(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】
(24)【登録日】2023-04-14
(45)【発行日】2023-04-24
(54)【発明の名称】マスフローコントローラ
(51)【国際特許分類】
G05D 7/06 20060101AFI20230417BHJP
【ＦＩ】
G05D7/06 Z
【請求項の数】
6
(21)【出願番号】P 2018245026
(22)【出願日】2018-12-27
(65)【公開番号】P2020107061
(43)【公開日】2020-07-09
【審査請求日】2021-11-26
(73)【特許権者】
【識別番号】390033857
【氏名又は名称】株式会社フジキン
(74)【代理人】
【識別番号】110002893
【氏名又は名称】弁理士法人ＫＥＮ知財総合事務所
(74)【代理人】
【識別番号】100186750
【弁理士】
【氏名又は名称】藤本 健司
(72)【発明者】
【氏名】村田 卓郎
(72)【発明者】
【氏名】中村 剛
【審査官】今井 貞雄
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１５－１９４４２１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０７－１４１０３２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００２－１６２２８０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１４－０９２９２９（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１５／１５１６３８（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０５Ｄ ７／００－７／０６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
流体が通過する流体流路と、前記流体流路を通過する流体の質量流量を測定する複数の流量センサユニットと、
前記流体流路を通過する流体の流量を調整する調整バルブと、
前記流量センサユニットで測定された流体の質量流量が所定値になるように前記調整バルブの開度を制御する制御部と、
を有する、マスフローコントローラであって、
前記流体流路は、その一部を構成するバイパス流路を有し、
各前記流量センサユニットは、前記バイパス流路の一次側で分岐して、該バイパス流路の二次側で前記流体流路に戻るセンサ流路と、該センサ流路の途中の上流側と下流側にそれぞれ設けられた発熱抵抗体と、信号出力部とを有し、該上流側と下流側の発熱抵抗体の、通電した際の抵抗値の差に比例する信号を出力し、
前記制御部は、前記複数の流量センサユニットの出力信号を加算した加算出力信号から質量流量を算出して、該質量流量が所定値になるように前記調整バルブの開度を制御する
ことを特徴とする、マスフローコントローラ。
【請求項2】
前記複数の流量センサユニットは、センサとして実質的同一な特性を有するものであることを特徴とする、請求項１に記載のマスフローコントローラ。
【請求項3】
互いに対向する上面および底面、前記上面から前記底面側に向けて延びる側面を有するボディを有し、前記流体流路は、前記底面に並行して長手方向に設けられ、 前記複数の流量センサユニットは、前記底面に直交しかつ前記長手方向に延びる仮想中央平面に関して対称に配置されたことを特徴とする、請求項１又は２に記載のマスフローコントローラ。
【請求項4】
前記制御部は、前記複数の流量センサユニットの出力信号をデジタル信号の状態で加算し、該加算したデジタル信号に基づいて質量流量を算出することを特徴とする、請求項１ ～３のいずれかに記載のマスフローコントローラ。
【請求項5】
複数の流体機器が配列された流体制御装置であって、前記複数の流体機器は、請求項１～４のいずれかに記載マスフローコントローラを含む、流体制御装置。
【請求項6】
密閉されたチャンバ内においてプロセスガスによる処理工程を要する半導体の製造プロセスにおいて、前記プロセスガスの制御に請求項１～４のいずれかに記載のマスフローコントローラを用いる、半導体製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、マスフローコントローラ、流体制御装置、及び半導体製造装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、半導体製造プロセスに用いられるプロセスガス等の質量流量制御装置として、マスフローコントローラ（ＭＦＣ）が用いられており、特に精密な流量測定のために熱式ＭＦＣが多く用いられている。
この熱式ＭＦＣは、熱式の流量センサで測定した流量に基づいて調整弁をフィードバック制御し、一次側から供給された流体（ガス等）を、指示された流量だけ二次側へ送出する装置である。
この熱式ＭＦＣは、熱式の流量センサで測定した流量に基づいて調整弁をフィードバック制御し、一次側から供給された流体（ガス等）を、指示された流量だけ二次側へ送出する装置である。
