CN105047591A - 用于流体供应容器的终点监测和控制装置及流体供应装置 - Google Patents

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Abstract

用于确定流体供应容器的终点的装置和方法，其中当建立流体流动时采用一个静态流动限制设备和一个选择性可致动阀元件，控制流体流动通过位于所述流体供应容器的内部容积中的流动通道。终点确定可用于终止来自所述流体供应容器的流体供应和/或从一个流体耗尽供应容器切换至一个新容器，以继续或更新流体供应操作。所述装置和方法适用于与例如离子植入器的流体利用装置一同使用。

Description

用于流体供应容器的终点监测和控制装置及流体供应装置
本申请是于2013年1月18日进入中国国家阶段的国际申请日为2011年6月18日、国家申请号为201180036342.3(国际申请号为PCT/US2011/041013)、名称为“用于毛细管辅助的流动控制的终点确定”的发明专利申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
根据美国法典第35篇第119节，在此要求2010年6月18日提交的第61/356,451号美国临时专利申请和2010年7月21日提交的第61/366,523号美国临时专利申请的优先权权益。出于所有目的，第61/356,451号美国临时专利申请和第61/366,523号美国临时专利申请的公开内容在此分别以参引方式全部纳入本文。
技术领域
本公开内容涉及在例如将半导体制造流体从该流体的源输送至半导体制造工具的过程中，用于毛细管辅助的流动控制的终点确定。
背景技术
在流体供应容器的使用中，可以在装置或操作中利用供应的流体，在该装置或操作中，操作的连续性对于该装置或操作的经济特征是至关重要的。
作为一个实例，可向半导体制造设施的离子植入工具供应掺杂剂流体。在工具操作期间，掺杂剂流体供应的任何突然的意外耗竭都会迫使植入工具停止运转，且接着需要在制造过程中丢弃或再制晶圆，以及由于安装新的流体供应容器来替代流体耗尽的容器而造成操作延迟。
这样的流体供应的突然意外耗竭以及伴随的操作打乱对加工系统造成严重的经济损失。该问题与如下的流体供给容器的使用相关，该流体供给容器利用对供应的流体进行的毛细管辅助的流动控制。
发明内容
本公开内容涉及用于毛细管辅助的流动控制的终点确定。
在一个方面，本公开内容涉及一种确定流体供应过程的终点的方法，该方法包括：
选择性地建立来自一个流体供应容器的流体流动；
当建立流体流动时，采用一个静态流动限制设备和一个选择性可致动阀元件，控制流体流动通过位于所述流体供应容器的内部容积中的流动通道；以及
监测所述流体供应容器的或从该流体供应容器分配的流体的至少一个特性，以确定终点；
其中所述静态流动限制设备和所述选择性可致动阀元件沿着所述流动通道布置。
在另一方面，本公开内容涉及一种用于流体供应容器的终点监测和控制装置，在该装置中，当建立流体流动时，采用一个静态流动限制设备和一个选择性可致动阀元件，控制通过位于所述流体供应容器的内部容积中的流动通道的流体流动。所述终点监测和控制装置包括一个监测单元和一个CPU，该监测单元适于监测所述流体供应容器的或从流体供应容器供应的流体的至少一个特性，并产生一个输出信号，该CPU以接收输出信号的关系操作性地联接至该监测单元。该CPU具有存储在其中的终点条件信息，并响应于从所述监测单元接收到指示终点条件的输出信号而产生一个控制信号，该控制信号用于终止来自所述流体供应容器的流体供应。
本公开内容的又一方面涉及一种流体利用装置，该流体利用装置适于执行上文概述的本公开内容的方法。
本公开内容的再一方面涉及一种如上文概述的方法，其中所述方法由一个流体利用装置执行。
在另一方面，本公开内容涉及上述的终点监测和控制装置，该终点监测和控制装置与至少一个流体供应容器一起操作性布置。
本发明的另一方面涉及一个流体供应系统，包括：流体供应容器，所述容器具有用于容纳流体的内部容积；在该内部容积中的第一流动回路，该第一流动回路被布置以在从容器供应流体期间控制流体的流动，所述第一流动回路包括静态流动限制设备和选择性可致动阀元件；以及第二流动回路，该第二流动回路与所述容器联接以从所述容器中排出流体，其中所述系统包括下列元件中的至少一个：
(ⅰ)所述容器的内部容积中的缓冲贮存器，该缓冲贮存器与所述第一流动回路联接，被布置以容纳流体，用于对流体释放至所述第一流动回路进行缓冲；
(ⅱ)所述容器外部的缓冲贮存器，该缓冲贮存器与所述第二流动回路联接，被布置以容纳流体，用于对流体释放至所述第二流动回路进行缓冲；
(ⅲ)压力调节器，被布置以调节所述第二流动回路中的流体压力；
(ⅳ)压力传感器，被布置以监测所述第二流动回路中的流体压力；
(ⅴ)质量流控制器，被布置以控制所述第二流动回路中的流体的质量流；
其中当所述系统中包括元件(ⅱ)-(ⅴ)中的任何一个或多个时，该系统可进一步可选地包括一个CPU，该CPU被可编程地布置以接收来自一个设备的至少一个监测信号，该设备监测所述流体供应容器或从该流体供应容器分配的流体的至少一个特性，以确定来自所述流体供应容器的流体供应的终点。
从本公开内容和所附权利要求可更充分地明了本发明的其他方面、特征和实施方案。
附图说明
图1是针对容纳三氟化硼气体的模拟流体供应容器，输送压力(以托为单位)和流动速率(以sccm为单位)各自随时间(以小时为单位)变化的曲线，其中在供应容器的内部容积中、在该内部容积中的真空致动阀的上游具有毛细管限制设备，该供应容器具有联接至该供应容器颈部部分的阀头，该阀头用于打开或闭合该阀头中的阀元件，以相应地使流体流动或者终止流体流动。
