JP7049684B2 - 圧力式流量制御装置および流量制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、圧力式流量制御装置および流量制御方法に関し、特に、小流量側への制御流量の変更を適切に行うように構成された圧力式流量制御装置および流量制御方法に関する。

半導体製造装置や化学プラントにおいて、原料ガスやエッチングガス等の流体の流れを制御するための種々のタイプの流量計や流量制御装置が利用されている。このなかで圧力式流量制御装置は、例えばピエゾ素子駆動型のコントロール弁と絞り部（オリフィスプレートや臨界ノズル）とを組み合せた比較的簡単な機構によって各種流体の流量を高精度に制御することができる。

圧力式流量制御装置には、臨界膨張条件Ｐ１／Ｐ２≧約２（Ｐ１：絞り部上流側のガス圧力（上流圧力）、Ｐ２：絞り部下流側のガス圧力（下流圧力））を満足するとき、流量は下流圧力Ｐ２によらず上流圧力Ｐ１によって決まるという原理を利用して流量制御を行っているものがある。この種の圧力式流量制御装置では、圧力センサとコントロール弁とを用いて上流圧力Ｐ１を制御するだけで、絞り部下流側に流れるガスの流量を高精度に制御することができる。また、絞り部の下流側にも圧力センサを設ける圧力式流量制御装置が知られている。下流圧力センサを備える場合、上流圧力Ｐ１と下流圧力Ｐ２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る。

特開平５－２４１６６６号公報 特許第３５４６１５３号

圧力式流量制御装置では、上流圧力センサが出力する上流圧力Ｐ１が、所望流量に適合する圧力値となるように、コントロール弁をフィードバック制御することによって、流量の制御を行う。

しかし、例えば１００％流量から５％流量などに制御流量を小流量側に変更する場合、上流圧力Ｐ１を急速に低下させるためにコントロール弁が閉止し、その後もコントロール弁の閉止状態が継続する場合があることが本発明者によってわかった。このようにコントロール弁が閉止状態になっても上流圧力Ｐ１が目標圧力値より高い状態が継続すると、フィードバック制御器による操作信号が弁閉方向へと遷移し続けるにも関わらず、操作信号の変化が上流圧力Ｐ１へなんら影響を与えない状態が発生する。このため、その後に所望流量（例えば５％流量）を得るためにコントロール弁を再度開いたとしても、コントロール弁への操作信号を戻すために時間的な遅れが生じ、フィードバック制御器が線形な制御対象に対して本来想定するよりも大きなアンダーシュートが発生する。

一方、上流圧力Ｐ１の急激な変動を避けるために、連続的に一定速度で流量目標値を遷移させるようにして（ランプ制御）、コントロール弁を一定速度で徐々に閉じることが考えられる。しかし、この場合に、上記のアンダーシュートを防止しようとすると、流量目標値の遷移に比較的長い時間を要することとになり、応答性が悪化するという問題があることがわかった。

近年、流量制御装置は、例えばＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）などに適用することが求められ、このような用途では、高速な（周期が非常に短い）パルス的なガス供給を行う必要がある。したがって、圧力式流量制御装置においても、良好な応答性で流量を制御することが求められてきており、従来の圧力式流量制御装置は、このような用途への適用が困難な場合があった。

なお、特許文献１には、オーバーシュートやアンダーシュートを防止するために、最初は急速に弁を開閉し、途中からはゆっくりと弁を開閉する動作が記載されている。ただし、特許文献１は、圧力式流量制御装置のように上流圧力Ｐ１に基づいてコントロール弁を制御する方式については言及しておらず、圧力式流量制御装置における実際のコントロール弁の制御をどのように行うかを開示するものではない。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、アンダーシュートの発生を抑制しながら、応答性良く流量制御を行うことが可能な圧力式流量制御装置および流量制御方法を提供することをその主たる目的とする。

