KR20220085799A - 유량 제어 장치 및 유량 제어 방법 - Google Patents

유량 제어 장치 및 유량 제어 방법 Download PDF

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카츠유키 스기타
코우지 니시노
카오루 히라타
신야 오가와
케이스케 이데구치
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가부시키가이샤 후지킨
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Abstract

유량 상승시에 스무스한 흐름으로 유량을 증가시킬 수 있는 유량 제어 장치 및 유량 제어 방법을 제공한다. 유량 제어 장치(8)는, 밸브체 및 밸브체를 이동시키기 위한 압전 소자를 갖는 컨트롤 밸브(6)와, 컨트롤 밸브의 동작을 제어하는 연산 처리 회로(7)를 구비하고, 연산 처리 회로는, 목표 유량의 가스가 흐르도록 컨트롤 밸브의 닫힌 상태로부터 컨트롤 밸브를 열 때에, 목표 유량에 대응하는 외부 지령 신호를 수취하고, 압전 소자에의 인가 전압을 결정하는 구동 회로로 출력하는 내부 지령 신호를 외부 지령 신호에 의거하여 생성하도록 구성되어 있으며, 내부 지령 신호는, 제로로부터 경시적으로 상승하여 외부 지령 신호의 값에 수렴하는 신호이며, 상승시의 경사 및 수렴 직전의 경사가 그들 사이의 경사보다 작아지도록 생성된다.

Description

유량 제어 장치 및 유량 제어 방법
본 발명은, 유량 제어 장치 및 유량 제어 방법에 관한 것이고, 특히 반도체 제조 장치나 화학 플랜트 등에 있어서 이용되는 유량 제어 장치 및 유량 제어 방법에 관한 것이다.
반도체 제조 장치나 화학 플랜트에 있어서, 재료 가스나 에칭 가스의 유량을 제어하기 위해서, 여러가지 타입의 유량계나 유량 제어 장치가 사용되고 있다. 이 중에서, 압력식 유량 제어 장치는 컨트롤 밸브와 스로틀부(예를 들면, 오리피스 플레이트나 임계 노즐)를 조합시킨 비교적 간단한 기구에 의해 각종 유체의 질량 유량을 고정밀도로 제어할 수 있으므로 널리 이용되고 있다. 압력식 유량 제어 장치는 1차측의 공급 압력이 크게 변동해도 안정한 유량 제어를 행할 수 있다는 우수한 유량 제어 특성을 갖고 있다.
압력식 유량 제어 장치에는 스로틀부의 상류측의 유체 압력(이하, 상류 압력(P1)이라고 부르는 경우가 있음)을 제어함으로써, 스로틀부의 하류측의 유량을 제어하는 경우가 있다(예를 들면, 특허문헌 1). 상류 압력(P1)은 압력 센서를 사용하여 측정되고 있으며, 스로틀부의 상류측에 배치된 컨트롤 밸브의 개도를, 압력 센서의 출력에 의거하여 피드백 제어함으로써 임의 압력으로 제어할 수 있다.
압력식 유량 제어 장치의 컨트롤 밸브로서, 다이어프램 밸브체를 피에조 액추에이터에 의해 개폐시키도록 구성된 피에조 소자 구동식 밸브(이하, 피에조 밸브라고 부르는 경우가 있음)가 사용되고 있다. 피에조 밸브는, 예를 들면 특허문헌 2에 개시되어 있으며, 비교적 고속한 응답이 가능하다.
국제 공개 제 2015/083343호 일본 특허 공개 2003-120832호 공보 일본 특허 제5867517호 공보 국제 공개 제 2018/180745호
노멀 클로즈형의 피에조 밸브에서는, 피에조 소자에 전압을 인가하지 않는 닫힌 상태에 있어서, 스프링 등의 바이어스 수단에 의해 다이어프램 밸브체가 밸브시트에 압박되어 있다. 이것은, 닫힌 상태에 있어서의 리크의 발생을 방지하기 위해서이다. 단, 이와 같이 하여 밸브시트를 향해서 밸브체가 압박되어 있는 경우, 밸브를 열 때에는 그 바이어스력에 저항해서 밸브체를 이동시키는 힘이 필요하게 되며, 이 때문에, 상승의 응답이 늦어지는 경우가 있다.
이 문제에 대하여, 특허문헌 3에는 서멀식 유량 센서를 구비한 질량 유량 제어 장치에 있어서, 피에조 밸브를 닫힌 상태로부터 개방할 때에, 목표 유량에 대응하는 목표 전압값보다 큰 진폭을 나타내는 신호를 초기에 일시적으로 인가하고, 이것에 의해, 상승의 응답성을 개선하는 기술이 개시되어 있다.
특허문헌 3에 기재된 유량 제어 장치로는, 유량 제로로부터의 상승시에 있어서, 목표 전압을 초과하는 전압을 순시적으로 일단 인가하고 나서, 목표 전압에 수렴시키도록 피에조 소자의 인가 전압이 제어된다. 상기와 같은 인가 전압의 순시적인 오버슈트 구동에 의해서, 유량의 오버슈트는 방지하면서 상승 시간을 단축할 수 있다.
그러나, 본원 발명자의 실험의 결과, 피에조 밸브 구동 회로에 입력되는 지령 신호에 있어서 상승 초기에 있어서의 변화율이 너무 큰 경우, 특히 압력식 유량 제어 장치에 있어서, 소유량(저설정 유량)으로의 유량 상승할 때에, 실제의 가스 유량의 응답 파형이 변형되는 경우가 있으며, 또한 설정 유량의 크기에 따라 응답 파형의 변형이 상이하게 되고, 제어의 불균일이 생기는 것을 알았다.
