JP4594728B2 - より高い正確度の圧力に基づく流れコントローラ - Google Patents

Description

（関連出願への相互参照）
本出願は、２００２年８月２８日に出願された米国仮特許出願第６０／４０６，５１１号に対する優先権を主張しており、その内容は、本明細書によって、それらの全体が本明細書中に援用される。

（発明の背景）
種々の製造プロセスは、流体の速度および流れに対する制御を必要とする。例えば、半導体製作プロセスは、プロセスチャンバ中への非常に正確な量の流体（主にガス）の放出を必要とし得る。１分間あたり２０リットル程度の高さから、１分間あたり１立方センチメートル（ＣＣＭ）の数十分の一の低さまでの範囲の流速が、この製作プロセスの間に必要とされ得る。

これに応じて、流体の流速を測定かつ制御する質量流れコンローラが開発され、ここで、この流速測定は、流体の熱性質に基づいている。代表的には、これらの熱質量流れコントローラは、半導体デバイスの製作で用いられるタイプの毒性および高度に反応性のガスのような流体の流れをモニターおよび制御するために用いられる。さらに、種々の製造手順では、種々のガスが、エッチングおよび蒸着プロセスで用いられる。これらのガスは、ヒトに対して毒性であり得、そして周囲雰囲気状態に曝されるとき高度に反応性であり得る。

さらに、流れ制限器またはオリフィスを横切る圧力低下を測定することにより稼動する多くの流体質量流れコントローラが開発されている。これらのデバイスは、質量流れを測定および制御することで有用であることが証明されているが、多くの欠点が識別されている。例えば、先行技術質量流れコントローラは、限られた流れ範囲に亘って流速を正確に制御するが、より広い動力学的範囲に亘る流体の流速を制御するとき制御エラーを導入し得る。

従って、特に上記に記載のような製造プロセスにおいて用いられるタイプの、圧力センサおよびこのような圧力センサを取り込む流体質量流れコントローラに対するいくつかの願望が識別されている。このような願望は：コントローラ設定値の数パーセント内のコントローラ正確度（目下のところ、現在のデバイスでフルスケールの１％が得られ得る）（１パーセント未満が所望される）；例えば、熱を基礎にする質量流れコントローラによって経験されるような、「正常」温度より高いか、またはそれより低い温度および種々の位置および姿勢（すなわち、表を上にする、片側に傾く、または逆さま）での正確度の損失のない稼動；広範な範囲の流速に亘る正確な測定および制御；オン状態から安定流れ状態を達成するまでの速い応答時間；製造の経済性；および流れコントローラの修理を容易にし、そして製造プロセスのために流体流れ分与システムからの流れコントローラの変更を容易にするための複雑でないモジュールの機械的構造を含む。流体質量流れコントローラにおいて所望されるその他の特徴は、製造の時における各完全コントローラ器具を較正すること、または修理後の器具の再較正をすることの必要がないこと、信頼性があり、容易に交換される流れ制限器またはオリフィス部分の提供、修理または流れ制限器の交換後の作業性および正確度の確認の容易さ、広範な種類の毒性および／または反応性流体、特に、半導体製作プロセスで用いられるガス形態にある数百の流体に対し正確に流速を制御する能力、および異なるガスまたは液体形態にある流体のための流速に対するコントローラ作業データを変更する容易さを含む。

（要約）
本出願は、流れコントローラに基づく圧力に関する。より詳細には、本出願は、現在の流れ制御デバイスより広い動力学的範囲に亘ってより高い正確さを有する圧力ベースの流れコントローラを開示する。

１つの実施形態において、質量流れコントローラが開示され、そして、その中に形成された第１の内部通路、および少なくとも第２の内部通路を有する本体部分、該本体部分に接続され、かつ該第１および第２の内部通路と連絡している流れ制御バルブ、該本体部分と接続され、かつ該第１の内部通路および該第２の内部通路の少なくとも１つと連絡している少なくとも１つの圧力トランスデューサ、該第２の内部通路と接続され、それを通じる高圧縮層流を生成するよう構成される非線形流れ制限器、該第１の内部通路、該第２の内部通路、および該流れ制限器の少なくとも１つと連絡している熱センサ；および該流れ制限器と連絡している排出部分を備える。