本発明の実施形態による圧力式流量制御装置は、絞り部と、前記絞り部の上流側に設けられたコントロール弁と、前記絞り部と前記コントロール弁との間の圧力を検出する上流圧力センサと、前記コントロール弁および前記上流圧力センサに接続された演算処理回路とを備え、前記上流圧力センサの出力に基づいて前記コントロール弁の制御を行うことによって流量制御するように構成された圧力式流量制御装置であって、前記演算処理回路は、前記絞り部を流れる流体の流量を低下させるために前記コントロール弁を閉じる動作を行うとき、前記絞り部からガスが流出するときの圧力降下特性データよりも緩やかな指数関数を目標値とするフィードバック制御によって前記コントロール弁を閉じる動作を行うように構成されている。

ある実施形態において、前記圧力降下特性データは、時間ｔ、初期圧力Ｐ₀としたときにＹ（ｔ）＝Ｐ₀・ｅｘｐ（－ｔ／τ）で表される時定数τの指数関数的減衰を示すデータであり、前記コントロール弁を閉じる動作は、Ｐ（ｔ）＝（Ｐ₀－Ｐ_x）・ｅｘｐ（－ｔ／τ’）＋Ｐ_xに従って低下する上流圧力の前記目標値Ｐ（ｔ）に適合するように前記コントロール弁をフィードバック制御することによって実行され、ここで、Ｐ_xは目標収束値であり、前記Ｐ（ｔ）における時定数τ’が、前記Ｙ（ｔ）における時定数τよりも大きい。

ある実施形態において、前記圧力降下特性データは、時間ｔ、初期圧力Ｐ₀としたときにＹ（ｔ）＝Ｐ₀・ｅｘｐ（－ｔ／τ）で表される時定数τの指数関数的減衰を示すデータであり、前記コントロール弁を閉じる動作は、Ｐ（ｔ）＝ｍａｘ（Ｐ₀・ｅｘｐ（－ｔ／τ’），Ｐ_x）に従って低下する上流圧力の前記目標値Ｐ（ｔ）に適合するように前記コントロール弁をフィードバック制御することによって実行され、ここで、Ｐ_xは目標収束値であり、前記Ｐ（ｔ）における時定数τ’が、前記Ｙ（ｔ）における時定数τよりも大きい。

ある実施形態において、前記Ｐ（ｔ）の時定数τ’として、所定時間までの時定数と、前記所定時間の後の時定数とで異なる値が用いられる。

本発明の実施形態による流量制御方法は、絞り部と、前記絞り部の上流側に設けられたコントロール弁と、前記絞り部と前記コントロール弁との間の圧力を検出する上流圧力センサとを備える圧力式流量制御装置において行われる流量制御方法であって、前記絞り部からガスが流出するときの圧力降下特性データよりも緩やかな指数関数に従うように流量目標値を設定するステップと、設定された流量目標値に従って前記コントロール弁をフィードバック制御することによって流量を低下させるステップとを包含する。

本発明の実施形態による流量制御方法は、複数の圧力式流量御装置において行われる流量制御方法であって、前記複数の圧力式流量制御装置のそれぞれは、絞り部と、前記絞り部の上流側に設けられたコントロール弁と、前記絞り部と前記コントロール弁との間の圧力を検出する上流圧力センサとを備え、上記の流量制御方法によって流量制御が行われるよう構成されており、前記複数の圧力式流量制御装置のそれぞれで測定した圧力降下特性データを比較して、最も緩やかな圧力降下特性データを判定するステップと、前記最も緩やかな圧力降下特性データよりも緩やかな指数関数に従う共通の流量目標値を用いて、前記複数の圧力式流量制御装置のそれぞれで流量を低下させるステップとを包含する。

本発明の実施形態によれば、小流量側への流量変更時の圧力式流量制御装置の流量制御動作を適切に行うことができる。

本発明の実施形態による圧力式流量制御装置の構成を示す模式図である。 （ａ）は比較例における流量目標信号を示し、（ｂ）は実施例における流量目標信号を示す。 複数の圧力降下特性データよりも緩やかに設定された上流圧力目標値を示すグラフである。 図２（ａ）および（ｂ）に示した方式によって、制御流量（設定流量）を１００％から５％に変更したときの実際の流量の変化を示す図である。 時定数を所定時間で変更したときの目標圧力の変化を示すグラフである。

