DE69832467T2

DE69832467T2 - Druckabhängige durchflussregelvorrichtung

Info

Publication number: DE69832467T2
Application number: DE69832467T
Authority: DE
Inventors: Tadahiro Sendai-shi Ohmi; Tetu Kagazume; Kazuhiko Sugiyama; Ryousuke Dohi; Tomio Uno; Kouji Nishino; Hiroyuki Fukuda; Nobukazu Ikeda; Michio Yamaji
Original assignee: Tokyo Electron Ltd; Fujikin Inc
Current assignee: Tokyo Electron Ltd; Fujikin Inc
Priority date: 1997-08-15
Filing date: 1998-08-13
Publication date: 2006-08-17
Anticipated expiration: 2018-08-14
Also published as: EP0952505A4; JP3586075B2; DE69832467D1; EP0952505A1; ATE310985T1; WO1999009463A1; JPH1163265A; US6152168A; CN1236449A; KR20000068752A; CN1216322C; EP0952505B1; KR100313220B1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine verbesserte Druck-Flussratensteuervorrichtung für Fluide wie beispielsweise Gase. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Flusssteuerung eines Gasversorgungssystems, das in erster Linie in Halbleiterfertigungsanlagen verwendet wird.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Bis jetzt wurden zur Steuerung der Flussrate in einem in Halbleiterfertigungsanlagen verwendeten Gasversorgungssystem häufig Massenflusssteuerungen eingesetzt. In den letzten Jahren wurden Druck-Flussratensteuervorrichtungen entwickelt, die nun die Massenflusssteuerung ersetzen. Zu den neu entwickelten Druck-Flussratensteuervorrichtungen gehören die in den nicht geprüften japanischen Patentanmeldungen Nr. 8-335117, Nr. 8-338546 und der entsprechenden europäischen Patentanmeldung EP 0 749 058 A2 offenbarten Vorrichtungen.
11 zeigt die Druck-Flussratensteuervorrichtung, die die Erfinder bereits in der vorstehend genannten, nicht geprüften japanischen Patentanmeldung Nr. 8-338546 offenbart haben. Das Funktionsprinzip dieser Druck-Flussratensteuervorrichtung ist Folgendes: Die Flussrate Qc des Fluids auf der stromabwärts gelegenen Seite der Mündung wird anhand einer Gleichung Qc = KP1 (K: Konstante) berechnet, wobei das Verhältnis P2/P1 zwischen einem Druck P2 auf der stromabwärts gelegenen Seite einer Mündung 5 und einem Druck P1 auf der stromaufwärts gelegenen Seite auf einem Wert gehalten wird, der unterhalb des kritischen Druckverhältnisses des Gases liegt. Die Differenz zwischen der berechneten Flussrate Qc und der eingestellten Flussrate Qs wird als Steuersignal Qy in eine Ventilansteuerung 3 für ein Steuerventil 2 eingegeben, um den Öffnungsgrad des Steuerventils 2 zum Einstellen des Drucks P1 stromaufwärts einer Mündung 5 so zu regulieren, dass die berechnete Flussrate Qc = die eingestellte Flussrate Qs (d.h. das Steuersignal Qy = 0) ist. Somit wird die Flussrate auf der stromabwärts gelegenen Seite der Mündung auf die vorstehend genannte einstellte Flussrate Qs reguliert.
In 11 bezeichnen die Bezugszeichen 1 eine Druck-Flussratensteuervorrichtung, 2 ein Steuerventil, 3 eine Steuerventilansteuerung, 4 einen Druckdetektor, 5 eine Mündung, 7 eine Steuereinheit, 7a eine Temperaturkorrekturschaltung, 7b eine Flussratenberechnungsschaltung, 7c eine Vergleichsschaltung, 7d eine Verstärkerschaltung, 21a und 21b Verstärkerschaltungen, 22a und 22b Analog-Digital-Wandler, 24 einen Umkehrverstärker, 25 ein Ventil, Qc ein Signal für die berechnete Flussrate, Qs ein Signal für die eingestellte Flussrate und Qy ein Steuersignal (Qc–Qs).
Durch Einstellen des Drucks P1 auf der stromaufwärts gelegenen Seite der Mündung durch Betätigung des Steuerventils 2 ermöglicht das vorstehend genannte Druck-Flussratensteuersystem, die Flussrate Q auf der stromabwärts gelegenen Seite der Mündung mit hoher Präzision auf ein gewünschtes Niveau einzustellen. Somit erweist sich die Vorrichtung in der Praxis als besonders effektiv.