別の実施形態では、質量流れコントローラが開示され、そして１つ以上の圧力センサ、上流バルブ、このバルブおよび圧力センサの下流に位置決めされる非線形制限器を備え、かつ低い流れにおけるこの制限器の入口でより多くの増分流れ圧力を有するように構成されている。

本開示は、流れコントローラに、そしてより詳細には、より高い正確さの圧力を基礎にした流れコントローラに関する。しかし、以下の開示は、流れコントローラの異なる特徴を履行するための多くの異なる実施形態、または実施例を提供することが理解される。コンポーネントおよび配置の特定の例は、本開示を単純にするために以下に記載されている。勿論、これらは、単なる例示であり、そして制限的であることは意図されない。

図１を参照して、例示の質量流れコントローラ（ＭＦＣ）１０が示される。流れコントローラ１０の種々の実施形態は、２００１年１０月１２日に出願された米国仮特許出願第６０／３２９，０３１号、および２０００年９月２０日に出願された米国特許出願第０９／６６６０３９号（米国特許第６，５３９，９６８号）に提示かつより詳細に記載されており、その両者は、あたかもそれらの全体が再現されるように本明細書に参考として援用される。

この実施形態のＭＦＣ１０は、単一の本体部分１２とともに図示されている。所望により、１つ以上のモジュール本体部分（図示せず）が、この本体部分１２に付加され得ることが理解される。この本体部分１２は、特に、例えば、半導体製作における使用のためのガス状形態にある毒性または反応性流体を供給するために、半導体製作のような流体供給システムの導管との接続のための適切なコネクタ（図示せず）を備え得る。

このＭＦＣ１０は、従来の機械的固定具（図示せず）によってこの本体部分１２の面１６上に取り外し可能に取り付けられている電気的に制御される流れ制御バルブ１４を支持する。例示の機械的固定具は、限定されずに、ねじ取り付け、ねじ、ピン、ロック部材、スナップ取り付け、およびロック部材を含む。この流れ制御バルブ１４は、好ましくは、予め組み立てられたモジュール構成であり、その結果、それは、所定の位置で本体部分１２上に容易に取り付けられ得、その結果、一旦取り付けられると、流れ制御バルブ１４の調節は必要ではない。これは、バルブ１４がモジュールではなく、そしてそれ故、代表的には比較的長時間を要して調節されなければならない先行技術システムに対する利点である。このバルブ１４は、第１の内部通路２０から第２の内部通路２２まで流体の流れを減速するために作動可能である電気的に作動される閉鎖部材１８を備える。この第１の内部通路２０は、圧力供給源部分と流体連絡している。このバルブ１４はまた、完全開放位置と完全閉鎖位置との間で上記閉鎖部材１８を移動するためのアクチュエータ２４を備える。このアクチュエータ２４は、好ましくは、完全開放位置と閉鎖位置との間を高い程度の分解能で上記閉鎖部材１８の位置を迅速かつ正確に制御するためのソレノイドまたは圧電タイプである。いくつかの実施形態では、バルブ１４を利用しなくても良く、そして流れコントローラよりもむしろ流れメーターとして供し得る。

圧力トランスデューサ２６は、本体部分１２の面１６上に取り付けられ、そしてこの本体部分１２中に形成された第２の内部通路２２と流体連絡している。図示される実施形態では、この圧力トランスデューサ２６は、第３の内部通路２８を通じて第２の内部通路２２と連絡している。代替の実施形態では、圧力トランスデューサは、第２の内部通路２２に接続されても良く、そしてそれを通じて流れる流体の圧力を測定するように構成され、それによって、第３の内部通路２８の必要性をなくする。当業者は、この圧力トランスデューサ２６を第２の内部通路２２に直接連結することにより、ＭＦＣ１０内の「死空間」から最小であり得ることを認識する。図１のトランスデューサ２６のような、大部分の圧力トランスデューサは、ゼロドリフトおよびスパンドリフトを示す。ゼロドリフトは、ゼロ入力であるとき測定において生じる変化をいう。スパンドリフトは、範囲の上限または下限における変化をいう。ゼロドリフトは、代表的には、より大きなコンポーネントであり、そして総ドリフトの８０％までを構成し得る。

