特許 7369456 流量制御方法および流量制御装置

(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】2023-10-18

(45)【発行日】2023-10-26

(54)【発明の名称】流量制御方法および流量制御装置

(51)【国際特許分類】

   G05D 7/06 20060101AFI20231019BHJP

【ＦＩ】

G05D7/06 Z

【請求項の数】 15

(21)【出願番号】P 2020527444

(86)(22)【出願日】2019-06-19

(86)【国際出願番号】 JP2019024323

(87)【国際公開番号】W WO2020004183

(87)【国際公開日】2020-01-02

【審査請求日】2022-03-01

(31)【優先権主張番号】P 2018120719

(32)【優先日】2018-06-26

(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】平田 薫

(72)【発明者】

【氏名】小川 慎也

(72)【発明者】

【氏名】杉田 勝幸

(72)【発明者】

【氏名】西野 功二

(72)【発明者】

【氏名】池田 信一

【審査官】田中 友章

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－０９２６２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－１３６７３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０２０／００４１８３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特表２０１１－５１０４０４（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】

流路に設けられた第１コントロール弁と、
前記第１コントロール弁の下流側に設けられた第２コントロール弁と、
前記第１コントロール弁の下流側かつ前記第２コントロール弁の上流側の流体圧力を測定する圧力センサと、を備えた流量制御装置を用いて、流量ゼロから第１流量に流量を立上げるときに行う流量制御方法であって、
（ａ）前記第２コントロール弁を閉鎖した状態で、前記圧力センサの出力に基づいて前記第１コントロール弁の下流に残留する圧力を求めるステップ（ａ）と、
（ｂ）前記圧力センサの出力に基づいて前記第２コントロール弁の開度を調整することによって、前記第１コントロール弁下流に残留する圧力を制御し、前記第２コントロール弁の下流側に前記第１流量で流体を流すステップ（ｂ）と、
を含み、
前記ステップ（ｂ）において、αを比例定数、ΔＰ１／Δｔを前記圧力センサが出力する上流圧力の変化ΔＰ１と前記上流圧力の変化ΔＰ１に要した時間Δｔの比である圧力変化率、Ｖを前記第１コントロール弁と前記第２コントロール弁との間の内容積としたとき、
Ｑ＝α・（ΔＰ１／Δｔ）・Ｖ
で表されるビルドダウン流量Ｑが前記第１流量に一致するように、前記第２コントロール弁の開度を前記圧力センサが出力する信号に基づいて制御する、流量制御方法。

【請求項2】

前記ステップ（ａ）において、前記第１コントロール弁と前記第２コントロール弁との両方を閉鎖した状態で前記残留する圧力を求める、請求項１に記載の流量制御方法。

【請求項3】

前記ステップ（ａ）において、前記圧力センサの出力に基づいて求めた圧力が、前記第１流量に相当する圧力よりも低い場合、前記第１コントロール弁の下流に残留する圧力が前記第１流量に相当する圧力よりも高くなるまで前記第１コントロール弁を開き、前記第１流量に相当する圧力を越えた時点で前記第１コントロール弁を閉じるステップを更に含む、請求項２に記載の流量制御方法。

【請求項4】

前記ステップ（ａ）において、前記第１コントロール弁は、前記圧力センサの出力に基づいて前記第１コントロール弁の開度を前記第１流量になるように制御する時の開度よりも小さい開度にしており、前記圧力センサの出力に基づいて求めた圧力が閾値以上であるときに、前記第２コントロール弁を開いて前記ステップ（ｂ）を行う、請求項１に記載の流量制御方法。

【請求項5】

前記ステップ（ｂ）を行った後、前記圧力センサの出力が所定値まで低下した時点で、前記圧力センサの出力に基づいて前記第１コントロール弁の開度を制御して前記第１流量で下流に流体を流すステップ（ｃ）をさらに包む、請求項１から４のいずれかに記載の流量制御方法。

【請求項6】

流路に設けられた第１コントロール弁と、
前記第１コントロール弁の下流側に設けられた第２コントロール弁と、
前記第１コントロール弁の下流側かつ前記第２コントロール弁の上流側の流体圧力を測定する圧力センサと、
前記第１コントロール弁および前記第２コントロール弁の動作を制御する制御回路であって、前記圧力センサが出力する信号に基づいて前記第１コントロール弁及び第２コントロール弁を制御することによって流量を制御するように構成された制御回路と
を備える流量制御装置であって、流量ゼロから第１流量に流量を立上げるとき、
前記制御回路は、
（ａ）前記第２コントロール弁を閉鎖した状態で、前記圧力センサの出力に基づいて第１コントロール弁下流に残留する圧力を求めるステップ（ａ）と、
（ｂ）前記圧力センサの出力に基づいて、第１コントロール弁下流に残留する圧力を、前記第２コントロール弁の開度を調整することによって制御し、前記第２コントロール弁の下流側に第１流量で流体を流すステップ（ｂ）と、
を実行し、前記制御回路は、
前記ステップ（ｂ）において、αを比例定数、ΔＰ１／Δｔを前記圧力センサが出力する上流圧力の変化ΔＰ１と前記上流圧力の変化ΔＰ１に要した時間Δｔの比である圧力変化率、Ｖを前記第１コントロール弁と前記第２コントロール弁との間の内容積としたとき、
Ｑ＝α・（ΔＰ１／Δｔ）・Ｖ
で表されるビルドダウン流量Ｑが前記第１流量に一致するように、前記第２コントロール弁の開度を、前記圧力センサが出力する信号に基づいて制御する、流量制御装置。

【請求項7】

前記第２コントロール弁の下流側に設けられた別の圧力センサをさらに備える、請求項６に記載の流量制御装置。

【請求項8】

流路に設けられた第１コントロール弁と、
前記第１コントロール弁の下流側に設けられた第２コントロール弁と、
前記第１コントロール弁の下流側かつ前記第２コントロール弁の上流側の流体圧力を測定する圧力センサとを備え、
前記圧力センサが出力する信号に基づいて下流側の流量を制御する流量制御装置であって、
流量ゼロの状態から第１流量に流量を制御する際に、前記第２コントロール弁が閉鎖されて流量ゼロの状態から、前記圧力センサの出力に基づいて前記第２コントロール弁の開度を制御し、前記第１コントロール弁の下流に残留した圧力の変化率が、前記第２コントロール弁から流出する時の流量が前記第１流量になるときの圧力の変化率と一致するように、前記第２コントロール弁の開度を制御するように構成され、このとき、
前記第２コントロール弁の開度は、αを比例定数、ΔＰ１／Δｔを前記圧力センサが出力する上流圧力の変化ΔＰ１と前記上流圧力の変化ΔＰ１に要した時間Δｔの比である圧力変化率、Ｖを前記第１コントロール弁と前記第２コントロール弁との間の内容積としたとき、
Ｑ＝α・（ΔＰ１／Δｔ）・Ｖ
で表されるビルドダウン流量Ｑが前記第１流量に一致するように、前記圧力センサが出力する信号に基づいてフィードバック制御される、流量制御装置。

