(57)【要約】  処理に合わせて流量を制御する際、質量流量制御システムはその精度を自己検証可能である。前記システムは、前記システムを通る流体の前記流量を、制御信号に応じて制御する制御弁と、前記システムを通る流体の測定流量および目標流量設定ポイントに応じて、前記制御信号を生成する制御部と、前記流量の測定および検証用に前記制御する流体圧力を測定する圧力センサと、前記システム精度の検証に用いるための既知容量の流体を前記制御処理の工程間のいつでも供給する流体源とを備える。
2015530668.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理に合わせて流体の流量を制御する際に、その精度をリアルタイムで自己検証可能である質量流量制御システムであって、
前記システムを通る流体の前記流量を、制御信号に応じて制御する制御弁と、
前記システムを通る流体の測定流量および設定ポイントに応じて、前記制御信号を生成する制御部と、
流量制御処理の工程間のいつでも、前記システムの前記精度の検証に用いるための既知容量の流体を供給する流体源と、
を備えることを特徴とする、当該質量流量制御システム。
【請求項２】
前記システムを通る前記流体の流量にチョーク流れの状態を作り出す流量規制器をさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の質量流量制御システム。
【請求項３】
前記流量規制器は、断面積を調整可能な孔を有することを特徴とする、請求項２に記載の質量流量制御システム。
【請求項４】
前記流量規制器を規定する調整可能な開口を備える第２制御弁をさらに備えることを特徴とする、請求項２に記載の質量流量制御システム。
【請求項５】
前記システム内の前記流体の測定圧力を表す圧力測定信号を供給するように構成された圧力センサと、前記システム内の前記流体の測定温度を表す温度測定信号を供給するように構成された温度センサとをさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の質量流量制御システム。
【請求項６】
前記制御部は、前記システム内の前記流体の前記測定圧力および温度に応じて、前記システムを通る前記流体の測定流量Ｑｐを下式により決定するように構成されることを特徴とする、請求項５に記載の質量流量制御システム。
【数１】
2015530668.tif 000007
ただし、Ｃ´は前記流量規制器の孔吐出係数であり、Ａは前記流量規制器の実効開口面積であり、ｍは前記ガスの分子量であり、γは前記ガスの比熱比であり、Ｔは前記ガスの温度であり、Ｐｕは前記上流圧力であり、ｆ（ｍ，γ，Ｔ）は、前記ガスの分子量、前記ガスの比熱比、および前記ガス温度に関連付けられた数学的関数である。
【請求項７】
前記流体源は、零流量設定ポイントが命令されると閉止される前記制御弁よりも下流に位置する既知容量の貯蔵器であり、
前記貯蔵器からまだ流体が流出可能であり、かつ、該流体は、チョーク流れの状態に基づいて前記システムによってＱｐが測定され、
別の流量測定であるＱｖが記貯蔵器からの前記流体の減衰速度によって、下式により行われることを特徴とする、請求項１に記載の質量流量制御システム。
【数２】
2015530668.tif 000008
ただし、ｔは時間を表し、ｋは変換定数を表し、Ｖ、Ｐｕ、およびＴは、それぞれ、前記貯蔵器の容量、ならびに前記貯蔵器内のガスの圧力および温度を表す。
【請求項８】
前記貯蔵器からの前記流体の前記減衰速度によってなされた流量測定であるＱｖと、チョーク流れの状態に基づいて前記システムによって測定された前記流量Ｑｐとの間のいかなる差にも応じて、その流量精度を自己検証することが可能であることを特徴とする、請求項７に記載の質量流量制御システム。
【請求項９】
前記流量の検証の終了後、前記零流量設定ポイントの命令を遂行して閉止される第２制御弁をさらに備えることを特徴とする、請求項７に記載の質量流量制御システム。
【請求項１０】
流量制御処理の工程間のいずれの間の検証期間でも検証が起こり、前記検証期間は１００〜３００ミリセカンドであることを特徴とする、請求項７に記載の質量流量制御システム。
【請求項１１】
前記貯蔵器は、前記制御弁と前記流量規制器との間に位置することを特徴とする、請求項７に記載の質量流量制御システム。
【請求項１２】
ＱｖからのＱｐの逸脱が所定の精度公差制限よりも大きい場合、前記システムは、ホストコントローラに対して、較正外状態を警告する警報を発することを特徴とする、請求項７に記載の質量流量制御システム。
【請求項１３】
前記システムは、ＱｐとＱｖとの間の前記流量の誤差が最小となるように、前記測定流量Ｑｐに対応する流量算出等式の係数を、前記検証結果に基づいて調整可能であり、前記流量検証期間の間、所定の精度公差制限以下で、前記公差の制限内で前記システムが再較正されることを特徴とする、請求項７に記載の質量流量制御システム。
【請求項１４】
流量規制器と、非チョーク流れの状態の間における流体の前記流量を測定するための前記流量規制器より上流の前記流体の圧力に応じて信号を生成する第１圧力センサおよび前記流量規制器より下流の流体の圧力に応じて信号を生成する第２圧力センサと、をさらに備え、
測定流量Ｑｐは以下の等式に基づくことを特徴とする、請求項１に記載の質量流量制御システム。
【数３】
2015530668.tif 000009
ただし、ｆは、前記上流の圧力Ｐｕ、前記下流の圧力Ｐｄ、前記ガスの温度Ｔ、前記ガスの分子量ｍ、前記ガスの比熱比γ、および実効開口面積Ａの数学的関数である。
【請求項１５】
システムを通る流体の流量を、制御信号に応じて制御する工程と、
前記制御信号を、前記システムを通る流体の測定流量と設定ポイントとに応じて生成する工程と、
