JP2010091320A - 質量流量計及びマスフローコントローラ - Google Patents

Abstract

【課題】質量流量計の測定精度を向上させる。
【解決手段】試料ガスＧが流れる流路に設けられた感熱抵抗体４１ａ、４１ｂを有するセンサ部４１１、４１２からの出力信号を取得し、前記試料ガスＧの流量Ｑ_ｒａｗを算出する流量算出部４２と、前記流路２における一次側圧力Ｐ_ｉｎを測定する圧力測定部４３と、前記圧力測定部４３により得られた一次側圧力Ｐ_ｉｎ、及び前記試料ガスＧの定圧比熱Ｃ_Ｐにより決まるガス係数αを用いて、前記流量算出部４２により得られた測定流量Ｑ_ｒａｗを補正する流量補正部４４と、を具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、流量センサに関し、特に、試料ガス毎に高精度の流量測定を行うことができる流量センサに関するものである。

この種の質量流量計としては、試料ガスが流れるメイン流路と、メイン流路から分岐して試料ガスを分流させるものであり、試料ガスの質量流量を検出する流量検出機構が設けられるセンサ流路と、メイン流路において、センサ流路の分岐点と合流点の間に設けられるバイパス流路と、を具備する熱式質量流量計が知られている。そして、この熱式質量流量計は、流量検出機構は、センサ流路を形成する金属製の中空細管の外側に２本の感熱抵抗体をコイル状に巻いて形成した上流側センサ部及び下流側センサ部と、両センサ部に対して設けられたブリッジ回路とを備えている。

具体的に、中空細管は、感熱抵抗体により加熱されており、試料ガスが流れていないときは、中空細管の中心に対して対称的な温度分布となっている。これに対し、試料ガスが中空細管内に流れているときは、下流側センサ部には、上流側センサ部によって温められた試料ガスが流入するため、上流側センサ部と比べて温度が高くなり、上流側センサ部及び下流側センサ部間に温度差が形成される。この結果、前記温度分布が非対称となる。

このときの温度差（ΔＴ）と試料ガスの質量流量には一定の関係が成り立っているので、温度差をブリッジ回路により検出することで、質量流量を測定できるように構成されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、上述した質量流量計は、設置されるメイン流路においてガス供給圧力（一次側圧力）が変更されると（例えば１００ｋＰａ）、測定流量に誤差が生じてしまい、流量測定精度が低下してしまうという問題がある。

また、一次側圧力の変化による測定流量の誤差が試料ガスの種類に応じて異なるという問題もある。
特開平７−２７１４４７号公報

そこで本発明は、上記問題点を一挙に解決するため、測定流量を一次側圧力を用いて補正するだけでなく、試料ガス種によって決まる係数を用いて補正するという従来には無い全く新しい発想によりなされたものである。

すなわち本発明に係る質量流量計は、試料ガスが流れる流路に設けられた感熱抵抗体を有するセンサ部からの出力信号を取得し、前記試料ガスの測定流量を算出する流量算出部と、前記流路における一次側圧力を測定する圧力測定部と、前記圧力測定部により得られた一次側圧力、及び前記試料ガスにより決まるガス係数を用いて、前記流量算出部により得られた測定流量を補正する流量補正部と、を具備することを特徴とする。

このようなものであれば、一次側圧力の変化による測定流量の誤差を可及的に小さくできるだけでなく、試料ガスにより決まるガス係数を加味して測定流量を補正するので、質量流量計の流量測定精度を向上させることができる。

一次側圧力が変更された場合に、当該変更後の一次側圧力が安定した状態において、その一次側圧力に起因する測定流量の誤差を補正して、流量測定精度を向上させるためには、流量補正部は、流量算出部により得られた測定流量を、圧力測定部により得られた一次側圧力そのものによって補正することが望ましい。

測定流量の補正を簡単にするとともに、演算処理量を可及的に小さくするためには、前記流量補正部が、前記一次側圧力をＰ_ｉｎとし、予め設定された基準圧力をＰ_ｂａｓｅとし、前記ガス係数をαとし、前記測定流量をＱ_ｒａｗとしたときに、下記の一次式により、補正後の流量Ｑ_{ｏｆｆｓｅｔ}を算出することが望ましい。

