JP2021152786A

JP2021152786A - 流量制御システム、流量制御システムの制御方法、流量制御システムの制御プログラム

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Publication number: JP2021152786A
Application number: JP2020053123A
Authority: JP
Inventors: プゥトゥグエン; Phu Thu Nguyen; 真史北野; Masashi Kitano
Original assignee: Fujikin Inc
Current assignee: Fujikin Inc
Priority date: 2020-03-24
Filing date: 2020-03-24
Publication date: 2021-09-30
Anticipated expiration: 2040-03-24
Also published as: US11392148B2; US20210303007A1; JP7531881B2

Abstract

【課題】流体の種類に関わらず流量を正確に求めることができる圧力不感応型の流量制御システムを提供する。【解決手段】被制御対象に供給される流体の流量を制御して所望の流量設定値に保つ流量制御装置３０を含む流量制御システムであって、流体の流量を計測する流量センサ１０２と、流量制御装置の１次側の圧力を計測する圧力センサ１０３と、少なくとも流体の物性値に応じた物性値係数に基づいてＰＩ校正値を決定するＰＩ校正値決定部と、ＰＩ校正値および圧力センサの計測値に基づいて、流量センサによる推定流量の補正を行う補正部と、補正部により補正された推定流量に基づいて、被制御対象に流体を供給するバルブ１０５の開度を調整し、流体の流量が流量設定値になるように制御する駆動制御回路と、を備える、流量制御システム。【選択図】図２

Description

本発明は、流量制御システム、ならびにその制御方法および制御プログラムに関する。

従来、半導体ウエハの表面に薄膜を形成する成膜処理においては薄膜の微細化が求められ、近年では原子レベルや分子レベルの厚さで薄膜を形成するALD (Atomic Layer Deposition)という成膜方法が使われている。薄膜の微細化に伴い流量制御装置の高精度化が求められている。

ここで、同一ラインに接続される流量制御装置が複数並列されてなる装置において、１次側に設けられる圧力センサの計測値を用いて、他の流量制御装置の脈動による１次圧変動の影響を除去した上で流量制御を行う圧力不感応型流量制御装置（ＰＩ-MFC；Pressure insensitive - Mass Flow Controller）が知られている。

特許文献１には、圧力センサと組み合わされた熱質量流量センサを含む質量流量コントローラであって、圧力センサが絞りとコントロールバルブの間に設けられ、測定された圧力を用いて入口流率を補償することで、圧力の揺らぎに鈍感な質量流量制御の方法が記載されている。

特表２００５−５３１０６９号公報

１台で複数種類のガスに対応するマルチガスマスフローコントローラにおいては、１次圧変動の影響を流体の種類に関わらず適切に除去できることが望ましい。

そこで、本発明は、圧力不感応型の流量制御装置において、流体の種類に関わらず流量を正確に求めることを目的の１つとする。

本発明の一の観点に係る流量制御システムは、被制御対象に供給される流体の流量を制御して所望の流量設定値に保つ流量制御装置を含む流量制御システムであって、前記流体の流量を計測する流量センサと、前記流量制御装置の１次側の圧力を計測する圧力センサと、少なくとも前記流体の物性値に応じた物性値係数に基づいてＰＩ校正値を決定するＰＩ校正値決定部と、前記ＰＩ校正値および前記圧力センサの計測値に基づいて、前記流量センサによる推定流量の補正を行う補正部と、前記補正部により補正された推定流量に基づいて、前記被制御対象に前記流体を供給するバルブの開度を調整し、前記流体の流量が前記流量設定値になるように制御する駆動制御回路と、を備える。

前記ＰＩ校正値決定部は、少なくとも前記流体の物性値係数と、基準ガスの物性値に応じた物性値係数と、によりＰＩ校正値を決定するものとしてもよい。

前記流体の物性値係数を取得する物性取得部と、前記流量制御装置において、前記補正に用いる前記ＰＩ校正値を格納する格納部と、をさらに備え、前記格納部に格納されるＰＩ校正値は、取得される前記流体の物性値係数に応じて変更可能であるものとしてもよい。