前記流量制御処理の工程間で、前記システムの較正に用いるための既知容量の流体をいつでも供給する工程と、を備えることを特徴とする、
流量を処理に合わせて制御する時に質量流量制御システムの精度を検証する方法。
【請求項１６】
流体の前記流量を制御する工程は、チョーク流れの状態を作り出すように流量規制器を通る流体の流量を制御することを含むことを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記流量規制器を通る流量を制御する工程は、その断面積を調整可能である孔を通る前記流量を制御することを含むことを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記流量規制器を通る流量を制御する工程は、前記流量規制器を規定する調整可能な開口を備える第２制御弁を通る前記流量を制御することを含むことを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記システム内の流体の測定圧力を表す圧力測定信号を供給する工程と、前記システム内の流体の測定温度を表す温度測定信号を供給する工程とをさらに備えることを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
前記システムを通る流体の前記測定流量Ｑｐを、前記システム内の前記流体の前記測定圧力および温度に応じて、下式により決定する工程をさらに備えることを特徴とする、請求項１９に記載の方法。
【数４】
2015530668.tif 000010
ただし、Ｃ´は前記流量規制器の前記孔吐出係数であり、Ａは前記流量規制器の実効開口面積であり、ｍは前記ガスの分子量であり、γは前記ガスの比熱比であり、Ｔは前記ガス温度であり、Ｐｕは前記上流圧力であり、ｆ（ｍ、γ、Ｔ）は、前記ガス分子量、前記ガスの比熱比、および前記ガスの温度に関連付けられた数学的関数である。
【請求項２１】
零流量設定ポイントが命令されると閉止される制御弁よりも下流に位置する既知容量の貯蔵器からの流体源を提供することと、
前記貯蔵器からまだ流体が流出可能で、前記システムによってチョーク流れの状態に基づいてＱｐが測定される工程と、をさらに備え、
別の流量測定であるＱｖが、記貯蔵器からの前記流体の減衰速度によって、下式により行われることを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
【数５】
2015530668.tif 000011
ただし、ｔは時間を表し、ｋは変換定数を表し、Ｖ、Ｐｕ、およびＴはそれぞれ、前記貯蔵器の容量、ならびに前記貯蔵器内の前記ガスの圧力および温度を表す。
【請求項２２】
前記貯蔵器からの前記流体の前記減衰速度によってなされた流量測定であるＱｖと、チョーク流れの状態に基づいて前記システムによって測定された前記流量Ｑｐとの間のいかなる差にも応じて、システム流量精度を自己検証する工程をさらに備えることを特徴とする、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記流量の検証の終了後、前記零流量設定ポイントの命令を遂行して第２制御弁を閉止する工程を備えることを特徴とする、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記流量制御処理の工程間のいずれの間の検証期間でも検証が起こり、前記検証期間は１００〜３００ミリセカンドであることを特徴とする、請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
前記貯蔵器は制御弁と流量規制器との間に位置することを特徴とする、請求項２１に記載の方法。
【請求項２６】
ＱｖからのＱｐの前記逸脱が所定の精度公差制限よりも大きい場合、ホストコントローラに対して、較正外状態を警告する警報を発する工程をさらに備えることを特徴とする、請求項２１に記載の方法。
【請求項２７】
ＱｐとＱｖとの間の前記流量の誤差が最小となるように、前記測定流量Ｑｐに対応する流量算出等式の係数を、前記検証の結果に基づいて調整し、前記流量の検証期間の間、所定の精度公差制限以下で、前記公差の制限内で前記システムを再較正する工程をさらに備えることを特徴とする、請求項２１に記載の方法。
【請求項２８】
非チョーク流れの状態の間における流体の前記流量を測定するための、流量規制器より上流の前記流体の圧力に応じて信号を生成する工程と、前記流量規制器より下流の流体の圧力に応じて信号を生成する工程と、をさらに備え、
前記測定される流量Ｑｐは以下の等式に基づくことを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
【数６】
2015530668.tif 000012
ただし、ｆは、前記上流の圧力Ｐｕ、前記下流の圧力Ｐｄ、前記ガスの温度Ｔ、前記ガスの分子量ｍ、前記ガスの比熱比γ、および実効開口面積Ａの数学的関数である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示内容は、全体として、質量流量制御器に関し、詳細には、圧力式質量流量制御器の自己検証に関する。ここで用いる「ガス」という用語は、ガスまたは蒸気を含むものとする。
【背景技術】
【０００２】
