JP2021144583A - 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

Abstract

【課題】圧力フィードバック制御から流量フィードバック制御への切替があったとしても供給される流量に変動が生じにくくできる流体制御装置を提供する。【解決手段】下流側が供給対象と連通する第１流路Ｌ１と、前記第１流路と並行に設けられ、下流側が前記第１流路と同一の前記供給対象と連通する第２流路Ｌ２と、第１制御バルブＶ１及び第２制御バルブＶ２を制御する制御機構ＣＯＭと、を備え、前記制御機構ＣＯＭが、前記第１流路Ｌ１上にある第１圧力センサＰ１で測定される第１圧力に基づいて、第１圧力が目標バースト圧力となるように前記第２流路Ｌ２上にある前記第２制御バルブＶ２を制御するように構成した。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば半導体製造装置において各種ガスの圧力又は流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。

このような用途に適した流体制御装置を本出願人は既に出願している（特許文献１参照）。この流体制御装置は、高速でオンオフが切り替えられる開閉バルブの上流側に設けられるものであって、１つの制御バルブ、圧力式の流量センサ、及び、制御機構を備えたものである。開閉バルブが閉止されるオフの間に制御機構は、まず流量センサを構成する上流側の圧力センサの測定圧力が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で制御バルブを制御する。その後開閉バルブが開放されるオンとなり、バースト流が発生して下流側の圧力センサの測定圧力が所定値まで低下した時点で制御機構は、流量センサで測定される測定流量が目標一定流量で維持されるように流量フィードバック制御で制御バルブを制御する。このような制御により、開閉バルブがオンとなるたびにほぼ同じバースト流を実現して決められた流量を供給しつつ、バースト流が発生し終わってからは流量フィードバック制御により一定流量を保ち続けることができる。

ところで、上記のような制御において開閉バルブがオン期間中に供給される流体の流量の変動等をさらに低減し、流量の制御精度をさらに向上させることが求められつつある。

このような課題について本願発明者が鋭意検討を行ったところ、１つの制御バルブにおいて圧力フィードバック制御から流量フィードバック制御に切り替えることで、制御の切替点で流量が変動する可能性があり、改善の余地があることを初めて見出した。

特開２０１９−２０７８１号公報

本発明は上述したような問題に鑑みてなされたものであり、圧力フィードバック制御から流量フィードバック制御への切替があったとしても供給される流量に変動が生じにくく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、本発明に係る流体制御装置は、下流側が供給対象と連通する第１流路と、前記第１流路と並行に設けられ、下流側が前記第１流路と同一の前記供給対象と連通する第２流路と、前記第１流路上に設けられた流体抵抗と、前記第１流路上において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流路上において前記第１圧力センサよりも上流側に設けられた第１制御バルブと、前記第２流路上に設けられた第２制御バルブと、前記第１制御バルブ及び前記第２制御バルブを制御する制御機構と、を備え、前記制御機構が、前記第１流路上にある前記第１圧力センサで測定される第１圧力に基づいて、第１圧力が目標バースト圧力となるように前記第２流路上にある前記第２制御バルブを制御することを特徴とする。

また、本発明に係る流体制御方法は、下流側が前記供給対象と連通する第１流路と、前記第１流路と並行に設けられ、下流側が前記第１流路と同一の前記供給対象と連通する第２流路と、前記第１流路上に設けられた流体抵抗と、前記第１流路上において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流路上において前記第１圧力センサよりも上流側に設けられた第１制御バルブと、前記第２流路上に設けられた第２制御バルブと、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１流路上にある前記第１圧力センサで測定される第１圧力に基づいて、第１圧力が目標バースト圧力となるように前記第２流路上にある前記第２制御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２流路に設けられた前記第２制御バルブによって前記第１流路に設けられた前記第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圧力フィードバック制御を行うので、前記供給対象に圧力がチャージされた後に、前記供給対象から流出する流体の流量を一定に保つための制御を前記第２制御バルブではなく、前記第１制御バルブで行う事が可能となる。このため、１つの制御バルブにおいて制御を切り替える場合と比較して制御の切替点における流量の変動等を低減できるようになる。

また、供給対象に毎回同じ目標バースト圧力をチャージして、供給対象から流体が流出し始める際の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。

前記制御機構が、第１圧力が目標バースト圧力となった以降で前記供給対象から流体が流出している状態において、目標一定流量となるように前記第１流路上にある前記第１制御バルブを制御するものであれば、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。

