CN114100387A - 原料气化系统以及用于该原料气化系统的浓度控制模块 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种提高原料气化系统的浓度控制的响应性且用于原料气化系统(100)的浓度控制模块(6)，其具备：浓度检测部(61)，其检测原料气体的浓度；阀(62)，其设置在将原料气体从罐(2)导出的导出管(4)；压力目标值计算部(63a)，其使用原料气体的浓度目标值和浓度检测部的浓度检测值来计算罐(2)内的压力目标值；延迟滤波器(63b)，其对通过压力目标值计算部(63a)得到的压力目标值提供预定的时间延迟而生成压力控制值；以及第一阀控制部(63c)，其使用通过延迟滤波器(63b)得到的压力控制值与罐(2)内的压力之间的偏差来对阀(62)进行反馈控制。

Description

原料气化系统以及用于该原料气化系统的浓度控制模块
技术领域
本发明涉及一种将载气导入到液体或固体的原料而使其气化，并供给由此生成的原料气体的原料气化系统、以及用于该原料气化系统的浓度控制模块。
背景技术
作为这种原料气化系统，如专利文献1所示，具备收容固体或液体的原料的罐、将载气导入该罐而使原料气化的导入管、以及从罐导出载气与由原料被气化而成的原料气体的混合气体的导出管。另外，在导出管设置有检测原料气体的浓度的浓度检测部和控制阀。
而且，在该原料气化系统中，以使通过浓度检测部得到的检测浓度成为设定浓度的方式，通过控制被设置在导出管的控制阀来进行浓度控制。控制阀被第一阀控制部反馈控制。
例如，在检测浓度高于设定浓度的情况下，通过减小控制阀的阀开度，增大罐内的总压，从而降低原料气体的浓度。另一方面，在检测浓度低于设定浓度的情况下，通过增大控制阀的阀开度，减小罐内的总压，从而升高原料气体的浓度。
然而，在上述的浓度控制中，使用检测浓度与设定浓度之间的偏差进行反馈控制，由于罐内的气体置换而使检测浓度的变化产生延迟，因此存在响应性差这样的问题。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2013-145887号公报
发明内容
技术问题
本发明是鉴于上述那样的问题而完成的，其主要课题在于提高原料气化系统的浓度控制的响应性。
技术方案
即，本发明的浓度控制模块用于原料气化系统，上述原料气化系统将载气导入到被收容在罐内的液体或固体的原料而使其气化，并供给由此生成的原料气体，上述浓度控制模块具备：浓度检测部，其检测上述原料气体的浓度；阀，其设置在将上述原料气体从上述罐导出的导出管；压力目标值计算部，其使用上述原料气体的浓度目标值和上述浓度检测部的浓度检测值来计算上述罐内的压力目标值；延迟滤波器，其对通过上述压力目标值计算部得到的压力目标值提供预定的时间延迟而生成压力控制值；以及第一阀控制部，其使用通过上述延迟滤波器得到的压力控制值与上述罐内的压力之间的偏差来对上述阀进行反馈控制。
如果是这样的浓度控制模块，则通过使用原料气体的浓度目标值和浓度检测部的浓度检测值来计算罐内的压力目标值，并基于该压力目标值来控制阀，由此进行浓度控制，因此能够提高其响应性。
特别地，在本发明中，使用延迟滤波器对压力目标值提供预定的时间延迟而生成压力控制值，并使用该压力控制值与罐内的压力之间的偏差来对阀进行反馈控制，所以能够减少改变压力目标值时的超调量(overshoot)等不必要的压力变动。由此也能够提高原料气化系统的浓度控制的响应性。
另外，即使在因载气的流量的变化和/或罐的容积的变化而使罐内的气体置换时间变化的情况下，也能够不改变第一阀控制部的控制参数(例如PID系数)，而仅通过延迟滤波器的变更来进行适当的控制。
作为上述延迟滤波器的具体实施方式，考虑到上述延迟滤波器针对上述压力目标值进行一阶延迟运算来生成上述压力控制值(一阶延迟滤波器)。另外，考虑到上述延迟滤波器使上述压力目标值以恒定的比例连续地变化而生成上述压力控制值(斜坡滤波器)。
