KR20100048894A

KR20100048894A - 재료가스 농도 제어 시스템

Info

Publication number: KR20100048894A
Application number: KR1020090101616A
Authority: KR
Inventors: 마사카즈 미나미; 다이스케 하야시; 유헤이 사카구치; 가츠미 니시무라; 마사키 이노우에; 고타로 다키지리
Original assignee: 가부시키가이샤 호리바 세이샤쿠쇼; 가부시키가이샤 호리바 에스텍
Priority date: 2008-10-31
Filing date: 2009-10-26
Publication date: 2010-05-11
Also published as: TWI484310B; US8459290B2; TW201027291A; DE102009051285A1; US20100108154A1; KR101578220B1; CN101724828A; CN101724828B

Abstract

<과제> 재료가스의 분압이 변동했다고 해도, 혼합가스에 있어서의 재료가스의 농도를 일정하게 유지할 수 있어 응답성이 좋은 재료가스농도 제어 시스템을 제공한다.

<해결 수단> 재료(L)를 수용하는 탱크(13)와, 수용된 재료(L)를 기화시키는 캐리어 가스를 상기 탱크(13)에 도입하는 도입관(11)과, 상기 탱크(13)로부터 기화한 재료가스 및 상기 캐리어 가스의 혼합가스를 도출하는 도출관(12)을 구비한 재료 기화 시스템(1)에 이용되는 것으로서, 상기 도출관(12)상에 설치된 제1 밸브(23)와, 상기 혼합가스에 있어서의 재료가스의 농도를 측정하는 농도 측정부(CS)와, 상기 농도 측정부(CS)에서 측정된 재료가스의 측정농도가 미리 정한 설정농도로 되도록 상기 제1 밸브(23)의 개도(開度)를 제어하는 농도 제어부(CC)를 구비했다.

Description

재료가스 농도 제어 시스템{MATERIAL GAS CONCENTRATION CONTROL SYSTEM}

본 발명은 탱크 내에 수용되어 있는 고체 또는 액체 재료에 캐리어 가스(carrier gas)를 도입하고, 재료를 기화시키는 재료 기화 시스템에 있어서, 그 기화한 재료가스의 농도를 제어하는 시스템에 관한 것이다.

이런 종류의 재료 기화 시스템에 있어서의 재료가스의 농도 제어 시스템으로서는, 특허 문헌 1, 2에 나타나는 것과 같은 캐리어 가스를 도입하는 도입관에 설치된 매스 플로우 콘트롤러(mass flow controller)와, 재료(材料) 액(液)이 저장되어 있는 탱크를 항온으로 유지하기 위한 항온조와, 재료가스 및 캐리어 가스의 혼합가스를 도출하는 도출관에 설치되어, 혼합가스의 압력, 즉, 전체압(全壓)을 측정하기 위한 압력계를 갖춘 것을 들 수 있다.

이것은 재료액을 일정한 온도로 유지하는 것에 의해 항시 재료액이 포화 증기압에서 기화하도록 하고, 재료가스의 분압(分壓)이 일정하게 되도록 하고, 압력계에 의해서 측정되는 전체압이 일정하게 되도록 매스 플로우 콘트롤러에 의해 캐리어 가스의 유량을 제어하도록 하고 있다. 이와 같이 하면, 기체의 농도는 분압／전체압으로 나타내지므로 분압 및 전체압이 일정하므로 기체의 농도, 즉, 재료가스 의 농도도 당연히 일정해지는 것으로 생각되고 있다.

<선행 기술 문헌>

[특허 문헌 1] 미국 공개 특허 공보 2007／0254093호

[특허 문헌 2] 일본국 특개 2003－257871호 공보

그렇지만, 상술한 바와 같은 농도 제어 시스템을 이용한 경우, 이하에 나타내는 것과 같은 여러가지 요인에 의해 정밀도 좋게 원하는 재료가스농도로 제어하거나, 그 농도 제어를 고속으로 응답성이 좋은 것으로 하거나 하는 것은 어렵다.

＜＜탱크 내의 온도 변화에 의한 농도 제어에의 영향＞＞

첫째, 항온조에 의해서 탱크를 항온으로 유지하고 있었다고 해도, 재료액이 기화할 때의 기화열에 의해서 온도가 저하하고, 포화 증기압이 변화해 버리기 때문에, 재료가스의 분압이 변화하여 원하는 농도로부터 변화해 버린다. 또, 재료액의 양의 변화 등에 의해서, 버블링(bubbling)에 의한 캐리어 가스가 재료액에 접하는 시간이나 상태가 변화해 버려, 재료가스가 포화 증기압에 이를 때까지 기화하지 않고, 역시, 재료가스의 분압이 변화하여 원하는 농도로부터 변화해 버린다. 더하여, 가령 항온조를 이용했다고 해도, 실제로 온도를 일정하게 유지하는 것에 의해서 재료가스의 분압을 일정하게 유지하는 것은 매우 어렵다.

더욱이, 항상 포화 증기압에서 재료액을 기화시킬 수 있었다고 해도, 어떤 농도로부터 다른 농도로 변화시키고 싶은 경우에는, 탱크 내의 온도를 변화시켜 포화 증기압을 변화시킬 필요가 있다. 탱크 내의 온도를 변화시키려면 통상, 매우 긴 시간이 걸려 버리기 때문에, 재료가스의 농도 제어는 응답성이 나쁜 것이 되어 버 린다.

＜＜탱크 내의 기체 체적의 증가에 의한 농도 제어에의 영향＞＞

둘째, 도 8의 그래프에 나타내는 바와 같이, 탱크 내의 재료액이 감소하여 가스의 체적이 증대하면 설정농도를 변경했을 때에, 측정농도가 같은 값이 되기까지 걸리는 제어시간(정정(整定)시간)이 길어져 버린다. 이것은 탱크 내의 가스 체적이 증대한 것으로부터 탱크 내의 전체압을 변화시켜 농도를 원하는 값으로 하는데 필요한 캐리어 가스의 유량이 커져 버리는 등의 원인에 의해서, 탱크 내의 가스가 원하는 가스농도로 치환할 때까지의 가스 치환시간이 길어지기 때문인 것으로 생각된다.

바꾸어 말하면, 재료액이 감소하면 그것까지 제어의 대상으로 하고 있던 계(系)로부터 변화하여, 낭비시간이 큰 계로 되어 버리므로, 설정농도를 변경하는 것 같은 스텝 입력이 주어지면, 출력인 측정농도는 크게 오버슛(overshoot) 하여 헌팅(hunting)을 일으켜 버려, 정정(整定)시간이 길어져 버린다.

또, 농도 측정부가 여러가지 측정 환경의 변화에 의해서 응답속도가 저하함에 의해서, 낭비시간이 커지는 것에 의해서도 전술한 것 같은 정정시간이 길어지는 문제가 발생한다.

이와 같은 문제에 대해서, 캐리어 가스의 유량을 증대시켜 가스 치환시간을 짧게 하고, 정정시간을 짧게 하는 일도 생각할 수 있지만, 재료가스의 유량이나 전체 유량도 변화해 버리므로, 일정 유량으로 유지할 수 없게 되어 버린다.

＜＜탱크 내의 기체 체적의 증가에 따른 낭비시간의 증가＞＞

셋째, 이와 같은 것으로는 재료액이 감소하고, 탱크 내의 기체의 체적이 커지면, 설정농도를 변경했을 경우에 탱크 내의 혼합가스가 새롭게 설정된 설정농도의 것으로 모두 바뀌어 버리기까지 시간이 걸리게 된다. 즉, 재료액이 적어지게 되면, 설정농도를 새롭게 변경해도, 소망하는 농도가 되기까지 걸리는 제어 시간이 길어져 버린다고 하는 불편이 생긴다.

이와 같은 문제에 대해서, 종래는 탱크 내에 액량계를 마련해 두어 미리 정한 액량보다도 재료액이 감소한 것을 검출하고, 적절히 재료액의 보충을 실시할 수 있도록 하여 제어 시간이 길어진다고 하는 문제를 방지하도록 하고 있었다. 그렇지만, 이와 같은 해결 방법은 탱크 내에 액량계를 부착하는 수고나 새로운 코스트를 발생시키는 원인이 되어 버리고 있다.

본 발명은 상술한 것 같은 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 캐리어 가스의 유량을 제어함으로써 재료가스의 농도를 제어하는 것이 아니라, 재료가 기화하는 상태가 변동했다고 해도 혼합가스에 있어서의 재료가스의 농도를 일정하게 유지할 수 있어 응답성이 좋은 재료가스의 농도 제어 시스템을 제공하는 것을 제 1의 목적으로 한다.

또, 본 발명은 탱크 내의 재료액이 감소한 경우나 농도 측정부의 응답 속도가 늦은 경우 등에 있어서, 설정농도를 변경했다고 해도, 단시간에 측정농도를 설정농도로 안정시킬 수 있는 재료가스농도 제어 시스템을 제공하는 것을 제 2의 목적으로 하는 것이다.

더욱이, 본 발명은 액량계 등의 검출기를 이용하지 않고, 탱크 내의 재료액이 감소하고 있는 것을 추정하고, 새롭게 설정된 설정농도로 안정되기까지 걸리는 시간이 길어진다고 하는 불편을 막을 수 있는 재료가스농도 제어 시스템을 제공하는 것을 제 3의 목적으로 한다.

즉, 본 발명의 제1 의 목적을 달성하기 위한 재료가스농도 제어 시스템은 수용된 재료를 기화시키는 캐리어 가스를 상기 탱크에 도입하는 도입관과, 재료가 기화한 재료가스 및 상기 캐리어 가스의 혼합가스를 상기 탱크로부터 도출하는 도출관을 구비한 재료 기화 시스템에 이용되는 것으로서, 상기 도출관상에 설치된 제1 밸브와, 상기 혼합가스에 있어서의 재료가스의 농도를 측정하는 농도 측정부와, 상기 농도 측정부에서 측정된 재료가스의 측정농도가 미리 정한 설정농도가 되도록 상기 제1 밸브의 개도(開度)를 제어하는 농도 제어부를 구비하고 있고, 상기 농도 측정부가 상기 탱크 내의 압력을 측정하는 압력 측정부를 구비하고, 상기 농도 제어부가 설정압력을 상기 측정농도와 설정농도와의 편차가 작아지는 방향으로 변경하는 설정압력 설정부와, 상기 압력 측정부에서 측정된 측정압력이 상기 설정압력이 되도록 상기 제1 밸브의 개도를 제어하는 제1 밸브 제어부를 구비하고, 측정된 재료가스의 측정농도가 미리 정한 설정농도가 되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 탱크 내의 압력이란 본 명세서에서는 탱크 내의 압력 그 자체와 함께, 상기 제1 밸브보다 상류의 도출관에 있어서의 혼합가스의 압력을 포함한 개념이다.

이와 같은 것이면, 농도 측정부에 의해서 혼합가스에 있어서의 재료가스의 농도 그 자체를 측정하고, 농도 제어부에 의해서 미리 정한 설정농도가 되도록 제1 밸브의 개도를 제어하므로, 탱크 내에서 재료액이 포화 증기압에서 기화하고 있지 않은 경우나, 밸브 링 상태가 변화하는 경우 등에 있어서 재료가스가 발생하는 양이 변동했다고 해도, 그 변동과는 관계없이 농도를 일정하게 유지할 수 있다.

바꾸어 말하면, 탱크 내의 온도를 제어함으로써 재료액이 기화하는 양을 일정하게 유지하도록 하지 않아도 혼합가스의 농도를 일정하게 유지할 수 있다.

또, 탱크 내의 온도를 제어함으로써 재료가스의 양을 제어하는 것에 비하여, 제1 밸브의 개도를 제어함으로써 혼합가스에 있어서의 재료가스의 농도를 제어하므로, 온도 변화를 기다릴 시간이 없는 부분만큼, 시간 지연이 작고, 응답성이 좋은 재료가스농도의 제어를 행할 수 있다.

