JP4186831B2 - 質量流量制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガス等の比較的小流量の流体の質量流量を計測する質量流量制御装置に関する。

一般に、半導体集積回路等の半導体製品等を製造するためには、半導体ウエハ等に対して例えばＣＶＤ成膜やエッチング操作等が種々の半導体製造装置において繰り返し行われるが、この場合に微量の処理ガスの供給量を精度良く制御する必要から例えばマスフローコントローラのような質量流量制御装置が用いられている（例えば特許文献１、特許文献２、特許文献３等）。
ここで一般的な質量流量制御装置の構成について、図１１及び図１２を参照して説明する。図１１はガス配管に介設された従来の質量流量制御装置の一例の概略構成図を示し、図１２は質量流量制御装置の流量検出手段を示す回路図である。

図示するように、この質量流量制御装置２は、液体や気体等の流体を流す流体通路、例えばガス管４の途中に介設されて、この質量流量を制御するようになっている。尚、このガス管４の一端に接続される半導体製造装置内は例えば真空引きされている。この質量流量制御装置２は、例えばステンレススチール等により成形された流路６を有しており、この両端が上記ガス管４に接続される。この質量流量制御装置２は流路６の前段側に位置する質量流量検出手段８と後段側に位置する流量制御弁機構１０とよりなる。

まず、上記質量流量検出手段８は、上記流路６のガス流体の流れ方向の上流側に設けられて複数のバイパス管を束ねてなるバイパス群１２を有している。上記バイパス群１２の両端側には、これを迂回するようにセンサ管１４が接続されており、これにバイパス群１２と比較して小量のガス流体を一定の比率で流し得るようになっている。すなわち、このセンサ管１４には全ガス流量に対して一定の比率の一部のガスを常に流すようになっている。このセンサ管１４には直列に接続された制御用の一対の抵抗線Ｒ１、Ｒ４が巻回されており、これに接続されたセンサ回路１６により質量流量値を示す流量信号Ｓ１を出力するようになっている。

この流量信号Ｓ１は、例えばマイクロコンピュータ等よりなる制御手段１８へ導入されて、上記流量信号Ｓ１に基づいて現在流れているガスの質量流量が求められると共に、その質量流量が外部より入力される流量設定信号Ｓ０で表される質量流量に一致するように、上記流量制御弁機構１０を制御することになる。この流量制御弁機構１０は、上記流路６の下流側に設けられた流量制御弁２０を有しており、この流量制御弁２０はガス流体の質量流量を直接的に制御するための弁体として例えば金属板製の屈曲可能になされたダイヤフラム２２を有している。

そして、このダイヤフラム２２を弁口２４に向けて適宜屈曲変形させて移動させることによって、上記弁口２４の弁開度を任意に制御し得るようになっている。そして、このダイヤフラム２２の上面は、例えば積層圧電素子（ピエゾ素子）よりなるアクチュエータ２６の下端部に接続されており、これにより、その弁開度が上記したように調整できるようになっている。またアクチュエータ２６の全体はケース２７によって全体が囲まれている。そして、このアクチュエータ２６は、上記制御手段１８からの駆動信号を受けてバルブ駆動回路２８が出力するバルブ駆動電圧Ｓ４により動作する。尚、上記アクチュエータ２６として積層圧電素子に替えて電磁式のアクチュエータを用いる場合もある。

上記抵抗線Ｒ１、Ｒ４とセンサ回路１６との関係は、図１２に示されている。すなわち、上記抵抗線Ｒ１、Ｒ４の直列接続に対して、２つの基準抵抗Ｒ２、Ｒ３の直列接続回路が並列に接続されて、いわゆるブリッジ回路を形成している。そして、このブリッジ回路に、一定の電流を流すための定電流源３０が接続されている。また、上記抵抗線Ｒ１、Ｒ４同士の接続点と上記基準抵抗Ｒ２、Ｒ３同士の接続点とを入力側に接続して差動回路３２が設けられており、上記両接続点の電位差を求めて、この電位差を流量信号Ｓ１として出力するようになっている。

ここで、上記抵抗線Ｒ１、Ｒ４は、温度に応じてその抵抗値が変化する素材よりなっており、ガスの流れ方向の上流側に抵抗線Ｒ１が巻回され、下流側に抵抗線Ｒ４が巻回されている。また、基準抵抗Ｒ２、Ｒ３は略一定の温度に維持されているものとする。
このように構成された質量流量制御装置２において、センサ管１４にガス流体が流れていない場合には、両抵抗線Ｒ１、Ｒ４の温度は同じになっていることから、ブリッジ回路は平衡して差動回路３２の検出値である電位差は、例えばゼロである。

