KR20140116155A - 빌드다운 방식 유량 모니터 장착 유량 제어 장치 - Google Patents

빌드다운 방식 유량 모니터 장착 유량 제어 장치 Download PDF

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KR20140116155A
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Abstract

원하는 가스 공급압을 갖는 가스 공급원으로부터의 유통을 개폐하는 상류측 밸브(AV)와, 상류측 밸브(AV)의 하류측에 접속한 압력 변동 내성을 구비한 유량 제어 장치와, 상류측 밸브(AV)의 출구측과 유량 제어 장치의 입구측을 연통하는 통로의 내용적을 빌드다운 용량(BC)으로 함과 아울러, 상기 빌드다운 용량(BC)을 형성하는 통로 내를 유통하는 가스의 온도를 검출하는 온도 센서(T)와, 빌드다운 용량(BC)을 형성하는 통로 내를 유통하는 가스의 압력을 검출하는 압력 센서(P)와, 상류측 밸브(AV)의 개폐 제어를 행함과 아울러 상류측 개폐 밸브(AV)의 개방에 의해 빌드다운 용량(BC) 내의 가스 압력을 설정 상한 압력값으로 한 후, 상류측 밸브(AV)의 폐쇄에 의해 소정 시간(t초) 후에 가스 압력을 설정 하한 압력값까지 하강시킴으로써 빌드다운 방식에 의해 모니터 유량(Q)을 연산해 출력하는 모니터 유량 연산 제어부(CPb)를 구비하고, 상기 모니터 유량(Q)을 Q=1000/760×60×273/ (273+T)×V×ΔP/Δt로 해서 연산하고, 출력한다.

Description

빌드다운 방식 유량 모니터 장착 유량 제어 장치{FLOW VOLUME CONTROL DEVICE EQUIPPED WITH BUILD-DOWN SYSTEM FLOW VOLUME MONITOR}
본 발명은 유량 모니터 장착 유량 제어 장치의 개량에 관한 것이고, 특히 내압 변동 특성을 구비한 열식 유량 제어 장치나 오리피스를 사용한 압력식 유량 제어 장치에 빌드다운 방식의 유량 모니터를 유기적으로 조합함으로써, 작동 중의 유량 제어 장치의 제어 유량을 리얼 타임으로 모니터할 수 있도록 한 빌드다운 방식 유량 모니터 장착 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 있고, 또한 최근에는 내공급 압력 변동 특성을 높인 열식 유량 제어 장치가 사용되기 시작하고 있다.
도 33은 상기 압력식 유량 제어 장치(FCS)의 구성을 나타내는 것이고, 이 압력식 유량 제어 장치(FCS)는 컨트롤 밸브(CV), 온도 검출기(T), 압력 검출기(P), 오리피스(OL) 및 연산 제어부(CD) 등으로 구성되어 있다. 또한, 그 연산 제어부(CD)는 온도 보정·유량 연산 회로(CDa), 비교 회로(CDb), 입출력 회로(CDc) 및 출력 회로(CDd) 등으로 구성되어 있고, 1차측 공급압의 변동에 대하여 안정된 유량 제어 특성을 갖는다는 뛰어난 특성을 구비하고 있다.
도 33을 참조하고, 압력 검출기(P) 및 온도 검출기(T)로부터의 검출값은 디지털 신호로 변환되어서 온도 보정·유량 연산 회로(CDa)에 입력되고, 여기에서 검출 압력의 온도 보정 및 유량 연산이 행하여진 후에 유량 연산값(Qt)이 비교 회로(CDb)에 입력된다. 또한, 설정 유량의 입력 신호(Qs)가 단자(In)로부터 입력되고, 입출력 회로(CDc)에서 디지털값으로 변환된 후 비교 회로(CDb)에 입력되고, 여기에서 상기 온도 보정·유량 연산 회로(CDa)로부터의 유량 연산값(Qt)과 비교된다. 비교의 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 연산 유량값(Qt) 차(Qs-Qt)이 0이 될 때까지 밸브 폐쇄 방향으로 구동된다.
상기 압력식 유량 제어 장치(FCS)에는 오리피스(OL)의 하류측 압력(P2)[즉, 프로세스 챔버측의 압력(P2)]과 오리피스(OL)의 상류측 압력(P1)[즉, 컨트롤 밸브(CV)의 출구측의 압력(P1)]간에 P1/P2≥약 2의 관계(소위 임계 팽창 조건)가 유지되고 있을 경우에는 오리피스(OL)를 유통하는 가스(Go)의 유량(Q)이 Q=KP1(단 K는 정수)이 되고, 압력(P1)을 제어함으로써 유량(Q)을 고정밀도로 제어할 수 있음과 아울러, 컨트롤 밸브(CV) 상류측의 가스(Go)의 압력이 크게 변화해도 제어 유량값이 거의 변화하지 않는다는 뛰어난 특성이 구비되어 있다.
또한, 압력식 유량 제어 장치(FCS)나 내압력 변동 특성을 구비한 열식 유량 제어 장치 그 자체는 공지이기 때문에, 여기에서는 그 상세한 설명을 생략하는 것으로 한다.
그러나, 예를 들면 압력식 유량 제어 장치(FCS)에서는 미소한 구멍지름의 오리피스(OL)를 사용하고 있기 때문에, 할로겐계 가스에 의한 부식, 반응 활성 가스의 석출 등에 의해 오리피스(OL)의 구멍지름이 시간의 경과에 따라 변화를 일으킨다. 그 결과, 압력식 유량 제어 장치(FCS)에 의한 제어 유량값과, 현실에서 유통하는 가스(Go)의 실제 유량값간에 차이를 발생시키게 되고, 이것을 검출하기 위해서는 소위 유량 모니터를 빈번히 행할 필요가 있어 반도체 제조 장치의 가동성이나 제조한 반도체의 품질 등에 큰 영향을 준다는 문제가 있다.
그 때문에, 압력식 유량 제어 장치의 분야에 있어서는 종래부터 오리피스(OL)의 구멍지름의 변화를 가능한 한 조기에 검출함으로써, 압력식 유량 제어 장치(FCS)에 의한 제어 유량값과 현실에서 유통하는 가스(Go)의 실제 유량값간에 차이가 생기는 것을 방지하는 방책이 다용되고 있고, 또한 오리피스(OL)의 구멍지름변화의 검출에는 소위 빌드업 방식이나 빌드다운 방식을 사용한 가스 유량 측정 방법이 많이 채용되어 있다.
그런데, 종전의 소위 빌드업 방식이나 빌드다운 방식을 사용한 가스 유량 측정은 실제 가스의 공급을 일시적으로 정지해야만 하고, 그 결과 반도체 제조 장치의 가동률 저하나 제조한 반도체의 품질 등에 큰 영향을 준다는 문제가 있다.
그 때문에, 최근 열식 질량 유량 제어 장치나 압력식 유량 제어 장치의 분야에 있어서는 실제 가스의 공급을 일시적으로 정지하지 않고 공급 가스의 유량 제어가 적정하게 행하여지고 있는지의 여부를 리얼 타임으로 간단하게 모니터할 수 있게 한 유량 모니터 장착 유량 제어 장치의 개발이 진행되고 있다.
예를 들면 도 34에 그 일례를 나타내는 것이고, 이 열식 질량 유량 제어 장치(매스플로우 컨트롤러)인 유량 모니터 장착 유량 제어 장치(20)는 유로(23)와, 상류측 압력의 제 1 압력 센서(27a)와, 개폐 제어 밸브(24)와, 그 하류측에 설치한 열식 질량 유량 센서(25)와, 그 하류측에 설치한 제 2 압력 센서(27b)와, 제 2 압력 센서(27b)의 하류측에 설치한 조임부(음속 노즐)(26)와, 연산 제어부(28a)와, 입출력 회로(28b) 등으로 구성되어 있다.
상기 열식 질량 유량 센서(25)는 유로(23) 내에 삽입된 정류체(整流體)(25a)와, 이 유로(23)로부터 소정 비율(F/A)의 유량만 분기되는 분기 유로(25b)와, 분기 유로(25b)에 설치한 센서 본체(25c)를 갖고, 총 유량(F)을 나타내는 유량 신호(Sf)를 출력한다.
