质量流量计及控制器以及质量流量计及控制器系统 |
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| 申请号 | CN201010135177.4 | 申请日 | 2010-03-11 | 公开(公告)号 | CN101839737A | 公开(公告)日 | 2010-09-22 |
| 申请人 | 株式会社堀场STEC; | 发明人 | 鹿岛利弘; 米田豊; 矶部泰弘; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供一种优异的 质量 流量计等，无需特别的工时也能够灵活应对气体类型等试样 流体 的变更，并且可 精度 良好地测定流量。所述质量流量计包括： 传感器 部(2)， 对流 路(1)中流动的试样流体G的流量进行侦测；设定部(4c)，设定所 指定 的试样流体所固有的流量特性函数K和仪器误差修正参数α，流量特性函数K是按照每一流体所确定的、用以根据来自所述传感器部(2)的输出值确定流量的流量特性函数，且仪器误差修正参数α是独立于流量特性函数且为多个试样流体所共用的参数，用以对每一质量流量计的仪器误差进行修正；以及流量计算部(4d)，根据流量特性函数K和仪器误差修正参数α，来计算出试样流体G的流量。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种质量流量计，其包括： |
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| 说明书全文 | 质量流量计及控制器以及质量流量计及控制器系统技术领域[0001] 本发明涉及一种在半导体工序等中对气体或液体等流体的流量进行控制的质量流量计(mass flow meter)、具有此质量流量计的质量流量控制器(mass flow controller)、以及进而具有此等质量流量计和质量流量控制器的质量流量计系统(mass flow meter system)及质量流量控制器系统(mass flow controller system)(以下，将这些称作质量流量计等)。 背景技术[0002] 近年来，越来越多地对一台半导体制造装置搭载多个处理腔体(process chamber)来进行多个工序(process)等的半导体工序中，所使用的气体或液体之类的流体种类大幅增加，对应于此而需要大量的质量流量计等。 [0003] 此情况下，提供有如下的质量流量计等，亦即，即便为一台质量流量计等，也无需从管道等中拆卸此质量流量计等，可由用户方(user side)对应于作为试样流体的气体类型等的变更或满标度(full scale)流量(最大测定或者控制流量)的变更，而使用此质量流量计等(例如，参照专利文献1)。 [0004] [先行技术文献] [0005] [专利文献] [0006] [专利文献1]日本专利特开平11-94604号公报(12页) 发明内容[0007] 然而，根据发明人潜心研究的结果，首先了解到如下情况。亦即，即便为用以根据气体类型的变更而计算出与此气体类型对应的流量值、且和用以计算出流量的函数相乘的系数即所谓的换算因数(conversionfactor)，为了使此系数在多个质量流量计等中共用化来进行高精度的测定，也必须将此系数变更为对获取此系数的作为基准器的质量流量计等和实际使用的各个质量流量计等之间的仪器误差进行修正者。 [0008] 另一方面，可认为质量流量计等的仪器误差也和气体类型等试样流体的种类相关，因此可认为修正所示仪器误差的参数(parameter)，必须最终在各个试样流体实际流入各质量流量计等之后求出。 [0009] 然而，根据发明人潜心研究的结果，进而了解到如下情况。即，质量流量计等的仪器误差，可通过使硬件(hardware)的各构成尽量基准化来从硬件方面加以抑制。而且，在此仪器误差得以抑制的硬件中，仪器误差即便在多个试样流体以共用的方式来处理也能够精度良好地测定流量。 [0010] 本发明是根据这些知识见解，从能否提供一种无需特别的工时也能够较佳地应对气体类型等试样流体的变更的优异的质量流量计等的设想中完成的。