JP2019020781A - 流体制御装置、流体制御システム、流体制御方法、及び、流体制御装置用プログラム - Google Patents

流体制御装置、流体制御システム、流体制御方法、及び、流体制御装置用プログラム Download PDF

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Abstract

【課題】時間的な制御性能を高めなくても例えばパルス制御で実現される流体の流量を毎回安定させることができ、１つの流路で構成することで流体供給時に無駄となる流体を無くすことが可能となる流体制御装置を提供する。【解決手段】流制御機構が、第１圧力センサで測定される第１圧力に基づいて、前記第１バルブを制御する第１圧力フィードバック制御部を備え、第１圧力フィードバック制御部が、第２バルブが閉鎖している状態において、第１圧力センサで測定される第１圧力が目標バースト圧力となるように第１バルブを制御し、前記制御機構が、第１圧力が目標バースト圧力となり、第２バルブが開放された以降において、流路に流れる流体の流量が目標一定流量となるように前記第１バルブを制御するように構成した。【選択図】図４

Description

本発明は、例えば半導体製造装置において各種ガスの流体量を制御するために用いられる流体制御装置に関するものである。
例えば半導体の成膜装置の一種である原子層堆積装置（ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ））においては、成分ガスと水蒸気ガスを交互に短時間だけ導入して、オングストローム単位の膜厚で成膜を実現する事が意図されている。
このため、例えば１原子分の膜が成膜されるのに必要な流量の各種ガスを成膜チャンバ内へ導入できるように、成膜チャンバ内に導入される各種ガスの流量を制御する流体制御システムは、短時間でバルブの開閉を切り替えるパルス制御によって駆動される（特許文献１参照）。
図９（ａ）に示すように、ＡＬＤプロセスにおいて用いられる流体制御システム２００Ａは、メイン流路の下流端部から分岐した２本の分岐流路を有する流路構造に設けられる。前記メイン流路には、流量フィードバック制御が行われるマスフローコントローラＭＦＣと、ボリュームＶとが設けられる。また、第１の分岐流路は成膜チャンバＣＨＭへ接続され、当該成膜チャンバＣＨＭの上流側には第１空圧弁ＡＶ１が設けられている。さらに第２の分岐流路は排気流路に接続されており、第２空圧弁ＡＶ２が設けられている。
このように構成された流体制御システム２００Ａにおいて、マスフローコントローラＭＦＣはボリュームＶに流入するガスの流量が、常に目標流量で一定に保たれるように流量フィードバック制御を行う。また、図９（ｂ）に示すように、第１空圧弁ＡＶ１が開放されている状態では第２空圧弁ＡＶ２が閉鎖され、第１空圧弁ＡＶ１が閉鎖されている状態では第２空圧弁ＡＶ２が開放されるようにそれぞれの動きが同期したパルス制御が繰り返される。このようにして、ボリュームＶに対して周期的に同じ圧力のガスがチャージされ、成膜チャンバＣＨＭへ同じ流量で供給できると考えられている。
しかしながら、上述したような制御は、空圧弁が指令値に対して高速で応答できるとともに、その応答速度が常に一定であるという前提が必要となる。例えば空圧弁は、工場内における圧縮空気供給源から空気の供給を受けて動作するが、空圧弁以外の機器と圧縮空気供給源は共用されるため、各動作時において供給圧が変動することがある。このため、空圧弁の開放又は閉鎖時における応答特性は、動作ごとに異なってしまう可能性がある。そうすると、各空圧弁が開放、閉鎖されている時間は常に一定になるとは限らないため、成膜チャンバに供給されるガスの流量が各パルスで安定しないという問題が発生する。
このように各制御機器の時間的な制御精度に依存して、成膜チャンバに供給されるガスの流量精度が決まってしまうが、ＡＬＤのような高速のパルス制御で求められる時間的な制御精度を実現することは現状では難しい。
また、第１空圧弁を開放している間に発生する圧力変動等の外乱が発生したとしても流量が一定に保たれるようにロバスト性を高めることも求められているが、空圧弁はオンオフバルブであるため、そのような要望に応えることも難しい。
さらに、上記の流体制御システムでは、成膜チャンバにガスを供給していない間は、前記マスフローコントローラを通過したガスの一部は第２空圧弁を介して排気され、成膜チャンバに供給されず無駄になってしまう。
加えて、上記の流体制御システムは、２つの分岐流路が必要となるため、大型化や複雑化を招いてしまうという問題もある。
特表２０１７−５０９７９３号公報
本発明は上述したような問題を一挙に解決するためになされたものであり、時間的な制御性能を高めなくても例えばパルス制御で実現される流体の流量を毎回安定させることができ、１つの流路で構成することで流体供給時に無駄となる流体を無くすことが可能となる流体制御装置を提供することを目的とする。
すなわち、本発明に係る流体制御装置は、流路に設けられた第２バルブよりも上流側に設けられた流体機器モジュールと、少なくとも前記流体機器モジュールの一部を制御する制御機構とを備えた流体制御装置であって、前記流体機器モジュールが、前記第２バルブよりも上流側に設けられた流体抵抗と、前記流体抵抗よりも上流側に設けられた第１圧力センサと、前記第１圧力センサよりも上流側に設けられた第１バルブと、を備え、前記制御機構が、前記第１圧力センサで測定される第１圧力に基づいて、前記第１バルブを制御する第１圧力フィードバック制御部を備え、前記第１圧力フィードバック制御部が、前記第２バルブが閉鎖している状態において、前記第１圧力センサで測定される第１圧力が目標バースト圧力となるように前記第１バルブを制御し、前記制御機構が、第１圧力が目標バースト圧力となり、前記第２バルブが開放された以降において、前記流路に流れる流体の流量が目標一定流量となるように前記第１バルブを制御するように構成されていることを特徴とする。
