KR20200109252A - 농도 제어 장치, 원료 소비량 추정 방법, 및 농도 제어 장치용 프로그램을 기록한 프로그램 기록 매체 - Google Patents

농도 제어 장치, 원료 소비량 추정 방법, 및 농도 제어 장치용 프로그램을 기록한 프로그램 기록 매체 Download PDF

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가부시키가이샤 호리바 에스텍
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Abstract

새로운 센서 등을 추가하는 일 없이, 기화 탱크 내의 원료의 소비량을 정확하게 추정하여, 원료의 잔량에 따른 고정밀한 농도 제어를 가능하게 하는 농도 제어 장치를 제공하기 위해서, 액체 또는 고체의 원료를 수용하는 기화 탱크와, 상기 기화 탱크에 캐리어 가스를 공급하는 캐리어 가스 공급로와, 상기 원료가 기화하여 상기 기화 탱크로부터 도출된 원료 가스가 흐르는 원료 가스 도출로를 적어도 구비하는 기화기에 있어서, 상기 원료 가스의 농도를 제어하는 농도 제어 장치로서, 상기 원료 가스 도출로에 마련되어, 상기 원료 가스의 농도에 따른 출력 신호를 출력하는 농도 모니터와, 상기 농도 모니터로부터의 출력 신호에 기초하여, 상기 원료 가스의 농도를 산출하는 농도 산출부와, 상기 산출 농도와, 상기 캐리어 가스의 유량에 기초하여, 상기 원료 가스로서 상기 원료 가스 도출로에 도출된 상기 원료의 소비량을 산출하는 원료 소비량 산출기를 구비했다.

Description

농도 제어 장치, 원료 소비량 추정 방법, 및 농도 제어 장치용 프로그램을 기록한 프로그램 기록 매체{CONCENTRATION CONTROL APPARATUS, SOURCE CONSUMPTION QUANTITY ESTIMATION METHOD, AND PROGRAM RECORDING MEDIUM ON WHICH A PROGRAM FOR A CONCENTRATION CONTROL APPARATUS IS RECORDED}
본 발명은 기화 탱크 내에 수용되어 있는 원료를 캐리어 가스에 의해서 기화시켜, 캐리어 가스와 함께 도출되는 원료 가스의 농도를 제어하는 농도 제어 장치에 관한 것이다.
반도체 제조 프로세스에서는, 예를 들면 기화 탱크 내에 수용되어 있는 액체의 원료에 캐리어 가스를 도입하고, 버블링에 의해 기화시킨 원료 가스를 성막용의 챔버 등에 공급하는 것이 행해지고 있다(특허 문헌 1 참조).
이러한 원료 가스의 농도를 원하는 농도로 유지하기 위해서, 농도 제어 장치가 이용된다. 이러한 농도 제어 장치는 기화 탱크와 챔버의 사이를 접속하는 원료 가스 도출로 상에 마련된 원료 가스의 농도를 측정하는 농도 측정 기구와, 기화 탱크 내에 도입되는 캐리어 가스의 유량을 제어하는 제1 매스 플로우 컨트롤러와, 원료 가스 공급로에 공급되는 희석 가스의 유량을 제어하는 제2 매스 플로우 컨트롤러와, 각 매스 플로우 컨트롤러를 제어하는 제어 기구를 구비하고 있다. 또, 제어 기구는 유저에 의해 설정되는 설정 농도와 농도 측정 기구로 측정되는 측정 농도의 편차가 작아지도록, 각 매스 플로우 컨트롤러에 설정되는 설정 유량을 농도 피드백 제어한다.
그렇지만, 기화 탱크 내의 원료의 기화가 진행되어, 원료의 잔량이 감소하면, 농도 피드백 제어계로서의 특성이 변화하는 경우가 있다. 이 결과, 같은 제어를 계속하고 있었다고 하더라도, 원하는 농도 제어를 실현할 수 없는 경우가 있다.
특허 문헌 1 : 일본 특개 2010－278167호 공보
본 발명은 상술한 것 같은 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 새로운 센서 등을 추가하는 일 없이, 기화 탱크 내의 원료의 소비량을 정확하게 추정하여, 원료의 잔량에 따른 고정밀한 농도 제어를 가능하게 하는 농도 제어 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
즉, 본 발명에 따른 농도 제어 장치는, 액체 또는 고체의 원료를 수용하는 기화 탱크와, 상기 기화 탱크에 캐리어 가스를 공급하는 캐리어 가스 공급로와, 상기 원료가 기화하여 상기 기화 탱크로부터 도출된 원료 가스가 흐르는 원료 가스 도출로를 적어도 구비하는 기화기에 있어서, 상기 원료 가스의 농도를 제어하는 농도 제어 장치로서, 상기 원료 가스 도출로에 마련되어, 상기 원료 가스의 농도에 따른 출력 신호를 출력하는 농도 모니터와, 상기 농도 모니터로부터의 출력 신호에 기초하여, 상기 원료 가스의 농도를 산출하는 농도 산출부와, 상기 산출 농도와, 상기 캐리어 가스의 유량에 기초하여, 상기 원료 가스로서 상기 원료 가스 도출로에 도출된 상기 원료의 소비량을 산출하는 원료 소비량 산출기를 구비한 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 캐리어 가스의 유량은 유량 센서에 의해 실측되어 있는 값, 매스 플로우 컨트롤러 등의 유량 제어 장치에 대해서 설정되는 설정치여도 된다.