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。

図１は、本発明の実施形態による圧力式流量制御装置８の構成を示す図である。流量制御装置８は、流体Ｇが通過する流路（ガス供給路）１に介在する絞り部２（例えばオリフィスプレート）と、絞り部２の上流側に設けられた上流圧力センサ３および温度センサ５と、絞り部２の下流側に設けられた下流圧力センサ４と、上流圧力センサ３の上流側に設けられたコントロール弁６とを備えている。

上流圧力センサ３は、コントロール弁６と絞り部２との間の流体圧力である上流圧力Ｐ１を測定することができ、下流圧力センサ４は、絞り部２と下流弁９との間の流体圧力である下流圧力Ｐ２を測定することができる。

流量制御装置８はまた、上流圧力センサ３および下流圧力センサ４の出力などに基づいてコントロール弁６の開閉動作を制御する演算処理回路７を備えている。演算処理回路７は、外部制御装置１２から受け取った設定流量と、上流および下流圧力センサ３、４の出力から演算により求めた演算流量とを比較し、演算流量が設定流量に近づくようにコントロール弁６を制御する。

流量制御装置８は、図示する態様とは異なり、下流圧力センサ４を備えていなくてもよい。この場合、演算処理回路７は、上流圧力センサ３の出力などに基づいて流量を演算するように構成される。また、演算処理回路７は、好適な態様において、温度センサ５が検出した流体温度に基づいて演算流量を補正するように構成されている。

流量制御装置８は、コントロール弁６の上流側に、ガス供給圧を測定するための流入側圧力センサ（図示せず）を備えていてもよい。流入側圧力センサは、接続されたガス供給装置（例えば原料気化器）から供給されるガスの圧力を測定することができ、ガス供給量またはガス供給圧を制御するために用いることができる。

絞り部２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。下流弁９としては、例えば、電磁弁によって圧縮空気の供給が制御される公知の空気駆動弁（Ａｉｒ Ｏｐｅｒａｔｅｄ Ｖａｌｖｅ）等を用いることができる。また、オリフィス部材の近傍に開閉弁を配置した構成を有するオリフィス内蔵弁が従来より知られており、オリフィス内蔵弁を、絞り部２および下流弁９を一体化した構成として流量制御装置８に組み込むこともできる。

流量制御装置８の流路１は、配管によって構成されていてもよいし、金属製ブロックに形成した流路孔によって構成されていてもよい。上流および下流圧力センサ３、４は、例えばシリコン単結晶のセンサチップとダイヤフラムとを内蔵するものであってよい。コントロール弁６は、例えば、金属製ダイヤフラム弁体を含む弁機構を、圧電アクチュエータなどの駆動機構を用いて開閉するように構成された圧電素子駆動式ダイヤフラム弁であってよい。

流量制御装置８を含む流体供給系において、コントロール弁６の上流側は、材料ガス、エッチングガスまたはキャリアガスなどのガス供給源に接続され、絞り部２の下流側は、下流弁９を介して半導体製造装置のプロセスチャンバ１０に接続される。プロセスチャンバ１０には真空ポンプ１１が接続されており、典型的には、ガス供給時にプロセスチャンバ１０の内部が真空引きされる。

以上に説明した流量制御装置８は、圧力式流量制御装置であり、臨界膨張条件Ｐ１／Ｐ２≧約２（アルゴンガスの場合）を満たすとき、流量は上流圧力Ｐ１によって決まるという原理を利用して流量制御を行っている。臨界膨張条件を満たすとき、絞り部２の下流側の流量Ｑは、Ｑ＝Ｋ₁・Ｐ１（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３によって測定される上流圧力Ｐ１に比例する。また、下流圧力センサ４を備える場合、上流圧力Ｐ１と下流圧力Ｐ２との差が小さく、上記の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３、４によって測定された上流圧力Ｐ１および下流圧力Ｐ２に基づいて、計算式Ｑ＝Ｋ₂・Ｐ２^m（Ｐ１－Ｐ２）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。

