CN109324641B - 流量控制装置、流量控制方法和程序存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明提供流量控制装置、流量控制方法和程序存储介质，能够以比以往小的时间延迟得到作为控制点的阀中的实际流量，可以通过使测定点与控制点一致而大幅度提高响应速度。为此，流量控制装置包括：流体阻力件，设置于流路；下游侧阀，设置在流体阻力件的下游侧；下游侧压力传感器，测定所述流体阻力件与所述下游侧阀之间的所述流路的容积部中的压力；第一流量算出部，计算出流过所述流体阻力件的第一流量；第二流量算出部，基于第一流量和由所述下游侧压力传感器测定的下游侧压力的时间变化量，计算出从所述下游侧阀流出的第二流量；以及流量控制部，基于设定流量和第二流量来控制所述下游侧阀。

Description

流量控制装置、流量控制方法和程序存储介质

技术领域

本发明涉及一种流量控制装置，该流量控制装置例如用于控制半导体制造装置所使用的流体的流量。

背景技术

在半导体工序中，为了控制例如向蚀刻室内导入的各种气体的流量而使用被称为质量流量控制器的流量控制装置，该流量控制装置将各种流体设备与控制机构集成化。

例如，质量流量控制器包括：流量传感器，设置于流路；阀，设置在流量传感器的下游侧；以及流量控制部，以使由流量传感器测定的测定流量成为作为目标值的设定流量的方式控制所述阀的开度(参照专利文献1)。

在这种质量流量控制器中需求提高响应速度，以便使阀的下游侧流动的实际的气体流量尽可能快地追随设定流量。

但是，近年来在半导体制造工序中所需求的响应速度非常严格，具有如上所述的流量控制系统的质量流量控制器越来越难以应对。本申请的发明人对其原因进行了认真研究后，发现了存在以下说明的原理性问题。

即，在上述质量流量控制器中，对比阀更靠上游侧测定的流量进行反馈来控制阀，由流量传感器测定流量的测定点与由阀控制流量的控制点偏离了流量传感器与阀的设置间隔。

例如，当流量传感器具有层流元件等流体阻力件时，以实现所需要的压力的方式使气体流入流出，以便在作为测定点的流体阻力件与作为控制点的阀之间的内部容积部实现设定流量，上述动作因流体阻力件的作用而需要预定时间。

因此，在控制点产生的流量变化显现于具有流量传感器的测定点会产生时间延迟。因此，由于在控制点始终基于预定时间之前的流量信息来持续控制阀的开度，所以响应速度必然具有极限。

专利文献1：日本专利公开公报特开2004-280688号

发明内容

本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种流量控制装置，能够以比以往小的时间延迟得到作为控制点的阀中的实际流量，可以通过使测定点与控制点一致而大幅度提高响应速度。

即，本发明的流量控制装置包括：流体阻力件，设置于流路；下游侧阀，设置在流体阻力件的下游侧；上游侧压力传感器，设置在所述流体阻力件的上游侧；下游侧压力传感器，测定所述流体阻力件与所述下游侧阀之间的所述流路的容积部中的压力；第一流量算出部，基于由所述上游侧压力传感器测定的上游侧压力和由所述下游侧压力传感器测定的下游侧压力，计算出流过所述流体阻力件的第一流量；第二流量算出部，基于第一流量和由所述下游侧压力传感器测定的下游侧压力的时间变化量，计算出从所述下游侧阀流出的第二流量；以及流量控制部，基于设定流量和第二流量来控制所述下游侧阀。

此外，本发明的流量控制方法利用流量控制装置，所述流量控制装置包括：流体阻力件，设置于流路；下游侧阀，设置在流体阻力件的下游侧；上游侧压力传感器，设置在所述流体阻力件的上游侧；以及下游侧压力传感器，测定所述流体阻力件与所述下游侧阀之间的所述流路的容积部中的压力，所述流量控制方法包括：第一流量算出步骤，基于由所述上游侧压力传感器测定的上游侧压力和由所述下游侧压力传感器测定的下游侧压力，计算出流过所述流体阻力件的第一流量；第二流量算出步骤，基于第一流量和由所述下游侧压力传感器测定的下游侧压力的时间变化量，计算出从所述下游侧阀流出的第二流量；以及流量控制步骤，基于设定流量和第二流量来控制所述下游侧阀。

