KR101532594B1 - 가스 공급 장치용 유량 제어기의 유량 측정 방법 - Google Patents

가스 공급 장치용 유량 제어기의 유량 측정 방법 Download PDF

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가부시키가이샤 후지킨
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Abstract

본 발명은 가스 공급 장치용 유량 제어기의 유량 측정을 보다 신속 또한 고정밀도로 행할 수 있도록 함과 아울러, 측정에 사용하는 유량 측정 장치의 구조의 간소화 및 소형화를 도모한다.
가스 공급 관로(L)의 출구 단부에 설치된 개폐 밸브(V0)의 상류부에 분기상으로 또한 해리 가능하게 그 입구측 단부를 연결함과 아울러, 그 출구측 단부를 가스 유출측에 연결하는 분기 관로(Lb)와, 분기 관로(Lb)의 출구측에 설치된 개폐 밸브(V)와, 개폐 밸브(V)에 흐르는 가스 압력 및 가스 온도를 검출하는 압력 검출기(Pd) 및 온도 검출기(Td)와, 압력 검출기(Pd) 및 온도 검출기(Td)로부터의 검출 신호가 입력되어 분기 관로(Lb)를 유통하는 가스 유량을 연산하는 연산 제어 장치(CP)로 이루어지고, 가스 공급 장치(GF)의 가스 공급 관로(L)의 출구 단부에 설치된 개폐 밸브(VO)의 상류부에 분기상으로 또한 해리 가능하게 연결한다.

Description

가스 공급 장치용 유량 제어기의 유량 측정 방법{FLOW RATE MEASUREMENT METHOD OF FLOW RATE CONTROLLER FOR GAS FEEDER}
본 발명은 반도체 제조 장치나 약품 제조 장치 등에 사용하는 가스 공급 장치의 유량 제어기의 유량 측정 장치 및 유량 측정 방법의 개량에 관한 것이고, 장치의 소형화, 구조의 간단화, 측정 정밀도의 향상 및 유량 측정의 신속화 등을 가능하게 하는 가스 공급 장치용 유량 제어기의 유량 측정 장치 및 이것을 사용한 유량 측정 방법에 관한 것이다.
반도체 제조 장치 등의 가스 공급 장치는 일반적으로 다종류의 가스를 프로세스 챔버 등의 가스 사용 대상으로 전환하여 공급하도록 구성되고 있고, 필요한 프로세스용 가스가 공급 가스 종마다 설치된 유량 제어기에 의해 유량 제어되고 가스 사용 대상에 공급되어 행한다.
또한, 상기 각 유량 제어기의 유량 측정은 일반적으로 빌드업법(또는 압력상승률(ROR)법)에 의해 적당한 시간 간격을 두고 행해지고, 유량 제어기의 설정 유량과 빌드업법 등에 의해 계측한 현실의 제어 유량을 비교함으로써 유량 측정이 행해지고 있다.
도 5 및 도 6은 종전의 가스 공급 장치용 유량 제어기의 유량 측정 방법의 일례를 나타내는 것이다. 즉, 도 5의 측정 방법에 있어서는, 우선 내용적이 기지의 빌드업 탱크(BT)와 입구 개폐 밸브(V1)와 출구 개폐 밸브(V2)와 압력 검출기(Pd) 및 가스 온도 검출기(Td)로 이루어지는 유량 측정 유닛(U0)을 가스 공급로(L)에 분기상으로 연결한다. 이어서, 예를 들면 가스 공급 장치(GF)의 유량 제어기(MFC1)를 측정할 경우에는, 우선 개폐 밸브(VO2, VOn, VO)를 닫고 개폐 밸브(VO1, V1 및 V2)를 열어 탱크(BT)내에 가스를 유통시키고, 개폐 밸브(V1 및 V2)를 개방한 상태에서의 시각(t1) 또는 개폐 밸브(V1 및 V2)를 개방한 후 개폐 밸브(V2)를 폐쇄한 상태에서의 시각(t1)에서 압력 검출값(P1), 온도 검출값(T1)을 계측한다. 이어서, 개폐 밸브(V1 및 V2)의 개방 상태로부터 개폐 밸브(V1)를 폐쇄하고 나서 Δt초 경과 후 또는 상기 개폐 밸브(V1 및 V2)를 개방한 뒤 개폐 밸브(V2)를 폐쇄한 상태에서의 시각(t1)으로부터 Δt초 경과 후에 있어서의 압력 검출값(P2), 온도 검출값(T2)을 계측한다.
그리고, 상기 각 계측값으로부터 압력 상승률(ΔP/Δt)을 구하고, 유량(Q)을 Q=(ΔP/Δt)×(V/RT)로서 산출하여 유량 제어기(MFC1)의 유량 제어값을 확인한다. 또한, 상기 유량 계산식은 가스를 이상기체로 가정하여 탱크(BT)내에서 빌드업 유량을 연산하는 것이고, V는 빌드업 탱크(BT) 및 그 상류측 관로의 합계 내용적, R은 가스 정수, T는 탱크(BT)내의 가스 온도이다.
