JP7068062B2

JP7068062B2 - 流体制御装置、及び、流量比率制御装置

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Publication number: JP7068062B2
Application number: JP2018115604A
Authority: JP
Inventors: 嘉健安藤; 興太郎瀧尻; 祐紀田中; 雄介金丸; 江身子中川
Original assignee: Horiba Ltd; Horiba Stec Co Ltd
Current assignee: Horiba Ltd; Horiba Stec Co Ltd
Priority date: 2018-06-18
Filing date: 2018-06-18
Publication date: 2022-05-16
Anticipated expiration: 2038-06-18
Also published as: US10921828B2; JP2019219821A; KR20190142721A; US20190384330A1

Description

本発明は、バルブの上流側の圧力が所定の制限圧力以下に保たれる必要がある流体制御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、成膜チャンバ等に対して複数の導入ポートからそれぞれ所定の流量比率でガスを供給することがある。導入ポートにはそれぞれ流路が設けられており、各流量には流路に流れる流体の流量を制御するマスフローコントローラとよばれるパッケージ化された流体制御装置が設けられる（特許文献１参照）。

ところで、半導体製造プロセスで用いられるガスには人体に有毒なものや、人体に対する化学的な特性が充分には知られていないガスも存在し、このようなガスが流路を構成するパイプ等から外部へ漏洩することを防ぐ必要がある。

したがって、前述したマスフローコントローラの上流側においてガスの圧力が高まって漏洩することを防ぐために、マスフローコントローラの上流側は例えば大気圧よりも低い制限圧力に保つことが要求仕様として定められている。

このような要求仕様に対し、流路においてマスフローコントローラの上流側に圧力レギュレータを設けておき、上流側の圧力が制限圧力よりも低い所定値で一定に保たれるように構成されている。

しかしながら、圧力レギュレータによってマスフローコントローラの上流側が予め定められた低い圧力で一定に保たれるように構成された状態では、マスフローコントローラに供給される流体の流量が制限された状態になる。このように流体の供給が制限された状態で、例えばマスフローコントローラにおいて過大な指令流量が設定されると、流量出力が指令流量で収束するまでにかかる収束時間が長くなってしまう。

WO２００８/０７２６１４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、バルブの上流側の圧力については例えば漏洩を防げるように制限圧力内に抑えることができるとともに、流路に流れる流体の流量が所定の収束時間内で指令流量に収束させることが可能となる流体制御装置を提供することを目的とする。

すなわち、本発明に係る流体制御装置は、本願発明者らが鋭意検討の結果、安全のためには上流側から供給される流体の圧力は、制限圧力よりも低い一定値で常に固定しなくてはならないという従来の思い込みから脱し、制限圧力以下の圧力であれば圧力は変動したとしても安全上の要求仕様を満たすことができるという気づきを得て初めてなされたものである。

具体的に本発明に係る流体制御装置は、流体の流れる流路に設けられたバルブと、前記バルブの上流側に設けられた圧力センサと、前記圧力センサの下流側に設けられた流量センサと、前記流量センサで測定される測定流量が入力され、流量－圧力マップに基づいて前記測定流量に応じた指令圧力を決定する指令圧力決定部と、前記指令圧力決定部で決定される前記指令圧力と、前記圧力センサで測定される測定圧力との偏差が小さくなるように指令流量を算出する指令流量算出部と、前記指令流量算出部で算出される前記指令流量と、前記流量センサで測定されている前記測定流量との偏差が小さくなるように前記バルブの開度を制御するバルブ制御部と、を備えたことを特徴とする。

このようなものであれば、前記流量―圧力マップに基づいて例えば前記バルブを通過する流量出力が前記指令流量で収束する収束時間を最も短縮できる前記指令圧力を制限圧力内で前記測定流量に応じて設定することが可能となる。また、現在の前記測定圧力から理想的な前記指令圧力を達成するのに必要な前記指令流量が前記指令流量算出部で算出されるので、前記バルブで流量制御を行いながら前記バルブの上流側の圧力は制限圧力内に抑えることができる。

したがって、例えば安全上の圧力に関する要求仕様を満たしつつ、流量制御については高速化することが可能となる。

例えば前記流量－圧力マップについては固定したままにしつつ、前記指令流量算出部から算出される前記指令流量の特性を調整して、流量出力の収束時間をより短縮できるようにするには、前記指令流量算出部が、前記指令圧力と前記測定圧力との偏差と、設定されているＰＩＤゲインに基づくＰＩＤ演算によって前記指令流量を算出するように構成されており、前記指令流量算出部に対して前記ＰＩＤゲインを設定するゲイン設定指令を受け付けるゲイン受付部をさらに備えたものであればよい。ここで、ＰＩＤゲインは比例ゲイン、積分ゲイン、微分ゲインを総称するものであり、これらのパラメータのうち少なくとも１つについてゲイン設定指令は変更又は設定する指令である。このようなものであれば、従来の流量フィードバック制御と同様の考え方でＰＩＤゲインを調整することで、前記バルブの上流側の圧力を制限圧力内で変動させつつ、流量の応答特性について要求仕様を満たすように調整することができる。

