(57)【要約】導管（３１０）を通過する流体が検出エレクトロニクス（３３０、３２０、および３４０）を通過して、センサエレクトロニクス制御手段（３５０）における流体フローを示す信号を発生させる、流体フローを検出するためのシステムおよび方法。本発明の方法は、デバイス特異的な較正データを提供する工程;流体フローを感知する工程;測定された流体フローを、該感知された流体フローに基づいて計算する工程;および該測定された流体フローを、該デバイス特異的な較正データに基づいて補正する工程、を包含する。
2005527819.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
方法であって、以下:
デバイス特異的な較正データを提供する工程;
流体フローを感知する工程;
測定された流体フローを、該感知された流体フローに基づいて計算する工程;および
該測定された流体フローを、該デバイス特異的な較正データに基づいて補正する工程、
を包含する、方法。
【請求項２】
前記測定された流体フローを、気体補正因子に基づいて補正する工程をさらに包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記測定された流体フローを前記デバイス特異的な較正データに基づいて補正する工程が、該測定されたフローの値を、デバイス特異的なセンサ補正因子を使用して調整する工程を包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記デバイス特異的なセンサ補正因子が、センサ抵抗の関数である、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記デバイス特異的なセンサ補正因子が、式（１＋αΔＲ）を有し、ここで、Ｒは、前記センサ抵抗であり、そしてαは、実験的または理論的のいずれかで決定される定数である、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記測定された流量を前記デバイス特異的な較正データに基づいて補正する工程が、該測定されたフローの値を、デバイス特異的な線形性補正因子を使用して調整する工程を包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記デバイス特異的な線形性補正因子が、センサ分流比の関数である、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記デバイス特異的な線形性補正因子が、式（１−βΔＡＤＣ（Ｓｐ／１００）２）を有し、ここで、ΔＡＤＣは、センサ線形性であり、Ｓｐは、センサ分流比であり、そしてβは、実験的または理論的のいずれかで決定される定数である、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記測定された流体フローを前記デバイス特異的な較正データに基づいて補正する工程が、該測定されたフローの値を、デバイス特異的なセンサ補正因子およびデバイス特異的な線形性補正因子を使用して調整する工程を包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記デバイス特異的なセンサ補正因子が、センサ抵抗の関数であり、そして前記デバイス特異的な線形性補正因子が、センサ分流比の関数である、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記デバイス特異的なセンサ補正因子が、式（１＋αΔＲ）を有し、ここで、Ｒは、前記センサ抵抗であり、そしてαは、実験的または理論的のいずれかで決定される定数であり、そして前記デバイス特異的な線形性補正因子が、式（１−βΔＡＤＣ（Ｓｐ／１００）２）を有し、ここで、ΔＡＤＣは、センサ線形性であり、Ｓｐは、センサ分流比であり、そしてβは、実験的または理論的のいずれかで決定される定数である、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
システムであって、以下:
流体フローセンサ;
デバイス特異的な較正データを格納するように構成されたメモリ;および
該流体フローセンサおよび該メモリに結合された制御エレクトロニクスであって、該制御エレクトロニクスが、測定された流体フローを、該センサによって検出されたセンサ流体フローおよび該デバイス特異的較正データに基づいて計算するように構成されている、制御エレクトロニクス、
を備える、システム。
【請求項１３】
前記制御エレクトロニクスが、前記測定された流体フローを、気体補正因子を使用して補正するように構成されている、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記制御エレクトロニクスが、前記測定された流体フローを、デバイス特異的なセンサ補正因子を使用して補正するように構成されている、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１５】