图2是一个示意性的流体供应和利用系统的示意图，在该系统中，本公开内容的监测和控制布置可有利地被实施用于流体供应容器的终点确定和操作管理。
图3是根据另一实施方案的流体供应和利用系统的示意图，其中可使用质量流控制器的比例-积分-微分(PID)输出来进行终点确定，且通过缓冲贮存器来增加流体供应，从而适应终点条件下突发的压力降低。
图4是对于利用毛细管辅助的流动控制的一个示意性的流体供应容器，输送压力随着时间变化的曲线图，其中该曲线图示出了当容器达到终点条件时正在供应的流体的输送压力的逐渐增加和突发降低。
具体实施方式
本公开内容涉及用于毛细管辅助的流动控制的终点确定，例如可用于将流体供应至诸如离子植入器的半导体制造工具。
可使用如下方法执行终点确定，该方法包括：选择性建立来自流体供应容器的流体流动；当建立流体流动时，利用一个静态流动限制设备(例如毛细管设备)和一个选择性可致动阀元件，控制流体流动通过位于所述流体供应容器的内部容积中的流动通道；以及监测所述流体供应容器或从该流体供应容器分配的流体的一个特性，以确定终点，其中所述静态流动限制设备和所述选择性可致动阀元件沿着所述流动通道布置。
所述静态流动限制设备可包括一个或多个毛细管类型通道或节流通道。例如，流动限制设备可包括沿着流动通道的一部分平行布置的两个或更多个毛细管类型通道或节流通道。
所述静态流动限制设备可按照任何合适的方式和/或配置被定位在所述供应容器的内部容积中。所述静态流动限制设备可例如定位在流动通道上的选择性可致动阀元件之前或之后。在一个示例性布置中，所述静态流动限制设备被定位在所述选择性可致动阀元件和流动通道的入口之间。在另一个示例性布置中，所述选择性可致动阀元件被定位在所述静态流动限制设备和流动通道的入口之间。
所述选择性可致动阀元件可以是任何合适的类型。例如，所述选择性可致动阀元件可包括真空致动阀。在一个具体实施方案中，所述选择性可致动阀元件包括提升式阀。
包含在流体供应容器中以及从流体供应容器供应的流体可以是任何合适类型。例如，流体可包括在半导体制造操作中具有效用的流体，所述半导体制造操作诸如：化学气相沉积、蚀刻操作、原子层沉积、平版印刷操作和离子植入。更具体地，流体可包括选自如下的流体物质：胂、膦、三氟化硼、三氯化硼、四氟化二硼、乙硼烷、硒化氢、二氟化氙、硅烷、聚烷基硅烷、有机金属试剂、氟(F2)、硫化氢(H2S)、锗烷(GeH4)、以及Si、Ge、Sn和Sb的氢化物和烷基氢化物物质。
在终点确定方法中，流体供应容器或从该流体供应容器供应的流体的一个特性被监测，以确定终点。可以任何合适的方式进行该监测。在不同的实施方案中，监测包括将监测的特性与参考特性进行比较，以确定终点。
所监测的特性本身可以是任何有用类型，并可例如包括物理特性、瞬时特性、流体动力学条件或任何其他品质、数量、特征或状态。在终点确定的具体实施中所监测的特性可包括一个或多个合适的监测变量，例如流体流动持续时间、流体流动速率、流体压力、流体温度、供应容器温度、供应容器重量、供应流体的组分的浓度，等等。
例如，在以下情况下，可确定已到达终点：a)已检测到预定的流体流动速率；b)已检测到预定的流体压力；c)已检测到预定的流体流动持续时间；d)已供应预定量的流体；e)已检测到流体压力的预定变化；f)已检测到流体流动速率的预定变化；和/或g)已检测到供应容器和其内容物的预定重量或重量变化。
在流体供应被布置以在已检测到预定流体流动速率时确定终点的情形中，在具体实施方案中的终点流体流动速率可以在0.1到5标准立方厘米/分钟(sccm)的范围内。用户可配置流体供应监测布置，以在如下一个值时确定终点，该值是对于供应容器的正常分配操作所预期的流动速率设定点的预定百分比，或者该值与对于正常分配操作所预期的流动速率设定点成一指定比率。
在流体供应被布置以在已检测到预定流体压力时确定终点的应用中，终点条件可以是任何合适的压力水平，例如在0至760托范围内的压力值，或者在2至400托范围内的压力值，或从该容器供应的流体的压力的任何其他合适的值。
在流体供应被布置以在已检测到预定流体流动持续时间时确定终点的应用中，终点持续时间可由平均的使用者流动速率和容器存量限定。例如，假定该容器的100％的气体存量被输送，则包含300克三氟化硼、以3sccm平均流动速率供应BF3气体的供给容器理论上可供应气体长约549小时。在该情况下，使用者可将终点选择为该值的75％、80％、85％或更高百分比。在一个具体实施方案中，可将该终点值选择为80％或440小时，使用者可能会在该时间收到指示供应容器接近空的警报或消息。使用者选择的实际百分比可能取决于使用者对于供应容器剩余物的了解(剩余物是在流体从容器排出结束时留在容器中的残余流体量，当达到一个点时，在该点来自容器的流体的压力不再足以克服将容器与流体利用装置或位置互连的流动线路中的压降，以使得流动停止)，或者基于对流体排出直到达成终点条件为止的持续时间的先前经验。或者，可通过以下操作凭经验建立持续时间终点：用流体将供应容器填充至预定程度，且接着记录在不同的排出速率下流体排出的持续时间，以建立终点条件的参考数据库，该参考数据库可被加以编程利用以设置终点警报条件。
在流体供应被布置以在预定累积重量的流体从供应容器排出时确定终点的应用中，可基于对供应容器剩余物的了解或者相同特征的供应容器的先前经验选择预定终点值，或者凭经验选择预定终点值。举例而言，对于包含335克的待被选择性排出以供使用的流体的供应容器，剩余物可以是约44克(对于3sccm流动速率而言)，且终点可被选择为250-300克已排出流体的范围中的一个累积重量值。该累积值取决于当容器在作为“新”容器配备用于流体供应服务时的填充水平，且该累积值可针对供应容器中流体的不同填充水平而容易建立。对从供应容器排出的流体的重量的测量和监测可通过自开始排出流体时的初始充满状态连续测量供应容器重量来实现，或者当间歇取得的重量数据指示已经达到适合点时，例如，在80％的初始流体存量已经从容器排出时，通过在容器服务寿命中某点之后连续监测容器重量来实现。
