JP2009543247A - 流量制御装置 - Google Patents

Abstract

導管１０を通過する流体の流れを制御する流量制御装置は、流体の流れに対して抵抗を発生させるウェッジ１２と、前記導管１０の上流側と下流側にそれぞれ配置され、前記導管の上流側における流入圧力と前記導管の下流側における流出圧力とをそれぞれ検出する圧力センサー２０−１，２０−２と、前記流入圧力と前記流出圧力との間の差圧に対応する流量を検出し、検出流量を設定流量と比較して、前記検出流量と前記設定流量との間の偏差によって計算された開度率で前記導管１０の流出側開度率を調節する流量制御部２２と、前記流量制御部によって調節された開度率を正確に一致させるために前記差圧の不正確な増加を感知する誤謬感知部２８とを含む。
【選択図】図５

Description

本発明は、流体の差圧により開度率を調整して供給される流体の流量を調整する流量制御装置{FLOW RATE CONTROLLING APPARATUS}に関するものであって、更に詳しくは、流量制御をリアルタイムでモニターリングして流体の非正常的な供給を遮断する流量制御装置及び流量制御装置の制御方法に関するものである。

一般的に、従来技術分野で周知なように、流体が供給される導管は、製造レシピ(recipe)などによって製造装置側に供給される流体の流量をリアルタイムで調整する流量制御装置が備えられる。

図１は、従来の流量制御装置の概略構成を示している。

図１に示したように、流体が内部を通って流れる導管１０上には、流体の流れに対して抵抗を発生させ、その両側に差圧が発生するようにするＶ字状のウェッジ(wedge)１２を含む。
ここで、ウェッジは、流路の断面積を一部遮断し、それを基準にして流体が流入される上流側(図面の左側)と流体が流出される下流側(図面の右側)との間に差圧が発生するようにする差圧発生要素として作用し、この際に発生する差圧は、流体の流量に比例する。

なお、差圧発生要素としては、例えば、オリフィス(orifice)、多孔性フィルター(filter)、ノズル(nozzle)、毛細管などが用いられる。

そして、前述したウェッジ1２によって発生する差圧を検出するために、ウェッジ１２から一定距離が隔てられた導管１０の上流側と下流側には、それぞれ該当位置の流体圧力を検出する圧力センサー２０−１、２０−２が備えられる。
これと異なって、一対の圧力センサー２０−１、２０−２の代わりに、一つの差圧計が用いられることもある。この場合には、導管１０の上流側と下流側の特定位置に連通するように連結される分岐導管１０上に一つの差圧計が備えられ、当該差圧計が両側から加わる相違した圧力を対比し、直接に差圧を検出する。

また、圧力センサー２０−１、２０−２に電気的に連結される流量制御部２２が備えられ、この流量制御部２２は、それぞれの圧力センサー２０−１、２０−２から伝送される流入側圧力Ｐ１と流出側圧力Ｐ２を用いて、その差異Ｐ１−Ｐ２に該当する差圧△Ｐを算出し、また、当該差圧△Ｐを用いて、現在流れている流体の流量を算出する。

更に、流出側圧力センサー２０−２より更に下流側の導管１０上には、当該導管１０内の流路断面積（即ち、開度率）を調整して供給される流体の流量を最終的に調整する弁２６が備えられる。弁２６は、その作動のための駆動力を提供する駆動モータ２４に連結されている。駆動モータ２４と異なって、弁２６の動作を制御するソレノイド(solenoid)、アクチュエーター（actuator）などが用いられることがあり、これらの弁制御要素は、それぞれ、上述した流量制御部２２の作動制御を受ける。

以上のような構成を有する流量制御装置の動作は、図２を参照すると、次のようである。

流体は、所定圧力で導管１０内を上流側（流入側）から下流側（流出側）に流れて供給される。この過程において、流体はウェッジ１２を通過するとともに流れ抵抗を受け、その流入側と流出側で圧力変化が発生する。即ち、流体は流路の断面積が急に狭くなるウェッジ１２を通過するとともにその圧力が降下し、流入側と流出側の間に圧力差が発生する。

従って、流入側と流出側に備えられている圧力センサー２０−１、２０−２が、それぞれ流入側圧力Ｐ１と流出側圧力Ｐ２を検出して流量制御部２２に伝送すると、流量制御部２２は、伝送された二つの圧力Ｐ１，Ｐ２からその差異Ｐ１−Ｐ２に該当する差圧△Ｐを算出し、続いて、算出された該当差圧△Ｐを用いて、ベルヌーイ法則と質量保存の法則に基づく計算式により、現在流れている流体の流量を算出する。

