WO2000011532A1 - Organe de commande de debit polyvalent - Google Patents

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WO2000011532A1
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flow
signal
orifice
circuit
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PCT/JP1999/004311
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Tadahiro Ohmi
Satoshi Kagatsume
Jun Hirose
Kouji Nishino
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Fujikin Incorporated
Tokyo Electron Ltd.
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    • Y10T137/7758—Pilot or servo controlled
    • Y10T137/7761—Electrically actuated valve

Definitions

  • the present invention relates to a flow control device for various fluids such as gases used in the manufacture of semiconductors, chemicals, chemicals, precision machine parts, and the like.More specifically, the present invention relates to various fluids and flow ranges with high precision with the same orifice.
  • the present invention relates to a fluid variable type flow control device capable of controlling a flow rate and changing a force and an orifice freely so that a type and a flow rate range of a fluid can be largely varied.
  • FIG. 7 shows an example of a high-purity water generator for a semiconductor manufacturing apparatus.
  • the three types of H 2 gas, O 2 gas and N 2 gas are introduced into the reactor RR through valves V 1 to V 3 while controlling the flow rate by mass flow controllers MFC 1 to MFC 3.
  • the valve V 3 closed, VI ⁇ V2 to open a manner reactor RR in the Eta 2 gas and 0 2 gas was supplied at a predetermined flow rate, wherein the platinum angle insect medium under non-combustion Eta 2 0 gas
  • the high-purity steam is supplied to equipment (not shown) at the rear.
  • the MASF controller has a drawback that it cannot be used for gases other than the adjusted gas type because linearizer correction is performed for each gas type and each flow range. Accordingly, as shown in Figure 7, Eta 2 gas is the ⁇ 2 gas, New every 2 gas respectively mass flow controllers MFC 1 ⁇ MFC 3 are arranged. Also, when changing the flow range, that is, the full-scale flow rate of the same type of gas, it is necessary to convert the entire mass flow controller. However, the gas supply equipment as shown in Fig. 7 usually has spare parts for each of the MFC controllers MFC1 to MFC3, and the mass flow controllers have high product prices and expensive conversion parts. Therefore, there is an inconvenience that equipment cost / running cost is high.
  • the invention of claim 1 is to reduce the orifice upstream pressure P and the downstream pressure P 2
  • a flow rate control device that controls the flow rate of fluid while maintaining it at about twice or more
  • an orifice that is freely convertible to set an appropriate orifice diameter according to the type of fluid and flow rate range
  • an upstream orifice A control valve provided, a pressure detector provided between the control valve and the orifice, and a flow rate calculation circuit for calculating a flow rate from the detected pressure of the pressure detector as Qc2 ⁇ , where K is a constant.
  • a flow rate setting circuit that outputs a flow rate setting signal Qe, a flow rate conversion circuit that converts the calculated flow rate signal Qc to a switching calculated flow rate signal Qf to switch the full-scale flow rate, and a switching calculated flow rate signal Qf And flow setting signal It consists of an arithmetic and control circuit that outputs the difference from Qe as a control signal Qy to the drive section of the control valve.
  • the control valve is opened and closed so that the control signal Qy becomes zero, and the orifice downstream flow rate Is controlled.
  • the invention according to claim 3 is the invention according to claim 1, wherein the flow rate conversion circuit is provided with a pressure. This is to adjust the amplification factor of the output amplifier of the detector.
  • the invention of claim 4 is the invention of claim 1 or claim 2, wherein the flow rate conversion circuit is constituted by a dip switch.
  • the invention according to claim 5 is a flow control device for controlling the flow rate of a fluid while maintaining the orifice upstream pressure P, at least about twice the downstream pressure P 2 , wherein an appropriate pressure is set according to the type of the fluid and the flow rate range.
  • An orifice that can be exchanged to set the orifice diameter, a control valve that is provided upstream of the orifice, a pressure detector that is provided between the control valve and the orifice, and detection of this pressure detector.
  • a flow rate calculation circuit that calculates the flow rate from pressure P as Q c2 ⁇ , (K is a constant), a flow rate setting circuit that outputs a flow rate setting signal Q e, and a flow rate setting signal Q to switch the full-scale flow rate It consists of a flow rate conversion circuit that converts e into a flow rate command signal Qs, and a calculation control circuit that outputs the difference between the flow rate command signal Qs and the calculated flow rate Qc to the control valve drive section as a control signal Qy. So that the control signal Q y becomes zero It is characterized in that for controlling the orifice downstream side flow rate by opening and closing the control valve.
  • FIG. 1 shows one of the usable examples of the variable fluid flow rate control device FCS according to the present invention, in which a plurality of fluids are supplied using one FCS.
  • FIG. 2 is a block configuration diagram of the fluid variable type flow control device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a block diagram of a variable fluid flow control device according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram of a change in the full-scale flow rate for the same fluid.
  • FIG. 5 is a block diagram showing a block structure of a fluid variable type flow control device according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a sectional view of a main part showing an example of an orifice mounting structure.
  • FIG. 7 is a layout diagram of a high-purity moisture generator for a semiconductor manufacturing apparatus according to a conventional example.
  • 2 ⁇ 2 a ⁇ 2 b ⁇ 2 c is a control valve
  • 2 d is a diaphragm presser
  • 2 e is a diaphragm
  • 2 f is a valve seat
  • 3 is an upstream flow path
  • 4 ⁇ 4 a ⁇ 4 b ⁇ 4 c is a drive valve.
  • 5 is downstream flow path
  • 6 is pressure detector
  • 8 is orifice
  • 8a is orifice hole
  • 8b is orifice holder
  • 8c'8d is flange
  • 10 is orifice compatible valve
  • 1 2 is a gas extraction joint
  • 14 is a flow rate calculation circuit
  • 16 is a flow rate setting circuit
  • 18 is a flow rate conversion circuit
  • 20 is a calculation control circuit
  • 22 and 24 are amplifiers
  • 23 is a temperature detector
  • 26 * 28 Is an AZD converter
  • 30 is a temperature correction circuit
  • 32 is a calculation circuit
  • 34 is a comparison circuit
  • 36 is an amplification circuit
  • FCS is a variable fluid flow control device
  • Qc is a calculation flow signal
  • Qf is a switching calculation flow signal.
