JP7244940B2 - 流量制御システム及び流量測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体製造設備、薬品製造装置又は化学プラント等に用いるガス供給装置に使用される流量制御システム及び流量測定方法に関する。

半導体製造設備又は化学プラント等においては、ガスを精度よく供給することが要求される。ガス流量の制御装置として、マスフローコントローラ（熱式質量流量制御器）や圧力式流量制御システムが知られている。

これらの流量制御システムにおいて、流量は高精度で管理する必要があり、随時、流量精度の確認や校正を行うことが好ましい。流量測定の方法として、一般的にビルドアップ法による流量測定が用いられている。ビルドアップ法は、既知容量内（ビルドアップ容量）に流れ込む単位時間当たりの圧力を検出することによって流量を測定する方法である。

ビルドアップ法は、流量制御器の下流に設けられた一定容積（Ｖ）の配管内又はタンク内にガスを流し、そのときの圧力上昇率（ΔＰ／Δｔ）と温度（Ｔ）とを測定することで、気体定数をＲとしたとき、例えば、Ｑ＝２２．４×（ΔＰ／Δｔ）×Ｖ／ＲＴから流量Ｑを求めるようにしている。

特許文献１には、ビルドアップ法を用いた流量測定の一例が開示されたガス供給装置が記載され、特許文献２には、ビルドアップ法を用いた流量制御器の校正方法に関する流量計算方法が開示されている。

特開２００６－３３７３４６号公報 特開２０１２－３２９８３号公報

従来のビルドアップ法では、一定のビルドアップ容量の配管内やタンク内にガスを送って圧力を検出するもので、測定する流量の幅が小さい場合、ビルドアップ圧力は一定（例えば、１００Ｔｏｒｒ）とすることでビルドアップ容量を変化させる必要はない。

しかし、通常、流量制御器を複数並列に配設し、チャンバに対して異なる流量の流体を供給することが望まれている。このような場合、ビルドアップ法における流量測定において、測定する流量の幅が流量制御器によって、例えば、１ｓｃｃｍ～２０００ｓｃｃｍ等の幅で流量計測を行う必要が生じる。２０００ｓｃｃｍを計測する際、ビルドアップ圧力を１００Ｔｏｒｒとしたときに、ビルドアップ圧力まで圧力を上昇させるのに数秒で済むところ、１ｓｃｃｍ等小流量の流量計測を行おうとした場合、ビルドアップ圧力を２０００ｓｃｃｍと同じ１００Ｔｏｒｒとすると、圧力を上昇させるために必要な時間が数時間かかる場合がある。

このように圧力上昇に長時間かかることは、実際の装置においては現実的ではないため、ビルドアップ圧力を下げ、圧力上昇時間が短時間となるように、例えば、流量１ｓｃｃｍを計測する場合は、ビルドアップ圧力を４Ｔｏｒｒに低下させることで圧力上昇時間の問題を解消するようにしている。ビルドアップ圧力を変動させるとビルドアップ圧力を計測する圧力計が内部にダイヤフラムを備えた静電容量方式の場合にはダイヤフラムの変形量が異なることとなり、歪みゲージ方式の圧力計の場合にも内部でのたわみが発生し、係る部分での容積が微量ながら変動する。そして、ビルドアップ容積が配管を利用する等、小さい容積の場合、圧力計内の容積の変動はビルドアップ容積全体に対して無視することのできないものとなり、流量測定結果に影響を及ぼすという問題が生じることが分かった。

本発明は、係る点に鑑み、計測流量の変更に伴うビルドアップ圧力を変更しても正確な流量測定が可能な流量制御システム及び流量測定方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の実施形態に係る流量制御システムは、
流量制御器の下流側に設けられた第１バルブと、第１バルブの下流側に設けられた圧力センサ、温度センサ及び両センサの下流側に設けられた第２バルブを有する流量測定装置と、第１バルブ及び第２バルブの開閉動作を制御する制御部とを備え、
制御部は、圧力センサ及び温度センサの計測値を記録する記録部と、
圧力センサの計測値に応じた第１バルブから第２バルブまでの容積値を記憶する記憶部と、
第１バルブと第２バルブとを開放してガスを流し、ガスが流れている状態で第１バルブと第２バルブとを同時に閉鎖し、その後に計測した第１圧力値及び第１温度値、第１バルブと第２バルブとを開放してガスを流し、ガスが流れている状態で第２バルブを閉鎖し、その後、所定時間が経過後、第１バルブを閉鎖した後に計測した第２圧力値及び第２温度値、並びに、記憶部から得られる第２圧力値に応じた第１バルブから第２バルブまでの容積値に基づいて流量を演算する演算部とを有している。

