KR100427563B1

KR100427563B1 - 병렬분류형 유체공급장치와, 이것에 사용하는 유체가변형압력식 유량제어방법 및 유체가변형 압력식 유량제어장치

Info

Publication number: KR100427563B1
Application number: KR10-2000-7014228A
Authority: KR
Inventors: 다다히로 오미; 카가츠메사토시; 스기야마카즈히코; 히로세준; 후카자와카즈오; 코이즈미히로시; 나가오카히데키; 미나미유키오; 니시노코지; 도히료스케; 요네하나카츠노리; 이케다노부카즈; 야마지미치오; 모리모토아키히로; 우노토미오; 이데타에이지; 마츠모토아츠시; 우에노야마토요미; 히로세타카시
Original assignee: 가부시키가이샤 후지킨; 도쿄 일렉트론 가부시키가이샤; 다다히로 오미
Priority date: 1999-04-16
Filing date: 2000-04-03
Publication date: 2004-04-27
Also published as: US20020179149A1; US20010004903A1; TW445401B; US6820632B2; US6848470B2; EP2028577A2; US20040154664A1; WO2000063756A1; EP1096351A4; US6422264B2; KR20010052885A; EP1096351A1

Abstract

압력조정용의 1개의 레귤레이터로부터 복수개의 유로를 병렬적으로 설치한 유체공급장치에 있어서, 각 유로의 유체공급의 개폐조작이 다른 유로의 정상공급에 과도적 변동을 주지 않도록 한다. 그를 위하여 각 유로에 유량제어용의 매스플로 컨트롤러(MFC) 또는 압력식 유량제어장치(FCS)를 설치하고, 어느 유로의 유체공급이 닫힌 상태에서 열린 상태로 되었을 때, 그 유로의 매스플로 컨트롤러(MFC)가 동작개시로부터 일정한 지연시간(Δt)만큼 지연되어 설정유량(Qs)에 도달하도록 구성한다.

또, 1대의 압력식 유량제어장치에 의해 복수의 가스종류를 고밀도로 유량제어할 수 있는 방법과 그 장치를 실현한다. 그를 위하여, 임계압력비 이하의 조건에서 오리피스를 통과하는 가스의 유량계산식을 이론적으로 도출하고, 그 식으로부터 플로팩터를 정의하고, 이 플로팩터를 사용하여 다수의 가스종류에 대응할 수 있도록 하였다.

즉, 오리피스(8)의 상류측 압력(P₁)을 하류측 압력(P₂)의 약 2배 이상으로 확보한 상태에서 오리피스를 통과하는 가스의 연산유량(Qc)을 Qc=KP₁(K는 정수)로서 연산하는 유량제어방법에 있어서, 가스종류마다 플로팩터(FF)를

FF = (k/ν_S){2/(κ+1)}^1/(κ-1)[κ/{(κ+1)R}]^1/2에 의해 계산하고, 가스종류 A의 연산유량이 Q_A인 경우에, 동일 오리피스, 동일 상류측 압력 및 동일 상류측 온도의 조건하에서 가스종류 B를 유통시켰을 때, 그 연산유량(Q_B)을 Q_B=(FF_B/FF_A)Q_A로서 산출한다. 여기서 ν_S는 가스의 표준상태 밀도, κ는 가스의 비열비, R은 가스정수, k는 가스종류에 의존하지 않는 비례정수, FF_A, FF_B는 가스종류 A, B의 플로팩터이다.

Description

병렬분류형 유체공급장치와, 이것에 사용하는 유체가변형 압력식 유량제어방법 및 유체가변형 압력식 유량제어장치{PARALLEL BYPASS TYPE FLUID FEEDING DEVICE, AND METHOD AND DEVICE FOR CONTROLLING FLUID VARIABLE TYPE PRESSURE SYSTEM FLOW RATE USED FOR THE DEVICE}

일반적으로, 반도체 제조시설이나 화학약품 제조시설의 유체공급장치로서 고정밀도의 유량제어를 필요로 하는 것은 그 대부분이 소위 매스플로 컨트롤러를 사용하고 있다.

도 14는 단일유로형의 유체공급장치의 종래예를 표시한 것으로, H₂나 O₂등의 재료가스(G)는 레귤레이터(RG)에 의해 1차압에서 2차압으로 압력조정되어 유로에 공급된다. 1차압은 통상 고압으로서 압력계 P₀에 의해, 또 2차압은 공급가능한 저압으로서 압력계 P₁에 의해 각각 검출된다.

밸브(V₁, V₂)의 사이에는 유량제어용 매스플로 컨트롤러(MFC)가 배치되고, 그 유량을 계측하기 위하여 유량계인 매스플로미터(MFM)가 설치되어 있다. 재료가스(G)는 반응실(C)에서 처리반응 등에 사용된 후, 밸브(VV)를 통하여 진공펌프(VP)에 의해 배기된다.

이 단일유로형의 유체공급장치에서는 재료가스(G)가 정상인 상태에서 공급되고 있을 때에는 외란(外亂)에 의한 유량변동이 없기 때문에 반응실(C)에서는 안정된 처리반응을 지속할 수 있다.

문제는 하나의 레귤레이터(RG)에 의해 2개 이상의 유로에 재료가스(G)를 공급하는 경우에 발생한다. 도 15는 2개의 유로(S₁, S₂)로 1개의 레귤레이터(RG)에 의해 가스(G)를 공급하는 경우를 나타낸다. 유로(S₂)에는 반응실(C)을 배치하고 있지 않지만 실제로는 반응실(C)를 배치하여 양 반응실(C)에서의 가스반응을 병행하여 제어하도록 하는 것이다. 또한, 각 부재는 도 14와 같기 때문에 유로마다에 첨자를 바꾸어 나타내고 설명은 생략한다.

현재, 유로(S₁)에서는 밸브(V₁, V₂)가 열린 상태에서 재료가스가 정상 공급되고, 반응실(C)에서 소정의 반응이 진행중인 것으로 한다. 한편, 유로(S₂)에서는 밸브(V₃, V₄)는 닫힌 상태이고, 폐쇄상태에 있다. 이와 같은 상황에서 밸브(V₃, V₄)를 열린 상태로 하고, 소정유량으로 설정된 매스플로 컨트롤러(MFC₂)를 즉시 작동시켜서 유로(S₂)에 가스를 공급하기 시작하였을 때, 안정상태에 있는 유로(S₁)에 어떠한 영향이 나타나는지를 검토하였다.

도 16은 이 때의 각종 신호의 타임챠트이다. 밸브(V₃, V₄)가 닫힌 상태에서 열린 상태로 된 순간, 유로(S₂)측의 MFC₂신호와 MFM₂신호가 높은 피크상태의 오버슈트를 일으키고, 그 후 일정한 값으로 수렴하여 간다.

이 과도상태의 오버슈트가 압력(P₁A, P₁B)의 변동을 통하여 유로(S₁)의 MFC₁신호와 MFM₁신호에 큰 변동을 일으키고 있는 것을 알 수 있다.

이 변동은 반응실(C)에서의 반응속도에 영향을 주어, 유로(S₁)의 반응실(C)에 있어서의 정상반응이 유로(S₂)로부터의 외란에 의해 저해된다. 예를 들면, 반도체의 제조중이라면 반도체 내에 격자결함을 발생시키거나 에칭 플라즈마의 경우에는 프로세스에 영향을 준다. 또, 화학반응이라면 원료가스(G)의 과부족에 의해서 생성물질의 농도에 혼란이 발생하고, 이 혼란이 카오스현상을 통하여 어떻게 전개하여 가는지 예측을 할 수 없게 된다. 단, 레귤레이터(RG)의 상류측 압력(P₀)에는 거의 과도적(過渡的) 영향을 주지 않는데, 이것은 레귤레이터(RG)가 존재하고 있기 때문이다.

상기 도 16에 도시한 바와 같은 외란을 없애기 위해서는, 도 17에 나타낸 바와 같이, 유로(S₁, S₂)의 양쪽에 레귤레이터(RG₁, RG₂)를 배치하는 것이 바람직하다. 이렇게 하면, 유로(S₂)측을 갑자기 개방시켜도 레귤레이터(RG₂)의 존재에 의해 압력변동이 상류측으로 전달되지 않고, 유로(S₁)에서의 유체의 정상공급에 영향을 주지 않는다. 역으로, 유로(S₁)의 개폐가 유로(S₂)측에 영향을 주지 않는 것도 마찬가지이다.

