JP4921684B2

JP4921684B2 - 流体質量流量コントローラおよびその操作方法

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Publication number: JP4921684B2
Application number: JP2002529328A
Authority: JP
Inventors: ホワイト、ウイリアム、ダブリュー．; ホワイト、ウイリアム、エイチ．; デイビス、クリストファー、ビー．; スミス、ネルソン、ディー．
Original assignee: ファガシティコーポレーション
Priority date: 2000-09-20
Filing date: 2001-09-14
Publication date: 2012-04-25
Anticipated expiration: 2021-09-14
Also published as: AU2001292651A1; JP2004510225A; DE60139135D1; TW505837B; EP1328854B1; EP1328854A4; US6539968B1; CN1461429A; WO2002025391A1; EP1328854A1; MY128274A; KR20070114857A; CN100385359C; KR20030040473A; KR100875813B1; KR100875775B1; ATE435448T1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は具体的には半導体装置等の製造に使われる有毒気体または高反応性気体の流量制御に適合した流体質量流量コントローラに関し、このコントローラの流量リストリクタ部前後の流体差圧とこのコントローラから見た下流流体圧力とにこのコントローラの動作を関連付けるデータに基づいたコントローラの操作方法を含んでいる。
【０００２】
【背景技術】
これまで、微小流体質量流量コントローラ、具体的には半導体装置などの製造に使われる有毒気体や高反応性気体などの流体の質量流量を制御するための流量コントローラを開発する努力が行われてきている。半導体製造分野では、エッチング工程および蒸着工程において、室内大気条件に含まれるなどすると人体に有毒で反応性が高い種々の気体が使われている。質量流量コントローラでは、前記タイプの流体の流量を測定および制御するものが開発されてきており、その測定は流体の熱特性に基づいている。他の流体質量流量コントローラでは、流量リストリクタ前後またはオリフィス前後の差圧測定値に基づいたものが開発されてきている。しかしながら、本明細書で問題にしているタイプの従来技術による流体質量流量コントローラ精度は、流量コントローラの数多い用途に不十分である。
【０００３】
半導体製造工程では、プロセスチャンバー内へ非常に精確な量の流体（主に気体）を吐出することが必要な場合がある。例えば、最大２０リットル／分から最小０．１ｃｍ３／分（ＣＣＭ）オーダーの範囲にわたる流量が必要になる場合もある。さらに、半導体製造で反応性の気体を制御するために使う流量コントローラの応答時間および安定化率については、コントローラが「オン」信号に反応でき、必要な流体流量で０．５〜１．０秒内で安定していることが要求される場合もある。この工程自体の持続時間は数秒から数時間までで、流体流量コントローラのシャットオフ応答時間は通常１秒未満でなければならない。こういったレートにおける熱ベース流体質量流量コントローラの反応能力および安定化能力は、達成が困難である。
【０００４】
本明細書で説明する一般タイプの従来技術による流体質量流量コントローラに伴うもう１つの問題は、種々のプロセス流体用コントローラの較正要件に関するものである。従来技術による流体質量流量コントローラは、典型的には換算係数または換算データセットの確立を要する不活性な較正用流体または無毒の較正流体を使って較正される。有毒気体または高反応性気体を各コントローラ計器の較正に使うのは非常に高価で操作人員にとっても危険であるため、従来技術による質量流量コントローラは典型的に窒素やアルゴンなどの不活性流体、または質量流量コントローラにより制御されるプロセス流体の特性に類似した特性を有する流体で較正される。較正用液体および換算係数を使ったこの工程は、質量流量コントローラの動作に誤差を生じ時間がかかるため、高価になってしまう。従来技術の質量流量コントローラと、初期設定中および交換手続き中のコントローラ較正に必要な経費と時間とは、半導体製造を含む多数の製造工程の経費を著しく増大させるため、流体質量流量コントローラをある程度改善することが強く望まれている。
【０００５】
上記の理由から、流体質量流量コントローラ、具体的には上述の映像工程で使われるタイプの流体質量流量コントローラに対していくつかの課題が挙げられている。このような課題としては、コントローラ設定点から数％内のコントローラ精度（少なくとも１％が望ましい）を実現すること、精度を損なわずに「通常」温度前後（熱ベース質量流量コントローラなどの課題）と各種のポジションまたは姿勢（右側が上向き、横向き、上下逆など）とで動作できるようにすること、広い流量範囲で精確に測定および制御できるようにすること、電源投入後安定した流量状態を達成できるまでの応答時間を短縮化すること、製造の経済性を実現すること、製造工程において流量コントローラの保守を容易にし流体フロー流通システムにおける流量コントローラ交換を容易にするためモジュール機械構造を単純化することなどが含まれる。流体質量流量コントローラに望まれる他の機能としては、製造時に各コントローラ計器一式を較正不要にすること、保守後に各コントローラ計器一式を再較正不要にすること、信頼性が高く容易に交換可能な流量リストリクタ部またはオリフィス部を提供すること、保守後または流量リストリクタ内での交換後に流量コントローラの動作可能性および精度を容易に確認可能にすること、多様な有毒流体や高反応性流体、具体的には半導体製造工程に使われる数百種の気体状流体について流量を精確に制御可能にすること、異なる気体または液状流体について流量に関するコントローラ作業データを容易に変更できるようにすることなどがある。本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものである。