한편, 도 6의 측정 방법에 있어서는 빌드업 탱크를 사용하지 않는 유량 측정 유닛(U1)을 가스 공급 라인(L)에 분기상으로 연결한다. 그리고, 예를 들면 가스 공급 장치(GF)의 유량 제어기(MFC1)를 측정할 경우에는, 우선 개폐 밸브(VO, VOO, VO2, VOn)을 닫고 개폐 밸브(V01, V1, V2)를 열어 유량 측정 유닛(U1)에 유량 제어기(MFC1)로부터 설정 유량의 가스를 흘려보내고, 이어서 개폐 밸브(V2)을 닫는다. 개폐 밸브(V2)의 폐쇄 후, 압력 검출기(Pd)의 압력 검출값이 P1이 되었을 때에 제 1 계측을 행하여 압력(P1), 온도(T1)를 측정한다. 그 후, 압력 검출기(Pd)의 압력 검출값이 P2가 되었을 때(또는 설정 시간 t초가 경과했을 때)에 제 2 계측을 행하여 압력(P2), 온도(T2)를 측정한다.
또한, 미리 유량 측정 유닛(U1)의 상류측 개폐 밸브(VOO), 개폐 밸브(VO1), 개폐 밸브(VO2), 개폐 밸브(VOn)로부터 개폐 밸브(V1)까지의 가스 공급 라인(L, Ls) 부분의 관로 내용적(Ve)과, 유량 측정 유닛(U1)의 개폐 밸브(V1)와 개폐 밸브(V2) 사이의 유로 내용적(Vt)의 합(V)을 상기 도 5의 경우와 동일한 측정 방법에 의해 구한 압력 상승률(ΔP/Δt)과, 그 때의 유량 제어기(MFC1)의 유량값(Q)를 사용하고 유량식 Q=(ΔP/Δt)×(V/RT)로부터 연산하여 전체 내용적(V)을 구한다.
그리고, 상기 각 측정값으로부터 유량 제어기(MFC1)로부터 온도 0℃, 1atm에 있어서의 가스의 절대 유량(Qo)을 가스의 유입 질량(dG)과 경과(유입) 시간(dt)의 관계를 사용하여 구한다. 즉, 유입 질량(dG)은 dG=ro·Qo·dt(단, dt는 경과(유입) 시간, ro는 비중량이다)로 나타낼 수 있다. 또한, 제 1 계측시 및 제 2 계측시의 압력(P), 온도(T)로부터 이상기체에 대해서는 PV=nRT의 관계가 성립하기 때문에, 몰수(n)를 대신하여 질량(G)을 사용하면 PV=GRT의 관계가 성립한다.
따라서, 지금 제 1 계측시에 계측한 가스 압력(P1), 가스 온도(T1), 가스 질량(G1)과, 제 2 계측시의 가스 압력(P2), 가스 온도(T2), 가스 질량(G2)으로 하면, 질량(G)의 차분(유입 질량(dG))은 dG=G2-G1=P1/T1·V/R-P2/T2·V/R=(P1/T1-P2/T2)·V/R····(1)식이 되고, 상기 dG=ro·Qo·dt의 식으로부터 가스의 절대 유량(Qo)은 Qo=(P1/T1-P2/T2)·V/R·1/(ro·t)로서 산출할 수 있고, 상기 산출값(Qo)을 기준으로 하여 유량 제어기(MFC1)의 유량 제어능의 적부를 판정한다.
상기 도 6의 방법은 (1) 가스종에 따라서는 이상기체 방정식의 적용이 곤란하기 때문에, 압축 인자가 되는 계수를 상기 (1)식에 반입하여 산출한 기준 유량의 오차를 적게 하는 것 및 (2) 제 1 계측 후 제 2 계측을 개시하는 타이밍을 제어 유량이 1000∼2000SCCM의 범위에서는 압력 상승값을 기준으로 하여 결정하고, 또한 제어 유량이 2∼1000SCCM의 범위에서는 경과 시간을 기준으로 하여 결정하도록 하는 것을 발명의 주된 내용으로 한다.
또한, 상기 도 6의 방법에 있어서도, 상기 각 계측값으로부터 압력 상승률(ΔP/Δt)을 구하고, 유량(Q)을 Q=(ΔP/Δt)×(V/RT)로서 산출함과 아울러, 상기 산출값을 기준으로 하여 유량 제어기(MFC1)의 유량 제어값의 적부를 판단할 수 있는 것은 물론이다.
상기 도 5에 나타낸 빌드업 탱크(BT)를 사용하는 방법은 (1) 빌드업 탱크(BT)를 사용하기 위해서 유량 측정 장치가 대형화하고, 가스 공급 장치의 소형화가 도모될 수 없는 것, (2) 탱크(BT)내의 가스 온도의 계측값이 온도 검출기(Td)의 설치 위치에 의해 크게 변동하는 것, (3) 탱크내의 가스 압력 상승 중에 가스 온도(T)가 크게 변동하고, 일정 온도(T)가 되지 않는 것, (4) 외기의 온도 변화가 클 경우에는 압력 검출 중에 가스 온도가 변화되어 온도 검출값(T)의 변동이 커지는 등의 점에 문제가 있고, 가스종이 이상기체에 가까운 것이어도 높은 유량 측정 정밀도를 얻을 수 없다는 문제가 있다.
