JP5868815B2 - 流量制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体製造プロセスのガス供給システム等に用いられる流量制御装置に関するものである。

従来のこの種の流量制御装置は、例えば特許文献１に示すように、流路上に設けられた流体抵抗素子と、その上下流にそれぞれ設けられた圧力センサと、同流路上に設けられた流量調整弁と、前記各圧力センサの測定圧力に所定の演算を施して流量を算出・測定するとともに、その測定流量と予め定められた設定流量とを比較し、それらの偏差を打ち消すように、すなわち、測定流量が設定流量となるように流量調整弁を駆動制御する制御回路とを具備している。

特表２００５−５０７９９６号公報

しかしながら、測定流量と設定流量との偏差から流量調整弁の駆動電圧を決めるフィードバック制御であると、流量調整弁の駆動電圧に対する流量の特性が、図３に示すように、低流量域において非線形なため、同じ流量偏差が生じてそれを打ち消すべく同じように流量調整弁の駆動電圧を変化させたとしても、そのときに流れている流量の大小によって、流量の変化量が異なることとなる。

これはつまり、流量の大小によって流量制御特性が変わるということであり、そのために、低流量域においては、ある設定流量では安定に動作するにもかかわらず、別の設定流量では応答性が変わってしまい、発振して動作が不安定になったり、動作が鈍くなったりして、制御精度を担保できなくなるといった現象が生じる。そして、このことが流量制御装置の低流量域側での動作限界を決定する１つの要因となっている。

かといって、非線形な特性に対応すべく、例えば、ＰＩＤ制御の比例定数を場合分けして細やかに設定したり、現代制御などの複雑な制御系を導入したりすると制御回路に負担がかかるうえ、制御方式が特化しすぎて配管構成やガス種が変わったときなどに対応できなくなるなどのおそれも生じる。

本発明はかかる問題を鑑みてなされたものであって、簡単な構成でありながら、従来に比べ、所定以下の流量域（以下、低流量域とも言う。）でも安定にかつ精度良く動作する流量制御装置を提供すべく図ったものである。

すなわち、本発明に係る流体制御システムは、
流体が流れる流路と、
駆動信号の値に応じて前記流路を流れる流量を変化させる流量調整弁であって、低流量域において、駆動信号値の単位増加量に対する流量の増加量が、駆動信号値が大きくなるに連れ増大する信号値−流量特性を有した流量調整弁と、
前記流路を流れる流体に抗力を作用させる流体抵抗素子であって、低流量域において、流量の単位増加量に対する該流体抵抗素子に作用する圧力の増加量が、流量が大きくなるに連れ減少する流量−圧力特性を有した流体抵抗素子と、
前記圧力を測定する圧力測定手段と、
前記圧力測定手段による測定圧力に所定の圧力−流量変換演算を施して測定流量を算出する流量算出部と、
予め与えられた設定流量に前記圧力−流量変換演算の逆演算を施して、該設定流量が流れたときに生じるべき圧力である設定圧力を算出する設定圧力算出部と、
前記設定圧力と測定圧力との偏差に基づいて前記駆動信号の値を算出し該駆動信号を流量調整弁に出力する駆動信号出力部と、
を具備していることを特徴とする。

このようなものであれば、圧力の偏差に基づいて流量調整弁を制御しているので、後述する理由によって低流量域でも安定に動作することができるようになる。

低流量域で安定動作できる理由は以下の通りである。低流量域において、本発明の流体抵抗素子の流量変化に対する圧力の変化特性は上に凸の非線形関数で表される一方、流量調整弁の駆動電圧変化に対する流量の変化特性は下に凸の非線形関数で表されるため、これらをトータルして、流量調整弁の駆動電圧変化に対する流体抵抗素子の圧力変化の特性で見ると、上に凸の特性と下に凸の特性とが打ち消しあい、線形に近いものとなる。

