CN110073181B

CN110073181B - 用于大范围质量流量检验的方法和设备

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Publication number: CN110073181B
Application number: CN201780077963.3A
Authority: CN
Inventors: 丁军华; M·勒巴塞伊; W·科勒
Original assignee: MKS Instruments Inc
Current assignee: MKS Instruments Inc
Priority date: 2016-12-15
Filing date: 2017-12-08
Publication date: 2021-12-21
Anticipated expiration: 2037-12-08
Also published as: JP6821027B2; KR102281930B1; TWI758366B; EP3555576A4; WO2018111725A1; CN110073181A; TW201829986A; EP3555576B1; JP2020502516A; EP3555576A1; US20180172491A1; KR20190087644A; US10031004B2

Abstract

节省空间并且可以在大流速范围内检验未知流体的流速的质量流量检验器(MFV)包括：腔室，该腔室被配置为接纳流体；临界流喷嘴，该临界流喷嘴与所述腔室连接；以及第一压力传感器和第二压力传感器，所述第一压力传感器和所述第二压力传感器分别检测所述腔室中的流体压力和所述临界流喷嘴的上游的流体压力。所述MFV的控制器被配置为通过以下步骤检验所述流体的流速：(i)在第一流量范围中，基于由所述第一压力传感器检测到的所述流体的压力上升速率来测量第一流速，并且基于由所述第一压力传感器和所述第二压力传感器检测到的压力来确定所述流体的气体性质函数；以及(ii)在第二流量范围中，基于由所述第二压力传感器检测到的压力和所确定的所述气体性质函数来测量第二流速。

Description

用于大范围质量流量检验的方法和设备

相关申请

本申请是2016年12月15日提交的美国申请No.15/380,682的延续案。以上申请的全部教导以引用方式被并入本文中。

背景技术

质量流量检验器(MFV)用于检验流体输送和测量系统的准确性。这些系统包括例如半导体制造系统和其他材料处理系统中的质量流量控制器(MFC)、质量流量比率控制器(FRC)和质量流量计(MFM)。

半导体制造工艺可以涉及在若干处理步骤中以各种量输送几种不同的气体和气体混合物。通常，气体被储存在处理设施处的储罐中，并且使用气体计量系统将所计量的量的气体从储罐输送到诸如化学气相沉积反应器、真空溅射机、等离子蚀刻机等这样的处理工具。在气体计量系统中或者在从气体计量系统到处理工具的流动路径中可以包括诸如阀、压力调节器、MFC、FRC、MFM、MFV等这样的其他组件。提供诸如MFC、FRC、MFM和MFV这样的组件是为了确保处理气体的精确输送。由于在这种处理系统中空间通常是宝贵的，因此期望的是组件尽可能小或节省空间。

发明内容

所期望的是在处理系统不需要占用大的占用面积的情况下能够在大的流速范围内检验流体输送系统的精度的质量流量检验器。

一种质量流量检验器包括：腔室，该腔室被配置为接纳流体；临界流喷嘴，该临界流喷嘴与所述腔室流体连接；第一压力传感器和第二压力传感器；以及控制器。所述第一压力传感器检测所述腔室中的流体压力，并且所述第二压力传感器检测所述临界流喷嘴的上游的流体压力。所述控制器被配置为通过以下方式检验流体的流速：在第一流量范围中，基于由所述第一压力传感器检测到的所述流体的压力上升速率来测量第一流速。所述控制器还被配置为通过以下方式检验流体的流速：在第二流量范围中，基于由所述第二压力传感器检测到的压力来测量第二流速。所述临界流喷嘴可以与所述腔室串联地流体连接并且可以位于所述腔室的上游。

一种检验流速的方法包括以下步骤：对于第一流量范围中的流速，将流体引入质量流量检验器的腔室中并且检测所述腔室中的流体随时间推移的压力。基于所述腔室中的所述流体的压力上升速率来计算所述第一流速。所述方法还包括以下步骤：对于第二流量范围中的流速，检测所述质量流量检验器的临界流喷嘴的上游的流体的压力并且基于检测到的上游压力来计算所述第二流速。

在某些情形下，被测试的气体或气体混合物可能是未知的。还期望能够检验未知的气体或气体混合物(或其他流体和流体混合物)的流速的质量流量检验器。在这些情形下，可以使通过临界流喷嘴的流速等于在质量流量检验器的腔室中检测到的流速，以获得气体或气体混合物的气体性质函数。即使气体或气体混合物是已知的，能够确定气体性质函数的质量流量检验器也可以提高使用临界流喷嘴方法进行的质量流量检验的精度。

质量流量检验器的控制器可以被进一步配置为在检验第一流量范围中的流速期间基于由第一压力传感器和第二压力传感器检测到的压力来确定流体的气体性质函数。在第二流量范围中，所述控制器可以被配置为基于由所述第二压力传感器检测到的压力和所确定的所述气体性质函数来测量第二流速。

检验流速的方法还可以包括基于由所述第一压力传感器和所述第二压力传感器检测到的压力来确定所述流体的气体性质函数。所述方法还可以包括基于检测到的上游压力和所确定的气体性质函数来计算第二流速。

