特許 6677646 質量流量制御装置の流量をリアルタイムで監視するシステムおよび方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6677646

(24)【登録日】2020年3月17日

(45)【発行日】2020年4月8日

(54)【発明の名称】質量流量制御装置の流量をリアルタイムで監視するシステムおよび方法

(51)【国際特許分類】

   G05D 7/06 20060101AFI20200330BHJP

   F17D 3/01 20060101ALI20200330BHJP

   G01F 1/00 20060101ALI20200330BHJP

   G01F 1/34 20060101ALI20200330BHJP

   G01F 1/68 20060101ALI20200330BHJP

【ＦＩ】

   G05D7/06 Z

   F17D3/01

   G01F1/00 S

   G01F1/34 Z

   G01F1/68 B

【請求項の数】17

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2016-556845(P2016-556845)

(86)(22)【出願日】2015年2月13日

(65)【公表番号】特表2017-516183(P2017-516183A)

(43)【公表日】2017年6月15日

(86)【国際出願番号】US2015015831

(87)【国際公開番号】WO2015138085

(87)【国際公開日】20150917

【審査請求日】2017年9月5日

(31)【優先権主張番号】14/205,030

(32)【優先日】2014年3月11日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】592053963

【氏名又は名称】エム ケー エス インストルメンツ インコーポレーテッド

【氏名又は名称原語表記】ＭＫＳ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳ，ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＥＤ

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】特許業務法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ディング，ジュンファ

【審査官】 山村 秀政

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００８−１７０４１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１３／１０９４４３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特表２０１３−５０８８２５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０５Ｄ ７／０６

Ｆ１７Ｄ ３／０１

Ｇ０１Ｆ １／００

Ｇ０１Ｆ １／３４

Ｇ０１Ｆ １／６８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

源から目標へのガスの流量を制御する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ガスの質量流量を検知したガスの温度の差に応じて測定するように構成および配置された熱質量流量計である第１の流量計と、
圧力センサと、前記質量流量制御装置を流れるガスを受け入れる所定容量を規定する構造とを備える第２の流量計であって、前記所定容量から流通可能とされた場合のガスの測定圧力の減衰率に応じて、前記質量流量制御装置を流れるガスの質量流量を計測するように構成および配置された第２の流量計と、
前記質量流量制御装置に流入するガスの流量を選択的に制御するように構成および配置された、前記第１の流量計と前記第２の流量計よりも上流に位置する上流比例制御弁と、
流量の設定点と前記第１の流量計によって測定した流量とに応じて生成された制御信号に応答して、前記質量流量制御装置からのガスの質量流量を制御するように構成および配置された、前記第１の流量計と前記第２の流量計よりも下流に位置する下流比例制御弁と、
前記制御信号を生成し、かつ、以下のように前記第１の流量計により計測された質量流量を検証するように構成および配置されたシステム処理制御部とを備え、
（ａ）前記流量の設定点が零の場合、前記下流比例制御弁が閉弁され、かつ、前記下流比例制御弁より上流の前記上流比例制御弁が開弁され、前記源からのガスが前記所定容量を満たすことができるようにする。そして前記上流比例制御弁が閉弁される；
（ｂ）前記流量の設定点が零から非零値へ変更された場合、前記上流比例制御弁は閉弁に維持され、前記下流比例制御弁は開弁されて、前記第１の流量計によって測定された流量Ｑｔを前記流量の設定点に規制する；
（ｃ）所定期間の間、前記質量流量制御装置は、下記の関係に従って、圧力信号の減衰率に基づいて、前記流量を検証する：
Ｑｖ＝−Ｖ［ｄ（Ｐ／Ｔ）］／ｄｔ
ここで、
Ｑｖは、前記第２の流量計によって決定された検証流量であり、
Ｖは前記所定容量であり、
Ｐは前記圧力信号によって測定した圧力であり、
Ｔは温度信号によって測定した温度であり、
ｄ（Ｐ／Ｔ）／ｄｔは、比率Ｐ／Ｔの一次導関数、すなわち比率Ｐ／Ｔの変化率である；
（ｄ）前記流量の検証後、前記上流比例制御弁が開弁し、前記質量流量制御装置に流量制御を継続させ、
前記システム処理制御部は、前記第１の流量計によって測定したガスの質量流量と前記第２の流量計によって測定したガスの質量流量との間の差異が閾値を超える場合、表示を与え、
前記圧力センサと、前記上流比例制御弁と、前記システム処理制御部とが、前記所定容量内の圧力を規制するように構成された閉ループ圧力制御装置を形成するように、さらに構成および配置された質量流量制御装置。

【請求項2】

前記閉ループ圧力制御装置は、前記所定容量の内部圧力が入力ガスの上流圧力まで突入ガスを回避可能な速さで上昇するように前記上流比例制御弁を調整可能であるように、さらに構成および配置された請求項１に記載の質量流量制御装置。

