KR101707877B1 - 유량 모니터 부착 유량 제어 장치 - Google Patents

유량 모니터 부착 유량 제어 장치 Download PDF

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코우지 니시노
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Abstract

본 발명은 압력식 유량 제어부가 구비한 높은 내압력 변동 특성을 유효하게 이용하여 빌드다운식 유량 모니터부를 압력식 유량 제어부의 상류측에 조합함으로써 리얼 타임에 근접한 유량 모니터를 행할 수 있음과 아울러, 모니터 유량을 이용하여 압력식 유량 제어부의 설정 유량을 자동 조정할 수 있고, 또한 장치의 대폭적인 소형화 및 저비용화를 가능하게 한 유량 모니터 부착 유량 제어 장치를 제공한다. 본 발명은 상류측에 설치한 빌드다운식 유량 모니터부(BDM)와, 그 하류측에 설치한 압력식 유량 제어부(FCS)와, 빌드다운식 유량 모니터부(BDM)와 압력식 유량 제어부(FCS)를 연결하여 빌드다운식 유량 모니터부(BDM)의 모니터 유량(Q)을 압력식 유량 제어부(FCS)에 전송하는 신호 전송 회로(CT)와, 압력식 유량 제어부(FCS)에 설치되어 상기 빌드다운식 유량 모니터부(BDM)로부터의 모니터 유량(Q)에 의해 압력식 유량 제어부(FCS)의 설정 유량(Qs)을 조정하는 유량 설정값 조정 기구(QSR)로 구성된다.

Description

유량 모니터 부착 유량 제어 장치{FLOW VOLUME CONTROL DEVICE EQUIPPED WITH FLOW RATE MONITOR}
본 발명은 유량 모니터 부착 유량 제어 장치의 개량에 관한 것으로, 상세하게는 내압력 변동 특성을 구비한 유량 제어 장치와 빌드다운식 유량 모니터를 유기적으로 조합함으로써 유량 제어 장치에 의한 제어 유량을 리얼 타임으로 모니터할 수 있음과 아울러, 제어 유량과 모니터 유량간의 차이가 설정값을 초과하면 자동적으로 유량 제어 장치측의 유량 설정값을 조정하는 것이 가능하도록 한 유량 모니터 부착 유량 제어 장치에 관한 것이다.
종전부터, 반도체 제어 장치용 가스 공급 장치에 있어서는 열식 유량 제어 장치(MFC)나 압력식 유량 제어 장치(FCS)가 널리 이용되고 있다. 특히, 후자인 압력식 유량 제어 장치(FCS)는 도 19에 나타내는 바와 같이 컨트롤 밸브(CV), 온도 검출기(T), 압력 검출기(P), 오리피스(OL) 및 온도 보정·유량 연산 회로(CDa)와 비교 회로(CDb)와 입출력 회로(CDc)와 출력 회로(CDd) 등으로 이루어진 연산 제어부(CD) 등으로 구성되어 있어, 1차측 공급압이 크게 변동되어도 안정된 유량 제어를 행할 수 있다는 뛰어난 유량 특성을 구비하고 있다.
즉, 도 19의 압력식 유량 제어 장치(FCS)에서는 압력 검출기(P) 및 온도 검출기(T)로부터의 검출값이 디지털값으로 변환되고, 그 후에 온도 보정·유량 연산 회로(CDa)에 입력된다. 여기에서 검출 압력의 온도 보정과 유량 연산이 행하여져 유량 연산값(Qt)이 비교 회로(CDb)에 입력된다. 또한, 설정 유량에 대응하는 입력 신호(Qs)가 단자(In)로부터 입력되어 입출력 회로(CDc)에서 디지털값으로 변환된 뒤 비교 회로(CDb)에 입력되고, 여기에서 상기 온도 보정·유량 연산 회로(CDa)로부터의 유량 연산값(Qt)과 비교된다. 비교 결과, 설정 유량 입력 신호(Qs)가 유량 연산값(Qt)보다 클 경우에는 컨트롤 밸브(CV)의 구동부에 제어 신호(Pd)가 출력된다. 이것에 의해 컨트롤 밸브(CV)가 폐쇄 방향으로 구동되고, 설정 유량 입력 신호(Qs)와 유량 연산값(Qt)의 차(Qs-Qt)가 0이 될 때까지 밸브 폐쇄 방향으로 구동된다.
상기 압력식 유량 제어 장치(FCS)에서는 오리피스(OL)의 하류측 압력(P2)과 상류측 압력(P1) 사이에 P1/P2≥약 2의 소위 임계 팽창 조건이 유지되어 있을 경우에는, 오리피스(OL)를 유통하는 가스 유량(Q)이 Q=KP1(단, K는 정수)이 되어 압력(P1)을 제어함으로써 유량(Q)을 고정밀도로 제어할 수 있음과 아울러, 컨트롤 밸브(CV)의 상류측 가스(G0)의 압력이 크게 변화되어도 제어 유량값이 거의 변화되지 않는다는 뛰어난 특성이 구비되어 있다.
또한, 압력식 유량 제어 장치(FCS) 그 자체는 공지이기 때문에, 여기에서는 그 상세한 설명을 생략한다.
그러나, 이러한 종류의 압력식 유량 제어 장치(FCS)에서는 미소한 구멍 지름의 오리피스(OL)를 사용하고 있기 때문에, 오리피스(OL)의 구멍 지름의 경년 변화가 불가피하다. 그리고, 구멍 지름이 변화되면 압력식 유량 제어 장치(FCS)의 설정 유량(즉, 제어 유량값)과 현실에 오리피스(OL)를 유통하는 가스(G0)의 실유량값 사이에 차이를 발생시키게 된다. 또한, 이 차이를 검출하기 위해서는 소위 유량 모니터를 빈번히 행할 필요가 있어, 반도체 제조 장치의 가동성이나 제조된 반도체의 품질 등에 큰 영향을 준다는 문제가 있다.
그 때문에, 압력식 유량 제어 장치 분야에 있어서는 종래부터 오리피스(OL)의 구멍 지름의 변화를 가능한 한 빠른 시기에 검출하여 압력식 유량 제어 장치(FCS)에 의한 제어 유량값과 현실에 오리피스를 유통하는 가스(G0)의 실유량값 사이의 차이의 발생을 방지하기 위한 대책이 채용되고 있고, 이러한 종류의 오리피스(OL)의 구멍 지름 변화 등의 검출에는 소위 빌드업 방식이나 빌드다운 방식을 사용한 가스 유량 측정 방법이 많이 사용되고 있다.
한편, 상기 빌드업 방식이나 빌드다운 방식의 가스 유량 측정에서는 실가스의 공급을 일시적으로 정지할 필요가 있기 때문에, 가스 유량 측정이 반도체 제조 장치의 가동률의 저하나 제조된 반도체의 품질 등에 큰 영향을 끼친다는 문제가 있다.
그 때문에, 최근 이러한 종류의 유량 제어 장치의 분야에 있어서는 실가스의 공급을 일시적으로 정지하지 않고 공급 가스의 유량 제어가 적정하게 행하여지고 있는지의 여부를 리얼 타임으로 간단하게 모니터할 수 있도록 한 유량 모니터 부착 유량 제어 장치의 개발이 진행되고 있다.
예를 들면, 도 20은 그 일례를 나타내는 것으로, 상기 유량 모니터 부착 유량 제어 장치(20)는 유로(23)와, 입구측 압력을 검출하는 제 1 압력 센서(27a)와, 개폐 제어 밸브(24)와, 열식 질량 유량 센서(25)와, 제 2 압력 센서(27b)와, 스로틀부(음속 노즐)(26)와, 연산 제어부(28a)와, 입출력 회로(28b) 등으로 구성되어 있다.
또한, 상기 열식 질량 유량 센서(25)는 정류체(25a)와, 유로(23)로부터 소정 비율(F/A)의 유량을 분기하는 분기 유로(25b)와, 분기 유로(25b)에 설치한 센서 본체(25c)를 갖고, 총 유량(F)을 나타내는 유량 신호(Sf)를 연산 제어부(28a)로 출력한다.