또한, 조임부(26)는 그 1차측과 2차측에 있어서의 압력차가 소정값 이상일 때에 1차측의 압력에 따른 유량의 유체를 흐르게 하는 음속 노즐이다. 또한 도 34에 있어서, SPa, SPb는 압력신호, 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 유량 센서(25)로부터의 유량 제어 신호(Sf)를 피드백해서 밸브 개방도 제어 신호(Cp)를 출력함으로써 개폐 밸브(24)를 피드백 제어한다. 즉, 연산 제어부(28a)에는 입출력 회로(28b)를 통해서 유량 설정 신호(Fs)가 입력되고, 질량 유량 제어 장치(20)에 흐르는 유체의 유량(F)이 유량 설정 신호(Fs)에 맞도록 조정된다.
구체적으로는, 연산 제어부(28a)가 제 2 압력 센서(27b)의 출력[압력 신호(SPb)]을 이용하여 개폐 제어 밸브(24)를 피드백 제어해서 그 개폐를 제어함으로써 음속 노즐(26)을 흐르는 유체의 유량(F)을 제어함과 아울러, 이때의 열식 유량 센서(25)의 출력[유량 신호(Sf)]을 이용하여 실제로 흐르고 있는 유량(F)의 측정을 행하고, 이 유량(F)의 측정값과 유량(F)의 제어값을 대비함으로써 질량 유량 제어 장치(20)의 동작을 확인하는 것이다.
이와 같이, 도 34에 나타낸 유량 모니터 장착 유량 제어 장치(20)에 있어서는 유량 제어를 행하기 위한 제 2 압력 센서(27b)를 사용한 압력식 유량 측정과, 유량의 감시를 행하기 위한 열식 유량 센서(25)를 사용한 유량 측정이라는 2종의 측정 방식을 연산 제어부(8a)에 도입하고 있기 때문에, 제어 유량[설정 유량(Fs)]의 유체가 실제로 흐르고 있는지의 여부, 즉 제어 유량과 실제 유량간에 차가 있는지의 여부를 간단하고 또한 확실하게 리얼 타임으로 모니터할 수 있어 높은 실용적 효용을 얻는 것이다.
그러나, 상기 도 34에 나타낸 유량 모니터 장착 유량 제어 장치(20)에도 해결해야 할 문제가 많이 남아 있다.
제 1 문제는, 유량 제어를 행하기 위한 제 2 압력 센서(27b)를 사용한 압력식 유량 측정과, 유량의 감시를 행하기 위한 열식 유량 센서(25)를 사용한 유량 측정이라는 2종의 다른 유량 측정 방식을 도입하고 있기 때문에, 유량 모니터 장착 유량 제어 장치(20)의 구조가 복잡해져 장치의 소형화 및 제조 비용의 인하가 도모되지 않는다는 점이다.
또한 제 2 문제는, 연산 제어부(28a)가 제 2 압력 센서(27b)의 출력(SPb)과 열식 유량 센서(25)의 유량 출력(Sf)의 양 신호를 이용하여 개폐 제어 밸브(24)를 개폐 제어함과 아울러, 제 1 압력 센서(27a)의 출력(SPa)을 이용하여 열식 유량 센서(25)의 유량 출력(Sf)를 보정하는 구성으로 하고 있고, 제 1 압력 센서(27a) 및 제 2 압력 센서(27b)의 2개의 압력 신호(SPa, SPb)와 열식 유량 센서(25)로부터의 유량 신호(Sf)의 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 버린다는 문제가 있다.
일본 특허 제 2635929호 일본 특허 제 2982003호 일본 특허 제 4308350호 일본 특허 제 4137666호
본원 발명은, a 종전의 빌드다운 방식이나 빌드업 방식의 유량 측정 방법을 사용한 유량 모니터 장착 유량 제어 장치의 경우에는 유량 모니터시에 실제 가스의 공급을 일시적으로 정지해야만 하기 때문에 반도체 제조 장치의 가동률의 저하나 제조한 반도체의 품질 변동 등을 발생시키는 점, 및 b 종전의 도 34와 같은 열식 유량계와 압력식 유량 제어 장치를 조합한 구조의 유량 모니터 장착 유량 제어 장치에서는 유량 제어 장치 자체의 구조의 간소화 및 장치의 소형화가 도모되지 않음과 아울러, 압력식 유량 제어 장치가 갖는 뛰어난 응답 특성이나 안정된 유량 제어 특성이 감쇄되는 점 등의 문제의 해결을 주된 목적으로 하는 것이고, 압력식 유량 제어 장치(FCS) 또는 내압력 변동식 열식 유량 제어 장치(MFC)와 그 상류측에 설치한 빌드다운 방식의 유량 측정부를 일체로 조합하고, 그리고 유량 제어 장치의 상류측 압력(입력측 압력)에 허용되는 압력 변동 범위 내에서 상기 빌드다운 방식 유량 측정부를 작동시켜 적어도 1초 이내에 1회(바람직하게는 1초 동안에 복수회) 빌드다운 방식 유량 측정부로부터 유량 모니터 신호를 발신함으로써, 유량 제어 장치에 의한 유량 제어와 동시 병행적으로 빌드다운 방식 유량 측정부에 의한 실질적으로 리얼 모니터에 가까운 유량 모니터를 행할 수 있게 한 것이다.
상기와 같은 구성으로 함으로써, 입력측의 압력 변동에 의해 유량 제어 특성이 거의 영향을 받지 않는다는 압력식 유량 제어 장치나 내압력 변동형 열식 유량 제어 장치의 유량 특성을 최대한 활용하여 빌드다운 방식 유량 모니터부에 의한 유량 모니터를 대략 리얼 타임(적어도 1회/1초)에 가까운 상황 하에서 행할 수 있고, 또한 연산 제어부의 간소화, 기기 본체부의 대폭적인 소형화, 및 가스 치환성의 향상 등을 가능하게 한 빌드다운 방식 유량 모니터 장착 유량 제어 장치의 제공이 가능해진다.
본원 발명자들은 우선 오리피스를 사용한 압력식 유량 제어 장치(FCS)를 이용하여 도 1에 나타내는 바와 같이 시험 장치를 구성하고, 압력식 유량 제어 장치(FCS)와 상류측(1차측) 밸브(AV) 사이의 압력 강하의 경사로부터 유량 산출을 행하는 빌드다운 방식에 의한 유량 측정에 관한 기초적인 각종 시험을 행했다.
즉, 도 1에 있어서 N2는 가스 공급원, RG는 압력 조정기, ECV는 전자 구동부, AV는 상류측 밸브, FCS는 압력식 유량 제어 장치, VP는 진공펌프, BC는 빌드다운 용량, T는 온도 센서, P0은 압력식 유량 제어 장치(FCS) 내에 설치한 압력 센서로부터의 압력 센서 출력, E는 전원부, E1은 압력식 유량 제어 장치용 전원, E2는 연산 제어부용 전원, E3은 상류측 밸브용 전원, S는 신호 발생기, CP는 연산 제어부, CPa는 압력식 유량 연산 제어부, CPb는 빌드다운 모니터 유량 연산 제어부, PC는 연산 표시부, NR은 데이터 로거이다.
상기 빌드다운 용량(BC)은 상류측 밸브(AV)의 출구측과 압력식 유량 제어 장치(FCS)의 컨트롤 밸브(도시생략)의 입구측 사이의 관로 공간 용적에 상당하는 것이고, 배관로의 길이나 내경 등을 조정하거나, 또는 상기 배관로에 개재한 빌드다운용 챔버(도시생략)의 내용적을 조정함으로써 빌드다운 용량(BC)을 1.78cc와 9.91cc, 4.6~11.6cc 및 1.58cc~15.31cc의 각 용량으로 스위칭 조정할 수 있게 구성되어 있다.
또한, 빌드다운용 챔버를 사용한 경우에는 실시예에 있어서 후술하는 바와 같이 상류측 밸브(AV)의 출구와 컨트롤 밸브(CV)의 입구 사이의 유로의 내경을 1.8㎜로 함과 아울러, 빌드다운 용량(BC)을 1.58cc~15.31cc로 선정하고 있다.
또한, 상기 연산 제어부(CP) 내의 빌드다운 모니터 유량 연산 제어(CPb)에서는 후술하는 바와 같이 빌드다운 용량(BC) 부분에 있어서의 압력 강하율을 이용하여 필요한 모니터 유량의 연산이 행하여지고, 또한 압력식 유량 연산 제어부(CPa)에서는 종전의 압력식 유량 제어 장치(FCS)의 제어 연산부와 마찬가지로 오리피스(도시생략)를 유통하는 유량의 연산, 및 컨트롤 밸브(도시생략)의 개폐 제어 등이 행하여진다.
또한, 압력식 유량 제어 장치(FCS), 상류측 개폐 밸브(AV), 압력 조정기(RG) 및 기타 기기류는 모두 공지의 것이기 때문에 여기에서는 그 설명을 생략한다.
