KR101887360B1 - 압력식 유량 제어 장치 - Google Patents

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료우스케 도히
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가부시키가이샤 후지킨
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Abstract

본 발명은 압력식 유량 제어 장치를 사용한 유체 유량 제어에 있어서, 유량 스위칭시의 감소 응답 시간의 대폭적인 단축을 꾀하고, 감소 응답 특성을 높이는 것을 가능하게 한 압력식 유량 제어 장치를 제공한다.
본 발명은 유체 입구와 유체 출구 사이를 연통하는 유체 통로 및 유체 통로와 배기 출구 사이를 연통하는 배기통로를 설치한 본체와, 본체의 유체 입구측에 고정되어서 유체 통로의 상류측을 개폐하는 압력 제어용 컨트롤 밸브와, 그 하류측의 유체 통로 내압을 검출하는 압력 센서와, 상기 배기통로의 분기 개소보다 하류의 유체 통로 내에 설치한 오리피스와, 상기 배기통로를 개폐하는 배기 제어용 컨트롤 밸브로 압력식 유량 제어 장치를 구성함과 아울러, 상기 압력식 유량 제어 장치에 의한 유체 유량의 변경시에 압력 제어용 컨트롤 밸브와 배기 제어용 컨트롤 밸브를 작동시키고, 압력 제어용 컨트롤 밸브와 오리피스 사이의 유체 통로 공간 내를 강제 배기함으로써 유량 변경시의 감소 응답 속도를 높인다.

Description

압력식 유량 제어 장치{PRESSURE-TYPE FLOW RATE CONTROL DEVICE}
본 발명은 압력식 유량 제어 장치의 개량에 관한 것으로서, 응답성을 높임으로써 반도체 제조 장치용 등의 원료가스 공급 장치의 작동 성능을 대폭 높인 압력식 유량 제어 장치에 관한 것이다.
종전부터, 반도체 제조 장치용 등의 원료가스 공급 장치에 있어서는 공급 가스의 유량 제어에 열식 유량 제어 장치나 압력식 유량 제어 장치가 널리 이용되고 있다. 특히, 후자의 압력식 유량 제어 장치(FCS)는, 도 6에 나타내는 바와 같이 컨트롤 밸브(CV)나 온도 검출기(T), 압력 검출기(P), 오리피스(OL), 온도 보정·유량 연산 회로(CDa)와 비교 회로(CDb)와 입출력 회로(CDc)와 출력 회로(CDd) 등으로 이루어지는 연산 제어부(CD) 등으로 구성되어 있고, 1차측 공급압이 크게 변동해도 안정된 유량 제어를 행할 수 있다고 하는 뛰어난 유량 특성을 구비하고 있다.
즉, 도 6의 압력식 유량 제어 장치(FCS)에서는 압력 검출기(P) 및 온도 검출기(T)로부터의 검출값이 온도 보정·유량 연산 회로(CDa)에 입력되고, 여기에서 검출 압력의 온도 보정과 유량 연산이 행하여지며, 유량 연산값(Qt)이 비교 회로(CDb)에 입력된다. 또한, 설정유량에 대응하는 입력신호(Qs)가 단자 In으로부터 입력되고, 입출력 회로(CDc)를 통해서 비교 회로(CDb)에 입력되며, 여기에서 상기 온도 보정·유량 연산 회로(CDa)로부터의 유량 연산값(Qt)과 비교된다. 비교의 결과, 설정유량 입력신호(Qs)가 유량 연산값(Qt)보다 작을 경우에는, 컨트롤 밸브(CV)의 구동부에 제어신호(Pd)가 출력된다. 이것에 의해 컨트롤 밸브(CV)가 폐쇄 방향으로 구동되고, 설정유량 입력신호(Qs)와 유량 연산값(Qt)의 차(Qs-Qt)가 0이 될 때까지 밸브 폐쇄 방향으로 구동된다.
상기 압력식 유량 제어 장치(FCS)에서는 오리피스(OL)의 하류측 압력(P2)과 상류측 압력(P1) 사이에 P1/P2≥약 2의 소위 임계 팽창 조건이 유지되어 있으면 오리피스(OL)를 유통하는 가스 유량(Q)이 Q=KP1(단 K는 정수)로 되고, 또한 임계 팽창 조건이 충족되어 있지 않으면 오리피스(OL)를 유통하는 가스 유량(Q)이 Q=KP2 m(P1-P2)n(단 K, m, n은 정수)으로 된다.
따라서, 압력(P1)을 제어함으로써 유량(Q)을 고정밀도로 제어할 수 있고, 또한, 컨트롤 밸브(CV)의 상류측 가스(G0)의 압력이 크게 변화되어도 제어 유량값이 거의 변화되지 않는다고 하는 뛰어난 특성을 발휘할 수 있다.
상기 가스 유량(Q)을 Q=KP1(단 K는 정수)로서 연산하는 방식의 압력식 유량 제어 장치는 일반적으로 FCS-N형이라고 불리고 있는 것이며, 또한 가스 유량(Q)을 Q=KP2 m(P1-P2)n(단 K, m, n은 정수)으로서 연산하는 방식의 압력식 유량 제어 장치는 일반적으로 FCS-WR형이라고 불리고 있는 것이다.
