KR102615958B1 - 유체 제어 장치, 및 유량 비율 제어 장치 - Google Patents

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Abstract

밸브의 상류측의 압력에 대해서는 예를 들면 누설을 방지할 수 있도록 제한 압력 내로 억제할 수 있음과 아울러, 유로에 흐르는 유체의 유량이 소정의 수렴 시간 내에서 설정 유량에 수렴시키는 것이 가능해지는 유체 제어 장치를 제공하기 위해서, 유체가 흐르는 유로에 마련된 밸브와, 상기 밸브의 상류측에 마련된 압력 센서와, 상기 압력 센서의 하류측에 마련된 유량 센서와, 상기 압력 센서로 측정되는 측정 압력이 입력되고, 압력-유량 맵에 기초하여 상기 측정 압력에 따른 설정 유량을 출력하는 설정 유량 생성기와, 상기 설정 유량이 입력되고, 당해 설정 유량과 상기 유량 센서로 측정되고 있는 측정 유량의 편차가 작아지도록 상기 밸브의 개도를 제어하는 밸브 제어부와, 상기 압력 센서로 측정되는 측정 압력이 입력되고, 당해 측정 압력에 따른 설정 유량을 상기 밸브 제어부로 출력하는 설정 유량 생성기를 구비하고, 상기 설정 유량을 상기 측정 압력이 제한 압력 이하의 값이 되도록 상기 설정 유량 생성기가 상기 설정 유량을 제어하도록 했다.

Description

유체 제어 장치, 및 유량 비율 제어 장치{Fluid control device and flow rate ratio control device}
본 발명은 밸브의 상류측의 압력이 소정의 제한 압력 이하로 유지될 필요가 있는 유체 제어 장치에 관한 것이다.
예를 들면 반도체 제조 프로세스에서는, 성막 챔버 등에 대해서 복수의 도입 포트로부터 각각 소정의 유량 비율로 가스를 공급하는 경우가 있다. 도입 포트에는 각각 유로가 마련되어 있고, 각 유로에는 유로에 흐르는 유체의 유량을 제어하는 매스 플로우 컨트롤러라고 불리는 패키지화된 유체 제어 장치가 마련된다(특허 문헌 1 참조).
그런데, 반도체 제조 프로세스에서 이용되는 가스에는 인체에 유독한 것이나, 인체에 대한 화학적 특성이 충분히는 알려져 있지 않은 가스도 존재하여, 이러한 가스가 유로를 구성하는 파이프 등으로부터 외부로 누설되는 것을 방지할 필요가 있다.
따라서, 전술한 매스 플로우 컨트롤러의 상류측에 있어서 가스의 압력이 높아져 누설되는 것을 방지하기 위해서, 매스 플로우 컨트롤러의 상류측은 예를 들면 대기압보다도 낮은 제한 압력으로 유지하는 것이 요구 사양으로서 정해져 있다.
이러한 요구 사양에 대해, 유로에 있어서 매스 플로우 컨트롤러의 상류측에 압력 레귤레이터를 마련해 두고, 상류측의 압력이 제한 압력보다도 낮은 소정치로 일정하게 유지되도록 구성되어 있다.
그렇지만, 압력 레귤레이터에 의해서 매스 플로우 컨트롤러의 상류측이 미리 정해진 낮은 압력으로 일정하게 유지되도록 구성된 상태에서는, 매스 플로우 컨트롤러에 공급되는 유체의 유량이 제한된 상태가 된다. 이와 같이 유체의 공급이 제한된 상태에서, 예를 들면 매스 플로우 컨트롤러에 있어서 과대한 설정 유량이 설정되면, 유량 출력이 설정 유량으로 수렴되기까지 걸리는 수렴 시간이 길어져 버린다.
특허 문헌 1: WO2008/072614호 공보
본 발명은 상술한 것 같은 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 밸브의 상류측의 압력에 대해서는 예를 들면 누설을 방지할 수 있도록 제한 압력 내로 억제할 수 있음과 아울러, 유로에 흐르는 유체의 유량이 소정의 수렴 시간 내에서 설정 유량에 수렴되는 것이 가능해지는 유체 제어 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
즉, 본 발명에 따른 유체 제어 장치는, 본원 발명자 등이 열심히 검토한 결과, 안전을 위해서는 상류측으로부터 공급되는 유체의 압력은, 제한 압력보다도 낮은 일정치로 항상 고정하지 않으면 안 된다고 하는 종래의 확신으로부터 벗어나, 제한 압력 이하의 압력이면 압력은 변동했다고 해도 안전상의 요구 사양을 만족시킬 수 있다고 하는 깨달음을 얻고 처음 이루어진 것이다.
구체적으로 본 발명에 따른 유체 제어 장치는, 유체가 흐르는 유로에 마련된 밸브와, 상기 밸브의 상류측에 마련된 압력 센서와, 상기 압력 센서의 하류측에 마련된 유량 센서와, 상기 압력 센서로 측정되는 측정 압력이 입력되고, 압력-유량 맵에 기초하여 상기 측정 압력에 따른 설정 유량을 출력하는 설정 유량 생성기와, 상기 설정 유량 생성기로부터 출력되는 상기 설정 유량이 입력되고, 당해 설정 유량과 상기 유량 센서로 측정되고 있는 측정 유량의 편차가 작아지도록 상기 밸브의 개도를 제어하는 밸브 제어부를 구비하고, 상기 측정 압력이 제한 압력 이하의 값이 되도록 상기 설정 유량 생성기가 상기 설정 유량을 제어하는 것을 특징으로 한다.
