JP2023080611A - 流量制御装置、流量制御方法、及び、流量制御装置用プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】設定流量の大きさによらず、流体抵抗の下流側の圧力が流量精度を担保できる低圧に保つことができ、測定される抵抗流量の精度を高く保ち続けて、過渡状態でノイズ影響を受けにくい流量制御装置を提供する。【解決手段】第１測定圧力ｐ１と第２測定圧力ｐ２とに基づいて流体抵抗ＦＲを流れる流量である抵抗流量Ｑｒを算出する抵抗流量算出器２と、設定流量ｒ_Ｑと、抵抗流量Ｑｒとの偏差に基づいて第２バルブＶ２を制御する流量制御器３と、流体抵抗ＦＲの下流側における圧力の目標値が設定される第２設定圧力ｒ_ｐ２と、設定流量ｒ_Ｑとに基づいて流体抵抗ＦＲの上流側における圧力の目標である第１設定圧力ｒ_ｐ１を出力する設定圧力変換器４と、設定圧力変換器４から出力された第１設定圧力ｒ_ｐ１と、第１測定圧力ｐ１との偏差に基づいて第１バルブV1を制御する圧力制御器６とを備えた。【選択図】図1

Description

本発明は例えば半導体製造プロセスにおいて用いられるマスフローコントローラ等の流量制御装置に関するものである。

マスフローコントローラ等の流量制御装置には、複数の制御バルブを備えたものがあり、例えば各制御バルブはそれぞれ異なる制御則によって開度が制御される。例えば特許文献１に記載されている流量制御装置は、圧力制御バルブ、圧力センサ、熱式流量センサ、流量制御バルブが上流側からこの順番で流路上に設けられているとともに、各センサの出力に基づいて圧力制御弁及び流量制御弁の開度をそれぞれ制御する制御器と、を備えている。制御器は、熱式の流量センサの一部である分流抵抗の上流側の圧力が予め定められた一定圧力で保たれるように圧力制御バルブを制御し、流量制御バルブについては設定流量と熱式の流量センサで測定される測定流量との偏差が小さくなるように制御する。

ところで、上記のような流量制御装置において図４に示すように熱式の流量センサの代わりに圧力式の流量センサを用いて、前述したような制御則で各バルブの制御を行うと、設定流量が小流量から大流量まで適宜変更されるような用途の場合には制御上の問題が生じ得ることを本願発明者は鋭意検討の結果見出した。

すなわち、圧力式の流量センサは層流素子等の流体抵抗と、流体抵抗の上流側に設けられた第１圧力センサと、流体抵抗の下流側に設けられた第２圧力センサと、を備えており、各圧力センサで測定される測定圧力をそれぞれ二乗した値の差に基づいて、流体抵抗を流れる流体の流量である抵抗流量が算出される。この抵抗流量の測定精度は、特に小流量の場合には各圧力が高圧に保たれているよりも低圧に保たれているほうが高くなる。具体的には図５のグラフに示すように各圧力センサで測定される差圧と圧力センサに重畳するノイズ振幅が同じであったとしても、抵抗流量に重畳するノイズ振幅は第２圧力センサで測定される第２測定圧力が高くなるほど大きくなるため、測定精度は第２測定圧力をできる限り低く保ったほうが抵抗流量の測定精度は良くなる。

しかしながら、前述した先行技術のように流体抵抗の上流側の圧力である第１測定圧力を供給圧等の高圧で一定に保つように圧力制御バルブを制御していると、設定流量として小さい値が設定されている場合には、流量制御バルブは流体抵抗の差圧を小さくするために第２圧力センサで測定される第２測定圧力も第１測定圧力と同等の高圧に近づくように制御されてしまう。このため、設定流量として小流量が設定されている場合には、圧力式の流量センサから出力される抵抗流量に大きなノイズ振幅が現れることになり、流量制御の精度を低下させる結果となってしまう。

特開2004-280688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、設定流量の大きさによらず、常に流体抵抗の下流側の圧力を流量精度の担保できる低圧に保つことができ、設定流量が小さい場合でも測定される抵抗流量の精度を高く保ち続けて、流量の制御精度を高く保つことを可能とする流量制御装置を提供することを目的とする。

すなわち、本発明に係る流量制御装置は、流路に設けられた流体抵抗と、前記流体抵抗の上流側に設けられた第１バルブと、前記流体抵抗の下流側に設けられた第２バルブと、前記第１バルブと前記流体抵抗との間に設けられた第１圧力センサと、前記流体抵抗と前記第２バルブとの間に設けられた第２圧力センサと、前記第１圧力センサで測定される第１測定圧力と、前記第２圧力センサで測定される第２測定圧力と、に基づいて、前記流体抵抗を流れる流体の流量である抵抗流量を算出する抵抗流量算出器と、前記流体抵抗の下流側における圧力の目標指令であり、一定値が設定される第２設定圧力と、前記設定流量と、に基づいて、前記流体抵抗の下流側における圧力の目標であり、一定値が設定される第２設定圧力、前記設定流量とに基づいて、前記流体抵抗の上流側における圧力の目標である第１設定圧力を出力する設定圧力変換器と、前記設定圧力変換器から出力された前記第１設定圧力と、前記第１測定圧力との偏差に基づいて、前記第１バルブを制御する圧力制御器と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明に係る流量制御方法は、流路に設けられた流体抵抗と、前記流体抵抗の上流側に設けられた第１バルブと、前記流体抵抗の下流側に設けられた第２バルブと、前記第１バルブと前記流体抵抗との間に設けられた第１圧力センサと、前記流体抵抗と前記第２バルブとの間に設けられた第２圧力センサと、を備えた流量制御装置を用いた流量制御方法であって、前記第１圧力センサで測定される第１測定圧力と、前記第２圧力センサで測定される第２測定圧力と、に基づいて、前記流体抵抗を流れる流体の流量である抵抗流量を算出する抵抗流量算出ステップと、設定流量と、前記抵抗流量又は前記抵抗流量から算出される前記第２バルブから流出するバルブ流量である制御対象流量との偏差に基づいて、前記第２バルブを制御する流量制御ステップと、前記流体抵抗の下流側における圧力の目標であり、一定値が設定される第２設定圧力、前記設定流量とに基づいて、前記流体抵抗の上流側における圧力の目標である第１設定圧力を出力する設定圧力変換ステップと、前記設定圧力変換器ステップにおいて出力された第１設定圧力と、前記第１測定圧力との偏差に基づいて、前記第１バルブを制御する圧力制御ステップと、を備えたことを特徴とする。

