KR20220017838A

KR20220017838A - 유량 제어 장치, 유량 제어 방법, 및 유량 제어 프로그램이 기록된 프로그램 기록 매체

Info

Publication number: KR20220017838A
Application number: KR1020210100717A
Authority: KR
Inventors: 가즈야 도쿠나가
Original assignee: 가부시키가이샤 호리바 에스텍
Priority date: 2020-08-05
Filing date: 2021-07-30
Publication date: 2022-02-14
Also published as: TW202219679A; CN114063658A; US11454993B2; US20220043466A1; JP2022029854A

Abstract

설정 유량의 크기가 변화해도 최종적으로는 내부의 압력을 낮게 유지하여 유량 센서의 감도를 높게 유지하고, 유량 제어 정밀도를 향상시킬 수 있는 유량 제어 장치를 제공하기 위해서, 제1 압력 센서(P1)가 측정하는 제1 압력과, 제2 압력 센서(P2)가 측정하는 제2 압력에 기초하여, 상기 유체 저항(FR)을 흐르는 유체의 유량인 저항 유량을 산출하는 저항 유량 산출기(FC)와, 상기 제1 압력에 기초하여, 상기 저항 유량으로부터 상기 제1 밸브(V1)를 통과하는 유체의 유량인 제1 밸브 유량으로 환산하는 제1 밸브 유량 환산기(11)와, 상기 제2 압력에 기초하여, 상기 저항 유량으로부터 상기 제2 밸브를 통과하는 유체의 유량인 제2 밸브 유량으로 환산하는 제2 밸브 유량 환산기(21)와, 제1 설정 유량과, 상기 제1 밸브 유량과의 편차가 작아지도록 제1 밸브를 제어하는 제1 밸브 제어기(12)와, 제2 설정 유량과, 상기 제2 밸브 유량과의 편차가 작아지도록 제2 밸브를 제어하는 제2 밸브 제어기(22)를 구비했다.

Description

유량 제어 장치, 유량 제어 방법, 및 유량 제어 프로그램이 기록된 프로그램 기록 매체{Flow rate control apparatus, flow rate control method, and program recording medium recording flow rate control program}

본 발명은 유체의 예를 들면 유량을 제어하는 유량 제어 장치에 관한 것이다.

반도체 제조 프로세스에서는, 챔버 내에 각종 가스를 원하는 유량으로 제어한 상태로 공급하는 것이 행해지고 있다. 근래, 이 분야에서는 유량의 고속 제어나 유량 정밀도의 보다 나은 향상이 요구되고 있고(특허 문헌 1 참조), 이러한 요구에 답하기 위해서 2개의 제어 밸브를 이용한 유량 제어 장치가 제안되어 있다.

구체적으로 이 유량 제어 장치는, 유로에 대해서 제1 밸브, 압력식의 유량 센서, 제2 밸브가 상류 측으로부터 이 순서로 마련된 것이다. 예를 들면 제1 밸브는 유량 센서를 구성하는 층류 소자의 상류 측에 마련된 제1 압력 센서의 제1 압력이 피드백되어, 해당 제1 압력이 원하는 설정 압력으로 일정하게 되도록 제어된다. 또, 제2 밸브는 유량 센서로 측정되는 측정 유량이 피드백되어, 측정 유량이 설정 유량과 일치하도록 제어된다.

그런데, 유량과 압력의 사이의 관계는 비선형이기 때문에, 압력식의 유량 센서는 저압일수록 감도가 좋아진다. 따라서, 설정 압력을 가능한 한 작은 값으로 설정하여, 층류 소자의 상류 측의 압력인 제1 압력을 저압으로 유지하는 쪽이, 제2 밸브에 의한 유량 제어의 정밀도를 향상시킬 수 있다.

그렇지만, 설정 압력을 너무 낮게 하면, 제1 압력이 층류 소자 및 제2 밸브에서의 압손(壓損)이나 제2 밸브의 하류 측의 압력을 충분히 상회하지 못하여, 제2 밸브의 하류 측으로 유체를 큰 유량으로 흘릴 수 없게 되어 버린다. 한편, 설정 유량의 크기에 대응시켜 설정 압력도 크게 하면, 층류 소자의 전후에 있어서의 압력의 상승이 발생해 버린다. 이 때문에, 설정 유량마다 유량 센서 특성이 크게 다른 상태에서 유량 제어가 행해질 가능성이 있어, 설정 유량의 변화에 대해서 제어 정밀도를 일정하게 유지하는 것이 어려워진다.

특허 문헌 1: 일본 특허공개공보 2015-109022호

본 발명은 상술한 것 같은 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 설정 유량의 크기가 변화해도 최종적으로는 내부의 압력을 낮게 유지하여 유량 센서의 감도를 높게 유지하고, 유량 제어 정밀도를 향상시킬 수 있는 유량 제어 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

즉, 본 발명에 따른 유량 제어 장치는, 유로에 마련된 제1 밸브와, 상기 유로에 있어서 상기 제1 밸브보다도 하류 측에 마련된 제2 밸브와, 상기 유로에 있어서 상기 제1 밸브와 상기 제2 밸브의 사이에 마련된 유체 저항과, 상기 제1 밸브와 상기 유체 저항과의 사이의 제1 용적 내의 압력을 측정하는 제1 압력 센서와, 상기 유체 저항과 상기 제2 밸브와의 사이의 제2 용적 내의 압력을 측정하는 제2 압력 센서와, 상기 제1 압력 센서가 측정하는 제1 압력과, 상기 제2 압력 센서가 측정하는 제2 압력에 기초하여, 상기 유체 저항을 흐르는 유체의 유량인 저항 유량을 산출하는 저항 유량 산출기와, 상기 제1 압력에 기초하여, 상기 저항 유량으로부터 상기 제1 밸브를 통과하는 유체의 유량인 제1 밸브 유량으로 환산하는 제1 밸브 유량 환산기와, 상기 제2 압력에 기초하여, 상기 저항 유량으로부터 상기 제2 밸브를 통과하는 유체의 유량인 제2 밸브 유량으로 환산하는 제2 밸브 유량 환산기와, 제1 설정 유량과, 상기 제1 밸브 유량과의 편차가 작아지도록 상기 제1 밸브를 제어하는 제1 밸브 제어기와, 제2 설정 유량과, 상기 제2 밸브 유량과의 편차가 작아지도록 상기 제2 밸브를 제어하는 제2 밸브 제어기를 구비한 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따른 유량 제어 방법은, 유로에 마련된 제1 밸브와, 상기 유로에 있어서 상기 제1 밸브보다도 하류 측에 마련된 제2 밸브와, 상기 유로에 있어서 상기 제1 밸브와 상기 제2 밸브의 사이에 마련된 유체 저항과, 상기 제1 밸브와 상기 유체 저항과의 사이의 제1 용적 내의 압력을 측정하는 제1 압력 센서와, 상기 유체 저항과 상기 제2 밸브와의 사이의 제2 용적 내의 압력을 측정하는 제2 압력 센서를 구비한 유량 제어 장치를 이용한 유량 제어 방법으로서, 상기 제1 압력 센서가 측정하는 제1 압력과, 상기 제2 압력 센서가 측정하는 제2 압력에 기초하여, 상기 유체 저항을 흐르는 유체의 유량인 저항 유량을 산출하는 것과, 상기 제1 압력에 기초하여, 상기 저항 유량으로부터 상기 제1 밸브를 통과하는 유체의 유량인 제1 밸브 유량으로 환산하는 것과, 상기 제2 압력에 기초하여, 상기 저항 유량으로부터 상기 제2 밸브를 통과하는 유체의 유량인 제2 밸브 유량으로 환산하는 것과, 제1 설정 유량과, 상기 제1 밸브 유량과의 편차가 작아지도록 상기 제1 밸브를 제어하는 것과, 제2 설정 유량과, 상기 제2 밸브 유량과의 편차가 작아지도록 상기 제2 밸브를 제어하는 것을 구비한 것을 특징으로 한다.

이러한 것이면, 상기 저항 유량의 상류 측에 있는 상기 제1 밸브에 있어서 실제로 흐르고 있는 상기 제1 밸브 유량과, 상기 저항 유량의 하류 측에 있는 상기 제2 밸브에 있어서 실제로 흐르고 있는 상기 제2 밸브 유량을, 각각 개별로 얻을 수 있다. 예를 들면, 상기 유로를 흐르는 유체의 유량이 일정하게 안정되어 있지 않은, 유량의 상승시나 하강시에서는, 상기 제1 밸브와 상기 제2 밸브를 통과하는 유량은 일치하고 있지 않지만, 본 발명이면 상기 제1 밸브 유량 및 상기 제2 밸브 유량에 기초하여, 상기 제1 밸브 및 상기 제2 밸브에 있어서 각 설정 유량을 실현하는데 필요한 개도(開度)를 각각 별개로 실현할 수 있다.

보다 구체적으로는 유량을 현 상태보다도 크게 하는 경우에는, 상기 제1 밸브 제어기는 상기 제1 압력이 커지도록 상기 제1 밸브를 제어함과 아울러, 상기 제2 밸브 제어기는 상기 제2 압력이 작아지도록 상기 제2 밸브를 제어한다. 유량을 현상태보다도 작게 하는 경우에는, 전술한 반대의 동작이 실현된다. 따라서, 2개의 밸브에 의해서 상기 제1 압력과 상기 제2 압력은 각각 역방향으로 변화시킬 수 있으므로, 유량의 증감을 고속으로 조절할 수 있음과 아울러, 상기 제1 압력과 상기 제2 압력의 평균 압력은 거의 일정한 압력으로 유지할 수 있다. 또, 이 평균 압력을 상기 저항 유량의 산출에 적절한 압력으로 조절함으로써, 압력식의 유량 센서로서의 감도도 높게 유지할 수 있다.

