JPH0916268A

JPH0916268A - 遅れ補償機能付流量制御弁

Info

Publication number: JPH0916268A
Application number: JP18803395A
Authority: JP
Inventors: Hisashi Takahashi; 久高橋; Masayuki Koketsu; 雅之纐纈; Shinichi Nitta; 慎一新田
Original assignee: CKD Corp
Current assignee: CKD Corp
Priority date: 1995-06-29
Filing date: 1995-06-29
Publication date: 1997-01-17
Anticipated expiration: 2013-09-24
Also published as: JP2802246B2

Abstract

(57)【要約】【目的】遅れ補償回路を備えることにより、ガス供
給開始後短時間に流量が安定する、遅れ補償機能付流量
制御弁を提供する。【構成】遮断弁を開いてガスの供給を開始すると、
遅れ補償機能付流量制御弁１の流量計部２からガス流量
が出力される。かかる出力値は、ガスの実流量の変化に
対して時間遅れを含んでいる。そこで、遅れ補償回路５
がこれを補償し、時間遅れのキャンセルした信号を発生
する。これに基づき遅れ補償機能付流量制御弁１の電磁
弁部３が制御され流量の調整がなされる。これにより、
ガス供給開始後短時間で流量が安定するので、応答安定
待ち時間を大幅に短縮でき、ガスの無駄な流出も減少さ
せることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体集積回路製造設
備中のガス供給装置に使用する流量制御弁に関し、さら
に詳細にはガス供給開始時の流量計の応答遅れを補償し
て、供給ガスの無駄を排除できる遅れ補償機能付流量制
御弁に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路の製造は、微細加工工程
と成膜工程とを繰り返すことにより、半導体基板（以
下、「ウェハ」という）上に微細回路を形成することに
より行われる。かかる半導体製造の諸工程を行う装置に
は、特殊ガスを使用する装置が多い。例えば、微細加工
装置のうちの乾式エッチング装置では、塩素系等の腐食
性ガスを使用する。あるいは、成膜工程のうち層間絶縁
膜やゲート電極の形成を行う化学蒸着気相成膜（以下、
「ＣＶＤ」という）装置では、膜成分供給源としてシラ
ン（ＳｉＨ₄）、ホスフィン（ＰＨ₃）、ジボラン（Ｂ₂
Ｈ₆）等の特殊材料ガスを使用する。以下、これらの装
置を総称してガス使用装置という。

【０００３】これらガス使用装置においては、所定の処
理を施すための槽内にウェハを載置し、所定のガスを所
定流量流しながら必要に応じて加熱やプラズマ印加等を
行うようになっている。ここで、処理槽へのガスの供給
にあたっては図２０に示すように、ガスを供給するガス
源７０と処理槽７４との間にフィルタ７１、圧力調整弁
７２、圧力センサ７３、流量コントローラ７５を配設す
る。流量コントローラ７５は流量センサを内蔵してい
る。そして、圧力センサ７３の前段及び流量コントロー
ラ７５の前後に遮断弁７６、７７、７８を配置する。か
かるガスラインにおいて、流量コントローラ７５で内蔵
する流量センサの出力値をフィードバックすることによ
り、一定流量のガスを安定供給できるようになってい
る。かかるシステムにより、処理槽への供給ガスの圧力
や流量の設定や、供給の停止ができるようになってい
る。

【０００４】しかしガス使用装置においては、１種類の
ガスのみを使用することは稀で、２種類以上のガスを同
時に使用するのが普通である。例えばプラズマＣＶＤ装
置で酸化珪素膜を形成する場合は、珪素源としてのシラ
ンの他、酸素源としての一酸化二窒素Ｎ₂Ｏガスと、反
応促進と不要な酸化阻止とのための水素Ｈ₂ガスと、希
釈用の窒素Ｎ₂ ガスとを同時に使用する。したがって図
２０のようなガス供給システムも、使用するガスの種類
数に応じてそれぞれ必要となる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記し
た流量センサおよび流量コントローラには、以下の問題
点があった。すなわち、ガス流量を検出する流量センサ
は、測定する流量の変化に対して必ずしも応答性が優れ
ているとは限らない。したがって、ガス供給を開始する
際、ガスが流れ始めてから流量センサが実際に一定の流
量値を出力するまでには、若干の遅れがある。

【０００６】このため、かかる出力値のフィードバック
を受ける流量コントローラ７５の制御回路は、ガス供給
開始直後においては、実流量より低い流量値を認識する
ので、これを補おうとして流量コントローラ７５の許容
流量を過剰に増大させることになる。このためガスの実
流量は、図２１に見るように一旦オーバーシュートして
から所定の流量に落ち着くこととなる。

【０００７】したがって、ガス供給を開始するために遮
断弁７６等を開いてから、実際に設定流量のガスが安定
して流れるまでには、かなりの遅れがある。この時間遅
れの間に流れるガスは設定流量と異なるので、これをガ
ス使用装置に送り込んでプロセスを実行すると、膜厚、
膜質、エッチレート等のプロセス特性の異常をきたす。
これを避けるためガス流量が安定してからプロセスを行
うので、この時間遅れの間のガスはプロセスに使用され
ることなく、そのまま無駄に流れてしまうことになる。

【０００８】しかも、かかる遅れ特性は供給しようとす
るガスの種類により異なり、さらに、流量センサ自体の
個体差もある。したがって、複数のガスを供給する場合
には、図１０に示すように各ガス供給系のうち最も遅れ
が大きいガスｄが安定するまでの間は、他のガスも無駄
に流さざるをえないのである。図１０は、遮断弁７６等
を開いた後の、各ガスの流量センサ出力値の経時変化を
示すグラフである。ここでは、ガスｄの流量が安定する
まで４秒程度かかっている。