  • Qe is the flow rate setting signal
  • Q s is the flow rate command signal
  • k is the flow rate conversion rate.
  • one of the characteristics of gas flow through a nozzle is that the gas pressure ratio before and after the nozzle (P 2 / P,, P]: upstream pressure, P 2 : downstream pressure) is the critical pressure ratio of air (air In the case of nitrogen, nitrogen, etc., below 0.5), the velocity of the gas passing through the nozzle becomes sonic, and pressure fluctuations downstream of the nozzle are not transmitted to the upstream side, which corresponds to the state of the nozzle upstream side. It has been known that a stable mass flow rate can be obtained.
  • the upstream pressure P when the gas is air, nitrogen, etc., the upstream pressure P, If it is set to twice or more than P 2, the gas flow rate Q c flowing through the orifice is given by Q c2 KP, (K: constant), and the constant K depends only on the orifice diameter, and the orifice is replaced.
  • K constant
  • the flow rate setting signal Qe is given by a voltage value. For example, it is assumed that a pressure range of 0 to 3 (kg f / cm 2 abs) is displayed in a voltage range of 0 to 5 (V). In this case, the full scale value of 5 (V) corresponds to a flow rate of 3 (kg f / cm 2 abs). At this time, it is assumed that the flow rate conversion rate k of the flow rate conversion circuit is set to 1.
  • the flow rate command signal Q s 5 x 2Z3 (V) from Q s2 kQe, and the upstream pressure P, is 3 X 2/3 2 2 (kg f / cm 2 ab s)
  • the control valve is opened and closed until it becomes.
  • the present invention has an advantage that the flow rate of a plurality of gas species can be controlled by the same orifice.
  • the flow Q c K ⁇
  • the constant ⁇ is a constant value.
  • the orifice diameter and the constant ⁇ are known to correspond one-to-one.
  • the constant ⁇ changes when the force gas type changes.
  • Eta 2 gas, O 2 gas corresponding to the New 2 gas attempt is made to represent the KH, K0, KN. It is usually expressed as a flow factor FF based on nitrogen gas.
  • FIG. 1 shows an example of a usable example of the fluid variable type flow control device according to the present invention.
  • FCS fluid variable type flow control device
  • this one FCS is It is possible to control the flow rate of H 2 gas, O 2 gas and N 2 gas.
  • the flow rate conversion rate k given by the flow rate conversion circuit 18 in the FCS is determined with a constant relationship with the flow factor FF every time the fluid changes.
  • purge valve V 3 opened, the VI ⁇ V2 in the closed reaction furnace RR with N 2 gas.
  • the switching calculation flow rate signal Qf is substantially equal to Q ⁇ 2 kQc to Qe (in the invention of claim 5, the flow rate command signal Qs is Qs2 From kQe to Qe)
  • the control valve is opened and closed until this flow rate is reached.
  • switching operation flow rate signal Q f is k 0 XQ substantially close to the e (flow rate in the invention of claim 5 Sashiawase signal Q s is set to ko xQe) and the control valve is operated.
  • FCS FCS
  • FIG. 1 Although the method of using the FCS according to the present invention as shown in FIG. 1 has not yet been implemented in an actual semiconductor manufacturing plant or the like, a single gas having a significantly different flow rate is supplied to the valves V], V 2 , and V 2 . The method of feeding through 3 and 1 FCS is implemented in production equipment.
  • FIG. 2 is a block diagram of a first embodiment of the variable fluid flow control device according to the present invention
  • FIG. 3 is a block diagram of a second embodiment.
  • This flow control device FCS has a control valve 2, its drive unit 4, a pressure detector 6, an orifice 8, an orifice-compatible valve 10, a gas extraction joint 12, a flow calculation circuit 14, a flow setting circuit 16, and a flow conversion. It is composed of a circuit 18 and an arithmetic control circuit 20.
  • the flow calculation circuit 14 includes a temperature detector 23, amplification circuits 22 and 24, AZD converters 26-28, a temperature correction circuit 30, and a calculation circuit 32.
  • the arithmetic and control circuit 20 includes a comparison circuit 34 and an amplification circuit 36.
  • the flow rate conversion circuit 18 is provided on the output side of the output amplifier 22 of the pressure detector 6 of the flow rate calculation circuit 14 and in the second embodiment (FIG. 3). Are provided on the output side of the flow rate setting circuit 16 respectively.
  • a so-called direct touch type metal diaphragm valve is used for the control valve 2, and a piezoelectric element type driving device is used for the driving unit 4.
  • a magnetostrictive element type drive device a solenoid type drive device, a motor type drive device, a pneumatic type drive device, and a thermal expansion type drive device are used as the drive unit of the control valve 2.
  • a semiconductor strain type pressure sensor is used for the pressure detector 6, other pressure detectors such as a metal foil strain type pressure sensor, a capacitance type pressure sensor, a magnetoresistive type pressure sensor, etc. Use is also possible.
  • thermocouple type temperature sensor is used for the temperature detector 23
  • various known temperature sensors such as a temperature measuring resistor type temperature sensor can be used.
  • the orifice 8 includes an orifice having a hole formed by cutting a plate-shaped thin metal gasket. Can be used.
  • variable fluid flow control device FCS Refer to FIGS.
  • the gas pressure P on the outlet side of the control valve 2, that is, on the upstream side of the orifice 8, is detected by the pressure detector 6, and the amplifier 22, the flow rate conversion circuit 18, and the A / D converter Through 26, the digitized signal is output to the arithmetic circuit 32.
  • the gas temperature T, upstream of the orifice is detected by the temperature detector 23, and the digitized temperature signal is input to the temperature correction circuit 30 via the amplifier 24 and the AZD converter 28. .