상기 유체 저항보다도 상류 측을 흐르고 있는 상기 제1 밸브 유량을 상기 저항 유량으로부터 유량 제어에 이용되는 정밀도나 속도로 얻을 수 있게 하려면, 상기 제1 밸브 유량 환산기가, 상기 저항 유량과, 상기 제1 압력의 시간 미분값에 기초하여 상기 제1 밸브 유량을 산출하는 것이면 된다.

상기 유체 저항보다도 하류 측을 흐르고 있는 상기 제2 밸브 유량을 상기 저항 유량으로부터 유량 제어에 이용되는 정밀도나 속도로 얻을 수 있게 하려면, 상기 제2 밸브 유량 환산기가, 상기 저항 유량과, 상기 제2 압력의 시간 미분값에 기초하여 상기 제2 밸브 유량을 산출하는 것이면 된다.

상기 제1 압력 센서로 상기 제1 압력이 측정되는 제1 용적 또는 상기 제2 압력 센서로 상기 제2 압력이 측정되는 제2 용적으로의 유체의 유출입량과, 기체의 상태 방정식에 기초하여, 상기 저항 유량을 Q_FR, 상기 제1 밸브 유량을 Q_V1, 상기 제2 밸브 유량을 Q_V2, 상기 제1 압력을 p₁, 상기 제2 압력을 p₂, 제1 환산 계수를 A₁, 제2 환산 계수를 A₂라고 했을 경우에, 상기 제1 밸브 유량 환산기가, Q_V1=Q_FR＋A₁×d(p₁)/dt에 의해서 상기 제1 밸브 유량을 산출하고, 상기 제2 밸브 유량 환산기가, Q_V2=Q_FR－A₂×d(p₂)/dt에 의해서 상기 제2 밸브 유량을 산출하는 것을 들 수 있다.

이상(理想) 기체와 실재 기체의 차를 고려하여 보다 정확한 상기 제1 밸브 유량 및 상기 제2 밸브 유량을 얻을 수 있게 하려면, 상기 제1 용적의 크기를 VL₁, 상기 제2 용적의 크기를 VL₂, 기체 정수를 R, 온도를 T, 압축률 인자를 Z라고 했을 경우에, A₁=Z×VL₁/RT, A₂=Z×VL₂/RT이면 된다.

유량 변화가 생겨 있는 경우에도, 상기 제1 압력과 상기 제2 압력을 대칭으로 변화시킬 수 있어, 상기 제1 압력 또는 상기 제2 압력의 절댓값을 작은 값으로 유지할 수 있도록 하여 유량의 측정 감도를 높게 유지할 수 있도록 하려면, 상기 제1 설정 유량 및 상기 제2 설정 유량이 동일한 시간 함수로서 설정되는 것이면 된다. 바꾸어 말하면, 상기 제1 설정 유량 및 상기 제2 설정 유량으로서, 각 시각에는 동일한 목표 유량값이 설정되도록 하면 된다. 또, 상기 제1 설정 유량 및 상기 제2 설정 유량에는 위상차가 존재하지 않는 설정 유량이 각각 설정된다.

상기 유량 제어 장치로부터 유체가 유출되고 있지 않은 상태에 있어서, 다음의 유출시에 있어서 충분한 공급 압력의 유체가 내부에 차지되도록 하려면, 상기 제2 밸브 제어기가, 상기 제2 밸브를 전폐(全閉)시키고 있는 상태에 있어서, 상기 제1 밸브 제어기가, 상기 제1 압력이 설정 압력과의 편차가 작아지도록 상기 제1 밸브의 개도를 제어하는 것이면 된다.

유량의 상승시 또는 하강시에 있어서 고속으로 최종적인 목푯값까지 유량이 변화하도록 각 밸브가 제어되도록 하려면, 상기 제2 밸브가 전폐되어 있는 상태로부터 상기 제2 설정 유량이 제로 이외의 값이 된 시점으로부터 소정 기간은, 상기 제1 밸브 제어기가, 상기 제1 설정 유량과 상기 제1 밸브 유량과의 편차가 작아지도록 상기 제1 밸브의 개도를 제어함과 아울러, 상기 제2 밸브 제어기가, 상기 제2 설정 유량과 상기 제2 밸브 유량의 편차가 작아지도록 상기 제2 밸브의 개도를 제어하는 것이면 된다.

상기 유로를 흐르는 유량이 최종적인 목푯값에 가까워진 상태를 유지하면서, 상기 제1 압력 또는 상기 제2 압력을 저하시키고, 유량 센서로서의 감도를 향상시키려면, 상기 제1 밸브 제어기 또는 상기 제2 밸브 제어기에 있어서의 편차의 절댓값이 소정값 이하가 된 상태에 있어서, 상기 제1 설정 유량을 Q_r1, 보정값을 x라고 했을 경우에, 상기 제1 밸브 제어기는, 보정 후의 상기 제1 설정 유량 Q_r1－x와 제1 밸브 유량 Q_V1의 편차가 작아지도록 상기 제1 밸브의 개도를 제어하는 것이면 된다.

유량의 상승 또는 하강이 종료되어 일정 유량을 계속 유지하는 경우에, 상기 유량 제어 장치 자체의 유체에 대한 저항을 작게 하여, 유체를 흐르기 쉽게 하려면, 상기 제2 밸브로부터 유출되는 상기 제2 밸브 유량이 설정 유량으로 안정된 후에 있어서, 상기 제2 밸브 제어기가, 상기 제2 밸브의 개도를 전개(全開) 상태로 제어함과 아울러, 상기 제1 밸브 제어기가, 상기 제1 설정 유량과 상기 제1 밸브 유량인 Q_FR＋A₁×d(p₁)/dt와의 편차가 작아지도록 상기 제1 밸브의 개도를 제어하는 것이면 된다.

예를 들면 상기 유량 제어 장치의 기차(器差)나 경년 변화의 영향이 있었다고 해도, 상기 제1 밸브 유량 환산기 또는 상기 제2 밸브 유량 환산기에서 사용되는 파라미터를 교정하여, 상기 제1 밸브 유량 또는 상기 제2 밸브 유량을 정확하게 산출할 수 있도록 하려면, 상기 제1 밸브와 상기 유체 저항과의 사이에 형성되며, 상기 제1 압력 센서로 제1 압력이 측정되는 공간인 제1 용적과, 상기 유체 저항과 상기 제2 밸브와의 사이에 형성되며, 상기 제2 압력 센서로 제2 압력이 측정되는 공간인 제2 용적과, 상기 저항 유량, 상기 제1 압력, 또는 상기 제2 압력에 기초하여, 상기 제1 용적 또는 상기 제2 용적의 크기를 식별하는 진단기를 더 구비하고, 상기 진단기가, 상기 제1 용적 또는 상기 제2 용적의 크기에 기초하여 상기 제1 밸브 유량 환산기 또는 상기 제2 유량 환산기에서 유량 환산에 사용되는 파라미터를 보정하는 것이면 된다.

상기 제1 밸브에 의한 유량 제어를 상기 제1 설정 유량이나 유체의 압력에 따른 것으로 하여, 보다 고속의 유량 제어를 실현할 수 있도록 하려면, 상기 제1 밸브의 상류 측에 마련된 공급압 센서를 더 구비하고, 상기 제1 밸브 제어기가, 상기 제1 설정 유량과 상기 제1 밸브 유량과의 편차와, 설정되어 있는 제어 계수에 기초하여 산출된 조작량을 상기 제1 밸브로 출력하는 제1 조작량 출력부와, 상기 공급압 센서로 측정되는 공급압 p₀와, 상기 제1 압력 센서로 측정되는 제1 압력 p₁의 차압 Δp₁와, 상기 제1 설정 유량 Q_V1에 기초하여 상기 제1 조작량 출력부에 설정되어 있는 제어 계수를 조절하는 제1 제어 계수 조절부를 구비한 것이면 된다.

상기 제2 밸브에 의한 유량 제어를 상기 제2 설정 유량이나 유체의 압력에 따른 것으로 하여, 더 고속의 유량 제어를 실현할 수 있도록 하려면, 상기 제2 밸브 제어기가, 상기 제2 설정 유량과 상기 제2 밸브 유량과의 편차와, 설정되어 있는 제어 계수에 기초하여 산출된 조작량을 상기 제2 밸브로 출력하는 제2 조작량 출력부와, 상기 제2 압력 센서로 측정되는 제2 압력 p₂와, 상기 제2 밸브의 하류 측의 압력인 하류 측 압력 p_d의 차압 Δp₂와, 상기 제2 설정 유량 Q_V2에 기초하여 상기 제2 조작량 출력부에 설정되어 있는 제어 계수를 조절하는 제2 제어 계수 조절부를 구비한 것이면 된다.

