JP2015509250A - 質量流量コントローラを通る流量を実時間で監視するシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

質量流量コントローラは、質量流量コントローラを通る質量流量を測定するように構成され、配置された第１の流量計と、質量流量コントローラを通る質量流量を測定するように構成され、配置された第２の流量計と、流量計のうちの１つによって測定された流量の関数として生成された制御信号に応じて、質量流量コントローラを通る質量流量を制御するように構成され、配置された制御弁と、制御信号を生成し、第１の流量計によって測定された質量流量と第２の流量計によって測定された質量流量の差が閾値を超えた場合に指示を行うように構成され、配置されたシステムコントローラと、を含む。

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１２年１月２０日に出願された米国特許出願第１３／３５４，９８８号の優先権を米国特許法第１１９条の下で主張するものであり、その内容は参照として全体が本明細書に組み入れられる。

本開示は、概して質量流量コントローラ（Ｍａｓｓ Ｆｌｏｗ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ：ＭＦＣ）に関し、特にＭＦＣを通る流量を実時間で監視するシステムおよび方法に関する。本明細書においては、「ガス」と「蒸気」が異なるものと見なされる場合、用語「ガス」は用語「蒸気」を含むものとする。

質量流量コントローラ（Ｍａｓｓ Ｆｌｏｗ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ：ＭＦＣ）は、ガスの流量を測定し、制御する機器である。ＭＦＣは通常、半導体の製造工程において、ガス流量の制御に使用される。半導体の製造工程においては、高収率の半導体製品を生産するために、真空チャンバーなどの半導体ツールへのガス流量を慎重に制御する必要がある。ＭＦＣは通常、特定の種類のガスを、特定の流量範囲において制御するように設計し、較正されている。ＭＦＣは、任意の設定値に基づいて流量を制御する。任意の設定値は通常、ユーザまたは半導体ツールそれ自体などの外部機器によって、予め定められている。ＭＦＣは、アナログまたはデジタルのどちらであってもよい。ＭＦＣは、一般的には入口ガスの圧力範囲で使用されるように設計されており、低圧ＭＦＣおよび高圧ＭＦＣが利用できる。すべてのＭＦＣは、１つの吸気口と、複数の排気口と、質量流量センサおよび比例制御弁を含む質量流量計とを有する。システムコントローラは、フィードバック制御システムの一部として使用される。フィードバック制御システムは、設定値によって定められた流量と質量流量センサによって検知された測定流量との比較関数である制御信号を、制御弁に送る。したがってフィードバック制御システムは、測定流量が設定値によって定められた流量に維持されるように制御弁を操作する。

かかる制御システムは、ＭＦＣが一定の誤差内で較正されていることを前提とする。一般的にＭＦＣは、較正誤差内であるかどうか検査するために、質量流量検証器などの機器によってオフラインで検査される。質量流量検証器は、流量を検査するために使用される。オフライン検査は非常に正確ではあるが、（実時間での）工程の実施中にＭＦＣが較正範囲外となり、工程が完了するまで検知されない可能性があるという問題を常に抱える。これはしばしば半導体製品の収率を下げる可能性があり、また、製品の全収率損失という完全な失敗さえ招く可能性がある。こうなると費用がかかり、明らかに望ましくない。工程を実施しつつ、実時間でＭＦＣの較正設定を継続的に検査するための機器および方法が必要である。

特開２００４−２４６８２６号公報

質量流量コントローラは、質量流量コントローラを通る質量流量を測定するように構成され、配置された第１の流量計と、質量流量コントローラを通る質量流量を測定するように構成され、配置された第２の流量計と、流量計のうちの１つによって測定された流量の関数として生成された制御信号に応じて、質量流量コントローラを通る質量流量を制御するように構成され、配置された制御弁と、制御信号を生成し、第１の流量計によって測定された質量流量と第２の流量計によって測定された質量流量の差が閾値を超えた場合に指示を行うように構成され、配置されたシステムコントローラと、を含む。

