KR20190134787A - 유체 제어 시스템 및 유량 측정 방법 - Google Patents

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Abstract

유체 제어 시스템(1)은 유량 제어기(10)의 하류측에 설치된 제 1 밸브(21)와, 제 1 밸브(21)의 하류측에 설치되고, 제 2 밸브(22)를 갖는 유량 측정 장치(30)와, 제 2 밸브(22)에 설치된 개폐 검출기(26)와, 제 1 밸브(21) 및 제 2 밸브(22)의 개폐 동작을 제어하는 제어부(25)를 구비하고 있고, 제어부(25)가 개폐 검출기(26)가 출력하는 신호에 따라서 제 1 밸브(21)의 개폐를 제어한다.

Description

유체 제어 시스템 및 유량 측정 방법
본 발명은 유체 제어 시스템 및 유량 측정 방법에 관한 것이고, 특히 유량 제어기의 하류측에 접속된 유량 측정 장치를 구비하는 유체 제어 시스템 및 이것을 이용한 유량 측정 방법에 관한 것이다.
반도체 제조 장치 등에 설치된 가스 공급 시스템은, 일반적으로 각 공급 가스종마다 설치한 유량 제어기를 통해서 다종류의 가스를 프로세스 챔버 등의 가스 사용 대상으로 스위칭하여 공급하도록 구성되어 있다.
유량 제어기의 운용에 있어서, 수시로 유량 정밀도의 확인이나 유량 교정을 행하는 것이 바람직하고, 유량 측정 방법으로서 빌드 업법이 유량 정밀도의 확인이나 유량 교정에 이용되는 경우가 있다. 빌드 업법은 이미 알려진 빌드 업 용량으로 흘러들어가는 단위시간당 유체의 양을 검출함으로써 유량을 측정하는 방법이다.
빌드 업법에서는 유량 제어기의 하류에 설치된 소정의 빌드 업 용량(V)으로 하류측의 밸브를 닫은 상태에서 가스를 흐르게 하고, 그 때의 압력 상승률(ΔP/Δt)과 온도(T)를 측정함으로써, 예를 들면 Q=22.4(ΔP/Δt)×V/RT(R은 기체 정수)로부터 유량(Q)을 연산에 의해 구할 수 있다.
특허문헌 1에는 빌드 업법에 의한 유량 측정의 일례가 개시되어 있다. 특허문헌 1에 기재된 가스 공급 장치에서는 복수의 가스 공급 라인이 설치되어 있고, 각 가스 공급 라인에 접속된 유량 제어기의 하류측의 개폐 밸브로부터 공통 가스 공급로에 설치된 개폐 밸브까지의 유로가 빌드 업 용량으로서 이용되고 있다. 또한, 특허문헌 2에는 빌드 다운법에 의한 유량 측정의 일례가 개시되어 있다.
일본 특허 공개 2006-337346호 공보 국제 공개 제2013/179550호
그러나, 특히 상기한 바와 같이 가스 유로를 빌드 업 용량으로서 이용하는 경우 등에 있어서, 기준 용적이 비교적 작아 압력 상승의 측정 시간이 비교적 짧음으로써 유량 측정의 측정 정밀도가 저하되는 경우가 있었다.
본 발명은 상기 과제를 감안하여 이루어진 것이고, 유량 측정을 보다 향상된 정밀도로 행할 수 있는 유체 제어 시스템을 제공하는 것을 그 주된 목적으로 한다.
본 발명의 실시형태에 의한 유체 제어 시스템은 유량 제어기의 하류측에 설치된 제 1 밸브와, 상기 제 1 밸브의 하류측에 설치되고, 제 2 밸브를 갖는 유량 측정 장치와, 상기 제 2 밸브에 설치된 개폐 검출기와, 상기 제 1 밸브 및 상기 제 2 밸브의 개폐 동작을 제어하는 제어부를 구비하고, 상기 개폐 검출기가 출력하는 신호에 따라서 상기 제 1 밸브의 개폐를 제어한다.
소정 실시형태에 있어서, 상기 제어부는 상기 개폐 검출기가 출력하는 신호에 의거해서 검지된 상기 제 2 밸브의 개폐에 의거해서, 상기 제 1 밸브로 출력하는 개폐 명령의 타이밍을 제어한다.
소정 실시형태에 있어서, 상기 유량 측정 장치는 상기 제 2 밸브의 상류측에 배치된 압력 센서를 더 갖고, 상기 제 2 밸브를 닫은 후의 유로 내의 압력 상승을 상기 압력 센서를 이용하여 측정하도록 구성되어 있고, 상기 압력 상승의 기점을 상기 개폐 검출기가 출력하는 신호에 의거해서 결정한다.
소정 실시형태에 있어서, 상기 유체 제어 시스템은 각각이 상기 유량 제어기 및 상기 제 1 밸브를 갖는 복수의 제 1 유로와, 상기 복수의 제 1 유로의 하류측에 공통으로 접속되고, 상기 유량 제어기에 의해서 유량이 제어된 유체를 사용 대상에 공급하기 위한 제 2 유로와, 상기 제 2 유로로부터 분기하도록 설치되고, 상기 유량 측정 장치를 갖는 제 3 유로를 포함한다.
소정 실시형태에 있어서, 상기 유량 제어기는 컨트롤 밸브와, 스로틀부와, 상기 스로틀부의 상류측의 압력을 측정하는 상류 압력 센서를 구비하는 압력식 유량 제어 장치이다.
