KR20100048895A - 재료 가스 농도 제어 장치 - Google Patents
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Abstract
재료 가스의 분압(分壓)이 변동되어도, 혼합 가스에 있어서 재료 가스의 농도를 일정하게 유지할 수 있고, 응답성이 좋고, 버블링 시스템에 용이하게 장착하여 농도 제어를 행할 수 있는 재료 가스 농도 제어 장치를 제공하는 것을 과제로 한다.
재료(L)를 수용하는 탱크(13)와, 수용된 재료를 기화(氣化)시키는 캐리어 가스를 상기 탱크에 도입하는 도입관(11)과, 재료가 기화한 재료 가스 및 상기 캐리어 가스의 혼합 가스를 상기 탱크(13)로부터 도출하는 도출관(12)을 구비한 재료 기화 시스템(1)에 이용되는 것으로서, 상기 도출관(12)에 접속되어, 상기 혼합 가스를 흐르게 하기 위한 내부 유로(流路)(B1)를 가진 기체(基體; B)와; 상기 내부 유로(B1)를 흐르는 혼합 가스에 있어서 재료 가스의 농도를 측정하는 농도 측정부(CS)와; 상기 내부 유로(B1)에 있어서 상기 농도 측정부(CS)보다도 하류에 마련되어, 상기 농도 측정부(CS)에 의해 측정된 측정 농도를 조절하는 제1 밸브(23)를 구비하고 있고, 상기 농도 측정부(CS)와 상기 제1 밸브(23)는 상기 기체(B)에 장착하였다.
Description
본 발명은 탱크 내에 수용되어 있는 재료에 캐리어 가스를 도입하여, 재료를 기화시키는 재료 기화 시스템에 있어서, 그 기화한 재료 가스의 농도를 제어하는 장치에 관한 것이다.
이런 종류의 재료 기화 시스템에 있어서 재료 가스의 농도 제어 시스템으로는 캐리어 가스를 도입하는 도입관에 마련된 매스플로 컨트롤러와, 재료액이 저류(貯留)되어 있는 탱크를 항온으로 유지하기 위한 항온조(恒溫槽)와, 재료 가스 및 캐리어 가스의 혼합 가스를 도출하는 도출관에 마련되어 혼합 가스의 압력, 즉 전압(全壓)을 측정하기 위한 압력계를 구비한 것을 들 수 있다.
이것은 재료액을 일정한 온도로 유지하는 것에 의해 항상 재료액이 포화 증기압에서 기화하도록 하여, 재료 가스의 분압이 일정해지도록 하고, 압력계에 의해 측정되는 전압이 일정해지도록 매스플로 컨트롤러에 의해 캐리어 가스의 유량(流量)을 제어하도록 하고 있다. 이와 같이 하면, 기체의 농도는 분압／전압으로 표시되는 것으로부터, 분압 및 전압이 일정하므로, 기체의 농도, 즉 재료 가스의 농도도 당연히 일정해지는 것으로 생각되고 있다.
그러나 항온조에 의해 탱크를 항온으로 유지하고 있었다고 해도, 재료액이 기화할 때의 기화열에 의해 온도가 저하되어, 포화 증기압이 변화되기 때문에, 재료 가스의 분압이 변화되어 원하는 농도로부터 변화되고 만다. 또, 재료액 양의 변화 등에 의해서도, 버블링에 의한 캐리어 가스가 재료액에 접하는 시간이나 상태가 변화되어, 재료 가스가 포화 증기압에 도달할 때까지 기화하지 않고, 역시 재료 가스의 분압이 변화되어 원하는 농도로부터 변화되고 만다.
또한, 항상 포화 증기압에서 재료액을 기화시킬 수 있어도, 어떤 농도에서부터 다른 농도로 변화시키고 싶은 경우에는, 탱크 내의 온도를 변화시켜서 포화 증기압을 변화시킬 필요가 있다. 탱크 내의 온도를 변화시키기 위해서는 통상 매우 긴 시간이 걸리기 때문에, 재료 가스의 농도 제어는 응답성이 나빠지고 만다.
또, 재료 가스의 농도 제어를 행하기 위해 상술한 바와 같이 도입관과 도출관의 양쪽에 기기를 마련해야 하므로, 장치의 설치 공정수가 많아지거나, 상당한 시간이 걸리게 된다.
