CN111989635A - 流量控制方法以及流量控制装置 - Google Patents

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小川慎也
杉田胜幸
西野功二
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Abstract

本发明提供一种流量控制方法，其使用具备设置于流路的第一控制阀(6)、设置于第一控制阀的下游侧的第二控制阀(8)、和对第一控制阀的下游侧的流体压力进行测定的压力传感器(3)的流量控制装置(100)而进行，所述流量控制方法包含：步骤(a)，基于压力传感器的输出以成为第一流量的方式控制第一控制阀的开度，并且维持打开第二控制阀的状态，从流体以第一流量流动的状态起，关闭第一控制阀的开度；以及步骤(b)，基于压力传感器的输出，通过调整第二控制阀的开度对残留在第一控制阀的下游的压力进行控制，使流体以第二流量在第二控制阀的下游侧流动。

Description

流量控制方法以及流量控制装置
技术领域
本发明涉及一种流量控制方法以及流量控制装置，特别涉及一种适合用于半导体制造装置或化工厂等中的流量控制方法以及流量控制装置。
背景技术
在半导体制造装置或者化工厂中，为了控制材料气体或蚀刻气体等流体的流动，利用了各种类型的流量计或者流量控制装置。其中，压力式流量控制装置由于能够通过组合了控制阀和节流部(例如流孔板)的比较简单的机构来高精度地控制各种流体的流量而被广泛利用。另外，压力式流量控制装置具有即使一次侧供给压较大地变动也能够进行稳定的流量控制的优异的流量控制特性。
作为在压力式流量控制装置中使用的控制阀，使用通过压电元件驱动装置(以下有时称为压电致动器)对金属隔膜阀体进行开闭的压电元件驱动式阀。在专利文献1中公开了压力式流量控制装置，在专利文献2中公开了作为控制阀使用的常开型的压电元件驱动式阀。
现有的技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2007-192269号公报
专利文献2：日本专利特许第4933936号公报
专利文献3：国际公开第2018/021277号
专利文献4：国际公开第2018/008420号
专利文献5：国际公开第2013/179550号
压力式流量控制装置以通过对节流部的上游侧的流体压力(以下，有时称为上游压力)进行控制来调整流量的方式构成。上游压力能够通过调整设置于节流部上游侧的控制阀的开度而进行控制，通过使用控制阀使上游压力与期望流量所对应的压力一致，能够使流体以期望流量流动。
但是，在压力式流量控制装置中，由于使用流孔板等具有微细的开口部的节流部，因此在使流量步降(step down)、即从高设定流量转移到低设定流量时，存在难以提高响应性的问题。无法提高步降时的响应性的主要理由是使控制阀与节流部之间的气体经由节流部流出的结构，因此即使对控制阀进行了节流也难以使上游压力以及流量急速降低。
作为针对这样的流量步降时的响应性的对策，考虑尽可能减小控制阀与节流部之间的流路容积。然而，压力式流量控制装置基于压力传感器的输出等对控制阀与节流部之间的流体压力进行控制，因此使上述的流路容积减小也存在界限。因此，特别是在进行节流部的开口直径较小的小流量范围的流量控制时，还是无法得到充分的步降响应性，在以往的控制方式中，在从100％流量降低到5％流量时，有时需要2秒以上的时间。
发明内容
本发明是鉴于上述课题而完成的，其主要目的在于提供一种特别是能够提高流量步降时的响应性的流量控制方法以及流量控制装置。
根据本发明的实施方式的流量控制方法，其使用具备设置于流路的第一控制阀、设置于所述第一控制阀的下游侧的第二控制阀、和对所述第一控制阀的下游侧并且所述第二控制阀的上游侧的流体压力进行测定的压力传感器的流量控制装置进行控制，所述流量控制装置以如下方式构成：通过基于所述压力传感器输出的信号控制所述第一控制阀的开度，从而对在所述第二控制阀的下游侧流动的流体的流量进行控制，所述流量控制方法包含：步骤(a)，在所述步骤(a)中，基于所述压力传感器的输出以成为第一流量的方式控制所述第一控制阀的开度，并且维持打开所述第二控制阀的状态，从流体以所述第一流量流动的状态起，关闭所述第一控制阀的开度；以及步骤(b)，在所述步骤(b)中，基于所述压力传感器的输出，通过调整所述第二控制阀的开度对残留在所述第一控制阀的下游侧的压力进行控制，使流体以第二流量在所述第二控制阀的下游侧流动。
在一实施方式中，在所述步骤(b)中，在将α设为比例常数，将ΔP/Δt设为所述压力传感器输出的上游压力的变化ΔP与所述上游压力的变化ΔP所需要的时间Δt之比即压力变化率，将V设为所述第一控制阀与所述第二控制阀之间的内容积时，以由Q＝α·(ΔP/Δt)·V表示的减量流量Q与所述第二流量一致的方式，基于所述压力传感器输出的信号，对所述第二控制阀的开度进行反馈控制。
在一实施方式中，还包含步骤(c)，在所述步骤(c)中，在进行了所述步骤(b)之后，在所述压力传感器的输出降低到规定值的时刻，基于所述压力传感器的输出控制所述第一控制阀的开度而使流体以所述第二流量向下游流动。
