KR20100075740A - 질량 유량계 및 매스 플로우 컨트롤러 - Google Patents

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KR20100075740A
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야스히로 이소베
오사무 호리노우치
유키 다나카
마사오 야마구치
유키마사 후루카와
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가부시키가이샤 호리바 에스텍
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Abstract

과제
질량 유량계의 측정 정밀도를 향상시킨다.
해결 수단
시료 가스(G)가 흐르는 유로에 마련된 감열(感熱) 저항체(41a, 41b)를 가지는 센서부(411, 412)로부터의 출력 신호를 취득하여, 상기 시료 가스(G)의 유량 Qraw을 산출하는 유량 산출부(42)와, 상기 유로(2)에 있어서의 1차측 압력(Pin)을 측정하는 압력 측정부(43)와, 상기 압력 측정부(43)에 의해 얻어진 1차측 압력(Pin), 및 상기 시료 가스(G)의 정압비열 Cp에 의해 정해지는 가스 계수 α를 이용하여, 상기 유량 산출부(42)에 의해 얻어진 측정 유량(Qraw)을 보정하는 유량 보정부(44)를 구비한다.
감열 저항체, 유량 산출부, 유로, 측정 유량, 유량 보정부, 가스 계수

Description

질량 유량계 및 매스 플로우 컨트롤러{MASS FLOW METER AND MASS FLOW CONTROLLER}
본 발명은 유량 센서에 관한 것으로, 특히 시료 가스마다 고정밀도의 유량 측정을 실시할 수 있는 유량 센서에 관한 것이다.
이런 종류의 질량 유량계로는, 시료 가스가 흐르는 메인 유로와, 메인 유로로부터 분기(分岐)하여 시료 가스를 분류시키는 것으로, 시료 가스의 질량 유량을 검출하는 유량 검출 기구가 마련되는 센서 유로와, 메인 유로에 있어서, 센서 유로의 분기점과 합류점의 사이에 마련되는 바이패스 유로를 구비하는 열식(熱式) 질량 유량계가 알려져 있다. 그리고, 이 열식 질량 유량계는, 유량 검출 기구가, 센서 유로를 형성하는 금속제의 중공(中空) 세관(細管)의 외측에 2개의 감열(感熱) 저항체를 코일 모양으로 감아서 형성한 상류측 센서부 및 하류측 센서부와, 양 센서부에 대하여 마련된 브리지 회로를 구비하고 있다.
구체적으로, 중공 세관은 감열 저항체에 의해 가열되고 시료 가스가 흐르지 않을 때는, 중공 세관의 중심으로 대하여 대칭적인 온도 분포가 되고 있다. 이에 비해, 시료 가스가 중공 세관 내에 흐르고 있을 때는, 하류측 센서부에는, 상류측 센서부에 의해 덮혀진 시료 가스가 유입하기 때문에, 상류측 센서부와 비교해서 온도가 높아져서, 상류측 센서부 및 하류측 센서부 사이에 온도차가 형성된다. 이 결과, 상기 온도 분포가 비대칭으로 된다.
이때의 온도차(ΔT)와 시료 가스의 질량 유량에는 일정한 관계가 성립되고 있기 때문에, 온도차를 브리지 회로에 의해 검출함으로써 질량 유량을 측정할 수 있도록 구성되어 있다(예를 들어, 특허 문헌 1 참조).
그러나, 상술한 질량 유량계는, 설치되는 메인 유로에 있어서 가스 공급 압력(1차측 압력)이 변경되면(예를 들어 100kPa), 측정 유량에 오차가 생기고 말아 유량 측정 정밀도가 저하되게 된다고 하는 문제가 있다.
또, 1차측 압력의 변화에 따른 측정 유량의 오차가 시료 가스의 종류에 따라 다르다고 하는 문제도 있다.
[선행 기술 문헌]
특허 문헌
특허 문헌 1: 일본 특개평7-271447호 공보
따라서 본 발명은 상기 문제점을 한꺼번에 해결하기 위해, 측정 유량을 1차측 압력을 이용하여 보정할 뿐만 아니라, 시료 가스종(種)에 따라 정해지는 계수를 이용하여 보정한다고 하는 종래에는 없는 완전히 새로운 발상에 의해 이루어진 것이다.
즉, 본 발명에 관한 질량 유량계는, 시료 가스가 흐르는 유로에 마련된 감열 저항체를 가지는 센서부로부터의 출력 신호를 취득하여 상기 시료 가스의 측정 유량을 산출하는 유량 산출부와, 상기 유로에 있어서의 1차측 압력을 측정하는 압력 측정부와, 상기 압력 측정부에 의해 얻어진 1차측 압력, 및 상기 시료 가스에 의해 정해지는 가스 계수를 이용하여 상기 유량 산출부에 의해 얻어진 측정 유량을 보정하는 유량 보정부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
이러한 것이면, 1차측 압력의 변화에 따른 측정 유량의 오차를 가급적으로 작게 할 수 있을 뿐만 아니라, 시료 가스에 의해 정해지는 가스 계수를 가미(加味)하여 측정 유량을 보정함으로써 질량 유량계의 유량 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다.
