WO2021005879A1

WO2021005879A1 - 流量制御装置、流量測定方法、及び、流量制御装置用プログラム

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Publication number: WO2021005879A1
Application number: PCT/JP2020/018785
Authority: WO
Inventors: 和弥徳永
Original assignee: 株式会社堀場エステック
Priority date: 2019-07-08
Filing date: 2020-05-11
Publication date: 2021-01-14
Also published as: TW202102962A; JPWO2021005879A1; JP7529664B2

Abstract

流量制御バルブと供給対象間における流路抵抗の増大を招かずにバルブ流量の正しさを保証することが可能な流量制御装置を提供するために、メイン流路ＭＬに設けられた流量制御バルブＶ２と、前記流量制御バルブＶ２の上流側に設けられた第２圧力センサＰ２と、少なくとも前記第２圧力センサＰ２で測定される第２圧力と、設定流量とに基づいて前記流量制御バルブＶ２を制御する流量制御器２と、前記メイン流路ＭＬにおいて前記流量制御バルブＶ２の下流側において分岐し、流体の供給対象と接続される第１分岐流路ＤＬ１と、前記メイン流路ＭＬにおいて前記流量制御バルブＶ２の下流側において分岐する第２分岐流路ＤＬ２と、前記第２分岐流路ＤＬ２上に設けられた第３圧力センサＰ３と、少なくとも前記第２圧力と前記第３圧力センサＰ３で測定される第３圧力に基づいて、前記流量制御バルブＶ２を通過する流体の流量を算出するバルブ流量算出部３と、を備えた。

Description

流量制御装置、流量測定方法、及び、流量制御装置用プログラム

　本発明は、例えばマスフローコントローラ等の流量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においては、チャンバ等の供給対象に対して予め定められた設定流量でプロセスガス等を正確に供給する必要がある。このような用途に用いられるマスフローコントローラには、例えば特許文献１に記載されているように、上流側に設けられた圧力制御バルブと、下流側に設けられ、開度センサを具備する流量制御バルブと、２つのバルブ間の容積内における流体の温度及び圧力を測定する各種センサと、を備えたものがある。

　このマスフローコントローラは、上流側にある圧力制御バルブで容積内のガスの圧力を一定に保つように制御した上で、容積内から流出するガスの流量を下流側にある流量制御バルブで制御する。

　具体的には、マスフローコントローラは、容積内における流体の温度及び圧力、流量制御バルブを通過する流体の流量、流量制御バルブの開度の関係を示すマップを記憶している。そして、このマスフローコントローラは、設定流量と測定されている温度及び圧力に基づいてマップを参照して、対応する開度を設定開度として出力する。また、開度センサで測定される測定開度が設定開度となるように流量制御バルブが制御される。

　ところで、上記のようなマップは経年変化や使用環境等によって各パラメータ間の関係が変化し、マスフローコントローラから正しい流量が出力されなくなってしまう恐れがある。このため、マップを何らかの基準流量に基づいて適宜校正する必要がある。

　特許文献１ではマップの校正のために例えばチャンバにおいてプロセスが実施されていない期間等を利用して以下のような校正動作を行うようにしている。まず、下流側にある流量制御バルブを全閉して圧力制御バルブと流量制御バルブとの間の容積に所定圧力のガスが貯められる。その後、上流側にある圧力制御バルブを全閉するとともに流量制御バルブを開放し、その時点からの容積内の圧力と温度の変化が測定される。容積から流量制御バルブを介して流出するガスの流量は気体の状態方程式から導出される流量算出式に圧力の時間変化量を示す圧力の微分値と温度を代入することで算出される。このようにして算出された測定流量と、マップに記憶されている対応する条件での流量とが比較され、所定値以上の差がある場合にはマップに記憶されている流量は測定流量に更新される。

　しかしながら、このような校正方法によってマップを更新したとしても、実際に流量制御が行われている間は、上記のような各種バルブ動作を行うことはできないので、流量制御バルブから流出するガスの流量であるバルブ流量はモニタリングできていない。つまり、実際のプロセス中にチャンバ内に対して本当に正しい流量が供給されているかどうかを保証することはできていない。

　一方で、マスフローコントローラの流量制御バルブの下流側とチャンバとの間に流量センサ等を設けてバルブ流量を実測することによりバルブ流量の正しさを保証できるようにしてしまうと、流量測定のために設けられる流体抵抗等によって流路抵抗が大幅に増大することになる。そうすると、例えば過渡応答時における応答速度が大幅に低下してしまい、要求仕様を満たせなくなる恐れがある。

特開２０１５－０６４８９３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、流量制御バルブと供給対象間における流路抵抗の増大を招かずにバルブ流量の正しさを保証することが可能な流量制御装置を提供することを目的とする。

　すなわち、本発明に係る流量制御装置は、メイン流路に設けられた流量制御バルブと、前記流量制御バルブの上流側に設けられた第２圧力センサと、少なくとも前記第２圧力センサで測定される第２圧力と、設定流量とに基づいて前記流量制御バルブを制御する流量制御器と、前記メイン流路において前記流量制御バルブの下流側において分岐し、流体の供給対象と接続される第１分岐流路と、前記メイン流路において前記流量制御バルブの下流側において分岐する第２分岐流路と、前記第２分岐流路上に設けられた第３圧力センサと、少なくとも前記第２圧力と前記第３圧力センサで測定される第３圧力に基づいて、前記流量制御バルブを通過する流体の流量を算出するバルブ流量算出部と、を備えたことを特徴とする。

