TWI643048B - 流量訊號修正方法及使用其之流量控制裝置 - Google Patents

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Abstract

適用於藉由控制節流部之上游側的壓力來控制流量的壓力式流量控制裝置的流量訊號修正方法，係包含依據設置於節流部之上游側的壓力感測器的輸出，產生表示流量的1次訊號的步驟，與以使用1次訊號的現在值與包含1次訊號的單數或複數過去值的資訊之值，藉由所定關係式導出修正過的現在值之方式，產生作為1次訊號之修正訊號的2次訊號的步驟；並於流量穩定期間中將2次訊號作為流量訊號輸出，於過渡變化期間中不將2次訊號作為流量訊號輸出。

Description

流量訊號修正方法及使用其之流量控制裝置
本發明係關於流量訊號修正方法及使用其之流量控制裝置，尤其，關於適用於半導體及化學品、藥品、精密機械零件等的製造所用之壓力式流量控制裝置的流量訊號修正方法。
於半導體製造裝置及化學工場中，為了控制材料氣體及蝕刻氣體等的流量，利用各種流量計及流量控制裝置。其中，壓力式流量控制裝置可藉由組合壓電元件驅動型的壓力控制閥與節流部(例如孔板)的簡單機構，以高精度控制氣體等之各種流體的流量，所以，便利性高而被廣泛利用。
於專利文獻1，揭示有以使用設置於節流部之上游側的壓力感測器，控制流量之方式構成的壓力式流量控制裝置。專利文獻1所記載之壓力式流量控制裝置，係在滿足臨界膨脹條件P1/P2≧約2(P1：節流部上游側的氣體壓力，P2：節流部下游側的氣體壓力)時，利用通過節流部之氣體的流速被固定為音速，流量Q根據上游側的 氣體壓力P1來決定的原理，進行流量控制。依據該方式，可僅利用控制上游側的氣體壓力P1，高精度地控制流量Q。
在此，針對使用壓力式流量控制裝置之流量控制的具體例進行說明。首先，藉由設置於上游側的壓力感測器，測定壓力P1，其測定結果通常轉換成數位訊號，並輸入至運算處理裝置。運算處理裝置係依據被輸入的測定結果，藉由運算來求出通過節流部之氣體的流量Qc。再者，因為流量Qc也依存於氣體溫度，實際上，大多依據壓力P1與氣體溫度T1，計算出流量Qc。
接著，求出計算出之流量Qc與使用者所輸入之設定流量Qs的差△Q，對應該差△Q的控制訊號被輸入至設置於壓力控制閥的壓電元件驅動部。因應此，壓力控制閥進行開閉動作，使上游的氣體壓力P1變化。之後，再次依據壓力感測器(及溫度感測器)的輸出，求出氣體的流量Qc及差△Q。該動作係差△Q到達0為止重複進行，藉此，可將流量Qc控制成使用者所指定之設定流量Qs。
〔先前技術文獻〕 〔專利文獻〕
[專利文獻1]日本特開2004-212099號公報
[專利文獻2]日本特開平5-79873號公報
上述之壓力式流量控制裝置，因為可僅利用節流部之上游側的壓力控制來控制流量，幾乎不會受到外在干擾的影響，又，具有回應性非常好的優點。但是，回應性高的另一方面，有觀察到儘管實際的氣體流量穩定，表示流量的輸出訊號並不會表示一定值的現象之狀況。此係可推測為依據壓力感測器的輸出，產生數位的流量輸出訊號時，受到量子化誤差等的影響，訊號產生晃動所致。