따라서, 특히 저설정 유량으로의 상승시에, 응답성을 가능한 한 손상시키지 않고, 극력 안정한 가스의 흐름을 유지한 채, 가스 공급의 상승 동작을 스무스하게 행하여, 제어의 불균일을 억제한다고 하는 과제가 있었다.
본 발명은 상기 과제를 감안하여 이루어진 것이며, 유량 상승시에 스무스한 흐름으로 유량을 증가시킬 수 있는 유량 제어 장치 및 유량 제어 방법을 제공하는 것을 주된 목적으로 한다.
본 발명의 실시형태에 의한 유량 제어 장치는, 밸브체 및 상기 밸브체를 이동시키기 위한 압전 소자를 갖는 컨트롤 밸브와, 상기 컨트롤 밸브의 동작을 제어하는 연산 처리 회로를 구비하고, 상기 연산 처리 회로는 목표 유량의 가스가 흐르도록 상기 컨트롤 밸브의 닫힌 상태로부터 상기 컨트롤 밸브를 열 때에, 상기 목표 유량에 대응하는 외부 지령 신호를 수취하고, 상기 압전 소자에의 인가 전압을 결정하는 구동 회로로 출력하는 내부 지령 신호를 상기 외부 지령 신호에 의거하여 생성하도록 구성되어 있으며, 상기 내부 지령 신호는 제로로부터 경시적으로 상승하여 상기 외부 지령 신호의 값에 수렴하는 신호이며, 상승시의 경사 및 수렴 직전의 경사가 그들 사이의 경사보다 작아지도록 생성된다.
어느 실시형태에 있어서, 상기 내부 지령 신호는 1차 지연 처리와 램프 처리의 조합에 의해 생성된다.
어느 실시형태에 있어서, 상기 내부 지령 신호는 하기 식에 의거하여 생성되고, 여기에서 I'n은 현재값, I'n-1은 전회값, Irmpn은 램프 파라미터(r)에 의해 규정되는 램프 함수의 현재값, X는 1차 지연 처리의 시정수(τ)에 대응하는 시정수 파라미터이다.
I'n = I'n-1+(Irmpn-I'n-1)/(1+X)
어느 실시형태에 있어서, 수취된 외부 지령 신호에 대응하여 상기 램프 파라미터(r) 및 상기 시정수 파라미터(X)가 설정되도록 구성되어 있다.
어느 실시형태에 있어서, 상기 목표 유량이 정격 유량의 1∼20%에 상당하는 유량이다.
어느 실시형태에 있어서, 상기 유량 제어 장치는 상기 컨트롤 밸브의 하류측에 설치된 스로틀부와, 상기 컨트롤 밸브와 상기 스로틀부의 유체 압력을 측정하는 압력 센서를 더 구비하고, 상기 압력 센서의 출력에 의거하여 상기 컨트롤 밸브가 피드백 제어되도록 구성되어 있다.
본 발명의 실시형태에 의한 유량 제어 방법은, 밸브체 및 상기 밸브체를 이동시키기 위한 압전 소자를 갖는 컨트롤 밸브를 구비하는 유량 제어 장치를 사용하여 행하고, 목표 유량을 나타내는 스텝상의 외부 지령 신호를 수취하는 스텝과, 유량 제로의 상기 컨트롤 밸브의 닫힌 상태로부터 상기 컨트롤 밸브를 열 때에, 상기 압전 소자에의 인가 전압을 결정하는 구동 회로로 출력하는 내부 지령 신호를 상기 외부 지령 신호에 의거하여 생성하는 스텝을 포함하고, 상기 내부 지령 신호는 제로로부터 경시적으로 상승하여 상기 외부 지령 신호의 값으로 수렴하는 신호이며, 상승시의 경사 및 수렴 직전의 경사가 그들 사이의 경사보다 작아지도록 생성된다.
본 발명의 실시형태에 의하면, 저유량 설정이어도 상승시에 스무스하게 가스를 흘릴 수 있고, 안정한 상승 동작을 응답성을 손상시키지 않고 실행할 수 있는 유량 제어 장치 및 유량 제어 방법이 제공된다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 의한 유량 제어 장치를 나타내는 모식도이다.
도 2는 외부 설정 신호로부터 생성되는 내부 지령 신호를 기재하는 그래프이며, (a)는 1차 지연 처리만의 비교예의 그래프, (b)는 1차 지연 처리와 램프 처리를 조합시킨 실시예의 그래프를 나타낸다.
도 3은 유량 제로로부터 각 설정 유량으로 상승 동작을 행했을 때의, 실제의 가스 유량(압력 센서에 의해 측정된 상류 압력에 의거한 연산 유량)을 나타내는 그래프이며, (a)는 도 2의 (a)의 비교예에 의한 내부 지령 신호를 사용한 경우, (b)는 도 2의 (b)의 실시예에 의한 내부 지령 신호를 사용한 경우를 나타낸다.
도 4는 시정수(τ)와 램프 파라미터(r)를 변화시켰을 때의 각 신호 파형을 나타내는 그래프이다.
도 5는 시정수(τ)와 램프 파라미터(r)를 변화시켰을 때의 각 신호 파형을 나타내는 그래프이다.
도 6의 (a)는 외부 지령 신호의 그래프와, 내부 지령 신호로서의 1차 지연 처리만의 비교예의 그래프와, 1차 지연 처리+램프 처리의 실시예의 그래프를 나타내고, (b)는 (a)에 나타낸 각 내부 지령 신호를 사용한 경우의 실제의 유량 응답을 나타낸다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시형태를 설명하지만, 본 발명은 이하의 실시형태에 한정되는 것은 아니다.