ＰＩ校正値決定部は、前記流体の種類および前記ＰＩ校正値が互いに対応付けられる校正値テーブルを参照し、前記格納部に格納されるＰＩ校正値を決定するものとしてもよい。

前記流量センサで計測される流量の計測レンジを変更するレンジ変更部をさらに備えるものとしてもよい。

前記ＰＩ校正値決定部は、前記流量センサの種類に応じたセンサ固有値に基づいてＰＩ校正値を決定するものとしてもよい。

前記流量センサは、熱式流量センサであるものとしてもよい。

本発明の別の観点に係る流量制御システムの制御方法は、被制御対象に供給される流体の流量を制御して所望の流量設定値に保つ流量制御装置を含む流量制御システムの制御方法であって、前記流量制御装置は、前記流体の流量を計測する流量センサと、前記流量制御装置の１次側の圧力を計測する圧力センサと、を備え、少なくとも前記流体の物性値に応じた物性値係数に基づいてＰＩ校正値を決定するステップと、前記ＰＩ校正値および前記圧力センサの計測値に基づいて、前記流量センサによる推定流量の補正を行うステップと、前記補正を行うステップにより補正された推定流量に基づいて、前記被制御対象に前記流体を供給するバルブの開度を調整し、前記流体の流量が前記流量設定値になるように制御するステップと、を含む、流量制御システムの制御方法。

本発明のさらに別の観点に係る流量制御システムの制御プログラムは、被制御対象に供給される流体の流量を制御して所望の流量設定値に保つ流量制御装置を含む流量制御システムの制御プログラムであって、前記流量制御システムは、前記流体の流量を計測する流量センサと、前記流量制御装置の１次側の圧力を計測する圧力センサと、を備え、少なくとも前記流体の物性値に応じた物性値係数に基づいてＰＩ校正値を決定する命令と、前記ＰＩ校正値および前記圧力センサの計測値に基づいて、前記流量センサによる推定流量の補正を行う命令と、前記補正を行う命令により補正された推定流量に基づいて、前記被制御対象に前記流体を供給するバルブの開度を調整し、前記流体の流量が前記流量設定値になるように制御する命令と、をコンピュータに実行させる。

なお、コンピュータプログラムは、インターネット等のネットワークを介したダウンロードによって提供したり、コンピュータ読み取り可能な各種の記録媒体に記録して提供したりすることができる。

本発明によれば、圧力不感応型の流量制御装置において、流体の種類に関わらず流量を正確に求めることができる。

本発明にかかる第１実施形態の流量制御システムが有するインターフェース装置、校正値決定装置および流量制御装置の概略構成図および機能ブロック図である。上記流量制御装置の全体概略図である。上記流量制御装置の流量センサにより流量を推定した様子を示すグラフであって、（ａ）圧力センサによる計測値の推移、および流量センサの計測値を、上記流量制御システムが決定するＰＩ校正値により補正して得られた推定流量の推移を示すグラフ、（ｂ）流量設定値が変更されたときの、流量の推移の様子を示すグラフである。上記流量制御システムがＰＩ校正値を決定するフローチャートである。上記流量制御システムが上記ＰＩ校正値を参照して計測値を補正し、流量制御を行うフローチャートである。本発明にかかる流量制御システムの第２実施形態を示す全体概略図である。関連技術の流量制御装置による流量制御の様子を示すグラフであって、（ａ）流量センサにより推定した流量の１例を示すグラフ、（ｂ）流量設定値が変更されたときに、上記流量センサの計測値に基づいて制御された様子を示すグラフである。別の関連技術の流量制御装置において、流量センサに基づく推定流量の様子を示すグラフであって、（ａ）六フッ化硫黄ガスを制御させているときの様子、（ｂ）アルゴンガスを制御させているときの様子である。

以下、本発明にかかる流量制御システム、ならびにその制御方法および制御プログラムの実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

