KR20190142721A

KR20190142721A - 유체 제어 장치, 및 유량 비율 제어 장치

Info

Publication number: KR20190142721A
Application number: KR1020190068520A
Authority: KR
Inventors: 요시타케 안도; 고타로 다키지리; 유키 다나카; 유스케 가나마루; 에미코 나카가와
Original assignee: 가부시키가이샤 호리바 세이샤쿠쇼; 가부시키가이샤 호리바 에스텍
Priority date: 2018-06-18
Filing date: 2019-06-11
Publication date: 2019-12-27
Also published as: JP7068062B2; JP2019219821A; US20190384330A1; US10921828B2

Abstract

밸브의 상류측의 압력에 대해서는 예를 들면 누설을 방지할 수 있도록 제한 압력 내로 억제할 수 있음과 아울러, 유로에 흐르는 유체의 유량이 소정의 수렴 시간 내에 지령 유량으로 수렴시키는 것이 가능해지는 유체 제어 장치를 제공하기 위해서, 유체가 흐르는 유로에 마련된 밸브와, 상기 밸브의 상류측에 마련된 압력 센서와, 상기 압력 센서의 하류측에 마련된 유량 센서와, 상기 유량 센서로 측정되는 측정 유량이 입력되고, 유량-압력 맵에 기초하여 상기 측정 유량에 따른 지령 압력을 결정하는 지령 압력 결정부와, 상기 지령 압력 결정부에서 결정되는 상기 지령 압력과, 상기 압력 센서로 측정되는 측정 압력의 편차가 작아지도록 지령 유량을 산출하는 지령 유량 산출부와, 상기 지령 유량 산출부에서 산출되는 상기 지령 유량과, 상기 유량 센서로 측정되고 있는 상기 측정 유량의 편차가 작아지도록 상기 밸브의 개도를 제어하는 밸브 제어부를 구비했다.

Description

유체 제어 장치, 및 유량 비율 제어 장치{Fluid control apparatus and flow rate ratio control apparatus}

본 발명은 밸브의 상류측의 압력이 소정의 제한 압력 이하로 유지될 필요가 있는 유체 제어 장치에 관한 것이다.

예를 들면 반도체 제조 프로세스에서는, 성막 챔버 등에 대해서 복수의 도입 포트로부터 각각 소정의 유량 비율로 가스를 공급하는 경우가 있다. 도입 포트에는 각각 유로가 마련되어 있고, 각 유로에는 유로에 흐르는 유체의 유량을 제어하는 매스 플로우 컨트롤러라고 불리는 패키지화된 유체 제어 장치가 마련된다(특허 문헌 1 참조).

그런데, 반도체 제조 프로세스에서 이용되는 가스에는 인체에 유독한 것이나, 인체에 대한 화학적 특성이 충분히는 알려져 있지 않은 가스도 존재하여, 이러한 가스가 유로를 구성하는 파이프 등으로부터 외부로 누설되는 것을 방지할 필요가 있다.

따라서, 전술한 매스 플로우 컨트롤러의 상류측에 있어서 가스의 압력이 높아져 누설되는 것을 방지하기 위해서, 매스 플로우 컨트롤러의 상류측은 예를 들면 대기압보다도 낮은 제한 압력으로 유지하는 것이 요구 사양으로서 정해져 있다.

이러한 요구 사양에 대해, 유로에 있어서 매스 플로우 컨트롤러의 상류측에 압력 레귤레이터를 마련해 두고, 상류측의 압력이 제한 압력보다도 낮은 소정치로 일정하게 유지되도록 구성되어 있다.

그렇지만, 압력 레귤레이터에 의해서 매스 플로우 컨트롤러의 상류측이 미리 정해진 낮은 압력으로 일정으로 유지되도록 구성된 상태에서는, 매스 플로우 컨트롤러에 공급되는 유체의 유량이 제한된 상태가 된다. 이와 같이 유체의 공급이 제한된 상태에서, 예를 들면 매스 플로우 컨트롤러에 있어서 과대한 지령 유량이 설정되면, 유량 출력이 지령 유량으로 수렴되기까지 걸리는 수렴 시간이 길어져 버린다.

특허 문헌 1: WO 2008/072614호 공보

본 발명은 상술한 것 같은 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 밸브의 상류측의 압력에 대해서는 예를 들면 누설을 방지할 수 있도록 제한 압력 내로 억제할 수 있음과 아울러, 유로에 흐르는 유체의 유량이 소정의 수렴 시간 내에 지령 유량으로 수렴시키는 것이 가능해지는 유체 제어 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

즉, 본 발명에 따른 유체 제어 장치는, 본원 발명자 등이 열심히 검토한 결과, 안전을 위해서는 상류측으로부터 공급되는 유체의 압력은, 제한 압력보다도 낮은 일정치로 항상 고정하지 않으면 안 된다고 하는 종래의 확신으로부터 벗어나, 제한 압력 이하의 압력이면 압력은 변동했다고 해도 안전상의 요구 사양을 만족시킬 수 있다고 하는 깨달음을 얻고 처음 이루어진 것이다.

구체적으로 본 발명에 따른 유체 제어 장치는, 유체가 흐르는 유로에 마련된 밸브와, 상기 밸브의 상류측에 마련된 압력 센서와, 상기 압력 센서의 하류측에 마련된 유량 센서와, 상기 유량 센서로 측정되는 측정 유량이 입력되고, 유량-압력 맵에 기초하여 상기 측정 유량에 따른 지령 압력을 결정하는 지령 압력 결정부와, 상기 지령 압력 결정부에서 결정되는 상기 지령 압력과, 상기 압력 센서로 측정되는 측정 압력의 편차가 작아지도록 지령 유량을 산출하는 지령 유량 산출부와, 상기 지령 유량 산출부에서 산출되는 상기 지령 유량과, 상기 유량 센서로 측정되고 있는 상기 측정 유량의 편차가 작아지도록 상기 밸브의 개도를 제어하는 밸브 제어부를 구비한 것을 특징으로 한다.

