KR102569945B1

KR102569945B1 - 유량 제어 장치, 진단 방법, 및 유량 제어 장치용 프로그램이 저장된 기록매체

Info

Publication number: KR102569945B1
Application number: KR1020207028524A
Authority: KR
Inventors: 고타로 다키지리; 겐타로 나가이; 차이 웨이 쳉
Original assignee: 가부시키가이샤 호리바 에스텍
Priority date: 2018-04-19
Filing date: 2019-04-01
Publication date: 2023-08-24
Anticipated expiration: 2039-04-01
Also published as: JP7217742B2; CN111971636B; WO2019202959A1; CN111971636A; US11789435B2; US20210173388A1; JPWO2019202959A1; KR20210003098A

Abstract

소정의 유량을 계속 공급하면서, 이상이 발생하고 있지 않는지의 여부 등을 진단할 수 있는 유량 제어 장치를 제공하기 위해서, 용적 내의 압력인 하류측 압력에 근거하여, 해당 용적 내로의 유체의 유출입 유량을 산출하는 유출입 유량 산출부와, 상기 저항 유량과 상기 유출입 유량에 근거하여, 상기 용적으로부터 상기 하류측 밸브를 통해서 유출되는 유체의 유량인 밸브 유량을 추정하는 밸브 유량 추정부와, 설정 유량과, 상기 밸브 유량과의 편차가 작아지도록 상기 하류측 밸브를 제어하는 유량 제어부와, 상기 유체 저항의 상류측의 압력인 상류측 압력이 상승 또는 저하되고 있는 압력 변화 상태에서의 상기 저항 유량 또는 상기 유출입 유량에 근거하여, 진단 파라미터를 산출하는 진단 파라미터 산출부와, 상기 진단 파라미터에 근거하여, 이상을 진단하는 진단부를 구비했다.

Description

유량 제어 장치, 진단 방법, 및 유량 제어 장치용 프로그램이 저장된 기록매체

본 발명은, 이상(異常) 진단 기능을 구비한 유량 제어 장치에 관한 것이다.

반도체 제조 프로세스에서, 예를 들면 에칭 챔버 내에 도입되는 각종 가스의 유량을 제어하기 위해서 매스 플로우 컨트롤러라고 불리는 각종 유체 기기와 제어 기구가 패키지화된 유량 제어 장치가 이용되고 있다.

구체적으로는 매스 플로우 컨트롤러는, 유체 기기로서 유량 센서와 제어 밸브를 구비하며, 제어 기구로서 설정 유량과 유량 센서에 의해 측정되는 유량과의 편차가 작아지도록 밸브의 개도(開度)를 제어하는 유량 제어부를 구비하고 있다.

그런데, 예를 들면 유체에 포함되는 응축되기 쉬운 성분이 유량 센서를 구성하는 기기 내에서 부착되어, 막힘 등의 이상(異常)이 발생하면 유량 센서에 의해 측정되는 유량에 오차가 생겨 버린다. 이러한 오차가 생긴 상태에서 부정확한 유량 제어가 계속되는 것을 방지하기 위해서, 유량 센서의 이상의 유무에 대해 자기 진단을 행하는 진단부를 구비한 매스 플로우 컨트롤러가 있다(특허 문헌 1 참조).

자기 진단 모드로 설정되면 진단부는, 제어 밸브를 전폐(全閉) 상태로 하여, 예를 들면 매스 플로우 컨트롤러의 상류측에 마련된 탱크 등의 기준 용적에 소정 압력이 될 때까지 유체를 충전한다. 그 후, 기준 용적의 상류측을 별도 마련된 개폐 밸브에 의해 전폐 상태로 한 후, 제어 밸브를 개방하고, 그 과정에서의 진단 대상인 유량 센서에 의해 측정되는 유량이나 압력의 값의 변화가 측정된다. 이 때 측정된 값을 진단 파라미터로 하고, 정상시의 값과 비교하여 차이가 큰 경우에는 유량 센서에 이상이 발생하고 있는 진단부는 판정한다.

그렇지만, 상술한 바와 같이 종래의 진단 방법에서는, 자기 진단을 위해서 유로를 전폐하여, 새롭게 유체가 공급되지 않은 상태로 할 필요가 있으므로, 자기 진단을 행하면서 챔버에는 소망의 일정 유량을 계속 공급할 수 없다. 이 때문에, 자기 진단은 메인터넌스시 등의 제조 프로세스가 멈춰져 있는 타이밍에 행해질 필요가 있었다.

따라서, 유량 센서의 상태를 간헐적으로 밖에 파악할 수 없고, 또 자기 진단이 행해지고 있는 동안에 제조 프로세스가 멈춰져 있는 것에 의한 스루풋(throughput)의 저하가 발생하고 있었다.