【請求項9】

前記流量ゼロの状態から前記第１流量に流量を制御する際に、前記第１コントロール弁は閉鎖されている、請求項８に記載の流量制御装置。

【請求項10】

前記流量ゼロの状態から前記第１流量に流量を制御する際に、前記第１コントロール弁は前記第１流量に対応する開度よりも小さい開度に制御される、請求項８に記載の流量制御装置。

【請求項11】

前記第２コントロール弁の下流側に設けられた別の圧力センサをさらに備える、請求項８から１０のいずれかに記載の流量制御装置。

【請求項12】

流路に設けられた第１コントロール弁と、
前記第１コントロール弁の下流側に設けられた第２コントロール弁と、
前記第１コントロール弁の下流側かつ前記第２コントロール弁の上流側の流体圧力である上流圧力を測定する第１圧力センサとを備え、
前記第１圧力センサが出力する信号に基づいて下流側の流量を制御する流量制御装置であって、
流量ゼロから第１流量に流量を制御する際、前記第１コントロール弁下流に残留した圧力を用いて、
Ｑ＝α・（ΔＰ１／Δｔ）・Ｖ
によって流量を制御し、
前記第１圧力センサの圧力が、所定の圧力に到達した時点で、
Ｑ＝Ｋ₁・Ｐ１
による制御に切り替えて制御することを特徴とし、ここで、Ｑは流量、αは比例定数、ΔＰ１／Δｔは前記上流圧力の圧力変化率、Ｖは前記第１コントロール弁と前記第２コントロール弁との間の内容積、Ｋ₁は流体の種類と流体温度に依存する定数、Ｐ１は前記第１圧力センサが出力する上流圧力である、流量制御装置。

【請求項13】

前記第１圧力センサの圧力が、
Ｑ＝Ｋ₁・Ｐ１
による制御における、前記第１流量に相当する圧力に到達した時点で制御を切り替えることを特徴とする、請求項１２に記載の流量制御装置。

【請求項14】

流路に設けられた第１コントロール弁と、
前記第１コントロール弁の下流側に設けられた第２コントロール弁と、
前記第１コントロール弁の下流側かつ前記第２コントロール弁の上流側の流体圧力である上流圧力を測定する第１圧力センサと、
前記第２コントロール弁の下流側の流体圧力である下流圧力を測定する第２圧力センサと、を備え、
前記第１圧力センサ及び第２圧力センサが出力する信号に基づいて下流側の流量を制御する流量制御装置であって、
流量ゼロから第１流量に流量を制御する際、前記第１コントロール弁下流に残留した圧力を用いて、
Ｑ＝α・（ΔＰ１／Δｔ）・Ｖ
によって流量を制御し、
前記第１圧力センサ及び前記第２圧力センサに基づく圧力が、所定の圧力に到達した時点で、
Ｑ＝Ｋ₂・Ｐ２^m（Ｐ１－Ｐ２）ⁿ
による制御に切り替えて制御することを特徴とし、ここで、Ｑは流量、αは比例定数、ΔＰ１／Δｔは前記第１圧力センサが出力する上流圧力の圧力変化率、Ｖは前記第１コントロール弁と前記第２コントロール弁との間の内容積、Ｋ₂は流体の種類と流体温度に依存する定数、Ｐ１は前記上流圧力、Ｐ２は前記第２圧力センサが出力する下流圧力、ｍおよびｎは実際の流量を元に導出される指数である、流量制御装置。

【請求項15】

前記第１及び第２圧力センサの圧力が、
Ｑ＝Ｋ₂・Ｐ２^m（Ｐ１－Ｐ２）ⁿ
による制御における、前記第１流量に相当する圧力に到達した時点で制御を切り替えることを特徴とする、請求項１４に記載の流量制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、流量制御方法および流量制御装置に関し、特に、半導体製造装置や化学プラント等において好適に利用される流量制御方法および流量制御装置に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体製造装置や化学プラントにおいて、材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に、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、コントロール弁と絞り部（例えばオリフィスプレート）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ので広く利用されている。また、圧力式流量制御装置は、一次側供給圧が大きく変動しても安定した流量制御を行うことができるという優れた流量制御特性を有している。圧力式流量制御装置は、例えば特許文献１に開示されている。

【0003】

圧力式流量制御装置に用いられるコントロール弁としては、金属ダイヤフラム弁体を、圧電素子駆動装置（以下、ピエゾアクチュエータと呼ぶことがある）によって開閉させる圧電素子駆動式バルブが用いられている。特許文献２に、コントロール弁として用いられるノーマルオープン型の圧電素子駆動式バルブが開示されている。

【0004】

圧力式流量制御装置は、絞り部の上流側の流体圧力（以下、上流圧力と呼ぶことがある）を制御することによって、流量を調整するように構成されている。上流圧力は、絞り部上流側に設けられたコントロール弁の開度を調整することによって制御することができ、上流圧力を所望流量に対応する圧力に適合させることによって、所望流量で流体を流すことができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２００７－１９２２６９号公報

【文献】特許第４９３３９３６号公報

【文献】特開２０１５－１３８３３８号公報

【文献】国際公開第２０１８／０２１２７７号

【文献】国際公開第２０１８／００８４２０号

【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】

【0006】

従来の圧力式流量制御装置において、オリフィス下流側またはオリフィス近傍上流側に開閉弁を設けて、これを開閉制御することがある。このような下流側の開閉弁は、例えば、プロセスチャンバへのガスの供給停止を行うために用いられる。また、圧力式流量制御装置を用いてＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）プロセスを行う場合、下流側の開閉弁の開閉動作を繰り返すことによって、周期が短いパルス的な流量制御を行うこともある。

【0007】

しかしながら、コントロール弁および下流側の開閉弁を閉鎖して流量を０にした後にも、コントロール弁を介しての流体の微小リークなどによって、流路内圧が高くなることがある。また、コントロール弁および下流側の開閉弁を閉じるタイミングによって、閉弁前に流していた流体の圧力が閉弁後にも弁間に残り、比較的高い圧力が残留することがある。その結果、再度流量制御を開始したときに、流路内圧が高くなっているため、下流側の開閉弁を開いた際、残留している圧力が一気に下流側に開放され、立上げ時の制御流量に所謂オーバーシュートが生じるという問題がある。

【0008】

流量立上げの際のオーバーシュートを防止する技術として、特許文献３に、コントロール弁とオリフィスとの間に排気ラインを設け、流量制御前に予め排気することによって、上流圧力を低下させることが開示されている。しかしながら、特許文献３に記載の方式では、排気ラインや排気ライン用の開閉弁を別途設ける必要があり、コストの増加や装置の大型化が避けられないという問題がある。また、流量制御前に排気を行ったとしても、上流圧力に基づいてコントロール弁の開度をフィードバック制御する方式では、流量立ち上げ時の応答性を十分に向上させることが困難な場合もあった。