이러한 것이면, 상기 유량-압력 맵에 기초하여 예를 들면 상기 밸브를 통과하는 유량 출력이 상기 지령 유량으로 수렴하는 수렴 시간을 가장 단축시킬 수 있는 상기 지령 압력을 제한 압력 내에서 상기 측정 유량에 따라 설정하는 것이 가능해진다. 또, 현재의 상기 측정 압력으로부터 이상적인 상기 지령 압력을 달성하는데 필요한 상기 지령 유량이 상기 지령 유량 산출부로 산출되므로, 상기 밸브로 유량 제어를 행하면서 상기 밸브의 상류측의 압력은 제한 압력 내로 억제할 수 있다.

따라서, 예를 들면 안전상의 압력에 관한 요구 사양을 만족하면서, 유량 제어에 대해서는 고속화하는 것이 가능해진다.

예를 들면 상기 유량-압력 맵에 대해서는 고정한 채로 하면서, 상기 지령 유량 산출부로부터 산출되는 상기 지령 유량의 특성을 조정하여, 유량 출력의 수렴 시간을 보다 단축시키도록 하려면, 상기 지령 유량 산출부가 상기 지령 압력과 상기 측정 압력의 편차와, 설정되어 있는 PID 게인에 기초하는 PID 연산에 의해서 상기 지령 유량을 산출하도록 구성되어 있고, 상기 지령 유량 산출부에 대해서 상기 PID 게인을 설정하는 게인 설정 지령을 접수하는 게인 접수부를 추가로 구비한 것이면 된다. 여기서, PID 게인은 비례 게인, 적분 게인, 미분 게인을 총칭하는 것이며, 이들 파라미터 중 적어도 1개에 대해 게인 설정 지령은 변경 또는 설정하는 지령이다. 이러한 것이면, 종래의 유량 피드백 제어와 같은 사고 방식으로 PID 게인을 조정함으로써, 상기 밸브의 상류측의 압력을 제한 압력 내에서 변동시키면서, 유량의 응답 특성에 대해 요구 사양을 만족하도록 조정할 수 있다.

PID 게인의 조정만으로는 원하는 유량 제어 특성을 얻을 수 없는 경우에 추가로 크게 제어 특성을 변경하여, 제한 압력과 수렴 시간에 관한 요구 사양을 만족시킬 수 있도록 하려면, 상기 유량-압력 맵을 기억하는 맵 기억부와, 상기 맵 기억부에 기억되어 있는 상기 유량-압력 맵을 갱신하는 맵 갱신 지령을 접수하는 맵 접수부를 추가로 구비한 것이면 된다.

상기 유량-압력 맵, 및 상기 PID 게인의 구체적인 설정예로서는, 상기 측정 유량과 상기 지령 유량의 편차가 허용차 내로 수렴될 때까지의 수렴 시간이 소정 시간 이내가 되도록 설정되어 있는 것을 들 수 있다.

상기 유량-압력 맵에 대해 모든 유량 대역 내에서 엄밀한 설정을 하지 않아도, 상기 밸브의 상류측의 압력이 제한 압력 내로 억제되도록 하려면, 설정 상기 지령 압력 결정부에서 결정되는 상기 지령 압력이 제한 압력보다 큰 경우에는, 당해 지령 압력을 상기 제한 압력으로 변경하는 지령 압력 리미터를 추가로 구비한 것이면 된다. 이러한 것이면, 예를 들면 압력의 제한을 고려하지 않고 유량 출력의 수렴 시간이 요구 사양을 만족하는 것을 우선하여 최적화된 유량-압력 맵을 제작해도, 상기 밸브의 상류측의 압력이 제한 압력을 초과하지 않도록 할 수 있다. 따라서, 수렴 시간과 제한 압력의 양쪽을 고려하여 맵을 제작하는 경우와 비교하여 그 작업 부담을 큰 폭으로 저감시킬 수 있다.

상기 측정 압력이 제한 압력 이하로 억제되도록 할 뿐만 아니라, 고속으로 유량이 수렴되도록 하려면, 상기 지령 유량과 상기 측정 유량의 편차가 허용차 내로 수렴될 때까지의 수렴 시간이 소정 시간 이하가 되도록 상기 지령 압력 결정부가 상기 지령 압력을 결정하는 것이면 된다.

유량이 변동하고 있는 경우에도, 그 유량치에 의존하지 않고 유량의 수렴 시간이 거의 같은 정도의 길이로 유지될 수 있도록 하려면, 상기 지령 압력 결정부가 상기 측정 유량의 값이 커질수록 상기 지령 압력의 값을 크게 설정하는 것이면 된다.

상기 밸브에 의해서 당해 밸브의 상류측의 압력과, 상기 밸브에 의해서 실현되는 유량의 양쪽에 대해서 영향을 줄 수 있도록 하고, 상기 밸브의 상류측을 제한 압력 이하로 억제하면서, 실현되는 유량을 고속으로 수렴되게 하려면, 상기 압력 센서로 측정되는 상기 측정 압력이, 상기 밸브의 상류측의 유로에 형성되는 가스 저류층(reservoir)의 압력을 나타내는 것이고, 상기 가스 저류층에 상류측으로부터 유입되는 유입 유량과, 상기 밸브에서 실현되는 유출 유량의 편차에 따라 상기 측정 압력이 변화하도록 구성되어 있고, 상기 지령 유량 산출부가 상기 유입 유량과 상기 유출 유량의 편차에 의해 생기는 상기 측정 압력의 변화에 따른 상기 지령 유량을 상기 밸브 제어부로 출력하도록 구성되어 있는 것이면 된다.

상기 유량 센서가 열식의 유량 센서인 경우에는, 본 발명에 따른 유체 제어 장치에서는 유체의 압력을 상기 제한 압력 이하의 값으로 원하는 값으로 할 수 있으므로, 예를 들면 진공압에 가깝게 되어 열식의 유량 센서의 감도가 없어져 버린다고 하는 사태를 방지할 수 있다.