ここで、センサ管１４にガス流体が質量流量Ｑで流れると仮定すると、このガス流体は上流側に位置する抵抗線Ｒ１の発熱によって温められてその状態で下流側の抵抗線Ｒ４が巻回されている位置まで流れることになり、この結果、熱の移動が生じて抵抗線Ｒ１、Ｒ４間に温度差、すなわち両抵抗線Ｒ１、Ｒ４間の抵抗値に差が生じて、この時発生する電位差はガスの質量流量に略比例することになる。従って、この流量信号Ｓ１に所定のゲインをかけることによってその時に流れているガスの質量流量を求めることができる。また、この検出されたガスの質量流量が、流量設定信号Ｓ０（実際は電圧値）で表される質量流量と一致するように、上記流量制御弁２０の弁開度が制御されることになる。

ところで、一般的な半導体製造装置にあっては、ガス管４が他のガス種を流すために共通に使用される場合があり、このような場合には上記ガス管４は途中で分岐されて、他のガス種が途中で合流して流される。このような場合、他のガス種の供給の開始、或いは停止等の流量変動に応じて圧力変動が発生し、この発生した圧力変動がガス管４内を伝搬して上記質量流量制御装置２内に到達し、質量流量の制御に悪影響を与える場合があった。また上記したような圧力変動は、他の要因でも発生して質量流量の制御性を劣化させる場合があった。

そこで、特許文献４や特許文献５及び６のように、質量流量制御装置の流体出口側や下流側に音速ノズルを設けて、この質量流量制御装置の下流側で発生した圧力変動を上記音速ノズルで吸収できるようにした構造も提案されている。また特許文献７〜９に開示されているように、ガス流の圧力を検出する圧力センサを設けてガス圧に基づいて種々の処理を行っている点が示されている。

特開平１−２２７０１６号公報 特開平４−３６６７２５号公報 特開平４−３６６７２６号公報 実公平７−４９５２５号公報 特開平１０−２６８９４２号公報 特開２０００−１３７５２７号公報 特表２００３−５０４８８８号公報 特開平１０−２０７５５４号公報 特開平１１−２５９１４０号公報

しかしながら、特許文献４に示す質量流量制御器にあっては、下流側で発生して伝搬してくる圧力変動は、この流体出口側に設けた音速ノズルによって十分吸収することができるが、ガス源などが接続されている上流側で圧力変動が生じた場合には、この圧力変動が圧力損失がほとんどない質量流量センサ部へ直接的に到達し、質量流量の制御性に悪影響を与える場合があった。また特許文献５及び６に示す構造では、ノズルより上流側の圧力がその下流側の圧力の２倍以上という音速ノズル状態を満たす領域でのみ質量流量を制御できる、という特性を用いていることから、上述のように音速ノズル状態を満たす領域では、この下流側からの圧力変動を吸収できても、上記音速ノズル状態を満たさない領域では質量流量の制御すらできない、という問題があった。

また図１１に示すように、圧力損失がほとんどない質量流量検出手段８を上流側に位置させた構造の質量流量制御装置２の場合には、この質量流量制御装置２を設けた位置よりも上流側のガス管４に圧力変動のないガス流を形成するレギュレータ（図示せず）を設けなければならず、その分だけ設備コストを上昇させるという問題もあった。また特許文献７〜９に開示された技術にあっては、検出されたガス圧値を具体的にどのように用いているか、十分に示されておらず、圧力変動に対する影響を十分に解消することができない、といった問題が依然としてあった。
本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、圧力変動を吸収することができて質量流量の制御性が高い質量流量制御装置を提供することにある。

請求項１に係る発明は、流体を流す流路に、質量流量を検出して流量信号を出力する質量流量検出手段と、バルブ駆動信号により弁開度を変えることによって質量流量を制御する流量制御弁機構とを介設し、外部から入力される流量設定信号と前記流量信号とに基づいて前記流量制御弁機構を制御する制御手段を設けてなる質量流量制御装置において、前記流路に前記流体の圧力を検出して圧力検出信号を出力する圧力検出手段を介設し、前記制御手段は、前記流量信号と前記流量設定信号とに基づいて質量流量の制御を行う第１制御モードと、前記圧力変化量が前記所定の閾値以上変化する直前の質量流量値と、前記圧力変化量が前記所定の閾値以上変化する直前の圧力検出値と、現在の圧力検出値と、前記圧力変化量が前記所定の閾値以上変化する直前のバルブ駆動信号値と、予め求められたバルブ特性とに基づいて印加すべきバルブ駆動信号値を求めることにより質量流量の制御を行う第２制御モードとを、前記圧力検出信号から得られる圧力変化量に基づいて選択的に切り替えるように構成したことを特徴とする質量流量制御装置である。
この場合、例えば請求項２に規定するように、前記制御手段は、前記圧力変化量が所定の閾値以上になった時に前記第１制御モードから前記第２制御モードに切り替える。