본 발명의 실시형태에 의한 유량 측정 방법은 유량 제어기의 하류측에 설치된 제 1 밸브와, 상기 제 1 밸브의 하류측에 설치되고, 압력 센서, 온도 센서 및 제 2 밸브를 갖는 유량 측정 장치와, 상기 제 2 밸브에 설치된 개폐 검출기와, 상기 제 1 밸브 및 상기 제 2 밸브의 개폐 동작을 제어하는 제어부를 구비하는 유체 제어 시스템에 있어서 행해지는 유량 측정 방법으로서, 상기 제 1 밸브와 상기 제 2 밸브를 열어서 가스를 흐르게 하고, 가스가 흐르고 있는 상태에서 상기 제 2 밸브를 닫고, 상기 제 2 밸브를 닫은 후, 빌드 업 시간이 경과한 후에 상기 제 1 밸브를 닫고, 상기 제 1 밸브를 닫은 후의 압력 및 온도를 상기 압력 센서 및 상기 온도 센서를 이용하여 측정하는 제 1 공정과, 상기 제 1 밸브와 상기 제 2 밸브를 열어서 가스를 흐르게 하고, 가스가 흐르고 있는 상태에서 상기 제 1 밸브와 상기 제 2 밸브를 동시에 닫고, 상기 제 1 밸브 및 상기 제 2 밸브를 닫은 후의 압력 및 온도를 상기 압력 센서 및 상기 온도 센서를 이용하여 측정하는 제 2 공정와, 상기 제 1 공정에서 측정한 압력 및 온도와, 상기 제 2 공정에서 측정한 압력 및 온도에 의거해서 유량을 연산하는 제 3 공정을 포함하고, 상기 제 1 공정에 있어서 상기 제 2 밸브가 닫힌 시점을 상기 개폐 검출기로부터의 출력에 의거해서 판단하고, 상기 제 2 공정에 있어서 상기 제 1 밸브와 상기 제 2 밸브를 동시에 닫는 동작을 행할 때, 상기 개폐 검출기가 출력하는 신호에 따라서 상기 제 1 밸브로 출력하는 개폐 명령의 타이밍을 제어한다.
소정 실시형태에 있어서, 상기 제 3 공정은 상기 제 1 공정에서 측정한 압력(PA) 및 온도(TA)와, 상기 제 2 공정에서 측정한 압력(PB) 및 온도(TB)를 이용하여 Q=22.4·Vs·(PA/TA-PB/TB)/(R·Δt)(여기서, Vs는 빌드 업 용량, R은 기체 정수, Δt는 상기 제 1 공정에 있어서 상기 제 2 밸브를 닫고나서 상기 제 1 밸브를 닫을 때까지의 상기 빌드 업 시간)에 따라서 유량(Q)을 연산하는 공정을 포함한다.
본 발명의 실시형태에 의하면, 유량 측정을 적절하게 행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 의한 유체 제어 시스템을 나타내는 모식도이다.　
도 2는 본 발명의 실시형태에 있어서 사용되는 압력식 유량 제어 장치의 예시적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 비교형태에 있어서의 유량 측정의 밸브 동작 시퀀스 등을 나타내는 도면이다.　
도 4는 실시형태에 있어서의 유량 측정의 밸브 동작 시퀀스 등을 나타내는 도면이다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시형태를 설명하지만, 본 발명은 이하의 실시형태에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 의한 유체 제어 시스템(1)을 나타낸다. 유체 제어 시스템(1)은 가스 공급원(4)으로부터의 가스를 반도체 제조 장치의 프로세스 챔버(2) 등의 가스 사용 대상으로 제어된 유량으로 공급할 수 있도록 구성되어 있다.
유체 제어 시스템(1)은 각각 다른 가스 공급원(4)에 접속된 복수의 제 1 유로(L1)와, 그 하류측의 제 2 유로(L2) 및 제 3 유로(L3)를 갖고 있다. 제 1 유로(L1)의 각각에는 유량 제어기(10)와, 유량 제어기(10)의 하류측에 설치된 제 1 밸브(21)가 설치되어 있다. 각 제 1 유로(L1) 및 각각에 설치된 유량 제어기(10) 및 제 1 밸브(21)는 일체로서 하나의 유량 제어 유닛(가스 박스) 내에 설치되어 있어도 좋다.
제 1 유로(L1)의 하류측에는 유량 제어기(10)에 의해서 제어된 유량의 가스를 프로세스 챔버(2)에 공급하기 위한 제 2 유로(L2)가 접속되어 있다. 제 2 유로(L2)는 복수의 제 1 유로(L1)에 대하여 공통으로 설치되어 있고, 어느 것의 제 1 유로(L1)로부터의 가스도 제 2 유로(L2)를 통해서 프로세스 챔버(2)에 공급된다.
제 2 유로(L2)에 설치된 프로세스 챔버(2)에는 진공 펌프(3)가 접속되어 있고, 가스 공급원(4)으로부터의 가스는 전형적으로는 진공 펌프(3)를 동작시켜 유로가 감압된 상태에서 유량 제어기(10)를 통해서 프로세스 챔버(2)로 공급된다. 또한, 제 2 유로(L2)에는 차단 밸브(5)가 설치되어 있어 필요에 따라서 프로세스 챔버(2)로의 가스의 흐름을 차단할 수 있다.
또한, 제 1 유로(L1)의 하류측에 있어서 제 2 유로(L2)로부터 분기하도록 해서 제 3 유로(L3)가 설치되어 있다. 제 3 유로(L3)도 제 2 유로(L2)와 마찬가지로 복수의 제 1 유로(L1)에 대하여 공통으로 설치되어 있다.
제 3 유로(L3)에는 상류측의 차단 밸브(6)와 유량 측정 장치(30)가 설치되어 있고, 유량 측정 장치(30)의 하류측은 진공 펌프(31)에 접속되어 있다. 본 실시형태의 유체 제어 시스템(1)에서는 제 2 유로(L2)의 차단 밸브(5)를 닫음과 아울러 제 3 유로(L3)의 차단 밸브(6)를 연 상태에서 제 3 유로(L3)의 유량 측정 장치(30)에 선택적으로 가스를 유통시킴으로써 유량 측정을 행할 수 있다.