【０００６】
【発明の概要】
上記目的を達するため、本発明は改善された流体質量流量コントローラおよびその操作方法を提供する。具体的には、半導体装置等の製造で使われる気体状流体の流量制御に関連した用途向けに、改善された質量流量コントローラおよびその操作方法が提供される。
【０００７】
本発明の１の観点によれば、流量リストリクタ前後の差圧とこの流量リストリクタの下流における圧力との測定を利用して、特定温度における特定流体の実際の質量流量のより精確な読み取りを提供する流体の質量流量コントローラが提供される。このような測定は、圧力センサまたはトランスデューサを２つだけ使って測定する流体の広い温度範囲にわたり実行することができる。
【０００８】
本発明は、改善された流体質量流量コントローラ、具体的には半導体装置等の製造に使われる有毒気体または反応性気体の流量制御に適合しており、望ましい流量設定点において素早い応答時間で安定化し、設定点条件内において誤差１％未満で精確である流体質量流量コントローラをさらに提供する。このコントローラは、このような流量について最大対最小の流量比が１００：１ものオーダーになる広い範囲にわたり、質量流量を測定するよう動作自在でもある。この質量流量コントローラではプロセス流体または較正用流体を使った較正が必要ないため、流量測定工程における換算係数が不要である。
【０００９】
本発明は、流量リストリクタ前後の流体差圧とこの流量リストリクタの下流における流体圧力とを測定することにより動作する改善された流体質量流量コントローラであって、選択された流体の質量流量に関する、このコントローラに適用されこのコントローラが動作するある範囲内の差圧と下流圧力とのデータを利用する改善された流体質量流量コントローラも提供する。また、本発明に係る前記質量流量コントローラと流量計とは、大気圧以上から有毒気体または反応性気体のいわゆる安全吐出システムに見られる減圧状態に至るまでの広範囲にわたる吸引圧力について動作自在である。さらに本発明は、前述のデータを格納し必要に応じて追加データセットを受け取ることもできる不揮発性メモリであるデジタル信号プロセッサなどの適切なプロセッサ回路を含む制御システムに動作可能に付随する流体質量流量コントローラを含む。
【００１０】
本発明は、機械的に複雑でない構造でモジュール形式の、具体的には前記コントローラに付随する交換可能な流量リストリクタと、１つ以上の圧力トランスデューサと、単一の流量制御バルブとの高速交換に適合した流体質量流量制御装置をさらに提供する。
【００１１】
本発明は、複数の流体について流量に対する差圧と下流圧力とのデータがデータセットとして利用可能な流量リストリクタであって、具体的には本発明に係る圧力ベースの流体質量流量コントローラまたは流量計との使用に適合するが、他の用途にも適合自在で、特に有毒気体および反応性気体の使用に適合した流量リストリクタをさらに提供する。
【００１２】
さらに本発明では、流量リストリクタ前後の差圧とこの流量リストリクタの下流における流体圧力とを測定することによる流体の質量流量の測定方法および制御方法（またはそのいずれか）を考慮しており、具体的には（これに限定はされないが）前記下流圧力が大気圧未満である動作条件を考慮している。本発明では、較正用流体を使ったコントローラ較正が不要で、その代わり有毒気体または光反応性気体を含む各種タイプのプロセス流体用コントローラの流量リストリクタ部用に所定のデータセットを利用する流体質量流量コントローラの操作方法をさらに考慮している。
【００１３】
本発明では、２つの圧力センサおよび温度センサからの信号とコマンド信号入力とを受信し、前記流体質量流量コントローラに付随した制御弁用の適切なアナログ出力信号を提供することに適合したマイクロコントローラかプロセッサ装置かを含む流体質量流量コントローラも考慮している。さらに前記マイクロコントローラは、遠隔地からデータを受信し、シリアルＥＥＰＲＯＭをサポートしてこれにデータ入力するための、ＲＳ４８５通信と種々のネットワーク通信とをサポートするよう動作自在である。上記の理由から、本発明では、各種タイプの流体用コントローラを迅速に変更するため、流量リストリクタを異なる流体用に特徴付けるデータセットがネットワーク経由で遠隔的に入手できる流体質量流量コントローラの操作方法を考慮している。
【００１４】
本発明の上述の利点と優れた機能と他の重要な観点とは、次の発明の実施の形態の項の説明および添付した図面を参照することで、当業者にとってより明確に理解される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下の説明では、同様な要素は本明細書および添付の図面全体にわたり、それぞれ同一の参照符号で表わされる。これらの図面は必ずしも縮尺どおりではなく、特定の機能は明瞭化と簡略化のため一般化された形式または概略的な形式で示されている。
【００１６】
図１および図２は、本発明に係る改善された流体質量流量コントローラ（以降、「質量流量コントローラ」）を全体として符号２０で示している。この質量流量コントローラ２０は、協動平面２４ａおよび協動平面２６ａにおいて従来の機械的留め具２８によりそれぞれ適切に相互連結された全体的に直方体ブロック形状の本体部２４および本体部２６を有する、２つの部分からなるモジュール式本体２２を含んでいる。これらの本体部２４および本体部２６は、具体的には半導体製造などに使われる気体状の有毒流体または反応性流体をシステムに供給するための流体管に前記質量流量コントローラ２０を連結するための、適切な流体導管コネクタ部２５および流体導管コネクタ部２７とともに設けられている。
