(57)【要約】  所定の流量を供給し続けながら、異常が発生していないかどうか等の診断できる流量制御装置を提供するために、容積内の圧力である下流側圧力に基づいて、当該容積内への流体の流出入流量を算出する流出入流量算出部と、前記抵抗流量と前記流出入流量に基づいて、前記容積から前記下流側バルブを介して流出する流体の流量であるバルブ流量を推定するバルブ流量推定部と、設定流量と、前記バルブ流量との偏差が小さくなるように前記下流側バルブを制御する流量制御部と、前記流体抵抗の上流側の圧力である上流側圧力が上昇又は低下している圧力変化状態での前記抵抗流量又は前記流出入流量に基づいて、診断パラメータを算出する診断パラメータ算出部と、前記診断パラメータに基づいて、異常を診断する診断部と、を備えた。
2019202959.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流路に設けられた流体抵抗と、
流体抵抗の下流側に設けられた下流側バルブと、
前記流体抵抗を流れ、当該流体抵抗と前記下流側バルブとの間の流路中の容積へ流入する抵抗流量を測定する抵抗流量測定機構と、
前記容積内の圧力である下流側圧力に基づいて、当該容積内への流体の流出入流量を算出する流出入流量算出部と、
前記抵抗流量と前記流出入流量に基づいて、前記容積から前記下流側バルブを介して流出する流体の流量であるバルブ流量を推定するバルブ流量推定部と、
設定流量と、前記バルブ流量との偏差が小さくなるように前記下流側バルブを制御する流量制御部と、
前記流体抵抗の上流側の圧力である上流側圧力が上昇又は低下している圧力変化状態での前記抵抗流量又は前記流出入流量に基づいて、診断パラメータを算出する診断パラメータ算出部と、
前記診断パラメータに基づいて、異常を診断する診断部と、を備えたことを特徴とする流量制御装置。
【請求項２】
設定流量が、目標流量値が一定の値に保たれている流量一定区間を含むものである請求項１記載の流量制御装置。
【請求項３】
前記抵抗流量測定機構が、
前記流体抵抗の上流側に設けられ、前記流体抵抗の上流側の圧力である上流側圧力を測定する上流側圧力センサと、
前記流体抵抗と前記下流側バルブとの間に設けられ、前記下流側圧力を測定する下流側圧力センサと、
前記上流側圧力、及び、前記下流側圧力に基づいて、前記抵抗流量を算出する抵抗流量算出部と、を備え、
前記流出入流量算出部が、前記下流側圧力センサで測定される下流側圧力に基づいて前記流出入流量を算出するように構成されており、
前記診断部が、前記抵抗流量測定機構の異常を診断する請求項１記載の流量制御装置。
【請求項４】
正常な状態において前記診断パラメータ算出部が算出した前記診断パラメータを基準値として記憶する基準値記憶部をさらに備え、
前記診断部が、前記診断パラメータと前記基準値とを比較して、異常の有無を診断する請求項１記載の流量制御装置。
【請求項５】
前記流体抵抗の上流側に設けられた上流側バルブと、
目標圧力値が変化している圧力変化区間を含む設定圧力と、実測される前記流体抵抗の上流側の圧力である上流側圧力との偏差が小さくなるように前記上流側バルブを制御する圧力制御部と、をさらに備えた請求項１記載の流量制御装置。
【請求項６】
前記バルブ流量が一定になるように前記下流側バルブが制御されている状態において、前記圧力制御部が、前記上流側バルブの開度を所定期間大きくし続ける、又は、前記上流側バルブの開度を所定期間小さくし続ける請求項５記載の流量制御装置。
【請求項７】
前記診断パラメータ算出部が、前記抵抗流量及び前記流出入流量がそれぞれ所定時間安定している状態において前記診断パラメータを算出する請求項１記載の流量制御装置。
【請求項８】
流路に設けられた流体抵抗と、流体抵抗の下流側に設けられた下流側バルブと、前記流体抵抗を流れ、当該流体抵抗と前記下流側バルブとの間の流路中の容積へ流入する抵抗流量を測定する抵抗流量測定機構と、を備えた流量制御装置の診断方法であって、
前記容積内の圧力である下流側圧力に基づいて、当該容積内への流体の流出入流量を算出する流出入流量算出ステップと、
前記抵抗流量と前記流出入流量に基づいて、前記容積から前記下流側バルブを介して流出する流体の流量であるバルブ流量を推定するバルブ流量推定ステップと、