【0003】
熱式流量センサは、流量測定のためにＭＦＣを通過する流体の一部を流すセンサ流路を有し、その上流側と下流側に設けた発熱抵抗体で通電加熱しつつ、両発熱抵抗体の抵抗値差として検出される温度差から、センサ流路を流れる流体の質量流量を測定する。
センサ流路は、他の大部分の流体を流すバイパス流路と並列に接続され、センサ流路とバイパス流路との流量の比率は既知で圧力によらずほぼ一定であるため、センサの検出流量から、ＭＦＣを流れる流体の質量流量が算出できる（たとえば特許文献１）。
センサ流路は、他の大部分の流体を流すバイパス流路と並列に接続され、センサ流路とバイパス流路との流量の比率は既知で圧力によらずほぼ一定であるため、センサの検出流量から、ＭＦＣを流れる流体の質量流量が算出できる（たとえば特許文献１）。
【0004】
このような、熱式流量センサでは、センサ流路を流れる流量が大きすぎると、該センサ流路を流れる流体が、上流側発熱抵抗体から熱を十分に受け取れず、また下流側発熱熱抵抗体へ十分に熱を伝えられず、その結果、流量に比例した出力が得られない。
一方、センサ流路を通る流体の流量が小さすぎると、センサの出力する電圧ΔVと、センサ自身に起因するノイズ （ホワイトノイズ、センサの巻き線は抵抗値を持つためホワイトノイズ源である）とのS/N比が低下し、その結果、測定精度が低下する。
これらの理由で、熱式流量センサは、その使用可能な流量範囲が限られている。
一方、センサ流路を通る流体の流量が小さすぎると、センサの出力する電圧ΔVと、センサ自身に起因するノイズ （ホワイトノイズ、センサの巻き線は抵抗値を持つためホワイトノイズ源である）とのS/N比が低下し、その結果、測定精度が低下する。
これらの理由で、熱式流量センサは、その使用可能な流量範囲が限られている。
【0005】
特許文献２では、センサ流路の形状が異なる２つの流量センサユニットを並列に設けて、制御部は、信号を採用する流量センサユニットを、流量によって切り替えることにより、ダイナミックレンジ（測定できる最大値と最小値の比）を広げている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】特開２０１６－１６２０６４号公報
【文献】特開２０１２－２２６６２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
供給圧力が低い状態でも同等のダイナミックレンジを持つＭＦＣが要求されている。たとえば、従来、圧力差400kPaで1200sccmの最大流量を実現していたＭＦＣに対し、圧力差300kPaで1200sccmの最大流量を実現する要求もある。圧力差が小さい仕様の場合、ＭＦＣ全体の流量については、バイパス流路の抵抗を減らすことにより従来の流量を確保できるが、センサ流路を流れるガスの最大流量（１００％流量）を下げざるを得ない。しかし、測定できる最小流量は電気的ノイズに起因するため変わらず、ダイナミックレンジが狭くなってしまう。
ストレートフォワードな解決方法はセンサ流路の形状を変更して、低い圧力差でも流量が取れる流量センサを新たに作ることだが、生産量の少ない特殊仕様品においてこの解決策は非実用的である。新しいセンサを作るためには、センサの出力電圧ΔＶから流量Ｑへの変換パラメータを測定する必要があるが、この変換パラメータはガスの種類ごとに異なり、十分な測定精度を保証するためにはＭＦＣが使用されうる全てのガスを用意してパラメータを実測しなければならない。さらに、温度や圧力の影響も完全に理論式通りではなく、これらのガス全てに対して温度や動作圧力を変えながら補正値を取得していく必要があり、開発コストが大きい。また、生産性の観点からも複数種類のセンサの在庫を用意する必要が出てしまい望ましくない。また、製品保証の観点からも採用実績のないセンサを使うことはリスクが大きい。つまり、熱式のＭＦＣはセンサの種類を一種類に抑えることができる点が、製品の信頼性や量産性に寄与する重要な要素である。
特許文献２に記載の２つのセンサユニットを切り替えている上記先行技術でも、新しいセンサを作る必要が出てくる点が課題となる。
ストレートフォワードな解決方法はセンサ流路の形状を変更して、低い圧力差でも流量が取れる流量センサを新たに作ることだが、生産量の少ない特殊仕様品においてこの解決策は非実用的である。新しいセンサを作るためには、センサの出力電圧ΔＶから流量Ｑへの変換パラメータを測定する必要があるが、この変換パラメータはガスの種類ごとに異なり、十分な測定精度を保証するためにはＭＦＣが使用されうる全てのガスを用意してパラメータを実測しなければならない。さらに、温度や圧力の影響も完全に理論式通りではなく、これらのガス全てに対して温度や動作圧力を変えながら補正値を取得していく必要があり、開発コストが大きい。また、生産性の観点からも複数種類のセンサの在庫を用意する必要が出てしまい望ましくない。また、製品保証の観点からも採用実績のないセンサを使うことはリスクが大きい。つまり、熱式のＭＦＣはセンサの種類を一種類に抑えることができる点が、製品の信頼性や量産性に寄与する重要な要素である。
