KR20190119099A - 압력식 유량 제어 장치 및 유량 제어 방법 - Google Patents

Abstract

압력식 유량 제어 장치는 스로틀부와, 스로틀부의 상류측에 설치된 컨트롤 밸브와, 스로틀부와 컨트롤 밸브 사이의 압력을 검출하는 상류 압력 센서와, 컨트롤 밸브 및 상류 압력 센서에 접속된 연산 처리 회로를 구비하고, 상류 압력 센서의 출력에 의거해서 컨트롤 밸브의 제어를 행함으로써 유량 제어하도록 구성되어 있으며, 연산 처리 회로는 스로틀부를 흐르는 유체의 유량을 저하시키기 위해서 컨트롤 밸브를 닫는 동작을 행할 때, 스로틀부로부터 가스가 유출할 때의 압력 강하 특성 데이터보다 완만한 지수함수를 목표값으로 하는 피드백 제어에 의해서 컨트롤 밸브를 닫는 동작을 행한다.

Description

압력식 유량 제어 장치 및 유량 제어 방법

본 발명은 압력식 유량 제어 장치 및 유량 제어 방법에 관한 것이고, 특히 소유량측으로의 제어 유량의 변경을 적절히 행하도록 구성된 압력식 유량 제어 장치 및 유량 제어 방법에 관한 것이다.

반도체 제조 장치나 화학 플랜트에 있어서, 원료 가스나 에칭 가스 등의 유체의 흐름을 제어하기 위한 다양한 타입의 유량계나 유량 제어 장치가 이용되고 있다. 이 중에서, 압력식 유량 제어 장치는, 예를 들면 피에조 소자 구동형의 컨트롤 밸브와 스로틀부(오리피스 플레이트나 임계 노즐)를 조합한 비교적 간단한 기구에 의해서 각종 유체의 유량을 고정밀도로 제어할 수 있다.

압력식 유량 제어 장치에는 임계 팽창 조건 P1/P2≥약 2(P1: 스로틀부 상류측의 가스 압력(상류 압력), P2: 스로틀부 하류측의 가스 압력(하류 압력))을 충족할 때, 유량은 하류 압력(P2)에 의하지 않고 상류 압력(P1)에 의해서 결정된다는 원리를 이용하여 유량 제어를 행하고 있는 것이 있다. 이 종류의 압력식 유량 제어 장치에서는 압력 센서와 컨트롤 밸브를 이용하여 상류 압력(P1)을 제어하는 것만으로, 스로틀부 하류측으로 흐르는 가스의 유량을 고정밀도로 제어할 수 있다. 또한, 스로틀부의 하류측에도 압력 센서를 설치하는 압력식 유량 제어 장치가 알려져 있다. 하류 압력 센서를 구비하는 경우, 상류 압력(P1)과 하류 압력(P2)의 차가 작아 임계 팽창 조건을 충족하지 않는 경우에도 유량을 산출할 수 있다.

일본 특허 공개 평5-241666호 공보 일본 특허 제3546153호

압력식 유량 제어 장치에서는 상류 압력 센서가 출력하는 상류 압력(P1)이 소망 유량에 적합한 압력값이 되도록 컨트롤 밸브를 피드백 제어함으로써 유량의 제어를 행한다.

그러나, 예를 들면 100% 유량으로부터 5% 유량 등으로 제어 유량을 소유량측으로 변경하는 경우, 상류 압력(P1)을 급속히 저하시키기 때문에 컨트롤 밸브가 폐지되고, 그 후에도 컨트롤 밸브의 폐지 상태가 계속되는 경우가 있는 것이 본 발명자에 의해서 밝혀졌다. 이와 같이, 컨트롤 밸브가 폐지 상태로 되어도 상류 압력(P1)이 목표 압력값보다 높은 상태가 계속되면 피드백 제어기에 의한 조작 신호가 밸브 닫힘 방향으로 계속해서 전이함에도 불구하고 조작 신호의 변화가 상류 압력(P1)에 아무런 영향을 주지 않는 상태가 발생한다. 이 때문에, 그 후에 소망 유량(예를 들면, 5% 유량)을 얻기 위해서 컨트롤 밸브를 다시 연다고 해도 컨트롤 밸브에의 조작 신호를 되돌리는데 시간적인 지연이 발생되어 피드백 제어기가 선형인 제어 대상에 대하여 본래 예상하는 것보다 큰 언더 슈트가 발생된다.

한편, 상류 압력(P1)의 급격한 변동을 회피하기 위해서 연속적으로 일정 속도로 유량 목표값을 전이시키도록 하고(램프 제어), 컨트롤 밸브를 일정 속도로 서서히 닫는 것이 고려된다. 그러나, 이 경우에 상기 언더 슈트를 방지하려고 하면 유량 목표값의 전이에 비교적 긴 시간을 요하게 되어 응답성이 악화된다는 문제가 있는 것이 밝혀졌다.

최근, 유량 제어 장치는, 예를 들면 ALD(Atomic Layer Deposition) 등에 적용하는 것이 요구되고, 이러한 용도에서는 고속의(주기가 매우 짧은) 펄스적인 가스 공급을 행할 필요가 있다. 따라서, 압력식 유량 제어 장치에 있어서도 양호한 응답성으로 유량을 제어하는 것이 요구되어 왔으며, 종래의 압력식 유량 제어 장치는 이러한 용도에의 적용이 어려운 경우가 있었다.

