EZ-Japan BLOG since 2017 真・MFC千夜一夜物語

EZ-Japanブログは、真・MFC千夜一夜物語という流体制御機器=マスフローコントローラ(MFC)の解説記事をメインに、闘病復帰体験、猫達との生活が主なコンテンツです

ダウンサイジング

真・MFC千夜一夜物語 第371話 ダウンサイジングこそ技術革新の証です その8

マスフローメーター(MFM)マスフローコントローラー(MFC、MFMとMFCをマスフローと総称。) のダウンサイジングに関しての解説の最終章です。

MFCが出現して以来、そのダウンサイジングへの要求は絶えず、それに対する開発は色々と寄り道を強いられながらも、続いてきました。
その道は半導体製造装置向けというMFCのメインマーケットとそれ以外の一般産業用途では大きく異なる道に分岐しきました。
1990年代後半の熱式流量センサーのMEMS化が一つの大きな転換点でしたが、半導体プロセスで使用される腐食性ガスに対して、ヒーター、熱電対部を直接さらすMEMS方式はNGという判断が下されたのに対して、一般工業向け特に装置が小型でフットプリントへの要求が厳しい分析装置向けではブロンコストのIQ+FLOWといた今までのMFCの概念を打ち破るような製品が出現して、今に至っています。

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【IQ+FLOW マニホルドタイプ 出典:ブロンコスト・ジャパン(株)】
MFCのメインマーケットであった半導体製造装置産業では、画期的なダウンサイジングに至るのは2020年代の圧力式流量検出方式を搭載した10mmMFCまで待つ必要がありました。

その間にブロンコストは更にこの小型MFC分野を追求し、サイズ的にはIQ+FLOWよりは大きいのですが、その分流量レンジや仕様圧力を拡大したFLEXI-FLOW Compactという新世代の流量センサーであるTCS(Trough Chip Sensor)Technology バイパスフローセンサーを搭載したモデルをこの春に発表しています。

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【EL-FLOW vs FLEXI-FLOW Compact 出典:ブロンコスト・ジャパン(株)】
今後、MFCのダウンサイジングはどの方向へ行くのか?
Decoはもう一つの解として全量測定できる流量センサーであるコリオリ式流量センサーのMEMSタイプにも、その解があるのではないかと考えています。
従来のMEMS、ブロンコストの開発したチューブタイプのTCS Technology バイパスフローセンサー、半導体向けの圧力式流量センサー、これらの更なる進化の兆候が見られたら、その都度ブログで解説していきますね!

【あなたにMFCの夜が来る~真・MFC千夜一夜物語】by Deco EZ-Japan

真・MFC千夜一夜物語 第370話 ダウンサイジングこそ技術革新の証です その7

マスフローメーター(MFM)マスフローコントローラー(MFC、MFMとMFCをマスフローと総称。) のダウンサイジングに関して解説していきましょう。

今回からはマスフローの更なるダウンサイジングの半導体製造装置向け製品に関してです。
半導体製造装置はクリーンルームと呼ばれる清浄な環境に設置され、プロセスガスには高純度ガスを使用しています。
微細なゴミだけでなく、接ガス材質からのアウトガス、金属イオンの抽出等にまでに神経を配らなくてはいけない産業です。
そして配管内面のガスや水分が残存するような無駄なボリューム(デットボリューム)の存在も嫌います。
プロセスガスには反応性の高いガス種が多々あり、それによる腐食が避けられないという点でマスフローのダウンサイジングの切り札となるMEMS技術が嫌忌される傾向にあります。
圧縮空気や窒素パージラインでは昨今MEMSセンサー搭載マスフローにも門戸は開かれているのですが、プロセスガスラインへの導入は難しいと思えます。

反面、半導体製造装置は一装置辺りのMFCの搭載台数が圧倒的に多い事もあり、ダウンサイジングへの要求は非常に強いものがあり、106mmコンパクトMFC、1.5インチから1.125インチIGSへとダウンサイジングが進んできました。

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しかしながら、従来の巻線型流量センサーと分流構造を維持したままでは、これ以上のダウンサイジングは苦しいところに来てしまっています。

熱式のMEMS流量センサーを使えないのならば、他の流量検出方式に活路を見出すしかありません。
ここにきてセンサー方式を熱式オンリーから転換するコンセプトで、更なるダウンサイジングを実現できるフォーマット“10mmMFC”に注目が集まっています。
この10mm規格で採用されるMFCは奥行き寸法が10mmという今までのコンパクトMFCの半分以下という薄型 MFCです。
(株)堀場エステックの“超薄型マスフローモジュール CRITERION DZ-100 Series という超薄型の差圧式流量検出方式を採用したモジュールや(株)フジキンのFCS-P という圧力式流量制御モジュールが発表されています。

