JP2020098653A - 質量流量制御装置の流量をリアルタイムで監視するシステムおよび方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】半導体処理が行われている間、質量流量制御装置の較正設定を実時間で継続的に検査する装置及び方法を提供する。【解決手段】質量流量制御装置が、前記質量流量制御装置を流れる質量流量を測定するように構成および配置された第1の流量計と、質量流量制御装置を流れる質量流量を計測するように構成および配置された第2の流量計と、前記流量計のうち1つによって測定した流量に応じて生成された制御信号に応答して、前記質量流量制御装置を流れる質量流量を制御するように構成および配置された制御弁と、前記制御信号を生成するとともに、前記第1の流量計によって測定した質量流量と前記第2の流量計によって測定した質量流量との間の差異が閾値を超える場合、表示を与えるように構成および配置されたシステム制御部と、を備える。【選択図】なし
Description
本開示は概して質量流量制御装置(MFC)に関し、特にMFCの流量をリアルタイムで監視するシステムおよび方法に関する。ここで用いる「ガス」という用語と「蒸気」という2つの用語が異なると考えられる場合、「ガス」は「蒸気」を含むものとする。
(関連出願の相互参照)
本願は、「質量流量制御装置の流量をリアルタイムで監視するシステムおよび方法」と題し、代理人整理番号086400−0090(MKSK−0227US)で、2012年1月20日出願の米国特許出願第13/354,988号の一部継続出願であり、「質量流量制御装置の流量をリアルタイムで監視するシステムおよび方法」と題し、代理人整理番号086400−0191(MKS−236US)、2014年3月11日出願の、米国特許出願第14/205,030号に基づくとともに、これらの出願に優先権を主張する。これらの出願の各々の内容全てをここに参照して援用する。
本願は、「質量流量制御装置の流量をリアルタイムで監視するシステムおよび方法」と題し、代理人整理番号086400−0090(MKSK−0227US)で、2012年1月20日出願の米国特許出願第13/354,988号の一部継続出願であり、「質量流量制御装置の流量をリアルタイムで監視するシステムおよび方法」と題し、代理人整理番号086400−0191(MKS−236US)、2014年3月11日出願の、米国特許出願第14/205,030号に基づくとともに、これらの出願に優先権を主張する。これらの出願の各々の内容全てをここに参照して援用する。
質量流量制御装置(MFC)は、ガスの流量を測定および制御する装置である。通常、これらを用いて半導体製造処理中にガスの流量を制御するが、半導体製品を高生産率で製造するためには、真空容器のような半導体ツールへのガスの流量を注意深く制御しなければならない。通常、MFCは特定の範囲の流量で特定タイプのガスを制御するように、設計および較正される。これらの装置は所与の設定点に基づいて流量を制御し、それは通常、ユーザまたは半導体ツール自体のような外部装置によってあらかじめ決められている。MFCはアナログ式、デジタル式のいずれでもよい。これらは一般的に入力ガスの圧力範囲で用いるように設計され、低圧および高圧のMFCが入手可能である。MFCは全て、入力口、出力口、ならびに質量流量センサおよび比例制御弁を備える質量流量計を有する。システム制御装置は、質量流量センサが検知したとして測定した流量とともに設定点によって決定される流量の比較に応じた制御信号を、制御弁へ提供するフィードバック制御システムの一部として用いられる。このようにこのフィードバック制御システムは、設定点によって決定された流量で測定流量が維持されるように、弁を作動させる。
このような制御システムは、MFCが較正状態をある公差内に維持されていることを想定している。MFCが較正公差内であるか否かを検査するため、MFCは一般的に、質量流量検証器のような装置にてオフラインで検査される。後者は流量を検査するのに用いられる。オフライン検査は大変正確であるが、MFCが(リアルタイムでの)処理運転中に較正外となる可能性が有り、処理が終了するまではMFCが検知されないという問題を常に抱えている。この結果、半導体製品の歩留まりが低下するとともに、製品の全生産が欠損する結果となる完全な失敗にさえしばしなり得る。これは高くつくとともに、明らかに望ましくない。必要なのは、処理が行われている間、MFCの較正設定を実時間で継続的に検査する装置及び方法である。
一実施形態において、源から目標へのガスの流量を制御する質量流量制御装置を提供する。質量流量制御装置は、第1および第2の流量計、ならびに上流および下流比例制御弁を備える。第1の流量計は、質量流量制御装置を流れるガスの質量流量を熱検知質量流量に応じて測定するように構成および配置される。第2の流量計は、圧力センサと、質量流量制御装置を流れるガスを受け入れる所定容量を規定する構造とを備える。第2の流量計は、所定容量から流通可能とされた場合のガスの測定圧力の減衰率に応じて、質量流量制御装置を流れるガスの質量流量を計測するように構成および配置される。上流比例制御弁は、質量流量制御装置に流入するガスの流量を選択的に制御するように構成および配置される。下流比例制御弁は、設定点と流量計のうち1つによって測定した流量とに応じて生成された制御信号に応答して、質量流量制御装置からのガスの質量流量を制御するように構成および配置される。システム処理制御部は、制御信号を生成し、かつ、第1の流量計によって測定したガスの質量流量と第2の流量計によって測定したガスの質量流量との間の差異が閾値を超える場合、表示を与えるように構成および配置される。圧力センサと、上流流量比例制御弁と、システム処理制御部とは、所定容量内の圧力を規制するように構成された閉ループ圧力制御装置を形成するように、さらに構成および配置される。
