CN1272186A - 具备压力式流量控制装置的气体供给设备 - Google Patents

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Abstract

使半导体制造装置等所使用的具备压力式流量控制装置的气体供给设备更小型化而降低制造成本,同时改善过度流量特性,防止气体供给开始时的气体的过调节现象的发生,提高流量控制精度与设备可靠性,由此,减少半导体制品质量的不均一,同时提高半导体制品的制造效率。具体地讲,是在将节流孔的上游侧压力保持成为节流孔的下游侧压力的约2倍以上的状态下,一边进行气体的流量控制,一边通过节流孔对应阀向加工过程供给气体,在上述具备压力式流量控制装置的气体供给设备上,气体供给设备的构成包括:从气体供给源接受气体的控制阀,设置在控制阀下游侧的节流孔对应阀,设置于前述控制阀与节流孔对应阀之间的压力检测器,设置于节流孔对应阀的阀动机构部下游侧的节流孔,在根据前述压力检测器的检测压力P1将流量作为Qc=KP1(式中K为常数)进行运算、同时将流量指令信号Qs与运算流量Qc的差作为控制信号Qy向控制阀的驱动部输出的运算控制装置。

Description

具备压力式流量控制装置的气体供给设备
技术领域
本发明涉及在半导体制造装置与化学品制造设备等方面使用的具备压力式流量控制装置的气体供给设备的改进,是涉及取得气体供给设备的小型化与提高流量控制性能等的气体供给设备。
背景技术
在半导体制造设备用气体供给设备方面,一直多采用质量流量控制装置作为流量控制装置。
但是,对于质量流量控制装置来说,存在着装置本身价格高,而且应答速度低、每个制品在制造精度上有差别、缺乏控制的稳定性等问题,在实用上产生种种障碍。
同样,在控制由气体供给设备向加工过程供给气体所用的控制阀方面,自从前一直多采用空气驱动式的金属隔膜阀。但是,由于该控制阀开闭动作速度缓慢,存在着在制成的半导体制品等的质量上可靠性低,半导体制品等的制造效率不能提高的问题。
另一方面,本发明申请人等,作为一举解决上述现有的气体供给设备方面的各项问题的一步,开发了利用压力式流量控制装置与高速电磁动作型金属隔膜阀的气体供给设备,在特开平8-338546号与特开平10-55218号公报上将其公开。
图11是表示具有现有的压力式流量控制装置的气体供给设备的结构框图,图12是表示形成其主要部的控制阀与节流孔对应阀的组装状况的纵向剖视图。
在图11与图12中,1是压力式流量控制装置,2是控制阀,3是压力检测器,4是温度检测器,5是节流孔,6是运算控制装置,6a是温度补偿电路,6b是流量运算电路,6c是比较电路,6d是放大电路,7a、7b是放大器,8a、8b是A/D转换器,9是节流孔对应阀,9a是阀主体,12是阀主体,Qs是流量指令信号,Qc是流量运算信号,Qr是控制信号,在将节流孔上游侧压力P1保持成为下游侧压力P2的约2倍以上的状态下,利用压力检测器3检测节流孔5与控制阀2之间的流体压力,根据该检测压力P1在运算控制装置6中将流量Qc作为Qc=KP1(式中K为常数)进行运算,同时将流量指令信号Qs与运算得出的流量信号Qc之差作为控制信号Qy向控制阀2的驱动部10输出,通过控制阀2的开闭来调节节流孔5上游侧压力P1,由此将节流孔5下游侧流量自动控制成为指令流量Qs。
前述控制阀2与节流孔对应阀9如图12所示,各自是作为独立体而形成的,通过管接头12a与装配螺钉13a将两者连接起来,构成气体供给设备的主要部分。
另外,作为节流孔对应阀9是使用空气动作型的金属隔膜阀或是电磁动作型金属隔膜阀。
而且,在图11与图12中,11a是气体出口侧,11b是气体入口侧,12a与12b是管接头,13b与13a是装配螺钉。
具有前述图11与图12所示的众所周知的压力式流量控制装置的气体供给设备与使用现有的质量流量控制装置的设备相比较,不仅能大幅度地降低制造成本,而且在应答性方面也特别优异。另外,在控制精度方面,与现有的设备比较也不逊色,能取得优异的实用功效。