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【10mmMFC FCS-P7000D 出典:(株)フジキン】

ただ、現状ではこの10mmの薄いボディにEtherCAT等の通信基板を収めたり、M12やRJ45の通信コメクターを取り付ける事は難しいと言わざるを得ないので、通信基板はガスボックス内で別置きでの対応になっているようです。
半導体製造装置向けMFCでこの10mm規格が今後どれだけ伸びていくかが、ダウンサイジングを推し進める上でのキーとなるでしょうね。
カバーできる流量レンジ的な問題で、中大流量向けのMFCで巻線型、もしくはMEMS型の熱式流量センサーを搭載した熱式MFCの復権もあるかもしれません。
 【あなたにMFCの夜が来る~真・MFC千夜一夜物語】by Deco EZ-Japan

EZ-Japanは8/11-21まで夏季休暇になりますので、次回更新は8/23(火)になります。

真・MFC千夜一夜物語 第369話 ダウンサイジングこそ技術革新の証です その6

マスフローメーター(MFM)マスフローコントローラー(MFC、MFMとMFCをマスフローと総称。)ダウンサイジングの歴史に関して解説していきましょう。

一般産業、特に分析装置のように卓上で使用するような小型装置の場合、マスフローが占めるフットプリントと重量の軽減は、非常にインパクトが大きいです。
その点でブロンコストのIQ+FLOWはイノベイティブな存在です。
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【IQ+FLOW  提供:ブロンコスト・ジャパン、撮影:EZ-Japan】

寸法はW:40×D:20×H:60mm(継手を含まず)です。
公平を期すために同社の現行のスタンダードモデルであるEL-FLOWシリーズの諸表を紐解くとW:77×D:25×H:112mm(継手を含まず)であり圧倒的なダウンサイジングを達成しているのがわかります。
重量もアルミボディのモデルで200gと一般的なMFCの1/5~1/6まで軽量化されているのです。
ダウンサイジングで忘れられがちですが、重量削減の占めるファクターも大きいのです。
それは装置全体の重量を削減させる事のメリットもありますが、MFCを取り付ける際の工数削減にもなります。
IQ+FLOW用のセンサーは、他のブロンコスト製品とは異なり、MEMSタイプの流量センサーを搭載しているからこそ、ここまで軽量コンパクトにまとめる事が出来たのです。
このサイズで流量制御バルブを搭載したMFCである事に驚くユーザーは多いですね。
流石に流量レンジ上限は窒素ベースで5SLMまでにとどまります。
MEMSセンサーの効能で応答速度 0.3秒以下であり、決して通常サイズのMFCに見劣りはしませんし、圧力定格は10bar=1MPa(G)までと、他のブロンコスト製品と比較すると低いのですが、国産マスフローとは同等です。
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【IQ+FLOW マニフォールドタイプ 出典:ブロンコスト・ジャパン(株)】

IQ+FLOWシリーズは単体でもコンパクトなのですが、装置メーカーのような定期的購入が前提のOEM顧客向けに、複数ラインのMFCを一体化したマニフォールド・ソリューションも提供しています。
写真のようにMFCを3ライン連結してみたり、MFC以外にもIQ+FLOWサイズのAPC(Automatic Pressure Controller)や閉止バルブ、三方バルブ、フィルター、ガス混合マニホルドを組み合わせた本格的なガスシステムを最小限のフットプリントで再現し、同時に省配線化も実現するのです。配管接続の無い一体構成はリークポイントの削減による安全性向上、トップマウント構造でメンテナンス性向上をも提供します。

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【FLEXI-FLOW Compact 出典:ブロンコスト・ジャパン(株)】
EUの分析装置ではガスクロマトグラフ(GC)のインジェクター部の流量・圧力コントロールや、高速液体クロマトグラフ(HPLC)の検出部の流量制御、水素炎イオン化検出器(FID)の検出部の流量制御等で既に多く採用されており、日本でも分析装置以外でもエアリークテスターなどで導入されています。
一般工業向けMFCのダウンサイジングは、MEMS流量センサーのデビューと共に大きく前進したが、ブロコストのIQ+FLOW、そしてこの春登場した20SLMまでをカバーするマルチガスタイプのFLEXI-FLOW Compactは、その先端を走るマスフローと言えるでしょう。

【あなたにMFCの夜が来る~真・MFC千夜一夜物語】by Deco EZ-Japan


真・MFC千夜一夜物語 第368話 ダウンサイジングこそ技術革新の証です その5

 マスフローメーター(MFMマスフローコントローラー(MFCMFMMFCをマスフローと総称。) ダウンサイジングの歴史に関して解説していきましょう。
今回からは、現在進行形で進んでいるマスフローのダウンサイジング技術に関する解説を行いましょう。


