特許 5937139 反対称最適制御を使用する流量比率制御装置を含むガス送出方法及びシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5937139

(24)【登録日】2016年5月20日

(45)【発行日】2016年6月22日

(54)【発明の名称】反対称最適制御を使用する流量比率制御装置を含むガス送出方法及びシステム

(51)【国際特許分類】

   G05D 7/06 20060101AFI20160609BHJP

   G05D 11/13 20060101ALI20160609BHJP

【ＦＩ】

   G05D7/06 B

   G05D11/13 D

【請求項の数】3

【外国語出願】

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2014-101309(P2014-101309)

(22)【出願日】2014年5月15日

(62)【分割の表示】特願2008-507828(P2008-507828)の分割

【原出願日】2006年4月20日

(65)【公開番号】特開2014-206985(P2014-206985A)

(43)【公開日】2014年10月30日

【審査請求日】2014年6月13日

(31)【優先権主張番号】11/111,646

(32)【優先日】2005年4月21日

(33)【優先権主張国】US

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】592053963

【氏名又は名称】エム ケー エス インストルメンツ インコーポレーテッド

【氏名又は名称原語表記】ＭＫＳ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳ，ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＥＤ

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】特許業務法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ディング，ジュンファ

(72)【発明者】

【氏名】スミス，ジョン・エイ

(72)【発明者】

【氏名】ザーカー，カベフ・エイチ

【審査官】 後藤 健志

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０５−０５２１２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−２６３２３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−１３２３５０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０５Ｄ ７／０６

Ｇ０５Ｄ １１／０２−１１／１３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

単一の質量流量を、予め選択された値の設定比率に応じて二つの二次流れに分割するためのシステムにおいて、
（Ａ）上記単一の質量流量を受け取るための入口と、
（Ｂ）前記入口に連結されており、前記二次流れのうちの対応する一方の流れをそれぞれ搬送するように連結された二つの二次流れラインであって、各二次流れラインは、
（１）対応する流れラインを通る流れを計測するために連結され、該流れラインを通る計測された流れを表す信号を提供する流量計、
（２）前記対応する流れラインを通る流れを制御信号に基づいて制御するために連結されたバルブ、および
（３）前記バルブの許容可能な最大バルブコンダクタンスを提供する最適のバルブ制御信号に飽和限界が設定された線形飽和器、を含み、
（Ｃ）前記二次流れの比率を前記予め選択された値に維持するように、前記予め選択された値の比率と計測した比率との間の差の関数として第１制御信号を発生するように構成された制御装置と、
前記第１制御信号を反転し、反転された第１制御信号を提供するように構成されたインバーターと、
前記反転された第１制御信号の値と前記最適のバルブ制御信号の値の２倍とを組み合わせ、第２制御信号を提供するように構成された総和接合部と、を備え、
前記線形飽和器のうちの一方が前記第１制御信号に応じて前記バルブの一方にバルブ制御信号を提供し、前記線形飽和器のうちの他方が前記第２制御信号に応じて他方のバルブにバルブ制御信号を提供するように構成された、システム。

【請求項2】

前記制御装置はＳＩＳＯ制御装置である、請求項１に記載のシステム。

【請求項3】

単一の質量流量を、予め選択された値の設定比率で二つの二次流れラインに分割するように、流量比率制御装置の前記二つの二次流れラインの二つのバルブを制御する方法において、
予め選択された比率と計測した比率との間の差の関数として第１制御信号を発生し、且つ、前記第１制御信号を反転させて、前記バルブの許容可能な最大バルブコンダクタンスを提供する最適のバルブ制御信号の値の２倍を前記反転された第１制御信号の値に加算することによって第２制御信号を生成し、
前記第１制御信号または前記第２制御信号のいずれか一方を前記最適のバルブ制御信号に飽和させて前記バルブの各々のバルブ制御信号を発生し、
前記バルブの一方が許容可能な最大バルブコンダクタンス位置で作動するように前記バルブの各々を制御しながら、他方のバルブが前記二次流れの比率を前記予め選択した値に維持するように制御する方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、全体として、半導体加工機器に関し、更に詳細には、汚染物を含有しない正
確に計量した量の処理ガスを、少なくとも二つの加工工具及び／又はチャンバに送出する
ための流量比率制御装置に関する。更に詳細には、本開示は、単一のガスボックスからの
流れを少なくとも二つの加工工具及び／又は真空チャンバに分割するシステム及び方法に
関する。

【背景技術】

【0002】

半導体デバイスの製造は、多くの場合、加工工具及び／又はチャンバへの数十のガスの
送出を、注意深く同期し且つ正確に計測することを必要とする。製造工程で様々な方法及
び多くの別個の加工工程が使用されてきた。例えば、半導体デバイスのクリーニング、研
磨、酸化、マスキング、エッチング、ドーピング、金属化を必要とする。使用された工程
は、それらの特定の順序及び使用される材料が、全て、特定のデバイスの製造に寄与する
。

【0003】

従って、ウェーハ製造設備は、一般的には、化学蒸着、プラズマ蒸着、プラズマエッチ
ング、スパッタリング、及び他の同様のガス工程が行われる領域を含むように形成される
。加工工具は、化学蒸着反応器、真空スパッタリング機、プラズマエッチャー又はプラズ
マ支援化学蒸着チャンバ、等であり、様々な処理ガスを供給しなければならない。汚染物
を含有しない正確に計量した量の純粋なガスを工具に供給しなければならない。

