JP2023067758A - 気化装置、気化装置の制御方法、気化装置用プログラム、及び、流体制御装置 - Google Patents

気化装置、気化装置の制御方法、気化装置用プログラム、及び、流体制御装置 Download PDF

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Abstract

【課題】特に静定時間を従来よりも短縮することが可能としつつ、制御の安定性も維持することができる気化装置を提供する。【解決手段】液体材料の流れる流路に設けられた制御バルブ２と、前記液体材料が減圧又は加熱によって気化される気化部３と、流路を流れる液体材料の流量を測定する液体流量センサ１と、設定流量の示す設定値と前記液体流量センサ１で測定される流量の測定値に基づいたＰＩ制御又はＰＩＤ制御によって前記制御バルブ２を制御するバルブ制御器４１と、を備えた気化装置１００であって、前記液体流量センサ１で測定される流量の過渡応答期間に、前記バルブ制御器４１に設定されている積分ゲインを基準積分ゲインから前記基準積分ゲインとは異なる補正積分ゲインに切り替える積分ゲイン切替部４２をさらに備えた。【選択図】図４

Description

本発明は、液体材料の流量がＰＩ制御又はＰＩＤ制御によって制御される気化装置に関するものである。
例えば半導体製造プロセスでは、液体材料を気化させて真空チャンバ内に導入される材料ガスを得るために気化装置が用いられている。この気化装置は、特許文献１に示されるように液体材料とキャリアガスが内部で混合される制御バルブと、制御バルブの下流側に設けられて、加熱又は減圧によって液体材料を気化させる気化部と、制御バルブの上流側において液体材料の流量を測定する液体流量センサと、ユーザにより設定される設定流量の示す設定値と液体流量センサが測定する測定値とに基づくＰＩＤ制御により制御バルブの開度を制御するバルブ制御器とを備えている。
ところで、このような気化装置において制御バルブが例えば全閉の状態から液体材料が目標となる一定流量値で維持されるようにステップ状の設定流量が設定されると、液体流量センサで測定される流量の測定値が設定流量の最終的な設定値に一致するのに時間がかかる場合がある。言い換えるとオフセットが短時間では解消されず、静定時間が例えば半導体製造プロセスにおける要求から定められる許容時間内に収められないことがある。また、このような問題は所定の流量が維持されている状態からより大きい設定流量に変更された場合でも生じることがある。
本願発明者らはこのような現象がなぜ生じるのかについて鋭意検討を行ったところ、液体材料の流量が立ち上がった時点以降において制御バルブの温度が低下し、弁体や弁座等を構成する金属における熱収縮によって必要とされる開度が実現されていないことに原因があることを初めて見出した。すなわち、制御バルブに隣接する気化部において液体材料が気化するとその気化熱により制御バルブが冷却されてしまう。そして、制御バルブの構成部品に熱収縮が生じるため、ＰＩＤ制御により本来実現されるべき開度よりも大きい開度で維持されてしまう。この結果、オフセットが残り続けるという現象が発生している。
加えて、制御バルブの材質や各種ヒータの設定等によっては、制御バルブの温度が上昇し、弁体や弁座等を構成する金属において熱膨張が発生し、必要とされる開度よりも小さくなってしまい、オーバーシュートが発生した後にアンダーシュートが発生して実際の流量が設定値よりも小さい状態で保たれて、オフセットが残り続けることも生じ得る。
このようなオフセットを解消するには、積分ゲインを現状よりも大きな値に設定することは考えられるものの、この種の気化装置において単純に積分ゲインの値を高くすることは難しい。すなわち、気化装置には静定時間だけでなく、立ち上がり時間やオーバーシュート量にも厳しい制約があるため、既に限界に近いハイゲインが設定される。このようなチューニングがすでに施されている気化装置のバルブ制御器に対して、積分ゲインとしてさらに高い値が常時設定されている状態にすると、流量が立ち上がる過渡応答期間におけるオーバーシュートや予期せぬ外乱によって液体材料の流量にハンチングが生じ、そもそも液体材料の流量制御自体が不安定となってしまう可能性がある。
特開２００１－１５６０５５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、特に静定時間を従来よりも短縮することが可能としつつ、制御の安定性も維持することができる気化装置を提供することを目的とする。また、同様に制御時に制御バルブにおいて温度低下が生じ、前述したような制御上の問題が生じている流体制御装置についても、静定時間を短縮できるとともに制御的な安定性を両立させることができる流体制御を提供すること目的とする。
すなわち、本発明に係る気化装置は、液体材料の流れる流路に設けられた制御バルブと、前記液体材料が減圧又は加熱によって気化される気化部と、流路を流れる液体材料の流量を測定する液体流量センサと、設定流量の示す設定値と前記液体流量センサで測定される流量の測定値に基づいたＰＩ制御又はＰＩＤ制御によって前記制御バルブを制御するバルブ制御器と、を備えた気化装置であって、前記液体流量センサで測定される流量の過渡応答期間に、前記バルブ制御器に設定されている積分ゲインを基準積分ゲインから前記基準積分ゲインとは異なる補正積分ゲインに切り替える積分ゲイン切替部をさらに備えたことを特徴とする。
また、本発明に係る気化装置の制御方法は、液体材料の流れる流路に設けられた制御バルブと、前記液体材料が減圧又は加熱によって気化される気化部と、流路を流れる液体材料の流量を測定する液体流量センサと、を備えた気化装置の制御方法であって、設定流量の示す設定値と前記液体流量センサで測定される流量の測定値に基づいたＰＩ制御又はＰＩＤ制御によって前記制御バルブを制御することと、前記液体流量センサで測定される流量の過渡応答期間に、前記バルブ制御器に設定されている積分ゲインを基準積分ゲインから前記基準積分ゲインとは異なる補正積分ゲインに切り替えることを含むことを特徴とする。
このようなものであれば、前記液体流量センサ測定される流量の過渡応答期間に前記バルブ制御器に設定されている積分ゲインを前記基準積分ゲインから前記補正積分ゲインに切り替えているので、前記気化部において前記液体材料の気化量が増加し、それに伴って前記制御バルブの温度が低下し、熱収縮による開度増加が発生して、オフセットが解消されにくい状態となったとしてもその影響を打ち消すことが可能となる。また、同様に前記制御バルブの材質の特性や前記気化部での加熱量等の組み合わせによっては、前記制御バルブの温度が上昇し、熱膨張による開度減少が発生してオフセットが解消されにくい状態となることがあるが、本願発明であればこのような影響を打ち消すことも可能となる。したがって、設定値と測定値がほぼ一致するまでに必要となる静定時間を短縮することができ、許容時間内に収める事ができるようになる。また、温度低下の生じていない流量の過渡応答期間の初期には、前記基準積分ゲインが設定され、温度低下が生じている状態でのみ前記補正積分ゲインを設定することが可能となるので、オーバーシュート量を小さくしたり、オフセットの解消されるまでにかかる時間を短縮したりでき、さらには制御の安定性も両立させることが可能となる。
前記制御バルブにおいて温度低下によって開度が大きくなってしまうことにより発生するオフセットを低減できるようにするには、前記補正積分ゲインが前記基準積分ゲインよりも高い値に設定されていればよい。
前記制御バルブが例えば通常の使用状態における温度で動作している場合に適した積分ゲインを使用できるようにして、制御の安定性を高められるようにするには、前記基準積分ゲインが、前記気化部が存在しない場合における流量応答の静定時間が予め定められた許容時間内となるように設定された値であればよい。
前記基準積分ゲインに基づいて、前記制御バルブにおいて温度低下が生じている場合に適した前記補正積分ゲインを設定できるようにするには、前記補正積分ゲインが、前記気化部が存在し、前記過渡応答期間に前記基準積分ゲインから前記補正積分ゲインへ切り替える場合における流量応答の静定時間が前記許容時間内となるように定められた値であればよい。
オフセットが解消された後において、外乱に対する耐性を高めて設定値から測定値がずれにくくし、制御の安定性をさらに高められるようにするには、積分ゲイン切替部が、前記測定値が前記設定値で静定した後に前記バルブ制御器に設定されている積分ゲインを前記補正積分ゲインから前記基準積分ゲインへ戻せばよい。
簡単なアルゴリズムによってオフセットを短時間で解消できる適切なタイミングで前記基準積分ゲインから前記補正積分ゲインへと切り替えられるようにするには、前記積分ゲイン切替部が、前記設定流量の立ち上がり開始時点を基準として所定時間経過後に前記バルブ制御器に設定されている積分ゲインを前記基準積分ゲインから前記補正積分ゲインに切り替えるものであればよい。
例えば流量応答において立ち上がり時間や静定時間は短縮でき、オーバーシュート量も低減もしつつ、流量においてハンチング等は発生させないようにするには、前記基準積分ゲインから前記補正積分ゲインに切り替える切替タイミングが、前記基準積分ゲインに固定して前記制御バルブを制御し続けた場合における流量応答の立ち上がり開始時点からピーク時点までの期間の間に設定されていればよい。ここで、ピーク時点とは流量値が最も大きくなる時点そのものだけでなく、流量値が最も大きくなる時点を基準とした近傍区間を含み得る。例えば近傍区間は流量値が最も大きくなった時点から所定の微小時間だけずれたとしても、オーバーシュート量を十分に低減しつつハンチング等が発生しない区間に相当する。
前記制御バルブでの温度低下量や温度低下速度等の影響を加味して、前記基準積分ゲインからより適切な値の前記補正積分ゲインへ切り替えられるようにするには、前記積分ゲイン切替部が、前記基準積分ゲインから前記補正積分ゲインに切り替える切替タイミングを、前記設定流量の示す設定値の大きさ又は前記液体材料の種類に応じて設定するように構成されたものであればよい。
前記気化装置は、前記補正積分ゲインを変更する補正積分ゲイン変更部をさらに備えるものが望ましい。
このようなものであれば、補正積分ゲイン変更部が補正積分ゲインを変更するので、積分ゲイン切替部は、制御バルブの温度低下を考慮した補正積分ゲインに切り替えることができ、オフセットの解消までにかかる時間を短縮することができる。
前記補正積分ゲイン変更部は、前記液体材料の種類、前記液体材料の設定流量、前記液体材料の設定圧力、キャリアガスの設定流量、前記制御バルブの上流側の圧力、前記制御バルブの下流側の圧力、前記制御バルブの設定温度、前記気化部の設定温度、又は、周囲温度のうちの少なくとも何れかに基づいて、前記補正積分ゲインを変更することが挙げられる。
このようなものであれば、補正積分ゲイン変更部が、液体材料の種類、液体材料の設定流量、液体材料の設定圧力、キャリアガスの設定流量、制御バルブの上流側の圧力、制御バルブの下流側の圧力、制御バルブの設定温度、気化部の設定温度、又は、周囲温度、制御バルブの温度低下に関係するパラメータに基づいて補正積分ゲインを変更するので、制御バルブの温度低下の影響を加味した補正積分ゲインに変更することができる。
前記気化部における前記液体材料の気化効率を高められるようにするには、前記制御バルブが、前記液体材料が内部に導入される液体導入ポートと、前記キャリアガスが内部に導入される気体導入ポートと、前記液体材料及び前記キャリアガスが混合された気液混合体が外部に導出される導出ポートと、備えたものであればよい。このような態様であれば前記制御バルブでの温度低下量やその温度低下速度がより大きくなるので、本発明の積分ゲインの切り替えによる制御特性の改善効果がより顕著に発揮される。
制御中において前記制御バルブに温度低下が大きく発生しやすく、積分ゲインの切替により従来と比較して大幅な制御特性の改善効果が見込める具体的な態様としては、前記制御バルブと前記気化部が隣接して設けられたものが挙げられる。
