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JP2003280745A - マスフローコントローラ - Google Patents

マスフローコントローラ

Info

Publication number
JP2003280745A
JP2003280745A JP2002082297A JP2002082297A JP2003280745A JP 2003280745 A JP2003280745 A JP 2003280745A JP 2002082297 A JP2002082297 A JP 2002082297A JP 2002082297 A JP2002082297 A JP 2002082297A JP 2003280745 A JP2003280745 A JP 2003280745A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
pressure
flow
flow rate
sensor
control valve
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2002082297A
Other languages
English (en)
Inventor
Masami Nishikawa
正巳 西川
Masao Yamaguchi
正男 山口
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
STEC Inc
Original Assignee
STEC Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by STEC Inc filed Critical STEC Inc
Priority to JP2002082297A priority Critical patent/JP2003280745A/ja
Priority to DE60326033T priority patent/DE60326033D1/de
Priority to KR1020077013326A priority patent/KR20070070259A/ko
Priority to CNB03806930XA priority patent/CN100422896C/zh
Priority to KR10-2004-7014411A priority patent/KR20040102040A/ko
Priority to PCT/JP2003/003387 priority patent/WO2003081361A1/ja
Priority to EP20030712782 priority patent/EP1489477B1/en
Priority to US10/507,975 priority patent/US20060037644A1/en
Publication of JP2003280745A publication Critical patent/JP2003280745A/ja
Pending legal-status Critical Current

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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
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    • G05D7/06—Control of flow characterised by the use of electric means
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
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    • G05D7/06—Control of flow characterised by the use of electric means
    • G05D7/0617—Control of flow characterised by the use of electric means specially adapted for fluid materials
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    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T137/00—Fluid handling
    • Y10T137/7722—Line condition change responsive valves
    • Y10T137/7758—Pilot or servo controlled
    • Y10T137/7761—Electrically actuated valve