即，本发明的目的在于提供一种优异的质量流量计等，即便在气体类型等试样流体变更时也能够作出灵活应对，并且，还可以精度良好地测定流量。 [0011] 为解决此类技术性课题，本发明的质量流量计具备：传感器部，对流路中流动的试样流体的流量进行侦测；设定部，设定所指定的试样流体所固有的流量特性函数和仪器误差修正参数，所述流量特性函数是按照每一流体所确定的用以根据来自所述传感器部的输出值确定流量的流量特性函数，所述仪器误差修正参数是独立于所述流量特性函数且为多个试样流体所共用的参数，用以对每一质量流量计的仪器误差进行修正；以及流量计算部，根据所述流量特性函数和所述仪器误差修正参数，来计算出所述试样流体的流量。 [0012] 根据所述质量流量计，仪器误差修正参数是独立于流量特性函数且为多个试样流体所共用的参数，所以，即便在由所述质量流量计等测量的试样流体变更时，仅通过设定和所测量试样流体对应的流量特性函数，便可精度良好地测定所变更的试样流体的流量。 [0013] 即，根据本发明，只要是相同的质量流量计等，便可设定多个试样流体所共用的仪器误差修正参数。所以，即便在由所述质量流量计等测定的试样流体变更时，也不必使所变更的各个试样流体流入后对此质量流量计等进行实际校正，来求出每一试样流体或者流量特性函数所固有的仪器误差修正参数，而是仅例如设定经和所变更的试样流体不同的其他试样流体进行校正而得的、在所述质量流量计等中共用的仪器误差修正参数等，进而，从数据库(database)等中读入在传感器部或旁通路(bypass)构成等硬件构成实质上相同的质量流量计中共用化的通用的流量特性函数并加以设定等，由此便可容易地精度良好地测定所变更的试样流体的流量。 [0014] 而且，所述流量特性函数如果由五次多项式表示，则可一边在宽范围(range)中精度良好地近似，一边进一步扩大可由质量流量计等测定的最大流量即满标度流量，因此，即便可由所述质量流量计来测定的范围作规定波动也可抑制误差，从而可在多种范围中实现高精度的测定。 [0015] 如果在以满标度流量测定作为试样流体的基准流体时，所述仪器误差修正参数为能够消除设定基准流体所固有的流量特性函数而计算出的流量值、和利用作为基准的质量流量计来测定出所述满标度流量时的流量值之误差，则此参数也可例如利用惰性气体等的便利性高的基准流体仅单点测定满标度流量而求出，从而能够减轻质量流量计等的校正作业的繁杂性。此处，所谓满标度流量是指优选利用流量特性函数在规定误差的范围内可测定的最大流量值，但也可为将所述可测定的上限流量值限制得小到规定值时的流量值(小于可测定的上限流量值的流量值)。 [0016] 所述仪器误差修正参数如果是以氮气为试样流体并实际测定作为所述试样流体的基准气体而求出的系数，且所述系数为其他不同的多个试样气体所共用，则便可尽量避免利用毒性或腐蚀性强的气体或液体等试样流体来校正各个质量流量计等，从而可安全且简易地求出作为仪器误差修正参数的系数。 [0017] 进而，如果使质量流量控制器为包含所述质量流量计、设置在所述流路中的控制阀(cortrol valve)及对计算出的流量值和流量设定值进行对比运算并依据此运算结果来控制所述控制阀的控制部的质量流量控制器，则便可提供一种能够在实现高精度的流体控制的同时、根据半导体成膜工序的变更等而容易地变更作为控制对象的试样流体的通用性高的质量流量控制器。 [0018] 如果质量流量计系统或者质量流量控制器系统进而具备和多个质量流量计或多个质量流量控制器进行通信并且存储多个和试样流体相关的流量特性函数的存储部、以及受理对在所述流路中流动的试样流体的指定的试样流体受理部，且所述设定部从所述存储部中接收由所述受理部指定的试样流体所固有的流量特性函数，并设定所指定的试样流体所固有的流量特性函数，则便可设置连接着多个质量流量计等的半导体制造装置或高级别的主计算机(host computer)，并根据试样流体的指定，通过电力通信线路对各质量流量计等，发送和每一试样流体相关联地加以存储、且硬件实质上相同的质量流量计等所共用的通用性高的流量特性函数，由此可在提高各质量流量计等的通用性的同时，集中管理流量特性函数从而便于管理所述追加变更等。 [0019] [发明的效果] [0021] 图1是表示本发明的一实施方式的质量流量控制器系统的整体概略图。 [0022] 图2是表示所述实施方式中的质量流量控制器的设备构成的示意图。 [0023] 图3是表示所述实施方式中的质量流量控制器系统的功能构成图。 [0024] 图4是所述实施方式中的控制装置的设备构成图。 [0025] 图5是所述实施方式中的传感器输出范围的说明图。 [0026] 图6是表示所述实施方式中的质量流量控制器的动作的流程图。 [0027] [符号的说明] [0028] 1气体流路(流路) 1a、1b分流管 [0029] 1b1层流元件 2流量传感器部(传感器部) [0030] 3流量控制阀(控制阀) 4处理部 [0031] 4a控制部 4a1偏差计算部 [0032] 4a2控制值计算部 4c设定部 [0033] 4b MFC侧存储部 4d流量计算部 [0035] 12导出端口 21热敏传感器 [0036] 22桥接电路 23放大电路 [0037] 24修正电路 101CPU [0038] 102内部存储器 103外部存储装置 [0039] 104输入装置 105显示装置 [0041] A1质量流量控制器 A2控制装置 [0042] A21存储部 A22受理部(试样流体受理部) [0043] A23发送部 B储气罐 [0044] FV气动阀 PR调压器 [0045] G试样气体(试样流体) K流量特性函数 [0046] α仪器误差修正参数 具体实施方式[0047] 以下，参照附图对本发明的一实施方式加以说明。 [0048] 本实施方式的质量流量控制器系统A具备质量流量控制器A1、对所述质量流量控制器A1进行控制·管理的另一控制装置A2，例如图1所示，用于对半导体制造装置中的腔室供给气体的气体供给系统。以下，具体说明各装置。 [0049] 如图2中示意图所示，质量流量控制器A1具备：气体流路1(本发明中的「流路」的一个示例)；流量传感器部2(本发明中的「传感器部」的一个示例)，对所述气体流路1内流动的试样气体G(本发明中的「试样流体」的一个示例)的流量进行测定；流量控制阀3(本发明中的「控制阀」的一个示例)，设置在所述流量传感器部2的例如下游侧；处理部 4，具有控制部4a(参照图3)，此控制部4a对根据流量设定信号的流量设定值以及根据来自所述流量传感器部2的流量测定信号而计算出的流量值(流量测定值)进行对比运算，并基于此运算结果来控制流量控制阀3。以下，对各部分进行具体说明。另外，质量流量控制器是在质量流量计中进而附加有控制机构而得的，所以，在质量流量控制器中将此两者一起说明，而省略对质量流量计的单独说明。 [0050] 如图2所示，气体流路1中将上游端作为导入端口(port)11、并将下游端作为导出端口12而分别开口，所以如图1所示，例如导入端口11上，经由外部管道而连接有气动阀FV、调压器(pressure regulator)PR以及储气罐(gas bomb)B，而在导出端口12上，经由外部管道而连接有用于半导体制造等的腔室(未图示)。而且，本实施方式中如图2所示，所述气体流路1构成为在导入端口11和导出端口12之间，具有分流为两个部分后合流的气体分流路1a、1b。其中，在气体分流路1a中安装有下述的热敏传感器(thermal sensor)21，另一方面，气体分流路1b用作配置有层流元件1b1的旁通路。 [0051] 流量传感器部2虽未图示详细情况，但例如具备设置在气体流路1中的一对热敏传感器21。此流量传感器部2是在由所述热敏传感器21将试样气体G的瞬间流量作为电信号进行检测，并通过内部电气电路(桥接电路(bridge circuit)22、放大电路(amplifying circuit)23、修正电路24)使所述电信号放大等后，将所述电信号作为和检测流量对应的流量测定信号(以下也称为传感器输出)加以输出。 [0052] 流量控制阀3依然未图示详细情况，但例如构成为可通过由压电元件(piezodielectric element)等构成的致动器(actuator)使阀开度发生变化，并通过被提供有来自外部的电信号即开度控制信号来驱动所述致动器，将阀开度调节为对应于所述开度控制信号的值来控制试样气体G的流量。 [0053] 处理部4包含未图示的CPU(central processing unit，中央处理器)及存储器(memory)、具有A/D转换器(Analog-to-Digital converter，模拟/数字转换器)及D/A转换器(Digita)-to-Analog converter，数字/模拟转换器)等的数字乃至模拟电气电路、及用以和控制装置A2进行通信的通信接口(interface)等，处理部4既可为专用部件，也可为在部分或全部利用个人电脑(Personal Computer)等通用计算机(Computer)的部件。而且，也可构成为不使用CPU而是仅利用模拟电路来实现作为所述各部分的功能，还可无需在实体上为一体，而是由通过有线乃至无线来相互连接的多个设备构成。而且，硬件也可和控制装置A2共用。 [0054] 而且，在所述存储器中存储规定的程序(program)，按照所述程序而使CPU及其外围设备协同动作，由此使处理部4如图3所示构成为，至少发挥着作为控制部4a、存储仪器误差修正参数及流量特性函数的MFC(massflow controller，质量流量控制器)侧存储部4b、设定部4c、流量计算部4d以及开度控制信号输出部4e等的功能。 [0055] 设定部4c是包含CPU以及通信接口而构成，且接收由控制装置A2发送而来的按照每一试样流体所确定的流量特性函数K(包含流量特性确定函数(流量特性曲线)的各系数(agas～fgas)和对应此流量特性确定函数而确定的试样流体的满标度流量(FSgas)而构成)后，将其存储到设定在所述存储器的规定区域中的MFC侧存储部4b中。而且，设定部4c读出所述存储部4b中所存储的仪器误差修正参数α(详细情况随后描述)，并且依据控制装置A2中受理了指定的应进行测定(流量控制)的试样流体，自所述存储部4b中读出流量特性函数K。接着，设定部4c根据这些所述仪器误差修正参数α及所述流量特性函数K来设定流量计算部4d中所使用的流量算式。即，当用以计算出作为基准流体的基准气体N2的流量的流量算式(下式P1)已设定时，设定部4c仅变更和被指定为测定对象的试样流体(试样气体G)对应的流量特性函数K的部分，而生成用以计算出试样气体G的流量的流量算式(下式P2)。 [0056] Flow＝fN2(x)×FSN2×a …(P1) [0057] 此处，fN2(x)是依照fN2(x)＝aN2×x5+bN2×x4+cN2×x3+dN2×x2+eN2×x+fN2而求得，aN2表示N2的流量特性曲线的五次项系数，bN2表示N2的流量特性曲线的四次项系数，cN2表示N2的流量特性曲线的三次项系数，dN2表示N2的流量特性曲线的二次项系数，eN2表示N2的流量特性曲线的一次项系数，fN2表示N2的流量特性曲线的0次项系数，FSN2表示N2的FS(基准气体N2的流量特性曲线中的满标度流量)，α表示作为仪器误差修正参数的系数(多个试样气体所共用的系数)，x表示传感器输出。 [0058] Flow＝fgas(x)×FSgas×a …(P2) [0059] 此处，fgas(x)是依照fgas(x)＝agas×x5+bgas×x4+cgas×x3+dgas×x2+egas×x+fgas而求得，agas表示试样气体G的流量特性曲线GC的五次项系数，bgas表示试样气体G的流量特性曲线GC的四次项系数，cgas表示试样气体G的流量特性曲线GC的三次项系数，dgas表示试样气体G的流量特性曲线GC的二次项系数，egas表示试样气体G的流量特性曲线GC的一次项系数，fgas表示试样气体G的流量特性曲线GC的0次项系数，FSgas表示试样气体G的FS(试样气体G的流量特性曲线中的满标度流量)，α表示作为仪器误差修正参数的系数，x表示传感器输出。 [0060] MFC侧存储部4b如下所述，存储有例如工厂出货前设定的仪器误差修正系数α，并形成在所述存储器的规定区域中。而且，MFC侧存储部4b也可事先追加性地存储有由所述设定部4c适时地受理的各种试样气体G的流量特性函数K。 [0061] 流量计算部4d接收流量测定信号(传感器输出)和由所述设定部所生成的流量算式(P2)。接着，依据所述传感器输出和流量算式(P2)，而计算出气体流路1中流动的试样气体G的流量。流量计算部4d将计算出的此实际流量值，发送到控制部4a以及控制装置A2的显示装置105(参照图4)或设置在质量流量控制器中的显示部(图示省略)。 [0062] 控制部4a具备：偏差计算部4a1，获取从所述流量计算部4d中所接收的作为实际流量值的流量测定值和流量设定信号所表示的流量设定值后，计算出所述流量测定值和流量设定值的偏差ε；以及控制值计算部4a2，对所述偏差ε至少实施比例运算(优选PID(Proportion IntegrationDifferentiation，比例积分微分)运算)，而计算出对流量控制阀3的反馈(feedback)控制值。 [0063] 开度控制信号输出部4e生成具有根据所述反馈控制值的数值的开度控制信号，并将所述开度控制信号输出到流量控制阀3。 [0064] 控制装置A2例如设置在半导体制造装置中，如个人电脑等那样具有普通的信息处理功能，且如图4所示，具备CPU101、内部存储器102、HDD(hard disk drive，硬磁盘驱动器)等外部存储装置103、鼠标(mouse)及键盘(keyboard)等输入装置104、液晶显示器等显示装置105、以及用以和质量流量控制器A1进行通信的通信接口106等。而且，如图3所示，所述控制装置A2按照例如内部存储器102中所存储的程序，使CPU101及其外围设备协同动作，由此所述控制装置A2至少发挥着作为存储部A21(流量特性函数存储部的一个示例)、受理部A22(流量特性函数受理部的一个示例)以及发送部A23的功能。另外，在图3中控制装置A2和质量流量控制器A1为以1对1对应着，但也可设置为多个质量流量控制器A1，经由包含通信接口106而构成的发送部而和一个控制装置A2进行相互通信。 [0065] 存储部A21将按照每一种试样流体所定义的多个流量特性函数K数据库化后加以存储，且形成在例如内部存储器102或外部存储装置103的规定区域中。另外，在所述控制装置A2的存储部A21中也可存储有一个流量特性函数K，进而设置能够和此存储部A21进行通信的主计算机(未图示)，来创建存储有多个流量特性函数K的数据库。 [0066] 受理部A22在经由输入装置104而新追加有应测定的流体的指定、流量设定值、及应测定的试样流体的种类时，受理和此试样流体对应的固有的流量特性函数K等。接着，将这些参数存储在所述存储部A21中。 [0067] 发送部A23将由所述受理部A22接收并存储在存储部A21中的流量特性函数K等的各种参数读出后，以规定的时序(timing)发送到质量流量控制器A1中。所述发送部A23是包含通信接口106而构成的。 [0068] 此处，基于图5，对流量特性函数K进行补充说明。流量特性函数K是包含流量特性确定函数GC(流量特性曲线)及试样流体的满标度流量FP(FSgas)而构成的，所述流量特性确定函数GC具有所述各系数(agas～fgas)，且满标度流量FP是对应于此流量特性确定函数而确定的。流量特性曲线是例如准备有作为基准的一个或多个质量流量计，并通过使各实际气体等实际流体(应作为测定对象的流体)实际流动而获取的，相当于表示传感器输出和流量值的关系的近似方程式。接着，确定流量特性曲线后，依据此流量特性曲线来将规定的容许误差范围内能够测定的、例如最大流量定义为满标度流量值。流量特性函数K(也包括流量特性曲线以及满标度流量)在试样流体不同时有可能不同，但如果流量传感器部2或分流管1a、1b以及层流元件等的质量流量计的硬件构成实质上相同则可共用地使用。 即，此流量特性函数K被定义为相对于同一构成(同一类型)的质量流量计而具有通用性的函数。 [0069] 仪器误差修正系数α是在例如出货前，按照每一个质量流量控制器A1，以下面所示的顺序来设定其数值，并分别存储在各质量流量控制器A1的MFC侧存储部4b中。 [0070] 顺序1：首先，设定部4c将N2等惰性气体用作应测定的试样流体，从MFC侧存储部4b中读出设定相对应的流量特性函数K。 [0071] 顺序2：接着，使N2实际流过质量流量控制器A1，并利用所读出的流量特性函数K，来测定图5所示的满标度点FP(●标记)处的气体流量。 [0072] 顺序3：对多个(其中的一台包含作为基准的质量流量控制器)质量流量控制器A1，实施顺序1、2，而求出各质量流量控制器A之间的仪器误差(流量误差)，并设定补偿此仪器误差的仪器误差修正参数。 [0073] 如上所述，仅仅是采用惰性气体等基准流体作为所述试样气体G，且尤其是只在满标度点这一点进行校正，来规定也可应用于比重·黏度·比热等物理性质近似的多种试样气体G的仪器误差修正参数即可，所以在实际的半导体工序现场能够简易地将试样气体G变更为其他气体。 [0074] 其次，以控制部4为中心，参照图6的流程图来说明所述构成的质量流量控制器A1的动作。如图6所示，如果变更试样气体G(步骤101)，则设定部4c将会接收到试样气体G的变更，而设定由和此试样气体G对应的流量特性函数K及和变更前的仪器误差修正参数α相同的仪器误差修正参数所构成的流量算式(P2)(步骤102)。即，设定部4c仅将流量特性函数替换为从MFC侧存储部4b中读出的、和变更后的试样气体G对应的新的流量特性函数K。 [0075] 接着，如果从流量传感器部2输出流量测定信号(步骤103)，则流量计算部4d将会根据流量算式(P2)，计算出气体流路1中流动的试样气体G的流量(步骤104)。另外，如果不变更试样气体G，则流量计算部4d可根据已设定的流量算式来进行流量计算。这些所计算的流量将作为流量值提供至外部输出(显示)。 [0076] 以上为止是质量流量传感器的动作情况，进而，质量流量控制器A1以及包含此质量流量控制器A1的质量流量控制器系统A的控制部4a中的偏差计算部4a1，在接收到表示由流量计算部4d所计算出的试样气体G的流量的实际流量信号、及在接受到从控制装置A2输出的流量设定信号时(步骤105)，计算出所接收的实际流量信号的数值(流量测定值)和作为所述流量设定信号的数值的流量设定值之差、即偏差ε(步骤106)。 [0077] 接着，控制值计算部4a2对所述偏差实施例如PID运算，而计算出对流量控制阀3的反馈控制值(步骤107)。 [0078] 其次，开度控制信号输出部4e根据所述反馈控制值而生成开度控制信号(步骤108)，并将所述开度控制信号输出到流量控制阀3中，而改变此流量控制阀3的阀开度来进行流量控制(步骤109)。 [0079] 所以，根据使用有所述质量流量计及质量流量控制器A1的质量流量控制器系统A，仪器误差修正参数α能够独立于流量特性函数K(气体特性曲线确定系数和满标度系数)而进行处理，所以，即便在作为控制对象的气体类型的设定发生变更时，也可通过变更流量特性函数K来避免操作的繁杂性，从而易于实现高精度的流体控制。 [0080] 而且，作为构成流量特性函数的流量特性曲线，采用的是五次多项式这样的高次多项式，所以能够一边较佳地近似一边扩大满标度范围，从而可使传感器输出的范围在其最大侧增宽来精度良好地进行流量测定。其结果，可提供一种能够实现高精度流体控制的优异的质量流量控制器A1以及质量流量控制器系统A。 [0081] 所述仪器误差修正参数α是以氮气等便利性高的惰性气体为基准气体，并利用所述基准气体来测定满标度点FP而求出的，且也可通用性地应用于其他试样气体G，所以即便试样气体(工序气体)的设定发生变更，也不必在使用现场因气体变更而实施校正作业。 [0082] 控制装置A2等的级别高于质量流量控制器A1的计算机中，设置有包含多种流量特性函数的数据库，因此在进行试样气体的设定变更时，将从此处发送相应的流量特性函数，并通过和对于试样气体通用性高的所述仪器误差修正参数α进行组合，而在使用现场也能够变更测定对象气体。最终，可极大地提高各质量流量控制器等对试样流体的通用性。 [0083] 另外，本发明并非局限于所述实施方式。例如虽然例示了在控制装置A2中，设置有作为试样流体受理部的受理部A22以及将流量特性函数K数据库化的存储部A21，但也可将这些受理部A22和存储部A21设置在质量流量控制器A1中等，并以独立动作方式使用此质量流量控制器A1。 [0084] 虽然使流量特性曲线为五次多项式，但也可使确定流量特性的函数为四次以下或六次以上的多项式，此外，并非限于由多项式构成。 [0085] 此外，作为基准流体的基准气体并非限于氮气。例如，也可使用其他惰性气体等作为基准气体。作为流体也可设想成液体等。 [0086] 其他方面，各部分的具体构成也并非限于以上实施方式，在未脱离本发明精神的范围内可进行各种变形。 |
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