用于监测从供应容器排出的流体重量以建立终点条件的其他技术可包括：使用质量流控制器以总计被排出的流体随时间的流量，以及通过计算使用该总计值以及被排出流体的分子量，以确定已经从供应容器释放的流体重量。
在当已经检测到流体压力中的预定变化时确定已经到达终点的应用中，可将终点建立为输送压力的某一具体百分比或分数。例如，使用具有200-400托的输送压力的供应容器，在具体实施方案中终点值可以是该输送压力的10％、20％、30％、50％或更多。
在当已经检测到流体流动速率中的预定变化时确定已经到达终点的应用中，可在选定值下使用与来自供应容器的设定点流体排出速率的偏差作为终点标记。该偏差可取决于使用自供应容器排出的流体的具体流体利用装置或位置。在一个具体实施方案中，指示到达终点的偏差可以是任何合适的值，例如1％、3％、5％、10％等的流体流动速率变化。
在当流体供应容器的预定重量或重量变化出现时确定已经到达终点的应用中，可在排出供使用的流体期间或者在这种排出的相关部分期间，监测容器的重量，以确定何时达到终点条件。
在流体供应容器被用于向半导体制造设施中的离子植入器提供流体的各个实施方案中，可通过监测植入器中的植入器射束电流或离子源电弧电流以检测该电流水平的下降来确定终点，该电流水平的降低指示流体供应容器接近空态。为了提高监测操作的准确性和可靠性，该电流监测操作可与前文讨论中所述的监测技术中的一个或多个组合。
更一般地，任何前述技术或监测模态可与一个或多个其他的技术或监测模态组合，以提供一个具有冗余监测能力的组合监测系统，或者提供多个输入至监测系统，以提高监测的准确性和可靠性。例如，可提供一个终点监测和控制系统，使得用户能够从提供的多种模态中选择一个或多个预期类型的终点监测能力。因此，用户可选择所供应流体的输送压力的百分比下降作为用于终点确定的监测变量，并选择待要被用作终点决定因子的实际值，例如输送压力的20％的下降。用户可额外地或替代地选择多个用于监测的变量，例如从容器排出的流体的流体输送压力中的百分比下降和从容器排出的流体的总的克数。
可由适合于此目的的任何合适的传感器、检测器或监测器来检测前述用于终点确定的监测变量。监测装置可被布置以提供一个输出信号，该信号指示或者关于感兴趣的监测条件或状态，其中该监测装置的输出信号由合适的信号传送线传送至中央处理器单元(CPU)，该中央处理器单元用于处理该监测信号并且响应产生指示终点的输出控制信号，该输出控制信号可被用于致动实现流体耗尽的供应容器的关闭或隔离的终点警报和/或装置，以使得该流体耗尽的供应容器脱机，以便替换新的供应容器，以继续或重新开始涉及流体供应的操作。在具体实施方案中，被该输出控制信号致动的装置可以是流量控制阀或阀致动器、电源、泵、压缩机、冲洗装置、或者由该输出信号控制或可由该输出信号控制的任何其他合适装置。在该监测和控制系统中采用的CPU可以是任何合适类型，包括例如专用编程或可编程计算机、微处理器、可编程逻辑控制器等。
在本公开内容的监测方法的具体示意性实施方案中，可选择终点条件以使得在这些条件下，指定量的流体供应容器的初始流体存量存在于容器的内部容积中，例如，初始流体存量的1％-20％的范围内的量(例如1％、2％、5％、8％、10％、12％、15％或20％、或其他值)或在其他范围中的值。
当压力被用作终点监测目的的监测变量时，可以任何合适方式监测压力，例如通过监测在置于供应容器的内部容积中的静态流动限制设备上的压降，和/或通过监测在与流体供应容器联接以将流体输送至使用点的流体流动回路中的静态流动限制设备上的压降，该静态流动限制设备例如为限流孔口(RFO)、线路内气体缓冲设备、或者在流动回路中的其他合适设备或与流动回路联接的其他合适设备。
虽然前述主要针对离子植入应用，但就可适用于终点值的具体参数和范围而言，本领域技术人员基于本公开内容可容易凭经验确定可适用于其他应用的合适设定和操作参数。
置于供应容器的内部容积中的静态流动限制设备可以是任何合适类型，并例如可包括一个或多个毛细管，流体流经该毛细管，以最终从流体供应容器中排出。如前文描述的，在供应容器的内部容积中的静态流动限制设备被用于在建立流体流动后与选择性可致动的阀元件结合来控制通过该内部容积中的流动通道的流体流动。在一个实施方案中，静态流动限制设备包含沿着流动通道的一部分平行布置的两个或更多个毛细管类型或节流通道。
考虑毛细管中的压降，在一个给定的毛细管类型限流设备中，该设备的设计(包括毛细管的数量、长度和直径、从供应容器排出的流体的流体流动速率、在任意特定时刻的温度和供应容器压力)全部会影响压降。可如下文所述数学上确定与流体供应容器的终点状态相关的压降，以指定一个特定的压降，该特定的压降与输送压力的一个具体分数或百分比损失相关联，或者与设定点的具体分数或百分比损失相关联，或者与从供应容器排出以供使用的流体的预期流动速率相关联。
不同实施方案中的毛细管类型限流设备可定位在流体供应容器的内部容积中的调节器、真空致动止回阀或其他流量调节设备的上游。
可对毛细管和调节器系统的终点分布图进行建模，以显示压力和流量分布图。本申请人已经通过建立毛细管和调节器系统实验验证这些结果。在气体供应容器的终点处，与摩擦损失相关的压降是明显的，因此不能再假定密度恒定。这导致具有可压缩的流体流量。在该情形下，下面的等式(1)可用于估计流量。
更具体地，毛细管的压降的数学确定可包括基于压降等式(1)的确定，等式(1)如下文：