또한, 이러한 종류의 압력식 유량 제어 장치에는, 이밖에 복수의 오리피스(OL)를 병렬 형상으로 연결하고, 스위칭 밸브에 의해서 적어도 하나의 오리피스에 가스를 유통시키도록 한 오리피스 기구, 예를 들면 2개의 오리피스를 병렬 형상으로 접속하고, 하나의 오리피스의 입구측에 스위칭 밸브를 설치해서 그것을 개방 또는 폐쇄로 함으로써 유량 제어 범위를 변경할 수 있게 한 오리피스 기구를, 상기 FCS-N형의 오리피스로서 사용한 FCS-SN형이나, 같은 오리피스 기구를 상기 FCS-WR형의 오리피스로서 사용한 FCS-SWR형으로 불리고 있는 것이 존재한다.
또한, 상기 FCS-N형, FCS-SN형, FCS-WR형 및 FCS-SWR형의 각 압력식 유량 제어 장치 그 자체의 구성이나 작동 원리 등은 이미 알려져 있기 때문에, 여기에서는 그 상세한 설명을 생략한다(일본 특허공개 평 8-338546호, 일본 특허공개 2003-195948호 등).
또한, 상기 압력식 유량 제어 장치(FCS)에는, 도 7에 나타내는 바와 같이 (a)와 같은 구성의 임계 조건 하의 가스 유체를 대상으로 하는 압력식 유량 제어 장치(FCS)(이하, FCS-N형이라고 부른다·일본 특허공개 평 8-338546호 등)나, (b)의 임계 조건 하와 비임계 조건 하의 양쪽 가스 유체를 대상으로 하는 FCS-WR형(일본 특허공개 2003-195948호 등), (c)의 임계 조건 하의 가스 유체를 대상으로 하는 유량 스위칭형의 FCS-SN형(일본 특허공개 2006-330851호 등), 및 (d)의 임계 조건 하와 비임계 조건 하의 양쪽 가스 유체를 대상으로 하는 유량 스위칭형의 FCS-SWR형(일본 특허출원 2010-512916호 등)이 존재한다.
또한, 도 7에 있어서 P1, P2는 압력 센서, CV는 컨트롤 밸브, OL은 오리피스, OL1은 소구경 오리피스, OL2는 대구경 오리피스, ORV는 오리피스 스위칭 밸브이다.
그러나, 이러한 종류의 압력식 유량 제어 장치(FCS)에서는 미소한 구멍지름의 오리피스(OL)를 사용하고 있기 때문에 가스의 치환성이 나쁘고, 압력식 유량 제어 장치(FCS)의 컨트롤 밸브(CV)를 폐쇄해서 출력측을 개방했을 경우에 컨트롤 밸브(CV)와 오리피스(OL)간의 공간부의 가스의 배출에 많은 시간이 걸려 소위 가스의 감소 응답성이 매우 나쁘다고 하는 문제가 있다.
도 8은 종전의 압력식 유량 제어 장치 FCS-N형의 연속 스텝시의 감소 응답 특성의 일례를 나타내는 것이며, 오리피스(OL)의 하류측의 공기 작동 밸브(도시생략)를 개방해서 일정 유량의 가스를 압력식 유량 제어 장치를 통해서 공급 중에, 가스 공급량을 스텝 형상으로 감소시켰을 경우 대유량용의 압력식 유량 제어 장치의 경우(꺾은선 A)에 비해서 소유량용의 압력식 유량 제어 장치의 경우(꺾은선 B)에는, 소정의 유량으로까지 감소하기 위해 1.5초 이상의 시간을 필요로 하는 것이 현재의 상태이다.
보다 구체적으로는, FCS-N형 및 FCS-WR형의 경우, 오리피스(OL1)의 하류측 압력이 100Torr이고, 유량을 100%로부터 1% 및 100%로부터 4%로 감소시키기 위해서는 각각 약 1초 이상을 필요로 하지만, 반도체 제조 장치(예를 들면 에쳐) 쪽으로부터는 1초 이하의 시간 내에서 유량을 100%로부터 1%로 감소시키는 것이 요구되고 있다.
또한, FCS-SN형 및 FCS-SWR형의 경우, 오리피스(OL)의 하류측 압력이 100Torr이고, 유량을 100%로부터 10% 및 100%로부터 0.16%로 감소시기키기 위해서는 각각 약 1.2초 이상을 필요로 하지만, 반도체 제조 장치(예를 들면 에쳐) 쪽으로부터는 1.2초 이하의 시간 내에서 유량을 100%로부터 10%로 감소시키는 것이 요구되고 있다.
한편, 상기 압력식 유량 제어 장치의 감소 응답 특성을 높이기 위해서 컨트롤 밸브(CV)와 오리피스(OL)간의 가스 통로의 내용적을 가능한 한 작게 하는 연구가 되어 있다.
