JPWO2018047644A1 - 流量比率制御装置、流量比率制御装置用プログラム、及び、流量比率制御方法 - Google Patents

Abstract

目標流量比率を達成できるだけでなく、当該目標流量比率を達成するまでにかかる時間を制御できる流量比率制御装置を提供するために、メイン流路と、前記メイン流路の終端から分岐する複数の分岐流路と、各分岐流路に設けられ、それぞれがバルブ、及び、前記バルブの下流側に配置された圧力式の流量センサを具備する複数の流体制御装置と、目標流量比率に基づいて、複数の流体制御装置のうちいずれか１つの流体制御装置には各バルブよりも上流側における流体の流速を制御するための流速制御モードで動作させ、それ以外の流体制御装置には前記目標流量に基づいて流量を制御する流量制御モードで動作させるように設定する動作設定部と、を備えた。

Description

本発明は、メイン流路から分岐する複数の分岐流路を流れる流体の流量比率を目標流量比率となるように制御する流量比率制御装置に関するものである。

半導体製造プロセスにおいては、チャンバ内でのガス濃度を均一化するために流量比率制御装置（レシオコントローラ）を用いてチャンバの複数箇所から所定の流量比率でガスを導入することが行われている。

前記流量比率制御装置は、複数の成分からなる混合ガスの流れるメイン流路と、前記メイン流路の終端から分岐し、チャンバに接続される複数の分岐流路と、各分岐流路にそれぞれ設けられたマスフローコントローラと、を備えたものである（特許文献１参照）。複数のマスフローコントローラのうち１つのマスフローコントローラは予め定められた目標圧力となるように圧力制御を行い、その他のマスフローコントローラは目標流量比率と各分岐流路を流れるガスの流量の総和から算出される個別の目標流量となるように流量制御を行う。このように各分岐流路のマスフローコントローラが動作することで目標流量比率が実現される。

ところで、近年の半導体製造プロセスにおいてはガスの流量比率を正確に制御できるだけでなく、その流量比率を達成できるまでにかかる時間についても短縮し、その時間を常に一定にできることが求められつつある。

特表2008-538656号公報

本発明は上述したような問題を鑑みてなされたものであり、目標流量比率を達成できるだけでなく、当該目標流量比率を達成するまでにかかる時間を制御できる流量比率制御装置、流量比率制御装置用プログラム、及び、流量比率制御方法を提供する事を目的とする。

すなわち、本発明に係る流量比率制御装置は、メイン流路と、前記メイン流路の終端から分岐する複数の分岐流路と、各分岐流路に設けられ、それぞれがバルブ、及び、前記バルブの下流側に配置された圧力式の流量センサを具備する複数の流体制御装置と、各分岐流路に流す流体の流量の分配比率である目標流量比率を受け付ける目標受付部と、各流量センサで測定される各分岐流路を流れる流体の測定流量の総和、及び、前記目標流量比率に基づいて、各分岐流路に対する目標流量を算出する目標流量算出部と、前記目標流量比率に基づいて、複数の流体制御装置のうちいずれか１つの流体制御装置には各バルブよりも上流側における流体の流速を制御するための流速制御モードで動作させ、流速制御モードで動作させる１つの流体制御装置以外の流体制御装置には前記目標流量に基づいて流量を制御する流量制御モードで動作させるように設定する動作設定部と、を備えたことを特徴とする。

このようなものであれば、分岐流路に設けられた１つの流体制御装置により流体の流速を制御しつつ、残りの流体制御装置により各分岐流路を流れる流体の流量が目標流量比率を実現するように個別に制御できる。

また、各流体制御装置は圧力式の流量センサを具備しているので、流量センサにおいては流路の分岐がないので、層流素子よりも上流側において流体がたまりやすく、目標流量や流速を実現するのに必要な圧力に達するまでの時間を短くできる。

また、複数の成分からなるガスの流量比率を制御する場合には、ガスを必要十分な時間だけメイン流路で流してガスの混合を実現し、各分岐流路を流れるガスの成分を揃えることもできる。

所望の流速が実現されるまでの時間をできるかぎり短くするには、前記動作設定部が、前記目標流量比率に基づいて最も流量比の大きい分岐流路に設けられている流体制御装置を前記流速制御モードで動作させるように構成されていればよい。このようなものであれば、最も流量の多い分岐流路の流体制御装置が流速を制御するので、流速に影響する流体の量が最も大きくして、目標の流速が実現されるまでにかかる時間を短縮できる。

流体の流速を測定し、流速自体に基づいて流速制御を実現できるようにするには、各バルブよりも上流側に設けられたメイン圧力センサと、前記メイン圧力センサで測定されている流体の圧力、流量センサで測定される各分岐流路を流れる流体の測定流量の総和、及び、メイン流路の断面積に基づいて、流体の流速を算出する流速算出部と、をさらに備えたものであればよい。