특허 문헌 1 : 일본특허공개 제2014-63348호 공보

본 발명은 상술한 바와 같은 문제를 감안하여 이루어진 것이며, 소정의 유량을 계속 공급하면서, 이상이 발생하고 있지 않는지의 여부 등을 진단할 수 있는 유량 제어 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

즉, 본 발명에 관한 유량 제어 장치는, 유로에 마련된 유체 저항과, 유체 저항의 하류측에 마련된 하류측 밸브와, 상기 유체 저항을 흐르고, 상기 유체 저항과 상기 하류측 밸브와의 사이의 유로 중의 용적으로 유입되는 저항 유량을 측정하는 저항 유량 측정 기구와, 상기 용적 내의 압력인 하류측 압력에 근거하여, 상기 용적 내로의 유체의 유출입 유량을 산출하는 유출입 유량 산출부와, 상기 저항 유량과 상기 유출입 유량에 근거하여, 상기 용적으로부터 상기 하류측 밸브를 통해서 유출되는 유체의 유량인 밸브 유량을 추정하는 밸브 유량 추정부와, 설정 유량과, 상기 밸브 유량과의 편차가 작아지도록 상기 하류측 밸브를 제어하는 유량 제어부와, 상기 유체 저항의 상류측의 압력인 상류측 압력이 상승 또는 저하되고 있는 압력 변화 상태에서의 상기 저항 유량 또는 상기 유출입 유량에 근거하여, 진단 파라미터를 산출하는 진단 파라미터 산출부와, 상기 진단 파라미터에 근거하여, 이상(異常)을 진단하는 진단부를 구비한 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 관한 진단 방법은, 유로에 마련된 유체 저항과, 유체 저항의 하류측에 마련된 하류측 밸브와, 상기 유체 저항을 흐르고, 상기 유체 저항과 상기 하류측 밸브와의 사이의 유로 중의 용적으로 유입되는 저항 유량을 측정하는 저항 유량 측정 기구를 구비한 유량 제어 장치의 진단 방법으로서, 상기 용적 내의 압력인 하류측 압력에 근거하여, 상기 용적 내로의 유체의 유출입 유량을 산출하는 유출입 유량 산출 스텝과, 상기 저항 유량과 상기 유출입 유량에 근거하여, 상기 용적으로부터 상기 하류측 밸브를 통해서 유출되는 유체의 유량인 밸브 유량을 추정하는 밸브 유량 추정 스텝과, 설정 유량과, 상기 밸브 유량과의 편차가 작아지도록 상기 하류측 밸브를 제어하는 유량 제어 스텝과, 상기 유체 저항의 상류측의 압력인 상류측 압력이 상승 또는 저하되고 있는 압력 변화 상태에서의 상기 저항 유량 또는 상기 유출입 유량에 근거하여, 진단 파라미터를 산출하는 진단 파라미터 산출 스텝과, 상기 진단 파라미터에 근거하여, 이상을 진단하는 진단 스텝을 구비한 것을 특징으로 한다.

이러한 것이면, 상기 유량 제어부에 의해서 상기 하류측 밸브의 제어가 계속되고, 설정 유량으로 유체가 계속 공급되고 있는 상태에서, 상기 진단 파라미터를 산출할 수 있다. 따라서, 진단을 위해서 유로를 전폐할 필요가 없고, 메인터넌스시 이외의 가동시에 진단이 가능해진다.

구체적으로는 상기 유량 제어부는, 상기 저항 유량과 상기 유출입 유량으로부터 추정되는 상기 밸브 유량이 설정 유량과 일치하도록 상기 하류측 밸브를 제어하고 있으므로, 예를 들면 상기 유체 저항의 상류측의 압력이 변화하고 있으면 상기 저항 유량과 상기 유출입 유량에 그 영향이 나타난다. 만일 상기 저항 유량에 오차가 발생하고 있는 경우에는, 상기 저항 유량과 상기 유출입 유량과의 차이에 근거하는 상기 진단 파라미터는 정상시와는 다른 값이 된다. 따라서, 상기 하류측 밸브에 의해서 설정 유량을 실현하면서, 상기 진단부에 의한 진단이 가능해진다.

설정 유량이, 목표 유량값이 일정한 값으로 유지되고 있는 유량 일정 구간을 포함하는 것이면, 유체가 안정되게 흐르고 있는 상태에서의 진단 파라미터를 산출할 수 있으므로, 이상 이외의 영향이 진단 파라미터에 나타나기 어려워, 진단 정밀도를 향상시킬 수 있다.

상기 저항 유량과 상기 유출입 유량을 얻기 위한 구성을 간소하게 할 수 있음과 아울러, 설정 유량에서의 유체의 공급과 진단을 동시에 실행할 수 있도록 하려면, 상기 저항 유량 측정 기구가, 상기 유체 저항의 상류측에 마련되고, 상기 유체 저항의 상류측의 압력인 상류측 압력을 측정하는 상류측 압력 센서와, 상기 유체 저항과 상기 하류측 밸브와의 사이에 마련되고, 상기 하류측 압력을 측정하는 하류측 압력 센서와, 상기 상류측 압력, 및 상기 하류측 압력에 근거하여, 상기 저항 유량을 산출하는 저항 유량 산출부를 구비하며, 상기 유출입 유량 산출부가, 상기 하류측 압력 센서에 의해 측정되는 하류측 압력에 근거하여 상기 유출입 유량을 산출하도록 구성되어 있고, 상기 진단부가, 상기 저항 유량 측정 기구의 이상을 진단하는 것이면 좋다.

간이한 판정 기준에 의해 상기 진단 파라미터에 근거하여 이상의 유무를 판정할 수 있도록 하려면, 정상인 상태에서 상기 진단 파라미터 산출부가 산출한 상기 진단 파라미터를 기준값으로서 기억하는 기준값 기억부를 더 구비하며, 상기 진단부가, 상기 진단 파라미터와 상기 기준값을 비교하여, 이상의 유무를 진단하는 것이면 좋다.

