KR20040102040A - 매스 플로우 콘트롤러 - Google Patents

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KR20040102040A
KR20040102040A KR10-2004-7014411A KR20047014411A KR20040102040A KR 20040102040 A KR20040102040 A KR 20040102040A KR 20047014411 A KR20047014411 A KR 20047014411A KR 20040102040 A KR20040102040 A KR 20040102040A
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KR
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mass flow
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KR10-2004-7014411A
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니시카와마사미
야마구치마사오
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가부시키가이샤 호리바 에스텍
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Abstract

본 발명은, 매스 콘트롤러의 상류측 및 하류측중 어느쪽에서 압력변동이 발생해도, 목적으로 하는 유량을 항상 안정하게 흘릴 수 있는 매스 플로우 콘트롤러를 제공한다. 본 발명은, 유량제어 밸브와 유량센서를 갖는 매스 플로우 콘트롤러로서, 유량제어 밸브의 상류측에 배치된 압력제어 밸브와, 이 압력제어 밸브와 유량제어 밸브의 사이에 배치된 압력센서와, 이 압력센서의 출력을 피드백 함으로써 압력제어 밸브를 제어하는 제어부를 갖는다.

Description

매스 플로우 콘트롤러{MASS FLOW CONTROLLER}
도 4는, 종래의 매스 플로우 콘트롤러를 사용한 반도체 제조라인(10)의 예를 도시하는 도면이다. 도 4에서, 11, 12는 2계통의 반도체 제조라인을 구성하는 챔버, 13a∼13d는 챔버(11, 12)에 다른 가스(G1, G2)를 공급하는 가스 공급 라인, 14, 15는 각 가스(G1, G2)를 각각 공급하는 가스 봄베이다.
각 가스 공급 라인(13a∼13d)은, 모두, 기계식의 조압기(16a∼16d)와, 이 조압기(16a∼16d)의 하류측의 게이지(17a∼17d)와, 매스 플로우 콘트롤러(18a∼18d)를 설치하여 이루어진다. 또, 19a∼19d는 필터이다. 가스 공급 라인(13a, 13c)은 가스(G1)를 각각 챔버(11, 12)에 공급하고, 가스 공급 라인(13b, 13d)은 가스(G2)를 각각 챔버(11, 12)에 공급하는 것이다. 즉, 복수의 가스(G1, G2)를 복수 라인(13a∼13d)에 공급하는 것이다.
상기 봄베(14, 15)로부터 공급되는 가스(G1, G2)의 압력은, 그 출구측에서통상 98kPa 정도로 감압되어 있지만, 이 압력을 상기 조압기(16a∼16d)에 의해 예를 들면 30kPa정도로 감압하여 매스 플로우 콘트롤러(18a∼18d)에 공급함으로써 매스 플로우 콘트롤러(18a∼18d)의 파손을 방지하고 있다. 또, 반도체 제조라인의 관리자는 챔버(11, 12)에 소정 유량의 가스(G1, G2)를 흘리도록 매스 플로우 콘트롤러(18a∼18d)를 제어하고, 게이지(17a∼17d)를 확인하면서 조압기(16a∼16d)를 조절함으로써 매스 플로우 콘트롤러(18a∼18d)에 공급하는 가스(G1, G2)의 압력을 적당하게 조정한다.
도 4에 도시하는 바와 같이, 매스 플로우 콘트롤러(18a∼18d)를 조압기(16a∼16d)와 조합함으로써, 가스(G1, G2)의 공급측의 어느 정도의 압력변동이 발생해도 안정한 제어를 행하는 것을 가능하게 하고 있다. 그렇지만, 상기 종래의 매스 플로우 콘트롤러(18a∼18d)와 조압기(16a∼16d)와의 조합을 형성하기 위해서는, 복수의 부재(16a∼16d, 17a∼17d, 18a∼18d, 19a∼19d)를 연통 연결할 필요가 있으므로, 가스 공급 라인(13a∼13d)의 설치에 수고와 비용이 드는 것은 피할 수 없었다. 또 각 부재(16a∼16d, 17a∼17d, 18a∼18d, 19a∼19d) 사이를 접속하는 배관의 수가 많으면 많을 수록 접속부에서 가스누출 등의 문제가 발생할 리스크가 높아질 뿐만아니라, 배관에 의해 생기는 저항이 유량에 한계나 불안정 요소를 가져오는 일도 있었다.