ＰＩＤゲインの調整だけでは所望の流量制御特性を得られない場合にさらに大きく制御特性を変更し、制限圧力と収束時間に関する要求仕様を満たせるようにするには、前記流量－圧力マップを記憶するマップ記憶部と、前記マップ記憶部に記憶されている前記流量－圧力マップを更新するマップ更新指令を受け付けるマップ受付部と、をさらに備えたものであればよい。

前記流量－圧力マップ、及び、前記ＰＩＤゲインの具体的な設定例としては、前記測定流量と前記指令流量との偏差が許容差内に収束するまでの収束時間が所定時間以内となるように設定されているものが挙げられる。

前記流量―圧力マップについて全ての流量帯域内で厳密な設定をしなくても、前記バルブの上流側の圧力が制限圧力内に抑えられるようには、設定前記指令圧力決定部で決定される前記指令圧力が制限圧力より大きい場合には、当該指令圧力を前記制限圧力に変更する指令圧力リミッタをさらに備えたものであればよい。このようなものであれば、例えば圧力の制限を考慮せずに流量出力の収束時間が要求仕様を満たすことを優先して最適化された流量―圧力マップを作製しても、前記バルブの上流側の圧力が制限圧力を超えないようにできる。したがって、収束時間と制限圧力の両方を考慮してマップを作製する場合と比較してその作業負担を大幅に低減できる。

前記測定圧力が制限圧力以下に抑えられるようにするだけでなく、高速で流量が収束するようにするには、前記指令流量と前記測定流量の偏差が許容差内に収束するまでの収束時間が所定時間以下となるように前記指令圧力決定部が前記指令圧力を決定するものであればよい。

流量が変動している場合でも、その流量値によらず流量の収束時間がほぼ同じ程度の長さに保つことができるようにするには、前記指令圧力決定部が、前記測定流量の値が大きくなるほど前記指令圧力の値を大きく設定するものであればよい。

前記バルブによって当該バルブの上流側の圧力と、前記バルブによって実現される流量の両方に対して影響を与えられるようにして、前記バルブの上流側を制限圧力以下に抑えつつ、実現される流量を高速で収束させられるようにするには、前記圧力センサで測定される前記測定圧力が、前記バルブの上流側の流路に形成されるガス溜まりの圧力を示すものであり、前記ガス溜まりに上流側から流入する流入流量と、前記バルブで実現される流出流量との偏差に応じて前記測定圧力が変化するように構成されており、前記指令流量算出部が、前記流入流量と前記流出流量との偏差により生じる前記測定圧力の変化に応じた前記指令流量を前記バルブ制御部へ出力するように構成されているものであればよい。

前記流量センサが、熱式の流量センサである場合には、本発明に係る流体制御装置では流体の圧力を前記制限圧力以下の値で所望の値にすることができるので、例えば真空圧に近くなって熱式の流量センサの感度がなくなってしまうといった事態を防ぐことができる。

本発明の好ましい適用例としては、流体が供給される供給流路の末端部から分岐する複数の分岐流路に流れる流体の流量比率を制御する流量比率制御装置であって、各分岐流路にそれぞれ設けられた、バルブ、流量センサ、及び、入力されている指令流量と前記流量センサの測定流量との偏差が小さくなるようにバルブの開度を制御するバルブ制御部を備えた複数の流体制御装置と、前記供給流路、又は、各分岐流路において各流体制御装置のバルブよりも上流側に設けられた圧力センサと、各分岐流路に設けられた各流量センサの前記測定流量をそれぞれ取得し、各測定流量の総和であるトータル流量を取得するトータル流量取得部と、前記トータル流量が入力され、流量－圧力マップに基づいて前記トータル流量に応じた指令圧力を決定する指令圧力決定部と、前記指令圧力決定部で決定される前記指令圧力と、前記指令圧力決定部で決定される前記指令圧力と、前記圧力センサで測定される測定圧力との偏差が小さくなるように目標総流量を算出する目標総流量算出部と、前記目標総流量と、予め定められた各分岐流路に流す流体の目標流量比率とに基づいて、各分岐流路に設けられた流体制御装置に入力する指令流量を決定する流量分配器と、を備えたことを特徴とする流量比率制御装置が挙げられる。

このようなものであれば、供給流路の圧力は制限圧力内に抑えて安全に保ちつつ、各分岐流路に流す流体の流量が収束するまでにかかる収束時間も所定時間以下に制御することが可能となる。

