贴附固定在腔室CH的外表面上。另外，腔室CH以外的气体流路L₂、L₄的容积为0.226cc。

表3

图14是表示对各腔室A～E测定了在图2中的压力下降时间(b)为1秒以内的情况下的气体流量(sccm)与压力下降的斜率(kPa/sec)的关系的结果的图，在组装于试验装置的状态下的实际的各增加容量为2.31cc～15.45cc。

根据图14可明确判断出在压力下降范围ΔP为20kPa/sec时，能够进行如下的各流量测定：腔室A的情况为25.2sccm，腔室B为106.6sccm，腔室E为169.0sccm。

图15是表示在图1的试验装置中，调整气体流量使得压力下降的斜率成为20kPa/sec的情况下的压力下降的直线性的图，是与上述图6～图8同样的线图。而且，测定数据是利用图1的数据记录器NR取得的值。

根据图15可明确判断出在衰减容量BC的内容积V为越小的腔室CH的情况下(即，腔室A、B等)，压力下降特性的直线性越良好。

另外，图16与上述图9和图10的情况同样地，是将在1秒以内的流量测定可能时间(b)内以每0.25秒测定5点的方式求出从压力下降特性曲线的直线性的偏离造成的流量测定误差而得到的图，可以判断出增进容量BC的越为小的腔室A、B，从压力下降开始后越能更快地减少流量误差(即，可以说压力下降特性的直线性优良)。

图17是表示对腔室A和腔室B调查了流量测定精度的再现性的结果的图，为以与上述图11的情况相同的主旨进行得到的图。

而且，在该流量测定精度的再现性试验中，为了使压力下降的斜率稳定，在使一次侧切换开闭阀(上游侧阀)AV关闭以后间隔开规定的等待时间进行测定，并且为了获得再现性而经过长时间进行测定，但流量输出时间均为1秒以内。

如根据图17也可明确的那样，根据再现性这一点，判断出在腔室A的情况下能够适用的范围为流量3～50sccm，另外，在腔室B的情况下能够适用的范围为30～300sccm。

表4是在制作上述图17所示的表示流量测定精度的再现性的线图时使用的基础数据，是以腔室A(衰减容量BC的内容积V＝2.31cc)和腔室B(衰减容量BC的内容积V＝9.47cc)为试验对象的表。

表4

腔室A(BC＝2.31cc)

腔室B(BC＝9.47cc)

流量	sccm	5	10	20	30	50	100	200	300	400
											温度	℃	22.7	23.0	22.4	22.4	22.5	22.5	22.5	22.6	22.59
斜率	kPa/sec	0.9	1.9	3.8	5.7	9.4	18.9	37.7	57.3	77.204
											测定开始压力	kPa abs.	370	370	370	370	370	370	370	370	370
测定结束压力	kPa abs.	368	367	365	360	350	350	350	350	350
											测定压力范围P	kPa	2	3	5	10	20	20	20	20	20
测定时间t	sec	2.24	1.68	1.40	1.87	2.24	1.12	0.56	0.37	0.28

*以不超过10,000数据的方式使时间和压力范围变化进行测定

另外，图18是根据上述表4的数据调查腔室A和腔室B的压力下降的斜率kPa/sec与误差％S.P.的关系的图，只要压力下降的斜率为2～60kPa/sec的范围内，就可判断流量测定误差％S.P.收敛在±1％的范围内。

产业上的可利用性

本发明不仅能够适用于半导体制造装置用气体供给设备，只要是使用孔口或者临界喷嘴的压力式流量控制装置，还能够广泛地适用于化学品制造装置用气体供给设备。

Claims

1.一种带流量监控器的流量控制装置，其特征在于，包括：设置在上游侧的衰减式流量监控器部；设置在该衰减式流量监控器部的下游侧的流量控制部；将衰减式流量监控器部与流量控制部加以连结，并将衰减式流量监控器部的监控流量向流量控制部传输的信号传输电路；和流量设定值调整机构，该流量设定值调整机构设置于流量控制部，并利用来自所述衰减式流量监控器部的监控流量调整流量控制部的设定流量；