●流量制御システムの概要
流量制御システム１００は、被制御対象内の流量が流量設定値に保持されるように制御するシステムである。
図１に示すように、流量制御システム１００は、例えば、インターフェース装置１０、校正値決定装置２０および流量制御装置３０がネットワークＮＷ１、ＮＷ２を通じて互いに接続されて構成される。NW1およびNW2は、データの送受信を可能とするためのものであれば特に限定されず、赤外線通信、ZigBee（登録商標）、Bluetooth（登録商標）、LAN（Local Area Network）、所定の専用回線や通信ケーブルなどによって構成され、有線又は無線のいずれであるかを問われることもない。また、NW1およびNW2は、データの送受信が一時的に可能なものも含む。

●流量制御装置３０の物理的構成
図２に示すように、流量制御装置３０は、バルブボディ１０１、流量センサ１０２、圧力センサ１０３、制御部１０４、およびバルブ１０５を備える。流量制御装置３０は、流量センサ１０２により流体の流量を計測した上で、１次圧変動を計測する圧力センサ１０３の値で流量を補正する、圧力不感応型流量制御装置である。

バルブボディ１０１は、ステンレス等の鋼材により構成され、外形が直方体形状の部材である。バルブボディ１０１は、被制御対象に供給される流体の供給路上にあり、バルブボディ１０１の上流は上流流路１０１ａ、下流は下流流路１０１ｂとなっている。上流流路１０１ａの上流側および下流流路１０１ｂの下流側は、制御対象の流体が流れる管にそれぞれ接続されている。

上流流路１０１ａは、上流側から流体が流入する流路である。上流流路１０１ａは途中で、流量センサ１０２を通る流路、すなわちセンサチューブ１０２ａとバイパス流路１０１ｃとに分岐した後に合流し、バルブ１０５へと流出する。バルブ１０５は、上流流路１０１ａと下流流路１０１ｂとの間を連通する開度等が制御可能な弁体であり、例えばボイスコイルによって駆動される電磁弁である。下流流路１０１ｂは、上流側からバルブ１０５により流量制御された流体が流入し、流量制御装置３０の下流側、すなわち被制御対象に流出するように構成されている。

流量センサ１０２は、センサチューブ１０２ａに流れる流体の流量を計測するセンサである。流量センサ１０２は、例えば熱式流量センサであり、センサチューブ１０２ａの上流および下流に発熱抵抗体１０２ｂ、１０２ｃを有していて、発熱抵抗体１０２ｂ、１０２ｃの温度の違いに基づいて、センサチューブ１０２ａに流れる流体の流量を電圧に変換する。バイパス流路１０１ｃに流れる流量とセンサチューブ１０２ａに流れる流量の割合は既知であるので、センサチューブ１０２ａに流れる流量を計測することにより、上流流路１０１ａの流量を算出することができる。

圧力センサ１０３は、上流流路１０１ａ中に配置され、流量制御装置３０の１次側の圧力を計測するセンサである。

複数ラインに同一の流体を流入させる際、並列する別の流量制御装置の脈動の影響を受けて、１次側の圧力は大きく変動する。この１次圧変動は、流量センサ１０２の計測値の誤差を引き起こす。そこで、流量制御装置３０においては、１次側の圧力を測定する圧力センサ１０３が配置され、当該圧力センサ１０３の計測値に基づいて流量センサ１０２の計測値を補正し、別の流量制御装置の脈動による急激な１次圧変動の影響を抑制することができる。

制御部１０４は、流量設定値を取得し、流量センサ１０２の計測値および流量設定値に基づいてバルブ１０５を制御する装置であり、例えば電子基板により構成されている。制御部１０４は、外部の流量設定装置に有線又は無線により接続されていて、当該流量設定装置から流量設定値を取得してもよい。制御部１０４は、例えばフィードバック制御を行うことにより、下流流路１０１ｂから排出される流量が流量設定値となるように、バルブ１０５の開度を制御する。

●インターフェース装置１０
図１に示すように、インターフェース装置１０は、流量制御システム１００の管理者が操作する端末であり、例えばパーソナルコンピュータである。インターフェース装置１０は、実ガスの種類又は物性値に関する情報や、流量制御装置３０に含まれる流量センサ１０２の種類等の入力を受け付ける。また、インターフェース装置１０は、表示部を備え、入力された情報および現在の流量等の情報が表示される。