作为计算压力目标值的具体实施方式，考虑到上述压力目标值计算部通过将上述浓度目标值和上述浓度检测值带入预定的运算式，从而计算上述压力目标值。
例如，考虑到利用原料气体的浓度由“原料气体的分压/罐内的压力”而求取的情况。具体来说，优选上述压力目标值计算部通过使上述罐内的压力乘以上述浓度目标值与上述浓度检测值之比，从而计算上述压力目标值。
本发明的浓度控制模块还可以具备第二阀控制部，第二阀控制部使用从外部接收的上述罐内的压力目标值与上述罐内的压力之间的偏差来对上述阀进行反馈控制，浓度控制模块可以构成为能够切换通过上述压力目标值计算部、上述延迟滤波器和上述第一阀控制部进行的浓度控制模式与通过上述第二阀控制部进行的压力控制模式。
在这种情况下，在浓度控制模式中，对压力目标值提供时间延迟，因此上述第一阀控制部的控制参数能够设为与上述第二阀控制部的控制参数相同。具体来说，考虑到上述控制参数是PID系数。
另外，使用了上述浓度控制模块的原料气化装置也是本发明的一个实施方式。
发明效果
根据上述本发明，能够提高原料气化系统的浓度控制的响应性。
附图说明
图1是本发明的一个实施方式的原料气化系统的整体模式图。
图2是该实施方式的浓度控制模块的控制框图。
图3是进行基于该实施方式的压力的浓度控制的情况(本实施例)与进行基于以往的浓度的浓度控制的情况(以往例)的下降时间和上升时间的实验结果。
图4是表示变形实施方式的(a)浓度控制模式和(b)压力控制模式的控制框图。
符号说明
100…原料气化系统
2…罐
4…导出管
6…浓度控制模块
61…浓度检测部
62…阀
63a…压力目标值计算部
63b…延迟滤波器
63c…第一阀控制部
63d…第二阀控制部
具体实施方式
以下，对于本发明的一个实施方式的原料气化系统，参照附图进行说明。
＜1、系统构成＞
本实施方式的原料气化系统100为例如用于半导体制造工艺的系统，并且是以预定的浓度将异丙醇(IPA)等原料气体供给到例如晶片清洗装置的干燥处理室的系统。另外，原料气化系统也可以是以预定的浓度将原料气体供给到例如CVD成膜装置和/或MOCVD成膜装置等半导体处理装置的处理室的系统。
该原料气化系统100是将载气导入到液体或固体的原料而使其气化，并供给由此生成的原料气体的系统。应予说明，以下，虽然对使用液体的原料的例子进行说明，但使用固体的原料的情况也是同样。
具体来说，如图1所示，原料气化系统100具备：收容液体的原料LM的罐2、对该罐2导入载气CG而起泡的导入管3、以及从罐2导出载气CG与原料LM气化而成的原料气体的混合气体MG的导出管4。
罐2是收容液体的原料LM的例如不锈钢制的密闭容器，可被设置在外部的加热器等加热机构加热至一定温度。
在导入管3的上游侧，连接有例如氮和/或氢等载气的供给源(未图示)，导入管3的下游侧插入到罐2内。导入管3的下游侧开口设定在比被收容在罐2的液体的原料LM的液面低的位置，通过从导入管3导入到罐2的载气CG而使原料LM起泡。另外，在导入管3设置有用于将供给到罐2内的载气的流量保持为恒定的质量流控制器5。
导出管4的上游侧开口连接于在罐2中以收容有液体的原料LM的状态形成的上部空间(气相)。另外，在导出管4的下游侧连接有半导体处理装置的处理室200。另外，在导出管4设置有用于控制混合气体MG中的原料气体的浓度的浓度控制模块6。应予说明，在导入管3和导出管4连接有避开罐2的旁路管BP，在导入管3、导出管4和旁路管BP设置有切换供载气通过罐2的流路和供载气通过旁路管BP的流路的流路切换阀V1～V3。
＜2、浓度控制模块＞
然后，针对本实施方式的浓度控制模块6进行说明。