그리고 전술의 매스 플로우 콘트롤러(18a∼18d)와 조압기(16a∼16d)의 조합에 의한 유량제어만으로는 유량의 대폭적인 변경에 따라 매스 플로우 콘트롤러(18a∼18d)내의 유량제어 장치의 입구측의 압력이나 출구측의 압력이 변동하여, 안정한 유량제어를 행할 수 없는 경우가 있었다.
즉, 기계식의 조압기(16a∼16d)는 어느 정도 유량이 안정해 있을 때에는 압력을 적정하게 조정하는 것이 가능하지만, 유량이 급격하게 변화될 때에는 이것에 대응할 수 없는 경우가 있고, 매스 플로우 콘트롤러(18a∼18d)에 의한 유량의 급격한 제어에 의해 생기는 입구측에 있어서의 압력변동이, 매스 플로우 콘트롤러(18a∼18d)에 의한 유량의 안정 제어에 지장을 가져오는 일이 있었다.
또, 가스 공급 라인(13a)에 의해 공급하는 가스류량의 급격한 변화가, 조압기(16a)의 상류측의 압력에 영향을 끼치는 일도 있고, 이것에 분기 접속되어 있는 별도의 가스 공급 라인(13c)에 의해 공급하는 가스의 유량에도 혼란을 생기게하는 것도 생각된다.
또한, 도 5에 도시하는 바와 같이 코스트 다운을 목적으로 하여 1쌍의 조압기(16a, 16b)로부터 배관을 분기 접속하고, 복수대의 매스 플로우 콘트롤러(18a∼18d)를 제어하는 것도 행해지고 있지만, 이 경우는, 상기 압력변동에 의한 영향이 커진다는 문제가 있었다.
본 발명은, 상기한 사항을 고려하여 이루어진 것으로, 그 목적은, 매스 플로우 콘트롤러의 상류측 및 하류측중 어느쪽에서 압력변동이 발생해도, 목적으로 하는 유량을 항상 안정되게 흘릴 수 있는 매스 플로우 콘트롤러를 제공하는 것에 있다.
본 발명은, 매스 플로우 콘트롤러에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 압력 영향을 받지 않는 매스 플로우 콘트롤러에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 매스 플로우 콘트롤러의 1예를 도시하는 블럭도이다.
도 2는 상기 매스 플로우 콘트롤러를 사용한 유량제어의 실시예를 도시하는 도면이다.
도 3은 상기 매스 플로우 콘트롤러를 사용한 반도체 제조라인의 예를 도시하는 도면이다.
도 4는 종래의 매스 플로우 콘트롤러를 사용한 반도체 제조라인의 예를 도시하는 도면이다.
도 5는 상기 종래의 매스 플로우 콘트롤러를 사용한 반도체 제조라인의 다른 예를 도시하는 도면이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 매스 플로우 콘트롤러는 유량제어 밸브와 유량 센서를 갖는 매스 플로우 콘트롤러로서, 유량제어 밸브의 상류측에 배치된 압력제어 밸브와, 이 압력제어 밸브와 유량제어 밸브의 사이에 배치된 압력센서와, 이 압력센서의 출력을 피드백 함으로써 압력제어 밸브를 제어하는 제어부를 갖는 것을 특징으로 하고 있다.
따라서, 이 매스 플로우 콘트롤러를 사용함으로써, 그 상류측에서 압력변동이 발생해도, 압력센서의 출력에 의해 피드백 제어된 압력제어 밸브에 의해 그 영향을 확실하게 제거할 수 있는 동시에, 매스 플로우 콘트롤러의 하류측에서 생기는 압력변동은, 유량 센서의 출력에 의해 피드백 제어된 유량제어 밸브에 의해 확실하게 제거할 수 있다.