또한, 특허문헌 1에는 오버 슈트나 언더 슈트를 방지하기 위해서 최초에는 급속하게 밸브를 개폐하고, 도중에서부터는 천천히 밸브를 개폐하는 동작이 기재되어 있다. 단, 특허문헌 1은 압력식 유량 제어 장치와 같이 상류 압력(P1)에 의거해서 컨트롤 밸브를 제어하는 방식에 대해서는 언급되어 있지 않고, 압력식 유량 제어 장치에 있어서의 실제의 컨트롤 밸브의 제어를 어떻게 행할지를 개시하지 않는다.

본 발명은 상기 과제를 감안하여 이루어진 것이고, 언더 슈트의 발생을 억제 하면서 응답성좋게 유량 제어를 행하는 것이 가능한 압력식 유량 제어 장치 및 유량 제어 방법을 제공하는 것을 그 주된 목적으로 한다.

본 발명의 실시형태에 의한 압력식 유량 제어 장치는 스로틀부와, 상기 스로틀부의 상류측에 설치된 컨트롤 밸브와, 상기 스로틀부와 상기 컨트롤 밸브 사이의 압력을 검출하는 상류 압력 센서와, 상기 컨트롤 밸브 및 상기 상류 압력 센서에 접속된 연산 처리 회로를 구비하고, 상기 상류 압력 센서의 출력에 의거해서 상기 컨트롤 밸브의 제어를 행함으로써 유량 제어하도록 구성된 압력식 유량 제어 장치로서, 상기 연산 처리 회로는 상기 스로틀부를 흐르는 유체의 유량을 저하시키기 위해서 상기 컨트롤 밸브를 닫는 동작을 행할 때, 상기 스로틀부로부터 가스가 유출할 때의 압력 강하 특성 데이터보다 완만한 지수함수를 목표값으로 하는 피드백 제어에 의해서 상기 컨트롤 밸브를 닫는 동작을 행하도록 구성되어 있다.

소정 실시형태에 있어서, 상기 압력 강하 특성 데이터는 시간(t), 초기 압력(P₀)이라고 했을 때에 Y(t)=P₀·exp(-t/τ)로 나타내어지는 시정수(τ)의 지수함수적 감쇠를 나타내는 데이터이고, 상기 컨트롤 밸브를 닫는 동작은 P(t)=(P₀-P_x)·exp(-t/τ')+P_x에 따라서 저하되는 상류 압력의 상기 목표값(P(t))에 적합하도록 상기 컨트롤 밸브를 피드백 제어함으로써 실행되고, 여기서 P_x는 목표 수렴값이고, 상기 P(t)에 있어서의 시정수(τ')가 상기 Y(t)에 있어서의 시정수(τ)보다 크다.

소정 실시형태에 있어서, 상기 압력 강하 특성 데이터는 시간(t), 초기 압력(P₀)이라고 했을 때에 Y(t)=P₀·exp(-t/τ)으로 나타내어지는 시정수(τ)의 지수함수적 감쇠를 나타내는 데이터이고, 상기 컨트롤 밸브를 닫는 동작은 P(t)=max(P₀·exp(-t/τ'), P_x)에 따라서 저하되는 상류 압력의 상기 목표값(P(t))에 적합하도록 상기 컨트롤 밸브를 피드백 제어함으로써 실행되고, 여기서 P_x는 목표 수렴값이고, 상기 P(t)에 있어서의 시정수(τ')가 상기 Y(t)에 있어서의 시정수(τ)보다 크다.

소정 실시형태에 있어서, 상기 P(t)의 시정수(τ')로서 소정 시간까지의 시정수와 상기 소정 시간 후의 시정수에서 다른 값이 사용된다.

본 발명의 실시형태에 의한 유량 제어 방법은 스로틀부와, 상기 스로틀부의 상류측에 설치된 컨트롤 밸브와, 상기 스로틀부와 상기 컨트롤 밸브 사이의 압력을 검출하는 상류 압력 센서를 구비하는 압력식 유량 제어 장치에 있어서 행해지는 유량 제어 방법으로서, 상기 스로틀부로부터 가스가 유출할 때의 압력 강하 특성 데이터보다 완만한 지수함수에 따르도록 유량 목표값을 설정하는 스텝과, 설정된 유량 목표값에 따라서 상기 컨트롤 밸브를 피드백 제어함으로써 유량을 감소시키는 스텝을 포함한다.

본 발명의 실시형태에 의한 유량 제어 방법은 복수의 압력식 유량 제어 장치에 있어서 행해지는 유량 제어 방법으로서, 상기 복수의 압력식 유량 제어 장치의 각각은 스로틀부와, 상기 스로틀부의 상류측에 설치된 컨트롤 밸브와, 상기 스로틀부와 상기 컨트롤 밸브 사이의 압력을 검출하는 상류 압력 센서를 구비하고, 상기 유량 제어 방법에 의해서 유량 제어가 행해지도록 구성되어 있고, 상기 복수의 압력식 유량 제어 장치의 각각에서 측정한 압력 강하 특성 데이터를 비교하여 가장 완만한 압력 강하 특성 데이터를 판정하는 스텝과, 상기 가장 완만한 압력 강하 특성 데이터보다 완만한 지수함수에 따르는 공통의 유량 목표값을 이용하여 상기 복수의 압력식 유량 제어 장치의 각각의 유량을 저하시키는 스텝을 포함한다.