상기 밸브 유량에 대한 응답 속도를 향상시키면서, 상기 진단 파라미터를 산출하는데 필요하게 되는 상기 유체 저항의 상류측에서의 압력 변화 상태를 임의의 타이밍에 실현 가능하도록 하려면, 상기 유체 저항의 상류측에 마련된 상류측 밸브와, 목표 압력값이 변화하고 있는 압력 변화 구간을 포함하는 설정 압력과, 실측되는 상기 유체 저항의 상류측의 압력인 상류측 압력과의 편차가 작아지도록 상기 상류측 밸브를 제어하는 압력 제어부를 더 구비한 것이면 좋다.

상기 하류측 밸브에 의해서 소망의 일정 유량을 공급하면서, 이상의 진단을 행하기 위한 구체적인 제어 구성으로서는, 상기 밸브 유량이 일정하게 되도록 상기 하류측 밸브가 제어되고 있는 상태에서, 상기 압력 제어부가, 상기 상류측 밸브의 개도를 소정 기간 계속 크게 하거나, 또는, 상기 상류측 밸브의 개도를 소정 기간 계속 작게 하는 것을 들 수 있다.

상기 진단 파라미터에 근거하는 진단에 상기 저항 유량 및 상기 유출입 유량의 과도 응답의 영향이 나타나지 않도록 하여 오판정이 생기기 어렵게 하려면, 상기 진단 파라미터 산출부가, 상기 저항 유량 및 상기 유출입 유량이 각각 소정 시간 안정되어 있는 상태에서 상기 진단 파라미터를 산출하는 것이면 좋다.

예를 들면 기존의 유량 제어 장치에서도 본 발명과 동일한 진단 기능을 추가로 부여하려면, 유로에 마련된 유체 저항과, 유체 저항의 하류측에 마련된 하류측 밸브와, 상기 유체 저항을 흐르고, 상기 유체 저항과 상기 하류측 밸브와의 사이의 유로 중의 용적으로 유입되는 저항 유량을 측정하는 저항 유량 측정 기구를 구비한 유량 제어 장치에 이용되는 유량 제어 장치용 프로그램이 저장된 기록매체로서, 상기 용적 내의 압력인 하류측 압력에 근거하여, 상기 용적 내로의 유체의 유출입 유량을 산출하는 유출입 유량 산출부와, 상기 저항 유량과 상기 유출입 유량에 근거하여, 상기 용적으로부터 상기 하류측 밸브를 통해서 유출되는 유체의 유량인 밸브 유량을 추정하는 밸브 유량 추정부와, 설정 유량과, 상기 밸브 유량과의 편차가 작아지도록 상기 하류측 밸브를 제어하는 유량 제어부와, 상기 유체 저항의 상류측의 압력인 상류측 압력이 상승 또는 저하되고 있는 압력 변화 상태에서의 상기 저항 유량 또는 상기 유출입 유량에 근거하여, 진단 파라미터를 산출하는 진단 파라미터 산출부와, 상기 진단 파라미터에 근거하여, 이상을 진단하는 진단부로서의 기능을 컴퓨터에 발휘시키는 것을 특징으로 하는 유량 제어 장치용 프로그램을 인스톨하면 좋다.

또, 유량 제어 장치용 프로그램은 전자적으로 전송되는 것이라도 좋고, CD, DVD, HDD, 플래쉬 메모리 등의 프로그램 기록 매체에 기록되어 있는 것이라도 괜찮다.

이와 같이 본 발명에 의하면, 제어 대상인 상기 밸브 유량을 추정하기 위한 상기 저항 유량 및 상기 유출입 유량에 근거하여 상기 진단 파라미터를 산출하도록 구성되어 있으므로, 소망의 설정 유량을 계속 공급하면서, 병행하여 이상의 진단을 행할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 유량 제어 장치를 나타내는 모식도이다.
도 2는 정상시에서의 상류측 압력, 저항 유량, 유출입 유량, 밸브 유량과의 변화의 관계를 나타내는 모식적 그래프이다.
도 3은 이상시에서의 상류측 압력, 저항 유량, 유출입 유량, 밸브 유량과의 변화의 관계를 나타내는 모식적 그래프이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 유량 제어 장치를 나타내는 모식도가다.

본 발명의 제1 실시 형태에 관한 유량 제어 장치(100)에 대해 도 1 내지 도 3을 참조하면서 설명한다. 제1 실시 형태의 유량 제어 장치(100)는, 예를 들면 반도체 제조 프로세스에서 에칭 챔버에 대해서 가스를 설정 유량으로 공급하기 위해서 이용되는 것이다. 여기서, 설정 유량은, 어느 유량값으로부터 다른 유량값으로 계단 모양으로 오르거나, 혹은, 내려가는 스텝 신호이다. 이 스텝 신호에 대해서 예를 들면 제조되는 반도체의 품질을 만족하도록 소정 시간 내에 추종하도록 유량 제어 장치(100)는 구성되어 있다.

즉, 유량 제어 장치(100)는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 유로에 마련된 센서, 밸브로 이루어지는 유체 기기와, 상기 유체 기기의 제어를 맡는 제어 연산기(COM)를 구비하고 있다.

유로에 대해서 상류측으로부터 차례로 공급압 센서(P0), 상류측 밸브(V1), 상류측 압력 센서(P1), 유체 저항(R), 하류측 압력 센서(P2), 하류측 밸브(V2)가 마련되어 있다. 여기서, 유체 저항(R)은 예를 들면 층류(層流) 소자이며, 그 전후로 흐르는 가스 유량에 대응한 차압(差壓)이 발생한다.

