CN111788534A - 流量控制装置以及流量控制方法 - Google Patents

流量控制装置以及流量控制方法 Download PDF

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CN111788534A CN201980008651.6A CN201980008651A CN111788534A CN 111788534 A CN111788534 A CN 111788534A CN 201980008651 A CN201980008651 A CN 201980008651A CN 111788534 A CN111788534 A CN 111788534A
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安本直史
平田薰
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Abstract

本发明提供一种流量控制装置(100)，其具备：设置于流路(1)的控制阀(6)；对通过控制阀(6)控制的流体的流量进行测定的流量测定部(2、3)；以及控制器(7)，控制器(7)构成为：对控制阀(6)的开闭动作进行控制，使得基于从流量测定部输出的信号的测定积分流量((Vn+Vd))与目标积分流量(Vs)一致。

Description

流量控制装置以及流量控制方法
技术领域
本发明涉及一种流量控制装置以及流量控制方法，特别涉及一种被利用于半导体制造装置、化学工厂(设备)等中的流量控制装置以及流量控制方法。
背景技术
在半导体制造装置、化学工厂中，为了控制原料气体、蚀刻气体等流体的流动，利用了各种类型的流量控制装置。在这样的流量控制装置中，为了高精度地控制各种流体的流量，以消除通过流量测定部测定的流量与设定流量的偏差的方式对控制阀进行控制。压力式流量控制装置例如具有：由作为流量测定部的节流部(例如流孔板、临界喷嘴)和压力传感器组合而成的机构，并且能够高精度地控制各种流体的流量，因此被广泛地利用。压力式流量控制装置例如公开于专利文献1。
作为压力式流量控制装置的控制阀，使用通过压电致动器而使隔膜阀体开闭的压电元件驱动式阀。压电元件驱动式阀例如公开于专利文献2。
近年来，压力式流量控制装置被要求应用于例如ALD(AtomicLayerDeposition：原子层沉积)工序等，在这样的用途中，要求根据高速的(周期非常短的)脉冲状的设定流量信号而使控制阀开闭，从而进行流量的控制。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2004-138425号公报
专利文献2：日本专利特开2007-192269号公报
在进行脉冲的流量控制的用途中，要求比以往高速的阀的开闭动作。然而，本申请的发明人发现：在以往的流量控制装置中，提高阀开闭的响应速度是有限度的，会存在无法适当进行脉冲的流量控制的情况。
特别是，在将压电元件驱动式阀作为控制阀使用的情况下，阀的开闭是通过对压电元件的施加电压的控制而进行的，但在上升、下降期间设定流量与实际流量会产生差异，因此仅根据脉冲状的设定流量信号来控制对压电元件的施加电压，会存在无法进行所期望的气体供给的情况。此外，控制阀的响应性在每个装置上存在偏差，在以往的方式中，存在根据装置的不同而无法进行稳定的脉冲流量控制的可能性。
发明内容
本发明是有鉴于上述问题而完成的，其主要目的在于，提供一种即使在进行脉冲流量控制的情况等，也能够适当地进行流量控制的流量控制装置以及流量控制方法。
基于本发明的实施方式的流量控制装置，具备：控制阀，上述控制阀设置于流路；流量测定部，上述流量测定部对通过上述控制阀控制的流体的流量进行测定；以及控制器，上述控制器构成为：对上述控制阀的开闭动作进行控制，使得基于从上述流量测定部输出的信号的测定积分流量与目标积分流量一致。目标积分流量例如是基于输入的设定流量信号而决定的。
在某一实施方式中，上述控制器包含：计算部，上述计算部基于从上述流量测定部输出的信号而计算出上述测定积分流量；比较部，上述比较部求出由上述计算部所计算出的上述测定积分流量与上述目标积分流量的差；以及阀动作控制部，上述阀动作控制部在由上述比较部所求出的上述差处于规定范围内时开始上述控制阀的闭动作。
在某一实施方式中，上述计算部对积分流量求和而计算出上述测定积分流量，上述积分流量是根据每经过一段时间从上述流量测定部输出的信号的流量而计算出的。
在某一实施方式中，上述流量测定部构成为：在每个规定期间输出流量值，上述控制器包含：计算部，上述计算部基于从上述流量测定部输出的流量值而计算出与上述规定期间的积分流量的总和对应的运算积分流量；比较部，上述比较部求出上述目标积分流量减去已知积分流量的值与由上述计算部所计算出的上述运算积分流量的差；以及阀动作控制部，上述阀动作控制部在由上述比较部所求出的上述差处于规定范围内时开始上述控制阀的闭动作。
在某一实施方式中，上述控制器包含：差分计算部，上述差分计算部计算出输入的设定流量信号与从上述流量测定部输出的信号的差的总和即积分流量差；判定部，所述判定部判定上述差分计算部的输出是否收敛到规定值或规定范围内；以及阀动作控制部，在上述判定部判定为上述差分计算部的输出已收敛时，上述阀动作控制部开始上述控制阀的闭动作。