그런데, 레귤레이터(RG)는 고압유체를 공급가능한 저압유체로 압력변환하는 장치로서, 장치 자체가 상당히 고가인 것이다.

따라서, 유로의 개수가 증가하면, 그것과 동일한 수만큼의 레귤레이터(RG)가 필요하게 되어 유체공급장치 전체의 복잡·대형화와 비용상승을 초래한다.

한편, 상기 도 14나 도 15의 유체공급장치에서는 한종류만의 원료가스(G)가 반응실(C)로 공급되고 있지만, 일반적으로 반도체 제조시설 등의 반응실(C)에 있어서는 복수 종류의 원료가스(G)가 각각 단독으로 또는 동시에 반응실(C) 내로 공급되고 있다.

또한, 일반적으로 반도체 제조시설이나 화학약품 제조시설의 유체공급장치로서 고정밀도의 유량제어를 필요로 하는 것은, 그 대부분이 매스플로 컨트롤러를 사용하고 있다.

도 18은 종래의 반도체 제조장치용의 고순도 수분발생장치의 일예를 나타낸 것이다. 3종류의 H₂가스, O₂가스 및 N₂가스는 매스플로 컨트롤러(MFC1a∼MFC3a)에 의해 유량제어되면서 밸브(V1a∼V3a)를 통하여 반응로(RR)에 도입된다. 우선, 밸브 V3a를 열린 상태, V1a 및 V2a를 닫힌 상태로 하고 반응로(RR)를 N₂가스로 퍼지한다. 다음에, 밸브 V3a를 닫힌 상태, V1a 및 V2a를 열린 상태로 하고 반응로(RR) 내에 H₂가스, O₂가스를 소정 유량으로 공급하고, 여기서 백금촉매에 의해 비연소하에서 H₂O가스를 생성하고, 이 고순도 수증기를 후방에 있는 도시하지 않은 설비에 공급한다.

그런데, 매스플로 컨트롤러는 일반적으로 가스의 종류마다 및 유량 레인지마다에 리니어라이저(linearizer) 보정을 하고 있기 때문에, 조정한 가스종류 이외의 가스에는 사용할 수 없다는 단점이 있다.

그 때문에 도 18에 도시되어 있는 바와 같이, H₂가스, O₂가스, N₂가스마다에 각각 매스플로 컨트롤러(MFC1a∼MFC3a)가 배치되어 있다. 그리고, 도 18과 같은 가스공급설비에서는 통상 각각의 매스플로 컨트롤러(MFC1a∼MFC3a)마다 예비품이 구비되어 있다.

그러나, 매스플로 컨트롤러는 제품가격이 높은데다가 교환용 부품도 고가이기 때문에 가스공급설비의 설비비나 운영비가 높아진다는데 문제가 있다.

또한, 만약 가스종류의 변경시 매스플로 컨트롤러를 교환하지 않고, 가스종류의 변경마다 리니어라이저 보정을 바꾸어 할 경우에는, 신속한 대응이 불가능하기 때문에 제조플랜트의 일시정지라는 최악의 상태를 초래할지도 모른다. 그 때문에, 상술한 바와 같이 가스종류 마다 예비 매스플로 컨트롤러를 항상 재고로서 보유하여 둘 필요가 있다.

상술한 바와 같이, 압력조정용의 1개의 레귤레이터에서 복수개의 유로를 병렬적으로 나누고, 각 유로에 유량조정용의 매스플로 컨트롤러를 설치한 경우에는, 하나의 유로에서 닫힌 상태에서 열린 상태로의 조작이 정상 유통상태에 있는 다른 유로의 유량에 과도적 변동을 주게 된다. 그리고, 이러한 과도적 변동은 그 유로에서의 반응실의 프로세스에 영향을 주기 때문에 각종 장해의 원인이 된다.

또한, 이러한 과도적 변동을 방지하기 위해서 각 유로에 레귤레이터를 1개씩 배치하면, 장치 전체의 복잡·대형화와 비용상승을 초래하게 된다.

더구나, 고가인 매스플로 컨트롤러를 예비품으로서 다수 보유하여 두지 않으면 안되고, 이것에 의해서 가스공급설비의 설비비나 운영비가 높아지게 된다.

본 발명은 반도체나 화학품, 약품, 정밀기계부재 등의 제조에 사용되는 가스 등의 공급장치에 관한 것이고, 보다 상세하게는 병렬배치된 복수의 유로 중의 임의의 유로가 닫힌 상태에서 열린 상태로 전환되어서 유체가 공급되었을 때에, 이 영향에 의한 다른 유로에서의 유량변동을 극감화할 수 있도록 한 병렬분류형의 유체공급장치에 관한 것이다.

또, 본 발명은 반도체나 화학품, 약품, 정밀기계부품 등의 제조에 사용되는 가스 등의 공급장치에서 사용하는 각종 가스의 유량제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 플로팩터를 사용함으로써 동일한 압력식 유량제어장치에 의해서 각종 가스에 대하여 고정밀도의 유량제어가 가능하도록 한 유체가변형 압력식 유량제어방법 및 유체가변형 압력식 유량제어장치에 관한 것이다.

도 1은 청구항 1의 실시예인 시간지연형의 매스플로 컨트롤러를 사용한 병렬분류형의 유체공급장치의 구성도,

도 2는 도 1의 시간지연형 매스플로 컨트롤러의 구체적인 구성도,

도 3은 지연시간(Δt)이 0.5초일 때의 도 1의 장치에서의 각종 신호의 타임챠트도,

도 4는 지연시간(Δt)이 1초일 때의 도 1의 장치에서의 각종신호의 타임챠트도,

도 5는 지연시간(Δt)이 4초일 때의 도 1의 장치에서의 각종신호의 타임챠트도,

도 6은 지연시간(Δt)이 7.5초일 때의 도 1의 장치에서의 각종신호의 타임챠트도,

도 7은 청구항 3의 실시예인 압력식 유량제어장치를 사용한 병렬분류형의 유체공급장치의 구성도,

도 8은 도 7의 압력식 유량제어장치의 구체적인 구성도,

도 9는 도 7의 장치의 각종신호의 타임챠트도,

도 10은 유체가변형 압력식 유량제어장치(FCS)의 사용가능예의 하나를 도시하는 배치도로서, 각각 유량이 다른 3종류의 유체를 2기의 FCS를 사용하여 공급하는 경우를 도시한 도면,

도 11은 유체가변형 압력식 유량제어장치(FCS)의 다른 사용예를 도시한 것으로, 각각 유량이 다른 4종류의 유체를 2기의 FCS를 사용하여 공급하는 경우를 도시한 도면,

도 12는 청구항 5의 실시예에 관한 유체가변형 압력식 유량제어장치의 블록구성도,

도 13은 청구항 5의 실시예에 관한 다른 유체가변형 압력식 유량제어장치의 블록구성도,

도 14는 단일유로형의 종래의 유체공급장치의 구성도,

도 15는 2유로형의 종래의 유체공급장치의 구성도,

도 16은 도 15의 장치에서의 각종신호의 타임챠트도,

도 17은 2유로형의 종래의 유체공급장치의 다른 구성도,

도 18은 종래의 반도체 제조장치용의 고순도 수분발생장치의 배치도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