(발명의 효과)

본 발명의 실시형태에 의하면, 소유량측으로의 유량 변경시의 압력식 유량 제어 장치의 유량 제어 동작을 적절하게 행할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시형태에 의한 압력식 유량 제어 장치의 구성을 나타내는 모식도이다.
도 2는 (a)는 비교예에 있어서의 유량 목표 신호를 나타내고, (b)는 실시예에 있어서의 유량 목표 신호를 나타낸다.
도 3은 복수의 압력 강하 특성 데이터보다 완만하게 설정된 상류 압력 목표값을 나타내는 그래프이다.
도 4는 도 2(a) 및 (b)에 나타낸 방식에 의해서 제어 유량(설정 유량)을 100%로부터 5%로 변경했을 때의 실제의 유량의 변화를 나타내는 도면이다.
도 5는 시정수를 소정 시간으로 변경했을 때의 목표 압력의 변화를 나타내는 그래프이다.

이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시형태를 설명하지만, 본 발명은 이하의 실시형태에 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 실시형태에 의한 압력식 유량 제어 장치(8)의 구성을 나타내는 도면이다. 유량 제어 장치(8)는 유체(G)가 통과하는 유로(가스 공급로)(1)에 개재하는 스로틀부(2)(예를 들면, 오리피스 플레이트)와, 스로틀부(2)의 상류측에 설치된 상류 압력 센서(3) 및 온도 센서(5)와, 스로틀부(2)의 하류측에 설치된 하류 압력 센서(4)와, 상류 압력 센서(3)의 상류측에 설치된 컨트롤 밸브(6)를 구비하고 있다.

상류 압력 센서(3)는 컨트롤 밸브(6)와 스로틀부(2) 사이의 유체 압력인 상류 압력(P1)을 측정할 수 있고, 하류 압력 센서(4)는 스로틀부(2)와 하류 밸브(9) 사이의 유체 압력인 하류 압력(P2)을 측정할 수 있다.

유량 제어 장치(8)는 상류 압력 센서(3) 및 하류 압력 센서(4)의 출력 등에 의거해서 컨트롤 밸브(6)의 개폐 동작을 제어하는 연산 처리 회로(7)를 더 구비하고 있다. 연산 처리 회로(7)는 외부 제어 장치(12)로부터 수취한 설정 유량과, 상류 및 하류 압력 센서(3, 4)의 출력으로부터 연산에 의해 구한 연산 유량을 비교하여 연산 유량이 설정 유량에 가까워지도록 컨트롤 밸브(6)를 제어한다.

유량 제어 장치(8)는 도시하는 형태와는 달리, 하류 압력 센서(4)를 구비하고 있지 않아도 좋다. 이 경우, 연산 처리 회로(7)는 상류 압력 센서(3)의 출력 등에 의거해서 유량을 연산하도록 구성된다. 또한, 연산 처리 회로(7)는 적합한 형태에 있어서, 온도 센서(5)가 검출한 유체 온도에 의거해서 연산 유량을 보정하도록 구성되어 있다.

유량 제어 장치(8)는 컨트롤 밸브(6)의 상류측에 가스 공급 압력을 측정하기 위한 유입측 압력 센서(도시하지 않음)를 구비하고 있어도 좋다. 유입측 압력 센서는 접속된 가스 공급 장치(예를 들면, 원료 기화기)로부터 공급되는 가스의 압력을 측정할 수 있고, 가스 공급량 또는 가스 공급 압력을 제어하기 위해서 사용할 수 있다.

스로틀부(2)로서는 오리피스 플레이트 등의 오리피스 부재 외에 임계 노즐 또는 음속 노즐을 사용할 수도 있다. 오리피스 또는 노즐의 구경은, 예를 들면 10㎛~500㎛로 설정된다. 하류 밸브(9)로서는, 예를 들면 전자 밸브에 의해서 압축 공기의 공급이 제어되는 공지의 공기 구동 밸브(Air Operated Valve) 등을 이용할 수 있다. 또한, 오리피스 부재의 근방에 개폐 밸브를 배치한 구성을 갖는 오리피스 내장 밸브가 종래부터 알려져 있고, 오리피스 내장 밸브를 스로틀부(2) 및 하류 밸브(9)를 일체화한 구성으로 해서 유량 제어 장치(8)에 장착할 수도 있다.

유량 제어 장치(8)의 유로(1)는 배관에 의해서 구성되어 있어도 좋고, 금속제 블록에 형성된 유로 구멍에 의해서 구성되어 있어도 좋다. 상류 및 하류 압력 센서(3, 4)는, 예를 들면 규소 단결정의 센서 칩과 다이어프램을 내장하는 것이어도 좋다. 컨트롤 밸브(6)는, 예를 들면 금속제 다이어프램 밸브체를 포함하는 밸브기구를 압전 액츄에이터 등의 구동기구를 이용하여 개폐하도록 구성된 압전 소자 구동식 다이어프램 밸브여도 좋다.

유량 제어 장치(8)를 포함하는 유체 공급계에 있어서, 컨트롤 밸브(6)의 상류측은 재료 가스, 에칭 가스 또는 캐리어 가스 등의 가스 공급원에 접속되고, 스로틀부(2)의 하류측은 하류 밸브(9)를 통해서 반도체 제조 장치의 프로세스 챔버(10)에 접속된다. 프로세스 챔버(10)에는 진공 펌프(11)가 접속되어 있고, 전형적으로는 가스 공급시에 프로세스 챔버(10)의 내부가 진공 배기된다.