【０００９】ここでウェハの処理の態様により、ガス使
用装置を２種類に大別することができる。１つは、処理
槽を大きく形成して、槽内に５０枚程度のウェハを同時
に載置して処理を行う、いわゆるバッチ式処理といわれ
るもので、減圧ＣＶＤ装置等がこれに該当する。もう１
つは、槽内に１枚もしくは２枚程度のみのウェハを載置
し、処理とウェハ交換とを順次行う、いわゆる枚葉式処
理といわれるもので、乾式エッチング装置やプラズマＣ
ＶＤ装置等がこれに該当する。

【００１０】バッチ式処理が生産性の高さを特徴とする
のに対し、枚葉式処理は処理のウェハ間均一性（例えば
膜厚等）を特徴とする。そして、近年における回路素子
の一層の微細化とともに、膜厚等の均一性がより強く必
要とされるに至っていることから、次第に枚葉式処理の
占める比重が強まりつつある。かかる枚葉式処理におい
ては、処理一回毎にウェハ交換を行う。ウェハ交換にあ
たっては、一旦プロセスガスの供給を遮断し、処理槽を
窒素ガス等で掃気してから処理槽を開いてウェハの交換
を行い、しかる後に再びプロセスガスの供給を開始する
ことになる。プロセスガスの多くは、猛毒性、自然発火
性を有し非常に危険であるため、装置外への流出は許さ
れないからである。むろん、この一連の動作は自動化さ
れるのが普通である。

【００１１】したがって枚葉式処理の場合、プロセスガ
スの供給を開始する回数が非常に多くなり、そのたび
に、前述のマスフローコントローラの応答遅れ待時間が
発生する。このため、時間のロスが大きく生産性向上の
障害となっている。また、無駄に流れるガスの量が無視
しえないほど多くなってしまう。このことは、プロセス
ガスが高価であることから当然にコスト高をもたらす。
さらに、使用後の有害なプロセスガスをそのまま環境に
放出しないために排気系に設けられている除害装置にも
余計な負担をかけることとなる。

【００１２】本発明は、上述した問題点を解決するため
になされたものであり、流量計の出力値に応じて流量制
御を行う流量制御弁において、ガス供給開始時の流量計
の応答遅れを補償する遅れ補償手段を備えることによ
り、無駄な応答安定待ち時間やガス消費なく的確に所定
のガスを供給でき、したがって生産性がよくガス排気系
にも余計な負担をかけないすぐれた遅れ補償機能付流量
制御弁を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に本発明の遅れ補償機能付流量制御弁（１）は、気体の
流量を調整する流量調整手段と、その気体の実流量を測
定する流量計とを有し、その流量計の出力値により流量
調整手段を制御する流量制御弁であって、前記流量計の
出力値変化の時間遅れを補償する遅れ補償手段を備えた
ものである。

【００１４】また、本発明の遅れ補償機能付流量制御弁
（２）は、前記遅れ補償手段が、時定数の異なる複数の
１次遅れ関数を併用して前記流量計の出力値変化の時間
遅れを補償することを特徴とするものである。また、本
発明の遅れ補償機能付流量制御弁（３）は、前記遅れ補
償手段が、１つの１次遅れ関数により前記流量計の出力
値変化の時間遅れを補償することを特徴とするものであ
る。

【００１５】

【作用】前記構成を有する本発明の遅れ補償機能付流量
制御弁（１）では、ガス定常供給中は、流量計の出力値
により流量調整手段が制御され所定の流量を維持してい
る。ガス供給開始時は、流量計の応答性により、流量計
出力値の変化が実流量の変化より時間的に遅れるので、
遅れ補償手段がこれを補償して、応答遅れをキャンセル
した信号を流量調整手段に送る。これにより、ガス供給
開始後、早期にガス流量が安定する。

【００１６】また、本発明の遅れ補償機能付流量制御弁
（２）では、遅れ補償手段が時定数の異なる複数の１次
遅れ関数を併用して応答遅れをキャンセルするので、ガ
ス供給開始後、早期にガス流量が立ち上がるとともに、
所定値に安定する。また、本発明の遅れ補償機能付流量
制御弁（３）では、１つの１次遅れ関数を併用して応答
遅れをキャンセルするので、ガス供給開始後、早期にガ
ス流量が立ち上がる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の遅れ補償機能付流量制御弁を
具体化した実施例を図面を参照して説明する。図１に、
第１の実施例に係る遅れ補償機能付流量制御弁１の構成
を断面図で示す。遅れ補償機能付流量制御弁１は、左側
の流量計部２と右側の電磁弁部３とを有している。

【００１８】流量計部２は、主通路２７の左側に入力ポ
ート３２が開口している。また、主通路２７の中央部に
内壁と所定の間隔をもって柱状部材３５が保持されてい
る。また、柱状部材３５の両側の内壁に流入口２３ａと
流出口２３ｂとが開口し、導管２３が付設されている。
そして、内部をガスＦが流れる導管２３の上流側と下流
側に感熱コイルＣ１、Ｃ２がＵＶ硬化樹脂等で接着され
ている。感熱コイルＣ１、Ｃ２は、各々温度係数の大き
な一対の自己加熱型測温体を巻き付けて形成したもので
あり、互いに等しい抵抗値を有している。

【００１９】そして感熱コイルＣ１、Ｃ２は定温度制御
回路２４に接続されている。定温度制御回路２４は感熱
コイルＣ１、Ｃ２を要素とするブリッジ回路を含んでお
り、感熱コイルＣ１、Ｃ２の温度を一定値に制御しつ
つ、導管２３を流れるガスＦの流量をブリッジ回路間の
電位差より演算するものである。

