JP6804874B2 - 流量制御装置、流量制御装置に用いられるプログラム、及び、流量制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば半導体製造プロセスに用いられる材料ガスや薬液、洗浄液等の流体流量を制御するための流体制御装置に関するものである。

多くの産業プロセスにおいて、さまざまなプロセス流体の流量制御が必要とされており、そのためにプロセス流体の流路上に流量制御装置が設けられている。
このような流量制御装置は、プロセス流体の流量を所望の値（目標流量）に素早く、かつ安定に制御することが求められる。そのため、特許文献１に示すように、従来の流量制御装置においては、特許文献１に示されているように、例えば流量を調整するためのバルブや流量センサなどにできるだけ応答性の良いものを用い、応答性や安定性において最大の能力を発揮できるようにチューニングされる。

しかしながら、複数のプロセスガスをそれぞれ流量制御しながら用いるような半導体プロセスなどにおいて、既存の流量制御装置に代えて、応答性に優れた高性能の流量制御装置を導入すると、最終生成物（半導体）が所望の仕様から外れるといった不具合が生じる場合がある。

本発明者は、鋭意検討した結果、その原因を突き止めた。
すなわち、従来は、既存の流量制御装置を用いて、最終生成物（半導体）が所望の仕様性能を満たすように試行錯誤によってプロセスのレシピが決められている。プロセスのレシピとは、プロセス流体に関していえば、どのタイミングでどれだけの量のプロセス流体を流すかということであり、言い換えると、各プロセス流体の目標流量をどのように設定するかということである。

しかし、実際に流れるプロセス流体の流量は、机上のレシピに示された目標流量に正確に追随しているわけではなく、流量制御装置の応答性に依存してやや遅れたものとなっている。

したがって、既存の流量制御装置を高性能な流量制御装置に置き換えると、目標流量により精度良く追随するがゆえに、実際の流量が目標流量に十分追随していない従来の流量（実質的なレシピ）とは異なるものになってしまい、最終生成物が仕様から外れる可能性が生じるわけである。

そのため、従来、流量制御装置を新機種に置き換えるなどした場合には、プロセスガスの流量を実際に設定する現場オペレータが、レシピ、すなわち目標流量を再度試行錯誤によって修正しなければならず、特に多数のプロセス流体を用いている場合は、膨大な手間がかかってしまう。

特開２００３−３１６４４２号公報

本願発明は、かかる新規な課題に鑑み、応答性を向上させるという従来観念を捨てて初めてなされたものであって、優れた応答性を有しながらも、場合によっては、既存の流量制御装置と等価な応答性となるように、オペレータが容易にダウンチューニングできるようにすることを図ったものである。

すなわち、本発明に係る流量制御装置は、測定流量が目標流量に近づくように、流体制御弁をフィードバック制御するものであって、ユーザオペレータが設定したい応答遅れを示す値である応答遅れ設定値を入力する応答遅れ入力部と、前記フィードバック制御における応答遅れを、前記応答遅れ設定値に応じて発生させる応答遅れ生成部とを具備することを特徴とする。

このようなものであれば、本来であれば速応性を求められる流量制御装置において、敢えて応答遅れを作り出すことができるうえ、その応答遅れを、ユーザーオペレータの設定入力だけで定めることができる。したがって、この流量制御装置を、例えば、既存の流量制御装置と同等な応答性に設定してこれと置き換えることが容易にできるようになる。

上述した効果、すなわち、オペレータによる随時の応答性ダウンチューニングが可能という効果は、従来、速応性を追求してきた流量制御装置の分野においては極めて画期的なものである。
一方、入力する応答遅れ設定値を性能限界まで小さくすれば、本流量制御装置が本来有する速応性を活かした利用も可能となる。

具体的な実施態様としては、前記応答遅れ設定値が、無駄時間を除いた一次遅れ、二次遅れ又は多次遅れを示す値であるものを挙げることができる。

ユーザオペレータにとって扱いやすい応答遅れ設定値としては、時定数などを挙げることができる。

新たに応答遅れを設定する場合は、過去における応答遅れとそのときのフィードバック制御係数とを参照することにより、演算が容易になる。そのためには、フィードバック制御による応答遅れを測定する応答遅れ測定部をさらに具備し、前記応答遅れ生成部が、前記応答遅れ測定部によって測定された測定応答遅れと、その時に設定されていたフィードバック制御係数とに基づいて、前記応答遅れ設定値に示された設定応答遅れとなる新規フィードバック制御係数を算出し、現在設定されているフィードバック制御係数を、前記新規フィードバック制御係数に置き換えるものであることが望ましい。