また例えば請求項３に規定するように、前記制御手段は、前記第２制御モードでは、前記圧力変化量が前記所定の閾値以上変化する直前の質量流量値を、外部へ流量外部出力信号として出力する。
また例えば請求項４に規定するように、前記流体通路には、その上流側から下流側に向けて前記圧力検出手段、前記質量流量検出手段及び前記流量制御弁機構の順序で介設されている。
また例えば請求項５に規定するように、前記流体通路には、その上流側から下流側に向けて前記質量流量検出手段、前記圧力検出手段及び前記流量制御弁機構の順序で介設されている。

また例えば請求項６に規定するように、前記流量制御弁機構は、アクチュエータとして圧電素子を用いている。
また例えば請求項７に規定するように、前記流量制御弁機構は、アクチュエータとして圧電式のアクチュエータを用いている。
また例えば請求項８に規定するように、前記流体通路の最上流側には、オリフィスが設けられる。
また例えば請求項９に規定するように、前記流体通路の最下流側には、オリフィスが設けられる。

本発明の質量流量制御装置によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
流路に流れる流体の圧力変化量に応じて質量流量の制御の態様を、第１制御モードと第２制御モードとを選択的に切り替えて行うようにしたので、圧力変動を吸収できて質量流量の制御性を高くすることができる。

以下に、本発明に係る質量流量制御装置の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
図１は本発明に係る質量流量制御装置の第１実施例を示す構成図、図２はアクチュエータとして積層圧電素子を用いた場合の流量制御弁機構のバルブ特性の一例を示すバルブ特性図、図３はバルブ特性の一部を示す図である。ここではアクチュエータとして積層圧電素子を用いた場合を例にとって説明する。尚、図１１及び図１２に示す構成部分と同一構成部分については同一符号を付してその説明を省略する。

図示するように、この質量流量制御装置４０は、液体や気体等の流体を流す流体通路、例えばガス管４の途中に介設されて、この質量流量（以下、単に「流量」とも称す）を制御するようになっている。尚、このガス管４の一端に接続される半導体製造装置内は例えば真空引きされている。この質量流量制御装置４０は、例えばステンレススチール等により成形された流路６を有しており、この流体入口６Ａが上記ガス管６の上流側に接続され、流体出口６Ｂがガス管６の下流側に接続される。この質量流量制御装置４０は、流体の質量流量を検出する質量流量検出手段８と、流体の流れを制御する流量制御弁機構１０と、本発明の特徴とする圧力検出手段４２と、この装置全体の動作を制御する例えばマイクロコンピュータ等よりなる制御手段４４とを有している。

そして、上記制御手段４４は、半導体製造装置の全体の動作を制御するホストコンピュータ４６から、この質量流量制御装置において流すべきガス流量を表す流量設定信号Ｓ０を受けると共に、現在流しているガス流量を表す外部流量出力信号Ｓｏｕｔを出力するようになっている。この図示例では、流路６の上流側から下流側に向けて、ガス流体の圧力を検出するための圧力検出手段４２、ガス流量を検出する質量流量検出手段８及び流量制御弁機構１０がこの順序で順次介設されている。上記圧力検出手段４２は、例えば圧力トランスデューサよりなり、所定の時間間隔、例えば１０ｍｓｅｃ毎にガス圧力をサンプリングして検出し、その検出された圧力値を圧力検出信号Ｓｖとして上記制御手段４４に向けて出力するようになっている。

また、上記質量流量検出手段８は、上記流路６のガス流体の流れ方向の上流側に設けられて複数のバイパス管を束ねてなるバイパス群１２を有している。上記バイパス群１２の両端側には、これを迂回するようにセンサ管１４が接続されており、これにバイパス群１２と比較して小量のガス流体を一定の比率で流すようになっている。すなわち、このセンサ管１４には全ガス流量に対して一定の比率の一部のガスを常に流すようになっている。このセンサ管１４には直列に接続された制御用の一対の抵抗線Ｒ１、Ｒ４が巻回されており、これに接続されたセンサ回路１６により質量流量値を示す流量信号Ｓ１を出力するようになっている。

この流量信号Ｓ１は、例えばマイクロコンピュータ等よりなる制御手段４４へ導入されて、上記流量信号Ｓ１に基づいて現在流れているガスの質量流量が求められると共に、その質量流量が外部より入力される流量設定信号Ｓ０で表される質量流量に一致するように、上記流量制御弁機構１０を制御することになる。尚、この際、後述するように必要に応じて圧力検出信号Ｓｖにより表される圧力値が流量制御に加味されることになる。この流量制御弁機構１０は、上記流路６の下流側に設けられた流量制御弁２０を有しており、この流量制御弁２０はガス流体の質量流量を直接的に制御するための弁体として例えば金属板製の屈曲可能になされたダイヤフラム２２を有している。

