JP7743581B2 - Flow Control Device - Google Patents
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Description
本発明は、流体の例えば流量を制御する流量制御装置に関するものである。 The present invention relates to a flow control device that controls, for example, the flow rate of a fluid.
半導体製造プロセスでは、チャンバ内に各種ガスを所望の流量に制御した状態で供給することが行われている。近年、この分野では流量の高速制御や流量精度のさらなる向上が求められており(特許文献1参照)、このような要求に答えるために2つの制御バルブを用いた流量制御装置が提案されている。 In semiconductor manufacturing processes, various gases are supplied into chambers while being controlled at desired flow rates. In recent years, this field has seen a demand for faster flow rate control and improved flow rate accuracy (see Patent Document 1), and to meet this demand, a flow rate control device using two control valves has been proposed.
具体的にこの流量制御装置は、流路に対して第1バルブ、圧力式の流量センサ、第2バルブが上流側からこの順番で設けられたものである。例えば第1バルブは、流量センサを構成する層流素子の上流側に設けられた第1圧力センサの第1圧力がフィードバックされて、当該第1圧力が所望の設定圧力で一定になるように制御される。また、第2バルブは流量センサで測定される測定流量がフィードバックされ、測定流量が設定流量と一致するように制御される。なお、設定圧力は設定流量の大きさに関わらず常に一定の値が設定される。 Specifically, this flow control device has a first valve, a pressure-type flow sensor, and a second valve arranged in this order from upstream to downstream of the flow path. For example, the first valve receives feedback of the first pressure from a first pressure sensor arranged upstream of the laminar flow element that constitutes the flow sensor, and controls the first pressure so that it remains constant at a desired set pressure. Furthermore, the second valve receives feedback of the measured flow rate measured by the flow sensor, and controls the measured flow rate so that it matches the set flow rate. The set pressure is always set to a constant value regardless of the magnitude of the set flow rate.
ところで、圧力式の流量センサは低圧であるほど感度が良くなるので、設定圧力をできるだけ小さい値に設定して、層流素子の上流側の圧力である第1圧力を低圧に保ったほうが、第2バルブによる流量制御の精度を向上できる。 By the way, since pressure-type flow sensors become more sensitive at lower pressures, setting the set pressure to as low a value as possible and keeping the first pressure, which is the pressure upstream of the laminar flow element, at a low pressure will improve the accuracy of flow control by the second valve.
しかしながら、設定圧力を低くしすぎると、第1圧力が層流素子及び第2バルブでの圧損や第2バルブの下流側の圧力を十分に上回れず、第2バルブの下流側へ流体を大流量で流すことができなくなってしまう。かといって、設定流量のレンジを考慮して、設定圧力をある程度高い値に設定すると、設定流量が小さい場合には圧力式の流量センサの感度や測定精度が本来の実力と比較して悪化してしまう。具体的には図6のグラフに示すように設定圧力の値が大きくなり流体抵抗の下流側の圧力である第2圧力P2の値が大きくなるほど、流量に対する差圧ΔP=P1-P2の感度は低下し、測定精度も低下することになる。 However, if the set pressure is set too low, the first pressure will not sufficiently exceed the pressure loss in the laminar flow element and the second valve and the pressure downstream of the second valve, making it impossible to flow a large flow rate downstream of the second valve. On the other hand, if the set pressure is set to a relatively high value taking into account the set flow rate range, the sensitivity and measurement accuracy of the pressure-type flow sensor will deteriorate compared to its actual capabilities when the set flow rate is small. Specifically, as shown in the graph in Figure 6, the higher the set pressure and the larger the value of the second pressure P2, which is the pressure downstream of the fluid resistance, the lower the sensitivity of the differential pressure ΔP = P1 - P2 to the flow rate, and the lower the measurement accuracy will be.
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、小流量においても流量センサの感度や測定精度を高く保つことができるとともに、大流量にも対応することができる流量制御装置を提供することを目的とする。 The present invention was made in consideration of the problems described above, and aims to provide a flow control device that can maintain high sensitivity and measurement accuracy of the flow sensor even at low flow rates, while also being able to handle large flow rates.
すなわち、本発明に係る流量制御装置は、流路に設けられた第1バルブと、前記流路において前記第1バルブよりも下流側に設けられた第2バルブと、前記第1バルブと前記第2バルブとの間の前記流路における流体の流量を測定する流量センサと、前記流量センサで測定される測定流量と設定流量との偏差が小さくなるように、前記第2バルブに入力される操作量を制御する流量制御器と、前記流量制御器が前記第2バルブに入力する操作量又は前記第2バルブの開度を制御量とし、当該制御量と目標量との偏差が小さくなるように前記第1バルブを制御する第1バルブ制御器と、を備えたことを特徴とする。 That is, the flow control device according to the present invention is characterized by comprising: a first valve provided in a flow path; a second valve provided in the flow path downstream of the first valve; a flow sensor that measures the flow rate of fluid in the flow path between the first valve and the second valve; a flow controller that controls a manipulated variable input to the second valve so as to reduce the deviation between the measured flow rate measured by the flow sensor and a set flow rate; and a first valve controller that uses the manipulated variable input to the second valve by the flow controller or the opening of the second valve as a controlled variable and controls the first valve so as to reduce the deviation between the controlled variable and a target variable.
また、本発明に係る流量制御方法は、流路に設けられた第1バルブと、前記流路において前記第1バルブよりも下流側に設けられた第2バルブと、前記第1バルブと前記第2バルブとの間の前記流路における流体の流量を測定する流量センサと、を備えた流量制御装置に用いられる流量制御方法であって、前記流量センサで測定される測定流量と設定流量との偏差が小さくなるように、前記第2バルブに入力される操作量を制御する流量制御ステップと、前記流量制御ステップにおいて前記第2バルブに入力される操作量又は前記第2バルブの開度を制御量とし、当該制御量と目標量との偏差が小さくなるように前記第1バルブを制御する第1バルブ制御ステップと、を備えたことを特徴とする。 The flow rate control method according to the present invention is a flow rate control method used in a flow rate control device that includes a first valve provided in a flow path, a second valve provided in the flow path downstream of the first valve, and a flow rate sensor that measures the flow rate of fluid in the flow path between the first valve and the second valve, and is characterized by comprising: a flow rate control step that controls a manipulated variable input to the second valve so as to reduce the deviation between a measured flow rate measured by the flow rate sensor and a set flow rate; and a first valve control step that uses the manipulated variable input to the second valve or the opening of the second valve as a controlled variable in the flow rate control step and controls the first valve so as to reduce the deviation between the controlled variable and a target variable.
このようなものであれば、例えば設定流量が初期流量値から初期流量値よりも小さい維持流量値に変化した場合には、前記流量制御器は前記第2バルブの開度を小さくするように前記第2バルブに入力する操作量を変化させ、当該第2バルブを通過できる流体の流量を小さくしようとする。 In this case, for example, if the set flow rate changes from the initial flow rate value to a maintenance flow rate value that is smaller than the initial flow rate value, the flow controller will change the manipulated variable input to the second valve to reduce the opening of the second valve, thereby attempting to reduce the flow rate of fluid that can pass through the second valve.
前記第2バルブの開度が変化すると、前記第1バルブ制御器では制御量と目標量との偏差が大きくなるので、当該第1バルブ制御器は前記第2バルブの開度をもとに戻すために前記第1バルブの開度を変化させる。この例の場合には、前記第1バルブと前記第2バルブとの間にある前記流量センサに流入する流体の流量を小さくし、設定流量よりも測定流量が小さくなる状態となる。そうすると、前記流量制御器は前記第2バルブを通過する流体の流量を増加させて偏差を小さくするために前記第2バルブの開度を大きくする。 When the opening of the second valve changes, the deviation between the controlled variable and the target variable in the first valve controller increases, so the first valve controller changes the opening of the first valve to return the opening of the second valve to its original value. In this example, the flow rate of the fluid flowing into the flow sensor between the first and second valves is reduced, resulting in a state where the measured flow rate is lower than the set flow rate. The flow controller then increases the opening of the second valve to increase the flow rate of the fluid passing through the second valve and reduce the deviation.
このような前記流量制御器と前記第1バルブ制御器の動作が制御周期ごとに繰り返されることによって、前記第2バルブの開度は、変化後の維持流量値においても初期流量値において維持されていた開度と同じ開度に戻すことができる。 By repeating this operation of the flow rate controller and the first valve controller for each control cycle, the opening of the second valve can be returned to the same opening that was maintained at the initial flow rate value, even at the changed maintained flow rate value.
したがって、維持流量値のような小流量で流体を流す場合には、最終的には前記第1バルブの開度を小さくして流体の流入を小さくして、前記第2バルブは抵抗とならないように開度を大きくできる。この結果、前記流量センサにおける絶対圧を低くし、流量センサの感度や測定精度を高い状態に保てる。一方、初期流量値のように大流量で流体を流す場合には、前記第2バルブの開度が所定の開度で保たれるように、前記第1バルブの開度が大きくなるように変更されてより流体の流入が大きくなる。このため、前記流量センサや前記第2バルブの圧損や前記第2バルブの下流側の圧力を上回らせて大流量を流すことができる。このように本発明であれば小流量時には前記流量センサの感度や測定精度を高く保つことと、大流量を流すのに必要な差圧の実現も両立させることができる。 Therefore, when fluid is flowing at a small flow rate, such as the maintenance flow rate, the opening of the first valve is ultimately reduced to reduce the inflow of fluid, and the opening of the second valve can be increased so as not to provide resistance. As a result, the absolute pressure at the flow sensor is reduced, maintaining the sensitivity and measurement accuracy of the flow sensor at a high level. On the other hand, when fluid is flowing at a large flow rate, such as the initial flow rate, the opening of the first valve is increased so that the opening of the second valve is maintained at a predetermined opening, increasing the inflow of fluid. This allows a large flow rate to be achieved by exceeding the pressure loss in the flow sensor and the second valve and the pressure downstream of the second valve. In this way, the present invention can maintain high sensitivity and measurement accuracy of the flow sensor at small flow rates while also achieving the differential pressure required to flow a large flow rate.
前記流量センサが、前記第1バルブと前記第2バルブとの間に設けられた流体抵抗と、前記第1バルブと前記流体抵抗の間に設けられた第1圧力センサと、前記流体抵抗と前記第2バルブとの間に設けられた第2圧力センサと、前記第1圧力センサで測定される第1圧力と、前記第2圧力センサで測定される第2圧力とに基づいて、前記流体抵抗を流れる流体の流量を算出する流量算出部と、を備えたものである場合に、前記流量センサの感度や測定精度を十分に発揮できるようにするには、前記第1バルブ制御器に設定される前記目標量が、前記第2バルブの開度が全開側の所定開度に維持される一定値であればよい。このようなものであれば、前記第2バルブの開度が大きい状態が保たれるので、前記第2バルブの上流側にある前記流量センサの圧力を低下させることが可能となり、感度や測定精度を向上させることができる。 When the flow sensor includes a fluid resistor disposed between the first valve and the second valve, a first pressure sensor disposed between the first valve and the fluid resistor, a second pressure sensor disposed between the fluid resistor and the second valve, and a flow rate calculation unit that calculates the flow rate of the fluid flowing through the fluid resistor based on the first pressure measured by the first pressure sensor and the second pressure measured by the second pressure sensor, the target amount set in the first valve controller can be a constant value that maintains the second valve at a predetermined fully open position in order to fully utilize the sensitivity and measurement accuracy of the flow sensor. In this way, the second valve remains at a large opening, making it possible to reduce the pressure at the flow sensor located upstream of the second valve, thereby improving sensitivity and measurement accuracy.