이러한 것이면, 별도 원료의 소비량이나 잔량을 검지하는 센서를 마련하지 않아도, 농도 제어를 행하기 위해서 필수 구성인 농도 모니터의 출력에 기초하여 원료의 소비량을 추정할 수 있다. 또, 농도 제어가 행해지는 제어 주기마다 상기 산출 농도는 얻어지므로, 거의 리얼타임으로 원료의 소비량을 얻을 수 있고, 그 시점에서의 농도 제어계의 상태를 정확하게 얻는 것이 가능해진다. 이 결과, 농도 제어계의 상태에 따라 예를 들면 최적인 제어 파라미터를 자동적으로 설정하여, 원료의 잔량에 의존하지 않고 항상 일정 정밀도의 농도 제어를 실현하는 것이 가능해진다.
상기 기화기가, 상기 원료 가스 도출로에 합류하여, 해당 원료 가스 도출로에 희석 가스를 공급하는 희석 가스 공급로를 추가로 구비하고, 상기 원료 가스가 희석되어 농도 제어되는 경우에 있어서, 상기 원료의 소비량을 정확하게 추정할 수 있도록 하려면, 상기 원료 소비량 산출기가 상기 산출 농도와, 상기 캐리어 가스의 유량 및 상기 희석 가스의 유량의 합계인 총 캐리어 유량에 기초하여, 상기 원료의 소비량을 산출하는 것이면 된다.
상기 원료의 소비량을 산출하기 위한 구체적인 구성예로서는, 상기 원료 소비량 산출기가, 각 시각에서의 상기 산출 농도와 상기 총 캐리어 유량으로부터, 각 시각에서의 상기 원료 가스의 유량을 산출하는 원료 유량 산출부와, 각 시각에서의 상기 원료 가스의 유량과, 상기 원료 가스 공급로에 상기 원료 가스가 공급되고 있는 원료 가스 공급 시간에 기초하여, 상기 원료의 소비량을 산출하는 소비량 산출부를 구비하는 것을 들 수 있다.
지금까지의 농도 제어의 결과가 상기 원료의 소비량의 산출치에 대해서 반영되도록 하여, 보다 정확한 제어 상태를 파악할 수 있도록 하려면, 상기 캐리어 가스 공급로에 마련되어, 해당 캐리어 가스 공급로를 흐르는 상기 캐리어 가스의 유량을 제1 설정 유량이 되도록 제어하는 제1 매스 플로우 컨트롤러와, 상기 희석 가스 공급로에 마련되어, 해당 희석 가스 공급로를 흐르는 상기 희석 가스의 유량을 제2 설정 유량이 되도록 제어하는 제2 매스 플로우 컨트롤러를 추가로 구비하고, 상기 원료 유량 산출부가 상기 제1 설정 유량 또는 해당 제1 매스 플로우 컨트롤러로 측정되는 캐리어 가스의 유량과, 상기 제2 설정 유량 또는 상기 제2 매스 플로우 컨트롤러로 측정되는 희석 가스의 유량으로부터 총 캐리어 유량을 산출하는 것이면 된다.
상기 원료의 잔량의 변화에 의한 농도 제어계의 상태가 변화했다고 해도, 항상 일정한 정밀도가 실현되도록 피드백 제어 특성을 변경할 수 있도록 하려면, 미리 설정되는 설정 농도와 상기 산출 농도의 편차, 및 설정되어 있는 제어 파라미터에 기초하여, 상기 제1 매스 플로우 컨트롤러 및 상기 제2 매스 플로우 컨트롤러에 각각 설정되는 상기 제1 설정 유량 및 상기 제2 설정 유량을 변경하여, 상기 원료 가스의 농도를 제어하는 농도 제어부를 추가로 구비하고, 상기 원료 소비량 산출기에서 산출되는 상기 원료의 소비량, 또는 상기 기화 탱크 내에 있어서의 상기 원료의 잔량에 따라 상기 제어 파라미터가 변경되는 것이면 된다.
희석 가스를 이용하지 않고 농도 제어가 행해지는 경우에, 원료의 소비량을 정확하게 추정할 수 있도록 하려면, 상기 원료 소비량 산출기가, 각 시각에서의 상기 산출 농도와 상기 캐리어 유량으로부터, 각 시각에서의 상기 원료 가스의 유량을 산출하는 원료 유량 산출부와, 각 시각에서의 상기 원료 가스의 유량과, 상기 원료 가스 공급로에 상기 원료 가스가 공급되고 있는 원료 가스 공급 시간에 기초하여, 상기 원료의 소비량을 산출하는 소비량 산출부를 구비하는 것이면 된다.
상기 원료 가스의 농도가 압력 제어에 의해서 실현되는 경우에도, 상기 기화 탱크 내의 상기 원료의 잔량을 정확하게 파악할 수 있도록 하려면, 상기 캐리어 가스 공급로에 마련되어, 해당 캐리어 가스 공급로를 흐르는 상기 캐리어 가스의 유량을 제1 설정 유량이 되도록 제어하는 제1 매스 플로우 컨트롤러와, 상기 원료 가스 도출로에 마련된, 압력 제어 밸브를 추가로 구비하고, 상기 원료 소비량 산출기가 상기 제1 설정 유량 또는 해당 제1 매스 플로우 컨트롤러로 측정되는 캐리어 가스의 유량에 기초하여, 상기 원료의 소비량을 산출하는 것이면 된다.
