KR101690583B1 - 가스 분류 공급장치 및 가스 분류 공급방법 - Google Patents

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아츠시 사와치
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료우수케 도히
코우지 니시노
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가부시키가이샤 후지킨
도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

(과제) 압력식 유량 제어장치로부터의 가스 흐름을 복수의 분류로를 통해서 분류 공급하는 가스 분류 공급장치에 있어서, 가스 도입시의 분류로에 있어서의 가스의 오버슈트의 발생을 방지함과 아울러 분류량 제어의 응답성과 안정성과 제어 정밀도를 높인다.
(과제 해결수단) 가스 공급원으로부터의 가스의 유량 제어장치와, 유량 제어장치로부터의 가스를 가스 사용 개소로 분류하는 병렬로 접속된 복수의 분류로(L1∼Ln)와, 각 분류로(L1∼Ln)에 설치한 열식 유량센서와, 열식 유량센서(29a∼29n)의 하류측에 설치한 전동밸브(28a∼28n)와, 각 전동밸브(28a∼28n)의 개폐를 제어하는 컨트롤러(16a∼16n)와, 외부로부터 유량비 지령값이 입력됨과 아울러 각 열식 유량센서(29a∼29n)의 유량으로부터 총 유량을 연산하고, 상기 연산한 총 유량과 상기 유량비 지령값으로부터 각 분류로(L1∼Ln)의 유량값을 연산해서 각 컨트롤러(16a∼16n)에 상기 연산 유량값을 설정 유량으로서 입력하는 유량비 설정 연산기(RSC)를 구비하고, 우선, 상기 유량비 설정 연산기(RSC)로부터 입력된 설정 유량값이 최대가 되는 어느 하나의 분류로(L1∼Ln)를 비제어 상태로 해서 그 개방도를 일정값으로 유지함과 아울러 그 밖의 분류로의 개방도를 설정 개방도로 제어하고, 그 후에 각 컨트롤러(16a∼16n)에 의해 각 분류로(L1∼Ln)의 분류량을 피드백 제어한다.

Description

가스 분류 공급장치 및 가스 분류 공급방법{GAS DIVERSION SUPPLY DEVICE AND GAS DIVERSION SUPPLY METHOD}
본 발명은 가스 공급원으로부터 복수의 병렬상으로 연결한 열식 유량센서를 설치한 가스 분류로에 소정의 유량비로써 가스를 분류 공급하는 가스 분류 공급 시스템의 개량에 관한 것이며, 가스 분류 공급장치의 구조의 간소화와 소형화를 가능하게 하고, 각 가스 분류로에의 가스 공급 개시 초기에 있어서의 가스의 과잉한 유입(오버슈트)의 발생을 간단하고 또한 확실하게 방지할 수 있음과 아울러, 유량제어의 응답성 및 제어 정밀도를 보다 높이는 것을 가능하게 한 가스 분류 공급장치 및 가스 분류 공급방법에 관한 것이다.
최근, 반도체 제조장치나 화학품 제조장치의 분야에 있어서는 프로세스 챔버나 반응장치 등의 대형화에 따라 가스의 분류 공급 시스템이 많이 채용되고 있고, 다양한 형식의 가스 분류 공급 시스템이 개발되어 있다.
도 12는 종전의 열식 유량 제어장치(MFC)(매스플로우 컨트롤러)나 압력식 유량 제어장치(FCS)를 사용한 가스 분류 공급장치의 일례를 나타내는 것이며, 가스 공급원(S)으로부터의 가스(G)가 분류되어 열식 또는 압력식 유량 제어장치를 통해서 분류량(Q1, Q2)의 비율로 프로세스 챔버(C) 등에 공급되고 있다.
그런데, 상기 각 분류로에 설치한 유량 제어장치에 있어서는 일반적으로 가스 공급 개시시에 가스의 과잉한 유입(오버슈트)이 발생하기 쉽고, 특히 열식 유량 제어장치(MFC)의 경우에는 상기 오버슈트의 발생이 불가피한 상태에 있다.
또한, 열식 유량 제어장치나 열식 유량센서에 있어서는 온도에 의한 제로점의 변동이나 정류층부의 압력에 의한 검출 유량의 변화가 비교적 커서 유량 제어 정밀도를 높이는 점에서 큰 장해가 되고 있다.
또한, 가스 분류 공급량의 스위칭 빈도가 높을 경우에는 유량비(분류비)의 설정 등을 포함해서 분류량 제어의 개시부터 안정 제어까지 상당한 시간을 필요로 하여 분류량 제어의 응답성을 높이는 것이 곤란한 상황에 있다.
예를 들면, 본원 발명자들이 도 13에 나타내는 바와 같은 구성의 가스 공급장치를 이용하여 가스 공급 개시 직후에 생기는 가스의 오버슈트 현상의 발생 원인을 해석한 결과에 의하면, 종전의 열식 유량 제어장치(MFC)을 사용한 가스 공급장치에 있어서는 (a) 각 스위칭 밸브(V1∼V3)와 각 열식 유량 제어장치(MFC1∼MFC3)를 연결하는 관로(L1∼L3) 내에 체류하고 있는 가스가 오버슈트 가스의 대부분을 차지하고 있는 것, 및 (b) 열식 유량 제어장치(MFC1∼MFC3)의 구조 자체가 상기 오버슈트의 원인인 가스의 체류를 증가시키는 구조로 되어 있는 것을 찾아냈다.
즉, 도 14는 공지의 열식 유량 제어장치(MFC)의 기본 구조를 나타내는 블럭도이지만, 1차측으로부터 유입된 가스는 층류 바이패스부(정류층부)(59)와 센서 바이패스부(60)로 분류되고, 센서(61)에 의해 가스의 질량 유량을 이것에 비례한 온도변화로서 포착함과 아울러, 이 온도변화를 브릿지 회로(62)에서 전기신호로 변환하고, 증폭회로(63) 등을 거켜서 리니어 전압신호로서 표시기(64)와 비교 제어회로(65)에 출력된다. 또한, 외부로부터의 설정신호는 설정기(66)로부터 비교 제어회로(65)에 입력되고, 여기에서 상기 검출신호와의 차가 연산됨과 아울러 상기 차 신호를 밸브 구동부(67)에 보내고, 이 차 신호가 제로가 되는 방향으로 유량 제어밸브(68)가 개폐 제어된다. 또한, 69는 전원부이다.
지금, 열식 유량 제어장치(MFC)의 사용 중에 2차측에 설치한 스위칭 밸브(V1)를 급폐쇄하면 센서(61) 내를 유통하는 가스 흐름이 멈춘다. 그 때문에, 열식 유량 제어장치(MFC)의 제어계는 과도적으로 가스의 흐름을 증가시키는 방향으로 작동하여 유량 제어밸브(68)가 개방된다. 그 결과, 2차측 라인(L1) 내의 가스압이 상승하고, 이 부분의 가스의 체류량이 증가하게 된다. 그리고, 이 체류 가스가 그 후에 스위칭 밸브(V1)를 개방했을 때에 급격하게 스위칭 밸브(V1)를 통해서 챔버측으로 유입되어 상기 가스의 오버슈트를 야기하게 된다.
그런데, 가스 분류 공급 시스템에 있어서의 상기한 바와 같은 가스의 오버슈트는 필연적으로 반도체 제조설비 등의 가동율의 저하나 제품의 품질 저하를 초래하게 된다. 그 때문에 오버슈트의 발생은 가능한 한 방지할 필요가 있다.
또한, 최근 이러한 종류의 가스 분류 공급장치의 분야에 있어서는 가스 분류 공급장치의 소형화나 저비용화에 대한 요망이 많이 높아지고 있고, 이들 요망에 대응하는 것으로서, 도 15에 나타내는 바와 같이 유량 제어장치(4)로서 압력식 유량 제어장치(FCS)를 사용하고, 가스 공급원(1)로부터의 공급가스 유량을 총 유량(Q)으로 제어함과 아울러, 각 분류로(L1∼Ln)의 분류량(Q1∼Qn)을 유량 조정기(16)에 의해 제어하도록 한 가스 분류 공급장치가 개발되어 있다.
