(57)【要約】【課題】制御対象の装置の立上げ時間を短縮し、安定状態に移行する効率を向上させる。【解決手段】制御装置は、制御開始時の圧力制御モードにおいて反応処理チャンバー内の気体の圧力計測値に基づいてバルブの開度を制御する圧力制御部１０２と、流量制御モードにおいて反応処理チャンバー内に導入される気体の流量計測値に基づいてバルブの開度を制御する流量制御部１０３と、圧力制御モード時に圧力計測値が設定値に至るまでの残り時間を算出し、バルブの開度変更の影響が圧力計測値に現れるまでの時間であるむだ時間と残り時間が略一致したときに切替信号を出力する切替信号出力部１０６と、切替信号が出力されたときに圧力制御を停止させると同時に、バルブの開度を規定時間だけ安定操作量の値に維持する開度切替部１０７と、規定時間が経過したときに制御モードを流量制御モードに切り替えるモード切替部１０８を備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御対象の第１の制御量計測値を取得するように構成された第１の制御量取得部と、
前記制御対象の前記第１の制御量計測値と異なる第２の制御量計測値を取得するように構成された第２の制御量取得部と、
制御開始時の第１の制御モードにおいて、第１の制御量および第２の制御量を調節する制御用アクチュエータを、前記第１の制御量計測値に基づいて制御するように構成された第１の制御部と、
第２の制御モードにおいて、前記第２の制御量計測値に基づいて前記制御用アクチュエータを制御するように構成された第２の制御部と、
前記第２の制御部による第２の制御における前記制御用アクチュエータの安定操作量を予め記憶するように構成された安定操作量記憶部と、
前記第１の制御モード時に前記第１の制御量計測値が所望の設定値に至るまでの残り時間を算出し、前記制御用アクチュエータの操作量変更の影響が前記第１の制御量計測値に現れるまでの時間であるむだ時間と前記残り時間とが略一致したときを、前記第１の制御部による第１の制御から前記第２の制御部による第２の制御への切替タイミングとして切替信号を出力するように構成された切替信号出力部と、
前記切替信号が出力されたときに、前記第１の制御部による第１の制御を停止させると同時に、前記制御用アクチュエータの操作量を規定時間だけ前記安定操作量の値に維持するように構成された操作量切替部と、
前記切替信号が出力された時点から前記規定時間が経過したときに、制御モードを前記第２の制御モードに切り替えるように構成されたモード切替部とを備えることを特徴とする制御システム。
【請求項２】
請求項１記載の制御システムにおいて、
前記第２の制御部は、前記安定操作量を前記制御用アクチュエータの操作量の初期値として、前記第２の制御量計測値に基づいて前記制御用アクチュエータを制御することを特徴とする制御システム。
【請求項３】
請求項１または２記載の制御システムにおいて、
前記規定時間は、前記むだ時間と同一、または前記むだ時間よりも長い時間であることを特徴とする制御システム。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の制御システムにおいて、
前記第１の制御量計測値は、圧力センサから取得した、反応処理チャンバー内の気体の圧力計測値であり、
前記第２の制御量計測値は、フローセンサから取得した、前記反応処理チャンバー内に導入される気体の流量計測値であり、
前記制御用アクチュエータは、前記気体の圧力および流量を調節するバルブであり、
前記第１の制御は、圧力制御であり、
前記第２の制御は、流量制御であり、
前記操作量は、前記バルブの開度であることを特徴とする制御システム。
【請求項５】
請求項４記載の制御システムにおいて、
前記バルブと前記圧力センサとの位置関係情報を予め記憶するように構成された位置関係記憶部をさらに備え、
前記切替信号出力部は、前記バルブと前記圧力センサとの位置関係および前記流量計測値に基づいて前記むだ時間を算出することを特徴とする制御システム。
【請求項６】
請求項５記載の制御システムにおいて、
前記位置関係情報は、前記バルブから前記圧力センサまでの気体流路距離を示すことを特徴とする制御システム。
【請求項７】
