JP4137666B2

JP4137666B2 - マスフローコントローラ

Info

Publication number: JP4137666B2
Application number: JP2003038803A
Authority: JP
Inventors: 正巳西川
Original assignee: Horiba Stec Co Ltd
Current assignee: Horiba Stec Co Ltd
Priority date: 2003-02-17
Filing date: 2003-02-17
Publication date: 2008-08-20
Anticipated expiration: 2023-02-17
Also published as: JP2004246826A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マスフローコントローラに関する。より詳細には、絞り部を用いたマスフローコントローラに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図３は、従来のマスフローコントローラを用いた半導体製造ライン１０の例を示す図である。図３において、１１は半導体製造ラインを構成するチャンバ、１２はチャンバ１１に異なるガスＧａ，Ｇｂを供給するガス供給ライン、１３，１４は各ガスＧａ，Ｇｂをそれぞれ供給するガスボンベである。
【０００３】
ガス供給ライン１２は、機械式の調圧器１５と、この調圧器１５の下流側のゲージ１６と、フィルタ１７とを有している。１８はマスフローコントローラ、１９ａ，１９ｂはマスフローコントローラ１８の上流側と下流側にそれぞれ設けた開閉弁である。また、２０はガス供給ライン１２に流れるガスＧａ，Ｇｂの流量を測定するマスフローメータである。
【０００４】
つまり、ガス供給ライン１２は２つのガスＧａ，Ｇｂのうち何れか一方を選択的に適宜チャンバ１１に供給すると共に、マスフローコントローラ１８によってその流量を調整可能とするものである。また、半導体製造プロセスに用いるガスＧａ，Ｇｂは例えばプロセスガスＧａと、流量確認を行うための不活性ガスＧｂが考えられる。
【０００５】
前記マスフローコントローラ１８は圧力センサ１８ａと音速ベンチュリなどの絞り部１８ｂを備えたものであり、絞り部１８ｂの上流側における圧力を調整することにより、流量を適正に制御するものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記絞り部１８ｂは経時的な変化によって、流路が狭くなることがあり、圧力を一定に保ったとしてもそれに応じた流量のガスＧａを流すことができない場合があった。
【０００７】
そこで、図３に示す例のように、不活性ガスＧｂを流した状態でマスフローコントローラ１８によって調整される不活性ガスＧｂの流量をモニタすることによって、マスフローコントローラ１８の流量制御が適正に行われているかどうかを確認することが行われている。ところが、図３に示すようなガス供給ライン１２では、マスフローコントローラ１８の状態を確認するだけのために別途マスフローメータ２０を設ける必要があるので、ガス供給ライン１２が複雑になり、コスト高である。
【０００８】
また、ガス供給ライン１２が複雑になればなるほど制御が複雑になるだけでなく、ガス漏れや故障の発生率も高くなることは避けられなかった。
【０００９】
加えて、上述のようなマスフローコントローラ１８およびマスフローメータ２０の一次側には、圧力調整用、圧力変動対策用の調圧器１５が設けてあるために、部品点数も多くならざるを得ず、ガス供給パネルを小さくすることはできなかった。
【００１０】
本発明は、上述の事柄を考慮に入れてなされたもので、その目的は簡単な構成でありながら、流量の制御が適正に行われているかどうかを確認しながら流量制御を行うことができるマスフローコントローラを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、第１発明のマスフローコントローラは、流路中を流れる流体の流れを制御する開閉制御弁と、この開閉制御弁の上流側に配置された第一の圧力センサと、この開閉制御弁の下流側に配置された第二の圧力センサと、この第二の圧力センサの下流側に配置された絞り部と、前記流路を流れる流体の流量を測定する流量センサと、前記第二の圧力センサおよび流量センサの出力を用いることで、開閉制御弁を開閉制御して絞り部を流れる流体の流量を制御すると共に、この流量を監視し、かつ前記第一の圧力センサの出力を用いて流量センサの出力を補正する制御部とを設けてなることを特徴としている。（請求項１）
