WO2020218138A1

WO2020218138A1 - 流量制御装置

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Publication number: WO2020218138A1
Application number: PCT/JP2020/016674
Authority: WO
Inventors: 薫平田; 圭佑井手口; 慎也小川; 勝幸杉田; 正明永瀬; 西野　功二; 池田　信一; 祐之伊藤
Original assignee: Fujikin Inc
Current assignee: Fujikin Inc
Priority date: 2019-04-25
Filing date: 2020-04-16
Publication date: 2020-10-29
Anticipated expiration: 2021-10-25
Also published as: US11914407B2; US12174647B2; CN113632038A; US20220197316A1; KR102771309B1; TW202102961A; US20240160230A1; JP7495742B2; KR20210139347A; JPWO2020218138A1; KR20240052061A; TWI747245B

Abstract

流量制御装置１０は、コントロール弁１１と、コントロール弁１１の下流側に設けられた絞り部１２と、コントロール弁１１と絞り部１２との間の圧力Ｐ１を測定する上流圧力センサ１３と、絞り部１２の上流側と下流側との差圧ΔＰを測定する差圧センサ２０と、コントロール弁１１、上流圧力センサ１３および差圧センサ２０に接続された演算制御回路１６とを備える。

Description

流量制御装置

　本発明は、流量制御装置に関し、特に、半導体製造設備や化学品製造設備等のガス供給ラインに設けられる流量制御装置に関する。

　半導体製造装置や化学プラントにおいて、材料ガスやエッチングガス等の流量を制御するために、種々のタイプの流量計および流量制御装置が利用されている。このなかで圧力式流量制御装置は、コントロール弁と絞り部（例えばオリフィスプレートや臨界ノズル）とを組み合せた比較的簡単な機構によって各種流体の質量流量を高精度に制御することができるので広く利用されている。圧力式流量制御装置は、熱式流量制御装置とは異なり、一次側供給圧が大きく変動しても安定した流量制御が行えるという優れた流量制御特性を有している。

　圧力式流量制御装置には、絞り部の上流側の流体圧力（以下、上流圧力Ｐ１と呼ぶことがある）を制御することによって流量を調整するものがある。また、上流圧力Ｐ１は、絞り部の上流側に配置されたコントロール弁の開度を調整することによって制御される。

　上流圧力Ｐ１に対する下流圧力Ｐ２（絞り部の下流側の流体圧力）が十分に小さい場合、絞り部を通過するガスの速度は音速に固定され、質量流量は、下流圧力Ｐ２によらず上流圧力Ｐ１によって決定される。このとき、上流圧力Ｐ１を測定する圧力センサの出力に基づいてコントロール弁をフィードバック制御することによって、流量を制御することが可能である。このような挙動が生じる圧力条件を臨界膨張条件と呼び、例えばＰ２／Ｐ１≦αのように既定される。左の式におけるαは臨界圧力比と呼ばれ、ガス種により異なるが、おおよそ０．４５から０．６の値をとる。

　また、特許文献１には、絞り部の上流側だけでなく下流側にも圧力センサを設けた圧力式流量制御装置が記載されている。このような圧力式流量制御装置では、下流圧力Ｐ２が比較的大きく、上記の臨界膨張条件を満たさない場合であっても、上流圧力Ｐ１および下流圧力Ｐ２の双方に基づいて流量を演算により求めることができる。このため、より広い流量範囲にわたって流量制御を行うことができる。

　特許文献１に記載の圧力式流量制御装置において、臨界膨張条件下では、上流圧力Ｐ１を参照する比例制御が行われる。一方、非臨界膨張条件下では、上流圧力Ｐ１および下流圧力Ｐ２を参照する差圧制御が行われる。

　具体的には、臨界膨張条件下では、流量Ｑ＝Ｋ１・Ｐ１（Ｋ１は流体の種類と流体温度に依存する比例係数）の関係が成立するので、上流圧力Ｐ１に基づく比例制御が行われる。一方、非臨界膨張条件下では、流量Ｑ＝Ｋ２・Ｐ２^m（Ｐ１－Ｐ２）ⁿ（Ｋ２は流体の種類と流体温度に依存する比例係数、指数ｍ、ｎは実際の流量から導出された値）の関係が成立するので、上流圧力Ｐ１および下流圧力Ｐ２に基づく差圧制御が行われる。実際の動作としては、臨界膨張条件下および非臨界膨張条件下における上記式に従って演算流量Ｑｃが求められ、この演算流量Ｑｃと入力された設定流量Ｑｓとの差が０になるようにコントロール弁の開度調整が行われる。

　上記の比例制御と差圧制御との切り替えは、上流圧力Ｐ１と下流圧力Ｐ２の比であるＰ２／Ｐ１が、臨界圧力比αに対応する閾値を超えるか否かに従って行われる。ガスの種類によって臨界圧力比は異なるが、閾値を、使用対象の全ガス種の臨界圧力比以下に設定することによって、使用対象の全ガス種に対応させることができる。

特開２００４－１３８４２５号公報特許第４２０４４００号公報

　上流圧力Ｐ１と下流圧力Ｐ２とに基づいて流量を求めるように構成された流量制御装置は、特許文献２にも記載されている。特許文献２の流量制御装置では、オリフィスの上流側と下流側とにそれぞれ圧力センサを別々に設けて、各圧力センサの出力から流量を求めている。

　昨今、このような流量制御装置において、下流圧力Ｐ２が従来よりも高い状態で流量制御を行うことが求められており、このような条件においては、各圧力センサの精度誤差、特に圧力センサのゼロ点ズレなどによって、流量測定誤差が比較的大きくなることを本願発明者は見出した。

　本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、圧力センサのゼロ点ズレなどに起因する精度低下が生じにくく制御流量範囲が広い流量制御装置を提供することをその主たる目的とする。

　本発明の実施形態による流量制御装置は、コントロール弁と、前記コントロール弁の下流側に設けられた絞り部と、前記コントロール弁と前記絞り部との間の圧力を測定する上流圧力センサと、前記絞り部の上流側と下流側との差圧を測定する差圧センサと、前記コントロール弁、前記上流圧力センサおよび前記差圧センサに接続された演算制御回路とを備える。