請求項４乃至６のいずれか１項に記載の制御システムにおいて、
前記圧力センサは、前記反応処理チャンバー内に導入される気体の導入側に備えられていることを特徴とする制御システム。
【請求項８】
制御対象の第１の制御量計測値を取得する第１のステップと、
前記制御対象の前記第１の制御量計測値と異なる第２の制御量計測値を取得する第２のステップと、
制御開始時の第１の制御モードにおいて、第１の制御量および第２の制御量を調節する制御用アクチュエータを、前記第１の制御量計測値に基づいて制御する第３のステップと、
前記第１の制御モード時に前記第１の制御量計測値が所望の設定値に至るまでの残り時間を算出し、前記制御用アクチュエータの操作量変更の影響が前記第１の制御量計測値に現れるまでの時間であるむだ時間と前記残り時間とが略一致したときを、前記第３のステップによる第１の制御から第２の制御への切替タイミングとして切替信号を出力する第４のステップと、
前記切替信号が出力されたときに、第２の制御における前記制御用アクチュエータの安定操作量を予め記憶する安定操作量記憶部を参照して、前記第３のステップによる第１の制御を停止させると同時に、前記制御用アクチュエータの操作量を規定時間だけ前記安定操作量の値に維持する第５のステップと、
前記切替信号が出力された時点から前記規定時間が経過したときに、制御モードを第２の制御モードに切り替える第６のステップと、
前記第２の制御モードにおいて、前記第２の制御量計測値に基づいて前記制御用アクチュエータを制御する第７のステップとを含むことを特徴とする制御方法。
【請求項９】
請求項８記載の制御方法において、
前記第７のステップは、前記安定操作量を前記制御用アクチュエータの操作量の初期値として、前記第２の制御量計測値に基づいて前記制御用アクチュエータを制御するステップを含むことを特徴とする制御方法。
【請求項１０】
請求項８または９記載の制御方法において、
前記規定時間は、前記むだ時間と同一、または前記むだ時間よりも長い時間であることを特徴とする制御方法。
【請求項１１】
請求項８乃至１０のいずれか１項に記載の制御方法において、
前記第１の制御量計測値は、圧力センサから取得した、反応処理チャンバー内の気体の圧力計測値であり、
前記第２の制御量計測値は、フローセンサから取得した、前記反応処理チャンバー内に導入される気体の流量計測値であり、
前記制御用アクチュエータは、前記気体の圧力および流量を調節するバルブであり、
前記第１の制御は、圧力制御であり、
前記第２の制御は、流量制御であり、
前記操作量は、前記バルブの開度であることを特徴とする制御方法。
【請求項１２】
請求項１１記載の制御方法において、
前記第４のステップは、前記バルブと前記圧力センサとの位置関係情報を予め記憶する位置関係記憶部を参照して、前記バルブと前記圧力センサとの位置関係および前記流量計測値に基づいて前記むだ時間を算出するステップを含むことを特徴とする制御方法。
【請求項１３】
請求項１２記載の制御方法において、
前記位置関係情報は、前記バルブから前記圧力センサまでの気体流路距離を示すことを特徴とする制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、同一の制御対象の異なる物理量である第１の制御量と第２の制御量とを同一の制御用アクチュエータを用いて制御する制御システムおよび制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造装置では、材料ガスなどを真空チャンバー内に一定流量で導入するために、マスフローコントローラ（ＭＦＣ）などの流量制御装置が採用されている（特許文献１参照）。図７（Ａ）はＭＦＣ１０の構成を示す平面図、図７（Ｂ）は図７（Ａ）のＭＦＣ１０のＡ−Ａ線断面図である。図７（Ａ）、図７（Ｂ）において、１は本体ブロック、２はセンサパッケージ、３はセンサパッケージ２のヘッド部、４はフローセンサ、５はバルブ、６は本体ブロック１の内部に形成された流路、７は流路６の入口側の開口、８は流路６の出口側の開口である。
【０００３】