在一实施方式中，在所述步骤(a)中，当流体以所述第一流量流动时，以及在所述步骤(c)中控制所述第一控制阀的开度而使流体以所述第二流量流动时，所述第二控制阀被打开为全开。
在一实施方式中，在所述步骤(a)中，将所述第一控制阀关闭至比基于所述压力传感器的输出将所述第一控制阀的开度控制为所述第二流量时的开度小的开度。
在一实施方式中，在所述步骤(a)中关闭所述第一控制阀的时机与在所述步骤(b)中开始进行所述第二控制阀的开度的调整的时机同步。
根据本发明的实施方式的流量控制装置，具备：设置于流路的第一控制阀；设置于所述第一控制阀的下游侧的第二控制阀；对所述第一控制阀的下游侧并且所述第二控制阀的上游侧的流体压力进行测定的压力传感器；和对所述第一控制阀以及所述第二控制阀的动作进行控制的控制电路，所述控制电路以通过基于所述压力传感器输出的信号来控制所述第一控制阀从而对流量进行控制的方式构成，所述控制电路构成为执行以下步骤：步骤(a)，在所述步骤(a)中，基于所述压力传感器的输出以成为第一流量的方式控制所述第一控制阀的开度，并且维持打开所述第二控制阀的状态，从流体以所述第一流量流动的状态起，关闭所述第一控制阀的开度；以及步骤(b)，在所述步骤(b)中，基于所述压力传感器的输出，通过调整所述第二控制阀的开度对残留在所述第一控制阀的下游侧的压力进行控制，使流体以第二流量在所述第二控制阀的下游侧流动。
在一实施方式中，所述第二控制阀为常开型的阀。
在一实施方式中，上述流量控制装置还具备设置于所述第二控制阀的下游侧的另外的压力传感器。
根据本发明的实施方式的流量控制装置，具备：设置于流路的第一控制阀；设置于所述第一控制阀的下游侧的第二控制阀；和对所述第一控制阀的下游侧并且所述第二控制阀的上游侧的流体压力进行测定的压力传感器，所述流量控制装置基于所述压力传感器输出的信号对下游侧的流量进行控制，在将流量从第一流量控制为比所述第一流量小的第二流量时，关闭所述第一控制阀，并且基于所述压力传感器的输出对所述第二控制阀的开度进行控制，以残留在所述第一控制阀下游的压力的变化率与从所述第二控制阀流出时的流量成为所述第二流量时的变化率一致的方式，控制所述第二控制阀的开度。
在一实施方式中，在将流量从所述第一流量控制为所述第二流量时，所述第一控制阀被控制为比与所述第二流量对应的开度还小的开度。
在一实施方式中，所述第二控制阀的开度被控制为，在将α设为比例常数，将ΔP/Δt设为所述压力传感器输出的上游压力的变化ΔP与所述上游压力的变化ΔP所需要的时间Δt之比即压力变化率，将V设为所述第一控制阀与所述第二控制阀之间的内容积时，能够维持由Q＝α·(ΔP/Δt)·V表示的流量Q成为所述第二流量时的ΔP/Δt的开度。
在一实施方式中，上述流量控制装置还具备设置于所述第二控制阀的下游侧的另外的压力传感器。
根据本发明的实施方式的流量控制装置，具备：设置于流路的第一控制阀；设置于所述第一控制阀的下游侧的第二控制阀；和对所述第一控制阀的下游侧并且所述第二控制阀的上游侧的流体压力进行测定的第一压力传感器，所述流量控制装置基于所述压力传感器输出的信号对下游侧的流量进行控制，并且具有以下特征：在将流量从第一流量控制成比所述第一流量小的第二流量时，从基于Q＝K1·P1的流量控制，切换到基于Q＝α·(ΔP/Δt)·V的控制而对流量进行控制，在所述第一压力传感器的压力达到规定的压力的时刻，返回基于Q＝K1·P1的控制，在此，Q是流量，K1是与流体的种类和流体温度相关的常数，P1是所述第一压力传感器输出的上游压力，α是比例常数，ΔP/Δt是所述上游压力的压力变化率，V是所述第一控制阀与所述第二控制阀之间的内容积。
在一实施方式中，在所述第一压力传感器的压力达到基于Q＝K1·P1的控制中的、相当于所述第二流量的压力的时刻，从基于Q＝α·(ΔP/Δt)·V的控制返回到基于Q＝K1·P1的控制。
根据本发明的实施方式的流量控制装置，具备：设置于流路的第一控制阀；设置于所述第一控制阀的下游侧的第二控制阀；对所述第一控制阀的下游侧并且所述第二控制阀的上游侧的流体压力进行测定的第一压力传感器；和对所述第二控制阀的下游侧的流体压力进行测定的第二压力传感器，所述流量控制装置基于所述第一以及第二压力传感器输出的信号对下游侧的流量进行控制，并且具有以下特征：在将流量从第一流量控制成比所述第一流量小的第二流量时，从基于Q＝K2·P2m(P1-P2)n的流量的控制，切换到基于Q＝α·(ΔP/Δt)·V的控制而对流量进行控制，在所述第一以及第二压力传感器的压力达到规定的压力的时刻，返回基于Q＝K2·P2m(P1-P2)n的控制，在此，Q是流量，K1是与流体的种类和流体温度相关的常数，P1是所述第一压力传感器输出的上游压力，P2是所述第二压力传感器输出的下游压力，m和n是以实际的流量为基础导出的指数，α是比例常数，ΔP/Δt是所述上游压力的压力变化率，V是所述第一控制阀与所述第二控制阀之间的内容积。
在一实施方式中，在所述第一以及所述第二压力传感器的压力达到基于Q＝K2·P2m(P1-P2)n的控制中的、相当于所述第二流量的压力的时刻，从基于Q＝α·(ΔP/Δt)·V的控制返回到基于Q＝K2·P2m(P1-P2)n的控制。