더욱이, 농도 측정부 및 제1 밸브는 도출관에 마련되어 있고, 후에 계속되는 프로세스에 가까운 위치에 설치되어 있으므로, 한 번 제어된 농도에 변화가 생기기 어렵고, 필요하게 되는 재료가스농도의 정밀도를 유지한 채로 후에 계속 되는 프로세스에 공급하는 것이 용이하게 된다.

게다가, 이와 같이 구성된 재료가스농도 제어 시스템에 의하면, 캐리어 가스의 유량의 변화에 의해 재료의 기화상태가 변화했다고 해도, 재료가스농도를 미리 정한 농도로 일정하게 유지할 수 있으므로, 혼합가스의 유량도 자유롭게 설정할 수 있게 된다.

더하여, 상기 농도 측정부가 상기 탱크 내의 압력을 측정하는 압력 측정부를 구비하고, 상기 농도 제어부가 미리 정한 설정압력을 상기 측정농도와 설정농도와의 편차가 작아지는 방향으로 변경하는 설정압력 설정부와, 상기 압력 측정부에서 측정된 측정압력이 상기 설정압력이 되도록 상기 제1 밸브의 개도를 제어하는 제1 밸브 제어부를 구비하며, 측정된 재료가스의 측정농도가 미리 정한 설정농도가 되도록 제어하는 것이므로, 응답성 좋게 용이하게 제어할 수 있는 혼합가스의 전체압을 제1 밸브로 제어할 수 있어 혼합가스에 있어서의 재료가스의 농도를 정밀도 좋게 제어할 수 있다. 또, 이와 같은 것이면, 매스 플로우 콘트롤러 등에 의해서 유량을 제어함으로써 농도를 제어하는 것이 아니라, 압력을 제어함으로써 농도를 제 어하고 있으므로 응답성이 좋다.

더욱이, 제1 밸브를 설정압력과 측정압력이라고 하는 압력 값에 의해서, 농도를 제어하도록 구성되어 있으므로, 특수한 농도 제어용의 제어회로 등을 새롭게 제작하지 않아도 농도제어를 행할 수 있다. 따라서, 설계 코스트나 개발 코스트를 억제할 수 있다.

혼합가스에 있어서의 재료가스의 농도가 일정인 정상 상태에 있어서, 상기 도출관을 흐르는 재료가스 또는 혼합가스의 유량도 일정하게 제어할 수 있도록 하려면, 상기 도입관상에 설치된 제2 밸브와, 상기 도입관을 흐르는 캐리어 가스의 유량을 측정하는 유량 측정부와, 상기 캐리어 가스의 측정 유량을 상기 도출관을 흐르는 재료가스 또는 혼합가스의 미리 정한 설정유량과 상기 설정농도에 근거하여 산출되는 설정 캐리어 가스 유량 또는 미리 정한 설정 캐리어 가스 유량이 되도록, 상기 제2 밸브의 개도를 제어하는 유량 제어부를 구비하고 있으면 좋다. 이와 같은 것이면, 상기 농도 제어부에 의해서 농도가 일정하게 유지되고 있으므로, 캐리어 가스 유량이 일정하게 해 두는 것에 의해서, 재료가스 또는 혼합가스의 유량도 일정하게 된다. 게다가, 제2 밸브의 제어를 위해서 상기 도출관측에 있어서의 각 가스에 관한 정보를 상기 유량 제어부에 피드백할 필요가 없고, 적어도 농도는 일정하게 제어하면서, 재료가스 또는 혼합가스의 유량을 안정되게 공급할 수 있다.

혼합가스에 있어서의 재료가스의 농도를 일정하게 제어할 뿐만 아니라, 재료가스의 질량 유량이나 전체 유량도, 아울러, 과도 응답시에 있어서도, 일정하게 제어할 수 있도록 하려면, 상기 도입관상에 설치된 제2 밸브와, 상기 도입관을 흐르 는 캐리어 가스의 유량을 측정하는 유량 측정부와, 상기 재료가스의 측정농도 및 상기 캐리어 가스의 측정유량에 근거하여, 상기 도출관을 흐르는 재료가스 또는 혼합가스의 유량을 산출하고, 그 산출유량이 미리 정한 설정유량이 되도록, 상기 제2 밸브의 개도를 제어하는 유량 제어부를 구비하고 있으면 좋다. 이와 같은 것이면, 제1 밸브는 주로 농도의 제어를 행하기 위해서 이용되고, 제2 밸브는 재료가스의 질량 유량이나 전체 유량을 주로 제어하도록, 각각의 제어 대상량을 독립으로 제어하는 2 자유도의 제어를 행할 수 있게 된다.

상기 캐리어 가스의 유량을 제어하는 구체적인 실시형태로서는, 상기 유량 제어부가 미리 정한 설정 캐리어 가스 유량을 상기 산출유량과 상기 설정유량과의 편차가 작아지는 방향으로 변경하는 설정 캐리어 가스 유량 설정부와, 상기 유량 측정부에서 측정된 측정 캐리어 가스 유량이 상기 설정 캐리어 가스 유량이 되도록 상기 제2 밸브의 개도를 제어하는 제2 밸브 제어부를 구비한 것을 들 수 있다.

혼합가스에 있어서의 재료가스의 농도를 정밀도 좋게 측정하고, 정확한 농도 제어를 행할 수 있도록 하려면, 상기 농도 측정부가 비분산식 적외선 흡수 방식에 의해서 재료가스의 분압을 측정하는 분압 측정센서와, 측정된 재료가스 분압 및 상기 측정압력에 근거해 재료가스의 농도를 산출하는 농도 산출부로 이루어지는 것이면 좋다.

또 본 발명의 재료가스농도 제어 시스템은 재료(材料)를 수용하는 탱크와, 수용된 재료를 기화시키는 캐리어 가스를 상기 탱크에 도입하는 도입관과, 재료가 기화한 재료가스 및 상기 캐리어 가스의 혼합가스를 상기 탱크로부터 도출하는 도 출관을 구비한 재료 기화 시스템에 이용되는 것으로서, 상기 도출관상에 설치된 제1 밸브와, 상기 혼합가스에 있어서의 재료가스의 농도를 측정하는 농도 측정부와, 상기 탱크 내의 압력을 측정하는 압력 측정부와, 상기 탱크 내의 온도를 측정하는 온도 측정부와, 상기 농도 측정부에서 측정된 재료가스의 측정농도가 미리 정한 설정농도가 되도록 상기 제1 밸브의 개도를 제어하는 농도 제어부를 구비하고, 상기 농도 제어부가 상기 온도 측정부에서 측정된 측정온도에 근거하여, 재료가스가 상기 설정농도가 되기 위한 탱크 내 압력을 산출하는 전체압(全壓) 산출부와, 상기 설정농도가 변경된 후의 일정기간에 있어서는, 설정압력을 상기 전체압 산출부에서 산출된 탱크 내 압력으로 하는 한편, 그 외의 기간에 있어서는, 설정압력을 상기 측정농도와 설정농도와의 편차가 작아지는 방향으로 변경하는 설정압력 설정부와, 상기 압력 측정부에서 측정된 측정압력이 상기 설정압력이 되도록 상기 제1 밸브의 개도를 제어하는 제1 밸브 제어부를 구비한 것을 특징으로 한다.

여기서, 탱크 내의 압력이란 본 명세서에서는, 탱크 내의 압력 그 자체와 함께, 상기 제1 밸브보다도 상류의 도출관에 있어서의 혼합가스의 압력을 포함한 개념이다.

이와 같은 것이면, 상기 전체압 산출부가 상기 온도 측정부에서 측정된 측정온도에 근거하여, 재료가스가 상기 설정농도가 되기 위한 탱크 내 압력을 산출하고, 상기 설정압력 설정부가 설정농도가 변경된 후의 일정기간에 있어서는, 설정압력을 상기 전체압(全壓) 산출부에서 산출된 탱크 내 압력으로 하므로, 상기 농도 측정부에 의해서 측정되는 측정농도에 관계없이 상기 제1 밸브의 개도가 제어된다. 이와 같이 하면, 측정농도의 변동에 따라 제1 밸브가 제어되고, 그 제1 밸브의 제어의 결과가 탱크 내의 전체압에 늦게 나타나기 때문에 측정농도가 안정되지 않고, 헌팅(hunting)이 일어나는 것을 막을 수 있다. 또, 탱크 내의 온도에 근거하여 설정압력을 설정하므로, 측정농도가 설정농도에 일정하게 유지되고 있는 경우의 압력에 가까운 값으로 설정압력을 설정할 수 있어 일정기간이 종료한 후에 측정농도가 설정농도와 가까운 값이 되도록 할 수 있다.

또, 그 외의 기간에 있어서는, 설정압력 설정부는 설정압력을 측정농도와 설정농도 간의 편차가 작아지는 방향이 되도록 하므로, 일정기간 종료 후에 남아 있던 측정농도와 설정농도의 근소한 편차를 보정 하도록 제어할 수 있다.

따라서, 재료액이 적어지는 등으로 탱크 내의 전체압의 제어가 늦는 것에 기인하는 측정농도의 헌팅을 막을 수 있고, 측정농도와 설정농도의 편차가 작은 상태로부터 농도 제어를 행하도록 할 수 있으므로, 측정농도가 설정농도와 일치하여 안정되는데 걸리는 시간을 짧게 할 수 있다.

일정기간 종료 후에, 측정농도와 설정농도의 편차가 가능한 한 작게 해 두고, 그 후의 농도 제어에 의해서 측정농도가 일정하게 안정될 때까지의 시간을 짧게 하기 위해서는, 상기 전체압 산출부가 상기 온도 측정부에서 측정된 측정온도에 근거하여, 재료가스의 포화 증기압을 산출하는 것이며, 그 포화 증기압에 근거해 재료가스가 상기 설정농도가 되기 위한 탱크 내 압력을 산출하는 것이면 좋다.

더욱이, 본 발명에 관한 재료가스농도 제어 시스템은 재료를 수용하는 탱크와, 수용된 재료를 기화시키는 캐리어 가스를 상기 탱크에 도입하는 도입관과, 재 료가 기화한 재료가스 및 상기 캐리어 가스의 혼합가스를 상기 탱크로부터 도출하는 도출관을 구비한 재료 기화 시스템에 이용되는 것으로서, 상기 도출관상에 설치된 제1 밸브와, 상기 혼합가스에 있어서의 재료가스의 농도를 측정하는 농도 측정부와, 상기 탱크 내의 압력을 측정하는 압력 측정부와, 상기 농도 측정부에서 측정된 재료가스의 측정농도가 설정농도가 되도록 상기 제1 밸브의 개도를 제어하는 농도 제어부와, 탱크 내에 수용되어 있는 상기 재료의 양을 추정하는 재료량 추정부를 구비하고, 상기 농도 제어부가 미리 정한 설정압력을 상기 측정농도와 설정농도와의 편차가 작아지는 방향으로 변경하는 설정압력 설정부와, 상기 압력 측정부에서 측정된 측정압력이 상기 설정압력이 되도록 상기 제1 밸브의 개도를 제어하는 제1 밸브 제어부를 구비한 것이며, 상기 재료량 추정부가 상기 설정압력에 근거해 탱크 내에 수용되고 있는 상기 재료의 양을 추정 산출하는 것인 것을 특징으로 한다.