また、本発明に係る流体制御方法は、流路に設けられた第２バルブよりも上流側に設けられた流体機器モジュールと、少なくとも前記流体機器モジュールの一部を制御する制御機構とを備えた流体制御装置であり、前記流体機器モジュールが、前記第２バルブよりも上流側に設けられた流体抵抗と、前記流体抵抗よりも上流側に設けられた第１圧力センサと、前記第１圧力センサよりも上流側に設けられた第１バルブと、を備えた流体制御装置を用いた流体制御方法であって、前記第２バルブが閉鎖している状態において、前記第１圧力センサで測定される第１圧力が目標バースト圧力となるように前記第１バルブを制御し、第１圧力が目標バースト圧力となり、前記第２バルブが開放された以降において、前記流路に流れる流体の流量が目標一定流量となるように前記第１バルブを制御することを特徴とする。
このようなものであれば、前記第１圧力フィードバック制御部による前記第１バルブの制御によって、前記第２バルブが閉鎖されている状態において前記第１バルブから前記第２バルブに至る流路の容積内に目標バースト圧力で流体をチャージすることができる。このため、前記第２バルブが開放される前には毎回同じ圧力を実現でき、当該第２バルブが開放された際に流れるインパルス状のバースト流の流量を毎回ほぼ同じ値にすることができる。
言い換えると、前記第２バルブが開放される前の流体のチャージ状態は、前記第１バルブ、又は、前記第２バルブの時間的な制御特性である過渡応答特性に依存しないので、従来よりも圧力のチャージに関する繰り返し精度を向上させることができる。
さらに、前記制御機構が、前記第２バルブが開放された以降において、前記流路に流れる流体の流量が目標一定流量となるように前記第１バルブを制御するので、インパルス状のバースト流が発生した後については、外乱等があってもその流量が維持され、流量制御のロバスト性を高めることができる。
加えて、上記の構成によれば、流路は１本であればよく、流路構成を簡素化でき、さらには前記第２バルブを閉鎖して目標バースト圧力へチャージする際には排気されて無駄となる流体を無くすことができる。
前記第２バルブが開放されて、バースト流が発生した後において流体の流量を目標流量で一定に保つための具体的な制御態様としては、前記流体機器モジュールが、前記流体抵抗よりも下流側、かつ、前記第２バルブよりも上流側に設けられた第２圧力センサをさらに備え、前記制御機構が、前記第１圧力センサで測定される第１圧力と前記第２圧力センサで測定される第２圧力に基づいて前記流路に流れる流体の流量を算出する流量算出部と、前記流量算出部で算出される測定流量に基づいて、前記第１バルブを制御する流量フィードバック制御部と、をさらに備え、前記流量フィードバック制御部が、第１圧力が目標バースト圧力となり、前記第２バルブが開放された以降において、測定流量が目標一定流量となるように前記第１バルブを制御するものが挙げられる。
前記制御機構により、第１圧力に基づいた圧力フィードバック制御から測定流量に基づいた流量フィードバック制御へ切り替える際に、流路に流れる流体の流量に変動が生じにくくし、より制御精度を高められるようにするには、前記第１圧力フィードバック制御部が、前記第２バルブが閉鎖しており、第１圧力が目標バースト圧力となった以降において、第１圧力が目標一定流量に相当し、目標バースト圧力よりも低い目標維持圧力となるように前記第１バルブを制御するものであればよい。
前記第１バルブから前記第２バルブへ至る流路の容積内において目標バースト圧力をチャージする際に、チャージ開始当初は前記第１バルブが全開とされてより多くの流体が流れ込むようにし、目標バースト圧力に近づいてからは徐々に前記第１バルブが閉鎖されるようにして、容積全体を速やかに目標バースト圧力に設定できるようにするには、前記制御機構が、前記第１圧力フィードバック制御部による前記第１バルブの制御が行われる前において、前記第２圧力センサで測定される第２圧力に基づいて、前記第１バルブを制御する第２圧力フィードバック制御部をさらに備え、前記第１圧力フィードバック制御部が、第１圧力が目標バースト圧力よりも高い圧力になった以降において、第１圧力が目標バースト圧力となるように前記第１バルブを制御するものであればよい。
前記第１バルブから前記第２バルブに至る流路の容積内全体で目標バースト圧力を達成させるのに必要な量よりも多くの流体が流入するのを事前に防ぎつつ、圧力チャージの高速化を実現できるようにするには、前記第１圧力フィードバック制御部が、第１圧力、及び、第２圧力に基づいて算出される前記第１バルブから前記第２バルブまでのチャージ容積に流入した流体の質量が、目標バースト圧力に基づいて算出される目標質量となった場合に、第１圧力が目標バースト圧力となるように前記第１バルブの制御を開始するものであればよい。
目標バースト圧力が容積内にチャージされるタイミングと、前記第２バルブの開放タイミングを同期させて、常に同じ状態のバースト流が発生させることができるようにするには、前記制御機構が、前記第２バルブを制御する第２バルブ制御部をさらに備え、前記第２バルブ制御部が、前記第１圧力フィードバック制御部による前記第１バルブの制御によって第１圧力が目標バースト圧力となった以降に前記第２バルブを開放するように構成されたものであればよい。
本発明に係る流体制御装置と、前記第２バルブと、を備えた流体制御システムであれば、例えばＡＬＤのような用途において必要とされる流体制御特性を達成できる。