【0004】

代表的なウェーハ製造設備では、ガスはタンク内に収容されており、これらのタンクは
配管又は導管でガス送出システムに連結されている。ガス送出システムは、汚染物を含有
しない正確に計量した量の純粋な不活性ガス又は反応ガスを、製造設備のタンクから加工
工具及び／又はチャンバに送出するためのガスボックスを含む。ガスボックスは、代表的
には、ガス計量ユニットを各々有する複数のガス流れラインを含む。ガス計量ユニットは
、バルブと、圧力調整器及び変換器と、質量流量制御装置と、フィルタ／清浄器を含んで
いてもよい。各ガスラインは、別々のガス源に連結するための各ライン自体の入口を備え
ているが、全てのガス経路は、加工工具に連結するための単一の出口に集められる。

【0005】

場合によっては、組み合わせた処理ガスを多数の加工工具及び／又はチャンバの間で分
割するのが望ましい。このような場合には、ガスボックスの単一のでを多数の加工工具及
び／又はチャンバに二次流れラインを通して連結する。安全上の理由により、又は他の理
由により、上流圧力を低く（例えば１０３．４２０５ｋＰａ（１５ｐｓｉａ））に保持す
る必要がある幾つかの用途では、流れ分割システムの例が、米国特許第４，３６９，０３
１号、米国特許第５，４５３，１２４号、米国特許第６，３３３，２７２号、米国特許第
６，４１８，９５４号、及び米国特許第６，７６６，２６０号、及び公開された米国特許
出願第２００２／００３８６６９号に記載されている。米国特許第６，７６６，２６０号
の流量比率制御装置は、第二流れラインの各々が別々の流量計及び制御バルブで制御され
るため、特に興味深い。

【特許文献1】米国特許第４，３６９，０３１号

【特許文献2】米国特許第５，４５３，１２４号

【特許文献3】米国特許第６，３３３，２７２号

【特許文献4】米国特許第６，４１８，９５４号

【特許文献5】米国特許第６，７６６，２６０号

【特許文献6】米国特許出願第２００２／００３８６６９号

【発明の開示】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

米国特許第６，７６６，２６０号に示されている種類の流量比率制御装置は、初期設定
時に所望の分割比率を迅速に安定させるが、流れを安定させるのに時間が掛かり、幾つか
の用途では満足のいくものでなかった。更に、流量比率制御装置の前後の圧力降下が高く
、二次流れ経路の一つの下流の閉塞を取り扱う上での制御装置の制御性能が低い。更に、
二次流れラインでのバルブの一定のバルブ位置を最初に決定するのが困難であるため、設
定が困難である。二つの二次流れラインを使用する実施例について、高流量バルブを一定
のバルブとし、低流量バルブを、流量比率を制御するための制御バルブにする必要がある
。

【発明を実施するための最良の形態】

【0007】

全体に亘り、同じエレメントに同じ参照番号を付した添付図面を参照する。

【0008】

図１を参照すると、本開示は、流れをガス送出システムの二つの二次流路間で分割する
ための流量比率制御装置用の新規な制御アルゴリズムを提供する。システム及び方法は、
汚染物を含有しない正確に計量した量の処理ガス（プロセスガス）及び浄化ガス（パージ
ガス）を、半導体加工工具及び／又はチャンバに送出するため、ガス計量システムととも
に使用されるようになっている。システム及び方法は、ガスの単一の流れを、比較的高い
上流圧力を必要とせずに、予め選択した比の周知の正確な値で二つの二次流れに分割する
利点を提供する。図１で全体に参照番号１０６を付した、ガス送出システム１０２の一部
である流量比率制御装置は、例えば、ガス供給部（例えばガスタンク）１０４ａ、１０４
ｂ、１０４ｃ、及び１０４ｄからの多くの処理ガス及び浄化ガスを含む多数のガスを個々
に受け入れ、又はこれらのガスの混合物を選択的に受け入れる。ガスボックス１１２は、
ガスの混合物を流量比率制御装置１０６に供給し、この流量比率制御装置１０６は、２つ
の処理チャンバ１０８及び１１０に連結された状態で示してある（別の態様では、ガスを
、単一の処理チャンバ及び／又は他の加工工具の様々な噴射装置又は領域に計量分配して
もよい）。ガスボックス１１２は、複数のガス通路部（ガススティック）１１４ａ、１１
４ｂ、１１４ｃ、及び１１４ｄを含み、これらのガス通路部の各々は、好ましくは、対応
するガス供給部１０４に流動学的に連結されており、対応するガス供給部１０４からのガ
スの流れを個々に制御する。図１には、四つのガス供給部１０４及び対応するガス通路部
１１４が示してあるが、供給部及びガス通路部の数は、任意の数（一個を含む）であって
もよい。ガス通路部１１４は、例えば、米国特許第６，４１８，９５４号に示すように、
質量流量制御装置（ＭＦＣ）、このＭＦＣの前方に位置したバルブ、及びＭＦＣの後方に
位置したバルブを含む。ガス通路部１１４の各々は、汚染物を含有しない正確に計量した
量のガス又はガスの組み合わせを流量比率制御装置１０６に供給した後、処理チャンバ１
０８、１１０に、予め選択した流量比で正確に分割できる、制御可能なガス通路を提供す
る。図示していないけれども、ガス通路部の各々には、ガスを監視し又は制御するための
、フィルタ、清浄器、及び圧力変換器及び制御装置等の他の構成要素が設けられていても
よい。スティック１１４は、例えば、各スティックからのガス流を、所望であれば、ガス
ボックスを離れる前に混合できるように、出口マニホールド１１６に互いに連結されてい
る。出口マニホールド１１６は、流量比率制御装置１０６に連結されている。