Das Problem bei dieser Druck-Flussratensteuervorrichtung liegt jedoch darin, dass ihre Anwendung auf Grund des festen Durchmessers der Mündung 5 auf einen bestimmten Bereich von Flussraten beschränkt ist und kein Umschalten in den Flussratenbereichen möglich ist.
Um ein Umschalten zu ermöglichen, ist es erforderlich, die Mündung 5 so zu konstruieren, dass sie leicht zu ersetzen ist, und es müssen mehrere einsatzbereite Mündungen 5 mit unterschiedlicher Bohrung oder Bohrungsdurchmesser hergestellt werden. Hier tritt jedoch das Problem auf, dass eine Präzisionsschwankung bei der Herstellung dieser Mündungen 5 direkt zu Fehlern bei der Flussratensteuerung führt.
Die Herstellung mehrerer Mündungen mit unterschiedlicher Bohrung ist jedoch unwirtschaftlich und führt zu einer schlechten Steuerpräzision.
Bei einer Flussratensteuerung mit fester Flussrate, die eine so genannte Schallgeschwindigkeitsdüse (oder Mündung) verwendet, wurden Düsen oder Mündungen mit variabler Querschnittsfläche entwickelt, um eine Änderung des Flussratenbereichs zu ermöglichen, und in der nicht geprüften japanischen Gebrauchsmusteranmeldungen Nr. 56-41210 und der geprüften japanischen Gebrauchsmusteranmeldung Nr. 60-42332 offenbart.
Diese Mündungen mit variabler Querschnittsfläche haben jedoch alle Mechanismen, die einem Nadelventil ähneln und daher unweigerlich mit vielen Toträumen in dem Fluidflussweg einhergehen. Das macht eine vollständige Umschaltung oder einen Austausch schwierig und erzeugt viel Staub. Aus diesem Grund sind die Mündungen mit variabler Querschnittsfläche nicht gut für die Verwendung in dem in Halbleiterfertigungsanlagen eingesetztem Gasversorgungssystem geeignet.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Probleme zu lösen, die mit den Druck-Flussratensteuervorrichtungen nach dem Stand der Technik verbunden sind. Zu diesen Problemen gehören: (a) da die Mündung einen festen Durchmesser hat, kann nicht zwischen den Flussratenbereichen umgeschaltet werden, (b) es ist schwierig, eine Mündung mit hoher Genauigkeit herzustellen, und eine Präzisionsschwankung bei der Herstellung führt direkt zu Fehlern bei der gesteuerten Flussrate, was wiederum dazu führt, dass keine zuverlässige und stabile Flussratensteuerung möglich ist, und (c) die Mündungen mit variabler Querschnittsfläche nach dem Stand der Technik können weder ein vollständiges Umschalten noch einen Austausch des Gases bewirken und erzeugen Staub und können daher nicht in geeigneter Weise in dem Gasversorgungssystem in Halbleiterfertigungsanlagen verwendet werden. Die vorstehend genannte Aufgabe kann gelöst werden, indem eine Druck-Flussratensteuervorrichtung angegeben wird, die eine leichte Einstellung der Mündungsquerschnittsfläche und eine hochpräzise Flussratensteuerung in einem breiten Bereich von Flussraten ohne Schwierigkeiten ermöglicht und die für das Umschalten oder den Austausch von Gas und die Vermeidung von Staub besonders geeignet ist, so dass sie in dem Gasversorgungssystem in Halbleiterfertigungsanlagen verwendet werden kann.
Die Erfinder sind auf den Gedanken gekommen, eine Direktberührungs-Metallmembranventileinheit als Mündung mit variabler Querschnittsfläche zu verwenden, die besonders sauber arbeitet und Gase besonders gut austauschen kann. Dies sind unabdingbare Merkmale für Einrichtungen, die in dem Gasversorgungssystem in Halbleiterfertigungsanlagen verwendet werden. Daraufhin haben die Erfinder Untersuchungen durchgeführt, um herauszufinden, ob der Fluiddurchgang der Direktberührungs-Metallmembranventileinheit in der Lage ist, die Fluss rate genauso effizient zu steuern wie die so genannte Schallgeschwindigkeitsdüse oder -mündung.