또한, 압력식 유량 연산 제어부(CPa)는 일반적으로는 연산 제어부(CP) 내에 장착되어 있지만, 도 1에 있어서는 설명의 편의상 연산 제어부(CP)로부터 분리한 상태로 표시되어 있다. 또한, 상기 상류측 밸브(AV)는 개폐를 단시간 내에 행할 필요가 있기 때문에 일반적으로는 직동형 전자밸브의 사용이 바람직하지만, 파일럿 전자밸브를 설치한 에어 작동 밸브이어도 되는 것은 물론이다.
빌드다운 방식에 의한 유량 측정부는 가스 공급압 변동의 영향을 받기 어려운 유량 제어 장치, 특히 오리피스를 사용한 압력식 유량 제어 장치(FCS)이므로 그 상류측에 설치할 수 있는 것이다. 또한, 빌드다운 방식에 의한 유량 측정에 의해 고정밀도의 유량 측정이 가능한 것은 공지이다.
즉, 빌드다운 방식에 있어서는 빌드다운 용량(BC) 내를 유통하는 유량(Q)은 하기의 (1)식에 의해 산출할 수 있다.
[수학식 1]
Figure pct00001
단, 여기에서 V는 빌드다운 용량(BC)의 용적(l), ΔP/Δt는 빌드다운 용량(BC)에 있어서의 압력 강하율, T는 가스 온도(℃)이다.
우선, 도 1의 시험 장치에 있어서 압력식 유량 제어 장치(FCS)의 상류측 압력을 400kPa abs, 압력차(ΔP)를 50kPa abs 이상으로 함과 아울러, 빌드다운 용량(BC)을 4.6~11.6cc로 하고, 빌드다운 방식에 의한 유량 측정을 행했다. 도 2는 이때의 압력 강하 상태를 나타내는 것이고, 유량 그 자체는 비교적 정밀도 좋게 측정할 수 있지만 압력 회복 시간(a)이 필요하기 때문에 측정 유량의 출력이 불연속해지고, 또한 1사이클에 필요한 시간이 수초 이상이 되는 것을 알 수 있었다. 그 결과, 이 측정 조건 하에서는 소위 리얼 타임 유량 모니터와는 동떨어진 유량 모니터가 되는 것이 판명되었다.
즉, 상류측 밸브(AV)를 개방으로 하여 압력이 규정값 이상의 압력이 될 때까지의 시간을 압력 회복 시간(a)으로 하고, 또한 상류측 밸브(AV)를 폐쇄로 하여 압력이 규정값 이하로까지 하강하는 시간을 유량 출력 가능 시간(b)으로 하면, 상기 (a)와 (b)의 비율에 의해 유량 출력이 가능한 시간의 비율이 정해지게 된다. 또한, 이 유량 출력 가능 시간(b)은 FCS의 제어 유량, 빌드다운 용량(BC), 압력 하강 범위(ΔP)에 의해 결정되기 때문에 FCS의 제어 유량, 빌드다운 용량(BC) 및 압력 하강 범위(ΔP)를 보다 엄밀하게 검토하고, 각각을 적당한 값으로 하지 않으면 빌드다운 방식에 의한 유량 측정을 리얼 타임 유량 모니터에 가깝게 할 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 가까운 유량 모니터가 가능해진다.
그래서, 본원 발명자들은 빌드다운 방식에 의한 유량 측정에 있어서 1초 동안에 적어도 1회 이상의 유량 출력을 얻음으로써 리얼 타임에 가까운 유량 모니터의 달성을 가능하게 하기 위해서, 상기 압력 하강 범위(압력차)(ΔP) 및 빌드다운 용량(BC)을 보다 작게 함으로써 가스 재충전에 필요한 시간[압력 회복 시간(a)]을 짧게 하는 것을 착상하고, 상기 착상에 의거하여 반도체 제조용 장치에서 사용하는 유량 제어 장치에 있어서의 빌드다운 용량(BC) 및 상류측의 압력 하강 범위(압력차)(ΔP)의 감소를 도모함으로써, 리얼 타임성의 확보가 가능한지의 여부를 검토함과 아울러, 유량 모니터 정밀도나 그 재현성 등에 대해서도 각종의 시험을 행했다.
[시험1]
우선, 도 1의 시험 장치에 있어서 압력식 유량 제어 장치(FCS)로서 정격 유량이 F20, F200 및 F600(sccm)의 3종류의 FCS를 준비했다.
또한, 빌드다운 용량(BC)을 약 1.78cc와, 약 9.91cc의 2종류로 설정했다. 또한, 9.91cc의 빌드다운 용량(BC)은 배관 길이 및 배관 내경을 조정함으로써 용량의 조정을 행했다.
또한, 유량 출력의 검출 가능 시간(b)은 0.5sec(0.25ms×2000점)를 목표로 하고, 또한 시험 환경 온도는 25℃±1℃로 했다.
이어서, FCS 상류측 압력을 370kPa abs.로 하고, 압력차(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 것이고, 또한 도 4는 그 확대도이다.
또한, 도 5는 그때의 압력 강하 특성을 나타내는 것이다.
도 3은 및 도 4로부터도 분명한 바와 같이, 빌드다운 용량(BC)을 1.78cc 및 압력 하강 범위(ΔP)를 20kPa abs로 작게 함으로써 N2 유량 100sccm에 있어서도 재충전 시간[압력 회복 시간(a)]을 대폭 짧게 할 수 있고, 도 5에 나타내는 바와 같이 적어도 1초 이내의 간격으로 측정 유량 출력을 행할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
시험1에 관련하여, 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, 상류측 밸브(AV)로서는 전자밸브 직접 부착형 밸브가 바람직한 것이 판명되었다.
또한, 압력 하강 범위(ΔP) 및 빌드다운 용량(BC)의 용적(V) 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)과 압력 강하 시간(b)의 관계가 특히 중요해지는 것이 판명되었다.
Figure pct00002
표 1은 빌드다운 용량(BC)을 1.78cc로 했을 경우의 측정 유량(sccm)과 압력 강하 시간(sec)의 관계를 나타내는 것이고, 빌드다운 용량(BC)이 1.78cc일 경우에는 50sccm 이하의 유량에서는 1초 동안 이내에 1회 이상의 유량 출력을 행하는 것이 곤란해져, 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 필요하여, 유량 산출이 가능한 범위는 압력 강하율이 일정(즉 직선성을 갖는 부분)한 범위에 한정되게 된다.
도 6 내지 도 8은 시험1에 있어서 측정 유량이 100, 50 및 10sccm의 경우의 압력 강하 특성의 형태를 조사한 결과를 나타내는 것이고, 어느 경우에 있어서나 빌드다운 직후에는 압력 강하 특성이 직선성을 상실한 것이 된다. 또한, 이 경우의 빌드다운 용량(BC)은 1.78cc이고, 유체는 N2 가스이다.
상기 도 6 내지 도 8에 나타내어져 있는 빌드다운 직후에 있어서의 직선성으로부터의 어긋남은 압력 변화에 수반하는 가스의 단열 팽창에 의한 가스 내부 온도 변화에 기인해서 발생하는 것이라고 상정된다. 그리고, 측정 유량이 작을수록 이 직선성으로부터의 어긋남은 커지는 경향이 있고, 이것에 의해 유량 산출이 가능한 시간폭이 좁아지는 것을 알 수 있다.
이어서, 압력 강하 특성 곡선의 직선성으로부터의 어긋남에 의한 유량 측정 오차를 유량 측정 가능 시간(b)이 1초 이내인 경우에 대해서 0.25초마다 5점 측정함으로써 계측했다.
즉, 빌드다운 용량(BC)을 1.78cc 및 9.91cc로 하고, 압력 하강 범위(ΔP)를 20kPa abs, 상류측 밸브(AV)의 폐쇄로부터의 유량 안정까지의 시간을 1초로 하여 0.25sec마다 유량을 산출하고, 제어 유량에 대한 산출 유량의 오차를 검토했다.
도 9 및 도 10은 그 결과를 나타내는 것이고, 어느 경우나 상류측 밸브(AV)의 폐쇄로부터 0.25sec 이상 경과함으로써 오차가 대폭 감소하는 것을 알 수 있다. 즉, 압력 강하 특성 곡선이 직선에 가까워짐에 따라 오차가 감소하는 것이 확인되었다.