　ある実施形態において、前記演算制御回路は、前記上流圧力センサの出力と前記差圧センサの出力とに基づいて決定される演算流量が設定流量となるように前記コントロール弁の制御を行う。

　ある実施形態において、前記コントロール弁の制御は、演算流量ＱｃがＱｃ＝Ｋ２・（Ｐ１－ΔＰ）^mΔＰⁿまたはＱｃ＝Ｃ１・Ｐ１／√Ｔ・（（（Ｐ１－ΔＰ）／Ｐ１）^m－（（Ｐ１－ΔＰ）／Ｐ１）ⁿ）^1/2に従って決定される差圧制御を含み、上記式において、Ｐ１は、前記上流圧力センサが出力する上流圧力、ΔＰは前記差圧センサが出力する差圧、Ｋ２は流体の種類と流体温度に依存する比例係数、ｍ、ｎは実際の流量から導出された定数、Ｃ１はオリフィス断面積を含む係数、Ｔはガス温度である。

　ある実施形態において、前記コントロール弁の制御は、演算流量ＱｃがＱｃ＝Ｋ１・Ｐ１に従って決定される比例制御をさらに含み、上記式においてＫ１は流体の種類と流体温度に依存する比例係数である。

　ある実施形態において、前記上流圧力センサの出力と、前記上流圧力センサの出力から前記差圧センサの出力を減算することによって得られる演算下流圧力との比を、予め設定された閾値と比較することによって、前記比例制御または前記差圧制御のいずれかに決定される。

　ある実施形態において、前記差圧センサは、前記絞り部の上流側の流路に接続される一次側接続部材と、前記絞り部の下流側の流路に接続される二次側接続部材と、前記一次側接続部材および前記二次側接続部材に接続され、差圧を測定するセンサチップを内蔵するセンサ本体とを備え、前記センサチップは、前記絞り部の上流側の圧力が伝達される一方の面と前記絞り部の下流側の圧力が伝達される他方の面とを有する感圧部と、前記感圧部の歪を検知する歪センサとを含む。

　ある実施形態において、前記二次側接続部材は、接続位置調整可能な配管部材を備える。

　ある実施形態において、前記上流圧力センサと前記差圧センサとが一体的に形成されている。

　本発明の他の実施形態による流量制御装置は、コントロール弁と、前記コントロール弁の下流側に設けられた絞り部と、前記絞り部の上流側と下流側との差圧を測定する差圧センサと、前記絞り部の下流側の圧力を測定する下流圧力センサと、前記コントロール弁、前記差圧センサおよび前記下流圧力センサに接続された演算制御回路とを備える。

　ある実施形態において、前記演算制御回路は、前記差圧センサの出力と前記下流圧力センサの出力とに基づいて決定される演算流量が設定流量となるように前記コントロール弁の制御を行う。

　ある実施形態において、前記コントロール弁の制御は、演算流量ＱｃがＱｃ＝Ｋ２・Ｐ２^m・ΔＰⁿまたはＱｃ＝Ｃ１・（ΔＰ＋Ｐ２）／√Ｔ・（（Ｐ２／（ΔＰ＋Ｐ２））^m－（Ｐ２／（ΔＰ＋Ｐ２））ⁿ）^1/2に従って決定される差圧制御を含み、上記式において、ΔＰは前記差圧センサが出力する差圧、Ｐ２は前記下流圧力センサが出力する下流圧力、Ｋ２は流体の種類と流体温度に依存する比例係数、ｍ、ｎは実際の流量から導出された定数、Ｃ１はオリフィス断面積を含む係数、Ｔはガス温度である。

　ある実施形態において、前記コントロール弁の制御は、演算流量ＱｃがＱｃ＝Ｋ１・（ΔＰ＋Ｐ２）に従って決定される比例制御をさらに含み、上記式においてＫ１は流体の種類と流体温度に依存する比例係数である。

　ある実施形態において、前記差圧センサの出力に前記下流圧力センサの出力を加算することによって得られる演算上流圧力と、前記下流圧力センサの出力との比を、予め設定された閾値と比較することによって、前記比例制御または前記差圧制御のいずれかに決定される。

　本発明の実施形態によれば、圧力センサの誤差に強い圧力式の流量制御装置が提供される。

本発明の実施形態に係る流量制御装置が組み込まれたガス供給系を模式的に示す図である。本発明の実施形態に係る流量制御装置を模式的に示す図である。本発明の実施形態に係る流量制御装置のより具体的な構成を示す側面図である。本発明の実施形態に係る流量制御装置が備える差圧センサを示す側面図である。本発明の実施形態に係る差圧センサが備えるセンサチップを示す断面図である。実施例における、圧力センサのゼロ点ズレの大きさと流量誤差との関係を示すグラフである。比較例における、圧力センサのゼロ点ズレの大きさと流量誤差との関係を示すグラフである。本発明の他の実施形態に係る流量制御装置の構成を示す側面図である。本発明の他の実施形態に係る差圧センサが備えるセンサチップを示す断面図である。本発明の他の実施形態に係る流量制御装置を用いて行う流量制御の例示的なフローチャートである。本発明のさらに実施形態に係る流量制御装置を模式的に示す図である。本発明のさらに実施形態に係る流量制御装置のより具体的な構成を示す側面図である。

　以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

　図１は、本発明の実施形態による圧力式の流量制御装置１０が組み込まれたガス供給系１を示す。ガス供給系１は、ガス供給源２と、ガス供給ラインを形成する流路４に設けられた流量制御装置１０と、流量制御装置１０の上流側および下流側に設けられた開閉弁（オンオフ弁）３、５と、開閉弁５の下流側に接続されたプロセスチャンバ６と、プロセスチャンバ６に接続された真空ポンプ７とを含んでいる。

　流量制御装置１０は、流路４を流れるガスの流量を制御するように設けられている。真空ポンプ７は、プロセスチャンバ６および流路４を真空引きすることができ、流量制御装置１０の下流側が減圧された状態で流量制御されたガスがプロセスチャンバ６に供給される。ガス供給源２からは、原料ガス、エッチングガスまたはキャリアガスなど、半導体の製造プロセスに用いられる種々のガスが供給されてよい。