1차측 압력이 변경되었을 경우에, 해당 변경 후의 1차측 압력이 안정된 상태에 있어서, 그 1차측 압력에서 기인하는 측정 유량의 오차를 보정하여 유량 측정 정밀도를 향상시키기 위해서는, 유량 보정부는 유량 산출부에 의해 얻어진 측정 유 량을 압력 측정부에 의해 얻어진 1차측 압력 그 자체에 의해 보정하는 것이 바람직하다.
측정 유량의 보정을 간단하게 하는 동시에, 연산 처리량을 가급적으로 작게 하기 위해서는, 상기 유량 보정부가, 상기 1차측 압력을 Pin으로 하고, 미리 설정된 기준 압력을 Pbase로 하며, 상기 가스 계수를 α로 하고, 상기 측정 유량을 Qraw로 했을 때에, 하기의 1차식인 식 1에 의해, 보정 후의 유량(Qoffset)을 산출하는 것이 바람직하다.
식 1
Figure 112009078892591-PAT00001
또, 상기 유량 보정부가, 하기 식 2에 의해, 보정 후의 유량(Qoffset)을 산출하는 것도 생각할 수 있다.
식 2
Figure 112009078892591-PAT00002
여기서, Pin은 1차측 압력, Pbase는 미리 설정된 기준 압력, 정수 a, b는 시료 가스의 가스 물성값 및 1차측 압력에 의해 정해지는 값, Pin (O)은 정수 a, b를 구했을 때의 1차측 압력이다.
게다가, 상술한 질량 유량계를 이용하여 고정밀도의 유량 제어를 가능하게 하기 위해서는, 상술한 질량 유량계와, 상기 유로에 마련된 유량 제어 밸브와, 상기 질량 유량계에 의해 얻어지는 보정된 측정 유량값, 및 목표 유량인 설정 유량값에 기초하여 상기 유량 제어 밸브의 밸브 개도(開度)를 제어하는 밸브 제어부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
이와 같이 구성한 본 발명에 의하면, 1차측 압력을 변경하여 사용했을 때에, 해당 변경 후의 1차측 압력에 기인하는 측정 유량의 오차를 가급적으로 작게 할 수 있을 뿐만 아니라, 시료 가스마다의 계수를 가미하여 측정 유량을 보정하기 때문에 질량 유량계의 유량 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다.
<제1 실시형태>
이하에 본 발명에 관한 질량 유량계(100)의 제1 실시형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 도 1은 본 실시형태에 관한 질량 유량계(100)를 나타내는 모식적 구성도이다.
<장치 구성>
본 실시형태에 관한 질량 유량계(100)는 열식 질량 유량계이며, 유체(流體)인 시료 가스(예를 들어 SF6 등의 반도체 처리용 가스)(G)가 흐르는 메인 유로(2)와, 상기 메인 유로(2)로부터 분기하여 시료 가스(G)를 분류시키는 것으로, 상기 시료 가스(G)의 유량(Qraw)을 검출하기 위한 센서 유로(3)와, 시료 가스(G)의 유량(Qraw)을 검출하는 유량 검출 기구(4)와, 상기 메인 유로(2)에 있어서의 상기 센서 유로(3)의 분기점(BP)와 합류점(MP)의 사이에 마련되어 복수의 내부 유로(51)를 가지는 층류(層流) 소자(5)를 구비한다.
이하, 각 부 2~5에 대해 설명한다.
메인 유로(2)는, 유체 입구(201) 및 유체 출구(202)를 가지는 개략 직관(直管) 모양의 메인 관부(200)로 형성되어 있다. 또한, 메인 관부(200)의 형상으로는, 후술하는 분기점(BP) 및 합류점(MP)을 포함하는 유로를 형성하는 부분의 형상이 직관 모양이면 되며, 그렇기 때문에 유체 입구(201) 및 유체 출구(202)를 가지는 곡관(曲管) 형상이라도 된다.
센서 유로(3)는, 메인 관부(200)에 세워 설치된 개략 역U자형 모양을 이루는 중공 세관(300)에 의해 형성되어 있다. 본 실시형태의 중공 세관(300)은 스테인리스제의 것이지만, 다른 소재를 이용하여 형성할 수 있다.
그리고 센서 유로(3)는, 메인 유로(2)를 흐르는 시료 가스(G)의 유량 Qraw를 검출하기 위한 유량 검출 기구(4)가 마련되는 측정로(3A)와, 메인 유로(2) 및 측정로(3A)를 연통하는 접속로(3B)로 이루어진다.
측정로(3A)는 메인 유로(2)와 대략 평행하게 형성되어 있으며, 접속로(3B)는 메인 유로(2)와 대략 직교하여 마련되어 있다. 즉, 접속로(3B)는 측정로(3A)와 대략 직교하여 마련되어 있다.