複雑な演算をすることなく、短い時間で応答遅れを設定できるようにするには、前記フィードバック制御が、少なくとも比例制御を含むものであり、ＩＭＣを用いることによって無駄時間を除く応答遅れが一次遅れとなるように設定されたものが好ましい。

このように構成した本発明によれば、本来であれば速応性を求められる流量制御装置において、敢えて応答遅れを作り出すことができるうえ、その応答遅れを、ユーザーオペレータの設定入力だけで定めることができる。したがって、この流量制御装置を、例えば、既存の流量制御装置と同等な応答性に設定してこれと置き換えることが容易にできるようになる。

本発明の一実施形態に係る流体制御装置を示す模式的全体図。 同実施形態における制御機構の機能ブロック図。 同実施形態におけるバルブ制御部の制御ブロック線図。 同実施形態における応答遅れ記憶部に記憶されたデータ（構造）を示すデータ例示図。 本発明の他の実施形態における制御ブロック線図。

本発明の一実施形態に係る流体制御装置を、図１乃至４を参照しながら説明する。

この流量制御装置１００は、例えば、半導体製造用の各種材料ガスといった流体が流れる各供給流路（図示しない）上にそれぞれ設けられて、各材料ガスの流量を所定の流量に制御するために用いられるものである。なお、流体としては、ガス以外に、液体、スラリー等が挙げられる。

より具体的に説明する。
この流量制御装置１００は、図１及び図２に示すように、内部に流路１１が形成された概略直方体形状のボディ１と、前記ボディ１に取り付けられた熱式の流量センサ２及びバルブ３と、前記流量センサ２からの出力に基づいて前記バルブ３を制御する制御機構４とを備えている。

前記ボディ１は、その底面に流体を導入出するための導入口１２及び導出口１３がそれぞれ設けてあり、前記導入口１２と前記導出口１３との間を結ぶように前記流路１１が形成してある。この流路１１に対して最も下流側に前記バルブ３が設けてあり、前記バルブ３の上流に前記流量センサ２が設けてある。

前記流量センサ２は、前記流路１１内に設けられた流体抵抗である分流素子２１と、前記流路１１から分岐し、前記分流素子２１の前後を迂回するように設けられた細管２２と、前記細管２２に設けられた一対のコイル２３ａ（図２に示す）からなり、流量に関連する値を検出する検出機構２３と、前記制御機構４の演算機能を利用して構成され、前記検出機構２３からの出力に基づいて流量を算出する流量算出部４１とからなる熱式のものである。

詳述すれば、前記各コイル２３ａは電熱線であり、それぞれが所定温度で保たれるように温度制御回路（図示しない）が接続してある。この温度制御回路によって各コイル２３ａに印加される電圧値が前記検出機構２３から前記流量算出部４１へと出力され、それぞれの電圧値に基づいて前記流量算出部４１は流量を算出する。
なお、この流量センサは、熱式のみならず、差圧式、超音波式、コリオリ式など、種々の方式のものでも構わない。

前記制御機構４は、ＣＰＵ、メモリ、Ａ／Ｄ・Ｄ／Ａコンバータ、入出力手段、ドライバ等を備えた電子回路であって、前記メモリに格納されている流量制御装置用プログラムに基づいてＣＰＵやその周辺機器が協働することにより、前記流量センサ２の構成要素である流量算出部４１の他、バルブ制御部４２等の演算回路としての機能を発揮する。

流量算出部４１は、前述したように、前記検出機構２３からの出力に基づいて流路１１を流れる流体の流量を算出し、その値（以下、測定流量値という。）を出力するものである。

前記バルブ制御部４２は、図２に示すように、オペレータによる入力や外部機器からの通信等によって与えられた目標流量と、前記流量算出部４１から出力された測定流量とを受け付け、これらの間の偏差が小さくなるように前記バルブ３の開度をＰＩＤフィードバック制御するものである。

より具体的に説明する。このバルブ制御部４２は、図３の制御ブロック線図に示されるように、ＰＩＤコントローラ４２１に加えて、ＩＭＣ（Internal Model Controller）４２２が付加された構成のものである。

同図において、G_p(s)は、実際のプロセス（バルブ３や流量センサ２を含んだ系）の伝達関数であり、機種によって異なる。

G_c(s)は、前記ＰＩＤコントローラ４２１の伝達関数であり、以下の式（１）で表される。
G_c(s) = K_p ( 1 + 1/T_i・s + T_d・s )・・・（１）
ここで、K_pは比例ゲイン、T_iは積分時間、T_dは積分時間、sはラプラス関数である。