　なお、図１には１系統のガス供給ラインのみが示されているが、各ガスに対応した複数のガス供給ラインがプロセスチャンバ６に接続されていてもよい。また、本実施形態では、流量制御装置１０の上流側および下流側に開閉弁３、５を設けているが、下流側の開閉弁５は、流量制御装置１０の出口側に内蔵されていてもよい。開閉弁３、５としては、遮断性および応答性が良好なバルブ、例えば、空気駆動弁（ＡＯＶ）、電磁弁（ソレノイドバルブ）、電動弁が好適に用いられる。

　図２は、本実施形態の流量制御装置１０の構成を示す模式図である。図２に示すように、流量制御装置１０は、流路４に介在するコントロール弁１１と、コントロール弁１１の下流側に設けられた絞り部１２と、コントロール弁１１と絞り部１２との間の圧力（上流圧力）Ｐ１を測定する上流圧力センサ１３と、絞り部１２の上流側と下流側との差圧ΔＰを直接的に測定する差圧センサ２０と、コントロール弁１１の上流側の圧力（供給圧力）Ｐ０を測定する流入圧力センサ１４と、流体の温度Ｔを測定する温度センサ１５と、演算制御回路１６とを備えている。

　演算制御回路１６には、上流圧力センサ１３、差圧センサ２０、流入圧力センサ１４、温度センサ１５などが接続されており、演算制御回路１６は各センサの出力を受け取ることができる。また、演算制御回路１６は、コントロール弁１１の駆動素子に接続されており、各センサの出力に基づいてコントロール弁１１の開度を調整し、絞り部１２の下流側に流れるガスの流量を制御することができる。

　図３は、本実施形態の流量制御装置１０の具体的な構成を示す側面図および内部の流路（破線）を示す図である。

　図３に示すように、流路４は、本体ブロック１７および出口ブロック１８に穴を設けることによって形成されている。本体ブロック１７および出口ブロック１８は、好適には、使用するガスとの反応性を有しない物質、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ３１６Ｌなど）から形成される。なお、図３には、図２に示した温度センサ１５は示していないが、流路４の近傍に有底の穴を設けその内部にサーミスタなどを配置することによって温度センサとして用いることができる。

　本体ブロック１７の上面には、流入圧力センサ１４、コントロール弁１１、上流圧力センサ１３および差圧センサ２０の一次側ポートが取り付けられており、これらは絞り部１２の上流側の流路４と流通している。また、出口ブロック１８の上面には、差圧センサ２０の二次側ポートが接続されており、絞り部１２の下流側の流路４と流通している。

　本体ブロック１７と出口ブロック１８との境界において、絞り部１２としてのオリフィス部材、より具体的にはオリフィスプレートが内蔵されたガスケット型オリフィス部材が設けられている。ただし、絞り部１２は、オリフィスプレートに限られず、音速ノズル等を用いて構成することもできる。オリフィスまたはノズルの口径は、例えば１０μｍ～５００μｍに設定される。

　上流圧力センサ１３は、コントロール弁１１と絞り部１２との間の流路の圧力（上流圧力Ｐ１）を測定することができ、上流圧力Ｐ１に基づく比例流量制御のために用いられる。また、流入圧力センサ１４は、ガス供給源２（例えば原料気化器）から供給されるガスの圧力（供給圧力Ｐ０）を測定することができ、ガス供給量または供給圧を調整するために用いられる。上流圧力センサ１３および流入圧力センサ１４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とを内蔵するものであってよい。

　また、差圧センサ２０は、コントロール弁１１と絞り部１２との間の圧力と、絞り部１２の下流側の圧力との差圧ΔＰを直接的に測定するように構成されており、差圧流量制御を行うために用いられる。差圧センサ２０も、シリコン単結晶のセンサチップとダイヤフラムとを内蔵するものであってよい。差圧センサ２０の詳細構成については後述する。

　コントロール弁１１は、例えば、弁体としての金属製ダイヤフラムと、これを駆動する駆動装置としてのピエゾ素子（ピエゾアクチュエータ）とによって構成されたピエゾ素子駆動式バルブであってよい。ピエゾ素子駆動式バルブは、ピエゾ素子への駆動電圧に応じて開度を変更することが可能であり、駆動電圧の制御により任意開度に調整することが可能である。

　本実施形態では、本体ブロック１７の上流側に、流入口を有する入口ブロック１９がガスケットを介して固定され、本体ブロック１７の下流側に、流出口を有する出口ブロック１８がガスケット型オリフィス部材（絞り部１２）を介して固定されている。入口ブロック１９および出口ブロック１８も、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ３１６Ｌなど）から形成される。

　入口ブロック１９および出口ブロック１８に設けられた流路は比較的太く形成されているのに対して、本体ブロック１７の特にコントロール弁１１と絞り部１２との間の流路は、できる限り細く形成されている。また、コントロール弁１１の下流側の流路は、コントロール弁１１の弁体の中央部から垂下するように延びている。

　このような構成によれば、コントロール弁１１を閉鎖したときの、コントロール弁１１と絞り部１２との間の内容積を極力小さくすることができる。これにより、コントロール弁１１を閉鎖した後に絞り部１２を介して流出するガスの量が低減され、立下り応答性を向上させることができる。コントロール弁１１の下流側の流路の径は、典型的には、コントロール弁１１の上流側の流路の径よりも小さく設計される。

　演算制御回路１６は、例えば、回路基板上に設けられたプロセッサやメモリなどによって構成され、入力信号に基づいて所定の演算を実行するコンピュータプログラムを含み、ハードウェアとソフトウェアとの組み合わせによって実現され得る。図示する態様では演算制御回路１６は、流量制御装置１０に内蔵されているが、その構成要素の一部（ＣＰＵなど）または全部が流量制御装置１０の外側に設けられていてもよい。

　以下、図４および図５を参照して、流量制御装置１０が備える差圧センサ２０の構成を説明する。

　差圧センサ２０は、絞り部１２の上流側に接続される一次側接続部材２１と、絞り部１２の下流側に接続される二次側接続部材２２と、一次側接続部材２１および二次側接続部材２２に接続されるセンサ本体２３とによって構成されている。差圧センサ２０において、センサ本体２３の下面に一次側接続部材２１が固定され、センサ本体２３の側面に二次側接続部材２２が固定されている。