按照这种结构，基于流入所述流体阻力件与所述下游侧阀之间的所述流路的容积部的流体的流量和从所述容积部流出的流体的流量之差，确定下游侧压力的时间变化量。

因此，所述第二流量算出部可以根据作为流入所述容积部的流体的流量的第一流量和下游侧压力的时间变化量，计算出从所述下游侧阀流出的第二流量，所述第二流量是从所述容积部流出的流体的流量。

如此，由于能够以几乎不产生时间延迟的方式得到作为控制点的下游侧阀处的流量亦即第二流量，所以所述流量控制部可以使控制点与测定点一致来控制所述下游侧阀，从而与以往相比能够提高例如瞬时响应时的响应速度。

作为第二流量算出部的具体结构可以列举的是，所述第二流量算出部包括：变化量算出部，计算出下游侧压力的时间变化量；以及流量运算部，基于第一流量与根据下游侧压力的时间变化量计算出的换算流量之差，计算出第二流量。

为了能够实现稳健的控制，以便在利用所述下游侧阀使第二流量稳定为设定流量之后，即使所述流体阻力件的上游侧产生压力变化，也能够使第二流量不容易变动，优选的是，所述流量控制装置还包括：上游侧阀，设置成比所述流体阻力件更靠上游侧；上游侧压力传感器，测定所述上游侧阀与所述流体阻力件之间的所述流路的容积部中的压力；以及压力控制部，基于设定压力和由所述上游侧压力传感器测定的上游侧压力来控制所述上游侧阀。

为了使所述第一流量算出部能够利用所述流体阻力件前后产生的压差，计算出准确的第一流量，并且能够抑制传感器数量的增加，优选的是，所述第一流量算出部基于上游侧压力和下游侧压力计算出流过所述流体阻力件的第一流量。

为了仅利用流量控制装置就能够对内部的异常进行自诊断，优选的是，所述流量控制装置还包括诊断部，所述诊断部在所述下游侧阀关闭的状态下，对第一流量和第二流量进行比较来诊断是否存在异常。

作为用于得到本发明的第一流量的其他具体实施方式，可以列举的是，所述流量控制装置还包括流量检测机构，所述流量检测机构输出与流过所述流体阻力件的第一流量对应的检测信号，所述第一流量算出部基于所述流量检测机构输出的检测信号计算出第一流量。

例如仅通过对现有的流量控制装置升降程序，就能够得到与本发明的流量控制装置同样的效果，可以使用流量控制装置用程序，所述控制装置用程序是用于流量控制装置的程序，所述流量控制装置包括：流体阻力件，设置于流路；下游侧阀，设置在流体阻力件的下游侧；上游侧压力传感器，设置在所述流体阻力件的上游侧；以及下游侧压力传感器，测定所述流体阻力件与所述下游侧阀之间的所述流路的容积部中的压力，其中，所述流量控制装置用程序使计算机发挥如下功能：第一流量算出部，基于由所述上游侧压力传感器测定的上游侧压力和由所述下游侧压力传感器测定的下游侧压力，计算出流过所述流体阻力件的第一流量；第二流量算出部，基于第一流量和由所述下游侧压力传感器测定的下游侧压力的时间变化量，计算出从所述下游侧阀流出的第二流量；以及流量控制部，基于设定流量和第二流量来控制所述下游侧阀。

另外，流量控制装置用程序能够以电子方式发送，也可以存储于CD、DVD、HDD和闪存器等存储介质。

如此，按照本发明的流量控制装置，可以基于第一流量和下游侧压力的时间变化量来得到作为流量的控制点的下游侧阀中实际流动的第二流量，通过使流量的测定点与控制点一致来进行控制，可以提高响应速度。

附图说明

图1是表示本发明第一实施方式的流量控制装置的示意图。

图2是表示第一实施方式的流量控制装置的控制动作的流程图。

图3是表示本发明第二实施方式的流量控制装置的示意图。

图4是表示本发明第三实施方式的流量控制装置的示意图。

附图标记说明

100 流量控制装置

V1 上游侧阀

V2 下游侧阀

P1 上游侧压力传感器

P2 下游侧压力传感器

R 流体阻力件

VL 下游侧容积部

1 第一流量算出部

2 第二流量算出部

21 变化量算出部

22 流量运算部

3 流量控制部

4 压力控制部

5 诊断部

具体实施方式

参照图1和图2，对本发明第一实施方式的流量控制装置100进行说明。

第一实施方式的流量控制装置100例如用于在半导体制造工序中向蚀刻室以设定流量供给气体。在此，设定流量是从某一流量值向另一流量值阶段式上升或下降的步进信号。上述流量控制装置100构成为例如以满足制造的半导体的品质的方式在预定时间内追随上述步进信号。