상기 압력 제어 밸브에 의해서 상기 원료 가스의 농도가 제어되고 있는 경우에, 상기 원료의 잔량에 따른 제어 특성으로 변경할 수 있는 구체적인 구성예로서는, 미리 설정되는 설정 농도와 상기 산출 농도의 편차, 및 설정되어 있는 제어 파라미터에 기초하여, 적어도 상기 압력 제어 밸브의 개도를 제어하여, 상기 원료 가스의 농도를 제어하는 농도 제어부를 추가로 구비하고, 상기 원료 소비량 산출기에서 산출되는 상기 원료의 소비량, 또는 상기 기화 탱크 내에 있어서의 상기 원료의 잔량에 따라 상기 제어 파라미터가 변경되는 것을 들 수 있다.
원료의 소비량에 의한 제어 특성의 변화에 따른 농도 제어를 실현하기 위한 구체적인 실시의 양태로서는, 상기 원료의 소비량, 또는 상기 원료의 잔량에 대응하는 제어 파라미터를 복수 기억하는 제어 파라미터 기억부와, 상기 원료 소비량 산출기에서 산출되는 원료의 소비량, 또는 상기 원료의 잔량에 따라 상기 제어 파라미터 기억부를 참조하여, 대응하는 제어 파라미터를 상기 농도 제어부에 설정하는 제어 파라미터 설정부를 추가로 구비한 것을 들 수 있다.
원료 가스의 농도 제어에 이용되는 센서의 출력에 기초하여, 별도 센서를 추가하는 일 없이, 정확하게 원료의 소비량을 추정하는 원료 소비량 추정 방법으로서는, 액체 또는 고체의 원료를 수용하는 기화 탱크와, 상기 기화 탱크에 캐리어 가스를 공급하는 캐리어 가스 공급로와, 상기 원료가 기화하여 상기 기화 탱크로부터 도출된 원료 가스가 흐르는 원료 가스 도출로를 적어도 구비하는 기화기에 있어서, 상기 원료의 소비량을 추정하는 방법으로서, 상기 원료 가스 도출로에 마련된 농도 모니터로부터의 출력 신호에 기초하여, 상기 원료 가스의 농도를 산출하는 농도 산출 스텝과, 상기 산출 농도와, 상기 캐리어 가스의 유량에 기초하여, 상기 원료 가스로서 상기 원료 가스 도출로에 도출된 상기 원료의 소비량을 산출하는 원료 소비량 산출 스텝을 구비한 것을 들 수 있다.
기존의 농도 제어 장치에 대해서 원료의 소비량을 추정하는 기능을 부가하려면, 액체 또는 고체의 원료를 수용하는 기화 탱크와, 상기 기화 탱크에 캐리어 가스를 공급하는 캐리어 가스 공급로와, 상기 원료가 기화하여 상기 기화 탱크로부터 도출된 원료 가스가 흐르는 원료 가스 도출로를 적어도 구비하는 기화기에 있어서, 상기 원료 가스 도출로에 마련되어, 상기 원료 가스의 농도에 따른 출력 신호를 출력하는 농도 모니터를 구비하고, 상기 원료 가스의 농도를 제어하는 농도 제어 장치용의 프로그램으로서, 상기 농도 모니터로부터의 출력 신호에 기초하여, 상기 원료 가스의 농도를 산출하는 농도 산출부와, 상기 산출 농도와, 상기 캐리어 가스의 유량에 기초하여, 상기 원료 가스로서 상기 원료 가스 도출로에 도출된 상기 원료의 소비량을 산출하는 원료 소비량 산출기로서의 기능을 컴퓨터에 발휘시키는 것을 특징으로 하는 농도 제어 장치용 프로그램을 이용하면 된다.
덧붙여, 농도 제어 장치용 프로그램은 전자적으로 배포되는 것이어도 되고, CD, DVD, 플래쉬 메모리 등의 프로그램 기록 매체에 기록된 것이어도 된다.
이와 같이 본 발명에 따른 농도 제어 장치에 의하면, 농도 모니터의 출력에 기초하여 농도 제어 용도 이외의 센서를 부가하는 일 없이, 상기 기화 탱크 내의 상기 원료의 소비량이나 잔량을 정확하게 추정하는 것이 가능해진다. 이 결과, 상기 원료의 잔량을 정확하게 파악할 수 있으므로, 제어 상태의 변화에 맞춰 제어 파라미터 등을 변경하여, 항상 일정한 정밀도의 농도 제어를 실현하는 것이 가능해진다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 농도 제어 시스템에 대해 나타내는 모식도이다.
도 2는 제1 실시 형태에 있어서의 농도 제어 장치의 제어 기구의 기능 블록도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 농도 제어 시스템에 대해 나타내는 모식도이다.
도 4는 제2 실시 형태에 있어서의 농도 제어 장치의 제어 기구의 기능 블록도이다.
본 발명의 제1 실시 형태에 따른 농도 제어 시스템(200)에 대해 도면에 기초하여 설명한다.