既存の流体制御装置について例えばプログラムをアップデートすることにより、本発明に係る流体制御装置と同等の性能を発揮できるようにするには、流路に設けられた第２バルブよりも上流側に設けられた流体機器モジュールと、少なくとも前記流体機器モジュールの一部を制御する制御機構とを備えた流体制御装置であり、前記流体機器モジュールが、前記第２バルブよりも上流側に設けられた流体抵抗と、前記流体抵抗よりも上流側に設けられた第１圧力センサと、前記流体抵抗よりも下流側、かつ、前記第２バルブよりも上流側に設けられた第２圧力センサと、前記第１圧力センサよりも上流側に設けられた第１バルブと、を備えた流体制御装置に用いられるプログラムであって、前記第１バルブを制御する第１バルブ制御部としての機能をコンピュータに発揮させるものであり、前記第１バルブ制御部が、前記第１圧力センサで測定される第１圧力に基づいて、前記第１バルブを制御する第１圧力フィードバック制御部を備え、前記第１圧力フィードバック制御部が、前記第２バルブが閉鎖している状態において、前記第１圧力センサで測定される第１圧力が目標バースト圧力となるように前記第１バルブを制御し、前記第１バルブ制御部が、第１圧力が目標バースト圧力となり、前記第２バルブが開放された以降において、測定流量が目標一定流量となるように前記第１バルブを制御することを特徴とする流体制御装置用プログラムを用いればよい。
なお、流体制御装置用プログラムは、電子的に配信されるものであってもよいし、ＣＤ、ＤＶＤ、ＨＤＤ、フラッシュメモリ等のプログラム記憶媒体に記憶されるものであってもよい。
このように本発明に係る流体制御装置によれば、前記第２バルブが閉鎖されている間は第１圧力に基づいて目標バースト圧力となるように圧力フィードバック制御を行い、前記第２バルブが開放されてバースト流が発生した後は測定流量に基づく流量フィードバック制御が行うことができる。このため、各流体機器モジュールの時間的な制御特性に依存しておらず、毎回同じ目標バースト圧力をチャージして、同じ状態のバースト流を発生させることができる。さらに、バースト流が発生した後は目標一定流量で保たれるように前記第１バルブが動作するので、外乱に対するロバスト性を発揮することができる。
加えて、本発明に係る流体制御装置は複数のラインを必要とせず、流路構成を簡素化し、目標バースト圧力をチャージするために排気されて無駄となる流体も無くすことができる。
本発明の第１実施形態に係る流体制御装置、及び、流体制御システムを示す模式図。 第１実施形態における第２バルブのパルス制御動作を示す模式的グラフ。 第１実施形態における第２バルブの開放前後における各種制御パラメータと第１バルブの動作を示すタイミングチャート。 第１実施形態における流体制御装置、及び、流体制御システムの動作を示すフローチャート。 本発明の第２実施形態に係る流体制御装置、及び、流体制御システムを示す模式図。 第２実施形態における流体制御装置、及び、流体制御システムの動作を示すフローチャート。 本発明の第３実施形態に係る流体制御装置、及び、流体制御システムを示す模式図。 第３実施形態における流体制御装置、及び、流体制御システムの動作を示すフローチャート。 従来の流体制御システムと、その動作について示す模式図。
本発明の第１実施形態に係る流体制御装置１００、及び、流体制御システム２００について各図を参照しながら説明する。
第１実施形態の流体制御システム２００は、原子層堆積装置（以下、ＡＬＤとも言う）の成膜チャンバに対して各種ガスをパルス制御によって間欠的に供給するものである。例えばＡＬＤの成膜チャンバに対しては、プリカーサと呼ばれるＴＭＡ等の成分ガスと水蒸気ガスが交互に供給される。このため流体制御システム２００は、ＴＭＡを供給するための流路と、水蒸気ガスを供給するための流路にそれぞれ１つずつ設けてある。以下の説明では１つの流路に注目して流体制御装置１００、及び、流体制御システム２００の詳細について説明する。
流体制御システム２００は、図１に示すように、流路に設けられ第２バルブＶ２と、流路において第２バルブＶ２よりも上流側に設けられた流体機器モジュールＦＭ、及び、少なくとも前記流体機器モジュールＦＭの一部を制御する制御機構ＣＯＭを備えた流体制御装置１００と、を備えている。
第２バルブＶ２は図２に示すように所定周期ごとにオンオフが繰り返されるパルス制御により、開放又は全閉が繰り返されるものである。例えばオン期間におけるパルス幅については例えば１０ｍｓｅｃオーダに設定してあり、全体の周期については１００ｍｓｅｃオーダに設定してある。ＡＬＤにおいてはこのようなパルス制御が例えば１０００サイクル繰り返されて、基板上に１０００層分の半導体層が形成される。第２バルブＶ２は、オンオフバルブであればよく、例えばＡＬＤプロセスように応答性を向上させた空圧弁であってもよいし、ピエゾアクチュエータを用いたピエゾバルブであってもよい。
前記流体制御装置１００は、第２バルブＶ２が開放されているオン期間において毎回、ほぼ同じ流量のガスが流れるように図３のグラフに示すような制御を行う。具体的には、流体制御装置１００は、第２バルブＶ２が閉鎖されているオフ期間において目標バースト圧力が第２バルブＶ２の上流側にチャージされるように動作する。また、流体制御装置１００は、第２バルブＶ２が開放されているオン期間においてはインパルス状のバースト流が発生した後に目標一定流量で行われるように動作する。
以下では流体制御装置１００の具体的な構成について詳述する。
流体制御装置１００の流体機器モジュールＦＭは、図１に示すように、内部流路が形成されたブロックＢに対して複数の機器が取り付けられたものである。流体機器モジュールＦＭは第２バルブＶ２とは独立してユニット化してあり、流路に対してブロックＢが取り付けられるようにしてある。また、流体機器モジュールＦＭと第２バルブＶ２との間には第２バルブＶ２が閉鎖されている状態において流体であるガスが溜められる下流側ボリュームＶが配置してある。この下流側ボリュームＶは、例えば流路において他の配管部分よりも径が大きく形成された部分である。
