TWI524054B - Flow meter and flow control device with the flowmeter - Google Patents

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TWI524054B
TWI524054B TW103137005A TW103137005A TWI524054B TW I524054 B TWI524054 B TW I524054B TW 103137005 A TW103137005 A TW 103137005A TW 103137005 A TW103137005 A TW 103137005A TW I524054 B TWI524054 B TW I524054B
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Masaaki Nagase
Nobukazu Ikeda
Kouji Nishino
Ryousuke Dohi
Atsushi Hidaka
Katsuyuki Sugita
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Fujikin Kk
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Description

流量計及具備該流量計的流量控制裝置
本發明是關於具有流量監測器之流量控制裝置的改良，是有關於：藉由有機性地組合「具備耐壓力變動性的流量控制裝置」與「衰減式流量監測器」，可即時地監測「流量控制裝置的控制流量」，並藉由對應於應控制之流體的流量區域，適當地切換衰減式流量監測器之衰減容量，而可遍及廣大流量區域執行高精度之流量監測的流量範圍切換型衰減式流量計及具有流量範圍切換型流量監測器的流量控制裝置。
傳統以來，在半導體製造裝置用氣體供給裝置中，廣泛地利用熱式(thermal type)流量控制裝置MFC和壓力式流量控制部FCS。特別是後者的壓力式流量控制部FCS，如第20圖所示，是由控制閥CV和溫度感測器T、壓力感測器P、孔口OR、由「溫度修正-流量演算迴路CDa、比較迴路CDb、輸出入迴路CDc、輸出迴路CDd等」所構成的演算控制部CD等所構成，具備所謂「即使一次側供給壓大幅變動，也能執行安定的流量控制」的絕佳 流量特性。
亦即，在第20圖的壓力式流量控制部FCS中，將來自於壓力感測器P及溫度感測器T的檢測值輸入溫度修正-流量演算迴路CDa，並在該處執行檢測壓力的溫度修正與流量演算，將流量演算值Qt輸入比較迴路CDb。此外，對應於設定流量Qs，從端子In輸入，並經由輸出入迴路CDc而輸入比較迴路CDb，在該處與「來自於前述溫度修正-流量演算迴路CDa的流量演算值Qt」進行比較。比較的結果，在設定流量Qs小於流量演算值Qt的場合中，對控制閥CV的驅動部輸出控制訊號Pd。如此一來，將控制閥CV朝關閉方向驅動，且在設定流量Qs與演算流量值Qt之間的差(Qs-Qt)成為零之前，朝閉閥方向驅動。
該壓力式流量控制部FCS，在孔口OR的下游側壓力P(2)與上游側壓力P(1)之間保持所謂「P(1)/P(2)約≧2」的臨界膨脹條件時，流通於孔口OR的氣體流量Q成為「Q=KP(1)(K為常數)」，此外，倘若不符合臨界膨脹條件時，流通於孔口OR的氣體流量Q則成為「Q=KP(2) m(P(1)-P(2))n(但K、m、n為常數)」。因此，藉由控制上游側壓力壓力P(1)能以高精度控制流量Q，且即使控制閥CV之上游側氣體Go的壓力大幅變化，也能發揮所謂「控制流量值幾乎不會變化」的絕佳特性。由於壓力式流量控制部FCS為大眾所熟知，在本文中省略其詳細說明(日本特開2003-195948號公報等)。
但是，這種壓力式流量控制部FCS，由於使用細微孔徑的孔口OR，因此無法避免孔口OR的孔徑隨著時間而變化(劣化)。一旦孔徑產生變化，將導致「壓力式流量控制部FCS的設定流量(亦即，控制流量值)」、與「實際上流通於孔口OR之氣體Go的實際值」之間產生差異。此外，為了檢測該差異，必須在流量控制期間頻繁地執行流量監測，而存在：對半導體製造裝置的運轉性、和所製造之半導體的品質造成極大影響的問題。
因此，在壓力式流量控制裝置的領域中，傳統以來，採用以下的對策：儘可能地早期檢測「孔口OR之孔徑的變化」，以防止「壓力式流量控制部FCS的控制流量值」與「實際上流通於孔口之氣體Go的實際流量值」間產生的差異；這種孔口之孔徑變化等的檢測，多半採用：採用所謂增強方式(ROR：RATE OF RISE)或衰減方式(ROD：RATE OF DECAY)之氣體的流量監測器。
另外，前述利用增強方式或衰減方式之氣體的流量監測器，由於進行流量控制的同時，必須暫時停止供給中的實際氣體以執行監測用之氣體流量的測量，而具有「半導體製造裝置的運轉率下降」、「所製造之半導體的品質等，產生參差不齊」之類的問題。
因此近年來，在這種的流量控制裝置中，進行著後述之「具有流量監測器的流量控制裝置」的開發：不須暫時地停止實際氣體的供給，能以即時的方式簡單且正確地監測供給氣體的流量控制是否正確地執行。
第21圖，是顯示習知流量監測器之其中一例的圖，該具有流量監測器的流量控制裝置20，是組合了熱式質量流量感測器(Thermal mass flow sensor)25與壓力式流量控制裝置的裝置，是由流路23、用來檢測入口側壓力的第1壓力感測器27a、開閉控制閥24、熱式質量流量感測器25、第2壓力感測器27b、節流部(音速噴嘴)26、演算控制部28a、輸出入迴路28b等所構成。
亦即，熱式質量流量感測器25具備：整流體25a、從流路23將特定比例F/A的流量予以分流的分歧流路25b、設於分岐流路25b的感測器本體25c，並將表示總流量F的流量訊號Sf朝演算控制部28a輸出。此外，節流部26，是當其上游側與下游側的壓力差為特定值以上(亦即，臨界條件下)時，供「對上游側壓力形成比例之流量的流體」流過的音速噴嘴，Spa、Spb為壓力訊號，Pa、Pb為壓力，F為總流量，Sf為流量訊號，Cp為閥開度控制訊號。
演算控制部28a，是藉由反饋「來自於壓力感測器27a、27b的壓力訊號Spa、Spb」及「來自於熱式質量流量感測器25的流量訊號Sf」並輸出閥開度控制訊號Cp，而對開閉控制閥24執行反饋控制。亦即，從輸出入迴路28b朝演算控制部28a輸入流量設定訊號Fs，並進行調整使「流動於質量流量控制裝置20之流體的總流量F」成為流量設定訊號Fs。更具體地說，演算控制部28a採用第2壓力感測器27b的輸出(壓力訊號Spb)對開閉控制 閥24的開閉執行反饋控制，藉此控制流動於音速噴嘴26之流體的總流量F，並採用此時之熱式質量流量感測器25的輸出(流量訊號Sf)，執行「實際上流動之總流量F」的測量，而確認質量流量控制裝置20的動作。
如以上所述，由於第21圖之具有流量監測器的流量控制裝置20，是將「使用第2壓力感測器27b的壓力訊號Spb來調整開閉控制閥24之開度」的壓力式流量控制、與「使用執行實際流量監視的熱式質量流量感測器25」的流量測量的雙方，組入演算控制部28a，因此能以即時的方式簡單且確實地監測「對應於流量設定訊號Fs之控制流量的氣體」是否實際地流動，也就是指在控制流量與實際流量之間是否存在差異，是能達到高實用效果的裝置。