본 발명에 따른 농도 제어 시스템(200)은, 예를 들면 반도체 제조 라인 등에 포함되어 반도체 제조 프로세스에 이용되는 챔버(CH)에 소정 농도의 가스를 공급하기 위한 것이다.
본 실시 형태에 따른 농도 제어 시스템(200)은, 소위 희석식(유량식)의 것이다. 도 1에 나타내는 것처럼, 농도 제어 시스템(200)은 기화기(100)와, 기화기(100)에 대해서 기기의 적어도 일부가 장착된 농도 제어 장치(101)로 구성되어 있다.
기화기(100)는 액체 또는 고체의 재료가 수용되는 기화 탱크(10)와, 기화 탱크(10)에 캐리어 가스를 공급하는 캐리어 가스 공급로(L1)와, 재료가 기화한 원료 가스를 기화 탱크(10)로부터 도출하는 원료 가스 도출로(L2)와, 원료 가스를 희석하는 희석 가스를 원료 가스 도출로(L2)에 공급하는 희석 가스 공급로(L3)와, 챔버(CH)로의 원료 가스의 공급과 그 정지를 전환하기 위한 전환 기구(20)를 구비하고 있다.
전환 기구(20)는 후술하는 농도 제어 장치(101)의 제어 기구(C)로부터 출력되는 밸브 전환 신호를 접수하여 개폐하는 복수의 밸브(V1~V3)를 가지고 있다. 그리고, 전환 기구(20)의 밸브(V1~V3)는 유저에 의해 미리 설정된 타이밍에서 개폐함으로써, 기화 탱크(10)로의 캐리어 가스의 공급과 정지가 반복되도록 되어 있다. 이것에 의해, 원료 가스가 기화 탱크(10)로부터 간헐적으로 도출되어 챔버(CH)에 간헐적으로 공급된다. 즉, 본 실시 형태의 농도 제어 시스템(200)에서는, 원료 가스(구체적으로는, 혼합 가스)를 챔버(CH)로 공급하는 공급 기간과, 그 공급을 정지하는 정지 기간이 교호로 반복되도록 구성되어 있다.
구체적으로는, 전환 기구(20)는 캐리어 가스 공급로(L1) 및 원료 가스 도출로(L2)를 접속하는 우회 유로(L4)와, 캐리어 가스 공급로(L1)에 있어서의 우회 유로(L4)와의 접속 지점보다도 하류측에 마련된 제1 밸브(V1)와, 원료 가스 도출로(L2)에 있어서의 우회 유로(L4)와의 접속 지점보다도 상류측에 마련된 제2 밸브(V2)와, 우회 유로(L4)에 마련된 제3 밸브(V3)를 구비하고 있다.
구체적으로는 전환 기구(20)의 제1 밸브(V1) 및 제2 밸브(V2)를 엶과 아울러 제3 밸브(V3)를 닫음으로써 원료 가스가 챔버(CH)에 공급되는 공급 기간이 되고, 전환 기구(20)의 제1 밸브(V1) 및 제2 밸브(V2)를 닫음과 아울러 제3 밸브(V3)를 엶으로써 원료 가스가 챔버(CH)에 공급되지 않는 정지 기간이 된다.
농도 제어 장치(101)는 캐리어 가스 공급로(L1)에 마련된 제1 매스 플로우 컨트롤러(MFC1)와, 원료 가스 도출로(L2)에 마련된 농도 모니터(40)와, 희석 가스 공급로(L3)에 마련된 제2 매스 플로우 컨트롤러(MFC2)와, 농도 모니터(40)의 출력에 기초하여 각 매스 플로우 컨트롤러(MFC1, MFC2)를 제어하여, 원료 가스의 농도를 제어하는 제어 기구(C)를 구비하고 있다.
제1 매스 플로우 컨트롤러(MFC1)는 캐리어 가스 공급로(L1)를 흐르는 캐리어 가스의 유량을 제어하는 것이다. 제1 매스 플로우 컨트롤러(MFC1)는, 예를 들면, 압력식의 유량 센서와, 피에조밸브 등의 유량 조정 밸브와, CPU나 메모리 등을 구비한 제어 회로를 구비한다(각 부재에 대해서는 도시하지 않음). 제1 매스 플로우 컨트롤러(MFC1)는 제어 기구(C)에 의해 설정되는 제1 설정 유량과, 유량 센서로 측정되는 캐리어 가스의 유량의 편차가 작아지도록 유량 조정 밸브의 개도를 피드백 제어한다.
농도 모니터(40)는 원료 가스 도출로(L2)에 있어서 희석 가스 공급로(L3)와의 합류점보다도 하류측에 마련되어 있다. 이 농도 모니터(40)는 원료 가스, 캐리어 가스, 및 희석 가스로 이루어지는 혼합 가스에 포함되는 원료 가스의 농도에 따른 신호를 출력한다. 즉, 본 실시 형태의 농도 모니터(40)는 혼합 가스에 포함되는 원료 가스의 농도(ｖol%)가, 혼합 가스의 압력(전압(全壓))에 대한 혼합 가스에 포함되는 원료 가스의 압력(분압(分壓))의 비율로 나타내지는 것을 이용한 것이다. 구체적으로는, 농도 모니터(40)는 혼합 가스의 전압을 측정하는 압력계(41)와, 원료 가스의 분압을 측정하는 예를 들면 비분산형 적외 흡수법(NDIR법)을 이용한 분압계(42)를 구비하고 있다.