そして、流量制御部２２は、検出流量と設定流量（または、基準流量）とを比較し、その差異に該当する流量偏差を求める。その後、このように求めた流量偏差が零（０）となるようにするための演算開度率を求めた後、当該演算開度率に相応する駆動制御信号を開口駆動手段２４側に送出し、駆動モータ開口調節手段２６が開閉されるようにする。従って、導管１０の後端側の流路開口程度が変更され、結局、目標とする設定流量に実際流量が調整される。

以上のような流量制御装置において、導管１０の両側端部にはフランジ(flange)の構造を有するジョイント(joint)部が形成され、他の導管と連結されるように構成することもできる。

しかし、上述したような従来の流量制御装置においては、次のような問題がある。

即ち、流体内に含有されている異物質がウェッジ１２側に付着して、部分的な膜力を更に誘発するか、流体内に含有されている粒子などの衝突などによってウェッジ１２が変形されて流路を更に遮断する場合、該当ウェッジ１２による流れ抵抗は更に大きくなり、検出される流体の差圧△Ｐは増加し、従って、流量制御部２２は増加された検出差圧△Ｐに比例して実際流量が増加されたと判断し、駆動モーター２４とその制御下の弁２６によって後端側流路が更に閉鎖される。

図３に示したように、流量制御部２２による開度率は、正常操作の開度率と比べて著しく低いことが観測された。

しかし、このようにウェッジ１２側に部分的な詰まりなどが発生する場合は、実際はそれを通過する流体の流量が減少するが、このように検出差圧△Ｐのみを用いて実際流量が増加したと間違って判断し、更に後端側の流路を閉鎖させることによって、結果的に流体が製造装置側に円滑に供給されなくなるという問題が発生する。

その一例として、半導体製造装置の一つであるＣＭＰ(Chemical-Mechanical Polisher)で、半導体素子であるウエハー(wafer)に対して研磨工程を進行する際に、研磨剤として、研磨用粒子を含有するスラリー(slurry)を用いることになり、このようなスラリーは前述した流体供給システムを通して供給されるが、以上のように当該流体供給システムに備えられている流体制御装置で、必然的に部分詰まりが発生すると、結局、当該スラリーがＣＭＰ側に円滑に供給されなくなり、多くの枚数のウエハーに対する工程不良が発生し、非常に深刻な損失を招く。

因みに、図３のグラフから分かるように、部分詰まりが発生する場合は、流量制御部２２による制御開度率が正常時の開度率と比べて著しく低下したことが確認できる。

本発明は、従って、部分詰まりに起因した開度率制御上の誤謬が発生するのをリアルタイムで感知し、流体の非正常的な供給を事前に遮断する流量制御装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面によると、導管と通過する流体の流れを制御する流量制御装置であって、流体の流れに対して抵抗を発生させる手段と、前記導管の上流側と下流側にそれぞれ配置され、前記導管の上流側における流入圧力Ｐ１と前記導管の下流側における流出圧力Ｐ２とをそれぞれ検出する手段と、前記流入圧力Ｐ１と前記流出圧力Ｐ２との間の差圧△Ｐに対応する流量を検出し、検出流量を設定流量と比較して、前記検出流量と前記設定流量との間の流量偏差によって計算された開度率で前記導管の流出側開度率を調節する流量制御部と、前記流量制御部によって調節された開度率を正確に一致させるために前記差圧の不正確な増加を感知する誤謬感知部とを含む流量制御装置を提供する。

本発明の他の側面によると、導管を通過する流体の流れを制御する流量制御方法であって、前記導管の流入側圧力と流出側圧力とを圧力センサーで検出し、これらの圧力間の差圧を算出する工程と、前記差圧に相応する検出流量を算出する工程と、前記算出された検出流量と設定流量の流量偏差を算出する工程と、前記流量偏差に相応する計算された開度率によって前記導管の弁を制御する工程と、
前記設定流量に対する正常的な正常開度率と前記計算された開度率との間の差異が設定範囲内にあるか否かを判断する工程と、前記開度率間の差異が前記設定範囲から外れると、流量制御部によって調節された開度率を調整する工程とを含む流量制御装置の制御方法を提供する。

