CN109478074B - 压力式流量控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种压力式流量控制装置(100)，其具备：控制阀(12)；压力传感器(P1)，其设置于控制阀的下游侧；流孔内置阀(16)，其设置于压力传感器的下游侧；以及控制部(5)，其连接到控制阀和压力传感器，流孔内置阀具有：阀机构(15)，其具有用于进行流路的开闭的阀座体和阀体；驱动机构(18)，其驱动阀机构；以及流孔部件(14)，其接近于阀机构而设置，并且具备用于检测阀机构的开闭状态的开闭检测机构(20)，控制部以从开闭检测机构接收检测信号的方式构成。

Description

压力式流量控制装置
技术领域
本发明涉及一种压力式流量控制装置，特别涉及一种具备流孔内置阀的压力式流量控制装置。
背景技术
在半导体制造装置或化工厂中，为了控制原料气体或蚀刻气体等流体，利用各种类型的流量计或流量控制装置。其中，压力式流量控制装置，通过组合了例如压电元件驱动型的控制阀和节流部(流孔板或临界喷嘴)的比较简单的机构，能够以高精度控制各种流体的流量，因此被广泛利用。
在压力式流量控制装置中，当满足临界膨胀条件P1/P2≧约2(P1：节流部上游侧的气体压力，P2：节流部下游侧的气体压力)时，有时会利用流量不依赖于下游侧气体压力P2，而是由上游侧气体压力P1所决定的原理，进行流量控制。在这种压力式流量控制装置中，仅使用压力传感器和控制阀控制上游侧压力P1，就能够以高精度控制流动于节流部下游侧的气体的流量。
专利文献1中公开了一种具备内置有作为节流部的流孔部件的开闭阀(流孔内置阀)的压力式流量控制装置。在具备流孔内置阀的压力式流量控制装置中，由于流孔上游侧的压力由控制阀进行控制，并且气体的流出由流孔内置阀进行控制，因此能够供给上升和下降特性良好地被流量控制的气体。
另外，近年来，期望在ALD(原子层沉积)工序或者是ALE(原子层蚀刻)工序中，仅以短时间(脉冲状)向处理腔室供给气体，并期望活用设置有流孔内置阀的压力式流量控制装置。
现有的技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特许第4137267号公报
专利文献2：日本专利特开2003-316442号公报
专利文献3：日本专利特开2011-154433号公报
作为开闭阀的阀机构，已知的结构为使用介于流量控制装置的气体流路中的空气作动阀(AOV：AirOperatedValve)，并且设置控制压缩空气向该空气作动阀的供给的电磁阀(例如专利文献2)。可以在流孔内置阀中采用该结构，在此情况下，流孔内置阀的开闭动作由对电磁阀的开闭信号控制，能够通过该开闭信号来判断阀的开闭状态。
然而，存在对电磁阀输出的开闭信号与流孔内置阀的实际的开闭动作不同的情况。例如，当压缩空气向AOV的供给系统发生故障时，存在即使电磁阀处于打开状态AOV也不动作的情况。另外，由于AOV通过压缩空气的供给来动作，因此根据空气供给系统的设计(例如，空气管的直径、长度)，有时AOV的开闭滞后于电磁阀的开闭。因此，输入到电磁阀的开闭信号和AOV的实际的开闭动作不同步的情形多。
在使用流孔内置阀的近年来的用途(例如，上述ALD工序)中，虽然切换并供给多个种类的气体，但是该气体切换的时机设定得非常快。因此，能够以良好的上升、下降特性控制气体流量，并且能够实时且正确地确认实际的气体流量变得重要起来。因此，如上所述，当无法检测AOV的实际的开闭动作时，存在难以适用于近年来的用途的情况。
另外，在具备流孔内置阀的压力式流量控制装置中，虽然有时根据流孔上游的气体压力通过运算求取流量，但是在关闭流孔内置阀之后，通常，流孔上游的气体压力上升。因此，虽然实际上为阀关闭且气体不流动的状态，但有时会将与上升的气体压力对应的流量作为运算流量而予以输出。
针对该问题，在专利文献2中，记载了在关闭开闭阀的期间，无论压力传感器的输出为何，流量值都显示为零。然而，当无法确认实际的阀开闭状态时，结果导致显示错误的流量，或者时机错开而显示不正确的流量。
发明内容
本发明是鉴于上述课题而完成的，其主要目的在于提供一种能够适当地控制和检测气体的流量的、具备流孔内置阀的压力式流量控制装置。