在某一实施方式中，上述测定积分流量包含：根据从上述流量测定部输出的信号求出的运算积分流量；以及将上述控制阀关闭后的流量下降期间的已知积分流量，上述控制器构成为：在上述运算积分流量达到上述目标积分流量减去上述已知积分流量的值时，开始上述控制阀的关闭。
在某一实施方式中，上述流量测定部具备：节流部，上述节流部设置于上述控制阀的下游侧；以及压力传感器，上述压力传感器对上述控制阀与上述节流部之间的压力进行测定，上述流量测定部构成为：基于上述压力传感器的输出而对上述节流部的下游侧的流量进行测定。
在某一实施方式中，上述控制阀的关闭的动作是通过一阶延迟控制而进行的。
在某一实施方式中，上述控制阀是常闭型的压电元件驱动式阀。
在某一实施方式中，矩形波的连续脉冲信号作为设定流量信号而被输入至上述控制器。
在某一实施方式中，上述控制器具有差分计算部，该差分计算部在流量上升期间，计算出作为基于设定流量信号的内部指令信号的斜坡(ramp)控制信号与从上述流量测定部输出的信号的差的总和，即积分流量差，基于上述差分计算部的输出，使上述斜坡控制信号的斜率在途中改变。
在某一实施方式中，使上述斜坡控制信号的斜率从以500msec达到100％流量时的斜率即第一斜率变化为以300msec达到100％流量时的斜率即第二斜率。
基于本发明的实施方式的流量控制方法是使用流量控制装置而进行的，上述流量控制装置具备：控制阀，上述控制阀设置于流路；以及流量测定部，上述流量测定部对上述控制阀控制的流体的流量进行测定，上述流量控制方法包含以下工序：在根据从上述流量测定部输出的信号求出的运算积分流量达到目标积分流量减去在将上述控制阀关闭后的流量下降期间的已知积分流量的值时，开始上述控制阀的关闭。
发明效果
根据本发明的实施方式，即使在进行脉冲的流量控制时，也能够适当地进行气体供给。
附图说明
图1是表示基于本发明的实施方式的压力式流量控制装置的结构的示意图。
图2是表示设定流量信号和控制流量信号的图。
图3(a)是用于说明设定流量信号与控制流量信号的偏差的图，图3(b)是表示压电元件驱动式阀的驱动电压与压电致动器的位移(行程)的关系的图。
图4是用于说明本发明的实施方式的脉冲流量控制的动作的图。
图5是用于说明图4所示的信号的图，图5(a)表示基于设定流量信号的目标积分流量，图5(b)表示运算积分流量以及已知积分流量。
图6是表示进行本发明的实施方式的脉冲流量控制的动作的控制器的示例性的结构的方框图。
图7是表示进行本发明的实施方式的脉冲流量控制的动作的示例性的控制流程的流程图。
图8是表示进行本发明的实施方式的脉冲流量控制的动作的控制器的示例性的结构的方框图。
图9是用于说明本发明的其他实施方式的脉冲流量控制的动作的图。
图10是用于说明流量下降时的一阶延迟控制的图。
图11是表示进行本发明的实施方式的脉冲流量控制的动作的控制器的示例性的结构的方框图。
图12是用于说明本发明的其他实施方式的流量上升期间的流量控制的图。
符号说明
1 流路
2 节流部
3 上游压力传感器
4 下游压力传感器
5 温度传感器
6 控制阀
7 控制器
9 下游阀
10 处理腔室
11 真空泵
12 外部控制装置
70 控制器
72 计算部
74 比较部
76 阀动作控制部
100 流量控制装置
Cc 闭命令
Sr 控制流量信号
Ss 设定流量信号
Vd 已知积分流量
Vn 运算积分流量
Vs 目标积分流量
具体实施方式
以下，一边参照附图一边对本发明的实施方式进行说明，但本发明并不限定于以下的实施方式。
图1是表示基于本发明的实施方式的流量控制装置100的结构的图。流量控制装置100是压力式流量控制装置，并且具备：节流部2，上述节流部2设置于从气体供给装置供给的气体G的流路1；上游压力传感器3和温度传感器5，上述上游压力传感器3和温度传感器5设置于节流部2的上游侧；下游压力传感器4，上述下游压力传感器4设置于节流部2的下游侧；以及控制阀6，上述控制阀6设置于上游压力传感器3的上游侧。
上游压力传感器3能够对控制阀6与节流部2之间的流体压力即上游压力P1进行测定，下游压力传感器4能够对节流部2与下游阀9之间的流体压力即下游压力P2进行测定。
流量控制装置100还具备基于上游压力传感器3以及下游压力传感器4的输出等而对控制阀6的开闭动作进行控制的控制器7。控制器7构成为：对从外部控制装置12接收的设定流量与根据上游压力传感器3以及下游压力传感器4的输出通过运算求出的运算流量进行比较，对控制阀6进行控制使得运算流量接近设定流量。
流量控制装置100可以与图示的方式不同，不具备下游压力传感器4。在此情况下，控制器7构成为：基于上游压力传感器3的输出而对流量进行运算。另外，控制器7在某一方式中构成为：基于温度传感器5所检测出的流体温度而对运算流量进行修正。
流量控制装置100也可以在控制阀6的上游侧具备用于对气体供给压进行测定的流入压力传感器(未图示)。流入压力传感器能够对从连接的气体供给装置(例如原料气化器、气体供给源等)供给的气体的压力进行测定，并且能够用于对气体供给量或气体供给压进行控制。此外，从气体供给装置供给的气体可以是材料气体、蚀刻气体或载运气体等各种气体。
作为节流部2，能够使用例如流孔板。此外，“节流部”是将流路的截面积形成为比前后的流路截面积小的部分，例如是使用流孔板、临界喷嘴、音速喷嘴等而构成的，但也可以使用其他部件。流孔或喷嘴的口径设定为例如10μm～500μm。
