KR20210015971A - 유량 제어 시스템 및 유량 측정 방법 - Google Patents

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Abstract

유량 제어 시스템(1)의 제어부(3)는 압력 센서(P) 및 온도 센서(T)의 계측값을 기록하는 기록부(31)와, 압력 센서(P)의 계측값에 따른 제 1 밸브(V1)로부터 제 2 밸브(V2)까지의 용적을 기억하는 기억부(32)와, 제 1 밸브(V1)와 제 2 밸브(V2)를 개방해서 가스를 흘려보내고, 가스가 흐르고 있는 상태에서 제 1 밸브(V1)와 제 2 밸브(V2)를 동시에 폐쇄한 후에 계측한 제 1 압력값(P1) 및 제 1 온도값(T1), 제 1 밸브(V1)와 제 2 밸브(V2)를 개방해서 가스를 흘려보내고, 가스가 흐르고 있는 상태에서 제 2 밸브(V2)를 폐쇄하고, 소정 시간(Δt)이 경과 후, 제 1 밸브(V1)를 폐쇄한 후에 계측한 제 2 압력값(P2) 및 제 2 온도값(T2), 제 2 압력값(P2)에 따른 제 1 밸브(V1)로부터 제 2 밸브(V2)까지의 용적값(V)에 근거하여 유량을 연산하는 연산부(33)를 구비한다.

Description

유량 제어 시스템 및 유량 측정 방법
본 발명은 반도체 제조 설비, 약품 제조 장치 또는 화학 플랜트 등에 사용하는 가스 공급 장치에 사용되는 유량 제어 시스템 및 유량 측정 방법에 관한 것이다.
반도체 제조 설비 또는 화학 플랜트 등에 있어서는 가스를 정밀도 좋게 공급하는 것이 요구된다. 가스 유량의 제어 장치로서, 질량 유량 제어기(열식 질량 유량 제어기)나 압력식 유량 제어 시스템이 알려져 있다.
이들의 유량 제어 시스템에 있어서, 유량은 고정밀도로 관리할 필요가 있으며, 수시, 유량 정밀도의 확인이나 교정을 행하는 것이 바람직하다. 유량 측정의 방법으로서, 일반적으로 빌드업법에 의한 유량 측정이 사용되고 있다. 빌드업법은 기지 용량 내(빌드업 용량)에 흘러들어오는 단위시간당 압력을 검출함으로써 유량을 측정하는 방법이다.
빌드업법은 유량 제어기의 하류에 설치된 일정 용적(V)의 배관 내 또는 탱크 내에 가스를 흘려보내고, 그 때의 압력 상승률(ΔP/Δt)과 온도(T)를 측정함으로써 기체 정수를 R로 했을 때, 예를 들면 Q=22.4×(ΔP/Δt)×V/RT로부터 유량 Q를 구하도록 하고 있다.
특허문헌 1에는 빌드업법을 사용한 유량 측정의 일례가 개시된 가스 공급 장치가 기재되고, 특허문헌 2에는 빌드업법을 사용한 유량 제어기의 교정 방법에 관한 유량 계산 방법이 개시되어 있다.
(특허문헌 1) 일본 특허 공개 2006-337346호 공보
(특허문헌 2) 일본 특허 공개 2012-32983호 공보
종래의 빌드업법에서는 일정 빌드업 용량의 배관내나 탱크 내에 가스를 보내서 압력을 검출하는 것으로, 측정하는 유량의 폭이 작은 경우, 빌드업 압력은 일정(예를 들면, 100Torr)하게 함으로써 빌드업 용량을 변화시킬 필요는 없다.
그러나, 통상 유량 제어기를 복수 병렬로 배치하고, 챔버에 대하여 상이한 유량의 유체를 공급하는 것이 기대되고 있다. 이러한 경우, 빌드업법에 있어서의 유량 측정에 있어서, 측정하는 유량의 폭이 유량 제어기에 의해, 예를 들면 1sccm∼2000sccm 등의 폭으로 유량 계측을 행할 필요가 생긴다. 2000sccm을 계측할 때, 빌드업 압력을 100Torr로 했을 때에 빌드업 압력까지 압력을 상승시키는데 몇초로 완료되는 곳, 1sccm 등 소유량의 유량 계측을 행하려고 한 경우, 빌드업 압력을 2000sccm과 같은 100Torr로 하면, 압력을 상승시키기 위해 필요한 시간이 몇시간이 걸리는 경우가 있다.
이와 같이 압력 상승에 장시간 걸리는 것은 실제의 장치에 있어서는 현실적이지 않기 때문에, 빌드업 압력을 낮추고 압력 상승 시간이 단시간이 되도록, 예를 들면 유량 1sccm을 계측하는 경우는 빌드업 압력을 4Torr로 저하시킴으로써 압력 상승 시간의 문제를 해소하도록 하고 있다. 빌드업 압력을 변동시키면 빌드업 압력을 계측하는 압력계가 내부에 다이어프램을 구비한 정전용량 방식의 경우에는 다이어프램의 변형량이 상이하게 되고, 변형 게이지 방식의 압력계의 경우에도 내부에서 휨이 발생하고, 관련되는 부분에서의 용적이 미량이면서 변동한다. 그리고, 빌드업 용적이 배관을 이용하는 등, 작은 용적인 경우, 압력계 내의 용적의 변동은 빌드업 용적 전체에 대하여 무시할 수 없는 것이 되어, 유량 측정 결과에 영향을 미친다는 문제가 생기는 것을 알았다.