そして、このダイヤフラム２２を弁口２４に向けて適宜屈曲変形させて移動（進退）させることによって、上記弁口２４の弁開度を任意に制御し得るようになっている。そして、このダイヤフラム２２の上面は、例えば積層圧電素子（ピエゾ素子）よりなるアクチュエータ２６の下端部に接続されており、これにより、その弁開度が上記したように調整できるようになっている。そして、このダイヤフラム２２の上面は、例えば積層圧電素子（ピエゾ素子）よりなるアクチュエータ２６の下端部に剛的に連結されており、これにより、その弁開度が上記したように調整できるようになっている。

具体的には、上記アクチュエータ２６の下端部には、例えば金属製の押し台４８が取り付けられ、他方、上記ダイヤフラム２２の上面にも例えば金属製のベース台５０が取り付けられている。そして、上記押し台４８とベース台５０との表面に浅い凹部をそれぞれ設けてこの凹部に例えば剛球５２を介在させて全体を剛的に連続している。これにより、上記アクチュエータ２６の機械的伸縮を直接的にダイヤフラム２２に伝えることができると共に、ガス流体の圧力変動が生じてもダイヤフラム２２の弁開度が変化しないようにしている。更には上記剛球５２の作用により、上下方向に伝わる力が偏在しないようにしている。

ここで積層圧電素子とは、例えば多数のＰＺＴセラミック板を電極を介在させて積層した構造よりなり、印加する電圧によってその長手方向に機械的に伸縮できるようになっている。またアクチュエータ２６の全体はケース２７によって全体が囲まれている。そして、このアクチュエータ２６は、上記制御手段４４からの駆動信号Ｓ３を受けてバルブ駆動回路２８が出力するバルブ駆動信号としてのバルブ駆動電圧Ｓ４により動作する。尚、上記アクチュエータ２６として積層圧電素子に替えて電磁式のアクチュエータを用いる場合もあり、この場合にはバルブ駆動信号としてバルブ駆動電流が出力される。上記抵抗線Ｒ１、Ｒ４とセンサ回路１６との関係は、先に説明した図１２に示されている構成と同じなので、ここではその説明を省略する。

ここで本発明の特徴となる流量制御を行う上記制御手段４４は、当然のこととして演算処理に必要な各種のデータ（情報）を記憶するために例えばＲＡＭやＲＯＭを組み合わせてなる記憶部４４Ａを有しており、この記憶部４４Ａには予め測定した上記流量制御弁機構１０のバルブ特性が記憶されている。このバルブ特性について説明すると、図２（Ａ）に示すようにバルブ駆動電圧（バルブ駆動信号）Ｓ４（弁開度に対応）が増加すると、流量は曲線的に増加する傾向にあり、しかも、入口側のガス圧力を０．１８〜０．４ＭＰａまで変化させると、ガス圧力が大きくなる程、その密度が高くなるので流量も多くなっている。また、図２（Ｂ）は図２（Ａ）に示すバルブ特性を、横軸に入口側ガス圧力をとって書き替えたバルブ特性であり、このバルブ特性より明らかなように、バルブ駆動電圧（バルブ駆動信号）Ｓ４が一定の場合には、入口側ガス圧力と流量との関係は比例して直線的に変形している。
上記流量制御弁機構１０はこのようなバルブ特性を有しており、この実施例では例えば図３に示すように、入力側ガス圧力が０．４ＭＰａの時のバルブ駆動電圧Ｓ４と流量との関係を示す特性が、制御手段４４の記憶部４４Ａに予め記憶されている。

次に、以上のように構成された本発明の質量流量制御装置の動作について説明する。
本発明の特徴は、上記制御手段４４が、上記圧力検出信号Ｓｖから得られる圧力変化量に基づいて、上記圧力検出信号Ｓｖを用いることなく上記流量信号Ｓ１と上記流量設定信号Ｓ０とに基づいて質量流量の制御を行う第１制御モードと、上記圧力検出信号Ｓｖと上記流量信号Ｓ１と上記流量設定信号Ｓ０とに基づいて質量流量の制御を行う第２制御モードとを選択的に切り替えるようにした点である。

まず、ガス管４を流れてきたガスは、流体入口６Ａから質量流量制御装置４０の流路６内に流れ込み、このガスはその圧力が圧力検出手段４２により検出された後に質量流量検出手段８に至る。そしてこのガスの大部分はバイパス管群１２を介して流れると共に、全ガス流量に対して一定の分流比となる一部のガスはセンサ管１４内を流れ、各ガスはその下流側で合流した後に流量制御弁機構１０の流量制御弁２０の弁口２４を流れ、その後は流体出口６Ｂを通過して図示しない半導体製造装置に向けて流れて行く。尚、半導体製造装置の処理チャンバは真空雰囲気、減圧雰囲気及び常圧程度の雰囲気等の種々の圧力状態で使用される。