【００１７】
図２に示す例では、前記質量流量コントローラ２０は、六フッ化タングステン、塩素、六フッ化硫黄などの流体に圧力を加えるための供給圧力容器２８を含む製造システムに挿入することができる。前記供給圧力容器２８は適切な流体管３０を通して前記質量流量コントローラ２０に連結されており、パージ流体管３２も、前記質量流量コントローラ内の流体を必要に応じて適切なレシーバまたはスクラバー３４（排気ガス洗浄装置）へ排気するため、流体管３０とパージガス源（図示せず）とに連結されている。ただし、前記質量流量コントローラ２０の動作中は、半導体製造チャンバー３６へ精確な流量の流体が注入されるよう流体管３３を介した制御が行われる。前記チャンバー３６は、典型的に１つ以上の真空ポンプ３７などにより実質的に低減された圧力で維持される。前記質量流量コントローラ２０が挿入されたこのシステムは、この質量流量コントローラの１の優良な応用例を例示するため、図２のように単純化された形式で示されている。
【００１８】
主に図２において、前記本体部２４は、この本体部２４の表面２４ｂ上に従来の機械的留め具（図示せず）により取り外し自在に設けられ電気的に制御される流量制御バルブ４０を支持している。この流量制御バルブ４０は、前記本体部２４の内部流通路４２からこの本体部２４の第２内部流通路４４への流体の流量を絞るよう動作自在な電気的に作動する密閉部材４１を含む。前記流量制御バルブ４０は、密閉部材４１用のアクチュエータ４３も含む。アクチュエータ４３は、密閉部材４１の高速応答と正確さの点から、ソレノイドまたは圧電材料を使ったタイプのものが望ましい。第１の圧力トランスデューサ４６も前記本体部２４上に取り外し自在に設けられており、この本体部２４内の流通路４７であって流通路４４と流通自在な流通路４７と流通自在である。第２の圧力トランスデューサ４８は前記本体部２６上に取り外し自在に設けられており、この本体部２６内の縦方向の流通路５０へ通じている流通路４９であって、前記チャンバー３６へ通じる前記流体管３３とも連結している流通路４９と流通自在である。前記圧力トランスデューサ４６と前記圧力トランスデューサ４８とは、ＨｏｎｅｙｗｅｌｌＤａｔａＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ部門などから市販されているタイプのものでもよい。前記流量制御バルブ４０と、前記圧力トランスデューサ４６と、前記圧力トランスデューサ４８とは、図１に示すように前記質量流量コントローラ２０用の取り外し自在なカバー５１内に配置されている。
【００１９】
図３では、前記本体部２４はその内部に形成された円柱形の座ぐりフライス５４であって、流量リストリクタ５６を受容する前記流通路４４と同軸の座ぐりフライス５４を含む。この流量リストリクタ５６は、前記座ぐりフライス５４内の密閉リング６２間に挟まれて支持される適切な管状アダプタ６０内に設けることが可能な管状のスリーブ５８内で支持される。これにより、前記流量リストリクタ５６は、前記本体部２４と前記本体部２６とを切り離し、この流量リストリクタをその指示用の前記スリーブ５８とともに取り外し、この流量リストリクタを同じ流量特性または選ばれた他の流量特性を有する適切な代替リストリクタと交換することにより、前記本体２２から容易に取り外し自在である。この流量リストリクタ５６は、所定の気孔性を有する焼結金属製の円柱プラグ形状部材であって、その内部を流体が流通する際に前記圧力トランスデューサ４６と前記圧力トランスデューサ４８とが検出できる差圧を前後に生じるに十分な流量制限を提供する円柱プラグ形状部材を有することが好ましい。この流量リストリクタ５６は、例えば、望ましい気孔性と望ましい流量制限特性を提供するよう適切に圧縮および焼結されたステンレス鋼粒子またはニッケル粒子で製造できる。この流量リストリクタ５６は、前記流量制御バルブ４０下流の前記質量流量コントローラ２０内に有利に配置されている。
【００２０】
ここで図１に立ち返ると、前記質量流量コントローラ２０は、デジタル信号プロセッサ７０として特徴付けられるマイクロコントローラであって、ＥＥＰＲＯＭメモリ７２などの不揮発性メモリと、電源７４と、適切なバルブドライバ回路７６とに動作自在に接続されたマイクロコントローラを含む制御回路またはシステムにより操作されることに適合している。前記マイクロコントローラ７０は、前記バルブドライバ回路７６により前記密閉部材４１の運動をもたらすため、前記流量制御バルブ４０に動作自在に接続されている。このマイクロコントローラ７０は、前記圧力トランスデューサ４６および前記圧力トランスデューサ４８と、前記質量流量コントローラ２０内を流通する流体の温度を検出するよう所定の位置に設けられた温度センサ７８とにも動作自在に接続されている。
【００２１】
このマイクロコントローラ７０は、コマンド信号と、データセットと、プログラミングの変更とを種々の送信元から受け取るよう、適切なインタフェース８０にも動作自在に接続されている。このマイクロコントローラ７０は、ＴｅｘａｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓＩｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄから入手可能なＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７固定小数点マイクロコントローラであることが好ましい。前記圧力センサ４６および前記圧力センサ４８は、独自のＡ／Ｄ変換器とＤ／Ａ変換器とを搭載した前記マイクロコントローラ７０へのアナログ入力であって、＋／−０．５ボルト範囲と１４〜１６ビット分解能とを有するアナログ入力で動作する。他のアナログ入力は前記温度センサ７８と、１２ビット分解能を有する０〜５Ｖの設定点コマンド信号入力とのためである。前記マイクロコントローラ７０は、前記バルブドライバ回路７６を介して前記流量制御バルブ４０の動作を制御するためのアナログ出力信号も提供する。このマイクロコントローラ７０との通信は、４線式ＲＳ４８５通信リンクおよびＣＡＮ（コントローラエリアネットワーク、ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋの略称）、またはそのどちらかを介して行える。このマイクロコントローラ７０は、プログラミング用のエミュレーションとデバッグとパワーアップブートローダ機能とのためにＪＴＡＧインタフェースもサポートできる。前記メモリ７２は少なくとも４０００バイトのシリアルＥＥＰＲＯＭであることが好ましい。