一実施形態において、閉ループ圧力制御装置は、突入ガスを回避するため、所定容量の内部圧力を入力ガスの上流圧力まで十分にゆっくりと上昇させるように、上流比例制御弁を調整可能であるように、さらに構成および配置される。
一実施形態において、閉ループ圧力制御装置は、質量流量制御装置が源から目標へのガスの流量を制御している時に、流量制御中に上流圧力障害がある場合、閉ループ圧力制御装置が、上流比例制御弁の開度を所定容量内の前記圧力を規制するように自動的に調整し、出力流量制御への質量流量制御装置の入力圧力障害の影響が最小化され、質量流量制御装置の流量制御の圧力不感受性能が改善されるように、さらに構成および配置される。
一実施形態において、閉ループ圧力制御装置は、質量流量制御装置が源から目標へのガスの流量を制御している時に、流量制御中に上流圧力障害がある場合、閉ループ圧力制御装置が、上流比例制御弁の開度を所定容量内の圧力を規制するように自動的に調整し、出力流量制御への質量流量制御装置の入力圧力障害の影響が最小化され、質量流量制御装置の流量制御の圧力不感受性能が改善されるように、構成および配置される。
一実施形態において、所定容量を規定する構造が、第1の流量計、第2の流量計、上流比例制御弁、および下流比例制御弁の1つ以上を支持する。
一実施形態において、第1の質量流量計は熱質量流量計を備え、下流比例制御弁は、熱質量流量計よりも下流に位置する。
一実施形態において、第2の比例制御弁は、第1の比例制御弁の上流に位置し、所定容量は、ガスが流通可能な第1の比例制御弁と第2の比例制御弁との間に位置し、質量流量制御装置は、所定容量内のガスの温度および圧力を表す圧力信号および温度信号をそれぞれ生成するための圧力センサおよび温度センサをさらに備える。
一実施形態において、第2の流量計は圧力センサを備え、システム処理制御部、圧力センサ、および第2の制御弁は、閉ループ圧力制御装置を形成して、所定容量内の圧力を規制する。
一実施形態において、所定容量は、第1および第2の制御弁の間の質量流量制御装置内にあり、閉ループ圧力制御装置は、(1)突入ガスを回避するために、MFCの内側圧力を入力ガスの上流圧力まで十分にゆっくりと上昇させるように、第2の制御弁を制御可能であり、また(2)流量制御期間に上流圧力障害がある場合、閉ループ圧力制御装置が、第2の制御弁の開度を所定容量内の圧力を規制するように自動的に調整し、質量流量制御装置の流量制御の圧力不感受性能を改善するように質量流量制御装置の出力流量制御に対する入力圧力障害の影響が最小化されるよう構成および配置される。
一実施形態において、質量流量制御装置および処理制御部は、以下のように作動するように構成および配置される。
(a)設定点が零の場合、流量制御弁が閉弁され、かつ、流量制御弁より上流の第2の制御弁が開弁され、源からのガスが所定容量を満たすことができるようにする。そして第2の制御弁が閉弁される。
(b)流量の設定点が零から非零値へ変更された場合、第2の制御弁は閉弁に維持され、かつ、流量制御弁は開弁されて、第1の流量計によって測定された流量Qtを流量の設定点まで規制する。
(c)所定期間の間、質量流量制御装置は、下記の関係に従って、圧力信号の減衰率に基づいて、流量を検証する。
Qv=−V[d(P/T)]/dt
ここで、
Qvは、第2の流量計によって決定された検証流量であり、
Vは所定容量であり、
Pは圧力信号によって測定した圧力であり、
Tは温度信号によって測定した温度であり、
d(P/T)/dtは、比率P/Tの一次導関数、すなわち比率P/Tの変化率である;
(d)流量検証後、第2の制御弁が開弁し、質量流量制御装置に流量制御を継続させる。
(a)設定点が零の場合、流量制御弁が閉弁され、かつ、流量制御弁より上流の第2の制御弁が開弁され、源からのガスが所定容量を満たすことができるようにする。そして第2の制御弁が閉弁される。
(b)流量の設定点が零から非零値へ変更された場合、第2の制御弁は閉弁に維持され、かつ、流量制御弁は開弁されて、第1の流量計によって測定された流量Qtを流量の設定点まで規制する。
(c)所定期間の間、質量流量制御装置は、下記の関係に従って、圧力信号の減衰率に基づいて、流量を検証する。
Qv=−V[d(P/T)]/dt
ここで、
Qvは、第2の流量計によって決定された検証流量であり、
Vは所定容量であり、
Pは圧力信号によって測定した圧力であり、
Tは温度信号によって測定した温度であり、
d(P/T)/dtは、比率P/Tの一次導関数、すなわち比率P/Tの変化率である;
(d)流量検証後、第2の制御弁が開弁し、質量流量制御装置に流量制御を継続させる。