前記デバイス特異的なセンサ補正因子が、センサ抵抗の関数である、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記デバイス特異的なセンサ補正因子が、式（１＋αΔＲ）を有し、ここで、Ｒは、前記センサ抵抗であり、そしてαは、実験的または理論的のいずれかで決定される定数である、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記制御エレクトロニクスが、前記測定された流体フローを、デバイス特異的な線形性補正因子を使用して補正するように構成されている、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１８】
前記デバイス特異的な線形性補正因子が、センサ分流比の関数である、請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
前記デバイス特異的な線形性補正因子が、式（１−βΔＡＤＣ（Ｓｐ／１００）２）を有し、ここで、ΔＡＤＣは、センサ線形性であり、Ｓｐは、センサ分流比であり、そしてβは、実験的または理論的のいずれかで決定される定数である、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
前記制御エレクトロニクスが、前記測定された流体フローを、デバイス特異的なセンサ補正因子およびデバイス特異的な線形性補正因子を使用して補正するように構成されている、請求項１２に記載のシステム。
【請求項２１】
前記デバイス特異的な補正因子が、センサ抵抗の関数であり、そして前記デバイス特異的な線形性補正因子が、センサ分流比の関数である、請求項２０に記載のシステム。
【請求項２２】
前記デバイス特異的なセンサ補正因子が、式（１＋αΔＲ）を有し、ここで、Ｒは、前記センサ抵抗であり、そしてαは、実験的または理論的のいずれかで決定される定数であり、そして前記デバイス特異的な線形性補正因子が、式（１−βΔＡＤＣ（Ｓｐ／１００）２）を有し、ここで、ΔＡＤＣは、センサ線形性であり、Ｓｐは、センサ分流比であり、そしてαおよびβは、実験的または理論的のいずれかで決定される定数である、請求項２１に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（背景）
技術分野。本発明は、一般に、測定デバイスに関し、そしてより具体的には、類似の測定デバイスの間の物理的差異を補正することによって、マスフロー測定および得られる流体の制御の精度を改善するための、システムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
関連技術。熱マスフロー制御装置（「ＭＦＣ」）は、気体が通って流れるキャピラリー管の加熱部分の上流と下流との温度差を感知することによって、気体のフローを測定する。上流のセンサと下流のセンサとの間の温度差は、気体の比熱（または熱容量）および気体のフローに、（一次で）正比例する。
【０００３】
熱ＭＦＣは、代表的に、１つの気体を用いて較正され、そして別の異なる気体とともに使用される。異なる較正気体が使用される。なぜなら、半導体産業において使用される、約２００種の純粋な気体および３００種の混合物が存在するからである。ＭＦＣを、これらの気体の全てを用いて較正することは、多数の理由により、現実的ではない。１つには、気体の総数が、非常に大きい。この問題は、製造者が、いくつかの異なる型のＭＦＣを有し得、これらの各々が、気体のそれぞれを用いて較正されなければならないという事実によって、いっそう面倒にされる。別の問題は、気体のいくつかが腐食性であり、従って、これらを使用してＭＦＣを較正することが好ましくないことである。従って、ＭＦＣは、代表的に、プロセス気体を模倣する気体（好ましくは、不活性）を用いて較正される。例えば、重いプロセス気体（例えば、ＨＣｌ３）についての較正は、重い較正気体（例えば、ＳＦ６）を用いて実施され得る。
【０００４】
気体の特性が異なり得、従って、上流のセンサと下流のセンサとの間の同じ温度差が、気体の異なる流速に対応し得ることもまた、注目されるべきである。異なる気体の間のフローの差は、気体補正因子を使用して推定される。気体補正因子は、代表的に、流体動力学の効果を無視することによって計算され、そしてデバイスの基本的な線形性に依存する。従って、気体補正因子は、通常、プロセス気体および較正気体の熱容量の比に等しい。従来技術において、単一の気体補正因子（単一の一定値）が、全てのＭＦＣモデルに対して汎用的に使用され、そして全てのフロー範囲が、特定のプロセス気体に対して使用される。１つの製造業者は、同じ気体補正因子を、２０年間にわたって、特定された精度＋／−５％で使用している。
【０００５】
