EZ-Japan BLOG since 2017　真・MFC千夜一夜物語 : 圧力式

圧力式

2022年04月26日08:00

真・ＭＦＣ千夜一夜物語　第361話　流量と圧力制御は同時にはできませんよ！　その2

カテゴリ: 真・ＭＦＣ千夜一夜物語(第2期)

「1台の機器に流量センサーと圧力センサーを搭載することは可能ですが、その両方で制御をすることはできませんよ。」というお話です。

なぜならばバルブをPID制御するに当たって、流量信号なのか？圧力信号なのか？どちらを優先するかを決めてやらないといけないからです。

「でも、PI-MFCは流量と圧力両方の信号を使って制御していますよね？」という反論を頂く事がありますが、違うのですね。

PI(Pressure Insensitive)-MFCの動作に関して、既出のこの図を見てください。

PI-MFCはあくまで流量センサーからの信号と設定信号を比較して一致するように流量制御バルブを制御するMFCです。

ただ、急峻な圧力変動があったと圧力センサーが感知した時だけ、流量センサーからのフィードバック制御を停止する（もしくは制御を緩慢化させる）機能を追加しただけなのですね。

「では、圧力式MFCは？」というご質問もいただきます。

圧力式MFC（Decoは圧力式フローコントローラーとも呼称してます。）これも圧力センサーを用いてはいますが、圧力信号を流量制御に使っているのではなく、あくまで熱式流量センサーの代替として差圧式流量計（絞り式やラミナーフロー式）の原理で圧力値から流量を算出して流量信号として取り出すことで、流量制御バルブをPID制御しているだけです。

圧力式フローコントローラー動作原理の一例

まずはPI-MFCや圧力式MFCという存在を正しく理解して使う事から始めましょうね。

5/3(火）の更新は連休中という事もあり、お休みさせて頂きます。
次回更新は5/10(火)の予定です。
宜しくお願いいたします。

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

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2021年12月28日08:00

真・ＭＦＣ千夜一夜物語　第351話　圧力式フローコントローラーの現状　その5　

カテゴリ: 真・ＭＦＣ千夜一夜物語(第2期)

半導体製造装置市場向けで注目を集めている圧力式フローコントローラーに関する解説です。

各メーカーの圧力式フローコントローラーを俯瞰していってます。

解説にはDecoの主観が入っていますので、鵜吞みにせずに詳細は各メーカーさんに確認してくださいね！

③　日立金属　PS100シリーズ

日立金属(株)の圧力式フローコントローラー第1世代に当たるPS100シリーズは、堀場エステックの“CRITERION”と同じくラミナーフロー方式の流量測定原理を採用しています。

本製品の構造上の大きな特長は、機械式のレギュレーターを入口部に設置していることです。

これは他に例を見ません。

レギュレーターで上流圧力変動を抑え、下流側は流量制御バルブが絞りの効果を発揮して同じく圧力変動影響を受けない為、測定時に非常に高い安定性を維持できると期待できます。

P2が真空下で二次側圧力変動に晒され続ける構造よりも、ラミナーフロー流量測定原理を忠実に再現できる点で評価できるとDecoは考えます。

PＳ100シリーズは理論的には正しい構成を取っています。

しかし、その利点を裏返すと、搭載する機器、部品点数が多くなることで構造が複雑になるという事です。

・・・という事は、コストダウンが難しいのではないのかな？いう点が気にはなります。

でも、同社の圧力式フローコントローラーの一作目としては、非常に手堅くまとめられている点で好感が持てます。

Decoの知る限り、機械式レギュレーターの設計、生産経験は同社には無かった筈ですが、よく開発に踏み切ったものだと感心しました。

レギュレーター部を含めた性能評価がここ数年で進んできて、更なる進化を見せてくる可能性に期待したいですね！

真・MFC千夜一夜物語　2021年の更新は今回までです。

次回更新は、年明け1/11(火)の予定です。

2022年もEZ-Japan BLOGを、宜しくお願いいたします。

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

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2021年12月07日08:00

真・ＭＦＣ千夜一夜物語　第350話　圧力式フローコントローラーの現状　その4　

カテゴリ: 真・ＭＦＣ千夜一夜物語(第2期)