本発明によると、ウェッジなどで部分詰まりなどが発生したとき、流量制御部における開度率の調整が間違って実施されるのを防止することができるため、当該流体の供給を受けて用いる製造装置側で製品不良を招くことを防止し、生産効率を向上させるという効果が達成される。

従来の流量制御装置を示す概略図である。 図1に示した従来の流量制御装置に対するブロック図である。 従来の流量制御装置においてウェッジ側の部分詰まり発生時の問題を説明するグラフである。 本発明による流量制御装置を示す概略図である。 図４に示した本発明による流量制御装置に対するブロック図である。

本発明の前記目的と様々な利点は、この技術分野の熟練者によって、添付された図面を参照し、発明の好適な実施例から更に明確になる。
以下、添付された図面に基づいて本発明の好ましい実施例を詳細に説明する。参考に、図面で同一な構成要素は同一な図面符号を使用する。

図４は、本発明による流量制御装置を示す概略図であり、図５は、それに対するブロック図である。

図４に示したように、本発明による流量制御装置は、導管１０内の流体の流れに対して抵抗を発生させるウェッジ１２と、ウェッジ１２から上流側と下流側の導管１０にそれぞれ離隔設置され、上流側と下流側の圧力を検出する圧力センサー２０−１，２０−２と、導管１０内のウェッジ１２を挟んで２つの圧力センサー２０−１，２０−２から検出された流量偏差を求め、該当流量偏差を無くす方向に駆動モーター２４を作動制御し、当該駆動モーター２４に連結された弁２６の開閉によって導管１０後端側の流路開度率を調整する流量制御部２２とを含む。

流量制御装置では、流体に含有されている粒子がウェッジ１２側に付着されて部分詰まりを発生させるか、ウェッジ１２と衝突してウェッジを変形させることにより、流路を更に遮断する現状が発生することがある。
このような場合、流体の差圧△Ｐを増加させる流体に対する抵抗が更に増加する。
従って、流量制御部２２は、増加された差圧△Ｐに比例して実際流量が増加したと間違って判断し、弁２６が閉鎖されるように弁を制御する。その結果、流体は製造装置側に円滑に供給されなくなる。

これを防止するために、本発明は、流量制御部２２に電気的に連結される別途誤謬感知部２８を更に含む。
誤謬感知部２８は、流量制御部２２を継続的にリアルタイムで監視し、上記のように流量制御部２２が開度率制御を間違って行うような場合を感知し、深刻な問題状況が発生しないように管理者などに警告音を通じて状況を知らせる。

このために、誤謬感知部２８は、その演算のためのデータとして、ユーザーによって入力されるか、製造工程のシステムから伝送されて入力される設定流量（または、基準流量）を獲得し、また、流量制御部２２から流入側圧力Ｐ₁、検出流量、演算開度率の伝送を受けて獲得する。
他の例として、設定流量は、流量制御部２２によって得られたように流量制御部２２から直接獲得されることもできる。

流量制御部２２から獲得する検出流量は、流量制御部２２が検出差圧△Ｐから算出した流体の流量を意味する。

そして、流量制御部２２から獲得する演算開度率とは、流量制御部２２が検出流量と設定流量の差異に該当する流量偏差をなくすために駆動モーター２４の作動制御に使用する制御信号の値のことを意味する。

従って、誤謬感知部２８は、リアルタイムで獲得される設定流量、流入側圧力Ｐ１及び検出流量を用いて、所定の計算式によって正常開度率を算出する。
その後、誤謬感知部２８は、算出された正常開度率と流量制御部２２から獲得した演算開度率とを比較し、これらの間の差異が設定範囲内にあるか否かを判断する。
この点において、設定範囲は圧力によって異なるように決定される。例えば、圧力が安定状態にあると、設定範囲は狭く（例えば、１０％範囲）設定され、圧力が不安定、または低い状態なら、設定範囲は逆に広くなる。

一方、警告音が動作異常を知らせるために発生することもあり、または電気的警告信号が動作異常の警告のために関連装置に送出されることもある。

正常開度率は、下記の式によって計算される。
正常開度率＝Ｋ＋Ｓ＋Ｂ
（ここで、Ｋは、設定流量の範囲による開度率常数、
Ｓは、検出流量の変動値／設定流量の変動値、
Ｂは、流入側圧力Ｐ１の変動に対する補正値である。）