이러한 것이면, 상기 밸브의 상류측에 있어서 유체의 압력이 변동했다고 하더라도, 상기 압력 센서로 측정되는 상기 측정 압력에 따라서, 적절한 설정 유량이 상기 밸브 제어부에 입력되므로, 상기 밸브의 상류측에 있어서의 유체의 압력에 대해서는 제한 압력 이하의 값으로 억제할 수 있다. 또, 상기 설정 유량을 변경함으로써 상기 측정 압력뿐만이 아니라, 상기 측정 유량에 대해서도 제어할 수 있으므로, 상기 밸브에 의해서 실현되는 유량 출력이 상기 설정 출력에 수렴되기까지 걸리는 수렴 시간은 종래 보다도 짧게 하는 것이 가능해진다.
따라서, 예를 들면 안전상의 압력에 관한 요구 사양을 만족시키면서, 유량 제어에 대해서는 고속화하는 것이 가능해진다.
상기 밸브의 상류측의 압력이 상기 제한 압력 이하의 값으로 유지되도록 하면서, 상기 밸브에 대해서 충분한 양의 유체가 공급되도록 하여 상기 수렴 시간을 단축할 수 있도록 하려면, 상기 측정 압력의 값이 소정 압력 이상 상기 제한 압력 이하의 값을 취할 수 있도록 상기 설정 유량 생성기가 상기 설정 유량을 제어하면 된다.
상기 측정 압력이 제한 압력 이하로 억제되도록 할 뿐만 아니라, 고속으로 유량이 수렴되도록 하려면, 상기 설정 유량과 상기 측정 유량의 편차가 허용차 내로 수렴될 때까지의 수렴 시간이 소정 시간 이하가 되도록 상기 설정 유량 생성기가 상기 설정 유량을 제어하면 된다.
상기 밸브의 상류측의 압력인 상기 측정 압력이 변동하고 있는 경우에도, 그 압력치에 의존하지 않고 상기 수렴 시간을 거의 같은 정도의 길이로 유지할 수 있도록 하려면, 상기 설정 유량 생성기가 상기 측정 압력의 값이 커질수록 상기 설정 유량의 값을 크게 설정하면 된다.
상기 밸브에 의해서 당해 밸브의 상류측의 압력과, 상기 밸브에 의해서 실현되는 유량의 양쪽에 대해서 영향을 줄 수 있도록 하여, 상기 밸브의 상류측을 제한 압력 이하로 억제하면서, 실현되는 유량을 고속으로 수렴되도록 하려면, 상기 압력 센서로 측정되는 상기 측정 압력이, 상기 밸브의 상류측의 유로에 형성되는 가스 저류부(reservoir)의 압력을 나타내는 것으로, 상기 가스 저류부에 상류측으로부터 유입되는 유입 유량과, 상기 밸브로 실현되는 유출 유량의 편차에 따라 상기 측정 압력이 변화하도록 구성되어 있고, 상기 설정 유량 생성기가 상기 유입 유량과 상기 유출 유량의 편차에 의해 생기는 상기 측정 압력의 변화에 따른 상기 설정 유량을 상기 밸브 제어부로 출력하도록 구성되어 있으면 된다.
상기 설정 유량에 의해서, 상기 밸브의 상류측의 압력이 제한 압력 이하의 값으로 확실히 유지되도록 하기 위한 구체적인 구성예로서는, 상기 설정 유량 생성기가, 상기 측정 압력에 따른 상기 설정 유량이 정해진 압력-유량 맵을 기억하는 맵 기억부와, 상기 측정 압력, 및 상기 압력-유량 맵에 기초하여, 상기 밸브 제어부로 출력되는 상기 설정 유량을 결정하는 설정 유량 경정부를 구비하고, 상기 압력-유량 맵에 있어서 쌍이 되는 상기 측정 유량과 상기 설정 유량이, 압력과 유량을 변수로 하는 압력-유량 평면에 있어서 상기 제한 압력을 나타내는 제한 압력 함수와, 상기 유량 센서가 동작 가능한 최저 동작 압력을 나타내는 최저 동작 압력 함수와, 상기 밸브의 최대 컨덕턴스를 나타내는 최대 컨덕턴스 함수로 둘러싸지는 영역 내에 포함되도록 정해져 있는 것을 들 수 있다.
