流量制御装置及び流量制御方法
【課題】本発明は、ガスフローメータの追加設置を行わずにシステムの小型化を図りつつ、ガス流量測定部に異常があった場合には、異常を検出して自己診断を行うこができる流量制御装置を提供することを目的とする。
【解決手段】流体を供給する主配管１０と、
該主配管１０に並列に接続されたセンサ管２０と、
該センサ管２０を流れる前記流体の流量を独立して測定する第１の流量測定手段３０及び第２の流量測定手段４０と、
該第１の流量測定手段４０と該第２の流量測定手段４０の測定結果同士を比較し、該測定結果同士が等しいか否かを判定する比較回路５０と、
該測定結果同士が等しいときには、流量制御状態を維持し、該測定結果同士が等しくないときには、流量アラーム信号を出力する制御手段６０と、を有することを特徴とする。
【解決手段】流体を供給する主配管１０と、
該主配管１０に並列に接続されたセンサ管２０と、
該センサ管２０を流れる前記流体の流量を独立して測定する第１の流量測定手段３０及び第２の流量測定手段４０と、
該第１の流量測定手段４０と該第２の流量測定手段４０の測定結果同士を比較し、該測定結果同士が等しいか否かを判定する比較回路５０と、
該測定結果同士が等しいときには、流量制御状態を維持し、該測定結果同士が等しくないときには、流量アラーム信号を出力する制御手段６０と、を有することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流量制御装置及び流量制御方法に関し、特に、流体を供給する主配管と、主配管に並列に接続されたセンサ管とを有する流量制御装置及び流量制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、半導体製造装置、特にデバイス製造に特殊ガスを用いる装置の場合には、その流量制御精度が製品の品質に大きな影響を与えることが知られており、このような用途のガス流量制御装置として、マスフローコントローラが一般的に用いられている。
【０００３】
図６は、従来のマスフローコントローラ４１０の基本構成を示した図である。図６において、主配管３１０に供給されたガスの一部はセンサ管３２０に導かれ、フローセンサ３３１、３３２及び実流量算出回路３３３により流量計測を行う。センサ管３２０、フローセンサ３３１、３３２及び実流量算出回路３３３は、ガス流量測定部３３０を構成している。次に、ガス流量測定部３３０で測定されたガス流量実測値と、外部から入力された流量設定信号とを制御主回路３６０において比較し、フィードバック制御によりバルブ制御回路３９０で制御バルブ４００の開度を自動調節することによって、設定流量と同一流量となるように、流量制御を行う。この場合、異常流量に対するセルフチェック機能がないため、マスフローコントローラの出口側流量に異常が発生したとしても、異常を検出することができず、不良品を多く製造してしまうおそれがあるという問題があった。
【０００４】
そこで、この点を改善して異常流量検知精度を向上させるために、例えば拡散装置等にみられるように、ガスの主配管系統にマスフローコントローラとマスフローメータとを併用する方法が提案されている。図７は、そのようなマスフローメータを併用した従来の流量制御装置の構成例を示した図である。図７において、図６に示したマスフローコントローラ４１０に、更にマスフローメータ４２０が付加されている。マスフローメータは、マスフローコンロトーラとは異なり、そのガス系統に流れているガス流量のみ計測する手段であり、流量のコントロール部分を持たない流量センサの機能を有する。つまり、図６における、ガス流量測定部３３０と略同一の構成と考えてよい。この場合、マスフローメータ４２０で測定された流量値と、マスフローコントローラ４１０のガス流量測定部３３０で測定された流量値とを実流量比較回路３５０で比較し、両者に差があるときに制御回路３６１で流量アラームを発報し、異常流量を検出して操作者に了知させることができる。
【０００５】
このような、自己診断機能を有した流量制御装置の例として、ガスの主配管に、制御用流量計の他、診断用流量計を設け、その測定値に差があるときに異常と判定する判定装置を接続した流量制御装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平５−１０６０４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述の図７に示した従来技術及び特許文献１に記載の構成では、主配管にマスフローメータの設置が必要となり、ガス系統が複雑になるとともに、部品点数が増加し、コストアップを招くという問題があった。また、最近の半導体製造装置に用いられる流量制御装置においては、省スペース化を図るために集積化した流量制御装置が多く用いられている。かかる集積化した流量制御装置においては、マスフローコントローラの主配管に、マスフローメータを追加して設ける十分なスペースが無い場合が多く、マスフローメータを新たに追加設置することが困難な場合が多く存在した。
【０００７】
そこで、本発明は、マスフローメータの追加設置を行わずにシステムの小型化を図りつつ、ガス流量測定部に異常があった場合には、異常を検出して自己診断を行うこが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】
【０００８】
上記目的を達成するため、第１の発明に係る流量制御装置（１１０、１１０ａ）は、流体を供給する主配管（１０）と、
該主配管（１０）に並列に接続されたセンサ管（２０）と、
該センサ管（２０）を流れる前記流体の流量を独立して測定する第１の流量測定手段（３０）及び第２の流量測定手段（４０）と、
該第１の流量測定手段（３０）と該第２の流量測定手段（４０）の測定結果同士を比較し、該測定結果同士が等しいか否かを判定する比較回路（５０）と、
該測定結果同士が等しいときには、流量制御状態を維持し、該測定結果同士が等しくないときには、流量アラーム信号を出力する制御手段（６０）と、を有することを特徴とする。
【０００９】
これにより、新たに主配管にマスフローメータ等の流量計を設けずに、既に設けられたセンサ管に流量測定手段に設けるので、スペースを増加させる必要がない。そして、流量測定手段に異常が発生した場合には、測定結果の比較により異常を確実に検出し、操作者に異常を知らせることができる。
【００１０】
第２の発明は、第１の発明に係る流量制御装置（１００、１００ａ）において、
前記第１の流量測定手段（３０）及び前記第２の流量測定手段（４０）は、前記センサ管（２０）の上流側と下流側に備えられた抵抗体からなるフローセンサ（３１、３２、４１、４２）と、該フローセンサ（３１、３２、４１、４２）の温度分布の変化を検出する実流量演算回路（３３、４３）とを、各々が備えることを特徴とする。
【００１１】
これにより、第１の流量測定手段と第２の流量測定手段でフローセンサ及び実流量演算回路を完全に独立させることができ、一方の流量測定手段のいずれかの要素に異常が発生しても、正常な流量測定手段との比較により確実に異常を発見することができる。
【００１２】
第３の発明は、第１又は第２の発明に係る流量制御装置（１１０、１１０ａ）において、
前記実流量演算回路（３３、４３）は、前記流体の実流量を算出する実流量算出回路（３４、４４）と、該実流量が設定流量と等しいか否かを判定する判定回路（３５、４５）とを備え、
前記制御手段（６０）は、該判定回路（３５、４５）により該実流量が該設定流量と等しくないと判定されたときには、前記流量アラーム信号を出力することを特徴とする。
【００１３】
これにより、実測流量自体が設定流量と異なっている場合には、配管の詰まり等その他の原因による一般的な流量異常であるので、このような流量異常についても当然に検知して操作者に了知させることができる。
【００１４】
第４の発明は、第１〜３のいずれかの発明に係る流量制御装置（１１０、１１０ａ）において、
前記制御手段（６０）から出力されるバルブ制御信号が入力されるバルブ制御回路（９０）を有し、
前記制御手段（６０）は、前記流体の導入開始から所定の応答時間内において、前記実流量が前記設定流量に等しくないときには、前記実流量を前記設定流量に追従させるように前記バルブ制御信号を出力し、
前記バルブ制御回路（９０）は、前記バルブ制御信号に基づいて、前記主配管（１０）に備えられた制御バルブ（１００）を制御して前記ガスの流量を制御することを特徴とする。
【００１５】
これにより、流体導入開始でオーバーシュートとアンダーシュートが続く所定の応答時間内においては、フィードバック制御を実行して、流量を早期に設定流量に追従させる制御を行うことができる。
【００１６】
第５の発明に係るガス流量制御方法は、主配管（１０）に流体を供給する流体供給工程と、
該主配管（１０）に並列に接続されたセンサ管（２０）を流れる前記流体の流量を、第１の流量測定手段（３０）及び第２の流量測定手段（４０）で独立して測定する流量測定工程と、
該第１の流量測定手段（３０）と該第２の流量測定手段（４０）の測定結果同士を比較し、該測定結果同士が等しいか否かを判定する比較工程と、
該測定結果同士が等しいときには、流量制御状態を維持し、該測定結果同士が等しくないときには、流量アラーム信号を出力する制御工程と、を有することを特徴とする。
【００１７】
これにより、流量測定手段に異常があった場合でも、独立した流量測定手段同士の測定結果の比較により、流量異常を確実に検出することができる。
【００１８】
第６の発明は、第５の発明に係るガス流量制御方法において、
前記流量測定工程は、前記流体の実流量を測定する工程と、該実流量が設定流量と等しいか否かを判定する工程を含み、
該実流量が該設定流量と等しいと判定されたときに、前記比較工程を実行することを特徴とする。
【００１９】
これにより、実流量自体に異常が発生していない場合にのみ、流量測定手段同士の比較を行うことができ、実流量自体に異常が発生している場合には、流量測定手段同士の比較を行うまでもなく、早期に流量異常を検知して操作者に了知させることができる。
【００２０】
第７の発明は、第５又は第６の発明に係る流量制御方法において、
前記比較工程において、前記流体供給工程を開始してから所定の応答時間内に、前記測定結果同士が等しくないと判定されたときには、
前記制御工程において、前記流量アラーム信号を出力せずに、前記実流量を設定流量に追従させる制御を行うことを特徴とする。
【００２１】
これにより、流体の導入開始直後で流量がオーバーシュートとアンダーシュートを繰り返して一定しないときには、設定流量に実流量を追従させる通常のフィードバック制御を実行し、早期に実流量が設定流量に追従するように制御を行うことができ、流量が安定してから流量異常が発生していないか否かを再度検査することができる。
【００２２】
なお、上記括弧内の参照符号は、理解を容易にするために付したものであり、一例に過ぎず、図示の態様に限定されるものではない。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、省スペース化を図りつつ流量測定手段の異常を発見することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。
【実施例１】
【００２５】
図１は、本発明を適用した実施例１に係る流量制御装置１１０の全体構成を示した図である。図１において、実施例１に係る流量制御装置１１０は、主配管１０と、センサ管２０と、第１の流量測定手段３０と、第２の流量測定手段４０と、比較回路５０と、制御主回路６０と、バルブ制御回路９０と、制御バルブ１００とを有する。また、実施例１に係る流量制御装置１１０は、必要に応じて、流量表示器７０と、流量アラーム発報手段８０と、を備えてもよい。
【００２６】