【００２０】電磁弁部３はガス流量の調整を行う部分で
あり、その中心には、中空円筒状のコイルボビン２９の
胴部に銅線が巻かれたコイル２８がある。また、コイル
ボビン２９の中空部の右側に通孔が形成されている板ば
ね３４が内壁面に固定され移動可能な弁体３０が保持さ
れている。また、弁体３０の右側に出力ポート３３が穿
設されている。また、弁体３０の対抗する位置に、入力
ポート３２と出力ポート３３とを連通させる弁座３１が
設けられている。また、コイル２８には、電磁弁駆動回
路２６が接続されている。電磁弁駆動回路２６は、遅れ
補償回路５を介して流量制御回路２５に接続されてお
り、その流量制御回路２５は定温度制御回路２４に接続
されている。

【００２１】次に遅れ補償機能付流量制御弁１の作用を
説明する。入力ポート３２から出力ポート３３に向けて
ガスＦを流すと、ガスＦは導管２３の内部と主通路２７
とに分かれて流れ、その流量比は一定となる。一方、感
熱コイルＣ１、Ｃ２は、定温度制御回路２４により、そ
の温度が常に相等しくかつ一定になるように制御され
る。このとき、導管２３を流れるガスＦにより感熱コイ
ルＣ１からＣ２に熱が運搬されるので、感熱コイルＣ１
にはより多くの熱を発生させるべくより大きな電圧が印
加される。この、感熱コイルＣ１、Ｃ２に印加される電
圧の差は、ガスＦの流量に比例する。そして定温度制御
回路２４はその内部のブリッジ回路によりこの電圧差を
流量制御回路２５に出力する。

【００２２】そしてこの電圧差により流量制御回路２５
が流量を演算する。かかる流量値は、ガスＦの実際の流
量変化に対して時間遅れを含んでいるので、遅れ補償回
路５により時間遅れの補償を受けた上で、必要な流量が
得られるように電磁弁駆動回路２６に流量指令として伝
達される。この遅れ補償作用については後述する。流量
指令を受けた電磁弁駆動回路２６は、指令された流量が
流れるように電磁弁部３の開度を調節する。そして、そ
の流量を所定時間流すと電磁弁部３への通電が遮断され
弁が閉じることにより、ガスＦの流れを遮断する。これ
により、所定の総流量のガスＦが送られるものである。

【００２３】次に図２に、遅れ補償機能付流量制御弁１
を使用するガス供給システムの構成を示す概念図を示
す。図２では、ガスを貯蔵するガス源１０から、レギュ
レータ１２により適宜減圧されたガスが導管２２を経由
し、遅れ補償機能付流量制御弁１を通じて処理槽７４に
供給される。導管２２には、レギュレータ１２の前段に
フィルタ１１が、レギュレータ１２と遅れ補償機能付流
量制御弁１との間に圧力計１６が、遅れ補償機能付流量
制御弁１の後段にガスの流量を絞るニードル弁１５が、
それぞれ設けられている。更に、レギュレータ１２、圧
力計１６、ニードル弁１５のそれぞれ後段にストップ弁
１７、１８、１４が配置されている。このうちストップ
弁１４については、操作用圧縮空気２１により開閉操作
がされるようになっており、そのための３方電磁弁２０
とこの電磁弁２０に信号を印加するスイッチ１９とが備
えられている。

【００２４】また、図２のシステムでは、Ｘ−Ｙデコー
ダ４を設けている。Ｘ−Ｙデコーダ４は、遅れ補償機能
付流量制御弁１の流量制御回路２５または遅れ補償回路
５からの出力をモニタするものであり、通常の使用状況
では不要であるが遅れ補償回路５の効果を測定するため
に特に設けたものである。また、スイッチ１９により印
加される電気信号は、Ｘ−Ｙデコーダ４にもモニタされ
る。かかるガス供給システムで、ニードル弁１５及びＸ
−Ｙデコーダ４は、遅れ補償機能付流量制御弁１の遅れ
補償回路５の効果を測定するために特に追加したもので
あって、通常のガス供給システムとして使用する場合に
は不要である。

【００２５】次に、遅れ補償機能付流量制御弁１におけ
る、流量値の遅れ特性および遅れ補償回路５の効果の測
定について説明する。遅れ補償機能付流量制御弁１にお
ける流量値の遅れ特性を測定するためには、最初にガス
供給流量を設定しなければならない。かかるガス供給流
量の設定は以下の手順による。

【００２６】まず、ストップ弁１４が閉じられているの
を確認し、ガス源１０の元栓を開いてレギュレータ１２
に元圧を印加する。この測定ではストップ弁１７、１８
は常時開とする。そして、レギュレータ１２を所定の圧
力（ここでは１ｋｇｆ／ｃｍ² とする）に設定する。つ
いで、遅れ補償機能付流量制御弁１の電磁弁部３を全開
状態に固定する。そして、遮断弁１４を開いて、所定の
流量（ここでは３７５ｓｃｃｍとする）が流れるように
ニードル弁１５を調整する。以上でガス供給流量の設定
が終了したので、一旦遮断弁１４を閉じる。

【００２７】そして、遅れ特性の測定を行う。まず、流
量計部２における流量値の純粋遅れ特性を以下の手順で
測定する。遅れ補償回路５をスルーさせ、電磁弁部３を
全開状態に固定したままとする。そして、遮断弁１４を
開き、以後の流量制御回路２５の出力値をＸ−Ｙデコー
ダ４から出力する。このときの測定値の例を図８のグラ
フ中カーブａに示す。カーブａでは、流量制御回路２５
の出力値が所定の流量に落ち着くまで約４秒かかってい
ることが読み取れる。