作为下游阀9，例如，能够使用通过电磁阀而控制压缩空气的供给的公知的空气驱动阀(Air Operated Valve)等。另外，在流孔部件的附近配置开闭阀的流孔内置阀是已知的，能够将流孔内置阀作为将节流部2以及下游阀9一体化而成的部件而组装于流量控制装置100。
在包含流量控制装置100的流体供给系统中，节流部2的下游侧经由下游阀9而与半导体制造装置的处理腔室(process chamber)10连接。处理腔室10与真空泵11连接，典型地，在气体供给时处理腔室10的内部通过真空泵11被抽真空。
以上说明的流量控制装置100在满足临界膨胀条件P1/P2≧约2(在氩气的情况下)时，能够利用流量是取决于上游压力P1的原理而进行流量控制。在满足临界膨胀条件时，节流部2的下游侧的流量Q由Q＝K1·P1(此处，K1是与流体的种类和流体温度相关的常数)给出，流量Q与上游压力P1成比例。另外，在具备下游压力传感器4的情况下，即使在上游压力P1与下游压力P2的差较小而无法满足上述的临界膨胀条件的情况下，也能够计算出流量，基于通过上游压力传感器3以及下游压力传感器4所测定的上游压力P1以及下游压力P2，能够根据Q＝K2·P2 m(P1-P2)n(在此，K2是与流体的种类和流体温度相关的常数，m、n是以实际流量为基础而导出的指数)求出流量Q。
为了进行流量控制，从外部控制装置12向控制器7发送设定流量信号。控制器7基于上游压力传感器3的输出等，使用临界膨胀条件或非临界膨胀条件下的流量计算式而根据上述Q＝K1·P1或Q＝K2·P2 m(P1-P2)n而对流量进行计算，对控制阀6进行反馈控制使得通过节流部2的流体的流量接近设定流量(即，使得运算流量与设定流量的差接近于0)。运算流量作为向外部控制装置12输出的流量输出值来表示。
典型地，控制器7内置于流量控制装置100，但也可以设置在流量控制装置100的外部。典型地，控制器7由CPU、ROM、RAM等存储器(存储装置)M、A/D转换器等所构成，可以包含用于执行后述的流量控制动作的计算机程序。控制器7通过硬件以及软件的组合而实现。控制器7具备用于与计算机等的外部装置交换信息的接口，能够进行从外部装置对ROM的程序以及数据的写入等。控制器7的构成要素中的CPU等的一部分的构成要素也可以配置在装置外，装置内与装置外能够以有线或无线的方式相互连接。
以下，对在流量控制装置100中进行的脉冲流量控制的方式进行说明。
图2是表示进行脉冲流量控制时的设定流量信号Ss和表示测定流量的控制流量信号Sr的曲线图。设定流量信号Ss是从外部输入流量控制装置100的控制信号，控制流量信号Sr是表示根据设定流量信号Ss进行基于上游压力P1对控制阀6进行反馈控制的以往的动作时所控制的流量的信号。控制流量信号Sr与根据由作为流量测定部而设置的上游压力传感器3所测定的上游压力P1通过运算而求出的运算流量的变化对应，例如是作为流量输出信号而从流量控制装置100的控制器7输出的信号。
由图2可知，相对于作为设定流量信号Ss而输入矩形波的连续脉冲信号(例如，脉冲宽0.1秒～60秒)，控制流量信号Sr的上升是花费某种程度的时间而上升的。这是因为，由于进行了反馈控制，所以难以将控制阀6瞬间开放至与设定流量对应的开度。另外，如果想要使响应性进一步提高，存在会发生过冲(overshoot)的问题。因此，实际上成为如图2所示的曲线状的上升动作。
另外，在流量下降时，也不是瞬间使流量降低到0，而是花费某种程度的时间而下降。这是因为，由于在压力式流量控制装置中经由控制阀6的下游侧的节流部2使气体流过，所以即使在将控制阀6关闭后，控制阀6与节流部2之间的残留气体仍会流出。
因此，在压力式流量控制装置中，即使输入设定流量信号Ss，实际上也如控制流量信号Sr所示地进行流量控制。此外，可知：即使输入相同的设定流量信号Ss，根据流量控制装置的个体差异(具体而言，压电元件的驱动状态、阀的响应特性的差异等)，控制流量信号Sr也会变得不同。
进一步地，特别是在将常闭型的压电元件驱动式阀用作控制阀6的情况下，在从流量0％上升时，会存在开阀动作产生迟延的问题。
图3(a)表示设定流量信号Ss与控制流量信号Sr的偏差，图3(b)表示压电致动器的驱动电压与压电致动器的位移(或者，有时称为行程)的关系。压电致动器的位移与阀的开闭度对应。
由图3(a)可知，在压电元件驱动式阀中，在设定流量信号Ss的上升时刻t0后的时刻t0’，阀开放而产生迟延时间Δt。产生这样的迟延时间Δt的原因在于，在常闭型的阀中，在闭状态的电压无施加时阀体被按压于阀座，因此在施加电压后无法马上使阀体移动，施加某种程度大小的电压才会使其移动。特别是在施加较小的电压时，作用在使压电元件伸缩的方向的力较大，因此，也会有压电元件几乎不伸长的情况。进一步地，因为压电致动器与阀体是经由各种的机械机构而连接的，所以也会有由于机械机构的游隙而降低响应性的情况。
另外，如图3(b)所示，在常闭型的压电元件驱动式阀中，在使施加电压增加时的升压时和在使施加电压减少时的降压时，驱动电压与压电致动器的位移的关系是不同的。而且，可知：在从电压无施加时到施加比较小的电压的期间，压电致动器的位移较小，将阀马上开放到所期望的开度的控制是不容易的。