한편, 도 6의 방법에 있어서는 유량 측정 유닛(U1)의 유입측에 밸브(V1)를 설치하고, 이것을 통하여 분기 접속 관로(Ls)의 단부에 연결되도록 되어 있다. 그러나, 이 밸브(V1)는 유량 측정할 때에 전혀 이용되지 않는 것이고, 반대로 이 밸브(V1)가 존재함으로써 유체 저항이 증가하거나 밸브(V1)의 구동용 기구, 예를 들면 전자 밸브, 구동 유체용 배관 등이 필요하게 되고, 부품 비용이나 조립 비용이 증가하는 것, 밸브(V1)의 구동 특성에 기인하는 동작 지연이나 타이밍 조정이 필요하게 되는 것 등의 많은 문제가 발생하게 된다.
또한, 도 6의 방법에 있어서는 유체 공급 관로(L)와 분기 접속 관로(Ls)의 유로 내용적(Ve)과 유량 측정 유닛(U1)의 유로 내용적(Vt)의 합계 용적(V)을 계측할 때에, 밸브(V1)를 2도에 걸쳐서 개폐하고 또한 그 사이에 유량 측정 유닛(U1)내를 진공 배기하고 있기 때문에, 유량 측정에 수고가 든다는 문제가 있다.
일본 특허공개 2006-337346호 공보 국제공개 WO 2007/102319호 공보
본원 발명은 종전의 유량 측정 유닛(U1)을 사용한 유량 제어기의 유량 측정에 있어서의 상술과 같은 문제, 즉 유량 측정 유닛(U1)의 유체 입구측과 유체 출구측의 각각에 밸브(V1, V2)를 설치하고 있지만, 이 입구측 밸브(V1)를 설치함으로써 발생하는 유체 저항이 증가하거나, 입구측 밸브(V1)에 전자 밸브, 구동 유체용 배관 등으로 이루어지는 구동용 기구를 필요로 하고, 그 조립 비용이 증가하는 것, 구동 특성에 기인하는 동작 지연이나 타이밍 조정이 필요하게 되는 것 등의 문제를 해결 함과 아울러, 유량 측정에 필요한 유체 공급 관로(L)와 분기 접속 관로(Ls)의 내용적(Ve)과 유량측정 유닛(U1)의 내부 용적(Vt)의 합계 내용적(V)의 산정에 수고가 드는 문제를 해결하고, 소형으로 간단히 가스 공급 장치에 부설할 수 있고, 또한 간단한 조작으로도 고정밀도한 유량 측정을 할 수 있도록 하는 가스 공급 장치용 유량 제어기의 유량 측정 장치와, 이것을 사용한 유량 측정 방법을 제공하는 것을 발명의 주목적으로 한다.
본원 발명은, 가스 공급 관로(L)의 출구 단부에 설치된 개폐 밸브(V0)의 상류부에 분기상으로 또한 해리 가능하게 그 입구측 단부를 연결함과 아울러, 그 출구측 단부를 가스 유출측에 연결하는 분기 관로(Lb)와, 분기 관로(Lb)의 출구측에 설치된 개폐 밸브(V)와, 개폐 밸브(V)에 흐르는 가스 압력 및 가스 온도를 검출하는 압력 검출기(Pd) 및 온도 검출기(Td)와, 압력 검출기(Pd) 및 온도 검출기(Td)로부터의 검출 신호가 입력되어 분기 관로(Lb)를 유통하는 가스 유량을 연산하는 연산 제어 장치(CP)로 이루어지고, 가스 공급 장치(GF)의 가스 공급 관로(L)의 출구 단부에 설치된 개폐 밸브(VO)의 상류부에 분기상으로 또한 해리 가능하게 연결하는 것을 발명의 기본 구성으로 할 수 있다.
본원 발명은, 복수종의 가스를 각 유량 제어기를 통하여 스위칭 가능하게 가스 사용 개소로 공급하는 가스 공급 장치에 있어서, 상기 가스 공급 장치의 가스 공급로(L)에 분기 관로(Lb)와 그 출구측에 설치된 개폐 밸브(V)와 분기 관로(Lb)의 가스 압력 검출기(Pd) 및 가스 온도 검출기(Td)와 연산 제어 장치(CP)로 이루어지는 유량 측정 장치(U)를 분기상으로 연결함과 아울러, 상기 유량 측정 장치(U)의 개폐 밸브(V)를 가스 유출측에 접속하고, 우선 상기 유량 제어 장치의 각 유량 제어기의 출구측 개폐 밸브(VO1∼V0n) 및 가스 공급 관로(L)의 출구 단부의 개폐 밸브(V0)를 폐쇄함과 아울러, 유량 측정 장치(U)의 개폐 밸브(V)를 개방하고, 이어서 피측정 유량 제어기의 출구측 개폐 밸브만을 개방하여 설정 유량의 가스를 상기 유량 측정 장치(U)로 유입시키고, 가스 압력 및 가스 온도가 안정된 후 개폐 밸브(V)를 폐쇄하고, 가스 압력이 설정압(P1)에 도달된 시각(t1)에서 제 1 회 가스 온도(T1) 및 가스 압력(P1)을 계측하고, 그 후 상기 가스 압력이 설정압(P2)에 도달된 시각(t2)에서 제 2 회 가스 온도(T2) 및 가스 압력(P2)을 계측하고, 상기 각 계측값으로부터 가스 유량(Q)을 Q=(22.4V/R·Δt)×(P2/T2-P1/T1)(단, V는 분기 관로(Lb) 및 가스 공급 관로(L)의 합계 내용적, R은 가스 정수, Δt는 t2-t1이다)로서 연산하는 것을 발명의 기본 구성으로 할 수 있다.
