(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】
(24)【登録日】2023-01-11
(45)【発行日】2023-01-19
(54)【発明の名称】流体制御システムおよび流量測定方法
(51)【国際特許分類】
G05D 7/06 20060101AFI20230112BHJP
【ＦＩ】
G05D7/06 Z
【請求項の数】
6
(21)【出願番号】P 2019534064
(86)(22)【出願日】2018-07-24
(86)【国際出願番号】 JP2018027755
(87)【国際公開番号】W WO2019026700
(87)【国際公開日】2019-02-07
【審査請求日】2021-06-22
(31)【優先権主張番号】P 2017148264
(32)【優先日】2017-07-31
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】390033857
【氏名又は名称】株式会社フジキン
(74)【代理人】
【識別番号】100129540
【弁理士】
【氏名又は名称】谷田 龍一
(74)【代理人】
【識別番号】100137648
【弁理士】
【氏名又は名称】吉武 賢一
(72)【発明者】
【氏名】山下 哲
(72)【発明者】
【氏名】澤田 洋平
(72)【発明者】
【氏名】永瀬 正明
(72)【発明者】
【氏名】西野 功二
(72)【発明者】
【氏名】池田 信一
【審査官】影山 直洋
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１７／１２２７１４（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０００－３０５６３０（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０５Ｄ ７／０６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
流量制御器の下流側に設けられた第１バルブと、前記第１バルブの下流側に設けられ、第２バルブおよび前記第２バルブの上流側に配置された圧力センサを有する流量測定装置と、
前記第２バルブに設けられた開閉検出器と、
前記第１バルブおよび前記第２バルブの開閉動作を制御する制御部と
を備える流体制御システムであって、流量測定のときに、
前記開閉検出器が出力する信号に応じて前記第１バルブの開閉を制御し、
前記第２バルブを閉じた後の流路内の圧力上昇を前記圧力センサを用いて測定し、前記圧力上昇の起点を、前記開閉検出器が出力する信号に基づいて決定するように構成されている、流体制御システム。
【請求項2】
前記制御部は、前記開閉検出器が出力する信号に基づいて検知された前記第２バルブの開閉に基づいて、前記第１バルブへ出力する開閉命令のタイミングを制御する、請求項１に記載の流体制御システム。
【請求項3】
それぞれが前記流量制御器および前記第１バルブを有する複数の第１流路と、前記複数の第１流路の下流側に共通に接続され、前記流量制御器によって流量が制御された流体を使用対象に供給するための第２流路と、
前記第２流路から分岐するように設けられ前記流量測定装置を有する第３流路と
を含む、請求項１または２に記載の流体制御システム。
【請求項4】
前記流量制御器は、コントロール弁と、絞り部と、前記絞り部の上流側の圧力を測定する上流圧力センサとを備える圧力式流量制御装置である、請求項１から３のいずれかに記載の流体制御システム。
【請求項5】
流量制御器の下流側に設けられた第１バルブと、前記第１バルブの下流側に設けられ、圧力センサ、温度センサおよび第２バルブを有する流量測定装置と、前記第２バルブに設けられた開閉検出器と、前記第１バルブおよび前記第２バルブの開閉動作を制御する制御部とを備える流体制御システムにおいて行われる流量測定方法であって、前記第１バルブと前記第２バルブとを開いてガスを流し、ガスが流れている状態で前記第２バルブを閉じ、前記第２バルブを閉じた後、ビルドアップ時間が経過した後に前記第1バルブを閉じ、前記第１バルブを閉じた後の圧力および温度を前記圧力センサおよび前記温度センサを用いて測定する第１工程と、
前記第１バルブと前記第２バルブとを開いてガスを流し、ガスが流れている状態で前記第１バルブと前記第２バルブとを同時に閉じ、前記第１バルブおよび前記第２バルブを閉じた後の圧力および温度を前記圧力センサおよび前記温度センサを用いて測定する第２工程と、
前記第１工程で測定した圧力および温度と、前記第２工程で測定した圧力および温度とに基づいて流量を演算する第３工程とを包含し、
