JP2004280688A

JP2004280688A - マスフローコントローラ

Info

Publication number: JP2004280688A
Application number: JP2003074014A
Authority: JP
Inventors: Masami Nishikawa; 正巳西川
Original assignee: STEC Inc
Current assignee: STEC Inc
Priority date: 2003-03-18
Filing date: 2003-03-18
Publication date: 2004-10-07
Anticipated expiration: 2023-03-18
Also published as: JP4146746B2

Abstract

【課題】異常発生時にも過大な流量の流体を流すことがなく、安全に流路を閉鎖することができるマスフローコントローラを提供する。
【解決手段】流路２中を流れる流体の圧力Ｐｂを測定する圧力センサ７ｂと、この圧力Ｐｂを調節する圧力制御弁４と、前記流体の流量Ｆを測定する流量センサ５と、この流量Ｆを調節する流量制御弁６と、前記圧力センサ７ｂの出力Ｓｐｂを用いて圧力制御弁４を制御する一方、前記流量センサ５の出力Ｓｆを用いて流量制御弁６を制御して流体の流れを安定制御すると共に、前記圧力センサ７ｂおよび流量センサ５の出力Ｓｐａ，Ｓｆを用いて流体の流れを監視してこれに異常が生じたときには前記制御弁４，６を閉鎖して流体の流れを停止させる安全停止機能を有する制御部８とを設けてなる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、マスフローコントローラに関する。より詳細には、流体の流れを監視して異常な流体の流れを防止する安全性に優れたマスフローコントローラに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図２は、従来のマスフローコントローラを用いた半導体製造ライン１０の例を示す図である。図２において、１１は半導体製造ラインを構成するチャンバ、１２はチャンバ１１に半導体製造プロセスに用いる各種ガスＧを供給するガス供給ライン、１３はガスＧを供給するガスボンベである。
【０００３】
ガス供給ライン１２には、機械式の調圧器１４と、この調圧器１４の下流側のゲージ１５と、フィルタ１６とを設け、ガス供給ライン１２にはそれぞれマスフローコントローラ１７と、空圧開閉弁１８ａ，１８ｂとを設けてなる。すなわち、空圧開閉弁１８ａ，１８ｂを閉じることでマスフローコントローラ１７を取換えることができるように構成している。
【０００４】
また、前記マスフローコントローラ１７は、例えば熱式の流量センサ１７ａと、流量制御弁１７ｂと、流量センサ１７ａの出力を用いて流量制御弁１７ｂの開閉制御を行って、マスフローコントローラ１７を流れるガスＧが設定された流量になるように調節する制御部１７ｃとを有している。
【０００５】
前記ボンベ１３から供給されるガスＧの圧力は、その出口側で通常５００ｋＰａ程度に減圧されているが、この圧力を前記調圧器１４によって例えば３００ｋＰａ程度に減圧してマスフローコントローラ１７に供給することで、マスフローコントローラ１７の破損を防いでいる。また、半導体製造ラインの管理者はチャンバ１１に所定流量のガスＧを流すようにマスフローコントローラ１７を制御し、ゲージ１５を確認しながら調圧器１４を調節することによりマスフローコントローラ１７に供給するガスＧの圧力を適宜調整する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の半導体製造ライン１０におけるガスＧの供給では、流量センサ１７ａの上流側における圧力をほゞ一定に保つために各ライン１２に調圧器１４を設けたり、圧力センサ１５、フィルタ１６、マスフローコントローラ１７および空圧開閉弁１８ａ，１８ｂを設けているので、ライン１２を構成する部品点数も多く高価にならざるを得なかった。