도 1은, 본 발명의 실시형태에 의한 유량 제어 장치(8)의 구성을 나타낸다. 유량 제어 장치(8)는 압력식의 유량 제어 장치이며, 가스(G)가 통과하는 유로(가스 공급로)(1)에 개재하는 스로틀부(2)(예를 들면, 오리피스 플레이트)와, 스로틀부(2)의 상류측에 설치된 상류 압력 센서(3) 및 온도 센서(5)와, 스로틀부(2)의 하류측에 설치된 하류 압력 센서(4)와, 상류 압력 센서(3)의 상류측에 설치된 컨트롤 밸브(6)를 구비하고 있다.
상류 압력 센서(3)는, 컨트롤 밸브(6)와 스로틀부(2) 사이의 유체 압력인 상류 압력(P1)을 측정할 수 있다. 하류 압력 센서(4)는 스로틀부(2)와 하류 밸브(9) 사이의 유체 압력인 하류 압력(P2)을 측정할 수 있다.
유량 제어 장치(8)는, 상류 압력 센서(3) 및 하류 압력 센서(4)의 출력 등에 의거하여 컨트롤 밸브(6)의 개폐 동작을 제어하는 연산 처리 회로(7)을 더 구비하고 있다. 연산 처리 회로(7)는 외부 제어 장치(12)로부터의 외부 지령 신호에 의해 결정되는 설정 유량과, 상류 압력 센서(3)의 출력으로부터 연산에 의해 구한 연산 유량(측정 유량)을 비교하여, 연산 유량이 설정 유량에 근접하도록, 즉 연산 유량과 설정 유량의 차가 제로에 근접하도록 컨트롤 밸브(6)를 피드백 제어한다.
컨트롤 밸브(6)는, 밸브시트에 접촉 및 이격하도록 배치된 다이어프램의 밸브체와 밸브체를 이동시키기 위한 피에조 액추에이터를 구비한 피에조 밸브이다. 피에조 액추에이터는, 통체에 수용된 복수의 압전 소자로 구성되어 있어도 좋고, 단일의 압전 소자로 구성되어 있어도 좋다.
유량 제어 장치(8)는, 도시하는 양태와는 상이하며, 하류 압력 센서(4)를 구비하지 않아도 좋다. 이 경우, 연산 처리 회로(7)는 상류 압력 센서(3)의 출력에 의거하여 유량을 연산하도록 구성된다. 또한 연산 처리 회로(7)는, 어느 바람직한 일 양태에 있어서, 온도 센서(5)가 검출한 유체 온도에 의거하여 연산 유량을 보정할 수 있다.
유량 제어 장치(8)는, 컨트롤 밸브(6)의 상류측에, 가스 공급압을 측정하기 위한 유입측 압력 센서(도시하지 않음)를 구비하고 있어도 좋다. 유입측 압력 센서는, 접속된 가스 공급 장치(예를 들면, 원료 기화기)로부터 공급되는 가스의 압력을 측정할 수 있고, 가스 공급량 또는 가스 공급압을 제어하기 위해 사용할 수 있다.
스로틀부(2)로서는, 오리피스 플레이트 등의 오리피스 부재의 다른 경계 노즐 또는 음속 노즐을 사용할 수도 있다. 오리피스 또는 노즐의 구경은, 예를 들면 10㎛∼2000㎛로 설정된다. 하류 밸브(9)로서는, 예를 들면 전자 밸브에 의해 압축 공기의 공급이 제어되는 공지의 공기 구동 밸브(Air Operated Valve) 등을 사용할 수 있다. 또한, 오리피스 부재의 근방에 개폐 밸브를 배치한 구성을 갖는 오리피스 내장 밸브가 알려져 있으며, 오리피스 내장 밸브를 스로틀부(2) 및 하류 밸브(9)를 일체화한 구성으로 해서 유량 제어 장치(8)에 조립할 수도 있다.
유량 제어 장치(8)의 유로(1)는, 배관으로 구성되어 있어도 좋고, 금속제 블록으로 형성한 유로구멍으로 구성되어 있어도 좋다. 상류 압력 센서(3) 및 하류 압력 센서(4)는, 예를 들면 실리콘 단결정의 센서칩과 다이어프램을 내장하는 것이어도 좋다. 컨트롤 밸브(6)는, 예를 들면 금속제 다이어프램 밸브체를 포함하는 밸브 기구를, 압전 액추에이터 등의 구동 기구를 사용하여 개폐하도록 구성된 압전 소자 구동식 다이어프램 밸브(피에조 밸브)이어도 좋다.
유량 제어 장치(8)를 포함하는 유체 공급계에 있어서, 컨트롤 밸브(6)의 상류측은 재료 가스, 에칭 가스 또는 캐리어 가스 등의 가스 공급원에 접속되고, 스로틀부(2)의 하류측은 하류 밸브(9)를 통해서 반도체 제조 장치의 프로세스 쳄버(10)에 접속된다. 프로세스 쳄버(10)에는 진공 펌프(11)가 접속되고 있으며, 전형적으로는 가스 공급시에 프로세스 쳄버(10)의 내부가 진공 배기된다.