　差圧センサ２０は、図３に示したように、絞り部１２をまたぐようにして、本体ブロック１７および出口ブロック１８に取り付けられる。このとき、一次側ポートと二次側ポートとの２か所での固定が必要になるので、位置ずれが生じやすい。このため、二次側接続部材２２は、ある程度、接続位置調整しやすいように設計されていることが好ましく、本実施形態では、変形可能な配管部材としてのＬ字型に折れ曲がった薄肉の金属製細管を用いて構成されている。これにより、差圧センサ２０を固定する際に位置ずれが生じたときにも、二次側接続部材２２を変形させて、固定を適切に行うことができる。二次側接続部材２２としては、よりフレキシブルなチューブ材を用いることもできる。

　差圧センサ２０において、上流圧力Ｐ１は、一次側接続部材２１を介してセンサ本体２３に内蔵されたセンサチップへと伝達され、下流圧力Ｐ２は、二次側接続部材２２を介して同じセンサチップへと伝達される。圧力の伝達は、例えば、圧力伝達用の封入液などを用いて行うことができる。

　図５は、センサ本体２３に内蔵されたセンサチップ３０を示す断面図である。センサチップ３０は、薄板形状の感圧部（ダイヤフラム）３１を有している。感圧部３１は、例えばシリコン単結晶を切削加工することによって形成される。

　センサチップ３０において、感圧部３１の一方の面（ここでは下面）は第１封入液２８に接しており、他方の面（ここでは上面）は第２封入液２９に接している。第１封入液２８は、上流圧力Ｐ１を伝達するものであり、第２封入液２９は、下流圧力Ｐ２を伝達するものである。この構成において、感圧部３１の一方の面には上流圧力Ｐ１が伝達され、感圧部３１の他方の面には下流圧力Ｐ２が伝達される。なお、センサチップ３０は、周囲を囲む支持部材３４によって、センサ本体２３に固定されている。

　また、センサチップ３０の感圧部３１には、歪センサ（またはピエゾ抵抗体）３２が設けられている。歪センサ３２は、感圧部３１に生じる応力や歪を検出することが可能な限り、単体で構成されていてもよいし、複数で構成されていてもよい。また、その取り付け位置についても図示する態様に限定されるものではない。感圧部３１に配置された歪センサ３２の出力（電気抵抗値の変化）は、歪センサ３２に接続された配線２４（図４参照）を介して演算制御回路１６に伝送される。

　以上の構成を有する差圧センサ２０において、上流圧力Ｐ１は、第１封入液２８を通じてセンサチップ３０の感圧部３１の一方の面に伝達される。また、下流圧力Ｐ２は、第２封入液２９を通じてセンサチップ３０の感圧部３１の他方の面に伝達される。そして、感圧部３１には、上流圧力Ｐ１と下流圧力Ｐ２との差圧の大きさに応じた表面応力が発生し、差圧の大きさに応じた歪みが生じる。

　感圧部３１の歪みの大きさは、歪センサ３２の電気抵抗値変化として配線２４を通じて検出される。このようにして、差圧センサ２０は、上流圧力Ｐ１と下流圧力Ｐ２との差圧ΔＰを、各圧力の絶対値から減算により間接的に求めるのではなく、歪センサ３２を用いて直接的に測定することができる。なお、歪センサ３２は、通常、ブリッジ回路に組み込まれており、歪センサ３２の歪量（抵抗値変化）はブリッジ出力信号として出力され、ブリッジ出力信号から差圧ΔＰを求めることが可能である。

　再び図３を参照して、本実施形態の流量制御装置１０では、上流圧力センサ１３を用いて上流圧力Ｐ１を測定できるとともに、差圧センサ２０を用いて絞り部１２の両側の差圧ΔＰを測定することができる。そして、流量制御装置１０は、臨界膨張条件を満たしているか否かを、上流圧力Ｐ１と差圧ΔＰとに基づいて判断する。より具体的には、（Ｐ１－ΔＰ）／Ｐ１が、臨界圧力比に対応する閾値（例えば、０．４５）を超えているか否かによって臨界膨張条件下であるか、非臨界膨張条件下であるかを判断する。閾値は、全ガス種に対応する値を用いてもよいし、ガス種ごとに設定された値を用いてもよい。

　上記の（Ｐ１－ΔＰ）は、下流圧力Ｐ２に対応する圧力である。ただし、下流圧力センサを用いて測定されたものではなく、上流圧力センサ１３と差圧センサ２０との測定結果から演算によって求められるものである。そこで、本明細書では、区別のために、演算により求められる（Ｐ１－ΔＰ）を演算下流圧力Ｐ２’と呼ぶことがある。

　臨界膨張条件下であるか否かの判定は、上記のようにＰ２’／Ｐ１が閾値を超えるか否かによって行うものに限られない。例えば、Ｐ１／Ｐ２’が閾値（例えば、２．２）を超える場合に、臨界膨張条件下であると判定してもよい。好適な態様においては、上流圧力センサの出力する上流圧力Ｐ１と、上流圧力Ｐ１から差圧センサの出力する差圧ΔＰを減算することによって得られる演算下流圧力Ｐ２’との比を、予め設定された対応する閾値と比較することによって判定が行われる。ただし、上流圧力Ｐ１および差圧ΔＰを用いるものである限り、他の適切な判定式も使用し得る。また、上記のように閾値を超えたか否かではなく、閾値以上であるか否かによって判定してもよいことは言うまでもない。

　流量制御装置１０は、臨界膨張条件下であると判断した場合、上流圧力Ｐ１に基づく比例制御による流量制御を行う。他方、非臨界膨張条件下であると判断した場合、上流圧力Ｐ１と、演算下流圧力Ｐ２’（＝Ｐ１－ΔＰ）または差圧ΔＰとに基づく差圧制御による流量制御を行う。

　より具体的には、臨界膨張条件下では、流量Ｑｃ＝Ｋ１・Ｐ１（Ｋ１は流体の種類と流体温度に依存する比例係数）の関係が成立するので、上流圧力Ｐ１に基づく比例制御を行う。一方、非臨界膨張条件下では、流量Ｑｃ＝Ｋ２・Ｐ２’^m（Ｐ１－Ｐ２’）ⁿ＝Ｋ２・Ｐ２’^m（ΔＰ）ⁿ＝Ｋ２・（Ｐ１－ΔＰ）^mΔＰⁿ（Ｋ２は流体の種類と流体温度に依存する比例係数、指数ｍ、ｎは実際の流量から導出された定数）の関係が成立するので、上流圧力Ｐ１と、演算下流圧力Ｐ２’または差圧ΔＰとに基づく差圧制御を行う。演算制御回路１６は、上記式によって求められた演算流量Ｑｃと、入力された設定流量Ｑｓとの差を求め、この差が０に近づくようにコントロール弁１１の開度をフィードバック制御する。これにより、絞り部１２の下流側に設定流量Ｑｓでガスを流すことが可能である。