流体は、開口７から流路６に流入してバルブ５を通過し、開口８から排出される。このとき、フローセンサ４は流体の流量を計測する。フローセンサ４は、センサパッケージ２のヘッダ部３に搭載され、計測対象の流体に晒されるように本体ブロック１に装着される。ＭＦＣ１０の図示しない制御装置は、フローセンサ４の電圧出力から流体の流量を求め、この流量の値を予め設定された値と比較し、この比較結果に基づいてバルブ５への駆動電流を出力する。こうして、バルブ５を駆動することにより、流体の流量が設定値と一致するように制御される。
【０００４】
図８は半導体製造装置で使用される真空装置（例えばプラズマエッチング装置）の構成を示す断面図である。このような真空装置は例えば特許文献２、特許文献３、特許文献４に開示されている。図８において、１１は真空チャンバー、１２は真空チャンバー１１の底部に設けられた排気管、１３は上部電極として機能するシャワーヘッド、１４は下部電極として機能する載置台、１５はシャワーヘッド１３のガス導入口と接続されたガス供給管、１６は真空チャンバー１１内に設けられた圧力センサ、１７は高周波電源である。ガス供給管１５には、図７で説明したＭＦＣ１０が設けられている。
【０００５】
図８の真空装置の例では、排気管１２より真空チャンバー１１の内部雰囲気を排気して所定の真空度まで真空引きし、処理ガスをガス供給管１５を介してシャワーヘッド１３へ導入する。処理ガスは、シャワーヘッド１３に設けられた複数の吐出孔（不図示）を介して、載置台１４上に載置されたウェハ１８に対して均一に吐出され、真空チャンバー１１内の圧力が所定の値に維持される。この状態で高周波電源１７から高周波電力が載置台１４に印加される。これにより、下部電極としての載置台１４と上部電極としてのシャワーヘッド１３との間に高周波電界が生じ、処理ガスが解離してプラズマ化する。このプラズマにより、ウェハ１８にエッチング処理が施される。
【０００６】
特許文献３、特許文献４に開示された真空チャンバーの構成は、排気側で圧力を制御する構成（排気管１２にバルブが設けられている構成）であるが、真空チャンバー内の圧力制御ポイント次第では、導入側（給気側、図８の例ではガス供給管１５）が圧力制御の主体になる構成もある。
【０００７】
真空チャンバーは、真空環境を前提とする反応処理チャンバーであり、その稼働状態になるまでの時間を短縮するために、立上げ時間を短縮すると同時に、安定状態に効率よく移行させる必要がある。装置稼働率を可能な限り向上させることが好ましく、改善が求められている。同様の問題は、圧力と流量をバルブで調節する反応処理チャンバーに限らず、他の制御対象、他の制御量、他のアクチュエータにおいても発生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−０３９５８８号公報
【特許文献２】特開平１１−２３３５０７号公報
【特許文献３】特開２０１４−２０７３５３号公報
【特許文献４】特開２０１８−００６３８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、同一の制御対象の異なる物理量である第１の制御量と第２の制御量とを同一の制御用アクチュエータを用いて制御する制御システムにおいて、制御対象の装置の立上げ時間を短縮し、安定状態に移行する効率を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の制御システムは、制御対象の第１の制御量計測値を取得するように構成された第１の制御量取得部と、前記制御対象の前記第１の制御量計測値と異なる第２の制御量計測値を取得するように構成された第２の制御量取得部と、制御開始時の第１の制御モードにおいて、第１の制御量および第２の制御量を調節する制御用アクチュエータを、前記第１の制御量計測値に基づいて制御するように構成された第１の制御部と、第２の制御モードにおいて、前記第２の制御量計測値に基づいて前記制御用アクチュエータを制御するように構成された第２の制御部と、前記第２の制御部による第２の制御における前記制御用アクチュエータの安定操作量を予め記憶するように構成された安定操作量記憶部と、前記第１の制御モード時に前記第１の制御量計測値が所望の設定値に至るまでの残り時間を算出し、前記制御用アクチュエータの操作量変更の影響が前記第１の制御量計