이와 같은 것이면, 상기 설정압력 설정부가 미리 정한 설정압력을 측정되는 측정농도에 따라 변경하고, 상기 압력 측정부에 의해서 측정되는 측정압력이 그 설정압력이 되도록, 상기 제1 밸브 제어부가 상기 제1 밸브의 제어를 행하는 것에 의해서 측정농도가 미리 정한 설정농도가 되도록 농도 제어할 수 있다. 여기서, 예를 들면, 재료가 액체인 경우에는, 재료액의 감소에 수반하는 액면(液面)의 저하에 의해서 캐리어 가스의 기포가 재료액과 접촉하고 있는 시간이 감소하면 충분히 재료가스의 기화가 행해지지 않게 되고, 재료가스의 분압은 저하하게 된다. 상술한 바와 같은 가스농도 제어를 실시하면, 재료가스의 분압의 저하에 맞추어 설정농도로 제어하려 하면 전체압을 저하시킬 필요가 있으므로, 상기 설정압력 설정부는 설정압력을 낮은 값으로 변경해 나간다. 즉, 탱크 내에 수용되고 있는 재료의 양과 설정압력의 사이에는 상관관계가 있으므로, 상기 재료량 추정부가 상기 설정압력 설정부가 변경하는 설정압력에 근거해 탱크 내에 수용되어 있는 재료의 양을 추정 산출할 수 있다. 또한, 재료가 고체인 경우에 있어서도, 재료의 기화에 수반하여 캐리어 가스와 접촉하는 표면적이 작아지는 등의 원인에 의해서 똑같이 설정압량의 값이 낮은 값으로 되어 가므로, 재료의 양의 추정을 행할 수 있다. 또한, 탱크 내의 압력이란, 본 명세서에서는 탱크 내의 압력 그 자체와 함께, 상기 제1 밸브보다도 상류의 도출관에 있어서의 혼합가스의 압력을 포함한 개념이다.

이와 같이, 탱크 내에 액량계 등의 부가(附加) 센서를 설치하지 않아도, 상기 재료량 추정부는 탱크 내에 수용되어 있는 재료의 양을 추정할 수 있다. 따라서, 새로운 비용 증가를 초래하는 일 없이, 수용되어 있는 재료의 양을 파악하고, 적절히 재료를 보충하는 것이 가능해지므로, 재료가 감소함으로써 생기는 설정농도로 안정되기까지 걸리는 시간이 길어져 버린다고 하는 문제를 막을 수 있다.

재료가스의 분압이 저하하는 것은 액면의 저하에 의한 캐리어 가스의 기포가 재료액에 접촉하고 있는 시간이 감소하는 것과, 고체 재료에 있어서의 기화에 의한 표면적의 변화 이외에도 원인이 있다. 예를 들면, 탱크 내의 온도변화에 의한 포화 증기압의 변화는 재료액의 용이한 기화를 변화시키고, 설정압력의 변경에도 영향을 준다. 이와 같은 탱크 내의 온도 변화에 의해서 생길 수 있는 수용되어 있는 재료의 양의 추정오차를 보상할 수 있도록 하려면, 상기 탱크 내의 온도를 측정하는 온 도 측정부를 더욱 갖춘 것이고, 상기 재료액량 추정부가 상기 온도 측정부에 의해서 측정된 측정온도에 근거하고, 상기 설정농도로 유지되고 있는 상태에 있어서 상기 압력 측정부에서 측정되어야 할 압력인 산출압력을 산출하고, 상기 설정압력과 상기 산출압력에 근거하여 수용되어 재료의 양을 추정 산출하는 것이면 좋다.

이와 같이 본 발명에 의하면, 농도 측정부에 의해서 혼합가스에 있어서의 재료가스의 농도를 측정하고, 제1 밸브에 의해서 그 측정농도가 원하는 값이 되도록 제어하고 있으므로, 탱크의 재료액으로부터 기화하는 재료가스의 양이 변동한다고 해도, 그 변동과 관계없이 농도 제어를 실시할 수 있다. 또, 농도를 변화시키고 싶은 경우에도, 시간에 따른 온도 변화에 의해서 재료가스를 증감시키는 것이 아니라, 제1 밸브에 의해서 농도 제어를 행하도록 하고 있으므로, 응답성이 좋은 농도 제어를 행할 수 있다.

또, 본 발명의 재료가스농도 제어 시스템에 의하면, 설정농도를 변경한 일정기간에 있어서는, 전체압 산출부가 탱크 내의 온도에 근거해 산출한 설정압력으로 제1 밸브를 제어하도록 하고 있으므로, 탱크 내의 재료액이 감소하는 등으로 제어 지연이 발생하고, 설정농도를 변경했을 경우에 헌팅 등이 생김으로써 일정 값으로 안정될 때까지의 시간이 길어지는 것을 막아, 프로세스의 쓰루풋(throughput)을 좋게 할 수 있다.

더하여, 본 발명의 재료가스농도 제어 시스템에 의하면, 탱크 내에 액량계 등의 측정센서를 마련하지 않고, 탱크 내에 수용되어 있는 재료의 양을 추정할 수 있다. 따라서, 추정된 재료의 양에 근거하여 재료를 알맞게 보충하는 것이 가능해져, 재료의 감소에 의해서 설정농도로 안정되기까지 걸리는 제어시간이 길어진다고 하는 문제를 방지할 수 있다.

<실시예>

이하, 본 발명의 일 실시형태를 도면을 참조하여 설명한다.

＜＜제1 실시 형태＞＞

본 발명에 따른 재료가스 농도 제어 시스템(100)은, 예를 들면, 반도체 제조 프로세스에 사용되는 웨이퍼 세정 장치의 건조 처리조 내의 IPA 농도를 안정공급 하기 위해서 이용된다. 보다 구체적으로는, IPA 재료액(L)을 기화시켜 건조 처리조 내에 공급하는 버블링 시스템(1)에 이용되는 것이다. 또한, IPA 재료액(L)이 청구항에서의 재료에 대응하고, 버블링 시스템(1)이 청구항에서의 재료 기화 시스템에 대응한다. 여기서, 재료는 고체 재료여도 본 발명은 같은 효과를 나타낼 수 있다. 또, 본 발명은 IPA 재료액(L)이 기화한 재료가스의 농도 제어에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, CVD 제막(製膜)장치 등이나 MOCVD 제막장치에 있어서, 농도 제어를 행하기 위해서 이용할 수도 있다.

도 1에 나타내는 바와 같이, 상기 버블링 시스템(1)은 재료액(L)을 저장하는 탱크(13)와, 상기 탱크(13)에 저장된 재료액(L) 중에 캐리어 가스를 도입해 버블링 시키는 도입관(11)과, 상기 탱크(13)에 저장된 재료액(L)의 윗쪽 공간(N)으로부터 재료액(L)이 기화한 재료가스 및 상기 캐리어 가스의 혼합가스를 도출하는 도출 관(12)을 구비한 것이다. 상기 탱크(13)에는 탱크(13) 내의 온도를 측정하기 위한 온도 센서(T)가 부착되어 있다.

재료가스 농도 제어 시스템(100)은 상기 도입관(11)에 설치되어 있고, 캐리어 가스의 유량 제어를 행하기 위한 매스 플로우 콘트롤러(3)(유량 제어기)와, 상기 도출관(12)에 마련되어 있고, 혼합가스 중의 재료가스의 농도 제어를 행하기 위한 농도 제어기(2)로 구성되어 있는 것이다. 본 실시형태의 농도 제어기(2)는 혼합가스의 전체압을 제어함으로써 농도 제어를 행하는 것이다.

우선, 도 1 및 도 2 를 참조하면서 각 기기에 대해 상술한다.

상기 농도 제어기(2)는 상기 혼합가스 중의 재료가스의 농도를 측정하는 농도 측정부(CS)와, 상기 탱크(13) 내의 압력인 혼합가스의 압력(전체압)을 측정하는 압력 측정부인 압력계(22)와, 밸브체의 개도에 의해서 혼합가스의 전체압을 제어하기 위한 제 1 밸브(23)를 이 순서로 상류로부터 마련하고 있는 것이며, 또한, 농도 제어기 제어부(24)를 구비한 것이다. 여기서, 혼합가스 중의 재료가스의 농도를 제어하기 위해서는, 압력계(22)는 제1 밸브(23)보다 상류에 마련해 둘 필요가 있다. 이것은 탱크(13) 내의 전체압을 정확하게 측정하고, 혼합가스 중의 재료가스의 농도를 정확하게 산출하여, 재료액(L)의 기화 상태의 변화에 맞출 수 있도록 하기 위함이다.

상기 농도 측정부(CS)는 비분산식 적외선 흡수 방식에 의해서 재료가스의 분압을 측정하는 분압 측정센서(21)와, 상기 분압 측정센서(21)에 의해서 측정되는 재료가스의 분압과, 상기 압력계(22)에 의해서 측정되는 측정압력인 전체압에 근거 하고, 혼합가스 중의 재료가스의 농도를 산출하는 농도 산출부(241)를 구비한 것이다. 여기서, 혼합가스 중의 재료가스의 농도는 기체의 상태방정식으로부터 도출되는 분압／전체압에 의해서 산출된다.

상기 농도 제어기 제어부(24)는 전술한 농도 산출부(241)와, 농도 제어부(CC)와, 상기 탱크(13) 내의 재료액(L)의 양을 추정하기 위한 재료액량 추정부(245)로 구성되어 있다. 농도 제어부(CC)는 상기 농도 측정부(CS)에 의해서 측정된 측정농도가 결과로서 미리 정한 설정농도로 되도록 제1 밸브(23)를 제어하는 것이며, 제1 밸브 제어부(242)와, 상기 제1 밸브 제어부(242)에 설정압력을 설정하는 설정압력 설정부(243)와, 설정농도가 변경된 후의 일정기간에 있어서, 상기 설정압력 설정부(243)가 상기 제1 밸브 제어부(242)에 대해서 설정하는 가(假) 설정압력을 산출하기 위한 전체압 산출부(244)로 구성되어 있는 것이다.

제1 밸브 제어부(242)는 상기 압력계(22)에서 측정된 압력(전체압)이 설정압력 설정부(243)에 의해서 설정된 압력인 설정압력이 되도록 상기 제1 밸브(23)의 개도를 제어하는 것이다.

설정압력 설정부(243)는 설정농도가 변경된 후의 일정기간에 있어서는, 설정압력을 후술하는 전체압 산출부(244)에서 산출된 탱크 내 압력인 가 설정압력으로 하는 한편, 그 외의 기간에 있어서는, 미리 정한 설정압력을 농도 측정부(CS)에 의해서 측정된 측정농도와 설정농도와의 편차가 작아지는 방향으로 변경하는 것이다.

보다 구체적으로는, 설정농도가 변경된 후의 일정기간에 있어서는, 측정되는 재료가스의 분압이나 혼합가스의 전체압이 변동하고 있다고 해도, 제1 밸브 제어 부(242)에 대해서 설정압력을 변경하지 않고, 전체압 산출부(244)에서 산출된 가 설정압력을 설정압력으로서 설정한 상태를 유지한다. 여기서, 일정기간이란 측정되는 농도가 원하는 농도에 이르는, 혹은, 그 편차가 충분히 작아지기 위해서 필요한 시간으로서, 실험적으로 구해 두어도 되며, 적절히 그 시간을 설정하도록 해도 괜찮다.

전술한 일정기간이 경과한 후의 그 외의 기간, 즉 통상 운전시에는, 설정압력 설정부(243)는 측정되는 재료가스의 분압이나 혼합가스의 전체압이 변동에 따라 상기 제1 밸브 제어부(242)에 대해서 측정농도와 설정농도와의 편차가 작아지는 방향으로 설정압력의 변경을 행한다. 구체적으로는, 측정된 측정농도가 설정농도보다 높은 경우에는, 농도는 분압／전체압으로 나타내지므로, 전체압을 크게 함으로써 농도를 내릴 수 있다. 따라서, 측정농도가 설정농도보다 높은 경우에는, 설정압력 설정부(243)는 상기 제1 밸브 제어부(242)에 대해서 전체압을 크게 하도록 설정압력을 변경한다. 그 결과, 상기 제1 밸브 제어부(242)는 제1 밸브(23)의 개도를 작게 하도록 제어하게 된다. 측정된 측정농도가 설정농도보다도 낮은 경우에는, 이 반대를 행하게 된다.

이와 같이 측정농도와 설정농도의 편차가 작아지는 방향으로 설정압력의 변경을 행한다는 것은 측정농도가 설정농도보다 높은 경우에는, 설정압력을 보다 높게 변경하고, 측정농도가 설정농도보다도 낮은 경우에는, 설정압력을 보다 낮게 변경하는 것을 말한다.