또한, 도 15에 있어서 1은 가스 공급원, 2는 압력 조정기, 3은 압력센서, 4는 유량 제어장치(압력식 유량 제어장치(FCS)), 5a·5b는 압력계, 6은 열식 유량센서(MFM), 7은 전동밸브, 8은 밸브 구동부, 9는 진공펌프, 10은 스로틀 밸브, 11은 신호발생기, 12는 PID 컨트롤러, 13은 프로세스 챔버, 16은 유량 조정기, Sm은 유량 검출신호, Sa는 유량 설정신호, Sv는 밸브 구동신호이다.
상기 도 15의 가스 분류 공급장치에 있어서는 압력식 유량 제어장치(FCS)(4)로 유량 제어된 총 유량(Q)의 가스가 분류로(L1, L2, Ln)에 각각 분류량(Q1, Q2, Qn)으로써 공급된다. 즉, 각 분류로(L1, L2, Ln)를 흐르는 분류량(Q1, Q2, Qn)은, 예를 들면 분류로(L1)와 같이 유량센서(6)로부터의 유량 검출신호(Sm)에 의해 PID 컨트롤러(12)를 통해서 전동밸브(7)를 피드백 제어함으로써 신호발생기(11)로부터의 유량 설정신호(Sa)와 같은 분류량(Q1)으로 제어되어 챔버(13)에 공급되어 간다. 또한, 도 15에서는 분류로(L2∼Ln)의 유량 조정기(16)가 생략되어 있다.
그러나, 상기 도 15의 가스 분류 공급장치에 있어서도, 예를 들면 신호발생기(11)로부터 유량 설정신호(Sa)를 입력하고, 압력식 유량 제어장치(FCS)(4)를 기동해서 분류로(L1)에 가스 도입을 개시한 직후에는(가스의 공급 도입시라고 부른다), 열식 유량센서(MFM)(6)의 유량 검출신호(Sm)에 피크가 나타나게 되고, 소위 분류로(L1)의 분류량(Q1)에 오버슈트가 발생해서 분류량(Q1)의 제어 정밀도가 대폭 저하된다.
또한, 상기 분류로(L1)로의 가스 도입 개시 직후에 생기는 유량의 오버슈트를 방지해서 분류량(Q1)의 제어 정밀도를 높이는 방책으로서, 본 발명자들은 먼저 도 16에 나타나 있는 바와 같은 가스 분류 공급 시스템을 개발하고, 그 동작 테스트 등을 거듭하고 있다.
즉, 도 16은 동작 테스트 중의 가스 분류 공급 시스템의 전체 구성도이며, 하나의 대형 반응로(예를 들면 대형 프로세스 챔버)(15)에 4계통(n=4)의 분류로(L1∼L4)를 통해서 소정 분류량(Q1∼Q4)의 가스(G)를 분류 공급하는 것이다.
또한, 도 16에 있어서, 15는 대형 반응로, 16은 유량 조정기, 16a∼16d는 스위칭형 컨트롤러, Sv1∼Sv4는 밸브 구동신호, Sk1∼Sk4는 밸브 개방도 제어신호, Sm1∼Sm4는 유량 검출신호, Sa1∼Sa4는 유량 설정신호이다. 또한, 도 16에 있어서 상기 도면 15와 공통되는 부위, 부재에는 이것과 동일한 참조번호가 부여되어 있다.
도 16을 참조하여, 정상 상태에 있어서는 가스 공급원(1)으로부터 압력 조정기(2)에 의해 압력 300∼500KPa(abs)로 조정된 가스(G)가 압력식 유량 제어장치(FCS)(4)에 있어서 원하는 설정 유량(Q)(예를 들면 1000∼3000sccm)으로 유량 제어되어 각 분류로(L1∼L4)에 공급된다.
각 분류로(L1∼L4)에 있어서는 외부로부터 분류량 제어 지령신호(Ss)가 각 유량 조정기(16)의 각 스위칭형 컨트롤러(16a∼16d)에 입력됨으로써 소위 피드백 분류량 제어가 행하여지고, 스위칭형 컨트롤러(16a∼16d)로부터 밸브 구동신호(Sv1∼Sv4)가 밸브 구동부(8a∼8d)에 입력되어서 전동밸브(7a∼7d)가 구동됨으로써 유량 설정신호(Sa1∼Sa4)에 대응하는 분류 유량(Q1∼Q4)이 반응로(15)에 공급되어 간다.
즉, 밸브 구동신호(Sv1∼Sv4)가 열식 유량센서(6a∼6d)로부터의 유량 검출신호(Sm1∼Sm4)에 의해 피드백 제어됨으로써 각 분류량(Q1∼Q4)이 유량 설정신호(Sa1∼Sa4)에 대응하는 설정 분류량으로 제어되게 된다.
또한, 가스(G)의 공급을 일시 중지한 후 다시 가스 공급을 행할 경우(즉, 가스의 도입 개시시)와 같이, 압력식 유량 제어장치(FCS)(4)가 유량 미제어의 상태 하에서 각 분류로(L1∼L4)에 가스 공급을 행할 경우에는, 우선 각 스위칭형 컨트롤러(16a∼16d)에 개방도 제어 지령신호(Sp)가 입력되고, 이것에 의해 스위칭형 컨트롤러(16a∼16d)가 전동밸브(7a∼7b)를 개방도 제어하는 개방도 제어 모드로 유지된다.
그 결과, 각 전동밸브(7a∼7d)의 밸브 구동부(8a∼8d)에 각 스위칭형 컨트롤러(16a∼16d)로부터 밸브 개방도 제어신호(Sk1∼Sk4)가 출력되고, 각 전동밸브(7a∼7d)는 완전 개방 상태가 아니라 밸브 개방도 제어신호(Sk1∼Sk4)에 의해 미리 정해진 일정한 밸브 개방도(즉, 좁혀진 상태)로 유지된다.
그 후, 일정 시간(예를 들면 0.1∼1초간)이 경과해서 압력식 유량 제어장치(FCS)(4)에 의한 유량 제어가 행하여져서 유량 제어된 총 유량(Q)의 가스가 공급되는 상태가 되면, 분류량 제어 지령신호(Ss)가 입력되어 스위칭형 컨트롤러(16a∼16d)의 제어 모드는 자동적(또는 수동조작)으로 밸브 개방도 제어 상태로부터 분류량 제어 상태로 스위칭된다. 이에 따라, 열식 유량센서(6a∼6d)로부터의 유량 검출신호(Sm1∼Sm4)에 의한 피드백 유량 제어가 행하여지고, 각 분류로(L1∼L4)의 분류량(Q1∼Q4)이 설정 분류량으로 제어되게 된다.
또한, 상기 개방도 제어 모드시의 밸브 개방도 제어신호(Sk1∼Sk4)는 압력식 유량 제어장치(FCS)(4)의 총 유량이나 분류비(Q1/Q2/Q3/Q4) 등에 의해 미리 적당하게 설정되게 된다.
또한, 전동밸브(7a∼7d)로서는 펄스모터를 구동원으로 하는 캠 구동형 개폐밸브가 사용되고 있다.
도 17은 분류량 제어장치의 주요부인 스위칭형 컨트롤러(16a)의 구성 설명도이며, 17은 밸브 개방도 제어 지령신호 발신기, 18은 분류량 제어 지령신호 발신기, 19은 제어 스위칭기구, 20은 밸브 개방도 제어기구, 21은 열식 유량센서(6)로부터의 유량 검출신호(Sm)에 의한 분류량 제어기구, 23은 유량 검출신호(Sm)의 입력단자, 24는 압력식 유량 제어장치(FCS)(4)로부터의 제어 스위칭신호(Sx)의 입력단자이다.
가스의 도입 개시시(압력식 유량 제어장치(FCS)(4)가 미유량 제어의 상태 하에서 분류로에 가스를 공급할 경우)에는, 우선 밸브 개방도 제어 지령신호 발신기(17)로부터 단자(22)를 통해서 개방도 제어 지령신호(Sp)가 밸브 개방도 제어기구(20)에 입력되고, 여기에 미리 설정되어 있는 밸브 개방도 신호(예를 들면 40% 개방도, 50% 개방도 등)(Sk)가 밸브 개방도 제어기구(20)로부터 밸브 구동부(8)에 입력되어 전동밸브(7)가 소정의 밸브 개방도로 유지된다.
또한, 상기 밸브 개방도 제어 지령신호 발신기(17)에는 밸브 개방도 설정신호(Sk)의 입력기구가 부설되어 있는 것은 물론이다.