  • the arithmetic circuit 32 uses the pressure signal P, Q is calculated as Q 2 KP, the temperature of the flow rate Q is corrected using the correction signal from the temperature correction circuit 30, and the calculated flow rate Qc is output to the comparison circuit 34.
  • the constant k represents a flow rate conversion rate, and is provided to make the full-scale flow rate variable. Accordingly, the flow rate conversion circuit 18 can continuously vary the flow rate conversion rate k, and can also vary in multiple stages.
  • a dip switch can be used as an example in the case of making the variable in multiple stages.
  • the flow rate conversion circuit 18 is provided on the output side of the flow rate setting circuit 16 and the flow rate setting signal output from the flow rate setting circuit 16 is provided.
  • the detected flow value input from the flow calculation circuit 14 to the calculation control circuit 20 is the calculation flow Qc.
  • the flow setting signal Qe is variable in voltage value between 0 and 5 (V), and let's define 0 (V) as 0 (%) and 5 (V) as 100 (%).
  • 80 (%) specifies 4 (V), and when the switching calculation flow signal Qf (or flow command signal Qs) is 5 (V), the upstream pressure P, is 3 (V). kg ⁇ / cm 2 abs) and the flow rate is controlled to be 500 SCCM.
  • the range of the flow rate setting signal Q e is 0 to 100 [switching corresponding to the% .
  • the upstream pressure P is adjusted over the range of 0 to 3 (kg f / cm 2 abs), and the straight line A indicated by a black circle corresponds to this.
  • the switching operation flow rate signal Qf (or the flow rate command signal Qs) becomes 0 to 100%.
  • the flow rate is controlled in the range of 0 to 250 SCCM as shown by the white circled straight line B. Will be.
  • the adjustment of the upstream pressure P is in the range of 0 to 1.5 (kg f / cm 2 abs). In other words, the full scale flow rate was converted from 500 SCCM to 250 SCCM.
  • the condition that P 2 / P, is smaller than about 0.5 between the upstream pressure P, and the downstream pressure P 2 of the orifice 8, that is, the condition of> 2 P 2 is satisfied. It must always hold.
  • the control valve 2 may be automatically closed in the case of a state or when P 2 / P,> 0.5 and high-precision flow control becomes impossible.
  • FIG. 5 is a block configuration diagram of a third embodiment of the variable fluid flow control device according to the present invention.
  • the same parts as those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
  • the flow rate conversion rate determined by the flow rate conversion circuit 18 is switched in three stages according to N 2 gas, He gas, and gas. Related to Tar FF. Therefore, Table 1 gives the flow factors of various gases. As described above, this flow factor is a quantity that indicates how many times the actual gas flow rate becomes larger than the N 2 gas flow rate when the orifice and the upstream pressure are the same.
  • N 2 -converted flow j The ability to control the flow of various gases with the same orifice is described in detail below using Table 2.
  • FCS orifice size (control pressure and N 2 ⁇ g) [Control range: 0.5 to 8 [kgf / cm 2 abs]] [SCCM]
  • Control Range 20 0 [torr] (0. 2 6 3 [kgf / cm z abs];) ⁇ 1. 8 [kgf / cm 2 abs] ] [SCCM] Orifice [ ⁇ m] 7 0 1 8 0 4 70 8 1 0
  • the flow rate of N 2 gas becomes 125.9 SCCM when the control pressure, that is, the upstream pressure P, is 1.8 (kg f / cm 2 abs).
  • the full-scale flow rate for N 2 gas is 125.9 SCCM, which is 100 () of the flow rate setting signal Qe, and the voltage value is 5 (V). Since the flow rate conversion rate k is 1 for N 2 gas, the flow rate command signal Q s is also 100 (%) at full scale 125.9 SCCM from Q s 2 k Q e.
  • variable fluid flow control device shown in FIG. 5 are the same as those in FIG. 5
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a main part showing an example of a mounting structure of the orifice 8.
  • reference numeral 2 denotes a control valve, which controls the flow rate of the fluid by freely attaching and detaching the diaphragm 2e to and from the valve seat 2f with the diaphragm presser 2d.
  • An upstream channel 3 is formed in the flange 8c, and a downstream channel 5 is formed in the flange 8d.
  • the orifice 8 is removably disposed in both flanges 8c and 8d together with the orifice holder 8b.
  • Orifice 8 has orifice hole 8a If the flanges 8c and 8d are disassembled, it can be easily replaced with another orifice. This interchangeability is one of the features of the present invention.
  • the above-described diaphragm press 2 d is vertically driven by a piezoelectric element type driving unit 4.
  • the diaphragm presser 2d rises due to an input to the piezoelectric element, the diaphragm 2e elastically returns upward and separates from the valve seat 2f, thereby opening the valve.
  • the pressure P, in the upstream flow path 3 can be freely adjusted by finely adjusting the valve opening.
  • the replacement structure of the orifice 8 can be variously changed by using a known valve technique other than the one shown in FIG.
  • the present invention holds the orifice upstream pressure P, at about twice or more the orifice downstream pressure, and thereby adjusts the upstream pressure P, to reduce the downstream flow Qc.
  • the target value can be automatically controlled by the relational expression of Qc2KP ,.
  • the full-scale flow rate can be easily switched to the desired value simply by passing the flow rate setting signal through the flow rate conversion circuit, making it easy to display and read the flow rate.
  • a single flow control device can handle multiple types of fluids simply by changing to orifices with different orifice diameters, and can freely control the flow by simply switching the flow conversion rate of the flow conversion circuit for each fluid. It can be performed.