또한, 표 2는 빌드다운 용량(BC)과, 측정 유량과, 압력 강하 시간(b)의 관계를 나타내는 것이고, 빌드다운 용량(BC)=1.78cc일 경우에는 유량 20~50sccm일 때에 약 1초 이내의 간격으로 유량 출력을 행할 수 있게 된다.
또한, 빌드다운 용량(BC)=9.91cc인 경우에는 유량 100~200sccm일 때에 약 1초 이내의 간격으로 유량 출력이 가능한 것을 알 수 있다.
Figure pct00003
또한, 재현성의 확인을 위해 도 9에 대응하는 측정을 반복해 행했을 경우의 유량 정밀도를 조사했다.
즉, 상류측 밸브(AV)를 폐쇄로 하고나서 0.5~1sec 동안에 유량 산출(3점)을 행했다. 또한, 강하 시간이 1sec 미만인 경우에는 최종점으로부터 0.5sec까지의 데이터를, 또한 상기 표 2의 50sccm(BC=1.79cc) 및 200sccm(BC=9.91cc)에 대해서는 0.25초 동안의 데이터(2점)를 이용하여 유량 연산을 행하고 있다.
도 11은 반복 측정(10회)을 행했을 경우의 유량 정밀도의 측정 데이터를 나타내는 것이고, 압력 강하 시간(b)이 0.5초 이하인 경우에는 도 7에 나타낸 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×(배관 용량×압력 강하율×1/온도)의 관계에 있다. 그 결과, 압력 변화에 의한 단열 팽창에 의해 온도 강하가 발생해도 압력 강하율이 커지고 연산 유량(Q)은 일정해진다고 상정되지만, 현실에서는 연산 유량이 상승하게 된다. 그 이유는, 가스 온도의 측정을 압력식 유량 제어 장치(FCS)의 바디 외표면에서 행하고 있기 때문에 온도 계측값이 실온에 지배되기 쉬움과 아울러, 가스 자체의 열용량이 작은데도 불구하고 온도 센서의 열용량이 크기 때문에 가스 온도가 정확하게 측정되고 있지 않기 때문이라고 상정된다.
본원 발명은 상기 각 시험의 결과를 기초로 해서 창작된 것이며, 청구항 1의 발명은 원하는 가스 공급압을 갖는 가스 공급원으로부터의 가스의 유통을 개폐하는 상류측 밸브(AV)와, 상류측 밸브(AV)의 하류측에 접속한 공급압력 변동성 내성을 구비한 유량 제어 장치와, 상기 상류측 밸브(AV)의 출구측과 상기 유량 제어 장치 입구측을 연통하는 통로의 내용적을 빌드다운 용량(BC)으로 함과 아울러, 상기 빌드다운 용량(BC)을 형성하는 통로 내를 유통하는 가스의 온도를 검출하는 온도 센서(T)와, 상기 빌드다운 용량(BC)을 형성하는 통로 내를 유통하는 가스의 압력을 검출하는 압력 센서(P)와, 상기 상류측 밸브(AV)의 개폐 제어를 행함과 아울러 상류측 개폐 밸브(AV)의 개방에 의해 빌드다운 용량(BC) 내의 가스 압력을 설정 상한 압력값으로 한 후에 상류측 밸브(AV)의 폐쇄에 의해 소정 시간(t초) 후에 상기 가스 압력을 설정 하한 압력값까지 하강시킴으로써 빌드다운 방식에 의해 모니터 유량(Q)을 연산 및 출력하는 모니터 유량 연산 제어부(CPb)를 구비하고, 상기 모니터 유량(Q)을
[수학식 2]
Figure pct00004
[단, T는 가스 온도(℃), V는 빌드다운 용량(BC)(l), ΔP는 압력 강하 범위(설정 상한 압력값-설정 하한 압력값)(Torr), Δt는 상류측 밸브(AV)의 폐쇄로부터 개방까지의 시간(sec)이다]로 해서 연산하는 것을 특징으로 하는 것이다.
청구항 2의 발명은, 청구항 1의 발명에 있어서 압력 변동 내성을 구비한 유량 제어 장치를 컨트롤 밸브(CV)와 오리피스(OL) 또는 임계 노즐과 압력계(P1) 및/또는 압력계(P2)와 유량 연산 제어 장치(CPa)를 구비한 압력식 유량 제어 장치(FCS)로 함과 아울러, 빌드다운 용량(BC)을 상류측 밸브(AV)의 출구측과 압력식 유량 제어 장치의 컨트롤 밸브(CV)의 입구측을 연통시키는 통로의 내용적으로 하도록 한 것이다.
청구항 3의 발명은, 청구항 1 또는 청구항 2의 발명에 있어서 빌드다운 용량(BC)을 1.8~18cc로 함과 아울러, 설정 상한 압력값을 400~200kPa abs 및 설정 하한 압력값을 350kPa abs~150kPa abs로, 또한 소정 시간(t)을 1초 이내로 하도록 한 것이다.
청구항 4의 발명은, 청구항 1 또는 청구항 2의 발명에 있어서 빌드다운 용량(BC)을 1.78cc로, 설정 상한 압력값을 370kPa abs로, 설정 하한 압력값을 350kPa abs로, 압력차(ΔP)를 20kPa abs로, 및 소정 시간(t)을 1초 이내로 하도록 한 것이다.
청구항 5의 발명은, 청구항 1 또는 청구항 2의 발명에 있어서 상류측 밸브(AV)를 유체압 작동식의 전자 직접 장착형 전동밸브 또는 전자 직동형 전동밸브로 함과 아울러, 밸브의 고속 개폐에 의해 상류측 밸브(AV)의 개방에 의한 설정 하한 압력값으로부터 설정 상한 압력값으로의 가스 압력의 회복 시간을 상류측 밸브(AV)의 폐쇄에 의한 설정 상한 압력값으로부터 설정 하한 압력값까지의 가스 압력 하강 시간보다 대폭 짧게 하도록 한 것이다.
청구항 6의 발명은, 청구항 1 또는 청구항 2의 발명에 있어서 상류측 밸브(AV)의 출구측과 유량 제어 사이의 가스 유통로의 내부에 봉편(棒片)을 삽입 장착하여 가스 유통로의 통로 단면적을 변화시킴으로써, 상기 빌드다운 용량(BC)의 조정 및 가스 압력의 강하 특성의 직선화를 도모하는 구성으로 한 것이다.
청구항 7의 발명은, 청구항 1 또는 청구항 2의 발명에 있어서 상류측 밸브(AV)의 출구측과 유량 제어 장치(FCS)의 컨트롤 밸브 사이의 가스 통로 중에 적당한 내용량의 챔버를 개재하고, 상기 챔버의 내용적을 변화시킴으로써 빌드다운 용량(BC)의 값을 조정하도록 한 것이다.
청구항 8의 발명은, 청구항 1 또는 청구항 2의 발명에 있어서 유량 제어 장치의 유량 연산 제어 장치(CPa)와 빌드다운 모니터 유량의 연산 제어 장치(CPb)를 일체로 형성하도록 한 것이다.
청구항 9의 발명은, 청구항 7의 발명에 있어서 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 설치하도록 한 것이다.
청구항 10의 발명은, 청구항 2의 발명에 있어서 상류측 AV의 출구측과 압력식 유량 제어 장치(FCS)의 컨트롤 밸브 사이의 가스 통로의 내부에 봉편을 삽입 장착하여 가스 유통로의 통로 단면적을 변경하는 구성으로 한 것이다.
청구항 11의 발명은, 청구항 2의 발명에 있어서 상류측 AV의 출구측과 압력식 유량 제어 장치(FCS)의 컨트롤 밸브 사이의 가스 통로 중에 적절한 내용적의 챔버를 개재하는 구성으로 한 것이다.
청구항 12의 발명은, 청구항 2의 발명에 있어서 압력식 유량 제어 장치의 유량 연산 제어 장치(CPa)와 빌드다운 모니터 유량의 연산 제어 장치(CPb)를 일체로 형성하는 구성으로 한 것이다.
청구항 13의 발명은, 청구항 9의 발명에 있어서 내통의 내부에 하방으로부터 상방을 향해서 가스가 유통하는 가스 통로를 설치하고, 내통의 상단면으로부터 내통과 외통의 간극 내로 가스를 유입시키는 구성으로 한 것이다.
청구항 14의 발명은, 청구항 13의 발명에 있어서 내통의 내부에 설치한 가스 통로를 내통의 중앙부에 설치한 세로로 긴 구멍과 그 내부에 삽입한 원기둥 형상 핀의 간극(G1)으로 한 것이다.
청구항 15의 발명은, 청구항 9의 발명에 있어서 내통을 외주면에 나사를 형성한 내통으로 한 것이다.
