JP2012168824A

JP2012168824A - 流体制御装置

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Publication number: JP2012168824A
Application number: JP2011030305A
Authority: JP
Inventors: Kotaro Takijiri; 興太郎瀧尻; Yutaka Yoneda; 豊米田
Original assignee: Horiba Stec Co Ltd
Current assignee: Horiba Stec Co Ltd
Priority date: 2011-02-15
Filing date: 2011-02-15
Publication date: 2012-09-06

Abstract

【課題】デジタル制御を採用したバルブ制御機構であっても、従来のアナログ制御を使用している場合に近い応答性を実現することができる流体制御装置を提供する。
【解決手段】流体が流れる流路５上に設けられた流体制御バルブ２と、前記流体に関する物理量を測定する流体測定部１と、前記流体測定部で測定される物理量の測定値が、予め設定される設定値となるように前記流体制御バルブ２の開度を制御するバルブ制御機構４とを備えた流体制御装置１００であって、前記バルブ制御機構４が、前記測定値と前記設定値の偏差に基づいてデジタル制御によって前記流体制御バルブ２の開度の操作量を演算する操作量演算部４１と、アナログ制御によって位相遅れを補償する位相補償部４２と、を備えた。
【選択図】図1

Description

本発明は、流路を流れる流体の圧力、流量等を制御するための流体制御装置に関するものである。

半導体の製造に用いられる各種ガス等を半導体製造装置に供給する場合、それらの供給流路にマスフローコントローラ等の流体制御装置をそれぞれ設け、ガスの圧力や流量をそれぞれ調節するようにしている。

流量制御を行う場合を例とすると、前記マスフローコントローラは、流路に設けられる流量制御バルブと、流体の流量を測定する流量センサと、設定流量と測定流量の偏差に基づいて前記流量制御バルブの開度を制御するバルブ制御機構とを備えている。

そして、前記バルブ制御機構は主として電子回路により構成され、アナログ制御（連続時間制御）によって前記流量制御バルブを制御するように構成されているものである。特許文献１に示されるように前記バルブ制御機構は、前記偏差に対してＰＩＤ演算を施しバルブの操作量を演算する操作量演算部と、位相遅れを補償する位相補償部とを備えているものがある。このように位相補償をすることによって、高速応答させる場合等において制御が不安定になることを防ぎ、求められる精度の応答性で流量制御等を行えるようにしている。

ところで、近年マスフローコントローラはより製造コストを抑えることが求められており、その要求に応えるために、前記バルブ制御機構の制御方式は電子回路等の精度管理や実装の手間等によって製造コストが割高となりやすいアナログ制御から、製造コストを抑えやすいコンピュータ上のプログラムによるデジタル制御（離散時間制御）に切り替えられつつある。

しかしながら、前記バルブ制御機構を従来のアナログ制御からデジタル制御に置き換えると、デジタル制御の場合、センサ出力を取り込む際の量子化誤差や、サンプリング周期が存在する事等によって、アナログ制御で実現していた応答性を実現できないことがある。より具体的には、流体制御バルブを制御するための信号と、流量センサ等からの信号との間で位相遅れが発生している場合にソフトウェア的に位相補償を行った場合には、アナログ制御の場合に比べて性能が劣ってしまうことがある。このような問題を解決しアナログ制御の場合と同等の応答性を実現するに、例えばサンプリング周期を短くし、サンプリング回数を多くすることや制御の安定性を保つためにノイズのフィルタリング処理を行うようにすることも考えられるが、高負荷の演算処理が必要となるため高性能で高価なＣＰＵ等が必要となってしまい、製造コストの低減効果が思ったよりも出ない結果となってしまう。つまり、流体制御装置においてアナログ制御からデジタル制御に置き換える場合、製造コストと応答性との間のバランスを取ることが非常に難しい。

特開平９−１７１４１２号公報

本発明は上述したような問題を鑑みてなされたものであり、デジタル制御を採用したバルブ制御機構であっても、そのコストダウン効果を享受しつつ従来のアナログ制御を使用している場合に近い応答性を実現することができる流体制御装置を提供することを目的とする。