【００１２】
したがって、流量センサによって測定可能な流体の流量と、圧力センサによって測定可能な絞り部の上流側における流体の圧力とをそれぞれ測定し、２つの異なる方法で測定した流体の状態のうち一方を開閉制御弁のフィードバック制御に用い、他方をマスフローコントローラに流れる流体の流量モニタとして用いることができる。
【００１３】
つまり、例えば前記制御部が、圧力センサの出力を用いて開閉制御弁を開閉制御して絞り部の上流側における圧力を調節することで絞り部を通る流体の流量を調節し、この流量を流量センサの出力を用いて監視するものである場合は、マスフローコントローラは絞り部の上流側の流体の圧力によって流量制御しながら、流量センサの出力を用いてその動作を監視することが可能となる。これによって、絞り部につまりが生じるなどの異常が発生した場合には、これを早急に見いだすことができ、より信頼性の高い流量制御を行うことができる。また、従来のようにマスフローコントローラの動作を確認するためのマスフローメータのような部材を別途設ける必要がなく、それだけガス供給ラインの構成を簡単にすることができる。
【００１４】
前記流量センサを圧力センサの上流側に設けてなる場合（請求項２）には、圧力センサの直下の流路に絞り部を位置させることが可能であるから、流量センサによって生じる圧力の降下に関係なく、圧力センサの出力を用いて絞り部の直上における圧力を精度良く調整でき、それだけ流量制御の精度を向上できる。
【００１５】
前記流量センサを開閉制御弁の上流側に設けてなる場合（請求項３）には、マスフローコントローラの下流側の流路内がほぼ真空状態になる程度まで真空引きが行われたとしても、マスフローコントローラの二次側流路と流量センサの間に開閉制御弁が位置するので、流量センサ内が真空引きされることがなく、この流量センサが誤動作することがないので、信頼性が向上する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明のマスフローコントローラ１の一例を示すブロック図である。本例のマスフローコントローラ１は流体（以下の例では流体としてガスを例示するが、この流体が気体であることを限定するものではない）を流すための流路２を形成する流路ブロック３と、この流路ブロック３に連結された開閉制御弁４と、流量センサ５と、絞り部６と、２つの圧力センサ７と、開閉制御弁４を制御する制御部８と、フィルタ９とを有している。
【００１７】
前記流路２は例えば、流路ブロック３内をくり抜くように形成されており、第１流路２ａおよび第２流路２ｂとを有している。また、流路２の上流端および下流端には配管取付け部３ａ，３ｂをそれぞれ設けている。なお、流路２の形成手順は掘削であっても、鋳型を用いたものであってもその他の方法であってもよく、第２流路２ｂを掘削などで形成する場合には流路ブロック３は少なくとも１か所において分離可能に形成する必要があるが、何れにしても流路ブロック３，３ａ，３ｂを全体的に一体成形することで、ガス漏れを防ぐことができる。
【００１８】
開閉制御弁４は例えば流路ブロック３の一側面に形成された弁座３ｃに当接するダイアフラム４ａとそのアクチュエータ４ｂとからなり、開度制御信号（圧力制御信号）Ｃｐによって前記流路２ａ，２ｂを連通連結する開度が制御可能に構成される。
【００１９】
流量センサ５は例えば第２流路２ｂ内に挿入された整流体５ａと、この第２流路２ｂから所定の割合１／Ａの流量だけ分岐する分岐流路５ｂと、この分岐流路５ｂに設けたセンサ本体５ｃとを有し、総流量Ｆを示す流路信号Ｓｆを出力する。
【００２０】
また、絞り部６は例えばその一次側と二次側における圧力差が所定値以上であるときに一次側の圧力に応じた流量の流体を流す音速ノズルであって、この音速ノズル６は例えば内部に絞り部分６ａを形成したブロックを流路２ｂの下流端側において流路２ｂに連通するように配置してなる。なお、本発明は絞り部６の構成を音速ノズルに限定されるものではなく、流路２に抵抗を形成するための絞り部分６ａを形成するものであればよい。
【００２１】
前記開閉制御弁４，流量センサ５は流路ブロック３の一側面（上面）に並べて配置されており、これによってマスフローコントローラ１の全体的な大きさを小さく抑えることができる。
【００２２】