流量制御を行うために、外部制御装置１２において設定された設定流量が、外部制御装置１２から演算処理回路７に送られる。演算処理回路７は、上流圧力センサ３の出力などに基づいて、臨界膨張条件または非臨界膨張条件における流量計算式を用いて流量を上記のＱ＝Ｋ₁・Ｐ１またはＱ＝Ｋ₂・Ｐ２^m（Ｐ１－Ｐ２）ⁿから流量Ｑの測定値である演算流量を随時算出し、絞り部２を通過する流体の流量が設定流量に近づくように（すなわち、演算流量と設定流量との差が０に近づくように）コントロール弁６をフィードバック制御する。演算流量は、外部制御装置１２に出力され、流量出力値として表示されてもよい。

演算処理回路７は、典型的には流量制御装置８に内蔵されたものであるが、流量制御装置８の外部に設けられたものであってもよい。演算処理回路７は、典型的には、ＣＰＵ、ＲＯＭやＲＡＭなどのメモリ（記憶装置）Ｍ、Ａ／Ｄコンバータ等を内蔵しており、後述する流量制御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い。演算処理回路７は、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。

演算処理回路７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。演算処理回路７の構成要素（ＣＰＵなど）は、すべてが装置内に一体的に設けられている必要はなく、ＣＰＵなどの一部の構成要素を別の場所（装置外）に配置し、バスで相互に接続する構成としても良い。その際、装置内と装置外とを、有線だけでなく無線で通信するようにしても良い。

以下、制御流量を小流量側に変更する場合（流量立ち下げ時）における流量制御装置８の動作を説明する。以下、設定流量・演算流量・目標流量 等の流量値はすべて、所定の流量値を１００％とした比率で表記する。また、臨界膨張条件の成り立つ時は流量と上流圧力が比例することを加味して、流量値が１００％の時の上流圧力を１００％として比率で表記する。

演算処理回路７は、例えば、図２（ａ）および（ｂ）に示すように設定流量を１００％から５％に変化させる信号（実線で示す外部流量設定信号Ａ１）を受け取ったとき、これに対応して流量を低下させるために、破線で示す流量目標値Ａ２（または上流圧力目標値）を設定して、フィードバック制御によりコントロール弁６を閉じる動作を行う。コントロール弁６の駆動電圧は、上流圧力センサ３の出力から求められる演算流量と、設定された流量目標値Ａ２との差が０となるように随時変動する。

このとき、本実施形態の演算処理回路７は、図２（ａ）に示す比較例のようにランプ制御により流量目標値Ａ２を低下させてコントロール弁６を閉じる動作を行うのではなく、図２（ｂ）に示す実施例のように所定の指数関数に従って流量目標値Ａ２を低下させることにより、すなわち、一次遅れ制御によりコントロール弁６を閉じる動作を行う。

また、図２（ｂ）に示す流量目標値Ａ２に用いる所定の指数関数としては、予め測定によって得られた上流圧力Ｐ１の圧力降下特性データＹ（ｔ）と比較して、これよりも緩やかな（すなわち、傾きが小さい）指数関数が用いられる。

より具体的に説明すると、圧力降下特性データＹ（ｔ）が、初期圧力をＰ₀としてＹ（ｔ）＝Ｐ₀・ｅｘｐ（－ｔ／τ）で表される時定数τの指数関数によって与えられているとき、本実施形態では、例えばＰ（ｔ）＝（Ｐ₀－Ｐ_x）・ｅｘｐ（－ｔ／τ’）＋Ｐ_x（ここで、Ｐ_xは、流量目標収束値に対応する圧力）に従う上流圧力目標値Ｐ（ｔ）に適合するようにコントロール弁６をフィードバック制御し、このときのＰ（ｔ）における時定数τ’が、Ｙ（ｔ）における時定数τよりも大きくなるように、すなわち、τ＜τ’に設定する。これは、フィードバック制御器の目標値入力段に例えばＧ（ｓ）＝１／（ｓ＋τ）で表わされるフィルタを追加（ここでｓは複素数であり、Ｇ（ｓ）は伝達関数である）したことに相当し、実装が容易である。これにより、圧力降下特性データＹ（ｔ）よりも緩やかかつ高速に流量目標収束値に収束する関数としてＰ（ｔ）を用いることで、流量目標値をアンダーシュートを抑えてかつ高速に低下させることができる。