또한, 스로틀부(26)는 그 상류측과 하류측에 있어서의 압력차가 소정값 이상일 때(즉, 임계 조건 하의 유체류일 때)에, 상류측 압력에 비례한 유량의 유체를 흐르게 하는 음속 노즐이다. 또한, 도 20에 있어서 SPa, SPb는 압력 신호, Pa, Pb는 압력, F는 총 유량, Sf는 유량 신호, Cp는 밸브 개방도 제어 신호이다.
상기 연산 제어부(28a)는 압력 센서(27a, 27b)로부터의 압력 신호(SPa, SPb) 및 열식 질량 유량 센서(25)로부터의 유량 신호(Sf)를 피드백해서 밸브 개방도 제어 신호(Cp)를 출력함으로써 개폐 제어 밸브(24)를 피드백 제어한다. 즉, 연산 제어부(28a)에는 입출력 회로(28b)로부터 유량 설정 신호(Fs)가 입력되어, 유량 모니터 부착 유량 제어 장치(20)에 흐르는 유체의 유량(F)이 유량 설정 신호(Fs)가 되도록 조정된다.
구체적으로는, 연산 제어부(28a)가 제 2 압력 센서(27b)의 출력[압력 신호(Spb)]을 이용하여 개폐 제어 밸브(24)의 개폐를 피드백 제어함으로써 음속 노즐(26)을 흐르는 유체의 유량(F)을 제어함과 아울러, 이때의 열식 질량 유량 센서(25)의 출력[유량 신호(Sf)]을 이용하여 실제로 흐르고 있는 유량(F)의 측정을 행하여 유량 모니터 부착 유량 제어 장치(20)의 동작을 확인하는 것이다.
상술한 바와 같이, 도 20의 유량 모니터 부착 유량 제어 장치(20)에 있어서는 제 2 압력 센서(27b)의 압력 신호(Spb)를 이용하여 개폐 제어 밸브(24)의 개방도를 조정하는 압력식 유량 제어와, 실유량의 감시를 행하는 열식 질량 유량 센서(25)를 사용한 유량 측정이라고 하는 2종의 방식을 연산 제어부(28a)에 도입하고 있기 때문에 설정 유량에 대응하는 제어 유량의 유체가 실제로 흐르고 있는지의 여부, 즉 제어 유량과 실유량 사이에 차가 있는지의 여부를 간단하고 또한 확실하게 리얼 타임으로 모니터할 수 있어, 높은 실용적 효용을 갖는 것이다.
그러나, 상기 도 20의 유량 모니터 부착 유량 제어 장치(20)에도 해결해야 할 문제가 많이 남겨져 있다.
우선, 제 1의 문제는 모니터 유량값(실유량값)과 제어 유량값 사이에 차이가 발생했을 경우에 차이의 발생을 경보 등에 의해 감지하는 것은 가능하지만, 자동적으로 제어 유량값의 수정, 즉 설정 유량값의 조정이 불가능하다. 그 때문에, 만일 어떠한 원인, 예를 들면 운전 요원의 부재 등으로 제어 유량값의 수정이 지연되었을 경우에는 설정 유량값과 다른 유량의 가스(실유량 가스)의 공급이 계속됨으로써 반도체 제조상 다양한 문제가 발생하게 된다.
제 2의 문제는 유량 제어를 행하기 위한 제 2 압력 센서(27b)를 사용한 압력식 유량 측정과, 유량 감시를 행하기 위한 열식 질량 유량 센서(25)를 사용한 유량 측정이라고 하는 2종의 다른 측정 방식을 도입하고 있기 때문에 유량 모니터 부착 유량 제어 장치(20)의 구조가 복잡해지고, 장치의 소형화 및 제조 비용의 인하를 도모할 수 없는 점이다.
제 3의 문제는 연산 제어부(28a)가 제 2 압력 센서(27b)의 압력 신호(SPb)와 열식 질량 유량 센서(25)의 유량 신호(Sf)의 양쪽 신호를 이용하여 개폐 제어 밸브(24)를 개폐 제어함과 아울러 제 1 압력 센서(27a)의 압력 신호(SPb)를 이용하여 열식 질량 유량 센서(25)의 유량 신호(Sf)를 보정하는 구성으로 하고 있고, 제 1 압력 센서(27a) 및 제 2 압력 센서(27b) 2개의 압력 신호와 열식 질량 유량 센서(25)로부터의 유량 신호의 3개의 신호를 이용하여 개폐 제어 밸브(24)의 개폐 제어를 행하도록 하고 있다. 그 때문에, 연산 제어부(28a)의 구성이 복잡해질 뿐만 아니라, 압력식 유량 제어 장치(FCS)로서의 안정된 유량 제어 특성이나 뛰어난 고응답성이 반대로 저감되어 버린다고 하는 문제가 있다.
일본 특허 제 2635929호 일본 특허 제 2982003호 일본 특허 제 4308350호 일본 특허 제 4137666호
본 발명은 a. 종전의 빌드다운이나 빌드업식의 유량 측정 방법을 이용한 유량 모니터 부착 유량 제어 장치의 경우에는 유량 모니터시에 실가스의 공급을 일시적으로 정지해야만 해서 반도체 제조 장치의 가동률의 저하나 제조된 반도체의 품질 변동 등을 발생시키는 것, 및 b. 종전의 도 20과 같은 열식 유량계와 압력식 유량 제어 장치를 조합한 구조의 유량 모니터 부착 유량 제어 장치에서는 실유량의 이상이 판명되어도 자동적으로 제어 유량의 설정값의 수정을 행할 수 없어 유량 수정의 지연에 의해 다양한 문제가 발생하고, 유량 제어 장치 자체의 구조의 간소화 및 장치의 소형화가 곤란해지며, 또한 압력식 유량 제어 장치가 갖는 뛰어난 응답 특성이나 안정된 유량 제어 특성이 감쇄되는 것 등의 문제의 해결을 주된 발명의 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 압력식 유량 제어 장치(FCS)와 그 상류측에 설치한 빌드다운식의 유량 측정부를 일체적으로 조합하고, 유량 제어 장치의 상류측 압력(입력측 압력)에 허용되는 압력 변동 범위 내에서 상기 빌드다운식의 유량 측정부를 작동시켜 적어도 1초 이내에 1회(바람직하게는, 1초 동안에 복수회) 빌드다운식 유량 측정부로부터 유량 모니터 신호를 발신함으로써 압력식 유량 제어 장치에 의한 유량 제어와 동시 병행적으로 빌드다운식 유량 측정부에 의한 실질적으로 리얼 모니터에 근접한 유량 모니터를 행할 수 있음과 아울러, 모니터 유량값과 제어 유량값의 차이가 소정 유량값을 초과했을 경우에는 자동적으로 압력식 유량 제어 장치측의 유량 설정값을 조정하여 압력식 유량 제어 장치에 의한 유량 제어값을 빌드다운식 유량 측정부에 의한 유량값으로 수정하도록 한 유량 모니터 부착 유량 제어 장치를 제공하는 것이다.
즉, 입력측의 압력 변동에 의해 유량 제어 특성이 거의 영향을 받지 않는다고 하는 압력식 유량 제어 장치의 유량 특성을 풀로 활용하여 빌드다운식 유량 모니터부에 의한 유량 모니터를 대략 리얼 타임(적어도 1회/1초)에 근접한 상황 하에서 행하는 것이 가능하고, 또한 연산 제어부의 간소화, 기기 본체부의 대폭적인 소형화, 및 가스 치환성의 향상 등을 가능하게 한 빌드다운식 유량 모니터 부착 유량 제어 장치를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명자들은 우선, 오리피스를 이용한 압력식 유량 제어 장치(FCS)를 이용하여 도 1에 나타내는 바와 같은 시험 장치를 구성하고, 압력식 유량 제어 장치(FCS)와 1차측 개폐 스위칭 밸브(상류측 밸브)(AV) 사이의 압력 강하의 경사로부터 유량 산출을 행하는 빌드다운 방식에 의한 유량 측정에 관한 기초적인 각종 시험을 행하였다.
