TWI405059B - Automatic pressure regulator for thermal mass flow regulators - Google Patents

Description

熱式質量流量調整器用之自動壓力調整器

本發明係關於一種供給氣體至半導體製造用之真空室等的氣體供給裝置之流量調整器用自動壓力調整器，且關於一種幾乎可完全防止在切換供給氣體流量時等發生於流量調整器之流量輸出的超越量之流量調整器用自動壓力調整器。

在半導體製造裝置等之氣體供給裝置中，習知以來有如第13圖所示，係於來自氣體供給源SG之氣體供給線設置壓力調整器R，且在該壓力調整器R之輸出側的氣體供給管路Lo設置複數個分歧管路La、Lb、Lc，並且在各分歧管路La、Lb、Lc設置：由調節器(regulator)1a、1b、1c、入口側壓力感測器2a、2b、2c、出口側壓力感測器3a、3b、3c及控制器4a、4b、4c所構成的自動壓力調整器5a、5b、5c；以及熱式質量流量調整器MFC₁ 、MFC₂ 、MFC₃ ，當各熱式質量流量調整器MFC₁ 、MFC₂ 、MFC₃ 之入口側壓力感測器2a、2b、2c與出口側壓力感測器3a、3b、3c之間的壓力差ΔP成為設定值之範圍外時，就透過控制器4a、4b、4c對調節器1a、1b、1c施予回授，且調整各調節器1a、1b、1c之出口側壓力以自動控制上述壓力差ΔP成為設定值之範圍內，藉此可將設定流量之氣體穩定地供給至各氣體使用對象6a、6b、6c。

又，在前述各控制器4a、4b、4c所進行的控制中係具備有所謂PID控制動作之特性，且為了使入口側壓力感測器2與出口側壓力感測器3之間的壓力差(偏差)ΔP，以更少的循環早期收斂成零，而具備有自動調整P控制動作、I控制動作及D控制動作之各控制動作量的自動調諧(auto tuning)功能。

上述第13圖所示的習知自動壓力調整器5a、5b、5c，係可以高精度來控制供給至作為氣體使用對象之真空室等的氣體流量，並且即使在使供給氣體流量產生變化的情況時，亦可較迅速地使氣體流量收斂成新的設定流量，而達成優異的實用功效。

但是，在該第13圖所示的自動壓力調整器5a、5b、5c中也殘留很多應解決的問題點。其中，應緊急解決的問題，係如下：將流量10~1000SCCM左右之氣體供給至真空室(10¹ ~10^-5 torr)之際，當因自動壓力調整器5a、5b、5c使氣體流斷斷續續時，則在開始供給氣體時會在熱式質量流量調整器MFC₁ 、MFC₂ 、MFC₃ 之出口側流量發生所謂超越量現象，對氣體種類之切換供給較激烈的成膜裝置等而言，會有對膜之緻密性或膜厚等帶來變動而難以進行均等膜質之成膜的問題。

(專利文獻1)日本特開平7-240375

(專利文獻2)日本特開2005-339439

本案發明之主要目的係在於提供一種流量調整器用自動壓力調整器，其消除習知自動壓力調整器5a、5b、5c之上述問題(即在切換氣體流量設定時，特別是在開始供給氣體時因控制器4a、4b、4c之控制特性或自動調節器1a、1b、1c之流量控制特性而在熱式質量流量調整器MFC發生所謂流量之超越量的現象)，且即使是小流量氣體之流量控制，也不會產生超越量而可以熱式質量流量調整器來進行高精度的流量控制。

本案發明人等，係首先使用手動壓力調整器40與熱式質量流量調整器17，形成第1圖所示的試驗裝置，且調查了手動壓力調整器40之流量響應特性。亦即，對手動壓力調整器40設定控制壓力之設定值Pst，且調查了當時熱式質量流量調整器17之流量輸出的階梯響應(step response)及穩定性。

另外，第1圖中，元件符號10為N₂ 氣體供給源，11為手動壓力調整器，12為過濾器，13為供給壓力檢測器，14為控制壓力檢測器，17為熱式質量流量調整器，18、19為閥，40為手動壓力調整器，21為真空泵浦。