各分岐流路を流れる流量がそれぞれ所定時間内で指令流量に収束するように流量比率制御装置全体としての制御特性を調整できるようにするには、前記目標総流量算出部が、前記指令圧力と前記測定圧力との偏差と、設定されているＰＩＤゲインに基づくＰＩＤ演算によって前記目標総流量を算出するように構成されており、前記目標総流量算出部に対して前記ＰＩＤゲインを設定するゲイン設定指令を受け付けるゲイン受付部をさらに備えたものであればよい。

ＰＩＤゲインの調整だけでは所望の流量特性まで調整できない場合に、大きく制御特性を変更し、制限圧力と収束時間に関する要求仕様を満たせるようにするには、前記流量－圧力マップを記憶するマップ記憶部と、前記マップ記憶部に記憶されている前記流量－圧力マップを更新するマップ更新指令を受け付けるマップ受付部と、をさらに備えたものであればよい。このようなものであれば、安全性だけなく、所望の総流量と流量比率で各分岐流量から高速で流体を供給することが可能となる。

流量―圧力マップの作製負担を低減できるようにするには、前記指令圧力決定部で決定される前記指令圧力が制限圧力より大きい場合には、当該指令圧力を前記制限圧力に変更する指令圧力リミッタをさらに備えたものであればよい。

前記圧力センサの設けられる位置については、前記圧力センサが、少なくとも１つの分岐流路に設けられている、あるいは、各流体制御装置がそれぞれ前記圧力センサを備えているものが挙げられる。

このように本発明に係る流体制御装置によれば、前記バルブの上流側の圧力については前記制限圧力以下に抑えつつ、前記バルブにより実現される流量出力が前記指令流量に収束するまでにかかる収束時間は短縮することが可能となる。

本発明の第１実施形態に係る流体制御装置の概要を示す模式図。第１実施形態の流体制御装置による制御の概要を示す模式的ブロック線図。第１実施形態の流体制御装置の詳細を示す模式図。第１実施形態の流体制御装置における特性マップと特性関数との関係を示す模式的グラフ。本発明の第２実施形態に係る流量比率制御装置について示す模式図。

本発明の第１実施形態に係る流体制御装置１００について図１乃至図４を参照しながら説明する。

第１実施形態の流体制御装置１００は、例えば半導体製造プロセスにおいてチャンバ等に流体であるガスを供給するために用いられるものである。ここで使用されるガスは例えば人体に対して有害である、あるいは、発火性があるなどといった様々な理由から流路を形成するパイプ等から外部へ漏出させてはならない種類のものである。

図１に示すように第１実施形態の流体制御装置１００を構成するハードウェア部分は、ガスの供給源となる第１マスフローコントローラＭＦＣ１と、流路において最も下流側にあるチャンバとの間に設けられる。

すなわち、この流体制御装置１００は流路において第１マスフローコントローラＭＦＣ１の下流側に設けられた第２マスフローコントローラＭＦＣ２と、第１マスフローコントローラＭＦＣ１と第２マスフローコントローラＭＦＣ２との間に設けられた圧力センサＰと、圧力センサＰで測定される測定圧力に基づいて第２マスフローコントローラＭＦＣ２に指令流量を入力するコントローラＣと、を備えたものである。言い換えると、第１マスフローコントローラＭＦＣ１は第１実施形態の流体制御装置１００を構成しない。

第１マスフローコントローラＭＦＣ１と第２マスフローコントローラＭＦＣ２との間の流路には容積があるため、図１で代表させて記載しているように所定の容積を有したガス溜まりＧが形成される。圧力センサＰはこのガス溜まりＧの圧力を測定するものである。

図１で示した系を制御ブロック図で考えた場合、図２に示すようになる。具体的には第１マスフローコントローラＭＦＣ１からガス溜まりＧに対して流入するガスの流量Ｑ_ｉｎと第２マスフローコントローラＭＦＣ２によって実現される流量出力Ｑ_ｏｕｔとの差によってガス溜まりＧの圧力が定まる。このガス溜まりＧの圧力が圧力センサＰによって測定され、測定圧力Ｐ０を示す圧力信号としてコントローラＣに入力される。また、コントローラＣには第２マスフローコントローラＭＦＣ２で測定される流量出力Ｑ_ｏｕｔも入力される。コントローラＣは、まず流量出力Ｑ_ｏｕｔに応じた指令圧力Ｐ_ｓｅｔを設定し、さらに指令圧力Ｐ_ｓｅｔと測定圧力Ｐ０の偏差に値に応じた指令流量Ｑ_ｓｅｔを第２マスフローコントローラＭＦＣ２に入力する。第２マスフローコントローラＭＦＣ２は入力された指令流量Ｑ_ｓｅｔに応じた流量出力Ｑ_ｏｕｔを出力する。