この流体機器モジュールＦＭは、上流側から順番に、供給圧センサＰ０、第１バルブＶ１、第１圧力センサＰ１、流体抵抗Ｒ、第２圧力センサＰ２がブロックＢに対して設けてある。
供給圧センサＰ０は、上流側から供給される成分ガス又は水蒸気ガスの供給圧をモニタリングするためのものである。
第１バルブＶ１は、例えばピエゾアクチュエータによって弁体が駆動され、弁体と弁座間の開度が制御されるものである。
流体抵抗Ｒは、例えば層流素子であり、前後に差圧を形成して流路に流れるガスの流量を測定するために用いられる。すなわち、第１圧力センサＰ１、第２圧力センサＰ２は流体抵抗Ｒの前後の差圧を測定される第１圧力、及び、第２圧力に基づいて流量を算出できるように構成してある。
第１圧力センサＰ１は、第１バルブＶ１と流体抵抗Ｒとの間の流路の容積である第１容積内に流入しているガスの圧力を第１圧力として測定するものである。
第２圧力センサＰ２は、第２バルブＶ２と下流側ボリュームＶとの間に配置され、流体抵抗Ｒから第２バルブＶ２に至るまでの流路の容積である第２容積内に流入しているガスの圧力を第２圧力として測定するものである。
第１圧力、及び、第２圧力は測定流量を算出するために用いられるだけでなく、後述するようにそれぞれ単独で第１バルブＶ１を制御するために用いられる。
制御機構ＣＯＭは、ＣＰＵ、メモリ、Ａ／Ｄ・Ｄ／Ａコンバータ、入出力手段等を備えたいわゆるコンピュータによって構成してあり、メモリに格納されている流体制御装置用プログラムが実行されて、各種機器が協業することにより、少なくとも流量算出部ＦＣ、第１バルブ制御部１、第２バルブ制御部２としての機能を発揮するものである。
流量算出部ＦＣは、第１圧力センサＰ１で測定される第１圧力、及び、第２圧力センサＰ２で測定される第２圧力に基づいて、流路を流れるガスの流量を算出する。流量の算出式については知られている様々な式を用いることができる。
第１バルブ制御部１は、第１バルブＶ１の開度を例えば印加する電圧を変化させて制御するものである。この第１バルブ制御部１は、所定の制御タイミングごとにフィードバックされる値の種類、又は、目標値が変更されて、制御モードが切り替えられるように構成してある。このような制御モードの切り替えによって、第２バルブＶ２が開放されているオン期間においてバースト流が流れた後に一定流量が維持されるようにガスを流す。ここで、バースト流とは第２バルブＶ２が閉鎖されているオフ期間において流路内の容積にチャージされたガスが、第２バルブＶ２が開放された時点で一気に流出する流れを指す。バースト流は、当該バースト流が流れた後に保たれる一定流量よりも流量値が大きく、維持時間は短い。例えば、第１実施形態では、バースト流の流量値は一定流量値に対して２倍以上となる。
より具体的には、第１バルブ制御部１は、第１圧力フィードバック制御部１１、第２圧力フィードバック制御部１２、流量フィードバック制御部１３、制御切替部１４と、を備えている。
制御切替部１４は、第１圧力フィードバック制御部１１、第２圧力フィードバック制御部１２、流量フィードバック制御部１３のいずれか１つに第１バルブＶ１の制御を実施させるものである。制御切替部１４は流量算出部ＦＣから入力される測定流量、第２圧力センサＰ２から入力される第２圧力に基づいて、判定条件を満たすごとに第１バルブＶ１の制御を切り替える。なお、判定条件等の詳細については後述する動作の説明において詳述する。
第１圧力フィードバック制御部１１は、第１圧力センサＰ１で測定される第１圧力に基づいて第１バルブＶ１を制御するものである。より具体的には、第１圧力フィードバック制御部１１は、設定される目標圧力と第１圧力との偏差が小さくなるように第１バルブＶ１の開度を制御する。なお、第１実施形態では目標圧力として、少なくとも目標バースト圧力と目標維持圧力の２種類が設定され、制御条件が満たされると制御切替部１４によって適宜変更される。ここで、目標バースト圧力は、第２バルブＶ２が閉鎖されている状態において流路内の容積にチャージされるガスの圧力の目標値であって、発生させたいバースト流の流量値の大きさに応じて設定される。また、目標維持圧力は、バースト流が発生した後に維持した一定流量に応じて設定されるガスの圧力の目標値である。バースト流の流量値は、一定流量値よりも大きく設定するので、目標バースト圧力は目標維持圧力よりも高い圧力に設定される。また、第１圧力フィードバック制御部１１は、第２バルブＶ２が開放される時点の前後において第１バルブＶ１の開度を制御する。
第２圧力フィードバック制御部１２は、第２圧力センサＰ２で測定される第２圧力に基づいて第１バルブＶ１を制御するものである。より具体的には、第２圧力フィードバック制御部１２は、設定される目標圧力と第２圧力との偏差が小さくなるように第１バルブＶ１の開度を制御する。また、第２圧力フィードバック制御部１２は、第２バルブＶ２が閉鎖されている状態において第１バルブＶ１から第２バルブＶ２までの容積に所定質量のガスが流入するまでの間、第１バルブＶ１の開度を制御する。
流量フィードバック制御部１３は、流量算出部ＦＣで算出される測定流量に基づいて第１バルブＶ１を制御するものである。より具体的には、流量フィードバック制御部１３は、設定される目標流量と測定流量との偏差が小さくなるように第１バルブＶ１の開度を制御する。また、流量フィードバック制御部１３は、第１圧力フィードバック制御部１１、及び、第２圧力フィードバック制御部１２による第１バルブＶ１の制御が行われていない間、第１バルブＶ１の制御を行う。
第２バルブ制御部２は、第２バルブＶ２の開閉タイミングを制御するものであり、例えば予め定められた周期でオンオフを繰り返すパルス制御を行うものである。より具体的には、第２バルブ制御部２は、流体制御装置１００により第１バルブＶ１から第２バルブＶ２までの流路の容積に目標バースト圧力がチャージされるまでの間は第２バルブＶ２を閉鎖し、チャージされてから所定時間後に第２バルブＶ２を開放するようにそのタイミングが設定してある。なお、第２バルブ制御部２は、例えば第１圧力センサＰ１において測定される第１圧力が所定期間、目標バースト圧力が維持された場合には、所定待機時間後に第２バルブＶ２を開放するようにしてもよい。すなわち、第２バルブ制御部２は、第１圧力、第２圧力、測定流量をトリガ−として動作するように構成してもよい。