【請求項3】

前記閉ループ圧力制御装置は、前記質量流量制御装置が源から目標へのガスの流量を制御している時に、流量制御中の上流圧力障害がある場合、前記閉ループ圧力制御装置が、前記上流比例制御弁の開度を前記所定容量内の圧力を規制するように自動的に調整し、前記質量流量制御装置の流量制御の圧力不感受性能を改善するように前記質量流量制御装置の出力流量制御への前記上流圧力障害の影響が最小化されるようさらに構成および配置された請求項２に記載の質量流量制御装置。

【請求項4】

前記閉ループ圧力制御装置は、前記質量流量制御装置が源から目標へのガスの流量を制御している時に、流量制御中の上流圧力障害がある場合、前記閉ループ圧力制御装置が、前記上流比例制御弁の開度を前記所定容量内の圧力を規制するように自動的に調整し、前記質量流量制御装置の流量制御の圧力不感受性能を改善するように前記質量流量制御装置の出力流量制御への前記上流圧力障害の影響が最小化されるよう構成および配置された請求項１に記載の質量流量制御装置。

【請求項5】

前記所定容量を規定する前記構造が、前記第１の流量計、前記第２の流量計、前記上流比例制御弁、および前記下流比例制御弁のうち１つ以上を支持する請求項１に記載の質量流量制御装置。

【請求項6】

前記上流比例制御弁は、前記下流比例制御弁の上流に位置し、前記所定容量は、ガスが流通可能な前記下流比例制御弁と前記上流比例制御弁との間に位置し、前記質量流量制御装置は、前記所定容量内のガスの温度および圧力を表す圧力信号および温度信号をそれぞれ生成するための圧力センサおよび温度センサをさらに備える、請求項１に記載の質量流量制御装置。

【請求項7】

前記所定容量は、前記質量流量制御装置内の前記下流比例制御弁および前記上流比例制御弁の間にあり、前記閉ループ圧力制御装置は、（１）前記質量流量制御装置の内側圧力が入力ガスの上流圧力まで突入ガスを回避可能な速さで上昇するように前記上流比例制御弁を制御可能であり、また（２）流量制御期間に上流圧力障害がある場合、前記閉ループ圧力制御装置が、前記上流比例制御弁の開度を前記所定容量内の圧力を規制するように自動的に調整し、前記質量流量制御装置の流量制御の圧力不感受性能を改善するように前記質量流量制御装置の出力流量制御に対する前記上流圧力障害の影響が最小化されるよう構成および配置された請求項６に記載の質量流量制御装置。

【請求項8】

前記所定期間は約５０ｍｓと１０００ｍｓとの間である請求項１に記載の質量流量制御装置。

【請求項9】

前記質量流量制御装置は、前記検証流量Ｑｖを、前記第１の流量計によって測定した流量Ｑｔと比較するようにさらに構成され、ＱｔとＱｖとの間の偏差が前記閾値を超える場合は、流量誤差警告信号が供給される請求項１に記載の質量流量制御装置。

【請求項10】

前記質量流量制御装置は、ＱｖおよびＱｔの測定値に基づいて自己較正を行うように構成されている請求項９に記載の質量流量制御装置。

【請求項11】

前記下流比例制御弁は、前記流量の設定点が非零である間は、前記質量流量制御装置を流れる前記流量の設定点の質量流量に応じて、前記質量流量制御装置をガスが流れることができるように制御される請求項１に記載の質量流量制御装置。