청구항 16의 발명은, 청구항 9의 발명에 있어서 내통을 내부에 가스가 유통하는 슬릿을 형성한 구성의 내통으로 한 것이다.
청구항 17의 발명은, 청구항 9의 발명에 있어서 내통을 내부에 가스가 유통하는 필터 미디어를 설치한 구성으로 한 것이다.
청구항 18의 발명은, 청구항 9의 발명에 있어서 내통을 필터 미디어 또는 다공질 세라믹재로 형성하는 구성으로 한 것이다.
(발명의 효과)
본원 청구항 1의 발명에 있어서는, 유량 제어 장치의 상류측에 상류측 밸브(AV)를 설치하고, 상류측 밸브(AV)와 유량 제어 장치 사이의 유통로를 빌드다운 용량(BC)으로 함과 아울러, 유량 제어 장치의 입력측 압력 변동에 대한 고응답성을 활용하여 유량 제어 장치의 입력측 압력 변동이 허용되는 범위 내의 가스 압력차에 대응하는 압력 강하(ΔP)를 상기 빌드다운 용량(BC) 내에서 1초 동안에 1회 이상의 비율로 발생시키고, 상기 압력 강하율(ΔP/Δt)과 빌드다운 용량(BC)과 가스 온도(K)로부터 1초 동안에 적어도 1회 이상의 모니터 유량을 연산해서 출력할 수 있도록 상기 압력 강하값[압력차(ΔP)], 압력 강하 시간(Δt) 및 빌드다운 용량(BC)을 설정하는 구성으로 하고 있다.
그 결과, 상기 압력 강하값(압력차)(ΔP)을 대략 20~30kPa abs로, 압력 강하 시간(Δt)을 0.5~0.8sec로, 및 빌드다운 용량(BC)을 1.8~18cc로 설정함으로써 적어도 1초 동안당 1회 이상의 비율로 모니터 유량을 고정밀도로 연산하고, 출력하는 것이 가능해져, 빌드다운 방식의 이용에도 불구하고 거의 리얼 타임에 가까운 고정밀도의 유량 모니터가 가능해진다.
또한, 종전의 열식 유량 센서를 조합하는 방식에 비교하여 모니터 장착 유량 제어 장치의 대폭적인 구조의 간소화, 소형화와 제조비의 인하가 가능해져, 모니터 장착 유량 제어 장치의 부가가치가 현저하게 향상한다.
도 1은 빌드다운 방식 유량 모니터 장착 압력식 유량 제어 장치의 유량 모니터 특성을 측정하기 위한 시험 장치의 개요 구성도이다.
도 2는 빌드다운 방식에 의한 유량 모니터의 압력 강하 상태의 설명도이다.
도 3은 빌드다운 유량 측정시의 압력 회복 특성 곡선의 일례를 나타내는 것이다.
도 4는 도 4의 부분 확대도이다.
도 5는 시험1에 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 상류측 밸브(AV)의 폐쇄로부터의 경과 시간과 유량 안정성의 관계를 나타내는 선도이다[빌드다운 용량(BC)=1.78cc].
도 10은 상류측 밸브(AV)의 폐쇄로부터의 경과 시간과 유량 안정성의 관계를 나타내는 선도이다[빌드다운 용량(BC)=9.91cc].
도 11은 10회 반복 측정에 있어서의 유량 정밀도를 나타내는 것이다.
도 12는 본 발명의 제 1 실시예에 의한 빌드다운 방식 유량 모니터 장착 압력식 유량 제어 장치의 정면 개요도이다.
도 13은 본 발명의 제 2 실시예에 의한 빌드다운 방식 유량 모니터 장착 압력식 유량 제어 장치의 정면 개요도이다.
도 14는 유로 내에의 봉편(Cu)의 삽입 상태를 나타내는 횡단면도이다.
도 15는 봉편(Cu)이 없는 경우의 압력 강하 특성 곡선이다(N2·10sccm).
도 16은 2㎜Φ의 봉편(Cu)을 삽입한 경우의 압력 강하 특성 곡선이다(N2·10sccm).
도 17은 3㎜Φ의 봉편(Cu)을 삽입한 경우의 압력 강하 특성 곡선이다(N2·10sccm).
도 18은 봉편(Cu)이 없는 경우의 압력 강하 특성 곡선이다(N2·50sccm).
도 19는 2㎜Φ의 봉편(Cu)을 삽입한 경우의 압력 강하 특성 곡선이다(N2·50sccm).
도 20은 3㎜Φ의 봉편(Cu)을 삽입한 경우의 압력 강하 특성 곡선이다(N2·50sccm).
도 21은 봉편(Cu)이 없는 경우의 압력 강하 특성 곡선이다(N2·100sccm).
도 22는 2㎜Φ의 봉편(Cu)을 삽입한 경우의 압력 강하 특성 곡선이다(N2·100sccm).
도 23은 3㎜Φ의 봉편(Cu)을 삽입한 경우의 압력 강하 특성 곡선이다(N2·100sccm).
도 24는 봉편(Cu)을 사용한 경우의 유량 안정 시간의 변화 상태를 나타내는 선도이다[빌드다운 용량(BC)=1.78cc].
도 25는 봉편(Cu)을 사용한 경우의 유량 안정 시간의 변화 상태를 나타내는 선도이다[빌드다운 용량(BC)=9.91cc].
도 26은 본 발명의 제 3 실시예에 의한 빌드다운 방식 유량 모니터 장착 압력식 유량 제어 장치의 구성도이다.
도 27은 제 3 실시예에서 사용한 각 챔버A~챔버E에 있어서 측정 가능 시간을 1초 이하로 한 경우의 가스 유량(sccm)과 압력 강하의 경사(kPa/sec)의 관계를 나타내는 선도이다.
도 28은 제 3 실시예에서 사용한 각 챔버A~챔버E의 압력 강하의 경사가 20kPa/sec에 있어서의 압력 강하 특성의 형태를 나타내는 것이다.
도 29는 제 3 실시예에서 사용한 각 챔버A~챔버E의 상류측 밸브(AV)의 폐쇄로부터의 경과 시간과 유량 안정성의 관계를 나타내는 선도이다.
도 30은 제 3 실시예에서 사용한 챔버A 및 챔버B의 반복 측정에 있어서의 유량 정밀도(%S.P.)와 유량(sccm)의 관계를 나타내는 선도이다.
도 31은 제 3 실시예에서 사용한 챔버A 및 챔버B의 반복 측정에 있어서의 유량 정밀도(%S.P.)와 압력 강하의 경사(kPa/sec)의 관계를 나타내는 선도이다.
도 32는 본 발명의 제 3 실시예에서 사용한 챔버의 제 2 예를 나타내는 종단면도이다.
도 33은 종전의 압력식 유량 제어 장치의 기본 구성도이다.
도 34는 종전의 유량 모니터 장착 압력식 유량 제어 장치의 기본 구성도이다.
이하, 도면에 의거하여 본 발명의 실시형태를 각 실시예에 의거하여 설명한다.
[제 1 실시예]
도 12는 본 발명의 제 1 실시예에 의한 빌드다운 방식 유량 모니터 장착 압력식 유량 제어 장치의 정면 개요도이고, 도 12에 있어서 P1은 압력 검출 센서, OL은 오리피스, CV는 컨트롤 밸브, V1·V2는 입구측 밸브 블록, V3·V4·V5는 FCS 본체 블록, V6은 출구측 블록, V7은 가스 출구 조인트, CP는 연산 제어부, AV는 상류측 밸브, L1은 상류측 밸브의 가스 입구측 유로, L2는 상류측 밸브의 가스 출구측 유로, L3은 컨트롤 밸브(CV)의 입구측 통로, L4는 컨트롤 밸브(CV)의 출구측 통로, Po는 컨트롤 밸브(CV) 상류측의 압력 센서, T는 온도 검출 센서, F는 필터이다.
또한, 압력식 유량 제어 장치 그 자체는 공지이기 때문에, 여기에서는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 상기 필터(F)는 삭제하는 것이 가능한 것은 물론이다.
상기 연산 제어부(CP)는 압력식 유량 제어 장치(FCS)의 컨트롤 밸브(CV)의 개폐 제어나 오리피스를 유통하는 유량을 연산하는 유량 연산 제어부(CPa)와, 빌드다운 방식의 모니터 유량 연산이나 상류측 밸브(AV)의 개폐 제어를 행하는 모니터 유량 연산 제어부(CPb)를 일체적으로 조합 형성한 것이다.