G_p'(s)は、プロセスモデル４２３の伝達関数である。

また、これらG_p(s) 、G_c(s)、 G_p'(s)による伝達関数G_IMC(s)で表される系が、前記ＩＭＣ４２２である。
この実施形態では、前記プロセスモデル４２３を適宜設定してG_IMC(s)を定めることにより、このバルブ制御部４２とバルブ３及び流量センサ２とを含めたフィードバック系としての伝達関数が、無駄時間を無視すると、一次遅れとなるように構成してある。
すなわち、バルブ３の伝達関数を1 / (f₁・s＋1)、流量センサ２の伝達関数を1 / (e₁・s＋1)とすれば、前記伝達関数G_p(s)は、式（３）のようになる。
G_p(s) = (1 / (f₁・s＋1)) (1 / (e₁・s＋1)) ・・・（２）
そして、G_IMC(s)を以下のように設定している
G_IMC(s) = (x₁・s+1)(x₂・s+1) / (T・s) ・・・（３）
ここで、x₁はf₁、x₂はe₁と同じ定数となる様に設定する。_。
そうすると、ＩＭＣ４２２と、バルブ３及び流量センサ２とが直列した伝達関数G₁(s)は、以下の式（４）のようになる。
G₁(s) = G_IMC(s)・G_p(s) = 1 / (T・s) ・・・（４）
そして、前述したように、フィードバック系も含めた系全体の伝達関数G(s)が、無駄時間を無視すると、式（５）にように一次遅れとなる。
G(s) = 1 / (1+T・s) ・・・（４）
これを書き換えると、以下の式（５）のように表される。
Qout＝1 / (1+T・s)・Qset = 1 / (1+1/Kp・s) ・Qset ・・・（５）
ここで、Qsetは目標流量値でQoutは測定流量である。また1/K_pは時定数Tの逆関数となっている。

しかして、この実施形態では、図２に示すように、前記制御機構４に、応答遅れ入力部４３、応答遅れ測定部４４、応答遅れ記憶部４５、応答遅れ生成部４６等としての機能をさらに付加している。

応答遅れ入力部４３とは、流量制御装置１００の応答遅れを示す値である応答遅れ設定値を、キーボードなどの入力手段や通信によって受け付けるものである。応答遅れ設定値とは、ユーザオペレータが指定するものであって、ここでは、目標流量に対する測定流量の応答遅れのうち、一次遅れ要素に関する値のことであり、より具体的には、時定数（流量の立ち上がりから目標流量の６３％に至るまでの時間）のことである。応答遅れ設定値としては、その他、約４倍時定数（測定流量の立ち上がりから目標流量値の９８％に至るまでの時間）でもよいし、あるいは、現在の応答遅れに対する比率（％）などでも構わない。以下では、応答遅れ設定値を設定時定数ともいう。

応答遅れ測定部４４は、現時点での制御による応答遅れ（ここでは一次遅れの時定数であり、以下、測定時定数という。）を測定するものである。そのためにこの応答遅れ測定部４４は、例えば、目標流量としてステップ信号を与え、そのときのインディシャル応答を測定することによって前記測定時定数を算出する。その他、インパルス応答やランプ応答等によって測定時定数を算出するようにしてもよい。この応答遅れ測定部４４による応答遅れの測定は、実際の流量制御の始動前や休止期間に行うようにしている。

応答遅れ記憶部４５は、メモリの所定領域に設定されたものであり、前記応答遅れ測定部４４で測定された測定時定数が記憶される。このとき、応答遅れ記憶部４５は、測定時定数と対にして、その測定時の条件、すなわり、流体の種類、温度、圧力などの周囲条件を、例えば図４に示すようなテーブル形式で記憶する。

応答遅れ生成部４６は、この制御による時定数が、応答遅れ入力部４３で受け付けられた設定時定数となるように、バルブ制御部４２における制御パラメータを調整するものである。

具体的に説明すると、前述したように、該バルブ制御部４２による応答性はＩＭＣ４２２によって一次遅れとなっている。したがって、ＰＩＤコントローラ４２１による比例ゲインKpと時定数Tとの関係は Kp =1/ T ・・・（６）