공급압 센서(P0)는, 상류측으로부터 공급되는 가스의 압력을 모니터링하기 위한 것이다. 또, 공급압 센서(P0)에 대해서는 공급압이 안정되어 있는 것이 보증되어 있는 경우 등에는 생략해도 괜찮다.

상류측 압력 센서(P1)는, 유로에서 상류측 밸브(V1)와 유체 저항(R)과의 사이에서의 용적인 상류측 용적 내에 차지(charge)되어 있는 가스의 압력인 상류측 압력을 측정하는 것이다.

하류측 압력 센서(P2)는, 유로에서 유체 저항(R)과 하류측 밸브(V2)와의 사이에서의 용적인 하류측 용적(VL)에 차지(charge)되어 있는 가스의 압력인 하류측 압력을 측정하는 것이다.

이와 같이 상류측 압력 센서(P1)와 하류측 압력 센서(P2)는, 상류측 밸브(V1), 유체 저항(R), 하류측 밸브(V2)로 형성되는 2개의 용적의 압력을 각각 측정하고 있다. 또, 다른 표현을 하면, 상류측 압력 센서(P1)와 하류측 압력 센서(P2)는, 유체 저항(R)의 전후에 배치된 각각의 용적 내의 압력을 측정하는 것이다.

상류측 밸브(V1), 및 하류측 밸브(V2)는, 제1 실시 형태에서는 동형의 것이며, 예를 들면 피에조 소자에 의해서 밸브체가 밸브재에 대해서 구동되는 피에조 밸브이다. 상류측 밸브(V1)는, 상류측 압력 센서(P1)에 의해 측정되는 상류측 압력에 근거하여 상류측 용적 내의 압력을 제어한다. 한편, 유체 기기에서 가장 하류측에 마련되어 있는 하류측 밸브(V2)는, 유체 기기로부터 유출되는 가스 유량 전체를 제어하는 것이다.

다음으로 제어 연산기(COM)에 대해 상술한다.

제어 연산기(COM)는, 예를 들면 CPU, 메모리, A/D·D/A 컨버터, 입출력 수단을 구비하는 이른바 컴퓨터로서, 메모리에 격납되어 있는 유량 제어 장치용 프로그램이 실행되어 각종 기기가 협업하는 것에 의해, 유량 제어 기능을 주로 맡는 저항 유량 산출부(1), 유출입 유량 산출부(2), 밸브 유량 추정부(3), 유량 제어부(4), 압력 제어부(5)로서 기능을 발휘한다. 또, 이 제어 연산기(COM)는, 압력 지령 출력기(72), 진단 파라미터 산출부(71), 진단부(74), 기준값 기억부(73)로 구성되는 자기 진단 기구(7)로서의 기능도 발휘한다.

먼저, 유량 제어에 관련하는 각 부에 대해서 상술한다.

저항 유량 산출부(1)는, 상류측 압력 센서(P1), 유체 저항(R), 하류측 압력 센서(P2)와 함께 이른바 압력식의 유량 센서인 유량 측정 기구(F)를 구성하는 것이다. 즉, 저항 유량 산출부(1)는, 상류측 압력 센서(P1)에 의해 측정되는 상류측 압력과, 하류측 압력 센서(P2)에 의해 측정되는 하류측 압력을 입력으로 하여, 유체 저항(R)을 흐르는 유체 유량인 저항 유량을 산출하고, 출력하는 것이다. 여기서, 저항 유량 산출부(1)에서 이용되는 유량의 산출식은 기존의 것을 이용할 수 있다. 저항 유량 산출부(1)에서 산출되는 저항 유량은, 연속적으로 변화하는 것이지만, 하류측 밸브(V2)의 제어에 의해 실현되는 상기 하류측 밸브(V2)를 통과하고 있는 실제의 유량에 대해서 소정의 시간 지연이 발생하고 있다.

유출입 유량 산출부(2)는, 유체 저항(R)과 하류측 밸브(V2)와의 사이에 있는 하류측 용적(VL) 내로의 유출입 유량을 산출한다. 구체적으로는, 유출입 유량은 하류측 용적(VL) 내의 압력의 변화량으로서 나타나므로, 하류측 압력 센서(P2)의 측정값에 근거하여 산출되는 값이다.

밸브 유량 추정부(3)는, 저항 유량 산출부(1)에서 산출되는 저항 유량과, 유출입 유량 산출부(2)에서 산출되는 유출입 유량에 근거하여, 하류측 밸브(V2)로부터 유출되는 유체 유량인 밸브 유량을 산출한다. 보다 구체적으로는, 밸브 유량 추정부(3)는, 유체 저항(R)과 하류측 밸브(V2)와의 사이의 하류측 용적(VL)에 대해서 유입되는 가스 유량인 저항 유량과, 하류측 용적(VL)으로부터 유출되는 가스 유량인 밸브 유량의 차이의 정수배가, 하류측 압력의 시간 변화량과 동일한 것에 기초하여 밸브 유량을 산출하고 있다.

이하에서는 밸브 유량이 저항 유량과 유출입 유량에 근거하여 산출 가능한 점에 대해 설명한다.

하류측 압력을 P₂, 하류측 용적(VL)의 체적을 V, 가스의 온도를 T, 기체 정수를 R, 질량을 n으로 한 경우, 기체의 상태 방정식으로부터 P₂=nRT/V가 된다. 이 식에 대해 시간 미분을 취하면,

[수식 1]

또, 질량의 시간 미분은 단위 시간당 하류측 용적(VL)에 유출입하는 가스 유량과 비례 관계에 있으므로, 저항 유량을 Q_R, 밸브 유량을 Q_out, 상수를 a로 하면,

[수식 2]

각 식으로부터 밸브 유량 Q_out에 대해 풀면,

[수식 3]

A는 R, T, V, a를 정리한 함수이며, 하류측 압력의 시간 변화량에 대해서 함수 A를 곱한 값은 하류측 용적(VL)에 대한 유출입 유량이다. 즉, 유출입 유량을 Q_P2로 한 경우에 이하와 같이 기술할 수 있다.