본 발명은 관련되는 점에 비추어 보아, 계측 유량의 변경에 따른 빌드업 압력을 변경해도 정확한 유량 측정이 가능한 유량 제어 시스템 및 유량 측정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 실시형태에 의한 유량 제어 시스템은,
유량 제어기의 하류측에 설치된 제 1 밸브와, 제 1 밸브의 하류측에 설치된 압력 센서, 온도 센서 및 양쪽 센서의 하류측에 설치된 제 2 밸브를 갖는 유량 측정 장치와, 제 1 밸브 및 제 2 밸브의 개폐 동작을 제어하는 제어부를 구비하고,
제어부는 압력 센서 및 온도 센서의 계측값을 기록하는 기록부와,
압력 센서의 계측값에 따른 제 1 밸브로부터 제 2 밸브까지의 용적값을 기억하는 기억부와,
제 1 밸브와 제 2 밸브를 개방해서 가스를 흘려보내고, 가스가 흐르고 있는 상태에서 제 1 밸브와 제 2 밸브를 동시에 폐쇄하고, 그 후에 계측한 제 1 압력값 및 제 1 온도값, 제 1 밸브와 제 2 밸브를 개방해서 가스를 흘려보내고, 가스가 흐르고 있는 상태에서 제 2 밸브를 폐쇄하고, 그 후, 소정 시간이 경과 후, 제 1 밸브를 폐쇄한 후에 계측한 제 2 압력값 및 제 2 온도값, 및 기억부로부터 얻어지는 제 2 압력값에 따른 제 1 밸브로부터 제 2 밸브까지의 용적값에 근거하여 유량을 연산하는 연산부를 가지고 있다.
상기의 유량 제어 시스템에 의하면, 빌드업 압력이 되는 제 2 압력값의 변동에 의한 빌드업 용량의 변화에 의한 유량 계산의 영향을 방지할 수 있다.
또한, 같은 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 실시형태에 의한 유량 측정 방법은 유량 제어기의 하류측에 설치된 제 1 밸브와, 제 1 밸브의 하류측에 설치된 압력 센서, 온도 센서 및 양쪽 센서의 하류측에 설치된 제 2 밸브를 갖는 유량 측정 장치와, 제 1 밸브 및 제 2 밸브의 개폐 동작을 제어하는 제어부를 구비하는 유체 제어 시스템에 있어서 행해지고,
제 1 밸브와 제 2 밸브를 개방해서 가스를 흘려보내고, 가스가 흐르고 있는 상태에서 제 1 및 제 2 밸브를 동시에 폐쇄하고, 그 후 압력 및 온도를 측정하는 제 1 스텝과,
제 1 밸브와 제 2 밸브를 개방해서 가스를 흘려보내고, 가스가 흐르고 있는 상태에서 제 2 밸브를 폐쇄하고, 그 후, 소정 시간이 경과 후에 제 1 밸브를 폐쇄한 후의 압력 및 온도를 측정하는 제 2 스텝과,
제 1 스텝에서 측정한 압력 및 온도, 제 2 스텝에서 측정한 압력 및 온도, 및 제 2 스텝에서 측정한 압력에 따라서 변동하는 빌드업 용적에 근거하여 유량을 연산하는 제 3 스텝을 포함한다.
본 발명의 실시형태에 의한 유량 제어 시스템 및 유량 측정 방법에 의하면, 빌드업 압력이 되는 제 2 스텝에서 측정한 압력을 변동시켜도 안정한 유량 계산을 할 수 있다.
또한, 이 경우에 있어서,
유량 제어 시스템이 유량 제어기 및 제 1 밸브의 하류측이고, 또한 압력 센서 및 온도 센서의 상류측에 상시 개방 상태의 제 3 밸브를 구비하고, 제 2 스텝의 압력 측정 및 온도 측정 후 제 3 밸브를 폐쇄함과 아울러 제 2 밸브를 단시간에 개폐시킨 후에 측정한 압력과, 그 후 또한 제 2 밸브를 폐쇄한 상태에서 제 3 밸브를 개방한 후에 계측한 압력을 제 3 스텝의 유량 연산에 사용하도록 할 수 있다. 이것에 의해 배관 온도의 영향을 해소할 수 있다.
(발명의 효과)
본 발명의 유량 제어 시스템 및 유량 측정 방법에 의하면, 광범위한 유량, 예를 들면 1sccm∼2000sccm의 유량을 단시간이고, 또한 고정밀도로 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 의한 유량 제어 시스템의 개략 구성을 나타내는 모식도이다.
도 2는 동 유량 제어 시스템에 사용하는 유량 제어기의 일 실시예를 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 실시형태에 의한 유량 제어 시스템 및 유량 측정 방법의 개요를 나타내고, (a)는 도 1의 모식도를 1 계통으로 간략화한 개략도, (b)는 측정 방법에 관한 타이밍 차트이다.
도 4는 빌드업 압력과 빌드업 용적의 관계를 나타내는 그래프이며, 빌드업 압력 100Torr일 때의 용적을 100%로 했을 때의 각 빌드업 압력에 있어서의 용적을 비율로 나타낸다.
이하, 본 발명의 실시형태를 도면에 근거하여 상세하게 설명한다. 또한, 이하의 실시형태는 본질적으로 바람직한 예시이며, 본 발명, 그 적용물, 또는 그 용도의 범위를 제한하는 것을 의도하는 것은 아니다.