由以上的说明可知，以与设定流量信号Ss完全一致的方式控制阀的开闭动作是非常困难的。而且，在进行脉冲流量控制的情况下，频繁地发生在流量上升期间以及流量下降期间的设定流量信号Ss与控制流量信号Sr的偏差，因此供给所期望的气体量，即所期望的积分流量变得困难。另外，在被要求ALD等脉冲气体供给的用途中，不仅是流量大小的控制，进行每一个脉冲的积分流量的控制也是重要的。此外，在此处所述的积分流量是指以特定的流量仅供给特定的时间的气体时所供给的全部流量(体积)值。
于是，在本实施方式的流量控制装置100中，基于从流量测定部输出的信号(此处是基于从上游压力传感器3输出的压力而计算出的流量的信号)，求出测定积分流量(即，实际供给的气体的体积)。而且，对控制阀6的开闭动作进行控制使得测定积分流量与基于被输入的设定流量信号Ss的目标积分流量一致。由此，使被供给的气体量(体积)与根据设定流量信号Ss的气体量(体积)同等，能够适当地进行气体供给。
即，在本申请发明的实施方式中，虽然由脉冲状的设定流量信号Ss所决定的上升时刻t0以及下降时刻t1与实际供给时的上升时刻t0’以及下降时刻t1’有所偏差，但是相较于按照设定时刻将阀进行开闭，更加重视通过脉冲供给(脉冲波形)而供给的预定的气体体积(积分流量)，而以能够供给所期望的积分流量的方式进行阀的开闭控制。
以下，对本实施方式中的具体的脉冲流量控制动作进行说明。
图4以及图5是表示输入的设定流量信号Ss和本实施方式中的控制流量信号Sr的图。由图4可知，在本实施方式中，控制为：即使在设定流量信号Ss被输入后延迟了迟延时间Δt才开始使流量上升时，通过使闭阀开始的时间从设定流量信号Ss的下降时刻t1延迟，而使得测定积算流量成为按照设定流量信号Ss的流量。
为了进行这样的动作，首先，基于设定流量信号Ss而求出目标积分流量Vs。如图5(a)所示，目标积分流量Vs能够通过Vs＝Q0×(t1-t0)求出。此处，Q0是设定流量，t0是设定流量信号Ss中的阀开放开始时刻，t1是设定流量信号Ss中的阀关闭开始时刻。然而，目标积分流量Vs也可以是预先给出的。
另一方面，虽然是基于流量测定部所输出的信号而求出与实际供给的气体体积对应的测定积分流量，但在本实施方式中，对阀闭锁开始后流过的气体的积分流量作为已知积分流量Vd而预先知道的情况进行说明。
此外，在本说明书中，“测定积分流量”只要是基于根据从流量测定部输出的信号求出的积分流量(例如后述的运算积分流量)的流量即可，也可以包含其他的积分流量(例如未进行流量测定而获得的上述的已知积分流量Vd)的流量。“测定积分流量”只要是与实际供给的气体的体积(实际积分流量)对应的流量，则可以是以任意的方式求出的流量。
在此，对已知积分流量Vd进行说明。在阀闭锁开始后流过的气体的积分流量能够通过适当地进行阀闭锁时的阀控制而控制为大致一定。在阀闭锁时，主要是在控制阀6与节流部2之间的残留气体会流出，而在图4所示的方式中，通过对控制阀6进行斜坡控制，使得与装置无关地获得一定的流量下降特性。这样的话，能够使流量下降期间(即，从阀闭锁动作开始到阀完全闭锁为止的期间)的积分流量一定化，因此能够作为已知积分流量Vd而预先储存于存储器。
已知积分流量Vd的大小根据设定流量Q0而有所不同，因此可以将每个设定流量Q0储存于存储器，也可以作为设定流量Q0的函数而进行定义。无论是任何情况，典型地是使用与设定流量Q0对应的适当的已知积分流量Vd。此外，在本说明书中，已知积分流量Vd是指在获得上述的测定积分流量时，无需使用流量测定部的流量测定结果即可知晓的积分流量的意思，典型地是在流量测定之前预先知道的流量。然而，已知积分流量Vd也可以是在流量测定中通过运算、来自存储装置的输入而获得的流量。另外，已知积分流量Vd也可以是在获得上述的测定积分流量之前，使用本实施方式的流量控制装置所具备的流量测定部来预先测定并储存于存储装置的流量。
在如以上地给出已知积分流量Vd的情况下，如图5(b)所示，测定积分流量能够通过已知积分流量Vd与到阀闭锁开始为止的运算积分流量Vn之和而进行规定。
运算积分流量Vn能够作为Vn＝ΣQt×tx＝(Qt0+Qt0+tx+Qt0+2tx+…+Qt0+ntx)×tx而求出。此处，Qt是时刻t的流量，tx是流量运算周期，n是自然数。流量运算周期tx设定为例如0.5毫秒～5毫秒，在每个流量运算周期tx进行流量运算。另外，例如，能够根据时刻t的上游压力传感器3的输出(上游压力P1)按照上述的Q＝K1·P1而通过运算来求出时刻t的流量Qt。
这样，运算积分流量Vn是在流量测定部每隔规定时间(流量运算周期)输出流量值时，将根据输出的流量值求出的规定时间内的积分流量反复相加而求出积分流量的总和而获得的，并且从时刻t0到阀实际开放为止的期间表示实质0的值，然后随着时间经过而增加。
而且，在运算积分流量Vn与流量下降期间的已知积分流量Vd之和达到目标积分流量Vs时，即，将运算积分流量Vn达到目标积分流量Vs减去已知积分流量Vd的值(Vs-Vd)时的时刻设定为t1’，在成为时刻t1’的时间点，开始控制阀6的关闭。该时刻t1’典型地是在比设定流量信号Ss的阀关闭开始时刻(下降时刻)t1靠后的时刻，但是根据已知积分流量Vd的大小，也可以是比阀关闭开始时刻t1靠前的时刻。