특허 문헌 1: 미국 공개특허공보 2007／0254093호
특허 문헌 2: 일본 특개 2003－257871호 공보
본 발명은 상술한 바와 같은 문제를 감안하여 이루어진 것이고, 원래 탱크를 항온으로 유지하는 것 등에 의해 재료 가스의 분압을 일정하게 유지할 수 있다고 하는 전제로부터 출발하는 것이 아니라, 재료 가스의 분압이 변동해도, 혼합 가스에 있어서 재료 가스의 농도를 일정하게 유지할 수 있고, 응답성이 좋으며, 재료 기화 시스템에 용이하게 장착하여 농도 제어를 행할 수 있는 재료 가스 농도 제어 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
즉, 본 발명에 관한 재료 가스 농도 제어 장치는, 재료를 수용하는 탱크와, 수용된 재료를 기화시키는 캐리어 가스를 상기 탱크에 도입하는 도입관과, 재료가 기화한 재료 가스 및 상기 캐리어 가스의 혼합 가스를 상기 탱크로부터 도출하는 도출관을 구비한 재료 기화 시스템에 이용되는 것으로서, 상기 도출관에 접속되어, 상기 혼합 가스를 흐르게 하기 위한 내부 유로를 가진 기체와; 상기 내부 유로를 흐르는 혼합 가스에 있어서 재료 가스의 농도를 측정하는 농도 측정부와; 상기 농도 측정부보다 하류에 있어서, 상기 농도 측정부에 의해 측정된 측정 농도를 미리 정한 설정 농도로 조절하는 제1 밸브를 구비하고 있고, 상기 농도 측정부와 상기 제1 밸브는 상기 기체에 장착되어 있는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 것이면, 농도 측정부에 의해 혼합 가스에 있어서 재료 가스의 농도 그 자체를 측정하여, 미리 정한 설정 농도로 되도록 측정 농도를 제1 밸브에 의 해 조절할 수 있으므로, 탱크 내에서 재료액이 포화 증기압에서 기화하지 않는 경우나, 버블링의 상태가 변화되는 경우 등에 있어서 재료 가스가 발생하는 양이 변동되어도, 그 변동과는 관계없이 농도를 일정하게 유지할 수 있다.
바꾸어 말하면, 탱크 내의 온도 등을 제어하는 것에 의해 재료액이 기화하는 양을 일정하게 유지하도록 하지 않아도, 혼합 가스의 농도를 일정하게 유지할 수 있다.
또, 탱크 내의 온도를 제어하는 것에 의해 재료 가스의 양을 제어하는 것에 비해, 제1 밸브에 의해 혼합 가스에 있어서 재료 가스의 농도를 조절하므로, 온도 변화를 기다리는 시간이 없는 만큼, 시간 지연이 작고, 응답성이 좋은 재료 가스 농도의 제어를 행할 수 있다.
또한, 상기 제1 밸브는 상기 농도 측정부보다 하류에 마련되어 있으므로, 상기 농도 측정부는 제1 밸브 조절의 영향을 받기 전의 농도, 즉 탱크 내의 농도를 정확하게 측정할 수 있다. 따라서, 미리 정해진 설정 농도로 조절하는 데는 어떻게 제1 밸브를 조작하면 좋을지도 정확하게 알 수 있으므로, 재료 가스 농도의 제어도 정밀도 좋게 행할 수 있게 된다.
덧붙여, 재료 가스 농도 제어 장치는 상기 기체에 상기 농도 측정부 및 상기 제1 밸브가 장착되어 있어 하나의 유닛으로 구성되어 있으므로, 버블링 시스템의 도출관의 일부 또는 전부를 구성하도록 내부 유로를 접속하는 것만으로, 재료 가스 농도의 제어를 용이하게 행할 수 있게 된다. 또한, 농도를 제어하는 데는 종래라면 도입관측에 측정 농도를 피드백하기 위한 배선(配線)을 행하는 등, 설치에 상당히 시간이 걸렸던 것이, 도입관측에만 설정을 행하는 것만으로도 되기 때문에 설치의 공정수를 큰 폭으로 줄일 수 있다.
또, 농도 측정부가 복수의 측정기로 구성되는 경우에도, 하나의 유닛으로서 재료 가스 농도 제어 장치는 구성되어 있으므로, 복수의 측정기가 별도의 유닛으로서 도출관 등에 마련되는 경우에 비해, 측정기끼리의 설치 위치를 가깝게 할 수 있고, 거의 같은 측정점을 측정할 수 있다. 따라서, 정확한 농도 측정을 행할 수 있는 것으로 인해 재료 가스 농도의 제어도 정밀도 좋게 행할 수 있게 된다.
또한, 측정기끼리가 1 유닛으로 통합되어 있으므로, 예를 들어 온도를 조절하는 것에 의해 측정 정밀도를 유지하는 경우에도 각각을 따로 따로 온도를 조절할 필요가 없어, 히터를 설치하는 수를 줄이거나 통합할 수 있고, 비용 절감을 도모할 수 있다.
또한, 재료 가스 농도 제어 장치는 1 유닛이므로, 정밀도를 유지한 채로 후에 계속되는 프로세스에 가까운 위치에 마련할 수 있다. 이와 같이 본 발명의 재료 가스 농도 제어 장치에 의하면, 한 번 제어된 농도에 변화가 생기기 어렵고, 필요하게 되는 재료 가스 농도의 정밀도를 유지한 채로 후에 계속되는 프로세스에 공급하는 것이 용이해진다.
간단한 구성으로 재료 가스 농도를 측정할 수 있도록 하는 상기 농도 측정부의 구체적인 실시의 양태로는 상기 농도 측정부가, 재료 가스의 분압을 측정하는 분압 측정부와, 상기 혼합 가스의 압력을 측정하는 압력 측정부를 구비한 것으로, 상기 분압 측정부가 측정한 측정 분압과 상기 압력 측정부가 측정한 측정 압력에 기초하여 혼합 가스에 있어서 재료 가스의 농도를 측정하는 것을 들 수 있다.