본 발명이 바람직한 적용예로서는, 유체가 공급되는 공급 유로의 말단부로부터 분기하는 복수의 분기 유로에 흐르는 유체의 유량 비율을 제어하는 유량 비율 제어 장치로서, 각 분기 유로에 각각 마련된, 밸브, 유량 센서, 및 입력되고 있는 지령 유량과 상기 유량 센서의 측정 유량의 편차가 작아지도록 밸브의 개도를 제어하는 밸브 제어부를 구비한 복수의 유체 제어 장치와, 상기 공급 유로, 또는 각 분기 유로에 있어서 각 유체 제어 장치의 밸브보다도 상류측에 마련된 압력 센서와, 각 분기 유로에 마련된 각 유량 센서의 상기 측정 유량을 각각 취득하여, 각 측정 유량의 총합인 토탈 유량을 취득하는 토탈 유량 취득부와, 상기 토탈 유량이 입력되고, 유량-압력 맵에 기초하여 상기 토탈 유량에 따른 지령 압력을 결정하는 지령 압력 결정부와, 상기 지령 압력 결정부에서 결정되는 상기 지령 압력과, 상기 압력 센서로 측정되는 측정 압력의 편차가 작아지도록 목표 총 유량을 산출하는 목표 총 유량 산출부와, 상기 목표 총 유량과, 미리 정해진 각 분기 유로에 흘리는 유체의 목표 유량 비율에 기초하여, 각 분기 유로에 마련된 유체 제어 장치에 입력할 지령 유량을 결정하는 유량 분배기를 구비한 것을 특징으로 하는 유량 비율 제어 장치를 들 수 있다.

이러한 것이면, 공급 유로의 압력은 제한 압력 내로 억제하여 안전하게 유지되면서, 각 분기 유로에 흘리는 유체의 유량이 수렴되기까지 걸리는 수렴 시간도 소정 시간 이하로 제어하는 것이 가능해진다.

각 분기 유로를 흐르는 유량이 각각 소정 시간 내에 지령 유량으로 수렴되도록 유량 비율 제어 장치 전체로서의 제어 특성을 조정할 수 있도록 하려면, 상기 목표 총 유량 산출부가 상기 지령 압력과 상기 측정 압력의 편차와, 설정되어 있는 PID 게인에 기초하는 PID 연산에 의해서 상기 목표 총 유량을 산출하도록 구성되어 있고, 상기 목표 총 유량 산출부에 대해서 상기 PID 게인을 설정하는 게인 설정 지령을 접수하는 게인 접수부를 추가로 구비한 것이면 된다.

PID 게인의 조정만으로는 원하는 유량 특성까지 조정할 수 없는 경우에, 크게 제어 특성을 변경하여, 제한 압력과 수렴 시간에 관한 요구 사양을 만족할 수 있도록 하려면, 상기 유량-압력 맵을 기억하는 맵 기억부와, 상기 맵 기억부에 기억되어 있는 상기 유량-압력 맵을 갱신하는 맵 갱신 지령을 접수하 는 맵 접수부를 추가로 구비한 것이면 된다. 이러한 것이면, 안전성뿐 아니라, 원하는 총유량과 유량 비율로 각 분기 유로로부터 고속으로 유체를 공급하는 것이 가능해진다.

유량-압력 맵의 제작 부담을 저감시킬 수 있도록 하려면, 상기 지령 압력 결정부에서 결정되는 상기 지령 압력이 제한 압력보다 큰 경우에는, 당해 지령 압력을 상기 제한 압력으로 변경하는 지령 압력 리미터를 추가로 구비한 것이면 된다.

상기 압력 센서가 마련되는 위치에 대해서는, 상기 압력 센서가 적어도 1개의 분기 유로에 마련되어 있거나, 혹은 각 유체 제어 장치가 각각 상기 압력 센서를 구비하고 있는 것을 들 수 있다.

이와 같이 본 발명에 따른 유체 제어 장치에 의하면, 상기 밸브의 상류측의 압력에 대해서는 상기 제한 압력 이하로 억제하면서, 상기 밸브에 의해 실현되는 유량 출력이 상기 지령 유량으로 수렴되기까지 걸리는 수렴 시간을 단축시키는 것이 가능해진다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 유체 제어 장치의 개요를 나타내는 모식도이다.
도 2는 제1 실시 형태의 유체 제어 장치에 의한 제어의 개요를 나타내는 모식적 블록선도이다.
도 3은 제1 실시 형태의 유체 제어 장치의 상세를 나타내는 모식도이다.
도 4는 제1 실시 형태의 유체 제어 장치에 있어서의 특성 맵과 특성 함수의 관계를 나타내는 모식적 그래프이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 유량 비율 제어 장치에 대해 나타내는 모식도이다.

본 발명의 제1 실시 형태에 따른 유체 제어 장치(100)에 대해 도 1 내지 도 4를 참조하면서 설명한다.

제1 실시 형태의 유체 제어 장치(100)는, 예를 들면 반도체 제조 프로세스에 있어서 챔버 등에 유체인 가스를 공급하기 위해서 이용되는 것이다. 여기서 사용되는 가스는 예를 들면 인체에 대해서 유해하거나, 혹은 발화성이 있는 등과 같은 다양한 이유로 유로를 형성하는 파이프 등으로부터 외부로 누출시켜서는 안 되는 종류의 것이다.

도 1에 나타내는 것처럼 제1 실시 형태의 유체 제어 장치(100)를 구성하는 하드웨어 부분은, 가스의 공급원이 되는 제1 매스 플로우 컨트롤러(MFC1)와, 유로에 있어서 가장 하류측에 있는 챔버의 사이에 마련된다.

즉, 이 유체 제어 장치(100)는 유로에 있어서 제1 매스 플로우 컨트롤러(MFC1)의 하류측에 마련된 제2 매스 플로우 컨트롤러(MFC2)와, 제1 매스 플로우 컨트롤러(MFC1)와 제2 매스 플로우 컨트롤러(MFC2)의 사이에 마련된 압력 센서(P)와, 압력 센서(P)로 측정되는 측정 압력에 기초하여 제2 매스 플로우 컨트롤러(MFC2)에 지령 유량을 입력하는 컨트롤러(C)를 구비한 것이다. 바꾸어 말하면, 제1 매스 플로우 컨트롤러(MFC1)는 제1 실시 형태의 유체 제어 장치(100)를 구성하지 않는다.

제1 매스 플로우 컨트롤러(MFC1)와 제2 매스 플로우 컨트롤러(MFC2) 사이의 유로에는 용적(容積)이 있기 때문에, 도 1에서 대표하여 기재하고 있는 것처럼 소정의 용적을 가진 가스 저류층(G)이 형성된다. 압력 센서(P)는 이 가스 저류층(G)의 압력을 측정하는 것이다.