これらは、その他の構成要素、ステップ、特徴、目的、利益、および利点と同様に、以下の例示実施の形態の詳細な説明および添付図面を精査すれば明らかになるであろう。

図面は、例示実施の形態を開示している。図面は、すべての実施の形態を表しているのではない。追加で、または代わりに、その他の実施の形態を使用してもよい。自明または不要な詳細は、スペース節約のために、またはより効果的な例示のために、省略している場合がある。反対に、開示されている詳細を全く使用せずに実施できる実施の形態もあるかもしれない。同じ符号が異なる図面に含まれる場合、同一または同様の構成要素またはステップを表す。

図１は、ＭＦＣを通る流量を制御し、ＭＦＣの精度を実時間で監視するように構成され、配置されたＭＦＣの簡略ブロック図である。 図２は、本明細書に記載される教示を採用したＭＦＣの実施の形態を示すブロック図である。 図３は、図１および図２に関連して説明されているようなＭＦＣが較正誤差外となった場合に、それを指示する信号を生成する構成要素を示すブロック図である。

実施の形態について説明する。追加で、または代わりに、その他の実施の形態を使用してもよい。自明または不要な詳細は、スペース節約のために、またはより効果的な提示のために、省略している場合がある。反対に、いくつかの実施の形態は開示されている詳細を全く使用せずに実施することができる。

図１を参照すると、例示質量流量コントローラ１０は、ＭＦＣを通る流量を制御し、ＭＦＣの精度を実時間で監視するように構成され、配置される。図に示すように、コントローラ１０は、２つの流量計１２および１４を含む。流量計１２および１４はそれぞれ別々に、ＭＦＣを通るガス流量の測定値を示す信号を生成する。２つの流量計の出力はシステムコントローラ１６へ送られる。コントローラ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、流量計のうちの１つによって測定された流量および設定値に基づいて比例制御弁１８へ制御信号を送り、２つの流量計によって測定された流量の差が所定の閾値を超えたと判断された場合に指示（「アラーム」）信号を送る。

２０に概して示されるＭＦＣのより詳細な例示実施の形態を、図２に示す。ＭＦＣ２０は、ＭＦＣを通る流量を制御し、ＭＦＣの精度を実時間で監視するように構成され、配置される。図に示すように、ブロック２８の吸気口３２でガスが受け入れられる。ブロック２８は、ＭＦＣを通って排気口６０へと続く主流路３４を画定する導管を含む。第１の流量計３０は、熱質量流量計として示されている。熱質量流量計は一般的に、熱質量流量センサ３６を含む。熱質量流量センサ３６は通常、ブロック２８を通るガス流の主流路３４のバイパスに設けられたバイパス素子３８を含む。Ｕ字型の毛管４０の両端部はそれぞれ、バイパス素子３８の上流側端部および下流側端部において、主経路に接続されている。１または複数の抵抗素子４２（２つであることが最も一般的である）が、温度測定結果に基づいて、毛管を通る流量を測定するために、本例においては、２つの抵抗素子の抵抗差の関数として使用される。この関数はまた、質量流量の尺度である、流体の検知温度の差の関数でもある。バイパス素子３８は、毛管４０の両端部の間にあるバイパス素子３８を通るガス流が、層流であるよう保証するように設計されている。層流を維持することによって、毛管を通るガス流量測定値の、主流路３４を通る流量に対する割合は、正確なパーセンテージとなる。したがって、毛管４０を通る検知流量は、ＭＦＣ２０を通る流量および排気口６０を出る流量の正確な尺度となる。検知流量を示すデータは、システムコントローラ１６へ送られる。