ここでは大きく分析装置のような一般産業向けと半導体製造装置向けに分けて話を進めます。
これは半導体製造装置向けとその他の用途装置では、マスフローに対する要求事項が大きく異なるからです。
具体的に言えば、ダウンサイジングに最も有効である熱式流量センサーのMEMS (Micro Electro Mechanical Systems)が受け入れられるか?です。
従来型の巻線タイプとMEMSタイプの構造比較を下図で見てみましょう。

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巻線型は層流素子(バイパス)と組み合わせた全体像は下図のような形となります。

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ほとんどの巻線型はセンサーの内径が1mmΦ以下のステンレスチューブでできています。
そこに流せる流量は510SCCM程度で、残りは全てバイパス側に流さなくてはいけません。
例えば5000SCCMなら49954990SCCMを流せるスペースを確保しないといけないという事なのです

MEMSタイプと同じ流量レンジで比較すると、ダウンサイジングという要求に対して不利な構造であるのがわかります。

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巻線型とMEMS型MFC 出典:ブロンコスト・ジャパン(株)

MEMS型も流量に応じて当然バイパスは必要になりますが、直接流体に触れる分、MEMES型はセンサー感度が良いので、センサーとバイパス分流比を巻線型のそれより小さく設定できる利点があります。
それは同じ流量レンジで比較するとバイパス部を小型化できるという点でダウンサイジング技術を進めるうえでは生きてくるのです。

 

【あなたにMFCの夜が来る~真・MFC千夜一夜物語】by Deco EZ-Japan

真・MFC千夜一夜物語 第367話 ダウンサイジングこそ技術革新の証です その4

 マスフローメーター(MFM)マスフローコントローラー(MFC、MFMとMFCをマスフローと総称。) のダウンサイジングの歴史に関して解説していきましょう。

106mmコンパクトMFCという存在は、その後のIGS(Integrated Gas System)の時代に大きな影響を及ぼします。
300mmウエハー対応半導体製造装置のガス供給系では、IGS対応のMFCが採用されました。 
IGS対応MFCでは、従来の面間寸法に似た規格としてポート間寸法(ピッチ)が存在します。
IGS対応機器はダウンポートと言って、機器の底面に流体の入口出口があります。
このポート間の距離が92mmと79.8mmという異なるピッチの二つの規格が存在してしまったのです。
簡単に言えば、スタンダードサイズ(面間124mm)のMFCをベースにしたものが92mm、コンパクトMFC(106mm)をベースにしたのが79.8mmになったのです。
そして、スタンダードサイズが米国の装置メーカー、コンパクトサイズが日本という海を越えた二つの規格として存在してしまったのでした。

IGS対応MFCにはもう一つの規格があります。
MFCの奥行方向の寸法です。
これは本来IGSが1.5インチもしくは1.125インチスクエアな正方形を底面形状とした機器を組み合わせるモジュールだからです。
そもそもMFCだけはその正方形サイズに収まらない為、横長な長方形の底面形状となっています。
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IGSでは更にもう一つのシール形状の規格があります。
WシールとかCシールといった名称のものです。
このシール形状が異なれば、ピッチや奥行き寸法が合っていても接続することができないので要注意です。
WシールとかCシールというシールの規格に応じてMFCの底面接続部の加工形状そのものが異なるので、シール材だけを変えたら接続できる訳ではないので注意して下さいね!

IGS対応MFCを技術面で考察すると、面間寸法、そして奥行方向での寸法を小型化するべく努力がされているのがわかります。
特に79.8mmピッチは106mmMFCでの日本のMFCメーカーの苦労が活かされています。
また、1.125インチの奥行き寸法に合ったMFCを作り上げる為に、米国MFCメーカーもソレノイドアクチュエーターやバルブの構造を大きく見直す機会となったのが見て取れます。
何よりDecoが進化と捉えているのは、スタンダードとコンパクトだけでなく、複数存在するIGSやシール方式に合わせてMFCの入口、出口側フランジをモジュール化する事で、オーダーに応じたMFCを組み上げる事を可能にするという、いわば“作りやすいMFC”が現れたことです。
堀場エステック(株)Z500シリーズブルックスGF100シリーズは大量生産を踏まえた上でフレキシブルに仕様対応も可能で、PI(Pressure Insensitive)等の新技術への拡張性もある現世代MFCの傑作シリーズと言えるでしょう。

【あなたにMFCの夜が来る~真・MFC千夜一夜物語】by Deco EZ-Japan


EZ-Japan(イージージャパン)Deco こと 黒田です。 2014年6月開業です。流体制御機器マスフローコントローラーを中心に”流体制御関連の万(よろず)屋”として情報発信しています。 日本工業出版「計測技術」誌で”マスフロー千夜一夜物語”の連載中です。
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