JP6306286B2 - 流量制御用のオリフィスプレート及びこれを用いた圧力式流量制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、流量制御用のオリフィスプレート及びこれを用いた圧力制御式の流量制御装置の改良に関するものであり、特に、半導体製造装置用ガス供給装置等で用いる圧力制御式流量制御装置において、オリフィスを流通する流体の臨界膨張条件が成立するオリフィス上流側圧力P_１、オリフィス下流側圧力P_２の圧力比P_２/P_１の範囲を広く且つ安定に保持できるようにすることにより、広い流量範囲に亘って高精度な流量制御を行えるようにした流量制御用の多孔型のオリフィスプレートとこれを用いた圧力制御式流量制御装置に関するものである。

オリフィス上流側圧力P_１、オリフィス下流側圧力P_２の圧力比P_２/P_１が気体の臨界膨張条件が成立する圧力比以下になると、オリフィスを流通する気体の流速が音速となり、オリフィス下流側の圧力P₂の変動が上流側に伝播せず、その結果、オリフィスプレートを流通する気体流量は、オリフィスの孔径が一定であれば気体の種類に拘わらず、オリフィス上流側の気体圧力P_１に正比例して変化することになる。

一方、オリフィスの有する上述のような特性を利用して、オリフィスを用いた流体の流量制御装置が多数開発されている。
図１３は、本願発明者等が先に公開したオリフィスを用いた圧力制御式流量制御装置の構成一例を示すものであり、当該流量制御装置２１はコントロール弁２２、圧力検出器２３、温度検出器２４、オリフィス２５、演算制御装置２６、増幅器２７ａ、２７ｂ、Ａ／Ｄ変換２８ａ、２８ｂ等から形成されている（特開平８−３３８５４６号公報）。

そして、圧力検出器２によりオリフィス２５の上流側の流体圧力P_１が検出され、演算制御装置２６へ入力され、演算制御装置２６ではＱｃ＝ＫＰ_１の演算式（Ｋは定数）を用いて流量Ｑｃが演算されると共に、流量指令値ＱｓとＱｃの比較が行われ、両者の差Ｑｃ−Ｑｓに相当する制御信号Ｑｙがコントロール弁２２の駆動部３０へ入力される。
また、コントロール弁２２は、制御信号Ｑｙによって両者の差Ｑｃ−Ｑｓが零になる方向に開閉制御され、これによりオリフィス２５の下流側の流量が設定流量（流量指令値）Ｑｓに常時保持される。

更に、前記オリフィス２５は、厚さ０．０２〜０．２０ｍｍの金属板にプレス加工、放電加工やエッチング加工によって内径０．０１〜０．２０ｍｍの小孔を一つ穿設することにより形成されており、気体の所要制御流量によってオリフィスの孔径は適宜に選定される。

尚、オリフィス２５の形成は、一般には放電加工やエッチング加工により行われているが、加工コストの引下げを図るために、ドリル錘を用いた所謂切削加工によりオリフィスが形成される場合もある（特開平１１−１１７９１５号公報）。

図１４は、図１３の圧力制御式流量制御装置において、気体を窒素ガスとした場合の流量制御特性を示すものであり、オリフィス２５の下流側を大気圧とした場合を示すものである。
この図１４からも明らかなように、上流側圧力Ｐ_１が下流側圧力Ｐ_２の約２倍を越える範囲に於いては、流量ＱｃとＰ_１とはリニアな関係に保持され、Ｑｃはオリフィス上流側の圧力Ｐ_１に正比例することになり、オリフィス上流側圧力Ｐ_１を自動制御することにより、オリフィスを流通する流量のフィードバック制御を行うことができる。尚、図１４に於いて、Ａはオリフィスの孔径が０．３７ｍｍφ、Ｂは０．２０ｍｍφの場合の流量制御特性を示すものである。

図１４からも明らかなように、両線Ａ、Ｂとも、Ｐ_２＜０．５Ｐ_１の範囲（即ち、Ｐ_２／Ｐ₁＜０．５）に於いて、直線性が良く保持されており、Ｐ_１の調整により高精度な流量制御が行える。