상기 제1 밸브 내의 밸브 몸체와 밸브 시트와의 사이에 형성되는 오리피스의 상태를 반영한 제어 계수가 설정되도록 하려면, B₁를 정수, C1을 0보다 크고 1보다 작은 정수라고 했을 경우에, 상기 제1 제어 계수 조절부가, 차압 Δp₁의 함수 B₁×(Δp₁)^C1에 기초하여 제어 계수를 조절하는 것이면 된다.

상기 제2 밸브 내의 밸브 몸체와 밸브 시트와의 사이에 형성되는 오리피스의 상태를 반영한 제어 계수가 설정되도록 하려면, B₂를 정수, C2를 0보다 크고 1보다 작은 정수라고 했을 경우에, 상기 제2 제어 계수 조절부가, 차압 Δp₂의 함수 B₂×(Δp₂)^C2에 기초하여 제어 계수를 조절하는 것이면 된다.

상기 제1 밸브 및 상기 제2 밸브 내에서 음속 조건이 성립하는 경우에 특별히 유량 제어의 속도를 향상시킬 수 있도록 하려면, C1 또는 C2가 1/2이면 된다.

예를 들면 대유량이 흘러가는 경우에 유량의 상승 특성을 개선할 수 있도록 하려면, 제1 설정 유량 또는 제2 설정 유량의 값이 클수록, 제어 계수의 값이 큰 값으로 설정되는 것이면 된다.

유량을 고속으로 제어하는데 바람직한 구체적인 실시 형태로서는, 상기 제어 계수가 PID 계수이며, 상기 제1 제어 계수 조절부 및 상기 제2 제어 계수 조절부가, 적어도 비례 게인을 조절하는 것을 들 수 있다.

기존의 2개의 밸브를 구비한 유량 제어 장치에 대해서, 예를 들면 프로그램을 업데이트함으로써, 본 발명에 따른 유량 제어 장치와 같은 효과를 얻을 수 있게 하려면, 유로에 마련된 제1 밸브와, 상기 유로에 있어서 상기 제1 밸브보다도 하류 측에 마련된 제2 밸브와, 상기 유로에 있어서 상기 제1 밸브와 상기 제2 밸브의 사이에 마련된 유체 저항과, 상기 제1 밸브와 상기 유체 저항과의 사이의 제1 용적 내의 압력을 측정하는 제1 압력 센서와, 상기 유체 저항과 상기 제2 밸브와의 사이의 제2 용적 내의 압력을 측정하는 제2 압력 센서를 구비한 유량 제어 장치에 이용되는 유량 제어 프로그램으로서, 상기 제1 압력 센서가 측정하는 제1 압력과, 상기 제2 압력 센서가 측정하는 제2 압력에 기초하여, 상기 유체 저항을 흐르는 유체의 유량인 저항 유량을 산출하는 저항 유량 산출기와, 상기 제1 압력에 기초하여, 상기 저항 유량으로부터 상기 제1 밸브를 통과하는 유체의 유량인 제1 밸브 유량으로 환산하는 제1 밸브 유량 환산기와, 상기 제2 압력에 기초하여, 상기 저항 유량으로부터 상기 제2 밸브를 통과하는 유체의 유량인 제2 밸브 유량으로 환산하는 제2 밸브 유량 환산기와, 제1 설정 유량과, 상기 제1 밸브 유량과의 편차가 작아지도록 상기 제1 밸브를 제어하는 제1 밸브 제어기와, 제2 설정 유량과, 상기 제2 밸브 유량과의 편차가 작아지도록 상기 제2 밸브를 제어하는 제2 밸브 제어기로서의 기능을 컴퓨터에 발휘시키는 것을 특징으로 하는 유량 제어 프로그램을 이용하면 된다.

덧붙여, 프로그램은 전자적으로 배포되는 것이어도 되고, CD, DVD, 플래쉬 메모리 등의 프로그램 기록 매체에 기록되어 있는 것이어도 된다.

이와 같이 본 발명에 따른 유량 제어 장치이면, 상기 저항 유량과, 상기 제1 압력 또는 상기 제2 압력에 기초하여 상기 제1 밸브 또는 상기 제2 밸브에 실제로 흐르고 있는 유량을 산출하고, 그 산출된 각각의 유량과 설정 유량에 기초하여 상기 제1 밸브 또는 상기 제2 밸브를 각각 개별로 유량 제어할 수 있다. 따라서, 목표로 하는 유량값으로 고속으로 변화시키면서, 상기 제1 압력과 상기 제2 압력의 변화의 방향을 각각 역방향으로 하여 유량 제어 장치 내의 내압(內壓)을 낮게 유지하여, 상기 저항 유량의 감도를 높게 유지할 수 있다. 따라서, 측정되는 각 유량의 기초가 되는 상기 저항 유량을 고감도로 할 수 있으므로, 유량 제어 장치로서 실현되는 유량 제어의 정밀도도 높게 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 유량 제어 장치의 구성을 나타내는 모식도.
도 2는 제1 실시 형태에 있어서의 제1 용적 또는 제2 용적으로의 가스의 유출입과 압력 변화와의 관계를 나타내는 모식도.
도 3은 제1 실시 형태에 있어서의 유량 제어 장치의 제어 상태의 변화를 나타내는 순서도.
도 4는 제1 실시 형태에 있어서의 유량 제어 장치의 유량 제어에 의한 압력 변화를 나타내는 그래프.
도 5는 본 발명의 제2 실시 형태에 있어서의 유량 제어 장치의 구성을 나타내는 모식도.
도 6은 본 발명의 제3 실시 형태에 있어서의 유량 제어 장치의 구성을 나타내는 모식도.
도 7은 제3 실시 형태에 있어서의 제1 밸브 제어기 및 제2 밸브 제어기의 상세를 나타내는 모식도.

본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 유량 제어 장치(100)에 대해 도 1 내지도 4를 참조하면서 설명한다.

제1 실시 형태의 유량 제어 장치(100)는, 예를 들면 반도체 제조 프로세스에 있어서 챔버 내에 가스를 미리 정해진 설정 유량으로 공급하기 위해서 이용되는 것이다. 즉, 유량 제어 장치(100)가 마련되어 있는 유로는 진공 퍼지되어 있는 챔버에 접속되어 있다.

도 1에 도시되는 것처럼 유량 제어 장치(100)는, 유로에 마련된 센서, 밸브로 이루어지는 유체 기기와, 해당 유체 기기의 제어를 담당하는 제어 연산 기구(COM)를 구비하고 있다.

유체 기기는 유로에 대해서 마련된, 공급압 센서(P0), 제1 밸브(V1), 제1 압력 센서(P1), 유체 저항(FR), 제2 압력 센서(P2), 제2 밸브(V2)로 이루어진다. 각 기기는 상류 측으로부터 이 순서로 마련되어 있다.

여기서, 유체 저항(FR)은 층류 소자이며, 그 전후의 차압에 따라 해당 유체 저항(FR) 내에 흐르는 가스의 유량이 생긴다. 제1 압력 센서(P1), 유체 저항(FR), 및 제2 압력 센서(P2), 및 후술하는 저항 유량 산출기(FC)는 제1 밸브(V1)와 제2 밸브(V2)와의 사이의 유로를 흐르는 유체의 유량을 측정하는 유량 센서(FS)를 구성한다. 즉, 제1 압력 센서(P1), 유체 저항(FR), 및 제2 압력 센서(P2)는 유로에 흐르는 유체의 유량에 따른 출력 신호를 출력하는 센싱 기구(SM)이고, 저항 유량 산출기(FC)는 센싱 기구(SM)의 출력 신호에 기초하여 유로를 흐르고 있는 유체의 유량을 산출한다. 이 유량 센서(FS)는 이른바 압력식의 유량 센서이기 때문에, 각 압력 센서로 측정되는 압력이 낮을수록 측정되는 유량의 측정 정밀도가 높아지는 특성을 가지고 있다.

공급압 센서(P0)는 상류 측으로부터 공급되는 가스의 압력을 모니터링하기 위한 것이다. 덧붙여, 공급압 센서(P0)에 대해서는 공급압이 안정되어 있는 것이 보증되고 있는 경우 등에는 생략해도 된다.

제1 압력 센서(P1)는, 유로에 있어서 제1 밸브(V1)와 유체 저항(FR)과의 사이에 있어서의 용적인 제1 용적(VL1) 내에 차지되어 있는 가스의 압력(이하, 제1 압력이라고도 말함. )을 측정하는 것이다.

제2 압력 센서(P2)는, 유로에 있어서 유체 저항(FR)과 제2 밸브(V2)와의 사이에 있어서의 용적인 제2 용적(VL2)에 차지되어 있는 가스의 압력(이하, 제2 압력이라고도 말함. )을 측정하는 것이다.

이와 같이 제1 압력 센서(P1)와 제2 압력 센서(P2)는, 제1 밸브(V1), 유체 저항(FR), 제2 밸브(V2)로 형성되는 2개의 용적인 제1 용적(VL1), 제2 용적(VL2)의 압력을 각각 측정하고 있다. 또, 다른 표현을 하면, 제1 압력 센서(P1)와 제2 압력 센서(P2)는, 유체 저항(FR)의 전후에 배치된 각각의 용적 내의 압력을 측정하는 것이다.