何年にもわたって、特定の気体補正因子の精度は、時折、必要とされた。このことは、これらの特定の補正因子についての適切な値の再決定を早めた。気体補正因子の制度は、周期的に再確認され得るにもかかわらず、測定デバイスの全体的な制度は、依然として、線形性の仮定によって制限される。
【０００６】
半導体産業は、十分に発達しており、そしてプロセス制御要求は増大しているので、プロセス制御器具（マスフロー制御器を含む）の精度がさらに強調されている。気体の熱容量に基づく気体補正因子の推定のための単純なモデルは、大部分の半導体気体に対して良好に働くが、試験されたいくつかの気体は、（窒素に対して）５％過剰で非線形である。この非線形性を、５％未満に制限することが好ましい。
【０００７】
例えば、１つのツールは、２００ｓｃｃｍ（１分間当たり標準立法センチメートル）のフルスケールのＢＣｌ３  ＭＦＣを使用し得る。２００ｓｃｃｍのＢＣｌ３デバイスは、４８９ｓｃｃｍの窒素当量フローを有する。すなわち、２００ｓｃｃｍのＢＣｌ３のフローは、４８９ｓｃｃｍの窒素のフローと同じセンサ出力を生じる。２００ｓｃｃｍのＢＣｌ３デバイスの非線形性が、図１に示される。この図は、フロー測定の誤差を、窒素ガスに対する一定の気体補正因子が使用される場合のフローの関数として示す。示される誤差は、気体補正因子の非線形性である。
【０００８】
事実上全てのプロセス気体に対して、センサを通るフローは、２ｓｃｃｍ未満（窒素当量）に制限されるので、非線形性は、５％未満である。センサを通るフローが２ｓｃｃｍより多い場合、有意な非線形性が存在し得る。図１に示される例について、２００ｓｃｃｍのフローにおけるセンサの誤差は、３．９ｓｃｃｍ（窒素当量）である。
【０００９】
非線形性の起源は、プロセス気体に対する代理の気体の、仮定される関係の破壊である。非線形性が有意になる点は、２つのパラメータの関数である:１）センサを通る気体のフロー;および２）気体の特性（特に、熱容量に対する熱伝導性の比）。非線形性は、気体が完全にはＭＦＣセンサ内で熱的に発生しないという事実に起因する。基本の理論は、フローが完全に「熱的に発生される」ことを仮定する。気体が完全に熱的に発生される能力は、気体の特性およびセンサを通る気体のフローの関数である。センサを通るフローは調節可能であるが、気体の特性は一定である。センサを通るフローが一定である場合、大きい非線形性を有する気体は、気体の特性の試験を介して同定され得る。この評価は、事実上全てのエッチング気体および化学蒸着気体に対して確立されている。この問題を示す気体のいくつかが同定され、そして表１に示されている。
【００１０】
【表１】
2005527819.tif 000003
表１の情報は、実験的に確認されている。熱伝導性対熱容量の低い比を有する気体は、完全に発生した熱プロフィールを達成するすることが困難であり得る。表１において、最も非線形の気体は、ＷＦ６であり、それにＨＢｒが続く。このことは、実験データと一致する。
【００１１】
いくつかの半導体処理気体は、大きい非線形性を示すので、ＭＦＣのエレクトロニクスを用いて、この非線形性を補償する試みがなされている。既存のＭＦＣ設計において、このことは、使用される気体の流量の関数である補正因子の使用を介して達成されている。この気体補正因子（較正気体のプロセス気体との間の関係）は、代表的に、以下のような関数によって与えられる:
ＣＦ＝Ｃｆ０（１＋ａＦ＋ｂＦ２＋ｃＦ３）
ここで、ＣＦ０は、フローに無関係の気体補正因子（しばしば、「気体補正因子」と称される）であり、Ｆは、気体のフローであり、そしてａ、ｂおよびｃは、気体特異的な実験係数または理論係数である。この型の方程式は、異なる気体に対して適用可能であり、これらの項の全てが、気体特異的であり得る。さらに、曲線のファミリーが、異なるＴＭＦＣ構成に対して作成され得、その結果、この型の関数は、異なる設計に対して適合され得る。フローに依存する気体補正因子の使用は、＋／−１％の代表的なプロセス精度を生じた。
【００１２】
フローに依存する気体補正因子が使用される場合、１％の精度が代表的であるが、異なるＭＦＣの制度に於ける誤差は、それらの製造許容差の結果として変動し、そして制度の範囲は、理想の周りのほぼベル型の分布を形成し得る。従って、１％の誤差が代表的ではあり得るが、１％を超える誤差を有する、多くのＭＦＣが存在し得る。これらのデバイスのいくつかは、この代表的な誤差を有意に超え得る。現在まで、産業は、この問題を克服し得ず、そしてプロセス気体を用いて達成可能な精度は、読み取りの１％より大きい値に制限されている。
【００１３】
