JP7059053B2 - 流量制御装置、流量制御方法、及び、流量制御装置用プログラム - Google Patents

Description

本発明は、例えば半導体製造装置に用いられる流体の流量を制御するための流量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、例えばエッチングチャンバ内に導入される各種ガスの流量を制御するためにマスフローコントローラとよばれる各種流体機器と制御機構がパッケージ化された流量制御装置が用いられている。

例えばマスフローコントローラは、流路に対して設けられた流量センサと、流量センサの下流側に設けられたバルブと、流量センサで測定される測定流量が目標値である設定流量となるように前記バルブの開度を制御する流量制御部と、を備えたものがある（特許文献１参照）。

ところで、このようなマスフローコントローラでは、流路における流量センサの測定点とバルブの制御点とが各機器の設置間隔分だけずれてしまうため、特に過渡応答時において制御に遅れが生じてしまう。

このような問題を解決するために、制御点で実際に流れているバルブ流量を推定し、この推定されたバルブ流量をフィードバックすることで制御の遅れを解消することが試みられている。具体的には、流量センサとバルブとの間の容積内の圧力を圧力センサで測定し、その圧力の微分値と、流量センサで測定される流量から制御点での流量であるバルブ流量が推定される。

しかしながら、圧力センサで測定される圧力に例えば高周波のノイズが存在している場合に微分演算が行われると、推定されるバルブ流量にはより大きなノイズがのってしまうことになる。このような大きなノイズ成分を含んだバルブ流量がフィードバックされるとバルブの制御が不安定になってしまう恐れがある。

特開２００４－２８０６８８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、制御点において実際に流れている流量を大きなノイズを含ませずに推定し、流量制御の高速化を実現しつつ、流量制御の安定性も得られる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、流路に設けられた流体抵抗と、流体抵抗の下流側に設けられた下流側バルブと、前記流体抵抗を流れ、当該流体抵抗と前記下流側バルブとの間の流路中の容積へ流入する抵抗流量を測定する抵抗流量測定機構と、前記下流側バルブの開度に関連する開度関連値と、前記下流側バルブの上流側の圧力と、前記容積内を流れる容積内流量の間の関係を示す流量特性を記憶する流量特性記憶部と、前記流量特性記憶部に記憶されている流量特性に基づいてバルブ流量を推定する対象流量推定部と、設定流量と、前記対象流量推定部により推定されたバルブ流量とに基づいて前記下流側バルブを制御する流量制御部と、を備え、前記対象流量推定部が、前記流量制御部によって実現される開度関連値、測定される上流側圧力、及び、流量特性に基づいて推定される流量、並びに、前記抵抗流量測定機構で測定される抵抗流量に基づいてバルブ流量を推定するように構成されていることを特徴とする。

また、本発明に係る流量制御方法は、流路に設けられた流体抵抗と、流体抵抗の下流側に設けられた下流側バルブと、前記流体抵抗を流れ、当該流体抵抗と前記下流側バルブとの間の流路中の容積へ流入する抵抗流量を測定する抵抗流量測定機構と、を備えた流量制御装置を用いた流量制御方法であって、前記下流側バルブの開度に関連する開度関連値、前記下流側バルブの上流側の圧力、及び、前記容積内を流れる容積内流量の間の関係を示す流量特性を取得する流量特性取得ステップと、前記流量特性取得ステップで取得された流量特性に基づいて、バルブ流量を推定するバルブ流量推定ステップと、設定流量と、前記対象流量推定ステップで推定されたバルブ流量とに基づいて前記下流側バルブを制御する流量制御ステップと、を備え、前記対象流量推定ステップが、前記流量制御ステップによって実現される開度関連値、測定される上流側圧力、及び、流量特性に基づいて推定される流量、並びに、前記抵抗流量測定機構で測定される抵抗流量に基づいてバルブ流量を推定することを特徴とする。

このようなものであれば、例えば実験等により予め流量特性を取得しておくことによって、この流量特性と、前記流量制御部により実現される開度関連値及び測定される前記下流側バルブの上流側の圧力から対応するバルブ流量を微分演算なしで推定することが可能となる。ここで、実現される開度関連値は、前記下流側バルブの開度を変位センサ等で測定したものであってもよいし、前記下流側バルブに印加される電圧等であってもよいし、前記流量制御部から出力される操作量であってもよい。

したがって、前記対象流量推定部がバルブ流量を推定してもバルブ流量には大きなノイズ成分が重畳しにくい。このため、推定されたバルブ流量により流量制御の高速化を実現しつつ、流量制御の安定性も得ることが可能となる。

バルブ流量の推定においてノイズが重畳している実測値同士の差分演算や微分演算が行われないようにしてノイズが増幅されるのを防ぎつつ、例えば外乱などで状態が大きく変化した場合でもその変化が推定されるバルブ流量には反映されるようにするには、前記対象流量推定部が、開度関連値、前記下流側バルブの上流側の圧力、及び、流量特性に基づいて、容積内流量を推定する容積内流量推定部と、測定された抵抗流量と、推定された容積内流量とに基づいて、前記下流側バルブを介して前記容積から流出するバルブ流量を推定するバルブ流量推定部と、を備えたものであればよい。

前記流体抵抗と前記下流側バルブとの間の容積内に流出入する流量の関係からバルブ流量を正確に推定できるようにするには、前記バルブ流量推定部が、抵抗流量と容積内流量との差に基づいてバルブ流量を推定するものであればよい。