1 zeigt eine Flussratensteuerung-Testvorrichtung, die die vorstehend genannte Direktberührungs-Metallmembranventileinheit als Mündung mit variabler Querschnittsfläche verwendet. In 1 bezeichnen die Bezugszeichen 2 ein Druckbegrenzungsventil, 3 eine Steuerventilansteuerung, 4 einen Druckdetektor, 5 eine variable Mündung (eine Direktberührungs-Metallmembranventileinheit), 6 eine Mündungsansteuerung, 7 eine Steuerschaltung, 8a einen Gaseinlass, 8b einen Gasauslass, 9 einen Massendurchflussmesser, 10 eine Vakuumkammer, 10a ein Vakuummessgerät und 11 eine Vakuumpumpe.
Das vorstehend genannte Steuerventil 2 ist dieselbe Direktberührungs-Metallmembranventileinheit wie in der nicht geprüften japanischen Patentoffenlegungsschrift 8-338546. Die Ansteuerung 3 ist mit einer mit einem piezoelektrischen Element arbeitenden Ansteuerungseinheit versehen. Die Ansteuerung 3 für das Steuerventil 2 kann alternativ auch eine andere Ansteuerungseinheit wie beispielsweise eine mit einem magnetostriktivem Element arbeitende Ansteuerung, eine Solenoidansteuerung, eine Motoransteuerung, eine mit Luftdruck oder mit Wärmeausdehung arbeitende Ansteuerung sein.
Der vorstehend genannte Druckdetektor 4 ist ein Halbleiterdehnungsmesser. Genauer gesagt, ist der Druckdetektor 4 wie in der nicht geprüften japanischen Patentanmeldung Nr. 8-338546 in dem Ventilhauptkörper des Druckbegrenzungsventils 2 integriert.
Ein Direktberührungs-Metallmembranventil, das später beschrieben wird, wird als variable Mündung 5 verwendet und die Ansteuerung 6 ist mit einer Pulsmotor-Ansteuerung, d.h. einem Linear-Stellantrieb versehen, der auf einen Pulsmotor und einen Kugelgewindemechanismus wirkt.
Die Steuerschaltung 7' vergleicht ein erfasstes Drucksignal Qp1 von dem Druckdetektor 4 auf der stromaufwärts gelegenen Seite der Mündung mit dem eingestellten Druck Qps und gibt ein Steuersignal Qy in die Steuerventilansteuerung 3 ein, um die Druckdifferenz auf Null zu bringen und dadurch das Steuerventil 2 zu steuern.
Die Direktberührungs-Metallmembranventileinheit, welche die variable Mündung 5 darstellt, enthält einen Ventilhauptkörper 12 aus Edelstahl, eine Membran 13 aus Edelstahl oder einer Nickel-Kobalt-Legierung und eine Pulsmotor-Ansteuerung 6, um die Membran 13 nach unten zu drücken, wie in 2 gezeigt ist. Der Ventilhauptkörper 12 ist mit einem Fluideinlass 12a, einem Ventilsitz 12b, einer Ventilkammer 12c und einem Fluidauslass 12e versehen.
Wenn der Pulsmotor 14 die Ausgangsstellung einnimmt, wird die Membran 13 durch einen Führungsschieber 18 und eine Membranpressvorrichtung 16 durch einen Kugelgewindemechanismus 19 so lange gegen die von Federn 17 und 15 ausgeübte elastische Kraft nach unten gedrückt, bis die Membran 13 auf dem Ventilsitz 12b sitzt, um das Ventil zu schließen.
Im nächsten Schritt dreht sich der Pulsmotor 14 bei Eingabe eines Mündungssteuersignals Qz in den Pulsmotor 14 in solch eine Richtung, dass der Führungsschieber 18 durch den Kugelgewindemechanismus 19 nach oben gezogen wird und die Membranpressvorrichtung 16 durch die elastische Kraft der Feder 15 nach oben gedrückt wird.
Folglich kehrt die Membran 13 in Aufwärtsrichtung in die Ausgangsposition zurück und bewegt sich von dem Ventilsitz 12b weg, wodurch ein ringförmiger Fluiddurchgang (Mündung) zwischen dem Ventilsitz 12b und der Membran 13 entsteht.