そこで、応答遅れ生成部４６は、応答遅れ記憶部４５を参照して、同様の測定条件における測定時定数とそのときの比例ゲインとから前記比を算出し、この比から設定時定数となる比例ゲインを算出して、既存の比例ゲインをこの新規比例ゲインに置き換える。

理論的な新規比例ゲインの算出式は、下記式（７）のようであるが、応答遅れ生成部４６は、これと等価な演算を行って、新規比例ゲインを設定する。
Kp₁ = Kp₀・T₁/T₀・・・（７）
ここで、Kp₁は新規比例ゲイン、Kp₀は既存の比例ゲイン、T₁は設定時定数、T₀は測定比例ゲインである。

しかして、このような構成によれば、オペレータが所望の設定時定数を入力するだけで、この流量制御装置１００による応答遅れがその設定時定数となるようにオートチューニングされる。

したがって、本実施形態に係る流量制御装置１００によれば、既存の流量制御装置と同等の応答性に設定するだけで、他に例えば目標流量を再調整することなどなく、既存のものから容易に置き換えることができる。

また、従来、速応性が追求されてきた流量制御装置の分野において、かかる効果、すなわち、オペレータによる随時の応答性ダウンチューニングを初めて可能ならしめた点は、極めて画期的であるということができる。
一方、より速い応答性が求められる場合には、入力する設定時定数の値を性能限界まで小さくすればよく、この流量制御装置が本来有する性能を活かした利用も可能である。
また、応答遅れ設定値として用いている時定数は、ユーザにとって応答性を直感的に把握しやすい値なので、使い勝手が良いという効果も奏する。

加えて、本流量制御装置１００と同等の機能を得るべく、入力された設定時定数（所望の応答遅れ）となるように、ＰＩＤ制御の各制御係数（K_p、T_i、T_d）をそれぞれ算出し定めることも可能ではある。しかしながら、前記各制御係数が制御対象とは独立に自由に与えることができるものであり、現在のところ、それぞれの最適値は代数的な手法では算出できず、試行錯誤的に求めざるを得ないため、応答遅れ設定のための演算に多大な時間かかる場合がある。

これに対し、この実施形態では、ＰＩＤコントローラ４２１に加えてＩＭＣ４２２を設け、バルブ制御に係る応答性が一次遅れとなるように予め構成してあるので、上述したように、３つの制御係数のうち、比例ゲインK_pのみを調整すれば、時定数を設定することができる。したがって、演算回路に大きな負担を与えることなく、応答遅れを設定時定数となるように容易に自動設定することができる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
例えば、前記実施形態において、応答遅れ生成部４６は、応答遅れ記憶部４５を参照して、過去における同様の周囲条件での測定時定数とそのときの比例ゲインとを検索し、それをもとに比例ゲインを定めていたが、周囲条件を実際の流量制御での周囲条件と予め揃えて測定時定数を求め、これをもとに設定時定数となるように比例ゲインを算出してもよい。このようにすれば、応答遅れ記憶部に過去の周囲条件を記憶させなくともよい。

測定時定数と設定時定数との偏差が少なくなるように、比例ゲインを徐々に変えるフィードバック制御により、比例ゲインを設定するようにしてもよい。

実際の流量制御中に、流体の温度やバルブ前後での流体の圧力等が変動した場合、応答性を維持すべく、そのうちのいずれか１以上を用いて、応答遅れ生成部において、比例ゲインK_p1を修正してもよい。例えば圧力pの変動による修正演算式としては、下記式（８）のようなものが挙げられる。
K_p1' = ( X_n pⁿ + X_n-1 p^n-1 +・・・+ X₁ p) K_p1+b・・・（８）
ここで、X₁~X_nは実験等で予め求めた係数、K_p1'は、修正演算後の比例ゲインである。
また、図５に示すように、目標流量値に対して一次遅れ等を施す演算回路であるフィルタ４７を追加して時定数設定する事により応答速度を設定してもよい。この場合、目標流量値が前記フィルタ４７によって補正される。
さらに、流量制御装置の応答性、特にバルブ３の応答性が、流体の圧力（バルブよりも上流側側の圧力及び／又は下流側の圧力）によって変化するため、この圧力変化をキャンセルして応答遅れが設定値に保たれるような（補償するような）制御を行えば、なお好ましい。具体的には、例えば、前記図５におけるフィルタ４７の時定数が、測定された流体の圧力（ここでは上流側の圧力）に応じて変化し、圧力による応答遅れの変化が補償されるように構成すればよい。
前記応答遅れ入力部で入力できる応答遅れの値(例えば設定時定数）は、制限を設けないようにしてもよいし、制限を設けるようにしてもよい。
前者の場合、例えば応答遅れの値が０といった入力も受け付けることになるが、その場合は、流量制御装置は、その最大応答性能、すなわち最も応答遅れが小さい状態で動作することになる。言い換えると、応答遅れとして、流量制御装置の最大応答性能を超えるような値が入力されると、その値は無視され、該流量制御装置は最大応答性能で動作することとなる。
後者の場合は、例えば０といった、流量制御装置の最大応答性能を超えるような応答遅れが入力されても、これを受け付けず、再入力を促すか、もしくは、仕様上最小の応答遅れ値が表示されるなどして、その応答遅れで動作することになる。

