WO2015064035A1 - 圧力式流量制御装置 - Google Patents

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薫 平田
池田　信一
西野　功二
土肥　亮介
勝幸 杉田
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    • Y10T137/2544—Supply and exhaust type

Definitions

  • the present invention relates to an improvement of a pressure type flow rate control device, and more particularly to a pressure type flow rate control device that greatly enhances the operating performance of a raw material gas supply device for a semiconductor manufacturing device or the like by increasing responsiveness. .
  • the latter pressure type flow rate control device FCS has a control valve CV, a temperature detector T, a pressure detector P, an orifice OL, a temperature correction / flow rate calculation circuit CDa, and a comparison circuit CDb.
  • the detected values from the pressure detector P and the temperature detector T are input to the temperature correction / flow rate calculation circuit CDa, where temperature correction and flow rate calculation of the detected pressure are performed.
  • the flow rate calculation value Qt is input to the comparison circuit CDb.
  • An input signal Q S corresponding to the set flow rate is input from the terminal In and input to the comparison circuit CDb via the input / output circuit CDc, where it is compared with the flow rate calculation value Qt from the temperature correction / flow rate calculation circuit CDa. Is done.
  • the control signal Pd is output to the drive portion of the control valve CV.
  • the control valve CV is driven in the closing direction, and is driven in the closing direction until the difference (Qs ⁇ Qt) between the set flow rate input signal Qs and the calculated flow rate value Qt becomes zero.
  • Q KP
  • a pressure type flow rate control device that calculates as 2 m (P 1 -P 2 ) n (where K, m, and n are constants) is generally called an FCS-WR type.
  • an orifice mechanism in which a plurality of orifices OL are connected in parallel and gas is allowed to flow to at least one orifice by a switching valve, for example, two
  • the orifice mechanism of the FCS-N type is an orifice mechanism in which the flow rate control range can be changed by providing a switching valve on the inlet side of one orifice and opening or closing it.
  • FCS-SN type used as the FCS-SN type
  • FCS-SWR type using the same orifice mechanism as the FCS-WR type orifice.
  • the pressure type flow rate control device FCS is a pressure type flow rate control device FCS (hereinafter referred to as FCS-N type) for a gas fluid under critical conditions having a configuration as shown in FIG. (Japanese Patent Laid-Open No. 8-338546, etc.), FCS-WR type (JP 2003-195948, etc.) for both gas fluids under critical conditions and non-critical conditions (b), (c) Flow-switching FCS-S type for gas fluid under critical conditions (Japanese Patent Laid-Open No.
  • FCS-SWR Japanese Patent Application No. 2010-512916 etc.
  • P 1 and P 2 are pressure sensors
  • CV is a control valve
  • OL is an orifice
  • OL 1 is a small-diameter orifice
  • OL 2 is a large-diameter orifice
  • ORV is an orifice switching valve.
  • this type of pressure type flow control device FCS uses an orifice OL with a minute hole diameter, so that the gas replacement property is poor, and the control valve CV of the pressure type flow control device FCS is closed and the output side is closed. When opened, it takes a lot of time to discharge the gas in the space between the control valve CV and the orifice OL, and there is a problem that the so-called gas fall response is very poor.
  • FIG. 8 shows an example of the fall response characteristic at the time of the continuous step of the conventional pressure type flow rate control device FCS-N type.
  • the air operation valve (not shown) downstream of the orifice OL is opened and fixed.
  • the flow rate is decreased from 100% to 1% and from 100% to 4%, respectively.
  • a semiconductor manufacturing apparatus for example, an etcher
  • the flow rate is decreased from 100% to 1% within a time of 1 second or less.
  • the flow rate is lowered from about 100% to 10% and from 100% to 0.16% by about 1.2%, respectively.
  • a semiconductor manufacturing apparatus for example, an etcher
  • the flow rate is lowered from 100% to 10% within a time of 1.2 seconds or less.
  • FIG. 9 shows an example.
  • the flow direction of the fluid of the control valve CV is opposite to that of the normal control valve CV, and the gas is allowed to flow through the gap between the outer peripheral edge of the diaphragm valve body 20 and the valve seat 2a.
  • This is a pressure type flow control device using a main body 2 which is small in content and has a structure in which the gas flow is reduced from the center of the valve seat 2a to reduce the internal volume of the gas flow path.
  • the control valve CV is closed to interrupt the flow rate control.
  • the fluid passage internal pressure may become high due to a minute leak of the raw material gas from the control valve CV.
  • the fluid passage internal pressure becomes high.
  • the present invention has the above-mentioned problems in the conventional pressure type flow rate control device, i.e., the lowering response in the flow rate control is low, and the improved response by minimizing the volume of the main body.
  • C Depending on the type of gas such as C 4 F 8 , it is difficult to improve the responsiveness of the shutdown only by actively reducing the contents of the main body.
  • the flow control accuracy and flow control range are not changed by forcibly exhausting the residual gas in the fluid passage space between the control valve CV and the orifice OL when the control flow is lowered. It is a main object of the present invention to provide a pressure type flow rate control device capable of dramatically improving the response characteristics of the pressure type flow rate control device.
  • RG is a pressure regulator
  • P 0 is a supply pressure sensor
  • CVa and CVb are control valves
  • P1a and P1b are pressure sensors
  • UPC 1 and UPC 2 are pressure controllers
  • VL 2 and VL 3 Is a evacuation line
  • the UPC 1 and the orifice OL constitute a pressure type flow rate control device (FCS-N type). Further, the volume of the space VL 1 between the pressure controller UPC 1 and the orifice OL is set to 6.0 CC.
  • the flow rate control of the supply gas is performed by the pressure type flow rate control device (FCS-N type) composed of the pressure controller UPC 1 and the orifice OL, and the exhaust function (the fall time of the control pressure) is performed by the pressure regulator UPC 2.
  • FCS-N type the pressure type flow rate control device
  • the exhaust function the fall time of the control pressure
  • FIG. 12 shows the measurement result of the fall characteristic by the response characteristic test apparatus of FIG. 11.
  • FIG. 12A shows a flow rate of 100% to 80% by the control valve CVa of the pressure regulator UPC 1 only. % Flow rate, 40% flow rate, 20% flow rate in the order of pressure control (flow rate control) to decrease the flow, line F 1 is the voltage waveform of the control pressure input signal to the pressure regulator UPC 1 , Line F 2 is the voltage waveform of the control pressure output signal of the pressure regulator UPC 1 .
