JP2015087110A - 流量計及びそれを備えた流量制御装置 - Google Patents
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Abstract
Description
尚、圧力式流量制御装置FCSそのものは公知であるため、ここではその詳細な説明を省略する(特開2003−195948号等)。
即ち、演算制御部28aへは入出力回路28bから流量設定信号Fsが入力され、質量流量制御装置20に流れる流体の流量Fが流量設定信号Fsとなるように調整される。より具体的には、演算制御部28aが第2圧力センサ27bの出力(圧力信号Spb)を用いて開閉制御弁24の開閉をフィードバック制御することにより、音速ノズル26を流れる流体の流量Fを制御すると共に、このときの熱式流量センサ25の出力(流量信号Sf)を用いて、実際に流れている流量Fの測定を行い、質量流量制御装置20の動作を確認する。
図5は、ビルドダウン式流量モニタ付圧力式流量制御装置の流量モニタ特性を測定するための試験装置の概要構成図であり、本願発明者等は当該試験装置を用いて、圧力式流量制御装置FCSと一次側開閉切換弁(上流側弁)AV間の圧力降下の傾きから流量算出を行う、ビルドダウン流量測定に関する基礎的試験を行った。
また、ビルドダウン用チャンバを用いた場合には、一次側開閉切換弁(上流側弁)AVの出口とコントロール弁CVの入口間の流路内径を1.8mmとし、且つビルドダウン容量BCの内容積Vを1.58〜15.31ccに選定している。
そこで、本願発明者等は、ビルドダウン式による流量測定に於いて、1秒間に少なくとも1回以上の流量出力を得てリアルタイムに近い流量モニタを可能とするために、前記圧力差ΔP及びビルドダウン容量の内容積Vをより小さくしてガス再充填に必要な時間(圧力回復時間(a))を短くすることを着想し、また、当該着想に基づいて、ビルドダウン容量BCの内容積V及び流量測定時の圧力差ΔPの減少によってリアルタイム性の確保が可能か否かを検討すると共に、流量モニタ精度やその再現性等について各種の試験を行った。
更に、圧力下降範囲ΔP及びビルドダウン容量BCの内容積Vの減少による圧力回復時間(a)の短縮化は、圧力降下時間(流量出力可能時間(b))の短縮化を招くことになるため、測定流量とビルドダウン容量BCの内容積Vと圧力降下時間(b)の関係が、特に重要となることが判明した。
即ち、ビルドダウン容量BCの内容積Vを1.78cc及び9.91ccとし、圧力下降範囲ΔPを20kPa abs、一次側開閉切換弁(上流側弁)AVの閉からの流量安定までの時間を1秒として、0.25sec毎に流量を算出し、制御流量に対する算出流量の誤差を検討した。
また、ビルドダウン容量BCの内容積V=9.91ccの場合には、流量100〜200SCCMの時に約1秒以内の間隔で流量出力が可能であることが判る。
尚、図15に於いて、PV1は入口側切換弁、PV2は出口側切換弁、BCはビルドダウン容量、P3は圧力センサ、CPbはモニタ流量演算制御部、VB1はモニタ入口側ブロック、VB2はモニタ出口側ブロックである。
また、図15に於いて、CVはコントロール弁、CPaは流量演算制御部、OR1は小径オリフィス、OR2は大径オリフィス、P1は第1圧力センサ、P2は第2圧力センサ、VB3は流量制御部入口側ブロック、VB4は流量制御部出口側ブロック、VB5は連結用ブロック、SKは連結部のガスケットである。
尚、図15においては、温度検出センサT, フィルタF等は省略されており、また、圧力式流量制御部FCSは如何なる形式のもの、例えばオリフィスが1基のものであっても良いことは勿論である。また、圧力式流量制御部FCSやビルドダウン式流量モニタ部BDMの基本構成そのものは公知であるため、ここではその詳細な説明を省略する。
また、ビルドダウン式流量モニタ部BDMから流出したガスは、コントロール弁CV、小径オリフィスOR 1及び又は大径オリフィスOR2を通り、ガス出口2から流出する。その間に、前記流量演算制御部CPaがオリフィス流通ガス流量を演算すると共に、コントロール弁CVの開閉制御やオリフィス切換弁ORVの開閉制御をする。