特許文献２に記載の２つのセンサユニットを切り替えている上記先行技術でも、新しいセンサを作る必要が出てくる点が課題となる。
【0008】
本発明の目的は、このような課題を解決し、ＭＦＣの両側の圧力差が低くセンサ流路の流量が小さい場合でも、センサ信号のS/N比を向上できるＭＦＣを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明のマスフローコントローラは、
流体が通過する流体流路と、
前記流体流路を通過する流体の質量流量を測定する複数の流量センサユニットと、
前記流体流路を通過する流体の流量を調整する調整バルブと、
前記流量センサユニットで測定された流体の質量流量が所定値になるように前記調整バルブの開度を制御する制御部と、
を有する、マスフローコントローラであって、
前記流体流路は、その一部を構成するバイパス流路を有し、
各前記流量センサユニットは、前記バイパス流路の一次側で分岐して、該バイパス流路の二次側で前記流体流路に戻るセンサ流路と、該センサ流路の途中の上流側と下流側にそれぞれ設けられた発熱抵抗体と、信号出力部とを有し、該上流側と下流側の発熱抵抗体の、通電した際の抵抗値の差に比例する信号を出力し、
前記制御部は、前記複数の流量センサユニットの出力信号を加算した加算出力信号から質量流量を算出して、該質量流量が所定値になるように前記調整バルブの開度を制御することを特徴とする。
流体が通過する流体流路と、
前記流体流路を通過する流体の質量流量を測定する複数の流量センサユニットと、
前記流体流路を通過する流体の流量を調整する調整バルブと、
前記流量センサユニットで測定された流体の質量流量が所定値になるように前記調整バルブの開度を制御する制御部と、
を有する、マスフローコントローラであって、
前記流体流路は、その一部を構成するバイパス流路を有し、
各前記流量センサユニットは、前記バイパス流路の一次側で分岐して、該バイパス流路の二次側で前記流体流路に戻るセンサ流路と、該センサ流路の途中の上流側と下流側にそれぞれ設けられた発熱抵抗体と、信号出力部とを有し、該上流側と下流側の発熱抵抗体の、通電した際の抵抗値の差に比例する信号を出力し、
前記制御部は、前記複数の流量センサユニットの出力信号を加算した加算出力信号から質量流量を算出して、該質量流量が所定値になるように前記調整バルブの開度を制御することを特徴とする。
【0010】
前記複数の流量センサユニットは、センサとして実質的同一な特性を有するものであることが好ましい。ここで、「実質的同一な特性を有するもの」とは、例えば、センサ流路形状や発熱抵抗体の仕様などが共通であるものや、同一のメーカー型番を有するものなどが挙げられる。
【0011】
前記マスフローコントローラは、互いに対向する上面および底面、前記上面から前記底面側に向けて延びる側面を有するボディを有し、前記流体流路は、前記底面に並行して長手方向に設けられ、
前記複数の流量センサユニットは、前記底面に直交しかつ前記長手方向に延びる仮想中央平面に関して対称に配置された、構成を採用できる。
前記複数の流量センサユニットは、前記底面に直交しかつ前記長手方向に延びる仮想中央平面に関して対称に配置された、構成を採用できる。
【0012】
前記制御部は、前記制御部は、前記複数の流量センサユニットの出力信号をデジタル信号の状態で加算し、該加算したデジタル信号に基づいて質量流量を算出する、構成を採用できる。
【0013】
本発明の流体制御装置は、複数の流体機器が配列された流体制御装置であって、
前記複数の流体機器は、上記いずれかのマスフローコントローラを含むことを特徴とする。
前記複数の流体機器は、上記いずれかのマスフローコントローラを含むことを特徴とする。
【0014】
本発明の半導体製造装置は、密閉されたチャンバ内においてプロセスガスによる処理工程を要する半導体の製造プロセスにおいて、前記プロセスガスの制御に上記いずれかのマスフローコントローラ又は上記流体制御装置を用いることを特徴とする。
【発明の効果】
【0015】
本発明によれば、複数の熱式流量センサユニットを用い、制御部は、前記複数の流量センサユニットの出力信号を加算した出力信号から質量流量を算出することとしたので、出力信号のうち、相関度の高い信号成分の出力が大きくなる一方、相関のないノイズ成分の出力があまり増大せず、その結果、センサ信号のS/N比を向上させることができる。
したがって、ＭＦＣの両側の圧力差が低く流量が小さい場合でも、十分なS/N比を得ることができる。
したがって、ＭＦＣの両側の圧力差が低く流量が小さい場合でも、十分なS/N比を得ることができる。
【0016】
特に、前記複数の流量センサユニットとして、センサとして実質的同一な特性を有するものを用いた場合は、上記S/N比の向上効果が最大になるとともに、流量センサユニットの製造時に各ガスに対する校正値の測定工程等が低減できるため、製造コストと製造の柔軟性の点でも有利である。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【図1】本発明の実施形態に係るＭＦＣを示す縦断面図。