前記供給対象から下流側へバースト流が発生した後において、流体の流量を目標一定流量で保つための具体的な制御態様としては、前記第１流路上において前記流体抵抗よりも下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圧力とに基づいて前記第１流路を流れる流体の流量を算出する流量算出部と、前記第１圧力センサで測定される第１圧力と、前記目標バースト圧力の偏差が小さくなるように前記第２制御バルブを制御する第１圧力フィードバック制御部と、前記流量算出部で算出される測定流量と、前記目標一定流量との偏差が小さくなるように前記第１制御バルブを制御する流量フィードバック制御部と、を具備し、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ってから動作するように構成されていればよい。

前記第１バルブと前記第２バルブとがそれぞれの動作によって相互の制御動作に影響を与えないようにして、圧力フィードバック制御及び流量フィードバック制御の精度をさらに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制御バルブを制御している間、前記第１制御バルブが全閉状態に保たれており、前記流量フィードバック制御部が、前記第１制御バルブを制御している間、前記第２制御バルブが全閉状態に保たれていればよい。

前記制御機構により、第１圧力に基づいた前記第２制御バルブの圧力フィードバック制御から測定流量に基づいた前記第１制御バルブへの流量フィードバック制御へ切り替える際に、前記供給対象から流出す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、第１圧力が目標バースト圧力となった以降で前記供給対象から流体が流出していない状態において、第１圧力が目標バースト圧力よりも低く、目標一定流量に相当する目標維持圧力となるように前記第２制御バルブを制御すればよい。

前記流体制御内及び前記供給対象を含む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２制御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２制御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２制御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２制御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２圧力フィードバック制御部による前記第２制御バルブの制御によって第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、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となるように前記第２バルブを制御すればよい。

前述した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制御バルブ及び前記２制御バルブよりも下流側の流路と前記供給対象を含む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２バルブの制御を開始すればよい。

圧力フィードバック制御と流量フィードバック制御の切替による流量の変動を低減しつつ、流体制御装置のフットプリントを従来の流体制御装置と同等にコンパクトに構成できるようにするには、前記第１流路と前記第２流路が規格化された大きさを有する１つのブロック内に形成されたものであればよい。

特にＡＬＤ等のような高速のオンオフ制御を繰り返しながら、オン期間に上述したような流量制御を正確に同期させられるようにするには、本発明に係る流体制御装置と、前記供給対象の下流側に設けられた開閉バルブと、前記開閉バルブを制御する開閉バルブ制御器と、を備え、前記開閉バルブ制御器が、前記第１圧力フィードバック制御部による前記第２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開閉バルブを開放するように構成されている流体制御システムが挙げられる。

既存の流体制御装置においてプログラムを更新することにより、本発明に係る流体制御装置と同等の効果が発揮できるようにするには、下流側が供給対象と連通する第１流路と、前記第１流路と並行に設けられ、下流側が前記第１流路と同一の前記供給対象と連通する第２流路と、前記第１流路上に設けられた流体抵抗と、前記第１流路上において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流路上において前記第１圧力センサよりも上流側に設けられた第１制御バルブと、前記第２流路上に設けられた第２制御バルブと、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流路上にある前記第１圧力センサで測定される第１圧力に基づいて、第１圧力が目標バースト圧力となるように前記第２流路上にある前記第２制御バルブを制御する制御機構としての機能をコンピュータに発揮させ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、フラッシュメモリ等のプログラム記録媒体に記録された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、供給対象と連通する流路として前記第１流路と前記第２流路を備えており、当該第２流路に設けられた前記第２制御バルブで圧力フィードバック制御を行うので、前記供給対象に目標バースト圧力がチャージされた後の制御を前記第１流路に設けられた前記第１制御バルブによる流量フィードバック制御に切り替えることができる。この結果、１つの制御バルブにおいて制御を切り替えた場合と比較して切替点における流量等の変動を低減し、流量制御精度を従来よりもさらに高めることが可能となる。

本発明の第１実施形態における流体制御装置、及び、流体制御システムを示す模式図。 第１実施形態における開閉バルブのパルス制御動作を示す模式的グラフ。 本発明の第１実施形態における流体制御装置のハードウェア部分の詳細な模式図。 第１実施形態における開閉バルブの開放前後における各種制御パラメータと第１制御バルブ、及び、第２制御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実施形態における流体制御装置、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、流路に設けられた開閉バルブＯＣＶと、流路において開閉バルブＯＣＶ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。

開閉バルブＯＣＶ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。開閉バルブＯＣＶ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。