上記の流量制御システムによれば、ビルドアップ圧力となる第２圧力値の変動によるビルドアップ容量の変化による流量計算の影響を防止することができる。

また、同じ目的を達成するために、本発明の実施形態に係る流量測定方法は、流量制御器の下流側に設けられた第１バルブと、第１バルブの下流側に設けられた圧力センサ、温度センサ及び両センサの下流側に設けられた第２バルブを有する流量測定装置と、第１バルブ及び第２バルブの開閉動作を制御する制御部とを備える流体制御システムにおいて行われ、
第１バルブと第２バルブとを開放してガスを流し、ガスが流れている状態で第１及び第２バルブを同時に閉鎖し、その後圧力及び温度を測定する第１ステップと、
第１バルブと第２バルブとを開放してガスを流し、ガスが流れている状態で第２バルブを閉鎖し、その後、所定時間が経過後に第１バルブを閉鎖した後の圧力及び温度を測定する第２ステップと、
第１ステップで測定した圧力及び温度、第２ステップで測定した圧力及び温度、並びに、第２ステップで測定した圧力に応じて変動するビルドアップ容積に基づいて流量を演算する第３ステップとを含む。

本発明の実施形態に係る流量制御システムおよび流量測定方法によれば、ビルドアップ圧力となる第２ステップで測定した圧力を変動させても安定した流量計算をすることができる。

また、この場合において、
流量制御システムが、流量制御器及び第１バルブの下流側で、かつ、圧力センサ及び温度センサの上流側に常時開放状態の第３バルブを備え、第２ステップの圧力測定及び温度測定の後、第３バルブを閉鎖するとともに、第２バルブを短時間で開閉させた後に測定した圧力と、その後さらに第２バルブを閉鎖した状態で第３バルブを開放した後に計測した圧力を第３ステップの流量演算に用いるようにすることができる。これによって配管温度の影響を解消することができる。

本発明の流量制御システム及び流量測定方法によれば、広範囲の流量、例えば、１ｓｃｃｍ～２０００ｓｃｃｍの流量を短時間で、かつ、高精度に測定することができる。

本発明の実施の形態に係る流量制御システムの概略構成を示す模式図である。 同流量制御システムに用いる流量制御器の一実施例を示す概略図である。 本発明の実施の形態に係る流量制御システム及び流量測定方法の概要を示し、（ａ）は図１の模式図を１系統に簡略化した概略図、（ｂ）は、測定方法に関するタイミングチャートである。 ビルドアップ圧力とビルドアップ容積との関係を示すグラフであり、ビルドアップ圧力１００Ｔｏｒｒのときの容積を１００％としたときの各ビルドアップ圧力における容積を比率で示す。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

＜実施形態１＞
本実施形態１は、本発明に係る流量制御システムである。この流量制御システム１は、図１に示すように、流量制御器１０の下流側に設けられた第１バルブＶ１と、この第１バルブＶ１の下流側に設けられた圧力センサＰ（図例、圧力センサは圧力センサＰａ及びＰｂの２基配設しているが総称して圧力センサＰという）、温度センサＴ、及び、圧力センサＰ、温度センサＴの下流側に設けられた第２バルブＶ２を有する流量測定装置２と、第１バルブＶ１及び第２バルブＶ２の開閉動作を制御する制御部３とを備える流量制御システム１であって、制御部３は、圧力センサＰ及び温度センサＴの計測値を記録する記録部３１と、圧力センサＰの計測値に応じた第１バルブＶ１から第２バルブＶ２までの容積を記憶する記憶部３２と、第１バルブＶ１と第２バルブＶ２とを開放してガスを流し、ガスが流れている状態で第１バルブＶ１と第２バルブＶ２とを同時に閉鎖し、その後に計測した第１圧力値Ｐ１及び第１温度値Ｔ１、第１バルブＶ１と第２バルブＶ２とを開放してガスを流し、ガスが流れている状態で第２バルブＶ２を閉鎖し、その後、所定時間Δｔが経過後、第１バルブＶ１を閉鎖した後に計測した第２圧力値Ｐ２及び第２温度値Ｔ２、並びに第２圧力値Ｐ２に応じた第１バルブＶ１から第２バルブＶ２までの容積値Ｖとに基づいて流量を演算する演算部３３とを備えている。なお、圧力センサＰａ及び圧力センサＰｂは、一方が高圧用、他方が低圧用として機能する他、同レンジの圧力計を取り付け、ダブルチェック用に使用するように構成しても構わない。また、圧力センサの数は２基以上、または１基であっても構わない。