このような流量制御装置及び流量制御方法であれば、以下のような制御動作によって様々な前記設定流量を実現しながら前記流体抵抗の下流側の圧力については所望の前記第２設定圧力又はそれに近い圧力で保たれるようにして、大流量から小流量まで抵抗流量の測定精度を高く保ち、設定流量によらず高い流量の制御精度を実現できる。

具体的には前記第１バルブへの制御によって前記流体抵抗の上流側の圧力が前記第１設定圧力で保たれるとともに、前記第２バルブによって前記制御対象流量が前記設定流量で保たれる。ここで、前記第１設定圧力は固定された値ではなく、前記流体抵抗の上流側における圧力の目標である前記第２設定圧力と前記設定流量に応じて変更される値である。また、前記第２設定値は一定値で固定されているので、前記設定流量の目標値が大きい場合には前記流体抵抗の前後の差圧が大きくなるように前記第１設定圧力は大きな値に設定され、逆に前記設定流量の目標値が小さい場合には前記第１設定圧力は小さな値に設定される。すなわち、本発明は従来のように上流側の圧力が固定されている場合のように前記設定流量の大小に応じて前記流体抵抗の下流側の圧力が変更されるのではなく、逆に前記流体抵抗の下流側における圧力の目標を固定して前記流体抵抗の上流側における圧力の目標を前記設定流量の大小に応じて変更することが可能である。このため、様々な前記設定流量に応じて前記流体抵抗の下流側における圧力が所望の低圧となるように前記第１設定圧力を設定して、前記設定流量が小さい場合でも前記抵抗流量の測定精度を高くたもつことができる。

前記制御対象流量は様々な大きさの前記設定流量に保ちながら、前記流体抵抗の下流側の圧力は前記第２設定圧力に保つ事が可能であるので、例えば前記第２設定圧力を低圧力の一定値に設定することによって、ノイズ影響が低減された精度の良い前記抵抗流量を前記設定流量の大きさによらず前記抵抗流量算出器が算出し続けるようにできる。このため、本発明の流量制御装置では大流量から小流量までを実現しつつ、小流量を流している場合でも従来よりも流量の制御精度を向上させることができる。

前記流体抵抗の下流側における圧力が前記第２設定圧力となる適切な前記第１設定圧力が前記設定圧力変換器から出力されるようにするには、前記設定圧力変換器が、前記流体抵抗の下流側の圧力が前記第２設定圧力で保たれている場合において、前記抵抗流量が前記設定流量となるのに必要な前記流体抵抗の上流側の圧力を第１設定圧力として出力するように構成されたものであればよい。

ここで、前記第１設定圧力は、前記流体抵抗の下流側の圧力が前記第２設定圧力で保たれている場合に前記抵抗流量が前記設定流量となるのに必要な圧力なので、前記第２バルブによって前記制御対象流量が前記設定流量に制御されると、前記流体抵抗の下流側の圧力は前記第２設定圧力又はそれに近い圧力に保たれることになる。したがって、前記第１バルブと前記第２バルブの制御動作により、結果として前記流体抵抗の下流側の圧力は所望の一定圧力である前記第２設定圧力に保たれることになる。また、前記設定圧力変換器が前記設定流量の値の大きさに応じて前記第１設定圧力を変化させるので、前記設定流量の値の大きさによらず、前記流体抵抗の下流側の圧力は前記第２設定圧力で保たれることになる。したがって、前記設定流量が小さい場合でも前記流体抵抗の下流側における圧力を低圧に保って、前記抵抗流量の測定精度を高く保ち、流量の制御精度を従来よりも高くできる。

前記流量制御装置の下流側のプロセスにおける様々な圧力に保ちたいという要求を満たしつつ、前記抵抗流量算出器から算出される前記抵抗流量の精度が高く保たてるように様々な第２設定圧力を設定できるようにするには、前記第２設定圧力が可変であればよい。

流量制御装置として大きな流量を実現する場合でも前記流体抵抗の下流側の圧力を低く保って、算出される前記抵抗流量を高精度に保てるようにするには、前記設定流量の値が大きくなるほど前記第１設定圧力として大きな値が設定されるように前記設定圧力変換器が構成されていればよい。

例えば半導体製造プロセスのように低圧に保たれる環境において流量を高精度に測定できるとともに応答性も良いものにするには、前記抵抗流量算出器が、前記第１測定圧力のべき乗と前記第２測定圧力のべき乗の差に基づいて前記抵抗流量を算出するものであればよい。

より具体的な前記抵抗流量の算出構成としては、前記抵抗流量算出器が、前記第１測定圧力の二乗と前記第２測定圧力の二乗の差に流量定数を乗じて前記抵抗流量を算出するものが挙げられる。このようなものであれば、本発明による前記設定流量の大きさによらず、前記流体抵抗の下流側の圧力を低圧に保ち続けられるという機能によって、流量精度の向上効果がより顕著となる。

例えば前記第２設定圧力として不適切な値が設定されてしまい、前記流体抵抗の下流側の圧力が高圧となってしまうのを防ぎ、前記抵抗流量の精度を高く保てるようにするには、前記設定圧力変換器が、前記第２設定圧力として０torr以上９００torr以下の一定値を受け付けるように構成されていればよい。

