JP5136900B2 - アナログ出力回路、流量制御装置及び流量制御装置の出力異常判別方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガス等の比較的小流量の流体の質量流量を制御する質量流量制御装置から出力を出すアナログ出力回路、アナログ出力回路を有する流量制御装置、及び流量制御装置の出力異常判別方法に関する。

一般に、半導体集積回路等の半導体製品等を製造するためには、半導体ウエハ等に対して例えばＣＶＤ成膜やエッチング操作等が種々の半導体製造装置において繰り返し行われるが、この場合に微量の処理ガスの供給量を精度良く制御する必要から例えばマスフローコントローラのような質量流量制御装置が用いられている。
ここで一般的な質量流量制御装置の構成について、図１を参照して説明する。図１はガス配管に介設された従来の質量流量制御装置の一例の概略構成図である。

図示するように、この質量流量制御装置２は、液体や気体等の流体を流す流体通路、例えばガス管４の途中に介設されて、この質量流量を制御するようになっている。尚、このガス管４の一端に接続される半導体製造装置内は例えば真空引きされている。この質量流量制御装置２は、例えばステンレススチール等により成形された流路６を有しており、この両端が上記ガス管４に接続される。この質量流量制御装置２は流路６の前段側に位置する流量センサ部８と後段側に位置する流量制御弁機構１０とよりなる。

まず、上記流量センサ部８は、上記流路６のガス流体の流れ方向の上流側に設けられて複数のバイパス管を束ねてなるバイパス群１２を有している。上記バイパス群１２の両端側には、これを迂回するようにセンサ管１４が接続されており、これにバイパス群１２と比較して小量のガス流体を一定の比率で流し得るようになっている。すなわち、このセンサ管１４には全ガス流量に対して一定の比率の一部のガスを常に流すようになっている。このセンサ管１４には直列に接続された制御用の一対の抵抗線Ｒ１、Ｒ４が巻回されており、これに接続されたセンサ回路１６により質量流量値を示す流量信号Ｓ１を出力するようになっている。

この流量信号Ｓ１は、例えばマイクロコンピュータ等よりなる質量流量制御手段１８へ導入されて、上記流量信号Ｓ１に基づいて現在流れているガスの質量流量が求められると共に、その質量流量が半導体製造装置等の外部より入力される流量設定信号Ｓｉｎで表される質量流量に一致するように、上記流量制御弁機構１０を制御することになる。また、現在流れているガスの質量流量は流量出力信号Ｓｏｕｔとして半導体製造装置等の外部装置へ出力可能なようになっている。

また、この流量制御弁機構１０は、上記流路６の下流側に設けられた流量制御弁２０を有しており、この流量制御弁２０はガス流体の質量流量を直接的に制御するための弁体として例えば金属板製の屈曲可能になされたダイアフラム２２を有している。
そして、このダイアフラム２２を弁口２４に向けて適宜屈曲変形させて移動させることによって、上記弁口２４の弁開度を任意に制御し得るようになっている。そして、このダイアフラム２２の上面は、例えば積層圧電素子（ピエゾ素子）よりなるアクチュエータ２６の下端部に接続されており、これにより、その弁開度が上記したように調整できるようになっている。このアクチュエータ２６は、上記質量流量制御手段１８からの駆動信号を受けてバルブ駆動回路２８が出力するバルブ駆動電圧Ｓ２により動作する。

ところで、流量設定信号Ｓｉｎ、流量出力信号Ｓｏｕｔをアナログ電圧で入出力した場合、質量流量制御装置側からみると、半導体製造装置側からの流量設定信号Ｓｉｎが流量制御可能な範囲（例えば、０〜５ＶＤＣ）であるか判断することはできるが、流量出力信号Ｓｏｕｔについては、正常に出力されているかどうか判断する機能が搭載されていない。このため、半導体製造装置側からは、質量流量制御装置からの流量出力信号Ｓｏｕｔがたとえ流量制御可能な範囲（例えば、０〜５ＶＤＣ）であったとしても、正常な流量制御状態にあるのか、回路が故障して、一定流量出力電圧になっているのか判断することが出来ない。