  • FIG. 12 (b) which shows the case where evacuating the interior space VL 1 by actuating the pressure regulator UPC 2 simultaneously, the falling response time below 0.5 seconds It was found that it could be shortened.
  • the gas (N 2 ) supply pressure to the pressure regulator UPC 1 is 300 kPa abs, and the orifice OL has a rated flow rate of 260 SCCM.
  • the vacuum exhaust pressure is 10 ⁇ 5 Torr.
  • FIG. 13 shows the measurement result of the start-up characteristic by the response characteristic measuring apparatus shown in FIG. 12.
  • FIG. 13A shows the flow rate from 0% to 20% by the control valve CVa of the pressure regulator UPC 1 only. % Flow rate, 60% flow rate, 80%, 100% flow rate is shown in the case of pressure control (flow rate control) to increase the flow rate, line F 1 is the control pressure input signal to the pressure regulator UPC 1 The voltage waveform, line F 2, is the voltage waveform of the control pressure output signal of the pressure regulator UPC 1 .
  • FIG. 13B shows the start-up response characteristic when the pressure regulator UPC 2 is operated simultaneously.
  • the gas (N 2 ) supply pressure to the pressure regulator UPC 1 is 300 kPa abs, and the orifice OL is for a rated flow rate of 260 SCCM.
  • the vacuum exhaust pressure is 10 ⁇ 5 Torr.
  • FIG. 14 shows the fluctuation state of the input voltage of the driving piezo elements (not shown) of the control valves CVa and CVb at the time of the fall characteristic measurement by the response characteristic measuring apparatus of FIG.
  • FIG. 6 shows a piezoelectric element drive voltage when pressure control (flow rate control) is performed to decrease the flow rate in the order of 100% flow rate to 80% flow rate and 60% flow rate only by the control valve CVa of the pressure regulator UPC 1 .
  • a line F 1 is a voltage waveform of a control pressure input signal to the pressure regulator UPC 1
  • a line F 2 is a voltage waveform of a control pressure output signal of the pressure regulator UPC 1 .
  • (b) is shows the shows the input voltage waveform F 10 to the piezo drive element of the control valve CVa for gas supply
  • (c) is input to the piezoelectric driving element of the control valve CVb for exhaust It shows the voltage waveform F 20. Note that the input voltage waveforms F 10 and F 20 to each piezo drive element are shown as 1/30 times the actual value.
  • the pressure type flow rate control device is created based on each test result using the response characteristic test device, and includes a fluid passage communicating between a fluid inlet and a fluid outlet and the fluid.
  • a main body provided with an exhaust passage branched from the passage and communicating between the fluid flow path and the exhaust outlet, and a pressure control valve that is fixed to the fluid inlet side of the main body and opens and closes the upstream side of the fluid passage
  • a pressure sensor for detecting the pressure in the fluid passage on the downstream side of the control valve for pressure control, an orifice provided in the fluid passage downstream of the branch point of the exhaust passage, and an exhaust control for opening and closing the exhaust passage And a valve.
  • the pressure type flow rate control device may be an FCS-WR type pressure type flow rate control device including a pressure sensor that detects the pressure in the fluid passage on the downstream side of the orifice.
  • the pressure type flow rate control device may be an FCS-SN type pressure type flow rate control device in which a plurality of orifices are connected in parallel, and a fluid is passed through at least one orifice by a switching valve.
  • the pressure-type flow rate control device includes a pressure sensor that connects a plurality of orifices in parallel, causes a fluid to flow through at least one orifice by a switching valve, and includes a pressure sensor that detects a fluid passage pressure on the downstream side of the orifice.
  • -It is good also as a SWS type pressure type flow control device.
  • the pressure control valve and the exhaust control valve may be piezo element driven metal diaphragm type control valves.
  • the fall response time may be controlled by adjusting the input voltage to the piezo drive element of the exhaust control valve.
  • the exhaust control valve may be a pneumatically driven valve or an electromagnetically driven valve, or the exhaust passage may be forcibly exhausted by a vacuum pump connected to an exhaust outlet.
  • a main body provided with a fluid passage and an exhaust passage, a pressure control valve for opening and closing the upstream side of the fluid passage fixed to the main body, and a fluid passage downstream thereof
  • a pressure sensor for detecting the internal pressure
  • an orifice provided in the fluid passage downstream from the branch point of the exhaust passage
  • a control valve for exhaust control that opens and closes the exhaust passage
  • the width of the main body of the pressure type flow control device for example, to match the width of 92 mm of the previous pressure type flow control device.
  • the device can be easily applied.
  • FIG. 6 is a basic configuration diagram of a conventional pressure type flow rate control device (FCS-N type). It is a schematic configuration diagram of various types of pressure type flow rate control devices, (a) FCS-N type, b) pressure type flow control device (FCS-WR type), (c) FCS-SN type, (D) shows the FCS-SWR type. It is a line graph which shows an example of the fall response characteristic at the time of the continuous step of the conventional pressure type flow control device (FCS-N type).
  • FIG. 10 is a line graph showing a fall characteristic curve of a flow rate between 100% and 0% of the pressure type flow control device (FCS-N type) of FIG. It is a system configuration
  • 12 is a line graph showing measurement results of a fall response characteristic measured by the response characteristic measurement device of FIG. 11, where (a) is a fall by only a supply side control valve, and (b) is a supply side and a vacuum exhaust side. It is a line graph which shows the case where it falls by both control valves.
  • FIG. 12 is a line graph showing measurement results of start-up response characteristics measured by the response characteristic measuring apparatus of FIG. 11, where (a) is a start-up with only a supply-side control valve, and (b) is a supply side and a vacuum exhaust side. It is a line graph which shows the case where it raises with both control valves.
  • FIG. 12 is a line graph showing a fluctuation state of input voltage of a driving piezo element (not shown) of each control valve CVa / CVb at the time of measuring a fall characteristic by the response characteristic test apparatus of FIG.
  • (a) is a vacuum exhaust line;
  • (B) shows the voltage of the control pressure input and output signal of the pressure controller UPC 1 when not operating, and the piezoelectric element drive voltage of the control valve CVa of the pressure regulator UPC 1 when the vacuum exhaust line is operated,
  • (C) is a line graph showing the piezo element drive voltage of the control valve CVb of the pressure regulator UPC 2 when the evacuation line is operated.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a basic configuration of a pressure type flow control device 1 according to the present invention
  • FIG. 2 is a system diagram showing a configuration of a gas supply box to which the pressure type flow control device according to the present invention is applied.