例えば、流速制御モードに設定されている流体制御装置により所望の流速をユーザが手動で試行錯誤しながら適宜流速制御できるようにするには、前記流速算出部が算出される流速を外部出力するように構成されており、前記流速制御モードに設定された流体制御装置が、目標開度を受け付けて前記バルブを当該目標開度となるように制御し、前記流量制御モードに設定された流体制御装置が、前記目標流量と流量センサで測定される測定流量との偏差が小さくなるように前記バルブを制御するものであればよい。このようなものであれば、前記流速算出部から外部出力される流速をディスプレイ等の表示装置に値や時間グラフとして表示でき、ユーザは現在の流速を確認しながら目標流速となるように流速制御モードで動作する流体制御装置のバルブの開度を適切な値へと調節することができる。

各バルブの印加電圧に対する開度のヒステリシスの影響を低減し、高速、高精度な流速制御又は流量制御を実現できるようにするには、制御各バルブが、弁体の弁座に対する位置を測定するポジションセンサを備えたものであればよい。

過去の制御実績を学習し、目標流量比率がすでに設定されたことがある場合には各バルブについて同じ状態をすぐに再現して、流速と流量比率が短時間で所望の状態となるようにするには、各分岐流路を流れる流体の流量の比率が前記目標流量比率で安定した場合に、前記目標流量比率、及び、当該目標流量比率で安定した状態での各バルブのポジションセンサの出力が紐づけられた安定状態開度データを記憶する設定記憶部と、前記目標受付部に受け付けられた目標流量比率と同じ目標流量比率を含む安定状態開度データがある場合に、流量比率制御開始時に当該安定状態開度データの各バルブのポジションセンサの出力となるように各バルブの開度を制御するフィードフォワード制御部と、をさらに備えたものであればよい。

流体の流速が所望の値になるまでにかかる時間をさらに短縮するには、前記メイン流路から各分岐流路の各バルブに至るまでの流路のコンダクタンスがほぼ一定となるように構成されていればよい。このようなものであれば、圧力の上昇に必要な流体の流入を妨げる流体抵抗をなくし、流速が所望の値となるまでにかかる時間を低減できる。

本発明に係る流量比率制御装置の別の表現としては以下のようなものが挙げられる。すなわち、本発明に係る流量比率制御装置は、メイン流路と、前記メイン流路の終端から分岐する第１分岐流路と、前記メイン流路の終端から分岐する第２分岐流路と、前記第１分岐流路に設けられ、第１バルブ、及び、第１バルブの下流側に配置された圧力式の第１流量センサを具備する第１流体制御装置と、前記第２分岐流路に設けられ、第２バルブ、及び、第２バルブの下流側に配置された圧力式の第２流量センサを具備する第２流体制御装置と、前記第１分岐流路、及び、前記第２分岐流路に流す流体の流量の分配比率である目標流量比率を受け付ける目標受付部と、前記第１流量センサ、前記第２流量センサで測定される流体の測定流量、及び、前記目標流量比率に基づいて、前記第１分岐流路と前記第２分岐流路に対する目標流量を算出する目標流量算出部と、前記目標流量比率に基づいて、前記第１流体制御装置、前記第２流体制御装置の制御モードを設定する動作設定部と、を備え、前記動作設定部が、各バルブよりも上流側における流体の流速を制御するための流速制御モード、又は、前記目標流量に基づいて流量を制御する流量制御モードで前記第１流体制御装置、前記第２流体制御を動作させることを特徴とする。

既存の流量比率制御装置について本発明と同様の動作を実現するには、メイン流路と、前記メイン流路の終端から分岐する複数の分岐流路と、各分岐流路に設けられ、それぞれがバルブ、及び、前記バルブの下流側に配置された圧力式の流量センサを具備する複数の流体制御装置と、を備えた流量比率制御装置に用いられるプログラムであって、各分岐流路に流す流体の流量の分配比率である目標流量比率を受け付ける目標受付部と、各流量センサで測定される各分岐流路を流れる流体の測定流量の総和、及び、前記目標流量比率に基づいて、各分岐流路に対する目標流量を算出する目標流量算出部と、前記目標流量比率に基づいて、複数の流体制御装置のうちいずれか１つの流体制御装置には各バルブよりも上流側における流体の流速を制御するための流速制御モードで動作させ、流速制御モードで動作させる１つの流体制御装置以外の流体制御装置には前記目標流量に基づいて流量を制御する流量制御モードで動作させるように設定する動作設定部としての機能をコンピュータに発揮させることを特徴する流量比率制御装置用プログラムを既存の流量比率制御装置にインストールすればよい。

流量比率制御装置用プログラムは、電子的に配信されるものであってもよいし、ＣＤ，ＤＶＤ、フラッシュメモリ等の記憶媒体に記憶されて流量比率制御装置用プログラム記憶媒体の形で用いられるものであってもよい。