　また、本発明に係る流量制御方法は、メイン流路に設けられた流量制御バルブと、前記流量制御バルブの上流側に設けられた第２圧力センサと、少なくとも前記第２圧力センサで測定される第２圧力と、設定流量とに基づいて前記流量制御バルブを制御する流量制御器と、を流量制御装置に用いられる流量測定方法であって、前記メイン流路において前記流量制御バルブの下流側において分岐し、流体の供給対象と接続される第１分岐流路と、前記メイン流路において前記流量制御バルブの下流側において分岐する第２分岐流路と、前記第２分岐流路上に設けられた第３圧力センサと、を設け、少なくとも前記第２圧力と前記第３圧力センサで測定される第３圧力に基づいて、前記流量制御バルブを通過する流体の流量を算出することを特徴とする。

　このようなものであれば、前記流量制御バルブの下流側において供給対象と接続されている前記第１分岐流路とは別に分岐する前記第２分岐流路にバルブ流量を算出するために用いられる前記第３圧力センサを設けているので、前記流量制御バルブと供給対象との間において流路抵抗が増大するのを防げる。また、前記バルブ流量算出部は、前記第２圧力と前記第３圧力に基づいて前記流量制御バルブを通過する流体の流量であるバルブ流量を常時算出することが可能なので、常にバルブ流量をモニタリングすることができる。

　前記流量制御バルブを通過する流体の流量であるバルブ流量を推定して、流量フィードバック制御を実現できるようにするには、前記第２圧力センサの上流側に設けられた流体抵抗と、前記流体抵抗の上流側に設けられた第１圧力センサと、前記第１圧力センサで測定される第１圧力、及び、前記第２圧力に基づいて、前記流体抵抗を流れる流体の流量を算出する抵抗流量算出部と、をさらに備え、前記流量制御器が、少なくとも前記抵抗流量算出部で算出される抵抗流量、前記第２圧力、及び、前記流量制御バルブを通過する流体の流量との間の関係を示すマップを記憶するマップ記憶部と、測定されている前記抵抗流量、及び、前記第２圧力に基づいて、前記マップを参照し、対応する前記流量制御バルブを通過する流体の流量を推定バルブ流量として出力するマップ参照部と、前記推定バルブ流量が、前記設定流量となるように前記流量制御バルブを制御する開度制御部と、を備えたものが挙げられる。また、このようなものであれば、推定バルブ流量に基づいて前記流量制御バルブを制御した結果が正しく動作しているかどうかは、前記流量算出部で算出される実測バルブ流量を参照することで確認できる。

　例えば流量制御における過渡応答の応答速度をさらに向上させたり、チャンバへの供給圧の変動による影響が流量制御に現れにくくしたりするには、前記第１圧力センサの上流側に設けられた圧力制御バルブと、前記第１圧力が、設定圧力となるように前記圧力制御バルブを制御する圧力制御部と、をさらに備えたものであればよい。

　流量制御装置内において流体抵抗を用いず流量制御を実現するための制御方式としては、前記流量制御バルブの開度を測定する開度センサをさらに備え。前記流量制御器が、少なくとも前記第２圧力と、前記流量制御バルブの開度と、前記流量制御バルブを通過する流体の流量との間の関係を示すマップを記憶するマップ記憶部と、測定されている前記第２圧力と、前記設定流量に基づいて、前記マップを参照し、対応する前記流量制御バルブの開度を設定開度として出力するマップ参照部と、前記開度センサで測定される測定開度が、前記設定開度となるように前記流量制御バルブを制御する開度制御部と、を備えたものが挙げられる。

　前述した制御方式において圧力一定制御を実施して、流量制御の応答速度を向上させられるようにするには、前記第２圧力センサの上流側に設けられた圧力制御バルブと、前記第２圧力が設定圧力となるように前記圧力制御バルブを制御する圧力制御部と、をさらに備えたものが挙げられる。

　経年変化等が生じたとしても、流量制御バルブから出力されるバルブ流量が正確な値で出力されるようにするには、前記バルブ流量算出部で算出される実測バルブ流量に基づいて、前記マップを更新する校正器をさらに備えたものであればよい。

　偶発的な誤差が生じた場合には、マップをそのまま使用し、系統的な誤差が発生している場合のみマップが更新されるようにするには、前記校正器が、前記推定バルブ流量と前記実測バルブ流量の差が所定値以上の場合に前記マップを更新するものであればよい。

　前記第２圧力と前記第３圧力に基づいて、前記流量制御バルブを通過するバルブ流量を算出するための具体的な構成としては、前記バルブ流量算出部が、前記流量制御バルブのコンダクタンスと、前記第２圧力と前記第３圧力の差圧に基づいて、前記実測バルブ流量を算出するものが挙げられる。

　例えば前記流量制御バルブを通過する流体の流量の過渡応答制御をより高速化するための構成例としては、前記第２圧力センサの上流側に設けられた流体抵抗と、前記流体抵抗の上流側に設けられた第１圧力センサと、前記第１圧力センサで測定される第１圧力、及び、前記第２圧力に基づいて、前記流体抵抗を流れる流体の流量を算出する抵抗流量算出部と、前記第１圧力センサの上流側に設けられた圧力制御バルブと、を備え、前記流量制御器が、前記抵抗流量算出部で算出される抵抗流量と、前記第１圧力センサで測定される第１圧力の時間変化量と、に基づいて前記流量制御バルブを通過する流量を推定するバルブ流量推定部と、前記バルブ流量推定部で推定された推定バルブ流量が、前記設定流量となるように前記流量制御バルブを制御する開度制御部と、を備えたものであればよい。このようなものであれば、前記圧力制御バルブと前記流体抵抗との間の圧力の情報を利用して前記流量制御バルブを通過する流体の流量を算出し、過渡応答の制御性能を向上させることができる。