さらに、上述した質量流量計を用いて、高精度な流量制御を可能にするためには、上述した質量流量計と、前記流路に設けられた流量制御弁と、前記質量流量計により得られる補正された測定流量値、及び目標流量である設定流量値に基づいて前記流量制御弁の弁開度を制御する弁制御部と、を具備することを特徴とする。

このように構成した本発明によれば、一次側圧力を変更して使用したときに、当該変更後の一次側圧力に起因する測定流量の誤差を可及的に小さくできるだけでなく、試料ガス毎の係数を加味して測定流量を補正するので、質量流量計の流量測定精度を向上させることができる。

以下に本発明に係る質量流量計１００の一実施形態について図面を参照して説明する。なお、図１は本実施形態に係る質量流量計１００を示す模式的構成図である。

＜装置構成＞
本実施形態に係る質量流量計１００は、熱式質量流量計であり、流体である試料ガス（例えばＳＦ_６等の半導体処理用ガス）Ｇが流れるメイン流路２と、前記メイン流路２から分岐して試料ガスＧを分流させるものであり、前記試料ガスＧの流量Ｑ_ｒａｗを検出するためのセンサ流路３と、試料ガスＧの流量Ｑ_ｒａｗを検出する流量検出機構４と、前記メイン流路２における前記センサ流路３の分岐点ＢＰと合流点ＭＰの間に設けられ、複数の内部流路５１を有する層流素子５と、を具備する。

以下、各部２〜５について説明する。

メイン流路２は、流体入口２０１及び流体出口２０２を有する概略直管状のメイン管部２００から形成されている。なお、メイン管部２００の形状としては、後述する分岐点ＢＰ及び合流点ＭＰを含む流路を形成する部分の形状が直管状であれば良く、そのため流体入口２０１及び流体出口２０２を有する曲管形状であっても良い。

センサ流路３は、メイン管部２００に立設された概略逆Ｕ字形状をなす中空細管３００により形成されている。本実施形態の中空細管３００は、ステンレス製のものであるが、他の素材を用いて形成することができる。

そしてセンサ流路３は、メイン流路２を流れる試料ガスＧの流量Ｑ_ｒａｗを検出するための流量検出機構４が設けられる測定路３Ａと、メイン流路２及び測定路３Ａを連通する接続路３Ｂとからなる。

測定路３Ａはメイン流路２と略平行に形成されおり、接続路３Ｂは、メイン流路２と略直交して設けられている。つまり接続路３Ｂは、測定路３Ａと略直交して設けられている。

そして、メイン流路２中において、センサ流路３の分岐点ＢＰからセンサ流路３の合流点ＭＰとの間には、層流素子５が設けられている。この層流素子５は、メイン流路２及びセンサ流路３の分流比が所定の設計値となるようにするものである。ここで、分流比とは、センサ流路３の流量に対するメイン流路２における分岐点ＢＰ及び合流点ＭＰ間の流路の流量の比である。具体的にこのものは、定流量特性を有するバイパス素子等の抵抗部材から構成されている。そして、その内部流路５１が、メイン流路２の流路方向と略平行となるように設けられている。層流素子としては、複数本の細管を外管の内部に挿入して形成したもの、又は多数の貫通孔を形成した薄い円板を複数枚積層して形成したもの等を用いることができる。

流量検出機構４は、センサ流路３に分流した流量を検出するためのセンサ部４１と、当該センサ部４１からの出力信号を取得してメイン流路２を流れる試料ガスＧの流量Ｑ_ｒａｗを算出する流量算出部４２と、を備えている。

センサ部４１は、特に図２に示すように、測定路３Ａの上流側に設けられた上流側センサ部４１１と、測定路３Ａの下流側に設けられた下流側センサ部４１２と、を備えている。

そして、上流側センサ部４１１及び下流側センサ部４１２は、温度の変化にともなって電気抵抗値が増減する感熱抵抗体が巻きつけられて形成されるものであって、測定路３Ａを形成する中空細管３００の直管部３０１に巻き付けられたコイル状の第１感熱抵抗体４１ａと、当該第１感熱抵抗体４１ａの外周に巻き付けられたコイル状の第２感熱抵抗体４１ｂとを備えている。本実施形態では、中空細管３００全体の平均温度を無用に上げることなく中空細管３００中央に現れる温度分布のピークを鋭くしてセンサ感度を向上する観点から、第２感熱抵抗体４１ｂを、各センサ部４１１、４１２間の内側端部（合い寄る内側の端部）に設けている。また、第２感熱抵抗体４１ｂの巻幅は、第１感熱抵抗体４１ａの巻幅の１／２以下としている。なお、上流側センサ部４１１及び下流側センサ部４１２は、いずれも断熱材により被覆されている。