【請求項12】

前記流量の設定点の零への設定に続けて、前記質量流量制御装置は、前記上流比例制御弁を直ちに閉弁するように構成されている請求項１に記載の質量流量制御装置。

【請求項13】

前記閾値はユーザ設定である請求項１に記載の質量流量制御装置。

【請求項14】

前記閾値は工場設定である請求項１に記載の質量流量制御装置。

【請求項15】

前記閾値は、ガスを配送するのに制御部が用いられる処理に対応した質量流量の許容公差に応じて設定される請求項１に記載の質量流量制御装置。

【請求項16】

源から目標へのガスの流量を制御する圧力不感受性の質量流量制御装置であって、
流量の設定点と、検知したガスの温度の差に応じて測定した前記質量流量制御装置を流れるガスの測定流量とに応じて、質量流量信号を供給するように構成および配置された熱質量流量計である第１の流量計と、
前記質量流量制御装置を流れるガスの流量を、前記第１の流量計により測定した流量に基づいた弁制御信号に応答して制御するように構成および配置された、前記第１の流量計よりも下流に位置する下流比例制御弁と、
前記流量の設定点信号および前記質量流量信号に応じて前記弁制御信号を生成するように構成および配置されたシステム処理制御部と、
前記質量流量制御装置を流れるガスの測定圧力を表す圧力測定信号を供給するように構成および配置された圧力センサと、前記質量流量制御装置を流れるガスを受け入れる所定容量を規定する構造とを備える第２の流量計であって、前記第２の流量計は、前記ガスの前記測定圧力に応じて第２の質量流量信号を供給するように構成および配置された前記第２の流量計と、
前記測定圧力に応じて、前記質量流量制御装置に流入するガスの前記流量を選択的に制御するように構成および前記圧力センサの上流に配置された、前記第１の流量計と前記第２の流量計よりも上流に位置する上流比例制御弁と、を備え、
前記圧力センサと、前記上流比例制御弁と、前記システム処理制御部とが、前記質量流量制御装置に流入する圧力流を規制するように構成された閉ループ圧力制御装置を形成するように、さらに構成および配置され、以下のように前記第１の流量計により計測された質量流量を検証する圧力不感受性の質量流量制御装置。
（ａ）前記流量の設定点が零の場合、前記下流比例制御弁が閉弁され、かつ、前記下流比例制御弁より上流の前記上流比例制御弁が開弁され、前記源からのガスが前記所定容量を満たすことができるようにする。そして前記上流比例制御弁が閉弁される；
（ｂ）前記流量の設定点が零から非零値へ変更された場合、前記上流比例制御弁は閉弁に維持され、前記下流比例制御弁は開弁されて、前記第１の流量計によって測定された流量Ｑｔを前記流量の設定点に規制する；
（ｃ）所定期間の間、前記質量流量制御装置は、下記の関係に従って、圧力信号の減衰率に基づいて、前記流量を検証する：
Ｑｖ＝−Ｖ［ｄ（Ｐ／Ｔ）］／ｄｔ
ここで、
Ｑｖは、前記第２の流量計によって決定された検証流量であり、
Ｖは前記所定容量であり、
Ｐは前記圧力信号によって測定した圧力であり、
Ｔは温度信号によって測定した温度であり、
ｄ（Ｐ／Ｔ）／ｄｔは、比率Ｐ／Ｔの一次導関数、すなわち比率Ｐ／Ｔの変化率である；
（ｄ）前記流量の検証後、前記上流比例制御弁が開弁し、前記質量流量制御装置に流量制御を継続させ、
前記システム処理制御部は、前記第１の流量計によって測定したガスの質量流量と前記第２の流量計によって測定したガスの質量流量との間の差異が閾値を超える場合、表示を与える。

【請求項17】

源から目標へのガスの流量を制御する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ガスの質量流量を検知したガスの温度の差に応じて測定するように構成および配置された熱質量流量計である第１の流量計と、
圧力センサと、前記質量流量制御装置を流れるガスを受け入れる所定容量を規定する構造とを備える第２の流量計であって、前記第２の流量計は、前記所定容量から流通可能とされた場合のガスの測定圧力の減衰率に応じて、前記質量流量制御装置を流れるガスの質量流量を計測および検証するように構成および配置された第２の流量計と、
前記質量流量制御装置に流入するガスの流量を選択的に制御するように構成および配置された、前記第１の流量計と前記第２の流量計よりも上流に位置する上流比例制御弁と、
流量の設定点と前記第１の流量計によって測定した流量とに応じて生成された制御信号に応答して、前記質量流量制御装置からのガスの質量流量を制御するように構成および配置された、前記第１の流量計と前記第２の流量計よりも下流に位置する下流比例制御弁と、
前記制御信号を生成し、かつ、以下のように前記所定容量から流通可能とされたガスの測定圧力の減衰率に応じて、前記質量流量制御装置の質量流量制御の精度を検証するように構成および配置されたシステム処理制御部と、を備え、
（ａ）前記流量の設定点が零の場合、前記下流比例制御弁が閉弁され、かつ、前記下流比例制御弁より上流の前記上流比例制御弁が開弁され、前記源からのガスが前記所定容量を満たすことができるようにする。そして前記上流比例制御弁が閉弁される；
（ｂ）前記流量の設定点が零から非零値へ変更された場合、前記上流比例制御弁は閉弁に維持され、前記下流比例制御弁は開弁されて、前記第１の流量計によって測定された流量Ｑｔを前記流量の設定点に規制する；
（ｃ）所定期間の間、前記質量流量制御装置は、下記の関係に従って、圧力信号の減衰率に基づいて、前記流量を検証する：
Ｑｖ＝−Ｖ［ｄ（Ｐ／Ｔ）］／ｄｔ
ここで、
Ｑｖは、前記第２の流量計によって決定された検証流量であり、
Ｖは前記所定容量であり、
Ｐは前記圧力信号によって測定した圧力であり、
Ｔは温度信号によって測定した温度であり、
ｄ（Ｐ／Ｔ）／ｄｔは、比率Ｐ／Ｔの一次導関数、すなわち比率Ｐ／Ｔの変化率である；
（ｄ）前記流量の検証後、前記上流比例制御弁が開弁し、前記質量流量制御装置に流量制御を継続させ、
前記システム処理制御部は、前記第１の流量計によって測定したガスの質量流量と前記第２の流量計によって測定したガスの質量流量との間の差異が閾値を超える場合、表示を与え、
前記所定容量を規定する前記構造は、少なくとも前記第２の流量計および前記上流比例制御弁を支持する取り付けブロックであり、
前記圧力センサと、前記上流比例制御弁と、前記システム処理制御部とが、前記質量流量制御装置に流入する圧力流を規制するように構成された閉ループ圧力制御装置を形成するように、さらに構成および配置された質量流量制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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。