一実施形態において、所定期間は約50msと1000msとの間である。
一実施形態において、質量流量制御装置は、検証流量Qvを、第1の流量計によって測定した流量Qtと比較するようにさらに構成され、QtとQvとの間の偏差が閾値を超える場合は、流量誤差警告信号が供給される。
一実施形態において、質量流量制御装置は、QvおよびQtの測定値に基づいて自己較正を行うように構成されている。
一実施形態において、第1の比例制御弁は、流量の設定点が非零である間は、質量流量制御装置を流れる流量の設定点の質量流量に応じて、質量流量制御装置をガスが流れることができるように制御される。
一実施形態において、流量の設定点の零への設定に続けて、質量流量制御装置は、第2の比例流量制御弁を直ちに閉弁するように構成されている。
一実施形態において、閾値はユーザ設定である。
一実施形態において、閾値は工場設定である。
一実施形態において、閾値は、ガスを配送する制御部が用いられる処理に対応した質量流量の許容公差に応じて設定される。
一実施形態にしたがい、圧力不感受性の質量流量制御装置は、源から目標へのガスの流量を制御するように構成および配置される。質量流量制御装置は、第1の流量計と、第1の比例制御弁と、システム処理制御部と、第2の流量計と、第2の上流比例制御弁と、を備える。第1の流量計は、設定点と質量流量制御装置を流れるガスの測定流量とに応じて、質量流量信号を供給するように構成および配置される。第1の比例制御弁は、質量流量制御装置を流れるガスの流量を、弁制御信号に応答して制御するように構成および配置される。システム処理制御部は、設定点信号および質量流量信号に応じて弁制御信号を生成するように構成および配置される。第2の流量計は、質量流量制御装置を流れるガスの測定圧力を表す圧力測定信号を供給するように構成および配置された圧力センサを備える。第2の流量計は、ガスの測定圧力に応じて第2の質量流量信号を供給するように構成および配置される。第2の上流比例制御弁は、圧力センサの上流で、第2の質量流量信号に応じて、質量流量制御装置に流入するガスの流量を選択的に制御するように構成および配置される。圧力センサと、第2の上流流量比例制御弁と、システム処理制御部とは、質量流量制御装置に流入する圧力流を規制するように構成された閉ループ圧力制御装置を形成するように、さらに構成および配置される。
一実施形態において、質量流量制御装置は源から目標へのガスの流量を制御するように構成および配置される。質量流量制御装置は、第1の流量計と、第2の流量計と、上流比例制御弁と、下流比例制御弁と、システム処理制御部とを備える。第1の流量計は、質量流量制御装置を流れるガスの質量流量を検知質量流量に応じて測定するように構成および配置される。第2の流量計は、圧力センサと、質量流量制御装置を流れるガスを受け入れる所定容量を規定する構造とを備える。第2の流量計は、所定容量から流通可能とされた場合のガスの測定圧力の減衰率に応じて、質量流量制御装置を流れるガスの質量流量を計測および検証するように構成および配置される。上流比例制御弁は、質量流量制御装置に流入するガスの流量を選択的に制御するように構成および配置される。下流比例制御弁は、設定点と第1の流量計によって測定した流量とに応じて生成された制御信号に応答して、質量流量制御装置からのガスの質量流量を制御するように構成および配置される。システム処理制御部は、制御信号を生成し、所定容量から流通可能とされたガスの測定圧力の減衰率に応じて、質量流量制御装置の質量流量制御の精度を検証するように構成および配置される。所定容量を規定する前記構造は、少なくとも第2の流量計および上流比例制御弁を支持する取り付けブロックである。
これらは、他の部品、工程、特徴、目的、利益、および利点同様に、以下の実施形態の詳細な説明、および添付の図面の検討から明確になるだろう。
図面は実施形態の例を開示する。これらは実施形態全てを規定するものではない。これらに加え、またはこれらに代えて、他の実施形態を用いてもよい。スペースの節約または効果的な説明のため、明らかまたは不要な詳細を省略することがある。逆に、実施形態によっては、開示した詳細が全くない状態で実施してもよいものがある。異なる図中に同一の番号が見られる場合は、同一または同様の部品または工程を意味する。
次に実施形態の例を検討する。これらに加え、またはこれらに代えて、他の実施形態を用いてもよい。スペースの節約または効果的な説明のため、明らかまたは不要な詳細を省略することがある。逆に、実施形態によっては、開示した詳細が全くない状態で実施してもよいものもある。
図1を参照すると、図示例の質量流量制御装置10は、MFCの流量を制御するとともに、MFCの精度を実時間で監視するように構成および配置される。図示のように、制御装置10は、2つの流量計12および14を備え、流量計12および14の各々は、MFCを流れるガスの測定流量を表す信号を、独立して生成する。これらの2つの流量計の出力は、システム制御装置16へ供給される。制御装置16は、2つの流量計12および14から受信した2つの信号を処理して、流量計のうち1つが測定した流量と設定点とに基づいて、制御信号を比例制御弁18へ供給するとともに、2つの流量計で測定した流量の差異が所定の閾値を超えたと判断した場合に表示(「警報」)信号を比例制御弁18へ供給する。