AMP, AP₁, AP₂: 증폭기, A/D : AD변환기

BG : 브리지회로 BP : 바이패스회로

C : 반응실 CC : 비교회로

CV : 컨트롤밸브 CCC : 연산제어회로

DMFC₁, DMFC₂: 시간지연형 매스플로 컨트롤러

DP : 표시부 DT : 시간지연부

DS : 하류측 센서 DV : 구동부

FCS₁, FCS₂: 압력식 유량제어장치 M : 온도보정부

MFC, MFC₁, MFC₂: 매스플로 컨트롤러

MFM, MFM₁, MFM₂: 매스플로미터 OR : 오리피스

P₀, P₁A, P₁B : 압력계 P₁: 오리피스의 상류측 압력

P₂: 오리피스의 하류측 압력 Ps : 전원

Qc : 연산유량 Qs : 설정유량

RG, RG₁, RG₂: 레귤레이터 S₁, S₂: 유로

SP : 센서부 SS, ST : 유량설정부

t_O: 소정지시간(小停止時間) Δt : 지연시간

US : 상류측 센서 VP : 밸브부

V₁∼V₄, VV, VV₁, VV₂: 밸브 VP₁, VP₂: 진공펌프

2 : 컨트롤밸브 4 : 구동부

6 : 압력검출기 8 : 오리피스

12 : 가스취출용 조인트 14 : 유량연산회로

15 : 가스종류 선택회로 16 : 유량설정회로

17 : 비FF기억부 18 : 유량연산부

19 : 유량표시부 20 : 연산제어회로

21 : 역비FF연산회로 22, 24 : 증폭기

23 : 온도검출기 26, 28 : A/D변환기

30 : 온도보정회로 33 : 연산회로

34 : 비교회로 36 : 증폭회로

FCS₁: 압력식 유량제어장치

FCS_2a: 유체가변형 압력식 유량제어장치

Q_c: 연산유량신호 Q_e: 유량설정신호

Q_k: N₂가스 상등신호 V1a∼V4a : 밸브

본 발명은 상기한 각 단점을 해소하기 위하여 창작된 것으로, 청구항 1의 병렬분류형의 유체공급장치는, 유체를 압력조정하는 레귤레이터(RG)와, 상기 레귤레이터(RG)로부터 송출되는 유체를 병렬적으로 분류시키는 복수개의 유로(S₁, S₂)와, 각 유로에 설치된 유량제어용 시간지연형 매스플로 컨트롤러(DMFC₁, DMFC₂)로 구성되고, 어느 유로의 매스플로 컨트롤러를 동작시켜서 그 유로를 유체의 폐쇄상태에서 설정유량에서의 유통상태로 유통제어할 때, 이 매스플로 컨트롤러가 동작개시점으로부터 설정유량값 (Qs)에 도달하기까지 지연시간(Δt)을 갖도록 설정한 것을 특징으로 한다.

또, 청구항 2의 병렬분류형의 유체공급장치는, 청구항 1의 병렬분류형 유체공급장치에 있어서 상기 지연시간(Δt)을 가변조정할 수 있도록 한 것이다.

청구항 3의 병렬분류형의 유체공급장치는, 유체를 압력조정하는 레귤레이터(RG)와, 상기 레귤레이터(RG)로부터 송출되는 유체를 병렬적으로 분류시키는 복수개의 유로(S₁, S₂)와, 각 유로에 설치된 압력식 유량제어장치(FCS₁, FCS₂)로 구성되고, 상기 압력식 유량제어장치는 오리피스 (OR)와, 그 상류측에 설치된 컨트롤밸브(CV)와, 상기 오리피스와 컨트롤밸브의 사이에 설치한 압력검출기와, 상기 오리피스의 상류측 압력(P₁)을 하류측 압력(P₂)의 2배 이상으로 설정하면서 상기 압력검출기의 검출압력(P₁)에서 유량을 Qc=KP₁(단, K는 정수)로서 연산하고, 이 연산유량(Qc)과 설정유량(Qs)의 차를 제어신호(Qy)로서 컨트롤밸브(CV)의 구동부(DV)에 출력하는 연산제어회로(CCC)로 이루어지고, 컨트롤밸브를 개폐하여 오리피스의 하류측 유량을 제어하는 것을 특징으로 하는 것이다.

청구항 4의 플로팩터에 의한 유체가변형 압력식 유량제어방법은, 오리피스의 상류측 압력(P₁)을 하류측 압력(P₂)의 약 2배 이상으로 유지한 상태에서 오리피스를 통과하는 가스의 연산유량(Qc)을 Qc=KP₁(K는 정수)로서 연산하는 유량제어방법에 있어서, 가스종류 마다 플로팩터(FF)를

FF=(k/ν_S){2/(κ+1)}^1/(κ-1)[κ/{(κ+1)R}]^1/2

ν_S:가스의 표준상태에서의 밀도

κ : 가스의 비열비

R : 가스정수

k : 가스종류에 의존하지 않는 비례정수

에 의해 계산하는 단계; 초기설정되어 있는, 종류 A의 가스의 유량이 Qc=KP₁에 의해 연산하고 연산된 유량을 Q_A라 하는 단계; 및 동일 오리피스, 동일 상류측 압력 및 동일 상류측 온도의 조건하에서, 종류 B의 가스를 유통시키는 경우, 상기 종류 B의 가스의 유량을 설정하고, 그 연산유량(Q_B)을

Q_B= (FF_B/FF_A)Q_A

FF_A: 가스종류 A의 플로팩터

FF_B: 가스종류 B의 플로팩터

로서 연산하고, 상기 설정된 유량과 연산유량(Q_B)이 동일하게 되도록 조정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 것이다.

청구항 5의 플로팩터에 의한 유체가변형 압력식 유량제어장치는, 컨트롤밸브(2), 오리피스(8), 이들 사이에서 오리피스의 상류측 압력(P₁)을 검출하는 압력검출기(6), 유량설정회로(16), 및 오리피스의 상류측 압력(P₁)을 하류측 압력(P₂)의 약 2배이상으로 유지한 상태에서 오리피스를 통과하는 가스의 연산유량(Qc)을 Qc = KP₁(K : 정수)로 연산하는 연산회로(32)를 포함하고, 상기 연산유량 (Qc)과 설정유량(Qs)의 차이신호에 의해 상기 컨트롤밸브를 개폐제어하는 압력식 유량제어장치로서, 가스종류 마다 플로팩터(FF)를

FF=(k/ν_S){2/(κ+1)}^1/(κ-1)[κ/{(κ+1)R}]^1/2

ν_S:가스의 표준상태에서의 밀도

κ : 가스의 비열비

R : 가스정수

k : 가스종류에 의존하지 않는 비례정수

에 의해 계산하고, 가스종류 B의 가스종류 A에 대한 비플로팩터(FF_B/FF_A)를 기억하는 기억부를 설치하고, 초기설정되어 있는 종류 A의 가스의 연산유량이 Q_A인 경우에, 동일 오리피스, 동일 상류측 압력 및 동일 상류측 온도의 조건하에서 종류 B의 가스를 유통시켰을 때, 그 연산유량(Q_B)을

Q_B= (FF_B/FF_A)Q_A

로서 연산하는 유량연산부(18)를 설치하고, 상기 종류 B의 가스에 대하여, 상기 유량설정회로(16)에서 설정된 유량과 상기 연산유량(Q_B)이 동일하게 되도록 상기 컨트롤밸브를 개폐조정하는 것을 특징으로 하는 것이다.

청구항 6은 청구항 3의 병렬분류형의 유체공급장치에 있어서, 어느 하나의 유로에 설치한 압력식 유량제어장치를 제5항에 기재된 유체가변형 압력식 유량제어장치로 하도록 한 것이다.

본 발명자 등은 도 16 및 도 15로부터 매스플로 컨트롤러의 작동특성을 예의 연구한 결과, 매스플로 컨트롤러를 즉시 설정유량값에 이를때까지 개방제어하면 유로(S₂)에 대량의 재료가스가 단숨에 유입되는 결과, 유로(S₁)의 압력(P₁A)이 과도적으로 작아지고, 신호(MFC₁)와 신호(MFM₁)에 과도적 변동이 발생한다고 생각하기에 이르렀다.

유로(S₂)의 유로(S₁)에 대한 반사적인 과도적 영향을 극소화하기 위해서는, 가스를 유로(S₂) 내에 점차 증가하는 상태하에서 유통시키는 것이 중요하게 된다. 즉, 밸브(V₃, V₄)를 개방한 후, 매스플로 컨트롤러(MFC₂)를 천천히 "0"에서 설정유량값까지 증대하도록 제어하면 된다는 생각에 이르른 것이다.

이 시간을 지연시간(Δt)이라 하고, 지연시간(Δt)을 길게 할수록 과도적 영향은 적어지게 된다. 즉, 상기 지연시간(Δt)을 가변가능하게 하면 각종 조건하에서 발생하는 과도적 변동에 대응할 수 있다.