このようなアナログ出力信号の異常を検知するものとしては、例えば特許文献１に記載のアナログ信号出力回路がある。この特許文献１に記載の技術は、複数のホールド回路とデジタルアナログ変換器とバッファ回路とを有してデジタル制御を行なう計算機システムのＡＯカード（アナログ信号出力回路）に於いて、ホールド回路の出力信号を選択する第１の切替器と、デジタルアナログ変換器の出力信号を選択する第２の切替器と、第２の切替器の出力信号をアナログデジタル変換するアナログデジタル変換器と、第１の切替器より出力される信号とアナログデジタル変換器より出力される信号とを比較する比較器とを設けて、ホールド回路とデジタルアナログ変換器の出力信号に相当する信号を上記比較器にてデジタル比較する構成としたものである。

あるいは、特許文献２には、第１の物理量をそのまま、又は第１の物理量の変換をして得た第２の物理量を共通の入力とする第１及び第２のサブシステムでなる二重系と、第１又は第２の物理量を受け、第１又は第２のサブシステムの出力をモデル化により推定した推定値を擬似出力として計算により生成する計算モデルと、第１及び第２のサブシステムの出力並びに擬似出力を比較し、第１又は第２のサブシステムのうちのいずれが故障であるかを多数決論理で判定する判定手段とを含んでなる故障検知機能付き二重系システムが記載されている。

特開平８−３０５４０３号公報 特開２００６−２２８００２号公報

しかしながら、特許文献１、特許文献２のいずれに記載の技術も回路の構成が複雑化し、部品の増加によって故障要因を増加させる虞がある。また、高価な構成部品を必要とするといった問題があった。また、質量流量制御装置にアナログ出力信号の異常を検知する機能がないものにおいては、その異常を発見することが遅れ、例えば、成膜装置のような半導体製造装置において、ウエハの損失を伴うといった問題があった。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、デジタルアナログコンバータ等の異常を確実に検知するとともに安価なアナログ出力回路を提供することを目的としている。また、本発明はデジタルアナログコンバータ等の異常を確実に検知する流量制御装置、及び流量制御装置の出力異常判別方法の提供を目的としている。

請求項１に係る発明は、デジタル演算回路からのデジタル出力信号をデジタルアナログコンバータとゲイン回路を介してアナログ信号を出力するアナログ出力回路であって、前記デジタル演算回路は、パルスワイドモジュレーションとアナログデジタルコンバータを含み、前記デジタルアナログコンバータのＤＡＣ出力信号と、前記パルスワイドモジュレーションの出力をローパスフィルタを介して一定電圧としたＰＷＭ信号とを加減算回路に入力し、前記加減算回路にて前記ＤＡＣ出力信号と前記ＰＷＭ信号との加減算結果を、前記アナログデジタルコンバータに出力し、前記デジタル演算回路は、前記加減算結果と前記デジタル出力信号とを比較し、前記加減算結果に基づいて、異常信号を出力することを特徴とするアナログ出力回路である。

上記の構成によれば、これまでの出力回路にローパスフィルタと加減算回路とを付加するだけでアナログ出力信号の異常を検知することができるので、安価な回路構成とすることができる。

また、請求項２に係る発明は、外部から入力された流量設定信号に基づいて流量制御し、流量制御の状態を外部へ出力するように構成された制御手段を有する流量制御装置において、前記外部への出力信号は請求項１に記載のアナログ出力回路を通じて出力するように構成したことを特徴とする流量制御装置である。