全体として20で示すMFCのより詳細な実施形態の例を図2に示す。MFC20は、MFCの流量を制御するとともに、MFCの精度を実時間で監視するために構成および配置される。図示のように、ガスは、ブロック28の入力ポート32に入り、ブロック28はMFCを通って出力口60へ到る主流路34を規定する導管を備える。第1の流量計30は熱質量流量計として示される。熱質量流量計は一般的に熱質量流量センサ36を備える。通常熱質量流量計は、ブロック28を流れるガス流の主流路34のバイパス内に配設されるバイパス要素38を備える。U字型毛細管40は、対向する端部が、それぞれバイパス要素38の上流および下流の端部で主流路に接続される。1つ以上(2つが最も一般的)の抵抗要素42は、(本例では)2つの抵抗要素の抵抗の差の関数としての温度測定に基いて、毛細管を流れる流量の測定に用いられ、質量流量の測定は流体の温度検出の差の関数になる。バイパス要素38は、毛細管40の両端部の間のバイパス要素38を流れるガスが、必ず層流となるように設計される。層流を維持することにより、毛細管を流れるガスの測定流量が、主流路34の正確な割合の流量となる。このように、毛細管40の流れの検知流量は、MFC20を流れて出力口60から出ていく流量の高精度な測定結果となる。検知した流量を表すデータはシステム制御装置16へ伝達される。
第2の流量計50は差圧流量計として示される。チョーク流れの状態のため、流量計50は、流量規制器52(例えば、臨界ノズルまたはオリフィス)、温度センサ54、および上流圧力センサ56を備える。温度センサ54および上流圧力センサ56は、流量規制器52より上流の主流路34を流れるガスの温度および圧力のそれぞれを測定するように配置される。検知した温度および圧力を表すデータはシステム制御装置へ送信され、第2の流量計50を流れる質量流量の判定に、これら検知した測定が用いられる。非チョーク流れの状態のため、第2または下流圧力センサ58が流量規制器52の下流側に設けられる。検知した温度、上流圧力、および下流圧力を表すデータはシステム制御装置16へ送信され、第2の計測器50を流れる質量流量が、これら検知した測定に応じた判定される。(チョークおよび非チョークの実施形態ともに)第2の流量計50が供給する第2の測定結果は、第1の流量計30が供給する測定結果の影響を受けない。
図3を参照すると、システム制御装置16は、MFCの同じ流量に対する2つの流量測定結果を供給するために、流量計70および72の出力を処理する。図示のように、流量計70は流量制御部74に対して設けられ、これに続けて、流量制御部74は、比例制御弁18へ制御信号を与える。2つの測定結果間の差異を表すとともに当該差異の関数としての出力信号を供給するために、比較器76を設けて、2つの計測器70および72が供給する検知した流量測定結果を表すデータを比較する。この出力信号と、(閾値設定80によって供給される)ある閾値とを、閾値検知装置78で比較する。比較器76の出力信号が閾値を超える(2つの流量測定の差が所定の閾値を超えるような異なる流量測定が2つの計測器から供給される)場合、閾値検知装置は警報または表示信号を供給して、少なくとも1つの計測器が不正確であること、およびMFCをオフラインにしてさらに検査する必要があることを、ユーザに警告する。なお、80における閾値設定の値は、工場でのMFCの初期設定の間に設定またはユーザのプログラムを含むいくつもある方法のいずれか1つで供給することができる。閾値は、ガスを送出するのに制御部が用いられる特定の処理に対応した質量流量の許容公差に応じて設定可能である。このように、ある処理では他の処理よりも許容流量の公差を大きくしてもよい。
図2では、第1および第2の流量計を熱質量流量計および差圧流量計として記載したが、MFC20の意図する用途により、これらを、コリオリ流量計、磁気式流量計、または超音波流量計のような他のタイプの流量計とすることもできる。図4に別の例を示し、以下、より詳細に検討する。第1の流量計のタイプは第2の流量計のそれと異なることが好ましいが、2つの流量計を同一タイプとすることもできる。例えば、流量計を両方とも熱質量流量計または差圧流量計とすることができる。さらに、第1の流量計30は制御弁18の上流に位置し、第2の流量計は制御弁18の下流に位置するが、これらの2つの流量計の位置を、MFCの主流路34に沿う任意の場所にすることができる。例えば、流量計を両方とも制御弁18の上流または下流とすることができる。
図3に示すように、第1の流量計70からの測定結果を流量制御部74で用いて、MFC流量出力を制御するとともに、第2の流量計72からの測定結果を用いてMFCの精度を実時間で検証するが、第2の流量計72からの測定結果を流量制御部74で用いて、MFC20の流量出力を制御することができるとともに、第1の流量計70からの測定結果を流量検証に用いることができる。
図4に示すMFC90のより詳細な図示例の実施形態は、ここに記載のように構成および配置されるとともに作動する、システム制御装置、処理装置110、および、2つの流量計100ならびに120を備える。図4に示すこの実施形態は、流量を測定するための熱質量流量と、MFC90の流量を制御するために熱質量流量計による測定結果に応答するための下流制御弁とを利用する。さらに、MFC90は、圧力の減衰率法を利用して流量検証するために、統合型の圧力および温度センサと、所定の内部容量と、(下流制御弁と一緒になった)統合型上流制御弁とを備える。