  • the pressure type flow control device 1 includes a main body 2, a pressure control control valve 6, an exhaust control valve 7, pressure sensors P 1 and P 2 , an orifice OL, etc. In the embodiment shown in FIG. It is an FCS-WR type pressure flow control device using a single orifice OL.
  • 2a is a valve seat
  • 3 is an inlet side block
  • 4 is a main body block
  • 5 is an outlet side block
  • 9 is a fluid inlet
  • 10a is a fluid passage
  • 10b is an exhaust passage
  • 10c is a leakage detection passage
  • 11 is a fluid outlet
  • 12 is an exhaust outlet
  • 13 is a gasket
  • 14 is a control panel control board
  • 15 is a casing
  • 16 is a connector for connection.
  • the main body 2 is configured such that an inlet side block 3, a main body block 4 and an outlet side block 5 are assembled and integrated with each other by fixing bolts (not shown).
  • the control valve 7 and the pressure sensors P 1 and P 2 are screwed and fixed to the valve body 2 respectively.
  • the pressure sensor P 2 is communicated with the fluid passage 10a so as to avoid the intersection of the exhaust passage 10b.
  • the pressure control control valve 6 is an on-off valve using a piezo drive element 6a having a known metal diaphragm as a valve body 20.
  • the piezo drive element 6a is expanded by energizing the piezo drive element 6a, and the cylindrical body 17 is elastic.
  • the valve body presser 19 is moved upward by the elastic force of the metal diaphragm valve body 20 by being pushed upward against the elasticity of 18, and the valve body 20 is separated from the valve seat 2a to open the valve.
  • the valve opening is adjusted by changing the voltage applied to the piezo drive element 6a.
  • the operation of the exhaust control control valve 7 is the same as the operation of the pressure control control valve 6, and the valve opening degree is controlled by adjusting the extension amount of the piezo drive element 7a.
  • a known pneumatically driven or electromagnetically driven on / off valve can be used instead of the piezo-driven metal diaphragm on / off valve.
  • FIG. 2 is a system diagram showing the configuration of a gas supply box to which the pressure type flow rate control apparatus according to the present invention is applied.
  • Three kinds of actual gases G 1 to G 3 and N 2 gas are used individually or appropriately. These gas species are mixed at a predetermined ratio and supplied to the process chamber 29.
  • the FCS-N internal space gas is forcibly exhausted (vacuum exhausted) by the vacuum pump 28 through the outlet side opening / closing valve 24 of the exhaust line 27 via the exhaust control valve 7 (not shown). It is as follows.
  • 21 is a gas supply port
  • 22 is a supply side switching valve
  • 23 is an outlet side switching valve
  • 26 is a mixed gas supply line.
  • the gas flowing in from the fluid inlet 9 is pressure-controlled by the pressure control control valve 6 and supplied to a predetermined location from the fluid outlet 11 through the orifice OL.
  • a control signal for switching to 50% flow rate is sent from the control board 14 to the control valve 6 for pressure control.
  • Valve opening signals are input to the control valves 7 respectively, and the exhaust control valve 7 is opened.
  • the gas between the pressure control control valve 6 and the orifice OL is forcibly exhausted through the exhaust control control valve 7, and the fall response time is shortened.
  • the fall time can be controlled by adjusting the valve opening of the exhaust control valve 7.
  • FIG. 3 shows the fall response characteristics at the time of successive steps of the pressure type flow control device 1 according to the present embodiment, and is measured under the same conditions as in the case of FIG.
  • the fall time can be shortened to 0.5 seconds or less. it can.
  • the fall time itself be easily controlled by adjusting the valve opening degree of the exhaust control valve 7, but even if it is a pressure type flow rate control device operating in a different flow rate range, etc. It becomes possible to perform the fall of a plurality of pressure type flow control devices synchronously.
  • FIG. 4 shows the fluctuation state of the input voltage to the piezoelectric drive elements of the pressure control control valve 6 and the exhaust control control valve 7 and the output (pressure) of the pressure sensor P 1 when the flow rate setting is increased.
  • the start-up time is 0.5 seconds or less, and the flow rate increases from 20% to 50% and 50% to 80% for 0.5 seconds or less. It is shown that it is possible to cope with the start-up time.
  • the control valve 6 for pressure control and the control for exhaust control when the flow rate from 80% to 50% and 50% to 20% is decreased (falling down). It shows the fluctuation state of the input voltage to the piezo drive element of the valve 7 and the output (pressure) of the pressure sensor P 1. In any case, the fall time is 0.5 seconds or less. .
  • FCS-N type pressure flow control device shown in FIG. 7B.
  • the FCS-N type is described.
  • FCS-S type and FCS-SWR type may be used, and any of the previous types of pressure type flow rate control devices shown in FIG. 7 can be used in the practice of the present invention. Is. Further, since the operating principle and configuration of the pressure type flow rate control device are already known, detailed description thereof is omitted here.
  • the fall time of the flow control can be greatly shortened and the fall time can be adjusted. This facilitates the so-called gas displacement of the pressure type flow rate control device.
  • the width dimension of the main body 2 of the pressure type flow control device 1 can be arbitrarily selected, for example, can be adjusted to the width dimension of 92 mm of the conventional pressure type flow control device.
  • the control device 1 can be used.
  • the present invention can be applied not only to gas supply facilities and gas supply devices for semiconductor manufacturing apparatuses, but also to flow control devices for various gas supply facilities such as the chemical industry and the food industry.