상기 지연시간(Δt)은 설정유량값(Qs)의 크기, 관직경, 가스 등 유체의 종류 등에 의존하고, 이들의 주어진 모든 조건 중에서 지연시간(Δt)을 경험적으로 결정해 가는 것이 좋다.

또한, 상기에 있어서는 유로(S₂)의 유로(S₁)에 대한 영향을 서술하였지만, 역으로 유로(S₁)의 유로(S₂)에 대한 영향도 마찬가지로 생각할 수 있다. 유로가 2개뿐만 아니라 더욱 개수가 증가된 경우에도 마찬가지로 생각할 수 있다.

즉, 유로가 복수개 존재하는 경우에는, 유로마다 배치되어 있는 모든 매스플로 컨트롤러를 지연제어하여 두면, 어느 유로를 닫힌 상태에서 열린 상태로 설정한 경우에도 다른 유로에의 과도적 영향을 극소화할 수 있게 된다.

또한, 본 발명자 등은 매스플로 컨트롤러에는 상기 과도적 영향을 흡수하기 어려운 고유의 성질이 있다고 생각하고, 매스플로 컨트롤러를 사용하지 않는 다른 방법도 예의 연구하였다.

그 결과, 매스플로 컨트롤러는 유체에 의해서 운반되는 열이동량으로부터 유량을 계측하기 때문에, 유량변동이 유속보다도 고속인 경우에는 유량제어가 유량변동에 따라가기 어렵고, 그 때문에 매스플로 컨트롤러가 과도적 영향을 흡수하기 어렵게 된다고 생각하기에 이르렀다.

또한, 동시에 유량변동을 고속으로 따라갈 수 있는 압력식 유량제어장치를 사용하면 이 문제를 해결할 수 있다고 생각하고, 본 발명자 등이 먼저 개발을 한 일본국 특허공개 평8-338546호로서 공개되어 있는 압력식 유량제어장치를 상기 문제를 해결하기 위하여 적용하는 것으로 하였다.

본 압력식 유량제어장치의 특징은 다음의 점에 있다. 즉, 오리피스 상류측 압력(P₁)이 오리피스 하류측 압력(P₂)의 약 2배인 경우에는 오리피스를 통과하는 유속은 음속(音速)으로 되고, 오리피스를 통과하는 유량(Qc)은 오리피스 상류측 압력(P₁)에 비례한다는 것이다. 기본식은 Qc = KP₁(단 K : 정수)이고, 상류측 압력(P₁)을 계측하여 두면 유량을 즉시 산출할 수 있다. 매스플로 컨트롤러에서는 열이동이라는 현상을 통하여 유량계측하였지만, 이 압력식 유량제어장치에서는 유체의 이론적인 성질을 활용하고 있고, 더구나 압력계측은 고속으로 행할 수 있다.

오리피스 상류측에 컨트롤밸브를 설치하고, 연산유량(Qc)을 Qc = KP₁으로 산출하고, 설정유량(Qs)과의 차가 제로(0)가 되도록 컨트롤밸브를 개폐제어한다면, 연산유량(Qc)을 설정유량(Qs)에 즉시 일치시킬 수 있다. 이것은 오리피스 상류측 압력(P₁)에 대한 압력계측의 고속성으로 인하여 가능하게 된 것이고, 도 16에 표시되는 정도의 변동이라면 이것을 충분히 흡수할 수 있다.

또한, 본원 발명자 등은 해당 압력식 유량제어장치를 사용한 유체공급장치의 개발과정에 있어서, 종전의 매스플로 컨트롤러 대신에 이 압력식 유량제어장치를 사용함으로써 복수의 가스종류에 대해서도 기본설정을 바꾸지 않고 유량제어가 가능한 방법을 착상하였다.

즉, 본원 발명자 등이 먼저 개발한 압력식 유량제어장치(이하, FCS장치라고도 약칭한다)는, 상술한 바와 같이 오리피스의 상류측 압력(P₁)을 하류측 압력(P₂)의 약 2배 이상으로 유지한 상태에서 유체의 유량제어를 행하고, 오리피스와, 오리피스의 상류측에 설치한 컨트롤밸브와, 컨트롤밸브와 오리피스 사이에 설치한 압력검출기와, 압력검출기의 검출압력(P₁)으로부터 유량(Qc)을 Qc = KP₁(단, K는 정수)로서 연산함과 아울러, 설정유량신호(Qs)와 상기 연산한 유량신호(Q_C)와의 차이를 제어신호(Qy)로서 상기 컨트롤밸브의 구동부로 출력하는 연산제어장치로 구성되고, 컨트롤밸브의 개폐에 의해 오리피스 상류측 압력(P₁)을 조정하고, 오리피스 하류측 유량을 제어하는 것을 특징으로 한다.

해당 FCS장치의 최대의 특징은, 오리피스를 흐르고 있는 가스의 유량(Qc)이 상류측 압력(P₁)에만 의존하고, 동일한 오리피스와 가스종류에 대해서는 Qc=KP₁(K는 정수)로서 연산하여 산출할 수 있는 것이다.

결국, 오리피스와 가스종류를 결정하여 비례정수(K)를 초기설정하면, 오리피스의 하류측 압력(P₂)의 변동에 관계 없이 오리피스의 상류측 압력(P₁)을 측정하는 것 만으로 실제의 유량을 연산으로 산출할 수 있다. 이 설정조건하에서 유통시키는 가스종류를 변경한 경우에, 상류측 압력(P₁)이 얻어졌을 때 유량이 어떻게 구해지는지가 본 발명의 주제이다.

이 문제를 해결하기 위하여 이하에 정수 K의 의미를 명백히 한다.

오리피스를 통하여 고압영역에서 저압영역으로 가스가 유출되고 있을 때, 가스의 유관에 연속의 법칙, 에너지 보존법칙 및 기체의 상태방정식(기체의 비점성)을 적용하고, 게다가 유출시에 가스의 단열변화를 전제로 한다.

또한, 오리피스 유출시의 가스의 유속이 그 가스온도에서의 음속에 달한다고 가정한다. 이 음속조건은 P₁≥약2P₂라는 것이고, 바꾸어 말하면 압력비(P₂/P₁)가 임계압력비 약 1/2이하라는 것에 상당한다.

이들 조건하에서 가스의 오리피스 통과유량(Q)은

Q = SP₁/ν_S{2/(κ+1)}^1/(κ-1){2g/(RT₁)·κ/(κ+1)}^1/2

로서 얻어진다. 이 유량(Q)을 상세하게 분해하면,

Q = FF·SP₁(1/T₁)^1/2

FF=(k/ν_S){2/(κ+1)}^1/(κ-1)[κ/{(κ+1)R}]^1/2

k = (2×9.81)^1/2= 4.429

로 되는 것을 알 수 있다.

여기서 단위를 포함하여 물리량을 설명하면, Q(㎥/sec)는 표준상태에 있어서의 체적유량, S(㎡)는 오리피스 단면적, P₁(㎏/㎡ abs)는 상류측 절대압력, T₁(K)는 상류측 가스온도, FF(㎥K^1/2/㎏ sec)는 플로팩터, k는 비례정수, ν_S(㎏/㎥)는 가스의 표준상태에서의 밀도, κ(무차원)는 가스의 비열비, R(m/K)는 가스정수이다.

따라서, 연산유량 Qc(=KP₁)를 상기 유량(Q)과 같다고 생각하면, 정수(K)는 K=FF·S/T₁ ^1/2로 표시되고, 가스종류, 상류측 가스온도 및 오리피스 단면적에 의존하는 것을 알 수 있다. 결국, 상류측 압력(P₁), 상류측 온도(T₁) 및 오리피스 단면적(S)이 동일한 조건하에서는, 연산유량(Qc)은 플로팩터(FF)에만 의존하는 것이 명백하다.

플로팩터(FF)는 표준상태 밀도(ν_S), 비열비(κ) 및 가스정수(R)에 의존하므로 가스종류만으로 결정되는 인자이다. 결과적으로, 상류측 압력(P₁), 상류측 온도(T₁) 및 오리피스가 동일할 때, 가스종류 A의 연산유량이 Q_A라 하면, 가스종류 B를 유통시켰을 경우에는 그 연산유량(Q_B)은 Q_B= (FF_B/FF_A)Q_A로 주어지게 된다. 여기서, FF_A, FF_B는 각각 가스종류 A, B의 플로팩터이다.