【0002】

（関連出願の相互参照）
本願は、「質量流量制御装置の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、代理人整理番号０８６４００−００９０（ＭＫＳＫ−０２２７ＵＳ）で、２０１２年１月２０日出願の米国特許出願第１３／３５４，９８８号の一部継続出願であり、「質量流量制御装置の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、代理人整理番号０８６４００−０１９１（ＭＫＳ−２３６ＵＳ）、２０１４年３月１１日出願の、米国特許出願第１４／２０５，０３０号に基づくとともに、これらの出願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。

【背景技術】

【0003】

質量流量制御装置（ＭＦＣ）は、ガスの流量を測定および制御する装置である。通常、これらを用いて半導体製造処理中にガスの流量を制御するが、半導体製品を高生産率で製造するためには、真空容器のような半導体ツールへのガスの流量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。これらの装置は所与の設定点に基づいて流量を制御し、それは通常、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あらかじめ決められている。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が入手可能である。ＭＦＣは全て、入力口、出力口、ならびに質量流量センサおよび比例制御弁を備える質量流量計を有する。システム制御装置は、質量流量センサが検知したとして測定した流量とともに設定点によって決定される流量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で測定流量が維持されるように、弁を作動させる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００４−２４６８２６号公報

【特許文献2】米国特許出願公報第２００６／０２７８２７６号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

このような制御システムは、ＭＦＣが較正状態をある公差内に維持されていることを想定している。ＭＦＣ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にてオフラインで検査される。後者は流量を検査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、ＭＦＣが（リアルタイムでの）処理運転中に較正外となる可能性が有り、処理が終了するまではＭＦＣが検知されないという問題を常に抱えている。この結果、半導体製品の歩留まりが低下するとともに、製品の全生産が欠損する結果となる完全な失敗にさえしばしなり得る。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、ＭＦＣの較正設定を実時間で継続的に検査する装置及び方法である。

【課題を解決するための手段】

【0006】

一実施形態において、源から目標へのガスの流量を制御する質量流量制御装置を提供する。質量流量制御装置は、第１および第２の流量計、ならびに上流および下流比例制御弁を備える。第１の流量計は、質量流量制御装置を流れるガスの質量流量を熱検知質量流量に応じて測定するように構成および配置される。第２の流量計は、圧力センサと、質量流量制御装置を流れるガスを受け入れる所定容量を規定する構造とを備える。第２の流量計は、所定容量から流通可能とされた場合のガスの測定圧力の減衰率に応じて、質量流量制御装置を流れるガスの質量流量を計測するように構成および配置される。上流比例制御弁は、質量流量制御装置に流入するガスの流量を選択的に制御するように構成および配置される。下流比例制御弁は、設定点と流量計のうち１つによって測定した流量とに応じて生成された制御信号に応答して、質量流量制御装置からのガスの質量流量を制御するように構成および配置される。システム処理制御部は、制御信号を生成し、かつ、第１の流量計によって測定したガスの質量流量と第２の流量計によって測定したガスの質量流量との間の差異が閾値を超える場合、表示を与えるように構成および配置される。圧力センサと、上流流量比例制御弁と、システム処理制御部とは、所定容量内の圧力を規制するように構成された閉ループ圧力制御装置を形成するように、さらに構成および配置される。

【0007】

一実施形態において、閉ループ圧力制御装置は、突入ガスを回避するため、所定容量の内部圧力を入力ガスの上流圧力まで十分にゆっくりと上昇させるように、上流比例制御弁を調整可能であるように、さらに構成および配置される。

【0008】

一実施形態において、閉ループ圧力制御装置は、質量流量制御装置が源から目標へのガスの流量を制御している時に、流量制御中に上流圧力障害がある場合、閉ループ圧力制御装置が、上流比例制御弁の開度を所定容量内の前記圧力を規制するように自動的に調整し、出力流量制御への質量流量制御装置の入力圧力障害の影響が最小化され、質量流量制御装置の流量制御の圧力不感受性能が改善されるように、さらに構成および配置される。

