JPWO2017051520A1

JPWO2017051520A1 - 圧力式流量制御装置及びその異常検知方法

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Publication number: JPWO2017051520A1
Application number: JP2017541419A
Authority: JP
Inventors: 勝幸杉田; 西野　功二; 功二西野; 薫平田; 昌彦滝本; 池田　信一; 信一池田
Original assignee: Fujikin Inc
Current assignee: Fujikin Inc
Priority date: 2015-09-24
Filing date: 2016-09-15
Publication date: 2018-07-12
Anticipated expiration: 2036-09-15
Also published as: TWI624744B; US10883866B2; CN108027618B; JP6771772B2; CN108027618A; TW201727419A; US20180283914A1; KR102028372B1; WO2017051520A1; KR20170137880A

Abstract

流路に介在された絞り部と、前記絞り部の上流側の流体圧力を検出する上流側圧力センサと、前記絞り部の下流側の流体圧力を検出する下流側圧力センサと、前記上流側圧力センサの上流側流路に設けられた流量制御弁と、前記上流型圧力センサ及び前記下流側圧力センサの其々の検出値に基づいて前記流量制御弁を制御することにより流量を制御する演算制御回路と、を備え、前記演算制御回路は、前記流路内を流体が流れていない状態において、前記上流側圧力センサの検出値と前記下流側圧力センサの検出値との差を演算するとともに、演算した前記差に基づく圧力センサ異常判定用信号を出力する。

Description

本発明は、半導体製造設備や化学プラント等に使用される圧力式流量制御装置及びその異常検知方法に関する。

従来、図３に示すように、制御されるべき流体Ｇが通過する流路２と、流路２に介在されたオリフィス等の絞り部３と、絞り部３の上流側の流体圧力を検出する上流側圧力センサ４と、絞り部３の下流側の流体圧力を検出する下流側圧力センサ５と、上流側圧力センサ４の上流側の流路２に設けられた流量制御弁６と、流量制御弁６を制御する演算制御部７と、を備える圧力式流量制御装置１０が知られている（特許文献１等）。

この種の圧力式流量制御装置は、上流側圧力センサ４により検出された上流側圧力の検出値（Ｐ_１）と、下流側圧力センサ５により検出された下流側圧力の検出値（Ｐ_２）と、絞り部３を通過する流量Ｑとの間に、所定の関係が成立することを利用して、上流側圧力の検出値（Ｐ_１）又は、上流側圧力の検出値（Ｐ_１）及び下流側圧力の検出値（Ｐ_２）に基づいて、演算制御部７が流量制御弁６を制御することにより流量を所定流量となるように制御する。例えば、Ｐ_１≧約２×Ｐ_２を満たす臨界膨張条件下では流量Ｑ＝Ｋ_１Ｐ_１（Ｋ_１一定）の関係があり、非臨界膨張条件下では流量Ｑｃ＝ＫＰ_２ ^ｍ（Ｐ_１−Ｐ_２）^ｎ（Ｋは流体の種類と流体温度に依存する比例係数、指数ｍ、ｎは実際の流量をこの流量式でフィットすることにより導出された値）の関係が成立し、これらの流量計算式により流量を演算することができる。

半導体製造設備等では、図４に示すように、圧力式流量制御装置１０の下流に開閉弁８を設けた複数の流路がプロセスチャンバ９に接続され、プロセスチャンバ９に供給する流体を開閉弁８で切り替えながら供給するプロセスが行われる。

特開２００４−１３８４２５号公報

上記従来の圧力式流量制御装置においては、圧力センサの故障や圧力センサの検出値の誤差により、制御流量のずれが生じることがあり、適時、圧力センサの異常の有無を確認する必要があった。従来では、制御流量指令値をゼロにして、圧力センサが設けられている流路内を真空引きし、圧力センサの検出値がゼロを示しているか確認していた。圧力センサの検出値がゼロを示していれば、圧力センサは正常であり、流量に誤差を生じていないと判断することができる。

しかしながら、このような圧力センサの異常の検知には、真空引きの工程を経る必要があるため、通常の流体供給プロセス中に実施することができず、メンテナンスモードにおいて実施するしかなかった。