상기 유량 센서가, 열식의 유량 센서인 경우에는, 본 발명에 따른 유체 제어 장치에서는 유체의 압력을 상기 제한 압력 이하의 값으로 원하는 값으로 할 수 있으므로, 예를 들면 진공압에 가깝게 되어 열식의 유량 센서의 감도가 없어져 버리는 것과 같은 상태를 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 유체 제어 장치를 이용하는데 적합한 구체적인 예로서는, 유체가 공급되는 공급 가스 유로의 말단부로부터 분기하는 복수의 분기 유로에 흐르는 유체의 유량 비율을 제어하는 유량 비율 제어 장치로서, 각 분기 유로에 각각 마련된, 밸브, 유량 센서, 및 입력되고 있는 설정 유량과, 상기 유량 센서의 측정 유량의 편차가 작아지도록 밸브의 개도를 제어하는 밸브 제어부를 구비한 복수의 유체 제어 장치와, 상기 공급 가스 유로, 또는 각 분기 유로에 있어서 각 유체 제어 장치의 밸브보다도 상류측에 마련된 압력 센서와, 상기 압력 센서로 측정되는 측정 압력이 입력되고, 압력-유량 맵에 기초하여 상기 측정 압력에 따른 설정 유량을 출력하는 설정 유량 생성기를 구비하고, 상기 설정 유량 생성기가 상기 측정 압력 및 상기 압력-유량 맵에 기초하여, 각 분기 유로에 흐르는 유량의 총합의 목표치인 목표 총 유량을 결정하는 목표 총 유량 결정부와, 상기 목표 총 유량과, 미리 정해진 각 분기 유로에 흘리는 유체의 목표 유량 비율에 기초하여, 각 분기 유로에 마련된 유체 제어 장치에 입력할 설정 유량을 결정하는 유량 분배부를 구비하고, 상기 측정 압력이 제한 압력 이하의 값이 되도록 상기 설정 유량 생성기가 상기 설정 유량을 제어하는 것을 특징으로 하는 유량 비율 제어 장치를 들 수 있다. 이러한 것이면, 공급 가스 유로의 압력은 제한 압력 내로 억제하여 안전하게 유지하면서, 각 분기 유로에 흘리는 유체의 유량이 수렴되기까지 걸리는 수렴 시간도 소정 시간 이하로 제어하는 것이 가능해진다.
상기 설정 유량과 상기 측정 유량의 편차가 허용차 내로 수렴될 때까지의 수렴 시간이 소정 시간 이하가 되도록 상기 설정 유량 생성기가 상기 설정 유량을 제어하는 것이면, 안전성뿐만 아니라, 원하는 총유량과 유량 비율로 각 분기 유량으로부터 고속으로 유체를 공급하는 것이 가능해진다.
본 발명에 따른 유량 비율 제어 장치의 구체적인 구성예로서는, 어느 1개의 분기 유로에 마련된 상기 유체 제어 장치와, 상기 설정 유량 생성기가 별체(別體)로서 구성되어 있는 것을 들 수 있다.
본 발명에 따른 유량 비율 제어 장치의 다른 구성예로서는, 어느 1개의 분기 유로에 마련된 상기 유체 제어 장치가, 상기 설정 유량 생성기를 추가로 구비한 것을 들 수 있다.
상기 압력 센서가 마련되는 위치에 대해서는, 상기 압력 센서가 적어도 1개의 분기 유로에 마련되어 있거나, 혹은 각 유체 제어 장치가 각각 상기 압력 센서를 구비하고 있는 것을 들 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 유체 제어 장치에 의하면, 상기 압력 센서로 측정되는 상기 측정 압력에 따라 상기 밸브 제어부에 설정되는 상기 설정 유량이 변경되므로, 상기 밸브의 상류측의 압력에 대해서는 상기 제한 압력 이하로 억제하면서, 상기 밸브에 의해 실현되는 유량 출력이 상기 설정 유량에 수렴되기까지 걸리는 수렴 시간은 단축시키는 것이 가능해진다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 유체 제어 장치의 개요를 나타내는 모식도이다.
도 2는 제1 실시 형태의 유체 제어 장치에 의한 제어의 개요를 나타내는 모식적 블록선도이다.
도 3은 제1 실시 형태의 유체 제어 장치의 상세를 나타내는 모식도이다.
도 4는 제1 실시 형태의 유체 제어 장치에 있어서의 특성 맵과 특성 함수와의 관계를 나타내는 모식적 그래프이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 유량 비율 제어 장치에 대해 나타내는 모식도이다.
본 발명의 제1 실시 형태에 따른 유체 제어 장치(100)에 대해 도 1 내지 도 4를 참조하면서 설명한다.
제1 실시 형태의 유체 제어 장치(100)는, 예를 들면 반도체 제조 프로세스에 있어서 챔버 등에 유체인 가스를 공급하기 위해서 이용되는 것이다. 여기서 사용되는 가스는 예를 들면 인체에 대해서 유해하거나, 혹은, 발화성이 있는 등과 같은 다양한 이유로부터 유로를 형성하는 파이프 등으로부터 외부로 누출시켜서는 안 되는 종류의 것이다.
도 1에 나타내는 것처럼 제1 실시 형태의 유체 제어 장치(100)를 구성하는 하드웨어 부분은, 가스의 공급원이 되는 제1 매스 플로우 컨트롤러(MFC1)와, 유로에 있어서 가장 하류측에 있는 챔버의 사이에 마련된다.