도 1에서 나타낸 시스템을 제어 블록도로 생각했을 경우, 도 2에 나타내는 것처럼 된다. 구체적으로는 제1 매스 플로우 컨트롤러(MFC1)로부터 가스 저류층(G)에 대해서 유입되는 가스의 유량 Q_in과 제2 매스 플로우 컨트롤러(MFC2)에 의해서 실현되는 유량 출력 Q_out의 차에 의해서 가스 저류층(G)의 압력이 정해진다. 이 가스 저류층(G)의 압력이 압력 센서(P)에 의해서 측정되어, 측정 압력 P0를 나타내는 압력 신호로서 컨트롤러(C)에 입력된다. 또, 컨트롤러(C)에는 제2 매스 플로우 컨트롤러(MFC2)로 측정되는 유량 출력 Q_out도 입력된다. 컨트롤러(C)는 먼저 유량 출력 Q_out에 따른 지령 압력 P_set을 설정하고, 추가로 지령 압력 P_set과 측정 압력 P0의 편차의 값에 따른 지령 유량 Q_set을 제2 매스 플로우 컨트롤러(MFC2)에 입력한다. 제2 매스 플로우 컨트롤러(MFC2)는 입력된 지령 유량 Q_set에 따른 유량 출력 Q_out을 출력한다.

여기서, 컨트롤러(C)는 제2 매스 플로우 컨트롤러(MFC2)에 설정하는 지령 유량 Q_set을 적당히 변경하여, 압력 센서(P)로 측정되는 가스 저류층(G)의 압력이 제한 압력보다도 낮은 값으로 억제되도록 제2 매스 플로우 컨트롤러(MFC2)로 실현되는 유량 출력 Q_out을 제어하는 것이다. 동시에 지령 유량 Q_set은 지령 유량 Q_set과 유량 출력 Q_out의 편차가 허용차가 될 때까지의 수렴 시간이 소정 시간 이하가 되도록 제어된다.

제1 실시 형태의 유체 제어 장치(100)에 대해 보다 상세한 구성 및 동작에 대해 도 3을 참조하면서 설명한다.

제2 매스 플로우 컨트롤러(MFC2)는 유로에 대해서 장착되고, 내부 유로가 형성된 보디(1)와, 보디(1)에 대해서 장착된 유량 센서(2) 및 밸브(3)와, 유량 센서(2) 및 밸브(3)을 덮도록 보디(1)에 대해서 장착되는 커버(4)와, 커버(4) 내에 마련되고, 밸브(3)의 개도를 유량 피드백 제어하는 제어 보드(B)를 구비한 것이다. 즉, 매스 플로우 컨트롤러는 유량 제어를 행하기 위한 각종 컴퍼넌트가 패키지화된 것이다.

유량 센서(2)는 열식의 유량 센서이며, 유로에 마련된 분류 소자(21)와, 분류 소자(21)를 상류측으로부터 분기하고, 당해 분류 소자(21)의 하류측에 합류하는 세관(細管)(22)과, 세관(22)에 권회되고, 각각 일정 온도로 유지되도록 전압이 인가되는 2개의 전열 코일(23)과, 각 전열 코일(23)에 인가되는 전압차를 검출하는 검출 회로(24)와, 검출 회로(24)의 출력에 기초하여 유로를 흐르는 가스의 유량을 산출하는 유량 산출부(25)로 구성된다.

밸브(3)는 예를 들면 피에조 밸브로서, 인가되는 전압에 따라서 그 개도가 제어된다.

제어 보드(B)는 CPU, 메모리, A/D 컨버터, D/A 컨버터, 각종 입출력 수단을 구비한 컴퓨터로서, 메모리에 격납되어 있는 매스 플로우 컨트롤러용 프로그램이 실행되어, 각종 기기와 협업함으로써 제어기로서의 기능이 실현된다. 즉, 제어 보드(B)는 적어도 전술한 유량 산출부(25)와, 밸브 제어부(5)로서의 기능을 발휘한다.

밸브 제어부(5)는 외부로부터 입력되는 지령 유량과, 유량 센서(2)로 측정되는 측정 유량에 기초하여 밸브(3)의 개도를 제어한다. 보다 구체적으로는 밸브 제어부(5)는 지령 유량과 측정 유량의 편차가 작아지도록 밸브(3)의 개도를 변경하도록 밸브(3)의 인가 전압을 변경한다. 제1 실시 형태에서는 지령 유량에 대해서는 컨트롤러(C)로부터 출력되는 값으로 설정된다.

이와 같이 제2 매스 플로우 컨트롤러(MFC2)에서는, 유량 피드백계가 형성되어 있고, 유체 제어 장치(100) 내에 있어서의 마이너 루프를 형성하고 있다.

다음에 컨트롤러(C)의 상세에 대하여 설명한다.

컨트롤러(C)는 제2 매스 플로우 컨트롤러(MFC2)와는 별체(別體)로서 구성된 것으로, CPU, 메모리, A/D 컨버터, D/A 컨버터, 각종 입출력 수단을 구비한 컴퓨터에 의해서 그 기능이 실현되는 것이다. 이 컨트롤러(C)는 메모리에 격납되어 있는 프로그램이 실행되어, 각종 기기가 협업함으로써 적어도 지령 유량 생성기(6)와, 지령 유량 생성기(6)의 설정치를 외부로부터 입력되는 지령에 기초하여 변경하는 설정 변경부(7)로서의 기능을 발휘한다.

지령 유량 생성기(6)에는 제2 매스 플로우 컨트롤러(MFC2)로 측정되는 측정 유량과, 압력 센서(P)로 측정되는 측정 압력이 입력된다. 지령 유량 생성기(6)는 먼저 측정 유량의 값에 따른 지령 압력이 정해진 유량-압력 맵을 참조하여, 측정 유량에 따른 지령 압력이 결정되고, 지령 압력과 측정 압력의 편차에 따른 지령 유량을 제2 매스 플로우 컨트롤러(MFC2)의 밸브 제어부(5)로 출력한다.

즉, 지령 유량 생성기(6)는 맵 기억부(61), 지령 압력 결정부(62), 지령 압력 리미터(63), 지령 유량 산출부(64)로 구성되어 있다.