第２の流量計５０は、差圧流量計として示されている。チョーク流れ状態用に、流量計５０は、流量制限器５２（例えば、臨界流ノズルまたはオリフィス）と、温度センサ５４と、流量制限器５２より上流の主流路３４を流れるガスの温度および圧力を測定するように配置された上流圧センサ５６とを含む。検知温度および検知圧力を示すデータは、システムコントローラへ送られ、第２の流量計５０を通る質量流量を決定するために、これらの検知された測定結果の関数として使用される。非チョーク流れ状態用には、第２の、または下流圧センサ５８が、流量制限器５２の下流に設けられる。検知温度、上流圧、および下流圧を示すデータは、システムコントローラ１６へ送られ、第２の流量計５０を通る質量流量を決定するために、検知された測定結果の関数として使用される。（チョーク状態、非チョーク状態両方の実施の形態における）第２の流量計５０によって提供された第２の測定結果は、第１の流量計３０によって提供された測定結果とは無関係である。

図３を参照すると、システムコントローラ１６は、ＭＦＣを通る同じ流れに対して２つの流量測定結果を提供するように、流量計７０および７２の出力を処理する。図に示すように、流量計７０は流量制御部７４に設けられ、流量制御部７４は比例制御弁１８に制御信号を印加する。比較器７６は、２つの流量計７０および７２によって提供された、検知された流量測定結果を示すデータを比較し、２つの測定結果の差の関数であって、２つの測定結果の差を示す出力信号を与えるために設けられる。この出力信号は、閾値検出器７８によって、（閾値設定８０によって提供される）ある閾値と比較される。比較器７６の出力信号が閾値を超える（２つの流量計が異なる流量測定結果を出しており、２つの測定結果の差が所定の閾値を超える）場合、閾値検出器はアラームまたは指示信号を送って、少なくとも１つの流量計が不正確であり、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知らせる。なお、８０の閾値設定の値は、工場でのＭＦＣの初期設定時に設定、またはユーザがプログラムするなど、様々な方法のうちのいずれかによって設定できる。閾値は、ガスを送るためにコントローラを使用する特定の工程の質量流量における許容差の関数として、設定できる。したがって、いくつかの工程では、他よりも大きい流量誤差を許容できる。

図２の第１および第２の流量計をそれぞれ熱質量流量計および差圧流量計として説明してきたが、それらは、意図されるＭＦＣ２０の用途に応じて、コリオリ流量計、磁気式流量計、または超音波流量計など、その他の種類の流量計であってもよい。第１の流量計の種類は、第２の流量計の種類とは違うことが望ましいが、２つの流量計は同じ種類のものであってもよい。例えば、両方の流量計が、熱質量流量計か差圧流量計のどちらかであってもよい。また、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の下流に位置しているが、これら２つの流量計の位置は、ＭＦＣの主流路３４に沿った場所であれば何処でもよい。例えば、制御弁１８の上流または下流に、両方の流量計があってもよい。

図３に示されるように、第１の流量計７０からの測定結果は、ＭＦＣの流量出力を制御するために流量制御部７４において使用され、第２の流量計７２からの測定結果は、実時間でＭＦＣの精度を検証するために使用されるが、第２の流量計７２からの測定結果を、ＭＦＣの流量出力を制御するために流量制御部７４において使用することもでき、第１の流量計７０からの測定結果を、流量検証に使用することもできる。

上記で説明した構成要素、ステップ、特徴、目的、利益、および利点は単に例示である。それらのいずれも、また、それらに関する説明も、保護の範囲を何等限定するものではない。多数のその他の実施の形態についても検討される。これらは、構成要素、ステップ、特徴、目的、利益、および利点が、より少ない数であったり、追加されていたり、異なるものである実施の形態を含む。これらはまた、構成要素の配置やステップの順番が異なる実施の形態も含む。

別段の記述がない限り、後続の請求項も含め本明細書に記載されるすべての測定結果、数値、定格、位置、大きさ、寸法、およびその他の仕様は、概算であり、精密ではない。それらは、関連する機能や、関連する技術分野における慣習と調和する、妥当な範囲を有するように意図されたものである。