如以上地，只要决定控制阀6的关闭开始的时间，就能够使测定积分流量(Vn+Vd)与目标积分流量Vs一致，因此即使是在进行脉冲流量控制的情况下，也能够进行所期望的气体量的供给。另外，即使在流量上升特性根据流量控制装置而有所不同的情况下，基于根据流量测定部(此处是上游压力传感器)的输出通过运算求出的测定积分流量而决定控制阀的关闭时间，因此，也能够与装置无关地进行适当的脉冲流量控制。另外，本实施方式能够基于流量测定部的输出而实时地进行流量控制，因此即使在发生过冲等过度供给、非预期的突发的流量变化等时，也能够以使测定积分流量与目标积分流量一致的方式适当地进行流量控制。
以下，参照图6以及图7，对进行本实施方式的流量控制动作的控制器70的结构以及控制流程的具体例子进行说明。此外，图6所示的控制器70也可以包含在图1所示的设置于流量控制装置100的控制器7(控制器构成为：基于上游压力传感器3的输入等对控制阀6反馈控制而进行流量控制)的内部，也可以与图1所示的控制器7分开设置。当然，控制器70的构成要素的全部或一部分也可以设置于控制器7或流量控制装置100的外部。
图6是表示控制器70的结构例的方框图。如图6所示，控制器70具备计算部72，上述计算部72基于从流量测定部输出的流量值而计算出与积分流量的总和对应的运算积分流量Vn；比较部74，上述比较部74求出目标积分流量Vs减去已知积分流量Vd的值与由计算部72所计算出的运算积分流量Vn的差；以及阀动作控制部76，上述阀动作控制部76在由比较部74所求出的差((Vs-Vd)-Vn)处于规定范围内时，将开始控制阀6的闭动作的闭命令Cc输出至控制阀6。
如若对更具体的控制流程进行说明，则在控制器70中，如图7的步骤S1所示，目标积分流量Vs被输入到控制器70的比较部74。另外，已知积分流量Vd也被输入到比较部74。
接着，如步骤S2所示，在比较部74中，求出目标积分流量Vs减去已知积分流量Vd的减去后目标积分流量Vs’(＝Vs-Vd)。此外，在目标积分流量Vs以及已知积分流量Vd是预先知道的情况下，减去后目标积分流量Vs’也可以最开始就输入比较部74。另外，在根据输入的设定流量信号Ss求出目标积分流量Vs时，可以等待设定流量信号Ss的1脉冲的下降而算出目标积分流量Vs，步骤S1以及步骤S2能够与以下所说明的在计算部72中求出运算积分流量Vn的步骤并行地进行。
另一方面，根据输入的设定流量信号Ss而向控制阀6送出开命令后，在控制器70的计算部72中，如步骤S3所示，基于流量测定部的信号(控制流量信号Sr)计算出规定微小期间(此处是流量运算周期tx)的积分流量Qt·tx。
接着，如步骤S4所示，将在步骤S3求出的积分流量加到过去的积分流量的合计值，计算出总和的运算积分流量Vn。计算出的运算积分流量Vn从控制器70的计算部72被送至比较部74。
接着，如步骤S5所示，在比较部74中，计算出减去后目标积分流量Vs’与运算积分流量Vn的差Vs’-Vn，如步骤S6所示，判定计算出的差Vs’-Vn是否在设定范围内。此处，设定范围设定为能够判定减去后目标积分流量Vs’和运算积分流量Vn是否实质相同的范围，典型地是设定为以0为中心而与流量测定器的输出误差范围相同程度的范围。
在步骤S6中，在判断为差Vs’-Vn不在设定范围内(否)时，判断为运算积分流量Vn没有达到应达到的积分流量，不开始控制阀6的闭动作而返回步骤S3。然后，将在步骤S3中从控制流量信号Sr求出的积分流量，在步骤S4中加到到上次为止的总和积分流量，算出更新了的运算积分流量Vn。另外，在步骤S5中计算出减去后目标积分流量Vs’与更新了的运算积分流量Vn的差。这一连串的动作直到在步骤S6判断为差Vs’-Vn在设定范围内(是)为止被反复进行，在此期间，经由控制阀6使气体持续流动。
接着，在步骤S6中，在判定为减去后目标积分流量Vs’与运算积分流量Vn的差Vs’-Vn在设定范围内时，判断为运算积分流量Vn与减去后目标积分流量Vs’实质相同，比较部74对阀动作控制部76进行命令使得向控制阀6输出闭命令Cc。阀动作控制部76接到命令，如步骤S7所示，将闭命令Cc输出至控制阀6，开始控制阀6的闭动作。
此后，控制阀6一边在流量下降期间流出与已知积分流量Vd对应的量的气体一边完全地闭阀，但是因为测定积分流量Vn+Vd与目标积分流量Vs一致，所以能够供给所期望的气体量。
以上，说明了某一方式的控制器70，但如图8所示，其他方式的控制器80具备：计算部82，上述计算部82基于从流量测定部输出的流量值，将与积分流量的总和对应的运算积分流量Vn与输入的已知积分流量Vd相加而计算出测定积分流量Vn+Vd；比较部84，上述比较部84求出目标积分流量Vs与由计算部82计算出的测定积分流量Vn+Vd的差；以及阀动作控制部86，上述阀动作控制部86在由比较部84所求出的差(Vs-(Vn+Vd))处于规定范围内时，将开始控制阀6的闭动作的闭命令Cc输出。即使使用控制器80，也与控制器70同样地，能够控制控制阀6的闭动作开始的时间，使得测定积分流量Vn+Vd与目标积分流量Vs一致。
上述的控制器70、80当然也可以具备：用于存储累计的积分流量、从外部获得的目标积分流量的存储部。另外，存储部也可以设置于控制器70、80、流量控制装置100的外部。另外，目标积分流量、已知积分流量可以作为预先数据而存储在存储部，也可以在输出阀闭锁命令前的任意时间输入存储部。
图9是用于说明其他实施方式的脉冲流量控制的动作的图。在图9所示的方式中，在关闭控制阀6时，通过一阶延迟控制来进行闭阀动作。