因此，於壓力式流量控制裝置中，尤其在流量穩定時，被要求輸出抑制了訊號晃動的流量訊號。作為抑制此種訊號的搖動的技術，例如，專利文獻2記載用以進行電磁流量計之雜訊去除的訊號處理。但是，專利文獻2僅記載以收斂於針對電磁流量計的輸出整體所預先設定之變動幅度之方式對資料進行加工，將該方法適用於壓力式流量控制裝置時，有犧牲回應性之虞。
本發明係為了解決前述課題所發明者，目的為提供用以取得適切之流量輸出訊號的流量訊號修正方法及使用其之流量控制裝置。
本發明的實施形態所致之流量訊號修正方法，係適用於具有節流部，且以藉由控制前述節流部之上游側的壓力來控制流量之方式構成的壓力式流量控制裝置 的流量訊號修正方法，其中，包含：依據設置於前述節流部之上游側的壓力感測器的輸出，產生表示流量的1次訊號的步驟；及以使用前述1次訊號的現在值與包含前述1次訊號的單數或複數過去值的資訊之值，藉由所定關係式，導出修正過的現在值之方式，產生作為前述1次訊號之修正訊號的2次訊號的步驟；於流量穩定期間中將前述2次訊號作為流量訊號輸出，於過渡變化期間中不將前述2次訊號作為流量訊號輸出。
於某種實施形態中，於前述過渡變化期間將前述1次訊號作為流量訊號輸出。
於某種實施形態中，包含前述1次訊號的單數或複數過去值的資訊之值，係前述2次訊號的前次值。
於某種實施形態中，前述2次訊號的現在值，係藉由將依據前述1次訊號的現在值與前述2次訊號的前次值的差所計算出的修正變化量，加算於前述2次訊號的前次值來導出。
於某種實施形態中，前述修正變化量，係藉由將前述1次訊號的現在值與前述2次訊號的前次值的差，除以超過1的除數來求出。
於某種實施形態中，產生前述2次訊號的步驟及將前述2次訊號作為流量訊號輸出的步驟，係在前述流量設定訊號的變化發生起經過所定時間後的開始點到前述流量設定訊號的下個變化發生的結束點為止之間，持續進行。
於某種實施形態中，前述壓力式控制裝置，係於前述節流部及前述壓力感測器的上游側具有控制閥；前述控制閥，係使用前述流量設定訊號與前述壓力感測器的輸出，進行反饋控制，並依據前述控制閥被反饋控制的結果所得之壓力感測器的輸出，產生前述1次訊號。
本發明的實施形態所致之流量控制裝置，係使用前述任一之流量訊號修正方法，進行流量訊號的輸出。
依據本發明的實施形態，可適切修正壓力式流量控制裝置之流量輸出訊號，可不損及回應性，謀求流量穩定時之流量輸出訊號的穩定化。
10‧‧‧壓力式流量控制裝置
12‧‧‧節流部
14‧‧‧壓力感測器
16‧‧‧溫度感測器
18‧‧‧控制閥
19‧‧‧壓電元件驅動部
20、22‧‧‧A/D轉換器
30‧‧‧控制電路
S1‧‧‧1次訊號
S2‧‧‧2次訊號(修正訊號)
St‧‧‧溫度訊號
Sp‧‧‧壓力訊號
Ss‧‧‧流量設定訊號
Sq‧‧‧流量輸出訊號
P1‧‧‧上游側壓力
P2‧‧‧下游側壓力
[圖1]模式揭示本發明的實施形態所致之壓力式流量控制裝置的構造的模式圖。
[圖2]揭示修正前之流量輸出訊號(1次訊號)，與修正後之流量輸出訊號(2次訊號)的關係的圖表。
[圖3]揭示來自外部之流量設定訊號，與修正處理期間的關係的圖表。
[圖4](a)係揭示1次訊號的圖表，(b)係揭示2次訊號的圖表。
以下，一邊參照圖面一邊說明本發明的實施形態，但是，本發明並不限定於以下的實施形態。
圖1係模式揭示本發明的實施形態所致之壓力式流量控制裝置10的構造的圖。流量控制裝置10係具備具有細微之貫通孔的節流部(典型的孔板)12、設置於節流部12之上游側的壓力感測器14及溫度感測器16、設置於壓力感測器14之上游側的控制閥18。又，節流部12的下游側，係透過電磁閥或AOV(air operated valve)等的開閉閥，連接於在半導體製造裝置中用以進行真空製程的真空泵(未圖示)。