本発明に係る流量比率制御方法は、メイン流路と、前記メイン流路の終端から分岐する複数の分岐流路と、各分岐流路に設けられ、それぞれがバルブ、及び、前記バルブの下流側に配置された圧力式の流量センサを具備する複数の流体制御装置と、を備えた流量比率制御装置を用いた流量比率制御方法であって、各分岐流路に流す流体の流量の分配比率である目標流量比率を受け付ける工程と、各流量センサで測定される各分岐流路を流れる流体の測定流量の総和、及び、前記目標流量比率に基づいて、各分岐流路に対する目標流量を算出する工程と、前記目標流量比率に基づいて、複数の流体制御装置のうちいずれか１つの流体制御装置には各バルブよりも上流側における流体の流速を制御するための流速制御モードで動作させ、流速制御モードで動作させる１つの流体制御装置以外の流体制御装置には前記目標流量に基づいて流量を制御する流量制御モードで動作させるように設定する工程と、を備えたことを特徴とする。

このように本発明に係る流量比率制御装置によれば、各バルブの上流側における流体の流速についても制御したうえで、各分岐流路を流れる流体の流量比率も制御できる。したがって、所望の流速となるまでにかかる時間を短縮しつつ、そのかかる時間を条件が同じであれば毎回ほぼ同じ長さにすることもできる。

本発明の一実施形態に係る流量比率制御装置を示す模式図。 同実施形態における流量制御モードのマスフローコントローラを示す模式図。 同実施形態における流速制御モードのマスフローコントローラを示す模式図。 同実施形態に係る流量比率制御装置の機能ブロック図。 本発明の別の実施形態に係る流量比率制御装置の機能ブロック図。 本発明のさらに別の実施形態に係る流量比率制御装置の機能ブロック図。

１００・・・流量比率制御装置
ＭＬ ・・・メイン流路
ＢＬ ・・・分岐流路
１０ ・・・マスフローコントローラ（流体制御装置）
３ ・・・バルブ
４ ・・・流量センサ
６１ ・・・目標受付部
６２ ・・・目標流量算出部
６３ ・・・動作設定部
６４ ・・・流量算出部
６６ ・・・設定記憶部
６７ ・・・フィードフォワード制御部

本発明の一実施形態に係る流量比率制御装置１００について各図を参照しながら説明する。図１に示す流量比率制御装置１００は、半導体製造プロセスにおいてウエハの収容されている真空チャンバ内で成膜させるための各種成分を含む混合ガスをチャンバに設けられた複数の導入口からそれぞれ予め定められた流量比率で導入するために用いられる。

前記流量比率制御装置１００は、ガスソースＧＳに上流側が接続されたメイン流路ＭＬと、前記メイン流路ＭＬに設けられたメイン圧力センサＭＰと、前記メイン流路ＭＬから複数に分岐した分岐流路ＢＬと、各分岐流路ＢＬに設けられた流体制御装置である複数のマスフローコントローラ１０と、各マスフローコントローラ１０の制御を統括するマスター制御器ＣＯＭとを備えている。そして、前記流量比率制御装置１００は、各分岐流路ＢＬを流れる混合ガスの流量比率が目標流量比率となるように制御するだけでなく、前記メイン圧力センサＭＰのある地点での混合ガスの流速を所望の値となるように制御できるように構成してある。また、前記マスター制御器ＣＯＭはユーザから受け付けられた各分岐流路ＢＬを流れる混合ガスの目標流量比率に基づいて、各マスフローコントローラ１０に指令を入力し、そのうちの１つのマスフローコントローラ１０には流速制御を行うための流速制御モードを実行させ、その他のマスフローコントローラ１０には目標流量比率から算出される個別の目標流量を入力して流量制御モードを実行させる。

各部について詳述する。

前記ガスソースＧＳは複数の成分が混合された状態の混合ガスが収蔵されてあり、前記メイン流路ＭＬへ混合ガスを供給するものである。

前記メイン流路ＭＬは１本の中空の配管であり、流路抵抗となるような層流素子４３等の部材は配管内には存在しない。すなわち、前記ガスソースＧＳから前記各分岐流路ＢＬ上に設けられた各マスフローコントローラ１０に至るまでの流路については中空にしてあり、内部に別の流体抵抗となる部材は存在せず、配管としてのコンダクタンスがほぼ一定となるようにしてある。

前記メイン圧力センサＭＰは、前記メイン流路ＭＬを流れる混合ガスの圧力を測定するものである。このメイン圧力センサＭＰで測定される圧力に基づいて、メイン圧力センサＭＰの設けられている箇所における混合ガスの流速をモニタリングする。

各分岐流路ＢＬは、前記メイン流路ＭＬの１つの終端からそれぞれ分岐するものであり、上流側が前記メイン流路ＭＬに接続されている。また、各分岐流路ＢＬの下流側はチャンバにおいて別々の場所に接続されている。なお、本実施形態では４本の分岐流路ＢＬが設けてあるが、２本以上の分岐流路ＢＬが設けてあればよい。以下の説明において必要がある場合には図１における上側から順番に第１〜第４分岐流路ＢＬと呼称する。