ここで、センサ管１４には抵抗線Ｒ１、Ｒ４が巻回されているので、前述したようにセンサ管１４内を流れるガスによりガス管４内を流れる全体のガスの質量流量がセンサ回路１６により検出され、この検出値が流量信号Ｓ１として制御手段４４へ送られる。そして、制御手段４４は、この流量信号Ｓ１で表される質量流量が外部より入力される流量設定信号Ｓ０で表される質量流量と一致するようにバルブ駆動回路２８を介してバルブ駆動電圧Ｓ４を発生させて、これをアクチュエータ２６に印加してアクチュエータ２６を伸縮駆動してダイヤフラム２２を屈曲変形することにより、流量制御弁２０の弁開度を調整することになる。これにより、ガス流体を質量流量を制御しつつ下流側に向けて流すことができる。

ここで、この質量流量制御装置４０よりも上流側のガス管４に何らかの理由で圧力変動が生じた場合には、この圧力変動が下流側に向かって伝搬してこの質量流量制御装置４０内へ到達しようとする。
しかし、本発明ではこのガス圧の圧力変化量に応じて第１制御モードと第２制御モードとを選択的に切り替えて流量制御を行っているので、この圧力変動を吸収して悪影響が発生することを防止することができる。尚、ここで第１制御モードとは、流量信号Ｓ１の検出値と外部からの流量設定信号Ｓ０の設定値とが常に同一になるように制御する従来の制御方法を指す。

ここで具体的な制御方法について説明する。
図４は本発明の質量制御装置で行われる制御フローを示す図、図５は第１制御モードの制御フローを示す図、図６は第２制御モードの制御フローを示す図、図７は従来制御方法である第１制御モードのみを実行した時の各信号の変化を示すグラフ、図８は本発明装置により第１制御モードと第２制御モードを選択的に切り替えて実行した時の各信号の変化を示すグラフである。

まず、図４を参照して本発明装置による全体の動作について説明すると、圧力検出手段４２により流体（ガス）圧力が検出されて、この検出値が圧力検出信号Ｓｖとして出力される（Ｓ１）。また質量流量検出手段８においても流体の質量流量が検出されて、この検出値が流量信号Ｓ１として出力される（Ｓ２）。これらの流質圧力や質量流量のサンプリング測定は、所定の間隔、例えば１０ｍｓｅｃ毎に連続的に行われている。

上記流体圧力値（検出値）は、記憶されているその直前の検出値（ここでは例えば１０ｍｓｅｃ前の検出値）と常時比較されてその圧力変化量が求められており（Ｓ３）、この圧力変化量が基準値である所定の閾値と比較される（Ｓ４）。この閾値は、流体であるガスの供給圧力にもよるが、例えば１００Ｐａ程度である。ここで圧力変化量が閾値である１００Ｐａよりも小さい場合には（Ｓ４のＮＯ）、まず、最新のバルブ駆動電圧値（Ｓ４）、最新の圧力検出値（Ｓｖ）及び最新の質量流量値（Ｓ１）をそれぞれ記憶部４４Ａの専用のエリアに記憶する（Ｓ５）。ここで「最新の」とは今現在の値であり、直前の（１０ｍｓｅｃ前の）値ではない。そして、第１制御モードを実行する（Ｓ６）。すなわち、この第１制御モードは上流側の流体の圧力変化が非常に少ない的の制御モードである。

これに対して、ステップＳ４においてＹＥＳの場合、すなわち圧力変化量が閾値以上になった場合には、第２制御モードを実行する（Ｓ７）。すなわち、この第２制御モードでは上流側の流体の圧力変化がある程度大きい時の制御モードである。そして、上記第１或いは第２制御モードを実行した後に、処理が完了していなければステップＳ１へ戻り、処理が完了したならば、ここで動作を終了する（Ｓ８）。

次に、上記第１制御モードの流れについて説明する。
図５に示すように、この第１制御モードは、前述したように従来の制御方法と同様であり、まず、外部より入力されている現在の流量設定信号Ｓ０の流量設定値と質量流量検出手段８からの現在の流量信号Ｓ１の質量流量値とが比較されて、これが一致するようにバルブ駆動電圧Ｓ４が求められる（Ｓ１１）。これにより、実際の流体流量が、外部のホストコンピュータ４６より流量設定信号Ｓ０で指示された流体流量と同じになるように制御される。

そして、上記操作と同時に、この制御手段４４は、上記ホストコンピュータ４６に向けて、検出された現在の質量流量値を外部流量出力信号Ｓｏｕｔとして出力する（Ｓ１２）。具体的には、この外部流量出力信号Ｓｏｕｔの表す質量流量値は、上記流量信号Ｓ１の表す質量流量値と同じになる。この外部流量出力信号Ｓｏｕｔは、ホストコンピュータ４６において、例えばオペレータによりモニタされており、適正なガス流量が供給されているか否かの確認のために用いられることになる。そして、上記求められたバルブ駆動電圧Ｓ４でアクチュエータ２６をバルブ駆動することになる（Ｓ１３）。実際には、制御手段４４は上記したように求めたバルブ駆動電圧Ｓ４を出力するようにバルブ駆動回路２８へ駆動信号Ｓ３で指示を出すことになる。このようにバルブ駆動が終了したならば、図４に示すステップＳ８へ進むことになる。

