專利名稱：壓力式流量控制裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種氣體等流體的壓力式流量控制裝置的改進，該裝置主要用于半導體制造設備中的氣體供給系統(tǒng)的流量控制。
背景技術(shù)：
作為半導體制造設備中的氣體供給系統(tǒng)的流量控制裝置，過去一直廣泛使用質(zhì)量流控制裝置，近年來，作為替代裝置，開發(fā)出壓力式流量控制裝置(特開平8-335117號，特開平8-338546號等)。


圖11是本申請的發(fā)明人先行公開的上述特開平8-338546號的壓力式流量控制裝置，在節(jié)流孔5的上游側(cè)壓力P1與下游側(cè)壓力P2之比P2/P1保持在臨界壓力比以下的狀態(tài)下，對節(jié)流孔下游側(cè)的流體的流量以Qc=KP1(其中K為常數(shù))進行計算，將該計算流量Qc與設定流量Qs之差作為控制信號Qy向控制閥2的閥驅(qū)動部3輸入，從而對控制閥2的開度進行調(diào)整，以此調(diào)節(jié)節(jié)流孔5的上游側(cè)壓力P1而使計算流量Qc=設定流量Qs(即控制信號Qy=0)，從而將節(jié)流孔5的下游側(cè)的流量控制為等于上述設定流量Qs。
另外，在圖11中，1是壓力式流量控制裝置，2是控制閥，3是閥驅(qū)動部，4是壓力檢測器，5是節(jié)流孔，7是控制裝置，7a是溫度補償電路，7b是流量計算電路，7c是比較電路，7d是放大電路，21a和21b是放大電路，22a和22b是A/D轉(zhuǎn)換電路，24是反相放大器，25是閥，Qc是計算流量的信號，Qs是設定流量的信號，Qy是控制信號(Qc-Qs)。
上述壓力式流量控制裝置通過對控制閥(2)進行開閉控制來調(diào)整節(jié)流孔上游側(cè)壓力P1，從而能夠高精度地將節(jié)流孔下游側(cè)流量Q控制為任意流量，具有優(yōu)異的實用效果。
但是，該壓力式流量控制裝置由于節(jié)流孔5的直徑一定，故存在著只能適用于特定的流量范圍而不能進行流量范圍的切換等問題。
此外，為了改變流量范圍，需要更換自如地插裝節(jié)流孔5，同時需要預先準備多個不同口徑的節(jié)流孔5。但是，在這種情況下，節(jié)流孔5的加工精度的分散性將直接導致流量的控制誤差。
而且，要準備多個不同口徑的節(jié)流孔，在經(jīng)濟性和控制精度方面也存在問題。
另一方面，對于使用所謂音速噴嘴(或節(jié)流孔)的恒流量的流量控制裝置，為了改變流量范圍而開發(fā)出了可變截面型噴嘴(或節(jié)流孔)(實開昭56-41210號，實公昭60-42332號等)。
但是，這些可變截面型節(jié)流孔均為機理類似于針閥的節(jié)流孔，在結(jié)構(gòu)上將使流體流路內(nèi)的盲區(qū)增加。其結(jié)果，氣體的置換性變壞而將導致塵埃增加，難以應用在半導體制造裝置用的氣體供給系統(tǒng)中。
發(fā)明的公開本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有的壓力式流量控制裝置中存在的上述問題而提出的，即(甲)節(jié)流孔為固定直徑而不能進行流量范圍的切換，(乙)由于節(jié)流孔的加工困難，加工精度的分散性直接導致流量的控制誤差，不能實現(xiàn)高精度且穩(wěn)定的流量控制，以及(丙)現(xiàn)有的可變截面型節(jié)流孔因氣體的置換性差而產(chǎn)生的塵埃較多，難以用在半導體制造裝置用的氣體供給系統(tǒng)中等，并且提供這樣一種壓力式流量控制裝置，即能夠簡單地調(diào)整節(jié)流孔的截面積，不僅能夠在寬的流量范圍內(nèi)實現(xiàn)高精度的流量控制，而且在氣體的置換性和防止塵埃產(chǎn)生方面也具有優(yōu)異性能，還可應用在半導體制造裝置用的氣體供給系統(tǒng)中。