【００２８】かかる遅れは、流量制御回路２５の出力値
の実流量に対する応答遅れである。この遅れには１次遅
れの要素が大きく含まれていると考えられるので、これ
を１次遅れ要素とそれ以外の遅れ要素との重畳であると
する。そして、１次遅れ要素をＥ(ｓ)で表し、それ以外
の遅れ要素は伝達関数が解明されないので以後「解明さ
れていない伝達関数」と呼び、Ｆ(ｓ)で表す。そして本
実施例は、遅れ要素Ｆ(ｓ)の寄与は小さいとして、１次
遅れ要素Ｅ(ｓ)を補償することにより全体の遅れを補償
しようとするものである。なお、１次遅れＥ(ｓ)は、次
式で表される。Ｅ(ｓ) ＝１／(１＋ｓ*τ₁) ここでτ₁ は流量制御回路２５の応答の時定数を、ｓは
ラプラス演算子と呼ばれる複素関数を示す。

【００２９】これを図５の概念図で考えると、入力Ｖ
_I(ｓ)に対する出力Ｖ_O(ｓ)がカーブａとして表れてい
る。そこで、遅れ補償回路５をオンすることにより、こ
れを補償して出力Ｖ_OUT (ｓ)とするのである。ここで、
遅れ補償回路５による遅れ補償の伝達関数を、Ｇ(ｓ) ＝ {１＋ｓ*(ａ＋τ₂)}／(１＋ｓ*τ₂) （１）とする。ここでさらに、ａ＋τ₂ ＝ τ₁ （２）となるように回路を組めば次式が得られる。Ｇ(ｓ) ＝ (１＋ｓ*τ₁)／(１＋ｓ*τ₂) （３）

【００３０】従って図５は図６のように表すことができ
る。さらに、（１）式と（３）式とから、Ｅ(ｓ)*Ｇ(ｓ) ＝１／(１＋ｓ*τ₂) であるから、図６を図７のように書き換えることができ
る。

【００３１】この結果、流量制御回路２５の１次遅れ応
答の時定数τ₁ は、遅れ補償回路５により相殺され、新
たな時定数τ₂ の１次遅れ応答になったことになる。こ
こで、相殺するための条件は、（２）式であるから、ａ＝０.９*τ₁ （４）とすると、 τ₂ ＝０.１*τ₁ （５）となり、τ₂はτ₁の１０分の１となる。

【００３２】次に、遅れ補償回路５の伝達関数Ｇ(ｓ)を
ブロック線図化する。入力をＸ、出力をＹとすれば、
（３）式より次式のように表される。Ｙ＝ {(１＋ｓ*τ₁)／(１＋ｓ*τ₂)}*Ｘこれを変形して、Ｙ＋ｓ*τ₂*Ｙ＝Ｘ＋ｓ*τ₁*ＸＹ＝Ｘ／(ｓ*τ₂)−Ｙ／(ｓ*τ₂)＋Ｘ*(τ₁/τ₂) Ｙ＝Ｘ＋{(τ₁−τ₂)*Ｘ−(Ｙ−Ｘ)/ｓ}／τ₂ となり、これより図４のブロック線図が得られる。

【００３３】このブロック線図は、例えば図３のような
アナログ回路として実現される。この回路は、差動入力
型オペアンプを３基使用して補償回路５を実現した例で
ある。すなわちオペアンプＡ１、Ａ２により非反転増幅
回路を形成し、オペアンプＡ３により反転増幅回路を形
成したものである。この回路では、入力信号Ｖ１をＰ１
点で分岐し一方を抵抗Ｒ９を介してオペアンプＡ１の＋
入力端子に、他方を抵抗Ｒ１及びＲ３を介してオペアン
プＡ２の＋入力端子に、それぞれ入力させている。ま
た、抵抗Ｒ１とＲ３との間のＰ３点は抵抗Ｒ２を介して
接地されている。

【００３４】オペアンプＡ１の出力端子は出力信号Ｖ１
０となるほか、抵抗Ｒ１１を介してオペアンプＡ１の−
入力端子に入力される。またオペアンプＡ１の−入力端
子は、抵抗Ｒ１０を介して接地されている。オペアンプ
Ａ２の出力は抵抗Ｒ８を介してオペアンプＡ１の＋入力
端子に入力されるほか、抵抗Ｒ６を介してオペアンプＡ
２の−入力端子に入力される。またオペアンプＡ２の−
入力端子は、抵抗Ｒ５を介して接地されている。

【００３５】そして、オペアンプＡ２の出力はＰ４点で
分岐され、抵抗Ｒ７を介してオペアンプＡ３の−入力端
子に入力される。オペアンプＡ３では−入力端子と出力
端子とがコンデンサＣを介して接続されており、＋入力
端子は接地されている。オペアンプＡ３の出力は、抵抗
Ｒ４を介してオペアンプＡ２の＋入力端子に入力され
る。この回路において、補償しようとする１次遅れの時
定数を１ｓとすれば、各抵抗器の抵抗値及びコンデンサ
の容量は、Ｒ１、Ｒ５が１ｋΩ、Ｒ２が９ｋΩ、Ｒ３、
Ｒ４が４７ｋΩ、Ｒ６が１９ｋΩ、Ｒ７が５００ｋΩ、
Ｒ８乃至Ｒ１１が１０ｋΩである。そして、Ｒ４とＲ６
との間に配設されているコンデンサＣの容量は、２μＦ
である。