前記第1バルブ制御器の具体的な制御則としては、前記第2バルブの開度が前記目標量に相当する開度よりも小さい場合には、前記第1バルブ制御器が、前記第1バルブの開度を小さくする方向に制御するものが挙げられる。このような、前記第2バルブの開度が目標とする状態よりも小さくなった場合には、前記第1バルブの開度が小さくなり、前記第2バルブに供給される流量を小さくなる。このため、前記流量制御器は流量を維持するために前記第1バルブの開度を大きくするように動作するので、前記第1バルブの開度を目標とする開度で保ち続けることができる。 A specific control rule for the first valve controller is that when the opening of the second valve is smaller than the opening corresponding to the target amount, the first valve controller controls the opening of the first valve to decrease. When the opening of the second valve becomes smaller than the target state, the opening of the first valve decreases, reducing the flow rate supplied to the second valve. Therefore, the flow rate controller operates to increase the opening of the first valve in order to maintain the flow rate, thereby maintaining the opening of the first valve at the target opening rate.
前記第1バルブ及び前記第1バルブ制御器の具体的な構成例としては、前記第1バルブがノーマルオープンタイプのピエゾバルブであり、前記第1バルブ制御器が、前記制御量が前記目標量よりも小さい場合には、前記第1バルブに印加する電圧を大きくする方向に制御するものが挙げられる。 A specific example of the configuration of the first valve and the first valve controller is one in which the first valve is a normally open type piezo valve, and the first valve controller controls the voltage applied to the first valve to increase when the control amount is smaller than the target amount.
前記第1バルブ及び前記第1バルブ制御器の別の構成例としては、前記第1バルブがノーマルクローズタイプのピエゾバルブであり、前記第1バルブ制御器が、前記制御量が前記目標量よりも小さい場合には、前記第1バルブに印加する電圧を小さくする方向に制御するものが挙げられる。 Another example of the configuration of the first valve and the first valve controller is one in which the first valve is a normally closed type piezo valve, and the first valve controller controls the voltage applied to the first valve to decrease when the control amount is smaller than the target amount.
既存の流量制御装置に対してプログラムの更新を行うことにより、本発明に係る流量制御装置と同様の効果を発揮できるようにするには、流路に設けられた第1バルブと、前記流路において前記第1バルブよりも下流側に設けられた第2バルブと、前記第1バルブと前記第2バルブとの間の前記流路における流体の流量を測定する流量センサと、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、前記流量センサで測定される測定流量と設定流量との偏差が小さくなるように、前記第2バルブに入力される操作量を制御する流量制御器と、前記流量制御器が前記第2バルブに入力する操作量又は前記第2バルブの開度を制御量とし、当該制御量と目標量との偏差が小さくなるように前記第1バルブを制御する第1バルブ制御器と、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。 In order to achieve the same effects as the flow control device of the present invention by updating the program of an existing flow control device, it is sufficient to use a program for a flow control device that includes a first valve provided in a flow path, a second valve provided in the flow path downstream of the first valve, and a flow sensor that measures the flow rate of fluid in the flow path between the first and second valves, the program causing a computer to function as a flow controller that controls a manipulated variable input to the second valve so as to reduce the deviation between the measured flow rate measured by the flow sensor and a set flow rate, and a first valve controller that controls the first valve using the manipulated variable input to the second valve by the flow controller or the opening of the second valve as a controlled variable and reduces the deviation between the controlled variable and a target variable.
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、BD、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。 The program for the flow control device may be distributed electronically or may be recorded on a program recording medium such as a CD, DVD, BD, or flash memory.
流路に設けられた第1バルブと、前記流路において前記第1バルブよりも下流側に設けられた第2バルブと、前記第1バルブと前記第2バルブとの間の前記流路における流体の物理量を測定する流体センサと、前記流体センサで測定される測定量と設定量との偏差が小さくなるように、前記第2バルブに入力される操作量を制御する流体制御器と、前記流体制御器が前記第2バルブに入力する操作量又は前記第2バルブの開度である制御量と、目標量との偏差が小さくなるように、前記第1バルブを制御する第1バルブ制御器と、を備えた流体制御装置であれば、流量、圧力、あるいは濃度といった流体の物理量を設定量と一致するように制御しつつ、第2バルブの開度を所望の開度で維持し続けて、流体センサを動作させるのに適した圧力を保つ事が可能となる。したがって、制御の対象となる物理量の種類に関わらず、制御精度を従来よりも向上させることが可能となる。 A fluid control device comprising a first valve provided in a flow path, a second valve provided in the flow path downstream of the first valve, a fluid sensor that measures a physical quantity of the fluid in the flow path between the first and second valves, a fluid controller that controls a manipulated variable input to the second valve so as to minimize the deviation between the measured quantity measured by the fluid sensor and a set quantity, and a first valve controller that controls the first valve so as to minimize the deviation between the manipulated variable input to the second valve by the fluid controller or a controlled variable (the opening of the second valve) and a target quantity, can control a physical quantity of the fluid, such as flow rate, pressure, or concentration, to match the set quantity while maintaining the opening of the second valve at a desired opening and maintaining a pressure appropriate for operating the fluid sensor. Therefore, control accuracy can be improved compared to conventional methods, regardless of the type of physical quantity being controlled.
例えばチャンバ内にガスを供給してプラズマを形成するようなプロセスの場合、チャンバ内でプロセスが休止している期間でも最低限のプラズマを生成し続ける。これは、チャンバ内の不純物等が空中に浮いた状態を維持し、基板には不純物が堆積しないようにするためである。このため、プロセス中には所定流量のガスをチャンバに供給しておき、休止期間に入るとガスの流量をプラズマが維持されるような最低限度の維持流量まで減少させて維持される。 For example, in processes where gas is supplied into a chamber to form plasma, a minimum level of plasma continues to be generated even when the process is paused in the chamber. This is to keep impurities in the chamber suspended in the air and prevent them from depositing on the substrate. For this reason, a specified flow rate of gas is supplied to the chamber during the process, and when the pause period begins, the gas flow rate is reduced to the minimum maintenance flow rate required to maintain plasma.
ところで、流量センサと、前記流量センサの下流側に設けられた制御バルブと、流量センサの測定流量と設定流量の偏差に基づいて制御バルブを制御する流量制御器とを備えた流量制御装置において、上記のような流量制御を実現するために前記流量制御器に対してステップ状に流量値が大きく低下する設定流量を設定し、維持流量に相当する前記制御バルブの開度が全閉に近い開度の場合には、瞬間的にチャンバ内にはガスが供給されていない状況が発生する可能性がある。 In a flow control device equipped with a flow sensor, a control valve located downstream of the flow sensor, and a flow controller that controls the control valve based on the deviation between the flow rate measured by the flow sensor and the set flow rate, if a set flow rate is set for the flow controller that causes a large, stepped decrease in the flow rate to achieve the above-described flow rate control, and the opening of the control valve, which corresponds to the maintenance flow rate, is close to fully closed, there is a possibility that a situation may occur in which gas is not supplied to the chamber for a moment.
具体的には前記流量センサは前記制御バルブの上流側に存在するため、前記制御バルブを実際に通過しているガスの流量に対して時間遅れが発生している。このため、前記流量制御器が維持流量を実現するために前記制御バルブの開度を小さくし、ある時点で前記制御バルブが維持流量を実現するのに適した開度となっていても前記流量センサは維持流量よりも大きい測定流量を出力することになる。そして、流量制御器は測定流量と設定流量の偏差を解消するために、さらに前記制御バルブの開度を小さくするので、前記制御バルブが全閉となってしまう可能性がある。すなわち、図7のグラフに示すように前記流量センサの出力はゼロとなっていなくても、前記制御バルブの開度はゼロとなっているので、実際には図8に示すように前記制御バルブの下流側にはガスは流れておらず、チャンバにおいてプラズマを維持できない状態になってしまう。 Specifically, because the flow sensor is located upstream of the control valve, there is a time lag relative to the actual flow rate of gas passing through the control valve. As a result, the flow controller reduces the control valve's opening to achieve the maintained flow rate. Even if the control valve is at an opening appropriate for achieving the maintained flow rate at a certain point, the flow sensor will output a measured flow rate greater than the maintained flow rate. The flow controller then further reduces the control valve's opening to eliminate the deviation between the measured flow rate and the set flow rate, which may result in the control valve being fully closed. In other words, even if the flow sensor's output is not zero, as shown in the graph in Figure 7, the control valve's opening is zero. Therefore, as shown in Figure 8, no gas actually flows downstream of the control valve, making it impossible to maintain plasma in the chamber.
このような問題を解決するには、流路に設けられ、当該流路を流れる流体の流量に応じた出力信号を出力するセンシング機構と、前記センシング機構の出力信号の示す測定値と、前記測定値に応じた流量特性値とに基づいて前記流量を算出する流量算出部と、を具備する流量センサと、前記流量センサの上流側又は下流側に設けられた制御バルブと、前記流量センサで測定される測定流量と、設定流量との偏差が小さくなるように前記制御バルブを制御する流量制御器と、指令流量に対して前記センシング機構の出力信号の示す測定値に応じた時間遅れを付与した前記設定流量を前記流量制御器に設定するリファレンスガバナと、を備えた流量制御装置を用いれば良い。 To solve these problems, a flow control device can be used that includes a flow sensor equipped with a sensing mechanism that is provided in a flow path and outputs an output signal corresponding to the flow rate of the fluid flowing through the flow path; a flow rate calculation unit that calculates the flow rate based on a measurement value indicated by the output signal of the sensing mechanism and a flow rate characteristic value corresponding to the measurement value; a control valve that is provided upstream or downstream of the flow sensor; a flow rate controller that controls the control valve to minimize the deviation between the measured flow rate measured by the flow sensor and a set flow rate; and a reference governor that sets the set flow rate in the flow rate controller, which is a command flow rate with a time delay corresponding to the measurement value indicated by the output signal of the sensing mechanism.
このようなものであれば、前記リファレンスガバナが前記センシング機構の出力信号の示す測定に応じた時間遅れを付与して前記設定流量を前記流量制御器に設定するので、前記設定流量には前記流量センサの時間遅れを反映させることができる。したがって、前記流量センサの時間遅れによる測定流量と設定流量との偏差が発生しにくいため、前記流量制御器が全閉に近い開度に相当する流量を実現しようとする場合でも、前記制御バルブが全閉となるまで制御されるのを防ぐことができる。 With this configuration, the reference governor sets the set flow rate in the flow controller with a time delay corresponding to the measurement indicated by the output signal of the sensing mechanism, allowing the time delay of the flow sensor to be reflected in the set flow rate. Therefore, deviation between the measured flow rate and the set flow rate due to the time delay of the flow sensor is unlikely to occur, so even when the flow controller is attempting to achieve a flow rate equivalent to an opening close to fully closed, it is possible to prevent the control valve from being controlled to fully closed.