【００２２】
前記マイクロコントローラ７０では、前記圧力センサ４６および前記圧力センサ４８用の入力と前記流量制御バルブ４０制御用の出力信号との間で約１００回／秒の率で閉ループ制御機能の実行が必要とされる。新しいデータの転送または前記メモリ７２への転送は前記制御ループが更新されていないときに提供されるが、前記インタフェース８０を通した通信はこの制御ループの機能中に実行される。
【００２３】
本発明の重要な観点は、前記質量流量コントローラ２０の通常動作範囲では、前記流体流量が前記流量リストリクタ前後の差圧の関数であるだけでなく、前記チャンバー３６内の圧力に実質的に対応する絶対下流圧力の関数でもあることの発見にある。例えば、図４は前記流量リストリクタ５６前後の差圧（Ｔｏｒｒ）の関数として、また前記流通路５０と前記流体管３３と前記チャンバー３６との下流圧力（Ｔｏｒｒ）の関数として、流量の典型的特性をｃｍ３／分（ＳＣＣＭ）単位で示している。図４のグラフは、リストリクタを通過する流体の流量特性は、グラフに示された圧力範囲内では、符号９０で示された３次元面に沿っていることを示している。この質量流量特性または面９０は特定温度についてのものである。図４のグラフでは、この質量流量特性９０は２５℃の流体を試験して得られたものである。図４に示すように、これより低温で得られる測定値は面９２および面９４などで示される流量特性を示す。面９２で示される流量特性は、面９０で示される流量特性に対応する温度より低い温度に関するものであり、面９４で決定される流量特性は、面９２で示される流量特性に対応する温度より低い温度に関するものである。
【００２４】
ただし、図４は流量リストリクタを通過する質量流量が、具体的にはこの図に示された圧力範囲で、下流圧力に応じて変化することも示している。例えば、下流圧力が約０．０Ｔｏｒｒで流量リストリクタ前後の差圧が約１５７５．０Ｔｏｒｒである場合、試験にかけられた特定のリストリクタの流量は約２８０ＳＣＣＭである。ただし、下流圧力が７６０．０Ｔｏｒｒ（標準大気圧）で、この流量リストリクタの差圧が同じ場合の流量は約５００ＳＣＣＭとなる。このように、流量リストリクタを通過する流体の振る舞いは、特に気体状の場合、温度および差圧に依存するだけでなく流量リストリクタの下流圧力にも依存する。
【００２５】
種々の温度と、流量リストリクタ前後の差圧と、下流圧力とで図４に示された流量特性は、前記流量リストリクタ５６などの焼結金属タイプ流量リストリクタに関するものである。代わりに図６を見ると、縁の鋭い環状オリフィスに関する２５℃での同様な流量特性が符号９５で示されている。図４および図６に示されている特定の流量特性は、窒素ガスに関するものであるが、他の気体も本明細書で説明する流量リストリクタについては図４および図６に示されている流量特性に全体として従う。
【００２６】
上記の理由から、図４および図６に従う流量特性は、前記質量流量コントローラ２０などの質量流量コントローラに関連して使用される特定タイプの流量リストリクタについて得られるものであり、半導体製造に使われるプロセスガスまたはプロセス蒸気を含む、液体状および気体状の種々の流体について得られるものである。
【００２７】
図４の前記面９０、前記面９２、および前記面９４などの３次元流量特性を表すデータ点は種々の方法で得られ、前記質量流量コントローラ２０の前記メモリ７２へ入力することができる。前記質量流量コントローラの前記マイクロコントローラ７０は、設定点モードで操作した場合、前記質量流量コントローラ２０内を通過する流量を調節して、実質的にこの流量が前記マイクロコントローラ７０に前記設定点としてプログラムされた流量になるまで、または前記マイクロコントローラ７０に入力された指示に従って、実際の流量を繰り返し決定し、この流量を前記設定点に近づけるため、前記圧力トランスデューサ４６と前記圧力トランスデューサ４８とにより前記流量リストリクタ５６前後の差圧を検出することにより、前記流量制御バルブ４０の操作を命令するようプログラム可能である。特定の気体について前記面９０と前記面９２と前記面９４とを表すデータ点は、従来の流量測定機器を使って取得できる。
【００２８】
質量流量変化率測定装置を使ってもこれらのデータ点は得られる。さらに、このような流量測定装置は前記質量流量コントローラ２０などの質量流量コントローラがその設計仕様内で動作しているかを確認する目的で利用可能であるり、このような装置は特定の流量リストリクタがその設計仕様内で動作しているかを確認する目的でも利用できる。いったん本明細書で説明しているタイプの流量リストリクタと質量流量コントローラとの設計仕様を確立すると、それぞれの性能は質量流量変化率測定装置または他の質量流量測定装置により、あるいは不活性気体の利用により確認できるため、質量流量コントローラ全体の確認試験または流量リストリクタ全体の確認試験に有毒気体および高反応性気体を使う必要がそれぞれなくなる。例えば、流量５０ＳＣＣＭと、１００ＳＣＣＭと、５００ＳＣＣＭと、３，０００ＳＣＣＭとにおいて、吸引圧力３０ｐｓｉｇで、吐出圧力を大気圧にして、選ばれた数のデータ点について前記質量流量コントローラ２０などの質量流量コントローラまたは前記流量リストリクタ５６などの流量リストリクタの確認を行うことができる。質量流量変化率測定装置での試験時には、前記質量流量コントローラの動作可能性を確認するため、この質量流量コントローラの設計仕様を表すデータ点を前記メモリ７２に入力することもできる。質量流量変化率（またはいわゆる立ち上がり速度）測定装置は、適切なものが市販されている。