但是，在上述第21圖之具有流量監測器的流量控制裝置20中，仍然殘留許多須解決的問題。首先，第1個問題為：在監測流量值(實際流量值)與控制流量值間產生差異的場合中，雖然可藉由警報等來通報差異的產生，卻無法自動地修正控制流量值，也就是指無法調整流量設定訊號Fs，在因為某些原因譬如操作者不在等而導致控制流量值的修正延誤的場合中，將持續地供給「流量與設定流量值不同」的氣體(實際流量氣體)，致使半導體製造上產生各式各樣的問題。
第2個問題為：由於組合了所謂「使用了用來執行流量控制之第2壓力感測器27b」的壓力式流量測 量、與「使用了用來執行流量監視之熱式質量流量感測器25」的流量測量之兩種不同的測量方式，使具有流量監測器之流量控制裝置20的構造變得複雜，而無法達成裝置的小型化及成本的下降。
第3個問題為：演算控制部28a構成：使用第2壓力感測器27b的壓力訊號Spb與熱式質量流量感測器25的流量訊號Sf的兩個訊號對開閉控制閥24執行開閉控制，並使用第1壓力感測器27a的壓力訊號Spa來修正熱式質量流量感測器25的流量訊號Sf，而成為使用第1壓力感測器27a與第2壓力感測器27b的兩個壓力訊號、及來自於熱式質量流量感測器25的流量訊號，一共使用三個訊號執行開閉控制閥24的開閉控制。因此，不僅演算控制部28a的構造變得複雜，還存在所謂：反而導致壓力式流量控制部FCS的安定流量控制特性和絕佳反應性下降的問題。
另外，為了解決上述的各個問題，本案的發明人開發出一種具有流量監測器的壓力式流量控制裝置：將壓力式流量控制部FCS、與設在其上游側的衰減式流量測量部組合成一體，並在流量控制裝置之上游側壓力(輸入側壓力)所容許的範圍內促使前述衰減式流量測量部作動，藉由至少1秒內1次(最好是1秒內複數次)地從衰減式流量測量部發出流量監測訊號，執行壓力式流量控制裝置的流量控制的同時，並行地執行衰減式流量測量部之實際上趨近於即時的流量監測，並且當監測流量值與控制 流量值的差異超出特定流量時，自動地調整壓力式流量控制裝置側的流量設定值，將壓力式流量控制裝置的流量控制值修正成衰減式流量測量部的流量值。
亦即，這個新開發之具有衰減式流量監測器的壓力式流量控制裝置，藉由輸入側的壓力變動而充分地活用所謂流量控制特性幾乎不受影響之壓力式流量控制裝置的流量特性，在趨近於即時(至少1秒內1次以上的監測)的狀況下執行衰減式流量監測部的流量監測，不僅如此，是能達成演算控制部的簡潔化、機器本體大幅地小型化，並提高氣體置換性等的裝置。
首先，根據第5圖~第19圖，說明成為本發明基礎之前述第21圖所記載的具有衰減式流量監測器的流量控制裝置。
第5圖，是用來測量「具有衰減式流量監測器的流量控制裝置之流降監測特性」的試驗裝置的概略構造圖，本案的發明人使用該試驗裝置，根據壓力式流量控制部FCS與一次側開閉切換閥(上游側閥)AV間之壓力下降的傾斜執行流量計算，而執行了關於衰減流量測量的基礎性試驗。
在第5圖中，N2為氣體供給源，RG為壓力調整器，ECV為電磁驅動部，AV為一次側開閉切換閥(上游側閥)，FCS為壓力式流量控制部，VP為真空泵，BC為衰減容量，T為溫度感測器，P為設在「壓力式流量控制裝置FSC內的控制閥之一次側」的壓力感測器，P0為壓力 感測器輸出，E為電源部，E1為壓力式流量控制裝置用電源，E2為演算控制部用電源，E3為一次側開閉切換閥(上游側閥)用電源，S為訊號產生器，CP為演算控制部，CPa為流量演算控制部，CPb為監測流量演算控制部，PC為演算顯示部，NR為數據紀錄器。
前述衰減容量BC，相當於一次側開閉切換閥(上游側閥)AV的出口側、與壓力式流量控制裝置FSC之控制閥(圖示省略)的入口側之間的管路空間容積，藉由配管通路的長度和內徑等的調整、或者介設於該配管通路之衰減用艙室(圖示省略)之內容積的調整，該衰減容量BC的內容積V可切換調整成1.78cc與9.91cc、4.6~11.6cc及1.58~15.31cc的各容積。
此外，在採用衰減用艙室的場合中，一次側開閉切換閥(上游側閥)AV的出口與控制閥CV的入口之間的流路內徑設為1.8mm，且衰減容量BC的內容積V選定為1.58~15.31cc。
前述演算控制部CP內的監測流量演算控制部CPb，如稍後所述，採用衰減容量BC中的壓力下降率執行監測流量的演算，不僅如此，流量演算控制部CPa，與傳統的壓力式流量控制部FCS的控制演算部相同，執行「流通於孔口(圖示省略)之流量的演算」及「控制閥(圖示省略)的開閉控制」等。
由於壓力式流量控制部FCS、一次側開閉切換閥(上游側閥)AV、壓力調整器RG及其他的機器全部 是大眾所熟知的裝置，因此在本文中省略其詳細說明。此外，前述一次側開閉切換閥(上游側閥)AV，由於必須在短時間內執行開閉，而使用壓電驅動式金屬膜片閥，但也可以是設有直動型電磁閥或引導型電磁閥的氣動閥(pneumatic valve)。
衰減式流量測量部可配置於壓力式流量控制部FCS的上游側，如同先前所描述，是因為使用孔口的壓力式流量控制部FCS不易受到氣體供給壓變動的影響之故。此外，藉由衰減方式可執行高精度的流量測量，為大眾所知悉的作法。
亦即，在衰減方式中，內容積V(ι)之流通於衰減容量BC內的流量Q，可由以下的計算式(1)所算出。
但是，這裡的V是衰減容量BC的內容積(I)，△P/△t是衰減容量BC中的壓力下降率，T是氣體溫度(℃)。
首先，使用第5圖的試驗裝置，將壓力式流量控制部FCS的上游側壓力設為400kPa abs，將下降壓力(壓力差△P)設為50kPa abs以上，將衰減容量BC的內容積V設為4.6~11.6cc，而執行了衰減方式的流量測量。
第6圖，是顯示此時之壓力下降狀態的圖，雖然流量能更精準地測量，但由於需要壓力恢復的時間， 而使測量流量的輸出變得不連續，且1個循環所需的時間判斷為數秒以上。
亦即，倘若使一次側開閉切換閥(上游側閥)AV形成開啟，將壓力形成「規定值以上之壓力」前的時間設為壓力回復時間(a)，此外，使一次側開閉切換閥(上游側閥)形成關閉，將壓力下降至「規定值以下之壓力」前的時間設為流量輸出的可能時間(b)時，根據上述(a)與(b)的比例，得以決定「可以流量輸出之時間」的比例。此外，該流量輸出的可能時間(b)，由於是根據FCS的控制流量、衰減容量的內容積V、壓力下降範圍△P所決定，因此必須更謹慎地檢討FCS的控制流量、衰減容量的內容積V及壓力下降範圍△P，倘若沒有分別形成適當的值，便判斷出無法使衰減方式的流量測量趨近於即時的流量監測。
當然，由於是即時流量監測，理想上需要連續的流量輸出，但在實際的半導體製造裝置的運轉中，只要可達到1秒內至少1次以上的流量輸出，幾乎趨近於即時的流量監測就變得可能。
因此，本案的發明人，在衰減式的流量測量中，為了在1秒間獲得至少1次以上流量輸出而使趨近於即時的流量監測變得可能，而思考使前述壓力差△P及衰減容量的內容積V變得更小以縮短氣體再充填所需要的時間(壓力回復時間(a))，此外，依據該想法，檢討是否能藉由衰減容量BC的內容積V及流量測量時之壓力差△P的減 少而確保即時性，並針對流量監測的精確度及其再現性執行了各種的試驗。