【００３６】次に、図３の回路図の検証を行う。入力電
位をＶ１として、まず、Ｐ３点の電位Ｖ２は、オームの
法則より、Ｖ２＝Ｖ１*{Ｒ２／(Ｒ１＋Ｒ２)} であり、前記よりＲ１が１ｋΩ、Ｒ２が９ｋΩであるか
ら、Ｖ２＝０.９*Ｖ１（６）となる。また、オペアンプＡ３の−入力端子の電位Ｖ５
は、接地にイマジナリショートされているので、Ｖ５＝０となる。従って、抵抗Ｒ７を流れる電流Ｉ１は、Ｐ４点
の電位をＶ７とすれば、Ｉ１＝Ｖ７／Ｒ７（７）となる。

【００３７】また、コンデンサＣの電荷Ｑについては、
オペアンプＡ３の出力端子電位をＶ４として、Ｑ＝ −Ｖ４*Ｃと表される一方、電流Ｉ１の積分値でもあるから、Ｑ＝ ∫Ｉ１ｄｔであり、これらによりＶ４が求められる。Ｖ４＝ −(１／Ｃ)*∫Ｉ１ｄｔ（８）

【００３８】（８）式に（７）式を代入すると、Ｖ４＝ −{１／(Ｃ*Ｒ７)}*∫Ｖ７ｄｔとなり、これをラプラス演算子ｓを用いて表すと、Ｖ４＝ −{１／(Ｃ*Ｒ７)}*Ｖ７*(１／ｓ) が得られる。ここではＣが２μＦ、Ｒ７が５００ｋΩで
あるからこの式は、Ｖ４＝ −Ｖ７／ｓ（９）となる。

【００３９】そして、オペアンプＡ２の＋入力端子の電
位Ｖ３については、Ｖ３＝ (Ｖ２−Ｖ４)*{Ｒ４／(Ｒ３＋Ｒ４)}＋Ｖ４と表され、前記のようにＲ３とＲ４とは等しいので、Ｖ３＝ (Ｖ２＋Ｖ４)／２（１０）が得られる。Ｖ３は、イマジナリショートによりオペア
ンプＡ２の−入力端子電位Ｖ６と等電位なので、Ｖ３＝Ｖ６となり、この式より抵抗Ｒ５を流れる電流Ｉ２が求めら
れる。Ｉ２＝Ｖ６／Ｒ５＝Ｖ３／Ｒ５（１１）

【００４０】一方Ｉ２は、抵抗Ｒ６を流れる電流と等し
いので、Ｉ２＝ (Ｖ７−Ｖ６)／Ｒ６＝ (Ｖ７−Ｖ３)／Ｒ６であり、これに（１１）式を代入して次式が得られる。Ｖ７＝Ｖ３*{１＋(Ｒ６/Ｒ５)} 前記のようにＲ６が１９ｋΩ、Ｒ７が１ｋΩであるから
この式は、Ｖ７＝２０*Ｖ３（１２）となる。

【００４１】次にＰ２点の電位Ｖ８については、Ｖ８＝ (Ｖ１−Ｖ７)*{Ｒ８／(Ｒ８＋Ｒ９)}＋Ｖ７であり、前記のようにＲ８とＲ９とが等しいので次式の
ように求められる。Ｖ８＝ (Ｖ１＋Ｖ７)／２（１３）そして、Ｖ８はイマジナリショートによりオペアンプＡ
１の−入力端子電位Ｖ９と等しいので、Ｖ８＝Ｖ９である。よって、抵抗Ｒ１０を流れる電流Ｉ３は、Ｉ３＝Ｖ９／Ｒ１０＝Ｖ８／Ｒ１０（１４）である。

【００４２】またＩ３は、抵抗Ｒ１１を流れる電流と等
しいので、Ｉ３＝ (Ｖ１０−Ｖ９)／Ｒ１１＝ (Ｖ１０−Ｖ８)／
Ｒ１１であり、これに（１４）式を代入すると、Ｖ１０＝Ｖ８*{１＋(Ｒ１１/Ｒ１０)} となり、前記のようにＲ１０はＲ１１と等しいので、Ｖ１０＝２*Ｖ８（１５）が得られる。

【００４３】次に、（１０）式と（１２）式とより、Ｖ７＝１０*(Ｖ２＋Ｖ４) が得られ、これと（６）式および（９）式よりＶ７とＶ
１との関係式は、Ｖ７／Ｖ１＝９／{１+(１０/ｓ)} （１６）となる。一方、（１３）式、（１５）式より、Ｖ８を消
去すると、Ｖ１０＝Ｖ１＋Ｖ７が得られる。そして、この式と（１６）式とによりＶ７
を消去すると、Ｖ１０／Ｖ１＝ (１＋ｓ)／{１＋(ｓ/１０)} （１７）となり、これは遅れ補償回路５の伝達関数、すなわちＧ
(ｓ)を示している。

【００４４】したがって、（３）式と（１７）式との対
比により、 τ₁ ＝１（１８） τ₂ ＝１／１０（１９）であることがわかる。ここで（１）式に、（４）式、
（５）式、（１８）式、および（１９）式を代入するこ
とにより（１７）式が得られることから、（１７）式が
正しいことがわかる。

【００４５】以上のようにして遅れ補償回路５は、流量
制御回路２５の出力の応答遅れを補償して電磁弁駆動回
路２６にフィードバックする。かかる遅れ補償回路５に
よりτ₁＝１.２２ｓｅｃの１次遅れ関数で応答遅れの補
償がなされた出力を、図８中カーブｂに示す。応答遅れ
の補償がされていない図８中カーブａに比して、格段に
短い応答時間で、一定値に落ち着いていることが理解で
きる。このため、遅れ補償機能付流量制御弁１では、遅
れ補償回路を有しない従来の流量制御弁と比較して、ガ
ス供給開始時の立ち上がりが非常に速い。