既存の気化装置において例えばプログラムを更新することによって本発明に係る気化装置とほぼ同等の効果を享受できるようにするには、液体材料の流れる流路に設けられた制御バルブと、前記液体材料が減圧又は加熱によって気化される気化部と、流路を流れる液体材料の流量を測定する液体流量センサと、を備えた気化装置に用いられる制御用プログラムであって、設定流量の示す設定値と前記液体流量センサで測定される流量の測定値に基づいたＰＩ制御又はＰＩＤ制御によって前記制御バルブを制御するバルブ制御器と、前記液体流量センサで測定される流量の過渡応答期間に、前記バルブ制御器に設定されている積分ゲインを基準積分ゲインから前記基準積分ゲインとは異なる補正積分ゲインに切り替える積分ゲイン切替部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気化装置用プログラムを用いればよい。なお、気化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。
流体の流れる流路に設けられた制御バルブと、目標指令の示す流量又は圧力の設定値と前記流体センサで測定される測定値を用いたＰＩ制御又はＰＩＤ制御によって前記制御バルブを制御するバルブ制御器と、を備えた流体制御装置であって、前記制御バルブが、前記バルブ制御器による制御中において前記流体センサで測定される測定値の立ち上がり以降に所定値以上の温度変化が生じる使用環境に設けられており、前記流体センサで測定される測定値の過渡応答期間に、前記バルブ制御器に設定されている積分ゲインを基準積分ゲインから前記基準積分ゲインとは異なる補正積分ゲインに切り替える積分ゲイン切替部をさらに備えたことを特徴とする流体制御装置であれば、例えば高温に保たられている前記制御バルブに低温の流体が流入し、前記制御バルブの温度が大きく低下するような場合でも、静定時間を短縮しつつ、制御の安定性も両立させることができる。逆に前記制御バルブに高温の流体が流入し、前記制御バルブの温度が大きく上昇する場合でも、同様に静定時間を短縮しつつ、制御の安定性も両立させることができる。
このように本発明に係る気化装置によれば、流量の過渡応答期間において前記基準積分ゲインから前記補正積分ゲインへと切り替えるように構成されているので、例えば前記基準積分ゲインに固定して前記制御バルブについてＰＩＤ制御を行うと前記制御バルブ自体の温度低下に起因してオフセットが解消されず、静定時間が長くなってしまうという問題を解決することができる。また、前記制御バルブにおいて温度低下が生じ、開度が大きくなりやすい状態で前記補正積分ゲインを適用できるので、ハイゲインに設定することによりハンチングが発生しやすくなるのも防ぎ、制御の安定性も両立させることができる。また、同様に制御バルブ自体の温度上昇に起因して設定値よりも流量が小さい値で維持されてしまうような場合でも同様にオフセットを解消し、静定時間を短くすることが可能となる。
本発明の第１実施形態における気化装置の構成を示す模式図。 第１実施形態における気化器の詳細について示す模式図。 第１実施形態における制御機構の構成を示す機能ブロック図。 第１実施形態における積分ゲインの切替タイミングを示すイメージ図。 液体材料の流量の立ち上がり時におけるバルブ温度の変化と、第１実施形態の気化装置に第１設定でのステップ応答と従来の気化装置のステップ応答を示すグラフ。 積分ゲインの切替タイミングと流量の収束状態を示す図５におけるピーク部分の拡大図。 液体材料の流量の立ち上がり時におけるバルブ温度の変化と、第１実施形態の気化装置に第２設定でのステップ応答と従来の気化装置のステップ応答を示すグラフ。 積分ゲインの切替タイミングと流量の収束状態を示す図７におけるピーク部分の拡大図。 本発明の第１実施形態における気化装置の変形例について示す模式図。 本発明の第１実施形態における制御機構の変形例について示す模式図。 本発明の第２実施形態における流体制御装置の構成を示す模式図。 第２実施形態における制御機構の構成を示す機能ブロック図。
本発明の第１実施形態における気化装置１００について図１乃至図８を参照しながら説明する。
第１実施形態の気化装置１００は、例えば半導体製造プロセスにおいて使用されるものであって、液体材料（原料液）を気化させてチャンバ内に供給される材料ガス（原料ガス）を生成するものである。
この気化装置１００は、図１に示すように液体材料の流れる液体材料ラインＬ１、キャリアガスの流れるキャリアガスラインＬ２、キャリアガス及び液体材料が気化した材料ガスの混合ガスが導出される導出ラインＬ３と、各ラインに設けられている機器の制御を司る制御機構４と、を備えている。ここで、液体材料ラインＬ１とキャリアガスラインＬ２の終端部はそれぞれ液体材料が気化される気化器ＶＰの導入側に接続されており、導出ラインＬ３の先端部は気化器ＶＰの導出側に接続されている。
液体材料ラインＬ１は、液体材料が内部に貯留されているタンクＴＮと、タンクＴＮと気化器ＶＰとの間を接続する流路上に設けられて、液体材料の流量を測定する液体流量センサ１と、を備えている。
タンクＴＮには、液体材料を圧送するための圧送ガスをタンクＴＮ内の気相へ導入する圧送ガス導入管と、タンクＴＮ内の液体材料内に先端が浸漬され、液体材料ラインＬ１を構成する液導出管とが挿入されている。
液体流量センサ１は、例えば圧力式の流量センサであり、それぞれ図示しない層流素子と、層流素子の上流側に設けられる上流側圧力センサ、層流素子の下流側に設けられる下流側圧力センサと、各圧力センサの出力に基づいて液体の流量を算出する流量算出ボード等を備えたものである。例えば液体流量センサ１は、層流素子の差圧や、各圧力の二乗の差等に基づいて液体材料ラインＬ１を流れている液体材料の流量が算出されて、制御機構４へと出力される。
キャリアガスラインＬ２は、気化器ＶＰに流入する窒素等のキャリアガスの流量を制御するマスフローコントローラＭＦＣが設けられている。マスフローコントローラＭＦＣは、図示しないバルブ、流量センサ、制御ボードが１つのユニットとしてパッケージ化されたものであり、設定されている設定流量と流量センサで測定されている流量の偏差に基づくフィードバック制御でバルブの開度が制御される。
気化器ＶＰは図２の模式図に示すように制御バルブ２と、制御バルブ２の下流側に隣接させて設けられた気化部３とを備えている。
制御バルブ２は、内部に流路が形成されているとともに、その上面に弁座２３が形成された金属製のボディ２１と、ボディ２１の上面に設けられて、弁座２３に対して離接する弁体２４としての機能するダイアフラム２２１を具備する金属製のダイアフラム構造２２と、ダイアフラム２２１を駆動するアクチュエータであるピエゾアクチュエータ２５と、を備えている。ピエゾアクチュエータ２５によって弁座２３と弁体２４との間の開度が調節されて、第１実施形態では液体材料の流量が制御される。また、ボディ２１及びダイアフラム構造２２は金属で形成されているため、温度が低下すると熱収縮によって弁座２３と弁体２４との間の距離が大きくなる。逆に温度が上昇すると熱膨張によって弁座２３と弁体２４との間の距離が小さくなる。したがって、ピエゾアクチュエータ２５に同じ電圧が印加されていたとしても温度が異なると開度は異なる可能性がある。
制御バルブ２のボディ２１の側面には液体材料ラインＬ１から液体材料がボディ２１内に導入される液体導入ポートＰ１と、キャリアガスラインＬ２からキャリアガスが内部に導入される気体導入ポートＰ２とが形成されている。また、ボディ２１内に導入された液体材料とキャリアガスは内部流路を通って、ボディ２１の上面とダイアフラム構造２２との間に形成されている空間である気液混合部に流入して混合される。液体材料とキャリアガスが混合された気液混合体は内部流路を通ってボディ２１の側面に開口する液導出ポートＰ３から外部へ導出される。第１実施形態では制御バルブ２の導出ポートは後段に隣接する気化部３の流入口に接続されている。
さらにボディ２１内にはバルブ用ヒータ２６が内蔵されており、制御バルブ２内が所定温度で維持されるように温調されている。例えば制御バルブ２の温度はタンクＴＮ内の液体材料よりも高い温度であって、液体材料が気化される気化部３の温度よりも低い温度に設定される。すなわち、気化部３に対して流入する液体材料が気化しやすいように制御バルブ２で予熱されるとともに、制御バルブ２内では液体材料の気化が生じないようにバルブ用ヒータ２６で温調される温度は設定されている。
気化部３は、気液混合体を加熱及び減圧して気化させて材料ガスを発生させるように構成されている。具体的には気化部３は、流路経が下流側で拡大するノズル３１と、ノズル３１内を流れる気液混合体を加熱する気化ヒータ３２と、を備えている。
ここで、特に制御バルブ２が全閉状態から開放されて液体材料が気化器ＶＰに急激に流入する場合、液体材料自体による吸熱、又は、気化部３において液体材料が気化することにより制御バルブ２の温度はバルブ用ヒータ２６で加熱されていたとしても一時的に低下することになる。より具体的には、液体材料の流量をゼロの状態からステップ状に変化させると、制御バルブ２は全閉状態での初期温度から徐々に低下し、液体材料の気化等による吸熱とバルブ用ヒータ２６の加熱が釣り合う平衡温度に保たれることになる。
制御機構４は、ＣＰＵ、メモリ、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータ、各種入出力機器等を備えたコンピュータと各機器が協業してその機能が実現されるものである。第１実施形態ではユーザからの設定に基づいてマスフローコントローラＭＦＣや気化器ＶＰの動作を制御する。制御機構４は、マスフローコントローラＭＦＣに対しては例えば固定された流量でキャリアガスが供給され続けるようにある設定値で固定された目標指令をキャリアガスの設定流量として入力する。また、制御機構４は気化器ＶＰの制御バルブ２についてユーザによって設定されている液体材料の設定流量の示す設定値と液体流量センサ１の測定する測定値に基づいて、ＰＩＤ制御によって制御バルブ２の開度を制御する。また、この制御機構４は、制御バルブ２の制御中、特にステップ指令に対する制御途中に積分ゲインを切り替えられることを特徴としている。より具体的にはメモリに格納されている気化装置１００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、少なくとも図３に示すバルブ制御器４１、積分ゲイン切替部４２、制御パラメータ記憶部４３としての機能を発揮する。以下に各部について詳述する。
バルブ制御器４１は、ユーザによって設定される液体材料の設定流量の示す設定値と液体流量センサ１で測定される流量の測定値に基づいたＰＩＤ制御によって前記制御バルブ２の開度を制御する。このバルブ制御器４１は、液体材料の流量の設定値と測定値の偏差と設定されているＰＩＤゲインに基づいてＰＩＤ演算を行い、操作量である印加電圧の目標値を算出するＰＩＤ制御部４１１と、ＰＩＤ制御部４１１から出力される印加電圧の目標値となるように制御バルブ２に電圧を出力する電圧印加部４１２と、を備えている。ここで、ＰＩＤ制御部４１１に設定されるＰＩＤゲインは比例ゲイン、積分ゲイン、微分ゲインを含み、第１実施形態では積分ゲインは制御中にある値から別の値に切り替えられる。一方、比例ゲインと微分ゲインについては常に固定されている。