例えば前記抵抗流量の校正作業に必要となるデータ点数を減らすことができ、実用的な範囲内で高精度の抵抗流量を提供できるようにするための具体的な態様としては、前記設定圧力変換器が、前記第２設定圧力として０torr以上４００torr以下の一定値を受け付けるように構成されているものが挙げられる。

流量制御装置において最も供給対象に近い部分である前記第２バルブから流出する前記バルブ流量自体を制御することにより、流量制御の応答性をさらに高められるようにするには、前記抵抗流量と、前記第２測定圧力とに基づいて、前記第２バルブから流出する前記バルブ流量を算出するバルブ流量算出器をさらに備え、前記制御対象流量が前記バルブ流量であり、前記流量制御器が、前記設定流量と前記バルブ流量との偏差に基づいて、前記第２バルブを制御するように構成されていればよい。

前記設定圧力変換器が前記設定流量と前記第２設定圧力に基づいて前記第１設定圧力を出力するのに必要となるメモリ量や演算量等の負荷を低減できるようにして、演算能力等が限られているマスフローコントローラ等であっても前記第１設定圧力を高速で出力できるようにするには、前記第２設定圧力及び前記設定流量の各組に対してそれぞれ前記第１設定圧力が紐付けられたテーブルを具備し、受け付けられた前記第２設定圧力及び前記設定流量に基づいて前記テーブルを参照して前記第１設定圧力を出力するように構成されたものであればよい。このようなものであれば、例えば前記設定流量が時系列的に変化するものであっても、その瞬間ごとの目標値に対応する前記第１設定圧力にすぐに変更できる。このため、例えば過渡状態においても前記設定流量を実現しつつ、前記流体抵抗の下流具側の圧力は前記第２設定圧力で保ち続けることが可能となる。

例えば前記第２バルブが全閉されて流体が流れていない状態においては前記抵抗流量に重畳するノイズを低減してほぼゼロで保たれるようにして、前記第２バルブから出流れが発生しているとユーザが誤解しにくくするとともに、前記抵抗流量に発生しているセンサシフト等は見えるようにするには、前記抵抗流量において前記抵抗流量算出器が、前記第２バルブが開放されている状態では前記第１測定圧力と前記第２測定圧力とに基づいて、前記抵抗流量を算出し、前記第２バルブが全閉されている状態では前記第１測定圧力と前記第２設定圧力とに基づいて、前記抵抗流量を算出するように構成されていればよい。

既存の流量制御装置において例えばプログラムを更新することにより本発明に係る流量制御装置とほぼ同じ効果を享受できるようにするには、流路に設けられた流体抵抗と、前記流体抵抗の上流側に設けられた第１バルブと、前記流体抵抗の下流側に設けられた第２バルブと、前記第１バルブと前記流体抵抗との間に設けられた第１圧力センサと、前記流体抵抗と前記第２バルブとの間に設けられた第２圧力センサと、を備えた流量制御装置に用いられる流量制御装置用プログラムであって、前記第１圧力センサで測定される第１測定圧力と、前記第２圧力センサで測定される第２測定圧力と、に基づいて、前記流体抵抗を流れる流体の流量である抵抗流量を算出する抵抗流量算出器と、設定流量と、前記抵抗流量又は前記抵抗流量から算出される前記第２バルブから流出するバルブ流量である制御対象流量との偏差に基づいて、前記第２バルブを制御する流量制御器と、前記流体抵抗の下流側における圧力の目標であり、一定値が設定される第２設定圧力と、前記設定流量とに基づいて、前記流体抵抗の上流側における圧力の目標である第１設定圧力を出力する設定圧力変換器と、前記設定圧力変換器から出力された第１設定圧力と、前記第１測定圧力との偏差に基づいて、前記第１バルブを制御する圧力制御器と、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量制御装置用プログラムを用いればよい。

なお、流量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量制御装置によれば、上流側にある前記第１バルブが前記第２設定圧力と前記設定流量に応じて設定される前記第１設定圧力を実現し、下流側にある前記第２バルブが前記制御対象流量が前記設定流量と実現することによって前記流体抵抗の下流側の圧力は結果として前記第２設定圧力又はその近傍の圧力に保ち続けることができる。したがって、前記設定流量の大小によらず、前記抵抗流量の下流側の圧力を低圧に保つことかが可能となるため、算出される前記抵抗流量に重畳するノイズを低減してその精度を高く保つことが可能となる。

本発明の第１実施形態における流量制御装置を示す模式図。 第１実施形態における設定流量、第２設定圧力、第１設定圧力の関係を示すグラフ。 本発明の第２実施形態における流量制御装置を示す模式図。 従来の流量制御装置の制御構成を示す模式図。 圧力式の流量センサにおける絶対圧とノイズ振幅との関係を示すグラフ。

本発明の第１実施形態における流量制御装置１００について図１及び図２を参照しながら説明する。

第１実施形態の流量制御装置１００は、例えば各種半導体製造プロセスにおいてチャンバ内に流体を予め定められた設定流量で供給するために用いられるものである。流体は純粋なガス、複数種類のガスが混合されたガス、気液混合体、液体等を含み得る。以下では流体がガスである場合を一例として説明する。

図１に示すように流量制御装置１００は、流路に設けられたセンサ、バルブからなる流体機器と、当該流体機器の制御を司る制御演算機構ＣＯＭと、を備えている。

流体機器は、流路に対して設けられた、第１バルブＶ１、第１圧力センサＰ１、流体抵抗ＦＲ、第２圧力センサＰ２、第２バルブＶ２からなる。各機器は上流側からこの順番で設けられている。

