KR100739520B1

KR100739520B1 - 질량 유량 제어 장치

Info

Publication number: KR100739520B1
Application number: KR1020067002427A
Authority: KR
Inventors: 야스카즈 도쿠히사; 다카오 고토; 도루 마쓰오카; 시게히로 스즈키
Original assignee: 히타치 긴조쿠 가부시키가이샤
Priority date: 2004-02-03
Filing date: 2005-02-03
Publication date: 2007-07-13
Also published as: US8112182B2; US20070198131A1; JP4186831B2; WO2005076095A1; KR20060037425A; JP2005222173A

Abstract

유체가 흐르는 유로(6)는 질량 유량을 검출하여 유량 신호를 출력하는 질량 유량 검출 수단(8)과, 밸브 구동 신호에 의해 밸브 개방도를 변경시킴으로써 질량 유량을 제어하는 유량 제어 밸브 기구(10)를 구비하고, 외부로부터 입력되는 유량 설정 신호 S0와 유량 신호 S1에 따라 유량 제어 밸브 기구를 제어하는 제어 수단(44)을 설치하여 이루어지는 질량 유량 제어 장치에 있어서, 상기 유로에 유체의 압력을 검출하여 압력 검출 신호를 출력하는 압력 검출 수단(42)을 구비하고, 제어 수단은 압력 검출 신호로부터 얻어지는 압력 변화량에 따라, 제1 제어 모드(압력 검출 신호를 사용하지 않고 유량 신호와 유량 설정 신호에 따라 질량 유량의 제어를 행한다)와 제2 제어 모드(압력 검출 신호와 유량 신호와 유량 설정 신호에 따라 질량 유량의 제어를 행한다)를 선택적으로 전환시킨다.

유량, 압력 변동, 밸브, 계측, 제어,센서, 압전 소자, 임계치, 액츄에이터

Description

질량 유량 제어 장치{MASS FLOW CONTROL DEVICE}

본 발명은 가스 등 비교적 작은 유량 유체의 질량 유량을 계측·제어하는 질량 유량 제어 장치에 관한 것이다.

일반적으로 반도체 집적회로 등 반도체 제품 등을 제조하기 위해서는, 반도체 웨이퍼 등에 대하여, 예를 들면 CVD나 에칭(etching) 등이 반도체 제조 장치에서 반복적으로 행해지고, 그 때 미량의 처리 가스의 공급량을 정밀하게 제어할 필요가 있다. 그러므로, 예를 들면 매스 플로우 컨트롤러(mass flow controller)와 같은 질량 유량 제어 장치가 이용되고 있다(일본국 특개평 1-227016호, 일본국 특개평 4-366725호 및 일본국 특개평 4-366726호 참조).

먼저, 일반적인 질량 유량 제어 장치의 구성에 대하여, 도 11 및 도 12를 참조하여 설명한다. 도 11은 가스관에 설치된 종래의 질량 유량 제어 장치의 일례를 개략적으로 나타내고, 도 12는 질량 유량 제어 장치의 유량 검출 수단의 회로를 나타낸다. 질량 유량 제어 장치(2)는 액체나 기체 등의 유체를 흐르게 하는 유체 통로(예를 들면 가스관(4))의 중간에 설치되어 있다. 가스관(4)의 일단에 접속된 반도체 제조 장치의 내부는 진공 흡인되어 있다. 질량 유량 제어 장치(2)는 예를 들면, 스테인레스 스틸 등에 의해 형성된 유로(6)를 가지고, 유로(6)의 양단은 가스 관(4)에 접속되어 있다. 질량 유량 제어 장치(2)는 유로(6)의 전단 측에 위치하는 질량 유량 검출 수단(8)과 후단 측에 위치하는 유량 제어 밸브 기구(10)에 의하여 이루어진다.

질량 유량 검출 수단(8)은 유로(6)의 상류 측에 설치된 복수개의 하이패스 관(12)을 가진다. 하이패스 관(12)의 양단에는, 하이패스 관(12)으로부터 소량의 가스를 일정한 비율로 흐르게 하는 센서 관(14)이 접속되어 있다. 즉, 센서 관(14)에는 항상 전체 유량에 대한 소정 비율의 가스가 흐른다. 센서 관(14)에는 직렬로 접속 된 한쌍의 제어용 저항선 R1, R4가 권취되어 있고, 저항선 R1, R4에 접속된 센서 회로(16)에 의해 질량 유량 신호 S1이 출력된다.

질량 유량 신호 S1은, 예를 들면 마이크로 컴퓨터 등으로 이루어지는 제어 수단(18)에 입력되어 질량 유량 신호 S1에 따라 현재 흐르고 있는 가스의 질량 유량(현재 질량 유량)이 구해지고, 또한 현재 질량 유량이 외부로부터 입력되는 유량 설정 신호 S0의 질량 유량과 일치하도록 유량 제어 밸브 기구(10)가 제어된다. 유량 제어 밸브 기구(10)는 유로(6)의 하류 측에 설치된 유량 제어 밸브(20)를 가지고, 유량 제어 밸브(20)는 가스의 질량 유량을 직접적으로 제어하는 밸브체로서, 예를 들면 굴곡 가능한 금속판으로 이루어지는 다이어프램(22; diaphragm)을 가진다.