본 실시형태의 유체 제어 시스템(1)에 있어서, 제 1 유로(L1)에 설치된 각 유량 제어기(10)는 도 2에 나타내는 바와 같은 압력식 유량 제어 장치(10a)여도 좋다. 압력식 유량 제어 장치(10a)는 미세 개구(오리피스)를 갖는 스로틀부(11)와, 스로틀부(11)의 상류측에 설치된 컨트롤 밸브(14)(밸브(14a) 및 그 구동부(14b)) 와, 스로틀부(11)와 컨트롤 밸브(14) 사이에 설치된 압력 센서(상류 압력 센서)(12) 및 온도 센서(13)를 구비하고 있다. 스로틀부(11)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. 또한, 컨트롤 밸브(14)로서는, 예를 들면 금속제 다이어프램 밸브(밸브(14a))를 피에조 액추에이터(구동부(14b))에 의해서 구동하는 피에조 소자 구동형 컨트롤 밸브를 사용할 수 있다.
압력 센서(12) 및 온도 센서(13)는 AD 컨버터를 통해서 제어 회로(16)에 접속되어 있다. 제어 회로(16)는 컨트롤 밸브(14)의 구동부(14b)에도 접속되어 있고, 압력 센서(12) 및 온도 센서(13)의 출력 등에 의거해서 제어 신호를 생성하고,이 제어 신호에 의해서 컨트롤 밸브(14)의 동작을 제어한다. 본 실시형태에서는 제어 회로(16)는 각 압력식 유량 제어 장치(10a)에 설치되어 있지만, 다른 형태에 있어서 복수의 압력식 유량 제어 장치(10a)에 대하여 공통의 제어 회로(16)가 외부에 설치되어 있어도 좋다. 또한, AD 컨버터는 제어 회로(16)에 내장된 것이어도 좋다.
압력식 유량 제어 장치(10a)는 임계 팽창 조건 PU/PD≥약 2(단, PU: 스로틀부 상류측의 가스 압력(상류 압력), PD: 스로틀부 하류측의 가스 압력(하류 압력)이고, 약 2는 질소 가스의 경우)를 충족할 때, 스로틀부를 통과하는 가스의 유속은 음속으로 고정되고, 유량은 하류 압력(PD)에 의하지 않고, 상류 압력(PU)에 의해서 결정된다고 하는 원리를 이용하여 유량 제어가 행해진다. 임계 팽창 조건을 충족할 때, 스로틀부 하류측의 유량(Q)은 Q=K1·PU(K1은 유체의 종류와 유체 온도에 의존하는 정수)에 의해서 주어지고, 유량(Q)은 상류 압력 센서(12)에 의해서 측정되는 상류 압력(PU)에 비례한다. 또한, 다른 형태에 있어서 스로틀부(11)의 하류측에 하류 압력 센서(도시하지 않음)를 구비하는 경우, 상류 압력(PU)과 하류 압력(PD)의 차가 작아 임계 팽창 조건을 충족하지 않는 경우라도 유량을 산출할 수 있고, 각 압력 센서에 의해서 측정된 상류 압력(PU) 및 하류 압력(PD)에 의거해서 소정의 계산식 Q=K2·PD m(PU-PD)n(여기서, K2는 유체의 종류와 유체 온도에 의존하는 정수, m, n은 실제의 유량을 바탕으로 도출된 지수)으로부터 유량(Q)을 산출할 수 있다.
유량 제어를 행하기 위해서, 설정 유량이 제어 회로(16)에 입력되고, 제어 회로(16)는 압력 센서(12)의 출력(상류 압력(PU)) 등에 의거해서, 상기 Q=K1·PU 또는 Q=K2·PD m(PU-PD)n으로부터 유량을 연산에 의해 구하고, 이 유량이 입력된 목표 유량에 가까워지도록 컨트롤 밸브(14)를 피드백 제어한다. 연산에 의해 구해진 유량은 유량 출력값으로서 표시되어도 좋다.
단, 본 실시형태의 유체 제어 시스템(1)에 있어서 유량 제어기(10)로서 사용되는 것은 이러한 타입의 압력식 유량 제어 장치(10a)에 한정되는 것은 아니고, 예를 들면 열식 유량 제어 장치나 기타 타입의 유량 제어 장치여도 좋다.
다시, 도 1을 참조한다. 상술한 바와 같이, 제 3 유로(L3)에는 유량 측정 장치(30)가 설치되어 있다. 유량 측정 장치(30)는 프로세스 챔버(2)로 통하는 제 2 유로(L2)로부터 분기된 제 3 유로(L3)에 배치되어 있지만, 다른 형태에 있어서 제 2 유로(L2) 도중에 개재하도록 배치되어 있어도 좋다. 또한, 유량 측정 장치(30)의 하류측에 설치된 진공 펌프(31)는 제 2 유로(L2)의 하류측에 설치된 진공 펌프(3)가 겸용하고 있어도 좋다. 유량 측정 장치(30)는 유량 제어기(10)의 하류측에 연통하도록 설치되어 있는 한, 다양한 형태로 배치될 수 있다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 유량 측정 장치(30)는 제 2 밸브(22)와, 압력 센서(23) 및 온도 센서(24)를 구비하고 있다. 압력 센서(23) 및 온도 센서(24)는 제 2 밸브(22)의 상류측 근방에 설치되어 있고, 제 1 밸브(21)와 제 2 밸브(22) 사이의 유로의 압력 및 온도를 측정할 수 있다.
유량 측정 장치(30)는 제 2 밸브(22)의 실제의 개폐 동작을 검출하기 위한 개폐 검출기(26)를 더 갖고 있다. 개폐 검출기(26)로서는 제 2 밸브(22)의 밸브체의 이동을 검출할 수 있는 위치 센서 등의 각종 센서를 사용할 수 있다. 또한, 제 2 밸브(22)로서 후술하는 AOV를 이용하는 경우, 밸브체와 연동하여 움직이는 피스톤의 위치를 측정하는 변위계나, 스템의 상하동을 검지하는 리미트 스위치 등을 개폐 검출기(26)로서 사용할 수 있다. 개폐 검출기(26)는 제 2 밸브(22)의 실제의 개폐 상태를 즉좌로 검지할 수 있는 것인 한, 다양한 형태로 설치되어 있어도 좋다.
