JP6484248B2 - 圧力無反応性自己検証質量流量制御装置を提供するシステムおよび方法 - Google Patents

Description

（関連出願の相互参照）
本願は、「圧力無反応性自己検証質量流量制御装置を提供するシステムおよび方法」と題し２０１４年２月１３出願、代理人整理番号０８６４００−０１８９（ＭＫＳ−２３３ＵＳ）の、米国特許出願第１４／１８０，０６３号、および「質量流量コントローラを通る流量をリアルタイムで監視するシステムおよび方法」と題し、２０１２年１月２０出願、代理人整理番号０８６４００−００９０ （ＭＫＳ−２２７）の、米国特許出願第１３／３５４，９８８号に基づくとともに優先権を主張する。これらの出願の各々の内容全てをここに参照して援用する。

本開示は概して質量流量制御装置（ＭＦＣ）に関し、特にＭＦＣの流量をリアルタイムで監視するシステムおよび方法に関する。ここで用いる「ガス」という用語と「蒸気」という２つの用語が異なると考えられる場合、「ガス」は「蒸気」を含むものとする。

質量流量制御装置（ＭＦＣ）は、ガス流を測定および制御する装置である。半導体製造処理中では、通常これらを用いてガス流を制御し、半導体製品を高生産率で製造するためには、真空容器などの半導体工作機器へのガス流を注意深く制御しなければならない。通常、ＭＦＣは、特定の範囲の流量で特定タイプのガスを制御するように設計および較正される。これらの装置は、通常はユーザまたは半導体工作機器自体など外部装置によってあらかじめ決められた、所与の設定点に基づいて流量を制御する。ＭＦＣは、アナログ式またはデジタル式のいずれでもよい。これらは一般的に、入力ガスの圧力範囲内で用いるように設計され、低圧用および高圧用のＭＦＣが入手可能である。ＭＦＣは全て、入力口と、出力口と、質量流量センサを含む質量流量計と、比例制御弁とを備える。システム制御装置は、質量流量センサが検知した測定流量に関する、設定点によって決定される流量との比較に応じた制御信号を、制御弁へ提供するフィードバック制御システムの一部として用いられる。このように、このフィードバック制御システムは、設定点によって決定された流量に測定流量が維持されるように弁を作動する。

このような制御システムは、ある公差内の較正状態にＭＦＣが維持されていることを想定している。ＭＦＣの流量が較正公差内であるか否かを検査するため、ＭＦＣは一般的に、質量流量検証器のような装置を用いてオフラインで検査される。オフライン検査は大変正確であるが、ＭＦＣが処理運転中（リアルタイム）に較正外となる可能性が有り、処理が終了するまでは検知されないという問題が常にある。この結果、半導体製品の歩留まりが低下することが多く、全生産高が損失する結果となる完全な失敗にさえなり得る。これは高くつくとともに、明らかに望ましくない。必要なのは、処理が行われている間のリアルタイムで、ＭＦＣの較正設定を継続的に検査する装置及び方法である。

特開２００４−２４６８２６号公報

質量流量制御装置は、圧力式流量計と、熱式流量計と、制御弁と、システム制御装置とを備える。圧力式流量計は、質量流量制御装置を流れる質量の流量を測定するように構成かつ配置される。熱式流量計は、質量流量制御装置を流れる質量の流量を測定するように構成かつ配置される。制御弁は、流量計のうち１つで測定した流量に応じて生成した制御信号に応答して、質量流量制御装置を流れる質量の流量を制御するように構成かつ配置される。システム制御装置は、測定した流量が相対的に低い場合、熱式流量計で測定した流量に応じた制御信号を生成するとともに、流量が相対的に高い場合、質量流量制御装置が入力口における圧力摂動に対して相対的に無反応となるように、圧力式流量計で測定した流量に応じた制御信号を生成するように構成かつ配置される。