즉, 이 유체 제어 장치(100)는 유로에 있어서 제1 매스 플로우 컨트롤러(MFC1)의 하류측에 마련된 제2 매스 플로우 컨트롤러(MFC2)와, 제1 매스 플로우 컨트롤러(MFC1)와 제2 매스 플로우 컨트롤러(MFC2)의 사이에 마련된 압력 센서(P)와, 압력 센서(P)로 측정되는 측정 압력에 기초하여 제2 매스 플로우 컨트롤러(MFC2)에 설정 유량을 입력하는 컨트롤러(C)를 구비한 것이다. 바꾸어 말하면, 제1 매스 플로우 컨트롤러(MFC1)는 제1 실시 형태의 유체 제어 장치(100)를 구성하지 않는다.
제1 매스 플로우 컨트롤러(MFC1)와 제2 매스 플로우 컨트롤러(MFC2) 사이의 유로에는 용적(容積)이 있기 때문에, 도 1에서 대표하여 기재하고 있는 것처럼 소정의 용적을 가진 가스 저류부(G)가 형성된다. 압력 센서(P)는 이 가스 저류부(G)의 압력을 측정하는 것이다.
도 1에서 나타낸 시스템을 제어 블록도로 생각했을 경우, 도 2에 나타내는 것처럼 된다. 구체적으로는 제1 매스 플로우 컨트롤러(MFC1)로부터 가스 저류부(G)에 대해서 유입되는 가스의 유량 Qin과 제2 매스 플로우 컨트롤러(MFC2)에 의해서 실현되는 유량 출력 Qout의 차에 의해서 가스 저류부(G)의 압력이 정해진다. 이 가스 저류부(G)의 압력이 압력 센서(P)에 의해서 측정되어, 측정 압력 P0를 나타내는 압력 신호로서 컨트롤러(C)에 입력된다. 컨트롤러(C)는 측정 압력 P0에 값에 따른 설정 유량 Qset을 제2 매스 플로우 컨트롤러(MFC2)에 입력한다. 제2 매스 플로우 컨트롤러(MFC2)는 입력된 설정 유량 Qset에 따른 유량 출력 Qout을 출력한다.
여기서, 컨트롤러(C)는 제2 매스 플로우 컨트롤러(MFC2)에 설정하는 설정 압력을 적당히 변경하여, 압력 센서(P)로 측정되는 가스 저류부(G)의 압력이 제한 압력보다도 낮은 값으로 억제되도록 제2 매스 플로우 컨트롤러(MFC2)로 실현되는 유량 출력 Qout을 제어하는 것이다. 동시에 설정 유량 Qset는 설정 유량 Qset와 유량 출력 Qout의 편차가 허용차가 될 때까지의 수렴 시간이 소정 시간 이하가 되도록 제어된다.
제1 실시 형태의 유체 제어 장치(100)에 대해 보다 상세한 구성 및 동작에 대해 도 3을 참조하면서 설명한다.
제2 매스 플로우 컨트롤러(MFC2)는 유로에 대해서 장착되고, 내부 유로가 형성된 보디(1)와, 보디(1)에 대해서 장착된 유량 센서(2) 및 밸브(3)와, 유량 센서(2) 및 밸브(3)를 덮도록 보디(1)에 대해서 장착되는 커버(4)와, 커버(4) 내에 마련되고, 밸브(3)의 개도를 유량 피드백 제어하는 제어 보드(B)를 구비한 것이다. 즉, 매스 플로우 컨트롤러는 유량 제어를 행하기 위한 각종 컴퍼넌트가 패키지화된 것이다.
유량 센서(2)는 열식의 유량 센서이며, 유로에 마련된 분류 소자(21)와, 분류 소자(21)를 상류측으로부터 분기하고, 당해 분류 소자(21)의 하류측에 합류하는 세관(細管)(22)과, 세관(22)에 권회(卷回)되고, 각각 일정 온도로 유지되도록 전압이 인가되는 2개의 전열(電熱) 코일(23)과, 각 전열 코일(23)에 인가되는 전압차를 검출하는 검출 회로(24)와, 검출 회로(24)의 출력에 기초하여 유로를 흐르는 가스의 유량을 산출하는 유량 산출부(25)로 구성된다.
밸브(3)는 예를 들면 피에조 밸브(3)로서, 인가되는 전압에 의해서 그 개도가 제어된다.
제어 보드(B)는 CPU, 메모리, A/D 컨버터, D/A 컨버터, 각종 입출력 수단을 구비한 컴퓨터로서, 메모리에 격납되어 있는 매스 플로우 컨트롤러용 프로그램이 실행되어, 각종 기기와 협업함으로써 제어기로서의 기능이 실현된다. 즉, 제어 보드(B)는 적어도 전술한 유량 산출부(25)와, 밸브 제어부(5)로서의 기능을 발휘한다.
밸브 제어부(5)는 외부로부터 입력되는 설정 유량과, 유량 센서(2)로 측정되는 측정 유량에 기초하여 밸브(3)의 개도를 제어한다. 보다 구체적으로는 밸브 제어부(5)는 설정 유량과 측정 유량의 편차가 작아지도록 밸브(3)의 개도를 변경하도록 밸브(3)의 인가 전압을 변경한다. 제1 실시 형태에서는 설정 유량에 대해서는 컨트롤러(C)로부터 출력되는 값으로 설정된다.