少なくとも１つの熱センサ（図示せず）が、上記本体部分１２上に位置決めされるか、またはそうでなければそれと連絡している。この少なくとも１つの熱センサは、上記第１の内部通路２０、第２の内部通路２２、流れ制限器３０、または上記のいずれかを横切る流体の温度を測定するように構成される。１つの実施形態では、この熱センサは、第１の内部通路２０、第２の内部通路２２、流れ制限器３０、または上記のいずれかのいずれか１つと連結される。代替の実施形態では、この熱センサは、第１の内部通路２０、第２の内部通路２２、流れ制限器３０、または上記のいずれかのいずれか内に位置決めされる検知デバイス（図示せず）を含む。例示の熱センサは、例えば、サーモメーター、熱電対、赤外センサ、またはその他の当該分野で公知の温度読み取りデバイスを含む。

代替の実施形態では、少なくとも１つの熱制御要素（図示せず）が、ＭＦＣ１０の本体部分１２と連絡され得る。この少なくとも１つの熱制御要素（図示せず）は、第１の内部通路２０、第２の内部通路２２、流れ制限器３０、または上記のいずれかのいずれかの少なくとも１つと連結され得、そして内部通路２０、２２、流れ制限器３０の温度を所望の温度で調節するように構成され得る。例えば、１つの実施形態では、この熱制御要素（図示せず）は、流れ制限器３０を所望の温度に加熱するように構成され得、それによってその中を流れる流体の温度を所望の温度に維持する。例示の熱制御要素は、制限されずに、コイルヒーター、抵抗ヒーター、圧電ヒーターおよびクーラー、またはその他の当該技術分野で公知のデバイスを含む。

図１を再び参照して、流れ制限器３０は、上記制御バルブ１４の下流の第２の内部通路２２に連結され、そして流れ制限器入口５０および流れ制限器出口５２を含む。１つの実施形態では、この流れ制限器３０は、細長い管状本体またはキャピラリー本体を有する高度に非線形である流れ制限器を備える。キャピラリーまたは層流が、この流れ制限器３０内で、その細長い本体長さのキャピラリー本体および比較的小さな水動力学的直径に起因して生成される。有益な非線形性は、高度に圧縮可能な層流がこのキャピラリー本体を横切って流れるときに生成され得る。より詳細には、この有益な非線形性は、流れ制限器３０が、流れ制限器通路長さと比較して比較的小さな水動力学的直径（Ｌ／Ｄ）を有し、もそしてこの制限器を通る流れが、高度に圧縮可能な層流であるときに生成され得る。当業者は、この流れ制限器３０が、それを通る高度に圧縮可能な層流を生成するために種々の長さおよび内径で製造され得、そして種々の材料から製作され得ることを認識する。例えば、１つの実施形態では、この流れ制限器３０は、所望の多孔性および流れ制限性質を提供するために適切に圧縮され、かつ焼成されたステンレス鋼またはニッケル粒子から製造される。この流れ制限器３０は、その他の材料または構成から構築され得ることが理解される。例示の代替の構成は、制限されずに、比較的小さな水動力学的直径を有するコイル状チューブ、平坦プレート、溝のあるプレート、環状プレート、オリフィス、平行プレート、積み上げプレート、コイル状シート、または当該技術分野で公知のその他の構成を含む。

流れ制限器出口５２は、その中にＭＦＣ１０の排出物を受容するように構成された種々の部分に連結され得る。例えば、１つの実施形態では、この流れ制限器出口５２は、その中に生成される減圧を有する排出部分に連結される。代替の実施形態では、この流れ制限器出口５２は、その中に形成されるほぼ真空を有する出口部分に連結され得る。例えば、この出口部分は、約１ｐｓｉａ以下であり得る。必要に応じて、この流れ制限器出口５２は、その中の形成された圧力低下および／または変動減圧を有する排出部分と連絡され得る。例えば、この出口部分は、約０ｐｓｉａ〜約５ｐｓｉａまで変動する圧力を有し得る。必要に応じて、第２の圧力トランスデューサ５４が、流れ制限器３０に近接して配置されても良く、そしてＭＦＣ１０を出る排出物の圧力を測定するように構成される。