도 9는 그 일례를 나타내는 것이며, 컨트롤 밸브(CV)의 유체의 흐름 방향을 통상의 컨트롤 밸브(CV)와는 반대방향으로 하고, 다이어프램 밸브체(20)의 외주 가장자리부와 밸브시트(2a)의 간극을 통해서 가스를 유입시키고, 밸브시트(2a)의 중앙으로부터 가스를 유출시키는 구조로 함으로써 가스 유로의 내용적을 감소시키도록 한 내용적 극소형의 본체(2)를 사용한 압력식 유량 제어 장치이다.
그러나, 도 9의 내용적 극소형의 본체(2)를 사용한 압력식 유량 제어 장치에 있어서도, 가스 유로의 내용적 감소에 의하여 감소 응답 특성을 대폭 향상시키는 것은 곤란하고, 도 10에 나타내는 바와 같이 정격 유량이 10SCCM으로 적을 경우에는 N2 가스의 경우에서 100%로부터 0%로의 감소에 약 1초간의 시간을 필요로 하고, 가스 종류가 C4F8(플로우 팩터=0.352260)의 경우에는 약 3초 정도의 시간을 필요로 하는 현재의 상태에 있다.
또한, 도 10에 있어서 C는 유량 10SCCM, D는 유량 20SCCM, E는 유량 160 SCCM의 경우의 감소 특성을 나타내는 것이다.
또한, 종래의 압력식 유량 제어 장치에 있어서, 예를 들면 오리피스 하류측에 접속되는 가스 공급 라인이 스위칭 밸브 등에 의해 일시적으로 폐쇄되어 있는 동안에, 컨트롤 밸브(CV)를 폐쇄해서 유량 제어를 중단했을 경우에 컨트롤 밸브(CV)로부터의 원료가스의 미소 리크에 의해 유체 통로 내압이 높아지는 경우가 있고, 그 결과, 다시 유량 제어를 개시했을 때에 유체 통로 내압이 높아져 있음으로써 증가시의 유량 제어에 소위 오버슈트에 의해 응답성을 저하시킬 우려도 있었다.
상술한 바와 같이, 내용적 극소형의 본체를 사용한 압력식 유량 제어 장치에 있어서도 압력식 유량 제어 장치의 감소 응답성 특성을 충분하게 높이는 것이 곤란하고, 종전의 압력식 유량 제어 장치에는 정격 유량이 작을 경우의 감소 응답 특성이 나쁜 등의 문제가 여전히 남겨져 있다.
일본 특허공개 평 8-338546호 일본 특허공개 평1 0-55218호 일본 특허공개 2003-195948호 일본 특허공개 2006-330851호 일본 특허출원 2010-512916호
본 발명은 종전의 압력식 유량 제어 장치에 있어서의 상술한 바와 같은 문제, 즉 (가). 유량 제어에 있어서의 감소 응답성이 낮은 것, (나). 본체의 용적 극소화에 의한 응답성의 향상에도 한계가 있고, 충분한 응답성의 향상을 꾀할 수 없는 것, (다). C4F8 등의 가스종에 따라서는 본체의 내용적 극소화만으로는 감소 응답성의 향상이 곤란한 것 등의 문제를 해결하고자 하는 것이며, 제어 유량의 감소시에 컨트롤 밸브(CV)와 오리피스(OL)간의 유체 통로 공간 내의 잔류 가스를 강제 배기함으로써, 유량 제어 정밀도나 유량 제어 범위의 변화를 초래하지 않고 압력식 유량 제어 장치의 응답 특성을 비약적으로 높이는 것을 가능하게 한, 압력식 유량 제어 장치를 제공하는 것을 발명의 주목적으로 하는 것이다.
우선, 본 발명자들은 컨트롤 밸브(CV)와 오리피스(OL)간의 유체 통로의 잔류 가스를 강제 배기하는 것에 의한 감소 특성의 개선을 검토하기 위해서, 도 11에 나타내는 바와 같은 진공 배기에 의한 압력식 유량 제어 장치의 응답 특성 측정 장치를 이용하여 각종의 감소 특성의 측정을 행하였다.
또한, 도 11에 있어서 RG는 압력 조정기, P0은 공급 압력 센서, CVa, CVb는 컨트롤 밸브, P1a, P1b은 압력 센서, UPC1, UPC2는 압력 제어기, VL2, VL3은 진공 처리 라인이며, 상기 UPC1과 오리피스(OL)에 의해 압력식 유량 제어 장치(FCS-N형)가 구성되어 있다. 또한, 압력 제어기(UPC1)와 오리피스(OL) 사이의 공간부(VL1)의 용적은 6.0CC로 설정되어 있다.
즉, 압력 제어기(UPC1)와 오리피스(OL)로 이루어지는 압력식 유량 제어 장치(FCS-N형)에 의해 공급 가스의 유량 제어를 행함과 아울러, 압력 제어기(UPC2)에 의해 배기 기능(제어압력의 감소 시간)을 조정한다. 그리고, 양쪽 압력 제어기(UPC1, UPC2)에 동시에 소정의 설정 압력을 입력하고, 압력 센서(P1a, P1b)에 의해 양쪽 압력 제어기(UPC1, UPC2)의 제어압의 스텝 응답 특성을 측정했다.