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Flow Control (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 マスローコントローラの上流側および下
流側の何れにおいて圧力変動が発生しても、目的とする
流量を常に安定して流すことができるマスフローコント
ローラを提供するを提供すること。 【解決手段】 流量制御弁６と流量センサ５とを有する
マスフローコントローラ１であって、流量制御弁６の上
流側に配置された圧力制御弁４と、この圧力制御弁４と
流量制御弁６の間に配置された圧力センサ７（第２セン
サ７ｂ）と、この圧力センサ７（第２センサ７ｂ）の出
力をフィードバックすることで圧力制御弁４を制御する
制御部８とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、マスフローコン
トローラに関する。より詳細には、圧力影響を受けない
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４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
４において、１１，１２は２系統の半導体製造ラインを
構成するチャンバ、１３ａ〜１３ｄはチャンバ１１，１
２に異なるガスＧ1 ，Ｇ2 を供給するガス供給ライン、
１４，１５は各ガスＧ1 ，Ｇ2 をそれぞれ供給するガス
ボンベである。
【０００３】各ガス供給ライン１３ａ〜１３ｄは、何れ
も、機械式の調圧器１６ａ〜１６ｄと、この調圧器１６
ａ〜１６ｄの下流側のゲージ１７ａ〜１７ｄと、マスフ
ローコントローラ１８ａ〜１８ｄとを設けてなる。ま
た、１９ａ〜１９ｄはフィルタである。ガス供給ライン
１３ａ，１３ｃはガスＧ1 をそれぞれチャンバ１１，１
２に供給し、ガス供給ライン１３ｂ，１３ｄはガスＧ2
をそれぞれチャンバ１１，１２に供給するものである。
つまり、複数のガスＧ1 ，Ｇ2 を複数ライン１３ａ〜１
３ｄに供給するものである。
【０００４】前記ボンベ１４，１５から供給されるガス
Ｇ1 ，Ｇ2 の圧力は、その出口側で通常９８ｋＰａ程度
に減圧されているが、この圧力を前記調圧器１６ａ〜１
６ｄによって例えば３０ｋＰａ程度に減圧してマスフロ
ーコントローラ１８ａ〜１８ｄに供給することで、マス
フローコントローラ１８ａ〜１８ｄの破損を防いでい
る。また、半導体製造ラインの管理者はチャンバ１１，
１２に所定流量のガスＧ 1 ，Ｇ2 を流すようにマスフロ
ーコントローラ１８ａ〜１８ｄを制御し、ゲージ１７ａ
〜１７ｄを確認しながら調圧器１６ａ〜１６ｄを調節す
ることによりマスフローコントローラ１８ａ〜１８ｄに
供給するガスＧ1 ，Ｇ2 の圧力を適宜調整する。
【０００５】図４に示すように、マスフローコントロー
ラ１８ａ〜１８ｄを調圧器１６ａ〜１６ｄと組み合わせ
ることにより、ガスＧ1 ，Ｇ2 の供給側のある程度の圧
力変動が発生しても安定した制御を行うことを可能とし
ている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来のマスフローコントローラ１８ａ〜１８ｄと調圧器１
６ａ〜１６ｄとの組み合わせを形成するためには、複数
の部材１６ａ〜１６ｄ，１７ａ〜１７ｄ，１８ａ〜１８
ｄ，１９ａ〜１９ｄを連通連結する必要があるので、ガ
ス供給ライン１３ａ〜１３ｄの設置に手間とコストがか
かることは避けられなかった。また各部材１６ａ〜１６
ｄ，１７ａ〜１７ｄ，１８ａ〜１８ｄ，１９ａ〜１９ｄ
間を接続する配管の数が多ければ多いほど接続部におい
てガス漏れなどの問題が発生するリスクが高くなるだけ
でなく、配管によって生じる抵抗が流量に限界や不安定
要素をもたらすこともあった。
【０００７】そして、前述のマスフローコントローラ１
８ａ〜１８ｄと調圧器１６ａ〜１６ｄとの組み合わせに
よる流量制御だけでは、流量の大幅な変更に伴ってマス
フローコントローラ１８ａ〜１８ｄ内の流量制御装置の
入口側の圧力や出口側の圧力が変動して、安定した流量
制御が行えない場合があった。
【０００８】つまり、機械式の調圧器１６ａ〜１６ｄは
ある程度流量が安定しているときには圧力を適正に調整
することが可能であるが、流量が急激に変化するときに
はこれに対応できないことがあり、マスフローコントロ
ーラ１８ａ〜１８ｄによる流量の急峻な制御によって生
じる入口側における圧力変動が、マスフローコントロー
ラ１８ａ〜１８ｄによる流量の安定制御に支障をもたら
す場合があった。
【０００９】また、ガス供給ライン１３ａによって供給
するガス流量の急激な変化が、調圧器１６ａの上流側の
圧力に影響を与えることもあり、これに分岐接続されて
いる別のガス供給ライン１３ｃによって供給するガスの
流量にも乱れを生じさせることも考えられる。
【００１０】さらに、図５に示すように、コストダウン
を目的として１台の調圧器１６ａ，１６ｂから配管を分
岐接続して、複数台のマスフローコントローラ１８ａ〜
１８ｄを制御することも行われているが、この場合は、
前記圧力変動による影響が大きくなるという問題があっ
た。
【００１１】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、マスローコントローラの上流
側および下流側の何れにおいて圧力変動が発生しても、
目的とする流量を常に安定して流す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。
【００１２】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明のマスフローコントローラは流量制御弁と流
量センサとを有するマスフローコントローラであって、
流量制御弁の上流側に配置された圧力制御弁と、この圧
力制御弁と流量制御弁の間に配置された圧力センサと、
この圧力センサの出力をフィードバックすることで圧力
制御弁を制御する制御部とを有することを特徴としてい
る。（請求項１）
【００１３】したがって、このマスフローコントローラ
を用いることにより、その上流側において圧力変動が発
生しても、圧力センサの出力によってフィードバック制
御された圧力制御弁によってその影響を確実に除去でき
ると共に、マスフローコントローラの下流側において生
じる圧力変動は、流量センサの出力によってフィードバ
ック制御された流量制御弁によって確実に除去すること
ができる。