前述N₂ 氣體供給源10係使用N₂ 填充容器，而手動壓力調整器11係使用ERSB-2069-WE(YUTAKA公司製)。又，手動壓力調整器40，係使用SQMICROHF502PUPG6010(Parker公司製)，進而熱式質量流量調整器17係使用FC-D98CT-BF(Aera公司製，F.S.50SCCM)。

具體而言，首先係連接各機器，構成第1圖之試驗裝置。其次，使真空泵浦21運轉以對熱式質量流量調整器17之二次側進行真空排氣。之後，接著分別將手動壓力調整器11之供給壓力設定在300kPaG，以及將手動壓力調整器40之控制壓力設定在280kPa abs. 。

然後，藉由數據記錄器(data logger)計測熱式質量流量調整器17之輸入側與輸出側之階梯響應，並且同樣地計測手動壓力調整器40之控制壓力。另外，熱式質量流量調整器17之輸出入側的階梯響應及手動壓力調整器40之控制壓力的計測，係使用NR-600(KEYENCE公司製)之數據記錄器。

第2圖係顯示上述試驗中之手動壓力調整器40的流量響應特性，且顯示手動壓力調整器40之控制壓力與熱式質量流量調整器17之輸出入側的階梯響應特性。

亦即，第2圖中，曲線A係顯示熱式質量流量調整器17之流量輸入的值(電壓值)，曲線B係顯示流量輸出的值(電壓值)，而在手動壓力調整器4的情況時，從放大部分C可明白，已了解到熱式質量流量調整器17上升時的超越量係極低至滿刻度(F.S.)流量之0.8%。又，在手動壓力調整器40的情況時，已了解到如曲線D所示當靜止時與動壓(動態壓力)時在控制壓力上會發生偏差，靜止時(流量0SCCM)之時與動壓時(流量50SCCM)之時的控制壓力之偏差差異，約為5kPa左右。

其次，針對將第1圖所示的手動壓力調整器40，置換成如第3圖所示之由壓力調整閥15及控制器16所構成之進行PID控制動作的自動壓力調整器20之情況，與上述第2圖時同樣地，調查了自動壓力調整器20之控制壓力與熱式質量流量調整器17之輸出入側的階梯響應特性。

另外，由於自動壓力調整器20係藉由控制器16進行PID控制動作的自動控制，所以其控制壓力之偏差最終會成為零。

第4圖係顯示其結果，藉由進行控制器16之PID控制動作，自動壓力調整器20之控制壓力，係如曲線D所示，可調整在毫無該偏差的方向。結果，熱式質量流量調整器17之流量輸出的值係成為如曲線B般，且從其放大部分C也可明白，已了解到會發生滿刻度(F.S.)流量之約7.8%左右的超越量。

亦即，已了解到將自動壓力調整器20之控制壓力，當作藉由控制器16進行附加了PID控制動作的自動回授控制，藉此在氣體流量上升時會因熱式質量流量調整器17之輸出值而發生更大的超越量。

本案發明係以如上述之所見為基礎而開發完成者，且構想藉由調整對自動壓力控制器20之壓力調整閥15進行回授控制的控制器16之控制特性，來防止氣體流量上升時發生於熱式質量流量調整器17之輸出的超越量，且基於該構想而針對多數的自動壓力調整器20，實施了壓力調整閥15與熱式質量流量調整器17之流量響應特性試驗。

本案發明係根據上述流量響應特性試驗結果而創作者，申請專利範圍第1項之發明，係提供一種供給至流量調整器的氣體供給壓力之自動壓力調整器20，前述自動壓力調整器20係由：壓力調整閥15、設置於壓力調整閥15之輸出側的控制壓力檢測器14、以及控制器16所構成，該控制器16係輸入有控制壓力檢測器14之檢測值P₂ 及控制壓力之設定值Pst，且藉由比例控制方式供給控制信號Q至壓力調整閥15之驅動部以進行閥之開啟度調整，並且本發明之基本構成係將前述比例控制方式，當作在控制壓力上產生殘留偏差的比例動作之控制。