半導体製造装置市場向けで注目を集めている圧力式フローコントローラーに関する解説です。

前回から一社ずつ各マスフローメーカーの製品を俯瞰していってます。

解説にはＤｅｃｏの主観が入っていますので、鵜吞みにせずに詳細は各メーカーさんに確認してくださいね！

②　堀場エステック　CRITERIONシリーズ

圧力式フローコントローラーの開発が盛んになった2000年代、米国でFuGasity Corporationというベンチャー企業が、体積流量計であるラミナーフロー流量計の原理をアレンジしたUS特許を取得し、圧力式フローコントローラーを発表しました。

2003年に　(株)堀場エステック(以下堀場エステック)はこのFuGasity Corporationの事業を買収し、圧力式フローコントローラー”CRITERION“シリーズの製造権、販売権、技術特許を取得しています。

”CRITERION“シリーズはラミナーフロー方式（堀場エステックでは「層流粘性流域差圧検出方式」と呼称）であり、理論上高い精度での計測が可能です。

ラミナーフロー方式は、臨界ノズル方式と並んで、国家の流量標準移管器として採用されるなど、理想的な気体流量測定方式です。

フローコントローラーとして考えた場合、ラミナーフロー方式の一番の長所は、他の圧力式と比較してワイドレンジ対応が容易な事です。

しかし、真空領域での用途がメインである半導体製造装置で使用するには2つの問題点があるとDecoは考えていました。

①　超高真空下の密度の低い気体の流量測定に用いるにあたって、Ｐ１、Ｐ2の２つの絶対圧センサーの器差が問題となること。

②　ラミナーフロー方式は、熱式のように流体固有の物性である比熱に支配されない代わりに、同じく固有の値たる粘性に支配されます。

つまり熱式と同様にガスによるコンバージョンファクター（CF）が存在してしまうこと。

①に対しては、絶対圧センサーの性能と器差の縮小をハードウエア的に熟成していくしかありません。

②に対しては、CF、つまり実ガスとの変換係数を設定する為のガスデータの蓄積が必要になります。

熱式マスフローコントローラー（MFC）もMGMR対応に当たっての実ガスデータベース作成が求められていた背景もあり、堀場エステックは福知山テクノロジーセンター等で実ガス流量測定装置等の設備を準備してガスデータベースを構築しています。

こういった表舞台にあまり出ない部分で技術データの蓄積を、確実に行ってきているのは流石にトップメーカーだなぁと感心させられますね。

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

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2021年11月30日17:04

真・ＭＦＣ千夜一夜物語　第349話　圧力式フローコントローラーの現状　その3　

カテゴリ: 真・ＭＦＣ千夜一夜物語(第2期)

半導体製造装置市場向けで注目を集めている圧力式フローコントローラーに関する解説です。

ここで各メーカーの圧力式フローコントローラーを俯瞰してみましょう。

解説にはDecoの主観が入っていますので、鵜吞みにせずに詳細は各メーカーさんに確認してくださいね！

①フジキン　FCS-P　シリーズ

MFC業界での圧力式フローコントローラーの始まりは(株)フジキン(以下フジキン)の臨界ノズル方式のフローコントローラーFCS（FCS-P）シリーズです。 (臨界ノズル式は広義で差圧式流量計に分類できると考えています。)　

開発当時は音速ノズル（ソニックノズル）方式と呼称されていました。

FCSはその原理上、一次側圧力変動影響を受けないという利点から、従来の熱式マスフローコントローラー（MFC）では必要とされたMFC一次側への圧力調整器（ラインレギュレーター）と圧力センサー設置を不要にすることができました。

これによるガスシステムの小型化、コストダウンに大きく貢献するという評価から、マルチチャンバー化で多系統のガスラインを必要とするドライエッチング装置で採用されて有名になりました。圧力式フローコントローラーであるFCS第１世代（この世代名称は分類上、Decoが名付けたもので、フジキンさんの公式な名称ではありません。）の構成を下図で見てみましょう。

オリフィス上流側の絶対圧が下流側絶対圧の2倍以上になると、そのオリフィスを通過するガスの流速は音速に達し、以降はガスの流量はオリフィス上流側圧力にのみ比例します。

