マスフローコントローラ（MFC）とは

THEME 09 工場と産業 · 装置部品・消耗品Mass Flow Controller

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マスフローコントローラ（MFC）とは、ガスの流量を測って設定値へ合わせ込む部品です。 MKSは、ガス流量の調整を担い、正確で再現性のあるガス流量の測定と制御を行うとしています。成膜もエッチングも反応室へ送り込むガスの量で結果が変わり、同じレシピで同じ膜を作るには毎回同じ量のガスが届く必要があります。MFCの強みは、バルブの開度ではなく流量そのものを測る点にあります。弱みは同じところにあり、表示が正しいのは分流比率、ゼロ点、ガス種の換算が前提どおりのときだけです。前提が崩れても表示は設定値のまま出るので、ずれは装置側の結果として初めて見えます。

開度を指定しても、流量は上流の圧力と温度で動く

バルブの開度を指定する方式は、上流の圧力と温度が一定のときに限って設定どおりの流量になります。開度が同じでも、上流のボンベ圧力が下がれば流れる量は減り、配管の温度が変われば密度が変わって、やはり量は動きます。開度は原因の1つにすぎず、結果である流量は上流の状態しだいで上下します。

MFCは結果の側を測ります。質量流量をセンサで測り、CPUで処理して、PID制御でコントロールバルブの開度を調節します¹。上流が揺れても、測った値が設定へ戻るまでバルブは動き続けます。装置のレシピが「毎分いくら」と書けるのは、この閉じた制御があるためです。

質量で測る点も要です。体積で測ると、同じ体積でも温度と圧力によって含まれる分子の数が変わります。反応に加わるのは分子の数そのものなので、質量で測ったほうが工程の条件と一致します。

上流が揺れたときの流量

上流の圧力が下がると、開度を指定する方式では流量も下がったままになります。MFCはいったん動いた流量を、センサとバルブが反応する時間をかけて設定値へ戻します。

熱式は、毛細管の温度差から質量流量を求める

MFCの基本構造は、流量センサー、バイパス、バルブ、制御回路の4つの部品です²。熱式MFCでは、熱式流量センサ、層流素子とその下流のコントロールバルブ、電子制御回路が主要部品になります。層流素子は、流れを整えたうえで一定の割合を分けるバイパス側の部品です。

測っているのは熱の動きです。熱式センサは、ステンレス製の毛細管（髪ほどの細い管）の上流側と下流側に巻いた抵抗体に電流を流して発熱させます。抵抗体は、電流を流すと発熱する巻線です。ガスが静止しているときは上流側と下流側の抵抗体の熱が平衡に保たれ、流量出力信号はゼロです。ガスが流れると上流側の熱が下流へ運ばれて2つの巻線に温度差が出て、この変化をブリッジ回路で捉えて流量出力信号として取り出します²。ブリッジ回路は、抵抗のわずかな差を電圧の差として取り出す回路です。

温度差が質量流量を指すのは、単位時間に移動する熱量が、流体の定圧比熱×上昇温度差×質量流量に相当するからです¹。定圧比熱はそのガスを1度温めるのに要る熱量で、ガスの種類ごとに決まった値です。決まった値と測った温度差がそろえば、残る未知数は質量流量だけです。式が最初から質量を含むため、体積を測って密度で割り直す手順を挟まずに質量流量へ届きます。

細い管へ全量を通すところには難があります。大流量では熱式質量センサだけで高精度に測定・制御するのが難しくなるため、高精度に測れる流量だけをセンサに流し、残りを層流構造のバイパスへ流して分流比率を一定に保ちます。センサが測っているのは全体の一部で、分流比率が一定に保たれることが表示値の前提です。

熱式MFCの中身

入口のガスはセンサ管と層流バイパスへ一定の比率で分かれます。上流と下流のコイルの温度差が流量出力になり、制御回路が設定値と比べてコントロールバルブの開度を動かします。

バルブは、流量設定信号とセンサーの流量出力信号を比べ、2つの信号レベルが一致するようにPID動作（比例、積分、微分）で開度を自動で微調整します。PID動作は、設定値との差そのもの、差が積み上がった量、差が動く速さの3つから操作量を求めるやり方です。