為此，本申請的發(fā)明人首先想到，將具有適用于半導體制造裝置用的氣體供給系統(tǒng)的設備所不可或缺的高清潔性與高氣體置換性這兩種特性的直接接觸型金屬隔膜閥作為可變截面型節(jié)流孔使用。其次，對該直接接觸型金屬隔膜閥的流體通路是否具有與所謂超音速節(jié)流孔(或噴嘴)大體等價的流量控制功能進行了調(diào)查。
圖1是將上述直接接觸型金屬隔膜閥作為可變節(jié)流孔使用的流量控制實驗裝置的結(jié)構(gòu)，圖1中，2是壓力控制閥，3是控制閥的驅(qū)動部，4是壓力檢測器，5是可變節(jié)流孔(直接接觸型金屬隔膜閥)，6是節(jié)流孔驅(qū)動部，7’是控制電路，8a是氣體入口，8b是氣體出口，9是質(zhì)量流量計(質(zhì)量流計)，10是真空室，10a是真空計，11是真空泵。
上述控制閥2中使用與特開平8-338546號所公開的同樣的直接接觸型金屬隔膜閥，并且，其驅(qū)動部3中使用壓電器件型驅(qū)動裝置。而作為控制閥2的驅(qū)動部3，除此之外還可以使用磁致伸縮器件型驅(qū)動裝置或螺線管型驅(qū)動裝置、電動機型驅(qū)動裝置、空氣氣壓型驅(qū)動裝置、熱膨脹型驅(qū)動裝置等。
此外，上述壓力檢測器4中使用半導體應變檢測器，具體地說，就是與特開平8-338546號的場合同樣，壓力檢測器4一體地組裝在壓力控制閥2的閥本體中。
并且，上述可變節(jié)流孔5中如后所述地使用直接接觸型金屬隔膜閥，其驅(qū)動部6中設置有采用脈沖電機和滾珠絲杠機構(gòu)的線性執(zhí)行元件(以下稱作脈沖電機型驅(qū)動部)。
上述控制電路7’將來自壓力檢測器4的節(jié)流孔上游側(cè)的壓力檢測信號QP1與設定壓力QPs進行比較，并且向控制閥驅(qū)動部3輸入控制信號Qy以使二者之差向零的方向變化，對控制閥2進行開閉控制。
形成上述可變節(jié)流孔5的直接接觸型金屬隔膜閥如圖2所示，由具有流體入口12a、閥座12b、閥室12c和流體出口12e等的不銹鋼制作的閥本體12、不銹鋼或鎳鈷合金制作的膜片13以及向下方推壓膜片13的脈沖電機型驅(qū)動部6等形成。
即，當脈沖電機14處于初始位置時，通過滾珠絲杠機構(gòu)19經(jīng)導向滑塊18和膜片壓塊16克服彈簧17、15的彈力而向下推壓上述膜片13，使其處于與閥座12b接觸的狀態(tài)(閉閥狀態(tài))。
其次，當向脈沖電機14輸入節(jié)流孔控制信號Qz時，脈沖電機14沿通過滾珠絲杠機構(gòu)19將導向滑塊18向上拉起的方向旋轉(zhuǎn)，靠彈簧15的彈力將膜片壓塊16向上推壓。
其結(jié)果，由于膜片13向上方進行彈性復位而自閥座12b上離開，在閥座12b與膜片13之間形成環(huán)形的流體通路(節(jié)流孔)。
另外，本實施形式如圖2所示，使用50000脈沖/轉(zhuǎn)的步進電機作為脈沖電機14。而所使用的滾珠絲杠機構(gòu)19其螺距為0.5mm/轉(zhuǎn)。
其結(jié)果，每向脈沖電機14輸入一個脈沖可使膜片位移10nm，能夠以極高的精度控制節(jié)流孔的開度。另外，圖2中，20是聯(lián)軸器，21是軸承，22是滾珠絲杠機構(gòu)的主軸。
上述質(zhì)量流計9是用來測量可變節(jié)流孔5的下游側(cè)的氣體流量Q的，并且輸出流量檢測信號Qx。