なお、本出願人による国際公開第２０１８／１４７３５４号には、上記のように第１バルブＶ１と第２バルブＶ２とを同時に閉鎖した後の第１圧力値Ｐ１と、第２バルブＶ２を閉鎖した後に所定時間Δｔ経過後に第１バルブを閉鎖した後の第２圧力値Ｐ２とに基づいて、流量を演算する方法が開示されている。この方法によれば、バルブを同時閉鎖したときの封止時におけるガスの物質量（モル数）を第１圧力値Ｐ１から求めることができ、これを従来のビルドアップ法における流れ込んだガスの物質量から差し引くことによって、計測流量のライン依存性の低減を図ることができる。

流量制御器１０の上流側にはガス供給源４が接続されている。図１に示すように、本実施形態の流量制御システム１は、複数のガス供給源４からのガスを、それぞれのガス供給源４に対して設けられた流量制御器１０を介して制御された流量で半導体製造装置等のプロセスチャンバ５に供給するように構成されている。それぞれの流量制御器１０が制御する流体の流量は同一流量であっても構わないが、本実施形態ではそれぞれの流量制御器１０が、例えば、１ｓｃｃｍ～２０００ｓｃｃｍの範囲又はそれ以上の範囲の流量を制御するように構成する。

本出願人が以前に採用していた態様におけるビルドアップ法での計算式である、Ｑ＝２２．４×（（Ｐ２－Ｐ１）／（７６０×Ｒ・Δｔ））×Ｖ／Ｔ（以下、ビルドアップ一般式という）においては、容積Ｖは一定で計算するようにしている。しかし、図４のグラフのように、ビルドアップ圧力となるＰ２（グラフにおける封止圧力）の値が、例えば、１００Ｔｏｒｒから４Ｔｏｒｒに変わると、ビルドアップ容積によって異なるものの、低圧用高圧用２基の圧力計のダイヤフラムの変形による容積変化の影響は計算式において無視できない影響となる。なお、上記のビルドアップ一般式において、Ｐ２は、上述の第２圧力値Ｐ２であり、Ｐ１は上述の第１圧力値Ｐ１であり、Ｒは気体定数であり、Δｔはビルドアップ工程において第２バルブＶ２を閉鎖して圧力上昇が開始したときから第１バルブＶ１を閉鎖するまでの時間である。また、上記式は、Ｔ１＝Ｔ２＝Ｔと仮定したときの一般式である。

再び図１を参照して、流量制御システム１は、複数のガス供給源４が接続可能となっているガス供給ラインＬ１と、ガス供給ラインＬ１に介在する流量制御器１０と、各流量制御器１０の下流側に設置された第１バルブＶ１と、ガス供給ラインＬ１の下流側の共通ガス供給ラインＬ２とを備えている。図１に示す本実施形態の流量制御システム１に用いられる流量測定装置２は、プロセスチャンバ５へと通じる共通ガス供給ラインＬ２からは分岐して配置されているが、ガス供給源４からプロセスチャンバ５に通じるガス流路の途中に介在するように配置（図３（ａ）参照）しても構わない。そして、図１に示す流量制御システム１においてプロセスチャンバ５に流体を供給するときは、流量測定装置２に分岐する流路に設けられた開閉弁Ｖ４を閉鎖、プロセスチャンバ５に通じる流路に設けられた開閉弁Ｖ５を開放し、対象となる何れか１つの第１バルブＶ１を開放する。ただし、図１に示すように流量測定装置２が温度センサＴ及び圧力センサＰの上流側に第３バルブＶ３を有している場合、第３バルブＶ３を開閉弁Ｖ４の代わりに用いて、開閉弁Ｖ４を省略することもできる。なお、プロセスチャンバ５に流体を供給するとき、プロセスチャンバ５に接続された真空ポンプ６を用いてチャンバ内および第１バルブＶ１の下流側の流路内を減圧することができる。

流量制御器１０は、特に限定するものではないが、本実施形態においては、図２に示す周知の圧力式流量制御装置を使用する。この圧力式流量制御装置（流量制御器１０）は、微細開口（オリフィス）を有する絞り部１１（例えばオリフィスプレート）と、絞り部１１の上流側に設けられたコントロールバルブ１４と、絞り部１１とコントロールバルブ１４との間に設けられた圧力センサ１２及び温度センサ１３とを備えている。絞り部１１としては、オリフィス部材の他に臨界ノズルまたは音速ノズルを用いることもできる。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。コントロールバルブ１４は、バルブ１４ａ及びバルブ１４ａの駆動部１４ｂ（例えばピエゾアクチュエータ）とから構成されている。