　メイン流路に設けられた流量制御バルブと、前記流量制御バルブの上流側に設けられた第２圧力センサと、前記第２圧力センサの上流側に設けられた圧力制御バルブと、前記圧力制御バルブと前記流量制御バルブとの間に形成された容積内に設けられた１又は複数の温度センサと、を備えたことを特徴とする流量制御装置であれば、前記容積の外側に温度センサが設けられ、間接的に流体の温度を測定する場合と比較して、実際に流れている流体の温度を正確に測定することが可能となる。この結果、正確な流体の温度を利用して例えば正確な流量を算出することが可能となる。

　前記容積内の流体の温度を安定化させ、前記容積内を流れる流体の温度をより正確に測定できるようにするには、前記容積内に充填されたメッシュ部材をさらに備えたものであればよい。

　正確に測定される流体の温度に基づいて、従来よりも正確な流量制御を実現できるようにするには、少なくとも前記第２圧力センサで測定される第２圧力と、前記温度センサで測定される温度と、設定流量とに基づいて前記流量制御バルブを制御する流量制御器をさらに備えたものであればよい。

　少なくとも前記第２圧力と前記温度センサで測定される測定温度に基づいて、前記流量制御バルブを通過する流体の流量を算出するバルブ流量算出部をさらに備えたものであれば、正確に測定される温度を利用して前記流量制御バルブを通過する流体の流量についても正確に算出することが可能となる。

　前記流量制御バルブを通過する流体の流量を流量制御中でもより正確に算出することを可能としながら、前記流量制御バルブと流体の供給対象との間における流路抵抗の増加は生じないようにするには、前記メイン流路において前記流量制御バルブの下流側において分岐し、流体の供給対象と接続される第１分岐流路と、前記メイン流路において前記流量制御バルブの下流側において分岐する第２分岐流路と、前記第２分岐流路上に設けられた第３圧力センサと、をさらに備え、前記バルブ流量算出部が、少なくとも前記第２圧力、前記第３圧力センサで測定される第３圧力、及び、前記測定温度に基づいて、前記流量制御バルブを通過する流体の流量を算出するように構成されたものであればよい。

　既存の流量制御装置において使用されているプログラムを更新することにより、本発明に係る流量制御装置と同様の効果を享受できるようにするには、メイン流路に設けられた流量制御バルブと、前記流量制御バルブの上流側に設けられた第２圧力センサと、前記メイン流路において前記流量制御バルブの下流側において分岐し、流体の供給対象と接続される第１分岐流路と、前記メイン流路において前記流量制御バルブの下流側において分岐する第２分岐流路と、前記第２分岐流路上に設けられた第３圧力センサと、を備えた流量制御装置に用いられるプログラムであって、少なくとも前記第２圧力センサで測定される第２圧力と、設定流量とに基づいて前記流量制御バルブを制御する流量制御器と、少なくとも前記第２圧力と前記第３圧力センサで測定される第３圧力に基づいて、前記流量制御バルブを通過する流体の流量を算出するバルブ流量算出部と、としての機能をコンピュータに発揮させることを特徴とする流量制御装置用プログラムを用いれば良い。

　なお、流量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、ＨＤＤ、フラッシュメモリ等のプログラム記録媒体に記録されたものであってもよい。

　このように本発明に係る流量制御装置であれば、前記流量制御バルブの下流側に形成され、流体の供給対象とは接続されていない前記第２分岐流路上に前記第３圧力センサを設けているので、前記流量制御バルブの下流側の流路抵抗を増大させることなく、当該第３圧力センサの出力に基づいて前記流量制御バルブを通過する流体の流量を実測できる。この結果、実際にバルブ流量をモニタリングしながら流量制御を行う事が可能となる。

本発明の第１実施形態に係る流量制御装置の構成を示す模式図。本発明の第１実施形態に係る流量制御装置の流量制御器の構成を示す模式図。本発明の第２実施形態に係る流量制御装置の構成を示す模式図。本発明の第２実施形態に係る流量制御装置の流量制御器の構成を示す模式図。本発明の第３実施形態に係る流量制御装置の構成を示す模式図。本発明の第３実施形態に係る流量制御装置の流量制御器の構成を示す模式図。本発明の第４実施形態に係る流量制御装置の構成を示す模式図。本発明の第４実施形態に係る流量制御装置の内部構造の詳細を示す模式的断面図。

１００・・・流量制御装置
ＦＭ　・・・流量センサ
１　　・・・抵抗流量算出部
２　　・・・流量制御器
２１　・・・マップ記憶部
２２　・・・マップ参照部
２３　・・・開度制御部
２４　・・・バルブ流量推定部
２５　・・・時間変化量算出部
２６　・・・出力部
３　　・・・バルブ流量算出部
４　　・・・校正器
５　　・・・圧力制御部
ＭＬ　・・・メイン流路
ＤＬ１・・・第１分岐流路
ＤＬ２・・・第２分岐流路
Ｐ１　・・・第１圧力センサ
Ｐ２　・・・第２圧力センサ
Ｐ３　・・・第３圧力センサ
Ｖ１　・・・圧力制御バルブ
Ｖ２　・・・流量制御バルブ
Ｒ　　・・・流体抵抗

　本発明の第１実施形態に係る流量制御装置１００について図１を参照しながら説明する。第１実施形態の流量制御装置１００は、例えば半導体製造プロセスにおいてチャンバＣＮに対して流体であるガスを設定流量で供給するために用いられるものである。