次にこのように構成された第１実施形態の流体制御システム２００による１サイクルの制御動作について図３のタイミングチャート、及び、図４のフローチャートを参照しながら説明する。以下の説明では第２バルブＶ２が閉鎖されてオフ期間が始まり、第２バルブＶ２が開放されて再び閉鎖されるまでの間の動作に注目して説明する。
図４に示すように、第２バルブＶ２が閉鎖されると（ステップＳ１）、第１バルブ制御部１は、流量フィードバック制御部１３によって目標維持流量が維持されるように第１バルブＶ１の制御が行われる（ステップＳ２）。図３における閉鎖時流量フィードバック期間に示すように第２バルブＶ２が閉鎖されている間は、流量フィードバック制御により第１バルブＶ１の開度が制御され、第１バルブＶ１から第２バルブＶ２の間の容積に流入するガスによって第１圧力、第２圧力が上昇する。図４に示すように、制御切替部１４において第２圧力が閾値を超えたかどうかの判定が行われ（ステップＳ３）、超えていない場合にはステップＳ２の流量フィードバックによって第１バルブＶ１を制御する動作が継続される。
一方、第２圧力が閾値を超えた場合には、制御切替部１４はユーザにより設定されている目標バースト圧力と、第１バルブＶ１から第２バルブＶ２までの流路の容積に基づいて目標質量Ｔｍを算出する（ステップＳ４）。ここで、目標質量Ｔｍは例えば第１バルブＶ１から第２バルブＶ２までの流路の容積全体が目標バースト圧力となった場合に充填されているガスの理想質量に対して所定割合だけ小さい値に設定してある。すなわち、目標質量Ｔｍとなった時点では、容積内の一部では目標バースト圧力以上となっていても、全体で平均すると目標バースト圧力には到達していない。目標質量Ｔｍについては流体制御装置１００の設計値から算出される第１バルブＶ１から流体抵抗Ｒまでの第１容積の体積と、流体制御装置１００の設計値から算出される流体抵抗ＲからブロックＢの出口までの容積の値、及び、ユーザにより設定される下流側ボリュームＶの容積の値から算出される流体抵抗Ｒから第２バルブＶ２までの第２容積の体積の和に目標バースト圧力を乗じることで算出できる。
さらに、制御切替部１４は流量フィードバック制御部１３による第１バルブＶ１の制御から、第２圧力フィードバック制御部１２による第１バルブＶ１の制御へと切り替える（ステップＳ５）。ここで、図３における第２圧力フィードバック制御期間に示すように、目標バースト圧力と第２圧力との偏差が大きいので、第２圧力フィードバック制御部１２によって第１バルブＶ１は、ほぼ全開状態に保たれることによる。したがって、最大の流量でガスが容積に対して流入することになり、容積内の圧力を急速に上昇させることができる。
図４に示すように、第２圧力フィードバック制御部１２による制御が継続している間、制御切替部１４は容積に対して流入している現在のガスの質量を算出する（ステップＳ６）。ここで、現在のガスの質量は、第１容積の体積に現在測定されている第１圧力を乗じた値と、第２容積の体積に現在測定されている第２圧力を乗じた値の和として算出される。
さらに、制御切替部１４は、現在質量Ｃｍと目標質量Ｔｍを比較し（ステップＳ７）、現在質量Ｃｍが目標質量Ｔｍに到達していない間はステップＳ５及びステップＳ６の動作が継続される。現在質量Ｃｍが目標質量Ｔｍと同じ値になった時点で、制御切替部１４は第２圧力フィードバック制御部１２による第１バルブＶ１の制御から、第１圧力フィードバック制御部１１による第１バルブＶ１の制御へと切り替える（ステップＳ８）。ここで、図３における第１圧力フィードバック制御期間中のバースト圧チャージ期間の開始点を見ると分かるように、制御が切り替えられた時点では第１圧力は目標バースト圧力を超えているが、第２圧力は目標バースト圧力に到達していない状態となる。これは、流体抵抗Ｒよりも上流側の第１容積のほうが先にガスが流入するため、第２容積の圧力のほうが遅れて圧力が上昇することと、流体抵抗Ｒよりも下流側の第２圧力に基づいて第１バルブＶ１を制御していることに起因する。すなわち、第２圧力に基づいて第１バルブＶ１が制御されているので、第１容積内の圧力が先に目標バースト圧力に到達しても第１バルブＶ１の開度が小さくされることがなく、そのまま目標バースト圧力以上となるように開度が維持される。このようにすることで、容積に対してガスを急速に流入させ、容積全体が目標バースト圧力となるまでにかかる時間を短縮している。
また、第１圧力フィードバック制御部１１による第１バルブＶ１の制御が開始された時点では第１圧力は目標バースト圧力よりも高い圧力となっているので、第１バルブＶ１は閉鎖される方向へと制御される。
この結果、流入するガスの量が徐々に低下するとともに第１容積中のガスが第２容積へと移動する。この変化が生じている間、図４に示すよう、制御切替部１４は、第１圧力（第２圧力）が目標バースト圧力になったかどうかを判定する（ステップＳ９）。第１圧力が目標バースト圧力になっていない間はステップＳ８の動作が継続され、第１圧力が目標バースト圧力になった時点で、第２バルブＶ２が開放されてバースト流が発生した後において保たれる目標一定流量に相当する圧力である目標維持圧力を算出する（ステップＳ１０）。例えば第２バルブＶ２が開放されている状態では成膜チャンバに接続される流体抵抗Ｒの下流側はほぼ真空圧に保たれるので、目標一定流量を実現するために必要な目標維持圧力は流量算出式に基づいて算出できる。