另外，在一实施方式中，也可以在流量控制装置中设置有：能够调整开度的第一控制阀和第二控制阀；以及设置在所述第一控制阀的下游侧的开度固定的节流部。所述节流部和所述第二控制阀也可以一体地设置而构成流孔内置阀。另外，也可以是，当使流量从第一流量降低至比所述第一流量小的第二流量时，在上述的步骤(a)中，将第一控制阀关闭至比与第二流量对应的开度小的开度，并且在步骤(b)中，与关闭第一控制阀的动作连动地在将第一控制阀的开度维持着关闭的状态下，以使第二控制阀的开度适合于第二流量的方式基于所述压力传感器的输出进行控制。
发明效果
根据本发明的实施方式，提供一种能够使流量降低时的响应性提高的流量控制方法以及流量控制装置。
附图说明
图1是表示根据本发明的实施方式的流量控制装置的结构的示意性的图。
图2是用于说明根据本发明的实施方式的流量步降时的流量控制方法的图，分别地，(a)是表示设定流量的曲线图，(b)是表示控制流量的曲线图，(c)是表示上游压力P1的曲线图，(d)是表示第一控制阀的驱动电压的曲线图，(e)是表示第二控制阀的驱动电压的曲线图。
图3是表示根据本方明的实施方式的流量控制方法的流程图。
符号说明
1 流路
2 节流部
3 第一压力传感器
4 第二压力传感器
5 温度传感器
6 第一控制阀
7 控制电路
8 第二控制阀
9 流孔内置阀
100 压力式流量控制装置
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明，但本发明不限于以下说明的实施方式。
图1表示进行本发明的实施方式的流量控制方法的流量控制装置100的结构。流量控制装置100具备：设置在从未图示的气体供给源供给的气体G0的流路1上的第一控制阀6；设置在第一控制阀6的下游侧的节流部2；设置在第一控制阀6和节流部2的下游侧的第二控制阀8；以及检测第一控制阀6与节流部2之间的气体的压力(上游压力P1)和气体温度T的第一(或上游)压力传感器3和温度传感器5。
本实施方式的流量控制装置100还具备对第二控制阀8的下游侧的下游压力P2进行测定的第二(或下游)压力传感器4。第一压力传感器3能够对第一控制阀6与节流部2之间的流体压力即上游压力P1进行测定，第二压力传感器4能够对第二控制阀8的下游侧的压力即下游压力P2进行测定。然而，在其它的方式中，流量控制装置100也可以不具备第二压力传感器4或者温度传感器5。
另外，如下所述，节流部2和第二控制阀8作为流孔内置阀9一体地形成，节流部2和第二控制阀8的阀体有时靠近配置。在这种情况下，与上述的方式不同，也能够将节流部2配置在第二控制阀8的下游侧。另外，在节流部2配置在第二控制阀8的下游侧的情况下，第一压力传感器3对第一控制阀6和第二控制阀8之间的流体压力即上游压力P1进行测定。第一压力传感器3只要配置成对第一控制阀6的下游侧并且第二控制阀8的上游侧的流体压力进行检测即可，既可以对第一控制阀6和节流部2之间的流体压力进行测定，也可以对第一控制阀6和第二控制阀8之间的流体压力进行测定。
流量控制装置100还具备与第一控制阀6以及第二控制阀8连接的控制电路7。控制电路7构成为：通过基于第一压力传感器3输出的信号控制第一控制阀6的开度来对流量进行控制，并且在流量步降时，通过基于第一压力传感器3输出的信号控制第二控制阀8的开度来对流量进行控制。另外，图示的方式中，控制电路7设置成第一控制阀6和第二控制阀8双方共用，但并不限于此，当然也可以对第一控制阀6和第二控制阀8分别设置单独的控制电路。
控制电路7可以内置在流量控制装置100中，也可以设置在流量控制装置100的外部。控制电路7典型地内置有CPU、ROM或RAM等存储器(存储装置)M、A/D转换器等，也可以包含以执行后述的流量控制动作的方式构成的计算机程序。控制电路7可以通过硬件和软件的组合来实现。
控制电路7也可以具备用于与计算机等外部装置交换信息的接口，由此，能够进行从外部装置向ROM的程序以及数据的写入等。控制电路7的构成要素(CPU等)不需要全部一体地设置在装置内，也可以是将CPU等一部分构成要素配置在另外的场所(装置外)，通过总线相互连接的结构。此时，不仅可以通过有线，还可以通过无线将装置内和装置外进行通信。
流量控制装置100的下游侧经由未图示的下游阀与例如半导体制造装置的处理腔室连接。在处理腔室上连接有真空泵，典型地，在处理腔室的内部被抽真空的状态下，向处理腔室供给由流量控制装置100进行了流量控制的气体G1。作为上述的下游阀，例如可以使用由压缩空气控制开闭动作的公知的空气驱动阀(Air Operated Valve)或电磁阀等开关阀。
在本实施方式中，节流部2由流孔板构成。流孔板由于流孔截面积被固定，因此作为开度固定的节流部发挥功能(另外，在流孔产生堵塞或经年劣化等而使流孔截面积可能会发生意外的变化，但在本说明书中，将未以有意地控制开度的方式构成的节流部称为开度固定的节流部)。在本说明书中，“节流部”是指将流路的截面积限制为小于前后的流路截面积的部分，例如使用流孔板、临界喷嘴、音速喷嘴、狭缝结构等构成，但也可以使用其他部件构成。流孔或喷嘴的直径例如设定为10μm～500μm。
作为第一控制阀6和第二控制阀8，使用能够调整开度的阀，例如使用利用压电致动器对金属制隔膜阀体进行开闭的公知的压电元件驱动式阀。压电元件驱动式阀以能够与向压电元件的驱动电压对应地来变更开度的方式构成，能够通过驱动电压的控制而调整为任意开度。