主配管１０は、流体を供給するための流路であり、入口は流体供給源に接続され、出口は流体を供給する対象に接続される。流体は、ガスの他、液体を含んでよい。本実施例においては、流体としてガスを用いる例を挙げて説明するが、本実施例に係る流量制御装置１１０は、ガス供給のみならず、薬液等の液体供給にも同様に適用することができる。流体を供給する対象は、用途に応じて種々の装置等が適用されてよいが、例えば、流体としてガスを供給する場合には、半導体製造装置のエッチング装置、拡散装置、成膜装置等のガスを用いて半導体ウェハーの処理を行う装置が供給対象であってもよい。なお、主配管は、バイパス管と呼んでもよい。
【００２７】
また、主配管１０には、バイパス層流素子１１が設けられていてもよい。バイパス層流素子１１は、ガスを層流状にして均一に装置等に供給するための素子である。なお、流体が液体の場合には、バイパス層流素子１１は設けられなくてよい。
【００２８】
センサ管２０は、主配管１０を流れている流体の一部を導入し、その流量を測定するための配管である。センサ管２０は、主配管１０の流量に大きな変動を与えない方が好ましいので、測定にのみ必要な流量の流体を導入すべく、主配管１０よりも細い径の細配管が用いられてよい。センサ管２０は、例えば、ステンレスで形成され、ステンレス細管として構成されてもよい。
【００２９】
第１の流量測定手段３０は、センサ管２０を流れる流体の流量を測定するための手段であり、センサ管２０に設けられる。第１の流量測定手段３０は、フローセンサ３１、３２と、第１の実流量演算回路３３とを含む。第１の実流量演算回路３３は、実流量を算出する実流量算出回路３４と、実流量が設定流量と等しいか否かを判定する判定回路３５とを含む。
【００３０】
フローセンサ３１、３２は、上流側フローセンサ３１と下流側フローセンサ３２とから構成され、センサ管２０に設置される。フローセンサ３１、３２は、抵抗体からなるヒータとして構成され、抵抗体に電流を流すことにより用いる。主配管１０に流体が流れていない場合には、上流側フローセンサ３１と下流側フローセンサ３２の熱は平衡状態に保たれる。一方、主配管１０に流体が流れ出すと、センサ管２０の入口から流体が導入され、上流側フローセンサ３１の抵抗体の熱が奪われて下流側に移動して熱バランスが崩れ、温度分布に変化が発生する。そして、下流側フローセンサ３２では、この温度変化により抵抗体の抵抗値に変化が生じる。この変化を、第１の実流量演算回路３３の実流量算出回路３４が検出し、実流量を算出する。
【００３１】
実流量算出回路３４は、上流側フローセンサ３１と下流側フローセンサ３２の抵抗体の値の変化を捉まえて、これを流量出力信号として算出する回路であり、例えば、ホイートストンブリッジ回路等が適用されてよい。
【００３２】
判定回路３５は、実流量算出回路３４で算出された実流量の流量出力信号が、制御目標値となる流量設定信号と等しいか否かを判定するための回路である。なお、ここで言う等しいとは、物理的に完全に等しい流量を意味する訳ではなく、流量制御装置１１０における分解能の精度の範囲内で等しいことを意味しており、制御上、等しいとみなして処理を行う許容誤差、機械誤差を含めた上で等しいということを意味している。例えば、５％以内の誤差については、制御上、実流量と設定流量は等しいという制御処理を行う流量制御装置の場合には、５％以内の誤差も等しい範囲内に含むものとする。
【００３３】
なお、実流量算出回路３４と判定回路３５を含む第１の実流量演算回路３３は、センサ管２０と離れた位置に設置されてもよい。
【００３４】
実流量と比較判定される流量設定信号は、例えば、制御主回路６０に入力された流量設定信号が、実流量演算回路３３に送られて設定されてよい。また、判定回路３５は、例えば、流量出力信号と流量設定信号との比較が可能なコンパレータ等を含んで構成されてもよい。判定回路３５において、実流量の流量出力信号が、流量設定信号と等しいと判定されれば、流体は設定流量で異常なく正常に流れていることになる。
【００３５】
しかしながら、図７の従来技術で説明したように、判定回路３５で実流量と設定流量が等しく、正常状態と判定されている場合でも、フローセンサ３１、３２、実流量算出回路３４又は判定回路３５等の電気系統に異常があり、電気的には正常状態であっても、実際には異常な流量で流体が流れているような場合が起こり得る。つまり、第１のガス流量測定手段３０自体に異常が発生している場合には、その異常を自己診断又は自己検出することができない。
【００３６】
そこで、本実施例に係る流量制御装置１１０においては、第１の流量測定手段３０の他、これとは独立した第２の流量測定手段４０を更に設けている。
【００３７】
第２の流量測定手段４０は、第１の流量測定手段３０とは独立してセンサ管２０に設けられている。第２の流量測定手段４０は、第１の流量測定手段３０と独立しているため、第１の流量測定手段３０と同様に、フローセンサ４１、４２と、実流量演算回路４３とを備える。また、第２の流量測定手段４０は、フローセンサ４１、４２が上流側フローセンサ４１と下流側フローセンサ４２とから構成される点と、第２の実流量演算回路４３が実流量算出回路４４と判定回路４５とを含む点も、第１の流量測定手段３０と同様である。また、フローセンサ４１、４２はセンサ管２０に設置され、第２の実流量演算回路４３はセンサ管２０から離れて設置されてよい点も、第１の流量測定手段３０と同様である。つまり、第２の流量測定手段４０は、第１の流量測定手段３０と別個独立にガス等の流体の流量を測定できるように構成されており、別個独立に設置されている。なお、個々の構成要素については、第１の流量測定手段３０と同様であるので、その説明を省略する。
【００３８】
また、第２の流量測定手段４０は、主配管１０に新たにセンサ管２０を設けて設置されるのではなく、第１の流量測定手段３０が設けられたセンサ管２０に共通に設置されている。これにより、主配管１０に新たにスペースを設けて別のセンサ管２０を設ける必要が無くなり、既に存在するセンサ管２０を有効利用して流体の流量を独立に測定することが可能となる。よって、省スペース化を図ることができ、例えば、集積化されたマスフローコントローラが用いられる場合であっても、既に存在するセンサ管２０を利用して容易に低コストで第２の流量測定手段４０を設置することができる。更に、既存のセンサ管２０を用い、新たな配管設置を行わないので、接続関係を複雑化することなく簡素化した状態で第２の流量測定手段４０を設けることができる。
【００３９】
なお、第２の流量測定手段４０に用いられているフローセンサ４１、４２、実流量算出回路４３及び判定回路４４は、第１の流量測定手段３０に用いられているフローセンサ３１、３２、実流量算出回路３３及び判定回路３５と全く同じ構成部品を用いてもよいし、異なる部品を用いてもよい。完全に同じ特性で実流量の流量出力信号を出力する、という観点からは同じ部品とすることが好ましいが、流量を正確に測定できる限り、異なる部品を用いる構成であってもよい。
【００４０】
また、本実施例では、第１の流量測定手段３０と第２の流量測定手段４０の双方において、測定された実流量が設定流量と等しいか否かを判定する判定回路３５、４５が、実流量演算回路３３、４３内に設けられている例を挙げて説明している。しかしながら、判定回路３５、４５は、実流量演算回路３３、４３の外部に設けられていてもよい。例えば、判定回路３５、４５は、制御主回路６０や、比較回路５０にその機能が設けられていてもよい。判定回路３５、４５は、実流量と設定流量が等しいか否かを判定でき、その結果を比較回路５０及び制御主回路６０に反映できれば、いずれに設けられてもよい。
【００４１】
なお、実流量算出回路３４、４４及び判定回路３５、４５における演算は、流量を電圧に換算した信号により演算が行われてよい。例えば、０〜５〔Ｖ〕の間で流量換算した電圧がセット電圧として設定され、ガス等の流体の実流量の流量出力信号や設定流量信号が電圧ベースで設定され、比較演算等がなされてよい。
【００４２】
判定回路３５、４５において、流体の実流量が設定流量と等しいと判定された場合には、第１の流量測定手段３０及び第２の流量測定手段４０の測定結果の流量出力信号が、比較回路５０に出力される。一方、判定回路３５、４５において、流体の実流量が設定流量と等しくなく、差があると判定された場合には、設定流量通りに流体が供給されず、流量異常が発生しているので、流量異常検出信号が、制御主回路６０に出力される。
【００４３】
比較回路５０は、第１の流量測定手段３０の測定結果と、第２の流量測定手段４０の測定結果とを比較し、両者の測定結果同士が等しいか否かを検出するための回路である。
【００４４】
例えば、第１の流量測定手段３０で測定された流体の実流量は、判定回路３５により設定流量と等しいと判定され、第２の流量測定手段４０で測定された流体の実流量も判定回路４５により設定流量と等しいと判定された場合、双方とも正しく測定が出来ていれば、第１の流量測定手段３０と第２の流量測定手段４０の測定結果は一致するはずである。
【００４５】
しかしながら、上述のように、判定回路３５、４５における判定結果は正常であっても、第１の流量測定手段３０又は第２の流量測定手段４０のいずれか一方が故障している場合には、両者の値は異なるはずである。つまり、第１の流量測定手段３０又は第２の流量測定手段４０のいずれか一方のみが故障している場合には、比較回路５０において、正常に動作している方の流量測定手段３０、４０と、異常が発生している方の流量測定手段３０、４０との測定結果同士を比較することになるので、確実に流量測定手段３０、４０自体の異常を発見することができる。
【００４６】
このように、比較回路５０では、第１の流量測定手段３０の測定結果と、第２の流量測定手段４０の測定結果を比較し、両者の実測ガス流量が等しいか否かを判定することにより、第１の流量測定手段３０及び第２の流量測定手段４０が正常に機能しているか否かを検査する。
【００４７】
なお、比較回路５０においても、等しいという意味は、判定回路３５、４５における説明と同様に、物理的に流量が完全に一致していることまでは要せず、制御上、等しいという処理を行うレベルでの等しさであってよい。つまり、分可能の精度の範囲内で、許容誤差や機械誤差を含めた範囲における等しさであってよい。
【００４８】
また、稀ではあるが、第１の流量測定手段３０及び第２の流量測定手段４０の双方が同時に故障する場合も考えられるが、そのような場合も、同じ故障の仕方で同じように誤った流量出力信号を出力することは極めて稀と考えられる。よって、第１の流量測定手段３０と第２の流量測定手段４０の双方に異常が発生した場合であっても、比較回路５０において両測定手段３０、４０の実測量のガス流量差を検出することは可能である。
【００４９】
なお、比較回路５０における第１の流量測定手段３０と第２の流量測定手段４０の測定結果同士の比較結果は、制御主回路６０に出力される。
【００５０】
制御主回路６０は、ガス流量制御装置１１０の全体の制御を行う制御手段である。制御主回路６０は、比較回路５０から出力された比較結果信号が、第１の流量測定手段３０及び第２の流量測定手段４０が正常である状態を示す信号であった場合には、流量制御を継続し、流量表示器７０に流量を表示するとともに、必要に応じてバルブ制御回路９０に流量制御状態を継続させる指令信号を出力する。なお、流量制御継続の場合には、バルブ制御回路９０に特に指令信号の出力を必要としない場合には、特に制御指令信号を送らなくてもよい。
【００５１】
一方、制御主回路６０は、比較回路５０から出力された比較結果信号が、第１の流量測定手段３０又は第２の流量測定手段４０の測定結果同士が等しくなく、いずれかの流量測定手段３０、４０に故障が発生し、異常流量が発生している状態を示す信号であった場合には、流量アラーム発報手段８０に流量アラーム信号を出力し、流量アラームを発報させる。これにより、操作者に流量異常を知らせることができる。また、比較回路５０ではなく、第１の流量測定手段３０及び／又は第２の流量測定手段４０から流量異常検出信号が入力された場合には、詰まり等の原因により流量異常が発生しているので、この場合にも、流量アラーム信号を出力し、流量アラームを発報させる。