즉, 도 1에 있어서 N2는 가스 공급원, RG는 압력 조정기, ECV는 전자 구동부, AV는 1차측 개폐 스위칭 밸브(상류측 밸브), FCS는 압력식 유량 제어 장치, VP는 진공 펌프, BC는 빌드다운 용량, T는 온도 센서, P는 압력식 유량 제어 장치(FCS) 내의 컨트롤 밸브의 1차측에 설치한 압력 센서, P0은 압력 센서 출력, E는 전원부, E1은 압력식 유량 제어 장치용 전원, E2는 연산 제어부용 전원, E3은 1차측 개폐 스위칭 밸브(상류측 밸브)용 전원, S는 신호 발생기, CP는 연산 제어부, CPa는 압력식 유량 연산 제어부, CPb는 모니터 유량 연산 제어부, PC는 연산 표시부, NR은 데이터 로거이다.
상기 빌드다운 용량(BC)은 1차측 개폐 스위칭 밸브(상류측 밸브)(AV)의 출구측과 압력식 유량 제어 장치(FCS)의 컨트롤 밸브(도시 생략)의 입구측 사이의 관로 공간 용적에 상당한다. 상기 관로의 길이나 내경 등의 조정, 또는 상기 관로에 개설된 빌드다운용 챔버(도시 생략)의 내용적의 조정에 의해 상기 빌드다운 용량(BC)의 내용적(V)은 1.78㏄와 9.91㏄, 4.6~11.6㏄ 및 1.58㏄~15.31㏄의 각 용적으로 스위칭 조정할 수 있도록 구성되어 있다.
또한, 빌드다운용 챔버를 사용한 경우에는 후술의 실시예에서 설명하는 바와 같이 1차측 개폐 스위칭 밸브(상류측 밸브)(AV)의 출구와 컨트롤 밸브(CV)의 입구 사이의 유로 내경을 1.8㎜로 하고, 또한 빌드다운 용량(BC)의 내용적(V)을 1.58㏄~15.31㏄로 선정하고 있다.
상기 연산 제어부(CP) 내의 모니터 유량 연산 제어부(CPb)에서는 후술하는 바와 같이 빌드다운 용량(BC)에 있어서의 압력 강하율을 이용하여 모니터 유량의 연산이 행하여지고, 또한 압력식 유량 연산 제어부(CPa)에서는 종전의 압력식 유량 제어 장치(FCS)의 제어 연산부와 마찬가지로 오리피스(도시 생략)를 유통하는 유량의 연산 및 컨트롤 밸브(도시 생략)의 개폐 제어 등이 행하여진다.
또한, 압력식 유량 제어 장치(FCS), 1차측 개폐 스위칭 밸브(상류측 밸브)(AV), 압력 조정기(RG) 및 기타 기기류는 모두 공지의 것이기 때문에, 여기에서는 그 설명을 생략한다.
또한, 상기 1차측 개폐 스위칭 밸브(상류측 밸브)(AV)는 개폐를 단시간 내에 행할 필요가 있기 때문에 피에조 구동식 메탈 다이어프램 밸브나 직동형 전자 밸브가 사용되지만, 파일럿 전자 밸브를 설치한 에어 작동 밸브여도 좋다.
빌드다운식의 유량 측정부가 압력식 유량 제어 장치(FCS)의 상류측에 배치될 수 있는 것은, 상술한 바와 같이 오리피스를 사용한 압력식 유량 제어 장치(FCS)가 가스 공급압 변동의 영향을 받기 어렵기 때문이다. 또한, 빌드다운 방식에 의해 고정밀도인 유량 측정이 가능한 것은 공지이다.
즉, 빌드다운 방식에 있어서는 내용적(V)(ℓ)의 빌드다운 용량(BC) 내를 유통하는 유량(Q)은, 하기의 (1)식에 의해 산출할 수 있다.
Figure 112015092578663-pct00001
단, 여기에서 V는 빌드다운 용량(BC)의 내용적(ℓ), ΔP/Δt는 빌드다운 용량(BC)에 있어서의 압력 강하율, T는 가스 온도(℃)이다.
우선, 도 1의 시험 장치를 사용하여 압력식 유량 제어 장치(FCS)의 상류측 압력을 400kPa abs, 강하 압력(압력 강하 범위 ΔP)을 50kPa abs 이상으로 함과 아울러, 빌드다운 용량(BC)의 내용적(V)을 4.6~11.6㏄로 해서 빌드다운 방식에 의한 유량 측정을 행하였다. 도 2는 이때의 압력 강하 상태를 나타내는 것이며 유량 그 자체는 비교적 정밀도 좋게 측정할 수 있지만, 압력 회복 시간(a)이 필요하기 때문에 측정 유량의 출력이 불연속하게 되고, 또한 1사이클에 요하는 시간이 수 초 이상이 되는 것을 알 수 있었다.
즉, 1차측 개폐 스위칭 밸브(상류측 밸브)(AV)를 개방으로 해서 압력이 규정값 이상의 압력이 될 때까지의 시간을 압력 회복 시간(a)이라고 하고, 또한 1차측 개폐 스위칭 밸브(상류측 밸브)(AV)를 폐쇄로 해서 압력이 규정값 이하로까지 하강하는 시간을 유량 출력 가능 시간(b)이라고 하면, 상기 (a)와 (b)의 비율에 의해 유량 출력이 가능한 시간의 비율이 결정되게 된다. 또한, 이 유량 출력 가능 시간(b)은 FCS의 제어 유량, 빌드다운 용량의 내용적(V), 압력 강하 범위(ΔP)에 의해 결정되기 때문에, FCS의 제어 유량, 빌드다운 용량의 내용적(V) 및 압력 강하 범위(ΔP)를 보다 엄밀하게 검토하여 각각을 적당한 값으로 하지 않으면 빌드다운 방식에 의한 유량 측정을 리얼 타임 유량 모니터에 근접시킬 수 없는 것이 판명되었다.
한편, 리얼 타임 유량 모니터이기 위해서는 이상적으로는 연속적인 유량 출력이 필수가 되지만, 현실의 반도체 제조 장치 등의 운전에 있어서는 1초 동안에 적어도 1회 이상의 유량 출력을 얻을 수 있으면 거의 리얼 타임에 근접한 유량 모니터가 가능해진다.
그래서, 본 발명자들은 빌드다운식에 의한 유량 측정에 있어서 1초 동안에 적어도 1회 이상의 유량 출력을 얻어서 리얼 타임에 근접한 유량 모니터를 가능하게 하기 위해서, 상기 압력 강하 범위(ΔP) 및 빌드다운 용량의 내용적(V)을 보다 작게 해서 가스 재충전에 필요한 시간[압력 회복 시간(a)]을 짧게 하는 것을 착상하고, 또한 상기 착상에 의거하여 빌드다운 용량(BC)의 내용적(V) 및 유량 측정시의 압력 강하 범위(ΔP)의 감소에 의해 리얼 타임성의 확보가 가능한지의 여부를 검토함과 아울러, 유량 모니터 정밀도나 그 재현성 등에 대해서 각종 시험을 행하였다.
[시험 1]
우선, 도 1의 시험 장치에 있어서, 압력식 유량 제어 장치(FCS)로서 정격 유량이 F20, F200 및 F600(sccm)인 3종류의 FCS를 준비했다.
또한, 빌드다운 용량(BC)의 내용적(V)을 약 1.78㏄와 약 9.91㏄의 2종류로 설정했다. 또한, 9.91㏄의 빌드다운 용량(BC)은 배관 길이 및 배관 내경을 조정함으로써 용량의 조정을 행하였다.
또한, 유량 출력 가능 시간(b)은 0.5sec(0.25㎳×2000점)을 목표로 하고, 또한 시험 환경 온도는 23℃±1℃로 했다.
이어서, FCS 상류측 압력을 370kPa abs로 하고, 압력 강하 범위(ΔP)=20kPa abs, 유량 N2=100sccm으로 설정(FCS측에서 설정)하고, 빌드다운 유량 측정시의 압력 회복 특성[압력 회복 시간(a)]을 측정했다.
도 3은 압력 회복 특성의 측정 결과를 나타내는 것이며, 또한 도 4는 그 확대도이다.
또한, 도 5는 그때의 압력 강하 특성을 나타내는 것이다.