此外，上述真空室10、真空壓力計10a以及真空泵11等是構(gòu)成半導體制造裝置的部分，上述真空室10內(nèi)的壓力通常保持數(shù)torr程度的真空。
進行可變節(jié)流孔5的流量特性試驗時，首先輸入適當?shù)墓?jié)流孔控制信號Qz，將可變節(jié)流孔5的開度設定為既定值，然后向氣體入口8a供給壓力為6.0kg/cm2G的氮氣N2。之后，將壓力設定信號Qps設定為0～3(kgf/cm2abs)之間的適當值以控制壓力控制閥2開閉，同時用質(zhì)量流計9測量可變節(jié)流孔5的下游側(cè)的N2的流量。
另外，真空室10與前述相同，具有9.26l的容積，通過真空泵11保持在約1torr的真空度。
圖3表示在通過節(jié)流孔控制信號Qz使可變節(jié)流孔5的環(huán)形間隙(流體通路)面積與φ=0.14mm的圓孔形節(jié)流孔的截面積等價的情況下，上游側(cè)壓力(即壓力設定值Qps)與節(jié)流孔下游側(cè)的氣體流量Q(sccm)之間的關(guān)系。
這里的sccm表示換算為標準狀態(tài)時的流量cc/min。
圖4表示在改變節(jié)流孔控制信號Qz而使可變節(jié)流孔5的環(huán)形間隙的面積與φ=0.25mm的圓孔形節(jié)流孔的截面積等價的情況下，節(jié)流孔5上游側(cè)的壓力(即壓力設定值Qps)與節(jié)流孔下游側(cè)的氣體流量(sccm)之間的關(guān)系。
由圖3和圖4可知，當可變節(jié)流孔5下游側(cè)壓力P2為1torr≈133.3Pa時，可認為在可變節(jié)流孔上游側(cè)的壓力P1為0.5kgf/cm2abs以上的區(qū)域內(nèi)，流量Q與上游側(cè)壓力P1之間的關(guān)系大體為Q=KP1。
換言之，可知即使是前述圖2所示結(jié)構(gòu)的直接接觸型金屬隔膜閥的閥座與膜片之間的環(huán)形流體通路(間隙)，也具有與所謂固定式節(jié)流孔大體相等的壓力·流量控制特性。
圖5表示可變節(jié)流孔5的流量特性，即前述圖1的試驗裝置中，在可變節(jié)流孔5的上游側(cè)壓力P1保持在0.5kgf/cm2abs，下游側(cè)壓力P2保持在1torr真空度的狀態(tài)下，對可變節(jié)流孔5的工作行程L(膜片13的間隙長度)與節(jié)流孔下游側(cè)流量Q之間的關(guān)系進行測量的結(jié)果。
可以看出，在工作行程L為0～約0.12mm的范圍內(nèi)，行程L(mm)與流量Q(sccm)大致成線性的比例關(guān)系，且該關(guān)系能夠經(jīng)常性地再現(xiàn)。
圖6表示，可變節(jié)流孔5的行程L(mm)與將節(jié)流孔視為圓孔而從圖5的各流量值計算出的節(jié)流孔口徑φmm之間的關(guān)系曲線，可以看出，行程L(mm)與節(jié)流孔口徑φmm之間的關(guān)系為可經(jīng)常性再現(xiàn)的關(guān)系。
即，由上述圖5和圖6可知，由于可變節(jié)流孔5的行程L(mm)與流量Q(sccm)或行程L(mm)與節(jié)流孔口徑φ(mm)總是具有一定的對應關(guān)系，因此，可通過改變行程L(mm)而將可變節(jié)流孔的口徑φ(mm)或流量Q(sccm)準確地切換為所期望的值，可充分發(fā)揮作為可變節(jié)流孔的功能。