流体制御装置１００は、開閉バルブＯＣＶ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４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、開閉バルブＯＣＶ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開閉バルブＯＣＶの上流側と流体制御装置１００との間にある供給対象である下流側ボリュームＶ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、開閉バルブＯＣＶ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が維持さ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及び図３に示すように、２つの並列な内部流路である第１流路Ｌ１及び第２流路Ｌ２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は開閉バルブＯＣＶとは独立してユニット化してあり、配管やガスパネル等に対してブロック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と開閉バルブＯＣＶとの間には開閉バルブＯＣＶ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。

ブロックＢは半導体製造プロセスにおいて用いられる規格により定められた規定の寸法で直方体形状をなすものである。具体的には横幅が２０ｍｍで形成されている。本実施形態では１０ｍｍの幅ごとに第１流路Ｌ１と第２流路Ｌ２がそれぞれ形成してある。直方体形状をなすブロックＢの下面には、流体が流入する流入ポートＰＩと、流体が流出する流出ポートＰＯが形成されている。図３に示すように第１流路Ｌ１及び第２流路Ｌ２はブロックＢの長手方向に進行しながら並列に延びている。第１流路Ｌ１及び第２流路Ｌ２の流入ポートＰＩ及び流出ポートＰＯはそれぞれ別々に形成されているが、図１に示すように流体制御装置１００の上流側にある共通の流体供給源から流体が流入するとともに、第１流路Ｌ１及び第２流路Ｌ２の下流側はそれぞれ共通の供給対象である下流側ボリュームＶに連通する。

なお、第１流路Ｌ１及び第２流路Ｌ２に対して別々の流体供給源から同種の流体が供給されるようにしてもよい。また、ブロックＢに対して１つの流入ポートと１つの流出ポートだけを設け、ブロックＢ内において流入ポートから第１流路Ｌ１及び第２流路Ｌ２が分岐し、流出ポートにおいて第１流路Ｌ１及び第２流路Ｌ２が合流するように構成してもよい。

図１、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように第１流路Ｌ１に対しては、上流側から順番に第１制御バルブＶ１、第１圧力センサＰ１、流体抵抗Ｒ、第２圧力センサＰ２が設けてある。すなわち、ブロックＢの横幅半分で通常のマスフローコントローラとほぼ同じ構成が実現されている。また、図１、図３（ａ）及び図３（ｃ）に示すように第２流路Ｌ２に対しては第２制御バルブＶ２のみが設けてある。これらの各機器はすべてブロックＢの上面に取り付けられる。

第１制御バルブ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制御バルブ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流体であるガスの圧力を第１圧力として測定するものである。

第２圧力センサＰ２は、開閉バルブＯＣＶと下流側ボリュームＶとの間に配置され、流体抵抗Ｒから開閉バルブＯＣＶ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２流路Ｌ２上にある第２制御バルブＶ２を制御するために用いられる。

第２制御バルブＶ２は、第１制御バルブＶ１と同じものである。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。

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、流体制御器１、開閉バルブ制御器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、第１流路Ｌ１上の流体抵抗Ｒ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。なお、第１圧力センサＰ１、流体抵抗Ｒ、第２圧力センサＰ２、及び、流量算出部ＦＣが圧力式の流量センサＰＴＭを構成する。

流体制御器１は、第１制御バルブＶ１及び第２制御バルブＶ２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。この流体制御器１は、所定の制御タイミングごとに制御対象とする制御バルブ、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、開閉バルブＯＣＶ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、バースト流とは開閉バルブＯＣＶ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、開閉バルブＯＣＶ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瞬間的な流量値が大きく、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、流体制御器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制御バルブＶ１又は第２制御バルブＶ２のいずれかに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制御バルブＶ１又は第２制御バルブＶ２の制御を切り替える。なお、判定条件等については後述する動作の説明において詳述する。また、制御切替部１４は第１制御バルブＶ１又は第２制御バルブＶ２において流量又は圧力がフィードバックされて制御されていないものを全閉状態で維持させる。

第１圧力フィードバック制御部１１は、第１流路Ｌ１上にある第１圧力センサＰ１で測定される第１圧力に基づいて第２流路Ｌ２上にある第２制御バルブＶ２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２制御バルブＶ２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によって目標値が適宜変更される。ここで、目標バースト圧力は、開閉バルブＯＣＶが閉鎖されている状態において下流側ボリュームＶ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い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、開閉バルブＯＣＶが開放される時点の前後において第２制御バルブＶ２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１流路Ｌ１上にある第２圧力センサＰ２で測定される第２圧力に基づいて第２流路Ｌ２上にある第２制御バルブＶ２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２制御バルブＶ２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、開閉バルブＯＣＶが閉鎖されている状態において各制御バルブＶ１、Ｖ２から開閉バルブＯＣＶまでの容積に所定質量のガスが流入するまでの間、第２制御バルブＶ２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流路Ｌ１上にある第１制御バルブ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制御バルブ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２制御バルブＶ２の制御が行われていない間、第１制御バルブＶ１の制御を行う。