도 3 및 도 4로부터도 분명한 바와 같이, 빌드다운 용량(BC)의 내용적(V)을 1.78㏄ 및 압력 강하 범위(ΔP)를 20kPa abs로 작게 함으로써 N2 유량 100sccm에 있어서도 재충전 시간[압력 회복 시간(a)]을 대폭 짧게 할 수 있어, 도 5에 나타내는 바와 같이 적어도 1초 이내의 간격으로 측정 유량 출력을 행할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
시험 1에 관련해서, 1차측 개폐 스위칭 밸브(상류측 밸브)(AV)의 개폐 속도가 압력 회복 시간(a)을 유량 출력 가능 시간(b)에 대하여 작게 하는 점에서 큰 영향을 가지는 것이 판명되었다. 그 때문에, 1차측 개폐 스위칭 밸브(상류측 밸브)(AV)로서는 피에조 구동식 메탈 다이어프램 밸브나 전자 직부형 밸브가 바람직한 것이 판명되었다.
또한, 압력 강하 범위(ΔP) 및 빌드다운 용량(BC)의 내용적(V)의 감소에 의한 압력 회복 시간(a)의 단축화는 압력 강하 시간[유량 출력 가능 시간(b)]의 단축화를 초래하게 되기 때문에, 측정 유량과 빌드다운 용량(BC)의 내용적(V)과 압력 강하 시간(b)의 관계가 특히 중요하게 되는 것이 판명되었다.
Figure 112015092578663-pct00002
표 1은 빌드다운 용량(BC)의 내용적(V)을 1.78㏄로 했을 경우의 측정 유량(sccm)과 압력 강하 시간(sec)의 관계를 나타내는 것으로, 빌드다운 용량(BC)의 내용적(V)이 1.78㏄인 경우에는 50sccm 이하의 유량이 아니면 1초간 이내에 1회 이상의 유량 출력을 행하는 것이 곤란해지고, 리얼 타임에 상당하는 유량 모니터를 행하는 것이 곤란해지는 것을 알 수 있다.
한편, 유량 출력 가능 시간(b)에 있어서의 압력 강하 특성은 직선성을 갖는 것이 측정 오차의 점에서 필요하고, 유량 산출이 가능한 범위는 압력 강하율이 일정한(즉, 직선성을 갖는 부분) 범위로 한정되게 된다.
도 6~도 8은 시험 1에 있어서 측정 유량이 100, 50 및 10sccm에 있어서의 압력 강하 특성의 형태를 조사한 결과를 나타내는 것으로, 어느 경우에 있어서나 빌드다운 직후에는 압력 강하 특성이 직선성을 상실한 것으로 된다. 또한, 이 경우의 빌드다운 용량(BC)은 1.78㏄이며, 유체는 N2 가스이다.
상기 도 6~도 8에 나타내어져 있는 빌드다운 직후에 있어서의 직선성으로부터의 어긋남은, 압력 변화에 따른 가스의 단열 팽창에 의한 가스 내부 온도 변화에 기인해서 발생하는 것으로 상정된다. 그리고, 측정 유량이 작을수록 이 직선성으로부터의 어긋남은 커지는 경향이 있고, 이것에 의해 유량 산출이 가능한 시간폭이 좁혀지는 것을 알 수 있다.
이어서, 압력 강하 특성 곡선의 직선성으로부터의 어긋남에 의한 유량 측정 오차를, 유량 출력 가능 시간(b)이 1초 이내인 경우에 대해서 0.25초마다 5점 측정함으로써 계측했다.
즉, 빌드다운 용량(BC)의 내용적(V)을 1.78㏄ 및 9.91㏄로 하고, 압력 강하 범위(ΔP)를 20kPa abs, 1차측 개폐 스위칭 밸브(상류측 밸브)(AV)의 폐쇄로부터 유량 안정까지의 시간을 1초로 해서 0.25sec마다 유량을 산출하여 제어 유량에 대한 산출 유량의 오차를 검토했다.
도 9 및 도 10은 그 결과를 나타내는 것으로, 어느 경우나 1차측 개폐 스위칭 밸브(상류측 밸브)(AV)의 폐쇄로부터 0.25sec 이상 경과함으로써 오차가 대폭 감소하는 것을 알 수 있었다. 즉, 압력 강하 특성 곡선이 직선에 근접함에 따라 오차가 감소하는 것이 확인되었다.
또한, 표 2는 빌드다운 용량(BC)의 내용적(V)과, 측정 유량과, 압력 강하 시간(b)의 관계를 나타내는 것으로, 빌드다운 용량(BC)의 내용적(V)=1.78㏄의 경우에는 유량 20~50sccm일 때에 약 1초 이내의 간격으로 유량 출력을 행할 수 있게 된다.
또한, 빌드다운 용량(BC)의 내용적(V)=9.91㏄의 경우에는 유량 100~200sccm일 때에 약 1초 이내의 간격으로 유량 출력이 가능한 것을 알 수 있다.
Figure 112015092578663-pct00003
또한, 재현성의 확인을 위해서 도 9에 대응하는 측정을 반복해서 행하였을 경우의 유량 정밀도를 조사했다.
즉, 1차측 개폐 스위칭 밸브(상류측 밸브)(AV)를 폐쇄로 하고나서 0.5~1sec 동안에 유량 산출(3점)을 행하였다. 또한, 강하 시간이 1sec 미만인 경우에는 최종점으로부터 0.5sec까지의 데이터를, 또한 상기 표 2의 50sccm(V=1.79㏄) 및 200sccm(V=9.91㏄)에 대해서는 0.25초 동안의 데이터(2점)를 이용하여 유량 연산을 행하고 있다.
도 11은 반복 측정(10회)을 행하였을 경우의 유량 정밀도의 측정 데이터를 나타내는 것으로, 압력 강하 시간(b)이 0.5초 이하인 경우에는 도 7에 나타내는 바와 같이 압력 강하 특성 곡선의 비직선 영역 내에서 유량 연산이 행하여지기 때문에, 유량 오차가 도 11과 같이 플러스 방향으로 출현하는 경향이 있는 것을 알 수 있다.
또한, 빌드다운 방식에 의한 유량(Q)은 상기 (1)식으로부터도 분명한 바와 같이 Q=K×(빌드다운 용량×압력 강하율×1/온도)의 관계에 있다. 그 결과, 압력 변화에 의한 단열팽창에 의해 온도 강하가 발생해도 압력 강하율이 커져서 연산 유량(Q)은 일정해질 것으로 상정되지만, 현실에는 연산 유량이 상승하게 된다. 그 이유는 가스 온도의 측정을 압력식 유량 제어 장치(FCS)의 바디 외표면에서 행하고 있기 때문에 온도 계측값이 실온에 지배되기 쉽고, 또한 가스 자체의 열용량이 작은데도 불구하고 온도 센서의 열용량이 크기 때문에 가스 온도가 정확하게 측정되고 있지 않기 때문이라고 상정된다.
본 발명은 상기 각 시험의 결과를 기초로 해서 창작된 것으로, 상류측에 설치한 빌드다운식 유량 모니터부(BDM)와, 그 하류측에 설치한 압력식 유량 제어부(FCS)와, 빌드다운식 유량 모니터부(BDM)와 압력식 유량 제어부(FCS)를 연결하여 빌드다운식 유량 모니터부(BDM)의 모니터 유량(Q)을 압력식 유량 제어부(FCS)에 전송하는 신호 전송 회로(CT)와, 압력식 유량 제어부(FCS)에 설치되어 상기 빌드다운식 유량 모니터부(BDM)로부터의 모니터 유량(Q)에 의해 압력식 유량 제어부(FCS)의 설정 유량(Qs)을 조정하는 유량 설정값 조정 기구(QSR)로 구성된 것을 특징으로 한다.
압력식 유량 제어부(FCS)는 압력 센서를 포함하는 유량 제어부로 할 수 있다.
유량 설정값 조정 기구(QSR)는 모니터 유량(Q)과 설정 유량(Qs)의 비교기를 구비하고, 모니터 유량(Q)과 설정 유량(Qs)의 차이가 설정값을 초과하면 설정 유량(Qs)을 모니터 유량(Q)으로 자동 수정하는 구성의 유량 설정값 조정 기구로 할 수 있다.