圧力センサ１２及び温度センサ１３は、ＡＤコンバータを介して制御回路１５に接続されている。制御回路１５は、コントロールバルブ１４の駆動部１４ｂにも接続されており、圧力センサ１２及び温度センサ１３の出力などに基づいて制御信号を生成し、この制御信号によってコントロールバルブ１４の動作を制御する。本実施形態では、制御回路１５は、１つの圧力式流量制御装置に設けられているが、他の態様において、複数の圧力式流量制御装置に対して共通の制御回路１５を外部に設けるように構成しても構わない。

圧力式流量制御装置では、臨界膨張条件Ｐ_U／Ｐ_D≧約２（ただし、Ｐ_U：絞り部上流側のガス圧力（上流圧力）、Ｐ_D：絞り部下流側のガス圧力（下流圧力）であり、約２は窒素ガスの場合）を満たすとき、絞り部１１を通過するガスの流速は音速に固定され、流量は下流圧力Ｐ_Dによらず上流圧力Ｐ_Uによって決まるという原理を利用して流量制御が行われる。臨界膨張条件を満たすとき、絞り部下流側の流量Ｑは、Ｑ＝Ｋ₁・Ｐ_U（Ｋ₁は流体の種類と流体温度に依存する定数）によって与えられ、流量Ｑは上流圧力Ｐ_Uに比例する。また、下流圧力センサを備える場合、上流圧力Ｐ_Uと下流圧力Ｐ_Dとの差が小さく、臨界膨張条件を満足しない場合であっても流量を算出することができ、各圧力センサによって測定された上流圧力Ｐ_Uおよび下流圧力Ｐ_Dに基づいて、所定の計算式Ｑ＝Ｋ₂・Ｐ_D ^m（Ｐ_U－Ｐ_D）ⁿ（ここでＫ₂は流体の種類と流体温度に依存する定数、ｍ、ｎは実際の流量を元に導出される指数）から流量Ｑを算出することができる。

流量制御を行うために、設定流量が制御回路１５に入力され、制御回路１５は、圧力センサ１２の出力（上流圧力Ｐ_U）などに基づいて、上記のＱ＝Ｋ₁・Ｐ_U又はＱ＝Ｋ₂・Ｐ_D ^m（Ｐ_U－Ｐ_D）ⁿから流量を演算により求め、この流量が入力された設定流量に近づくようにコントロールバルブ１４をフィードバック制御する。演算により求められた流量は、流量出力値として外部のモニタに表示するようにしてもよい。

再び図１を参照して、本実施形態の流量制御システム１では、流量測定または流量制御器１０の校正を行うとき、開閉弁Ｖ４を開放、開閉弁Ｖ５を閉鎖し、対象となる何れか１つの第１バルブＶ１を開放する。これによって、第１バルブＶ１と第２バルブＶ２との間の流路（図１において太線で示す部分）を基準容量（ビルドアップ容量）として用いて、ビルドアップ法によって流量測定を行う。そして、ビルドアップ法による流量測定結果に基づいて流量制御器１０を校正するようにしている。なお、本実施形態では、流量測定装置２に設けられた第３バルブＶ３（圧力センサ上流側のバルブ）は、少なくともビルドアップ法による流量測定中は、開放状態に維持される。

上記の第１バルブＶ１、第２バルブＶ２、第３バルブＶ３としては、開閉弁（遮断弁）が好適に用いられるが、開度調整可能な弁を用いてもよい。第１バルブＶ１、第２バルブＶ２、第３バルブＶ３、開閉弁Ｖ４、開閉弁Ｖ５としては、例えば、ＡＯＶ（Ａｉｒ Ｏｐｅｒａｔｅｄ Ｖａｌｖｅ）などの流体動作弁や、電磁弁または電動弁などの電気的動作弁を用いることができる。第１バルブＶ１は、流量制御器１０に内蔵された開閉弁であってもよい。

流量制御器１０は、流量制御システム１に組み込んだ後に、流量制御特性が変化したり、また、長年の使用によって絞り部の形状が変化して上流圧力と流量との関係性が変化する場合がある。これに対して、本実施形態の流量制御システム１では、流量測定装置２を用いてビルドアップ法により流量制御システム１に組み込んだ後にも任意のタイミングで流量を精度よく測定できるので、流量制御器１０の精度を保証することができる。