各マスフローコントローラ１０は、単独で通過する流体の流量を制御可能に構成された同一の流体機器である。すなわち、各マスフローコントローラ１０は、図１乃至図３に示すように内部流路が形成されたブロックと、前記内部流路に対して設けられたバルブ３と、前記内部流路に対して前記バルブ３よりも下流側に設けられた圧力式の流量センサ４と、前記バルブ３等の制御を司る制御ボード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１０はこれらの要素がパッケージ化されたものであり、単独でも設定された目標流量と前記流量センサ４で測定される測定流量との偏差による流量フィードバック制御を実行できる。

マスフローコントローラ１０の各部の詳細について説明する。なお、第１〜第４分岐流量に対応させて、各分岐流路ＢＬに設けられているマスフローコントローラ１０をそれぞれ第１〜第４マスフローコントローラ１０と呼称する。また、各マスフローコントローラ１０を構成する各構成要素についても同様の命名規則で呼称する場合もある。

前記バルブ３は、弁座３１と、弁座３１に対して接離する弁体３２と、弁体３２を移動させる例えばピエゾアクチュエータ３３と、弁座３１に対する弁体３２の位置、すなわち、開度を検出する位置センサと、を備えている。前記ピエゾアクチュエータ３３は単体では印加される電圧の方向に対して変位がヒステリシスを有するものであるが、前記位置センサで測定される弁体３２の位置をフィードバックして印加電圧を制御することで当該ヒステリシスを実質的に無視できるようにしてある。前記位置センサは例えば渦電流式の非接触型の変位センサである。前記変位センサは、プローブと前記プローブと対向する測定対象面とを具備しており、前記プローブ又は前記測定対象面のいずれか一方は前記弁体３２と実質的に同じ量だけほぼ同期して移動し、他方は所定位置に固定してある。

前記流量センサ４は、上流側圧力センサ４１、層流素子４３、下流側圧力センサ４２、及び、上流側圧力センサ４１、下流側圧力センサ４２で測定される各測定圧力に基づいて、流量を出力する流量出力回路４４と、を備えている。層流素子４３によりその前後に差圧が発生するので、前記流量出力回路４４は、前記上流側圧力センサ４１と前記下流側圧力センサ４２で測定される差圧から前記流量センサ４が設けられている分岐流路ＢＬを流れる流体の流量を算出し、出力するように構成してある。図１に示されるように圧力式の流量センサ４は、熱式の流量センサ４のように一部の流体をバイパスさせるように構成されておらず、全ての流体が層流素子４３を通過して下流側圧力センサ４２のある下流側へと通過する。

前記制御ボードは、ＣＰＵ、メモリ、Ａ／Ｃ・Ｄ／Ｃコンバータ、入出力手段等を備えたいわゆるコンピュータであって、メモリに格納された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バルブ制御部５としての機能を発揮するものである。

前記バルブ制御部５は、バルブ３の制御を司るものであり、本実施形態では前述したマスター制御器ＣＯＭからの指令に応じて、流量制御モード、又は、流速制御モードの少なくとも２通りの制御モードのいずれかを実行するように構成してある。本実施形態では、目標流量比率の最も大きい分岐流路ＢＬであるマスターライン以外の分岐流路ＢＬであるスレーブラインに設けられているマスフローコントローラ１０のバルブ制御部５は流量制御モードで動作する。より具体的にはマスターライン以外のスレーブラインに設けられているマスフローコントローラ１０のバルブ制御部５は、図２に示すように個別に設定された目標流量、及び、前記流量センサ４で測定される分岐流路ＢＬを流れる混合ガスの測定流量の偏差に基づき、当該偏差が小さくなるように流量フィードバック制御を行う。より具体的には目標流量と測定流量の偏差に基づいて前記バルブ制御部５は目標開度を算出し、前記ポジションセンサ３４の示す開度が目標開度となるようにバルブ３への印加電圧が制御される。言い換えると、マスターラインに設けられているマスフローコントローラ１０のバルブ制御部５は流量制御モードでは動作しておらず、複数のスレーブラインに設けられているマスフローコントローラ１０のバルブ制御部５はそれぞれ個別に流量制御モードで動作する。そして、スレーブラインに設けられている個別のマスフローコントローラ１０に注目した場合、各マスフローコントローラ１０の制御系は個別に測定流量のフィードバックループが形成されることになる。

一方、マスターラインに設けられているマスフローコントローラ１０のバルブ制御部５は図３に示すような流速制御モードで動作する。すなわち、マスターラインに設けられているマスフローコントローラ１０に注目した場合、そのバルブ制御部５は、バルブの制御のために流量センサ４で測定される測定流量のフィードバックは行われず、外部入力として入力される目標開度となるように前記ポジションセンサ３４の出力に基づいた制御が行われる。言い換えると流速制御モードではマスフローコントローラ１０内におけるバルブ制御のための測定流量のフィードバックループが切られ、ポジションセンサ３４による測定開度のフィードバックループのみが形成される。

前記マスター制御器ＣＯＭは、ＣＰＵ、メモリ、Ａ／Ｃ、Ｄ／Ｃコンバータ、入出力手段、ディスプレイ７等を備えたいわゆるコンピュータであって、メモリの所定領域に格納されている流量比率制御装置１００用プログラムが実行され、各種機器と協業することにより図４の機能ブロック図に示すように少なくとも目標受付部６１、目標流量算出部６２、動作設定部６３、流速算出部６４、学習制御部６５としての機能を発揮する。