前記第１工程において、前記第２バルブが閉じた時点を、前記開閉検出器からの出力に基づいて判断し、
前記第２工程において前記第１バルブと前記第２バルブとを同時に閉じる動作を行うとき、前記開閉検出器が出力する信号に応じて、前記第１バルブへ出力する開閉命令のタイミングを制御する、流量測定方法。
【請求項6】
前記第３工程は、前記第１工程で測定した圧力ＰAおよび温度ＴAと、前記第２工程で測定した圧力ＰBおよび温度ＴBとを用いて、Ｑ＝２２．４・Ｖｓ・（ＰA／ＴA－ＰB／ＴB）／（Ｒ・Δｔ）、ここで、Ｖｓはビルドアップ容量、Ｒは気体定数、Δｔは前記第１工程において前記第２バルブを閉じてから前記第１バルブを閉じるまでの前記ビルドアップ時間、に従って流量Ｑを演算する工程を含む、請求項５に記載の流量測定方法。【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、流体制御システムおよび流量測定方法に関し、特に、流量制御器の下流側に接続された流量測定装置を備える流体制御システムおよびこれを用いた流量測定方法に関する。
【背景技術】
【0002】
半導体製造装置等に設けられたガス供給システムは、一般的に、各供給ガス種毎に設けた流量制御器を介して、多種類のガスをプロセスチャンバ等のガス使用対象に切換えて供給するように構成されている。
【0003】
流量制御器の運用において、随時、流量精度の確認や流量校正を行うことが望まれており、流量測定方法として、ビルドアップ法が流量精度の確認や流量校正に用いられることがある。ビルドアップ法は、既知のビルドアップ容量に流れ込む単位時間あたりの流体の量を検出することによって流量を測定する方法である。
【0004】
ビルドアップ法では、流量制御器の下流に設けられた所定のビルドアップ容量（Ｖ）に下流側の弁を閉じた状態でガスを流し、そのときの圧力上昇率（ΔＰ／Δｔ）と温度（Ｔ）とを測定することにより、例えば、Ｑ＝２２．４（ΔＰ／Δｔ）×Ｖ／ＲＴ（Ｒは気体定数）から流量Ｑを演算により求めることができる。
【0005】
特許文献１には、ビルドアップ法による流量測定の一例が開示されている。特許文献１に記載のガス供給装置では、複数のガス供給ラインが設けられており、各ガス供給ラインに接続された流量制御器の下流側の開閉弁から共通ガス供給路に設けられた開閉弁までの流路がビルドアップ容量として用いられている。また、特許文献２には、ビルドダウン法による流量測定の一例が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】特開２００６－３３７３４６号公報
【文献】国際公開第２０１３／１７９５５０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかしながら、特に上記のようにガス流路をビルドアップ容量として用いるときなどにおいて、基準容積が比較的小さく圧力上昇の測定時間が比較的短いことによって、流量測定の測定精度が低下する場合があった。
【0008】
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、流量測定をより向上した精度で行うことができる流体制御システムを提供することをその主たる目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明の実施形態による流体制御システムは、流量制御器の下流側に設けられた第１バルブと、前記第１バルブの下流側に設けられ、第２バルブを有する流量測定装置と、前記第２バルブに設けられた開閉検出器と、前記第１バルブおよび前記第２バルブの開閉動作を制御する制御部とを備え、前記開閉検出器が出力する信号に応じて前記第１バルブの開閉を制御する。
【0010】
ある実施形態において、前記制御部は、前記開閉検出器が出力する信号に基づいて検知された前記第２バルブの開閉に基づいて、前記第１バルブへ出力する開閉命令のタイミングを制御する。
【0011】
ある実施形態において、前記流量測定装置は前記第２バルブの上流側に配置された圧力センサをさらに有し、前記第２バルブを閉じた後の流路内の圧力上昇を前記圧力センサを用いて測定するように構成されており、前記圧力上昇の起点を、前記開閉検出器が出力する信号に基づいて決定する。
【0012】
ある実施形態において、前記流体制御システムは、それぞれが前記流量制御器および前記第１バルブを有する複数の第１流路と、前記複数の第１流路の下流側に共通に接続され、前記流量制御器によって流量が制御された流体を使用対象に供給するための第２流路と、前記第２流路から分岐するように設けられ前記流量測定装置を有する第３流路とを含む。
【0013】