本実施形態の流量制御システム１による流量測定方法を詳細に説明する。上述したように、流量制御システム１は、流量制御器１０の下流側に設けられた第１バルブＶ１と、この第１バルブＶ１の下流側に設けられた、圧力センサＰ、温度センサＴ及び圧力センサＰと温度センサＴの下流側に設けられた第２バルブＶ２を有する流量測定装置２と、第１バルブＶ１及び第２バルブＶ２の開閉を制御する制御部３とを含んでいる。そして、第１ステップとして、第１バルブＶ１と第２バルブＶ２とを開放してガスを流し、ガスが流れている状態で第１バルブＶ１及び第２バルブＶ２を時刻ｔ１のタイミングで同時に閉鎖し、その後圧力及び温度を測定（圧力値Ｐ１、温度値Ｔ１）する。次に、第２ステップとして、時刻ｔ２のタイミングで第１バルブＶ１と第２バルブＶ２とを開放してガスを流し、ガスが流れている状態から時刻ｔ３のタイミングで第２バルブＶ２を閉鎖し、その後、所定時間Δｔが経過後した時刻ｔ４のタイミングで第１バルブＶ１を閉鎖し、その後の圧力及び温度を測定（圧力値Ｐ２、温度値Ｔ２）する。そして、第３ステップとして、第１ステップで測定した圧力値Ｐ１、温度値Ｔ１、第２ステップで測定した圧力値Ｐ２、温度値Ｔ２並びに第２ステップで測定した圧力値Ｐ２に応じて決定されるビルドアップ容積Ｖとに基づいて流量を演算するようにしている。つまり、制御部３の演算部３３では、図３（ｂ）に示すタイムチャートの封止１及び封止２の状態で計測される圧力値Ｐ１、Ｐ２、温度値Ｔ１、Ｔ２と、記憶部３２に記憶されている圧力値Ｐ２に応じた第１バルブＶ１から第２バルブＶ２までの容積Ｖの値とに基づいて演算部３３が流量Ｑを演算する。演算した流量Ｑは表示装置３４に表示される。流量Ｑは、例えば、Ｑ＝２２．４×Ｖ×（Ｐ２／Ｔ２－Ｐ１／Ｔ１）／（７６０×Ｒ・Δｔ）によって求められ、ここで、Ｖは圧力値Ｐ２に応じて決定されるビルドアップ容量、Ｒは気体定数、Δｔは第２ステップにおいて第２バルブＶ２を閉じてから第１バルブＶ１を閉じるまでの所定時間（ビルドアップ時間）である。なお、上記式は、圧力値Ｐ１、Ｐ２が単位Ｔｏｒｒで与えられたときの式に対応する。

記憶部３２に記憶される第１バルブＶ１から第２バルブＶ２までの容積の値は、ガス供給ラインＬ１によって異なるが、例えば、図４に示すように容積内の圧力に対して強い線形関係を有している。記憶部３２にはこの関係式（典型的には近似的な一次関数の式）が記憶され、計測した圧力値Ｐ２に応じて一意に容積の値が決定する。また、本発明者らの実験によると、この値は温度によっても多少の変化があることが分かった。圧力変化に比べて小さい影響ではあるが、より精度の高い流量計算が必要な場合には、圧力値Ｐ２のみならず温度値Ｔ２を加味した容積値Ｖを使用することができる。この場合、計測した温度値Ｔ２と最も近い温度のグラフを利用する他、例えば、基準温度（例えば、３０℃）における容積値Ｖ（圧力値Ｐ２から求めた値）に対し、予め記憶部３２に記憶させておいた基準温度と計測温度との差に基づく修正係数を用いて容積値Ｖを修正するように構成することもできる。また、上記には圧力値Ｐ２と容積値Ｖとの関係式を記憶しておく態様を説明したが、これに限られず、複数の圧力値Ｐ２と対応する容積値Ｖとの関係を記載したテーブルを記憶部３２に記憶しておき、このテーブルを用いて容積値Ｖを決定するようにしてもよい。

容積値Ｖがビルドアップ圧力（圧力値Ｐ２）に応じて異なる理由は、上述したように、ビルドアップ圧力に応じた大きさの加圧力によって圧力センサ内のダイヤフラムが変形したり、歪みゲージ方式の圧力センサでは内部たわみが発生したりすることで、流路に接続されている圧力センサの内部での空間容積が変動するからであると考えられる。この場合、上記のビルドアップ圧力と容積値Ｖとの関係式は、圧力センサの構成、サイズ、設置数などによって異なるものとなり得る。このため、実際の態様では、流量制御システムに備えられた圧力センサの態様に従って適切な関係式等を選択し、そのシステムにおける容積値Ｖを適切に求めることが好ましい。なお、本実施形態で用いられる圧力センサとしては、例えば、圧力検知面を形成するダイヤフラムを有しシリコン単結晶センサチップを内蔵するタイプのものなどが挙げられる。