그리고, 메인 유로(2) 중에 있어서, 센서 유로(3)의 분기점(BP)으로부터 센서 유로(3)의 합류점(MP)와의 사이에는 층류 소자(5)가 마련되어 있다. 이 층류 소자(5)는, 메인 유로(2) 및 센서 유로(3)의 분류비가 소정의 설계값이 되도록 하는 것이다. 여기서, 분류비란, 센서 유로(3)의 유량에 대한 메인 유로(2)에 있어서의 분기점(RP) 및 합류점(MP) 사이의 유로의 유량의 비이다. 구체적으로 이것은, 정류량(定流量) 특성을 가지는 바이패스 소자 등의 저항 부재로 구성되어 있다. 그리고, 그 내부 유로(51)가, 메인 유로(2)의 유로 방향과 대략 평행이 되도록 마련되어 있다. 층류 소자로는, 복수 개의 세관을 외관의 내부에 삽입하여 형성한 것, 또는 다수의 관통구멍을 형성한 얇은 원판을 복수매 적층하여 형성한 것 등을 이용할 수 있다.
유량 검출 기구(4)는 센서 유로(3)로 분류된 유량을 검출하기 위한 센서부(41)와, 해당 센서부(41)로부터의 출력 신호를 취득하여 메인 유로(2)를 흐르는 시료 가스(G)의 유량 Qraw를 산출하는 유량 산출부(42)를 구비하고 있다.
센서부(41)는, 특히 도 2에 나타낸 바와 같이, 측정로(3A)의 상류측에 마련된 상류측 센서부(411)와, 측정로(3A)의 하류측에 마련된 하류측 센서부(412)를 구비하고 있다.
그리고, 상류측 센서부(411) 및 하류측 센서부(412)는 온도의 변화에 따라 전기 저항값이 증감하는 감열 저항체가 감겨져서 형성되는 것으로서, 측정로(3A)를 형성하는 중공 세관(300)의 직관부(301)에 감겨진 코일 모양의 제1 감열 저항 체(41a)와, 해당 제1 감열 저항체(41a)의 외주에 감겨진 코일 모양의 제2 감열 저항체(41b)를 구비하고 있다. 본 실시형태에서는, 중공 세관(300) 전체의 평균 온도를 불필요하게 올리는 일 없이 중공 세관(300) 중앙에 나타나는 온도 분포의 피크를 날카롭게 하여 센서 감도를 향상하는 관점으로부터, 제2 감열 저항체(41b)를 각 센서부(411, 412) 사이의 내측 단부(서로 접근하는 내측의 단부)에 마련하고 있다. 또, 제2 감열 저항체(41b)의 권폭(卷幅)은, 제1 감열 저항체(41a)의 권폭의 1/2 이하로 하고 있다. 또한, 상류측 센서부(411) 및 하류측 센서부(412)는 모두 단열재에 의해 피복되어 있다.
이것이라면, 센서부(411, 412) 전체의 온도 분포에 나타나는 중앙의 피크를 날카롭게 하여 검지시에 상류측/하류측에서의 온도차를 크게 할 수 있어 변화를 고감도로 파악할 수 있기 때문에 센서 감도가 향상된다. 또, 제1 감열 저항체의 권폭을 소정의 범위 내에서 길게 하는 것에 의해 저증기압 가스와 같이 그 물성에 따라, 직선성이 확보할 수 있는 영역이 협소하여 전체적인 스케일이 제한되는 시료 가스(G)에 대해서도, 직선성이 확보할 수 있는 영역을 확대시키며 또한 센서를 고감도화시켜 전체적인 스케일을 크게 할 수 있어 양호하게 유량을 검지할 수 있다.
유량 산출부(42)는 센서부(411, 412)의 감열 저항체(41a, 41b)와 전기적으로 접속되어, 해당 감열 저항체(41a, 41b)의 전압값을 검출함으로써, 센서 유로(3)(구체적으로는 측정로(3A))중의 유량을 산출함과 아울러, 분류비에 기초하여 메인 유로(2) 중의 시료 가스(G)의 유량 Qraw를 산출하는 것이다.
구체적인 구성으로는, 전기 회로로 형성되고 있으며, 브리지 회로, 증폭 회로 및 보정 회로(모두 도시하지 않음)를 구비하고 있다. 그리고, 유량 산출부(42)는, 시료 가스(G)의 순간 유량을 센서부(411, 412)에 의해 전기 신호(전압값)로서 검출하고, 상기 전기 회로에 의해 그 전기 신호를 증폭 등하여, 검출 유량에 따른 값을 가지는 센서 출력 신호(측정 유량(Qraw))로서 출력하는 것이다.
그러나 본 실시형태의 유량 검출 기구(4)는, 시료 가스(G)의 흐름이 정상 상태인 경우에 있어서, 1차측 압력(Pin)을 변경하여 사용했을 때에, 해당 변경 후의 1차측 압력(Pin)에 기인하는 유량 측정 정밀도의 저하를 보정하는 기능을 가지고 있어, 메인 유로(2)에 있어서의 1차측 압력(Pin)을 측정하는 압력 측정부(43)와, 해당 압력 측정부(43)에 의해 얻어진 1차측 압력(Pin) 및 시료 가스(G)에 의해 정해지는 가스 계수 α를 이용하여, 유량 산출부(42)에 의해 얻어진 측정 유량(Qraw)을 보정하는 유량 보정부(44)를 구비하고 있다.