상기 압력식 유량 제어장치(FCS)(4)에 의한 유량제어가 실행되어서 총 유량(Q)이 제어되면, 단자(24)로부터 제어 스위칭신호(Sx)가 제어 스위칭기구(19)에 입력되고, 이에 따라 분류량 제어 지령신호(Ss)가 발신되어서 분류량 제어기구(21)가 작동하고, 열식 유량센서(6)로부터의 유량 검출신호(Sm)와 분류량 제어 지령신호 발신기(18)에 부설된 유량 설정기구로부터의 유량 설정신호(Sa)에 의해 밸브 구동신호(Sv)의 피드백 제어가 행하여지고, 전동밸브(7)에 의한 분류량 제어가 행하여진다.
또한, 상기 분류량 제어기구(21)에 의한 분류량 제어에의 전환은 입력단자(24)로부터 제어 스위칭신호(Sx)를 입력하는 것 대신에, 밸브 개방도 제어기구(20)의 작동 후 일정 시간이 경과하면 자동적으로 제어 스위칭신호(Sx)를 제어 스위칭기구(19)에 발신함으로써 스위칭하는 것도 가능하다. 또한, 분류량 제어 지령신호 발신기(18)로부터 제어 스위칭기구(19)에 분류량 제어 지령신호(Ss)를 입력 함으로써 분류량 제어로 스위칭하도록 하여도 좋은 것은 물론이다.
또한, 상기 밸브 개방도(즉, 밸브 개방도 제어신호(Sk))의 설정은 상기 가스 분류 공급장치를 이용하여 목표 분류량(설정 유량(Sa))의 유량 제어를 행하고 있을 때의 전동밸브(7)의 밸브 개방도를 메모리해 두고, 이것을 밸브 개방도 제어기구(20)에 밸브 개방도 제어신호(Sk)로서 미리 설정 입력해 두는 것이 바람직하다.
상기 도 16의 가스 분류 공급 시스템은 종전의 도 15에 나타낸 가스 분류 공급 시스템의 경우와 같이, 각 분류로에 설치한 모든 전동밸브(7)의 밸브 개방도를 가스 도입 개시시에 완전 개방 상태로 하지 않고 미리 정한 소정의 밸브 개방도로 유지함으로써, 전동밸브(7)의 개방도 제어의 시간 지연에 기인하는 가스 도입 개시시의 오버슈트를 방지할 수 있어 분류량 제어 정밀도를 대폭 높일 수 있다고 하는 효용을 갖는 것이다.
그러나, 상기 도 16의 가스 분류 공급 시스템에도 아직 많은 해결해야 할 문제가 남겨져 있다. 예를 들면, 제어 가스 유량이 비교적 많기 때문에 전동밸브(7)로서는 펄스모터 구동형 캠 밸브가 많이 사용되게 되지만, 상기 펄스모터 구동형 캠 밸브는 스프링 기구에 의해 일정한 압박 하중을 밸브 시트부에 가한 상태에서 밸브 완전 폐쇄 위치 조정을 하도록 하고 있기 때문에, 위치 조정용 스프링 기구가 필요하게 되어 전동밸브(7)의 구조의 간소화 및 소형화를 꾀하기 어려운 동시에, 밸브 완전 폐쇄 위치의 조정에 수고가 듬과 아울러 완전 폐쇄시에 시트 리크를 발생시키는 트러블이 다발하기 쉽다고 하는 문제가 있다(일본 특허공개 2008-57594호, 일본 특허공개 2011-117473호 등).
또한, 열식 유량센서(6)의 제로점 출력값은 소위 온도 드리프트가 생기기 쉽고, 이에 따라 분류량 제어 정밀도가 변동한다.
또한, 열식 유량센서(6)의 유량 검출값은, 일반적으로 정류층부의 압력에 의해 검출 유량값이 변동하여 검출 유량에 압력 의존성이 존재한다. 그 때문에, 개방도 제어나 분류량 제어의 제어 정밀도가 저하한다고 하는 문제가 있다.
부가하여, 열식 유량센서(6)의 검출 유량 오차가 최소로 될 때의 정류층부의 압력은 개개의 열식 유량센서마다 각각 다르다. 그 결과, 100Torr 이하의 감압 환경에서는 열식 유량센서의 정류층부의 압력의 상위에 기인하여 각 분류로(L1∼Ln)의 분류량 제어 정밀도의 저하가 문제가 된다.
또한, 분류량 제어장치의 주요부인 스위칭형 컨트롤러(16a∼16d)의 PID 제어 정수가 모두 고정값으로서 설정되어 있기 때문에, 총 유량(Q)의 대소에 관계없이 일정한 PID 제어 정수로써 분류량 제어가 행해지게 되고, 결과적으로 최적인 PID 제어 정수 하에서의 제어가 아니기 때문에 제어의 응답성이나 제어 정밀도를 높일 수 없다고 하는 문제가 있다.
또한, 총 유량(Q)이나 분류비(Q1/Q2/Q3/Q4) 등에 의해 적당하게 설정된 개방도 제어신호(Sk1∼Sk4)에 의거하여 모든 전동밸브(7a∼7d)를 동시에 또한 병행적으로 각각 소정 밸브 개방도로 제어하도록 하고 있다. 그 때문에, 개방도 제어가 상호 간섭하게 되고, 결과적으로 제어가 불안정해지기 쉬운 동시에 제어가 안정될 때 까지 시간이 걸리게 되어, 분류량 제어의 응답성이 저하하고, 제어 응답성을 높일 수 없다고 하는 문제가 있다.
본원 발명은 종전의 가스 분류 공급장치에 있어서의 상술과 같은 각 문제를 해결하여, (a) 분류로에의 가스 도입 개시시에 생기는 가스의 오버슈트를 간단하고 또한 저렴하게 방지하고, (b) 전동밸브(7)의 구조의 간소화, 소형화, 밸브 완전 폐쇄 위치조정의 용이화 및 완전 폐쇄시의 시트 리크 트러블의 방지를 도모하며, (c) 열식 유량센서(6)의 유량 검출값의 제로점 온도 드리프트나 검출 유량 오차의 압력 의존성 등에 기인하는 밸브 개방도 제어나 분류량 제어 정밀도의 저하를 방지하고, (d) 총 유량(Q)의 대소에 따른 최적의 PID 제어 정수로써 제어의 응답성이나 제어 정밀도를 높이고, (e) 최대 분류량의 유로 하나만을 우선 소정의 밸브 개방도로 고정해서 밸브 개방도 제어가 상호 간섭하는 것을 방지하여 분류량 제어의 응답성을 높이는 것 등에 의해, 높은 분류량(분류비) 제어 정밀도와 제어 응답성을 구비하고 또한 구조의 간소화 및 소형화를 가능하게 한 가스 분류 공급 시스템을 제공하는 것을 발명의 주된 목적으로 하는 것이다.
본 발명에 의한 가스 분류 공급장치의 제 1 형태는, 가스 공급원으로부터의 가스의 유량 제어장치와, 유량 제어장치로부터의 가스를 가스 사용 개소로 분류하는 병렬로 접속된 복수의 분류로(L1∼Ln)와, 각 분류로(L1∼Ln)에 설치된 열식 유량센서(29a∼29n)와, 각 열식 유량센서(291∼29n)의 하류측에 설치한 전동밸브(281∼28n)와, 각 전동밸브(281∼28n)의 개폐를 제어하는 컨트롤러(16a∼16n)와, 외부로부터 유량비 지령값이 입력됨과 아울러 각 열식 유량센서(291∼29n)의 유량으로부터 총 유량을 연산하고, 상기 연산한 총 유량과 상기 유량비 지령값으로부터 각 분류로(L1∼Ln)의 유량값을 연산해서 각 스위칭형 컨트롤러(16a∼16n)에 상기 연산 유량값을 설정 유량으로서 입력하는 유량비 설정 연산기(RSC)를 구비하고, 우선 상기 유량비 설정 연산기(RSC)로부터 입력된 설정 유량값이 최대가 되는 어느 하나의 분류로(L1∼Ln)를 비제어 상태로 해서 그 개방도를 일정값으로 유지함과 아울러 그 밖의 분류로(L1∼Ln)의 개방도를 설정 개방도로 제어하고, 그 후에 각 분류로(L1∼Ln)의 분류량을 각 컨트롤러(16a∼16n)에 의해 피드백 제어하는 구성으로 한 것이다.