流量制御装置において算出又は測定される値である開度関連値や前記下流側バルブの上流側の圧力に含まれるノイズ成分が推定されるバルブ流量に増幅されて表れないようにするには、流量特性が、開度関連値及び前記下流側バルブの上流側の圧力を入力変数、バルブ流量を出力変数とする多変数関数であり、当該多変数関数が、入力変数に作用する微分演算子を含まないことを特徴とするものであればよい。

本発明に係る流量制御装置の具体的な実施の態様としては、前記抵抗流量測定機構が、前記流体抵抗の上流側に設けられた上流側圧力センサと、前記流体抵抗、及び、前記下流側バルブの間における前記流路の容積中の圧力を測定する下流側圧力センサと、前記上流側圧力センサで測定される上流側圧力と、前記下流側圧力センサで測定される下流側圧力と、に基づいて抵抗流量を算出する抵抗流量算出部と、を備え、前記流量制御部が、設定流量とバルブ流量との偏差に基づいて前記下流側バルブに入力される操作量を出力するように構成されており、前記対象流量推定部が、前記下流側バルブの上流側の圧力である前記上流側圧力センサで測定される上流側圧力と、開度関連値である前記流量制御部が出力する操作量と、流量特性に基づいてバルブ流量を推定するように構成されているものが挙げられる。

このようなものであれば、容積内の圧力である下流側圧力ではなく、前記流体抵抗の上流側の圧力を用いて対象流量推定部を推定するので、前記下流側バルブの開度が変更されることにより、容積内の圧力が急激に変化した場合でもその影響が表れにくくできる。このため、推定される容積内流量、及び、バルブ流量が大きく変動するのを防ぎ、流量制御の安定性をさらに高めることができる。

また、開度関連値として前記流量制御部が出力する操作量を用いているので、前記下流側バルブの開度を直接測定しなくてもよく、制御系を簡便に構成することも可能となる。

前記下流側バルブによってバルブ流量が設定流量で安定した後は前記流体抵抗の上流側の圧力変動が生じてもバルブ流量が変動しにくいロバストな制御を実現できるようにするには、前記流体抵抗よりも上流側に設けられた上流側バルブと、設定圧力と、前記上流側圧力センサで測定される上流側圧力とに基づいて前記上流側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。

例えば既存の流量制御装置に対してプログラムをアップデートするだけで、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、流路に設けられた流体抵抗と、流体抵抗の下流側に設けられた下流側バルブと、前記流体抵抗を流れ、当該流体抵抗と前記下流側バルブとの間の流路中の容積へ流入する抵抗流量を測定する抵抗流量測定機構と、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、前記下流側バルブの開度に関連する開度関連値と、前記下流側バルブの上流側の圧力と、前記容積内を流れる容積内流量との間の関係を示す流量特性を記憶する流量特性記憶部と、前記流量特性記憶部に記憶されている流量特性に基づいてバルブ流量を推定する対象流量推定部と、設定流量と、前記対象流量推定部により推定されたバルブ流量とに基づいて前記下流側バルブを制御する流量制御部と、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し、前記対象流量推定部が、前記流量制御部によって実現される開度関連値、測定される上流側圧力、及び、流量特性に基づいて推定される流量、並びに、前記抵抗流量測定機構で測定される抵抗流量に基づいてバルブ流量を推定するように構成されている流量制御装置用プログラムを用いればよい。

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記録媒体に記録される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によれば、微分演算を用いずに下流側バルブで実際に流れている流量をバルブ流量として推定することができる。したがって、測定される圧力にノイズがあったとしても、そのノイズが増幅されてバルブ流量に反映されるのを防ぐことができる。このため、流量制御の高速化を実現しつつ、流量制御の安定性も得ることが可能となる。

本発明の第１実施形態に係る流量制御装置を示す模式図。 第１実施形態の容積内流量推定部の初期値での動作を示す模式的ブロック図。 第１実施形態の容積内流量推定部の２回目の制御周期以降での動作を示す模式的ブロック図。 第１実施形態の流量制御装置の制御動作について示すフローチャート。 第１実施形態の流量制御装置の変形例について示す模式図。 本発明の第２実施形態に係る流量制御装置を示す模式図。 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１００について図１乃至図４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エッチングチャンバに対して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。ここで、設定流量は、ある流量値から別の流量値へ階段状に立ち上がる、あるいは、立ち下がるステップ信号である。このステップ信号に対して例えば製造される半導体の品質を満たすように所定時間内に追従するように、この流量制御装置１００は構成してある。

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器ＣＯＭと、を備えている。なお、図１の機能ブロック図については初期値による１回目の制御周期での動作が終了し、２回目以降の制御周期での動作状態を示すものである。

流路に対して上流側から順番に上流側バルブＶ１、上流側圧力センサＰ１、流体抵抗Ｒ、下流側圧力センサＰ２、下流側バルブＶ２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が発生する。

上流側圧力センサＰ１は、流路において上流側バルブ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上流側圧力を測定するものである。

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

このように上流側圧力センサＰ１と下流側圧力センサＰ２は、上流側バルブＶ１、流体抵抗Ｒ、下流側バルブ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、上流側圧力センサＰ１と下流側圧力センサ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。

上流側バルブＶ１、及び、下流側バルブ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材に対して駆動されるピエゾバルブである。上流側バルブＶ１は、上流側圧力センサＰ１で測定される上流側圧力に基づいて上流側容積内の圧力を制御する。一方、流体機器において最も下流側に設けられている下流側バルブＶ２は、流体機器から流出するガス流量全体を制御するものである。