압력 측정부(43)는, 메인 유로(2)에 있어서, 센서 유로(3)의 분기점(BP)보다 상류측에 마련되어 메인 유로(2)를 흐르는 시료 가스(G)의 1차측 압력(Pin)을 측정하는 것이며, 예를 들어 다이아프램(diaphragm)에 가해지는 압력을 정전 용량의 변화로서 검출하는 정전 용량형 압력 센서이다. 또한, 압력 측정부(43)는 변형 게이지(strain gauge)식 센서를 이용해도 된다.
유량 보정부(44)는 유량 산출부(42)로부터 측정 유량 신호를 취득하여, 그 측정 유량(Qraw)을 보정 연산하는 것이며, 그 구성은 CPU나 메모리, AD 컨버터, 버퍼 등의 디지털 내지 아날로그 전자 회로로 구성되어 있다. 그리고, 유량 보정부(44)는, 압력 측정부(43)로부터 얻어진 1차측 압력을 Pin으로 하고, 미리 설정된 기준 압력을 Pbase로 하며, 시료 가스(G)의 압력 의존성에 기초하여 결정되는 가스 계수를 α로 하고, 유량 산출부(42)에 의해 얻어진 측정 유량을 Qraw로 했을 때에, 하기 식 3에 의해 보정 연산하여, 해당 보정 후의 측정 유량(Qoffset)을 출력 신호로서 출력한다. 또한, 유량 보정부(44)는 보정에 이용하는 1차측 압력(Pin)으로서, 압력 측정부(43)로부터 출력되는 신호값(변환 등의 처리가 실시되지 않은 미가공 데이터)을 이용하고 있다.
식 3
Figure 112009078892591-PAT00003
여기서, 1차측 압력(Pin)은, 설정 유량을 일정한 압력으로 메인 유로(2)에 흐르게 하고 있는 상태(안정 상태)에 있어서의, 메인 유로(2) 내의 1차측의 압력이다.
또, 기준 압력(Pbase)은, 설정 유량을 일정한 압력으로 메인 유로(2)에 흐르게 하고 있는 상태(안정 상태)에 있어서, 설정 유량과 유량 산출부(42)가 산출하는 메인 유로(2) 내의 유량이 동일해질 때의 메인 유로(2) 내의 압력(본 실시형태에서 는 게이지 압력)이다. 예를 들어, 시료 가스인 SF6을, 일정 설정 유량을 350[sccm]으로 했을 경우, 기준 압력(Pbase)은 유량 산출부(42)가 메인 유로(2) 내의 유량을 350[sccm]으로 산출할 때의 메인 유로(2) 내의 압력 175[kpaG]가 된다. 또한, 이 기준 압력(Pbase)은 유저에 의해 미리 유량 보정부(44)에 입력된다.
이와 같이 1차측 압력(Pin) 및 기준 압력(Pbase)을 정하는 것에 의해, 유량 보정부(44)는, 메인 유로(2) 내의 과도기적인 압력 변화에 의해서 생기는 유량 오차가 아닌, 사용하는 1차측 압력(Pin)의 조건에 의해 생기는 유량 오차, 즉 메인 유로(2) 내의 1차측 압력이 기준 압력(Pbase)인 상태와, 메인 유로(2) 내의 1차측 압력이 기준 압력(Pbase)과는 다른 1차측 압력(Pin)인 상태와의 차이에 의해 생기는 유량 오차를 보정한다.
또, 가스 계수 α는 시료 가스(G)의 압력 의존성에 기초하여 결정되는 것이며, 시료 가스(G) 고유의 것으로, 시료 가스(G)의 종류에 따라 각각 결정된다. 예를 들어, 시료 가스의 정압비열 Cp 또는 정압몰비열 Cp에 의해 결정된다. 결정 방법으로는, 시료 가스(G)마다 실험(후술)으로 구해도 되며, 하나의 시료 가스(G)에 대해 실험에 의해 그 가스 계수 α를 구한 후, 다른 시료 가스(G)의 가스 계수 α에 대해서는, 그들 시료 가스(G)의 정압비열 Cp의 비에 의해, 다른 시료 가스(G)의 가스 계수 α를 계산에 의해 산출하도록 해도 된다. 또한, 이 가스 계수 α도 유저에 의해 미리 유량 보정부(44)에 입력된다. 이 때, 복수 종류의 시료 가스(G)의 가스 계수 α를 입력하여, 데이터베이스로서 질량 유량계(100)에 갖게 해도 된다.
여기서 가스 계수 α의 결정 방법에 대해 도 3을 참조하여 설명한다. 도 3에 있어서, 유로 상에 유량 제어 밸브, 압력 센서, 매스 플로우 컨트롤러(MFC) 및 유량 센서를 상류측으로부터 이 순서로 설치한다.