開閉バルブ制御器２は、開閉バルブＯＣＶ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、開閉バルブ制御器２は、流体制御装置１００により第１制御バルブＶ１から開閉バルブＯＣＶ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開閉バルブＯＣＶを閉鎖し、チャージされてから所定時間後に開閉バルブＯＣＶを開放するようにそのタイミングが設定してある。なお、開閉バルブ制御器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、所定待機時間後に開閉バルブＯＣＶを開放するようにしてもよい。すなわち、開閉バルブ制御器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４のタイミングチャート、及び、図５のフローチャートを参照しながら説明する。以下の説明では開閉バルブＯＣＶが閉鎖されてオフ期間が始まり、開閉バルブＯＣＶ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５に示すように、開閉バルブＯＣＶが閉鎖されると（ステップＳ１）、流体制御器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制御バルブＶ１の制御が行われる（ステップＳ２）。図４における閉鎖時流量フィードバック期間に示すように開閉バルブＯＣＶ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制御バルブＶ１の開度が制御されるとともに、第２制御バルブＶ２は閉鎖された状態が維持される。第１制御バルブＶ１から通過するガスは、上流端が第１制御バルブＶ１及び第２制御バルブＶ２で規定され、下流端が開閉バルブＯＣＶによって規定される容積に流入し、第１圧力、第２圧力が上昇する。図５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制御バルブ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制御バルブＶ１及び第２制御バルブＶ２から開閉バルブＯＣＶ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制御バルブＶ１及び第２制御バルブＶ２から開閉バルブＯＣＶ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制御バルブ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、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から開閉バルブＯＣＶまでの第２容積の体積、及び、第２流路Ｌ２において第２制御バルブＶ２よりも下流側の容積の値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制御バルブ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２制御バルブＶ２の制御へと切り替える（ステップＳ５）。ここで、図４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２制御バルブＶ２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５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容積の体積及び第２流路Ｌ２において第２制御バルブＶ２よりも下流側の容積の値の和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２制御バルブＶ２の制御から、第１圧力フィードバック制御部１１による第２制御バルブＶ２の制御へと切り替える（ステップＳ８）。ここで、図４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２制御バルブＶ２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２制御バルブＶ２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制御バルブ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２制御バルブＶ２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２制御バルブＶ２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、開閉バルブＯＣＶ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）。例えば開閉バルブＯＣＶ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２制御バルブＶ２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４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４及び図５に示すように、第２制御バルブＶ２は全閉された状態が保たれる（ステップＳ１２）。

図４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４及び図５に示すように、開閉バルブ制御器２は開閉バルブＯＣＶ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４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２制御バルブＶ２の制御から流量フィードバック制御部１３による第１制御バルブＶ１の制御へと切り替える（ステップＳ１６）。図４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、開閉バルブＯＣＶ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制御バルブＶ１及び第２制御バルブＶ２から開閉バルブＯＣＶ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第２流路Ｌ２上にある第２制御バルブＶ２に対する圧力フィードバックから第１流路Ｌ１上にある第１制御バルブＶ１に対する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、フィードバックがされる値が圧力から流量に切り替えられても制御対象となる制御バルブＶ１、Ｖ２も同時に切り替えられるので、単一の制御バルブに対して制御を切り替える場合と比較して切替点における流量の不連続さや変動を低減できる。

加えて、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、開閉バルブＯＣＶ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。

また、第１制御バルブＶ１から開閉バルブＯＣＶ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６及び図７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６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５のフローチャートと第２実施形態の動作を示す図７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制御バルブＶ１及び第２制御バルブＶ２から開閉バルブＯＣＶ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２制御バルブＶ２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７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制御バルブ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実施形態における図４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制御バルブＶ１及び第２制御バルブＶ２から開閉バルブＯＣＶ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、開閉バルブＯＣＶ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開閉バルブＯＣＶ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制御バルブ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。

その他の実施形態について説明する。

流体制御システムについては、開閉バルブ制御器を省略して例えば開閉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。すなわち、別のシステムによって開閉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流体制御器による第１制御バルブ及び第２制御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。このような制御の場合には第２圧力センサを省略してもよい。