상기 전체압 산출부(244)는 상기 온도 센서(T)에 의해서 측정된 측정온도에 있어서, 재료가스가 설정농도로 되기 위한 탱크 내 압력을 산출하여 가 설정압력으로 하는 것이다. 여기서, 산출된 가 설정압력은 상기 설정압력 설정부(243)에 전달되어 기동(起動)시나 설정농도 변경시의 뒤의 일정기간에 있어서, 상기 설정압력 설정부(243)가 상기 제1 밸브 제어부(242)에 대해서 설정하는 설정압력으로서 이용되는 것이다.

상기 전체압 산출부(244)의 탱크 내 압력의 산출에 대해 구체적으로 설명하면, 전체압 산출부(244)는 탱크(13) 내의 온도로부터 그 온도에 있어서의 재료가스의 포화 증기압을 산출한다. 그리고, 탱크(13) 내에서는 포화 증기압으로 재료액(L)의 기화가 생기고 있다고 하는 가정하에서, 재료가스가 새롭게 설정된 설정농도가 되기 위한 탱크 내 압력, 즉, 전체압을 산출한다. 여기서, 농도는 분압／전체압으로 나타내어지므로 상기 탱크 내 압력은 (측정된 온도에 있어서의 재료가스의 포화 증기압)／(새롭게 설정된 설정농도)로 구해진다.

상기 재료액량 추정부(245)는 상기 온도 센서(T)에 의해서 측정된 측정온도에 있어서의 탱크(13) 내의 재료가스의 포화 증기압을 산출하고, 그 포화 증기압과, 상기 분압 측정센서(21)에 의해서 측정되는 재료가스의 측정 분압을 비교 함으로써 탱크(13) 내의 재료액(L)의 양을 추정하는 것이다. 구체적으로는, 재료액(L)이 적게 되면, 캐리어 가스의 기포가 재료액(L)에 접하는 시간이 짧아지는 등 상태의 변화에 의해서 충분히 기화하지 않게 되어, 재료가스의 분압은 포화 증기압에 비해 작은 압력으로 밖에 도달하지 않게 된다. 재료액량 추정부(245)는, 예를 들면, 측정되는 재료가스의 분압이 포화 증기압에 대해서 소정의 비율보다 작은 경우 에는 재료액(L)의 저류량(貯留量)이 규정량에 대해서 적어져 있다고 추정한다. 그리고, 이 재료 추정부에 의해서 재료액(L)의 저류량이 적게 되어 있다고 추정되면, 그 취지가 표시되어 재료액(L)의 보충이 촉구되도록 되어 있다.

또한, 농도 제어기 제어부(24)는 컴퓨터를 이용한 것이며, 내부 버스, CPU, 메모리, I／O 채널, A／D 컨버터, D／A 컨버터 등을 갖추고 있다. 그리고, 메모리에 미리 기억시킨 소정 프로그램에 따라서 상기 CPU나 주변기기가 동작함으로써, 제1 밸브 제어부(242), 상기 농도 산출부(241), 상기 설정압력 설정부(243), 상기 전체압 산출부(244), 상기 재료액량 추정부(245)로서의 기능을 발휘하도록 되어 있다. 여기서, 제1 밸브 제어부(242)만이 독립한 1 칩 마이크로 컴퓨터 등의 제어 회로에 의해 구성되고, 설정압력을 받아들이도록 되어 있으며, 상기 압력계(22)및 상기 제1 밸브(23)를 1 유니트로서 설정압력을 입력하는 것만으로 용이하게 압력 제어를 행할 수 있도록 구성되어 있다. 이와 같은 제어부의 구성이면, 종래부터 압력 제어용으로 개발된 제어 회로나 소프트웨어를 농도 제어를 위해서 사용할 수 있으므로, 설계나 개발비의 증대를 막을 수 있다.

이와 같이, 농도 제어기(2)는 혼합가스의 농도 제어를 단체(單體)로 행하고 있는 것이다.

상기 매스 플로우 콘트롤러(3)는 상기 도입관(11)으로 유입하는 캐리어 가스의 체적 유량을 측정하는 유량 측정부인 서멀식 유량계(31)와, 밸브 본체의 개도에 의해서 캐리어 가스의 유량을 조절하는 제2 밸브(32)를 이 순서로 상류로부터 마련하고 있는 것이며, 또한, 매스 플로우 콘트롤러 제어부(33)를 구비한 것이다. 유량 측정부는 차압식(差壓式)의 것을 이용해도 괜찮다.

상기 매스 플로우 콘트롤러 제어부(33)는 상기 서멀식 유량계(31)로부터의 신호에 근거해 캐리어 가스의 유량을 산출하는 캐리어 가스 유량 산출부 (331)와, 상기 재료가스의 측정농도 및 상기 캐리어 가스의 측정 유량에 근거하여, 상기 도출관(12)를 흐르는 재료가스 또는 혼합가스의 유량을 산출하고, 그 산출유량이 미리 정한 설정유량이 되도록 제2 밸브(32)의 개도를 제어하는 유량 제어부(FC)로 구성되어 있다.

상기 유량 제어부(FC)는 제2 밸브 제어부(332)와, 상기 제2 밸브 제어부(332)로 설정유량을 설정하는 설정 캐리어 가스 유량 설정부(333)를 구비한 것이다.

상기 제2 밸브 제어부(332)는 측정된 측정 캐리어 가스 유량을 설정 캐리어 가스 유량 설정부(333)에 의해서 설정된 설정 캐리어 가스 유량이 되도록 상기 제2 밸브(32)의 개도를 제어하는 것이다.

상기 설정 캐리어 가스 유량 설정부(333)는 상기 산출유량과 설정된 설정유량과의 편차가 작아지는 방향으로 미리 정한 설정 캐리어 가스 유량을 변경하는 것이다. 상기 산출유량과 설정된 설정유량과의 편차를 작게 하는 것에 대하여 구체적으로 설명하면, 재료가스 또는 혼합가스의 산출유량이 재료가스 또는 혼합가스의 설정유량보다 많은 경우에는, 상기 농도 제어부(CC)에 의해서 농도가 일정하게 유지되고 있는 것으로 가정하여, 유입하는 캐리어 가스의 유량을 줄이도록 상기 제2 밸브 제어부(332)에 대해서 설정 캐리어 가스 유량을 변경하게 된다. 산출된 산출 유량이 설정유량보다도 적은 경우에는 이 반대를 행하게 된다. 이것은 농도가 분압／전체압으로 나타내지는 것으로부터, (재료가스의 질량유량)／(전체 질량유량 = 재료가스의 질량유량＋캐리어 가스의 질량유량)로도 나타내지므로, 농도가 일정하게 유지되고 있다면, 캐리어 가스의 질량 유량의 증감이 그대로 재료가스의 체적 유량 및 전체 유량을 증감시킬 수 있기 때문이다. 또한, 산출유량이 설정유량보다도 적은 경우에는, 많은 경우와는 반대의 동작을 행하게 된다.

또한, 캐리어 가스 유량 산출부(331) 및 제2 밸브 제어부(332)는 CPU, 메모리, I／O 채널, A／D 컨버터, D／A 컨버터 등을 갖춘 제어회로(BF) 등에 의해서 기능하는 것이다. 이 제어회로(BF)는 유량 제어용으로 특화한 것이며, 매스 플로우 콘트롤러(3)가 제어해야 할 유량의 값인 유량 설정치의 신호나 상기 서멀식 유량계(31)로부터의 신호를 받아들이도록 구성되어 있는 것이다. 또, 상기 설정 캐리어 가스 유량 설정부(333)는 범용의 1 칩 마이크로 컴퓨터 등에 의해서 그 기능이 실현되는 것이다.

이와 같이, 매스 플로우 콘트롤러(3)는 도입관(11)에 있어서의 캐리어 가스의 유량 제어만을 행하고, 결과적으로 재료가스 또는 혼합가스의 유량 제어를 행하고 있는 것이다.

다음에, 혼합가스 중의 재료가스 농도의 제어 동작 및 혼합가스 및 재료가스의 유량 제어 동작에 대해 도 3, 도 4의 플로차트(flow chart)를 참조하면서 설명한다.

우선, 설정된 설정농도가 되도록 제1 밸브(23)의 개도를 제어함으로써 농도 제어를 행할 때의 동작에 대해 도 3을 참조하면서 설명한다.

상기 분압 측정센서(21)에 의해서 측정된 재료가스의 분압과, 상기 압력계(22)에 의해서 측정되는 혼합가스의 전체압에 의해서, 농도 산출부(241)는 혼합가스에 있어서의 재료가스의 농도를 식(1)에 의해서 산출한다.

C = Pz／Pt (1)

여기서, C는 농도, Pz는 재료가스의 분압, Pt는 혼합가스의 전체압.

설정농도가 처음으로 설정되는 기동시나 변경되었을 시에는, 우선 상기 전체압 산출부(244)는 온도 센서(T)에 의해서 측정된 온도에 근거해 재료가스의 포화 증기압을 산출한다. 그리고, 재료가스의 분압이 그 포화 증기압인 때에, 설정농도가 되도록 탱크(13) 내의 압력, 즉, 혼합가스의 전체압 Pts(가 설정압력)를 설정농도와 산출된 분압을 이용하여 식(1)에 의해 산출한다(스텝 S1).

상기 설정압력 설정부(243)는 상기 전체압 Pts(가 설정압력)를 설정압력으로서 상기 제1 밸브 제어부(242)로 설정하고, 설정농도 변경 후부터 소정 시간의 사이는 재료가스의 분압 등이 변동했다고 해도 변경을 행하지 않는다(스텝 S2). 제1 밸브 제어부(242)는 소정 시간의 사이는 설정압력 Pts에 의해서 제1 밸브(23)의 개도를 제어하고 있어, 결과적으로 상기 농도 측정부(CS)에 의해서 측정되는 농도는 설정된 설정농도 또는 거기에 가까운 값으로 제어된다(스텝 S3).

설정농도를 변경한 때부터 소정 시간 경과 한 후의 통상 운전시에 있어서는, 농도 측정부에 의해서 측정된 농도가 설정압력 설정부(243)로 설정된 설정농도와 다르게 되어 있는 경우에는, 상기 분압 측정센서(21)에 의해서 측정된 재료가스의 분압 Pz와 설정농도 Co에 근거하여 식(2)에 의해서, 설정압력 설정부(243)는 다음과 같이 설정압력 Pto를 변경한다(스텝 S4).

Pto = Pz／Co (2)

여기서, Pz는 상기 분압 측정센서(21)에 의해서 항상 측정되고 있는 값이며, Co는 설정되어 있는 농도이므로 이미 알려진 것이다.

상기 제1 밸브 제어부(242)는 설정압력이 Pto로 변경되면, 상기 압력계(22)가 측정하는 압력(전체압) Pt와 설정압력 Pto의 편차가 작아지도록 제1 밸브(23)의 개도를 제어한다(스텝 S5).

상기 측정압력 Pt를 설정압력 Pto에 추종(追從)시키고 있는 동안에 재료가스의 분압 Pz가 변동하지 않으면 최종적으로 측정되는 혼합가스 중의 재료가스의 농도는 설정농도 Co로 된다.

추종 중에, 재료가스의 분압 Pz가 변동한 경우에는, 설정압력 설정부(243)는 식(2)에 의해서 재차 설정압력 Pto를 고쳐 변경하여, 설정농도 Co가 되도록 한다.

다음에 도출관(12)에 있어서의 재료가스 또는 전체 유량의 유량 제어에 대해 도 4를 참조하면서 설명한다. 또한, 전술한 농도 제어기(2)의 농도 제어에 관계없이, 매스 플로우 콘트롤러(3)는 재료가스의 유량의 제어를 행하고 있다.

재료가스의 설정유량 Qzo가 설정 캐리어 가스 유량 설정부(333)로 설정되어 있다고 한다. 우선, 유량과 농도와의 사이에는 이하의 식(3)과 같은 관계가 있다.