本発明の流量測定装置２を使った流量測定は、機器据え付けの際に行う他、定期検査、使用時間に応じた検査、その他、使用流体を変更するの際等に種々のタイミングで行われ、流量制御器１０の精度を維持することができる。

また、上記には、第１バルブＶ１と第２バルブＶ２とを同時に閉じた後の圧力値Ｐ１および温度値Ｔ１を測定する工程（第１ステップ）の後に、ビルドアップ後のガスの圧力値Ｐ２および温度値Ｔ２を測定する工程（第２ステップ）の行う態様を説明したが、これに限られない。第１ステップと第２ステップとを行う順番は逆であってもよい。ただし、第１ステップと第２ステップとで、開始時の設定流量に対応する圧力は、同じであることが好適である。順序を問わず第１ステップと第２ステップとを行った後であれば、圧力値Ｐ１、Ｐ２と、温度値Ｔ１、Ｔ２と、さらに、圧力値Ｐ２に基づいて決定される容積値Ｖとを用いて流量を算出する工程（第３ステップ）を行うことができる。

＜実施形態２＞
本実施形態２は、本発明に係る流量制御システムであり、機器の構成は実施形態１と同様であり詳細な説明を省略する。本実施形態２においても、図１に示した流量制御システム１において流量計測を行う時は、開閉弁Ｖ４を開放し、開閉弁Ｖ５を閉鎖する。

実施形態２の流量制御システムでは、図３（ｂ）に示すタイムチャートの封止１～封止４までの封止工程を実施し、封止３及び封止４の状態で計測される圧力値Ｐ３、Ｐ４、温度値Ｔ３、Ｔ４を計測する。具体的には、第２圧力値Ｐ２及び第２温度値Ｔ２を計測後、第１バルブＶ１を閉鎖した状態で第２バルブＶ２を前記所定時間よりも短時間開放すると共に、第２バルブＶ２の開放と同時又は開放の直前に第３バルブＶ３を閉鎖して計測した第３圧力値Ｐ３及び第３温度値Ｔ３、その後、第３バルブＶ３を開放して計測した第４圧力値Ｐ４及び第４温度値Ｔ４を加味して流量を演算するようにしている。この封止３及び封止４での圧力及び温度を測定し、演算することで分圧法によるモル数補正を行うことができ、第１バルブＶ１から第３バルブＶ３までの配管温度等の影響を抑えることができる。なお、第３バルブＶ３は、図１および図３（ａ）に示すように、第１バルブＶ１と第２バルブＶ２との間の流路に介在するバルブであり、典型的には、流量測定装置２に内蔵されて圧力センサＰおよび温度センサＴの上流側に設けられるバルブである。第２バルブＶ２と第３バルブとの両方が流量測定装置２に内蔵されている場合、第２バルブＶ２と第３バルブとの間の流路容積を正確に求めやすいという利点が得られる。

本実施形態の流量制御システム１においても、流量制御器１０から送りだす流量の違いによって、ビルドアップ圧力となる封止２の状態における圧力値Ｐ２を変更することがある。この場合にも、容積値Ｖと圧力値Ｐ２との関係、例えば図４に示す線形関係で変動する値（関係式）を記憶部３２に予め記録しておくことにより、圧力値Ｐ２に応じた適切な容積値Ｖを得ることができる。このため、ビルドアップ圧力となる圧力値Ｐ２を変動させても演算結果に影響が出ることはない。

配管温度等の影響を抑えるために行う、封止３、封止４を行うことによる計算式を、第１バルブＶ１と第３バルブＶ３とを結ぶ配管内の容積Ｖａとし、第２バルブＶ２と第３バルブＶ３とを結ぶ配管内の容積Ｖｂとして（図３（ａ）参照）、以下に説明する。

封止２の後、第２バルブＶ２を短時間だけ開閉するとともに第３バルブＶ３を閉鎖することによって第２バルブＶ２と第３バルブＶ３との間の圧力はＰ２からＰ３に低下する。ただし、封止３において圧力値Ｐ２が圧力値Ｐ３となるのは第２バルブＶ２と第３バルブＶ３とを結ぶ配管内だけであって、第１バルブＶ１と第３バルブＶ３とを結ぶ配管内の圧力は圧力値Ｐ２のまま維持される。そして、封止４によって、第３バルブＶ３を開放することで、第１バルブＶ１と第２バルブＶ２とを結ぶ配管内の圧力が均一に圧力値Ｐ４となる。なお、封止３と封止４とにおいて、第１バルブＶ１と第２バルブＶ２とはいずれも閉鎖状態に維持されているので、第１バルブＶ１と第２バルブＶ２との間のガスの物質量は一定に維持されている。