設定流量と、前記バルブ流量との偏差が小さくなるように前記下流側バルブを制御する流量制御ステップと、
前記流体抵抗の上流側の圧力である上流側圧力が上昇又は低下している圧力変化状態での前記抵抗流量又は前記流出入流量に基づいて、診断パラメータを算出する診断パラメータ算出ステップと、
前記診断パラメータに基づいて、異常を診断する診断ステップと、を備えたことを特徴とする診断方法。
【請求項９】
流路に設けられた流体抵抗と、流体抵抗の下流側に設けられた下流側バルブと、前記流体抵抗を流れ、当該流体抵抗と前記下流側バルブとの間の流路中の容積へ流入する抵抗流量を測定する抵抗流量測定機構と、を備えた流量制御装置に用いられる流量制御装置用プログラムであって、
前記容積内の圧力である下流側圧力に基づいて、当該容積内への流体の流出入流量を算出する流出入流量算出部と、
前記抵抗流量と前記流出入流量に基づいて、前記容積から前記下流側バルブを介して流出する流体の流量であるバルブ流量を推定するバルブ流量推定部と、
設定流量と、前記バルブ流量との偏差が小さくなるように前記下流側バルブを制御する流量制御部と、
前記流体抵抗の上流側の圧力である上流側圧力が上昇又は低下している圧力変化状態での前記抵抗流量又は前記流出入流量に基づいて、診断パラメータを算出する診断パラメータ算出部と、
前記診断パラメータに基づいて、異常を診断する診断部と、としての機能をコンピュータに発揮させることを特徴とする流量制御装置用プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、異常診断機能を備えた流量制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造プロセスにおいて、例えばエッチングチャンバ内に導入される各種ガスの流量を制御するためにマスフローコントローラとよばれる各種流体機器と制御機構がパッケージ化された流量制御装置が用いられている。【０００３】
具体的にはマスフローコントローラは、流体機器として流量センサと制御バルブとを備え、制御機構として設定流量と流量センサで測定される流量との偏差が小さくなるようにバルブの開度を制御する流量制御部と、を備えている。【０００４】
ところで、例えば流体に含まれる凝縮しやすい成分が流量センサを構成する機器内で付着し、詰まり等の異常が発生すると流量センサで測定される流量に誤差が生じてしまう。このような誤差が生じた状態で不正確な流量制御が継続されるのを防ぐために、流量センサの異常の有無について自己診断を行う診断部を備えたマスフローコントローラがある（特許文献１参照）。【０００５】
自己診断モードに設定されると診断部は、制御バルブを全閉状態として、例えばマスフローコントローラの上流側に設けられたタンク等の基準容積に所定圧力となるまで流体を充填する。その後、基準容積の上流側を別途設けられた開閉バルブで全閉状態にした後、制御バルブを開放し、その過程での診断対象である流量センサで測定される流量や圧力の値の変化が測定される。このとき測定された値を診断パラメータとし、正常時の値と比較して差が大きい場合には流量センサに異常が発生している診断部は判定する。【０００６】
しかしながら、上述したように従来の診断方法では、自己診断のために流路を全閉し、新たに流体が供給されない状態にする必要があるので、自己診断を行いながらチャンバには所望の一定流量を供給し続けることはできない。このため、自己診断はメンテナンス時等の製造プロセスが止まっているタイミングで行われる必要があった。【０００７】
したがって、流量センサの状態を間欠的にしか把握することができず、また自己診断が行われている間に製造プロセスが止まっていることによるスループットの低下が発生していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１４―６３３４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
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、所定の流量を供給し続けながら、異常が発生していないかどうか等の診断できる流量制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