また、前記リファレンスガバナは前記センシング機構の出力信号の示す測定値に応じて前記設定流量に時間遅れを付与するので、例えば流量の大きさの違いにより前記流量センサに現れる時間遅れの大きさの違いも正確に反映させることができる。このため、一定の時間遅れが設定流量に対してそのまま与えられる場合と比較して、前記流量センサの時間遅れに起因する偏差を発生しにくくし、前記制御バルブが全閉となって低流量での流体の供給が途切れてしまうのを防ぐことができる。 In addition, because the reference governor imposes a time delay on the set flow rate in response to the measurement value indicated by the output signal of the sensing mechanism, it can accurately reflect differences in the magnitude of the time delay that appears in the flow sensor due to differences in the magnitude of the flow rate, for example. Therefore, compared to when a fixed time delay is directly applied to the set flow rate, deviations caused by the time delay of the flow sensor are less likely to occur, and it is possible to prevent the control valve from fully closing and cutting off the supply of fluid at low flow rates.
前記リファレンスガバナによって、前記設定流量に前記流量センサの時間遅れを正確に反映させるための具体的な構成例としては、前記センシング機構が、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、前記流体抵抗と下流側に設けられた第2圧力センサと、を具備し、前記流量算出部が、前記第1圧力センサ及び前記第2圧力センサの出力信号の示す測定値である第1圧力及び第2圧力に基づいて、前記流量特性値である流路抵抗を決定する係数決定部と、前記第1圧力、前記第2圧力、及び、前記流路抵抗に基づいて前記流量を算出する出力部と、を具備し、前記リファレンスガバナが、前記係数決定部で決定される前記流路抵抗と、前記指令流量に基づいて前記設定流量を算出し、前記流量制御器に当該設定流量を設定するように構成されたものが挙げられる。 A specific example of a configuration in which the reference governor accurately reflects the time delay of the flow sensor in the set flow rate is one in which the sensing mechanism includes a fluid resistance, a first pressure sensor provided upstream of the fluid resistance, and a second pressure sensor provided downstream of the fluid resistance; the flow rate calculation unit includes a coefficient determination unit that determines the flow path resistance, which is the flow characteristic value, based on the first pressure and second pressure, which are measured values indicated by the output signals of the first pressure sensor and the second pressure sensor; and an output unit that calculates the flow rate based on the first pressure, the second pressure, and the flow path resistance; and the reference governor is configured to calculate the set flow rate based on the flow path resistance determined by the coefficient determination unit and the command flow rate, and set the set flow rate in the flow rate controller.
流路に設けられた第1バルブと、前記流路において前記第1バルブよりも下流側に設けられた第2バルブと、前記流路において前記第1バルブと前記第2バルブの間に設けられた流体抵抗と、前記流路において前記第1バルブと前記流体抵抗との間の容積である第1容積内の圧力を測定する第1圧力センサと、前記流路において前記流体抵抗と前記第2バルブとの間の容積である第2容積内の圧力を測定する第2圧力センサと、前記第1圧力センサで測定される第1圧力と前記第2圧力センサで測定される第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流量算出部と、を備えた流量制御装置において、前記第1容積の大きさについて正確に同定できるようにし、製造誤差等があったとしても前記第1容積の大きさから定められる各種パラメータを機器ごとに適切に設定して流量制御の精度をさらに向上させられるようにするには、前記第1容積又は前記第2容積の容積について診断する診断器と、を備え、前記診断器が、前記第1バルブが開放され、前記第2バルブが閉止されている状態において、所定期間に亘って前記流量算出部が算出する流量の積算値と、前記所定期間における前記第1圧力の変化量とに基づいて前記第1容積の大きさを算出するものであればよい。 a first valve provided in a flow path; a second valve provided in the flow path downstream of the first valve; a fluid resistor provided in the flow path between the first valve and the second valve; a first pressure sensor that measures the pressure in a first volume in the flow path that is the volume between the first valve and the fluid resistor; a second pressure sensor that measures the pressure in a second volume in the flow path that is the volume between the fluid resistor and the second valve; and a flow rate calculation unit that calculates the flow rate of the fluid flowing through the fluid resistor based on the first pressure measured by the first pressure sensor and the second pressure measured by the second pressure sensor. In a flow control device, to enable accurate identification of the size of the first volume and to further improve the accuracy of flow control by appropriately setting various parameters determined from the size of the first volume for each device even in the presence of manufacturing errors, etc., it is sufficient if the device is equipped with a diagnoser that diagnoses the volume of the first volume or the second volume, and the diagnoser calculates the size of the first volume based on the integrated value of the flow rate calculated by the flow rate calculation unit over a predetermined period of time and the amount of change in the first pressure over the predetermined period of time when the first valve is open and the second valve is closed.
前記第2容積の大きさについても正確に同定できるようにするには、前記診断器が、前記第2バルブが開放され、前記第1バルブが閉止されている状態において、所定期間に亘って前記流量算出部が算出する流量の積算値と、前記所定期間における前記第2圧力の変化量とに基づいて前記第2容積の大きさを算出するものであればよい。 To accurately identify the size of the second volume, the diagnoser needs only to calculate the size of the second volume based on the integrated value of the flow rate calculated by the flow rate calculation unit over a predetermined period of time while the second valve is open and the first valve is closed, and the amount of change in the second pressure over the predetermined period of time.
大きさを同定した容積内への流体の流出又は流入が安定した状態となっており、同定誤差を発生しにくくするには、前記所定期間が、前記第1圧力と前記第2圧力の差の絶対値が最大となってから前記第1圧力と前記第2圧力が等しくなるまでの期間であればよい。 To ensure that the flow of fluid into or out of the volume whose size has been identified is stable and identification errors are less likely to occur, the specified period should be the period from when the absolute value of the difference between the first pressure and the second pressure reaches its maximum until the first pressure and the second pressure become equal.
同定された前記第1容積及び前記第2容積の大きさについて、別の方法でその正しいを検定できるようにするには、前記診断器が、前記所定期間の開始時点における前記第1圧力と前記所定期間の終了時点における前記第1圧力の差と、前記所定期間の開始時点における前記第2圧力と前記所定期間の終了時点における前記第2圧力の差に基づいて、前記第1容積と前記第2容積との間の容積比を算出するものが挙げられる。 To enable the correctness of the identified sizes of the first volume and the second volume to be verified using another method, the diagnostic device may calculate a volume ratio between the first volume and the second volume based on the difference between the first pressure at the start of the specified period and the first pressure at the end of the specified period, and the difference between the second pressure at the start of the specified period and the second pressure at the end of the specified period.
このように本発明に係る流量制御装置であれば、前記第2バルブが流量フィードバックにより制御され、前記第2バルブの上流側にある前記第1バルブが前記第2バルブの開度に関連する制御量が目標量と一致するように制御することにより、小流量を流す場合には流量センサの感度や測定精度が発揮されるような低圧を実現しつつ、大流量を流す場合には各種圧損や下流側の圧力を上回れるような圧力差を実現することもできる。 In this way, with the flow control device of the present invention, the second valve is controlled by flow rate feedback, and the first valve, which is located upstream of the second valve, is controlled so that the control amount related to the opening of the second valve matches the target amount. This allows for low pressure that demonstrates the sensitivity and measurement accuracy of the flow sensor when flowing small amounts of flow, while also allowing for a pressure difference that overcomes various pressure losses and downstream pressure when flowing large amounts of flow.
本発明の第1実施形態における流量制御装置100について図1乃至図4を参照しながら説明する。 The flow control device 100 according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to Figures 1 to 4.
一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プラズマが生成されるチャンバ内に反応性ガスを予め定められた設定流量で供給するために用いられるものである。具体的にはこの流量制御装置100は、チャンバ内でドライエッチングを進行させるプロセス期間中は所定流量の反応性ガスを供給する。また、この流量制御装置100は、プロセスの休止期間中にはチャンバ内にプラズマを維持するために必要最小限の流量である維持流量で供給する。維持流量は、例えばチャンバ内に微粒子(ダスト)によりクーロン結晶が形成され、チャンバ内の基板に微粒子が休止期間中に堆積しないようにできる反応性ガスの流量となる。 In one embodiment, the flow rate control device 100 is used to supply reactive gas at a predetermined set flow rate into a chamber where plasma is generated, for example, in a semiconductor manufacturing process. Specifically, the flow rate control device 100 supplies reactive gas at a predetermined flow rate during the process period in which dry etching is progressing in the chamber. In addition, the flow rate control device 100 supplies reactive gas at a maintenance flow rate, which is the minimum flow rate necessary to maintain plasma in the chamber, during process pauses. The maintenance flow rate is a flow rate of reactive gas that prevents, for example, Coulomb crystals from being formed by particulates (dust) in the chamber and prevents particulates from depositing on substrates in the chamber during pauses.
図1に示すように流量制御装置100は、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演算機構COMと、を備えている。 As shown in FIG. 1, the flow control device 100 includes a fluid device consisting of a sensor and a valve provided in a flow path, and a control and calculation mechanism COM that controls the fluid device.
流体機器は、流路に対して設けられた、供給圧センサP0、第1バルブV1、第1圧力センサP1、流体抵抗FR、第2圧力センサP2、第2バルブV2からなる。各機器は上流側からこの順番で設けられている。 The fluid equipment consists of a supply pressure sensor P0, a first valve V1, a first pressure sensor P1, a fluid resistance FR, a second pressure sensor P2, and a second valve V2, all of which are installed in the flow path. Each device is installed in this order from the upstream side.
ここで、流体抵抗FRは層流素子であり、その前後の差圧に応じて当該流体抵抗FR内に流れるガスの流量が生じる。第1圧力センサP1、流体抵抗FR、第2圧力センサP2、及び、後述する流量算出部FCは第1バルブV1と第2バルブV2との間の流路を流れる流体の流量を測定する流量センサFSを構成する。すなわち、第1圧力センサP1、流体抵抗FR、及び、第2圧力センサP2は流路に流れる流体の流量に応じた出力信号を出力するセンシング機構SMであり、流量算出部FCはセンシング機構SMの出力信号に基づいて流路を流れている流体の流量を算出する。この流量センサFSはいわゆる圧力式の流量センサであるため、各圧力センサで測定される圧力が低いほど測定される流量の測定精度が高くなる特性を有している。本実施形態では流量制御装置100の設けられている流路は真空引きされているチャンバに接続されている。したがって、第1バルブV1及び第2バルブV2との間の容積内の圧力を所定値以下に低下させるには、第1バルブV1は全閉側の開度に保ち流入する流体の量を減らし、第2バルブV2を所定開度に以上に保ち、容積内の流体が第2バルブV2を通過しやすくすればよい。 Here, the fluid resistance FR is a laminar flow element, and the flow rate of gas flowing through the fluid resistance FR is determined by the pressure difference between its upstream and downstream sides. The first pressure sensor P1, the fluid resistance FR, the second pressure sensor P2, and the flow rate calculation unit FC (described later) constitute a flow rate sensor FS that measures the flow rate of fluid flowing through the flow path between the first valve V1 and the second valve V2. In other words, the first pressure sensor P1, the fluid resistance FR, and the second pressure sensor P2 constitute a sensing mechanism SM that outputs an output signal corresponding to the flow rate of fluid flowing through the flow path, and the flow rate calculation unit FC calculates the flow rate of fluid flowing through the flow path based on the output signal of the sensing mechanism SM. Because this flow rate sensor FS is a so-called pressure-type flow rate sensor, it has the characteristic that the lower the pressure measured by each pressure sensor, the higher the measurement accuracy of the flow rate. In this embodiment, the flow path in which the flow control device 100 is installed is connected to a vacuum chamber. Therefore, to reduce the pressure in the volume between the first valve V1 and the second valve V2 to below a predetermined value, the first valve V1 is kept at a fully closed position to reduce the amount of fluid flowing in, and the second valve V2 is kept at a predetermined position or higher to make it easier for the fluid in the volume to pass through the second valve V2.