이와 같이 제2 매스 플로우 컨트롤러(MFC2)에서는, 유량 피드백계가 형성되어 있고, 유체 제어 장치(100) 내에 있어서의 마이너 루프를 형성하고 있다.
다음에 컨트롤러(C)의 상세한 것에 대하여 설명한다.
컨트롤러(C)는 제2 매스 플로우 컨트롤러(MFC2)와는 별체로서 구성된 것으로, CPU, 메모리, A/D 컨버터, D/A 컨버터, 각종 입출력 수단을 구비한 컴퓨터에 의해서 그 기능이 실현되는 것이다. 이 컨트롤러(C)는 메모리에 격납되어 있는 프로그램이 실행되어, 각종 기기가 협업함으로써 적어도 설정 유량 생성기(6)로서의 기능을 발휘한다.
설정 유량 생성기(6)는 압력 센서(P)로 측정되는 측정 압력이 입력되고, 당해 측정 압력에 따른 설정 유량을 제2 매스 플로우 컨트롤러(MFC2)의 밸브 제어부(5)로 출력한다. 보다 구체적으로는 설정 유량 생성기(6)는 측정 압력의 값에 따른 설정 유량이 정해진 압력-유량 맵을 참조하여, 압력 센서(P)로 측정되고 있는 측정 압력에 따른 설정 압력을 출력한다.
즉, 설정 유량 생성기(6)는 압력-유량 맵을 기억하는 맵 기억부(61)와, 측정 압력과, 압력-유량 맵에 기초하여 제2 매스 플로우 컨트롤러(MFC2)에 설정하는 설정 유량을 결정하는 설정 유량 결정부(62)를 구비하고 있다.
여기서, 압력-유량 맵의 상세한 것에 대하여 도 4의 그래프를 참조하면서 설명한다.
압력-유량 맵은 어느 측정 압력의 값이 압력 센서(P)로 측정되고 있는 경우에, 복수의 제어 조건을 동시에 만족시킬 수 있는 설정 유량의 값을 정한 1차원 맵이다. 제1 실시 형태에서는 4개의 제어 조건을 동시에 만족시키도록 각 측정 압력에 대응하는 설정 유량을 실험에 의해 구해 정하고 있다. 4개의 제어 조건은 a) 가스 저류부(G)의 압력이 제한 압력 이하가 되는 것, b) 밸브(3)가 전폐(全閉)되어 있어, 제2 매스 플로우 컨트롤러(MFC2)의 유량 출력이 제로인 상태로부터 설정 유량에 의한 유량 제어가 개시되어, 설정 유량과 유량 출력에 상당하는 측정 유량의 편차가 허용차 이내로 수렴될 때까지의 수렴 시간이 소정치 이내로 할 수 있는 것, c) 측정 압력의 값에 대응하는 밸브(3)의 최대 컨덕턴스를 초과하지 않는 설정 유량의 값인 것, d) 열식의 유량 센서의 동작이 보증되는 압력이 제2 매스 플로우 컨트롤러(MFC2)에 있어서 유지되는 것이다. 제1 실시 형태에서는 안전성으로부터의 요구에 의해 설정되는 제한 압력은 가스의 누설을 방지하기 위해서 대기압보다도 낮은 값인 예를 들면 400Torr로 설정된다. 또, 유량 제어의 요구 사양으로부터 정해지는 허용차는 설정 유량에 대해서 ±2% 이내이며, 수렴 시간에 대해 예를 들면 1sec가 설정된다.
이와 같은 a)~d)의 제어 조건을 동시에 만족시키도록 복수의 측정 압력의 값과 대응하는 설정 유량의 값의 쌍을 실험 또는 시뮬레이션에 의해 구하여 압력-유량 맵은 작성된다.
압력-유량 맵은 측정 압력과 설정 유량의 세트로 이루어지는 테이블 형식의 것이어도 되고, 예를 들면 측정 압력을 입력 변수, 설정 유량을 출력 변수로 하는 함수여도 된다.
도 4의 그래프에 나타내는 것처럼 압력-유량 평면에 있어서 플롯한 압력-유량 맵의 그래프는, 제한 압력을 나타내는 제한 압력 함수와, 유량 센서(2)가 동작 가능한 최저 동작 압력을 나타내는 최저 동작 압력 함수와, 밸브(3)의 각 압력에 대한 밸브(3)의 최대 컨덕턴스를 나타내는 최대 컨덕턴스 함수와, 제1 매스 플로우 컨트롤러(MFC1)의 최대 공급 유량을 나타내는 공급 상한 함수로 둘러싸진 영역 내에 포함되도록 설정된다.
압력-유량 맵의 그래프에 나타내지는 것처럼 측정 압력이 제한 압력보다도 낮은 범위 내에서 그 값이 커짐에 따라, 설정 유량도 보다 큰 값이 제2 매스 플로우 컨트롤러(MFC2)에 대해서 설정된다.