すなわち、本発明に係る流量制御装置は、流路に設けられた流体抵抗と、流体抵抗の下流側に設けられた下流側バルブと、前記流体抵抗を流れ、当該流体抵抗と前記下流側バルブとの間の流路中の容積へ流入する抵抗流量を測定する抵抗流量測定機構と、前記容積内の圧力である下流側圧力に基づいて、当該容積内への流体の流出入流量を算出する流出入流量算出部と、前記抵抗流量と前記流出入流量に基づいて、前記容積から前記下流側バルブを介して流出する流体の流量であるバルブ流量を推定するバルブ流量推定部と、設定流量と、前記バルブ流量との偏差が小さくなるように前記下流側バルブを制御する流量制御部と、前記流体抵抗の上流側の圧力である上流側圧力が上昇又は低下している圧力変化状態での前記抵抗流量又は前記流出入流量に基づいて、診断パラメータを算出する診断パラメータ算出部と、前記診断パラメータに基づいて、異常を診断する診断部と、を備えたことを特徴とする。【００１１】
また、本発明に係る診断方法は、流路に設けられた流体抵抗と、流体抵抗の下流側に設けられた下流側バルブと、前記流体抵抗を流れ、当該流体抵抗と前記下流側バルブとの間の流路中の容積へ流入する抵抗流量を測定する抵抗流量測定機構と、を備えた流量制御装置の診断方法であって、前記容積内の圧力である下流側圧力に基づいて、当該容積内への流体の流出入流量を算出する流出入流量算出ステップと、前記抵抗流量と前記流出入流量に基づいて、前記容積から前記下流側バルブを介して流出する流体の流量であるバルブ流量を推定するバルブ流量推定ステップと、設定流量と、前記バルブ流量との偏差が小さくなるように前記下流側バルブを制御する流量制御ステップと、前記流体抵抗の上流側の圧力である上流側圧力が上昇又は低下している圧力変化状態での前記抵抗流量又は前記流出入流量に基づいて、診断パラメータを算出する診断パラメータ算出ステップと、前記診断パラメータに基づいて、異常を診断する診断ステップと、を備えたことを特徴とする。【００１２】
このようなものであれば、前記流量制御部によって前記下流側バルブの制御が継続され、設定流量で流体が供給され続けている状態で、前記診断パラメータを算出することができる。したがって、診断のために流路を全閉する必要がなく、メンテナンス時以外の稼働時に診断が可能となる。【００１３】
具体的には前記流量制御部は、前記抵抗流量と前記流出入流量から推定される前記バルブ流量が設定流量と一致するように前記下流側バルブを制御しているので、例えば前記流体抵抗の上流側の圧力が変化していると前記抵抗流量と前記流出入流量にその影響が現れる。仮に前記抵抗流量に誤差が発生している場合には、前記抵抗流量と前記流出入流量との差に基づく前記診断パラメータは正常時とは異なる値になる。したがって、前記下流側バルブによって設定流量を実現しながら、前記診断部による診断が可能となる。【００１４】
設定流量が、目標流量値が一定の値に保たれている流量一定区間を含むものであれば、流体が安定して流れている状態での診断パラメータが算出できるので、異常以外の影響が診断パラメータに現れにくく、診断精度を向上させることができる。【００１５】
前記抵抗流量と前記流出入流量を得るための構成を簡素にすることができるとともに、設定流量での流体の供給と診断を同時に実行できるようにするには、前記抵抗流量測定機構が、前記流体抵抗の上流側に設けられ、前記流体抵抗の上流側の圧力である上流側圧力を測定する上流側圧力センサと、前記流体抵抗と前記下流側バルブとの間に設けられ、前記下流側圧力を測定する下流側圧力センサと、前記上流側圧力、及び、前記下流側圧力に基づいて、前記抵抗流量を算出する抵抗流量算出部と、を備え、前記流出入流量算出部が、前記下流側圧力センサで測定される下流側圧力に基づいて前記流出入流量を算出するように構成されており、前記診断部が、前記抵抗流量測定機構の異常を診断するものであればよい。【００１６】
簡易な判定基準で前記診断パラメータに基づいて異常の有無を判定できるようにするには、正常な状態において前記診断パラメータ算出部が算出した前記診断パラメータを基準値として記憶する基準値記憶部をさらに備え、前記診断部が、前記診断パラメータと前記基準値とを比較して、異常の有無を診断するものであればよい。【００１７】