제2 매스 플로우 컨트롤러(MFC2)는 희석 가스 공급로(L3)를 흐르는 희석 가스의 유량을 제어하는 것이다. 제2 매스 플로우 컨트롤러(MFC2)는 제1 매스 플로우 컨트롤러(MFC1)와 마찬가지로, 예를 들면, 압력식의 유량 센서와, 피에조밸브 등의 유량 조정 밸브와, CPU나 메모리 등을 구비한 제어 회로를 구비한다(각 부재에 대해서는 도시하지 않음). 제2 매스 플로우 컨트롤러(MFC2)도 제어 기구(C)에 의해 설정되는 제2 설정 유량과, 유량 센서로 측정되는 캐리어 가스의 유량의 편차가 작아지도록 유량 조정 밸브의 개도를 피드백 제어한다.
제어 기구(C)는, 구체적으로는, CPU, 메모리, A/D·D/A 컨버터, 입출력 수단 등을 가진 컴퓨터이며, 메모리에 격납된 프로그램이 CPU에 의해서 실행됨으로써, 도 2에 나타내는 것처럼, 적어도 농도 산출부(C1), 공급 제어부(도시하지 않음), 농도 제어부(C2), 원료 소비량 산출기(C3), 제어 파라미터 설정부(C6), 제어 파라미터 기억부(C7) 등으로서의 기능을 발휘하도록 구성되어 있다.
농도 산출부(C1)는 농도 모니터(40)로부터 출력된 출력 신호에 기초하여 혼합 가스에 포함되는 원료 가스의 농도를 산출하는 것이다. 구체적으로는, 압력계(41) 및 분압계(42)의 각각으로부터 출력 신호를 취득하고, 압력계(41)에 의해 검출된 전압(全壓)에 대한 분압계(42)에 의해 검출된 분압의 비율을, 혼합 가스에 포함되는 원료 가스의 농도(ｖol%)로서 산출한다.
공급 제어부는 밸브 개폐 신호를 접수하여, 원료 가스의 공급 기간인지 여부를 판정하고, 그 판정 결과에 기초하여 전환 기구(20)의 상태를 전환한다.
농도 제어부(C2)는, 예를 들면 원료 가스의 공급 기간에 있어서, 농도 산출부(C1)에서 산출되는 산출 농도와, 유저에 의해 설정되는 설정 농도, 및 설정되어 있는 제어 파라미터에 기초하여, 제1 매스 플로우 컨트롤러(MFC1) 또는 제2 매스 플로우 컨트롤러(MFC2)의 적어도 한쪽을 제어함으로써 원료 가스의 산출 농도가 설정 농도에 가까워지도록 농도 피드백 제어하는 것이다. 덧붙여, 농도 제어부(C2)에서는 PID 제어가 행해지고 있고, 제어 파라미터는 예를 들면 각종 게인에 상당한다.
구체적으로는 농도 제어부(C2)에는 유저에 의해 미리 설정되는 혼합 가스 중에 포함되는 재료 가스의 설정 농도와, 챔버(CH)에 공급하는 가스의 목표 토탈 유량이 입력된다. 캐리어 가스의 목표 유량인 제1 설정 유량은, 이 설정 농도와 측정 농도의 편차에 기초하는 농도 피드백 제어에 의해 순서대로 변경된다. 또, 희석 가스의 목표 유량인 제2 설정 유량은, 제1 설정 유량과의 합계량이 목표 토탈 유량과 일치하도록 설정된다.
원료 소비량 산출기(C3)는 농도 제어를 위해서 이용되는 각종 센서의 출력에 기초하여 원료의 소비량을 산출한다. 본 실시 형태에서는, 원료 소비량 산출기(C3)는 캐리어 가스의 유량, 희석 가스의 유량, 원료 가스의 농도에 기초하여 원료의 소비량을 산출한다.
구체적으로는 원료 소비량 산출기(C3)는 원료 가스 도출로(L2)를 흐르는 원료 가스의 유량을 산출하는 원료 유량 산출부(C4)와, 산출된 원료 가스의 유량과, 원료 가스 도출로(L2)에 원료 가스가 공급되고 있는 시간에 기초하여 원료 소비량을 산출하는 소비량 산출부(C5)를 구비하고 있다.
원료 유량 산출부(C4)는 원료의 농도는 원료 가스 도출로(L2)에 흐르는 원료 가스의 유량을 혼합 가스 전체의 유량으로 나눈 값과 동일한 것을 이용하여 원료 가스의 유량을 산출한다. 구체적으로는 이하와 같은 관계식이 성립된다.
C=QV/QT (1)
QT=QV＋QC＋QD (2)
여기서, C：원료 가스의 농도(ｖol.%), QV：원료 가스의 유량(sccm), QT：혼합 가스의 유량(sccm), QC：캐리어 가스의 유량(sccm), QD：희석 가스의 유량(sccm)이다.
이들 (1)식 (2)식으로부터 원료의 유량 QV에 대해 풀면 이하와 같이 된다.