ここで、コントローラＣは、第２マスフローコントローラＭＦＣ２に設定する指令流量Ｑ_ｓｅｔを適宜変更して、圧力センサＰで測定されるガス溜まりＧの圧力が制限圧力よりも低い値に抑えられるように第２マスフローコントローラＭＦＣ２で実現される流量出力Ｑ_ｏｕｔを制御するものである。同時に指令流量Ｑ_ｓｅｔは、指令流量Ｑ_ｓｅｔと流量出力Ｑ_ｏｕｔとの偏差が許容差となるまでの収束時間が所定時間以下となるように制御される。

第１実施形態の流体制御装置１００についてより詳細な構成及び動作について図３を参照しながら説明する。

第２マスフローコントローラＭＦＣ２は、流路に対して取り付けられ、内部流路が形成されたボディ１と、ボディ１に対して取り付けられた流量センサ２及びバルブ３と、流量センサ２及びバルブ３を覆うようにボディ１に対して取り付けられるカバー４と、カバー４内に設けられ、バルブ３の開度を流量フィードバック制御する制御ボードＢと、を備えたものである。すなわち、マスフローコントローラは、流量制御を行うための各種コンポーネントがパッケージ化されたものである。

流量センサ２は熱式の流量センサであり、流路に設けられた分流素子２１と、分流素子２１を上流側から分岐し、当該分流素子２１の下流側に合流する細管２２と、細管２２に巻回され、それぞれ一定温度に保たれるように電圧が印加される２つの電熱コイル２３と、各電熱コイル２３に印加される電圧差を検出する検出回路２４と、検出回路２４の出力に基づいて流路を流れるガスの流量を算出する流量算出部２５と、から構成される。

バルブ３は例えばピエゾバルブ３であって、印加される電圧によってその開度が制御される。

制御ボードＢは、CPU、メモリ、A/Dコンバータ、D/Aコンバータ、各種入出力手段を備えたコンピュータであって、メモリに格納されているマスフローコントローラ用プログラムが実行され、各種機器と協業することによって制御器としての機能が実現される。すなわち、制御ボードＢは、少なくとも前述した流量算出部２５と、バルブ制御部５としての機能を発揮する。

バルブ制御部５は、外部から入力される指令流量と、流量センサ２で測定される測定流量とに基づいてバルブ３の開度を制御する。より具体的にはバルブ制御部５は、指令流量と測定流量の偏差が小さくなるようにバルブ３の開度を変更するようにバルブ３の印加電圧を変更する。第１実施形態では指令流量についてはコントローラＣから出力される値に設定される。

このように第２マスフローコントローラＭＦＣ２では、流量フィードバック系が形成されており、流体制御装置１００内におけるマイナーループを形成している。

次にコントローラＣの詳細について説明する。

コントローラＣは、第２マスフローコントローラＭＦＣ２とは別体として構成されたものであり、CPU、メモリ、A/Dコンバータ、D/Aコンバータ、各種入出力手段を備えたコンピュータによってその機能が実現されるものである。このコントローラＣは、メモリに格納されているプログラムが実行され、各種機器が協業することにより少なくとも指令流量生成器６と、指令流量生成器６の設定値を外部から入力される指令に基づいて変更する設定変更部７としての機能を発揮する。

指令流量生成器６には、第２マスフローコントローラＭＦＣ２で測定される測定流量と、圧力センサＰで測定される測定圧力が入力される。指令流量生成器６は、まず測定流量の値に応じた指令圧力が定められた流量―圧力マップを参照し、測定流量に応じた指令圧力が決定し、設定厚翼と測定圧力の偏差に応じた指令流量を第２マスフローコントローラＭＦＣ２のバルブ制御部５へ出力する。

すなわち、指令流量生成器６はマップ記憶部６１、指令圧力決定部６２、指令圧力リミッタ６３、指令流量算出部６４とから構成されている。

マップ記憶部６１は例えば図４のグラフに示すような流量―圧力マップを記憶するものである。流量―圧力マップは、ある測定流量の値が流量センサ２で測定されている場合に、少なくとも要求仕様とされているガス溜まりＧにおける制限圧力を下回るように指令圧力の値を定めた１次元のマップである。第１実施形態の流量－圧力マップは、さらに各測定流量の値に対して流量センサ２の最低動作可能圧力以上の指令圧力が紐付けられているとともに、前記バルブ２の最大コンダクタンスを下回るように設定されている。このような流量－圧力マップは、各測定流量に対応する指令圧力を実験により求めて定めてある。第１実施形態では安全性からの要求により設定される制限圧力はガスの漏洩を防ぐために大気圧よりも低い値である例えば４００Torrに設定される。また、流量制御の要求仕様から定められる許容差は指令流量に対して±２％以内であり、収束時間について例えば１ｓｅｃが設定される。