【００５２】
流量アラームの発報は、例えば、流量アラーム発報手段８０を用いて行ってよい。流量アラーム発報手段８０は、操作者に流量異常を了知させる種々の手段が用いられてよく、例えば、ブザー等の警報手段や、光を点滅させる点灯手段等が適宜適用されてよい。流量異常を知った操作者は、例えば、工程を止めて原因を調査する、等の適切な措置を採ることができ、流量異常のまま製品が製造され続ける事態を防ぐことができる。
【００５３】
流量表示器７０は、流量を表示する手段であり、現在の測定流量、又は過去の履歴を含めて流量表示を行う表示手段等が適用されてよい。
【００５４】
また、制御主回路６０には、設定流量を定める流量設定信号が入力されてよい。この流量設定信号は、第１の実流量演算回路３３及び第２の実流量演算回路４３に送られ、判定手段３５、４５において、実流量が設定流量から所定範囲内にあるか否かの判定に用いられる。また、流量設定信号は、バルブ制御回路９０において、バルブ制御を行う際に用いられてもよい。
【００５５】
バルブ制御回路９０は、制御バルブ１００の開度を制御する手段であり、制御主回路６０からの制御指令信号により動作してよい。具体的なフィードバック制御は、制御主回路６０で行われてもよいし、バルブ制御回路９０で行われてもよい。フィードバック制御においては、例えば、設定流量信号と実測の流量出力信号とを比較し、それぞれの信号レベルが一致するまで、ＰＩＤ動作（比例、積分、微分）を行うような制御を実行してもよい。流体の主配管１０への導入開始後、間もない段階では、流量は、オーバーシュートとアンダーシュートを繰り返し、ハンチングを起こしたような状態となる。これは、２０〜３０〔ｍｓｅｃ〕程度の短い時間であるが、その間、流量は安定しないのが通常である。このような、流体導入開始後、制御目標値に到達して安定するまでの所定の応答時間については、制御目標値に流量を追従させるフィードバック制御を行い、早期に目標値に到達するように制御することが好ましい。そこで、流体導入開始後の所定の応答時間内においては、第１の流量測定手段３０及び第２の流量測定手段４０で測定された実流量が設定流量と一致しない、又は実流量同士が一致しない場合であっても、制御主回路６０は、これを流量異常として認識せず、流量を設定流量に一致させるフィードバック制御を実行する処理を行う。バルブ制御回路９０は、制御主回路６０から出力されるバルブ制御信号の指示に従い、そのようなフィードバック制御を実行する。なお、バルブ制御回路９０は、制御バルブ１００の制御を、制御バルブ１００のバルブ開度を適切に調節することにより行う。
【００５６】
制御バルブ１００は、主配管１０の出口に設けられ、主配管１０から供給される流体の流量を調整する弁である。制御バルブ１００は、電気的に開度を制御し易いように、例えば、ソレノイドバルブ等の電磁弁が適用されてよい。
【００５７】
このように、本実施例に係るガス流量制御装置１１０によれば、通常の詰まり等を原因とする流量異常を検知するだけでなく、流量測定手段３０、４０の故障に基づく流量異常も検知することができる。しかも、流量測定手段３０、４０の故障に基づく流量異常は、新たにマスフローメータ等の流量計を設置することなく、既存のセンサ管２０に独立した流量測定手段３０、４０を設けることにより、省スペース化に対応しつつ、簡素な構成で検出することができる。
【００５８】
次に、図２を用いて、本実施例に係る流量制御装置１１０を用いた流量制御方法について説明する。図２は、本実施例に係る流量制御方法の処理フローを示した図である。
【００５９】
ステップ１００では、制御手段である制御主回路６０に、設定流量信号が入力される。これにより、制御目標値が定まる。なお、入力された設定流量信号は、第１の実流量演算回路３３、第２の実流量演算回路４３及びバルブ制御回路９０等、必要に応じてその値が送られてよい。
【００６０】
ステップ１１０では、主配管１０へのガス等の流体導入が開始される。主配管１０の入口から、流体が導入される。
【００６１】
ステップ１２０では、ソレノイドバルブ等の制御バルブ１００の開度調整動作が開始する。これにより、流体の流量を調整するフィードバック制御が開始する。
【００６２】
ステップ１３０では、センサ管２０に導入された流体から、第１の流量測定手段３０により流体の実流量の測定が行われ、次いで実流量が設定流量と等しくなっているか否かが判定される。流体の実流量の測定は、例えば、上流側フローセンサ３１と下流側フローセンサ３２の抵抗体から、実流量算出回路３４で抵抗体の変化を検出することにより行われる。そして、実流量が設定流量に等しいか否かの判定は、判定回路３５により行われる。
【００６３】
ステップ１３０において、流量測定手段３０の実流量が設定流量と等しいと判定されたときにはステップ１５０に進み、等しくないと判定された場合には、ステップ１６０に進む。
【００６４】
ステップ１４０では、ステップ１３０と並行して、センサ管２０に導入された流体から、第２の流量測定手段４０により流体の実流量の測定が行われ、次いで実流量が設定流量と等しくなっているか否かが判定される。その具体的な内容は、ステップ１３０と同様であり、構成要素が上流側フローセンサ４１、下流側フローセンサ４２、実流量算出回路４３及び判定回路４５に入れ替わっただけであるので、その説明を省略する。
【００６５】
ステップ１４０においても、ステップ１３０と同様に、実流量が設定流量と等しい場合にはステップ１５０に進み、等しくない場合には、ステップ１６０に進む。
【００６６】
ステップ１５０では、比較回路５０において、第１の流量測定手段３０の測定結果と第２の流量測定手段４０の測定結果が等しいか否かが比較判定される。ステップ１５０において、第１の流量測定手段３０の測定結果と第２の流量測定手段４０の測定結果が等しい場合にはステップ１８０に進み、等しくない場合にはステップ１７０に進む。
【００６７】
ステップ１８０では、制御主回路６０が、比較回路５０から測定結果同士が一致しており、制御動作正常の比較結果を示す信号を受けて、流量制御状態を維持する制御を継続する処理を行い、処理フローを終了する。つまり、制御主回路６０は、バルブ制御回路９０に、制御状態維持の指令信号を出力するか、又は維持状態で変化は無いので、特に指令信号は出力しない。バルブ制御回路９０は、制御バルブ１００の開度を維持し、流体の流量を一定に保つ。これにより、正常な制御状態を維持することができる。また、制御主回路６０は、フィードバック制御と同時に、流量表示手段７０に流量を表示させる動作を行ってもよい。処理フロー終了後は、また最初から処理フローを繰り返す。
【００６８】
ステップ１３０及びステップ１４０に戻り、第１の流量測定手段３０又は第２の流量測定手段４０において、実流量が設定流量と等しくなかった場合には、制御主回路６０に流量異常検出信号を出力して、ステップ１６０に進む。
【００６９】
ステップ１６０では、制御主回路６０において、ステップ１１０のガス導入開始から所定の応答時間以内か否かが判定される。これは、制御を開始したすぐ後の段階では、目標値付近でオーバーシュートとアンダーシュートを繰り返し、目標値に追従するまでに所定の応答時間を要するため、この段階は初期状態として通常運転状態とは区別するためである。なお、応答時間は、例えば２０〜３０〔ｍｓｅｃ〕といったレベルのオーダーであってよい。
【００７０】
ステップ１６０において、まだ流体導入開始から所定応答時間以内であった場合には、ステップ１２０に戻り、制御バルブ９０の開度調整動作が開始した段階から処理フローを繰り返す。一方、流体導入から所定応答時間が経過している場合には、詰まり等を原因とする流量異常が発生していると考えられるので、ステップ１９０に進む。
【００７１】
ステップ１９０では、制御主回路６０が流量異常アラーム信号を出力し、流量アラーム発報手段８０を動作させ、操作者に流量異常を知らせる。そして、処理フローを終了し、終了後は、最初から処理フローを繰り返す。
【００７２】
ステップ１５０に戻る。ステップ１５０において、第１の流量測定手段３０による流量の測定結果と、第２の流量測定手段４０による流量の測定結果とが等しくないときには、第１の流量測定手段３０又は第２の流量測定手段４０のいずれか又は双方に異常が発生していると考えられるので、比較回路５０は比較判定結果を制御主回路６０に出力し、ステップ１７０に進む。
【００７３】
ステップ１７０では、ステップ１６０と同様に、制御主回路６０において、ステップ１１０の流体導入開始から所定の応答時間以内であるか否かが判定される。応答時間は、ステップ１６０で説明したように、例えば２０〜３０〔ｍｓｅｃ〕程度であってよい。
【００７４】
ステップ１７０において、流体導入開始から所定の応答時間の範囲内のタイミングであると判定された場合には、ステップ１２０に戻り、制御バルブ９０の開度調整動作開始段階から処理フローを繰り返す。一方、流体導入開始から所定の応答時間が過ぎて通常動作段階に入っていると判定された場合には、ステップ１９０に進む。
【００７５】
ステップ１９０では、上述のように、制御主回路６０が流量異常アラーム信号を出力し、流量アラーム発報手段８０を動作させ、警報を発して操作者に流量異常を知らせ、処理フローを終了する。処理フロー終了後は、また最初から処理フローを繰り返す。
【００７６】
このように、本実施例に係る流量制御方法によれば、流量の正常時には制御状態を継続し、流量異常が検出されたときには、流量アラームを発報させるが、この場合の流量アラームは、単に流量測定手段３０、４０で流量異常が検出された場合のみならず、第１の流量測定手段３０の測定結果と第２の流量測定手段の測定結果が一致しない場合も流量アラームを発することができ、流量測定手段３０、４０自体の異常に基づく流量異常をも検知することができる。これにより、流量制御装置１１０の自己診断と、高精度の流量異常検知が可能となる。
【００７７】
図３は、比較のため、参考として従来のマスフローコントローラの処理フローを示した図である。図６で示したマスフローコントローラにおいて行われる処理フローに対応する。なお、図３において、比較のため、図２と同一のステップについては、同一のステップ番号を用いており、類似しているが内容又は意義が異なるステップについては、類似しているステップの一の位の数字を変えたステップ番号を付している。また、以下の説明中の構成要素の参照符号は、図６に対応して付している。
【００７８】
図３において、ステップ１００では、設定流量信号の入力が行われる。これは、制御目標値の入力であるので、本実施例に係る流量制御方法と同様のステップである。
【００７９】
ステップ１１０では、主配管３１０へのガス導入が開始され、これもガス供給のために行われる共通のステップである。
【００８０】
ステップ１２０では、制御バルブ４００の開度調整動作が開始される。これにより、フィードバック制御が開始する共通のステップである。
【００８１】
ステップ１３５では、制御主回路３６０において、ガス流量測定部３３０で測定された実流量が、設定流量と等しくなっているか否かが判定される。これは、フィードバック制御を行うための判定であり、流量異常を検出する作用は有していない。
【００８２】
ステップ１３５において、目標値である設定流量と実流量が異なる場合には、ステップ１２０に戻り、目標値に実測値が等しくなるまで、制御バルブ４００の開度調整動作のフィードバック制御を繰り返す。そして、実測量が設定流量と等しくなったときに、ステップ１８０に移るが、流量異常が発生して実測量が設定流量と差がある場合には、延々とステップ１２０とステップ１３５を繰り返す処理を実行するしか無く、流量異常を検出できない。
【００８３】
ステップ１８０では、制御主回路で３６０において動作正常の判定がなされ、制御状態が維持され、処理フローを終了する。