제1 밸브(V1), 및 제2 밸브(V2)는, 이 실시 형태에서는 동형(同型)의 것이며, 예를 들면 피에조 소자에 의해서 밸브 몸체가 밸브 시트에 대해서 구동되는 피에조 밸브이다. 덧붙여, 제1 밸브(V1) 및 제2 밸브(V2)는 피에조 밸브로 한정되는 것이 아니고, 예를 들면 솔레노이드 밸브 등의 다른 구동 원리를 이용한 것이어도 상관없다. 제1 밸브(V1) 및 제2 밸브(V2)는 유체 저항(FR)을 중심으로 상류 측과 하류 측에 각각 대칭으로 배치되고, 제1 용적(VL1) 및 제2 용적(VL2)이 거의 같은 크기가 되도록 구성되어도 된다. 또, 본 실시 형태에서는 제1 밸브(V1) 및 제2 밸브(V2)는 양쪽 모두 각각 유량 피드백 제어에 의해서 그 개도가 제어된다. 보다 구체적으로는, 어느 제어 주기에 있어서 제1 밸브(V1) 및 제2 밸브(V2)를 실제로 흐르고 있는 밸브 유량이 산출되고, 그들 각 밸브 유량에 기초하여 제1 밸브(V1) 및 제2 밸브(V2)는 각각 다른 유량 피드백 제어가 행해진다. 즉, 도 1에 도시되는 것처럼 제1 밸브(V1)를 제어하는 제1 유량 피드백 루프와, 제2 밸브(V2)를 제어하는 제2 유량 피드백 루프가 각각 독립하여 형성되어 있다.

다음에 제어 연산 기구(COM)에 대해 상술한다. 제어 연산 기구(COM)는, 예를 들면 CPU, 메모리, A/D 컨버터, D/A 컨버터, 입출력 수단 등을 구비하는 이른바 컴퓨터로서, 메모리에 격납되어 있는 유량 제어 프로그램이 실행되어 각종 기기가 협업함으로써, 설정 유량 접수부(3), 저항 유량 산출기(FC), 제1 밸브 유량 환산기(11), 제2 밸브 유량 환산기(21), 제1 밸브 제어기(12), 제2 밸브 제어기(22)로서의 기능을 적어도 발휘한다.

설정 유량 접수부(3)는 유저로부터 유량 제어 장치(100)에 의해 실현하고 싶은 설정 유량을 예를 들면 시간 함수의 형식으로 접수하는 것이다. 이 설정 유량 접수부(3)는 유저로부터 설정된 설정 유량에 기초하여, 제1 밸브 제어기(12)와 제2 밸브 제어기(22) 각각에 제1 설정 유량 Q_r1, 제2 설정 유량 Q_r2를 입력한다. 본 실시 형태에서는 제1 설정 유량 Q_r1, 제2 설정 유량 Q_r2는 유저가 설정한 설정 유량과 같은 것이 설정된다. 즉, 유저가 설정한 시간 함수와 같은 것이 제1 설정 유량 Q_r1, 제2 설정 유량 Q_r2로 설정되고, 각 시각에 있어서 같은 목표 유량이 제어 연산에 사용된다. 예를 들면 제1 설정 유량 Q_r1, 제2 설정 유량 Q_r2는 각각 달라도 된다. 구체적으로는 전술한 예에서는 제1 설정 유량 Q_r1, 제2 설정 유량 Q_r2에는 위상차는 존재하지 않지만, 유저가 설정한 설정 유량에 대해서 소정의 위상 진행, 위상 지연을 개별로 준 제1 설정 유량 Q_r1, 제2 설정 유량 Q_r2가 설정되어도 된다.

저항 유량 산출기(FC)는 센싱 기구(SM)의 출력 신호의 나타내는 측정값과. 측정값에 따른 유량 특성값에 기초하여 유량을 산출한다. 구체적으로는 저항 유량 산출기(FC)는, 센싱 기구(SM)의 출력 신호를 나타내는 측정값인 유체 저항(FR)의 상류 측의 압력인 제1 압력 p₁와 하류 측의 압력인 제2 압력 p₂에 기초하여, 유체 저항(FR) 내를 흐르고 있는 유체의 유량을 산출한다. 여기서, 저항 유량 산출기(FC)는, 제1 압력 p₁와 제2 압력 p₂ 뿐만이 아니라, 유체 저항(FR)의 특성에 따라서 정해지는 유량 특성값에 기초하여 유량을 산출한다.

즉, 저항 유량 산출기(FC)는, 예를 들면 저항 유량을 Q_FR, 유체 저항(FR)에 의한 유로 저항을 RV, 제1 압력을 p₁, 제2 압력을 p₂라고 했을 경우에 Q_FR=(p₁－p₂)/RV의 식에 기초하여 유량을 산출한다. 여기서, 유로 저항 R은 제1 압력 p₁ 및 제2 압력 p₂의 영향을 받아 변화한다. 즉, 유량 특성값인 유로 저항(RV)는, 제1 압력 p₁와, 제1 압력 p₁와 제2 압력 p₂의 차압 ΔP로부터 결정할 수 있다. 저항 유량 산출기(FC)는, 유로 저항(RV)을 제1 압력 p₁와, 차압 ΔP를 파라미터로 하는 다변수 함수로부터 산출하도록 구성되어도 된다. 또, 저항 유량 산출기(FC)는, 미리 실험 등에 의해 결정한 유로 저항(RV), 제1 압력 p₁, 차압 ΔP의 테이블을 참조하여 유로 저항(RV)을 결정하도록 구성해도 된다.

제1 밸브 유량 환산기(11)는, 제1 압력 p₁에 기초하여, 저항 유량 Q_FR로부터 제1 밸브(V1)를 통과하는 유체의 유량인 제1 밸브 유량 Q_V1으로 환산한다. 여기서, 제1 밸브(V1)는 유체 저항(FR)에 대해서 소정 거리 상류 측에 배치되어 있기 때문에, 저항 유량 Q_FR의 측정점과, 제1 밸브(V1)에 의한 유량의 제어점에는, 어긋남이 존재한다. 따라서, 제1 밸브 유량은 제1 밸브(V1)의 제어점을 흐르고 있는 가스의 유량이라고도 말할 수 있다. 보다 구체적으로는, 어느 제어 주기에 있어서 저항 유량 산출기(FC)로부터 출력되는 저항 유량 Q_FR는 제1 밸브 유량 Q_V1이 이미 소정 시간 전에 실현된 유량에 가까운 값이며, 현재의 유량을 나타내고 있지 않다. 이 때문에, 제1 밸브 유량 환산기(11)는, 도 2의 (a)에 도시되는 것처럼 제1 용적(VL1)에 유출입되는 가스의 유량의 변화량과, 그것에 따른 제1 압력 p₁의 변화에 기초하여 제1 밸브 유량 Q_V1를 산출한다.

즉, 제1 용적(VL1)에 있어서의 유량의 변화량과, 압력의 변화량과의 사이의 관계는 이상 기체의 상태 방정식에 기초하여 이하와 같이 기술할 수 있다.

(d(p₁)/dt)VL₁=(Q_V1－Q_FR)RT

여기서, d(p₁)/dt는 제1 압력의 시간 미분값이며, 극히 단시간에 있어서의 제1 용적(VL1)에 있어서의 압력 변화를 나타내고, R은 기체 정수, T는 가스의 온도, VL₁은 제1 용적(VL1)의 용적값이다. 가스의 온도에 대해서는 유량 제어 장치(100)가 예를 들면 내부 유로가 형성되어 있는 블록 내에 마련된 도시하지 않은 온도 센서에 의해 측정된 값이 이용된다.

상기의 식으로부터 제1 밸브 유량 Q_V1는 이하와 같이 기술할 수 있다.

Q_V1=Q_FR＋A₁d(p₁)/dt

여기서, A₁은 제1 환산 계수이며, 본 실시 형태에서는 예를 들면 값으로서 1로 설정된다. 제1 밸브 유량 환산기(11)는, 상기의 식에 의해 저항 유량 Q_FR와 제1 압력 p₁의 시간 미분값에 기초하여 제1 밸브 유량 Q_V1를 산출한다. 덧붙여, 제1 환산 계수 A₁에 대해서는 이상 기체를 전제로 하는 것이 아니라, 이상 기체와 실재 기체와의 어긋남을 고려하여 설정된 값이어도 된다. 즉, 압축률 인자를 Z라고 했을 경우에, 제1 환산 계수를 A₁=Z×VL₁/RT로서 정의해도 된다.

제2 밸브 유량 환산기(21)는 제2 압력 p₂에 기초하여, 저항 유량 Q_FR로부터 제2 밸브(V2)를 통과하는 유체의 유량인 제2 밸브 유량 Q_V2로 환산한다. 여기서, 제2 밸브(V2)는 유체 저항(FR)에 대해서 소정 거리 하류 측에 배치되어 있기 때문에, 저항 유량 Q_FR의 측정점과, 제2 밸브(V2)에 의한 유량의 제어점에는, 어긋남이 존재한다. 따라서, 제2 밸브 유량 Q_V2는 제2 밸브(V2)의 제어점을 흐르고 있는 가스의 유량이라고도 말할 수 있다. 보다 구체적으로는 어느 제어 주기에 있어서 저항 유량 산출기(FC)로부터 출력되는 저항 유량 Q_FR는 제2 밸브 유량 Q_V2가 이미 소정 시간 후에 실현되는 유량에 가까운 값이며, 현재의 유량을 나타내고 있지 않다. 이 때문에, 제2 밸브 유량 환산기(21)는, 도 2의 (b)에 도시되는 것처럼 제2 용적(VL2)으로 유입되는 가스의 유량의 변화량과, 그것에 따른 제2 압력 p₂의 변화에 기초하여 제2 밸브 유량 Q_V2를 산출한다.