図２を参照すると、同一の設計のいくつかのＭＦＣによってなされた測定における差異を示す図が示されている。これらの曲線の各々は、単一のＭＣによってなされた測定を表す。これらの曲線は、ＭＦＣの各々が異なる物理的パラメータを有し、これらの全てが、ＭＦＣ設計の製造許容差内にあることに起因して、異なる。この図から、ほとんどのＭＦＣが、互いに非常に近い測定を提供することがわかり得る。しかし、これらのＭＦＣのうちの１つは、他のものから有意に外れており、そしてかなり大きな読み取りを生じている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
（要旨）
プロセス気体を使用して、読み取りの１％より良好な精度を達成する能力は、多くの産業プロセスのプロセス容量を最適化するために重要である。先の節において議論された技術は、モデルが、１つの流体（例えば、較正流体）を用いる流量計の性能を、別の異なる流体（例えば、プロセス流体）を用いる性能に対して補正するように（実験的にかまたは理論的に）開発されることを可能にする。この技術は、流体の特性における基本的な差異を補償し得、そしてより単純なモデル（例えば、異なる熱容量についての単純な補正）より良好な精度を達成し得るが、ほとんどのフロー器具が直面する基本的な制限の１つ:「最終製品」において同じ性能を達成するための、部品の許容差または製造プロセスに関するデバイスとデバイスとの差異をどのように調整するか、に取り組まない。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上で概説された問題の１つ以上が、本発明の種々の実施形態によって解決され得る。広くいえば、本発明は、流体フローの測定を、同じ設計の個々のデバイス間の差異を補償するためのデバイス特異的情報を使用して補正するための、システムおよび方法を包含する。従来技術は、設計の許容差内のデバイスの設計および変動を補償する手段を提供しない。実際に、従来技術のデバイスは、代表的にアナログ式であったので、これらのデバイスは、デバイス情報を格納するため、またはこの情報を、得られる測定の差異を補償するための補正因子に変換するための手段を提供しなかった。
【００１６】
１つの実施形態において、個々の流量計の間の流体フロー測定を補正するための方法は、デバイス特異的な較正データを提供する工程、流体フローを感知する工程、測定された流体フローを、感知された流体フローに基づいて計算する工程、および測定された流体フローを、デバイス特異的な較正データに基づいて補正する工程を包含する。より具体的には、この流体フロー測定は、いくつかの補正因子を使用して補正される。補正因子の１つは、較正気体と異なる気体の使用を補償し、１つは、センサ感度のデバイス変動を補償し、そして１つは、流量計を通る流体の分流の変動を補償する。気体補正因子は、流体フローの速度に依存し、そしてＣＦ０（１＋ａＦ＋ｂＦ２＋ｃＦ３）の形態を取る。センサ補正因子は、１＋αΔＲの形態を採る。分流補正因子は、１−βΔＡＤＣ（Ｓｐ／１００）２の形態を採る。センサ補正因子および分流補正因子は、いくつかの実施形態において、互いに独立して使用され得る。
【００１７】
１つの実施形態において、個々の流量計の間の差異を補正された流体フロー測定を行うためのシステムは、流体フローセンサ、デバイス特異的な較正データを格納するように構成されたメモリ、ならびに流体フローセンサおよびメモリに接続される制御エレクトロニクスを備え、この制御エレクトロニクスは、センサによって検出された、感知された流体フロー、およびデバイス特異的な較正データに基づいて、測定された流体フローを計算する。較正データは、較正流体とプロセス流体との差異、デバイス間のセンサ感度の差異、およびデバイス間の分流比の差異についての補正因子を規定する。１つの実施形態において、制御エレクトロニクスは、３つ全ての補正因子を、（ＣＦ０（１＋ａＦ＋ｂＦ２＋ｃＦ３））（１＋αΔＲ）（１−βΔＡＤＣ（Ｓｐ／１００）２）の形態で適用し、ここで、第一項、第二項および第三項は、それぞれ、気体補正因子、センサ補正因子、および分流補正因子に対応する。
【００１８】
本発明の別の実施形態は、ソフトウェアアプリケーションを包含する。このソフトウェアアプリケーションは、コンピュータ読取り可能な媒体（例えば、フロッピー（登録商標）ディスク、ハードディスクドライブ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＤＡＳＤアレイ、磁気テープ、光学格納デバイスなど）に埋め込まれる。コンピュータ読取り可能媒体は、コンピュータに、上で一般的に記載された方法を実施させるように構成された指示を含む。コンピュータ読取り可能媒体は、コンピュータシステムの一部を形成する、ＲＡＭまたは他のメモリを含み得ることが、注目されるべきである。コンピュータシステムは、これによって、本開示に従う方法を実施し得、そして本発明の範囲内であると考えられる。
【００１９】
種々のさらなる実施形態もまた可能である。
【００２０】