【００２９】
さらに、前記質量流量コントローラ２０は、前記質量流量コントローラ２０と同タイプのコントローラに関して試験済みの任意の流体に関するデータ源への接続に適合した前記インタフェース８０を介してネットワークへ接続することもできる。このように、前記質量流量コントローラ２０で制御する任意の気体の流量特性は、単に適切なプロセッサ内に格納されたデータベースへの問い合わせを行うだけで、前記メモリ７２に入力できる。例えば、前記質量流量コントローラ２０のベンダは、適切なプロセッサとそれに付随するメモリとに格納された多様な気体に関するデータセットであって、その各々が任意タイプの流量リストリクタの各々について図４および図６に示された流量特性を提供するタイプのデータセットに実質的に対応したデータセットをすでに選択済みである可能性がある。前記質量流量コントローラ２０などの質量流量コントローラを使用している認可済み顧客であって、特定の気体とともにそのコントローラの使用開始を希望している顧客であれば、単に前記ベンダのデータ源に問い合わせを行うだけで、直接その顧客の前記マイクロコントローラ７０とそのメモリ７２にインターネットなどのネットワークを通して必要なデータセットをダウンロードすることができる。
【００３０】
このマイクロコントローラ７０の動作は全体として図７Ａおよび図７Ｂの流量図に従うもので、この動作については以下で詳しく説明する。このマイクロコントローラまたはプロセッサ７０は、閉ループ制御と通信機能とを実行するよう動作自在である。閉ループの制御は１００回／秒実行されることが好ましく、ルックアップ表か多項式の計算の実行を要する。コードはすべてＣ言語で書いてもよい。前記マイクロコントローラまたはプロセッサ７０の機能は、図７Ａのフローチャートに要約されている。図７Ａの工程１００は、前記マイクロコントローラ（プロセッサ）７０の主要機能を駆動するために１ミリ秒の中断があることを示している。工程１０２において、このマイクロコントローラ（プロセッサ）７０は下流圧力ＸＤ１のサンプルを６４個取得しそれらを平均している。工程１０４において、このマイクロコントローラ（プロセッサ）７０は上流圧力ＸＤ２のサンプルを６４個取得しそれらを平均している。工程１０６では、ソフトウェアタグＣＶ１ＳＮで示された前記流量制御バルブ４０の制御用に、アナログ出力信号３２個のサンプルが平均されている。工程１０８は、信号モードにおける前記マイクロコントローラ（プロセッサ）７０の動作であって、工程１１０における０〜５ボルトの設定点コマンド信号入力のサンプル３２個と、工程１１２における０〜５ボルトのアナログ出力信号のサンプル３２個とを取得するための動作を示す。工程１１４はアナログ入力がいつ接地されているかを示している。工程１１６は、ＴＥ１と表記された前記温度センサ７８からの信号のサンプル３２個を前記マイクロコントローラ（プロセッサ）７０が取得および平均することを示している。工程１１８は圧力と流量と温度とに関する信号入力が米英単位系に変換される。図７Ａの工程１２０は、図４の前記面９０、前記面９２、および前記面９４などを使った流量ルーチンの計算の実行である。工程１２２では新しいプロセッサが制御モードへ進んでいる。
【００３１】
図７Ｂは、前記面９０、前記面９２、および前記面９４など各動作温度に関するいわゆる３次元マップのセットを使った流量ルーチンの計算がいかに実行され、それにより前記流量リストリクタ５６前後の差圧と、前記流通路５０内の下流圧力と、前記温度センサ７８により検出された温度との変数の関数としていかに流量が計算されるかを例示している。流量のセットはある範囲の下流圧力にわたり、前記流量リストリクタ５６について流量が得られる。このデータセットは３次元曲線の配列へとフィッティングされる。このいわゆるマップは、ｘ軸上の差圧ＸＤ２−ＸＤ１とｙ軸上の吐出圧力または下流圧力ＸＤ１とにマップされたｚ軸上の流量と考えることができる。
【００３２】
前記ベストフィット工程は種々のｙ値での曲線を生成する。典型的に、ｘ対ｚの曲線はＸＤ１値が例えば１Ｔｏｒｒと、５０Ｔｏｒｒと、１００Ｔｏｒｒと、３００Ｔｏｒｒと、５００Ｔｏｒｒと、７００Ｔｏｒｒとの場合に対して生成できる。その後、この工程は別の動作温度に対して繰り返される。次に較正データが浮動小数点数値から前記マイクロコントローラ（プロセッサ）７０で使われる固定小数点数値へとマップされる。これらの表はこのマイクロコントローラ（プロセッサ）７０へダウンロードされ、流量計算中に呼び出される。図７Ｂ、工程１２４の較正データ取得は、前記温度センサ７８により検出された温度より高温および低温で最も近い温度における較正マップまたは較正面を取得することにより実行される。工程１２６と工程１２８では、流量は較正データ（ＣＡＬＤＡＴＡ）における２曲線について差圧ＸＤ２−ＸＤ１を内挿することにより計算される。現在の較正温度における流量は、較正流量データ点間に内挿を行うことにより算出される。工程１３０および工程１３２では、現在のＣＡＬＤＡＴＡ温度での流量は、値ＸＤ１とｙ軸値Ｆｌｏｗ（０）およびＦｌｏｗ（１）とを使って、Ｆｌｏｗ（Ｏ）とＦｌｏｗ（ｉ）との間で内挿を行うことにより計算される。流量は、値ＴＥ１と選ばれた２つのＣＡＬＤＡＴＡセットの温度とを使って、Ｆｌｏｗ＠Ｔｅｍｐ（Ｏ）とＦｌｏｗ＠Ｔｅｍｐ（ｌ）との間で内挿を行うことによって計算される。
【００３３】