이상에 설명한 압력식의 유량 제어 장치(8)에서는, 임계 팽창 조건 P1/P2≥약 2(아르곤 가스의 경우)를 만족시킬 때, 유량은 하류 압력(P2)에 의하지 않고, 상류 압력(P1)에 의해 결정된다는 원리를 이용해서 유량 제어를 행하고 있다. 임계 팽창 조건을 만족시킬 때, 스로틀부(2)의 하류측의 유량(Q)은 Q=K1·P1(K1은 유체의 종류와 유체 온도에 의존하는 정수)에 의해 주어지고, 유량(Q)은 상류 압력 센서(3)에 의해 측정되는 상류 압력(P1)에 비례한다. 또한, 하류 압력 센서(4)를 구비하는 경우, 상류 압력(P1)과 하류 압력(P2)의 차가 작고, 상기의 임계 팽창 조건을 만족하지 않는 경우에도 유량을 산출할 수 있고, 각 압력 센서(3, 4)에 의해 측정된 상류 압력(P1) 및 하류 압력(P2)에 의거하여 Q=K2·P2 m(P1-P2)n(여기에서, K2는 유체의 종류와 유체 온도에 의존하는 정수, m, n은 실제의 유량을 바탕으로 도출되는 지수)로부터 유량(Q)을 산출할 수 있다.
유량 제어를 행하기 위해서, 외부 제어 장치(12)에 있어서 설정된 설정 유량(목표 유량)이 외부 제어 장치(12)로부터 연산 처리 회로(7)로 보내진다. 연산 처리 회로(7)는, 상류 압력 센서(3)의 출력 등에 의거하여 임계 팽창 조건 또는 비임계 팽창 조건에 있어서의 유량 계산식을 사용하여 유량을 상기의 Q=K1·P1 또는 Q=K2·P2 m(P1-P2)n으로부터 유량(Q)의 측정값인 연산 유량을 수시 산출하고, 스로틀부(2)를 통과하는 유체의 유량이 설정 유량에 근접하도록(즉, 연산 유량과 설정 유량의 차가 0에 근접하도록) 컨트롤 밸브(6)를 피드백 제어한다. 연산 유량은 외부 제어 장치(12)로 출력되어, 유량 출력값으로서 표시되어도 좋다.
연산 처리 회로(7)는 전형적으로는 유량 제어 장치(8)에 내장된 것이지만, 유량 제어 장치(8)의 외부에 설치되어 있어도 좋다. 연산 처리 회로(7)는, 전형적으로는 CPU, ROM이나 RAM 등의 메모리(기억 장치) M, A/D 컨버터 등을 내장하고 있으며, 후술하는 유량 제어 동작을 실행하도록 구성된 컴퓨터 프로그램을 포함하고 있어도 좋다. 연산 처리 회로(7)는, 하드웨어 및 소프트웨어의 조합에 의해 실현될 수 있다. 연산 처리 회로(7)는, 컴퓨터 등의 외부 장치와 정보를 교환하기 위한 인터페이스를 구비하고 있어도 좋고, 이에 따라 외부 장치로부터 ROM에의 프로그램 및 데이터의 기록 등을 행할 수 있다. 연산 처리 회로(7)의 구성요소(CPU 등)는, 모두가 장치 내에 일체적으로 설치되어 있을 필요는 없고, CPU 등의 일부의 구성요소를 다른 장소(장치 외)에 배치하고, 버스로 서로 접속하는 구성으로 해도 좋다. 그 때, 장치 내와 장치 외를, 유선뿐만 아니라 무선으로 통신하도록 해도 좋다.
이하, 유량 제로, 즉 컨트롤 밸브(6)의 닫힌 상태로부터 설정 유량으로 제어 유량을 변경하는 경우(유량 상승시)에 있어서의 유량 제어 장치(8)의 동작을 설명한다. 본 명세서에 있어서, 유량값은 소정의 유량값(전형적으로는 정격 유량값)을 100%로 한 비율로 표기하는 경우가 있다.
상술한 바와 같이, 컨트롤 밸브(6)의 개도는 설정 유량(또는 설정 상류 압력)을 유지하기 위해, 압력 센서의 출력에 의거하여 피드백 제어된다. 단, 본 실시형태의 유량 제어 장치(8)에서는, 외부 제어 장치로부터 입력된 스텝상의 외부 지령 신호에 의거하여 스텝상이 아닌 내부 지령 신호를 생성하고, 내부 지령 신호(목표값 신호)와 압력 센서의 출력의 비교 하에 피드백 제어를 행하도록 되어 있다.
내부 지령 신호는, 유량 상승시에 있어서 스텝상으로 급격하게 상승하는 것은 아니고, 서서히 목표 유량을 증가시키는 신호로서 생성된다. 이러한 신호를 사용하면, 컨트롤 밸브가 순시로 열리는 것이 방지되어, 유량 오버슈트의 발생을 억제할 수 있다.
도 2의 (a) 및 (b)는 스텝상의 외부 지령 신호(SE)를 수취했을 때에, 연산 처리 회로(7)가 생성하는 내부 지령 신호를 나타내고 있다. 도 2의 (a)는 비교예의 내부 지령 신호(C1∼C3)를 나타내고, 도 2의 (b)는 실시예의 내부 지령 신호(E1)(및 비교예의 신호(C1))를 나타낸다.
우선, 비교예의 내부 지령 신호(C1)에 대해서 설명한다. 비교예의 내부 지령 신호(C1)는, 외부 지령 신호(SE)를 1차 지연 처리함으로써 생성되어 있다. 1차 지연 처리는 하기의 식(1)에 의해 나타낼 수 있다.