빌드다운식 유량 모니터부(BDM)는 가스 공급원으로부터의 가스의 유통을 개폐하는 1차측 개폐 스위칭 밸브(PV1)와, 1차측 개폐 스위칭 밸브(PV1)의 출구측에 접속된 소정의 내용적(V)을 갖는 빌드다운 용량(BC)과, 상기 빌드다운 용량(BC)을 유통하는 가스의 온도를 검출하는 온도 센서와, 상기 빌드다운 용량(BC)을 유통하는 가스의 압력을 검출하는 압력 센서(P3)와, 상기 1차측 개폐 스위칭 밸브(PV1)의 개폐 제어를 행함과 아울러 1차측 개폐 스위칭 밸브(PV1)의 개방에 의해 빌드다운 용량(BC) 내의 가스 압력을 설정 상한 압력값으로 한 후, 1차측 개폐 스위칭 밸브(PV1)의 폐쇄에 의해 소정 시간(t초) 후에 가스 압력을 설정 하한 압력값까지 하강시킴으로써 빌드다운식에 의해 모니터 유량(Q)을 연산해서 출력하는 모니터 유량 연산 제어부(CPb)를 구비하고, 상기 모니터 유량(Q)을
Figure 112015092578663-pct00004
[단, T는 가스 온도(℃), V는 빌드다운 용량(BC)의 내용적(ℓ), ΔP는 압력 강하 범위(설정 상한 압력값-설정 하한 압력값)(Torr), Δt는 1차측 개폐 스위칭 밸브(AV)의 폐쇄로부터 개방까지의 시간(sec)임]로 해서 연산하는 구성으로 할 수 있다.
압력식 유량 제어부(FCS)는 컨트롤 밸브(CV)와 오리피스(OL) 또는 임계 노즐과 압력계(P1) 및 또는 압력계(P2)와 유량 연산 제어부(CPa)로 이루어지는 내압력 변동성을 구비한 압력식 유량 제어 장치(FCS)라고 할 수 있다.
빌드다운 용량(BC)의 내용적(V)을 0.5~20㏄로 함과 아울러, 설정 상한 압력값을 400~100kPa abs 및 설정 하한 압력값을 350kPa abs~50kPa abs로, 또한 소정 시간(t)을 0.5~5초 이내로 할 수 있다.
1차측 개폐 스위칭 밸브(AV)를 피에조 구동식 메탈 다이어프램 밸브 또는 전자 직동형 전동 밸브로 함과 아울러, 밸브의 고속 개폐에 의해 1차측 개폐 스위칭 밸브(AV)의 개방에 의한 설정 하한 압력값으로부터 설정 상한 압력값으로의 가스 압력의 회복 시간을, 1차측 개폐 스위칭 밸브(AV)의 폐쇄에 의한 설정 상한 압력값으로부터 설정 하한 압력값까지의 가스 압력 하강 시간보다 대폭 짧게 하도록 할 수 있다.
압력식 유량 제어부(FCS)의 유량 연산 제어부(CPa)와 빌드다운식 유량 모니터부(BDM)의 모니터 유량 연산 제어부(CPb)를 일체적으로 형성하는 구성으로 할 수 있다.
빌드다운 용량(BC)을 챔버로 함과 아울러 상기 챔버를 내통과 외통을 동심 형상으로 설치 고정한 구조로 함과 아울러, 챔버를 형성하는 내·외통 사이의 간극을 가스 유통로로 하고 상기 챔버에 압력 센서(P3)를 설치하는 구성으로 할 수 있다.
(발명의 효과)
본 발명에 있어서는 유량 모니터 부착 유량 제어 장치를 상류측에 설치한 빌드다운식 유량 모니터부(BDM)와, 빌드다운식 유량 모니터부(BDM)의 하류측에 설치한 압력식 유량 제어부(FCS)와, 빌드다운식 유량 모니터부(BDM)와 압력식 유량 제어부(FCS)를 연결하여 빌드다운식 유량 모니터부(BDM)의 모니터 유량(Q)을 압력식 유량 제어부(FCS)에 전송하는 신호 전송 회로(CT)와, 압력식 유량 제어부(FCS)에 설치되어 상기 빌드다운식 유량 모니터부(BDM)로부터의 모니터 유량(Q)에 의해 압력식 유량 제어부(FCS)의 설정 유량(Qs)을 조정하는 유량 설정값 조정 기구(QSR)로 구성되고, 빌드다운식 유량 모니터부(BDM)의 모니터 유량에 의해 압력식 유량 제어부(FCS)의 설정 유량값을 자동적으로 조정하도록 하고 있다.
그 결과, 모니터 유량값(오리피스를 유통하는 실유량값)과 압력식 유량 제어부(FCS)의 설정 유량값(제어 유량값)이 크게 달랐던 상태가 장기에 걸쳐서 계속되는 것이 모두 없어지고, 반도체 제품의 품질 향상 등의 점에서 많은 효용이 얻어진다.
또한, 압력식 유량 제어부(FCS)의 상류측에 빌드다운식 유량 모니터부(BDM)를 설치하고, 압력식 유량 제어부의 입력측 압력 변동에 대한 고응답성을 활용하여 압력식 유량 제어부(FCS)의 입력측 압력 변동이 허용되는 범위 내의 가스 압력차에 대응하는 압력 강하 범위(ΔP)를 상기 빌드다운 용량(BC) 내에 1초 동안에 1회 이상의 비율로 발생시켜, 상기 압력 강하율(ΔP/Δt)과 빌드다운 용량(BC)의 내용적(V)과 가스 온도(K)로부터 1초 동안에 적어도 1회 이상의 모니터 유량을 연산해서 출력할 수 있도록 상기 압력 강하값(압력 강하 범위 ΔP), 압력 강하 시간(Δt) 및 빌드다운 용량(BC)의 내용적(V)을 설정하는 구성으로 하고 있다.
그 결과, 상기 압력 강하값(압력 강하 범위)(ΔP)을 대략 20~30kPa abs로, 압력 강하 시간(Δt)을 0.5~0.8sec로, 및 빌드다운 용량(BC)의 내용적(V)을 1.8~18㏄로 설정함으로써 적어도 1초 동안당 1회 이상의 비율로 모니터 유량을 고정밀도로 연산하여 출력하는 것이 가능해지고, 빌드다운 방식의 이용에도 불구하고 대략 리얼 타임에 근접한 고정밀도인 유량 모니터가 가능해진다.
또한, 종전의 열식 유량 센서를 조합하는 방식과 비교하여 유량 모니터 부착 압력식 유량 제어 장치의 대폭적인 구조의 간소화, 소형화와 제조비의 인하가 가능해지고, 유량 모니터 부착 유량 제어 장치의 부가가치가 현저하게 향상된다.
도 1은 빌드다운식 유량 모니터 부착 압력식 유량 제어 장치의 유량 모니터 특성을 측정하기 위한 시험 장치의 개요 구성도이다.
도 2는 빌드다운식 유량 모니터의 압력 강하 상태의 설명도이다.
도 3은 빌드다운 유량 측정시의 압력 회복 특성 곡선의 일례를 나타내는 것이다.
도 4는 도 3의 부분 확대도이다.
도 5는 시험 1에 있어서의 압력 회복 특성 곡선을 나타내는 것이다.
도 6은 압력 강하 특성의 형태를 나타내는 것이다(제어 유량=100sccm).
도 7은 압력 강하 특성의 형태를 나타내는 것이다(제어 유량=50sccm).
도 8은 압력 강하 특성의 형태를 나타내는 것이다(제어 유량=10sccm).
도 9는 1차측 개폐 스위칭 밸브(상류측 밸브)(AV)의 폐쇄로부터의 경과 시간과 유량 안정성의 관계를 나타내는 선도이다[빌드다운 용량(BC)=1.78㏄].
도 10은 1차측 개폐 스위칭 밸브(상류측 밸브)(AV)의 폐쇄로부터의 경과 시간과 유량 안정성의 관계를 나타내는 선도이다[빌드다운 용량(BC)=9.91㏄].
도 11은 10회 반복 측정에 있어서의 유량 정밀도를 나타내는 것이다.
도 12는 본 발명에 의한 유량 모니터 부착 압력식 유량 제어 장치의 기본 구성을 나타내는 계통도이다.
도 13은 본 발명에 의한 빌드다운식의 유량 모니터 부착 압력식 유량 제어 장치의 종단면 개요도이다.
도 14는 실시예에서 사용한 각 챔버 A~E에 있어서, 측정 가능 시간을 1초 이하로 했을 경우의 가스 유량(sccm)과 압력 강하의 경사(kPa/sec)의 관계를 나타내는 선도이다.