したがって、圧力の偏差に基づいて流量調整弁を制御すれば、従来の流量の変化に基づいて制御するよりも、線形に近い対象の制御となるので、上述したように、低流領域において安定でかつ精度の良い動作がＰＩＤ制御などの古典制御でも可能となる。

また、制御パラメータとして従来の流量を圧力に代えるだけであり、現代制御などの複雑な制御も不要なので、制御回路に大きな負担がかかることもなく、従来と同様のハードウェア構成での実現が可能となる。
なお、逆演算とは、ある値Ａを別の値Ｂに変換するときの演算に対し、ＢからＡに逆に変換するときの演算のことを言う。また、駆動信号の値とは、電流、電圧、パルス駆動の場合のデューティ比などが挙げられる。

ところで、前記構成であると、設定流量から設定圧力への変換には、圧力−流量変換演算の逆演算を施さなければならないところ、例えば流量測定精度を高めるために前記圧力−流量変換演算を多次多項式などにしている場合に、その逆演算が複雑になって計算に必要なソフトウェアやハードウェアがより大がかりなものになる場合がある。

このような事態を回避するには、前記設定圧力算出部として、予め与えられた設定流量に、前記圧力−流量変換演算の逆演算に近似した近似流量−圧力変換演算を施して、該設定流量が流れたときに生じるべき圧力に近似する近似設定圧力を算出するものとし、
前記測定流量に前記近似流量−圧力変換演算を施して、前記近似設定圧力と比較するための仮想測定圧力を算出する仮想測定圧力算出部をさらに設けるとともに、
駆動信号出力部として、前記近似設定圧力と仮想測定圧力との偏差に基づいて前記駆動信号の値を算出し該駆動信号を流量調整弁に出力するものとすることが望ましい。

以上に述べたように本発明によれば、従来に比べ、構成を複雑化することなく、低流量域でも安定に、かつ精度良く動作する流量制御装置を提供することが可能となる。

本発明の第１実施形態における流量制御装置の模式図。 本発明の第２実施形態における流量制御装置の模式図。 流量調整弁の流量特性を示す図。 流体抵抗素子の流量特性を示す図。 流量調整弁の駆動電圧変化に対する流体抵抗素子の圧力変化の特性を示す図。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
＜第１実施形態＞
本実施形態に係る流量制御装置１００は、例えば半導体製造プロセスにおいて使用される材料ガスの流量を制御するものであって、前記ガスが流れる流路Ｌと、流路Ｌ上に設けられた流量調整弁１と、当該流路Ｌ上であって前記流量調整弁１よりも下流に設けられた流体抵抗素子２と、該流体抵抗素子２の上下流にそれぞれ設けられた圧力センサ３１，３２（請求項で言う圧力測定手段）と、前記各圧力センサ３１，３２による測定圧力からガスの流量を算出測定するとともに、その測定流量が入力された設定流量に近づくように前記流量調整弁１を制御する制御回路４とを具備している。

詳述すれば、流量調整弁１は、駆動信号を与えられると、その値、すなわち駆動電圧によって図示しないピエゾ素子を駆動して、そのピエゾ素子の動きによって弁を開閉できるようにしたものであり、この弁開度によって流路Ｌを流れる流体の流量を調整することができる。この流量調整弁１の特性の1つである、駆動信号値の変化に対する流量変化の特性（以下、信号値−流量特性とも言う。）は、図３に示すように、低流量域では、非線形な下に凸の関数で表される。下に凸の関数で表される特性とは、駆動信号値の単位増加量に対する流量の増加量が、駆動信号値が大きくなるに連れ増大する特性のことである。なお、流量制御弁としては、内部のコイルに電流が流れ、そのときに発生する磁力によって弁を開閉できるようにした電磁弁式等のものでも構わない。

流体抵抗素子２は、前記流路Ｌを流れる流体に抗力を作用させ、該流体抵抗素子２の両側に圧力差を生じさせるものであり、ここでは、流体が層流状態で内部を流れるようにした層流抵抗素子を用いている。この流体抵抗素子２の、流量変化に対する圧力変化の特性（以下、流量−圧力特性とも言う。）は、図４に示すように、低流量域では、非線形な上に凸の関数で表される。上に凸の関数で表される特性とは、流量の単位増加量に対する圧力の増加量が、流量が大きくなるに連れ減少する特性のことである。