このバルブの有無が、MFCとマスフローメータ（MFM、Mass Flow Meter）を隔てます。質量流量センサーを搭載して流量を出力するのがMFM、現在流量を基に内蔵の制御バルブをPID制御でフィードバック制御するのがMFCで³、主要部品はMFCが質量流量センサと制御バルブ、MFMが質量流量センサだけです。MFMは圧力損失が小さく、MFCにはMFMより圧損があります。測るところまでがMFM、設定値へ合わせ込むところまでがMFCです。

流れを完全に締め切る役目は、MFCではなく手前の遮断弁が担います。流量ゼロや強制クローズを設定してもガスの流れが残るため、エフコンはMFCの手前にバルブを設けるよう勧めています。

応答の速さと流量域で、製品系列が分かれる

MFCは、半導体やフラットパネル、太陽電池などの成膜プロセスの流量制御に主に使われ、前工程ではCVDの反応ガス、PVDのプラズマ源、エッチングガスの流量を制御します³。MKSが挙げる対応ガスは空気、窒素、水素、その他の特殊ガスで⁴、半導体製造は用途の1つです。同社は製品を、高速かつ再現性のあるG-Series、高性能のP-Series、小型で超高速のC-Series、High Flow、IP66対応のI-Series、およびLegacyに分けています。系列が速度と流量域で区分されるのは、工程ごとに求める性能が別々のためです。

応答速度が1サイクルの長さを左右する代表がALDです。プリカーサと反応剤を短い時間で交互に切り替えるため、切り替えのたびに流量が設定値へ届くまでの時間が、そのまま1サイクルの長さへ乗ります。逆に、大きな流量を長時間流し続ける工程では、速さより大流量域の精度が問われます。

速さは公開仕様にも出ています。リンテックは高速MFCのMC-7000⁵を応答時間200msecの超高速マスフローコントローラとし、仕様は精度±1%S.P.、制御範囲2〜100%F.S.、最小フルスケール5SCCM、最大フルスケール20SLM、最小差圧50kPa、最大差圧300kPa、使用温度5〜50℃です。同社は、非接触式の熱式流量センサとピエゾコントロールバルブで、サーマルセンサによる100msec（typical）の高速流量制御を実現し、腐食性ガスの超高速流量制御を可能にしたとしています⁵。デジタル通信はDeviceNetとEtherCATから選べます。同社は用途に高速エッチングプロセスを挙げ、流量制御開始（立上り）時間を短くする要望が増えているとしています。

圧力式は、音速条件のもとで上流の圧力だけから流量を決める

流量を合わせ込む道筋には、熱を使う方式のほかに圧力を使う方式があります。フジキンの圧力式流量制御装置（FCS）は⁶、オリフィス（流路を絞った小穴）の上流の圧力だけを測ります。オリフィス上流（コントロールバルブとオリフィス間）の絶対圧力をP1、下流の絶対圧力をP2とすると、P1≧約2×P2の条件ではオリフィスを流れる流体の流速が音速になります。絶対圧力は真空を0とした圧力です。この状態でP2がさらに下がっても流速は音速のままで、オリフィスを通過する流量はP1だけで決まります。同社はこれを臨界膨張条件と呼んでいます。

P1 = 3kPa abs.、P2 = 1kPa abs.で10sccmの流量が得られるオリフィスなら、P1を10倍の30kPa abs.に調整すると制御流量は10倍の100sccmに、100倍の300kPa abs.なら1000sccmになります。半導体の工程は減圧下で進むため、同社は臨界膨張条件を利用しやすい環境にあるとしています。

上流圧力と流量

下流が1kPa abs.のまま上流の圧力を3、30、300kPa abs.と10倍ずつ上げると、流量も10、100、1000sccmと10倍ずつ上がります。

高温と供給圧の変動で、熱式と圧力式の振る舞いが分かれる

熱を測る以上、熱式には高温が重荷になります。フジキンは、熱式流量センサの採用がMFCの高温化対応の妨げの1つになっているとし、250℃用FCS-Pでは設定流量に対する制御流量の保証精度±1%F.S.以内を15℃から250℃の温度範囲で実現したとしています。常温で液体や固体の原料を、蒸気になる温度まで温めてから流す用途では、この温度域が生きます。