【0009】

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、流量立ち上げの際のオーバーシュートを防止し、また、応答性を向上させて設定流量へ素早く制御することができる流量制御方法および流量制御装置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】

【0010】

本発明の実施形態による流量制御方法は、流路に設けられた第１コントロール弁と、前記第１コントロール弁の下流側に設けられた第２コントロール弁と、前記第１コントロール弁の下流側かつ前記第２コントロール弁の上流側の流体圧力を測定する圧力センサと、を備えた流量制御装置を用いて、流量ゼロから第１流量に流量を立上げるときに行う流量制御方法であって、（ａ）前記第２コントロール弁を閉鎖した状態で、前記圧力センサの出力に基づいて前記第１コントロール弁の下流に残留する圧力を求めるステップ（ａ）と、（ｂ）前記圧力センサの出力に基づいて前記第２コントロール弁の開度を調整することによって、前記第１コントロール弁下流に残留する圧力を制御し、前記第２コントロール弁の下流側に前記第１流量で流体を流すステップ（ｂ）とを含む。

【0011】

ある実施形態において、前記ステップ（ａ）では、前記第１コントロール弁と前記第２コントロール弁との両方を閉鎖した状態で前記残留する圧力を求める。

【0012】

ある実施形態において、上記の流量制御方法は、前記ステップ（ａ）で前記圧力センサの出力に基づいて求めた圧力が、前記第１流量に相当する圧力よりも低い場合、前記第１コントロール弁の下流に残留する圧力が前記第１流量に相当する圧力よりも高くなるまで前記第１コントロール弁を開き、前記第１流量に相当する圧力を越えた時点で前記第１コントロール弁を閉じるステップを更に含む。

【0013】

ある実施形態において、前記ステップ（ａ）では、前記第１コントロール弁は、前記圧力センサの出力に基づいて前記第１コントロール弁の開度を前記第１流量になるように制御する時の開度よりも小さい開度に閉じられており、前記圧力センサの出力に基づいて求めた圧力が閾値以上であるときに、前記第２コントロール弁を開いて前記ステップ（ｂ）を行う。

【0014】

ある実施形態において、前記ステップ（ｂ）において、αを比例定数、ΔＰ１／Δｔを前記圧力センサが出力する上流圧力の変化ΔＰ１と前記上流圧力の変化ΔＰ１に要した時間Δｔの比である圧力変化率、Ｖを前記第１コントロール弁と前記第２コントロール弁との間の内容積としたとき、Ｑ＝α・（ΔＰ１／Δｔ）・Ｖで表されるビルドダウン流量Ｑが前記第１流量に一致するように、前記第２コントロール弁の開度を前記圧力センサが出力する信号に基づいて制御する。

【0015】

ある実施形態において、上記の流量制御方法は、前記ステップ（ｂ）を行った後、前記圧力センサの出力が所定値まで低下した時点で、前記圧力センサの出力に基づいて前記第１コントロール弁の開度を制御して前記第１流量で下流に流体を流すステップ（ｃ）をさらに包む。

【0016】

本発明の実施形態による流量制御装置は、流路に設けられた第１コントロール弁と、前記第１コントロール弁の下流側に設けられた第２コントロール弁と、前記第１コントロール弁の下流側かつ前記第２コントロール弁の上流側の流体圧力を測定する圧力センサと、前記第１コントロール弁および前記第２コントロール弁の動作を制御する制御回路であって、前記圧力センサが出力する信号に基づいて前記第１コントロール弁及び第２コントロール弁を制御することによって流量を制御するように構成された制御回路とを備え、流量ゼロから第１流量に流量を立上げるとき、前記制御回路は、（ａ）前記第２コントロール弁を閉鎖した状態で、前記圧力センサの出力に基づいて第１コントロール弁下流に残留する圧力を求めるステップ（ａ）と、（ｂ）前記圧力センサの出力に基づいて、第１コントロール弁下流に残留する圧力を、前記第２コントロール弁の開度を調整することによって制御し、前記第２コントロール弁の下流側に第１流量で流体を流すステップ（ｂ）とを実行する。

【0017】

ある実施形態において、上記の流量制御装置は、前記第２コントロール弁の下流側に設けられた別の圧力センサをさらに備える。

【0018】

本発明の実施形態による流量制御装置は、流路に設けられた第１コントロール弁と、前記第１コントロール弁の下流側に設けられた第２コントロール弁と、前記第１コントロール弁の下流側かつ前記第２コントロール弁の上流側の流体圧力を測定する圧力センサとを備え、流量ゼロの状態から第１流量に流量を制御する際に、前記第２コントロール弁が閉鎖されて流量ゼロの状態から、前記圧力センサの出力に基づいて前記第２コントロール弁の開度を制御し、前記第１コントロール弁の下流に残留した圧力の変化率が、前記第２コントロール弁から流出する時の流量が前記第１流量になるときの圧力の変化率と一致するように、前記第２コントロール弁の開度を制御する。

【0019】

ある実施形態において、前記流量ゼロの状態から前記第１流量に流量を制御する際に、前記第１コントロール弁は閉鎖されている。

【0020】

ある実施形態において、前記流量ゼロの状態から前記第１流量に流量を制御する際に、前記第１コントロール弁は前記第１流量に対応する開度よりも小さい開度に制御される。

【0021】

ある実施形態において、前記第２コントロール弁の開度は、αを比例定数、ΔＰ１／Δｔを前記圧力センサが出力する上流圧力の変化ΔＰ１と前記上流圧力の変化ΔＰ１に要した時間Δｔの比である圧力変化率、Ｖを前記第１コントロール弁と前記第２コントロール弁との間の内容積としたとき、Ｑ＝α・（ΔＰ１／Δｔ）・Ｖで表されるビルドダウン流量Ｑが前記第１流量に一致するように、前記圧力センサが出力する信号に基づいてフィードバック制御される。

【0022】

ある実施形態において、上記の流量制御装置は、前記第２コントロール弁の下流側に設けられた別の圧力センサをさらに備える。

【0023】

本発明の実施形態による流量制御装置は、流路に設けられた第１コントロール弁と、前記第１コントロール弁の下流側に設けられた第２コントロール弁と、前記第１コントロール弁の下流側かつ前記第２コントロール弁の上流側の流体圧力である上流圧力を測定する第１圧力センサとを備え、前記第１圧力センサが出力する信号に基づいて下流側の流量を制御するように構成されており、流量ゼロから第１流量に流量を制御する際、前記第１コントロール弁下流に残留した圧力を用いて、Ｑ＝α・（ΔＰ１／Δｔ）・Ｖによって流量を制御し、前記第１圧力センサの圧力が、所定の圧力に到達した時点で、Ｑ＝Ｋ₁・Ｐ１による制御に切り替えて制御することを特徴とし、ここで、Ｑは流量、αは比例定数、ΔＰ１／Δｔは前記上流圧力の圧力変化率、Ｖは前記第１コントロール弁と前記第２コントロール弁との間の内容積、Ｋ₁は流体の種類と流体温度に依存する定数、Ｐ１は前記第１圧力センサが出力する上流圧力である。