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Description

明 細 書
流体可変型流量制御装置
技術分野
本発明は半導体や化学品、 薬品、 精密機械部品等の製造に用いるガス等の 各種流体の流量制御装置に関し、 更に詳細には、 各種の流体や流量範囲に対 し同一のォリフィスで高精度に流量制御でき、 し力、もオリフィスを変換自在 にすることにより流体の種類や流量範囲を大幅に可変できるようにした流体 可変型流量制御装置に関する。
背景技術
一般に、 半導体製造施設や化学品製造施設の流体供給装置であって高精度 な流量制御を必要とするものは、 その殆んどがマスフローコントローラを用 いている。
図 7は半導体製造装置用の高純度水分発生装置の一例を示すものである。
3種類の H2 ガス、 02 ガスおよび N2 ガスは、 マスフローコントローラ M FC 1〜MFC 3により流量制御されながらバルブ V 1〜V3を通して反応 炉 RRへ導入される。 まず、 バルブ V3を開、 V I ' V2を閉にして反応炉 RRを Ν2 ガスでパージする。 次いで、 バルブ V 3を閉、 V I · V2を開に して反応炉 RR内に Η2 ガスと 02 ガスを所定流量で供給し、 ここで白金角虫 媒により非燃焼下で Η 20ガスを生成し、 この高純度水蒸気を後方の図示し ない設備に供給するのである。
一般に、 マスフ口一コントローラは、 ガスの種類毎および流量レンジ毎に リニアライザ補正をしているため、 調整したガス種以外のガスには使用でき ないという欠点を有する。 従って、 図 7に示されているように、 Η2 ガス、 〇2 ガス、 Ν2 ガス毎に夫々マスフローコントローラ MFC 1〜MFC 3が 配置されているのである。 又、 同種のガスでも流量レンジ即ちフルスケール 流量を変更する場合には、 マスフローコントローラ全体を変換する必要性が ある。 ところカ 図 7のようなガス供給設備では、 通常夫々のマスフ口一コント ローラ M F C 1〜M F C 3毎に予備品を備えており、 マスフローコントロー ラの製品価格が高い上に変換用部品も高価であるため、 設備費ゃランニング コストが高くつくと云う不都合が存在する。
尚、 もしもガス種変更や流量レンジ変更の際にマスフローコントローラを 変換しないで、 その毎にリニアライザ補正をし直した場合には、 迅速な対応 ができなレ、ために製造プラントの一時停止という最悪の事態を招きかねなレ、c そのため、 上述のように、 予備のマスフ口コントローラを常に在庫として保 持しておく必要がある。
発明の開示
本発明に係る流体可変型流量制御装置は上記欠点を解消するためになされ たものであり、 その構成を要約すれば、 請求項 1の発明はオリフィス上流側 圧力 P , を下流側圧力 P 2 の約 2倍以上に保持して流体の流量制御を行う流 量制御装置において、 流体の種類や流量範囲に応じて適切なォリフィス径に 設定するために変換自在に設けたオリフィスと、 その上流側に設けたコント ロール弁と、 コントロール弁とオリフィスの間に設けた圧力検出器と、 この 圧力検出器の検出圧力 から流量を Q c二 Κ Ρ , (Kは定数） として演算 する流量演算回路と、 流量設定信号 Q eを出力する流量設定回路と、 フルス ケ―ル流量を切換えるために演算流量信号 Q cを切換演算流量信号 Q f に変 換する流量変換回路と、 この切換演算流量信号 Q f と流量設定信号 Q eとの 差を制御信号 Q yとしてコントロール弁の,駆動部へ出力する演算制御回路か ら構成し、 制御信号 Q yが零になるようにコントロール弁を開閉してオリフ ィス下流側流量を制御することを特徴とするものである。
請求項 2の発明は、 請求項 1の発明に於いて、 前期流量変換回路 1 8を、 演算流量 Q cに変換率 kを乗じて切換演算流量信号 Q f ( Q f = k Q c ) に 変換するものとしたものである。
また、 請求項 3の発明は、 請求項 1の発明に於いて、 流量変換回路を圧力 検出器の出力増幅器の増幅率を調整するものとしたものである。
更に、 請求項 4の発明は、 請求項 1又は請求項 2の発明に於いて、 流量変 換回路をディップスィツチにより構成するものとしたものである。
請求項 5の発明は、 オリフィス上流側圧力 P , を下流側圧力 P 2 の約 2倍 以上に保持して流体の流量制御を行う流量制御装置において、 流体の種類や 流量範囲に応じて適切なオリフィス径に設定するために交換自在に設けたォ リフィスと、 その上流側に設けたコントロール弁と、 コント口一ル弁とオリ フィスの間に設けた圧力検出器と、 この圧力検出器の検出圧力 P , から流量 を Q c二 Κ Ρ , ( Kは定数） として演算する流量演算回路と、 流量設定信号 Q eを出力する流量設定回路と、 フルスケール流量を切換えるために流量設 定信号 Q eを流量指令信号 Q sに変換する流量変換回路と、 この流量指令信 号 Q sと演算流量 Q cとの差を制御信号 Q yとしてコントロール弁の駆動部 へ出力する演算制御回路から構成し、 制御信号 Q yが零になるようにコント ロール弁を開閉してオリフィス下流側流量を制御する点に特徴を有している。 請求項 6の発明は、 請求項 5の発明に於いて、 前記流量変換回路を、 流量 設定信号 Q eに流量変換率 kを乗じて流量指令信号 Q s ( Q s = k Q e ) に 変換するものにしたものである。
図面の簡単な説明
図 1は、 本発明に係る流体可変型流量制御装置 F C Sの使用可能例の一つ を示すものであり、 複数流体を一基の F C Sを用いて供給する場合を示すも のである。
図 2は、 本発明の第 1実施例に係る流体可変型流量制御装置のプロック構 成図である。
図 3は、 本発明の第 2実施例に係る流体可変型流量制御装置のプロック構 成図である。