しかし、気体の臨界膨張条件（Ｐ_２／Ｐ₁＜０．５又は、Ｐ_１／Ｐ_２＞２）が成立するＰ_１の下限値（即ち、直線性が保持されるＰ_１の下限値）は、現実にはオリフィスの内径によって若干変化することが判っており、オリフィスの孔径（すなわち口径）が大になるほど臨界膨張条件が成立するＰ_２／Ｐ_１の範囲が小さくなる傾向にある。即ち、Ｐ_２＝一定のときには、Ｐ_１の制御範囲の下限値が大きくなる。

具体的には、オリフィスの孔径が大きくなると臨界圧比Ｐ_２／Ｐ₁＜０．５がＰ_２／Ｐ₁＜０．４５程度に低下することとなり、Ｐ_２＝一定の時は、Ｐ₁の制御範囲の下限値が大きくなり、Ｐ₁の制御範囲が減少する。

換言すれば、流量制御装置の制御流量が増加してオリフィスの孔径が大径になると、臨界圧比Ｐ_２／Ｐ₁の制御範囲が減少し、半導体製造装置の真空チャンバーへガス供給を行うような場合には、様々な不都合が起生する。

上述のように、従前の一つのオリフィスを設けたオリフィスプレートを用いた圧力式流量制御装置には、オリフィスの孔径が大径になるほど臨界膨張条件が成立する圧力比Ｐ_２／Ｐ₁が変動し、流量（圧力）制御範囲が変動すると云う難点があるため、半導体製造用装置に適用する圧力制御式流量制御装置の技術分野に於いては、オリフィスの孔径が変化しても、現実の臨界膨張条件が成立する圧力比Ｐ_２／Ｐ₁に変動が生じないようにした流量制御用オリフィスプレート、及び、これを用いた圧力制御式流量制御装置の出現が強く要請されている。

特開平８−３３８５４６号公報 特開平１１−１１７９１５号公報

本願発明は、従前の流量制御用オリフィスプレート及びこれを用いた圧力制御式流量制御装置に於ける上述のような問題、即ち、オリフィスの内径が大きくなるに従って、現実の臨界膨張条件が成立する圧力比Ｐ_２／Ｐ₁が変動（減少）することになり、圧力比Ｐ_２／Ｐ₁の制御制御範囲が狭くなると共に、圧力制御式流量制御装置の流量制御精度が低下する等の問題を解決し、流体流量が増加してオリフィス孔の内径を増大させても、現実の流量制御に於ける圧力比Ｐ_２／Ｐ₁を常に一定に保持できると共に、オリフィスプレートの製造コストの引き下げを可能にした流量制御用オリフィスプレート及びこれを用いた圧力制御式流量制御装置を提供することを発明の主目的とするものである。

先ず、本願発明者等は、オリフィスが一つのオリフィスプレート（以下、単孔オリフィスプレートと呼ぶ）について、オリフィスの孔径φが変わることにより、流体の臨界膨張条件が成立するオリフィス上流側圧力Ｐ_１とオリフィス下流側圧力Ｐ_２の比Ｐ_２／Ｐ₁（以下、圧力比Ｐ_２／Ｐ₁と呼ぶ）が、現実にどの程度変動するかを検証した。

図１は、従前の流量制御用単孔オリフィスプレート及び本発明に係る流量制御用多孔型オリフィスプレートの圧力比Ｐ_２／Ｐ₁等の流量特性試験に供した試験装置（流量測定装置）の系統図であり、１はガス入口、２は圧力調整器、３は圧力計、４はモルブロック流量測定器、５は圧力制御式流量制御装置、６はコントロール弁、７はオリフィスプレート、８はオリフィス上流側圧力検出器、９はオリフィス下流側圧力検出器、１０はオリフィス下流側圧力Ｐ_２の調整弁、１１は真空排気ポンプ、Ｐ_１はオリフィス上流側圧力、Ｐ_２はオリフィス下流側圧力である。なお、最大流量レンジＦ．Ｓ．はＮ_２ガスを基準とする。

