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

マスフローコントローラ

マスフロー千夜一夜物語を紹介頂きました

今日はDecoがうれしかったことを書かせて頂きます。

一般社団法人半導体産業人協会さんの会報”Encore” No.123(2024年1月)に(株)堀場エステック フェロー(元副社長)理学博士 原清明 さんが”マスフローコントローラの技術的発展と動向”を寄稿されたのですが、その中で日本工業種出版(株) ”計測技術”誌上で連載してます”マスフロー千夜一夜物語”をご紹介頂きました!

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計測技術誌 出典:日本工業出版(株)

原さんと言えば、Decoがマスフローの営業としてデビューした頃には、既に業界の雲の上の方のイメージの方でして、当時(株)リンテックの小野弘文社長(現会長)さんから紹介頂き、お会いした時は大変緊張したものでした。
今の業界の若い方にはわかりにくいかもしれませんが、当時の業界には「俺が誰か知らないのか!」的な強面な方が多かったものですから・・・
ところが原さんは紳士的で丁重かつ気さくに駆け出しの若造に声をかけて頂いた記憶があります。
以後、Decoは競合会社の営業の立場でいる事が多かったにもかかわらず、お会いすると必ず声をかけて頂いてました。
昨年のセミコンジャパン2023でお目にかかった際に「マスフローの寄稿文を書いているんだよ。」とおっしゃっていて、「貴方の連載を参考にさせてもらうから。」と!
まさか業界の重鎮からそんな事を言って頂けるとは思わず、驚いて「いやいや、そんな畏れ多いです!」と声を大きくしてしまいましたが、文中でここまで取り上げて紹介頂けるとは感激の極みです。

業界の大先輩も読んで頂いているのだし、ますます頑張って書き続けねばという気持ちと、もっと”書く”というスキルを上げていかねば!という決意を新たにしました。

原さん、ほんとうにありがとうございます。
先達の皆さんが築いてこられたマスフローコントローラという工業製品のお話を、これからも書き連ねて次世代に語り継いでいこうと思っております。

EZ-Japan Decoこと 黒田 誠




なぜ半導体製造装置では多くのMFCが使われているの?

MFC千夜一夜物語のブログの中休み、閑話休題”Decoのマスフロー徒然日記”です。

さて、半導体製造装置向けMFCに関するご質問を最近よく頂きます。
TSMCの熊本進出やRapidusの千歳への投資等、半導体に関する話題が花盛りだからなのかもしれませんね。

でも、このMFC業界や半導体業界は、それ以外の業界の方々にとっては、わかりにくいのかもしれません・・・
Decoのように、ずっとお世話になていると、当たり前でしょ?と思っている事を質問されたりするので新鮮です。

「なぜ半導体製造装置では多くのMFCが使われているの?」という御質問がありました。
この答えはシンプルで、「半導体製造装置の一部では、MFCで流量制御するガスラインが多いから」なのです。
相変わらず身もふたもない回答をしてしまうDecoなのですが、いや、これこそが真実なのです。

半導体製造装置といっても、工程ごとに色んな装置が存在しています。
そして、その全てがMFCを使う訳ではありません。
エッチャー、CVD、拡散、スパッタといったところでしょう。
その中でもエッチャーは色んなガス種を使います。

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注意)上図に記載されたガス種は、あくまでその工程で使われているガスを入れただけです。
特定の装置やプロセスを表したわけではないのでご注意ください。


例えばスパッタとエッチャーでこれくらいガスラインの量が異なったりします。
更に80年代以降、装置の枚葉化(マルチチャンバー化)が進んだので、1装置に複数のチャンバー、例えばエッチャーなら4~6チャンバー搭載されますので、このライン数×チャンバー数のMFCが使われる訳です。
1台装置が売れると、MFCがこの数だけ売れる訳なのです。
美味しい・・・もとい!ありがたいですね。

これはどの分野の装置よりも圧倒的に多いというのが、今まで色々な業界とお仕事をしてきたDecoの感想です。
その辺りのマーケットを含めたお話は、来年くらいには千夜一夜物語で書かせて頂こうかと思っています。お楽しみに!