P 1 2 - P 2 2 = G 2 R T M w [ 4 f L D + 2 l n ( p 1 p 2 ) ] - - - ( 1 )
其中等式变量定义如下：
p1＝导管入口压力
p2＝导管出口压力
G＝气体质量通量
R＝通用气体常数
T＝气体温度
Mw＝气体分子量
f＝摩擦因子＝16/RE(层流)
RE＝雷诺数＝GD/μ
μ＝气体粘度
L＝导管长度
D＝导管直径
图1是针对容纳三氟化硼气体的模拟流体供应容器的输送压力(以托为单位)和流动速率(以sccm为单位)各自随时间(以小时为单位)变化的曲线，其中在供应容器的内部容积中、在该内部容积中的真空致动阀的上游具有毛细管限制设备，该供应容器具有联接至该供应容器颈部部分的阀头，该阀头用于打开或闭合该阀头中的阀元件，以相应地使流体流动或者终止流体流动。阀头可被布置为用于在完全打开位置和完全闭合位置之间手动或自动操作所述阀头中的阀元件，例如借由手轮以手动操作，或者借由气动阀致动器以自动操作，或者在一些其他布置中能够平移所述阀头中的阀元件。
在产生图1曲线的模拟流体供应容器中，毛细管限制设备包括一个阵列的七个毛细管，每个毛细管长2.8英寸，内径为20μm。三氟化硼气体的流体流动速率为3sccm。
在图1曲线的时间零处，供应容器已在操作中，排出流体以供下游使用，在稳态流体供应操作中长达数小时。曲线中示出的输送压力是当流体从容器中排出时的流体压力。等式(1)中的压力p2是直接位于毛细管流量限制器下游的压力。当压力p2降低至供应容器输送压力设定点(这里由p3表示)时，之后这两个压力在稳态流体排出操作中彼此基本相等，相等的时间长达流体供应容器的流体供应服务寿命的剩余部分。
在流体排出操作中，取决于初始提供的流体存量(填充量)和流动速率设定点，流体从供应容器排出数小时。随着流体逐渐从供应容器排出，容器压力p1下降。对于给定的流体流动速率，以及给定的温度和毛细管限制器设计，等式(1)右手侧对于所有的p1和p2值基本恒定，Ln项与等式的4fL/D项略微相关。结果，左手侧项对于任何给定的流体流动速率G必须保持大体恒定。
因此，p1^2-p2^2＝C(常数)，或者用代数式：(p1^2-p2^2)＝(p1+p2)*(p1-p2)＝C。当p1下降时，p2也下降，但是为了确保满足等式，即(p1+p2)*(p1-p2)＝C，项(p1-p2)必须增大。因此，p2必须比p1下降地更快。因此，具有毛细管类型流量限制器的供应容器中的输送压力会在输送压力接近零时迅速下降，且存在相对短的响应时间。压降表达式的微分表示显示p2以下列方式相对于p1变化：
dp2/dp1＝p1/p2
使得当p2变小并最终等于且之后小于内部流量控制设备(例如调节器或真空致动止回阀)的设定点时，p2相对于p1的变化变得越来越大。换句话说，输送压力的下降随着供应容器压力的下降而加快。这导致排出流体的输送压力在非常短的时期内从预期的分配压力水平变化至一个非常接近零的值。
一旦输送压力下降至一个特定低值(例如3-10托)，或下降至刚好足以驱动排出的流体流动通过排出流动回路的其他低压，则排出的流体的流动速率会逐渐开始下降，这是因为供应容器压力随着来自供应容器的气体的耗尽而下降。现在流动速率G会根据上述等式(1)开始下降，但p2近似恒定(p2会随着流量稍微下降，因为较低流量需要较低压力来驱动流体经过排出流动回路)。接着流量持续下降，直到流体供应容器的使用者注意到，或者直到下游流体利用装置借助于互锁组件关闭和/或报警为止。例如，当下游流体利用装置是接收来自流体供应容器的掺杂剂源气体的离子植入器时，可以通过流动速率或射束电流的特定损失来致动互锁机构。
本公开内容的流体供应容器监测方法和系统通过终点确定、以及一个或多个监测变量影响流体排出操作和/或被流体排出操作所影响而导致的排出操作的受控中止，监测使得能够避免从流体排出操作至供应容器耗竭的这种极快速转变。监测可如前文所述与CPU和/或其他控制设备关联，这类设备可在CPU的存储器或存储器元件中储存监测变量的流体排出操作分布图作为基准分布图，可根据该基准分布图评定实际监测数据的偏差，该偏差指示流体供应容器的预定流体耗尽状态的开始或达到，因此触发控制设备的终点致动或退动，以终止流体从流体供应容器排出。因此CPU可被编程布置以用于该监测，且输出一个或多个控制信号以实现终点操作变化从而关闭或隔离流体供应容器，和/或实现变成含有流体的新流体供应容器，以用于流体利用装置或位置的进一步操作。
因此，在一方面，本公开内容涵盖了一种用于流体供应容器的终点监测和控制装置，在该装置中，当建立流体流动时，采用静态流动限制设备和选择性可致动阀元件控制通过置于流体供应容器的内部容积中的流体通道的流体流动。该终点监测和控制装置包括一个监测单元和CPU，该监测单元适于监测所述流体供应容器或从该流体供应容器供应的流体的至少一个特性并产生一个输出信号，该CPU以输出信号接收关系操作性联接至监测单元，所述CPU具有存储在其中的终点条件信息，且响应于从监测单元接收到指示终点条件的输出信号，以产生用于终止来自流体供应容器的流体供应的控制信号。
该终点监测和控制装置可进一步包括一个控制设备，该控制设备以控制信号接收关系操作性联接至CPU，且响应于接收到控制信号以操作和终止或帮助终止来自流体供应容器的流体供应。因此该终点监测和控制装置可操作性地布置有至少一个流体供应容器，用于监测和控制该流体供应容器或一个阵列的多个流体供应容器的操作。在一个具体实施方案中，存储在CPU中的终点条件信息可包括针对流体供应容器的监测特性的至少一个流体排出操作分布图作为基准分布图，根据该基准分布图，通过CPU计算评定实际监测数据的偏差，该偏差指示流体供应容器的预定流体耗尽状态的开始或达到。