作為前述壓力調整閥15，較佳為使用壓電元件驅動型之金屬膜片閥。

作為前述流量調整器，較佳為供給氣體至真空室的流量調整器。

前述壓力調整閥15之控制壓力的範圍，較佳為-0.07MPaG~0.7MPaG，且熱式質量流量調整器17之最小定額流量，較佳為1SCCM。

前述比例控制方式，較佳係從可進行PID控制的狀態使積分控制動作無效，藉以當作在控制壓力上產生殘留偏壓的比例動作之控制。

本發明中，係將自動壓力調整器20之控制器的控制方式，當作藉由使積分動作無效而在控制壓力上產生殘留偏差的控制，且為防止在流量調整器之輸出側的響應特性發生超越量之構成。結果，即使在微小流量之氣體供給中，也可防止氣體流量之變更或供給氣體種類之切換時的超越量，且在半導體製造裝置等中可謀求製品品質之大幅提升，並且可提高製品良率。

以下，根據圖式說明本發明之實施形態。

第5圖係顯示本案發明之一實施形態。另外，該第5圖係只有在如下之點與前述第3圖之情況不同：將所使用的熱式質量流量調整器17，設為滿刻度(F.S.)流量為10SCCM及500SCCM之點；以及將控制器16，設為能夠選擇PID控制動作與藉由使積分動作無效而在控制壓力上產生殘留偏差的控制動作中之任一種控制動作之點。

另外，如週知般，PID控制動作，係一種使壓力調整閥15之控制壓力的控制偏差最終收斂成零之控制方式，而使積分動作無效的控制動作，係控制偏差不會成為零，且具有某一定的偏差(偏位：offset)而收斂的控制方式。

第6圖係構成本發明自動壓力控制器20的壓力調整閥15之剖面概要圖，而壓力調整閥15係使用所謂壓電驅動式金屬膜片閥型控制閥。亦即，該壓力調整閥15之主要部分係由：不銹鋼製之閥本體22；及金屬膜片閥體23；及壓緊接頭(adapter)24；及筒狀之壓電元件支撐筒體，其係於下端部設置有膜片壓件25，且具有以垂直狀插設於閥體23之孔部22a內的底壁；及配設於支撐筒體26之底壁上的圓形彈簧(disc spring)27；及對壓緊接頭24進行按壓的半體基座28；及將半體基座28之軸環部朝下方按壓藉以將半體基座28固定於閥本體22的筒體固定導向體29；及設置於支撐筒體26內的下部承接台30；及插設於支撐筒體26內的壓電元件31；及設置於壓電元件31之上端部的軸承32；以及配設於支撐筒體26之上方的定位材33等所構成。又，閥本體22係設置有檢測出口側(二次側)之控制壓力的計示壓力(gauge pressure)感測器34及保持閥本體22之氣密性的長墊片(long gasket)35，進而在閥本體22設置有流體入口36、流體出口37及洩漏檢查孔38等。

在沒有輸入驅動信號時，支撐筒體26會依彈簧27之彈力而朝下方按壓，夾介樹脂片製之膜片壓件25使閥體23朝閥座39側抵接，且閉鎖流體通路。又，當驅動信號輸入至壓電元件31時，壓電元件31會伸長，而下端部支撐於下部承接台30上的壓電元件31之上端會朝上方上升，且將支撐筒體26抵抗彈簧27之彈力而朝上方舉起。藉此，膜片壓件25也會朝上方移動使閥體23離開閥座39，藉此可使流體通路導通。

另外，由於該壓力調整閥15本身的主要構成係為公知，例如已被日本特開2003-120832等所公開，所以在此省略其詳細說明。

前述控制器16，係演算來自控制壓力檢測器14之檢測壓力P₂ 與壓力調整閥15之設定壓力Pst之間的偏差，且將與該偏差之大小成正比的控制信號Q供給至壓力調整閥15之驅動部(壓電元件31)，在此係使用控制器16，該控制器16係可將比例控制方式之控制動作，切換成藉由使積分動作無效而在控制壓力上產生殘留偏差的控制動作與PID控制動作。