前記バルブ流量に対する応答速度を向上させつつ、前記診断パラメータを算出するのに必要となる前記流体抵抗の上流側における圧力変化状態を任意のタイミングで実現できるようにするには、前記流体抵抗の上流側に設けられた上流側バルブと、目標圧力値が変化している圧力変化区間を含む設定圧力と、実測される前記流体抵抗の上流側の圧力である上流側圧力との偏差が小さくなるように前記上流側バルブを制御する圧力制御部と、をさらに備えたものであればよい。【００１８】
前記下流側バルブによって所望の一定流量を供給しつつ、異常の診断を行うための具体的な制御構成としては、前記バルブ流量が一定になるように前記下流側バルブが制御されている状態において、前記圧力制御部が、前記上流側バルブの開度を所定期間大きくし続ける、又は、前記上流側バルブの開度を所定期間小さくし続けるものが挙げられる。【００１９】
前記診断パラメータに基づく診断に前記抵抗流量及び前記流出入流量の過渡応答の影響が表れないようにして誤判定が生じにくくするには、前記診断パラメータ算出部が、前記抵抗流量及び前記流出入流量がそれぞれ所定時間安定している状態において前記診断パラメータを算出するものであればよい。【００２０】
例えば既存の流量制御装置においても本発明と同様の診断機能を後付で付与するには、流路に設けられた流体抵抗と、流体抵抗の下流側に設けられた下流側バルブと、前記流体抵抗を流れ、当該流体抵抗と前記下流側バルブとの間の流路中の容積へ流入する抵抗流量を測定する抵抗流量測定機構と、を備えた流量制御装置に用いられる流量制御装置用プログラムであって、前記容積内の圧力である下流側圧力に基づいて、当該容積内への流体の流出入流量を算出する流出入流量算出部と、前記抵抗流量と前記流出入流量に基づいて、前記容積から前記下流側バルブを介して流出する流体の流量であるバルブ流量を推定するバルブ流量推定部と、目設定流量と、前記バルブ流量との偏差が小さくなるように前記下流側バルブを制御する流量制御部と、前記流体抵抗の上流側の圧力である上流側圧力が上昇又は低下している圧力変化状態での前記抵抗流量又は前記流出入流量に基づいて、診断パラメータを算出する診断パラメータ算出部と、前記診断パラメータに基づいて、異常を診断する診断部と、としての機能をコンピュータに発揮させることを特徴とする流量制御装置用プログラムをインストールすればよい。【００２１】
なお、流量制御装置用プログラムは電子的に配信されるものであってもよいし、ＣＤ、ＤＶＤ、ＨＤＤ、フラッシュメモリ等のプログラム記録媒体に記録されているものであってもよい。
【発明の効果】
【００２２】
このように本発明によれば、制御対象である前記バルブ流量を推定するための前記抵抗流量及び前記流出入流量に基づいて前記診断パラメータを算出するように構成されているので、所望の設定流量を供給し続けながら、並行して異常の診断を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１実施形態に係る流量制御装置を示す模式図。
【図２】正常時における上流側圧力、抵抗流量、流出入流量、バルブ流量との変化の関係を示す模式的グラフ。
【図３】異常時における上流側圧力、抵抗流量、流出入流量、バルブ流量との変化の関係を示す模式的グラフ。
【図４】本発明の第２実施形態に係る流量制御装置を示す模式図。
【符号の説明】
【００２４】
１００・・・流量制御装置
Ｖ１  ・・・上流側バルブ
Ｐ１  ・・・上流側圧力センサ
Ｒ    ・・・流体抵抗
ＶＬ  ・・・下流側容積
Ｐ２  ・・・下流側圧力センサ
Ｖ２  ・・・下流側バルブ
Ｆ    ・・・流量測定機構
１    ・・・抵抗流量算出部
２    ・・・流出入流量算出部
３    ・・・バルブ流量推定部
４    ・・・流量制御部
５    ・・・圧力制御部
７    ・・・自己診断機構
７１  ・・・診断パラメータ算出部
７２  ・・・圧力指令出力器
７３  ・・・基準値記憶部
７４  ・・・診断部