この関係をボイルシャルルの法則で表わせば、（Ｐ２・Ｖａ）／Ｔａ＋（Ｐ３・Ｖｂ）／Ｔ３＝（Ｐ４・Ｖａ）／Ｔａ＋（Ｐ４・Ｖｂ）／Ｔ４で表わされる。Ｔａは第１バルブＶ１と第３バルブＶ３とを結ぶ配管内の温度の値である。また、Ｔ３≒Ｔ４であり、次式でＴｂ≒Ｔ３≒Ｔ４として計算する。

ビルドアップ一般式と上式から、測定が困難であるＶａおよびＴａを消去するようにすると、Ｑ＝２２．４×（（Ｐ２－Ｐ１）／（７６０×Ｒ×Δｔ））×（Ｖｂ／Ｔｂ×（Ｐ２－Ｐ３）／（Ｐ２－Ｐ４）＋Ｖｓｔ／Ｔｓｔ）となる。Ｖｓｔ及びＴｓｔは、流量制御器１０から第１バルブＶ１の弁体までの容積及び温度であり、Ｔｓｔは回路上温度計を備えないためＴｂで代用される。この計算式を用いて計算する時も従来ではＶｂ及びＶｓｔとして一定の値を利用していたが、本実施形態２の流量制御システム１及び流量計測方法においては、ビルドアップ圧力となるＰ２に応じたＶｂの値を利用することで正確な流量を計算するようにしている。実施形態１と比べ、本実施形態においては計算式に関係する容積の値はＶｂ、つまり第２バルブＶ２と第３バルブＶ３の間の容積だけであり、この容積は、流量測定装置２の内部配管内の容積であり本実施形態においては少量である。これに対し、本実施形態で使用する２つの圧力センサＰａ、Ｐｂのダイヤフラム変形による容積変化の比率は、図４に示すように最大０．８％となり、大きな影響を及ぼすもので、実施形態１よりも計算上生じる誤差影響の修正率が大きいものとなる。

以上説明したように、本発明の流量制御システム及び流量測定方法は、測定する流体の流量を変更する際にビルドアップ圧力を変更しても正確に流量を計算することができるから、圧力式流量制御装置の他、熱式質量流量制御装置の流量校正の用途に好適に用いることができる。

１ 流量制御システム
１０ 流量制御器
１１ 絞り部
１２ 圧力センサ
１３ 温度センサ
１４ コントロール弁
１５ 制御回路
２ 流量測定装置
３ 制御部
３１ 記録部
３２ 記憶部
３３ 演算部
３４ 表示部
４ ガス供給源
５ チャンバ
６ 真空ポンプ
Ｐ 圧力センサ
Ｔ 温度センサ
Ｖ１ 第１バルブ
Ｖ２ 第２バルブ
Ｐ１ 第１圧力値
Ｔ１ 第１温度値
Ｐ２ 第２圧力値
Ｔ２ 第２温度値
Δｔ 所定時間
Ｖ 容積値

Claims (4)

