(57)【要約】【課題】一次側の圧力変動に影響されず、安定した流量制御を行なうことができるマスフローコントローラを提供すること。【解決手段】マスフローコントローラ１０は、ベース２０、バルブ部３０、バイパス部４０及びサーマル流量センサ部（流量センサ部）５０からなり、バルブ部３０の上流側に圧力センサ１１０を設け、流量センサ部５０で検知された流量のみならず、圧力センサ１１０で検知された一次側圧力にも基づいてバルブ部３０の制御を行うことを特徴とする。ベース２０には、流体通路２２、２４、一次側に連結される上流側継手２６、及び二次側に連結される下流側継手２８が設けられている。圧力センサ１１０の検出値に応じて、バルブ部３０の流量制御に補正動作を加えることにより、一次側の圧力変動による流量制御の乱れが抑制される。【選択図】        図１
2004302914.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流量センサ部とバイパス部の上流側にバルブ部を有し、
さらに前記バルブ部の上流側に圧力センサが設けられ、
前記圧力センサで検知された一次側圧力に基づいて前記バルブ部の流量制御に補正動作を加えることにより、一次側圧力の変動による流量制御の乱れを抑制することを特徴とする、
マスフローコントローラ。
【請求項２】
前記補正動作が前記圧力センサの出力の交流成分によって行なわれる、請求項１のマスフローコントローラ。
【請求項３】
前記補正動作が前記圧力センサの出力の交流成分と直流成分によって行なわれる、請求項１のマスフローコントローラ。
【請求項４】
前記一次側圧力の検出値の表示手段又は出力手段を具えた、請求項１から３のいずれかのマスフローコントローラ。
【請求項５】
前記バイパス部と流量センサ部の下流側に、オリフィス又はノズルが、該オリフィス又はノズルを通過するガスの流速が音速となる条件を充たすように設けられている、請求項１から４のいずれかのマスフローコントローラ。
【請求項６】
前記オリフィス又はノズルの孔径が外部から変更可能である、請求項５のマスフローコントローラ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造プロセス等で使用されるマスフローコントローラの技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
図１２は、従来の典型的マスフローコントローラ１００の一部を断面で示した正面図である（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
このマスフローコントローラ１００は、ベース２０、バルブ部３０、バイパス部４０及びサーマル流量センサ部（流量センサ部）５０を有する。
ベース２０には、流体通路２２、２４、一次側（図示せず。）に連結される上流側継手２６、及び二次側（図示せず。）に連結される下流側継手２８が設けられている。
バルブ部３０は、バイパス部４０及びサーマル流量センサ部５０の下流側に設けられている。
バルブ部３０は、弁頭と弁座を有する電磁弁又はピエゾバルブ（図示せず。）からなるものが多い。
【０００４】
このようなマスフローコントローラ１００において流量制御されるガスは、一次側から上流側継手２６を介して供給され、バイパス部４０で所定の割合で分かれて流過した後、下流側で再び合流し、下流側継手２８を介して二次側へ出力されるようになっている。
従って、サーマル流量センサ部５０に流過するガスの質量流量を検知すれば、ガス全体の質量流量を知ることができる。
そして、サーマル流量センサ部５０における検知結果はバルブ部３０にフィードバックされ、これによってバルブ部３０が駆動されてマスフローコントローラ１００が制御されるようになっている。
【０００５】
サーマル流量センサ部５０は、上流側と下流側に巻かれた感熱コイル（図示せず。）で構成されている。
上記構成のサーマル流量センサ部５０では、感熱コイルに生じる熱移動による温度差を電気抵抗の変化とし、電気抵抗の変化によってブリッジ回路に不平衡電圧を生じさせ、これを検出することによって、所定の割合で分流されてバイパス部４０を通過するガスの質量流量を検出するようになっている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−３２２１２９号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来のマスフローコントローラでは、バルブ部が流量センサ部の二次側にあり、流量センサ部及びバイパス部の圧力は一次側圧力と連続的につながっている。従って、何らかの外的要因により一次側圧力が変化し、その圧力の変化が流量センサ部及びバイパス部の圧力に伝播して、流量センサ部に流れるガス流量に乱れが生じても、バルブ部は流量センサ部及びバイパス部の下流にあるのでそれを制御できないという問題を有する。