재료 가스의 성분에 따라서는 유로 중의 관벽(管壁)에 달라붙기 쉬운 것도 있어, 유로 저항이 커져 버리거나, 관경(管徑)이 작아지는 것에 의해 흐르게 할 수 있는 유량에 변화가 생겨 버리는 것으로 인해, 재료 가스 농도의 제어에 악영향을 미치는 경우가 있다. 이와 같은 문제가 생기는 것을 방지하기 위해서는 상기 내부 유로가, 그 표면에 경면(鏡面) 가공이 행해진 것으로 하여, 재료 가스가 액화, 고화(固化) 등을 하여 부착하는 것을 방지하도록 하면 된다.
농도 측정부에 따라서는 내부 유로를 흐르는 혼합 가스의 온도 변화에 의해 측정 오차가 발생하는 경우가 있다. 이와 같은 측정 오차를 작게 하고, 보다 재료 가스 농도 제어의 정밀도를 향상시키기 위해서는 상기 내부 유로를 흐르는 혼합 가스의 온도를 측정하기 위한 온도 측정부를 추가로 구비한 것이면 된다. 이와 같은 것이라면, 측정 온도에 따라 보정 곡선 등을 이용하여 측정값의 보상을 행할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 재료 가스 농도 제어 장치에 의하면, 농도 측정부에 의해 혼합 가스에 있어서 재료 가스의 농도를 측정하고, 제1 밸브에 의해 그 측정 농도가 원하는 값이 되도록 조절하므로, 탱크의 재료액으로부터 기화하는 재료 가스의 양이 변동되어도, 그 변동과 관계없이 농도 제어를 행할 수 있다. 또, 농도를 변화시키고 싶은 경우에도, 시간이 걸리는 온도 변화에 의해 재료 가스를 증감시키는 것이 아니라, 제1 밸브에 의해 농도 제어를 행하도록 하고 있으므로, 응답성이 좋은 농도 제어를 행할 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시 형태를 도면을 참조하여 설명한다.
본 발명에 관한 재료 가스 농도 제어 시스템(100)은, 예를 들어 반도체 제조 프로세스에 사용되는 웨이퍼 세정 장치의 건조 처리조 내의 IPA 농도를 안정적으로 공급하기 위해 이용된다. 보다 구체적으로는, IPA 재료액(L)을 기화시켜서 건조 처리조 내에 공급하는 버블링 시스템(1)에 이용되는 것이다. 또한, IPA 재료액(L)이 청구항에서의 재료에 대응되고, 버블링 시스템(1)이 청구항에서의 재료 기화 시스템에 대응된다. 여기서, 재료는 고체 재료라도 본 발명은 동양(同樣)의 효과를 달성할 수 있다. 또, 본 발명은 IPA 재료액(L)이 기화한 재료 가스의 농도 제어로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, CVD 제막 장치나 MOCVD 제막 장치 등에 있어서, 농도 제어를 행하기 위해 이용할 수도 있다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 상기 버블링 시스템(1)은 재료액(L)을 저류하는 탱크(13)와, 상기 탱크(13)에 저류된 재료액(L) 중에 캐리어 가스를 도입하여 버블링시키는 도입관(11)과, 상기 탱크(13)에 저류된 재료액(L)의 윗쪽 공간(N)으로부터 재료액(L)이 기화한 재료 가스 및 상기 캐리어 가스의 혼합 가스를 도출하는 도출관(12)을 구비한 것이다. 또한, 상기 도입관(11)과 도출관(12) 사이를 접속하는 퍼지 라인(P)이 탱크(13)의 외측에 마련되어 있다. 퍼지 라인(P)에는 개폐 밸브(V)가 마련되어 있고, 상기 개폐 밸브(V)는 재료 가스를 기화시키고, 농도 제어를 행하는 경우인 통상시에는 닫혀 있다. 후술하는 농도 측정부(CS)의 0점 조정을 행하 는 경우에는, 개폐 밸브(V)는 개방되고, 캐리어 가스가 탱크(13) 내를 통과하지 않게 하여, 재료 가스를 포함하지 않도록 된다.
또한, 이 버블링 시스템(1)에는, 상기 탱크(13)에는 탱크(13) 내의 온도를 측정하기 위한 온도 센서(T)와, 상기 도출관(12)에 재료 가스 농도 제어 장치(2)가 마련되어 있다.
다음으로, 도 1, 도 2, 도 3을 참조하면서 상기 재료 가스 농도 제어 장치(2)에 대해 상술한다.
하드웨어의 구성에 대해 설명하면, 도 2의 사시도 및 도 3의 단면도에 나타내는 바와 같이, 상기 재료 가스 농도 제어 장치(2)는 상기 버블링 시스템(1)의 도출관(12)에 접속되어 그 일부를 구성하는 내부 유로(B1)를 가지는 개략 직육면체 형상의 기체(B)에 대하여, 상기 혼합 가스 중의 재료 가스의 분압을 측정하는 분압 측정부인 분압 측정 센서(21)와, 상기 내부 유로(B1)를 흐르는 혼합 가스의 압력(전압)을 측정하는 압력 측정부인 압력계(22)와, 밸브체의 개도(開度)에 따라서 혼합 가스의 압력을 조절하는 제1 밸브(23)를 이 순서로 상류로부터 설치하고 있는 것이다. 또한, 도 1의 모식도에 나타내는 바와 같이, 상기 제1 밸브(23)의 제어를 행하기 위한 제어 기구(24)를 구비하고 있다.