I'(t) = I(1-exp(-t/τ))···(1)
식(1)에 있어서, I'(t)는 내부 지령 신호의 크기이며, I는 외부 지령 신호의 크기(스텝상 신호의 상승 후의 일정 목표값)이며, t는 시간, τ은 시정수이다. 1차 지연 처리를 사용하면, 가파르고 험한 상승에 의한 유량 오버슈트를 방지하면서, 비교적 짧은 시간에 목표 유량에 수렴시키는 것이 가능하다.
그리고, 1차 지연 처리에 의한 내부 지령 신호의 응답성은 상기의 시정수(τ)의 설정에 의해 변화된다. 도 2의 (a)에 나타내는 바와 같이, 시정수(τ)가 작을수록(예를 들면, 60ms), 가파르고 험한 그래프가 되고, 시정수(τ)가 클수록(예를 들면, 125ms), 완만한 그래프가 된다. 목표값(I)=100%로 하면, 시각(t)이 시정수(τ)일 때에 I'(t)=1-1/e=약 63.2%가 되고, 즉 시정수(τ)는 0%에서 약 63.2%까지 상승하는데 요하는 시간을 의미한다. 따라서, 시정수(τ)의 설정에 따라, 상승의 속도를 임의로 설정할 수 있고, 유량의 오버슈트가 생기지 않는 범위에서 시정수(τ)를 작게 설정함으로써, 응답 시간을 단축할 수 있다.
또한, 상기의 1차 지연 처리는 하기의 식(1A)으로 나타낼 수 있다.
I'n = I'n-1+(In-I'n-1)/(1+X)···(1A)
식(1A)에 있어서, I'n은 n회째의 내부 지령값(현재값)이며, I'n-1은 n-1회째의 내부 지령값, 즉 I'n의 전회값이며, In은 외부 지령값(일정값)이며, X는 시정수 파라미터(여기에서는, 상기 시정수(τ)에 대응)이다. 또한, n은 임의의 자연수이며, I'n은 지령 간격(Δt)의 n배의 시간(Δt×n)이 경과했을 때의 내부 지령값이다.
식(1A)으로부터 알 수 있는 바와 같이, 1차 지연 처리에 있어서는 n회째의 내부 지령값은, 전회값(I'n-1)에 외부 지령값과 전회값의 차분(In-I'n-1)을, 시정수 파라미터(X)에 의거하는 일정 비율로 모두 더한 것으로 해서 생성된다. 식(1A)에 의해 나타내어지는 곡선은, 시정수 파라미터(X)가 클수록 완만한 곡선이 되고, 시정수 파라미터(X)가 작을수록 가파르고 험한 상승 곡선이 된다. 또한 시정수 파라미터(X)는, 전형적으로는 1차 지연 처리의 시정수(τ)와 동등한 변수이지만, 이것에 한정되지 않고, 시정수(τ)로부터 일의적으로 결정되도록 정의된 파라미터이어도 좋다.
여기에서, 상기 식(1A)에 있어서 In이 일정값이므로, 차분(In-I'n-1)은 n이 클수록 작아진다. 즉, 전회값(I'n-1)에 대한 변화량(In-I'n-1)/(1+X)은, 시간 경과와 함께 전회값에 따라 작아지고, 이것은 식(1)으로 나타내어지는 1차 지연의 함수에 대응하고 있다. 1차 지연 처리에 있어서는, 상승의 개시시에 가장 신속하게 응답하고, 시간이 경과과 함께 서서히 완만한 모양으로 응답하고, 충분한 시간이 경과하면 목표값에 점근한다.
단, 도 3의 (a)에 나타내는 바와 같이 압력식 유량 제어 장치에 있어서 소유량 설정으로의 열기 동작을 행할 때, 1차 지연 제어만으로 내부 지령 신호를 생성한 비교예의 경우에는, 유량 상승의 후반에 있어서, 가스 유량에 흔들림이 발생하고 있는 것을 확인할 수 있다. 이것은, 1차 지연 제어만으로는 내부 지령 신호의 상승이 너무 가파르고 험준하고, 밸브 열림 시작에 가스의 흐름이 급격하게 증가하여 불안정한 흐름이 형성되기 때문이라고 추측된다. 또한, 가파르고 험한 상승에 밸브가 응답하려고 한 결과, 일시적으로 너무 열린 상태가 되어 이것을 해소하는 밸브 구동이 행해지는 등 하여, 스무스한 밸브 열림 동작이 행해지지 않았던 것이라고 생각된다.
그래서, 도 2의 (b)에 나타내는 바와 같이 실시예의 내부 지령 신호(E1)에서는, 1차 지연 처리와 램프 처리를 조합함으로써 밸브 열림 시작에 있어서 가파르고 험준하지 않은 상승 동작을 행하도록 되어 있다. 이하, 구체적으로 설명한다.
1차 지연 처리는, 상기의 식(1) 또는 식(1A)으로 나타내어지고, 또한 램프 처리(램프 후 지령(Irmp))는 하기의 식(2)에 의해 나타낼 수 있다.
Irmp = I×t/r···(2)
식(2)에 있어서, I는 외부 지령의 값, t는 시간, r은 램프 파라미터이다. 램프 파라미터(r)는, 램프 함수의 경사를 결정하는 변수이며, t=r일 때에, Irmp=I(외부 지령에 의한 목표값)이 된다. 즉, 램프 파라미터(r)는 램프 처리에 있어서 Irmp가 0에서 I에 도달할 때까지 요하는 시간에 대응한다. 램프 파라미터(r)가 작을수록, 램프의 경사(I/r)는 커지고, 램프 파라미터(r)가 클수록, 램프의 경사(I/r)는 작아진다.