また、図２（ｂ）にＡ３として破線で示すように、Ｐ₂（ｔ）＝ｍａｘ（Ｐ₀・ｅｘｐ（－ｔ／τ’），Ｐ_x） （ただしτ＜τ’）を上流圧力の目標値として用いても良い。この式を用いた場合、Ｐ₀・ｅｘｐ（－ｔ／τ’）とＰ_xとの大きい方が目標値に設定されるので、目標値がＰ_xを下回ることがなく、アンダーシュートを防ぎつつ、流量立ち上がり時に同じ式を用いても不要な遅れが発生せず、流量目標収束値が大きい場合であっても最も応答が速い制御を実現することができる。

ここで、上記の圧力降下特性データＹ（ｔ）について説明する。圧力降下特性データは、例えば、ガスが流れている状態からコントロール弁６を急速に閉じたときに生じる上流圧力Ｐ１の降下特性を示すデータである。また、圧力降下特性データＹ（ｔ）は、好適には、下流圧力Ｐ２が上流圧力Ｐ１に対して十分小さい状態に維持され、臨界膨張条件を満足する範囲内で取得されたデータである。臨界膨張条件が満たされている間は流量が上流圧力に比例するため、上流圧力Ｐ１は圧力０に向かって指数減衰する。

圧力降下特性データＹ（ｔ）は、例えば、初期制御圧力が１００％の状態でコントロール弁を閉じ、その後流量が低下する過程で上流圧力センサ３を用いて、経過時間に対応する圧力を２０点測定し、時間の関数として圧力をプロットすることによって得ることができる。なお、圧力降下特性データＹ（ｔ）を得るときの初期制御圧力は１００％に限られず、十分な測定サンプル数を得ることが可能であれば１００％以下であってもよい。また、測定サンプル数についても２０点に限らず、十分な精度が得られるのであれば、より少ないサンプル数（例えば３点）であってもよい。もちろん、２０点を超えていてもよい。

圧力式流量制御装置８では、コントロール弁６を急速に閉じた場合にも、ガス流量が瞬時に０まで低下するわけではなく、上流圧力Ｐ１の低下を伴いながら減衰するようにして流量が低下する。これは、コントロール弁６と絞り部２との間に溜まっていたガスが絞り部２を介して流出するため、絞り部２の特性の影響を受けるようにして流量が低下するためである。

圧力降下特性データＹ（ｔ）の時定数τは、例えば、コントロール弁６と絞り部２との間の流路容積、オリフィス断面積などに依存して決まり、上記のようにしてコントロール弁６を閉じたときの上流圧力Ｐ１を上流圧力センサ３を用いて測定することによって、機器ごとに得ることが可能である。圧力降下特性データＹ（ｔ）は、その機器における、最大圧力減少速度を示すデータと考えることができる。

このため、圧力式流量制御装置８においては、コントロール弁６の遮断速度を如何に高めたとしても、圧力降下特性データＹ（ｔ）よりも急速に流量または上流圧力を低下させることは不可能である。また、圧力降下特性データよりも急速に低下する目標値を設定したときには、上流圧力Ｐ１を低下させようとしてコントロール弁６の閉止状態が継続することになる。そして、このような無制御状態（目標値が圧力降下特性データを下回っているために、コントロール弁６が閉止した状態）が続くと、コントロール弁６へのフィードバック制御器からの指示値の電圧が弁閉方向へと遷移し続けるにも関わらず、コントロール弁６は閉止状態で変化がない状況が発生し、特に低設定流量において、アンダーシュートが発生する原因となる。