壓力感測器14係測定上游側的氣體壓力P1，並將其測定結果輸出至A/D轉換器20。A/D轉換器20係根據輸入的測定結果，產生表示氣體壓力P1的數位訊號Sp，並將此輸出至控制電路30。再者，在流量控制裝置10中，溫度感測器16的輸出也藉由A/D轉換器22，轉換成數位訊號，輸出至控制電路30。
控制電路30根據接收之數位的壓力訊號Sp與溫度訊號St，運算出流量Qc。在流量控制裝置10中，因為藉由真空泵，下游側被保持為低壓，所以，作為滿足上游側壓力P1/下游側壓力P2≧約2(臨界膨脹條件)者，計算出流量Qc。滿足臨界膨脹條件時，流量Qc可藉由以下式計算。
Qc=S．C．P1/T11/2
在此，S是孔口剖面積，C是根據氣體物性所決定之常數(流量係數)，T1是上游側氣體溫度。氣體溫度T1及流量係數C為一定時，流量Qc可作為與上游側壓力P1成比例者，予以求出。亦即，於流通之氣體的種類為一定且溫度也不變之狀況中，例如，上游側壓力為20Torr時，判別流量為10sccm時，可藉由操作控制閥18，將上游側壓力設定為200Torr，將流量控制成100sccm。如此，本實施形態的壓力式流量控制裝置10係以可藉由控制節流部12之上游側的壓力P1，來控制流量之方式構成。再者，上游側壓力與下游側壓力的差小，未滿足前述之臨界膨脹條件時，藉由設置於節流部之下游側的壓力感測器(未圖示)，求出下游側壓力P2，依據上游側壓力P1與下游側壓力P2，也可使用所定計算式Qc=KP2m(P1-P2)n(但是，K、m、n為常數)，計算出流量Qc。
於壓力流量控制裝置10中，透過未圖示的輸入裝置，使用者可任意設定設定流量Qs。依據該使用者輸入，產生流量設定訊號Ss，並輸入至流量控制裝置10。因應此，控制電路30以遵從流量設定訊號Ss來控制流量之方式控制控制閥18的開閉動作。控制閥18係具備例如金屬製的隔膜閥調元件，可藉由對連接於其之壓電元件驅動部(壓電致動器)19發送控制訊號，進行閥的開閉動作。
再者，依據被輸入之流量設定訊號Ss來控制上游側壓力P1及流量Qc的動作，係利用公知的方法進行亦可。例如，如上所述，藉由進行設定流量Qs與藉由運算所求出之流量Qc的差△Q成為0或容許誤差範圍內為止，重複控制閥18的開啟度調整的反饋控制，可高精度地將氣體流量設定為設定流量Qs。又，進行此種上游側之壓力控制的壓力控制裝置，係例如揭示於本案申請人的日本特開2015-109022號公報。為了參考，本說明書援用日本特開2015-109022號公報的全部揭示內容。
於前述控制動作中，控制閥18進行反饋控制的結果所得之壓力感測器14的輸出，係於A/D轉換器20中被轉換成數位的壓力訊號Sp，控制部30依據被輸入之壓力訊號Sp，產生作為表示流量Qc之輸出訊號的流量訊號Sq。但是，A/D轉換器20所輸出之數位的壓力訊號Sp包含量子化誤差。因此，依據壓力訊號Sp所計算出之流量訊號Sq也包含量子化誤差。結果，儘管流通於節流部12之氣體的實際流量為大略一定，也會有輸出(顯示)至外部的流量訊號Sq顯現搖動之狀況。