【０００８】
例えば、一定流量を制御していて、外的要因により一次側圧力が上昇すれば、それに応じて流量センサ部に流れるガス流量は増加し、それを検知して流量センサ部の出力信号は増加する。バルブ部は一次側の圧力変動によって急激に増加した流量センサ部の出力信号を受け、一定流量を維持するため、ガス流量を絞り込むように動作する。しかし、ガス流体は圧縮性であるため、一次側圧力の上昇によって変化した流量センサ部及びバイパス部の圧力状態が平衡状態になるまでバルブ部の制御とは乖離してガスが流れ続けることになる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、流量センサ部とバイパス部の上流側にバルブ部を有し、
さらに前記バルブ部の上流側に圧力センサが設けられ、
前記圧力センサで検知された一次側圧力に基づいて前記バルブ部の流量制御に補正動作を加えることにより、一次側圧力の変動による流量制御の乱れを抑制するようにしたマスフローコントローラによって、前記の課題を解決した。
【００１０】
【作用】
本発明では、圧力センサの検出値に応じて、バルブ部の流量制御に補正動作を加えることにより、一次側の圧力変動による流量制御の乱れを抑制することができる。
【００１１】
【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１０の一部を断面で示す正面図である。
このマスフローコントローラ１０は、ベース２０、バルブ部３０、バイパス部４０及びサーマル流量センサ部（流量センサ部）５０からなり、バルブ部３０の上流側に圧力センサ１１０を設け、流量センサ部５０で検知された流量のみならず、圧力センサ１１０で検知された一次側圧力にも基づいてバルブ部３０の制御を行うことを特徴とする。
ベース２０には、流体通路２２、２４、一次側（図示せず。）に連結される上流側継手２６、及び二次側（図示せず。）に連結される下流側継手２８が設けられている。
【００１２】
流量制御されるガスは、一次側から上流側継手２６を介して供給され、バイパス部４０で所定の割合で分かれて流過した後、下流側で再び合流するようにされている。
上記構成のマスフローコントローラ１０は、バルブ部３０の上流側に設けられた圧力センサ１１０で一次側の圧力変動を検知し、流量センサ部５０でバイパス部４０を流過するガスの質量流量をそれぞれ検知し、これらの値に基づいてバルブ部３０を駆動してガスの流量を制御する。
このような流量制御により、一次側の圧力変動による流量制御の乱れを抑制することができる。
【００１３】
なお、このマスフローコントローラ１０に設けられたバルブ部３０、バイパス部４０及びサーマル流量センサ部５０の構成は従来のものと同一であるので説明を省略する。
【００１４】
上記流量制御の実施例を、図３に基づき説明する。
この制御回路では、検知された流量を流量センサ部で電気信号に変換し、増幅器で信号レベルを調整し、流量センサ部の時定数を調整する。そして、その流量の電気信号を比較器（コンパレータ）で設定信号と比較して、設定値と流量の電気信号が一致するようにバルブ部の開度を調整し流量制御を行う。
【００１５】
一方で、一次側圧力をバルブ部上流の圧力センサで電気信号に変換し、増幅器で信号レベルを調整する。そして、その圧力値を表す電気信号の交流成分のみを取出し、流量を表す電気信号に対して加算減算する。このような構成のマスフローコントローラにすることで、一定流量を制御しているとき一次側圧力が変動し圧力が上昇した場合は、その変動を表す圧力の交流電気信号のみが流量信号に加算され、逆に圧力が減少したときはその変動を表す圧力の交流電気信号のみが流量信号から減算されるので、一次側の圧力変動によって生じる制御の乱れに対しバルブ部に補正動作を加えることができる。また、一次側圧力が一定の状態では一次側の圧力変動を表す圧力信号の交流成分は０になるので、流量制御は流量信号のみと設定信号を比較して行われる。
【００１６】
図４に示す制御回路を用いて、本発明の効果の検証を行った。
この制御回路には、切換えスイッチが設けられており、切換えスイッチをＡ−Ｃに接続すると、流量信号と設定信号を比較した流量制御が行われ、切換えスイッチをＢ−Ｃに接続すると、圧力信号をバルブ部の制御に加えた流量制御が行われる。