測値に現れるまでの時間であるむだ時間と前記残り時間とが略一致したときを、前記第１の制御部による第１の制御から前記第２の制御部による第２の制御への切替タイミングとして切替信号を出力するように構成された切替信号出力部と、前記切替信号が出力されたときに、前記第１の制御部による第１の制御を停止させると同時に、前記制御用アクチュエータの操作量を規定時間だけ前記安定操作量の値に維持するように構成された操作量切替部と、前記切替信号が出力された時点から前記規定時間が経過したときに、制御モードを前記第２の制御モードに切り替えるように構成されたモード切替部とを備えることを特徴とするものである。
【００１１】
また、本発明の制御システムの１構成例において、前記第２の制御部は、前記安定操作量を前記制御用アクチュエータの操作量の初期値として、前記第２の制御量計測値に基づいて前記制御用アクチュエータを制御することを特徴とするものである。
また、本発明の制御システムの１構成例において、前記規定時間は、前記むだ時間と同一、または前記むだ時間よりも長い時間である。
また、本発明の制御システムの１構成例において、前記第１の制御量計測値は、圧力センサから取得した、反応処理チャンバー内の気体の圧力計測値であり、前記第２の制御量計測値は、フローセンサから取得した、前記反応処理チャンバー内に導入される気体の流量計測値であり、前記制御用アクチュエータは、前記気体の圧力および流量を調節するバルブであり、前記第１の制御は、圧力制御であり、前記第２の制御は、流量制御であり、前記操作量は、前記バルブの開度である。
また、本発明の制御システムの１構成例は、前記バルブと前記圧力センサとの位置関係情報を予め記憶するように構成された位置関係記憶部をさらに備え、前記切替信号出力部は、前記バルブと前記圧力センサとの位置関係および前記流量計測値に基づいて前記むだ時間を算出することを特徴とするものである。
また、本発明の制御システムの１構成例において、前記位置関係情報は、前記バルブから前記圧力センサまでの気体流路距離を示すことを特徴とするものである。
また、本発明の制御システムの１構成例において、前記圧力センサは、前記反応処理チャンバー内に導入される気体の導入側に備えられていることを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明の制御方法は、制御対象の第１の制御量計測値を取得する第１のステップと、前記制御対象の前記第１の制御量計測値と異なる第２の制御量計測値を取得する第２のステップと、制御開始時の第１の制御モードにおいて、第１の制御量および第２の制御量を調節する制御用アクチュエータを、前記第１の制御量計測値に基づいて制御する第３のステップと、前記第１の制御モード時に前記第１の制御量計測値が所望の設定値に至るまでの残り時間を算出し、前記制御用アクチュエータの操作量変更の影響が前記第１の制御量計測値に現れるまでの時間であるむだ時間と前記残り時間とが略一致したときを、前記第３のステップによる第１の制御から第２の制御への切替タイミングとして切替信号を出力する第４のステップと、前記切替信号が出力されたときに、第２の制御における前記制御用アクチュエータの安定操作量を予め記憶する安定操作量記憶部を参照して、前記第３のステップによる第１の制御を停止させると同時に、前記制御用アクチュエータの操作量を規定時間だけ前記安定操作量の値に維持する第５のステップと、前記切替信号が出力された時点から前記規定時間が経過したときに、制御モードを第２の制御モードに切り替える第６のステップと、前記第２の制御モードにおいて、前記第２の制御量計測値に基づいて前記制御用アクチュエータを制御する第７のステップとを含むことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、第１の制御モード時に第１の制御量計測値が所望の設定値に至るまでの残り時間を算出し、制御用アクチュエータの操作量変更の影響が第１の制御量計測値に現れるまでの時間であるむだ時間と残り時間とが略一致したときを、第１の制御部による第１の制御から第２の制御部による第２の制御への切替タイミングとして切替信号を出力し、切替信号が出力されたときに、第１