다이어프램(22)을 밸브구(24) 측에 적절하게 굴곡 및 변형시킴으로써, 밸브구(24)의 밸브 개방도를 임의로 제어할 수 있다. 밸브 개방도의 조정을 위해, 다이어프램(22)의 상면은, 예를 들면 적층 압전 소자(piezoelectric element)로 이루 어지는 액츄에이터(26; actuator)의 하단부에 접속되어 있다. 상기 액츄에이터(26) 전체는 케이스(27)에 수납되어 있다. 상기 액츄에이터(26)는 제어 수단(18)으로부터 구동 신호를 받아 밸브 구동 회로(28)가 출력하는 밸브 구동 전압 S4에 의해 작동된다. 액츄에이터(26)로서 적층 압전 소자 대신 전자식 액츄에이터를 사용할 수도 있다.

도 12는 저항선 R1, R4와 센서 회로(16)의 관계를 나타낸다. 직렬 접속된 저항선 R1, R4에, 직렬 접속된 기준 저항 R2, R3가 병렬 접속되어, 이른바 브리지 회로(bridge circuit)를 형성하고 있다. 상기 브리지 회로에, 일정한 전류를 흐르게 하는 정전류원(30)이 접속되어 있다. 저항선 R1 및 R4의 접속점과 기준 저항 R2 및 R3의 접속점은 차동 회로(32)의 입력에 접속되어 있고, 상기 차동 회로(32)는 양 접속점의 전위차를 유량 신호 S1으로서 출력한다.

저항선 R1, R4는 온도에 따라 저항값이 변화되는 재료로 형성되고, 센서 관(14)은 상류 측에서 저항선 R1에 권취되고 하류 측에서 저항선 R4에 권취되어 있다. 기준 저항 R2, R3는 대략 일정한 온도로 유지되고 있다.

이와 같이 구성된 질량 유량 제어 장치(2)에서, 센서 관(14)에 가스가 흐르지 않는 경우, 양 저항선 R1, R4의 온도는 동일하므로, 브리지 회로는 평형하고 차동 회로(32)의 출력인 전위차는 0(제로)가 된다. 센서 관(14)에 가스가 질량 유량 Q가 흐르는 경우, 가스는 상류 측의 저항선 R1의 발열에 의해 데워져서 하류 측의 저항선 R4의 위치까지 흐르므로, 열의 이동이 생긴다. 그 결과, 저항선 R1 및 R4의 사이에 온도차, 즉 저항값의 차가 생긴다. 이 때 발생하는 전위차는 가스의 질 량 유량 Q와 대략 비례한다. 따라서, 유량 신호 S1에 소정의 게인(gain)을 걸면, 그 때에 흐르고 있는 가스의 질량 유량을 구할 수 있다. 검출된 가스의 질량 유량이 유량 설정 신호 S0의 질량 유량과 일치하도록, 유량 제어 밸브(20)의 밸브 개방도가 제어된다.

일반적인 반도체 제조 장치에서는 가스관(4)은 각종 가스에 의하여 공용되는 경우가 있고, 그러한 경우에는 가스관(4)이 분기되어, 다른 가스는 도중에 합류된다. 다른 가스의 공급 개시 또는 정지 등의 유량 변동에 따라 압력 변동이 발생하고, 상기 압력 변동이 가스관(4) 내로 전달되어 질량 유량 제어 장치(2)에 도달하고, 질량 유량의 제어에 악영향을 끼치는 경우가 있다. 또 압력 변동은 다른 요인에 의해서도 발생하여, 질량 유량의 제어성을 열화시키는 경우가 있다.

일본국 실개평 7-49525호, 일본국 특개평 10-268942호 및 일본국 특개 2000-137527호에는, 유체 출구 측이나 하류 측에 설치된 음속 노즐에, 하류 측에서 발생한 압력 변동을 흡수시키는 구조를 가지는 질량 유량 제어 장치가 제안되고 있다.

또 일본국 특표 2003-504888호, 일본국 특개평 10-207554호 및 일본국 특개평 11-259140호에는, 가스류의 압력을 검출하는 압력 센서를 설치하여 가스압에 따라 각종 처리를 행하는 것이 제안되고 있다.

그러나, 일본국 실개평 7-49525호의 질량 유량 제어기에서는, 가스원 등이 접속되어 있는 상류 측에서 압력 변동이 생긴 경우, 압력 변동은 압력 손실이 거의 없는 질량 유량 센서에 직접 도달하고, 질량 유량의 제어성에 악영향을 끼치는 경우가 있다. 또, 일본국 특개평 10-268942호 및 일본국 특개 2000-137527호의 질량 유량 제어 장치에서는, 노즐로부터 상류 측의 압력이 하류 측의 압력의 2배 이상인 음속 노즐 상태를 만족시키는 영역에서만 압력 변동을 흡수할 수 있지만, 음속 노즐 상태를 만족시키지 않는 영역에서는 질량 유량을 제어조차 할 수 없다.

도 11에 나타낸 바와 같이, 압력 손실이 없는 질량 유량 검출 수단(8)을 상류 측에 배치한 구조의 질량 유량 제어 장치(2)의 경우, 질량 유량 제어 장치(2)로부터 상류 측의 가스관(4)에 압력 변동이 없는 가스류를 형성하는 조절기(regulator)를 설치하여야 하므로, 그 만큼 설비 비용이 상승하게 된다. 또 일본국 특표 2003-504888호, 일본국 특개평 10-207554호 및 일본국 특개평 11-259140호에는, 검출된 가스압의 처리 방법을 구체적으로 기재하고 있지 않고, 압력 변동에 대한 영향을 충분히 해소시킬 수 없다.