또한, 유체 제어 시스템(1)은 제어부(25)를 구비하고, 유량 측정 장치(30)의 압력 센서(23) 및 온도 센서(24)로부터의 출력 신호 및 개폐 검출기(26)로부터의 출력 신호가 제어부(25)에 입력된다. 제어부(25)는 압력 센서(23), 온도 센서(24), 제 2 밸브(22)와 함께 일체적으로 설치되어 있어도 좋고, 외부에 설치된 처리 장치여도 좋다.
본 실시형태에서는, 제어부(25)는 제 1 밸브(21) 및 제 2 밸브(22)의 동작을 제어할 수 있도록 이들에 접속되어 있다. 단, 다른 형태에 있어서 제 1 밸브(21) 및 제 2 밸브(22)의 동작은 제어부(25)와는 별도로 설치된 제어부에서 제어되어도 좋다.
제어부(25)는, 전형적으로는 CPU, ROM이나 RAM 등의 메모리(기억 장치)(M), A/D 컨버터 등의 일부 또는 전부를 내장하고 있고, 후술하는 유량 측정 동작을 실행하도록 구성된 컴퓨터 프로그램을 포함하고 있어도 좋고, 하드웨어 및 소프트웨어의 조합에 의해서 실현될 수 있다. 제어부(25)는, 컴퓨터 등의 외부 장치와 정보를 교환하기 위한 인터페이스를 구비하고 있어도 좋고, 이것에 의해 외부 장치로부터 ROM으로의 프로그램 및 데이터의 쓰기 등을 행할 수 있다.
제 1 밸브(21), 제 2 밸브(22)로서는 개폐 밸브(차단 밸브)가 사용되고, 예를 들면 AOV(Air Operated Valve) 등의 유체 구동 밸브나 전자 밸브, 전동 밸브 등의 전기적 동작 밸브가 사용된다. 다른 형태에 있어서, 제 1 밸브(21)는 유량 제어기(10)에 내장된 것이어도 좋다.
단, 본 실시형태에 있어서는 제 1 밸브(21)와 제 2 밸브(22)로 다른 타입의 것이 이용되고 있고, 보다 구체적으로는 제 1 밸브(21)로서 보다 소형의 밸브가 사용되고, 제 2 밸브(22)로서 보다 대형의 밸브(예를 들면, 3/8인치 밸브)가 사용되고 있다. 그 결과, 제 2 밸브(22)의 응답성은 제 1 밸브(21)의 응답성보다 낮아지고 있다.
또한, 제 1 밸브(21) 및 제 2 밸브(22)로서 AOV가 사용되고 있는 경우, AOV의 설계에 따라서도 밸브의 응답성에 차가 생긴다. AOV는, 예를 들면 유로에 개재하는 밸브체를 포함하는 밸브기구와, 밸브기구에 접속된 압공 라인 튜브를 구비하고 있고, 압공 라인 튜브에 콤프레서로부터 레귤레이터 등을 통해서 압축 공기를 보냄으로써 밸브를 닫을 수 있다.
AOV를 사용하는 경우, 밸브기구에 공급하는 공기의 공급압(동작압)에 의해서 밸브의 구동 속도에 차가 생기는 경우가 있고, 이것에 의해서 제 1 밸브(21)와 제 2 밸브(22)에서 응답성에 차가 생기는 경우가 있다. 또한, AOV에서는 압공 라인 튜브의 길이에 따라서도 응답성이 변화하고, 튜브가 긴만큼 응답성이 저하된다.
이 때문에, 예를 들면 제 1 밸브(21)와 제 2 밸브(22)에 동시에 닫힘 명령을 내렸다고 해도, 실제로는 제 1 밸브(21)가 제 2 밸브(22)보다 빨리 닫히는 경우가 있다. 또한, 응답성이 낮은 제 2 밸브(22)를 사용하고 있을 때에는 닫힘 명령이 내려졌을 때로부터 지연되어 제 2 밸브(22)가 실제로 닫힌다. 이 때문에, 닫힘 명령이 내려졌을 때를 제 2 밸브(22)가 닫힌 시각으로 간주하면 시간적인 오차가 생기고, 이것이 원인으로 유량 측정 정밀도가 저하될 우려가 있다.
그래서, 본 실시형태의 유체 제어 시스템(1)에서는 개폐 검출기(26)가 출력하는 신호에 의거해서 제 2 밸브(22)의 실제의 개폐를 검지하도록 하고, 보다 정확하게 제 2 밸브(22)의 개폐시를 특정할 수 있도록 하고 있다. 이것에 의해, 이하에 설명하는 바와 같이, 예를 들면 빌드 업법에 의해서 유량 측정을 행할 때에 종래보다 향상된 정밀도로 유량 측정을 행하는 것이 가능해진다.
이하, 본 실시형태에 있어서의 빌드 업법에 의한 유량 측정 방법을 구체적으로 설명한다.
본 유량 측정 방법에 있어서는, 제 1 밸브(21)와 제 2 밸브(22) 사이의 유로(도 1에 있어서 굵은 선으로 나타내는 부분)를 빌드 업 용량 20(체적: Vs)으로서 사용할 수 있다. 이와 같이, 별도로 빌드 업 탱크를 설치하지 않고 유로의 일부를 빌드 업 용량으로서 이용함으로써 유량 측정 장치(30)의 소형화·저비용화를 실현할 수 있음과 아울러 단시간에 유량 측정을 행할 수 있다고 하는 이점이 얻어진다.