以上の点を考慮して、本実施形態では、小流量側への流量変更を行うときには、圧力降下特性データＹ（ｔ）と比較して、これよりも緩やかな指数関数に従うように流量目標値（または上流圧力目標値）Ｐ（ｔ）を設定し、コントロール弁６の閉止状態が生じないようにしている。ここで、緩やかとは、Ｐ（ｔ₁）＝Ｙ（ｔ₂）を満たすｔ₁，ｔ₂に対し、｜ｄＰ（ｔ₁）／ｄｔ｜＜｜ｄＹ（ｔ₂）／ｄｔ｜を満たすことを意味する。これによってアンダーシュートの発生を抑制することができる。

また、上記のように圧力降下特性データＹ（ｔ）は、厳密には機器ごとに異なるデータである。ただし、同じ設計（同じコントロール弁－絞り部間容積、同じオリフィス径）で作製された圧力式流量制御装置では、ほとんど同じ特性データとなることが分かっている。したがって、同設計の圧力式流量制御装置については、共通の圧力降下特性データＹ（ｔ）を用いることも可能である。

一方で、機器ごとの特性差を吸収できるマージンを確保するように圧力降下特性データＹ（ｔ）に対して十分に緩やかな指数関数を目標値として用いることによって、複数の同設計機器に対して同じ指数関数制御を適用することも可能である。ただし、マージンを多くとればとるほど、応答性が低下するので、上記の指数関数は、圧力降下特性データＹ（ｔ）から乖離しすぎないように設定されることが好ましい。マージンの大きさは、アンダーシュートの発生具合や、求められる応答性を考慮して適宜選定されてよいが、上流圧力目標値Ｐ（ｔ）の時定数τ’が、圧力降下特性データＹ（ｔ）の時定数τに対して、例えば１００～１５０％（より具体的には１０５～１３０％）に設定される。

また、上記のように、複数の圧力式流量制御装置に対して同じ共通の指数関数制御を用いる場合、各圧力式流量制御装置において圧力降下特性データＹ（ｔ）を予めそれぞれ取得しておき、得られた圧力降下特性データＹ（ｔ）のうちの最も緩やかな圧力降下特性データＹ（ｔ）を基準として、共通の目標値Ｐ（ｔ）を設定するようにしてもよい。共通の目標値Ｐ（ｔ）は、上記の最も緩やかな圧力降下特性データＹ（ｔ）よりも緩やかな指数関数に設定され、複数の圧力式流量制御装置の全体に対して圧力降下特性データＹ（ｔ）よりも緩やかに設定される。したがって、複数の圧力式流量制御装置の全てにおいて、共通の目標値Ｐ（ｔ）が支配的になり、アンダーシュートの発生が防止されとともに、装置間の応答性の差をなくすことができ、複数の圧力式流量制御装置において同等の流量制御を行うことが可能になる。

図３は、複数の圧力降下特性データＹ１（ｔ）、Ｙ２（ｔ）に対して設定された目標圧力Ｐ（ｔ）を示す。図３からわかるように、最も緩やかな圧力降下特性データＹ２（ｔ）よりも緩やかな目標上昇圧力Ｐ（ｔ）に設定することによって、複数の圧力式流量制御装置において、同等の流量制御を行うことが可能になる。なお、図３中のｓｅｔで示す実線のグラフは、外部装置から入力された設定信号を示す。

また、上記には同設計の圧力式流量制御装置に対して共通の目標値Ｐ（ｔ）を用いる態様を説明したが、例えば、オリフィス径が異なる複数の圧力式流量制御装置や、オリフィス径が異なる複数の流路を備えた単一の圧力式流量制御装置に対して、共通の目標値Ｐ（ｔ）を用いて流量制御を行ってもよい。この場合にも、最も緩やかな圧力降下特性データＹ（ｔ）を基準として、これよりも緩やかな共通の目標値Ｐ（ｔ）に設定すればよい。これにより、アンダーシュートの発生を防止しながら同等の圧力降下特性にしたがう制御を行うことが可能になる。

図４は、図２（ａ）に示した比較例のようにランプ制御により流量を１００％から５％に低下させたときと、図２（ｂ）に示した実施例のように流量を低下させたときとの実際の流量の変化を示す図である。図４において、実線Ｆ０は、外部装置から入力された流量設定信号を示し、破線Ｆ１は実施例に従って流量を低下させた場合を示し、一点鎖線Ｆ２は、比較例に従って流量を低下させた場合を示す。