一种增大质量流量检验器的操作流量范围的方法包括以下步骤：对于低流速，利用上升速率方法来确定流体的流速。所述方法还包括以下步骤：对于中间流速，利用上升速率方法来确定所述流体的流速并且确定所述流体的气体性质函数。对于高流速，所述方法包括利用临界流喷嘴方法以及所确定的气体性质函数来确定所述流体的流速。

所述质量流量检验器的所述控制器还可以被配置为在获得上升速率测量值和临界流喷嘴测量值之间进行选择，以便检验所述流体的后续流速。例如，控制器可以被配置为针对低流速而选择获得上升速率测量值和/或针对高流速而选择获得临界流喷嘴测量值。低流速可以包括约1sccm至约1000sccm的流速范围，而高流速可以包括约1,000sccm至约50,000sccm的流速范围。

所述质量流量检验器的控制器还可以被配置为根据上升速率测量值来计算第一流量Q_v。上升速率测量值可以被表示为：

其中，V是腔室的容积，P_d是检测到的腔室中的流体的压力，并且T是检测到的流体温度。所述控制器还可以被配置为基于所述流体的温度和所述临界流喷嘴的已知几何形状来计算气体性质函数。例如，所述控制器可以被配置为根据下式来确定所述气体性质函数f(M,γ)，该气体性质函数基于所述流体的分子量M和比热比率γ：

其中，P_u是检测到的临界流喷嘴的上游的流体的压力，C’是临界流喷嘴的排出系数，并且A是临界流喷嘴的喉部的横截面面积。可以根据临界流喷嘴测量值来计算第二流量Q_c。临界流喷嘴测量值可以被表示为：

所述第一流量范围和所述第二流量范围可以包括重叠的流速。

质量流量检验器还可以包括位于所述腔室的出口处的下游阀，并且所述控制器可以被配置为关闭所述下游阀，从而致使所述腔室内的流体压力上升。在质量流量检验器中还可以包括温度传感器，并且第一流速和第二流速还可以基于检测到的流体温度。质量流量检验器中的腔室可以具有约3L或更小或约1L或更小的容积。多个并行的临界流喷嘴可以与腔室流体连接，其中至少两个临界流喷嘴具有不同的喉部横截面面积。所述控制器可以还被配置为通过如下步骤选择性地启动所述多个临界流喷嘴中的一个：打开与所选择的临界流喷嘴关联的上游阀并且关闭与其他临界流喷嘴关联的上游阀。临界流喷嘴还可以配置为在诸如(例如)第一流速这样的上升速率测量期间提供外部容积不敏感性。控制器可以被配置为测量临界流时段内的第一流速，在该临界流时段期间，通过临界流喷嘴的流体的流速基本上恒定并且对于腔室内的压力变化基本上不敏感。

检验流速的方法可以包括在获得上升速率测量值和临界流喷嘴测量值之间进行选择，以便测量所述流体的后续流速。例如，可以针对相对低流速而选择获得上升速率测量值并且可以针对相对高流速而选择获得临界流喷嘴测量值。所述方法还可以包括在多个临界流喷嘴当中进行选择，以便测量所述流体的后续流速。流体可以是未知的气体或气体混合物。腔室内的流体压力的检测可以在临界流时段内发生，使得获得对外部容积基本上不敏感的上升速率测量值。

附图说明

根据如附图中例示的以下对本发明的示例实施方式的更特别描述，将清楚以上内容，在附图中，在不同视图中始终用类似的参考标号来表示相同的部件。附图不一定按比例，而是重点放在例示本发明的实施方式上。

图1A是例示在上升速率流量检验方法期间的压力对时间响应的曲线图。

图1B是现有技术的质量流量检验器的示意图。

图2是包括临界流喷嘴和腔室容积的质量流量检验器的示意图。

图3是包括两个临界流喷嘴和腔室容积的质量流量检验器的示意图。

图4是包括没有临界流喷嘴的通道、具有临界流喷嘴的两个通道以及腔室容积的质量流量检验器的示意图。

图5是例示包括上升速率的流量检验方法和临界流喷嘴测量方法的示图。

图6是示出包括确定气体性质函数的流量检验方法的示图。

具体实施方式

对本发明的示例实施方式的描述如下。

提供了利用上升速率(ROR)测量技术和临界流喷嘴(CFN)测量技术的质量流量检验器(MFV)。如下面进一步描述的，MFV可以包括用于在ROR测量中使用的腔室容积和用于与CFN方法一起使用的临界流喷嘴。在MFV中包括压力传感器，所述压力传感器可以为ROR和CFN测量方法二者共用。