[수식 4]

이 식으로부터, 유량 측정 기구(F)에 의해 실측되는 값인 저항 유량으로부터, 하류측 압력 센서(P2)에 의해 측정되는 하류측 압력의 시간 미분으로부터 산출되는 유출입 유량을 빼는 것에 의해, 밸브 유량을 추정할 수 있다는 것을 알 수 있다.

유량 제어부(4)는, 유저에 의해서 설정되는 설정 유량과, 밸브 유량 추정부(3)로부터 입력되는 밸브 유량에 근거하여 하류측 밸브(V2)를 제어한다. 즉, 유량 제어부(43)는, 설정 유량과 밸브 유량의 편차가 작아지도록, 하류측 밸브(V2)로부터 유출되는 가스 유량인 밸브 유량의 피드백에 의해서 하류측 밸브(V2)를 제어한다. 여기서, 설정 유량은, 예를 들면 스텝 함수로서 나타내어지는 것이며, 목표 유량값이 일정한 값으로 유지되고 있는 유량 일정 구간을 포함하는 것이다.

한편, 압력 제어부(5)는 유저에 의해서 설정되는 설정 압력(이하, '통상 설정 압력'이라고도 함)과, 상류측 압력 센서(P1)에 의해 측정되는 상류측 압력에 근거하여 상류측 밸브(V1)를 제어한다. 즉, 압력 제어부(5)는, 설정 압력과 상류측 압력의 편차가 작아지도록 상류측 압력의 피드백에 의해서 상류측 압력을 제어한다. 여기서, 설정 압력은, 밸브 유량이 설정 유량의 유량 일정 구간에서 안정된 경우에 유체 저항(R)의 전후에서 유지되어야 할 압력차에 근거하여 설정된다. 또, 후술하는 바와 같이 유량 측정 기구(F)의 진단이 행해지는 경우에는, 압력 지령 출력기(72)로부터 출력되는 진단용 설정 압력이 입력되고, 그 진단용 설정 압력에 상류측 압력이 추종하도록 상류측 밸브(V1)의 제어가 행해진다.

다음으로, 자기 진단 기구(7)를 구성하는 각 부의 상세에 대하여 설명한다.

진단 파라미터 산출부(71)는, 밸브 유량을 추정하기 위해서 이용되는 저항 유량과, 유출입 유량에 근거하여 진단용 파라미터를 산출한다. 이 진단용 파라미터는 유량 측정 기구(F)에서 예를 들면 막힘 등에 의해 측정 오차가 발생하고 있는지의 여부를 판정하기 위한 것이다. 여기서, 저항 유량 및 유출입 유량은 유량 측정 기구(F) 또는 하류측 압력 센서(P2)에 의해 실측되는 값 또는 그것에 기초하는 값이지만, 상류측 밸브(V1) 또는 하류측 밸브(V2)의 제어를 위해서 직접 피드백은 되어 있지 않은 값이다. 이 실시 형태에서는 진단 파라미터 산출부(71)는, 밸브 유량이 일정하게 되도록 제어되고 있고, 또한, 상류측 압력이 상승 또는 저하되고 있는 압력 변화 상태에서의 저항 유량과 유출입 유량과의 차이의 절대값을 진단용 파라미터로서 산출한다.

또, 진단용 파라미터는 저항 유량과 유출입 유량이 소정 기간 안정되어 있을 때의 값에 근거하여 산출된다. 예를 들면 진단 파라미터 산출부(71)는, 저항 유량 및 유출입 유량의 각각 시계열 데이터의 변동 비율이 소정 % 내에 들어가 있는 경우에는 진단 파라미터를 산출한다.

여기서, 진단용 파라미터의 특성에 대해 설명하기 위해서, 밸브 유량이 일정하게 되도록 하류측 밸브(V2)가 제어되고 있는 상태에서, 상류측 압력이 변화된 경우의 저항 유량, 유출입 유량, 밸브 유량의 관계에 대해 도 2 및 도 3의 그래프를 참조하면서 상술한다. 도 2는 정상시에서의 각각의 변수의 관계를 모식적으로 나타내는 것이며, 도 3은 막힘 등에 의해서 저항 유량에 오차가 발생하고 있는 이상시에서의 각각의 변수의 관계를 모식적으로 나타내는 것이다. 또, 도 2 및 도 3의 그래프에서 나타내는 상류측 압력, 저항 유량, 유출입 유량, 밸브 유량은 밸브 유량이 일정하게 되도록 하류측 밸브(V2)가 제어되고 있는 경우의 변화 경향을 알기 쉽게 하기 위해서, 각각의 값에 대해서는 과장되어 있다. 따라서, 실제로는 유출입 유량은 저항 유량에 대해서 예를 들면 10~100배 정도의 크기의 차이가 있을 수 있다.