QV=(QC＋QD)｛C/(1－C)｝ (3)
이와 같이 원료 유량 산출부(C4)는 (3) 식에 기초하여, 캐리어 가스의 유량과 희석 가스의 유량의 합인 총 캐리어 유량 QC＋QD와, 산출 농도 C로부터 원료의 유량 QV를 산출한다. 본 실시 형태에서는, 총 캐리어 유량에 대해서는 각 매스 플로우 컨트롤러(MFC1, MFC2)의 유량 센서로 측정되어 있는 값이 이용된다. 덧붙여, 유량 센서의 실측치가 아니고, 예를 들면 제어 기구(C)에 의해 설정되는 설정 유량을 이용해도 되고, 유저에 의해서 설정되는 설정 유량을 이용해도 상관없다.
소비량 산출부(C5)는, 예를 들면 제어 주기마다 원료 유량 산출부에서 산출되는 원료 가스의 유량 QV에 제어 주기 Δt를 곱해 농도 제어 개시 시점으로부터 현시점까지의 적산(積算) 원료 유량을 산출한다. 구체적으로는 이하와 같은 (4) 식으로 소비량 산출부(C5)는 적산 원료 유량 V를 산출한다.
V=ΣQViΔti (4)
추가로, 소비량 산출부(C5)는 원료 가스가 이상(理想) 기체라고 가정한 이하의 식(5)에 기초하여, 적산 원료 유량 V［cc］를 그램 환산한 원료의 소비량 m［g］을 산출한다. 덧붙여, M은 원료 가스 분자의 몰 질량［g/mol］이다.
m=VM/(1000*22.4) (5)
또, 초기의 원료의 양으로부터 원료 소비량을 뺌으로써 소비량 산출부(C5)는 원료의 잔량을 산출한다.
이와 같이 하여 소비량 산출부(C5)에서 산출된 원료 소비량 또는 원료의 잔량은, 제어 파라미터 설정부(C6)에 입력된다. 그리고, 제어 파라미터 설정부(C6)는 소비량 산출부(C5)에서 산출된 원료 소비량 또는 원료의 잔량에 따라 농도 제어부(C2)에 제어 파라미터인 예를 들면 게인을 적당히 설정한다. 본 실시 형태에서는, 제어 파라미터 기억부(C7)에 기억되어 있는 원료 소비량 또는 원료의 잔량과, 원료 소비량 또는 원료의 잔량의 각 값에 대응하는 제어 파라미터가 쌍으로 된 제어 파라미터 테이블을 제어 파라미터 설정부(C6)가 참조하여, 입력되어 있는 원료 소비량 또는 원료의 잔량에 대응하는 제어 파라미터를 농도 제어부(C2)에 대해서 설정한다. 덧붙여, 제어 파라미터 설정부(C6)는 원료 소비량 또는 원료의 잔량에 따라 이산적으로 제어 파라미터를 전환하도록 하고 있지만, 기억되어 있는 제어 파라미터의 값을 보간하여, 연속적으로 변화시키는 것이어도 된다.
이와 같이 구성된 제1 실시 형태의 농도 제어 장치(101) 및 농도 제어 시스템(200)에 의하면, 원료 가스의 농도 제어에 필수 구성인 유량 센서나 농도 모니터(40)의 출력만에 기초하여, 원료 소비량을 추정할 수 있다.
또, 추정된 원료 소비량에 기초하여, 농도 제어부(C2)는 제어 파라미터를 변경하므로, 원료가 감소하여, 농도 제어계로서의 특성이 변화했다고 해도 일정한 정밀도로 제어를 계속할 수 있다.
추가로, 사용되는 값은 제어 주기마다 순서대로 갱신되므로, 정확한 원료 소비량을 항상 파악할 수 있다.
다음에 제2 실시 형태에 따른 농도 제어 시스템(200)에 대해 도 3 및 도 4를 참조하면서 설명한다. 덧붙여, 제1 실시 형태에 있어서 설명한 부재에 대응하는 부재에는 같은 부호를 부여하는 것으로 한다.
제1 실시 형태에 따른 농도 제어 시스템(200)은, 희석식(유량식)의 것이지만, 제2 실시 형태에 나타내는 것처럼 압력식이어도 된다. 구체적으로는, 압력식의 농도 제어 시스템(200)은, 도 3에 나타내는 것처럼 희석 가스 공급로를 구비하고 있지 않고, 대신에 원료 가스 도출로(L2)의 농도 모니터(40)보다도 하류측에 압력 제어 밸브(PV)를 구비하고 있다.
또, 농도 제어부도 제어하는 대상이 캐리어 가스 도입로(L1) 상에 마련된 제1 매스 플로우 컨트롤러(MFC1)와, 압력 제어 밸브(PV)가 된다. 즉, 농도 제어부(C2)는 농도 모니터(40)의 출력에 기초하여 산출되는 산출 농도와 설정 농도의 편차에 기초하여, 압력 제어 밸브(PV)의 개도를 피드백 제어한다. 이 결과, 혼합 가스의 전압(全壓)이 조절됨으로써, 원료 가스 공급로(L2)에 있어서의 원료 가스의 농도가 설정 농도로 유지된다.