同社が供給圧力を284kPaGから196kPaGまで振った測定では、FCS-Pは出力信号もガス流量も変動せず、熱式のMFCは出力信号もガス流量も大きく変動しました。kPaGは大気圧を0とした圧力表示です。これは圧力式を作る側による比較です。それでも、熱式が測ってから合わせ込む仕組みである以上、上流が動けば流量はいったん動き、センサとバルブが反応する分の時間をかけて設定値へ戻るという順番自体は共通です。上流のガス供給系にあるレギュレータ（圧力を一定に保つ機器）で供給圧を安定させておく意味はここにあります。

単位、精度、差圧、換算係数は、同じ数字でも指す量が動く

SCCMはstandard cubic centimetre/minの略で、半導体業界では気体の理想状態を0℃1気圧として標準とします⁷。半導体業界のガス流量表示は、標準状態（0℃、1気圧）に換算したときの体積流量です。似た単位のNCCMとNLMは20℃1気圧換算、CCMとLMは25℃1気圧換算で、0℃換算と25℃換算では基準の絶対温度が9%ほど離れるため、同じ「100」でも運ばれる分子の数が動きます。業界によって標準が異なる場合もあります。

精度の±1%も、基準しだいで量が変わります。S.P.は設定値（Set Point）、F.S.はフルスケール、つまりその機器の最大流量が基準です。リンテックの高速MFCは±1%S.P.、フジキンの250℃用FCS-Pは±1%F.S.以内です。フルスケール100sccmの機器へ20sccmを設定した場合、±1%F.S.は±1sccm（設定値に対しては5%）、±1%S.P.は±0.2sccmにあたり、小さい流量で使うほどこの差は開きます。

±1%F.S.と±1%S.P.

±1%F.S.は設定値によらず±1sccmで、±1%S.P.は設定値に比例します。20sccmの設定では±1sccmと±0.2sccmの差になり、小さい流量ほど差が開きます。

流せる下限と要る差圧も決まっています。ここでの差圧は、MFCの入口側と出口側の圧力の差です。一般にMFCの制御範囲は2～100％F.S.（フルスケール）で、2％未満の設定値を入力するとコントロールバルブが全閉になり0％制御となります。フルスケール100sccmの機器の守備範囲は2sccm以上で、それより小さい流量には別の機器が要ります。系列が流量域ごとに用意されるのは、この下限があるためです。一般的なMFCの動作差圧は50～300 kPaで、大流量ほど必要な差圧が大きくなる傾向があり、エフコンが案内する必要差圧も2次側大気解放時で50～300kPaです。液化ガスを差圧の大きい一般的なMFCで制御すると、ジュール＝トムソン効果で温度が下がって再液化する場合があるため、リンテックは低差圧仕様の選定を促しています。ジュール＝トムソン効果は、気体が絞りを通って圧力を大きく落とすときに温度が下がる現象です。

ガス種を替えたときは換算が要ります。熱式は比熱を使って測るので、ガスが替われば表示も動き、流体固有の係数であるコンバージョンファクターで補正します⁷。窒素を1.000とすると、ヘリウムとアルゴンは1.400、二酸化炭素は0.740、アセチレンは0.630、水素は1.010、酸素と一酸化窒素は0.990です。ヘリウムで校正した機器へ酸素を流して100ccmと表示された場合、実流量は100×（0.99／1.40）＝70.71ccmです²。ただしエフコンは、これらのC.F.値は一般に公開されている値を参考にした目安で、C.F値が同じガス（例えば、窒素と水素）でも比熱や密度の違いから動作異常や流量異常が生じることもあるとしています。MFCは指定されたガスと流量に合わせて調整されているので、それ以外のガスではC.F.による計算値と実流量が一致しないこともあるとしています。係数は紙の上の換算で、実流量の裏取りは実測が担います。