따라서 본 발명의 목적은, 압력 변동을 흡수할 수 있고, 질량 유량의 제어 성이 높은 질량 유량 제어 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 질량 유량 제어 장치는, 유체가 흐르는 유로에, 질량 유량을 검출하여 유량 신호를 출력하는 질량 유량 검출 수단과, 밸브 구동 신호에 의해 밸브 개방도를 변경시킴으로써 질량 유량을 제어하는 유량 제어 밸브 기구를 구비하고, 또한 외부로부터 입력되는 유량 설정 신호와 상기 유량 신호에 따라 상기 유량 제어 밸브 기구를 제어하는 제어 수단을 구비하고, 상기 유로에, 상기 유체의 압력을 검출하여 압력 검출 신호를 출력하는 압력 검출 수단을 구비하고, 상기 제어 수단은, 상기 압력 검출 신호로부터 얻어지는 압력 변화량에 따라, 상기 압력 검출 신호를 사용하지 않고 상기 유량 신호와 상기 유량 설정 신호에 따라 상기 질량 유량의 제어를 행하는 제1 제어 모드와 (상기 압력 검출 신호와 상기 유량 신호와 상기 유량 설정 신호에 따라 상기 질량 유량의 제어를 행하는 제2 제어 모드를 선택적으로 전환시키는 것을 특징으로 한다.

상기 제어 수단은, 상기 압력 변화량이 소정의 임계치 이상이 되었을 때에 상기 제1 제어 모드로부터 상기 제2 제어 모드로 전환시키는 것이 바람직하다. 상기 제2 제어 모드에서는, 상기 압력 변화량이 상기 임계치에 도달하기 직전의 질량 유량, 압력 검출치 및 밸브 구동 신호와, 현재의 압력 검출치와 사전에 구한 밸브 특성에 따라, 인가해야 할 밸브 구동 신호를 구하는 것이 바람직하다.

상기 제어 수단은, 상기 제2 제어 모드에서, 상기 압력 변화량이 상기 임계치에 도달하기 직전의 질량 유량을 유량 외부 출력 신호로서 출력하는 것이 바람직하다. 상기 유체 통로는 상류 측으로부터 순서대로 상기 압력 검출 수단, 상기 질량 유량 검출 수단 및 상기 유량 제어 밸브 기구를 구비하는 것이 바람직하다. 상기 유체 통로는 상류 측으로부터 순서대로 상기 질량 유량 검출 수단, 상기 압력 검출 수단 및 상기 유량 제어 밸브 기구를 구비하는 것이 바람직하다.

상기 유량 제어 밸브 기구는 압전 소자로 이루어지는 액츄에이터, 또는 전자 식 액츄에이터를 가지는 것이 바람직하다. 상기 유체 통로는 최상류부에 오리피스(orifice)를 구비하는 것이 바람직하다. 또 상기 유체 통로는 최하류부에 오리피스를 구비하는 것이 바람직하다.

도 1은 본 발명의 질량 유량 제어 장치의 일례를 나타낸 개략도이다.

도 2(a)는 액츄에이터로서 적층 압전 소자를 사용한 경우의 유량 제어 밸브 기구의 밸브 특성의 일례를 나타낸 그래프이다.

도 2(b)는 액츄에이터로서 적층 압전 소자를 사용한 경우의 유량 제어 밸브 기구의 밸브 특성의 일례를 나타낸 그래프이다.

도 3은 밸브 특성의 일부를 나타낸 그래프이다.

도 4는 본 발명의 질량 유량 제어 장치의 제어를 나타낸 흐름도이다.

도 5는 제1 제어 모드의 제어를 나타낸 흐름도이다.

도 6은 제2 제어 모드의 제어를 나타낸 흐름도이다.

도 7은 제1 제어 모드만 실행했을 때의 각 신호의 변화를 나타낸 그래프이다.

도 8은 본 발명에 의해 제1 제어 모드와 제2 제어 모드를 선택적으로 전환하여 제어했을 때의 각 신호의 변화를 나타낸 그래프이다.

도 9는 본 발명의 질량 유량 제어 장치의 다른 예를 나타낸 개략도이다.

도 10은 본 발명의 질량 유량 제어 장치의 또 다른 예를 나타낸 개략도이다.

도 11은 가스관에 구비된 종래의 질량 유량 제어 장치의 일례를 나타낸 개략도이다.

도 12는 질량 유량 제어 장치의 유량 검출 수단의 회로를 나타낸 개략도이다.

본 발명의 질량 유량 제어 장치의 일례를, 액츄에이터로서 적층 압전 소자를 사용한 경우의 예를 첨부 도면을 참조하여 이하에서 상세하게 설명한다. 도 1은 본 발명의 질량 유량 제어 장치의 일례를 나타내고, 도 2는 액츄에이터로서 적층 압전 소자를 사용한 경우의 유량 제어 밸브 기구의 밸브 특성을 나타내고, 도 3은 밸브 특성의 일부를 나타낸다. 그리고 도 11 및 도12에 나타낸 구성 부분과 동일한 구성 부분에 대하여는 동일한 부호를 부여하고, 그에 대한 설명은 생략한다.

질량 유량 제어 장치(40)는 유체(액체 또는 기체)가 흐르는 유체 통로(예를 들면 가스관)(4)의 중간에 설치되어 유체의 질량 유량(간단히 「유량」이라고도 함)을 제어한다. 그리고 가스관(4)의 일단에 접속된 반도체 제조장치 내는 진공 흡인된다. 질량 유량 제어 장치(40)는, 예를 들면 스테인레스 스틸 등으로 형성되는 유로(6)를 가지고, 유체 입구(6A)는 가스관(6)의 상류 측에 접속되고, 유체 출구(6B)는 가스관(6)의 하류 측에 접속된다. 질량 유량 제어 장치(40)는 유체의 질량 유량을 검출하는 수단(8)과, 유체의 유량을 제어하는 밸브 기구(10)와, 압력 검출 수단(42)과, 장치 전체의 작동을 제어하는 제어 수단(44)(예를 들면 마이크로 컴퓨터)을 구비한다.