이와 같이 구성된 제1 실시 형태의 유체 제어 장치(100)에 의하면, 압력-유량 맵에 기초하여, 제2 매스 플로우 컨트롤러(MFC2)의 상류측에 형성되는 가스 저류부(G)의 압력인 측정 압력에 따라 제2 매스 플로우 컨트롤러(MFC2)에 복수의 제어 조건을 만족시킬 수 있는 설정 유량을 설정할 수 있다.
즉, 가스 저류부(G)의 압력에 변동이 있었다고 하더라도, 그 압력에 따른 설정 유량이 설정되므로, 가스 저류부(G)에 유입하는 유량과 제2 매스 플로우 컨트롤러(MFC2)를 통해서 유출되는 유량을 밸런스 맞춰, 가스 저류부(G)의 압력에 대해서는 제한 압력인 400 Torr 보다도 작은 압력으로 억제하여 일정치로 유지할 수 있다.
구체적으로는, 도 2의 제어 블록도에 나타내는 것처럼 압력 센서(P)로 측정되는 측정 압력은, 제1 매스 플로우 컨트롤러(MFC1)로부터 가스 저류부(G)에 유입되는 유입 유량과, 제2 매스 플로우 컨트롤러(MFC2)로 실현되는 유출 유량의 차로 변동하게 된다. 제어 주기마다 제어 장치(C)의 설정 유량 생성기(6)에 의해서 변화된 가스 저류부(G)의 압력에 따른 설정 유량이 압력-유량 맵에 기초하여 적당히 변경되게 된다. 이 때문에, 가스 저류부(G)에서의 압력이 변화했다고 하더라도 도 2에 나타내는 제어 루프가 반복될 때마다 적절한 설정 유량이 선택되므로, 압력 및 유량의 제어 정밀도가 높아져 가게 된다.
또, 종래와 같이 압력 레귤레이터에 의해서 소정의 압력으로 가스 저류부(G)의 압력을 일정치로 항상 유지하는 것이 아니라, 가스 저류부(G)의 압력에 대해서는 유량 센서(2)의 동작 가능 압력 이상으로 제한 압력 이하의 값으로 다양한 값으로 변화시켜 유지할 수 있다. 이에 더하여, 압력 레귤레이터가 존재하지 않기 때문에 가스 종류가 변경되었다고 하더라도 그 영향이 제2 매스 플로우 컨트롤러(MFC2)의 밸브(3)의 변동에 영향을 주기 어렵게 할 수 있다.
추가로 압력-유량 특성 맵에 기초하여, 가스의 공급압이 작은 경우에는 설정 유량을 작게 함과 아울러, 가스의 공급압이 큰 경우에는 설정 유량을 크게 설정할 수 있으므로, 가스의 공급압의 변동에 의존하지 않고, 제2 매스 플로우 컨트롤러(MFC2)의 유량 출력의 수렴 시간을 소정 시간인 1sec 이내와 같은 단시간으로 설정할 수 있다.
다음에 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 유량 비율 제어 장치(200)에 대해 도 5를 참조하면서 설명한다.
제2 실시 형태의 유량 비율 제어 장치(200)는, 상류측의 공급 가스 유로 S1의 말단부로부터 분기하는 복수의 분기 유로 L1, L2를 흐르는 유체의 유량 비율을 제어함과 아울러, 공급 가스 유로 S1 등에 있어서의 상류측의 압력이 제한 압력 이하가 되도록 제어하는 것이다.
즉, 이 유량 비율 제어 장치(200)는, 각 분기 유로 L1, L2에는 각각 마련된 매스 플로우 컨트롤러(MFC)와, 각 매스 플로우 컨트롤러(MFC)에 설정 유량을 설정하는 제어 장치(C)와, 공급 가스 유로 S1 또는 각 매스 플로우 컨트롤러(MFC) 보다도 상류측에 마련된 압력 센서(P)를 구비하고 있다. 이하의 설명에서는 분기 유로 L1, L2가 2개의 경우를 예로 하여 설명하지만 보다 다수의 분기 유로가 마련되어 있는 것이어도 된다. 또, 설명을 간단히 하기 위하여 도 5에 있어서 상측에 마련된 매스 플로우 컨트롤러를 MFCA, MFCA가 마련되어 있는 분기 유로를 제1 분기 유로 L1, 도 5에 있어서 하측에 마련된 매스 플로우 컨트롤러를 MFCB, MFCB가 마련되어 있는 분기 유로를 제2 분기 유로 L2라고도 호칭한다.
여기서, 압력 센서(P), MFCA, 설정 유량 생성기(6)의 맵 기억부(61) 및 설정 유량 결정부(62)는 제1 실시 형태에 있어서 설명한 유체 제어 장치(100)와 거의 같은 구성으로 이루어진다. 즉, 압력 센서(P)로 측정되는 측정 압력과, 압력-유량 맵에 기초하여, 설정 유량 생성기(6)는 MFCA 및 MFCB의 상류측의 압력은 제한 압력으로 됨과 아울러, 제1 분기 유로 L1, 및 제2 분기 유로 L2의 각각으로부터 공급되는 유량의 총량인 토탈 유량이 목표치에 수렴될 때까지의 수렴 시간이 소정 시간 이내가 되도록 MFCA 및 MFCB의 밸브 제어부(5)에 설정하는 설정 유량을 변경한다.