【図3】センサユニットのブリッジ回路を示す説明図。
【図4】第１の実施形態の信号処理システムを示すブロック図。
【図5】第２の実施形態の信号処理システムを示すブロック図。
【図6】本発明の実施形態に係る流体制御装置を示す概略斜視図。
【図7】本発明の実施形態に係る半導体製造装置を示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【0018】
（第１の実施形態）
以下、本発明の実施形態のＭＦＣについて図面を参照して説明する。本実施形態は、実質的に同一な流量センサユニットを２つ配置し、２つのセンサユニットの出力信号を、デジタル信号に変換した後に加算し、処理する実施形態である。
図１に本実施形態のＭＦＣ１の縦断面図を示し、図２は、ＭＦＣ１の流量センサユニット部分の横断面図を示す。
以下、本発明の実施形態のＭＦＣについて図面を参照して説明する。本実施形態は、実質的に同一な流量センサユニットを２つ配置し、２つのセンサユニットの出力信号を、デジタル信号に変換した後に加算し、処理する実施形態である。
図１に本実施形態のＭＦＣ１の縦断面図を示し、図２は、ＭＦＣ１の流量センサユニット部分の横断面図を示す。
【0019】
ＭＦＣ１は、ボディ１０と、流量センサユニット２０と、制御部３と、流量調整バルブ４とを主に備える。
【0020】
ボディ１０は、ステンレス等の鋼材により構成され、外形が直方体形状をなし、その両端面には継手１１が取り付けられている。ボディ１０には、流入路１０ａと、バイパス流路１０ｂと、センサ流入路１０ｃと、センサ流出路１０ｄと、合流路１０ｅと、弁室１０ｆと、流出路１０ｇとが形成されている。
【0021】
バイパス流路１０ｂへは、流入路１０ａを通過した流体が流入する。センサ流入路１０ｃは、バイパス流路１０ｂから分岐し、流量センサユニット２０へ流体を流す。センサ流出路１０ｄは、流量センサユニット２０を通過した流体を流出させる。合流路１０ｅでは、バイパス流路１０ｂを通過した流体とセンサ流出路１０ｄを通過した流体とが合流する。流入路１０ａと合流路１０ｅは、流路中心線が同一直線上にある円形断面の流路である。
【0022】
また、バイパス流路１０ｂおよびセンサ流入路１０ｃは、所定の流量比（例えば、１：２～１：１０００）で流体が流れるように構成されている。バイパス流路１０ｂ内には、複数枚のバイパスシート１２が設けられている。弁室１０ｆ内には、流量調整バルブ４のバルブ本体４Ａが配置されている。
【0023】
流量センサユニット２０は、熱式流量センサユニットであり、センサベース本体２１と、細管からなるセンサ流路２２と、該センサ流路２２の上流側及び下流側に巻き付けられた発熱コイルからなる一対の発熱抵抗体２３ａ，２３ｂと、一対のセンサフランジ２４と、センサカバー２５と、一対のガスケット２６と、締結手段であるボルト２７と、出力部であるブリッジ回路２８を備える。
【0024】
ブリッジ回路２８は、図３に示すように、前記発熱抵抗体２３ａ，２３ｂと基準抵抗Ｒ１，Ｒ２とをこの順にダイヤモンド状に接続した回路であり、接続点Ｐ１～Ｐ２間に入力電圧を加え、接続点Ｐ３～Ｐ４間から出力電圧を得るようになっている。なお、ブリッジ回路２８は、物理的には、制御部３のボードに設けられているが、機能的には流量センサユニット２０の出力部と考えられるので、本明細書では、流量センサユニット２０の構成要素として取り扱う。
【0025】
本実施形態では、２つの流量センサユニット２０が並列に設けられている。
これらの流量センサユニット２０のセンサ流路２２の管径、長さ、形状、材質は同一である。また、それぞれのセンサ流路２２の流入路１０ａからの流入地点及び流体流路への合流地点は、流路方向で同一に設定されている。
２つの流量センサユニット２０は、図２に示すように、底面１０ｈに直交しかつ長手方向に延びる（つまり、流入路１０ａや合流路１０ｅの流路中心線を含む平面である）仮想中央平面Ｃｐに関して対称に配置されている。すなわち、図２で左右対称に設けられている。この配置は、ＭＦＣが水平に置かれた場合や、流路方向に立てて置かれた場合に、両流量センサユニットが受ける重力が同一または対称になるので、それぞれの流量センサユニット２０の出力信号が受ける重力の影響が平等になり、後述する信号加算によるノイズ成分低減効果が損なわれない点で好ましい。
これらの流量センサユニット２０のセンサ流路２２の管径、長さ、形状、材質は同一である。また、それぞれのセンサ流路２２の流入路１０ａからの流入地点及び流体流路への合流地点は、流路方向で同一に設定されている。
２つの流量センサユニット２０は、図２に示すように、底面１０ｈに直交しかつ長手方向に延びる（つまり、流入路１０ａや合流路１０ｅの流路中心線を含む平面である）仮想中央平面Ｃｐに関して対称に配置されている。すなわち、図２で左右対称に設けられている。この配置は、ＭＦＣが水平に置かれた場合や、流路方向に立てて置かれた場合に、両流量センサユニットが受ける重力が同一または対称になるので、それぞれの流量センサユニット２０の出力信号が受ける重力の影響が平等になり、後述する信号加算によるノイズ成分低減効果が損なわれない点で好ましい。