즉, 제2 용적(VL2)에 있어서의 유량의 변화량과, 압력의 변화량과의 사이의 관계는 이상 기체의 상태 방정식에 기초하여 이하와 같이 기술할 수 있다.

(d(p₂)/dt)VL₂=(Q_FR－Q_V2)RT

여기서, d(p₂)/dt는 제2 압력의 시간 미분값이며, 극히 단시간에 있어서의 제2 용적(VL2)에 있어서의 압력 변화를 나타내고, R은 기체 정수, T는 가스의 온도, VL₂는 제2 용적(VL2)의 용적값이다.

따라서, 제2 밸브 유량 Q_V2는 이하와 같이 기술할 수 있다.

Q_V2=Q_FR－A₂d(p₂)/dt

여기서, A₂는 계수이며, 본 실시 형태에서는 예를 들면 값으로서 1로 설정된다. 제2 밸브 유량 환산기(21)는, 상기의 식에 의해 저항 유량 Q_FR와 제2 압력 p₂의 시간 미분값에 기초하여 제2 밸브 유량 Q_V2를 산출한다. 덧붙여, 제2 환산 계수 A₂에 대해서는 이상 기체를 전제로 하는 것이 아니라, 이상 기체와 실재 기체와의 어긋남을 고려하여 설정된 값이어도 된다. 즉, 압축률 인자를 Z라고 했을 경우에, 제2 환산 계수를 A₂=Z×VL₂/RT로서 정의해도 된다.

도 1에 나타내는 제1 밸브 제어기(12)는, 제1 설정 유량 Q_r1와, 제1 밸브 유량 Q_V1와의 편차가 작아지도록 제1 밸브(V1)를 제어한다. 본 실시 형태에서는, 제1 밸브 제어기(12)는, 조작량으로서 편차에 따른 전압을 제1 밸브(V1)에 인가한다. 여기서, 제1 밸브 제어기(12)는, 제1 설정 유량 Q_r1와, 제1 밸브 유량 Q_V1와의 편차에 의한 유량 피드백 제어 뿐만이 아니라, 제어 상태에 따라서는 제1 압력 p₁와 미리 설정된 설정 압력과의 편차에 기초하는, 압력 피드백 제어도 행한다. 또, 유량이 과도 응답 상태로부터 안정 상태로 천이하는 천이 기간에 있어서 제1 밸브 제어기(12)는, 제1 밸브 유량 환산기(11)에 의해 출력되는 제1 밸브 유량 Q_V1를 더 보정하여, 유량 피드백 제어를 행하기도 한다. 각 제어에 대해서는 예를 들면 PID 제어를 적용할 수 있지만, 그 외의 제어칙에 기초하여 제1 밸브 제어기(12)가 제1 밸브(V1)를 제어하도록 구성해도 된다.

도 1에 나타내는 제2 밸브 제어기(22), 제2 설정 유량 Q_r2와, 제2 밸브 유량 Q_V2와의 편차가 작아지도록 제2 밸브(V2)를 제어한다. 본 실시 형태에서는, 제2 밸브 제어기(22)는, 조작량으로서 편차에 따른 전압을 제2 밸브(V2)에 인가한다. 여기서, 제2 설정 유량 Q_r2와, 제2 밸브 유량 Q_V2와의 편차에 의한 유량 피드백 제어에는, 예를 들면 PID 제어를 적용할 수 있지만, 그 외의 제어칙에 기초하여 제2 밸브 제어기(22)가 제2 밸브(V2)를 제어하도록 구성해도 된다.

다음으로 설정 유량이 제로로부터 소정의 목푯값으로 계단(step) 모양으로 변화하는 스텝 함수로서 주어졌을 경우의 제1 밸브 제어기(12), 및 제2 밸브 제어기(22)의 동작에 대해 도 3의 순서도를 참조하면서 설명한다.

설정 유량이 제로로 유지되고 있는 대기 기간에서는, 제2 밸브 제어기(22)가, 제2 밸브(V2)를 전폐시키고 있는 상태에 있어서, 제1 밸브 제어기(12)가, 제1 압력 p₁가 미리 설정되어 있는 설정 압력과의 편차가 작아지도록 제1 밸브(V1)의 개도를 압력 피드백 제어한다(셧오프(shut off) 모드：스텝 S1). 즉, 제1 밸브 제어기(12)는, 유량의 상승에 대비하여 소정의 공급압이 제1 용적(VL1) 및 제2 용적(VL2)에 차지되도록 제1 밸브(V1)를 제어한다. 이 설정 압력은 예를 들면 유량 센서(FS)에 있어서 예를 들면 유저가 실현하고 싶은 감도에 따른 압력(저압)으로 설정된다.

다음에 제2 밸브(V2)가 전폐되어 있는 상태로부터 제2 설정 유량 Q_r2가 제로 이외의 값이 된 시점으로부터의 소정 기간, 즉, 설정 유량이 상승하여, 유로를 흐르는 가스의 유량이 크게 변화하는 과도 응답 기간에서는, 제1 밸브 제어기(12)가, 제1 설정 유량 Q_r1와 제1 밸브 유량 Q_V1의 편차가 작아지도록 제1 밸브(V1)의 개도를 제어함과 아울러, 제2 밸브 제어기(22)가, 제2 설정 유량 Q_r2와 제2 밸브 유량 Q_V2와의 편차가 작아지도록 제2 밸브(V2)의 개도를 제어한다(과도 응답 모드：스텝 S2). 과도 응답 기간에서는, 2개의 밸브에 의해서 동시에 유량 제어가 행해지므로, 제1 용적(VL1) 내의 압력은 승합됨과 아울러, 제2 용적(VL2) 내의 압력은 감압되어, 목푯값의 유량을 실현하는데 필요한 차압이 신속하게 형성된다. 따라서, 유량의 상승시에 있어서의 응답성을 높게 할 수 있다. 덧붙여, 유량의 하강시에는 전술한 것과는 반대의 동작에 의해서, 목표가 되는 응답성을 실현할 수 있다.

유로를 흐르고 있는 가스의 유량이 설정 유량의 최종적인 목푯값에 가까워져, 제1 밸브 제어기(12) 또는 제2 밸브 제어기(22)에 있어서 산출되는 편차의 절댓값이 소정값 이하가 된 상태가 소정 시간 계속된 후에 있어서, 제1 밸브 제어기(12)의 제어 상태가 변화한다. 즉, 제1 설정 유량을 Q_r1, 보정값을 x라고 했을 경우에, 제1 밸브 제어기(12)는, 보정 후의 제1 설정 유량 Q_r1－x와 보정 후의 제1 밸브 유량 Q_V1의 편차가 작아지도록 제1 밸브(V1)의 개도를 제어한다(천이 모드：스텝 S3). 즉, 제1 밸브 제어기(12)에서는 제1 설정 유량 Q_r1 보다도 보정값 x만큼 작은 유량이 실현되도록 제1 밸브(V1)의 개도를 현상태보다도 작게 한다. 이것은 다음에 설명하는 안정 기간에 있어서의 유량 제어로 제1 밸브(V1)의 개도를 전개 개도보다도 소정량만큼 여유를 갖게 하기 때문이다. 덧붙여, 제1 밸브(V1)가 유저가 설정한 설정 유량과는 미소량만큼 다른 유량이 되도록 제1 밸브(V1)를 제어해도, 제2 밸브 제어기(22)가 제1 밸브(V1)의 하류 측에 있는 제2 밸브(V2)가 설정 유량을 실현하도록 유량 피드백 제어를 계속하고 있으므로, 목표와 다른 유량이 챔버에 공급되는 경우는 없다.

제2 밸브(V2)로부터 유출되는 제2 밸브 유량 Q_V2가 유저가 설정한 설정 유량 Q_r로 안정된 후, 또는 d(p₁)/dt, d(p₂)/dt가 거의 제로인 안정 기간에 있어서는, 제2 밸브 제어기(22)가, 제2 밸브(V2)의 개도를 전개 상태로 제어함과 아울러, 제1 밸브 제어기(12)가, 제1 설정 유량 Q_r1와 제1 밸브 유량인 Q_FR＋d(p₁)/dt와의 편차가 작아지도록 제1 밸브(V1)의 개도를 제어한다(안정 상태 모드：스텝 S4). 즉, 안정 기간에서는 2개의 밸브로 유량 제어하는 것이 아니라, 제2 밸브(V2)에 대해서는 전개 상태로 휴지(休止)하고, 상류 측에 있는 제1 밸브(V1)만으로 유량 제어가 행해진다. 제2 밸브(V2)는 전개이기 때문에, 유량 제어 장치(100)로서의 유로 저항을 작게 하여, 가스를 흐르기 쉽게 함과 아울러, 유량 제어의 정밀도를 향상시킬 수 있다. 덧붙여, 스텝 S1~S4의 제어 상태의 변화는 이 순서로 한정되는 것이 아니라, 각 스텝 S2~S4의 상태로부터 스텝 S1의 상태로 변화하는 경우도 있다. 또, 설정에 따라서는 각 스텝을 걸쳐서 상태 변화하는 경우도 있다.