所述流量控制部是具备耐压力变动性的流量控制部，该流量控制部包括：

控制阀；

设置在该控制阀下游侧的孔口或临界喷嘴；

检测所述控制阀和所述孔口或临界喷嘴之间的压力的第一压力传感器；和

根据所述第一压力传感器的测量值计算在所述孔口或临界喷嘴中流通的流量并对所述控制阀加以控制的流量计算控制部，

衰减式流量监控器部具备：对来自气体供给源的气体的流通进行开闭的一次侧开闭切换阀；与一次侧开闭切换阀的出口侧连接的具有规定的内容积的衰减容量；检测在所述衰减容量中流通的气体的压力的压力传感器；和监控流量计算控制部，所述监控流量计算控制部进行所述一次侧开闭切换阀的开闭控制，并且在通过打开一次侧开闭切换阀使衰减容量内的气体压力为设定上限压力值以后，通过关闭一次侧开闭切换阀使气体压力在经过规定时间后下降至设定下限压力值，由此通过衰减方式计算并输出监控流量。

2.根据权利要求1所述的带流量监控器的流量控制装置，其特征在于：包含检测所述孔口或临界喷嘴的下游侧压力的第二压力传感器。

3.根据权利要求1所述的带流量监控器的流量控制装置，其特征在于：流量设定值调整机构具备监控流量和设定流量的比较器，并且构成为当监控流量与设定流量的差异超过设定值时，将设定流量自动修正为监控流量。

4.根据权利要求1所述的带流量监控器的流量控制装置，其特征在于：

衰减式流量监控器部具备：检测在衰减容量中流通的气体的温度的温度传感器，

所述监控流量通过以下数学式计算，其中T为气体温度(℃)，V为衰减容量的内容积(公升)，ΔP为设定上限压力值与设定下限压力值之差的压力下降范围(Torr)，Δt为一次侧开闭切换阀的从关闭到打开的时间(秒)，

数学式3

<mrow> <mi>Q</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1000</mn> <mn>760</mn> </mfrac> <mo>&times;</mo> <mn>60</mn> <mo>&times;</mo> <mfrac> <mn>273</mn> <mrow> <mo>(</mo> <mn>273</mn> <mo>+</mo> <mi>T</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mfrac> <mo>&times;</mo> <mi>V</mi> <mo>&times;</mo> <mfrac> <mrow> <mi>&Delta;</mi> <mi>p</mi> </mrow> <mrow> <mi>&Delta;</mi> <mi>t</mi> </mrow> </mfrac> <mo>.</mo> </mrow>

5.根据权利要求4所述的带流量监控器的流量控制装置，其特征在于：衰减容量的内容积为0.5～20cc，设定上限压力值为400～100kPa abs，设定下限压力值为350kPa abs～50kPa abs，并且所述规定时间为0.5～5秒。

6.根据权利要求4所述的带流量监控器的流量控制装置，其特征在于：一次侧开闭切换阀为压电驱动式金属隔膜阀或者电磁直动型电动阀，基于一次侧开闭切换阀的打开的从设定下限压力值向设定上限压力值的气体压力的回复时间比基于一次侧开闭切换阀的关闭的从设定上限压力值下降至设定下限压力值的气体压力下降时间短。

7.根据权利要求1所述的带流量监控器的流量控制装置，其特征在于：流量控制部的流量计算控制部与衰减式流量监控器部的监控流量计算控制部一体地形成。

8.一种带流量监控器的流量控制装置，其特征在于，包括：设置在上游侧的衰减式流量监控器部；设置在该衰减式流量监控器部的下游侧的流量控制部；将衰减式流量监控器部与流量控制部加以连结，并将衰减式流量监控器部的监控流量向流量控制部传输的信号传输电路；和流量设定值调整机构，该流量设定值调整机构设置于流量控制部，并利用来自所述衰减式流量监控器部的监控流量调整流量控制部的设定流量，

衰减式流量监控器部具备衰减用腔室，该腔室为内筒与外筒配置固定成同心状的构造，并且以形成该腔室的内·外筒间的间隙为气体流通路，进一步，在该腔室设置有压力传感器。