이상에 설명한 유량 제어 장치(8)는 압력식 유량 제어 장치이고, 임계 팽창 조건 P1/P2≥약 2(아르곤 가스의 경우)을 충족할 때, 유량은 상류 압력(P1)에 의해서 결정된다는 원리를 이용하여 유량 제어를 행하고 있다. 임계 팽창 조건을 충족할 때, 스로틀부(2)의 하류측의 유량(Q)은 Q=K₁·P1(K₁은 유체의 종류와 유체 온도에 의존하는 정수)에 의해서 주어지고, 유량(Q)은 상류 압력 센서(3)에 의해서 측정되는 상류 압력(P1)에 비례한다. 또한, 하류 압력 센서(4)를 구비하는 경우, 상류 압력(P1)과 하류 압력(P2)의 차가 작아 상기 임계 팽창 조건을 충족하지 않는 경우라도 유량을 산출할 수 있고, 각 압력 센서(3, 4)에 의해서 측정된 상류 압력(P1) 및 하류 압력(P2)에 의거해서 계산식 Q=K₂·P2^m(P1-P2)ⁿ(여기서, K₂는 유체의 종류와 유체 온도에 의존하는 정수, m, n은 실제의 유량을 바탕으로 도출되는 지수)으로부터 유량(Q)을 산출할 수 있다.

유량 제어를 행하기 위해서, 외부 제어 장치(12)에 있어서 설정된 설정 유량이 외부 제어 장치(12)로부터 연산 처리 회로(7)에 보내진다. 연산 처리 회로(7)는 상류 압력 센서(3)의 출력 등에 의거해서 임계 팽창 조건 또는 비임계 팽창 조건에 있어서의 유량 계산식을 이용하여 유량을 상기 Q=K₁·P1 또는 Q=K₂·P2^m(P1-P2)ⁿ으로부터 유량(Q)의 측정값인 연산 유량을 수시 산출하고, 스로틀부(2)를 통과하는 유체의 유량이 설정 유량에 가까워지도록(즉, 연산 유량과 설정 유량의 차가 0에 가까워지도록) 컨트롤 밸브(6)를 피드백 제어한다. 연산 유량은 외부 제어 장치(12)에 출력되고, 유량 출력값으로서 표시되어도 좋다.

연산 처리 회로(7)는 전형적으로는 유량 제어 장치(8)에 내장된 것이지만, 유량 제어 장치(8)의 외부에 설치된 것이어도 좋다. 연산 처리 회로(7)는 전형적으로는 CPU, ROM이나 RAM 등의 메모리(기억 장치)(M), A/D 컨버터 등을 내장하고 있으며, 후술하는 유량 제어 동작을 실행하도록 구성된 컴퓨터 프로그램을 포함하고 있어도 좋다. 연산 처리 회로(7)는 하드웨어 및 소프트웨어의 조합에 의해서 실현될 수 있다.

연산 처리 회로(7)는 컴퓨터 등의 외부 장치와 정보를 교환하기 위한 인터페이스를 구비하고 있어도 좋고, 이것에 의해 외부 장치로부터 ROM으로의 프로그램 및 데이터의 기록 등을 행할 수 있다. 연산 처리 회로(7)의 구성요소(CPU 등)는 모두가 장치 내에 일체적으로 형성되어 있을 필요는 없고, CPU 등의 일부 구성요소를 다른 장소(장치 외)에 배치하고, 버스에 의해 서로 접속하는 구성으로 해도 좋다. 그 때, 장치 내와 장치 외를 유선뿐만 아니라 무선으로 통신하도록 해도 좋다.

이하, 제어 유량을 소유량측으로 변경하는 경우(유량 저하시)에 있어서의 유량 제어 장치(8)의 동작을 설명한다. 이하, 설정 유량·연산 유량·목표 유량 등의 유량값은 모두 소정의 유량값을 100%로 한 비율로 표기한다. 또한, 임계 팽창 조건의 성립시에는 유량과 상류 압력이 비례하는 것을 가미하여 유량값이 100%일 때의 상류 압력을 100%로 해서 비율로 표기한다.

연산 처리 회로(7)는, 예를 들면 도 2(a) 및 (b)에 나타내는 설정 유량을 100%로부터 5%로 변화시키는 신호(실선으로 나타내는 외부 유량 설정 신호(A1))를 수취했을 때, 이것에 대응하여 유량을 저하시키기 위해서 파선으로 나타내는 유량 목표값(A2)(또는 상류 압력 목표값)을 설정하고, 피드백 제어에 의해 컨트롤 밸브(6)를 닫는 동작을 행한다. 컨트롤 밸브(6)의 구동 전압은 상류 압력 센서(3)의 출력으로부터 구해지는 연산 유량과, 설정된 유량 목표값(A2)의 차가 0이 되도록 수시 변동한다.

이 때, 본 실시형태의 연산 처리 회로(7)는 도 2(a)에 나타내는 비교예와 같이 램프 제어에 의해 유량 목표값(A2)을 저하시켜서 컨트롤 밸브(6)를 닫는 동작을 행하는 것은 아니고, 도 2(b)에 나타내는 실시예와 같이 소정의 지수함수에 따라서 유량 목표값(A2)을 저하시킴으로써, 즉 1차 지연 제어에 의해 컨트롤 밸브(6)를 닫는 동작을 행한다.