一般に質量流量制御器（ＭＦＣ）は、装置を通過するガスの質量の流量を測定および制御可能となるように、流体（すなわちガスまたは蒸気）の流れの速度を、リアルタイムで制御し監視する。質量流量制御器（ＭＦＣ）は、半導体製造処理中のガスの流量制御に用いられることが多く、ここでは、半導体製品を高生産率で製造するために、真空容器のような半導体ツールへのガス流を注意深く制御しなければならない。ＭＦＣは通常、特定の範囲の流量で特定タイプのガス流量を制御するために設計および較正される。これらの装置は、ユーザまたは半導体ツール自体のような外部装置によって、通常あらかじめ決定される、所与の設定ポイントに基づいて流量を制御する。この設定ポイントは、各工程の所望の流量に依存する処理の各工程に合わせて変更可能である。ＭＦＣはアナログ式、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で用いるように設計され、低圧および高圧のＭＦＣが一般的に入手可能である。全てのＭＦＣは、入力口ならびに出力口と、質量流量センサおよび比例制御弁を含む質量流量計とを有する。システム制御部は、設定ポイントによって決まる流量の、質量流量センサによって検知される測定流量との比較に応じて流量制御信号を、制御弁へ供給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、設定ポイント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、フィードバック制御システムは弁を操作する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
このような制御システムは、ＭＦＣがある公差内で較正状態を維持することを想定している。ＭＦＣが較正公差内であるかどうかをテストするため、ＭＦＣは、典型的には質量流量検証器のような装置で、オフラインでテストされる。後者は流量テストするのに用いられる。オフライン検査は大変正確であるが、処理運転中（リアルタイムで）は、ＭＦＣが較正外となる可能性が有り、また処理が終了するまではＭＦＣが検知されない、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したり、製品の全生産高が欠損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に、ＭＦＣの精度をリアルタイムで連続的にテストするシステムおよび方法である。
【０００４】
質量流量制御器には、温度式と圧力式の質量流量制御器の２つのタイプがある。出願人Ｊｕｎｈｕａ  Ｄｉｎｇ、名称「質量流量制御器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」で、２０１２年１月２０日に出願され、本願譲受人に譲渡された米国特許出願第１３／３５４，９８８号は、質量流量制御器の精度をオフラインで進行することなく検証できるように温度式質量流量制御器をテストする、システムおよび方法を記述する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明のある実施形態は、処理に合わせて流体の流量を制御する際に、その精度をリアルタイムで自己検証可能である質量流量制御システムに関するものであって、前記システムを通る流体の前記流量を、制御信号に応じて、制御する制御弁と、前記システムを通る流体の測定流量および設定ポイントに応じて、前記制御信号を生成する制御部と、前記システムの前記精度の検証用の、既知の容量の流体を、前記流量制御処理の工程間のいつでも供給する流体源とを備える。ある実施例では、システムはさらに流量測定に対応するチョーク流れの状態を作り出す流量規制器と、システム内で流量規制器より上流の流体の前記測定圧力を表す圧力測定信号を供給する圧力センサと、システム内で流体の前記測定温度を表す温度測定信号を供給する温度センサとを備える。
他の実施例では前記システムは、前記流量を非チョーク流れの状態に対応して測定できるように、前記流量規制器より下流の流体の前記測定圧力を表す圧力測定信号を供給する第２圧力センサをさらに備える。
【０００６】
別の実施例によれば、処理に合わせた流量制御時に、質量流量制御システムの前記精度を検証する方法が提供される。この方法は、前記システムを通る流体の前記流量を、制御信号に応じて制御する工程と、前記制御信号を、前記システムを通る流体の測定流量と設定ポイントとに応じて生成する工程と、前記システムの前記精度検証用の既知の容量の流体を前記流量制御処理の工程間のいつでも供給する工程とを備える。
【０００７】
図面は、本教示内容による一つまたはそれ以上の実施例を、限定としてはなく単なる例として示す。図中の同じ参照番号は、同一または類似の要素であることを示す。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、オフラインで実行することなくＭＦＣの精度のテストが可能に構成された圧力式ＭＦＣの一実施形態の概略模式図である。
【図２】図２は、オフラインで実行することなくＭＦＣの精度のテストが可能に構成された圧力式ＭＦＣの第２の実施形態の概略模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下の詳細な説明では、関連教示内容の完全な理解を提供するための例によって、多くの具体的詳細が述べられる。しかしながら当業者には、そのような詳細なしに本教示内容を実施してもよいことはあきらかである。他の例では、本教示内容の態様が不必要にあいまいになることを避けるため、公知の方法、手順、部品、および／または回路を、詳細を伴わずに、比較的高いレベルで説明した。
【００１０】
本技術の多様な構成を実例として図示および記述する以下の詳細説明より、本技術の他の構成は当業者に容易に明らかになることがわかる。当然のことながら、本技術を他の異なる構成とすることは可能であり、そのいくつかの詳細を、全て本技術の範囲から逸脱することなく、他の多様な態様において改変することが可能である。したがって図面および詳細説明は、特徴を例示するが限定はしないものとみなす。
【００１１】
本開示内容は圧力式ＭＦＣに関する。実施形態は２つあり、一方はチョーク流れの状態で用い、他方は非チョーク流れの状態で用いる。当然ながら、ある一つの装置をいずれのモードでも作動するように構成することができる。