【0009】

流量比率制御装置１０６は、少なくとも二つの流路即ち流れライン１２２ａ及び１２２
ｂを含む。各流路は、バルブ１２６を制御し、及び従って各流路を通る質量流量を制御す
る上で使用するための流量信号を発生するためのセンサ１２４を含む流量計を備えている
。センサ及びバルブは、かくして、出力質量流量Ｑ１及びＱ２、及びかくして流量比α＝
Ｑ２／Ｑ１を制御するために互いに使用される。本明細書中に説明した実施例では、制御
バルブ１２６ａ及び１２６ｂは常開のバルブであるが、開示のシステムは、常閉のバルブ
を用いて設計することもできるということは理解されるべきである。各流路の出口１３０
ａ及び１３０ｂは、対応する加工工具及び／又はチャンバに連結されている。これは、図
１では、処理チャンバ１０８及び１１０の夫々である。これらのチャンバには、好ましく
はゲートバルブ１３２ａ及び１３２ｂの形態の制御バルブに連結された出口が設けられて
いる。これらのゲートバルブは、次いで、ガスをタンクからチャンバを通して引き出す上
で使用するための真空ポンプと流体連通している。制御装置１３６は、下文で更に明らか
になるように、とりわけ、入力αｓｐ、即ち、予め選択した流量比の値、即ち設定点を流
れライン１２２ａ及び１２２ｂの各々を通して受け取る。制御装置は、とりわけ、流れラ
イン１２２ａ及び１２２ｂを通る質量流量の分割比を制御し且つ設定点に維持する。

【0010】

従って、図１のシステムを分析し且つ模式化し、流量比率及び二次流れラインに提供さ
れる流れについての整定時間を迅速にし、所与の流量比率設定点について、流量比率制御
装置の前後の圧力降下を最小にする。一般的には、各二次流れラインでの流れは、ライン
内の流れを制御するバルブに提供された上流圧力、下流圧力、及び電流の関数である。か
くして、

【0011】

【数1】

【0012】

【数2】

【0013】

ここで、Ｑ１（Ｉ１、Ｐｕ、Ｐｄ１）及びＱ２（Ｉ２、Ｐｕ、Ｐｄ２）は、２つの非線
型関数であり、出力流量（Ｑ１及びＱ２）を、バルブ電流（Ｉ１及びＩ２）、上流圧力（
Ｐｕ）、及び下流圧力（Ｐｄ１及びＰｄ２）と関連する。二つのラインが同じ上流圧力Ｐ
ｕを共有するが、下流圧力Ｐｄ１及びＰｄ２が夫々異なるということに着目されたい。数
１及び数２は、下流圧力Ｐｄ１及びＰｄ２の効果を無視することによって、Ｐｕに関して
線型化でき、

【0014】

【数3】

【0015】

【数4】

【0016】

ここで、Ｃ１（Ｉ１）は、バルブ電流Ｉ１の関数である、バルブ１のコンダクタンスで
あり、Ｃ２（Ｉ２）は、バルブ電流Ｉ２の関数である、バルブ２のコンダクタンスである
。

【0017】

流量の整定時間及び所定の比率の設定に応じた上流の圧力の変化を模式化するため、質
量の保存についての方程式で開始できる。

【0018】

【数5】

【0019】

ここで、Ｖｕは上流容積であり、
Ｐｓｔｐは標準圧力であり、１１０１３２．５Ｐａ即ち１４．７ｐｓｉａであり、
Ｔｓｔｐは、標準温度であり、２７３．２Ｋ又は０℃であり、
Ｔは、システムで送出されるべきガスの温度であり、
Ｐｕは、システムで送出されるべきガスの上流圧力であり、
Ｑｔは、全入口流であり、
Ｑ１及びＱ２は、二次流路の夫々を通る流れである。
数３及び数４を数５に代入すると、

【0020】

【数6】

【0021】

が得られる。

【0022】

ここで、Ｃｔは、制御バルブ１２６ａ及び１２６ｂの総コンダクタンスであり、

【0023】

【数7】

【0024】

従って、数６の上流圧力Ｐｕは、時定数τｐの一次システムであり、

【0025】

【数8】

【0026】

一次システムについての整定時間は、時定数τｐと比例するということに着目されたい
。従って、時定数τｐを小さくすることによって、上流圧力Ｐｕの整定時間を小さくでき
る。流れについての整定時間が、数３及び数４が示す上流圧力についての整定時間と同じ
であるため、システムは、τｐが小さい場合には、流れについての整定時間が速くなけれ
ばならない。

【0027】

更に、定常状態での上流圧力Ｐｕは、数６の左側をゼロにすることによって得られ、以
下のように表される。

【0028】

【数9】

【0029】

流量比率制御装置１０６の前後の圧力降下を小さくするため、上流圧力Ｐｕを小さくす
るのが望ましい。数９から明らかなように、バルブの総コンダクタンスを大きくすること
によって上流圧力を小さくできる。

【0030】

従って、数８から明らかなように、流れについての設定時間を小さくするため、τｐを
小さくするのが望ましい。これは、Ｖｕを小さくするか或いはＣｔを大きくするかのいず
れか又は両方によって行われる。かくして、設計基準として、上流容積をできるだけ減少
するのが好ましい。流量比率制御装置とガスボックス１１２との間の上流容積を減少する
ため、流量比率制御装置をガスボックス１１２にできるだけ近付けて設置してもよい。し
かしながら、上流容積を制御することは不可能ではないにしろ比較的困難であり、及び制
御バルブのコンダクタンスＣｔを制御するのが容易である。バルブのコンダクタンスを増
大するためには、制御システムによりバルブがその最大開放状態にされるとき、バルブの
コンダクタンスが最大になるように、比較的大きなオリフィスを持つバルブを設計するの
が好ましい。バルブを開放すればする程、そのコンダクタンスが大きくなり、時定数τ_ｐ
が短くなる。