すなわち、本発明の流体制御装置は、流体が流れる流路上に設けられ、前記流体に関する物理量を測定する流体測定部と、前記流路上に設けられた流体制御バルブと、前記流体測定部で測定される物理量の測定値と、予め設定される設定値との偏差に基づいて、前記流体制御バルブの開度を制御するバルブ制御機構とを備え、前記バルブ制御機構が入力された値に対し所定の演算を施し、前記流体制御バルブの開度の操作量に関する値を出力するデジタル制御器である操作量演算部と、入力された値に対して位相のずれを補償して出力するアナログ制御器である位相補償部と、を備えたことを特徴とする。

より詳細に説明すると、本願発明者らは鋭意検討を重ねることによって、前記バルブ制御機構全体においてデジタル制御を用いるのではなく、操作量演算部に関してはデジタル制御を用い、位相補償部に関してはアナログ制御を用いることにより、デジタル制御に置き換えた際に生じる制御性能の劣化を補うことができ、従来と同等の応答性を実現できることを見出した。

つまり、前記操作量演算部に関してはデジタル制御を用い、前記位相補償部がアナログ制御により位相補償を行うように構成する事によって、前記バルブ制御機構全体にアナログ制御を用いていた場合に比べて製造コストを抑えながらも、応答性に関しても従来と同等の性能を保つことができる。

前記操作量演算部の具体的な実施の態様としては、前記操作量演算部が、ＰＩＤ演算により前記操作量に関する値を演算するものが挙げられる。

よりデジタル制御での応答性を向上させるためには、前記操作量演算部が、速度型デジタル演算により操作量に関する値を演算するものであればよい。

このように本発明は、前記操作量演算部に関してはデジタル制御を用いるとともに、前記位相補償部ではアナログ制御を用いることによって従来のアナログ制御の場合と同等の応答性を実現する事が可能となり、しかも製造コストも抑えることができる。

本発明の第一実施形態に係るマスフローコントローラを示す模式図。第１実施形態における制御系の構成を示すブロック線図。第１実施形態における位相補償部を構成するアナログ回路を示す模式図。各制御方式におけるステップ応答特性を比較するグラフ。本発明の第２実施形態に係る圧力制御装置を示す模式図。第２実施形態における制御系の構成を示すブロック線図。その他の実施形態に係るマスフローコントローラを示す模式図。その他の実施形態における制御系の構成を示すブロック線図。

以下、本発明の第一実施形態について図面を参照しながら説明する。

本実施形態の流体制御装置１００は、半導体製造装置において、成膜やエッチングの行われるチャンバー内に各種ガスを所望の流量又は圧力で導入するために用いられるものである。より具体的には、前記チャンバーに接続される各配管に前記流体制御装置１００が接続されており、各配管を流路５として流れるガスの制御を行うものである。

前記流体制御装置１００は、いわゆるマスフローコントローラであって、図１に示すように内部に流路５が形成されたボディ６と、前記流路５の上流から順番に設けられている、流量センサ１、流体制御バルブ２、圧力センサ３と、前記流量センサ１又は前記圧力センサ３の出力に基づいて前記流体制御バルブ２の開度を制御するバルブ制御機構４と、を備えたものであり、各部は一つの筐体としてパッケージ化してある。なお、本実施形態では、制御対象となる流体は例えばヘリウム等のガスであるが、その他の半導体製造に用いられるガスに対しても適用可能である。

各部について説明する。

前記ボディ６は、概略平直方体形状のブロック体であり、その内部に貫通路を形成することで流体の流れる流路５が形成してある。このボディ６の底面には、流路５の開始点である導入口６１と、終了点である導出口６２が設けてある。前記導入口６１、導出口６２は半導体製造工程等でパイプ等の代わりとして用いられる内部に流路５を有したガスパネル（図示しない）の接続口に接続されて使用される。また、前記ボディ６の上面には前記圧力センサ３、前記流量センサ１、前記流体制御バルブ２、と、を取り付けることによって、前記流路５上に各センサ、バルブが設けられるようにしてある。

前記圧力センサ３は、前記流体制御バルブ２の上流側の圧力である一次側圧力を測定するためのものである。この圧力センサ３で検出された圧力値は、各種機器の動作チェック等に用いられる。

前記流体制御バルブ２は、ソレノイドバルブであって、図示しない弁体を電磁力により可動させることでその開度を調節できるようにしてある。流体制御バルブ２もソレノイドバルブに限られるものではなく、ピエゾバルブ等その他のバルブであっても構わない。