본 발명의 제 2 형태는 상기 제 1 형태의 발명에 있어서 일정값으로 유지하는 밸브 개방도를 75%로 하는 구성으로 한 것이다.
본 발명의 제 3 형태는 상기 제 1 형태의 발명에 있어서, 각 열식 유량센서(291∼29n)의 유량 검출신호(Sm)에 의해 각 컨트롤러(16a∼16n)를 통해서 전동밸브(281∼28n)의 개방도를 조절하는 분류량의 피드백 제어시의 PID 정수를 유량 제어장치로부터의 가스의 총 유량에 따라 조정하도록 한 것이다.
본 발명의 제 4 형태는 상기 제 1 형태의 발명에 있어서, 전동밸브(281∼28n)를 펄스모터 구동형 캠식 전동밸브로 함과 아울러, 밸브체를 스테인레스강제의 다이어프램으로, 그리고 밸브 시트를 탄성을 갖는 수지재제로 하고, 밸브 완전 폐쇄시의 상기 다이어프램과 밸브 시트간의 접촉압을 밸브 시트의 탄성에 의해 확보하는 구성으로 한 것이다.
본 발명의 제 5 형태는 상기 제 1 형태의 발명에 있어서, 유량 제어장치를 압력식 유량 제어장치로 함과 아울러 각 컨트롤러(16a∼16n)를 밸브 개방도 제어 및 분류량 제어로 스위칭 가능한 구성으로 한 것이다.
본 발명의 제 6 형태는 상기 제 1 형태의 발명에 있어서, 분류로를 2∼4로 함과 아울러 밸브 개방도 제어시의 전동밸브(7)의 밸브 개방도를 완전 개방시의 40∼70%로 하도록 한 것이다.
본 발명의 제 7 형태는 상기 제 1 형태의 발명에 있어서, 열식 유량센서(291∼29n)를, 열식 유량센서(291∼29n)의 온도와 제로점 온도의 관계를 미리 각 컨트롤러(16a∼16n)에 기억시키고, 상기 기억값을 이용하여 제로점 온도 드리프트를 보정하도록 한 것이다.
본 발명의 제 8 형태는 상기 제 1 형태의 발명에 있어서, 열식 유량센서(291∼29n)를, 열식 유량센서(291∼29n)의 검출 유량과 유량 검출부의 압력의 관계를 미리 각 컨트롤러(16a∼16n)에 기억시키고, 상기 기억값을 이용하여 검출 유량 오차를 수정하도록 한 것이다.
본 발명의 제 9 형태는 상기 제 1 형태의 발명에 있어서, 열식 유량센서(291∼29n)를, 복수의 관형상체를 병렬 형상으로 배열해서 이루어지는 정류층부를 구비한 구성의 것으로 하고, 정류층부에 있어서의 가스의 압력 강하를 적게 해서 검출 유량과 공급 유량의 오차를 적게 하도록 한 것이다.
본 발명에 의한 분류 가스 공급방법은, 상기 제 1 형태의 분류 공급장치를 사용하고, 외부로부터 유량비 설정 연산기(RSC)로 유량비 지령을 입력하고, 또한 가스 공급원으로부터의 가스를 유량 제어장치로부터 각 분류로에 공급함과 아울러 상기 유량비 설정 연산기(RSC)에 있어서 각 열식 유량센서(291∼29n)에서 검출한 유량을 이용하여 총 유량을 연산하고, 또한 상기 연산한 총 유량과 상기 유량비 지령값으로부터 각 분류로(L1∼Ln)가 필요로 하는 유량값을 연산해서 각 컨트롤러(16a∼16n)에 상기 연산 유량값을 설정 유량으로서 입력하는 분류 가스 공급방법에 있어서, 우선, 상기 유량비 설정 연산기(RSC)로부터 입력된 설정 유량값이 최대가 되는 어느 하나의 분류로(L1∼Ln)를 판별하고, 상기 판별한 하나의 분류로를 비제어 상태로 해서 그 밸브 개방도를 일정값으로 유지함과 아울러 그 밖의 분류로를 개방도 제어해서 유량비를 조절하고, 그 후에 각 컨트롤러(16a∼16n)에 의해 각 분류로(L1∼Ln)의 분류량을 PID 피드백 제어하는 구성으로 한 것이다.
(발명의 효과)
본원 발명에 있어서는 가스 공급원으로부터의 가스의 유량 제어장치와, 유량 제어장치로부터의 가스를 가스 사용 개소로 분류하는 병렬로 접속된 복수의 분류로(L1∼Ln)와, 각 분류로(L1∼Ln)에 설치한 열식 유량센서(291∼29n)와, 열식 유량센서(291∼29n)의 하류측에 설치한 전동밸브(281∼28n)와, 각 전동밸브(281∼28n)의 개폐를 제어하는 컨트롤러(16a∼16n)와, 외부로부터 유량비 지령값이 입력됨과 아울러 각 열식 유량센서(291∼29n)의 유량으로부터 총 유량을 연산하고, 상기 연산한 총 유량과 상기 유량비 지령값으로부터 각 분류로(L1∼Ln)의 유량값을 연산해서 각 컨트롤러(16a∼16n)에 상기 연산 유량값을 설정 유량으로서 입력하는 유량비 설정 연산기(RSC)를 구비하고, 상기 유량비 설정 연산기(RSC)에서 입력된 설정 유량값이 최대가 되는 어느 하나의 분류로(L1∼Ln)를 비제어 상태로 해서 그 개방도를 일정값에 유지함과 아울러 그 밖의 분류로의 개방도를 제어해서 유량비를 조절하고, 그 후에 각 분류로(L1∼Ln)의 분류량을 각 컨트롤러(16a∼16n)에 의해 피드백 제어하도록 하고 있다.
그 결과, 각 분류로(L1∼Ln)로의 가스 도입 개시시의 분류 가스의 과도적인 유입(오버슈트)이 유효하게 방지됨과 아울러 고정밀도한 분류량 제어 하에서 각 분류로(L1∼Ln)를 통해서 가스를 가스 사용 개소에 공급할 수 있다.
또한, 상기 유량비 설정 연산기(RSC)로부터 입력된 설정 유량값이 최대인 어느 하나의 분류로(L1∼Ln)를 비제어 상태로 하고, 그 밸브 개방도를 일정값으로 유지한 상태에서 그 밖의 분류로의 밸브 개방도를 제어해서 유량비를 조절하도록 하고 있기 때문에, 개방도 제어의 응답성이 높아짐과 아울러 개방도 제어가 상호 간섭해서 제어가 불안정해지는 일이 없어지고, 제어가 안정될 때까지의 시간이 짧아져서 분류량 제어의 응답성이 향상된다.
또한, 공급 가스 총량에 따른 최적의 PID 제어 정수 하에서 피드백 제어를 행함으로써 제어의 응답성이나 제어 정밀도가 대폭 향상된다.
또한, 가스 분류 공급장치의 구조의 간소화 및 소형화가 가능해지고, 제조 비용의 인하가 가능해진다.
도 1은 본 발명에 의한 4분류로형 가스 분류 공급장치의 분류량 제어유닛의 외형도이며, (a)는 정면 개요도, (b)는 우측면 개요도, (c)는 좌측면 개요도, (d)는 평면 개요도이다.
도 2는 가스 분류 공급장치를 구성하는 분류량 제어유닛의 구조도이며, (a)는 종단면 개요도, (b)는 우측면 개요도, (c)는 좌측면 개요도이다.
도 3은 도 2(a)의 캠식 밸브의 밸브부의 부분 확대도이다.
도 4는 4분류로형 가스 분류 공급장치의 분류량 제어유닛 부분의 구성을 나타내는 계통도이다.
도 5는 4분류로형 가스 분류 공급장치의 분류량 제어유닛 부분의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 6은 본 발명에 의한 가스 분류 공급장치의 분류량 제어유닛의 작동 설명도이며, (a)는 전원 투입(기동) 작동을, 또한 (b)는 제 1 분류로(L1)의 분류비가 변경되었을 경우의 개방도 고정 분류로의 선정 작동을, (c)는 제 1 분류로(L1)의 분류량 제어유닛에 있어서의 각 분류로의 분류량 제어동작을, (d)는 (c)에 있어서의 처리 A의 내용을 각각 설명하는 것이다.