【0031】

以上の説明から、バルブの総コンダクタンスＣｔを最大にすると、上流圧力及び従って
二つの流れについての設定時間が最も速くなり、流量比率制御装置１０６の前後の圧力降
下が最小になる。従って、制御アルゴリズムにより、所与の流量比率についてバルブのコ
ンダクタンスを任意の時期に最大にできる場合には、流量比率制御装置は、比率及び流れ
についての最も速い整定時間に関して最適の制御性能が得られ、流量比率制御装置の前後
の圧力降下を最小になる。

【0032】

図２は、上流圧力及び下流圧力が一定の二つの二次流れラインに位置決めした代表的な
常開のバルブについての、バルブ制御電流に対する流量を示すグラフである。６６．６６
１２ｈＰａ、１３３．３２２４ｈＰａ、１９９．９８３６ｈＰａ、及び２６６．６４４８
ｈＰａ（５０トル、１００トル、１５０トル、及び２００トル）の上流圧力についての四
組の曲線が示してある。下流圧力は０ｈＰａに近い。図示のように、常開のバルブについ
てのバルブのコンダクタンスはバルブ電流の増大に従って減少する。

【0033】

流量の定義、即ちα＝Ｑ１／Ｑ２、及び数１及び数２から、所与の流量比率αについて
、以下の方程式が得られる。

【0034】

【数10】

【0035】

所与の流量比率αについて、上掲の数１０の左側及び右側を、二つの曲線として図３に
プロットする。わかるように、これらの二つの曲線と任意の水平方向ラインとの交点が、
方程式１０を満たすバルブ電流Ｉ１及びＩ２の一組の解を与える。換言すると、所与の流
量比率αについてのＩ１及びＩ２の解は多数存在する。

【0036】

図３は、所与の流量比率αについてのＩ１及びＩ２の解の二つの組を示す。常開のバル
ブについて、バルブ電流が高ければ高い程、バルブのコンダクタンスが低くなる（即ちバ
ルブの開放が小さくなる）。従って、Ｉ１及びＩ２値の組が小さければ小さい程、バルブ
のコンダクタンスが、他の解の組よりも高くなり、これにより、比率、流れ、及び上流圧
力についての整定時間が速くなり、上文中に論じたように、制御装置の前後の圧力降下が
小さくなる。

【0037】

図４は、Ｉ２＝０のとき（又は、流量比率α及びバルブ曲線によってはＩ１＝０のとき
）、即ち一方のバルブが完全に開放しているとき、最適解の唯一の組が存在するというこ
とを示す。この点で、バルブの総コンダクタンスＣｔが最大である。従って、流量比率制
御装置の前後の圧力降下が最小であり、デバイスは、比率、流れ、及び上流圧力について
、最速の応答及び整定時間を提供できる。更に、常開のバルブについて、バルブ電流に対
する流量の傾きは、図２に示すように、バルブ電流が小さい場合に小さい。傾きが小さけ
れば小さい程、所与の固定されたバルブ電流の変化に対する流量の変化が小さい。バルブ
電流に何らかのノイズが含まれている場合には、図４の傾きが小さい領域が流れに及ぼす
影響は小さく、従って、流量比率は更に安定する。換言すると、システムは、バルブ電流
のノイズの影響を受け難く、従って、作動領域で確固としている。

【0038】

図５に示す制御アルゴリズムのように、一方のバルブの制御に一定の電流を使用する場
合には、上文中に説明したようにバルブのコンダクタンスが最大の最適の解からかけ離れ
た解を提供する。この制御システムの方法では、制御装置は、制御システム１４２の総和
接合部１４０の入力のところで比率設定点αｓｐを受け取るように形成されている。総和
接合部の出力は、ＰＩ制御装置１４４の入力に接続されており、ＰＩ制御装置１４４は、
次いで、制御電流Ｉ１を低流れ制御バルブ４６に提供する。バルブ１４６を通る流れは、
流れセンサ１４８によって感知され、このセンサは、流れラインを通る流れＱ１を表す信
号を提供する。高流れ制御バルブ１５０には一定の電流Ｉ２が供給される。バルブ１５０
を通る流れは、流れセンサ１５２によって感知され、このセンサは、流れラインを通る流
れＱ２を表す信号を提供する。二つの信号の比Ｑ２／Ｑ１が、計測された流量比率αｍで
ある。この流量比率は、フィードバックループで総和接合部１４０に提供され、入力設定
点αｓｐから差し引かれる。この設計の問題点は、バルブの総コンダクタンスが、所与の
流量比率αについて最大でないということである。一定のバルブは、通常は、高流れライ
ンで選択され、通常は、二つのバルブの不適合、これらのバルブのヒステリシス、及び他
方の流れラインの下流の閉塞に対処するため、非常に保存的位置、例えば半分開放した位
置に設定される。従って、バルブの総コンダクタンスは、図４に示す最適の解と比べて非
常に低い。上文中に論じたように、バルブの総コンダクタンスが低ければ低い程、流れに
ついての整定時間が緩慢になり、流量比率制御装置の前後の圧力降下が大きくなる。一定
バルブ流れラインの非常に保存的な一定のバルブ位置について、流量比率制御装置は、他
方の流れラインの非常に重大な下流の閉塞の問題を取り扱うことができない。例えば、他
方の流れラインの制御されたバルブを、重大な下流の閉塞のため、全開位置まで駆動して
もよい。しかしながら一定のバルブは、流量比率を維持するための調節を行わない。従っ
て、実際の流量比率は設定点からかけ離れてしまう。