또한, 도 2(b)에 나타내는 유량 목표값(A2)에 이용하는 소정의 지수함수로서는 미리 측정에 의해서 얻어진 상류 압력(P1)의 압력 강하 특성 데이터(Y(t))와 비교해서 이것보다 완만한(즉, 기울기가 작은) 지수함수가 사용된다.

보다 구체적으로 설명하면, 압력 강하 특성 데이터(Y(t))가 초기 압력을 P₀으로 해서 Y(t)=P₀·exp(-t/τ)으로 나타내어지는 시정수(τ)의 지수함수에 의해서 주어지고 있을 때, 본 실시형태에서는, 예를 들면 P(t)=(P₀-P_x)·exp(-t/τ')+P_x(여기서, P_x는 유량 목표 수렴값에 대응하는 압력)에 따른 상류 압력 목표값(P(t))에 적합하도록 컨트롤 밸브(6)를 피드백 제어하고, 이 때의 P(t)에 있어서의 시정수(τ')가 Y(t)에 있어서의 시정수(τ)보다 커지도록, 즉 τ＜τ'로 설정한다. 이것은 피드백 제어기의 목표값 입력 단계에, 예를 들면 G(s)=1/(s+τ)로 나타내어지는 필터를 추가(여기서, s는 복소수이고, G(s)는 전달함수이다)한 것에 상당하고, 실장이 용이하다. 이것에 의해, 압력 강하 특성 데이터(Y(t))보다 완만하고 또한 고속으로 유량 목표 수렴값으로 수렴하는 함수로서 P(t)를 이용함으로써 유량 목표값를 언더 슈트를 억제하고 또한 고속으로 저하시킬 수 있다.

또한, 도 2(b)에 A3으로서 파선으로 나타내는 바와 같이, P₂(t)=max(P₀·exp(-t/τ'), Px)(단, τ＜τ')을 상류 압력의 목표값으로서 사용해도 좋다. 이 식을 이용한 경우, P₀·exp(-t/τ')와 P_x 중 큰 쪽이 목표값으로 설정되므로, 목표값이 P_x를 하회하는 일이 없고, 언더 슈트를 방지하면서 유량 상승시에 같은 식을 사용해도 불필요한 지연이 발생되지 않아 유량 목표 수렴값이 큰 경우라도 가장 응답이 빠른 제어를 실현할 수 있다.

여기서, 상기 압력 강하 특성 데이터(Y(t))에 대해서 설명한다. 압력 강하 특성 데이터는, 예를 들면 가스가 흐르고 있는 상태에서 컨트롤 밸브(6)를 급속히 닫았을 때에 발생되는 상류 압력(P1)의 강하 특성을 나타내는 데이터이다. 또한, 압력 강하 특성 데이터(Y(t))는 적합하게는 하류 압력(P2)이 상류 압력(P1)에 대하여 충분히 작은 상태로 유지되고, 임계 팽창 조건을 충족하는 범위 내에서 취득된 데이터이다. 임계 팽창 조건이 충족되고 있는 동안은 유량이 상류 압력에 비례하기 때문에, 상류 압력(P1)은 압력(0)을 향해서 지수 감쇠한다.

압력 강하 특성 데이터(Y(t))는, 예를 들면 초기 제어 압력이 100%인 상태에서 컨트롤 밸브를 닫고, 그 후 유량이 저하되는 과정에서 상류 압력 센서(3)를 이용하여 경과 시간에 대응하는 압력을 20점 측정하고, 시간의 함수로서 압력을 플롯함으로써 얻을 수 있다. 또한, 압력 강하 특성 데이터(Y(t))를 얻을 때의 초기 제어 압력은 100%에 한정되지 않고, 충분한 측정 샘플수를 얻는 것이 가능하면 100% 이하여도 좋다. 또한, 측정 샘플수에 대해서도 20점에 한정하지 않고, 충분한 정밀도가 얻어지는 것이면, 보다 적은 샘플수(예를 들면, 3점)여도 좋다. 물론, 20점을 초과하고 있어도 좋다.

압력식 유량 제어 장치(8)에서는 컨트롤 밸브(6)을 급속히 닫았을 경우에도 가스 유량이 순시에 0까지 저하되는 것은 아니고, 상류 압력(P1)의 저하를 수반하면서 감쇠하게 되어 유량이 저하된다. 이것은 컨트롤 밸브(6)와 스로틀부(2) 사이에 머무르고 있던 가스가 스로틀부(2)를 통해서 유출하기 때문에 스로틀부(2)의 특성의 영향을 받게 되어 유량이 저하되기 때문이다.

압력 강하 특성 데이터(Y(t))의 시정수(τ)는, 예를 들면 컨트롤 밸브(6)와 스로틀부(2) 사이의 유로 용적, 오리피스 단면적 등에 의존하여 결정되고, 상기와 같이 해서 컨트롤 밸브(6)를 닫았을 때의 상류 압력(P1)을 상류 압력 센서(3)를 이용하여 측정함으로써, 기기마다 얻는 것이 가능하다. 압력 강하 특성 데이터(Y(t))는 그 기기에 있어서의 최대 압력 감소 속도를 나타내는 데이터라고 생각할 수 있다.