為了處理此種問題，本實施形態的壓力控制裝置10係於流量穩定時，對於流量訊號施加修正處理後再輸出。該修正處理係如之後詳述般，在可發現流量比較大幅變動的期間(過渡變化期間)之外的流量穩定期間中選擇性進行。表示修正處理的開始及結束的時序訊號，例如可於設置於控制電路的解析部中解析外部輸入的流量設 定訊號，並依據其結果產生。以下，說明流量穩定時所進行之修正處理的具體例。
圖2係揭示以實線及黑圈表示之修正前的流量輸出訊號S1(以下，有稱為1次訊號之狀況)，與以虛線或白圈表示之修正後的流量輸出訊號S2(以下，有稱為2次訊號之狀況)的圖表。1次訊號S1是數位訊號，與藉由以A/D轉換器20對應每一控制週期(取樣週期)對壓力感測器14的輸出進行取樣化及量子化所得之不連續性的壓力訊號Sp對應的流量輸出訊號。控制週期例如設定為0.5ms。
如圖2所示，於開始修正處理之最初的時序t0(圖表的最左側的點)中，2次訊號的現在值V2(t0)設定為與1次訊號的現在值V1(t0)相同。然後，於下個控制時序t1中賦予1次訊號的現在值V1(t1)的話，2次訊號的現在值V2(t1)被設定為將2次訊號的前次值V2(t0)加算修正變化量△V’之值。在此，修正變化量△V’係將1次訊號的現在值V1(t1)與2次訊號的前次值V2(t0)的差△V，除以超過1的所定除數之值。除數例如以(變數+1)表示，藉由變更變數，可任意地設定修正的程度。
前述的修正變化量△V’因為是將前述的差△V除以超過1的除數者(亦即，將差△V乘以未滿1的乘數者)，一定會成為比差△V小之值。換句話說，2次訊號的現在值V2(t1)係以取得2次訊號的前次值V2(t0) 與1次訊號的現在值V1(t1)之間的值之方式決定。因此，2次訊號相較於1次訊號，為減低訊號的搖動者。
又，前述的除數係在決定2次訊號的現在值V2(t1)時，對應表示將1次訊號的現在值V1(t1)反映何種程度於2次訊號的前次值V2(t0)的指標。除數越大的話，則從2次訊號的前次值對現在值的變化越小，抑制訊號的搖動。因此，前述的除數，係適切地設定為達成所希望之訊號穩定度的程度之大小即可。
再次參照圖2，說明修正處理。如前述般，取得前述控制t1之2次訊號的現在值V2(t1)之後，在下個控制時序t2中賦予1次訊號的現在值V1(t2)的話，與前述相同，將修正變化量△V’(亦即，將1次訊號的現在值V1(t2)與2次訊號的前次值V2(t1)的差△V，除以超過1的所定除數之值)加算於2次訊號的前次值V2(t1)，決定2次訊號的現在值V2(t2)。之後也同樣地，控制時序t3之2次訊號的現在值V2(t3)，藉由將根據1次訊號的現在值V1(t3)與2次訊號的前次值V2(t2)所求出之修正變化量△V’，加算於2次訊號的前次值V2(t2)來計算出，控制時序t4之2次訊號的現在值V2(t4)，藉由將根據1次訊號的現在值V1(t4)與2次訊號的前次值V2(t3)所求出之修正變化量△V’，加算於2次訊號的前次值V2(t3)來計算出。
於前述的樣態中，將現在的控制時序設為tn，將上次的控制時序設為tn-1時，2次訊號的現在值 V2(tn)可利用下述的一般式表示，可將其使用來作為用以決定2次訊號的現在值V2(tn)的所定關係式。於下述式中，α是滿足0<α<1的係數。
V2(tn)=V2(tn-1)+α(V1(tn)-V2(tn-1))=α V1(tn)+(1-α)V2(tn-1)