【００８４】
このように、図３の処理フローでは、流量異常が発生している場合であっても、延々とフィードバック制御を繰り返すのみであり、流量異常を検知することができない。
【００８５】
図４は、参考比較のため、アラーム機能を持たせた従来のマスフローコントローラの処理フローを示した図である。図６で示したマスフローコントローラにおいて、制御主回路３６０にアラーム機能を搭載した場合に行われる処理フローに対応する。なお、図４において、比較のため、図２と同一のステップについては、同一のステップ番号を付している。また、以下の説明中の構成要素の参照符号は、図６に対応して付している。
【００８６】
ステップ１００〜ステップ１２０の設定流量信号入力、ガス導入及び制御バルブについては、図２及び図３の処理フローと同一であるので、その説明を省略する。
【００８７】
ステップ１３０では、実流量制御主回路３６０において、実流量が設定流量と等しくなっているかの判定が行われる。これは、実施例１の図１に係る流量制御装置においては、第１の流量測定手段３０及び第２の流量測定手段４０の判定回路３５、４５で各々行われていた処理である。処理内容的には、図２のステップ１３０とほぼ同様である。
【００８８】
ステップ１３０において、実流量が設定流量と等しいと判定された場合には、ステップ１８０に進み、制御状態を維持し、処理フローを終了する。一方、ステップ１３０において、実流量が設定流量と等しくないと判定された場合には、ステップ１６０に進む。
【００８９】
ステップ１６０では、制御主回路３６０において、ガス導入から所定応答時間内であるか否かが判定される。これは、ガス導入開始の初期状態では、流量が安定しないため、フィードバック制御を継続するためであり、図２のステップ１６０と同様の処理内容である。
【００９０】
ステップ１６０において、所定の応答時間内であった場合には、ステップ１２０に戻り、制御バルブ４００の開度調整動作から処理フローを繰り返す。この動作も、図２のステップ１６０〜ステップ１２０と同様である。
【００９１】
一方、ステップ１６０において、所定の応答時間を過ぎていた場合には、制御が安定した時期であるにも関わらず、実流量が設定流量と等しくならないので、ステップ１９０に進み、流量異常アラームを発報し、処理フローを終了する。この処理も、図２のステップ１６０〜ステップ１９０の動作と同じである。
【００９２】
このように、一見すると、図４に示す処理フローは、流量異常を検知するアラーム機能を備え、問題無く見えるが、ステップ１３０における、実流量と設定流量との比較判定の際、流量検出系又は制御系に異常があり、見かけ上の信号が一致しているように動作すると、現実には流量異常が発生しても、これを異常として検知することができない。つまり、図４の処理フローは、図２の本実施例に係る流量制御方法の処理フローにおけるステップ１４０、１５０、１７０の、実流量を、第１の流量測定手段３０と並行して独立した第２の流量測定手段４０でも測定し、実流量の測定結果同士を比較して流量測定手段３０、４０（図１）の自己診断を行う機能及び工程がないため、ガス流量測定部３３０、制御主回路３６０の異常を検知することができない。
【００９３】
図２に示した本実施例に係る流量制御方法の処理フローと、従来の図３、図４の処理フローを比較すると、本実施例に係る流量制御方法が、高精度な流量異常検出機能を有していることが分かる。
【実施例２】
【００９４】
実施例２においては、実施例１に係る流量制御装置１１０を、ガス供給用のマスフローコントローラ１１０ａに適用し、ドライエッチング装置を構成した例について説明する。図５は、実施例２に係るドライエッチング装置の全体構成を示した図である。
【００９５】
実施例２に係るドライエッチング装置は、ガス供給系には、ガス導入バルブ１２０と、マスフローコントローラ１１０ａと、ガスラインフィルタ１３０と、レギュレータ１４０と、ガス取り出しバルブ１５０とを備える。また、ドライエッチング装置は、チャンバー２００を備え、チャンバー２００内に、電極部１８０と、ステージ１９０を備え、ステージ１９０上には、ウェハーＷが載置されている。更に、ドライエッチング装置は、ラジカルガスを生成するための電極ヘッド部１７０と、ＲＦ（Radio Frequency）発振器１７０をチャンバー２００の外部に備え、真空排気系としてメインバルブ２１０と、圧力制御用バルブ２２０と、真空ポンプ２３０とを備える。また、ドライエッチング装置は、ステージ１９０の温度調整のためのステージ温度調節器２４０と、アース線２５０をチャンバー２００の外部に備える。
【００９６】
実施例２に係るドライエッチング装置のエッチング加工は、ウェハーＷがステージ１９０上に載置され、真空ポンプ２３０、圧力制御バルブ２２０、メインバルブ２１０によってチャンバー２００内が適切な真空度に調整され、ステージ温度調節器２４０によりステージ１９０が適切な温度に調整された状態で、ラジカルの活性化状態のエッチングガスがチャンバー２００内に導入されることにより行われる。
【００９７】
ガスの供給は、ガス取り出しバルブ１５０を開として取り出されたガスがレギュレータ１４０により粗く流量調整され、更にガスラインフィルタ１３０を介して清浄化されたガスがマスフローコントローラ１１０ａにより高精度に流量調整され、ガス導入バルブ１２０を開とすることにより行われる。ガスは、ドライエッチング用の種々のガスが用いられてよいが、例えば、六フッ化硫黄（ＳＦ６）ガス、四フッ化炭素（ＣＦ４）ガス等が用いられてよい。
【００９８】
電極ヘッド部１６０には、ガスが供給され、ＲＦ発振器により高周波が付与され、プラズマによりガスをイオン化・ラジカル化して、電極部１８０から、チャンバー２００内にイオン化・ラジカル化したガスが供給される。
【００９９】
活性化したガスは、ウェハーＷと反応し、化学反応により、ウェハーＷがエッチングされる。このようにして、反応性イオンエッチングが実行される。この場合、ガスの供給流量の制御は極めて重要であり、設定流量通りのガスを電極ヘッド分６０に供給することにより、初めて適切な反応性イオンエッチングが実行される。よって、ガスの流量異常が発生すると、ウェハーＷの適切なエッチングが行えず、不良品を製造してしまうことになる。特に、図５においては枚様式の処理装置を示しているが、複数枚のウェハーＷを一度に処理する処理装置では、歩留まりを大きく低下させることになってしまう。
【０１００】
かかる観点から、異常流量の検出は半導体製造のプロセスにおいて極めて重要であり、本実施例に係るマスフローコントローラ１１０ａを用いることにより、流量異常を高精度に検出し、操作者に了知させることが可能となり、半導体製造の歩留まりを向上させることができる。
【０１０１】
なお、図５においては、反応性イオンエッチングの例を挙げて説明したが、反応ガスをチャンバー２００に供給し、反応性ガスエッチングを行うドライエッチング装置としてもよい。この場合、ＲＦ発振器１７０、電極ヘッド部１６０及び電極部１８０は必要とせず、チャンバー２００内に直接反応ガスを供給するような装置構成としてよい。
【０１０２】
また、ウエットエッチングを行う場合には、流体をエッチング液に変えてウエットエッチング用の装置として構成することにより、液体を設定流量通りに所定量供給することを要するウエットエッチング装置として構成することもできる。
【０１０３】
その他、流体を設定流量通りに所定量供給することが必要な装置には、半導体装置に限らず、総て本実施例に係る流量制御装置及び流量制御方法を適用することができる。
【０１０４】
以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【図１】実施例１に係る流量制御装置１１０の全体構成図である。
【図２】実施例１に係る流量制御方法の処理フローを示した図である。
【図３】従来のマスフローコントローラの処理フローを示した参考比較図である。
【図４】アラーム機能を持たせた従来のマスフローコントローラの処理フローを示した参考比較図である。
【図５】実施例２に係るドライエッチング装置の全体構成図である。
【図６】従来のマスフローコントローラ４１０の基本構成図である。
【図７】マスフローメータを併用した従来の流量制御装置の構成例を示した図である。
【符号の説明】
【０１０６】
１０ 主配管
１１ バイパス層流素子
２０ センサ管
３０ 第１の流量測定手段
３１、３２、４１、４２ フローセンサ
３３ 第１の実流量演算回路
３４、４４ 実流量算出回路
４０ 第２の流量測定手段
４３ 第２の実流量算出回路
５０ 比較回路
６０ 主制御回路
７０ 流量表示器
８０ 流量アラーム発報手段
９０ バルブ制御回路
１００ 制御バルブ
１１０、１１０ａ 流量制御装置
１２０ ガス導入バルブ
１３０ ガスラインフィルタ
１４０ レギュレータ
１５０ ガス取り出しバルブ
１６０ 電極ヘッド部
１７０ ＲＦ発振器
１８０ 電極部
１９０ ステージ
２００ チャンバー
２１０ メインバルブ
２２０ 圧力制御用バルブ
２３０ 真空ポンプ
２４０ ステージ温度調節器
２５０ アース線
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流量制御装置及び流量制御方法に関し、特に、流体を供給する主配管と、主配管に並列に接続されたセンサ管とを有する流量制御装置及び流量制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、半導体製造装置、特にデバイス製造に特殊ガスを用いる装置の場合には、その流量制御精度が製品の品質に大きな影響を与えることが知られており、このような用途のガス流量制御装置として、マスフローコントローラが一般的に用いられている。
【０００３】
図６は、従来のマスフローコントローラ４１０の基本構成を示した図である。図６において、主配管３１０に供給されたガスの一部はセンサ管３２０に導かれ、フローセンサ３３１、３３２及び実流量算出回路３３３により流量計測を行う。センサ管３２０、フローセンサ３３１、３３２及び実流量算出回路３３３は、ガス流量測定部３３０を構成している。次に、ガス流量測定部３３０で測定されたガス流量実測値と、外部から入力された流量設定信号とを制御主回路３６０において比較し、フィードバック制御によりバルブ制御回路３９０で制御バルブ４００の開度を自動調節することによって、設定流量と同一流量となるように、流量制御を行う。この場合、異常流量に対するセルフチェック機能がないため、マスフローコントローラの出口側流量に異常が発生したとしても、異常を検出することができず、不良品を多く製造してしまうおそれがあるという問題があった。
【０００４】
そこで、この点を改善して異常流量検知精度を向上させるために、例えば拡散装置等にみられるように、ガスの主配管系統にマスフローコントローラとマスフローメータとを併用する方法が提案されている。図７は、そのようなマスフローメータを併用した従来の流量制御装置の構成例を示した図である。図７において、図６に示したマスフローコントローラ４１０に、更にマスフローメータ４２０が付加されている。マスフローメータは、マスフローコンロトーラとは異なり、そのガス系統に流れているガス流量のみ計測する手段であり、流量のコントロール部分を持たない流量センサの機能を有する。つまり、図６における、ガス流量測定部３３０と略同一の構成と考えてよい。この場合、マスフローメータ４２０で測定された流量値と、マスフローコントローラ４１０のガス流量測定部３３０で測定された流量値とを実流量比較回路３５０で比較し、両者に差があるときに制御回路３６１で流量アラームを発報し、異常流量を検出して操作者に了知させることができる。
【０００５】