図4に示すように、ガスはブロック94の入力ポート92に入力される。ブロック94は、MFCを通って出力口98へ到る主流路96を規定する流路を備える。第1の流量計100を熱質量流量計として示す。上述のように、一般的に熱質量流量計は、102に示すような熱質量流量センサを備える。通常熱質量流量計は、ブロック94を流れるガス流の主流路96のバイパス内に配設されるバイパス要素104を備える。U字型毛細管106は、対向する端部が、それぞれバイパス素子104の上流および下流の端部で主流路に接続される。1つ以上の(2つが最も一般的)抵抗要素(図示なし)は、毛細管の流量を温度測定に基づいて測定するのに用いられる。この例では、温度は2つの抵抗要素の抵抗の差に応じて測定でき、これが流体の検知温度における差となる。そして、この測定温度の差は、質量流量の測定となる。バイパス要素104は、毛細管106の両端部の間のバイパス要素104を流れるガス流が、必ず層流となるように設計される。層流を維持することにより、毛細管106の検知流量が、主流路96の正確な割合の流れとなる。このように、毛細管106を流れるガスの測定流量は、MFC90を流れて出力口98から出ていく流量の高精度な測定結果となる。検知した流量を表すデータはシステム制御装置110へ伝達される。流量は下流制御弁112で制御される。より具体的には、熱質量流量センサ102が検知した測定流量の関数として、信号が流量計100によりシステム制御装置110へ供給される。また、システム制御装置110は、所望流量を表す設定点を表す信号を受信する。この設定点は、行われている処理に応じたものである。2つの信号が比較され、下流制御弁112にフィードバック信号が送信される。制御部は、実際の流量ができる限り設定点に近づくのを確実にする必要に応じ、制御弁を調整するために構成および配置される。
熱質量流量計100および制御弁112が質量流量制御装置90のガス流を正確に制御していることを検証するために、質量流量制御装置90は、圧力の減衰率法を利用して質量流量制御装置の(熱質量流量計で測定したものとしての)流量を検証するように構成および配置された第2の流量計120をさらに備える。第2の流量計120は、質量流量制御装置を流れるガスが入力される所定容量122を備える。図示の実施形態において、所定容量122はブロック94の形態の構造における空孔によって形成及び規定されている。ブロック94内に容量を形成することは、容量122を規定する別体の容器を不要とし、MFCの複雑な構造及びコストを低減する。部品は全てブロック94に固定されるものと示されているが、必ずしも全ての部品をそのように載置する必要はない。例えば,第2の流量計120および上流比例制御弁128のみをブロック94に載置し、他の部品を他の構造上に別途載置してもよい。また、第2の流量計は、圧力センサ124および温度センサ126を備え、それぞれ容量122内のガスの圧力および温度を表す信号をシステム制御装置110へ送る。第2の流量計は、下流制御弁112と同様に、上流制御弁128を使用することも含み、2つの流量計が同一の下流弁を共有する。第2の制御弁128は、隔離弁または比例制御弁のどちらでもよい。第2の制御弁128が比例制御弁である場合、圧力センサ124および第2の制御弁128は、システム制御装置または処理装置110とともに、閉ループ圧力制御装置を形成することができ、(1)MFCの所定容量122内の圧力上昇は、流量の検証がなされたときに十分な管理下となり、第2の制御弁128が開弁されてガスがMFCへ流れ込む、すなわち、突入ガスを回避するためにMFCの内側圧力が入力ガスの上流圧力へとゆっくりと上昇するように第2の制御弁が制御され、そして、(2)流量制御期間中(任意の非零流量の設定点)に上流入力圧力障害があると、この圧力制御装置が第2の制御弁128の開度を自動的に調整して、MFC出力流量制御に及ぼす入力圧力障害の影響が最小化するように、制御弁128および112間の内側圧力を規制する。これによって、MFC90の流量制御の圧力不感受性能が向上する。
制御部110は以下の動作を行うように構成され配置される。
(a)設定点が零である場合、制御弁128と制御弁112の間の容量が、入力ポート92に接続する源からのガスで満たされるように、下流弁が閉弁され、かつ、上流弁が開弁される。(圧力センサ124が測定した)内側圧力が安定したとき、上流制御弁128が閉弁される。
(b)流量の設定点が零から非零値へ変更された場合、上流制御弁128は閉弁し続けられ、かつ、下流流量制御弁112は開弁されて、制御部110に与えられた流量の設定点に、第1の流量計100の測定に基づいた流量Qtを規制する。
(c)所定期間、質量流量制御装置は、以下の関係式に従う(容量122内の圧力降下としての)圧力信号の減衰率に基づき、流量を検証する。
Qv=−V[d(P/T)]/dt (1)