【0009】

一実施形態において、閉ループ圧力制御装置は、質量流量制御装置が源から目標へのガスの流量を制御している時に、流量制御中に上流圧力障害がある場合、閉ループ圧力制御装置が、上流比例制御弁の開度を所定容量内の圧力を規制するように自動的に調整し、出力流量制御への質量流量制御装置の入力圧力障害の影響が最小化され、質量流量制御装置の流量制御の圧力不感受性能が改善されるように、構成および配置される。

【0010】

一実施形態において、所定容量を規定する構造が、第１の流量計、第２の流量計、上流比例制御弁、および下流比例制御弁の１つ以上を支持する。

【0011】

一実施形態において、第１の質量流量計は熱質量流量計を備え、下流比例制御弁は、熱質量流量計よりも下流に位置する。

【0012】

一実施形態において、第２の比例制御弁は、第１の比例制御弁の上流に位置し、所定容量は、ガスが流通可能な第１の比例制御弁と第２の比例制御弁との間に位置し、質量流量制御装置は、所定容量内のガスの温度および圧力を表す圧力信号および温度信号をそれぞれ生成するための圧力センサおよび温度センサをさらに備える。

【0013】

一実施形態において、第２の流量計は圧力センサを備え、システム処理制御部、圧力センサ、および第２の制御弁は、閉ループ圧力制御装置を形成して、所定容量内の圧力を規制する。

【0014】

一実施形態において、所定容量は、第１および第２の制御弁の間の質量流量制御装置内にあり、閉ループ圧力制御装置は、（１）突入ガスを回避するために、ＭＦＣの内側圧力を入力ガスの上流圧力まで十分にゆっくりと上昇させるように、第２の制御弁を制御可能であり、また（２）流量制御期間に上流圧力障害がある場合、閉ループ圧力制御装置が、第２の制御弁の開度を所定容量内の圧力を規制するように自動的に調整し、質量流量制御装置の流量制御の圧力不感受性能を改善するように質量流量制御装置の出力流量制御に対する入力圧力障害の影響が最小化されるよう構成および配置される。

【0015】

一実施形態において、質量流量制御装置および処理制御部は、以下のように作動するように構成および配置される。
（ａ）設定点が零の場合、流量制御弁が閉弁され、かつ、流量制御弁より上流の第２の制御弁が開弁され、源からのガスが所定容量を満たすことができるようにする。そして第２の制御弁が閉弁される。
（ｂ）流量の設定点が零から非零値へ変更された場合、第２の制御弁は閉弁に維持され、かつ、流量制御弁は開弁されて、第１の流量計によって測定された流量Ｑｔを流量の設定点まで規制する。
（ｃ）所定期間の間、質量流量制御装置は、下記の関係に従って、圧力信号の減衰率に基づいて、流量を検証する。
Ｑｖ＝−Ｖ［ｄ（Ｐ／Ｔ）］／ｄｔ
ここで、
Ｑｖは、第２の流量計によって決定された検証流量であり、
Ｖは所定容量であり、
Ｐは圧力信号によって測定した圧力であり、
Ｔは温度信号によって測定した温度であり、
ｄ（Ｐ／Ｔ）／ｄｔは、比率Ｐ／Ｔの一次導関数、すなわち比率Ｐ／Ｔの変化率である；
（ｄ）流量検証後、第２の制御弁が開弁し、質量流量制御装置に流量制御を継続させる。

【0016】

一実施形態において、所定期間は約５０ｍｓと１０００ｍｓとの間である。

【0017】

一実施形態において、質量流量制御装置は、検証流量Ｑｖを、第１の流量計によって測定した流量Ｑｔと比較するようにさらに構成され、ＱｔとＱｖとの間の偏差が閾値を超える場合は、流量誤差警告信号が供給される。

【0018】

一実施形態において、質量流量制御装置は、ＱｖおよびＱｔの測定値に基づいて自己較正を行うように構成されている。

【0019】

一実施形態において、第１の比例制御弁は、流量の設定点が非零である間は、質量流量制御装置を流れる流量の設定点の質量流量に応じて、質量流量制御装置をガスが流れることができるように制御される。