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Abstract

　本発明は、圧力式流量制御装置を用いた流体流量制御において、流量切換時の立下げ応答時間の大幅な短縮を図り、立下げ応答特性を高めることを可能にした圧力式流量制御装置を提供する。　本発明は、流体入口と流体出口間を連通する流体通路及び流体通路と排気出口間を連通する排気通路を設けた本体と、本体の流体入口側に固定されて流体通路の上流側を開閉する圧力制御用コントロール弁と、その下流側の流体通路内圧を検出する圧力センサと、前記排気通路の分岐箇所より下流の流体通路内に設けたオリフィスと、前記排気通路を開閉する排気制御用コントロール弁とから圧力式流量制御装置を構成すると共に、当該圧力式流量制御装置による流体流量の変更時に、圧力制御用コントロール弁と排気制御用コントロール弁を作動させ、圧力制御用コントロール弁とオリフィス間の流体通路空間内を強制排気することにより、流量変更時の立下げ応答速度を高める。

Description

圧力式流量制御装置
　本発明は、圧力式流量制御装置の改良に関するものであり、応答性を高めることにより、半導体製造装置用等の原料ガス供給装置の作動性能を大幅に高めた圧力式流量制御装置に関するものである。
　従前から、半導体製造装置用等の原料ガス供給装置に於いては、供給ガスの流量制御に熱式流量制御装置や圧力式流量制御装置が広く利用されている。特に、後者の圧力式流量制御装置ＦＣＳは、図６に示すように、コントロール弁ＣＶや温度検出器Ｔ、圧力検出器Ｐ、オリフィスＯＬ、温度補正・流量演算回路ＣＤａと比較回路ＣＤｂと入出力回路ＣＤｃと出力回路ＣＤｄ等から成る演算制御部ＣＤ等から構成されており、一次側供給圧が大きく変動しても安定した流量制御が行えるという優れた流量特性を具備している。
　即ち、図６の圧力式流量制御装置ＦＣＳでは、圧力検出器Ｐ及び温度検出器Ｔからの検出値が温度補正・流量演算回路ＣＤａへ入力され、ここで検出圧力の温度補正と流量演算が行われ、流量演算値Ｑｔが比較回路ＣＤｂへ入力される。また、設定流量に対応する入力信号ＱSが端子Ｉｎから入力され、入出力回路ＣＤｃを介して比較回路ＣＤｂへ入力され、ここで前記温度補正・流量演算回路ＣＤａからの流量演算値Ｑｔと比較される。比較の結果、設定流量入力信号Ｑｓが流量演算値Ｑｔより小さい場合には、コントロール弁ＣＶの駆動部へ制御信号Ｐｄが出力される。これによりコントロール弁ＣＶが閉鎖方向へ駆動され、設定流量入力信号Ｑｓと演算流量値Ｑｔとの差（Ｑｓ－Ｑｔ）が零となるまで閉弁方向へ駆動される。
　当該圧力式流量制御装置ＦＣＳでは、オリフィスＯＬの下流側圧力Ｐ２と上流側圧力Ｐ１との間にＰ１／Ｐ２≧約２の所謂臨界膨張条件が保持されていると、オリフィスＯＬを流通するガス流量ＱがＱ＝ＫＰ１（但しＫは定数）となり、また、臨界膨張条件が満たされていないと、オリフィスＯＬを流通するガス流量ＱがＱ＝ＫＰ２ ｍ（Ｐ１－Ｐ２）ｎ（但しＫ、ｍ、ｎは定数）となる。
　従って、圧力Ｐ１を制御することにより流量Ｑを高精度で制御することができ、しかも、コントロール弁ＣＶの上流側ガスＧｏの圧力が大きく変化しても、制御流量値が殆ど変化しないという優れた特性を発揮することができる。
　上記ガス流量ＱをＱ＝ＫＰ１（但しＫは定数）として演算する方式の圧力式流量制御装置は、一般にＦＣＳ－Ｎ型と呼ばれているものであり、また、ガス流量ＱをＱ＝ＫＰ２ ｍ（Ｐ１－Ｐ２）ｎ（但しＫ、ｍ、ｎは定数）として演算する方式の圧力式流量制御装置は、一般にＦＣＳ－ＷＲ型と呼ばれているものである。
　更に、この種の圧力式流量制御装置には、この他に、複数のオリフィスＯＬを並列状に連結し、切換弁によって少なくとも一つのオリフィスにガスを流通させるようにしたオリフィス機構、例えば、二個のオリフィスを並列状に接続し、一つのオリフィスの入口側に切換弁を設けてそれを開又は閉とすることにより流量制御範囲を変更できるようにしたオリフィス機構を、上記ＦＣＳ－Ｎ型のオリフィスとして用いたＦＣＳ－ＳＮ型や、同じオリフィス機構を上記ＦＣＳ－ＷＲ型のオリフィスとして用いたＦＣＳ－ＳＷＲ型と呼ばれているものが存在する。
　尚、上記ＦＣＳ－Ｎ型、ＦＣＳ－ＳＮ型、ＦＣＳ－ＷＲ型及びＦＣＳ－ＳＷＲ型の各圧力式流量制御装置そのものの構成や作動原理等は既に公知であるため、ここではその詳細な説明を省略する(特開平８－３３８５４６号、特開２００３－１９５９４８号等)。
　また、上記圧力式流量制御装置ＦＣＳには、図７に示すように、(a)の如き構成の臨界条件下のガス流体を対象とする圧力式流量制御装置ＦＣＳ（以下、ＦＣＳ-Ｎ型と呼ぶ・特開平８－３３８５４６号等）や、（b）の臨界条件下と非臨界条件下の両ガス流体を対象とするＦＣＳ-ＷＲ型（特開２００３－１９５９４８号等）、(c)の臨界条件下のガス流体を対象とする流量切換型のＦＣＳ-Ｓ型（特開２００６－３３０８５１号等）、及び(d)の臨界条件下と非臨界条件下の両ガス流体を対象とする流量切換型のＦＣＳ-ＳＷＲ型（特願２０１０－５１２９１６号等）が存在する。
　尚、図７において、Ｐ１，Ｐ２は圧力センサ、ＣＶはコントロール弁、ＯLはオリフィス、ＯL１は小口径オリフィス、ＯL２は大口径オリフィス、ORVはオリフィス切換弁である。
　しかし、この種の圧力式流量制御装置ＦＣＳでは、微小な穴径のオリフィスＯLを使用しているためガスの置換性が悪く、圧力式流量制御装置ＦＣＳのコントロール弁ＣＶを閉鎖して出力側を開放した場合に、コントロール弁ＣＶとオリフィスＯL間の空間部のガスの排出に多くの時間が掛かり、所謂ガスの立下げ応答性が極めて悪いと云う問題がある。