根据本发明的实施方式的压力式流量控制装置具备：控制阀；压力传感器，其设置于所述控制阀的下游侧；流孔内置阀，其设置于所述压力传感器的下游侧；以及控制部，其连接到所述控制阀和所述压力传感器，所述压力式流量控制装置以基于所述压力传感器的输出来控制所述控制阀的方式构成，所述流孔内置阀具有：阀机构，其具有用于进行所述流路的开闭的阀座体和阀体；驱动机构，其驱动所述阀机构；以及流孔部件，其接近于所述阀机构而设置，具备开闭检测机构，其用于检测所述阀机构的开闭状态，所述控制部以从所述开闭检测机构接收检测信号的方式构成。
在某一实施方式中，所述阀机构包括流体作动阀，所述驱动机构包括控制流体向所述流体作动阀的供给的电磁阀。
在某一实施方式中，所述开闭检测机构包括限位开关，所述限位开关以与所述阀体的动作连动并产生通断信号的方式设置。
在某一实施方式中，所述控制部基于来自所述压力传感器的输出信号和来自所述开闭检测机构的所述检测信号，检测通过所述流孔内置阀的气体的流量。
在某一实施方式中，当来自所述开闭检测机构的所述检测信号显示所述流孔内置阀的关闭状态时，无论压力传感器的输出值为何值，所述控制部都判断流量为零。
发明效果
根据本发明的实施方式，在具备流孔内置阀的压力式流量控制装置中，能够适当地对气体的流量进行控制和检测。
附图说明
图1为表示根据本发明的实施方式的压力式流量控制装置的结构的示意图。
图2为表示根据本发明的实施方式的压力式流量控制装置的更具体的结构的侧视图。
图3为表示在根据本发明的实施例的压力式流量控制装置中，控制部检测气体流量的工序的一个例子的流程图。
符号说明
2 空气源
5 控制部
10 块部件
11 流路
12 控制阀
14 流孔部件
15 流体作动阀
16 流孔内置阀
16a 阀体
16b 阀座体
18 电磁阀
20 限位开关
100、200 压力式流量控制装置
P1 第一(上游)压力传感器
P2 第二(下游)压力传感器
P3 第三压力传感器
T 温度传感器
具体实施方式
以下，一边参照附图一边对本发明的实施方式进行说明，但本发明并不限定于以下的实施方式。
图1为表示根据本发明的实施方式的压力式流量控制装置100的整体结构的图。压力式流量控制装置100具备：介于气体流路11中的控制阀12；设置于控制阀12的下游侧的流孔内置阀16；设置于控制阀12和流孔内置阀16之间的第一压力传感器(上游压力传感器)P1和温度传感器T；以及设置于流孔内置阀16的下游侧的第二压力传感器(下游压力传感器)P2。第一压力传感器P1能够对控制阀12与流孔内置阀16之间的流路的压力进行测量，第二压力传感器P2能够对流孔内置阀16的下游侧(例如流孔内置阀16与未图示的下游隔断阀之间的流路)的压力进行测量。另外，本实施方式的压力式流量控制装置100，在控制阀12的上游侧具备第三压力传感器P3，并对从未图示的气体供给装置(例如原料气化器)供给的气体的压力进行测量，能够用于原料供给量的控制。
流孔内置阀16具有流孔部件14和设置在流孔部件14的上游侧的作为开闭阀的流体作动阀15，在流体作动阀15连接有作为驱动机构的电磁阀18。在流孔内置阀16中，通过使用电磁阀18控制从空气源2(空气箱或压缩机等)向流孔内置阀16的流体的供给而进行开闭动作。此外，流孔部件14也可以设置在流体作动阀15的上游侧，重要的是，使形成于流孔部件14和流体作动阀15之间的流路容积尽可能小。这样，如果使用在流孔的附近设置有阀机构的流孔内置阀16，则能够适当地进行向处理腔室的短时间的气体供给或高速的气体隔断动作。
在本实施方式中，流孔部件14使用保持于支架的不锈钢制的流孔板构成(参照图2)。例如，在具有20～500μm的厚度的流孔板上形成有口径为10～500μm的流孔。但并不限于此，流孔部件14，也可以为例如流孔与阀座体一体形成的部件，作为流孔，可以为形成有单个或多个微小开口或喷嘴状的开口部的任意方式的部件。
流体作动阀15，典型地为利用压缩空气进行阀的开闭动作的AOV。作为AOV，可以使用公知的各种AOV，然而，在其他的方式中，流体作动阀15也可以为利用空气之外的流体动作的开闭阀，另外，也可以使用电磁阀等开闭阀(通断阀)代替流体作动阀15。
在流孔内置阀16上，进一步设置有作为阀开闭检测机构的限位开关20。限位开关20为与流体作动阀15的阀体16a(参照图2)的动作连动并产生通断信号的开关，并以能够检测流体作动阀15的实际的开闭动作的方式构成。作为限位开关20，可以使用例如专利文献3(日本专利特开2011-154433号公报)所记载的限位开关。