流量―圧力マップは、測定流量と指令圧力の組からなるテーブル形式のものであってもよいし、例えば測定流量を入力変数、指令圧力を出力変数とする関数であってもよい。流量―圧力マップのグラフに示されるように測定流量の値が大きくなるにつれて、指令圧力も大きな値が設定される。

指令圧力決定部６２は、流量センサ２で測定されている測定流量が入力され、前述した流量―圧力マップに基づいて測定流量に応じた指令圧力を決定する。この際、測定流量の値が所定値よりも大きい場合には指令圧力決定部６２から制限圧力の値を超える指令圧力が設定される。

指令圧力リミッタ６３は、指令圧力決定部６２で決定される指令圧力が制限圧力より大きい場合には、当該指令圧力を制限圧力に変更する。また、指令圧力決定部６２で決定される指令圧力が制限圧力以下の場合には指令圧力をそのまま出力する。すなわち、指令圧力リミッタ６３があるため、例えばオーバーシュートが発生し、通常よりも大きな測定流量が指令圧力決定部６２に入力され、当該指令圧力決定部６２から対応する指令圧力として制限圧力を超える値が決定されたとしても、指令圧力リミッタ６３から出力される指令圧力は制限圧力の値となる。

指令流量算出部６４は、指令圧力リミッタ６３で設定される指令圧力と、圧力センサＰで測定される測定圧力との偏差が小さくなるように指令流量を出力する。具体的には、指令流量算出部６４は指令圧力と測定圧力の偏差と、設定されているＰＩＤゲインとに基づいてＰＩＤ演算を行い、指令流量を測定流量に対して最適化する。このようにして最適化された指令流量がバルブ制御部５へと出力される。ここで、各制御周期ごとに同じ値であるとは限らず、指令圧力と測定圧力との偏差に応じて適宜変更され得る値である。

次に設定変更部７の構成について説明する。設定変更部７は例えば流される流体の種類が変更された場合や配管長等の機器の構成が変更された場合等に制御特性を最適化するために、指令流量生成器６に設定されている流量－圧力マップ、及び、ＰＩＤゲインを調整するために用いられるものである。

具体的には設定変更部７はマップ受付部７１とゲイン受付部７２とを備えている。マップ受付部７１は、マップ記憶部６１に記憶されている流量－圧力マップを更新するマップ更新指令を受け付けるものである。マップ記憶部６１は、受け付けられたマップ更新指令に基づいて流量－圧力マップを更新する。ここで、マップ更新指令は記憶されている流量－圧力マップの一部のみを変更するものであってもよいし、流量－圧力マップ全体を変更するものであってもよい。

ゲイン受付部７２は、指令圧力決定部６２に設定されているＰＩＤゲインを設定するゲイン設定指令を受け付ける。受け付けられたゲイン設定指令に基づき、指令圧力決定部６２は設定されているＰＩＤゲインを変更する。ここで、ＰＩＤゲインは比例ゲイン、積分ゲイン、微分ゲインからなり、ゲイン設定指令はこれら３つのゲインのうちの少なくとも１つを設定する指令である。

設定変更部７による調整作業について説明する。例えば流される流体の種類や配管長等の機器の変更がなく、測定流量が指令流量で収束する収束時間をさらに短縮する場合を考える。このような場合は制御特性の微調整となるので、ゲイン受付部７２にゲイン設定指令を入力し、ＰＩＤゲインを最適化することで収束時間が要求仕様を満たすように調整する。

また、流体の種類や配管長等の機器の変更があり、制御特性を大きく変更しなくては要求仕様を満たせない場合には、さらにマップ受付部７２にマップ更新指令を入力し、流量－圧力マップ自体を変更する。

このようにして、流量－圧力マップ、及び、ＰＩＤゲインは、バルブ３の上流側にあるガス溜まりＧの圧力が制限圧力内で変動しつつ、測定流量が指令流量で収束する時間が所定時間内となるように設定される。

このように構成された第１実施形態の流体制御装置１００によれば、流量―圧力マップに基づいて、現在の測定流量に応じて収束時間を短くできる指令圧力を逐次設定することができる。また、そのような指令圧力を実現するために必要な指令流量を圧力フィードバックによるＰＩＤ演算によって算出し、第２マスフローコントローラＭＦＣ２に設定できる。

また、指令圧力リミッタ６３によって指令圧力の値は制限圧力以下に制限されるため、第２マスフローコントローラＭＦＣ２による流量制御によって、ガス溜まりＧの圧力が制限圧力以下で変動するように制御できる。

したがって、現在流れている流量に応じて十分な流体が第２マスフローコントローラＭＦＣ２に供給されるようにして流量出力が指令流量で収束するまでにかかる時間は十分に短縮して１ｓｅｃ以内に保ちつつ、ガス溜まりＧの圧力については制限圧力である４００Torrよりも小さい圧力に抑え続けることができる。