【0020】

一実施形態において、流量の設定点の零への設定に続けて、質量流量制御装置は、第２の比例流量制御弁を直ちに閉弁するように構成されている。

【0021】

一実施形態において、閾値はユーザ設定である。

【0022】

一実施形態において、閾値は工場設定である。

【0023】

一実施形態において、閾値は、ガスを配送する制御部が用いられる処理に対応した質量流量の許容公差に応じて設定される。

【0024】

一実施形態にしたがい、圧力不感受性の質量流量制御装置は、源から目標へのガスの流量を制御するように構成および配置される。質量流量制御装置は、第１の流量計と、第１の比例制御弁と、システム処理制御部と、第２の流量計と、第２の上流比例制御弁と、を備える。第１の流量計は、設定点と質量流量制御装置を流れるガスの測定流量とに応じて、質量流量信号を供給するように構成および配置される。第１の比例制御弁は、質量流量制御装置を流れるガスの流量を、弁制御信号に応答して制御するように構成および配置される。システム処理制御部は、設定点信号および質量流量信号に応じて弁制御信号を生成するように構成および配置される。第２の流量計は、質量流量制御装置を流れるガスの測定圧力を表す圧力測定信号を供給するように構成および配置された圧力センサを備える。第２の流量計は、ガスの測定圧力に応じて第２の質量流量信号を供給するように構成および配置される。第２の上流比例制御弁は、圧力センサの上流で、第２の質量流量信号に応じて、質量流量制御装置に流入するガスの流量を選択的に制御するように構成および配置される。圧力センサと、第２の上流流量比例制御弁と、システム処理制御部とは、質量流量制御装置に流入する圧力流を規制するように構成された閉ループ圧力制御装置を形成するように、さらに構成および配置される。

【0025】

一実施形態において、質量流量制御装置は源から目標へのガスの流量を制御するように構成および配置される。質量流量制御装置は、第１の流量計と、第２の流量計と、上流比例制御弁と、下流比例制御弁と、システム処理制御部とを備える。第１の流量計は、質量流量制御装置を流れるガスの質量流量を検知質量流量に応じて測定するように構成および配置される。第２の流量計は、圧力センサと、質量流量制御装置を流れるガスを受け入れる所定容量を規定する構造とを備える。第２の流量計は、所定容量から流通可能とされた場合のガスの測定圧力の減衰率に応じて、質量流量制御装置を流れるガスの質量流量を計測および検証するように構成および配置される。上流比例制御弁は、質量流量制御装置に流入するガスの流量を選択的に制御するように構成および配置される。下流比例制御弁は、設定点と第１の流量計によって測定した流量とに応じて生成された制御信号に応答して、質量流量制御装置からのガスの質量流量を制御するように構成および配置される。システム処理制御部は、制御信号を生成し、所定容量から流通可能とされたガスの測定圧力の減衰率に応じて、質量流量制御装置の質量流量制御の精度を検証するように構成および配置される。所定容量を規定する前記構造は、少なくとも第２の流量計および上流比例制御弁を支持する取り付けブロックである。

【0026】

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、および添付の図面の検討から明確になるだろう。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】図１は、ＭＦＣの精度をリアルタイムで監視してＭＦＣの流量を制御するように構成および配置した、簡略化したＭＦＣのブロック図である。

【図2】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】図３は、図１および図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】図４は、ここに記載の教示を採用するＭＦＣの別の実施形態のブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0028】

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することがある。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。

【0029】

次に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することがある。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。

【0030】

図１を参照すると、図示例の質量流量制御装置１０は、ＭＦＣの流量を制御するとともに、ＭＦＣの精度を実時間で監視するように構成および配置される。図示のように、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。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、流量計のうち１つが測定した流量と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つの流量計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。

【0031】

全体として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の流量を制御するとともに、ＭＦＣの精度を実時間で監視するために構成および配置される。図示のように、ガスは、ブロック２８の入力ポート３２に入り、ブロック２８は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。通常熱質量流量計は、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は、対向する端部が、それぞれバイパス要素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（２つが最も一般的）の抵抗要素４２は、（本例では）２つの抵抗要素の抵抗の差の関数としての温度測定に基いて、毛細管を流れる流量の測定に用いられ、質量流量の測定は流体の温度検出の差の関数になる。バイパス要素３８は、毛細管４０の両端部の間のバイパス要素３８を流れるガスが、必ず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が、主流路３４の正確な割合の流量となる。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。

【0032】

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、流量計５０は、流量規制器５２（例えば、不可欠である流出ノズルまたは孔）、温度センサ５４、および上流圧力センサ５６を備える。温度センサ５４および上流圧力センサ５６は、流量規制器５２より上流の主流路３４を流れるガスの温度および圧力のそれぞれ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、第２の流量計５０を流れる質量流量の判定に、これら検知した測定が用いられる。非チョーク流れの状態のため、第２または下流圧力センサ５８が流量規制器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、第２の計測器５０を流れる質量流量が、これら検知した測定に応じた判定される。（チョークおよび非チョークの実施形態ともに）第２の流量計５０が供給する第２の測定結果は、第１の流量計３０が供給する測定結果の影響を受けない。