另外，在压力式流量控制装置100上设置有控制部5，控制部5例如与第一压力传感器P1、温度传感器T、流孔内置阀16的限位开关20、第二压力传感器P2以及第三压力传感器P3连接。在本实施方式中，控制部5以基于第一压力传感器P1的输出、温度传感器T的输出以及第二压力传感器P2的输出(任意)来对控制阀12进行控制的方式构成，在根据上述各个传感器的输出通过运算求取的流量与从外部装置输入的设定流量不同的情况下，为了消除其差而对控制阀12的开闭度进行控制。另外，控制部5以从开闭检测机构(限位开关20)接收检测信号的方式构成，并能够实时检测流孔内置阀16的实际的开闭。控制部5还可以输送开闭信号到流孔内置阀16的驱动机构(电磁阀18)的方式构成。然而，并不限于此，也可以通过外部装置向电磁阀18输入开闭信号。
图2为表示具有与图1所示的压力式流量控制装置100对应的结构的压力式流量控制装置200。在图2所示的压力式流量控制装置200中，对于形成有流路11的块部件10，以使控制阀12、流孔内置阀16、第一～第三压力传感器P1～P3与流路11连通的方式固定。
而且，在压力式流量控制装置200中，气体经由流孔内置阀16所具有的流孔部件14从底面侧的流路流入，气体经由设置于其上方的流体作动阀15从流孔部件14的外侧侧方流出。流体作动阀15具备阀体16a(例如金属隔膜)和阀座体16b，阀座体16b也可以由在周缘部设置有多个气体连通孔的内盘保持。当阀体16a从阀座体16b分离时，流入到流体作动阀15的气体能够通过设置于内盘的上述多个气体连通孔向外侧流出。在该结构中，与图1所示的压力式流量控制装置100不同，流体作动阀15配置在流孔部件14的下游侧。另外，经由电磁阀18向流体作动阀15供给压缩空气，但在图2中，未图示而省略了流体作动阀15与电磁阀18之间的流体供给部件(空气管等)。
压力式流量控制装置200具有电路基板19，在电路基板19上设置有图1所示的控制部5。控制部5例如由设置在电路基板19上的未图示的处理器、存储器等构成，可以包括执行规定的动作的运算机程序，并且能够通过硬件和软件的组合而实现。
另外，如图2所示，在压力式流量控制装置200中，限位开关20设置在流孔内置阀16的正上方。限位开关20具有在与阀体16a连动地移动的阀杆部(杆或活塞)16s的上端接触时电流流过的电接点22。如果使用这样的电接点22，则能够实时检测阀的开闭。如日本专利特开2011-154433号公报(专利文献3)中记载的那样，限位开关20的对位例如可以通过用于固定限位开关20的螺钉部件的旋转调整来进行。为了参考，将日本专利特开2011-154433号公报公开的全部内部援引于本说明书中。
但是，作为开闭检测机构，并不限于上述方式的限位开关20，可以使用各种公知的检测机构。例如，作为开闭检测机构，也可以设置能够监测AOV的操作压的压力传感器，并基于操作压的监测值来判断AOV的开闭。另外，在本实施方式中，限位开关20虽然设置在流孔内置阀16的正上方，但是也可以不在正上方，而是位于偏离正上方的位置。开闭检测机构只要是能够检测阀体16a的移动的机构，则其结构(种类)、位置等没有限定。
在以上所说明的压力式流量控制装置100、200中，利用在通过上游压力传感器P1检测到的上游压力(P1)、通过下游压力传感器P2检测到的下游压力(P2)以及通过节流部(流孔)的流量之间成立的规定关系，基于检测到的上游压力(P1)、或者上游压力(P1)和下游压力(P2)，通过使控制部5对控制阀12进行控制而将流量控制为规定流量。例如，在临界膨胀条件下，即在满足P1≧约2×P2的条件下，流量Qc＝K1P1(K1为一定)的关系成立。另外，在非临界膨胀条件下，流量Qc＝KP2 m(P1-P2)n(K为依赖于流体的种类及流体温度的比例系数，指数m、n为从实际的流量所导出的值)的关系成立。因此，能够使用这些流量运算式通过运算求取流量Qc。上述的流量Qc也可以基于通过温度传感器检测到的气体温度进行补正。
在从外部装置输入的设定流量Qs与通过上述运算求取的流量Qc不同的情况下，控制部5对控制阀12的开闭度进行控制，使其差接近于0。由此，能够使流过流孔内置阀16的气体的流量符合设定流量Qs。此外，从外部装置输入的设定流量信号，例如，也可以是按照公知的斜坡函数(ramp function)控制而生成的信号(即，目标值随时间变化的设定信号)，控制部5也可以从外部装置接收设定流量同时接收斜坡率(缓变率)的方式构成。