【0026】
制御部３は、流量センサユニット２０からの信号に基づいて流体の流量を算出し、バイパス流路１０ｂを流れる流体が所定の流量となるように流量調整バルブ４へ制御信号を出力するフィードバック制御を行う。制御部３は、図４に示すように、増幅器３１，ＡＤ変換器３２，加算部３３、比較制御部３４，ＤＡ変換器３５，増幅器３６を含む。なお、加算部３３と比較制御部３４は、マイコンＣＰＵにより実行されるプログラムであり、物理的なユニットではない。
【0027】
流量調整バルブ４は、制御部３からの制御信号に基づいて流体の流路を開閉するバルブであり、図１に示すように、バルブ本体４Ａと駆動アクチュエータ４Ｂとからなる。
【0028】
次に、このように構成された本実施形態のＭＦＣ１の動作について、図３及び図４を参照して説明する。
各流量センサユニット２０Ａ、２０Ｂにおいて、ブリッジ回路２８の接続点Ｐ１～Ｐ２間に電圧Ｖｉｎを加え、上流側と下流側の発熱抵抗体２３ａ、２３ｂに通電して発熱させるとともに、これらの発熱抵抗体の抵抗値Ｒａ，Ｒｂ（温度に比例する）を検出する。センサ流路２２内に流体が流れると、上流側の発熱抵抗体２３ａは、流れてくる流体で冷やされて温度の上昇が抑えられ、下流側の発熱抵抗体２３ｂは、上流側発熱抵抗体２３ａで加熱された流体が流れてくるので、温度の上昇が大きく、その結果、両発熱抵抗体２３ａ、２３ｂの間で温度差が生ずる。この温度差は、ある流量の範囲では流体の質量流量に比例すると見なせる。ブリッジ回路２８は、この温度差の指標となる発熱抵抗体２３ａ、２３ｂの抵抗値差Ｒａ－Ｒｂを、接続点Ｐ３～Ｐ４間の出力電圧Ｖｏｕｔに変換して出力している。
（基準抵抗値Ｒ１とＲ２が等しい場合、Ｖｏｕｔ＝Ｖｉｎ×（Ｒｂ－Ｒａ）/（Ｒａ＋Ｒｂ）となり、ＶｏｕｔはＲｂ－Ｒａにほぼ比例する。）
各流量センサユニット２０Ａ、２０Ｂにおいて、ブリッジ回路２８の接続点Ｐ１～Ｐ２間に電圧Ｖｉｎを加え、上流側と下流側の発熱抵抗体２３ａ、２３ｂに通電して発熱させるとともに、これらの発熱抵抗体の抵抗値Ｒａ，Ｒｂ（温度に比例する）を検出する。センサ流路２２内に流体が流れると、上流側の発熱抵抗体２３ａは、流れてくる流体で冷やされて温度の上昇が抑えられ、下流側の発熱抵抗体２３ｂは、上流側発熱抵抗体２３ａで加熱された流体が流れてくるので、温度の上昇が大きく、その結果、両発熱抵抗体２３ａ、２３ｂの間で温度差が生ずる。この温度差は、ある流量の範囲では流体の質量流量に比例すると見なせる。ブリッジ回路２８は、この温度差の指標となる発熱抵抗体２３ａ、２３ｂの抵抗値差Ｒａ－Ｒｂを、接続点Ｐ３～Ｐ４間の出力電圧Ｖｏｕｔに変換して出力している。
（基準抵抗値Ｒ１とＲ２が等しい場合、Ｖｏｕｔ＝Ｖｉｎ×（Ｒｂ－Ｒａ）/（Ｒａ＋Ｒｂ）となり、ＶｏｕｔはＲｂ－Ｒａにほぼ比例する。）
【0029】
それぞれの流量センサユニット２０Ａ、２０Ｂのブリッジ回路２８からの出力側信号線は、図３のように、オペアンプからなる増幅器３１に入力される。増幅されたそれぞれの出力信号は、ＡＤ変換器３２でデジタル化され、加算部３３で加算される。加算された信号（デジタルデータ）は、さらに処理されて流量値が算出される。算出された流量値は、比較制御部３４に入力される。
なお、加算部３３での加算の直後に２で割る処理を加えると、両出力信号の平均を計算したのと等価な処理になる。また、両出力信号を入力として流量値を推定して出力するカルマンフィルタを構成した場合も、２つのセンサが同一の特性を持つ場合は、２つの測定値の和を入力にしてカルマンフィルタを構成したものと等価なシステムが、カルマンゲインの計算結果として得られる。
比較制御部３４は、算出された流量値と外部のコントローラ（図示省略）から入力された流量設定値とを比較し、制御信号を出力する。この制御信号は、算出された流量値と流量設定値との単なる差分信号でもよいが、差分とその積分と微分に基づくＰＩＤ制御信号であることが好ましい。
この制御信号は、ＤＡ変換器３５でアナログ電圧に変換され、さらにオペアンプからなる増幅器３６で増幅されて、流量調整バルブ４を駆動する。
このような、フィードバック制御を行うことにより、ＭＦＣを流れる流体の質量流量が所定値になるように調整する。
なお、加算部３３での加算の直後に２で割る処理を加えると、両出力信号の平均を計算したのと等価な処理になる。また、両出力信号を入力として流量値を推定して出力するカルマンフィルタを構成した場合も、２つのセンサが同一の特性を持つ場合は、２つの測定値の和を入力にしてカルマンフィルタを構成したものと等価なシステムが、カルマンゲインの計算結果として得られる。
比較制御部３４は、算出された流量値と外部のコントローラ（図示省略）から入力された流量設定値とを比較し、制御信号を出力する。この制御信号は、算出された流量値と流量設定値との単なる差分信号でもよいが、差分とその積分と微分に基づくＰＩＤ制御信号であることが好ましい。
この制御信号は、ＤＡ変換器３５でアナログ電圧に変換され、さらにオペアンプからなる増幅器３６で増幅されて、流量調整バルブ４を駆動する。
このような、フィードバック制御を行うことにより、ＭＦＣを流れる流体の質量流量が所定値になるように調整する。