【0033】

図３を参照すると、システム制御装置１６は、ＭＦＣの同じ流量に対する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に対して設けられ、これに続けて、流量制御部７４は、比例制御弁１８へ制御信号を与える。２つの測定結果間の差異を表すとともに当該差異の関数としての出力信号を供給するために、比較器７６を設けて、２つの計測器７０および７２が供給する検知した流量測定結果を表すデータを比較する。この出力信号と、（閾値設定８０によって供給される）ある閾値とを、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つの流量測定の差が所定の閾値を超えるような異なる流量測定が２つの計測器から供給される）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１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における閾値設定の値は、工場でのＭＦＣの初期設定の間に設定またはユーザのプログラムを含むいくつもある方法のいずれか１つで供給することができる。閾値は、ガスを送出するのに制御部が用いられる特定の処理に対応した質量流量の許容公差に応じて設定可能である。このように、ある処理では他の処理よりも許容流量の公差を大きくしてもよい。

【0034】

図２では、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、ＭＦＣ２０の意図する用途により、これらを、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。図４に別の例を示し、以下、より詳細に検討する。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つの流量計の位置を、ＭＦＣの主流路３４に沿う任意の場所にすることができる。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。

【0035】

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の精度を実時間で検証するが、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。

【0036】

図４に示すＭＦＣ９０のより詳細な図示例の実施形態は、ここに記載のように構成および配置されるとともに作動する、システム制御装置、処理装置１１０、および、２つの流量計１００ならびに１２０を備える。図４に示すこの実施形態は、流量を測定するための熱質量流量と、ＭＦＣ９０の流量を制御するために熱質量流量計による測定結果に応答するための下流制御弁とを利用する。さらに、ＭＦＣ９０は、圧力の減衰率法を利用して流量検証するために、統合型の圧力および温度センサと、所定の内部容量と、（下流制御弁と一緒になった）統合型上流制御弁とを備える。

【0037】

図４に示すように、ガスはブロック９４の入力ポート９２に入力される。ブロック９４は、ＭＦＣを通って出力口９８へ到る主流路９６を規定する流路を備える。第１の流量計１００を熱質量流量計として示す。上述のように、一般的に熱質量流量計は、１０２に示すような熱質量流量センサを備える。通常熱質量流量計は、ブロック９４を流れるガス流の主流路９６のバイパス内に配設されるバイパス要素１０４を備える。Ｕ字型毛細管１０６は、対向する端部が、それぞれバイパス素子１０４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（２つが最も一般的）抵抗要素（図示なし）は、毛細管の流量を温度測定に基づいて測定するのに用いられる。この例では、温度は２つの抵抗要素の抵抗の差に応じて測定でき、これが流体の検知温度における差となる。そして、この測定温度の差は、質量流量の測定となる。バイパス要素１０４は、毛細管１０６の両端部の間のバイパス要素１０４を流れるガス流が、必ず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１０６の検知流量が、主流路９６の正確な割合の流れとなる。このように、毛細管１０６を流れるガスの測定流量は、ＭＦＣ９０を流れて出力口９８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１１０へ伝達される。流量は下流制御弁１１２で制御される。より具体的には、熱質量流量センサ１０２が検知した測定流量の関数として、信号が流量計１００によりシステム制御装置１１０へ供給される。また、システム制御装置１１０は、所望流量を表す設定点を表す信号を受信する。この設定点は、行われている処理に応じたものである。２つの信号が比較され、下流制御弁１１２にフィードバック信号が送信される。制御部は、実際の流量ができる限り設定点に近づくのを確実にする必要に応じ、制御弁を調整するために構成および配置される。

【0038】

熱質量流量計１００および制御弁１１２が質量流量制御装置９０のガス流を正確に制御していることを検証するために、質量流量制御装置９０は、圧力の減衰率法を利用して質量流量制御装置の（熱質量流量計で測定したものとしての）流量を検証するように構成および配置された第２の流量計１２０をさらに備える。第２の流量計１２０は、質量流量制御装置を流れるガスが入力される所定容量１２２を備える。図示の実施形態において、所定容量１２２はブロック９４の形態の構造における空孔によって形成及び規定されている。ブロック９４内に容量を形成することは、容量１２２を規定する別体の容器を不要とし、ＭＦＣの複雑な構造及びコストを低減する。部品は全てブロック９４に固定されるものと示されているが、必ずしも全ての部品をそのように載置する必要はない。例えば，第２の流量計１２０および上流比例制御弁１２８のみをブロック９４に載置し、他の部品を他の構造上に別途載置してもよい。また、第２の流量計は、圧力センサ１２４および温度センサ１２６を備え、それぞれ容量１２２内のガスの圧力および温度を表す信号をシステム制御装置１１０へ送る。第２の流量計は、下流制御弁１１２と同様に、上流制御弁１２８を使用することも含み、２つの流量計が同一の下流弁を共有する。第２の制御弁１２８は、隔離弁または比例制御弁のどちらでもよい。第２の制御弁１２８が比例制御弁である場合、圧力センサ１２４および第２の制御弁１２８は、システム制御装置または処理装置１１０とともに、閉ループ圧力制御装置を形成することができ、（１）ＭＦＣの所定容量１２２内の圧力上昇は、流量の検証がなされたときに十分な管理下となり、第２の制御弁１２８が開弁されてガスがＭＦＣへ流れ込む、すなわち、突入ガスを回避するためにＭＦＣの内側圧力が入力ガスの上流圧力へとゆっくりと上昇するように第２の制御弁が制御され、そして、（２）流量制御期間中（任意の非零流量の設定点）に上流入力圧力障害があると、この圧力制御装置が第２の制御弁１２８の開度を自動的に調整して、ＭＦＣ出力流量制御に及ぼす入力圧力障害の影響が最小化するように、制御弁１２８および１１２間の内側圧力を規制する。これによって、ＭＦＣ９０の流量制御の圧力不感受性能が向上する。