ガスの質量流量を制御する方法は、質量流量制御装置を流れる質量の流量を熱式流量計で測定する工程と、質量流量制御装置を流れる質量の流量を、圧力式流量計で測定する工程と、流量計のうち１つで測定した流量に応じて生成する制御信号に応答する制御弁で、質量流量制御装置を流れる質量の流量を制御する工程と、を備え、質量の流量を制御する工程は、（ａ）測定した流量が相対的に低い場合には、熱式流量計で測定した流量に応じた、制御信号を生成するとともに、（ｂ）流量が、質量流量計が入力口における圧力摂動に対して相対的に無反応となるように、相対的に高い場合には、圧力式流量計で測定した流量に応じた、制御信号を生成する。

熱式および圧力式流量計の流量測定を比較したものを用いて、（ａ）低い流量で圧力障害を検知し、低い流量での圧力障害を検知される間は、圧力式流量計で測定した流量に応じた制御信号を質量流量制御装置が生成するようにできるとともに、（ｂ）、熱式流量計が較正外となる場合を検知して、零偏差信号を熱式流量計へ付与できるようにすることができる。

これらは、他の部品、工程、特徴、目的、利益、および利点同様に、以下の実施形態の詳細な説明、添付の図面、および請求項の検討から明確になるだろう。

図１は、ＭＦＣの流れを制御してＭＦＣの精度をリアルタイムで監視するように構成かつ配置した、簡略化したＭＦＣのブロック図である。 図２は、ここに記載の教示を採用するＭＦＣの実施形態のブロック図である。 図３は、図１および２に関連して記載されているもののようなＭＦＣが較正公差外にあることを示す信号を生成する部品のブロック図である。 図４は、圧力無反応性のＭＦＣの実施形態のブロック図である。

図面は実施形態の例を開示する。これらは実施形態全てを規定するものではない。これらに加え、またはこれらに代えて、他の実施形態を用いてもよい。スペースの節約または効果的な説明のため、明らかまたは不要な詳細を省略してもよい。逆に、実施形態によっては、開示した詳細が全くない状態で実施してもよいものがある。異なる図中に同一の番号が見られる場合は、同一または同様の部品または工程を意味する。

ここで実施形態の例を検討する。これらに加え、またはこれらに代えて、他の実施形態を用いてもよい。スペースの節約または効果的な説明のため、明らかまたは不要な詳細を省略してもよい。逆に、実施形態によっては、開示した詳細が全くない状態で実施してもよいものもある。

図１を参照すると、図示例の質量流量制御装置１０は、ＭＦＣの流れを制御し、ＭＦＣの精度をリアルタイムで監視するように構成かつ配置される。図示のように、質量流量制御装置１０は、２つの流量計１２および１４を備え、流量計１２および１４の各々は、ＭＦＣを流れるガス流の測定流量を表す信号を独立して生成する。これらの２つの流量計の出力は、システム制御装置１６へ供給される。システム制御装置１６は、２つの流量計１２および１４から受信した２つの信号を処理して、一方の流量計が測定した流量と設定点とに基づいて、制御信号を比例制御弁１８へ供給するとともに、２つの計測器で測定した流量の差異が所定の閾値を超えたと判断した場合に表示（「警報」）信号を比例制御弁１８へ供給する。

全体を通じて２０で示すＭＦＣのより詳細な実施形態の例を図２に示す。ＭＦＣ２０は、ＭＦＣの流れを制御し、ＭＦＣの精度をリアルタイムで監視するために構成かつ配置される。図示のように、ガスは、ブロック２８の入力ポート３２に入る。ブロック２８は、これに続いて、ＭＦＣを通って出力口６０へ到る主流路３４を規定する導管を備える。第１の流量計３０は熱質量流量計として示される。熱質量流量計は一般的に熱質量流量センサ３６を備える。通常後者は、ブロック２８を流れるガス流の主流路３４のバイパス内に配設されるバイパス要素３８を備える。Ｕ字型毛細管４０のそれぞれの端部は、バイパス要素３８の上流および下流の端部で主流路に接続される。１つ以上の抵抗要素４２（２つが最も一般的）は、温度測定に基づく毛細管の流量の測定に用いられる。当該例では、温度測定値は、２つの抵抗要素の抵抗の差に応じて決まり、質量流量の測定は、流体の測定温度の差に応じて決まる。バイパス要素３８は毛細管４０の２つの端部間でバイパス要素３８を流れるガスが層流となるように設計される。層流を維持することにより、毛細管を流れるガスの測定流量は、主流路３４の流量の正確な割合となる。このように、毛細管４０の流れの検知流量は、ＭＦＣ２０を流れて出力口６０から出ていく流量の高精度な測定結果となる。検知した流量を表すデータはシステム制御装置１６へ伝達される。