이와 같은 구성에 있어서, MFC의 1차측 압력을 50[kpaG]에서 300[kpaG]의 사이에서, 10[kpaG]마다 변화시켰을 때에, 목표 유량이 설정된 MFC로부터 나오는 유량을 유량 센서에 의해 측정한다. 다음으로, 1차측 압력 및 유량 센서의 측정 유량(실유량)의 관계를 근사식에 의해 구한다. 그리고, 그 근사식으로부터 미리 정해진 기준 압력(Pbase)시의 유량 센서의 출력에 대한, 그 외의 압력시의 출력의 변화량을 가스 계수 α로 한다. 이에 의해, 가스종 및 설정 유량 고유의 가스 계수 α가 결정된다. 이상의 순서를 이용하여, 가스종 및 설정 유량마다 가스 계수 α가 결정된다.
이 유량 보정부(44)에 의해 유량 보정을 실시했을 경우와, 유량 보정을 실시하지 않는 경우와의 비교 결과를 도 4에 나타낸다. 도 4는, 시료 가스(G)인 SF6을, 일정한 설정 유량 350[sccm]으로 흐르게 했을 경우의 보정 전 및 보정 후의 측정 유량(Qraw, Qoffset)을 나타내는 도면이다. 이 도 4로부터 알 수 있듯이, 1차측 압력(Pin)을 이용하여 유량 보정을 실시하지 않는 경우에는, 1차측 압력(Pin)이 기준 압력(Pbase)(175kpaG)으로부터 작아지는 방향으로 변경되면, 측정 오차(%R.S)가 서서히 플러스(+)로 커진다. 예를 들어 1차측 압력(Pin)이 50[kpaG]인 경우, 유량 오차는 0.8[%R.5]이다. 한편, 1차측 압력(Pin)이 기준 압력(Pbase)(175kpaG)으로부터 커지는 방향으로 변경되면, 측정 오차(%R.S)가 서서히 마이너스(-)로 커진다. 예를 들어, 1차측 압력(Pin)이 400[kpaG]인 경우, 유량 오차는 -1.7[%R.S]이다. 이에 비해, 1차측 압력(Pin)을 이용하여 유량 보정을 실시했을 경우에는, 1차측 압력(Pin)이 기준 압력(Pbase)에 대해서 변화해도 유량 오차는 ± 0.1[%R.S]의 범위 내에 들어가 있음을 알 수 있다.
<제1 실시형태의 효과>
이와 같이 구성한 본 실시형태에 관한 질량 유량계(100)에 의하면, 1차측 압력(Pin)을 변경하여 사용했을 때에, 해당 변경 후의 1차측 압력에 기인하는 측정 유량(Qraw)의 오차를 가급적으로 작게 할 수 있을 뿐만 아니라, 시료 가스(G)의 정압비열 Cp를 가미하여 측정 유량(Qraw)을 보정하므로, 질량 유량계(100)의 유량 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다.
<제2 실시형태>
다음으로 본 발명에 관한 질량 유량계(100)의 제2 실시형태에 대하여 설명한다. 본 실시형태에 관한 질량 유량계(100)는, 도 5에 나타낸 바와 같이, 함수 데이 터 격납부(D1)를 추가로 구비하여, 유량 보정부(44)의 기능이 상기 실시형태와는 다르다.
함수 데이터 격납부(D1)는, 기준 압력(Pbase)에 있어서의 유량으로부터의 오차[%]를 소정의 함수(본 실시형태에서는 1차식)로 근사시킨 이하의 식 4에 있어서, 계수 a(기울기 a) 및 계수 b(절편 b)의 가스 물성값에 대한 관계식을 나타내는 관계식 데이터를 격납하고 있다. 이 관계식 데이터는 미리 입력 수단에 의해 유저 등에 의해 입력된다.
식 4
Figure 112009078892591-PAT00004
여기에서, 기울기 a, 절편 b는 질량 유량계(100)의 사양이 같으면 시료 가스(G)의 가스종에 의존한다.
또한, 가스 물성값이란 가스종의 정압몰비열 Cp의 압력 영향을 나타내는 값이며, 본 실시형태에서는, 기준 압력(Pbase)에 있어서의 정압몰비열 Cp의 역수와, 근사식을 구했을 때의 1차측 압력(Pin(O)(예를 들어 5OkPa))에 있어서의 정압몰비열 Cp 및 역수와 기준 압력(Pbase)에 있어서의 정압몰비열 Cp의 역수의 차와의 비이다. 구체적으로는,
식 5
Figure 112009078892591-PAT00005
이다.
구체적인 기울기 a, 절편 b의 가스 물성값에 대한 관계식의 구하는 방법에 대해 설명한다.
보정 기능이 부가되어야 할 사양의 질량 유량계(100)에 있어서, 복수의 가스종(본 실시형태에서는 3 종류)을 사용하여 실제로, 기준 압력(Pbase)에 있어서의 유량과의 오차[%]를 구한다. 그리고, 도 6에 나타낸 바와 같이, 해당 오차를 1차식으로 근사시켜, 가스종마다 기울기 a 및 절편 b를 구한다. 또한, 도 6에 있어서는, 기준 압력(Pbase)(175kPa)으로부터의 차의 절대값이 동일한 압력(50kPa 및 300kPa) 각각에 대해 오차[%] 및 그 근사식을 구한 도면을 나타내고 있다.