積分ゲイン切替部４２は、液体流量センサ１で測定される流量の過渡応答期間に、バルブ制御器４１に設定されている積分ゲインを基準積分ゲインから補正積分ゲインに切り替える。例えば積分ゲイン切替部４２は、図４のイメージ図に示すように設定流量としてステップ関数が入力されている場合には、液体流量センサ１で測定される流量がピーク値となる前までは基準積分ゲインを設定し、それ以降は補正積分ゲインを設定する。ここで、「流量の過渡応答期間」とは、例えば設定流量として初期値がゼロのステップ関数が入力されている場合を例にすると、測定される流量が初期値であるゼロ以外の値になった立ち上がり開始時を開始点とし、測定される流量がピーク値となるピーク時点から所定時間経過後を終了点とする期間を言う。なお、制御バルブ２の弁座２３又は弁体２４で温度上昇が生じ、開度増加が生じている流量の測定値が設定値よりも大きい状態で維持される場合には、ピーク時点から所定時間経過後において測定される流量の測定値は例えば設定値よりも大きくてもよい。また、制御バルブ２の材質の特性や液体材料の特性、加熱量等の組み合わせによって弁座２３又は弁体２４で温度低下が生じ、開度減少が生じることによりオーバーシュート発生後にアンダーシュートが発生し、流量の測定値が設定値よりも小さい状態デイジされる場合には、ピーク時点から所定時間経過後において測定される流量の測定値は例えば設定値よりも小さくてもよい。別の表現をすると、過渡応答期間は、流量が初期値で維持されている状態から流量が立ち上がって、ピーク値となってから設定流量の示す設定値に収束するまでの期間としても定義できる。加えて、終了点をピーク時点として過渡応答期間を立ち上がり開始点からピーク時点までの期間である立ち上がり期間としてより厳密に定義しても構わない。
基準積分ゲイン及び補正積分ゲインの値、及び、これらの積分ゲインを使用する判定条件については制御パラメータ記憶部４３にそれぞれ関連付けて記憶されている。
基準積分ゲインは例えばバルブ用ヒータ２６により通常動作温度に保たれている制御バルブ２の特性に合わせて設定された積分ゲインである。より具体的には基準積分ゲインは、気化部３が存在せず、制御バルブ２と液体流量センサ１のみで構成された流量制御系において、ステップ応答の静定時間が予め定められた許容時間内となるように設定された値である。ここで許容時間とは例えばチャンバに導入される材料ガスの流量に求められる制約条件等から決まる値である。また、基準積分ゲインはコンピュータシミュレーションによって定められた値であってもよいし、実験的に定められた値であってもよい。
一方、補正積分ゲインは、制御バルブ２と液体流量センサ１だけでなく、気化部３も存在する流量制御系の動特性に合わせて設定される。具体的には流量の過渡応答期間に基準積分ゲインから補正積分ゲインへ切り替える場合のステップ応答の静定時間が前述した許容時間内となるように補正積分ゲインは設定される。例えば前述した手法で定められた基準積分ゲインを前提として、コンピュータシミュレーションや実験により、過渡応答期間中に基準積分ゲインからこれとは別の積分ゲインに変更した場合に静定時間が前述した許容時間内となる値が探索される。探索の結果、条件を満たした積分ゲインが補正積分ゲインとして使用される。第１実施形態では基準積分ゲインよりも補正積分ゲインは大きい値が設定されており、例えば基準積分ゲインＫｉに１よりも大きい補正係数αが乗じられた値α×Ｋｉが補正積分ゲインとなる。
また、第１実施形態において積分ゲイン切替部４２が、基準積分ゲインから補正積分ゲインに切り替えられるタイミングは、設定流量の立ち上がり開始時点をトリガーとしている。具値的には、積分ゲイン切替部４２は、設定流量において設定値がゼロから所定流量値へと変化する立ち上がり開始時点を基準として所定時間経過後にバルブ制御器４１に設定されている積分ゲインを基準積分ゲインから補正積分ゲインへと切り替える。第１実施形態では積分ゲイン切替部４２は液体流量センサ１で測定される液体材料の流量における過渡応答期間中に基準積分ゲインから補正積分ゲインへと切り替えている。一例としては液体材料の流量の立ち上がり開始時点以降であって、積分ゲインを基準積分ゲインに固定して制御した場合における基準ピーク時点よりも前に基準積分ゲインから補正積分ゲインへ切り替えられる。すなわち、測定される液体材料の流量の立ち上がり期間内において積分ゲインが切り替えられる。なお、後述するようにオフセットを解消できるだけでなく、オーバーシュート量を低減し、静定時間をさらに短縮するためには、液体材料の流量が立ち上がり開始時点以降であって設定流量におけるステップ値に到達するよりも前に基準積分ゲインから補正積分ゲインへの切替を行うのが好ましい。
このように構成された第１実施形態の気化装置１００における液体材料の流量制御に関するステップ応答について、基準積分ゲインが固定されている従来例のステップ応答と比較しながら説明する。
図５に示すように設定流量としてゼロを初期値とするステップ関数が入力されると、設定流量の立ち上がり開始時点近傍からバルブ温度が初期温度から終端温度へと一次遅れで低下していく。このような温度低下によって従来のように基準積分ゲインで固定されたＰＩＤ制御を行っていると、オーバーシュートが発生した後に流量の設定値と測定値との間のオフセット（定常偏差）が維持される時間が長くなる。すなわち、温度低下に起因して従来例では静定時間が許容時間内に収めることができない。
これに対して第１実施形態の気化装置１００において図６に示すように従来例において測定される流量がピークとなる基準ピーク時点で基準積分ゲインから補正積分ゲインへの切替を行うとオーバーシュート量はほぼ同じであるが、補正積分ゲインが切り替えられてからは速やかにオフセットが解消されることがわかる。また、補正積分ゲインに切り替えられた後においては特にハンチング等は生じてない。
次に第１実施形態の気化装置１００において積分ゲインの切替タイミングをさらに早くした場合について図７及び図８を参照しながら説明する。具体的には図８に示すように前述した基準ピーク時点よりも早いタイミングであって、液体材料の流量の測定値が設定値よりも小さい時点で基準積分ゲインから補正積分ゲインへ切り替えている。
このようなタイミングで積分ゲインの切り替えを行うと図７及び図８に示すように従来例と比較して第１実施形態の気化装置１００であれば、オーバーシュート量を低減できるとともに、静定時間もさらに短縮できることが分かる。また、このようなタイミングで補正積分ゲインが切り替えられたとしても、特にハンチング等は生じてない。
このように第１実施形態の気化装置１００であれば、積分ゲイン切替部４２が液体材料の流量の過渡応答期間において基準積分ゲインからそれよりも大きい補正積分ゲインへと切り替えを行うことができる。この結果、液体材料の気化し始めることにより制御バルブ２の温度が大きく低下し、制御バルブ２を構成する金属等に熱収縮が生じていたとしても、オフセットを解消するのに必要となる開度を実現できる。また、オフセットが解消されることから、静定時間も許容時間内までに短縮できる。
さらに、液体材料の立ち上がり開始時点から所定時間は基準積分ゲインで制御されているので過渡応答期間内において過剰な操作量が制御バルブ２に対して入力されることはなく、大きなオーバーシュートやハンチングが生じることもない。言い換えると、基準積分ゲインよりも高い補正積分ゲインで常に制御を行うと、流量制御が不安定になる恐れがあるが、第１実施形態の気化装置１００では最初は低い基準積分ゲインでＰＩＤ制御を行っているので、そのような問題が生じにくい。したがって、気化装置１００としての応答性を改善しながら、制御の安定性も両立させることができる。
次に第１実施形態の気化装置１００の変形例について説明する。
積分ゲイン切替部４２は、基準積分ゲインから補正積分ゲインへの切替を行った後において液体材料の流量の測定値が設定値で維持されて所定時間経過後に再び基準積分ゲインへ戻すように構成されていてもよい。このようなものであれば、流量の維持中に外乱が入力されたとしてもその影響を受けにくくしてロバスト性を高めることができる。
積分ゲイン切替部４２が、基準積分ゲインから補正積分ゲインへの切替を行うタイミングについては第１実施形態において説明したように過渡応答期間中の立ち上がり期間に限られるものではない。すなわち、過渡応答期間中に立ち上がり期間以外で積分ゲインが切り替えられてもよい。第１実施形態では立ち上がり期間中に積分ゲインの切替を行っていたが、例えばピーク時点を過ぎて液体材料の流量が減少し設定流量の設定値となるまでに間に積分ゲインの切替を行ってもよい。また、立ち上がり期間中であって設定流量のステップ値となった時点以降からピーク時点までの間において積分ゲインの切替が行われるようにしてもよい。
また、積分ゲイン切替部４２は、基準積分ゲインから補正積分ゲインに切り替える切替タイミングを、設定流量の示す設定値の大きさに応じて設定するものであってもよい。例えば設定流量の示す設定値と初期値との差が大きくなるほど、液体材料の流量の立ち上がり開始点を基準とした切替タイミングを遅らせるようにしてもよい。積分ゲイン切替部４２は、基準積分ゲインから補正積分ゲインに切り替える切替タイミングを液体材料の種類に応じて設定するように構成されたものであってもよい。例えば液体材料の比熱や粘性等の物性に応じて切替タイミングを設定してもよい。
第１実施形態の気化装置１００ではバルブ制御器４１はＰＩＤ制御によって制御バルブ２の制御を行っていたが、例えばＰＩ制御によって制御を行うものであってもよい。ＰＩ制御であったとしても、基準積分ゲインから補正積分ゲインへの切り替えを行うことにより、第１実施形態の気化装置１００と同様に制御特性を改善しながら制御の安定性を保つ事が可能となる。
また、第１実施形態では積分ゲインのみを切り替えるように構成されていたが、比例ゲインや微分ゲインも合わせて切り替えるようにしてもかまわない。すなわち、気化装置１００は少なくとも積分ゲイン切り替えるものであればよい。また、複数のゲインを切り替える場合には、各ゲインを同時に切り替えても良いし、各ゲインの切替タイミングをそれぞれずらしても構わない。加えて、積分ゲインの切替は不連続に行っても良いし、所定時間内に連続的に基準積分ゲインから補正積分ゲインへ変化するようにしてもよい。すなわち、「積分ゲインの切替」は不連続関数によって定義されるものに限られず、連続関数で定義されていてもよい。
第１実施形態では設定流量は初期値をゼロとするステップ関数であったが、本発明の適用と対象はこれに限られない。例えば初期値が小流量で維持されており、途中から大流量となるステップ関数が設定流量として入力される場合でも、気化量の大きな変化によって制御バルブ２の温度が大きく低下すると考えられる。このような制御バルブ２の温度低下に起因するオフセットや静定時間に関する問題は第１実施形態と同様の積分ゲインの切替で解決できると考えられる。また、設定流量として入力される関数はステップ関数に限られるものではなく、例えばランプ関数によって初期値と最終的な設定値が接続されるものであってもよい。また、初期値と最終的な設定値との間は例えばＳ字補間等の各種方法で接続されていてもよい。加えて、第１実施形態では基準積分ゲインから補正積分ゲインに切り替えるタイミングは、例えばステップ応答の静定時間が許容時間となるように定めていたが、これについても各種流量応答の静定時間に基づいて定められても良い。例えばランプ応答の静定時間が許容時間内となるように積分ゲインの切替タイミングを設定してもよいし、前述した初期値と最終的な設定値との間をＳ字補間した設定流量が入力されている場合の流量応答の静定時間に基づいて設定してもよい。また、これら以外の様々な手法や関数で初期値と最終的な目標値との間が補間された設定流量が入力された場合における流量応答の静定時間に基づいて積分ゲインの切替タイミングを定めてもよい。
気化部３に関しては液体材料を減圧のみで気化させるものであってもよいし、加熱だけで気化させるものであってもよい。