在流量控制装置100中，第一控制阀6通过控制电路7基于来自第一压力传感器3的输出控制其开度，并以将从第一压力传感器3输出的上游压力P1维持在输入的设定值的方式进行反馈控制。第一控制阀6作为流量控制的主要阀即主流量控制阀使用。在此，第一控制阀6使用常闭型的阀。另外，作为第一控制阀6，也可以使用常开型的阀。
另一方面，第二控制阀8主要在使流量从高流量步降到低流量时使用，具有作为步降流量控制阀的功能。在此，所谓步降流量控制方式是指所谓减量(build down)式的流量控制。第二控制阀8在进行流量的步降时以外维持全开，或具有至少比节流部2的开口面积大的开口截面积的开度。第二控制阀8可以是常闭型或常开型的任意一种，但如果使用常开型的阀，则在流量步降期间以外的期间不需要施加驱动电压，因此能够实现低耗电化。优选地，第二控制阀8以在全开时不限制节流部2的下游侧的流动的方式设计。
另外，如上所述，在本实施方式中，第二控制阀8和节流部2一体形成，它们构成流孔内置阀9。流孔内置阀9例如记载于专利文献3，在本实施方式中也能够使用同样结构的流孔内置阀。在流孔内置阀9中，第二控制阀8的阀体和作为节流部2的流孔板靠近配置，它们之间的流路容积可以视为大致为零。因此，如果使用流孔内置阀9，则能够提高流量的上升以及下降的特性。另外，在使用流孔内置阀9的情况下，可以认为第一控制阀6与第二控制阀8之间的内容积V与第一控制阀6和到流孔板为止的内容积等价。因此，如下所述，在使用上述内容积V进行流量控制的情况下，具有容易以比较高的精度得到近似的内容积V的优点。
如上所述，节流部2(在此为流孔板)和第二控制阀8可以都设置在上游侧，但优选使节流部2和第二控制阀8之间的容积(在此为由流孔板和第二控制阀8的隔膜阀体以及阀座部包围的空间)为极小的容积。
以上说明的流量控制装置100在通常的流量控制模式下，在满足临界膨胀条件P1/P2≥约2(氩气的情况)时，利用流量由上游压力P1决定的原理进行流量控制。当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(其中，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，在具备第二压力传感器4的情况下，即使在上游压力P1与下游压力P2之差小而不满足上述的临界膨胀条件的情况下，也能够通过计算求出流量，基于由第一压力传感器3以及第二压力传感器4测定出的上游压力P1以及下游压力P2，根据Q＝K2·P2m(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是以实际的流量为基础导出的指数)能够求出流量Q。
当从外部控制装置等向控制电路7发送设定流量信号时，控制电路7基于第一压力传感器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，根据上述Q＝K1·P1或Q＝K2·P2m(P1-P2)n计算流量。然后，以使通过节流部2的流体的流量接近设定流量的方式(即，使运算流量与设定流量之差接近0的方式)对第一控制阀6进行反馈控制。运算流量例如可以作为控制流量输出值显示在显示装置上。
本实施方式的流量控制装置100在进行流量的步降时，能够通过以下说明的方法进行流量控制。
图2是分别表示通过本实施方式的流量控制方法进行步降时的(a)设定流量、(b)控制流量、(c)上游压力P1、(d)第一控制阀6(记载为第一阀)的驱动电压、(e)第二控制阀8(记载为第二阀)的驱动电压的曲线图。图2表示使设定流量从100％步降至5％的例子。但是，当然步降开始时的设定流量和步降后的目标设定流量也可以是任意的。本实施方式的流量控制方法优选在使流量从第一设定流量降低到比第一设定流量小的第二设定流量的任意方式中实施。
以下，设定流量、目标流量等的流量值全部以将规定的流量值设为100％的比率来表示。另外，在临界膨胀条件成立时，考虑到流量和上游压力P1成比例，有时将流量值为100％时的上游压力设为100％，上游压力也用比率表示。
另外，图2(d)和(e)表示第一控制阀6为常闭型(NC)、第二控制阀8为常开型(NO)时的驱动电压。驱动电压越低，第一控制阀6的阀开度越小，在驱动电压为0(未施加电压)时完全闭阀(CLOSE)。另一方面，驱动电压越高，第二控制阀8的阀开度越小，在驱动电压为0(未施加电压)时成为全开(OPEN)的状态。
首先，在步降开始前的设定流量为100％流量的情况下，基于第一压力传感器3的输出将第一控制阀6的开度调整为与100％流量对应的开度。此时，第二控制阀8维持在充分打开的状态，典型地打开为全开(OPEN)。在该状态下，能够使流体以100％流量经由节流部2和第二控制阀8向下游侧流动。当以100％流量流动气体时，在本实施例中上游压力P1的值维持在300kPa abs。
接着，在图2所示的时刻t0，开始进行从流体以100％流量流动的状态向5％流量的步降。此时，在时刻t0，如图2(d)所示，进行将第一控制阀6关闭到比与5％流量对应的开度小的开度的动作、在本实施方式中将第一控制阀6完全关闭的动作(CLOSE)。在使用常闭型的阀作为第一控制阀6的情况下，通过将驱动电压变更为0，能够使第一控制阀6成为全闭状态。另外，作为控制，也可以将设定流量零信号输入到第一控制阀6。