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。 The supply pressure sensor P0 is used to monitor the pressure of the gas supplied from the upstream side. Note that the supply pressure sensor P0 may be omitted if it is guaranteed that the supply pressure is stable.
第1圧力センサP1は、流路において第1バルブV1と流体抵抗FRとの間における容積である第1容積VL1内にチャージされているガスの圧力(以下、第1圧力とも言う。)を測定するものである。 The first pressure sensor P1 measures the pressure of the gas (hereinafter also referred to as the first pressure) charged in the first volume VL1, which is the volume in the flow path between the first valve V1 and the fluid resistance FR.
第2圧力センサP2は、流路において流体抵抗FRと第2バルブV2との間における容積である第2容積VL2にチャージされているガスの圧力(以下、第2圧力とも言う。)を測定するものである。 The second pressure sensor P2 measures the pressure of the gas charged in the second volume VL2, which is the volume in the flow path between the fluid resistance FR and the second valve V2 (hereinafter also referred to as the second pressure).
このように第1圧力センサP1と第2圧力センサP2は、第1バルブV1、流体抵抗FR、第2バルブV2で形成される2つの容積である第1容積VL1、第2容積VL2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FR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。 In this way, the first pressure sensor P1 and the second pressure sensor P2 measure the pressure in the first volume VL1 and the second volume VL2, which are the two volumes formed by the first valve V1, the fluid resistance FR, and the second valve V2. In other words, the first pressure sensor P1 and the second pressure sensor P2 measure the pressure in the volumes located before and after the fluid resistance FR.
第1バルブV1、及び、第2バルブV2は、この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。なお、第2バルブV2は請求項における制御バルブにも相当する。この実施形態では第2バルブV2が流量センサの測定流量による流量フィードバック制御によってその開度が制御される。一方、第1バルブV1は第2バルブV2に印加されている電圧がフィードバックされ、その電圧が予め定めた一定値となるようにその開度が制御される。すなわち、第1バルブV1に対しては自身とは異なるバルブに印加されている電圧の情報がフィードバックされて、その開度が制御される。 In this embodiment, the first valve V1 and the second valve V2 are of the same type, for example, a piezo valve in which a valve element is driven relative to a valve seat by a piezo element. The second valve V2 also corresponds to the control valve in the claims. In this embodiment, the opening of the second valve V2 is controlled by flow rate feedback control using the flow rate measured by a flow sensor. Meanwhile, the opening of the first valve V1 is controlled by feedback of the voltage applied to the second valve V2 so that the voltage remains at a predetermined constant value. In other words, the opening of the first valve V1 is controlled by feedback of information about the voltage applied to a valve other than itself.
次に制御演算機構COMについて詳述する。制御演算機構COMは、例えばCPU、メモリ、A/D・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体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、流量算出部FC、流量制御器1、第1バルブ制御器2、リファレンスガバナ3としての機能を少なくとも発揮する。 Next, the control and calculation mechanism COM will be described in detail. The control and calculation mechanism COM is a so-called computer equipped with, for example, a CPU, memory, A/D and D/A converters, input/output means, etc., and by executing a fluid control device program stored in the memory and various devices working together, it performs at least the functions of the flow rate calculation unit FC, flow rate controller 1, first valve controller 2, and reference governor 3.
流量算出部FCは、センシング機構SMの出力信号の示す測定値と、測定値に応じた流量特性値とに基づいて流量を算出する。具体的には流量算出部FCは、センシング機構SMの出力信号の示す測定値である流体抵抗FRの上流側の圧力である第1圧力と下流側の圧力である第2圧力に基づいて、流体抵抗FR内を流れている流体の流量を算出する。ここで、流量算出部FCは、第1圧力と第2圧力だけでなく、流体抵抗FRの特性に応じて定まる流量特性値に基づいて流量を算出する。 The flow rate calculation unit FC calculates the flow rate based on the measurement value indicated by the output signal of the sensing mechanism SM and a flow rate characteristic value corresponding to the measurement value. Specifically, the flow rate calculation unit FC calculates the flow rate of the fluid flowing through the fluid resistance FR based on the first pressure, which is the pressure upstream of the fluid resistance FR, and the second pressure, which is the pressure downstream of the fluid resistance FR, which are the measurement values indicated by the output signal of the sensing mechanism SM. Here, the flow rate calculation unit FC calculates the flow rate not only based on the first pressure and second pressure, but also based on the flow rate characteristic value determined according to the characteristics of the fluid resistance FR.
すなわち、流量算出部FCは、第1圧力、及び、第2圧力に基づいて流量特性値である流路抵抗を決定する係数決定部FC1と、第1圧力、第2圧力、流路抵抗とに基づいて流量を算出し流量制御器1に出力する出力部FC2とからなる。 That is, the flow rate calculation unit FC consists of a coefficient determination unit FC1 that determines the flow rate characteristic value, or flow path resistance, based on the first pressure and the second pressure, and an output unit FC2 that calculates the flow rate based on the first pressure, the second pressure, and the flow path resistance and outputs it to the flow rate controller 1.
出力部FC2は、例えば流量をQ、流路抵抗をR、第1圧力をP1、第2圧力をP2とした場合にQ=(P1-P2)/Rの式に基づいて流量を算出する。ここで、流路抵抗Rは第1圧力P1及び第2圧力P2の影響を受けて変化する。 For example, when the flow rate is Q, the flow path resistance is R, the first pressure is P1 , and the second pressure is P2 , the output unit FC2 calculates the flow rate based on the formula Q = ( P1 - P2 ) / R. Here, the flow path resistance R changes under the influence of the first pressure P1 and the second pressure P2 .
係数決定部FC1は、例えば第1圧力P1と、第1圧力P1と第2圧力P2の差圧ΔPから流量特性値である流路抵抗Rを決定する。係数決定部FC1は、例えば流路抵抗Rを第1圧力P1、と差圧をパラメータとする多変数関数から算出するように構成してもよいし、予め実験等により決定した流路抵抗R、第1圧力、差圧のテーブルを参照して流路抵抗Rを決定するように構成してもよい。 The coefficient determination unit FC1 determines the flow path resistance R, which is a flow rate characteristic value, from, for example, the first pressure P1 and the differential pressure ΔP between the first pressure P1 and the second pressure P2 . The coefficient determination unit FC1 may be configured to calculate the flow path resistance R from a multivariate function with the first pressure P1 and the differential pressure as parameters, or may be configured to determine the flow path resistance R by referring to a table of the flow path resistance R, the first pressure, and the differential pressure determined in advance by an experiment or the like.
流量制御器1は、リファレンスガバナ3により設定される設定流量と、流量センサで測定されている測定流量との偏差が小さくなるように例えばPID制御によって第2バルブV2に入力される操作量である印加電圧を流量フィードバック制御する。 The flow rate controller 1 performs flow rate feedback control of the applied voltage, which is the manipulated variable input to the second valve V2, using, for example, PID control, so as to minimize the deviation between the set flow rate set by the reference governor 3 and the measured flow rate measured by the flow rate sensor.
この実施形態では設定流量は、ユーザによって例えばステップ関数や折れ線関数等として入力される指令流量がリファレンスガバナ3によって、流量センサの測定流量の時間遅れが反映された連続関数に変換されたものである。 In this embodiment, the set flow rate is a command flow rate input by the user, for example as a step function or broken line function, which is converted by the reference governor 3 into a continuous function that reflects the time delay of the flow rate measured by the flow sensor.
第1バルブ制御器2は、第2バルブV2に入力される操作量である印加電圧を制御量とし、当該制御量と目標量との偏差が小さくなるように前記第1バルブV1への印加電圧を制御する。ここで、目標量は例えばユーザによって設定される値であり、第2バルブV2において維持し続けたい開度に相当する維持電圧値である。本実施形態では維持電圧値に相当する開度は、第2バルブV2の全開側の開度であり、チャンバからの真空引きにより第1バルブV1と第2バルブV2との間の容積が、流量センサの動作に適した所定圧力以下の状態が実現される。また、維持電圧値は定数であり、常に一定の値として設定される。通常第1バルブV1の開度を制御するのであれば、第1バルブV1に関する情報、あるいは、第1バルブV1によって直接的に操作される流量の物理量をフィードバックして制御するところ、第1バルブ制御器2は第2バルブV2に関する情報をフィードバックして第1バルブV1の開度を制御する。 The first valve controller 2 uses the applied voltage, which is the manipulated variable input to the second valve V2, as a control variable and controls the applied voltage to the first valve V1 so as to minimize the deviation between the controlled variable and a target variable. Here, the target variable is, for example, a value set by the user, and is a maintenance voltage value corresponding to the opening degree desired to be maintained at the second valve V2. In this embodiment, the opening degree corresponding to the maintenance voltage value is the fully open opening degree of the second valve V2, and by drawing a vacuum from the chamber, the volume between the first valve V1 and the second valve V2 is maintained at or below a predetermined pressure suitable for the operation of the flow sensor. Furthermore, the maintenance voltage value is a constant and is always set to a fixed value. Normally, the opening degree of the first valve V1 is controlled by feedbacking information about the first valve V1 or the physical quantity of the flow rate directly operated by the first valve V1. However, the first valve controller 2 controls the opening degree of the first valve V1 by feedbacking information about the second valve V2.
より具体的には第1バルブ制御器2は、第2バルブV2が目標の開度で維持されるように第2バルブV2への印加電圧の大きさに応じて、流量センサ及び第2バルブV2へと供給される流体の流量を変化させる。つまり、第1バルブ制御器2は、維持電圧値に対して第2バルブV2への印加電圧が小さくなっており、第2バルブV2の開度が目標の開度よりも小さくなっている場合には、第2バルブV2への流体の供給量を減らすように第1バルブV1への印加電圧を減少させて、第1バルブV1の開度を小さくする。逆に第2バルブV2の開度が目標の開度よりも大きくなっている場合には、第2バルブV2への流体の供給量を増やすように第1バルブV1への印加電圧を増加させて、第1バルブV1の開度を大きくする。 More specifically, the first valve controller 2 changes the flow rate of fluid supplied to the flow sensor and the second valve V2 according to the magnitude of the voltage applied to the second valve V2 so that the second valve V2 is maintained at a target opening. In other words, when the voltage applied to the second valve V2 is small relative to the maintenance voltage value and the opening of the second valve V2 is smaller than the target opening, the first valve controller 2 reduces the voltage applied to the first valve V1 to reduce the amount of fluid supplied to the second valve V2, thereby reducing the opening of the first valve V1. Conversely, when the opening of the second valve V2 is larger than the target opening, the first valve controller 2 increases the voltage applied to the first valve V1 to increase the amount of fluid supplied to the second valve V2, thereby increasing the opening of the first valve V1.
ここで、このように構成された流量制御器1と第1バルブ制御器2とが協調してどのように動作するかについて図2及び図3を参照しながら説明する。この説明では簡単のため、図2に示すようにリファレンスガバナ3の影響については省略してある。また、設定流量については図3に示すようにプロセス期間中の所定の流量から休止期間中の維持流量へと折れ線関数で変化する場合を例としており、グラフには第1バルブV1及び第2バルブV2への印加電圧の時間変化が示してある。 Now, with reference to Figures 2 and 3, we will explain how the flow rate controller 1 and first valve controller 2 configured in this manner work together. For simplicity, the influence of the reference governor 3 has been omitted in this explanation, as shown in Figure 2. Furthermore, as shown in Figure 3, the set flow rate is assumed to change in a broken line function from a predetermined flow rate during the process period to a maintenance flow rate during the pause period, and the graph shows the change over time in the voltage applied to the first valve V1 and the second valve V2.