또한, 유량 제어기(10)는 유체 제어 시스템(1)에 장착된 후에 유량 제어 특성이 변화되거나, 또한 장년의 사용에 의해 스로틀부의 형상이 변화되어 상류 압력과 유량의 관계성이 변화되는 경우가 있다. 이것에 대하여, 유체 제어 시스템(1)에 의하면, 유량 측정 장치(30)를 이용하여 빌드 업법에 의해 임의의 시점에서 향상된 정밀도로 유량을 측정할 수 있으므로, 유량 제어기(10)의 정밀도를 장기에 걸쳐서 보증할 수 있다.
도 3 및 도 4는 빌드 업법에 의한 유량 측정시의 밸브 동작 시퀀스(제 1 밸브(21) 및 제 2 밸브(22)의 개폐 타이밍) 및 유량 측정 장치(30)의 압력 센서(23)가 출력하는 압력(P)의 예시적인 일형태를 나타내는 도면이다. 도 3은 개폐 검출기(26)를 갖지 않는 경우의 비교형태를 나타내고, 도 4는 개폐 검출기(26)를 이용 하는 경우의 실시형태를 나타내고 있다.
도 3의 비교형태 및 도 4의 실시형태에 나타내는 바와 같이, 유량 측정은 예를 들면, 제 1 밸브(21) 및 제 2 밸브(22)가 닫힌 상태에서 개시된다. 이 때, 도 1에 나타낸 제 2 유로(L2)의 차단 밸브(5)는 닫히고, 제 3 유로의 차단 밸브(6)는 열려 있고, 제 1 유로(L1)로부터의 가스가 제 3 유로(L3)에 선택적으로 흐르는 상태로 되어 있다.
이어서, 유량 측정을 행하는 대상의 제 1 유로(L1)에 있어서 유량 제어기(10)의 설정 유량을 임의의 것(예를 들면, 최대 유량을 100%로 했을 때의 50% 유량 등)으로 설정함과 아울러, 시각(t1)에 있어서 대응하는 제 1 밸브(21)를 연다. 또한, 유량 측정을 행하는 대상 이외의 제 1 유로(L1)의 제 1 밸브(21)는 닫힌 상태인 채 유지되어 있고, 본 실시형태에서는 한번에 하나의 제 1 유로(L1)에 대해서 유량 측정이 행해진다.
또한, 시각(t1)에서는 제 2 밸브(22)에도 열림 명령이 내려지고, 이것에 의해서 제 2 유로(L2)에 가스가 설정 유량으로 흐른다. 이 때, 압력 센서(23)의 측정 압력(P)은 설정 유량에 따른 크기의 압력(Px)이 된다.
단, 이 때 도 3 및 도 4에 나타내는 바와 같이, 제 2 밸브(22)의 응답성이 낮기 때문에, 실제로는 제 1 밸브(21) 및 제 2 밸브(22)에 대하여 시각(t1)에 열림 명령이 내려졌다고 해도, 이 시각(t1)으로부터 약간 늦게 제 2 밸브(22)가 열리게 된다. 또한, 본 비교형태 및 본 실시형태에서는 제 1 밸브(21)로서 개폐 명령으로부터 거의 지연없이 개폐할 수 있는 밸브가 사용되고 있다.
또한, 상기에는 유량 측정의 개시시에 제 1 밸브(21) 및 제 2 밸브(22)가 닫혀 있는 예를 설명했지만, 이것에 한정되지 않는다. 유량 제어된 가스를 흐르게 하고 있는 상태에서 유량 측정을 행하는 경우 등, 다른 형태에 있어서는 제 1 밸브(21) 및 제 2 밸브(22)가 열린 상태(시각(t1) 후)에서 유량 측정을 개시하는 경우도 있다.
이어서, 시각(t2)에 있어서 설정 유량으로 제 3 유로(L3)에 가스가 흐르고 있는 상태에서 제 1 밸브(21)와 제 2 밸브(22)가 동시에 닫혀진다. 이것은 본원 출원인에 의해서 출원된 PCT/JP2018/4325에 개시되어 있는 바와 같이, 가스의 흐름이 생기지 않는 상태(가스 밀봉 상태)에서 가스량 또는 가스 압력을 측정하고, 빌드 업법에 의해 구하는 측정 유량을 보정하기 위함이다. 이와 같은 보정을 행함으로써, 측정 오차의 라인 의존성을 저감하고, 빌드 업시에 흘러 들어간 실제의 가스 유량을 보다 정확하게 구할 수 있고, 보다 정확한 유량 측정을 행하는 것이 가능해진다.
상기 가스 밀봉 상태를 얻기 위해서, 전형적으로는 제 1 밸브(21)와 제 2 밸브(22)에 대하여 동시에 닫힘 명령이 내려진다. 그러나, 실제로는 제 2 밸브(22)가 늦게 닫히고, 시각(t2)으로부터 α만큼 늦은 시각(t2')에 닫히게 된다.
이 때문에, 도 3에 나타내는 비교형태에 있어서는 제 1 밸브(21)와 제 2 밸브(22)가 동시에 닫혔을 때의 이상 압력 추이(X1)(파선으로 나타내는 그래프)로부터 실제의 압력 추이(X2)(실선으로 나타내는 그래프)가 벗어나고, 압력 센서(23)에 의해서 측정되는 밀봉시 압력(PB)은 보다 낮은 값이 된다. 이것은 제 2 밸브(22)의 닫힘 동작이 늦어짐으로써 제 1 밸브(21) 폐지 후에도 가스의 유출이 발생하고, 그 후의 가스 밀봉 상태에서의 압력(PB)이 저하되기 때문이다. 또한, 가스 밀봉 상태에서 온도 센서(24)에 의해 측정되는 온도(TB)도 제 2 밸브(22)의 동작 지연에 의해서 이상적인 측정 온도로부터 벗어날 가능성이 있다.