C = Pz／Pt = Qz／Qt = Qz／(Qc＋Qz) (3)

여기서 Qz는 재료의 질량 유량, Qt는 전(全) 질량유량(流量), Qc는 캐리어 가스의 질량유량.

상기 설정 캐리어 가스 유량 설정부(333)는 식(3)을 변형한 이하의 식(4)에 의해 설정 캐리어 가스 유량 Qco를 설정한다(스텝 ST1).

Qco = Qzo(1－C)／C (4)

여기서, 농도 C는 농도 측정부(CS)에 의해서 상시 측정되고 있는 값이며, Qzo도 설정되어 있는 값이므로 이미 알려진 것이다.

상기 제2 밸브 제어부(332)는 설정 캐리어 가스 유량이 Qco로 변경되면, 상기 유량 측정부에서 측정된 캐리어 가스 유량 Qc와 설정 캐리어 가스 유량 Qco의 편차가 작아지도록 제2 밸브(32)의 개도를 제어한다(스텝 ST2).

상기 측정 캐리어 가스 유량 Qc를 설정 캐리어 가스 유량 Qco에 추종 시키고 있는 사이에 농도 C가 변동하지 않으면 최종적으로 측정되는 측정 캐리어 가스의 유량은 설정 캐리어 가스 유량 Qco가 된다.

추종 중에, 농도 C가 변동한 경우에는 식(4)에 의해, 설정 캐리어 가스 유량 설정부(333)는 재차 설정 캐리어 가스 유량 Qco를 고쳐 설정하여, 소정의 재료가스 유량 Qzo가 되도록 한다.

이와 같이 본 실시형태에 따른 재료가스농도 제어 시스템(100)에 의하면, 제1 밸브(23)에 의해서 용이하게 제어할 수 있는 전체압을 제어 변수로서 농도 제어를 행하도록 구성되어 있으므로, 재료가스가 포화 증기압까지 충분히 기화하지 않았거나, 기화에 변동이 있었거나 했다고 해도, 정밀도 좋고 응답성이 좋은 재료가스농도의 제어를 행할 수 있다.

또, 농도 제어를 행하고 있는 농도 제어기(2)는 도출관(12)에 마련되어 있으므로, 농도가 일정한 값으로 제어되고 나서, 후에 계속 되는 프로세스에 혼합가스가 도출될 때까지의 거리가 짧기 때문에, 거의 농도를 변동시키지 않고 다음의 프로세스에 혼합가스를 도출할 수 있다.

더욱이, 농도 제어기(2)와 함께 매스 플로우 콘트롤러(3)를 이용하는 것에 의해서 혼합가스 중의 재료가스의 농도를 제어하는 것과 동시에, 재료가스의 유량 및 전체 유량도 일정하게 유지하여 제어할 수 있다.

그 외의 실시형태에 대해 설명한다.

상기 실시형태에서는, 혼합가스의 전체압이 설정압력으로 되도록 제1 밸브(23)를 제어함으로써 혼합가스 중의 재료가스의 농도를 제어하고 있었지만, 농도 측정부(CS)에 의해서 측정된 농도를 제어 변수로 하여 설정농도가 되도록 제1 밸브(23)를 제어해도 상관없다.

상기 실시형태에서는, 재료가스의 농도뿐만이 아니라, 그 유출유량도 병행하여 제어하도록 하고 있었지만, 농도만을 제어하면 좋은 것이면, 매스 플로우 콘트롤러(3)를 마련하지 않고, 농도 제어기(2)만에 의해 제어를 행하도록 해도 상관없다. 즉, 재료를 수용하는 탱크와, 수용된 재료를 기화시키는 캐리어 가스를 상기 탱크에 도입하는 도입관과, 재료가 기화한 재료가스 및 상기 캐리어 가스의 혼합가스를 상기 탱크로부터 도출하는 도출관을 구비한 재료 기화 시스템에 이용되는 것으로서, 상기 도출관상에 설치된 제1 밸브와, 상기 혼합가스에 있어서의 재료가스의 농도를 측정하는 농도 측정부와, 상기 농도 측정부에서 측정된 재료가스의 측정 농도가 미리 정한 설정농도가 되도록 상기 제1 밸브의 개도를 제어하는 농도 제어부를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 재료가스농도 제어 시스템이어도 상관없다.

이와 같은 것이어도, 농도 측정부에 의해서 혼합가스에 있어서의 재료가스의 농도 그 자체를 측정하고, 농도 제어부에 의해서 미리 정한 설정농도가 되도록 제1 밸브의 개도를 제어하므로, 탱크 내에서 재료액이 포화 증기압으로 기화하고 있지 않는 경우나, 버블링 상태가 변화하는 경우 등에 있어서 재료가스가 발생하는 양이 변동했다고 해도, 그 변동과는 관계없이 농도를 일정하게 유지할 수 있다.

상기 농도 측정부(CS)는 분압과 전체압에 의해서 농도를 산출하는 것이었지만, 직접 농도를 측정하는 것이어도 상관없다. 또, 분압 측정센서(21)로서는 비분산식 적외선 흡수 방식에 한정되지 않고, FTIR 분광 방식이나, 레이저 흡수 분광 방식 등이어도 상관없다.

재료가스의 유량 제어를 행하는 것은 설정된 설정유량과, 측정되는 농도와 측정되는 캐리어 가스 유량에 근거해 산출되는 재료가스의 산출유량과의 편차가 작아지도록 제2 밸브(32)를 제어하도록 해도 상관없다.

혼합가스 중의 재료가스의 농도만을 정밀도 좋게 제어하면 되며, 유량은 어떤 정해진 값이 아니어도 안정적으로 흐르는 것만으로 좋은 경우에는, 도 5에 나타내는 바와 같이 농도 제어기(2)로부터 매스 플로우 콘트롤러(3)에 측정농도를 피드백하지 않고, 유량 제어를 행하도록 해도 상관없다. 이 경우, 설정 캐리어 가스 유량은 설정농도 및 설정유량으로부터 식(3)에 근거해 산출하도록 하면 좋다. 또, 설 정 캐리어 가스 유량을 미리 정해 두고, 그 유량으로 캐리어 가스가 흐르도록 해 두어도, 농도 제어기(2)에 의해서 농도가 일정하게 유지되고 있다면, 결과적으로, 재료가스 또는 혼합가스의 유량도 일정해진다. 설정 캐리어 가스 유량을 미리 정하는 경우에는, 상기 설정 캐리어 가스 유량 설정부(333)를 생략한 구성으로서, 상기 제2 밸브 제어부(332)에 직접 설정 캐리어 가스 유량을 입력하는 구성으로 하면 좋다.

농도 제어기(2)에 온도 센서를 마련해 두고, 온도 변화에 의한 압력이나 분압의 측정 결과의 변화를 보상하도록 해도 상관없다. 이와 같이 하면, 보다 정밀도 좋게 농도 제어를 행할 수 있게 된다. 또, 분압 측정부로부터의 광원의 열화 상태를 나타내는 신호를 취득하도록 해 두어도 상관없다. 예를 들면, 광원에 흐르는 전류의 경시(經時) 변화에 의해서, 광원의 수명을 파악하도록 해 두고, 측정 결과에 중대한 영향이 나오게 되기 전에 교환하도록 촉구하는 취지의 표시를 실시하도록 농도 제어기 제어부를 구성하면 좋다.

도 6에 나타내는 바와 같이, 다성분의 혼합가스를 만들기 위해서, 각각이 다른 종류의 재료가스를 발생시키는 버블링 시스템(1)이 병렬로 복수 마련되고, 각 도출관(11)이 합류하여 합류 도출관(14)이 형성되는 일이 있다. 이와 같은 경우에 각 재료가스의 농도를 정밀도 좋게 제어하면서, 가능한 한 설치하는 농도 측정부의 수를 줄여 코스트 다운을 도모할 수 있도록 하여 재료가스농도 제어 시스템(100)을 구성하려면 , 각 도출관(11)상에 제1 밸브(23)를 마련해 두고, 합류 도출관(14)상에 다성분의 가스의 농도를 측정할 수 있는 다성분 농도 측정부(MCS)와, 상기 다성 분 농도 측정부(MCS)에 의해서 측정된 각 재료가스의 측정농도가 재료가스마다 미리 정한 설정농도가 되도록 각 제1 밸브(23)의 개도를 제어하는 농도 제어부(CC)를 갖춘 것이면 좋다.

이와 같은 것이면, 합류 도출관(14)에 1개만 다성분 농도 측정부(MCS)를 마련해 두는 것만으로, 모든 버블링 시스템에 있어서의 제1 밸브(23)의 개도의 제어를 행할 수 있다. 상기 농도 제어부(CC)는 측정한 재료가스의 종류마다 어느 제1 밸브(23)에 개도의 지령을 보내면 좋을 것인가를 기억해 두고, 측정된 각 재료가스의 측정농도와 미리 정한 각 재료가스의 설정농도와의 편차가 작아지도록각 제1 밸브(23)의 제어를 행하도록 구성해 두면 좋다.

또, 보다 일반적으로 재료로부터 기화한 가스의 농도를 제어하는 재료가스농도 제어 시스템으로서는, 재료를 수용하는 탱크와, 수용된 재료를 기화시키는 캐리어 가스를 상기 탱크에 도입하는 도입관과, 재료가 기화한 재료가스 및 상기 캐리어 가스의 혼합가스를 상기 탱크로부터 도출하는 도출관을 구비한 재료 기화 시스템에 이용되는 것으로서, 각각이 다른 종류의 재료가스를 발생시키는 재료 기화 시스템이 병렬로 복수 설치되고, 각 도출관이 합류하여 합류 도출관이 형성되어 있고, 각 도출관상에 마련된 제1 밸브와, 상기 합류 도출관에 마련되고 그 합류 도출관을 흐르는 혼합가스에 있어서의 각 재료가스의 농도를 측정하는 다성분 농도 측정부와, 상기 다성분 농도 측정부에 의해서 측정된 각 재료가스의 측정농도가 재료가스마다 미리 정한 설정농도가 되도록 각 제1 밸브의 개도를 제어하는 농도 제어부를 구비하고 있는 것이면 좋다.

더욱이, 농도의 제어를 행하는 것과 함께, 각 도입관(11)상에 매스 플로우 콘트롤러(3)를 마련해 두면, 농도가 일정하게 제어되는 것으로부터 유량도 아울러 일정하게 유지하도록 제어를 행할 수 있게 된다.

또, 상기 실시 형태에서는, 농도 측정부가 혼합가스의 전체압을 측정하는 압력계와 분압 측정센서를 갖춘 것이었지만, 농도 측정부가 초음파 농도계 등과 같이 단체(單體)로 농도를 측정하는 것이어도 상관없다. 또, 농도를 측정하기 위한 압력계와, 제1 밸브를 제어하기 위해서 이용하는 압력계를 공통으로 사용하고 있었지만, 각각이 따로 따로 마련되어 있는 것이라도 상관없고, 농도 측정부가 전술과 같이 전체압을 이용하지 않는 것이어도 상관없다.

그 외, 본 발명의 취지에 반하지 않는 범위에 있어서, 여러 가지의 변형을 행하는 것이 가능하다.

＜＜제2 실시형태＞＞

이하, 본 발명의 일 실시형태를 도면을 참조하여 설명한다. 제2 실시형태의 구성은 상기 제1 실시형태와 같고, 도 1 및 도 2에 나타나는 것이다. 또, 농도 제어에 관한 동작도 상기 제1 실시형태와 같고, 도 3 및 도 4에 나타나는 것이다.