ここで、流体抵抗ＦＲは層流素子であり、その前後の差圧に応じて当該流体抵抗ＦＲ内に流れるガスの流量が生じる。第１圧力センサＰ１、流体抵抗ＦＲ、第２圧力センサＰ２、及び、後述する抵抗流量算出器１は第１バルブＶ１と第２バルブＶ２との間の流路を流れる流体の流量を測定する流量センサＦＳを構成する。以下の説明では流体抵抗ＦＲを流れる流体の流量はＱｒともいう。

すなわち、第１圧力センサＰ１、流体抵抗ＦＲ、及び、第２圧力センサＰ２は流路に流れる流体の流量に応じた出力信号を出力するセンシング機構であり、抵抗流量算出器１はセンシング機構の出力信号に基づいて流路を流れている流体の流量を算出する。この流量センサＦＳはいわゆる圧力式の流量センサであるため、各圧力センサで測定される圧力が低いほど測定される流量の測定精度が高くなる特性を有している。本実施形態では流量制御装置１００の設けられている流路はＣＶＤプロセス等が行われる低真空状態のチャンバに接続されている。したがって、流体抵抗ＦＲの下流側も制御結果によっては低真空状態に保つ事が可能な環境となっている。

第１圧力センサＰ１は、流路において第１バルブＶ１と流体抵抗ＦＲとの間における容積である第１容積ＶＬ１内に存在しているガスの圧力（以下、第１測定圧力ｐ１とも言う。）を測定するものである。

第２圧力センサＰ２は、流路において流体抵抗ＦＲと第２バルブＶ２との間における容積である第２容積ＶＬ２に存在しているガスの圧力（以下、第２測定圧力ｐ２とも言う。）を測定するものである。

このように第１圧力センサＰ１と第２圧力センサＰ２は、第１バルブＶ１、流体抵抗ＦＲ、第２バルブＶ２で形成される２つの容積である第１容積ＶＬ１、第２容積ＶＬ２の圧力をそれぞれ測定している。また、別の表現をすると、第１圧力センサＰ１と第２圧力センサＰ２は、それぞれ流体抵抗ＦＲの上流側の圧力又は下流側の圧力を測定するものである。

第１バルブＶ１、及び、第２バルブＶ２は、この実施形態では同型のものであり、例えばピエゾ素子によって弁体が弁座に対して駆動されるピエゾバルブである。この実施形態では第２バルブＶ２がユーザにより設定される設定流量ｒ_Ｑと、流量センサＦＳにより測定される抵抗流量Ｑｒとの偏差に基づいた流量フィードバック制御によってその開度が制御される。一方、第１バルブＶ１はユーザによって設定される第２容積ＶＬ２の目標圧力である第２設定圧力ｒ_ｐ２から変換された第１容積ＶＬ１の目標圧力である第１設定圧力ｒ_ｐ１と第１圧力センサＰ１で測定される第１測定圧力ｐ１との偏差に基づいて圧力フィードバック制御によってその開度が制御される。

ここで、ユーザによって設定される第２設定圧力ｒ_ｐ２と第２圧力センサＰ２によって測定される第２測定圧力ｐ２との偏差に基づく圧力フィードバック制御はいずれのバルブＶ１、Ｖ２でも行われていない。しかしながら、後述するように第１バルブＶ１が第１容積ＶＬ１内の圧力が第１設定圧力ｒ_ｐ１となるように圧力制御されるとともに、第２バルブＶ２は抵抗流量Ｑｒが設定流量ｒ_Qとなるように流量制御されることにより、最終的には第２容積ＶＬ２内の圧力は第２設定圧力ｒ_ｐ２又はその近傍の圧力で保たれることになる。

次に制御演算機構ＣＯＭについて詳述する。制御演算機構ＣＯＭは、例えばＣＰＵ、メモリ、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータ、入出力手段等を具備するいわゆるコンピュータであって、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、設定受付部１、抵抗流量算出器２、流量制御器３、設定圧力変換器４、逆計算結果記憶部５、圧力制御器６としての機能を少なくとも発揮する。

設定受付部２は、流量制御装置１００への制御指令である設定流量ｒ_Ｑと、第２設定圧力ｒ_ｐ２とをユーザから受け付けるとともに、後述する設定圧力変換器４には設定流量ｒ_Ｑと、第２設定圧力ｒ_ｐ２の両方を出力するとともに、流量制御器３には設定流量ｒ_Ｑのみを出力する。ここで、設定流量ｒ_Ｑについてはフィードバックループ内で直接使用されるパラメータである。設定流量ｒ_Ｑはユーザが流路に流したい流量、又は、後続のチャンバに対して供給したい流体の流量が設定される。設定流量ｒ_Ｑは、目標となる流量の値が時間関数として設定されるものであり、各時刻に対して０％～１００％のいずれかの値をユーザは設定できる。例えば図２グラフに示すように設定流量は時間ｔをパラメータとする階段関数ｒ_Ｑ（ｔ）として定義される。設定流量ｒ_Ｑについては階段関数以外にもランプ関数やその他の時間関数として定義できる。これに対して第２設定圧力ｒ_ｐ２は、流体抵抗ＦＲの下流側の第２容積ＶＬ２内における圧力としてユーザが設定した値が一定値として設定される。すなわち、第２設定圧力についてはステップ関数やランプ関数等の形式では受け付けられず、時間によらず常に一定の目標圧力値しか設定されない。より具体的には第２設定流圧力ｒ_ｐ２については流量センサＦＳとして流量精度が十分に発揮される所定の低圧力の値が目標値として設定される。

抵抗流量算出器２は、第１圧力センサＰ１及び第２圧力センサＰ２の出力信号の示す測定値と、測定値に応じた流量特性値とに基づいて流量を算出する。具体的には抵抗流量算出器２は、流体抵抗ＦＲの上流側の圧力である第１測定圧力ｐ１と下流側の圧力である第２測定圧力ｐ２に基づいて、流体抵抗ＦＲ内を流れている流体の流量である抵抗流量Ｑｒを算出する。ここで、抵抗流量算出器２は、第１測定圧力ｐ１と第２測定圧力ｐ２だけでなく、流体抵抗ＦＲの特性に応じて定まる流量定数ｋに基づいて流量を算出する。具体的には第１測定圧力ｐ１の二乗と第２測定圧力ｐ２の二乗の差に流量定数ｋを乗じた値を抵抗流量Ｑｒとして算出する。すなわち、抵抗流量算出器２において使用される流量算出式はＱｒ＝ｋ（ｐ１＾２―ｐ２＾２）・・・（式１）となる。