但是,在具有上述众所周知的压力式流量控制装置的气体供给设备上也还残存有应予解决的问题,其中特别急需解决的问题有以下各点:①谋求设备的更加小型化,②要使构成机器的构造成为接触气体部的表面处理容易进行的构造,提高构成机器类的稳定性与可靠性,③改善过度流量特性,防止发生流体的所谓过调节(过度的流入)与混合气体成分比的变化,提高半导体制品等的质量稳定性,④使供给气体的切换速度更快,提高半导体制品等的生产效率等。
发明的公开
本发明的目的在于解决具备众所周知的压力式流量控制装置的气体供给设备上的如上所述的问题,提供一种具备压力式流量控制装置的气体供给设备,它可以①谋求气体供给设备的更加小型化,同时采取接触气体部的表面处理容易进行的构造,②能改善过度流量特性,提高半导体制品的质量的稳定性,同时使供给气体的切换速度快,提高半导体生产效率。
因此,在本发明中,采取使控制阀2与节流孔对应阀可为一体化的构造,因此取得设备的更加小型化与接触气体部的表面处理容易化。另外,将节流孔5的安装位置确定于节流孔对应阀9的下游侧,因此改善了流体的过度流量特性。而且,将节流孔对应阀9作成小型、高速动作型的金属隔膜阀,因此能实现供给气体的高速切换。
更具体地说,权利要求1所述的发明是具有压力式流量控制装置的气体供给设备,该压力式流量控制装置是在将节流孔上游侧压力保持成为节流孔下游侧压力的约2倍以上的状态下,一边进行气体的流量控制,一边通过节流孔对应阀向加工过程供给气体;发明的基本构成在于,气体供给设备的构成包括:从气体供给源接受气体的控制阀,设置于控制阀下游侧的节流孔对应阀,设置于前述控制阀与节流孔对应阀之间压力检测器,设置于节流孔对应阀的阀动机构部下游侧的节流孔,在根据前述压力检测器的检测压力P1将流量作为Qc=KP1(式中K为常数)进行运算,同时将流量指令信号Qs与运算流量Qc的差作为控制信号Qy向控制驱动部输出的运算控制装置;通过对控制阀的开闭进行控制来调节压力P1,由此控制供给气体流量。
权利要求2所述的发明是在权利要求1的发明中,将控制阀作成具有压电元件驱动型向驱动部的直接接触型的金属隔膜式阀,同时将节流孔对应阀作成直接接触型的金属隔膜式阀,还采取将压力检测器向控制阀的阀主体上组装成一体的结构。
权利要求3所述的发明是在权利要求1的发明中,将控制阀的阀主体与节流孔对应阀的阀主体制成一体。
权利要求4的发明是在权利要求1的发明中,将节流孔对应阀的阀动机构插装在阀主体的阀腔内,该阀动机构是由内板、阀座座板与金属隔膜形成,其中,在所述内板的中央部上穿通设置阀座座板插装孔,而在外周部上穿通设置气体流入孔,所述阀座座板成气密状地插装在前述内板的阀座座板插装孔内,并在中央部形成阀座与连通到阀座的气体流出口以及缩小气体流出口的节流孔,所述金属隔膜配置在阀座座板的上方,通过与阀座座板上的阀座接触或分离来开闭流体通路。
权利要求5所述的发明是在权利要求2的发明中,将节流孔对应阀作成具备电磁驱动型的驱动部的节流孔对应阀。
权利要求6所述的发明是在权利要求2的发明中,将节流孔对应阀作成具备空气压动作型的驱动部的节流孔对应阀。
权利要求7所述的发明是在权利要求4的发明中,在阀座座板上将环状的阀座突出设置在盘状体的上面一侧,同时在环状的阀座座板的中央部的薄壁部穿通设置与下方的气体流出通路连通的小孔而成为节流孔,并且将该节流孔部分的厚度t作为0.03~0.1mm。
附图的简要说明
图1是表示具备本发明的压力式流量控制装置的气体供给设备构成的方框图。
图2是表示形成气体供给设备的主要部的控制阀、节流孔对应阀与压力检测器的组装状况的局部剖视概要图。
图3是图2的侧视图。
图4是表示形成气体供给设备的主要部的控制阀、节流孔对应阀与压力检测器的另一组装状况的局部剖视概要图。
图5是图4的侧视图。
图6是节流孔对应阀的阀动机构部分的放大剖视图。
图7是表示使用于节流孔对应阀上的阀座座板的另一例的放大剖视图。
图8是表示在使用电磁驱动型的节流孔对应阀的情况下的本发明的气体供给设备与现有的气体供给设备的过度流量特性的一例。