도 12는 상기 도 11의 응답 특성 시험 장치에 의한 감소 특성의 측정 결과를 나타내는 것이며, (a)는 압력 제어기(UPC1)의 컨트롤 밸브(CVa)만에 의해서 100% 유량으로부터 80% 유량, 60% 유량, 40% 유량, 20% 유량의 순서로 유량을 감소시키는 압력 제어(유량 제어)를 했을 경우를 나타내는 것이며, 선 F1은 압력 제어기(UPC1)로의 제어압력 입력신호의 전압파형, 선 F2는 압력 제어기(UPC1)의 제어압력 출력신호의 전압파형이다.
도 12의 (a)로부터도 분명하게 나타나 있는 바와 같이, 제어압력 출력신호의 전압파형의 감소에는 1초 이상의 시간을 필요로 하는 것으로 이루어진다.
이것에 대하여, 도 12(b)는 압력 제어기(UPC2)를 동시에 작동시킴으로써 내부공간(VL1) 내를 진공 배기했을 경우를 나타내는 것이며, 감소 응답 시간이 0.5초 이하로 단축 가능한 것이 밝혀졌다. 또한, 압력 제어기(UPC1)로의 가스(N2) 공급압은 300kPa abs이며, 오리피스(OL)는 정격 유량 260SCCM이다. 또한, 진공 배기압은 10-5Torr이다.
도 13은 상기 도 12의 응답 특성 측정 장치에 의한 증가 특성의 측정 결과를 나타내는 것이며, (a)는 압력 제어기(UPC1)의 컨트롤 밸브(CVa)에 의해서만 0% 유량으로부터 20% 유량, 40% 유량, 60% 유량, 80% 유량, 100% 유량의 순서로 유량을 증가시키는 압력 제어(유량 제어)를 했을 경우를 나타내는 것이며, 선 F1은 압력 제어기(UPC1)로의 제어압력 입력신호의 전압파형, 선 F2는 압력 제어기(UPC1)의 제어압력 출력신호의 전압파형이다.
이것에 대하여, 도 13(b)는 압력 제어기(UPC2)를 동시에 작동시켰을 경우의 증가 응답 특성을 나타내는 것이다. 도 13(a)와의 대비로부터도 분명하게 나타나 있는 바와 같이, 증가 응답시는 압력 제어기(UPC2)로부터 진공 배기할 필요가 없어 동작하지 않기 때문에, 도 13(b)의 증가시의 응답 시간은 도 13(a)의 경우와 대략 동일하고, 증가 응답 시간이 0.5초 이하인 것이 확인되었다. 또한, 압력 제어기(UPC1)로의 가스(N2) 공급압은 300kPa abs이며, 오리피스(OL)는 정격 유량 260SCCM용의 것이다. 또한, 진공 배기압은 10-5Torr이다.
도 14는 상기 도 11의 응답 특성 측정 장치에 의한 감소 특성 측정시의 각 컨트롤 밸브(CVa·CVb)의 구동용 피에조 소자(도시생략)의 입력 전압의 변동 상태를 나타내는 것이며, (a)는 압력 제어기(UPC1)의 컨트롤 밸브(CVa)에 의해서만 100% 유량으로부터 80% 유량, 60% 유량의 순서로 유량을 감소시키는 압력 제어(유량 제어)를 했을 경우의 피에조 소자 구동 전압을 나타내는 것이다. 또한, 선 F1은 압력 제어기(UPC1)로의 제어압력 입력신호의 전압파형, 선 F2는 압력 제어기(UPC1)의 제어압력 출력신호의 전압파형이다.
또한, (b)는 가스 공급용의 컨트롤 밸브(CVa)의 피에조 구동 소자로의 입력 전압파형(F10)을 나타내는 것이며, (c)는 배기용의 컨트롤 밸브(CVb)의 피에조 구동 소자로의 입력 전압파형(F20)을 나타내는 것이다. 또한, 각 피에조 구동 소자로의 입력 전압파형(F10, F20)은 실제의 1/30배로 나타내어져 있다.
본 발명에 의한 압력식 유량 제어 장치는, 상기 응답 특성 시험 장치를 사용한 각 시험 결과를 기초로 해서 창작된 것이며, 유체 입구와 유체 출구의 사이를 연통하는 유체 통로 및 그 유체 통로로부터 분기되어서 상기 유체 통로와 배기 출구 사이를 연통하는 배기통로를 설치한 본체와, 그 본체의 유체 입구측에 고정되어서 상기 유체 통로의 상류측을 개폐하는 압력 제어용 컨트롤 밸브와, 그 압력 제어용 컨트롤 밸브의 하류측의 유체 통로 내압을 검출하는 압력 센서와, 상기 배기통로의 분기 개소보다 하류의 유체 통로 내에 설치한 오리피스와, 상기 배기통로를 개폐하는 배기 제어용 컨트롤 밸브를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 압력식 유량 제어 장치는 오리피스 하류측의 유체 통로 내압을 검출하는 압력 센서를 구비한 구성의 FCS-WR형 압력식 유량 제어 장치로 해도 된다.