次に制御器ＣＯＭについて詳述する。

制御器ＣＯＭは、例えばＣＰＵ、メモリ、Ａ／Ｄ・Ｄ／Ａコンバータ、入出力手段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、図１の機能ブロック図に示すように少なくとも抵抗流量算出部１、流量特性記憶部２、対象流量推定部ＦＥ、バルブ流量推定部４、流量制御部５、圧力制御部６としての機能を発揮する。

抵抗流量算出部１は、上流側圧力センサＰ１、下流側圧力センサＰ２とともに流体抵抗Rを流れ、流体抵抗Ｒ、下流側容積ＶＬに流入するガス流量を測定する抵抗流量測定機構を構成する。また、流体抵抗Rと抵抗流量測定機構は、いわゆる圧力式の流量センサを構成するものである。具体的には、抵抗流量算出部１は、上流側圧力センサＰ１で測定される上流側圧力と、下流側圧力センサＰ２で測定される下流側圧力を入力として、流体抵抗Ｒを流れるガス流量である抵抗流量Q_R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で算出される抵抗流量Q_Rは、連続的に変化するものであるが、下流側バルブＶ２の制御により実現される当該下流側バルブ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。これは、流体抵抗Rが下流側バルブV２に対して所定距離上流側に存在するために流量の変化が伝達するのに時間がかかるためである。

流量特性記憶部２は、下流側バルブV２の開度に関連する開度関連値と、下流側バルブＶ２の上流側の圧力と、流量の制御点である下流側バルブＶ２を通過する流量であるバルブ流量Q_OUTと、の間の関係を示す流量特性を記憶する。第１実施形態では開度関連値は、後述する流量制御部５によって下流側バルブＶ２に入力される操作量である。また、下流側バルブＶ２の上流側の圧力は、流体抵抗Ｒと下流側バルブＶ２との間の容積内の圧力である。

流量特性は、例えば開度関連値と下流側バルブＶ２の上流側の圧力とを入力変数とし、流量の制御点である下流側バルブＶ２を通過する流量であるバルブ流量Q_OUTを出力変数とする関数で表されるマップである。この関数については予め実験を行うことにより求められている。具体的には、第１実施形態では下流側バルブＶ２の下流側は真空引きされているのでほぼ一定圧として扱い、下流側圧力センサＰ２で測定される下流側容積ＶＬ内の圧力である下流側圧力と、下流側バルブV２へ入力される操作量の組み合わせを変更して、定常状態となった場合に圧力式の流量センサによって抵抗流量Q_Rを測定するとともに、下流側バルブＶ２を通過するバルブ流量Q_OUTを測定する。ここで、下流側バルブＶ２の制御点で流量を直接測定することができないので、例えば流量が一定となった定常状態での流量を下流側バルブＶ２の下流側に設けた基準流量センサ（図示しない）で測定する。

また、このようにして得られた流量特性を示す関数は、各入力変数に対して作用する時間微分演算子を含んでおらず、例えば各入力変数の多項式で表されるものである。

対象流量推定部ＦＥは、開度関連値、及び、下流側バルブＶ２の上流側の圧力が入力され、流量特性記憶部２に記憶されている流量特性に基づいてバルブ流量Q_OUTを推定する。第１実施形態では、開度関連値として流量制御部５から開度関連値として下流側バルブＶ２への操作量が流量制御部５から入力される。また、下流側バルブＶ２の上流側の圧力として、１回目の制御周期のみ上流側圧力センサＰ１で測定される上流側圧力と下流側圧力センサＰ２で測定される下流側圧力の両方が入力される。２回目の制御周期以降については上流側圧力センサＰ１で測定される上流側圧力のみが入力される。この対象流量推定部ＦＥは、最初に後述する容積内流量Q_P2を推定し、その推定された容積内流量Q_P2と圧力式の流量センサで実測される抵抗流量Q_Rの差分からバルブ流量Q_OUTを推定する。このような機能を実現するために第１実施形態では対象流量推定部ＦＥは、容積内流量Q_P2を推定する容積内流量推定部３と、バルブ流量Q_OUTを推定するバルブ流量推定部４と、を備えている。

容積内流量推定部３は、開度関連値、下流側バルブＶ２の上流側の圧力、及び、流量特性に基づいて、容積内流量Q_P2を推定する。容積内流量Q_P2は流体抵抗Rと下流側バルブＶ２との間の流路の容積ＶＬ内を流れる流量である。より具体的には容積内流量Q_P2は流路の容積ＶＬ内を流出入する流体の流量であり、容積ＶＬ内に流入する流量である抵抗流量Q_Rと容積ＶＬ内から流出する流量であるバルブ流量Q_OUTとの差として定義される。この実施形態では、抵抗流量Q_Rがバルブ流量Q_OUTよりも大きい場合には容積内流量Q_P2は正の値となり、抵抗流量Q_Rがバルブ流量Q_OUTよりも小さい場合には容積内流量Q_P2は負の値となるように定義してある。すなわち、容積内流量Q_P2の正負は流路内における流体の流れの向きを示すものではなく、容積ＶＬ内に流入する流量と流出する流量のいずれが大きいかを示す。

また、容積内流量推定部３へは、下流側バルブＶ２の上流側の圧力として上流側圧力センサＰ１で測定される上流側圧力が入力される。なお、図１では２回目の制御周期以降での動作状態を示しているため、容積内流量推定部３には実測値として操作量と上流側圧力のみが入力されている状態を示している。初期値での動作時のみ、下流側圧力センサＰ２で実測される下流側圧力が１回だけ入力される。