なお、ここで言う圧力とは、流体抵抗素子２の両側の圧力のうちの流量調整弁１側の圧力のことである。逆側の圧力は、流量調整弁１側の圧力に比べ、安定しているからである。また、ここで言う圧力を差圧としても構わない。また、流体抵抗素子として、オリフィスや臨界ノズルなどを使用しても構わない。

圧力センサ３１，３２は、前記流体抵抗素子２の両側の圧力を測定するものであり、既知の構造のものを用いている。以下、流量調整弁１側の圧力を測定する圧力センサ３１によって測定された圧力を第１測定圧力、逆側の圧力を測定する圧力センサ３２によって測定された圧力を第２測定圧力と言う。

制御回路４は、物理的には、ＣＰＵ、メモリ、ＤＡコンバータ、ＡＤコンバータ、Ｉ／Ｏポート、オペアンプなどを具備したデジタル、アナログ混在の電気回路であり、前記メモリに記憶させたプログラムにしたがって、ＣＰＵ及び周辺機器が協働することにより、設定流量受付部４１、流量算出部４２、設定圧力算出部４３、駆動信号出力部４４等としての機能を発揮する。

次に、前記制御回路４の各部の説明を兼ねて、この流量制御装置１００の動作について説明する。
まず、前記設定流量受付部４１が、制御目標とすべき設定流量を、オペレータによる入力操作や他機器から送信されたデータ送信によって受け付ける。この設定流量は、メモリの所定領域に格納される。

その一方で、流量算出部４２が、前記圧力センサ３１，３２によって得られた第１測定圧力及び第２測定圧力に、所定の圧力−流量変換演算を施して測定流量を算出する。この圧力−流量変換演算には、ここでは、各測定圧力を少なくともパラメータとする、実験等から得られた多次多項式を用いており、精度よい流量測定が可能である。この多次多項式は、前記メモリに予め記憶させてある。

この状態において、設定圧力算出部４３は、前記圧力−流量変換演算の逆演算を前記設定流量に施して、該設定流量が流れたと仮定したときに流体抵抗素子２の流量調整弁１側に生じるべき圧力である設定圧力を算出する。すなわち、この設定圧力は第１測定圧力に対応する圧力である。なお、逆演算には、第２測定圧力もパラメータとして用いられる。

次に、駆動信号出力部４４が、前記設定圧力と第１測定圧力との偏差を算出し、その偏差に所定の制御演算（例えばＰＩＤ制御演算）を施して前記駆動信号の値を算出し、該駆動信号を流量調整弁１に出力する。

ところで、低流量域において、本発明の流体抵抗素子２の流量変化に対する圧力の変化特性は、図４に示すように、上に凸の非線形関数で表される一方、流量調整弁１の駆動電圧変化に対する流量の変化特性は、図３に示すように、下に凸の非線形関数で表される。そして、これらをトータルして、流量調整弁１の駆動電圧変化に対する流体抵抗素子２の圧力変化の特性で見ると、図５に示すように、上に凸の特性と下に凸の特性とが打ち消しあい、線形に近いものとなる。

したがって、本実施形態のように、圧力の偏差に基づいて流量調整弁１を制御すれば、従来の流量の変化に基づいて制御するよりも、特に低流領域において線形に近い特性の対象を制御することとなるので、従来に比べ、低流量域において、安定で精度の高い動作がＰＩＤ制御などの古典制御でも可能となる。

また、制御パラメータとして従来の流量を圧力に代えるだけであり、現代制御などの複雑な制御も不要なので、制御回路４に大きな負担がかかることもなく、従来と同様のハードウェア構成での実現が可能となる。