即，如图1所示，流量控制装置100包括：流体设备，由设置于流路的传感器和阀构成；以及控制器COM，对该流体设备进行控制。

相对于流路从上游侧依次设置有供给压力传感器P0、上游侧阀V1、上游侧压力传感器P1、流体阻力件R、下游侧压力传感器P2和下游侧阀V2。在此，流体阻力件R例如是层流元件，产生与其前后流动的气体的流量对应的压差。

供给压力传感器P0用于监测从上游侧供给的气体的压力。另外，在保证供给压力稳定等情况下，也可以省略供给压力传感器P0。

上游侧压力传感器P1测定作为充入上游侧容积部内的气体的压力的上游侧压力，该上游侧容积部是流路中的上游侧阀V1与流体阻力件R之间的容积部。

下游侧压力传感器P2测定作为充入下游侧容积部VL的气体的压力的下游侧压力，该下游侧容积部VL是流路中的流体阻力件R与下游侧阀V2之间的容积部。

如此，上游侧压力传感器P1和下游侧压力传感器P2分别测定由上游侧阀V1、流体阻力件R和下游侧阀V2形成的两个容积部的压力。此外，作为其他表现方式，上游侧压力传感器P1和下游侧压力传感器P2测定配置在流体阻力件R前后的各容积部内的压力。

上游侧阀V1和下游侧阀V2在第一实施方式中为相同类型，例如是利用压电元件相对于阀座驱动阀体的压电阀。上游侧阀V1基于由上游侧压力传感器P1测定的上游侧压力来控制上游侧容积部内的压力。另一方面，流体设备中的设置在最下游侧的下游侧阀V2对从流体设备流出的气体流量整体进行控制。

接着，对控制器COM进行详细说明。

控制器COM例如是具有CPU、存储器、A/D及D/A转换器和输入输出装置的所谓的计算机，通过执行存储器中存储的流量控制装置用程序，使各种设备协同动作，从而至少作为第一流量算出部1、第二流量算出部2、流量控制部3和压力控制部4发挥功能。

第一流量算出部1与上游侧压力传感器P1、流体阻力件R和下游侧压力传感器P2一起构成所谓的压差式流量传感器。即，第一流量算出部1将由上游侧压力传感器P1测定的上游侧压力和由下游侧压力传感器P2测定的下游侧压力作为输入，计算出作为流过流体阻力件R的气体的流量的第一流量并输出。在此，在第一流量算出部1中使用的流量的算式可以使用现有算式。虽然由第一流量算出部1计算出的第一流量连续变化，但是相对于利用下游侧阀V2的控制实现的经过该下游侧阀V2的实际流量产生预定的时间延迟。

第二流量算出部2基于由第一流量算出部1计算出的第一流量和由下游侧压力传感器P2测定的下游侧压力，计算出作为从下游侧阀V2流出的气体的流量的第二流量并输出。更具体地说，第二流量算出部2基于第一流量与第二流量之差的常数倍等于下游侧压力的时间变化量，计算出第二流量，该第一流量是流入流体阻力件R与下游侧阀V2之间的下游侧容积部VL的气体的流量，该第二流量是从下游侧容积部VL流出的气体的流量。

即，第二流量算出部2包括：变化量算出部21，计算出由下游侧压力传感器P2测定的下游侧压力的时间变化量；以及流量运算部22，基于第一流量与下游侧压力的时间变化量计算出第二流量。

以下，针对第二流量能够基于第一流量与下游侧压力的时间变化量而算出这一点进行说明。

设下游侧压力为P₂、下游侧容积部VL的体积为V、气体的温度为T、气体常数为R、质量为n时，根据气体的状态方程式，成为P₂＝nRT/V。对该公式取时间微分，

[式1]