상기 압력식 유량 제어 장치는 복수의 오리피스를 병렬 형상으로 연결하고, 스위칭 밸브에 의해 적어도 하나의 오리피스에 유체를 유통시키는 구성의 FCS-SN형 압력식 유량 제어 장치로 해도 된다.
상기 압력식 유량 제어 장치는 복수의 오리피스를 병렬 형상으로 연결하고, 스위칭 밸브에 의해 적어도 하나의 오리피스에 유체를 유통시킴과 아울러 오리피스 하류측의 유체 통로 내압을 검출하는 압력 센서를 구비한 구성의 FCS-SWR형 압력식 유량 제어 장치로 해도 된다.
상기 압력 제어용 컨트롤 밸브 및 배기 제어용 컨트롤 밸브를, 피에조 소자 구동형의 금속 다이어프램식 제어 밸브로 해도 된다.
상기 배기 제어용 컨트롤 밸브의 피에조 구동 소자로의 입력 전압의 조정에 의해 감소 응답 시간을 제어하는 구성으로 해도 된다.
상기 배기 제어용 컨트롤 밸브를 공기압 구동 밸브 또는 전자 구동 밸브로 하도록 해도 좋고, 또한 배기 출구에 접속한 진공펌프에 의해 배기통로 내를 강제 배기하는 구성으로 해도 된다.
(발명의 효과)
본 발명에 의한 압력식 유량 제어 장치에 있어서는 유체 통로 및 배기통로를 설치한 본체와, 본체에 고정한 유체 통로의 상류측을 개폐하는 압력 제어용 컨트롤 밸브와, 그 하류측의 유체 통로 내압을 검출하는 압력 센서와, 배기통로의 분기 개소보다 하류의 유체 통로 내에 설치한 오리피스와, 배기통로를 개폐하는 배기 제어용 컨트롤 밸브를 구비함으로써, 상기 압력식 유량 제어 장치에 의한 유체 유량의 변경시에 압력 제어용 컨트롤 밸브와 배기 제어용 컨트롤 밸브를 작동시켜, 압력 제어용 컨트롤 밸브와 오리피스간의 유체 통로 공간 내를 강제 배기함으로써 제어 유량의 변동시에 있어서의 제어 응답성이 향상되어 유량 제어의 감소 시간을 대폭 단축할 수 있을 뿐만 아니라, 그 감소 시간의 조정도 용이하게 행할 수 있고, 또한 압력식 유량 제어 장치의 소위 가스 치환성의 향상과 그것에 의한 설비 가동률의 향상, 반도체 제품의 품질 향상 등이 가능해진다.
또한, 압력식 유량 제어 장치의 본체의 횡폭 치수를 임의로 선정, 예를 들면 종전의 압력식 유량 제어 장치의 횡폭 치수 92㎜에 맞추는 것이 가능해지고, 그 결과, 종래 설비의 개수(改修)에도 상기 압력식 유량 제어 장치를 용이하게 적용할 수 있다.
또한, 진공 배기 라인을 블라인드(제거해서 폐쇄하는 것)함으로써, 통상의 압력식 유량 제어 장치로서도 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 압력식 유량 제어 장치의 기본 구성을 나타내는 종단면도이다.
도 2는 본 발명에 의한 압력식 유량 제어 장치를 적용한 가스 공급 박스의 구성을 나타내는 계통도이다.
도 3은 본 실시형태에 의한 압력식 유량 제어 장치의 연속 스텝시의 감소 응답 특성을 나타내는 선그래프이다.
도 4는 유량 설정을 증가시켰을 경우의, 압력 제어용 컨트롤 밸브(6)와 배기 제어용 컨트롤 밸브(7)의 피에조 구동 소자로의 입력 전압의 변동 상태, 및 압력 센서(P1)의 출력(압력)을 나타내는 선그래프이다.
도 5는 설정유량을 감소시켰을 경우의, 압력 제어용 컨트롤 밸브(6)와 배기 제어용 컨트롤 밸브(7)의 피에조 구동 소자에의 입력 전압의 변동 상태, 및 압력 센서(P1)의 출력(압력)을 나타내는 선그래프이다.
도 6은 종전의 압력식 유량 제어 장치(FCS-N형)의 기본 구성도이다.
도 7은 종전의 각종 형식의 압력식 유량 제어 장치의 개략 구성도이며, (a)는 FCS-N형, (b)는 FCS-WR형, (c)는 FCS-SN형, (d)는 FCS-SWR형을 나타내는 것이다.
도 8은 종전의 압력식 유량 제어 장치(FCS-N형)의 연속 스텝시의 감소 응답 특성의 일례를 나타내는 선그래프이다.