次に、第２制御モードの流れについて説明する。
この第２制御モードは、前述したようにガス圧力の変化量が閾値以上になった時の制御モードであり、図６に示すように、まず、圧力変化量が閾値以上になる直前の質量流量値と、圧力変化量が閾値以上になる直前の圧力検出値と、圧力変化量が閾値以上になる直前のバルブ駆動電圧値と、現在の圧力検出値と、予め求められたバルブ特性とに基づいてバルブ駆動電圧を求める（Ｓ２１）。上記圧力変化量が閾値以上になる直前の各値は、例えば１０ｍｓｅｃ前に図４中のステップＳ５において記憶した各値であり、バルブ特性は図３に示したような予め記憶された特性である。

そして、これと同時に、現在、検出された質量流量値ではなく、例えば上記１０ｍｓｅｃ前に記憶された質量流量値を外部流量出力信号Ｓｏｕｔとしてホストコンピュータ４６に向けて出力する（Ｓ２２）。これにより、ホストコンピュータ４６におけるオペレータは質量流量は変化していないものとして認識することになる。更に、これと同時に、上記求めたバルブ駆動電圧Ｓ４をバルブ駆動回路２８より出力するように駆動信号Ｓ３で指示を出し、このバルブ駆動電圧Ｓ４でアクチュエータ２６をバルブ駆動することになる（Ｓ２３）。これにより、入力側のガス流に圧力変動が生じてもこの圧力変動を吸収して、質量流量を高い精度で制御性よく制御することができる。

このように、バルブ駆動が終了したならば、図４に示すステップ８へ進むことになる。尚、この全体のフローから明らかなように、通常のガス流では、一度大きな圧力変動が生ずると、数サンプリング期間〜数十サンプリング期間はこの圧力変動が生ずるので、この間、ホストコンピュータ４６へは圧力変動が生ずる直前に記憶された質量流量値が外部流量出力信号Ｓｏｕｔとして出力し続けられることになる。

次に、本発明の特徴である上記ステップＳ２１におけるバルブ駆動電圧の算出過程について説明する。
印加すべき目標とするバルブ駆動電圧Ｖｎ（＝Ｓ４）は以下の演算式（１）で求められる。
Ｖｎ＝Ｖｂ＋（１−Ｐｂ／Ｐｎ）／ｋ … （１）
ここでｋ＝（Ｑ／Ｖｍｂ）・（Ｐｂ／Ｐｍ）
Ｐｂ：閾値以上の圧力変化前の圧力検出値（記憶された最新の流体圧力値）
Ｐｎ：検出された現在の圧力検出値
Ｖｂ：閾値以上の圧力変化前のバルブ駆動電圧（記憶された最新のバルブ駆動電圧）
ｋ ：閾値以上の圧力変化前のバルブ駆動電圧での単位ボルト当たりの流量変化率
Ｑ ：閾値以上の圧力変化前の質量流量値（記憶された最新の質量流量値）
Ｖｍｂ：閾値以上の圧力変化前のマスター電圧
Ｐｍ：バルブ特性マスターの取得ガス圧力

ここで”マスター”とは図３に示すように予め記憶されたバルブ特性を示し、ここでは例えばガス圧力が０．４ＭＰａの時の特性を記憶している。具体的な数値例を用いて説明すると、流量設定信号Ｓ０が一定な場合において、例えば質量流量が６０ｃｃ／分（＝Ｑ）、ガス流体の圧力が０．２ＭＰａ（＝Ｐｂ）で安定して動作している時に、ガス流に閾値以上の圧力変化量が生じたと仮定する。尚、Ｐｍは０．４ＭＰａである。

その時の、閾値以上の圧力変化前のバルブ駆動電圧値での単位ボルト当たりの流量変化率ｋは次の計算式と図３に示すバルブ特性とから求まる。
ｋ＝（Ｑ／Ｖｍｂ）・（Ｐｂ／Ｐｍ）＝（６０／Ｖｍｂ）・（０．２／０．４）＝３０／Ｖｍｂ
故に、図３より３０ｃｃ／分の時のバルブ駆動電圧Ｖｍｂを読むと”３５ボルト”になり、この”３５ボルト”における流量変化率ｋを求める。尚、流量変化率ｋは、バルブ駆動電圧が一定ならば、ガス流体の圧力変化に関係なく一定となる。具体的には、この流量変化率ｋは０．８５７（＝３０／３５）％となる。そして、この流量変化率ｋを前記演算式（１）に代入することにより、アクチュエータに印加すべきバルブ駆動電圧Ｖｎが求まる。そして、第２制御モードではこの求めたバルブ駆動電圧Ｖｎ（＝Ｓ４）をアクチュエータに印加することになる。
尚、ここではバルブ駆動信号としてバルブ駆動電圧Ｖｎ（＝Ｓ４）を求めているが、前述したようにアクチュエータとして電磁式のアクチュエータを用いた場合には、これは電流で駆動されることからバルブ駆動信号として上述したと同様な計算式及び電流対応のバルブ特性に基づいてバルブ駆動電流を求めることになる。