도 7의 (a)는 제 2 분류로(L2)∼제 4 분류로(L4)의 각 분류량 제어유닛에 있어서의 분류량 제어동작의 설명도이며, (b)는 스텝 S17에 있어서의 PID 제어의 스위칭 상태의 설명도이다.
도 8은 각 분류량 제어유닛에 있어서의 PID 제어 정수가 변경될 경우의 설명도이다.
도 9는 본 발명에서 사용하는 열식 유량센서의 제로점 온도 드리프트 대책의 설명도이며, (a)는 제로점과 온도의 관계를, (b)는 온도 드리프트 대책의 처리 플로우를, (c)는 온도 드리프트 처리기구의 구성을 각각 나타내는 것이다.
도 10은 본 발명에서 사용하는 열식 유량센서의 압력 의존성 대책의 설명도이며, (a)는 3개의 개체에 관계되는 열식 유량센서의 정류층부의 압력과 검출 유량 오차의 관계를 나타내는 것이며, (b)는 압력 의존성 대책을 실시한 후의 3개의 개체에 관계되는 열식 유량센서의 정류층부의 압력과 검출 유량 오차의 관계를 나타내는 것이며, (c)는 압력 의존성 대책기구의 구성을 각각 나타내는 것이다.
도 11의 (a)는 열식 유량센서의 압력 의존성을 저감할 수 있게 한 열식 유량센서의 정류층부의 일례를 나타내는 사면도이며, (b)는 (a)에 나타낸 열식 유량센서의 정류층부의 압력 의존성 특성 X를 나타내는 것이다.
도 12는 종전의 가스 분류 공급장치의 일례를 나타내는 계통도이다.
도 13은 종전의 열식 유량 제어장치(매스플로우 컨트롤러)를 사용한 가스 공급장치의 일례를 나타내는 계통도이다.
도 14는 열식 유량 제어장치의 구성을 나타내는 설명도이다.
도 15는 종전의 PID 컨트롤러를 사용한 유량 조정장치에 의한 가스 분류 공급장치의 일례를 나타내는 설명도이다.
도 16은 먼저 개발을 한 가스 분류 공급장치의 구성 계통도이다.
도 17은 먼저 개발을 한 스위칭형 컨트롤러의 구성 및 작동의 설명도이다.
이하, 도면에 의거하여 본 발명의 일실시형태를 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시형태에 따른 4분류로형 가스 분류 공급장치의 분류량 제어유닛의 외형도이며, (a)는 정면도, (b)는 우측면도, (c)는 좌측면도, (d)는 평면도이다. 또한, 본 실시형태에 있어서는 4기의 분류량 제어유닛(U1∼U4)을 병렬 형상(횡배열 형상)으로 일체적으로 조함함으로써 4계통(n=4)의 분류로(L1∼L4)를 통해서 4개소의 가스 사용 개소에 소정 유량(Q1∼Q4)의 가스(G)를 공급하도록 구성되어 있다.
또한, 4분류로형 분류량 제어유닛의 외형 치수는, 높이 H=약 160㎜, 가로폭 W=약 100㎜, 깊이 L=약 180㎜로 형성되어 있고, 유닛(U1)과 유닛(U2) 및 유닛(U3)과 유닛(U4)은 각각 일체적으로 형성되어 있다.
또한, 상기 제 1 분류로(L1)는 주분류로 또는 마스터 라인으로도 호칭되지만, 본 발명에서는 제 1 분류로(L1)라고 부르는 것으로 한다. 마찬가지로, 제 1 분류로(L1)용의 분류량 제어유닛(U1)은 주분류량 제어유닛 또는 마스터 분류량 제어유닛으로도 호칭되지만, 본 발명에서는 단지 분류량 제어유닛이라고 부르는 것으로 한다.
도 2는 가스 분류 공급장치를 구성하는 하나의 분류량 제어유닛의 구조도이며, (a)는 종단면 개요도, (b)는 우측면 개요도, (c)는 좌측면 개요도이다. 도 1 및 도 2에 있어서 각각 분류량 제어유닛(U1∼U4)은 스테인레스강제의 베이스 본체(25), 이 양측에 고정된 입구측 블록(26) 및 출구측 블록(27), 캠식 전동밸브(28), 열식 유량센서(29), 제어용 기판(30), 케이싱(32), 고정용 나사(31) 등을 구비하고 있고, 상기 베이스 본체(25)에는 가스 통로(25a), 열식 유량센서 삽입구멍(25b), 밸브 본체 삽입구멍(25c) 등이 형성되어 있다.
또한, 상기 입구측 블록(26)에는 가스 입구(26a), 가스 통로(26b)가, 출구측 블록(27)에는 가스 출구(27a), 가스 통로(27b)가 각각 형성되어 있다.
상기 캠식 전동밸브(28)는 베이스 본체(25)의 밸브 본체 삽입구멍(25c) 내에 비틀어 박아 고정한 밸브 본체(28a), 밸브 본체(28a)의 저면에 배치한 메탈 다이어프램제의 밸브체(28c), 밸브시트가 되는 합성 수지제의 밸브 시트(28b), 밸브체 누르개(28d), 리니어 부싱(28e), 스템(28f), 스템(28f)의 상단에 베어링(28g)을 통해서 축지지된 캠 롤러(28h), 캠 롤러(28h)에 접촉하는 캠판(33), 스테핑 모터(34), 모터축(34a), 스트로크 조정나사(35, 36) 등을 구비하고 있다.
또한, 상기 열식 유량센서(29)는 베이스 본체(25)의 열식 유량센서 삽입구멍(25b) 내에 장착되어 있고, 정류용의 정류층부(29a)와 유량 검출부(29b) 등을 구비하고 있다. 또한 39는 베이스 본체(25) 내에 설치한 가스 온도 검출기이다.
또한, 상기 캠식 전동밸브(28)의 스트로크 조정기구 부분을 제외한 기본적인 구성이나 열식 유량센서(29)의 구성, 스테인레스강제의 베이스 본체(25) 및 이 양측에 고정한 입구측 블록(26)과 출구측 블록(27)의 구성, 캠식 전동밸브(28)와 열식 유량센서(29)와 제어용 기판(30)과 케이싱(32) 등의 조립 구조 등 자체는 이미 공지의 사항이다. 그 때문 여기에서는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 3은 상기 캠식 전동밸브(28)의 밸브 부분의 부분 확대도이며, 베이스 본체(25)측에 고정한 PCTFE 등의 합성 수지제 밸브 시트(28b)의 상면에 다이어프램 밸브체(28c)의 외표면측이 압박되고, 이 때에 발생하는 밸브 시트(28b) 자체의 탄성 반력에 의해 밸브 시트(28b)와 다이어프램 밸브체(28c)간의 밀봉성이 확보되도록 구성되어 있다. 즉, 스템(28f) 및 밸브체 누르개(28d)는 종전의 캠식 전동밸브와 같이 스템(28f)의 압박력을 조정하는 스프링 등의 기구를 갖고 있지 않고, 밸브 시트(28b) 자체가 갖는 탄성력으로써 밸브 시트(28b)와 다이어프램 밸브체(28c) 사이의 밀봉성을 확보하도록 구성되어 있다.
또한, 밸브 부분의 구성 자체는 종전의 메탈 다이어프램형 밸브의 밸브부와 같다.
상기 스템(28f) 및 밸브체 누르개(28d)의 스트로크(밸브 완전 폐쇄의 밸브체 누르개(28d)의 하단 위치)의 조정은, 스트로크 조정나사(35, 36)의 조임량의 조정에 의해 행하여지고, 이러한 구성으로 함으로써 종전의 캠식 전동밸브의 경우와 같은 탄성력 조정용의 스프링 등이 불필요하게 되고, 밸브 시트(28b)의 탄성력에 의해 밀봉 기능이 확보되어 캠식 전동밸브(28)의 구조의 간소화 및 대폭적인 소형화가 가능해진다.
도 4는 본 발명의 일실시형태에 의한 4분류로형 가스 분류 공급장치의 주요부를 구성하는 분류량 제어유닛 부분의 전체 구성도를 나타내는 것이며, 4개 분류로(L1∼L4)의 분류량 제어를 행하는 구성으로 한 것이다. 또한, 도 5는 분류량 제어유닛 부분의 부품 구성도이며, 도 4와 실질적으로 동일한 것이다.
또한, 가스 분류 공급장치로서는 상기 분류량 제어유닛 부분 이외에, 상기 도 16에 기재된 가스 공급원(1)이나 압력 조정기(2), 유량 제어장치 등이 필요한 것은 물론이다.