更に、前記流量演算制御部CPaの設定流量調整機構QSRでは、ビルドダウン式流量モニタ部BDMからのモニタ流量Qとオリフィス流通流量(即ち、流量演算制御部CPaでの制御流量)とが比較され、両者の差異が予め定めた設定値を超えると、圧力式流量制御部FCSの制御流量を前記モニタ流量Qに合致させるよう設定流量Qsの方を調整し、これをQs’に自動修正する。
尚、図16の装置に於いては、圧力チャンバCHの容積を自由に選定できると共に、ガス流通路L1、L2、L4等を全て同一の細径(例えば1.8mmΦ)に揃えることができ、ビルドダウン容量BCの内容積 を正確且つ容易に所定の容積値に設定することができる。
尚、図5の試験装置を用いた調査に於いて、流量センサTはチャンバCHの外表面に貼付け固定した。また、チャンバCH以外のガス流路L3、L5の容積は0.226ccである。
その結果、モニタ流量値(オリフィスを流通する実流量値)と、圧力式流量制御部FCSの設定流量値(制御流量値)とが大きく異なった状態が長期に亘って継続されるようなことが皆無となり、半導体製品の品質向上等の点で多くの効用が得られる。
特に、制御流量が大幅に変化した場合に、圧力降下値(圧力差)ΔPを略20〜30kPa absとすると共に圧力降下時間Δtを0.5〜0.8secとし、少なくとも1秒間当りに1回以上の割合でモニタ流量を高精度で演算して出力するためには、ビルドダウン容量BCの内容積Vを迅速且つ正確に適宜の値に調整する必要がある。その結果、ビルドダウン容量の調整機構が著しく複雑化し、流量モニタ付圧力式流量制御の大型化や製造コストの高騰を来たすと云う問題がある。
また、請求項3の発明は、請求項1の発明において、開閉切換弁で区切られた内容積を持つ流路を複数配置することとしたものである。
図1は本発明の基本概念を示すブロック説明する構成図であり、図2は本発明に係る流量レンジ切換型流量モニタ付圧力式流量制御装置の基本構成を示す系統図、図3は本発明に係る流量レンジ切換型流量モニタ付圧力式流量制御装置の縦断面概要図である。
本発明に係る装置は、大流量域ガスのモニタ付流量制御と小流量域ガスのモニタ付流量制御を適宜に切換え可能な構成としたことを特徴とするものであり、本発明に係る流量モニタ付圧力式流量制御装置は、ビルドダウン部BDMと圧力式流量制御部FCSと両者間を連結する信号伝送回路(デジタル通信回路)CTとから構成されている。
尚、図1乃至図3に於いて、1はガス入口、2はガス出口、PV1は入口側切換弁、PV2は出口側切換弁、BCはビルドダウン容量、P3は圧力センサ、ΔP1は大流量域モニタの場合の圧力検出値、ΔP2は小流量域モニタの場合の圧力検出値、Q1は大流量域ガスのモニタ流量検出値、Q2は小流量域ガスのモニタ流量検出値、CPbはモニタ流量演算制御部、VB1はモニタ入口側ブロック、VB2はモニタ出口側ブロックである。
また、図2及び図3では、温度検出センサTや フィルタF等は省略されている。更に、圧力式流量制御部FCSは如何なる形式のもの、例えばオリフィスが1基或いは3基以上のものであっても良いことは勿論である。尚、圧力式流量制御部FCSやビルドダウン式流量モニタ部BDMの基本構成そのものは公知であるため、ここではその詳細な説明を省略する。
当該第2実施例に係る流量レンジ切換型流量モニタ付圧力式流量制御装置は、ビルドダウン容量BCが、縦向き姿勢で並列状に配置した4本の細径チャンバCH1,CH2,CH3,CH4から構成されており、また、各細径チャンバの構造は第1実施形態のビルドダウン容量BCの場合と同一であり、外筒と内筒との間の隙間が、ガスの流通路となっている。
尚、第2実施形態に係る装置そのものの構造や機能は、第1実施形態の場合と同一であるため、ここではその詳細な説明を省略する。
FCS 流量制御部(圧力式流量制御装置)
AV 一次側開閉切換弁(上流側弁)
BC ビルドダウン容量
V ビルドダウン容積
RG 圧力調整器
N2 N2供給源
T 温度センサ(測温抵抗体)