In diesem Ausführungsbeispiel ist der Pulsmotor 14 ein so genannter Schrittmotor, der 50000 Pulse pro Umdrehung erzeugt. Der Kugelgewindemechanismus 19 hat eine Gewindesteigung von 0,5 mm/Umdrehung.
Bei dieser Anordnung wird die Membran durch Eingabe eines Pulses in den Pulsmotor 14 um 10 nm bewegt oder versetzt, wodurch eine besonders präzise Steuerung des Öffnungsgrads der Mündung möglich ist. In 2 bezeichnen die Bezugszeichen 20 eine Kupplung, 21 ein Lager und 22 den Schaft des Kugelgewindemechanismus.
Die Massenflusssteuerung 9 misst die Gasflusssrate Q auf der stromabwärts gelegenen Seite der variablen Mündung 5 und gibt das erfasste Flussratensignal Qx aus.
Die Vakuumkammer 10, das Vakuummessgerät 10a und die Vakuumpumpe 11 sind in den Halbleiterfertigungsanlagen enthalten. Der Druck innerhalb der Vakuumkammer 10 wird im Allgemeinen bei einem Unterdruck von mehreren Torr gehalten.
Beim Überprüfen der Flussratencharakteristika der variablen Mündung 5 wurde zunächst ein Mündungssteuersignal Qz eingegeben, um den Öffnungsgrad der variablen Mündung 5 auf ein bestimmtes Niveau einzustellen. Dann wurde Stickstoffgas N2 mit einem Druck von 6,0 kg/cm² in den Gaseinlass 8a geleitet. Danach wurde das eingestellte Drucksignal Qps auf ein Niveau zwischen 0 und 3 kgf/cm²abs eingestellt, um das Druckbegrenzungsventil 2 zu steuern, während die Flussrate von N2 auf der stromabwärts gelegenen Seite der Mündung 5 durch die Massenflusssteuerung 9 gemessen wurde.
Wie bereits erwähnt hat die Vakuumkammer 10 einen Rauminhalt von 9,26 Litern und wird durch die Vakuumpumpe 11 auf einem Unterdruck von etwa 1 Torr gehalten.
3 zeigt die Beziehung zwischen dem Druck stromaufwärts, d.h. dem eingestellten Druck Qps, und der Gasflussrate Q sccm auf der stromabwärts gelegenen Seite der Mündung, wobei ein Bereich des ringförmigen Zwischenraums (Fluiddurchgang) der variablen Mündung 5 durch das Mündungssteuersignal Qz an die Querschnittsfläche einer Mündung angeglichen wurde, die einen kreisrunden Bohrungsdurchmesser von 0,14 mm hat.
Es versteht sich, dass sccm die Flussrate in Kubikzentimetern (cm³)/Minute hinsichtlich des Standardzustands ist.
4 zeigt die Beziehung zwischen dem Druck auf der stromaufwärts gelegenen Seite der Mündung 5, d.h. dem eingestellten Druck Qps, und der Gasflussrate Q sccm auf der stromabwärts gelegenen Seite der Mündung, wobei das Mündungs steuersignal Qz geändert wurde, um einen Bereich des ringförmigen Zwischenraums (Fluiddurchgang) der variablen Mündung an die Querschnittsfläche einer Mündung anzugleichen, die einen kreisrunden Bohrungsdurchmesser von 0,25 mm hat.
Wie aus 3 und 4 ersichtlich ist, gibt es eine Beziehung zwischen der Flussrate Q und dem Druck P1 stromaufwärts, die etwa durch Q = KP1 in dem Bereich dargestellt ist, in dem der Druck P1 auf der stromaufwärts gelegenen Seite der variablen Mündung nicht unter 0,5 kgf/cm²abs liegt und der Druck P2 auf der stromabwärts gelegenen Seite der Mündung 1 Torr oder etwa 133,3 Pa beträgt.
Anders gesagt ist gezeigt, dass der ringförmige Fluiddurchgang (oder Zwischenraum) zwischen der Membran und dem Ventilsitz der Direktberührungs-Metallmembranventileinheit einen Aufbau gemäß 2 hat, beinahe dieselben Druck-Flussratensteuerungscharakteristika hat wie die so genannte feste Mündung.