　図８は、従前の圧力式流量制御装置ＦＣＳ-Ｎ型の連続ステップ時の立下げ応答特性の一例を示すものであり、オリフィスＯLの下流側の空気作動弁（図示省略）を開放して一定流量のガスを圧力式流量制御装置を介して供給中に、ガス供給量をスッテップ状に立下げした場合、大流量用の圧力式流量制御装置の場合（折れ線A）に比較して小流量用の圧力式流量制御装置の場合（折れ線B）には、所定の流量にまで立下げするのに１．５秒以上の時間を必要とするのが現状である。
　より具体的には、ＦＣＳ-Ｎ型及びＦＣＳ-ＷＲ型の場合、オリフィスＯL１の下流側圧力が１００Ｔｏｒｒで、流量を１００％から１％及び１００％から４％に立下げするには、夫々約１秒以上を必要とするが、半導体製造装置（例えば、エッチャー）の方からは、１秒以下の時間内で流量を１００％から１％に立下げすることが求められている。
　また、ＦＣＳ-Ｓ型及びＦＣＳ-ＳＷＲ型の場合、オリフィスＯLの下流側圧力が１００Ｔｏｒｒで、流量を１００％から１０％及び１００％から０．１６％に立下げるには、夫々約１．２秒以上を必要とするが、半導体製造装置（例えば、エッチャー）の方からは、１.２秒以下の時間内で流量を１００％から１０％に立下げすることが求められている。
　一方、上記圧力式流量制御装置の立下げ応答特性を高めるため、コントロール弁ＣＶとオリフィスＯL間のガス通路の内容積を可能な限り小さくする工夫が為されている。
　図９はその一例を示すものであり、コントロール弁ＣＶの流体の流れ方向を通常のコントロール弁ＣＶとは逆向きにし、ダイヤフラム弁体２０の外周縁部と弁座２aの間隙を通してガスを流入させ、弁座２aの中央からガスを流出させる構造とすることによりガス流路の内容積を減少させるようにした、内容積極小型の本体２を用いた圧力式流量制御装置である。
　しかし、図９の内容積極小型の本体２を用いた圧力式流量制御装置に於いても、ガス流路の内容積減少により立下げ応答特性を大幅に向上させることは困難であり、図１０に示すように、定格流量が１０ＳＣＣＭと少ない場合には、Ｎ２ガスの場合で１００％から０％への立下げに約１秒間の時間を必要とし、ガス種がＣ４Ｆ８（フローファクタ＝０．３５２２６０）の場合には、約３秒程度の時間を必要とする現状にある。
　尚、図１０に於いて、Ｃは流量１０ＳＣＣＭ、Ｄは流量２０ＳＣＣＭ、Ｅは流量１６０　ＳＣＣＭの場合の立下げ特性を示すものである。
　また、従来の圧力式流量制御装置において、例えばオリフィス下流側に接続されるガス供給ラインが切換弁等で一時的に閉鎖されている間に、コントロール弁ＣＶを閉鎖して流量制御を中断した場合に、コントロール弁ＣＶからの原料ガスの微小リークにより流体通路内圧が高なることあり、その結果、再度流量制御を開始したときに、流体通路内圧が高くなっていることにより、立上げ時の流量制御に所謂オーバーシュートにより応答性を低下させる恐れもあった。
　上述のように、内容積極小型の本体を用いた圧力式流量制御装置に於いても、圧力式流量制御装置の立下げ応答性特性を十分に高めることが困難であり、従前の圧力式流量制御装置には、定格流量の小さい場合の立下げ応答特性が悪い等の問題が、依然として残されている。
特開平８－３３８５４６号 特開平1０－５５２１８号 特開２００３－１９５９４８号 特開２００６－３３０８５１号 特願２０１０－５１２９１６号
　本発明は、従前の圧力式流量制御装置に於ける上述のような問題、即ち、イ. 流量制御に於ける立下げ応答性が低いこと、ロ.本体の容積極小化による応答性の向上にも限界があり、十分な応答性の向上が図れないこと、ハ.Ｃ４Ｆ８等のガス種によっては、本体の内容積極小化のみでは立下げ応答性の向上が困難なこと等の問題を解決せんとするものであり、制御流量の立下げ時にコントロール弁ＣＶとオリフィスＯＬ間の流体通路空間内の残留ガスを強制排気することにより、流量制御精度や流量制御範囲の変化を来たすことなしに圧力式流量制御装置の応答特性を飛躍的に高めることを可能にした、圧力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、本発明者等は、コントロール弁ＣＶとオリフィスＯＬ間の流体通路の残留ガスを強制排気することによる立下げ特性の改善を検討するために、図１１に示すような真空排気による圧力式流量制御装置の応答特性測定装置を用いて、各種の立下げ特性の測定を行った。
　尚、図１１に於いて、ＲＧは圧力調整器、Ｐ０は供給圧力センサ、ＣＶa,ＣＶbはコントロール弁、Ｐ１a、 Ｐ１bは圧力センサ、ＵＰＣ1,ＵＰＣ２は圧力制御器、 ＶＬ2, ＶＬ3は真空引きラインであり、前記ＵＰＣ1とオリフィスＯＬにより圧力式流量制御装置（ＦＣＳ－Ｎ型）が構成されている。 また、圧力調制御器ＵＰＣ1とオリフィスＯＬ間の空間部ＶＬ1の容積は、６．０ＣＣに設定されている。
　即ち、圧力制御器ＵＰＣ1とオリフィスＯＬからなる圧力式流量制御装置（ＦＣＳ－Ｎ型）により供給ガスの流量制御を行うと共に、圧力調整器ＵＰＣ２により排気機能（制御圧力の立下げ時間）を調整する。そして、両圧力調整器ＵＰＣ1, ＵＰＣ２へ同時に所定の設定圧力を入力し、圧力センサＰ１a、 Ｐ１bにより両圧力制御器ＵＰＣ1, ＵＰＣ２の制御圧のステップ応答特性を測定した。
　図１２は、上記図１１の応答特性試験装置による立下げ特性の測定結果を示すものであり、（a）は、圧力調整器ＵＰＣ1のコントロールバルブＣＶaのみによって１００％流量から８０％流量、６０％流量、４０％流量、２０％流量の順に流量を減少させる圧力制御（流量制御）をした場合を示すものであり、線Ｆ1は圧力調整器ＵＰＣ１への制御圧力入力信号の電圧波形、線Ｆ2は圧力調整器ＵＰＣ１の制御圧力出力信号の電圧波形である。
　図１２の（a）からも明らかなように、制御圧力出力信号の電圧波形の立下りには１秒以上の時間を必要とすることに成る。