この点において、前記補正値は、逆に圧力変動により開度率の変動を補償するのに使用され、そして、それぞれの区間に対する分離された値を有する。

この計算式によると、一定区間ごとに設定流量の開度率常数Ｋは、流量変化に対する流量変化率Ｓと圧力変化に対する補正値Ｂで増減が補償され、正常開度率の値をリアルタイムで得られるようになる。

一方、以上の計算式を使用せず、誤謬感知部２８は、図３のグラフに示した「正常」に該当する「設定流量に対する正常開度率の値」を前もってデータベースとして貯蔵しており、入力される設定流量に対する正常開度率をデータベースを用いて確認し、この正常開度率を流量制御部２２から伝送される演算開度率と比較して、互いに一定範囲内で不一致する場合、警告音を発生するといったように簡単に具現することもできる。

これにより、本発明によると、誤謬感知部２８が、外部にアラームまたはアラーム信号を発生することによって、ユーザーによるか、あるいは関連装置の後続作動により該当流体が製造装置側に間違った流量で供給されることが遮断されるようにするため、該当流体を用いる製造装置において製品不良ｋ発生を事前に防止することができる。

以上、前記した内容は本発明の好ましい一実施例をただ例示しただけで、本発明の当業者は本発明の要旨を変更することなく、本発明に対する修正や変更を加えることができる。

Claims (6)

1. 導管を通過する流体の流れを制御する流量制御装置であって、
   流体の流れに対して抵抗を発生させる手段と、
   前記導管の上流側と下流側にそれぞれ配置され、前記導管の上流側における流入圧力Ｐ１と前記導管の下流側における流出圧力Ｐ２をそれぞれ測定する手段と、
   前記流入圧力Ｐ１と前記流出圧力Ｐ２との間の差圧△Ｐに対応する流量値を測定し、前記測定された流量値を既設定された流量値と比較して、前記測定された流量値と前記既設定された流量値との間の流量偏差によって計算された開度率で前記導管の流出側開度率を調節する流量制御部と、
   前記流量制御部によって調節された開度率を正確に一致させるために前記差圧の不正確な増加を感知する誤謬感知部とを含む流量制御装置。
2. 既設定された流量に対する正常開度率を生成する手段と、
   前記正常開度率と前記計算された開度率とを比較する手段と、
   前記正常開度率と前記計算された開度率との間の差異が既設定された範囲内にあるか否かを判断する手段と、
   前記正常開度率と前記計算された開度率との間の差異が前記既設定された範囲から外れると、前記開度率を一致させるために前記流量制御部によって調節された開度率を補償する手段とを含むことを特徴とする請求項１に記載の流量制御装置。
3. 前記誤謬感知部は、前記流量制御部から前記流体の流入側圧力値と測定された流量値とを獲得し、前記正常開度率の演算に用いることを特徴とする請求項１に記載の流量制御装置。
4. 前記正常開度率は、下記の数式で規定されることを特徴とする請求項１に記載の流量制御装置。
   正常開度率＝Ｋ＋Ｓ＋Ｂ、
   （ここで、Ｋは、既設定された流量値の範囲による開度率常数、
   Ｓは、測定された流量値の変動値／既設定流量値の変動値、
   Ｂは、流入側圧力値の変動に対する補正値である。）
5. 導管を通過する流体の流れを制御する流量制御方法であって、
   前記導管の流入側圧力と流出側圧力とを圧力センサーで検出し、これらの圧力間の差圧を算出する工程と、
   前記差圧に相応する検出流量値を算出する工程と、
   前記算出された検出流量値と既設定された流量値との流量偏差を算出する工程と、
   前記流量偏差に相応する計算された開度率によって前記導管の弁を制御する工程と、
   前記既設定された流量値に対する正常的な正常開度率と前記計算された開度率との間の差異が既設定された範囲内にあるか否かを判断する工程と、
   前記開度率間の差異が前記既設定された範囲から外れると、流量制御部によって調節された開度率を調整する工程とを含む流量制御装置の制御方法。
6. 前記正常開度率は、下記の数式で規定されることを特徴とする請求項５に記載の流量制御方法。
   正常開度率＝Ｋ＋Ｓ＋Ｂ、
   （ここで、Ｋは、既設定された流量値の範囲による開度率常数、
   Ｓは、測定された流量値の変動値／既設定流量値の変動値、
   Ｂは、流入側圧力値の変動に対する補正値である。）