【Decoのマスフロー徒然日記】 by Deco EZ-Japan

真・MFC千夜一夜物語 第325話 MFCの応答性 その1

最近でこそあまり競わなくなったイメージがありますが、Decoが営業になった1990年代はMFCの応答性精度の数字がどれだけ良いかを競う時代でした。
応答性と精度という項目は、MFCが単独で保証できる性能ではなく、どんな環境で使ってもカタログスペックを発揮できるわけではないという点を最近のユーザーさんは良くわかってきておられるようですね。

下図、SEMI Standard  E17 “ マスフローコントローラの過渡特性テストのガイド” での定義を見てください。
現在マスフローメーカーが仕様に記載する定義・用語は、そのほとんどがこれに準じていると思っていいでしょう。

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この定義が普及するまでは,MFCの応答性能表記はメーカーによりまちまちでした。
設定信号(SV値)が入力されてから、流量信号(PV値)が反応するまでの無反応時間(だんまり時間(Dead Time)が含まれます。
これを無視してPVが反応してからの時間を記載したり、無反応時間を含むトータルの応答時間としてステップ応答時間(Step Response Time)で記載する為、流量が設定値の±2%範囲の下限、設定値の-2%側を通過した瞬間で記載していたメーカーもありました。
これには大きな問題点があります。
先の図を見て頂ければお判りいただけると思いますが、ステップ応答を良く見せる為には、例えオーバーシュートが過多であってもOKなのです。

整定時間(Settling Time)の定義が理解されるまでは、こういったオーバーシュート含みの応答波形で出荷されるMFCに当たると、顧客はプロセスに問題を生じてしまい、困ってしまったのです。
特に半導体製造装置や一部の分析装置はリアクターを高真空に維持してプロセスを行います。
これではせっかくポンプで排気してAPCで高真空を保っても、ガス導入時のオーバーシュートによるサージで真空度が悪化してしまいます。

止む無く安定するまで、貴重なプロセスガスをベント側へ捨てて、流量が安定してから切り替えるという無駄を強いられることになってしまいます。
高価なガス、しかも一部は毒性の高いガスであったりしますから、それを純度の高い状態で捨てられると、下流の除害システムにかかる負担も大きくなりますので、こういった傾向は「応答性能を良く見せているだけで、なにも良い事は無いではないか?」という気付きに繋がり、整定時間でMFCの応答性を議論するようになったのです。

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

MFCのKv値(Cv値)を聞いても意味がありません

徒然日記なのですが、本人が思ったより扱いが難しくて、そのまま放置していました。

本音をぼやくと言いながら、いやいやなかなか難しいものだなぁと・・・

 

さて、流体制御システムを組まれる方ならバルブ関連の用語 Kv もしくは Cv という言葉を御存知かもしれません。

本ブログでも、MFC豆知識“【用語解説】Cv値とKv値” で解説しています。

 

ここの最後の文で、
“でも、マスフローコントローラ(MFC)の場合、これらの容積係数の分だけ必ず流量が取れるわけではないので、そこのところは要注意です。”  
と書いたのですが・・・

この後も結構、聞かれることが多いのです。

それも、流体制御の初心者ではないような方々から・・・

 

これは書こうかなと思ったので、ここで簡単にお話ししておきます。

 

MFCKv値(Cv値)を聞いても、意味はありません!」

 

全く意味はない事はないのですが、それはMFCを全開にしてパージするときくらいで、それすらソレノイドアクチュエーターのMFCなら、経時的にコイルから発熱が大きくなることで、アクチュエーターの推力がダウンするので、やはり正確な値とは言えなくなります。
ピエゾの場合は、熱へ変換される事がほとんどないのでいいのですが、そもそもリフト量が小さいアクチュエーターなのでバルブ全開モードでもそのKv値(Cv値)分で流せる流量はたかが知れています。

パージが必要ならば、かならずMFCをバイパスする配管を設置してください。

 

では、通常制御時になぜKv値(Cv値)の情報が役に立たないか?というと、先ほどの文章に答が書いてあるのですが、MFC通常流量制御時はKv値(Cv値)よりはるかに下の流量レンジで制御しているからです。

 

「では、この設定流量時のKv値(Cv値)なら出せるだろう!」


と、お聞きになる方もおられます。

出せない事はありませんが、やはりあまり意味はないかと・・・

MFCに搭載される流量制御バルブは、ある電圧信号VS開度での流量曲線を示す比例制御弁、電動モーターバルブとは異なった配管制御部品です。

異なるのは構造のことではなく、その役割の事です。

 