また、請求項３に係る発明は、外部から入力された流量設定信号に基づいて流量制御し、流量制御の状態を外部へ出力するように構成された流量制御装置の出力異常判別方法であって、前記流量制御装置の制御手段には、デジタル演算回路と、デジタル演算回路からのデジタル出力信号をデジタルアナログコンバータとゲイン回路を介してアナログ信号を出力するアナログ出力回路とを有し、前記デジタル演算回路は、パルスワイドモジュレーションとアナログデジタルコンバータを含み、前記パルスワイドモジュレーションからのデジタル信号を一定電圧化する工程と、前記一定電圧化した信号と、前記デジタルアナログコンバータの出力とを加算又は減算する工程と、前記加算又は減算した信号を再びデジタル化する工程と、前記再びデジタル化した信号を予め設定しておいた上限及び／又は下限閾値と比較する工程と、からなる流量制御装置の出力異常判別方法である。

更に、請求項４に係る発明は、請求項３に記載の流量制御装置の出力異常判別方法であって、更に、前記パルスワイドモジュレーションからのデジタル信号を所定量オフセットした第２のデジタル信号を一定電圧化する工程と、前記第２のデジタル信号を一定電圧化した信号と、前記デジタルアナログコンバータの出力とを加算又は減算する工程と、前記加算又は減算した信号を再びデジタル化する工程と、前記再びデジタル化した信号を予め設定しておいた第２の上限及び／又は下限閾値と比較する工程と、を有することを特徴とする流量制御装置の出力異常判別方法である。

本発明によれば、これまでの出力回路にローパスフィルタと加減算回路とを付加するだけでアナログ出力信号の異常を検知することができるので、デジタルアナログコンバータ等の異常を確実に検知するとともに安価なアナログ出力回路とすることができる。

以下に、本発明に係るアナログ出力回路及びこれを用いた質量流量制御装置の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
図２は本発明にかかるアナログ出力回路の回路図、図３は本発明にかかるアナログ出力回路の一実施例のフローチャート、図４は本発明にかかるアナログ出力回路の他の実施例のフローチャートである。尚、本発明にかかる質量流量制御装置は、図１において示した構成部分と同一構成部分については同一符号を付してその説明を省略する。

図２に示すように、アナログ出力回路４０は、デジタル演算回路４２からのデジタル出力信号をデジタルアナログコンバータ４４とゲイン回路４６を介してアナログ信号である流量出力信号Ｓｏｕｔを出力するように構成されている。また、デジタル演算回路４２には、パルスワイドモジュレーション４２ａとアナログデジタルコンバータ４２ｂとを内蔵している。

そして、デジタルアナログコンバータ４４のＤＡＣ出力信号Ｓ３と、パルスワイドモジュレーション４２ａの出力をローパスフィルタ４８を介して変換されたＰＷＭ信号Ｓ４を加減算回路５０に入力するように構成されている。また、加減算回路５０の出力は、アナログデジタルコンバータ４２ｂに入力される。

一般的に、パルスワイドモジュレーション４２ａからは、パルス巾の異なる信号が断続的に出力される。そして、この信号をローパスフィルタ４８に通すと、ほぼ一定電圧の信号（ＰＷＭ信号Ｓ４）に変換される。

そして、加減算回路５０にて、ＤＡＣ出力信号Ｓ３とＰＷＭ信号Ｓ４とを加減算処理して比較し、その結果をアナログデジタルコンバータ４２ｂに出力するように構成されている。

続いて、図３及び図４を用いて、デジタルアナログコンバータの異常を検出する手順を詳細に説明する。

＜実施例１＞
図３に示すように、質量流量制御装置が流量制御状態になると、デジタル演算回路（以下、ＣＰＵという）４２からデジタルアナログコンバータ（以下、ＤＡＣという）４４へ流量出力値データが出力される（Ｋ１）。そして、ＤＡＣ４４でアナログ変換し、ＤＡＣ出力信号Ｓ３を出力する（Ｋ２）。このＤＡＣ出力信号Ｓ３はゲイン回路４６を通して、外部の機器へと流量出力信号Ｓｏｕｔ（例えば、ＤＣ５Ｖ）を出力している（Ｋ３）。より具体的には、ＣＰＵ４２から１２ｂｉｔあるいは１６ｂｉｔのデジタル信号が出力され、ＤＡＣ４４で直流電圧ＤＣ３Ｖの信号に変換される。そして、ゲイン回路４６でＤＣ５Ｖの流量出力信号Ｓｏｕｔとして出力している。