바꾸어 말하면, 가스종류 이외의 조건이 동일한 때에는 가즈종류 변경시의 유량(Q_B)은 비플로팩터(FF_B/FF_A)(이하, 비FF라 약칭한다)를 유량(Q_A)에 곱하여 넣는 것 만으로 연산할 수 있다. 일반적으로 기초가 되는 가스종류 A는 임의로 취할 수 있지만, 본 발명에서는 관례에 따라 N₂가스로 한다. 따라서, 비FF로서 FF/FF_N을 채용한다. 여기서 FF_N은 N₂가스의 플로팩터를 의미한다. 각 가스종류의 물성값과 플로팩터는 표 1에 표시된다.

비FF의 계산에서는 비례정수(k)는 약분에 의해 소거되기 때문에, FF의 계산에 있어서는 정수(k)는 임의의 값을 취하여도 좋다. 단순히 k=1로 하여 두면 계산은 간단하게 된다. 따라서, 각 청구항에 있어서의 비례정수(k)의 값으로는 그만큼의 임의성이 포함되어 있다.

N₂가스를 유통시켜서 FCS장치의 초기설정을 행하고, P₁≥2P₂의 조건하에서 Qc=KP₁의 선형성이 성립하는 것을 확인한다. 다음에, O₂가스를 유통시켜서 동일 오리피스하에서 상류측 압력(P₁), 상류측 온도(T₁)을 설정하였을 때, 동일조건에서의 N₂가스유량(Q_N)에 비FF=0.9349를 곱하여 O₂가스유량(Q_O2)을 Q=비FF×Q_N을 사용하여 산출한다. 한편, 이 O₂가스유량을 빌드업법으로 실측한 값과 비교하여 1%의 오차범위 내에 있는 것을 확인하였다. 즉, 이것은 상기 이론의 타당성을 증명하고 있게 된다.

상술한 바와 같이, 각 가스종류의 유량(Q)은 N₂가스의 유량(Q_N)에서Q=비FF×Q_N으로서 연산할 수 있다.

한편, Q_N=KP₁이 성립하고 있지만, 상류측 압력(P₁)은 컨트롤밸브의 열림정도에 비례하고 있다. 열림정도 100%의 N₂가스유량을 Q_N100으로 하면, 어느 열림정도에서의 N₂가스유량(Q_N)은 Q_N=Q_N100×(열림정도/100)로 주어진다. 따라서, 각 가스종류의 유량(Q)은 Q=비FF×Q_N100×(열림정도/100)로서 구할 수 있다. 여기서 비FF=FF/FF를 사용하고 있다.

이 유량산출식은 컨트롤밸브의 열림정도로부터 실제의 가스유량(Q)을 구하는 경우에 유효하다. 그러나, 실질적으로, 상술한 Q = 비FF×Q_N과 동일하다는 것은 용이하게 알수 있을 것이다.

실시예 1 : 시간지연형 매스플로 컨트롤러의 경우

도 1은 청구항 1의 병렬분류형 유체공급장치의 실시예를 나타낸 구성도로서, 시간지연형 매스플로 컨트롤러를 사용한 것이다.

도 1에서, P₀는 공급압 계측용 압력계, P₁A, P₁B는 1차압 계측용 압력계, V₁∼V₄는 밸브, DMFC₁, DMFC₂는 유량제어용의 시간지연형 매스플로 컨트롤러, MFM₁, MFM₂는 유량계측용 매스플로미터, C는 반응실, VV₁, VV₂는 밸브, VP₁, VP₂는 진공펌프, S₁, S₂는 유로를 나타낸다. 화살표는 가스의 흐름을 나타내고, 유로에 따라서 각 부재의 첨자가 바뀌어 있다. 전체구성은 도 15의 경우와 같다.

도 2는 유로(S₂)에서의 시간지연형 매스플로 컨트롤러의 구성도이고, 유로(S₁)에서의 것도 마찬가지이다. VC는 밸브(V₃, V₄)의 닫힌 상태에서 열림을 검출하는 밸브검출부, ST는 유량설정부, DT는 시간지연부, PS는 전원, DP는 표시부, AMP는 증폭기, BG는 브리지회로, CC는 비교회로, VP는 밸브부이다. 또한, BP는 바이패스부, SP는 센서부, US는 상류측 센서, DS는 하류측 센서를 표시하고 있다.

다음에, 도 1의 실시예의 작동에 대하여 설명한다.

현재, 유로(S₁)는 밸브(V₁, V₂)가 개방되어서 가스가 정상 공급되고 있고, 반응실(C)에서 안정된 가스반응이 행해지고 있는 것으로 한다.

이 단계에서 폐쇄되어 있던 밸브(V₃, V₄)가 개방되어 가스가 시간지연형 매스플로 컨트롤러(DMFC₂)에 유입하여 온다고 한다.

당초, 밸브부(VP)는 완전히 폐쇄되어 있다. 밸브검출부(VC)가 밸브(V₃, V₄)의 닫힌 상태에서 열린 상태로의 변화를 검출하면, 소정지시간(小停止時間)(t₀)를 둔 후, 시간지연부(DT)가 작동하기 시작한다. 상기 소정지시간(t₀)는 제로이어도 좋지만, 밸브(V₃, V₄)의 열림에 의해 발생하는 가스류의 혼란을 수습하는 시간으로서 설정되어 있다.

상기 시간지연부(DT)는 지연시간(Δt)를 주고, 이 시간은 유량설정부(ST)에 의해 설정된 설정유량(Qs)이 될 때까지 밸브부(VP)를 차츰 개방하여 가는 시간이다. 이 지연시간(Δt)은 밸브부(VP)를 천천히 개방하여 가기 때문에, 다른 유로로의 영향을 작게 한다. 따라서, 상기의 소정지시간(t₀)과 지연시간(Δt)에 의해 외란을 억제할 수 있고, 각각의 시간(t₀, Δt)을 가변으로 함으로써 적절한 시간을 조정하는 것이 가능하게 된다.

또한, 본 실시예에 있어서는 양 밸브(V₃, V₄)를 동시에 개방함과 아울러 소정지시간(t₀)을 비교적 긴 2∼3초로 설정하고 있지만, 해당 소정지시간(t₀)을 제로 혹은 0.5초 이하의 매우 짧은 시간으로 설정한 경우에는 양 밸브(V₃, V₄)의 열림(또는 닫힘)의 때의 시간차에 의해서 다른쪽의 유로(S₁)에 주어지는 유량변동의 영향이 크게 변화한다.

그 때문에, 통상 소정지시간(t₀)이 매우 짧은 경우에는 유로(S₂)측의 개방시에는 우선 밸브(V₄)를 열린 상태로 하고, 그 약 1초 후에 밸브(V₃)를 열린 상태로 한다. 또, 유로(S₂)측의 폐쇄시에는 우선 밸브(V₃)를 닫힌 상태로 하고, 그 약 1초 후에 밸브(V₄)를 닫힌 상태로 한다. 즉, 유로(S₂)측의 시간지연형 매스플로 컨트롤러(DMFC₂)에 바로 큰 유체압이 걸리지 않도록 하는 것이 바람직하다.

가스의 본체류는 바이패스부(BP)와 센서부(SP)로 분류되고, 센서부(SP)에서는 상류측 센서(US)에 의해서 발생한 열이 하류측 센서(DS)에 의해 검출되어서 순간유량(Q)이 브리지회로(BG)에 의해 산출된다. 증폭기(AMP)를 통과한 후, 순간유량(Q)은 비교회로(CC)에 의해 설정유량(Qs)과 비교되고, 상기 지연시간(Δt)만큼 걸려서 밸브부(VP)를 개방하여 간다. 그리고 설정유량(Qs)에 도달하면 그 상태에서 유지된다.

도 3 내지 도 6은 지연시간(Δt)을 변화시킨 경우의 각종신호의 타임챠트를 표시한다. 이들 측정예에서는 지연시간(Δt)를 80% 도달시간으로서 정의하고 있다. 즉, 순간유량(Q)이 설정유량(Qs)의 80%에 도달한 시간을 지연시간(Δt)으로 한다. 이 외에도 각종 정의가 채용될 수 있지만, 이들 정의의 모두는 본 발명의 지연적 시간에 포함되는 것이다.