このような、自己診断機能を有した流量制御装置の例として、ガスの主配管に、制御用流量計の他、診断用流量計を設け、その測定値に差があるときに異常と判定する判定装置を接続した流量制御装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平５−１０６０４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述の図７に示した従来技術及び特許文献１に記載の構成では、主配管にマスフローメータの設置が必要となり、ガス系統が複雑になるとともに、部品点数が増加し、コストアップを招くという問題があった。また、最近の半導体製造装置に用いられる流量制御装置においては、省スペース化を図るために集積化した流量制御装置が多く用いられている。かかる集積化した流量制御装置においては、マスフローコントローラの主配管に、マスフローメータを追加して設ける十分なスペースが無い場合が多く、マスフローメータを新たに追加設置することが困難な場合が多く存在した。
【０００７】
そこで、本発明は、マスフローメータの追加設置を行わずにシステムの小型化を図りつつ、ガス流量測定部に異常があった場合には、異常を検出して自己診断を行うこが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】
【０００８】
上記目的を達成するため、第１の発明に係る流量制御装置（１１０、１１０ａ）は、流体を供給する主配管（１０）と、
該主配管（１０）に並列に接続されたセンサ管（２０）と、
該センサ管（２０）を流れる前記流体の流量を独立して測定する第１の流量測定手段（３０）及び第２の流量測定手段（４０）と、
該第１の流量測定手段（３０）と該第２の流量測定手段（４０）の測定結果同士を比較し、該測定結果同士が等しいか否かを判定する比較回路（５０）と、
該測定結果同士が等しいときには、流量制御状態を維持し、該測定結果同士が等しくないときには、流量アラーム信号を出力する制御手段（６０）と、を有することを特徴とする。
【０００９】
これにより、新たに主配管にマスフローメータ等の流量計を設けずに、既に設けられたセンサ管に流量測定手段に設けるので、スペースを増加させる必要がない。そして、流量測定手段に異常が発生した場合には、測定結果の比較により異常を確実に検出し、操作者に異常を知らせることができる。
【００１０】
第２の発明は、第１の発明に係る流量制御装置（１００、１００ａ）において、
前記第１の流量測定手段（３０）及び前記第２の流量測定手段（４０）は、前記センサ管（２０）の上流側と下流側に備えられた抵抗体からなるフローセンサ（３１、３２、４１、４２）と、該フローセンサ（３１、３２、４１、４２）の温度分布の変化を検出する実流量演算回路（３３、４３）とを、各々が備えることを特徴とする。
【００１１】
これにより、第１の流量測定手段と第２の流量測定手段でフローセンサ及び実流量演算回路を完全に独立させることができ、一方の流量測定手段のいずれかの要素に異常が発生しても、正常な流量測定手段との比較により確実に異常を発見することができる。
【００１２】
第３の発明は、第１又は第２の発明に係る流量制御装置（１１０、１１０ａ）において、
前記実流量演算回路（３３、４３）は、前記流体の実流量を算出する実流量算出回路（３４、４４）と、該実流量が設定流量と等しいか否かを判定する判定回路（３５、４５）とを備え、
前記制御手段（６０）は、該判定回路（３５、４５）により該実流量が該設定流量と等しくないと判定されたときには、前記流量アラーム信号を出力することを特徴とする。
【００１３】
これにより、実測流量自体が設定流量と異なっている場合には、配管の詰まり等その他の原因による一般的な流量異常であるので、このような流量異常についても当然に検知して操作者に了知させることができる。
【００１４】
第４の発明は、第１〜３のいずれかの発明に係る流量制御装置（１１０、１１０ａ）において、
前記制御手段（６０）から出力されるバルブ制御信号が入力されるバルブ制御回路（９０）を有し、
前記制御手段（６０）は、前記流体の導入開始から所定の応答時間内において、前記実流量が前記設定流量に等しくないときには、前記実流量を前記設定流量に追従させるように前記バルブ制御信号を出力し、
前記バルブ制御回路（９０）は、前記バルブ制御信号に基づいて、前記主配管（１０）に備えられた制御バルブ（１００）を制御して前記ガスの流量を制御することを特徴とする。
【００１５】
これにより、流体導入開始でオーバーシュートとアンダーシュートが続く所定の応答時間内においては、フィードバック制御を実行して、流量を早期に設定流量に追従させる制御を行うことができる。
【００１６】
第５の発明に係るガス流量制御方法は、主配管（１０）に流体を供給する流体供給工程と、
該主配管（１０）に並列に接続されたセンサ管（２０）を流れる前記流体の流量を、第１の流量測定手段（３０）及び第２の流量測定手段（４０）で独立して測定する流量測定工程と、
該第１の流量測定手段（３０）と該第２の流量測定手段（４０）の測定結果同士を比較し、該測定結果同士が等しいか否かを判定する比較工程と、
該測定結果同士が等しいときには、流量制御状態を維持し、該測定結果同士が等しくないときには、流量アラーム信号を出力する制御工程と、を有することを特徴とする。
【００１７】
これにより、流量測定手段に異常があった場合でも、独立した流量測定手段同士の測定結果の比較により、流量異常を確実に検出することができる。
【００１８】
第６の発明は、第５の発明に係るガス流量制御方法において、
前記流量測定工程は、前記流体の実流量を測定する工程と、該実流量が設定流量と等しいか否かを判定する工程を含み、
該実流量が該設定流量と等しいと判定されたときに、前記比較工程を実行することを特徴とする。
【００１９】
これにより、実流量自体に異常が発生していない場合にのみ、流量測定手段同士の比較を行うことができ、実流量自体に異常が発生している場合には、流量測定手段同士の比較を行うまでもなく、早期に流量異常を検知して操作者に了知させることができる。
【００２０】
第７の発明は、第５又は第６の発明に係る流量制御方法において、
前記比較工程において、前記流体供給工程を開始してから所定の応答時間内に、前記測定結果同士が等しくないと判定されたときには、
前記制御工程において、前記流量アラーム信号を出力せずに、前記実流量を設定流量に追従させる制御を行うことを特徴とする。
【００２１】
これにより、流体の導入開始直後で流量がオーバーシュートとアンダーシュートを繰り返して一定しないときには、設定流量に実流量を追従させる通常のフィードバック制御を実行し、早期に実流量が設定流量に追従するように制御を行うことができ、流量が安定してから流量異常が発生していないか否かを再度検査することができる。
【００２２】
なお、上記括弧内の参照符号は、理解を容易にするために付したものであり、一例に過ぎず、図示の態様に限定されるものではない。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、省スペース化を図りつつ流量測定手段の異常を発見することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。
【実施例１】
【００２５】
図１は、本発明を適用した実施例１に係る流量制御装置１１０の全体構成を示した図である。図１において、実施例１に係る流量制御装置１１０は、主配管１０と、センサ管２０と、第１の流量測定手段３０と、第２の流量測定手段４０と、比較回路５０と、制御主回路６０と、バルブ制御回路９０と、制御バルブ１００とを有する。また、実施例１に係る流量制御装置１１０は、必要に応じて、流量表示器７０と、流量アラーム発報手段８０と、を備えてもよい。
【００２６】
主配管１０は、流体を供給するための流路であり、入口は流体供給源に接続され、出口は流体を供給する対象に接続される。流体は、ガスの他、液体を含んでよい。本実施例においては、流体としてガスを用いる例を挙げて説明するが、本実施例に係る流量制御装置１１０は、ガス供給のみならず、薬液等の液体供給にも同様に適用することができる。流体を供給する対象は、用途に応じて種々の装置等が適用されてよいが、例えば、流体としてガスを供給する場合には、半導体製造装置のエッチング装置、拡散装置、成膜装置等のガスを用いて半導体ウェハーの処理を行う装置が供給対象であってもよい。なお、主配管は、バイパス管と呼んでもよい。
【００２７】
また、主配管１０には、バイパス層流素子１１が設けられていてもよい。バイパス層流素子１１は、ガスを層流状にして均一に装置等に供給するための素子である。なお、流体が液体の場合には、バイパス層流素子１１は設けられなくてよい。
【００２８】
センサ管２０は、主配管１０を流れている流体の一部を導入し、その流量を測定するための配管である。センサ管２０は、主配管１０の流量に大きな変動を与えない方が好ましいので、測定にのみ必要な流量の流体を導入すべく、主配管１０よりも細い径の細配管が用いられてよい。センサ管２０は、例えば、ステンレスで形成され、ステンレス細管として構成されてもよい。
【００２９】
第１の流量測定手段３０は、センサ管２０を流れる流体の流量を測定するための手段であり、センサ管２０に設けられる。第１の流量測定手段３０は、フローセンサ３１、３２と、第１の実流量演算回路３３とを含む。第１の実流量演算回路３３は、実流量を算出する実流量算出回路３４と、実流量が設定流量と等しいか否かを判定する判定回路３５とを含む。
【００３０】
フローセンサ３１、３２は、上流側フローセンサ３１と下流側フローセンサ３２とから構成され、センサ管２０に設置される。フローセンサ３１、３２は、抵抗体からなるヒータとして構成され、抵抗体に電流を流すことにより用いる。主配管１０に流体が流れていない場合には、上流側フローセンサ３１と下流側フローセンサ３２の熱は平衡状態に保たれる。一方、主配管１０に流体が流れ出すと、センサ管２０の入口から流体が導入され、上流側フローセンサ３１の抵抗体の熱が奪われて下流側に移動して熱バランスが崩れ、温度分布に変化が発生する。そして、下流側フローセンサ３２では、この温度変化により抵抗体の抵抗値に変化が生じる。この変化を、第１の実流量演算回路３３の実流量算出回路３４が検出し、実流量を算出する。
【００３１】
実流量算出回路３４は、上流側フローセンサ３１と下流側フローセンサ３２の抵抗体の値の変化を捉まえて、これを流量出力信号として算出する回路であり、例えば、ホイートストンブリッジ回路等が適用されてよい。
【００３２】
判定回路３５は、実流量算出回路３４で算出された実流量の流量出力信号が、制御目標値となる流量設定信号と等しいか否かを判定するための回路である。なお、ここで言う等しいとは、物理的に完全に等しい流量を意味する訳ではなく、流量制御装置１１０における分解能の精度の範囲内で等しいことを意味しており、制御上、等しいとみなして処理を行う許容誤差、機械誤差を含めた上で等しいということを意味している。例えば、５％以内の誤差については、制御上、実流量と設定流量は等しいという制御処理を行う流量制御装置の場合には、５％以内の誤差も等しい範囲内に含むものとする。
【００３３】
なお、実流量算出回路３４と判定回路３５を含む第１の実流量演算回路３３は、センサ管２０と離れた位置に設置されてもよい。
【００３４】
実流量と比較判定される流量設定信号は、例えば、制御主回路６０に入力された流量設定信号が、実流量演算回路３３に送られて設定されてよい。また、判定回路３５は、例えば、流量出力信号と流量設定信号との比較が可能なコンパレータ等を含んで構成されてもよい。判定回路３５において、実流量の流量出力信号が、流量設定信号と等しいと判定されれば、流体は設定流量で異常なく正常に流れていることになる。
【００３５】
しかしながら、図７の従来技術で説明したように、判定回路３５で実流量と設定流量が等しく、正常状態と判定されている場合でも、フローセンサ３１、３２、実流量算出回路３４又は判定回路３５等の電気系統に異常があり、電気的には正常状態であっても、実際には異常な流量で流体が流れているような場合が起こり得る。つまり、第１のガス流量測定手段３０自体に異常が発生している場合には、その異常を自己診断又は自己検出することができない。