【0039】

本発明の一つの特徴によれば、システムは、両方のバルブを、比率フィードバックループを通して、任意の種類の単一入力単一出力（ＳＩＳＯ）制御装置、例えばＰＩＤ制御装置によって制御するように形成されている。二つのバルブの各々を制御するため、ＳＩＳＯ制御装置の出力を分割し且つ変更する。二つのバルブ制御コマンドは、許容可能な最大バルブコンダクタンス位置に関し、実際上反対称である。即ち、これらの制御コマンドの関係は、ＳＩＳＯ制御装置の出力を使用して一方のバルブを制御すると同時に、同じ出力を先ず最初に反転し、バイアス電流を追加した後、他方のバルブを制御するのに使用することにより形成される。二つのバルブコマンドは、各々、許容可能な最大バルブコンダクタンス位置で二つの飽和限度の一方として、線形飽和器を通過する。これによって得られる正味の効果は、一方のバルブを常に許容可能な最大バルブコンダクタンス位置に保持し、他方のバルブを能動的に制御して流量比率を維持するということである。反対称最適制御システムの好ましい実施例を図６に示す。

【0040】

図６を参照すると、とりわけ、一方のバルブを一定の電流で制御制御することにより加
えられる制限をなくすように、好ましい反対称最適フィードバック制御システム１６０を
使用して両バルブ１２６ａ及び１２６ｂを制御する。フィードバック制御システムは、好
ましくは、図１の制御装置１３６でソフトウェアを走らせることによって作動するが、こ
のシステムは、他の形態で実施してもよい。フィードバック制御システム１６０は、流量
比率αｓｐについての設定点を表す信号を受け入れるための総和接合部１６２への入力と
、計測された流量比率αｍを表す信号を受け入れるための別の入力とを含む。総和接合部
１６２は、αｓｐとαｍとの間のエラー信号を計算した後、このエラー信号を、例えばＰ
ＩＤ制御装置であってもよいＳＩＳＯ制御装置１６４に供給する。制御装置１６４の出力
即ちＩｃを線型飽和器（ＬＳＡＴ）１６６の入力に接続する。この飽和器１６６は、制御
電流Ｉ１を提供するため、バルブ１２６ａに接続されている。バルブ１２６ａを通る流れ
は、対応する流れセンサ１２４ａの流れ及びかくして出力に直接的に影響を及ぼす。この
センサの出力は、流量Ｑ１を表す。ＳＩＳＯ制御装置の出力Ｉｃは、更に、インバーター
１６８に加えられ、このインバーターが入力を総和接合部１７０に加える。この総和接合
部は、更に、一定のバイアス電流入力２Ｉｏを受け取り、これをインバーター１６８の出
力に加える。次いで、加算した信号を線型飽和器（ＬＳＡＴ）１７２に加え、この線型飽
和器が出力電流Ｉ２を提供する。制御電流Ｉ２は、バルブ１２６ｂを制御し、このバルブ
は、センサ１２４ｂを通る流れに影響を及ぼす。Ｋのセンサは、センサの流れラインを通
る流れを表す出力Ｑ２を提供する。比Ｑ２／Ｑ１は、計測された比率αｍを表す。この計
測された比率αｍを、制御フィードバック構成である総和接合部１６２のところで設定点
から差し引く。

【0041】

線型飽和器は、各々、以下のように定義される。

【0042】

【数11】

【0043】

ここで、ａは飽和の下限であり、ｂは飽和の上限である。

【0044】

Ｉｏを許容可能な最大バルブコンダクタンスを提供する最適のバルブ電流と定義する。
一般的には、常開のバルブについては、

【0045】

【数12】

【0046】

であり、常閉のバルブについては、

【0047】

【数13】

【0048】

である。ここで、Ｉｍｉｎは、許容可能な最小バルブ電流であり、Ｉｍａｘは、許容可能
な最大バルブ電流である。

【0049】

反対称最適制御アルゴリズムは、二つのバルブ制御コマンド、即ちＩ１及びＩ２を以下
のように決定する。即ち、
常開のバルブについては、

【0050】

【数14】

【0051】

【数15】

【0052】

であり、ここで、Ｉｍは、常開のバルブについての許容可能な最大バルブ電流である。
常閉のバルブについては、

【0053】

【数16】

【0054】

【数17】

【0055】

であり、ここで、Ｉｍは、常閉のバルブについての許容可能な最小バルブ電流である。

【0056】

かくして、二つの線型飽和器への入力、即ち（Ｉｏ＋（Ｉｃ−Ｉｏ）及びＩｏ−（Ｉｃ
−Ｉｏ））は、最適バルブ電流Ｉｏに関して反対称である。従って、線型飽和器の後の出
力バルブ制御コマンドは、実際上、最適バルブ電流Ｉｏに関して反対称である。

【0057】

二つの線型飽和器は、反対称最適制御アルゴリズムで重要な役割を果たす。一般的には
、バルブ電流（Ｉ１又はＩ２）の一方が、常開のバルブについての［Ｉｏ又はＩｍ］又は
常閉のバルブについての［Ｉｍ又はＩｏ］の、許容可能な電流限度内の可能なバルブ電流
である。最適のバルブ電流Ｉｏに関して反対称であるため、他方のバルブ電流（Ｉ２又は
Ｉ１））は、［Ｉｏ、Ｉｍ］又は［Ｉｍ、Ｉｏ］による許容可能な電流限度の外にあり、
Ｉｏに関して外にある。線型飽和器のため、飽和限度外の任意のバルブ電流、即ちこの場
合にはＩｏの値を飽和限度値にする。従って、一方のバルブ電流が、常に、許容可能な最
大バルブ電流を与える最適のバルブ電流即ちＩｏに保持される。換言すると、反対称最適
制御アルゴリズムにより、常に、Ｉ１＝Ｉｏ又はＩ２＝Ｉｏが保証される。以下、常開の
バルブについての証明を記載するが、同じ原理が常閉のバルブにも適用されるということ
は理解されるべきである。