즉, 본 발명의 요부를 형성하는 빌드다운 방식 유량 모니터 제어부(CPb)는 상류측 밸브(AV)의 개폐 제어나, 압력 검출 센서(Po), 온도 검출 센서(T), 입구측 통로(L2) 및 입구측 통로(L3)로 이루어지는 빌드업 용량(BC) 등으로부터 빌드다운 유량(Q)를 연산하고, 출력한다.
상술과 같이, 연산 제어부(CP)에는 압력식 유량 제어 장치(FCS) 부분의 유량 연산 및 유량 제어를 행하는 연산 제어부(CPa)와, 빌드다운 방식 유량 모니터부의 유량 측정값(Q)의 연산이나 압력 강하율(ΔP/Δt)의 측정, 상류측 밸브(AV)의 개폐 제어 등을 행하는 연산 제어부(CPb)가 각각 일체적으로 설치되어 있고, 연산 제어부(CP)에의 지령 신호 및/또는 설정 신호의 입력에 의해 빌드다운 방식 유량 모니터 장착 압력식 유량 제어 장치(FCS)가 소정 유량값으로 유량 제어된 가스 유체를 출력함과 아울러, 그 유량값이 적어도 1초 동안에 1회의 비율로 모니터 표시되게 된다.
또한, 압력식 유량 제어 장치(FCS)나 빌드다운 방식 유량 측정부의 구조 및 제어 방법 그 자체는 공지이기 때문에, 여기에서는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 모니터 유량 출력[모니터 유량 연산 제어부(CPb)로부터의 유량 출력]과 압력식 유량 제어 장치(FCS)의 유량 출력[압력식 유량 연산 제어부(CPa)로부터의 유량 출력]간에 설정값 이상의 차이가 발생한 경우에는 유량 이상의 경보를 발신하거나, 또는 필요할 경우에는 소위 압력식 유량 제어 장치(FCS)의 유량 자기 진단을 실시해서 유량 이상의 원인이나 그 발생 장소를 특정하는 것도 가능하다.
또한, 설정값 이상의 유량 차이가 발생한 경우에는 압력식 유량 제어 장치(FCS)의 영점 조정 등을 자동적으로 실시하는 것 등도 가능하다.
또한, 본 제 1 실시형태에 있어서는 상류측 개폐 밸브(AV)에 직동형의 전자 구동 밸브를 사용하고 있고, 또한 빌드다운 용량(BC)은 1.78~9.91cc의 범위에서 선정하고 있다. 또한, 압력 강하 범위(ΔP)는 20kPa abs(350~320kPa abs)로 선정되어 있고, 적어도 1초 동안에 1회 이상의 모니터 유량을 출력하는 구성으로 하고 있다.
상기 온도 검출 센서(T)는 외면 첩부형의 측온 저항식 온도 센서로 하고 있지만, 바디 블록(V3) 내부에 삽입하는 서모스탯형 온도계를 사용하는 것도 가능하다.
상기 빌드다운 용량(BC)을 형성하는 유로 L2', L2 및 L3은 1.8㎜Φ~4.4㎜Φ의 내경으로 형성되어 있고, 그 내경 및 유로 길이를 적당하게 선정함으로써 원하는 빌드다운 용량(BC)을 얻는 구성으로 하고 있다.
또한, 빌드다운 용량(BC)의 조정은 후술하는 제 3 실시예와 같이 압력 센서 장착 챔버를 이용하여 행하는 것도 가능하다.
[제 2 실시예]
도 13은 본 발명의 제 2 실시예를 나타내는 것이고, 빌드다운 용량(BC)을 형성하는 유로(L2', L2, L3)를 각각 2.5㎜Φ, 3.3㎜Φ 및 4.4㎜Φ의 내경으로 형성하고, 각 유로(L2', L2, L3) 내에 짧은 봉편, 예를 들면 스테인리스강제의 봉편을 삽입 장착해서 배관 내경의 일부를 유사적으로 좁게 해 그 합계 내용량(BC)을 1.78cc~9.91cc로 조정함으로써 압력 강하 특성의 개선을 도모하도록 한 것이다.
또한, 도 13에 있어서 각 유로(L2', L2, L3)를 제외한 그 이외의 구성 부재는 상기 제 1 실시형태에 의한 도 12의 경우와 동일하다.
상기 제 2 실시예에 있어서는, 각 유로(L2', L2, L3) 내부의 적절한 개소에 도 14에 나타낸 바와 같이 짧은 봉편(길이 약 1~3㎜)(Cu)이 삽입 장착되어 있고, 구체적으로는 4.4㎜Φ 내경의 유로(L3) 부분에 외경 3㎜Φ 봉편(또는 외경 2㎜Φ 봉편 1개소)을 설치하거나, 또는 유로(L2) 부분에 외경 2㎜Φ 봉편(Cu)을 설치하도록 한 것이다.
도 15~도 17은 가스 N2 및 유량 10sccm, 빌드다운 용량(BC)=1.78cc, 압력 강하(ΔP)=20kPa abs일 때에 봉편(Cu)을 삽입한 경우(유로 내경을 변화시켰을 경우)의 압력 강하 특성의 변화 상황을 나타내는 것이고, 도 15는 봉편(Cu)이 없는 경우(즉, 도 8과 동일 조건 하), 도 16은 2㎜Φ의 봉편(Cu)을 1개소 삽입했을 때, 도 17은 3㎜Φ의 봉편(Cu)을 1개소 삽입했을 때를 각각 나타내는 것이다.
또한, 도 18~도 20은 N2 가스의 유량을 50sccm으로 했을 경우의 도 15~도 17과 같은 상태 하의 압력 강하 특성을 나타내는 것이고, 또한 도 21~도 23은 N2 가스 유량을 100sccm으로 했을 경우의 압력 강하 특성을 나타내는 것이다.
도 15와 도 16 및 도 17, 도 18과 도 19 및 도 20, 도 21과 도 22 및 도 23의 각 쌍의 비로부터도 명백한 바와 같이, 제 2 실시예에 있어서는 봉편(Cu)을 사용함으로써 압력 강하 특성의 직선성이 현저하게 개선되게 되고, 그 결과 도 9 및 도 10에 나타낸 상류측 개폐 밸브(AV)의 폐쇄로부터의 유량 안정 시간이 단축됨과 아울러, 도 11에 나타낸 유량 정밀도도 대폭 향상되게 된다.
또한, 도 24 및 도 25는 봉편(Cu)을 사용한 경우의 상기 도 9 및 도 10에 나타낸 유량 안정 시간에 관계된 유량 오차의 변화를 나타내는 것이고, 빌드다운 용량(BC)이 1.79cc 및 9.91cc의 양쪽에 대해서 오차를 대폭 감소시키는 것, 즉 유량 안정 시간을 빠르게 하여 유량 검출 시간을 증가시키는 것이 가능해진다.
[제 3 실시예]
도 26은 본 발명의 제 3 실시예에 의한 빌드다운 방식 유량 모니터 장착 압력식 유량 제어 장치의 기본 구성도이다. 당해 제 3 실시예와 상기 제 1 및 제 2 실시예에 의한 빌드다운 방식 유량 모니터 장착 압력식 유량 제어 장치의 주된 차이점은 빌드다운 용량(BC)의 형성에 압력 센서 장착 챔버(CH)를 사용한 점, 각 가스 통로(L2, L3, L5)의 내경을 1.8㎜의 가는 지름으로 하고 있는 점 및 오리피스의 하류측에 압력 센서(P2)를 별도로 설치하고 있는 점, 챔버(CH)에 압력 센서(P3)를 설치하고 있는 점 등이고, 그 이외의 부재의 구성은 상기 제 1 및 제 2 실시예의 경우와 대략 동일하다.
즉, 당해 제 3 실시예에 있어서는 상류측 밸브(AV)와 압력식 유량 제어 장치(FCS)의 컨트롤 밸브(CV) 사이에 소형의 압력 챔버(CH)를 설치하고, 이 압력 챔버(CH)의 내용적을 조정함으로써 상기 빌드다운 용량(BC)을 조정하는 구성으로 한 것이다.
상기 압력 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 챔버(CH)의 내용적은 1.3~12cc 정도로 선정되어 있고, 이것에 압력 센서(P3)를 부설한 구성으로 하고 있다.
또한, 도 26에 있어서 V6은 챔버 출구측 블록, P1·P2·P3은 압력 센서이다.