이 때문에, 압력식 유량 제어 장치(8)에 있어서는 컨트롤 밸브(6)의 차단 속도를 어떻게 높였다 해도, 압력 강하 특성 데이터(Y(t))보다 급속히 유량 또는 상류 압력을 저하시키는 것은 불가능하다. 또한, 압력 강하 특성 데이터보다 급속히 저하되는 목표값을 설정했을 때에는 상류 압력(P1)을 저하시키려고 하여 컨트롤 밸브(6)의 폐지 상태가 계속되게 된다. 그리고, 이러한 무제어 상태(목표값이 압력 강하 특성 데이터를 하회하고 있기 때문에 컨트롤 밸브(6)가 폐지된 상태)가 계속되면 컨트롤 밸브(6)로의 피드백 제어기로부터의 지시값의 전압이 밸브 닫힘 방향으로 계속 전이됨에도 불구하고, 컨트롤 밸브(6)는 폐지 상태에서 변화가 없는 상황이 발생하고, 특히 저설정 유량에 있어서 언더 슈트가 발생하는 원인이 된다.

이상의 점을 고려하여, 본 실시형태에서는 소유량측으로의 유량 변경을 행할 때에는 압력 강하 특성 데이터(Y(t))와 비교해서, 이것보다 완만한 지수함수에 따르도록 유량 목표값(또는 상류 압력 목표값)(P(t))을 설정하고, 컨트롤 밸브(6)의 폐지 상태가 발생하지 않도록 하고 있다. 여기서, 완만이란 P(t₁)=Y(t₂)을 충족하는 t₁, t₂에 대해 |dP(t₁)/dt|＜|dY(t₂)/dt|을 충족하는 것을 의미한다. 이것에 의해서 언더 슈트의 발생을 억제할 수 있다.

또한, 상기와 같이 압력 강하 특성 데이터(Y(t))는 엄밀하게는 기기마다 다른 데이터이다. 단, 같은 설계(같은 컨트롤 밸브-스로틀부 간 용적, 같은 오리피스 지름)로 제작된 압력식 유량 제어 장치에서는 거의 같은 특성 데이터가 되는 것을 알 수 있다. 따라서, 동 설계의 압력식 유량 제어 장치에 대해서는 공통의 압력 강하 특성 데이터(Y(t))를 이용하는 것도 가능하다.

한편, 기기마다의 특성차를 흡수할 수 있는 마진을 확보하도록 압력 강하 특성 데이터(Y(t))에 대하여 충분히 완만한 지수함수를 목표값으로서 사용함으로써 복수의 동 설계 기기에 대하여 같은 지수함수 제어를 적용하는 것도 가능하다. 단, 마진을 많게 할수록 응답성이 저하되므로 상기 지수함수는 압력 강하 특성 데이터(Y(t))로부터 너무 괴리되지 않도록 설정되는 것이 바람직하다. 마진의 크기는 언더 슈트의 발생 상태나, 구해지는 응답성을 고려하여 적절히 선정되어도 좋지만, 상류 압력 목표값(P(t))의 시정수(τ')가 압력 강하 특성 데이터(Y(t))의 시정수(τ)에 대하여, 예를 들면 100~150%(보다 구체적으로는 105~130%)로 설정된다.

또한, 상기와 같이 복수의 압력식 유량 제어 장치에 대하여 같은 공통의 지수함수를 이용하는 경우, 각 압력식 유량 제어 장치에 있어서 압력 강하 특성 데이터(Y(t))를 미리 각각 취득해 두고, 얻어진 압력 강하 특성 데이터(Y(t)) 중 가장 완만한 압력 강하 특성 데이터(Y(t))를 기준으로 해서 공통의 목표값(P(t))을 설정 하도록 해도 좋다. 공통의 목표값(P(t))은 상기 가장 완만한 압력 강하 특성 데이터(Y(t))보다 완만한 지수함수로 설정되고, 복수의 압력식 유량 제어 장치의 전체에 대하여 압력 강하 특성 데이터(Y(t))보다 완만하게 설정된다. 따라서, 복수의 압력식 유량 제어 장치 모두에 있어서 공통의 목표값(P(t))이 지배적으로 되고, 언더 슈트의 발생이 방지됨과 아울러 장치 간의 응답성의 차를 없앨 수 있어 복수의 압력식 유량 제어 장치에 있어서 동등한 유량 제어를 행하는 것이 가능해진다.

도 3은, 복수의 압력 강하 특성 데이터(Y1(t), Y2(t))에 대하여 설정된 목표 압력(P(t))을 나타낸다. 도 3으로부터 보여지는 바와 같이, 가장 완만한 압력 강하 특성 데이터(Y2(t))보다 완만한 목표 상승 압력(P(t))으로 설정함으로써, 복수의 압력식 유량 제어 장치에 있어서 동등한 유량 제어를 행하는 것이 가능해진다. 또한, 도 3 중의 set로 나타내는 실선의 그래프는 외부 장치로부터 입력된 설정 신호를 나타낸다.

또한, 상기에는 동 설계의 압력식 유량 제어 장치에 대하여 공통의 목표값(P(t))을 이용하는 형태를 설명했지만, 예를 들면 오리피스 지름이 다른 복수의 압력식 유량 제어 장치나, 오리피스 지름이 다른 복수의 유로를 구비한 단일의 압력식 유량 제어 장치에 대하여 공통의 목표값(P(t))을 사용하여 유량 제어를 행해도 좋다. 이 경우에도, 가장 완만한 압력 강하 특성 데이터(Y(t))를 기준으로 해서, 이것보다 완만한 공통의 목표값(P(t))으로 설정하면 좋다. 이것에 의해, 언더 슈트의 발생을 방지하면서 동등한 압력 강하 특성에 따른 제어를 행하는 것이 가능해진다.