본원 발명은, 복수종의 가스를 각 유량 제어기를 통하여 스위칭 가능하게 가스 사용 개소로 공급하는 가스 공급 장치에 있어서, 상기 가스 공급 장치의 가스 공급로(L)에 분기 관로(Lb)와 그 출구측에 설치된 개폐 밸브(V)와 분기 관로(Lb)의 가스 압력 검출기(Pd) 및 가스 온도 검출기(Td)와 연산 제어 장치(CP)로 이루어지는 유량 측정 장치(U)를 분기상으로 연결함과 아울러, 상기 유량 측정 장치(U)의 개폐 밸브(V)를 가스 유출측에 접속하고, 우선 상기 유량 제어 장치의 각 유량 제어기의 출구측 개폐 밸브(V01∼V0n) 및 가스 공급 관로(L)의 출구 단부의 개폐 밸브(V0)를 폐쇄함과 아울러, 유량 측정 장치(U)의 개폐 밸브(V)를 개방하고, 이어서 피측정 유량 제어기의 출구측 개폐 밸브만을 개방하여 설정 유량의 가스를 상기 유량 측정 장치(U)로 유입시키고, 가스 압력 및 가스 온도가 안정된 후 개폐 밸브(V)를 폐쇄하고, 가스 압력의 상승률(ΔP/Δt)을 계측함과 아울러, 유량(Q)을 Q=ΔP/Δt×V/R·T(단, V는 분기 관로(Lb) 및 가스 공급 관로(L)의 합계 내용적, R은 가스 정수, Δt는 측정 시간, T는 기체 온도이다)로서 연산하는 것을 발명의 기본 구성으로 할 수 있다.
본원 발명은, 유량 측정 장치(U)를 입구측 단부를 가스 공급 관로(L)에 또한 출구측 단부를 가스 유출측에 각각 연결하는 분기 관로(Lb)와, 분기 관로(Lb)의 출구측에 설치된 개폐 밸브(V)와, 개폐 밸브(V)에 흐르는 가스 압력 및 가스 온도를 검출하는 압력 검출기(Pd) 및 온도 검출기(Td)와, 압력 검출기(Pd) 및 온도 검출기(Td)로부터의 검출 신호가 입력되어 분기 관로(Lb)를 유통하는 가스 유량을 연산하는 연산 제어 장치(CP)와, 개폐 밸브(V)로 구동용 유체를 공급하는 전자 밸브(EV)와, 전자 밸브(EV)로 구동용 유체를 공급하는 구동용 유체원(DGS)과, 연산 제어 장치(CP)로의 입출력 보드(IO)와, 전원 장치(ES)로 구성하도록 할 수 있다.
(발명의 효과)
본 발명에 있어서는, 상기 용적(V)은 질소 가스 등을 사용하여 가스 유량(Q)시의 압력 상승률을 측정함으로써 V=Δt×Q×R×T/ΔP(단, Q는 유량, P는 유체압, T는 온도, R은 가스 정수, ΔP/Δt는 압력 상승률이다)에 의해 용이하게 구할 수 있다. 즉, 개폐 밸브(V1)를 설치하지 않아도, 유량 측정에 필요한 분기 관로(Lb) 및 가스 공급 관로(L)의 합계 내용적(V)을 간단히 산정할 수 있기 때문에, 유량 제어기의 유량 측정 조작이 보다 간단하게 된다.
또한, 본 발명에 있어서는 유량 측정 장치(U)의 분기 관로(Lb)에 설치하는 개폐 밸브(V)를 그 출구측단에만 설치된 구성으로 하고 있기 때문에, 유량 측정 장치(U)의 소형화 및 구조의 간소화를 도모할 수 있을 뿐만 아니라, 가스 유로 저항의 인하가 가능해진다. 또한, 가스 공급 장치(GF)의 운전 중에는 상시 2차측의 가스 공급 관로(L)의 가스압을 압력 검출기(Pd)에 의해 감시할 수 있고, 유량 계측이 가능한 압력 상태인가 아닌가를 사전에 즉시 확인할 수 있다.
또한, 유량 측정 조작에 있어서도, 측정 스타트의 신호에 대하여 압력 이상의 상태에 있으면 즉시 알람 발신이 가능할 뿐만 아니라, 상시 2차측의 가스 공급 관로(L)의 압력 상태를 감시할 수 있으므로 압력 검출기(Pd)를 가스 공급 관로(L)의 가스압 모니터로서 활용할 수 있다.
또한, 유량 제어기가 압력식 유량 제어 장치인 경우에는 압력 검출기(Pd)의 검출 신호를 유량 제어기의 유량 제어 범위의 하한값을 나타내는 알람으로서도 활용할 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 가스 공급 장치용 유량 제어기의 유량 측정 장치의 구성도이다.
도 2는 유량 측정 장치를 구비한 가스 공급 장치의 설명도이다.
도 3은 관로 내용적의 계측 방법의 설명도이다.
도 4는 도 3의 계측 방법에 있어서의 가스 압력이나 가스 온도의 변화 상황을 나타내는 선도이다.
도 5는 종전의 빌드업법에 의한 유량 측정 방법의 설명도이다.