使用の間、流れ制限器入口５０と流れ制限器出口５２との間に圧力低下が形成される。１つの実施形態では、流れ制限器入口５０と流れ制限器出口５２との間の圧力低下は、流れ制限器入口５０における圧力の少なくとも約５０％である。別の実施形態において、流れ制限器入口５０と流れ制限器出口５２との間の圧力低下は、流れ制限器入口５０における圧力の少なくとも約６０％である。なお別の実施形態では、流れ制限器入口５０と流れ制限器出口５２との間の圧力低下は、流れ制限器入口５０における圧力の少なくとも約７０％である。要するに、流れ制限器入口５０と流れ制限器出口５２との間の圧力低下は、流れ制限器入口５０における圧力の少なくとも約５０％〜１００％の近くであり得る。

本出願において、圧縮可能な層流は、制限器入口５０における圧力の少なくとも約１０％である、流れ制限器入口５０と流れ制限器出口５２との間の圧力低下として規定され、その一方、高度に圧縮可能な層流は、制限器入口５０における圧力の少なくとも約５０％である、流れ制限器入口５０と流れ制限器出口５２との間の圧力低下として規定される。流れ制限器３０を通る高度に圧縮可能な層流の生成の結果として、有益な非線形性を有するＭＦＣ１０は、「フルスケールエラーの％」特性よりもむしろ「読み取りエラーの％」へのシフトを生成する。従って、ＭＦＣは、特に低流速において、現在利用可能であるより増加した動力学的範囲を有する。

ここで、図２を参照して、例示の流れ制限器３０が示される。説明の目的のために、加圧流体が流れ制限器入口５０中に入り、そして流れ制限器出口５２を通って減圧中に出る。流れ制限器３０の内側で、流体流れは、Ａ、Ｂ、およびＣで指定される３つの異なるゾーンに分割される。ゾーンＡでは、流体流れは主に層の特徴を有する。ゾーンＢでは、流体流れは高速度および関連する増加動力学損失を有する。ゾーンＣでは、流体流れは主に分子特徴を有している。これらのゾーンは、圧力源、制限器パラメータ、およびその他の変数に従って変動し得る。真空近くに排出するとき、ゾーンＢおよびＣは排除され得る。結果として、ゾーンＡの層の特徴は、有益な非線形性を維持しながら、この流れ制限器３０の実質的に全長を通じて存在し得る。

ここで図３〜７を参照して、流れが入口圧力（音波適用）または示差圧力（圧力低下がライン圧力と比較して小さい層流要素（ＬＦＥ））に比例する圧力を基礎にするＭＦＣについて、圧力トランスデューサのゼロにおける変化は、「フルスケールの％」特徴をとるＭＦＣの較正エラーに変換される。

図３は、高度に圧縮可能な層流を生成するように構成された非線形流れ制限器の流れ特徴のグラフを示す。図３に示されるデータを生成するために、非線形流れ制限器を有するＭＦＣは、２４℃の温度で酸素を流すよう構成され、そして減圧に排出された。図３に示されるように、本明細書に開示された流れ制限器は、高度に非線形であり、そしてより高い流れにおけるより、より低い流れにおいてかなり急峻である、流れ 対 入口圧力曲線の傾きを生成する。この流れ制限器の非線形特徴は、現在利用可能なものよりより低い流速でより正確であるＭＦＣを生成する。

図４は、種々の流速における圧力測定エラーに対する非線形流れ制限器の感度のグラフを示す。図４に示されるように、非線形流れ制限器を有するＭＦＣは、２４℃の温度で酸素を流すように構成され、そして減圧に排出された。図４に示されるように、ＭＦＣの圧力測定エラーに対する圧力感度は、より低い流速において減少する。結果として、図３および４は、記載のような非線形流れ制限器を有するＭＦＣが、現在利用可能な非線形制限器より広い動力学的範囲に亘って流体の流速を正確に制御し得ることを示す。

図５は、図６のトランスデューサに代表的な、圧力測定エラーにより誘導される「読み取り値の％」で流速エラーを示すグラフである。示されるように、１ Ｔｏｒｒの圧力測定エラーは、約２０ｓｃｃｍ以上の流れに対して約１の「読み取り値の％」の流れエラーを生成し、そして約１ｓｃｃｍ〜約２０ｓｃｃｍの間の流れに対して約６の「読み取り値の％」の流れエラーを生成する。