【００４６】従って、多種類のガスを使用する系に本実
施例の遅れ補償機能付流量制御弁１を使用することによ
り、図９に示すように、ガス供給開始後短時間で流量値
を立ち上げさせ、応答待ち時間を減少させることができ
る。図９では、１秒以内にすべてのガス流量値が所定値
に達している。

【００４７】なお、図８のカーブｂにおいて、出力値が
早期に所定の値に達した後（Ｑ点）しばらくの間、出力
値がわずかに低下しているが、これは１次遅れ関数では
流量の実際の立ち上がりを完全には補正しきれないため
である。図１１のグラフでこれを説明する。カーブｆは
遅れ補償機能付流量制御弁１のマスフローセンサ（流量
計部２）からの実際の出力を示す。一方、カーブｇはτ
₁＝１.２２ｓｅｃの１次遅れ関数を示す。立ち上がり直
後ではカーブｇとカーブｆとはよく一致しているが、ｊ
の部分で差を生じている。これが図８のカーブｂのＱ点
後の出力低下の原因である。

【００４８】カーブｆの収束部付近に近づけるように時
定数をとると（τ₁＝１.７６ｓｅｃ：カーブｈ）、安定
は速くなる。しかし、このときの補償した出力は図１２
のカーブｍに示すようにオーバーシュート（ｎ）してし
まい好ましくない。尚、図１２のカーブａは図８のカー
ブａと同じものである。このことは、次に述べる第２実
施例で解決されるものである。

【００４９】次に、本発明の第２の実施例について説明
する。第２の実施例は、前記第１実施例とほぼ同様の構
成を有するものであるが、遅れ補償回路において１次並
列遅れ関数で近似した補償を行うようにしたものであ
る。そこで、この遅れ補償機能のみ説明することとす
る。まず１次並列遅れとは、入力信号が図１３に示すよ
うに並列に２分されそれぞれ時定数の異なる１次遅れを
受けこれらが合成されたものとして表される遅れであ
る。１次並列遅れの伝達関数Ｊ(ｓ)は次式で表される。Ｊ(ｓ) ＝ α／(１＋ｓ*τ₃)＋β／(１＋ｓ*τ₄) （２１）ここでα、βは各成分への配分比であり共に正である。
また、α＋β ＝１である。τ₃、τ₄は各成分における
時定数である。

【００５０】従って遅れ補償回路がこれを完全にキャン
セルするためには、遅れ補償回路の伝達関数が、Ｊ(ｓ)^-1 ＝ {(１＋ｓ*τ₃)*(１＋ｓ*τ₄)}／{１＋ｓ*
(α*τ₄＋β*τ₃)} であればよいのだが完全なキャンセルは、完全微分が困
難なためできない。そこで、遅れ補償回路の伝達関数を
Ｋ(ｓ)とし、Ｋ(ｓ)でＪ(ｓ)をキャンセルしたときに時
定数の非常に小さい１次遅れ関数になるようにする。即
ち、Ｊ(ｓ)*Ｋ(ｓ) ＝１／(１＋ｓ*τ₀) （２２）とする。ここで時定数τ₀ は、τ₃、τ₄に比べて十分小
さいものとする。

【００５１】ここで、α*τ₄＋β*τ₃ ＝ τ₅と置けば
（２１）式のＪ(ｓ)は次式のようになる。Ｊ(ｓ) ＝ (１＋ｓ*τ₅)／{(１＋ｓ*τ₃)*(１＋ｓ*
τ₄)} これを用いて（２２）式のＫ(ｓ)を表すと、Ｋ(ｓ) ＝ {(１＋ｓ*τ₃)*(１＋ｓ*τ₄)}／{(１＋ｓ*τ
₅)*(１＋ｓ*τ₀)} が得られる。便宜上、Ｋ(ｓ) ＝Ｋ₁(ｓ)*Ｋ₂(ｓ) と考
え、Ｋ₁(ｓ) ＝ (１＋ｓ*τ₃)／(１＋ｓ*τ₅) （２３）Ｋ₂(ｓ) ＝ (１＋ｓ*τ₄)／(１＋ｓ*τ₀) （２４）とする。

【００５２】次にこれをブロック線図化する。Ｋ₁(ｓ)
とＫ₂(ｓ)とは形式的には同じなのでＫ₁(ｓ) について
考察する。入力をＸ、出力をＹとすれば、Ｙ＝ {(１＋ｓ*τ₃)／(１＋ｓ*τ₅)}*Ｘであり、これは次式のように変形される。Ｙ＝ [{(Ｘ−Ｙ)/ｓ}＋τ₃*Ｘ]／τ₅ これより、図１４のブロック線図が得られる。Ｋ₂(ｓ)
についても同様なので入力をＹ（Ｋ₁(ｓ) の出力）、出
力をＺとすれば、Ｋ(ｓ)全体のブロック線図は図１５の
ようになる。これをアナログ回路として実現するには、
例えば図１６のようなものが考えられる。

【００５３】この回路は、オペアンプＡ４を中心に構成
されたＫ₁(ｓ) 相当部分と、オペアンプＡ５を中心に構
成されたＫ₂(ｓ) 相当部分とを直列接続したものであ
る。入力信号Ｘは、抵抗Ｒ１２とコンデンサＣ３との並
列体を介してオペアンプＡ４の＋入力端子に入力され
る。オペアンプＡ４の＋入力端子は抵抗Ｒ１３を介して
接地されている。オペアンプＡ４では、出力端子と−入
力端子とが抵抗Ｒ１５を介して接続されており、また−
入力端子は抵抗Ｒ１４を介して接地されている。