제2 실시형태에서는, 재료액(L)이 감소한 상태에 있어서의 재료가스의 농도 제어의 동작 및 그 효과에 대해 상술한다. 재료액(L)이 감소한 상태에 있어서, 전술한 것과 같은 재료가스의 농도 제어를 행한 경우의 결과의 일례를 도 7에 나타낸다. 설정농도가 변경된 일정기간에 있어서는 전체압 산출부(244)에 의해 탱크 내의 온도로부터 산출된 재료가스의 포화 증기압에 있어서 설정농도가 되는 탱크 내 압 력을 설정압력으로서 보유 유지하고 있다. 이 일정기간은, 예를 들면, 10초 정도의 것이어도 괜찮고, 탱크의 용량 등에 맞추어 실험적으로 결정하도록 하면 좋다. 예를 들면, 측정농도의 오버슛(overshoot)이 설정농도에 대해서 수 퍼센트인 등의 기준을 마련하여 보유 유지하는 시간을 결정하는 것 등을 들 수 있다. 이 측정 결과에서는, 설정압력을 일정기간 보유 유지하고 있으므로, 측정압력도 대략 설정압력에 가까운 값으로 제어된다.

이 때문에, 측정농도도 설정농도에 대해서 크게 오버슛 해 있지 않다. 또, 일정기간 종료 후의 그 외의 기간에 있어서 다시 측정농도를 이용해 설정압력을 변경하면서 농도 제어를 행하는 것에 의해서, 설정농도와 측정농도에 남아 있던 편차도 없애도록 제어되고 있는 것을 알 수 있다. 이것들의 결과, 측정농도가 설정농도와 대략 같은 값이 되어 안정되기까지 걸리는 시간이 큰 폭으로 단축되고 있는 것을 알 수 있다.

이와 같이 본 실시형태에 따른 재료가스농도 제어 시스템(100)에 의하면, 상기 설정압력 설정부(243)가 설정압력의 변경 후 일정기간에 있어서는, 전체압 산출부(244)에서 탱크(13) 내의 온도에 근거해 산출된 탱크 내 압력을 설정압력으로서 보유 유지하고, 그 외의 기간에 있어서는, 측정농도에 근거해 설정압력을 변경함으로써 농도 제어를 행하도록 하고 있으므로, 재료액(L)이 감소하고 있는 경우에 있어서 설정농도가 변경되었을 경우에 있어서도, 단시간에 측정농도를 설정농도의 값에 일치시켜 안정시킬 수 있다.

따라서, 소망한 농도의 혼합가스를 단시간에 공급하는 것이 가능해지므로, 프로세스의 쓰루풋(throughput)을 높일 수 있다.

그 외의 실시 형태에 대해 설명한다.

상기 실시형태에서는, 상기 전체압 산출부(244)는 재료가스의 포화 증기압으로부터 설정농도에 있어서의 탱크 내 압력을 산출하는 것이었지만, 예를 들면, 포화 증기압 근방의 값을 이용해 산출하는 것이어도 상관없다. 이와 같이 하면, 설정압력의 변경에 의한 재료액(L)의 급격한 기화 상태의 변화에 대해서, 어느 정도의 여유를 고려한 설정으로 할 수 있다.

재료가스농도 제어 시스템이 상기 도출관상에 설치된 제1 밸브와, 상기 혼합가스에 있어서의 재료가스의 농도를 측정하는 농도 측정부와, 상기 탱크 내의 압력을 측정하는 압력 측정부와, 상기 탱크 내의 온도를 측정하는 온도 측정부와, 상기 농도 측정부에서 측정된 재료가스의 측정농도가 미리 정한 설정농도가 되도록 상기 제1 밸브의 개도를 제어하는 농도 제어부를 구비하고, 상기 농도 제어부가 상기 온도 측정부에서 측정된 측정온도에 근거하고, 상기 온도 측정부에서 측정된 측정온도에 근거하여, 재료가스가 상기 설정농도로 되기 위한 탱크 내 압력을 산출하는 전체압 산출부와, 상기 설정농도가 변경된 후의 일정기간에 있어서는, 상기 탱크 내 압력과 상기 압력 측정부에서 측정된 측정압력과의 편차가 작아지도록 상기 제1 밸브의 개도를 제어하는 한편, 그 외의 기간에 있어서는, 상기 농도 측정부에 의해서 측정된 측정농도와 설정농도의 편차가 작아지도록 상기 제1 밸브의 개도를 제어하는 제1 밸브 제어부를 구비한 것을 특징으로 하는 것이어도 상관없다.

이와 같은 것이면, 상기 전체압 산출부가 설정농도의 변경한 일정기간에 있 어서는 측정된 탱크 내의 온도에 근거하여, 재료가스가 상기 설정농도로 되기 위한 탱크 내 압력을 산출하고, 상기 제1 밸브 제어부가 설정농도가 변경된 후의 일정기간에 있어서는, 농도 측정부에 의해서 측정되는 측정농도와 관계없이, 산출된 탱크 내 압력과 압력 측정부에 의해서 측정된 압력의 편차가 작아지도록, 압력치를 기준으로 한 농도 제어를 행할 수 있다. 따라서, 상기 실시형태와 같이 설정농도의 변경시로부터 일정기간에 있어서는, 탱크 내의 재료의 기화 상태에 응한 밸브의 개도로 제어하고, 상승 시간을 짧게 하거나 크게 오버슛 하지 않게 하거나 할 수 있다. 그리고, 일정기간 후에는, 측정농도가 설정농도에 가깝게 된 상태로부터 상기 제1 밸브 제어부는 설정농도와 측정농도와의 편차가 작아지도록 다시 농도의 값을 기준으로 하여 농도 제어를 행할 수 있으므로, 헌팅을 일으키지 않고 그 정정(靜定)시간을 짧게 할 수 있다.

따라서, 재료액의 감소 등에 의해서, 설정농도 변경시에 일어나는 헌팅이나 정정시간이 길어진다고 하는 문제를 방지할 수 있다.

또한, 상기 실시형태에서는, 농도 측정부가 혼합가스의 전체압을 측정하는 압력계와 분압 측정센서를 갖춘 것이었지만, 농도 측정부가 초음파 농도계 등과 같이 단체(單體)로 농도를 측정하는 것이어도 상관없다. 또, 농도를 측정하기 위한 압력계와, 제1 밸브를 제어하기 위해서 이용하는 압력계를 공통으로 사용하고 있었지만, 각각이, 따로 따로 마련해 있는 것이어도 상관없고, 농도 측정부가 전술과 같이 전체압을 이용하지 않는 것이어도 상관없다.

그 외, 제1 실시형태에 있어서 나타낸 변형 실시형태를 이용할 수도 있어, 본 발명의 취지에 반하지 않는 범위에 있어서, 여러 가지의 변형을 실시하는 것이 가능하다.

＜＜제3 실시형태＞＞

＜발명을 실시하기 위한 바람직한 형태＞

이하, 본 발명의 일 실시형태를 도면을 참조하여 설명한다.

제3 실시형태는 상기 제1 및 제2 실시형태와 대략 같은 구성을 가진 재료가스농도 제어 시스템이며, 상기 농도 제어기(2)에 구성상의 차이가 존재하는 것이다.

우선, 도 9 및 도 10을 참조하면서 상술한다.

도 9에 나타내는 바와 같이, 상기 농도 제어기(2)는 상기 혼합가스 중의 재료가스의 농도를 측정하는 농도 측정부(21)(CS)와, 상기 탱크(13) 내의 압력인 혼합가스의 압력(전체압)을 측정하는 압력 측정부인 압력계(22)와, 밸브 본체의 개도에 의해서 혼합가스의 전체압을 제어하기 위한 제1 밸브(23)를 이 순서로 상류로부터 마련하고 있는 것이며, 또한, 농도 제어기 제어부(24)를 구비한 것이다. 여기서, 혼합가스 중의 재료가스의 농도를 제어하기 위해서는, 압력계(22)는 제1 밸브(23)보다 상류에 마련해 둘 필요가 있다. 이것은 탱크(13) 내의 전체압 및 혼합가스 중에 있어서의 재료가스의 농도를 정확하게 측정하고, 재료액의 기화 상태의 변화에 맞출 수 있도록 하기 위함이다.

도 9 및 도 10에 나타내는 바와 같이, 상기 농도 제어기 제어부(24)는 농도 제어부(CC)와, 상기 탱크(13) 내의 재료액(L)의 양을 추정하기 위한 재료액량 추정 부(245)로 구성되어 있다. 농도 제어부(CC)는 상기 농도 측정부(21)(CS)에 의해 측정된 측정농도가 결과로서 미리 정한 설정농도로 되도록 제1 밸브(23)를 제어하는 것이며, 제1 밸브 제어부(242)와 상기 제1 밸브 제어부(242)에 설정압력을 설정하는 설정압력 설정부(243)와, 설정농도가 변경된 후의 일정기간에 있어서, 상기 설정압력 설정부(243)가 상기 제1 밸브 제어부(242)에 대해서 설정하는 설정압력을 산출하기 위한 전체압 산출부(244)로 구성되어 있는 것이다.

제3 실시형태에서는, 상기 제1 실시형태, 제2 실시형태와는 달리, 상기 농도 측정부(CS)는 단체(單體)로 농도를 출력하는 것이며, 도 9 및 도 10에 나타나 있는 바와 같이, 전체압, 분압으로부터 혼합가스 중의 재료가스의 농도를 산출하는 농도 산출부(241)가 생략되어 있는 것이다.

상기 전체압 산출부(244)는 상기 온도 센서(T)에 의해서 측정된 측정온도에 있어서, 재료가스가 설정농도로 되기 위한 탱크 내 압력을 산출하여 가 설정압력으로 하는 것이다. 여기서, 산출된 탱크 내 압력은 상기 설정압력 설정부(243)로 전달되고, 기동시나 설정농도 변경시의 후의 일정기간에 있어서, 상기 설정압력 설정부(243)가 상기 제1 밸브 제어부(242)에 대하여 설정하는 설정압력으로서 이용되는 것이다.

상기 전체압 산출부(244)의 탱크 내 압력의 산출에 대해 구체적으로 설명하면, 전체압 산출부(244)는 탱크(13) 내의 온도로부터 그 온도에 있어서의 재료가스의 포화 증기압을 산출한다. 그리고, 탱크(13) 내에서는 포화 증기압으로 재료액(L)의 기화가 생기고 있다고 하는 가정하에서, 재료가스가 새롭게 설정된 설정농 도로 되기 위한 탱크 내 압력, 즉, 전체압을 산출한다. 여기서, 농도는 분압／전체압으로 나타내지므로, 상기 탱크 내 압력은 (측정된 온도에 있어서의 재료가스의 포화 증기압)／(새롭게 설정된 설정농도)로 구해진다.

청구항에서의 재료량 추정부에 대응하는 상기 재료액량 추정부(245)는 상기 온도 센서(T)에 의해서 측정된 측정온도에 근거하여, 상기 설정농도로 유지되고 있는 상태에 있어서 상기 압력 측정부에 있어서 측정되어야 할 압력인 산출압력을 산출하고, 상기 설정압력과 상기 산출압력에 근거하여 재료액의 저류량을 추정 산출하는 것이다.

우선, 상기 재료액량 추정부(245)는 상기 온도 센서(T)에 의해서 측정된 측정온도에 있어서의 탱크(13) 내의 재료가스의 포화 증기압을 산출하고, 그 포화 증기압과, 설정농도에 의해 설정농도로 유지되고 있고, 또한, 포화 증기압으로 재료가스가 기화하고 있는 경우에 있어서 상기 압력계(22)에서 측정되어야 할 압력인 산출압력을 산출한다. 다음에, 상기 설정압력과 상기 산출압력을 비교함으로써 탱크(13) 내의 재료액(L)의 양을 추정하는 것이다.

구체적으로는, 재료액(L)이 적게 되면, 캐리어 가스의 기포가 재료액(L)에 접하는 시간이 짧아지는 등의 상태의 변화에 의해서 충분히 기화하지 않게 되어, 재료가스의 분압은 포화 증기압에 비해 작은 압력으로 밖에 도달하지 않게 된다. 설정농도를 유지하기 위해서, 상기 설정압력 설정부는 전체압을 작게 하도록 설정압력을 변경하므로, 상기 산출압력에 비해 상기 설정압력은 작아지게 된다.