제어 수단(44)은 반도체 제조 장치 전체의 작동을 제어하는 호스트 컴퓨터(46)로부터, 질량 유량 제어 장치에 흐르게 할 가스의 유량을 나타내는 유량 설정 신호 S0를 받아 현재 흘리고 있는 가스의 유량을 나타내는 외부 유량 출력 신호 Sout를 출력한다. 도시한 예에서는, 유로(6)의 상류 측으로부터 순서대로 가스 압력 검출 수단(42), 가스 유량을 검출하는 질량 유량 검출 수단(8) 및 유량 제어 밸 브 기구(10)가 배치되어 있다. 압력 검출 수단(42)은, 예를 들면 압력 변환기(pressure transducer)로 이루어지고, 소정의 시간 간격(예를 들면 10 msec)마다 가스 압력을 샘플링하여 검출하고, 압력 검출치를 압력 검출 신호 Sv로서 제어 수단(44)에 출력한다.

질량 유량 검출 수단(8)은, 유로(6)의 가스류의 상류 측에 설치된 복수개의 하이패스 관(12)을 가진다. 하이패스 관(12)의 양단에는, 우회하듯이 센서 관(14)이 접속되어 있고, 센서 관(14)에 하이패스 관(12)으로부터 소량의 가스를 일정한 비율로 흐르게 한다. 즉, 센서 관(14)에는 항상 전체 유량의 소정 비율의 가스가 흐른다. 센서 관(14)에는 직렬로 접속된 한쌍의 제어용 저항선 R1, R4가 권취되어 있고, 제어용 저항선 R1, R4에 접속된 센서 회로(16)에 의해 질량 유량 신호 S1을 출력한다.

유량 신호 S1을 제어 수단(44)(예를 들면 마이크로 컴퓨터)에 입력하고, 유량 신호 S1에 따라 현재 흐르고 있는 가스의 질량 유량을 구하고, 또한 질량 유량이 외부로부터 입력된 유량 설정 신호 S0의 질량 유량과 일치하도록, 유량 제어 밸브 기구(10)를 제어한다. 이 때, 후술하는 바와 같이, 필요에 따라 압력 검출 신호 Sv에 의해 나타내는 압력치를 유량 제어에 부가한다. 유량 제어 밸브 기구(10)는 유로(6)의 하류 측에 설치된 유량 제어 밸브(20)를 구비하고 유량 제어 밸브(20)는 가스의 질량 유량을 직접적으로 제어하는 밸브체로서, 예를 들면 굴곡 가능한 금속으로 된 다이어프램(22)을 구비한다.

다이어프램(22)을 밸브구(24) 측에 적절하게 굴곡 변형시킴으로써, 밸브구 (24)의 밸브 개방도를 임의로 제어할 수 있다. 밸브 개방도의 조정을 위하여, 다이어프램(22)의 상면은, 예를 들면 적층 압전 소자로 이루어지는 액츄에이터(26)의 하단부와 견고하게 연결되어 있다. 구체적으로 설명하면, 액츄에이터(26)의 하단부에는, 예를 들면 금속 밀대(48)가 장착되고, 다이어프램(22)의 상면에도, 예를 들면 금속제의 베이스대(50)가 장착되어있다. 밀대(48) 및 베이스대(50)의 표면에 오목부가 얕게 설치되어 있고, 상기 오목부에, 예를 들면 쇠구슬(52)을 개재시켜서 전체가 연속되어 있다. 이로써, 액츄에이터(26)의 기계적 신축을 직접적으로 다이어프램(22)에 전달할 수 있어서, 가스의 압력 변동이 생겨도 다이어프램(22)의 밸브 개방도는 변화하지 않는다. 또한 강구(52)의 작용에 의해 상하 방향의 힘이 치우치지 않는다.

적층 압전 소자는, 예를 들면 다수의 압전 세라믹(PZT) 판을 전극을 통하여 적층한 구조를 가지고, 인가하는 전압에 의해 그 길이 방향으로 기계적으로 신축된다. 액츄에이터(26) 전체는 케이스(27)에 의해 둘러싸여 있다. 상기 액츄에이터(26)는 제어 수단(44)으로부터 구동 신호 S3를 받고, 밸브 구동 회로(28)로부터의 밸브 구동 신호 S4(전압)에 의해 작동한다. 액츄에이터(26)는 적층 압전 소자 대신 전자식 액츄에이터일 수도 있지만, 전자식 액츄에이터의 경우에는 밸브 구동 신호로서 밸브 구동 전류가 출력된다. 저항선 R1, R4와 센서 회로(16)의 관계는 도 12와 동일하므로, 그에 대한 설명은 생략한다.