도 6은 종전의 다른 빌드업법에 의한 유량 측정 방법의 설명도이다.
도 1은 본 발명에 의한 가스 공급 장치용 유량 제어기의 유량 측정 장치의 구성을 나타내는 설명도이고, 또한 도 2는 유량 제어기의 측정 방법의 실시형태를 나타내는 설명도로서, 가스 공급 장치(GF)에 설치된 압력식 유량 제어기(FCS)의 유량 측정을 행할 경우를 나타내고 있다.
도 1 및 도 2에 있어서, GF는 가스 공급 장치, FCS1∼FCSn은 유량 제어기, G0∼Gn은 공급 가스종, L1∼Ln, L은 가스 공급 관로, Ls는 분기 접속 관로, Lb는 분기 관로, VOO∼V0n은 개폐 밸브, V0는 개폐 밸브, V는 개폐 밸브, CH는 프로세스 챔버, VP는 진공 펌프, Td는 온도 검출기, Pd는 압력 검출기, B는 분기점, F는 접속용 플랜지, EV는 전자밸브, DGS는 구동용 유체원, Tu는 구동용 유체 공급관, IO는 입출력 보드, ES는 DC 전원, 1은 압력 조정기, 2는 압력계, 3·4는 개폐 밸브, U는 유량 측정 장치, CP는 연산 제어 장치이고, 가스 공급 장치(GF)로부터 가스 공급 관로(L), 개폐 밸브(V0)를 통하여 프로세스 챔버(CH)에 소정의 가스종을 전환하여 공급되고 있다.
유량 측정 장치(U)는 가스 공급 관로(L)의 출구 단부에 설치된 개폐 밸브(V0)의 상류부에 분기상으로 또한 해리 가능하게 연결되어 있고, 가스 공급 관로(L)에 연결하는 입구측 단부 및 가스 유출측에 연결하는 출구측 단부를 갖는 관상의 적당히 내경의 분기 관로(Lb)와, 분기 관로(Lb)의 출구측에 설치된 유체압 구동식의 메탈 다이아프램형 개폐 밸브(V)와, 개폐 밸브(V)의 상류측의 가스 압력 및 가스 온도를 검출하는 압력 검출기(Pd) 및 온도 검출기(Td)와, 압력 검출기(Pd) 및 온도 검출기(Td)로부터의 검출 신호가 입력되어 분기 관로(Lb)를 유통하는 가스 유량을 연산하는 연산 제어 장치(CP)와, 개폐 밸브(V)로 구동용 유체를 공급하는 전자 밸브(EV)와, 전자 밸브(EV)로 구동용 유체를 공급하는 구동용 유체원(DGS)과, 연산 제어 장치(CP)로의 입출력 보드(IO)와, 전원 장치(ES)로 구성되어 있다.
또한, 유량 측정 장치(U)의 압력 검출기(Pd) 및 온도 검출기(Td)의 각 검출 출력, 개폐 밸브(V)의 제어 신호 등은 연산 제어 장치(CP)에 입출력되고 있고, 후술하는 바와 같이 가스 유량값의 연산 및 표시 등이 행해진다.
우선, 본원 발명자는 도 3과 같은 유량 측정 유닛(U')을 작성하고, 이것을 사용하여 빌드업에 의해 가스 압력을 상승하게 하고, 유닛(U')(내용적 1.0996L)의 내부의 가스 온도나 가스 압력의 변화를 조사했다.
즉, 도 1의 실시형태에 있어서, 유량 제어기(FCS)를 대신하여 표준 유량 제어기를 부착함과 아울러, 유량 측정 장치(U)를 대신하여 도 3의 유량 측정 유닛(U')을 접속하고, 우선 개폐 밸브(V02, V0n, V0)를 닫고 개폐 밸브(V)를 열어 N2 가스를 500sccm의 유량으로 일정 시간 유통시키고, N2 가스의 유량, 압력, 온도의 안정을 확인한 후, 개폐 밸브(V)를 닫아서 10초간 빌드업을 행하고 그 사이의 유닛(U')내의 가스 온도나 압력 등의 변화 상태를 관찰했다.
또한, 표준 유량 제어기에는 Fujikin Inc. 제작의 유량 레인지 1SLM의 압력식 유량 제어기를 사용하고 있고, 유닛(U')의 내용적(V)은 1.0996L(기지)로 설정되어 있다. 또한, 가스 유량(N2)은 500sccm, 빌드업 시간은 10sec로 설정되어 있다. 또한, 외기온도(실내온도)는 21.7℃이었다.
도 4는 상기 빌드업에 있어서의 유량 측정 유닛(U')내의 가스 온도나 가스 압력 등의 변화 상태를 나타내는 것이고, 곡선 A1은 유량 제어기의 유량 출력, A2은 가스 압력 검출값, A3은 가스 온도 검출값, A4는 외기온도(실내온도), A5는 출구측 개폐 밸브(V)의 제어 신호를 나타낸다.
또한, 압력 검출기(Pd)에는 MIKASHIMA Industrial Co,. Ltd. 제작의 (바라트론)capacitance manometer TYPE627D(F.S.1000Torr)를, 또한 온도 검출기(Td)에는 2.5mm경 열전대(소선 타입)를, 측정 기기에는 KEYENCE Corporation 제작의 data logger NR500을 사용하고 있다.