　すなわち、流量制御装置１００は、図１に示すように、流路に設けられたセンサ、バルブからなる流体機器と、当該流体機器の制御を司る制御機構ＣＯＭと、を備えている。

　メイン流路ＭＬに対して上流側から順番に供給圧センサＰ０、圧力制御バルブＶ１、第１圧力センサである第１圧力センサＰ１、流体抵抗Ｒ、第２圧力センサである第２圧力センサＰ２、流量制御バルブＶ２が設けてある。また、メイン流路ＭＬの流量制御バルブＶ２の下流側は２つの流路に分岐しており、流体の供給対象であるチャンバＣＮと接続される第１分岐流路ＤＬ１と、チャンバＣＮには接続されず、下流端が閉止された第２分岐流路ＤＬ２と、が設けられている。さらに第２分岐流路ＤＬ２上には流量制御バルブＶ２の下流側の圧力を測定する第３圧力センサである第３圧力センサＰ３が設けてある。ここで、流体抵抗Ｒは例えば層流素子であり、その前後に流れるガス流量に応じた差圧を発生する。

　供給圧センサＰ０は、上流側から供給されるガスの圧力をモニタリングするためのものである。なお、供給圧センサＰ０については供給圧が安定していることが保証されている場合等には省略してもよい。

　第１圧力センサＰ１は、流路において上流側にある圧力制御バルブＶ１と流体抵抗Ｒとの間における容積である上流側容積内にチャージされているガスの圧力である第１圧力を測定するものである。

　第２圧力センサＰ２は、流路において流体抵抗Ｒと下流側にある流量制御バルブＶ２との間における容積である下流側容積にチャージされているガスの圧力である第２圧力を測定するものである。

　このように第１圧力センサＰ１と第２圧力センサＰ２は、圧力制御バルブＶ１、流体抵抗Ｒ、流量制御バルブＶ２で形成される２つの容積の圧力をそれぞれ測定している。また、別の表現をすると、第１圧力センサＰ１と第２圧力センサＰ２は、流体抵抗Ｒの前後に配置されたそれぞれの容積内の圧力を測定するものである。

　圧力制御バルブＶ１、及び、流量制御バルブＶ２は、第１実施形態では同型のものであり、例えばピエゾ素子によって弁体が弁座に対して駆動されるピエゾバルブである。圧力制御バルブＶ１、及び、流量制御バルブＶ２はそれぞれ操作量として入力される電圧に応じて開度が変更される。ここで、少なくとも流量制御バルブＶ２は開度センサＶ２を備えており、現在の開度を測定できる。開度センサＶ２としては、弁体又は弁体に接続されたプランジャやアクチュエータ等の動きに応じた出力をする変位センサ等が挙げられる。

　次に制御機構ＣＯＭについて詳述する。

　制御機構ＣＯＭは、例えばＣＰＵ、メモリ、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータ、入出力手段等を具備するいわゆるコンピュータであって、メモリに格納されている流量制御装置用プログラムが実行されて各種機器が協業することにより、少なくとも抵抗流量算出部１、流量制御器２、バルブ流量算出部３、校正器４、圧力制御部５としての機能を発揮する。

　抵抗流量算出部１は、第１圧力センサＰ１、流体抵抗Ｒ、第２圧力センサＰ２とともにいわゆる差圧式の流量センサＦＭを構成するものである。つまり、抵抗流量算出部１は、第１圧力センサＰ１で測定される第１圧力と、第２圧力センサＰ２で測定される第２圧力を入力として、流体抵抗Ｒを流れる流体の流量である抵抗流量を算出し、出力するものである。ここで、抵抗流量算出部１で用いられる流量の算出式は既存のものを用いることができる。抵抗流量算出部１が算出する抵抗流量は、連続的に変化するものであるが、流量制御バルブＶ２の制御により実現される当該流量制御バルブＶ２を通過している実際の流量に対して所定の時間遅れが発生している。

　流量制御器２は、少なくとも第２圧力センサＰ２で測定される第２圧力と、ユーザにより設定される設定流量と、に基づいて流量制御バルブＶ２を通過する流体の流量であるバルブ流量が設定流量となるように流量制御バルブＶ２を制御する。第１実施形態では、流量制御器２は抵抗流量算出部１で算出される抵抗流量と、第２圧力センサで測定される第２圧力からバルブ流量を推定し、そのバルブ流量が設定流量となるように流量制御バルブＶ２を流量フィードバック制御する。ここで、バルブ流量の推定は、抵抗流量及び第２圧力に基づいてマップを参照して行われる。

　具体的には図２に示すように流量制御器２は、マップ記憶部２１、マップ参照部２２、開度制御部２３を備えている。

　マップ記憶部２１は、少なくとも抵抗流量、第２圧力、及び、バルブ流量との間の関係を示すマップを記憶する。このようなマップは、例えば各抵抗流量、第２圧力の組み合わせを実現した状態で、流量制御バルブＶ２の下流側に実際に流量センサを配置して実測を行い、各パラメータの関係をデータベース化したものである。マップについては、テーブル形式であってもよいし、各パラメータの関係を示す式であってもよい。

　マップ参照部２２は、測定されている抵抗流量、及び、第２圧力に基づいて、マップ記憶部２１に記憶されているマップを参照し、対応するバルブ流量を推定バルブ流量として開度制御部２３に出力する。このようにして推定されたバルブ流量は、抵抗流量と比較して実際のバルブ流量に対する遅れが小さくなるように構成されている。

　開度制御部２３は、推定バルブ流量が、設定流量となるように流量制御バルブＶ２を制御する。第１実施形態では推定バルブ流量と設定流量の偏差が小さくなるように流量制御バルブＶ２に印加する電圧をフィードバック制御する。

　図１に示すバルブ流量算出部３は、少なくとも第２圧力と第３圧力センサで測定される第３圧力に基づいて、流量制御バルブＶ２を通過する流体の流量を算出する。具体的には、バルブ流量算出部３は流量制御バルブＶ２の開度から決まるコンダクタンスと、第２圧力と第３圧力の差圧とから実測バルブ流量を算出する。ここで、バルブ流量算出部３は開度とコンダクタンスとの間の関係を示すテーブルを記憶しており、開度センサＶ２１で測定される開度に応じたコンダクタンスを使用して実測バルブ流量を出力する。このようにバルブ流量算出部３は、実測値に基づいて流量制御バルブＶ２を通過する流体の流量を算出しているので、推定バルブ流量とは異なり、このバルブ流量は流量制御中においてリアルタイムで実測された値である。また、この実施形態では、実測バルブ流量はマップの更新に用いられる。