【0058】

常開のバルブについて、二つのバルブ制御電流即ちＩ１及びＩ２は、[数１４]及び[数
１５]に記載してある。これらの二つのバルブ制御電流について、二つのケー
スがある。
ケース１．Ｉ１≧Ｉｏである場合には、

【0059】

【数18】

【0060】

線型飽和器１７２に加えられた電流は、数１８に従って、

【0061】

【数19】

【0062】

従って、線型飽和器１７２を通過するバルブ制御電流は、

【0063】

【数20】

【0064】

ケース２．Ｉ２≧Ｉｏである場合には、

【0065】

【数21】

【0066】

[数２１]を整理すると、

【0067】

【数22】

【0068】

数１４に従って、かつ数２２及び数１１に従って、

【0069】

【数23】

【0070】

わかるように、いずれの場合でも、最適のバルブ電流値、即ちＩｏの一つのバルブ電流
があり、これは許容可能な最大バルブコンダクタンスを提供する。

【0071】

かくして、両バルブは、任意の単一の入力、単一出力ＳＩＳＯ制御装置、例えばＰＩＤ
制御装置によって、比率フィードバックループを通して制御される。ＳＩＳＯ制御装置の
出力は、二つのバルブに加えられる前に、分割され且つ変更される。二つのバルブ制御コ
マンドは、実際上、許容可能な最大バルブコンダクタンス位置に関して反対称である。こ
れらの二つのバルブコマンドが、二つの飽和限度の一方である許容可能な最大バルブコン
ダクタンス位置で夫々の線型飽和器を通過するため、一方のバルブが、任意の時期に、許
容可能な最大バルブコンダクタンス位置に保持されると同時に、他方のバルブが、流量比
率を維持するように能動的に制御されるという正味の効果が得られる。従って、反対称最
適制御アルゴリズムは、任意の時期に、許容可能な最大総バルブコンダクタンスを提供す
る。上文中に論じたように、総バルブコンダクタンスが最大であるため、比率、流れ、及
び上流圧力についての整定時間が速くなり、流量比率制御装置の前後の圧力降下が低くな
る。かくして、反対称最適制御アルゴリズムは、流量比率制御装置の制御性能を大幅に向
上する。

【0072】

図７は、二つの常開のバルブの反対称最適制御を示す。図示のように、一方のバルブは
常に許容可能な最大バルブコンダクタンスを提供する最適バルブ電流Ｉｏで作動する。常
開のバルブについて、バルブ電流が減少するに従って、バルブコンダクタンスが増大する
か或いはバルブが更に大きく開放する。一般的には、最適バルブ電流Ｉｏは、常開のバル
ブについての電流の下限であるか或いは許容可能な最小バルブ電流である。この流れライ
ンの下流での閉塞により、電流Ｉ１によって制御されるバルブが開放し始めたとき、バル
ブは、完全に開放されるまで、又は時間ｔｏで電流下限Ｉｏに達するまで開放し続ける。
バルブ電流は、可能であれば、減少し続ける。その代わり、電流Ｉ２によって制御される
バルブが、流量比率を維持するため、反対称であることにより、ｔｏでのＩｏの値から最
適電流Ｉｏまで増大し始める。

【0073】

かくして、制御装置は、以下を提供するよう形成される。即ち、
（ａ）二次流れの比率を維持するように、二次流れライン内の質量流量を反対称に最適制
御し、
（ｂ）少なくとも一方のバルブが最適バルブ電流Ｉｏにあり、許容可能な最大バルブコン
ダクタンス位置を任意の１つの作動時に提供し（線型飽和器を使用することによる）、こ
れと同時に他方のバルブを能動的に制御し、予め選択した流量比率の値を維持し、
（ｃ）一方の流れライン内の流れが減少した場合、二次流れの比率が予め選択した設定点
からずれるように、二次流れの比率を、予め選択された設定点に維持するように、二次流
れラインの質量流量を制御する。制御装置は、二次流れラインを通る相対的二次流を、比
率が予め選択した設定点に戻るように調節する。一方のバルブが開放度を増大すると、最
適のバルブ電流に至り、許容可能な最大バルブコンダクタンスを提供する最適のバルブ電
流に保持する。最初はバルブ電流にあった他方のバルブは、予め選択した流量比率設定点
を維持するため、閉鎖を開始する。このようにして、二つのバルブは、いずれかの流れラ
インでの非常に重大な下流閉塞状態を取り扱うため、互いに対して能動的制御を自動的に
切り換える。

【0074】

かくして、本開示に従って提供された、新規であり且つ改良されたガス送出システム及
び方法を説明した。本明細書中に説明した例示の実施例は、限定でなく、例として提供し
たものであり、当業者は、特許請求の範囲に記載した本開示の精神及び範囲から逸脱する
ことなく、様々な変更、組み合わせ、及び交換を行ってもよい。例えば、バルブを常開の
バルブとして説明してきたが、常閉のバルブについても有効である。更に、流量比率制御
装置を二つの二次流れラインを持つものとして説明したが、制御装置を更に多くの二次流
れラインを持つように設計することができる。