また、抵抗流量算出器２は流路に流体が流れているかどうかに応じて、抵抗流量Ｑｒの算出方式を切り替えるように構成されている。例えば下流側に配置されている第２バルブＶ２が任意の開度で開放されている場合には式１の流量算出式に対して実際に測定されている第１測定圧力ｐ１及び第２測定圧力ｐ２を代入して抵抗流量Ｑｒが算出される。これに対して第２バルブＶ２が全閉されている場合には、抵抗流量算出器２は、設定受付部１において受け付けられている第２設定圧力ｒ_ｐ２と、第１測定圧力ｐ１と第２測定圧力ｐ２の差圧Δｐを用いて抵抗流量Ｑｒを算出する。具体的には抵抗流量算出器２は、Ｑｒ＝ｋ（Δｐ＾２＋２×ｒ_ｐ２×Δｐ）・・・（式２）により流量を算出する。なお、式２は式１からΔｐ＝ｐ１―ｐ２の関係に基づき、ｐ１を消去した式である。

この式２ではΔｐは差圧であるため第１測定圧力ｐ１と第２測定圧力ｐ２のそれぞれに重畳しているノイズがほぼ打ち消し合うとともに、設定第２圧力ｒ_ｐ２は一定値であることから算出される抵抗流量Qｒにはノイズが大幅に低減された形になる。したがって、第２バルブＶ２が全閉されている状態で抵抗流量算出器２から出力される抵抗流量Ｑｒは理想的にはほぼゼロもしくは極微量の変動のみが現れることになる。したがって、このような抵抗流量Ｑｒが第２バルブＶ２の全閉時に外部表示されれば、ユーザは流量制御装置１００から下流側へは流体が流れていないことをユーザは信頼しやすい。

また、仮に下流側バルブＶ２から出流れが発生した場合には、差圧Δｐが実測されている値であるため抵抗流量Ｑｒにゼロから所定値の変化が表れて、出流れが発生していることも発見できる。言い換えると、流量センサＦＳの出力とは無関係に第２バルブＶ２の全閉時には抵抗流量Ｑｒがゼロであると表示していると、仮に出流れが発生したとしてもそれをユーザは発見することはできない。これに対して第１実施形態の流量制御装置１００であれば、抵抗流量Ｑｒにゼロを基準として僅かな変動しか現れないことから、出流れが発生していないにもかかわらず出流れがあるとユーザが誤解することはほぼなく、かつ、出流れが実際に発生している場合にはそのことをユーザが発見できる。

また、流量センサＦＳにおいてゼロ点シフト等が生じている場合には、そのシフト量も正確に式２で算出される抵抗流量Ｑｒには表れる。すなわち、各圧力センサのいずれかに温度ドリフト等によりゼロ点がずれている場合には式２における実測値である差圧Δｐに各測定圧力に重畳しているノイズがほぼキャンセルされた状態でシフト量だけが発生する。したがって、第２バルブＶ２が全閉されている状態で出流れが存在しないことが確実ならば、第２バルブＶ２の全閉時に抵抗流量Ｑｒとして出力されている流量値そのものがゼロ点からのシフト量を示すことになる。言い換えると、流量センサＦＳの出力に関係なく、第２バルブＶ２の全閉時に流量センサＦＳの出力に関係なくゼロを出力すると、そもそも抵抗流量Ｑｒにおけるゼロ点シフトをユーザは発見できない。また、式１は各測定圧力の二乗の演算があり、ノイズが拡大された形となるためその差をとっても十分にはノイズが低減されないため、シフト量だけを取り出すことは難しい。したがって、式２に基づけば抵抗流量Ｑｒにおけるゼロ点シフトを定量的に評価しやすい。

流量制御器３は、設定受付部１において受け付けられている設定流量ｒ_ｐ２と、流量センサＦＳで測定されている抵抗流量Ｑｒとの偏差が小さくなるように例えばＰＩＤ制御によって第２バルブＶ２に入力される操作量ｍｖ２である印加電圧を流量フィードバック制御する。すなわち、流量センサＦＳ、流量制御器３、第２バルブ３は流量を制御するための独立したフィードバックループを形成している。なお、本実施形態では抵抗流量Ｑｒが制御対象流量となるが、流量制御装置１００の流路内において他の箇所で流れている流量を制御対象流量としてフィードバックされるようにしてもよい。

設定圧力変換器４は、第２設定圧力ｒ_ｐ２と、設定流量ｒ_Ｑと、に基づいて、流体抵抗ＦＲの下流側の圧力が第２設定圧力ｒ_ｐ２で保たれている場合において、抵抗流量Ｑｒが設定流量ｒ_となるのに必要な流体抵抗ＦＲの上流側の圧力を第１設定圧力ｒ_ｐ１として出力するように構成されている。流体抵抗ＦＲの前後の圧力と抵抗流量Ｑｒとの間の関係は前述した式１の流量算出式によって規定されているので、式１に第２測定圧力ｐ２の代わりに第２設定圧力ｒ_ｐ２を代入し、抵抗流量Ｑｒの代わりに設定流量ｒ_Ｑを代入して第１測定圧力ｐ１について逆計算を行うことで第１設定圧力ｒ_ｐ１を求めることができる。本実施形態では制御演算機構ＣＯＭへのメモリ負荷等を軽減する目的で複数組の第２設定圧力ｒ_ｐ２、設定流量ｒ_Ｑを用いて式１の逆計算により対応する第１設定圧力ｒ_ｐ１を予め算出しておき、第２設定圧力ｒ_ｐ２、設定流量ｒ_Ｑ、及び、第１設定圧力ｒ_ｐ１に関するテーブルを作成し、逆計算結果記憶部５に記憶させてある。設定圧力変換器４はユーザにより設定された第２設定圧力ｒ_ｐ２及び設定流量ｒ_Ｑに基づいてテーブルを参照し、対応する第１設定圧力ｒ_ｐ１を圧力制御器６に対して出力する。