【００１２】
チョーク流れは圧縮性流れの効果である。「チョークされる」または制限されるパラメータは流体の速度である。このようにチョーク流れは所与の圧力および温度でＭＦＣを流れる流体に関するものであり、（一定の断面積の孔またはノズルのような）制約部を通じて低圧力環境へ流れる際に速度が増加しようとする流体に関する流体力学的状態である。チョーク流れというのは、上流圧力を固定しているにも拘わらず、下流圧力環境の質量流量をさらに減少しても質量流量が増加しようとしないという制限を受けた状態である。チョーク流れの状態下では、上流圧力を増加させることにより、または上流温度を減少させることにより、質量流量を増加させることができる。質量流量が下流圧力には依存せず、制約部の上流側での温度および圧力にのみ依存するので、ガスのチョーク流れは多くの用途で有用である。チョーク流れの状態下では、弁、較正された開口板およびノズルのような流量制約機器を用いて、所望の質量流量を生成することができる。チョーク流れの状態のために、流量制約器への上流圧力Ｐｕおよび下流圧力Ｐｄは、以下の基準を満たさなければならない。
【００１３】
【数１】
2015530668.tif 000003
ここでγはガスの比熱比である。
【００１４】
図１に示すように、新規な圧力式のＭＦＣ１００の実施形態は、（ａ）チョーク流れの状態に対応するとともに、（ｂ）ＭＦＣの精度の検証を可能にする情報をリアルタイムで供給するように構成される。ＭＦＣ１００は、ＭＦＣ１００の入力口１２０で流体１１０を受け入れる。流体は、入力口から支持ブロック１４０の導管１３０を通じて出力口１５０へと向かう。ＭＦＣ１００のブロック１４０の上流部は、上流弁に適用される流量制御信号に応答し、かつ応じてＭＦＣ１００の出力口１５０を通る流体１１０の流量を規制するように構成された上流比例制御弁１６０を支持する。特に、上流制御弁１６０は、ＭＦＣの出力口１５０からの流体１１０の流速を制御するために、制御部１７０からの流量制御信号に応答し、かつ応じて全開位置と全閉位置との間のどの位置でも動作可能である。流量制御信号は、以下の（ａ）および（ｂ）に応じて、制御部１７０によって生成される。（ａ）は、制御部１７０に示され適用されるとともに、ＭＦＣを流れる流体の所望の（流量設定ポイント）流量を表す（ユーザおよび／またはスタンドアローン型のコンピュータまたは処理ツールのような外部装置からの外部プログラムによって設定された）設定流量信号であり、（ｂ）は、ＭＦＣを流れる流体の圧力および温度に応じた測定流量を表す測定流量信号である。制御部１７０は、システムに受信され、検知された温度信号および圧力信号に基づいて、正確な測定流量信号を供給するのに必要な、較正係数を記憶するためのメモリを備える。示された実施形態では、この測定された流量信号は、（図１に圧力変換器の形態で示す）圧力センサ１８０によって与えられる圧力信号および温度センサ１９０によってあたえられる温度信号に応じて与えられる。ＭＦＣ１００の出力口１５０には、２００で示されるあるタイプの流量制約器が設けられており、その流量制約器は、下流制御弁２１０によって（制約する開口を創出するために弁の位置を制御することによって）得られる、またはチョーク流れの状態下で出力口１５０から流れる流体の流量および圧力を制限する効果を有する流出ノズル／孔のような別の装置によってえられる。
【００１５】
また、ＭＦＣの精度をリアルタイムで検証するために、図１に示す実施形態のＭＦＣ１００は、出力口１５０でブロック１４０に支持される下流制御弁２１０と、貯蔵器２２０とをさらに備える。貯蔵器２２０はふたつの制御弁１６０および２１０の間でブロック１４０に支持される。貯蔵器は、ＭＦＣへ流れる流体を既知の容量で貯蔵するように構成される。温度センサ１９０は、貯蔵器２２０内の流体の温度、およびこれによりＭＦＣを流れる流体の温度を近似して貯蔵器の壁の温度を測定するように、貯蔵器２２０に接続されている。温度センサ１９０は、測定温度を表す信号を、制御部１７０へ供給する。測定流量は、圧力センサ１８０によって測定された圧力同様に、この測定温度に応じて変わる。圧力センサ１８０も、２つのバルブ１６０および２１０の間の導管１３０に接続され、導管１３０を通って下流制御弁２１０の孔２００として示される流量制約器へ流れる流体１１０の圧力を測定するように構成されている。
【００１６】
処理操作の間、下流制御弁２１０が開いており、かつ、流量設定ポイントが非零値に設定されており、制御部１７０は、測定流量が当該非零設定値に等しくなるように上流弁１６０を通る流れを制御する。ＭＦＣを通る流れの測定質量流量を決定するために、検知温度および圧力を表すデータは、温度センサ１９０および圧力センサ１８０から制御部１７０へ、信号の形態で送信される。以下に詳細に説明するように、制御部１７０は、チョーク流れの状態のための等式（２）に基づいて、測定流量を決定する。
【数２】
2015530668.tif 000004
ここで、Ｃ´は孔２００の孔吐出係数、Ａは実効開口面積、ｍはガスの分子量、γはガスの比熱比、Ｔはガス温度、Ｐｕは上流圧力、（ｍ、γ、Ｔ）は、ガス分子量ｍ、ガスの比熱比γ、およびガス温度Ｔに関連付けられた数学的関数である。
【００１７】
制御部１７０は、流量設定ポイントによって命令された流量に測定流量Ｑｐが追従するように、ＭＦＣ１００へ流入およびここから流出する流量を制御する弁制御信号を、弁１６０へ供給する。ＭＦＣが適切に較正されている限りは、両者は実質的に（許容公差の範囲内で）等しくなる。弁２１０が流量制約器の孔を規定するのに用いられる場合は、チョーク流れの状態の間は、弁２１０の位置は不変のままとなる。
【００１８】