本発明の種々の実施形態は、従来技術より優れた多数の利点を提供し得る。例えば、１つの実施形態は、「ユニットまたは器具の連続番号に特異的な」補正を、較正流体とプロセス流体との間の関係において有する能力を確立し得る。さらに、１つの実施形態は、連続番号特異的な特徴を補償し、これによって、流量計または制御器が、実際のプロセス気体を用いてより正確になることを可能にする能力を提供し得る。なおさらに、デバイスまたは連続番号に特異的な補正を有することは、製造許容差が、より低い費用およびより良好な終了をもたらし得る、より広い範囲の認容可能な値を有することを可能にし得る。なおさらに、本明細書中に開示される技術は、種々の感知型の液体流量計から気体流量計（圧力に基づくものと熱に基づくものとの両方）までの、広範なフロー器具に適用可能であり得る。
【００２１】
本発明の他の目的および利点は、以下の詳細な説明を読み、そして添付の図面を参照する際に、明らかになり得る。
【００２２】
本発明は、種々の修飾および改変形態に供されるが、本発明の特定の実施形態が、例として、図面および付随する詳細な説明において示される。しかし、図面および詳細な説明は、本発明を記載される特定の実施形態に限定することが意図されないことが、理解されるべきである。本開示は、その代わりに、添付の特許請求の範囲によって規定されるような、本発明の範囲内に入る全ての修飾、等価物および代替物を網羅することが意図される。
【００２３】
（好ましい実施形態の詳細な説明）
本発明の好ましい実施形態が、以下に記載される。以下に記載されるこの実施形態および任意の他の実施形態は、例示的であり、そして本発明を限定するのではなく例示することが意図されることが、注目されるべきである。
【００２４】
広くいえば、本発明は、マスフロー制御器（ＭＦＣ）の精度を、デバイス特異的な情報を使用して改善するためのシステムおよび方法を包含する。１つの実施形態において、熱ＭＦＣは、第二の（プロセス）気体の使用について、第一の（較正）気体で較正される。ＭＦＣによって感知されるプロセス気体のフローは、較正気体とプロセス気体との間の差異を説明する、気体補正因子を使用して補正される。感知されるフローはまた、１つ以上のデバイス特異的な補正因子を使用して較正される。デバイス特異的な因子の１つは、フローセンサの抵抗に基づき、そしてこれらの因子の別のものは、ＭＦＣの分流比に基づく。補正因子に対応するデータは、ＭＦＣ内のメモリに格納され、そしてＭＦＣエレクトロニクスによって使用されて、フロー測定を調節する。デバイス特異的な補正因子を使用する、感知されたフローの検出は、ＭＦＣの間の製造差異から生じる、ＭＦＣの間の測定の変動を減少させるための手段を提供する。
【００２５】
図３を参照すると、１つの実施形態におけるＭＦＣの基本的構造を示すブロック図が示されている。ＭＦＣ１００は、気体供給源からプロセスチャンバへの、プロセス気体のフローの中に配置される。このプロセス気体は、気体供給源からセンサ１１０を通り、次いで弁１２０を通り、次いでプロセスチャンバへと流れる。制御エレクトロニクス１３０は、センサ１１０および弁１２０に結合される。プロセス気体がセンサ１１０を通って流れるにつれて、フローの速度が感知される。感知されるフローを示す信号が、制御エレクトロニクス１３０に提供される。制御エレクトロニクス１３０は、受信された信号を処理して、測定されたフローの速度を決定する。次いで、測定されたフローの速度は、フロー設定点（この点は、プロセス気体がプロセスチャンバへと流れる所望の速度を示す）と比較され、そして制御信号を発生させ、この信号は、弁１２０に伝達される。制御信号は、弁１２０に、測定されたフローをフロー設定点に動かすために必要などれでも、現在のフローの速度を増加させるか、減少させるか、または維持するように調節させる。
【００２６】
本発明の１つの実施形態は、熱ＭＦＣにおいて実施される。熱ＭＦＣは、プロセス気体のフローを、気体の一部をセンサ管に方向転換させ、次いでこの気体を加熱し、そして下流の気体の温度の変化を測定することによって、感知する。一般的にいえば、温度の変化は、気体の熱容量（これは、既知である）およびこの気体がセンサ管を通って流れる速度に依存する。従って、センサ管を通る気体のフローの速度は、計算され得る。次いで、センサ管を通るフロー対全フローの比が既知であるので、全フローが計算され得る。
【００２７】
図１に関して上で説明されたように、全フローの計算は、低い流量においてかなり単純である。なぜなら、事実上全てのプロセス気体についての気体補正因子が、線形であるからである。その結果、ＭＦＣが異なる較正気体について較正された場合、一定の補正因子が、プロセス気体についての計算された全フローを調節するために使用され得る。高いフローの速度で異なる気体について補正するためには、流量の関数である補正因子を使用することが必要である。この場合に代表的に使用される補正因子は、以下の式:
ＣＦ＝Ｃｆ０（１＋ａＦ＋ｂＦ２＋ｃＦ３）
を有し、ここで、ＣＦ０は、フローに依存しない気体補正因子であり、Ｆは、気体のフローであり、そしてａ、ｂ、およびｃは、気体特異的な係数（これは、実験的にかまたは理論的にかのいずれかで得られ得る）である。