再者，在前述所說明之修正處理中，使用1次訊號的現在值與2次訊號的前次值，計算出2次訊號的現在值，2次訊號的前次值，係根據1次訊號的前次值與2次訊號前前次值計算出。然後，2次訊號的前前次值，係根據1次訊號的前前次值，與2次訊號的前前前次值計算出。亦即，追本溯源，前述的修正處理之2次訊號的現在值，係作為包含現在及過去所有1次訊號之值的資訊者而予以計算出，與越接近現在值的順序則越增加加權者對應。使用1次訊號的現在值與2次訊號的前次值的修正處理，根據處理的容易度、對1次訊號之適度的追隨性的關點，為理想的樣態。
但是，並不限於此，也可考量根據1次訊號的現在值，與1次訊號之任意單數或複數的過去值，來求出2次訊號的現在值的其他樣態。在本發明的實施形態中，只要是使用1次訊號的現在值，與包含1次訊號的過去值相關之資訊之值，並藉由所定關係式決定2次訊號的現在值，可採用各種修正方法。
以上所說明之修正處理，理想是於流量穩定期間中持續進行。以下，針對進行修正處理的時序進行說 明。
圖3係揭示壓力控制裝置10從外部接收之流量設定訊號(流量設定指令)Ss，與壓力控制裝置10進行修正處理之期間Dc的關係的圖表。如圖3所示，流量設定訊號Ss係典型上，以表示設定流量之時間變化的矩形波之樣態賦予。在圖示的範例中，在將流量設為0的第1期間D1之後，設置將流量設為目標流量Q0的第2期間D2，進而在第2期間D2之後，設置有將流量再次設為0的第3期間D3。
在壓力控制裝置10的內部中，產生對應流量設定訊號Ss的內部流量設定訊號Ss’，實際的壓力控制閥的控制，係依據內部流量設定訊號Ss’來進行。內部流量設定訊號Ss’係例如遵從公知的斜坡函數控制所產生者，作為目標值與時間一起變化的設定訊號即可。內部流量設定訊號Ss’係例如產生作為從外部接收的流量設定訊號中表示對目標值Q0的遷移時，花費所定時間來到達目標值Q0的控制訊號。
由圖可知，於時刻t中賦予使流量從0變化成目標值Q0的流量設定訊號Ss時，壓力控制裝置10係遵從內部流量設定訊號Ss’，於自時刻t起的所定期間△t中暫時性進行開啟控制閥18的動作。
在自前述的時刻t開始的所定期間(t~t+△t)，上游側壓力P1及流量Qc會大幅變化。因此，於該期間中，進行抑制前述之訊號變動幅度的修正處 理的話，有輸出之流量訊號會表示與實際的流量大幅不同之延遲值之虞，導致回應性的降低。
因此，本實施形態之修正處理，係於迴避上游側壓力及流量大幅變化之過渡變化期間的流量穩定期間中選擇性進行，不在過渡變化期間進行。過渡變化期間係例如圖3所示，設定為自內部流量設定訊號Ss’變化的時刻t開始的所定期間(t~t+△t)。或者，在對於內部流量設定訊號之輸出訊號的延遲大時，過渡變化期間設定為輸出訊號與內部流量設定訊號的差分成為一定值以下為止的期間亦可。
又，於流量穩定期間中2次訊號S2作為流量訊號被輸出之外，於過渡變化期間中1次訊號S1作為流量訊號被輸出亦可。藉此，可不導致回應性的降低，輸出‧顯示抑制了流量穩定時之訊號搖動的流量訊號。
再者，於前述，已說明於過渡變化期間中，將未被修正之1次訊號S1作為流量訊號輸出的樣態，但並不限於此，將其他訊號作為流量訊號輸出亦可。例如，輸出修正的程度比流量穩定時之2次訊號S2大幅緩和的訊號亦可。為了達成其，例如，於過渡變化期間，輸出前述的修正處理中將以接近1的除數除算之值加算於前次值，求出現在值的其他2次訊號(例如，藉由將前述修正處理中決定除數之變數之值設定為0或接近0的數值所得，藉由其他關係式所產生的2次訊號)亦可。