1. 流量制御器の下流側に設けられた第１バルブと、前記第１バルブの下流側に設けられた圧力センサ、温度センサ及び両センサの下流側に設けられた第２バルブを有する流量測定装置と、第１バルブ及び第２バルブの開閉動作を制御する制御部とを備える流量制御システムであって、
   前記制御部は、前記圧力センサ及び温度センサの計測値を記録する記録部と、
   前記圧力センサの計測値に応じた第１バルブから第２バルブまでの容積値を記憶する記憶部と、
   第１バルブと第２バルブとを開放してガスを流し、ガスが流れている状態で第１バルブと第２バルブとを同時に閉鎖し、その後に計測した第１圧力値Ｐ１及び第１温度値Ｔ１、
   第１バルブと第２バルブとを開放してガスを流し、ガスが流れている状態で第２バルブを閉鎖し、その後、所定時間Δｔが経過後、第１バルブを閉鎖した後に計測した第２圧力値Ｐ２及び第２温度値Ｔ２、並びに、
   前記記憶部から得られる前記第２圧力値Ｐ２に応じた第１バルブから第２バルブまでの容積値Ｖ、に基づいて
   流量Ｑを、Ｑ＝２２．４×Ｖ×（Ｐ２／Ｔ２－Ｐ１／Ｔ１）／（７６０×Ｒ・Δｔ）、（ただしＲは気体定数）から演算する演算部と、
   を備えた流量制御システム。
2. 前記第１バルブと前記第２バルブとの間に配置された第３バルブをさらに備え、
   前記演算部は、
   前記第２圧力値Ｐ２及び第２温度値Ｔ２を計測後、第１バルブを閉鎖した状態で第２バルブを前記所定時間Δｔよりも短時間開放すると共に、第２バルブの開放と同時又は開放の直前に前記第３バルブを閉鎖し、前記第２バルブと前記第３バルブとを閉鎖した状態で計測した第３圧力値Ｐ３及び第３温度値Ｔ３、および、
   前記第３圧力値Ｐ３及び第３温度値Ｔ３を計測した後、前記第１バルブと前記第２バルブとを閉鎖したまま第３バルブを開放して計測した第４圧力値Ｐ４及び第４温度値Ｔ４に基づいて、
   流量Ｑを、Ｑ＝２２．４×（（Ｐ２－Ｐ１）／（７６０×Ｒ×Δｔ））×（Ｖｂ／Ｔｂ×（Ｐ２－Ｐ３）／（Ｐ２－Ｐ４）＋Ｖｓｔ／Ｔｓｔ）から演算し、ただし、Ｖｂは、前記第２バルブと前記第３バルブとの間の容積値であって前記記憶部から得られる前記第２圧力値Ｐ２に応じた容積値、ＴｂおよびＴｓｔは、前記第３温度値Ｔ３または第４温度値Ｔ４に対応する温度、Ｖｓｔは、前記流量制御器から前記第１バルブまでの容積である、請求項１に記載の流量制御システム。
3. 流量制御器の下流側に設けられた第１バルブと、前記第１バルブの下流側に設けられた圧力センサ、温度センサ及び両センサの下流側に設けられた第２バルブを有する流量測定装置と、第１バルブ及び第２バルブの開閉動作を制御する制御部とを備える流量制御システムにおいて行われる流量測定方法であって、
   第１バルブと第２バルブとを開放してガスを流し、ガスが流れている状態で第１及び第２バルブを同時に閉鎖し、その後第１圧力Ｐ１及び第１温度Ｔ１を測定する第１ステップと、
   第１バルブと第２バルブとを開放してガスを流し、ガスが流れている状態で第２バルブを閉鎖し、その後、所定時間Δｔが経過後に第１バルブを閉鎖した後の第２圧力Ｐ２及び第２温度Ｔ２を測定する第２ステップと、
   第１ステップで測定した第１圧力Ｐ１及び第１温度Ｔ１、第２ステップで測定した第２圧力Ｐ２及び第２温度Ｔ２、並びに、第２ステップで測定した第２圧力Ｐ２に応じて変動するビルドアップ容積Ｖに基づいて流量Ｑを、Ｑ＝２２．４×Ｖ×（Ｐ２／Ｔ２－Ｐ１／Ｔ１）／（７６０×Ｒ・Δｔ）、（ただしＲは気体定数）から演算する第３ステップとを含む流量測定方法。
4. 前記流量制御システムが、流量制御器及び第１バルブの下流側で、かつ、圧力センサ及び温度センサの上流側に配置された第３バルブを備え、前記第３バルブは、前記第１ステップおよび前記第２ステップを行う間は開かれており、
   前記第２ステップの圧力測定及び温度測定の後、前記第３バルブを閉鎖するとともに、第２バルブを短時間で開閉させた後に測定した第３圧力Ｐ３および第３温度Ｔ３と、その後さらに第２バルブを閉鎖した状態で第３バルブを開放した後に計測した第４圧力Ｐ４および第４温度Ｔ４を第３ステップの流量演算に用いるようにし、流量Ｑを、Ｑ＝２２．４×（（Ｐ２－Ｐ１）／（７６０×Ｒ×Δｔ））×（Ｖｂ／Ｔｂ×（Ｐ２－Ｐ３）／（Ｐ２－Ｐ４）＋Ｖｓｔ／Ｔｓｔ）から演算し、ただし、Ｖｂは、前記第２バルブと前記第３バルブとの間の容積値であって前記第２圧力Ｐ２に応じた容積値、ＴｂおよびＴｓｔは、第３温度値Ｔ３または第４温度値Ｔ４に対応する温度、Ｖｓｔは、前記流量制御器から前記第１バルブまでの容積である、請求項３に記載の流量測定方法。
   
   

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