図６は、ＭＦＣ１０の圧力トランスデューサの安定性をグラフにより示す。上記に記載のように、ゼロドリフトは、ゼロ入力が存在するとき測定で生じる変化を記載する。スパンドリフトは、範囲の上限または下限における変化を記載する。ゼロドリフトは、代表的には大きなコンポーネントであり、そして総ドリフトの８０％までを構成し得る。グラフにより示されるとき、ゼロドリフトは、平均値からの垂直偏移として現れる。例えば、図６のライン６０は、圧力に対するトランスポンダエラーを表す。示されるように、ライン６０は、約０ Ｔｏｒｒ〜約７５０ Ｔｏｒｒの参照圧力の範囲を横切って０．１０の値で相当に一定のままであり、そして０に接近する傾きを所有する。

図７Ａ〜７Ｄは、上記に記載のような非線形流れ制限器を有するＭＦＣの経時的な安定性、およびそれに対する誤補償温度変動の影響のいくつかのグラフ表示を示す。図７Ａ〜７Ｃにおいて、単一の１０００ｓｃｃｍのＭＦＣは、約１７２．０ｓｃｃｍ、４６．０ｓｃｃｍ、および１０．７５ｓｃｃｍの流速で試験された。図７Ｄは、実際の温度を示し、流れの推定温度に関してＭＦＣを通る流体流れのラインＦを参照のこと、ＭＦＣに連結される制御システムによる補償についてはラインＧを参照のこと。図７Ａ〜７Ｄに示されるように、１２〜２０時間の間に、ＭＦＣを通って流れる流体の実際の温度は、約２３℃〜約２４℃の間で変動する。ＭＦＣに連結された制御システムは、ＭＦＣを通って流れる流体の温度を誤って決定し、約２７℃と２９℃との間で変動した。（ラインＧ、図７Ｄを参照のこと）。制御システムによる誤りの温度変動読み取り値に応答して、ＭＦＣを通る流れは増加した。

上記のように、ＭＦＣは、焼成された要素または細長い（キャピラリーチューブまたは当該技術分野で公知のその他の手段のような）層流要素を有して構築され得、供給圧力と比較して流れ制限器を横切る大きな圧力低下が、ＭＦＣ１０内に配置され得る。きつい減圧が流れ制限器出口５２に付与されるとき、供給圧力に対して、流れの高度に非線形である流れ特徴が形成され、それによって、流れ制限器入口５０における圧力と比較したとき、１００％に近づく圧力低下を形成する。結果として、流れ増加の単位あたり必要なより高い増分圧力は、低い流れにおける圧力トランスデューサに対するゼロドリフトエラーにより誘導されるエラーの影響を減少する。例えば、流れ範囲の下末端におけるトランスデューサに対する１ Ｔｏｒｒゼロシフトの影響は、それが流れ範囲の上末端において有するであろう影響のほんの１／２０以下であり得る。半導体産業のような特定の産業においては、より多くの「読み取り値の％」較正エラー特徴を有するＭＦＣを用いることが所望され得る。これは、在庫減少、低圧範囲における増加した正確度、および柔軟性のような利益を可能にする。

従って、より高い正確度の圧力を基礎にした流れコントローラが上記のように提供され得る。先行する説明は、例示のみであって、しかも、当業者に容易に明らかであるように、同様の機能を達成するために代替の設計が用いられ得ることが理解される。

図１は、流体質量流れコントローラの等角図である。 図２は、減圧に排出されるとき、図１の質量流れコントローラの１つの実施形態における３つの異なる流れゾーンの図示である。 図３は、図１の質量流れコントローラが減圧に排出されている場合の流れ特徴を示すグラフである。 図４は、図１の質量流れコントローラの流れ感度における変化を、流速の関数として示すグラフである。 図５は、図６に示されるような予期されるトランスデューサ較正ドリフトに基づく、図１の質量流れコントローラにおける予期される流れ測定エラーを示すグラフである。 図６は、参照圧力に対する図１の質量流れコントローラにおけるトランスデューサ安定性を示すグラフである。 図７Ａは、約１７２．０ｓｃｃｍの流速における図１の質量流れコントローラの安定性レベルを示すグラフであり、そしてそれに対する温度の影響を示す。図７Ｂは、約４６．０ｓｃｃｍの流速における図１の質量流れコントローラの安定性レベルを示すグラフであり、そしてそれに対する温度の影響を示す。図７Ｃは、約１０．７５ｓｃｃｍの流速における図１の質量流れコントローラの安定性レベルを示すグラフであり、そしてそれに対する温度の影響を示す。図７Ｄは、図１の質量流れコントローラを通って流れる流体の実際の温度読み取りと誤温度読み取りとを示すグラフである。