另外，在时刻t0，与关闭第一控制阀6的动作联动地，如图2(e)所示，以能够使气体以5％的流量在第二控制阀8的下游侧流动的方式，开始进行调节第二控制阀8的开度的动作。第二控制阀8的开度在呈现最大被节流的状态的时刻t1，典型地被节流到比节流部2的开口面积小的开度。
这样，在本实施方式中，在流量步降开始后，第一控制阀6完全关闭，另一方面，第二控制阀8典型地关闭至比节流部2的开口面积小的开度。第一控制阀6在时刻t0被急速关闭，因此与以往那样将第一控制阀6逐渐节流直至达到与5％流量相对应的上游压力P1的情况相比，上游压力P1和控制流量急速降低。并且，同时地，由于第二控制阀8被节流至足够小的开度(典型的是比节流部2的开口面积小的开度)，因此成为通过第二控制阀8的开度调整而能够对第二控制阀8的下游侧的流量进行控制的状态。在该状态下，没有气体经由第一控制阀6从上游侧流入，第一控制阀6与节流部2之间的残留气体、更详细而言是第一控制阀6与第二控制阀8之间的残留气体经由第二控制阀8流出。
在不进行第二控制阀8的开度调整的情况下，上述残留气体的压力随着流出时间呈指数函数地持续减少。因此，对于第二控制阀8，在时刻t0之后，进行开度控制，使得在第二控制阀8的下游侧流动的流体能够以5％流量流动。
更具体而言，为了使在第二控制阀8的下游侧流动的气体的流量以5％流量维持恒定，在本实施方式中，在时刻t0，基于第一压力传感器3的输出，以使ΔP/Δt与对应于5％设定的值一致的方式，切换为对第二控制阀8进行反馈控制的减量控制模式。在此，ΔP/Δt为第一压力传感器3输出的上游压力P1的变化ΔP与上游压力P1的变化ΔP所需要的时间Δt的比，与上游压力P1的压力变化率或压力下降的斜率对应。
这是因为，在第一控制阀6关闭的状态下，在第二控制阀8的下游侧流动的气体的流量Q能够表示为Q＝α·(ΔP/Δt)·V(其中，α是比例常数，V是第一控制阀6和第二控制阀8之间的内容积)，如果ΔP/Δt恒定，则第二控制阀8的下游侧的流量也维持恒定。另外，如上所述，在第二控制阀8和节流部2以流孔内置阀的形式一体地设置的情况下，上述的内容积V能够视为与从第一控制阀6到节流部2的流路容积相等。内容积V能够根据第一控制阀6的下游侧的流路的直径等预先求出。另外，内容积V也能够利用所谓的压力上升率法通过计算求出，该压力上升率法是从关闭第一控制阀6并将其下游侧维持为真空压力的状态起，打开第一控制阀6并且关闭第二控制阀8，对气体以已知的基准流量流入容积V的空间时的压力上升率(ΔP/Δt)进行测定(例如，在专利文献4中公开)。
如上所述的基于ΔP/Δt的测定求出流量Q的所谓的减量方式(例如，专利文献5中公开)典型地是通过在下游侧维持为真空压等低压的状态下对关闭上游侧的阀后的ΔP/Δt进行测定来求出流量Q的方式。更具体而言，例如如专利文献5所述，能够通过Q＝(1000/760)×60×(273/(273+T))×V×(ΔP/Δt)来求出流量。在此，T是气体温度(℃)，V是上述的内容积(l)，ΔP是压力下降的大小(绝对值)(Torr)，Δt是ΔP的压力下降所需要的时间(sec)。
在本实施方式中，也基于减量方式求出与期望流量(即，是步降后的目标流量，在此为5％流量)对应的ΔP/Δt，以维持该ΔP/Δt的方式，通过基于第一压力传感器3的输出的反馈控制来进行第二控制阀8的开度调整，由此能够使残留气体以期望的恒定流量在第二控制阀8的下游侧持续流动。另外，从上述式可知，流量也根据气体温度T而变动，因此如果也使用测定气体温度T的温度传感器5的输出进行ΔP/Δt的控制，则能够以更高的精度进行流量控制。
在将上述的减量方式的流量控制应用于第二控制阀8的情况下，在时刻t0刚刚关闭第一控制阀6之后，上游压力P1的变化率ΔP1/Δt(图2(c)所示的上游压力P1的曲线的斜率)比与期望流量对应的压力变化率ΔP1/Δt大，因此第二控制阀8的开度被节流。之后，第二控制阀8被充分节流，并且上游压力P1的变化率也逐渐减缓。然后，在时刻t1，在通过测定得到的变化率ΔP1/Δt达到相当于5％流量的变化率ΔP1/Δt之前，第二控制阀8的开度被节流时，第二控制阀8成为被节流到最大的状态，控制流量也降低到5％流量。
另外，如上所述，在将第二控制阀8最大节流到对应于5％流量的开度的时刻t1之后，也继续进行将ΔP1/Δt维持为恒定值的控制，但这次第二控制阀8的开度逐渐打开。这是因为，若第二控制阀8的开度保持恒定，则伴随残留气体的压力的降低而产生流量的降低，因此为了将ΔP1/Δt即流量维持为恒定的值，需要打开第二控制阀8的开度。在该期间，也将第一控制阀6维持着关闭状态，以基于第一压力传感器3的输出将ΔP1/Δt维持在恒定的值的方式，通过反馈控制来调整第二控制阀8的开度。
之后，在通过减量方式的流量控制持续调整第二控制阀8的开度以使ΔP/Δt成为期望值的期间，残留气体一边伴随着上游压力P1的降低一边以恒定流量流出。并且，若将第一压力传感器3的输出值降低至使用第一控制阀6的通常流量控制模式下的与5％流量对应的上游压力(在此为15kPa abs)之时设为时刻t2，则在本实施方式中，在时刻t2将第一控制阀6打开至与5％流量对应的开度(将从第一控制阀6至节流部2的内容积的压力控制为15kPa abs的开度)。由此，气体从第一控制阀6的上游流入，之后也能够使气体以5％流量持续在第一控制阀6以及第二控制阀8的下游流动。另外，在时刻t2之后，第二控制阀8典型地维持在打开为全开的状态，但是在第二控制阀8是常开型的情况下，只要将驱动电压设为0(不施加电压)而使其全开(OPEN)即可。