前記圧力センサ７は第１流路２ａに臨ませるように側面に配置された第１センサ７ａと、第２流路２ｂに臨ませるように側面に配置された第２センサ７ｂとからなり、両圧力センサ７ａ，７ｂは前記各部４〜５を取り付けた側面とは異なる面（本例では図１において第１流路２ａの手前および前記流量センサ５を構成する整流体５ａの直前に位置する第２流路の奥）にそれぞれ埋設している。これによって、マスフローコントローラ１の全体的な大きさを変えることなく圧力センサ７を設置できる。そして、前記センサ７ａ，７ｂはそれぞれ第１流路２ａ，第２流路２ｂ内の圧力Ｐａ，Ｐｂを示す圧力信号Ｓｐａ，Ｓｐｂを出力する。
【００２３】
なお、本例ではセンサ７ａ，７ｂを側面に設ける例を示しているが、圧力センサ７は流路２に臨ませるように取り付けられるものであれば、その取付け面を限定するものではない。つまり、流路ブロック３の下面に埋設しても、上面で前記制御弁４，流量センサ５の邪魔にならない位置に埋設してもよいことはいうまでもない。
【００２４】
前記制御部８は、前記圧力センサ７からの圧力信号Ｓｐａ，Ｓｐｂ（出力）および流量センサ５からの流量制御信号Ｓｆ（出力）をフィードバックして開度制御信号Ｃｐを出力することで開閉制御弁４をフィードバック制御する処理部８ａと、外部とのインターフェース８ｂとを有している。
【００２５】
また、図示を省略するが本例のマスフローコントローラ１は各センサ５，７ａ，７ｂによって測定された値Ｆ，Ｐａ，Ｐｂを表示する表示部を有している。さらに、センサ５，７ａ，７ｂによって測定された値Ｆ，Ｐａ，Ｐｂは何れもインターフェース８ｂを介して外部に出力可能としている。なお、本例ではインターフェース８ｂはアナログ的な値の入出力を行うものである例を示しているが、これがデジタル的に通信するものであってもよい。
【００２６】
加えて、開閉制御弁４の開閉制御は圧力センサ７ｂの出力信号Ｓｐｂだけを用いてフィードバック制御するものに限られるものではなく、圧力センサ７ａの出力信号Ｓｐａも用いて制御してもよい。なお、本例に示すように圧力センサ７ａを設けることにより、マスフローコントローラ１に入力されているガスの圧力をモニタすることも可能であるが、この圧力センサ７ａを省略してもよいことはいうまでもない。
【００２７】
また、本例のマスフローコントローラ１はフィルタ９を内蔵しているので、従来のように別途のフィルタ１６を連通連結する必要もない。すなわち、それだけガス供給ラインの簡素化を図ることができ、設置面積を少なくすることができる。なお、本例ではフィルタ９を流路２の最上流端に設けることで異物の進入による誤動作を防止する例を示しているが、本発明はフィルタ９の位置を限定するものではない。また、場合によってはフィルタ９を省略することも可能である。
【００２８】
上記構成のマスフローコントローラ１において、処理部８ａはインターフェース８ｂを介して流量設定信号Ｆｓを入力し、マスフローコントローラ１に流れる流体の流量Ｆを流量設定信号Ｆｓに合うように調整するものである。また、本例のマスフローコントローラ１では、処理部８が圧力センサ７ｂの出力（圧力信号Ｓｐｂ）を用いて開閉制御弁４をフィードバックしてその開閉を制御することにより音速ノズル６を流れる流体の流量Ｆを制御すると共に、このときの流量センサ５の出力（流量信号Ｓｆ）を用いて実際に流れている流量Ｆの測定を行って、その動作を確認するものである。
【００２９】
なお、本例の場合は、開閉制御弁４の開閉制御のために圧力センサ７ｂの出力Ｓｐｂを用いているので、流量制御の高速応答を達成できるが、本発明はこの点に限定されるものではない。すなわち、処理部８は流量センサ５の出力Ｓｆを用いて開閉制御弁４の開閉制御を行うと同時に、圧力センサ７ｂの出力Ｓｐｂによって実際に音速ノズル６に流れる流体の流量Ｆを別の測定方法で確認することも可能である。
【００３０】
何れの場合においても、制御部８は流量制御に用いるセンサ５または７ｂと流量の監視に用いるセンサ７ｂまたは５の流量の測定原理を異ならせることで、設定された流量Ｆｓが確かに流れているかどうかを、より確実に確認することができる。つまり、マスフローコントローラ１の信頼性を向上でき、従来のようにマスフローコントローラ１に流れる流体の流量Ｆを確認するためのマスフローメータ２０を別途取り付ける必要が全くなくなり、それだけガス供給ラインの簡素化を達成できる。
【００３１】
また、本例の場合は流量センサ５が圧力センサ７ｂの上流側に配置されているので、圧力センサ７ｂを絞り部６の直上の流路に配置できるので、この流量センサ５を流れる流体の流れによって生じる圧力降下が、圧力センサ７ｂによって測定される絞り部６の直上における圧力Ｐｂの制御に悪影響を与えることがなく、それだけ精度の高い制御を行うことができる。