控制阀6的一阶延迟控制能够通过按照规定的指数函数使流量目标值降低而进行。另外，作为用于流量目标值的规定的指数函数，与通过预先测定而获得的上游压力P1的压力下降特性数据Y(t)进行比较，使用比其平缓(即，斜率较小)的指数函数。
如果更具体地进行说明，则在压力下降特性数据Y(t)是将初期压力设为P0而由Y(t)＝P0·exp(-t/τ)所表示的时间常数τ的指数函数而给出时，在本实施方式中，例如以符合按照P(t)＝(P0-Px)·exp(-t/τ’)+Px(在此，Px是与流量目标收敛值对应的压力)的目标上游压力P(t)的方式对控制阀6进行反馈控制，并且设定成使这时的P(t)的时间常数τ’比Y(t)的时间常数τ大，即τ<τ’。由此，能够按照作为比压力下降特性数据Y(t)平缓的指数函数的P(t)而使流量目标值降低。此外，在如本实施方式这样地将控制阀6完全关闭而使流量成为0的情况下，上述的Px典型地会成为0。另外，在本说明书中，平缓的函数是指对于满足P(t1)＝Y(t2)的t1、t2，满足|dP(t1)/dt|<|dY(t2)/dt|的意思。
上述的压力下降特性数据Y(t)例如是表示从气体流动状态将控制阀6急速关闭时所产生的上游压力P1的下降特性的数据。在将控制阀6关闭后的流量降低的过程中，压力下降特性数据Y(t)能够通过将上游压力P1绘制成时间的函数而获得。获得压力下降特性数据Y(t)时的初期控制压力并不限定于100％，可以为任意的压力。
压力下降特性数据Y(t)严格来说是每个机器不同的数据。然而，已知在以相同设计(相同控制阀-节流部间容积、相同流孔径)制作的压力式流量控制装置中，会成为大致相同特性的数据。因此，对于相同设计的压力式流量控制装置，也可以使用共通的压力下降特性数据Y(t)。
另一方面，为了确保能够吸收每个机器的特性差的差数(margin)而对压力下降特性数据Y(t)使用十分平缓的指数函数作为目标值，由此可以对多个相同设计机器应用相同的指数函数控制。
在对多个压力式流量控制装置使用相同共通的指数函数控制的情况下，可以是如下方式：在各压力式流量控制装置中分别预先取得压力下降特性数据Y(t)，以取得的压力下降特性数据Y(t)当中最平缓的压力下降特性数据Y(t)为基准来设定共通的目标值P(t)。共通的目标值P(t)设定为比上述最平缓的压力下降特性数据Y(t)还平缓的指数函数，设定为比多个压力式流量控制装置全体中的压力下降特性数据Y(t)还平缓。因此，在多个压力式流量控制装置的全体中，共通的目标值P(t)成为主导，能够消除装置间的响应性的差异，在多个压力式流量控制装置中能够进行同等的流量控制。
图10表示对多个压力下降特性数据Y1(t)、Y2(t)共通地设定的目标值P(t)。由图10可知，通过设定为比最平缓的压力下降特性数据Y2(t)还平缓的目标值P(t)，在多个压力式流量控制装置中能够进行同等的流量控制。
能够通过进行如以上的一阶延迟控制，使流量下降期间的流量下降特性成为一定，能够不依赖于基于机器的差异(例如，基于流孔的异常的发生导致的流量下降特性的变动等)而进行流量下降动作。由此，抑制了上述的阀闭锁开始后的积分流量(已知积分流量Vd)的变动，另外，能够消除每个机器的差异，因此能够进行稳定的脉冲流量控制。
以上，说明了本发明的实施方式，但可以进行各种的改变。例如，在图4以及图5所示的方式中，计算出目标积分流量Vs，并且进行阀开闭动作使得测定积分流量(Vn+Vd)与目标积分流量Vs一致，但并不限定于此。在本发明的其他实施方式中，也可以通过对设定流量信号Ss与控制流量信号Sr的差的总和(即积分流量差)进行计算而求出，对控制阀6的闭阀动作进行控制使得积分流量差收敛到0。
若更具体地进行说明，在流量上升期间，因为设定流量信号Ss比控制流量信号Sr大，所以会产生与图9所示的面积A1对应的正的差。另一方面，在下降时，因为设定流量信号Ss先降到0，所以会产生与图9所示的面积A2对应的负的差。另外，已知积分流量Vd也成为负的差。于是，只要在正的面积A1、负的面积-A2以及已知积分流量-Vd相加的值收敛到0的时间开始控制阀6的闭锁，就能够使积分流量差成为0。
上述的动作能够使用例如图11所示的控制器90来实行。控制器90具备：差分计算部92，上述差分计算部92计算出输入的设定流量信号Ss与从流量测定部输出的控制流量信号Sr的差分的总和即积分流量差；判定部94，上述判定部94判定差分计算部92的输出是否收敛于规定范围内；以及阀动作控制部96，上述阀动作控制部96在积分流量差被判定为收敛于规定范围内时，开始控制阀6的闭动作，控制器90能够通过开始控制阀6的闭动作使得积分流量差变为实质0，从而使测定积分流量与标积分流量一致。
另外，虽然在上述说明了下降期间的积分流量是已知的方式，但本发明的实施方式并不限定于此。也可以是如下方式：一边测定阀闭锁开始后的控制流量，一边使用包含阀闭锁开始后的积分流量的全体的运算积分流量(即，到流量下降期间为止扩大的运算积分流量)作为不包含上述的已知积分流量Vd的测定积分流量，并且对控制阀6的动作进行控制使得该测定积分流量与目标积分流量一致。
为此，例如，只要以在目标积分流量与运算积分流量的差达到规定阈值的时间点开始控制阀的关闭动作，并且此后的积分流量符合阈值份量的方式对控制阀的关闭动作进行控制即可。在进行一阶延迟控制的情况下，通过适宜地设定流量下降期间的闭阀动作的时间常数，能够使测定积分流量符合目标积分流量。一阶延迟控制的时间常数也可以在流量下降期间的途中进行变更。