この制御回路を用いて、流量を一定にする制御を行い、同じ一次側の圧力変動が生じた時の制御の乱れによる流量出力の振幅を、流量信号と設定信号を比較して流量制御を行った場合と、圧力信号をバルブ部の制御に加えて流量制御を行った場合とを測定した。
それぞれの結果を、図６、図７に示す。
【００１７】
これらの結果によると、流量信号と設定信号を比較して流量制御を行った場合の振幅が、圧力信号をバルブ部の制御に加えて流量制御を行った場合の１．７６倍の振幅になることが確認された。
このことから、図１に示すような流量センサ部５０及びバイパス部４０の上流側に流量を制御するバルブ部３０を設け、さらにそのバルブ部３０の上流側に圧力センサ１１０を設けた構成のマスフローコントローラ１０は、一定流量を制御していて一次側の圧力変動が起こった場合、一次側の圧力変動の影響を受けにくいことが確認された。
【００１８】
なお、図３における流量制御において、圧力信号の交流成分を取出す時に微分を行えば、一次側の圧力変動を予想してバルブ部の流量制御に補正動作を加えることも可能になる。また、圧力信号の交流成分の周波数を選択的に取出せば、特定の周期の一次側の圧力変動にのみ強いマスフローコントローラにすることも可能である。
【００１９】
上記実施例では、圧力信号の交流成分のみを取出し流量信号に加算減算することについて述べたが、用途に応じては、圧力信号の交流成分と直流成分を平行して取出し、バルブ部の制御に補正動作を加えることも可能である。
この場合のマスフローコントローラは、圧力信号の直流成分も流量信号に加算減算されるので、一次側圧力が一定であっても、例えば、一次側圧力が１００ＫＰａゲージ圧で使用されると、その圧力値に応じた直流電気信号が流量信号に加算され、「圧力信号値＋流量信号値」と設定値が等しくなるようにバルブ部の開度が調整される。従ってこの場合の圧力信号値は「設定値−流量信号値」になる。
【００２０】
また、図５に示すように、外部から確認可能な位置に一次側圧力値を表示する圧力表示器（表示手段）を具えたり、一次側圧力値を圧力信号として出力する手段を設けることで、マスフローコントローラに適切な一次側圧力でガスが供給されているか否か目視で確認できたり、圧力信号を受取れるように配線することで、マスフローコントローラから離れたところでも、マスフローコントローラに供給されている一次側圧力を確認することができるようにすることができる。
【００２１】
上記のように、流量センサ部及びバイパス部の上流にバルブ部を設け、バルブ部の上流に圧力センサを設けて一次側の圧力変動に強いマスフローコントローラを構成した場合、流量センサ部及びバイパス部の圧力はマスフローコントローラの二次側圧力と連続的につながる。このような構成のマスフローコントローラで二次側圧力が変動すると、その変化が流量センサ部及びバイパス部に流れるガスに伝播して、マスフローコントローラの流量出力が乱れる。また、二次側圧力が大気圧から減圧し、５００（Ｔｏｒｒ）以下へ低下するにつれて流量センサ部とバイパス部の分流比が変わっていくので、二次側が大気圧の時と減圧の時ではマスフローコントローラの制御流量値と実際の流量値に誤差が生じる。
【００２２】
このような二次側圧力の影響を低減するために、図２に示すように、このマスフローコントローラ１０に、バイパス部４０と流量センサ部５０の下流側に、オリフィス６０を設けることが好ましい。符号７０はシールである。
このオリフィス６０の孔径は、臨界膨張条件、すなわち、オリフィス６０を流過するガスの、オリフィス上流側の絶対圧力Ｐ１とオリフィス下流側の絶対圧力Ｐ２の比（Ｐ２／Ｐ１）が、約１／２より小さくなり、オリフィス６０を通過するガスの流速が音速と等しくなるような条件を満たすように設定されている。
【００２３】
上記条件を満たしている場合、オリフィス下流側の圧力変動が上流側に伝播されなくなることが知られている。
このようなオリフィス６０を具えたマスフローコントローラ１０によると、二次側圧力の変動がバイパス部４０、流量センサ部５０に伝播されないために、マスフローコントローラ１０によって出力されるガスの流量にふらつきが生じない。
【００２４】
また、このようなマスフローコントローラ１０では、オリフィス６０の圧力損失分だけ、バイパス部４０、流量センサ部５０の圧力が二次側圧力より上昇するので、二次側圧力が低下した際の流量誤差を低減させることができる。
【００２５】
図２に示す本発明のマスフローコントローラ１０を用いて、二次側圧力を大気圧から１（Ｔｏｒｒ）以下に減圧させた場合の制御流量値の誤差を測定し、その結果を図８に示す。
なお、比較のため、図１に示すバイパス部と流量センサ部の下流にノズル又はオリフィスを設けなかった場合についても同様の実験を行い、その結果を図８に併せて示した。