図 4は、 同一流体に対するフルスケール流量の変更の説明図である。
図 5は、 本発明の第 3実施例に係る流体可変型流量制御装置のプロック構 成図である。
図 6は、 オリフィスの取付構造の一例を示す要部断面図である。
図 7は、 従来例に係る半導体製造装置用の高純度水分発生装置の配置図で ある。
符号の簡単な説明
2 ■ 2 a · 2 b · 2 cはコントロール弁、 2 dはダイヤフラム押え、 2 e はダイヤフラム、 2 f は弁座、 3は上流側流路、 4 · 4 a · 4 b · 4 cは駆 動部、 5は下流側流路、 6は圧力検出器、 8はオリフィス、 8 aはォリフィ ス孔、 8 bはオリフィス保持台、 8 c ' 8 dはフランジ、 1 0はオリフィス 対応弁、 1 2はガス取出用継手、 1 4は流量演算回路、 1 6は流量設定回路、 1 8は流量変換回路、 20は演算制御回路、 22 · 24は増幅器、 23は温 度検出器、 26 * 28は AZD変換器、 30は温度補正回路、 32は演算回 路， 34は比較回路、 36は増幅回路、 F C Sは流体可変型流量制御装置、 Q cは演算流量信号、 Q f は切換演算流量信号、 Qeは流量設定信号、 Q s は流量指令信号、 kは流量変換率。
発明を実施するための最良の形態
従来、 ノズルを通る気体流の特徴の一つとして、 ノズル前後の気体の圧力 比 （P2 /P, ， P】 ：上流側圧力、 P2 ：下流側圧力） が気体の臨界圧力 比 （空気や窒素等の場合は約 0. 5) 以下になると、 ノズルを通る気体の流 速が音速となって、 ノズル下流側の圧力変動が上流側に伝達しなくなり、 ノ ズル上流側の状態に相応した安定な質量流量を得ることができる現象が知ら れていた。
而して、 本発明者等は特開平 8 - 33 8 54 6号公報において、 ノズルの 代りにォリフィスを用いれば、 微小ォリフィス径が一定の場合には、 オリフ ィスを流通する気体流量はォリフィス上流側の気体圧力 P , にのみ比例し、 極めて精度の高レ、直線性が成立していることを明らカ、にした。
換言すると、 気体が空気や窒素等の場合に、 上流側圧力 P, を下流側圧力 P 2 の 2倍以上に設定すると、 オリフィスを流通する気体流量 Q cは Q c二 KP, (K ：定数） で与えられるということであり、 定数 Kはオリフィス径 にのみ依存し、 オリフィスを交換した場合にはこの定数 Kを変えるだけでよ いという利点を有している。
また、 本発明の様にオリフィスを用いる場合には、 フルスケール流量を切 換えることも簡単に行うことができる。 流量設定信号 Q eは電圧値で与えら れ、 例えば圧力範囲 0〜3 (kg f/cm2 ab s) を電圧範囲 0〜 5 (V) で表示したとする。 この場合にはフルスケール値 5 (V) は 3 (kg f /c m2 a b s) の圧力の流量に相当している。 この時、 流量変換回路の流量変 換率 kは 1に設定されているとする。 つまり、 請求項 1の発明に於いては、 流量設定信号 Q eとして 5 (V) が入力されると、 切換演算流量信号 Q f ( Q f =kQ c) は 5 Vとなり、 上流側圧力 が 3 (kg f /cm2 a b s) になるまでコントロール弁が開閉操作される。
また、 請求項 5の発明に於いては、 流量設定信号 Qeとして 5 (V) が入 力されると、 Q s =kQeから流量指令信号 Q sも 5 (V) となり、 上流側 圧力 P】 が 3 (kg f /cm2 ab s) になるまでコントロール弁が開閉操 作される。
次に、 圧力範囲を 0〜2 (kg f /cm2 a b s) に切換え、 この圧力範 囲を 0〜5 (V) の流量設定信号 Qeで表わす場合を考える。 つまり、 フル スケール値 5 (V) が 2 (kg f/cm2 ab s) を与える場合である。 こ の時には流量変換率 kを 2Z3に設定することになる。 例えば、 請求項 1の 発明に於いて流量設定信号 Q e = 5 (V) が入力されたとすると、 Q f =k Q cから切換演算流量信号 Q f 二 5 X 2/3 (V) となる。 同様に、 請求項 5の発明では Q s二 kQeから流量指令信号 Q s = 5 x 2Z3 (V) となり、 上流側圧力 P, が 3 X 2/3二 2 (kg f /cm2 ab s) になるまでコン トロール弁が開閉操作される。 つまり、 Q e = 5 (V) が P, 二 2 (kg f /cm2 a b s) の流量を表わすようにフルスケール流量変換が行なわれる のである。
更に、 本発明では複数のガス種を同一のォリフィスにより流量制御できる 利点を有する。 同一のォリフィス径のォリフィスでは、 流量 Q cは Q c = K Ρ, で与えられ、 定数 Κは一定値となる。
つまりオリフィス径と定数 Κとは一対一に対応している力 ガス種が変わ ると定数 Κは変化することが知られている。 例えば Η2 ガス、 02 ガス、 Ν2 ガスに対応して KH、 K0、 KN と表わそう。 通常窒素ガスを基準にしたフ ローファクタ FFで表わすことが行なわれている。 H2 ガス、 02 ガス、 N2 ガスのフローファクタ FFを FFH、 FF0、 F FNで表現すると、 FFH =KH /KN、 FF0 =Κ0 /ΚΝで与えられる。 もちろん FFN =KN Z KN二 1であることは云うまでもない。
図 1は、 本発明に係る流体可変型流量制御装置の使用可能例の一例を示す ものであり、 本発明に係る流体可変型流量制御装置を FCSで表わすと、 こ の 1台の FCSで 3種の H2 ガス、 02 ガス、 N2 ガスを流量制御できるの である。 FCSの中にある流量変換回路 1 8が与える流量変換率 kは、 流体 が変わる毎にフローファクタ FFと一定の関係を以つて定められている。 こ の関係式は後述の実施例において詳述するが、 ここでは H2 ガス、 02 ガス、 N2 ガスに対して kH、 kO、 kN (= 1 ) としておこう。