제어 수단(44)은, 연산 처리에 필요한 각종 데이터(정보)를 기억하기 위해, 예를 들면 RAM이나 ROM을 조합하여 형성되는 기억부(44A)를 구비하고, 기억부(44A) 에는 사전에 측정한 유량 제어 밸브 기구(10)의 밸브 특성이 기억되어 있다. 밸브 특성은, 도 2(a)에 나타낸 바와 같이, 밸브 개방도에 대응하는 밸브 구동 신호(전압) S4가 증가하면, 유량이 곡선적으로 증가하는 경향이 있고, 또한 입구 측의 가스 압력을 0. 18 ∼ 0.4 MPa까지 변화시키면, 가스 압력이 커질수록 그 밀도가 높아지므로, 유량도 많아진다. 도 2(b)는 도 2(a)에 나타낸 밸브 특성을, 가로축에 입구 측 가스압력을 취하여 변환시킨 밸브 특성을 나타낸다. 상기 밸브 특성으로부터 명백한 바와 같이, 밸브 구동 신호(전압) S4가 일정한 경우, 입구측 가스 압력과 유량은 비례한다. 상기 밸브 특성은, 예를 들면 입력측 가스 압력이 0.4 MPa일 때, 가스 유량이 밸브 구동 전압 Vd에 따라 도 3에 나타낸 바와 같이 변화한다.

본 발명의 질량 유량 제어 장치의 작동에 대하여 이하에서 상세하게 설명한다. 본 발명의 특징은, 제어 수단(44)은 압력 검출 신호 Sv로부터 얻어지는 압력 변화량에 따라, 압력 검출 신호 Sv를 사용하지 않고 유량 신호 S1과 유량 설정 신호 S0에 따라 질량 유량의 제어를 행하는 제1 제어 모드와, 압력 검출 신호 Sv와 유량 신호 S1과 유량 설정 신호 S0에 따라 질량 유량의 제어를 행하는 제2 제어 모드를 선택적으로 전환시키는 것이다.

가스관(4)을 흐르는 가스는, 유체 입구(6A)로부터 질량 유량 제어 장치(40)의 유로(6) 내에 흘러 들어가서, 가스 압력이 압력 검출 수단(42)에 의해 검출된 후, 질량 유량 검출 수단(8)에 들어간다. 가스의 대부분은 하이패스 관(12)을 흐르지만, 전체 유량의 일정비의 가스는 센서 관(14)을 흐르고, 각 가스는 하류 측에서 합류된 후에 유량 제어 밸브 기구(10)의 유량 제어 밸브(20)의 밸브구(24)를 흐 르고, 유체 출구(6B)를 통과하여 반도체 제조 장치(도시하지 않음)로 흐른다. 반도체 제조 장치의 챔버 내의 분위기는 진공, 감압 또는 상압 중 어느 하나이면 된다.

센서 관(14)에는 저항선 R1, R4가 권취되어 있으므로, 센서 회로(16)에 의해 센서 관(14) 내를 흐르는 가스를 검출하여, 가스관을 흐르는 가스의 전체 유량을 구할 수 있다. 센서 회로(16)의 검출치는 유량 신호 S1으로서 제어 수단(44)에 보내진다. 유량 신호 S1에 의해 나타내는 질량 유량이 외부로부터 입력되는 유량 설정 신호 S0에 의해 나타내는 질량 유량과 일치하도록, 제어 수단(44)은 밸브 구동 회로(28)를 통하여 밸브 구동 전압 S4를 발생시켜, 이것을 액츄에이터(26)에 인가하여 액츄에이터(26)의 다이어프램(22)을 굴곡 및 변형시켜서, 유량 제어 밸브(20)의 밸브 개방도를 조정한다. 이로써, 질량 유량을 제어하면서 가스를 하류 측으로 흐르게 할 수 있다.

질량 유량 제어 장치(40)보다 상류 측의 가스관(4)에 어떤 원인으로 인하여 생긴 압력 변동은 하류 측으로 전달된다. 그러나, 본 발명에서는 가스압의 압력 변화량에 따라, 제1 제어 모드와 제2 제어 모드를 선택적으로 전환하여 유량 제어를 행하므로, 압력 변동을 효과적으로 흡수하고, 질량 유량 제어 장치(40)에 악영향이 미치는 것을 방지할 수 있다. 제1 제어 모드는, 유량 신호 S1의 검출치와 외부로부터의 유량 설정 신호 S0의 설정치가 항상 동일하게 되도록 제어하는 제어 방법이다.

도 4는 본 발명의 제어 흐름을 나타내고, 도 5는 제1 제어 모드의 제어 흐름 를 나타내며, 도 6은 제2 제어 모드의 제어 흐름을 나타내고, 도 7은 종래의 제어 방법인 제1 제어 모드만을 실행했을 때의 각 신호의 변화를 나타내고, 도 8은 본 발명에 의해 제1 제어 모드와 제2 제어 모드를 선택적으로 전환하여 실행했을 때의 각 신호의 변화를 나타낸다.

도 4를 참조하여 본 발명의 질량 유량 제어 장치 전체의 작동에 대하여 설명한다. 압력 검출 수단(42)에 의해 가스 압력이 검출되고, 이 검출치는 압력 검출 신호 Sv로서 출력된다(스텝 S1). 질량 유량 검출 수단(8)에서도 유체의 질량 유량이 검출되어 이 검출치는 유량 신호 S1로서 출력된다(스텝 S2). 유체 압력이나 질량 유량의 샘플링 측정은 소정의 시간 간격(예를 들면 10 msec)마다 연속적으로 행한다.

유체 압력의 검출치를, 기억된 직전의 검출치(예를 들면 10 msec 전의 검출치)와 항상 비교하여, 압력 변화량을 구하고(스텝 S3), 압력 변화량을 기준치인 소정의 임계치와 비교한다(스텝 S4). 임계치는 유체의 공급 압력에 따라서 다르지만, 예를 들면 100Pa 정도이다. 압력 변화량이 임계치100Pa)보다 작은 경우(스텝 S4의 NO), 최신의 밸브 구동 전압값(스텝 S4), 최신의 압력 검출치 Sv 및 최신의 질량 유량 S1를 각각 기억부(44A)의 전용의 영역에 기억한다(스텝 S5). 「최신」이란 현재의 값을 의미하고, 직전(10 msec 전)의 값은 아니다. 이 상태에서 제1 제어 모드를 실행하므로(스텝 S6), 제1 제어 모드는 상류 측의 유체의 압력 변화가 매우 작을 때의 제어 모드이다.