此外，由于质量的时间微分与每单位时间流入流出下游侧容积部VL的气体的流量呈比例关系，所以设第一流量为Q₁、第二流量为Q₂、常数为a时，

[式2]

根据各式对第二流量Q₂求解，

[式3]

在此，A是汇集了R、T、V、a的函数，下游侧压力的时间变化量乘以函数A的值为换算流量。根据该式可知，能够基于作为实际测定的值的第一流量和作为下游侧压力的时间变化量的时间微分，计算出第二流量。

在第一实施方式中，变化量算出部21计算出时间微分作为由下游侧压力传感器P2测定的下游侧压力的时间变化量。另外，时间微分可以通过从下游侧压力的时序数据取得差分而算出。

流量运算部22例如根据预先由实验等求出的常数A、输入的第一流量Q₁以及从变化量算出部21输入的下游侧压力的时间微分，计算出第二流量并向流量控制部3输出。

流量控制部3基于由用户设定的设定流量和从第二流量算出部2输入的第二流量来控制下游侧阀V2。即，流量控制部3利用作为从下游侧阀V2流出的气体的流量的第二流量的反馈，以使设定流量与第二流量的偏差变小的方式来控制下游侧阀V2。

另一方面，压力控制部4基于由用户设定的设定压力和由上游侧压力传感器P1测定的上游侧压力来控制上游侧阀V1。即，压力控制部4利用上游侧压力的反馈，以使设定压力与上游侧压力的偏差变小的方式来控制上游侧压力。在此，基于第二流量稳定为设定流量时在流体阻力件R的前后应保持的压力差，对设定压力进行设定。

接着，参照图2的流程图，说明在下游侧阀V2完全关闭的状态下，使第二流量从零的状态向预定的流量变化的情况下的控制动作的示例。

设定流量的值为零的期间(步骤S0)，流量控制部3使下游侧阀V2保持为完全关闭状态，使气体不从下游侧阀V2流出(步骤S1)。

另一方面，压力控制部4以使上游侧容积部内的压力成为设定压力的方式控制上游侧阀V1的开度，使气体流入该上游侧容积部内(步骤S2)。

如果设定流量步进式地从零变化为预定值(步骤S3)，则流量控制部3以使第二流量成为设定流量的预定值的方式打开下游侧阀V2，该第二流量是根据由流体阻力件R前后的压差计算出的第一流量以及下游侧压力的时间变化量计算出的控制点处的流量(步骤S4)。另外，第一流量是由第一流量算出部1将上游侧压力传感器P1测定的上游侧压力和下游侧压力传感器P2测定的下游侧压力作为输入而算出的流过流体阻力件R的流量。

在此，如果下游侧阀V2打开，则气体从下游侧容积部VL流出，所以下游侧压力下降，产生下游侧压力的时间变化量(步骤S5)。即，在气体开始流动的瞬时响应状态下，第二流量是与第一流量不同的值，并且是考虑了下游侧压力的时间变化量的值。

如果进行基于第二流量的反馈控制(步骤S6)，则流量的测定点与控制点一致，所以下游侧阀V2中的流量变化立即反映于下游侧阀V2的开度控制。因此，第二流量在短时间内稳定为设定流量的预定值(步骤S7)。

在第二流量稳定为设定流量的预定值时，相对于下游侧容积部VL流入流出的气体的量为平衡状态，所以下游侧压力的时间变化量大体为零(步骤S8)。即，第二流量实质上等于第一流量，流量控制部3对下游侧阀V2进行利用第一流量的反馈控制(步骤S9)。如此，由于流量控制部3基于由流体阻力件R前后的压差计算出的第一流量以及由下游侧压力的时间变化量计算出的第二流量，来控制下游侧阀V2的开度，所以在下游侧容积部VL内产生压力变化时和下游侧容积部VL内的压力稳定时，反馈的流量自然地变化。即，也可以说由流量控制部3进行的流量控制自然地从第二流量控制切换为第一流量控制。

此外，压力控制部4与流量控制部3独立地控制上游侧阀V1的开度，在第二流量稳定为设定流量的预定值的期间，以利用上游侧阀V1的开度变化而使从下游侧阀V2流出的流量保持恒定的方式进行控制(步骤S10)。