図９示すように気化器ＶＰについては、制御バルブ２と気化部３とが一体化されたものであってもよい。すなわち、制御バルブ２のボディ２１において弁座２３と液導出ポートＰ３とを接続する流路中に流路面積が小さくなるノズル３１を形成して気化部３を構成してもよい。このような場合には、ボディ２１において上流側となる液体導入ポートＰ１及び気体導入ポートＰ２から弁座２３に至るまでの流路を構成する部分と、ダイアフラム構造２２、ピエゾアクチュエータ２５等のアクチュエータが制御バルブ２を構成し、ボディ２１内において弁座２３よりも下流側に形成されたノズル３１が気化部を構成することになる。また、制御バルブ２における液体材料の制御点と、気化部３における気化点を一致させるようにしてもよい。すなわち、ノズル３１を設けずに、制御バルブ２の弁座２３と弁体２４との隙間自体を気化部３として利用することで流量制御と気化を１つの構成で同時に行うように構成してもよい。さらに言い換えると、制御バルブ２の弁座２３と弁体２４のそれら自体を気化部３として構成してもよい。制御バルブ２と気化部３との位置関係は流量上において同一点となる場合と、制御バルブ２よりも気化部３のほうが下流側に存在する場合とが有り得る。
第１実施形態の気化装置１００では、制御バルブ２において温度低下が生じ、開度増加が生じることによる流量制御上の問題を積分ゲインを過渡応答期間で切り替えることで解決していたが、この構成及び手法は制御バルブ２において温度上昇が生じ、開度減少が生じることによる流量制御上の問題も同様に解決できる。
制御機構４は、補正積分ゲインを変更する補正積分ゲイン変更部４４をさらに備えてもよい。ここで、補正積分ゲイン変更部４４は、補正積分ゲイン自体を変更するものであっても良いし、補正積分ゲインを構成する値を変更するものであっても良い。補正積分ゲインを構成する値を変更する態様としては、例えば、基準積分ゲインＫｉに補正係数αが乗じられた値α×Ｋｉである補正積分ゲインのうち、基準積分ゲインＫｉを変更すること、又は補正係数αを変更することの少なくとも一方を含む。本実施形態の補正積分ゲイン変更部４４は、補正係数αを変更するものであり、その変更後の補正係数αを制御パラメータ記憶部４３に出力する。
ここで、補正係数αは、制御バルブ２の温度低下に関係する温度関係パラメータを用いて変更される。温度関係パラメータとしては、液体材料の種類、液体材料の設定流量、液体材料の設定圧力、キャリアガスの設定流量、液体材料の測定流量、制御バルブ２の上流側の測定圧力、制御バルブ２の下流側の測定圧力、制御バルブ２の設定温度、気化部３の設定温度、又は、周囲温度等が挙げられる。
温度関係パラメータを説明すると、液体材料の種類とは、粘性又は比熱といった物性値、液体材料の濃度、液体材料の名称を示すデータである。液体材料の設定流量、液体材料の設定圧力、キャリアガスの設定流量、及び、制御バルブ２の設定温度は、バルブ制御器４１に入力される設定値であり、バルブ制御器４１の設定値の入力に伴う信号、又は、設定値を換算して算出した値であってもよい。液体材料の測定流量は、液体流量センサ１の測定値でも良いし、液体流量センサ１の測定値を示す信号、又は、測定値を換算して算出した値であってもよい。制御バルブ２の上流側の測定圧力、及び、制御バルブ２の下流側の測定圧力は、圧力センサ（不図示）の測定値でも良いし、圧力センサ（不図示）の測定値を示す信号、又は、測定値を換算して算出した値であってもよい。周囲温度とは、気化装置１００内の気化器ＶＰ又は液体流量センサ１の周辺の温度であり、周囲温度の測定値は、温度センサ（不図示）の測定値を示す信号、又は、測定値を換算して算出した値であってもよい。
補正積分ゲイン変更部４４は、上述した温度関係パラメータと補正係数αとの関係を示す関係データを用いて得られた補正係数αに変更する。関係データは、温度関係パラメータの少なくとも１つ（例えば液体材料の種類、設定温度、及び、設定流量）と補正係数αとの関係を式にした式形式であっても良いし、温度関係パラメータの少なくとも１つと補正係数αとの関係を表にした表形式ものであっても良いし、温度関係パラメータの少なくとも１つと補正係数αとの関係をグラフにしたグラフ形式のものであってもよい。
ここで、関係データに用いる温度関係パラメータが、液体材料の設定流量の変更に関わらず一定の設定値（例えば設定圧力、又は設定温度等）のみからなる場合には、液体材料の設定流量の変更の前後に関わらず、その設定値を入力することによって、関係データを用いて補正係数αを求めることができる。なお、関係データのパラメータとして、液体材料の設定流量の変更前後における差分を用いても良い。この場合、その差分毎に関係データを作成することが望ましい。
一方、関係データに用いる温度関係パラメータが、液体材料の設定流量の変更により変化する測定値（例えば測定流量、測定圧力、又は測定温度等、以下、関係データ作成用測定値）を含む場合には、その関係データ作成用測定値を測定したタイミング（例えば液体材料の設定流量の変更前、液体材料の変更後の過渡応答期間等）の測定値を入力することによって、関係データを用いて補正係数αを求めることができる。
そして、関係データは、制御機構４に設けられた関係データ格納部（不図示）に格納されていても良いし、気化装置１００とは別に設けられた演算装置に格納されていてもよい。
制御機構４の関係データ格納部に関係データが格納されている場合には、補正積分ゲイン変更部４４は、関係データを用いて補正係数αを求め、当該補正係数αを制御パラメータ記憶部４３に出力することにより、補正積分ゲインを変更する。なお、図１０では、液体材料の設定流量又は液体材料の設定圧力を用いて補正係数αを求める例を示している。
一方、気化装置１００とは別に設けられた演算装置に関係データが格納されている場合には、当該演算装置にパラメータを入力することによって、関係データを用いて補正係数αを求めることができる。この補正係数αを制御機構４に入力することによって、補正積分ゲイン変更部４４がその補正係数αを受け取り、制御パラメータ記憶部４３に出力して、補正積分ゲインを変更する。ここで、演算装置にパラメータを入力する態様としては、ユーザが温度関係パラメータを入力すること、制御機構４が温度関係パラメータを入力すること、又は、制御機構４の上位制御装置が温度関係パラメータを入力すること等が挙げられる。また、演算装置により得られた補正係数αを制御機構４に入力する態様としては、ユーザが制御機構４に入力すること、演算装置が制御機構４に入力すること、又は、演算装置が前記上位制御装置に送信し、前記上位制御装置が制御機構４に入力すること等が挙げられる。
次に本発明の第２実施形態における流体制御装置１０１について図１１及び図１２を参照しながら説明する。
第２実施形態の流体制御装置１０１は、制御バルブ２が、バルブ制御器４１による制御中において流体センサで測定される流量又は圧力の測定値の立ち上がり以降に所定値以上の温度低下が生じる使用環境に設けられているものである。すなわち、流体制御装置１０１は気化装置１００ではないが、第１実施形態と同様に流体の流入の開始にともなって制御バルブ２の温度が低下し、同様に固定された積分ゲインを使用したＰＩＤ制御ではオフセットが解消されなかったり、所望の静定時間が得られなかったりするものである。
具体的には第２実施形態の流体制御装置１０１はマスフローコントローラであって、図９に示すように他の複数のマスフローコントローラとともにガスボックス内に密集させて設けられたものである。各マスフローコントローラはそれぞれ個別に異なる流体の流量を制御している。このようなガスボックス内はマスフローコントローラ自体の発熱等によって室温等の環境温度よりも高温となっており、流入する流体の温度がマスフローコントローラよりも低い場合には、第１実施形態と同様に温度低下に伴う制御上の問題が生じ得る。
このような第２実施形態の流体制御装置１０１は、図１１に示すように制御バルブ２、圧力又は流量を粗測定する流体センサ１１、流体センサ１１の測定値と設定値との偏差に基づいて制御バルブ２の開度を制御する制御機構４とを備えている。なお、制御機構４の構成は第１実施形態とほぼ同様であり、制御入力と制御対象が異なっているだけである。すなわち、ガスボックス内に設けられている第２実施形態のマスフローコントローラＭＦＣに対してステップ上の目標指令が入力される場合には、流体センサの測定値の過渡応答期間において積分ゲイン切替部４２がバルブ制御器４１に設定されている積分ゲインを基準積分ゲインから補正積分ゲインへ切り替えるように構成されている。
このような第２実施形態の流体制御装置１０１であれば、第１実施形態の気化器ＶＰと同様に制御バルブ２の温度低下が生じ得るような用途においてオフセットが解消されない、あるいは、静定時間を短縮できないといった問題を解決しつつ、制御上の安定性も両立させることができる。
次に第２実施形態の変形例について説明する。
第２実施形態の流体制御装置１０１は流量を制御するものに限られず、圧力を制御するものであってもよい。また、流体についても液体、気体、気液混合体いずれであってもよい。また、制御バルブ２が高温となっており、流体の流入によって温度が低下するものであれば第２実施形態の流体制御装置１０１における制御方式を適用可能である。すなわち、前述したようなガスボックス内に収容されているものに限られず、様々な流体制御装置に適用可能である。また、制御バルブ２が流体の流入によって温度上昇する場合にも、例えば設定値に対して流量が小さくなるオフセットを解消し、静定時間を短くするといったことが可能となる。つまり、制御バルブが、バルブ制御器による制御中において流体センサで測定される測定値の立ち上がり以降に所定値以上の温度変化が生じる使用環境に設けられているものであれば、本発明は適用可能である。
第１実施形態と同様に、第２実施形態において、制御機構４は、補正積分ゲインを変更する補正積分ゲイン変更部４４をさらに備えるものであってもよい。
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組み合わせや変形を行っても構わない。
１００・・・気化装置
１ ・・・液体流量センサ
２ ・・・制御バルブ
３ ・・・気化部
４ ・・・制御機構
４１ ・・・バルブ制御器
４２ ・・・積分ゲイン切替部
１０１・・・流体制御装置
１１ ・・・流体センサ
ＧＢ ・・・ガスボックス
本発明は、液体材料の流量がＰＩ制御又はＰＩＤ制御によって制御される気化装置に関するものである。
例えば半導体製造プロセスでは、液体材料を気化させて真空チャンバ内に導入される材料ガスを得るために気化装置が用いられている。この気化装置は、特許文献１に示されるように液体材料とキャリアガスが内部で混合される制御バルブと、制御バルブの下流側に設けられて、加熱又は減圧によって液体材料を気化させる気化部と、制御バルブの上流側において液体材料の流量を測定する液体流量センサと、ユーザにより設定される設定流量の示す設定値と液体流量センサが測定する測定値とに基づくＰＩＤ制御により制御バルブの開度を制御するバルブ制御器とを備えている。
ところで、このような気化装置において制御バルブが例えば全閉の状態から液体材料が目標となる一定流量値で維持されるようにステップ状の設定流量が設定されると、液体流量センサで測定される流量の測定値が設定流量の最終的な設定値に一致するのに時間がかかる場合がある。言い換えるとオフセットが短時間では解消されず、整定時間が例えば半導体製造プロセスにおける要求から定められる許容時間内に収められないことがある。また、このような問題は所定の流量が維持されている状態からより大きい設定流量に変更された場合でも生じることがある。
本願発明者らはこのような現象がなぜ生じるのかについて鋭意検討を行ったところ、液体材料の流量が立ち上がった時点以降において制御バルブの温度が低下し、弁体や弁座等を構成する金属における熱収縮によって必要とされる開度が実現されていないことに原因があることを初めて見出した。すなわち、制御バルブに隣接する気化部において液体材料が気化するとその気化熱により制御バルブが冷却されてしまう。そして、制御バルブの構成部品に熱収縮が生じるため、ＰＩＤ制御により本来実現されるべき開度よりも大きい開度で維持されてしまう。この結果、オフセットが残り続けるという現象が発生している。
加えて、制御バルブの材質や各種ヒータの設定等によっては、制御バルブの温度が上昇し、弁体や弁座等を構成する金属において熱膨張が発生し、必要とされる開度よりも小さくなってしまい、オーバーシュートが発生した後にアンダーシュートが発生して実際の流量が設定値よりも小さい状態で保たれて、オフセットが残り続けることも生じ得る。