次に容積内流量推定部３の詳細構成について図２及び図３を参照しながら説明する。図２は最初の制御周期での容積内流量推定部３の状態を示す制御ブロック図であり、図３は２回目の制御周期以降での容積内流量推定部３の状態を示す制御ブロック図である。

容積内流量推定部３は、図３に示すように２回目の制御周期以降においては、下流側圧力の実測値を用いずに、現在の制御周期で推定された容積内流量Q_P2を積分して得られる下流側圧力の推定値を用いて、その次の制御周期での容積内流量Q_P2を推定している。

より具体的には容積内流量推定部３は、図２及び図３に示すようにマップ流量出力器３１と、抵抗流量推定器３２と、流量演算器３３と、下流側圧力推定器３４と、ループ切替器３５と、を備えている。

ループ切替器３５は図２及び図３のように制御ループの切り替えを行うものである。具体的にはループ切替器３５は、最初の制御周期である場合には、図２に示すようにマップ流量出力器３１に下流側圧力センサＰ２で測定される下流側圧力がマップ流量出力器３１及び抵抗流量推定器３２に入力され、下流側圧力推定器３４を動作させないようにする。一方、２回目の制御周期以降ではループ切替器３５は、図３に示すように下流側圧力センサＰ２で測定される下流側圧力を用いず、下流側圧力推定器３４により推定される下流側圧力がマップ流量出力器３１及び抵抗流量推定器３２に入力されるようにする。

マップ流量出力器３１は、開度関連値、下流側圧力、及び、流量特性に基づいて推定されたバルブ流量Q_OUTであるマップ流量を出力する。ここで、マップ流量は制御点である下流側バルブV２を通過する流量であるバルブ流量Q_OUTを推定しているが、後述するバルブ流量推定部４で推定されるバルブ流量Q_OUTとは推定方法が異なり、推定精度等も異なっているためマップ流量という名称を別途与えている。

このマップ流量出力器３１は、初期値のみ実測された下流側圧力が入力され、以降は後述する下流側圧力推定器３４で推定される下流側圧力が入力される。また、マップ流量出力器３１には、流量制御部５からその制御周期において出力されている操作量が開度関連値として入力される。マップ流量出力器３１は、これらの入力されている下流側圧力と操作量とを流量特性を示す関数に代入することで、バルブ流量の推定値であるマップ流量を算出し、出力する。

抵抗流量推定器３２は、初期値のみ実測された下流側圧力が入力され、以降は推定された下流側圧力が入力される。また、抵抗流量推定器３２には、上流側圧力センサＰ１で測定される上流側圧力が各制御周期で入力される。抵抗流量推定器３２は、入力される上流側圧力と下流側圧力の差分と、流体抵抗Rの特性を示す関数に基づき、抵抗流量Q_Rを算出して推定する。ここで、圧力式の流量センサで実測される値は初回の制御周期では完全に一致するが、２回目以降の制御周期では推定された下流側圧力が用いられているため抵抗流量推定器３２で推定される抵抗流量Q_Rと、圧力式の流量センサで実測される抵抗流量Q_Rとの間には違いが生じる。具体的には、抵抗流量推定器３２では算術的に推定され、ノイズが実質的に含まれない下流側圧力を用いているので推定値として出力される抵抗流量に表れるノイズも小さくできる。

流量演算器３３は、マップ流量出力器３１で推定されるマップ流量と、抵抗流量推定器３２で推定される抵抗流量に基づいて容積内流量Q_P2を推定する。ここで、容積内に流入する流量から流出する流量を引いた値が容積内流量Q_P2に相当するので、流量演算器３３は、推定された抵抗流量Q_Rから推定されたマップ流量を減算した値を容積内流量Q_P2として出力する。

下流側圧力推定器３４は、流量演算器３３から出力される推定された容積内流量Q_P2を積分して下流側圧力を推定する。

上述したように初期値のみ下流側圧力の実測値を用いており、以降は下流側圧力推定器３４で推定される下流側圧力を用いて容積内流量Q_P2の推定が繰り返されることになる。このため、初回以外の容積内流量Q_P2の推定ではノイズが重畳することがなく、容積内流量Q_P2の推定は収束する。また、推定の過程において微分演算子は用いられておらず、積分演算のみが行われているので、容積内流量Q_P2及び下流側圧力の推定においてノイズが増幅されることはない。

バルブ流量推定部４は、抵抗流量測定機構により測定された抵抗流量Q_Rと、容積内流量推定部３により推定された容積内流量Q_P2とに基づいて、流量の制御点である下流側バルブＶ２での流量を推定する。具体的にはバルブ流量推定部４は、各制御周期で抵抗流量Q_Rから容積内流量Q_P2を減算した値をバルブ流量Q_OUTとして推定する。ここで、バルブ流量推定部４で推定されるバルブ流量Q_OUTは実測された抵抗流量Q_Rを用いている分だけマップ流量出力器３１で推定されるバルブ流量であるマップ流量よりも推定精度が高くなる。このため、下流側バルブＶ２の操作量を決定するための推定量としてはこちらの値を使用している。一方、マップ流量出力器３１で推定されるマップ流量は絶対的な流量の値よりも立ち上がり時の変化傾向が実際の状態に近づけることを目的として用いている。