図４の破線Ｆ１からわかるように、圧力降下特性データＹ（ｔ）に基づいて設定された指数関数的流量目標値を用いて制御を行うことによって、応答性が良好なままで、一点鎖線Ｆ２に示されるようなアンダーシュートの発生を防止することができる。

また、上記のように、圧力降下特性データＹ（ｔ）よりも緩やかな指数関数を用いて流量制御を行うことによって、同設計の圧力式流量制御装置における、機器ごとの特性差（機差）を出現させることなく、いずれの機器においても、同等の流量低下制御が行えることできる。これは、圧力降下特性データＹ（ｔ）は、機器ごとに異なっており、従来の制御では、圧力降下特性データＹ（ｔ）が流量に支配的となって流量制御が行われていたために機差が出現していたのに対して、本実施形態によれば、流量目標値の指数関数が流量に支配的になるため、いずれの機器でも同等の流量制御を行うことが可能になったためである。このように、本実施形態によれば、特に小流量側への流量変更時の応答性の機差を抑制する効果が得られることも明らかになった。

なお、半導体製造装置のプロセス終了時（プロセスチャンバへのガス供給停止時）やメンテナンスモードにおいて、自己診断機能を実行することができるように構成された圧力式流量制御装置が知られており、自己診断の方法としては、コントロール弁を開状態から閉状態に変化させたときの圧力降下特性を用いるものが知られている（例えば、特許文献２）。

本実施形態の圧力式流量制御装置８も、自己診断機能を備えていてよく、この自己診断機能を利用して上流圧力Ｐ１の測定により圧力降下特性データＹ（ｔ）を取得し、取得した圧力降下特性データＹ（ｔ）を用いて、これよりも緩やかな指数関数に従うように立下り期間の流量目標値を設定するようにしてもよい。

また、圧力降下特性データＹ（ｔ）は、通常、フローファクタと同様に、ガスの種類ごとに異なるものである。ここで、フローファクタとは、流体の種類によって異なる、ガス圧力と流れやすさとの関係を示す指標である。フローファクタが小さいガスの場合、圧力降下特性データは下側にずれる（すなわち、圧力降下が生じやすくなる）。したがって、特定ガス（例えば窒素ガス）により予め測定された圧力降下特性データを用いて、フローファクタを考慮した対象ガスの圧力降下特性データを求めるとともに、これを用いて対象ガスの流量目標値を設定するようにしてもよい。なお、窒素のフローファクタを１としたときの比フローファクタは、例えば、Ａｒ＝約０．８８７、Ｈｅ＝約２．８１、Ｈ₂＝約３．７４、Ｏ₂＝約０．９３５、Ｎ₂Ｏ＝約０．７６５、ＮＨ₃＝１．２３６であり、ガスの種類によって様々な値を取ることが知られている。

ガス種ごとの流量制御の方法については、例えば特許文献２に記載のようにしてガス種ごとにフローファクタを用いて圧力降下特性データを得るとともに、これよりも緩やかな指数関数に従うように流量目標値を設定することによって、任意のガス種に対して、アンダーシュートを生じさせない好適な流量低下動作を行うことが可能である。

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、目標圧力Ｐ（ｔ）の時定数τ’として、所定時間までの時定数と、所定時間後の時定数とで異なる値が用いられてもよい。この時の目標圧力Ｐ（ｔ）の変化を図５に示す。この場合、所定時間（図５に示す例では２００ｍｓ）経過後の時定数を比較的大きく設定することによって、高い応答性を維持したまま、アンダーシュートの発生をより効果的に防止し得る。

本発明の実施形態による圧力式流量制御装置または流量制御方法によれば、アンダーシュートの発生を抑制しながら応答性良く流量を低下させることができる。また、小流量側への流量変更時の応答性の機差をなくすことができる。