本發(fā)明是依據(jù)以上述圖2所示的直接接觸型金屬隔膜閥作為可變節(jié)流孔5時的壓力·流量特性試驗的結(jié)果而開發(fā)的，權(quán)利要求1的發(fā)明為一種壓力式流量控制裝置，由節(jié)流孔5；設置于節(jié)流孔5上游側(cè)的控制閥2；設置于控制閥2與節(jié)流孔5之間的壓力檢測器4；根據(jù)壓力檢測器4的檢測壓力P1以Q=KP1(其中K為常數(shù))計算流體的流量Q，同時以流量指令信號Qs與上述計算出的流量信號Q二者之差作為控制信號Qy而向上述控制閥2的驅(qū)動部13輸出的控制裝置7所構(gòu)成，并在將節(jié)流孔的上游側(cè)壓力P1與下游側(cè)壓力P2之比P2/P1保持在控制流體的臨界壓比以下的狀態(tài)下，通過上述控制閥2的開閉來調(diào)整節(jié)流孔上游側(cè)的壓力P1并對節(jié)流孔下游側(cè)的流量Q進行控制，而且在該裝置中，是以直接接觸型金屬隔膜閥作為上述節(jié)流孔5，將其閥座12b與膜片13之間的環(huán)形間隙作為可變節(jié)流孔5的。
權(quán)利要求2的發(fā)明為在權(quán)利要求1的發(fā)明中，可變節(jié)流孔5為通過脈沖電機型驅(qū)動部調(diào)節(jié)環(huán)形間隙的可變節(jié)流孔。
此外，權(quán)利要求3的發(fā)明為在權(quán)利要求1的發(fā)明中，可變節(jié)流孔5為通過壓電器件型驅(qū)動部調(diào)節(jié)環(huán)形間隙的可變節(jié)流孔5。
權(quán)利要求4的發(fā)明為在權(quán)利要求1的發(fā)明中，膜片13的工作行程L為0～0.12mm的范圍。
權(quán)利要求5的發(fā)明為在權(quán)利要求1的發(fā)明中，閥座12b與膜片13之間的環(huán)形間隙(流體通路)的面積與直徑為0.14～0.25mm的圓孔的截面積相等。
權(quán)利要求6的發(fā)明為在權(quán)利要求2的發(fā)明中，脈沖電機型驅(qū)動部6由步進電機14和滾珠絲杠機構(gòu)19構(gòu)成。
附圖的簡要說明圖1是本發(fā)明中使用的可變節(jié)流孔(直接接觸型金屬隔膜閥)的流量控制試驗裝置的結(jié)構(gòu)圖。
圖2是本發(fā)明中使用的可變節(jié)流孔的縱向剖視圖。
圖3是以圖1的試驗裝置測得的壓力-流量測量值的一例。
圖4是以圖1的試驗裝置測得的壓力-流量測量值的另一例。
圖5表示可變節(jié)流孔的上游側(cè)壓力P1和下游側(cè)壓力P2為一定值時的膜片的行程L(mm)與流量Q(sccm)之間的關(guān)系。
圖6表示可變節(jié)流孔的上游側(cè)壓力P1和下游側(cè)壓力P2為一定值時的膜片的行程L(mm)與依據(jù)流量Q(sccm)計算出的節(jié)流孔口徑φ(mm)之間的關(guān)系。
圖7是本發(fā)明所涉及的壓力式流量控制裝置的結(jié)構(gòu)圖。
圖8是壓力控制閥的縱向剖視圖。
圖9是本發(fā)明實施例所涉及的可變節(jié)流孔之主要部分的縱向剖視圖。
圖10是圖9的局部放大圖。
圖11是現(xiàn)有的壓力式流量控制裝置的結(jié)構(gòu)圖。
編號的簡單說明1是壓力式流量控制裝置，2是壓力控制閥，3是控制閥驅(qū)動部，4是壓力檢測器，5是可變節(jié)流孔，6是節(jié)流孔驅(qū)動部，7是壓力控制裝置，7a是控制裝置，8a是氣體入口，8b是氣體出口，9是質(zhì)量流計(質(zhì)量流量計)，10是真空室，10a是真空計，11是真空泵，12是閥本體，12a是流體入口，12b是閥座，12c是閥室，12d是壓力檢測器安裝孔，12e是流體出口，13是金屬膜片，14是脈沖電機，15是彈簧，16是膜片壓塊，17是彈簧，18是導向滑塊，19是滾珠絲杠，20是聯(lián)軸器，22是主軸，QP1是壓力檢測信號，QPs是設定壓力信號，Qz是節(jié)流孔的控制信號，Qy是控制閥的控制信號，Qs是流量設定的信號，Qos是節(jié)流孔的開度設定信號。