あくまで流量センサーからの流量信号(PV値)と設定信号(SV値)を比較し、それらが同値になるようバルブ制御信号(MV)を可変させるのがMFCなので、MFCの役割は流量を制御する事であり、そこに搭載されている流量制御バルブに求められるのは、ある値のバルブ制御信号を得たら器差なく同じKv値(Cv値)になるようにそれを制御する事ではないからなのです。

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MFCMFCの中で調整計をもっており、自身でフィードバック制御をするものであること、
MFCPID制御を活かしたまま、外部からPID制御でSV値を与えて制御しようとする間違いをおかした際にも直面する理屈なのですが、MFCが何たるか?を、理解いただく上で一番重要なところです。

 

マスフロー徒然日記 by Deco EZ-Japan

真・MFC千夜一夜物語 第279話 マスフローでこのガスを使う時は注意しよう! その11


EZ-Japan4/27()5/6(月)までGW休暇を頂きます。従って次週4/30のブログ更新はお休みを頂きます。再開は5/7()からとなりますので、宜しくお願いいたします。

 

もう一つのMFC千夜一夜物語が掲載されている日本工業出版さんの「計測技術」誌 20194月号(3/25発売)ではマスフローコントローラ(MFC)マスフローメータに異物が混入した際のトラブルシュートを解説しています。

 

 

モノシランが引き起こした事故事例 その2

 

もう一つモノシランの事故事例を解説しましょう。
前回の大阪大学の事故は逆止弁が問題でしたが、今回はMFCが原因の一つと考えられているだけに、要注意です。

1982年、宮崎県の半導体製造工場で、CVD装置の排気ダクトに残留したモノシランが発火し、ダクトから建造物に燃え広がる事故が発生しました。
重傷2(1名は後日死亡)、中軽傷3名の事故となっています。
CVD
装置のモノシランラインのMFCが流量を過大に供給したことにより、CVD装置チャンバーで反応できなかった多量のモノシランが、後段にある排ガス処理装置へ流れ込みました。
しかも、その燃焼式除害装置に供給される筈の酸素はなぜか止まっており、結果として未処理のモノシランが除害装置の更に下流のダクトに侵入し、そこにあった空気と反応して自然発火したのが原因とされています。
この事例ではダクトの材質を不燃材にする、排気ダクトの共通化を避け1装置に1ダクトとする、ダクトに風速センサーを設ける、火災検知センサーを取り付ける等の対策が取られました。


本ブログとしてはMFCが過大なモノシランを流したと言われていることに関して、Decoの考察を加えておきます。
この事件でMFCの流量センサーが微粉末による閉塞をしていたと推定されています。
MFC
の流量センサーが閉塞して流れないのに、なぜ過大な流量が流れてしまったのか?本ブログを続けて読んでいる読者ならすぐわかるかもしれませんが、初読の方の為に説明をしましょう。
モノシランに限らず、半導体製造プロセスで使用するガスはクリーンなものが選定されていますし、フィルターにより異物の混入を幾重にも防ぐ構造になっています。
なのに微粉末がMFCに侵入していたというのは、おそらくはモノシランが反応して生成したSiO2ではないでしょうか?
この微粉末がMFCに侵入しセンサーチューブを閉塞させている状況を図で示します。

 

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巻線式分流構造をとる半導体製造装置用MFCの場合、MFCに入ってきたガスはセンサーと層流素子(バイパス)に分流されます。
ここでセンサーに異物で詰まりが生じていた場合、センサー管にはガスは流れないので、センサーの上流から下流に熱移動が生じず出力は0となります。
分流した層流素子側の流路は詰まりでガスが流れ無いほどの状況ではなかったと仮定しましょう。
MFC
測定値:PV値(流量出力)<目標値:SV(流量設定入力)の状態をPV=SVにする為に、操作量MV(バルブ電圧)を増やして対応しようとします。
しかし、詰まりで閉塞しているセンサー管には流れは生じませんから、PV=0の状況は変化しません。
その為、MV値は最大値となってバルブを制御、つまりMFCの流量制御バルブが全開で維持されてしまうのです。

これがこの事故で生じたMFCの異常に過大な流量制御を起こした不具合の原因と思われます。言い換えると、この事故の原因はMFCに生じた不具合ではありますが、MFCの流量制御系自体は“正常な動作”を続けた結果だったのかもしれません。

(Deco
が現場を検証したわけではないので断言は避けます。
これはあくまでMFCのセンサー管が微粉末で詰まった場合、“MFCとしては正常な流体制御結果”から、モノシランガスでは大きな危険が発生することを説明し、注意を喚起するための考察です。)


【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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