또한, 상기 식(2)는 t≤r(또는 t<r)일 때에 적용되고, 한편 램프 파라미터(r)를 경과한 후의 t>r(또는 t≥r)일 때에는, 임의 시간(t)에 대하여 Irmp=I, 즉 일정한 값(I)을 유지한다. 도 2의 (b)에 있어서, 램프 처리는 Irmp로서 파선으로 나타내어져 있다.
여기에서, 밸브의 열림 시작에 있어서의 완만한 상승을 행하기 위해서, 본 실시형태에서는 내부 지령 신호(E1)가 1차 지연 처리와 램프 처리를 조합시킨 하기의 식(3A)에 의거하여 생성된다.
I'n =I'n-1+(Irmpn-I'n-1)/(1+X)···(3A)
식(1A)과 비교해서 알 수 있듯이, 식(3A)은 식(1A)에 있어서, 시간에 의하지 않고 일정값이었던 In을, 시간에 의해 변화되는 Irmpn으로 치환한 것이다.
이와 같이 하여, 램프 처리와 1차 지연 처리를 조합시킨 결과, 밸브 열림 시작의 t≤r의 기간에 있어서, 보다 밸브 열림 시작에 근접한 시각(t1)(제 1 시점)에 있어서의 경사보다, 시각(t1)의 후의 시각(t2)(제 2 시점)에서의 경사가 보다 크고, 즉 초기에 경사가 완만해서 서서히 경사가 증가하는 함수를 형성하도록 내부 지령 신호의 값이 결정된다. 이것은, Irmpn이 시간 경과와 함께 증가하기 때문에, 램프 경사(In/r)보다 작은 변화율을 갖는 초기에 있어서는, 차분(Irmpn-I'n-1) 및 전회값에 대한 변화량 (Irmpn-I'n-1)/(1+X)이 시간 경과와 함께 서서히 증가하기 때문이다. 이 때문에, 1차 지연 처리만으로 제어하는 경우와는 상이하며, 최초에 가파르고 험한 상승(변화량이 시간과 함께 감소하는 상승)이 생기는 경우가 없다.
또한, 초기로부터 시간이 경과하여 I'n의 변화율이 램프 경사(In/r)에 근접하면, 차분(Irmpn-I'n-1)은 거의 일정한 값이 된다. 따라서, 변화량(Irmpn-I'n-1)/(1+X)도 일정해져, I'n은 램프 경사(In/r)와 같은 경사로 추이하게 된다.
그 후에, 시간이 경과하여 램프 파라미터(r)에 도달한 후의 t>r의 기간에 있어서는, Irmpn은 일정값(In)이 된다. 이 때문에, 상기 1차 지연 처리를 나타내는 식(1A)과 동등한 처리가 되고, 즉 경사를 서서히 완만하게 하면서 시간 경과와 함께 외부 지령의 값(일정값)(In)에 근접하도록 수렴한다.
이상과 같이 하여, 도 2의 (b)에 나타내는 바와 같은 내부 지령 신호(E1)가 생성된다. 도시되는 바와 같이, 내부 지령 신호(E1)는 제로로부터 경시적으로 상승하여 외부 지령 신호의 값에 수렴하는 신호이며, 상승시의 경사 및 수렴 직전의 경사가 그들 사이의 경사보다 작아지는 신호로서 생성된 것이다. 또한, 유량이 0%에서 100%로 상승하는 경우에 있어서, 상승시의 경사란 유량 1%∼5%일 때의 경사를 의미하고, 수렴 직전의 경사란 유량 95%∼99%일 때의 경사를 의미한다.
바꿔 말하면, 내부 지령 신호(E1)는 유량 설정 신호의 상승시의 밸브 열림 시작의 제 1 시점(t1)에 있어서 제 1 경사(α1)를 갖고, 제 1 시점보다 후의 제 2 시점(t2)에 있어서 제 1 경사(α1)보다 큰 제 2 경사(α2)를 갖고, 제 2 시점(t2)보다 후의 제 3 시점(t3)에 있어서, 제 2 경사(α2)보다 작은 제 3 경사(α3)를 갖고, 제 3 시점(t3)의 후에 목표값(I)에 수렴하는 신호로서 생성된다.
상술한 바와 같이 하여 생성된 내부 지령 신호는, 압전 소자에의 인가 전압을 결정하는 밸브 구동 회로로 출력된다. 밸브 구동 회로는, 피드백 제어에 있어서는 내부 지령 신호에 대응하는 유량과, 압력 센서의 출력으로부터 요구되는 연산 유량의 차가 제로가 되도록 압전 소자에의 인가 전압을 제어하고, 이것에 의해 밸브의 개폐 동작을 실제의 가스의 흐름의 특성에 적합시킬 수 있다. 따라서, 유량 상승시에 있어서, 보다 스무스한 가스의 흐름으로 가스의 유량을 증가시킬 수 있다.
도 3의 (b)는 상기와 같이 1차 지연 처리와 램프 처리를 조합시켜 생성된 내부 지령 신호(E1)에 의거하여 유량 제어를 행했 때의 가스 유량(압력 센서의 출력)을 나타낸다. 도 3의 (b)에 나타내는 바와 같이 1∼10%의 소유량 설정으로 유량을 상승시켰을 때에 있어서, 도 3의 (a)에 나타낸 비교예에 대하여 스무스하게 가스가 흐르는 것을 확인할 수 있다. 본 실시형태의 내부 지령 신호(E1)는, 예를 들면 1∼20%, 특히는 1∼10%로의 유량 상승에 있어서 적합하게 사용된다. 단, 소유량뿐만 아니라, 1∼100%의 임의의 유량으로의 상승에, 본 실시형태의 내부 지령 신호를 사용해도 되는 것은 말할 필요도 없다.