プロセス期間中において所定の流量で安定供給されている間は、第1バルブV1への印加電圧V1及び第2バルブV2への印加電圧V2はそれぞれほぼ一定値で安定する。この期間における第2バルブV2への印加電圧V2の値は、第1バルブ制御器2に入力されている目標量の維持電圧値とほぼ一致する。 During the process, while a stable supply is maintained at a predetermined flow rate, the voltage V1 applied to the first valve V1 and the voltage V2 applied to the second valve V2 are stabilized at approximately constant values. During this period, the value of the voltage V2 applied to the second valve V2 is approximately equal to the voltage value input to the first valve controller 2 to maintain the target amount.
次にプロセス期間と休止期間との間の遷移期間では、流量制御器1に入力されている設定流量は所定の流量から維持流量へと短時間で大きく変化するので、流量センサの出力する測定流量よりも設定流量のほうが小さくなり、偏差が発生する。このため、流量制御器1は測定流量が小さくなるように第2バルブV2の開度が小さくなるように印加電圧V2を低下させていく。 Next, during the transition period between the process period and the pause period, the set flow rate input to the flow controller 1 changes significantly in a short period of time from the specified flow rate to the maintenance flow rate, so the set flow rate becomes smaller than the measured flow rate output by the flow sensor, resulting in a deviation. For this reason, the flow controller 1 reduces the applied voltage V2 so that the opening of the second valve V2 decreases and the measured flow rate decreases.
図3に示すように遷移期間において第2バルブV2への印加電圧V2が変化すると、目標量である維持電圧値よりも制御量である印加電圧V2が小さくなり偏差が発生する。したがって、第1バルブ制御器2はこの偏差を解消するために、第1バルブV1への印加電圧V1を低下させて、第1バルブV1の開度を小さくして、第2バルブV2への流体の供給量を減少させ始める。 As shown in Figure 3, when the applied voltage V2 to the second valve V2 changes during the transition period, the applied voltage V2, which is the controlled variable, becomes smaller than the target maintenance voltage value, resulting in a deviation. Therefore, in order to eliminate this deviation, the first valve controller 2 reduces the applied voltage V1 to the first valve V1, reducing the opening of the first valve V1 and beginning to reduce the amount of fluid supplied to the second valve V2.
休止期間の初期においては、第1バルブV1からの流体の供給が減少すると、流量センサで測定される測定流量も減少するので、維持流量よりも測定流量が小さくなり偏差が生じる。このため、流量制御器1は前記第2バルブV2を通過する流体の流量を増加させるために第2バルブV2の開度を大きくして、測定流量を維持流量に戻そうとする。また、第2バルブV2の印加電圧V2は維持電圧よりも小さい状態は維持されているので、第1バルブ制御器2は引き続き、第1バルブV1への印加電圧V1を低下させて、第2バルブV2への流体の供給量を減少させ続ける。このような動作が制御周期ごとに繰り返されることにより、第2バルブV2への印加電圧V2は上昇し続け、第1バルブV1への印加電圧V1は低下し続けることになる。このような傾向は最終的に第2バルブV2への印加電圧V2が目標である維持電圧と一致するまで継続されることになる。最終的には、第2バルブV2への印加電圧V2は維持電圧で保たれ、第1バルブV1への印加電圧V1は第2バルブV2の印加電圧V2が目標である維持電圧と一致した時点の電圧で一定に保たれる。 During the initial period of the pause, as the fluid supply from the first valve V1 decreases, the measured flow rate measured by the flow sensor also decreases, resulting in a deviation below the maintenance flow rate. Therefore, the flow controller 1 attempts to increase the flow rate of fluid passing through the second valve V2 by increasing the opening of the second valve V2, thereby restoring the measured flow rate to the maintenance flow rate. Furthermore, because the applied voltage V2 to the second valve V2 remains lower than the maintenance voltage, the first valve controller 2 continues to reduce the applied voltage V1 to the first valve V1, thereby reducing the amount of fluid supplied to the second valve V2. This operation is repeated every control cycle, causing the applied voltage V2 to continue to increase and the applied voltage V1 to the first valve V1 to continue to decrease. This trend continues until the applied voltage V2 to the second valve V2 eventually matches the target maintenance voltage. Ultimately, the voltage V2 applied to the second valve V2 is maintained at the maintenance voltage, and the voltage V1 applied to the first valve V1 is maintained constant at the voltage at which the voltage V2 applied to the second valve V2 matches the target maintenance voltage.
このように休止期間の初期では第2バルブV2の開度が全閉近傍に変化することにより維持流量が実現され、その後は第1バルブV1の開度が徐々に小さく変更されるのに対応して、第2バルブV2の開度が徐々に大きく変更される。このため、第1バルブV1と第2バルブV2の開度がそれぞれ変更されても第2バルブV2から流出する流体の流量は維持流量で保たれる。このようにして、設定流量に変化がある場合でも最終的には第2バルブV2の開度は目標量である維持電圧値に収束することになる。また、小流量を流す場合には、流量センサFSの設けられている容積の圧力は感度や測定精度が最も良くなる圧力まで低下させることができる。一方、大流量を流す場合には、第1バルブV1の開度は大きい状態に保たれ、流体の流入が増加するので、第1圧力の値を流体抵抗FRである層流素子や第2バルブV2の圧損、及び、第2バルブV2の下流側の圧力を上回るようにして、大流量を実現できる。 In this way, during the initial period of the pause, the opening of the second valve V2 changes to near full closure, achieving a maintenance flow rate. Thereafter, the opening of the first valve V1 is gradually decreased, and the opening of the second valve V2 is gradually increased accordingly. Therefore, even if the openings of the first valve V1 and the second valve V2 are changed, the flow rate of fluid flowing out of the second valve V2 is maintained at the maintenance flow rate. In this way, even if the set flow rate changes, the opening of the second valve V2 eventually converges to the target maintenance voltage value. Furthermore, when a small flow rate is flowing, the pressure in the volume where the flow sensor FS is installed can be reduced to the pressure that maximizes sensitivity and measurement accuracy. On the other hand, when a large flow rate is flowing, the opening of the first valve V1 is maintained at a large value, increasing the inflow of fluid. This increases the first pressure value, exceeding the pressure loss of the laminar flow element and the second valve V2 (which are fluid resistance FR), as well as the pressure downstream of the second valve V2, thereby achieving a large flow rate.
次にリファレンスガバナ3について図1及び図4を参照しながら説明する。 Next, the reference governor 3 will be explained with reference to Figures 1 and 4.
リファレンスガバナ3は、ユーザにより入力される指令流量に対してセンシング機構SMの出力信号の示す測定値に応じた時間遅れを付与した設定流量を流量制御器1に設定する。具体的には図1に示すようにリファレンスガバナ3には各制御周期において流量センサの流量算出部FCで使用されている流量特性値が逐次フィードバックされる。リファレンスガバナ3は、フィードバックされた流量特性値に応じた係数を使用して指令流量から設定流量を算出し、流量制御器1に対して入力する。 The reference governor 3 sets a set flow rate in the flow controller 1, which is a command flow rate input by the user with a time delay corresponding to the measurement value indicated by the output signal of the sensing mechanism SM. Specifically, as shown in Figure 1, the flow characteristic value used by the flow calculation unit FC of the flow sensor is sequentially fed back to the reference governor 3 in each control cycle. The reference governor 3 calculates the set flow rate from the command flow rate using a coefficient corresponding to the fed-back flow characteristic value, and inputs it to the flow controller 1.
具体的には図4に示すようにリファレンスガバナ3は、流路抵抗をR、流量センサが測定対象とする容積をVとした場合に、1/(1+RVs)として表現される一時遅れ要素として作用するものである。ここで、Rは定数ではなく、第1圧力P1と、第1圧力と第2圧力の差圧ΔPをパラメータとする変数である。このように指令流量に対して一時遅れ要素としてリファレンスガバナ3が作用すると、出力される設定流量には流量センサの時間遅れが反映されたものとなる。すなわち、第2バルブV2の上流側に流量センサが設けられているので、容積分だけ第2バルブV2に流れている流量に対して流量センサの測定流量には所定の時間遅れが第1圧力P1と差圧ΔPに応じて発生している。本実施形態ではリファレンスガバナ3によって設定流量にもこのような流量センサにおける時間遅れが反映された値が入力されている。この結果、設定流量が所定の値から維持流量のような全閉に近い開度に相当する流量に変更されたとしても、流量制御器1において過剰な偏差が発生するのを防ぎ、瞬間的に第2バルブV2が全閉されてしまうのを防ぐことができる。したがって、休止期間においてプラズマを生成し続けるのに必要な最低限の流量を途切れることなく供給することが可能となる。 Specifically, as shown in FIG. 4 , the reference governor 3 acts as a first-order lag element expressed as 1/(1 + RVs), where R is the flow resistance and V is the volume measured by the flow sensor. Here, R is not a constant but a variable with parameters of the first pressure P1 and the differential pressure ΔP between the first and second pressures. When the reference governor 3 acts as a first-order lag element on the command flow rate, the output set flow rate reflects the time delay of the flow sensor. That is, because the flow sensor is provided upstream of the second valve V2, a predetermined time delay occurs in the measured flow rate of the flow sensor relative to the flow rate flowing through the second valve V2 by the volume, depending on the first pressure P1 and the differential pressure ΔP. In this embodiment, the reference governor 3 also inputs a value that reflects the time delay of the flow sensor into the set flow rate. As a result, even if the set flow rate is changed from a predetermined value to a flow rate equivalent to a nearly fully closed position, such as the maintenance flow rate, it is possible to prevent excessive deviation from occurring in the flow controller 1 and prevent the second valve V2 from being momentarily fully closed. Therefore, it is possible to continuously supply the minimum flow rate necessary to continue generating plasma during the pause period.
このように本実施形態の流量制御装置100によれば、流量制御器1と第1バルブ制御器2の制御によって、設定流量に変化があったとしても第2バルブV2の開度は維持電圧に相当する全開側の開度で一定に保つことができる。したがって、流量制御装置100における下流側から十分な量の流体を排気し、流量センサのセンシング機構SMにおける圧力を測定精度が発揮される低圧に保つ事が可能となる。このため、流量制御装置100としての流量精度を従来よりも向上させることができる。また、大流量を流す場合には第1バルブV1の開度が大きくなるように変更され、流体の流入が増加し、大流量を実現するのに必要な差圧も実現できる。すなわち、本実施形態の流量制御装置100は、小流量を流す場合は低圧状態を実現でき、大流量を流す場合には高圧状態を実現できるので、小流量での流量制御精度と大流量の供給能力を両立させることができる。 As described above, with the flow control device 100 of this embodiment, the control of the flow controller 1 and the first valve controller 2 allows the aperture of the second valve V2 to be kept constant at the fully open aperture corresponding to the maintenance voltage, even if the set flow rate changes. Therefore, a sufficient amount of fluid can be exhausted from the downstream side of the flow control device 100, and the pressure in the sensing mechanism SM of the flow sensor can be maintained at a low pressure at which measurement accuracy is demonstrated. This allows the flow rate accuracy of the flow control device 100 to be improved compared to conventional methods. Furthermore, when a large flow rate is required, the aperture of the first valve V1 is increased, increasing the inflow of fluid and achieving the differential pressure required to achieve a large flow rate. In other words, the flow control device 100 of this embodiment can achieve a low-pressure state when a small flow rate is required and a high-pressure state when a large flow rate is required, thereby achieving both flow rate control accuracy at small flow rates and the ability to supply a large flow rate.