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明の第１実施形態に係る流量制御装置１００について図１乃至図３を参照しながら説明する。第１実施形態の流量制御装置１００は、例えば半導体製造プロセスにおいてエッチングチャンバに対してガスを設定流量で供給するために用いられるものである。ここで、設定流量は、ある流量値から別の流量値へ階段状に立ち上がる、あるいは、立ち下がるステップ信号である。このステップ信号に対して例えば製造される半導体の品質を満たすように所定時間内に追従するように流量制御装置１００は構成してある。
【００２６】
すなわち、流量制御装置１００は、図１に示すように、流路に設けられたセンサ、バルブからなる流体機器と、当該流体機器の制御を司る制御演算器ＣＯＭと、を備えている。
【００２７】
流路に対して上流側から順番に供給圧センサＰ０、上流側バルブＶ１、上流側圧力センサＰ１、流体抵抗Ｒ、下流側圧力センサＰ２、下流側バルブＶ２が設けてある。ここで、流体抵抗Ｒは例えば層流素子であり、その前後に流れるガス流量に応じた差圧が発生する。
【００２８】
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。
【００２９】
上流側圧力センサＰ１は、流路において上流側バルブＶ１と流体抵抗Ｒとの間における容積である上流側容積内にチャージされているガスの圧力である上流側圧力を測定するものである。
【００３０】
下流側圧力センサＰ２は、流路において流体抵抗Ｒと下流側バルブＶ２との間における容積である下流側容積ＶＬにチャージされているガスの圧力である下流側圧力を測定するものである。
【００３１】
このように上流側圧力センサＰ１と下流側圧力センサＰ２は、上流側バルブＶ１、流体抵抗Ｒ、下流側バルブＶ２で形成される２つの容積の圧力をそれぞれ測定している。また、別の表現をすると、上流側圧力センサＰ１と下流側圧力センサＰ２は、流体抵抗Ｒの前後に配置されたそれぞれの容積内の圧力を測定するものである。
【００３２】
上流側バルブＶ１、及び、下流側バルブＶ２は、第１実施形態では同型のものであり、例えばピエゾ素子によって弁体が弁材に対して駆動されるピエゾバルブである。上流側バルブＶ１は、上流側圧力センサＰ１で測定される上流側圧力に基づいて上流側容積内の圧力を制御する。一方、流体機器において最も下流側に設けられている下流側バルブＶ２は、流体機器から流出するガス流量全体を制御するものである。
【００３３】
次に制御演算器ＣＯＭについて詳述する。
【００３４】
制御演算器ＣＯＭは、例えばＣＰＵ、メモリ、Ａ／Ｄ・Ｄ／Ａコンバータ、入出力手段を具備するいわゆるコンピュータであって、メモリに格納されている流量制御装置用プログラムが実行されて各種機器が協業することにより、流量制御機能を主に司る抵抗流量算出部１、流出入流量算出部２、バルブ流量推定部３、流量制御部４、圧力制御部５として機能を発揮する。また、この制御演算器ＣＯＭは、圧力指令出力器７２、診断パラメータ算出部７１、診断部７４、基準値記憶部７３から構成される自己診断機構７としての機能も発揮する。
【００３５】
まず、流量制御に関連する各部について詳述する。
【００３６】
抵抗流量算出部１は、上流側圧力センサＰ１、流体抵抗Ｒ、下流側圧力センサＰ２とともにいわゆる圧力式の流量センサである流量測定機構Ｆを構成するものである。つまり、抵抗流量算出部１は、上流側圧力センサＰ１で測定される上流側圧力と、下流側圧力センサＰ２で測定される下流側圧力を入力として、流体抵抗Ｒを流れる流体流量である抵抗流量を算出し、出力するものである。ここで、抵抗流量算出部１で用いられる流量の算出式は既存のものを用いることができる。抵抗流量算出部１で算出される抵抗流量は、連続的に変化するものであるが、下流側バルブＶ２の制御により実現される当該下流側バルブＶ２を通過している実際の流量に対して所定の時間遅れが発生している。
【００３７】
流出入流量算出部２は、流体抵抗Ｒと下流側バルブＶ２との間にある下流側容積ＶＬ内への流出入流量を算出する。具体的には、流出入流量は下流側容積ＶＬ内の圧力の変化量として表れるので、下流側圧力センサＰ２の測定値に基づいて算出される値である。
【００３８】