　校正器４は、図１及び図２に示すようにバルブ流量算出部３で算出される実測バルブ流量に基づいて、流量制御器２内のマップを更新する。具体的には、流量制御バルブＶ２の制御に使用されている推定バルブ流量と実測バルブ流量との差が所定値以上となった場合には、マップにおけるその時点での第２圧力及び抵抗流量に対応するバルブ流量を実測バルブ流量に更新する。

　圧力制御部５は、ユーザにより設定される設定圧力と、第１圧力センサＰ１で測定される第１圧力に基づいて圧力制御バルブＶ１を制御する。具体的には、設定圧力と第１圧力の偏差が小さくなるように圧力制御バルブＶ１に印加される電圧を圧力フィードバック制御する。

　このように構成された第１実施形態の流量制御装置１００によれば、流量制御バルブＶ２により設定流量となるように流量フィードバック制御を行いながら、当該流量制御バルブＶ２を通過する流体の流量を第２圧力と第３圧力に基づいてモニタリングすることができる。

　また、流量制御バルブＶ２の下流側に設けられた第３圧力センサＰ３は供給対象であるチャンバＣＮとは接続されていない第２分岐流路ＤＬ２上に設けられているので、バルブ流量を実測するために設けられた機器によって、流量制御バルブＶ２とチャンバＣＮとの間の流路抵抗を増大させることがない。したがって、第１実施形態の流量制御装置１００は、流量制御バルブＶ２を通過する流体のバルブ流量の正確さを保証しつつ、応答速度を高く保つことができる。

　第１実施形態の変形例について説明する。

　マップについては、流体の温度影響を考慮できるようにするために、抵抗流量、第２圧力、温度、及び、バルブ流量との間の関係を示すものにしてもよい。

　この場合、例えば流体抵抗Ｒの温度をサーミスタ等の温度センサで測定できるようにしておき、マップ参照部２２は、測定された温度、第２圧力、抵抗流量に基づいてマップを参照して、バルブ流量を出力するように構成すればよい。

　また、バルブ流量算出部３において用いられるコンダクタンスについても、温度センサで測定される温度に応じて異なる値が使用されるようにしてもよい。

　次に本発明の第２実施形態について説明する。

　第２実施形態の流量制御装置１００は、図３及び図４に示すように流量制御器２の構成が第１実施形態とは異なっている。

　具体的には、流量制御器２において推定バルブ流量を算出するための構成がマップ参照ではなく、第１圧力の時間変化量に基づいて算出するように構成されている。このため、第１実施形態の流量制御器２には第２圧力が入力されていたのに対して、図３に示すように第２実施形態の流量制御器２には第１圧力が入力される。

　具体的には流量制御器２は、図４に示すようにマップ記憶部２１及びマップ参照部２２の代わりに抵抗流量算出部１で算出される抵抗流量と、第１圧力センサＰ１で測定される第１圧力の時間変化量と、に基づいて流量制御バルブＶ２を通過する流量を推定するバルブ流量推定部２４を備えている。

　バルブ流量推定部２４は、第１圧力の時間変化量として例えば第１圧力の時間微分値を算出し、その微分値に所定の係数を乗じた値を出力する時間変化量算出部２５と、時間変化量算出部２５から時間変化量と抵抗流量に基づいて推定バルブ流量を算出する出力部２６と、を備えている。なお、時間変化量算出部２５は、第１圧力を微分するものに限られず、第１圧力センサＰ１のサンプリングタイムごとに差分演算を行うものであってもよい。

　また、第２実施形態では校正器４は推定バルブ流量と実測バルブ流量との差が所定値以上の場合には、時間変化量算出部２５で用いられる係数をその差に応じて補正する。

　このように構成された第２実施形態の流量制御装置１００であれば、第１圧力の時間微分値に基づいて抵抗流量を補正演算して、推定バルブ流量を算出することができる。また、上流側の圧力の変化が抵抗流量に考慮された値を出力することができるので、バルブ流量における過渡的な変化を補正することが可能となる。

　次に本発明の第３実施形態に係る流量制御装置１００について図５及び図６を参照しながら説明する。

　第３実施形態の流量制御装置１００は、第１及び第２実施形態に示す流量制御装置１００とは異なり、圧力制御バルブＶ１と流量制御バルブＶ２との間に流体抵抗Ｒが設けられておらず、圧力制御バルブＶ１と流量制御バルブＶ２との間が１つの大きな容積ＶＬとして構成されている。また、圧力センサについては第１圧力センサについては省略されており、第２圧力センサＰ２のみが設けられている。すなわち、この容積においては流量の測定を行うための機能が省略されるとともに、圧力制御バルブＶ１の制御についても第２圧力センサＰ２の出力に基づいて行われる。

　また、抵抗流量の測定が行われていないため、流量制御器２の構成も図６に示すように第１及び第２実施形態とは異なっている。すなわち、流量制御器２は第２圧力センサＰ２で測定される第２圧力と設定流量に基づいて、実現したバルブ流量に相当する設定開度を算出し、算出された設定開度と開度センサＶ２１で測定される測定開度の偏差が小さくなるように流量制御バルブＶ２の制御が行われる。