另外，虽然在上述说明了使控制阀6的闭锁开始的时间延迟而使测定积分流量与目标积分流量一致的例子，但并不限定于此。也可以以如下方式进行：一边使控制阀6的闭锁开始的时间与设定流量信号相同，一边使控制阀6的闭锁动作的控制与目标积分流量对应。例如，基于流量上升时的积分流量差，适当地设定流量下降期间的斜坡函数的系数、一阶延迟控制的时间常数，由此能够使测定积分流量与目标积分流量一致。
另外，虽然在上述说明了使用压力式流量控制装置的上游压力传感器作为流量测定部的例子，但并不限定于此。例如，即使是设置热式流量计等的其他方式的流量测定部时，也会基于流量测定部的输出而求出测定积分流量，并且对控制阀的闭阀动作进行控制使得其与目标积分流量一致，由此能够进行能够供给所期望的积分流量的适当的脉冲流量控制。
进一步地，虽然在上述说明了为了使测定积分流量与目标积分流量一致，而对流量下降期间的控制阀6的关闭动作的时间等进行控制的方式。然而，本发明的流量控制装置并不限定于此，也可以构成为：在流量上升期间，即流量从0达到设定流量Q0为止的期间，能够以与目标积分流量对应的积分流量流过气体。以下，对在流量上升期间补偿积分流量的示例的方式进行说明。
图12是表示在流量上升期间的设定流量信号(流量输入信号)Ss和在本实施方式中所实现的控制流量信号Sr(流量输出信号)的图。如上述地，在本实施方式中也是设定流量信号Ss作为在时刻t0从流量0增加到设定流量Q0的矩形波的信号被送至流量控制装置100。
然而，在本实施方式中，在流量上升期间进行斜坡控制。更具体地，流量控制装置100如果接收到上述的设定流量信号Ss，则会生成从时刻t0到500msec的时间使流量直线地增加到设定流量Q0(此处，100％流量)的内部指令信号(虚线L1)，而按照该内部指令信号进行将控制阀16逐渐开放的动作。这是因为在本实施方式中进行符合目标积分流量的面积控制(供给的气体的体积的控制)，所以即使在上升时进行斜坡控制，也能够进行使积分流量符合所期望的积分流量的控制，并且能够实施适当的气体供给。
通过进行这样的斜坡控制，防止了在上升期间的急剧的气体供给的增加，因此能够抑制过冲的发生。然而，在斜率陡峭的斜坡控制中，仍然会发生过冲，因此优选在预先设定的上限的斜率以下进行斜坡控制。在本实施方式中，将以300msec上升到100％流量时的斜率(虚线L2的斜率)设定为上限的斜率。然而，发生过冲的斜率根据作为目标值的设定流量、机器的特性而各式各样，因此当然不限定于300msec的斜率，也可以是任意的斜率。另外，当然斜坡控制的斜率也不限定于上述地以500msec上升到100％流量时的斜率，也可以是任意的斜率、设定流量。
另外，在进行斜坡控制的情况下，如图12所示，理想上是如虚线L1所示从时刻t0进行流量的上升。在此情况下，相比于矩形波的设定流量信号Ss所要求的积分流量，会产生三角形面积份量(Q0×500msec/2)的积分流量(气体体积)的不足。但是，该不足份量是预先求出的量，因此，通过如上述的将流量下降时刻延迟等方法能够容易地进行补偿。
然而，如图12的控制流量信号Sr(流量输出信号)所示，在进行斜坡控制时实际上也会产生控制阀6的开放的延迟，从时刻t0经过某种程度的迟延时间Δt后流量才上升。在图示的例子中，产生约150msec的延迟。因此，实际上供给比斜坡控制所应供给的所期望的积分流量少的量。不足份量的积分流量相当于图12所示的三角形的面积A。
于是，在本实施方式中，在流量上升期间通过基于流量测定部的测定来获得与斜坡控制对应的内部控制信号(虚线L1所示的信号)与控制流量信号Sr的差即面积A(积分流量差)，并且补偿该不足份量的面积A的份量。更具体地，从流量上升的途中使斜坡控制的系数(斜率)从虚线L1的斜率(第一斜率)变化为虚线L2的斜率(第二斜率)，使气体供给量仅增加图12所示的面积B的份量。另外，作为变化后的斜坡控制的斜率，采用不发生过冲的上限的斜率，即300msec的斜率。此外，具体而言，面积A在图11所示的差分计算部92中，取代设定流量信号Ss而输入内部控制信号(斜坡控制信号)，能够通过计算出差的总和即积分流量差而求出。
在进行上述动作的情况下，如果面积A与面积B相同，则供给仅与按照斜坡控制而控制阀6的开阀无迟延地达到目标流量为止进行供给时相同量的气体。此处，面积A能够通过使用流量测定部测定的实际的流量的输出信号与内部指令信号的差的累计值(积分流量差)而求出。另外，为了补偿该不足份量的量，只要以使面积B与面积A一致的方式改变斜坡控制的斜率即可，在预先决定改变前的斜率与改变后的斜率的情况下，例如能够如以下地决定改变斜率的时刻tc。
如图12所示，将以500msec达到时的斜率设定为θ1，将以300msec达到时的斜率设定为θ2，图12所示的期间x和期间y满足y＝x(tanθ1/tanθ2)的关系。而且，面积B能够表示为B＝(1/2)×(x-y)×x·tanθ1。
此处，在满足B＝A的情况下，使用y＝x(tanθ1/tanθ2)来导出2B＝2A＝x2×(1-tanθ1/tanθ2)×tanθ1。将其变形而成为x＝√(2A/(1-tanθ1/tanθ2)tanθ1)。而且，因为A以外是常数，所以用常数C＝√2/((1-tanθ1/tanθ2)×tanθ1)代入时，能够表示为x＝C×√A。因此，满足A＝B的切换时刻tc在将时刻t0设定为0时，由tc＝500-C×√A给出，即，能够根据A的测定结果而决定tc。