また、従来のように圧力レギュレータによって所定の圧力でガス溜まりＧの圧力を一定値で常に保つのではなく、ガス溜まりＧの圧力については制限圧力以下の値で様々な値で変化させて保つことができる。加えて、圧力レギュレータが存在しないのでガス種が変更されたとしてもその影響が第２マスフローコントローラＭＦＣ２のバルブ３に影響を与えにくくできる。

加えて、仮にマップ受付部７１にマップ更新指令として指令圧力が制限圧力を超えるような領域を有する流量－圧力マップが設定されたとしても第１実施形態では圧力制限リミッタ６３の作用によって制限圧力よりも大きい指令圧力が設定されない。このため、マップ作成の難度や手間を低減できる。

次に本発明の第２実施形態に係る流量比率制御装置２００について図５を参照しながら説明する。

第２実施形態の流量比率制御装置２００は、上流側の供給流路Ｓ１の末端部から分岐する複数の分岐流路Ｌ１、Ｌ２を流れる流体の流量比率を制御するとともに、供給流路Ｓ１等における上流側の圧力が制限圧力以下となるように制御するものである。

すなわち、この流量比率制御装置２００は、各分岐流路Ｌ１、Ｌ２にはそれぞれ設けられたマスフローコントローラＭＦＣと、各マスフローコントローラＭＦＣに指令流量を設定する制御装置Ｃと、供給流路Ｓ１又は各マスフローコントローラＭＦＣよりも上流側に設けられた圧力センサＰとを備えている。以下の説明では分岐流路Ｌ１、Ｌ２が２つの場合を例にして説明するがより多数の分岐流路が設けられているものであってもよい。また、説明の簡便さのために図５において上側に設けられたマスフローコントローラをＭＦＣＡ、ＭＦＣＡが設けられている分岐流路を第１分岐流路Ｌ１、図５において下側に設けられたマスフローコントローラをＭＦＣＢ、ＭＦＣＢが設けられている分岐流路を第２分岐流路Ｌ２とも呼称する。

ここで、圧力センサＰ、指令流量生成器６のマップ記憶部６１、指令圧力決定部６２、及び、指令圧力リミッタ６３は第１実施形態において説明した流体制御装置１００とほぼ同様の構成となる。すなわち、流量－圧力マップに基づいて、指令圧力決定部６２は指令圧力を決定し、指令圧力リミッタ６３は指令圧力が制限圧力よりも大きい値の場合には指令圧力を制限圧力に変更する。また、指令流量生成器６はＭＦＣＡ及びＭＦＣＢの上流側の圧力は制限圧力以下に抑えられるとともに、第１分岐流路Ｌ１、及び、第２分岐流路Ｌ２のそれぞれから供給される流量の総量であるトータル流量が目標値に収束するまでの収束時間が所定時間以内となるようにＭＦＣＡ及びＭＦＣＢのバルブ制御部５に設定する指令流量を変更する。また、設定変更部７の構成も第１実施形態とほぼ同様である。

指令流量生成器６の具体的な構成について説明する。指令流量生成器６は、流量－圧力マップを記憶するマップ記憶部６１と、各マスフローコントローラＭＦＣＡ，ＭＦＣＢの流量センサ２で測定される測定流量を取得し、各分岐流路Ｌ１、Ｌ２の流量の総和であるトータル流量を取得するトータル流量取得部６５と、取得された現在のトータル流量と、流量－圧力マップとに基づいて指令圧力を決定する指令圧力決定部６３と、指令圧力を制限圧力以下に制限する指令圧力リミッタ６３と、設定された指令圧力と圧力センサＰで測定される測定圧力との偏差が小さくなるように目標総流量を算出する目標総流量算出部６６と、算出された目標総流量とユーザによって設定される目標流量比率とに基づいて各マスフローコントローラに入力する指令流量を決定する流量分配部６７と、を備えている。

流量－圧力マップは第１実施形態では１つの流路に流れる流量と指令圧力との関係を規定していたが、第２実施形態では各マスフローコントローラで測定されている流量の総和であるトータル流量と、各マスフローコントローラの上流側の圧力の目標値である指令圧力との関係を規定するものである。すなわち、チャンバＣに供給されるにトータル流量に応じて、各マスフローコントローラにおいて収束時間が所定値以下となるような指令圧力を対にして記憶している。なお、流量－圧力マップはマップ受付部７１に受け付けられたマップ更新指令に基づいて更新可能に構成されている。

指令圧力決定部６２は、測定値であるトータル流量に基づいて上記のような流量－圧力マップを参照し、対応する指令圧力を決定する。決定された指令圧力は指令圧力リミッタ６３に入力され、その値が制限圧力よりも大きい場合には制限圧力の値に変更して出力し、その値が制限圧力以下の場合には指令圧力決定部６２で決定された値をそのまま出力する。