여기서, 혼합 가스 중의 재료 가스의 농도를 제어하기 위해서는 분압 측정 센서(21) 및 압력계(22)는 제1 밸브(23)보다도 상류에 마련해 둘 필요가 있다. 이는 상기 제1 밸브(23)의 영향을 받기 전의 탱크(13) 내의 전압 및 혼합 가스 중에 있어서 재료 가스의 농도를 정확하게 측정하여, 재료액의 기화 상태의 변화에 맞추 어 농도 제어를 행할 수 있도록 하기 위한 것이다.
또한, 상기 분압 측정 센서(21)와, 상기 압력계(22)와, 후술하는 농도 산출부(241)가 청구항에서의 농도 측정부(CS)에 대응되는 것이다.
상기 기체(B)의 내부 유로(B1)는 개략 원통 형상의 관통 구멍에 의해 형성되어 있는 것이다. 그 내부 표면에는 경면 가공이 행해져 있는 것이고, 재료 가스가 액화나 고체화 등을 하여, 관의 표면에 부착하는 것을 막도록 되어 있다. 이와 같이 하는 것에 의해, 내부 유로(B1)가 재료 가스 등에 의해 협착(狹窄)되어, 상정하고 있는 유량을 얻을 수 없게 되거나 또는 측정 정밀도나 농도 제어의 정밀도에 악영향이 생기는 것을 막을 수 있다. 또, 후술하는 분압 측정 센서(21)나 압력계(22)가 재료 가스와 접하는 부분에도 경면 가공이 행해져 있는 것이 바람직하다. 또, 기체(B)의 재질은 스테인리스 등을 고려할 수 있으나, 혼합 가스에 불화수소 가스 등의 부식성 가스를 이용하는 경우는 테플론(등록상표) 등의 부식되지 않는 수지를 내부 유로 등에 이용하도록 한 것이 바람직하다.
상기 분압 측정 센서(21)는 비분산식(非分散式) 적외선 흡수 방식의 것이고, 상기 내부 유로(B1)를 반경 방향으로 사이에 끼우도록 기체(B)에 장착되어 있다. 도 3의 단면도에 있어서 하부에 마련된 광원부와, 상부에 마련된 수광부(受光部)로 구성되는 것이고, 그것들의 사이를 통과하는 재료 가스의 분압을 측정하도록 구성되어 있다.
상기 압력계(22)는 상기 분압 측정 센서(21)가 측정을 행하고 있는 영역으로부터 소정 거리 하류측으로 이간하여, 상기 내부 유로(B1)의 반경 방향의 상부로부 터 측정을 행하도록 기체(B)에 장착되어 있다. 이 압력계(22)는 내부 유로(B1)를 흐르는 혼합 가스의 압력을 측정하는 것에 의해, 탱크(13) 내의 압력을 측정하는 것이다. 여기서, 본 명세서에서의 탱크 내의 압력은 탱크(13) 내의 압력 그 자체나 제1 밸브(23)보다도 상류의 도출관(12)에 있어서 압력을 포함하는 개념이다.
상기 제1 밸브(23)는 상기 압력계(22)로부터 소정 거리 하류측으로 이간하여 마련되어 있고, 기체(B)에 장착되어 있다. 이 제1 밸브(23)는 후술하는 농도 제어부(CC)에 의해 그 개도가 제어되어서, 재료 가스 농도를 제어하는 것이다.
또, 기체(B)에는 내부 유로(B1)와 병행하게 뻗도록 히터(도시하지 않음)가 마련되어 있다. 이 히터(H)는 상기 분압 측정 센서(21) 및 상기 압력계(22)를 온도 조절하기 위한 것이고, 그것들을 소정 온도로 유지하도록 하고 있다. 이와 같이 함으로써, 재료 가스 농도 제어 장치의 주위의 온도 변화나 내부 유로(B1)를 흐르는 혼합 가스에 의한 온도 변화 등의 영향을 그것들의 측정기가 영향을 받지 않도록 할 수 있다. 또한, 상기 분압 측정 센서(21)의 내부 유로(B1)로 광을 투과시키기 위한 창 등에 혼합 가스 중의 물질이 부착하는 것을 방지하거나, 결로(結露)가 생기는 것을 막을 수 있다. 특히 분압 측정 센서(21)는 온도 변화에 기인하는 현상에 영향을 받기 쉬우므로, 분압 측정 센서만을 온도 조절하도록 구성해도 상관없다.
다음으로 소프트웨어인 제어 기구(24)에 대해 도 1의 모식도 및 도 4의 기능 블록도에 기초하여 설명한다.