例えば、配気処理の２工程の間、または処理の完了後の期間であれば、零設定ポイントが命令されればいつでも、流量検証チェックが行なわれる。（ＭＦＣの下流よりも高い圧力で）流体は貯蔵器２２０から連続して流れるので、圧力センサ１７０によって供給された圧力信号の減衰速度に基づいて、制御部１７０が流量を検証することを可能とするように、制御部１７０は、流量検証期間の間、上流比例制御弁１６０を自動的に閉鎖する。検証期間は、測定実行のために典型的には約１００〜３００ｍｓｅｃを必要とする。ある実施形態では、検証期間は１００〜３００ミリセカンドでもよい。検証期間の間、貯蔵器２２０からの流体１１０はＭＦＣ１００の出力口１５０の外へ向かわされる。残りの流体１１０がシステムを出る際の流量を示すＱｖは、減衰速度原理によって決まり、等式（３）によって決めることができる。
【数３】
2015530668.tif 000005
ここで、ｔは時間を表し、ｋは変換定数を表し、Ｖ，ＰｕおよびＴはそれぞれ、貯蔵器２２０の容量、圧力センサ１７０によって測定されるガスの圧力、および温度センサ１６０によって測定されるガスの温度を表す。
【００１９】
検証期間が終了するとすぐに、下流比例制御弁２１０が完全に閉止されて、いかなる残りの流体１１０もＭＦＣ１００の外に出てしまうことを防止する。検証期間の間、ＭＦＣ１００は、等式（３）に従って決定した減衰速度の流量Ｑｖと対比して、等式（２）を用いて算出した流量Ｑｐを検証する。
【００２０】
ＱｖからのＱｐの逸脱が所定の精度公差制限よりも大きい場合は、ＭＦＣ１００は、較正外状態を警告する警報を、ホストコントローラ（図示なし）へ送信することができる。また、ＭＦＣ１００は、所定の精度公差制限以下でＱｐとＱｖとの間の流量誤差が最小化するように、Ｑｖの検証値に基づいて、流量算出等式（２）におけるＣ´および／またはＡのような係数を数学的に調整または更新することができる。それ故、ＭＦＣ１００は、流量検証期間の間、公差の制限内で再較正される。このように、調整されるとすぐに、非零条件が続けて命令されたときに、ＭＦＣ１００は、流量の検証値を用いて、システムから流出する流体を目標流量とする。
【００２１】
図２は、非チョーク流れの状態に対応してＭＦＣを操作するための実施形態を示す。特に、ＭＦＣ２５０は図１の実施形態と同一または類似の構成要素を備えるが、流量制約器２００より下流のガスの圧力を検知するために配設した追加の（圧力変換器として示した）圧力センサ２６０を伴う。第２圧力センサ２６０はブロック１４０に載置可能、またはブロックから離して載置することも可能である。
【００２２】
図２の実施形態は、チョーク流れの状態と非チョーク流れの状態の両方で使用可能であることが好ましい。つまり、チョーク流れの状態または非チョーク流れの状態のいずれに対応してＭＦＣ２５０を操作するかによって、図２の実施形態の操作モードが決定される。
【００２３】
非チョーク流れの状態のために、測定流量は等式（４）により算出される。
【数４】
2015530668.tif 000006
ここでｆは、上流圧力Ｐｕ，下流圧力Ｐｄ，ガス温度Ｔ，ガス分子量ｍ，比熱比γ，および実効開口面積Ａの数学的関数である。
【００２４】
非チョーク流れの状態下での流出する間、検証のために上流弁が再び閉止されると、貯蔵器２２０からＭＦＣ２５０の出力口１５０の外（弁２６０より下流）へガスが流出する。検証した流量Ｑｖはやはり上記等式（３）によって決定される。
【００２５】
ＱｐおよびＱｖの値に関するデータは制御部１７０内に蓄積可能であり、ＱｐおよびＱｖに関連付けられたデータを比較して、ＭＦＣがある一定の較正公差外かどうかを判定することができる。さらに、等式（４）の係数を更新して、ＱｖとＱｐ間の流量誤差を最小化することができる。それ故、ＭＦＣ２５０は流量検証期間の間、再較正される。
【００２６】
したがって、上述の内容は、処理が行われている間、ＭＦＣの較正設定を連続的にリアルタイムでテストおよび検証するシステムおよび方法である。ある追加の実施例では、制御部１７０のメモリに記憶された現在の係数と、システムによってなされた測定から決定された係数との間に差異がある場合、システムは、検証結果に基づいて流量算出係数を調整することにより、自己較正を行うとすることも可能である。そのような構成では、流量検証期間の間は、公差の制限内となるように、システムを再較正するために、所定の精度公差制限以下では、ＱｐとＱｖとの間の流量誤差が最小化されるように測定流量Ｑｐに対応する流量算出等式の係数を、検証結果に基づいて再計算可能である
【００２７】
上記の装置及び処理方法においては、ここに含まれる発明の範囲から逸脱することなく、他の変更および改変を行ってもよいため、上記説明に含まれるすべての事項は、限定的な意味ではなく例示的な意味において解釈されるべきことを主旨とする。
【図１】
2015530668.tif 000013
【図２】
2015530668.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成27年7月9日(2015.7.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理に合わせて流体の流量を制御する際に、その精度をリアルタイムで自己検証可能である質量流量制御システムであって、
前記システムを通る流体の前記流量を、制御信号に応じて制御する制御弁と、
前記システムを通る流体の測定流量および設定ポイントに応じて、前記制御信号を生成する制御部と、
流量制御処理の工程間のいつでも、前記システムの精度の検証に用いるための既知容量の流体を供給する流体源と、
を備えることを特徴とする、当該質量流量制御システム。
【請求項２】
前記システムを通る前記流体の流量にチョーク流れの状態を作り出す流量規制器をさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の質量流量制御システム。