【００３６】
そこで、本実施例に係る流量制御装置１１０においては、第１の流量測定手段３０の他、これとは独立した第２の流量測定手段４０を更に設けている。
【００３７】
第２の流量測定手段４０は、第１の流量測定手段３０とは独立してセンサ管２０に設けられている。第２の流量測定手段４０は、第１の流量測定手段３０と独立しているため、第１の流量測定手段３０と同様に、フローセンサ４１、４２と、実流量演算回路４３とを備える。また、第２の流量測定手段４０は、フローセンサ４１、４２が上流側フローセンサ４１と下流側フローセンサ４２とから構成される点と、第２の実流量演算回路４３が実流量算出回路４４と判定回路４５とを含む点も、第１の流量測定手段３０と同様である。また、フローセンサ４１、４２はセンサ管２０に設置され、第２の実流量演算回路４３はセンサ管２０から離れて設置されてよい点も、第１の流量測定手段３０と同様である。つまり、第２の流量測定手段４０は、第１の流量測定手段３０と別個独立にガス等の流体の流量を測定できるように構成されており、別個独立に設置されている。なお、個々の構成要素については、第１の流量測定手段３０と同様であるので、その説明を省略する。
【００３８】
また、第２の流量測定手段４０は、主配管１０に新たにセンサ管２０を設けて設置されるのではなく、第１の流量測定手段３０が設けられたセンサ管２０に共通に設置されている。これにより、主配管１０に新たにスペースを設けて別のセンサ管２０を設ける必要が無くなり、既に存在するセンサ管２０を有効利用して流体の流量を独立に測定することが可能となる。よって、省スペース化を図ることができ、例えば、集積化されたマスフローコントローラが用いられる場合であっても、既に存在するセンサ管２０を利用して容易に低コストで第２の流量測定手段４０を設置することができる。更に、既存のセンサ管２０を用い、新たな配管設置を行わないので、接続関係を複雑化することなく簡素化した状態で第２の流量測定手段４０を設けることができる。
【００３９】
なお、第２の流量測定手段４０に用いられているフローセンサ４１、４２、実流量算出回路４３及び判定回路４４は、第１の流量測定手段３０に用いられているフローセンサ３１、３２、実流量算出回路３３及び判定回路３５と全く同じ構成部品を用いてもよいし、異なる部品を用いてもよい。完全に同じ特性で実流量の流量出力信号を出力する、という観点からは同じ部品とすることが好ましいが、流量を正確に測定できる限り、異なる部品を用いる構成であってもよい。
【００４０】
また、本実施例では、第１の流量測定手段３０と第２の流量測定手段４０の双方において、測定された実流量が設定流量と等しいか否かを判定する判定回路３５、４５が、実流量演算回路３３、４３内に設けられている例を挙げて説明している。しかしながら、判定回路３５、４５は、実流量演算回路３３、４３の外部に設けられていてもよい。例えば、判定回路３５、４５は、制御主回路６０や、比較回路５０にその機能が設けられていてもよい。判定回路３５、４５は、実流量と設定流量が等しいか否かを判定でき、その結果を比較回路５０及び制御主回路６０に反映できれば、いずれに設けられてもよい。
【００４１】
なお、実流量算出回路３４、４４及び判定回路３５、４５における演算は、流量を電圧に換算した信号により演算が行われてよい。例えば、０〜５〔Ｖ〕の間で流量換算した電圧がセット電圧として設定され、ガス等の流体の実流量の流量出力信号や設定流量信号が電圧ベースで設定され、比較演算等がなされてよい。
【００４２】
判定回路３５、４５において、流体の実流量が設定流量と等しいと判定された場合には、第１の流量測定手段３０及び第２の流量測定手段４０の測定結果の流量出力信号が、比較回路５０に出力される。一方、判定回路３５、４５において、流体の実流量が設定流量と等しくなく、差があると判定された場合には、設定流量通りに流体が供給されず、流量異常が発生しているので、流量異常検出信号が、制御主回路６０に出力される。
【００４３】
比較回路５０は、第１の流量測定手段３０の測定結果と、第２の流量測定手段４０の測定結果とを比較し、両者の測定結果同士が等しいか否かを検出するための回路である。
【００４４】
例えば、第１の流量測定手段３０で測定された流体の実流量は、判定回路３５により設定流量と等しいと判定され、第２の流量測定手段４０で測定された流体の実流量も判定回路４５により設定流量と等しいと判定された場合、双方とも正しく測定が出来ていれば、第１の流量測定手段３０と第２の流量測定手段４０の測定結果は一致するはずである。
【００４５】
しかしながら、上述のように、判定回路３５、４５における判定結果は正常であっても、第１の流量測定手段３０又は第２の流量測定手段４０のいずれか一方が故障している場合には、両者の値は異なるはずである。つまり、第１の流量測定手段３０又は第２の流量測定手段４０のいずれか一方のみが故障している場合には、比較回路５０において、正常に動作している方の流量測定手段３０、４０と、異常が発生している方の流量測定手段３０、４０との測定結果同士を比較することになるので、確実に流量測定手段３０、４０自体の異常を発見することができる。
【００４６】
このように、比較回路５０では、第１の流量測定手段３０の測定結果と、第２の流量測定手段４０の測定結果を比較し、両者の実測ガス流量が等しいか否かを判定することにより、第１の流量測定手段３０及び第２の流量測定手段４０が正常に機能しているか否かを検査する。
【００４７】
なお、比較回路５０においても、等しいという意味は、判定回路３５、４５における説明と同様に、物理的に流量が完全に一致していることまでは要せず、制御上、等しいという処理を行うレベルでの等しさであってよい。つまり、分可能の精度の範囲内で、許容誤差や機械誤差を含めた範囲における等しさであってよい。
【００４８】
また、稀ではあるが、第１の流量測定手段３０及び第２の流量測定手段４０の双方が同時に故障する場合も考えられるが、そのような場合も、同じ故障の仕方で同じように誤った流量出力信号を出力することは極めて稀と考えられる。よって、第１の流量測定手段３０と第２の流量測定手段４０の双方に異常が発生した場合であっても、比較回路５０において両測定手段３０、４０の実測量のガス流量差を検出することは可能である。
【００４９】
なお、比較回路５０における第１の流量測定手段３０と第２の流量測定手段４０の測定結果同士の比較結果は、制御主回路６０に出力される。
【００５０】
制御主回路６０は、ガス流量制御装置１１０の全体の制御を行う制御手段である。制御主回路６０は、比較回路５０から出力された比較結果信号が、第１の流量測定手段３０及び第２の流量測定手段４０が正常である状態を示す信号であった場合には、流量制御を継続し、流量表示器７０に流量を表示するとともに、必要に応じてバルブ制御回路９０に流量制御状態を継続させる指令信号を出力する。なお、流量制御継続の場合には、バルブ制御回路９０に特に指令信号の出力を必要としない場合には、特に制御指令信号を送らなくてもよい。
【００５１】
一方、制御主回路６０は、比較回路５０から出力された比較結果信号が、第１の流量測定手段３０又は第２の流量測定手段４０の測定結果同士が等しくなく、いずれかの流量測定手段３０、４０に故障が発生し、異常流量が発生している状態を示す信号であった場合には、流量アラーム発報手段８０に流量アラーム信号を出力し、流量アラームを発報させる。これにより、操作者に流量異常を知らせることができる。また、比較回路５０ではなく、第１の流量測定手段３０及び／又は第２の流量測定手段４０から流量異常検出信号が入力された場合には、詰まり等の原因により流量異常が発生しているので、この場合にも、流量アラーム信号を出力し、流量アラームを発報させる。
【００５２】
流量アラームの発報は、例えば、流量アラーム発報手段８０を用いて行ってよい。流量アラーム発報手段８０は、操作者に流量異常を了知させる種々の手段が用いられてよく、例えば、ブザー等の警報手段や、光を点滅させる点灯手段等が適宜適用されてよい。流量異常を知った操作者は、例えば、工程を止めて原因を調査する、等の適切な措置を採ることができ、流量異常のまま製品が製造され続ける事態を防ぐことができる。
【００５３】
流量表示器７０は、流量を表示する手段であり、現在の測定流量、又は過去の履歴を含めて流量表示を行う表示手段等が適用されてよい。
【００５４】
また、制御主回路６０には、設定流量を定める流量設定信号が入力されてよい。この流量設定信号は、第１の実流量演算回路３３及び第２の実流量演算回路４３に送られ、判定手段３５、４５において、実流量が設定流量から所定範囲内にあるか否かの判定に用いられる。また、流量設定信号は、バルブ制御回路９０において、バルブ制御を行う際に用いられてもよい。
【００５５】
バルブ制御回路９０は、制御バルブ１００の開度を制御する手段であり、制御主回路６０からの制御指令信号により動作してよい。具体的なフィードバック制御は、制御主回路６０で行われてもよいし、バルブ制御回路９０で行われてもよい。フィードバック制御においては、例えば、設定流量信号と実測の流量出力信号とを比較し、それぞれの信号レベルが一致するまで、ＰＩＤ動作（比例、積分、微分）を行うような制御を実行してもよい。流体の主配管１０への導入開始後、間もない段階では、流量は、オーバーシュートとアンダーシュートを繰り返し、ハンチングを起こしたような状態となる。これは、２０〜３０〔ｍｓｅｃ〕程度の短い時間であるが、その間、流量は安定しないのが通常である。このような、流体導入開始後、制御目標値に到達して安定するまでの所定の応答時間については、制御目標値に流量を追従させるフィードバック制御を行い、早期に目標値に到達するように制御することが好ましい。そこで、流体導入開始後の所定の応答時間内においては、第１の流量測定手段３０及び第２の流量測定手段４０で測定された実流量が設定流量と一致しない、又は実流量同士が一致しない場合であっても、制御主回路６０は、これを流量異常として認識せず、流量を設定流量に一致させるフィードバック制御を実行する処理を行う。バルブ制御回路９０は、制御主回路６０から出力されるバルブ制御信号の指示に従い、そのようなフィードバック制御を実行する。なお、バルブ制御回路９０は、制御バルブ１００の制御を、制御バルブ１００のバルブ開度を適切に調節することにより行う。
【００５６】
制御バルブ１００は、主配管１０の出口に設けられ、主配管１０から供給される流体の流量を調整する弁である。制御バルブ１００は、電気的に開度を制御し易いように、例えば、ソレノイドバルブ等の電磁弁が適用されてよい。
【００５７】
このように、本実施例に係るガス流量制御装置１１０によれば、通常の詰まり等を原因とする流量異常を検知するだけでなく、流量測定手段３０、４０の故障に基づく流量異常も検知することができる。しかも、流量測定手段３０、４０の故障に基づく流量異常は、新たにマスフローメータ等の流量計を設置することなく、既存のセンサ管２０に独立した流量測定手段３０、４０を設けることにより、省スペース化に対応しつつ、簡素な構成で検出することができる。
【００５８】
次に、図２を用いて、本実施例に係る流量制御装置１１０を用いた流量制御方法について説明する。図２は、本実施例に係る流量制御方法の処理フローを示した図である。
【００５９】
ステップ１００では、制御手段である制御主回路６０に、設定流量信号が入力される。これにより、制御目標値が定まる。なお、入力された設定流量信号は、第１の実流量演算回路３３、第２の実流量演算回路４３及びバルブ制御回路９０等、必要に応じてその値が送られてよい。
【００６０】
ステップ１１０では、主配管１０へのガス等の流体導入が開始される。主配管１０の入口から、流体が導入される。
【００６１】