즉, 매스 플로우 콘트롤러의 상류측 및 하류측중 어느쪽에서 압력변동이 발생해도 항상 안정된 유량의 제어를 행할 수 있다. 바꿔 말하면, 매스 플로우 콘트롤러내에 압력조정 기능이 있으므로, 유량제어 밸브의 입구측 압력을 항상 일정하게 유지하는 것이 가능하고, 그 성능을 최대한으로 끌어내는 것이 가능하게 된다. 때문에, 유량정밀도 및 안정성도 향상된다.
또, 안정된 유량의 가스를 공급하기 위해서 종래와 같이 기계식의 조압기를 사용할 필요가 없으므로, 가스 공급 라인의 구성을 간소하게 할 수 있어, 그만큼, 가스 공급 라인의 구축에 드는 코스트를 삭감할 수 있다. 덧붙여, 복수의 부재를 연통 연결할 필요가 없으므로, 불필요한 배관 유로나 접속부의 형성에 수반되는 가스누출 발생의 우려나, 유로저항에 의한 감압의 발생을 없앨 수 있다.
상기 압력센서를 유량 센서의 직전의 유로에 임하게 하여 이루어지는 경우에는, 매스 플로우 콘트롤러내에서 필요하게 되는 유로에 압력센서를 임하게 하고 있으므로, 매스 플로우 콘트롤러를 컴팩트화 할 수 있는 동시에, 유량 센서의 직전의 유로에 압력센서를 설치하고 있으므로, 이 유량 센서를 사용한 피드백 제어에 의해, 보다 안정한 유량제어를 가능하게 하고 있다.
도 1은 본 발명의 매스 플로우 콘트롤러(1)의 1예를 도시하는 블럭도이다. 본 예의 매스 플로우 콘트롤러(1)는 유체(이하의 예에서는 유체로서 가스를 예시하지만, 이 유체가 기체인 것을 한정하는 것은 아님)를 흘리기 위한 유로(2)를 형성하는 유로 블록(3)과, 이 유로 블록(3)에 연결된 압력제어 밸브(4)와, 유량 센서(5)와, 유량제어 밸브(6)와, 2개의 압력센서(7)와, 각 부 4∼6을 제어하는 제어부(8)와, 필터(9)를 가지고 있다.
상기 유로(2)는 예를 들면 유로 블록(3)내를 도려 내듯이 형성되어 있고, 제 1∼제 3 유로(2a∼2c)로 이루어진다. 또, 제 1 유로(2a)의 상류끝 및 제 3 유로(2c)의 하류끝에는 배관 부착부(3a, 3b)를 각각 설치하고 있다. 또한, 유로(2)의 형성 수순은 굴착이여도, 주형을 사용한 것이여도 그 밖의 방법이여도 좋고, 제 2 유로(2b)를 굴착 등으로 형성하는 경우에는 유로 블록(3)은 적어도 1개소에서 분리 가능하게 형성할 필요가 있는데, 어쨌든 유로 블록(3, 3a, 3b)을 전체적으로 일체 성형함으로써 가스누출을 막을 수 있다.
압력제어 밸브(4)는 예를 들면 유로 블록(3)의 일측면에 형성된 밸브 시트(3c)에 맞닿는 다이어프램(4a)과 그 액추에이터(4b)로 이루어지고, 제어신호(Cp)에 의해 상기 유로(2a, 2b)를 연통 연결하는 개방 정도가 제어 가능하게 구성된다.
유량 센서(5)는 예를 들면 제 2 유로(2b)내에 삽입된 정류체(5a)와, 이 제 2 유로(2b)로부터 소정의 비율 1/A의 유량만큼 분기되는 분기 유로(5b)와, 이 분기 유로(5b)에 설치한 센서 본체(5c)를 가지고, 총유량(F)을 나타내는 유로신호(Sf)를 출력한다.