質量流量制御装置の流量制御が安定状態にあるとき（例えば、流量設定信号Ｓｉｎが入力されてから１秒後）、異常検知機能を開始する。ＣＰＵ４２からパルスワイドモジュレーション（以下、ＰＷＭという）４２ａへ所定のデジタル信号を出力する（Ｋ４）。そして、ＰＷＭ４２ａとローパスフィルタ４８を通過したＰＷＭ信号Ｓ４と、ＤＡＣ４４の出力であるＤＡＣ出力信号Ｓ３とを加減算回路５０で処理し、加減算出力信号Ｓ５をアナログデジタルコンバータ（以下、ＡＤＣという）４２ｂを通じてＣＰＵ４２に戻す（Ｋ５）。より具体的には、ＰＷＭ４２ａからはローパスフィルタ４８を通すとＤＣ１Ｖになるようなデジタル信号が出力され、ローパスフィルタ４８を通過したＤＣ１ＶのＰＷＭ信号Ｓ４に、ＤＣ３ＶであるＤＡＣ出力信号Ｓ３を加減算回路５０で加算して、ＤＣ４Ｖの加減算出力信号Ｓ５を出力する。

予め制御回路内には、加減算出力信号Ｓ５に対する上限閾値ＡＨと下限閾値ＡＬが記憶されている。この上限閾値ＡＨと下限閾値ＡＬは例えば、正常状態における加減算出力信号Ｓ５の±２％（例えば、５ＶＤＣ ± ０．１ＶＤＣ）である。この上限閾値ＡＨ、及び下限閾値ＡＬはデジタルデータであることは言うまでもない。

そして、ＣＰＵ４２では、加減算出力信号Ｓ５と上限閾値ＡＨ及び下限閾値ＡＬとを比較する。加減算出力信号Ｓ５が上限閾値ＡＨと下限閾値ＡＬの間にある場合には、流量出力信号Ｓｏｕｔを出力する回路に異常がないと判断して、流量制御を継続する。一方、加減算出力信号Ｓ５が上限閾値ＡＨより大きい場合、あるいは下限閾値ＡＬより小さい場合には、ＣＰＵ４２から出力した信号に所定の信号を加減算した値としてＣＰＵ４２に戻っていないので、アナログ出力回路４０のいずれかに異常があると判断する（Ｋ６）。

そして、ＣＰＵ４２からＰＷＭ４２ａに対して現在の流量出力値データにオフセット電圧Ｖ０を加えた信号（例えば、ローパスフィルタ４８を通すとＤＣ１．１Ｖになるようなデジタル信号）を印加する（Ｋ７）。そして、ＰＷＭ４２ａを通過したＰＷＭ信号Ｓ４と、ＤＡＣ４４の出力であるＤＡＣ出力信号Ｓ３とを加減算回路５０で処理し、加減算出力信号Ｓ５０をアナログデジタルコンバータ（以下、ＡＤＣという）４２ｂを通じてＣＰＵ４２に戻す（Ｋ８）。

予め制御回路内には、加減算出力信号Ｓ５０に対する上限閾値ＢＨと下限閾値ＢＬが記憶されている。この上限閾値ＡＨと下限閾値ＡＬは例えば、正常状態における加減算出力信号Ｓ５０の±２％（例えば、５ＶＤＣ＋０．５ＶＤＣ（Ｖ０）±０．１ＶＤＣ）である。

そして、ＣＰＵ４２では、加減算出力信号Ｓ５０と上限閾値ＢＨ及び下限閾値ＢＬとを比較する。加減算出力信号Ｓ５０が上限閾値ＢＨと下限閾値ＢＬの間にある場合には、オフセットした値として信号が戻っていないので、流量出力信号Ｓｏｕｔを出力する回路に異常がないが、ＰＷＭ信号Ｓ４側に異常があると判断する。一方、加減算出力信号Ｓ５０が上限閾値ＢＨより大きい場合、あるいは下限閾値ＢＬより小さい場合には、ＤＡＣ４４に異常があると判断する（Ｋ９）。