상기 제어부(24)는 컴퓨터를 이용한 것이고, 내부 버스, CPU, 메모리, I／O 채널, A／D 컨버터, D／A 컨버터 등을 구비하고 있다. 그리고, 메모리에 미리 기억 시킨 소정 프로그램에 따라서 상기 CPU나 주변 기기가 동작하는 것에 의해, 제1 밸브 제어부(242), 상기 농도 산출부(241), 상기 설정 압력 설정부(243), 상기 전압 산출부(244), 상기 재료 액량 추정부(245)로서의 기능을 발휘하도록 하고 있다. 여기서, 제1 밸브 제어부(242)만이 독립한 1칩 마이크로컴퓨터 등의 제어 회로에 의해 구성되어서 설정 압력을 받아들이도록 하고 있어, 상기 압력계(22) 및 상기 제1 밸브(23)를 1 유닛으로 하여 설정 압력을 입력하는 것만으로 용이하게 압력 제어를 행할 수 있도록 구성하고 있다. 이와 같은 제어부의 구성이라면, 종래부터 압력 제어용으로 개발된 제어 회로나 소프트웨어를 농도 제어를 위해 사용할 수 있으므로, 설계나 개발 비용의 증대를 막을 수 있다.
그리고, 상기 제1 밸브 제어부(242), 상기 설정 압력 설정부(243), 상기 전압 산출부(244)가 협업(協業)하는 것에 의해 청구항에서 말하는 농도 제어부(CC)로서의 기능을 발휘하는 것이다.
각 부에 대하여 설명한다.
상기 농도 산출부(241)는 상기 분압 측정 센서(21)에 의해 측정되는 재료 가스의 분압과, 상기 압력계(22)에 의해 측정되는 측정 압력인 전압에 기초하여, 혼합 가스 중의 재료 가스의 농도를 산출하는 것이다. 여기서, 혼합 가스 중의 재료 가스의 농도는 기체의 상태 방정식으로부터 도출되는 분압／전압에 의해 산출할 수 있다.
제1 밸브 제어부(242)는 상기 압력계(22)로 측정된 압력(전압)이 설정 압력 설정부(243)에 의해 설정된 압력인 설정 압력이 되도록 상기 제1 밸브(23)의 개도 를 제어하는 것이다.
설정 압력 설정부(243)는 설정 농도가 변경된 후의 일정 기간에 있어서는 설정 압력을 후술하는 전압 산출부(244)에서 산출된 탱크 내 압력인 가설정 압력으로 하는 한편, 그 외의 기간에 있어서는 미리 정한 설정 압력을, 농도 측정부(CS)에 의해 측정된 측정 농도와 설정 농도의 편차가 작게 되는 방향으로 변경하는 것이다.
보다 구체적으로, 설정 농도가 변경된 후의 일정 기간에 있어서는 측정되는 재료 가스의 분압이나 혼합 가스의 전압이 변동되어 있다 해도, 제1 밸브 제어부(242)에 대하여 설정 압력을 변경하지 않고, 전압 산출부(244)에서 산출된 가설정 압력을 설정 압력으로서 설정한 상태를 유지한다. 여기서, 일정 기간이란 측정되는 농도가 원하는 농도에 도달하거나, 또는 그 편차가 충분히 작게 되기 위해 필요한 시간으로서, 실험적으로 구해 놓아도 되고, 적절히 그 시간을 설정하도록 해도 된다.
상술한 일정 기간이 경과한 후 그 외의 기간, 즉 통상 운전시에는 설정 압력 설정부(243)는 측정되는 재료 가스의 분압이나 혼합 가스의 전압이 변동에 따라 상기 제1 밸브 제어부(242)에 대하여 측정 농도와 설정 농도의 편차가 작아지는 방향으로 설정 압력의 변경을 행한다. 구체적으로, 측정된 측정 농도가 설정 농도보다도 높은 경우에는, 농도는 분압／전압으로 표시되기 때문에, 전압을 크게 하는 것에 의해 농도를 내릴 수 있다. 따라서, 설정 압력 설정부(243)는 측정 농도가 설정 농도보다도 높은 경우에는, 상기 제1 밸브 제어부(242)에 대하여 전압을 크게 하도 록 설정 압력을 변경한다. 그 결과, 상기 제1 밸브 제어부(242)는 제1 밸브(23)의 개도를 작게 하도록 제어하게 된다. 측정된 측정 농도가 설정 농도보다도 낮은 경우에는, 이 반대를 행하게 된다.
이와 같이 측정 농도와 설정 농도의 편차가 작아지는 방향으로 설정 압력의 변경을 행한다는 것은, 측정 농도가 설정 농도보다 높은 경우에는 설정 압력을 보다 높게 변경하고, 측정 농도가 설정 농도보다 낮은 경우에는 설정 압력을 보다 낮게 변경하는 것을 말한다.
상기 전압 산출부(244)는 상기 온도 센서(T)에 의해 측정된 측정 온도에 있어서, 재료 가스가 설정 농도로 되기 위한 탱크 내 압력을 산출하여 가설정 압력으로 하는 것이다. 여기서, 산출된 탱크 내 압력은 상기 설정 압력 설정부(243)에 전달되고, 기동(起動)시나 설정 농도 변경시의 이후 일정 기간에 있어서, 상기 설정 압력 설정부(243)가 상기 제1 밸브 제어부(242)에 대하여 설정하는 설정 압력으로서 이용되는 것이다.