또, 유량제어 밸브(6)는 예를 들면 유로 블록(3)의 일측면에 형성된 벨브 시트(3d)에 맞닿는 다이어프램(6a)과 그 액추에이터(6b)로 이루어지고, 제어신호(Cf)에 의해 상기 유로(2b, 2c)를 연통 연결하는 개방 정도가 제어 가능하게 구성된다.
상기 압력제어 밸브(4), 유량 센서(5), 유량제어 밸브(6)는 유로 블록(3)의일측면(상면)에 나란하게 배치되어 있고, 이것에 의해 매스 플로우 콘트롤러(1)의 전체적인 크기를 작게 억제할 수 있다.
상기 압력센서(7)는 제 1 유로(2a)에 임하도록 측면에 배치된 제 1 센서(7a)와, 제 2 유로(2b)에 임하도록 측면에 배치된 제 2 센서(7b)로 이루어지고, 양 압력센서(7a, 7b)는 상기 각 부 4∼5를 부착한 측면과는 다른 면(본 예에서는 도 1에서 제 1 유로(2a)의 전방 및 상기 유량 센서(5)를 구성하는 정류체(5a)의 직전에 위치하는 제 2 유로의 안쪽)에 각각 매설되어 있다. 이것에 의해, 매스 플로우 콘트롤러(1)의 전체적인 크기를 바꾸지 않고 압력센서(7)를 설치할 수 있다. 그리고 상기 센서(7a, 7b)는 각각 제 1 유로(2a), 제 2 유로(2b)내의 압력 P1, Pc를 나타내는 압력신호 Spa, Spb를 출력한다.
또한, 본 예에서는 센서(7a, 7b)의 측면에 설치하는 예를 도시하고 있지만, 압력센서(7)는 유로(2)에 임하도록 부착되는 것이면, 그 부착면을 한정하는 것은 아니다. 즉, 유로 블록(3)의 하면에 매설해도, 상면에서 상기 제어 밸브(4), 유량 센서(5), 유량제어 밸브(6)의 방해가 되지 않는 위치에 매설해도 좋은 것은 말할 필요도 없다.
상기 제어부(8)는 예를 들면 상기 압력센서(7)로부터의 압력신호 Spa, Spb(출력)을 피드백하여 압력제어 신호(Cp)를 출력함으로써 압력제어 밸브(4)를 피드백 제어하는 제어부(8a)와, 유량 센서(5)로부터의 유량신호(Sf)를 피드백 하여 유량제어 신호(Cf)를 출력함으로써 유량제어 밸브(6)를 피드백 제어하는 제어부(8b)와,외부와의 인터페이스(8c)로 이루어진다. 그리고 제어부(8a)는 외부로부터의 신호를 따라서 유량제어 밸브(6)를 피드백 제어하는 동시에, 제어부(8a)에 제어신호를 출력하여 정류체(5a)의 직전에서의 압력(Pc)이 소정의 압이 되도록 제어시킨다.
또, 도시는 생략하지만 제어부(8)는 유량(F) 및 일시 압력(Pc)의 설정값이나, 각 센서(5, 7a, 7b)에 의해 측정된 값(P1, Pc, F)을 표시하는 표시부를 갖고 있다. 또한, 센서(5, 7a, 7b)에 의해 측정된 값(P1, Pc, F)은 모두 인터페이스(8c)를 통하여 외부에 출력 가능하게 되어 있다. 또, 인터페이스(8c)는 디지털적으로 통신하는 것이라도, 아날로그적인 값의 입출력부라도 좋다.
또한, 본 예에서는 제어 관계를 명시하기 위해서, 제어부(8a, 8b)를 나누어서 표시하고 있지만 본 발명은 이 점에 한정되는 것이 아니고, 하나의 제어부(8)에 의해 모두를 일괄하여 제어하고, 제조 코스트를 내리도록 해도 좋은 것은 말할 필요도 없다.