次に、図７及び図８も参照して実際の各種波形や流量の変化について説明する。
図７は従来の制御方法（第１制御モードのみ）における各信号の波形及び流量を示している。図８は本発明装置による制御方法における各信号の波形及び流量を示している。図７（Ａ）及び図８（Ａ）は流量設定信号Ｓ０、図７（Ｂ）及び図８（Ｂ）は圧力検出信号Ｓｖ、図７（Ｃ）及び図８（Ｃ）は流量信号Ｓ１、図７（Ｄ）及び図８（Ｄ）は外部流量出力信号Ｓｏｕｔ、図７（Ｅ）及び図８（Ｅ）はバルブ駆動信号Ｓ４、図７（Ｆ）及び図８（Ｆ）は下流側のガス流量の実測値である。尚、図７及び図８において、流量の単位はｃｃ／ｍｉｎ、圧力の単位はｋＰａ、バルブ駆動電圧の単位はボルトである。ここで従来の質量流量制御装置では圧力センサを設けていないので、圧力センサを設置し、図７（Ｂ）に示す波形を得ている。また質量流量制御装置の流体出口側に別途、質量流量計を設置して実際の質量流量を測定し、図７（Ｆ）に示す波形を得ている。この点は、図８（Ｆ）の場合も同じである。

図７に示すように、図７（Ａ）に示す流量設定信号Ｓ０が一定値を維持している状態において、図７（Ｂ）に示すように何らかの原因で時間ｔ１において閾値以上に圧力変動ΔＰが生じて圧力が低下し、また、時間ｔ２に元の圧力に復帰している。この圧力変動に対応して、図７（Ｃ）に示すように、時間ｔ１においてガス流量が大きく変化しており、また、時間ｔ２においてもガス流量が大きく変化している。

この流量信号Ｓ１の変動に対応して、流量変動を吸収すべく図７（Ｅ）に示すようにバルブ駆動信号Ｓ４も変化して弁開度を調整しているが、オーバシュート等が発生してしまい、結果的に、図７（Ｆ）に示すように実際のガス流量は、時間ｔ１、ｔ２においてある程度、すなわち振幅ΔＶの大きさの脈動が発生してしまい、ガス流量の制御性を低下させてしまっている。この場合、図７（Ｃ）の流量信号Ｓ１が、そのままホストコンピュータ４６（図１参照）へ外部流量出力信号Ｓｏｕｔ（図７（Ｄ）参照）として出力されるので、これをモニタしているオペレータは、時間ｔ１、ｔ２におけるガス流量の制御性の劣化を知るところとなる。

図８に示す本発明装置の場合には、図８（Ｂ）に示すように、同じく時間ｔ１、ｔ２においてガス流の閾値以上の圧力変動が生じており、この部分において閾値以上の変化量が続く間、第２制御モードに制御方法が切り替わる。すなわち、図８（Ｃ）に示すように時間ｔ１、ｔ２において流量信号Ｓ１の大きな変化が生ずるが、この時に、それぞれ第１制御モードから第２制御モードに切り替わり、先に説明したような演算によりバルブ駆動電圧が求められ、この求められたバルブ駆動電圧Ｓ４が図８（Ｅ）に示すような波形となってアクチュエータに印加されることになる。この結果、流量制御弁２０（図１参照）の弁開度が適正に制御されることになるので、図８（Ｆ）に示すように、流体出口より流れ出るガス流量は、時間ｔ１、ｔ２において上流側のガス流に圧力変動が生じたにもかかわらず、一定の流量を保ち続けることができる。

従って、上流側のガス量の圧力変動を吸収して質量流量の制御性を高く維持することができる。この場合、流量信号Ｓ１の値を、そのまま外部流量出力信号Ｓｏｕｔとして出力していた従来装置と異なり、本発明では、閾値以上の圧力変動が生ずる直前の流量信号Ｓ１の値を、外部流量出力信号Ｓｏｕｔとして出力している（図６中のＳ２２参照）。従って、ホストコンピュータ４６側でモニタしているオペレータは、半導体製造装置に実際に流れ込んでいるガス流量（図８（Ｆ））は正常であると確認することができる。

＜第２実施例＞
次に第２実施例について説明する。
図９は本発明の第２実施例を示す構成図であり、ここでは図１で示した第１実施例の流体入口６Ａ及び流体出口６Ｂにそれぞれオリフィス６０、６２を介設している。尚、これらのオリフィス６０、６２は、双方を設けてもよいし、いずれか一方のみを設けてもよい。このようにオリフィス６０、６２を設けることにより、上流側及び下流側からくるガス圧の圧力変動をこのオリフィス６０、６２の絞り効果で減衰させることができ、これにより急激な圧力変動を抑制することができる。従って、その分、ガス流量の制御性を一層向上させることができる。