在如此决定出的时刻tc，使斜坡控制的斜率从500msec的斜率θ1变化为300msec的斜率θ2，由此能够以所期望的积分流量供给气体。
但是，在其他方式中，为了补偿不足份量的面积A，也可以基于所测定的面积A来决定变化后的斜坡控制的斜率。在此情况下，通过使斜率变化的时刻tc是固定的，并且适宜地选择与面积A对应的斜率，能够使面积A和面积B成为相同。但是，为了防止过冲的发生，变化后的斜率优选设定为上限的斜率(此处是300msec的斜率)以下。
产业上的可利用性
依据本发明的实施方式的流量控制装置以及流量控制方法，能够利用于例如半导体制造装置、化学工厂等中，特别是也能够适当地利用于要求脉冲流量控制的用途中。

Claims (13)

1.一种流量控制装置，其特征在于，具备：
控制阀，所述控制阀设置于流路；流量测定部，所述流量测定部对通过所述控制阀控制的流体的流量进行测定；以及控制器，
所述控制器对所述控制阀的开闭动作进行控制，使得基于从所述流量测定部输出的信号的测定积分流量与目标积分流量一致。
2.根据权利要求1所述的流量控制装置，其特征在于，
所述控制器包含：
计算部，所述计算部基于从所述流量测定部输出的信号而计算出所述测定积分流量；
比较部，所述比较部求出由所述计算部所计算出的所述测定积分流量与所述目标积分流量的差；以及
阀动作控制部，所述阀动作控制部在由所述比较部所求出的所述差处于规定范围内时开始所述控制阀的闭动作。
3.根据权利要求2所述的流量控制装置，其特征在于，
所述计算部对积分流量求和而计算出所述测定积分流量，所述积分流量是基于每经过一段时间从所述流量测定部输出的信号的流量而计算出的。
4.根据权利要求1所述的流量控制装置，其特征在于，
所述流量测定部构成为：在每个规定期间输出流量值，
所述控制器包含：
计算部，所述计算部基于从所述流量测定部输出的流量值而计算出与所述规定期间的积分流量的总和对应的运算积分流量；
比较部，所述比较部求出所述目标积分流量减去已知积分流量的值与由所述计算部所计算出的所述运算积分流量的差；以及
阀动作控制部，所述阀动作控制部在由所述比较部所求出的所述差处于规定范围内时开始所述控制阀的闭动作。
5.根据权利要求1所述的流量控制装置，其特征在于，
所述控制器包含：
差分计算部，所述差分计算部计算出输入的设定流量信号与从所述流量测定部输出的信号的差的总和即积分流量差；
判定部，所述判定部判定所述差分计算部的输出是否收敛到规定值或规定范围内；以及
阀动作控制部，在所述判定部判定为所述差分计算部的输出已收敛时，所述阀动作控制部开始所述控制阀的闭动作。
6.根据权利要求1所述的流量控制装置，其特征在于，
所述测定积分流量包含：根据从所述流量测定部输出的信号求出的运算积分流量；以及将所述控制阀关闭后的流量下降期间的已知积分流量，
所述控制器构成为：在所述运算积分流量达到所述目标积分流量减去所述已知积分流量的值时，开始所述控制阀的关闭。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的流量控制装置，其特征在于，
所述流量测定部具备：节流部，所述节流部设置于所述控制阀的下游侧；以及压力传感器，所述压力传感器对所述控制阀与所述节流部之间的压力进行测定，所述流量测定部基于所述压力传感器的输出而对所述节流部的下游侧的流量进行测定。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的流量控制装置，其特征在于，
所述控制阀的关闭是通过一阶延迟控制而进行的。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的流量控制装置，其特征在于，
所述控制阀是常闭型的压电元件驱动式阀。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的流量控制装置，其特征在于，
矩形波的连续脉冲信号作为设定流量信号而被输入至所述控制器。
11.根据权利要求1所述的流量控制装置，其特征在于，
所述控制器具有差分计算部，所述差分计算部在流量上升期间，计算出作为基于设定流量信号的内部指令信号的斜坡控制信号与从所述流量测定部输出的信号的差的总和，即积分流量差，基于所述差分计算部的输出，使所述斜坡控制信号的斜率在途中改变。
12.根据权利要求11所述的流量控制装置，其特征在于，
使所述斜坡控制信号的斜率从以500msec达到100％流量时的斜率即第一斜率变化为以300msec达到100％流量时的斜率即第二斜率。
13.一种流量控制方法，其特征在于，
是流量控制装置的流量控制方法，所述流量控制装置具备：控制阀，所述控制阀设置于流路；以及流量测定部，所述流量测定部对所述控制阀控制的流体的流量进行测定，
所述流量控制方法包含以下工序：在根据从所述流量测定部输出的信号求出的运算积分流量达到目标积分流量减去在将所述控制阀关闭后的流量下降期间的已知积分流量的值时，开始所述控制阀的关闭。
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