상기 전압 산출부(244)의 탱크 내 압력의 산출에 대해 구체적으로 설명하면, 전압 산출부(244)는 탱크(13) 내의 온도로부터 그 온도에 있어서 재료 가스의 포화 증기압을 산출하고, 그 포화 증기압이 분압인 경우에 있어서, 재료 가스가 새롭게 설정된 설정 농도로 되기 위한 탱크 내 압력, 즉 전압을 산출한다. 여기서, 농도는 분압／전압으로 표시되므로, 상기 탱크 내 압력은 (측정된 온도에 있어서 재료 가스의 포화 증기압)／(새롭게 설정된 설정 농도)로 구할 수 있다.
상기 재료 액량 추정부(245)는 상기 온도 센서(T)에 의해 측정된 측정 온도 에 있어서 탱크(13) 내의 재료 가스의 포화 증기압을 산출하고, 그 포화 증기압과, 상기 분압 측정 센서(21)에 의해 측정되는 재료 가스의 측정 분압을 비교하는 것에 의해 탱크(13) 내의 재료액(L)의 양을 추정하는 것이다. 구체적으로, 재료액(L)이 적어지면, 캐리어 가스의 기포가 재료액(L)에 접하는 시간이 짧아지는 등의 상태 변화에 의해 충분히 기화하지 않게 되고, 재료 가스의 분압은 포화 증기압에 비해 작은 압력으로 밖에 도달하지 않게 된다. 재료 액량 추정부(245)는, 예를 들어 측정되는 재료 가스의 분압이 포화 증기압에 대하여 소정의 비율보다 작은 경우에는, 재료액(L)의 저류량이 규정량에 대하여 적어지고 있는 것으로 추정한다. 그리고, 이 재료 추정부에 의해 재료액(L)의 저류량이 적어지고 있는 것으로 추정되면, 그 취지가 표시되어 재료액(L)의 보충이 촉구되도록 하고 있다.
이와 같이 구성된 하드웨어 및 소프트웨어에 의해, 재료 가스 농도 제어 장치(2)는 각각의 기기가 1 유닛으로서 구성되어, 재료 가스 농도 제어 장치(2) 단체(單體)로, 혼합 가스에 있어서 재료 가스의 농도를 제어하도록 구성되어 있는 것이다.
다음으로, 혼합 가스 중의 재료 가스 농도의 제어 동작에 대해 도 5의 플로차트를 참조하면서 설명한다.
상기 분압 측정 센서(21)에 의해 측정된 재료 가스의 분압과, 상기 압력계(22)에 의해 측정되는 혼합 가스의 전압에 의해, 농도 산출부(241)는 혼합 가스에 있어서 재료 가스의 농도를 식 (1)에 의해 산출한다.
C = Pz／Pt (1)
여기서, C는 농도, Pz는 재료 가스의 분압, Pt는 혼합 가스의 전압.
설정 농도가 처음으로 설정되는 기동시나 변경된 때에는 우선 상기 전압 산출부(244)는 온도 센서(T)에 의해 측정된 온도에 기초하여 재료 가스의 포화 증기압을 산출한다. 그리고, 재료 가스의 분압이 그 포화 증기압일 때에, 설정 농도로 되는 탱크(13) 내의 압력, 즉 혼합 가스의 전압 Pts(가설정 압력)를 설정 농도와 산출된 분압을 이용하여 식 (1)에 의해 산출한다(단계 S1).
상기 설정 압력 설정부(243)는 상기 전압 Pts(가설정 압력)를 설정 압력으로 하여 상기 제1 밸브 제어부(242)에 설정하고, 설정 농도 변경 후부터 소정 시간 동안은 재료 가스의 분압 등이 변동되어도 변경을 행하지 않는다(단계 S2). 제1 밸브 제어부(242)는 소정 시간 동안은 설정 압력 Pts에 의해 제1 밸브(23)의 개도를 제어하고 있어, 결과적으로 상기 농도 측정부(CS)에 의해 측정되는 농도는 설정된 설정 농도 또는 그것에 가까운 값으로 제어된다(단계 S3).
설정 농도를 변경했을 때부터 소정 시간 경과한 후의 통상 운전시에 있어서는, 농도 측정부에 의해 측정된 농도가 설정 압력 설정부(243)에 설정된 설정 농도와 다른 경우에는, 상기 분압 측정 센서(21)에 의해 측정된 재료 가스의 분압 Pz와 설정 농도 C0에 기초하여 식 (2)에 의해, 설정 압력 설정부(243)는 다음과 같이 설정 압력 Pt0를 변경한다(S4).
Pt0 = Pz／C0 (2)
여기서, Pz는 상기 분압 측정 센서(21)에 의해 항상 측정되고 있는 값이고, C0는 설정되어 있는 농도이므로 이미 알려져 있다.