最初，就第5圖之試驗裝置的壓力式流量控制部FCS而言，準備了額定流量為F20、F200及F600(SCCM)之三個種類的FCS，此外，將衰減容量BC的內容積V設定成約1.78cc及約9.91cc的兩個種類。而9.91cc的衰減容量BC，是藉由調整配管長度及配管內徑而執行容量的調整。1不僅如此，流量輸出的可檢測時間(b)是以0.5sec(0.25ms * 2000點)作為目標，且試驗環境溫度設為23℃±1℃。
接著，將FCS上游側壓力設成370kPa abs，壓力差△P=20kPa abs，將流量N2設定成100SCCM(在FCS側設定)，對測量衰減流量時的壓力回復特性(壓力回復時間(a))作了測量。
第7圖，顯示壓力回復特性的測量結果，第8圖則為其放大圖，第9圖顯示此時的壓力下降特性。從第7圖及第8圖可清楚得知，藉由使衰減容量BC的內容積V降低至1.78cc、及使壓力下降範圍△P降低至20kPa abs，即使在N2流量100SCCM時，也能大幅縮短再充填時間(壓力回復時間(a))，如第9圖所示，可確認至少能以1秒以內的間隔輸出測量流量。
此外，可清楚知道，壓力回復時間(a)相對於流量輸出的可能時間(b)變小的這一點，對一次側開閉切換閥(上游側閥)AV的開閉速度具有重大的影響。 因此，就一次側開閉切換閥(上游側閥)AV而言，可得知最好是壓電驅動式金屬膜片閥或直動型電磁閥。
此外，由壓力下降範圍△P及衰減容量BC之內容積V的減少所衍生之壓力回復時間(a)的短縮化，招致壓力下降時間(流量輸出的可能時間(b))的短縮化，故可得知測量流量、衰減容量BC的內容積V、壓力下降時間(b)的關係變得特別重要。
表1，顯示將衰減容量BC的內容積V設為1.78cc時之測量流量(SCCM)與壓力下降時間(sec)間的關係，在衰減容量BC的內容積V為1.78cc的場合中，倘若不是50SCCM以下的流量，1秒間以內執行1次以上的流量輸出將變得困難，可得知「執行相當於即時的流量監測」將變得困難。
此外，流量輸出之可能時間(b)中的壓力下降特性，基於測量誤差的這一點，有必要「具有直線性」，流量計算的可能範圍，得知壓力下降率被限定於一定(亦即，具有直線性的部分)的範圍。
第10圖~第12圖，顯示對「測量流量為100、50及10SCCM時之壓力下降特性的形態」進行調查的結果，不管在哪一種場合，在衰減後，壓力下降特性皆喪失直線性。該場合的衰減容量BC為1.78cc，流體為N2氣體。
上述第10圖~第12圖所示之衰減後，從直線性起的偏移，被假定是起因於「因氣體伴隨著壓力變化的絕熱膨脹(adiabatic expansion)所衍生之內部溫度變化」而產生的結果。然後，測量流量越小，從該直線性起的偏移有越大的傾向，藉此可得知流量計算的可能時間範圍被縮小。
接著，從壓力下降特性曲線的直線性起的偏移所造成的流量測量誤差，在流量測量的可能時間(b)為1秒以內的場合中，是以每0.25秒測量5點的方式所計測。
亦即，將衰減容量BC的內容積V設成1.78cc及9.91cc，將壓力下降範圍△P設成20kPa abs，從一次側開閉切換閥(上游側閥)AV的關閉起直到流量穩定為止的時間設成1秒，計算出每0.25秒的流量，並對「計算流量相對於控制流量的誤差」進行了檢討。
第13圖及第14圖顯示其結果，不論是哪一個場合，皆可得知：藉由從一次側開閉切換閥(上游側閥)AV的關閉起經過0.25sec以上，誤差大幅地減少。亦即，壓力下降特性曲線越是趨近於直線，可得知誤差將 減少。
表2，顯示將衰減容量BC的內容積V、測量流量、壓力下降時間(b)之間的關係，在衰減容量BC的內容積V為1.78cc的場合中，當流量20~50SCCM時，約能以1秒以內的間隔執行流量輸出。
此外，在衰減容量BC的內容積V為9.91cc的場合中，當流量100~200SCCM時，得知約以1秒以內的間隔可流量輸出。
第15圖，是顯示基於上述各試驗的結果，本案的發明人先前所開發之具有流量監測器的壓力式流量控制裝置之基本構造的系統圖，該具有流量監測器的壓力式流量控制裝置，是由衰減式流量監測部BDM、壓力式流量控制部FCS、及將連結於兩者之間的訊號傳送迴路(數位通訊迴路)CT所構成。
在第15圖中，PV1為入口側開閉切換閥，PV2為出口側開閉切換閥，BC為衰減容量，P3為壓力感測器，CPb為監測流量演算控制部，VB1為監測入口側區塊，VB2為 監測出口側區塊。
此外，在第15圖中，CV為控制閥，CPa為流量演算控制部，OR1為小口徑孔口，OR2為大口徑孔口，P1為壓力感測器，P2為壓力感測器，VB3為流量控制部入口側區塊，VB4為流量控制部出口側區塊，VB5為連結用區塊，SK為連結部的墊片。
在前述壓力式流量控制部FCS設有流量設定值調整機構QSR，設定流量Qs是藉由比較器(圖示省略)而與「經由訊號傳送迴路CT所輸入的衰減流量Q」作比較，一旦兩者的差異成為規定以上的流量值時，便自動地將設定流量Qs修正為Qs’，並進行調整使壓力式流量控制部FCS的流量控制值符合衰減流量Q。亦即，調整實際流量以符合衰減流量Q。
在第15圖中，省略了溫度檢測感測器T、過濾器F等，此外，壓力式流量控制部FCS可以為任何形式，譬如即使是單1孔口的類型當然無妨。此外，由於壓力式流量控制部FCS和衰減式流量監測部BDM的基本構造為大眾所熟知，在本文中省略其詳細說明。
具體地說，從氣體入口1朝衰減式流量監測部BDM流入之壓力為500~320kPa abs的氣體，依照入口側入口側切換閥PV1、艙室式的衰減容量BC、出口側側開閉切換閥PV2的順序流通，並在監測流量演算控制部CPb演算監測流量Q，並將其輸入壓力式流量控制部FSC的流量設定值調整機構QSR。
此外，從衰減式流量監測部BDM流出的氣體，通過控制閥CV、小口徑孔口OR1及/或大口徑孔口OR2，而從氣體出口2流出。在上述的期間，前述流量演算控制部CPa演算孔口流通氣體流量，並進行控制閥CV的開閉控制和孔口切換閥OLV的開閉控制。
不僅如此，在前述流量演算控制部CPa的流量設定值調整機構QSR，對來自於衰減式流量監測部BDM的監測流量Q與孔口流通流量(亦即，流量演算控制部CPa處的控制流量)進行比較，一旦兩者的差異超出預先設定的設定值，便對設定流量Qs進行調整，使壓力式流量控制部FCS的控制流量符合前述監測流量Q，而將其自動修正為Qs’。
亦即，形成本發明之重要部份的流量監測控制部CPb，是根據入口側(上游側)開閉切換閥PV1的開閉控制和壓力感測器P3、溫度感測器T(在第15圖中省略)及兩個開閉切換閥PV1、PV2間之衰減容量BC的內容積V等，演算衰減流量Q，並將其朝流量演算控制部CPa輸入。
如同以上所述，本發明之具有流量監測器的壓力式流量控制裝置，是以衰減式流量監測部BDM執行壓力下降率△P/△t的測量和監測流量Q的演算，藉由透過外部輸出入迴路PIO將指令訊號及/或設定訊號朝監測流量演算控制部CPb輸入，監測流量以至少1秒間1次的比例監測顯示，且自動地執行上述壓力式流量控制部FCS 之控制流量值的修正、補正。
此外，在監測流量輸出Q(來自於監測流量演算控制部CPb的流量輸出)與壓力式流量控制部FCS的流量輸出(來自於流量演算控制部CPa的流量輸出)之間產生設定值以上之誤差的場合中，發出流量異常的警報，或者也能在必要的場合中，實施所謂壓力式流量控制部FCS之流量的自我診斷，以確定流量異常的原因及其產生的場所，不僅如此，也能在產生了設定值以上之流量差異的場合中，自動地實施壓力式流量控制部FCS本身的零點調整等。