さらに、制御切替部１４は算出された目標維持圧力を第１圧力フィードバック制御部１１に対して目標圧力として設定し、目標維持圧力と第１圧力の偏差が小さくなるように第１バルブＶ１の制御が行われるように制御を切り替える（ステップＳ１１）。すなわち、図３のバースト待機期間に示すように、第１圧力よりも目標維持圧力は低い圧力に設定されるので、図３及び図４に示すように、第１バルブＶ１は全閉された状態が保たれる（ステップＳ１２）。
図３のバースト待機期間に示すように第１圧力、第２圧力がともに目標バースト圧力で保たれている状態が所定時間継続された後、図３及び図４に示すように、第２バルブ制御部２は第２バルブＶ２を開放し、（ステップＳ１３）、その結果、インパルス状のバースト流が発生する（ステップＳ１４）。また、図３のバースト期間においても第１圧力フィードバック制御部１１は、目標維持流量で第１圧力が保たれるように動作している。
バースト期間において、制御切替部１４は第２圧力が閾値を下回ったかどうかを判定し（ステップＳ１５）、下回った場合には、制御切替部１４は第１圧力フィードバック制御部１１による第１バルブＶ１の制御から流量フィードバック制御部１３による第１バルブＶ１の制御へと切り替える（ステップＳ１６）。図３のバースト後流量一定期間に示すように、事前に第１圧力が目標一定流量に相当する目標維持流量となるように制御されているので、バースト流量が目標一定流量まで低下した時点でほとんど変動なく、制御を切り替えることができる。
以上のようなステップＳ１からステップＳ１６までの動作をサイクルごとに繰り返すことにより、各サイクル中に実施される各オン期間において流れる流量がほぼ同じになるように制御される。
このように構成された流体制御システム２００、及び、流体制御装置１００によれば、第２バルブＶ２が閉鎖されている間の期間において、圧力フィードバックによって第１バルブＶ１から第２バルブＶ２までの流路の容積にガスが目標バースト圧力となるようにチャージされるので、開放時に発生するバースト流の流量を毎回ほぼ同じ流量にすることができる。
また、バースト流が流れた後の一定流量期間においては制御が圧力フィードバックから流量フィードバックに切り替えられて流れる流量を目標一定流量で保つことができる。このため、オン期間中に例えばガスの供給圧が変動する等といった外乱が発生したとしても、流れる流量に変動が生じにくくなり、流量制御をロバストなものにできる。また、バースト流が流れた後に一定流量に保たれるので、短時間のステップ入力に対して追従するように流量制御を行う場合と比較して、一定流量で安定するまでにかかる立ち上がり時間を短縮し、流量制御として見た場合の応答速度を向上させることができる。
さらに、オン期間において流れるガスの流量は圧力フィードバック制御と流量フィードバック制御に基づいて決定されており、オン期間又はオフ期間の時間長さの制御精度に依存せずに決定できる。
したがって、第２バルブＶ２が開放されているオン期間において流れるガスの流量は各オン期間において常に同じ値に揃えることができる。このため、ＡＬＤのように高速のパルス制御によりガスを成膜チャンバに供給する用途に対しても好適に用いることができる。
加えて、１つの流路しか必要とせず、従来のように複数の流路が必要となって構造が複雑化することがない。また、ガスをチャージしている間において排気されるガスが存在せず、無駄をなくすことができる。
また、第１バルブＶ１から第２バルブＶ２の容積に対してガスをチャージする際に第２圧力フィードバック制御部１２による制御をまず行い、その後、第１圧力フィードバック制御部１１へと切り替えることにより、容積全体を目標バースト圧力までチャージするのに必要な時間を短縮できる。このため、パルス制御のサイクル周期を短縮することができ、ＡＬＤにおいて全ての半導体層を形成するまでにかかるサイクルタイムを短縮し、半導体製造のスループットを向上させることができる。
次に本発明の第２実施形態に係る流体制御システム２００、及び、流体制御装置１００について図５及び図６を参照しながら説明する。なお、第１実施形態において説明した各部について対応するものについては同じ符号を付すこととする。
第２実施形態の流体制御装置１００は、第１実施形態と比較して制御機構ＣＯＭの構成が異なっている。すなわち、図５に示すように第２実施形態の流体制御装置１００は第２圧力フィードバック制御部１２が省略してあるとともに、制御切替部１４、及び、第１圧力フィードバック制御部１１の構成が一部異なっている。また、第１実施形態の動作を示す図４のフローチャートと第２実施形態の動作を示す図６のフローチャートを比較すると分かるように、第２実施形態では、第１実施形態におけるステップＳ４、ステップＳ６が省略され、ステップＳ５、及び、ステップＳ７が異なっている。
以下では、第１実施形態とは異なっている部分についてのみ詳述する。
第２実施形態の第１圧力フィードバック制御部１１は、第１バルブＶ１から第２バルブＶ２に至る流路の容積に対してガスがチャージされる際の第１バルブＶ１の動作を制御する。すなわち、第１圧力フィードバック制御部１１は、図６のステップＳ３に示すように第２圧力が閾値を超えた場合には、第１バルブＶ１を目標チャージ圧力と第１圧力の偏差が小さくなるように制御する（ステップＳ５’）。ここで、目標チャージ圧力は、目標バースト圧力よりも高い圧力であり、例えば第１実施形態において図３の第２圧力フィードバック期間において達成される第１圧力の最高値が設定される。
制御切替部１４は、第１圧力が目標チャージ圧力に到達したことを検出すると（ステップＳ７’）、第１圧力フィードバック制御部１１の目標圧力を目標バースト圧力へと下げる。以降の動作については第１圧力フィードバック制御部１１、及び、制御切替部１４の動作は第１実施形態と同様である。
このように構成された第２実施形態の流体制御システム２００、及び、流体制御装置１００であっても、第１実施形態と同様に短時間で第１バルブＶ１から第２バルブＶ２に至る流路の容積全体に目標バースト圧力となるまでガスをチャージすることができる。