【0039】

制御部１１０は以下の動作を行うように構成され配置される。
（ａ）設定点が零である場合、制御弁１２８と制御弁１１２の間の容量が、入力ポート９２に接続する源からのガスで満たされるように、下流弁が閉弁され、かつ、上流弁が開弁される。（圧力センサ１２４が測定した）内側圧力が安定したとき、上流制御弁１２８が閉弁される。
（ｂ）流量の設定点が零から非零値へ変更された場合、上流制御弁１２８は閉弁し続けられ、かつ、下流流量制御弁１１２は開弁されて、制御部１１０に与えられた流量の設定点に、第１の流量計１００の測定に基づいた流量Ｑｔを規制する。
（ｃ）所定期間、質量流量制御装置は、以下の関係式に従う（容量１２２内の圧力降下としての）圧力信号の減衰率に基づき、流量を検証する。
Ｑｖ＝−Ｖ［ｄ（Ｐ／Ｔ）］／ｄｔ （１）
ここで、Ｑｖは、第２の流量計によって決定された検証流量であり、Ｖは、容量１２２の所定容量であり、Ｐは、圧力センサ１２４によって測定され、センサ１２４によって制御部１１０へ供給される信号によって表される圧力であり、Ｔは、温度センサ１２６によって測定され、温度センサ１２６によって制御部１１０へ供給される信号によって表される温度であり、ｄ（Ｐ／Ｔ）／ｄｔは、比率Ｐ／Ｔの一次導関数、すなわち、比率Ｐ／Ｔの変化率である。
一実施形態において、流量計１２０で流量を測定する所定期間は、約５０ｍｓと約１０００ｍｓとの間であるが、これは質量流量制御装置を用いる特定の用途によって異なってもよい。
（ｄ）検証測定に続いて、制御部１１０によって流量検証値Ｑｖを取得し、メモリ（図示なし）に記憶する。そして、第１の流量計１００を利用した流量制御を質量流量制御装置９０に継続させるため、上流制御弁１２８を開弁してもよい。

【0040】

システム制御装置１１０、圧力センサ１２４、および上流制御弁１２８が閉ループ圧力制御装置を形成して、所定容量１２２内の圧力を規制してもよい。閉ループ圧力制御装置は、以下のように構成および配置される。
（１）突入ガスを回避するため、ＭＦＣの内側圧力が入力ガスの上流圧力へとゆっくりと上昇するように第２の制御弁を制御することができる。
（２）流量制御期間中に上流圧力障害がある場合、閉ループ圧力制御装置は、第２の制御弁の開度を所定容量内の圧力を規制するように自動的に調整して、質量流量制御装置の流量制御の圧力不感受性能を改善するように質量流量制御装置の出力流量制御に及ぼす入力圧力障害の影響が最小化される。

【0041】

第２の流量計からの流量測定を用いて、第１の流量計が供給する測定の精度を検証するように、システム制御装置１１０を、図３に示す配置と同様に構成することができる。このように、図示した実施形態において、第２の流量計（１２０）の検証流量Ｑｖを、第１の流量計（１００）によって測定した流量Ｑｔと比較し、ＱｔとＱｖ間の偏差が所定の閾値を超える場合には流量誤差の警告信号を供給するように、質量流量制御装置９０をさらに構成する。

【0042】

一実施形態において、質量流量制御装置９０は、ＱｖおよびＱｔの測定値に基づいて自己較正を行うように構成される。制御弁１１２は、流量の設定点が非零である限りは、質量流量制御装置を流れる流量の設定点に応じて、ガスが質量流量制御装置９０を流れることができるように制御される。流量の設定点を零に設定後、質量流量制御装置は、下流流量制御弁１１２を直ちに閉弁するように構成される。

【0043】

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。これらにも、またこれらに関する検討内容にも、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。

【0044】

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。

【0045】

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。

【0046】

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。

【0047】

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。

【0048】

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。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】