한편, 도 4에 나타내는 실시형태에 있어서는 시각(t2)에 닫힘 명령이 내려졌을 때, 제 2 밸브(22)가 실제로 닫힌 것을 개폐 검출기(26)(도 1 참조)의 출력 신호에 의거해서 검지하고, 검지한 닫힘 상태에 의거해서 제 1 밸브(21)로의 닫힘 명령의 타이밍을 조정한다. 보다 구체적으로는, 본 실시형태에서는 제 1 밸브(21)의 응답성이 높으므로, 개폐 검출기(26)가 제 2 밸브(22)의 닫힘 상태를 검지했을 때에, 제 1 밸브(21)로의 닫힘 명령을 출력하도록 하고 있다. 이렇게 하면, 제 2 밸브(22)의 응답성이 낮은 경우에도 제 1 밸브(21)와 제 2 밸브(22)의 닫힘 타이밍을 동기시켜 쌍방을 거의 동시에 닫는 것이 가능해진다. 따라서, 도 4에 실선으로 나타내는 실제의 압력 추이(X2)가 이상 압력 추이와 동일하게 되어 밀봉시 압력(PB)을 양호한 정밀도로 측정할 수 있다.
또한, 상기에는 개폐 검출기(26)가 제 2 밸브(22)의 닫힘 상태를 검지했을 때에, 제 1 밸브(21)로의 닫힘 명령을 출력하는 형태를 설명했지만, 이것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 개폐 검출기(26)가 제 2 밸브(22)의 개폐도를 연속적으로 검출할 수 있을 때에는 제 2 밸브(22)가 닫기 직전의 상태를 검출했을 때에, 제 1 밸브(21)로 닫힘 명령을 출력하도록 해도 좋다. 이것에 의해, 제 1 밸브(21)가 닫힘 명령으로부터 약간 늦게 닫히는 경우에도 제 1 밸브(21)와 제 2 밸브(22)가 닫히는 타이밍을 동기시키는 것이 가능해진다. 제 1 밸브(21)로 닫힘 명령을 내리는 타이밍은 제 1 밸브(21) 및 제 2 밸브(22)의 응답성을 고려하여 임의로 조정될 수 있다.
이상과 같이 해서, 설정 유량에서의 밀봉 상태에 있어서의 압력 및 온도(PB, TB)를 측정한 후, 도 3 및 도 4에 나타내는 바와 같이 제 1 밸브(21) 및 제 2 밸브(22)를 열어서 다시 설정 유량으로 제 3 유로(L3) 및 유량 측정 장치(30)에 가스를 흐르게 하는 정상류 상태로 한다.
그 후, 시각(t4)에 있어서, 제 1 밸브(21)의 열림 상태를 유지한 채 제 2 밸브(22)만으로 닫힘 명령을 내린다. 이것에 의해, 빌드 업 용량 내에 가스가 모여서 내부의 압력(P)이 상승한다. 그리고, 압력 센서(23)에 의해서 측정한 압력(P)이 소정의 압력(PA)에 도달했을 때에 빌드 업이 완료된 것으로 판단하고, 제 1 밸브(21)도 닫아서 가스 유입 후의 밀봉 상태로 한다. 소정의 압력(PA)은 빌드 업 용량의 용적이나, 설정 유량 등에 의거해서 미리 임의로 설정해 둘 수 있다. 또한, 제 1 밸브(21)를 닫는 타이밍(빌드 업 종료 타이밍)은 제 2 밸브(22)를 닫고나서 미리 설정된 소정 시간이 경과되었을 때여도 좋다.
제 1 밸브(21)를 닫아서 밀봉 상태로 한 후, 상승 후의 압력 및 온도(PA, TA)를 압력 센서(23) 및 온도 센서(24)를 이용하여 측정한다. 또한, 압력(PA) 및 온도(TA)는 빌드 업 후의 밀봉 상태에 있어서 가스의 유입이 안정된 상태에서 측정하는 것이 바람직한 경우가 있다. 이것은 제 1 밸브(21)를 닫은 직후에는 단열 압축의 영향에 의해 온도가 일시적으로 상승하고 있을 가능성이 있기 때문이다. 따라서, 제 1 밸브(21)를 닫고서 소정 시간 경과 후의 가스 안정 상태에 있어서 빌드 업 후의 압력(PA) 및 온도(TA)를 측정하도록 해도 좋다.
빌드 업법에서는 압력 센서(23)를 이용하여 제 2 밸브(22)을 닫은 후의 유로의 압력 상승을 측정하도록 구성되어 있다. 또한, 단위시간당 가스 유입량(즉, 유량)을 구하기 위해서 빌드 업 시간(압력 상승 시간)(Δt)을 구하고, 이것에 의거해서 유량을 산출하도록 하고 있다.
보다 구체적으로 설명하면, 본 실시형태의 유량 측정 방법에서는 빌드 업 후의 가스의 몰수(nA)를 nA=PAVs/RTA로부터 구함과 아울러, 상기 밀봉 상태에서의 가스의 몰수(nB)를 nB=PBVs/RTB로부터 구하고, 실제로 유입된 것으로 사료되는 가스의 몰수 Δn=nA-nB=(PAVs/RTA)-(PBVs/RTB)=Vs/R·(PA/TA-PB/TB)를 구한다. 여기서, PA, TA는 빌드 업 후에 제 1 밸브(21)를 닫고서 가스 유입을 정지시킨 시각(t5)(또는 시각(t5) 후의 밀봉 상태를 유지하면서 소정 시간 경과한 시각)에 있어서의 압력 및 온도이고, PB, TB는 시각(t2)에 있어서 제 1 밸브(21) 및 제 2 밸브(22)를 동시에 닫은 후의 밀봉 상태에 있어서의 압력 및 온도이다. 또한, R은 기체 정수이고, Vs는 빌드 업 용량의 체적이다.
그리고, 유량(Q)은 단위시간당 유입된 가스의 체적이므로, Q=22.4·Δn/Δt=22.4·Vs·(PA/TA-PB/TB)/(R·Δt)로부터 가스 유량(Q)(sccm)을 구할 수 있다. 여기서, Δt는 제 2 밸브(22)를 닫고서 빌드 업을 개시하고나서, 제 1 밸브(21)를 닫고서 가스의 유입을 정지시킬 때까지의 시간(빌드 업 시간)이다. 빌드 업 시간(Δt)은, 예를 들면 2~20초로 설정된다.