【請求項３】
前記流量規制器は、断面積を調整可能な孔を有することを特徴とする、請求項２に記載の質量流量制御システム。
【請求項４】
前記流量規制器を規定する調整可能な開口を備える第２制御弁をさらに備えることを特徴とする、請求項２に記載の質量流量制御システム。
【請求項５】
前記システム内の前記流体の測定圧力を表す圧力測定信号を供給するように構成された圧力センサと、前記システム内の前記流体の測定温度を表す温度測定信号を供給するように構成された温度センサとをさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の質量流量制御システム。
【請求項６】
前記制御部は、前記システム内の前記流体の前記測定圧力および温度に応じて、前記システムを通る前記流体の測定流量Ｑｐを下式により決定するように構成されることを特徴とする、請求項５に記載の質量流量制御システム。
【数１】
2015530668.tif 000015
ただし、Ｃ´は前記流量規制器の孔吐出係数であり、Ａは前記流量規制器の実効開口面積であり、ｍはガスの分子量であり、γは前記ガスの比熱比であり、Ｔは前記ガスの温度であり、Ｐｕは前記上流圧力であり、ｆ（ｍ，γ，Ｔ）は、前記ガスの分子量、前記ガスの比熱比、および前記ガス温度に関連付けられた数学的関数である。
【請求項７】
前記流体源は、零流量設定ポイントが命令されると閉止される前記制御弁よりも下流に位置する既知容量の貯蔵器であり、
前記貯蔵器からまだ流体が流出可能であり、かつ、該流体は、チョーク流れの状態に基づいて前記システムによってＱｐが測定され、
別の流量測定であるＱｖが前記貯蔵器からの前記流体の減衰速度によって、下式により生成されることを特徴とする、請求項１に記載の質量流量制御システム。
【数２】
2015530668.tif 000016
ただし、ｔは時間を表し、ｋは変換定数を表し、Ｖ、Ｐｕ、およびＴは、それぞれ、前記貯蔵器の容量、ならびに前記貯蔵器内のガスの圧力および温度を表す。
【請求項８】
前記貯蔵器からの前記流体の前記減衰速度によってなされた流量測定であるＱｖと、チョーク流れの状態に基づいて前記システムによって測定された前記流量Ｑｐとの間のいかなる差にも応じて、その流量精度を自己検証することが可能であることを特徴とする、請求項７に記載の質量流量制御システム。
【請求項９】
前記流量の検証の終了後、前記零流量設定ポイントの命令を遂行して閉止される第２制御弁をさらに備えることを特徴とする、請求項７に記載の質量流量制御システム。
【請求項１０】
流量制御処理の工程間のいずれの間の検証期間でも検証が起こり、前記検証期間は１００〜３００ミリセカンドであることを特徴とする、請求項７に記載の質量流量制御システム。
【請求項１１】
前記貯蔵器は、前記制御弁と前記流量規制器との間に位置することを特徴とする、請求項７に記載の質量流量制御システム。
【請求項１２】
ＱｖからのＱｐの逸脱が所定の精度公差制限よりも大きい場合、前記システムは、ホストコントローラに対して、較正外状態を警告する警報を発することを特徴とする、請求項７に記載の質量流量制御システム。
【請求項１３】
前記システムは、ＱｐとＱｖとの間の前記流量の誤差が最小となるように、前記測定流量Ｑｐに対応する流量算出等式の係数を、前記検証結果に基づいて調整可能であり、前記流量検証期間の間、所定の精度公差制限以下で、前記公差の制限内で前記システムが再較正されることを特徴とする、請求項７に記載の質量流量制御システム。
【請求項１４】
流量規制器と、非チョーク流れの状態の間における流体の前記流量を測定するための前記流量規制器より上流の前記流体の圧力に応じて信号を生成する第１圧力センサおよび前記流量規制器より下流の流体の圧力に応じて信号を生成する第２圧力センサと、をさらに備え、
測定流量Ｑｐは以下の等式に基づくことを特徴とする、請求項１に記載の質量流量制御システム。
【数３】
2015530668.tif 000017
ただし、ｆは、前記上流の圧力Ｐｕ、前記下流の圧力Ｐｄ、前記ガスの温度Ｔ、前記ガスの分子量ｍ、前記ガスの比熱比γ、および実効開口面積Ａの数学的関数である。
【請求項１５】
システムを通る流体の流量を、制御信号に応じて制御する工程と、
前記制御信号を、前記システムを通る流体の測定流量と設定ポイントとに応じて生成する工程と、
前記流量制御処理の工程間で、前記システムの較正に用いるための既知容量の流体をいつでも供給する工程と、を備えることを特徴とする、
流量を処理に合わせて制御する時に質量流量制御システムの精度を検証する方法。
【請求項１６】
流体の前記流量を制御する工程は、チョーク流れの状態を作り出すように流量規制器を通る流体の流量を制御することを含むことを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記流量規制器を通る流量を制御する工程は、その断面積を調整可能である孔を通る前記流量を制御することを含むことを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記流量規制器を通る流量を制御する工程は、前記流量規制器を規定する調整可能な開口を備える第２制御弁を通る前記流量を制御することを含むことを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記システム内の流体の測定圧力を表す圧力測定信号を供給する工程と、前記システム内の流体の測定温度を表す温度測定信号を供給する工程とをさらに備えることを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
前記システムを通る流体の前記測定流量Ｑｐを、前記システム内の前記流体の前記測定圧力および温度に応じて、下式により決定する工程をさらに備えることを特徴とする、請求項１９に記載の方法。