ある実施形態において、前記流量制御器は、コントロール弁と、絞り部と、前記絞り部の上流側の圧力を測定する上流圧力センサとを備える圧力式流量制御装置である。
【0014】
本発明の実施形態による流量測定方法は、流量制御器の下流側に設けられた第１バルブと、前記第１バルブの下流側に設けられ、圧力センサ、温度センサおよび第２バルブを有する流量測定装置と、前記第２バルブに設けられた開閉検出器と、前記第１バルブおよび前記第２バルブの開閉動作を制御する制御部とを備える流体制御システムにおいて行われる流量測定方法であって、前記第１バルブと前記第２バルブとを開いてガスを流し、ガスが流れている状態で前記第２バルブを閉じ、前記第２バルブを閉じた後、ビルドアップ時間が経過した後に前記第1バルブを閉じ、前記第１バルブを閉じた後の圧力および温度を前記圧力センサおよび前記温度センサを用いて測定する第１工程と、前記第１バルブと前記第２バルブとを開いてガスを流し、ガスが流れている状態で前記第１バルブと前記第２バルブとを同時に閉じ、前記第１バルブおよび前記第２バルブを閉じた後の圧力および温度を前記圧力センサおよび前記温度センサを用いて測定する第２工程と、前記第１工程で測定した圧力および温度と、前記第２工程で測定した圧力および温度とに基づいて流量を演算する第３工程とを包含し、前記第１工程において、前記第２バルブが閉じた時点を、前記開閉検出器からの出力に基づいて判断し、前記第２工程において前記第１バルブと前記第２バルブとを同時に閉じる動作を行うとき、前記開閉検出器が出力する信号に応じて、前記第１バルブへ出力する開閉命令のタイミングを制御する。
【0015】
ある実施形態において、前記第３工程は、前記第１工程で測定した圧力ＰAおよび温度ＴAと、前記第２工程で測定した圧力ＰBおよび温度ＴBとを用いて、Ｑ＝２２．４・Ｖｓ・（ＰA／ＴA－ＰB／ＴB）／（Ｒ・Δｔ）（ここで、Ｖｓはビルドアップ容量、Ｒは気体定数、Δｔは前記第１工程において前記第２バルブを閉じてから前記第１バルブを閉じるまでの前記ビルドアップ時間）に従って流量Ｑを演算する工程を含む。
【発明の効果】
【0016】
本発明の実施形態によれば、流量測定を適切に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【図1】本発明の実施形態による流体制御システムを示す模式図である。
【図2】本発明の実施形態において用いられる圧力式流量制御装置の例示的な構成を示す図である。
【図3】比較形態における流量測定のバルブ動作シーケンス等を示す図である。
【図4】実施形態における流量測定のバルブ動作シーケンス等を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0018】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
【0019】
図１は、本発明の実施形態に係る流体制御システム１を示す。流体制御システム１は、ガス供給源４からのガスを半導体製造装置のプロセスチャンバ２などのガス使用対象に制御した流量で供給できるように構成されている。
【0020】
流体制御システム１は、それぞれ別のガス供給源４に接続された複数の第１流路Ｌ１と、その下流側の第２流路Ｌ２および第３流路Ｌ３とを有している。第１流路Ｌ１のそれぞれには、流量制御器１０と、流量制御器１０の下流側に設置された第１バルブ２１とが設けられている。各第１流路Ｌ１およびそれぞれに設けられた流量制御器１０および第１バルブ２１は、一体として１つの流量制御ユニット（ガスボックス）内に設けられていてもよい。
【0021】
第１流路Ｌ１の下流側には、流量制御器１０によって制御された流量のガスをプロセスチャンバ２に供給するための第２流路Ｌ２が接続されている。第２流路Ｌ２は、複数の第１流路Ｌ１に対して共通に設けられており、いずれの第１流路Ｌ１からのガスも第２流路Ｌ２を通してプロセスチャンバ２に供給される。
【0022】
第２流路Ｌ２に設けられたプロセスチャンバ２には真空ポンプ３が接続されており、ガス供給源４からのガスは、典型的には、真空ポンプ３を動作させて流路が減圧された状態で、流量制御器１０を介してプロセスチャンバ２へと供給される。また、第２流路Ｌ２には、遮断弁５が設けられており、必要に応じてプロセスチャンバ２へのガスの流れを遮断することができる。
【0023】
また、第１流路Ｌ１の下流側において、第２流路Ｌ２から分岐するようにして第３流路Ｌ３が設けられている。第３流路Ｌ３も第２流路Ｌ２と同様に、複数の第１流路Ｌ１に対して共通に設けられている。
【0024】