さらに、リファレンスガバナ3によって設定される設定流量は、第1圧力、第2圧力の影響を受ける流量センサの時間遅れについても忠実に再現しているので、設定流量が大きく変化する場合でも流量制御器1に過大な偏差が瞬間的に発生して全閉状態が発生するのを防ぐことができる。このため、プロセスの休止期間中において維持流量を実現するために第2バルブV2が閉じられていく場合に、瞬間的に全閉となるのを防ぐことができる。したがって、チャンバ内には常にプラズマを生成するのに必要な反応性ガスを供給し続けることができ、チャンバ内の微粒子等が基板に堆積するのを防ぐことができる。 Furthermore, the set flow rate set by the reference governor 3 faithfully reproduces the time delay of the flow sensor, which is affected by the first and second pressures. This prevents the flow controller 1 from momentarily experiencing excessive deviations and resulting in a fully closed state, even when the set flow rate changes significantly. This prevents the second valve V2 from momentarily becoming fully closed when it is closed to maintain the flow rate during process pauses. This means that the reactive gas required to generate plasma can be continuously supplied to the chamber at all times, preventing particles and the like in the chamber from depositing on the substrate.
本発明のその他の実施形態における流量制御装置について説明する。 Flow control devices in other embodiments of the present invention will now be described.
図9に示す流量制御装置100は、第1容積VL1及び第2容積VL2の大きさを流量センサFSの各出力に基づいて同定する診断器Dを備えたものである。なお、図9では前述した実施形態において説明した流量制御に関連する流量制御器1、第1バルブ制御器2、リファレンスガバナ3については省略表記している。また、この実施形態の診断器Dは、流路に対して第1バルブV1、第1圧力センサP1、流体抵抗FR、第2圧力センサP2、第2バルブV2がこの順番で設けられている流量制御装置100を診断対象としている。 The flow control device 100 shown in Figure 9 is equipped with a diagnoser D that identifies the size of the first volume VL1 and the second volume VL2 based on the outputs of the flow sensor FS. Note that Figure 9 omits the flow controller 1, first valve controller 2, and reference governor 3, which are related to the flow control described in the previous embodiment. The diagnoser D in this embodiment diagnoses a flow control device 100 in which a first valve V1, a first pressure sensor P1, a fluid resistance FR, a second pressure sensor P2, and a second valve V2 are provided in this order in the flow path.
図9に示す診断器Dは、第1バルブV1と流量センサFSの一部である流体抵抗FRとの間に形成される内部空間である第1容積VL1及び第2容積VL2の大きさについて、第1圧力センサP1、第2圧力センサP2、流量センサFS、及び、図示しない温度センサの出力に基づいて同定する。ここで、流体抵抗FRは、図10に示すように微細な溝が形成された流れ方向に沿って形成されたプレートPLを積層した層流素子である。第1容積VL1、及び、第2容積VL2の大きさは、図10に示すように流体抵抗FRに関連する各種パラメータによって設計値からばらつきが発生する。すなわち、従来であれば流体抵抗FRの上流側端面において層流が成立すると考えられていたため、流体抵抗FRの下流端面は設計上の流体抵抗FRの上流端位置を基準として算出されていた。しかしながら、実際には流体抵抗FRの位置は加工機差等により設計上の位置からずれているととともに、層流LFが形成される面LF1も流体抵抗FRの端面よりも一定距離内側から発生する。このため、流体抵抗FRの設計上の端面位置及びシール面SLで第1容積VL1の大きさを算出すると実際の値からずれが生じていることを本願発明者らは見出した。また、同様に第2容積VL2の大きさも流体抵抗FRの下流側端面の位置ずれや、層流LFが最終的に破壊される面LF2が流体抵抗FRの外側に発生すること等により設計上の大きさからはずれが生じている。 The diagnostic device D shown in FIG. 9 identifies the size of the first volume VL1 and the second volume VL2, which are the internal spaces formed between the first valve V1 and the fluid resistance FR, which is part of the flow sensor FS, based on the outputs of the first pressure sensor P1, the second pressure sensor P2, the flow sensor FS, and a temperature sensor (not shown). The fluid resistance FR is a laminar flow element formed by stacking plates PL with fine grooves formed along the flow direction, as shown in FIG. 10. The sizes of the first volume VL1 and the second volume VL2 vary from the design values depending on various parameters related to the fluid resistance FR, as shown in FIG. 10. In other words, in the past, laminar flow was assumed to occur at the upstream end face of the fluid resistance FR, and the downstream end face of the fluid resistance FR was calculated based on the upstream end position of the designed fluid resistance FR. However, in reality, the position of the fluid resistance FR deviates from the design position due to differences in machining equipment, etc., and the surface LF1 where the laminar flow LF is formed also occurs a certain distance inward from the end face of the fluid resistance FR. For this reason, the inventors discovered that when the size of the first volume VL1 is calculated based on the designed end face position of the fluid resistance FR and the seal surface SL, it deviates from the actual value. Similarly, the size of the second volume VL2 also deviates from the designed size due to factors such as a misalignment of the downstream end face of the fluid resistance FR and the surface LF2 where the laminar flow LF ultimately breaks down occurring outside the fluid resistance FR.
診断器Dは、例えば流量制御装置100において用いられる制御モデルの精度を向上させるために、上述したような第1容積VL1、第2容積VL2の大きさのずれを低減する。具体的に診断器Dは、図9に示すように少なくとも診断動作制御部D1、第1容積算出部D2、第2容積算出部D3、容積比算出部D4、校正部D5としての機能を備えたものである。以下では図11、図12、図13のフローチャートを参照しながら各部の構成及び動作について詳述する。 The diagnoser D reduces the discrepancy in the magnitude of the first volume VL1 and second volume VL2, as described above, in order to improve the accuracy of the control model used in the flow control device 100, for example. Specifically, as shown in FIG. 9, the diagnoser D has the functions of at least a diagnostic operation control unit D1, a first volume calculation unit D2, a second volume calculation unit D3, a volume ratio calculation unit D4, and a calibration unit D5. The configuration and operation of each unit will be described in detail below with reference to the flowcharts in FIGS. 11, 12, and 13.
最初に図11に示すフローチャートに基づいて第2容積VL2の大きさの同定手順に基づいて説明する。なお、図11に示す第2容積VL2の同定手順は、流量制御装置100によるチャンバへの各種ガスの供給が行われるプロセス期間中ではなく、例えばチャンバへの各種ガスの供給が停止されている休止期間中に実施される。 First, the procedure for identifying the size of the second volume VL2 will be explained based on the flowchart shown in Figure 11. Note that the procedure for identifying the second volume VL2 shown in Figure 11 is not performed during a process period in which the flow control device 100 supplies various gases to the chamber, but rather during a pause period in which the supply of various gases to the chamber is stopped, for example.
まず、診断動作制御部D1は第1バルブV1を全閉状態に制御するとともに、第2バルブV2については全開状態に制御する。このように下流側にある第2バルブV2のみを全開状態に保ち、流量制御装置100内の第1容積VL1及び第2容積VL2のガス例えば排気流路等へ排気する(ステップS1)。 First, the diagnostic operation control unit D1 controls the first valve V1 to a fully closed state and the second valve V2 to a fully open state. In this way, only the downstream second valve V2 is kept fully open, and the gas in the first volume VL1 and second volume VL2 within the flow control device 100 is exhausted, for example, to an exhaust flow path (step S1).
次に診断動作制御部D1は第1バルブV1を全開状態に制御するとともに、第2バルブV2については全閉状態に制御する。すなわち、上流側にある第1バルブV1のみを開放した状態にすることで、流量制御装置100内の第1容積VL1及び第2容積VL2内にガスを充填して、昇圧を開始する(ステップS2)。 Next, the diagnostic operation control unit D1 controls the first valve V1 to a fully open state and the second valve V2 to a fully closed state. In other words, by leaving only the upstream first valve V1 open, gas is filled into the first volume VL1 and second volume VL2 within the flow control device 100, and pressure increase begins (step S2).
また、ガスの充填が開始された時点から、第2容積算出部D3は、第1圧力センサP1及び第2圧力センサP2による各容積内の圧力の測定を開始する(ステップS3)。 Furthermore, from the point when gas filling begins, the second volume calculation unit D3 begins measuring the pressure within each volume using the first pressure sensor P1 and the second pressure sensor P2 (step S3).
第2容積算出部D3は、第1圧力センサP1及び第2圧力センサP2で測定される各圧力の圧力差が最大となったかどうかについて判定し(ステップS4)、圧力差が最大となった時点からは第2容積算出部D3は、流量センサFSが出力する流量の積算を開始する(ステップS5)。第2容積算出部D3は、第1容積VL1及び第2容積VL2に十分な量のガスがチャージされ、第1圧力センサP1及び第2圧力センサP2で測定される各圧力が高圧側でほぼ等しくなったかどうかについて判定し(ステップS6)、各圧力が等しくなった時点で第2容積算出部D3は質量流量の積算を終了する(ステップS7)。最後に第2容積算出部D3は、算出された積算流量nを積算期間の間における第2圧力センサP2で測定される第2圧力の変化量ΔP2で割って、第2容積VL2の大きさを同定する(ステップS8)。 The second volume calculation unit D3 determines whether the pressure difference between the pressures measured by the first pressure sensor P1 and the second pressure sensor P2 has reached a maximum (step S4). Once this pressure difference reaches a maximum, the second volume calculation unit D3 begins integrating the flow rate output by the flow sensor FS (step S5). The second volume calculation unit D3 then determines whether a sufficient amount of gas has been charged into the first volume VL1 and the second volume VL2, and the pressures measured by the first pressure sensor P1 and the second pressure sensor P2 have reached a substantially equal pressure on the high-pressure side (step S6). Once these pressures are equal, the second volume calculation unit D3 terminates the integration of the mass flow rate (step S7). Finally, the second volume calculation unit D3 divides the calculated integrated flow rate n by the change ΔP2 in the second pressure measured by the second pressure sensor P2 during the integration period to determine the size of the second volume VL2 (step S8).
上記の手順で第2容積VL2を算出できる根拠は以下の通りである。流体抵抗FRを通過して第2容積VL2に流入したガスの流量の積算値は、流量の積算を行った所定期間内に流入したガスのモル数の変化量に相当するので、第2容積VL2に流入したガスについて気体の状態方程式を当てはめると、ΔP2・VL2=nRGTとなる。ここでnは流量の積算値であり、RGは気体定数、Tはガスの温度であり、所定期間中は一定温度として扱う。この気体の状態方程式を変形すれば、VL2=(nRGT)/ΔP2であることが分かる。 The reason why the second volume VL2 can be calculated using the above procedure is as follows. The integrated value of the flow rate of gas that has passed through the fluid resistance FR and flowed into the second volume VL2 corresponds to the amount of change in the number of moles of gas that flowed in within the specified period during which the flow rate was integrated. Therefore, when the gas state equation is applied to the gas that has flowed into the second volume VL2, ΔP2·VL2 = nRGT . Here, n is the integrated value of the flow rate, RG is the gas constant, and T is the temperature of the gas, which is treated as a constant temperature during the specified period. Transforming this gas state equation reveals that VL2 = ( nRGT )/ΔP2.