　なお、上記の比例制御および差圧制御としては、公知の種々の方法を採用することが可能である。例えば、特許文献２に記載されている方法と同様に、差圧制御を行う時には、下記の式に従って演算流量Ｑｃを求めるようにしてもよい。
　Ｑｃ＝Ｃ１・Ｐ１／√Ｔ・（（Ｐ２’／Ｐ１）^m－（Ｐ２’／Ｐ１）ⁿ）^1/2
＝Ｃ１・Ｐ１／√Ｔ・（（（Ｐ１－ΔＰ）／Ｐ１）^m－（（Ｐ１－ΔＰ）／Ｐ１）ⁿ）^1/2
　上記式において、Ｃ１はオリフィス断面積を含む係数、Ｐ１は上流圧力（Ｐａ）、Ｔはガス温度（Ｋ）、Ｐ２’は演算下流圧力（Ｐａ）、ｍおよびｎは実際の流量から導出された定数である。

　また、特許文献２に記載の方法と同様に、差圧制御を行う時には、演算下流圧力Ｐ２’と流量誤差との関係を記憶した補正データ記憶回路を用いて、演算流量を補正するようにしてもよい。本実施形態の流量制御装置１０は、下流圧力センサによって測定した下流圧力Ｐ２を用いる代わりに演算下流圧力Ｐ２’を用いることを除き、特許文献２等に記載の種々の公知の流量制御方式を採用し得る。同様に、本実施形態の流量制御装置１０は、上流圧力センサおよび下流圧力センサの測定値から演算により求めた（Ｐ１－Ｐ２）を用いる代わりに、差圧センサを用いて直接測定した差圧ΔＰを用いることを除き、特許文献２等に記載の種々の公知の流量制御方式を採用し得る。

　以下、本実施形態の流量制御装置において、絶対圧センサである下流圧力センサによる下流圧力Ｐ２を用いるのではなく、上流圧力センサおよび差圧センサによる演算下流圧力Ｐ２’を用いる理由について説明する。

　図６および図７は、それぞれ実施例および比較例における、圧力センサおよび差圧センサのゼロ点変動量（ｋＰａ）と、流量誤差（％Ｓ．Ｐ．）との関係を示すグラフ（シミュレーション結果）である。図６の実施例は、図３に示した差圧センサを備える流量制御装置を用いた場合に対応しており、図７の比較例は、特許文献１に記載のように上流圧力センサと下流圧力センサとを備えた従来の流量制御装置を用いた場合に対応している。なお、ゼロ点変動量とは、いずれの圧力においても生じる、真の圧力と測定圧力との差（シフト量）を意味し、圧力センサにおいて校正しきれない誤差や、圧力センサの長期間の使用にともなって発生する測定圧力のずれ、あるいは、温度による測定圧力のずれ（温度ドリフト）などに対応するものである。

　図６には、上流圧力センサ（Ｐ１センサ）と差圧センサとのいずれか一方にゼロ点変動が生じており、測定圧力が真の圧力値と異なる場合に、誤差による圧力のずれの大きさが流量にどのように影響するかを示している。同様に、図７には、上流圧力センサ（Ｐ１センサ）と下流圧力センサ（Ｐ２センサ）とのいずれか一方にゼロ点変動が生じており、測定圧力が真の圧力値と異なる場合に、誤差による圧力のずれの大きさが流量にどのように影響するかを示している。なお、流量誤差は、差圧制御を行うときに生じる流量誤差を示している。

　図６において、「差圧センサ固定」とは、差圧センサにゼロ点変動が生じていない一方でＰ１センサにゼロ点変動が生じていることを意味し、「Ｐ１センサ固定」とは、Ｐ１センサにゼロ点変動が生じていない一方で差圧センサにゼロ点変動が生じていることを意味する。同様に、図７において、「Ｐ２センサ固定」とは、Ｐ２センサにゼロ点変動が生じていない一方でＰ１センサにゼロ点変動が生じていることを意味し、「Ｐ１センサ固定」とは、Ｐ１センサにゼロ点変動が生じていない一方でＰ２センサにゼロ点変動が生じていることを意味する。

　また、図６および図７には、下流圧力Ｐ２が１００Ｔｏｒｒの場合と４００Ｔｏｒｒの場合との２種類のグラフが示されている。上流圧力Ｐ１が２２８０Ｔｏｒｒのときに１００％流量（最大制御流量）でガスを流すように構成された流量制御装置において、下流圧力Ｐ２が１００Ｔｏｒｒのときは、上流圧力Ｐ１が２２２Ｔｏｒｒ（９．７％流量に対応）以下であれば差圧制御が行われる。また、同装置において、下流圧力Ｐ２が４００Ｔｏｒｒのときは、３９．０％以下において差圧制御が行われる。図６および図７には、４％流量でガスを流すように差圧制御を行ったときの関係が示されている。

　図６に示す実施例では、Ｐ１センサにゼロ点変動が生じている場合（差圧センサ固定）において、その変動量が比較的大きく、例えば、±０．２ｋＰａのゼロ点変動が生じていたとしても、流量誤差は±１％Ｓ．Ｐ．以内に収まる。これは、下流圧力Ｐ２が１００Ｔｏｒｒのときにも、４００Ｔｏｒｒのときにも言えることであり、下流圧力Ｐ２が大きいときほどＰ１センサのゼロ点変動が流量精度に与える誤差の程度は小さくなっている。なお、流量誤差が±１％Ｓ．Ｐ．以内の場合、一般的には、精度良く流量制御が行われているものと考えることができる。以下、流量誤差が±１％Ｓ．Ｐ．以内に収まるゼロ点変動量を、許容変動量と呼ぶことがある。