이 실시 형태에서는 유저에 의해 진단 지령이 입력되면, 압력 지령 출력기(72)에 의해서 진단용 설정 압력이 압력 제어부(5)에 대해서 입력된다. 진단용 설정 압력은 도 2및 도 3에 나타내는 바와 같이 예를 들면 삼각파 모양의 변화를 하는 것이며, 상류측 압력의 상승 및 하강을 반복시키는 것이다. 압력 제어부(5)는 이러한 상류측 압력의 시간 변화가 실현되도록 상류측 밸브(V1)의 개도를 계속하여 작게 하는 것과 크게 하는 것을 교호로 반복시키게 된다.

예를 들면 상류측 밸브(V1)의 개도가 계속하여 작게 되면 상류측 압력은 저하되게 된다. 그러면 유체 저항(R)의 전후의 차압이 작아지므로, 저항 유량은 저하되게 된다. 이 때문에, 하류측 용적(VL)에 유입되는 유량이 작게 되고, 하류측 밸브(V2)로부터 유출되는 밸브 유량도 작게 되려고 하지만, 유량 제어부(4)는 밸브 유량을 일정한 목표 유량값으로 유지하기 위해서 하류측 밸브(V2)의 개도를 크게 하도록 동작한다. 따라서, 하류측 용적(VL)으로부터 유출되는 밸브 유량은 저항 유량보다도 큰 상태로 유지되게 되기 때문에, 유출입 유량의 값은 커진다.

반대로 상류측 밸브(V1)의 개도가 계속하여 크게 되면 상류측 압력은 상승하게 된다. 그러면 유체 저항(R)의 전후의 차압이 커지므로, 저항 유량은 증가하게 된다. 이 때문에, 하류측 용적(VL)에 유입되는 유량이 크게 되고, 하류측 밸브(V2)로부터 유출되는 밸브 유량도 크게 되려고 하지만, 유량 제어부(4)는 밸브 유량을 일정한 목표 유량값으로 유지하기 위해서 하류측 밸브(V2)의 개도를 작게 하도록 동작한다. 따라서, 하류측 용적(VL)으로부터 유출되는 밸브 유량은 저항 유량보다도 작은 상태로 유지되게 되기 때문에, 유출입 유량의 값은 작게 된다.

이러한 각 변수의 관계에 대해서 수식을 이용하여 다른 표현으로 설명한다. 상류측 압력이 변화하고 있는 압력 변화 상태에서 밸브 유량, 저항 유량, 유출입 유량의 변화량을 각각, ΔQ_out, ΔQ_R, ΔQ_P2로 한다. 수식 4의 일반적인 관계로부터 이하와 같이 바꿔 쓸 수 있다. 이 실시 형태에서의 압력 변화 상태는 압력이 상승하고 있는 상태로부터 하강하고 있는 상태로 변화의 방향이 반대가 되는 전후를 말한다.

[수식 5]

여기서, 유량 제어부(4)에 의해 밸브 유량은 일정하게 유지되어 있으면, ΔQ_out=0이 되므로, 정상시에서는 이하와 같이 저항 유량의 변화량과 유출입 유량의 변화량은 동일하게 된다.

[수식 6]

한편, 도 3의 그래프에 나타내는 바와 같이 유체 저항(R)의 막힘 등이 발생하여 저항 유량에 오차가 발생하고 있는 경우의 저항 유량을 Q_R＾, 정상시의 저항 유량을 Q_R, 오차를 Q_ERR

로 한 경우에는 수식 6의 식은 이하와 같이 바꿔 쓸 수 있다.

[수식 7]

즉, 상류측 압력의 변곡점의 전후에서의 저항 유량의 최대 변화량 ΔQ_R, 또는, 상류측 압력의 변곡점의 전후에서의 유출입 유량의 최대 변화량 ΔQ_P2는 도 2 및 도 3의 그래프에 나타내는 바와 같이 정상시와 오차가 발생하고 있는 경우에는 각각 절대값에 차이가 나타난다. 따라서, 본 실시 형태에서는 ΔQ_R 또는 ΔQ_P2를 진단 파라미터로서 진단 파라미터 산출부(71)는 산출하고 있다.

기준값 기억부(73)는, 예를 들면 도 2의 그래프에 나타내는 바와 같이 유량 측정 기구(F)가 정상인 상태에서 산출되는 진단 파라미터를 기준값으로서 기억하는 것이다.

진단부(74)는, 진단 파라미터에 근거하여 이상이 발생하고 있지 않은지의 여부를 진단한다. 구체적으로는 진단부(74)는, 진단 파라미터 산출부(71)에서 산출되는 진단 파라미터와, 기준값 기억부(73)에서 기억되어 있는 기준값을 비교하고, 유량 측정 기구(F)에 의해 측정되어 있는 저항 유량에 오차가 발생하고 있지 않는지의 여부를 진단한다. 예를 들면 진단 파라미터와 기준값와의 차이가 소정값 이상으로 되어 있는 경우에는, 진단부(74)는 유량 측정 기구(F)에 이상이 발생하고 있다고 판정한다.

이와 같이 제1 실시 형태의 유량 제어 장치(100)에 의하면, 하류측 밸브(V2)에 의해 실현되는 밸브 유량은 일정한 목표 유량값을 유지하면서, 병행하여 유량 측정 기구(F)의 자기 진단을 행할 수 있다.

따라서, 종래와 같이 진단을 위해서 챔버로의 가스의 공급을 중단하여 별도 메인터넌스 기간을 설정할 필요가 없고, 반도체 제조 프로세스를 계속하면서 리얼타임으로 각 기기의 이상을 계속 진단하는 것이 가능해진다.