このように容積内流量Q_P2及びバルブ流量Q_OUTの両方の推定において時間微分演算は行われないようにしている。

流量制御部５は、ユーザによって設定される設定流量と、バルブ流量推定部４から入力されるバルブ流量Q_OUTに基づいて下流側バルブＶ２を制御する。すなわち、流量制御部５は、設定流量とバルブ流量Q_OUTとの偏差が小さくなるように、下流側バルブＶ２から流出するガス流量として推定されるバルブ流量Q_OUTのフィードバックによって下流側バルブＶ２を制御する。第１実施形態では、流量制御部５は、操作量である下流側バルブV２に印加する電圧の値を設定流量と推定されたバルブ流量Q_OUTの偏差にＰＩＤ演算を行って決定する。このとき流量制御部５でＰＩＤ演算により算出された値に相当する電圧が下流側バルブＶ２に印加されるとともに、その時の電圧値が容積内流量推定部３へも出力される。

一方、圧力制御部６はユーザによって設定される設定圧力と、上流側圧力センサＰ１で測定される上流側圧力に基づいて上流側バルブＶ１をＰＩＤ制御する。すなわち、圧力制御部６４は、設定圧力と上流側圧力の偏差が小さくなるように上流側圧力のフィードバックによって上流側圧力を制御する。ここで、設定圧力は、バルブ流量Q_OUTが設定流量で安定した場合において流体抵抗Ｒの前後において保たれるべき圧力差に基づいて設定される。

このようにして、上流側バルブＶ１による圧力の制御と、下流側バルブによる流量の制御がそれぞれ独立に行われる。

次にこのように構成された流量制御装置１００の２回目の制御周期以降における動作について図４のフローチャートを参照しながら説明する。

まず、容積内流量推定部３は、上流側圧力センサＰ１で測定される上流側圧力と、流量制御部５により現在の制御周期で下流側バルブＶ２に入力されている操作量である電圧の値を取得する（ステップＳ１）。

また、容積内流量推定部３の下流側圧力推定器３４は、前の制御周期において推定された容積内流量Q_P2を積分して下流側圧力の値を推定する（ステップＳ２）。

そして、容積内流量推定部３のマップ流量出力器３１は、記憶されている流量特性の関数に実測される操作量と、下流側圧力推定器３４で推定されている下流側圧力を代入して推定されたバルブ流量であるマップ流量を出力する。（ステップＳ３）。ここで、マップ流量出力器３１には、推定値であり、実測値と比較してノイズが含まれにくい下流側圧力が入力されているので、出力されるマップ流量にもノイズが重畳しにくい。また、マップ流量は特に過渡応答時における実際のバルブ流量Q_OUTの変化傾向を実測されている抵抗流量Q_Rよりも反映したものにできる。

また、並行して容積内流量推定部３の抵抗流量推定器３２は、実測されている上流側圧力と推定された下流側圧力の差分から抵抗流量Q_Rの値を推定する（ステップＳ４）。ここで、上流側圧力は実測値であり、下流側圧力はノイズ成分の含まれにくい推定値なので、差分演算を行っても推定される抵抗流量Q_Rはノイズが重畳しにくい。

次に容積内流量推定部３の流量演算器３３は、推定された抵抗流量から推定されたマップ流量を減算することで現制御周期での容積内流量Q_P2を推定する（ステップＳ５）。

次に、バルブ流量推定部４は、流量センサで測定されている抵抗流量Q_Rから推定されている容積内流量Q_P2を減算してバルブ流量Q_OUTとして推定する（ステップＳ６）。このようにマップ流量出力部３１で出力されるバルブ流量であるマップ流量をそのまま使うのではなく、マップ流量から推定される容積内流量Q_P2から流量センサで実測される抵抗流量Q_Rを減算してバルブ流量Q_OUTを算出しているので、流路内で何らかの外乱があったとしてもその変化を推定値であるバルブ流量Q_OUTにすぐに反映させて流量制御のロバスト性を高めることができる。

なお、ステップＳ２からステップＳ６では微分演算は行われていない。また、差分演算が行われる場合でも少なくとも一方の値はノイズの小さい推定値であり、演算結果にノイズが増幅されないようにしている。このため、最終的に得られるバルブ流量Q_OUTの推定精度も高めることができる。

流量制御部５は、推定されたバルブ流量Q_OUTと設定流量の偏差に基づいてこの制御周期での操作量を決定し、対応する電圧を下流側バルブＶ２に対して印加する（ステップＳ７）。

以降各制御周期において同様の動作が繰り返される。なお、圧力制御部６による上流側バルブＶ１の制御は、流量制御部５とは独立に行われており、常に上流側容積内において測定される上流側圧力が設定圧力で保たれるように上流側バルブＶ１の開度が制御され続ける。

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、下流側バルブＶ２から流出する流量であるバルブ流量Q_OUTを、実測できる抵抗流量Q_Rと、下流側バルブＶ２へ入力される操作量である電圧値、上流側圧力に基づいて、予め測定された流量特性に基づいて時間微分演算を行うことなく推定することができる。

このため、推定されるバルブ流量Q_OUTには、実測されている値に重畳しているノイズが微分演算によって拡大されず、ノイズを小さく保つ事が可能となる。したがって、推定されるバルブ流量Q_OUTが流量制御部５にフィードバックされても、制御が不安定になりにくい。