【００３２】
しかしながら、本発明は流量センサ５が圧力センサ７ｂの上流側に配置される構成に限定されるものではなく、この圧力センサセンサを流量センサ５の上流側に設けてもよい。この場合、流量センサ５に流れ込む流体の圧力を一定に保つことができるので、流量センサ５はより正確な流量測定を行うことができる。なお、圧力センサ７を流量センサ５の上流側と下流側の両方に設けてもよいことはいうまでもない。この場合、流量測定を流量センサ５と圧力センサ７ｂに加えて、流量センサ５の直上および直下における圧力差によって測定することも可能となり、これを用いることでさらに信頼性の高いマスフローメータ１を形成することができる。
【００３３】
また、本例に示すように、開閉制御弁４と流量センサ５を並べて配置し、その間に位置する第２流路２ｂをできるだけ短くしているので、開閉制御弁４の開度制御信号Ｃの出力に対する圧力Ｐｂの時間的な遅れを可及的に小さくし圧力Ｐｂの変動をできるだけ小さくできる。
【００３４】
さらに、前記圧力センサ７ｂを開閉制御弁４と流量センサ５の間における第２流路２ｂにおいてできるだけ流量センサ５に近い位置（直前を構成する流路）に配置することにより、乱流などの影響の少ない圧力Ｐｂを測定することができる。すなわち、それだけマスフローコントローラ１による流量の制御精度および安定性を向上できる。
【００３５】
加えて、前記開閉制御弁４と流量センサ５の間における第２流路２ｂ内から、継手や配管を排除することで、流路の抵抗による圧力低下やガス漏れリスクを無くすことができる。
【００３６】
図２は前記マスフローコントローラ１の変形例を示すブロック図である。図２において、図１と同じ符号を付した部分は同一または同等の部分であるから、その詳細な説明を省略する。本例に示す例が図１に示した例を異なる点は流量センサ５を開閉制御弁４の上流側の流路２ａに設けてなる点にある。
【００３７】
本例のように構成することにより、マスフローコントローラ１の二次側における圧力が真空ポンプなどによってほゞ真空状態になったとしても、開閉制御弁４の上流側に配置された流量センサ５内まで真空引きされることがなく、この流路センサ５内には流体が存在するので、この流路センサ５が誤動作を起こすことがない。つまり、前記少流量制御時において二次側圧力の低下に影響されることのない流量制御を行なうことができ、それだけ流量制御の信頼性を向上できる。
【００３８】
また、本例の場合は流量センサ５の一次側に圧力センサ７ａを配置することで、マスフローコントローラ１に供給される流体の圧力Ｐａを求めることができる。すなわち、制御部８がこの圧力センサ７ａの出力（圧力信号Ｓｐａ）を用いて流量センサ５の出力（流量信号Ｓｆ）を補正することで、一次側圧力の変動による影響を小さくすることが可能となり、より精度の高い流量制御を行なうことができる。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、簡単な構成のマスフローコントローラでありながら、２つの異なるセンサで測定された物理量を用いて流量を制御しながら、この流量を監視するので、常に極めて信頼性の高い流量制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のマスフローコントローラの一例を示す図である。
【図２】前記マスフローコントローラの変形例を示す図である。
【図３】従来のマスフローコントローラを用いた半導体製造ラインの例を示す図である。
【符号の説明】
１…マスフローコントローラ、２…流路、４…開閉制御弁（圧力制御弁）、５…流量センサ、６…絞り部、７ｂ…圧力センサ、８…制御部。

Claims

流路中を流れる流体の流れを制御する開閉制御弁と、
この開閉制御弁の上流側に配置された第一の圧力センサと、
この開閉制御弁の下流側に配置された第二の圧力センサと、
この第二の圧力センサの下流側に配置された絞り部と、
前記流路を流れる流体の流量を測定する流量センサと、
前記第二の圧力センサおよび流量センサの出力を用いることで、開閉制御弁を開閉制御して絞り部を流れる流体の流量を制御すると共に、この流量を監視し、かつ前記第一の圧力センサの出力を用いて流量センサの出力を補正する制御部とを設けてなることを特徴とするマスフローコントローラ。
前記流量センサを前記第二の圧力センサの上流側に設けてなる請求項１に記載のマスフローコントローラ。
前記流量センサを開閉制御弁の上流側に設けてなる請求項１または２に記載のマスフローコントローラ。