實施發(fā)明的最佳方式下面，結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施形式進行說明。
圖7是本發(fā)明所涉及的壓力式流量控制裝置的結(jié)構(gòu)圖，圖7中，1是壓力式流量控制裝置，2是壓力控制閥，3是閥驅(qū)動部，4是壓力檢測器，5是可變節(jié)流孔，6是節(jié)流孔驅(qū)動部，7是控制裝置，8a是氣體入口，8b是氣體出口，10是真空室，10a是真空計，11是真空泵，Qy是控制閥的控制信號，Qp1是壓力檢測信號，Qz是節(jié)流孔的控制信號，Qs是流量設定信號，Qos是節(jié)流孔的開度設定信號。
圖7中，壓力控制閥2使用與前述特開平8-338546號的場合同樣的、圖8所示結(jié)構(gòu)的直接接觸型金屬隔膜閥。
此外，使用半導體應變檢測器作為壓力檢測器4，并將其插在壓力控制閥2的壓力檢測器安裝孔12d內(nèi)而固定。
并且，使用前述圖2所示的直接接觸型金屬隔膜閥及脈沖電機型驅(qū)動部作為可變節(jié)流孔5及其驅(qū)動部6。而該可變節(jié)流孔5及驅(qū)動部6的結(jié)構(gòu)與前述圖2的情況相同，在此將其說明予以省略。
而作為驅(qū)動部6，除了脈沖電機驅(qū)動部之外，也可以使用壓電器件型驅(qū)動部或螺線管型驅(qū)動部。
其次，對該壓力式流量控制裝置的動作進行說明。
首先，向控制裝置7輸入流量設定信號Qs和節(jié)流孔的開度設定信號Qos。
然后，當向氣體入口8a供給既定壓力P1的氣體時，與壓力檢測器4測出的上游側(cè)壓力P1相當?shù)膲毫z測信號Qp1輸入控制裝置7，在控制裝置7內(nèi)進行流量Q=KP的運算。
從控制裝置7輸出與上述流量設定信號Qs和計算出的流量Q二者之差相當?shù)目刂崎y的控制信號Qy，控制壓力控制閥2向使上述Qs與Q之差減小的方向開閉。
進而，在通過改變可變節(jié)流孔5的口徑來改變流量控制范圍的情況下，改變節(jié)流孔的開度信號Qos的設定。由此，節(jié)流孔的控制信號Qz發(fā)生變化，其結(jié)果，由節(jié)流孔驅(qū)動部6使膜片13的工作行程L改變，節(jié)流孔的口徑φ(mm)改變。
另外，圖7的實施形式中未對工作行程L進行所謂的反饋控制，但是顯然也可通過對節(jié)流孔驅(qū)動部6的工作行程L進行檢測并將該檢測值向控制裝置7反饋，從而對行程L實施反饋控制。
另外，圖7的實施形式中，如圖11所示的現(xiàn)有的壓力式流量控制裝置那樣，沒有設置基于氣體溫度的補償電路以及在節(jié)流孔5的下游側(cè)壓力P2升高而P2/P1的值接近臨界值時(或達到臨界值以上時)報警的報警電路或令氣體的供給停止的電路，但顯然也可以設置這些電路。
并且，圖7的控制裝置7中，當然地設置有使流量Q的計算值Q=KP1與圖3或圖4等的壓力-流量曲線相吻合的補償電路和進行這種補償所必需的數(shù)據(jù)存儲裝置。
實施例圖9表示構(gòu)成本發(fā)明中使用的可變節(jié)流孔5的直接接觸型金屬隔膜閥的閥本體12的主要部分，圖10是圖9中B部分的局部放大圖。
將閥本體12中設置的閥室12c的內(nèi)徑φ1設定為15mm，將流體流入通路的內(nèi)徑φ2設定為0.4mm，并且，將閥座12b的外徑設定為3mmφ，將流體流出通路的內(nèi)徑設定為2.5mmφ。
發(fā)明的效果本發(fā)明的構(gòu)成是，作為壓力式流量控制裝置的可變節(jié)流孔使用直接接觸型金屬隔膜閥，流量控制范圍的切換是通過改變膜片的工作行程來實現(xiàn)。