在第15圖的裝置中，雖然是採用壓電驅動式閥作為入口側切換閥等，但也可以採用直動型的電磁驅動閥。此外，衰減容量BC的內容積V選定為1.78~9.91cc。不僅如此，壓力下降範圍△P選定為20kPa abs(350~320kPa abs)，而形成至少1秒間輸出1次以上之監測流量的構造。除此之外，前述溫度感測器T(圖示省略)雖然是採用外面貼附型的測溫電阻式溫度感測器，但也能採用插入監測入口側區塊VB1或監測出口側區塊VB2內部的恆溫(thermostat)型溫度計。
此外，在第15圖的裝置中，雖然衰減容量BC如稍後所述地採用具有壓力感測器的艙室，但也可以構成：以氣體流路的內容積構成該衰減容量BC，並藉由適當地選擇氣體流路的內徑及流路長度，而獲得所期望之內容積V的衰減容量BC。
第16圖，是顯示第15圖之具有衰減式流量監測器的壓力式流量控制裝置之縱剖面概略圖。在該實施例中，採用具有壓力感測器的艙室CH作為衰減容量BC，並使衰減式流量監測部BDM的各氣體通路L1、L3、L5的內徑形成1.8mm的細徑。此外，在孔口OR1、OR2的下游側另外設置壓力感測器P2。不僅如此，在艙室CH設有壓力感測器P3。
亦即，在第16圖中，在入口側開閉切換閥PV1與出口側開閉切換閥PV2之間設置小型的壓力艙室CH，而形成「藉由調整該壓力艙室CH的內容積，而調整前述衰減容量BC之內容積V」的構造。此外，為了提高兩個開閉切換閥PV1、PV2的開閉速度，而利用壓電驅動金屬膜片型的常閉閥(normally closed valve)。由於壓電驅動金屬膜片型的常閉閥早為大眾所知悉，因此省略其說明。
前述壓力艙室CH是形成外筒CHa與內筒CHb的2層筒，且內外筒CHa、CHb之間的間隙G，在本實施形態中是選定為1.8mm。接著，壓力艙室CH的內容積是選定為1.3~12cc的程度，而形成在該處附設有壓力感測器P3的構造。
在第16圖的裝置中，可自由地選擇壓力艙室CH的容積，並可將氣體通路L1、L2、L4等全部統一成相同的細徑(譬如 1.8mm)，而可容易且正確地將衰減容量BC的內容積設定為特定的容積值。
具體地說，就試驗用的艙室CH而言，製作成前述間隙為1.8mm及3.6mm之表3所示的5種尺寸的艙室，並將其應用於第5圖的試驗裝置，而對流量(SCCM)與壓力下降之傾斜(kPa/sec)與壓力下降時間(sec)等的關係作了調查。
在採用第5圖之試驗裝置的調查中，溫度感測器T是貼附固定於艙室CH的外表面。此外，艙室CH以外之氣體通路L3、L5的容積為0.226cc。
第17圖，是顯示針對艙室A~E，對「將第6圖中的壓力下降時間(b)設成1秒以內時，氣體流量(SCCM)與壓力下降之傾斜(kPa/sec)的關係」進行了測量的結果，在已組裝於試驗裝置的狀態中，各衰減容量實際為2.31cc~15.45cc。
從第17圖清楚地顯示，當壓力下降範圍△P形成20kPa/sec時，可得知各流量測量為：在艙室A為25.2SCCM，在艙室B為106.6SCCM，在艙室E為169.0SCCM。
在上述第15圖及第16圖之具有流量監測器的壓力式流量控制裝置中，是由「設於上游側的衰減式流量監測部BDM」、和「設於其下游側的壓力式流量控制部FCS」、和「連結衰減式流量監測部BDM與壓力式流量控 制部FCS，將衰減式流量監測部BDM的監測流量Q朝壓力式流量控制部FCS傳送的訊號傳送迴路CT」、及「設於壓力式流量控制部FCS，根據來自於前述衰減式流量監測部BDM的監測流量Q，調整壓力式流量控制部FCS之設定流量Qs的流量設定值調整機構QSR」所構成，而形成：根據衰減式流量監測部BDM的監測流量，自動地調整壓力式流量控制部FCS的設定流量值。
其結果，監測流量值(實際流通於孔口的流量值)與壓力式流量控制部FCS的設定流量值(控制流量值)呈現大幅差異的狀態，並不會長期地連續存在，就提升半導體製品之品質的這點，可獲得非常多的效用。
此外，將衰減式流量監測部BDM設在壓力式流量控制部FCS的上游側，活用壓力式流量控制部對輸入側壓力變動的高反應性，而在前述衰減容量BC內，以1秒間1次以上的比例，產生對應於「壓力式流量控制部FCS之輸入側壓力變動所容許的範圍內之氣體壓差」的壓力下降△P，進而形成：設定上述壓力下降值(壓力差△P)、壓力下降時間(△t)及衰減容量BC的內容積V，而可根據該壓力下降率△P/△t與衰減容量BC的內容積V與氣體溫度K，演算1秒間至少1次以上的監測流量後輸出的構造。
其結果，藉由將前述壓力下降值(壓力差)△P設定成約20~30kPa abs，將壓力下降時間△t設定成0.5~0.8sec，將衰減容量BC的內容積V設定成 1.8~18cc，而能以至少每1秒1次以上的比例，精確地演算監測流量並輸出，可成為不侷限於衰減方式的使用，略趨近於即時(real time)之高精度的流量監測器。
此外，相較於傳統上組合了熱式流量感測器的方式，可大幅地簡化具有流量監測器的壓力式流量控制裝置的構造，得以小型化且降低製造費用，顯著地提高具有流量監測器的流量控制裝置的附加價值。
但是，在本案的發明人先前所開發之第15圖及第16圖的具有流量監測器的壓力式流量控制中，仍然殘存有許多的問題點。
特別是在控制流量大幅變化的場合中，為了將壓力下降值(壓力差)△P設定成約20~30kPaabs，並將壓力下降時間△t設定成0.5~0.8sec，而以至少每1秒1次以上的比例，精確地演算監測流量並輸出，則必須迅速且正確地將衰減容量BC的內容積V調整成適當的值。其結果，使衰減容量的調整機構變得相當複雜，而存在所謂：具有流量監測器的壓力式流量控制的大型化、和製造成本大幅提升的問題。
〔先前技術文獻〕 〔專利文獻〕
專利文獻1：日本特許第2635929號公報
專利文獻2：日本特許第2982003號公報
專利文獻3：日本特許第4308356號公報
專利文獻4：日本特許第4137666號公報
專利文獻5：日本特開第2003-195948號公報
本發明，是用來解決下述問題的發明：(a)在採用傳統的衰減或漸增式流量測量法之具有流量監測器的流量控制裝置的場合中，當監測流量時必須暫時地停止實際氣體的供給，而產生半導體製造裝置的運轉率下降、和所製造之半導體的品質不一的問題；(b)如第21圖所示構造，在組合了傳統熱式流量計與壓力式流量控制裝置之具有流量監測器的流量控制裝置中，即使判斷出實際流量的異常，也無法自動地執行控制流向之設定值的修正，除了因為流量修正的延遲而產生各種的問題之外，流量控制裝置本身的構造簡化及裝置的小型化相當困難，此外，反而抹煞了壓力式流量控制裝置的絕佳應答(反應)特性和安定的流量控制特性；及(c)在控制流量大幅地變化的場合中，必須將衰減容量調整成適當的值，除了有需要複雜的衰減容量調整機構之外，容量調整也相當地繁瑣，本發明提供一種：將壓力式流量控制部FCS、與設在其上游側之衰減式的流量測量部組合成一體，在流量控制裝置之上游側壓力(輸入側壓力)所容許的壓力變動範圍內，促使前述衰減式的流量測量部作動，藉由對衰減容量施以閥操作而簡單地切換成大流量用容量與小流量用容量，而 間單且精確地執行大流量區域與小流量區域的流量監測，並且在監測流量值與控制流量值的差異超出特定流量值的場合中，自動地調整壓力式流量控制裝置側的流量設定值，將壓力式流量控制裝置的流量控制值修正成衰減式流量測量部的流量值之具有流量範圍切換型流量監測器的流量控制裝置。