图9是表示在使用空气压动作型的节流孔对应阀的情况下的本发明的气体供给设备与现有的气体供给设备的过度流量特性。
图10是图8与图9所示的过度流量特性的测定装置的说明图。
图11是使用现有的压力式流量控制装置的气体供给设备的结构框图。
图12是表示在现有的气体供给设备上的控制阀、节流孔对应阀与压力检测器的组装状态的局部剖视概要图。
实施发明的最佳方式
下面,根据附图说明本发明的实施例。
图1是表示具备本发明的压力式流量控制装置的气体供给设备的基本构成的方框图,除了节流孔5与节流孔对应阀9的安装位置不同这一点之外,与前述图11所示的现存的具备压力式流量控制装置的气体供给设备的情形完全相同。
在本发明中,由图1也可知,节流孔5是设置在节流孔对应阀9的下游侧,并且如后述那样,节流孔对应阀9的阀部与节流孔5之间的流路距离选定得极短。
另外,除了前述节流孔5与节流孔对应阀9的安装位置关系不同这一点以外,本发明的压力式流量控制装置的其他构成与图11所示的众所周知的压力式流量控制装置的构成相同,在此,其说明从略。
图2与图3是本发明的气体供给设备的主要部的纵剖正面概要图与侧视图,控制阀2的阀主体12与节流孔对应阀9的阀主体9a由连结螺钉14a、14b连结成一体。
另外,连接用法兰15通过连结螺钉16a、16b成气密状地固定在控制阀2的阀主体12的侧面上。
压力检测器3成气密状插装在阀主体12的底面上,检测控制阀2下游侧的气体压力P1。
气体入口11b穿通设置于连接用法兰15上,气体通过阀主体12内所形成的流路向箭头方向流通。
从控制阀2的阀主体12流出的气体沿着节流孔对应阀9的阀主体9a内所形成的流路向箭头方向流通,如后述那样,在流过节流孔对应阀9的隔膜阀体与阀座之间后,通过节流孔5,从设置于阀主体9a下面一侧的气体出口11a导出到外部。
前述控制阀2是以金属隔膜作为阀体,构成直接接触型金属隔膜式阀,是一种通过该金属隔膜阀体向阀座直接接触或从阀座离开来开闭液体通路的结构,在驱动部10上利用压电元件型驱动部。
关于该控制阀2,通过前述附图与特开平8-338546号公报等已众所周知,因此,在此其详细说明从略。
另一方面,前述节流孔对应阀9具有与控制阀2大致相同的结构,其阀部A构成直接接触型金属隔膜式阀。另外,节流孔对应阀9的驱动部17是利用高速应答型的电磁驱动部,它是以具有高饱和磁通密度的波明德铁钴高导磁率合金或Fe-Co合金作为铁心,是利用电磁阀芯直接驱动前述金属隔膜型阀体,因而能以极小型的电磁阀高速开闭气体通路。
节流孔对应阀9的构造及其驱动部17的构成已是众所周知,因而在此其详细说明从略。
图4与图5是表示本发明的气体供给设备上所使用的控制阀2与节流孔对应阀9的组合的第2实施例,是将控制阀2的阀主体12与节流孔对应阀9的阀主体9a作为整体,而形成阀主体18。
另外,在图4与图5的第2实施例中,在阀主体18的两侧设置连接用法兰19、20,用连结螺钉21a、21b、22a、22b把它们成气密状地固定在阀主体18上,在阀主体18的底面一侧分别形成气体入口11b与气体出口11a,由气体入口11b流入的气体向箭头方向流动,由气体出口11a流出到外部(真空箱等)。
如前述图2~图5所示,通过使控制阀2的阀主体12与节流孔对应阀9的阀主体9a为一体化,可取得阀主体车身的小型化,同时容易在流体通路内壁面上进行氧化铬钝态膜或氟化铬钝态膜等钝态膜处理。
其结果,能使半导体制造装置小型化,同时能防止由金属内部的脱气作用或由于金属内壁面的腐蚀引起的微粒的发生,能有效地防止半导体制品的质量劣化等。
图6是图2与图4所示的节流孔对应阀9的A部(阀动机构部)的部分放大剖视图,9a是阀主体,23是在阀主体9a上设置的阀腔,24是插装在阀腔内的内板,25是形成阀体的金属隔膜,26是PCTFE制作的阀座用座板,26a是环状阀座,5是设置于阀座用座板上的节流孔,27是阀体压板,28是轴(阀杆),29是弹簧,S是流体通路,由流体通路S1向箭头方向流入的气体通过空隙与节流孔5由流体通路S2流出。