【0024】

ある実施形態において、前記第１圧力センサの圧力が、Ｑ＝Ｋ₁・Ｐ１による制御における、前記第１流量に相当する圧力に到達した時点で制御が切り替えられる。

【0025】

本発明の実施形態による流量制御装置は、流路に設けられた第１コントロール弁と、前記第１コントロール弁の下流側に設けられた第２コントロール弁と、前記第１コントロール弁の下流側かつ前記第２コントロール弁の上流側の流体圧力である上流圧力を測定する第１圧力センサと、記第２コントロール弁の下流側の流体圧力である下流圧力を測定する第２圧力センサとを備え、前記第１圧力センサ及び第２圧力センサが出力する信号に基づいて下流側の流量を制御するように構成されており、流量ゼロから第１流量に流量を制御する際、前記第１コントロール弁下流に残留した圧力を用いて、＝α・（ΔＰ１／Δｔ）・Ｖによって流量を制御し、前記第１圧力センサ及び前記第２圧力センサに基づく圧力が、所定の圧力に到達した時点で、Ｑ＝Ｋ₂・Ｐ２^m（Ｐ１－Ｐ２）ⁿによる制御に切り替えて制御し、ここで、Ｑは流量、αは比例定数、ΔＰ１／Δｔは前記第１圧力センサが出力する上流圧力の圧力変化率、Ｖは前記第１コントロール弁と前記第２コントロール弁との間の内容積、Ｋ₂は流体の種類と流体温度に依存する定数、Ｐ１は前記上流圧力、Ｐ２は前記第２圧力センサが出力する下流圧力、ｍおよびｎは実際の流量を元に導出される指数である。

【0026】

ある実施形態において、前記第１及び第２圧力センサの圧力が、Ｑ＝Ｋ₂・Ｐ２^m（Ｐ１－Ｐ２）ⁿによる制御における、前記第１流量に相当する圧力に到達した時点で制御が切り替えられる。

【0027】

本発明の実施形態による流量制御方法は、流路に設けられた開度調整可能な第１コントロール弁と、前記第１コントロール弁の下流側に設けられた開度調整可能な第２コントロール弁と、前記第１コントロール弁の下流側に設けられた開度固定の絞り部と、前記第１コントロール弁の下流側かつ前記第２コントロール弁または前記絞り部の上流側の流体圧力を測定する圧力センサとを備えた流量制御装置を用い、流量ゼロからゼロ超である第１流量に流量を変更するときに行う流量制御方法であって、前記第１コントロール弁と前記第２コントロール弁とが閉じられて流量がゼロの状態から、前記圧力センサの出力に基づいて前記第２コントロール弁の開度を調整することによって、前記第１コントロール弁と前記第２コントロール弁との間の流体を前記第２コントロール弁の下流側に前記第１流量で流すステップ（ａ）と、前記ステップ（ａ）の後、前記圧力センサの出力が所定値に低下した時点で前記第１コントロール弁を開き、前記圧力センサの出力に基づいて前記第１コントロール弁の開度を制御することによって前記絞り部の下流側に前記第１流量で流体を流すステップ（ｂ）とを含む。

【0028】

ある実施形態において、前記絞り部と前記第２コントロール弁とは一体的に設けられ、オリフィス内蔵弁を構成している。

【発明の効果】

【0029】

本発明の実施形態によれば、流量立ち上げのときにオーバーシュートを防ぎながら立ち上げ時間の短縮が可能な流量制御方法および流量制御装置が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0030】

【図1】本発明の実施形態による流量制御装置の構成を示す模式的な図である。

【図2】本発明の実施形態による流量ステップダウン時における流量制御方法を説明するための図であり、（ａ）は設定流量、（ｂ）は制御流量、（ｃ）は上流圧力Ｐ１、（ｄ）は第１コントロール弁駆動電圧、（ｅ）および（ｆ）は第２コントロール弁駆動電圧をそれぞれ示すグラフである。

【図3】本発明の実施形態による流量制御方法を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0031】

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明するが、本発明は以下に説明する実施形態に限定されるものではない。

【0032】

図１は、本発明の実施形態の流量制御方法を行うために用いられる流量制御装置１００の構成を示す。流量制御装置１００は、図示しないガス供給源に接続されたガスＧ０の流路１に設けられた第１コントロール弁６と、第１コントロール弁６の下流側に設けられた絞り部２と、第１コントロール弁６および絞り部２の下流側に設けられた第２コントロール弁８と、第１コントロール弁６と絞り部２との間の流体の圧力（上流圧力Ｐ１）およびガス温度Ｔをそれぞれ検出する第１または上流圧力センサ３および温度センサ５とを備えている。

【0033】

本実施形態の流量制御装置１００はまた、第２コントロール弁８の下流側の圧力（下流圧力Ｐ２）を測定する第２または下流圧力センサ４を備えている。第１圧力センサ３は、第１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、第２圧力センサ４は、第２コントロール弁８の下流側の圧力である下流圧力Ｐ２を測定することができる。ただし、他の態様において、流量制御装置１００は第２圧力センサ４および温度センサ５を備えていなくてもよい。

【0034】

本実施形態では、絞り部２と第２コントロール弁８とはオリフィス内蔵弁９として一体的に形成され、絞り部２と第２コントロール弁８の弁体とは近接して配置されている。この場合、上記の態様とは異なり、第２コントロール弁８の弁体の下流側に絞り部２を配置することもできる。また、絞り部２が第２コントロール弁８の弁体の下流側に配置されている場合、第１圧力センサ３は、第１コントロール弁６と第２コントロール弁８との間の流体圧力である上流圧力Ｐ１を測定することになる。

【0035】

また、本実施形態のように、第２コントロール弁８の上流側に絞り部２がある場合、流量制御をしている時は、第１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を測定しているが、第１コントロール弁６と第２コントロール弁８とが閉鎖されている時は、絞り部２の上流側（第１コントロール弁６から絞り部２まで）と絞り部２の下流側（絞り部２から第２コントロール弁８まで）とは同じ圧力となるため、第１圧力センサ３は、第１コントロール弁６から第２コントロール弁８までの間の流体圧力を測定することになる。

【0036】

第１圧力センサ３は、第１コントロール弁６の下流側かつ前記第２コントロール弁８の上流側の流体圧力を検出するように配置されていればよく、第１コントロール弁６と絞り部２との間の流体圧力を測定するものであってもよいし、第１コントロール弁６と第２コントロール弁８との間の流体圧力を測定するものであってもよい。