【００５４】そしてオペアンプＡ４の出力は、抵抗Ｒ１
６とコンデンサＣ４との並列体を介してオペアンプＡ５
の＋入力端子に入力される。オペアンプＡ５の＋入力端
子は抵抗Ｒ１７を介して接地されている。オペアンプＡ
５では、出力端子と−入力端子とが抵抗Ｒ１９を介して
接続されており、また−入力端子は抵抗Ｒ１８を介して
接地されている。そしてオペアンプＡ５の出力が、出力
信号Ｚとなる。

【００５５】この回路の、Ｋ₁(ｓ) 相当部分の入出力信
号の関係を求める。まず、オペアンプＡ４の＋入力端子
の電位Ｖ１１について次の各式が成り立つ。Ｘ−Ｖ１１＝Ｉ４*Ｒ１２（２５）Ｘ−Ｖ１１＝ (１／Ｃ３)*∫Ｉ５ｄｔ（２６）ここで、Ｉ４は抵抗Ｒ１２を流れる電流であり、Ｉ５は
コンデンサＣ３の導線に流れる電流である。（２６）式
をラプラス演算子ｓを用いて書き直すと、 (Ｘ−Ｖ１１) ＝ (１／Ｃ３)*Ｉ５*(１／ｓ) （２７）となる。

【００５６】Ｉ４とＩ５との合計が抵抗Ｒ１３に流れる
電流Ｉ６となり、Ｉ６＝Ｖ１１／Ｒ１３が成り立つので、（２５）式と（２７）式とから次式が
成り立つ。Ｖ１１／Ｒ１３＝ (Ｘ−Ｖ１１)／Ｒ１２＋ｓ*Ｃ３*
(Ｘ−Ｖ１１) これより、Ｖ１１が求められる。Ｖ１１＝ (Ｒ_M/Ｒ１２)*{(１＋ｓ*Ｃ３*Ｒ１２)／(１＋ｓ*Ｃ３*Ｒ_M)}*Ｘ（２８）ここで、Ｒ_M ＝ (Ｒ１２*Ｒ１３)／(Ｒ１２＋Ｒ１３) とした。

【００５７】一方、オペアンプＡ４の−入力端子の電位
Ｖ１２は、抵抗Ｒ１４及びＲ１５に流れる電流をＩ７と
して次式で表される。Ｖ１２＝Ｉ７*Ｒ１４（２９）そして出力端子の電位Ｖ１３については、次式の関係が
成り立つ。Ｖ１３＝Ｖ１２＋Ｉ７*Ｒ１５この式と（２９）式とから、Ｖ１３＝ {(Ｒ１４＋Ｒ１５)／Ｒ１４}*Ｖ１２が導かれ、Ｖ１２はイマジナリショートによりＶ１１に
等しいので、Ｖ１３＝ {(Ｒ１４＋Ｒ１５)／Ｒ１４}*Ｖ１１が得られる。

【００５８】これに（２８）式を代入すれば次式のよう
になる。Ｖ１３＝Ｂ*{(１＋ｓ*Ｃ３*Ｒ１２)／(１＋ｓ*Ｃ３*
Ｒ_M)}*Ｘここで、Ｂ＝ {(Ｒ１４＋Ｒ１５)／Ｒ１４}*(Ｒ_M/Ｒ１２) ＝ {(Ｒ１４＋Ｒ１５)／Ｒ１４}*{Ｒ１３／(Ｒ１２＋Ｒ１３)} とした。Ｂが１となる必要十分条件は、Ｒ１３とＲ１４
とが等しくかつＲ１２とＲ１５とが等しいことであるの
で、そのように回路を組めばＶ１３は、Ｖ１３＝ {(１＋ｓ*Ｃ３*Ｒ１２)／(１＋ｓ*Ｃ３*Ｒ_M)}*Ｘ（３０）となる。

【００５９】Ｋ₂(ｓ) 相当部分についても同様の考察に
より、抵抗Ｒ１７とＲ１８、Ｒ１６とＲ１９、をそれぞ
れ等しくなるように回路を組めば、Ｚ＝ {(１＋ｓ*Ｃ４*Ｒ１６)／(１＋ｓ*Ｃ４*Ｒ_N)}*Ｖ１３（３１）が得られる。ここで、Ｒ_N ＝ (Ｒ１６*Ｒ１７)／(Ｒ１６＋Ｒ１７) である。

【００６０】（３０）式、（３１）式により、（２３）
式のτ₃、τ₅、（２４）式のτ₄ 、τ₀ が次のように求
まる。 τ₃ ＝Ｃ３*Ｒ１２ τ₄ ＝Ｃ４*Ｒ１６ τ₅ ＝Ｃ３*Ｒ_M τ₀ ＝Ｃ４*Ｒ_N これらを満たすように各素子を選択して回路を組むこと
により、１次の並列遅れの補償回路が実現される。

【００６１】ここで、α＝０.０６、β＝０.９４、τ₃
＝７.８ｓｅｃ、τ₄＝１.１ｓｅｃ、τ₀＝０.０１ｓｅ
ｃ、τ₅＝α*τ₄＋β*τ₃＝７.３９８ｓｅｃ、となるよ
うに回路を作成し、遅れ補償を行った結果を図１８及び
図１９に示す。図１９は図１８の時間軸を拡大したもの
である。補償後の出力は立ち上がりも素早く、かつ、立
ち上がり後の出力の低下も見られない。これは、図１７
のグラフに示すように、マスフローセンサの実際の出力
値（実線）と１次の並列遅れの波形（破線）とが非常に
よく一致しているからである。従って、これをガス使用
装置に適用することにより、ガス供給開始後短時間で流
量を立ち上げかつ安定させることができる。