まず、 バルブ V 3を開、 VI · V2を閉にして反応炉 RR内を N2 ガスで パージする。 このとき、 流量変換率 kは kN = 1であるから、 切換演算流量 信号 Q f は Q ί二 k Q cから Q eにほぼ等しくなり （請求項 5の発明では、 流量指令信号 Qsは Qs二 kQeから Qeに等しくなり） 、 この流量になる までコントロール弁が開閉される。
次に、 バルブ VIを開、 V2 · V3を閉にして反応炉 RR内に H2 ガスを 送る。 流量変換率 kは kHに設定されるから、 切換演算流量信号 Q f は Q f = kQcから kH xQeにほぼ近い値 （請求項 5の発明では、 流量指令信号 Q sは Q s =kQ cから kH xQ e) になり、 N2 ガスに対する流量設定信 号 Qeの kH倍となる。 従って、 上流側圧力 P, が N2 ガスの場合の kH倍 になるようにコント口一ル弁の開閉調節がなされるのである。 バルブ V 2を 開にして 02 ガスを導入する場合にも同様の操作が行なわれ、 切換演算流量 信号 Q f は k 0 X Q eにほぼ近い値 （請求項 5の発明では流量指合信号 Q s は ko xQe) に設定され、 コントロール弁の操作なされる。
尚、 図 1のような本発明に係る FCSの使用方法は、 現実の半導体製造プ ラント等では未だ実施されてはいないが、 流量の大きく異なる単一のガスを バルブ V】 、 V2 、 V3 及び 1台の FCSを通して供給する方法は、 実稼働 装置に於いて実施されている。
実施例
図 2は本発明に係る流体可変型流量制御装置の第 1実施例のブ oック構成 図であり、 図 3は第 2実施例のブロック構成図である。
この流量制御装置 FCSはコントロール弁 2、 その駆動部 4、 圧力検出器 6、 オリフィス 8、 オリフィス対応弁 1 0、 ガス取出用継手 1 2、 流量演算 回路 1 4、 流量設定回路 1 6、 流量変換回路 1 8および演算制御回路 2 0か ら構成されている。
流量演算回路 1 4は温度検出器 23、 増幅回路 22 · 24、 AZD変換器 26 - 28 , 温度補正回路 30および演算回路 32から構成される。 また、 演算制御回路 20は比較回路 34および増幅回路 36から構成される。
更に、 流量変換回路 1 8は、 第 1実施例 （図 2) に於いては流量演算回路 1 4の圧力検出器 6の出力増幅器 22の出力側に、 また、 第 2実施例 （図 3) に於いては流量設定回路 1 6の出力側に夫々設けられている。
前記コントロール弁 2には後述するように、 所謂ダイレクトタツチ型のメ タルダイヤフラム弁が使用されており、 また、 その駆動部 4には圧電素子型 駆動装置が使用されている。 尚、 コントロール弁 2の駆動部としてはこの他 に、 磁歪素子型駆動装置やソレノイド型駆動装置、 モータ型駆動装置、 空気 圧型駆動装置、 熱膨張型駆動装置が用いられる。 前記圧力検出器 6には半導体歪型圧力センサーが使用されているが、 圧力 検出器としてはこの他に、 金属箔歪型圧力センサーや静電容量型圧力センサ 一、 磁気抵抗型圧力センサー等の使用も可能である。
前記温度検出器 2 3には熱電対型温度センサーが使用されているが、 測温 抵抗型温度センサ一等の公知の各種温度センサ一が使用できる。
前記オリフィス 8には、 板状の金属薄板製ガスケッ トに切削加工によって 孔部を設けたオリフィスが使用されている力 \ オリフィスとしてはこの他に、 極細パイプゃェッチング及び放電加工により金属膜に孔を形成したォリフィ スを使用することができる。
次に、 図 2及び図 3に基づいて本発明に係る流体可変型流量制御装置 F C Sの作動について説明する。
図 2を参照して、 コントロール弁 2の出口側、 即ちオリフィス 8の上流側 の気体圧力 P , が圧力検出器 6によって検出され、 増幅器 2 2、 流量変換回 路 1 8および A/D変換器 2 6を経て、 デジタル化された信号が演算回路 3 2へ出力される。
同様に、 オリフィス上流側の気体温度 T , が温度検出器 2 3で検出され、 増幅器 2 4および AZD変換器 2 8を経て、 デジタル化された温度信号が温 度補正回路 3 0に入力される。
レ、ま、 流量変換回路 1 8の変換率 kが 1の場合 （即ち、 フルスケール流量 の切換えが行なわれていない場合） には、 演算回路 3 2では、 圧力信号 P , を用いて、 流量 Qが Q二 K P , として演算されると共に、 前記温度補正回路 3 0からの補正信号を用いて前記流量 Qの温度補正が行なわれ、 演算流量 Q cが比較回路 3 4へ出力される。
また、 流量変換回路 1 8の変換率 kが定数 Kに設定されている場合には、 流量演算回路 1 4から演算制御回路 2 0へ出力される切換演算流量信号 Q f は前記演算流量 Q cの k倍となり、 Q f = k Q cの出力信号が演算制御回路 2 0へ入力される。 尚、 前記定数 kは流量変換率を表わし、 フルスケール流量を可変にするた めに設けられているものである。 従って、 流量変換回路 1 8は流量変換率 k を連続的に可変することができ、 また多段階に可変にすることもできる。 多 段階に可変にする場合の一例としてディップスィツチを利用することができ る。
一方、 図 3に示した本発明の第 2実施例では、 流量変換回路 1 8は流量設 定回路 1 6の出力側に設けられており、 流量設定回路 1 6から出力された流 量設定信号 Q eが流量変換回路 1 8を通して流量指令信号 Q s (Q s =kQ e) に変換され、 この流量指令信号 Qsが演算制御回路 20へ入力される。 尚、 当該第 2実施例に於レ、ては、 流量演算回路 1 4から演算制御回路 20 へ入力される検出流量値は演算流量 Q cとなる。