これならば、センサ部４１１、４１２全体の温度分布に現れる中央のピークを鋭くして検知時に上流側／下流側での温度差を大きくすることができ、変化を高感度に捉えることができるので、センサ感度が向上する。また、第１感熱抵抗体の巻幅を所定の範囲内で長くすることにより低蒸気圧ガスのようにその物性により、直線性の確保できる領域が狭小でフルスケールが制限される試料ガスＧに対しても、直線性の確保できる領域を拡大させ且つセンサを高感度化させてフルスケールを大きくすることができ良好に流量を検知できる。

流量算出部４２は、センサ部４１１、４１２の感熱抵抗体４１ａ、４１ｂと電気的に接続されて、当該感熱抵抗体４１ａ、４１ｂの電圧値を検出することにより、センサ流路３（具体的には測定路３Ａ）中の流量を算出するとともに、分流比に基づいて、メイン流路２中の試料ガスＧの流量Ｑ_ｒａｗを算出するものである。

具体的な構成としては、電気回路から形成されており、ブリッジ回路、増幅回路及び補正回路（いずれも図示しない）を備えている。そして、流量算出部４２は、試料ガスＧの瞬時流量をセンサ部４１１、４１２によって電気信号（電圧値）として検出し、前記電気回路によってその電気信号を増幅等して、検出流量に応じた値を有するセンサ出力信号（測定流量Ｑ_ｒａｗ）として出力するものである。

しかして本実施形態の流量検出機構４は、試料ガスＧの流れが定常状態の場合において、一次側圧力Ｐ_ｉｎを変更して使用したときに、当該変更後の一次側圧Ｐ_ｉｎ力に起因する流量測定精度の低下を補正する機能を有しており、メイン流路２における一次側圧力Ｐ_ｉｎを測定する圧力測定部４３と、当該圧力測定部４３により得られた一次側圧力Ｐ_ｉｎ及び試料ガスＧにより決まるガス係数αを用いて、流量算出部４２により得られた測定流量Ｑ_ｒａｗを補正する流量補正部４４と、を備えている。

圧力測定部４３は、メイン流路２において、センサ流路３の分岐点ＢＰよりも上流側に設けられ、メイン流路２を流れる試料ガスＧの一次側圧力Ｐ_ｉｎを測定するものであり、例えば、ダイアフラムに加わる圧力を静電容量の変化として検出する静電容量型圧力センサである。なお、圧力測定部４３は、ひずみゲージ式センサを用いてもよい。

流量補正部４４は、流量算出部４２から測定流量信号を取得して、その測定流量Ｑ_ｒａｗを補正演算するものであり、その構成は、ＣＰＵやメモリ、ＡＤコンバータ、バッファなどのデジタル乃至アナログ電子回路で構成されている。そして、流量補正部４４は、圧力測定部４３から得られた一次側圧力をＰ_ｉｎとし、予め設定された基準圧力をＰ_ｂａｓｅとし、試料ガスＧの圧力依存性に基づいて決定されるガス係数をαとし、流量算出部４２により得られた測定流量をＱ_ｒａｗとしたときに、下記式により補正演算して、当該補正後の測定流量Ｑ_{ｏｆｆｓｅｔ}を出力信号として出力する。なお、流量補正部４４は、補正に用いる一次側圧力Ｐ_ｉｎとして、圧力測定部４３から出力される信号値（変換等の処理が施されていない生データ）を用いている。