そこで、本発明は、圧力センサが設けられた流路を真空引きしなくても、圧力センサの異常を確認できる圧力式流量制御装置及び該圧力式流量制御装置の異常検知方法を提供することを主たる目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る圧力式流量制御装置の実施形態は、流路に介在された絞り部と、前記絞り部の上流側の流体圧力を検出するための上流側圧力センサと、前記絞り部の下流側の流体圧力を検出するための下流側圧力センサと、前記上流側圧力センサの上流側流路に設けられた流量制御弁と、前記上流側圧力センサ及び前記下流側圧力センサの其々の検出値に基づいて前記流量制御弁を制御することにより流量を設定流量となるように制御する演算制御回路と、を備え、前記演算制御回路は、前記流路内を流体が流れていない状態において、前記上流側圧力センサの検出値と前記下流側圧力センサの検出値との差を演算するとともに、演算した前記差に基づく圧力センサ異常判定用信号を出力する。

ある実施形態において、前記演算制御回路は、前記下流側圧力センサの下流側流路に設けられる開閉弁の閉時に前記流量制御弁が閉じられた状態で前記上流側圧力センサの検出値と前記下流側圧力センサの検出値との差を演算するとともに、演算した前記差に基づく圧力センサ異常判定用信号を出力する。

ある実施形態において、前記上流側圧力センサと前記下流側圧力センサとが同一の定格圧力を有し、前記演算制御回路は、前記定格圧力に対する、前記上流側圧力センサの検出値と前記下流側圧力センサの検出値との差の割合を、前記圧力センサ異常判定用信号として出力する。

ある実施形態において、前記演算制御回路は、前記圧力センサ異常判定用信号を流量出力値として出力する。

ある実施形態において、前記圧力センサ異常判定用信号を用いて前記上流側圧力センサ及び前記下流側圧力センサの異常を判定する異常判定手段を更に有する。

また、上記目的を達成するため、本発明に係る圧力式流量制御装置の異常検知方法の実施形態は、前記圧力式流量制御装置が、流路に介在された絞り部と、前記絞り部の上流側の流体圧力を検出するための上流側圧力センサと、前記絞り部の下流側の流体圧力を検出するための下流側圧力センサと、前記上流側圧力センサの上流側流路に設けられた流量制御弁と、前記上流側圧力センサ及び前記下流側圧力センサの其々の検出値に基づいて前記流量制御弁を制御することにより流量を設定流量となるように制御する、演算制御回路と、を備え、前記異常検知方法は、前記流路内を流体が流れていない状態において、前記上流側圧力センサ及び前記下流側圧力センサにより前記流路内の圧力を検出するステップと、前記上流側圧力センサの検出値と前記下流側圧力センサの検出値との差を演算するステップと、演算により求められた前記差に基づく圧力センサ異常判定用信号を出力するステップと、を含む。

本発明に係る圧力式流量制御装置の異常検知方法の実施形態において、前記流路内を流体が流れていない前記状態は、前記下流側圧力センサの下流側流路に設けられる開閉弁が閉じられ、且つ、設定流量がゼロに設定されて前記流量制御弁が閉じられている状態を含むことができる。

本発明に係る圧力式流量制御装置の異常検知方法の実施形態において、前記上流側圧力センサ及び前記下流側圧力センサの同一の定格圧力に対する、前記上流側圧力センサの検出値と前記下流側圧力センサの検出値との差の割合を、前記圧力センサ異常判定用信号として出力するステップを更に含むことができる。

本発明に係る圧力式流量制御装置の異常検知方法の実施形態において、前記圧力センサ異常判定用信号を流量出力値として出力することができる。

本発明に係る圧力式流量制御装置の異常検知方法の実施形態において、前記圧力センサ異常判定用信号を予め定められたしきい値と比較することにより、前記上流側圧力センサ及び前記下流側圧力センサの一方又は双方に異常があると判定するステップを更に含むことができる。

本発明によれば、流路内を流体が流れていない状態では、上流側圧力センサ及び下流側圧力センサは、正常に作動していれば、同じ検出値を出力するはずであるから、上流側圧力センサの検出値と下流側圧力センサの検出値との差はゼロとなるはずである。一方、上流側圧力センサと下流側圧力センサの其々の検出値に差がある場合は、何れか一方又は双方が誤差を生じているか故障している可能性がある。上流側圧力センサと下流側圧力センサの其々の検出値に差の度合いによって、前記圧力式流量制御装置の制御流量に異常ありと判定することができる。