스텝 S4에서 YES로 판단된 경우, 즉 압력 변화량이 임계치 이상이 될 경우, 제2 제어 모드를 실행한다(스텝 S7). 제2 제어 모드는 상류 측의 유체의 압력 변화가 어느 정도 클 때의 제어 모드이다. 제1 또는 제2 제어 모드를 실행한 후, 처리가 완료되지 않으면 스텝 S1으로 복귀하고, 처리가 완료되면 작동을 종료시킨다(스텝 S8).

도 5에 나타낸 바와 같이, 종래의 제어 방법과 같은 제1 제어 모드에서는, 외부로부터 입력된 현재의 유량 설정 신호 S0의 유량 설정치와 질량 유량 검출 수단(8)으로부터의 현재의 유량 신호 S1의 질량 유량을 비교하고, 이들을 일치시키는 밸브 구동 전압 S4를 구한다(스텝 S11). 이로써, 실제 유체 유량이, 호스트 컴퓨터(46)로부터 오는 유량 설정 신호 S0로 지시된 유체 유량과 동일하게 되도록 제어된다.

상기 조작과 동시에, 제어 수단(44)은 현재 질량 유량의 검출치를 외부 유량 출력 신호 Sout로서 호스트 컴퓨터(46)에 출력한다(스텝 S12). 구체적으로 설명하면, 외부 유량 출력 신호 Sout이 나타내는 질량 유량치는, 유량 신호 S1이 나타내는 질량 유량과 동일하게 된다. 적정 가스 유량이 공급되어 있는지의 여부를 확인하기 위해, 외부 유량 출력 신호 Sout는 호스트 컴퓨터(46)에서, 예를 들면 오퍼레이터에 의해 모니터된다. 상기 제어 수단(44)은 밸브 구동 회로(28)에 구동 신호 S3를 보내어 밸브 구동 전압 S4를 출력시키고, 밸브 구동 전압 S4로 액츄에이터(26)를 밸브 구동시킨다(스텝 S13). 밸브 구동이 종료되면, 도 4에 나타낸 스텝 S8으로 진행한다.

제2 제어 모드는 가스 압력의 변화량이 임계치 이상이 되었을 때의 제어 모 드이며, 도 6에 나타낸 바와 같이, 압력 변화량이 임계치에 도달하기 직전의 질량 유량, 압력 검출치 및 밸브 구동 전압치와, 현재 압력 검출치와, 사전에 구한 밸브 특성에 따라, 밸브 구동 전압을 구한다(스텝 S21). 압력 변화량이 임계치에 도달하기 직전의 질량 유량, 압력 검출치 및 밸브 구동 전압치는, 예를 들면 10 msec 전에 도 4의 스텝 S5에서 기억된 값이다. 또 밸브 특성은 도 3에 나타낸 바와 같이 사전에 기억된 특성이다.

또 현재 검출된 질량 유량이 아니고, 예를 들면 10 msec 전에 기억된 질량 유량을 외부 유량 출력 신호 Sout로서 호스트 컴퓨터(46)에 출력한다(스텝 S22). 이에 따라, 호스트 컴퓨터(46)에서의 오퍼레이터는 질량 유량에 변화가 없는 것으로 인식한다. 밸브 구동 전압 S4를 밸브 구동 회로(28)로부터 출력하도록 구동 신호 S3에서 지시하고, 밸브 구동 전압 S4에 의하여 액츄에이터(26)를 밸브 구동한다(스텝 S23). 이로써 입력 측의 가스류에 생긴 압력 변동을 흡수하고, 질량 유량을 고정밀도로 제어할 수 있다.

밸브 구동이 종료되면, 도 4에 나타낸 스텝 8로 진행된다. 흐름도에서 명백하게 나타낸 바와 같이, 통상의 가스류에서는 한 번 큰 압력 변동이 발생하면, 수 샘플링 기간 ∼ 수십 샘플링 기간은 지속되므로, 그 동안에 호스트 컴퓨터(46)에 압력 변동이 발생하기 직전에 기억된 질량 유량을 외부 유량 출력 신호 Sout로서 계속 출력한다.

본 발명의 특징인 스텝 S21에서의 밸브 구동 전압의 산출은, 다음과 같이 행한다. 인가해야 할 목표 밸브 구동 전압 Vn(= S4)은 이하의 식(1)에 의하여 구해 진다.

Vn = Vb + (1 - Pb/Pn)/k···(1)

k = (Q/Vmb)·(Pb/Pm)

Pb: 임계치 이상의 압력 변화 전의 압력 검출치(기억된 최신 유체 압력치)

Pn: 검출된 현재 압력 검출치

Vb: 임계치 이상의 압력 변화 전의 밸브 구동 전압(기억된 최신의 밸브 구동 전압

k: 임계치 이상의 압력 변화 전의 밸브 구동 전압에서의 단위 볼트 당 유량 변화율

Q: 임계치 이상의 압력 변화 전의 질량 유량(기억된 최신의 질량 유량)

Vmb: 임계치 이상의 압력 변화 전의 마스터 전압

Pm: 밸브 특성 마스터를 취득한 가스 압력

「마스터」는 도 3에 나타낸 바와 같이, 사전에 기억된 밸브 특성을 나타내고, 예를 들면 가스 압력이 0.4MPa 시의 밸브 특성이다.