【００１４】すなわち、マスローコントローラの上流側
および下流側の何れにおいて圧力変動が発生しても常に
安定した流量の制御を行なうことができる。言い換える
なら、マスフローコントローラ内に圧力調整機能がある
ので、流量制御弁の入口側圧力を常に一定に保つことが
可能であり、その性能を最大限に引き出すことが可能と
なる。ゆえに、流量精度および安定性も向上する。
【００１５】また、安定した流量のガスを供給するため
に従来のように機械式の調圧器を用いる必要がないの
で、ガス供給ラインの構成を簡素にすることができ、そ
れだけ、ガス供給ラインの構築にかかるコストを削減す
ることができる。加えて、複数の部材を連通連結する必
要がないので、不要な配管流路や接続部の形成に伴うガ
ス漏れ発生の虞れや、流路抵抗による減圧の発生を無く
すことができる。
【００１６】前記圧力センサを流量センサの直前の流路
に臨ませてなる場合（請求項２）には、マスフローコン
トローラ内で必要とされる流路に圧力センサを臨ませて
いるので、マスフローコントローラをコンパクト化する
ことができると共に、流量センサの直前の流路に圧力セ
ンサを設けているので、この流量センサを用いたフィー
ドバック制御によって、より安定した流量制御を可能と
している。
【００１７】
【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に連結された圧力制御弁
４と、流量センサ５と、流量制御弁６と、２つの圧力セ
ンサ７と、各部４〜６を制御する制御部８と、フィルタ
９とを有している。
【００１８】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〜第３流路２ａ〜
２ｃからなる。また、第１流路２ａの上流端および第３
流路２ｃの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３，３
ａ，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。
【００１９】圧力制御弁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、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。
【００２０】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。
【００２１】また、流量制御弁６は例えば流路ブロック
３の一側面に形成された弁座３ｄに当接するダイアフラ
ム６ａとそのアクチュエータ６ｂとからなり、制御信号
Ｃｆによって前記流路２ｂ，２ｃを連通連結する開度が
制御可能に構成される。
【００２２】前記圧力制御弁４，流量センサ５，流量制
御弁６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。
【００２３】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Ｐ1 ，Ｐｃを示す圧
力信号Ｓｐａ，Ｓｐｂを出力する。
【００２４】なお、本例ではセンサ７ａ，７ｂの側面に
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，
流量制御弁６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。
【００２５】前記制御部８は例えば前記圧力センサ７か
らの圧力信号Ｓｐａ，Ｓｐｂ（出力）をフィードバック
して圧力制御信号Ｃｐを出力することで圧力制御弁４を
フィードバック制御する制御部８ａと、流量センサ５か
らの流量信号Ｓｆをフィードバックして流量制御信号Ｃ
ｆを出力することで流量制御弁６をフィードバック制御
する制御部８ｂと、外部とのインターフェース８ｃとか
らなる。そして、制御部８ａは外部からの信号に従って
流量制御弁６をフィードバック制御すると共に、制御部
８ａに制御信号を出力して整流体５ａの直前における圧
力Ｐｃが所定圧となるように制御させる。
【００２６】また、図示を省略するが制御部８は流量Ｆ
および一時圧力Ｐｃの設定値や、各センサ５，７ａ，７
ｂによって測定された値Ｐ1 ，Ｐｃ，Ｆ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Ｐ1 ，Ｐｃ，Ｆは何れもインターフェー
ス８ｃを介して外部に出力可能としている。なお、イン
ターフェース８ｃはデジタル的に通信するものであって
も、アナログ的な値の入出力部であってもよい。
【００２７】さらに、本例では制御関係を明示するため
に、制御部８ａ，８ｂを分けて表示しているが本発明は
この点に限定するものではなく、一つの制御部８によっ
て全てを一括して制御して、製造コストを引き下げるよ
うにしてもよいことはいうまでもない。
【００２８】加えて、制御部８ｂによる圧力制御弁４の
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。
【００２９】前記本発明のマスフローコントローラ１
は、制御部８ｂが圧力制御弁４を圧力センサ７ｂからの
圧力信号Ｓｐｂを用いて指定の圧力Ｐｃになるようにフ
ィードバック制御するので、たとえマスフローコントロ
ーラ１の入口側の圧力Ｐ1 が何らかの影響によって変動
することがあっても、マスフローコントローラ１は安定
した制御を行なうことができる。また、制御部８ａが流
量制御弁６を流量センサ５からの流量信号Ｓｆを用いて
測定された流量Ｆが設定流量Ｆｓになるようにフィード
バック制御しているので、マスフローコントローラ１の
出口側の圧力Ｐ2が変動してもその影響を受けることが
ない。
【００３０】したがって、本発明のマスフローコントロ
ーラ１はその前段に従来のような調圧器１６ａ〜１６ｄ
を設ける必要が全くなくなる。また、本例のマスフロー
コントローラ１はフィルタ９も内蔵しているので、従来
のように別途のフィルタ１９ａ〜１９ｄ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の再上流端に設
け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。
【００３１】特に、本例に示すように、一体化した流路
ブロック３内において、流量センサ５の直前の流路２ｂ
に圧力センサ７ｂを臨ませて、この圧力センサ７ｂの圧
力信号Ｓｐｂを用いて所定の圧力Ｐｃを保たせるように
構成しているので、流量センサ５がこの圧力Ｐｃを一定