【0030】
本発明では、２つの実質的に同一の流量センサを用い、これらの出力信号を加算した信号を用いているが、その場合に信号のＳ/Ｎ比が改善される理由は、以下のように説明される。
ある時点での１つのセンサの実測定値は、信号とノイズの和と考えられる。
ノイズゼロの時に得られるべき真の値がμXである場合、実測定値Ｘの確率分布は、平均値μXと分散σXを持つ正規分布で十分近似できる。
X = N(μX,σX) = μX + N(0,σX)
これを、シグナル μX の周りに、正規分布のノイズN(0,σX)を持つと見た場合、XのS/N比は、信号のパワーをノイズの分散で割ることにより、
S/N = μX 2 / σX 2 - (１)
で表される。
次に、センサxとセンサyの出力値を加算した信号X + Yを同様に考える。
センサxとセンサyが同じ特性を持つ場合、即ち、μX = μY、σX = σY である場合、加算した信号のＳ/Ｎ比は、
S/N = (μX + μX)2 / (σX 2 + σX 2) = (2μX)2 / 2σX 2 = 2 (μX 2 / σX 2) - (２)
となる。ただし、センサｘとセンサｙのノイズは独立と仮定して、X+Yの分散はσx+σyとなることを利用した。
(１)式と比較すると、センサ１個のときよりもＳ/Ｎ比が２倍に改善することがわかる。これはパワーにおいて２倍の改善なので、電圧振幅において√2倍、デシベルにして約３ｄＢの改善に相当する。
２つの各センサが異なるＳ／Ｎ比を持っている際にもこのＳ／Ｎ比改善効果は発揮されることが同様の計算からわかるが、最もこの効果が大きいのは２つのセンサが同一の特性を持つ場合である。
ある時点での１つのセンサの実測定値は、信号とノイズの和と考えられる。
ノイズゼロの時に得られるべき真の値がμXである場合、実測定値Ｘの確率分布は、平均値μXと分散σXを持つ正規分布で十分近似できる。
X = N(μX,σX) = μX + N(0,σX)
これを、シグナル μX の周りに、正規分布のノイズN(0,σX)を持つと見た場合、XのS/N比は、信号のパワーをノイズの分散で割ることにより、
S/N = μX 2 / σX 2 - (１)
で表される。
次に、センサxとセンサyの出力値を加算した信号X + Yを同様に考える。
センサxとセンサyが同じ特性を持つ場合、即ち、μX = μY、σX = σY である場合、加算した信号のＳ/Ｎ比は、
S/N = (μX + μX)2 / (σX 2 + σX 2) = (2μX)2 / 2σX 2 = 2 (μX 2 / σX 2) - (２)
となる。ただし、センサｘとセンサｙのノイズは独立と仮定して、X+Yの分散はσx+σyとなることを利用した。
(１)式と比較すると、センサ１個のときよりもＳ/Ｎ比が２倍に改善することがわかる。これはパワーにおいて２倍の改善なので、電圧振幅において√2倍、デシベルにして約３ｄＢの改善に相当する。
２つの各センサが異なるＳ／Ｎ比を持っている際にもこのＳ／Ｎ比改善効果は発揮されることが同様の計算からわかるが、最もこの効果が大きいのは２つのセンサが同一の特性を持つ場合である。
【0031】
（第２の実施形態）
本実施形態は、制御部での信号処理をアナログ回路によって行う実施形態である。この点以外の構成については、第１の実施形態と同一なので、説明は省略する。
本実施形態は、制御部での信号処理をアナログ回路によって行う実施形態である。この点以外の構成については、第１の実施形態と同一なので、説明は省略する。
【0032】
本実施形態のＭＦＣ１の制御部３の構成と信号処理動作について、図４を参照して説明する。
本実施形態の制御部３は、増幅器３１，加算回路３７、比較制御回路３８，増幅器３６を含む。
各流量センサユニット２０Ａ、２０Ｂとそれらのブリッジ回路２８の構成及び動作は、第１の実施形態と同じであるため、ここでの説明は省略する。
本実施形態の制御部３は、増幅器３１，加算回路３７、比較制御回路３８，増幅器３６を含む。
各流量センサユニット２０Ａ、２０Ｂとそれらのブリッジ回路２８の構成及び動作は、第１の実施形態と同じであるため、ここでの説明は省略する。
【0033】
それぞれの流量センサユニット２０Ａ、２０Ｂのブリッジ回路２８からの出力側信号線は、図４のように、オペアンプからなる増幅器３１に入力される。増幅されたそれぞれの出力信号は、オペアンプからなる加算回路３７で加算される。加算された信号（アナログ信号）は、流量測定値として外部出力されるとともに、比較制御回路３８に入力される。
比較制御回路３８は、オペアンプからなり、算出された流量値と外部のコントローラ（図示省略）からアナログ信号として入力された流量設定値とを比較し、制御信号を出力する。この制御信号は、算出された流量値と流量設定値との単なる差分信号でもよいが、微分回路と成分回路（いずれも図示省略）を設けて、差分とその積分と微分に基づくＰＩＤ制御信号であることが好ましい。
この制御信号は、さらにオペアンプからなる増幅器３６で増幅されて、流量調整バルブ４を駆動する。
このような、制御を行うことにより、ＭＦＣを流れる流体の質量流量が所定値になるように調整する。