また、容積内流量Q_P2が流れている下流側容積ＶＬの圧力である下流側圧力ではなく、流体抵抗Rの上流側であるために下流側バルブＶ２の開度が変化するなどしても急激な圧力変化が生じにくい上流側圧力を参照して、容積内流量Q_P2の推定を行っているので、推定される容積内流量Q_P2及びバルブ流量Q_OUTを安定したものにしやすい。このため、推定値が大きく変動することにより、下流側バルブＶ２の制御が不安定になるのを防ぐことができる。

さらに、制御点である下流側バルブＶ２から流出する流量として推定されるバルブ流量Q_OUTをフィードバックして下流側バルブＶ２を制御しているので、過渡状態における実際の流量とフィードバックされている流量との間の時間遅れを小さくし、設定流量の変化に対する追従速度を従来よりも向上させることができる。すなわち、半導体製造プロセスにおいて求められている応答速度を実現できるようになる。

加えて、上流側バルブＶ１によって流体抵抗Ｒの上流側の圧力が常に設定圧力で保たれるように制御されるので、圧力変動が生じにくく、下流側バルブＶ２の制御によって当該下流側バルブＶ２を通過するガス流量が設定流量で安定した後はその流量を保ち続けやすい。つまり、定常状態においては下流側バルブＶ２から流出するガス流量の制御についてロバスト性を高めることができる。

次に第１実施形態の変形例について説明する。容積内流量推定部３については、まずバルブ流量であるマップ流量Q_OUTを推定した後に、推定された抵抗流量Q_Rを減算して容積内流量Q_P2を推定するように構成されていたが、例えば入力される実測値である開度関連値と下流側バルブＶ２の上流側の圧力から容積内流量Q_P2を直接出力するようにしてもよい。

具体的には、流量特性として予め操作量と、下流側圧力センサＰ２で測定される下流側圧力又は上流側圧力センサＰ１で測定される上流側圧力を入力変数とし、容積内流量Q_P2を出力変数とする流量特性を作成しておき、容積内流量推定部３が、実測される各値を代入して容積内流量Q_P2を得るようにしてもよい。このようなものであっても、微分演算を用いずにバルブ流量Q_OUTを推定し、従来よりもノイズを低減することが可能である。

さらに第１実施形態の別の変形例について説明する。図５示すように、対象流量推定部３５が、下流側圧力センサＰ２により実測されている下流側圧力、及び、流量制御部５から出力されている開度関連値である操作量を入力として、流量特性に基づいて容積内流量Q_P2を推定せずにバルブ流量Q_OUTを直接出力するようにしてもよい。すなわち、図２及び図３で示したような演算を行うことなく、２つの実測値で流量特性のマップからバルブ流量Q_OUTが出力されるようにし、その値で流量制御部５が下流側バルブＶ２の開度を制御するようにしてもよい。

このようなものであっても、バルブ流量Q_OUTを推定するために微分演算を行う必要がないので、推定されるバルブ流量Q_OUTのノイズ成分を微分演算が必要となる推定方法と比較して低減できる。このため、流量制御を高速で応答できるようにしつつ、従来の微分演算を使用して推定したバルブ流量を使用した流量制御と比較して制御の安定性を向上させることができる。

次に本発明の第２実施形態について図６を参照しながら説明する。なお、第１実施形態で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２実施形態の流量制御装置１００は、容積内流量Q_P2を推定するために用いられる入力変数が第１実施形態とは異なっている。すなわち、第２実施形態の流量制御装置１００の下流側バルブＶ２は、その開度を測定するための変位センサDを具備している。

また、容積内流量推定部３は、開度関連値として変位センサDが示す開度の出力値を用いるとともに、下流側バルブＶ２の上流側の圧力として下流側圧力センサＰ２で測定される下流側圧力を用いて、容積内流量Q_P2を推定するように構成されている。このため、流量特性については、変位センサDが示す開度と下流側圧力に対応する容積内流量Q_P2を予め実測しておき、これらの２つの値を入力変数とする関数として定義してある。

バルブ流量推定部４は、変位センサDの出力値と下流側圧力に基づいて推定された容積内流量Q_P2と、流量センサで測定される抵抗流量Q_Rとに基づいてバルブ流量Q_OUTを推定する。

このようなものであっても、バルブ流量Q_OUTを推定するために各入力変数に対して時間微分演算を行う必要がなく、推定されるバルブ流量Q_OUTにノイズが大きく反映されてしまうのを防ぐことができる。また、過渡応答状態において抵抗流量Q_Rが下流側バルブＶ２を実際に通過する流量に対して時間遅れが発生している場合でも、より時間遅れの小さい推定されたバルブ流量Q_OUTを用いてフィードバック制御が行われることで、流量制御の応答速度を改善することができる。

さらに第３実施形態について図７を参照しながら説明する。なお、第１実施形態で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３実施形態の流量制御装置１００では、抵抗流量Q_Rの算出原理が第１実施形態とは異なっているとともに、下流側圧力センサＰ２を省略してある。具体的には、第３実施形態の流量制御装置１００は、流体抵抗Ｒの前後に設けられた圧力センサの測定値を用いるのではなく、別途流量を測定するための熱式流量検出機構Ｆを設け、抵抗流量算出部１１はこの熱式流量検出機構Ｆの出力に基づいて抵抗流量Q_Rを算出するように構成してある。