按照如此构成的第一实施方式的流量控制装置100，可以根据实际测定的第一流量和下游侧压力的时间变化量，计算出作为从下游侧阀V2流出的流量的第二流量。并且，由于对作为控制点的下游侧阀V2处的流量亦即第二流量进行反馈来控制下游侧阀V2，所以在实际的流量与反馈的流量之间不产生时间延迟，从而与以往相比能够提高相对于设定流量变化的追随速度。即，可以实现在半导体制造工序中所需求的响应速度。

此外，由于利用上游侧阀V1，以使流体阻力件R的上游侧的压力始终保持为设定压力的方式进行控制，所以不容易产生压力变动，并且利用下游侧阀V2的控制，在第二流量稳定为设定流量后容易继续保持其流量。即，对于从下游侧阀V2流出的气体的流量的控制，可以提高稳健性。

接着参照图3，对本发明第二实施方式进行说明。另外，对已经在第一实施方式中说明的构件赋予相同的附图标记。

在第二实施方式中，流量控制装置100未附加外部传感器，而是具有自诊断功能，该自诊断功能根据流量控制装置100自身所具有的传感器的信息诊断自身状态。即，如图3所示，流量控制装置100还包括诊断部5，该诊断部5在下游侧阀V2关闭的状态下，对第一流量和第二流量进行比较来诊断是否存在异常。如果是下游侧阀V2关闭的状态，则不存在来自下游侧容积部VL的气体的流出，所以如果各传感器未发生故障，则第一流量和第二流量几乎不会产生差异。因此，当第一流量与第二流量之差超过预定阈值时，诊断部5诊断为上游侧压力传感器P1、下游侧压力传感器P2和下游侧阀V2中的某一个发生了故障。

如此，按照第二实施方式的流量控制装置100，通过对从内部得到的各种流量进行比较，可以诊断流体设备是否发生了故障等异常。

接着参照图4，对本发明第三实施方式进行说明。

在第三实施方式的流量控制装置100中，第一流量的算出原理与第一实施方式不同。具体地说，第三实施方式的流量控制装置100未使用设置在流体阻力件R前后的压力传感器的测定值，而是另外设置有用于测定流量的流量检测机构F，第一流量算出部1基于上述流量检测机构F的输出计算出第一流量。

即，在第三实施方式中，流量检测机构F具有：细管F1，以跨越流体阻力件R前后的方式分路设置；两个传热线圈F2，卷绕于该细管F1；以及流量检测器F3，由将各传热线圈F2保持为预定温度的电桥电路构成。向各传热线圈F2施加的电压对应于细管F1内流动的流体的流量而变化。第一流量算出部1基于从流量检测器F3输出的电压之差计算出第一流量。即，在第三实施方式中，由流量检测机构F和第一流量算出部1构成热式流量传感器。

按照这种结构，基于第一流量和由下游侧压力传感器P2测定的下游侧压力的时间变化量，计算出作为在下游侧阀V2中实际流动的流量的第二流量，能够基于上述第二流量以不产生时间延迟的方式来进行流量控制。

对其他实施方式进行说明。

也可以是流量控制装置不具备上游侧阀，流体设备仅具备上游侧压力传感器、流体阻力件、下游侧压力传感器和下游侧阀。即，也可以不进行将流体阻力件的上游侧的压力保持为恒定的压力控制，而利用下游侧阀进行第一实施方式中说明的基于第二流量的流量反馈控制。即使是这种结构，通过使流量的测定点与控制点一致，也能够得到提高响应速度的效果。

流量控制装置控制的流体不限于气体，也可以是液体。

也可以是下游侧阀包括位移传感器，可以检测阀体相对于阀座的位置、即开度。此外，也可以是流量控制部例如基于设定流量与第二流量的偏差计算出当前应实现的目标开度，并且以使位移传感器检测的检测开度成为目标开度的方式控制下游侧阀。按照这种结构，由于能够利用第二流量以不产生时间延迟的方式得到下游侧阀在某一控制点处的实际流量，并且能够基于位移传感器的检测开度高速地控制下游侧阀的开度自身，所以能够使实际经过下游侧阀的流量进一步高速地追随设定流量。