【０００７】
また、前記流量制御弁１７ｂが何らかの原因で故障した場合は、制御されていない流量のガスＧが二次側に流れ込むという問題があった。そこで、従来のマスフローコントローラ１７を用いたライン１２では異常流量のガスＧが流れた場合のための安全対策を高じる必要がある。
【０００８】
ところが、マスフローコントローラ１７に流れるガスＧの流量に異常が発生したときのための安全機構は複雑な構成になるので、これによってライン１２が複雑化して、ライン１２の形成にかかるコストが引き上げられることは避けられなかった。
【０００９】
加えて、ガス供給ライン１２が複雑になればなるほどその制御が複雑で高価なものになるだけでなく、ガス漏れや故障の発生率も高くなることは避けられなかった。また、部品点数も多くならざるを得ず、ガス供給パネルを小さくすることはできなかった。
【００１０】
本発明は、上述の事柄を考慮に入れてなされたものであって、その目的は異常発生時にも過大な流量の流体を流すことがなく、安全に流路を閉鎖することができるマスフローコントローラを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のマスフローコントローラは、流路中を流れる流体の圧力を測定する圧力センサと、この圧力を調節する圧力制御弁と、前記流体の流量を測定する流量センサと、この流量を調節する流量制御弁と、前記圧力センサの出力を用いて圧力制御弁を制御する一方、前記流量センサの出力を用いて流量制御弁を制御して流体の流れを安定制御すると共に、前記圧力センサおよび流量センサの出力を用いて流体の流れを監視してこれに異常が生じたときには前記制御弁を閉鎖して流体の流れを停止させる安全停止機能を有する制御部とを設けてなることを特徴としている。（請求項１）
【００１２】
すなわち、本発明のマスフローコントローラは、流量制御弁のみならず圧力制御弁を内蔵しているので、このマスフローコントローラを用いることにより、ガス供給ラインから調圧器、圧力センサを無くすことができ、ガス供給ラインの構成をシンプルでコンパクトにすることができる。つまり、安価なガス供給ラインを形成できる。
【００１３】
加えて、制御部が安全停止機能を有するので、流量を圧力センサと流量センサの両方を用いて同時に監視することにより、何らかの異常が発生した場合にはこれを確実に検出できる。また、２本の制御弁を巧みに利用して流体の流れを閉鎖するので、２つの制御弁が同時に故障することは考えにくく、仮に一方の制御弁が故障した状態であっても他方の制御弁を用いて流体の流れを完全に停止でき、異常発生時にも過大な流量の流体が流れることはなく、それだけ安全性が向上する。なお、このとき制御部によって閉鎖される制御弁は圧力制御弁および流量制御弁の両方、あるいは、圧力制御弁または流量制御弁の何れか一方である。
【００１４】
つまり、本発明のマスフローコントローラを用いることで、マスフローコントローラの外側に流量の異常を検知するためのマスフローメータや流路を閉鎖可能とする開閉弁などを設ける必要もなくなり、それだけガス供給ラインの構成を簡素にすることができる。また、マスフローコントローラに内蔵の圧力センサと流量センサを用いた異常検出は別途のマスフローメータを用いた異常検出に比べて速やかに異常を発見でき、それだけ迅速な対応が可能となる。
【００１５】
前記制御部の安全停止機能は、圧力センサの出力を監視し、これが設定圧力から外れた状態が所定時間持続するときに、これを異常と判断して流量制御弁を閉鎖するものである場合（請求項２）には、圧力制御弁の故障などによって圧力センサによって検出される圧力が設定圧力にならないときに、流量制御弁によって流体の流れを閉鎖できるので安全性が向上する。
【００１６】