덧붙여, 제어부(8b)에 의한 압력제어 밸브(4)의 제어는 압력센서(7b)의 출력 신호(Spb)만을 사용하여 피드백 제어하는 것에 한정되는 것은 아니고, 압력센서(7a)의 출력 신호(Spa)도 사용하여 제어해도 좋다. 또한, 본 예에 도시하는 바와 같이 압력센서(7a)를 설치함으로써, 매스 플로우 콘트롤러(1)에 입력되어 있는 가스의 압력을 모니터링 하는 것도 가능하지만, 이 압력센서(7a)를 생략해도 좋은 것은 말할 필요도 없다.
상기 본 발명의 매스 플로우 콘트롤러(1)는, 제어부(8b)가 압력제어 밸브(4)를 압력센서(7b)로부터의 압력신호(Spb)를 사용하여 지정의 압력(Pc)이 되도록 피드백 제어하므로, 가령 매스 플로우 콘트롤러(1)의 입구측의 압력(P1)이 어떠한 영향에 의해 변동되는 일이 있어도, 매스 플로우 콘트롤러(1)는 안정한 제어를 행할 수 있다. 또, 제어부(8a)가 유량제어 밸브(6)를 유량 센서(5)로부터의 유량신호(Sf)를 사용하여 측정된 유량(F)이 설정 유량(Fs)으로 되도록 피드백 제어하고 있으므로, 매스 플로우 콘트롤러(1)의 출구측의 압력(P2)이 변동해도 그 영향을 받지 않는다.
따라서 본 발명의 매스 플로우 콘트롤러(1)는 그 전단에 종래와 같은 조압기(16a∼16d)를 설치할 필요가 전혀 없게 된다. 또, 본 예의 매스 플로우 콘트롤러(1)는 필터(9)도 내장하고 있으므로, 종래와 같이 별도의 필터(19a∼19d)를 연통 연결할 필요도 없다. 즉, 그만큼 가스 공급 라인의 간소화를 도모할 수 있어, 설치 면적을 적게 할 수 있다. 또한, 본 예에서는 필터(9)를 유로(2)의 최상류끝에 설치하는 예를 게시하고 있지만, 본 발명은 필터(9)의 위치를 한정하는 것은 아니다. 또, 경우에 따라서는 필터(9)를 생략하는 것도 가능하다.
특히, 본 예에 도시하는 바와 같이, 일체화한 유로 블록(3)내에서, 유량 센서(5)의 직전의 유로(2b)에 압력센서(7b)를 임하게 하고, 이 압력센서(7b)의 압력신호(Spb)를 사용하여 소정의 압력(Pc)을 유지시키도록 구성하고 있으므로, 유량 센서(5)가 이 압력(Pc)을 일정하게 한 상태에서의 유량(F)을 더 정확하게 측정할 수 있다.
또, 본 예에 도시하는 바와 같이, 압력제어 밸브(4)와 유량 센서(5)를 줄지어 배치하고, 그 사이에 위치하는 제 2 유로(2b)를 가능한 한 짧게 하고 있으므로, 압력제어 밸브(4)의 개방 정도 제어신호(Cp)의 출력에 대한 압력(Pc)의 시간적인 지연을 가급적으로 작게 하고, 유량 센서(5) 부분에서의 압력(Pc)의 변동을 가능한 한 작게 할 수 있다.
더욱이, 상기 압력센서(7b)를 압력제어 밸브(4)와 유량 센서(5)의 사이에서의 제 2 유로(2b)에서 가능한 한 유량 센서(5)에 가까운 위치(직전을 구성하는 유로)에 배치함으로써, 난류 등의 영향이 적은 압력(Pc)을 측정할 수 있다. 즉, 그만큼 매스 플로우 콘트롤러(1)에 의한 유량의 제어 정밀도 및 안정성을 향상할 수 있다.
더불어, 상기 압력제어 밸브(4)와 유량 센서(5)의 사이에서의 제 2 유로(2b)내로부터, 조인트나 배관을 배제함으로써 유로의 저항에 의한 압력저하나 가스누출 리스크를 없앨 수 있다.
도 2는 본 발명의 매스 플로우 콘트롤러(1)의 상류측에서의 압력(P1)과, 하류측에서의 압력(P2)을 변동시켰을 때에 있어서의, 유량의 설정값(F)과, 유량 센서(5)의 출력 신호(Sf)로부터 구해지는 유량(F)과, 각 제어신호(Cp, Cf)를 실측한 예를 도시하고 있다.