ここで、第１設定圧力ｒ_ｐ１、第２設定圧力ｒ_ｐ２、及び、設定流量ｒ_Ｑの関係について定性的に説明する。図２のグラフに示すように設定流量ｒ_Ｑが小流量から大流量に経時的に変化するステップ関数で規定されおり、第２設定圧力ｒ_ｐ２は常に所定の低圧力の一定値に設定されているとする。この場合、設定流量ｒ_Ｑが小流量に設定されている間は、第１設定圧力ｒ_ｐ１として第２設定圧力ｒ_ｐ２よりもわずかに大きい値が設定され、小流量を実現するのに必要な小さな差圧Δｐが設定される。これに対して、設定流量ｒ_Ｑが大流量に設定されている間は、第１設定圧力ｒ_ｐ１は第２設定圧力ｒ_ｐ２よりも大幅に大きい値が設定される。すなわち、第２設定圧力ｒ_ｐ２が低圧で一定に保たれているので、流量を生み出すのに必要となる流体抵抗ＦＲの前後の差圧Δｐは第１設定圧力ｒ_ｐ１の大きさで調整されることになる。また、設定流量ｒ_Ｑが大きくなるほど第１設定圧力ｒ_ｐ１も大きな値が設定されることになり、これらの目標値は正の相関があることになる。

圧力制御器６は、設定圧力変換器４から出力された第１設定圧力ｒ_ｐ１と、第１圧力センサＰ１で測定される第１測定圧力ｐ１との偏差に基づいて、第１バルブＶ１に入力される操作量ｍｖ１である印加電圧を制御する。すなわち、圧力制御器６、第１圧力センサＰ１、及び、第１バルブＶ１によって１つのフィードバックループが形成されている。圧力制御器６が第１バルブＶ１の開度を制御することにより、第１容積ＶＬ１内の圧力は設定圧力変換器４から出力されている第１設定圧力ｒ_ｐ１で一定に保たれることになる。

次に第１バルブＶ１及び第２バルブＶ２の制御によって流体抵抗ＦＲの下流側にある第２容積ＶＬ２における圧力がユーザによって設定された一定値の第２設定圧力で維持される点について説明する。

第１バルブＶ１及び第２バルブＶ２はいずれも第２容積ＶＬ２の圧力である第２測定圧力ｐ２そのものを直接フィードバックして制御しているものではない。すなわち、第１バルブＶ１によって第１容積ＶＬ１内の圧力である第１測定圧力ｐ１が第１設定圧力ｒ_ｐ１に制御され、かつ、第２バルブＶ２によって流体抵抗ＦＲを流れる抵抗流量Ｑｒが設定流量ｒ_Ｑに制御される。ここで、第１設定圧力ｒ_ｐ１、設定流量ｒ_Ｑ、及び、第２設定圧力ｒ_ｐ２は式１を満たすように設定されているので、第１測定圧力ｐ１が第１設定圧力ｒ_ｐ１であり、抵抗流量Ｑｒが設定流量ｒ_Ｑであるならば、当然第２測定圧力ｐ２も第２設定圧力ｒ_ｐ２になる。

このように第１実施形態の流量制御装置１００であれば、設定流量変換器４が流したい流量である設定流量ｒ_Ｑと、圧力式の流量センサＦＳの下流側において維持したい圧力である第２設定圧力ｒ_ｐ２からこれらを同時に満たすことができる流量センサＦＳの上流側の圧力である第１設定圧力ｒ_ｐ１へ変換し、この第１設定圧力ｒ＿ｐ１で第１容積ＶＬ１の圧力が保たれるように第１バルブＶ１の制御を行うことができる。

したがって、抵抗流量Ｑｒについては設定流量ｒ_Ｑが実現されるように第２バルブＶ２を制御しつつ、その設定流量ｒ_Ｑの大きさによらず、第２容積ＶＬ２の圧力を第２設定圧力ｒ_ｐ２で維持し続けるように第１バルブＶ１を制御できる。

このため、所望の流量を流しながら、圧力式の流量センサＦＳが流量精度を発揮できる低圧力帯域で流体抵抗ＦＲの下流側の圧力を維持し続けられるので、流量センサＦＳの出力には流量によらずノイズ影響が大きく現れないようにでき、流量制御精度を従来よりも高くすることができる。

次に本発明の第２実施形態における流量制御装置１００について図３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と同じものについては同じ符号を付すこととする。

第２実施形態の流量制御装置１００は、抵抗流量Ｑｒに基づいて第２バルブＶ２から流出する流量であるバルブ流量Ｑｖを算出するバルブ流量算出器７をさらに備えている点と、流量制御器３が制御対象流量をバルブ流量Ｑｖとしており、バルブ流量Ｑｖと設定流量ｒ_Qとの偏差に基づいて第２バルブＶ２を制御する点が第１実施形態の流量制御装置１００と異なっている。