　これに対して、図１２（b）は、圧力調整器ＵＰＣ２を同時に作動させることにより内部空間ＶＬ1内を真空排気した場合を示すものであり、立下がり応答時間が０．５秒以下に短縮可能なことが判明した。尚、圧力調整器ＵＰＣ1へのガス（Ｎ2）供給圧は３００kＰa absであり、オリフィスＯＬは定格流量２６０ＳＣＣＭである。また、真空排気圧は10-5Ｔｏｒｒである。
　図１３は、上記図１２の応答特性測定装置による立上げ特性の測定結果を示すものであり、（a）は、圧力調整器ＵＰＣ1のコントロールバルブＣＶaのみによって０％流量から２０％流量、４０％流量、６０％流量、８０％、１００％流量の順に流量を増加させる圧力制御（流量制御）をした場合を示すものであり、線F1は圧力調整器ＵＰＣ１への制御圧力入力信号の電圧波形、線Ｆ2は圧力調整器ＵＰＣ１の制御圧力出力信号の電圧波形である。
　これに対して、図１３（b）は、圧力調整器ＵＰＣ２を同時に作動させた場合の立上げ応答特性を示すものである。図１３（a）との対比からも明らかなように、立上げ応答時は圧力調整器ＵＰＣ２から真空排気する必要がなく動作しないため、図１３（b）の立上げ時の応答時間は図１３（ａ）の場合と略同一であり、立上げ応答時間が０．５秒以下であることが確認された。尚、圧力調整器ＵＰＣ1へのガス（Ｎ2）供給圧は３００kＰa absであり、オリフィスＯＬは定格流量２６０ＳＣＣＭ用のものである。また、真空排気圧は10-5Ｔｏｒｒである。
　図１４は、上記図１１の応答特性測定装置による立下げ特性測定時の各コントロール弁ＣＶa・ＣＶbの駆動用ピエゾ素子（図示省略）の入力電圧の変動状態を示すものであり、（a）は、圧力調整器ＵＰＣ1のコントロールバルブＣＶaのみによって１００％流量から８０％流量、６０％流量の順に流量を減少させる圧力制御（流量制御）をした場合のピエゾ素子駆動電圧を示すものである。尚、線Ｆ１は圧力調整器ＵＰＣ１への制御圧力入力信号の電圧波形、線Ｆ2は圧力調整器ＵＰＣ１の制御圧力出力信号の電圧波形である。
　また、（b）はガス供給用のコントロールバルブＣＶa のピエゾ駆動素子への入力電圧波形Ｆ10を示すものを示すものであり、（c）は排気用のコントロールバルブＣＶbのピエゾ駆動素子への入力電圧波形Ｆ20を示すものである。
　尚、各ピエゾ駆動素子への入力電圧波形Ｆ10、Ｆ20は、実際の１/３０倍で示されている。
　本発明に係る圧力式流量制御装置は、上記応答特性試験装置を用いた各試験結果を基にして創作されたものであり、流体入口と流体出口との間間を連通する流体通路及び該流体通路から分岐して該流体流路と排気出口との間を連通する排気通路を設けた本体と、該本体の流体入口側に固定されて前記流体通路の上流側を開閉する圧力制御用コントロール弁と、該圧力制御用コントロール弁の下流側の流体通路内圧を検出する圧力センサと、前記排気通路の分岐箇所より下流の流体通路内に設けたオリフィスと、前記排気通路を開閉する排気制御用コントロール弁と、を備えることを特徴とする。
　
　前記圧力式流量制御装置は、オリフィス下流側の流体通路内圧を検出する圧力センサを備えた構成のFCS-WR型圧力式流量制御装置としてもよい。
　前記圧力式流量制御装置は、複数のオリフィスを並列状に連結し、切換弁により少なくとも一つのオリフィスに流体を流通させる構成のFCS-SN型圧力式流量制御装置としてもよい。
　前記圧力式流量制御装置は、複数のオリフィスを並列状に連結し、切換弁により少なくとも一つのオリフィスに流体を流通させると共に、オリフィス下流側の流体通路内圧を検出する圧力センサを備えた構成のFCS-SWS型圧力式流量制御装置としてもよい。
　前記圧力制御用コントロール弁及び排気制御用コントロール弁を、ピエゾ素子駆動型の金属ダイヤフラム式制御弁としてもよい。
　前記排気制御用コントロール弁のピエゾ駆動素子への入力電圧の調整により、立下げ応答時間を制御する構成としてもよい。
　前記排気制御用コントロール弁を、空気圧駆動弁又は電磁駆動弁とするようにしたもよく、また、排気出口に接続した真空ポンプにより排気通路内を強制排気する構成としてもよい。
　本発明に係る圧力式流量制御装置に於いては、流体通路及び排気通路を設けた本体と、本体に固定した流体通路の上流側を開閉する圧力制御用コントロール弁と、その下流側の流体通路内圧を検出する圧力センサと、排気通路の分岐箇所より下流の流体通路内に設けたオリフィスと、排気通路を開閉する排気制御用コントロール弁とを備えることにより、当該圧力式流量制御装置による流体流量の変更時に、圧力制御用コントロール弁と排気制御用コントロール弁を作動させ、圧力制御用コントロール弁とオリフィス間の流体通路空間内を強制排気することで、制御流量の変動時に於ける制御応答性が高まり、流量制御の立下げ時間を大幅に短縮できるだけでなく、その立下げ時間の調整も容易に行うことができ、また、圧力式流量制御装置の所謂ガス置換性の向上とこれよる設備稼働率の向上、半導体製品の品質向上等が可能となる。
　また、圧力式流量制御装置の本体の横幅寸法を任意に選定、例えば従前の圧力式流量制御装置の横幅寸法９２mmに合わせることが可能となり、その結果、従来設備の改修にも当該圧力式流量制御装置を容易に適用することができる。
　更に、真空排気ラインをブラインド（取除いて閉塞すること）ことにより、通常の圧力式流量制御装置としても適用することが出来る。