の制御を停止させると同時に、制御用アクチュエータの操作量を規定時間だけ安定操作量の値に維持し、切替信号が出力された時点から規定時間が経過したときに、制御モードを第２の制御モードに切り替えることにより、制御対象の装置の立上げ時間を短縮し、安定状態に移行する効率を向上させることができ、装置稼働率を可能な限り向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明の実施例に係る制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、本発明の実施例に係る制御装置の動作を説明するフローチャートである。
【図３】図３は、本発明の実施例における反応処理チャンバー内の圧力の変化の１例を示す図である。
【図４】図４は、本発明の実施例における反応処理チャンバー内に導入される気体の流量の変化の１例を示す図である。
【図５】図５は、本発明の実施例におけるバルブ開度の変化の１例を示す図である。
【図６】図６は、本発明の実施例に係る制御装置を実現するコンピュータの構成例を示すブロック図である。
【図７】図７は、従来のマスフローコントローラの構成を示す平面図および断面図である。
【図８】図８は、真空装置の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
［発明の原理］
真空環境を前提とする反応処理チャンバー（真空チャンバー）を、通常の非稼働状態（装置の立上げ前の状態）から、稼働状態に移行させる場合、真空ポンプによりチャンバー内の圧力を下げることが、まずは必要になるので、一旦は圧力を管理対象にするのが好ましい。一方で、安定状態（整定状態）では、高精度な制御が好ましく、反応処理チャンバーに流入する気体の流量を管理するのが好ましい。
【００１６】
発明者は、上記の点に着眼し、圧力センサ（既設されていない場合は外付けで追加）の圧力計測値をＭＦＣにフィードバックして、圧力制御系を構成することに想到した。このようにすれば、圧力制御から流量制御に切替可能な複合制御系を形成することができる。この場合、安定状態（整定状態）に効率よく移行するために、圧力制御時に所望の圧力に至るまでの残り時間を算出し、さらにバルブと圧力センサの位置関係および気体の流量（流速）によって決まるむだ時間を算出し、残り時間とむだ時間が一致するタイミングを圧力制御から流量制御への切替タイミングとして、そのタイミングで流量制御のためのバルブの安定開度付近から流量制御を開始するのが好適である。
【００１７】
［実施例］
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施例に係る制御装置の構成を示すブロック図である。制御装置は、反応処理チャンバー内の気体の圧力計測値（第１の制御量計測値）を取得する圧力取得部１００（第１の制御量取得部）と、反応処理チャンバー内に導入される気体の流量計測値（第２の制御量計測値）を取得する流量取得部１０１（第２の制御量取得部）と、制御開始時の圧力制御モード（第１の制御モード）において、圧力計測値に基づいてバルブ（制御用アクチュエータ）の開度を制御する圧力制御部１０２（第１の制御部）と、流量制御モード（第２の制御モード）において、流量計測値に基づいてバルブの開度を制御する流量制御部１０３（第２の制御部）と、バルブと圧力センサとの位置関係情報を予め記憶する位置関係記憶部１０４と、流量制御部１０３による流量制御におけるバルブの安定開度（安定操作量）を予め記憶する安定開度記憶部１０５（安定操作量記憶部）と、圧力制御モード時に圧力計測値が所望の設定値に至るまでの残り時間を算出し、バルブの開度変更の影響が圧力計測値に現れるまでの時間であるむだ時間と残り時間とが略一致したときを、圧力制御部１０２による圧力制御から流量制御部１０３による流量制御への切替タイミングとして切替信号を出力する切替信号出力部１０６と、切替信号が出力されたときに、圧力制御部１０２による圧力制御を停止させると同時に、バルブの開度を規定時間だけ安定操作量の値に維持する開度切替部１０７（操作量切替部）と、切替信号が出力された時点から規定時間が経過したときに、制御モードを流量制御モードに切り替えるモード切替部１０８とを備えている。