また、第２バルブＶ２開放前に必要とされる目標チャージ圧力をチャージし、各オン期間において第２バルブＶ２が開放される際に発生するバースト流の流量をほぼ同じにしつつ、バースト流が流れた後は流量フィードバックによる第１バルブＶ１の制御により目標一定流量で保つことができる。
したがって、第２実施形態であっても第１実施形態とほぼ同様の効果を得ることができる。
次に本発明の第３実施形態に係る流体制御システム２００、及び、流体制御装置１００について図７及び図８を参照しながら説明する。なお、第１実施形態において説明した各部について対応するものについては同じ符号を付すこととする。
第３実施形態の流体制御装置１００は、第１実施形態と比較して制御機構ＣＯＭの構成が異なっている。すなわち、図７に示すように第３実施形態の流体制御装置１００は、供給圧センサＰ０、第２圧力センサＰ２、第２圧力フィードバック制御部１２、流量算出部ＦＣ、流量フィードバック制御部１３が省略してあるとともに、制御切替部１４、及び、第１圧力フィードバック制御部１１の構成が一部異なっている。また、第１実施形態の動作を示す図４のフローチャートと第３実施形態の動作を示す図８のフローチャートを比較すると分かるように、第３実施形態では、第１実施形態におけるステップＳ２〜Ｓ４、Ｓ６、Ｓ１５が省略され、ステップＳ５、及び、ステップＳ７が第２実施形態と同様の動作に変更してある。さらに、第３実施形態では、第１実施形態におけるステップＳ１６についても動作が異なっている。
すなわち、第３実施形態の流体制御装置１００は、第１圧力のみに基づいて制御されているが、制御切替部１４が目標圧力を変更することにより、制御モードが変更されるように構成してある。
以下では、第１実施形態、及び、第２実施形態とは異なっている部分についてのみ詳述する。
第３実施形態の第１圧力フィードバック制御部１１は、第１バルブＶ１から第２バルブＶ２に至る流路の容積に対してガスがチャージされる際の第１バルブＶ１の動作を制御する。より具体的には、第１圧力フィードバック制御部１１は、前述した第２実施形態のステップＳ５’Ｓ７’と同様の動作を行うように構成してある。
また、容積全体に対して目標バースト圧力でガスがチャージされた後に第２バルブＶ２が開放された後は第１実施形態では第１フィードバック制御部による制御から流量フィードバック制御部１３による制御に切り替えられていたのに対して、図８のステップＳ１６’に示すように、第１圧力が目標一定流量に相当する目標維持圧力となるように第１圧力フィードバック部により第１バルブＶ１の制御が継続されるようにしてある。
このような第３実施形態であっても、流体抵抗Ｒの下流側に圧力変動が生じない限りは第１実施形態、第２実施形態と同様にバースト流が流れた後は目標一定流量で保つことができる。
その他の実施形態について説明する。
流体制御装置については、第２バルブ制御部を省略して例えば第２バルブの開閉制御については行わないように構成してもよい。例えば、別のシステムにより、第２バルブの開閉がパルス制御されている場合には、その別のシステムからタイミング信号を取得し、そのタイミング信号に合わせて第１バルブ制御部による第１バルブの制御を行うように構成すればよい。
流量を一定にするための制御は、測定流量をフィードバックする制御だけでなく、圧力のみをフィードバックして、流体抵抗の上流側の圧力を一定に保つことによる制御であっても構わない。例えば流体抵抗の下流側が真空引きされるような成膜チャンバに接続されており、圧力がほぼ一定に保たれている場合には、流量に相当する差圧を形成することで実質的に流量制御を実現できる。したがって、本明細書では流量制御は流量をフィードバックするものだけでなく、圧力フィードバックがされるものも含むように定義している。
第２バルブが開放されている状態においては、少なくとも一部の期間は流量フィードバック、又は、圧力フィードバックにより目標一定流量が保たれるように構成されていればよい。例えば、バースト流が流れている間については流量フィードバック制御部による制御を行わずに、バースト流の流量が所定流量となってから流量制御を開始するようにしてもよい。
第２バルブが閉鎖されている状態において第１バルブから第２バルブに至る流路の容積全体に目標バースト圧力となるようにチャージする際に、各実施形態のように第１圧力が一度目標バースト圧力を超えた状態にしないようにしてもよい。すなわち、第２バルブが閉鎖されている状態において、第１圧力フィードバック制御部による第１バルブの制御について最初から目標バースト圧力だけで目標値の変更を行わずに制御を継続してもよい。
流体抵抗については層流素子に限られるものではなく、オリフィスやその他の抵抗素子であっても構わない。
流体機器モジュールについては、第１バルブ、第１圧力センサ、流体抵抗、第２圧力センサがそれぞれ１つのブロックに取り付けられて単一のユニット化されているものに限られず、各機器がばらばらに流路上に設けられてモジュールを形成するものであってもよい。
本発明に係る流体制御装置は、ＡＬＤにのみ適用されるものではなく、その他のガスや液体の流量制御に用いられるものである。特に第２バルブについてオン期間とオフ期間が交互に高速で切り替えられるパルス制御等において特に顕著な効果を奏し得る。
その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて、様々な実施形態の変形や組み合わせを行っても構わない。
２００・・・流体制御システム
１００・・・流体制御装置
ＦＭ ・・・流体機器モジュール
ＣＯＭ・・・制御機構
１ ・・・第１バルブ制御部
１１ ・・・第１圧力フィードバック制御部
１２ ・・・第２圧力フィードバック制御部
１３ ・・・流量フィードバック制御部