도 4 및 도 5을 참조하여, 상기 분류량 제어유닛은 가스 공급원(도시생략)으로부터 공급되어 오는 총 유량(Q)의 가스를 분류량(Q1, Q2, Q3, Q4)으로 분류하여 반응로(15) 등의 가스 사용 개소에 공급하는 것이다. 또한, 도 4에서는 4분류로(L1∼L4)로 분류할 경우를 나타내고 있지만, 분류로의 수는 2라인 또는 3라인이 될 경우도, 또는 4라인 이상이 될 경우도 있다.
상기 도 4 및 도 5에 있어서, Q는 총 유량, Q1, Q2, Q3, Q4는 분류량, U1은 분류로(L1)용의 분류량 제어유닛, U2, U3, U4는 분류로(L2), 분류로(L3), 분류로(L4)용의 분류량 제어유닛, 291∼294는 열식 질량유량센서(MFM), 16a∼16d는 스위칭형 컨트롤러(PCB1∼PCB4), 15는 반응로, 9는 진공펌프, 371∼374는 캠식 전동밸브의 밸브부(V1, V2, V3, V4), 381∼384(D1, D2, D3, D4)는 밸브 구동부. 421∼424는 PID 정수 조정기구, 431∼434는 증폭기이다.
또한, 상기 스위칭형 컨트롤러(16a, 16b, 16c, 16d)는 일체로 형성될 경우가 있고, 이 경우에는 각 컨트롤러(16a, 16b, 16c, 16d)에는 같은 기판이 사용되고, 그 결과 각 컨트롤러(16a, 16b, 16c, 16d)에도 각각 유량비 설정 연산기(RSC)가 설치되게 되지만, 제품의 출하시에 제 1 분류로(L1)용의 컨트롤러(16a)와 분류로(L2∼L4)용의 컨트롤러(16b, 16c, 16d)를 각각 설정하도록 하고, 제 1 분류로(L1)용의 컨트롤러(16a)의 유량비 설정 연산기(RSC)만을 작동하도록 하고 있다. 또한, 도 4에서는 컨트롤러 PCB1(16a)을 제 1 분류로용 컨트롤러(16a)로 설정하고 있다.
이어서, 상기 분류량 제어유닛의 제어동작을 설명한다.
도 4를 참조하여, 분류량 제어유닛(U1)(제 1 유로(L1))의 스위칭형 컨트롤러 PCB1(16a)에는 유량비 설정 연산기(RSC)가 설치되어 있고, 상위 장치 또는 외부장치(OD)로부터 각 분류로에의 유량비 설정 지령이 입력됨과 아울러, 유량비 설정 연산기(RSC)로부터 상위 장치 또는 외부장치(OD)에, 필요할 경우에는 연산한 각 시점에 있어서의 각 분류로의 분류량이나 분류비(유량비)가 출력된다.
상기 유량비 설정 연산기(RSC)는 상위 장치 또는 외부장치(OD)로부터 입력된 유량비 지령신호에 따라 각 분류로(L1∼L4)의 스위칭형 컨트롤러(16a∼16d)의 유량비를 설정하거나, 각 열식 유량센서(291∼294)로부터의 유량 검출신호를 이용하여 총 유량(Q) 및 각 분류로(L1∼L4)의 유량비의 연산을 행한다.
또한, 유량비 설정 연산기(RSC)는 상기 연산한 유량비를 각 컨트롤러(16a∼16d)에 출력함과 아울러 각 컨트롤러(16a∼16d)로부터의 밸브 개방도 지령신호의 체크나 각 분류로의 캠식 전동밸브(28)의 개방도 체크 등을 행한다.
즉, 각 스위칭형 컨트롤러(16a∼16d)는, 후술하는 바와 같이 우선, 밸브 개방도 제어 모드에서 각 캠식 전동밸브(28)의 밸브 개방도를 유량비 지령신호에 따라 제어하고, 그 후에 분류량 제어 모드에서 각 캠식 전동밸브(28)의 밸브 개방도를 PID 제어방식에 의해 피드백 제어하고, 유량비 설정 연산기(RSC)로부터 지정된 소정의 분류량(Q1, Q2, Q3, Q4)이 되도록 밸브 구동부(381∼384)를 작동시킨다.
또한, 각 컨트롤러(16a∼16d)에는 미리 PID 제어 정보가 기억되어 있고, 지정된 분류량(Q1, Q2, Q3, Q4)의 값에 따라 최적인 PID 제어 정수(제어 파라미터)를 선택하고, PID 제어방식에 의한 각 캠식 전동밸브(28)의 피드백 제어를 행한다.
도 6은 각 분류량 제어유닛 등의 구체적인 작동 시퀸스를 나타내는 것이며, 우선, 도 6(a)에 나타내는 바와 같이 전원이 가스 분류 공급장치에 공급됨으로써 각 분류량 제어유닛 등이 구동되고, 각 스위칭형 컨트롤러(16a∼16d)는 개방도 제어 모드로 들어간다. 그리고, 각 캠식 전동밸브(28)의 모터(34)가 밸브 폐쇄 방향으로 회전되고(S1), 우선 완전 폐쇄시의 밸브 개방도 원점이 검출된다(S2). 그리고, 원점이 검출되면 다음에 각 밸브(28)의 밸브 개방도가 100% 개방도로 일단 유지된다(S3).
이어서, 유량비 설정 연산기(RSC)가 외부장치(상위의 장치)(OD)로부터 수취한 유량비 지령값을 제 1 분류로용의 분류량 제어유닛(U1)에 입력하고, 제 1 분류로(L1)의 유량비의 변경(설정)이 행하여진다(도 6(b)). 즉, 제 1 분류로(L1)의 유량비의 설정 또는 변경이 되었을 경우에 도 6(b)에 나타내는 바와 같이 유량비가 분석되고(S4), 유량비(분류비)의 최대의 설정 분류로가 2개 이상 있는지의 여부를 판정한다(S5). 판정 결과가 최대 유량비의 분류로가 하나일 경우에는 그 최대 유량비의 분류로의 전동밸브(28)의 개방도를 75%로 유지한다(S6). 또한, 최대 유량비의 분류로가 2개 이상 있을 경우에는 지정 ID가 빠른 번호의 분류로의 전동밸브(28)의 개방도를 75%로 고정하고, 이것을 유지한다(S7).
상기 밸브 개방도 제어 모드에 의해 하나의 최대 유량비(분류비)의 분류로의 선택 및 그 전동밸브의 밸브 개방도 고정(75%)이 완료되면, 이어서 각 스위칭형 컨트롤러(16a∼16d)는 분류량 제어 모드로 전환되어 각 분류로의 분류량 제어가 행하여진다.
또한, 최대 유량비(분류비)의 분류로의 개방도를 75%로 설정하는 것은, 통상의 전동밸브에 있어서는 밸브 개방도 75% 정도 하에서 제어 유량이 최대가 되도록 설계되어 있고, 밸브 개방도가 75%를 초과하면 제어 성능이 대폭 저하하기 때문이다. 또한, 상기 밸브 개방도 75%는 전동밸브의 종류에 따라 40∼80%의 범위에서 적당하게 선정할 수 있다.
우선, 제 1 분류로(L1)용의 분류량 제어유닛(U1)에서는, 도 6의 (c) 및 (d)에 나타내는 바와 같이 유량비 제어가 ON이 되면, 각 분류로의 검출 유량값의 판독(S7), 총 유량 및 유량비의 연산 및 그 출력(S8), 설정되어 있는 유량비(분류비)로부터 각 분류로의 제어 유량의 연산(S9), 각 분류로에의 연산한 유량 지령값의 출력(S10), 각 분류로의 밸브의 개방도의 재체크(S11)가 행하여지고, 개방도 75%의 밸브가 하나인 경우에는 제 1 분류로(L1)용의 분류량 제어유닛(U1)에 의한 처리를 끝내고, 스위칭형 컨트롤러(16a)의 PID 피드백 제어에 들어간다. 물론, 그 밖의 분류량 제어유닛의 스위칭형 컨트롤러도 동시 병행적으로 PID 피드백 제어에 들어간다.