第３流路Ｌ３には、上流側の遮断弁６と流量測定装置３０とが設けられており、流量測定装置３０の下流側は真空ポンプ３１に接続されている。本実施形態の流体制御システム１では、第２流路Ｌ２の遮断弁５を閉じるとともに第３流路Ｌ３の遮断弁６を開いた状態で、第３流路Ｌ３の流量測定装置３０に選択的にガスを流通させることによって流量測定を行うことができる。
【0025】
本実施形態の流体制御システム１において、第１流路Ｌ１に設けられた各流量制御器１０は、図２に示すような圧力式流量制御装置１０ａであってよい。圧力式流量制御装置１０ａは、微細開口（オリフィス）を有する絞り部１１と、絞り部１１の上流側に設けられたコントロール弁１４（バルブ１４ａおよびその駆動部１４ｂ）と、絞り部１１とコントロール弁１４との間に設けられた圧力センサ（上流圧力センサ）１２および温度センサ１３とを備えている。絞り部１１としては、オリフィスプレートなどのオリフィス部材の他に、臨界ノズルまたは音速ノズルを用いることもできる。オリフィスまたはノズルの口径は、例えば１０μｍ～５００μｍに設定される。また、コントロール弁１４としては、例えば、金属製ダイヤフラムバルブ（バルブ１４ａ）をピエゾアクチュエータ（駆動部１４ｂ）によって駆動するピエゾ素子駆動型コントロール弁を用いることができる。
【0026】
圧力センサ１２および温度センサ１３は、ＡＤコンバータを介して制御回路１６に接続されている。制御回路１６は、コントロール弁１４の駆動部１４ｂにも接続されており、圧力センサ１２および温度センサ１３の出力などに基づいて制御信号を生成し、この制御信号によってコントロール弁１４の動作を制御する。本実施形態では、制御回路１６は、各圧力式流量制御装置１０ａに設けられているが、他の態様において、複数の圧力式流量制御装置１０ａに対して共通の制御回路１６が外部に設けられていてもよい。なお、ＡＤコンバータは、制御回路１６に内蔵されたものであってもよい。
【0027】
圧力式流量制御装置１０ａは、臨界膨張条件ＰU／ＰD≧約２（ただし、ＰU：絞り部上流側のガス圧力（上流圧力）、ＰD：絞り部下流側のガス圧力（下流圧力）であり、約２は窒素ガスの場合）を満たすとき、絞り部を通過するガスの流速は音速に固定され、流量は下流圧力ＰDによらず上流圧力ＰUによって決まるという原理を利用して流量制御が行われる。臨界膨張条件を満たすとき、絞り部下流側の流量Ｑは、Ｑ＝Ｋ1・ＰU（Ｋ1は流体の種類と流体温度に依存する定数）によって与えられ、流量Ｑは、上流圧力センサ１２によって測定される上流圧力ＰUに比例する。また、他の態様において、絞り部１１の下流側に下流圧力センサ（図示せず）を備える場合、上流圧力ＰUと下流圧力ＰDとの差が小さく、臨界膨張条件を満足しない場合であっても流量を算出することができ、各圧力センサによって測定された上流圧力ＰUおよび下流圧力ＰDに基づいて、所定の計算式Ｑ＝Ｋ2・ＰD
m（ＰU－ＰD）n（ここでＫ2は流体の種類と流体温度に依存する定数、ｍ、ｎは実際の流量を元に導出される指数）から流量Ｑを算出することができる。
【0028】
流量制御を行うために、設定流量が制御回路１６に入力され、制御回路１６は、圧力センサ１２の出力（上流圧力ＰU）などに基づいて、上記のＱ＝Ｋ1・ＰUまたはＱ＝Ｋ2・ＰD
m（ＰU－ＰD）nから流量を演算により求め、この流量が入力された目標流量に近づくようにコントロール弁１４をフィードバック制御する。演算により求められた流量は、流量出力値として表示されてもよい。
【0029】
ただし、本実施形態の流体制御システム１において、流量制御器１０として用いられるものはこのようなタイプの圧力式流量制御装置１０ａに限られるものではなく、例えば、熱式流量制御装置や、その他のタイプの流量制御装置であってもよい。
【0030】
再び図１を参照する。上述したように、第３流路Ｌ３には、流量測定装置３０が設けられている。流量測定装置３０は、プロセスチャンバ２へと通じる第２流路Ｌ２から分岐した第３流路Ｌ３に配置されているが、他の態様において、第２流路Ｌ２の途中に介在するように配置されていてもよい。また、流量測定装置３０の下流側に設けられた真空ポンプ３１は、第２流路Ｌ２の下流側に設けられた真空ポンプ３が兼用していてもよい。流量測定装置３０は、流量制御器１０の下流側に連通するように設けられている限り、種々の態様で配置され得る。
【0031】
図１に示すように、本実施形態の流量測定装置３０は、第２バルブ２２と、圧力センサ２３および温度センサ２４とを備えている。圧力センサ２３および温度センサ２４は、第２バルブ２２の上流側近傍に設けられており、第１バルブ２１と第２バルブ２２との間の流路の圧力および温度を測定することができる。
【0032】