亦即，本發明是提供：充分地活用所謂「流量控制特性幾乎不受到輸入側之壓力變動影響」的壓力式流量控制裝置的流量特性，可在趨近於即時(至少1次/1秒)的狀況下執行衰減式流量監測部的流量監測，不僅如此，是能達成演算控制部的簡潔化、控制流量區域的擴大、機器本體部的大幅地小型化、及提高氣體置換性等的流量範圍切換型衰減式流量計、及具有流量範圍切換型流量監測器的流量控制裝置。
為了解決上述課題，本發明的流量計，是基於上述各試驗結果所創作的發明，請求項1的發明，是具備配置於流路上的入口側開閉切換閥PV1、配置於入口側開閉切換閥PV1之下游的出口側開閉切換閥PV2、配置於出口側開閉切換閥PV2之下游的控制閥CV，各閥彼此是以具有內容積的流路連結，並在較控制閥CV更上游配置壓力感測器P3的衰減式流量計，該發明的基本構造為：具備大流量用測量部及小流量用測量部，該大流量用測量 部，是將從入口側開閉切換閥PV1的出口側到控制閥CV的入口側為止的流路內容積，作為衰減容積V1而執行流量演算，該小流量用測量部，是將從出口側開閉切換閥PV2的出口側到控制閥CV的入口側為止的流路內容積，作為衰減容積V2而演算流量。
前述控制閥CV，也可以是流量控制部FCS之內部的控制閥CV。
此外，配置複數個「具有被開閉切換閥所區隔之內容積」的流路。
此外，本發明的流量控制裝置，第1手段是具備設於上游側的衰減式流量監測部BDM、及設於該衰減式流量監測部之下游側的流量控制部FCS的流量控制裝置，該發明的基本構造為：前述衰減式流量監測部BDM具備：入口側開閉切換閥PV1、設於該入口側開閉切換閥之下游側的衰減容量BC、設於衰減容量BC下游側之氣體通路的溫度感測器T、設於衰減容量BC之下游側的出口側開閉切換閥PV2、設於該出口側開閉切換閥之下游側的壓力感測器P3、可供溫度感測器T及壓力感測器P3之檢測值輸入的監測流量演算控制部CPb，藉由該監測流量演算控制部CPb，將入口側開閉切換閥PV1的出口側和壓力式流量控制部FCS的控制閥CV之間的氣體通路內容積，作為內容積V而演算大流量的監測流量Q1，並將出口側開閉切換閥PV2的出口側和壓力式流量控制部FCS的控制閥CV之間的氣體通路內容積，作為內容積V而演 算小流量的監測流量Q2。
本發明的上述流量控制裝置，在上述第1手段中，亦可構成：由訊號傳送迴路CT連結衰減式流量監測部BDM與壓力式流量控制部FCS，而將衰減式流量監測部BDM的監測流量Q朝壓力式流量控制部FCS傳送，並在壓力式流量控制部FCS設置流量設定值調整機構QSR，該流量設定值調整機構QSR根據來自於前述衰減式流量監測部BDM的監測流量Q，調整壓力式流量控制部FCS的設定流量Qs。
此外，本發明的上述流量控制裝置，第2手段是具備設於上游側的衰減式流量監測部BDM；設於該衰減式流量監測部之下游側的壓力式流量控制部FCS；連結衰減式流量監測部BDM與壓力式流量控制部FCS，將衰減式流量監測部BDM的監測流量Q朝壓力式流量控制部FCS傳送的訊號傳送迴路CT；被設於壓力式流量控制部FCS，根據來自於前述衰減式流量監測部BDM的監測流量Q，調整壓力式流量控制部FCS的設定流量Qs之流量設定值調整機構QSR的流量控制裝置，衰減式流量監測部BDM具備：用來開閉來自於氣體供給源之氣體流通的入口側開閉切換閥PV1、連接於入口側開閉切換閥PV1的出口側且具有特定內容量的衰減容量BC、連接於衰減容量BC之出口側的出口側開閉切換閥PV2、用來檢測流通於出口側開閉切換閥PV2的下游側通路之氣體壓力的壓力感測器P3、用來檢測流通於出口側開閉切換閥PV2的下 游側通路之氣體溫度的溫度感測器、及監測流量演算控制部CPb，該監測流量演算控制部CPb當大流量時，使前述出口側開閉切換閥PV2保持開放狀態，並將前述入口側開閉切換閥PV1的出口側與前述壓力式流量控制部FCS的控制閥CV間之氣體通路內容積，作為內容積V，使前述入口側開閉切換閥PV1產生開閉作動並藉由入口側開閉切換閥PV1的開放，在前述內容積V內的氣體壓力形成設定壓力上限值後，關閉入口側開閉切換閥PV1，在特定時間t秒後，藉由使氣體壓力下降至設定下限壓力值，來演算並輸出較衰減式更大流量的的監測流量Q1，此外，當小流量時，使前述入口側開閉切換閥PV1保持開放狀態，並將前述出口側開閉切換閥PV2的出口側與前述壓力式流量控制部FCS的控制閥CV之間的氣體通路內容積，作為內容積V，促使前述出口側開閉切換閥PV2產生開閉作動並藉由出口側開閉切換閥PV2的開放，在內容量V內的氣體壓力形成設定上限壓力值後，關閉出口側開閉切換閥PV2，在特定時間t秒後，藉由使氣體壓力下降至設定下限壓力值，來演算並輸出較衰減式更小流量的監測流量Q2；前述監測流量Q，是由以下的計算式所演算。
(其中T為氣體溫度(℃)、V為內容積(I)、△P為壓力下降範圍(設定上下壓力值-設定下限壓力值)(Torr)、△t是從一次側開閉切換閥(上游側閥)AV的 關閉起直到開放為止的時間(sec))。
本發明的上述流量控制裝置，在上述第2手段中，流量設定值調整機構GSR亦可構成：具備監測流量Q與設定流量Qs的比較器，一旦監測流量Q與設定流量Qs的差異超出設定值，便自動地修正設定流量Qs的流量設定值調整機構。
本發明的上述流量控制裝置，在上述第2手段中，壓力式流量控制部FCS亦可構成具備耐壓力變動性的壓力式流量控制裝置FCS，其具備：控制閥CV；孔口OR或臨界噴嘴；壓力感測器P1及/或壓力感測器P2；流量演算控制部CPa。
本發明的上述流量控制裝置，亦可在上述第2手段中，將內容積V設成0.5~20cc，並將設定上限壓力值設成400~100kPa abs，將設定下限壓力值設成350kPa abs~50kPa abs，並且將特定時間t設成0.5~5秒以內。
本發明的上述流量控制裝置，亦可在上述第2手段中，將入口側開閉切換閥PV1的出口側與壓力式流量控制部FCS的控制閥CV間之氣體通路的內容積V設成13~15cc，將大流量的監測流量區域設成40~600SCCM，並將小流量的監測流量區域設成1~50SCCM。
本發明的上述流量控制裝置，亦可在上述第2手段中，採用壓電驅動式金屬膜片閥或電磁直動型電動閥作為入口側開閉切換閥PV1，並藉由閥的高速開閉，使氣體壓力回復時間大幅地短於氣體壓力下降時間，該氣體壓 力回復時間是指：因入口側開閉切換閥PV1的開放，使氣體壓力從設定下限壓力值朝設定上限壓力值回復的時間，該氣體壓力下降時間是指：因一次側開閉切換閥(上游側閥)AV的關閉，使氣體壓力從設定上限壓力值朝設定下限壓力值下降的時間。
本發明的上述流量控制裝置，亦可在上述第2手段中，使壓力式流量控制部FCS的流量演算控制部CPa、與衰減式流量監測部BDM的監測流量演算控制部CPb形成一體。
本發明的上述流量控制裝置，亦可在上述第2手段中，採用艙室作為衰減容量BC，並使該艙室形成內筒與外筒配設固定成同心狀的構造，且將構成艙室的內、外筒間的間隙，作為氣體通路。
本發明的上述流量控制裝置，亦可在上述第2手段中，採用配置成並列狀的複數個艙室作為衰減容量BC，並使該艙室形成內筒與外筒配設固定成同心狀的構造，將各艙室的內、外筒之間的間隙作為氣體通路，並將各艙室的前述氣體通路連接成直列狀。