さらに、この実施形態では、測定圧力と設定流量から算出した設定圧力との偏差によって駆動信号の値を算出しているが、設定圧力の算出にあたって、測定圧力から測定流量を算出する圧力−流量変換演算の逆演算を設定流量に施しているので、圧力偏差が０になれば、当然に設定流量と測定流量との偏差も０となり、流量制御精度に問題が生じることもない。

＜第２実施形態＞
次に本発明の第２実施形態を説明する。
この第２実施形態の流量制御装置１００は、第１実施形態のそれとは制御回路４の機能が若干異なるので、その違う部分について重点的に説明する。なお、図面において、第１実施形態に対応する部材には同一の符号を付すこととする。

この実施形態での制御回路４は、図２に示すように、前記第１実施形態が有する、設定流量受付部４１、流量算出部４２、設定圧力算出部４３及び駆動信号出力部４４としての機能に加え、仮想測定圧力算出部４５としての機能を具備している。

なお、設定流量受付部４１、流量算出部４２の機能に関しては、第１実施形態と同様であるが、仮想測定圧力算出部４５の機能が加わったことにより、設定圧力算出部４３及び駆動信号出力部４４の機能が前記第１実施形態と若干異なっている。

次に、前記制御回路４の各部の説明を兼ねて、この流量制御装置１００の動作について説明する。
第１実施形態同様、前記設定流量受付部４１が、この流量制御装置１００が制御目標とすべき設定流量を受け付け、メモリの所定領域に格納する。

また、第１実施形態同様、流量算出部４２が、前記圧力センサ３１，３２によって得られた、流体抵抗素子２の両側の測定圧力に、所定の圧力−流量変換演算を施して測定流量を算出する。

この状態において、設定圧力算出部４３が、前記圧力−流量変換演算の逆演算に近似した近似流量−圧力変換演算を前記設定流量に施して、該設定流量が流れたときに、流体抵抗素子２の流量調整弁１側に生じるべき圧力に近似した圧力である近似設定圧力を算出する。この近似流量−圧力変換演算としては、制御応答性に影響を与えない程度の時間で演算処理できるものを用いており、ここでは、設定流量と第２測定圧力をパラメータとする以下のような式（１）で表されるものである。
Ｐ１_{（ｓｅｔ）}＝（Ｋ・Ｆｌｏｗ_{（ｓｅｔ）}＋Ｐ２_{（ｒｅａｌ）}）^１／２・・・（１）
Ｐ１_{（ｓｅｔ）}・・・近似設定圧力
Ｋ・・・係数
Ｆｌｏｗ_{（ｓｅｔ）}・・・設定流量
Ｐ２_{（ｒｅａｌ）}・・・第２測定圧力

一方で、仮想測定圧力算出部４５は、前記近似流量−圧力変換演算を前記測定流量に施して、前記設定圧力と比較すべき仮想測定圧力を算出する。具体的には、演算式（１）において、設定流量Ｆｌｏｗ_{（ｓｅｔ）}に代えて測定流量Ｆｌｏｗ_{（ｒｅａｌ）}を当て嵌め、仮想測定圧力Ｐ１_{（ｔｅｍｐ）}を算出する。その演算式は、以下の式（２）で表される。
Ｐ１_{（ｔｅｍｐ）}＝（Ｋ・Ｆｌｏｗ_{（ｒｅａｌ）}＋Ｐ２_{（ｒｅａｌ）}）^１／２・・・（１）

次に、駆動信号出力部４４が、前記近似設定圧力と仮想測定圧力との偏差を算出し、その偏差に制御演算（例えばＰＩＤ制御演算）を施して、前記駆動信号の値を算出し該駆動信号を流量調整弁１に出力する。

このようなものであれば、前記第１実施形態同様の効果を得ることができる。
また、前記第１実施形態では、流量算出部４２が測定流量算出にあたって施す圧力−流量変換演算の逆演算によって設定流量から設定圧力を求めていたが、この圧力−流量変換演算によってはその逆演算が極めて複雑になる場合がある。これに対して、本実施形態によれば、厳密な逆演算ではなく、それに近似する適宜の近似流量−圧力変換演算を利用して近似設定圧力を求めているので、この近似流量−圧力変換演算を、比較的単純なものとすることによって、制御回路４のソフトウェア及びハードウェア両面での複雑化を防止することができる。