ここで、一次側圧力Ｐ_ｉｎは、設定流量を一定の圧力でメイン流路２へ流している状態（安定状態）における、メイン流路２内の一次側の圧力である。

また、基準圧力Ｐ_ｂａｓｅは、設定流量を一定の圧力でメイン流路２へ流している状態（安定状態）において、設定流量と流量算出部４２が算出するメイン流路２内の流量とが等しくなるときのメイン流路２内の圧力（本実施形態ではゲージ圧力）である。例えば、試料ガスであるＳＦ_６を、一定の設定流量を３５０［ｓｃｃｍ］とした場合、基準圧力Ｐ_ｂａｓｅは、流量算出部４２がメイン流路２内の流量を３５０［ｓｃｃｍ］と算出するときのメイン流路２内の圧力１７５［ｋｐａＧ］となる。なお、この基準圧力Ｐ_ｂａｓｅは、ユーザによって予め流量補正部４４に入力される。

このように一次側圧力Ｐ_ｉｎ及び基準圧力Ｐ_ｂａｓｅを定めることにより、流量補正部４４は、メイン流路２内の過渡的な圧力変化によって生じる流量誤差ではなく、使用する一次側圧力Ｐ_ｉｎの条件により生じる流量誤差、すなわちメイン流路２内の一次側圧力が基準圧力Ｐ_ｂａｓｅである状態と、メイン流路２内の一次側圧力が基準圧力Ｐ_ｂａｓｅとは異なる一次側圧力Ｐ_ｉｎである状態と、の違いにより生じる流量誤差を補正する。

また、ガス係数αは、試料ガスＧの圧力依存性に基づいて決定されるものであり、試料ガスＧ固有のもので、試料ガスＧの種類に応じてそれぞれ決定される。例えば、試料ガスの定圧比熱Ｃ_ｐにより決定される。決定方法としては、試料ガスＧ毎に実験（後述）より求めても良いし、１つの試料ガスＧについて実験によりそのガス係数αを求めた後、他の試料ガスＧのガス係数αについては、それら試料ガスＧの定圧比熱Ｃ_Ｐの比により、他の試料ガスＧのガス係数αを計算により算出するようにしても良い。なお、このガス係数αもユーザにより予め流量補正部４４に入力される。このとき、複数種類の試料ガスＧのガス係数αを入力して、データベースとして質量流量計１００に持たせても良い。

ここでガス係数αの決定方法について図３を参照して説明する。図３において、流路上に流量制御弁、圧力センサ、マスフローコントローラ（ＭＦＣ）及び流量センサを上流側からこの順番で設置する。

このような構成において、ＭＦＣの一次側圧力を５０［ｋｐａＧ］から３００［ｋｐａＧ］の間で、１０［ｋｐａＧ］毎に変化させたときに、目標流量が設定されたＭＦＣから出る流量を流量センサにより測定する。次に、一次側圧力及び流量センサの測定流量（実流量）の関係を近似式により求める。そして、その近似式より予め定められた基準圧力Ｐ_ｂａｓｅ時の流量センサの出力に対する、その他の圧力時の出力の変化量をガス係数αとする。これにより、ガス種及び設定流量固有のガス係数αが決定される。以上の手順を用いて、ガス種及び設定流量毎にガス係数αが決定される。

この流量補正部４４により流量補正を行った場合と、流量補正を行わない場合との比較結果を図４に示す。図４は、試料ガスＧであるＳＦ_６を、一定の設定流量３５０［ｓｃｃｍ］で流した場合の補正前及び補正後の測定流量Ｑ_ｒａｗ、Ｑ_{ｏｆｆｓｅｔ}を示す図である。この図４から分かるように、一次側圧力Ｐ_ｉｎを用いて流量補正を行わない場合には、一次側圧力Ｐ_ｉｎが基準圧力Ｐ_ｂａｓｅ（１７５ｋｐａＧ）から小さくなる方向に変更されると、測定誤差（％Ｒ．Ｓ）が徐々にプラス（＋）に大きくなる。例えば一次側圧力Ｐ_ｉｎが５０［ｋｐａＧ］の場合、流量誤差は０．８［％Ｒ．Ｓ］である。一方、一次側圧力Ｐ_ｉｎが基準圧力Ｐ_ｂａｓｅ（１７５ｋｐａＧ）から大きくなる方向に変更されると、測定誤差（％Ｒ．Ｓ）が徐々にマイナス（−）に大きくなる。例えば、一次側圧力Ｐ_ｉｎが４００［ｋｐａＧ］の場合、流量誤差は−１．７［％Ｒ．Ｓ］である。これに対して、一次側圧力Ｐ_ｉｎを用いて流量補正を行った場合には、一次側圧力Ｐ_ｉｎが基準圧力Ｐ_ｂａｓｅに対して変化しても流量誤差は、±０．１［％Ｒ．Ｓ］の範囲内に収まっていることが分かる。