【００１８】
図２は本実施例の制御装置の動作を説明するフローチャートである。位置関係記憶部１０４には、反応処理チャンバー（真空チャンバー）内の圧力および反応処理チャンバーに導入される気体の流量を調節するバルブと、反応処理チャンバー内の圧力センサ（例えば図８の圧力センサ１６）との位置関係の情報が予め記憶されている。本実施例では、例えば図７に示したようなＭＦＣと図８に示したような真空装置を適用対象としているので、図７、図８の符号を用いて説明する。図８の真空装置の場合には、ＭＦＣ１０にバルブ５が設けられている。位置関係情報は、例えばバルブ５から圧力センサ１６までの気体流路距離であるが、気体流路距離を導き出せるような等価な情報であれば、これに限られない。
【００１９】
一方、安定開度記憶部１０５には、流量制御におけるバルブ５の安定開度ＭＶ０が予め記憶されている。この安定開度ＭＶ０は、反応処理チャンバー（真空チャンバー１１）内に導入される気体の流量計測値（フローセンサ４によって計測される流量値）が流量設定値（後述するＳＰｂ）付近で安定しているときのバルブ５の開度である。この安定開度ＭＶ０は、真空装置を用いた事前の試験によって求めることができる。
【００２０】
図３は反応処理チャンバー（真空チャンバー１１）内の圧力の変化の１例を示す図、図４は反応処理チャンバー（真空チャンバー１１）内に導入される気体の流量の変化の１例を示す図、図５はバルブ開度の変化の１例を示す図である。図３〜図５において、Ｆ１は制御モードが圧力制御モードの期間、Ｆ２は後述のようにバルブ５を安定開度ＭＶ０に維持する期間、Ｆ３は制御モードが流量制御モードの期間である。
【００２１】
最初に、真空装置の立上げが行われ、図３〜図５の時刻ｔ１において反応処理チャンバー（真空チャンバー１１）の真空引きが開始されると、モード切替部１０８は制御モードを圧力制御モードとする（図２ステップＳ１００）。
圧力取得部１００は、圧力センサ１６から反応処理チャンバー（真空チャンバー１１）内の気体の圧力計測値ＰＶａを取得する（図２ステップＳ１０１）。圧力センサ１６としては、通常は真空計が採用される（例えば特開２０１５−１８４０６４号公報参照）。なお、排気側に圧力センサが備えられている場合でも、導入側（給気側）に別の圧力センサを設け、この追加した圧力センサから圧力計測値ＰＶａを取得することが好ましい。
【００２２】
流量取得部１０１は、反応処理チャンバー（真空チャンバー１１）内に導入される気体の流量計測値ＰＶｂをＭＦＣ１０（フローセンサ４）から取得する（図２ステップＳ１０２）。
【００２３】
圧力制御モードにおいて、圧力制御部１０２は、以下のように圧力計測値ＰＶａに基づいてバルブ５の開度を制御する。具体的には、圧力制御部１０２は、式（１）のような速度型ＰＩＤ演算を行ってバルブ開度ＭＶ＿ｎｅｗ（操作量）を算出し（図２ステップＳ１０３）、算出したバルブ開度ＭＶ＿ｎｅｗを指定する開度指示信号をＭＦＣ１０（バルブ５）に出力する（図２ステップＳ１０４）。
ＭＶ＿ｎｅｗ＝ＫｇａΔＥｒａ＋（Ｔｚ／Ｔｉａ）Ｅｒａ
＋（Ｔｄａ／Ｔｚ）Δ2Ｅｒａ＋ＭＶ＿ｏｌｄ         ・・・（１）
【００２４】
式（１）において、ＭＶ＿ｏｌｄは更新前のバルブ開度、Ｅｒａは制御偏差であり、圧力設定値ＳＰａと圧力計測値ＰＶａとの差ＳＰａ−ＰＶａである。また、ΔＥｒａは制御偏差Ｅｒａの変化量、Δ2Ｅｒａは制御偏差Ｅｒａの変化量の変化量、ＫｇａはＰＩＤパラメータのうちの比例ゲイン、ＴｉａはＰＩＤパラメータのうちの積分時間、ＴｄａはＰＩＤパラメータのうちの微分時間、Ｔｚは制御周期である。
【００２５】
圧力制御モードにおいて、切替信号出力部１０６は、圧力計測値ＰＶａが所望の圧力設定値ＳＰａに至るまでの残り時間Ｔｘを算出する（図２ステップＳ１０５）。
残り時間Ｔｘの具体的な算出方法としては、圧力計測値ＰＶａの単位時間１ｓｅｃ．あたりの変化率（図３のΔＰＶａ）を求め、圧力設定値ＳＰａと圧力計測値ＰＶａとの差の絶対値に基づき、式（２）により残り時間Ｔｘを算出すればよい。
Ｔｘ＝｜ＳＰａ−ＰＶａ｜／｜ΔＰＶａ｜                          ・・・（２）
【００２６】