<실시형태 1>
본 실시형태 1은 본 발명에 의한 유량 제어 시스템이다. 이 유량 제어 시스템(1)은 도 1에 나타내는 바와 같이, 유량 제어기(10)의 하류측에 설치된 제 1 밸브(V1)와, 이 제 1 밸브(V1)의 하류측에 설치된 압력 센서(P)(도 예, 압력 센서는 압력 센서 Pa 및 Pb의 2기 배치되어 있지만 총칭해서 압력 센서(P)라고 함), 온도 센서(T), 및 압력 센서(P), 온도 센서(T)의 하류측에 설치된 제 2 밸브(V2)를 갖는 유량 측정 장치(2)와, 제 1 밸브(V1) 및 제 2 밸브(V2)의 개폐 동작을 제어하는 제어부(3)를 구비하는 유량 제어 시스템(1)으로서, 제어부(3)는 압력 센서(P) 및 온도 센서(T)의 계측값을 기록하는 기록부(31)와, 압력 센서(P)의 계측값에 따른 제 1 밸브(V1)로부터 제 2 밸브(V2)까지의 용적을 기억하는 기억부(32)와, 제 1 밸브(V1)와 제 2 밸브(V2)를 개방해서 가스를 흘려보내고, 가스가 흐르고 있는 상태에서 제 1 밸브(V1)와 제 2 밸브(V2)를 동시에 폐쇄하고, 그 후에 계측한 제 1 압력값(P1) 및 제 1 온도값(T1), 제 1 밸브(V1)와 제 2 밸브(V2)를 개방해서 가스를 흘려보내고, 가스가 흐르고 있는 상태에서 제 2 밸브(V2)를 폐쇄하고, 그 후, 소정 시간(Δt)이 경과 후, 제 1 밸브(V1)를 폐쇄한 후에 계측한 제 2 압력값(P2) 및 제 2 온도값(T2), 및 제 2 압력값(P2)에 따른 제 1 밸브(V1)로부터 제 2 밸브(V2)까지의 용적값(V)에 근거하여 유량을 연산하는 연산부(33)를 구비하고 있다. 또한, 압력 센서(Pa) 및 압력 센서(Pb)는 일방이 고압용, 타방이 저압용으로서 기능하는 것 외, 동 레인지의 압력계를 부착하여 더블 체크용으로 사용하도록 구성해도 상관없다. 또한, 압력 센서의 수는 2기 이상, 또는 1기이어도 상관없다.
또한, 본 출원인에 의한 국제 공개 제2018/147354호에는 상술한 바와 같이 제 1 밸브(V1)와 제 2 밸브(V2)를 동시에 폐쇄한 후의 제 1 압력값(P1)과, 제 2 밸브(V2)를 폐쇄한 후에 소정 시간(Δt) 경과 후, 제 1 밸브를 폐쇄한 후의 제 2 압력값(P2)에 근거하여 유량을 연산하는 방법이 개시되어 있다. 이 방법에 의하면, 밸브를 동시 폐쇄했을 때의 밀봉시에 있어서의 가스의 물질량(몰수)을 제 1 압력값(P1)으로부터 구할 수 있고, 이것을 종래의 빌드업법에 있어서의 흘러들어 온 가스의 물질량으로부터 뺌으로써, 계측 유량의 라인 의존성의 저감을 도모할 수 있다.
유량 제어기(10)의 상류측에는 가스 공급원(4)이 접속되어 있다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 유량 제어 시스템(1)은 복수의 가스 공급원(4)으로부터의 가스를, 각각의 가스 공급원(4)에 대하여 설치된 유량 제어기(10)를 통해서 제어된 유량으로 반도체 제조 장치 등의 프로세스 챔버(5)에 공급하도록 구성되어 있다. 각각의 유량 제어기(10)가 제어하는 유체의 유량은 동일 유량이어도 상관없지만, 본 실시형태에서는 각각의 유량 제어기(10)가 예를 들면 1sccm∼2000sccm의 범위 또는 그 이상의 범위의 유량을 제어하도록 구성한다.
본 출원인이 이전에 채용하고 있던 형태에 있어서의 빌드업법에서의 계산식인, Q=22.4×((P2-P1)/(760×R·Δt))×V/T(이하, 빌드업 일반식이라 함)에 있어서는, 용적 V는 일정하게 계산하도록 하고 있다. 그러나, 도 4의 그래프와 같이, 빌드업 압력이 되는 P2(그래프에 있어서의 밀봉 압력)의 값이, 예를 들면 100Torr로부터 4Torr로 변하면, 빌드업 용적에 의해 다른지만, 저압용 고압용 2기의 압력계의 다이어프램의 변형에 의한 용적 변화의 영향은 계산식에 있어서 무시할 수 없는 영향이 된다. 한편, 상기의 빌드업 일반식에 있어서, P2는 상술의 제 2 압력값(P2)이며, P1은 상술의 제 1 압력값(P1)이며, R는 기체 정수이며, Δt는 빌드업 공정에 있어서 제 2 밸브(V2)를 폐쇄하여 압력 상승이 시작했을 때부터 제 1 밸브(V1)를 폐쇄할때 까지의 시간이다. 또한, 상기 식은 T1=T2=T로 가정했을 때의 일반식이다.