그 후, 도 7에 나타낸 바와 같이, 가스 물성값(예를 들어 0~2)을 가로축, 기울기 a를 세로축으로 하여 물성값에 대한 기울기 a의 관계를 플롯하여, 소정의 관계식(본 실시형태에서는 2차식)으로 근사하는 것에 의해 가스 물성값에 대한 기울기 관계식을 구한다. 또한 도 7에 있어서는, 시료 가스(G)로서 CF4, SF6, CHF3 및 CH2F2를 이용하여 오차[%]의 근사식을 구했을 때의 기울기 a를 플롯한 도면을 나타내고 있다. 또, 도 7은 다른 4 종류의 제품1~4에 있어서 구한 기울기 관계식을 나 타내고 있다.
또, 도 8에 나타낸 바와 같이, 가스 물성값(예를 들어 0~2)을 가로축, 절편 b를 세로축으로 하여 물성값에 대한 절편 b의 관계를 플롯하고, 소정의 관계식(본 실시형태에서는 2차식)으로 근사함으로써 가스 물성값에 대한 절편 관계식을 구한다. 또한, 도 8도 도 7과 동일하게, 시료 가스로서 CF4, SF6, CHF3 및, CH2F2를 이용하여 오차[%]의 근사식을 구했을 때의 절편 b를 플롯한 도면을 나타내며, 또, 다른 4종류의 제품 1~4에 있어서 구한 절편 관계식을 나타내고 있다.
상기와 같이 구한 기울기 관계식을 나타내는 기울기 관계식 데이터 및 절편 관계식을 나타내는 절편 관계식 데이터를 관계식 데이터 격납부(D1)에 격납시킨다. 또한, 기울기 관계식 데이터 및 절편 관계식 데이터에는, 해당 기울기 관계식 데이터 및 절편 관계식 데이터를 작성했을 때의 1차측 압력(Pin (0))을 나타내는 압력 데이터가 관련지어져 있다.
이와 같이 하여, 3 종류의 가스종으로 실험적으로 기울기 a의 관계식 및 절편 b의 관계식을 구해 두는 것에 의해, 다른 가스종에 대응하는 정수 a, b는, 해당 다른 가스종의 가스 물성값을 대입함으로써 상기 관계식으로부터 얻을 수 있어, 가스종 변경에 대해 해당 가스 물성값에 의해 근사식(또는 이하의 보정식(3))을 변경할 수 있다.
유량 보정부(44)는, 유량 산출부(42)로부터의 측정 유량 신호를 취득하고, 그 측정 유량(Qraw)을 이하의 식 6에 의해 보정 연산하는 것이다.
식 6
Figure 112009078892591-PAT00006
여기서, Pin은 압력 측정부(43)로부터 얻어진 1차측 압력, Pbase는 미리 설정된 기준 압력, a는 시료 가스(G)의 가스 물성값 및 기울기 관계식으로부터 산출한 값, b는 시료 가스(G)의 가스 물성값 및 절편 관계식으로부터 산출한 값, Pin (0)은 기울기 관계식 및 절편 관계식 작성시의 1차측 압력이다. 또한, 상기 제1 실시형태와의 관계로 말하면, 상기 실시형태의 가스 계수 α를 (a×Qraw+b)/(Pin (O)-Pbase)로 하고 있다.
보다 상세하게 유량 보정부(44)는, 이하의 식 7에 의해 측정 유량(Qraw)을 보정 연산한다.
식 7
Figure 112009078892591-PAT00007
여기에서, ΔP는 오차의 근사식을 작성한 압력에 있어서, 기준 압력(Pbase)과의 차의 절대값이 동일한 압력의 차이며, 구체적으로는 300[kPa]-50[kPa]=250[kPa]이다. 이와 같이 본 실시형태에서는, 기준 압력(Pbase)으로부터의 절대값이 동일한 1 차측 압력(본 실시형태에서는 300kPa와 50kPa)에서의 오차의 근사식이 기준 압력(Pbase)에 대해 대칭으로 나타나는(도 6 참조) 것에 주목하여, 보정 정밀도의 향상을 도모하기 위해서, 300 kPa시의 근사식 및 50 kPa시의 근사식의 양쪽 모두를 가미하고 있다.
다음에 유량 보정부(44)의 작용에 대해 설명한다.
유량 보정부(44)는 유량 산출부(42)로부터 측정 유량 데이터를 취득하고, 관계식 데이터 격납부(D1)로부터 기울기 관계식 데이터 및 절편 관계식 데이터를 취득하며, 압력 측정부(43)로부터 1차측 압력(Pin)을 취득한다. 그리고, 미리 입력된 시료 가스(G)의 가스 물성값에 기초하여 시료 가스(G)의 근사식의 기울기 a 및 절편 b를 산출한다. 그 후, 산출한 기울기 a 및 절편 b, 1차측 압력(Pin), 기준 압력(Pbase), 근사식 작성시의 압력(Pin (0))에 의해 상기 보정식에 의해 측정 유량(Qraw)을 보정 연산하고, 해당 보정 후의 측정 유량(Qoffset)을 출력 신호로서 출력한다.