상기 제1 밸브 제어부(242)는 설정 압력이 Pt0으로 변경되면, 상기 압력계(22)가 측정하는 압력(전압) Pt와 설정 압력 Pt0의 편차가 작아지도록 제1 밸브(23)의 개도를 제어한다(단계 S5).
상기 측정 압력 Pt를 설정 압력 Pt0에 추종시키고 있는 동안에 재료 가스의 분압 Pz가 변동하지 않으면 최종적으로 측정되는 혼합 가스 중의 재료 가스의 농도는 설정 농도 C0으로 된다.
추종 중에, 재료 가스의 분압 Pz가 변동한 경우에는, 설정 압력 설정부(243)는 식 (2)에 의해 다시 설정 압력 Pt0를 재차 변경하여, 설정 농도 C0으로 되도록 한다.
이상과 같이 하여, 상기 재료 가스 농도 제어 장치는 측정되는 측정 농도를 미리 설정되는 설정 농도와 같은 값으로 하여, 재료 가스의 기화 상태가 변화하고, 분압이 변동하는 경우가 있어도, 안정적으로 계속 유지할 수 있다.
이와 같이 본 실시 형태에 관한 재료 가스 농도 제어 장치(2)에 의하면, 응답성이 나쁜 분압 또는 분압을 포함한 농도를 직접적인 제어 변수로 하는 것이 아 니라, 제1 밸브(23)에 의해 용이하게 제어할 수 있는 전압을 제어 변수로서 농도 제어를 행하도록 구성하고 있으므로, 재료 가스가 포화 증기압까지 충분히 기화하지 않았거나, 기화에 변동이 있었어도, 정밀도 좋게 응답성이 좋은 재료 가스 농도의 제어를 행할 수 있다.
또, 농도 제어를 행하고 있는 재료 가스 농도 제어 장치(2)는 도출관(12)에 마련되어 있으므로, 농도가 일정한 값으로 제어되고 나서, 후에 계속되는 프로세스에 혼합 가스가 도출될 때까지의 거리가 짧으므로, 거의 농도를 변동시키지 않고 다음의 프로세스에 혼합 가스를 도출시킬 수 있다.
또한, 상기 제1 밸브(23)는 상기 분압 측정 센서(21)와 상기 압력계(22)의 모두보다도 하류에 마련하고 있기 때문에, 각각의 측정기는 제1 밸브(23)의 조작의 영향을 받기 전의 분압이나 전압을 측정할 수 있다. 따라서, 실제 재료 가스의 기화가 일어나고 있는 탱크(13) 내의 분압이나 전압을 정밀도 좋게 측정할 수 있으므로, 재료 가스의 기화의 변화에 맞는 제어 동작을 상기 제1 밸브(23)에 행할 수 있게 할 수 있다. 즉, 재료 가스 농도의 제어를 정밀도 좋게 행할 수 있다.
덧붙여, 상기 분압 측정 센서(21), 상기 압력계(22), 상기 제1 밸브(23)는 각각 상기 기체(B)에 장착되어 있고, 재료 가스 농도 제어 장치(2)는 1 유닛으로서 패키지화하여 구성되어 있으므로, 이 재료 가스 농도 제어 장치(2)를 도출관(12)에 장착하는 것만으로, 농도 제어를 행할 수 있다. 바꾸어 말하면, 종래와 같이 도출관(12)에 마련된 센서류의 신호를 상기 도입관(11)측으로도 피드백하기 위한 배선을 마련하는 등의 수고를 하는 일도 없으며, 또한 정밀도가 좋은 농도 제어를 행할 수 있다.
그 외의 실시 형태에 대해 설명한다. 이하의 설명에서는 상기 실시 형태에 대응되는 부재에는 같은 부호를 부여하는 것으로 하고 있다.
상기 실시 형태에서는 혼합 가스의 전압이 설정 압력이 되도록 제1 밸브(23)를 제어하는 것에 의해 혼합 가스 중의 재료 가스의 농도를 제어하고 있었으나, 농도 측정부(CS)에 의해 측정된 농도를 제어 변수로 하여, 설정 농도가 되도록 제1 밸브(23)를 제어해도 상관없다.
상기 실시 형태에서는 재료 가스의 농도만을 제어하고 있었으나, 그 유출 유량도 함께 제어하도록 한다면, 도입관(11)에 매스플로 컨트롤러 등을 마련해도 상관없다. 매스플로 컨트롤러는 상기 도입관(11)에 유입되는 캐리어 가스의 체적유량, 질량유량을 측정하는 유량 측정 수단부인 차압식(差壓式) 서멀식 유량계와, 밸브체의 개도에 의해 캐리어 가스의 유량을 조절하는 제2 밸브를 이 순서로 상류로부터 마련한 것이고, 또한 캐리어 가스의 유량을 제어하는 매스플로 컨트롤러 제어부를 구비한 것이면 된다.
상기 농도 측정부(CS)는 분압과 전압에 의해 농도를 산출하는 것이었으나, 예를 들어 초음파 농도계 등의 직접 농도를 측정하는 것이어도 상관없다. 또, 분압 측정 센서(21)로는 비분산식 적외선 흡수 방식으로 한정되지 않으며, FTIR 분광식이나, 레이저 흡수 분광 방식 등이어도 상관없다.