●校正値決定装置２０
校正値決定装置２０は、実際に使用される制御対象の流体、すなわち実ガスの物性値に応じた物性値係数に基づいて、圧力センサ１０３による流量センサ１０２の補正値の程度を校正するＰＩ校正値を決定する機能部である。校正値決定装置２０は、記憶部２１と、物性取得部２２と、ＰＩ校正値決定部２３と、を備える。

記憶部２１は、ＰＩ校正値を決定するために必要なデータが格納される機能部である。記憶部２１は、例えば、流体の種類と物性値係数とが対応付けられる物性値係数テーブルを格納している。記憶部２１は、これに加えて、又は代えて、流体の種類およびＰＩ校正値が互いに対応付けられる校正値テーブルを格納していてもよい。また、記憶部２１は、ＰＩ校正値の算出の基準となる基準ガスの物性値係数、および基準ガスのＰＩ校正値を記憶している。基準ガスは、例えば、窒素ガスである。

物性取得部２２は、被制御対象である流体の物性値係数を取得する機能部である。物性値係数は、流体の１又は複数の物性値に基づいて、流体の種類ごとに算出される係数である。物性取得部２２は、例えばインターフェース装置１０に入力される流体の物性に基づいて、物性値係数を計算してもよい。また、物性取得部２２は、記憶部２１に格納される物性値係数テーブルを参照し、インターフェース装置１０に入力される流体の種類に基づいて物性値係数を取得してもよい。

ＰＩ校正値決定部２３は、少なくとも流体の物性値に応じた物性値係数に基づいてＰＩ校正値を決定する機能部である。

ＰＩ校正値決定部２３は、少なくとも実ガスの物性値係数Ｑ_ｇａｓと、基準ガスの物性値に応じた物性値係数と、により、制御対象の流体、すなわち実ガスのＰＩ校正値ＰＩ_ｇａｓを算出してもよい。また、ＰＩ校正値決定部２３は、流量センサの種類に応じたセンサ固有値Mに基づいてＰＩ校正値を決定する。すなわち、基準ガスが窒素ガスであるとき、以下の式で表される。

・・・（１）
ここで、Ｑ_Ｎ２は窒素ガスの物性値係数、ＰＩ_Ｎ２は、窒素ガスのＰＩ校正値である。この構成によれば、実ガスを実際に流して調整しなくてもＰＩ校正値を得ることができ、簡便に正確な流量制御を実現できる。

また、ＰＩ校正値決定部２３は、窒素ガスに対する実ガスの流量補正係数（コンバージョンファクター）ＣＦを取得し、流量補正係数ＣＦに基づいて以下の式により求めてもよい。

・・・（２）

また、ＰＩ校正値決定部２３は、流体の種類およびＰＩ校正値が互いに対応付けられる校正値テーブルを参照し、インターフェース装置１０に入力される流体の種類に基づいて、流量制御装置３０が有する後述する格納部３２に格納されるＰＩ校正値を決定してもよい。この構成によれば、演算の処理負担が軽減される。

ＰＩ校正値決定部２３は、決定したＰＩ校正値を、ネットワークＮＷ２を介して流量制御装置３０に送信し、格納部３２がこれを記憶する。

●流量制御装置３０内部の回路構成
図１に示すように、流量制御装置３０は、主として、流体情報取得機構３１、制御部１０４および駆動制御回路３５により構成される。

流体情報取得機構３１は、流量センサ１０２および圧力センサ１０３の計測値を取得する機能部である。

制御部１０４は、流量設定装置からの流量設定値、流量センサ１０２の計測値、および圧力センサ１０３の計測値を取得し、駆動制御回路３５がバルブ１０５の駆動を制御するために参照する信号を出力する装置であり、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）である。流量センサ１０２により計測された信号は、増幅およびフィルタリングするセンサ回路、およびデジタル化するＡ／Ｄ変換回路等を介して制御部１０４に入力されてもよい。制御部１０４からの出力信号は、Ｄ／Ａ変換回路を介してアナログ化され、駆動制御回路３５に入力されてもよい。駆動制御回路３５は、制御部１０４からの信号に応じてバルブ１０５を制御する。