このようなオフセットを解消するには、積分ゲインを現状よりも大きな値に設定することは考えられるものの、この種の気化装置において単純に積分ゲインの値を高くすることは難しい。すなわち、気化装置には整定時間だけでなく、立ち上がり時間やオーバーシュート量にも厳しい制約があるため、既に限界に近いハイゲインが設定される。このようなチューニングがすでに施されている気化装置のバルブ制御器に対して、積分ゲインとしてさらに高い値が常時設定されている状態にすると、流量が立ち上がる過渡応答期間におけるオーバーシュートや予期せぬ外乱によって液体材料の流量にハンチングが生じ、そもそも液体材料の流量制御自体が不安定となってしまう可能性がある。
特開２００１－１５６０５５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、特に整定時間を従来よりも短縮することが可能としつつ、制御の安定性も維持することができる気化装置を提供することを目的とする。また、同様に制御時に制御バルブにおいて温度低下が生じ、前述したような制御上の問題が生じている流体制御装置についても、整定時間を短縮できるとともに制御的な安定性を両立させることができる流体制御を提供すること目的とする。
すなわち、本発明に係る気化装置は、液体材料の流れる流路に設けられた制御バルブと、前記液体材料が減圧又は加熱によって気化される気化部と、流路を流れる液体材料の流量を測定する液体流量センサと、設定流量の示す設定値と前記液体流量センサで測定される流量の測定値に基づいたＰＩ制御又はＰＩＤ制御によって前記制御バルブを制御するバルブ制御器と、を備えた気化装置であって、前記液体流量センサで測定される流量の過渡応答期間に、前記バルブ制御器に設定されている積分ゲインを基準積分ゲインから前記基準積分ゲインとは異なる補正積分ゲインに切り替える積分ゲイン切替部をさらに備えたことを特徴とする。
また、本発明に係る気化装置の制御方法は、液体材料の流れる流路に設けられた制御バルブと、前記液体材料が減圧又は加熱によって気化される気化部と、流路を流れる液体材料の流量を測定する液体流量センサと、を備えた気化装置の制御方法であって、設定流量の示す設定値と前記液体流量センサで測定される流量の測定値に基づいたＰＩ制御又はＰＩＤ制御によって前記制御バルブを制御することと、前記液体流量センサで測定される流量の過渡応答期間に、前記バルブ制御器に設定されている積分ゲインを基準積分ゲインから前記基準積分ゲインとは異なる補正積分ゲインに切り替えることを含むことを特徴とする。
このようなものであれば、前記液体流量センサ測定される流量の過渡応答期間に前記バルブ制御器に設定されている積分ゲインを前記基準積分ゲインから前記補正積分ゲインに切り替えているので、前記気化部において前記液体材料の気化量が増加し、それに伴って前記制御バルブの温度が低下し、熱収縮による開度増加が発生して、オフセットが解消されにくい状態となったとしてもその影響を打ち消すことが可能となる。また、同様に前記制御バルブの材質の特性や前記気化部での加熱量等の組み合わせによっては、前記制御バルブの温度が上昇し、熱膨張による開度減少が発生してオフセットが解消されにくい状態となることがあるが、本願発明であればこのような影響を打ち消すことも可能となる。したがって、設定値と測定値がほぼ一致するまでに必要となる整定時間を短縮することができ、許容時間内に収める事ができるようになる。また、温度低下の生じていない流量の過渡応答期間の初期には、前記基準積分ゲインが設定され、温度低下が生じている状態でのみ前記補正積分ゲインを設定することが可能となるので、オーバーシュート量を小さくしたり、オフセットの解消されるまでにかかる時間を短縮したりでき、さらには制御の安定性も両立させることが可能となる。
前記制御バルブにおいて温度低下によって開度が大きくなってしまうことにより発生するオフセットを低減できるようにするには、前記補正積分ゲインが前記基準積分ゲインよりも高い値に設定されていればよい。
前記制御バルブが例えば通常の使用状態における温度で動作している場合に適した積分ゲインを使用できるようにして、制御の安定性を高められるようにするには、前記基準積分ゲインが、前記気化部が存在しない場合における流量応答の整定時間が予め定められた許容時間内となるように設定された値であればよい。
前記基準積分ゲインに基づいて、前記制御バルブにおいて温度低下が生じている場合に適した前記補正積分ゲインを設定できるようにするには、前記補正積分ゲインが、前記気化部が存在し、前記過渡応答期間に前記基準積分ゲインから前記補正積分ゲインへ切り替える場合における流量応答の整定時間が前記許容時間内となるように定められた値であればよい。
オフセットが解消された後において、外乱に対する耐性を高めて設定値から測定値がずれにくくし、制御の安定性をさらに高められるようにするには、積分ゲイン切替部が、前記測定値が前記設定値で収束した後に前記バルブ制御器に設定されている積分ゲインを前記補正積分ゲインから前記基準積分ゲインへ戻せばよい。
簡単なアルゴリズムによってオフセットを短時間で解消できる適切なタイミングで前記基準積分ゲインから前記補正積分ゲインへと切り替えられるようにするには、前記積分ゲイン切替部が、前記設定流量の立ち上がり開始時点を基準として所定時間経過後に前記バルブ制御器に設定されている積分ゲインを前記基準積分ゲインから前記補正積分ゲインに切り替えるものであればよい。
例えば流量応答において立ち上がり時間や整定時間は短縮でき、オーバーシュート量も低減もしつつ、流量においてハンチング等は発生させないようにするには、前記基準積分ゲインから前記補正積分ゲインに切り替える切替タイミングが、前記基準積分ゲインに固定して前記制御バルブを制御し続けた場合における流量応答の立ち上がり開始時点からピーク時点までの期間の間に設定されていればよい。ここで、ピーク時点とは流量値が最も大きくなる時点そのものだけでなく、流量値が最も大きくなる時点を基準とした近傍区間を含み得る。例えば近傍区間は流量値が最も大きくなった時点から所定の微小時間だけずれたとしても、オーバーシュート量を十分に低減しつつハンチング等が発生しない区間に相当する。
前記制御バルブでの温度低下量や温度低下速度等の影響を加味して、前記基準積分ゲインからより適切な値の前記補正積分ゲインへ切り替えられるようにするには、前記積分ゲイン切替部が、前記基準積分ゲインから前記補正積分ゲインに切り替える切替タイミングを、前記設定流量の示す設定値の大きさ又は前記液体材料の種類に応じて設定するように構成されたものであればよい。
前記気化装置は、前記補正積分ゲインを変更する補正積分ゲイン変更部をさらに備えるものが望ましい。
このようなものであれば、補正積分ゲイン変更部が補正積分ゲインを変更するので、積分ゲイン切替部は、制御バルブの温度低下を考慮した補正積分ゲインに切り替えることができ、オフセットの解消までにかかる時間を短縮することができる。
前記補正積分ゲイン変更部は、前記液体材料の種類、前記液体材料の設定流量、前記液体材料の設定圧力、キャリアガスの設定流量、前記制御バルブの上流側の圧力、前記制御バルブの下流側の圧力、前記制御バルブの設定温度、前記気化部の設定温度、又は、周囲温度のうちの少なくとも何れかに基づいて、前記補正積分ゲインを変更することが挙げられる。
このようなものであれば、補正積分ゲイン変更部が、液体材料の種類、液体材料の設定流量、液体材料の設定圧力、キャリアガスの設定流量、制御バルブの上流側の圧力、制御バルブの下流側の圧力、制御バルブの設定温度、気化部の設定温度、又は、周囲温度、制御バルブの温度低下に関係するパラメータに基づいて補正積分ゲインを変更するので、制御バルブの温度低下の影響を加味した補正積分ゲインに変更することができる。
前記気化部における前記液体材料の気化効率を高められるようにするには、前記制御バルブが、前記液体材料が内部に導入される液体導入ポートと、前記キャリアガスが内部に導入される気体導入ポートと、前記液体材料及び前記キャリアガスが混合された気液混合体が外部に導出される導出ポートと、備えたものであればよい。このような態様であれば前記制御バルブでの温度低下量やその温度低下速度がより大きくなるので、本発明の積分ゲインの切り替えによる制御特性の改善効果がより顕著に発揮される。
制御中において前記制御バルブに温度低下が大きく発生しやすく、積分ゲインの切替により従来と比較して大幅な制御特性の改善効果が見込める具体的な態様としては、前記制御バルブと前記気化部が隣接して設けられたものが挙げられる。
既存の気化装置において例えばプログラムを更新することによって本発明に係る気化装置とほぼ同等の効果を享受できるようにするには、液体材料の流れる流路に設けられた制御バルブと、前記液体材料が減圧又は加熱によって気化される気化部と、流路を流れる液体材料の流量を測定する液体流量センサと、を備えた気化装置に用いられる制御用プログラムであって、設定流量の示す設定値と前記液体流量センサで測定される流量の測定値に基づいたＰＩ制御又はＰＩＤ制御によって前記制御バルブを制御するバルブ制御器と、前記液体流量センサで測定される流量の過渡応答期間に、前記バルブ制御器に設定されている積分ゲインを基準積分ゲインから前記基準積分ゲインとは異なる補正積分ゲインに切り替える積分ゲイン切替部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気化装置用プログラムを用いればよい。なお、気化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。
流体の流れる流路に設けられた制御バルブと、目標指令の示す流量又は圧力の設定値と前記流体センサで測定される測定値を用いたＰＩ制御又はＰＩＤ制御によって前記制御バルブを制御するバルブ制御器と、を備えた流体制御装置であって、前記制御バルブが、前記バルブ制御器による制御中において前記流体センサで測定される測定値の立ち上がり以降に所定値以上の温度変化が生じる使用環境に設けられており、前記流体センサで測定される測定値の過渡応答期間に、前記バルブ制御器に設定されている積分ゲインを基準積分ゲインから前記基準積分ゲインとは異なる補正積分ゲインに切り替える積分ゲイン切替部をさらに備えたことを特徴とする流体制御装置であれば、例えば高温に保たられている前記制御バルブに低温の流体が流入し、前記制御バルブの温度が大きく低下するような場合でも、整定時間を短縮しつつ、制御の安定性も両立させることができる。逆に前記制御バルブに高温の流体が流入し、前記制御バルブの温度が大きく上昇する場合でも、同様に整定時間を短縮しつつ、制御の安定性も両立させることができる。
このように本発明に係る気化装置によれば、流量の過渡応答期間において前記基準積分ゲインから前記補正積分ゲインへと切り替えるように構成されているので、例えば前記基準積分ゲインに固定して前記制御バルブについてＰＩＤ制御を行うと前記制御バルブ自体の温度低下に起因してオフセットが解消されず、整定時間が長くなってしまうという問題を解決することができる。また、前記制御バルブにおいて温度低下が生じ、開度が大きくなりやすい状態で前記補正積分ゲインを適用できるので、ハイゲインに設定することによりハンチングが発生しやすくなるのも防ぎ、制御の安定性も両立させることができる。また、同様に制御バルブ自体の温度上昇に起因して設定値よりも流量が小さい値で維持されてしまうような場合でも同様にオフセットを解消し、整定時間を短くすることが可能となる。