맵 기억부(61)는 예를 들면 도 4의 그래프에 나타태는 것 같은 유량-압력 맵을 기억하는 것이다. 유량-압력 맵은 어느 측정 유량의 값이 유량 센서(2)로 측정되고 있는 경우에, 적어도 요구 사양으로 되어 있는 가스 저류층(G)에 있어서의 제한 압력을 하회하도록 지령 압력의 값을 정한 1차원의 맵이다. 제1 실시 형태의 유량-압력 맵은, 추가로 각 측정 유량의 값에 대해서 유량 센서(2)의 최저 동작 가능 압력 이상의 지령 압력이 연관되어 있음과 아울러, 상기 밸브(3)의 최대 컨덕턴스를 하회하도록 설정되어 있다. 이러한 유량-압력 맵은 각 측정 유량에 대응하는 지령 압력을 실험에 의해 구하여 정하고 있다. 제1 실시 형태에서는 안전성으로부터의 요구에 의해 설정되는 제한 압력은 가스의 누설을 방지하기 위해서 대기압보다도 낮은 값인 예를 들면 400Torr로 설정된다. 또, 유량 제어의 요구 사양으로부터 정해지는 허용차는 지령 유량에 대해서 ±2% 이내이며, 수렴 시간에 대해 예를 들면 1sec가 설정된다.

유량-압력 맵은 측정 유량과 지령 압력의 세트로 이루어지는 테이블 형식의 것이어도 되고, 예를 들면 측정 유량을 입력 변수, 지령 압력을 출력 변수로 하는 함수여도 된다. 유량-압력 맵의 그래프에 나타내지는 것처럼 측정 유량의 값이 커짐에 따라, 지령 압력도 큰 값이 설정된다.

지령 압력 결정부(62)는 유량 센서(2)로 측정되고 있는 측정 유량이 입력되며, 전술한 유량-압력 맵에 기초하여 측정 유량에 따른 지령 압력을 결정한다. 이 때, 측정 유량의 값이 소정치보다도 큰 경우에는 지령 압력 결정부(62)로부터 제한 압력의 값을 초과하는 지령 압력이 설정된다.

지령 압력 리미터(63)는 지령 압력 결정부(62)에서 결정되는 지령 압력이 제한 압력보다 큰 경우에는, 당해 지령 압력을 제한 압력으로 변경한다. 또, 지령 압력 결정부(62)에서 결정되는 지령 압력이 제한 압력 이하인 경우에는 지령 압력을 그대로 출력한다. 즉, 지령 압력 리미터(63)가 있기 때문에, 예를 들면 오버 슛이 발생하여, 통상보다도 큰 측정 유량이 지령 압력 결정부(62)에 입력되어, 당해 지령 압력 결정부(62)로부터 대응하는 지령 압력으로서 제한 압력을 초과하는 값이 결정되었다고 하더라도, 지령 압력 리미터(63)로부터 출력되는 지령 압력은 제한 압력의 값이 된다.

지령 유량 산출부(64)는 지령 압력 리미터(63)로 설정되는 지령 압력과 압력 센서(P)로 측정되는 측정 압력의 편차가 작아지도록 지령 유량을 출력한다. 구체적으로는, 지령 유량 산출부(64)는 지령 압력과 측정 압력의 편차와, 설정되어 있는 PID 게인에 기초하여 PID 연산을 행하여, 지령 유량을 측정 유량에 대해서 최적화한다. 이와 같이 하여 최적화된 지령 유량이 밸브 제어부(5)로 출력된다. 여기서, 지령 유량은 각 제어 주기마다 같은 값이라고는 할 수 없으며, 지령 압력과 측정 압력의 편차에 따라 적당히 변경될 수 있는 값이다.

다음으로 설정 변경부(7)의 구성에 대해 설명한다. 설정 변경부(7)는 예를 들면 흘리는 유체의 종류가 변경되었을 경우나 배관 길이 등의 기기의 구성이 변경되었을 경우 등에 제어 특성을 최적화하기 위해서, 지령 유량 생성기(6)에 설정되어 있는 유량-압력 맵, 및 PID 게인을 조정하기 위해서 이용되는 것이다.

구체적으로는 설정 변경부(7)는 맵 접수부(71)와 게인 접수부(72)를 구비하고 있다. 맵 접수부(71)는 맵 기억부(61)에 기억되어 있는 유량-압력 맵을 갱신하는 맵 갱신 지령을 접수하는 것이다. 맵 기억부(61)는 접수한 맵 갱신 지령에 기초하여 유량-압력 맵을 갱신한다. 여기서, 맵 갱신 지령은 기억되어 있는 유량-압력 맵의 일부만을 변경하는 것이어도 되고, 유량-압력 맵 전체를 변경하는 것이어도 된다.

게인 접수부(72)는 지령 압력 결정부(62)에 설정되어 있는 PID 게인을 설정하는 게인 설정 지령을 접수한다. 접수한 게인 설정 지령에 기초하여, 지령 압력 결정부(62)는 설정되어 있는 PID 게인을 변경한다. 여기서, PID 게인은 비례 게인, 적분 게인, 미분 게인으로 이루어지고, 게인 설정 지령은 이들 3개의 게인 중 적어도 1개를 설정하는 지령이다.

설정 변경부(7)에 의한 조정 작업에 대해 설명한다. 예를 들면 흘려지는 유체의 종류나 배관 길이 등의 기기의 변경이 없고, 측정 유량이 지령 유량으로 수렴하는 수렴 시간을 추가로 단축하는 경우를 생각한다. 이러한 경우는 제어 특성이 미세 조정되므로, 게인 접수부(72)에 게인 설정 지령을 입력하여, PID 게인을 최적화함으로써 수렴 시간이 요구 사양을 만족하도록 조정한다.

또, 유체의 종류나 배관 길이 등의 기기의 변경이 있어, 제어 특성을 크게 변경하지 않으면 요구 사양을 만족시킬 수 없는 경우에는, 추가로 맵 접수부(71)에 맵 갱신 지령을 입력하여, 유량-압력 맵 자체를 변경한다.

이와 같이 하여, 유량-압력 맵, 및 PID 게인은, 밸브(3)의 상류측에 있는 가스 저류층(G)의 압력이 제한 압력 내에서 변동하면서, 측정 유량이 지령 유량으로 수렴하는 시간이 소정 시간 내가 되도록 설정된다.