구체적으로는, 유량 설정 신호 S0가 일정한 경우, 예를 들면 질량 유량이 60cc/분(=Q), 가스 압력이 0.2MPa(=Pb)로 안정적으로 작동하고 있을 때에 가스류에 임계치 이상의 압력 변화량이 생긴다고 가정한다. 그리고, Pm은 0.4MPa이다. 그 때의 임계치 이상의 압력 변화 전의 밸브 구동 전압에서, 단위 볼트 당의 유량 변화율 k는 하기 식과 도 3에 나타낸 밸브 특성으로부터 구해진다.

k =(Q/Vmb)·(Pb/Pm) = (60/Vmb)·(0.2/0.4) = 30/Vmb

도 3에서 30cc/분에서의 밸브 구동 전압 Vmb는 35볼트이므로, 35볼트에서의 유량 변화율 k를 구한다. 유량 변화율 k는, 밸브 구동 전압이 일정한 경우, 가스의 압력 변화에 관계없이 일정하게 된다. 구체적으로는, 유량 변화율 k는 0.857 = (30/35)%가 된다. 상기 유량 변화율 k를 식(1)에 대입함으로써, 액츄에이터에 인가해야 할 밸브 구동 전압 Vn이 구해진다. 제2 제어 모드에서는, 밸브 구동 전압 Vn(=S4)을 액츄에이터에 인가한다.

여기서는 밸브 구동 신호로서 밸브 구동 전압 Vn(=S4)을 구하였지만, 액츄에이터가 전자식인 경우, 밸브 구동 신호로서 상기와 동일한 식 및 전류 대응의 밸브 특성에 따라, 밸브 구동 전류를 구하면 된다.

도 7은 종래의 제어 방법(제1 제어 모드만)에서의 각 신호의 파형 및 유량을 나타내고, 도 8은 본 발명의 제어 방법에서의 각 신호의 파형 및 유량을 나타낸다. 도 7(a) 및 도 8(a)는 유량 설정 신호 S0, 도 7(b) 및 도 8(b)은 압력 검출 신호 Sv, 도 7(c) 및 도 8(c)은 유량 신호 S1, 도 7(d) 및 도 8(d)은 외부 유량 출력 신호 Sout, 도 7(e) 및 도 8(e)는 밸브 구동 신호 S4, 도 7(f) 및 도 8(f)은 하류 측의 가스 유량을 각각 실측한 값이다. 도 7 및 도 8에 있어서, 유량의 단위는 cc/분 , 압력의 단위는 kPa, 밸브 구동 전압의 단위는 볼트(V)이다. 종래의 질량 유량 제어 장치는 압력 센서를 구비하지 않기 때문에, 압력 센서를 설치하여, 도 7(b)에 나타낸 파형을 얻었다. 또, 질량 유량 제어 장치의 유체 출구 측에 별도로 질량 유량계를 설치하여 질량 유량을 측정하고, 도 7(f)에 나타낸 파형을 얻었다. 이 점은, 도 8(f)의 경우도 동일하다.

도 7에 나타낸 바와 같이, 도 7(a)에 나타낸 유량 설정 신호 S0가 일정한 상태에서는, 도 7(b)에 나타낸 바와 같이 어떠한 원인에 의하여 시각 t1에서 임계치 이상의 압력 저하 ΔP가 생기고, 시각 t2에서 원래의 압력으로 복귀한다. 이 압력 변동에 대응하여, 도 7(c)에 나타낸 바와 같이, 시각 t1에서 가스 유량이 크게 변화되고, 시각 t2에서도 가스 유량이 크게 변화된다.

유량 신호 S1의 변동에 대응하여 유량 변동을 흡수하기 위해, 도 7(e)에 나타낸 바와 같이 밸브 구동 신호 S4를 변화시켰지만, 오버슛(overshoot) 등이 발생하였다. 그 결과, 도 7(f)에 나타낸 바와 같이, 가스 유량에는 시각 t1, t2에서 진폭 ΔV의 맥동이 발생하고, 가스 유량의 제어성을 저하시켰다. 이 경우, 도 7(c)의 유량 신호 S1이 그대로 외부 유량 출력 신호 Sout로서 호스트 컴퓨터(46)(도 1참조)에 출력되므로(도 7(d) 참조), 모니터하고 있는 오퍼레이터는 시각 t1, t2에서 가스 유량의 제어 성의 열화를 알 수 있다.

도 8에 나타낸 본 발명의 경우에는, 도 8(b)에 나타낸 바와 같이, 시각 t1, t2에서 가스류의 임계치 이상의 압력 변동이 생겨도, 임계치 이상의 변화량이 계속되는 동안 제2 제어 모드로 바뀐다. 즉, 도 8(c)에 나타낸 바와 같이, 시각 t1, t2에서 유량 신호 S1에 큰 변화가 생겨도, 각각 제1 제어 모드로부터 제2 제어 모드로 전환하고, 상기 연산에 의해 구한 밸브 구동 전압 S4(도 8(e)에 나타낸 파형을 가진다)를 액츄에이터에 인가한다. 그 결과, 유량 제어 밸브(20)(도 1 참조)의 밸브 개방도가 적절하게 제어되므로, 도 8(f)에 나타낸 바와 같이, 시각 t1, t2에서 상류 측의 가스류에 압력 변동이 생겼음에도 불구하고, 유체 출구로부터 흘러나 오는 가스 유량은 일정하게 유지된다.