前記制御部の安全停止機能は、流量センサの出力を監視し、これが目標とする設定流量から外れた状態が所定時間持続するときに、これを異常と判断して圧力制御弁を閉鎖するものである場合（請求項３）には、流量制御弁の故障などによって流量センサによって検出される流量が設定流量に調節できないときに、圧力制御弁によって流体の流れを閉鎖できるので安全性が向上する。
【００１７】
前記制御部の安全停止機能は、異常時に両制御弁を閉鎖するように制御するものである場合（請求項４）には、逆流を含む原因不明の異常流量の流体が流れようとするときにその流れを２つの制御弁を用いて遮断できるので、信頼性が向上する。つまり、異常流量の原因が圧力制御弁であっても流量制御弁であっても異常時には確実にその流体の流れを遮断できる。また、異常の原因がマスフローコントローラの一次側圧力の低下であっても、二次側圧力の上昇であってもこれに迅速に対応して異常な流体の流れを確実に阻止できる。
【００１８】
前記両制御弁のさらに上流側に圧力センサを有してなり、前記制御部の安全停止機能は、この圧力センサの出力を用いてライン圧を監視し、このライン圧が設定された範囲を越えるときにこれを異常と判断し、制御弁を閉鎖して流体の流れを停止させるものである場合（請求項５）には、ライン圧があらかじめ設定された範囲（上限と下限）を越えるときに、この制御弁を閉鎖できるので、異常な流体の流れが生じる前に事前に異常の生じたラインの流れを遮断することが可能となり、それだけ安全性が向上する。
【００１９】
前記制御部の安全停止機能は、圧力制御弁の上流側に配置された圧力センサの出力と圧力制御弁の下流側に配置された圧力センサの出力とを比較し、圧力制御弁の上流側の圧力が下流側の圧力よりも低いときにこれを異常と判断し、制御弁を閉鎖して流体の流れを停止させるものである場合（請求項６）には、流体の流れに逆流が生じるような圧力の変化が生じたときに、逆流が生じるまえにその流れを閉鎖できるので、安全性の高い基準を保つことができる。
【００２０】
前記流量センサが圧力制御弁と流量制御弁の間に位置する流路に設けられてなる場合（請求項７）には、流量センサがマスフローコントローラの一次側圧力の変動にも二次側圧力の変動にも影響されることなく、正確に流量測定を行うことが可能となり、マスフローコントローラの安定性が向上する。
【００２１】
前記圧力制御弁，圧力センサ，流量センサ，流量制御弁がこの順に流路に配置されてなる場合（請求項８）には、マスフローコントローラの一次側における圧力変動が大きいときでも、圧力制御弁によって流量センサの直上における圧力を正確に一定に保って、流量センサに流れる流体の状態を安定させることが可能となり流量制御弁による流量制御を的確に行うことができる。
【００２２】
【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１の一例を示すブロック図である。本例のマスフローコントローラ１は流体（以下の例では流体としてガスを例示するが、この流体が気体であることを限定するものではない）を流すための流路２を形成する流路ブロック３と、この流路ブロック３に連結された圧力制御弁４と、流量センサ５と、流量制御弁６と、２つの圧力センサ７と、圧力制御弁４を制御する制御部８と、フィルタ９とを有している。なお、この圧力制御弁４と流量制御弁６は基本的に同じ構成の開閉制御弁であるが、以下の説明において両制御弁４，６をまとめて制御弁４，６と表現することもある。
【００２３】
前記流路２は例えば、流路ブロック３内をくり抜くように形成されており、第１〜第３流路２ａ〜２ｃを有している。また、第１流路２の上流端および第３流路の下流端には配管取付け部３ａ，３ｂをそれぞれ設けている。なお、流路２の形成手順は掘削であっても、鋳型を用いたものであってもその他の方法であってもよく、第２流路２ｂを掘削などで形成する場合には流路ブロック３は少なくとも１か所において分離可能に形成する必要があるが、何れにしても流路ブロック３，３ａ，３ｂを全体的に一体成形することで、ガス漏れを防ぐことができる。