여기서, 도 3에 나타내는 비교형태에서는 제 2 밸브(22)가 실제로 닫힌 시각(t4')을 측정하고 있지 않으므로, 빌드 업 시간은 제 2 밸브(22)에 닫힘 명령이 내려진 시각(t4)으로부터 압력(P)이 PA에 달하여 제 1 밸브(21)가 닫혀지는 시각(t5')까지의 시간으로 계측된다. 이 때문에, 이상 압력 추이(X1)로부터 벗어나 실제의 압력 추이(X2)가 생기고 있음에도 불구하고, 빌드 업 시간으로서는 본래의 빌드 업 시간 Δt(=t5-t4)에 지연분(α)이 가산된 Δt+α(=t5'-t4)가 이용되게 된다. 이 때문에, 유량 측정 정밀도가 저하될 수 있다.
한편, 도 4에 나타내는 실시형태에서는 개폐 검출기(26)를 이용하여 제 2 밸브(22)가 실제로 닫힌 시각(t4')을 검지할 수 있다. 이 때문에, 빌드 업 시간으로서 보다 정확한 빌드 업 시간 Δt=t5'-t4'를 검출할 수 있다. 따라서, 유량 측정의 정밀도를 향상시킬 수 있다.
이렇게 해서, 빌드 업법에 의한 유량 측정이 완료된 후에는 시간(t6)에 있어서 제 1 밸브(21) 및 제 2 밸브(22)를 열림 상태로 하면, 다시 가스가 흘러나옴과 아울러, 밀봉 공간 내의 가스 압력은 가스 정상 흐름시의 압력까지 저하된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태에서는 개폐 검출기(26)를 이용하여 정상류로부터의 밀봉 상태에 있어서의 압력(PB)과, 빌드 업 시간(Δt) 보다 정밀도 좋게 검출하는 것이 가능해지므로, 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다.
또한, 도 1에 나타내는 유체 제어 시스템(1)과 같이, 유량 제어기(10)의 하류측의 유로를 빌드 업 용량(20)으로서 사용하는 경우, 유량 제어기(10)를 접속하여 유체 제어 시스템(1)을 구축한 후에, 빌드 업 용량(20)의 체적(Vs)을 측정에 의해 구하는 것이 바람직한 경우가 있다. 빌드 업 용량(20)의 체적(Vs)은, 예를 들면 설정 유량(Qs)으로 빌드 업 용량(20)으로 가스를 흐르게 한 상태에 있어서 제 2 밸브(22)를 닫은 후의 압력 변화율을 측정함으로써 Qs=(ΔP/Δt)×(Vs/RT)에 의거해서 구할 수 있다. 빌드 업 용량(20)의 체적(Vs)은 종래의 다양한 방법에 의해서 측정하는 것이 가능하다. 이렇게 하여, 빌드 업 용량(20)의 체적(Vs)을 측정하기 위해서 ΔP/Δt를 구할 때에도, 본 실시형태의 유체 제어 시스템(1)에서는 개폐 검출기(26)를 이용하여 제 2 밸브(22)가 닫힌 시점을 검지하고, 이것에 의거해서 압력 상승의 기점을 결정할 수 있으므로, Δt를 보다 정확하게 계측하여 보다 향상된 정밀도로 빌드 업 용량의 체적(Vs)을 요하는 것이 가능하다. 또한, 빌드 업 용량의 체적(Vs)을 구할 때에는 기준값과의 오차가 저감된 특정 유량 설정으로 측정을 행함으로써 보다 정밀도 좋게 체적(Vs)을 구하는 것도 가능하다.
이상에는, 제 1 밸브(21)와 제 2 밸브(22)를 시각(t2)에 동시에 닫은 후의 압력(PB) 및 온도(TB)를 측정하는 공정(제 2 공정) 후에, 빌드 업 후의 가스의 압력(PA) 및 온도(TA)를 측정하는 공정(제 1 공정)을 행하는 형태를 설명했지만, 제 1 공정과 제 2 공정을 행하는 순서는 반대여도 좋다. 단, 제 1 공정과 제 2 공정에서 개시시의 설정 유량에 대응하는 압력(개시시 압력(Px))은 동일한 것이 적합하다.
제 1 공정과 제 2 공정을 행한 후라면, 제 1 공정에서 얻어진 측정 압력(PA) 및 온도(TA)와, 제 2 공정에서 얻어진 측정 압력(PB) 및 온도(TB)를 이용하여 유량이 연산에 의해 구해질 수 있다. 이렇게 하여 측정한 유량은 유량 제어기(10)의 유량 설정과의 비교 검증에 이용되어도 좋고, 상기 빌드 업법에 의해서 구한 유량에 의거해서 임의의 유량 제어기(10)의 유량 설정의 교정을 행할 수도 있다.
이상, 본 발명의 실시형태에 대해서 설명했지만, 다양한 개변이 가능하다. 예를 들면, 상기에서는 제 2 공정으로서 가스가 흐르고 있는 상태에서 제 1 밸브(2 1)와 제 2 밸브(22)를 동시 또는 대략 동시에 닫고서 밀봉 상태로 했을 때의 압력 및 온도를 측정했지만, 제 2 밸브(22)를 닫고나서 소정 시간(Δt')이 경과한 후에 제 1 밸브(21)를 닫은 후에 상승 후 압력 및 온도를 측정하도록 해도 좋다.