＜第３実施例＞
次に第３実施例について説明する。
図１０は本発明の第３実施例を示す構成図である。図１に示す第１実施例では、流路６の上流側から下流側に向けて、圧力検出手段４２、質量流量検出手段８及び流量制御弁機構１０の順序で配列したが、これに限定されず、図１０に示すように、質量流量検出手段８、圧力検出手段４２及び流量制御弁機構１０の順序で配列するようにしてもよい。この場合、流量制御弁機構１０の直前に圧力検出手段４２を配置してこの部分のガス圧力を検知するようにしたので、ガス流（流体）の流量制御性を一層向上させることができる。尚、本実施例で説明したサンプリング間隔の１０ｍｓｅｃ等の各数値は単なる一例を示したに過ぎず、これらに限定されないのは勿論である。

本発明に係る質量流量制御装置の第１実施例を示す構成図である。 アクチュエータとして積層圧電素子を用いた場合の流量制御弁機構のバルブ特性の一例を示すバルブ特性図である。 バルブ特性の一部を示す図である。 本発明の質量制御装置で行われる制御フローを示す図である。 第１制御モードの制御フローを示す図である。 第２制御モードの制御フローを示す図である。 従来制御方法である第１制御モードのみを実行した時の各信号の変化を示すグラフである。 本発明装置により第１制御モードと第２制御モードを選択的に切り替えて実行した時の各信号の変化を示すグラフである。 本発明の第２実施例を示す構成図である。 本発明の第３実施例を示す構成図である。 ガス配管に介設された従来の質量流量制御装置の一例を示す概略構成図である。 質量流量制御装置の流量検出手段を示す回路図である。

符号の説明

４ ガス管（流体通路）
６ 流路
８ 質量流量検出手段
１０ 流量制御弁機構
１２ バイパス管群
１４ センサ管
２０ 流量制御弁
２２ ダイヤフラム
２６ アクチュエータ
４０ 質量流量制御装置
４２ 圧力検出手段
４４ 制御手段
Ｓ０ 流量設定手段
Ｓ１ 流量信号
Ｓｏｕｔ 外部流量出力信号
Ｓ４ バルブ駆動電圧（バルブ駆動信号）

Claims (9)

1. 流体を流す流路に、質量流量を検出して流量信号を出力する質量流量検出手段と、バルブ駆動信号により弁開度を変えることによって質量流量を制御する流量制御弁機構とを介設し、外部から入力される流量設定信号と前記流量信号とに基づいて前記流量制御弁機構を制御する制御手段を設けてなる質量流量制御装置において、
   前記流路に前記流体の圧力を検出して圧力検出信号を出力する圧力検出手段を介設し、
   前記制御手段は、
   前記流量信号と前記流量設定信号とに基づいて質量流量の制御を行う第１制御モードと、
   前記圧力変化量が前記所定の閾値以上変化する直前の質量流量値と、前記圧力変化量が前記所定の閾値以上変化する直前の圧力検出値と、現在の圧力検出値と、前記圧力変化量が前記所定の閾値以上変化する直前のバルブ駆動信号値と、予め求められたバルブ特性とに基づいて印加すべきバルブ駆動信号値を求めることにより質量流量の制御を行う第２制御モードとを、
   前記圧力検出信号から得られる圧力変化量に基づいて選択的に切り替えるように構成したことを特徴とする質量流量制御装置。
2. 前記制御手段は、前記圧力変化量が所定の閾値以上になった時に前記第１制御モードから前記第２制御モードに切り替えることを特徴とする請求項１記載の質量流量制御装置。
3. 前記制御手段は、前記第２制御モードでは、
   前記圧力変化量が前記所定の閾値以上変化する直前の質量流量値を、外部へ流量外部出力信号として出力するようにしたことを特徴とする請求項１又は２に記載の質量流量制御装置。
4. 前記流体通路には、その上流側から下流側に向けて前記圧力検出手段、前記質量流量検出手段及び前記流量制御弁機構の順序で介設されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の質量流量制御装置。
5. 前記流体通路には、その上流側から下流側に向けて前記質量流量検出手段、前記圧力検出手段及び前記流量制御弁機構の順序で介設されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の質量流量制御装置。
6. 前記流量制御弁機構は、アクチュエータとして圧電素子を用いていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の質量流量制御装置。
7. 前記流量制御弁機構は、アクチュエータとして電磁式のアクチュエータを用いていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の質量流量制御装置。
8. 前記流体通路の最上流側には、オリフィスが設けられることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の質量流量制御装置。
9. 前記流体通路の最下流側には、オリフィスが設けられることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の質量流量制御装置。

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