試験に供したオリフィスプレートは、厚さ５０μｍの鋼板にφ＝６７μｍ、φ＝１７９μｍ、φ＝２５０μｍのオリフィスを設けた三種類であり、φ＝６７μｍのオリフィスは最大流量レンジ（フルスケール：定格流量）Ｆ．Ｓ．＝１３０ｓｃｃｍの圧力制御式流量制御装置５に、また、φ＝２５０μｍは最大流量レンジＦ．Ｓ．８５０ｓｃｃｍの圧力制御式流量制御装置５に、更に、φ＝２５０μｍは最大流量レンジＦ．Ｓ．＝１６００ｓｃｃｍの圧力式流量制御装置５に夫々使用されているものである。

試験に際しては、先ず圧力調整器２により圧力計３の圧力Ｐｏを３００ｋＰａ ａｂｓに調整する。次に、圧力制御式流量制御装置５の設定流量を１００％Ｆ．Ｓ．（定格流量）に設定し、真空排気ポンプ１１を運転する。その後、真空排気ポンプ１１の上流側の調整弁１０を調整してオリフィス下流側圧力Ｐ_２を調整しつつ、モルブロック流量測定器４及び圧力式流量制御装置５にて夫々のガス流量を測定する。尚、試験用のガスはＮ_２ガスとした。

次に、モルブロック流量測定器４の測定流量Ｑｓを基準値として圧力制御式流量制御装置５の各測定流量Ｑｃの誤差（セットポイント誤差（Ｓ．Ｐ．％））を、（Ｑｃ−Ｑｓ）×１００／Ｑｓ（Ｓ．Ｐ．％）として演算した。
尚、流量測定は、圧力制御式流量制御装置５の設定流量の１００％、５０％、２０％及び１０％の夫々について行った。

図２、図３及び図４は、オリフィス孔径の異なった三種の圧力制御式流量制御装置（Ｆ．Ｓ．１３０ｓｃｃｍ、Ｆ．Ｓ．８５０ｓｃｃｍ、Ｆ．Ｓ．１６００ｓｃｃｍ）の圧力比（Ｐ_２／Ｐ₁）とセットポイント誤差（Ｓ．Ｐ．％）との関係を、圧力制御式流量制御装置５への設定入力（設定流量）をパラメータとして表したものであり、図２〜図４の対比から流量レンジ（定格流量 Ｓ．Ｐ．）が大でオリフィスの孔径が大きくなるほど、セットポイント誤差（Ｓ．Ｐ．％）が零、即ち臨界膨張条件が成立するＰ_２／Ｐ₁の範囲が小さくなることが、確認できた。

また、図５、図６及び図７は、上記図１の試験装置により得られた流量調整結果から、セットポイント誤差（Ｓ．Ｐ．％）が±１％以内の圧力比Ｐ_２／Ｐ₁に於ける設定流量（％）と、１００％設定時における制御流量を基準とした流量直線性誤差（Ｆ．Ｓ．％）の関係、即ち、設定流量（％）と直線性誤差（Ｆ．Ｓ．％）の関係を示すものであり、臨界膨張条件が成立する圧力比Ｐ_２／Ｐ₁の範囲内に於いては、単孔オリフィスプレートの流量直線性誤差Ｆ．Ｓ．％は±１％Ｆ．Ｓ．以内に収まっていることが判った。

本願発明は上記図２乃至図７の如き流量特性試験の結果を基にして創作されたものであり、本願発明者等は、単孔オリフィスプレートのオリフィスの孔径が小さいほど臨界膨張条件が成立する圧力比Ｐ_２／Ｐ₁の範囲が大きくなることに着目して、制御流量が増大した時には、従前のように流量幅に応じて単孔オリフィスプレートのオリフィスの孔径を大きくするのではなしに、小さな孔径の多孔型オリフィスのオリフィスの孔数を変化させ、これによって制御流量の増大に対応することにより、オリフィス流通流体の臨界膨張条件が成立する圧力比Ｐ_２／Ｐ₁の範囲を最大且つ一定に保持した状態で流量増加に対応し得ることに想到した。