설정 유량 생성기(6)의 구체적인 구성에 대해 설명한다. 설정 유량 생성기(6)는 압력-유량 맵을 기억하는 맵 기억부(61)와, 각 분기 유로 L1, L2로부터 챔버 C에 대해서 공급되는 가스의 목표 총 유량을 결정하는 목표 총 유량 결정부(63)와, 결정된 목표 총 유량과 유저에 의해서 설정되는 목표 유량 비율에 기초하여 각 매스 플로우 컨트롤러에 설정하는 설정 유량을 결정하는 유량 분배부(64)를 구비하고 있다.
압력-유량 맵은 제1 실시 형태에서는 1개의 유로에 흐르는 압력과 유량의 관계를 규정하고 있었지만, 제2 실시 형태에서는 각 매스 플로우 컨트롤러보다도 상류측의 측정 압력과 각 분기 유로 L1, L2에 흐르는 유체의 유량의 총합의 목표치인 목표 총 유량의 관계를 규정하는 것이다. 즉, 압력 센서(P)로 측정되고 있는 측정 압력에 따라 당해 측정 압력이 제한 압력 내로 억제되는 목표 총 유량을 쌍으로 하여 기억하고 있다. 덧붙여 측정 유량과 목표 총 유량의 쌍이 포함되는 영역에 관한 개념은 제1 실시 형태와 같으므로 설명을 생략한다. 또 목표 총 유량 결정부(63)는 이러한 압력-유량 맵을 그 때 측정되고 있는 측정 압력에 기초하여 참조하여, 목표 총 유량을 결정한다.
목표 총 유량이 결정되면 유량 분배부(64)는, 각 매스 플로우 컨트롤러에 설정하는 설정 유량을 각각 목표 총 유량과 목표 유량 비율에 기초하여 산출하고, 산출된 값을 각 매스 플로우 컨트롤러에 대해서 입력한다. 덧붙여, 제어 주기마다 그 때의 측정 압력에 대응하는 목표 총 유량으로 변경되고, 또한 각 매스 플로우 컨트롤러에 설정되는 설정 유량도 변경되게 된다.
이와 같이 하여 각 매스 플로우 컨트롤러에 각각 개별의 설정 유량이 설정됨으로써, 각 분기 유로 L1, L2에 흐르는 유체의 유량 비율이 목표 유량 비율이 되도록 제어됨과 아울러, 각 매스 플로우 컨트롤러보다도 상류측에 대해서는 제한 압력보다도 낮은 상태로 할 수 있다.
그 외의 실시 형태에 대해 설명한다.
유체 제어 장치에 대해서는, 압력 센서와 매스 플로우 컨트롤러의 조합으로 실현되는 것으로 한정하지 않고, 매스 플로우 컨트롤러 대신에 단독의 밸브, 및 유량 센서를 마련하여 구성해도 상관없다.
제어 보드 및 제어 장치에 대해서는 1개의 컴퓨터에 통합하여 각종 연산이나 제어가 행해지도록 구성해도 상관없다.
유량 센서에 대해서는 열식의 유량 센서로 한정되는 것이 아니고, 압력식의 유량 센서여도 상관없다. 또, 유량 센서가 마련되는 것은 밸브의 상류측, 또는 하류측 어디여도 상관없다.
제한 압력, 수렴 시간에 대해서는 요구 사양 등에 따라 적당히 다양한 값을 설정해도 된다. 또, 압력-유량 맵의 설정예는 실시 형태에 기재한 것으로 한정되지 않는다. 각 제어 조건으로부터 정해지는 영역 내에 포함되도록 측정 압력에 대응하는 설정 압력이 설정되어 있으면 된다.
제2 실시 형태에서 설명한 유량 비율 제어 장치에 대해서는, 각 매스 플로우 컨트롤러가 압력 센서를 구비하고 있는 것이어도 상관없다. 또, 1개의 매스 플로우 컨트롤러가 설정 유량 생성기, 및 유량 분배부로서의 기능을 구비한 것이어도 된다. 즉, 제2 실시 형태에 있어서 설명한 제어 장치에 대해서는 매스 플로우 컨트롤러와는 별체로서 마련하는 것이 아니라, 매스 플로우 컨트롤러와 일체화해도 상관없다.
그 외, 본 발명의 취지에 반하지 않는 한에 있어서 다양한 실시 형태의 조합이나 변형을 행해도 상관없다.