●制御部１０４の機能ブロック
制御部１０４は、ソフトウェア資源として少なくとも、格納部３２、補正部３３およびレンジ変更部３４を備える。

格納部３２は、校正値決定装置２０により決定されるＰＩ校正値を格納する機能部である。格納部３２は、記録内容が上書き可能なメモリ等により構成されている。すなわち、格納部３２に格納されるＰＩ校正値は、変更可能である。この構成によれば、流体の種類が変更されるマルチガス対応の流量制御システムにおいても、校正値決定装置２０と都度通信を行うことなく、適切なＰＩ校正値を使用して流量を制御することができる。

補正部３３は、圧力センサ１０３の計測値およびＰＩ校正値に基づいて、流量センサ１０２の計測値を補正する機能部である。補正部３３は、この流量制御装置３０又は並列される流量制御装置３０の流量設定値が変化した後の過渡状態において、圧力センサ１０３の計測値に基づく補正を行う。流量設定値が変化すると、１次圧変動が大きくなり、圧変動による流量センサ１０２の計測誤差が大きくなるためである。

補正部３３は、格納部３２に格納されるＰＩ校正値を参照して補正を行うため、補正処理の度に校正値決定装置２０と通信する必要がなく、通信負荷が少ない。駆動制御回路３５は、補正部３３により生成される推定流量に基づいて、推定流量が流量設定値となるように、バルブ１０５の駆動を制御する。

レンジ変更部３４は、流量制御装置３０の計測レンジを変更する機能部である。レンジ変更部３４は、流量センサ１０２の計測値のデジタルゲインを変更することで、計測レンジを変更する。この構成によれば、マルチレンジの流量制御システムが実現でき、様々な流量範囲の流量制御が可能である。

ここで、図３、図７および図８を用いて、本発明に係る流量制御システム１００による制御の様子を説明する。図７（ａ）および（ｂ）は、関連技術における流量制御装置であって、ＰＩ校正値による補正を行わない場合の制御の様子を示すグラフである。図７（ａ）においては、流量センサ１０２による推定流量は、別途の圧力センサで求めた実流量と大きく異なっている。その結果、図７（ｂ）に示すように、特に流量設定値が変更された過渡状態において流量が大きく変化し、流量が流量設定値に収束するまでに時間を要している。

また、図８に示すように、圧力不感応型の補正態様に関し、ＰＩ校正値を窒素ガスで求めた値とし、流体の種類に応じて変更しない場合、６フッ化硫黄ガスおよびアルゴンガスを実ガスとして流した場合には、流量センサの値が実流量と大きくずれる。

図３（ａ）は、流量センサ１０２の補正後の計測値と、別途の圧力センサに基づく流量推定値とを示すグラフである。図３（ａ）に示すように、流量センサ１０２の補正後の推定流量は、圧力センサにより得られる実流量とよく重なっている。また、図３（ｂ）は、流量設定値が図中略中央において変更されたときの制御の様子を示すグラフである。同図に示すように、流量制御システム１００によれば、流量設定値が変更された過渡状態においても、流量の大きな変化が抑制され、迅速かつ正確に流量を流量設定値に収束させることができる。

なお、上述の実施形態においては、校正値決定装置２０と流量制御装置３０がネットワークＮＷ２で接続されている構成について説明したが、図６に示されるように、流量制御装置３０自身が校正値決定装置２０を備える構成であってもよい。この構成によれば、ＰＩ校正値を変更するときの通信負荷が軽減される。また、校正値決定装置２０の機能の一部又は全部がインターフェース装置１０に設けられていてもよい。

●ＰＩ校正値を決定するフローチャート
図４に示すように、まず、流体の物性値係数を取得する（S1）。次いで、センサ固有値を読み出し（S2）、流体の物性値係数、基準ガスの物性値係数、およびセンサ固有値に基づいて、ＰＩ校正値を決定する（S3）。

●流量を制御するフローチャート
図５に示すように、まず、流量センサ１０２および圧力センサ１０３の計測値を取得する（S11）。次いで、格納部３２からＰＩ校正値を読み出す（S12）。読み出したＰＩ校正値に基づいて、流量センサ１０２の計測値を補正する（S13）。次いで、補正された流量センサ１０２の計測値および圧力センサ１０３の計測値に基づいて、流量を推定し、流量を制御する（S14）。なお、ステップS13およびS14に替えて、ＰＩ校正値、流量センサ１０２の計測値および圧力センサ１０３の計測値に基づいて流量を推定してもよい。