各部について説明する。

前記目標受付部６１は、各分岐流路ＢＬに流す流体の流量の分配比率である目標流量比率を前述した入出力手段を介して受け付けるものである。目標流量比率は例えば分岐流路ＢＬごとの流量比の値である。

前記目標流量算出部６２は、各マスフローコントローラ１０と通信し、流量に関する情報を逐次取得するように構成してある。より具体的には前記目標流量算出部６２は、各マスフローコントローラ１０の各流量センサ４で測定される各分岐流路ＢＬを流れる流体の測定流量の総和、及び、前記目標流量比率に基づいて、各分岐流路ＢＬに対する目標流量をそれぞれ算出する。ここで、各分岐流路ＢＬを流れる混合ガスの測定流量の総和は、前記メイン流路ＭＬを流れる混合ガスの流量でもある。以下の説明では各分岐流量を混合ガスの測定流量の総和をトータル流量ともいう。前記目標流量算出部６２は、各分岐流路ＢＬに対して目標流量比率からトータル流量に対して占めるべき流量を目標流量としてそれぞれ算出する。

前記動作設定部６３は、各マスフローコントローラ１０のうち１つだけを流速制御モードで動作させ、その他の残りのマスフローコントローラ１０については流量制御モードで動作させるように設定する。いずれのマスフローコントローラ１０が流速制御モードで動作させるかについては、受け付けられた目標流量比率に基づいて決定される。本実施形態では目標流量比率が実現された場合に流される混合ガスの流量が最も大きくなる分岐流路ＢＬ上に設けられたマスフローコントローラ１０が流速制御モードで動作するように前記動作設定部６３から指令が該当するマスフローコントローラ１０へと指令が出力される。ここで、目標流量比率は第１〜第４分岐流路ＢＬの順番で小さくなっている場合や、第２分岐流路ＢＬを流れる流量の占める割合が最も大きい場合など様々な場合があり得る。したがって、流速制御モードで動作するマスフローコントローラ１０は目標流量比率によっては第１〜第４マスフローコントローラ１０のいずれでも有りうる。本実施形態の動作設定部６３は、流される流量の最も大きい分岐流路ＢＬに設けられたマスフローコントローラ１０を流速制御モードで動作させ、前記メイン流路ＭＬから各マスフローコントローラ１０のバルブ３に至るまでの流路での単位時間当たりの混合ガスの流入量を最も大きく変化させられるようにしてある。したがって、メイン流路ＭＬを流れる混合ガスの流速を短時間で例えば音速にまで変化させることが可能となる。

また前記動作設定部６３は、流速制御モードで動作させるマスフローコントローラ１０以外については、前述した流量制御モードで動作させる指令と、前記目標流量算出部６２で算出された各分岐流路ＢＬに対応する目標流量とを出力する。例えば第１マスフローコントローラ１０が流速制御モードで動作するように指令が出力されている場合には、第２〜第４マスフローコントローラ１０にはそれぞれ流量制御モードで動作するように指令と、対応する目標流量が出力される。

前記流速算出部６４は、前記メイン圧力センサＭＰで測定される測定圧力に基づいて、当該メイン圧力センサＭＰが設けられている点での混合ガスの流速を算出する。具体的には前記流速算出部６４は、前記メイン流路ＭＬでの混合ガスの質量流量を測定圧力と、メイン流路ＭＬの配管の横断面積とで割り、流速を算出する。なお、各マスフローコントローラ１０の流量センサ４で測定される測定流量の総和が、前記メイン流路ＭＬを流れる混合ガスの質量流量として使用される。

前記流速算出部６４は逐次算出される流速を外部出力するように構成されており、前記マスター制御器ＣＯＭのディスプレイ７に流速を示す信号が外部出力されて、現在の流速が表示される。なお、前記流速算出部６４は例えば流速に応じたアナログ電気信号を出力できるようにして、データロガー等に入力できるようにしてもよい。前記ディスプレイ７に表示される混合ガスの流速をユーザは見て、目標流速に対して大きいか小さいかを判断し、流速制御モードに設定されているマスフローコントローラ１０のバルブ３の目標開度を変更する。具体的にはユーザは前記マスター制御器ＣＯＭが備えている入出力手段を介して目標流速に対してディスプレイ７に表示される混合ガスの流速が小さい場合には、目標開度を大きくするように設定値を変更する。また、逆に目標流速に対してディスプレイ７に表示される混合ガスの流速が大きい場合には目標開度を小さくするように設定値を変更する。なお、目標開度の変更量に対する混合ガスの流速の変化量はガス種やガスソースＧＳの供給圧等の様々なパラメータの影響を受けて一定ではないので、ユーザは少しずつ目標開度を変更して流速の調整をすればよい。また、前記マスター制御器ＣＯＭに対してユーザから入力される目標開度は、ユーザがどのマスフローコントローラ１０に対して設定するかを指定しなくても、自動的に流速制御モードで動作しているマスフローコントローラ１０へ伝達される。このように流速制御モードで動作しているマスフローコントローラ１０のバルブ３の開度が変更されて、前記メイン流路ＭＬから各分岐流路ＢＬのバルブ３に至るまでの流路のコンダクタンスが調整されて、結果としてその流速が制御される。