도 15는 본 실시예에서 사용한 각 챔버 A~E의 압력 강하의 경사가 20kPa/sec에 있어서의 압력 강하 특성의 형태를 나타내는 것이다.
도 16은 본 실시예에서 사용한 각 챔버 A~E의 1차측 개폐 스위칭 밸브(상류측 밸브)(AV)의 폐쇄로부터의 경과 시간과 유량 안정성의 관계를 나타내는 선도이다.
도 17은 본 실시형태에서 사용한 챔버 A 및 챔버 B의 반복 측정에 있어서의 유량 정밀도(%S.P.)와 유량(sccm)의 관계를 나타내는 선도이다.
도 18은 본 실시형태에서 사용한 챔버 A 및 챔버 B의 반복 측정에 있어서의 유량 정밀도(%S.P.)와 압력 강하의 경사(kPa/sec)의 관계를 나타내는 선도이다.
도 19는 종전의 압력식 유량 제어 장치의 기본 구성도이다.
도 20은 종전의 유량 모니터 부착 압력식 유량 제어 장치의 기본 구성도이다.
이하, 도면에 의거하여 본 발명의 실시형태를 설명한다.
도 12는 본 발명에 의한 유량 모니터 부착 유량 제어 장치의 기본 구성을 나타내는 계통도로, 상기 유량 모니터 부착 유량 제어 장치는 빌드다운식 유량 모니터부(BDM)와 압력식 유량 제어부(FCS)와 양자간을 연결하는 신호 전송 회로(디지털 통신 회로)(CT)로 구성되어 있다.
또한, 도 12에 있어서 PV1은 입구측 스위칭 밸브(일차측 개폐 스위칭 밸브), PV2는 출구측 스위칭 밸브, BC는 빌드다운 용량, P3은 차압 검출용 압력 센서, CPb는 모니터 유량 연산 제어부, VB1은 모니터 입구측 블록, VB2는 모니터 출구측 블록이다.
또한, 도 12에 있어서 CV는 컨트롤 밸브, CPa는 유량 연산 제어부, OL1은 소경 오리피스, OL2는 대경 오리피스, P1은 제 1 압력 센서, P2는 제 2 압력 센서, VB3은 유량 제어부 입구측 블록, VB4는 유량 제어부 출구측 블록, VB5는 연결용 블록, SK는 연결부의 개스킷이다.
또한, 압력식 유량 제어부(FCS)에는 유량 설정값 조정 기구(QSR)가 설치되어 있고, 미리 설정된 설정 유량(Qs)이 신호 전송 회로(CT)를 통해서 입력된 빌드다운 유량(Q)과 비교기(도시 생략)에 의해 비교되어, 양자의 차이가 규정 이상의 유량값이 되면 자동적으로 설정 유량(Qs)이 Qs'로 수정되고 압력식 유량 제어부(FCS)의 유량 제어값이 빌드다운 유량(Q)에 합치되도록 조정된다. 즉, 실유량이 빌드다운 유량(Q)에 합치되도록 조정된다.
또한, 도 12에 있어서는 온도 센서(T), 필터(F) 등은 생략되어 있고, 또한 압력식 유량 제어부(FCS)는 어떤 형식의 것, 예를 들면 오리피스가 1기인 것이어도 좋은 것은 물론이고, 또한 압력식 유량 제어부(FCS)나 빌드다운식 유량 모니터부(BDM)의 기본 구성 그 자체는 공지이기 때문에, 여기에서는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 12를 참조하여, 가스 입구(1)로부터 빌드다운식 유량 모니터부(BDM)에 유입된 압력 500~320kPa abs의 가스는 입구측 피에조 스위칭 밸브(PV1), 챔버식의 빌드다운 용량(BC), 출구측 피에조 스위칭 밸브(PV2)의 순으로 유통되고, 모니터 유량 연산 제어부(CPb)에 의해 모니터 유량(Q)이 연산되어 이것이 압력식 유량 제어부(FCS)의 유량 설정값 조정 기구(QSR)에 입력된다.
또한, 빌드다운식 유량 모니터부(BDM)로부터 유출된 가스는 컨트롤 밸브(CV), 소경 오리피스(OL1) 및 또는 대경 오리피스(OL2)를 통과하여 가스 출구(2)로부터 유출된다. 그 동안에, 상기 유량 연산 제어부(CPa)가 오리피스 유통 가스 유량을 연산함과 아울러, 컨트롤 밸브(CV)의 개폐 제어나 오리피스 스위칭 밸브(OL V)의 개폐 제어를 한다.
또한, 상기 유량 연산 제어부(CPa)의 유량 설정값 조정 기구(QSR)에서는 빌드다운식 유량 모니터부(BDM)로부터의 모니터 유량(Q)과 오리피스 유통 유량[즉, 유량 연산 제어부(CPa)에서의 제어 유량]이 비교되어, 양자의 차이가 미리 정한 설정값을 초과하면 압력식 유량 제어부(FCS)의 제어 유량을 상기 모니터 유량(Q)에 합치시키도록 설정 유량(Qs) 쪽을 조정하고, 이것을 Qs'로 자동 수정한다.
즉, 본 발명의 요부를 형성하는 모니터 유량 연산 제어부(CPb)는 입구측(상류측) 피에조 스위칭 밸브(PV1)의 개폐 제어나, 차압 검출용 압력 센서(P3), 온도 센서(T)(도 12에서는 생략) 및 양쪽 스위칭 밸브(PV1, PV2)간의 빌드다운 용량(BC)의 내용적(V) 등으로부터 빌드다운 유량(Q)을 연산하고, 이것을 유량 연산 제어부(CPa)로 출력한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 유량 모니터 부착 유량 제어 장치에서는 빌드다운식 유량 모니터부(BDM)에서 압력 강하율(ΔP/Δt)의 측정이나 모니터 유량(Q)의 연산이 행하여지고, 모니터 유량 연산 제어부(CPb)에 외부 입출력 회로(PIO)를 통해서 지령 신호 및 또는 설정 신호를 입력함으로써 모니터 유량이 적어도 1초 동안에 1회의 비율로 모니터 표시됨과 아울러, 상기 압력식 유량 제어부(FCS)의 제어 유량값의 수정, 보정이 자동적으로 행하여진다.
또한, 압력식 유량 제어 장치(FCS)나 빌드다운식 유량 모니터부(BDM) 자체는 공지이기 때문에, 여기에서는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 모니터 유량 출력[모니터 유량 연산 제어부(CPb)로부터의 유량 출력]과 압력식 유량 제어부(FCS)의 유량 출력[압력식 유량 연산 제어부(CPa)로부터의 유량 출력] 사이에 설정값 이상의 차이가 발생했을 경우에 유량 이상 경보를 발신, 또는 필요할 경우에는 소위 압력식 유량 제어 장치(FCS)의 유량 자기 진단을 실시해서 유량 이상의 원인이나 그 발생 장소를 특정하는 것도 가능하고, 또한 설정값 이상의 유량 차이가 발생했을 경우에는 압력식 유량 제어부(FCS) 자체의 영점조정 등을 자동적으로 실시하는 것 등도 가능하다.
또한, 본 실시형태에 있어서는 입구(상류)측 스위칭 밸브 등을 피에조 구동식 밸브로 하고 있지만, 이것들을 직동형의 전자 구동 밸브로 해도 좋다. 또한, 빌드다운 용량(BC)의 내용적(V)은 1.78~9.91㏄의 범위로 선정하고 있다. 또한, 압력 강하 범위(ΔP)는 20kPa abs(350~320kPa abs)로 선정되어 있어, 적어도 1초 동안에 1회 이상의 모니터 유량을 출력하는 구성으로 하고 있다. 또한, 상기 온도 센서(T)(도시 생략)는 외면 부착형의 측온 저항식 온도 센서로 하고 있지만, 모니터 입구측 블록(VB1) 또는 모니터 출구측 블록(VB2)의 내부에 삽입되는 서모스탯형 온도계를 사용하는 것도 가능하다.
또한, 본 실시형태에서는 빌드다운 용량(BC)으로서 후술하는 바와 같이 압력 센서 부착 챔버를 사용하고 있지만, 상기 빌드다운 용량(BC)을 가스 유로의 내용적으로 형성하고, 가스 유로의 내경 및 유로 길이를 적당하게 선정함으로써 소망의 내용적(V)의 빌드다운 용량(BC)을 얻는 구성으로 해도 좋다.
