JP6804874B2 - 流量制御装置、流量制御装置に用いられるプログラム、及び、流量制御方法 - Google Patents
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Description
このような流量制御装置は、プロセス流体の流量を所望の値(目標流量)に素早く、かつ安定に制御することが求められる。そのため、特許文献1に示すように、従来の流量制御装置においては、特許文献1に示されているように、例えば流量を調整するためのバルブや流量センサなどにできるだけ応答性の良いものを用い、応答性や安定性において最大の能力を発揮できるようにチューニングされる。
すなわち、従来は、既存の流量制御装置を用いて、最終生成物(半導体)が所望の仕様性能を満たすように試行錯誤によってプロセスのレシピが決められている。プロセスのレシピとは、プロセス流体に関していえば、どのタイミングでどれだけの量のプロセス流体を流すかということであり、言い換えると、各プロセス流体の目標流量をどのように設定するかということである。
一方、入力する応答遅れ設定値を性能限界まで小さくすれば、本流量制御装置が本来有する速応性を活かした利用も可能となる。
この流量制御装置100は、図1及び図2に示すように、内部に流路11が形成された概略直方体形状のボディ1と、前記ボディ1に取り付けられた熱式の流量センサ2及びバルブ3と、前記流量センサ2からの出力に基づいて前記バルブ3を制御する制御機構4とを備えている。
なお、この流量センサは、熱式のみならず、差圧式、超音波式、コリオリ式など、種々の方式のものでも構わない。
Gc(s) = Kp ( 1 + 1/Ti・s + Td・s )・・・(1)
ここで、Kpは比例ゲイン、Tiは積分時間、Tdは積分時間、sはラプラス関数である。
この実施形態では、前記プロセスモデル423を適宜設定してGIMC(s)を定めることにより、このバルブ制御部42とバルブ3及び流量センサ2とを含めたフィードバック系としての伝達関数が、無駄時間を無視すると、一次遅れとなるように構成してある。
すなわち、バルブ3の伝達関数を1 / (f1・s+1)、流量センサ2の伝達関数を1 / (e1・s+1)とすれば、前記伝達関数Gp(s)は、式(3)のようになる。
Gp(s) = (1 / (f1・s+1)) (1 / (e1・s+1)) ・・・(2)
そして、GIMC(s)を以下のように設定している
GIMC(s) = (x1・s+1)(x2・s+1) / (T・s) ・・・(3)
ここで、x1はf1、x2はe1と同じ定数となる様に設定する。。
そうすると、IMC422と、バルブ3及び流量センサ2とが直列した伝達関数G1(s)は、以下の式(4)のようになる。
G1(s) = GIMC(s)・Gp(s) = 1 / (T・s) ・・・(4)
そして、前述したように、フィードバック系も含めた系全体の伝達関数G(s)が、無駄時間を無視すると、式(5)にように一次遅れとなる。
G(s) = 1 / (1+T・s) ・・・(4)
これを書き換えると、以下の式(5)のように表される。
Qout=1 / (1+T・s)・Qset = 1 / (1+1/Kp・s) ・Qset ・・・(5)
ここで、Qsetは目標流量値でQoutは測定流量である。また1/Kpは時定数Tの逆関数となっている。
Kp1 = Kp0・T1/T0・・・(7)
ここで、Kp1は新規比例ゲイン、Kp0は既存の比例ゲイン、T1は設定時定数、T0は測定比例ゲインである。
一方、より速い応答性が求められる場合には、入力する設定時定数の値を性能限界まで小さくすればよく、この流量制御装置が本来有する性能を活かした利用も可能である。
また、応答遅れ設定値として用いている時定数は、ユーザにとって応答性を直感的に把握しやすい値なので、使い勝手が良いという効果も奏する。
例えば、前記実施形態において、応答遅れ生成部46は、応答遅れ記憶部45を参照して、過去における同様の周囲条件での測定時定数とそのときの比例ゲインとを検索し、それをもとに比例ゲインを定めていたが、周囲条件を実際の流量制御での周囲条件と予め揃えて測定時定数を求め、これをもとに設定時定数となるように比例ゲインを算出してもよい。このようにすれば、応答遅れ記憶部に過去の周囲条件を記憶させなくともよい。
Kp1' = ( Xn pn + Xn-1 pn-1 +・・・+ X1 p) Kp1+b・・・(8)
ここで、X1~Xnは実験等で予め求めた係数、Kp1'は、修正演算後の比例ゲインである。
また、図5に示すように、目標流量値に対して一次遅れ等を施す演算回路であるフィルタ47を追加して時定数設定する事により応答速度を設定してもよい。この場合、目標流量値が前記フィルタ47によって補正される。