즉, 도 4에 있어서 t1점에서 출구측 개폐 밸브(V)를 닫아 빌드업을 시작하면, t2점에서 탱크내의 가스 압력은 30.6Torr로부터 94.1Torr까지 상승한다. 또한, 탱크내의 가스 온도는 서서히 상승한다.
여기서, 유량 측정 유닛(U')의 출구측 개폐 밸브(V)의 폐쇄(빌드업 개시)시(시각(t1)·제 1 회 계측)와 빌드업 완료 후의 시각(t2)에서 제 2회 계측을 행하여 가스 유입 질량을 연산함으로써, 빌드업 중에 유입된 가스의 몰수
Figure 112013058079894-pct00001
를 표준상태(0℃, 1atm)에 있어서의 가스 체적(VG)으로 환산하면,
Figure 112013058079894-pct00002
이 되고, 유량 측정 유닛(U')내로의 가스 유량(Q)은
Figure 112013058079894-pct00003
로서 연산할 수 있다. 단 Δt는 빌드업 시간이고, Δt=t2-t1이다.
또한 후술한 바와 같이, 상기 각 계측값으로부터 압력 상승률(ΔP/Δt)을 구하고, 이 압력 상승률을 사용하여 내용적(V)을 V=Δt×Q×R×T/ΔP(단, Q는 유량, T는 온도, R은 가스 정수, ΔP/Δt는 압력 상승률이다)로서 연산한다.
[제 1 실시형태]
도 1 및 도 2를 참조하여, 가스 공급 장치(GF)의 유량 제어기(FCS)의 유량 측정할 때에는, 우선 유량 측정 장치(U)를 가스 공급 관로(L)에 분기상으로 접속한다. 이어서, 유량 제어기(FCS1)를 측정할 경우에는 개폐 밸브(VOO, V02, V0n, V0)를 폐쇄하고, 개폐 밸브(V01, V)를 열어 유량 제어기(FCS1)로부터 설정 유량(Qs)의 가스류를 유량 측정 장치(U)에 공급하고 진공 펌프(VP)에 의해 배기한다.
이어서, 유량 측정 장치(U)의 분기 관로(Lb)내의 가스 온도(To) 및 가스 압력(Po)이 안정되면, 시각(t1)에서 출구측 개폐 밸브(V)를 폐쇄하여 가스의 빌드업을 개시함과 아울러, 분기 관로(Lb)내의 가스 온도(T1) 및 가스 압력(P1)을 검출하고 이것을 연산 제어 장치(CP)에 입력한다.
분기 관로(Lb)내로의 가스의 빌드업이 진행되고, 가스 압력이 설정값(P2)(또는 설정 시각(t2))에 도달하면, 분기 관로(Lb)내로의 압력(P2) 및 온도(T2)를 검출하고 그 검출값을 연산 제어 장치(CP)에 입력한다.
또한, 시각(t2)에서 제 2 회 압력 및 온도의 검출이 끝나면, 그 후에 출구측 개폐 밸브(V)를 개방하여 분기 관로(Lb)내의 가스를 배출한다.
한편, 연산 제어 장치(CP)에서는 상기 검출값(P1, T1, P2, T2) 및 빌드업 시간(Δt)(Δt=t2-t1)을 사용하여 상기 수식 3에 의해 유량(Q)이 연산되고, 상기 유량 제어기(FCS1)의 설정 유량(Qs)과 연산 유량(Q)을 비교하고, 소정의 기준에 근거하여 유량 제어기(FCS1)의 유량 제어 성능의 판정이나 측정이 행해진다.
상기와 같은 측정 조작을 각 유량 제어기(FCS1∼FCSn)에 대해서 행함으로써, 가스 공급 장치(GF)의 유량 제어기의 측정이 행해진다.
또한, 본 실시형태에서는 상기 수식 3을 사용하여 유량(Q)의 연산이 행해지도록 하고 있지만, 상기 제 1 회 계측 및 제 2 회 계측의 계측값으로부터 압력 상승률을 산정하여 유량(Q)을 Q=(ΔP/Δt)×(V/RT)로서 산출함과 아울러, 상기 산출값을 기준으로 하여 유량 제어기(FCS)의 유량 제어값의 적부를 판단할 수 있는 것은 물론이다.
본 발명에 있어서는 상기 유량(Q)의 연산식에 있어서의 내용적(V), 즉 프로세스 챔버(CH)로의 가스 공급용 개폐 밸브(V0)에 의해 상류측의 가스 공급 관로(L)의 내용적과, 분기 접속관(Ls) 및 분기 관로(Lb)의 내용적의 합계값이 기지되어 있지만, 가스 공급 장치(GF)의 개수 등에 의해 상기 내용적이 변화하는 경우에는 변화 후의 내용적(V)을 측정할 필요가 있다.
이 경우에는, 예를 들면 도 2의 가스종(G0)을 질소 가스 등의 이상기체에 가까운 가스로 하고, 우선 개폐 밸브(VO1∼V0n, V0)를 닫고 개폐 밸브(V00, V)를 열어 분기 관로(Lb)에 가스를 유통시키고, 그 압력 및 온도가 설정값에 안착되면 개폐 밸브(V)를 폐쇄하고, 시각(t1)에서 압력 검출값(P1), 온도 검출값(T1)을 계측한다. 이어서, 적당한 시간 경과 후의 시각(t2)에서 압력 검출값(P2), 온도 검출값(T2)을 계측한다.