本発明の一態様において、プロセス終了後に絞り部下流側の開閉弁が閉じられ、設定流量をゼロにして絞り部上流側の流量制御弁が閉じられた時、流量制御弁と開閉弁との間の流路内にはガスが流れていない状態で残存しているため、その残存ガスの圧力を上流側圧力センサと下流側圧力センサとが同時に検出する。上流側圧力センサ及び下流側圧力センサは、閉じられた流路内のガス圧力を測定しているため、正常に作動していれば、同じ検出値を出力するはずであるから、上流側圧力センサの検出値と下流側圧力センサの検出値との差はゼロとなるはずである。一方、上流側圧力センサと下流側圧力センサとの検出値に差がある場合は、何れか一方又は双方が誤差を生じているか故障している可能性が考えられる。従って、流路を真空状態にせずとも、上流側圧力センサの検出値と下流側圧力センサの検出値との差を求め、その差の度合いを判別することにより、上流側圧力センサ及び下流側圧力センサの何れかに故障或いは検出誤差があるか無いかをチェックすることができ、上流側圧力センサ及び下流側圧力センサの異常、即ち制御流量の異常を検知することができる。この圧力センサの異常検知については、真空引き工程を経る必要が無いため、流体供給プロセス中の下流側開閉弁閉止時に行うことが可能となる。

また、本発明の一態様において、圧力センサの定格圧力に対する、上流側圧力センサの検出値と下流側圧力センサの検出値との差の割合を、前記圧力センサ異常判定用信号として出力することにより、上流側圧力センサ及び下流側圧力センサに誤差が生じていた場合に、誤差の割合を知ることができ、また、誤差の割合を予め設定したしきい値と比較することで異常か否かを判定することもできる。

図１は、本発明の圧力式流量制御装置の一実施形態を示す概略構成図である。図２は、本発明の圧力式流量制御装置の他の実施形態を示す概略構成図である。図３は、従来の圧力式流量制御装置を示す概略構成図である。図４は、従来の圧力式流量制御装置のプロセスチャンバへの接続例を示す概略構成図である。

本発明に係る圧力式流量制御装置の幾つかの実施形態について、以下に図１及び図２を参照して説明する。なお、従来技術を含め同一又は類似の構成部分については同符号を付している。

図１は、圧力式流量制御装置の一実施形態を示す概略構成図である。圧力式流量制御装置１は、流路２に介在された絞り部３と、絞り部３の上流側の流体圧力を検出するための上流側圧力センサ４と、絞り部３の下流側の流体圧力を検出するための下流側圧力センサ５と、上流側圧力センサ４の上流側流路に設けられた流量制御弁６と、上流側圧力センサ４及び下流側圧力センサ５の其々の検出値に基づいて流量制御弁６を制御することにより流量を制御する演算制御回路１３と、を備えている。なお、図示していないが、流路２内の流体温度を検出する温度センサが、例えば上流側圧力センサ４と絞り部３の間に、配設され得る。

流路２は金属製ブロック等に穿孔されて形成され得る。絞り部３は、流路２に介在された薄板のオリフィスプレートにより形成されている。上流側圧力センサ４及び下流側圧力センサ５は、例えば、シリコン単結晶のセンサチップとダイヤフラムを内蔵する圧力センサが用いられ得る。上流側圧力センサ４と下流側圧力センサ５とは、好ましくは同一の定格圧力、同一の仕様のものが用いられる。流量制御弁６は、圧電素子駆動式の金属製ダイヤフラム弁が用いられる。

下流側圧力センサ５の下流側流路に、開閉弁８が設けられている。図１に示す例では開閉弁８が圧力式流量制御装置１の外部に接続されているが、他の変更態様においては、図２に示すように開閉弁８が圧力式流量制御装置１に内蔵され得る。開閉弁８は、例えば、エア駆動弁が用いられ、駆動エアの供給が電磁弁等によりＯＮ／ＯＦＦ制御されて、開閉制御され得る。

外部制御装置１４において設定流量が設定され、設定された設定流量の信号が、外部制御装置１４から演算制御回路１３に送られる。演算制御回路１３は、上流側圧力センサ４及び下流側圧力センサ５の其々の検出値に基づいて、臨界膨張条件又は非臨界膨張条件における流量計算式により流量を演算し、絞り部３を通過する流体の流量が設定流量になるように流量制御弁６を制御する。演算制御回路１３は、演算した流量を流量出力値（Ｑ_ｏｕｔ）として外部制御装置１４に出力することができ、外部制御装置１４が受け取った流量出力値（Ｑ_ｏｕｔ）を表示器１４ａに表示させることにより、演算により得られた流量をモニターすることができる。