さらに、流量制御装置の応答性、特にバルブ3の応答性が、流体の圧力(バルブよりも上流側側の圧力及び/又は下流側の圧力)によって変化するため、この圧力変化をキャンセルして応答遅れが設定値に保たれるような(補償するような)制御を行えば、なお好ましい。具体的には、例えば、前記図5におけるフィルタ47の時定数が、測定された流体の圧力(ここでは上流側の圧力)に応じて変化し、圧力による応答遅れの変化が補償されるように構成すればよい。
前記応答遅れ入力部で入力できる応答遅れの値(例えば設定時定数)は、制限を設けないようにしてもよいし、制限を設けるようにしてもよい。
前者の場合、例えば応答遅れの値が0といった入力も受け付けることになるが、その場合は、流量制御装置は、その最大応答性能、すなわち最も応答遅れが小さい状態で動作することになる。言い換えると、応答遅れとして、流量制御装置の最大応答性能を超えるような値が入力されると、その値は無視され、該流量制御装置は最大応答性能で動作することとなる。
後者の場合は、例えば0といった、流量制御装置の最大応答性能を超えるような応答遅れが入力されても、これを受け付けず、再入力を促すか、もしくは、仕様上最小の応答遅れ値が表示されるなどして、その応答遅れで動作することになる。
3・・・流体制御弁
43・・・応答遅れ入力部
44・・・応答遅れ測定部
45・・・応答遅れ記憶部
46・・・応答遅れ生成部
Claims (9)
- 測定流量が目標流量に近づくように、流体制御弁をフィードバック制御する流量制御装置において、
設定流量と、測定流量と、設定されているフィードバック制御係数に基づいて、前記流体制御弁をフィードバック制御するバルブ制御部と、
設定したい応答遅れを示す値である応答遅れ設定値を入力する応答遅れ入力部と、
前記フィードバック制御における応答遅れを、前記応答遅れ設定値に応じて発生させる応答遅れ生成部とを具備し、
前記応答遅れ生成部が、前記応答遅れ設定値に応じて前記フィードバック制御係数をダウンチューニングすることを特徴とする流量制御装置。 - 前記応答遅れ設定値が、無駄時間を除いた一次遅れ、二次遅れ又はそれ以上の多次遅れを示す値である請求項1記載の流量制御装置。
- 前記一次遅れ、二次遅れ又はそれ以上の多次遅れを示す値が、時定数である請求項2記載の流量制御装置。
- フィードバック制御による応答遅れを測定する応答遅れ測定部をさらに具備し、
前記応答遅れ生成部が、前記応答遅れ測定部によって測定された測定応答遅れと、その時に設定されていたフィードバック制御係数とに基づいて、前記応答遅れ設定値に示された設定応答遅れとなる新規フィードバック制御係数を算出し、現在のフィードバック制御係数を、前記新規フィードバック制御係数に置き換えるものである請求項1、2又は3記載の流量制御装置。 - 前記フィードバック制御が、少なくとも比例制御を含むものであり、無駄時間を除く応答遅れが、IMCを用いることによって一次遅れとなるように設定されたものである請求項1、2、3又は4記載の流量制御装置。
- 前記フィードバック制御が、測定流量の値そのもののみがネガティブフィードバックされて、一重のフィードバックループを構成する請求項1、2、3、4又は5記載の流量制御装置。
- 半導体製造プロセスに用いられる流体の流量を制御するように構成された請求項1、2、3、4、5又は6記載の流量制御装置。
- 測定流量が目標流量に近づくように、流体制御弁をフィードバック制御する流量制御装置に用いられるプログラムであって、
設定流量と、測定流量と、設定されているフィードバック制御係数に基づいて、前記流体制御弁をフィードバック制御するバルブ制御部と、
前記流量制御装置に、設定したい応答遅れを示す値である応答遅れ設定値を入力する応答遅れ入力部と、
前記フィードバック制御における応答遅れを、前記応答遅れ設定値に応じて発生させる応答遅れ生成部としての機能を発揮させるものであり、
前記応答遅れ生成部が、前記応答遅れ設定値に応じて前記フィードバック制御係数をダウンチューニングすることを特徴とするプログラム。 - 測定流量が目標流量に近づくように、流体制御弁をフィードバック制御する流量制御装置を用いた流量制御方法であって、
設定流量と、測定流量と、設定されているフィードバック制御係数に基づいて、前記流体制御弁をフィードバック制御するバルブ制御ステップと、
設定したい応答遅れを示す値である応答遅れ設定値を入力する応答遅れ入力ステップと、
前記フィードバック制御における応答遅れを、前記応答遅れ設定値に応じて発生させる応答遅れ生成ステップとを具備し、
前記応答遅れ生成ステップにおいて、前記応答遅れ設定値に応じて前記フィードバック制御係数をダウンチューニングすることを特徴とする流量制御方法。
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