本発明の実施形態によれば、流量制御に用いられるオリフィスプレートに於いて、複数個のオリフィスからなり、前記オリフィスの総開口面積が定格流量の流体の流通に必要な一つのオリフィス孔の開口面積と同じであり、前記オリフィスプレートの厚さを２０〜２００μｍ、前記オリフィスの口径を０．０１０〜０．２００ｍｍ（特に０．０７９〜０．２００ｍｍ）、前記オリフィスの数を２〜１００個（特に２〜３７個）とし、プレス加工によってオリフィスが形成されたオリフィスプレートが提供される。

ある実施形態において、流量制御装置を、コントロール弁と、圧力検出器と、温度検出器と、オリフィスと、演算制御装置とからなる圧力式流量制御装置としたものである。

ある実施形態において、前記オリフィスの縦断平面形状を長方形部分と台形部分とからなる形状としたものである。

本発明の実施形態によれば、コントロール弁と、圧力検出器と、温度検出器と、オリフィスと、演算制御装置とからなる圧力式流量制御装置において、前記オリフィスプレートが複数個のオリフィスから成る圧力式流量制御装置が提供される。

より具体的には、前記オリフィスプレートの厚さが２０〜２００μｍ、前記オリフィスの口径が０．０１０〜０．２００ｍｍ（特に０．０７９〜０．２００ｍｍ）、前記オリフィスの数が２〜１００（特に２〜３７個）であり、プレス加工によってオリフィスが形成されたものが提供される。

本発明の実施形態によれば、流体を臨界膨張条件下で流通させ、オリフィスを流通する流体流量Ｑがオリフィス上流側圧力Ｐ_１に正比例するようにした流量制御用オリフィスプレートに於いて、所望流量の流体の流通に必要な一つのオリフィスの開口面積を分割し、前記開口面積に等しい総開口面積を有する複数個のオリフィスを設けた構成としている。
その結果、臨界膨張条件が成立するオリフィス上流側圧力Ｐ_１と下流側圧力Ｐ_２との圧力比Ｐ_２／Ｐ₁が、制御流量が増大してオリフィスの開口面積が大きくなっても、現実に変動することなく一定の値に保持されることになり、これによりＰ_２／Ｐ₁の制御範囲（流量制御範囲）の減少を有効に防止することができる。また、当該オリフィスプレートを用いた圧力制御式流量制御装置にあっては、流量制御範囲の拡大と制御精度の向上が可能となる。

また、前記複数のオリフィスは、プレス加工により容易に形成することが出来るため、従前のレーザ加工等による製造に比較して、低コストでのオリフィスプレートの製造が可能となる。

オリフィスの流量特性試験に供した試験装置の系統図である。 Ｆ．Ｓ．１３０ｓｃｃｍの圧力制御式流量制御装置の圧力比Ｐ_２／Ｐ₁とセットポイント誤差（Ｓ．Ｐ．％）との関係を示す線図である。 Ｆ．Ｓ．８５０ｓｃｃｍの図２と同じ線図である。 Ｆ．Ｓ．１６００ｓｃｃｍの図２と同じ線図である。 Ｆ．Ｓ．１３０ｓｃｃｍの圧力制御式流量制御装置のセットポイント誤差Ｓ．Ｐ．％が±１％以内の圧力比Ｐ_２／Ｐ₁に於ける設定流量（％）とフルスケールに対する誤差（直線性誤差）（Ｆ．Ｓ．％）の関係を示す線図である。 Ｆ．Ｓ．８５０ｓｃｃｍの図５と同じ線図である。 Ｆ．Ｓ．１６００ｓｃｃｍの図５と同じ線図である。 本発明に係る多孔型オリフィスプレートの一例を示すものである。 本発明に係る多孔型オリフィスプレートの更に他の例を示す平面図である。 本発明に係る多孔型オリフィスプレートの更に他の例を示す平面図である。 図１０の多孔型オリフィスをプレート用いた場合の図２乃至図４と同様の圧力比Ｐ_２／Ｐ₁とセットポイント誤差（S．P.％）の関係線図である。 図１０の多孔型オリフィスプレートを用いた場合の図５乃至図７と同様の設定流量（％）と直線性誤差（Ｆ．Ｓ．％）との関係線図である。 公知の圧力制御式流量制御装置の構成図である。 図１３の圧力制御式流量制御装置の流量制御特性を示す線図である。