本発明に係る圧力式流量制御装置の基本構成を示す縦断面図である。 本発明に係る圧力式流量制御装置を適用したガス供給ボックスの構成を示す系統図である。 本実施形態に係る圧力式流量制御装置の連続ステップ時の立下がり応答特性を示す線グラフである。 流量設定を増加させた場合の、圧力制御用コントロール弁６と排気制御用コントロール弁７のピエゾ駆動素子への入力電圧の変動状態、及び、圧力センサP1の出力（圧力）を示す線グラフである。 設定流量を減少させた場合の、圧力制御用コントロール弁６と排気制御用コントロール弁７のピエゾ駆動素子への入力電圧の変動状態、及び、圧力センサP1の出力（圧力）を示す線グラフである。 従前の圧力式流量制御装置（ＦＣＳ－Ｎ型）の基本構成図である。 従前の各種形式の圧力式流量制御装置の概略構成図であり、（a）はＦＣＳ－Ｎ型，b）は圧力式流量制御装置（ＦＣＳ－ＷＲ型）、（c）はＦＣＳ－ＳＮ型、（d）はＦＣＳ－ＳＷＲ型を示すものである。 従前の圧力式流量制御装置（ＦＣＳ－Ｎ型）の連続スッテップ時の立下げ応答特性の一例を示す線グラフである。 内容積極小型の本体を用いた圧力式流量制御装置（ＦＣＳ－Ｎ型、ＦＣＳ－ＷＲ型）のバルブ機構部の概要図である。 図９の圧力式流量制御装置（ＦＣＳ－Ｎ型）の１００％から０％間の流量の立下げ特性曲線を示す線グラフである。 真空排気ラインを設けた圧力式流量制御装置の応答特性測定装置の系統構成図である。 図１１の応答特性測定装置により測定した立下げ応答特性の測定結果を示す線グラフであり、（a）は供給側のコントロール弁のみで立下げした場合、（b）は供給側と真空排気側の両コントロール弁により立下げした場合を示す線グラフである。 図１１の応答特性測定装置により測定した立上げ応答特性の測定結果を示す線グラフであり、（a）は供給側のコントロール弁のみで立上げした場合、（b）は供給側と真空排気側の両コントロール弁により立上げした場合を示す線グラフである。 図１１の応答特性試験装置による立下がり特性測定時の各コントロール弁ＣＶa・ＣＶbの駆動用ピエゾ素子（図示省略）の入力電圧の変動状態を示す線グラフであり、（a）は、真空排気ラインを作動しない時の圧力制御器ＵＰＣ1の制御圧力入力及び出力信号の電圧を、（b）は、真空排気ラインを作動した時の圧力調整器ＵＰＣ1のコントロールバルブＣＶaのピエゾ素子駆動電圧を、（c）は、真空排気ラインを作動した時の圧力調整器ＵＰＣ2のコントロールバルブＣＶbのピエゾ素子駆動電圧を、夫々示す線グラフである。
　以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。
　図１は本発明の圧力式流量制御装置１の基本構成を示す縦断面図であり、図２は本発明に係る圧力式流量制御装置を適用したガス供給ボックスの構成を示す系統図である。
　圧力式流量制御装置１は、本体２、圧力制御用コントロール弁６、排気制御用コントロール弁７、圧力センサＰ１,Ｐ2、オリフィスＯＬ等から構成されており、図２の実施形態では、１個のオリフィスＯＬを使用したＦＣＳ－ＷＲ型の圧力式流量制御装置とされている。
　尚、図１において、２aは弁座、３は入口側ブロック、４は本体ブロック、５は出口側ブロック、９は流体入口、１０aは流体通路、１０bは排気通路、１０cは漏洩検出用通路、１１は流体出口、１２は排気出口、１３はガスケット、１４は制御用のパネルコントロールボード、１５はケーシング、１６は接続用コネクタである。
　前記本体２は、入口側ブロック３、本体ブロック４及び出口側ブロック５を固定ボルト（図示省略）により相互に組付け一体化するようにしたものであり、圧力制御用コントロール弁６、排気制御用コントロール弁７及び圧力センサＰ1,Ｐ2などは、バルブ本体２へ夫々ねじ込み固定されている。また、圧力センサＰ2は、排気通路１０bとの交差を避けて流体通路１０aへ連通されている。
　前記圧力制御用コントロール弁６は、公知の金属製ダイヤフラムを弁体２０とするピエゾ駆動素子６aを用いた開閉弁であり、ピエゾ駆動素子６aへの通電によりこれが伸長し、円筒体１７を弾性体１８の弾力に抗して上方へ押し上げることにより金属ダイヤフラム弁体２０の弾性力により弁体押え１９が上方へ移動し、弁体２０が弁座２aから離座して弁が開放される。また、弁開度は、ピエゾ駆動素子６aへの印加電圧を変動することにより調節される。
　尚、排気制御用コントロール弁７の作動についても、圧力制御用コントロール弁６の作動と同一であり、ピエゾ駆動素子７aの伸長量調節により、弁開度制御が行なわれる。
　また、排気制御用コントロール弁７としては、上記ピエゾ駆動式金属ダイヤフラム型開閉弁に代えて、公知の空気圧駆動式や電磁駆動式の開閉弁を用いることも可能である。
　図２は、本発明に係る圧力式流量制御装置を適用したガス供給ボックスの構成を示す系統図であり、３種の実ガスＧ1～Ｇ3及びＮ2ガスを夫々単独に、または、適宜のガス種を所定の割合で混合して、プロセスチャンバ２９へ供給するものである。尚、排気制御用コントロール弁７（図示省略）を介してＦＣＳ－Ｎの内部空間ガスが、排気ライン２７の出口側開閉弁２４を通して真空ポンプ２８により強制排気（真空排気）されることは、前述の通りである。
　尚、図２において、２１はガス供給口、２２は供給側切換弁、２３は出口側切換弁、　　２６は混合ガス供給ラインである。
　図１を参照して、通常の連続流量制御においては、流体入口９より流入したガスが圧力制御用コントロール弁６で圧力制御され、オリフィスＯＬを通して流体出口１１より所定の箇所へ供給されて行く。また、制御流量を減少、例えば１００％流量から５０％流量に立下げする際には、コントロールボード１４から、圧力制御用コントロール弁６へ５０％流量への切換制御信号が、また、排気制御用コントロール弁７へ弁開放信号が、夫々に入力され、排気制御用コントロール弁７が開放される。これにより、排気制御用コントロール弁７を通して、圧力制御用コントロール弁６とオリフィスＯＬ間のガスが強制排気され、立下げ応答時間が短縮される。
　尚、排気制御用コントロール弁７の弁開度を調整することにより、立下げ時間のコントロールが可能なことは勿論である。
　図３は、本実施形態に係る圧力式流量制御装置１の連続ステップ時の立下げ応答特性を示すものであり、前記図８の場合と同一の条件下で測定したものである。