如以上说明的那样，在本实施方式中，能够进行基于使用第二控制阀8得到的ΔP/Δt的测定结果的流量控制(减量流量控制)，在流量步降时，从基于第一控制阀6的开度调整的通常流量控制模式切换为减量流量控制模式，之后，再次进行切换为通常流量控制模式的动作。
然而，在其它的方式中，在通常流量控制模式之后，在开始进行流量步降时，也可以首先进行将第二控制阀8急速地节流至规定的开度的控制，之后，转移至减量控制模式。由此，能够进一步提高流量步降的响应性。最初急速地节流第二控制阀8的控制也可以参照上游压力P1进行，直到上游压力P1达到规定压力。
在上述的例子中，若初始压力如将流量从100％流量向5％流量步降时那么高，则用于使第二控制阀8的开度降低至与5％流量相当的开度的阀体的移动距离变长。因此，例如，可以将第二控制阀8的开度预先一口气关闭到比流孔的开度稍大的开度，然后缩小到相当于5％流量的开度。或者，通过将第二控制阀8的最大开度设定为比流孔的开度稍大的程度的开度，能够将第二控制阀8迅速关闭到相当于5％流量的开度。
另外，在如上述那样在反馈控制前进行使第二控制阀8节流的动作的情况下，也可以将使残留的上游压力P1和与想要控制的流量对应的开度相关联的表预先存储在存储装置等中，使用其对第二控制阀8的动作进行控制。在使用表的情况下，在转移到减量控制模式时，基于压力传感器输出的上游压力P1和步降后的设定流量(5％流量)，不进行反馈控制，而是首先使第二控制阀8的开度接近到按照表的开度附近，然后进行反馈控制即可。
另外，作为存储在上述表中的项目，考虑气体种类、残留压力、控制压力等多个参数。在这种情况下，可以准备与各个参数对应的表，但也可以准备基准表，并且例如在气体种类不同的情况下，也可以设置与气体种类对应的补正系数来覆盖气体种类的不同，对基准表加以补正来使用。或者，即使在不进行补正而使用基准表的情况下，也能够使第二控制阀8在某种程度上接近期望开度，因此能够在提高第二控制阀8的响应性的同时减小控制的负荷。
如图2(b)所示，根据以上所说明的本实施方式的流量控制方法，能够使控制流量在时刻t0～t1为止的短时间内急速下降，能够在短时间内使流量步降至低设定流量。另外，之后，通过调整第二控制阀8的开度，能够以步降后的流量稳定地使气体持续流动。进而，在残留气体降低到规定压力后，通过打开第一控制阀6，能够使气体以低设定流量持续流动。由此，能够一边显著地提高步降时的响应性一边适当地进行向低设定流量的转移。
根据本实施方式，在使用流孔直径85μm的节流部时，能够将从100％流量(200sccm)降低至5％流量(10sccm)的时间缩短至1秒以下，例如缩短至100毫秒左右。关闭第二控制阀8的速度越快，上述时间越短。另外，上述记载的尺寸以及流量只不过是一个例子，只要流孔直径、压力不同，流量也会变化，因此，即使是相同的流孔或者相同的压力，流量也会不同，这是不言而喻的。
另外，在本实施方式中，第二控制阀8在时刻t1成为最节流的状态，但此时也没有完全关闭，能够使气体以步降后的目标流量流动。因此，能够从步降前到步降后，一边实现期望的流量转移，一边向第二控制阀8的下游侧不切断地持续地供给气体，能够进行稳定的气体供给。
另外，如图2(d)和(e)所示，在上述所说明的实施方式中，使关闭第一控制阀6的时机和开始减小第二控制阀8的开度的时机一致、同步。在这样动作的情况下，在时刻t0切断从第一控制阀6的上游流入的气体之后，成为第一控制阀6与第二控制阀8之间的残留气体经由节流部2以及第二控制阀8以与第二控制阀8的开度对应的流量流出的状态。
但是，上述的关闭第一控制阀6的时机与开始第二控制阀8的开度调整的时机不一定需要一致，也可以存在偏差，只要是比从100％流量向5％流量过渡响应时间足够短的时间即可。
在从关闭第一控制阀6起经过规定时间后使第二控制阀8的开度减小的方式中，控制流量在第二控制阀8保持全开的期间内呈指数函数地自然下降。但是，如果在达到目标流量之前开始调整第二控制阀8的开度，并通过调整第二控制阀8的开度能够达到能够控制流量的状态，则之后能够进行第二控制阀8的开度调整而将流量控制为目标流量。另外，即使在关闭第一控制阀6之前开始关闭第二控制阀8的情况下，上游压力P1也有可能暂时增加，但在关闭第一控制阀6之后，能够通过第二控制阀8的开度调整来进行流量控制。
这样，只要与以往相比能够提高步降时的响应性，则关闭第一控制阀6的时机和开始进行第二控制阀8的开度调整的时机可以如上所述地同步，也可以存在偏差。在本说明书中，作为还包括上述那样的存在时机偏差的方式，有时记载为使开始第二控制阀8的开度调整的动作与关闭第一控制阀6的动作联动地进行。
以下，使用图3对本实施方式的流量控制方法的例示性的流程图进行说明。
如图3的步骤S1所示，首先，基于第一压力传感器3的输出对第一控制阀(即第一阀)6进行反馈控制，并且使第二控制阀(即第二阀)8全开，由此能够使气体以第一流量流动。