以下、本発明の実施形態と図面に基づいて説明する。
図８は本発明に係る流量制御用オリフィスプレートの一例を示すものであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は裏面図、（ｃ）は（ｂ）のイ−イ視図である。

当該図８に於いては、外径３．５ｍｍ、厚さ０．０５ｍｍのオリフィスプレート７ａに孔径（口径）０．０８５ｍｍのオリフィス１２が合計１５個設けられている。
また、前記オリフィス１２の縦断平面形状は、（ｃ）に示すように長方形部１２ａと台形部１２ｂとから成る形状にプレス加工により形成されており、オリフィス１２の深さはオリフィスプレート７ａの厚さ０．０５ｍｍと同一寸法である。
更に、オリフィスプレート７ａの裏面側のオリフィス１２を設けた部分は、細幅状に研磨され、研磨面１２ｃが形成されており、当該研磨面１２ｃによりオリフィス７ａの表裏が判別される。

図９は、本発明に係る流量制御用多孔型オリフィスプレート７ａの他の例を示すものであり、オリフィス１２の数が５個であり、且つオリフィス１２の孔径（口径）が０．１３５ｍｍである点を除いて、その他の点は前記図８の流量制御用多孔型オリフィスプレートと同一である。

図１０は、本発明に係る流量制御用多孔型オリフィスプレート７ａの更に他の例を示す拡大平面図であり、孔径（口径）φが７９μｍ（０．０７９ｍｍ）のオリフィス１２が３７個設けられている。
尚図１０のオリフィスプレート７ａの外径、厚さ等は前記図８及び図９のオリフィスプレート７ａと同一である。

当該オリフィス１２の孔径（口径）φ＝７９μｍは、株式会社フジキン製のＦ１８０型圧力制御式流量制御装置の単孔型オリフィスプレート７のオリフィスの孔径に相当するものであり、定格流量１８０ｓｃｃｍ（Ｆ．Ｓ．）の制御用オリフィスプレートである。
従って、図１０の流量制御用多孔型オリフィスプレート７ａは、１８０ｓｃｃｍ×３７＝６，６６０ｓｃｃｍのＦ．Ｓ．流量に相当する。

図１１は、当該図１０の多孔型オリフィスプレート７ａを、図１の試験装置に於ける単孔型オリフィスプレート７に替えて使用した場合の前記図２と同一の関係曲線即ち、圧力比Ｐ_２／Ｐ₁との関係を示すものである。

当該図１１と前記図２との対比からも明らかなように、本発明の多孔型オリフィスプレート７ａの場合には、セットポイント誤差（Ｓ．Ｐ．％）が±１％の範囲内となる圧力比Ｐ_２／Ｐ₁の値が、１０％入力（設定流量１０％）の時でも０．４５を下ることが無く、１００％の入力（設定流量１００％）に於いては、約０．５２のＰ_２／Ｐ₁値を得ることが出来る。

これに対して、最大流量が８５０ｓｃｃｍである前記図３に於いては、１００％入力時の圧力比Ｐ_２／Ｐ₁が約０．４２であり、最大流量（定格流量）が１６００ｓｃｃｍの前記図４に於いても、１００％入力時の圧力比Ｐ_２／Ｐ₁が約０．４０程度となっており、本願発明の多孔型オリフィスプレート７ａを利用した場合には、臨界膨張条件が成立するＰ_２／Ｐ₁の範囲を広くできることが判る。尚、理論上の臨界膨張条件が成立する圧力比Ｐ_２／Ｐ₁と現実の実測による場合の臨界膨張条件が成立する圧力比Ｐ_２／Ｐ₁との間に、上述のような若干の相違が生ずる原因は、理論的に未解析であって現在考察中であるが、オリフィス出口側の流体の流れ状態の相違が影響しているものと想定されている。