このように、本発明にかかる流量制御システムによれば、圧力不感応型の流量制御装置において、流体の種類に関わらず流量を正確に求めることができる。

１００流量制御システム
２０校正値決定装置
２３ＰＩ校正値決定部
３０流量制御装置
３３補正部
１０２流量センサ
１０３圧力センサ
１０５バルブ

Claims

被制御対象に供給される流体の流量を制御して所望の流量設定値に保つ流量制御装置を含む流量制御システムであって、
前記流体の流量を計測する流量センサと、
前記流量制御装置の１次側の圧力を計測する圧力センサと、
少なくとも前記流体の物性値に応じた物性値係数に基づいてＰＩ校正値を決定するＰＩ校正値決定部と、
前記ＰＩ校正値および前記圧力センサの計測値に基づいて、前記流量センサによる推定流量の補正を行う補正部と、
前記補正部により補正された推定流量に基づいて、前記被制御対象に前記流体を供給するバルブの開度を調整し、前記流体の流量が前記流量設定値になるように制御する駆動制御回路と、
を備える、
流量制御システム。
前記ＰＩ校正値決定部は、少なくとも前記流体の物性値係数と、基準ガスの物性値に応じた物性値係数と、によりＰＩ校正値を決定する、
請求項１記載の流量制御システム。
前記流体の物性値係数を取得する物性取得部と、
前記流量制御装置において、前記補正に用いる前記ＰＩ校正値を格納する格納部と、
をさらに備え、
前記格納部に格納されるＰＩ校正値は、取得される前記流体の物性値係数に応じて変更可能である、
請求項１又は２記載の流量制御システム。
ＰＩ校正値決定部は、前記流体の種類および前記ＰＩ校正値が互いに対応付けられる校正値テーブルを参照し、前記格納部に格納されるＰＩ校正値を決定する、
請求項３記載の流量制御システム。
前記流量センサで計測される流量の計測レンジを変更するレンジ変更部をさらに備える、
請求項１乃至４のいずれかに記載の流量制御システム。
前記ＰＩ校正値決定部は、前記流量センサの種類に応じたセンサ固有値に基づいてＰＩ校正値を決定する、
請求項１乃至５のいずれかに記載の流量制御システム。
前記流量センサは、熱式流量センサである、
請求項１乃至６のいずれかに記載の流量制御システム。
被制御対象に供給される流体の流量を制御して所望の流量設定値に保つ流量制御装置を含む流量制御システムの制御方法であって、
前記流量制御装置は、
前記流体の流量を計測する流量センサと、
前記流量制御装置の１次側の圧力を計測する圧力センサと、
を備え、
少なくとも前記流体の物性値に応じた物性値係数に基づいてＰＩ校正値を決定するステップと、
前記ＰＩ校正値および前記圧力センサの計測値に基づいて、前記流量センサによる推定流量の補正を行うステップと、
前記補正を行うステップにより補正された推定流量に基づいて、前記被制御対象に前記流体を供給するバルブの開度を調整し、前記流体の流量が前記流量設定値になるように制御するステップと、
を含む、
流量制御システムの制御方法。
被制御対象に供給される流体の流量を制御して所望の流量設定値に保つ流量制御装置を含む流量制御システムの制御プログラムであって、
前記流量制御システムは、
前記流体の流量を計測する流量センサと、
前記流量制御装置の１次側の圧力を計測する圧力センサと、
を備え、
少なくとも前記流体の物性値に応じた物性値係数に基づいてＰＩ校正値を決定する命令と、
前記ＰＩ校正値および前記圧力センサの計測値に基づいて、前記流量センサによる推定流量の補正を行う命令と、
前記補正を行う命令により補正された推定流量に基づいて、前記被制御対象に前記流体を供給するバルブの開度を調整し、前記流体の流量が前記流量設定値になるように制御する命令と、
をコンピュータに実行させる、
流量制御システムの制御プログラム。