本発明の第１実施形態における気化装置の構成を示す模式図。 第１実施形態における気化器の詳細について示す模式図。 第１実施形態における制御機構の構成を示す機能ブロック図。 第１実施形態における積分ゲインの切替タイミングを示すイメージ図。 液体材料の流量の立ち上がり時におけるバルブ温度の変化と、第１実施形態の気化装置に第１設定でのステップ応答と従来の気化装置のステップ応答を示すグラフ。 積分ゲインの切替タイミングと流量の収束状態を示す図５におけるピーク部分の拡大図。 液体材料の流量の立ち上がり時におけるバルブ温度の変化と、第１実施形態の気化装置に第２設定でのステップ応答と従来の気化装置のステップ応答を示すグラフ。 積分ゲインの切替タイミングと流量の収束状態を示す図７におけるピーク部分の拡大図。 本発明の第１実施形態における気化装置の変形例について示す模式図。 本発明の第１実施形態における制御機構の変形例について示す模式図。 本発明の第２実施形態における流体制御装置の構成を示す模式図。 第２実施形態における制御機構の構成を示す機能ブロック図。
本発明の第１実施形態における気化装置１００について図１乃至図８を参照しながら説明する。
第１実施形態の気化装置１００は、例えば半導体製造プロセスにおいて使用されるものであって、液体材料（原料液）を気化させてチャンバ内に供給される材料ガス（原料ガス）を生成するものである。
この気化装置１００は、図１に示すように液体材料の流れる液体材料ラインＬ１、キャリアガスの流れるキャリアガスラインＬ２、キャリアガス及び液体材料が気化した材料ガスの混合ガスが導出される導出ラインＬ３と、各ラインに設けられている機器の制御を司る制御機構４と、を備えている。ここで、液体材料ラインＬ１とキャリアガスラインＬ２の終端部はそれぞれ液体材料が気化される気化器ＶＰの導入側に接続されており、導出ラインＬ３の先端部は気化器ＶＰの導出側に接続されている。
液体材料ラインＬ１は、液体材料が内部に貯留されているタンクＴＮと、タンクＴＮと気化器ＶＰとの間を接続する流路上に設けられて、液体材料の流量を測定する液体流量センサ１と、を備えている。
タンクＴＮには、液体材料を圧送するための圧送ガスをタンクＴＮ内の気相へ導入する圧送ガス導入管と、タンクＴＮ内の液体材料内に先端が浸漬され、液体材料ラインＬ１を構成する液導出管とが挿入されている。
液体流量センサ１は、例えば圧力式の流量センサであり、それぞれ図示しない層流素子と、層流素子の上流側に設けられる上流側圧力センサ、層流素子の下流側に設けられる下流側圧力センサと、各圧力センサの出力に基づいて液体の流量を算出する流量算出ボード等を備えたものである。例えば液体流量センサ１は、層流素子の差圧や、各圧力の二乗の差等に基づいて液体材料ラインＬ１を流れている液体材料の流量が算出されて、制御機構４へと出力される。
キャリアガスラインＬ２は、気化器ＶＰに流入する窒素等のキャリアガスの流量を制御するマスフローコントローラＭＦＣが設けられている。マスフローコントローラＭＦＣは、図示しないバルブ、流量センサ、制御ボードが１つのユニットとしてパッケージ化されたものであり、設定されている設定流量と流量センサで測定されている流量の偏差に基づくフィードバック制御でバルブの開度が制御される。
気化器ＶＰは図２の模式図に示すように制御バルブ２と、制御バルブ２の下流側に隣接させて設けられた気化部３とを備えている。
制御バルブ２は、内部に流路が形成されているとともに、その上面に弁座２３が形成された金属製のボディ２１と、ボディ２１の上面に設けられて、弁座２３に対して離接する弁体２４としての機能するダイアフラム２２１を具備する金属製のダイアフラム構造２２と、ダイアフラム２２１を駆動するアクチュエータであるピエゾアクチュエータ２５と、を備えている。ピエゾアクチュエータ２５によって弁座２３と弁体２４との間の開度が調節されて、第１実施形態では液体材料の流量が制御される。また、ボディ２１及びダイアフラム構造２２は金属で形成されているため、温度が低下すると熱収縮によって弁座２３と弁体２４との間の距離が大きくなる。逆に温度が上昇すると熱膨張によって弁座２３と弁体２４との間の距離が小さくなる。したがって、ピエゾアクチュエータ２５に同じ電圧が印加されていたとしても温度が異なると開度は異なる可能性がある。
制御バルブ２のボディ２１の側面には液体材料ラインＬ１から液体材料がボディ２１内に導入される液体導入ポートＰ１と、キャリアガスラインＬ２からキャリアガスが内部に導入される気体導入ポートＰ２とが形成されている。また、ボディ２１内に導入された液体材料とキャリアガスは内部流路を通って、ボディ２１の上面とダイアフラム構造２２との間に形成されている空間である気液混合部に流入して混合される。液体材料とキャリアガスが混合された気液混合体は内部流路を通ってボディ２１の側面に開口する液導出ポートＰ３から外部へ導出される。第１実施形態では制御バルブ２の導出ポートは後段に隣接する気化部３の流入口に接続されている。
さらにボディ２１内にはバルブ用ヒータ２６が内蔵されており、制御バルブ２内が所定温度で維持されるように温調されている。例えば制御バルブ２の温度はタンクＴＮ内の液体材料よりも高い温度であって、液体材料が気化される気化部３の温度よりも低い温度に設定される。すなわち、気化部３に対して流入する液体材料が気化しやすいように制御バルブ２で予熱されるとともに、制御バルブ２内では液体材料の気化が生じないようにバルブ用ヒータ２６で温調される温度は設定されている。
気化部３は、気液混合体を加熱及び減圧して気化させて材料ガスを発生させるように構成されている。具体的には気化部３は、流路経が下流側で拡大するノズル３１と、ノズル３１内を流れる気液混合体を加熱する気化ヒータ３２と、を備えている。
ここで、特に制御バルブ２が全閉状態から開放されて液体材料が気化器ＶＰに急激に流入する場合、液体材料自体による吸熱、又は、気化部３において液体材料が気化することにより制御バルブ２の温度はバルブ用ヒータ２６で加熱されていたとしても一時的に低下することになる。より具体的には、液体材料の流量をゼロの状態からステップ状に変化させると、制御バルブ２は全閉状態での初期温度から徐々に低下し、液体材料の気化等による吸熱とバルブ用ヒータ２６の加熱が釣り合う平衡温度に保たれることになる。
制御機構４は、ＣＰＵ、メモリ、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータ、各種入出力機器等を備えたコンピュータと各機器が協業してその機能が実現されるものである。第１実施形態ではユーザからの設定に基づいてマスフローコントローラＭＦＣや気化器ＶＰの動作を制御する。制御機構４は、マスフローコントローラＭＦＣに対しては例えば固定された流量でキャリアガスが供給され続けるようにある設定値で固定された目標指令をキャリアガスの設定流量として入力する。また、制御機構４は気化器ＶＰの制御バルブ２についてユーザによって設定されている液体材料の設定流量の示す設定値と液体流量センサ１の測定する測定値に基づいて、ＰＩＤ制御によって制御バルブ２の開度を制御する。また、この制御機構４は、制御バルブ２の制御中、特にステップ指令に対する制御途中に積分ゲインを切り替えられることを特徴としている。より具体的にはメモリに格納されている気化装置１００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、少なくとも図３に示すバルブ制御器４１、積分ゲイン切替部４２、制御パラメータ記憶部４３としての機能を発揮する。以下に各部について詳述する。
バルブ制御器４１は、ユーザによって設定される液体材料の設定流量の示す設定値と液体流量センサ１で測定される流量の測定値に基づいたＰＩＤ制御によって前記制御バルブ２の開度を制御する。このバルブ制御器４１は、液体材料の流量の設定値と測定値の偏差と設定されているＰＩＤゲインに基づいてＰＩＤ演算を行い、操作量である印加電圧の目標値を算出するＰＩＤ制御部４１１と、ＰＩＤ制御部４１１から出力される印加電圧の目標値となるように制御バルブ２に電圧を出力する電圧印加部４１２と、を備えている。ここで、ＰＩＤ制御部４１１に設定されるＰＩＤゲインは比例ゲイン、積分ゲイン、微分ゲインを含み、第１実施形態では積分ゲインは制御中にある値から別の値に切り替えられる。一方、比例ゲインと微分ゲインについては常に固定されている。
積分ゲイン切替部４２は、液体流量センサ１で測定される流量の過渡応答期間に、バルブ制御器４１に設定されている積分ゲインを基準積分ゲインから補正積分ゲインに切り替える。例えば積分ゲイン切替部４２は、図４のイメージ図に示すように設定流量としてステップ関数が入力されている場合には、液体流量センサ１で測定される流量がピーク値となる前までは基準積分ゲインを設定し、それ以降は補正積分ゲインを設定する。ここで、「流量の過渡応答期間」とは、例えば設定流量として初期値がゼロのステップ関数が入力されている場合を例にすると、測定される流量が初期値であるゼロ以外の値になった立ち上がり開始時を開始点とし、測定される流量がピーク値となるピーク時点から所定時間経過後を終了点とする期間を言う。なお、制御バルブ２の弁座２３又は弁体２４で温度上昇が生じ、開度増加が生じている流量の測定値が設定値よりも大きい状態で維持される場合には、ピーク時点から所定時間経過後において測定される流量の測定値は例えば設定値よりも大きくてもよい。また、制御バルブ２の材質の特性や液体材料の特性、加熱量等の組み合わせによって弁座２３又は弁体２４で温度低下が生じ、開度減少が生じることによりオーバーシュート発生後にアンダーシュートが発生し、流量の測定値が設定値よりも小さい状態デイジされる場合には、ピーク時点から所定時間経過後において測定される流量の測定値は例えば設定値よりも小さくてもよい。別の表現をすると、過渡応答期間は、流量が初期値で維持されている状態から流量が立ち上がって、ピーク値となってから設定流量の示す設定値に収束するまでの期間としても定義できる。加えて、終了点をピーク時点として過渡応答期間を立ち上がり開始点からピーク時点までの期間である立ち上がり期間としてより厳密に定義しても構わない。
基準積分ゲイン及び補正積分ゲインの値、及び、これらの積分ゲインを使用する判定条件については制御パラメータ記憶部４３にそれぞれ関連付けて記憶されている。
基準積分ゲインは例えばバルブ用ヒータ２６により通常動作温度に保たれている制御バルブ２の特性に合わせて設定された積分ゲインである。より具体的には基準積分ゲインは、気化部３が存在せず、制御バルブ２と液体流量センサ１のみで構成された流量制御系において、ステップ応答の整定時間が予め定められた許容時間内となるように設定された値である。ここで許容時間とは例えばチャンバに導入される材料ガスの流量に求められる制約条件等から決まる値である。また、基準積分ゲインはコンピュータシミュレーションによって定められた値であってもよいし、実験的に定められた値であってもよい。
一方、補正積分ゲインは、制御バルブ２と液体流量センサ１だけでなく、気化部３も存在する流量制御系の動特性に合わせて設定される。具体的には流量の過渡応答期間に基準積分ゲインから補正積分ゲインへ切り替える場合のステップ応答の整定時間が前述した許容時間内となるように補正積分ゲインは設定される。例えば前述した手法で定められた基準積分ゲインを前提として、コンピュータシミュレーションや実験により、過渡応答期間中に基準積分ゲインからこれとは別の積分ゲインに変更した場合に整定時間が前述した許容時間内となる値が探索される。探索の結果、条件を満たした積分ゲインが補正積分ゲインとして使用される。第１実施形態では基準積分ゲインよりも補正積分ゲインは大きい値が設定されており、例えば基準積分ゲインＫｉに１よりも大きい補正係数αが乗じられた値α×Ｋｉが補正積分ゲインとなる。