【0037】

流量制御装置１００は、さらに、第１コントロール弁６および第２コントロール弁８に接続された制御回路７を備えている。制御回路７は、第１圧力センサ３が出力する信号に基づいて第１コントロール弁６の開度を制御することによって流量を制御するとともに、流量立ち上げのときには第１圧力センサ３が出力する信号に基づいて第２コントロール弁８の開度を制御するように構成されている。なお、図示する態様では、１つの制御回路７が第１コントロール弁６と第２コントロール弁８との双方に対して共通に設けられているが、これに限られず、第１コントロール弁６および第２コントロール弁８のそれぞれに対して別個の制御回路が設けられていてもよいことは言うまでもない。

【0038】

制御回路７は、流量制御装置１００に内蔵されたものであってもよいし、流量制御装置１００の外部に設けられたものであってもよい。制御回路７は、典型的には、ＣＰＵなどのプロセッサ、ＲＯＭやＲＡＭなどのメモリ（記憶装置）、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。制御回路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。

【0039】

制御回路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。制御回路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。

【0040】

以上のように構成された流量制御装置１００の下流側は、例えば、図示しない下流弁を介して半導体製造装置のプロセスチャンバに接続されている。プロセスチャンバには真空ポンプが接続されており、典型的には、プロセスチャンバの内部が真空引きされた状態で、流量制御装置１００から流量制御されたガスＧ１がプロセスチャンバに供給される。上記の下流弁としては、例えば、圧縮空気により開閉動作が制御される公知の空気駆動弁（Ａｉｒ Ｏｐｅｒａｔｅｄ Ｖａｌｖｅ）や電磁弁等の開閉弁（オンオフ弁）を用いることができる。

【0041】

本実施形態において、絞り部２は、オリフィスプレートによって構成されている。オリフィスプレートは、オリフィス断面積が固定されているので、開度が固定された絞り部として機能する。なお、オリフィスに詰まりや経年劣化などが生じることによりオリフィス面積は意図せず変化し得るが、本明細書では意図的に開度を制御するように構成されていない絞り部を開度固定の絞り部と呼ぶこととする。また、本明細書において、「絞り部」とは、流路の断面積を前後の流路断面積より小さく制限した部分を意味し、例えば、オリフィスプレートや臨界ノズル、音速ノズル、スリット構造などを用いて構成されるが、他のものを用いて構成することもできる。オリフィスまたはノズルの径は、例えば１０μｍ～５００μｍに設定される。

【0042】

第１コントロール弁６および第２コントロール弁８としては、任意開度に調整可能なバルブが用いられ、例えば、金属製ダイヤフラム弁体をピエゾアクチュエータを用いて開閉するように構成された公知の圧電素子駆動式バルブが用いられる。圧電素子駆動式バルブは、圧電素子への駆動電圧の制御により、任意開度に調整することが可能である。

【0043】

流量制御装置１００の通常の流量制御モードにおいて、第１コントロール弁６の開度は、第１圧力センサ３からの出力に基づいて制御され、第１圧力センサ３から出力される上流圧力Ｐ１が設定値に維持されるようにフィードバック制御される。第１コントロール弁６は、流量制御の主要バルブすなわちメイン流量制御バルブとして用いられる。第１コントロール弁６として、ここではノーマルクローズ型のバルブを用いているが、ノーマルオープン型のバルブを用いても良い。

【0044】

一方、第２コントロール弁８は、例えば、流量をゼロから低設定流量に立ち上げるときなどの流量切り替え時に主として用いられるものであり、後述するビルドダウン式の流量制御を行うために用いられる。第２コントロール弁８は、流量切り替え時以外の通常の流量制御時には、全開、または、少なくとも絞り部２の開口面積よりも大きい開口断面積を有する開度に維持されていてよい。第２コントロール弁８としては、ノーマルクローズ型のバルブを用いてよいし、ノーマルオープン型のバルブを用いてもよい。第２コントロール弁８としてノーマルオープン型のバルブを用いれば、流量ゼロ期間および流量立ち上げ期間以外の期間には駆動電圧を印加する必要がなく、低消費電力化を実現し得る。

【0045】

なお、第２コントロール弁８は、流量立ち上げ時以外の流量制御のためにも用いることができ、例えば、高設定流量から低設定流量に流量を変更する流量ステップダウンの際にビルドダウン式流量制御を行うためにも用いられ得る。このような流量制御方法は、本願出願人による国際出願第ＰＣＴ／ＪＰ２０１９／１６７６３号に開示されている。本発明の実施形態による流量制御装置１００は、流量立ち上げの際や、流量ステップダウンの際などの流量変動時に、第２コントロール弁８を用いてビルドダウン式の流量制御を行うことができるように構成されているものである。

【0046】

また、上述したように、本実施形態では、第２コントロール弁８と絞り部２とが一体的に設けられており、オリフィス内蔵弁９を構成している。オリフィス内蔵弁９は、例えば、特許文献４に記載されており、本実施形態でも従来と同様の構成のオリフィス内蔵弁を用いることができる。オリフィス内蔵弁９では、第２コントロール弁８の弁体と絞り部２としてのオリフィスプレートとが近接して配置され、これらの間の流路容積は略ゼロと見なしてよい程度に低減されている。このため、オリフィス内蔵弁９を用いれば、流量の立ち上がりおよび立下りの特性を向上させることができる。また、オリフィス内蔵弁９を用いる場合、第１コントロール弁６と第２コントロール弁８との間の内容積Ｖは、第１コントロール弁６とオリフィスプレートまでの内容積とほぼ等価と考えることができる。このため、後述するように、上記の内容積Ｖを用いて流量制御を行う場合に、比較的高い精度で近似的な内容積Ｖが得やすいという利点がある。

【0047】

オリフィス内蔵弁９において、絞り部２（ここではオリフィスプレート）と第２コントロール弁８とは、何れが上流側に設けられていても良いが、絞り部２と第２コントロール弁８との間の容積（ここではオリフィスプレートと、第２コントロール弁８のダイヤフラム弁体およびシート部とによって囲まれる空間）を極力小さい容積にすることが望まれる。オリフィス内蔵弁９は、上記の容積を極小化するために好適な態様である。

【0048】

以上に説明した流量制御装置１００は、通常の流量制御モードにおいて、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う。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（ここで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Ｐ１に比例する。また、第２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演算により求めることができ、第１圧力センサ３および第２圧力センサ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、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を求めることができる。

【0049】

通常の流量制御モードにおいて、外部制御装置等から制御回路７に設定流量信号が送られると、制御回路７は、第１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から演算する。そして、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）、第１コントロール弁６がフィードバック制御される。演算流量は、例えば制御流量出力値として表示装置に表示されてもよい。