前記流量センサ１は、前記流路５を流れる流体の物理量である流量を測定するものであり、いわゆる熱式流量センサである。前記流量センサ１は、前記流路５から分岐させて再び流路５に合流するように形成した細管で形成されたセンサ流路１と、前記細管の外周に設けられた一対のコイル１２と、前記センサ流路１１の分岐点と合流点の間において前記流路５に設けられ層流素子１３と、を備えたものである。そして、２つのコイル１２に電圧を印加し、それぞれが同じ温度で一定温度となるように制御を行い、その時に印加される各電圧に基づいて図示しない流量演算部が流路５１を流れる質量流量を算出するように構成してある。なお、本実施形態では熱式流量センサ１は、質量流量を測定するものであるが、体積流量を出力するように構成してあっても構わない。また、流量センサ１としては熱式流量センサに限られるものではなく、例えば差圧式流量センサであっても構わない。このように差圧式流量センサを用いた場合、流量変化に対するセンサ出力の応答速度を向上させることができ、より流体制御の応答性を向上させることもできる。加えて、前記層流素子１３はオリフィス等の流路抵抗であっても構わない。

前記バルブ制御機構４は、前記流量センサ１で測定される流量の測定値が、予め設定される設定値となるようにデジタル制御とアナログ制御のハイブリットによって前記流体制御バルブ２の開度を制御するものである。より具体的には、このバルブ制御機構４は、ハードウェア的に２つの領域に分けることができ、その第１の領域は、ＣＰＵ、メモリ、ＡＣ／ＤＣコンバータ等、を有した所謂コンピュータを用いて、前記メモリに格納された各種プログラムをＣＰＵによって実行することによって操作量演算部４１としての機能を実現するように構成してある。一方第２の領域としては、アナログ回路により構成してあり、位相補償部４２としての機能を実現するようにしてある・そして、前記バルブ制御機構４は入力を流量の設定値、出力を流量の測定値として、設定値から測定値までの伝達関数を表すブロック線図が図２に示すようなものとなるように構成してある。なお、ブロック線図中の制御対象と記載したブロックは、マスフローコントローラの流体制御バルブ２の特性、流体の特性、センサ特性等に基づいて記述される伝達関数を表す。

前記操作量演算部４１は、入力された値に対し所定の演算を施し、前記流体制御バルブの開度の操作量に関する値を出力するデジタル制御器である。前記操作量演算部４１については、前記流量センサ１により測定された流量の測定値と、予め設定された設定値の偏差が入力されて、前記流体制御バルブ２の開度の操作量をＰＩＤ演算によって演算し、その出力値を前記位相補償部４２へと出力するように構成してある。すなわち、操作量演算部４１は、所定の制御周期ごとにＰＩＤ演算値を離散的に前記位相補償部４２へと出力する。より具体的には、操作量演算部４１は、アナログ制御における時間領域表現では式数１に示すような演算式と対応した制御特性を有するものである。

ここで、ｅ：測定値と設定値の偏差、ＭＶ_１：ＰＩＤ演算値、Ｋ_ｐ：比例ゲイン、Ｔ_Ｉ：積分時間、Ｔ_Ｄ：微分時間である。
本実施形態では、デジタル制御を用いているので、速度型デジタル演算によりＰＩＤ演算値ＭＶ^１を算出するように式数１から変換された式数２及び式数３に基づいて前記操作量演算部４１は演算を行っている。

ここで、Δｔ：制御周期の長さ、ＭＶ^１ _ｎ：ｎ番目の制御周期におけるＰＩＤ演算値、ΔＭＶ^１ _ｎ：ｎ番目の制御周期におけるＰＩＤ演算値とｎ−１番目の制御周期におけるＰＩＤ演算値の差分である。

つまり、前記操作量演算部４１は、式数２、式数３から分かるように毎回出力値全体を計算するのではなく、前回値からの変化分だけを計算し、この変化分を前回値に加算して今回値を算出するように構成してある。