バルブ流量推定部３は、抵抗流量算出部１で算出される抵抗流量と、流出入流量算出部２で算出される流出入流量に基づいて、下流側バルブＶ２から流出する流体流量であるバルブ流量を算出する。より具体的には、バルブ流量推定部３は、流体抵抗Ｒと下流側バルブＶ２との間の下流側容積ＶＬに対して流入するガス流量である抵抗流量と、下流側容積ＶＬから流出するガス流量であるバルブ流量の差の定数倍が、下流側圧力の時間変化量と等しいことに基づいてバルブ流量を算出している。
【００３９】
以下ではバルブ流量が抵抗流量と流出入流量に基づいて算出できる点について説明する。
【００４０】
下流側圧力をＰ２、下流側容積ＶＬの体積をＶ、ガスの温度をＴ、気体定数をＲ，質量をｎとした場合、気体の状態方程式からＰ２＝ｎＲＴ/Vとなる。この式について時間微分を取ると、
【００４１】
【数１】
2019202959.tif 000003
【００４２】
また、質量の時間微分は単位時間当たりに下流側容積ＶＬに流出入するガス流量と比例関係にあるので、抵抗流量をＱＲ、バルブ流量をＱｏｕｔ、定数をａとすると、
【００４３】
【数２】
2019202959.tif 000004
各式からバルブ流量ＱＯＵＴについて解くと、
【００４４】
【数３】
2019202959.tif 000005
ＡはＲ、Ｔ、Ｖ、ａをまとめた関数であり、下流側圧力の時間変化量に対して関数Ａを乗じた値は下流側容積ＶＬに対する流出入流量である。つまり、流出入流量をＱP2とした場合に以下のように記述できる。
【００４５】
【数４】
2019202959.tif 000006
この式から、流量測定機構Ｆにより実測される値である抵抗流量から、下流側圧力センサＰ２で測定される下流側圧力の時間微分から算出される流出入流量を差し引くことにより、バルブ流量が推定可能であることが分かる。
【００４６】
流量制御部４は、ユーザによって設定される設定流量と、バルブ流量推定部３から入力されるバルブ流量に基づいて下流側バルブＶ２を制御する。すなわち、流量制御部４３は、設定流量とバルブ流量の偏差が小さくなるように、下流側バルブＶ２から流出するガス流量であるバルブ流量のフィードバックによって下流側バルブＶ２を制御する。ここで、設定流量は、例えばステップ関数として表されるものであり、目標流量値が一定の値に保たれている流量一定区間を含むものである。
【００４７】
一方、圧力制御部５はユーザによって設定される設定圧力（以下、通常設定圧力とも言う）と、上流側圧力センサＰ１で測定される上流側圧力に基づいて上流側バルブＶ１を制御する。すなわち、圧力制御部５は、設定圧力と上流側圧力の偏差が小さくなるように上流側圧力のフィードバックによって上流側圧力を制御する。ここで、設定圧力は、バルブ流量が設定流量の流量一定区間で安定した場合において流体抵抗Ｒの前後において保たれるべき圧力差に基づいて設定される。なお、後述するように流量測定機構Ｆの診断が行われる場合には、圧力指令出力器７２から出力される診断用設定圧力が入力され、その診断用設定圧力に上流側圧力が追従するように上流側バルブＶ１の制御が行われる。
【００４８】
次に、自己診断機構７を構成する各部の詳細について説明する。
【００４９】
診断パラメータ算出部７１は、バルブ流量を推定するために用いられる抵抗流量と、流出入流量に基づいて診断用パラメータを算出する。この診断用パラメータは流量測定機構Ｆにおいて例えば詰まり等により測定誤差が発生しているかどうかを判定するためのものである。ここで、抵抗流量及び流出入流量は流量測定機構Ｆ又は下流側圧力センサＰ２で実測される値又はそれに基づく値であるが、上流側バルブＶ１又は下流側バルブＶ２の制御のために直接フィードバックはされていない値である。この実施形態では診断パラメータ算出部７１は、バルブ流量が一定となるように制御されており、かつ、上流側圧力が上昇又は低下している圧力変化状態での抵抗流量と流出入流量との差の絶対値を診断用パラメータとして算出する。
【００５０】
また、診断用パラメータは抵抗流量と流出入流量が所定期間安定しているときの値に基づいて算出される。例えば診断パラメータ算出部７１は、抵抗流量及び流出入流量のそれぞれ時系列データの変動割合が所定％内に収まっている場合には診断パラメータを算出する。
【００５１】
