JP4137666B2 - マスフローコントローラ - Google Patents
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Description
【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 (3)
- 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。
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