또한, 당해 제 3 실시예에 있어서는 압력 챔버(CH)의 용적을 자유롭게 선정할 수 있음과 아울러, 가스 유통로(L5, L3) 등을 모두 동일한 가는 지름(예를 들면 1.8㎜Φ)로 맞출 수 있어 빌드다운 용량(BC)을 정확하고 또한 용이하게 소정의 용량값으로 설정할 수 있다.
구체적으로는, 실험 제공용의 챔버(CH)로서 상기 갭(G)을 1.8㎜ 및 3.6㎜로 한 표 3과 같은 사이즈의 5종의 챔버를 제작하고, 이것들을 사용한 도 26의 장치를 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 유량 센서(T)는 챔버(CH)의 외표면에 부착해 고정했다. 또한, 챔버(CH) 이외의 가스 유로(L3, L5)의 용적은 0.226cc이다.
Figure pct00005
도 27은 도 2에 있어서의 압력 강하 시간(b)을 1초 이내로 한 경우의 가스 유량(sccm)과 압력 강하의 경사(kPa/sec)의 관계를 각 챔버A~챔버E에 대해서 측정한 결과를 나타내는 것이고, 도 26의 압력식 유량 제어 장치(FCS) 등의 유로(L5, L3)의 용적은 상술과 같이 0.226cc로 선정되어 있지만, 시험 장치에 부착한 상태에 있어서의 현실의 도 26에서의 각 빌드다운 용량은 2.31cc~15.45cc이었다.
도 27로부터도 명백한 바와 같이, 압력 강하 범위(ΔP)를 20kPa/sec로 한 때에는 챔버A의 경우에는 25.2sccm, 챔버B에서 106.6sccm, 챔버E에서 169.0sccm의 각 유량 측정이 가능한 것을 알 수 있다.
도 28은 도 1의 시험 장치에 있어서, 압력 강하의 경사가 20kPa/sec가 되도록 가스 유량을 조정한 경우의 압력 강하의 직선성을 나타내는 것이고, 상기 도 6~도 8과 마찬가지의 선도이다. 또한, 측정 데이터는 도 1의 데이터 로거(NR)에 의해 취득한 것이다.
도 28로부터도 명백한 바와 같이 빌드다운 용량(BC)이 작은 챔버(CH)의 경우(즉 챔버A, 챔버B 등)일수록 압력 강하 특성의 직선성이 양호해지는 것을 알 수 있다.
또한, 도 29는 상기 도 9 및 도 10의 경우와 마찬가지로 압력 강하 특성 곡선의 직선성으로부터의 어긋남에 의한 유량 측정 오차를 1초 이내의 유량 측정 가능 시간(B) 내에서 0.25초마다 5점 측정함으로써 구한 것이고, 빌드업 용량(BC)이 작은 챔버A, 챔버B일수록 압력 강하 개시 후부터 조기에 유량 오차가 적어지는 것을 알 수 있다(즉, 압력 강하 특성의 직선성이 뛰어나다고 말할 수 있다).
도 30은 챔버A 및 챔버B에 대해서 유량 측정 정밀도의 재현성을 조사한 결과를 나타내는 것이고, 상기 도 11의 경우와 동일 취지로 행한 것이다.
또한, 이 유량 측정 정밀도의 재현성 시험에 있어서는 압력 강하의 경사를 안정시키기 위해서 상류측 밸브(AV)를 폐쇄로 하고나서 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 30으로부터도 명백한 바와 같이 재현성의 점에서 챔버A의 경우에는 유량 3~50sccm이 적용 가능 범위이고, 또한 챔버B의 경우에는 30~300sccm이 적용 범위인 것을 알 수 있다.
표 4는 상기 도 30에 나타낸 유량 측정 정밀도의 재현성을 나타내는 선도의 작성에 사용한 기초 데이터이고, 챔버A[빌드다운 용량(BC)=2.31cc] 및 챔버B[빌드다운 용량(BC)=9.47cc]를 시험 대상으로 한 것이다.
Figure pct00006
또한, 도 31은 상기 표 4의 데이터로부터 챔버A 및 챔버B의 압력 강하의 경사(kPa/sec)와 오차(%S.P.)의 관계를 조사한 것이고, 압력 강하의 경사가 2~60kPa/sec의 범위 내이면 유량 측정 오차(%S.P.)가 ±1%의 범위 내로 되는 것을 알 수 있다.
도 32는 본원 발명의 제 3 실시예에서 사용하는 빌드다운 용량(BC)을 형성하는 챔버(CH)의 제 2 예를 나타내는 것이다. 이 제 2 예에 의한 챔버(CH)는 외통(CHa)과 내통(CHb)으로 형성되어 있고, 또한 내통(CHb)의 중앙에는 상단으로부터 하방을 향해서 단면 원형의 세로로 긴 구멍(1)이 형성되어 있고, 그 하방은 가스 통로(1a)를 통해서 상류측 밸브(AV)의 가스 출구 통로(L2)에 접속되어 있다.
또한, 상기 내통(CHb) 중앙의 세로로 긴 구멍(1) 내에는 상단에 플랜지부(2a)를 구비한 세로로 긴 핀(2)이 상방으로부터 삽입 고정되어 있고, 그 플랜지부(2a)에 형성한 복수의 작은 구멍(2b)을 통해서 가스 통로를 형성하는 갭(G) 내에 연통되어 있고, 상기 갭(G)의 단부가 챔버 출구측 블록의 가스 출구 통로(L5)에 연통되어 있다.
즉, 이 제 2 예의 압력 챔버(CH)에서는 내통(CHb)의 하방으로부터 상방을 향해 유입된 가스가 내통(CHb)의 상단으로부터 외통(CHa)과 내통(CHb) 사이의 간극(G) 내로 유입되게 된다.
또한, 상기 챔버(CH)의 외통(CHa)과 내통(CHb) 사이의 갭(G)은 1~2㎜로, 또한 세로로 긴 구멍(1)과 원기둥 형상의 핀 또는 나사체(2) 사이의 갭(G1)은 0.4~0.8㎜로, 내통(CHb)의 높이는 30~35㎜로 선정되어 있고, 주로 내용량 V=2~5cc의 압력 챔버(CH)에 사용하는 것이다.
또한, 본 발명의 제 3 실시예에서 사용한 챔버(CH)의 형태는 적당하게 변경하는 것이 가능하고, 예를 들면 도 32의 챔버(CH) 내통(CHb)의 외주면에 나사를 설치하고, 상기 나사의 높이나 피치를 변경함으로써 갭(G) 부분의 용적을 조정하는 구조로 하거나, 또는 도 32의 챔버(CH) 내통(CHb)의 세로로 긴 구멍(1)을 나사 구멍으로 하고, 이것에 나사봉으로 이루어지는 원기둥 형상 핀(2)을 나사 삽입하여 갭(G) 부분의 용적을 조정하는 구조로 해도 된다.
또한, 도 32의 내통(CHb)의 세로로 긴 구멍(1) 및 원기둥 형상 핀(2) 대신에 내통(CHb)의 중앙 부분에 가스 통로(1a)에 연통되는 복수의 소경의 세로를 향한 슬릿을 형성하도록 하거나, 또는 세로로 긴 구멍(1)의 부분을 필터 미디어로 하도록 해도 좋다.
또한, 도 32의 내통(CHb)의 전부 또는 상방으로의 돌출 부분을 필터 미디어로 하고, 상류측 밸브(AV)의 가스 출구 통로(L2)로부터 유입되는 가스를 상기 필터 미디어를 통해서 갭(G) 내로 유입시키는 구성으로 하거나, 또는 내통(CHb)의 전부 또는 상방으로의 돌출 부분을 다공질 세라믹재로 형성하고, 상기 다공질 세라믹재를 통해서 상류측 밸브(AV)의 가스 출구 통로(L2)로부터의 가스를 갭(G) 내로 유통시키도록 해도 좋다.
<산업상의 이용 가능성>
본 발명은 반도체 제조 장치용 가스 공급 설비뿐만 아니라, 오리피스 또는 임계 노즐을 사용한 압력식 유량 제어 장치라면 화학품 제조 장치용 가스 공급 설비에도 널리 적용할 수 있는 것이다.