目標総流量算出部６６は、第１実施形態における指令流量算出部６４に対応する構成であって、入力されている指令圧力と、圧力センサＰで測定されている測定圧力の偏差が小さくなるように目標総流量を算出する。すなわち、目標総流量算出部６６は指令圧力と測定圧力の偏差と設定されているＰＩＤゲインに基づくＰＩＤ演算により、目標総流量を算出する。なお、目標総流量は各分岐流路Ｌ１、Ｌ２に流す流体の流量の総和に関する目標値であり、言い換えるとチャンバＣに供給しようとする流体の流量の目標である。また、ＰＩＤゲインについてはゲイン受付部７２に受け付けられるゲイン更新指令に基づいて更新可能に構成されている。

流量分配部６７は算出された目標総流量と、ユーザにより設定される各分岐流量の目標流量比率に応じて各マスフローコントローラＭＦＣＡ、ＭＦＶＢに入力する指令流量Q_setA, Q_setBを算出する。ここで、Q_setA, Q_setBはぞれぞれ異なる値の場合も同じ値となる場合もある。算出された各指令流量は流量分配部６７により各マスフローコントローラのバルブ制御部５へと入力される。ここで、目標流量比率は各分岐流路に流れる流量の相対的な関係を定めるものであり、チャンバＣに供給される流体の流量の増減に関係なく、チャンバＣの各ポートから供給される比率を規定するものである。

このようにして各マスフローコントローラにそれぞれ個別の指令流量が設定されることで、各分岐流路Ｌ１、Ｌ２に流れる流体の流量比率が目標流量比率となるように制御されるとともに、各マスフローコントローラよりも上流側については制限圧力よりも低い状態にできる。また、流量－圧力マップに基づいて各分岐流路Ｌ１、Ｌ２を流れる流体の流量が各指令流量に収束するのにかかる収束時間が所定値以下となるような圧力に制御できる。

その他の実施形態について説明する。

流体制御装置については、圧力センサとマスフローコントローラの組み合わせで実現されるものに限らず、マスフローコントローラの代わりに単体のバルブ、及び、流量センサを設けて構成しても構わない。

制御ボード及び制御装置については１つのコンピュータに統合して各種演算や制御が行われるように構成しても構わない。

流量センサについては熱式の流量センサに限られるものではなく、圧力式の流量センサであっても構わない。また、流量センサが設けられるのはバルブの上流側、又は、下流側いずれであっても構わない。

制限圧力、収束時間については要求仕様等に応じて適宜様々な値を設定してもよい。また、流量－圧力マップの設定例は実施形態に記載したものに限られない。さまざまな要求仕様を加味して設定されればよい。また、熱式の流量センサが動作可能な圧力が維持されるように指令圧力リミッタが指令圧力の上限だけでなく下限についても設定するように構成しても構わない。例えば、指令圧力の値が流量センサの動作可能圧力よりも低い値との場合には指令圧力リミッタが指令圧力を動作可能圧力に変更するものであっても構わない。

第２実施形態で説明した流量比率制御装置については、各マスフローコントローラが圧力センサを備えているものであっても構わない。また、１つのマスフローコントローラが指令流量生成器、及び、流量分配器としての機能を備えたものであってもよい。すなわち、第２実施形態において説明した制御装置についてはマスフローコントローラとは別体として設けるのではなく、マスフローコントローラと一体化しても構わない。

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組み合わせや変形を行っても構わない。

１００・・・流体制御装置
Ｐ・・・圧力センサ
２・・・流量センサ
３・・・バルブ
５・・・バルブ制御部
６・・・指令流量生成器
６１・・・マップ記憶部
６２・・・指令圧力決定部
６３・・・指令圧力リミッタ
６５・・・トータル流量取得部
６６・・・目標総流量算出部
６７・・・流量分配部