다시 도 1을 참조하여, 유량 제어 시스템(1)은 복수의 가스 공급원(4)이 접속 가능해지고 있는 가스 공급 라인(L1)과, 가스 공급 라인(L1)에 개재하는 유량 제어기(10)와, 각 유량 제어기(10)의 하류측에 설치된 제 1 밸브(V1)와, 가스 공급 라인(L1)의 하류측의 공통 가스 공급 라인(L2)을 구비하고 있다. 도 1에 나타내는 본 실시형태의 유량 제어 시스템(1)에 사용되는 유량 측정 장치(2)는 프로세스 챔버(5)에 통과하는 공통 가스 공급 라인(L2)으로부터는 분기되어 배치되어 있지만, 가스 공급원(4)으로부터 프로세스 챔버(5)에 통과하는 가스 유로의 도중에 개재하도록 배치(도 3(a) 참조)해도 상관없다. 그리고, 도 1에 나타내는 유량 제어 시스템(1)에 있어서 프로세스 챔버(5)에 유체를 공급할 때는 유량 측정 장치(2)에 분기되는 유로에 설치된 개폐 밸브(V4)를 폐쇄, 프로세스 챔버(5)에 통과하는 유로에 설치된 개폐 밸브(V5)를 개방하고, 대상이 되는 어느 1개의 제 1 밸브(V1)를 개방한다. 단, 도 1에 나타내는 바와 같이 유량 측정 장치(2)가 온도 센서(T) 및 압력 센서(P)의 상류측에 제 3 밸브(V3)를 가지고 있는 경우, 제 3 밸브(V3)를 개폐 밸브(V4) 대신에 사용하여 개폐 밸브(V4)를 생략할 수도 있다. 또한, 프로세스 챔버(5)에 유체를 공급할 때, 프로세스 챔버(5)에 접속된 진공 펌프(6)를 사용해서 챔버내 및 제 1 밸브(V1)의 하류측의 유로내를 감압할 수 있다.
유량 제어기(10)는 특별히 한정하는 것은 아니지만, 본 실시형태에 있어서는 도 2에 나타내는 주지의 압력식 유량 제어 장치를 사용한다. 이 압력식 유량 제어 장치(유량 제어기(10))는 미세 개구(오리피스)를 갖는 스로틀부(11)(예를 들면, 오리피스 플레이트)와, 스로틀부(11)의 상류측에 설치된 컨트롤 밸브(14)와, 스로틀부(11)와 컨트롤 밸브(14) 사이에 설치된 압력 센서(12) 및 온도 센서(13)를 구비하고 있다. 스로틀부(11)로서는 오리피스 부재 이외에 경계 노즐 또는 음속 노즐을 사용할 수도 있다. 오리피스 또는 노즐의 구경은, 예를 들면 10㎛∼500㎛로 설정된다. 컨트롤 밸브(14)는 밸브(14a) 및 밸브(14a)의 구동부(14b)(예를 들면, 피에조 액추에이터)로 구성되어 있다.
압력 센서(12) 및 온도 센서(13)는 AD 컨버터를 통해서 제어 회로(15)에 접속되어 있다. 제어 회로(15)는 컨트롤 밸브(14)의 구동부(14b)에도 접속되어 있으며, 압력 센서(12) 및 온도 센서(13)의 출력 등에 근거하여 제어 신호를 생성하고, 이 제어 신호에 의해 컨트롤 밸브(14)의 동작을 제어한다. 본 실시형태에서는, 제어 회로(15)는 1개의 압력식 유량 제어 장치에 설치되어 있지만, 다른 형태에 있어서, 복수의 압력식 유량 제어 장치에 대하여 공통의 제어 회로(15)를 외부에 설치하도록 구성해도 상관없다.
압력식 유량 제어 장치에서는 경계 팽창 조건 PU/PD≥약 2(단, PU: 스로틀부 상류측의 가스 압력(상류 압력), PD: 스로틀부 하류측의 가스 압력(하류 압력)이며, 약 2는 질소 가스의 경우)를 충족시킬 때, 스로틀부(11)를 통과하는 가스의 유속은 음속으로 고정되고, 유량은 하류 압력(PD)에 의하지 않고 상류 압력(PU)에 의해 결정된다는 원리를 이용하여 유량 제어가 행해진다. 경계 팽창 조건을 충족시킬 때, 스로틀부 하류측의 유량 Q는 Q=K1·PU(K1은 유체의 종류와 유체 온도에 의존하는 정수)에 의해 부여되고, 유량 Q는 상류 압력(PU)에 비례한다. 또한, 하류 압력 센서를 구비하는 경우, 상류 압력(PU)과 하류 압력(PD)의 차가 작고, 경계 팽창 조건을 만족하지 않는 경우에도 유량을 산출할 수 있고, 각 압력 센서에 의해 측정된 상류 압력(PU) 및 하류 압력(PD)에 근거하여, 소정의 계산식 Q=K2·PD m(PU-PD)n(여기에서, K2는 유체의 종류와 유체 온도에 의존하는 정수, m, n은 실제의 유량을 바탕으로 도출하는 지수)으로부터 유량 Q를 산출할 수 있다.
유량 제어를 행하기 위해서, 설정 유량이 제어 회로(15)에 입력되고, 제어 회로(15)는 압력 센서(12)의 출력(상류 압력(PU)) 등에 근거하여, 상기의 Q=K1·PU 또는 Q=K2·PD m(PU-PD)n으로부터 유량을 연산에 의해 구하고, 이 유량이 입력된 설정 유량에 근접하도록 컨트롤 밸브(14)를 피드백 제어한다. 연산에 의해 구해진 유량은 유량 출력값으로서 외부의 모니터에 표시하도록 해도 좋다.