流量測定装置３０は、さらに、第２バルブ２２の実際の開閉動作を検出するための開閉検出器２６を有している。開閉検出器２６としては、第２バルブ２２の弁体の移動を検出することができる位置センサなどの各種センサを用いることができる。また、第２バルブ２２として後述するＡＯＶを用いる場合、弁体と連動して動くピストンの位置を測定する変位計や、ステムの上下動を検知するリミットスイッチなどを開閉検出器２６として用いることができる。開閉検出器２６は、第２バルブ２２の実際の開閉状態を即座に検知できるもので限り、種々の態様で設けられていてよい。
【0033】
また、流体制御システム１は制御部２５を備え、流量測定装置３０の圧力センサ２３および温度センサ２４からの出力信号および開閉検出器２６からの出力信号が、制御部２５に入力される。制御部２５は、圧力センサ２３、温度センサ２４、第２バルブ２２とともに一体的に設けられていてもよいし、外部に設けられた処理装置であってもよい。
【0034】
本実施形態では、制御部２５は、第１バルブ２１および第２バルブ２２の動作を制御できるようにこれらに接続されている。ただし、他の態様において、第１バルブ２１および第２バルブ２２の動作は、制御部２５とは別に設けられた制御部で制御されてもよい。
【0035】
制御部２５は、典型的には、ＣＰＵ、ＲＯＭやＲＡＭなどのメモリ（記憶装置）Ｍ、Ａ／Ｄコンバータ等の一部または全部を内蔵しており、後述する流量測定動作を実行するように構成されたコンピュータプログラムを含んでいてよく、ハードウェアおよびソフトウェアの組み合わせによって実現され得る。制御部２５は、コンピュータ等の外部装置と情報を交換するためのインターフェイスを備えていてもよく、これにより、外部装置からＲＯＭへのプログラム及びデータの書込みなどを行うことができる。
【0036】
第１バルブ２１、第２バルブ２２としては、開閉弁（遮断弁）が用いられ、例えばＡＯＶ（Ａｉｒ Ｏｐｅｒａｔｅｄ Ｖａｌｖｅ）などの流体駆動弁や、電磁弁、電動弁などの電気的動作弁が用いられる。他の態様において、第１バルブ２１は、流量制御器１０に内蔵されたものであってもよい。
【0037】
ただし、本実施形態においては、第１バルブ２１と第２バルブ２２とで異なるタイプのものが用いられており、より具体的には、第１バルブ２１として、より小型のバルブが用いられ、第２バルブ２２として、より大型のバルブ（例えば、３／８インチバルブ）が用いられている。その結果、第２バルブ２２の応答性は、第１バルブ２１の応答性よりも低くなっている。
【0038】
また、第１バルブ２１および第２バルブ２２としてＡＯＶが用いられている場合、ＡＯＶの設計によっても弁の応答性に差が生じる。ＡＯＶは、例えば、流路に介在する弁体を含む弁機構と、弁機構に接続された圧空ラインチューブとを備えており、圧空ラインチューブにコンプレッサからレギュレータなどを介して圧縮空気を送り込むことによって弁を閉じることができる。
【0039】
ＡＯＶを用いる場合、弁機構に供給する空気の供給圧（動作圧）によって弁の駆動速度に差が生じることがあり、これによって、第１バルブ２１と第２バルブ２２とで応答性に差が生じる場合がある。また、ＡＯＶでは、圧空ラインチューブの長さによっても応答性が変化し、チューブが長いほど応答性が低下する。
【0040】
このため、例えば、第１バルブ２１と第２バルブ２２とに同時に閉命令を出したとしても、実際には、第１バルブ２１が、第２バルブ２２よりも早く閉じることがある。また、応答性が低い第２バルブ２２を用いているときには、閉命令が出されたときから遅延して第２バルブ２２が実際に閉じられる。このため、閉命令が出されたときを第２バルブ２２が閉じた時刻と見なすと時間的な誤差が生じ、このことが原因で流量測定精度が低下するおそれがある。
【0041】
そこで、本実施形態の流体制御システム１では、開閉検出器２６が出力する信号に基づいて、第２バルブ２２の実際の開閉を検知するようにし、より正確に第２バルブ２２の開閉時を特定できるようにしている。これにより、以下に説明するように、例えばビルドアップ法によって流量測定を行うときに、従来よりも向上した精度で流量測定を行うことが可能になる。
【0042】
以下、本実施形態におけるビルドアップ法による流量測定方法を具体的に説明する。
【0043】
本流量測定方法においては、第１バルブ２１と第２バルブ２２との間の流路（図１において太線で示す部分）をビルドアップ容量２０（体積：Ｖｓ）として用いることができる。このように、別途にビルドアップタンクを設けることなく流路の一部をビルドアップ容量として用いることで、流量測定装置３０の小型化・低コスト化を実現できるとともに、短時間で流量測定を行うことができるという利点が得られる。
【0044】