作为可在本公开内容的广泛范围内使用的流体供应布置的另一变型，流体供应容器和/或下游流动回路可布置有一个或多个缓冲容器，用于累积待要排至流体利用装置或位置的流体，以使得提供这样的流体的一个或多个贮存器，以能够在预期的设定点条件下继续分配流体，在缺少这类贮存器时超过该预期的设定点将是可能的。包括作为供应容器内部或外部的缓冲区的所述贮存器的流体供应系统由此可延长流体供应容器的操作寿命，并可布置为使得这些额外供应的流体继续超出本该触发关闭或切换至新的容器的终点，以使得为到达流体供应容器的终点而易发生的操作变化提供过渡时间。
如上文提及的，在流体供应容器的内部容积中的静态流动限制设备可以是任何合适的类型。在一个实施方案中，限流设备可包括限流孔口(RFO)，且该RFO可定位在容器的内部容积中的流体排出路径中，在诸如调节器或真空致动分配止回阀的内部流量调节设备的上游或下游。例如，在流体供应容器包括用于对从使用的容器排出的流体进行流动控制的RFO和调节器部件的实施方案中，流体供应容器可包括多个RFO设备和/或多个调节器。
在另一方面，通过测量流体供应容器或流体供应容器的一个部件的一个或多个属性的变化，可确定操作中的流体供应容器的终点，和/或可监测流体供应容器的流体存量。用于该应用的合适的属性包括但不限于声学、热学、电阻和/或压力铬属性。在不同应用中，材料可整合进流体供应容器壁或容器的一个部件中，这对于感测/测量容器的一个或多个属性是有用的。
例如，可以在竖直间隔开的位置热探测流体供应容器的壁，且测量所产生的热响应，例如在流体供应容器的内部容积中保持液体存量的应用中。由于在容器内部气体所界定的壁的一部分处的预定热输入的耗散非常不同于同液体内部接触的壁部分，因此液体界面上方的热会耗散地更缓慢(因为气体为不良导体)，而在液体界面下方的壁处的相同输入会因液体的热传导性而更迅速耗散。
因此，当液体存量耗竭时，该监测会沿壁下移，且可在气体排出操作期间的任何给定时间点非常密切地追踪液体界面。
在另一布置中，一个传感器位于流体供应容器的外壁上，处于对应于改变所希望的剩余物的一个高度。流体供应容器监测和控制系统被布置以监测该输入点的重复性热输入(周期性的热输入)，且当液体耗尽以将壁安置在与气体接触的热输入/监测位置的另一侧时，监测信号会变为反映该点的气体而非液体。该信号可触发(通过光缆或其他信号转移模态)一个改变操作，以使得工具的停工时间最小。可使用任何其他外壁输入和监测能力，例如声学、振动、超声或其他输入，而不是对该监测使用热挑战(输入)，其中该输入可传播至/穿过流体供应容器壁，且产生差别响应，该差别响应取决于是气体还是液体在信号输入/监测点接触容器的内表面。
本公开内容涵盖了一种适于执行本发明的广泛方法的流体利用装置，以及一种该类型的方法，其中该方法由流体利用装置执行。
图2是示意性流体供应和利用系统10的示意图，其中本公开内容的监测和控制布置可有利地被实施用于流体供应容器(例如图中示出的容器12和14)的终点确定和操作管理。
在图2中，流体供应容器12示出为运转容器，流体供应容器14示出为停转容器，分别由流体供应和控制信号传送线16和18的虚线表示来指示该停转状态。如所示，运转容器12包括封闭一个内部容积22的罩或壳20，在该内部容积22中布置有一个静态流动限制设备24，例如，该静态流动限制设备24包括相互平行布置的一个阵列的毛细管，来自内部容积22的流体可沿着一个流动路径流经该阵列的毛细管，所述流动路径包括静态流动限制设备24、流量调节设备26(例如真空致动分配止回阀)和排出导管28。排出导管28向包含一个阀元件的阀头30输送流体，该阀元件可通过自动阀致动器32在完全打开和完全闭合的阀位置之间转移，自动阀致动器32由在信号传送线34中从CPU36传送至所述致动器的控制信号所控制。
容器12的阀头30包括联接至流体排出管线40的排出口，流体通过该流体排出管线40流至下游流体利用设施42，下游流体利用设施42例如可包括半导体制造设施的离子植入器。在流体利用设施中，供应自流体排出管线40的流体被利用，且在示出的具体实施方案中，设施42中的流体利用操作产生流出物，该流出物在流出物排出管线44中排出。排出的流出物在排出管线44中流经两个流出物处理器单元46，来自处理器单元46的经处理的排出物在通气管线48中排出。
在从流体供应容器12供应流体的排出管线42中，排出流体监测单元50被置于其中，以监测流经所述排出管线42的排出气体的终点确定特性。建构和布置所述排出流体监测单元50以产生一个与所监测的特性相关的输出信号，且该输出信号在信号传送线52中传送至CPU36以供处理。流量控制阀54也置于排出管线40中，流量控制阀54以受控关系通过控制信号传送线56联接至CPU36，且在具体示出的实施方案中，排出管线40中置有另一流量控制设备60。该另一流量控制设备60可以是任何合适的类型，并例如可包括质量流控制器、压力调节器或其他合适的设备。该另一流量控制设备可额外地与CPU36联接(在图2中未示出该连接)。
流体监测单元50可被布置以监测流经排出管线40的排出流体的压力，并将一个压力相关输出信号传送至CPU36。代替这种压力监测，监测单元50可监测所分配流体的任何其他合适特性，例如温度、流动速率、当分配流体包含例如载送气体和活性气体时的多组分气体混合物中的气体物质的浓度、或监测单元50特别适合于这种特定监测应用的任何其他布置。因此，可间歇地、或连续地、或间歇与连续相结合地检测所监测的特性，以识别指示流体供应容器开始耗竭的条件，并将输出信号传送至CPU，以实现流体供应和利用系统的相应转变。