すなわち、第３実施形態では熱式流量検出機構Ｆとして、流体抵抗Ｒの前後を跨ぐように分岐させて設けられた細管Ｆ１と、当該細管Ｆ１に巻き回された２つの伝熱コイルＦ２と、各伝熱コイルＦ２を所定の温度に保つように構成されたブリッジ回路からなる流量検出器Ｆ３を具備している。各伝熱コイルＦ２に印加される電圧は細管Ｆ１を流れる流体の流量に応じて変化する。抵抗流量算出部１１は、流量検出器Ｆ３から出力される電圧の差に基づいて抵抗流量Q_Rを算出する。すなわち、第３実施形態では、流量検出機構Ｆと抵抗流量算出部１１によって熱式の流量センサが構成されるようにしてある。

なお、第３実施形態も容積内流量推定部３は第１実施形態と同様に上流側圧力センサＰ１で測定される上流側圧力と、流量制御部５から出力されている下流側バルブＶ２の操作量に基づいて容積内流量Q_P2を推定する。

このようなものであっても、抵抗流量Q_Rと、推定された容積内流量Q_P2に基づいて下流側バルブＶ２において実際に流れている流量をバルブ流量Q_OUTとして推定し、推定されたバルブ流量Q_OUTに基づいて時間遅れを低減させて流量制御を行うことができる。また、第３実施形態でも容積内流量Q_P2及びバルブ流量Q_OUTの推定時に測定されている時間微分演算を行うことがないので、測定されている値に重畳しているノイズが拡大されて推定値に反映されてしまうのを防ぐことができる。したがって、特に過渡応答状態での応答特性を改善しつつ、流量制御の安定性も保つことができる。

その他の実施形態について説明する。

流量制御装置が、上流側バルブを備えておらず、上流側圧力センサ、流体抵抗、下流側圧力センサ、下流側バルブのみを流体機器として備えているものであってもよい。すなわち、流体抵抗の上流側の圧力を一定に保つ圧力制御を行わずに、第１実施形態で説明したような第２流量に基づく流量のフィードバック制御を下流側バルブで行うようにしてもよい。このようなものであっても、流量の測定点と制御点を一致させることにより、応答速度を向上させるという効果は得ることができる。

流量制御装置が制御する流体はガスに限られず、液体であっても構わない。

上流側バルブも変位センサを備え、上流側バルブの開度を検出できるようにしてもよい。

また、本発明に係る流量制御装置によってごく短時間で実現される流量を例えばチャンバ等へそのまま供給できるようにするには、下流側バルブを流路においてチャンバの導入口の近傍に配置すればよい。

流量特性については、関数ではなく、テーブル形式のものであり、容積内流量推定部３が、テーブルを参照して開度関連値及び上流側の圧力に対応する容積内流量Q_P2をピックアップするものであってもかまわない。また、容積内流量Q_P2を推定するために用いられるパラメータは２種類だけに限られず、さらに多変数出会ってもかまわない。例えば流体の種類や環境温度等をパラメータとして追加し、容積内流量Q_P2の推定精度を更に高め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、実施形態の変形を行っても良いし、各実施形態の一部又は全体をそれぞれ組み合わせても構わない。

１００・・・流量制御装置
Ｖ１ ・・・上流側バルブ
Ｖ２ ・・・下流側バルブ
Ｐ１ ・・・上流側圧力センサ
Ｐ２ ・・・下流側圧力センサ
Ｒ ・・・流体抵抗
ＶＬ ・・・下流側容積
１ ・・・抵抗流量算出部
２ ・・・流量特性記憶部
ＦＥ ・・・対象流量推定部
３ ・・・容積内流量推定部
３１ ・・・マップ流量出力器
３２ ・・・抵抗流量推定器
３３ ・・・流量演算器
３４ ・・・下流側圧力推定器
３５ ・・・ループ切替器
４ ・・・バルブ流量推定部
５ ・・・流量制御部
６ ・・・圧力制御部

Claims (8)