バルブ流量算出器７は、抵抗流量算出器２が算出する抵抗流量Ｑｒから第２測定圧力ｐ２の時間微分値に所定係数αを乗じた値を引くことでバルブ流量Ｑｖを算出する。すなわち、バルブ流量算出器７は、Ｑｖ＝Ｑｒ―αｄ／ｄｔ（ｐ２）・・・（式３）（ｄ／ｄｔは時間微分演算子である）に基づきバルブ流量Ｑｖを算出する。なお、このような演算でバルブ流量Ｑｖが算出できることは、本出願人が別の出願において詳述しているように、第２容積ＶＬ２への流体の流出流入による質量の変化（モル量の変化）、流体の温度、第２測定圧力ｐ２、気体定数Ｒに基づいて、第２容積ＶＬ２に気体の状態方程式を適用することから導ける。また、気体の状態方程式を適用可能な流体であればこのような関係は成り立ち得るので、適用対象となる流体は気体、気液混合体等となり、純粋な液体の場合だけが適用対象から外される。

このように構成された第２実施形態の流量制御装置１００であれば、流量制御器３は第２バルブＶ２を実際に流れているバルブ流量Ｑｖが設定流量ｒ_Ｑと一致するように第２バルブＶ２を制御できるので、制御点と測定点を一致させた制御が可能となる。このため、抵抗流量Ｑｒを用いた場合であれば制御点と測定点がずれていたために過渡状態においては測定される流量に遅れが生じ、結果流量制御にも遅れが生じてしまっていたのを解消することができる。また、このように制御対象流量がバルブ流量Ｑｖとされたとしても、流体抵抗ＦＲの下流側の圧力である第２測定圧力ｐ２については第２設定圧力ｒ_ｐ２に近い値で維持し続けることができる。つまり、制御の遅れを解消しつつ、第１実施形態と同様に抵抗流量Ｑｒの流量精度を高く保つことができ、ひいてはバルブ流量Ｑｖの流量精度も向上させることができる。

その他の実施形態について説明する。

例えば設定受付部については、流量センサＦＳとしての推奨使用圧力域内の一定値しか第２設定圧力ｒ_ｐとして受け付けないように構成してもよい。例えば設定受付部は第２設定圧力として０torr以上９００torr以下の一定値を受け付けるように構成されていてもよいし、より好ましくは０torr以上４００torr以下の一定値を受け付けるようにしてもよい。流体が供給される対象であるチャンバにおいて必要とされる圧力と、流量センサとして流量精度を保証できる圧力域に応じて適宜受付可能な圧力範囲を制限してもよい。

また、第２設定圧力についてはユーザが設定を変更できないように固定してもよい。あるいは、例えば工場出荷時において流量センサの流量精度を発揮するのに最も適した第２設定圧力を設定し、以降は権限のあるオペレータのみが第２設定圧力を変更できるようにしてもよい。

抵抗流量算出器で使用される流量算出式は式１等に限られるものではない。例えば各圧力をそれぞれ二乗した値の差に基づいて抵抗流量を算出するのではなく、第１測定圧力のべき乗と第２測定圧力のべき乗の差に基づいて抵抗流量を算出するようにしてもよい。べき乗の指数としては自然数に限られるものではなく、小数等であっても構わない。

設定圧力変換器はメモリ等の負担を軽減するためにテーブル参照により第１設定圧力を出力するようにしていたが、十分なコンピュータ資源を利用できるのであれば、適宜設定流量及び第２設定圧力が受け付けられるごとに式１の逆計算を行い、第１設定圧力を算出してもよい。この場合には逆計算結果記憶部を省略してもよい。また、テーブルに対応する設定流量、第２設定圧力、第１設定圧力の組のデータが存在しない場合には例えば存在している組のデータの線形補間等による手法で新たに対応する第１設定圧力を算出してもよい。

設定圧力変換器が第２設定圧力、及び、設定流量に基づいて第１設定圧力を算出する構成については式１の抵抗流量の算出式を厳密に逆計算するものに限られない。例えば差圧Δｐが十分に小さいという仮定をおいて式２における差圧Δｐの二乗の項を無視し、近似計算により第１設定圧力ｒ_ｐ１を算出してもよい。すなわち、式２にＱｒ＝ｋ（２×ｒ_ｐ２×（ｒ_ｐ１－ｒ_ｐ２））と近似して、ｒ_ｐ１＝ｒ_ｐ２＋Ｑｒ／（２ｋ×ｒ_ｐ２）により第１設定圧力ｒ_ｐ２を算出してもよい。また、設定圧力変換器は第２設定圧力と設定流量に基づいて、第１設定圧力を算出するものであってもよい。

流体抵抗は層流素子に限られるものではなく、例えばオリフィス等の流量制限を要素であっても構わない。第１バルブ及び第２バルブについてもピエゾバルブに限られるものではなく、例えばソレノイドバルブ等の様々な駆動原理のアクチュエータを備えた任意の開度を実現可能な制御バルブであってもよい。

各実施形態の流量制御装置については、各構成がパッケージ化されたマスフローコントローラを例として説明したが、各バルブ、圧力センサ、流体抵抗をそれぞれ個別に組み合わせて流量制御装置を構成しても構わない。

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変形や、各実施形態の一部同士の組み合わせ等を行っても構わない。

１００・・・流量制御装置
Ｖ１ ・・・第１バルブ
Ｖ２ ・・・第２バルブ
ＦＳ ・・・流量センサ
ＦＲ ・・・流体抵抗
Ｐ１ ・・・第１圧力センサ
Ｐ２ ・・・第２圧力センサ
１ ・・・設定受付部
２ ・・・抵抗流量算出器
３ ・・・流量制御器
４ ・・・設定圧力変換器
５ ・・・逆計算結果記憶部
６ ・・・圧力制御器

Claims (13)