더하여, 원료 소비량 산출기(C3)에 대해서는 압력식의 농도 제어 시스템의 경우에는, 산출되는 산출 농도와, 제1 매스 플로우 컨트롤러(MFC1)로 측정되는 캐리어 가스 유량에 기초하여 원료 소비량을 산출한다. 덧붙여, 구체적인 식에 대해서는 제1 실시 형태에 있어서 설명한 식에 있어서 희석 가스의 유량 QD에서 제로로 했을 경우와 같다.
이와 같이 제2 실시 형태의 압력식의 농도 제어 시스템(200)이어도, 기화 탱크(10) 내의 원료의 잔량을 농도 제어에 이용하는 센서만으로 정확하게 파악할 수 있다.
또, 제1 실시 형태와 마찬가지로 원료의 잔량에 따라 농도 제어부(C2)에 설정되어 있는 제어 파라미터가 변경되므로, 압력식의 농도 제어여도 원료의 잔량에 의존하지 않고 거의 일정 정밀도로 농도 제어를 계속하는 것이 가능해진다.
그 외의 실시 형태에 대해서 설명한다.
각 실시 형태에서는 농도 제어에 이용되는 센서의 출력에 기초하여 원료의 소비량이나 잔량을 산출하도록 하고 있었지만, 예를 들면 별도 부가적인 센서를 마련하고, 그것들의 출력도 이용하여 원료의 소비량이나 잔량을 산출하도록 해도 된다. 예를 들면 기화 탱크에 중량 센서나 액면 센서를 마련해 두고, 그것들의 출력에 기초하여 원료의 소비량이나 잔량을 산출하도록 해도 된다.
기화 탱크에 별도 원료 가스의 분압을 측정하는 분압계나 원료 가스의 농도를 측정하는 농도 센서를 마련해 두고, 그것들의 변화에 기초하여 원료의 소비량을 산출하도록 해도 된다.
그 외, 본 발명의 취지에 반하지 않는 한에 있어서 다양한 변형이나, 실시 형태의 일부끼리의 조합을 행해도 상관없다.
200···농도 제어 시스템
100···기화기
101···농도 제어 장치
40···농도 모니터
MFC1···제1 매스 플로우 컨트롤러
MFC2···제2 매스 플로우 컨트롤러
C1···농도 산출부
C2···농도 제어부
C3···원료 소비량 산출기
C4···원료 유량 산출부
C5···소비량 산출부
C6···제어 파라미터 설정부
C7···제어 파라미터 기억부

Claims (11)

  1. 액체 또는 고체의 원료를 수용하는 기화 탱크와, 상기 기화 탱크에 캐리어 가스를 공급하는 캐리어 가스 공급로와, 상기 원료가 기화하여 상기 기화 탱크로부터 도출된 원료 가스가 흐르는 원료 가스 도출로를 적어도 구비하는 기화기에 있어서, 상기 원료 가스의 농도를 제어하는 농도 제어 장치로서,
    상기 원료 가스 도출로에 마련되어, 상기 원료 가스의 농도에 따른 출력 신호를 출력하는 농도 모니터와,
    상기 농도 모니터로부터의 출력 신호에 기초하여, 상기 원료 가스의 농도를 산출하는 농도 산출부와,
    상기 농도 산출부가 산출하는 산출 농도와, 상기 캐리어 가스의 유량에 기초하여, 상기 원료 가스로서 상기 원료 가스 도출로에 도출된 상기 원료의 소비량을 산출하는 원료 소비량 산출기를 구비한 것을 특징으로 하는
    농도 제어 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 기화기가, 상기 원료 가스 도출로에 합류하여, 해당 원료 가스 도출로에 희석 가스를 공급하는 희석 가스 공급로를 추가로 구비하고,
    상기 원료 소비량 산출기가, 상기 산출 농도와, 상기 캐리어 가스의 유량 및 상기 희석 가스의 유량의 합계인 총 캐리어 유량에 기초하여, 상기 원료의 소비량을 산출하는
    농도 제어 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 원료 소비량 산출기가,
    각 시각에서의 상기 산출 농도와 상기 총 캐리어 유량으로부터, 각 시각에서의 상기 원료 가스의 유량을 산출하는 원료 유량 산출부와,
    각 시각에서의 상기 원료 가스의 유량과, 상기 원료 가스 도출로에 상기 원료 가스가 공급되고 있는 원료 가스 공급 시간에 기초하여, 상기 원료의 소비량을 산출하는 소비량 산출부를 구비하는
    농도 제어 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 캐리어 가스 공급로에 마련되어, 해당 캐리어 가스 공급로를 흐르는 상기 캐리어 가스의 유량을 제1 설정 유량이 되도록 제어하는 제1 매스 플로우 컨트롤러와,
    상기 희석 가스 공급로에 마련되어, 해당 희석 가스 공급로를 흐르는 상기 희석 가스의 유량을 제2 설정 유량이 되도록 제어하는 제2 매스 플로우 컨트롤러를 추가로 구비하고,
    상기 원료 유량 산출부가, 상기 제1 설정 유량 또는 해당 제1 매스 플로우 컨트롤러로 측정되는 캐리어 가스의 유량과, 상기 제2 설정 유량 또는 상기 제2 매스 플로우 컨트롤러로 측정되는 희석 가스의 유량으로부터 총 캐리어 유량을 산출하는