ここでいったん図５を参照すると、前述のように前記流量リストリクタ５６は他の質量流量コントローラおよび関連装置と併せた動作に適用可能である。前記流量リストリクタ５６は、例えば接顔部ユニオンフィッティング１１０などの従来のフィッティングにより取り外し自在に取り付けることができる。この接顔部ユニオンフィッティング１１０は、縦型の流通路１１２であって、円柱プラグ形状の前記流量リストリクタ５６とその前記管状のスリーブ５８を受容する孔部１１４を提供するために一端がカウンタボアされている流通路１１２を含む。このスリーブ５８は軽く圧入して前記孔部１１４にはめ込むことができる。一例として、前記質量流量コントローラ２０との併用向け流量リストリクタは、直径約０．１８インチ、長さ約０．１８インチで多孔性焼結ステンレス鋼かニッケルかＨａｓｔｅｌｌｏｙＣ−２２かで形成できる円柱形状のプラグとして特徴付けることができる。ソリッドスティール製の前記スリーブ５８は、３１６Ｌステンレス鋼で形成できる。前記流量リストリクタ５６の製作公差については、例えば、５０ＳＣＣＭと、１００ＳＣＣＭと、５００ＳＣＣＭと、３，０００ＳＣＣＭとにおいて、３０ｐｓｉｇで吐出圧力が大気圧であるこの流量リストリクタ５６の上流圧力での質量流量を確認することによって、この流量リストリクタ５６の性能特性を確認することだけが必要になると考えられる。
【００３４】
これにより、前記流量リストリクタ５６または較正質量流量コントローラ２０には較正も較正換算係数も不要になる。使用するためにいったん設置されると、前記質量流量コントローラ２０および前記流量リストリクタ５６（またはそのどちらか）は、性能確認用の前記質量流量変化率測定装置または類似装置を使って所定量の不活性気体をこれら装置内に流通させることにより、動作可能性を確認できる。その後、これらの流量リストリクタおよび質量流量コントローラ（またはそのどちらか）は設置され続けるか、または各装置が図４などの流量特性に従って動作するよう保守へ回される。
【００３５】
前記質量流量コントローラ２０および前記流量リストリクタ５６の構築と操作、そして前述した質量流量コントローラの操作方法は、当業者であれば容易に理解できると考えられる。さらに、この質量流量コントローラ２０は流量計として機能し、流量計としても流量を設定点条件へと近づけるための制御用としても使用することができる。
【００３６】
本発明の良好な実施形態は本明細書で詳しく説明されているが、当業者であれば発明の要旨を変更しない範囲で添付の請求項に関し種々の代用および変形が可能であることが理解される。
【００３７】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る流体質量流量コントローラを示す、やや概略的な図。
【図２】図１に示したコントローラの全体として中心的な部分と、通常これに付随した流体流量回路の一部の機能とを示した縦断面図。
【図３】図１と図２とに示した本発明に係る質量流量コントローラに使われる流量リストリクタの詳細な断面図。
【図４】約０Ｔｏｒｒ〜約２０００Ｔｏｒｒの比較的低圧範囲にある流量リストリクタ前後の差圧およびこの流量リストリクタの下流圧力の関数としての気体状流体の質量流量を示す図。
【図５】本発明に係る前記流量リストリクタの他の実施形態とそれに付随する支持フィッティングとの縦断面図。
【図６】他タイプの流量リストリクタの特性を、この流量リストリクタ前後の差圧および下流圧力の関数として示す、図４に類似した図。
【図７Ａ】図１および図２に示す流体質量流量コントローラの操作において実行される特定の工程のフローチャート。
【図７Ｂ】同じく、図１および図２に示す流体質量流量コントローラの操作において実行される特定の工程のフローチャート。

Claims

工程への流体の流量を制御するための流体の質量流量コントローラであって、
流体流通路を内含する本体と、
前記本体内の前記流通路内に挿入された流量リストリクタと、
前記流量リストリクタの上流における前記流通路内の流体圧力を検出する圧力センサと、
前記流量リストリクタの下流における前記流通路内の流体圧力を検出する圧力センサと、
前記流通路内を通過する流体の流量を制御するための制御バルブと、
前記制御バルブと前記各圧力センサとに接続され、前記流量リストリクタ前後の差圧とこの流量リストリクタの下流における前記流通路内の流体圧力の検出結果とに基づいて前記質量流量コントローラ内を通過する流体の質量流量を制御する制御回路と、
を有し、
前記制御回路は、前記各圧力センサと前記制御バルブとメモリとに接続されたマイクロコントローラを含むものであり、
前記メモリは、前記差圧と前記質量流量とが非比例関係を有しかつ前記下流における流体圧力と前記質量流量とが非比例関係を有する３次元の流量特性データセットを格納するものであり、
前記マイクロコントローラは、前記メモリに格納された前記３次元の流量特性データセットに基づいて、前記質量流量コントローラ内を通過する前記流体の流量を示す出力信号の１つを得ると共に、この出力信号に基づいて前記質量流量コントローラ内を通過する前記流体の流量を所定量に制限するように前記制御バルブを操作するものである
ことを特徴とする質量流量コントローラ。
請求項１記載の質量流量コントローラにおいて、
前記マイクロコントローラに接続され、少なくとも１つの所定流体組成に関して、前記質量流量コントローラ内での前記流量リストリクタ前後の差圧およびこの流量リストリクタの下流圧力に対する流体質量流量のデータセットの送信元と接続するよう動作自在なインタフェースを含む
ことを特徴とする質量流量コントローラ。
請求項１記載の質量流量コントローラにおいて、
前記マイクロコントローラは、所定の温度と、前記流量リストリクタ前後の流体差圧と、この流量リストリクタ下流での流体圧力とにおける確認流体の流量制御率を確認するための、前記メモリに常駐する確認流体用データセットを含む
ことを特徴とする質量流量コントローラ。
請求項１記載の質量流量コントローラにおいて、
前記流量リストリクタは多孔性プラグを有する
ことを特徴とする質量流量コントローラ。
請求項４記載の質量流量コントローラにおいて、