단, 제 2 공정에 있어서의 상기 소정 시간(Δt')은 제 1 공정에 있어서의 빌드 업 시간(Δt)에 비해서 짧은 시간에 설정되고, 예를 들면 절반 이하의 시간으로 설정된다. 유량 연산은, 제 1 공정에서 구한 가스량(n)으로부터 제 2 공정에서 구한 가스량(n')을 감산하여 Δn=n-n'를 구함과 아울러, 유입 시간을 Δt-Δt'로 해서 유량을 연산에 의해 구할 수 있다. 이 때에도, 개폐 검출기(26)를 이용하여 검지한 실제의 제 2 밸브(22)의 닫힌 시각에 의거해서 압력 상승 시간 등을 결정함으로써 보다 향상된 정밀도로 유량 측정을 행할 수 있다.
(산업상 이용가능성)
본 발명의 실시형태에 의한 유체 제어 시스템에 의하면, 유량 측정을 향상시킨 정밀도로 행할 수 있다.
1: 유체 제어 시스템 　 2: 프로세스 챔버
3: 진공 펌프 4: 가스 공급원
10: 유량 제어기　 11: 스로틀부
12: 압력 센서 13: 온도 센서　
14:　컨트롤 밸브 16:　제어 회로
20:　빌드 업 용량 21: 제 1 밸브　
22: 제 2 밸브 23: 압력 센서
24: 온도 센서 25: 제어부
26: 개폐 검출기 30: 유량 측정 장치

Claims (7)

  1. 유량 제어기의 하류측에 설치된 제 1 밸브와,
    상기 제 1 밸브의 하류측에 설치되고, 제 2 밸브를 갖는 유량 측정 장치와,
    상기 제 2 밸브에 설치된 개폐 검출기와,
    상기 제 1 밸브 및 상기 제 2 밸브의 개폐 동작을 제어하는 제어부를 구비하고,
    상기 개폐 검출기가 출력하는 신호에 따라서 상기 제 1 밸브의 개폐를 제어하는 유체 제어 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 개폐 검출기가 출력하는 신호에 의거해서 검지된 상기 제 2 밸브의 개폐에 의거해서, 상기 제 1 밸브로 출력하는 개폐 명령의 타이밍을 제어하는 유체 제어 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 유량 측정 장치는 상기 제 2 밸브의 상류측에 배치된 압력 센서를 더 갖고, 상기 제 2 밸브를 닫은 후의 유로 내의 압력 상승을 상기 압력 센서를 이용하여 측정하도록 구성되어 있고, 상기 압력 상승의 기점을 상기 개폐 검출기가 출력하는 신호에 의거해서 결정하는 유체 제어 시스템.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각이 상기 유량 제어기 및 상기 제 1 밸브를 갖는 복수의 제 1 유로와,
    상기 복수의 제 1 유로의 하류측에 공통으로 접속되고, 상기 유량 제어기에 의해서 유량이 제어된 유체를 사용 대상에 공급하기 위한 제 2 유로와,
    상기 제 2 유로로부터 분기하도록 설치되고, 상기 유량 측정 장치를 갖는 제 3 유로를 포함하는 유체 제어 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유량 제어기는 컨트롤 밸브와, 스로틀부와, 상기 스로틀부의 상류측의 압력을 측정하는 상류 압력 센서를 구비하는 압력식 유량 제어 장치인 유체 제어 시스템.
  6. 유량 제어기의 하류측에 설치된 제 1 밸브와, 상기 제 1 밸브의 하류측에 설치되고, 압력 센서, 온도 센서 및 제 2 밸브를 갖는 유량 측정 장치와, 상기 제 2 밸브에 설치된 개폐 검출기와, 상기 제 1 밸브 및 상기 제 2 밸브의 개폐 동작을 제어하는 제어부를 구비하는 유체 제어 시스템에 있어서 행해지는 유량 측정 방법으로서,
    상기 제 1 밸브와 상기 제 2 밸브를 열어서 가스를 흐르게 하고, 가스가 흐르고 있는 상태에서 상기 제 2 밸브를 닫고, 상기 제 2 밸브를 닫은 후, 빌드 업 시간이 경과한 후에 상기 제 1 밸브를 닫고, 상기 제 1 밸브를 닫은 후의 압력 및 온도를 상기 압력 센서 및 상기 온도 센서를 이용하여 측정하는 제 1 공정과,
    상기 제 1 밸브와 상기 제 2 밸브를 열어서 가스를 흐르게 하고, 가스가 흐르고 있는 상태에서 상기 제 1 밸브와 상기 제 2 밸브를 동시에 닫고, 상기 제 1 밸브 및 상기 제 2 밸브를 닫은 후의 압력 및 온도를 상기 압력 센서 및 상기 온도 센서를 이용하여 측정하는 제 2 공정과,
    상기 제 1 공정에서 측정한 압력 및 온도와, 상기 제 2 공정에서 측정한 압력 및 온도에 의거해서 유량을 연산하는 제 3 공정을 포함하고,
    상기 제 1 공정에 있어서, 상기 제 2 밸브가 닫힌 시점을 상기 개폐 검출기로부터의 출력에 의거해서 판단하고,
    상기 제 2 공정에 있어서 상기 제 1 밸브와 상기 제 2 밸브를 동시에 닫는 동작을 행할 때, 상기 개폐 검출기가 출력하는 신호에 따라서 상기 제 1 밸브로 출력하는 개폐 명령의 타이밍을 제어하는 유량 측정 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 3 공정은 상기 제 1 공정에서 측정한 압력(PA) 및 온도(TA)와, 상기 제 2 공정에서 측정한 압력(PB) 및 온도(TB)를 이용하여, Q=22.4·Vs·(PA/TA-PB/TB)/(R·Δt), 여기서 Vs는 빌드 업 용량, R은 기체 정수, Δt는 상기 제 1 공정에 있어서 상기 제 2 밸브를 닫고나서 상기 제 1 밸브를 닫을 때까지의 상기 빌드 업 시간에 따라서 유량(Q)을 연산하는 공정을 포함하는 유량 측정 방법.
KR1020197033503A 2017-07-31 2018-07-24 유체 제어 시스템 및 유량 측정 방법 KR102250969B1 (ko)

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