１４ ・・・制御切替部
２ ・・・第２バルブ制御部
Ｖ１ ・・・第１バルブ
Ｖ２ ・・・第２バルブ
Ｒ ・・・流体抵抗
Ｐ１ ・・・第１圧力センサ
Ｐ２ ・・・第２圧力センサ

Claims (9)

  1. 流路に設けられた第２バルブよりも上流側に設けられた流体機器モジュールと、少なくとも前記流体機器モジュールの一部を制御する制御機構とを備えた流体制御装置であって、
    前記流体機器モジュールが、
    前記第２バルブよりも上流側に設けられた流体抵抗と、
    前記流体抵抗よりも上流側に設けられた第１圧力センサと、
    前記第１圧力センサよりも上流側に設けられた第１バルブと、を備え、
    前記制御機構が、
    前記第１圧力センサで測定される第１圧力に基づいて、前記第１バルブを制御する第１圧力フィードバック制御部を備え、
    前記第１圧力フィードバック制御部が、前記第２バルブが閉鎖している状態において、前記第１圧力センサで測定される第１圧力が目標バースト圧力となるように前記第１バルブを制御し、
    前記制御機構が、第１圧力が目標バースト圧力となり、前記第２バルブが開放された以降において、前記流路に流れる流体の流量が目標一定流量となるように前記第１バルブを制御するように構成されていることを特徴とする流体制御装置。
  2. 前記流体機器モジュールが、
    前記流体抵抗よりも下流側、かつ、前記第２バルブよりも上流側に設けられた第２圧力センサをさらに備え、
    前記制御機構が、
    前記第１圧力センサで測定される第１圧力と前記第２圧力センサで測定される第２圧力に基づいて前記流路に流れる流体の流量を算出する流量算出部と、
    前記流量算出部で算出される測定流量に基づいて、前記第１バルブを制御する流量フィードバック制御部と、をさらに備え、
    前記流量フィードバック制御部が、第１圧力が目標バースト圧力となり、前記第２バルブが開放された以降において、測定流量が目標一定流量となるように前記第１バルブを制御する請求項１記載の流体制御装置。
  3. 前記第１圧力フィードバック制御部が、前記第２バルブが閉鎖しており、第１圧力が目標バースト圧力となった以降において、第１圧力が目標一定流量に相当し、目標バースト圧力よりも低い目標維持圧力となるように前記第１バルブを制御する請求項１記載の流体制御装置。
  4. 前記制御機構が、
    前記第１圧力フィードバック制御部による前記第１バルブの制御が行われる前において、前記第２圧力センサで測定される第２圧力に基づいて、前記第１バルブを制御する第２圧力フィードバック制御部をさらに備え、
    前記第１圧力フィードバック制御部が、第１圧力が目標バースト圧力よりも高い圧力になった以降において、第１圧力が目標バースト圧力となるように前記第１バルブを制御する請求項２記載の流体制御装置。
  5. 前記第１圧力フィードバック制御部が、第１圧力、及び、第２圧力に基づいて算出される前記第１バルブから前記第２バルブまでのチャージ容積に流入した流体の質量が、目標バースト圧力に基づいて算出される目標質量となった場合に、第１圧力が目標バースト圧力となるように前記第１バルブの制御を開始する請求項４記載の流体制御装置。
  6. 前記制御機構が、
    前記第２バルブを制御する第２バルブ制御部をさらに備え、
    前記第２バルブ制御部が、前記第１圧力フィードバック制御部による前記第１バルブの制御によって第１圧力が目標バースト圧力となった以降に前記第２バルブを開放するように構成された請求項１記載の流体制御装置。
  7. 請求項１乃至６いずれかに記載の流体制御装置と、
    前記第２バルブと、を備えた流体制御システム。
  8. 流路に設けられた第２バルブよりも上流側に設けられた流体機器モジュールと、少なくとも前記流体機器モジュールの一部を制御する制御機構とを備え、前記流体機器モジュールが、前記第２バルブよりも上流側に設けられた流体抵抗と、前記流体抵抗よりも上流側に設けられた第１圧力センサと、前記第１圧力センサよりも上流側に設けられた第１バルブと、を備えた流体制御装置を用いた流体制御方法であって、
    前記第２バルブが閉鎖している状態において、前記第１圧力センサで測定される第１圧力が目標バースト圧力となるように前記第１バルブを制御し、
    第１圧力が目標バースト圧力となり、前記第２バルブが開放された以降において、前記流路に流れる流体の流量が目標一定流量となるように前記第１バルブを制御することを特徴とする流体制御方法。
  9. 流路に設けられた第２バルブよりも上流側に設けられた流体機器モジュールと、少なくとも前記流体機器モジュールの一部を制御する制御機構とを備えた流体制御装置であり、前記流体機器モジュールが、前記第２バルブよりも上流側に設けられた流体抵抗と、前記流体抵抗よりも上流側に設けられた第１圧力センサと、前記第１圧力センサよりも上流側に設けられた第１バルブと、を備えた流体制御装置に用いられるプログラムであって、
    前記第１バルブを制御する第１バルブ制御部としての機能をコンピュータに発揮させるものであり、
    前記第１バルブ制御部が、
    前記第１圧力センサで測定される第１圧力に基づいて、前記第１バルブを制御する第１圧力フィードバック制御部を備え、
    前記第１圧力フィードバック制御部が、前記第２バルブが閉鎖している状態において、前記第１圧力センサで測定される第１圧力が目標バースト圧力となるように前記第１バルブを制御し、
    前記第１バルブ制御部が、第１圧力が目標バースト圧力となり、前記第２バルブが開放された以降において、測定流量が目標一定流量となるように前記第１バルブを制御することを特徴とする流体制御装置用プログラム。
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