P1、P2 圧力センサ
P3 圧力センサ
ΔP1、ΔP2 圧力検出値
CV コントロール弁
OR オリフィス
OR1 小口径オリフィス
OR2 大口径オリフィス
OIP 外部入出力回路
ORV オリフィス切換弁
VB1 モニタ入口側ブロック
VB2 モニタ出口側ブロック
VB3 流量制御部入口側ブロック
VB4 流量制御部出口側ブロック
VB5 連結部ガスケット
CT 信号伝送回路(ディジタル通信回路)
CP 演算制御部
CPa 流量演算制御部
CPb モニタ流量演算制御部
E1 流量制御装置用電源
E2 演算制御部用電源
E3 電磁弁用電源
ECV 電気駆動部
NR データロガ
S 信号発生器
PC 演算表示部
PV1 入口側切換弁(入口側ピエゾ切換弁)
PV2 出口側切換弁(出口側ピエゾ切換弁)
L1 入口側切換弁のガス入口側通路
L2 入口側切換弁のガス出口側通路
L3 出口側切換弁のガス入口側通路
L4 出口側切換弁のガス出口側通路
Cu 銅棒片
Q1、Q2 モニタ流量(ビルドダウン流量)
CH チャンバ
CH1〜CH4 細径チャンバ
CHa 外筒
CHb 内筒
L 装置の厚み寸法
QSR 流量設定値調整機構
QS 設定流量
QS‘ 調整流量
1 ガス入口
2 ガス出口
CH1〜CH4 細径チャンバ
Claims (14)
- 流路上に配置された入口側開閉切替弁PV1と、入口側開閉切替弁PV1の下流に配置された出口側開閉切替弁PV2と、出口側開閉切替弁PV2の下流に配置されたコントロール弁CVとからなり、各弁同士は内容積をもつ流路で連結し、コントロール弁CVより上流に圧力センサP3を配置したビルドダウン式流量計において、入口側開閉切替弁PV1の出口側からコントロール弁CVの入口側までの流路内容積をビルドダウン容積V1として流量演算する様にした大流量用測定部と、出口側切替弁PV2の出口側からコントロール弁CVの入口側までの流路内容積をビルドダウン容積V2として流量を演算する様にした小流量用測定部を備えることを特徴とする流量計。
- コントロール弁CVを、流量制御部FCSの内部のコントロール弁CVとした請求項1に記載の流量計。
- 開閉切換弁で区切られた内容積を持つ流路を複数配置することとした請求項1に記載の流量計。
- 上流側に設けたビルドダウン式流量モニタ部BDMと、その下流側に設けた流量制御部FCSとから構成したビルドダウン式流量モニタ付流量制御装置であって、前記ビルドダウン式流量モニタ部BDMを入口側開閉切換弁PV1と、温度センサThと、ビルドダウン容量BCの下流側に設けた出口側開閉切換弁PV2と、入口側開閉切替弁PV1と出口側開閉切換弁PV2と間に設けたビルドダウン容量BCと、その下流側に設けた圧力センサP3と、前記温度センサTh及び圧力センサP3の検出値が入力されるモニタ流量演算制御部CPbとから形成し、当該モニタ流量演算制御部CPbにより、入口側開閉切換弁PV1の出口側と流量制御部FCSのコントロール弁CVとの間のガス通路内容積をビルドダウン容積Vとして大流量のモニタ流量Q1を演算すると共に、出口側開閉切換弁PV2の出口側と流量制御部FCSのコントロール弁CVとの間のガス通路内容積をビルドダウン容積Vとして小流量のモニタ流量Q2を演算する構成としたことを特徴とする流量制御装置。
- 信号伝送回路CTによりビルドダウン式流量モニタ部BDM と流量制御部FCSとを連結し、ビルドダウン式流量モニタ部BDMのモニタ流量Qを圧力式流量制御部FCSへ伝送すると共に、流量制御部FCSに、前記ビルドダウン式流量モニタ部BDMからのモニタ流量Qにより流量制御部FCSの設定流量Qsを調整する流量設定値調整機構QSRを設ける構成した請求項1に記載の流量制御装置。