　また、図６に示す実施例において、差圧センサにゼロ点変動が生じている場合（Ｐ１センサ固定）には、下流圧力Ｐ２が１００Ｔｏｒｒと比較的小さいときには、許容変動量は±０．１ｋＰａ程度であり、下流圧力Ｐ２が４００Ｔｏｒｒと比較的大きいときには、許容変動量は±０．０２ｋＰａ程度と非常に狭い範囲となっている。

　一方で、図７に示す比較例では、Ｐ１センサにゼロ点変動が生じている場合（Ｐ２センサ固定）にも、Ｐ２センサにゼロ点変動が生じている場合（Ｐ１センサ固定）にも、比較的狭い許容変動量となっている。特に、下流圧力Ｐ２が４００Ｔｏｒｒと比較的大きいときには、Ｐ１センサおよびＰ２センサのいずれにゼロ点変動が生じたときにも、その許容変動量εは±０．０２ｋＰａであり、非常に狭い範囲となっている。

　以上のことから、少なくとも上流圧力センサ（Ｐ１センサ）にゼロ点変動が生じている場合においては、実施例の流量制御装置の方が、比較例の流量制御装置に比べて、許容変動量が大きく、ゼロ点ズレに強いものであることがわかる。そして、実施例においては、上流圧力センサのゼロ点変動は、下流圧力Ｐ２が大きいときほど流量誤差に反映されにくい。したがって、実施例の方が、下流圧力Ｐ２が大きく小流量の流量制御を行うときに有利であることが分かる。

　さらに、差圧センサを用いた本実施形態の流量制御装置では、差圧センサのゼロ点変動が比較的生じにくいという特長がある。その理由は、差圧センサのゼロ点校正は、上流圧力Ｐ１と下流圧力Ｐ２とが同じであれば、それらの大きさにかかわらず、適切に実行することが可能であり、流量制御装置がラインに搭載された状態でも前後に設けられたバルブを閉止することで校正が可能だからである。これに対して、上流圧力センサおよび下流圧力センサのゼロ点校正は、理想的には圧力が完全に０の真空空間に接続した状態で行われる必要があるが、このような真空空間を実現することは容易ではなく、また、基準となる真空度を測定するセンサが必要となるため、ラインに搭載された状態では実質的に校正を行うことができない。したがって、差圧センサに比べれば、上流圧力センサおよび下流圧力センサのゼロ点変動は大きくなりやすい。

　このように、本実施形態の流量制御装置１０によれば、差圧センサのゼロ点変動は比較的小さく、また、上流圧力センサのゼロ点変動が生じていたとしても、比較的高い精度で流量制御を行うことができる。特に、下流圧力Ｐ２が高く、小流量の制御を行うときにも上流圧力センサのゼロ点変動が流量誤差へと反映されにくいので、広い制御範囲にわたって適切に流量制御を行うことができる。

　以下、図８および図９を参照しながら、他の実施形態の流量制御装置１０Ａについて説明する。なお、図３～図５に示した実施形態の流量制御装置１０と同様の構成を有する要素については、同じ参照符号を付すとともに説明を省略する場合がある。

　図８は、流量制御装置１０Ａの具体的な構成を示す側面図および内部の流路（破線）を示す図である。流量制御装置１０Ａでは、図３に示した流量制御装置１０とは異なり、上流圧力センサと差圧センサとを別個に設ける代わりに、上流圧力センサと差圧センサとが一体的に形成された一体型センサ３５が設けられている。

　一体型センサ３５の一次側ポートは、絞り部１２の上流側（本体ブロック１７）に接続され、一体型センサ３５の二次側ポートは、絞り部１２の下流側（出口ブロック１８）に接続される。一体型センサ３５は、従来の流量制御装置の本体ブロックに設けられていた上流圧力センサ用の取付部および下流圧力センサ用の取付部を利用して取り付けることも可能である。

　図９は、一体型センサ３５が備えるセンサチップ３０Ａの構成を示す断面図である。センサチップ３０Ａにおいて、第１封入液２８は、差圧ΔＰを測定するための感圧部３１と、上流圧力Ｐ１を測定するための第２感圧部３７との双方に接してる。

　感圧部３１の対向面には、図５に示したセンサチップ３０と同様に、第２封入液２９が接しており、歪センサ３２を用いて上流圧力Ｐ１と下流圧力Ｐ２との差圧ΔＰを測定することができる。一方、第２感圧部３７の対向面は、内部が真空圧Ｐｖに保たれた真空部屋３６に接している。この構成において、第２感圧部３７に取り付けられた歪センサ３８は、第２感圧部３７に生じた応力、すなわち、上流圧力Ｐ１の大きさに応じた応力を検出することができる。

　以上に説明したセンサチップ３０Ａを備えた一体型センサ３５では、上流圧力Ｐ１と、差圧ΔＰとの両方を独立して測定することができる。したがって、上流圧力センサと差圧センサとを別個に設ける必要がなく、装置のコンパクト化に貢献することができ、さらなる利便性を得ることができる。

　以下、図１０を参照しながら、本発明の実施形態に係る流量制御装置を用いた流量制御方法の例示的なフローチャートを説明する。

　まず、ステップＳ１において、上流圧力センサおよび差圧センサ（あるいは一体型センサ）を用いて、上流圧力Ｐ１および差圧ΔＰを測定する。

　次に、ステップＳ２において、臨界膨張条件下であるか否かを判定する。より具体的には、ステップＳ１の測定によって得られた（Ｐ１－ΔＰ）／Ｐ１が、閾値を超えているか否かを判定する。

　ステップＳ２において、閾値を超えていない場合、臨界膨張条件下であると判断して、ステップＳ３において、上流圧力Ｐ１に基づく比例制御方式を選択する。一方、ステップＳ２において、閾値を超えている場合、ステップＳ４において、上流圧力Ｐ１および差圧ΔＰに基づく差圧制御方式を選択する。

　その後、ステップＳ５において、選択されたいずれかの制御方式に従って、コントロール弁をフィードバック制御し、設定流量でガスを流すことができる。

　以上のように、上流圧力センサおよび差圧センサを用いれば、臨界膨張条件下であるか否かを適切に判定することが可能であり、比例制御および差圧制御のうちの適切な制御を選択することができる。そして選択された制御方式に従って、センサ誤差の影響が低減された状態で、幅広い流量範囲にわたって適切に流量制御を行うことができる。