流量変換回路 1 8の機能を図 4を用いて説明する。
今、 流量設定信号 Qeは電圧値で 0〜5 (V) の間で可変であり、 0 (V) を 0 (%) 、 5 (V) を 1 00 (%) と定義しておこう。
例えば 80 (%) は 4 (V) を指定するものであり、 また切換演算流量信 号 Q f (若しくは流量指令信号 Qs) が 5 (V) の場合には、 上流側圧力 P, は 3 (k g ί /cm2 a b s) に調整され、 流量は 500 SCCMになるよ うに制御されるものとしておく。
今、 流量変換率 k = 1の場合を考えると、 流量設定信号 Q eの範囲が 0〜 1 00 [% に対応して切換演算流量信号 Q f (又は流量指令信号 Qs) は Q f =kQc (又は Qs = kQe) より 0〜1 00 (%) 、 即ち流量として 0〜500 SCCMを指示することになる。 この指示に従って、 上流側圧力 P, は 0〜3 (kg f /cm2 a b s) の範囲にわたって調整され、 黒丸印 の直線 Aがこれに対応する。 次に、 流量変換率 k二 1/2の場合を考えると、 流量設定信号 Qeとして 0〜1 00 (%) が入力されると切換演算流量信号 Q f (又は流量指令信号 Qs) は 0〜50 (%) の間を変化し、 白丸印の直 線 Bで示されるように、 流量として 0〜250 SCCMの範囲で制御される ことになる。 このとき、 上流側圧力 P, の調整は 0〜1. 5 (kg f /cm2 a b s) の範囲となる。 つまりフルスケール流量は 5 0 0 SCCMから 25 0 S C CMに変換されたのである。
比較回路 34では、 切換演算流量信号 Q f と流量設定信号 Q e (又は流量 指令信号 Q sと演算流量信号 Q c ) との比較が行なわれ、 両者の差信号 Q y =Q f -Q e (又は Qc— Q s) が増幅回路 3 6を通してコントロール弁 2 の駆動部 4に出力される。
切換演算流量信号 Q f が流量設定信号 Q e (又は演算流量信号 Q cが流量 指令信号 Q s) より大きい場合には、 コントロール弁 2を閉鎖する方向に、 また前記 Q f が Qc (又は Q cが Q s) より小さい場合には、 コントロール 弁 2を開放する方向に駆動部 4が作動され、 Q f =Qc (又は Q c=Q s) となるようにコントロール弁 2の開度が自動制御される。
尚、 本発明においては、 前記オリフィス 8の上流側圧力 P, と下流側圧力 P2 との間に、 P2 /P, が約 0. 5より小さいこと、 即ち > 2 P2 と いう条件が常に成立していなければならない。
そのために、 上流側圧力 P, と下流側圧力 P2 とを同時に測定しながら、 両者を反転増幅器 （図示せず） に入力し、 圧力 P, と圧力 P2 の大きさが逆 転して逆流状態になった場合や、 P2 /P, > 0. 5になって高精度な流量 制御が不能になった場合には、 コントロール弁 2を自動的に閉鎖するように してもよい。
図 5は、 本発明に係る流体可変型流量制御装置の第 3実施例のプロック構 成図である。 図 2と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、 異な る部分のみを説明する。 3種類のコントロール弁 2 a、 2 b、 2 cは図 2の 場合と異なって N2 ガス、 Heガス、 CF4 ガスを各々制御するものとする c これらに対応して駆動部 4 a、 4 b、 4 cが付設されている。
また、 流量変換回路 1 8が定める流量変換率は N2 ガス、 Heガス、 ガスに対応して 3段切換となり、 前述したように各々のガスのフロ一ファク ター F Fと関係している。 従って、 まず各種ガスのフローファクタ—を表 1 に与える。 このフローファクタ一は既に説明したように、 オリフィスおよび 上流側圧力が同一の場合において、 実ガスの流量が N2 ガス流量の何倍にな るかを示す量である。
表 1
フローファクタ一の表
Figure imgf000013_0001
実ガスの流
F F =
N2 換算流 j 同一のオリフィスで各種のガスの流量制御ができることを表 2を用いて以 下に詳しく説明する。
呌 t ¾κ§φ^τ. πο3ί8ί
FCSオリフィスサイズ （制御圧力と N2 ^g) [制御範囲： 0. 5〜し 8 [kgf/cm2abs] 】 [SCCM]
Figure imgf000014_0001
[制御範囲： 20 0 [torr] (0. 2 6 3 [kgf/cmzabs] ；) 〜 1. 8 [kgf/cm2abs] 】 [SCCM] オリフィス径 [^m] 7 0 1 8 0 4 70 8 1 0
20 0 [torr] 9. 8 7 3. 6 5 0 1. 9 2 8 3 4.5
1. 8 76. 2 5 0 3. 9 3 4 3 5. 6 1 0 2 0 4.3
制御圧力、 即ち上流側圧力 P, が 1. 8 (kg f /cm2 ab s) のときに N2 ガスの流量は 1 25. 9 SCCMになることを示している。 つまり、 N2 ガスに対してはフルスケール流量は 1 25. 9 SCCMになり、 これを流量 設定信号 Qeの 1 0 0 ( ) とし、 電圧値では 5 (V) とするのである。 N2 ガスに対しては流量変換率 k= 1 とするから、 流量指令信号 Q sも Q s二 k Q eからフルスケール 1 25. 9 SCCMで、 1 0 0 (%) となる。
このオリフィス条件と圧力条件の下で H eガスの場合を考えてみょう。 H e ガス 3 0 0 SCCMの場合、 FF= 2. 8 04で割ると 1 0 7. 0 SCCM (N2 流量） になる。