ステップ１２０では、ソレノイドバルブ等の制御バルブ１００の開度調整動作が開始する。これにより、流体の流量を調整するフィードバック制御が開始する。
【００６２】
ステップ１３０では、センサ管２０に導入された流体から、第１の流量測定手段３０により流体の実流量の測定が行われ、次いで実流量が設定流量と等しくなっているか否かが判定される。流体の実流量の測定は、例えば、上流側フローセンサ３１と下流側フローセンサ３２の抵抗体から、実流量算出回路３４で抵抗体の変化を検出することにより行われる。そして、実流量が設定流量に等しいか否かの判定は、判定回路３５により行われる。
【００６３】
ステップ１３０において、流量測定手段３０の実流量が設定流量と等しいと判定されたときにはステップ１５０に進み、等しくないと判定された場合には、ステップ１６０に進む。
【００６４】
ステップ１４０では、ステップ１３０と並行して、センサ管２０に導入された流体から、第２の流量測定手段４０により流体の実流量の測定が行われ、次いで実流量が設定流量と等しくなっているか否かが判定される。その具体的な内容は、ステップ１３０と同様であり、構成要素が上流側フローセンサ４１、下流側フローセンサ４２、実流量算出回路４３及び判定回路４５に入れ替わっただけであるので、その説明を省略する。
【００６５】
ステップ１４０においても、ステップ１３０と同様に、実流量が設定流量と等しい場合にはステップ１５０に進み、等しくない場合には、ステップ１６０に進む。
【００６６】
ステップ１５０では、比較回路５０において、第１の流量測定手段３０の測定結果と第２の流量測定手段４０の測定結果が等しいか否かが比較判定される。ステップ１５０において、第１の流量測定手段３０の測定結果と第２の流量測定手段４０の測定結果が等しい場合にはステップ１８０に進み、等しくない場合にはステップ１７０に進む。
【００６７】
ステップ１８０では、制御主回路６０が、比較回路５０から測定結果同士が一致しており、制御動作正常の比較結果を示す信号を受けて、流量制御状態を維持する制御を継続する処理を行い、処理フローを終了する。つまり、制御主回路６０は、バルブ制御回路９０に、制御状態維持の指令信号を出力するか、又は維持状態で変化は無いので、特に指令信号は出力しない。バルブ制御回路９０は、制御バルブ１００の開度を維持し、流体の流量を一定に保つ。これにより、正常な制御状態を維持することができる。また、制御主回路６０は、フィードバック制御と同時に、流量表示手段７０に流量を表示させる動作を行ってもよい。処理フロー終了後は、また最初から処理フローを繰り返す。
【００６８】
ステップ１３０及びステップ１４０に戻り、第１の流量測定手段３０又は第２の流量測定手段４０において、実流量が設定流量と等しくなかった場合には、制御主回路６０に流量異常検出信号を出力して、ステップ１６０に進む。
【００６９】
ステップ１６０では、制御主回路６０において、ステップ１１０のガス導入開始から所定の応答時間以内か否かが判定される。これは、制御を開始したすぐ後の段階では、目標値付近でオーバーシュートとアンダーシュートを繰り返し、目標値に追従するまでに所定の応答時間を要するため、この段階は初期状態として通常運転状態とは区別するためである。なお、応答時間は、例えば２０〜３０〔ｍｓｅｃ〕といったレベルのオーダーであってよい。
【００７０】
ステップ１６０において、まだ流体導入開始から所定応答時間以内であった場合には、ステップ１２０に戻り、制御バルブ９０の開度調整動作が開始した段階から処理フローを繰り返す。一方、流体導入から所定応答時間が経過している場合には、詰まり等を原因とする流量異常が発生していると考えられるので、ステップ１９０に進む。
【００７１】
ステップ１９０では、制御主回路６０が流量異常アラーム信号を出力し、流量アラーム発報手段８０を動作させ、操作者に流量異常を知らせる。そして、処理フローを終了し、終了後は、最初から処理フローを繰り返す。
【００７２】
ステップ１５０に戻る。ステップ１５０において、第１の流量測定手段３０による流量の測定結果と、第２の流量測定手段４０による流量の測定結果とが等しくないときには、第１の流量測定手段３０又は第２の流量測定手段４０のいずれか又は双方に異常が発生していると考えられるので、比較回路５０は比較判定結果を制御主回路６０に出力し、ステップ１７０に進む。
【００７３】
ステップ１７０では、ステップ１６０と同様に、制御主回路６０において、ステップ１１０の流体導入開始から所定の応答時間以内であるか否かが判定される。応答時間は、ステップ１６０で説明したように、例えば２０〜３０〔ｍｓｅｃ〕程度であってよい。
【００７４】
ステップ１７０において、流体導入開始から所定の応答時間の範囲内のタイミングであると判定された場合には、ステップ１２０に戻り、制御バルブ９０の開度調整動作開始段階から処理フローを繰り返す。一方、流体導入開始から所定の応答時間が過ぎて通常動作段階に入っていると判定された場合には、ステップ１９０に進む。
【００７５】
ステップ１９０では、上述のように、制御主回路６０が流量異常アラーム信号を出力し、流量アラーム発報手段８０を動作させ、警報を発して操作者に流量異常を知らせ、処理フローを終了する。処理フロー終了後は、また最初から処理フローを繰り返す。
【００７６】
このように、本実施例に係る流量制御方法によれば、流量の正常時には制御状態を継続し、流量異常が検出されたときには、流量アラームを発報させるが、この場合の流量アラームは、単に流量測定手段３０、４０で流量異常が検出された場合のみならず、第１の流量測定手段３０の測定結果と第２の流量測定手段の測定結果が一致しない場合も流量アラームを発することができ、流量測定手段３０、４０自体の異常に基づく流量異常をも検知することができる。これにより、流量制御装置１１０の自己診断と、高精度の流量異常検知が可能となる。
【００７７】
図３は、比較のため、参考として従来のマスフローコントローラの処理フローを示した図である。図６で示したマスフローコントローラにおいて行われる処理フローに対応する。なお、図３において、比較のため、図２と同一のステップについては、同一のステップ番号を用いており、類似しているが内容又は意義が異なるステップについては、類似しているステップの一の位の数字を変えたステップ番号を付している。また、以下の説明中の構成要素の参照符号は、図６に対応して付している。
【００７８】
図３において、ステップ１００では、設定流量信号の入力が行われる。これは、制御目標値の入力であるので、本実施例に係る流量制御方法と同様のステップである。
【００７９】
ステップ１１０では、主配管３１０へのガス導入が開始され、これもガス供給のために行われる共通のステップである。
【００８０】
ステップ１２０では、制御バルブ４００の開度調整動作が開始される。これにより、フィードバック制御が開始する共通のステップである。
【００８１】
ステップ１３５では、制御主回路３６０において、ガス流量測定部３３０で測定された実流量が、設定流量と等しくなっているか否かが判定される。これは、フィードバック制御を行うための判定であり、流量異常を検出する作用は有していない。
【００８２】
ステップ１３５において、目標値である設定流量と実流量が異なる場合には、ステップ１２０に戻り、目標値に実測値が等しくなるまで、制御バルブ４００の開度調整動作のフィードバック制御を繰り返す。そして、実測量が設定流量と等しくなったときに、ステップ１８０に移るが、流量異常が発生して実測量が設定流量と差がある場合には、延々とステップ１２０とステップ１３５を繰り返す処理を実行するしか無く、流量異常を検出できない。
【００８３】
ステップ１８０では、制御主回路で３６０において動作正常の判定がなされ、制御状態が維持され、処理フローを終了する。
【００８４】
このように、図３の処理フローでは、流量異常が発生している場合であっても、延々とフィードバック制御を繰り返すのみであり、流量異常を検知することができない。
【００８５】
図４は、参考比較のため、アラーム機能を持たせた従来のマスフローコントローラの処理フローを示した図である。図６で示したマスフローコントローラにおいて、制御主回路３６０にアラーム機能を搭載した場合に行われる処理フローに対応する。なお、図４において、比較のため、図２と同一のステップについては、同一のステップ番号を付している。また、以下の説明中の構成要素の参照符号は、図６に対応して付している。
【００８６】
ステップ１００〜ステップ１２０の設定流量信号入力、ガス導入及び制御バルブについては、図２及び図３の処理フローと同一であるので、その説明を省略する。
【００８７】
ステップ１３０では、実流量制御主回路３６０において、実流量が設定流量と等しくなっているかの判定が行われる。これは、実施例１の図１に係る流量制御装置においては、第１の流量測定手段３０及び第２の流量測定手段４０の判定回路３５、４５で各々行われていた処理である。処理内容的には、図２のステップ１３０とほぼ同様である。
【００８８】
ステップ１３０において、実流量が設定流量と等しいと判定された場合には、ステップ１８０に進み、制御状態を維持し、処理フローを終了する。一方、ステップ１３０において、実流量が設定流量と等しくないと判定された場合には、ステップ１６０に進む。
【００８９】
ステップ１６０では、制御主回路３６０において、ガス導入から所定応答時間内であるか否かが判定される。これは、ガス導入開始の初期状態では、流量が安定しないため、フィードバック制御を継続するためであり、図２のステップ１６０と同様の処理内容である。
【００９０】
ステップ１６０において、所定の応答時間内であった場合には、ステップ１２０に戻り、制御バルブ４００の開度調整動作から処理フローを繰り返す。この動作も、図２のステップ１６０〜ステップ１２０と同様である。
【００９１】
一方、ステップ１６０において、所定の応答時間を過ぎていた場合には、制御が安定した時期であるにも関わらず、実流量が設定流量と等しくならないので、ステップ１９０に進み、流量異常アラームを発報し、処理フローを終了する。この処理も、図２のステップ１６０〜ステップ１９０の動作と同じである。
【００９２】
このように、一見すると、図４に示す処理フローは、流量異常を検知するアラーム機能を備え、問題無く見えるが、ステップ１３０における、実流量と設定流量との比較判定の際、流量検出系又は制御系に異常があり、見かけ上の信号が一致しているように動作すると、現実には流量異常が発生しても、これを異常として検知することができない。つまり、図４の処理フローは、図２の本実施例に係る流量制御方法の処理フローにおけるステップ１４０、１５０、１７０の、実流量を、第１の流量測定手段３０と並行して独立した第２の流量測定手段４０でも測定し、実流量の測定結果同士を比較して流量測定手段３０、４０（図１）の自己診断を行う機能及び工程がないため、ガス流量測定部３３０、制御主回路３６０の異常を検知することができない。
【００９３】
図２に示した本実施例に係る流量制御方法の処理フローと、従来の図３、図４の処理フローを比較すると、本実施例に係る流量制御方法が、高精度な流量異常検出機能を有していることが分かる。
【実施例２】
【００９４】
実施例２においては、実施例１に係る流量制御装置１１０を、ガス供給用のマスフローコントローラ１１０ａに適用し、ドライエッチング装置を構成した例について説明する。図５は、実施例２に係るドライエッチング装置の全体構成を示した図である。
【００９５】
実施例２に係るドライエッチング装置は、ガス供給系には、ガス導入バルブ１２０と、マスフローコントローラ１１０ａと、ガスラインフィルタ１３０と、レギュレータ１４０と、ガス取り出しバルブ１５０とを備える。また、ドライエッチング装置は、チャンバー２００を備え、チャンバー２００内に、電極部１８０と、ステージ１９０を備え、ステージ１９０上には、ウェハーＷが載置されている。更に、ドライエッチング装置は、ラジカルガスを生成するための電極ヘッド部１７０と、ＲＦ（Radio Frequency）発振器１７０をチャンバー２００の外部に備え、真空排気系としてメインバルブ２１０と、圧力制御用バルブ２２０と、真空ポンプ２３０とを備える。また、ドライエッチング装置は、ステージ１９０の温度調整のためのステージ温度調節器２４０と、アース線２５０をチャンバー２００の外部に備える。