그리고, 상기 각 계측값으로부터 압력 상승률(ΔP/Δt)을 구하고, 이 압력 상승률을 사용하여 내용적(V)을 V=Δt×Q×R×T/ΔP(단, Q는 유량, P는 유체압, T는 온도, R은 가스 정수, ΔP/Δt는 압력 상승률이다)로서 연산한다.
또한, 상기 실시형태에 있어서는 유량 제어기로서 압력식 유량 제어 장치를 사용하고 있지만, 이것이 열식 유량 제어기이어도 좋은 것은 물론이다. 또한, 접속용 플랜지에 대해서는 이음매 등에 의한 접속이나 블록상의 이음매 부재 등을 사용한 접속이어도 좋은 것은 물론이다. 개폐 밸브(V) 등은 AOV(공기 작동식 밸브)를 사용하고 있지만, 전자 밸브를 사용함으로써 구동용 유체원(DGS), 구동용 유체 공급관(Tu), 그리고 구동용 유체를 제어하는 전자 밸브(EV)를 생략하는 것도 가능하다.
본 발명은 반도체 제조 장치용 가스 공급 장치(가스박스)뿐만 아니라, 모든 용도에 사용하는 가스 공급 장치의 유량 제어기나 가스 공급계의 유량 제어기의 측정 시험에 이용할 수 있다.
GF: 가스 공급 장치 FCS1∼FCSn: 유량 제어기
Go∼Gn: 공급 가스종 L, L1∼Ln: 가스 공급 관로
Ls: 분기 접속관 Lb: 분기 관로
F: 접속용 플랜지 B: 분기점
V00∼V0n: 개폐 밸브 V0: 개폐 밸브
U: 유량 측정 장치 V: 개폐 밸브
CH: 프로세스 챔버 VP: 진공 장치(진공펌프)
Td: 온도 검출기 Pd: 압력 검출기
1: 압력 조정기 2: 압력계
3,4: 개폐 밸브 CP: 연산 제어 장치
EV: 전자 밸브 DGS: 구동용 유체원
Tu: 구동용 유체 공급관 IO: 입출력 보드
ES: DC 전원

Claims (4)

  1. 복수종의 가스를 각 유량 제어기를 통하여 스위칭 가능하게 가스 사용 개소로 공급하는 가스 공급 장치에 있어서, 상기 가스 공급 장치의 가스 공급로(L)의 출구 단부에 설치한 개폐 밸브(V0)의 상류부로 분기상으로 또한 해리 가능하게, 출구측 단부를 진공 펌프(VP)로 연통하는 가스 유출측 관로로 해리 가능하게 연결한 분기 관로(Lb)와, 분기 관로(Lb)의 출구측에 설치한 개폐 밸브(V)와, 분기 관로(Lb) 내의 가스 압력 및 가스 온도를 검출하는 압력 검출기(Pd) 및 온도 검출기(Td)와, 압력 검출기(Pd) 및 온도 검출기(Td)로부터의 검출 신호가 입력되고, 분기 관로(Lb)내를 연통하는 가스 유량을 연산하는 연산 제어 장치(CP)와, 상기 개폐 밸브(V)로 구동용 유체를 공급하는 전자 밸브(EV)와, 전자 밸브(EV)로 구동용 유체를 공급하는 구동용 유체원(DGS)과, 연산 제어 장치(CP)로의 입출력 보드(IO)와, 전원 장치(ES)로 이루어지는 유량 측정 장치(U)의 상기 분기 관로(Lb)의 입구측 단부를 개폐 밸브를 설치하지 않고 직접적으로 연결하고,
    우선, 상기 유량 제어 장치의 각 유량 제어기의 출구측 개폐 밸브(V01~V0n) 및 가스 공급 관로(L)의 출구 단부의 개폐 밸브(V0)를 폐쇄함과 아울러, 유량 측정 장치(U)의 분기 관로(Lb)의 출구측에 설치한 개폐 밸브(V)를 개방하고, 상기 분기 관로(Lb)의 출구측 단부에 연결된 진공 펌프(VP)에 의해 분기 관로(Lb) 및 가스 공급 관로(L) 내의 배기를 행하고,
    다음으로, 표준 유량의 가스를 공급하는 유량 제어기의 출구측 개폐 밸브만을 개방하여 표준 유량의 가스를 상기 유량 측정 장치(U)의 분기 관로(Lb) 내로 유입시키고, 분기 관로(Lb) 내의 가스 압력 및 가스 온도가 안정된 후, 상기 분기 관로(Lb)의 출구측의 개폐 밸브(V)를 폐쇄하여 가스 압력의 상승률(ΔP/Δt)을 계측하고, 해당 상승률(ΔP/Δt)을 기초로 하여, 상기 유량 측정 장치(U)의 연산 제어 장치(CP)에 의해, 분기 관로(Lb) 및 상기 가스 공급 관로(L)의 합계 내용적(V)을 V=Δt/ΔP×R×Q×T(단, Q는 가스의 표준 유량, R은 가스 정수, Δt는 측정 시간, T는 가스 온도이다)로서 연산하고,
    이어서, 개폐 밸브(V)를 개방하여 진공 펌프(VP)에 의해 분기 관로(Lb) 및 가스 공급 관로(L) 내의 배기를 행한 후, 피측정 유량 제어기의 상기 출구측 개폐 밸브만을 개방하여 설정 유량의 가스를 상기 유량 측정 장치(U)의 분기 관로(Lb) 내로 유입시키고, 분기 관로(Lb) 내의 가스 압력 및 가스 온도가 안정된 후, 상기 개폐 밸브(V)를 폐쇄하여 가스 압력이 설정압(P1)에 도달된 시각(t1)에서 제 1 회 가스 온도(T1) 및 가스 압력(P1)을 계측하고, 그 후 상기 가스 압력이 설정압(P2)에 도달된 시각(t2)에서 제 2 회 가스 온도(T2) 및 가스 압력(P2)을 계측하고, 상기 각 계측값으로부터 가스 유량(Q)을 Q=(22.4V/R·Δt)×(P2/T2-P1/T1) (단, V는 분기 관로(Lb) 및 가스 공급 관로(L)의 합계 내용적, R은 가스 정수, Δt는 t2-t1이다)로서 연산하는 것을 특징으로 하는 가스 공급 장치용 유량 제어기의 유량 측정 방법.