또한, 개방도 75%의 밸브가 2개 이상일 경우에는 그것이 2개인지 또는 3개인지를 판단하고(S13), 2개의 밸브일 경우에는 75% 개방도 지령의 분류로의 교체를 한다(S14). 즉, 분류량이 증가해 온 쪽의 분류로의 전동밸브의 개방도를 고정한다.
또한, 3개의 밸브일 경우에는 상기 ID가 빠른 분류로의 전동밸브에 75% 개방도 지령을 입력한다(S15).
상기 도 6(d)에 나타낸 제 1 분류로(L1)용 분류량 제어유닛(U1)의 유량비 설정 연산기(RSC)에 의한 처리 A는, 제어하고 있는 분류로가 유량 부족이 된 경우에도 유량비 제어를 행할 수 있도록 유량비 설정 연산기(RSC)가 개방도로부터 판단해서 처리를 행하는 것이다.
도 7은 최대 유량비(분류비)인 75% 개방도 고정 분류로의 지정이 끝난 후의, 분류량 제어 모드에 의한 각 분류로(L1∼L4)의 각 스위칭형 컨트롤러(16a∼16d)에 의한 분류량 제어를 나타내는 것이며, 유량비 설정 연산기(RSC)로부터 각 컨트롤러(16a∼16d)에 유량값의 갱신 지령이 입력되면(S16), 우선 각 스위칭형 컨트롤러(16a∼16d)는 각 캠식 전동밸브(28)를 일정 속도로 구동시키고(S17), 유량 검출값이 유량 지령값의 상·하 1SCCM의 범위에 들어갔는지의 여부를 판단한다(S17a). 상·하 1SCCM의 범위에 들어갔을 경우에는 소위 PID 피드백 제어를 개시한다(S18). 즉, 유량비 설정 연산기(RSC)로부터의 유량 지령값과 각 분류로(L1∼L4)의 검출 유량이 일치하도록 각 캠식 전동밸브(28)가 조작되게 된다.
또한, 도 7(b)는 상기 각 캠식 전동밸브(28)의 일정 속도 구동의 설명도이며, 유량 제어 목표값의 상·하로 스위칭 레벨(피드백 제어 레벨, 도 7(a)에서는 상·하 1SCCM)을 설정하고, 각 스위칭 레벨에 도달할 때까지는 일정 속도 구동으로 각 캠식 전동밸브(28)의 개방도를 제어하고, 그 후에 PID 제어로 스위칭함으로써 분류량 제어의 응답성을 높이도록 하고 있다. 또한, 상기 상·하 1SCCM의 스위칭 레벨은 적당하게 변경하는 것이 가능하다.
도 8은 상기 PID 피드백 제어에 있어서의 PID 파라미터의 제어 설명도이다. 본 발명에 있어서는 각 분류로의 각 스위칭형 컨트롤러(16a∼16d)의 메모리 내에 미리 구한 유량과 최적 제어시의 PID 정수값의 관계가 기억되어 있고, 유량비 설정 연산기(RSC)로부터 총 유량(Q), 분류량(Q1∼Q4)의 정보가 각 분류로(L1∼L4)의 스위칭형 컨트롤러(16a∼16d)에 입력되고(S19), 상기 총 유량(Q), 분류량(Q1∼Q4)의 정보와 각 스위칭형 컨트롤러(16a∼16d)의 메모리 내에 기억되어 있는 PID 정수를 참조해서(S20), 총 유량 등에 합치한 PID 정수의 선정 및 이것을 사용한 PID 피드백 제어가 행하여진다(S21).
본 발명에서 사용하는 열식 유량센서(29)는 실온 하에서 제로점 조정을 행하면 환경 온도의 변화와 함께 제로점에 어긋남이 생기는 것이 판명되어 있다. 도 9의 (a)는 종전의 범용형 열식 유량센서의 제로점과 온도의 관계를 나타내는 것이며, 본 발명에서는 상기 제로점의 변동(온도 드리프트)의 영향을 피하기 위해서, 도 9(b)에 나타내는 바와 같이 검출 온도와 제로점의 관계를 미리 확인해 두고(S22), 이 관계를 CPU에 기억시키며(S23), 상기 기억값을 이용하여 현실의 검출 온도 하에 있어서의 열식 유량센서(29)의 제로점을 산출하고(S24), 산출된 제로점을 검출 온도 하에 있어서의 열식 유량센서(29)의 유량 출력에 가감산함으로써 열식 유량센서(29)의 온도 드리프트를 보정하도록 하고 있다(S25).
도 9(c)는 상기 도 9(b)의 처리를 행하기 위한 처리기구의 구성도이며, 열식 유량센서(29)의 상류측에 온도 검출기(39)를 설치하고, 또한 CPU(40)에 온도와 제로점 특성의 기억부(40a)와 유량값의 연산부(40b)를 설치하는 구성으로 한 것이다.
또한, 열식 유량센서(29)에는 비교적 큰 소위 압력 의존 특성이 보이고, 이 압력 의존 특성은 열식 유량센서의 교정면 및 유량 측정값의 보정면의 어느 쪽에도 영향을 미치는 것이다.
도 10(a)는 3개의 열식 유량센서(29)에 같은 유량의 가스를 공급했을 경우의 정류층부의 압력(Torr)과 검출 유량 오차의 관계를 나타내는 것이며, 각 개체마다 유량 오차가 제로가 되는 압력값이 다른 것을 알 수 있다. 또한, 직선 E는 오차가 0인 라인이다.
즉, 열식 유량센서(29)에서 검출한 유량값은 열식 유량센서의 정류층부의 압력 조건에 따라 개별적으로 그 유량 오차가 다르게 된다. 그 때문에, 본 발명에 있어서는 유량 교정을 행할 때에 압력 조건을 통일해서 실시함으로써 감압 환경 하에 있어서도, 도 10(b)에 나타내는 바와 같이 열식 유량센서(29)의 유량 오차에 개체차가 현저하게 나타나지 않도록 하고 있다.
또한, 본 발명에 있어서는 열식 유량센서(29)의 검출 유량값과 열식 유량센서부의 압력의 관계를 미리 조사해서 이것을 CPU에 기억해 둠과 아울러 열식 유량센서의 정류층부의 압력을 감시하고, 상기 열식 유량센서의 정류층부의 압력과 상기 CPU에 기억시킨 검출 유량값과 정류층부의 압력의 관계 정보를 이용하여 검출 유량값의 오차량을 연산한다. 그리고, 이 연산한 오차량을 검출 유량값에 가감산함으로써 현실의 검출 유량값의 오차를 제로로 하도록 하고 있다.
도 10(c)는 상기 검출 유량값의 보정을 행하기 위한 보정기구의 구성도이며, 40은 CPU, 40a1은 압력-유량 오차특성의 기억부, 40b1은 유량값의 연산부이며, 상기 도 9(c)의 경우와 같은 사상에 근거하는 것이다.
또한, 열식 유량센서의 정류층부(29a)의 압력 의존성을 적게 하는 방책으로서, 본원 발명자는 도 11의 (a)와 같이 복수의 세관(29c)을 평행 형상으로 배치한 구성의 정류층부(29a)를 형성하고, 이것을 이용하여 열식 유량센서(29)의 검출 유량 오차와 열식 유량센서부의 압력의 관계를 조사했다.
도 11의 (b)는 그 조사 결과를 나타내는 것이며, 곡선 X는 세관(29c)을 사용한 도 11의 (a)와 같은 형태의 정류층부(층류소자)의 경우를, 또한 곡선 Y는 종전의 바이패스 시트형의 정류층부(층류소자)의 경우를 각각 나타내는 것이다. 직선 E는 오차가 0인 라인이다.
곡선 X로부터도 분명하게 나타나 있는 바와 같이, 세관을 사용한 캐피러리형 정류층부는 열식 유량센서의 검출 유량 오차의 압력 의존성을 현저하게 저감시키는 것이 가능해진다.
본 발명은 반도체 제조장치용의 가스 분류 공급장치 뿐만 아니라, 총 유량의 제어에 유량 제어장치를 사용하는 장치이면 화학품 제조장치용 가스 공급 설비 등에도 널리 적용할 수 있는 것이다.