【数４】
2015530668.tif 000018
ただし、Ｃ´は前記流量規制器の前記孔吐出係数であり、Ａは前記流量規制器の実効開口面積であり、ｍは前記ガスの分子量であり、γは前記ガスの比熱比であり、Ｔは前記ガス温度であり、Ｐｕは前記上流圧力であり、ｆ（ｍ、γ、Ｔ）は、前記ガス分子量、前記ガスの比熱比、および前記ガスの温度に関連付けられた数学的関数である。
【請求項２１】
零流量設定ポイントが命令されると閉止される制御弁よりも下流に位置する既知容量の貯蔵器からの流体源を提供することと、
前記貯蔵器からまだ流体が流出可能で、前記システムによってチョーク流れの状態に基づいてＱｐが測定される工程と、をさらに備え、
別の流量測定であるＱｖが、記貯蔵器からの前記流体の減衰速度によって、下式により生成されることを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
【数５】
2015530668.tif 000019
ただし、ｔは時間を表し、ｋは変換定数を表し、Ｖ、Ｐｕ、およびＴはそれぞれ、前記貯蔵器の容量、ならびに前記貯蔵器内の前記ガスの圧力および温度を表す。
【請求項２２】
前記貯蔵器からの前記流体の前記減衰速度によってなされた流量測定であるＱｖと、チョーク流れの状態に基づいて前記システムによって測定された前記流量Ｑｐとの間のいかなる差にも応じて、システム流量精度を自己検証する工程をさらに備えることを特徴とする、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記流量の検証の終了後、前記零流量設定ポイントの命令を遂行して第２制御弁を閉止する工程を備えることを特徴とする、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記流量制御処理の工程間のいずれの間の検証期間でも検証が起こり、前記検証期間は１００〜３００ミリセカンドであることを特徴とする、請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
前記貯蔵器は制御弁と流量規制器との間に位置することを特徴とする、請求項２１に記載の方法。
【請求項２６】
ＱｖからのＱｐの前記逸脱が所定の精度公差制限よりも大きい場合、ホストコントローラに対して、較正外状態を警告する警報を発する工程をさらに備えることを特徴とする、請求項２１に記載の方法。
【請求項２７】
ＱｐとＱｖとの間の前記流量の誤差が最小となるように、前記測定流量Ｑｐに対応する流量算出等式の係数を、前記検証の結果に基づいて調整し、前記流量の検証期間の間、所定の精度公差制限以下で、前記公差の制限内で前記システムを再較正する工程をさらに備えることを特徴とする、請求項２１に記載の方法。
【請求項２８】
非チョーク流れの状態の間における流体の前記流量を測定するための、流量規制器より上流の前記流体の圧力に応じて信号を生成する工程と、前記流量規制器より下流の流体の圧力に応じて信号を生成する工程と、をさらに備え、
前記測定される流量Ｑｐは以下の等式に基づくことを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
【数６】
2015530668.tif 000020
ただし、ｆは、前記上流の圧力Ｐｕ、前記下流の圧力Ｐｄ、前記ガスの温度Ｔ、前記ガスの分子量ｍ、前記ガスの比熱比γ、および実効開口面積Ａの数学的関数である。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
図１に示すように、新規な圧力式のＭＦＣ１００の実施形態は、（ａ）チョーク流れの状態に対応するとともに、（ｂ）ＭＦＣの精度の検証を可能にする情報をリアルタイムで供給するように構成される。ＭＦＣ１００は、ＭＦＣ１００の入力口１２０で流体１１０を受け入れる。流体は、入力口から支持ブロック１４０の導管１３０を通じて出力口１５０へと向かう。ＭＦＣ１００のブロック１４０の上流部は、上流制御弁に適用される流量制御信号に応答し、かつ応じてＭＦＣ１００の出力口１５０を通る流体１１０の流量を規制するように構成された上流制御弁１６０を支持する。特に、上流制御弁１６０は、ＭＦＣの出力口１５０からの流体１１０の流速を制御するために、制御部１７０からの流量制御信号に応答し、かつ応じて全開位置と全閉位置との間のどの位置でも動作可能である。流量制御信号は、以下の（ａ）および（ｂ）に応じて、制御部１７０によって生成される。（ａ）は、制御部１７０に示され適用されるとともに、ＭＦＣを流れる流体の所望の（流量設定ポイント）流量を表す（ユーザおよび／またはスタンドアローン型のコンピュータまたは処理ツールのような外部装置からの外部プログラムによって設定された）設定流量信号であり、（ｂ）は、ＭＦＣを流れる流体の圧力および温度に応じた測定流量を表す測定流量信号である。制御部１７０は、システムに受信され、検知された温度信号および圧力信号に基づいて、正確な測定流量信号を供給するのに必要な、較正係数を記憶するためのメモリを備える。示された実施形態では、この測定された流量信号は、（図１に圧力変換器の形態で示す）圧力センサ１８０によって与えられる圧力信号および温度センサ１９０によってあたえられる温度信号に応じて与えられる。ＭＦＣ１００の出力口１５０には、１３８で示されるあるタイプの流量制約器が設けられており、その流量制約器は、下流制御弁２１０によって（制約する開口を創出するために弁の位置を制御することによって）得られる、またはチョーク流れの状態下で出力口１５０から流れる流体の流量および圧力を制限する効果を有する流出ノズル／孔１３８のような別の装置によってえられる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