次に図12に示すフローチャートに基づいて第1容積VL1の大きさの同定手順に基づいて説明する。なお、図12に示す第1容積VL1の同定手順は、流量制御装置100によるチャンバへの各種ガスの供給が行われるプロセス期間中ではなく、例えばチャンバへの各種ガスの供給が停止されている休止期間中に実施される。また、第2容積VL2の同定では昇圧過程におけるガスの圧力と流量の変化を利用したが、第1容積VL1の同定では減圧過程におけるガスの圧力と流量の変化を利用する。 Next, the procedure for identifying the size of the first volume VL1 will be explained based on the flowchart shown in Figure 12. Note that the procedure for identifying the first volume VL1 shown in Figure 12 is not performed during a process period in which various gases are supplied to the chamber by the flow control device 100, but rather during a pause period in which the supply of various gases to the chamber is stopped, for example. Furthermore, while the identification of the second volume VL2 utilizes changes in gas pressure and flow rate during the pressurization process, the identification of the first volume VL1 utilizes changes in gas pressure and flow rate during the depressurization process.
まず、診断動作制御部D1は第1バルブV1を全開状態に制御するとともに、第2バルブV2を全閉状態に制御し、第1容積VL1及び第2容積VL2内の各圧力がほぼ平衡となるまで待機する(ステップST1)。次に診断動作制御部D1は第1バルブV1を全閉状態に制御するとともに、第2バルブV2を全開状態に制御し、第1容積VL1及び第2容積VL2からガスを排気させ、減圧を開始する(ステップST2)。 First, the diagnostic operation control unit D1 controls the first valve V1 to a fully open state and the second valve V2 to a fully closed state, and waits until the pressures in the first volume VL1 and the second volume VL2 are approximately equilibrated (step ST1). Next, the diagnostic operation control unit D1 controls the first valve V1 to a fully closed state and the second valve V2 to a fully open state, evacuating gas from the first volume VL1 and the second volume VL2 and starting decompression (step ST2).
また、第2バルブV2が開放された時点から、第1容積算出部D2は、第1圧力センサP1及び第2圧力センサP2による各容積内の圧力の測定を開始する(ステップST3)。 Furthermore, from the moment the second valve V2 is opened, the first volume calculation unit D2 begins measuring the pressure within each volume using the first pressure sensor P1 and the second pressure sensor P2 (step ST3).
第1容積算出部D2は、第1圧力センサP1及び第2圧力センサP2で測定される各圧力の圧力差が最大となったかどうかについて判定する(ステップST4)。圧力差が最大となった時点で第1容積算出部D2は、流量センサFSの出力する流量の積算を開始する(ステップST5)。 The first volume calculation unit D2 determines whether the pressure difference between the pressures measured by the first pressure sensor P1 and the second pressure sensor P2 has reached a maximum (step ST4). When the pressure difference reaches a maximum, the first volume calculation unit D2 begins integrating the flow rate output by the flow sensor FS (step ST5).
次に第1容積算出部D2は、第1容積VL1及び第2容積VL2から十分に排気され、第1圧力センサP1及び第2圧力センサP2で測定される各圧力が低圧側でほぼ等しくなったかどうかについて判定し(ステップST6)、各圧力が等しくなった時点で第1容積算出部D2は質量流量の積算を終了する(ステップST7)。最後に、第1容積算出部D2は、算出された積算流量nを積算期間において第1圧力センサP1で測定される第1圧力の変化量ΔP1で割って、第1容積VL1の大きさを同定する(ステップST8)。具体的には第1容積算出部D2は、第2容積算出部D3と同様に気体の状態方程式から導出されるVL1=(nRGT)/ΔP1に基づいて第1容積VL1の大きさを同定する。ここで、nは流量の積算値であり、RGは気体定数、Tはガスの温度であり、所定期間中は一定温度として扱っている。 Next, the first volume calculation unit D2 determines whether the first volume VL1 and the second volume VL2 have been sufficiently evacuated and the pressures measured by the first pressure sensor P1 and the second pressure sensor P2 are approximately equal on the low-pressure side (step ST6). When these pressures become equal, the first volume calculation unit D2 terminates the integration of the mass flow rate (step ST7). Finally, the first volume calculation unit D2 divides the calculated integrated flow rate n by the amount of change ΔP1 in the first pressure measured by the first pressure sensor P1 during the integration period to determine the size of the first volume VL1 (step ST8). Specifically, the first volume calculation unit D2, like the second volume calculation unit D3, determines the size of the first volume VL1 based on VL1 = ( nRGT )/ΔP1, which is derived from the gas state equation. Here, n is the integrated value of the flow rate, R/ G is the gas constant, and T is the gas temperature, which is treated as a constant temperature during the specified period.
次に容積比算出部D4による第1容積VL1と第2容積VL2の容積比の算出手順について図13のフローチャートを参照しながら説明する。なお、図13に示す手順は図11及び図12とは異なり、休止期間中ではなく、チャンバ内に各種ガスが供給されるプロセス期間中においても実施可能なものである。 Next, the procedure for calculating the volume ratio between the first volume VL1 and the second volume VL2 by the volume ratio calculation unit D4 will be described with reference to the flowchart in Figure 13. Note that, unlike Figures 11 and 12, the procedure shown in Figure 13 can be performed not only during a pause period, but also during a process period in which various gases are supplied into the chamber.
まず、第1バルブV1及び第2バルブV2が前述した実施形態において説明した第1バルブ制御器2及び流量制御器1による通常の流量制御が行われている状態から(ステップSP1)、診断動作制御部D1は、第1バルブV1を全閉状態に制御するとともに、第2バルブV2を全閉状態に制御する(ステップSP2)。なお、ステップSP2については診断動作制御部D1が各バルブを制御した結果ではなく、プロセス期間中に設定流量がゼロとなっている場合や、全閉指令が各バルブの制御器に入力されている結果、生じたものであってもよい。また、並行して第1圧力センサP1及び第2圧力センサP2による圧力測定が開始され(ステップSP3)、各圧力センサで測定される初期圧力について容積比算出部D4は記憶する(ステップSP4)。さらに第1容積算出部D2、及び、第2容積算出部D3は流体抵抗FRを流れるガスの流量である流量センサFSの出力する流量の積算を開始する(ステップSP5)。ここで、流量制御状態から各バルブが全閉された直後の状態では、流量制御装置100内には圧力差が存在し、第1圧力の方が第2圧力よりも高圧の状態となっている。 First, the first valve V1 and the second valve V2 are under normal flow control by the first valve controller 2 and the flow controller 1 described in the previous embodiment (step SP1). Then, the diagnostic operation control unit D1 controls the first valve V1 to a fully closed state and the second valve V2 to a fully closed state (step SP2). Note that step SP2 may not be the result of the diagnostic operation control unit D1 controlling each valve, but may occur when the set flow rate is zero during the process or when a fully closed command is input to the controller of each valve. In parallel, pressure measurements are initiated by the first pressure sensor P1 and the second pressure sensor P2 (step SP3), and the volume ratio calculation unit D4 stores the initial pressures measured by each pressure sensor (step SP4). Furthermore, the first volume calculation unit D2 and the second volume calculation unit D3 begin integrating the flow rate output by the flow sensor FS, which represents the flow rate of gas flowing through the fluid resistance FR (step SP5). Here, immediately after each valve is fully closed from the flow control state, a pressure difference exists within the flow control device 100, with the first pressure being higher than the second pressure.
容積比算出部D4は、第1圧力センサP1及び第2圧力センサP2の測定する圧力がほぼ等しくなったかどうかをについて判定する(ステップSP6)。第1圧力が低下し、第2圧力が上昇することで、各圧力がほぼ等しくなると、容積比算出部D4はその圧力を平衡点圧力として記憶するとともに(ステップSP7)、第1容積算出部D2、及び、第2容積算出部D3は流量センサFRの出力する流量の積算を終了する(ステップSP8)。 The volume ratio calculation unit D4 determines whether the pressures measured by the first pressure sensor P1 and the second pressure sensor P2 are approximately equal (step SP6). When the first pressure decreases and the second pressure increases, and the pressures become approximately equal, the volume ratio calculation unit D4 stores that pressure as the equilibrium point pressure (step SP7), and the first volume calculation unit D2 and the second volume calculation unit D3 stop integrating the flow rate output by the flow sensor FR (step SP8).
容積比算出部D4は、記憶している各初期圧力と平衡点圧力に基づいて第1容積VL1及び第2容積VL2の比を算出する(ステップSP9)。具体的には、第1圧力センサP1で測定された初期圧力をP1S、第2圧力センサP2で測定された初期圧力をP2S、平衡点圧力をPEとすると、P1S-PE:PE-P2S=VL1:VL2に基づいて第1容積VL1と第2容積VL2の容積比VL1:VL2を算出することができる。 The volume ratio calculation unit D4 calculates the ratio between the first volume VL1 and the second volume VL2 based on the stored initial pressures and equilibrium point pressures (step SP9). Specifically, if the initial pressure measured by the first pressure sensor P1 is P1S, the initial pressure measured by the second pressure sensor P2 is P2S, and the equilibrium point pressure is PE, the volume ratio VL1:VL2 between the first volume VL1 and the second volume VL2 can be calculated based on P1S-PE:PE-P2S=VL1:VL2.
また、第1容積算出部D2は積算流量nをP1S-PEで割って第1容積VL1の大きさを算出する(ステップSP10)。同様に第2容積算出部D3は積算流量nをPE-P2Sで割って第2容積VL2の大きさを算出する(ステップSP11)。より具体的にはRGは気体定数、Tはガスの温度とした場合にVL1=(nRGT)/(P1S-PE)、VL2=(nRGT)/(PE-P2S)に基づいて第1容積VL1及び第2容積VL2の大きさは算出される。 Furthermore, the first volume calculation unit D2 divides the integrated flow rate n by P1S-PE to calculate the magnitude of the first volume VL1 (step SP10). Similarly, the second volume calculation unit D3 divides the integrated flow rate n by PE-P2S to calculate the magnitude of the second volume VL2 (step SP11). More specifically, the magnitudes of the first volume VL1 and the second volume VL2 are calculated based on VL1=( nRGT )/(P1S-PE) and VL2=( nRGT )/(PE-P2S), where RGT is the gas constant and T is the gas temperature.
さらに第1容積算出部D2、第2容積算出部D3、容積比算出部D4から算出される第1容積VL1及び第2容積VL2の大きさや比に基づいて、校正部D5は流量センサFRにおいて使用されている流量の算出のためのパラメータを校正したり、第1バルブ制御器2又は流量制御器1において使用されている各種パラメータを校正したりする。 Furthermore, based on the magnitude and ratio of the first volume VL1 and the second volume VL2 calculated by the first volume calculation unit D2, the second volume calculation unit D3, and the volume ratio calculation unit D4, the calibration unit D5 calibrates the parameters used in the flow sensor FR to calculate the flow rate, and also calibrates various parameters used in the first valve controller 2 or the flow controller 1.
このように図9乃至図13に基づいて説明した流量制御装置100であれば、第1容積VL1及び第2容積VL2の大きさや比について流体抵抗FRの加工誤差等の器差や実際に層流が形成される面の位置のズレを反映した値で同定できる。したがって、第1容積VL1及び第2容積VL2がガスに対して作用する大きさを正確に得られるので、流量の算出や流量制御に用いられる各種パラメータの設定をより正確に行う事が可能となる。このため、より正確で精度の高い流量制御を実現できるようになる。 As described above, with the flow control device 100 described with reference to Figures 9 to 13, the size and ratio of the first volume VL1 and the second volume VL2 can be identified using values that reflect instrumental errors such as processing errors in the fluid resistance FR and deviations in the position of the surface where laminar flow actually occurs. Therefore, the magnitudes by which the first volume VL1 and the second volume VL2 act on the gas can be accurately obtained, making it possible to more accurately calculate the flow rate and set various parameters used in flow rate control. This makes it possible to achieve more accurate and precise flow rate control.