1. 流路に設けられた流体抵抗と、
   流体抵抗の下流側に設けられた下流側バルブと、
   前記流体抵抗を流れ、当該流体抵抗と前記下流側バルブとの間の流路中の容積へ流入する抵抗流量を測定する抵抗流量測定機構と、
   前記下流側バルブの開度に関連する開度関連値と、前記下流側バルブの上流側の圧力と、前記下流側バルブを介して前記容積から流出するバルブ流量又は前記容積内を流れる容積内流量の間の関係を示す流量特性を記憶する流量特性記憶部と、
   前記流量特性記憶部に記憶されている流量特性に基づいてバルブ流量を推定する対象流量推定部と、
   設定流量と、前記対象流量推定部により推定されたバルブ流量とに基づいて前記下流側バルブを制御する流量制御部と、を備え、
   前記対象流量推定部が、前記流量制御部によって実現される開度関連値、測定される上流側圧力、及び、前記流量特性に基づいて推定されるバルブ流量又は容積内流量、並びに、前記抵抗流量測定機構で測定される抵抗流量に基づいてバルブ流量を推定するように構成されており、
   前記流量特性が、開度関連値、前記下流側バルブの上流側の圧力、及び、バルブ流量又は容積内流量を含むテーブルである、又は、
   前記流量特性が、開度関連値及び前記下流側バルブの上流側の圧力を入力変数、バルブ流量を出力変数とする多変数関数であり、当該多変数関数が、入力変数に作用する微分演算子を含まないことを特徴とする流量制御装置。
2. 前記対象流量推定部が、
   開度関連値、前記下流側バルブの上流側の圧力、及び、前記流量特性に基づいて、容積内流量を推定する容積内流量推定部と、
   前記抵抗流量測定機構で測定される抵抗流量と、推定された容積内流量とに基づいて、前記下流側バルブを介して前記容積から流出するバルブ流量を推定するバルブ流量推定部と、を備えた請求項１記載の流量制御装置。
3. 前記バルブ流量推定部が、抵抗流量と容積内流量との差に基づいてバルブ流量を推定する請求項２記載の流量制御装置。
4. 前記下流側バルブの上流側の圧力が、前記流体抵抗、及び、前記下流側バルブの間における前記流路の容積中の圧力である下流側圧力であり、
   前記容積内流量推定部が、
   開度関連値、下流側圧力、及び、前記流量特性に基づいて推定されたバルブ流量であるマップ流量を出力するマップ流量出力器と、
   前記流体抵抗の上流側の圧力である上流側圧力と、下流側圧力に基づいて推定抵抗流量を出力する抵抗流量推定器と、
   前記マップ流量出力器から出力されるマップ流量と、前記抵抗流量推定器で推定される抵抗流量と、に基づいて容積内流量を算出する流量演算器と、
   流量演算器で算出された容積内流量を積分して、下流側圧力を推定する下流側圧力推定器と、を備え、
   前記マップ流量出力器が、前記下流側圧力推定器で推定された下流側圧力に基づいてマップ流量を出力するように構成された請求項２又は３記載の流量制御装置。
5. 前記抵抗流量測定機構が、
   前記流体抵抗の上流側に設けられた上流側圧力センサと、
   前記流体抵抗、及び、前記下流側バルブの間における前記流路の容積中の圧力を測定する下流側圧力センサと、
   前記上流側圧力センサで測定される上流側圧力と、前記下流側圧力センサで測定される下流側圧力と、に基づいて抵抗流量を算出する抵抗流量算出部と、を備え、
   前記流量制御部が、
   設定流量とバルブ流量との偏差に基づいて前記下流側バルブに入力される操作量を出力するように構成されており、
   前記対象流量推定部が、前記下流側バルブの上流側の圧力である前記上流側圧力センサで測定される上流側圧力と、開度関連値である前記流量制御部が出力する操作量と、前記流量特性に基づいてバルブ流量を推定するように構成されている請求項１乃至４いずれかに記載の流量制御装置。
6. 前記流体抵抗よりも上流側に設けられた上流側バルブと、
   設定圧力と、前記上流側圧力センサで測定される上流側圧力とに基づいて前記上流側バルブを制御する圧力制御部と、をさらに備えた請求項５記載の流量制御装置。
7. 流路に設けられた流体抵抗と、流体抵抗の下流側に設けられた下流側バルブと、前記流体抵抗を流れ、当該流体抵抗と前記下流側バルブとの間の流路中の容積へ流入する抵抗流量を測定する抵抗流量測定機構と、を備えた流量制御装置を用いた流量制御方法であって、
   前記下流側バルブの開度に関連する開度関連値、前記下流側バルブの上流側の圧力、及び、前記下流側バルブを介して前記容積から流出するバルブ流量又は前記容積内を流れる容積内流量の間の関係を示す流量特性を取得する流量特性取得ステップと、
   前記流量特性取得ステップで取得された前記流量特性に基づいて、バルブ流量を推定する対象流量推定ステップと、
   設定流量と、前記対象流量推定ステップで推定されたバルブ流量とに基づいて前記下流側バルブを制御する流量制御ステップと、を備え、
   前記対象流量推定ステップが、前記流量制御ステップによって実現される開度関連値、測定される上流側圧力、及び、前記流量特性に基づいて推定されるバルブ流量又は容積内流量、並びに、前記抵抗流量測定機構で測定される抵抗流量に基づいてバルブ流量を推定することを特徴とし、
   前記流量特性が、開度関連値、前記下流側バルブの上流側の圧力、及び、バルブ流量又は容積内流量を含むテーブルである、又は、
   前記流量特性が、開度関連値及び前記下流側バルブの上流側の圧力を入力変数、バルブ流量を出力変数とする多変数関数であり、当該多変数関数が、入力変数に作用する微分演算子を含まないことを特徴とする流量制御方法。
8. 流路に設けられた流体抵抗と、流体抵抗の下流側に設けられた下流側バルブと、前記流体抵抗を流れ、当該流体抵抗と前記下流側バルブとの間の流路中の容積へ流入する抵抗流量を測定する抵抗流量測定機構と、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、
   前記下流側バルブの開度に関連する開度関連値と、前記下流側バルブの上流側の圧力と、前記下流側バルブを介して前記容積から流出するバルブ流量又は前記容積内を流れる容積内流量との間の関係を示す流量特性を記憶する流量特性記憶部と、
   前記流量特性記憶部に記憶されている前記流量特性に基づいてバルブ流量を推定する対象流量推定部と、
   設定流量と、前記対象流量推定部により推定されたバルブ流量とに基づいて前記下流側バルブを制御する流量制御部と、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し、
   前記対象流量推定部が、前記流量制御部によって実現される開度関連値、測定される上流側圧力、及び、流量特性に基づいて推定されるバルブ流量又は容積内流量、並びに、前記抵抗流量測定機構で測定される抵抗流量に基づいてバルブ流量を推定するように構成されており、
   前記流量特性が、開度関連値、前記下流側バルブの上流側の圧力、及び、バルブ流量又は容積内流量を含むテーブルである、又は、
   前記流量特性が、開度関連値及び前記下流側バルブの上流側の圧力を入力変数、バルブ流量を出力変数とする多変数関数であり、当該多変数関数が、入力変数に作用する微分演算子を含まないことを特徴とする流量制御装置用プログラム。

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