前記学習制御部６５は、ある目標流量比率と目標流速の組み合わせが初めて達成された場合に、その時点での各マスフローコントローラ１０におけるバルブ３の開度を各ポジションセンサ３４の出力から取得し記憶する。そして、前記学習制御部６５は同じ目標流量比率が前記目標受付部６１で受け付けられた場合には、その目標流量比率に対応する各バルブ３の開度が初期値となるように各マスフローコントローラ１０のバルブ３の開度をフィードフォワード制御するものである。

より具体的には前記学習制御部６５は設定記憶部６６と、フィードフォワード制御部６７とから構成してある。

前記設定記憶部６６は、各分岐流路ＢＬを流れる流体の流量の比率が前記目標流量比率で安定した場合に、前記目標流量比率、及び、当該目標流量比率で安定した状態での各バルブ３のポジションセンサ３４の出力が紐づけられた安定状態開度データを記憶する。目標流速、目標流量比率で安定したかどうかについては安定状態が所定時間以上経過している、あるいは、ユーザが安定状態に達していると判断した場合にマスター制御器ＣＯＭに対して入力することでトリガ−とすることができる。

前記フィードフォワード制御部６７は、前記目標受付部６１に受け付けられた目標流量比率と同じ目標流量比率を含む安定状態開度データがある場合には、流量比率制御開始時に当該安定状態開度データに示される各バルブ３のポジションセンサ３４の出力となるように各バルブ３の開度を制御するように構成してある。このフィードフォワード制御部６７による制御は各マスフローコントローラ１０による流量制御又は流速制御の開始と同時、あるいは、これらの制御に先だって実行される。

このように構成された流量比率制御装置１００によれば、各マスフローコントローラ１０のうち最も流される流量の大きい分岐流路ＢＬに設けられているマスフローコントローラ１０によって混合ガスの流速を制御し、その流速制御が実現した状態でその他のマスフローコントローラ１０の流量制御により目標流量比率を実現できる。このため、流速に制御に関連する混合ガスの量を短時間で流入させることができ、流速が例えば音速に至るまでの時間を従来よりも短くすることができる。また、流速が音速に至るまでの時間を短縮できるので、半導体製造のレシピが変更されて、目標流量比率が変更された場合でもすぐに所望の流量比率で各分岐流路ＢＬからチャンバの複数の導入口から混合ガスを導入できる。したがって、チャンバ内における混合ガスの濃度の均一性が実現できるようになるまでの無駄時間を従来と比較して短縮でき、レシピ変更時の制御遅れや制御不良を低減できる。

また、各マスフローコントローラ１０のバルブ３はポジションセンサ３４を具備しているため、動作方向によるヒステリシスを抑えることができるとともに、前記学習制御部６５による前回実績に基づいたフィードフォワード制御により、即時に安定時における開度へと変更することができる。したがって、流量比率制御開始時における立ち上がり時間についても短縮し、即時に目標流量比率と目標流速の双方を達成する事が可能である。

さらに、本実施形態では流速制御モードで動作しているマスフローコントローラ１０のバルブ３の開度はユーザがディスプレイ７に表示される測定流速を見ながら変更できるように構成されているので、開度と流速との関係が不明である場合や線形性が悪い場合でも適切な開度を選択できる。

加えて、前記ガスソースＧＳから各分岐流路ＢＬのバルブ３に至るまでの流路にはコンダクタンスを小さくするような流体抵抗素子がないことも短時間での高流速の実現に役立っている。

ところで、本時実施形態の流量制御装置は混合ガスの流速も所望の値で一定に保つことができるので、ガスソースＧＳから供給される混合ガスの各成分が十分に混合されるように通常よりも遅い流速にするといったことも可能である。したがって、高速化だけでなく、混合ガスの品質についても従来よりもさらに向上させることができる。

その他の実施形態について説明する。

図５の機能ブロック図に示すようにマスター制御器ＣＯＭが流速算出部６４で算出される流速と、目標流速とに基づいてマスフローコントローラ１０の内の１つのバルブ３の開度を制御し、流速を制御する流速制御部６８を備えていても構わない。このようなものであれば、ユーザ等の人間が流量比率制御装置１００に介在しなくても自動的に理想的な流速と流量比率を実現できるようになる。