ここで、診断用パラメータの特性について説明するために、バルブ流量が一定となるように下流側バルブＶ２が制御されている状態で、上流側圧力が変化した場合の抵抗流量、流出入流量、バルブ流量の関係について図２及び図３のグラフを参照しながら詳述する。図２は正常時におけるそれぞれの変数の関係を模式的に示すものであり、図３は詰まり等によって抵抗流量に誤差が発生している異常時におけるそれぞれの変数の関係を模式的に示すものである。なお、図２及び図３のグラフにおいて示す上流側圧力、抵抗流量、流出入流量、バルブ流量はバルブ流量が一定となるように下流側バルブＶ２が制御されている場合の変化傾向をわかりやすくするために、それぞれの値については誇張されている。したがって、実際には流出入流量は抵抗流量に対して例えば１０〜１００倍程度の大きさの違いがあり得る。
【００５２】
この実施形態ではユーザにより診断指令が入力されると、圧力指令出力器７２によって診断用設定圧力が圧力制御部５に対して入力される。診断用設定圧力は図２及び図３に示すように例えば三角波状の変化をするものであり、上流側圧力の上昇及び下降を繰り返させるものである。圧力制御部５はこのような上流側圧力の時間変化が実現されるように上流側バルブＶ１の開度を継続して小さくし続けることと大きくし続けることを交互に繰り返させることになる。
【００５３】
例えば上流側バルブＶ１の開度が継続して小さくされると上流側圧力は低下することになる。すると流体抵抗Ｒの前後の差圧が小さくなるので、抵抗流量は低下することになる。このため、下流側容積ＶＬに流入する流量が小さくなり、下流側バルブＶ２から流出するバルブ流量も小さくなろうとするが、流量制御部４はバルブ流量を一定の目標流量値で保つために下流側バルブＶ２の開度を大きくするように動作する。したがって、下流側容積ＶＬから流出するバルブ流量は抵抗流量よりも大きい状態で保たれることになるため、流出入流量の値は大きくなる。
【００５４】
逆に上流側バルブＶ１の開度が継続して大きくされると上流側圧力は上昇することになる。すると流体抵抗Ｒの前後の差圧が大きくなるので、抵抗流量は増加することになる。このため、下流側容積ＶＬに流入する流量が大きくなり、下流側バルブＶ２から流出するバルブ流量も大きくなろうとするが、流量制御部４はバルブ流量を一定の目標流量値で保つために下流側バルブＶ２の開度を小さくするように動作する。したがって、下流側容積ＶＬから流出するバルブ流量は抵抗流量よりも小さい状態で保たれることになるため、流出入流量の値は小さくなる。
【００５５】
このような各変数の関係について数式を用いて別の表現で説明する。上流側圧力が変化している圧力変化状態においてバルブ流量、抵抗流量、流出入流量の変化量をそれぞれ、ΔＱｏｕｔ、ΔＱＲ、ΔＱP2とする。数４の一般的な関係から以下のように書き換えられる。この実施形態での圧力変化状態とは圧力が上昇している状態から下降している状態に変化の向き逆になる前後をいう。
【００５６】
【数５】
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ここで、流量制御部４によりバルブ流量は一定に保たれていると、ΔＱｏｕｔ＝０となるので、正常時においては以下のように抵抗流量の変化量と流出入流量の変化量は等しくなる。
【００５７】
【数６】
2019202959.tif 000008
【００５８】
一方、図３のグラフに示すように流体抵抗Ｒの詰まり等が発生して抵抗流量に誤差が発生している場合の抵抗流量をＱＲ＾、正常時の抵抗流量をＱＲ、誤差をＱERR
とした場合には数６の式は以下のように書き換えられる。
【数７】
2019202959.tif 000009
【００５９】
つまり、上流側圧力の変曲点の前後での抵抗流量の最大変化量ΔＱR、又は、上流側圧力の変曲点の前後での流出入流量の最大変化量ΔＱP2は図２及び図３のグラフに示すように正常時と誤差が発生している場合にはそれぞれ絶対値に違いが表れる。したがって、本実施形態ではΔＱR又はΔＱP2を診断パラメータとして診断パラメータ算出部７１は算出している。
【００６０】
基準値記憶部７３は、例えば図２のグラフに示すように流量測定機構Ｆが正常な状態において算出される診断パラメータを基準値として記憶するものである。
【００６１】