在图2的布置中，当监测单元50检测到终点相关联条件时，在信号传送线52中传送至CPU36的相应信号由CPU处理，并产生一个输出。该输出包括图2实施方案中的控制信号，其中信号在信号传送线34中传送至致动器32以将阀和阀头30闭合，并同时在信号传送线56中将控制信号传送至流量控制阀54，以关闭该阀，从而可使得已耗竭的容器12脱机。关于该转变，流体供应容器14可切换至操作中，其中在信号传送线18中将控制信号传送至被布置以控制阀头66中的阀的阀致动器64，使得来自流体供应容器14的流体从阀头66的排出口68流经流体排出管线16至流体排出管线40(容器12在该点处与排出管线40脱离)，以实现至流体利用设施42的流体流动连续性或恢复。
如示出的流体供应容器14包括封闭所述容器的内部容积72的罩或壳70。在内部容积72中置有一个排出导管74，该排出导管74中包含过滤器76、限流孔口78和流量控制设备80。流量控制设备80可包括压力调节器、真空致动分配止回阀、或适用于调节从容器分配的流体的流量的任何其他合适的流量控制设备。
尽管出于简明目的未示出，但相应的容器12和14可整合进阀歧管布置中，以便于从耗尽容器回到新容器的操作的切换和转换，其中歧管中的阀调元件被合适地布置以使得能够改变耗尽容器，同时保持操作的连续性。因此该阀调元件可被图2的示意图中示出的CPU(例如CPU36)操作性控制，或以其他合适方式操作性控制。
应认识到，可基于本文的公开内容，在本领域技术内，配置不同的流体供应和利用系统，以包含其他方面、特征和实施方案。例如，在该系统中可利用多于两个的容器，或仅利用一个容器，而非使用两个流体供应容器12和14。监测和控制元件以及这些元件的布置可广泛变化，以提供关于终点确定的流体分配操作的有效追踪，且提供响应动作以管理正在进行的流体利用操作。
图3是根据另一实施方案的流体供应和利用系统110的示意图，其中可使用质量流控制器的比例-积分-微分(PID)输出来进行终点确定，且通过缓冲贮存器来增加流体供应，从而适应终点条件下突发的压力降低。
如图3中示出的，流体供应和利用系统110包括流体供应容器112，该流体供应容器112包括封闭该容器的内部容积116的圆柱形容器罩114。在内部容积中置有静态流动限制设备118，该静态流动限制设备118例如包括相互平行布置的一个阵列的毛细管，来自内部容积116的流体可沿着一个流动路径流经该阵列的毛细管，所述流动路径包括静态流动限制设备118、辅助流体贮存器120、流动导管122、流量调节设备124(例如诸如真空致动分配止回阀的选择性可致动阀元件)和排出导管126。排出导管126向包含一个阀元件的阀头128输送流体，该阀元件可通过自动阀致动器130在完全打开和完全闭合阀位置之间转移，自动阀致动器130由在信号传送线132中从CPU134传送至所述致动器的控制信号所操作。
容器112的阀头128包括联接至流体排出管线142的排出口，流体通过该流体排出管线142流至下游流体利用设施158，下游流体利用设施158例如可包括半导体制造设施的离子植入器或气相沉淀室(例如化学气相沉淀室或原子层沉淀室)。
在流体利用设施中，供应自流体排出管线142的流体被利用，且在示出的具体实施方案中，设施158中的流体利用操作产生流出物，该流出物在流出物排出管线160中排出，且可被传递至一个清除设施(未示出)，用于清除其中的污染物。
可在排出管线142中设置流体压力调节器136，以控制流体供应容器供应的流体的压力。排出管线142还包含一个压力传感器138，该压力传感器138经由信号传送线140以信号传送的关系与中央处理器(CPU)134接合。排出管线142中还进一步包含一个质量流控制器154，该质量流控制器154经由信号传送线156以信号传送的关系与CPU134接合。
图3中示出的流体供应和利用系统采用缓冲贮存器120和150来提供额外的流体供应能力，以适应终点条件，在缺少所述缓冲贮存器的情况下，该终点条件原本会涉及正在供应的流体的输送压力的突发下降。
图3系统中的缓冲贮存器包括辅助流体缓冲贮存器120，该辅助流体缓冲贮存器120置于容器112的内部容积116中，在毛细管流量控制设备118和导管122之间。当容器原本会处于其操作中的终点条件时，缓冲贮存器120由此可提供额外体积的流体以用于分配。缓冲贮存器120可由金属或其他合适的材料或构造物制成，并为缓冲来自容器的流体流动提供足够的体积，以减缓终点条件下流体流动的快速变化(减小)。
除了这种内部缓冲贮存器120，图3系统包括一个外部缓冲贮存器150，该外部缓冲贮存器150通过包含流量控制阀146的流动管线144与排出管线142联接。流量控制阀146经由信号传送线148以信号接收关系与CPU134接合，CPU134由此可在信号传送线148中将控制信号传送至流量控制阀146，用于在终点条件下打开该流量控制阀146，以提供额外的流体供应，并由此延长操作时间，以允许转换或改变耗尽的流体供应容器，从而将耗尽的流体供应容器从服务中移除。
如示出的，CPU134分别通过信号传送线132、140、148和156接合至阀头阀控制器130、压力传感器140、流量控制阀146和质量流控制器154，使得CPU在信号传送线140中接收来自压力传感器138的信号，且在信号传送线156中接收来自质量流控制器154的信号。CPU可被可编程地布置以利用这些信号产生在信号传送线132和/或148中传输的输出，以调节所述阀控制器130和/或流量控制阀146，从而控制在排出管线142中被传递至流体利用设施158的流体流动。
应认识到，如在流体供应和利用系统的给定应用中所期望的，压力调节器136、压力传感器138和质量流控制器154可单独使用以及与这些元件中的一个或多个结合使用。
因此，在不同的实施方案中，图3系统可仅利用压力调节器136、仅利用压力传感器138或仅利用质量流控制器154，且在如图3综合所示的该系统的其他实施方案中可使用两个或更多个所述元件。