도 9는 내용적 극소형의 본체를 사용한 압력식 유량 제어 장치(FCS-N형, FCS-WR형)의 밸브 기구부의 개요도이다.
도 10은 도 9의 압력식 유량 제어 장치(FCS-N형)의 100%에서 0% 사이의 유량의 감소 특성 곡선을 나타내는 선그래프이다.
도 11은 진공 배기 라인을 설치한 압력식 유량 제어 장치의 응답 특성 측정 장치의 계통 구성도이다.
도 12는 도 11의 응답 특성 측정 장치에 의해 측정한 감소 응답 특성의 측정 결과를 나타내는 선그래프이며, (a)는 공급측의 컨트롤 밸브만으로 감소했을 경우, (b)는 공급측과 진공 배기측의 양쪽 컨트롤 밸브에 의하여 감소했을 경우를 나타내는 선그래프이다.
도 13은 도 11의 응답 특성 측정 장치에 의해 측정한 증가 응답 특성의 측정 결과를 나타내는 선그래프이며, (a)는 공급측의 컨트롤 밸브만으로 증가했을 경우, (b)는 공급측과 진공 배기측의 양쪽 컨트롤 밸브에 의하여 증가했을 경우를 나타내는 선그래프이다.
도 14는 도 11의 응답 특성 시험 장치에 의한 감소 특성 측정시의 각 컨트롤 밸브(CVa·CVb)의 구동용 피에조 소자(도시생략)의 입력 전압의 변동 상태를 나타내는 선그래프이며, (a)는 진공 배기 라인을 작동하지 않을 때의 압력 제어기(UPC1)의 제어압력 입력 및 출력신호의 전압을, (b)는 진공 배기 라인을 작동했을 때의 압력 제어기(UPC1)의 컨트롤 밸브(CVa)의 피에조 소자 구동 전압을, (c)는 진공 배기 라인을 작동했을 때의 압력 제어기(UPC2)의 컨트롤 밸브(CVb)의 피에조 소자 구동 전압을 각각 나타내는 선그래프이다.
이하, 도면에 의거하여 본 발명의 실시형태를 설명한다.
도 1은 본 발명의 압력식 유량 제어 장치(1)의 기본 구성을 나타내는 종단면도이며, 도 2는 본 발명에 의한 압력식 유량 제어 장치를 적용한 가스 공급 박스의 구성을 나타내는 계통도이다.
압력식 유량 제어 장치(1)는 본체(2), 압력 제어용 컨트롤 밸브(6), 배기 제어용 컨트롤 밸브(7), 압력 센서(P1, P2), 오리피스(OL) 등으로 구성되어 있고, 도 2의 실시형태에서는 1개의 오리피스(OL)를 사용한 FCS-WR형의 압력식 유량 제어 장치로 되어 있다.
또한, 도 1에 있어서 2a는 밸브시트, 3은 입구측 블록, 4는 본체 블록, 5는 출구측 블록, 9는 유체 입구, 10a는 유체 통로, 10b는 배기통로, 10c는 누설 검사용 통로, 11은 유체 출구, 12는 배기 출구, 13은 개스킷, 14는 제어용의 패널 컨트롤 보드, 15는 케이싱, 16은 접속용 커넥터이다.
상기 본체(2)는 입구측 블록(3), 본체 블록(4) 및 출구측 블록(5)을 고정 볼트(도시생략)에 의해 서로 조립 일체화하도록 한 것이며, 압력 제어용 컨트롤 밸브(6), 배기 제어용 컨트롤 밸브(7) 및 압력 센서(P1, P2) 등은 밸브 본체(2)에 각각 비틀어 넣어 고정되어 있다. 또한, 압력 센서(P2)는 배기통로(10b)와의 교차를 피해서 유체 통로(10a)에 연통되어 있다.
상기 압력 제어용 컨트롤 밸브(6)는 공지의 금속제 다이어프램을 밸브체(20)로 하는 피에조 구동 소자(6a)를 사용한 개폐 밸브이며, 피에조 구동 소자(6a)로의 통전에 의해 이것이 신장하고, 원통체(17)를 탄성체(18)의 탄력에 저항해서 상방으로 밀어올림함으로써 금속 다이어프램 밸브체(20)의 탄성력에 의해 밸브체 누르개(19)가 상방으로 이동하고, 밸브체(20)가 밸브시트(2a)로부터 이좌해서 밸브가 개방된다. 또한, 밸브 개방도는 피에조 구동 소자(6a)로의 인가 전압을 변동함으로써 조절된다.
또한, 배기 제어용 컨트롤 밸브(7)의 작동에 대해서도 압력 제어용 컨트롤 밸브(6)의 작동과 동일하고, 피에조 구동 소자(7a)의 신장량 조절에 의해 밸브 개방도 제어가 행하여진다.
또한, 배기 제어용 컨트롤 밸브(7)로서는 상기 피에조 구동식 금속 다이어프램형 개폐 밸브 대신에, 공지의 공기압 구동식이나 전자 구동식의 개폐 밸브를 사용하는 것도 가능하다.