이와 같이 구성된 제1 실시 형태의 유체 제어 장치(100)에 의하면, 유량-압력 맵에 기초하여, 현재의 측정 유량에 따라 수렴 시간을 짧게 할 수 있는 지령 압력을 순서대로 설정할 수 있다. 또, 그러한 지령 압력을 실현하기 위해서 필요한 지령 유량을 압력 피드백에 의한 PID 연산에 의해서 산출하여, 제2 매스 플로우 컨트롤러(MFC2)에 설정할 수 있다.

또, 지령 압력 리미터(63)에 의해서 지령 압력의 값은 제한 압력 이하로 제한되기 때문에, 제2 매스 플로우 컨트롤러(MFC2)에 의한 유량 제어에 의해서, 가스 저류층(G)의 압력이 제한 압력 이하에서 변동하도록 제어할 수 있다.

따라서, 현재 흐르고 있는 유량에 따라 충분한 유체가 제2 매스 플로우 컨트롤러(MFC2)에 공급되도록 하여 유량 출력이 지령 유량으로 수렴되기까지 걸리는 시간은 충분히 단축하여 1sec 이내로 유지하면서, 가스 저류층(G)의 압력에 대해서는 제한 압력인 400Torr 보다도 작은 압력으로 계속 억제할 수 있다.

또, 종래와 같이 압력 레귤레이터에 의해서 소정의 압력으로 가스 저류층(G)의 압력을 일정치로 항상 유지하는 것이 아니라, 가스 저류층(G)의 압력에 대해서는 제한 압력 이하의 값으로 다양한 값으로 변화시켜 유지할 수 있다. 이에 더하여, 압력 레귤레이터가 존재하지 않으므로 가스 종류가 변경되었다고 해도 그 영향이 제2 매스 플로우 컨트롤러(MFC2)의 밸브(3)에 영향을 주기 어렵게 할 수 있다.

이에 더하여, 만일 맵 접수부(71)에 맵 갱신 지령으로서 지령 압력이 제한 압력을 초과하는 영역을 가지는 유량-압력 맵이 설정되었다고 하더라도 제1 실시 형태에서는 지령 압력 리미터(63)의 작용에 의해서 제한 압력보다도 큰 지령 압력이 설정되지 않는다. 이 때문에, 맵 작성의 난도(難度)나 수고를 저감시킬 수 있다.

다음에 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 유량 비율 제어 장치(200)에 대해 도 5를 참조하면서 설명한다.

제2 실시 형태의 유량 비율 제어 장치(200)는 상류측의 공급 유로(S1)의 말단부로부터 분기하는 복수의 분기 유로(L1, L2)를 흐르는 유체의 유량 비율을 제어함과 아울러, 공급 유로(S1) 등에 있어서의 상류측의 압력이 제한 압력 이하가 되도록 제어하는 것이다.

즉, 이 유량 비율 제어 장치(200)는 각 분기 유로(L1, L2)에는 각각 마련된 매스 플로우 컨트롤러(MFC)와, 각 매스 플로우 컨트롤러(MFC)에 지령 유량을 설정하는 컨트롤러(C)와, 공급 유로(S1) 또는 각 매스 플로우 컨트롤러(MFC)보다도 상류측에 마련된 압력 센서(P)를 구비하고 있다. 이하의 설명에서는 분기 유로(L1, L2)가 2개인 경우를 예로 하여 설명하지만 보다 다수의 분기 유로가 마련되어 있는 것이어도 된다. 또, 설명의 간편함을 위해서 도 5에 있어서 상측에 마련된 매스 플로우 컨트롤러를 MFCA, MFCA가 마련되어 있는 분기 유로를 제1 분기 유로(L1), 도 5에 있어서 하측에 마련된 매스 플로우 컨트롤러를 MFCB, MFCB가 마련되어 있는 분기 유로를 제2 분기 유로(L2)라고도 호칭한다.

여기서, 압력 센서(P), 지령 유량 생성기(6)의 맵 기억부(61), 지령 압력 결정부(62), 및 지령 압력 리미터(63)는 제1 실시 형태에 있어서 설명한 유체 제어 장치(100)와 거의 같은 구성으로 된다. 즉, 유량-압력 맵에 기초하여, 지령 압력 결정부(62)는 지령 압력을 결정하고, 지령 압력 리미터(63)는 지령 압력이 제한 압력보다도 큰 값인 경우에는 지령 압력을 제한 압력으로 변경한다. 또, 지령 유량 생성기(6)는 MFCA 및 MFCB의 상류측의 압력은 제한 압력 이하로 억제할 수 있음과 아울러, 제1 분기 유로(L1), 및 제2 분기 유로(L2)의 각각으로부터 공급되는 유량의 총량인 토탈 유량이 목표치에 수렴할 때까지의 수렴 시간이 소정 시간 이내가 되도록 MFCA 및 MFCB의 밸브 제어부(5)에 설정하는 지령 유량을 변경한다. 또, 설정 변경부(7)의 구성도 제1 실시 형태와 거의 같다.

지령 유량 생성기(6)의 구체적인 구성에 대해 설명한다. 지령 유량 생성기(6)는 유량-압력 맵을 기억하는 맵 기억부(61)와, 각 매스 플로우 컨트롤러(MFCA, MFCB)의 유량 센서(2)로 측정되는 측정 유량을 취득하여, 각 분기 유로(L1, L2)의 유량의 총합인 토탈 유량을 취득하는 토탈 유량 취득부(65)와, 취득된 현재의 토탈 유량과, 유량-압력 맵에 기초하여 지령 압력을 결정하는 지령 압력 결정부(62)와, 지령 압력을 제한 압력 이하로 제한하는 지령 압력 리미터(63)와, 설정된 지령 압력과 압력 센서(P)로 측정되는 측정 압력의 편차가 작아지도록 목표 총 유량을 산출하는 목표 총 유량 산출부(66)와, 산출된 목표 총 유량과 유저에 의해서 설정되는 목표 유량 비율에 기초하여 각 매스 플로우 컨트롤러에 입력할 지령 유량을 결정하는 유량 분배부(67)를 구비하고 있다.