接着，如步骤S2所示，当接收到使设定流量从第一流量降低到第二流量的信号时，控制电路7发出使第一控制阀6全闭的命令，并且发出将第二控制阀8控制为与第二流量对应的开度的命令，切换到减量流量控制模式。
在减量流量控制模式下，如步骤S3以及步骤S4所示，在第一控制阀6全闭的状态下，以使ΔP/Δt维持在与第二流量相对应的值的方式，基于第一压力传感器3的输出对第二控制阀8的开度进行反馈控制。更具体而言，在步骤S3中，将ΔP/Δt的测定结果和目标值进行比较，当比较结果在阈值内时，在步骤S4-1中维持第二控制阀8的驱动电压，当比较结果在阈值外时，在步骤S4-2中进行第二控制阀8的驱动电压的变更。
另外，如步骤S5所示，监视第一压力传感器3的输出，判定第一压力传感器3的输出即上游压力P1是否达到规定值。在未达到规定值的情况下，返回步骤S3，继续第二控制阀8的控制，继续使气体以第二流量流动的减量控制模式。
在步骤S5中，当判断第一压力传感器3的输出达到规定值时，进行控制的切换，如步骤S6所示，将第一控制阀6打开到与第二流量对应的开度，并且将第二控制阀8全开。由此，切换为通量流量控制模式。之后，第一控制阀6的开度基于第一压力传感器3的输出被反馈控制，能够使气体以第二流量持续流动。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但也能够进行各种改变。例如，在上述中，说明了在步降开始时将第一控制阀6完全关闭而成为切断状态的方式，但不限于此。在步降开始后的减量控制模式下，也可以将第一控制阀6维持为稍微打开的一定开度的状态，以小于目标流量的流量继续气体流入的状态。在这种情况下，如果基于第一压力传感器3的输出，以使ΔP/Δt维持规定值的方式调整第二控制阀8的开度，则能够使流体以目标流量在第二控制阀8的下游侧流动。
但是，在减量方式中使用的流量算式，典型的是以上游侧的阀(第一控制阀6)被关闭为前提的算式，因此在上游侧打开而流体流入容积V的部分的状态下，若使用原来的流量算式，则有可能无法适当地进行流量控制。但是，可以认为，如果已知从上游流入容积V的流量，则也能够将流量算式加以补正来使用。因此，在流入量已知时，能够认为实质上与上游侧的阀关闭的情况相同的状况。
另外，在上述中，说明了将第一控制阀6成为全开的时刻设定为设定流量的100％的例子，但不一定是必要的，也可以将不是全开的中间开度的状态设定为100％。并且，在上述实施例中，设定流量100％时的上游压力P1为300kPa abs，但不限于此，当然根据设定的流量或流量范围、流体的种类等，上游压力P1会成为各种值。
产业上的利用可能性
根据本发明的实施方式的流量控制方法以及流量控制装置即使在半导体制造工序中要求流量步降时的高速响应性的情况下也能够适当地利用。

Claims (17)

1.一种流量控制方法，其特征在于，
使用流量控制装置而进行，所述流量控制装置具备：
第一控制阀，所述第一控制阀设置于流路；
第二控制阀，所述第二控制阀设置于所述第一控制阀的下游侧；和
压力传感器，所述压力传感器对所述第一控制阀的下游侧并且所述第二控制阀的上游侧的流体压力进行测定，
所述流量控制装置以如下方式构成：通过基于所述压力传感器输出的信号控制所述第一控制阀的开度，从而对在所述第二控制阀的下游侧流动的流体的流量进行控制，
所述流量控制方法包含：
步骤(a)，在所述步骤(a)中，基于所述压力传感器的输出以成为第一流量的方式控制所述第一控制阀的开度，并且维持打开所述第二控制阀的状态，从流体以所述第一流量流动的状态起，关闭所述第一控制阀的开度；和
步骤(b)，在所述步骤(b)中，基于所述压力传感器的输出，通过调整所述第二控制阀的开度对残留在所述第一控制阀的下游的压力进行控制，使流体以第二流量在所述第二控制阀的下游侧流动。
2.根据权利要求1所述的流量控制方法，其特征在于，
在所述步骤(b)中，在将α设为比例常数，将ΔP/Δt设为所述压力传感器输出的上游压力的变化ΔP与所述上游压力的变化ΔP所需要的时间Δt之比即压力变化率，将V设为所述第一控制阀与所述第二控制阀之间的内容积时，
以由Q＝α·(ΔP/Δt)·V表示的减量流量Q与所述第二流量一致的方式，基于所述压力传感器输出的信号，对所述第二控制阀的开度进行反馈控制。
3.根据权利要求1或2所述的流量控制方法，其特征在于，
还包含步骤(c)，在所述步骤(c)中，在进行了所述步骤(b)之后，在所述压力传感器的输出降低到规定值的时刻，基于所述压力传感器的输出控制所述第一控制阀的开度而使流体以所述第二流量向下游流动。
4.根据权利要求3所述的流量控制方法，其特征在于，
在所述步骤(a)中，流体以所述第一流量流动的期间，以及在所述步骤(c)中控制所述第一控制阀的开度而使流体以所述第二流量流动时，所述第二控制阀被打开为全开。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的流量控制方法，其特征在于，
在所述步骤(a)中，将所述第一控制阀关闭至比基于所述压力传感器的输出将所述第一控制阀的开度控制为所述第二流量时的开度小的开度。
6.根据权利要求1至5任一项中所述的流量控制方法，其特征在于，
在所述步骤(a)中关闭所述第一控制阀的时机与在所述步骤(b)中开始进行所述第二控制阀的开度的调整的时机同步。