  2. 복수종의 가스를 각 유량 제어기를 통하여 스위칭 가능하게 가스 사용 개소로 공급하는 가스 공급 장치에 있어서, 상기 가스 공급 장치의 가스 공급로(L)의 출구 단부에 설치한 개폐 밸브(V0)의 상류부로 분기상으로 또한 해리 가능하게, 출구측 단부를 진공 펌프(VP)로 연통하는 가스 유출측 관로로 해리 가능하게 연결한 분기 관로(Lb)와, 분기 관로(Lb)의 출구측에 설치한 개폐 밸브(V)와, 분기 관로(Lb) 내의 가스 압력 및 가스 온도를 검출하는 압력 검출기(Pd) 및 온도 검출기(Td)와, 압력 검출기(Pd) 및 온도 검출기(Td)로부터의 검출 신호가 입력되고, 분기 관로(Lb) 내를 연통하는 가스 유량을 연산하는 연산 제어 장치(CP)와, 상기 개폐 밸브(V)로 구동용 유체를 공급하는 전자 밸브(EV)와, 전자 밸브(EV)로 구동용 유체를 공급하는 구동용 유체원(DGS)과, 연산 제어 장치(CP)로의 입출력 보드(IO)와, 전원 장치(ES)로 이루어지는 유량 측정 장치(U)의 상기 분기 관로(Lb)의 입구측 단부를 개폐 밸브를 설치하지 않고 직접적으로 연결하고,
    우선, 상기 유량 제어 장치의 각 유량 제어기의 출구측 개폐 밸브(V01~V0n) 및 가스 공급 관로(L)의 출구 단부의 개폐 밸브(V0)를 폐쇄함과 아울러, 유량 측정 장치(U)의 분기 관로(Lb)의 출구측에 설치한 개폐 밸브(V)를 개방하고, 상기 분기 관로(Lb)의 출구측 단부에 연결된 진공 펌프(VP)에 의해 분기 관로(Lb) 및 가스 공급 관로(L) 내의 배기를 행하고,
    다음으로, 표준 유량의 가스를 공급하는 유량 제어기의 출구측 개폐 밸브만을 개방하여 표준 유량의 가스를 상기 유량 측정 장치(U)의 분기 관로(Lb) 내로 유입시키고, 분기 관로(Lb) 내의 가스 압력 및 가스 온도가 안정된 후, 상기 분기 관로(Lb)의 출구측의 개폐 밸브(V)를 폐쇄하여 가스 압력의 상승률(ΔP/Δt)을 계측하고, 해당 상승률(ΔP/Δt)을 기초로 하여, 상기 유량 측정 장치(U)의 연산 제어 장치(CP)에 의해 분기 관로(Lb) 및 상기 가스 공급 관로(L)의 합계 내용적(V)을 V= Δt/ΔP×Q×R×T(단, Q는 표준 유량, R은 가스 정수, Δt는 측정 시간, T는 가스 온도이다)로서 연산하고,
    이어서, 개폐 밸브(V)를 개방하여 진공 펌프(VP)에 의해 분기 관로(Lb) 및 가스 공급 관로(L) 내의 배기를 행한 후, 피측정 유량 제어기의 상기 출구측 개폐 밸브만을 개방하여 설정 유량의 가스를 상기 유량 측정 장치(U)의 분기 관로(Lb)내로 유입시키고, 분기 관로(Lb)내의 가스 압력 및 가스 온도가 안정된 후, 상기 개폐 밸브(V)를 폐쇄하여 가스 압력의 상승률(ΔP/Δt)을 계측하고, 해당 상승률(ΔP/Δt)을 기초로 하여, 상기 유량 측정 장치(U)의 연산 제어 장치(CP)에 의해 가스 유량(Q)을 Q=ΔP/Δt×V/R·T(단, V는 분기 관로(Lb) 및 가스 공급 관로(L)의 합계 내용적, R은 가스 정수, Δt는 측정 시간, T는 기체 온도이다)로서 연산하는 것을 특징으로 하는 가스 공급 장치용 유량 제어기의 유량 측정 방법.
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