- 上流側に設けたビルドダウン式流量モニタ部BDMと、その下流側に設けた流量制御部FCSと、ビルドダウン式流量モニタ部BDM と流量制御部FCSとを連結し、ビルドダウン式流量モニタ部BDMのモニタ流量Qを流量制御部FCSへ伝送する信号伝送回路CTと、流量制御部FCSに設けられ、前記ビルドダウン式流量モニタ部BDMからのモニタ流量Qにより流量制御部FCSの設定流量Qsを調整する流量設定値調整機構QSRとから構成した流量制御装置であって、ビルドダウン式流量モニタ部BDMを、ガス供給源からのガスの流通を開閉する入口側開閉切換弁PV1と、入口側開閉切換弁PV1の出口側に接続した所定の内容量を有するビルドダウン容量BCと、ビルドダウン容量BCの出口側に接続した出口側開閉切換弁PV2と、出口側開閉切換弁PV2の下流側通路を流通するガスの圧力を検出する圧力センサP3と、流通するガスの温度を検出する温度センサと、大流量の際には、前記出口側開閉切換弁PV2を開放状態に保持すると共に、前記入口側開閉切換弁PV1の出口側と前記流量制御部FCSのコントロール弁CVとの間のガス通路内容積をビルドダウン容積Vとし、前記入口側開閉切換弁PV1を開閉作動させると共に入口側開閉切換弁PV1の開放により前記ビルドダウン容積V内のガス圧力を設定上限圧力値にしたあと入口側開閉切換弁PV1を閉鎖し、所定時間t秒後にガス圧力を設定下限圧力値まで下降させることによりビルドダウン式により大流量のモニタ流量Q1を演算及び出力し、また、小流量の際には、前記入口側開閉切換弁PV1を開放状態に保持すると共に、前記出口側開閉切換弁PV2の出口側と前記流量制御部FCSのコントロール弁CVとの間のガス通路内容積をビルドダウン容積Vとし、前記出口側開閉切換弁PV2を開閉作動させると共に出口側開閉切換弁PV2の開放によりビルドダウン容積V内のガス圧力を設定上限圧力値にしたあと出口側開閉切換弁PV2を閉鎖し、所定時間t秒後にガス圧力を設定下限圧力値まで下降させることにより小流量のモニタ流量Q2を演算及び出力するモニタ流量演算制御部CPbとを備え、前記各モニタ流量Q1、Q2を、
- 流量設定値調整機構QSRを、モニタ流量Qと設定流量Qsとの比較器を備え、モニタ流量Qと設定流量Qsとの差異が設定値を超えると、設定流量Qsをモニタ流量Qに自動修正する構成の流量設定値調整機構とした請求項6に記載の流量制御装置。
- 流量制御部FCSを、コントロール弁CVとオリフィスOR又は臨界ノズルと圧力計P1及び又は圧力計P2と流量演算制御装置CPaとから成る耐圧力変動性を備えた圧力式流量制御装置FCSとした請求項6に記載の流量制御装置。
- ビルドダウン容積Vを0.5〜20ccとすると共に、設定上限圧力値を400〜100kPa abs及び設定下限圧力値を350kPa abs〜50kPa absに、また、所定時間tを0.5〜5秒以内とするようにした請求項6に記載の流量制御装置。
- 入口側開閉切換PV1の出口側と流量制御部FCSのコントロール弁CVとの間のガス通路内容積を13〜15ccとし、大流量のモニタ流量域を40〜600SCCMとすると共に、小流量のモニタ流量域を1〜50SCCMとするようにした請求項6に記載の流量制御装置。
- 入口側開閉切換弁PV 1 をピエゾ駆動式メタルダイヤフラム弁又は電磁直動型電動弁とすると共に、弁の高速開閉により入口側開閉切換弁PV 1 の開による設定下限圧力値から設定上限圧力値へのガス圧力の回復時間を、入口側開閉切換弁PV 1 の閉による設定上限圧力値から設定下限圧力値までのガス圧力下降時間よりも大幅に短くするようにした請求項6に記載の流量制御装置。
- 流量制御部FCSの流量演算制御装置CPaとビルドダウン式流量モニタ部BDMの演算制御装置CPbとを一体に形成する構成とした請求項6に記載の流量制御装置。
- ビルドダウン容量BCをチャンバとすると共に、当該チャンバを内筒と外筒を同心状に配設固定した構造とし、当該チャンバを形成する内・外筒間の間隙をガス流通路とする構成とした請求項6に記載の流量制御装置。
- ビルドダウン容量BCを、並列状に配置した複数本のチャンバとすると共に、当該チャンバを内筒と外筒を同心状に配設固定した構造とし、各チャンバの内・外筒間の間隙をガス流通路として各チャンバの前記ガス流通路を直列状に接続する構成とした請求項6に記載の流量制御装置。
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