この臨界膨張条件と呼ばれる原理を応用したのがFCSの特長です。

FCSの流量制御原理を、音速ノズルの効果で流速が固定されることを、流量も固定されると誤解している人がおられますが、それは間違いです。

流量は上流圧に比例して増加します。

例えば400Pa(A)である流量が得られるオリフィスに対して、オリフィス上流側圧力を10倍の4kPa（A）にすると、10倍の流量が得られるという考え方です。

MFCは上流側圧力変動の影響により制御流量が激しく揺らぎ、これをキャンセルする為には圧力センサーを搭載したPI-MFCを用いたりしますが、FCSはこの原理により、上流側圧力変動の影響を全く受けないメリットを受ける事ができのです。

この臨界ノズル式の肝は、オリフィスの上流圧をいかに精度よく制御できるかです。

これにはオートマチック・プレッシャー・コントローラー（APC）が用いられています。

Decoは臨界ノズルを国家の流量標準移管器として使用されている産業技術総合研究所　計量標準総合センター（NMIJ）等で何度か見せ頂きましたが、Paレベルで調整が可能な高精度なAPCによる圧力制御を、非常に高価な絶対圧センサーと制御バルブとの組み合わせで実現しておられました。

FCSは現在までDecoの知る限りでは第３世代まで進化しているように思えます。

第1世代から第2世代への変更点は、臨界ノズルの下流に絶対圧センサーを追加した事です。
臨界状態をノズルで維持できている限りは、この追加は不要だったと思うのですが、フィールドで直面する各種使用条件への対応に迫られて追加されたと考察しています。

それに対して第3世代は、ノズル上流に空圧弁を追加し、下流側圧力センサーを廃しています。
おそらくはALD/ALEといった高速応答、及び流量制御バルブ下流側デットボリューム削減を意図し、彼らの理想とする”水道方式“に近づけた姿と考察しています。

その意味では異なる派生バージョンと考えてよいかもしれませんね。

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2021年11月09日08:00

真・ＭＦＣ千夜一夜物語　第348話　圧力式フローコントローラーの現状　その2　

カテゴリ: 真・ＭＦＣ千夜一夜物語(第2期)

半導体製造装置市場向けで注目を集めている圧力式フローコントローラーに関する解説です。

そもそも圧力センサーを用いて、流量を求めるという方式は、実はかなり古くから存在しています。

以前解説していますが、体積流量計の差圧式流量計に分類されます。

差圧式流量計の代表的な原理は、絞り式、層流式に分けられます。

絞り式流量計及びピトー管式流速計の測定原理は以下の図の通りです。

これも復習になりますが、流体の断面積×流速＝体積流量でしたね？

差圧式流量計の測定原理は ベルヌーイの定理 を基本として導き出されます。

ベルヌーイの定理＝エネルギー保存則です。

図左に示すように、流体の流れに絞りを設けた場合、絞りの前の部分のV1に対して、後ろのV2は上昇します。

だが、エネルギー保存則がある限り、その場にあるエネルギー、流速、圧力、位置エネルギーの総和は等しくなければならないという原則が存在します。

配管が水平に設置され、上下流の高さが変わらないという条件ならば、位置エネルギーに変化はないので、残った圧力が流速の変化に応じて、減じられていることになりますね？

この原理を利用すれば、P1-P2の差圧から流速を導き出せる。

流速がわかれば、配管断面積を掛けることで流量を導き出せます。

もう一つ層流式の流量式は下図になります。

層流式は、層流素子である細管を流れる層流状態の流体流量を細管の上下流の圧力差から算出する方式で、検出原理には、ハーゲン・ポアズイユ流れの定理　が用いられています。
「配管内が層流であるという条件下で、配管抵抗と流体の粘性により配管流路の両端に発生する差圧P1-P2は、流体の体積流量に比例する」というのが層流式流量計の基本原理です。

ハーゲン・ポアズイユの定理に従って記載すると、「体積流量は、配管半径の４乗に比例し、配管入口圧-出口圧＝差圧に比例し、配管長さに反比例し、流体の粘性に反比例する」となります。

ハーゲン・ポアズイユの流れとは、まさに層流状態の流れを示すので、層流式流量計と称されるのでしたね？

さて、この続きは各メーカーの圧力式フローコントローラーの解説になりますが、11月後半の記事になる予定です。

先が早く読みたい方は、発売中の日本工業出版(株)　計測技術　連載のマスフロー千夜一夜物語第74回に掲載されておりますを、是非お手に取ってお読みください。

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