이 때문에, 항상 측정기에서 오차가 생기고 있지 않은 것을 계속 보증하는 것이 가능해져, 실현되어 있는 밸브 유량의 신뢰성을 보다 향상시키는 것이 가능해진다.

다음으로 본 발명의 제2 실시 형태에 대해 도 4를 참조하면서 설명한다. 또, 제1 실시 형태에서 설명한 부재에는 동일 부호를 붙이는 것으로 한다.

제2 실시 형태는, 제1 실시 형태의 유량 제어 장치(100)와 비교하여 상류측 밸브(V1), 및 상류측 압력 센서(P1)가 생략되어 있는 점에서 다르고, 그 외의 점에서는 동일 구성을 가지고 있다. 즉, 진단을 위해서 상류측 압력의 변화 상태를 임의로 형성할 수 없지만, 예를 들면 상류측으로부터 공급되는 가스의 압력의 변동 자체를 이용하여 제1 실시 형태와 마찬가지로 일정한 목표 유량값을 밸브 유량으로 실현하면서, 진단부(74)에서의 진단을 행할 수 있다.

그 외의 실시 형태에 대해 설명한다.

유량 제어 장치가 제어하는 유체는 가스에 한정되지 않고, 액체라도 상관없다.

진단 파라미터에 대해서는, 상류측 압력이 상승하고 있는 상태와 하강하고 있는 상태인 2개의 상태에서의 저항 유량의 차이, 유출입 유량의 차이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면 상류측 압력이 상승하고 있는 상태에서의 유출입 유량의 값 자체를 진단 파라미터로 해도 좋다. 마찬가지로 상류측 압력이 하강하고 있는 상태에서의 유출입 유량의 값 자체를 진단 파라미터로 해도 좋다. 또, 밸브 유량을 기준으로 하여 압력 변화 상태에서의 저항 유량과 밸브 유량과의 차이를 진단 파라미터로 해도 괜찮다. 진단 파라미터는, 각 유량의 차이에 한정되는 것이 아니고, 상류측 압력이 상승하고 있는 상태에서의 저항 유량의 값과, 상류측 압력이 하강하고 있는 상태에서의 저항 유량의 값과의 비(比)라도 괜찮다. 마찬가지로 상류측 압력이 상승하고 있는 경우와 하강하고 있는 경우에서의 각각의 경우에서의 유출입 유량의 값의 비를 진단 파라미터로 해도 좋다. 즉, 진단 파라미터는, 압력 변화 상태에서의 저항 유량 또는 유출입 유량에 근거하여, 설정되는 것이면 좋다.

진단용 설정 압력에 대해서는 삼각파 모양인 것에 한정되지 않고, 직사각형파(波)나 정현파 등이라도 괜찮다. 즉, 압력 변화 상태를 실현하기 위한 파형에 대해서는 여러가지 것이 고려된다.

진단 파라미터가 산출되는 것은 설정 유량의 목표 유량값이 일정값으로 유지되고 있는 경우에 한정되지 않는다. 예를 들면 설정 유량이 일정 비율씩 크게 되거나, 또는, 작게 되고 있는 상태에서 그 상태에서의 저항 유량 또는 유출입 유량으로부터 진단 파라미터를 산출해도 괜찮다.

유량 측정 기구에 대해서는 실시 형태에서 설명한 압력식인 것에 한정되지 않고, 그 외의 측정 원리에 근거하는 것이면 좋다. 즉, 하류측 압력 센서가 유량 측정 기구의 일부를 이루지 않고 별도로 마련되는 것이라도 상관없다.

그 외, 본 발명의 취지에 반하지 않는 한, 실시 형태의 변형을 행해도 좋고, 각 실시 형태의 일부 또는 전체를 각각 조합시켜도 상관없다.

본 발명에 의하면, 제어 대상인 밸브 유량을 추정하기 위한 저항 유량 및 유출입 유량에 근거하여 진단 파라미터를 산출하도록 구성되어 있으므로, 소망의 설정 유량을 계속 공급하면서, 병행하여 이상의 진단을 행할 수 있는 유량 제어 장치를 제공할 수 있다.

100 - 유량 제어 장치 V1 - 상류측 밸브
P1 - 상류측 압력 센서 R - 유체 저항
VL - 하류측 용적 P2 - 하류측 압력 센서
V2 - 하류측 밸브 F - 유량 측정 기구
1 - 저항 유량 산출부 2 - 유출입 유량 산출부
3 - 밸브 유량 추정부 4 - 유량 제어부
5 - 압력 제어부 7 - 자기 진단 기구
71 - 진단 파라미터 산출부 72 - 압력 지령 출력기
73 - 기준값 기억부 74 - 진단부