第２の流量計５０は差圧流量計として示される。チョーク流れの状態のために、流量計５０は、流量制限器５２（例えば、臨界ノズルまたは孔）、温度センサ５４、および上流圧力センサ５６を備える。上流圧力センサ５６は、流量制限器５２より上流の主流路３４を流れるガスのそれぞれの温度および圧力を測定するように配置される。検知した温度および圧力を表すデータは、システム制御装置へ送信され、これらの検知した測定結果に応じた、第２の流量計５０を流れる質量流量の判定に用いられる。非チョーク流れの状態のために、第２または下流圧力センサ５８が流量制限器５２の下流側に設けられる。検知した温度、上流圧力および下流圧力を表すデータはシステム制御装置１６へ送信され、検知した測定結果に応じた、第２の計測器５０を流れる質量流量の判定に用いられる。第２の流量計５０が供給する第２の測定結果は、（チョークおよび非チョークの実施形態ともに）第１の流量計３０が供給する測定結果から独立している。

図３を参照すると、システム制御装置１６は、ＭＦＣの同じ流れの２つの流量測定結果を供給するために、流量計７０および７２の出力を処理する。図示のように、流量計７０は流量制御部７４に設けられ、流量制御部７４は、これに続けて比例制御弁１８へ制御信号を付与する。比較器７６は、２つの計測器７０および７２が供給する測定流量の結果を表すデータを比較し、２つの測定結果間の差異に応じかつ表す出力信号を供給するために設けられる。この出力信号と、ある閾値（閾値設定８０が供給する）とを、閾値検知装置７８で比較する。比較器７６の出力信号が閾値を超える（２つの間の差が所定の閾値を超えるように、２つの計測器が異なる測定流量の結果を供給する）場合、閾値検知装置は警報または表示信号を供給して、少なくとも一つの計測器が不正確であること、および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、ユーザに警告する。なお、８０での閾値設定の値は、ＭＦＣの工場初期設定時に値を設定することや、ユーザ設定を含むいくつもある方法のいずれか一つで供給することができる。閾値は、ガスの送出に用いる制御部の特定の処理のために許容される質量流量の公差に応じて設定することが可能である。このように、ある処理では、他の処理よりも許容流量公差を大きくしてもよい。

図２において、第１および第２の流量計を熱質量流量計および差圧流量計として記載したが、これらを、ＭＦＣ２０の意図する用途により、コリオリ流量計、磁気式流量計、または超音波流量計のような他のタイプの流量計とすることもできる。第１の流量計のタイプは、第２の流量計のそれと異なることが好ましいが、２つの流量計を同一タイプとすることもできる。例えば、流量計を両方とも熱質量流量計または差圧流量計とすることができる。さらに、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の下流に位置するが、これらの２つの流量計は、ＭＦＣの主流路３４に沿うどこにでも位置することができる。例えば、流量計を両方とも制御弁１８の上流または下流とすることができる。

図３に示すように、第１の流量計７０からの測定結果を流量制御部７４で用いて、ＭＦＣ流量出力を制御するとともに、第２の流量計７２からの測定結果を用いてＭＦＣの精度をリアルタイムで検証するが、第２の流量計７２からの測定結果を流量制御部７４で用いて、ＭＦＣ２０の流量出力を制御することができるとともに、第１の流量計７０からの測定結果を流量検証に用いることができる。