다시 도 1을 참조하여, 본 실시형태의 유량 제어 시스템(1)에서는 유량 측정 또는 유량 제어기(10)의 교정을 행할 때, 개폐 밸브(V4)를 개방, 개폐 밸브(V5)를 폐쇄하고, 대상이 되는 어느 1개의 제 1 밸브(V1)를 개방한다. 이것에 의해, 제 1 밸브(V1)와 제 2 밸브(V2) 사이의 유로(도 1에 있어서 굵은선으로 나타내는 부분)를 기준 용량(빌드업 용량)으로서 사용하여 빌드업법에 의해 유량 측정을 행한다. 그리고, 빌드업법에 의한 유량 측정 결과에 근거하여 유량 제어기(10)를 교정하도록 하고 있다. 또한, 본 실시형태에서는 유량 측정 장치(2)에 설치된 제 3 밸브(V3)(압력 센서 상류측의 밸브)는 적어도 빌드업법에 의한 유량 측정 중은 개방 상태로 유지된다.
상기의 제 1 밸브(V1), 제 2 밸브(V2), 제 3 밸브(V3)로서는 개폐 밸브(차단 밸브)가 바람직하게 사용되지만, 개도 조정가능한 밸브를 사용해도 좋다. 제 1 밸브(V1), 제 2 밸브(V2), 제 3 밸브(V3), 개폐 밸브(V4), 개폐 밸브(V5)로서는, 예를 들면 AOV(Air Operated Valve) 등의 유체 동작 밸브나, 전자 밸브 또는 전동 밸브 등의 전기적 동작 밸브를 사용할 수 있다. 제 1 밸브(V1)는 유량 제어기(10)에 내장된 개폐 밸브이어도 좋다.
유량 제어기(10)는 유량 제어 시스템(1)에 조립한 후에, 유량 제어 특성이 변화되거나 또한 오랜 세월의 사용에 의해 스로틀부의 형상이 변화되어 상류 압력과 유량의 관계성이 변화되는 경우가 있다. 이것에 대하여, 본 실시형태의 유량 제어 시스템(1)에서는 유량 측정 장치(2)를 사용하여 빌드업법에 의해 유량 제어 시스템(1)에 조립한 후에도 임의의 타이밍에 유량을 정밀도 좋게 측정할 수 있으므로, 유량 제어기(10)의 정밀도를 보증할 수 있다.
본 실시형태의 유량 제어 시스템(1)에 의한 유량 측정 방법을 상세하게 설명한다. 상술한 바와 같이, 유량 제어 시스템(1)은 유량 제어기(10)의 하류측에 설치된 제 1 밸브(V1)와, 이 제 1 밸브(V1)의 하류측에 설치된 압력 센서(P), 온도 센서(T) 및 압력 센서(P)와 온도 센서(T)의 하류측에 설치된 제 2 밸브(V2)를 갖는 유량 측정 장치(2)와, 제 1 밸브(V1) 및 제 2 밸브(V2)의 개폐를 제어하는 제어부(3)를 포함하고 있다. 그리고, 제 1 스텝으로서, 제 1 밸브(V1)와 제 2 밸브(V2)를 개방해서 가스를 흘려보내고, 가스가 흐르고 있는 상태에서 제 1 밸브(V1) 및 제 2 밸브(V2)를 시각 t1의 타이밍에 동시에 폐쇄하고, 그 후 압력 및 온도를 측정(압력값(P1), 온도값(T1))한다. 다음에, 제 2 스텝으로서, 시각 t2의 타이밍에 제 1 밸브(V1)와 제 2 밸브(V2)를 개방해서 가스를 흘려보내고, 가스가 흐르고 있는 상태에서 시각 t3의 타이밍에 제 2 밸브(V2)를 폐쇄하고, 그 후 소정 시간(Δt)이 경과 후, 시각 t4의 타이밍에 제 1 밸브(V1)를 폐쇄하고, 그 후의 압력 및 온도를 측정(압력값(P2), 온도값(T2))한다. 그리고, 제 3 스텝으로서, 제 1 스텝에서 측정한 압력값(P1), 온도값(T1), 제 2 스텝에서 측정한 압력값(P2), 온도값(T2) 및 제 2 스텝에서 측정한 압력값(P2)에 따라서 결정되는 빌드업 용적 V에 근거하여 유량을 연산하도록 하고 있다. 즉, 제어부(3)의 연산부(33)에서는 도 3(b)에 나타내는 타임 차트의 밀봉 1 및 밀봉 2의 상태에서 계측되는 압력값(P1, P2), 온도값(T1, T2)과, 기억부(32)에 기억되어 있는 압력값(P2)에 따른 제 1 밸브(V1)로부터 제 2 밸브(V2)까지의 용적 V의 값에 근거하여 연산부(33)가 유량 Q를 연산한다. 연산한 유량 Q는 표시 장치(34)에 표시된다. 유량 Q는, 예를 들면 Q=22.4×V×(P2/T2-P1/T1)/(760×R·Δt)에 의해 구해지고, 여기에서 V는 압력값(P2)에 따라서 결정되는 빌드업 용량, R은 기체 정수, Δt는 제 2 스텝에 있어서 제 2 밸브(V2)를 닫고나서 제 1 밸브(V1)를 닫을 때까지의 소정 시간(빌드업 시간)이다. 또한, 상기 식은 압력값(P1, P2)이 단위 Torr로 주어졌을 때의 식에 대응한다.