図８に示すとおり、本発明のマスフローコントローラ１０によると、二次側圧力を減圧させ、大気圧から１（Ｔｏｒｒ）以下にした場合の誤差は、０．２％程度であった。
一方、バイパス部と流量センサ部の下流にノズル又はオリフィスを設けなかった場合で同様の実験をした結果、誤差は６％に達した。
【００２６】
次に、二次側圧力の変動が、本発明のマスフローコントローラ１０の出力流量に与える影響について測定した。
図９は、上記測定をするための構成を示し、本発明のマスフローコントローラ１０と補助マスフローコントローラＭとを並列に連結し、補助マスフローコントローラＭに流すガスの流量を変化させることによって、二次側圧力Ｐ２を変動させるようにし、このときの本発明のマスフローコントローラ１０による出力流量をオシロスコープＯ１で観測するようにしたものである。
なお、図中のＯ２で示すオシロスコープは、補助マスフローコントローラＭの出力を観測するためのものである。
【００２７】
この構成において、補助マスフローコントローラＭの流量を０％から１００％に変化させると、二次側圧力Ｐ２は２０（Ｔｏｒｒ）から１００（Ｔｏｒｒ）へ上昇し、補助マスフローコントローラＭの流量を１００％から０％に変化させると、二次側圧力Ｐ２は１００（Ｔｏｒｒ）から２０（Ｔｏｒｒ）へ下降する。
この測定に使用した本発明のマスフローコントローラ１０のオリフィスは、窒素（Ｎ２）を５０（ＳＣＣＭ）流過させたとき、オリフィス一次側圧力が絶対圧力で７６０（Ｔｏｒｒ）となるような孔径を持つものである。
なお、この構成では、ニードルバルブＶは、補助マスフローコントローラＭの流量を１００％から０％に変化させたときに生じる二次側圧力Ｐ２の変動幅を調整するために設けたもので、Ｐ２変動の影響のデータを取り易くするためのものである。
【００２８】
図１０は、図９に示す構成において、二次側圧力Ｐ２を２０（Ｔｏｒｒ）から１００（Ｔｏｒｒ）まで変動させて、本発明のマスフローコントローラ１０の出力流量を測定した結果を示す。
また、図１１は、図９に示す構成において、二次側圧力Ｐ２を１００（Ｔｏｒｒ）から２０（Ｔｏｒｒ）まで変動させて、本発明のマスフローコントローラ１０の出力流量を測定した結果を示す。
なお、比較のため、バイパス部及び流量センサ部の下流にノズル又はオリフィスを設けずに上記と同様の構成で、二次側圧力Ｐ２を２０（Ｔｏｒｒ）から１００（Ｔｏｒｒ）まで上昇させ、また、１００（Ｔｏｒｒ）から２０（Ｔｏｒｒ）まで減圧させた場合の測定結果を図１３、及び図１４に示す。
【００２９】
図１０、及び図１１に示すように、本発明のマスフローコントローラ１０によると、二次側圧力Ｐ２が変動している間も、ガスの出力流量に変動がない。
一方、図１のバイパス部及び流量センサ部の下流にノズル又はオリフィスを設けない場合は、図１３、及び図１４に示すように、二次側圧力Ｐ２が変動すると、ガスの出力流量も変動してしまうことが分かる。
【００３０】
本発明のマスフローコントローラ１０において、オリフィス６０の替わりにノズル（図示せず。）を設けてもよい。
この場合も、臨界膨張条件、すなわち、ノズルを流過するガスの、ノズル上流側の絶対圧力とノズル下流側の絶対圧力の比が、約１／２より小さくなって、ノズルを通る気体の流速が音速となる条件を充たす孔径を有するノズルが使用される。
【００３１】
前記オリフィス又はノズルの孔径は、マスフローコントローラのフルスケール流量から最小制限流量の間の流量で、マスフローコントローラの使用圧力条件において前記臨界膨張条件を充たすものを使用目的に応じて選定することになる。その際、異なる孔径のオリフィス又はノズルを予め用意しておいて、交換できるようにしておいてもよいが、オリフィス又はノズルの孔径が外部から変更できるようにしておくと便利である。
【００３２】
図１５は、オリフィス又はノズルの孔径を外部から変更できるようにした調整機構８０を有する実施形態の一例で、継手部分を配管に接続したまま、外部からハンドル８２を回転させることにより、オリフィス９０（図１５（ｂ）で一点鎖線の円で囲まれた部分）を任意のオリフィス孔径に調整可能にしたものである。図１５（ａ）において、ハンドル８２とステム８４はねじ８６で固定されている。また、同図に示すように、ボンネット８８がパッキン８９のシール効果を発揮する程度の荷重で、ボディー８５とステム８４に押し付けるようにボディー８５の中にナット８７で固定されている。ボンネット８８には雌ねじが切ってあり、ステム８４には雄ねじが切ってある。ハンドル８２を回転させると、ねじの作用により、ハンドル８２とステム８４が上下する。ステム８４が上下するとステム８４先端のテーパーとオリフィスベース９２によって構成されるオリフィス９０の流路孔径が調整される。調整した後は、止めねじ８３をステム８４に締め込むことによってステム８４が固定され、オリフィス孔径が固定されることになる。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、圧力センサの検出値に応じて、バルブ部に補正動作を加えることにより、一次側の圧力変動による流量制御の乱れを抑制することができるという効果を奏する。