前記位相補償部４２は、図３の回路図に示されるアナログ回路により前記操作量演算部４１から入力されたＰＩＤ演算値について位相遅れを補償し、その値に対応する電圧をフィードバック値として前記流体制御バルブ２に入力するように構成してある。より具体的には、前記操作量演算部４１を構成するアナログ回路は、反転増幅回路の入力抵抗部分を抵抗とコンデンサの並列回路に置き換えたものであり、その制御特性は、アナログ制御における時間領域表現では式数４に示すような演算式と対応したものである。

ここで、ＭＶ_２：位相補償後のＰＩＤ演算値、Ｃ：コンデンサの容量、R：各抵抗の抵抗値。

次に、本実施形態の流体制御装置１００の応答性についてシミュレーション結果を用いて説明する。なお、本シミュレーションでは、完全微分については不完全微分に置き換えている。前記位相補償部の回路構成としては、前記コンデンサに対して直列にさらに抵抗を付加した形となる。完全微分、不完全微分については要求される精度等においてどちらを用いても構わない。

図４（ａ）に従来のアナログ回路で位相補償部４２が構成された流体制御装置１００のステップ応答を、図４（ｂ）に上述したように操作量演算部４１にデジタル制御を用いており、位相補償部４２がアナログ制御により位相遅れを補償するように構成した本実施形態の流体制御装置１００におけるステップ応答を、図４（ｃ）に操作量演算部４１、位相補償部４２についてともにデジタル制御を用いた流体制御装置におけるステップ応答を示す。なお、細実線は位相補償部４２から前記流体制御バルブ２へと入力されるフィードバック値に対応する電圧値の変化を示し、太実線は、この制御系の出力に相当する前記流量センサ１により測定されている流量の測定値を示すものである。

図４（ａ）、図４（ｂ）を比較すれば明らかなように、本実施形態のように操作量演算部４１にデジタル制御を用いるとともに、位相補償部４２がアナログ制御により位相遅れを補償した場合には、従来のアナログ制御の場合と略同等の応答性が実現できていることが分かる。

一方、図４（ｃ）に示されるように、本実施形態とは異なるデジタル制御により位相補償を行っている場合には、流体制御バルブ２に印加される電圧波形及び流量の測定値の波形はともにアナログ制御の場合と異なっている。特に流量の測定値に注目すると、立ち上がりの部分に若干のオーバーシュートが発生しており、従来のアナログ制御の場合と同等の応答性を実現できていない。

これらのように位相補償部４２にデジタル制御を用いるか、アナログ制御を用いるかによって応答性に違いが出るのは、制御対象がガスであり流体制御バルブ２の開度の変化量に対して流量が非線形で変化することや、あるいは、流体制御バルブ２自体も入力電圧の変化量に対して、開度が非線形で変化するためノイズ影響が発生することがあり、位相補償部４２をアナログ回路により構成しておくことでノイズに対して強い構成となっているためであると予想される。

このように、本願発明者らが上述した測定実験等に基づいて試行錯誤の末、操作量演算部４１にはデジタル制御を用いるとともに、位相補償部４２をアナログ回路で構成し、アナログ制御により位相遅れを補償するように構成すればよいことを見出したことにより、本実施形態の流体制御装置１００は、従来のアナログ制御の場合と同等の応答性を達成することができる。しかも、前記操作量演算部４１の制御方式をデジタル制御に置き換えることによって装置全体の製造コストを低減することが可能となる。

第２実施形態について説明する。なお、第１実施形態と対応する部材には同じ符号を付すこととする。

第１実施形態の流体制御装置１００では、流量を制御するものであったが圧力等の別の物理量について制御を行うように構成してもかまわない。すなわち、前記流体制御装置１００が圧力制御装置である場合について説明すると、第１実施形態では、熱式流量センサ１が請求項での流体測定部に相当するものであったが、図５に示すようにこの第２実施形態では前記圧力センサ３が請求項での流体測定部に相当するものとなる。また、それに伴って、バルブ制御機構４の構成も異なっている。