[실시예]
도 13은 본 발명의 실시예에 의한 빌드다운식 유량 모니터 부착 유량 제어 장치의 종단면 개요도이다. 상기 실시예에서는 빌드다운 용량(BC)으로서 압력 센서 부착 챔버(CH)를 사용하고, 빌드다운식 유량 모니터부(BDM)의 각 가스 유통로(L1, L2, L4)의 내경을 1.8㎜의 세경으로 하고 있다. 또한, 오리피스(OL1, OL2)의 하류측에 제 2 압력 센서(P2)를 별도로 설치하고 있다. 또한, 챔버(CH)에 차압 검출용 압력 센서(P3)를 설치하고 있다.
즉, 상기 실시예에 있어서는 입구측 스위칭 밸브(PV1)와 출구측 스위칭 밸브(PV2) 사이에 소형의 압력 센서 부착 챔버(CH)를 설치하고, 이 압력 센서 부착 챔버(CH)의 내용적을 조정함으로써 상기 빌드다운 용량(BC)의 내용적(V)을 조정하는 구성으로 하고 있다. 또한, 양쪽 스위칭 밸브(PV1, PV2)의 개폐 속도를 높이기 위해서 피에조 구동 메탈 다이어프램형 노멀 클로즈 밸브를 이용하고 있다. 또한, 피에조 구동 메탈 다이어프램형 노멀 클로즈 밸브 그 자체는 공지이기 때문에, 설명은 생략한다.
상기 압력 센서 부착 챔버(CH)는 외통(CHa)과 내통(CHb)의 2중통으로 형성되어 있고, 또한 내외통(CHa, CHb) 사이의 갭(G)이 본 실시형태에 있어서는 1.8㎜로 선정되어 있다. 그리고, 압력 센서 부착 챔버(CH)의 내용적은 1.3~12㏄ 정도로 선정되어 있고, 이것에 차압 검출용 압력 센서(P3)를 부설한 구성으로 하고 있다.
또한, 상기 실시예에 있어서는 압력 센서 부착 챔버(CH)의 용적을 자유롭게 선정할 수 있음과 아울러 가스 유통로(L1, L2, L4) 등을 모두 동일한 세경(예를 들면, 1.8㎜Φ)으로 맞출 수 있어, 빌드다운 용량(BC)의 내용적을 정확하고 또한 용이하게 소정 용적값으로 설정할 수 있다.
구체적으로는, 공시용의 챔버(CH)로서 상기 갭(G)을 1.8㎜ 및 3.6㎜로 한 표 3과 같은 사이즈의 5종의 챔버를 작성하고, 이것들을 도 1의 시험 장치에 적용해서 가스 유량(sccm)과 압력 강하의 경사(kPa/sec)와 압력 강하 시간(sec) 등의 관계 등을 조사했다.
또한, 도 1의 시험 장치를 사용한 조사에 있어서 온도 센서(T)는 챔버(CH)의 외표면에 부착 고정했다. 또한, 챔버(CH) 이외의 가스 유통로(L2, L4)의 용적은 0.226㏄이다.
Figure 112015092578663-pct00005
도 14는 도 2에 있어서의 압력 강하 시간(b)을 1초 이내로 했을 경우의 가스 유량(sccm)과 압력 강하의 경사(kPa/sec)의 관계를 각 챔버 A~E에 대해서 측정한 결과를 나타내는 것으로, 시험 장치에 장착된 상태에 있어서의 현실의 각 빌드업 용량은 2.31㏄~15.45㏄였다.
도 14로부터도 분명한 바와 같이, 압력 강하 범위(ΔP)를 20kPa/sec로 했을 때에는 챔버 A의 경우에는 25.2sccm, 챔버 B에서 106.6sccm, 챔버 E에서 169.0sccm의 각 유량 측정이 가능한 것을 알 수 있다.
도 15는 도 1의 시험 장치에 있어서 압력 강하의 경사가 20kPa/sec가 되도록 가스 유량을 조정했을 경우의 압력 강하의 직선성을 나타내는 것으로, 상기 도 6~도 8과 마찬가지의 선도이다. 또한, 측정 데이터는 도 1의 데이터 로거(NR)에 의해 취득한 것이다.
도 15로부터도 분명한 바와 같이, 빌드다운 용량(BC)의 내용적(V)이 작은 챔버(CH)의 경우(즉, 챔버 A, B 등)일수록 압력 강하 특성의 직선성이 양호해지는 것을 알 수 있다.
또한, 도 16은 상기 도 9 및 도 10의 경우와 마찬가지로, 압력 강하 특성 곡선의 직선성으로부터의 어긋남에 의한 유량 측정 오차를 1초 이내의 유량 출력 가능 시간(b) 내에 0.25초마다 5점 측정함으로써 구한 것으로, 빌드다운 용량(BC)이 작은 챔버(A, B)일수록 압력 강하 개시 후부터 빠른 시기에 유량 오차가 적어지는 것을 알 수 있다(즉, 압력 강하 특성의 직선성이 뛰어나다고 할 수 있다).
도 17은 챔버 A 및 챔버 B에 대해서 유량 측정 정밀도의 재현성을 조사한 결과를 나타내는 것으로, 상기 도 11의 경우와 동 취지로 행한 것이다.
또한, 이 유량 측정 정밀도의 재현성 시험에 있어서는 압력 강하의 경사를 안정시키기 위해서 1차측 개폐 스위칭 밸브(상류측 밸브)(AV)를 폐쇄로 하고 나서 소정의 대기 시간을 두고 측정을 행하고, 또한 재현성을 얻기 위해서 긴 시간에 걸쳐서 측정을 행하고 있지만, 유량 출력 시간은 모두 1초 이내로 하고 있다.
도 17로부터도 분명한 바와 같이, 재현성의 점에서 챔버 A의 경우에는 유량 3~50sccm이 적용 가능 범위이고, 또한 챔버 B의 경우에는 30~300sccm이 적용 범위인 것을 알 수 있다.
표 4는 상기 도 17에 나타낸 유량 측정 정밀도의 재현성을 나타내는 선도의 작성에 사용한 기초 데이터이며, 챔버 A[빌드다운 용량(BC)의 내용적(V)=2.31㏄] 및 챔버 B[빌드다운 용량(BC)의 내용적(V)=9.47㏄]를 시험 대상으로 한 것이다.
Figure 112015092578663-pct00006
또한, 도 18은 상기 표 4의 데이터로부터 챔버 A 및 챔버 B의 압력 강하의 경사(kPa/sec)와 오차(%S.P.)의 관계를 조사한 것으로, 압력 강하의 경사가 2~60kPa/sec의 범위 내이면 유량 측정 오차(%S.P.)가 ±1%의 범위 내로 되는 것을 알 수 있다.
[산업상의 이용 가능성]
본 발명은 반도체 제조 장치용 가스 공급 설비뿐만 아니라, 오리피스 또는 임계 노즐을 사용한 압력식 유량 제어 장치이면 화학품 제조 장치용 가스 공급 설비에도 널리 적용할 수 있는 것이다.