Claims

유로에 마련된 유체 저항과,
유체 저항의 하류측에 마련된 하류측 밸브와,
상기 유체 저항을 흐르고, 상기 유체 저항과 상기 하류측 밸브와의 사이의 유로 중의 용적으로 유입되는 저항 유량을 측정하는 저항 유량 측정 기구와,
상기 용적 내의 압력인 하류측 압력에 근거하여, 상기 용적 내로의 유체의 유출입 유량을 산출하는 유출입 유량 산출부와,
상기 저항 유량과 상기 유출입 유량에 근거하여, 상기 용적으로부터 상기 하류측 밸브를 통해서 유출되는 유체의 유량인 밸브 유량을 추정하는 밸브 유량 추정부와,
설정 유량과, 상기 밸브 유량과의 편차가 작아지도록 상기 하류측 밸브를 제어하는 유량 제어부와,
상기 유체 저항의 상류측의 압력인 상류측 압력이 상승 또는 저하되고 있는 압력 변화 상태에서의 상기 저항 유량 또는 상기 유출입 유량에 근거하여, 진단 파라미터를 산출하는 진단 파라미터 산출부와,
상기 진단 파라미터에 근거하여, 이상(異常)을 진단하는 진단부를 구비한 것을 특징으로 하는 유량 제어 장치.
청구항 1에 있어서,
설정 유량은, 목표 유량값이 일정한 값으로 유지되어 있는 유량 일정 구간을 포함하는 것인 유량 제어 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 저항 유량 측정 기구가,
상기 유체 저항의 상류측에 마련되고, 상기 유체 저항의 상류측의 압력인 상류측 압력을 측정하는 상류측 압력 센서와,
상기 유체 저항과 상기 하류측 밸브와의 사이에 마련되고, 상기 하류측 압력을 측정하는 하류측 압력 센서와,
상기 상류측 압력, 및 상기 하류측 압력에 근거하여, 상기 저항 유량을 산출하는 저항 유량 산출부를 구비하며,
상기 유출입 유량 산출부가, 상기 하류측 압력 센서에서 측정되는 하류측 압력에 근거하여 상기 유출입 유량을 산출하도록 구성되어 있고,
상기 진단부가, 상기 저항 유량 측정 기구의 이상을 진단하는 유량 제어 장치.
청구항 1에 있어서,
정상인 상태에서 상기 진단 파라미터 산출부가 산출한 상기 진단 파라미터를 기준값으로서 기억하는 기준값 기억부를 더 구비하며,
상기 진단부가, 상기 진단 파라미터와 상기 기준값을 비교하여, 이상의 유무를 진단하는 유량 제어 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 유체 저항의 상류측에 마련된 상류측 밸브와,
목표 압력값이 변화하고 있는 압력 변화 구간을 포함하는 설정 압력과, 실측되는 상기 유체 저항의 상류측의 압력인 상류측 압력과의 편차가 작아지도록 상기 상류측 밸브를 제어하는 압력 제어부를 더 구비한 유량 제어 장치.
청구항 5에 있어서,
상기 밸브 유량이 일정하게 되도록 상기 하류측 밸브가 제어되고 있는 상태에서, 상기 압력 제어부가, 상기 상류측 밸브의 개도(開度)를 소정 기간 계속 크게 하거나, 또는, 상기 상류측 밸브의 개도를 소정 기간 계속 작게 하는 유량 제어 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 진단 파라미터 산출부가, 상기 저항 유량 및 상기 유출입 유량이 각각 소정 시간 안정되어 있는 상태에서 상기 진단 파라미터를 산출하는 유량 제어 장치.
유로에 마련된 유체 저항과, 유체 저항의 하류측에 마련된 하류측 밸브와, 상기 유체 저항을 흐르고, 상기 유체 저항과 상기 하류측 밸브와의 사이의 유로 중의 용적으로 유입되는 저항 유량을 측정하는 저항 유량 측정 기구를 구비한 유량 제어 장치의 진단 방법으로서,
상기 용적 내의 압력인 하류측 압력에 근거하여, 상기 용적 내로의 유체의 유출입 유량을 산출하는 유출입 유량 산출 스텝과,
상기 저항 유량과 상기 유출입 유량에 근거하여, 상기 용적으로부터 상기 하류측 밸브를 통해서 유출되는 유체의 유량인 밸브 유량을 추정하는 밸브 유량 추정 스텝과,
설정 유량과, 상기 밸브 유량과의 편차가 작아지도록 상기 하류측 밸브를 제어하는 유량 제어 스텝과,
상기 유체 저항의 상류측의 압력인 상류측 압력이 상승 또는 저하되고 있는 압력 변화 상태에서의 상기 저항 유량 또는 상기 유출입 유량에 근거하여, 진단 파라미터를 산출하는 진단 파라미터 산출 스텝과,
상기 진단 파라미터에 근거하여, 이상을 진단하는 진단 스텝을 구비한 것을 특징으로 하는 진단 방법.
유로에 마련된 유체 저항과, 유체 저항의 하류측에 마련된 하류측 밸브와, 상기 유체 저항을 흐르고, 상기 유체 저항과 상기 하류측 밸브와의 사이의 유로 중의 용적으로 유입되는 저항 유량을 측정하는 저항 유량 측정 기구를 구비한 유량 제어 장치에 이용되는 유량 제어 장치용 프로그램이 저장된 기록매체로서,
상기 용적 내의 압력인 하류측 압력에 근거하여, 상기 용적 내로의 유체의 유출입 유량을 산출하는 유출입 유량 산출부와,
상기 저항 유량과 상기 유출입 유량에 근거하여, 상기 용적으로부터 상기 하류측 밸브를 통해서 유출되는 유체의 유량인 밸브 유량을 추정하는 밸브 유량 추정부와,
설정 유량과, 상기 밸브 유량과의 편차가 작아지도록 상기 하류측 밸브를 제어하는 유량 제어부와,
상기 유체 저항의 상류측의 압력인 상류측 압력이 상승 또는 저하되고 있는 압력 변화 상태에서의 상기 저항 유량 또는 상기 유출입 유량에 근거하여, 진단 파라미터를 산출하는 진단 파라미터 산출부와,
상기 진단 파라미터에 근거하여, 이상을 진단하는 진단부로서의 기능을 컴퓨터에 발휘시키는 것을 특징으로 하는 유량 제어 장치용 프로그램이 저장된 기록매체.