本發明的流量計，由於形成具備「將從入口側開閉切換閥PV1的出口側到控制閥CV的入口側為止的流路內容積，作為衰減容積V1而進行流量演算」的大流量用測量部、及「將從出口側開閉切換閥PV2的出口側到控制 閥CV的入口側為止的流路內容積，作為衰減容積V2而進行流量演算」的小流量用測量部的構造，因此能以一個流量計，達成廣大流量範圍之氣體流量的流量計測。
本發明的流量控制裝置，是由「設於上游側的衰減式流量監測部BDM」、和「設於其下游側的壓力式流量控制部FCS」、和「連結衰減式流量監測部BDM與壓力式流量控制部FCS，將衰減式流量監測部BDM的監測流量Q朝壓力式流量控制部FCS傳送的訊號傳送迴路CT」、及「設於壓力式流量控制部FCS，根據來自於前述衰減式流量監測部BDM的監測流量Q，調整壓力式流量控制部FCS之設定流量Qs的流量設定值調整機構QSR」所構成，而形成：根據衰減式流量監測部BDM的監測流量，自動地調整壓力式流量控制部FCS的設定流量值。
其結果，監測流量值(實際流通於孔口的流量值)與壓力式流量控制部FCS的設定流量值(控制流量值)呈現大幅差異的狀態，並不會長期地連續存在，就提升半導體製品之品質的這點，可獲得非常多的效用。
此外，將衰減式流量監測部BDM設在壓力式流量控制部FCS的上游側，活用流量控制部對輸入側壓力變動的高反應性，而在前述衰減容量BC內，以1秒間1次以上的比例，產生對應於「壓力式流量控制部FCS之輸入側壓力變動所容許的範圍內之氣體壓力差」的壓力下降△P，進而形成：設定上述壓力下降值(壓力差△P)、壓力下降時間(△t)及衰減容量BC的內容積V，而可根 據該壓力下降率△P/△t與衰減容量BC的內容積V與氣體溫度K，演算1秒間至少1次以上的監測流量後輸出的構造。
其結果，藉由適當地設定前述壓力下降值(壓力差)△P、壓力下降時間△t及衰減容量BC，而能以至少每1秒1次以上的比例，精確地演算監測流量並輸出，可成為不侷限於衰減方式的使用，略趨近於即時(real time)之高精度的流量監測器。
除此之外，衰減式流量監測部BDM是由以下所構成：用來開閉來自於氣體供給源之氣體流通的入口側開閉切換閥PV1、連接於入口側開閉切換閥PV1的出口側且具有特定內容量的衰減容量BC、連接於衰減容量BC之出口側的出口側開閉切換閥PV2、用來檢測流通於出口側開閉切換閥PV2的下游側通路之氣體壓力的壓力感測器P3、用來檢測流通於出口側開閉切換閥PV2的下游側通路之氣體溫度的溫度感測器、及監測流量演算控制部CPb，該監測流量演算控制部CPb當大流量時，使前述出口側開閉切換閥PV2保持開放狀態，並將前述入口側開閉切換閥PV1的出口側與前述壓力式流量控制部FCS的控制閥CV間之氣體通路內容積，作為衰減容量，使前述入口側開閉切換閥PV1產生開閉作動並藉由入口側開閉切換閥PV1的開放，在前述衰減容量內的氣體壓力形成設定壓力上限值後，關閉入口側開閉切換閥PV1，在特定時間t秒後，藉由使氣體壓力下降至設定下限壓力值，來演算並輸 出較衰減式更大流量的監測流量Q1，此外，當小流量時，使前述入口側開閉切換閥PV1保持開放狀態，並將前述出口側開閉切換閥PV2的出口側與前述壓力式流量控制部FCS的控制閥CV之間的氣體通路內容積，作為衰減容量，促使前述出口側開閉切換閥PV2產生開閉作動並藉由出口側開閉切換閥PV2的開放，在衰減容量內的氣體壓力形成設定上限壓力值後，關閉出口側開閉切換閥PV2，在特定時間t秒後，藉由使氣體壓力下降至設定下限壓力值，來演算並輸出較衰減式更小流量的監測流量Q2。
其結果，藉由適當地選定「入口側開閉切換閥PV1與壓力式流量控制部FCS的控制閥CV之間的氣體通路內容積」及「出口側開閉切換閥PV2與控制閥CV之間的氣體通路內容積」，並對入口側開閉切換閥PV1與出口側開閉切換閥PV2進行適當的開閉操作，可遍及大流量區域與小流量區域的雙方，執行略趨近於即時之高精確度的流量監測。
此外，相較於傳統上組合了熱式流量感測器的方式，可大幅地簡化具有流量監測器的流量控制裝置的構造，得以小型化且降低製造費用，顯著地提高具有流量監測器的流量控制裝置的附加價值。
BDM‧‧‧衰減式(build-down)流量監測部(monitoring part)
FCS‧‧‧壓力式流量控制部
AV‧‧‧一次側開閉切換閥(上游側閥)
BC‧‧‧衰減容量
V‧‧‧內容積
RG‧‧‧壓力調整器
N2‧‧‧N2供給源
T‧‧‧溫度感測器(電阻測溫計(resistance temperature detector))
P1、P2、P3‧‧‧壓力感測器
△P1、△P2‧‧‧壓力檢測值
CV‧‧‧控制閥(control valve)
OR‧‧‧孔口(orifice)
OR1‧‧‧小口徑孔口
OR2‧‧‧大口徑孔口
OIP‧‧‧外部輸出入迴路
OLV‧‧‧孔口切換閥
VB1‧‧‧監測入口側區塊
VB2‧‧‧監測出口側區塊
VB3‧‧‧流量控制部入口側區塊
VB4‧‧‧流量控制部出口側區塊
VB5‧‧‧連結用區塊
CT‧‧‧訊號傳送迴路(數位通訊迴路)
CP‧‧‧演算控制部
CPa‧‧‧流量演算控制部
CPb‧‧‧監測流量演算控制部
E1‧‧‧流量控制裝置用電源
E2‧‧‧演算控制部用電源
E3‧‧‧一次側開閉切換閥(上游側閥)用電源
ECV‧‧‧電力驅動部
NR‧‧‧數據紀錄器(data logger)
S‧‧‧訊號產生器
PC‧‧‧演算顯示部
PV1‧‧‧入口側開閉切換閥
PV2‧‧‧出口側開閉切換閥
L1‧‧‧入口側切換閥的氣體入口側通路
L2‧‧‧入口側切換閥的氣體出口側通路
L3、L5‧‧‧氣體通路
L4‧‧‧出口側切換閥的氣體出口側通路
Cu‧‧‧銅條片
Q1‧‧‧大流量的監測流量
Q2‧‧‧小流量的監測流量
CH‧‧‧艙室
CH1~CH4‧‧‧細徑艙室
CHa‧‧‧外筒
CHb‧‧‧內筒
L‧‧‧裝置的厚度尺寸
QSR‧‧‧流量設定值調整機構
Qs‧‧‧設定流量
Qs‘‧‧‧調整流量
1‧‧‧氣體入口
2‧‧‧氣體出口
第1圖：是顯示本發明之基本概念的塊狀構造圖。
第2圖：是顯示本發明中具有流量範圍切換型流量監測器之流量控制裝置的基本構造的系統圖。
第3圖：是顯示本發明中具有衰減式之流量範圍切換型流量監測器的流量控制裝置之縱剖面概略圖。
第4圖：是顯示本發明中具有第2實施形態的衰減式之流量範圍切換型流量監測器的流量控制裝置的縱剖面概略圖。
第5圖：是用來測量「具有衰減式流量監測器的流量控制裝置之流降監測特性」的試驗裝置的概略構造圖。
第6圖：是衰減式流量監測器之壓力下降狀態的說明圖。
第7圖：顯示測量衰減流量時之壓力回復特性曲線的其中一例。
第8圖：是第7圖的局部放大圖。
第9圖：顯示試驗1中壓力回復特性曲線。
第10圖：顯示壓力下降特性的形態(控制流量=100SCCM)。
第11圖：顯示壓力下降特性的形態(控制流量=50SCCM)。
第12圖：顯示壓力下降特性的形態(控制流量=10SCCM)。
第13圖：是顯示從一次側開閉切換閥(上游側閥)AV的關閉起的經過時間、與流量安定性間之關係的線形圖(衰減容量BC=1.78cc)。
第14圖：是顯示從一次側開閉切換閥(上游側閥)AV的關閉起的經過時間、與流量安定性間之關係的線形圖(衰減容量BC=9.91cc)。
第15圖：是顯示具有先前開發之流量監測器的流量控制裝置之基本構造的系統圖。
第16圖：是顯示具有先前開發之衰減式流量監測器的流量控制裝置之縱剖面概略圖。