FCS: 압력식 유량 제어 장치 AV: 상류측 밸브
BC: 빌드다운 용량 RG: 압력 조정기
N2: N2 공급원 T: 온도 센서(측온 저항체)
P1, P2, P3: 압력 센서 CV: 컨트롤 밸브
OL: 오리피스 V1·V2: 입구측 밸브 블록
V3·V4: FCS 본체 블록 V5·V6·V8: 출구측 블록
V7: 가스 출구 조인트 V9: 챔버 출구측 블록
CP: 연산 제어부 CPa: 유량 연산 제어부
CPb: 모니터 유량 연산 제어부 E1: 압력식 유량 제어 장치용 전원
E2: 연산 제어부용 전원 E3: 전자밸브용 전원
ECV: 전기 구동부 NR: 데이터 로거
S: 신호 발생기 PC: 연산 표시부
L1: 상류측 밸브(AV)의 가스 입구측 통로
L2'·L2: 상류측 밸브(AV)의 가스 출구측 통로
L3: 컨트롤 밸브(CV)의 입구측 통로
L4: 컨트롤 밸브(CV)의 출구측 통로
L5: 챔버 출구측 블록의 가스 통로
Cu: 봉편 Q: 빌드다운 유량
CH: 챔버 CHa: 외통
CHb: 내통 1: 내통의 세로로 긴 구멍
1a: 가스 통로 2: 원기둥 형상 핀 또는 나사체
2a: 플랜지부 2b: 작은 구멍

Claims (18)

  1. 원하는 가스 공급압을 갖는 가스 공급원으로부터의 가스의 유통을 개폐하는 상류측 밸브(AV)와, 상류측(AV)의 하류측에 접속한 공급압력 변동성 내성을 구비한 유량 제어 장치와, 상기 상류측 밸브(AV)의 출구측과 상기 유량 제어 장치의 입구측을 연통하는 통로의 내용적을 빌드다운 용량(BC)으로 함과 아울러, 상기 빌드다운 용량(BC)을 형성하는 통로 내를 유통하는 가스의 온도를 검출하는 온도 센서(T)와, 상기 빌드다운 용량(BC)을 형성하는 통로 내를 유통하는 가스의 압력을 검출하는 압력 센서(P)와, 상기 상류측 밸브(AV)의 개폐 제어를 행함과 아울러 상류측 밸브(AV)의 개방에 의해 빌드다운 용량(BC) 내의 가스 압력을 설정 상한 압력값으로 한 후에 상류측 밸브(AV)의 폐쇄에 의해 소정 시간(t초) 후에 상기 가스 압력을 설정 하한 압력값까지 하강시킴으로써 빌드다운 방식에 의해 모니터 유량(Q)을 연산해서 출력하는 모니터 유량 연산 제어부(CPb)를 구비하고, 상기 모니터 유량(Q)을
    [수학식 3]
    Figure pct00007

    [단, T는 가스 온도(℃), V는 빌드다운 용량(BC)(l), ΔP는 압력 강하 범위(설정 상한 압력값-설정 하한 압력값)(Torr), Δt는 상류측 밸브(AV)의 폐쇄로부터 개방까지의 시간(sec)이다]로 해서 연산하는 것을 특징으로 하는 빌드다운 방식 유량 모니터 장착 유량 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    압력 변동 내성을 구비한 유량 제어 장치를 컨트롤 밸브(CV)와 오리피스(OL) 또는 임계 노즐과 압력계(P1) 및/또는 압력계(P2)와 유량 연산 제어 장치(CPa)를 구비한 압력식 유량 제어 장치(FCS)로 함과 아울러, 빌드다운 용량(BC)을 상류측 밸브(AV)의 출구측과 압력식 유량 제어 장치의 컨트롤 밸브(CV)의 입구측을 연통하는 통로의 내용적으로 하는 구성으로 한 것을 특징으로 하는 빌드다운 방식 유량 모니터 장착 유량 제어 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    빌드다운 용량(BC)을 1.0~20cc로 함과 아울러, 설정 상한 압력값을 400~200kPa abs 및 설정 하한 압력값을 350kPa abs~150kPa abs로, 또한 소정 시간(t)을 1초 이내로 하도록 한 것을 특징으로 하는 빌드다운 방식 유량 모니터 장착 유량 제어 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    빌드다운 용량(BC)을 1.78cc로, 설정 상한 압력값을 370kPa abs로, 설정 하한 압력값을 350kPa abs로, 압력 강하 범위(ΔP)를 20kPa abs로, 및 소정 시간(t)을 1초 이내로 하도록 한 것을 특징으로 하는 빌드다운 방식 유량 모니터 장착 유량 제어 장치.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상류측 밸브(AV)를 유체압 작동식의 전자 직접 장착형 전동밸브 또는 전자 직동형의 전동밸브로 함과 아울러, 밸브의 고속 개폐에 의해 상류측 밸브(AV)의 개방에 의한 설정 하한 압력값으로부터 설정 상한 압력값으로의 가스 압력의 회복 시간을 상류측 밸브(AV)의 폐쇄에 의한 설정 상한 압력값으로부터 설정 하한 압력값까지의 가스 압력 하강 시간보다 대폭 짧게 하도록 한 것을 특징으로 하는 빌드다운 방식 유량 모니터 장착 유량 제어 장치.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상류측 밸브(AV)의 출구측과 유량 제어기 사이의 가스 유통로의 내부에 봉편을 삽입 장착하여 가스 유통로의 통로 단면적을 변경함으로써 상기 빌드다운 용량(BC)의 조정 및 가스 압력 강하 특성의 직선화를 도모하는 구성으로 한 것을 특징으로 하는 빌드다운 방식 유량 모니터 장착 유량 제어 장치.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상류측 밸브(AV)의 출구측과 유량 제어기 사이의 가스 통로 중에 적당한 내용량의 챔버를 개재하고, 상기 챔버의 내용적을 변경함으로써 빌드다운 용량(BC)의 값을 조정하는 구성으로 한 것을 특징으로 하는 빌드다운 방식 유량 모니터 장착 유량 제어 장치.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    유량 제어 장치의 유량 연산 제어 장치(CPa)와 빌드다운 모니터 유량의 연산 제어 장치(CPb)를 일체로 형성하는 구성으로 한 것을 특징으로 하는 빌드다운 방식 유량 모니터 장착 유량 제어 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    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 한 것을 특징으로 하는 빌드다운 방식 유량 모니터 장착 유량 제어 장치.
  10. 제 2 항에 있어서,
    상류측(AV)의 출구측과 압력식 유량 제어 장치(FCS)의 컨트롤 밸브 사이의 가스 통로의 내부에 봉편을 삽입 장착하여 가스 유통로의 통로 단면적을 변경하는 구성으로 한 것을 특징으로 하는 빌드다운 방식 모니터 장착 유량 제어 장치.
  11. 제 2 항에 있어서,
    상류측(AV)의 출구측과 압력식 유량 제어 장치(FCS)의 컨트롤 밸브 사이의 가스 통로 중에 적절한 내용적의 챔버를 개재하는 구성으로 한 것을 특징으로 하는 빌드다운 방식 유량 모니터 장착 유량 제어 장치.
  12. 제 2 항에 있어서,
    압력식 유량 제어 장치의 유량 연산 제어 장치(CPa)와 빌드다운 모니터 유량의 연산 제어 장치(CPb)를 일체로 형성하는 구성으로 한 것을 특징으로 하는 빌드다운 방식 유량 모니터 장착 유량 제어 장치.
  13. 제 9 항에 있어서,
    내통의 내부에 하방으로부터 상방을 향해서 가스가 유통되는 가스 통로를 형성하고, 내통의 상단면으로부터 내통과 외통의 간극 내로 가스를 유입시키는 구성으로 한 것을 특징으로 하는 빌드다운 방식 유량 모니터 장착 유량 제어 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    내통의 내부에 형성한 가스 통로를 내통의 중앙부에 형성한 세로로 긴 구멍과 그 내부에 삽입한 원기둥 형상 핀의 간극(G1)으로 하도록 한 것을 특징으로 하는 빌드다운 방식 유량 모니터 장착 유량 제어 장치.
  15. 제 9 항에 있어서,
    내통을 외주면에 나사를 형성한 내통으로 한 것을 특징으로 하는 빌드다운 방식 유량 모니터 장착 유량 제어 장치.
  16. 제 9 항에 있어서,
    내통을 내부에 가스가 유통하는 슬릿을 형성한 구성의 내통으로 한 것을 특징으로 하는 빌드다운 방식 유량 모니터 장착 유량 제어 장치.
  17. 제 9 항에 있어서,
    내통을 내부에 가스가 유통하는 필터 미디어를 설치한 구성으로 한 것을 특징으로 하는 빌드다운 방식 유량 모니터 장착 유량 제어 장치.
  18. 제 9 항에 있어서,
    내통을 필터 미디어 또는 다공질 세라믹재로 형성하는 구성으로 한 것을 특징으로 하는 빌드다운 방식 유량 모니터 장착 유량 제어 장치.
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