１ 流路
２ 絞り部
３ 上流圧力センサ
４ 下流圧力センサ
５ 温度センサ
６ コントロール弁
７ 演算処理回路
８ 圧力式流量制御装置
９ 下流弁
１０ プロセスチャンバ
１１ 真空ポンプ
１２ 外部制御装置

Claims (6)

1. 絞り部と、前記絞り部の上流側に設けられたコントロール弁と、前記絞り部と前記コントロール弁との間の圧力を検出する上流圧力センサと、前記コントロール弁および前記上流圧力センサに接続された演算処理回路とを備え、前記上流圧力センサの出力に基づいて前記コントロール弁の制御を行うことによって流量制御するように構成された圧力式流量制御装置であって、
   前記演算処理回路は、前記絞り部を流れる流体の流量を低下させるために前記コントロール弁を閉じる動作を行うとき、前記絞り部からガスが流出するときの圧力降下特性データよりも緩やかな指数関数を目標値とするフィードバック制御によって前記コントロール弁を閉じる動作を行う、圧力式流量制御装置。
2. 前記圧力降下特性データは、時間ｔ、初期圧力Ｐ₀としたときにＹ（ｔ）＝Ｐ₀・ｅｘｐ（－ｔ／τ）で表される時定数τの指数関数的減衰を示すデータであり、前記コントロール弁を閉じる動作は、Ｐ（ｔ）＝（Ｐ₀－Ｐ_x）・ｅｘｐ（－ｔ／τ’）＋Ｐ_xに従って低下する上流圧力の前記目標値Ｐ（ｔ）に適合するように前記コントロール弁をフィードバック制御することによって実行され、ここで、Ｐ_xは目標収束値であり、前記Ｐ（ｔ）における時定数τ’が、前記Ｙ（ｔ）における時定数τよりも大きい、請求項１に記載の圧力式流量制御装置。
3. 前記圧力降下特性データは、時間ｔ、初期圧力Ｐ₀としたときにＹ（ｔ）＝Ｐ₀・ｅｘｐ（－ｔ／τ）で表される時定数τの指数関数的減衰を示すデータであり、前記コントロール弁を閉じる動作は、Ｐ（ｔ）＝ｍａｘ（Ｐ₀・ｅｘｐ（－ｔ／τ’），Ｐ_x）に従って低下する上流圧力の前記目標値Ｐ（ｔ）に適合するように前記コントロール弁をフィードバック制御することによって実行され、ここで、Ｐ_xは目標収束値であり、前記Ｐ（ｔ）における時定数τ’が、前記Ｙ（ｔ）における時定数τよりも大きい、請求項１に記載の圧力式流量制御装置。
4. 前記Ｐ（ｔ）の時定数τ’として、所定時間までの時定数と、前記所定時間後の時定数とで異なる値が用いられる、請求項２または３に記載の圧力式流量制御装置。
5. 絞り部と、前記絞り部の上流側に設けられたコントロール弁と、前記絞り部と前記コントロール弁との間の圧力を検出する上流圧力センサとを備える圧力式流量制御装置において行われる流量制御方法であって、
   前記絞り部からガスが流出するときの圧力降下特性データよりも緩やかな指数関数に従うように流量目標値を設定するステップと、
   設定された流量目標値に従って前記コントロール弁をフィードバック制御することによって流量を低下させるステップと
   を包含する、流量制御方法。
6. 複数の圧力式流量御装置において行われる流量制御方法であって、
   前記複数の圧力式流量制御装置のそれぞれは、絞り部と、前記絞り部の上流側に設けられたコントロール弁と、前記絞り部と前記コントロール弁との間の圧力を検出する上流圧力センサとを備え、請求項５に記載の流量制御方法によって流量制御が行われるよう構成されており、
   前記複数の圧力式流量制御装置のそれぞれで測定した圧力降下特性データを比較して、最も緩やかな圧力降下特性データを判定するステップと、
   前記最も緩やかな圧力降下特性データよりも緩やかな指数関数に従う共通の流量目標値を用いて、前記複数の圧力式流量制御装置のそれぞれで流量を低下させるステップと
   を包含する、流量制御方法。

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