【0050】

本実施形態の流量制御装置１００は、また、流量ゼロの状態から任意のゼロ超の第１流量に流量立ち上げを行うときは、以下に説明するようにして流量制御を行うことができる。

【0051】

図２は、本実施形態の流量制御方法によって流量立ち上げを行うときの（ａ）設定流量、（ｂ）制御流量、（ｃ）上流圧力Ｐ１、（ｄ）第１コントロール弁６（第１バルブとも称する）の駆動電圧、（ｅ）ノーマルオープン型のとき第２コントロール弁８（第２バルブとも称する）の駆動電圧、（ｆ）ノーマルクローズ型のときの第２コントロール弁８の駆動電圧のそれぞれを示すグラフである。

【0052】

なお、図２（ｄ）には、第１コントロール弁６がノーマルクローズ型（ＮＣ）のときの駆動電圧が示されている。一方、図２（ｅ）および（ｆ）には、第２コントロール弁８がノーマルオープン型（ＮＯ）のときと、ノーマルクローズ型（ＮＣ）のときとの駆動電圧が示されている。第１コントロール弁６は、駆動電圧が低いほど弁開度が小さく、駆動電圧０の電圧無印加時に完全に閉弁（ＣＬＯＳＥ）する。一方、ノーマルオープン型の第２コントロール弁８は、駆動電圧が高いほど弁開度が小さく、駆動電圧が最大の時に全閉（ＣＬＯＳＥ）し、駆動電圧０（電圧無印加）時に全開（ＯＰＥＮ）の状態となる。また、ノーマルクローズ型の第２コントロール弁８は、駆動電圧が低いほど弁開度が小さく、駆動電圧０（電圧無印加）時に完全に閉弁（ＣＬＯＳＥ）し、駆動電圧が最大の時に全開（ＯＰＥＮ）の状態となる。

【0053】

また、図２には、設定流量を０％から１０％に立ち上げるときの例が示されているが、これに限られない。ただし、立ち上げ後の目標設定流量が大きい場合には、残留圧力よりも第１コントロール弁６を開いた後に一次側から供給される圧力の方が高く、オーバーシュートが生じにくいと考えられる。このため、本実施形態の流量制御方法は、特に、０％から低設定流量（例えば５０％以下、典型的には２０％以下、特定的には１０％程度）に立ち上げるときに、好適に利用される。

【0054】

以下、設定流量・目標流量等の流量値はすべて、定格流量値を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Ｐ１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％として上流圧力も比率で表記することがある。

【0055】

まず、流量が０％に設定され、ガスの供給が停止されているとき、第１コントロール弁６および第２コントロール弁８は完全に閉鎖（ＣＬＯＳＥ）している。ただし、ガス供給の停止の前に、所望流量でガスを流していた場合、第１コントロール弁６および第２コントロール弁８を閉鎖した後にも、第１コントロール弁６と第２コントロール弁８との間の流路内には圧力が残留している。図示する例では、１００％流量でガスを流した後に第１コントロール弁６および第２コントロール弁８が閉鎖された状態が示されており、流量０時にも残留する上流圧力Ｐ１の値は、本実施例では３００ｋＰａ ａｂｓと比較的高くなっている。

【0056】

次に、図２に示す時刻ｔ０において、流量０％の状態から流量１０％への立ち上げを開始する。このとき、時刻ｔ０において、図２（ｄ）に示すように、第１コントロール弁６は、完全に閉じられた状態（ＣＬＯＳＥ）のまま維持される。

【0057】

一方で、時刻ｔ０において、図２（ｅ）、（ｆ）に示すように、第２コントロール弁８は開かれ、その開度を調節する動作が開始される。

【0058】

時刻ｔ０より後の状態においては、第１コントロール弁６を介しての上流側からのガスの流入がなく、かつ、第２コントロール弁８が開かれているので、第１コントロール弁６と絞り部２との間の残留ガス、より詳細には第１コントロール弁６と第２コントロール弁８との間の残留ガスが、第２コントロール弁８を介して流出する。なお、ここでは、流量制御装置１００の下流側は真空に引かれており、下流側が真空圧に維持されている。

【0059】

このとき、残留ガスおよび残留圧力は、第２コントロール弁８の開度調整を行わない場合、流出時間とともに指数関数的に減少し続け、流量も同様に低下することになる。このため、１０％流量で一定に流出するよう維持するためには、第２コントロール弁８の開度調整が必要になる。

【0060】

そこで、継続して１０％流量に維持するために、本実施形態では、第１圧力センサ３の出力に基づいて、ΔＰ１／Δｔが１０％設定に対応する値と一致するように、第２コントロール弁８をフィードバック制御するビルドダウン制御モードに切り替える。ここで、ΔＰ１／Δｔは第１圧力センサ３が出力する上流圧力Ｐ１の変化ΔＰ１と、上流圧力Ｐ１の変化ΔＰ１に要した時間Δｔの比であり、時間に対する上流圧力Ｐ１の降下率（以下、圧力変化率とよぶことがある）または圧力降下の傾きに対応するものである。

【0061】

これは、第１コントロール弁６が閉じられた状態で、第２コントロール弁８の下流側に流れるガスの流量は、Ｑ＝α・（ΔＰ１／Δｔ）・Ｖと表すことができ（ただし、αは比例定数、Ｖは第１コントロール弁６と第２コントロール弁８との間の内容積）、ΔＰ１／Δｔが一定であれば第２コントロール弁８の下流側における流量も一定に維持されるからである。なお、上記のように、第２コントロール弁８と絞り部２とがオリフィス内蔵弁の形式で一体的に設けられている場合には、上記の内容積Ｖは、第１コントロール弁６から絞り部２までの流路容積とほぼ同等とみなすことができる。内容積Ｖは、第１コントロール弁６の下流側の流路の径などから予め求めておくことができる。また、内容積Ｖは、第１コントロール弁６を閉じてその下流側を真空圧に維持した状態から、第１コントロール弁６を開くとともに第２コントロール弁８を閉じ、容積Ｖの空間に既知の基準流量でガスを流し込んだ時の圧力上昇率（ΔＰ１／Δｔ）を測定することによって、圧力上昇率法を利用して計算により求めることも可能である（例えば、特許文献５に開示）。

【0062】

ΔＰ１／Δｔの測定結果に基づいて流量Ｑを求める、いわゆるビルドダウン方式（例えば特許文献６に開示）は、典型的には下流側が真空圧などの低圧に維持された状態で上流側の弁を閉じた後の流出ガスのΔＰ１／Δｔを測定することによって流量を求める方式である。より具体的には、例えば特許文献６に記載のように、Ｑ＝（１０００／７６０）×６０×（２７３／（２７３＋Ｔ））×Ｖ×（ΔＰ／Δｔ）によって流量を求めることができる。ここで、Ｔはガス温度（℃）であり、Ｖは上記の内容積（ｌ）であり、ΔＰは圧力降下の大きさ（Ｔｏｒｒ）であり、ΔｔはΔＰの圧力降下に要した時間（ｓｅｃ）である。