如图1所示，浓度控制模块6具备：检测流通于导出管4的原料气体的浓度的浓度检测部61、设置于将原料气体从罐2导出的导出管4的阀62、以及基于浓度检测部61的检测浓度来对阀62进行反馈控制的控制设备63。在本实施方式中，在导出管4中的阀62的上游侧，设置有检测罐2内的压力(总压)的压力检测部64。应予说明，压力检测部64也可以与浓度控制模块6分别设置。
浓度检测部61连续检测混合气体MG中的原料气体的浓度，能够使用利用了非分光红外线吸收法(NDIR)的NDIR传感器、利用了因原料气体的浓度变化而使声速变化的超声波传感器等。
阀62在导出管4中设置于浓度检测部61的下游侧，并且其阀开度被控制设备63控制。
控制设备63是具备CPU、储存器、A/D转换器、输入输出接口等的计算机，并且这些各部分基于存储在储存器的程序来协作，由此如图2所示，作为压力目标值计算部63a、延迟滤波器63b、第一阀控制部63c等发挥功能。
压力目标值计算部63a使用原料气体的浓度目标值(CSET)和浓度检测部61的浓度检测值(COUT)来计算罐2内的压力目标值(PSET)。
具体来说，如下式所示，压力目标值计算部63a通过使罐2内的压力(POUT)乘以浓度目标值(CSET)与浓度检测值(COUT)之比(COUT/CSET)来计算压力目标值(PSET)。其利用了原料气体的浓度由“原料气体的分压(Pv)/罐内的压力(Pt)”求得，原料气体的分压(Pv)只要原料温度或载气的流量等不改变，就与罐内的压力(Pt)无关，几乎为恒定的情况。应予说明，罐2内的压力(POUT)在压力检测部64求得，浓度检测值(COUT)由浓度检测部61求得。
Figure BDA0003219516770000051
延迟滤波器63b对通过压力目标值计算部63a得到的压力目标值(PSET)提供预定的时间延迟而生成压力控制值(PCTL)。
具体来说，延迟滤波器63b如下式所述，针对压力目标值(PSET)进行一阶延迟运算而生成压力控制值(PCTL)。在这里，PCTL1表示之前的压力控制值，Δt表示控制周期，Tf表示调整压力目标值的变化率的参数(时间常数)。
Figure BDA0003219516770000052
第一阀控制部63c使用通过延迟滤波器63b得到的压力控制值(PCTL)与罐2内的压力(POUT)之间的偏差来对阀62进行反馈控制，并将阀控制信号输出到阀62。在这里，第一阀控制部63c的PID系数(比例积分微分系数，Proportional Integral Derivative)是预先设定的。
然后，在图3示出将设定浓度(浓度目标值)进行了“4.4vol％”→“3.3vol％”→“4.4vol％”变更时的进行了基于本实施方式的压力的浓度控制的情况(本实施例)与进行了基于以往的浓度的浓度控制的情况(以往例)的下降时间和上升时间。
在这里，原料为IPA，罐温度为23℃，载气的流量为1SLM，阀的下游侧的压力为100kPa。
可知在将设定浓度(浓度目标值)进行了“4.4vol％”→“3.3vol％”变更的情况下，相对于以往例的下降时间为80秒，本实施例的下降时间为50秒，响应时间缩短。另外，可知在将设定浓度(浓度目标值)进行了“3.3vol％”→“4.4vol％”变更的情况下，相对于以往例的上升时间为200秒，本实施例的上升时间为60秒，响应时间缩短。
＜3、本实施方式的效果＞
根据如此构成的本实施方式的原料气化系统100，使用原料气体的浓度目标值(CSET)和浓度检测部的浓度检测值(COUT)来计算罐2内的压力目标值(PSET)，并基于该压力目标值(PSET)而控制阀62，由此进行浓度控制，因此能够提高其响应性。
特别地，在本实施方式中，使用延迟滤波器63b对压力目标值(PSET)提供预定的时间延迟而生成压力控制值(PCTL)，并使用该压力控制值(PCTL)与罐2内的压力(POUT)之间的偏差来对阀62进行反馈控制，所以能够减少在变更压力目标值(PSET)时的超调量(overshoot)等不必要的压力变化。据此，也能够提高原料气化系统100的浓度控制的响应性。