유량-압력 맵은 제1 실시 형태에서는 1개의 유로에 흐르는 유량과 지령 압력의 관계를 규정하고 있었지만, 제2 실시 형태에서는 각 매스 플로우 컨트롤러로 측정되고 있는 유량의 총합인 토탈 유량과, 각 매스 플로우 컨트롤러의 상류측의 압력의 목표치인 지령 압력의 관계를 규정하는 것이다. 즉, 챔버에 공급되는 토탈 유량에 대응하여, 각 매스 플로우 컨트롤러에 있어서 수렴 시간이 소정치 이하가 되는 지령 압력을 쌍으로 하여 기억하고 있다. 덧붙여, 유량-압력 맵은 맵 접수부(71)에 접수된 맵 갱신 지령에 기초하여 갱신 가능하게 구성되어 있다.

지령 압력 결정부(62)는 측정치인 토탈 유량에 기초하여 상기와 같은 유량-압력 맵을 참조하여, 대응하는 지령 압력을 결정한다. 결정된 지령 압력은 지령 압력 리미터(63)에 입력되며, 그 값이 제한 압력보다도 큰 경우에는 제한 압력의 값으로 변경하여 출력하고, 그 값이 제한 압력 이하인 경우에는 지령 압력 결정부(62)에서 결정된 값을 그대로 출력한다.

목표 총 유량 산출부(66)는 제1 실시 형태에 있어서의 지령 유량 산출부(64)에 대응하는 구성으로서, 입력되고 있는 지령 압력과, 압력 센서(P)로 측정되고 있는 측정 압력의 편차가 작아지도록 목표 총 유량을 산출한다. 즉, 목표 총 유량 산출부(66)는 지령 압력과 측정 압력의 편차와 설정되어 있는 PID 게인에 기초하는 PID 연산에 의해, 목표 총 유량을 산출한다. 덧붙여, 목표 총 유량은 각 분기 유로(L1, L2)에 흘리는 유체의 유량의 총합에 관한 목표치이고, 바꾸어 말하면 챔버에 공급하려고 하는 유체의 유량의 목표이다. 또, PID 게인에 대해서는 게인 접수부(72)에 접수되는 게인 갱신 지령에 기초하여 갱신 가능하게 구성되어 있다.

유량 분배부(67)는 산출된 목표 총 유량과, 유저에 의해 설정되는 각 분기 유량의 목표 유량 비율에 따라 각 매스 플로우 컨트롤러(MFCA, MFVB)에 입력되는 지령 유량 Q_setA,Q_setB를 산출한다. 여기서, Q_setA,Q_setB는 각각 상이한 값인 경우도 같은 값이 되는 경우도 있다. 산출된 각 지령 유량은 유량 분배부(67)에 의해 각 매스 플로우 컨트롤러의 밸브 제어부(5)로 입력된다. 여기서, 목표 유량 비율은 각 분기 유로에 흐르는 유량의 상대적인 관계를 정하는 것이고, 챔버에 공급되는 유체의 유량의 증감에 관계없이, 챔버의 각 포트로부터 공급되는 비율을 규정하는 것이다.

이와 같이 하여 각 매스 플로우 컨트롤러에 각각 개별의 지령 유량이 설정됨으로써, 각 분기 유로(L1, L2)에 흐르는 유체의 유량 비율이 목표 유량 비율이 되도록 제어됨과 아울러, 각 매스 플로우 컨트롤러보다도 상류측에 대해서는 제한 압력보다도 낮은 상태로 할 수 있다. 또, 유량-압력 맵에 기초하여 각 분기 유로(L1, L2)를 흐르는 유체의 유량이 각 지령 유량으로 수렴하는데 걸리는 수렴 시간이 소정치 이하가 되는 압력으로 제어할 수 있다.

그 외의 실시 형태에 대해서 설명한다.

유체 제어 장치에 대해서는, 압력 센서와 매스 플로우 컨트롤러의 조합으로 실현되는 것으로 한정하지 않고, 매스 플로우 컨트롤러 대신에 단독의 밸브, 및 유량 센서를 마련하여 구성해도 상관없다.

제어 보드 및 제어 장치에 대해서는 1개의 컴퓨터로 통합하여 각종 연산이나 제어가 행해지도록 구성해도 상관없다.

유량 센서에 대해서는 열식의 유량 센서로 한정되는 것이 아니라, 압력식의 유량 센서여도 상관없다. 또, 유량 센서가 마련되는 것은 밸브의 상류측, 또는 하류측 중 어느 것이어도 상관없다.

제한 압력, 수렴 시간에 대해서는 요구 사양 등에 따라 적당히 다양한 값을 설정해도 된다. 또, 유량-압력 맵의 설정예는 실시 형태에 기재한 것으로 한정되지 않는다. 다양한 요구 사양을 가미하여 설정되면 된다. 또, 열식의 유량 센서가 동작 가능한 압력이 유지되도록 지령 압력 리미터가 지령 압력의 상한뿐만이 아니라 하한에 대해서도 설정하도록 구성해도 상관없다. 예를 들면, 지령 압력의 값이 유량 센서의 동작 가능 압력보다도 낮은 값인 경우에는 지령 압력 리미터가 지령 압력을 동작 가능 압력으로 변경하는 것이어도 상관없다.

제2 실시 형태에서 설명한 유량 비율 제어 장치에 대해서는, 각 매스 플로우 컨트롤러가 압력 센서를 구비하고 있는 것이어도 상관없다. 또, 1개의 매스 플로우 컨트롤러가 지령 유량 생성기, 및 유량 분배기로서의 기능을 구비한 것이어도 된다. 즉, 제2 실시 형태에 있어서 설명한 제어 장치에 대해서는 매스 플로우 컨트롤러와는 별체로서 마련하는 것이 아니라, 매스 플로우 컨트롤러와 일체화해도 상관없다.

그 외, 본 발명의 취지에 반하지 않는 한에 있어서 다양한 실시 형태의 조합이나 변형을 행해도 상관없다.