상술한 것 같은 유량 제어에 의한 제1 압력 p₁ 및 제2 압력 p₂의 변화에 대해 도 4의 그래프를 참조하면서 본 실시 형태의 유량 제어 장치(100)의 효과에 대해 설명한다.

설정 유량을 굵은 실선으로 나타내는 것처럼 증감시키면, 유량이 제로일 때 유지되고 있던 설정 압력을 중심으로 하여, 가는 선으로 나타나는 제1 압력 p₁, 및 실선으로 나타나는 제2 압력 p₂는 변화 방향이 역방향이 되고, 그 변화량도 거의 같게 되도록 대칭으로 변화한다. 보다 구체적으로는 설정 유량이 커질수록 차압이 커지도록 제1 압력 p₁ 및 제2 압력 p₂가 변화함과 아울러, 그 평균 압력은 최초의 설정 압력과 거의 같은 값으로 유지되는 것을 알 수 있다. 즉, 본 실시 형태의 유량 제어 장치(100)이면, 설정 유량을 실현하는데 필요한 차압을 신속하게 실현하면서, 유량 제어 장치(100) 내의 제1 용적(VL1) 및 제2 용적(VL2)의 압력이 계속 상승하여, 유량 센서(FS)의 감도가 저하되어 버리는 것을 막을 수 있다는 것을 알 수 있다.

다음에 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 유량 제어 장치(100)에 대해 도 5를 참조하면서 설명한다.

제2 실시 형태의 유량 제어 장치(100)는, 제1 실시 형태에서 설명한 유량 제어를 위한 구성뿐만이 아니라, 제1 용적(VL1) 및 제2 용적(VL2)의 용적을 자기 진단하여, 교정하는 진단기(D)를 더 구비하고 있다. 보다 구체적으로는 진단기(D)는 챔버로의 가스의 공급이 행해지고 있지 않은 프로세스 정지 기간 중에 있어서 소정의 밸브 동작을 행하고, 그것에 따라 생기는 제1 용적(VL1) 또는 제2 용적(VL2)의 압력 변화에 기초하여 제1 용적(VL1) 및 제2 용적(VL2)의 크기를 동정(同定)한다. 또, 진단기(D)는, 챔버에 대해서 가스의 공급이 행해지는 프로세스 중에 있어서, 일시적으로 가스의 공급을 정지하기 위해서 제1 밸브(V1) 및 제2 밸브(V2)가 전폐되는 경우에 생기는 제1 압력 p₁ 또는 제2 압력 p₂의 변화에 기초하여, 제1 용적(VL1) 또는 제2 용적(VL2)을 동정한다.

이 진단기(D)는, 제1 용적(VL1) 및 제2 용적(VL2)의 크기에 대해서, 제1 압력 센서(P1), 제2 압력 센서(P2), 유량 센서(FS), 및 도시하지 않은 온도 센서의 출력에 기초하여 동정한다.

우선, 제2 용적(VL2)의 동정에 대해서 설명한다. 진단기(D)는, 유량 제어 장치(100) 내를 소정 압력까지 감압한 후, 제1 밸브(V1)를 전개로 하고, 제2 밸브(V2)를 전폐로 하여 제1 용적(VL1) 및 제2 용적(VL2) 내로 가스를 충전한다. 이 가스의 충전은 제1 압력 p₁ 및 제2 압력 p₂가 거의 같은 압력이 되는 압력 평형점까지 계속된다. 진단기(D)는, 가스의 충전 개시시 또는 충전 개시시 근방의 제1 압력 p₁ 및 제2 압력 p₂의 압력차의 최대 시점으로부터 압력 평형점에 도달하는 시점까지의 저항 유량 Q_FR의 적산값과, 저항 유량 Q_FR의 적산 개시시와 적산 종료시에서의 제2 압력 p₂의 압력차인 Δp₂와, 기체의 상태 방정식에 기초하여 제2 용적(VL2)의 용적값(VL₂)을 산출한다.

다음에, 제1 용적(VL1)의 동정에 대해서 설명한다. 진단기(D)는 유량 제어 장치(100) 내를 소정 압력까지 증압한 후, 제1 밸브(V1)를 전폐로 하고, 제2 밸브(V2)를 전개로 하여 제1 용적(VL1) 및 제2 용적(VL2) 내로 가스를 배기한다. 이 가스의 배기는 제1 압력 p₁ 및 제2 압력 p₂가 거의 같은 압력이 되는 압력 평형점까지 계속된다. 진단기(D)는, 가스의 배기 개시시 혹은 배기 개시시 근방의 압력 최대 시점으로부터 압력 평형점에 도달하는 시점까지의 저항 유량 Q_FR의 적산값과, 저항 유량 Q_FR의 적산 개시시와 적산 종료시에서의 제1 압력 p₁의 압력차인 Δp₁와, 기체의 상태 방정식에 기초하여 제1 용적(VL1)의 용적값(VL₁)을 산출한다.

진단기(D)는 동정된 용적값(VL₁), 및 용적값(VL₂)을 제1 밸브 유량 환산기(11), 및 제2 밸브 유량 환산기(21)에 있어서 사용되고 있는 값과 치환함으로써, 환산에 사용되고 있는 파라미터를 교정한다.

이와 같이 제2 실시 형태이면, 유량 제어 장치(100)가 구비하고 있은 각종 센서의 출력만에 기초하여, 제1 용적(VL1) 및 제2 용적(VL2)의 크기를 자기 진단하여, 제1 밸브 유량 환산기(11) 및 제2 밸브 유량 환산기(21)에 사용되고 있는 각 용적의 값을 자기 교정할 수 있다.

따라서, 유량 제어 장치(100)에 기차(器差)가 있어 설곗값으로부터 어긋나 있는 경우나, 경년 변화 등에 의해서 제1 용적(VL1) 및 제2 용적(VL2)으로서 작용하는 크기가 변화했다고 해도, 올바른 값으로 교정할 수 있어, 산출되는 각 밸브 유량의 정확도나 정밀도를 유지하는 것이 가능해진다. 따라서, 유량 제어 정밀도를 장기간에 걸쳐 유지하는 것이 가능해진다. 또, 프로세스의 사이에서 특수한 동작 없이 이러한 진단을 실현할 수 있다.

다음에 제3 실시 형태에 있어서의 유량 제어 장치(100)에 대해 도 6 및 도 7을 참조하면서 설명한다.

제3 실시 형태의 유량 제어 장치(100)는, 제1 밸브 제어기(12) 및 제2 밸브 제어기(22)의 구성이 제1 실시 형태와는 다르다. 보다 구체적으로는, 제1 밸브 제어기(12), 및 제2 밸브 제어기(22)는 설정 유량과 전후의 차압에 기초하여, 제어 계수를 변경한다. 이 때문에 제1 밸브 제어기(12)는, 공급압 센서(P0)로부터 공급압 p₀를 취득함과 아울러, 제1 압력 센서(P1)로부터 제1 압력 p₁를 취득하도록 구성되어 있다. 마찬가지로 제2 밸브 제어기(22)는, 제2 압력 센서(P2)로부터 제2 압력 p₂를 취득함과 아울러, 제2 밸브(V2)의 하류 측인 하류 측 압력 p_d를 예를 들면 챔버 등에 마련되어 있는 진공계로부터 취득하도록 구성되어 있다.

도 7의 (a)에 도시되는 것처럼 제1 밸브 제어기(12)는, 제1 설정 유량 Q_r1와 제1 밸브 유량 환산기(11)로부터 출력되는 제1 밸브 유량 Q_V1의 편차에 대해 PID 연산을 행하여, PID 연산의 결과에 따른 전압을 조작량으로 하여 제1 밸브(V1)에 출력하는 제1 조작량 출력부(121)와, 제1 조작량 출력부(121)의 PID 연산에 이용되는 제어 계수인 PID 계수를 제1 설정 유량 Q_r1 및 공급압 p₀와 제1 압력 p₁의 차압인 Δp₁에 따라 조절하는 제1 제어 계수 조절부(122)를 구비하고 있다.

제1 조작량 출력부(121)는 제어 주기마다 설정되어 있는 PID 계수와, 산출되는 유량의 편차에 기초하여, 제1 밸브(V1)를 통과하는 가스의 유량에 대해 PID 제어를 행한다.

제1 제어 계수 조절부(122)는, 취득된 제1 설정 유량 Q_r1, 및 차압 Δp₁에 따라서, 제1 조작량 출력부(121)의 PID 계수 중, 적어도 비례 게인 Kp를 조절한다. 제1 제어 계수 조절부(122)는, 제1 설정 유량 Q_r1의 목표 유량의 값이 커질수록, 비례 게인 Kp의 값을 크게 한다. 또, 제1 제어 계수 조절부(122)는, 차압 Δp₁가 커질수록, 비례 게인 Kp의 값을 크게 한다. 보다 구체적으로는, B₁를 정수, C1을 0보다 크고 1보다 작은 정수라고 했을 경우에, 차압 Δp₁의 함수 B₁×(Δp₁)^C1에 기초하여, 제1 제어 계수 조절부(122)는 비례 게인 Kp의 값을 조절한다. 덧붙여, 이 실시 형태에서는 C1은 1/2로 설정되어 있다.