本実施例では、 N2 ガスのフルスケールレンジとして 38. 8、 1 25. 9、 4 4 9. 4、 1 5 92. 6、 5 5 9 9. 0、 1 0 204. 3 SCCMを 設定しているから 1 25. 9 SCCMの ø 9 0〃mオリフィスを選択できる。 つまり、 Heガスの流量変換率 Kとしては、 1 0 7. 0/1 25. 9 - 0. 8 5 0を設定しなければならない。
もちろん本発明ではこれ以外の流量変換率の決め方もできる。
以上から、 図 5において N2 ガスを 0〜1 25. 9 SCCMの範囲で制御 する場合には、 流量変換回路 1 8の流量変換率は k= 1に切換えられ、 駆動 部 4 aを介してコントロール弁 2 aが開閉制御される。 このとき、 コント口 ール弁 2 b、 2 cは常時閉鎖状態にある。
図 5に示す流体可変型流量制御装置の他の作動は図 3の場合と同様である 力、らその説明は省略する。
図 6はオリフィス 8の取付構造の一例を示す要部断面図である。 図中 2は コント口一ル弁で、 ダイヤフラム押え 2 dでダイヤフラム 2 eを弁座 2 f に 対し弁開度自在に着脱することにより流体の流量制御を行う。 フランジ 8 c の中には上流側流路 3が形成され、 フランジ 8 dの中に下流側流路 5が形成 されている。 オリフィス 8は両フランジ 8 c、 8 dの中にオリフィス保持台 8 bと共に着脱自在に配置される。 オリフィス 8はオリフィス孔 8 aを有し ており、 両フランジ 8 c、 8 dを分解すれば容易に別のオリフィスに交換で きる。 この交換自在性が本発明の特徴の 1つでもある。
前記したダイャフラム押え 2 dは圧電素子型の駆動部 4により上下自在に 駆動どうされる。 圧電素子への入力によりダイヤフラム押え 2 dが上昇する と、 ダイヤフラム 2 eは上方へ弾性復帰し、 弁座 2 f から離間することによ り、 弁が開状態となる。 また、 弁開度の微調整により上流側流路 3の圧力 P , を自在に調整できる。
オリフィス 8の交換構造は図 6に示す以外にも、 公知の弁技術を用いるこ とにより種々に設計変更できる。
本発明は上記実施例に限定されるものではなく、 本発明の技術的思想を逸 脱しない範囲における種々の変形例、 設計変更等をその技術的範囲内に包含 するものである。
発明の効果
本発明は以上詳述したように、 オリフィス上流側圧力 P , をオリフィス下 流側圧力の約 2倍以上に保持することにより、 上流側圧力 P , を調整するだ けで下流側流量 Q cを Q c二 K P , の関係式で目的値に自動制御することが できる。
同時に、 流量設定信号を流量変換回路に通すだけでフルスケール流量を所 望値に簡単に切換えることができ、 流量の表示と読取りを容易にすることが できる。
また、 単一の流量制御装置により、 オリフィス径の異なるオリフィスに変 換するだけで、 複数種の流体に対応でき、 しかも各流体毎に流量変換回路の 流量変換率を切換えるだけで自在な流量制御を行うことができる。
従って、 少ない部品で多数の流体に対応できるため、 価格の低下と技術の 普遍化に貢献できる産業上極めて有益な流体可変型流量制御装置を実現した ものである。

Claims

請 求 の 範 囲
1. オリフィス上流側圧力 P, を下流側圧力 P 2 の約 2倍以上に保持して流 体の流量制御を行う流量制御装置におレ、て、 流体の種類や流量範囲に応じて 適切なォリフィス径に設定するために変換自在に設けたォリフィスと、 その 上流側に設けたコントロール弁と、 コントロール弁とオリフィスの間に設け た圧力検出器 6と、 この圧力検出器の検出圧力 から流量を Q c=KP! (Kは定数） として演算する流量演算回路 1 4と、 流量設定信号 Q eを出力 する流量設定回路と、 フルスケール流量を切換えるために演算流量信号 Q c を切換演算流量信号 Q f に変換する流量変換回路 1 8と、 この切換演算流量 信号 Q f と流量設定信号 Q eとの差を制御信号 Q yとしてコントロール弁の 駆動部へ出力する演算制御回路から構成し、 制御信号 Q yが零になるように コントロール弁を開閉してォリフィス下流側流量を制御することを特徴とす る流体可変型流量制御装置。
2. 前記流量変換回路 1 8は、 演算流量 Q cに変換率 kを乗じて切換演算流 量信号 Q f (Q f =kQc) に変換するようにした請求項 1に記載の流体可 変型流量制御装置。
3. 流量変換回路は、 圧力検出器の出力増幅器の増幅率を調整する回路とし た請求項 1に記載の流体可変型流量制御装置。
4. 流量変換回路 1 8をディップスィッチにより構成した請求項 1又は請求 項 2に記載の流体可変型流量制御装置。
5. オリフィス上流側圧力 P, を下流側圧力 P 2 の約 2倍以上に保持して流 体の流量制御を行う流量制御装置におレ、て、 流体の種類や流量範囲に応じて 適切なォリフィス径に設定するために変換自在に設けたォリフィスと、 その 上流側に設けたコントロール弁と、 コントロール弁とオリフィスの間に設け た圧力検出器 6と、 この圧力検出器の検出圧力 P, から流量を Qc^KP, (Kは定数） として演算する流量演算回路 1 4と、 流量設定信号 Q eを出力 する流量設定回路 1 6と、 フルスケール流量を切換えるために流量設定信号 Q eを流量指令信号 Q sに変換する流量変換回路 1 8と、 この流量指合信号 Q sと演算流量 Q cとの差を制御信号 Q yとしてコントロール弁の駆動部へ 出力する演算制御回路 20から構成し、 制御信号 Qyが零になるようにコン トロール弁を開閉してォリフィス下流側流量を制御することを特徴とする流 体可変型流量制御装置。
6. 前記流量変換回路 1 8は、 流量設定信号 Q eに変換率 kを乗じて流量指 令信号 Q s (Q s =kQe) に変換するようにした請求項 5に記載の流体可 変型流量制御装置。
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