また、メイン圧力センサの代わりに流速センサを配置し、演算処理なしで直に流速を測定できるようにしてもよい。より具体的には図６の機能ブロック図に示すようにガスソースＧＳから各マスフローコントローラ１０のバルブ３に至るまでの流路における流体の流速自体を実測してマスターラインに配置されているマスフローコントローラ１０のバルブ３の開度を制御するようにしても構わない。言い換えると図１、図４、図５に示した各実施形態のようにメイン圧力センサＭＰを設ける代わりに例えば超音波式や熱線式の流速センサＦＶＳを設け、当該流速センサＦＶＳの測定流量をユーザが見て目標流速となるようにユーザがマスターラインに設けられたマスフローコントローラ１０のバルブ３の開度を適宜調整するようにしてもよい。また、図６に示されるように流速センサＦＶＳの出力が流速制御部６８にフィードバックされてマスターラインに設けられたマスフローコントローラ１０のバルブ３の開度が目標流速となるように制御されてもよい。流速センサＦＶＳについては上述したもの以外であれば、ファラデーの電磁則に基づいた電磁式の流速センサ、ピトー管を用いた流速センサ等様々なものを用いることができる。また、メイン圧力センサＭＰの代わりに流量センサを設けておき、測定される測定流量と例えばベルヌーイの定理に基づき、流速へと換算してもよい。

前記実施形態では流体制御装置はマスフローコントローラであったが、その他の流体制御装置が各分岐流路に設けられていてもよい。例えばマスフローコントローラのようにパッケージ化されていないバルブ、流量センサの一式を流体制御装置として取り扱ってもよい。また、流量比率が制御される流体は混合ガスに限られず、単一の種類のガスであってもよいし、液体であってもよい。

前記実施形態では目標流量比率に基づき、流される流体の流量が最も多い分岐流路に設けられている流体制御装置のバルブの開度、流路のコンダクタンス、ひいては流速を制御するように構成されていたが、例えば流される流体の流量が各分岐流路のうちの２番目、あるいは、３番目のものをマスターラインとして、それ以外の分岐流路をスレーブラインとし、マスターラインに設けられている流体制御装置でコンダクタンス又は流速の制御を行っても構わない。さらに、流体制御装置は圧力式のマスフローコントローラに限られず、例えば熱式の流量センサを具備する熱式のマスフローコントローラを用いても構わない。

前述した各実施形態で説明した目標受付部、目標流量算出部、動作設定部等のコンピュータによりその機能が実現される各部については、マスター制御器によりその機構が実現されるもの以外に、例えばチャンバを有するＣＶＤ等の制御器の計算資源を利用して実現されてもよいし、別途設けられたコンピュータによりその機能が実現されてもよい。

各分岐流路に設けられた各制御バルブの上流側にそれぞれ空圧弁を設けても良い。このようなものであれば、各分岐流路においてシートリーク性能をさらに向上させることができる。

ガスソースから各分岐流路に設けられた制御バルブ又は空圧弁までの配管中の容積を基準容積とし、この基準容積から流入する、あるいは、流出する流体の流量をメイン流路に設けられたメイン圧力センサで測定される圧力値の変化量から算出する基準流量算出部をさらに備えてもよい。

ここで、基準容積はメイン流路の容積と各分岐流路において制御バルブ又は空圧弁が設けられている点よりも上流側の容積の和となる。また、基準容積へ流入する流体の流量、又は、基準容積から流出する流体の流量は、基準容積が既知であれば気体の状態方程式と、基準容積における圧力の時間変化量から算出することができる。

例えば各制御バルブ又は空圧弁を全閉した状態で所定量の流体を基準容積内に所定圧力となるまでチャージし、その後、検定対象となるマスフローコントローラのある分岐流路の制御バルブ又は空圧弁を開放するとともに、当該マスフローコントローラに対して所定の設定流量を入力して動作させる。この状態において、前記基準流量算出部が算出する基準容積から流出する流量と、マスフローコントローラで測定される測定流量とを比較して、誤差や故障の有無等を検定する検定部をさらに備えてもよい。

このように基準流量算出部、及び、検定部を構成することにより、流量比率制御装置が備えている圧力センサや流量センサだけを用いて自己診断を実施することができる。

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変形や組み合わせを行っても構わない。

このように本発明によれば、各バルブの上流側における流体の流速についても制御したうえで、各分岐流路を流れる流体の流量比率も制御できる流量比率制御装置を提供できる。

Claims (10)