【００３４】
また、請求項３のように、バイパス部と流量センサ部の下流側に、マスフローコントローラの使用条件に応じて、流速が音速となる臨界膨張条件を満たすオリフィス又はノズルを設けることで、オリフィス又はノズルの下流側（二側）の圧力変動の上流側への伝播を防ぐことができる。
そのため、二次側の圧力が変動しても、安定した流量制御を行なうことができるという効果を奏する。
また、二次側の圧力の変動中であっても、マスフローコントローラの出力流量は変動しない。
さらに、二次側の圧力が大気圧以下、特に、１（Ｔｏｒｒ）以下になっても、出力流量の誤差が少ないという効果を奏する。
【００３５】
また、請求項４のように、オリフィス又はノズルの孔径が外部から変更可能であるようにしておくと、一々、オリフィス又はノズルを交換する必要なく、使用条件に応じて、オリフィス又はノズルの孔径を変更できる効果がある。
【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部を断面で示す正面図。
【図２】本発明のマスフローコントローラの一部を断面で示す正面図。
【図３】本発明のマスフローコントローラの流量制御回路のブロック図。
【図４】本発明の効果を検証するための流量制御回路のブロック図。
【図５】本発明のマスフローコントローラの流量制御回路のブロック図。
【図６】図４に示す構成において、本発明のマスフローコントローラの出力流量を測定した結果を示す図。
【図７】図４に示す構成において、従来のマスフローコントローラの出力流量を測定した結果を示す図。
【図８】本発明のマスフローコントローラを用いて、二次側圧力を大気圧から１（Ｔｏｒｒ）以下まで減圧させた場合の出力流量の誤差を測定した結果を示す図。
【図９】二次側圧力の変動が本発明のマスフローコントローラの出力流量に与える影響について測定するための構成図。
【図１０】図９に示す構成において、二次側圧力を２０（Ｔｏｒｒ）から１００（Ｔｏｒｒ）まで変動させた状態における、本発明のマスフローコントローラの出力流量を測定した結果を示す図。
【図１１】図９に示す構成において、二次側圧力を１００（Ｔｏｒｒ）から２０（Ｔｏｒｒ）まで変動させた状態における、本発明のマスフローコントローラの出力流量を測定した結果を示す図。
【図１２】従来のマスフローコントローラの一部を断面で示す正面図。
【図１３】図９に示す構成において、二次側圧力を２０（Ｔｏｒｒ）から１００（Ｔｏｒｒ）まで変動させた状態における、従来のマスフローコントローラの出力流量を測定した結果を示す図。
【図１４】図９に示す構成において、二次側圧力を１００（Ｔｏｒｒ）から２０（Ｔｏｒｒ）まで変動させた状態における、従来のマスフローコントローラの出力流量を測定した結果を示す図。
【図１５】オリフィス又はノズルの孔径を外部から変更できるようにした実施形態の断面図で、図１５（ａ）は要部断面図、１５（ｂ）は図１５（ａ）で一点鎖線の円で囲まれた部分の拡大断面図。
【符号の説明】
１０：マスフローコントローラ
２０：ベース
３０：バルブ部
４０：バイパス部
５０：流量センサ部
６０，９０：オリフィス
１１０：圧力センサ
【図１】
2004302914.tif 000003
【図２】
2004302914.tif 000004
【図３】
2004302914.tif 000005
【図４】
2004302914.tif 000006
【図５】
2004302914.tif 000007
【図６】
2004302914.tif 000008
【図７】
2004302914.tif 000009
【図８】
2004302914.tif 000010
【図９】
2004302914.tif 000011
【図１０】
2004302914.tif 000012
【図１１】
2004302914.tif 000013
【図１２】
2004302914.tif 000014
【図１３】
2004302914.tif 000015
【図１４】
2004302914.tif 000016
【図１５】
2004302914.tif 000017