【0063】

本実施形態においても、公知のビルドダウン方式に基づいて所望流量（すなわち、流量立ち上げ後の目標流量でありここでは１０％流量）に対応するΔＰ１／Δｔを求めておき、求めたΔＰ１／Δｔを実現できるように、第１圧力センサ３の出力に基づいて第２コントロール弁８の開度をフィードバック制御することによって、所望の一定流量で残留ガスを第２コントロール弁８の下流側に流し続けることができる。なお、上記式からわかるようにガス温度Ｔによっても流量が変化するため、ガス温度Ｔを測定する温度センサ５の出力も用いてΔＰ１／Δｔの制御を行えば、より向上した精度で流量制御を行い得る。

【0064】

上記のビルドダウン方式の流量制御を第２コントロール弁８に適用した場合、第２コントロール弁８が時刻ｔ０後に徐々に開いていくとともに制御流量がゼロから増加し、ΔＰ１／Δｔが１０％流量に対応する値に達した時刻ｔ１の後も、ΔＰ１／Δｔを一定の値に維持する制御が継続して行われる。このビルドダウン流量制御期間中、第１コントロール弁６は閉じた状態に維持され、一方で、第２コントロール弁８は、第１圧力センサ３の出力に基づいてΔＰ１／Δｔが一定の値を維持するようにフィードバック制御により開度が調整され続ける。

【0065】

ビルドダウン方式の流量制御を継続する中で、残留ガスは上流圧力Ｐ１の直線的な低下を伴いながら一定流量で流出する。そして、第１圧力センサ３の出力値が、第１コントロール弁６を用いた通常流量制御モードにおける１０％流量に対応する上流圧力（ここでは３０ｋＰａ ａｂｓ）にまで低下したときを時刻ｔ２とすると、本実施形態では、時刻ｔ２に第１コントロール弁６を１０％流量に対応する開度（第１コントロール弁６から絞り部２までの内容積の圧力が３０ｋＰａ ａｂｓに制御される開度）に開くようにしている。これによって、第１コントロール弁６の上流からガスが流れ込み、時刻ｔ２の後も、絞り部２および第２コントロール弁８の下流に１０％流量でガスを流し続けることができる。なお、時刻ｔ２の後は、第２コントロール弁８は、全開に開かれた状態（ＯＰＥＮ）に維持されるか、あるいは少なくとも絞り部２の開口面積以上の開度に開かれた状態に維持される。

【0066】

以上説明したように、本実施形態では、第２コントロール弁８を用いてΔＰ１／Δｔの測定に基づく流量制御（ビルドダウン流量制御）を行うが、流量立ち上げ時にはビルドダウン流量制御モードに移行し、その後、所定圧力に達した時点で第１コントロール弁６を用いた通常流量制御モードに切り替えるように動作が行われている。

【0067】

ただし、ビルドダウン流量制御モードを行うためには、残留圧力がある程度大きい必要がある。これは、残留圧力が低すぎるときには、ΔＰ１／Δｔを所望流量に適合する値に制御することができないからである。また、立ち上げ後の目標流量が大きいときにも、ビルドダウン流量制御のためには残留圧力が不足していることもある。

【0068】

この場合に、例えば、ビルドダウン流量制御モードに移行する前に、第１コントロール弁６を開いて、残留圧力を増加させるようにしてもよい。より具体的には、ビルドダウン流量制御モードに移行する前に、まず、第１コントロール弁６と第２コントロール弁８とを閉鎖した状態で圧力センサ３の出力に基づいて第１コントロール弁の下流に残留する圧力を求め、求めた圧力が目標流量に相当する圧力よりも低い場合、第１コントロール弁６の下流に残留する圧力が目標流量に相当する圧力よりも高くなるまで第１コントロール弁６を開く。そして、圧力センサ３の出力が、目標流量に相当する圧力を越えた時点で、第１コントロール弁６を閉じるようにすれば、ビルドダウン流量制御モードに移行する前に十分な残留圧力が得られる。

【0069】

なお、上記のように残留圧力が低い場合や、立ち上げ後の目標流量が大きい場合、残留圧力による開弁時のオーバーシュートは生じにくいと考えられる。このため、ビルドダウン流量制御モードに移行するための残留圧力の閾値や目標流量の閾値を予め設定しておき、閾値に達しない場合には、ビルドダウン流量制御モードに移行せずに、通常の流量制御モード、すなわち、第１コントロール弁６を圧力センサ３の出力に基づいて開度調整する流量制御モードに移行してもよい。このとき、第２コントロール弁８は、第１コントロール弁６の開動作に連動して全開または絞り部２の開口面積以上の開度に開くように制御すればよい。

【0070】

また、本発明の他の態様において、ビルドダウン流量制御モードに移行する前に、第２コントロール弁８を一定開度まで迅速に開く動作を行うようにしてもよい。この場合、残留圧力および目標流量と弁開度とを関連付けたテーブルを予め記憶装置などに記憶しておき、これを用いて第２コントロール弁８の動作を制御してもよい。テーブルを用いる場合、まずは第２コントロール弁８の開度をテーブルに従う開度付近にまで近づけ、そこから圧力センサ３の出力に基づいてΔＰ１／Δｔを一定に維持するフィードバック制御を行えばよい。

【0071】

上記のテーブルに記憶する項目としては、ガス種、残留圧力、制御流量等の複数のパラメータが考えられる。この場合に、それぞれのパラメータに対応したテーブルを用意しておいてもよいが、基準テーブルを用意するとともに、例えばガス種が違う場合は、ガス種に対応する補正係数を設けてガス種の違いをカバーするようにし、基準テーブルを補正して用いるようにしてもよい。あるいは、補正せずに基準テーブルを用いる場合であっても、第２コントロール弁８を所望開度にある程度は近づけることができるので、第２コントロール弁８の応答性を向上させながら、制御の負荷を小さくすることができる。

【0072】

以上に説明した本実施形態の流量制御方法によれば、図２（ｂ）に示すように、制御流量を時刻ｔ０～ｔ１までの短期間（例えば、０．１秒）において急速に立ち上げることができ、また、第１コントロール弁６を閉じたまま残留圧力を利用してガスを流すので、低設定流量に立ち上げるときにも圧力超過が生じにくく、オーバーシュートの発生を防止することができる。また、第２コントロール弁８の開度調整により、立ち上げ後の流量で安定してガスを流し続けることができ、さらに、残留ガスが所定圧力まで低下した後には、第１コントロール弁６を開けることによって所望流量でガスを流し続けることができる。

【0073】

以下、本実施形態の流量制御方法の例示的なフローチャートについて、図３を用いて説明する。なお、このフローチャートでは、ビルドダウン流量制御モードを実行することを前提としている。