図１２には、本願発明の多孔型オリフィスプレート７ａを用いた場合の前記図５と同じ線図であり、セットポイント誤差（Ｓ．Ｐ．％）が±１％以内の圧力比Ｐ_２／Ｐ₁に於ける設定流量（％）と１００％設定時における制御流量に対する誤差(流量直線性誤差)（Ｆ．Ｓ．％）の関係を示す線図である。
図１２からも明らかなように、本願発明の多孔型オリフィスプレート７ａについても流量直線性誤差（Ｆ．Ｓ．％）は±１％Ｆ．Ｓ．以内になることが確認されている。

尚、本願発明に係る圧力制御式流量制御装置は、前記株式会社フジキン製のＦ１８０型圧力制御式流量制御装置や図１３に示した圧力制御式流量制御装置等のオリフィスプレートを、本願発明のオリフィスプレートに変換したものである。よってその詳細な説明は省略する。

上述の通り、本願発明に係る流量制御用多孔型オリフィスプレート及びこれを用いた圧力制御式流量制御装置は、制御流量に応じてオリフィス１２の数を調整することにより、制御流量が大きくなっても、臨界膨張条件が成立する圧力比Ｐ_２／Ｐ₁の範囲を広く一定に保持することができ、これにより、高精度な流量制御を広範囲に亘って安定して行うことができる。

本発明に係る多孔型オリフィスプレートは、圧力制御式流量制御装置に適用することができるものである。

１ ガス入口
２ 圧力調整器
３ 圧力計
４ モルブロック流量測定器
５ 圧力式流量制御装置
６ コントロール弁
７ オリフィスプレート（単孔型）
７ａ 多孔型オリフィスプレート
８ オリフィス上流側圧力検出器
９ オリフィス下流側圧力検出器
１０ オリフィス下流側圧力Ｐ_２の調整弁
１１ 真空排気ポンプ
Ｐ_１ オリフィス上流側圧力
Ｐ_２ オリフィス下流側圧力
Ｐｏ ガス供給源側圧力
１２ オリフィス

Claims (5)

1. コントロール弁と、圧力検出器と、温度検出器と、オリフィスと、演算制御装置とを備え、Ｑ＝ＫＰ₁（Ｑ：流量、Ｐ₁：オリフィス上流側圧力、Ｋ：定数）の式を用いてガス流量を制御する圧力式流量制御装置に用いられる流量制御用のオリフィスプレートであって、複数個のオリフィスが設けられ、前記複数個のオリフィスの総開口面積が、前記圧力式流量制御装置に設定された定格流量での流体の流通に必要な一つのオリフィスの開口面積と同じであり、前記オリフィスプレートの厚さを２０〜２００μｍ、前記オリフィスの口径を０．０７９〜０．２００ｍｍ、前記オリフィスの数を２〜３７個とし、前記複数個のオリフィスはプレス加工によって形成されている、流量制御用のオリフィスプレート。
2. 前記オリフィスの縦断面形状を長方形部分と台形部分とからなる形状とした請求項１に記載の流量制御用のオリフィスプレート。
3. 前記オリフィスの口径が０．０７９〜０．１３５ｍｍであり、前記オリフィスの数が５〜３７個である、請求項１または２に記載の流量制御用のオリフィスプレート。
4. 前記複数個のオリフィスの形状および口径は全て同じである、請求項１から３のいずれかに記載の流量制御用のオリフィスプレート。
5. コントロール弁と、圧力検出器と、温度検出器と、流量制御用のオリフィスプレートと、演算制御装置とを備え、Ｑ＝ＫＰ₁（Ｑ：流量、Ｐ₁：オリフィス上流側圧力、Ｋ：定数）の式を用いてガス流量を制御する圧力式流量制御装置であって、前記流量制御用のオリフィスプレートには複数個のオリフィスが設けられ、前記複数個のオリフィスの総開口面積が、前記圧力式流量制御装置に設定された定格流量での流体の流通に必要な一つのオリフィスの開口面積と同じであり、前記流量制御用のオリフィスプレートの厚さが２０〜２００μｍ、前記オリフィスの口径が０．０７９〜０．２００ｍｍ、前記オリフィスの数が２〜３７個であり、前記複数個のオリフィスはプレス加工によって形成されている、圧力式流量制御装置。