この実施形態でも、２つの流量センサを用い、これらの出力信号を加算した信号を用いているので、信号のＳ/Ｎ比が改善される。
比較制御回路３８は、オペアンプからなり、算出された流量値と外部のコントローラ（図示省略）からアナログ信号として入力された流量設定値とを比較し、制御信号を出力する。この制御信号は、算出された流量値と流量設定値との単なる差分信号でもよいが、微分回路と成分回路（いずれも図示省略）を設けて、差分とその積分と微分に基づくＰＩＤ制御信号であることが好ましい。
この制御信号は、さらにオペアンプからなる増幅器３６で増幅されて、流量調整バルブ４を駆動する。
このような、制御を行うことにより、ＭＦＣを流れる流体の質量流量が所定値になるように調整する。
この実施形態でも、２つの流量センサを用い、これらの出力信号を加算した信号を用いているので、信号のＳ/Ｎ比が改善される。
【0034】
なお、上記各実施形態では、２つの流量センサを用い、これらの出力信号を加算した信号を用いたが、３つ以上の同一の流量センサを用い、これらの出力信号を加算して流量を算出してもよい。Ｎ個の同一の流量センサを用いた場合、前記の式（２）より、パワーのＳ/Ｎ比はＮ倍に改善し、電圧振幅のＳ/Ｎ比は√Ｎ倍に、デシベルで１０ｌｏｇ１０Ｎ改善する。
【0035】
また、上記各実施形態では、２つの実質的に同一の特性を有する流量センサを用い、これらの出力信号を加算した信号を用いたが、異なる特性を有する流量センサを複数用いてもよい。異なる特性を有するセンサであっても、信号成分同士の相関の方がノイズ成分同士の相関より高いので、信号の加算により一定程度のS/N比改善効果は得られる。
【0036】
また、第１の実施形態では、加算部３３と比較制御部３４は、マイコンＣＰＵにより実行されるプログラムで構成し、第２の実施形態では、これらを加算回路３７と比較制御回路３８というアナログ回路で構成したが、これに限られず、例えば、加算部を加算回路３７というアナログ回路で構成し、比較制御部３４をマイコンＣＰＵにより実行されるプログラムで構成してもよい。
【0037】
次に、本発明の流体制御装置について説明する。
図６は、本発明の一実施形態に係る流体制御装置の概略斜視図である。
図６に示す流体制御装置には、幅方向Ｗ１、Ｗ２に沿って配列され長手方向Ｇ１、Ｇ２に延びる金属製のベースプレートＢＳが設けられている。なお、Ｗ１は正面側、Ｗ２は背面側、Ｇ１は上流側、Ｇ２は下流側の方向を示している。ベースプレートＢＳには、複数の流路ブロック９９２を介して各種流体機器９９１Ａ～９９１Ｅが設置され、複数の流路ブロック９９２には、上流側Ｇ１から下流側Ｇ２に向かって流体が流通する図示しない流路がそれぞれ形成されている。
図６は、本発明の一実施形態に係る流体制御装置の概略斜視図である。
図６に示す流体制御装置には、幅方向Ｗ１、Ｗ２に沿って配列され長手方向Ｇ１、Ｇ２に延びる金属製のベースプレートＢＳが設けられている。なお、Ｗ１は正面側、Ｗ２は背面側、Ｇ１は上流側、Ｇ２は下流側の方向を示している。ベースプレートＢＳには、複数の流路ブロック９９２を介して各種流体機器９９１Ａ～９９１Ｅが設置され、複数の流路ブロック９９２には、上流側Ｇ１から下流側Ｇ２に向かって流体が流通する図示しない流路がそれぞれ形成されている。
【0038】
ここで、「流体機器」とは、流体の流れを制御する流体制御装置に使用される機器であって、流体流路を画定するボディを備え、このボディの表面で開口する少なくとも２つの流路ロを有する機器である。具体的には、開閉弁（２方弁）９９１Ａ、レギュレータ９９１Ｂ、プレッシャーゲージ９９１Ｃ、開閉弁（３方弁）９９１Ｄ、マスフローコントローラ９９１Ｅ等が含まれるが、これらに限定されるわけではない。なお、導入管９９３は、上記した図示しない流路の上流側の流路口に接続されている。
本発明は、上記したマスフローコントローラ９９１Ｅに適用可能である。
本発明は、上記したマスフローコントローラ９９１Ｅに適用可能である。
【0039】
次に、本発明の半導体製造装置について説明する。
図７は、本発明の一実施形態に係る半導体製造装置のブロック図である。
図７に示す半導体製造装置９８０は、原子層堆積法（ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉ ｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ 法）による半導体製造プロセスを実行するための装置であり、９８１はプロセスガス供給源、９８２はガスボックス、９８３はタンク、９８４は開閉バルブ、９８５は制御部、９８６は処理チャンバ、９８７は排気ポンプを示している。例えば、ＡＬＤ法等においては、基板に膜を堆積させる処理プロセスに使用する処理ガスをより大きな流量で安定的に供給することが求められている。
ガスボックス９８２は、正確に計量したプロセスガスを処理チャンバ９８６に供給するために、開閉バルブ、レギュレータ、マスフローコントローラ等の各種の流体機器を集積化してボックスに収容した集積化ガスシステム（流体制御装置）である。
タンク９８３は、ガスボックス９８２から供給される処理ガスを一時的に貯留するバッフアとして機能する。