圧力式流量制御装置１は、半導体製造ラインのガス供給ライン等の流路に組み込まれる。半導体製造ラインでは、複数の流路がプロセスチャンバ９に接続され（図４参照）、前記複数の流路の其々に圧力式流量制御装置１が設けられ、各流路に設けた開閉弁８を切り換えることにより、種類の異なるプロセスガスが流量制御されてプロセスチャンバ９に順次供給される。プロセスチャンバ９にプロセスガスが供給されている間、真空ポンプ１１によりプロセスチャンバ９内が真空引きされる。あるプロセスが終了した後、ガス供給を停止するため、外部制御装置１４からの指令により、開閉弁８が閉じられると、それに合わせて、流量制御弁６の制御流量をゼロにする信号が外部制御装置１４から演算制御回路１３に送られ、いわゆる流量ゼロモードとなる。前記流量ゼロモードで、演算制御回路１３は、設定流量ゼロの信号を受けて流量制御弁６が閉じられる。その結果、流量制御弁６と開閉弁８との間の流路２にガスが残存することとなる。なお、開閉弁８は、プロセスチャンバ９へのガス供給を完全に止めるため、流量制御弁６よりもリークが少なく弁閉鎖力の強い弁が用いられ得る。

前記流量ゼロモードで、演算制御回路１３は、上流側圧力センサ４の検出値（Ｐ_１）と下流側圧力センサ５の検出値（Ｐ_２）との差（Ｐ_１−Ｐ_２）を演算する。

上流側圧力センサ４及び下流側圧力センサ５は、両端を閉じられた流路２内の同じガス圧力を測定している。従って、上流側圧力センサ４及び下流側圧力センサ５は、正常に作動していれば、同じ検出値を出力するはずであるから、上流側圧力センサの検出値と下流側圧力センサの検出値との差（Ｐ_１−Ｐ_２）はゼロとなるはずである。

一方、上流側圧力センサ４の検出値（Ｐ_１）と下流側圧力センサ５の検出値（Ｐ_２）の差（Ｐ_１−Ｐ_２）がゼロでない場合は、その差の度合いによっては、上流側圧力センサ４及び下流側圧力センサ５の何れか一方又は双方が、誤差を生じているか故障していると考えられる。

従って、上流側圧力センサ４の検出値と下流側圧力センサ５の検出値との差を演算し、その差の度合いを判定することにより、流路２を真空状態にしなくても、上流側圧力センサ４と下流側圧力センサ５の何れかに故障或いは誤差があるか無いかをチェックすることができる。

特に図４に示されるようにプロセスチャンバ９につながる流路が複数あって、前記流量ゼロモードで開閉弁８を閉じている流路と、開閉弁８を開いて所定流量でガスを流している流路とがある場合にあっては、ガスを流している流路はそのままガスを流しながら、前記流量ゼロモードの圧力式流量制御装置１の上流側圧力センサ４と下流側圧力センサ５に異常が無いかを検知することができる。

演算制御回路１３は、検出値の差（Ｐ_１−Ｐ_２）を圧力センサ異常判定用信号として外部制御装置１４に出力し、外部制御装置１４は、前記圧力センサ異常判定用信号である検出値の差（Ｐ_１−Ｐ_２）を予め設定されたしきい値と比較することにより、異常の有無を判定する異常判定手段を備えることができる。例えば、外部制御装置１４は、前記圧力センサ異常判定用信号である検出値の差（Ｐ_１−Ｐ_２）の絶対値が前記しきい値を超える場合に、異常有りと判定する。前記異常判定手段による判定結果を、例えば表示器１４ａに表示することにより、圧力センサの交換時期を知らせることもできる。

また、他の実施形態において、演算制御回路１３は、上流側圧力センサ４及び下流側圧力センサ５の定格圧力（Ｐ_ｍａｘ）に対する、上流側圧力センサ４の検出値（Ｐ_１）と下流側圧力センサの検出値（Ｐ_２）との差（Ｐ_１−Ｐ_２）の割合［（（Ｐ_１−Ｐ_２）／Ｐ_ｍａｘ）×１００］（％）を、圧力センサ異常判定用信号として出力し、例えば、表示器１４ａ等に表示させることができる。

この場合、演算制御回路１３は、［（（Ｐ_１−Ｐ_２）／Ｐ_ｍａｘ）×１００］（％）の圧力センサ異常判定用信号を流量出力値（Ｑ_ｏｕｔ）として外部制御装置１４に出力することができる。外部制御装置１４は、流量設定ゼロからの流量出力値（Ｑ_ｏｕｔ）のドリフトを、設定流量ゼロからのゼロ点ドリフトとして判別することができるので、このゼロ点ドリフトのドリフト幅が予め設定された前記しきい値を超える場合に圧力センサに異常があると判定する異常判定手段を備えることができる。また、ドリフトを調整することにより、ゼロ点調整することもできる。