ここに記載したＭＦＣの多様な実施形態は、圧力無反応性の動作や、ＭＦＣの流量範囲全体にわたるより高い精度の制御を提供するように構成することがさらにできる。一般に、圧力式流量計ひいては圧力式流量制御は、ＭＦＣの入力口における圧力障害または摂動に対して無反応である。しかし、圧力式流量計は、熱質量流量計と比較して、低い流量と低い入力圧力ではあまり精度が高くない。したがって、図４に示すように、１つの実施形態では、システム制御装置８０は図２の制御部１６と同様に構成かつ配置され、さらに、入力口における圧力とＭＦＣを流れる流量とに従って制御弁１８の姿勢を制御するように、２つの流量計を切り替えるように構成される。図４の実施形態では、熱式流量計３０の出力を用いて、相対的に低い流量に対応して制御弁１８を制御することができ、圧力式流量計５０の出力を用いて、相対的に高い流量に対応して制御弁を制御することができる。特に、１つの実施形態においては、交差点または交差値を、流量計設計時の流量の全測定範囲の所定割合として決定する。この所定割合の数字は、流量計を流れるガスの予見される圧力範囲に応じて選択される。このようにＭＦＣを流れる流量が全測定範囲（ＦＳ）の所定割合よりも少ないと判定されると、熱式流量計の出力を用いて制御弁１８を制御し、ＭＦＣを流れる流量が全測定範囲（ＦＳ）の所定割合よりも多いと判定されると、圧力式流量計の出力を用いて制御弁１８を制御する。流量が交差値と等しい場合は、制御弁を制御するためにどちらの流量計を用いることもできる。

一実施例では、ユーザは、全測定範囲の割合で交差値を決定することができるとともに、その値を８４における入力としてシステム制御装置８０へ供給することができる。これに替えてＭＦＣの製造中に供給することができる。

このように、１つの例では、全測定範囲の２０％より遅い流量に対しては、制御部８０は熱式流量計３０の出力を制御弁１８に適用することになり、全測定範囲の２０％と等しくかつ速い流量に対しては、制御部８０は圧力式流量計５０の出力を制御弁１８に適用することになる。相対的に低い流量でのＭＦＣの制御に熱式流量計３０を用いることにより、低い流量での流量制御の精度が改善する。

ＭＦＣが圧力式センサ測定結果を用いて制御弁の流れを制御する場合、それは圧力不反応性の、すなわち入力口での圧力障害に実質的に不反応性がないＭＦＣである。しかし、ＭＦＣが流量制御に熱式センサ測定結果を用いる場合は、それは入力口における圧力障害に反応性がある。したがって、開示のＭＦＣの付加的な特徴は、ＭＦＣが熱式測定結果を用いて流量を制御している場合に発生する圧力障害を補償するということである。具体的には、質量流量制御は、低い流量範囲内で熱式流量計測定結果を用い、２つの流量センサ間に、突然の大きな流量の逸脱によって示される圧力障害がある場合、システム制御装置は圧力障害を検知するとともに、圧力移行期間が過ぎ去るまで制御部８０によって流量制御入力を熱式流量計測定から圧力式流量測定へ一時的に切り替える。突然の「２つの流量センサ間の大きな流量逸脱」を構成するものは、例えばある閾値を設定し、偏差が当該閾値を超えると確実に変化があったと考えことによって判定することができる。逸脱がこの閾値を超えると、熱式流量測定から圧力式流量測定への切り替えが起こる。逸脱がこの閾値を下回る場合には、制御部８０は、圧力式流量測定を切り替えて熱式流量測定へ戻す。

一般に、熱式流量計の出力は、圧力式流量計よりも変動する傾向がある。その結果、熱式流量計はユーザによって、または工場で、予め較正されて零偏差を与えられる、すなわち、熱式流量計の出力が零入力で零となるように熱式流量計の出力を零偏差信号で較正する。しかし熱式流量計は、使用中に較正範囲を外れて誤った表示をすることがある。したがって、熱式流量計が較正範囲を外れると検知して、零偏差を自動修正するように、ＭＦＣを構成することもできる。これは、例えば、２つの流量計の表示が所定の許容交差または量の分異なる場合には、熱式流量計は較正範囲を外れたと考えられると想定することによって達成できる。したがって、（送流動作中に一度、制御弁１８をひとつの流量計だけで制御したとしても）熱式流量計および圧力式流量計の出力を継続的に比較して、熱式流量計が較正範囲を外れたかどうかを判定することができる。熱式流量計の出力表示が圧力式流量計の出力表示から所定量変化した場合は、図４に示すように、システム制御装置によって熱式流量計へ零偏差修正信号が供給される。一般に、熱式流量計に対する零偏差は、流量が交差スイッチの交差率、例えば２０％ＦＳを超える場合にのみ修正することが好ましい。これは、圧力式センサは、２０％ＦＳ交差を下回る流量に対する低い流量範囲調整のためには、精度の高い測定を提供せず、２つの流量計の出力の比較の精度が高いものとはならなくなるためである。