【0075】

本明細書中に開示した、本開示のガス送出システム及び方法、及びその全ての構成要素は、特許請求の範囲のうちの少なくとも一つの範囲内に含まれる。ここに開示したチップアーチのエレメントは、権利放棄されるべきでなく、特許請求の範囲の解釈を制限しようとするものでもない。なお、本発明は、以下の態様に関しうる。
（態様１）単一の質量流量を二つ又はそれ以上の二次流れに分割するためのシステムにおいて、（Ａ）単一の質量流量を受け取るための入口と、（Ｂ）前記入口に連結されており、前記二次流れのうちの対応する一方の流れを搬送するように連結された少なくとも二つの二次流れラインであって、各二次流れラインは、（１）対応する流れラインを通る流れを計測するために連結され、該流れラインを通る計測された流れを表す信号を提供する流量計と、（２）前記対応する流れラインを通る流れを制御信号に基づいて制御するために連結されたバルブとを含む、前記二次流れラインと、（Ｃ）前記二次流れの比率を制御するため、前記流量計及び前記バルブに連結された制御装置とを含み、前記制御装置は、前記二次流れの比を予め選択された値に維持するように、前記二次流れライン内の質量流量を反対称最適制御するように形成されている、システム。
（態様２）態様１のシステムにおいて、更に、予め選択された比率と計測した比率との間の差の関数として第一制御信号を発生するように連結されたＳＩＳＯ制御装置と、前記二次流れラインの各々に一つづつ設けられた、前記バルブの各々を制御するように、前記第一制御信号に応じてバルブ制御信号を提供するように形成された一対の線型飽和器とを含む、システム。
（態様３）態様２のシステムにおいて、更に、前記第１制御信号を変換し、変換された制御信号を提供するように形成されたインバーターと、第２制御信号を提供するように、前記変換された制御信号及び一定のバイアス信号を組み合わせるための総和接合部とを含み、前記線型飽和器の一つによって提供された前記バルブ制御信号の一つは、前記第２制御信号の関数である、システム。
（態様４）第２流れラインを通る流量比率を制御するように、流量比率制御装置の二次流れラインの二つのバルブを制御する方法において、前記二次流れの比率を予め選択した値に維持するように、前記二次流れライン内の質量流量の反対称最適制御を使用する工程を含む、方法。
（態様５）単一の質量流量を二つ又はそれ以上の二次流れに分割するためのシステムにおいて、（Ａ）単一の質量流量を受け取るための入口と、（Ｂ）前記入口に連結されており、前記二次流れのうちの対応する一方の流れを搬送するように連結された少なくとも二つの二次流れラインであって、各二次流れラインは、（１）対応する流れラインを通る流れを計測するために連結され、該流れラインを通る計測された流れを表す信号を提供する流量計と、（２）前記対応する流れラインを通る流れを制御信号に基づいて制御するために連結されたバルブとを含む、前記二次流れラインと、（Ｃ）前記二次流れの比率を予め選択した値に制御するため、前記流量計及び前記バルブに連結された制御装置とを含み、前記制御装置は、前記バルブの少なくとも一方を、作動中の任意の瞬間での許容可能な最大バルブコンダクタンス位置を提供する最適バルブ電流に保持し、他方のバルブを、前記流量比率の予め選択された値を維持するため、能動的に制御するように形成されている、システム。
（態様６）態様５のシステムにおいて、更に、予め選択された比率と計測した比率との間の差の関数として第一制御信号を発生するように連結されたＳＩＳＯ制御装置と、前記二次流れラインの各々に一つづつ設けられた、前記バルブの各々を制御するように、前記第一制御信号に応じてバルブ制御信号を提供するように形成された一対の線型飽和器とを含む、システム。
（態様７）態様６のシステムにおいて、更に、前記第１制御信号を変換し、変換された制御信号を提供するように形成されたインバーターと、第２制御信号を提供するように、前記変換された制御信号及び一定のバイアス信号を組み合わせるための総和接合部とを含み、前記線型飽和器の一つによって提供された前記バルブ制御信号の一つは、前記第２制御信号の関数である、システム。
（態様８）第２流れラインを通る流量比率を制御するように、流量比率制御装置の二次流れラインの二つのバルブを制御する方法において、少なくとも一方のバルブを、作動の任意の一つの瞬間に、許容可能な最大バルブコンダクタンス位置を提供する最適位置に維持すると同時に、他方のバルブを、前記流量比率の予め選択された値を維持するように能動的に制御する工程を含む、方法。
（態様９）単一の質量流量を二つ又はそれ以上の二次流れに分割するためのシステムにおいて、（Ａ）単一の質量流量を受け取るための入口と、（Ｂ）前記入口に連結されており、前記二次流れのうちの対応する一方の流れを搬送するように連結された少なくとも二つの二次流れラインであって、各二次流れラインは、（１）対応する流れラインを通る流れを計測するために連結され、該流れラインを通る計測された流れを表す信号を提供する流量計と、（２）前記対応する流れラインを通る流れを制御信号に基づいて制御するために連結されたバルブとを含む、前記二次流れラインと、（Ｃ）前記二次流れの比率を予め選択した設定点で維持するために前記比率を制御するように、前記流量計及び前記バルブに連結された制御装置とを含み、前記制御装置は、前記二次流れの比率を前記予め選択した設定点に維持するように、前記二次流れライン内の質量流量を制御するように形成されており、前記制御は、一方の流れライン内の流れが減少し、前記二次流れの比率が前記予め選択した設定点から逸脱した場合、前記制御装置が、前記二次流れラインを通る相対的二次流れを調節し、前記比率を前記予め選択した設定点に戻すように行われる、システム。
（態様１０）態様９のシステムにおいて、一方のバルブの開口度が増大し、最適バルブ電流に達すると、前記バルブは、許容可能な最大バルブコンダクタンスを提供する前記最適バルブ電流に保持され、最初は最適バルブ電流にある他方のバルブは、予め選択した流量比率設定点を維持するため、閉鎖し始め、その結果、二つのバルブは、能動的制御を互いに自動的に切り換える、システム。
（態様１１）態様９のシステムにおいて、更に、予め選択された比率と計測した比率との間の差の関数として第一制御信号を発生するように連結されたＳＩＳＯ制御装置と、前記二次流れラインの各々に一つづつ設けられた、前記バルブの各々を制御するように、前記第一制御信号に応じてバルブ制御信号を提供するように形成された一対の線型飽和器とを含む、システム。
（態様１２）態様１１のシステムにおいて、更に、前記第１制御信号を変換し、変換された制御信号を提供するように形成されたインバーターと、第２制御信号を提供するように、前記変換された制御信号及び一定のバイアス信号を組み合わせるための総和接合部とを含み、前記線型飽和器の一つによって提供された前記バルブ制御信号の一つは、前記第２制御信号の関数である、システム。
（態様１３）流量比率制御装置の対応する二次流れライン内の二次流れを制御し、前記二次流れの流量比率を制御するように二つのバルブを制御する方法において、一方の流れライン内の流れが減少し、前記二次流れの比率が前記予め選択した設定点から逸脱した場合、前記制御装置が、前記二次流れラインを通る相対的二次流れを調節し、前記比率を前記予め選択した設定点に戻すように、前記二次流れの流量比率を予め選択した設定点に維持する工程を含む、方法。
（態様１４）態様１３の方法において、一方のバルブの開口度が増大し、最適バルブ電流に達した場合、前記バルブは、許容可能な最大バルブコンダクタンスを提供する前記最適バルブ電流に保持され、最初は最適バルブ電流にある他方のバルブは、予め選択した流量比率設定点を維持するため、閉鎖し始め、その結果、二つのバルブは制御を互いに自動的に切り換える、方法。
（態様１５）流量比率制御装置を備えたガス送出システムにおいて、一対の二次流れラインと、前記二次流れラインを通る流れを制御コマンド信号に応じて夫々制御するように形成された一対のバルブと、前記バルブの各々を通る流れを、予め選択した流量比率に従って制御するように形成された流れ制御装置であって、フィードバックループと、単一出力ＳＩＳＯ制御装置と、前記バルブの各々で使用するための一対の線型飽和器とを含み、前記ＳＩＳＯ制御装置は出力を有する、流れ制御装置とを含み、前記バルブに対する前記制御コマンドは、前記ＳＩＳＯ制御装置及び夫々の線型飽和器の出力の関数であり、前記二つのバルブ制御コマンドは、前記バルブの許容可能な最大バルブコンダクタンス位置に対して実際上反対称である、ガス送出システム。
（態様１６）態様１５のガス送出システムにおいて、前記二つのバルブ制御コマンドは、前記バルブの許容可能な最大バルブコンダクタンス位置に対して実際上反対称である、ガス送出システム。
（態様１７）態様１６のガス送出システムにおいて、前記線型飽和器を使用することの正味の効果は、一方のバルブ制御装置のバルブコマンドを、許容可能な最大バルブコンダクタンスを提供する前記最適バルブ電流に保持すると同時に、他方を、予め選択した流量比率設定点に維持するため、能動的に制御することである、ガス送出システム。
（態様１８）態様１６のガス送出システムにおいて、二つの線型飽和器への入力を反対称に維持し、及び従って前記バルブ制御コマンドを前記許容可能な最大バルブコンダクタンスに対して実際上反対称であるように、一方の線型飽和器がバイアス電流及び変換した信号を受け取る、ガス送出システム。