開閉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。

開閉バルブが閉鎖されている状態において第１制御バルブ及び第２制御バルブから開閉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、開閉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２制御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。また、第１流路及び第２流路はそれぞれ単一のブロック内に形成されたものにかぎられず、別々の配管やガスパネルで形成され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。特に開閉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 ・・・流体制御器
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 ・・・開閉バルブ制御器
Ｌ１ ・・・第１流路
Ｖ１ ・・・第１バルブ
Ｒ ・・・流体抵抗
Ｐ１ ・・・第１圧力センサ
Ｐ２ ・・・第２圧力センサ
Ｌ２ ・・・第２流路
Ｖ２ ・・・第２バルブ

Claims (11)

1. 下流側が供給対象と連通する第１流路と、
   前記第１流路と並行に設けられ、下流側が前記第１流路と同一の前記供給対象と連通する第２流路と、
   前記第１流路上に設けられた流体抵抗と、
   前記第１流路上において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流路上において前記第１圧力センサよりも上流側に設けられた第１制御バルブと、
   前記第２流路上に設けられた第２制御バルブと、
   前記第１制御バルブ及び前記第２制御バルブを制御する制御機構と、を備え、
   前記制御機構が、
   前記第１流路上にある前記第１圧力センサで測定される第１圧力に基づいて、第１圧力が目標バースト圧力となるように前記第２流路上にある前記第２制御バルブを制御することを特徴とする流体制御装置。
2. 前記制御機構が、
   第１圧力が目標バースト圧力となった以降で前記供給対象から流体が流出している状態において、目標一定流量となるように前記第１流路上にある前記第１制御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流路上において前記流体抵抗よりも下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圧力とに基づいて前記第１流路を流れる流体の流量を算出する流量算出部と、
   前記第１圧力センサで測定される第１圧力と、前記目標バースト圧力の偏差が小さくなるように前記第２制御バルブを制御する第１圧力フィードバック制御部と、
   前記流量算出部で算出される測定流量と、前記目標一定流量との偏差が小さくなるように前記第１制御バルブを制御する流量フィードバック制御部と、を具備し、
   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ってから動作するように構成されている請求項１又は２記載の流体制御装置。
4. 前記第１圧力フィードバック制御部が、前記第２制御バルブを制御している間、前記第１制御バルブが全閉状態に保たれており、
   前記流量フィードバック制御部が、前記第１制御バルブを制御している間、前記第２制御バルブが全閉状態に保たれている請求項３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圧力が目標バースト圧力となった以降で前記供給対象から流体が流出していない状態において、第１圧力が目標バースト圧力よりも低く、目標一定流量に相当する目標維持圧力となるように前記第２制御バルブを制御する請求項３又は４記載の流体制御装置。
6. 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２制御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２制御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２圧力フィードバック制御部による前記第２制御バルブの制御によって第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、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となるように前記第２バルブを制御する請求項３乃至５いずれかに記載の流体制御装置。
7. 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制御バルブ及び前記２制御バルブよりも下流側の流路と前記供給対象を含む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２バルブの制御を開始する請求項６記載の流体制御装置。
8. 前記第１流路と前記第２流路が規格化された大きさを有する１つのブロック内に形成された請求項１乃至７いずれかに記載の流体制御装置。
9. 請求項１乃至８いずれかに記載の流体制御装置と、
   前記供給対象の下流側に設けられた開閉バルブと、
   前記開閉バルブを制御する開閉バルブ制御器と、を備え、
   前記開閉バルブ制御器が、前記第１圧力フィードバック制御部による前記第２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開閉バルブを開放するように構成されている流体制御システム。
10. 下流側が前記供給対象と連通する第１流路と、前記第１流路と並行に設けられ、下流側が前記第１流路と同一の前記供給対象と連通する第２流路と、前記第１流路上に設けられた流体抵抗と、前記第１流路上において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流路上において前記第１圧力センサよりも上流側に設けられた第１制御バルブと、前記第２流路上に設けられた第２制御バルブと、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１流路上にある前記第１圧力センサで測定される第１圧力に基づいて、第１圧力が目標バースト圧力となるように前記第２流路上にある前記第２制御バルブを制御することを特徴とする流体制御方法。
11. 下流側が供給対象と連通する第１流路と、前記第１流路と並行に設けられ、下流側が前記第１流路と同一の前記供給対象と連通する第２流路と、前記第１流路上に設けられた流体抵抗と、前記第１流路上において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流路上において前記第１圧力センサよりも上流側に設けられた第１制御バルブと、前記第２流路上に設けられた第２制御バルブと、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流路上にある前記第１圧力センサで測定される第１圧力に基づいて、第１圧力が目標バースト圧力となるように前記第２流路上にある前記第２制御バルブを制御する制御機構としての機能をコンピュータに発揮させ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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