【００２４】
圧力制御弁４は例えば流路ブロック３の一側面に形成された弁座３ｃに当接するダイアフラム４ａとそのアクチュエータ４ｂとからなり、開度制御信号Ｃｐによって前記流路２ａ，２ｂを連通連結する開度が制御可能に構成される。
【００２５】
流量センサ５は例えば第２流路２ｂ内に挿入された整流体５ａと、この第２流路２ｂから所定の割合１／Ａの流量だけ分岐する分岐流路５ｂと、この分岐流路５ｂに設けたセンサ本体５ｃとを有し、総流量Ｆを示す流路信号Ｓｆを出力する。
【００２６】
また、流量制御弁６は例えば流路ブロック３の一側面に形成された弁座３ｄに当接するダイヤフラム６ａとそのアクチュエータ６ｂとからなり、制御信号Ｃｆによって前記流路２ｂ，２ｃを連通連結する開度が制御可能に構成される。
【００２７】
前記圧力制御弁４，流量センサ５，流量制御弁６は流路ブロック３の一側面（上面）に並べて配置されており、これによってマスフローコントローラ１の全体的な大きさを小さく抑えることができる。
【００２８】
前記圧力センサ７は第１流路２ａに臨ませるように側面に配置された第１センサ７ａと、第２流路２ｂに臨ませるように側面に配置された第２センサ７ｂとからなり、両圧力センサ７ａ，７ｂは前記各部４〜５を取り付けた側面とは異なる面（本例では図１において第１流路２ａの手前および前記流量センサ５を構成する整流体５ａの直前に位置する第２流路の奥）にそれぞれ埋設している。これによって、マスフローコントローラ１の全体的な大きさを変えることなく圧力センサ７を設置できる。そして、前記センサ７ａ，７ｂはそれぞれ第１流路２ａ，第２流路２ｂ内の圧力Ｐａ，Ｐｂを示す圧力信号Ｓｐａ，Ｓｐｂを出力する。
【００２９】
なお、本例ではセンサ７ａ，７ｂを側面に設ける例を示しているが、圧力センサ７は流路２に臨ませるように取り付けられるものであれば、その取付け面を限定するものではない。つまり、流路ブロック３の下面に埋設しても、上面で前記圧力制御弁４，流量センサ５，流量制御弁６の邪魔にならない位置に埋設してもよいことはいうまでもない。
【００３０】
前記制御部８は、前記圧力センサ７からの圧力信号Ｓｐａ，Ｓｐｂ（出力）および流量センサ５からの流量制御信号Ｓｆ（出力）をフィードバックして開度制御信号Ｃｐ，Ｃｆを出力することで圧力制御弁４および流量制御信号６をフィードバック制御する処理部８ａと、外部とのインターフェース８ｂとを有している。すなわち、制御部８は圧力制御弁４をフィードバック制御することにより、流量センサ５の直上における圧力Ｐｂが所定の設定圧力Ｐｓになるように調節し、流量制御弁６をフィードバック制御することにより、その流量がインターフェース８ｂを介して入力した設定流量Ｆｓになるように調節する。
【００３１】
また、制御部８は圧力センサ７ａ，７ｂの出力Ｓｐａ，Ｓｐｂおよび流量センサ５の出力Ｓｆを監視して、これらの出力Ｓｐａ，Ｓｐｂ，Ｓｆが以下の４つの状態になったときに、このマスフローコントローラ１を流れる流体の流れに何らかの異常が生じていることを検知可能としている。
【００３２】
異常を検知する１番目の状態は、圧力センサ７ｂの出力Ｓｐｂが前記設定圧力Ｐｓから外れた状態（すなわちＰｂ≠Ｐｓ）が例えば５秒といった短い所定時間の間連続して生じている状態である。制御部８はこのような状態を検知したときに、圧力制御弁４の動作異常アラームＡ_１を発生する。
【００３３】
異常を検知する２番目の状態は、流量センサ５の出力Ｓｆが前記設定流量Ｆｓから外れた状態（すなわちＳｆ≠Ｆｓ）が例えば５秒といった短い所定時間の間連続して生じている状態である。制御部８はこのような状態を検知したときに、流量制御弁６の動作異常アラームＡ_２を発生する。
【００３４】
異常を検知する３番目の状態は、圧力センサ７ａ，７ｂの出力Ｓｐａ，Ｓｐｂを比較し、圧力制御弁４の一次側圧力Ｐａが二次側圧力Ｐｂよりも低くなった状態（すなわちＳａ＜Ｓｂ）状態である。制御部８はこのような状態を検知したときに、逆流異常アラームＡ_３を発生する。