その他、本発明はその趣旨に反しない限りにおいて様々な変形や実施形態の組み合わせを行っても構わない。

１００・・・流量制御装置
３・・・流体制御弁
４３・・・応答遅れ入力部
４４・・・応答遅れ測定部
４５・・・応答遅れ記憶部
４６・・・応答遅れ生成部

Claims (9)

1. 測定流量が目標流量に近づくように、流体制御弁をフィードバック制御する流量制御装置において、
   設定流量と、測定流量と、設定されているフィードバック制御係数に基づいて、前記流体制御弁をフィードバック制御するバルブ制御部と、
   設定したい応答遅れを示す値である応答遅れ設定値を入力する応答遅れ入力部と、
   前記フィードバック制御における応答遅れを、前記応答遅れ設定値に応じて発生させる応答遅れ生成部とを具備し、
   前記応答遅れ生成部が、前記応答遅れ設定値に応じて前記フィードバック制御係数をダウンチューニングすることを特徴とする流量制御装置。
2. 前記応答遅れ設定値が、無駄時間を除いた一次遅れ、二次遅れ又はそれ以上の多次遅れを示す値である請求項１記載の流量制御装置。
3. 前記一次遅れ、二次遅れ又はそれ以上の多次遅れを示す値が、時定数である請求項２記載の流量制御装置。
4. フィードバック制御による応答遅れを測定する応答遅れ測定部をさらに具備し、
   前記応答遅れ生成部が、前記応答遅れ測定部によって測定された測定応答遅れと、その時に設定されていたフィードバック制御係数とに基づいて、前記応答遅れ設定値に示された設定応答遅れとなる新規フィードバック制御係数を算出し、現在のフィードバック制御係数を、前記新規フィードバック制御係数に置き換えるものである請求項１、２又は３記載の流量制御装置。
5. 前記フィードバック制御が、少なくとも比例制御を含むものであり、無駄時間を除く応答遅れが、ＩＭＣを用いることによって一次遅れとなるように設定されたものである請求項１、２、３又は４記載の流量制御装置。
6. 前記フィードバック制御が、測定流量の値そのもののみがネガティブフィードバックされて、一重のフィードバックループを構成する請求項１、２、３、４又は５記載の流量制御装置。
7. 半導体製造プロセスに用いられる流体の流量を制御するように構成された請求項１、２、３、４、５又は６記載の流量制御装置。
8. 測定流量が目標流量に近づくように、流体制御弁をフィードバック制御する流量制御装置に用いられるプログラムであって、
   設定流量と、測定流量と、設定されているフィードバック制御係数に基づいて、前記流体制御弁をフィードバック制御するバルブ制御部と、
   前記流量制御装置に、設定したい応答遅れを示す値である応答遅れ設定値を入力する応答遅れ入力部と、
   前記フィードバック制御における応答遅れを、前記応答遅れ設定値に応じて発生させる応答遅れ生成部としての機能を発揮させるものであり、
   前記応答遅れ生成部が、前記応答遅れ設定値に応じて前記フィードバック制御係数をダウンチューニングすることを特徴とするプログラム。
9. 測定流量が目標流量に近づくように、流体制御弁をフィードバック制御する流量制御装置を用いた流量制御方法であって、
   設定流量と、測定流量と、設定されているフィードバック制御係数に基づいて、前記流体制御弁をフィードバック制御するバルブ制御ステップと、
   設定したい応答遅れを示す値である応答遅れ設定値を入力する応答遅れ入力ステップと、
   前記フィードバック制御における応答遅れを、前記応答遅れ設定値に応じて発生させる応答遅れ生成ステップとを具備し、
   前記応答遅れ生成ステップにおいて、前記応答遅れ設定値に応じて前記フィードバック制御係数をダウンチューニングすることを特徴とする流量制御方法。