リンテックのビルドアップ法は、窒素校正のMFCの二次側へ容積の分かった容器を真空にしてつなぎ、対象のガスを一定流量で流し、容器の圧力上昇と温度から流量を計算して、窒素校正で設定した流量との比を取る手順です。圧力式では換算の中身が替わり、フジキンは比熱比・ガス定数・分子量などから決まるフローファクタを使います。塩化水素は0.870299、ヘリウムは2.808319で、窒素で1000sccm用に調整したFCS®-Pは、塩化水素では870sccm用、ヘリウムでは2808sccm用になります。同じ「ガス種の換算係数」でも方式ごとに値が離れるのは、根拠にしている物性が別だからです。

詰まりとゼロ点のずれは、表示を変えずに実流量をずらす

MFCの表示は、分流比率が崩れてもゼロ点がずれても、設定値のまま出ます。ずれは装置側の結果として、設定が前回と同じなのに膜厚や組成が合わないという形で出てきます。症状と推定原因の一覧では⁸、吐出量が設定値を上回る症状の推定原因がセンサ内部の詰まりで、センサへの流れが悪くなると設定値よりもガスの吐出量が多くなります。逆に、吐出量が設定値を下回る症状の推定原因はバイパス部の詰まりで、バイパスへの流れが悪くなると吐出量が少なくなります。センサ側とバイパス側のどちらが詰まったかで、ずれの向きが逆になります。

ゼロ点は、ガスが静止しているときのセンサ出力を0として合わせた基準です。ゼロ点がずれる（オフセットする）推定原因は、本体への衝撃、ベーキング等の熱衝撃、センサ管のつまり、経年変化です。リンテックは衝撃と経年変化について、変化量が2%以内ならゼロ点の再調整で使え、2%以上なら同社への点検依頼を推奨するとしています。ゼロ点がマイナス側へシフトしているとシフトした分だけ流量が多く流れ、プラス側へのシフトでは少なく流れます。調整は、シャットオフバルブを閉止するなどしてMFC前後の差圧と流れをなくし、可能ならMFCにもバルブクローズ信号を入れた状態⁸で行います。流れが残ったまま押すと、その流量がゼロ点として記録されます。

差圧が絡む症状もあります。高域の流量域で制御が乱れる場合の推定原因は差圧不足とバルブの異物詰まり、低域の流量域ではバルブシート部への異物付着と過大な差圧です。出力がハンチングする（流量が振れる）場合は過大な差圧と入口または出口の圧力変動、応答が鈍い場合は差圧不足と制御モードのSLOW設定が推定原因です。逆止弁やコントロールバルブ等がMFCの上流にあると急激な圧力変動が生じる可能性があるため、リンテックは調圧されたガスの導入を求めています。

確かめ方もあります。MFMの使い道の1つは、MFCで制御したガスの流量を測ってダブルチェックや簡易基準器に使うことで、測る側をもう1台足して2つの測定値を比べます。圧力式では機器側に診断を持たせる例があり、フジキンは、1秒間100%の流量を制御してからピエゾ駆動コントロールバルブを閉にし、オリフィスとピエゾ駆動コントロールバルブの間のガスがオリフィスを通して抜ける際の圧力降下特性を使う自己診断を備え、出荷前に記録した特性と比べてオリフィスの詰まりを検知するとしています。ピエゾは、電圧をかけると伸び縮みする素子です。

よくある質問（FAQ）

マスフローコントローラとは何ですか？

ガスの流量を測って設定値へ合わせ込む部品です。MKSは、ガス流量の調整を担い、正確で再現性のあるガス流量の測定と制御を行うとしています。前工程ではCVDの反応ガス、PVDのプラズマ源、エッチングガスの流量制御に使われます。

バルブの開度を指定する方式との差は何ですか？

測る対象が違います。開度を指定する方式は、上流の圧力や温度が動くと実際の流量も動きます。MFCは流量そのものを測り、設定値との差からバルブを動かすので、上流が揺れても流量は設定値へ戻ります。