そして、ＤＡＣ４４に異常がある場合には、アラームを外部機器へ出力する（Ｋ１０）。また、ＰＷＭ信号Ｓ４側に異常がある場合には、警報を表示し、質量流量制御装置の流量制御は継続させる（Ｋ１１）。

すなわち、Ｋ６の過程において、アナログ出力回路４０全体の正常／異常を判断し、Ｋ９の過程において、ＰＷＭ４２ａ側の回路の正常／異常を判断することとなる。したがって、図１における質量流量制御装置２の質量流量制御手段１８に安価な部品で構成されるアナログ出力回路４０を付加するだけで、デジタルアナログコンバータ等の異常を確実に検知することができる。

＜実施例２＞
また、図４に示す手順によればデジタルアナログコンバータの異常が更に正確に判定することができる。尚、図３において示した構成部分と同一構成部分については同一符号を付してその説明を省略する。すなわち、ＰＷＭ信号Ｓ４側に異常があると判断する工程Ｋ９までは同一である。

そして、流量設定信号Ｓｉｎが変更されるまで、この状態を維持する（Ｋ１２）。例えば、流量設定信号Ｓｉｎが変更されるまでの時間は、半導体製造装置において通常１０秒程度である。また、このとき、工程Ｋ９までの情報は記憶しておく。

流量設定信号Ｓｉｎに変更があると、質量流量制御装置は変更された流量設定信号に応じて流量制御を行い、その結果、流量出力値が変更され、ＣＰＵ４２からＤＡＣ４４へ変更された流量出力値データを出力する（Ｋ１３）。同時に、ＣＰＵ４２からＰＷＭ４２ａへ、ＤＡＣ４４へ出力した信号と同じ流量出力値データを出力する（Ｋ１４）。この場合、上述したように、所定のデジタル信号を出力するようにしても良い。そして、ＰＷＭ４２ａを通過したＰＷＭ信号Ｓ４と、ＤＡＣ４４の出力であるＤＡＣ出力信号Ｓ３とを加減算回路５０で処理し、加減算出力信号Ｓ５１をＡＤＣ４２ｂを通じてＣＰＵ４２に戻す（Ｋ１５）。

予め制御回路内には、加減算出力信号Ｓ５１に対する上限閾値ＡＨと下限閾値ＡＬが記憶されている。この上限閾値ＡＨと下限閾値ＡＬは加減算出力信号Ｓ５の判定に用いた値と同一である。

そして、ＣＰＵ４２では、加減算出力信号Ｓ５１と上限閾値ＡＨ及び下限閾値ＡＬとを比較する。加減算出力信号Ｓ５１が上限閾値ＡＨと下限閾値ＡＬの間にある場合には、流量出力信号Ｓｏｕｔを出力する回路に異常がないと判断して、流量制御を継続する。一方、加減算出力信号Ｓ５１が上限閾値ＡＨより大きい場合、あるいは下限閾値ＡＬより小さい場合には、ＤＡＣ４４に異常があると判断し（Ｋ１６）、アラームを外部機器へ出力する（Ｋ１７）。

したがって、図１における質量流量制御装置２の質量流量制御手段１８に安価な部品で構成されるアナログ出力回路４０を付加するだけで、デジタルアナログコンバータ等の異常を確実に検知することができる。

また、本発明にかかるアナログ出力回路は、図５に示すように、ゲイン回路４６の出力を加減算回路５０の入力としたアナログ出力回路４０Ａとすることができる。この場合においても、ＤＡＣ出力信号Ｓ３とＰＷＭ信号Ｓ４とを加減算回路５０で処理して、ＣＰＵ４２に戻し、図３又は図４に示した手順に従って異常判断を行えば、ＤＡＣ４４又はゲイン回路４６の異常を検知することができる。