Claims

流体の流れる流路に設けられたバルブと、
前記バルブの上流側に設けられた圧力センサと、
前記圧力センサの下流側に設けられた流量センサと、
前記流量センサで測定される測定流量が入力され、流量－圧力マップに基づいて前記測定流量に応じた指令圧力を決定する指令圧力決定部と、
前記指令圧力決定部で決定される前記指令圧力と、前記圧力センサで測定される測定圧力との偏差が小さくなるように指令流量を算出する指令流量算出部と、
前記指令流量算出部で算出される前記指令流量と、前記流量センサで測定されている前記測定流量との偏差が小さくなるように前記バルブの開度を制御するバルブ制御部と、を備え、
前記流量－圧力マップが、前記測定流量の値が大きくなるにつれて、指令圧力も大きな値が設定されるように定められているとともに、前記測定流量の値が所定値以下の場合には前記指令圧力が制限圧力を下回るように定められていることを特徴とする流体制御装置。
前記指令流量算出部が、前記指令圧力と前記測定圧力との偏差と、設定されているＰＩＤゲインに基づくＰＩＤ演算によって前記指令流量を算出するように構成されており、
前記指令流量算出部に対して前記ＰＩＤゲインを設定するゲイン設定指令を受け付けるゲイン受付部をさらに備えた請求項１記載の流体制御装置。
前記流量－圧力マップを記憶するマップ記憶部と、
前記マップ記憶部に記憶されている前記流量－圧力マップを更新するマップ更新指令を受け付けるマップ受付部と、をさらに備えた請求項１又は２記載の流体制御装置。
前記流量－圧力マップ、及び、前記ＰＩＤゲインが、前記測定流量と前記指令流量との偏差が許容差内に収束するまでの収束時間が所定時間以内となるように設定されている請求項１乃至３いずれかに記載の流体制御装置。
前記指令圧力決定部で決定される前記指令圧力が制限圧力より大きい場合には、当該指令圧力を前記制限圧力に変更する指令圧力リミッタをさらに備えた請求項１乃至４いずれかに記載の流体制御装置。
前記指令圧力決定部が、前記測定圧力の値が所定圧力以上前記制限圧力以下の値を取り得るように前記指令圧力を変更する請求項１乃至５いずれかに記載の流体制御装置。
前記指令圧力決定部が、前記測定流量の値が大きくなるほど前記指令圧力の値を大きく設定する請求項１乃至６いずれかに記載の流体制御装置。
前記圧力センサで測定される前記測定圧力が、前記バルブの上流側の流路に形成されるガス溜まりの圧力を示すものであり、
前記ガス溜まりに上流側から流入する流入流量と、前記バルブで実現される流出流量との偏差に応じて前記測定圧力が変化し、
前記指令流量算出部が、前記流入流量と前記流出流量との偏差により生じる前記測定圧力の変化に応じた前記指令流量を前記バルブ制御部へ出力するように構成されている請求項１乃至７いずれかに記載の流体制御装置。
前記流量センサが、熱式の流量センサである請求項１乃至８いずれかに記載の流体制御装置。
流体が供給される供給流路の末端部から分岐する複数の分岐流路に流れる流体の流量比率を制御する流量比率制御装置であって、
各分岐流路にそれぞれ設けられた、バルブ、流量センサ、及び、入力されている指令流量と前記流量センサの測定流量との偏差が小さくなるようにバルブの開度を制御するバルブ制御部を備えた複数の流体制御装置と、
前記供給流路、又は、各分岐流路において各流体制御装置のバルブよりも上流側に設けられた圧力センサと、
各分岐流路に設けられた各流量センサの前記測定流量をそれぞれ取得し、各測定流量の総和であるトータル流量を取得するトータル流量取得部と、
前記トータル流量が入力され、流量－圧力マップに基づいて前記トータル流量に応じた指令圧力を決定する指令圧力決定部と、
前記指令圧力決定部で決定される前記指令圧力と、前記圧力センサで測定される測定圧力との偏差が小さくなるように目標総流量を算出する目標総流量算出部と、
前記目標総流量と、予め定められた各分岐流路に流す流体の目標流量比率とに基づいて、各分岐流路に設けられた流体制御装置に入力する指令流量を決定する流量分配器と、を備え、
前記流量－圧力マップが、前記トータル流量の値が大きくなるにつれて、指令圧力も大きな値が設定されるように定められているとともに、前記トータル流量の値が所定値以下の場合には前記指令圧力が制限圧力を下回るように定められていることを特徴とする流量比率制御装置。
前記目標総流量算出部が、前記指令圧力と前記測定圧力との偏差と、設定されているＰＩＤゲインに基づくＰＩＤ演算によって前記目標総流量を算出するように構成されており、
前記目標総流量算出部に対して前記ＰＩＤゲインを設定するゲイン設定指令を受け付けるゲイン受付部をさらに備えた請求項１０記載の流量比率制御装置。
前記流量－圧力マップを記憶するマップ記憶部と、
前記マップ記憶部に記憶されている前記流量－圧力マップを更新するマップ更新指令を受け付けるマップ受付部と、をさらに備えた請求項１０又は１１記載の流量比率制御装置。
前記流量－圧力マップ、及び、前記ＰＩＤゲインが、前記測定流量と前記指令流量との偏差が許容差内に収束するまでの収束時間が所定時間以内となるように設定されている請求項１０乃至１２いずれかに記載の流量比率制御装置。
前記指令圧力決定部で決定される前記指令圧力が制限圧力より大きい場合には、当該指令圧力を前記制限圧力に変更する指令圧力リミッタをさらに備えた請求項１０乃至１３いずれかに記載の流量比率制御装置。
前記圧力センサが、少なくとも１つの分岐流路に設けられている、あるいは、各流体制御装置がそれぞれ前記圧力センサを備えている請求項１０乃至１４いずれかに記載の流量比率制御装置。