なお、流量制御器１０は、流体制御システム１に組み込んだ後に流量制御特性が変化したり、また、長年の使用によって絞り部の形状が変化して上流圧力と流量との関係性が変化する場合がある。これに対して、流体制御システム１によれば、流量測定装置３０を用いてビルドアップ法により任意の時点で向上した精度で流量を測定できるので、流量制御器１０の精度を長期にわたって保証することができる。
【0045】
図３および図４は、ビルドアップ法による流量測定時のバルブ動作シーケンス（第１バルブ２１および第２バルブ２２の開閉タイミング）および流量測定装置３０の圧力センサ２３が出力する圧力Ｐの例示的な一態様を示す図である。図３は、開閉検出器２６を有しない場合の比較形態を示し、図４は、開閉検出器２６を用いる場合の実施形態を示している。
【0046】
図３の比較形態および図４の実施形態に示すように、流量測定は、例えば、第１バルブ２１および第２バルブ２２が閉じた状態から開始される。このとき、図１に示した第２流路Ｌ２の遮断弁５は閉じられ、第３流路の遮断弁６は開けられており、第１流路Ｌ１からのガスが第３流路Ｌ３に選択的に流れる状態にされている。
【0047】
次に、流量測定を行う対象の第１流路Ｌ１において、流量制御器１０の設定流量を任意のもの（例えば、最大流量を１００％としたときの５０％流量など）に設定するとともに、時刻ｔ１において、対応する第１バルブ２１を開く。なお、流量測定を行う対象以外の第１流路Ｌ１の第１バルブ２１は閉じられた状態のまま維持されており、本実施形態では、一度に１つの第１流路Ｌ１について流量測定が行われる。
【0048】
また、時刻ｔ１では、第２バルブ２２にも開命令が出され、これによって第２流路Ｌ２にガスが設定流量で流れる。このとき、圧力センサ２３の測定圧力Ｐは、設定流量に応じた大きさの圧力Ｐｘとなる。
【0049】
ただし、このとき、図３および図４に示すように、第２バルブ２２の応答性が低いため、実際には、第１バルブ２１および第２バルブ２２に対して時刻ｔ１に開命令が出されたとしても、この時刻ｔ１からわずかに遅れて第２バルブ２２が開くことになる。なお、本比較形態および本実施形態では、第１バルブ２１として、開閉命令からほとんど遅延なく開閉できるバルブが用いられている。
【0050】
なお、上記には、流量測定の開始時に第１バルブ２１および第２バルブ２２が閉じている例を説明したが、これに限られない。流量制御されたガスを流している状態から流量測定を行う場合など、他の態様においては、第１バルブ２１および第２バルブ２２が開いた状態（時刻ｔ１の後）から流量測定を開始することもある。
【0051】
次に、時刻ｔ２において、設定流量で第３流路Ｌ３にガスが流れている状態から、第１バルブ２１と第２バルブ２２とが同時に閉じられる。これは、本願出願人によって出願されたＰＣＴ／ＪＰ２０１８／４３２５に開示されているように、ガスの流れが生じていない状態（ガス封止状態）でガス量またはガス圧を測定し、ビルドアップ法で求める測定流量を補正するためである。このような補正を行うことによって、測定誤差のライン依存性を低減し、ビルドアップ時に流れ込んだ実際のガス流量をより正確に求めることができ、より正確な流量測定を行うことが可能になる。
【0052】
上記のガス封止状態を得るために、典型的には、第１バルブ２１と第２バルブ２２とに対して同時に閉命令が出される。しかし、実際には第２バルブ２２が遅れて閉じ、時刻ｔ２からαだけ遅れた時刻ｔ２’に閉じることになる。
【0053】
このため、図３に示す比較形態においては、第１バルブ２１と第２バルブ２２とが同時に閉じたときの理想圧力推移Ｘ１（破線で示すグラフ）から、実際の圧力推移Ｘ２（実線で示すグラフ）がずれ、圧力センサ２３によって測定される封止時圧力ＰBはより低い値となる。これは、第２バルブ２２の閉動作が遅れることによって第１バルブ２１閉止後にもガスの流出が生じ、その後のガス封止状態での圧力ＰBが低下するからである。なお、ガス封止状態で温度センサ２４によって測定される温度ＴBも、第２バルブ２２の動作遅延によって理想的な測定温度からずれる可能性がある。
【0054】
一方、図４に示す実施形態においては、時刻ｔ２に閉命令が出されたとき、第２バルブ２２が実際に閉じたことを開閉検出器２６（図１参照）の出力信号に基づいて検知し、検知した閉状態に基づいて、第１バルブ２１への閉命令のタイミングを調整する。より具体的には、本実施形態では、第１バルブ２１の応答性が高いので、開閉検出器２６が第２バルブ２２の閉状態を検知したときに、第１バルブ２１への閉命令を出力するようにしている。このようにすれば、第２バルブ２２の応答性が低い場合にも、第１バルブ２１と第２バルブ２２との閉じるタイミングを同期させて双方を略同時に閉じることが可能になる。したがって、図４に実線で示す実際の圧力推移Ｘ２が理想圧力推移と同じになり、封止時圧力ＰBを良好な精度で測定することができる。
【0055】