第7圖係顯示在將第5圖中的熱式質量流量調整器17設為滿刻度(F.S.)為10SCCM，且將壓力調整閥15之控制壓力，藉由PID控制動作並透過控制器16控制在100kPa abs.的狀態之下，將熱式質量流量調整器17之流量設定切換成0-20-40-60-80-100%設定時的熱式質量流量調整器17之輸入值與輸出值。

從第7圖之放大部分C可明白，在壓力調整閥15之控制壓力D回復至設定值100kPa abs.時，可看到在熱式質量流量調整器17之輸出側的值發生擺動。另外，此現象已為發明人事先所預想到。

第8圖係顯示將第7圖中的熱式質量流量調整器17置換成滿刻度(F.S.)流量為500SCCM之情況時的測定值，且結果與第7圖的情況相同。

第9圖係顯示在與第7圖相同的條件下，將熱式質量流量調整器17之流量設定切換成0-100%的情況，且在熱式質量流量調整器17之輸出值發生擺動。

從第7圖至第9圖可明白，在使流量調整器用自動壓力調整器20以PID控制動作的比例控制方式動作時，無論是哪一種情況皆會在熱式質量流量調整器17之輸出值B發生擺動。

第10圖係顯示本案發明的流量調整器用自動壓力調整器20之響應特性的主要部分，且顯示在與前述第7圖相同的試驗條件下，將控制器16之控制動作，從PID控制動作切換成藉由使積分動作無效而在控制壓力上產生殘留偏差的控制動作時之試驗結果。

第10圖中，由於使積分動作無效，所以壓力調整閥15之控制壓力D，即使因流量切換而發生偏差，偏差也不會立即回到零。結果，在熱式質量流量調整器17之輸出值B不會發生擺動，且從試驗結果可明白，即使萬一發生擺動，相對於滿刻度(F.S.)流量之比例也會變得極小，且在實用上完全沒有產生不良影響之虞。

第11圖係顯示將前述第10圖中的熱式質量流量調整器17替換成滿刻度(F.S.)500SCCM的情況，且與第10圖的情況相同，在熱式質量流量調整器17之輸出值B幾乎沒有產生擺動。亦即，如範圍C所示，由於壓力調整閥15之控制壓力沒有回復至切換前之值，所以在熱式質量流量調整器17之輸出值不會發生擺動。

第12圖係顯示將前述第9圖中的PID控制動作，切換成使積分動作無效的控制動作之情況，且顯示即使在將氣體流量切換成0-100%的情況，在熱式質量流量調整器17之輸出值幾乎不會發生擺動。

上述各實施例中，雖係將熱式質量流量調整器17之滿刻度(F.S.)流量設為10SCCM或500SCCM，但是即使是1SCCM左右之滿刻度(F.S.)流量也可獲得相同的流量特性。關於壓力調整器15之控制壓力也是同樣，上述各實施例中雖是設為100kPa abs.，但是即使是-0.07MPaG~0.7MPaG，也可獲得相同的流量特性。

(產業上可利用性)

本發明的流量調整器用自動壓力調整器，不僅可應用於半導體製造領域，也可廣泛地應用於化學品製造領域或藥品製造領域等之使用流量調整器的氣體供給裝置中，即便是微流量的氣體供給，由於當氣體流量之變動或供給氣體種類之切換時不會在流量調整器之輸出側發生超越量，所以可進行高精度的氣體流量控制。

A．．．熱式質量流量調整器(MFC)之輸入值

B．．．熱式質量流量調整器(MFC)之輸出值

C．．．放大部分

D．．．壓力調整閥之控制壓力

P_ST ．．．控制壓力之設定值

10N₂ ．．．氣體

11．．．壓力調整器

12．．．過濾器

13．．．供給壓力檢測器

14．．．控制壓力檢測器

15．．．壓力調整閥(調節器)

16．．．控制器

17．．．熱式質量流量調整器

18、19．．．閥

20．．．流量調整器用自動壓力調整器(自動調節器)