도 2에서, 가로축은 시간(초)을 나타내고 있고, 약 5초 마다 압력(P1, P2)을 랜덤하게 변동시키고 있고, 본 예에서는 예를 들면 상류측의 압력(P1)을 200±50kPa의 범위에서 급격하게 변동시키고 있고, 하류측의 압력(P2)을 0∼3.8kPa의 범위에서 급격하게 변동시키고 있다.
도 2에 도시하는 바와 같이, 상기 제어신호(Cp)는 매스 플로우 콘트롤러(1)의 상류측의 압력(P1)의 변동에 추종하여 변화하고 있고, 이것에 의해 상기 압력센서(7b)를 설치한 제 2 유로(2b)에서의 압력(Fc)을 일정하게 유지하고 있는 것을 알 수 있다. 또, 제어신호(Cf)는 매스 플로우 콘트롤러(1)의 하류측의 압력(P2)의 변동에 추종하여 변화하고 있고, 이것에 의해 유량 센서(5)에 흐르는 유량(F)을 일정하게 유지하고 있다.
여기에서, 실제로 흐른 유량(F)과 유량의 설정값(Fs)과의 비교를 행하면, 실제로 흐른 유량(F)은, 상기 압력(P1, P2)의 급격한 변화가 생기고 있는 시점에서, 각각 약간 변동하고 있지만, 그 변동 폭은 극히 조금이며, 또한, 극히 짧은 시간에 즉시 설정값(Fs)으로 되고 있는 것을 알 수 있다.
즉, 본 발명의 매스 플로우 콘트롤러(1)를 사용함으로써, 상류측의 압력(P1) 및 하류측의 압력(P2)중 어느쪽에서, 급격한 압력변동이 생겼다고 해도, 항상 극히 안정한 제어로 소정의 유량을 계속해서 흘릴 수 있는 것을 알 수 있다.
도 3은 상기 매스 플로우 콘트롤러(1)를 사용하여 도 4에 도시한 종래와 동일한 구성의 반도체 제조라인을 형성하는 예를 도시하고 있다. 도 3에서 도 4와 동일한 부호를 붙인 부분은 동일한 부분이기 때문에, 그 상세한 설명을 생략한다.
도 3에서, 1a∼1d는 각각 본 발명의 매스 플로우 콘트롤러(1)이다. 즉, 본 발명의 매스 플로우 콘트롤러(1)를 사용함으로써, 상기 가스 공급 라인(13a∼13d)은 모두 극히 간소하게 구성할 수 있고, 그만큼 가스 공급 라인(13a∼13d)의 구축에 걸리는 시간을 삭감할 수 있는 것을 알 수 있다. 또, 가스 공급 라인(13a∼13d)의 설치 면적이 작아진다.
또, 각 가스 공급 라인(13a∼13d)에 생기는 배관의 연통 연결부가 극히 적어지므로, 그만큼 가스누출 등의 리스크를 작게 할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은, 상류측 및 하류측의 압력변동의 영향을 받지 않고 확실한 동작으로 고정밀도의 유량제어를 행할 수 있다. 또, 매스 플로우 콘트롤러의 전단에 별도의 조압기을 설치할 필요가 없으므로, 그만큼 코스트 퍼포먼스를 향상할 수 있다.

Claims (2)

  1. 유량제어 밸브와 유량 센서를 갖는 매스 플로우 콘트롤러로서,
    유량제어 밸브의 상류측에 배치된 압력제어 밸브와,
    이 압력제어 밸브와 유량제어 밸브 사이에 배치된 압력센서와,
    이 압력센서의 출력을 피드백 함으로써 압력제어 밸브를 제어하는 제어부를 갖는 것을 특징으로 하는 매스 플로우 콘트롤러.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 압력센서를 유량 센서의 직전의 유로에 임하게 하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 매스 플로우 콘트롤러.
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