도 7의 (a)에 도시되는 것처럼 제2 밸브 제어기(22)는, 제2 설정 유량 Q_r2와 제2 밸브 유량 환산기(21)로부터 출력되는 제2 밸브 유량 Q_V2의 편차에 대해 PID 연산을 행하여, PID 연산의 결과에 따른 전압을 조작량으로 하여 제2 밸브(V2)에 출력하는 제2 조작량 출력부(221)와, 제2 조작량 출력부(221)의 PID 연산에 이용되는 제어 계수인 PID 계수를 제2 설정 유량 Q_r2 및 제2 압력 p₂와 하류 측 압력 p_d의 차압인 Δp₂에 따라 조절하는 제2 제어 계수 조절부(222)를 구비하고 있다.

제2 조작량 출력부(221)는, 제어 주기마다 설정되어 있는 PID 계수와, 산출되는 유량의 편차에 기초하여, 제2 밸브(V2)를 통과하는 가스의 유량에 대해 PID 제어를 행한다.

제2 제어 계수 조절부(222)는, 취득된 제2 설정 유량 Q_r2, 및 차압 Δp₂에 따라서, 제2 조작량 출력부(221)의 PID 계수 중, 적어도 비례 게인 Kp를 조절한다. 제2 제어 계수 조절부(222)는, 제2 설정 유량 Q_r2의 목표 유량의 값이 커질수록, 비례 게인 Kp의 값을 크게 한다. 또, 제2 제어 계수 조절부(222)는, 차압 Δp₁가 커질수록, 비례 게인 Kp의 값을 크게 한다. 보다 구체적으로는, B₂를 정수, C2를 0보다 크고 1보다 작은 정수라고 했을 경우에, 차압 Δp₂의 함수 B₂×(Δp₂)^C2에 기초하여, 제2 제어 계수 조절부(222)는 비례 게인 Kp의 값을 조절한다. 덧붙여, 이 실시 형태에서는 C2는 1/2로 설정되어 있다.

이와 같이 구성된 제3 실시 형태의 유량 제어 장치(100)이면, 각 시점에서의 설정 유량의 목표 유량의 값이나, 제1 밸브(V1) 또는 제2 밸브(V2)의 전후의 차압에 따른 비례 게인 Kp를 설정할 수 있다. 따라서, 예를 들면 각 상태에 있어서 유량 제어 장치(100)로서 가장 고속으로 유량 제어를 실현할 수 있는 상태를 계속 유지하는 것이 가능해진다. 또, 차압의 1/2승에 비례하여 비례 게인 Kp의 값이 변경되므로, 제1 밸브(V1) 및 제2 밸브(V2) 내에 있어서 형성되는 오리피스에 의해 차압의 2승에 비례하여 유량이 증가하는 경우에 제어성을 특별히 향상시킬 수 있다.

또, 상기와 같이 비례 게인 Kp를 순서대로 변경할 수 있으므로, 설정 유량의 변화에 대한 실제 유량의 추종성을 종래보다도 큰폭으로 향상시키고, 예를 들면 반도체 제조 프로세스에 있어서 구해지는 고속 유량 제어를 실현할 수 있다.

그 외의 실시 형태에 대해 설명한다.

제1 밸브 유량 환산기, 제2 밸브 유량 환산기는, 저항 유량과 제1 압력의 시간 미분값 또는 제2 압력의 시간 미분값에 기초하여 제1 밸브 유량 또는 제2 밸브 유량을 산출하는 것이었지만, 이것으로 한정되는 것은 아니다. 즉, 제1 밸브 유량 환산기는 저항 유량과, 제1 압력에 기초하여 제1 밸브 유량을 산출하는 것이면 되고, 제2 밸브 유량 환산기에 대해서는, 저항 유량과, 제2 압력에 기초하여 제2 밸브 유량을 산출하는 것이면 된다. 보다 구체적으로는, 제1 압력 또는 제2 압력의 시간 미분값을 이용하는 것이 아니라, 예를 들면 미소 시간 변화에 있어서의 제1 압력 또는 제2 압력의 차분을 이용해도 된다. 또, 제1 압력의 시간 변화량이나 제2 압력의 시간 변화량을 이용해도 되고, 그러한 값에 대해서 적절히 보정 계수 등을 곱해도 된다.

제1 밸브 유량 환산기, 및 제2 밸브 유량 환산기는, 각각 같은 유량 환산식을 이용하고 있는 경우에도 유량 특성에 맞춰 계수가 다르거나, 적절히 보정이 행해지거나 해도 상관없다.

제1 밸브 제어기는, 제어 상태에 있어서 유량 피드백 제어, 압력 피드백 제어를 전환하여 실시하는 것이었지만, 그 외의 제어를 행하는 것이어도 된다. 예를 들면, 제2 밸브 제어기가 설정 유량과 제2 밸브 유량의 편차가 작아지도록 제2 밸브를 제어하고 있는 상태에 있어서, 제2 밸브에 인가되는 전압과 목표 전압과의 편차가 작아지도록 제1 밸브 제어기가 제1 밸브를 제어하도록 구성해도 된다.

제2 밸브 제어기에 대해서도, 유량 피드백 제어 이외의 예를 들면 압력 피드백 제어 등에 유량 제어 상태에 따라 전환하도록 구성해도 된다.

제3 실시 형태에서는 제1 밸브 제어기 및 제2 밸브 제어기 양쪽 모두에 있어서 제어 계수가 설정 유량과 각 밸브의 전후의 차압에 따라 변경되고 있었지만, 예를 들면 제1 밸브 제어기 또는 제2 밸브 제어기 중 어느 한쪽만이 제어 계수가 순서대로 변경되도록 구성해도 된다. 또, 제1 밸브 제어기 또는 제2 밸브 제어기의 구성에 대해서는, 1개의 밸브만을 구비한 유량 제어 장치에 적용해도 된다. 제1 제어 계수 조절부 또는 제1 제어 계수 조절부가 조절하는 제어 계수는 비례 게인에 한정되는 것이 아니고, PID 계수의 적분 게인, 미분 게인을 조절하는 것이어도 된다. 또, 제1 조작량 출력부 또는 제2 조작량 출력부에 있어서 PID 제어 이외의 제어칙에 의해 유량 제어가 행해지고 있는 경우에는, 그 제어칙에 있어서 이용되고 있는 제어 계수가 제1 제어 계수 조절부 또는 제2 제어 계수 조절부에 의해서 조절되도록 구성하면 된다.

그 외, 본 발명의 취지에 반하지 않는 한에 있어서 다양한 실시 형태의 변형이나, 각 실시 형태의 일부끼리를 조합해도 된다.

100···유량 제어 장치
V1···제1 밸브
V2···제2 밸브
FS···유량 센서
SM···센싱 기구
FC···저항 유량 산출기
P1···제1 압력 센서
P2···제2 압력 센서
11···제1 밸브 유량 환산기
12···제1 밸브 제어기
121···제1 조작량 출력부
122···제1 제어 계수 조절부
21···제2 밸브 유량 환산기
22···제2 밸브 제어기
221···제2 조작량 출력부
222···제2 제어 계수 조절부
3···설정 유량 접수부
D···진단기