本発明は、上記実施形態に限定されるものでなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。例えば、流量制御弁は、圧電素子駆動型に代えて、ソレノイド駆動型とすることもできる。

また、上記実施形態では、前記流量ゼロモードで流量制御弁６が閉じている状態での異常検知について説明したが、流量制御弁が閉じていない状態であっても、例えば、圧力式流量制御装置１の上流部に接続される開閉弁（図示せず。）が閉じられる等、圧力式流量制御装置１内の流路２に流体が流れていない状態であれば、上記実施形態と同様に、上流側圧力センサ及び下流側圧力センサの以上の有無を検知することが可能である。

１圧力式流量制御装置
２流路
３絞り部
４上流側圧力センサ
５下流側圧力センサ
６流量制御弁
８開閉弁
１３演算制御回路

Claims

流路に介在された絞り部と、
前記絞り部の上流側の流体圧力を検出するための上流側圧力センサと、
前記絞り部の下流側の流体圧力を検出するための下流側圧力センサと、
前記上流側圧力センサの上流側流路に設けられた流量制御弁と、
前記上流側圧力センサ及び前記下流側圧力センサの其々の検出値に基づいて前記流量制御弁を制御することにより流量を設定流量となるように制御する演算制御回路と、を備え、
前記演算制御回路は、前記流路内を流体が流れていない状態において、前記上流側圧力センサの検出値と前記下流側圧力センサの検出値との差を演算するとともに、演算した前記差に基づく圧力センサ異常判定用信号を出力することを特徴とする圧力式流量制御装置。
前記演算制御回路は、前記下流側圧力センサの下流側流路に設けられる開閉弁の閉時に前記流量制御弁が閉じられた状態で前記上流側圧力センサの検出値と前記下流側圧力センサの検出値との差を演算するとともに、演算した前記差に基づく圧力センサ異常判定用信号を出力する、請求項１に記載の圧力式流量制御装置。
前記上流側圧力センサと前記下流側圧力センサとが同一の定格圧力を有し、
前記演算制御回路は、前記定格圧力に対する、前記上流側圧力センサの検出値と前記下流側圧力センサの検出値との差の割合を、前記圧力センサ異常判定用信号として出力する、請求項１に記載の圧力式流量制御装置。
前記演算制御回路は、前記圧力センサ異常判定用信号を流量出力値として出力する、請求項３に記載の圧力式流量制御装置。
前記圧力センサ異常判定用信号を用いて前記上流側圧力センサ及び前記下流側圧力センサの異常を判定する異常判定手段を更に有する、請求項１に記載の圧力式流量制御装置。
圧力式流量制御装置の異常検知方法であって、
前記圧力式流量制御装置は、
流路に介在された絞り部と、
前記絞り部の上流側の流体圧力を検出するための上流側圧力センサと、
前記絞り部の下流側の流体圧力を検出するための下流側圧力センサと、
前記上流側圧力センサの上流側流路に設けられた流量制御弁と、
前記上流側圧力センサ及び前記下流側圧力センサの其々の検出値に基づいて前記流量制御弁を制御することにより流量を設定流量となるように制御する、演算制御回路と、を備え、
前記異常検知方法は、
前記流路内を流体が流れていない状態において、前記上流側圧力センサ及び前記下流側圧力センサにより前記流路内の圧力を検出するステップと、
前記上流側圧力センサの検出値と前記下流側圧力センサの検出値との差を演算するステップと、
演算により求められた前記差に基づく圧力センサ異常判定用信号を出力するステップと、を含むことを特徴とする、前記圧力式流量制御装置の異常検知方法。
前記流路内を流体が流れていない前記状態は、前記下流側圧力センサの下流側流路に設けられる開閉弁が閉じられ、且つ、設定流量がゼロに設定されて前記流量制御弁が閉じられている状態を含む、請求項６に記載の圧力式流量制御装置の異常検知方法。
前記上流側圧力センサ及び前記下流側圧力センサの同一の定格圧力に対する、前記上流側圧力センサの検出値と前記下流側圧力センサの検出値との差の割合を、前記圧力センサ異常判定用信号として出力するステップを更に含む、請求項６に記載の圧力式流量制御装置の異常検知方法。
前記圧力センサ異常判定用信号を流量出力値として出力することを特徴とする請求項８に記載の圧力式流量制御装置の異常検知方法。
前記圧力センサ異常判定用信号を予め定められたしきい値と比較することにより、前記上流側圧力センサ及び前記下流側圧力センサの一方又は双方に異常があると判定するステップを更に含む、請求項６に記載の圧力式流量制御装置の異常検知方法。