1. 流路に設けられた流体抵抗と、
   前記流体抵抗の上流側に設けられた第１バルブと、
   前記流体抵抗の下流側に設けられた第２バルブと、
   前記第１バルブと前記流体抵抗との間に設けられた第１圧力センサと、
   前記流体抵抗と前記第２バルブとの間に設けられた第２圧力センサと、
   前記第１圧力センサで測定される第１測定圧力と、前記第２圧力センサで測定される第２測定圧力と、に基づいて、前記流体抵抗を流れる流体の流量である抵抗流量を算出する抵抗流量算出器と、
   設定流量と、前記抵抗流量又は前記抵抗流量から算出される前記第２バルブから流出するバルブ流量である制御対象流量との偏差に基づいて、前記第２バルブを制御する流量制御器と、
   前記流体抵抗の下流側における圧力の目標であり、一定値が設定される第２設定圧力と、前記設定流量とに基づいて、前記流体抵抗の上流側における圧力の目標である第１設定圧力を出力する設定圧力変換器と、
   前記設定圧力変換器から出力された前記第１設定圧力と、前記第１測定圧力との偏差に基づいて、前記第１バルブを制御する圧力制御器と、を備えた流量制御装置。
2. 前記設定圧力変換器が、前記流体抵抗の下流側の圧力が前記第２設定圧力で保たれている場合において、前記抵抗流量が前記設定流量となるのに必要な前記流体抵抗の上流側の圧力を第１設定圧力として出力するように構成された請求項１記載の流量制御装置。
3. 前記第２設定圧力が可変である請求項１又は２いずれか一項に記載の流量制御装置。
4. 前記設定流量の値が大きくなるほど前記第１設定圧力として大きな値が出力されるように前記設定圧力変換器が構成されている請求項１乃至３いずれか一項に記載の流量制御装置。
5. 前記抵抗流量算出器が、前記第１測定圧力のべき乗と前記第２測定圧力のべき乗の差に基づいて前記抵抗流量を算出する請求項１乃至４いずれか一項に記載の流量制御装置。
6. 前記抵抗流量算出器が、前記第１測定圧力の二乗と前記第２測定圧力の二乗の差に流量定数を乗じて前記抵抗流量を算出する請求項１乃至５いずれか一項に記載の流量制御装置。
7. 前記設定圧力変換器が、前記第２設定圧力として０torr以上９００torr以下の一定値を受け付けるように構成されている請求項１乃至６いずれか一項に記載の流量制御装置。
8. 前記設定圧力変換器が、前記第２設定圧力として０torr以上４００torr以下の一定値を受け付けるように構成されている請求項１乃至７いずれかに一項に記載の流量制御装置。
9. 前記第２設定圧力及び前記設定流量の各組に対してそれぞれ前記第１設定圧力が紐付けられたテーブルをさらに具備し、
   前記設定圧力変換器が、受け付けられた前記第２設定圧力及び前記設定流量に基づいて前記テーブルを参照して前記第１設定圧力を出力するように構成された請求項１乃至８いずれかに一項に記載の流量制御装置。
10. 前記抵抗流量と、前記第２測定圧力とに基づいて、前記第２バルブから流出する前記バルブ流量を算出するバルブ流量算出器をさらに備え、
    前記制御対象流量が前記バルブ流量であり、
    前記流量制御器が、前記設定流量と前記バルブ流量との偏差に基づいて、前記第２バルブを制御するように構成されている請求項１乃至９いずれか一項に記載の流量制御装置。
11. 前記抵抗流量算出器が、
    前記第２バルブが開放されている状態では前記第１測定圧力と前記第２測定圧力とに基づいて、前記抵抗流量を算出し、
    前記第２バルブが全閉されている状態では前記第１測定圧力と前記第２設定圧力とに基づいて、前記抵抗流量を算出するように構成されている請求項１乃至１０いずれか一項に記載の流量制御装置。
12. 流路に設けられた流体抵抗と、前記流体抵抗の上流側に設けられた第１バルブと、前記流体抵抗の下流側に設けられた第２バルブと、前記第１バルブと前記流体抵抗との間に設けられた第１圧力センサと、前記流体抵抗と前記第２バルブとの間に設けられた第２圧力センサと、を備えた流量制御装置を用いた流量制御方法であって、
    前記第１圧力センサで測定される第１測定圧力と、前記第２圧力センサで測定される第２測定圧力と、に基づいて、前記流体抵抗を流れる流体の流量である抵抗流量を算出する抵抗流量算出ステップと、
    設定流量と、前記抵抗流量又は前記抵抗流量から算出される前記第２バルブから流出するバルブ流量である制御対象流量との偏差に基づいて、前記第２バルブを制御する流量制御ステップと、
    前記流体抵抗の下流側における圧力の目標であり、一定値が設定される第２設定圧力、前記設定流量とに基づいて、前記流体抵抗の上流側における圧力の目標である第１設定圧力を出力する設定圧力変換ステップと、
    前記設定圧力変換ステップにおいて出力された前記第１設定圧力と、前記第１測定圧力との偏差に基づいて、前記第１バルブを制御する圧力制御ステップと、を備えた流量制御方法。
13. 流路に設けられた流体抵抗と、前記流体抵抗の上流側に設けられた第１バルブと、前記流体抵抗の下流側に設けられた第２バルブと、前記第１バルブと前記流体抵抗との間に設けられた第１圧力センサと、前記流体抵抗と前記第２バルブとの間に設けられた第２圧力センサと、を備えた流量制御装置に用いられる流量制御装置用プログラムであって、
    前記第１圧力センサで測定される第１測定圧力と、前記第２圧力センサで測定される第２測定圧力と、に基づいて、前記流体抵抗を流れる流体の流量である抵抗流量を算出する抵抗流量算出器と、
    設定流量と、前記抵抗流量又は前記抵抗流量から算出される前記第２バルブから流出するバルブ流量である制御対象流量との偏差に基づいて、前記第２バルブを制御する流量制御器と、
    前記流体抵抗の下流側における圧力の目標であり、一定値が設定される第２設定圧力と、前記設定流量とに基づいて、前記流体抵抗の上流側における圧力の目標である第１設定圧力を出力する設定圧力変換器と、
    前記設定圧力変換器から出力された前記第１設定圧力と、前記第１測定圧力との偏差に基づいて、前記第１バルブを制御する圧力制御器と、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量制御装置用プログラム。
    

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