　以下、下流圧力センサと差圧センサとを用いる、さらに他の実施形態の流量制御装置１０Ｂについて説明する。なお、前述の実施形態の流量制御装置１０（図２、３参照）と同様の構成要素については、同じ参照符号を付すとともに、詳細な説明を省略することがある。

　図１１は、さらに他の実施形態にかかる流量制御装置１０Ｂを示す。流量制御装置１０Ｂは、流量制御装置１０と同様に、コントロール弁１１と、絞り部１２と、差圧センサ２０と、流入圧力センサ１４と、温度センサ１５と、演算制御回路１６とを備えている。ただし、流量制御装置１０Ｂは、流量制御装置１０の上流圧力センサ１３の代わりに、下流圧力センサ１３Ｂを有している。

　図１２は、流量制御装置１０Ｂの具体的な構成を示す側面図である。本体ブロック１７の上面には、流入圧力センサ１４、コントロール弁１１、および差圧センサ２０の一次側ポートが取り付けられており、これらは絞り部１２の上流側の流路と流通している。また、出口ブロック１８の上面には、差圧センサ２０の二次側ポートが接続されており、絞り部１２の下流側の流路と流通している。

　また、流量制御装置１０Ｂにおいて、出口グロック１８の上面には、下流圧力センサ１３Ｂが固定されている。下流圧力センサ１３Ｂは、絞り部１２の下流側の流路の圧力（下流圧力Ｐ２）を測定することができる。下流圧力センサ１３Ｂ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とを内蔵するものであってよい。

　また、本実施形態においても、差圧センサ２０は、コントロール弁１１と絞り部１２との間の圧力と、絞り部１２の下流側の圧力との差圧ΔＰを直接的に測定するように構成されており、差圧流量制御を行うために用いられる。差圧センサ２０は、前述の実施形態と同じ構成を有していてよい。

　流量制御装置１０Ｂでは、図２、３に示した流量制御装置１０とは異なり、上流圧力センサ１３が設けられていない。このため、コントロール弁１１と絞り部１２との間の容積Ｖｓが、より低減されている。これにより、コントロール弁１１を閉鎖した後に絞り部１２を介してより速くガスが流出し、流量制御装置１０に比べても、立下り応答性をさらに向上させることができる。

　次に、流量制御装置１０Ｂを用いた流量制御について説明する。流量制御装置１０Ｂは、差圧センサ２０の出力する差圧ΔＰと、下流圧力センサ１３Ｂの出力する下流圧力Ｐ２とを用いて、絞り部１２の下流側に流れるガスの流量を制御するように構成されている。

　流量制御装置１０Ｂは、臨界膨張条件を満たしているか否かを、差圧ΔＰと下流圧力Ｐ２に基づいて判断し、例えば、Ｐ２／（ΔＰ＋Ｐ２）が、臨界圧力比に対応する閾値（例えば、０．４５）を超えているか否かによって臨界膨張条件下であるか、非臨界膨張条件下であるかを判断する。ここで、（ΔＰ＋Ｐ２）は、上流圧力Ｐ１に対応する圧力である。本明細書では、演算により求められる（ΔＰ＋Ｐ２）を演算上流圧力Ｐ１’と呼ぶことがある。本実施形態では、演算上流圧力Ｐ１’と下流圧力Ｐ２との比を、予め設定された閾値と比較することによって臨界膨張条件下であるか否かが判断される。

　流量制御装置１０Ｂは、臨界膨張条件下であると判断した場合、演算上流圧力Ｐ１’（＝ΔＰ＋Ｐ２）に基づく比例制御による流量制御を行い、非臨界膨張条件下であると判断した場合、演算上流圧力Ｐ１’または差圧ΔＰと、下流圧力Ｐ２とに基づく差圧制御による流量制御を行う。

　より具体的には、臨界膨張条件下では、流量Ｑｃ＝Ｋ１・（ΔＰ＋Ｐ２）に基づく比例制御を行う。また、非臨界膨張条件下では、流量Ｑｃ＝Ｋ２・Ｐ２^m（Ｐ１’－Ｐ２）ⁿ＝Ｋ２・Ｐ２^m・ΔＰⁿに基づく差圧制御を行う。ここで、Ｋ１、Ｋ２は、流体の種類と流体温度に依存する比例係数であり、指数ｍ、ｎは実際の流量から導出された定数である。演算制御回路１６は、上記式によって求められた演算流量Ｑｃと、入力された設定流量Ｑｓとの差を求め、この差が０に近づくようにコントロール弁１１の開度をフィードバック制御する。これにより、絞り部１２の下流側に設定流量Ｑｓでガスを流すことが可能である。

　また、流量制御装置１０Ｂにおいて、差圧制御は、特許文献２に記載されている方法と同様に、下記の式に従って演算流量Ｑｃを求めるようにしてもよい。
　Ｑｃ＝Ｃ１・Ｐ１’／√Ｔ・（（Ｐ２／Ｐ１’）^m－（Ｐ２／Ｐ１’）ⁿ）^1/2
＝Ｃ１・（ΔＰ＋Ｐ２）／√Ｔ・（（Ｐ２／（ΔＰ＋Ｐ２））^m－（Ｐ２／（ΔＰ＋Ｐ２））ⁿ）^1/2
　上記式において、Ｃ１はオリフィス断面積を含む係数、Ｐ１は上流圧力（Ｐａ）、Ｔはガス温度（Ｋ）、Ｐ２’は演算下流圧力（Ｐａ）、ｍおよびｎは実際の流量から導出された定数である。

　本実施形態の流量制御装置１０Ｂは、上流圧力センサによって測定した上流圧力Ｐ１を用いる代わりに演算上流圧力Ｐ１’を用いることを除き、あるいは、上流圧力センサおよび下流圧力センサの測定値から演算により求めた（Ｐ１－Ｐ２）を用いる代わりに差圧センサを用いて直接測定した差圧ΔＰを用いることを除き、特許文献２等に記載の種々の公知の流量制御方式を採用し得る。