即,节流孔对应阀9的阀动机构部A包括:插装在阀腔23的底面上的圆盘状内板24,成气密状插装在阀座座板插装孔24a内的阀座座板26,设置在阀座座板26的上方的金属制的隔膜25,由上方推压隔膜25的阀体压板27等,上述阀腔23是设置在阀主体9a上,上述阀座座板插装孔24a是设置在内板24的中央部。
而且,在内板24的外周部设置与气体流入通路S1连通的气体流入口24b,气体通过该气体流入口24b向隔膜25的下方空间流入。
另外,在阀座座板26的顶面上突出设置有环状的阀座26a,在与阀座26a连通的气体流出通路S2中还形成有节流孔5。
图7是表示前述图6中的阀座座板(PCTFE制)26的另一侧,阀座座板26大致形成为盘状体,在其顶面一侧突出设置环状的阀座26a。并且,将盘状体的里面一侧切除成为圆锥状,使环状阀座座板26a的中央部成为薄壁状,同时在该薄壁部穿通设置小孔状的节流孔5。
节流孔5的直径可适当地采用φ=0.04,φ=0.06,φ=0.12,φ=0.25,φ=0.35mm。
另外,形成节流孔5的部分的厚度t可以极薄,例如最好是t=0.03~0.1mm程度。这是由于如后述那样,该厚度t愈小,气体的过调节(过度流量)愈小。
图8与图9是表示具有本发明的压力式流量控制装置的气体供给设备(将节流孔5设置在节流孔对应阀9的阀动机构部的下游侧)与具有现有的压力式流量控制装置的气体供给设备(将节流孔5设置在节流孔对应阀9的阀动机构部的上游侧)的过度流量特性。
即,图8是表示使用具有电磁驱动型的驱动部的阀作为节流孔对应阀9的情况下的特性,曲线A1是本发明的气体供给设备的过度流量特性,是表示将N2流量设定成250SCCM的情形。另外,曲线B1是表示现有的气体供给设备的情况下的过度流量特性(N2流量=250SCCM)。另外,SCCM是表示在标准状态下的气体流量(cm3/s)。
另外,图9是表示使用具有空气压动作型的驱动部的阀作为节流孔对应阀的情况下的特性,曲线A2是表示本发明的气体供给设备的过渡流量特性,是表示将N2流量设定成200SCCM的情形。
另外,曲线B2是表示现有的气体供给设备的情况下的过度流量特性(N2流量=250SCCM)。
由图9的曲线A2可知:在使用空气压驱动型节流孔对应阀的情况下,从外加操作信号C2时起,在迟后约20msec时,气体的流通开始。另外,为减少该迟后的时间,最好使用将空气压驱动部与控制用电磁阀作成一体型式的空气压驱动型节流孔对应阀。
在前述图8与图9中,曲线C1与C2是表示节流孔对应阀9的动作信号的供给状态,在侧定曲线A1与B1、曲线A2与B2时,各自以相同的条件向节流孔对应阀施加动作信号。
由前述图8与图9可知:在现有的气体供给设备中,当节流孔对应阀9开放时,在流量曲线B1与B2上产生振动,发生所谓气体的过调节(过度流入)(曲线B1’、B2’的部分)。与此相反,在本发明的气体供给设备中则完全没有象现有的气体供给设备的流量特性曲线B1与流量特性曲线B2那样,在节流孔对应阀9开放时产生气体的过调节(过度流入)B1’,B2’,极其圆滑的气体流量大致在瞬间上升到规定的设定流量值,能进行正确的气体流量控制。
图10是表示前述气体供给设备的过度流量特性的测定试验装置的概要,将构成气体供给设备CS的压力式流量控制装置1的流量指令信号Qs设定为5V(流量200SCCM·N2),将设置在节流孔对应阀9的下游侧(本发明的情形)或节流孔对应阀9的上游侧(现有的气体供给设备的情形)的节流孔5的内径φ取为0.15mm。
另外,在节流孔对应阀9的气体出口11a设置9.261的真空箱30,利用干式泵31按161/sec的比例排气,使真空箱30内保持1托以下的真空度。
在图10中,32是对流式真空计、33是压差传感器、34是压差传感器放大器、35是针阀(常开)、36是长余辉示波器、37是N2气体源(2kgf/cm2G)。
使向节流孔对应阀9(常闭)的驱动部17发送的输入信号接通,将节流孔对应阀9打开,由长余辉示波器36分别测定输入信号与压差传感器输出所得的结果即为前述图8与图9的各曲线A1、A2、B1、B2、C。