なお、２つの流量測定結果の派生物を用いて、２つの流量測定結果の比較において圧力障害に起因する差異と、偏差を較正する必要性に起因する差異とを、識別することができる。前者の状況では、２つの流量測定結果間の相対的な差異における急速な変化に起因して、派生物は幾分急速に変化する一方、後者の状況では、派生物は幾分緩やかに変化する。

ここに記載の特徴の全てを備える質量流量制御装置には、幾つかの利点がある。質量流量にあった流量範囲に基づいて流量測定を切り替えるので、両方の流量センサの最も高い精度を利用する。さらに圧力無反応性ＭＦＣは、上流圧力センサがなくても、流量範囲全域に備える。そして、零変動の傾向がある熱式流量計測定の精度を自己補正によって改善する。

ここに記載の部品、工程、特徴、目的、利益、および利点は、単なる例として示したものである。これらと、これらに関する検討内容には、保護範囲を限定する意図はなにもない。多くの他の実施形態も熟考される。これらは少数の、付加的な、および／または異なる部品、工程、特徴、目的、利益、および利点を有する実施形態を含む。これらは、部品および／または工程の配置が異なる、および／または、部品および／または工程の順序が異なる、実施形態も含む。

記述されていない限り、これに続く請求項を含む本明細書に記載の、全ての測定、値、割合、位置、強さ、大きさ、および他の仕様は概略であり、正確ではない。これらは、その関連する機能と整合するとともに、その関連する当該分野での通例と整合する、合理的範囲を有するように意図されている。

開示中に引用した記事、特許、特許出願、および他の公開公報をすべて、ここに参照して援用する。

請求項中で「手段」という語句を用いる場合は、説明してきた対応構造および材料、ならびにその均等物を包含する意図であるとともに、そのように解釈されるべきである。同様に、請求項中で「工程」という語句を用いる場合は、説明してきた対応動作およびその均等物を抱合する意図であるとともに、そのように解釈されるべきである。請求項中にこれらの語句がない場合は、請求項は、これらの対応する構造、材料、または動作、またはこれらの均等物に限定されることを意図せず、またそのように解釈されるべきではないことを意味する。

請求項に記載されているかどうかにかかわらず、記述または図示した内容は、部品、工程、特徴、目的、利益、利点、または均等物のいずれも、公益に対し貢献することを意図せず、またそのように貢献すると解釈されるべきでもない。

保護範囲は、以下に続く請求項によってのみ限定される。特定の意味が記載されている場合を除き、その範囲は、本明細書とこれに続く審査経過を考慮して解釈する場合、請求項内で用いられる言語の通常の意味と同じくらい広く整合することを意図し、またそのように解釈されるとともに、すべての構造的および機能的均等物を抱合すると解釈されるべきである。

Claims (17)