また、ＭＦＣの精度をリアルタイムで検証するために、図１に示す実施形態のＭＦＣ１００は、出力口１５０でブロック１４０に支持される下流制御弁２１０と、貯蔵器２２０とをさらに備える。貯蔵器２２０はふたつの制御弁１６０および２１０の間でブロック１４０に支持される。貯蔵器は、ＭＦＣへ流れる流体を既知の容量で貯蔵するように構成される。温度センサ１９０は、貯蔵器２２０内の流体の温度、およびこれによりＭＦＣを流れる流体の温度を近似して貯蔵器の壁の温度を測定するように、貯蔵器２２０に接続されている。温度センサ１９０は、測定温度を表す信号を、制御部１７０へ供給する。測定流量は、圧力センサ１８０によって測定された圧力同様に、この測定温度に応じて変わる。圧力センサ１８０も、２つの弁１６０および２１０の間の導管１３０に接続され、導管１３０を通って下流制御弁２１０の孔１３８として示される流量制約器へ流れる流体１１０の圧力を測定するように構成されている。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
処理操作の間、下流制御弁２１０が開いており、かつ、流量設定ポイントが非零値に設定されており、制御部１７０は、測定流量が当該非零設定値に等しくなるように上流制御弁１６０を通る流れを制御する。ＭＦＣを通る流れの測定質量流量を決定するために、検知温度および圧力を表すデータは、温度センサ１９０および圧力センサ１８０から制御部１７０へ、信号の形態で送信される。以下に詳細に説明するように、制御部１７０は、チョーク流れの状態のための等式（２）に基づいて、測定流量を決定する。
【数２】
2015530668.tif 000021
ここで、Ｃ´は孔１３８の孔吐出係数、Ａは実効開口面積、ｍはガスの分子量、γはガスの比熱比、Ｔはガス温度、Ｐｕは上流圧力、ｆ（ｍ、γ、Ｔ）は、ガス分子量ｍ、ガスの比熱比γ、およびガス温度Ｔに関連付けられた数学的関数である。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
例えば、ガス供給処理の２工程の間、または処理の完了後の期間であれば、零設定ポイントが命令されればいつでも、流量検証チェックが行なわれる。（ＭＦＣの下流よりも高い圧力で）流体は貯蔵器２２０から連続して流れるので、圧力センサ１８０によって供給された圧力信号の減衰速度に基づいて、制御部１７０が流量を検証することを可能とするように、制御部１７０は、流量検証期間の間、上流制御弁１６０を自動的に閉鎖する。検証期間は、測定実行のために典型的には約１００〜３００ｍｓｅｃを必要とする。ある実施形態では、検証期間は１００〜３００ミリセカンドでもよい。検証期間の間、貯蔵器２２０からの流体１１０はＭＦＣ１００の出力口１５０の外へ向かわされる。残りの流体１１０がシステムを出る際の流量を示すＱｖは、減衰速度原理によって決まり、等式（３）によって決めることができる。
【数３】
2015530668.tif 000022
ここで、ｔは時間を表し、ｋは変換定数を表し、Ｖ，ＰｕおよびＴはそれぞれ、貯蔵器２２０の容量、圧力センサ１８０によって測定されるガスの圧力、および温度センサ１９０によって測定されるガスの温度を表す。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
検証期間が終了するとすぐに、下流制御弁２１０が完全に閉止されて、いかなる残りの流体１１０もＭＦＣ１００の外に出てしまうことを防止する。検証期間の間、ＭＦＣ１００は、等式（３）に従って決定した減衰速度の流量Ｑｖと対比して、等式（２）を用いて算出した流量Ｑｐを検証する。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
図２は、非チョーク流れの状態に対応してＭＦＣを操作するための実施形態を示す。特に、ＭＦＣ２００は図１の実施形態と同一または類似の構成要素を備えるが、ノズル／孔１３８より下流のガスの圧力を検知するために配設した追加の（圧力変換器として示した）圧力センサ２６０を伴う。第２圧力センサ２６０はブロック１４０に載置可能、またはブロックから離して載置することも可能である。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
図２の実施形態は、チョーク流れの状態と非チョーク流れの状態の両方で使用可能であることが好ましい。つまり、チョーク流れの状態または非チョーク流れの状態のいずれに対応してＭＦＣ２００を操作するかによって、図２の実施形態の操作モードが決定される。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
非チョーク流れの状態下で流出する間、検証のために上流制御弁が再び閉止されると、貯蔵器２２０からＭＦＣ２００の出力口１５０の外（弁２１０より下流）へガスが流出する。検証した流量Ｑｖはやはり上記等式（３）によって決定される。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２５】
ＱｐおよびＱｖの値に関するデータは制御部１７０内に蓄積可能であり、ＱｐおよびＱｖに関連付けられたデータを比較して、ＭＦＣがある一定の較正公差外かどうかを判定することができる。さらに、等式（４）の係数を更新して、ＱｖとＱｐ間の流量誤差を最小化することができる。それ故、ＭＦＣ２００は流量検証期間の間、再較正される。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2015530668.tif 000023
【図２】
2015530668.tif 000024
【国際調査報告】
2015530668.tif 000025
2015530668.tif 000026
2015530668.tif 000027