さらに、切替信号出力部１０６は、バルブ５の開度変更の影響が圧力センサ１６の圧力計測値ＰＶａに現れるまでの時間であるむだ時間Ｔｓを算出する（図２ステップＳ１０６）。むだ時間Ｔｓは、バルブ５と圧力センサ１６との位置関係、および気体の流量（流速）によって決まる。具体的には、切替信号出力部１０６は、位置関係記憶部１０４に記憶されている位置関係情報から得られる、バルブ５から圧力センサ１６までの気体流路距離Ｌと、流量取得部１０１によって取得された気体の流量計測値ＰＶｂから得られる流速Ｖとに基づき、次式によりむだ時間Ｔｓを算出する。
Ｔｓ＝Ｌ／Ｖ                                                    ・・・（３）
【００２７】
ＭＦＣ１０のフローセンサ４が設けられている流路６の断面積Ａは既知の値なので、次式により気体の流速Ｖを算出することができる。
Ｖ＝ＰＶｂ／Ａ                                                  ・・・（４）
【００２８】
そして、切替信号出力部１０６は、算出した残り時間Ｔｘとむだ時間Ｔｓとを比較する（図２ステップＳ１０７）。残り時間Ｔｘとむだ時間Ｔｓとが略一致するまで、以上のようなステップＳ１０１〜Ｓ１０７の処理が制御周期Ｔｚ毎に実行される。
【００２９】
切替信号出力部１０６は、残り時間Ｔｘとむだ時間Ｔｓとが略一致したときを、圧力制御から流量制御への切替タイミングとして切替信号を出力する（図２ステップＳ１０８）。図３〜図５の例では、時刻ｔ２において残り時間Ｔｘとむだ時間Ｔｓとが一致する。なお、略一致とは、残り時間Ｔｘがむだ時間Ｔｓを中心とする所定の時間範囲（Ｔｓ±α、αは所定の許容時間）内であることを言う。
【００３０】
開度切替部１０７は、切替信号出力部１０６から切替信号が出力されると、圧力制御部１０２からの開度指示信号の出力を停止させると同時に、安定開度記憶部１０５に記憶されている安定開度ＭＶ０を指定する開度指示信号をＭＦＣ１０（バルブ５）に出力する（図２ステップＳ１０９）。これにより、図５に示すようにバルブ５の開度が安定開度ＭＶ０に維持される。
【００３１】
開度切替部１０７は、切替信号が出力された時点（時刻ｔ２）から規定時間が経過するまで（図２ステップＳ１１０においてＹＥＳ）、安定開度ＭＶ０を指定する開度指示信号の出力を継続する。ここで、規定時間は、むだ時間Ｔｓと同一、またはむだ時間Ｔｓよりも長い時間（Ｔｓ＋β、βは一定期間）である。
【００３２】
モード切替部１０８は、切替信号が出力された時点から上記の規定時間が経過したとき、制御モードを流量制御モードに切り替える（図２ステップＳ１１１）。図３〜図５の例では、時刻ｔ３において制御モードが流量制御モードに切り替わる。
【００３３】
流量取得部１０１が流量計測値ＰＶｂを取得する処理（図２ステップＳ１１２）は、ステップＳ１０２で説明したとおりである。
流量制御モードにおいて、流量制御部１０３は、安定開度ＭＶ０をバルブ５の開度の初期値として、流量計測値ＰＶｂに基づいてバルブ５の開度を制御する。具体的には、流量制御部１０３は、式（５）のような速度型ＰＩＤ演算を行ってバルブ開度ＭＶ＿ｎｅｗを算出し（図２ステップＳ１１３）、算出したバルブ開度ＭＶ＿ｎｅｗを指定する開度指示信号をＭＦＣ１０（バルブ５）に出力する（図２ステップＳ１１４）。
ＭＶ＿ｎｅｗ＝Ｋｇｂ０．０＋（Ｔｚ／Ｔｉｂ）Ｅｒ０＋（Ｔｄｂ／Ｔｚ）０．０
＋ＭＶ０
＝（Ｔｚ／Ｔｉｂ）Ｅｒ０＋ＭＶ０                    ・・・（５）
【００３４】
式（５）において、図４に示すようにＥｒ０は初期制御偏差であり、流量制御モードに切り替わった時点での流量設定値ＳＰｂと流量計測値ＰＶｂとの差ＳＰｂ−ＰＶｂである。また、ＫｇｂはＰＩＤパラメータのうちの比例ゲイン、ＴｉｂはＰＩＤパラメータのうちの積分時間、ＴｄｂはＰＩＤパラメータのうちの微分時間、Ｔｚは制御周期である。
流量制御部１０３は、式（５）のような演算を１制御周期のみ行う。これにより、バルブ５の開度はバンプレスの動作になるので、流量の不要な変動を可能な限り抑えた動作になる。
【００３５】