1. 質量流量制御装置であって、
   前記質量流量制御装置を流れる質量の流量を測定するように構成かつ配置した圧力式流量計と、
   前記質量流量制御装置を流れる質量の流量を測定するように構成かつ配置した熱式流量計と、
   前記流量計のうち１つで測定した流量に応じて生成した制御信号に応答して、前記質量流量制御装置を流れる質量の流量を制御するように構成かつ配置した制御弁と、
   ガスを入力する入力口と、
   前記測定した流量が相対的に低く、前記入力口に圧力障害がない場合、前記熱式流量計で測定した流量に応じて前記制御信号を生成し、前記測定した流量が相対的に低く、前記圧力障害がある場合、前記圧力式流量計で測定した流量に応じて前記制御信号を生成するように変更し、かつ、前記流量が相対的に高い場合、前記質量流量制御装置が入力口における圧力摂動に対して相対的に無反応となるように、前記圧力式流量計で測定した流量に応じて前記制御信号を生成するように構成かつ配置したシステム制御装置と、
   を備える質量流量制御装置。
2. 前記システム制御装置は交差値を用いて構成され、
   前記システム制御装置は、前記測定した流量が前記交差値よりも低い場合に、前記熱式流量計で測定した流量に応じて前記制御信号を生成するとともに、
   前記測定した流量が前記交差値よりも高い場合に、前記圧力式流量計で測定した前記流量に応じて前記制御信号を生成する、請求項１に記載の質量流量制御装置。
3. 前記質量流量制御装置が制御する流量の範囲に応じて前記交差値を選択する、請求項２に記載の質量流量制御装置。
4. 前記交差値は手動で入力される、請求項２に記載の質量流量制御装置。
5. 前記交差値は工場組込み済である、請求項２に記載の質量流量制御装置。
6. 前記圧力障害は、前記熱式流量計と前記圧力式流量計との間の突然の大きな流量の偏差によって表される、請求項２に記載の質量流量制御装置。
7. 前記熱式流量計および前記圧力式流量計の出力を比較して、前記熱式流量計が較正外となっているか否かを判定する、請求項２に記載の質量流量制御装置。
8. 前記熱式流量計の出力値が前記圧力式流量計の出力値から所定量だけ変化した場合に、前記熱式流量計へ零偏差修正信号が供給される、請求項７に記載の質量流量制御装置。
9. ガスの質量流量を質量流量制御装置で制御する方法であって、
   前記質量流量制御装置を流れる質量の流量を熱式流量計で測定する工程と、
   前記質量流量制御装置を流れる質量の流量を圧力式流量計で測定する工程と、
   前記流量計のうち１つで測定した流量に応じて生成する制御信号に応答する制御弁で、前記質量流量制御装置を流れる質量の流量を制御する工程と、を備え、
   前記質量の流量を制御する工程は、
   （ａ）前記測定した流量が相対的に低く、前記質量流量制御装置の入力口に圧力障害がない場合には、前記熱式流量計で測定した流量に応じて、前記制御信号を生成し、
   （ｂ）前記流量が相対的に低く、前記入力口に圧力障害がある場合には、前記圧力式流量計で測定した流量に応じて、前記制御信号を生成し、
   （ｃ）前記流量が相対的に高い場合には、前記質量流量制御装置が入力口における圧力摂動に対して相対的に無反応となるように、前記圧力式流量計で測定した流量に応じて、前記制御信号を生成する工程を含む方法。
10. 前記質量の流量を制御する工程は、
    （ａ）前記測定した流量が交差値より低い場合には、前記熱式流量計で測定した流量に応じて、前記制御信号を生成するとともに、
    （ｂ）前記流量が前記交差値よりも高い場合には、前記流量の制御が圧力摂動に対して相対的に無反応となるように、前記圧力式流量計で測定した流量に応じて、前記制御信号を生成する工程を含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記交差値を、前記制御する流量の範囲に応じて選択する請求項１０に記載の方法。
12. 前記交差値は手動で入力される、請求項１０に記載の方法。
13. 前記交差値は工場組込み済である、請求項１０に記載の方法。
14. 前記圧力障害は、２つの流量センサ間の、突然の大きな流量の測定値の偏差によって表される、請求項１０に記載の方法。
15. 前記突然の大きな流量の偏差は、前記偏差が閾値を超えたときに発生する、請求項１４に記載の方法。
16. 前記熱式流量計および前記圧力式流量計の出力を比較して、前記熱式流量計が較正外となっているか否かを判定する工程をさらに備える、請求項９に記載の方法。
17. 前記熱式流量計の出力値が前記圧力式流量計の出力値から所定量だけ変化した場合に、前記熱式流量計へ零偏差修正信号を供給する工程をさらに備える、請求項１６に記載の方法。
    

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