圖4(a)係揭示未進行修正處理時之流量設 定訊號Ss及流量輸出訊號Sq，圖4(b)係揭示已進行修正處理時之流量設定訊號及流量輸出訊號Sq。再者，圖4(b)所示之圖表，揭示於上述之修正處理中，將除數設定為(200+1)之狀況。
由圖4(a)可知，未進行修正處理時，儘管在流量穩定時，流量輸出訊號也會因為量子化誤差等的影響，在幅度d的範圍中比較大幅搖動。相對於此，如圖4(b)所示，可知在已進行修正處理時，搖動的幅度從幅度d大幅地減少，能取得大略一定值。修正處理後之搖動的幅度，係例如設定為量子化誤差以下為佳。
以上，已針對本發明的實施形態進行說明，但當然也可進行各種改變。例如，作為使用者藉由輸入來進行修正處理的期間之樣態亦可。又，作為根據流量目標值，變更修正的程度之樣態亦可。
〔產業上之利用可能性〕
本發明的實施形態所致之流量訊號修正方法，可適切使用於以藉由控制節流部之上游側的壓力，來控制流量之方式構成的壓力式流量控制裝置。

Claims (6)

  1. 一種流量訊號修正方法，係適用於具有節流部、設置於前述節流部之上游側的壓力感測器及控制閥，且以藉由控制前述節流部之上游側的壓力來控制流量之方式構成的壓力式流量控制裝置；對於前述控制閥，即使在流量穩定期間及過度變化期間任一中，都藉由依據流量設定訊號與前述壓力感測器的輸出之同等的反饋控制，進行回應性高且穩定的控制之外，顯示於外部的流量輸出訊號設為在流量穩定期間及過度變化期間中不同的流量訊號修正方法，其中，包含：依據獲得前述控制閥被反饋控制之結果的壓力感測器的輸出，作為1次訊號而產生受到量子化誤差的影響之數位的流量輸出訊號的步驟；及以使用前述1次訊號的現在值與包含前述1次訊號的單數或複數過去值的資訊之值，藉由所定關係式，導出修正過的現在值之方式，產生作為前述1次訊號之修正訊號的抑制量子化誤差之影響的2次訊號的步驟；於流量穩定期間中將前述2次訊號作為流量輸出訊號輸出，於過渡變化期間中不將前述2次訊號作為流量輸出訊號輸出，將根據前述流量設定訊號藉由斜坡函數控制所產生，且花費時間到達過渡變化的目標值的控制訊號之值，作為流量輸出訊號輸出。
  2. 如申請專利範圍第1項所記載之流量訊號修正方法，其中，包含前述1次訊號的單數或複數過去值的資訊之值，係前述2次訊號的前次值。
  3. 如申請專利範圍第2項所記載之流量訊號修正方法，其中，前述2次訊號的現在值，係藉由將依據前述1次訊號的現在值與前述2次訊號的前次值的差所計算出的修正變化量，加算於前述2次訊號的前次值來導出。
  4. 如申請專利範圍第3項所記載之流量訊號修正方法，其中，前述修正變化量，係藉由將前述1次訊號的現在值與前述2次訊號的前次值的差，除以超過1的除數來求出。
  5. 如申請專利範圍第1項所記載之流量訊號修正方法，其中，產生前述2次訊號的步驟及將前述2次訊號作為流量訊號輸出的步驟，係在前述流量設定訊號的變化發生起經過所定時間後的開始點到前述流量設定訊號的下個變化發生的結束點為止之間，持續進行。
  6. 一種流量控制裝置，係使用申請專利範圍第1項至第5項中任一項所記載之流量訊號修正方法，進行流量訊號的輸出。
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