도 3은 Δt=0.5초, 도 4는 Δt=1.8초, 도 5는 Δt=4초, 도 6은 Δt=7.5초의 경우를 나타내고 있다. 소정지시간(t₀)은 자유롭게 설정할 수 있고, 도 3 내지 도 6에서는 3∼5초로 설정하고 있다. 소정지시간(t₀)은 더욱 작게 하여도 된다.

도 3에서 도 6에 있어서 측정되어 있는 신호는 도 12에서의 신호와 같고, 그중에서 매스플로 컨트롤러(MFC₁, MFC₂)가 시간지연형 매스플로 컨트롤러(DMFC₁, DMFC₂)로 변경되어 있을 뿐이다. 이들 도면을 비교하면, 지연시간(Δt)를 길게 할수록 각종신호의 과도적 변동이 극감하고 있는 것을 알 수 있다. 특히, 유로(S₁)에서의 신호(P₂A, DMFC₁, MFM₁)의 과도적 변동의 극감화는, 유로(S₂)의 열림에 의한 유로(S₁)로의 영향을 억제한다는 본 발명의 목적이 충분히 달성되어 있다는 것을 나타내고 있다.

실시예 2 : 압력식 유량제어기의 경우

도 7은 청구항 3의 병렬분류형 유체공급장치의 실시예를 표시한 구성도이고, 압력식 유량제어장치를 사용한 것이다. 도 1의 시간지연형 매스플로 컨트롤러(DMFC₁, DMFC₂)를 압력식 유량제어장치(FCS₁, FCS₂)로 변경한 것 뿐이고, 다른 부재는 도 1과 같기 때문에 그 설명을 생략한다.

도 8은 유로(S₁)에서의 압력식 유량제어장치(FCS₁)의 구성도이고, 유로(S₂)에서의 것도 마찬가지이다. 도면중, OR은 오리피스, P₁A는 오리피스 상류측 압력계, AP₁은 증폭기, A/D는 AD변환기, M은 온도보정부, SS는 유량설정부, CC는 비교회로, AP₂는 증폭기, DV는 구동부, CV는 컨트롤밸브이다. 또 SS, CC, M, AP₂를 전체로서 연산제어회로(CCC)라 한다.

다음에 상기 도 7의 실시예의 작동에 대하여 설명한다. 현재, 유로(S₂)가 갑자기 닫힌 상태에서 열린 상태로 되고, 그 압력변동이 유로(S₁)로 역류하였다고 한다. 압력식 유량제어장치(FCS₁)에서는 오리피스 상류측 압력(P₁)이 오리피스 하류측 압력(P₂)의 약 2배 이상으로 설정되어 있으면, 오리피스(OR)를 통과하는 순간유량(Q)은 Q=K·P₁(단, K는 정수)로 주어지는 것이 이론적으로 보증되어 있다.

오리피스 상류측 압력계(P₁A)에 의해 측정된 상류측 압력은 증폭기(AP₁)를 통한 후 A/D변환된다. 이 후, 온도보정부(M)에 의해 온도보정되어서 연산유량(Qc)으로 된다. 이 연산유량(Qc)은 상기한 순간유량(Q)이기 때문에 Qc=KP₁이 성립하고 있다.

유량설정부(SS)에서는 설정유량(Qs)이 입력되고 있고, 상기한 연산유량(Qc)과의 차이가 비교회로(CC)에 의해 제어신호(Qy)(Qy=Qs-Qc)로서 산출된다. 이 제어신호(Qy)를 제로로 하도록 구동부(DV)가 컨트롤밸브(CV)를 개폐제어한다.

오리피스 상류측 압력(P₁)은 순간적으로 측정할 수 있는 것이기 때문에, 컨트롤밸브(CV)의 개폐제어는 전자적 속도로 제어가능하다. 바꾸어 말하면, 기계적인 의미에서의 컨트롤밸브의 한계적 개폐속도에까지 고속제어가 가능하다.

따라서, 유로(S₂)의 가스유통에 의해서 유로(S₁)의 압력(P₁)이 과도적 변동을 하여도 컨트롤밸브(CV)가 고속으로 응답하여 오리피스 통과유량은 설정유량(Qs)으로 고속으로 복귀제어된다. 결국, 압력식 유량제어기를 사용하는 경우에는 유로간의 과도적인 상호 변동은 즉시 고속보정되어 정상류(정상흐름)를 유지할 수 있는 것이다.

도 9는 도 7의 실시예에서의 각종신호의 타임챠트이다. 밸브(V₃, V₄)를 열린 상태로 하여 압력식 유량제어장치(FCS₂)를 작동시키면, FCS₂신호도 MFM₂신호도 순간적으로 제로에서 정상값에 도달한다. 더구나 유로(S₁)의 FCS₁신호 및 MFM₁신호는 거의 변동하지 않고 정상값을 계속 유지한다.

또한, 압력식 유량제어장치(FCS₂, FCS₁)를 사용하는 경우에는 상기 밸브(V₃, V₄)를 개방한 후의 소정지시간(t₀)은 불필요하고, t₀=0으로 하고 있다.

이상의 결과로부터, 압력식 유량제어장치를 사용하면, 유로간의 개폐에 의한 간섭적 상호작용은 고속으로 보정할 수 있어 유체의 정상 공급상태를 유지할 수 있다.

실시예 3 : 유체가변형 압력식 유량제어장치의 적용예

도 10은 청구항 5의 유체가변형 압력식 유량제어장치의 사용예를 나타낸 것이고, 매스플로 컨트롤러를 사용하는 종전의 도 18에 대응하는 것이다. 유체가변형 압력식 유량제어장치를 FCS_2a로 표현하면, FCS₁및 FCS_2a의 2대의 압력식 유량제어장치를 가지고 3종류의 H₂가스, O₂가스, N₂가스를 유량제어한다.

그리고, 도 10에서는 반응로(RR) 내로 H₂와, O₂를 동시에 공급하기 위하여 2대의 압력식 유량제어장치(FCS₁, FCS_2a)를 필요로 하지만, O₂와, N₂를 동시에반응로(RR)로 공급하는 일은 없기 때문에, O₂및 N₂의 유량제어에는 유체가변형 압력식 유량제어장치(FCS_2a)가 겸용된다.

수분이 발생한 때에는, 우선 밸브 V3a를 열린 상태, V1a, V2a를 닫힌 상태로 하여 반응로(RR) 내를 N₂가스로 퍼지한다. 다음에, 밸브 V1a, V2a를 열린 상태, V3a를 닫힌 상태로 하여 반응로(RR) 내에 H₂가스와 O₂가스를 보낸다. 반응로(RR) 내에서는 촉매에 의해 수증기를 과부족 없이 생성하고, 이 청정한 수증기를 후속의 장치로 송출한다.

또한, 여기서는 H₂가스와 O₂가스를 동시에 반응로(RR) 내로 공급하도록 하고 있지만, 먼저 O₂가스의 공급을 개시하고, 원하는 시간만큼 지연하여 H₂가스가 공급되는 경우도 있다.

또한, 유체가변형 압력식 유량제어장치(FCS_2a)에 의해 O₂의 유량을 제어하는 경우에는 상기 Q= 비FF×Q_N의 관계식이 이용되는 것은 물론이다.

실시예 4 : 유체가변형 압력식 유량제어장치의 다른 적용예

도 11은 청구항 5의 유체가변형 압력식 유량제어장치(FCS_2a) 사용의 다른 예를 도시하는 것으로, 반도체장치에 있어서의 소위 싱글챔버 멀티프로세스 방식으로 유체가변형 압력식 유량제어장치(FCS_2a)를 적용한 경우를 나타낸 것이다.

예를 들면, 도 11에 있어서 Si를 산화한 후 즉시 이것을 질화하려고 하는 경우, 우선 N₂가스로 시스템 내를 퍼지하고, 다음에 H₂가스와 O₂가스를 프로세스 챔버(PR) 내로 공급하여 Si를 산화한다. 그 후 N₂O가스를 공급하여 Si산화막을 질화하고, 최후로 N₂가스를 공급하여 시스템 내를 퍼지한다.