5 stellt die Flussratencharakteristika der variablen Mündung 5 dar und zeigt die Beziehung zwischen dem Arbeitshub L der variablen Mündung 5 (oder Länge des Zwischenraums der Membran 13 und der Gasflussrate Q auf der stromabwärts gelegenen Seite der Mündung unter den Bedingungen, dass der Druck P1 auf der stromaufwärts gelegenen Seite der variablen Mündung 5 bei der in 1 gezeigten Testvorrichtung auf etwa 0,5 kgf/cm²abs und der Druck P2 stromabwärts bei einem Unterdruck von 1 Torr gehalten wird.
Der Versuch hat gezeigt, dass die Beziehung zwischen dem Hub L (mm) und der Flussrate Q (sccm) derart ist, dass sie beinahe linear proportional zueinander sind. Diese Beziehung kann man immer dann beobachten, wenn der Arbeitshub L zwischen 0 und 0,12 mm liegt.
6 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Arbeitshub L (mm) der variablen Mündung 5 und der Mündungsbohrung oder dem Mündungsdurchmesser ⌀ (mm) zeigt, wobei jeder Mündungsdurchmesser auf der Basis jeder Flussrate in 5 unter der Annahme berechnet wird, dass die Mündung eine kreisrunde Bohrungsform hat. Es hat sich herausgestellt, dass die Beziehung zwischen dem Hub L (mm) und der Mündungsbohrung (mm) immer zu beobachten, d.h. reproduzierbar ist.
Das heißt, wie aus 5 und 6 ersichtlich ist, gibt es immer eine feste Beziehung zwischen dem Arbeitshub L (mm) der variablen Mündung 5 und der Flussrate Q (sccm) oder zwischen dem Arbeitshub L und dem Mündungsbohrungsdurchmesser ⌀ (mm). Daher ist es möglich, den Durchmesser ⌀ (mm) der variablen Mündung oder die Flussrate Q (sccm) durch Ändern des Hubs L (mm) auf ein gewünschtes Niveau zu bringen. Die vorliegende Erfindung stellt eine verlässliche variable Mündung dar.
Die vorliegende Erfindung wurde auf Grundlage der Ergebnisse der Testversuche bezüglich der Druckflussratencharakteristika entwickelt, bei denen die in 2 gezeigte Direktberührungs-Metallmembranventileinheit als variable Mündung diente. Die vorliegende Erfindung nach Anspruch 1 gibt eine Druck-Flussratensteuervorrichtung an, umfassend eine Mündung 5, ein Steuerventil 2, das auf der stromaufwärts gelegenen Seite der Mündung 5 vorgesehen ist, einen Druckdetektor 4, der zwischen dem Steuerventil 2 und der Mündung 5 vorgesehen ist, und eine Steuereinheit 7, die basierend auf einem durch den Druckdetektor 4 erfassten Druck P1 die Fluidrate Q anhand der Gleichung Qc = KP1 (K = Konstante) berechnet und in einer Ansteuerung 13 für das Steuerventil 2 die Differenz zwischen dem eingestellten Flussratensignal Qs und dem berechneten Flussratensignal Q als Steuersignal Qy ausgibt, wobei der Druck P1 auf der stromaufwärts gelegenen Seite der Mündung durch Betätigung des Steuerventils 2 reguliert wird, um die Flussrate Q des Fluids stromabwärts der Mündung zu steuern, wobei das Verhältnis P2/P1 zwischen dem Druck P2 auf der stromabwärts gelegenen Seite der Mündung und dem Druck P1 stromaufwärts auf einem Wert gehalten wird, der nicht höher als das kritische Druckverhältnis des gesteuerten Fluids ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Direktberührungs-Metallmembranventileinheit als Mündung 5 fungiert und ein ringförmiger Zwischenraum zwischen dem Ventilsitz 12b und der Membran 13 als variable Mündung 5 dient.
Die vorliegende Erfindung nach Anspruch 2 gibt eine Druck-Flussratensteuervorrichtung nach Anspruch 1 an, wobei die variable Mündung 5 eine Mün dung ist, bei der der ringförmige Zwischenraum durch eine Pulsmotor-Ansteuerung reguliert wird.
Die vorliegende Erfindung nach Anspruch 3 gibt eine Druck-Flussratensteuervorrichtung nach Anspruch 1 an, wobei die variable Mündung 5 eine Mündung ist, bei der der ringförmige Zwischenraum durch eine mit einem piezoelektrischen Element arbeitende Ansteuerung reguliert wird.