기억부(32)에 기억되는 제 1 밸브(V1)로부터 제 2 밸브(V2)까지의 용적의 값은 가스 공급 라인(L1)에 의해 다르지만, 예를 들면 도 4에 나타내는 바와 같이 용적 내의 압력에 대하여 강한 선형 관계를 가지고 있다. 기억부(32)에는 이 관계식(전형적으로는 근사적인 일차 함수의 식)이 기억되고, 계측한 압력값(P2)에 따라서 일의로 용적의 값이 결정된다. 또한, 본 발명자들의 실험에 의하면, 이 값은 온도에 의해서도 다소 변화가 있는 것을 알았다. 압력 변화와 비교해서 작은 영향이지만, 보다 정밀도가 높은 유량 계산이 필요한 경우에는 압력값(P2)뿐만 아니라 온도값(T2)을 가미한 용적값(V)을 사용할 수 있다. 이 경우, 계측한 온도값(T2)과 가장 가까운 온도의 그래프를 이용하는 것 외에, 예를 들면 기준 온도(예를 들면, 30℃)에 있어서의 용적값(V)(압력값(P2)으로부터 구한 값)에 대하여, 미리 기억부(32)에 기억시켜 둔 기준 온도와 계측 온도의 차에 근거하는 수정 계수를 사용해서 용적값(V)을 수정하도록 구성할 수도 있다. 또한, 상기에는 압력값(P2)과 용적값(V)의 관계식을 기억해 두는 형태를 설명했지만, 이것에 한정되지 않고, 복수의 압력값(P2)과 대응하는 용적값(V)의 관계를 기재한 테이블을 기억부(32)에 기억해 두고, 이 테이블을 사용해서 용적값(V)을 결정하도록 해도 좋다.
용적값(V)이 빌드업 압력(압력값(P2))에 따라 상이한 이유는 상술한 것 같이, 빌드업 압력에 따른 크기의 가압력에 의해 압력 센서 내의 다이어프램이 변형하거나, 변형 게이지 방식의 압력 센서에서는 내부 휨이 발생하거나 함으로써, 유로에 접속되어 있는 압력 센서의 내부에서의 공간 용적이 변동하기 때문이라고 생각된다. 이 경우, 상기의 빌드업 압력과 용적값(V)의 관계식은 압력 센서의 구성, 사이즈, 설치수 등에 의해 상이한 것이 될 수 있다. 이 때문에, 실제의 형태에서는 유량 제어 시스템에 구비된 압력 센서의 형태에 따라 적절한 관계식 등을 선택하고, 그 시스템에 있어서의 용적값(V)을 적절하게 구하는 것이 바람직하다. 또한, 본 실시형태에서 사용되는 압력 센서로서는 예를 들면 압력 검지면을 형성하는 다이어프램을 가져 실리콘 단결정 센서칩을 내장하는 타입의 것 등을 들 수 있다.
본 발명의 유량 측정 장치(2)를 사용한 유량 측정은 기기 설치시에 행하는 것 외에, 정기 검사, 사용 시간에 따른 검사, 그 외, 사용 유체를 변경할 때 등에 여러가지 타이밍에서 행해져 유량 제어기(10)의 정밀도를 유지할 수 있다.
또한, 상기에는 제 1 밸브(V1)와 제 2 밸브(V2)를 동시에 닫은 후의 압력값(P1) 및 온도값(T1)을 측정하는 공정(제 1 스텝) 후에, 빌드업 후의 가스의 압력값(P2) 및 온도값(T2)을 측정하는 공정(제 2 스텝)을 행하는 형태를 설명했지만, 이것에 한정되지 않는다. 제 1 스텝과 제 2 스텝을 행하는 순번은 반대이어도 좋다. 단, 제 1 스텝과 제 2 스텝에서, 개시시의 설정 유량에 대응하는 압력은 같은 것이 바람직하다. 순서를 불문하고 제 1 스텝과 제 2 스텝을 행한 후이면, 압력값(P1, P2)과, 온도값(T1, T2)과, 또한 압력값(P2)에 근거하여 결정되는 용적값(V)을 사용해서 유량을 산출하는 공정(제 3 스텝)을 행할 수 있다.
<실시형태 2>
본 실시형태 2는 본 발명에 의한 유량 제어 시스템이며, 기기의 구성은 실시형태 1과 동일하며 상세한 설명을 생략한다. 본 실시형태 2에 있어서도, 도 1에 나타낸 유량 제어 시스템(1)에 있어서 유량 계측을 행할 때는 개폐 밸브(V4)를 개방하고, 개폐 밸브(V5)를 폐쇄한다.