    농도 제어 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    미리 설정되는 설정 농도와 상기 산출 농도의 편차, 및 설정되어 있는 제어 파라미터에 기초하여, 상기 제1 매스 플로우 컨트롤러 및 상기 제2 매스 플로우 컨트롤러에 각각 설정되는 상기 제1 설정 유량 및 상기 제2 설정 유량을 변경하여, 상기 원료 가스의 농도를 제어하는 농도 제어부를 추가로 구비하고,
    상기 원료 소비량 산출기에서 산출되는 상기 원료의 소비량, 또는 상기 기화 탱크 내에 있어서의 상기 원료의 잔량에 따라 상기 제어 파라미터가 변경되는
    농도 제어 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 캐리어 가스 공급로에 마련되어, 해당 캐리어 가스 공급로를 흐르는 상기 캐리어 가스의 유량을 제1 설정 유량이 되도록 제어하는 제1 매스 플로우 컨트롤러와,
    상기 원료 가스 도출로에 마련된, 압력 제어 밸브를 추가로 구비하고,
    상기 원료 소비량 산출기가 상기 제1 설정 유량 또는 해당 제1 매스 플로우 컨트롤러로 측정되는 캐리어 가스의 유량에 기초하여, 상기 원료의 소비량을 산출하는
    농도 제어 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 원료 소비량 산출기가,
    각 시각에서의 상기 산출 농도와 상기 캐리어 가스의 유량으로부터, 각 시각에서의 상기 원료 가스의 유량을 산출하는 원료 유량 산출부와,
    각 시각에서의 상기 원료 가스의 유량과, 상기 원료 가스 도출로에 상기 원료 가스가 공급되고 있는 원료 가스 공급 시간에 기초하여, 상기 원료의 소비량을 산출하는 소비량 산출부를 구비하는
    농도 제어 장치.
  8. 청구항 6에 있어서,
    미리 설정되는 설정 농도와 상기 산출 농도의 편차, 및 설정되어 있는 제어 파라미터에 기초하여, 적어도 상기 압력 제어 밸브의 개도를 제어하여, 상기 원료 가스의 농도를 제어하는 농도 제어부를 추가로 구비하고,
    상기 원료 소비량 산출기에서 산출되는 상기 원료의 소비량, 또는 상기 기화 탱크 내에 있어서의 상기 원료의 잔량에 따라 상기 제어 파라미터가 변경되는
    농도 제어 장치.
  9. 청구항 5에 있어서,
    상기 원료의 소비량, 또는 상기 원료의 잔량에 대응하는 제어 파라미터를 복수 기억하는 제어 파라미터 기억부와,
    상기 원료 소비량 산출기에서 산출되는 원료의 소비량, 또는 상기 원료의 잔량에 따라 상기 제어 파라미터 기억부를 참조하여, 대응하는 제어 파라미터를 상기 농도 제어부에 설정하는 제어 파라미터 설정부를 추가로 구비한
    농도 제어 장치.
  10. 액체 또는 고체의 원료를 수용하는 기화 탱크와, 상기 기화 탱크에 캐리어 가스를 공급하는 캐리어 가스 공급로와, 상기 원료가 기화하여 상기 기화 탱크로부터 도출된 원료 가스가 흐르는 원료 가스 도출로를 적어도 구비하는 기화기에 있어서, 상기 원료의 소비량을 추정하는 방법으로서,
    상기 원료 가스 도출로에 마련된 농도 모니터로부터의 출력 신호에 기초하여, 상기 원료 가스의 농도를 산출하는 농도 산출 스텝과,
    상기 농도 산출 스텝에서 산출되는 산출 농도와, 상기 캐리어 가스의 유량에 기초하여, 상기 원료 가스로서 상기 원료 가스 도출로에 도출된 상기 원료의 소비량을 산출하는 원료 소비량 산출 스텝을 구비한
    원료 소비량 추정 방법.
  11. 액체 또는 고체의 원료를 수용하는 기화 탱크와, 상기 기화 탱크에 캐리어 가스를 공급하는 캐리어 가스 공급로와, 상기 원료가 기화하여 상기 기화 탱크로부터 도출된 원료 가스가 흐르는 원료 가스 도출로를 적어도 구비하는 기화기에 있어서, 상기 원료 가스 도출로에 마련되어, 상기 원료 가스의 농도에 따른 출력 신호를 출력하는 농도 모니터를 구비하여, 상기 원료 가스의 농도를 제어하는 농도 제어 장치용의 프로그램이 기록된 프로그램 기록 매체로서,
    상기 농도 모니터로부터의 출력 신호에 기초하여, 상기 원료 가스의 농도를 산출하는 농도 산출부와,
    상기 농도 산출부가 산출하는 산출 농도와, 상기 캐리어 가스의 유량에 기초하여, 상기 원료 가스로서 상기 원료 가스 도출로에 도출된 상기 원료의 소비량을 산출하는 원료 소비량 산출기로서의 기능을 컴퓨터에 발휘시키는 것을 특징으로 하는
    농도 제어 장치용 프로그램이 기록된 프로그램 기록 매체.
KR1020200026947A 2019-03-12 2020-03-04 농도 제어 장치, 원료 소비량 추정 방법, 및 농도 제어 장치용 프로그램을 기록한 프로그램 기록 매체 KR20200109252A (ko)

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