따라서, 재료액량 추정부(245)는, 예를 들면, 설정압력이 상기 산출압력에 대해서 소정의 비율보다도 작은 경우에는, 재료액(L)의 저류량이 규정량에 대해서 적게 되어 있다고 추정한다. 그리고, 이 재료 추정부에 의해서 재료액(L)의 저류량이 적게 되어 있다고 추정되면, 그 취지가 표시되어 재료액(L)의 보충이 촉구되도록 되어 있다.

다음에, 혼합가스 중의 재료가스농도의 제어동작 및 혼합가스 및 재료가스의 유량의 제어동작에 대해 도 11, 도 12의 플로차트(flow chart)를 참조하면서 설명한다.

우선, 설정된 설정농도로 되도록 제1 밸브(23)의 개도를 제어함으로써 농도 제어를 행할 때의 동작에 대해 도 11을 참조하면서 설명한다.

설정농도가 처음으로 설정되는 기동시나 변경되었을 시에는, 우선 상기 전체압 산출부(244)는 온도 센서(T)에 의해서 측정된 온도에 근거해 재료가스의 포화 증기압을 산출한다. 그리고, 재료가스의 분압이 그 포화 증기압인 때에, 설정농도가 되는 탱크(13) 내의 압력, 즉, 혼합가스의 전체압 Pts(가 설정압력)를 설정농도와 산출된 분압을 이용하여 식(1)에 의해 산출한다(스텝 S1).

Pt = Pz／C (1)

여기서, C는 농도, Pz는 재료가스의 분압, Pt는 혼합가스의 전체압이다.

상기 설정압력 설정부(243)는 상기 전체압 Pts(가 설정압력)를 설정압력으로서 상기 제1 밸브 제어부(242)로 설정하고, 설정농도 변경 후부터 소정 시간의 사이는 재료가스의 분압 등이 변동했다고 해도 변경을 행하지 않는다(스텝 S2). 제1 밸브 제어부(242)는 소정 시간의 사이는, 설정압력 Pts에 의해서 제1 밸브(23)의 개도를 제어하고 있어, 결과적으로 상기 농도 측정부(21)(CS)에 의해서 측정되는 농도는 설정된 설정농도 또는 거기에 가까운 값으로 제어된다(스텝 S3).

설정농도를 변경한 때로부터 소정 시간 경과 한 후의 통상 운전시에 있어서는, 농도 측정부에 의해서 측정된 농도가 설정압력 설정부(243)에 설정된 설정농도와 다르게 되어 있는 경우에는, 상기 농도 측정부(21)(CS)에 의해서 측정된 측정농도 C 와, 설정농도 Co 와, 상기 압력계(22)에 의해서 측정된 Pt 에 기초하여 식(2)에 의해서, 설정압력 설정부(243)는 다음과 같이 설정압력 Pto를 변경한다(스텝 S4).

Pto = (C／Co) Pt (2)

여기서, C는 항상 측정되고 있는 값이며, Co 및 Pt는 설정되어 있는 농도이므로 이미 알려진 것이다.

상기 측정압력 Pt를 설정압력 Pto에 추종시키고 있는 사이에 재료가스의 분압 Pz가 변동하지 않으면 최종적으로 측정되는 혼합가스 중의 재료가스의 농도는 설정농도 Co로 된다.

추종 중에, 측정되고 있는 측정농도 C가 변동한 경우에는 설정압력 설정부(243)는 식(2)에 의해서 재차 설정압력 Pto를 고쳐 변경하여, 설정농도 Co 가 되도록 한다.

다음에 도출관(12)에 있어서의 재료가스 또는 전체 유량의 유량 제어에 대해 도 12를 참조하면서 설명한다. 또한, 전술한 농도 제어기의 농도 제어의 형태에 관계없이, 매스 플로우 콘트롤러(3)는 독립하여 재료가스의 유량 제어를 행하고 있다.

재료가스의 설정유량 Qz0가 설정 캐리어 가스 유량 설정부(333)로 설정되어 있는 것으로 한다. 우선, 유량과 농도의 사이에는 이하의 식(3)과 같은 관계가 있다.

C = Pz／Pt = Qz／Qt = Qz／(Qc＋Qz) (3)

여기서 Qz는 재료의 질량 유량, Qt는 전(全) 질량유량, Qc는 캐리어 가스의 질량유량.

Qco = Qz0(1－C)／C (4)

여기서, 농도 C는 농도 측정부(21)(CS)에 의해서 상시 측정되고 있는 값이며, Qzo 도 설정되어 있는 값이므로 이미 알려진 것이다.

상기 측정 캐리어 가스 유량 Qc를 설정 캐리어 가스 유량 Qco에 추종 시키고 있는 동안에 농도 C가 변동하지 않으면 최종적으로 측정되는 측정 캐리어 가스의 유량은 설정 캐리어 가스 유량 Qco로 된다.

추종 중에, 농도 C가 변동했을 경우에는 식(4)에 의해, 설정 캐리어 가스 유량 설정부(333)는 재차 설정 캐리어 가스 유량 Qco를 고쳐 설정하여, 소정의 재료가스 유량 Qzo가 되도록 한다.

이와 같이, 본 실시형태에 따른 재료가스농도 제어 시스템(100)에 의하면, 응답성이 나쁜 분압 또는 분압을 포함한 농도를 직접적인 제어 변수로 하는 것이 아니라, 제1 밸브(23)에 의해서 용이하게 제어할 수 있는 전체압을 제어 변수로하여 농도 제어를 행하도록 구성하고 있으므로, 재료가스가 포화 증기압까지 충분히 기화하지 않았거나, 기화에 변동이 있었거나 했다고 해도, 정밀도 좋게 응답성이 좋은 재료가스농도의 제어를 행할 수 있다.

따라서, 재료액(材料液) 면(面)의 저하에 의해 재료가스의 기화가 충분히 행해지지 않게 됨으로써 혼합가스에 있어서의 재료가스의 분압이 저하하기 시작하면, 상기 설정압력 설정부는 설정압력을 저하시켜 가는 것에 의해서, 설정농도를 유지하도록 작용한다.

이 설정압력 설정부의 거동을 상기 재료액량(量) 추정부가 모니터링 하고 있으므로, 그 설정압력에 근거해 재료액(L)의 저류량을 추정 산출할 수 있다.

게다가, 온도 변화에 의한 재료가스의 분압(分壓)의 저하와, 액량이 저하하는 것에 의한 재료가스의 분압의 저하를 나누어, 저류량의 추정 산출을 실시할 수 있도록, 탱크(13)에 온도 센서(T)를 마련하고 있으므로, 보다 정확히 재료액(L)의 저류량을 추정 산출할 수 있다.

따라서, 탱크(13) 내에 액량 센서 등을 마련하는 일 없이, 재료액(L)의 저류량을 파악할 수 있으므로, 코스트의 증대를 막을 수 있다. 또, 정확한 재료액(L)의 저류량을 추정 산출할 수 있으므로, 적절히 재료액(L)의 보충을 실시할 수 있어 재료액(L)의 감소로 인해 설정농도로 안정되기까지 걸리는 시간이 길어지는 것을 막을 수 있다.

그 외의 실시 형태에 대해 설명한다.

상기 실시형태에서는, 재료가스의 농도뿐만이 아니라, 그 유출 유량도 아울러 제어하도록 하고 있었지만, 농도만을 제어하면 좋은 것이면, 매스 플로우 콘트롤러(3)를 마련하지 않고, 농도 제어기(2)만에 의해 제어를 행하도록 해도 상관없다.

상기 농도 측정부(CS)는 직접 농도를 측정하는 것이었지만, 분압과 전체압에 의해서 농도를 산출하는 것이어도 상관없다. 또, 농도 측정부(21)(CS)로서는 비분산식 적외선 흡수 방식의 것이나, FTIR 분광식이나, 레이저 흡수 분광 방식 등의 분압 측정센서와, 혼합가스의 압력(전체압)을 측정하는 압력계를 갖춘 것이어도 상관없다. 또, 이 압력계는 청구항에서 말하는 탱크 내의 압력을 측정하기 위한 압력 측정부와 공통으로 사용되는 것이어도 상관없고, 별체로 마련되는 것이어도 상관없다. 이와 같은 것의 경우에는, 재료액량 추정부는 재료가스의 분압과 측정온도로부터 산출된 탱크 내의 포화 증기압을 비교함으로써 재료의 양을 추정하는 것이어도 상관없다. 즉, 포화 증기압에 대해서, 측정되는 분압이 낮은 값 밖에 얻을 수 없다고 하는 것은, 기화가 충분히 행해지지 않고 있다고 하는 것이므로, 재료액량이 적 어져 있음을 알 수 있다.

또, 항온조 등에 의해서 탱크 내(內)를 어떤 일정 온도로 유지하도록 해 두고, 온도 변화가 생기지 않는 것 같은 대책이 충분히 시행되어지고 경우에는, 재료액량 추정부는 그 일정 온도에 있어서의 포화 증기압만을 보유 유지하고 있어, 그 포화 증기압과 측정되는 분압을 비교함으로써 재료액량을 추정하는 것이어도 상관없다.

혼합가스 중의 재료가스의 농도만을 정밀도 좋게 제어하면 되며, 유량은 어떤 결정된 값이 아니더라도 안정적으로 흐르는 것만으로 좋은 경우에는, 도 13에 나타내는 바와 같이, 농도 제어기(2)로부터 매스 플로우 콘트롤러(3)로 측정농도를 피드백하지 않고, 유량 제어를 행하도록 해도 상관없다. 이 경우, 설정 캐리어 가스 유량은 설정농도 및 설정유량으로부터 식(3)에 근거해 산출하도록 하면 된다. 또, 설정 캐리어 가스 유량을 미리 정해 두어 그 유량으로 캐리어 가스가 흐르도록 해 두어도, 농도 제어기(2)에 의해서 농도가 일정하게 유지되고 있다면, 결과적으로, 재료가스 또는 혼합가스의 유량도 일정해진다.

농도 제어기(2)에 온도 센서를 마련해 두어, 온도 변화에 의한 압력 등의 측정 결과의 변화를 보상하도록 해도 상관없다. 이와 같이 하면, 보다 정밀도 좋게 농도 제어를 행할 수 있게 된다. 또, 농도 측정부로부터의 광원의 열화 상태를 나타내는 신호를 취득하도록 해 두어도 상관없다. 예를 들면, 광원에 흐르는 전류의 경시(經時) 변화에 의해서, 광원의 수명을 파악하도록 해 두어, 측정 결과에 중대한 영향이 나오게 되기 전에 교환하도록 촉구하는 취지의 표시를 행하도록 농도 제 어기 제어부를 구성하면 좋다.

상기 실시형태에서는, 재료액량 추정부는 온도 센서(T)로부터의 신호를 수신하는 것이었지만, 탱크(13) 내의 온도 변화가 작아지도록 항온조 등이 마련되어 있는 경우나, 온도 변화가 있었다고 해도 무시할 수 있는 정도로 작은 경우에는, 온도 센서(T)를 마련하지 않아도 좋다.

온도 센서를 마련하지 않는 경우에는, 예를 들면, 재료액이 충분히 저장된 상태에서의 어떤 설정농도에 있어서의 표준적인 설정압력을 미리 실험적으로 구해 두는, 혹은 산출하는 등으로 기준 압력을 마련해 두고, 그 기준 압력에 대해서 설정압력이 얼마만큼 저하하고 있는 가에 의해서 재료액의 저류량을 추정 산출하도록 하면 좋다. 이와 같은 것이면, 외부 센서를 이용하는 일 없이, 제어용으로 이용되는 내부 센서만으로 재료액량을 추정할 수 있어 더욱더 코스트 다운을 도모할 수 있다.

상기 실시형태에서는 재료는 액체이었지만, 고체이어도 재료량 추정부에 의해서 외부 센서를 이용하는 일 없이 탱크 내에 수용되어 있는 양을 추정할 수 있다.

상기 실시형태에서는, 제1 밸브 제어부는 설정압력과 측정압력에 의해서 그 개도가 제어되는 것이었지만, 설정농도와 측정농도의 편차에 의해서 직접 제어되는 것이어도 상관없다.