도 4는 도 2(a)에 나타낸 비교예와 같이 램프 제어에 의해 유량을 100%로부터 5%로 저하시켰을 때와, 도 2(b)에 나타낸 실시예와 같이 유량을 저하시켰을 때의 실제의 유량의 변화를 나타내는 도면이다. 도 4에 있어서, 실선(F0)은 외부 장치로부터 입력된 유량 설정 신호를 나타내고, 파선(F1)은 실시예에 따라서 유량을 저하시킨 경우를 나타내고, 일점 쇄선(F2)은 비교예에 따라서 유량을 저하시킨 경우를 나타낸다.

도 4의 파선(F1)으로부터 알 수 있는 바와 같이, 압력 강하 특성 데이터(Y(t))에 의거해서 설정된 지수함수적 유량 목표값을 이용하여 제어를 행함으로써 응답성이 양호한 상태에서 일점 쇄선(F2)에 나타내어지는 바와 같은 언더 슈트의 발생을 방지할 수 있다.

또한, 상기와 같이 압력 강하 특성 데이터(Y(t))보다 완만한 지수함수를 이용하여 유량 제어를 행함으로써, 동 설계의 압력식 유량 제어 장치에 있어서의 기기마다의 특성 차(기기 차)를 출현시키지 않고, 어느 기기에 있어서도 동등한 유량 저하 제어가 행해질 수 있다. 이것은 압력 강하 특성 데이터(Y(t))는 기기마다 다르게 되어 있고, 종래의 제어에서는 압력 강하 특성 데이터(Y(t))가 유량에 지배적으로 되어 유량 제어가 행해지고 있었기 때문에 기기 차가 출현하고 있던 것에 반하여, 본 실시형태에 의하면 유량 목표값의 지수함수가 유량에 지배적으로 되기 때문에 어느 기기에서도 동등한 유량 제어를 행하는 것이 가능하게 되었기 때문이다. 이와 같이, 본 실시형태에 의하면, 특히 소유량측으로의 유량 변경시의 응답 성의 기기 차를 억제하는 효과가 얻어지는 것도 밝혀졌다.

또한, 반도체 제조 장치의 프로세스 종료시(프로세스 챔버로의 가스 공급 정지시)나 메인터넌스 모드에 있어서 자기 진단 기능을 실행할 수 있도록 구성된 압력식 유량 제어 장치가 알려져 있으며, 자기 진단의 방법으로서는 컨트롤 밸브를 개방 상태로부터 폐쇄 상태로 변화시켰을 때의 압력 강하 특성을 이용하는 것이 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 2).

본 실시형태의 압력식 유량 제어 장치(8)도 자기 진단 기능이 구비되어 있어도 좋고, 이 자기 진단 기능을 이용하여 상류 압력(P1)의 측정에 의해 압력 강하 특성 데이터(Y(t))를 취득하고, 취득한 압력 강하 특성 데이터(Y(t))를 이용하여 이것보다 완만한 지수함수에 따르도록 저하 기간의 유량 목표값을 설정하도록 해도 좋다.

또한, 압력 강하 특성 데이터(Y(t))는 통상 플로우 팩터와 마찬가지로 가스의 종류마다 다른 것이다. 여기서, 플로우 팩터는 유체의 종류에 따라서 다른 가스 압력과 흐름 용이성의 관계를 나타내는 지표이다. 플로우 팩터가 작은 가스의 경우, 압력 강하 특성 데이터는 하측으로 벗어난다(즉, 압력 강하가 발생하기 쉽다). 따라서, 특정 가스(예를 들면, 질소 가스)에 의해 미리 측정된 압력 강하 특성 데이터를 이용하여 플로우 팩터를 고려한 대상 가스의 압력 강하 특성 데이터를 구함과 아울러 이것을 이용하여 대상 가스의 유량 목표값를 설정하도록 해도 좋다. 또한, 질소의 플로우 팩터를 1로 했을 때의 비플로우 팩터는, 예를 들면 Ar=약 0.887, He=약 2.81, H₂=약 3.74, O₂=약 0.935, N₂O=약 0.765, NH₃=1.236이고, 가스의 종류에 따라서 다양한 값을 취하는 것이 알려져 있다.

가스 종류마다의 유량 제어의 방법에 대해서는, 예를 들면 특허문헌 2에 기재된 바와 같이 해서 가스 종류마다 플로우 팩터를 사용하여 압력 강하 특성 데이터를 얻음과 아울러, 이것보다 완만한 지수함수에 따르도록 유량 목표값을 설정함으로써 임의의 가스종에 대하여 언더 슈트를 발생시키지 않는 적합한 유량 저하 동작을 행하는 것이 가능하다.

이상, 본 발명의 실시형태에 대해서 설명했지만 다양한 개변이 가능하다. 예를 들면, 목표 압력(P(t))의 시정수(τ')로서 소정 시간까지의 시정수와 소정 시간 후의 시정수에서 다른 값이 이용되어도 좋다. 이 때의 목표 압력(P(t))의 변화를 도 5에 나타낸다. 이 경우, 소정 시간(도 5에 나타내는 예에서는 200ms) 경과 후의 시정수를 비교적 크게 설정함으로써 높은 응답성을 유지한 상태에서 언더 슈트의 발생을 보다 효과적으로 방지할 수 있다.