Die vorliegende Erfindung nach Anspruch 4 gibt eine Druck-Flussratensteuervorrichtung nach Anspruch 1 an, wobei der Arbeitshub L der Membran 13 zwischen 0 und 0,12 mm liegt.
Die vorliegende Erfindung nach Anspruch 5 gibt eine Druck-Flussratensteuervorrichtung nach Anspruch 1 an, wobei eine Fläche des ringförmigen Zwischenraums (Fluiddurchgang) zwischen dem Ventilsitz 12b und der Membran 13 einer Schnittfläche einer kreisrunden Bohrung entspricht, die einen Durchmesser von 0,14 bis 0,25 mm hat.
Die vorliegende Erfindung nach Anspruch 6 gibt eine Druck-Flussratensteuervorrichtung nach Anspruch 2 an, wobei die Pulsmotor-Ansteuerung 6 einen Schrittmotor 14 und einen Kugelgewindemechanismus 19 umfasst.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein schematisches Diagramm einer Vorrichtung zum Testen der Flussratensteuerung durch eine in der vorliegenden Erfindung verwendete variable Mündung (d.h. eine Direktberührungs-Metallmembranventileinheit).
2 ist eine vertikale Schnittansicht einer in der vorliegenden Erfindung verwendeten variablen Mündung.
3 zeigt ein Beispiel der Ergebnisse der Druckflussratenmessung mit der in 1 gezeigten Testvorrichtung.
4 zeigt ein weiteres Beispiel der Ergebnisse der Druckflussratenmessung mit der in 1 gezeigten Testvorrichtung.
5 zeigt die Beziehung zwischen dem Hub L (mm) der Membran und der Flussrate Q (sccm) in einem Fall, in dem der Druck P1 auf der stromaufwärts gelegenen Seite der variablen Mündung und der Druck P2 auf der stromabwärts gelegenen Seite der variablen Mündung fest sind.
6 zeigt die Beziehung zwischen dem Hub L (mm) der Membran und der Mündungsbohrung ⌀ (mm), wobei jede Bohrung auf Basis jeder Flussrate Q (sccm) berechnet wird, in einem Fall, in dem der Druck P1 auf der stromaufwärts gelegenen Seite der variablen Mündung und der Druck P2 auf der stromabwärts gelegenen Seite der variablen Mündung fest sind.
7 ist ein schematisches Diagramm einer Druck-Flussratensteuervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
8 ist eine vertikale Schnittansicht eines Druckbegrenzungsventils.
9 ist eine vertikale Schnittansicht eines Hauptteils einer variablen Mündung bei einem Beispiel der vorliegenden Erfindung.
10 ist eine teilweise vergrößerte Ansicht der 9.
11 ist ein schematisches Diagramm einer Druck-Flussratensteuervorrichtung nach dem Stand der Technik.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nun anhand der Zeichnungen beschrieben.
7 ist ein schematisches Diagramm einer Druck-Flussratensteuervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. In 7 bezeichnen die Bezugszeichen 1 eine Druck-Flussratensteuervorrichtung, 2 ein Druckbegrenzungsventil, 3 eine Ventilansteuerung, 4 einen Druckdetektor, 5 eine variable Mündung, 6 eine Mündungsansteuerung, 7 eine Steuereinheit, 10a ein Vakuummessgerät, 11 eine Vakuumpumpe, Qy ein Steuersignal für das Steuerventil 2, Qp1 ein erfasstes Drucksignal, Qz ein Mündungssteuersignal, Qs ein eingestelltes Flussratensignal und Qos ein den Öffnungsgrad der Mündung 5 einstellendes Signal.
Das Druckbegrenzungsventil 2 in 7 ist eine Direktberührungs-Metallmembranventileinheit mit dem in 8 gezeigten Aufbau, die mit der in der nicht geprüften japanischen Patentanmeldung Nr. 8-338546 identisch ist.
Der Druckdetektor 4 ist ein Halbleiterdehnungsmesser, der in einem Druckdetektor-Aufnahmeloch 12d des Druckbegrenzungsventils 2 befestigt ist.
Die Direktberührungs-Metallmembranventileinheit und die in 2 gezeigte Pulsmotor-Ansteuerung 6 dienen als variable Mündung 5 und deren Ansteuerung 6. Die variable Mündung 5 und die Ansteuerung 6 haben denselben Aufbau wie in 2 gezeigt; dementsprechend wird auf deren Beschreibung verzichtet.