연산 처리 회로(7)는, 외부 지령 신호에 있어서의 목표 유량의 크기에 의거하여 상기의 1차 지연 처리와 램프 처리의 조합에 의한 내부 지령 신호를 생성하는지의 여부를 판단하도록 구성되어 있어도 좋다. 예를 들면, 상기와 같은 1∼20%의 저유량 설정으로의 상승시에는 가스의 흐름을 안정화시키기 위해서, 실시예의 내부 지령 신호(E)를 생성하고, 한편 21%∼100%의 유량 설정으로의 상승시에 응답 시간의 단축을 위해 1차 지연 처리만에 의한 비교예의 내부 지령 신호(C)를 생성하도록 구성되어 있어도 좋다.
또한, 도 3의 (a)와 도 3의 (b)를 비교해서 알 수 있는 바와 같이, 램프 처리를 조합시킨 것만으로는 1차 지연 처리만을 사용하는 경우보다 응답 시간이 길어질 가능성이 있다. 이 문제에 대해서는, 1차 지연 처리의 시정수(τ)와, 램프 처리의 램프 파라미터(r)를 적절하게 설정함으로써, 응답성을 손상시키지 않도록 할 수 있다.
도 4의 (a), (b) 및 도 5의 (a), (b)는 외부 지령 신호(SE), 및 시정수(τ)(또는 시정수 파라미터(X)) 및 램프 파라미터(r)를 변화시켰을 때의 1차 지연 처리 그래프(C), 램프 처리 그래프(R), 및 내부 지령 신호(E)의 그래프를 나타낸다. 도 4의 (a)는 (τ=50, r=300)인 경우, 도 4의 (b)는 (τ=25, r=300)인 경우, 도 5의 (a)는 (τ=50, r=150)인 경우, 도 5의 (b)는 (τ=25, r=150)인 경우를 나타낸다. 도 4의 (a), (b) 및 도 5의 (a), (b)에 있어서, 종축은 유량(%)이며, 횡축은 경과 시간(msec)이다.
도 4의 (a), (b) 및 도 5의 (a), (b)로부터 알 수 있는 바와 같이, 시정수(τ) 및/또는 램프 파라미터(r)를 작게 할수록, 생성되는 내부 지령 신호(E)의 응답성을 향상시킬 수 있다. 특히, 램프 파라미터(r)의 설정이 응답성에 큰 영향을 주는 것을 알았다.
또한, 시정수(τ)의 설정에 의해, 내부 지령 신호(E)와 램프 처리 그래프(R)의 근사성이 변화하는 것을 알았다. 시정수가 작을수록, 전회값에 대하여 가산되는 변화량의 비율이 커지고, 상승의 초기에 있어서 보다 신속하게 램프 처리 그래프에 근접하게 된다. 따라서, 상승의 초기에 있어서의 응답 지연 기간을, 시정수(τ)의 설정에 의해 조정할 수 있는 것을 알았다.
따라서, 가스를 안정하게 흐르게 하기 위해 유효한 내부 지령 신호를, 시정수 파라미터와 램프 파라미터의 조합에 의해, 임의의 파형으로 생성할 수 있다. 시정수 파라미터 및 램프 파라미터는, 수취된 지령 신호에 의거하여 결정되도록 구성되어 있어도 좋다. 예를 들면, 외부 지령 신호가 나타내는 목표 유량이 작을 때에는 램프 파라미터로서 비교적 큰 값을 사용하고, 외부 지령 신호가 나타내는 목표 유량이 클 때에는 램프 파라미터로서 비교적 작은 값을 사용하도록 해도 좋다.
도 6의 (a)는 외부 지령 신호(SE)가 주어졌을 때의, 시정수(τ)=60msec의 1차 지연 처리의 내부 지령 신호(C4)(비교예)와, 시정수(τ)=25msec, 램프 파라미터(r)=50msec로 설정한 1차 지연+램프 처리의 내부 지령 신호(E4)(실시예)를 나타낸다. 또한, 도 6의 (b)는 각 내부 지령 신호(C4, E4)를 사용했을 때의 가스 유량의 측정 결과(GC, GE)를 나타낸다.
도 6의 (a) 및 도 6의 (b)로부터 알 수 있는 바와 같이, 실시예의 내부 지령 신호(E4)에 있어서, 시정수(τ) 및 램프 파라미터(r)로서 적절한 파라미터를 선택하면, 응답 시간을 단축하면서 보다 스무스한 가스의 흐름(GE)을 실현할 수 있다. 즉, 본 실시예에서는 시정수 및 램프 계수를 파라미터화하고, 가스 특성에 따른 내부 지령 신호를 생성함으로써, 밸브 동작 부하를 경감하여 스무스한 상승, 또한 고속한 응답을 실현할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
이상, 본 발명의 실시형태를 설명했지만, 여러가지 개변이 가능하다. 예를 들면, 상기에는 압력 센서의 출력에 의거하여 컨트롤 밸브를 피드백 제어하는 압력식의 유량 제어 장치에 대해서 설명했지만, 본 발명의 다른 실시형태에 있어서, 유량 제어 장치는 압력 센서의 출력에 의한 피드백 제어를 행하지 않고, 컨트롤 밸브를 오픈루프 제어하도록 구성되어 있어도 좋다.