さらに、この近似設定圧力と比較すべき対象を、測定圧力ではなく、測定流量から前記近似流量−圧力変換演算により求めた仮想測定圧力とし、近似設定圧力及び仮想測定圧力が、同じ変換演算によって設定流量及び測定流量からそれぞれ算出されるように構成しているので、圧力偏差が０になれば、当然に設定流量と測定流量との偏差も０となり、偏差が残ることなく流量制御精度は担保される。

また、測定流量は、前記第１実施形態同様、精密な圧力−流量変換演算から求めているので、この点においても、流量制御精度が従来に比べ低下することはない。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
例えば、流体抵抗素子の差圧だけで流量測定できる場合は、流体抵抗素子に作用する圧力として差圧を用いてもよい。また、流量調整弁が流体抵抗素子の下流側に設けられている場合は、流体抵抗素子の下流側の圧力を前記第１測定圧力に代えて用いることができる。第２測定圧力が略０など一定値である場合などは、第２圧力センサを省略しても良い。
その他、本発明は前記図示例に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

１００・・・流量制御装置
１・・・流量調整弁
２・・・流体抵抗素子
４２・・・流量算出部
４３・・・設定圧力算出部
４４・・・駆動信号出力部
４５・・・仮想測定圧力算出部

Claims (2)

1. 流体が流れる流路と、
   駆動信号の値に応じて前記流路を流れる流量を変化させる流量調整弁であって、所定以下の流量域において、駆動信号値の単位増加量に対する流量の増加量が、駆動信号値が大きくなるに連れ増大する特性を有した流量調整弁と、
   前記流路を流れる流体に抗力を作用させる流体抵抗素子であって、所定以下の流量域において、流量の単位増加量に対する該流体抵抗素子に作用する圧力の増加量が、流量が大きくなるに連れ減少する特性を有した流体抵抗素子と、
   前記圧力を測定する圧力測定手段と、
   前記圧力測定手段による測定圧力に所定の圧力−流量変換演算を施して測定流量を算出する流量算出部と、
   予め与えられた設定流量に前記圧力−流量変換演算の逆演算を施して、該設定流量が流れたときに生じるべき圧力である設定圧力を算出する設定圧力算出部と、
   前記設定圧力と測定圧力とに基づいて前記駆動信号の値を算出し該駆動信号を流量調整弁に出力する駆動信号出力部とを具備していることを特徴とする流量制御装置。
2. 流体が流れる流路と、
   駆動信号の値に応じて前記流路を流れる流量を変化させる流量調整弁であって、所定以下の流量域において、駆動信号値の単位増加量に対する流量の増加量が、駆動信号値が大きくなるに連れ増大する特性を有した流量調整弁と、
   前記流路を流れる流体に抗力を作用させる流体抵抗素子であって、所定以下の流量域において、流量の単位増加量に対する該流体抵抗素子に作用する圧力の増加量が、流量が大きくなるに連れ減少する特性を有した流体抵抗素子と、
   前記圧力を測定する圧力測定手段と、
   前記圧力測定手段による測定圧力に所定の圧力−流量変換演算を施して測定流量を算出する流量算出部と、
   予め与えられた設定流量に、前記圧力−流量変換演算の逆演算に近似した近似流量−圧力変換演算を施して、該設定流量が流れたときに生じるべき圧力に近似する近似設定圧力を算出する設定圧力算出部と、
   前記測定流量に前記近似流量−圧力変換演算を施して、前記近似設定圧力と比較するための仮想測定圧力を算出する仮想測定圧力算出部と、
   前記近似設定圧力と仮想測定圧力とに基づいて前記駆動信号の値を算出し該駆動信号を流量調整弁に出力する駆動信号出力部とを具備していることを特徴とする流量制御装置。