　具体的には第３実施形態の流量制御器２では、マップが少なくとも第２圧力と、流量制御バルブＶ２の開度と、流量制御バルブＶ２を通過する流体の流量との間の関係を示すものである。そして、マップ参照部２２は、測定される第２圧力及び測定開度と、ユーザにより設定される設定流量に基づいてマップを参照して対応する設定開度を出力する。

　また、開度制御部２３は流量制御バルブＶ２に設けられた開度センサＶ２１から出力される測定開度が、マップ参照部２２から出力された設定開度となるように流量制御バルブＶ２に印加される電圧を制御する。

　バルブ流量算出部３は、図５に示すように流量制御バルブＶ２の上流側の圧力である第２圧力と下流側の圧力である第３圧力と、測定開度とが、入力され、これらの値に基づいて実測バルブ流量を算出する。より具体的にはバルブ流量算出部３は、第２圧力と第３圧力の差圧と、流量制御バルブＶ２の測定開度に応じたコンダクタンスに基づいて、実測バルブ流量を例えば制御周期ごとに算出している。

　校正器４は、図５及び図６に示すようにバルブ流量算出部３から実測バルブ流量が算出されると、その度にマップを更新する。具体的には、設定開度を出力するために参照している第２圧力、開度、流量の組において流量を実測流量に更新する。

　このように構成された第３実施形態の流量制御装置１００であれば、第１及び第２実施形態のように流体抵抗を用いた差圧に基づいた流量の測定を行わなくても、流量制御バルブＶ２を通過するバルブ流量を推定し、流量制御を行うことができる。

　また、流量制御バルブＶ２の前後の圧力から、当該流量制御バルブＶ２を通過するバルブ流量を実測し、マップを逐次更新しているので、上記のように流量制御バルブＶ２を制御しても実質的に常に測定された流量に基づいてバルブ流量を制御することができる。

　したがって、従来とは異なって、チャンバＣＮに対して流体を供給している状態でも、その流量を保証することが可能となる。また、メイン流路ＭＬ及び第２分岐流路ＤＬ２には流路抵抗となる機器を極力配置しないようにできるので、例えば過渡応答特性をよくしながら、流量の正確性を担保することが可能となる。

　第３実施形態の変形例について説明する。

　第３実施形態についてもマップ参照によって流量制御バルブＶ２を制御するのではなく、測定される流量から直接流量制御バルブＶ２の開度が制御されるようにしてもよい。具体的には、流量制御器２がマップ記憶部２１及びマップ参照部２２を備えておらず、開度制御部２３に、バルブ流量算出部３で算出される実測バルブ流量がフィードバックされるようにしてもよい。すなわち、開度制御部２３は、第２圧力センサＰ２で測定される第２圧力と第３圧力センサＰ３で測定される第３圧力から算出される実測バルブ流量と、設定流量の偏差が小さくなるように流量制御バルブＶ２に印加する電圧を制御するようにしてもよい。

　また、流量制御装置１００が圧力制御バルブＶ１と流量制御バルブＶ２の間の容積ＶＬを流れる流体の温度を測定する温度センサを更に備えており、この温度も考慮したマップに基づいて流量制御が行われるようにしてもよい。すなわち、マップは、第２圧力、開度、温度、及び、流量との間の関係を示すものであり、マップ参照部２２は測定されている第２圧力、開度、及び、温度から設定開度を出力するようにしてもよい。

　次に本発明の第４実施形態について図７及び図８を参照しながら説明する。なお、第３実施形態において説明した部材に対応する部材には同じ符号を付すこととする。

　第４実施形態の流量制御装置１００は、第３実施形態に示す流量制御装置１００と同様に、圧力制御バルブＶ１と流量制御バルブＶ２との間に流体抵抗Ｒが設けられておらず、圧力制御バルブＶ１と流量制御バルブＶ２との間が１つの大きな容積ＶＬとして構成されている。

　より具体的には圧力制御バルブＶ１と流量制御バルブＶ２との間には内部に形成された空洞である容積ＶＬと、容積ＶＬにガスを導入又は導出する導入路、導出路が内部に形成されたブロック体ＢＬが設けられている。また、ブロック体ＢＬのガスの導入口に対して圧力制御バルブＶ１が設けられ、ブロック体ＢＬのガスの導出口に対して流量制御バルブＶ２が設けられている。図８に示すようにブロック体ＢＬの内部に形成された容積ＶＬ内には、当該容積ＶＬの全体に充填されたメッシュ部材Ｍと、容積ＶＬ内のガスの温度を測定するための温度センサＴＳが設けられている。

　メッシュ部材Ｍは、例えばガスの通過を実質的に阻害しないようにしつつ、容積ＶＬ内に存在するガスの温度をほぼ均一するようなメッシュ数のものが選択されている。メッシュ部材Ｍが容積ＶＬ内に充填されていることにより、後述するマップの更新のための温度測定時における測定温度の安定性を向上させ、正確な値を得ることができるようになる。

　温度センサＴＳは、容積ＶＬ内においてメッシュ部材Ｍの一部と接触するように設けられている。図８に示すように温度センサＴＳは、容積ＶＬにおいてブロック体ＢＬの内壁面に接触させる、あるいは、内壁面に近接する位置でメッシュ部材Ｍと接触させ、配線をブロック体ＢＬの外部へと取り出しやすくしてある。温度センサＴＳとしては、ガスと直接接触する位置に設けられるので、例えば流されるガスの種類に応じて耐食性を有したものが適宜選択される。この実施形態では温度センサＴＳは、容積ＶＬ内に２つ設けられており、これらの温度センサＴＳにおける測定温度の平均値がガスの温度として採用される。なお、温度センサＴＳの個数については適宜選択でき、１つであってもよいし、３つ以上であってもよい。また、温度センサＴＳは容積ＶＬ内に設けられ、直接流体の温度を測定するものであればよい。