Claims

유로에 마련된 제1 밸브와,
상기 유로에 있어서 상기 제1 밸브보다도 하류 측에 마련된 제2 밸브와,
상기 유로에 있어서 상기 제1 밸브와 상기 제2 밸브의 사이에 마련된 유체 저항과,
상기 제1 밸브와 상기 유체 저항과의 사이의 제1 용적 내의 압력을 측정하는 제1 압력 센서와,
상기 유체 저항과 상기 제2 밸브와의 사이의 제2 용적 내의 압력을 측정하는 제2 압력 센서와,
상기 제1 압력 센서가 측정하는 제1 압력과, 상기 제2 압력 센서가 측정하는 제2 압력에 기초하여, 상기 유체 저항을 흐르는 유체의 유량인 저항 유량을 산출하는 저항 유량 산출기와,
상기 제1 압력에 기초하여, 상기 저항 유량으로부터 상기 제1 밸브를 통과하는 유체의 유량인 제1 밸브 유량으로 환산하는 제1 밸브 유량 환산기와,
상기 제2 압력에 기초하여, 상기 저항 유량으로부터 상기 제2 밸브를 통과하는 유체의 유량인 제2 밸브 유량으로 환산하는 제2 밸브 유량 환산기와,
제1 설정 유량과, 상기 제1 밸브 유량과의 편차가 작아지도록 상기 제1 밸브를 제어하는 제1 밸브 제어기와,
제2 설정 유량과, 상기 제2 밸브 유량과의 편차가 작아지도록 상기 제2 밸브를 제어하는 제2 밸브 제어기를 구비한 것을 특징으로 하는 유량 제어 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 밸브 유량 환산기가, 상기 저항 유량과, 상기 제1 압력의 시간 미분값에 기초하여 상기 제1 밸브 유량을 산출하는 유량 제어 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제2 밸브 유량 환산기가, 상기 저항 유량과, 상기 제2 압력의 시간 미분값에 기초하여 상기 제2 밸브 유량을 산출하는 유량 제어 장치.
청구항 3에 있어서,
상기 저항 유량을 Q_FR, 상기 제1 밸브 유량을 Q_V1, 상기 제2 밸브 유량을 Q_V2, 상기 제1 압력을 p₁, 상기 제2 압력을 p₂, 제1 환산 계수를 A₁, 제2 환산 계수를 A₂라고 했을 경우에,
상기 제1 밸브 유량 환산기가, Q_V1=Q_FR＋A₁×d(p₁)/dt에 의해서 상기 제1 밸브 유량을 산출하고,
상기 제2 밸브 유량 환산기가, Q_V2=Q_FR－A₂×d(p₂)/dt에 의해서 상기 제2 밸브 유량을 산출하는 유량 제어 장치.
청구항 4에 있어서,
상기 제1 용적의 크기를 VL₁, 상기 제2 용적의 크기를 VL₂, 기체 정수를 R, 온도를 T, 압축률 인자를 Z라고 했을 경우에,
A₁=Z×VL₁/RT, A₂=Z×VL₂/RT인 유량 제어 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 설정 유량 및 상기 제2 설정 유량이 동일한 시간 함수로서 설정되는 유량 제어 장치.
청구항 6에 있어서,
상기 제2 밸브 제어기가, 상기 제2 밸브를 전폐(全閉)시키고 있는 상태에 있어서,
상기 제1 밸브 제어기가, 상기 제1 압력이 설정 압력과의 편차가 작아지도록 상기 제1 밸브의 개도를 제어하는 유량 제어 장치.
청구항 7에 있어서,
상기 제2 밸브가 전폐되어 있는 상태로부터 상기 제2 설정 유량이 제로 이외의 값이 된 시점으로부터 소정 기간은,
상기 제1 밸브 제어기가, 상기 제1 설정 유량과 상기 제1 밸브 유량과의 편차가 작아지도록 상기 제1 밸브의 개도를 제어함과 아울러,
상기 제2 밸브 제어기가, 상기 제2 설정 유량과 상기 제2 밸브 유량의 편차가 작아지도록 상기 제2 밸브의 개도를 제어하는 유량 제어 장치.
청구항 8에 있어서,
상기 제1 밸브 제어기 또는 상기 제2 밸브 제어기에 있어서의 편차의 절댓값이 소정값 이하가 된 상태에 있어서,
상기 제1 설정 유량을 Q_r1, 보정값을 x라고 했을 경우에,
상기 제1 밸브 제어기는, 보정 후의 상기 제1 설정 유량 Q_r1－x와 제1 밸브 유량 Q_V1의 편차가 작아지도록 상기 제1 밸브의 개도를 제어하는 유량 제어 장치.
청구항 9에 있어서,
상기 제2 밸브로부터 유출되는 상기 제2 밸브 유량이 설정 유량으로 안정된 후에 있어서,
상기 제2 밸브 제어기가, 상기 제2 밸브의 개도를 전개(全開) 상태로 제어함과 아울러,
상기 제1 밸브 제어기가, 상기 제1 설정 유량과 상기 제1 밸브 유량인 Q_FR＋A₁×d(p₁)/dt와의 편차가 작아지도록 상기 제1 밸브의 개도를 제어하는 유량 제어 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 밸브와 상기 유체 저항과의 사이에 형성되며, 상기 제1 압력 센서로 제1 압력이 측정되는 공간인 제1 용적과,
상기 유체 저항과 상기 제2 밸브와의 사이에 형성되며, 상기 제2 압력 센서로 제2 압력이 측정되는 공간인 제2 용적과,
상기 저항 유량, 상기 제1 압력, 또는 상기 제2 압력에 기초하여, 상기 제1 용적 또는 상기 제2 용적의 크기를 동정(同定)하는 진단기를 더 구비하고,
상기 진단기가, 상기 제1 용적 또는 상기 제2 용적의 크기에 기초하여 상기 제1 밸브 유량 환산기 또는 상기 제2 유량 환산기에서 유량 환산에 사용되는 파라미터를 보정하는 유량 제어 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 밸브의 상류 측에 마련된 공급압 센서를 더 구비하고,
상기 제1 밸브 제어기가,
상기 제1 설정 유량과 상기 제1 밸브 유량과의 편차와, 설정되어 있는 제어 계수에 기초하여 산출된 조작량을 상기 제1 밸브로 출력하는 제1 조작량 출력부와,
상기 공급압 센서로 측정되는 공급압 p₀와, 상기 제1 압력 센서로 측정되는 제1 압력 p₁의 차압 Δp₁와, 상기 제1 설정 유량 Q_V1에 기초하여 상기 제1 조작량 출력부에 설정되어 있는 제어 계수를 조절하는 제1 제어 계수 조절부를 구비한 유량 제어 장치.
청구항 12에 있어서,
상기 제2 밸브 제어기가,
상기 제2 설정 유량과 상기 제2 밸브 유량과의 편차와, 설정되어 있는 제어 계수에 기초하여 산출된 조작량을 상기 제2 밸브로 출력하는 제2 조작량 출력부와,
상기 제2 압력 센서로 측정되는 제2 압력 p₂와, 상기 제2 밸브의 하류 측의 압력인 하류 측 압력 p_d의 차압 Δp₂와, 상기 제2 설정 유량 Q_V2에 기초하여 상기 제2 조작량 출력부에 설정되어 있는 제어 계수를 조절하는 제2 제어 계수 조절부를 구비한 유량 제어 장치.
청구항 13에 있어서,
B₁를 정수, C1을 0보다 크고 1보다 작은 정수라고 했을 경우에,
상기 제1 제어 계수 조절부가, 차압 Δp₁의 함수 B₁×(Δp₁)^C1에 기초하여 제어 계수를 조절하는 유량 제어 장치.
청구항 14에 있어서,
B₂를 정수, C2를 0보다 크고 1보다 작은 정수라고 했을 경우에,
상기 제2 제어 계수 조절부가, 차압 Δp₂의 함수 B₂×(Δp₂)^C2에 기초하여 제어 계수를 조절하는 유량 제어 장치.
청구항 14에 있어서,
C1 또는 C2가 1/2인 유량 제어 장치.
청구항 14에 있어서,
제1 설정 유량 또는 제2 설정 유량의 값이 클수록, 제어 계수의 값이 큰 값으로 설정되는 유량 제어 장치.
청구항 12에 있어서,
상기 제어 계수가 PID 계수이며,
상기 제1 제어 계수 조절부 및 상기 제2 제어 계수 조절부가, 적어도 비례 게인을 조절하는 유량 제어 장치.
유로에 마련된 제1 밸브와, 상기 유로에 있어서 상기 제1 밸브보다도 하류 측에 마련된 제2 밸브와, 상기 유로에 있어서 상기 제1 밸브와 상기 제2 밸브의 사이에 마련된 유체 저항과, 상기 제1 밸브와 상기 유체 저항과의 사이의 제1 용적 내의 압력을 측정하는 제1 압력 센서와, 상기 유체 저항과 상기 제2 밸브와의 사이의 제2 용적 내의 압력을 측정하는 제2 압력 센서를 구비한 유량 제어 장치를 이용한 유량 제어 방법으로서,
상기 제1 압력 센서가 측정하는 제1 압력과, 상기 제2 압력 센서가 측정하는 제2 압력에 기초하여, 상기 유체 저항을 흐르는 유체의 유량인 저항 유량을 산출하는 것과,
상기 제1 압력에 기초하여, 상기 저항 유량으로부터 상기 제1 밸브를 통과하는 유체의 유량인 제1 밸브 유량으로 환산하는 것과,
상기 제2 압력에 기초하여, 상기 저항 유량으로부터 상기 제2 밸브를 통과하는 유체의 유량인 제2 밸브 유량으로 환산하는 것과,
제1 설정 유량과, 상기 제1 밸브 유량과의 편차가 작아지도록 상기 제1 밸브를 제어하는 것과,
제2 설정 유량과, 상기 제2 밸브 유량과의 편차가 작아지도록 상기 제2 밸브를 제어하는 것을 구비한 것을 특징으로 하는 유량 제어 방법.
유로에 마련된 제1 밸브와, 상기 유로에 있어서 상기 제1 밸브보다도 하류 측에 마련된 제2 밸브와, 상기 유로에 있어서 상기 제1 밸브와 상기 제2 밸브의 사이에 마련된 유체 저항과, 상기 제1 밸브와 상기 유체 저항과의 사이의 제1 용적 내의 압력을 측정하는 제1 압력 센서와, 상기 유체 저항과 상기 제2 밸브와의 사이의 제2 용적 내의 압력을 측정하는 제2 압력 센서를 구비한 유량 제어 장치에 이용되는 유량 제어 프로그램이 기록된 프로그램 기록 매체로서,
상기 제1 압력 센서가 측정하는 제1 압력과, 상기 제2 압력 센서가 측정하는 제2 압력에 기초하여, 상기 유체 저항을 흐르는 유체의 유량인 저항 유량을 산출하는 저항 유량 산출기와,
상기 제1 압력에 기초하여, 상기 저항 유량으로부터 상기 제1 밸브를 통과하는 유체의 유량인 제1 밸브 유량으로 환산하는 제1 밸브 유량 환산기와,
상기 제2 압력에 기초하여, 상기 저항 유량으로부터 상기 제2 밸브를 통과하는 유체의 유량인 제2 밸브 유량으로 환산하는 제2 밸브 유량 환산기와,
제1 설정 유량과, 상기 제1 밸브 유량과의 편차가 작아지도록 상기 제1 밸브를 제어하는 제1 밸브 제어기와,
제2 설정 유량과, 상기 제2 밸브 유량과의 편차가 작아지도록 상기 제2 밸브를 제어하는 제2 밸브 제어기로서의 기능을 컴퓨터에 발휘시키는 것을 특징으로 하는 유량 제어 프로그램이 기록된 프로그램 기록 매체.