＜本実施形態の効果＞
このように構成した本実施形態に係る質量流量計１００によれば、一次側圧力Ｐ_ｉｎを変更して使用したときに、当該変更後の一次側圧力に起因する測定流量Ｑ_ｒａｗの誤差を可及的に小さくできるだけでなく、試料ガスＧの定圧比熱Ｃ_Ｐを加味して測定流量Ｑ_ｒａｗを補正するので、質量流量計１００の流量測定精度を向上させることができる。

＜その他の変形実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。以下の説明において前記実施形態に対応する部材には同一の符号を付すこととする。

この質量流量計１００を組み込むマスフローコントローラＺの具体的態様としては、例えば、図５に示すように、前記実施形態の質量流量計１００と、メイン流路２の合流点ＭＰより下流側に設けた流量制御バルブＺ１と、質量流量計１００の出力する補正後の流量測定信号の示す信号値（補正後の測定流量Ｑ_{ｏｆｆｓｅｔ}）及び入力手段（図示しない）により入力される流量設定信号の示す目標流量である設定流量値に基づいて流量制御バルブＺ１の弁開度を制御する弁制御部Ｚ２と、を具備する。なお、流量制御バルブＺ１は、合流点ＭＰより上流側に設けてもよい。

さらに、前記実施形態の熱式質量流量センサは、定電流型のものに適用できるに限らず、定温度型のものにも適用することができる。

前記実施形態の質量流量計及びマスフローコントローラを半導体製造プロセス又は半導体製造プロセス以外にも用いることができる。

その他、前述した実施形態や変形実施形態の一部又は全部を適宜組み合わせてよいし、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

本発明の一実施形態に係る質量流量計の模式的構成図。 同実施形態におけるセンサ部の概略を示す図。 ガス係数αを決定するための実験例を示す図。 補正前の測定流量及び補正後の測定流量を示す図。 本発明の質量流量計を用いたマスフローコントローラの模式的構成図。

符号の説明

１００・・・質量流量計
Ｇ ・・・試料ガス
２ ・・・メイン流路
３ ・・・センサ流路
４ ・・・流量検出機構
４１１・・・上流側センサ部
４１２・・・下流側センサ部
４１ａ・・・第１感熱抵抗体
４１ｂ・・・第２感熱抵抗体
４２ ・・・流量算出部
４３ ・・・圧力測定部
４４ ・・・流量補正部
Ｐ_ｉｎ ・・・一次側圧力
α ・・・ガス係数
Ｑ_ｒａｗ・・・測定流量
Ｐ_ｂａｓｅ・・・基準圧力
Ｑ_{ｏｆｆｓｅｔ}・・・補正後の流量

Claims (4)

1. 試料ガスが流れる流路に設けられた感熱抵抗体を有するセンサ部からの出力信号を取得し、前記試料ガスの測定流量を算出する流量算出部と、
   前記流路における一次側圧力を測定する圧力測定部と、
   前記圧力測定部により得られた一次側圧力、及び前記試料ガスにより決まるガス係数を用いて、前記流量算出部により得られた測定流量を補正する流量補正部と、を具備する質量流量計。
2. 前記流量補正部は、前記流量算出部により得られた測定流量を、前記圧力測定部により得られた一次側圧力そのものによって補正する請求項１記載の質量流量計。
3. 前記流量補正部が、前記一次側圧力をＰ_ｉｎとし、予め設定された基準圧力をＰ_ｂａｓｅとし、前記ガス係数をαとし、前記測定流量をＱ_ｒａｗとしたときに、下記の式により、補正後の流量Ｑ_{ｏｆｆｓｅｔ}を算出する請求項１又は２記載の質量流量計。
   
4. 請求項１、２又は３記載の質量流量計と、
   前記流路に設けられた流量制御弁と、
   前記質量流量計により得られる補正された測定流量値、及び目標流量である設定流量値に基づいて前記流量制御弁の弁開度を制御する弁制御部と、を具備するマスフローコントローラ。