開閉バルブ９８４は、上記した変位拡大機構を内蔵したダイヤフラムバルブである。
制御部９８５は、開閉バルブ９８４への操作ガスの供給制御による流量調整制御を実行する。
処理チャンバ９８６は、ＡＬＤ法による基板への膜形成のための密閉処理空間を提供する。
排気ポンプ９８７は、処理チャンバ９８６内を真空引きする。
本発明は、上記したガスボックス９８２（流体制御装置）の構成要素としてのマスフローコントローラに適用可能である。
図７は、本発明の一実施形態に係る半導体製造装置のブロック図である。
図７に示す半導体製造装置９８０は、原子層堆積法（ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉ ｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ 法）による半導体製造プロセスを実行するための装置であり、９８１はプロセスガス供給源、９８２はガスボックス、９８３はタンク、９８４は開閉バルブ、９８５は制御部、９８６は処理チャンバ、９８７は排気ポンプを示している。例えば、ＡＬＤ法等においては、基板に膜を堆積させる処理プロセスに使用する処理ガスをより大きな流量で安定的に供給することが求められている。
ガスボックス９８２は、正確に計量したプロセスガスを処理チャンバ９８６に供給するために、開閉バルブ、レギュレータ、マスフローコントローラ等の各種の流体機器を集積化してボックスに収容した集積化ガスシステム（流体制御装置）である。
タンク９８３は、ガスボックス９８２から供給される処理ガスを一時的に貯留するバッフアとして機能する。
開閉バルブ９８４は、上記した変位拡大機構を内蔵したダイヤフラムバルブである。
制御部９８５は、開閉バルブ９８４への操作ガスの供給制御による流量調整制御を実行する。
処理チャンバ９８６は、ＡＬＤ法による基板への膜形成のための密閉処理空間を提供する。
排気ポンプ９８７は、処理チャンバ９８６内を真空引きする。
本発明は、上記したガスボックス９８２（流体制御装置）の構成要素としてのマスフローコントローラに適用可能である。
【0040】
上記のようなシステム構成によれば、制御部９８５から開閉バルブ９８４に制御指令を送れば、処理ガスの流量制御が可能になる。
【0041】
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されない。当業者であれば、本発明の範囲内で、種々の追加や変更等を行うことができる。
【符号の説明】
【0042】
１ ：マスフローコントローラ（ＭＦＣ）
３ ：制御部
４ ：流量制御機構
４Ａ ：流量制御弁
１０ ：ボディ
１１ ：継手
１０ａ ：流入路
１０ｂ ：バイパス流路
１０ｃ ：センサ流入路
１０ｄ ：センサ流出路
１０ｅ ：合流路
１０ｆ ：弁室
１０ｇ ：流出路
１２ ：バイパスシート
２０，２０Ａ，２０Ｂ ：流量センサユニット
２１ ：センサベース本体
２２ ：センサ流路
２３ａ，２３ｂ：発熱抵抗体（発熱コイル）
２４ ：センサフランジ
２５ ：センサカバー
２６ ：ガスケット
２７ ：ボルト
２８ ：ブリッジ回路
３１ ：増幅器
３２ ：ＡＤ変換器
３３ ：加算部
３４ ：比較制御部
３５ ：ＤＡ変換器
３６ ：増幅器
３７ ：加算回路
３８ ：比較制御回路
９８０ ：半導体製造装置
９８１ ：プロセスガス供給源
９８２ ：ガスボックス
９８３ ：タンク
９８４ ：開閉バルブ
９８５ ：制御部
９８６ ：処理チャンバ
９８７ ：排気ポンプ
９９１Ａ～９９１Ｅ ：流体機器
９９２ ：流路ブロック
９９３ ：導入管
ＢＳ ：ベースプレート
ＧＩ、Ｇ２：長手方向
Ｌ０ ：初期長さ
Ｌ１ ：第１の圧電アクチュエータの長さ
Ｌ２ ：第２の圧電アクチュエータの長さ
Ｗ１、Ｗ２：幅方向
３ ：制御部
４ ：流量制御機構
４Ａ ：流量制御弁
１０ ：ボディ
１１ ：継手
１０ａ ：流入路
１０ｂ ：バイパス流路
１０ｃ ：センサ流入路
１０ｄ ：センサ流出路
１０ｅ ：合流路
１０ｆ ：弁室
１０ｇ ：流出路
１２ ：バイパスシート
２０，２０Ａ，２０Ｂ ：流量センサユニット
２１ ：センサベース本体
２２ ：センサ流路
２３ａ，２３ｂ：発熱抵抗体（発熱コイル）
２４ ：センサフランジ
２５ ：センサカバー
２６ ：ガスケット
２７ ：ボルト
２８ ：ブリッジ回路
３１ ：増幅器
３２ ：ＡＤ変換器
３３ ：加算部
３４ ：比較制御部
３５ ：ＤＡ変換器
３６ ：増幅器
３７ ：加算回路
３８ ：比較制御回路
９８０ ：半導体製造装置
９８１ ：プロセスガス供給源
９８２ ：ガスボックス
９８３ ：タンク
９８４ ：開閉バルブ
９８５ ：制御部
９８６ ：処理チャンバ
９８７ ：排気ポンプ
９９１Ａ～９９１Ｅ ：流体機器
９９２ ：流路ブロック
９９３ ：導入管
ＢＳ ：ベースプレート
ＧＩ、Ｇ２：長手方向
Ｌ０ ：初期長さ
Ｌ１ ：第１の圧電アクチュエータの長さ
Ｌ２ ：第２の圧電アクチュエータの長さ
Ｗ１、Ｗ２：幅方向
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】