診断部７４は、診断パラメータに基づいて異常が発生していないかどうかを診断する。具体的には診断部７４は、診断パラメータ算出部７１で算出される診断パラメータと、基準値記憶部７３で記憶されている基準値とを比較し、流量測定機構Ｆで測定されている抵抗流量に誤差が発生していないかどうかを診断する。例えば診断パラメータと基準値との差が所定値以上となっている場合には、診断部７４は流量測定機構Ｆに異常が発生していると判定する。
【００６２】
このように第１実施形態の流量制御装置１００によれば、下流側バルブＶ２により実現されるバルブ流量は一定の目標流量値を保ちながら、並行して流量測定機構Ｆの自己診断を行うことができる。
【００６３】
したがって、従来のように診断のためにチャンバへのガスの供給を中断して別途メンテナンス期間を設定する必要がなく、半導体製造プロセスを継続しながらリアルタイムで各機器の異常を診断し続ける事が可能となる。
【００６４】
このため、常に測定器において誤差が生じていないことを保証し続ける事が可能となり、実現されているバルブ流量の信頼性をより向上させることが可能となる。
【００６５】
次に本発明の第２実施形態について図４を参照しながら説明する。なお、第１実施形態で説明した部材には同じ符号を付すこととする。
【００６６】
第２実施形態は、第１実施形態の流量制御装置１００と比較して上流側バルブＶ１、及び、上流側圧力センサＰ１が省略されている点で異なっており、その他の点では同じ構成を有している。すなわち、診断のために上流側圧力の変化状態を任意に形成できないが、例えば上流側から供給されるガスの圧力の変動自体を利用して第１実施形態と同様に一定の目標流量値をバルブ流量で実現しながら、診断部７４での診断を行うことができる。
【００６７】
その他の実施形態について説明する。
【００６８】
流量制御装置が制御する流体はガスに限られず、液体であっても構わない。
【００６９】
診断パラメータについては、上流側圧力が上昇している状態と下降している状態の２つの状態における抵抗流量の差、流出入流量の差に限られるものではない。例えば上流側圧力が上昇している状態での流出入流量の値自体を診断パラメータとしてもよい。同様に上流側圧力が下降している状態での流出入流量の値自体を診断パラメータとしてもよい。また、バルブ流量を基準として圧力変化状態での抵抗流量とバルブ流量との差を診断パラメータとしてもよい。診断パラメータは、各流量の差に限られるものではなく、上流側圧力が上昇している状態での抵抗流量の値と、上流側圧力が下降している状態での抵抗流量の値との比であってもよい。同様に上流側圧力が上昇している場合と下降している場合でのそれぞれの場合における流出入流量の値の比を診断パラメータとしてもよい。すなわち、診断パラメータは、圧力変化状態での抵抗流量又は流出入流量に基づいて、設定されるものであればよい。
【００７０】
診断用設定圧力については三角波状の物に限られず、矩形波や正弦波等であってもよい。すなわち、圧力変化状態を実現するための波形については様々なものが考えられる。
【００７１】
診断パラメータが算出されるのは設定流量の目標流量値が一定値に保たれている場合に限られない。例えば設定流量が一定割合ずつ大きくなっている、又は、小さくなっている状態においてその状態での抵抗流量又は流出入流量から診断パラメータを算出してもよい。
【００７２】
流量測定機構については実施形態において説明した圧力式の物に限られず、その他の測定原理に基づくものであればよい。すなわち、下流側圧力センサが流量測定機構の一部をなさず別途設けられるものであっても構わない。
【００７３】
その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて、実施形態の変形を行っても良いし、各実施形態の一部又は全体をそれぞれ組み合わせても構わない。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明によれば、制御対象であるバルブ流量を推定するための抵抗流量及び流出入流量に基づいて診断パラメータを算出するように構成されているので、所望の設定流量を供給し続けながら、並行して異常の診断を行うことができる流量制御装置を提供できる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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