【図面の簡単な説明】

【0076】

【図1】図１は、本開示に従って形成した流量比率制御装置を含むガス送出システムの好ましい実施例のブロックダイヤグラムである。

【図2】図２は、代表的な常閉のバルブについての、様々な上流圧力での、バルブ制御信号に対する流量を表すグラフである。

【図3】図３は、図１の実施例の二つの制御バルブについての流量の、各バルブに加えられた制御信号の関数としてのグラフであり、所与の流量比率αについて、二つのバルブ制御コマンドの多数の解があることを示す。

【図4】図４は、図１の実施例の二つの制御バルブについての流量の、各バルブに加えられた制御信号の関数としてのグラフであり、図１の実施例の流量比率制御装置についてのバルブコンダクタンスが許容可能な最大値である最適解を示す。

【図5】図５は、高流れバルブは一定のバルブ位置にあり、低流れバルブは流量比率を維持するために能動的に制御される、流量比率制御装置の二つの二次流れラインを通る流れの比を制御するための従来技術の制御アルゴリズムの機能的ブロック図である。

【図6】図６は、両バルブを制御し、二つのバルブ制御コマンドが、許容可能な最大バルブコンダクタンスに関して実際上反対称である、図１の実施例の二つの二次流れラインを通る流れの比を制御するための好ましい反対称最適制御アルゴリズムの機能的ブロック図である。

【図7】図７は、二つの常閉のバルブを最適バルブ電流Ｉｏに関して実際上反対称に作動する方法を示すグラフである。

【符号の説明】

【0077】

１０２ ガス送出システム
１０４ ガス供給部
１０６ 流量比率制御装置
１０８、１１０ 処理チャンバ
１１２ ガスボックス
１１４ ガス通路部
１１６ 出口マニホールド
１２２ 流れライン
１２４ センサ
１２６ バルブ
１３０ 出口
１３２ ゲートバルブ
１３６ 制御装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】