재료 가스의 유량 제어를 행하는 것은, 설정된 설정 유량과, 측정되는 농도와 측정되는 캐리어 가스 유량에 기초하여 산출되는 재료 가스의 산출 유량의 편차 가 작아지도록 제2 밸브(32)를 제어하도록 해도 상관없다.
재료 가스 농도 제어 장치(2)에 온도 센서를 마련하고, 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(劣化) 상태를 나타내는 신호를 취득하도록 해도 상관없다. 예를 들어, 광원에 흐르는 전류의 경시 변화에 의해, 광원의 수명을 파악하도록 하고, 측정 결과에 중대한 영향이 나오게 되기 전에 교환하도록 촉구하는 취지의 표시를 행하도록 제어부를 구성하면 된다.
압력계와 분압 측정 센서의 위치는 어느 쪽이 상류에 마련되어도 상관없다. 분압 측정 센서가 장착되는 방향은 수직 방향이 아니라, 수평 방향으로 마련하도록 기체의 측면에 마련해도 좋다. 이 경우, 분압 측정 센서의 광을 투과시키는 창 등에, 가스의 성분이 중력에 의해 체류되거나 모이는 것을 막을 수 있다. 또 결로(結露)에 의한 액체 방울이 괴는 것을 방지할 수도 있다.
또, 본 발명의 재료 가스 농도 제어 장치를, 설치 면적을 작게 하기 위해 이용되는 가스 패널 등에 접속할 수 있도록 하려면, 내부 유로의 도입구 또는 도출구가 수직 방향 하향으로 마련되어 있으면 된다. 또는 내부 유로의 도입구 또는 도출구가 변환 길이이음에 의해 수직 방향 하향으로 변화되어 있는 것이어도 된다.
그 외, 본 발명의 취지에 반하지 않는 범위에 있어서, 각종의 변형을 행하는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 재료 가스 농도 제어 장치를 포함하는 모식적 기기 구성도이다.
도 2는 동(同) 실시 형태에 있어서 재료 가스 농도 제어 장치의 모식적 사시도이다.
도 3은 동 실시 형태에 있어서 재료 가스 농도 제어 장치의 모식적 단면도이다.
도 4는 동 실시 형태에 있어서 기능 블록도이다.
도 5는 동 실시 형태에 있어서 재료 가스 농도 제어의 동작을 나타내는 플로차트이다.
<부호의 설명>
2ㆍㆍㆍ재료 가스 농도 제어 장치
1ㆍㆍㆍ버블링 시스템
11ㆍㆍㆍ도입관
12ㆍㆍㆍ도출관
13ㆍㆍㆍ탱크
CSㆍㆍㆍ농도 측정부
21ㆍㆍㆍ분압 측정 센서
22ㆍㆍㆍ압력 측정부
23ㆍㆍㆍ제1 밸브
CCㆍㆍㆍ농도 제어부
242ㆍㆍㆍ제1 밸브 제어부
243ㆍㆍㆍ설정 압력 설정부
FSㆍㆍㆍ유량 측정부
FCㆍㆍㆍ유량 제어부
32ㆍㆍㆍ제2 밸브
332ㆍㆍㆍ제2 밸브 제어부
333ㆍㆍㆍ설정 캐리어 가스 유량 설정부
Claims (4)
- 재료를 수용하는 탱크와, 수용된 재료를 기화(氣化)시키는 캐리어 가스를 상기 탱크에 도입하는 도입관과, 재료가 기화한 재료 가스 및 상기 캐리어 가스의 혼합 가스를 상기 탱크로부터 도출하는 도출관을 구비한 재료 기화 시스템에 이용되는 것으로서,상기 도출관에 접속되어, 상기 혼합 가스를 흐르게 하기 위한 내부 유로를 가진 기체(基體)와,상기 내부 유로를 흐르는 혼합 가스에 있어서 재료 가스의 농도를 측정하는 농도 측정부와,상기 농도 측정부보다 하류에 있어서, 상기 농도 측정부에 의해 측정된 측정 농도를 미리 정한 설정 농도로 조절하는 제1 밸브를 구비하고 있고,상기 농도 측정부와 상기 제1 밸브는 상기 기체에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 재료 가스 농도 제어 장치.
- 청구항 1에 있어서,상기 농도 측정부가,재료 가스의 분압(分壓)을 측정하는 분압 측정부와,상기 혼합 가스의 압력을 측정하는 압력 측정부를 구비한 것이고,상기 분압 측정부가 측정한 측정 분압과 상기 압력 측정부가 측정한 측정 압 력에 기초하여, 혼합 가스에 있어서 재료 가스의 농도를 측정하는 것인 재료 가스 농도 제어 장치.
- 청구항 1에 있어서,상기 내부 유로는 그 표면에 경면(鏡面) 가공이 행해진 것인 재료 가스 농도 제어 장치.
- 청구항 1에 있어서,상기 내부 유로를 흐르는 혼합 가스의 온도를 측정하기 위한 온도 측정부를 추가로 구비한 것인 재료 가스 농도 제어 장치.
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