另外，即使在因载气的流量的变化和/或罐2的容积的变化而使罐2内的气体置换时间变化的情况下，也能够不变更第一阀控制部63c的控制参数(例如PID系数)，而仅通过延迟滤波器63b的变更来进行适当的控制。
＜4、其他实施方式＞
例如，虽然上述实施方式的延迟滤波器是进行一阶延迟运算的滤波器，但是也可以是使压力目标值以恒定的比例连续变化而生成压力控制值的滤波器。
另外，压力目标值计算部也可以通过将浓度目标值和浓度检测值带入上述实施方式举例示出的运算式以外的预定的运算式来计算压力目标值。
而且，如图4的(b)所示，浓度控制模块还可以具备第二阀控制部63d，第二阀控制部63d使用从外部接收的罐2内的压力目标值(PSET)与罐2内的压力(POUT)之间的偏差来对阀62进行反馈控制。在这种情况下，可以构成为能够切换如上述实施方式那样通过压力目标值计算部63a、延迟滤波器63b和第一阀控制部63c进行的浓度控制模式(图4的(a))与通过第二阀控制部63d进行的压力控制模式(图4的(b))。在这种情况下，第一阀控制部63c的控制参数(例如PID系数)能够设为与第二阀控制部63d的控制参数(例如PID系数)相同。应予说明，压力控制模式在例如使用流路切换阀V1～V3而使载气避开到旁路管BP中的情况下(即，因为不向罐2导入载气，所以不含原料气体，浓度控制不发挥功能的情况)等中使用。
另外，只要不违反本发明的宗旨，也可以进行各种实施方式的变形和/或组合。

Claims (9)

1.一种浓度控制模块，其特征在于，所述浓度控制模块用于原料气化系统，所述原料气化系统将载气导入到被收容在罐内的液体或固体的原料而使其气化，并供给由此生成的原料气体，所述浓度控制模块具备：
浓度检测部，其检测所述原料气体的浓度；
阀，其设置在将所述原料气体从所述罐导出的导出管；
压力目标值计算部，其使用所述原料气体的浓度目标值和所述浓度检测部的浓度检测值来计算所述罐内的压力目标值；
延迟滤波器，其对通过所述压力目标值计算部得到的压力目标值提供预定的时间延迟而生成压力控制值；以及
第一阀控制部，其使用通过所述延迟滤波器得到的压力控制值与所述罐内的压力之间的偏差来对所述阀进行反馈控制。
2.根据权利要求1所述的浓度控制模块，其特征在于，
所述延迟滤波器针对所述压力目标值进行一阶延迟运算而生成所述压力控制值。
3.根据权利要求1所述的浓度控制模块，其特征在于，
所述延迟滤波器使所述压力目标值以恒定的比例连续地变化而生成所述压力控制值。
4.根据权利要求1所述的浓度控制模块，其特征在于，
所述压力目标值计算部通过将所述浓度目标值和所述浓度检测值带入预定的运算式，从而计算所述压力目标值。
5.根据权利要求1所述的浓度控制模块，其特征在于，
所述压力目标值计算部通过将所述罐内的压力乘以所述浓度目标值与所述浓度检测值之比，从而计算所述压力目标值。
6.根据权利要求1所述的浓度控制模块，其特征在于，
所述浓度控制模块还具备第二阀控制部，所述第二阀控制部使用从外部接收的所述罐内的压力目标值与所述罐内的压力之间的偏差来对所述阀进行反馈控制，
所述浓度控制模块构成为能够切换通过所述压力目标值计算部、所述延迟滤波器和所述第一阀控制部进行的浓度控制模式与通过所述第二阀控制部进行的压力控制模式。
7.根据权利要求6所述的浓度控制模块，其特征在于，
所述第一阀控制部的控制参数与所述第二阀控制部的控制参数相同。
8.根据权利要求7所述的浓度控制模块，其特征在于，
所述控制参数为比例积分微分系数。
9.一种原料气化系统，其特征在于，所述原料气化系统将载气导入到被收容在罐内的液体或固体的原料而使其气化，并供给由此生成的原料气体，
所述原料气化系统使用权利要求1至8中任一项所述的浓度控制模块来控制所述原料气体的浓度。
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