ここで、Qvは、第2の流量計によって決定された検証流量であり、Vは、容量122の所定容量であり、Pは、圧力センサ124によって測定され、センサ124によって制御部110へ供給される信号によって表される圧力であり、Tは、温度センサ126によって測定され、温度センサ126によって制御部110へ供給される信号によって表される温度であり、d(P/T)/dtは、比率P/Tの一次導関数、すなわち、比率P/Tの変化率である。
一実施形態において、流量計120で流量を測定する所定期間は、約50msと約1000msとの間であるが、これは質量流量制御装置を用いる特定の用途によって異なってもよい。
(d)検証測定に続いて、制御部110によって流量検証値Qvを取得し、メモリ(図示なし)に記憶する。そして、第1の流量計100を利用した流量制御を質量流量制御装置90に継続させるため、上流制御弁128を開弁してもよい。
(a)設定点が零である場合、制御弁128と制御弁112の間の容量が、入力ポート92に接続する源からのガスで満たされるように、下流弁が閉弁され、かつ、上流弁が開弁される。(圧力センサ124が測定した)内側圧力が安定したとき、上流制御弁128が閉弁される。
(b)流量の設定点が零から非零値へ変更された場合、上流制御弁128は閉弁し続けられ、かつ、下流流量制御弁112は開弁されて、制御部110に与えられた流量の設定点に、第1の流量計100の測定に基づいた流量Qtを規制する。
(c)所定期間、質量流量制御装置は、以下の関係式に従う(容量122内の圧力降下としての)圧力信号の減衰率に基づき、流量を検証する。
Qv=−V[d(P/T)]/dt (1)
ここで、Qvは、第2の流量計によって決定された検証流量であり、Vは、容量122の所定容量であり、Pは、圧力センサ124によって測定され、センサ124によって制御部110へ供給される信号によって表される圧力であり、Tは、温度センサ126によって測定され、温度センサ126によって制御部110へ供給される信号によって表される温度であり、d(P/T)/dtは、比率P/Tの一次導関数、すなわち、比率P/Tの変化率である。
一実施形態において、流量計120で流量を測定する所定期間は、約50msと約1000msとの間であるが、これは質量流量制御装置を用いる特定の用途によって異なってもよい。
(d)検証測定に続いて、制御部110によって流量検証値Qvを取得し、メモリ(図示なし)に記憶する。そして、第1の流量計100を利用した流量制御を質量流量制御装置90に継続させるため、上流制御弁128を開弁してもよい。
システム制御装置110、圧力センサ124、および上流制御弁128が閉ループ圧力制御装置を形成して、所定容量122内の圧力を規制してもよい。閉ループ圧力制御装置は、以下のように構成および配置される。
(1)突入ガスを回避するため、MFCの内側圧力が入力ガスの上流圧力へとゆっくりと上昇するように第2の制御弁を制御することができる。
(2)流量制御期間中に上流圧力障害がある場合、閉ループ圧力制御装置は、第2の制御弁の開度を所定容量内の圧力を規制するように自動的に調整して、質量流量制御装置の流量制御の圧力不感受性能を改善するように質量流量制御装置の出力流量制御に及ぼす入力圧力障害の影響が最小化される。
(1)突入ガスを回避するため、MFCの内側圧力が入力ガスの上流圧力へとゆっくりと上昇するように第2の制御弁を制御することができる。
(2)流量制御期間中に上流圧力障害がある場合、閉ループ圧力制御装置は、第2の制御弁の開度を所定容量内の圧力を規制するように自動的に調整して、質量流量制御装置の流量制御の圧力不感受性能を改善するように質量流量制御装置の出力流量制御に及ぼす入力圧力障害の影響が最小化される。
第2の流量計からの流量測定を用いて、第1の流量計が供給する測定の精度を検証するように、システム制御装置110を、図3に示す配置と同様に構成することができる。このように、図示した実施形態において、第2の流量計(120)の検証流量Qvを、第1の流量計(100)によって測定した流量Qtと比較し、QtとQv間の偏差が所定の閾値を超える場合には流量誤差の警告信号を供給するように、質量流量制御装置90をさらに構成する。
一実施形態において、質量流量制御装置90は、QvおよびQtの測定値に基づいて自己較正を行うように構成される。制御弁112は、流量の設定点が非零である限りは、質量流量制御装置を流れる流量の設定点に応じて、ガスが質量流量制御装置90を流れることができるように制御される。流量の設定点を零に設定後、質量流量制御装置は、下流流量制御弁112を直ちに閉弁するように構成される。
ここに記載の部品、工程、特徴、目的、利益、および利点は、単なる例として示したものである。これらにも、またこれらに関する検討内容にも、保護範囲を限定する意図はなにもない。多くの他の実施形態も熟考される。これらは少数の、付加的な、および/または異なる部品、工程、特徴、目的、利益、および利点を有する実施形態を含む。これらは、部品および/または工程の配置が異なる、および/または、部品および/または工程の順序が異なる、実施形態も含む。
記述されていない限り、これに続く請求項を含む本明細書に記載の、全ての測定、値、割合、位置、強さ、大きさ、および他の仕様は概略であり、正確ではない。これらは、その関連する機能と整合するとともに、その関連する当該分野での通例と整合する、合理的範囲を有するように意図されている。