실시형태 2의 유량 제어 시스템에서는 도 3(b)에 나타내는 타임 차트의 밀봉 1∼밀봉 4까지의 밀봉 공정을 실시하고, 밀봉 3 및 밀봉 4의 상태에서 계측되는 압력값(P3, P4), 온도값(T3, T4)을 계측한다. 구체적으로는, 제 2 압력값(P2) 및 제 2 온도값(T2)을 계측 후, 제 1 밸브(V1)를 폐쇄한 상태에서 제 2 밸브(V2)를 상기 소정 시간보다 단시간 개방함과 아울러, 제 2 밸브(V2)의 개방과 동시 또는 개방 직전에 제 3 밸브(V3)를 폐쇄하여 계측한 제 3 압력값(P3) 및 제 3 온도값(T3), 그 후, 제 3 밸브(V3)를 개방해서 계측한 제 4 압력값(P4) 및 제 4 온도값(T4)을 가미하여 유량을 연산하도록 하고 있다. 이 밀봉 3 및 밀봉 4에서의 압력 및 온도를 측정하여 연산함으로써 분압법에 의한 몰수 보정을 행할 수 있고, 제 1 밸브(V1)로부터 제 3 밸브(V3)까지의 배관 온도 등의 영향을 억제할 수 있다. 또한, 제 3 밸브(V3)는 도 1 및 도 3(a)에 나타내는 바와 같이, 제 1 밸브(V1)와 제 2 밸브(V2) 사이의 유로에 개재하는 밸브이며, 전형적으로는 유량 측정 장치(2)에 내장되어 압력 센서(P) 및 온도 센서(T)의 상류측에 설치되는 밸브이다. 제 2 밸브(V2)와 제 3 밸브의 양방이 유량 측정 장치(2)에 내장되어 있는 경우, 제 2 밸브(V2)와 제 3 밸브 사이의 유로 용적을 정확하게 구하기 쉽다는 이점이 얻어진다.
본 실시형태의 유량 제어 시스템(1)에 있어서도, 유량 제어기(10)로부터 내보내는 유량의 차이에 의해, 빌드업 압력이 되는 밀봉 2의 상태에 있어서의 압력값(P2)을 변경하는 경우가 있다. 이 경우에도, 용적값(V)과 압력값(P2)의 관계, 예를 들면 도 4에 나타내는 선형 관계로 변동하는 값(관계식)을 기억부(32)에 미리 기록해 둠으로써, 압력값(P2)에 따른 적절한 용적값(V)을 얻을 수 있다. 이 때문에, 빌드업 압력이 되는 압력값(P2)을 변동시켜도 연산 결과에 영향을 줄 수는 없다.
배관 온도 등의 영향을 억제하기 위해 행하는, 밀봉 3, 밀봉 4를 행하는 것에 의한 계산식을 제 1 밸브(V1)와 제 3 밸브(V3)를 연결하는 배관 내의 용적 Va로 하고, 제 2 밸브(V2)와 제 3 밸브(V3)를 연결하는 배관 내의 용적 Vb로 해서(도 3(a) 참조), 이하에 설명한다.
밀봉 2 후, 제 2 밸브(V2)를 단시간만 개폐하는 동시에 제 3 밸브(V3)를 폐쇄함으로써, 제 2 밸브(V2)와 제 3 밸브(V3) 사이의 압력은 P2로부터 P3으로 저하한다. 단, 밀봉 3에 있어서 압력값(P2)이 압력값(P3)이 되는 것은 제 2 밸브(V2)와 제 3 밸브(V3)를 연결하는 배관 내만이며, 제 1 밸브(V1)와 제 3 밸브(V3)를 연결하는 배관 내의 압력은 압력값(P2)인채로 유지된다. 그리고, 밀봉 4에 의해, 제 3 밸브(V3)를 개방함으로써, 제 1 밸브(V1)와 제 2 밸브(V2)를 연결하는 배관 내의 압력이 균일하게 압력값(P4)이 된다. 또한, 밀봉 3과 밀봉 4에 있어서, 제 1 밸브(V1)와 제 2 밸브(V2)는 모두 폐쇄 상태로 유지되어 있으므로, 제 1 밸브(V1)와 제 2 밸브(V2) 사이의 가스의 물질량은 일정하게 유지되어 있다.
이 관계를 보일샤를의 법칙으로 나타내면, (P2·Va)/Ta+(P3·Vb)/T3=(P4·Va)/Ta+(P4·Vb)/T4로 나타내어진다. Ta는 제 1 밸브(V1)와 제 3 밸브(V3)를 연결하는 배관 내의 온도의 값이다. 또한, T3≒T4이며, 다음식에서 Tb≒T3≒T4로서 계산한다.
빌드업 일반식과 위식으로부터, 측정이 곤란한 Va 및 Ta를 소거하도록 하면, Q=22.4×((P2-P1)/(760×R×Δt))×(Vb/Tb×(P2-P3)/(P2-P4)+Vst/Tst)이 된다. Vst 및 Tst는 유량 제어기(10)로부터 제 1 밸브(V1)의 밸브체까지의 용적 및 온도이며, Tst는 회로상 온도계를 구비하지 않기 때문에 Tb로 대용된다. 이 계산식을 사용해서 계산할 때도, 종래로는 Vb 및 Vst로서 일정 값을 이용하고 있었지만, 본 실시형태 2의 유량 제어 시스템(1) 및 유량 계측 방법에 있어서는 빌드업 압력이 되는 P2에 따른 Vb의 값을 이용함으로써 정확한 유량을 계산하도록 하고 있다. 실시형태 1과 비교하여, 본 실시형태에 있어서는 계산식에 관련된 용적의 값은 Vb, 즉 제 2 밸브(V2)와 제 3 밸브(V3) 사이의 용적만이며, 이 용적은 유량 측정 장치(2)의 내부 배관 내의 용적이며, 본 실시형태에 있어서는 소량이다. 이것에 대하여, 본 실시형태에서 사용하는 2개의 압력 센서(Pa, Pb)의 다이어프램 변형에 의한 용적 변화의 비율은 도 4에 나타내는 바와 같이 최대 0.8%가 되어 큰 영향을 미치게 함으로써, 실시형태 1보다 계산상 생기는 오차 영향의 수정율이 큰 것이 된다.