ガス配管に介設された従来の質量流量制御装置の一例を示す概略構成図である。 本発明にかかるアナログ出力回路の一実施例の回路図である。 本発明にかかるアナログ出力回路の一実施例のフローチャートである。 本発明にかかるアナログ出力回路の他の実施例のフローチャートである。 本発明にかかるアナログ出力回路の他の実施例の回路図である。

符号の説明

２：質量流量制御装置、４：ガス管（流体通路）、６：流路、８：流量センサ部、１０：流量制御弁機構、
１２：バイパス群、１４：センサ管、１６：センサ回路、１８：質量流量制御手段、２０：流量制御弁、
２２：ダイアフラム、２４：弁口、２６：アクチュエータ、２８：バルブ駆動回路、
４０、４０Ａ：アナログ出力回路、４２：デジタル演算回路、４２ａ：パルスワイドモジュレーション、４２ｂ：アナログデジタルコンバータ、４４：デジタルアナログコンバータ、４６：ゲイン回路、４８：ローパスフィルタ、５０：加減算回路、
Ｓｉｎ ：流量設定信号
Ｓｏｕｔ：流量出力信号
Ｓ１ ：流量信号
Ｓ２ ：バルブ駆動電圧
Ｓ３ ：ＤＡＣ出力信号
Ｓ４ ：ＰＷＭ信号
Ｓ５、Ｓ５０、Ｓ５１：加減算出力信号

Claims (4)

1. デジタル演算回路からのデジタル出力信号をデジタルアナログコンバータとゲイン回路を介してアナログ信号を出力するアナログ出力回路であって、
   前記デジタル演算回路は、パルスワイドモジュレーションとアナログデジタルコンバータを含み、
   前記デジタルアナログコンバータのＤＡＣ出力信号と、前記パルスワイドモジュレーションの出力をローパスフィルタを介して一定電圧としたＰＷＭ信号とを加減算回路に入力し、
   前記加減算回路にて前記ＤＡＣ出力信号と前記ＰＷＭ信号との加減算結果を、前記アナログデジタルコンバータに出力し、
   前記デジタル演算回路は、前記加減算結果に基づいて、異常信号を出力することを特徴とするアナログ出力回路。
2. 外部から入力された流量設定信号に基づいて流量制御し、流量制御の状態を外部へ出力するように構成された制御手段を有する流量制御装置において、前記外部への出力信号は請求項１に記載のアナログ出力回路を通じて出力するように構成したことを特徴とする流量制御装置。
3. 外部から入力された流量設定信号に基づいて流量制御し、流量制御の状態を外部へ出力するように構成された流量制御装置の出力異常判別方法であって、
   前記流量制御装置の制御手段には、デジタル演算回路と、デジタル演算回路からのデジタル出力信号をデジタルアナログコンバータとゲイン回路を介してアナログ信号を出力するアナログ出力回路とを有し、
   前記デジタル演算回路は、パルスワイドモジュレーションとアナログデジタルコンバータを含み、
   前記パルスワイドモジュレーションからのデジタル信号を一定電圧化する工程と、
   前記一定電圧化した信号と、前記デジタルアナログコンバータの出力とを加算又は減算する工程と、
   前記加算又は減算した信号を再びデジタル化する工程と、
   前記再びデジタル化した信号を予め設定しておいた上限及び／又は下限閾値と比較する工程と、からなることを特徴とする流量制御装置の出力異常判別方法。
4. 請求項３に記載の流量制御装置の出力異常判別方法であって、
   更に、前記パルスワイドモジュレーションからのデジタル信号を所定量オフセットした第２のデジタル信号を一定電圧化する工程と、
   前記第２のデジタル信号を一定電圧化した信号と、前記デジタルアナログコンバータの出力とを加算又は減算する工程と、
   前記加算又は減算した信号を再びデジタル化する工程と、
   前記再びデジタル化した信号を予め設定しておいた第２の上限及び／又は下限閾値と比較する工程と、を有することを特徴とする流量制御装置の出力異常判別方法。

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