　線A及び線Bを、前記図８と図３について対比すれば明らかなように、本実施形態に係る圧力式流量制御装置１においては、立下げ時間を０．５秒以下に短縮することができる。
　また、排気制御用コントロール弁７の弁開度調整により、立下げ時間そのものを容易に制御することが出来るだけでなく、異なる流量レンジで作動中の圧力式流量制御装置であっても、これ等複数の圧力式流量制御装置の立下げを同期して行うことが可能となる。
　尚、図４は、流量設定を増加させた場合の、圧力制御用コントロール弁６と排気制御用コントロール弁７のピエゾ駆動素子への入力電圧の変動状態、及び、圧力センサＰ1の出力（圧力）を示すものであり、何れの場合に於いても、立上げ時間が０．５秒以下となり、２０％から５０％及び５０％から８０％への流量増加に対して、０．５秒以下の立上げ時間で対応可能なことが示されている。
　また、図５は、図４の場合とは逆に、８０％から５０％及び５０％から２０％への流量を減少（立下げ）下場合の、圧力制御用コントロール弁６と排気制御用コントロール弁７のピエゾ駆動素子への入力電圧の変動状態、及び、圧力センサＰ1の出力（圧力）を示すものであり、何れの場合に於いても、立下げ時間が０．５秒以下となる。
　尚、上記図１の実施形態においては、図７の（b）に示したＦＣＳ－Ｎ型の圧力式流量制御装置に基づいて説明をしたが、圧力式流量制御装置としては、ＦＣＳ－Ｎ型、ＦＣＳ－Ｓ型、ＦＣＳ－ＳＷＲ型であっても良いことは勿論であり、図７に示した従前の各型式の圧力式流量制御装置は、何れも本発明の実施に用いることが可能なものである。
　また、圧力式流量制御装置の作動原理や構成は既に公知であるため、ここではその詳細な説明を省略するものとしておる。
　即ち、本発明に係る圧力式流量制御装置１では、排気制御用コントロール弁７を備えた真空排気ライン２７を設けることにより、流量制御の立下げ時間を大幅に短縮できると共に、立下げ時間の調整を容易に行うことがで、圧力式流量制御装置の所謂ガス置換性が向上する。
　また、圧力式流量制御装置１の本体２の横幅寸法を任意に選定、例えば従前の圧力式流量制御装置の横幅寸法９２mmに合わせることが可能となり、その結果、従来設備の改修に当該圧力式流量制御装置１を用いることができる。
　更に、真空排気ラインをブラインドすることにより、通常の圧力式流量制御装置としても適用することが出来る。ただ、真空排気ライン２７を必要としたり、強制排気による実ガス排気の増加、既設のガス供給ボックスへ容易に適用できないこと等が、問題点として残されている。
　本発明は、半導体製造装置用のガス供給設備やガス供給装置のみならず、化学産業や食品産業等のあらゆるガス供給設備の流量制御装置に適用できるものである。
１　　　圧力式流量制御装置
２　　　本体
２a　　　弁座
３　　　入口側ブロック
４　　　本体ブロック
５　　　出口側ブロック
６　　　圧力制御用コントロール弁
６a　　 ピエゾ駆動素子
７　　　排気制御用コントロール弁
７a　 　ピエゾ駆動素子
９　　　流体入口
１０a　 流体通路
１０b   排気通路
１０c　 漏洩検査用通路　
１１　　　流体出口
１２　　　排気出口
１３　　　ガスケット
１４　　　パネルコントロールボード
１５　　　ケーシング
１６　　　接続用コネクタ
１７　　　円筒体
１８　　　弾性体
１９　　　弁体押さえ
２０　　　弁体
２１　　　ガス供給口
２２　　　供給側切換弁
２３　　　出口側開閉弁
２４　　　出口側開閉弁
２６　　　混合ガス供給ライン
２７　　　真空排気ライン
２８　　　真空ポンプ
２９　　　プロセスチャンバ
Ｐ１　　　　圧力センサ
Ｐ２　　　　圧力センサ
ＯＬ　　　オリフィス
Ｇ１～Ｇ３　実ガス

Claims (8)

  1. 　流体入口と流体出口との間を連通する流体通路と、該流体流路から分岐して該流体通路と前記排気出口との間を連通する排気通路とを設けた本体と、
    　前記本体の流体入口側に固定されて前記流体通路の上流側を開閉する圧力制御用コントロール弁と、
    　前記圧力制御用コントロール弁の下流側の流体通路内圧を検出する圧力センサと、
    　前記排気通路の分岐箇所より下流の流体通路内に設けたオリフィスと、
    　前記排気通路を開閉する排気制御用コントロール弁と、を備えることを特徴とする圧力式流量制御装置。
  2. 　前記圧力式流量制御装置が、オリフィス下流側の流体通路内圧を検出する圧力センサを更に備える、請求項１に記載の圧力式流量制御装置。
  3. 　前記圧力式流量制御装置が、複数のオリフィスを並列状に連結し、切換弁により少なくとも一つのオリフィスに流体を流通させる構成である、請求項１に記載の圧力式流量制御装置。
  4. 　前記圧力式流量制御装置が、複数のオリフィスを並列状に連結し、切換弁により少なくとも一つのオリフィスに流体を流通させると共に、オリフィス下流側の流体通路内圧を検出する圧力センサを備える、請求項１に記載の圧力式流量制御装置。
  5. 　前記圧力制御用コントロール弁及び前記排気制御用コントロール弁が、ピエゾ素子駆動型の金属ダイヤフラム式制御弁である、請求項１に記載の圧力式流量制御装置。
  6. 　前記排気制御用コントロール弁のピエゾ駆動素子への入力電圧の調整により、立下げ応答時間を制御する構成とした請求項５に記載の圧力式流量制御装置。
  7. 　前記排気制御用コントロール弁が、空気圧駆動弁又は電磁駆動弁である、請求項１に記載の圧力式流量制御装置。
  8. 　排気出口に接続した真空ポンプにより排気通路内を強制排気する構成とした請求項１に記載の圧力式流量制御装置。
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