다음으로, 본 실시형태에 관한 질량 유량계(100)를 이용했을 경우의 실험 결과를 도 9 및 도 10에 나타낸다. 도 9는, 제품 1을 이용하여 실제로 기준 압력(Pbase)에 있어서의 유량과의 오차[%] 및 그 근사식을 구한 가스종인 SF6의 보정 전의 측정 유량(Qraw) 및 보정 후의 측정 유량(Qoffset)을 나타내는 도면이며, 도 10은 실제로 오차[%] 및 근사식을 구하지 않은 가스종이며, 기울기 관계식 및 절편 관계식에 의해 기울기 a 및 절편 b를 구한 가스종인 CO2의 보정 전의 측정 유량 및 보정 후의 측정 유량을 나타내는 도면이다. 또한, 도 9 및 도 10에 있어서의 기준 압력(Pbase)은 171.6[kPa]이다.
이들 도면으로부터 알 수 있듯이, 실제로 근사식을 구하여 기울기 관계식 및 절편 관계식을 작성했을 때에 이용한 가스종 뿐만 아니라, 기울기 관계식 및 절편 관계식에 가스 물성값를 대입함으로써 얻어진 기울기 a 및 절편 b를 이용하여 보정했을 경우에도 오차가 저감되어 있음을 알 수 있다. 즉, 실제로 근사식을 구하지 않은 가스종이라도 오차를 저감할 수 있기 때문에, 가스종마다 근사식을 구하는 수고를 삭감할 수 있다.
<그 밖의 변형 실시형태>
또한, 본 발명은 상기 실시형태로 한정되지 않는다. 이하의 설명에 있어서 상기 실시형태에 대응하는 부재에는 동일한 부호를 붙이기로 한다.
예를 들어, 오차[%]의 근사식은 1차식으로 한정되지 않고, 2차 이상의 다항식에 의해 근사하는 것이라도 되며, 기울기 a 및 절편 b의 함수는 2차식으로 한정되지 않고, 1차식 또는 3차 이상의 다항식에 의해 근사하는 것이라도 된다.
상기 제1 실시형태의 질량 유량계(100)를 내장하는 매스 플로우 컨트롤러(Z)의 구체적 형태로는, 예를 들어 도 11에 나타낸 바와 같이, 상기 실시형태의 질량 유량계(100)와, 메인 유로(2)의 합류점(MP)보다 하류측에 마련한 유량 제어 밸브(Z1)와, 질량 유량계(100)가 출력하는 보정 후의 유량 측정 신호가 나타내는 신호값(보정 후의 측정 유량(Qoffset)) 및 입력 수단(도시하지 않음)에 의해 입력되는 유량 설정 신호가 나타내는 목표 유량인 설정 유량값에 기초하여 유량 제어 밸브(Z1)의 밸브 개도를 제어하는 밸브 제어부(Z2)를 구비한다. 또한, 유량 제어 밸브(Z1)는 합류점(MP)보다 상류측에 마련해도 된다. 또한, 제2 실시형태의 질량 유량계(100)를 매스 플로우 컨트롤러에 내장해도 된다.
또한, 상기 실시형태의 열식 질량 유량 센서는, 정전류형의 것에 적용할 수 있는 것으로 한정되지 않고, 일정한 온도형의 것에도 적용할 수 있다.
상기 각 실시형태에서는, 1차측 압력(Pin)을 압력 센서에 의해 측정하여, 시시각각 변화하는 압력값을 이용하여 유량의 보정을 실시하도록 하고 있었으나, Pin을 정수로서 정해 버려, 대략 항상 사용하고 있는 가스 공급 압력을 대입해 두고, 압력 센서를 이용하지 않고 유량 보정을 실시하도록 구성해도 상관없다. 이와 같은 구성은, 예를 들어 어느 프로세스에 있어서, 1차측에 있어서 가스 공급 압력을 크게 변경하는 일이 없기 때문에 압력 변동이 그다지 발생하지 않아, 1차측 압력(Pin)값이 대략 일정한 값을 취하는 것을 알고 있는 경우 등에 적용할 수 있다. 이와 같은 것이라도, 검정을 실시한 근사식 작성시의 압력(Pin (o))이나 기준 압력(Pbase)과의 압력차를 대략 반영시켜 유량의 보정을 할 수 있으므로 유량을 정밀도 있게 출력할 수 있게 된다. 또, 이 경우, 압력 센서를 생략할 수 있으므로 부품 점수의 저감에 의해 코스트를 내릴 수 있게 된다.
상기 각 실시형태에서는, 유량 산출부가, 해당 감열 저항체의 전압값을 이용 하여 측정 유량(Qraw)의 값을 산출한 후에, 압력 변동에 따른 오차를 보정하도록 구성되어 있었으나, 유량 산출부가 사용하는 측정 유량을 산출하기 위한 식이나 검량선 등을 현재의 1차측 압력과 기준 압력으로부터 보정하도록 해 두고, 미리 보정된 식으로 측정 유량(Qraw)을 산출하도록 구성해도 상관없다. 이와 같은 것이라도, 상기 실시형태와 동일하게 1차측의 압력 변화에 따른 측정 정밀도의 저하를 막을 수 있다.