(산업상 이용 가능성)

본 발명의 실시형태에 의한 압력식 유량 제어 장치 또는 유량 제어 방법에 의하면, 언더 슈트의 발생을 억제하면서 응답성좋게 유량을 저하시킬 수 있다. 또한, 소유량측으로의 유량 변경시의 응답성의 기기 차를 없앨 수 있다.

1 : 유로 2 : 스로틀부
3 : 상류 압력 센서 4 : 하류 압력 센서
5 : 온도 센서 6 : 컨트롤 밸브
7 : 연산 처리 회로 8 : 압력식 유량 제어 장치
9 : 하류 밸브 10 : 프로세스 챔버
11 : 진공 펌프 12 : 외부 제어 장치

Claims (6)

1. 스로틀부와, 상기 스로틀부의 상류측에 설치된 컨트롤 밸브와, 상기 스로틀부와 상기 컨트롤 밸브 사이의 압력을 검출하는 상류 압력 센서와, 상기 컨트롤 밸브 및 상기 상류 압력 센서에 접속된 연산 처리 회로를 구비하고, 상기 상류 압력 센서의 출력에 의거해서 상기 컨트롤 밸브의 제어를 행함으로써 유량 제어하도록 구성된 압력식 유량 제어 장치로서,
   상기 연산 처리 회로는 상기 스로틀부를 흐르는 유체의 유량을 저하시키기 위해서 상기 컨트롤 밸브를 닫는 동작을 행할 때, 상기 스로틀부로부터 가스가 유출할 때의 압력 강하 특성 데이터보다 완만한 지수함수를 목표값으로 하는 피드백 제어에 의해서 상기 컨트롤 밸브를 닫는 동작을 행하는 압력식 유량 제어 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 압력 강하 특성 데이터는 시간(t), 초기 압력(P₀)이라고 했을 때에 Y(t)=P₀·exp(-t/τ)으로 나타내어지는 시정수(τ)의 지수함수적 감쇠를 나타내는 데이터이고, 상기 컨트롤 밸브를 닫는 동작은 P(t)=(P₀-P_x)·exp(-t/τ')+P_x에 따라서 저하되는 상류 압력의 상기 목표값(P(t))에 적합하도록 상기 컨트롤 밸브를 피드백 제어함으로써 실행되고, 여기서 P_x는 목표 수렴값이고, 상기 P(t)에 있어서의 시정수(τ')가 상기 Y(t)에 있어서의 시정수(τ)보다 큰 압력식 유량 제어 장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 압력 강하 특성 데이터는 시간(t), 초기 압력(P₀)이라고 했을 때에 Y(t)=P₀·exp(-t/τ)으로 나타내어지는 시정수(τ)의 지수함수적 감쇠를 나타내는 데이터이고, 상기 컨트롤 밸브를 닫는 동작은 P(t)=max(P₀·exp(-t/τ'), P_x)에 따라서 저하되는 상류 압력의 상기 목표값(P(t))에 적합하도록 상기 컨트롤 밸브를 피드백 제어함으로써 실행되고, 여기서 P_x는 목표 수렴값이고, 상기 P(t)에 있어서의 시정수(τ')가 상기 Y(t)에 있어서의 시정수(τ)보다 큰 압력식 유량 제어 장치.
4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
   상기 P(t)의 시정수(τ')로서 소정 시간까지의 시정수와 상기 소정 시간 후의 시정수에서 다른 값이 사용되는 압력식 유량 제어 장치.
5. 스로틀부와, 상기 스로틀부 상류측에 설치된 컨트롤 밸브와, 상기 스로틀부와 상기 컨트롤 밸브 사이의 압력을 검출하는 상류 압력 센서를 구비하는 압력식 유량 제어 장치에 있어서 행해지는 유량 제어 방법으로서,
   상기 스로틀부로부터 가스가 유출될 때의 압력 강하 특성 데이터보다 완만한 지수함수에 따르도록 유량 목표값을 설정하는 스텝과,
   설정된 유량 목표값에 따라서 상기 컨트롤 밸브를 피드백 제어함으로써 유량을 저하시키는 스텝을 포함하는 유량 제어 방법.
6. 복수의 압력식 유량 제어 장치에 있어서 행해지는 유량 제어 방법으로서,
   상기 복수의 압력식 유량 제어 장치의 각각은 스로틀부와, 상기 스로틀부의 상류측에 설치된 컨트롤 밸브와, 상기 스로틀부와 상기 컨트롤 밸브 사이의 압력을 검출하는 상류 압력 센서를 구비하고, 제 5 항에 기재된 유량 제어 방법에 의해서 유량 제어가 행해지도록 구성되어 있고,
   상기 복수의 압력식 유량 제어 장치의 각각에서 측정한 압력 강하 특성 데이터를 비교해서 가장 완만한 압력 강하 특성 데이터를 판정하는 스텝과,
   상기 가장 완만한 압력 강하 특성 데이터보다 완만한 지수함수에 따르는 공통의 유량 목표값을 이용하여 상기 복수의 압력식 유량 제어 장치의 각각에서 유량을 저하시키는 스텝을 포함하는 유량 제어 방법.

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