【0074】

図３のステップＳ１に示すように、まず、０％設定時に、第１コントロール弁６（第１バルブ）および第２コントロール弁８（第２バルブ）が閉鎖された状態で、圧力センサ３を用いて両弁閉鎖時の上流圧力Ｐ１すなわち残留圧力が測定される。

【0075】

次に、ステップＳ２に示すように、測定した上流圧力Ｐ１が閾値Ｐｔｈ以上であるか否かが判定される。上流圧力Ｐ１が閾値Ｐｔｈ以上である場合（ＹＥＳ）、ステップＳ４のビルドダウン流量制御モードに移行する。一方、上流圧力Ｐ１が閾値未満である場合（ＮＯ）、ステップＳ３－１のように上流圧力Ｐ１が閾値以上になるまで、第１コントロール弁６を開く動作を行い、その後、ステップＳ３－２のように第１コントロール弁６を閉じる。

【0076】

なお、他の態様において、ステップＳ２において、測定した上流圧力Ｐ１が閾値Ｐｔｈ未満であった場合、ビルドダウン流量制御モードに移行せずに、ステップＳ６に示すように、第１コントロール弁６を開いてその開度を圧力センサの出力に基づいて制御する、通常の流量制御モードに直接移行してもよい。

【0077】

上流圧力Ｐ１が十分な大きさである場合、ビルドダウン流量制御モードに移行して流量０％から１０％に立ち上げる動作が行われる。具体的には、第１コントロール弁６を閉鎖した状態を継続しながら、第２コントロール弁８を開放するとともに、第１コントロール弁６と第２コントロール弁８（または絞り部２）との間の流路容積を容積Ｖとして、Ｑ＝α・（ΔＰ１／Δｔ）・Ｖによる流量制御、すなわち、ステップＳ４として示すように、ΔＰ１／Δｔが所定値（１０％流量に対応する値）に維持されるように第２コントロール弁８の開度を圧力センサ３の出力に基づいて調整する制御を行う。

【0078】

また、ステップＳ５に示すように、第１圧力センサ３の出力を監視して、第１圧力センサ３が出力する上流圧力Ｐ１が所定値、より具体的には、Ｑ＝Ｋ₁・Ｐ１による流量制御における１０％流量に対応する所定値に達したかどうかが判定される。所定値に達していないと判断された場合（ＮＯ）、ステップＳ４に戻って第２コントロール弁８の開度制御を続けて１０％流量でガスを流すビルドダウン制御モードを継続する。

【0079】

ステップＳ５において、第１圧力センサ３の出力が所定値に達したと判断されたとき（ＹＥＳ）は、制御の切り替えを行い、ステップＳ６に示すように、第１コントロール弁６を１０％流量に対応する開度に開くとともに第２コントロール弁８を全開または絞り部２の開度以上にする。これにより、通常の流量制御モードに切り替わる。その後、第１コントロール弁６は、第１圧力センサ３の出力に基づいてフィードバック制御され、Ｑ＝Ｋ₁・Ｐ１に基づく流量制御によって１０％流量でガスを流し続けることができる。

【0080】

以上、本発明の実施形態を説明したが、種々の改変が可能である。例えば、上記には、流量立ち上げ開始後に第１コントロール弁６を閉鎖状態に維持する態様を説明したが、これに限られない。流量立ち上げ開始後のビルドダウン流量制御モードにおいて、第１コントロール弁６が、目標流量に対応する開度よりも小さい一定開度（例えば、５％設定流量に対応する開度）の状態に開かれ、目標流量未満の流量でガスが流入する状態が継続していてもよい。この場合にも、第１圧力センサ３の出力に基づいて、ΔＰ１／Δｔが所定値を維持するように第２コントロール弁８の開度を調整すれば、第２コントロール弁８の下流側に目標流量で流体を流し得る。また、第１コントロール弁６をビルドダウン流量制御中にもわずかに開いておけば、時刻ｔ２において通常の流量制御モードに切り替える際、第１コントロール弁６を所望の開度までより迅速に開くことができるので、流量制御の安定性を向上させ得る。

【0081】

ただし、ビルドダウン方式で用いられる流量式は、典型的には、上流側のバルブ（第１コントロール弁６）が閉鎖されていることを前提としている式であるため、上流側が開いて流体が容積Ｖの部分に流れてくる状態だと、そのままの流量式を用いると、流量制御が適切に行われない可能性がある。しかし、上流から容積Ｖに流れ込む流量が既知であれば、流量式を補正して使用することも可能であると考えられる。したがって、流入量が既知のときには、実質的に上流側のバルブが閉鎖しているのと同じ状況と捉えることができる。

【0082】

また、上記には、流量立ち上げの際に、ステップＳ１において、第１コントロール弁６および第２コントロール弁８の両方を閉じた状態で上流圧力Ｐ１を測定する態様を説明したが、これに限られない。流量立ち上げ直前の流量ゼロのときには、第２コントロール弁８が閉じられていればよく、第１コントロール弁６は、圧力センサ３の出力に基づいて第１コントロール弁６の開度を第１流量になるように制御する時の開度よりも小さい開度に閉じられて、わずかに開いた状態であってもよい。この場合、第１コントロール弁６が開いているとともに第２コントロール弁８が閉じられているため、圧力センサ３の測定圧力は増加するが、最初に測定した圧力が閾値以上であるとき、あるいは、増加した測定圧力が閾値以上に達したときに、第２コントロール弁８を開いて上記のビルドダウン流量制御を行うように動作させればよい。また、上記のように第１コントロール弁６がわずかに開かれた状態は、そのままビルドダウン流量制御中にも継続されてもよい。

【0083】

また、上記には、第１コントロール弁６や第２コントロール弁８が全開になった時点を設定流量の１００％として設定した例を説明したが、必ずしもその必要は無く、全開ではない一定の開度の状態を１００％設定とすることも可能である。そして、上記の実施例においては、設定流量１００％における上流圧力Ｐ１は、３００ｋＰａ ａｂｓとし、設定流量１０％における上流圧力Ｐ１は３０ｋＰａ ａｂｓとしているが、これに限らず、設定する流量や流量範囲、流体の種類等によって、上流圧力Ｐ１は様々な値となることは言うまでもない。

【産業上の利用可能性】

【0084】

本発明の実施形態による流量制御方法および流量制御装置は、半導体製造プロセスにおいて材料ガス等を供給する際、特に流量ゼロから立ち上げを行うときに好適に利用され得る。

【符号の説明】

【0085】

１ 流路
２ 絞り部
３ 第１圧力センサ
４ 第２圧力センサ
５ 温度センサ
６ 第１コントロール弁
７ 制御回路
８ 第２コントロール弁
９ オリフィス内蔵弁
１００ 流量制御装置

【図1】

【図2】

【図3】