100···유체 제어 장치
P···압력 센서
2···유량 센서
3···밸브
5···밸브 제어부
6···설정 유량 생성기
61···맵 기억부
62···설정 유량 결정부
63···목표 총 유량 결정부
64···유량 분배부

Claims (12)

  1. 유체가 흐르는 유로에 마련된 밸브와,
    상기 밸브의 상류측에 마련된 압력 센서와,
    상기 압력 센서의 하류측에 마련된 유량 센서와,
    상기 압력 센서로 측정되는 측정 압력이 입력되고, 압력-유량 맵에 기초하여 상기 측정 압력에 따른 설정 유량을 출력하는 설정 유량 생성기와,
    상기 설정 유량 생성기로부터 출력되는 상기 설정 유량이 입력되고, 당해 설정 유량과 상기 유량 센서로 측정되고 있는 측정 유량의 편차가 작아지도록 상기 밸브의 개도(開度)를 제어하는 밸브 제어부를 구비하고,
    상기 측정 압력이 제한 압력 이하의 값이 되도록 상기 설정 유량 생성기가 상기 설정 유량을 제어하는 것을 특징으로 하는 유체 제어 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 측정 압력의 값이 소정 압력 이상 상기 제한 압력 이하의 값을 취할 수 있도록 상기 설정 유량 생성기가 상기 설정 유량을 제어하는 유체 제어 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 설정 유량과 상기 측정 유량의 편차가 허용차 내로 수렴될 때까지의 수렴 시간이 소정 시간 이하가 되도록 상기 설정 유량 생성기가 상기 설정 유량을 제어하는 유체 제어 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 설정 유량 생성기가 상기 측정 압력의 값이 커질수록 상기 설정 유량의 값을 크게 설정하는 유체 제어 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 압력 센서로 측정되는 상기 측정 압력이, 상기 밸브의 상류측의 유로에 형성되는 가스 저류부(reservoir)의 압력을 나타내는 것이고,
    상기 가스 저류부에 상류측으로부터 유입되는 유입 유량과, 상기 밸브로 실현되는 유출 유량의 편차에 따라 상기 측정 압력이 변화하도록 구성되어 있고,
    상기 설정 유량 생성기가 상기 유입 유량과 상기 유출 유량의 편차에 의해 생기는 상기 측정 압력의 변화에 따른 상기 설정 유량을 상기 밸브 제어부로 출력하도록 구성되어 있는 유체 제어 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 설정 유량 생성기가,
    상기 측정 압력에 따른 상기 설정 유량이 정해진 압력-유량 맵을 기억하는 맵 기억부와,
    상기 측정 압력, 및 상기 압력-유량 맵에 기초하여, 상기 밸브 제어부로 출력되는 상기 설정 유량을 결정하는 설정 유량 결정부를 구비하고,
    상기 압력-유량 맵에 있어서 쌍이 되는 상기 측정 유량과 상기 설정 유량이, 압력과 유량을 변수로 하는 압력-유량 평면에 있어서 상기 제한 압력을 나타내는 제한 압력 함수와, 상기 유량 센서가 동작 가능한 최저 동작 압력을 나타내는 최저 동작 압력 함수와, 상기 밸브의 최대 컨덕턴스를 나타내는 최대 컨덕턴스 함수로 둘러싸지는 영역 내에 포함되도록 정해져 있는 유체 제어 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 유량 센서가 열식의 유량 센서인 유체 제어 장치.
  8. 유체가 공급되는 공급 가스 유로의 말단(末端)부로부터 분기하는 복수의 분기 유로에 흐르는 유체의 유량 비율을 제어하는 유량 비율 제어 장치로서,
    각 분기 유로에 각각 마련된, 밸브, 유량 센서, 및 입력되고 있는 설정 유량과 상기 유량 센서의 측정 유량의 편차가 작아지도록 밸브의 개도를 제어하는 밸브 제어부를 구비한 복수의 유체 제어 장치와,
    상기 공급 가스 유로, 또는 각 분기 유로에 있어서 각 유체 제어 장치의 밸브보다도 상류측에 마련된 압력 센서와,
    상기 압력 센서로 측정되는 측정 압력이 입력되고, 압력-유량 맵에 기초하여 상기 측정 압력에 따른 설정 유량을 출력하는 설정 유량 생성기를 구비하고,
    상기 설정 유량 생성기가,
    상기 측정 압력 및 상기 압력-유량 맵에 기초하여, 각 분기 유로에 흐르는 유량의 총합의 목표치인 목표 총 유량을 결정하는 목표 총 유량 결정부와,
    상기 목표 총 유량과, 미리 정해진 각 분기 유로에 흘리는 유체의 목표 유량 비율에 기초하여, 각 분기 유로에 마련된 유체 제어 장치에 입력할 설정 유량을 결정하는 유량 분배부를 구비하고,
    상기 측정 압력이 제한 압력 이하의 값이 되도록 상기 설정 유량 생성기가 상기 설정 유량을 제어하는 것을 특징으로 하는 유량 비율 제어 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 설정 유량과 상기 측정 유량의 편차가 허용차 내로 수렴될 때까지의 수렴 시간이 소정 시간 이하가 되도록 상기 설정 유량 생성기가 상기 설정 유량을 제어하는 유량 비율 제어 장치.
  10. 청구항 8에 있어서,
    어느 1개의 분기 유로에 마련된 상기 유체 제어 장치와, 상기 설정 유량 생성기가 별체로서 구성되어 있는 유량 비율 제어 장치.
  11. 청구항 8에 있어서,
    어느 1개의 분기 유로에 마련된 상기 유체 제어 장치가, 상기 설정 유량 생성기를 추가로 구비한 유량 비율 제어 장치.
  12. 청구항 8에 있어서,
    상기 압력 센서가 적어도 1개의 분기 유로에 마련되어 있거나, 혹은 각 유체 제어 장치가 각각 상기 압력 센서를 구비하고 있는 유량 비율 제어 장치.
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