また、第１実施形態において積分ゲイン切替部４２が、基準積分ゲインから補正積分ゲインに切り替えられるタイミングは、設定流量の立ち上がり開始時点をトリガーとしている。具値的には、積分ゲイン切替部４２は、設定流量において設定値がゼロから所定流量値へと変化する立ち上がり開始時点を基準として所定時間経過後にバルブ制御器４１に設定されている積分ゲインを基準積分ゲインから補正積分ゲインへと切り替える。第１実施形態では積分ゲイン切替部４２は液体流量センサ１で測定される液体材料の流量における過渡応答期間中に基準積分ゲインから補正積分ゲインへと切り替えている。一例としては液体材料の流量の立ち上がり開始時点以降であって、積分ゲインを基準積分ゲインに固定して制御した場合における基準ピーク時点よりも前に基準積分ゲインから補正積分ゲインへ切り替えられる。すなわち、測定される液体材料の流量の立ち上がり期間内において積分ゲインが切り替えられる。なお、後述するようにオフセットを解消できるだけでなく、オーバーシュート量を低減し、整定時間をさらに短縮するためには、液体材料の流量が立ち上がり開始時点以降であって設定流量におけるステップ値に到達するよりも前に基準積分ゲインから補正積分ゲインへの切替を行うのが好ましい。
このように構成された第１実施形態の気化装置１００における液体材料の流量制御に関するステップ応答について、基準積分ゲインが固定されている従来例のステップ応答と比較しながら説明する。
図５に示すように設定流量としてゼロを初期値とするステップ関数が入力されると、設定流量の立ち上がり開始時点近傍からバルブ温度が初期温度から終端温度へと一次遅れで低下していく。このような温度低下によって従来のように基準積分ゲインで固定されたＰＩＤ制御を行っていると、オーバーシュートが発生した後に流量の設定値と測定値との間のオフセット（定常偏差）が維持される時間が長くなる。すなわち、温度低下に起因して従来例では整定時間が許容時間内に収めることができない。
これに対して第１実施形態の気化装置１００において図６に示すように従来例において測定される流量がピークとなる基準ピーク時点で基準積分ゲインから補正積分ゲインへの切替を行うとオーバーシュート量はほぼ同じであるが、補正積分ゲインが切り替えられてからは速やかにオフセットが解消されることがわかる。また、補正積分ゲインに切り替えられた後においては特にハンチング等は生じてない。
次に第１実施形態の気化装置１００において積分ゲインの切替タイミングをさらに早くした場合について図７及び図８を参照しながら説明する。具体的には図８に示すように前述した基準ピーク時点よりも早いタイミングであって、液体材料の流量の測定値が設定値よりも小さい時点で基準積分ゲインから補正積分ゲインへ切り替えている。
このようなタイミングで積分ゲインの切り替えを行うと図７及び図８に示すように従来例と比較して第１実施形態の気化装置１００であれば、オーバーシュート量を低減できるとともに、整定時間もさらに短縮できることが分かる。また、このようなタイミングで補正積分ゲインが切り替えられたとしても、特にハンチング等は生じてない。
このように第１実施形態の気化装置１００であれば、積分ゲイン切替部４２が液体材料の流量の過渡応答期間において基準積分ゲインからそれよりも大きい補正積分ゲインへと切り替えを行うことができる。この結果、液体材料の気化し始めることにより制御バルブ２の温度が大きく低下し、制御バルブ２を構成する金属等に熱収縮が生じていたとしても、オフセットを解消するのに必要となる開度を実現できる。また、オフセットが解消されることから、整定時間も許容時間内までに短縮できる。
さらに、液体材料の立ち上がり開始時点から所定時間は基準積分ゲインで制御されているので過渡応答期間内において過剰な操作量が制御バルブ２に対して入力されることはなく、大きなオーバーシュートやハンチングが生じることもない。言い換えると、基準積分ゲインよりも高い補正積分ゲインで常に制御を行うと、流量制御が不安定になる恐れがあるが、第１実施形態の気化装置１００では最初は低い基準積分ゲインでＰＩＤ制御を行っているので、そのような問題が生じにくい。したがって、気化装置１００としての応答性を改善しながら、制御の安定性も両立させることができる。
次に第１実施形態の気化装置１００の変形例について説明する。
積分ゲイン切替部４２は、基準積分ゲインから補正積分ゲインへの切替を行った後において液体材料の流量の測定値が設定値で維持されて所定時間経過後に再び基準積分ゲインへ戻すように構成されていてもよい。このようなものであれば、流量の維持中に外乱が入力されたとしてもその影響を受けにくくしてロバスト性を高めることができる。
積分ゲイン切替部４２が、基準積分ゲインから補正積分ゲインへの切替を行うタイミングについては第１実施形態において説明したように過渡応答期間中の立ち上がり期間に限られるものではない。すなわち、過渡応答期間中に立ち上がり期間以外で積分ゲインが切り替えられてもよい。第１実施形態では立ち上がり期間中に積分ゲインの切替を行っていたが、例えばピーク時点を過ぎて液体材料の流量が減少し設定流量の設定値となるまでに間に積分ゲインの切替を行ってもよい。また、立ち上がり期間中であって設定流量のステップ値となった時点以降からピーク時点までの間において積分ゲインの切替が行われるようにしてもよい。
また、積分ゲイン切替部４２は、基準積分ゲインから補正積分ゲインに切り替える切替タイミングを、設定流量の示す設定値の大きさに応じて設定するものであってもよい。例えば設定流量の示す設定値と初期値との差が大きくなるほど、液体材料の流量の立ち上がり開始点を基準とした切替タイミングを遅らせるようにしてもよい。積分ゲイン切替部４２は、基準積分ゲインから補正積分ゲインに切り替える切替タイミングを液体材料の種類に応じて設定するように構成されたものであってもよい。例えば液体材料の比熱や粘性等の物性に応じて切替タイミングを設定してもよい。
第１実施形態の気化装置１００ではバルブ制御器４１はＰＩＤ制御によって制御バルブ２の制御を行っていたが、例えばＰＩ制御によって制御を行うものであってもよい。ＰＩ制御であったとしても、基準積分ゲインから補正積分ゲインへの切り替えを行うことにより、第１実施形態の気化装置１００と同様に制御特性を改善しながら制御の安定性を保つ事が可能となる。
また、第１実施形態では積分ゲインのみを切り替えるように構成されていたが、比例ゲインや微分ゲインも合わせて切り替えるようにしてもかまわない。すなわち、気化装置１００は少なくとも積分ゲイン切り替えるものであればよい。また、複数のゲインを切り替える場合には、各ゲインを同時に切り替えても良いし、各ゲインの切替タイミングをそれぞれずらしても構わない。加えて、積分ゲインの切替は不連続に行っても良いし、所定時間内に連続的に基準積分ゲインから補正積分ゲインへ変化するようにしてもよい。すなわち、「積分ゲインの切替」は不連続関数によって定義されるものに限られず、連続関数で定義されていてもよい。
第１実施形態では設定流量は初期値をゼロとするステップ関数であったが、本発明の適用と対象はこれに限られない。例えば初期値が小流量で維持されており、途中から大流量となるステップ関数が設定流量として入力される場合でも、気化量の大きな変化によって制御バルブ２の温度が大きく低下すると考えられる。このような制御バルブ２の温度低下に起因するオフセットや整定時間に関する問題は第１実施形態と同様の積分ゲインの切替で解決できると考えられる。また、設定流量として入力される関数はステップ関数に限られるものではなく、例えばランプ関数によって初期値と最終的な設定値が接続されるものであってもよい。また、初期値と最終的な設定値との間は例えばＳ字補間等の各種方法で接続されていてもよい。加えて、第１実施形態では基準積分ゲインから補正積分ゲインに切り替えるタイミングは、例えばステップ応答の整定時間が許容時間となるように定めていたが、これについても各種流量応答の整定時間に基づいて定められても良い。例えばランプ応答の整定時間が許容時間内となるように積分ゲインの切替タイミングを設定してもよいし、前述した初期値と最終的な設定値との間をＳ字補間した設定流量が入力されている場合の流量応答の整定時間に基づいて設定してもよい。また、これら以外の様々な手法や関数で初期値と最終的な目標値との間が補間された設定流量が入力された場合における流量応答の整定時間に基づいて積分ゲインの切替タイミングを定めてもよい。
気化部３に関しては液体材料を減圧のみで気化させるものであってもよいし、加熱だけで気化させるものであってもよい。
図９示すように気化器ＶＰについては、制御バルブ２と気化部３とが一体化されたものであってもよい。すなわち、制御バルブ２のボディ２１において弁座２３と液導出ポートＰ３とを接続する流路中に流路面積が小さくなるノズル３１を形成して気化部３を構成してもよい。このような場合には、ボディ２１において上流側となる液体導入ポートＰ１及び気体導入ポートＰ２から弁座２３に至るまでの流路を構成する部分と、ダイアフラム構造２２、ピエゾアクチュエータ２５等のアクチュエータが制御バルブ２を構成し、ボディ２１内において弁座２３よりも下流側に形成されたノズル３１が気化部を構成することになる。また、制御バルブ２における液体材料の制御点と、気化部３における気化点を一致させるようにしてもよい。すなわち、ノズル３１を設けずに、制御バルブ２の弁座２３と弁体２４との隙間自体を気化部３として利用することで流量制御と気化を１つの構成で同時に行うように構成してもよい。さらに言い換えると、制御バルブ２の弁座２３と弁体２４のそれら自体を気化部３として構成してもよい。制御バルブ２と気化部３との位置関係は流量上において同一点となる場合と、制御バルブ２よりも気化部３のほうが下流側に存在する場合とが有り得る。
第１実施形態の気化装置１００では、制御バルブ２において温度低下が生じ、開度増加が生じることによる流量制御上の問題を積分ゲインを過渡応答期間で切り替えることで解決していたが、この構成及び手法は制御バルブ２において温度上昇が生じ、開度減少が生じることによる流量制御上の問題も同様に解決できる。
制御機構４は、補正積分ゲインを変更する補正積分ゲイン変更部４４をさらに備えてもよい。ここで、補正積分ゲイン変更部４４は、補正積分ゲイン自体を変更するものであっても良いし、補正積分ゲインを構成する値を変更するものであっても良い。補正積分ゲインを構成する値を変更する態様としては、例えば、基準積分ゲインＫｉに補正係数αが乗じられた値α×Ｋｉである補正積分ゲインのうち、基準積分ゲインＫｉを変更すること、又は補正係数αを変更することの少なくとも一方を含む。本実施形態の補正積分ゲイン変更部４４は、補正係数αを変更するものであり、その変更後の補正係数αを制御パラメータ記憶部４３に出力する。
ここで、補正係数αは、制御バルブ２の温度低下に関係する温度関係パラメータを用いて変更される。温度関係パラメータとしては、液体材料の種類、液体材料の設定流量、液体材料の設定圧力、キャリアガスの設定流量、液体材料の測定流量、制御バルブ２の上流側の測定圧力、制御バルブ２の下流側の測定圧力、制御バルブ２の設定温度、気化部３の設定温度、又は、周囲温度等が挙げられる。
温度関係パラメータを説明すると、液体材料の種類とは、粘性又は比熱といった物性値、液体材料の濃度、液体材料の名称を示すデータである。液体材料の設定流量、液体材料の設定圧力、キャリアガスの設定流量、及び、制御バルブ２の設定温度は、バルブ制御器４１に入力される設定値であり、バルブ制御器４１の設定値の入力に伴う信号、又は、設定値を換算して算出した値であってもよい。液体材料の測定流量は、液体流量センサ１の測定値でも良いし、液体流量センサ１の測定値を示す信号、又は、測定値を換算して算出した値であってもよい。制御バルブ２の上流側の測定圧力、及び、制御バルブ２の下流側の測定圧力は、圧力センサ（不図示）の測定値でも良いし、圧力センサ（不図示）の測定値を示す信号、又は、測定値を換算して算出した値であってもよい。周囲温度とは、気化装置１００内の気化器ＶＰ又は液体流量センサ１の周辺の温度であり、周囲温度の測定値は、温度センサ（不図示）の測定値を示す信号、又は、測定値を換算して算出した値であってもよい。
補正積分ゲイン変更部４４は、上述した温度関係パラメータと補正係数αとの関係を示す関係データを用いて得られた補正係数αに変更する。関係データは、温度関係パラメータの少なくとも１つ（例えば液体材料の種類、設定温度、及び、設定流量）と補正係数αとの関係を式にした式形式であっても良いし、温度関係パラメータの少なくとも１つと補正係数αとの関係を表にした表形式ものであっても良いし、温度関係パラメータの少なくとも１つと補正係数αとの関係をグラフにしたグラフ形式のものであってもよい。