BDM : 빌드다운식 유량 모니터부
FCS : 압력식 유량 제어부(압력식 유량 제어 장치)
AV : 1차측 개폐 스위칭 밸브(상류측 밸브)
BC : 빌드다운 용량 V : 빌드다운 용량의 내용적
RG : 압력 조정기 N2 : N2 공급원
T : 온도 센서(측온 저항체) P1, P2 : 압력 센서
P3 : 차압 검출용 압력 센서 CV : 컨트롤 밸브
OL : 오리피스 OL1 : 소경 오리피스
OL2 : 대경 오리피스 PIO : 외부 입출력 회로
OLV : 오리피스 스위칭 밸브 VB1 : 모니터 입구측 블록
VB2 : 모니터 출구측 블록 VB3 : 유량 제어부 입구측 블록
VB4 : 유량 제어부 출구측 블록 VB5 : 연결용 블록
CT : 신호 전송 회로(디지털 통신 회로) CP : 연산 제어부
CPa : 유량 연산 제어부 CPb : 모니터 유량 연산 제어부
E1 : 압력식 유량 제어 장치용 전원 E2 : 연산 제어부용 전원
E3 : 1차측 개폐 스위칭 밸브(상류측 밸브)용 전원
ECV : 전자 구동부 NR : 데이터 로거
S : 신호 발생기 PC : 연산 표시부
PV1 : 입구측 스위칭 밸브(입구측 피에조 스위칭 밸브)
PV2 : 출구측 스위칭 밸브(출구측 피에조 스위칭 밸브)
L1 : 입구측 피에조 스위칭 밸브의 가스 입구측의 가스 유통로
L2 : 입구측 피에조 스위칭 밸브의 가스 출구측의 가스 유통로
L4 : 출구측 피에조 스위칭 밸브의 가스 입구측의 가스 유통로
Q : 모니터 유량(빌드다운 유량) CH : 챔버
CHa : 외통 CHb : 내통
QSR : 유량 설정값 조정 기구 Qs : 설정 유량
Qs' : 조정 유량 1 : 가스 입구
2 : 가스 출구

Claims (9)

  1. 상류측에 설치한 빌드다운식 유량 모니터부와, 그 빌드다운식 유량 모니터부의 하류측에 설치한 유량 제어부와, 빌드다운식 유량 모니터부와 유량 제어부를 연결하여 빌드다운식 유량 모니터부의 모니터 유량을 유량 제어부에 전송하는 신호 전송 회로와, 유량 제어부에 설치되어 상기 빌드다운식 유량 모니터부로부터의 모니터 유량에 의해 유량 제어부의 설정 유량을 조정하는 유량 설정값 조정 기구를 구비하고,
    상기 유량 제어부는 컨트롤 밸브와, 상기 컨트롤 밸브의 하류측에 설치된 오리피스 또는 임계 노즐과, 상기 컨트롤 밸브와 상기 오리피스 또는 임계 노즐 사이의 압력을 검출하는 제 1 압력 센서와, 상기 제 1 압력 센서의 검출값을 기초로 하여 상기 오리피스 또는 임계 노즐을 유통하는 유량을 연산함과 동시에, 상기 컨트롤 밸브를 제어하는 유량 연산 제어부를 포함하는 내압력 변동성을 구비한 유량 제어부인 것을 특징으로 하는 유량 모니터 부착 유량 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 빌드다운식 유량 모니터부는, 소정의 가스 유통 기간내에 복수 회에 걸쳐 모니터 유량을 연산하는 것을 특징으로 하는 유량 모니터 부착 유량 제어 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    유량 설정값 조정 기구는 모니터 유량과 설정 유량의 비교기를 구비함과 아울러, 모니터 유량과 설정 유량의 차이가 설정값을 초과하면 설정 유량을 모니터 유량으로 자동 수정하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 유량 모니터 부착 유량 제어 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    빌드다운식 유량 모니터부는 가스 공급원으로부터의 가스의 유통을 개폐하는 1차측 개폐 스위칭 밸브와, 1차측 개폐 스위칭 밸브의 출구측에 접속된 소정의 내용적을 갖는 빌드다운 용량과, 상기 빌드다운 용량을 유통하는 가스의 온도를 검출하는 온도 센서와, 상기 빌드다운 용량을 유통하는 가스의 압력을 검출하는 압력 센서와, 상기 1차측 개폐 스위칭 밸브의 개폐 제어를 행함과 아울러 1차측 개폐 스위칭 밸브의 개방에 의해 빌드다운 용량 내의 가스 압력을 설정 상한 압력값으로 한 후, 1차측 개폐 스위칭 밸브의 폐쇄에 의해 소정 시간 경과 후에 가스 압력을 설정 하한 압력값까지 하강시킴으로써 빌드다운식에 의해 모니터 유량을 연산해서 출력하는 모니터 유량 연산 제어부를 구비하고,
    상기 모니터 유량은 T를 가스 온도(℃), V를 빌드다운 용량의 내용적(ℓ), ΔP를 설정 상한 압력값과 설정 하한 압력값의 차인 압력 강하 범위(Torr), Δt를 1차측 개폐 스위칭 밸브의 폐쇄로부터 개방까지의 시간(초)으로 해서 하기 식에 의해 연산되는 것을 특징으로 하는 유량 모니터 부착 유량 제어 장치.
    Figure 112015092578663-pct00007
  5. 삭제
  6. 제 4 항에 있어서,
    빌드다운 용량의 내용적이 0.5~20㏄이고, 설정 상한 압력값이 400~100kPa abs이며, 설정 하한 압력값이 350kPa abs~50kPa abs이고, 또한 상기 소정 시간이 0.5~5초인 것을 특징으로 하는 유량 모니터 부착 유량 제어 장치.
  7. 상류측에 설치한 빌드다운식 유량 모니터부와, 그 빌드다운식 유량 모니터부의 하류측에 설치한 유량 제어부와, 빌드다운식 유량 모니터부와 유량 제어부를 연결하여 빌드다운식 유량 모니터부의 모니터 유량을 유량 제어부에 전송하는 신호 전송 회로와, 유량 제어부에 설치되어 상기 빌드다운식 유량 모니터부로부터의 모니터 유량에 의해 유량 제어부의 설정 유량을 조정하는 유량 설정값 조정 기구를 구비하고,
    상기 빌드다운식 유량 모니터부는 가스 공급원으로부터의 가스의 유통을 개폐하는 1차측 개폐 스위칭 밸브와, 1차측 개폐 스위칭 밸브의 출구측에 접속된 소정의 내용적을 갖는 빌드다운 용량과, 상기 빌드다운 용량을 유통하는 가스의 온도를 검출하는 온도 센서와, 상기 빌드다운 용량을 유통하는 가스의 압력을 검출하는 압력 센서와, 상기 1차측 개폐 스위칭 밸브의 개폐 제어를 행함과 아울러 1차측 개폐 스위칭 밸브의 개방에 의해 빌드다운 용량 내의 가스 압력을 설정 상한 압력값으로 한 후, 1차측 개폐 스위칭 밸브의 폐쇄에 의해 소정 시간 경과 후에 가스 압력을 설정 하한 압력값까지 하강시킴으로써 빌드다운식에 의해 모니터 유량을 연산해서 출력하는 모니터 유량 연산 제어부를 구비하고,
    상기 모니터 유량은 T를 가스 온도(℃), V를 빌드다운 용량의 내용적(ℓ), ΔP를 설정 상한 압력값과 설정 하한 압력값의 차인 압력 강하 범위(Torr), Δt를 1차측 개폐 스위칭 밸브의 폐쇄로부터 개방까지의 시간(초)으로 해서 하기 식에 의해 연산되며,
    1차측 개폐 스위칭 밸브는 피에조 구동식 메탈 다이어프램 밸브 또는 전자 직동형 전동 밸브이고, 1차측 개폐 스위칭 밸브의 개방에 의한 설정 하한 압력값으로부터 설정 상한 압력값으로의 가스 압력의 회복 시간이, 1차측 개폐 스위칭 밸브의 폐쇄에 의한 설정 상한 압력값으로부터 설정 하한 압력값까지의 가스 압력 강하 시간보다 짧은 것을 특징으로 하는 유량 모니터 부착 유량 제어 장치.
    Figure 112016074535184-pct00028
  8. 제 1 항에 있어서,
    유량 제어부의 유량 연산 제어부와 빌드다운식 유량 모니터부의 모니터 유량 연산 제어부는 일체적으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 유량 모니터 부착 유량 제어 장치.
  9. 상류측에 설치한 빌드다운식 유량 모니터부와, 그 빌드다운식 유량 모니터부의 하류측에 설치한 유량 제어부와, 빌드다운식 유량 모니터부와 유량 제어부를 연결하여 빌드다운식 유량 모니터부의 모니터 유량을 유량 제어부에 전송하는 신호 전송 회로와, 유량 제어부에 설치되어 상기 빌드다운식 유량 모니터부로부터의 모니터 유량에 의해 유량 제어부의 설정 유량을 조정하는 유량 설정값 조정 기구를 구비하고,
    빌드다운식 유량 모니터부는 빌드다운용 챔버를 구비하고, 그 챔버는 내통과 외통을 동심 형상으로 설치 고정한 구조로 됨과 아울러, 상기 챔버를 형성하는 내·외통 사이의 간극을 가스 유통로로 하고, 또한 상기 챔버에 압력 센서가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 유량 모니터 부착 유량 제어 장치.
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