　また、第４実施形態の流量制御器２では、マップが少なくとも第２圧力と、流量制御バルブＶ２の開度と、ガスの温度と、流量制御バルブＶ２を通過するガスの流量との間の関係を示すものである。そして、マップ参照部２２は、測定される第２圧力、測定開度、温度センサＴＳで測定される測定温度、及び、ユーザにより設定される設定流量に基づいてマップを参照して対応する設定開度を出力する。

　バルブ流量算出部３は、開度制御部２３による流量制御が行われておらず、マップを更新するための校正用の制御が行われている間に取得される、第２圧力、測定温度に基づいて、既存のＲＯＦ法等から実測バルブ流量を算出する。ＲＯＦ法を簡単に説明すると以下のようなものになる。まず、圧力制御バルブＶ１と流量制御バルブＶ２との間の空間に所定圧力のガスがチャージされる。その後、流量制御バルブＶ２が所定の開度で開放され、空間内のガスに圧力低下を生じさせる。この圧力降下時に測定される第２圧力、測定温度、ガスがチャージされていた空間の体積値と、気体の状態方程式を時間微分した式に基づいて、流量制御バルブＶ２を通過する流量を算出することができる。第４実施形態ではメッシュ部材Ｍが容積ＶＬ内に充填されており、ガスの温度が均一化されているので、圧力降下時におけるガスの温度についても正確に測定することができる。この結果、バルブ流量算出部３は実測バルブ流量を正確に算出することができる。

　校正器４は、バルブ流量算出部３から実測バルブ流量が算出されると、その度にマップを更新する。具体的には、バルブ流量算出部３が実測バルブ流量を算出しているときに使用されている第２圧力、開度、温度の組に対応する流量を実測バルブ流量に更新する。

　このように構成された第４実施形態の流量制御装置１００であれば、圧力制御バルブＶ１と流量制御バルブＶ２との間の容積ＶＬ内にメッシュ部材Ｍが充填され、当該容積ＶＬ内に温度センサＴＳを設けているので、例えば実測バルブ流量を気体の状態方程式に基づいて算出する際に必要となるガスの温度を正確に得ることができる。この結果、流量マップの更新時に算出される実測バルブ流量をより正確にすることができ、最終的な流量制御の正確さをさらに向上させることができる。

　第４実施形態の変形例について説明する。第４実施形態では容積ＶＬ内にメッシュ部材Ｍが充填されていたが、メッシュ部材Ｍを省略し、容積ＶＬ内には温度センサＴＳのみを設けるようにしてもよい。また、第４実施形態においても第３実施形態と同様にメイン流路ＭＬが流量制御バルブＶ２の下流側において流体の供給対象と接続される第１分岐流路ＤＬ１と、流体の供給対象と接続されない第２分岐流路ＤＬ２とに分岐しており、第２分岐流路ＤＬ２に第３圧力センサである第３圧力センサＰ３が設けられていてもよい。このように各分岐流路ＤＬ１、ＤＬ２、及び、第３圧力センサＰ３が設けられている場合には、バルブ流量算出部３が、少なくとも第２圧力センサＰ２で測定される第２圧力、第３圧力センセＰ３で測定される第３圧力、及び、温度センサＴＳで測定される測定温度に基づいて、流量制御バルブＶ２を通過する流体の流量を算出するように構成してもよい。

　その他の実施形態について説明する。

　第２圧力及び第３圧力に基づいて実測バルブ流量を算出する方法は、各実施形態において示したようにコンダクタンスを利用した演算に限られない。例えば、予め第２圧力と第３圧力とバルブ流量との間の関係を示すマップを測定してデータベース化しておき、測定された第２圧力、第３圧力でマップを参照して対応する流量をバルブ流量として出力するようにしてもよい。また、校正器を省略してバルブ流量算出部のみを設けて、バルブ流量算出部で算出される実測バルブ流量で流量制御バルブをフィードバック制御するようにしてもよい。

　その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて各実施形態の一部同士を組み合わせてもよいし、変形を行っても構わない。