　また、流量制御装置１０Ｂにおいて、下流圧力Ｐ２が相当小さい状態（高真空状態）で、臨界膨張条件下であると判断されたときには、差圧センサ２０が出力する差圧ΔＰを上流圧力Ｐ１と見なし、比例制御をＱｃ＝Ｋ１・ΔＰに基づいて行うことも可能である。また、流量制御装置１０Ｂにおいても、図８および９に示した一体型センサと同様の構成により、差圧センサ２０と下流圧力センサ１３Ｂとを統合した一体型センサを用いることも可能である。

　以上に説明した流量制御装置１０Ｂにおいても、差圧センサ２０を用いているので、圧力センサに生じ得るゼロ点変動の影響が流量制御に反映されにくく、また、比例制御および差圧制御の両方が行えるので、臨界膨張条件下および非臨界膨張条件下のいずれであっても精度よく流量制御が可能である。したがって、広い制御範囲にわたって適切に流量制御を行うことができる。

　本発明の実施形態による流量制御装置は、広い制御範囲で精度よく流量制御を行うために好適に利用される。

　１　ガス供給系
　２　ガス供給源
　３、５　開閉弁
　４　流路（ガス供給ライン）
　６　プロセスチャンバ
　７　真空ポンプ
　１０　流量制御装置
　１１　コントロール弁
　１２　絞り部
　１３　上流圧力センサ
　１３Ｂ　下流圧力センサ
　１４　流入圧力センサ
　１５　温度センサ
　１６　演算制御回路
　１７　本体ブロック
　１８　出口ブロック
　１９　入口ブロック
　２０　差圧センサ
　２１　一次側接続部材
　２２　二次側接続部材
　２３　センサ本体
　３０　センサチップ
　３１　感圧部
　３２　歪センサ
　３５　一体型センサ

Claims

　コントロール弁と、
　前記コントロール弁の下流側に設けられた絞り部と、
　前記コントロール弁と前記絞り部との間の圧力を測定する上流圧力センサと、
　前記絞り部の上流側と下流側との差圧を測定する差圧センサと、
　前記コントロール弁、前記上流圧力センサおよび前記差圧センサに接続された演算制御回路と
　を備える、流量制御装置。
　前記演算制御回路は、前記上流圧力センサの出力と前記差圧センサの出力とに基づいて決定される演算流量が設定流量となるように前記コントロール弁の制御を行う、請求項１に記載の流量制御装置。
　前記コントロール弁の制御は、演算流量ＱｃがＱｃ＝Ｋ２・（Ｐ１－ΔＰ）^mΔＰⁿまたはＱｃ＝Ｃ１・Ｐ１／√Ｔ・（（（Ｐ１－ΔＰ）／Ｐ１）^m－（（Ｐ１－ΔＰ）／Ｐ１）ⁿ）^1/2に従って決定される差圧制御を含み、上記式において、Ｐ１は、前記上流圧力センサが出力する上流圧力、ΔＰは前記差圧センサが出力する差圧、Ｋ２は流体の種類と流体温度に依存する比例係数、ｍ、ｎは実際の流量から導出された定数、Ｃ１はオリフィス断面積を含む係数、Ｔはガス温度である、請求項２に記載の流量制御装置。
　前記コントロール弁の制御は、演算流量ＱｃがＱｃ＝Ｋ１・Ｐ１に従って決定される比例制御をさらに含み、上記式においてＫ１は流体の種類と流体温度に依存する比例係数である、請求項３に記載の流量制御装置。
　前記上流圧力センサの出力と、前記上流圧力センサの出力から前記差圧センサの出力を減算することによって得られる演算下流圧力との比を、予め設定された閾値と比較することによって、前記比例制御または前記差圧制御のいずれかに決定される、請求項４に記載の流量制御装置。
　前記差圧センサは、
　前記絞り部の上流側の流路に接続される一次側接続部材と、
　前記絞り部の下流側の流路に接続される二次側接続部材と、
　前記一次側接続部材および前記二次側接続部材に接続され、差圧を測定するセンサチップを内蔵するセンサ本体とを備え、
　前記センサチップは、
　前記絞り部の上流側の圧力が伝達される一方の面と前記絞り部の下流側の圧力が伝達される他方の面とを有する感圧部と、
　前記感圧部の歪を検知する歪センサとを含む、請求項１から５のいずれかに記載の流量制御装置。
　前記二次側接続部材は、接続位置調整可能な配管部材を備える、請求項６に記載の流量制御装置。
　前記上流圧力センサと前記差圧センサとが一体的に形成されている、請求項１から７のいずれかに記載の流量制御装置。
　コントロール弁と、
　前記コントロール弁の下流側に設けられた絞り部と、
　前記絞り部の上流側と下流側との差圧を測定する差圧センサと、
　前記絞り部の下流側の圧力を測定する下流圧力センサと、
　前記コントロール弁、前記差圧センサおよび前記下流圧力センサに接続された演算制御回路と
　を備える、流量制御装置。
　前記演算制御回路は、前記差圧センサの出力と前記下流圧力センサの出力とに基づいて決定される演算流量が設定流量となるように前記コントロール弁の制御を行う、請求項９に記載の流量制御装置。
　前記コントロール弁の制御は、演算流量ＱｃがＱｃ＝Ｋ２・Ｐ２^m・ΔＰⁿまたはＱｃ＝Ｃ１・（ΔＰ＋Ｐ２）／√Ｔ・（（Ｐ２／（ΔＰ＋Ｐ２））^m－（Ｐ２／（ΔＰ＋Ｐ２））ⁿ）^1/2に従って決定される差圧制御を含み、上記式において、ΔＰは前記差圧センサが出力する差圧、Ｐ２は前記下流圧力センサが出力する下流圧力、Ｋ２は流体の種類と流体温度に依存する比例係数、ｍ、ｎは実際の流量から導出された定数、Ｃ１はオリフィス断面積を含む係数、Ｔはガス温度である、請求項１０に記載の流量制御装置。
　前記コントロール弁の制御は、演算流量ＱｃがＱｃ＝Ｋ１・（ΔＰ＋Ｐ２）に従って決定される比例制御をさらに含み、上記式においてＫ１は流体の種類と流体温度に依存する比例係数である、請求項１１に記載の流量制御装置。
　前記差圧センサの出力に前記下流圧力センサの出力を加算することによって得られる演算上流圧力と、前記下流圧力センサの出力との比を、予め設定された閾値と比較することによって、前記比例制御または前記差圧制御のいずれかに決定される、請求項１２に記載の流量制御装置。