具体的には、前記バルブ制御機構４は圧力センサ３で測定される圧力の測定値が、予め設定される圧力の設定値となるように前記流体制御バルブ２を制御するように構成してある。前記バルブ制御機構４内の操作量演算部４１は、圧力の測定値と設定値の偏差にＰＩＤ演算により流体制御バルブ２の開度の操作量を算出するように構成してある。そして、前記位相補償部４２は前記操作量演算部４１で演算された開度の操作量についてアナログ制御により位相補償を行った値をフィードバック値として前記流体制御バルブ２へと入力するように構成してある。なお、第２実施形態については制御対象が流量から圧力に変更してある点以外は、前記バルブ制御機構４内で用いられる制御用の演算式や演算回路は同じであり、そのブロック線図は図６に示すようになる。このような圧力制御装置として構成した場合でも、前記バルブ制御機構４全体の制御方式がアナログ制御であった場合とほぼ同等の応答性を達成することができるとともに、その一部をアナログ制御からデジタル制御へと切り替えたことにより、製造コストを低減することができる。

その他の実施形態について説明する。

前記各実施形態では、流体の例としては圧縮性の流体であるガスを制御対象としていたが、例えば非圧縮性の液体を制御対象としてもかまわない。

また、各実施形態において説明したバルブ制御機構４の構成については様々な変形を行ってもかまわない。例えば、前記操作量演算部４１ではＰＩＤ演算以外の方法、例えばＰＩ演算等で操作量を演算してもかまわない。また、前記操作量演算部４１におけるデジタル演算の方式は、速度型デジタル演算であってもよいし、位置型デジタル演算であってもかまわない。また、制御信号の処理の順番は、前記操作量演算部４１、前記位相補償演算部の順で行っていたが、図７、図８に示すように逆の順序にしてもかまわない。なお、このように構成した場合は、操作量演算部４１に関しては式数２、式数３のｅをＭＶ^１に、ＭＶ^１をＭＶ^２に置き換えればよい。要するに、ブロック線図等において等価な制御ブロックとなっていればよく、例えば、前記位相補償部４２がフィードバックループ上で作用する要素として構成してもかまわない。また、流体制御装置１００の各センサ、バルブの配置する順番も前記実施形態に示されたものに限られず、制御用途等に応じて順番を変更しても構わない。加えて、前記位相補償部４２を構成するアナログ回路は示されたものだけに限られるものではなく、例えば式数４に示したのと等価なアナログ回路であればよい。

また、マスフローコントローラの各センサ、バルブの配置する順番も前記実施形態に示されたものに限られず、制御用途等に応じて順番を変更しても構わない。例えば、前記第１実施形態については、上流から流量センサ１、圧力センサ３、流量制御バルブ２の順で設けても構わない。加えて、前記圧力センサ３からの出力される圧力の測定値により流量の測定値、偏差、流量設定値を補正し、流体制御装置の応答性を更に向上させるようにしてもよい。特に、前記流量センサ１から出力される流量の測定値の補正について説明すると、前記流量演算部は、前記各コイル１２から得られた電圧値に基づいて算出される流量値に対して、前記圧力センサ３が示す圧力値、その圧力値の時間変化量、設定されている流量設定値等に基づいて補正を行ったあと、流量測定値として外部へと出力するように構成してもよい。

前記実施形態では、流体制御バルブ、流体測定部、バルブ制御機構は１つのパッケージ化されたマスフローコントローラ又は圧力制御装置であったが、それぞれがパッケージ化されていないものであっても構わない。例えば、前記バルブ制御機構内の前記操作量演算部のみパソコン等の汎用のコンピュータにより別体で構成するようにしても構わない。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、実施形態の組み合わせや変形を行ってもかまわない。

１００・・・流体制御装置
１、３・・・流体測定部
２・・・流体制御バルブ
４・・・バルブ制御機構
４１・・・操作量演算部
４２・・・位相補償部

Claims

流体が流れる流路上に設けられ、前記流体に関する物理量を測定する流体測定部と、
前記流路上に設けられた流体制御バルブと、
前記流体測定部で測定される物理量の測定値と、予め設定される設定値との偏差に基づいて、前記流体制御バルブの開度を制御するバルブ制御機構とを備え、
前記バルブ制御機構が、
入力された値に対し所定の演算を施し、前記流体制御バルブの開度の操作量に関する値を出力するデジタル制御器である操作量演算部と、
入力された値に対して位相のずれを補償して出力するアナログ制御器である位相補償部と、を備えたことを特徴とする流体制御装置。
前記操作量演算部が、ＰＩＤ演算により前記操作量に関する値を演算する請求項１記載の流体制御装置。
前記操作量演算部が、速度型デジタル演算により操作量に関する値を演算する請求項１又は２記載の流体制御装置。