【００９６】
実施例２に係るドライエッチング装置のエッチング加工は、ウェハーＷがステージ１９０上に載置され、真空ポンプ２３０、圧力制御バルブ２２０、メインバルブ２１０によってチャンバー２００内が適切な真空度に調整され、ステージ温度調節器２４０によりステージ１９０が適切な温度に調整された状態で、ラジカルの活性化状態のエッチングガスがチャンバー２００内に導入されることにより行われる。
【００９７】
ガスの供給は、ガス取り出しバルブ１５０を開として取り出されたガスがレギュレータ１４０により粗く流量調整され、更にガスラインフィルタ１３０を介して清浄化されたガスがマスフローコントローラ１１０ａにより高精度に流量調整され、ガス導入バルブ１２０を開とすることにより行われる。ガスは、ドライエッチング用の種々のガスが用いられてよいが、例えば、六フッ化硫黄（ＳＦ６）ガス、四フッ化炭素（ＣＦ４）ガス等が用いられてよい。
【００９８】
電極ヘッド部１６０には、ガスが供給され、ＲＦ発振器により高周波が付与され、プラズマによりガスをイオン化・ラジカル化して、電極部１８０から、チャンバー２００内にイオン化・ラジカル化したガスが供給される。
【００９９】
活性化したガスは、ウェハーＷと反応し、化学反応により、ウェハーＷがエッチングされる。このようにして、反応性イオンエッチングが実行される。この場合、ガスの供給流量の制御は極めて重要であり、設定流量通りのガスを電極ヘッド分６０に供給することにより、初めて適切な反応性イオンエッチングが実行される。よって、ガスの流量異常が発生すると、ウェハーＷの適切なエッチングが行えず、不良品を製造してしまうことになる。特に、図５においては枚様式の処理装置を示しているが、複数枚のウェハーＷを一度に処理する処理装置では、歩留まりを大きく低下させることになってしまう。
【０１００】
かかる観点から、異常流量の検出は半導体製造のプロセスにおいて極めて重要であり、本実施例に係るマスフローコントローラ１１０ａを用いることにより、流量異常を高精度に検出し、操作者に了知させることが可能となり、半導体製造の歩留まりを向上させることができる。
【０１０１】
なお、図５においては、反応性イオンエッチングの例を挙げて説明したが、反応ガスをチャンバー２００に供給し、反応性ガスエッチングを行うドライエッチング装置としてもよい。この場合、ＲＦ発振器１７０、電極ヘッド部１６０及び電極部１８０は必要とせず、チャンバー２００内に直接反応ガスを供給するような装置構成としてよい。
【０１０２】
また、ウエットエッチングを行う場合には、流体をエッチング液に変えてウエットエッチング用の装置として構成することにより、液体を設定流量通りに所定量供給することを要するウエットエッチング装置として構成することもできる。
【０１０３】
その他、流体を設定流量通りに所定量供給することが必要な装置には、半導体装置に限らず、総て本実施例に係る流量制御装置及び流量制御方法を適用することができる。
【０１０４】
以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【図１】実施例１に係る流量制御装置１１０の全体構成図である。
【図２】実施例１に係る流量制御方法の処理フローを示した図である。
【図３】従来のマスフローコントローラの処理フローを示した参考比較図である。
【図４】アラーム機能を持たせた従来のマスフローコントローラの処理フローを示した参考比較図である。
【図５】実施例２に係るドライエッチング装置の全体構成図である。
【図６】従来のマスフローコントローラ４１０の基本構成図である。
【図７】マスフローメータを併用した従来の流量制御装置の構成例を示した図である。
【符号の説明】
【０１０６】
１０ 主配管
１１ バイパス層流素子
２０ センサ管
３０ 第１の流量測定手段
３１、３２、４１、４２ フローセンサ
３３ 第１の実流量演算回路
３４、４４ 実流量算出回路
４０ 第２の流量測定手段
４３ 第２の実流量算出回路
５０ 比較回路
６０ 主制御回路
７０ 流量表示器
８０ 流量アラーム発報手段
９０ バルブ制御回路
１００ 制御バルブ
１１０、１１０ａ 流量制御装置
１２０ ガス導入バルブ
１３０ ガスラインフィルタ
１４０ レギュレータ
１５０ ガス取り出しバルブ
１６０ 電極ヘッド部
１７０ ＲＦ発振器
１８０ 電極部
１９０ ステージ
２００ チャンバー
２１０ メインバルブ
２２０ 圧力制御用バルブ
２３０ 真空ポンプ
２４０ ステージ温度調節器
２５０ アース線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を供給する主配管と、
該主配管に並列に接続されたセンサ管と、
該センサ管を流れる前記流体の流量を独立して測定する第１の流量測定手段及び第２の流量測定手段と、
該第１の流量測定手段と該第２の流量測定手段の測定結果同士を比較し、該測定結果同士が等しいか否かを判定する比較回路と、
該測定結果同士が等しいときには、流量制御状態を維持し、該測定結果同士が等しくないときには、流量アラーム信号を出力する制御手段と、を有することを特徴とする流量制御装置。
【請求項２】
前記第１の流量測定手段及び前記第２の流量測定手段は、前記センサ管の上流側と下流側に備えられた抵抗体からなるフローセンサと、該フローセンサの温度分布の変化を検出する実流量演算回路とを、各々が備えることを特徴とする請求項１に記載の流量制御装置。
【請求項３】
前記実流量演算回路は、前記流体の実流量を算出する実流量算出回路と、該実流量が設定流量と等しいか否かを判定する判定回路とを備え、
前記制御手段は、該判定回路により該実流量が該設定流量と等しくないと判定されたときには、前記流量アラーム信号を出力することを特徴とする請求項１又は２に記載の流量制御装置。
【請求項４】
前記制御手段から出力されるバルブ制御信号が入力されるバルブ制御回路を有し、
前記制御手段は、前記流体の導入開始から所定の応答時間内において、前記実流量が前記設定流量に等しくないときには、前記実流量を前記設定流量に追従させるように前記バルブ制御信号を出力し、
前記バルブ制御回路は、前記バルブ制御信号に基づいて、前記主配管に備えられた制御バルブを制御して前記ガスの流量を制御することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の流量制御装置。
【請求項５】
主配管に流体を供給する流体供給工程と、
該主配管に並列に接続されたセンサ管を流れる前記流体の流量を、第１の流量測定手段及び第２の流量測定手段で独立して測定する流量測定工程と、
該第１の流量測定手段と該第２の流量測定手段の測定結果同士を比較し、該測定結果同士が等しいか否かを判定する比較工程と、
該測定結果同士が等しいときには、流量制御状態を維持し、該測定結果同士が等しくないときには、流量アラーム信号を出力する制御工程と、を有することを特徴とするガス流量制御方法。
【請求項６】
前記流量測定工程は、前記流体の実流量を測定する工程と、該実流量が設定流量と等しいか否かを判定する工程を含み、
該実流量が該設定流量と等しいと判定されたときに、前記比較工程を実行することを特徴とする請求項５に記載の流量制御方法。
【請求項７】
前記比較工程において、前記流体供給工程を開始してから所定の応答時間内に、前記測定結果同士が等しくないと判定されたときには、
前記制御工程において、前記流量アラーム信号を出力せずに、前記実流量を設定流量に追従させる制御を行うことを特徴とする請求項５又は６に記載の流量制御方法。
【請求項１】
流体を供給する主配管と、
該主配管に並列に接続されたセンサ管と、
該センサ管を流れる前記流体の流量を独立して測定する第１の流量測定手段及び第２の流量測定手段と、
該第１の流量測定手段と該第２の流量測定手段の測定結果同士を比較し、該測定結果同士が等しいか否かを判定する比較回路と、
該測定結果同士が等しいときには、流量制御状態を維持し、該測定結果同士が等しくないときには、流量アラーム信号を出力する制御手段と、を有することを特徴とする流量制御装置。
【請求項２】
前記第１の流量測定手段及び前記第２の流量測定手段は、前記センサ管の上流側と下流側に備えられた抵抗体からなるフローセンサと、該フローセンサの温度分布の変化を検出する実流量演算回路とを、各々が備えることを特徴とする請求項１に記載の流量制御装置。
【請求項３】
前記実流量演算回路は、前記流体の実流量を算出する実流量算出回路と、該実流量が設定流量と等しいか否かを判定する判定回路とを備え、
前記制御手段は、該判定回路により該実流量が該設定流量と等しくないと判定されたときには、前記流量アラーム信号を出力することを特徴とする請求項１又は２に記載の流量制御装置。
【請求項４】
前記制御手段から出力されるバルブ制御信号が入力されるバルブ制御回路を有し、
前記制御手段は、前記流体の導入開始から所定の応答時間内において、前記実流量が前記設定流量に等しくないときには、前記実流量を前記設定流量に追従させるように前記バルブ制御信号を出力し、
前記バルブ制御回路は、前記バルブ制御信号に基づいて、前記主配管に備えられた制御バルブを制御して前記ガスの流量を制御することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の流量制御装置。
【請求項５】
主配管に流体を供給する流体供給工程と、
該主配管に並列に接続されたセンサ管を流れる前記流体の流量を、第１の流量測定手段及び第２の流量測定手段で独立して測定する流量測定工程と、
該第１の流量測定手段と該第２の流量測定手段の測定結果同士を比較し、該測定結果同士が等しいか否かを判定する比較工程と、
該測定結果同士が等しいときには、流量制御状態を維持し、該測定結果同士が等しくないときには、流量アラーム信号を出力する制御工程と、を有することを特徴とするガス流量制御方法。
【請求項６】
前記流量測定工程は、前記流体の実流量を測定する工程と、該実流量が設定流量と等しいか否かを判定する工程を含み、
該実流量が該設定流量と等しいと判定されたときに、前記比較工程を実行することを特徴とする請求項５に記載の流量制御方法。
【請求項７】
前記比較工程において、前記流体供給工程を開始してから所定の応答時間内に、前記測定結果同士が等しくないと判定されたときには、
前記制御工程において、前記流量アラーム信号を出力せずに、前記実流量を設定流量に追従させる制御を行うことを特徴とする請求項５又は６に記載の流量制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１０−５５５００（Ｐ２０１０−５５５００Ａ）
【公開日】平成２２年３月１１日（２０１０．３．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２２１７６２（Ｐ２００８−２２１７６２）
【出願日】平成２０年８月２９日（２００８．８．２９）
【出願人】（０００００６２２０）ミツミ電機株式会社 (1,651)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年３月１１日（２０１０．３．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年８月２９日（２００８．８．２９）
【出願人】（０００００６２２０）ミツミ電機株式会社 (1,651)
【Ｆターム（参考）】
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