【００２８】
フローに依存する気体補正因子は、異なる較正気体およびプロセス気体に対して、低い流量と高い流量との両方において補正するための手段を提供するが、補償されないままの誤差の源がなお存在する。例えば、上で指摘されたように、同じ設計の異なるＭＦＣ（すなわち、同一であることが意図されるＭＦＣ）が、わずかな製造の際に起因して、流量の異なる測定を提供し得る。熱ＭＦＣにおいて、これらの製造の差異は一般に、２つの様式で作用し始める：センサの抵抗の差異が、これらのセンサによって発生される信号の変動を変動させ得る（感知されるフローに対応する）;そしてセンサ管を通るフローの比の変動およびセンサを通る全フローが、全フローの計算における誤差を引き起こし得る。これらの誤差の源は、以下でさらに詳細に説明される。
【００２９】
図４を参照すると、１つの実施形態における層流制限器の構造を図示する図が示されている。層流制限器２００は、投入ポート２１０（これを通って、気体がこのデバイスに入る）、および排出ポート２２０（これを通って、気体が出る）を有する。投入ポート２１０は、導管２４０によって、排出ポート２２０に結合される。制限器プラグ２３０が、導管２４０内に配置されて、この導管を通る気体のフローを制限する。層流制限器２００の片側にある２つの開口部２５０、２６０は、導管２４０への外部アクセスを提供する。センサ管（この図には示されない）が、これらの開口部に結合されて、導管２４０に平行な代替の通路を形成する。従って、層流制限器２００を通過する気体の一部は、導管２４０（またはより具体的には、導管２４０の壁と制限器プラグ２３０との間）を流れ、一方で、気体の別の部分は、センサ管を通って流れる。センサ管を通るフロー対全フローの比が、分流比である。
【００３０】
この特定の設計において、制限器プラグ２３０は、調節可能である。導管２４０の壁および制限器プラグ２３０の側部は、わずかにテーパ状である。制限器プラグ２３０を導管２４０内で移動させることによって、これらの２つの間の間隙が変化され、これによって、分流比を変化させる（制限器プラグ２３０を導管２４０内に右から左へとさらに押し込むことによって、この間隙が減少し、そして分流比が増加する。一方で、他の方向に移動させることによって、この間隙が増加し、そして分流比が減少する）。
【００３１】
分流比の流体力学は、気体の特性（例えば、レイノルズ数）、および層流制限器の正確な幾何学的形状に依存する。目的のフローを達成するために必要な、導管の壁と制限器プラグとの間のクリアランスは、しばしば、数百分の１インチで測定される。必要な再現性を得るためには、これらのクリアランスの許容差は、１００分の１の因子（＋／−０．００００１インチのオーダー）で小さい。これらの許容差は、費用効果的な製品を製造する目的で、実用的ではない。その結果、測定許容差が最適より高くあり得、１つのＭＦＣから別の（理想的な設計の）ＭＦＣへの性能変動を生じる。
【００３２】
上記のように、先行技術のＭＦＣは、デバイスの製造許容差内でのこれらの物理的変動に起因して、それらの達成可能な制度内に制限される。この問題は、本発明の実施形態において、デバイス特異的な気体補正因子を開発して、測定の変動を考慮することによって、解決され得る。これらの補正因子は、個々のＭＦＣの物理的特徴に基づき、そして実験的にかまたは理論的にかのいずれかで決定され得る。
【００３３】
１つの実施形態において、補正因子としては、フローに依存しない気体補正因子、非線形性補正因子、およびセンサ補正因子が挙げられる。非直線性補正因子およびセンサ補正因子は、デバイス特異的な特徴を補償する。換言すれば、これらは、同じ設計の異なるデバイスの間の製造の差異を補償する。これらの因子の全ては、乗算されて、複合補正因子を形成する。
【００３４】
以下に記載される実施形態は、非線形性補正因子とセンサ補正因子との両方を使用するが、他の実施形態は、これらの補正因子の両方を含まないかもしれないことが、注目されるべきである。例えば、特定の設計が、センサにおいて有意な変動を有さない場合、センサ補正因子を使用する必要が無くあり得る。他の実施形態は、以下に示される特定の形態とはいくらか異なる形態を有する補正因子を使用し得ることもまた、注目されるべきである。なおさらに、異なる様式で作動する実施形態（例えば、非熱ＭＦＣ）において、製造の差異に対する補正因子が、まったく異なる形態を採り得る。比熱ＭＦＣの場合、例えば、センサ補正因子は、最もありそうなことには、抵抗の項を含まず、その代わりに、異なるパラメータに依存する項を含む。これらの代替の実施形態の全ては、本開示の範囲内である。
【００３５】
１つの実施形態において、層流制限器の変動に対する補正因子は、分流比が一定ではないという事実に基づき、そしてその代わりに、フローおよび気体に依存して、非線形である。この例において、ＭＦＣ分流比、および分流比のフロー依存を補償する、層流制限器の変動に対する補正因子は、以下である:
１−βΔＡＤＣ（Ｓｐ／１００）２
ここで、βは、気体特異的な、デバイスに依存しない係数であり、ΔＡＤＣは、較正気体（窒素）に関するデバイスの非線形性であり、そしてＳｐは、特定のＭＦＣにおいて利用可能な最大の％でのフローである。β係数は、実験的にか理論的にかのいずれかで決定され得る。これは、気体特異的であるが、デバイスには無関係である。ΔＡＤＣの項は、代理の気体較正から決定され、そして全てのＭＦＣについて異なり得る。ＭＦＣについてのＡＤＣは、センサ出力の、最大フローの予め決定された２つの百分率での比である。例えば、センサ出力は、最大フローの５０％および１００％で測定され得る。同じ百分率が、各ＭＦＣについて使用される。ΔＡＤＣは、特定のＭＦＣについてのＡＤＣと、同じ設計のＭＦＣについての平均ＡＤＣとの間の差異である。
【００３６】
図５を参照すると、１つの実施形態における熱ＭＦＣのセンサ部分を図示する図が示されている。センサ３００は、センサ管３１０を有し、この管は、先に記載されたような層流制限器に結合される。センサ管３１０を層流制限器に接続する開口部の間に圧力低下が存在するので、気体は、センサ管を通して引き込まれる。気体が加熱要素３２０を通る場合、気体は加熱される。加熱される量は、気体の熱容量および流量のみでなく、加熱要素３２０によって発生する熱（これは、加熱要素の抵抗Ｒに依存する）にもまた依存する。加熱要素３２０を通る前の気体の温度は、温度センサ３３０によって測定され、一方で、加熱要素３２０を通った後の気体の温度は、温度センサ３４０によって測定される。ついで、これらの２つの温度センサの間の温度差が、センサ管３１０を通る気体のフローの速度を計算するために使用され得る。
【００３７】
加熱要素３２０の抵抗Ｒは、特定の設計の各ＭＦＣについて同一であることが意図されるが、通常、製造許容差に起因するいくらかの変動が存在する。従って、補正因子は、異なるデバイスのセンサの抵抗の差を補正するために開発され得る。この例において、以下の補正因子が使用される:
１＋αΔＲ
ここで、ΔＲは、特定のＭＦＣの抵抗と、同じ設計の全てのＭＦＣの平均抵抗（これは、実際には、ＭＦＣのサンプリングの抵抗を平均することによって決定される）との間の差である。抵抗自体またはΔＲのいずれかは、格納され得、そして／またはＭＦＣ診断から読み取られ得る。
【００３８】
αの項は、実験的にかまたは理論的にかのいずれかで決定され得る、気体特異的な値である。例えば、αの値は、実験データの最小二乗あてはめを実施することによって、決定され得る（分流線形性補正因子を無視する）。αの項はまた、理論的に決定され得る。温度の関数としての気体の熱容量（Ｃｐ）は線形であり、従って、Ｃｐ＝Ｃｐ０（１＋α１ΔＴ）であり、ここで、Ｃｐ０は、参照温度における熱容量であり、そしてα１は、熱容量の温度依存性であり、これは、単に、気体について調べられ得る。上記ＣＦ０の項は、単に、参照気体（窒素）の熱容量を、プロセス気体の熱容量で除算したものである（Ｃｐ０（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ）／Ｃｐ０（ｐｒｏｃｅｓｓ））。従って、α＝（１＋α１ΔＴ）／（１＋α２ΔＴ）である。窒素が参照気体である場合、その温度依存性は、０であり、そして有効には、α＝１／α２（＝１／プロセス気体の熱容量の温度定数）である。
【００３９】
測定されたフローの計算と、この値の補正因子を使用する調節は、ＭＦＣの制御エレクトロニクスによって実施される。図６を参照すると、１つの実施形態におけるＭＦＣエレクトロニクスの基本的構造を図示する機能的ブロック図が示されている。この図に示されるように、制御エレクトロニクス４００は、データプロセッサ４１０の周りに構築される。この実施形態において、センサからのアナログ信号が、アナログデジタル変換器４２０によって処理され、この信号は、デジタル化センサ信号を通ってプロセッサ４１０に入る。プロセッサ４１０は、メモリ４３０に結合されており、このメモリは、種々の補正因子についてのデータを格納する。プロセッサ４１０は、このデータをメモリ４３０から検索し、そしてこのデータおよびデジタル化されたセンサ信号を使用して、測定された流量を計算する。次いで、プロセッサ４１０は、測定された流速を設定点と比較し、そして測定された流量と設定点との関係を示す信号を発生させる。この信号は、弁駆動回路４４０に運ばれ、この回路は、次に、対応するアナログ信号を発生させて、プロセス気体のフローを制御する弁を駆動する。
【００４０】
上に示されたように、１つの実施形態は、上で議論された３つ全ての補正因子（気体補正因子、センサ補正因子、および分流または線形性補正因子）を使用する。従って、プロセス気体についての測定されたフローは、較正気体のフロー（感知されたフローに対応する）×全補正因子ＦＣ（これは、３つの個々の補正因子の積である）として計算される：