なお、上記には、開閉検出器２６が第２バルブ２２の閉状態を検知したときに、第１バルブ２１への閉命令を出力する態様を説明したがこれに限られない。例えば開閉検出器２６が第２バルブ２２の開閉度を連続的に検出できるときには、第２バルブ２２が閉じる直前の状態を検出したときに、第１バルブ２１へ閉命令を出力するようにしてもよい。これにより、第１バルブ２１が閉命令からわずかに遅れて閉じるような場合であっても、第１バルブ２１と第２バルブ２２とが閉じるタイミングを同期させることが可能になる。第１バルブ２１へ閉命令を出すタイミングは、第１バルブ２１および第２バルブ２２の応答性を考慮して任意に調整され得る。
【0056】
以上のようにして、設定流量での封止状態における圧力および温度（ＰB，ＴB）を測定したあと、図３および図４に示すように、第１バルブ２１および第２バルブ２２を開いて、再び設定流量で第３流路Ｌ３および流量測定装置３０にガスを流す定常流状態とする。
【0057】
その後、時刻ｔ４において、第１バルブ２１の開状態を維持したまま第２バルブ２２のみに閉命令を出す。これにより、ビルドアップ容量内にガスが溜まり、内部の圧力Ｐが上昇する。そして、圧力センサ２３によって測定した圧力Ｐが、所定の圧力ＰAに達したときに、ビルドアップが完了したと判断し、第１バルブ２１も閉じてガス流入後の封止状態とする。所定の圧力ＰAは、ビルドアップ容量の容積や、設定流量などに基づいて、予め任意に設定しておくことができる。また、第１バルブ２１を閉じるタイミング（ビルドアップ終了タイミング）は、第２バルブ２２を閉じてから予め設定された所定時間が経過したときであってもよい。
【0058】
第１バルブ２１を閉じて封止状態とした後、上昇後の圧力および温度（ＰA，ＴA）を、圧力センサ２３および温度センサ２４を用いて測定する。なお、圧力ＰAおよび温度ＴAは、ビルドアップ後の封止状態において、ガスの流入が収まった状態で測定することが望ましいことがある。これは、第１バルブ２１を閉じた直後では、断熱圧縮の影響により温度が一時的に上昇している可能性があるからである。したがって、第１バルブ２１を閉じて所定時間経過後のガス安定状態においてビルドアップ後の圧力ＰAおよび温度ＴAを測定するようにしてもよい。
【0059】
ビルドアップ法では、圧力センサ２３を用いて、第２バルブ２２を閉じた後の流路の圧力上昇を測定するように構成されている。また、単位時間当たりのガス流入量（すなわち、流量）を求めるためにビルドアップ時間（圧力上昇時間）Δｔを求めて、これに基づいて流量を算出するようにしている。
【0060】
より具体的に説明すると、本実施形態の流量測定方法では、ビルドアップ後のガスのモル数ｎAを、ｎA＝ＰAＶｓ／ＲＴAから求めるとともに、上記の封止状態でのガスのモル数ｎBをｎB＝ＰBＶｓ／ＲＴBから求め、実際に流入したと考えられるガスのモル数Δｎ＝ｎA－ｎB＝（ＰAＶｓ／ＲＴA）－（ＰBＶｓ／ＲＴB）＝Ｖｓ／Ｒ・（ＰA／ＴA－ＰB／ＴB）を求める。ここで、ＰA、ＴAは、ビルドアップ後に第１バルブ２１を閉じてガス流入を停止させた時刻ｔ５（または時刻ｔ５後の封止状態を維持しつつ所定時間経過した時刻）における圧力および温度であり、ＰB、ＴBは、時刻ｔ２において第１バルブ２１および第２バルブ２２を同時に閉じた後の封止状態における圧力および温度である。また、Ｒは気体定数であり、Ｖｓはビルドアップ容量の体積である。
【0061】
そして、流量Ｑは、単位時間あたりに流入したガスの体積であるので、Ｑ＝２２．４・Δｎ／Δｔ＝２２．４・Ｖｓ・（ＰA／ＴA－ＰB／ＴB）／（Ｒ・Δｔ）からガス流量Ｑ（ｓｃｃｍ）を求めることができる。ここで、Δｔは、第２バルブ２２を閉じてビルドアップを開始してから、第１バルブ２１を閉じてガスの流入を停止させるまでの時間（ビルドアップ時間）である。ビルドアップ時間Δｔは、例えば２～２０秒に設定される。
【0062】
ここで、図３に示す比較形態では、第２バルブ２２が実際に閉じた時刻ｔ４’を測定していないので、ビルドアップ時間は、第２バルブ２２に閉命令が出された時刻ｔ４から、圧力ＰがＰAに達して第１バルブ２１が閉じられる時刻ｔ５’までの時間で計測される。このため、理想圧力推移Ｘ１からずれて実際の圧力推移Ｘ２が生じているにも関わらす、ビルドアップ時間としては本来のビルドアップ時間Δｔ（＝ｔ５－ｔ４）に遅延分αが加算されたΔｔ＋α（＝ｔ５’－ｔ４）が用いられることになる。このために、流量測定精度が低下し得る。
【0063】
一方、図４に示す実施形態では、開閉検出器２６を用いて第２バルブ２２が実際に閉じた時刻ｔ４’を検知することができる。このため、ビルドアップ時間として、より正確なビルドアップ時間Δｔ＝ｔ５’－ｔ４’を検出することができる。従って、流量測定の精度を向上させることができる。