其結(jié)果，例如，與現(xiàn)有的使用針式可變節(jié)流孔的情況相比，不僅節(jié)流孔的結(jié)構(gòu)得以簡化，而且流體通路內(nèi)完全沒有部件的機械滑動部，可認為幾乎不產(chǎn)生塵埃。
此外，由于使用直接接觸型金屬隔膜閥作為可變節(jié)流孔，因此，流體流路內(nèi)的盲區(qū)可大幅度減少，同時在流體流路內(nèi)不存在產(chǎn)生氣體嚙入的間隙。其結(jié)果，可使氣體的置換性大幅度提高。
并且，能夠通過改變膜片的工作行程而簡單且準確地改變節(jié)流孔的口徑(即流量范圍的改變)。其結(jié)果，與現(xiàn)有的更換口徑不同的節(jié)流孔的情況相比，壓力流量控制裝置的控制性大幅度提高。如上所述，本發(fā)明作為象半導體制造裝置的氣體供給系統(tǒng)那樣處理超高純度氣體的壓力式流量控制裝置，特別具有優(yōu)異的實用效果。
權(quán)利要求
1．一種壓力式流量控制裝置，由節(jié)流孔；設于節(jié)流孔上游側(cè)的控制閥；設置于控制閥與節(jié)流孔之間的壓力檢測器；根據(jù)壓力檢測器的檢測壓力P1以Qc=KP1(其中K為常數(shù))計算流體的流量，同時以流量指令信號Qs與上述計算出的流量信號Qc二者之差作為控制信號Qy向上述控制閥的驅(qū)動部輸出的控制裝置所構(gòu)成，在將節(jié)流孔的上游側(cè)壓力P1與下游側(cè)壓力P2之比P2/P1保持在控制流體的臨界壓比以下的狀態(tài)下，通過上述控制閥的開閉來調(diào)整節(jié)流孔上游側(cè)的壓力P1并對節(jié)流孔下游側(cè)的流量Q進行控制，其特征是上述節(jié)流孔為直接接觸型金屬隔膜閥，以其閥座與膜片之間的環(huán)形間隙作為可變節(jié)流孔。
2．如權(quán)利要求1所述的壓力式流量控制裝置，上述可變節(jié)流孔為通過脈沖電機型驅(qū)動部調(diào)節(jié)環(huán)形間隙的可變節(jié)流孔。
3．如權(quán)利要求1所述的壓力式流量控制裝置，上述可變節(jié)流孔為通過壓電器件型驅(qū)動部調(diào)節(jié)環(huán)形間隙的可變節(jié)流孔5。
4．如權(quán)利要求1所述的壓力式流量控制裝置，上述膜片的工作行程L為0～0.12mm的范圍。
5．如權(quán)利要求1所述的壓力式流量控制裝置，上述閥座與膜片之間的環(huán)形間隙(流體通路)的面積與直徑為0.14～0.25mm的圓孔的截面積相等。
6．如權(quán)利要求2所述的壓力式流量控制裝置，上述脈沖電機型驅(qū)動部由步進電機和滾珠絲杠機構(gòu)構(gòu)成。
全文摘要
一種在半導體制造裝置的氣體供給系統(tǒng)中使用的壓力式流量控制裝置,節(jié)流孔口徑為可變型,可簡單地改變流體的流量控制范圍,同時可使壓力式流量控制裝置小型化和提高氣體置換性,并提高防止產(chǎn)生塵埃的性能以及降低制造成本等。具體地說,作為一種由節(jié)流孔;設置于節(jié)流孔上游側(cè)的控制閥;設置于控制閥與節(jié)流孔之間的壓力檢測器;根據(jù)壓力檢測器的檢測壓力P
文檔編號F16K17/22GK1236449SQ98801151
公開日1999年11月24日 申請日期1998年8月13日 優(yōu)先權(quán)日1997年8月15日
發(fā)明者大見忠弘, 加賀爪哲, 杉山一彥, 土肥亮介, 宇野富雄, 西野功二, 福田浩幸, 池田信一, 山路道雄 申請人:株式會社富士金, 大見忠弘, 東京毅力科創(chuàng)株式會社