즉, 재료가스농도 제어 시스템이 재료를 수용하는 탱크와, 수용된 재료를 기화시키는 캐리어 가스를 상기 탱크에 도입하는 도입관과, 재료가 기화한 재료가스 및 상기 캐리어 가스의 혼합가스를 상기 탱크로부터 도출하는 도출관을 구비한 재료 기화 시스템에 이용되는 것으로서, 상기 도출관상에 설치된 제1 밸브와, 상기 혼합가스에 있어서의 재료가스의 농도를 측정하는 농도 측정부와, 상기 탱크 내의 압력을 측정하는 압력 측정부와, 상기 농도 측정부에서 측정된 재료가스의 측정농도가 미리 정한 설정농도가 되도록 상기 제1 밸브의 개도를 제어하는 농도 제어부와, 탱크 내에 수용되어 있는 상기 재료의 양을 추정하는 재료량 추정부를 구비하고, 상기 농도 제어부가 상기 측정농도와 설정농도와의 편차가 작아지도록 제어하는 제1 밸브 제어부를 구비한 것이고, 상기 재료량 추정부가 상기 측정압력에 근거하여, 재료의 양을 추정 산출하는 것인 것을 특징으로 하는 것이어도 상관없다.

이와 같은 것이면, 전술한 것처럼 농도가 일정하게 유지된 상태에서 재료의 양이 감소하면 거기에 따라 전체압이 저하하므로, 상기 재료량 추정부는 측정압력으로부터 전체압의 저하를 검지하는 등으로 탱크 내에 수용되어 있는 재료의 양을 추정할 수 있다. 따라서, 탱크 내에 수용되어 있는 재료의 양을 추정하여, 재료의 보충을 촉구할 수 있게 된다.

또, 농도 측정부가 초음파 농도계 등과 같이 단체(單體)로 혼합가스의 전체압을 측정하는 것이며, 또한 재료가스의 분압을 측정하는 분압 측정센서를 갖춘 것이어도 상관없다. 이와 같은 것인 경우, 혼합가스의 전체압을 측정하는 일 없이, 상기 재료량 추정부가 측정농도와 측정 분압으로부터 혼합가스의 전체압을 산출하고, 탱크 내에 수용되어 있는 재료의 양을 추정하는 것이어도 상관없다. 더욱이, 탱크 내의 온도를 측정하는 온도 측정부를 갖춘 것이면, 온도 저하에 의한 재료의 기화하는 양의 감소나, 재료량의 감소에 의한 기화하는 양의 감소의 영향을 보정하여 재료량의 추정을 행할 수 있게 된다.

그 외, 본 발명의 취지에 반하지 않는 범위에 있어서, 여러 가지의 변형을 실시하는 것이 가능하다.

도 1 은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 재료가스농도 제어 시스템의 모식적 기기 구성도.

도 2는 제1 실시형태에 있어서의 기능 블록도.

도 3은 제1 실시형태에 있어서의 재료가스농도 제어의 동작을 나타내는 플로차트(flow chart).

도 4는 제1 실시형태에 있어서의 캐리어 가스 유량의 제어 동작을 나타내는 플로차트(flow chart).

도 5는 본 발명의 제1 실시형태의 다른 실시형태에 관한 재료가스농도 제어 시스템의 모식적 기기 구성도.

도 6은 본 발명의 제1 실시형태의 또 다른 실시형태에 관한 재료가스농도 제어 시스템의 모식적 기기 구성도.

<0047> 도 7은 제2 실시형태에 있어서의 농도 제어 결과의 일례를 나타내는 모식적 그래프.

도 8은 종래의 재료가스농도 제어 시스템에 의한 설정농도 변경시의 농도 제어 결과를 나타내는 모식적 그래프.

도 9는 본 발명의 제3 실시형태와 관련되는 재료가스농도 제어 시스템의 모식적 기기 구성도.

도 10은 제3 실시형태에 있어서의 기능 블록도.

도 11은 제3 실시형태에 있어서의 재료가스농도 제어의 동작을 나타내는 플 로차트.

도 12는 제3 실시형태에 있어서의 캐리어 가스 유량의 제어 동작을 나타내는 플로차트.

도 13은 본 발명의 제3 실시형태의 다른 실시형태에 관한 재료가스농도 제어 시스템의 모식적 기기 구성도.

<부호의 설명>

100 … 재료가스농도 제어 시스템

1 … 재료 기화 시스템

11 … 도입관

12 … 도출관

13 … 탱크

14 … 합류 도출관

CS … 농도 측정부

MCS … 다성분 농도 측정부

21 … 분압(分壓) 측정센서

22 … 압력 측정부

23 … 제1 밸브

CC … 농도 제어부

242 … 제1 밸브 제어부

243 … 설정압력 설정부

FS … 유량 측정부

FC … 유량 제어부

32 … 제2 밸브

332 … 제2 밸브 제어부

333 … 설정 캐리어 가스 유량 설정부

Claims

재료를 수용하는 탱크와, 수용된 재료를 기화시키는 캐리어 가스를 상기 탱크로 도입하는 도입관과, 재료가 기화한 재료가스 및 상기 캐리어 가스의 혼합가스를 상기 탱크로부터 도출하는 도출관을 구비한 재료 기화 시스템에 이용되는 것으로서,

상기 도출관상에 설치된 제1 밸브와,

상기 혼합가스에 있어서의 재료가스의 농도를 측정하는 농도 측정부와,

상기 농도 측정부에서 측정된 재료가스의 측정농도가 미리 정한 설정농도가 되도록 상기 제1 밸브의 개도를 제어하는 농도 제어부를 구비하고 있고,

상기 농도 측정부가 상기 탱크 내의 압력을 측정하는 압력 측정부를 구비하고,

상기 농도 제어부가,

설정압력을 상기 측정농도와 설정농도와의 편차가 작아지는 방향으로 변경하는 설정압력 설정부와,

상기 압력 측정부에서 측정된 측정압력이 상기 설정압력이 되도록 상기 제1 밸브의 개도를 제어하는 제1 밸브 제어부를 구비하며,

측정된 재료가스의 측정농도가 미리 정한 설정농도가 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 재료가스농도 제어 시스템.
청구항 1에 있어서,

상기 도입관상에 설치된 제2 밸브와,

상기 도입관을 흐르는 캐리어 가스의 유량을 측정하는 유량 측정부와,

상기 캐리어 가스의 측정 유량을 상기 도출관을 흐르는 재료가스 또는 혼합가스의 미리 정한 설정유량과 상기 설정농도에 근거해 산출되는 설정 캐리어 가스 유량 또는 미리 정한 설정 캐리어 가스 유량이 되도록, 상기 제2 밸브의 개도를 제어하는 유량 제어부를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 재료가스농도 제어 시스템.
청구항 1에 있어서,

상기 도입관상에 설치된 제2 밸브와,

상기 도입관을 흐르는 캐리어 가스의 유량을 측정하는 유량 측정부와,

상기 재료가스의 측정농도 및 상기 캐리어 가스의 측정 유량에 근거하여, 상기 도출관을 흐르는 재료가스 또는 혼합가스의 유량을 산출하고, 그 산출유량이 미리 정한 설정유량이 되도록, 상기 제2 밸브의 개도를 제어하는 유량 제어부를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 재료가스농도 제어 시스템.
청구항 3에 있어서,

상기 유량 제어부가,

미리 정한 설정 캐리어 가스 유량을 상기 산출유량과 상기 설정유량과의 편 차가 작아지는 방향으로 변경하는 설정 캐리어 가스 유량 설정부와,

상기 유량 측정부에서 측정된 측정 캐리어 가스 유량이 상기 설정 캐리어 가스 유량이 되도록 상기 제2 밸브의 개도를 제어하는 제2 밸브 제어부를 구비한 것인 재료가스농도 제어 시스템.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,

상기 농도 측정부가 비분산식 적외선 흡수 방식에 의해서 재료가스의 분압을 측정하는 분압 측정센서와, 측정된 재료가스 분압 및 상기 측정압력에 근거해 재료가스의 농도를 산출하는 농도 산출부로 이루어지는 것인 재료가스농도 제어 시스템.
재료를 수용하는 탱크와, 수용된 재료를 기화시키는 캐리어 가스를 상기 탱크에 도입하는 도입관과, 재료가 기화한 재료가스 및 상기 캐리어 가스의 혼합가스를 상기 탱크로부터 도출하는 도출관을 구비한 재료 기화 시스템에 이용되는 것으로서,

상기 도출관상에 설치된 제1 밸브와,

상기 탱크 내의 압력을 측정하는 압력 측정부를 구비하고, 상기 혼합가스에 있어서의 재료가스의 농도를 측정하는 농도 측정부와,

상기 탱크 내의 온도를 측정하는 온도 측정부와,

상기 농도 측정부에서 측정된 재료가스의 측정농도가 미리 정한 설정농도가 되도록 상기 제1 밸브의 개도를 제어하는 농도 제어부를 구비하고,

상기 농도 제어부가,

상기 온도 측정부에서 측정된 측정온도에 근거하여, 재료가스가 상기 설정농도가 되기 위한 탱크 내 압력을 산출하는 전체압 산출부와,

상기 설정농도가 변경된 후의 일정기간에 있어서는, 설정압력을 상기 전체압 산출부에서 산출된 탱크 내 압력으로 하는 한편, 그 외의 기간에 있어서는, 설정압력을 상기 측정농도와 설정농도와의 편차가 작아지는 방향으로 변경하는 설정압력 설정부와,

상기 압력 측정부에서 측정된 측정압력이 상기 설정압력이 되도록 상기 제1 밸브의 개도를 제어하는 제1 밸브 제어부를 구비한 것을 특징으로 하는 재료가스농도 제어 시스템.
청구항 6에 있어서,

상기 전체압 산출부가 상기 온도 측정부에서 측정된 측정온도에 근거하여 재료가스의 포화 증기압을 산출하는 것이며, 그 포화 증기압에 근거해 재료가스가 상기 설정농도가 되기 위한 탱크 내 압력을 산출하는 재료가스농도 제어 시스템.
재료를 수용하는 탱크와, 수용된 재료를 기화시키는 캐리어 가스를 상기 탱크에 도입하는 도입관과, 재료가 기화한 재료가스 및 상기 캐리어 가스의 혼합가스를 상기 탱크로부터 도출하는 도출관을 구비한 재료 기화 시스템에 이용되는 것으 로서,

상기 도출관상에 설치된 제1 밸브와,

상기 혼합가스에 있어서의 재료가스의 농도를 측정하는 농도 측정부와,

상기 탱크 내의 압력을 측정하는 압력 측정부와,

상기 농도 측정부에서 측정된 재료가스의 측정농도가 미리 정한 설정농도가 되도록 상기 제1 밸브의 개도를 제어하는 농도 제어부와,

탱크 내에 수용되어 있는 상기 재료의 양을 추정하는 재료량 추정부를 구비하고,

상기 농도 제어부가,

설정압력을 상기 측정농도와 설정농도와의 편차가 작아지는 방향으로 변경하는 설정압력 설정부와,

상기 압력 측정부에서 측정된 측정압력이 상기 설정압력이 되도록 상기 제1 밸브의 개도를 제어하는 제1 밸브 제어부를 구비한 것이며,

상기 재료량 추정부가 상기 설정압력에 근거해 탱크 내에 수용되어 있는 재료의 양을 추정 산출하는 것인 것을 특징으로 하는 재료가스농도 제어 시스템.
청구항 8에 있어서,

상기 탱크 내의 온도를 측정하는 온도 측정부를 추가로 구비한 것이며,

상기 재료량 추정부가 상기 온도 측정부에 의해서 측정된 측정온도에 근거하여, 상기 설정농도로 유지되고 있는 상태에 있어서 상기 압력 측정부에서 측정되어 야 할 압력인 산출압력을 산출하고,

상기 설정압력과 상기 산출압력에 근거해 탱크 내에 수용되어 있는 재료의 양을 추정 산출하는 것인 재료가스농도 제어 시스템.