本開示において引用されたすべての記事、特許公報、特許出願、およびその他の公表文献は、参照により本明細書に援用される。

「〜するための手段」という語句は、請求項において使用された場合、上記で説明した該当する構成および材料、ならびに、その同等物を含むことを意図するものであり、そのように解釈されるべきである。同様に、「〜するステップ」という語句は、請求項において使用された場合、上記で説明した該当する技術、およびその同等物を含むことを意図するものであり、そのように解釈されるべきである。これらの語句が請求項に記載されていない場合も、請求項が、該当する構成、材料、もしくは動作、またはそれらの同等物のいずれかに制限を受けることを意図するものではなく、また、そのように解釈されるべきではない。

上記で説明または例示したいずれの内容も、それが請求項に記載されているかどうかに拘わらず、構成要素、ステップ、特徴、目的、利益、利点、またはそれらの同等物のいずれかが公衆に献呈されることを意図するものではなく、また、そのように解釈されるべきではない。

保護の範囲は、後続の請求項によってのみ限定される。保護の範囲は、本明細書および後の出願経過を鑑みて解釈される際、請求項において使用される言語の通常の意味と一致する程度の広さであり、また、すべての構造上および機能上の同等物を網羅することを意図するものであり、また、そのように解釈されるべきである。

Claims (19)

1. 質量流量コントローラを通る質量流量を測定するように構成され、配置された第１の流量計と、
   前記質量流量コントローラを通る質量流量を測定するように構成され、配置された第２の流量計と、
   前記流量計のうちの１つによって測定された前記流量の関数として生成された制御信号に応じて、前記質量流量コントローラを通る前記質量流量を制御するように構成され、配置された制御弁と、
   前記制御信号を生成し、前記第１の流量計によって測定された前記質量流量と前記第２の流量計によって測定された前記質量流量の差が閾値を超えた場合に指示を行うように構成され、配置されたシステムコントローラと、
   を含む、質量流量コントローラ。
2. 前記第１の流量計と前記第２の流量計は同じ種類である、請求項１に記載の質量流量コントローラ。
3. 前記第１の流量計と前記第２の流量計は違う種類である、請求項１に記載の質量流量コントローラ。
4. 前記流量計のうち少なくとも１つは差圧流量計である、請求項１に記載の質量流量コントローラ。
5. 前記流量計のうち少なくとも１つは熱質量流量計である、請求項１に記載の質量流量コントローラ。
6. 前記流量計のうちもう片方は差圧流量計である、請求項５に記載の質量流量コントローラ。
7. 前記流量計のうち少なくとも１つはコリオリ流量計である、請求項１に記載の質量流量コントローラ。
8. 前記流量計のうち少なくとも１つは磁気式流量計である、請求項１に記載の質量流量コントローラ。
9. 前記流量計のうち少なくとも１つは超音波流量計である、請求項１に記載の質量流量コントローラ。
10. 前記第１および第２の流量計は前記制御弁の上流および下流にそれぞれ位置する、請求項１に記載の質量流量コントローラ。
11. 前記第１および第２の流量計の両方が前記制御弁の上流に位置する、請求項１に記載の質量流量コントローラ。
12. 前記第１および第２の流量計の両方が前記制御弁の下流に位置する、請求項１に記載の質量流量コントローラ。
13. 前記制御信号は、熱質量流量計によって測定された流量の関数として生成される、請求項１に記載の質量流量コントローラ。
14. もう片方の流量計は差圧流量計である、請求項１３に記載の質量流量コントローラ。
15. 前記制御信号は、差圧流量計によって測定された流量の関数として生成される、請求項１に記載の質量流量コントローラ。
16. もう片方の流量計は熱質量流量計である、請求項１５に記載の質量流量コントローラ。
17. 前記閾値はユーザ設定である、請求項１に記載の質量流量コントローラ。
18. 前記閾値は工場設定である、請求項１に記載の質量流量コントローラ。
19. 前記閾値は、ガスを送るために前記コントローラを使用する工程の質量流量における許容差の関数として設定される、請求項１に記載の質量流量コントローラ。

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