開示中に引用した記事、特許、特許出願、および他の公開公報をすべて、ここに参照して援用する。
請求項中で「手段」という語句を用いる場合は、説明してきた対応構造および材料、ならびにその均等物を包含する意図であるとともに、そのように解釈されるべきである。同様に、請求項中で「工程」という語句を用いる場合は、説明してきた対応動作およびその均等物を抱合する意図であるとともに、そのように解釈されるべきである。請求項中にこれらの語句がない場合は、請求項は、これらの対応する構造、材料、または動作、またはこれらの均等物に限定されることを意図せず、またそのように解釈されるべきではないことを意味する。
請求項に記載されているかどうかにかかわらず、記述または図示した内容は、部品、工程、特徴、目的、利益、利点、または均等物のいずれも、公益に対し貢献することを意図せず、またそのように貢献すると解釈されるべきでもない。
保護範囲は、以下に続く請求項によってのみ限定される。特定の意味が記載されている場合を除き、その範囲は、本明細書とこれに続く審査経過を考慮して解釈する場合、請求項内で用いられる言語の通常の意味と同じくらい広く整合することを意図し、またそのように解釈されるとともに、すべての構造的および機能的均等物を抱合すると解釈されるべきである。
Claims (19)
- 源から目標へのガスの流量を制御する質量流量制御装置であって、
前記質量流量制御装置を流れるガスの質量流量を熱検知の質量流量に応じて測定するように構成および配置された第1の流量計と、
圧力センサと、前記質量流量制御装置を流れるガスを受け入れる所定容量を規定する構造とを備える第2の流量計であって、前記所定容量から流通可能とされた場合のガスの測定圧力の減衰率に応じて、前記質量流量制御装置を流れるガスの質量流量を計測するように構成および配置された第2の流量計と、
前記質量流量制御装置に流入するガスの流量を選択的に制御するように構成および配置された上流比例制御弁と、
設定点と前記流量計のうち1つによって測定した流量とに応じて生成された制御信号に応答して、前記質量流量制御装置からのガスの質量流量を制御するように構成および配置された下流比例制御弁と、
前記制御信号を生成し、かつ、前記第1の流量計によって測定したガスの質量流量と前記第2の流量計によって測定したガスの質量流量との間の差異が閾値を超える場合、表示を与えるように構成および配置されたシステム処理制御部とを備え、
前記圧力センサと、前記上流流量比例制御弁と、前記システム処理制御部とが、前記所定容量内の圧力を規制するように構成された閉ループ圧力制御装置を形成するように、さらに構成および配置された質量流量制御装置。 - 前記閉ループ圧力制御装置は、突入ガスを回避するため、前記所定容量の内部圧力が入力ガスの上流圧力まで十分にゆっくりと上昇するように前記上流比例制御弁を調整可能であるように、さらに構成および配置された請求項1に記載の質量流量制御装置。
- 前記閉ループ圧力制御装置は、前記質量流量制御装置が源から目標へのガスの流量を制御している時に、流量制御中の上流圧力障害がある場合、前記閉ループ圧力制御装置が、前記上流比例制御弁の開度を前記所定容量内の圧力を規制するように自動的に調整し、前記質量流量制御装置の流量制御の圧力不感受性能を改善するように前記質量流量制御装置の出力流量制御への前記入力圧力障害の影響が最小化されるようさらに構成および配置された請求項2に記載の質量流量制御装置。
- 前記閉ループ圧力制御装置は、前記質量流量制御装置が源から目標へのガスの流量を制御している時に、流量制御中の上流圧力障害がある場合、前記閉ループ圧力制御装置が、前記上流比例制御弁の開度を前記所定容量内の圧力を規制するように自動的に調整し、前記質量流量制御装置の流量制御の圧力不感受性能を改善するように前記質量流量制御装置の出力流量制御への前記入力圧力障害の影響が最小化されるよう構成および配置された請求項1に記載の質量流量制御装置。
- 前記所定容量を規定する前記構造が、前記第1の流量計、前記第2の流量計、前記上流比例制御弁、および前記下流比例制御弁のうち1つ以上を支持する請求項1に記載の質量流量制御装置。
- 前記第1の質量流量計は熱質量流量計を備え、前記下流比例制御弁は、前記熱質量流量計よりも下流に位置する請求項1に記載の質量流量制御装置。
- 前記第2の比例制御弁は、前記第1の比例制御弁の上流に位置し、前記所定容量は、ガスが流通可能な前記第1の比例制御弁と前記第2の比例制御弁との間に位置し、前記質量流量制御装置は、前記所定容量内のガスの温度および圧力を表す圧力信号および温度信号をそれぞれ生成するための圧力センサおよび温度センサをさらに備える、請求項1に記載の質量流量制御装置。
- 前記所定容量は、前記質量流量制御装置内の前記第1および第2の制御弁の間にあり、前記閉ループ圧力制御装置は、(1)突入ガスを回避するため、前記質量流量制御装置の内側圧力が入力ガスの上流圧力まで十分にゆっくりと上昇するように前記第2の制御弁を制御可能であり、また(2)前記流量制御期間に上流圧力障害がある場合、前記閉ループ圧力制御装置が、前記第2の制御弁の開度を前記所定容量内の圧力を規制するように自動的に調整し、質量流量制御装置の前記流量制御の圧力不感受性能を改善するように前記質量流量制御装置の出力流量制御に対する前記入力圧力障害の影響が最小化されるよう構成および配置された請求項7に記載の質量流量制御装置。