1. メイン流路と、
   前記メイン流路の終端から分岐する複数の分岐流路と、
   各分岐流路に設けられ、それぞれがバルブ、及び、前記バルブの下流側に配置された圧力式の流量センサを具備する複数の流体制御装置と、
   各分岐流路に流す流体の流量の分配比率である目標流量比率を受け付ける目標受付部と、
   各流量センサで測定される各分岐流路を流れる流体の測定流量の総和、及び、前記目標流量比率に基づいて、各分岐流路に対する目標流量を算出する目標流量算出部と、
   前記目標流量比率に基づいて、複数の流体制御装置のうちいずれか１つの流体制御装置には各バルブよりも上流側における流体の流速を制御するための流速制御モードで動作させ、流速制御モードで動作させる１つの流体制御装置以外の流体制御装置には前記目標流量に基づいて流量を制御する流量制御モードで動作させるように設定する動作設定部と、を備えたことを特徴とする流量比率制御装置。
2. 前記動作設定部が、前記目標流量比率に基づいて最も流量比の大きい分岐流路に設けられている流体制御装置を前記流速制御モードで動作させるように構成されている請求項１記載の流量比率制御装置。
3. 各バルブよりも上流側に設けられたメイン圧力センサと、
   前記メイン圧力センサで測定されている流体の圧力、流量センサで測定される各分岐流路を流れる流体の測定流量の総和、及び、メイン流路の断面積に基づいて、流体の流速を算出する流速算出部と、をさらに備えた請求項１記載の流量比率制御装置。
4. 前記流速算出部が算出される流速を外部出力するように構成されており、
   前記流速制御モードに設定された流体制御装置が、目標開度を受け付けて前記バルブを当該目標開度となるように制御し、
   前記流量制御モードに設定された流体制御装置が、前記目標流量と流量センサで測定される測定流量との偏差が小さくなるように前記バルブを制御する請求項３記載の流量比率制御装置。
5. 各バルブが、弁体の弁座に対する位置を測定するポジションセンサを備えた請求項１記載の流量比率制御装置。
6. 各分岐流路を流れる流体の流量の比率が前記目標流量比率で安定した場合に、前記目標流量比率、及び、当該目標流量比率で安定した状態での各バルブのポジションセンサの出力が紐づけられた安定状態開度データを記憶する設定記憶部と、
   前記目標受付部に受け付けられた目標流量比率と同じ目標流量比率を含む安定状態開度データがある場合に、流量比率制御開始時に当該安定状態開度データの各バルブのポジションセンサの出力となるように各バルブの開度を制御するフィードフォワード制御部と、をさらに備えた請求項５記載の流量比率制御装置。
7. 前記メイン流路から各分岐流路の各バルブに至るまでの流路のコンダクタンスがほぼ一定となるように構成されている請求項１記載の流量比率制御装置。
8. メイン流路と、
   前記メイン流路の終端から分岐する第１分岐流路と、
   前記メイン流路の終端から分岐する第２分岐流路と、
   前記第１分岐流路に設けられ、第１バルブ、及び、第１バルブの下流側に配置された圧力式の第１流量センサを具備する第１流体制御装置と、
   前記第２分岐流路に設けられ、第２バルブ、及び、第２バルブの下流側に配置された圧力式の第２流量センサを具備する第２流体制御装置と、
   前記第１分岐流路、及び、前記第２分岐流路に流す流体の流量の分配比率である目標流量比率を受け付ける目標受付部と、
   前記第１流量センサ、前記第２流量センサで測定される流体の測定流量、及び、前記目標流量比率に基づいて、前記第１分岐流路と前記第２分岐流路に対する目標流量を算出する目標流量算出部と、
   前記目標流量比率に基づいて、前記第１流体制御装置、前記第２流体制御装置の制御モードを設定する動作設定部と、を備え、
   前記動作設定部が、各バルブよりも上流側における流体の流速を制御するための流速制御モード、又は、前記目標流量に基づいて流量を制御する流量制御モードで前記第１流体制御装置、前記第２流体制御装置を動作させることを特徴とする流量比率制御装置。
9. メイン流路と、前記メイン流路の終端から分岐する複数の分岐流路と、各分岐流路に設けられ、それぞれがバルブ、及び、前記バルブの下流側に配置された圧力式の流量センサを具備する複数の流体制御装置と、を備えた流量比率制御装置に用いられるプログラムであって、
   各分岐流路に流す流体の流量の分配比率である目標流量比率を受け付ける目標受付部と、
   各流量センサで測定される各分岐流路を流れる流体の測定流量の総和、及び、前記目標流量比率に基づいて、各分岐流路に対する目標流量を算出する目標流量算出部と、
   前記目標流量比率に基づいて、複数の流体制御装置のうちいずれか１つの流体制御装置には各バルブよりも上流側における流体の流速を制御するための流速制御モードで動作させ、流速制御モードで動作させる１つの流体制御装置以外の流体制御装置には前記目標流量に基づいて流量を制御する流量制御モードで動作させるように設定する動作設定部としての機能をコンピュータに発揮させることを特徴する流量比率制御装置用プログラム。
10. メイン流路と、前記メイン流路の終端から分岐する複数の分岐流路と、各分岐流路に設けられ、それぞれがバルブ、及び、前記バルブの下流側に配置された圧力式の流量センサを具備する複数の流体制御装置と、を備えた流量比率制御装置を用いた流量比率制御方法であって、
    各分岐流路に流す流体の流量の分配比率である目標流量比率を受け付ける工程と、
    各流量センサで測定される各分岐流路を流れる流体の測定流量の総和、及び、前記目標流量比率に基づいて、各分岐流路に対する目標流量を算出する工程と、
    前記目標流量比率に基づいて、複数の流体制御装置のうちいずれか１つの流体制御装置には各バルブよりも上流側における流体の流速を制御するための流速制御モードで動作させ、流速制御モードで動作させる１つの流体制御装置以外の流体制御装置には前記目標流量に基づいて流量を制御する流量制御モードで動作させるように設定する工程と、を備えたことを特徴とする流量比率制御方法。

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