質量流量とは何ですか？

単位時間あたりに通る気体の質量です。体積で測ると温度と圧力によって値が動くため、同じ体積でも反応する分子の数が上下します。質量で測れば、反応へ供給した量そのものを指せます。

どんなガスを流しますか？

MKSは、対応ガスとして空気、窒素、水素、その他の特殊ガスを挙げ、半導体製造を用途の1つとしています。リンテックの高速MFCのMC-7000は、腐食性ガスの超高速流量制御を可能としています。

製品の系列はどう区分されていますか？

MKSは、高速かつ再現性のあるG-Series、高性能のP-Series、小型で超高速のC-Series、High Flow、IP66対応のI-Series、およびLegacyに分けています。区分の軸は応答の速さと流量域です。

なぜ応答速度が問われるのですか？

ALDのように、ガスを短い時間で切り替える工程があるためです。切り替えのたびに流量が設定値へ届くまで時間がかかると、その分だけ1サイクルが伸び、装置が単位時間に流せる枚数が落ちます。

熱式と圧力式のマスフローコントローラはどこが違いますか？

測る量が別です。熱式は毛細管の上流側と下流側に巻いた抵抗体の温度差から、ガスの質量流量を求めます。圧力式は絞り（オリフィス）の上流の圧力を測り、オリフィス上流の絶対圧力P1が下流の絶対圧力P2の約2倍以上になると流速が音速になって、流量はP1のみで決まります。

sccmという単位は何を基準にしていますか？

SCCMは、半導体業界で気体の理想状態とする0℃1気圧を標準とし、その条件下で1分間続いた場合の体積（cc）を表します。似た単位のNCCMは20℃1気圧換算、CCMは25℃1気圧換算で、同じ数字でも指す量が動きます。

精度の±1%F.S.と±1%S.P.はどこが違いますか？

基準が別です。F.S.はその機器の最大流量（フルスケール）、S.P.は設定値が基準です。フルスケール100sccmの機器へ20sccmを設定した場合、±1%F.S.は±1sccm、±1%S.P.は±0.2sccmにあたります。リンテックの高速MFCの精度は±1%S.P.、フジキンの250℃用FCS-Pの保証精度は±1%F.S.以内です。

窒素で校正した機器へ別のガスを流せますか？

換算係数（コンバージョンファクター）で補正します。窒素を1.000とすると、ヘリウムとアルゴンは1.400、二酸化炭素は0.740、アセチレンは0.630です。ただし公開されているC.F.値は目安で、係数が同じガスでも比熱や密度の差から動作異常や流量異常が生じることがあります。

吐出量が設定値を下回るときは何を疑いますか？

バイパス部の詰まりと、ゼロ点がプラス側へシフトした状態が推定原因です。逆に吐出量が設定値を上回る場合は、センサ内部の詰まりとゼロ点のマイナス側へのシフトが推定原因です。

マスフローコントローラの手前にバルブは要りますか？

流量ゼロや強制クローズを設定してもガスの流れが残るため、エフコンはMFCの手前にバルブを設けるよう勧めています。MFCは流量を設定値へ合わせ込む部品で、流れを完全に締め切る役目は手前の遮断弁が担います。

比較・違いを学ぶ

CVDとPVDの違い（成膜プロセス比較）── ガス供給が膜の出来を左右する側

出典

8件を表示

1
リンテック：マスフローコントローラー原理lintec-mfc.co.jp a b
2
エフコン：マスフローコントローラーとは／原理と構造／コンバージョンファクターfcon-inc.jp a b c
3
リンテック：マスフローコントローラとマスフローメーターlintec-mfc.co.jp a b
4
MKS：Mass Flow Controllersmks.com ↩
5
リンテック：高速応答マスフローコントローラ MC-7000lintec-mfc.co.jp a b
6
フジキン：高温250℃対応圧力制御式ガス流量制御器fujikin.co.jp ↩
7
リンテック：マスフローコントローラ基礎知識lintec-mfc.co.jp a b
8
リンテック：ガスMFC/MFMトラブルシューティングlintec-mfc.co.jp a b