오픈루프 제어의 유량 제어 장치로는, 외부로부터 유량 설정 신호를 수취하고, 이것에 의거하여 내부 지령 신호를 생성한다. 내부 지령 신호는 피에조 밸브의 구동 회로로 출력되고, 구동 회로는 수취된 내부 지령 신호에 따라서 압전 소자에 인가하는 전압을 결정한다. 이와 같이 오픈루프로 컨트롤 밸브를 제어할 때에도, 내부 지령 신호로서 상술한 바와 같이 처음에는 천천히 상승, 그 후에 가파르고 험하게 상승하는 기간을 거쳐서 목표 유량에 수렴하도록 신호를 생성함으로써, 특히 소유량으로의 상승시에도, 스무스한 흐름으로 유량을 제어할 수 있다. 또한, 파라미터로서 시정수(τ) 또는 시정수 파라미터(X)와 램프 파라미터(r)를 적절하게 설정함으로써, 스무스한 흐름을 유지하면서 응답 시간을 단축할 수 있다.
또한, 상기에는 유량의 상승시에 적용하는 내부 지령 신호를 설명했지만, 유량의 상승에 있어서는, 특허문헌 4에 기재된 바와 같이, 지수 함수적 감쇠시켜 I'(t)=I·exp(-t/τ)로 나타내어지는 내부 지령 신호에 의거하여 응답성을 확보하면서, 저유량으로의 완만한 천이를 실행하도록 해도 좋다.
또한 특허문헌 4에 기재된 바와 같이, 복수의 유량 제어 장치에 있어서의 응답성의 기차를 없애고 통일하기 위해서, 상승시의 응답성에 마진을 갖도록 내부 지령 신호를 설정해도 좋다. 상기의 시정수(τ)나 램프 파라미터(r)를 조금 크게 설정함으로써, 각 유량 제어 장치에 있어서 동등의 유량 상승 응답 특성을 실현하는 것도 가능하게 된다.
(산업상의 이용 가능성)
본 발명의 실시형태에 의한 유량 제어 장치 및 유량 제어 방법은, 예를 들면 반도체 제조 장치에 있어서, 가스를 소망 유량으로 공급하기 위해 적합하게 사용된다.
1 유로 2 스로틀부
3 상류 압력 센서 4 하류 압력 센서
5 온도 센서 6 컨트롤 밸브
7 연산 처리 회로 8 유량 제어 장치
9 하류 밸브 10 프로세스 쳄버
11 진공 펌프 12 외부 제어 장치

Claims (7)

  1. 밸브체 및 상기 밸브체를 이동시키기 위한 압전 소자를 갖는 컨트롤 밸브와,
    상기 컨트롤 밸브의 동작을 제어하는 연산 처리 회로를 구비하는 유량 제어 장치로서,
    상기 연산 처리 회로는, 목표 유량의 가스가 흐르도록 상기 컨트롤 밸브의 닫힌 상태로부터 상기 컨트롤 밸브를 열 때에, 상기 목표 유량에 대응하는 외부 지령 신호를 수취하고, 상기 압전 소자에의 인가 전압을 결정하는 구동 회로로 출력하는 내부 지령 신호를 상기 외부 지령 신호에 의거하여 생성하도록 구성되어 있으며,
    상기 내부 지령 신호는, 제로로부터 경시적으로 상승하여 상기 외부 지령 신호의 값에 수렴하는 신호이며, 상승시의 경사 및 수렴 직전의 경사가 그들 사이의 경사보다 작아지도록 생성되는 유량 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 내부 지령 신호는, 1차 지연 처리와 램프 처리의 조합에 의해 생성되는 유량 제어 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 내부 지령 신호는 하기의 식에 의거하여 생성되고, 여기에서, I'n은 현재값, I'n-1은 전회값, Irmpn은 램프 파라미터(r)에 의해 규정되는 램프 함수의 현재값, X는 1차 지연 처리의 시정수(τ)에 대응하는 시정수 파라미터인 유량 제어 장치.
    I'n = I'n-1+(Irmpn-I'n-1)/(1+X)
  4. 제 3 항에 있어서,
    수취된 외부 지령 신호에 대응하여, 상기 램프 파라미터(r) 및 상기 시정수 파라미터(X)가 설정되도록 구성되어 있는 유량 제어 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 목표 유량이 정격 유량의 1∼20%에 상당하는 유량인 유량 제어 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 컨트롤 밸브의 하류측에 설치된 스로틀부와, 상기 컨트롤 밸브와 상기 스로틀부의 유체 압력을 측정하는 압력 센서를 더 구비하고, 상기 압력 센서의 출력에 의거하여 상기 컨트롤 밸브가 피드백 제어되도록 구성되어 있는 유량 제어 장치.
  7. 밸브체 및 상기 밸브체를 이동시키기 위한 압전 소자를 갖는 컨트롤 밸브를 구비하는 유량 제어 장치를 사용하여 행하는 유량 제어 방법으로서,
    목표 유량을 나타내는 스텝상의 외부 지령 신호를 수취하는 스텝과,
    유량 제로의 상기 컨트롤 밸브의 닫힌 상태로부터 상기 컨트롤 밸브를 열 때에, 상기 압전 소자에의 인가 전압을 결정하는 구동 회로로 출력하는 내부 지령 신호를 상기 외부 지령 신호에 의거하여 생성하는 스텝을 포함하고,
    상기 내부 지령 신호는, 제로로부터 경시적으로 상승하여 상기 외부 지령 신호의 값에 수렴하는 신호이며, 상승시의 경사 및 수렴 직전의 경사가 그들 사이의 경사보다 작아지도록 생성되는 유량 제어 방법.
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