そして、流量制御部１０３は、式（５）のような演算を１制御周期のみ行った後は、流量取得部１０１によって取得された流量計測値ＰＶｂ（図２ステップＳ１１５）に基づいて、式（６）のような速度型ＰＩＤ演算を行ってバルブ開度ＭＶ＿ｎｅｗを算出し（図２ステップＳ１１６）、算出したバルブ開度ＭＶ＿ｎｅｗを指定する開度指示信号をＭＦＣ１０（バルブ５）に出力する（図２ステップＳ１１７）。
ＭＶ＿ｎｅｗ＝ＫｇｂΔＥｒｂ＋（Ｔｚ／Ｔｉｂ）Ｅｒｂ
＋（Ｔｄｂ／Ｔｚ）Δ2Ｅｒｂ＋ＭＶ＿ｏｌｄ         ・・・（６）
【００３６】
式（６）において、ＭＶ＿ｏｌｄは更新前のバルブ開度、Ｅｒｂは制御偏差であり、流量設定値ＳＰｂと流量計測値ＰＶｂとの差ＳＰｂ−ＰＶｂである。また、ΔＥｒｂは制御偏差Ｅｒｂの変化量、Δ2Ｅｒｂは制御偏差Ｅｒｂの変化量の変化量である。
こうして、例えばオペレータの指示によって制御が終了するまで（図２ステップＳ１１８においてＹＥＳ）ステップＳ１１５〜Ｓ１１７の処理が制御周期Ｔｚ毎に実行される。
【００３７】
本実施例では、バルブ５と圧力センサ１６との位置関係、および気体の流量（流速）によってむだ時間Ｔｓが決まるものとして説明したが、バルブ５の開度変更の影響が圧力計測値ＰＶａに現れるまでの時間として予めむだ時間Ｔｓを把握できていれば、本実施例のようにむだ時間Ｔｓを算出する必要はない。
【００３８】
また、本実施例では、圧力計測値ＰＶａの単位時間あたりの変化率ΔＰＶａを求め、圧力設定値ＳＰａと圧力計測値ＰＶａとの差に基づきシンプルに残り時間Ｔｘを算出するようにしたが、非線形性などの影響でシンプルな算出よりも残り時間Ｔｘが長くなるか短くなるか把握できている場合は、算出した残り時間Ｔｘを適宜補正することが好ましい。
【００３９】
本実施例では、図１に示した制御装置と図１０に示した真空装置とを含む制御システムにおいて、同一の制御対象（真空装置）の異なる物理量である圧力（第１の制御量）と流量（第２の制御量）とを同一の制御用アクチュエータであるバルブ５によって制御する例で説明したが、本発明は本実施例と同様の原理に該当するものであれば適用可能である。本発明は、制御モードの切替前後で制御量が異なり、過渡状態を扱う第１の制御についてのむだ時間Ｔｓを採用する点が特徴になる。第１の制御量を計測するセンサ（本実施例では圧力センサ１６）は、制御用アクチュエータ（本実施例ではバルブ５）よりも後ろの位置に設けられていることが好ましい。第２の制御量を計測するセンサ（本実施例ではフローセンサ４）は、制御用アクチュエータの前後どちらの位置にあってもよい。
【００４０】
本実施例で説明した制御装置は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶装置及びインターフェースを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。このコンピュータの構成例を図６に示す。コンピュータは、ＣＰＵ２００と、記憶装置２０１と、インターフェース装置（以下、Ｉ／Ｆと略する）２０２とを備えている。Ｉ／Ｆ２０２には、ＭＦＣ１０と圧力センサ１６などが接続される。このようなコンピュータにおいて、本発明の制御方法を実現させるためのプログラムは記憶装置２０１に格納される。ＣＰＵ２００は、記憶装置２０１に格納されたプログラムに従って本実施例で説明した処理を実行する。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明は、同一の制御対象の異なる物理量である第１の制御量と第２の制御量とを同一の制御用アクチュエータを用いて制御する制御システムに適用することができる。
【符号の説明】
【００４２】
４…フローセンサ、５…バルブ、１０…マスフローコントローラ、１６…圧力センサ、１００…圧力取得部、１０１…流量取得部、１０２…圧力制御部、１０３…流量制御部、１０４…位置関係記憶部、１０５…安定開度記憶部、１０６…切替信号出力部、１０７…開度切替部、１０８…モード切替部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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