7.一种流量控制装置，其特征在于，具备：
第一控制阀，所述第一控制阀设置于流路；
第二控制阀，所述第二控制阀设置于所述第一控制阀的下游侧；
压力传感器，所述压力传感器对所述第一控制阀的下游侧并且所述第二控制阀的上游侧的流体压力进行测定；和
控制电路，所述控制电路对所述第一控制阀和所述第二控制阀的动作进行控制，并且以如下方式构成：通过基于所述压力传感器输出的信号来控制所述第一控制阀，从而对流量进行控制，
所述控制电路执行：
步骤(a)，在所述步骤(a)中，基于所述压力传感器的输出以成为第一流量的方式控制所述第一控制阀的开度，并且维持打开所述第二控制阀的状态，从流体以所述第一流量流动的状态起，关闭所述第一控制阀的开度；和
步骤(b)，在所述步骤(b)中，基于所述压力传感器的输出，通过调整所述第二控制阀的开度对残留在所述第一控制阀的下游的压力进行控制，使流体以第二流量在所述第二控制阀的下游侧流动。
8.根据权利要求7所述的流量控制装置，其特征在于，
所述第二控制阀为常开型的阀。
9.根据权利要求7或8所述的流量控制装置，其特征在于，
还具备设置于所述第二控制阀的下游侧的另外的压力传感器。
10.一种流量控制装置，其特征在于，具备：
第一控制阀，所述第一控制阀设置于流路；
第二控制阀，所述第二控制阀设置于所述第一控制阀的下游侧；和
压力传感器，所述压力传感器对所述第一控制阀的下游侧并且所述第二控制阀的上游侧的流体压力进行测定，
所述流量控制装置基于所述压力传感器输出的信号对在所述第二控制阀的下游侧流动的流体的流量进行控制，
在将流量从第一流量控制成比所述第一流量小的第二流量时，
关闭所述第一控制阀，并且基于所述压力传感器的输出对所述第二控制阀的开度进行控制，
以残留在所述第一控制阀的下游的压力的变化率与从所述第二控制阀流出时的流量成为所述第二流量时的变化率一致的方式，对所述第二控制阀的开度进行控制。
11.根据权利要求10所述的流量控制装置，其特征在于，
在将流量从所述第一流量控制为所述第二流量时，所述第一控制阀被控制为比与所述第二流量对应的开度还小的开度。
12.根据权利要求10所述的流量控制装置，其特征在于，
所述第二控制阀的开度被控制为，在将α设为比例常数，将ΔP/Δt设为所述压力传感器输出的上游压力的变化ΔP与所述上游压力的变化ΔP所需要的时间Δt之比即压力变化率，将V设为所述第一控制阀与所述第二控制阀之间的内容积时，
能够维持由Q＝α·(ΔP/Δt)·V表示的流量Q成为所述第二流量时的ΔP/Δt的开度。
13.根据权利要求10所述的流量控制装置，其特征在于，
还具备设置于所述第二控制阀的下游侧的另外的压力传感器。
14.一种流量控制装置，其特征在于，具备：
第一控制阀，所述第一控制阀设置于流路；
第二控制阀，所述第二控制阀设置于所述第一控制阀的下游侧；和
第一压力传感器，所述第一压力传感器对所述第一控制阀的下游侧并且所述第二控制阀的上游侧的流体压力进行测定，
所述流量控制装置基于所述第一压力传感器输出的信号对在所述第二控制阀的下游侧流动的流体的流量进行控制，
在将流量从第一流量控制成比所述第一流量小的第二流量时，从基于
Q＝K1·P1
的流量控制，切换到基于
Q＝α·(ΔP/Δt)·V的控制而对流量进行控制，
在所述第一压力传感器的压力达到规定的压力的时刻，
返回基于Q＝K1·P1的控制，在此，Q是流量，K1是与流体的种类和流体温度相关的常数，P1是所述第一压力传感器输出的上游压力，α是比例常数，ΔP/Δt是所述上游压力的压力变化率，V是所述第一控制阀与所述第二控制阀之间的内容积。
15.根据权利要求14所述的流量控制装置，其特征在于，
在所述第一压力传感器的压力达到基于
Q＝K1·P1
的控制中的、相当于所述第二流量的压力的时刻，返回控制。
16.一种流量控制装置，其特征在于，具备：
第一控制阀，所述第一控制阀设置于流路；
第二控制阀，所述第二控制阀设置于所述第一控制阀的下游侧；
第一压力传感器，所述第一压力传感器对所述第一控制阀的下游侧并且所述第二控制阀的上游侧的流体压力进行测定；和
第二压力传感器，所述第二压力传感器对所述第二控制阀的下游侧的流体压力进行测定，
所述流量控制装置基于所述第一以及第二压力传感器输出的信号对在所述第二控制阀的下游侧流动的流体的流量进行控制，
在将流量从第一流量控制成比所述第一流量小的第二流量时，从基于
Q＝K2·P2m(P1-P2)n
的流量的控制，切换到基于
Q＝α·(ΔP/Δt)·V的控制而对流量进行控制，
在所述第一以及第二压力传感器的压力达到规定的压力的时刻，返回基于
Q＝K2·P2m(P1-P2)n
的控制，在此，Q是流量，K2是与流体的种类和流体温度相关的常数，P1是所述第一压力传感器输出的上游压力，P2是所述第二压力传感器输出的下游压力，m和n是以实际的流量为基础导出的指数，α是比例常数，ΔP/Δt是所述上游压力的压力变化率，V是所述第一控制阀与所述第二控制阀之间的内容积。
17.根据权利要求16所述的流量控制装置，其特征在于，
在所述第一以及第二压力传感器的压力达到基于Q＝K2·P2m(P1-P2)n的控制中的、相当于所述第二流量的压力的时刻，返回控制。
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