にした状態における流量Ｆをより正確に測定することが
できる。
【００３２】また、本例に示すように、圧力制御弁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、圧力制御弁４の
開度制御信号Ｃｐの出力に対する圧力Ｐｃの時間的な遅
れを可及的に小さくし、流量センサ５の部分における圧
力Ｐｃの変動をできるだけ小さくできる。
【００３３】さらに、前記圧力センサ７ｂを圧力制御弁
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Ｐｃ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。
【００３４】加えて、前記圧力制御弁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。
【００３５】図２は本発明のマスフローコントローラ１
の上流側における圧力Ｐ1 と、下流側における圧力Ｐ2
を変動させたときにおける、流量の設定値Ｆと、流量セ
ンサ５の出力信号Ｓｆから求められる流量Ｆと、各制御
信号Ｃｐ，Ｃｆとを実測した例を示している。
【００３６】図２において、横軸は時間（秒）を示して
おり、約５秒毎に圧力Ｐ1 ，Ｐ2 をランダムに変動させ
ており、本例では例えば上流側の圧力Ｐ1 を２００±５
０ｋＰａの範囲で急激に変動させており、下流側の圧力
Ｐ2 を０〜３．８ｋＰａの範囲で急激に変動させてい
る。
【００３７】図２に示すように、前記制御信号Ｃｐはマ
スフローコントローラ１の上流側の圧力Ｐ1 の変動に追
従して変化しており、これによって前記圧力センサ７ｂ
を設けた第２流路２ｂにおける圧力Ｆｃを一定に保って
いることが分かる。また、制御信号Ｃｆはマスフローコ
ントローラ１の下流側の圧力Ｐ2 の変動に追従して変化
しており、これによって流量センサ５に流れる流量Ｆを
一定に保っている。
【００３８】ここで、実際に流れた流量Ｆと流量の設定
値Ｆｓとの比較を行うと、実際に流れた流量Ｆは、前記
圧力Ｐ1 ，Ｐ2 の急激な変化が生じている時点におい
て、それぞれ僅かに変動しているが、その変動幅は極く
僅かであり、かつ、極く短い時間で直ぐに設定値Ｆｓに
なっていることが分かる。
【００３９】つまり、本発明のマスフローコントローラ
１を用いることにより、上流側の圧力Ｐ1 および下流側
の圧力Ｐ2 の何れにおいて、急激な圧力変動が発生した
としても、常に極めて安定した制御で所定流量を流し続
けることができることが分かる。
【００４０】図３は前記マスフローコントローラ１を用
いて図４に示した従来と同じ構成の半導体製造ラインを
形成する例を示している。図３において図４と同じ符号
を付した部分は同一の部分であるから、その詳細な説明
を省略する。
【００４１】図３において、１ａ〜１ｄはそれぞれ本発
明のマスフローコントローラ１である。つまり、本発明
のマスフローコントローラ１を用いることにより、前記
ガス供給ライン１３ａ〜１３ｄは何れも極めて簡素に構
成でき、それだけガス供給ライン１３ａ〜１３ｄの構築
にかかる手間を削減できることが分かる。また、ガス供
給ライン１３ａ〜１３ｄの設置面積が小さくなる。
【００４２】また、各ガス供給ライン１３ａ〜１３ｄに
生じる配管の連通連結部が極めて少なくなるので、それ
だけガス漏れなどのリスクを小さくすることができる。
【００４３】
【発明の効果】以上説明したように本発明は、上流側お
よび下流側の圧力変動の影響を受けることなく確実な動
作で高精度の流量制御を行うことができる。また、マス
フローコントローラの前段に別途の調圧器を設ける必要
がないので、それだけコストパフォーマンスを向上でき
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
ブロック図である。
【図２】前記マスフローコントローラを用いた流量制御
の実測例を示す図である。
【図３】前記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。
【図４】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。
【図５】前記従来のマスフローコントローラを用いた半
導体製造ラインの別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、６…流量制御
弁、５…流量センサ、４…圧力制御弁、７…圧力セン
サ、８…制御部。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5H307 AA20 CC12 DD01 DD12 EE02 EE12 ES06 FF06 GG15 HH04 KK08 LL10

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 流量制御弁と流量センサとを有するマス
    フローコントローラであって、流量制御弁の上流側に配
    置された圧力制御弁と、この圧力制御弁と流量制御弁の
    間に配置された圧力センサと、この圧力センサの出力を
    フィードバックすることで圧力制御弁を制御する制御部
    とを有することを特徴とするマスフローコントローラ。
  2. 【請求項２】 前記圧力センサを流量センサの直前の流
    路に臨ませてなる請求項１に記載のマスフローコントロ
    ーラ。
JP2002082297A 2002-03-25 2002-03-25 マスフローコントローラ Pending JP2003280745A (ja)

Priority Applications (8)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002082297A JP2003280745A (ja) 2002-03-25 2002-03-25 マスフローコントローラ
DE60326033T DE60326033D1 (de) 2002-03-25 2003-03-20 Massenflusssteuerung
KR1020077013326A KR20070070259A (ko) 2002-03-25 2003-03-20 매스 플로우 콘트롤러
CNB03806930XA CN100422896C (zh) 2002-03-25 2003-03-20 质量流控制器
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