(산업상의 이용 가능성)
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 유량 제어 시스템 및 유량 측정 방법은 측정하는 유체의 유량을 변경할 때에 빌드업 압력을 변경해도 정확하게 유량을 계산할 수 있기 때문에, 압력식 유량 제어 장치 것 외에, 열식 질량 유량 제어 장치의 유량 교정의 용도에 바람직하게 사용할 수 있다.
1 유량 제어 시스템 10 유량 제어기
11 스로틀부 12 압력 센서
13 온도 센서 14 컨트롤 밸브
15 제어 회로 2 유량 측정 장치
3 제어부 31 기록부
32 기억부 33 연산부
34 표시부 4 가스 공급원
5 챔버 6 진공 펌프
P 압력 센서 T 온도 센서
V1 제 1 밸브 V2 제 2 밸브
P1 제 1 압력값 T1 제 1 온도값
P2 제 2 압력값 T2 제 2 온도값
Δt 소정 시간 V 용적값

Claims (4)

  1. 유량 제어기의 하류측에 설치된 제 1 밸브와, 상기 제 1 밸브의 하류측에 설치된 압력 센서, 온도 센서 및 양쪽 센서의 하류측에 설치된 제 2 밸브를 갖는 유량 측정 장치와, 제 1 밸브 및 제 2 밸브의 개폐 동작을 제어하는 제어부를 구비하는 유량 제어 시스템으로서,
    상기 제어부는 상기 압력 센서 및 온도 센서의 계측값을 기록하는 기록부와,
    상기 압력 센서의 계측값에 따른 제 1 밸브로부터 제 2 밸브까지의 용적값을 기억하는 기억부와,
    제 1 밸브와 제 2 밸브를 개방해서 가스를 흘려보내고, 가스가 흐르고 있는 상태에서 제 1 밸브와 제 2 밸브를 동시에 폐쇄하고, 그 후에 계측한 제 1 압력값 및 제 1 온도값,
    제 1 밸브와 제 2 밸브를 개방해서 가스를 흘려보내고, 가스가 흐르고 있는 상태에서 제 2 밸브를 폐쇄하고, 그 후 소정 시간이 경과 후, 제 1 밸브를 폐쇄한 후에 계측한 제 2 압력값 및 제 2 온도값, 및
    상기 기억부로부터 얻어지는 상기 제 2 압력값에 따른 제 1 밸브로부터 제 2 밸브까지의 용적값에 근거하여 유량을 연산하는 연산부를 구비한 유량 제어 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 밸브와 상기 제 2 밸브 사이에 배치된 제 3 밸브를 더 구비하고,
    상기 연산부는,
    상기 제 2 압력값 및 제 2 온도값을 계측 후, 제 1 밸브를 폐쇄한 상태에서 제 2 밸브를 상기 소정 시간보다 단시간 개방함과 아울러, 제 2 밸브의 개방과 동시 또는 개방 직전에 상기 제 3 밸브를 폐쇄하고, 상기 제 2 밸브와 상기 제 3 밸브를 폐쇄한 상태에서 계측한 제 3 압력값 및 제 3 온도값, 및
    상기 제 3 압력값 및 제 3 온도값을 계측한 후, 상기 제 1 밸브와 상기 제 2 밸브를 폐쇄한 채 제 3 밸브를 개방해서 계측한 제 4 압력값 및 제 4 온도값을 가미하여 유량을 연산하는 유량 제어 시스템.
  3. 유량 제어기의 하류측에 설치된 제 1 밸브와, 상기 제 1 밸브의 하류측에 설치된 압력 센서, 온도 센서 및 양쪽 센서의 하류측에 설치된 제 2 밸브를 갖는 유량 측정 장치와, 제 1 밸브 및 제 2 밸브의 개폐 동작을 제어하는 제어부를 구비하는 유량 제어 시스템에 있어서 행해지는 유량 측정 방법으로서,
    제 1 밸브와 제 2 밸브를 개방해서 가스를 흘려보내고, 가스가 흐르고 있는 상태에서 제 1 및 제 2 밸브를 동시에 폐쇄하고, 그 후 압력 및 온도를 측정하는 제 1 스텝과,
    제 1 밸브와 제 2 밸브를 개방해서 가스를 흘려보내고, 가스가 흐르고 있는 상태에서 제 2 밸브를 폐쇄하고, 그 후 소정 시간이 경과 후에 제 1 밸브를 폐쇄한 후의 압력 및 온도를 측정하는 제 2 스텝과,
    제 1 스텝에서 측정한 압력 및 온도, 제 2 스텝에서 측정한 압력 및 온도, 및 제 2 스텝에서 측정한 압력에 따라서 변동하는 빌드업 용적에 근거하여 유량을 연산하는 제 3 스텝을 포함하는 유량 측정 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 유량 제어 시스템이 유량 제어기 및 제 1 밸브의 하류측이고, 또한 압력 센서 및 온도 센서의 상류측에 배치된 제 3 밸브를 구비하고, 상기 제 3 밸브는 상기 제 1 스텝 및 상기 제 2 스텝을 행하는 동안에는 열려 있고,
    상기 제 2 스텝의 압력 측정 및 온도 측정 후, 상기 제 3 밸브를 폐쇄함과 아울러 제 2 밸브를 단시간에 개폐시킨 후에 측정한 압력과, 그 후 또한 제 2 밸브를 폐쇄한 상태에서 제 3 밸브를 개방한 후에 계측한 압력을 제 3 스텝의 유량 연산에 사용하도록 한 유량 측정 방법.
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