도 2는 본 발명에 의한 압력식 유량 제어 장치를 적용한 가스 공급 박스의 구성을 나타내는 계통도이며, 3종의 실가스(G1∼G3) 및 N2 가스(G4)를 각각 단독으로, 또는 적당한 가스종을 소정의 비율로 혼합하여 프로세스 챔버(29)에 공급하는 것이다. 또한, 배기 제어용 컨트롤 밸브(7)(도시생략)를 통해서 FCS-N의 내부공간 가스가 배기 라인(27)의 출구측 개폐 밸브(24)를 통해서 진공펌프(28)에 의해 강제 배기(진공 배기)되는 것은 상기한 바와 같다.
또한, 도 2에 있어서 21은 가스 공급구, 22는 공급측 스위칭 밸브, 23은 출구측 스위칭 밸브, 26은 혼합 가스 공급 라인이다.
도 1을 참조하여 통상의 연속 유량 제어에 있어서는, 유체 입구(9)로부터 유입된 가스가 압력 제어용 컨트롤 밸브(6)에 의해 압력 제어되고, 오리피스(OL)를 통과해서 유체 출구(11)로부터 소정의 개소에 공급되어 간다. 또한, 제어 유량을 감소, 예를 들면 100% 유량으로부터 50% 유량으로 감소시킬 때에는, 컨트롤 보드(14)으로부터 압력 제어용 컨트롤 밸브(6)에 50% 유량으로의 스위칭 제어신호가, 또한 배기 제어용 컨트롤 밸브(7)에 밸브 개방신호가 각각 입력되고, 배기 제어용 컨트롤 밸브(7)가 개방된다. 이것에 의해, 배기 제어용 컨트롤 밸브(7)를 통하여 압력 제어용 컨트롤 밸브(6)와 오리피스(OL)간의 가스가 강제 배기되고, 감소 응답 시간이 단축된다.
또한, 배기 제어용 컨트롤 밸브(7)의 밸브 개방도를 조정함으로써 감소 시간의 컨트롤이 가능한 것은 물론이다.
도 3은 본 실시형태에 의한 압력식 유량 제어 장치(1)의 연속 스텝시의 감소 응답 특성을 나타내는 것이며, 상기 도 8의 경우와 동일한 조건 하에서 측정한 것이다.
선 A 및 선 B를, 상기 도 8과 도 3에 대해서 대비하면 분명한 바와 같이, 본 실시형태에 의한 압력식 유량 제어 장치(1)에 있어서는 감소 시간을 0.5초 이하로 단축할 수 있다.
또한, 배기 제어용 컨트롤 밸브(7)의 밸브 개방도 조정에 의해 감소 시간 자체를 용이하게 제어할 수 있을 뿐만 아니라, 다른 유량 레인지에서 작동 중인 압력식 유량 제어 장치이여도 이들 복수의 압력식 유량 제어 장치의 감소를 동기해서 행하는 것이 가능해진다.
또한, 도 4는 유량 설정을 증가시켰을 경우의, 압력 제어용 컨트롤 밸브(6)와 배기 제어용 컨트롤 밸브(7)의 피에조 구동 소자로의 입력 전압의 변동 상태, 및 압력 센서(P1)의 출력(압력)을 나타내는 것이며, 어느 경우에 있어서나 증가 시간이 0.5초 이하로 되고, 20%로부터 50% 및 50%로부터 80%로의 유량 증가에 대하여 0.5초 이하의 증가 시간으로 대응 가능한 것이 나타내어져 있다.
또한, 도 5는 도 4의 경우와는 반대로, 80%로부터 50% 및 50%로부터 20%로의 유량을 감소 하 경우의, 압력 제어용 컨트롤 밸브(6)와 배기 제어용 컨트롤 밸브(7)의 피에조 구동 소자로의 입력 전압의 변동 상태, 및 압력 센서(P1)의 출력(압력)을 나타내는 것이며, 어느 경우에 있어서나 감소 시간이 0.5초 이하로 된다.
또한, 상기 도 1의 실시형태에 있어서는 도 7의 (b)에 나타낸 FCS-WR형의 압력식 유량 제어 장치에 의거하여 설명을 했지만, 압력식 유량 제어 장치로서는 FCS-N형, FCS-SN형, FCS-SWR형이라도 되는 것은 물론이며, 도 7에 나타낸 종전의 각 형식의 압력식 유량 제어 장치는 모두 본 발명의 실시에 사용하는 것이 가능한 것이다.
또한, 압력식 유량 제어 장치의 작동 원리나 구성은 이미 알려져 있기 때문에 여기에서는 그 상세한 설명을 생략하는 것으로 하고 있다.
즉, 본 발명에 의한 압력식 유량 제어 장치(1)에서는 배기 제어용 컨트롤 밸브(7)를 구비한 진공 배기 라인(27)을 설치함으로써, 유량 제어의 감소 시간을 대폭 단축할 수 있음과 아울러 감소 시간의 조정을 용이하게 행하는 것이 가능하고, 압력식 유량 제어 장치의 소위 가스 치환성이 향상된다.