なお、図11乃至図13において示した手順において流量の積分値を求める区間の開始点、終了点については前述したものに限られない。例えば各圧力の差圧が最大となってから所定時間経過後から、各圧力が平衡となる所定時間前までの区間を積分区間に設定してもよい。すなわち、同定精度によっては区間をより短く設定しても構わない。 Note that the start and end points of the interval for calculating the integral value of the flow rate in the procedures shown in Figures 11 to 13 are not limited to those described above. For example, the integration interval may be set to the interval from a predetermined time after the differential pressure between each pressure reaches its maximum to a predetermined time before the pressures reach equilibrium. In other words, depending on the identification accuracy, the interval may be set shorter.
前記実施形態では、第1バルブ制御部にフィードバックされるのは第2バルブへ入力される操作量である第2バルブへの印加電圧であったが、第2バルブに変位センサを設けて第2バルブの開度を測定できるように構成しておき、変位センサで測定される測定開度を制御量として第1バルブ制御器にフィードバックするようにしてもよい。この場合、第1バルブ制御器に入力される目標量は第2バルブにおいて維持したい開度の値そのものであればよい。 In the above embodiment, what was fed back to the first valve control unit was the applied voltage to the second valve, which is the manipulated variable input to the second valve. However, the second valve may be provided with a displacement sensor so that the opening of the second valve can be measured, and the measured opening measured by the displacement sensor may be fed back to the first valve controller as a controlled variable. In this case, the target quantity input to the first valve controller simply needs to be the opening value that is desired to be maintained at the second valve.
前記実施形態から例えば図2の模式図に示したようにリファレンスガバナを省略して構成してもよい。この場合ユーザにより設定される指令流量と設定流量は完全に一致することになる。逆に図4の模式図に示したように第1バルブを省略して、流量センサ、第2バルブ(制御バルブ)、流量制御器、リファレンスガバナからなる流量制御装置として構成してもよい。また、図4の模式図に示すように流量センサの下流側に制御バルブが配置されるものに限られず、制御バルブが流量センサの上流側に配置されるものであってもよい。上流側に流量が配置されている場合には、流量センサ自体の特性による時間遅れや、制御バルブにより流量センサが上流側に設けられていることによる位相進みの両方又は一方がリファレンスガバナによって流量制御器に反映されるようにしてもよい。 The above-described embodiments may be configured without the reference governor, as shown in the schematic diagram of Figure 2. In this case, the command flow rate set by the user and the set flow rate will be completely consistent. Conversely, as shown in the schematic diagram of Figure 4, the first valve may be omitted, and a flow control device may be configured consisting of a flow sensor, a second valve (control valve), a flow controller, and a reference governor. Furthermore, the control valve is not limited to being located downstream of the flow sensor as shown in the schematic diagram of Figure 4, and the control valve may be located upstream of the flow sensor. When the flow rate is located upstream, the reference governor may reflect in the flow controller both or either a time delay due to the characteristics of the flow sensor itself and a phase lead due to the flow sensor being located upstream by the control valve.
また、流量センサの流量算出部において用いられる流量算出式についても前記実施形態において説明したものに限られない。例えば、第1圧力をP1と、第2圧力をP2、流路抵抗をRとした場合に、P1 2-P2 2と流路抵抗Rに基づいて流量を算出するようにしてもよい。また、係数決定部で決定される係数は流路抵抗Rに限られるものではなく、その他の種類の流量を算出するために必要で第1圧力又は第2圧力の影響を受けて変化するようなパラメータの値を決定してもよい。また、リファレンスガバナもこのようなパラメータを逐次フィードバックして流量制御器に対して流量センサにおける時間遅れを反映させるようにしてもよい。 Furthermore, the flow rate calculation formula used in the flow rate calculation unit of the flow sensor is not limited to that described in the above embodiment. For example, if the first pressure is P1 , the second pressure is P2 , and the flow path resistance is R, the flow rate may be calculated based on P12 - P22 and the flow path resistance R. Furthermore, the coefficient determined by the coefficient determination unit is not limited to the flow path resistance R, and the value of a parameter that is necessary to calculate other types of flow rates and that changes under the influence of the first pressure or the second pressure may be determined. Furthermore, the reference governor may also sequentially feed back such parameters to reflect the time delay in the flow rate sensor in the flow rate controller.
流量センサについては圧力式の流量センサに限られるものではなく、熱式や超音波式等の様々な方式のものであっても構わない。なお、流量センサの方式に応じて第2バルブにおいて維持し続けたい圧力が異なる場合には、第1バルブ制御器に入力される目標量を適宜変更し、流量センサにおいて維持したい圧力に応じた開度が第2バルブで実現されるようにすればよい。また、第1バルブ及び第2バルブについてもノーマルクローズタイプのものに限られず、ノーマルオープンタイプのものであってもよい。バルブのタイプに応じて電圧の印加方向が逆となるので、それに合わせて第1バルブ制御器に入力される目標量を設定すればよい。 The flow sensor is not limited to pressure-type flow sensors, and various types such as thermal and ultrasonic types may be used. If the pressure to be maintained at the second valve differs depending on the type of flow sensor, the target amount input to the first valve controller can be changed appropriately so that the second valve achieves an opening corresponding to the pressure to be maintained at the flow sensor. Furthermore, the first and second valves are not limited to normally closed types, and may be normally open types. Since the direction of voltage application is reversed depending on the valve type, the target amount input to the first valve controller can be set accordingly.
本発明は流量制御装置に限られるものではなく、例えば圧力制御装置、濃度制御装置に適用することも可能である。すなわち、第1バルブ及び第2バルブの協業によって第2バルブを通過する流体の圧力を設定圧力に一致させながら、第2バルブの開度については所望の開度に保ち続けられるようにしてもよい。あるいは、第1バルブ及び第2バルブの協業によって第2バルブを通過する流体の濃度を設定濃度に一致させながら、第2バルブの開度については所望の開度に保ち続けられるようにしてもよい。すなわち、本発明に係る流体制御装置は、流路に設けられた第1バルブと、前記流路において前記第1バルブよりも下流側に設けられた第2バルブと、前記第1バルブと前記第2バルブとの間の前記流路における流体の物理量を測定する流体センサと、前記流体センサで測定される測定量と設定量との偏差が小さくなるように、前記第2バルブに入力される操作量を制御する流体制御器と、前記第2バルブに入力される操作量又は前記第2バルブの開度である制御量と、目標量との偏差が小さくなるように、前記第1バルブを制御する第1バルブ制御器と、を備えたものであってもよい。ここで言う物理量とは例えば流量、圧力、濃度を含む概念である。また、流体センサは流体の流量、圧力、濃度のいずれかを測定するものである。 The present invention is not limited to flow control devices, but can also be applied to pressure control devices and concentration control devices, for example. That is, the first and second valves may cooperate to match the pressure of the fluid passing through the second valve to a set pressure while maintaining the opening of the second valve at a desired opening. Alternatively, the first and second valves may cooperate to match the concentration of the fluid passing through the second valve to a set concentration while maintaining the opening of the second valve at a desired opening. That is, the fluid control device of the present invention may include a first valve provided in a flow path, a second valve provided in the flow path downstream of the first valve, a fluid sensor that measures a physical quantity of the fluid in the flow path between the first and second valves, a fluid controller that controls a manipulated variable input to the second valve so as to minimize the deviation between the measured quantity measured by the fluid sensor and a set quantity, and a first valve controller that controls the first valve so as to minimize the deviation between a controlled variable, which is the manipulated variable input to the second valve or the opening of the second valve, and a target quantity. The physical quantity referred to here is a concept that includes, for example, flow rate, pressure, and concentration. Furthermore, a fluid sensor measures either the flow rate, pressure, or concentration of a fluid.
その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて様々な実施形態の変形や、各実施形態の一部同士を組み合わせてもよい。 In addition, various modifications of the embodiments and combinations of parts of each embodiment may be made as long as they do not contradict the spirit of the present invention.
100・・・流量制御装置
V1 ・・・第1バルブ
V2 ・・・第2バルブ(制御バルブ)
FS ・・・流量センサ(流体センサ)
SM ・・・センシング機構
FC ・・・流量算出部
FC1・・・係数決定部
FC2・・・出力部
P1 ・・・第1圧力センサ
P2 ・・・第2圧力センサ
1 ・・・流量制御器
2 ・・・第1バルブ制御器
3 ・・・リファレンスガバナ
D ・・・診断器
D1 ・・・診断動作制御部
D2 ・・・第1容積算出部
D3 ・・・第2容積算出部
D4 ・・・容積比算出部
100... Flow control device V1... First valve V2... Second valve (control valve)
FS...flow rate sensor (fluid sensor)
SM: Sensing mechanism FC: Flow rate calculation section FC1: Coefficient determination section FC2: Output section P1: First pressure sensor P2: Second pressure sensor 1: Flow rate controller 2: First valve controller 3: Reference governor D: Diagnosis device D1: Diagnostic operation control section D2: First volume calculation section D3: Second volume calculation section D4: Volume ratio calculation section
Claims (4)
前記流路において前記第1バルブよりも下流側に設けられた第2バルブと、
前記流路において前記第1バルブと前記第2バルブの間に設けられた流体抵抗と、
前記流路において前記第1バルブと前記流体抵抗との間の容積である第1容積内の圧力を測定する第1圧力センサと、
前記流路において前記流体抵抗と前記第2バルブとの間の容積である第2容積内の圧力を測定する第2圧力センサと、
前記第1圧力センサで測定される第1圧力と前記第2圧力センサで測定される第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流量算出部と、
前記第1容積又は前記第2容積の容積について診断する診断器と、を備え、
前記診断器が、前記第1バルブが開放され、前記第2バルブが閉止されている状態において、所定期間に亘って前記流量算出部が算出する流量の積算値と、前記所定期間における前記第1圧力の変化量とに基づいて前記第1容積の大きさを算出し、算出された前記第1容積の大きさに基づいて、前記流量算出部において使用される流量算出のためのパラメータ、又は、前記第1バルブ及び/又は前記第2バルブの制御に使用されるパラメータを校正する、流量制御装置。 a first valve provided in the flow path;
a second valve provided downstream of the first valve in the flow path;
a fluid resistance provided in the flow path between the first valve and the second valve;
a first pressure sensor that measures a pressure in a first volume that is a volume between the first valve and the fluid resistance in the flow path;
a second pressure sensor that measures the pressure in a second volume that is a volume between the fluid resistance and the second valve in the flow path;
a flow rate calculation unit that calculates a flow rate of the fluid flowing through the fluid resistance based on a first pressure measured by the first pressure sensor and a second pressure measured by the second pressure sensor;
a diagnoser that diagnoses the volume of the first volume or the second volume,
a diagnostic device that calculates the magnitude of the first volume based on an integrated value of the flow rate calculated by the flow rate calculation unit over a predetermined period and an amount of change in the first pressure over the predetermined period while the first valve is open and the second valve is closed, and calibrates a parameter for flow rate calculation used in the flow rate calculation unit or a parameter used to control the first valve and/or the second valve based on the calculated magnitude of the first volume .
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