Q : 총 유량 Q1, Qn : 분류량
L1, Ln : 분류로 Ss : 분류량 제어 지령신호
Sp : 개방도 제어 지령신호 Sm : 유량 검출신호
Sa : 유량 설정신호 Sa1∼Sa4 : 유량 설정신호
Sv : 밸브 구동신호 Sv1∼Sv4 : 밸브 구동신호
Sk : 밸브 개방도 제어신호 Sk1∼Sk4 : 밸브 개방도 제어신호
Sx : 제어 스위칭 신호 1 : 가스 공급원
2 : 압력 조정기 3 : 압력센서
4 : 압력식 유량 제어장치(FCS) 5a·5b : 압력계
6 : 열식 유량센서 7 : 전동밸브
8 : 밸브 구동부 9 : 진공펌프
10·10a : 스로틀 밸브 11 : 신호발신기
12 : PID 컨트롤러 13 : 프로세스 챔버
14 : 진공펌프 15 : 대형 반응로
16 : 유량 조정장치 16a∼16d : 스위칭형 컨트롤러
17 : 밸브 개방도 지령신호 발신기 18 : 분류량 제어 지령 발신기
19 : 제어 스위칭기구 20 : 밸브 개방도 제어기구
21 : 분류량 제어기구 22 : 단자
23 : 단자 24 : 단자
OD : 외부장치 RSC : 유량비 설정 연산기
U1∼U4 : 분류량 제어유닛 25 : 베이스 본체
25a : 가스 통로 25b : 열식 유량센서 삽입구멍
25c : 밸브 본체 삽입구멍 26 : 입구측 블록
26a : 가스 입구 26b : 가스 통로
27 : 출구측 블록 27a : 가스 출구
27b : 가스 통로 28 : 캠식 전동밸브
28a : 밸브 본체 28b : 밸브 시트
28c : 다이어프램 밸브체 28d : 밸브체 누르개
28e : 리니어 부싱 28f : 스템
28g : 베어링 29 : 열식 유량센서
29a : 정류층부 29b : 유량 검출부
29c : 세관 30 : 제어용 기판
31 : 고정용 나사 32 : 케이싱
33 : 캠판 34 : 스테핑 펄스모터
34a : 모터축 35 : 스트로크 조정용 나사
36 : 스트로크 조정용 나사 37 : 캠식 전동밸브의 밸브부
38 : 캠식 전동밸브의 밸브 구동부 39 : 온도검출기
40 : CPU 41 : 압력검출기
42 : PID 정수 조정기구 43 : 증폭기

Claims (10)

  1. 가스 공급원으로부터의 가스의 유량 제어장치와, 유량 제어장치로부터의 가스를 가스 사용 개소로 분류하는 병렬로 접속된 복수의 분류로와, 각 분류로에 설치한 열식 유량센서와, 열식 유량센서의 하류측에 설치한 전동밸브와, 각 전동밸브의 개폐를 제어하는 컨트롤러와, 외부로부터 유량비 지령값이 입력됨과 아울러 각 열식 유량센서의 유량으로부터 총 유량을 연산하고, 상기 연산한 총 유량과 상기 유량비 지령값으로부터 각 분류로의 유량값을 연산해서 각 컨트롤러에 상기 연산 유량값을 설정 유량으로서 입력하는 유량비 설정 연산기를 구비하고, 우선, 상기 유량비 설정 연산기로부터 입력된 설정 유량값이 최대가 되는 어느 하나의 분류로를 비제어 상태로 해서 상기 비제어 상태로 된 분류로에 연결된 전동밸브의 개방도를 일정값으로 유지함과 아울러 상기 비제어 상태로 된 분류로를 제외한 나머지 분류로에 연결된 전동밸브를 검출 유량이 피드백 제어 레벨에 도달할 때까지 일정 속도로 구동함으로써 설정 개방도로 제어하고, 그 후에 각 분류로의 분류량을 각 컨트롤러에 의해 피드백 제어하는 구성으로 한 것을 특징으로 하는 가스 분류 공급장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 비제어 상태로 된 분류로에 연결된 전동밸브의 개방도를 75%로 유지하는 구성으로 한 것을 특징으로 하는 가스 분류 공급장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    각 열식 유량센서의 유량 검출신호에 의해 컨트롤러를 통해서 전동밸브의 개방도를 조절하는 분류량의 피드백 제어시의 PID 제어 정수를, 유량 제어장치로부터의 가스의 총 유량에 따라서 조정하는 구성으로 한 것을 특징으로 하는 가스 분류 공급장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    전동밸브를 펄스모터 구동형 캠식 전동밸브로 함과 아울러, 밸브체를 스테인레스강제의 다이어프램으로, 그리고 밸브 시트를 탄성을 갖는 수지재제로 하고, 밸브 완전 폐쇄시의 상기 다이어프램과 밸브 시트간의 접촉압을 밸브 시트의 탄성에 의해 확보하는 구성으로 한 것을 특징으로 하는 가스 분류 공급장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    유량 제어장치를 압력식 유량 제어장치로 함과 아울러 컨트롤러를 분류로에 연결된 전동밸브의 개방도를 제어하는 밸브 개방도 제어 모드 및 분류량 제어 모드로 스위칭 가능한 구성으로 한 것을 특징으로 하는 가스 분류 공급장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    분류로를 2∼4로 함과 아울러, 분류로에 연결된 전동밸브의 개방도를 제어하는 밸브 개방도 제어 모드에서의 전동밸브의 개방도를 완전 개방시의 40∼80%로 하도록 한 것을 특징으로 하는 가스 분류 공급장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    열식 유량센서를, 열식 유량센서의 온도와 제로점 온도의 관계를 기억값으로 하여 미리 컨트롤러에 기억시키고, 상기 기억값을 이용하여 제로점 온도 드리프트를 보정하는 구성의 것으로 한 것을 특징으로 하는 가스 분류 공급장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    열식 유량센서를, 열식 유량센서의 검출 유량과 유량 검출부의 압력의 관계를 기억값으로 하여 미리 컨트롤러에 기억시키고, 상기 기억값을 이용하여 검출 유량 오차를 수정하는 구성의 것으로 한 것을 특징으로 하는 가스 분류 공급장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    열식 유량센서를, 복수의 관형상체를 병렬 형상으로 배열해서 이루어지는 정류층부를 구비한 구성의 것으로 하고, 정류층부에 있어서의 가스의 압력 강하를 적게 해서 검출 유량과 공급 유량의 오차를 적게 하는 구성의 것으로 한 것을 특징으로 하는 가스 분류 공급장치.
  10. 가스 공급원으로부터의 가스의 유량 제어장치와, 유량 제어장치로부터의 가스를 가스 사용 개소로 분류하는 병렬로 접속된 복수의 분류로와, 각 분류로에 설치한 열식 유량센서와, 열식 유량센서의 하류측에 설치한 전동밸브와, 각 전동밸브의 개폐를 제어하는 컨트롤러와, 외부로부터 유량비 지령값이 입력됨과 아울러 각 열식 유량센서의 유량으로부터 총 유량을 연산하고, 상기 연산한 총 유량과 상기 유량비 지령값으로부터 각 분류로의 유량값을 연산해서 각 컨트롤러에 상기 연산 유량값을 설정 유량으로서 입력하는 유량비 설정 연산기를 구비하는 가스 분류 공급장치를 사용하고,
    외부로부터 유량비 설정 연산기에 유량비 지령을 입력하고, 또한 가스 공급원으로부터의 가스를 유량 제어장치로부터 각 분류로에 공급함과 아울러 상기 유량비 설정 연산기에 있어서 각 열식 유량센서에서 검출한 유량을 이용하여 총 유량을 연산하고, 또한 상기 연산한 총 유량과 상기 유량비 지령값으로부터 각 분류로가 필요로 하는 유량값을 연산해서 각 컨트롤러에 상기 연산 유량값을 설정 유량으로서 입력하는 가스 분류 공급방법에 있어서,
    우선, 상기 유량비 설정 연산기로부터 입력된 설정 유량값이 최대가 되는 어느 하나의 분류로를 판별하고, 상기 판별한 하나의 분류로를 비제어 상태로 해서 상기 비제어 상태로 된 분류로에 연결된 전동밸브의 개방도를 일정값으로 유지함과 아울러 상기 비제어 상태로 된 분류로를 제외한 나머지 분류로에 연결된 전동밸브를 검출 유량이 피드백 제어 레벨에 도달할 때까지 일정 속도로 구동함으로써 설정 개방도로 제어해서 유량비를 조절하고, 그 후에 각 컨트롤러에 의해 각 분류로의 분류량을 PID 피드백 제어하는 구성으로 한 것을 특징으로 하는 가스 분류 공급방법.
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