그 결과, 도 11의 유량제어장치에 있어서는 1대의 압력식 유량제어장치(FCS₁)와 1대의 유체가변형 압력식 유량제어장치(FCS_2a)(합계 2대)를 필요로 하지만, 만약 해당 유체공급장치를 종전의 매스플로 컨트롤러를 사용하여 구성한다고 하면, 예비품을 제외하고도 4기의 매스플로 컨트롤러를 필요로 하여 설비비의 대폭적인 인상을 초래하게 된다.

실시예 5 : 유체가변형 압력식 유량제어장치의 제1예

도 12는 청구항 5의 유체가변형 압력식 유량제어장치의 제1실시예의 블록 구성도이다.

이 유체가변형 압력식 유량제어장치(FCS_2a)는 컨트롤밸브(2), 그 구동부(4), 압력검출기(6), 오리피스(8), 가스취출용 조인트(12), 유량연산회로(14), 가스종류 선택회로(15), 유량설정회로(16), 비FF기억부(17), 유량연산부(18), 유량표시부(19) 및 연산제어회로(20)로 구성되어 있다.

유량연산회로(14)는 온도검출기(23), 증폭회로(22, 24), A/D변환기(26, 28), 온도보정회로(30) 및 연산회로(32)로 구성된다. 또, 연산제어회로(20)는 비교회로(34) 및 증폭회로(36)로 구성된다.

상기 컨트롤밸브(2)에는 소위 다이렉트터치형의 메탈다이어그램밸브가 사용되고 있고, 또, 그 구동부(4)에는 압전소자형 구동장치가 사용되고 있다. 또한 이들의 구동부로서는 이 외에 자기변형소자형 구동장치나 솔레노이드형 구동장치, 모터형 구동장치, 공기압축형 구동장치, 열팽창형 구동장치가 사용된다.

상기 압력검출기(6)에는 반도체 변형형 압력센서가 사용되고 있지만, 압력검출기로서는 이 외에 금속박 변형형 압력센서나 정전용량형 압력센서, 자기저항형 압력센서 등의 사용도 가능하다.

상기 온도검출기(23)에는 열전대형(熱電對型) 온도센서가 사용되고 있지만, 측온저항형 온도센서 등의 공지의 각종 온도센서를 사용할 수 있다.

상기 오리피스(8)에는 판형상의 금속박판제 가스킷에 절삭가공에 의해서 구멍부를 형성한 오리피스가 사용되고 있지만, 오리피스로서는 이 외에 에칭 및 방전가공에 의해 금속막에 구멍을 형성한 오리피스를 사용하는 것이 가능하다.

가스종류 선택회로(15)는 H₂가스, O₂가스, N₂가스를 선택하는 것이고, 유량설정회로(16)는 그 유량설정신호(Q_e)를 연산제어회로(20)에 지령한다.

비FF기억부(17)는 N₂가스에 대한 비FF를 기억한 메모리로, N₂가스는 1, O₂가스는 FF_O/FF_N, H₂가스는 FF_H/FF_N의 값으로 설정되어 있다. 여기서, FF_N, FF_O, FF_H는 N₂, O₂, H₂가스의 플로팩터이다. 예를 들면, 도시하지 않은 FF계산부가 있고, 그 FF값을 보존한 FF기억부로부터 데이터를 읽어 들여서 비FF값을 계산하고, 상기 비FF기억부(17)에 기억시켜도 된다.

유량연산부(18)에서는 비FF의 데이터를 사용하여 유통되고 있는 가스종류의 유량(Q)을 Q= 비FF×Q_N(Q_N은 상당 N₂가스유량)로 연산하고, 이 값을 유량표시부(19)에 표시한다.

다음에, 이 유체가변형 압력식 유량제어장치(FCS_2a)의 작동에 대하여 설명한다.

먼저, 이 장치전체는 N₂가스를 기준으로 초기설정되어 있는 것으로 한다.

우선, 가스종류 선택회로(15)에서 N₂가스를 선택하고 유량설정신호(Q_e)를 유량설정회로(16)로부터 지령한다. 컨트롤밸브(2)를 열고 오리피스(8)의 상류측 기체압력(P₁)이 압력검출기(6)에 의해서 검출되고, 증폭기(22), A/D변환기(26)를 거쳐 디지털화된 신호가 연산회로(32)로 출력된다.

마찬가지로, 오리피스 상류측의 기체온도(T₁)가 온도검출기(23)로 검출되고, 증폭기(24) 및 A/D변환기(28)를 거쳐, 디지털화된 온도신호가 온도보정회로(30)로 입력된다.

연산회로(32)에서는 압력신호(P₁)를 사용하여 유량(Q)이 Q=KP₁로서 연산됨과 아울러, 상기 온도보정회로(30)로부터의 보정신호를 사용하여 상기 유량(Q)의 온도보정이 행해지고, 연산유량(Qc)이 비교회로(34)로 출력된다. 이 식의 정수(K)는 N₂가스에 대하여 설정되어 있는 것은 상술한 바와 같다.

연산유량(Qc)과 유량설정신호(Q_e)와의 차이신호(Q_y)가 비교회로(34)에서 증폭기(36)를 통하여 출력되고, 차이신호(Q_y)가 제로로 되도록 구동부(4)에 의해 컨트롤밸브(2)를 개폐한다. 이 일련의 동작에 의해서 소정량의 N₂가스가 도 1의 반응로(RR)로 송출된다.

또, 비FF기억부(17)에서는 N₂가스의 비플로팩터인 1이 선택되고, 유량연산부(18)에서는 Q=1×Qc에서 Q=Qc가 계산되어, 유량표시부(19)에서 그 N₂가스 유량(Qc)이 표시된다.

계속하여, 가스종류 선택회로(15)에서 O₂가스를 선택하고, 그 유량설정신호(Q_e)가 유량설정회로(16)로부터 지령된다. 전술한 정수(K)는 N₂가스에 대응하도록 초기설정되어 있기 때문에, 본 실시예에서는 신호 Q_e는 N₂가스로 환산된 값으로 설정된다. 상술한 바와 같이, Qc=KP₁을 통하여 연산유량(Qc)이 Q_e와 같아지기까지 컨트롤밸브(2)의 개폐조정이 행해진다.

연산유량(Qc)이 유량설정신호(Q_e)와 같게 되어도 실제로 유통되고 있는 것은 O₂가스이고, 실제 가스유량(Q)은 Q=FF_O/FF_N×Q_C만큼 오리피스(8)를 흐르고 있다.

따라서, 비FF기억부(17)에서는 비플로팩터로서 FF_O/FF_N이 선택되고, 유량연산부(18)에서는 Q=FF_O/FF_N×Q_C로서 O₂가스 유량이 계산되어 유량표시부(19)에서 그 수치가 표시된다.

상기 실시예에서는, 예컨대 O₂가스를 선택하여도 유량설정회로(16)로부터는 그 실제의 유량이 지령되는 것은 아니고, 그 N₂가스 상등량으로 환산된 유량설정신호(Q_e)가 출력되고 있다.

실시에 6 : 유체가변형 압력식 유량제어장치의 제2예

도 13은 이 점을 개선한 유체가변형 압력식 유량제어장치의 제2실시예의 블록 구성도이다. 도 3과 다른 점만을 설명하면, 비FF기억부(17)를 갖는 역비FF연산회로(22)를 부가하고 있는 것이다.

예를 들면, 가스종류 선택회로(15)에 의해 O₂가스를 선택하면 유량설정회로(16)로부터는 실제의 O₂가스 유량을 유량설정신호(Q_e)로서 출력한다. 이 신호(Q_e)를 비FF기억부(17)의 비FF를 사용하여 역비FF 연산회로(21)에 의해 N₂가스 상등량으로 환산한다. 즉, Q_e에 비플로팩터의 역수를 곱하여, Q_k=1/(FF_O/FF_N)×Q_e로부터 N₂가스 상등신호(Q_k)로 변환한다. 유체가변형 압력식 유량제어장치가 N₂가스로 초기설정되어 있기 때문이다.