또한, 압력식 유량 제어 장치(1)의 본체(2)의 횡폭 치수를 임의로 선정, 예를 들면 종전의 압력식 유량 제어 장치의 횡폭 치수 92㎜에 맞추는 것이 가능해지고, 그 결과 종래 설비의 개수에 상기 압력식 유량 제어 장치(1)를 사용할 수 있다.
또한, 진공 배기 라인을 블라인드함으로써 통상의 압력식 유량 제어 장치로서도 적용할 수 있다. 단, 진공 배기 라인(27)을 필요로 하거나, 강제 배기에 의한 실가스 배기의 증가, 기설의 가스 공급 박스에 용이하게 적용할 수 없는 것 등이 문제점으로서 남겨져 있다.
(산업상의 이용 가능성)
본 발명은 반도체 제조 장치용의 가스 공급 설비나 가스 공급 장치 뿐만 아니라, 화학산업이나 식품산업 등의 모든 가스 공급 설비의 유량 제어 장치에 적용할 수 있는 것이다.
1 : 압력식 유량 제어 장치 2 : 본체
2a : 밸브시트 3 : 입구측 블록
4 : 본체 블록 5 : 출구측 블록
6 : 압력 제어용 컨트롤 밸브 6a : 피에조 구동 소자
7 : 배기 제어용 컨트롤 밸브 7a : 피에조 구동 소자
9 : 유체 입구 10a : 유체 통로
10b : 배기통로 10c : 누설 검사용 통로
11 : 유체 출구 12 : 배기 출구
13 : 개스킷 14 : 패널 컨트롤 보드
15 : 케이싱 16 : 접속용 커넥터
17 : 원통체 18 : 탄성체
19 : 밸브체 누르개 20 : 밸브체
21 : 가스 공급구 22 : 공급측 스위칭 밸브
23 : 출구측 스위칭 밸브 24 : 출구측 개폐 밸브
26 : 혼합 가스 공급 라인 27 : 진공 배기 라인
28 : 진공펌프 29 : 프로세스 챔버
P1 : 압력 센서 P2 : 압력 센서
OL : 오리피스 G1∼G3 : 실가스

Claims (10)

  1. 유체 입구와 유체 출구 사이를 연통하는 유체 통로와, 그 유체 통로로부터 분기되어서 그 유체 통로와 배기 출구 사이를 연통하는 배기통로를 설치한 본체와,
    상기 배기통로의 분기 개소보다 상류의 유체 통로에 설치된 압력 제어용 컨트롤 밸브와,
    상기 배기통로의 분기 개소보다 하류의 유체 통로 내에 설치된 오리피스와,
    상기 압력 제어용 컨트롤 밸브의 하류측 및 상기 오리피스의 상류측의 유체 통로 내압을 검출하는 압력 센서와,
    상기 배기통로를 개폐하는 배기 제어용 컨트롤 밸브를 구비하고,
    제어 유량을 감소시킬 때, 상기 배기 제어용 컨트롤 밸브를 개방함으로써, 상기 배기통로를 통해 상기 압력 제어용 컨트롤 밸브와 상기 오리피스 사이의 유체 통로 내의 가스를 배기하는 압력식 유량 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 압력식 유량 제어 장치는 오리피스 하류측의 유체 통로 내압을 검출하는 압력 센서를 더 구비하는, 압력식 유량 제어 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 압력식 유량 제어 장치는 복수의 오리피스를 병렬 형상으로 연결하고, 스위칭 밸브에 의해 적어도 하나의 오리피스에 유체를 유통시키는 구성인, 압력식 유량 제어 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 압력식 유량 제어 장치는 복수의 오리피스를 병렬 형상으로 연결하고, 스위칭 밸브에 의해 적어도 하나의 오리피스에 유체를 유통시킴과 아울러 오리피스 하류측의 유체 통로 내압을 검출하는 압력 센서를 구비하는, 압력식 유량 제어 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 압력 제어용 컨트롤 밸브 및 상기 배기 제어용 컨트롤 밸브는 피에조 소자 구동형의 금속 다이어프램식 제어 밸브인, 압력식 유량 제어 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 배기 제어용 컨트롤 밸브의 피에조 구동 소자로의 입력 전압의 조정에 의해 감소 응답 시간을 제어하는 구성으로 한 압력식 유량 제어 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 배기 제어용 컨트롤 밸브는 공기압 구동 밸브 또는 전자 구동 밸브인, 압력식 유량 제어 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    배기 출구에 접속한 진공펌프에 의해 배기통로 내를 강제 배기하는 구성으로 한 압력식 유량 제어 장치.
  9. 삭제
  10. 제 1 항에 있어서,
    제어 유량을 감소시킬 때, 상기 압력 제어용 컨트롤 밸브의 개도를 일시적으로 폐쇄함과 동시에 상기 배기 제어용 컨트롤 밸브를 개방하는 것에 의해, 상기 압력 제어용 컨트롤 밸브와 상기 오리피스 사이의 유체 통로 내의 가스를 배기하는 압력식 유량 제어 장치.
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