　このように本発明であれば、流量制御バルブと供給対象間における流路抵抗の増大を招かずにバルブ流量の正しさを保証することが可能な流量制御装置を提供できる。

Claims

　メイン流路に設けられた流量制御バルブと、
　前記流量制御バルブの上流側に設けられた第２圧力センサと、
　少なくとも前記第２圧力センサで測定される第２圧力と、設定流量とに基づいて前記流量制御バルブを制御する流量制御器と、
　前記メイン流路において前記流量制御バルブの下流側において分岐し、流体の供給対象と接続される第１分岐流路と、
　前記メイン流路において前記流量制御バルブの下流側において分岐する第２分岐流路と、
　前記第２分岐流路上に設けられた第３圧力センサと、
　少なくとも前記第２圧力と前記第３圧力センサで測定される第３圧力に基づいて、前記流量制御バルブを通過する流体の流量を算出するバルブ流量算出部と、を備えたことを特徴とする流量制御装置。
　前記第２圧力センサの上流側に設けられた流体抵抗と、
　前記流体抵抗の上流側に設けられた第１圧力センサと、
　前記第１圧力センサで測定される第１圧力、及び、前記第２圧力に基づいて、前記流体抵抗を流れる流体の流量を算出する抵抗流量算出部と、をさらに備え、
　前記流量制御器が、
　　少なくとも前記抵抗流量算出部で算出される抵抗流量、前記第２圧力、及び、前記流量制御バルブを通過する流体の流量との間の関係を示すマップを記憶するマップ記憶部と、
　　測定されている前記抵抗流量、及び、前記第２圧力に基づいて、前記マップを参照し、対応する前記流量制御バルブを通過する流体の流量を推定バルブ流量として出力するマップ参照部と、
　　前記推定バルブ流量が、前記設定流量となるように前記流量制御バルブを制御する開度制御部と、を備えた請求項１記載の流量制御装置。
　前記第１圧力センサの上流側に設けられた圧力制御バルブと、
　前記第１圧力が、設定圧力となるように前記圧力制御バルブを制御する圧力制御部と、をさらに備えた請求項２記載の流量制御装置。
　前記流量制御バルブの開度を測定する開度センサをさらに備え、
　前記流量制御器が、
　　少なくとも前記第２圧力と、前記流量制御バルブの開度と、前記流量制御バルブを通過する流体の流量との間の関係を示すマップを記憶するマップ記憶部と、
　　測定されている前記第２圧力と、前記設定流量に基づいて、前記マップを参照し、対応する前記流量制御バルブの開度を設定開度として出力するマップ参照部と、
　　前記開度センサで測定される測定開度が、前記設定開度となるように前記流量制御バルブを制御する開度制御部と、を備えた請求項１記載の流量制御装置。
　前記第２圧力センサの上流側に設けられた圧力制御バルブと、
　前記第２圧力が設定圧力となるように前記圧力制御バルブを制御する圧力制御部と、をさらに備えた請求項４記載の流量制御装置。
　前記バルブ流量算出部で算出される実測バルブ流量に基づいて、前記マップを更新する校正器をさらに備えた請求項１乃至５いずれかに記載の流量制御装置。
　前記校正器が、前記推定バルブ流量と前記実測バルブ流量の差が所定値以上の場合に前記マップを更新する請求項６記載の流量制御装置。
　前記バルブ流量算出部が、前記流量制御バルブのコンダクタンスと、前記第２圧力と前記第３圧力の差圧に基づいて、前記実測バルブ流量を算出する請求項１乃至７いずれかに記載の流量制御装置。
　前記第２圧力センサの上流側に設けられた流体抵抗と、
　前記流体抵抗の上流側に設けられた第１圧力センサと、
　前記第１圧力センサで測定される第１圧力、及び、前記第２圧力に基づいて、前記流体抵抗を流れる流体の流量を算出する抵抗流量算出部と、
　前記第１圧力センサの上流側に設けられた圧力制御バルブと、を備え、
　前記流量制御器が、
　　前記抵抗流量算出部で算出される抵抗流量と、前記第１圧力センサで測定される第１圧力の時間変化量と、に基づいて前記流量制御バルブを通過する流量を推定するバルブ流量推定部と、
　　前記バルブ流量推定部で推定された推定バルブ流量が、前記設定流量となるように前記流量制御バルブを制御する開度制御部と、を備えた請求項１記載の流量制御装置。
　メイン流路に設けられた流量制御バルブと、
　前記流量制御バルブの上流側に設けられた第２圧力センサと、
　前記第２圧力センサの上流側に設けられた圧力制御バルブと、
　前記圧力制御バルブと前記流量制御バルブとの間に形成された容積内に設けられた１又は複数の温度センサと、を備えたことを特徴とする流量制御装置。
　前記容積内に充填されたメッシュ部材をさらに備えた請求項１０記載の流量制御装置。
　少なくとも前記第２圧力センサで測定される第２圧力と、前記温度センサで測定される温度と、設定流量とに基づいて前記流量制御バルブを制御する流量制御器をさらに備えた請求項１０又は１１記載の流量制御装置。
　少なくとも前記第２圧力と前記温度センサで測定される測定温度に基づいて、前記流量制御バルブを通過する流体の流量を算出するバルブ流量算出部をさらに備えた請求項１０乃至１２いずれかに記載の流量制御装置。
　前記メイン流路において前記流量制御バルブの下流側において分岐し、流体の供給対象と接続される第１分岐流路と、
　前記メイン流路において前記流量制御バルブの下流側において分岐する第２分岐流路と、
　前記第２分岐流路上に設けられた第３圧力センサと、をさらに備え、
　前記バルブ流量算出部が、少なくとも前記第２圧力、前記第３圧力センサで測定される第３圧力、及び、前記測定温度に基づいて、前記流量制御バルブを通過する流体の流量を算出するように構成された請求項１３記載の流量制御装置。
　メイン流路に設けられた流量制御バルブと、前記流量制御バルブの上流側に設けられた第２圧力センサと、少なくとも前記第２圧力センサで測定される第２圧力と、設定流量とに基づいて前記流量制御バルブを制御する流量制御器と、を流量制御装置に用いられる流量測定方法であって、
　前記メイン流路において前記流量制御バルブの下流側において分岐し、流体の供給対象と接続される第１分岐流路と、前記メイン流路において前記流量制御バルブの下流側において分岐する第２分岐流路と、前記第２分岐流路上に設けられた第３圧力センサと、を設け、
　少なくとも前記第２圧力と前記第３圧力センサで測定される第３圧力に基づいて、前記流量制御バルブを通過する流体の流量を算出することを特徴とする流量測定方法。
　メイン流路に設けられた流量制御バルブと、前記流量制御バルブの上流側に設けられた第２圧力センサと、前記メイン流路において前記流量制御バルブの下流側において分岐し、流体の供給対象と接続される第１分岐流路と、前記メイン流路において前記流量制御バルブの下流側において分岐する第２分岐流路と、前記第２分岐流路上に設けられた第３圧力センサと、を備えた流量制御装置に用いられるプログラムであって、
　少なくとも前記第２圧力センサで測定される第２圧力と、設定流量とに基づいて前記流量制御バルブを制御する流量制御器と、
　少なくとも前記第２圧力と前記第３圧力センサで測定される第３圧力に基づいて、前記流量制御バルブを通過する流体の流量を算出するバルブ流量算出部と、としての機能をコンピュータに発揮させることを特徴とする流量制御装置用プログラム。