이와 같이 상류 측의 가스량의 압력 변동을 흡수함으로써, 질량 유량의 제어 성을 높게 유지할 수 있다. 유량 신호 S1의 값을 그대로 외부 유량 출력 신호 Sout로서 출력하는 종래 기술과sms 달리, 본 발명에서는 임계치 이상의 압력 변동이 발생하기 직전의 유량 신호 S1의 값을 외부 유량 출력 신호 Sout로서 출력한다(스텝 S22). 따라서, 호스트 컴퓨터(46)로 모니터하고 있는 오퍼레이터는, 반도체 제조 장치에 실제로 흘러드는 가스 유량(도 8(f))은 정상으로 확인할 수 있다.

도 9는 본 발명의 다른 실시예를 나타낸다. 이 질량 유량 제어 장치는, 도 1에 나타낸 유체 입구(6A) 및 유체 출구(6B)에 각각 오리피스(60, 62)를 구비한다. 오리피스(60, 62)는 양쪽으도 설치해도 되고, 한쪽만 설치해도 된다. 오리피스(60, 62)를 형성함으로써, 상류 측 및 하류 측에서 오는 가스압의 압력 변동을 오리피스(60, 62)에서 감쇠(減衰)시킬 수 있고, 급격한 압력 변동을 억제할 수 있다. 따라서, 가스 유량의 제어 성을 한층 향상시킬 수 있다.

도 10은 본 발명의 또 다른 실시예를 나타낸다. 도 1에서는 유로(6)의 상류측으로부터 순서대로 압력 검출 수단(42), 질량 유량 검출 수단(8) 및 유량 제어 밸브 기구(10)가 있지만, 도 10에 나타낸 바와 같이, 질량 유량 검출 수단(8), 압력 검출 수단(42) 및 유량 제어 밸브 기구(10)의 순서로 구성될 수도 있다. 이 경우, 유량 제어 밸브 기구(10)의 직전에 설치한 압력 검출 수단(42)에 의해 가스 압력을 검지하므로, 유체의 유량의 제어성을 한층 향상시킬 수 있다.

본 발명의 질량 유량 제어 장치는, 유로에 흐르는 유체의 압력 변화량에 따라 질량 유량의 제어 모드를 선택적으로 전환시키므로, 압력 변동을 효과적으로 흡수할 수 있고, 질량 유량의 제어성을 높일 수 있다.

Claims

유체가 흐르는 유로에, 질량 유량을 검출하여 유량 신호를 출력하는 질량 유량 검출 수단과, 밸브 구동 신호에 의해 밸브 개방도를 변경시킴으로써 질량 유량을 제어하는 유량 제어 밸브 기구를 구비하고, 또한 외부로부터 입력되는 유량 설정 신호와 상기 유량 신호에 따라 상기 유량 제어 밸브 기구를 제어하는 제어 수단을 구비하는 질량 유량 제어 장치에 있어서,

상기 유로에 상기 유체의 압력을 검출하여 압력 검출 신호를 출력하는 압력 검출 수단을 더구비하고,

상기 제어 수단은, 상기 압력 검출 신호로부터 얻어지는 압력 변화량에 따라, 상기 압력 검출 신호를 사용하지 않고 상기 유량 신호와 상기 유량 설정 신호에 따라 상기 질량 유량의 제어를 행하는 제1 제어 모드와, 상기 압력 검출 신호와 상기 유량 신호와 상기 유량 설정 신호에 따라 상기 질량 유량의 제어를 행하는 제2 제어 모드를 선택적으로 전환시키는 것을 특징으로 하는 질량 유량 제어 장치.
제1항에 있어서,

상기 제어 수단은 상기 압력 변화량이 소정의 임계치 이상이 되었을 때에 상기 제1 제어 모드로부터 상기 제2 제어 모드로 전환시키는 것을 특징으로 하는 질량 유량 제어 장치.
제2항에 있어서,

상기 제2 제어 모드에서는, 상기 압력 변화량이 상기 임계치에 도달하기 직전의 질량 유량, 압력 검출치 및 밸브 구동 신호와, 현재의 압력 검출치와 사전에 구한 밸브 특성에 따라, 인가해야 할 밸브 구동 신호를 구하는 것을 특징으로 하는 질량 유량 제어 장치.
제2항 또는 제3항에 있어서,

상기 제어 수단은 상기 제2 제어 모드에서 상기 압력 변화량이 상기 임계치에 도달하기 직전의 질량 유량을 유량 외부 출력 신호로서 출력하는 것을 특징으로 하는 질량 유량 제어 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 유로는, 상류 측으로부터 순서대로, 상기 압력 검출 수단, 상기 질량 유량 검출 수단 및 상기 유량 제어 밸브 기구를 구비하는 것을 특징으로 하는 질량 유량 제어 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 유로는, 상류 측으로부터 순서대로, 상기 질량 유량 검출 수단, 상기 압력 검출 수단 및 상기 유량 제어 밸브 기구를 구비하는 것을 특징으로 하는 질량 유량 제어 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 유량 제어 밸브 기구는 압전 소자(piezoelectric element)로 이루어지는 액츄에이터(actuator)를 구비하는 것을 특징으로 하는 질량 유량 제어 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 유량 제어 밸브 기구는 전자식 액츄에이터를 구비하는 것을 특징으로 하는 질량 유량 제어 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 유로는 최상류부에 오리피스(orifice)를 구비하는 것을 특징으로 하는 질량 유량 제어 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 유로는 최하류부에 오리피스를 구비하는 것을 특징으로 하는 질량 유량 제어 장치.