【００３５】
異常を検知する４番目の状態は、圧力センサ７ａの出力Ｓｐａが、所定の下限圧力Ｐｍｉｎよりも低くなるか、所定の上限圧力Ｐｍａｘよりも高くなる状態（すなわち、Ｐａ＜ＰｍｉｎまたはＰａ＞Ｐｍａｘ）を示している。制御部８はこのような状態を検知したときに、一次圧力異常アラームＡ_４を発生する。
【００３６】
本発明のマスフローコントローラ１は圧力センサ７ａ，７ｂや流量センサ５などの複数センサ５，７ａ，７ｂを用いて正確な流量制御が行われているかどうかを自己確認することができ、何らかの異常が生じているときには速やかに流体の流れを停止できるので、マスフローコントローラ１に対する信頼性が高くなる。とりわけ圧力センサ７ａ，７ｂと流量センサ５はガスの流れの中に生じる異なる物理量（圧力，流量）を測定するものであるから、異常発生時にこれを確実に見分けることができる。
【００３７】
前記何れの異常アラームＡ_１〜Ａ_４が発生した場合にも、制御部８は圧力制御部４と流量制御部６の両方を全閉させるように開度制御信号Ｃｐ，Ｃｆを出力する。つまり、何らかの異常が生じた場合には、マスフローコントローラ１が２つの制御弁４，６を制御してガスの流れを閉鎖するので、異常なガスの流れを確実に阻止することができ、安全性が向上する。また、この安全停止機能は制御部８内のソフトウェアによって実現できるものであるから、その製造コストは極めて安価であり、装置構成が大型化するものでもない。
【００３８】
前記圧力制御弁４の動作異常アラームＡ_１が発生している状態では、圧力制御弁４は何らかの原因で破損して異常動作していることが考えられるが、流量制御弁６がこれと同じ瞬間に異常動作することは考えられない。したがって、動作異常アラームＡ_１が発生している状態であっても、流量制御弁６を全閉することで流量センサ５に不安定な圧力の印加が生じた状態での流量制御を中断してガスの供給を閉鎖し、早急に健全なマスフローコントローラ１との交換を促すことが可能となる。つまり、マスフローコントローラ１の信頼性が向上する。
【００３９】
一方、前記流量制御弁６の動作異常アラームＡ_２が発生している状態においても、流量制御弁６は何らかの原因で破損して異常動作していることが考えられるが、これと同時に圧力制御弁４が破損することはないと考えられるので、この圧力制御弁４を全閉することで適切な流量制御が行われていないガスの流れを遮断して、マスフローコントローラ１の信頼性が向上する。
【００４０】
さらに、逆流異常アラームＡ_３が発生している状態では例えばマスフローコントローラ１の一次側におけるガスのリークやボンベ内のガス圧低下などが生じたことなどが考えられるが、このときも、逆流の発生を事前に防止して安全性を強化できる。
【００４１】
前記一次圧力異常アラームＡ_４が発生している状態も例えばマスフローコントローラ１の一次側におけるガスのリークやボンベ内のガス圧低下などが生じたことなどが考えられるが、これを早い段階で検出することで、異常なガスの流れを防止して安全性が向上する。
【００４２】
なお、上述の例では図示を省略するが本例のマスフローコントローラ１は各センサ５，７ａ，７ｂによって測定された値Ｆ，Ｐａ，Ｐｂおよび前記異常アラームＡ_１〜Ａ_４の内容を表示する表示部を有している。これによって、管理者はマスフローコントローラ１の状態を確認することが可能となり、マスフローコントローラ１に対する信頼性が向上する。
【００４３】
さらに、センサ５，７ａ，７ｂによって測定された値Ｆ，Ｐａ，Ｐｂは何れもインターフェース８ｂを介して外部に出力可能としている。なお、本例では理解を容易とするためにインターフェース８ｂはアナログ的な値の入出力を行うものである例を示しているが、これがデジタル的に通信するものであってもよい。
【００４４】