도 13의 실시예에서는 유량연산부(18)는 필요로 하지 않는다. 유량설정신호(Q_e) 자체가 O₂가스 유량이기 때문에 이 유량설정신호(Q_e)를 유량표시부(19)에 표시하는 것만으로 가능하다. H₂가스, N₂가스에 대해서도 마찬가지인 것은 말할 필요도 없다.

본 발명은 상기 각 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 일탈하지 않는 범위에서의 다양한 변형예, 설계변경 등을 그 기술적 범위 내에 포함하는 것이다.

청구항 1에 의하면, 어느 유로를 닫힌 상태에서 열린 상태로 하여 유체를 공급하는 경우에, 그 유로의 매스플로 컨트롤러의 동작에 시간지연작용을 실시하였기 때문에 다른 유로에 대한 과도적 변동을 극감화할 수 있다. 따라서, 다른 유로의 정상류를 안정적으로 유지할 수 있고, 1개의 레귤레이터에 의해서 복수 유로의 정상제어를 실현할 수 있다.

청구항 2에 의하면, 매스플로 컨트롤러의 지연시간을 임의로 가변설정할 수 있으므로 가장 유효한 정상제어를 실현할 수 있다.

청구항 3에 의하면, 유량제어장치로서 압력식 유량제어장치를 도입하였으므로 각 유로의 유량제어의 고속화를 실현할 수 있고, 유로간의 간섭적인 과도적 변동을 그 고속성에 의해 흡수할 수 있어서, 각 유로의 정상제어를 고속이고 또한 확실하게 실현할 수 있다.

청구항 4의 발명에 의하면, 압력식 유량제어장치가 가스종류 A(예를 들면 N₂가스)로 초기설정되어 있어도 임의의 가스종류 B를 유통시켰을 때에 플로팩터를 통하여 가스종류 B의 유량으로 용이하게 변환될 수 있기 때문에, 한대의 압력식 유량제어장치를 여러종류의 가스종류에 대하여 사용할 수 있는 방법을 실현하고 있다. 따라서, 종전의 매스플로미터를 사용한 유량제어장치나 매스플로미터를 단지 압력식 유량제어장치로 바꾼 유량제어방식에 비교하여 저렴하고, 광범위한 가스종류에 대하여 고정밀도로 대응할 수 있는 유량제어방법을 실현할 수 있다.

청구항 5에 의하면, 청구항 4의 방법을 즉시 응용할 수 있어, 청구항 4의 경우와 동일한 효과를 얻을 수 있다.

Claims

유체의 압력을 조정하는 레귤레이터(RG)와,

상기 레귤레이터(RG)로부터 송출되는 유체를 병렬적으로 분류시키고 각각 독립한 반응실(C)로 유체를 공급하는 복수개의 유로(S₁, S₂)와,

상기 각 유로에 설치되고 유체의 유입으로부터 설정유량값(Qs)에 도달하기까지의 지연시간(Δt)을 조정하기 위한 시간지연부(DT)를 구비한 유량제어용의 열량이동식 시간지연형 매스플로 컨트롤러(DMFC₁, DMFC₂)와,

상기 각 매스플로 컨트롤러의 유체입구측과 유체출구측에 설치된 밸브 (V₁, V₂, V₃, V₄)로 구성되고,

복수개의 유로 중의 일부가 반응실(C)에 유체를 공급하고 있을 때에, 나머지 어느 유로의 매스플로 컨트롤러를 작동시켜 그 유로를 유체의 폐쇄상태로부터 설정유량의 유통상태로 유량제어하는 경우에는, 상기 매스플로 컨트롤러가 동작개시점으로부터 설정유량값(Qs)에 도달하기까지 0.5 ~ 7.5초의 지연시간(Δt)을 갖도록 설정한 것을 특징으로 하는 병렬분류형 유체공급장치.
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오리피스의 상류측 압력(P₁)을 하류측 압력(P₂)의 약 2배 이상으로 유지한 상태에서 오리피스를 통과하는 가스의 연산유량(Qc)을 Qc=KP₁(K는 정수)로서 연산하는 유량제어방법에 있어서, 가스종류 마다 플로팩터(FF)를

FF=(k/ν_S){2/(κ+1)}^1/(κ-1)[κ/{(κ+1)R}]^1/2

ν_S:가스의 표준상태에서의 밀도

κ : 가스의 비열비

R : 가스정수

k : 가스종류에 의존하지 않는 비례정수

에 의해 계산하는 단계;

초기설정되어 있는, 종류 A의 가스의 유량을 Qc=KP₁에 의해 연산하고 연산된 유량을 Q_A라 하는 단계; 및

동일 오리피스, 동일 상류측 압력 및 동일 상류측 온도의 조건하에서, 종류 B의 가스를 유통시키는 경우, 상기 종류 B의 가스의 유량을 설정하고, 그 연산유량(Q_B)을

Q_B= (FF_B/FF_A)Q_A

FF_A: 가스종류 A의 플로팩터

FF_B: 가스종류 B의 플로팩터

로서 연산하고, 상기 설정된 유량과 연산유량(Q_B)이 동일하게 되도록 조정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플로팩터에 의한 유체가변형 압력식 유량제어방법.
컨트롤밸브(2), 오리피스(8), 이들 사이에서 오리피스의 상류측 압력(P₁)을 검출하는 압력검출기(6), 유량설정회로(16), 및 오리피스의 상류측 압력(P₁)을 하류측 압력(P₂)의 약 2배이상으로 유지한 상태에서 오리피스를 통과하는 가스의 연산유량(Qc)을 Qc = KP₁(K : 정수)로 연산하는 연산회로(32)를 포함하고, 상기 연산유량 (Qc)과 설정유량(Qs)의 차이신호에 의해 상기 컨트롤밸브를 개폐제어하는 압력식 유량제어장치로서, 가스종류 마다 플로팩터(FF)를

FF=(k/ν_S){2/(κ+1)}^1/(κ-1)[κ/{(κ+1)R}]^1/2

ν_S:가스의 표준상태에서의 밀도

κ : 가스의 비열비

R : 가스정수

k : 가스종류에 의존하지 않는 비례정수

에 의해 계산하고, 가스종류 B의 가스종류 A에 대한 비플로팩터(FF_B/FF_A)를 기억하는 기억부를 설치하고,

초기설정되어 있는 종류 A의 가스의 연산유량이 Q_A인 경우에, 동일 오리피스, 동일 상류측 압력 및 동일 상류측 온도의 조건하에서 종류 B의 가스를 유통시켰을 때, 그 연산유량(Q_B)을

Q_B= (FF_B/FF_A)Q_A

로서 연산하는 유량연산부(18)를 설치하고,

상기 종류 B의 가스에 대하여, 상기 유량설정회로(16)에서 설정된 유량과 상기 연산유량(Q_B)이 동일하게 되도록 상기 컨트롤밸브를 개폐조정하는 것을 특징으로 하는 플로팩터에 의한 유체가변형 압력식 유량제어장치.
유체의 압력을 조정하는 레귤레이터(RG)와, 상기 레귤레이터(RG)로부터 송출되는 유체를 병렬적으로 분류시키는 복수개의 유로(S1, S2)와, 각 유로에 설치된 압력식 유량제어장치(FCS1, FCS2)로 구성되고, 상기 압력식 유량제어장치는 오리피스 (OR)와, 그 상류측에 설치된 컨트롤밸브(CV)와, 상기 오리피스와 컨트롤밸브의 사이에 설치한 압력검출기와, 상기 오리피스의 상류측 압력(P1)을 하류측 압력(P2)의 2배 이상으로 설정하면서 상기 압력검출기의 검출압력(P1)에서 유량을 Qc=KP1(단, K는 정수)로서 연산하고, 이 연산유량(Qc)과 설정유량(Qs)의 차를 제어신호 (Qy)로서 컨트롤밸브(CV)의 구동부(DV)에 출력하는 연산제어회로(CCC)로 이루어지고, 컨트롤밸브를 개폐하여 오리피스의 하류측 유량을 제어하는 것을 특징으로 하는 병렬분류형 유체공급장치로서,

어느 하나의 유로에 설치한 압력식 유량제어장치를 제 5 항에 기재된 유체가변형 압력식 유량제어장치로 하도록 한 것을 특징으로 하는 병렬분류형 유체공급장치.