如上所述，对控制阀12进行控制来控制气体流量，并且气体的供给/停止的切换通过流体作动阀15的开闭来进行。在压力式流量控制装置100、200中，压缩空气向流体作动阀15的供给由电磁阀18的开闭控制。电磁阀18，为例如常开(normally open)型的开闭阀，能够在未赋予关闭信号的期间将空气供给到流体作动阀15。如果向电磁阀18赋予关闭信号，则停止向流体作动阀15供给压缩空气，流体作动阀15进行关闭动作。
然而，流体作动阀15经由电磁阀18或未图示的调节器连接到空气源，由于压缩空气系统的低响应性而导致无法瞬间闭阀。即，由于对电磁阀18的开闭信号与流体作动阀15的实际的开闭动作不同步的情形多，所以如果基于对电磁阀18的开闭信号判断气体的流量，则担心存在即使实际上为有气体流动的状态却判断流量为0的情况。
与此相对，在压力式流量控制装置100、200中，由于控制部5接收基于限位开关20的阀开闭检测信号，所以能够检测实际的阀开闭状态。由此，即使在对电磁阀18的开闭信号与实际的阀的开闭动作不同，或是在时机上错开的情况下，也能够判断气体的流动，并且能够正确地求取包括隔断期间(气体流量为0的期间)的实际的气体流量。
以下，参照图3，对基于压力式流量控制装置100、200的控制部5的流量测量工序的一个例子进行说明。
首先，在步骤S1开始流量测量，并在步骤S2中，检测限位开关20的接通/断开。
在步骤S3中，在确认限制开关20为打开，且流孔内置阀16为打开状态的情况下，在步骤S4和S5中，基于上游压力传感器P1的输出等(也包括温度传感器T的输出、下游压力传感器P2等的情况)，使用规定的运算式(例如上述的Qc＝K1P1)算出流量Qc。
另一方面，在步骤S3中，在确认限位开关20为关闭，且流孔内置阀16为关闭状态的情况下，无论压力传感器的输出值为何，都判断流量为0，在步骤S6中将流量Qc设定为0。
然后，在步骤S7中，作为测量流量，将在步骤S5或者步骤S6中设定的流量Qc作为当前流量而予以输出。若是这样，则即使在压缩空气向流体作动阀的供给系统发生故障时，也能够正确地将实际的流量输出，另外，由于在确认了实际的阀的关闭状态后再将流量设定为0，所以能够实时输出正确的流量。
产业上的可利用性
本发明的实施方式涉及的压力式流量控制装置，例如适合用于连接到半导体制造的气体供给线以便进行流量控制和流量测量。

Claims (5)

1.一种压力式流量控制装置，其特征在于，具备：控制阀；压力传感器，所述压力传感器设置于所述控制阀的下游侧；流孔内置阀，所述流孔内置阀设置于所述压力传感器的下游侧；以及控制部，所述控制部连接到所述控制阀和所述压力传感器，所述压力式流量控制装置以基于所述压力传感器的输出来控制所述控制阀的方式构成，
所述流孔内置阀具有：阀机构，所述阀机构具有用于进行流路的开闭的阀座体和阀体；驱动机构，所述驱动机构驱动所述阀机构；以及流孔部件，所述流孔部件接近于所述阀机构而设置，
具备用于检测所述阀机构的开闭状态的开闭检测机构，
所述控制部以从所述开闭检测机构接收检测信号的方式构成，
当来自所述开闭检测机构的所述检测信号显示所述流孔内置阀的关闭状态时，无论所述压力传感器的输出值为何值，所述控制部都判断流量为零。
2.根据权利要求1所述的压力式流量控制装置，其特征在于，
所述阀机构包括流体作动阀，所述驱动机构包括电磁阀，所述电磁阀控制流体向所述流体作动阀的供给。
3.根据权利要求1所述的压力式流量控制装置，其特征在于，
所述开闭检测机构包括限位开关，所述限位开关以与所述阀体的动作连动并产生通断信号的方式设置。
4.根据权利要求2所述的压力式流量控制装置，其特征在于，
所述开闭检测机构包括限位开关，所述限位开关以与所述阀体的动作连动并产生通断信号的方式设置。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的压力式流量控制装置，其特征在于，
所述控制部基于来自所述压力传感器的输出信号和来自所述开闭检测机构的所述检测信号，检测通过所述流孔内置阀的气体的流量。
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