ＣＦ＝Ｃｆ０（１＋ａＦ＋ｂＦ２＋ｃＦ３）（１＋αΔＲ）（１−βΔＡＤＣ（Ｓｐ／１００）２）。
【００４１】
ＭＦＣの作動は、図７に示される流れ図によって図示されるように、単純な方法として示され得る。この図に示されるようにセンサ管を通るプロセス気体のフローの速度がまず感知され、次いで、このフローが、全プロセス気体のフロー対感知された気体のフローの比によって乗算され、次いで、この結果が、気体補正因子、センサ補正因子、および線形性補正因子によって乗算される。
【００４２】
本発明の他の実施形態は、２つのデバイス依存性の補正因子（センサ補正因子および線形性補正因子）のうちの１つのみを使用し得ることが、注目されるべきである。このことは、代表的に、多くの現在のデバイスにおいて使用される気体補正因子に加えてである。これらの他の実施形態はまた、センサ補正因子および／または線形性補正因子についての異なる形態を使用し得る。
【００４３】
補正因子についてのデータは、メモリ４３０に、特定の実効に依存して種々の形態で格納され得る。補正因子のデバイス依存の成分は、補正因子の後の計算のために決定され得、そしてメモリに格納され得るか、または補正因子は、後の使用のために、それら自体が計算（使用される形態に依存されて、全体または部分的に）および格納され得る。次いで、プロセッサ４１０は、測定の補正のために、必要に応じてこのデータにアクセスし得る。
【００４４】
上記記載は、本発明の、熱ＭＦＣにおける適用に焦点を当てるが、他の実施形態において、他の型の流量計において実施され得ることが注目されるべきである。本明細書中に開示される方法論は、ソフトウェア（ファームウェアを含む）およびハードウェアの種々の組み合わせにおいて実施され得ることもまた、注目されるべきである。従って、本願は、データプロセッサに、本明細書中に開示される方法を実行させるための指示を含むソフトウェアアプリケーションを含むことが意図される。これらのソフトウェアアプリケーションは、このようなデータプロセッサによって読取り可能な任意の媒体（ＲＡＭ、ＲＯＭ、フロッピー（登録商標）ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭなどが挙げられる）に埋め込まれ得る。同ように、このようなソフトウェアアプリケーションを実行するように構成されたデータプロセッサ、または本明細書中に開示される方法を実施するように他の形態でプログラムされたデータプロセッサは、本願によって含まれることが意図される。
【００４５】
本発明によって提供され得る利点および利益は、特定の実施形態に関して上に記載された。これらの利点および利益、ならびにこれらが生じるかまたはより顕著にされるようにし得る任意の要素または限定は、特許請求の範囲のいずれかまたは全ての重要な特徴、必要な特徴、または必須の特徴とは解釈されない。本明細書中で使用される場合、用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、またはその他の任意の変形は、これらの用語に続く要素または限定を非排他的に含むと解釈されることが意図される。したがって、要素の列挙を含むプロセス、方法、物品、または装置は、これらの要素を含むのみでなく、特許請求されるプロセス、方法、物品、または装置に明白に列挙もされず固有でもない、他の要素を含み得る。
【００４６】
本発明は、特定の実施形態を参照して記載されたが、これらの実施形態は例示的であり、そして本発明の範囲は、これらの実施形態に限定されないことが理解されるべきである。上に記載される実施形態に対する多くのバリエーション、修飾、付加および改善が、可能である。これらのバリエーション、修飾、付加および改善は、添付の特許請求の範囲に詳述されるような本発明の範囲内に入ることが、意図される。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】図１は、フロー測定における誤差を、窒素ガスに対して一定の気体補正因子が使用される場合のフローの関数として示す図である。
【図２】図２は、同一の設計のいくつかのＭＦＣによってなされた測定の差異を示す図である。
【図３】図３は、１つの実施形態におけるＭＦＣの基本的構造を示すブロック図である。
【図４】図４は、１つの実施形態に従う層流制限器の構造を示す図である。
【図５】図５は、１つの実施形態における熱ＭＦＣのセンサ部分を示す図である。
【図６】図６は、１つの実施形態におけるＭＦＣエレクトロニクスの基本的構造を示す、機能的ブロック図である。
【図７】図７は、１つの実施形態においてＭＦＣがそれに従って作動する、単純な方法を示す流れ図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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