加えて、圧力制御弁４の開閉制御は圧力センサ７ｂの出力信号Ｓｐｂだけを用いてフィードバック制御するものに限られるものではなく、圧力センサ７ａの出力信号Ｓｐａも用いて制御してもよい。なお、本例に示すように圧力センサ７ａを設けることで、マスフローコントローラ１に入力されているガスの圧力をモニタし、これを用いてマスフローコントローラ１の一次側圧力の異常を検出して、前記異常アラームＡ_３，Ａ_４を出力可能としているが、この圧力センサ７ａを省略してもよいことはいうまでもない。
【００４５】
また、本例のマスフローコントローラ１はフィルタ９を内蔵しているので、従来のように別途のフィルタ１６を連通連結する必要もない。すなわち、それだけガス供給ラインの簡素化を図ることができ、設置面積を少なくすることができる。なお、本例ではフィルタ９を流路２の最上流端に設けることで異物の進入による誤動作を防止する例を示しているが、本発明はフィルタ９の位置を限定するものではない。また、場合によってはフィルタ９を省略することも可能である。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、簡単な構成のマスフローコントローラでありながら、確実に指定された流量の流体を流すことができ、何らかの異常が生じたときには流体の流れを止めることで安全性を強化することができる。
【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例を示す図である。
【図２】従来のマスフローコントローラを用いた半導体製造ラインの例を示す図である。
【符号の説明】
１…マスフローコントローラ、２…流路、４…圧力制御弁、５…流量センサ、６…流量制御弁、７（７ａ，７ｂ）…圧力センサ、８…制御部、Ｓｐａ，Ｓｐｂ…圧力センサの出力、Ｓｆ…流量センサの出力。

Claims

流路中を流れる流体の圧力を測定する圧力センサと、
この圧力を調節する圧力制御弁と、
前記流体の流量を測定する流量センサと、
この流量を調節する流量制御弁と、
前記圧力センサの出力を用いて圧力制御弁を制御する一方、前記流量センサの出力を用いて流量制御弁を制御して流体の流れを安定制御すると共に、
前記圧力センサおよび流量センサの出力を用いて流体の流れを監視してこれに異常が生じたときには前記制御弁を閉鎖して流体の流れを停止させる安全停止機能を有する制御部とを設けてなることを特徴とするマスフローコントローラ。
前記制御部の安全停止機能は、圧力センサの出力を監視し、これが設定圧力から外れた状態が所定時間持続するときに、これを異常と判断して流量制御弁を閉鎖するものである請求項１に記載のマスフローコントローラ。
前記制御部の安全停止機能は、流量センサの出力を監視し、これが目標とする設定流量から外れた状態が所定時間持続するときに、これを異常と判断して圧力制御弁を閉鎖するものである請求項１または２に記載のマスフローコントローラ。
前記制御部の安全停止機能は、異常時に両制御弁を閉鎖するように制御するものである請求項１〜３の何れかに記載のマスフローコントローラ。
前記両制御弁のさらに上流側に圧力センサを有してなり、前記制御部の安全停止機能は、この圧力センサの出力を用いてライン圧を監視し、このライン圧が設定された範囲を越えるときにこれを異常と判断し、制御弁を閉鎖して流体の流れを停止させるものである請求項１〜４の何れかに記載のマスフローコントローラ。
前記制御部の安全停止機能は、圧力制御弁の上流側に配置された圧力センサの出力と圧力制御弁の下流側に配置された圧力センサの出力とを比較し、圧力制御弁の上流側の圧力が下流側の圧力よりも低いときに、これを異常と判断し、制御弁を閉鎖して流体の流れを停止させるものである請求項５に記載のマスフローコントローラ。
前記流量センサが圧力制御弁と流量制御弁の間に位置する流路に設けられてなる請求項１〜６の何れかに記載のマスフローコントローラ。
前記圧力制御弁，圧力センサ，流量センサ，流量制御弁がこの順に流路に配置されてなる請求項１〜７の何れかに記載のマスフローコントローラ。