[发明专利]压力控制装置、流量控制装置、压力控制方法及流量控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于控制流体的压力的压力控制装置、通过所述压力控制装置的压力控制进行流体的流量控制的流量控制装置、压力控制方法、以及流量控制方法。

背景技术

在半导体制造工序等中，为了以规定的一定压力向保持真空的室（チャンバー）内导入材料气体等流体，使用压力控制装置。

具体而言，所述压力控制装置设置在所述室的上游的流路上，由压力传感器、压力控制阀和阀控制部构成，所述阀控制部控制所述压力控制阀，使得由所述压力传感器测量出的测量压力值成为设定压力值。

以往，在通过所述压力控制装置进行的流体的压力控制中，仅有从初始状态经过规定时间后的稳定状态中的压力控制的精度受到重视，但是近年，从初始状态到稳定状态的过渡状态中的压力控制的精度和响应性也逐渐受到重视。

例如，在半导体制造工序中，要求尽可能缩短过渡状态持续的时间，即，要求尽可能缩短作为从初始状态到成为稳定状态所需的时间的响应时间，并且进一步提高过渡状态中的压力控制的精度和响应性。具体而言，如果设定压力值大，则需要向所述室内填充的流体的流量也会变大，因此存在下述问题：与设定压力值小的情况相比，响应时间变长，从而导致响应性变差。

作为对这种问题的一个解决方法，可以例举当所述阀控制部通过PID控制来控制所述压力控制阀的开度操作量时，通过设定大的值作为各PID系数（增益）来优化压力控制的响应性。

然而，如果简单地设定大的值作为PID系数等增益，则虽然在设定压力值大的情况下，通过输入大的开度操作量能缩短响应时间，但是在作为目标值的设定压力值小的情况下，尽管无需向室内填充那么大程度的流体，但由于以过大的开度操作量控制压力控制阀，从而导致压力控制变得不稳定。即，如果以设定压力值大的情况作为基准来设定大的PID系数，则在设定压力值小的情况下会破坏控制的稳定性，如图10所示，在过渡状态中会产生阻尼振荡（リンギング），还会发生大的上冲（オーバーシュート）。为了在所有的设定压力值时都能够兼顾响应性与稳定性，可以根据设定压力值改变PID系数，从而优化响应性并且保持稳定性，但是需要对各设定压力值以实验的方式预先确定PID系数，因此使参数调整非常费事。

另一方面，专利文献1公开的压力控制装置，不是根据设定压力值适当地改变所述的PID系数，而是通过对过渡状态中的压力控制阀的开度操作量设置上限值（极限），来防止产生上冲并且得到令人满意的响应性。

所述压力控制装置包括：PID控制部，对设定压力值和测量压力值的偏差进行PID计算，并输出压力控制阀的开度操作量；以及限制部，在从升压开始时的初始状态到达到稳定状态的过渡响应期间，对从PID控制部输出的开度操作量设定上限值。

所述限制部以相对于从升压开始时到成为稳定状态所经过的时间成比例的方式提高开度操作量的上限值。即，在以开度操作量的上限值对所述压力控制阀从升压开始时起持续控制的情况下，开度相对于所经过的时间逐渐变大。

然而，按照所述压力控制装置，由于所述压力控制阀的开度操作量的上限值相对于从升压开始起所经过的时间固定，因此根据设定压力值，达到稳定状态所需的时间会大幅度地变化。具体而言，即使在设定压力值被设定为100％等大的值，并希望在短时间内使压力上升到设定压力值的情况下，由于所述限制部在升压开始时设定的开度操作量的上限值小，所以导致流体不怎么向下游流入，从而压力的上升量也变小。因而，与设定压力值被设定为50％等值的情况相比，设定压力值大的情况下达到达到稳定状态所需的响应时间变得非常长。

从别的方面考虑，如专利文献1所示，如果使开度操作量的上限值相对于所经过的时间变化，则根据设定压力值，从初始状态到成为稳定状态所需的响应时间会各不相同，不能达到一致。因此，在半导体制造工序中，为了能够将材料气体稳定地导入至室内，将达到稳定状态所需的时间最长的值设定为等待时间，但是特别是在设定压力值小的情况下，将产生多余的待机时间，导致成品率降低。

此外，在根据从压力式的流量传感器输出的测量流量值进行流量控制的所谓的基于压力的流量控制装置中也同样会发生所述的问题。即，在压力式的流量传感器的情况下，根据产生压力损失的流体阻力的上游和下游的压力来测量流量，例如如果在下游连接室等，则下游的压力变成保持在大体真空或一定值，实际上与通过流量控制阀控制流体阻力的上游的流体的压力的值大体等价。因而，与所述的压力控制装置相同，如果为了在设定流量值大的情况下也能够缩短响应时间而设定大的PID系数，则在设定流量值小的情况下会破坏稳定性，导致产生上冲和阻尼振荡。

现有技术文献