前記流量リストリクタは、所定の気孔率を有する焼結金属プラグを有する
ことを特徴とする質量流量コントローラ。
請求項５記載の質量流量コントローラにおいて、
前記流量リストリクタの気孔率は、前記流量リストリクタの所定の上流圧力と所定の下流圧力とにおける所定流体の複数の所定質量流量に対応している
ことを特徴とする質量流量コントローラ。
請求項１記載の質量流量コントローラにおいて、
前記本体は第１本体部と第２本体部とを有し、この第２本体部は前記第１本体部の協働面とこの第２本体部の協働面とにおいて前記第１本体部にリリース自在に接続され、前記流量リストリクタは、前記第１本体部および前記第２本体部のどちらかの内部に形成された座ぐりフライス内に設けられており、前記第１本体部と前記第２本体部とを互いに切り離した時点で取り外し自在になるものである
ことを特徴とする質量流量コントローラ。
請求項７記載の質量流量コントローラにおいて、
前記圧力センサの一方は前記第１本体部上に設けられ、他方の前記圧力センサは前記第２本体部上に設けられ、これら圧力センサのそれぞれは、前記本体内の前記流通路と交わる流通路と流通自在である
ことを特徴とする質量流量コントローラ。
請求項８記載の質量流量コントローラにおいて、
前記制御バルブは前記第１本体部上に設けられており、前記流通路内に挿入された密閉部材を含む
ことを特徴とする質量流量コントローラ。
請求項１記載の質量流量コントローラにおいて、
前記マイクロコントローラは、デジタル信号プロセッサと、このデジタル信号プロセッサに接続されたメモリと、前記制御バルブと前記マイクロコントローラとの間に介在するバルブドライバ回路と、少なくとも１つのデータとコマンドとを前記マイクロコントローラへ通信するための１つ以上のネットワークと接続されたインタフェースとを有する
ことを特徴とする質量流量コントローラ。
請求項１０記載の質量流量コントローラにおいて、
前記メモリは、与えられた温度における前記流量リストリクタ前後のある差圧範囲およびこの流量リストリクタ下流での前記流通路内のある圧力範囲にわたる、指定された流体の質量流量を表す流量特性データセットを含む
ことを特徴とする質量流量コントローラ。
請求項１１記載の質量流量コントローラにおいて、
この質量流量コントローラ内を流通する前記流体の複数の温度に関する、前記流量リストリクタ前後の差圧とこの流量リストリクタの下流における前記流体の圧力とに基づいた所定の流体質量流量に関する複数の流量特性データセットを前記メモリ内に含む
ことを特徴とする質量流量コントローラ。
請求項１１記載の質量流量コントローラにおいて、
この質量流量コントローラ内を流通する組成の異なる複数の流体それぞれに関する、前記流量リストリクタ前後の差圧とこの流量リストリクタの下流における前記流体の圧力とに基づいた所定の流体質量流量に関する複数の流量特性データセットを前記メモリ内に含む
ことを特徴とする質量流量コントローラ。
工程への流体の流量を制御するための流体の質量流量コントローラにおける制御部であって、
前記流量流通コントローラの本体内に内含された流体流通路内に挿入された流量リストリクタ前後の差圧と、この流量リストリクタの下流における前記流通路内の流体圧力と、メモリに格納された流量特性データであって、前記差圧と前記質量流量とが非比例関係を有しかつ前記下流における流体圧力と前記質量流量とが非比例関係を有する３次元の流量特性データセットとに基づいて、前記質量流量コントローラ内を通過する前記流体の流量を示す出力信号の1つを得ると共に、この出力信号と受信した流体流量の所定設定点の値に基づいて前記質量流量コントローラ内を通過する前記流体の流量を所定量に制限するように制御バルブを操作するものである
ことを特徴とする制御部。
知られている流体組成の質量流量を測定するための流体の流量計であって、
内部に流体流通路を含む本体と、
前記本体内の前記流通路内に挿入された流量リストリクタと、
前記流量リストリクタの上流における前記流通路内の流体圧力を検出する圧力センサと、
前記流量リストリクタの下流における前記流通路内の流体圧力を検出する圧力センサと、
前記流量リストリクタ前後の流体差圧と前記質量流量とが非比例関係を有しかつ前記流量リストリクタの下流における前記流通路内の流体圧力と前記質量流量とが非比例関係を有する３次元の流量特性データセットを格納するメモリと、
前記各圧力センサおよびメモリに接続され、前記差圧とこの前記下流における流体圧力との検出結果と前記流量特性データセットとに基づいて、前記流量計内を通過する流体の質量流量を測定する制御回路と
を有する
ことを特徴とする流量計。
請求項１５記載の流量計において、
この流量計内を流通する前記流体の複数の温度に関する、前記流量リストリクタ前後の差圧とこの流量リストリクタの下流における前記流体の圧力とに基づいた所定の流体質量流量に関する複数の流量特性データセットを前記メモリ内に含む
ことを特徴とする流量計。
請求項１５記載の流量計であって、
この質量流量コントローラ内を流通する組成の異なる複数の流体それぞれに関する、前記流量リストリクタ前後の差圧とこの流量リストリクタの下流における前記流体の圧力とに基づいた所定の流体質量流量に関する複数の流量特性データセットを前記メモリ内に含む
ことを特徴とする流量計。
工程への流体の質量流量を測定するための流体の流量計における制御部であって、
前記流量流通コントローラの本体内に内含された流体流通路内に挿入された流量リストリクタ前後の差圧と、この流量リストリクタの下流における前記流通路内の流体圧力と、メモリに格納された流量特性データであって、前記差圧と前記質量流量とが非比例関係を有しかつ前記下流における流体圧力と前記質量流量とが非比例関係を有する３次元の流量特性データセットとに基づいて、前記質量流量コントローラ内を通過する前記流体の流量を示す出力信号を得るものである
ことを特徴とする制御部。