Die Ansteuerung 6 ist nicht auf eine Pulsmotor-Ansteuerung beschränkt und kann eine mit einem piezoelektrischen Element arbeitende Ansteuerung oder eine Solenoidansteuerung sein.
Im Folgenden wird die Funktionsweise des Druck-Flussratensteuerungssystems beschrieben.
Zunächst werden das eingestellte Flussratensignal Qs und das den Öffnungsgrad der Mündung einstellende Signal Qos in die Steuereinheit 7 eingegeben.
Wenn dann das Gas mit einem bestimmten Druck P1 in den Gaseinlass 8a geleitet wird, wird das erfasste Drucksignal Qp1, das dem durch den Druckdetektor 4 erfassten Druck P1 stromaufwärts entspricht, in die Steuereinheit 7 eingegeben, in der die Flussrate Q = KP₁ berechnet wird.
Die Steuereinheit 7 gibt ein Steuersignal Qy für das Steuerventil aus, das der Differenz zwischen dem eingestellten Flussratensignal Qs und der berechneten Flussrate Q entspricht, wodurch das Druckbegrenzungsventil 2 in solch eine Richtung geöffnet oder geschlossen wird, dass die Differenz zwischen Qs und Q verringert wird.
Wenn desweiteren die Bohrung der variablen Mündung 5 zum Umschalten auf einem anderen Flussratenbereich verändert werden soll, wird die Einstellung des den Öffnungsgrad der Mündung einstellenden Signals Qos verändert. Somit wird das Mündungssteuerventil Qz verändert. Folglich, ändert die Mündungsansteuerung 6 den Arbeitshub L der Membran 13, die wiederum die Mündungsbohrung ⌀ (mm) entsprechend ändert.
In dem Ausführungsbeispiel der 7 unterliegt der Arbeitshub L keiner so genannten Rückkopplungsregelung. Es erübrigt sich zu sagen, dass der Arbeitshub L der Membran 13 erfasst werden kann und der erfasste Wert an die Steuereinheit 7 rückgekoppelt werden kann, um die Rückkopplung des Arbeitshubs L zu bewirken.
Desweiteren ist das in 7 dargestellte Ausführungsbeispiel nicht mit einer auf der Gastemperatur basierenden Korrekturschaltung, einer Alarmschaltung oder einer Gaszufuhrunterbrechungsschaltung versehen, die aktiviert wird, wenn der Druck P2 auf der stromabwärts gelegenen Seite der Mündung steigt, wobei sich der Wert P2/P1 anders als bei der in 11 gezeigten Steuervorrichtung nach dem Stand der Technik einem kritischen Wert nähert (oder diesen übersteigt). Selbstverständlich können diese Schaltungen vorgesehen sein.
Die in 7 gezeigte Steuereinheit 7 ist mit einer Schaltung, die eine Korrektur derart vornimmt, dass der berechnete Wert Q = KP1 der Flussrate Q der in 3 oder 4 gezeigten Druck-Flussratenkurve entsprechen kann, und mit einer Speichereinheit versehen, die Daten speichert, die für eine derartige Korrektur notwendig sind.
BEISPIEL
9 zeigt einen Hauptteil des Ventilhauptkörpers 12 der Direktberührungs-Metallmembranventileinheit, der die in der vorliegenden Erfindung verwendete variable Mündung 5 bildet. 10 ist eine vergrößerte Ansicht des in 9 mit dem Buchstaben B bezeichneten Teils.
Der Innendurchmesser ⌀₁ der Ventilkammer 12c, die in dem Ventilhauptkörper 12 vorgesehen ist, beträgt 15 mm. Der Innendurchmesser ⌀₂ des Fluideinlassdurchgangs beträgt 0,4 mm. Der Ventilsitz 12b hat einen Außendurchmesser ⌀ von 3 mm und der Fluidauslassdurchgang hat einen Innendurchmesser ⌀ von 2,5 mm.
Auswirkungen der Erfindung
Die vorliegende Erfindung verwendet eine Direktberührungs-Metallmembranventileinheit als variable Mündung in der Druck-Flussratensteuervorrichtung und wechselt den Steuerflussratenbereich durch Ändern des Arbeitshubs der Membran.