Claims (7)

1. 第１の内部通路と第２の内部通路とを有する本体部分と、
   前記本体部分に接続され、かつ、前記第１および第２の内部通路と連絡している流量制御バルブと、
   前記本体部分に接続され、かつ、前記第１の内部通路および前記第２の内部通路のうちの少なくとも１つに接続された少なくとも１つの圧力センサであって、前記第１の内部通路および前記第２の内部通路のうちの少なくとも１つを通って流れる流体の圧力を測定する少なくとも１つの圧力センサと、
   前記第２の内部通路に接続され、それを通って高圧縮層流を生成するように構成された非線形流れ制限器と、
   前記非線形流れ制限器に接続された熱センサであって、前記非線形流れ制限器を通って流れる流体の温度を測定する熱センサと、
   前記非線形流れ制限器に接続された排出部分と
   を備えるマスフローコントローラであって、
   前記マスフローコントローラは、前記熱センサによって測定された流体の温度に対応する流体の圧力と流体の流量との関係を選択し、前記選択された流体の圧力と流体の流量との関係を用いて、前記少なくとも１つの圧力センサによって測定された流体の圧力に対応する流体の流量を求め、前記求められた流体の流量が所定の流量になるように前記流量制御バルブをコントロールするように構成されており、
   前記非線形流れ制限器の通路長（Ｌ）は、前記非線形流れ制限器の水動力学的直径（Ｄ）に比較して大きく、
   前記非線形流れ制限器は、多孔性の構造を有し、
   前記非線形流れ制限器は、圧縮かつ焼成された材料から製造されており、
   前記排出部分は、真空状態にある、マスフローコントローラ。
2. 前記第２の内部通路は、前記非線形流れ制限器の出口における圧力より大きい圧力で流体を流すように構成されている、請求項１に記載のマスフローコントローラ。
3. 前記非線形流れ制限器は、コイル状のキャピラリーチューブを備える、請求項１に記載のマスフローコントローラ。
4. 前記非線形流れ制限器は、前記流体が流れる方向に対して前記流量制御バルブの下流に位置する、請求項１に記載のマスフローコントローラ。
5. 前記非線形流れ制限器の出口と連絡している少なくとも１つの圧力トランスデューサをさらに備える、請求項１に記載のマスフローコントローラ。
6. 内部通路と連絡しているバルブと、
   前記内部通路を通る流体が流れる方向に対して前記バルブの下流に位置する１つ以上の圧力センサであって、内部通路を通って流れる流体の圧力を測定する１つ以上の圧力センサと、
   前記流体が流れる方向に対して前記１つ以上の圧力センサの下流に位置し、非線形の流れを作り出す非線形流れ制限器であって、低い流れにおいて前記非線形流れ制限器の入口で単位体積あたりのより多くの増加分の圧力を有するように構成された非線形流れ制限器と、
   前記非線形流れ制限器を通って流れる流体の温度を測定する熱センサと
   を備えるマスフローコントローラであって、
   前記マスフローコントローラは、前記熱センサによって測定された流体の温度に対応する流体の圧力と流体の流量との関係を選択し、前記選択された流体の圧力と流体の流量との関係を用いて、前記１つ以上の圧力センサによって測定された流体の圧力に対応する流体の流量を求め、前記求められた流体の流量が所定の流量になるように前記バルブをコントロールするように構成されており、
   前記非線形流れ制限器の通路長（Ｌ）は、前記非線形流れ制限器の水動力学的直径（Ｄ）に比較して大きく、
   前記非線形流れ制限器は、多孔性の構造を有し、
   前記非線形流れ制限器は、圧縮かつ焼成された材料から製造されており、
   前記排出部分は、真空状態にある、マスフローコントローラ。
7. 前記非線形流れ制限器は、コイル状のキャピラリーチューブを備える、請求項６に記載のマスフローコントローラ。