【0064】
このようにして、ビルドアップ法による流量測定が完了した後は、時刻ｔ６において第１バルブ２１および第２バルブ２２を開状態にすると、再びガスが流れ出すとともに、封止空間内のガス圧力は、ガス定常流時の圧力まで低下する。
【0065】
以上に説明したように、本実施形態では、開閉検出器２６を用いて、定常流からの封止状態における圧力ＰBと、ビルドアップ時間Δｔとをより精度よく検出することが可能になるので、測定精度を向上させることができる。
【0066】
なお、図１に示す流体制御システム１のように、流量制御器１０の下流側の流路をビルドアップ容量２０として用いる場合、流量制御器１０を接続して流体制御システム１を構築した後に、ビルドアップ容量２０の体積Ｖｓを測定により求めることが好ましい場合がある。ビルドアップ容量２０の体積Ｖｓは、例えば、設定流量Ｑｓでビルドアップ容量２０にガスを流した状態において第２バルブ２２を閉じた後の圧力変化率を測定することによって、Ｑｓ＝（ΔＰ／Δｔ）×（Ｖｓ／ＲＴ）に基づいて求めることができる。ビルドアップ容量２０の体積Ｖｓは、従来の種々の方法によって測定することが可能である。このようにして、ビルドアップ容量２０の体積Ｖｓを測定するために、ΔＰ／Δｔを求めるときにも、本実施形態の流体制御システム１では、開閉検出器２６を用いて第２バルブ２２が閉じた時点を検知し、これに基づいて圧力上昇の起点を決めることができるので、Δｔをより正確に計測して、より向上した精度で、ビルドアップ容量の体積Ｖｓを求めることが可能である。なお、ビルドアップ容量の体積Ｖｓを求めるときには、基準値との誤差が低減された特定の流量設定で測定を行うことによって、より精度よく体積Ｖｓを求めることも可能である。
【0067】
以上には、第１バルブ２１と第２バルブ２２とを時刻ｔ２に同時に閉じた後の圧力ＰBおよび温度ＴBを測定する工程（第２工程）の後に、ビルドアップ後のガスの圧力ＰAおよび温度ＴAを測定する工程（第１工程）の行う態様を説明したが、第１工程と第２工程とを行う順番は逆であってもよい。ただし、第１工程と第２工程とで、開始時の設定流量に対応する圧力（開始時圧力Ｐｘ）は、同じであることが好適である。
【0068】
第１工程と第２工程とを行った後であれば、第１工程で得られた測定圧力ＰAおよび温度ＴAと、第２工程で得られた測定圧力ＰBおよび温度ＴBとを用いて、流量が演算により求めることができる。このようにして測定した流量は、流量制御器１０の流量設定との比較検証に用いられてもよく、上記のビルドアップ法によって求めた流量に基づいて、任意の流量制御器１０の流量設定の校正を行うこともできる。
【0069】
以上、本発明の実施形態について説明したが、種々の改変が可能である。例えば、上記には、第２工程として、ガスが流れている状態から第１バルブ２１と第２バルブ２２とを同時または略同時に閉じて封止状態としたときの圧力および温度を測定したが、第２バルブ２２を閉じてから所定時間Δｔ’が経過した後に第１バルブ２１を閉じた後に、上昇後圧力および温度を測定するようにしてもよい。
【0070】
ただし、第２工程における上記の所定時間Δｔ’は、第１工程におけるビルドアップ時間Δｔに比べて短い時間に設定され、例えば、半分以下の時間に設定される。流量演算は、第１工程で求めたガス量ｎから、第２工程で求めたガス量ｎ’を減算してΔｎ＝ｎ－ｎ’を求めるとともに、流入時間をΔｔ－Δｔ’として流量を演算により求めることができる。このときにも、開閉検出器２６を用いて検知した実際の第２バルブ２２の閉じた時刻に基づいて圧力上昇時間等を決定することにより、より向上した精度で流量測定を行い得る。
【産業上の利用可能性】
【0071】
本発明の実施形態による流体制御システムによれば、流量測定を向上した精度で行うことができる。
【符号の説明】
【0072】
１ 流体制御システム
２ プロセスチャンバ
３ 真空ポンプ
４ ガス供給源
１０ 流量制御器
１１ 絞り部
１２ 圧力センサ
１３ 温度センサ
１４ コントロール弁
１６ 制御回路
２０ ビルドアップ容量
２１ 第１バルブ
２２ 第２バルブ
２３ 圧力センサ
２４ 温度センサ
２５ 制御部
２６ 開閉検出器
３０ 流量測定装置
２ プロセスチャンバ
３ 真空ポンプ
４ ガス供給源
１０ 流量制御器
１１ 絞り部
１２ 圧力センサ
１３ 温度センサ
１４ コントロール弁
１６ 制御回路
２０ ビルドアップ容量
２１ 第１バルブ
２２ 第２バルブ
２３ 圧力センサ
２４ 温度センサ
２５ 制御部
２６ 開閉検出器
３０ 流量測定装置
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