半導体装置の製造に使われる気体状材料の比較的低い流量を制御するために流量計と流体の質量流量コントローラとのどちらかで使用する流量リストリクタであって、
この流量リストリクタは、
この流量リストリクタが内部に挿入された流通路内を前記気体状材料の１つが流通する際、この流量リストリクタ前後のある差圧範囲およびこの流量リストリクタ下流での前記流通路内のある圧力範囲にわたる流量特性データセットにより特徴付けられるものであり、
前記流量特性データセットは、流量リストリクタ前後の差圧と前記質量流量とが非比例関係を有しかつ前記流量リストリクタの下流における流体圧力と前記質量流量とが非比例関係を有する３次元の流量特性データセットである
ことを特徴とする流量リストリクタ。
請求項１９記載の流量リストリクタにおいて、
この流量リストリクタは多孔性プラグを有する
ことを特徴とする流量リストリクタ。
請求項２０記載の流量リストリクタにおいて、
前記多孔性プラグは焼結金属で形成されている
ことを特徴とする流量リストリクタ。
請求項２０記載の流量リストリクタにおいて、
この流量リストリクタの上流における所定の吸引圧力と、この流量リストリクタの下流における所定の吐出圧力とにおいて、この流量リストリクタ内を流通する複数の所定質量流量の確認気体を提供するよう動作自在である
ことを特徴とする流量リストリクタ。
質量流量コントローラを用いて工程への流体の流量を制御する方法であって、
前記質量流量コントローラは、本体と、この本体内部を洞貫する流通路と、この流通路内に挿入された流量リストリクタと、この流量リストリクタの上流における前記流通路内の流体圧力を検出する第１圧力センサと、この流量リストリクタの下流における前記流通路内の流体圧力を検出する第２圧力センサと、前記流通路内と前記流量リストリクタ内とを通過する流体の流量を制御するための制御バルブとを有するものであり、
前記方法は、
前記第１圧力センサと前記第２圧力センサとにより、前記流通路内を流通する流体の圧力を測定する工程と、
前記流量リストリクタ前後の差圧と、前記流量リストリクタの下流における前記流通路内の流体圧力の検出結果と、前記差圧と前記質量流量とが非比例関係を有しかつ前記差圧と前記下流における流体圧力とが非比例関係を有する３次元の流量特性データセットとに基づいて、前記質量流量コントローラ内を流通する流体の質量流量を決定する工程と、
前記流通路内を流通する流体の質量流量が実質的にこの流体の質量流量の所定設定点の値になるまでこの流通路内を通過する流体の流量を変更するため、前記制御バルブを操作する工程と
を有する流体の流量を制御する方法。
請求項２３記載の流体の流量を制御する方法において、
前記工程は約７６０Ｔｏｒｒ〜約０Ｔｏｒｒ範囲の比較的低い圧力で実行される
ことを特徴とする流体の流量を制御する方法。
請求項２３記載の流体の流量を制御する方法において、
前記流通路内を流通する流体の質量流量は、前記流量リストリクタ前後を流通する流体の差圧とこの流量リストリクタの下流における前記流通路内の流体圧力とを、前記流通路内を通して前記工程へ流通する流体の質量流量のデータセットであって、前記流量リストリクタ前後の種々の差圧とこの流量リストリクタの下流における前記流体の種々の圧力とに関する質量流量のデータセットと比較することにより決定される
ことを特徴とする流体の流量を制御する方法。
請求項２３記載の流体の流量を制御する方法において、
前記質量流量コントローラ内を流通する流体の温度を測定する工程と、この温度において前記流量リストリクタ前後の差圧とこの流量リストリクタの下流における前記流通路内の流体圧力とを比較する工程とを含む
ことを特徴とする流体の流量を制御する方法。
請求項２３記載の流体の流量を制御する方法において、
前記コントローラの制御対象として選択された流体の流量であって、この流体を前記流量リストリクタ内に流通することにより制御する流体の流量のデータセットを取得する工程と、複数の下流圧力における上流圧力と下流圧力とを測定する工程とを含む
ことを特徴とする流体の流量を制御する方法。
請求項２７記載の流体の流量を制御する方法において、
変化率測定装置を使って前記流体の流量を測定する工程を含む
ことを特徴とする流体の流量を制御する方法。
内部に流量リストリクタが挿入された流通路において流体の質量流量を測定する方法であって、
前記流体を前記流通路内に流通させ、この流体について前記流量リストリクタの上流における圧力と前記流量リストリクタの下流における圧力とを測定する工程と、
前記流量リストリクタ前後を流通する流体の差圧および前記流量リストリクタの下流における流体圧力を流量特性データセットと比較する工程であって、前記流量特性データセットは、流量リストリクタ前後の差圧と前記質量流量とが非比例関係を有しかつ前記流量リストリクタの下流における流体圧力と前記質量流量とが非比例関係を有する３次元の流量特性データセットである、工程と
を含む流体の質量流量を測定する方法。
請求項２９記載の流体の質量流量を測定する方法であって、
前記流量リストリクタの下流における圧力は、約０Ｔｏｒｒ〜約７６０Ｔｏｒｒ範囲である
ことを特徴とする流体の質量流量を測定する方法。
請求項２９記載の流体の質量流量を測定する方法において、
前記流量リストリクタの上流における圧力を、前記流量リストリクタの上流における前記流通路内の流体圧力を検出する第１圧力センサによって測定し、前記流量リストリクタの下流における圧力を、前記流量リストリクタの下流における前記流通路内の流体圧力を検出する第２圧力センサによって測定する
ことを特徴とする流体の質量流量を測定する方法。
請求項２９記載の流体の質量流量を測定する方法において、
前記流通路内を流通する流体の温度を測定する工程と、この温度において前記流量リストリクタ前後の差圧とこの流量リストリクタの下流における前記流通路内の流体圧力とを、測定された温度より高温および低温で選択された温度について前記質量流量のデータセットと比較する工程とを含む
ことを特徴とする流体の質量流量を測定する方法。