此外，由于可以检测下游侧阀的当前开度，并且根据第二流量得到实际经过下游侧阀的流量，所以还能够准确地把握开度与实际流动的第二流量之间的关系。因此，即使例如发生了某种故障或堵塞，从某一开度下应实现的流量仅稍许变化，也能够检测为异常。即，如果诊断部基于位移传感器的检测开度和第二流量来进行流量控制装置内的自诊断，则与以往相比能够进行高精度的诊断。

另外，也可以是上游侧阀也包括位移传感器，从而能够检测上游侧阀的开度。

此外，为了可以将利用本发明的流量控制装置在极短时间内实现的流量例如向腔室等直接供给，只要在流路中将下游侧阀配置在腔室的导入口附近即可。

此外，只要不违反本发明的宗旨，可以进行实施方式的变形，也可以分别组合各实施方式的一部分或全部。

Claims (7)

1.一种流量控制装置，其特征在于，包括：

流体阻力件，设置于流路；

下游侧阀，设置在流体阻力件的下游侧；

上游侧压力传感器，设置在所述流体阻力件的上游侧；

下游侧压力传感器，测定所述流体阻力件与所述下游侧阀之间的所述流路的容积部中的压力；

第一流量算出部，基于由所述上游侧压力传感器测定的上游侧压力和由所述下游侧压力传感器测定的下游侧压力，计算出流过所述流体阻力件的第一流量；

第二流量算出部，基于第一流量和由所述下游侧压力传感器测定的下游侧压力的时间变化量，计算出从所述下游侧阀流出的第二流量；以及

流量控制部，基于设定流量和第二流量来控制所述下游侧阀。

2.根据权利要求1所述的流量控制装置，其特征在于，

所述第二流量算出部包括：

变化量算出部，计算出下游侧压力的时间变化量；以及

流量运算部，基于第一流量与根据下游侧压力的时间变化量计算出的换算流量之差，计算出第二流量。

3.根据权利要求1所述的流量控制装置，其特征在于，还包括：

上游侧阀，设置成比所述流体阻力件更靠上游侧；以及

压力控制部，基于设定压力和由所述上游侧压力传感器测定的上游侧压力来控制所述上游侧阀。

4.根据权利要求1所述的流量控制装置，其特征在于，还包括诊断部，所述诊断部在所述下游侧阀关闭的状态下，对第一流量和第二流量进行比较来诊断是否存在异常。

5.根据权利要求1所述的流量控制装置，其特征在于，

还包括流量检测机构，所述流量检测机构输出与流过所述流体阻力件的第一流量对应的检测信号，

所述第一流量算出部基于所述流量检测机构输出的检测信号计算出第一流量。

6.一种流量控制方法，利用流量控制装置，所述流量控制装置包括：流体阻力件，设置于流路；下游侧阀，设置在流体阻力件的下游侧；上游侧压力传感器，设置在所述流体阻力件的上游侧；以及下游侧压力传感器，测定所述流体阻力件与所述下游侧阀之间的所述流路的容积部中的压力，

所述流量控制方法的特征在于，包括：

第一流量算出步骤，基于由所述上游侧压力传感器测定的上游侧压力和由所述下游侧压力传感器测定的下游侧压力，计算出流过所述流体阻力件的第一流量；

第二流量算出步骤，基于第一流量和由所述下游侧压力传感器测定的下游侧压力的时间变化量，计算出从所述下游侧阀流出的第二流量；以及

流量控制步骤，基于设定流量和第二流量来控制所述下游侧阀。

7.一种程序存储介质，存储有流量控制装置用程序，所述流量控制装置用程序是用于流量控制装置的程序，所述流量控制装置包括：流体阻力件，设置于流路；下游侧阀，设置在流体阻力件的下游侧；上游侧压力传感器，设置在所述流体阻力件的上游侧；以及下游侧压力传感器，测定所述流体阻力件与所述下游侧阀之间的所述流路的容积部中的压力，

所述程序存储介质的特征在于，

所述流量控制装置用程序使计算机发挥如下功能：

第一流量算出部，基于由所述上游侧压力传感器测定的上游侧压力和由所述下游侧压力传感器测定的下游侧压力，计算出流过所述流体阻力件的第一流量；

第二流量算出部，基于第一流量和由所述下游侧压力传感器测定的下游侧压力的时间变化量，计算出从所述下游侧阀流出的第二流量；以及

流量控制部，基于设定流量和第二流量来控制所述下游侧阀。