100···유체 제어 장치
P···압력 센서
2···유량 센서
3···밸브
5···밸브 제어부
6···지령 유량 생성기
61···맵 기억부
62···지령 압력 결정부
63···지령 압력 리미터
65···토탈 유량 취득부
66···목표 총 유량 산출부
67···유량 분배부

Claims

유체가 흐르는 유로에 마련된 밸브와,
상기 밸브의 상류측에 마련된 압력 센서와,
상기 압력 센서의 하류측에 마련된 유량 센서와,
상기 유량 센서로 측정되는 측정 유량이 입력되고, 유량-압력 맵에 기초하여 상기 측정 유량에 따른 지령 압력을 결정하는 지령 압력 결정부와,
상기 지령 압력 결정부에서 결정되는 상기 지령 압력과, 상기 압력 센서로 측정되는 측정 압력의 편차가 작아지도록 지령 유량을 산출하는 지령 유량 산출부와,
상기 지령 유량 산출부에서 산출되는 상기 지령 유량과, 상기 유량 센서로 측정되고 있는 상기 측정 유량의 편차가 작아지도록 상기 밸브의 개도를 제어하는 밸브 제어부를 구비한 것을 특징으로 하는 유체 제어 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 지령 유량 산출부가 상기 지령 압력과 상기 측정 압력의 편차와, 설정되어 있는 PID 게인에 기초하는 PID 연산에 의해서 상기 지령 유량을 산출하도록 구성되어 있고,
상기 지령 유량 산출부에 대해서 상기 PID 게인을 설정하는 게인 설정 지령을 접수하는 게인 접수부를 추가로 구비한 유체 제어 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 유량-압력 맵을 기억하는 맵 기억부와,
상기 맵 기억부에 기억되어 있는 상기 유량-압력 맵을 갱신하는 맵 갱신 지령을 접수하는 맵 접수부를 추가로 구비한 유체 제어 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 유량-압력 맵, 및 상기 PID 게인이, 상기 측정 유량과 상기 지령 유량의 편차가 허용차 내로 수렴될 때까지의 수렴 시간이 소정 시간 이내가 되도록 설정되어 있는 유체 제어 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 지령 압력 결정부에서 결정되는 상기 지령 압력이 제한 압력보다 큰 경우에는, 당해 지령 압력을 상기 제한 압력으로 변경하는 지령 압력 리미터를 추가로 구비한 유체 제어 장치.
청구항 5에 있어서,
상기 지령 압력 결정부가, 상기 측정 압력의 값이 소정 압력 이상 상기 제한 압력 이하의 값을 취할 수 있도록 상기 지령 압력을 변경하는 유체 제어 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 지령 압력 결정부가, 상기 측정 유량의 값이 커질수록 상기 지령 압력의 값을 크게 설정하는 유체 제어 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 압력 센서로 측정되는 상기 측정 압력이, 상기 밸브의 상류측의 유로에 형성되는 가스 저류층(reservoir)의 압력을 나타내는 것이고,
상기 가스 저류층에 상류측으로부터 유입되는 유입 유량과, 상기 밸브에서 실현되는 유출 유량의 편차에 따라 상기 측정 압력이 변화하고,
상기 지령 유량 산출부가, 상기 유입 유량과 상기 유출 유량의 편차에 의해 생기는 상기 측정 압력의 변화에 따른 상기 지령 유량을 상기 밸브 제어부로 출력하도록 구성되어 있는 유체 제어 장치.
청구항 1있어서,
상기 유량 센서가 열식의 유량 센서인 유체 제어 장치.
유체가 공급되는 공급 유로의 말단부로부터 분기하는 복수의 분기 유로에 흐르는 유체의 유량 비율을 제어하는 유량 비율 제어 장치로서,
각 분기 유로에 각각 마련된, 밸브, 유량 센서, 및 입력되고 있는 지령 유량과 상기 유량 센서의 측정 유량의 편차가 작아지도록 밸브의 개도를 제어하는 밸브 제어부를 구비한 복수의 유체 제어 장치와,
상기 공급 유로, 또는 각 분기 유로에 있어서 각 유체 제어 장치의 밸브보다도 상류측에 마련된 압력 센서와,
각 분기 유로에 마련된 각 유량 센서의 상기 측정 유량을 각각 취득하여, 각 측정 유량의 총합인 토탈 유량을 취득하는 토탈 유량 취득부와,
상기 토탈 유량이 입력되고, 유량-압력 맵에 기초하여 상기 토탈 유량에 따른 지령 압력을 결정하는 지령 압력 결정부와,
상기 지령 압력 결정부에서 결정되는 상기 지령 압력과, 상기 압력 센서로 측정되는 측정 압력의 편차가 작아지도록 목표 총 유량을 산출하는 목표 총 유량 산출부와,
상기 목표 총 유량과, 미리 정해진 각 분기 유로에 흘리는 유체의 목표 유량 비율에 기초하여, 각 분기 유로에 마련된 유체 제어 장치에 입력할 지령 유량을 결정하는 유량 분배기를 구비한 것을 특징으로 하는 유량 비율 제어 장치.
청구항 10에 있어서,
상기 목표 총 유량 산출부가 상기 지령 압력과 상기 측정 압력의 편차와, 설정되어 있는 PID 게인에 기초하는 PID 연산에 의해서 상기 목표 총 유량을 산출하도록 구성되어 있고,
상기 목표 총 유량 산출부에 대해서 상기 PID 게인을 설정하는 게인 설정 지령을 접수하는 게인 접수부를 추가로 구비한 유량 비율 제어 장치.
청구항 10에 있어서,
상기 유량-압력 맵을 기억하는 맵 기억부와,
상기 맵 기억부에 기억되어 있는 상기 유량-압력 맵을 갱신하는 맵 갱신 지령을 접수하는 맵 접수부를 추가로 구비한 유량 비율 제어 장치.
청구항 10에 있어서,
상기 유량-압력 맵, 및 상기 PID 게인이, 상기 측정 유량과 상기 지령 유량의 편차가 허용차 내로 수렴될 때까지의 수렴 시간이 소정 시간 이내가 되도록 설정되어 있는 유량 비율 제어 장치.
청구항 10에 있어서,
상기 지령 압력 결정부에서 결정되는 상기 지령 압력이 제한 압력보다 큰 경우에는, 당해 지령 압력을 상기 제한 압력으로 변경하는 지령 압력 리미터를 추가로 구비한 유량 비율 제어 장치.
청구항 10에 있어서,
상기 압력 센서가 적어도 1개의 분기 유로에 마련되어 있거나, 혹은 각 유체 제어 장치가 각각 상기 압력 센서를 구비하고 있는 유량 비율 제어 장치.