第17圖：是顯示在先前開發之裝置的艙室A~E中，可測量時間為1秒以下時之氣體流量SCCM與壓力下降之傾斜kPa/sec間之關係的線形圖。
第18圖：是顯示在先前開發的裝置中，各艙室A~E之壓力下降的傾斜，於20kPa/sec時之壓力下降特性的形態。
第19圖：是顯示從各艙室A~E的一次側開閉切換閥(上游側閥)AV的關閉起的經過時間、與流量安定性間之關係的線形圖。
第20圖：是顯示習知壓力式流量控制裝置的基本構造圖。
第21圖：是顯示具有習知流量監測器之壓力式流量控制裝置的基本構造圖。
以下，根據圖面對本發明的的實施形態進行說明。
第1圖是顯示本發明之基本概念的塊狀構造圖，第2圖是顯示本發明中具有流量範圍切換型流量監測器之壓力式流量控制裝置的基本構造的系統圖，第3圖是本發明中具有流量範圍切換型流量監測器的壓力式流量控制裝置之縱剖面概略圖。
本發明的裝置，其特徵為：形成可適當地切換「大流量區域氣體的監測」及「小流量區域氣體的監測」的構造，本發明之具有流量監測器的壓力式流量控制裝置，是由衰減式流量監測部BDM、壓力式流量控制部FCS及連結於兩者間的訊號傳送迴路(數位通訊迴路)CT所構成。
在第1圖~第3圖中，1為氣體入口，2為氣體出口，PV1為入口側開閉切換閥，PV2為出口側開閉切換閥，BC為衰減容量，P3為壓力感測器，△P1為大流量區域監測時的壓力檢測值，△P2為小流量區域監測時的壓力檢測值，Q1為大流量的監測流量，Q2為小流量的監測流量，CPb為監測流量演算控制部，VB1為監測入口側區塊，VB2為監測出口側區塊。
此外，在第1圖~第3圖中，CV為控制閥，CPa為流量演算控制部，OR1為小口徑孔口，OR2為大口徑孔口，P1為壓力感測器，P2為壓力感測器，VB3為流量控制部入口側區塊，VB4為流量控制部出口側區塊，VB5為連結用區塊，SK為連結部的墊片。
除此之外，在壓力式流量控制部FCS設有流量設定值調整機構QSR，設定流量Qs是藉由比較器(圖 示省略)而與「經由訊號傳送迴路CT所輸入的大流量的監測流量Q1、小流量的監測流量Q2」作比較，一旦兩者的差異成為規定以上的流量值時，便自動地將設定流量Qs修正為Qs’，並進行調整使壓力式流量控制部FCS的流量控制值符合大流量的監測流量Q1、小流量的監測流量Q2。亦即，調整實際流量以符合大流量的監測流量Q1、小流量的監測流量Q2。
在第1圖~第3圖中，與先前所開發之第15圖及第16圖的具有流量監測器之壓力式流量控制裝置的差異點在於：監測流量演算控制部CPb可切換「大流量的監測流量Q1」與「小流量的監測流量Q2」而輸出；及壓力感測器P3如第3圖所示，被設在連結用區塊VB5，至於其他的構造，則與第15圖及第16圖之具有流量監測器的壓力式流量控制裝置大致相同。
此外，在第2圖及第3圖中，省略了溫度感測器T和過濾器F。此外，壓力式流量控制部FCS可以為任何形式，譬如即使是單1孔口或者3個孔口的類型當然也無妨。此外，由於壓力式流量控制部FCS和衰減式流量監測部BDM的基本構造為大眾所熟知，故在本文中省略其詳細說明。
參考第1圖，在本發明中，對應於氣體的控制流量，而構成可切換大流量區域氣體的流量監測與小流量區域氣體的流量監測，在從氣體入口1流入的氣體流量為大流量的監測流量Q1(譬如：40~600SCCM)的場合 中，使出口側開閉切換閥PV2保持開放狀態，並藉由使入口側開閉切換閥PV1形成開閉，而利用壓力感測器P3檢測壓力檢測值△P1，並將從該入口側開閉切換閥PV1到壓力式流量控制部FCS的控制閥CV為止的管路內容積，作為衰減容積，根據前述壓力檢測值△P1及前述衰減容積等，採用計算式1來演算大流量的監測流量Q1。
此外，在從氣體入口1流入的氣體流量為小流量的監測流量Q2(譬如：2.5~40SCCM)的場合中，使入口側開閉切換閥PV1保持開放狀態，並藉由使出口側開閉切換閥PV2形成開閉，而利用壓力感測器P3檢測壓力檢測值△P2，並將從該出口側開閉切換閥PV2到壓力式流量控制部FCS的控制閥CV為止的管路內容積，作為衰減容積，根據前述壓力檢測值△P2及前述衰減容積等，採用計算式1來演算小流量的監測流量Q2。
而「由上述監測流量演算控制部CPb所算出的大流量的監測流量Q1(或者小流量的監測流量Q2)朝壓力式流量控制部FCS的流量設定值調整機構QSR輸入」、「從衰減式流量監測部BDM流出的氣體，經由控制閥CV、小口徑孔口OR1及/或大口徑孔口OR2，而從氣體出口2流出」、「由流量演算控制部CPa所演算的孔口流通氣體流量，而對控制閥CV的開閉控制和孔口切換閥OLV的開閉控制」、「在流量演算控制部CPa的流量設定值調整機構QSR，對來自於衰減式流量監測部BDM的大流量的監測流量Q1(或者小流量的監測流量Q2)、與孔口流通 流量作比較，一旦兩者的差異超出預先所訂定的設定值，便對設定流量Qs進行調整，使壓力式流量控制部FCS的控制流量符合前述監測流量Q」等，與先前所開發之具有流量監測器的壓力式流量控制裝置相同。
表4顯示：採用壓電驅動式閥作為入口側開閉切換閥PV1及出口側開閉切換閥PV2，並設成小流量的監測流量Q2=1cc、大流量的監測流量Q1=14cc，且設成壓力下降率△P2/sec=5kPa/sec、△P1/sec=80kPa/sec時之衰減監測流量的檢測結果，小流量區的監測流量Q2成為Q2=2.73~43.7SCCM，而大流量區的監測流量Q1成為Q1=38.2~611.7SCCM。
而監測流量的輸出，是形成至少1秒間1次以上，溫度感測器T(圖示省略)是採用插入監測入口側區塊VB1或監測出口側區塊VB2內部的恆溫(thermostat)型溫度計。此外，大流量區域用衰減容量是由艙室內容積與配管(路)內容積所形成，小流量區域 用容量則僅由配管(路)內容積所形成。
第4圖顯示本發明之第2實施形態，其中(a)為縱剖面概略圖，(b)為俯視圖，(c)為右側視圖。
該第2實施例之具有流量範圍切換型流量監測器的流量控制裝置，其衰減容量BC，是由採縱向姿勢配置成並列狀的4個細徑艙室CH1、CH2、CH3、CH4所構成，此外，各細徑艙室的構造與第1實施形態中衰減容量BC的場合相同，外筒與內筒之間的間隙成為氣體的流通路徑。
不僅如此，上述4個細徑艙室CH1~CH4，是以「各個內、外筒間的氣體流通路徑連通成直列狀」的狀態所連結，形成內容積V小的衰減容量BC。
該第2實施例之具有流量範圍切換型流量監測器的流量控制裝置，如第4圖所示，其厚度尺寸L被設定成約為10~13mm左右，其結果，設在出口側開閉切換閥PV2之下游側的壓力感測器P3，也採用外徑約為10~13mm的細徑感測器。
由於第2實施形態之裝置的構造及性能與第1實施形態的場合相同，故在此省略其說明。
〔產業上的利用性〕
本發明不僅是半導體製造裝置用氣體供給設備，只要是採用孔口或者臨界噴嘴的壓力式流量控制裝置，也能廣泛地應用於化學品製造裝置用氣體供給設備。
1‧‧‧氣體入口
2‧‧‧氣體出口
BC‧‧‧衰減容量
BDM‧‧‧衰減式流量監測部
CPa‧‧‧流量演算控制部
CPb‧‧‧監測流量演算控制部
CT‧‧‧訊號傳送迴路
CV‧‧‧控制閥
FCS‧‧‧壓力式流量控制部
OLV‧‧‧孔口切換閥
OR1‧‧‧小口徑孔口
OR2‧‧‧大口徑孔口
P、P1、P2、P3‧‧‧壓力感測器
PIO‧‧‧外部輸出入迴路
PV1‧‧‧入口側開閉切換閥