在图3中示出的通用系统的一个实施方案中，在信号传送线156中的从质量流控制器154传送至CPU134的输出信号包括来自质量流控制器的比例-积分-微分(PID)信号，其中该PID信号由CPU处理以确定流体供应容器112的终点条件。
在这方面，供应自容器112的流体的输送压力会在输送压力相对于时间的曲线的“拐点”处迅速变化。可通过监测质量流控制器154的PID输出来检测该拐点变化，并利用该拐点变化确定流体供应容器的终点条件并启动响应动作，例如终止运转容器的流动并将加工系统切换至新容器，或者在终止和/或从耗尽容器到新容器的切换之前致动来自流体的缓冲贮存器的流体供应以延长操作。因此CPU可被布置为监测、利用来自质量流控制器的所述PID输出信号，以响应调节流体供应系统。
在该方面，应注意，质量流控制器的PID输出监测可被用于供应来自在恒流输送条件下操作的流体供应容器的流体，以及用于供应来自根据不同的工作循环操作的供应容器的流体，其中利用流体供应容器来间歇地将流体输送至流体利用设施。
例如，可在一个工作循环中操作利用毛细管流动控制的流体供应容器，该容器在该工作循环中处于流体输送模式长达10分钟，接着持续10分钟的脱机状态，其中该10分钟运转/10分钟脱机的循环重复进行。在这样的情况下，质量流控制器的PID信号分布图或者质量流分布图本身可随着工作循环的每个连续运转段而变化。因此，CPU可被布置以监测该渐进的变化，并在确定终点条件时利用该变化，或者控制流体供应系统中的流体供应。
如本公开内容的流体供应系统的不同实施方案中使用的，CPU可被布置以存储流体供应系统的任何操作参数或变量的参考或基准分布图，并利用对这些参数或变量的监测，通过与对应的参考分布图参数或值比较，来确定流体供应容器的终点。以此方式，可利用参考分布图响应于动态监测的过程条件、系统部件的输出等来管理系统操作。
图4是对于利用毛细管辅助的流动控制的示意性流体供应容器，在恒流条件下输送压力随着时间变化的曲线，其中该曲线示出了当容器接近或达到终点条件时正在供应的流体的输送压力的逐渐增加和突发降低。如图所示，输送压力曲线具有拐点A，输送压力在拐点A处是最大值，且由于容器迅速进入耗竭状态，接着输送压力急剧下降。可通过合适地监测输送压力或处理系统中显示流体供应容器的终点条件下的类似拐点特性的其他变量，有用地利用该过程特性，以使得监测的特性或参数的突变(在图4中对应于点A附近的输送压力行为)被检测和利用，以启动适合于终点条件的动作。该监测可涉及确定输送压力的变化速率、输送压力曲线的积分、或者识别并产生对终点条件的响应的其他操作。因此，终点可被选择为在输送压力曲线的拐点A处的条件，或者在供应容器压力等于用于分配的设定点压力的条件下，或者在输送压力曲线的点A之前或之后的该曲线上的任何其他选择的点。
本公开内容的另一方面涉及一种流体供应系统，包括：流体供应容器，具有用于容纳流体的内部容积；第一流动回路，在该内部容积中被布置以在从容器供应流体期间控制流体的流动，所述第一流动回路包括静态流动限制设备和选择性可致动阀元件；以及第二流动回路，与所述容器联接以从中排出流体，其中所述系统包括下列元件中的至少一个：
(ⅰ)所述容器的内部容积中的缓冲贮存器，该缓冲贮存器与所述第一流动回路联接，被布置以容纳流体用于对流体释放至所述第一流动回路进行缓冲；
(ⅱ)所述容器外部的缓冲贮存器，该缓冲贮存器与所述第二流动回路联接，被布置以容纳流体用于对流体释放至所述第二流动回路进行缓冲；
(ⅲ)压力调节器，被布置以调节所述第二流动回路的流体压力；
(ⅳ)压力传感器，被布置以监测所述第二流动回路的流体压力；
(ⅴ)质量流控制器，被布置以控制所述第二流动回路中的流体的质量流；
其中当所述系统中包括元件(ⅱ)-(ⅴ)中的任何一个或多个时，该系统可进一步可选地包括一个CPU，该CPU被可编程地布置以接收来自一个设备的至少一个监测信号，该设备监测流体供应容器或从该流体供应容器分配的流体的至少一个特性，以确定来自该流体供应容器的流体供应的终点。
在一个实施方案中该流体供应系统可包括质量流控制器(ⅴ)，其中来自该质量流控制器的输出信号被CPU利用，以输出一个控制信号来控制所述系统中的流体供应。来自质量流控制器的所述输出信号可例如包括PID输出信号。在该实施方案中，或在其他实施方案中，CPU可被布置以输出一个控制信号，从而调节在容器上(例如在容器的阀头中，或在所述第二流动回路中)的流量控制阀，或者终止所述第一流动回路和/或所述第二流动回路中的流动。基于本公开内容，会容易想到其他实施方案，在这些实施方案中CPU被布置以控制、实现系统的转变从而适应流体供应容器的终点条件，或者以其他方式控制流体供应系统中的流体供应。
在这些示出的实施方案中的流体供应容器中，静态流动限制设备可以是任何合适的类型，并例如可包括一个或多个毛细管类型或节流通道，且选择性可致动阀元件可包括一个真空致动阀，或者替代地，可按照本文中不同描述构成和布置流体供应容器。基于本公开内容，会容易想到其他实施方案。
公开内容的不同实施方案中的毛细管数量可以是8-10或更多，例如从8-50，从10-40，从12-38，从15-35，或者其他数目的毛细管。毛细管可以是0.25毫米或更大的内径，例如从0.25-5毫米，从0.3到4毫米、从0.4-3.5毫米、从0.5-3.0毫米或其他合适尺寸。毛细管的长度可以是3.5英寸或更多，例如从3.5-20英寸、从4-10英寸、从4.5-8英寸、从5-7.5英寸或其他合适长度。流体供应系统流体分配流动速率可以是从250-1000sccm或更多，例如从250-900sccm、从300-850sccm、从350-800sccm、从400-750sccm或其他合适的流动速率。