21．．．真空泵浦

22．．．閥本體

22a．．．閥本體之孔部

23．．．膜片閥體

24．．．壓緊接頭

25．．．膜片壓件

26．．．壓電元件支撐筒體

27．．．圓形彈簧

28．．．半體基座

29．．．筒體固定導向體

30．．．下部承接台

31．．．壓電元件

32．．．軸承

33．．．定位材

34．．．計示壓力感測器

35．．．長墊片

36．．．流體入口

37．．．流體出口

38．．．洩漏檢查孔

39．．．閥座

40．．．手動壓力調整器

第1圖係使用手動壓力調整器的熱式質量流量調整器之流量響應特性測定裝置的說明圖。

第2圖係顯示使用第1圖之流量響應特性測定裝置時的熱式質量流量調整器之流量響應特性的曲線圖。

第3圖係使用自動壓力調整器的熱式質量流量調整器之流量響應特性測定裝置的說明圖。

第4圖係顯示第3圖之流量響應特性測定裝置的自動壓力調整器在進行PID控制動作時的熱式質量流量調整器之流量響應特性的曲線圖。

第5圖係顯示本發明流量調整器用自動壓力調整器之構成的系統圖。

第6圖係本發明所使用的壓力調整閥之剖面概要圖。

第7圖係顯示本發明流量調整器用自動壓力調整器之控制器在進行PID控制動作時的熱式質量流量調整器(10SCCM)之流量響應特性之一例的示意圖。

第8圖係顯示本發明流量調整器用自動壓力調整器之控制器在進行PID控制動作時的熱式質量流量調整器(500SCCM)之流量響應特性之一例的示意圖。

第9圖係顯示與第7圖同樣的流量響應特性之另一例的示意圖。

第10圖係顯示本發明流量調整器用自動壓力調整器之控制器在進行使積分動作無效之控制動作時的熱式質量流量調整器(10SCCM)之流量響應特性之一例的示意圖。

第11圖係顯示本發明流量調整器用自動壓力調整器之控制器在進行使積分動作無效之控制動作時的熱式質量流量調整器(500SCCM)之流量響應特性之一例的示意圖。

第12圖係顯示與第10圖同樣的流量響應特性之另一例的示意圖。

第13圖係顯示習知熱式質量流量調整器用之自動壓力調整器之一例的說明圖。

Pst．．．控制壓力之設定值

Q．．．控制信號

10．．．N₂ 氣體

11．．．壓力調整器

12．．．過濾器

13．．．供給壓力檢測器

14．．．控制壓力檢測器

15．．．壓力調整閥(調節器)

16．．．控制器

17．．．熱式質量流量調整器

18、19．．．閥

20．．．流量調整器用自動壓力調整器(自動調節器)

21．．．真空泵浦

Claims (3)

1. 一種熱式質量流量調整器用之自動壓力調整器，係供給至熱式質量流量調整器(17)的氣體之自動壓力調整器(20)，其特徵在於：前述自動壓力調整器(20)係由：壓力調整閥(15)、設置於壓力調整閥(15)之輸出側的控制壓力檢測器(14)、以及控制器(16)所構成，該控制器(16)係輸入有控制壓力檢測器(14)之檢測值(P₂ )及控制壓力之設定值(Pst)，且藉由比例控制方式供給控制信號(Q)至前述壓力調整閥(15)之驅動部以進行閥之開啟度調整，並且將前述比例控制方式，當作在控制壓力(D)上產生殘留偏差的比例動作之控制。
2. 如申請專利範圍第1項所記載的熱式質量流量調整器用之自動壓力調整器，其中，將壓力調整閥(15)之控制壓力的範圍設為-0.07MPaG~0.7MPaG，並且將熱式質量流量調整器(17)之最小定額流量設為1(SCCM)。
3. 如申請專利範圍第1項所記載的熱式質量流量調整器用之自動壓力調整器，其中，比例控制方式，從可進行PID控制的狀態使積分控制動作無效，藉以當作在控制壓力(D)上產生殘留偏壓的比例動作之控制。