ここで、関係データに用いる温度関係パラメータが、液体材料の設定流量の変更に関わらず一定の設定値（例えば設定圧力、又は設定温度等）のみからなる場合には、液体材料の設定流量の変更の前後に関わらず、その設定値を入力することによって、関係データを用いて補正係数αを求めることができる。なお、関係データのパラメータとして、液体材料の設定流量の変更前後における差分を用いても良い。この場合、その差分毎に関係データを作成することが望ましい。
一方、関係データに用いる温度関係パラメータが、液体材料の設定流量の変更により変化する測定値（例えば測定流量、測定圧力、又は測定温度等、以下、関係データ作成用測定値）を含む場合には、その関係データ作成用測定値を測定したタイミング（例えば液体材料の設定流量の変更前、液体材料の変更後の過渡応答期間等）の測定値を入力することによって、関係データを用いて補正係数αを求めることができる。
そして、関係データは、制御機構４に設けられた関係データ格納部（不図示）に格納されていても良いし、気化装置１００とは別に設けられた演算装置に格納されていてもよい。
制御機構４の関係データ格納部に関係データが格納されている場合には、補正積分ゲイン変更部４４は、関係データを用いて補正係数αを求め、当該補正係数αを制御パラメータ記憶部４３に出力することにより、補正積分ゲインを変更する。なお、図１０では、液体材料の設定流量又は液体材料の設定圧力を用いて補正係数αを求める例を示している。
一方、気化装置１００とは別に設けられた演算装置に関係データが格納されている場合には、当該演算装置にパラメータを入力することによって、関係データを用いて補正係数αを求めることができる。この補正係数αを制御機構４に入力することによって、補正積分ゲイン変更部４４がその補正係数αを受け取り、制御パラメータ記憶部４３に出力して、補正積分ゲインを変更する。ここで、演算装置にパラメータを入力する態様としては、ユーザが温度関係パラメータを入力すること、制御機構４が温度関係パラメータを入力すること、又は、制御機構４の上位制御装置が温度関係パラメータを入力すること等が挙げられる。また、演算装置により得られた補正係数αを制御機構４に入力する態様としては、ユーザが制御機構４に入力すること、演算装置が制御機構４に入力すること、又は、演算装置が前記上位制御装置に送信し、前記上位制御装置が制御機構４に入力すること等が挙げられる。
次に本発明の第２実施形態における流体制御装置１０１について図１１及び図１２を参照しながら説明する。
第２実施形態の流体制御装置１０１は、制御バルブ２が、バルブ制御器４１による制御中において流体センサで測定される流量又は圧力の測定値の立ち上がり以降に所定値以上の温度低下が生じる使用環境に設けられているものである。すなわち、流体制御装置１０１は気化装置１００ではないが、第１実施形態と同様に流体の流入の開始にともなって制御バルブ２の温度が低下し、同様に固定された積分ゲインを使用したＰＩＤ制御ではオフセットが解消されなかったり、所望の整定時間が得られなかったりするものである。
具体的には第２実施形態の流体制御装置１０１はマスフローコントローラであって、図９に示すように他の複数のマスフローコントローラとともにガスボックス内に密集させて設けられたものである。各マスフローコントローラはそれぞれ個別に異なる流体の流量を制御している。このようなガスボックス内はマスフローコントローラ自体の発熱等によって室温等の環境温度よりも高温となっており、流入する流体の温度がマスフローコントローラよりも低い場合には、第１実施形態と同様に温度低下に伴う制御上の問題が生じ得る。
このような第２実施形態の流体制御装置１０１は、図１１に示すように制御バルブ２、圧力又は流量を測定する流体センサ１１、流体センサ１１の測定値と設定値との偏差に基づいて制御バルブ２の開度を制御する制御機構４とを備えている。なお、制御機構４の構成は第１実施形態とほぼ同様であり、制御入力と制御対象が異なっているだけである。すなわち、ガスボックス内に設けられている第２実施形態のマスフローコントローラＭＦＣに対してステップ上の目標指令が入力される場合には、流体センサの測定値の過渡応答期間において積分ゲイン切替部４２がバルブ制御器４１に設定されている積分ゲインを基準積分ゲインから補正積分ゲインへ切り替えるように構成されている。
このような第２実施形態の流体制御装置１０１であれば、第１実施形態の気化器ＶＰと同様に制御バルブ２の温度低下が生じ得るような用途においてオフセットが解消されない、あるいは、整定時間を短縮できないといった問題を解決しつつ、制御上の安定性も両立させることができる。
次に第２実施形態の変形例について説明する。
第２実施形態の流体制御装置１０１は流量を制御するものに限られず、圧力を制御するものであってもよい。また、流体についても液体、気体、気液混合体いずれであってもよい。また、制御バルブ２が高温となっており、流体の流入によって温度が低下するものであれば第２実施形態の流体制御装置１０１における制御方式を適用可能である。すなわち、前述したようなガスボックス内に収容されているものに限られず、様々な流体制御装置に適用可能である。また、制御バルブ２が流体の流入によって温度上昇する場合にも、例えば設定値に対して流量が小さくなるオフセットを解消し、整定時間を短くするといったことが可能となる。つまり、制御バルブが、バルブ制御器による制御中において流体センサで測定される測定値の立ち上がり以降に所定値以上の温度変化が生じる使用環境に設けられているものであれば、本発明は適用可能である。
第１実施形態と同様に、第２実施形態において、制御機構４は、補正積分ゲインを変更する補正積分ゲイン変更部４４をさらに備えるものであってもよい。
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組み合わせや変形を行っても構わない。
１００・・・気化装置
１ ・・・液体流量センサ
２ ・・・制御バルブ
３ ・・・気化部
４ ・・・制御機構
４１ ・・・バルブ制御器
４２ ・・・積分ゲイン切替部
１０１・・・流体制御装置
１１ ・・・流体センサ
ＧＢ ・・・ガスボックス

Claims (15)

  1. 液体材料の流れる流路に設けられた制御バルブと、
    前記液体材料が減圧又は加熱によって気化される気化部と、
    流路を流れる液体材料の流量を測定する液体流量センサと、
    設定流量の示す設定値と前記液体流量センサで測定される流量の測定値に基づいたＰＩ制御又はＰＩＤ制御によって前記制御バルブを制御するバルブ制御器と、を備えた気化装置であって、
    前記液体流量センサで測定される流量の過渡応答期間に、前記バルブ制御器に設定されている積分ゲインを基準積分ゲインから前記基準積分ゲインとは異なる補正積分ゲインに切り替える積分ゲイン切替部をさらに備えたことを特徴とする気化装置。
  2. 前記補正積分ゲインが前記基準積分ゲインよりも高い値に設定されている請求項１に記載の気化装置。
  3. 前記基準積分ゲインが、前記気化部が存在しない場合における流量応答の静定時間が予め定められた許容時間内となるように設定された値である請求項１又は２記載の気化装置。
  4. 前記補正積分ゲインが、前記気化部が存在し、前記過渡応答期間に前記基準積分ゲインから前記補正積分ゲインへ切り替える場合における流量応答の静定時間が前記許容時間内となるように定められた値である請求項３記載の気化装置。
  5. 積分ゲイン切替部が、前記測定値が前記設定値で静定した後に前記バルブ制御器に設定されている積分ゲインを前記補正積分ゲインから前記基準積分ゲインへ戻す請求項１乃至４いずれか一項に記載の気化装置。
  6. 前記積分ゲイン切替部が、前記設定流量の立ち上がり開始時点を基準として所定時間経過後に前記バルブ制御器に設定されている積分ゲインを前記基準積分ゲインから前記補正積分ゲインに切り替える請求項１乃至５いずれか一項に記載の気化装置。
  7. 前記基準積分ゲインから前記補正積分ゲインに切り替える切替タイミングが、前記基準積分ゲインに固定して前記制御バルブを制御し続けた場合における流量応答の立ち上がり開始時点からピーク時点までの期間の間に設定されている請求項１乃至６いずれか一項に記載の気化装置。
  8. 前記積分ゲイン切替部が、前記基準積分ゲインから前記補正積分ゲインに切り替える切替タイミングを、前記設定流量の示す設定値の大きさ又は前記液体材料の種類に応じて設定するように構成された請求項１乃至７いずれか一項に記載の気化装置。
  9. 前記補正積分ゲインを変更する補正積分ゲイン変更部をさらに備える、請求項１乃至８の何れか一項に記載の気化装置。
  10. 前記補正積分ゲイン変更部は、前記液体材料の種類、前記液体材料の設定流量、前記液体材料の設定圧力、キャリアガスの設定流量、前記制御バルブの上流側の圧力、前記制御バルブの下流側の圧力、前記制御バルブの設定温度、前記気化部の設定温度、又は、周囲温度のうちの少なくとも何れかに基づいて、前記補正積分ゲインを変更する、請求項９記載の気化装置。
  11. 前記制御バルブが、
    前記液体材料が内部に導入される液体導入ポートと、
    前記キャリアガスが内部に導入される気体導入ポートと、
    前記液体材料及び前記キャリアガスが混合された気液混合体が外部に導出される導出ポートと、備えた請求項１乃至１０いずれか一項に記載の気化装置。
  12. 前記制御バルブと前記気化部が隣接して設けられた請求項１乃至１１いずれか一項に記載の気化装置。
  13. 液体材料の流れる流路に設けられた制御バルブと、前記液体材料が減圧又は加熱によって気化される気化部と、流路を流れる液体材料の流量を測定する液体流量センサと、を備えた気化装置の制御方法であって、
    設定流量の示す設定値と前記液体流量センサで測定される流量の測定値に基づいたＰＩ制御又はＰＩＤ制御によって前記制御バルブを制御することと、
    前記液体流量センサで測定される流量の過渡応答期間に、前記バルブ制御器に設定されている積分ゲインを基準積分ゲインから前記基準積分ゲインとは異なる補正積分ゲインに切り替えることを含む気化装置の制御方法。
  14. 液体材料の流れる流路に設けられた制御バルブと、前記液体材料が減圧又は加熱によって気化される気化部と、流路を流れる液体材料の流量を測定する液体流量センサと、を備えた気化装置に用いられる制御用プログラムであって、
    設定流量の示す設定値と前記液体流量センサで測定される流量の測定値に基づいたＰＩ制御又はＰＩＤ制御によって前記制御バルブを制御するバルブ制御器と、
    前記液体流量センサで測定される流量の過渡応答期間に、前記バルブ制御器に設定されている積分ゲインを基準積分ゲインから前記基準積分ゲインとは異なる補正積分ゲインに切り替える積分ゲイン切替部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気化装置用プログラム。
  15. 流体の流れる流路に設けられた制御バルブと、
    目標指令の示す流量又は圧力の設定値と前記流体センサで測定される測定値を用いたＰＩ制御又はＰＩＤ制御によって前記制御バルブを制御するバルブ制御器と、を備えた流体制御装置であって、
    前記制御バルブが、前記バルブ制御器による制御中において前記流体センサで測定される測定値の立ち上がり以降に所定値以上の温度変化が生じる使用環境に設けられており、
    前記流体センサで測定される測定値の過渡応答期間に、前記バルブ制御器に設定されている積分ゲインを基準積分ゲインから前記基準積分ゲインとは異なる補正積分ゲインに切り替える積分ゲイン切替部をさらに備えたことを特徴とする流体制御装置。
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