虽然本文中已经参考特定方面、特征和示出的实施方案陈述了本公开内容，但应理解，本公开内容的效用并不限于此，而是涵盖了本发明技术领域的普通技术人员在本文的公开内容基础上可想到的其他变型、改型和替代实施方案。因此，按下文所要求的本发明旨在被广泛地解释和理解为包括在本发明的精神和范围内的所有变型、改型和替代实施方案。

Claims (25)

1.一种用于流体供应容器的终点监测和控制装置，在该流体供应容器中设置有相互平行布置的一个阵列的毛细管，在容器的流体流动路径中包括真空致动分配止回阀和排出导管，所述容器包括阀头，排出导管向所述阀头输送流体，所述阀头包含一个在完全打开和完全闭合阀的位置之间可转移的阀元件和一个用于从所述容器分配流体的排出口，使得容器分配操作中的流体通过容器中的流动路径流经所述阵列的毛细管、真空致动分配止回阀和排出导管流至阀头、流至排出口，该终点监测和控制装置包括：
一个监测单元，该监测单元适于监测所述流体供应容器的至少一个特性或从该流体供应容器供应的流体的至少一个特性，并产生一个关于这种特性的输出信号，以及
一个处理器单元，该处理器单元布置为接收监测单元的输出信号，并在流体供应容器或从该流体供应容器供应的流体的终点条件下，响应地产生一个指示终点条件的输出控制信号。
2.根据权利要求1所述的终点监测和控制装置，其中当所述终点条件为处于或接近从所述流体供应容器分配的流体的拐点压力的条件时，所述处理器单元被布置为产生输出控制信号。
3.根据权利要求1所述的终点监测和控制装置，其中终点条件的发生由处理器单元根据基准信息确定，该基准信息对所述流体供应容器的监测特性或从该流体供应容器供应的流体的监测特性进行储存，使得所述处理器单元计算评定来自监测单元的输出信号距所述基准信息的偏差，该偏差指示所述流体供应容器的预定流体耗尽状态的开始或达到。
4.根据权利要求1所述的终点监测和控制装置，其中作为所述流体供应容器的所述至少一个特性或从该流体供应容器供应的流体的所述至少一个特性，所述监测单元适于监测流体流动持续时间、流体流动速率、流体压力、流体温度、流体供应容器温度、流体供应容器重量，以及从流体供应容器供应的流体的组分浓度的一个或多个。
5.根据权利要求1所述的终点监测和控制装置，其中作为所述流体供应容器的所述至少一个特性或从该流体供应容器供应的流体的所述至少一个特性，所述监测单元适于监测从所述流体供应容器分配的流体的压力。
6.根据权利要求1所述的终点监测和控制装置，其中作为所述流体供应容器的所述至少一个特性或从该流体供应容器供应的流体的所述至少一个特性，所述监测单元适于监测从所述流体供应容器分配的流体的流动速率。
7.根据权利要求1所述的终点监测和控制装置，其中所述终点条件包括以下条件的一个或多个：a)预定的流体流动速率；b)预定的流体压力；c)预定的流体流动持续时间；d)预定量的分配的流体；e)流体压力的预定变化；f)流体流动速率的预定变化；和/或g)流体供应容器和其流体内容物的预定重量或重量变化。
8.根据权利要求1所述的终点监测和控制装置，其中所述终点条件包括预定的流体压力。
9.根据权利要求8所述的终点监测和控制装置，其中所述预定的流体压力包括在0-760托的范围内的压力。
10.根据权利要求1所述的终点监测和控制装置，其中所述终点条件包括预定的流体流动速率。
11.根据权利要求10所述的终点监测和控制装置，其中所述预定的流体流动速率包括在0.1到5标准立方厘米/分钟的范围内的流体流动速率。
12.根据权利要求1所述的终点监测和控制装置，还包括一个控制设备，该控制设备操作性地布置为接收指示终点条件的输出控制信号，且响应地终止或帮助终止来自所述流体供应容器的流体分配。
13.根据权利要求12所述的终点监测和控制装置，其中所述控制设备包括阀致动器，该阀致动器布置为控制所述流体供应容器的阀头中的阀元件。
14.一种流体供应装置，该流体供应装置包括与所述流体供应容器操作性地布置在一起的权利要求1所述的终点监测和控制装置。
15.根据权利要求14所述的流体供应装置，其中在所述流体供应容器中的所述阵列的毛细管包括至少8个毛细管。
16.根据权利要求14所述的流体供应装置，其中在所述流体供应容器中的所述阵列的毛细管包括8-50个毛细管。
17.根据权利要求14所述的流体供应装置，其中在所述流体供应容器中的所述阵列的毛细管包括具有至少0.25毫米内径的毛细管。
18.根据权利要求14所述的流体供应装置，其中在所述流体供应容器中的所述阵列的毛细管包括具有0.25-5毫米范围内的内径的毛细管。
19.根据权利要求14所述的流体供应装置，其中在所述流体供应容器中的所述阵列的毛细管包括至少3.5英寸长度的毛细管。
20.根据权利要求14所述的流体供应装置，其中在所述流体供应容器中的所述阵列的毛细管包括具有3.5-20英寸范围内的长度的毛细管。
21.根据权利要求14所述的流体供应装置，还包括一个控制设备，该控制设备操作性地布置为接收指示终点条件的输出控制信号，且响应地终止或帮助终止来自所述流体供应容器的流体分配。
22.根据权利要求21所述的流体供应装置，其中所述控制设备包括阀致动器，该阀致动器布置为控制所述流体供应容器的阀头中的阀元件。
23.根据权利要求14所述的流体供应装置，该流体供应装置布置为将从所述流体供应容器分配的流体供应至流体利用设施。
24.根据权利要求23所述的流体供应装置，其中所述流体利用设施为半导体制造设施。
25.根据权利要求24所述的流体供应装置，其中所述半导体制造设施包括离子植入器或气相沉淀室。
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