另外,如本发明那样,将节流孔5的位置设置在节流孔对应阀9的阀动机构部的下游侧会减少气体的过度流入。可以设想是由于不象现有的气体供给设备的情形那样,当节流孔对应阀9关闭时在节流孔5与节流孔对应阀9之间产生一次压的气体贮留。
另外,根据试验结果可以确认,本发明中的节流孔5在使其厚度t尽可能地薄时,可获得更好的过度流量特性。
发明的效果
在本发明中,由于采取将节流孔配置在节流孔对应阀的阀动机构部A的下游侧的结构,所以在节流孔对应阀打开气体向加工侧的供给开始时产生的所谓气体的过度流入几乎全无。
其结果,能进行极高精度的气体流量控制,能防止由于气体成分的混杂引起的半导体制品的质量不均一等。
另外,在本发明中,由于采取使控制阀与节流孔对应阀的阀主体为一体、而且从功能上连结起来的结构,所以能使作为气体供给设备的主要部的阀组合体部分大幅度地小型化,进而能降低气体供给设备的制造成本。
而且,在本发明中,由于是将控制阀与节流孔对应阀的阀主体有机地组合在一起,所以能使阀主体内的气体流路形成比较单纯的形态,对于接触气体表面的钝态膜的形成处理易于进行,因而能更完善地防止内部气体的排出与防止腐蚀生成物的发生,大幅度地提高气体供给设备的可靠性。
此外,在本发明中,在节流孔对应阀的驱动部是使用高速动作型电磁阀,它是以高导磁率的波明德铁钴合金作为磁性材料。其结果,能使驱动部本身小型化,同时能使节流孔对应阀以高速开闭,并与无前述气体的过调节相结构,能大幅度地提高加工过程处理效率与半导体制品的制造效率。
本发明如上所述,作为半导体制造装置那样的使用超高纯度气体的气体供给设备具有优异的实用效用。

Claims (7)

1.一种具有压力式流量控制装置的气体供给设备,该压力式流量控制装置是在将节流孔上游侧压力保持成为节流孔下游侧压力的约2倍以上的状态下,一边进行气体的流量控制,一边通过节流孔对应阀向加工过程供给气体,其特征在于,气体供给设备的构成包括:从气体供给源接受气体的控制阀,设置在控制阀下游侧的节流孔对应阀,设置于前述控制阀与节流孔对应阀之间的压力检测器,设置于节流孔对应阀的阀动机构部下游侧的节流孔,在根据前述压力检测器的检测压力P1将流量作为Qc=KP1(式中K为常数)进行运算、同时将流量指令信号Qs与运算流量Qc的差作为控制信号Qy向控制阀的驱动部输出的运算控制装置,通过对控制阀的开闭进行控制来调节压力P1,由此控制供给气体流量。
2.根据权利要求1所述的具备压力式流量控制装置的气体供给设备,将控制阀作成具有压电元件驱动型的驱动部的直接接触型的金属隔膜式阀,同时将节流孔对应阀作成直接接触型的金属隔膜式阀,还采取将压力检测器向控制阀的阀主体上组装成一体的结构。
3.根据权利要求1所述的具备压力式流量控制装置的气体供给设备,将控制阀的阀主体与节流孔对应阀的阀主体制成一体。
4.根据权利要求1所述的具备压力式流量控制装置的气体供给设备,将节流孔对应阀的阀动机构插装在阀主体的阀腔内,该阀动机构是由内板、阀座座板与金属隔膜形成,其中,在所述内板的中央部上分别穿通设置阀座座板插装孔,而在外周部上穿通设置气体流入孔,所述阀座座板成气密状地插装在前述内板的阀座座板插装孔内,并在中央部形成阀座与连通到阀座的气体流出口以及缩小气体流出口的节流孔,所述金属隔膜配置在阀座座板的上方,通过与阀座座板上的阀座接触或分离来开闭流体通路。
5.根据权利要求2所述的具备压力式流量控制装置的气体供给设备,将节流孔对应阀作成具备电磁驱动型的驱动部的节流孔对应阀。
6.根据权利要求2所述的具备压力式流量控制装置的气体供给设备,将节流孔对应阀作成具备空气压动作型的驱动部的节流孔对应阀。
7.根据权利要求4所述的具备压力式流量控制装置的气体供给设备,在阀座座板上将环状的阀座突出设置在盘状体的上面一侧,同时在环状的阀座座板的中央部的薄壁部穿通设置与下方的气体流出通路连通的小孔而成为节流孔,并且将该节流孔部分的厚度t作成0.03~0.1mm。
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