PV2‧‧‧出口側開閉切換閥
Q1‧‧‧大流量的監測流量
Q2‧‧‧小流量的監測流量
Qs‧‧‧設定流量
Qs‘‧‧‧調整流量
QSR‧‧‧流量設定值調整機構
SK‧‧‧連結部的墊片
T‧‧‧溫度感測器
VB1‧‧‧監測入口側區塊
VB2‧‧‧監測出口側區塊
VB3‧‧‧流量控制部入口側區塊
VB4‧‧‧流量控制部出口側區塊
VB5‧‧‧連結用區塊
△P1‧‧‧壓力檢測值
△P2‧‧‧壓力檢測值

Claims (16)

  1. 一種流量計，是具備配置於流路上的入口側開閉切換閥、配置於該入口側開閉切換閥之下游的出口側開閉切換閥、配置在該出口側開閉切換閥之下游的控制閥，且前述各閥彼此是以具有內容積的流路所連結，並將壓力感測器配置在較前述控制閥更上游的流量計，其特徵為：具備大流量用測量部及小流量用測量部，該大流量用測量部，是將從前述入口側開閉切換閥的出口側到前述控制閥的入口側為止的流路內容積，作為衰減容積而進行流量演算；該小流量用測量部，是將從前述出口側切換閥的出口側到前述控制閥的入口側為止的流路內容積，作為衰減容積而進行流量演算。
  2. 如申請專利範圍第1項所記載的流量計，其中前述控制閥，是流量控制部之內部的控制閥。
  3. 如申請專利範圍第1項所記載的流量計，其中配置複數個流路，該複數個流路具有被開閉切換閥所區隔的內容積。
  4. 一種流量控制裝置，是具備設於上游側的衰減式流量監測部、及設於該衰減式流量監測部之下游側的流量控制部的流量控制裝置，其特徵為：前述衰減式流量監測部具備：入口側開閉切換閥、設於前述入口側開閉切換閥之下游側的衰減容量、設於前述 該衰減容量下游側之氣體通路的溫度感測器、設於前述衰減容量之下游側的出口側開閉切換閥、設於該出口側開閉切換閥之下游側的壓力感測器、可供前述溫度感測器及前述壓力感測器之檢測值輸入的監測流量演算控制部；且形成藉由該監測流量演算控制部，將前述入口側開閉切換閥的出口側與前述流量控制部的控制閥之間的氣體通路內容積，作為衰減容積而演算大流量的監測流量，並將前述出口側開閉切換閥的出口側與前述流量控制部的控制閥之間的氣體通路內容積，作為衰減容積而演算小流量的監測流量的構造。
  5. 如申請專利範圍第1項所記載的流量控制裝置，其中由訊號傳送迴路連結前述衰減式流量監測部與前述流量控制部，而將前述衰減式流量監測部的監測流量朝前述流量控制部傳送，並在該流量控制部設置流量設定值調整機構，該流量設定值調整機構根據來自於前述衰減式流量監測部的監測流量，調整該流量控制部的設定流量。
  6. 一種流量控制裝置，是具備：設於上游側的衰減式流量監測部；設於該衰減式流量監測部之下游側的流量控制部；連結前述衰減式流量監測部與前述流量控制部，將前述衰減式流量監測部的監測流量朝前述流量控制部傳送的訊號傳送迴路；被設於前述流量控制部，根據來自於前述衰減式流量監測部的監測流量，調整前述流量控制部的設定流量之流量設定值調整機構的流量控制裝置，前述衰減式流量監測部具備：用來開閉來自於氣體供 給源之氣體流通的入口側開閉切換閥、連接於該入口側開閉切換閥的出口側且具有特定內容量的衰減容量、連接於該衰減容量之出口側的出口側開閉切換閥、用來檢測流通於該出口側開閉切換閥的下游側通路之氣體壓力的壓力感測器、用來檢測流通之氣體溫度的溫度感測器、及監測流量演算控制部，該監測流量演算控制部當大流量時，使前述出口側開閉切換閥保持開放狀態，並將前述入口側開閉切換閥的出口側與前述流量控制部的控制閥間之氣體通路內容積，作為衰減容積，使前述入口側開閉切換閥產生開閉作動並藉由該入口側開閉切換閥的開放，在前述衰減容積內的氣體壓力形成設定壓力上限值後，關閉入口側開閉切換閥，在經過特定時間後，藉由使氣體壓力下降至設定下限壓力值，來演算並輸出較衰減式更大流量的監測流量，此外，當小流量時，使前述入口側開閉切換閥保持開放狀態，並將前述出口側開閉切換閥的出口側與前述流量控制部的控制閥之間的氣體通路內容積，作為衰減容積，促使前述出口側開閉切換閥產生開閉作動並藉由該出口側開閉切換閥的開放，在衰減容積內的氣體壓力形成設定上限壓力值後，關閉該出口側開閉切換閥，在經過特定時間後，藉由使氣體壓力下降至設定下限壓力值，來演算並輸出較衰減式更小流量的監測流量；而形成大流量及小流量的前述各監測流量是由下述計算式所演算的構造， 其中Q為監測流量、T為氣體溫度(℃)、V為衰減容積(I)、△P為壓力下降範圍(設定上下壓力值-設定下限壓力值)(Torr)、△t是從入口側開閉切換閥的關閉起直到開放為止的時間(sec)。
  7. 如申請專利範圍第6項所記載的流量控制裝置，其中前述流量設定值調整機構，是具備監測流量與設定流量的比較器，且一旦監測流量與設定流量的差異超出設定值，便自動地將設定流量修正成監測流量的流量設定值調整機構。
  8. 如申請專利範圍第6項所記載的流量控制裝置，其中前述流量控制部，是具備耐壓力變動性的壓力式流量控制裝置，其具備：控制閥；孔口或臨界噴嘴；前述孔口或臨界噴嘴之上游側的壓力計；流量演算控制裝置。
  9. 如申請專利範圍第6項所記載的流量控制裝置，其中前述流量控制部，是具備耐壓力變動性的壓力式流量控制裝置，其具備：控制閥；孔口或臨界噴嘴；前述孔口或臨界噴嘴之上游側的壓力計；前述孔口或臨界噴嘴之下游側的壓力計；流量演算控制裝置。
  10. 如申請專利範圍第6項所記載的流量控制裝置，其中將衰減容積設成0.5~20cc，並將設定上限壓力值設成400~100kPa abs，將設定下限壓力值設成350kPa abs~50kPa abs，並且將特定時間設成0.5~5秒以內。
  11. 如申請專利範圍第6項所記載的流量控制裝置，其中將前述入口側開閉切換閥的出口側與前述流量控制部 的控制閥之間的氣體通路內容積設成13~15cc，將大流量的監測流量區域設成40~600SCCM，並將小流量的監測流量區域設成1~50SCCM。
  12. 如申請專利範圍第6項所記載的流量控制裝置，其中採用壓電驅動式金屬膜片閥或電磁直動型電動閥作為前述入口側開閉切換閥，並藉由閥的高速開閉，使氣體壓力回復時間較氣體壓力下降時間更短，該氣體壓力回復時間是指：因前述入口側開閉切換閥的開放，使氣體壓力從設定下限壓力值朝設定上限壓力值回復的時間，該氣體壓力下降時間是指：因前述入口側開閉切換閥的關閉，使氣體壓力從設定上限壓力值朝設定下限壓力值下降的時間。
  13. 如申請專利範圍第8項所記載的流量控制裝置，其中使前述流量控制部的流量演算控制裝置、與前述衰減式流量監測部的監測流量演算控制部形成一體。
  14. 如申請專利範圍第9項所記載的流量控制裝置，其中使前述流量控制部的流量演算控制裝置、與前述衰減式流量監測部的監測流量演算控制部形成一體。
  15. 如申請專利範圍第6項所記載的流量控制裝置，其中採用艙室作為前述衰減容量，並使該艙室形成內筒與外筒配設固定成同心狀的構造，且將形成該艙室的內、外筒之間的間隙，作為氣體流通路徑。
  16. 如申請專利範圍第6項所記載的流量控制裝置，其中採用配置成並列狀的複數個艙室作為衰減容量，並使該艙室形成內筒與外筒配設固定成同心狀的構造，將各艙 室的內、外筒之間的間隙作為氣體流通路徑，並將各艙室的前述氣體流通路徑連接成直列狀。
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