- 前記質量流量制御装置および前記処理制御部は、以下のように作動するように構成および配置される:
(a)前記設定点が零の場合、前記流量制御弁が閉弁され、かつ、前記流量制御弁より上流の前記第2の制御弁が開弁され、前記源からのガスが前記所定容量を満たすことができるようにする。そして前記第2の制御弁が閉弁される;
(b)流量の設定点が零から非零値へ変更された場合、前記第2の制御弁は閉弁に維持され、前記流量制御弁は開弁されて、前記第1の流量計によって測定された流量Qtを前記流量の設定点に規制する;
(c)所定期間の間、前記質量流量制御装置は、下記の関係に従って、圧力信号の減衰率に基づいて、前記流量を検証する:
Qv=−V[d(P/T)]/dt
ここで、
Qvは、前記第2の流量計によって決定された検証流量であり、
Vは前記所定容量であり、
Pは前記圧力信号によって測定した圧力であり、
Tは前記温度信号によって測定した温度であり、
d(P/T)/dtは、比率P/Tの一次導関数、すなわち比率P/Tの変化率である;
(d)前記流量の検証後、前記第2の制御弁が開弁し、前記質量流量制御装置に流量制御を継続させる、
請求項1に記載の質量流量制御装置。 - 前記所定期間は約50msと1000msとの間である請求項9に記載の質量流量制御装置。
- 前記質量流量制御装置は、前記検証流量Qvを、前記第1の流量計によって測定した流量Qtと比較するようにさらに構成され、QtとQvとの間の偏差が前記閾値を超える場合は、流量誤差警告信号が供給される請求項9に記載の質量流量制御装置。
- 前記質量流量制御装置は、QvおよびQtの測定値に基づいて自己較正を行うように構成されている請求項11に記載の質量流量制御装置。
- 前記第1の比例制御弁は、前記流量の設定点が非零である間は、前記質量流量制御装置を流れる前記流量の設定点の質量流量に応じて、前記質量流量制御装置をガスが流れることができるように制御される請求項1に記載の質量流量制御装置。
- 前記流量の設定点の零への設定に続けて、前記質量流量制御装置は、前記第2の比例流量制御弁を直ちに閉弁するように構成されている請求項1に記載の質量流量制御装置。
- 前記閾値はユーザ設定である請求項1に記載の質量流量制御装置。
- 前記閾値は工場設定である請求項1に記載の質量流量制御装置。
- 前記閾値は、ガスを配送するのに制御部が用いられる処理に対応した質量流量の許容公差に応じて設定される請求項1に記載の質量流量制御装置。
- 源から目標へのガスの流量を制御する圧力不感受性の質量流量制御装置であって、
設定点と前記質量流量制御装置を流れるガスの測定流量とに応じて、質量流量信号を供給するように構成および配置された第1の流量計と、
前記質量流量制御装置を流れるガスの流量を、弁制御信号に応答して制御するように構成および配置された第1の比例制御弁と、
設定点信号および前記質量流量信号に応じて前記弁制御信号を生成するように構成および配置されたシステム処理制御部と、
前記質量流量制御装置を流れるガスの測定圧力を表す圧力測定信号を供給するように構成および配置された圧力センサを備える第2の流量計であって、前記第2の流量計は、前記ガスの前記測定圧力に応じて第2の質量流量信号を供給するように構成および配置された前記第2の流量計と、
前記第2の質量流量信号に応じて、前記質量流量制御装置に流入するガスの前記流量を選択的に制御するように構成および前記圧力センサの上流に配置された第2の上流比例制御弁と、を備え、
前記圧力センサと、前記第2の上流流量比例制御弁と、前記システム処理制御部とが、前記質量流量制御装置に流入する圧力流を規制するように構成された閉ループ圧力制御装置を形成するように、さらに構成および配置された質量流量制御装置。 - 源から目標へのガスの流量を制御する質量流量制御装置であって、
前記質量流量制御装置を流れるガスの質量流量を検知質量流量に応じて測定するように構成および配置された第1の流量計と、
圧力センサと、前記質量流量制御装置を流れるガスを受け入れる所定容量を規定する構造とを備える第2の流量計であって、前記第2の流量計は、前記所定容量から流通可能とされた場合のガスの測定圧力の減衰率に応じて、前記質量流量制御装置を流れるガスの質量流量を計測および検証するように構成および配置された第2の流量計と、
前記質量流量制御装置に流入するガスの流量を選択的に制御するように構成および配置された上流比例制御弁と、
設定点と前記第1の流量計によって測定した流量とに応じて生成された制御信号に応答して、前記質量流量制御装置からのガスの質量流量を制御するように構成および配置された下流比例制御弁と、
前記制御信号を生成し、かつ、前記所定容量から流通可能とされたガスの測定圧力の減衰率に応じて、前記質量流量制御装置の質量流量制御の精度を検証するように構成および配置されたシステム処理制御部と、を備え、
前記所定容量を規定する前記構造は、少なくとも前記第2の流量計および前記上流比例制御弁を支持する取り付けブロックである、圧力不感受性の質量流量制御装置。
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