Dies erlaubt eine einfachere Konstruktion der Mündung und macht mechanisch gleitenden Teilen in dem Fluidweg überflüssig, wodurch anders als bei der variablen Nadelventilmündung nach dem Stand der Technik die Entstehung von Staub und Partikeln fast vollständig verhindert werden kann.
Durch Verwendung der Direktberührungs-Metallmembranventileinheit als variable Mündung werden die so genannten Toträume innerhalb des Fluidwegs erheblich verringert und Räume in dem Fluidweg, in denen sich Gase befinden, vermieden.
Desweiteren kann die Mündungsbohrung (d.h. der Flussratenbereich) durch Einstellen des Arbeitshubs der Membran ohne weiteres präzise verändert werden. Dies verbessert die Steuereffizienz gegenüber dem Stand der Technik erheblich, bei dem die Mündung durch eine andere Mündung mit unterschiedlicher Bohrung ersetzt werden muss. Wie vorstehend erwähnt, ist die Druck-Flussratensteuervorrichtung der vorliegenden Erfindung besonders in Gasversorgungssystemen für Halbleiterfertigungsanlagen von Nutzen, in denen hochreine Gase behandelt werden.

Claims

Druck-Flussratensteuervorrichtung (1), umfassend eine Mündung (5), ein Steuerventil (2), das auf der stromaufwärts gelegenen Seite der Mündung (5) vorgesehen ist, einen Druckdetektor (4), der zwischen dem Steuerventil (2) und der Mündung (5) vorgesehen ist, und eine Steuereinheit (7), die basierend auf einem durch den Druckdetektor (4) erfassten Druck (P1) die Fluidrate anhand der Gleichung Qc = KP1 (K = Konstante) berechnet und in einer Ansteuerung (3) für das Steuerventil (2) ein Steuersignal (Qy) ausgibt, das die Differenz zwischen dem eingestellten Flussratensignal (Qs) und dem berechneten Flussratensignal (Qc) angibt, wobei der Druck (P1) auf der stromaufwärts gelegenen Seite der Mündung (5) durch Betätigung des Steuerventils (2) reguliert wird, um die Flussrate (Q) des Fluids stromabwärts der Mündung (5) zu steuern, wobei das Verhältnis (P2/P1) zwischen dem Druck (P1) auf der stromaufwärts gelegenen Seite der Mündung (5) und dem Druck (P2) stromabwärts auf einem Wert gehalten wird, der nicht höher als das kritische Druckverhältnis des gesteuerten Fluids ist, gekennzeichnet durch eine Direktberührungs-Metallmembranventileinheit, die als die Mündung (5) fungiert und einen ringförmigen Zwischenraum hat, der zwischen einem Ventilsitz (12b) und einer Membran (13) ausgebildet ist und eine Mündung (5) mit variabler Fläche definiert, und eine Ansteuerung (6), die dazu dient, die Fläche der Mündung (5) zu verändern, und ferner dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (7) betätigbar ist, ein den Öffnungsgrad einstellendes Signal (Qos) zu empfangen und daraus ein Mündungssteuersignal (Qz) abzuleiten, das in die Ansteuerung (6) eingegeben wird, um dadurch die Ansteuerung (6) zu veranlassen, die Fläche der Mündung (5) zu verändern.
Druck-Flussratensteuervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die variable Mündung (5) eine Mündung ist, bei der die Fläche des ringförmigen Zwischenraums durch eine Pulsmotor-Ansteuerung (6) reguliert wird.
Druck-Flussratensteuervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die variable Mündung (5) eine Mündung ist, bei der der ringförmige Zwischenraum durch eine mit einem piezoelektrischen Element arbeitende Ansteuerung (6) reguliert wird.
Druck-Flussratensteuervorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Arbeitshub L der Membran (13) zwischen 0 und 0,12 mm liegt.
Druck-Flussratensteuervorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Fläche des ringförmigen Zwischenraums (Fluiddurchgang) zwischen dem Ventilsitz (12b) und der Membran (13) einer Schnittfläche einer kreisrunden Bohrung entspricht, die einen Durchmesser von 0,14 bis 0,25 mm hat.
Druck-Flussratensteuervorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Pulsmotor-Ansteuerung (6) einen Schrittmotor (14) und einen Kugelgewindemechanismus (19) umfasst.