【００６２】以上詳細に説明したように本実施例の遅れ
補償機能付流量制御弁１では、ガス供給開始時に遅れ補
償回路５が流量計部２の出力の応答遅れを補償して電磁
弁部３にフィードバックするので、ガス供給開始後短時
間で流量が安定する。このため、ガス供給開始直後にお
ける安定待ち時間の無駄なガス流出を大幅に減少するこ
とができる。これにより、生産性を向上し、ガス排気系
への負担も軽減することができる。特に、ガス供給開始
動作の頻度が高い、枚葉式処理を行うプロセス装置への
ガス供給系に適用すると効果が大きい。

【００６３】なお、前記各実施例は本発明を何ら限定す
るものでなく、その要旨を逸脱しない範囲内において、
種々の変形、改良が可能であることは勿論である。例え
ば、図１に示す遅れ補償機能付き流量制御弁１では、流
量制御回路２５と遅れ補償回路５を別々の回路としてい
るが、これらを一体に組んだ回路としてもよい。また、
前記第２実施例では２種類の１次遅れ関数を並列させた
が、３種類以上の１次遅れ関数を並列させてもよい。

【００６４】また、前記各実施例では、遅れ補償回路５
としてオペアンプにより組んだアナログ回路を使用して
いるが、流量制御弁にマイコン等を組み込んだ場合に
は、そのマイコンのソフトに同様の遅れ補償機能を包含
させ、アナログ回路に替えることができる。更に、前記
各実施例では、流量の調整を行う部分を電磁弁により構
成したが、電磁弁以外のものにより構成してもよい。ま
た、流量計部を感熱コイルにより構成したが、他の手段
により構成してもよい。

【００６５】

【発明の効果】以上説明したことから明かなように本発
明では、流量計の出力値に応じて流量制御を行う流量制
御弁において、ガス供給開始時の流量計の応答遅れを補
償する遅れ補償手段を備えることとしたので、無駄な応
答安定待ち時間やガス消費なく的確に所定のガスを供給
でき、従って生産性がよくガス排気系にも余計な負担を
かけない優れた遅れ補償機能付流量制御弁を提供でき
る。

【００６６】特に、１次遅れ関数を用いて遅れ補償を行
うので、ガス供給開始後のガス流量の立ち上がりに優れ
た遅れ補償機能付流量制御弁を提供できる。更に、時定
数の異なる複数の１次遅れ関数を並列させて補償を行う
こととすれば、ガス流量の立ち上がり及びその後のガス
流量の安定性に優れた遅れ補償機能付流量制御弁を提供
できる。本発明は特に、多種類のガスを同時使用する装
置や、枚葉処理を行う装置へのガス供給系に適用すると
その効果が大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の遅れ補償機能付流量制御弁の構成を示
す断面図である。

【図２】本発明の遅れ補償機能付流量制御弁を使用する
ガス供給システムの構成を示す概念図である。

【図３】本発明の遅れ補償機能付流量制御弁に使用する
遅れ補償回路の例を示す回路図である。

【図４】図２に示した回路図から導出したブロック線図
である。

【図５】遅れ補償機能付流量制御弁における信号の伝達
を示す概念図である。

【図６】遅れ補償機能付流量制御弁における信号の伝達
を示す概念図である。

【図７】遅れ補償機能付流量制御弁における信号の伝達
を示す概念図である。

【図８】流量計および遅れ補償回路の出力値の経時変化
を示すグラフである。

【図９】本発明の遅れ補償機能付流量制御弁により多種
類のガスを使用する系でのガス流量の経時変化を示すグ
ラフである。

【図１０】従来の流量制御弁により多種類のガスを使用
する系でのガス流量の経時変化を示すグラフである。

【図１１】マスフローセンサの出力に対する１次遅れ関
数による補償を説明するグラフである。

【図１２】１次遅れ関数で早期に安定するように次定数
をとった場合のオーバーシュートを説明するグラフであ
る。

【図１３】１次並列遅れによる補償を説明する概念図で
ある。

【図１４】１次並列遅れの補償回路の全段部分を示すブ
ロック線図である。

【図１５】１次並列遅れの補償回路を示すブロック線図
である。

【図１６】１次並列遅れの補償回路を実現したアナログ
回路である。

【図１７】１次並列遅れの補償回路による遅れ補償の結
果を示すグラフである。

【図１８】１次並列遅れの補償回路による遅れ補償の結
果を示すグラフである。

【図１９】１次並列遅れの補償回路による遅れ補償の結
果を示すグラフである。

【図２０】従来のガス供給システムを示す概念図であ
る。

【図２１】従来のガス供給システムでのガスの実流量の
オーバーシュートを示すグラフである。

【符号の説明】

１流量制御弁２流量計部３電磁弁部５遅れ補償回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者纐纈雅之愛知県小牧市大字北外山字早崎3005 シーケーディ株式会社内 (72)発明者新田慎一愛知県小牧市大字北外山字早崎3005 シーケーディ株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】気体の流量を調整する流量調整手段と、
その気体の実流量を測定する流量計とを有し、その流量
計の出力値により流量調整手段を制御する流量制御弁に
おいて、前記流量計の出力値変化の時間遅れを補償する遅れ補償
手段を備えることを特徴とする遅れ補償機能付流量制御
弁。
【請求項２】前記遅れ補償手段が、時定数の異なる複
数の１次遅れ関数を併用して前記流量計の出力値変化の
時間遅れを補償することを特徴とする請求項１に記載の
遅れ補償機能付流量制御弁。
【請求項３】前記遅れ補償手段が、１つの１次遅れ関
数により前記流量計の出力値変化の時間遅れを補償する
ことを特徴とする請求項１に記載の遅れ補償機能付流量
制御弁。