상기 실시형태의 질량 유량계 및 매스 플로우 컨트롤러를 반도체 제조 프로세스 또는 반도체 제조 프로세스 이외에도 이용할 수 있다.
그 외, 상술한 실시형태나 변형 실시형태의 일부 또는 전부를 적절히 조합시켜도 되며, 본 발명은 상기 실시형태로 한정되지 않고, 그 취지를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 변형이 가능함은 말할 것도 없다.
도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 관한 질량 유량계의 모식적 구성도이다.
도 2는 상기 실시형태에 있어서의 센서부의 개략을 나타내는 도면이다.
도 3은 가스 계수 α를 결정하기 위한 실험예를 나타내는 도면이다.
도 4는 보정 전의 측정 유량 및 보정 후의 측정 유량을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시형태에 관한 질량 유량계의 모식적 구성도이다.
도 6은 기준 압력시의 측정 유량에 대한 측정 유량의 차이 및 그 근사식을 나타내는 도면이다.
도 7은 사양이 다른 제품마다의 가스 물성값에 대한 기울기 a를 나타내는 도면이다.
도 8은 사양이 다른 제품마다의 가스 물성값에 대한 절편 b를 나타내는 도면이다.
도 9는 제품 1을 이용하여 SF6의 유량을 측정했을 경우에 있어서의, 보정 전후의 기준 압력시의 측정 유량에 대한 측정 유량의 오차를 나타내는 도면이다.
도 10은 제품 1을 이용하여 CO2의 유량을 측정했을 경우에 있어서의, 보정 전후의 기준 압력시의 측정 유량에 대한 측정 유량의 오차를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 질량 유량계를 이용한 매스 플로우 컨트롤러의 모식적 구성도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
100…질량 유량계 G…시료 가스
2…메인 유로 3…센서 유로
4…유량 검출 기구 411…상류측 센서부
412…하류측 센서부 41a…제1 감열 저항체
41b…제2 감열 저항체 42…유량 산출부
43…압력 측정부 44…유량 보정부
Pin…1차측 압력 α…가스 계수
Qraw…측정 유량 Pbase…기준 압력
Qoffset…보정 후의 유량

Claims (6)

  1. 시료 가스가 흐르는 유로에 마련된 감열(感熱) 저항체를 가지는 센서부로부터의 출력 신호를 취득하여, 상기 시료 가스의 측정 유량을 산출하는 유량 산출부와,
    상기 유로에 있어서의 1차측 압력을 측정하는 압력 측정부와,
    상기 압력 측정부에 의해 얻어진 1차측 압력, 및 상기 시료 가스에 의해 정해지는 가스 계수를 이용하여, 상기 유량 산출부에 의해 얻어진 측정 유량을 보정하는 유량 보정부를 구비하며,
    상기 유량 보정부는, 하기 식에 의해 보정 후의 유량(Qoffset)을 산출하는 질량 유량계.
    Figure 112009078892591-PAT00008
    여기에서, Pin은 1차측 압력, Pbase는 미리 설정된 기준 압력, 정수 a, b는 시료 가스의 가스 물성값 및 1차측 압력에 의해 정해지는 값, Pin(O)은 정수 a, b를 구했을 때의 1차측 압력이다.
  2. 시료 가스가 흐르는 유로에 마련된 감열 저항체를 가지는 센서부로부터의 출력 신호를 취득하여, 상기 시료 가스의 측정 유량을 산출하는 유량 산출부와,
    상기 유로에 있어서의 1차측 압력을 측정하는 압력 측정부와,
    상기 압력 측정부에 의해 얻어진 1차측 압력, 및 상기 시료 가스에 의해 정해지는 가스 계수를 이용하여, 상기 유량 산출부에 의해 얻어진 측정 유량을 보정하는 유량 보정부를 구비하는 질량 유량계.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 유량 보정부는, 상기 유량 산출부에 의해 얻어진 측정 유량을, 상기 압력 측정부에 의해 얻어진 1차측 압력 그 자체에 의해 보정하는 질량 유량계.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 유량 보정부가, 상기 1차측 압력을 Pin으로 하고, 미리 설정된 기준 압력을 Pbase로 하며, 상기 가스 계수를 α로 하고, 상기 측정 유량을 Qraw로 했을 때에, 하기 식에 의해, 보정 후의 유량(Qoffset)을 산출하는 질량 유량계.
    Figure 112009078892591-PAT00009
  5. 청구항 1 기재의 질량 유량계와,
    상기 유로에 마련된 유량 제어 밸브와,
    상기 질량 유량계에 의해 얻어지는 보정된 측정 유량값, 및 목표 유량인 설 정류량값에 기초하여 상기 유량 제어 밸브의 밸브 개도를 제어하는 밸브 제어부를 구비하는 매스 플로우 컨트롤러.
  6. 청구항 2 기재의 질량 유량계와,
    상기 유로에 마련된 유량 제어 밸브와,
    상기 질량 유량계에 의해 얻어지는 보정된 측정 유량값, 및 목표 유량인 설정 유량값에 기초하여 상기 유량 제어 밸브의 밸브 개도를 제어하는 밸브 제어부를 구비하는 매스 플로우 컨트롤러.
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