ROR测量技术在本领域中是已知的，并且利用引入已知容积中的气体的压力(P)对时间(t)响应100，如图1A中例示的。在图1B中例示了示例现有技术MFV 110。为了检验来自诸如(例如)质量流量控制器(MFC)这样的被测试装置(DUT)150的气体的流速，现有技术的MFV包括提供已知容积的腔室140、位于腔室140上游的阀160和位于腔室140下游的阀180。最初，可以通过关闭上游阀160，打开下游阀180并且应用真空泵来吹扫装置110(步骤102，图1A)。在吹扫了装置110之后，可以打开上游阀160和下游阀180，从而允许气流Q_i进入装置110。该过程还包括初始化时段，在初始化时段中，允许来自DUT 150的气流稳定于设定点(步骤104，图1A)。然后，关闭下游阀180(步骤106，图1A)，从而致使气体在一段时间(Δt)内填充腔室140并且致使发生压力变化(ΔP)。在该段时间期间，通过压力传感器120和温度传感器130获得压力测量值和温度测量值。在打开下游阀180时(步骤108，图1A)，气流Q_o离开装置110并且允许气体重新开始从DUT正常输送到处理工具。

可以使用在ROR测试期间获得的压力和温度测量值以按照下式计算气体流速：

其中，Q_v是进入MFV的气体流速，V_c是MFV的腔室的容积，T_stp是标准温度(273.15°K)，P_stp是标准压力(1.01325×10⁵Pa)，P_d是腔室内测得的压力并且T是所测得的温度。在U.S.7,461,549和U.S.7,757,554中进一步描述了ROR测量方法和装置，这两个专利的全部内容以引用方式并入本文中。

由于ROR测量方法和装置涉及使用具有足以在一段时间内容纳气体流入的容积的腔室，因此这些方法和装置的使用常常限于涉及相对低流速(例如，N₂的等于或小于约1000标准立方厘米/分钟(sccm)的流速)的应用。流速越高，需要的腔室容积越大，而由于空间限制，这在许多处理系统中可能是不切实际的。即使处理系统可以提供用于容纳具有较大腔室容积的MFV的空间，使用较大腔室也会导致对于相对较低流速而言是不精确的。因此，利用ROR技术的MFV通常被调整成检验相对窄范围内的流速。

另外，当MFV用于原位提供流检验时，通常地，通向处理工具的气流被中断一段时间。通向处理工具的气流被中断的时间段包括吹扫管线以便提供初始空置的腔室容积所需的时间、允许气流稳定的时间以及获得测量值的时间(即，Δt)，如图1A中例示的。对于相对低的流速，较大的腔室容积也可能是不合需要的，因为它们会导致更大的处理时间中断。

然而，ROR测量技术的优点在于，它们可以在没有获悉被测量的特定气体或气体混合物的情况下被应用。由腔室容积的质量平衡和理想气体定律的应用推导出的式4是气体无关的，这依赖于压力P、温度T和容积V这三个状态变量来表征被测量气体的行为。

临界流喷嘴(也被称为限流器和声波喷嘴)在本领域中是已知的，并且被用于向气流提供阻流，其中，气体的质量流量在喷嘴下游的压力进一步降低时没有增加。

对于要应用的阻流条件，下游压力P_d与上游压力P_u的比率必须小于临界压力比率，如下式提供的，该临界压力比率由流过临界流喷嘴的气体的性质来确定：

其中，γ是气体比热的比率。比热的比率被定义为γ＝C_p/C_v，其中，C_p是恒定压力下气体的热容量并且C_v是恒定容积下气体的热容量。

临界流喷嘴已被用于流量检验技术。例如，如U.S.7,474,968和U.S.7,757,554中所述，临界流喷嘴已被用于通过保持进入MFV腔室中的恒定流并且使得对DUT的下游压力干扰最小化来提高ROR测量的精度。

CFN方法和装置可以被独立于基于ROR的方法和装置使用，以在已知气体或气体混合物的性质情况下检验流速。通过阻流喷嘴的流速Q_c可以被表示为：

其中，C’是CFN的排出系数，A是CFN的横截面面积，R是普适气体常数，M是气体的分子量并且T是气体的温度。

式6可以替代地被表示为这里再现的式(3)：

其中，f(M,γ)是基于分子量M和比热比率γ的气体特定参数的气体性质函数。如可以从式3中看出的，在临界流喷嘴几何形状和气体形式已知的前提下，可以基于气体的所测得的上游压力P_u和所测得的温度T来确定通过临界流喷嘴的气体的流速Q_c。

CFN测量技术的优点是可以在不中断通向处理工具的气流的情况下快速获得测量值。另外，临界流喷嘴通常尺寸小，因此不需要处理系统中的大量空间。然而，即使利用具有越来越小的横截面面积的临界流喷嘴，CFN方法对于在相对小的流量范围内测量气流也并不理想。当气体流速较低时，难以保持阻流条件。因此，CFN方法通常用于测量其中气体或气体混合物已知的相对高流量范围内的气流。

图2例示了MFV 200，MFV 200包括用于CFN测量方法的临界流喷嘴202和用于ROR测量方法的腔室204二者，由此提供用于低流量范围至高流量范围的适应性。MFV 200还包括其中的每个都连接到控制器230的阀206、208、压力传感器210、212和温度传感器214。上游阀206与腔室204的入口216流体连接，并且下游阀208与腔室204的出口218流体连接。

对于第一流量范围内的流速，可以使用如图1A中例示的ROR方法并且按照这里再现的式1使用MFV 200来获得流速Q_v：

其中，V是腔室204的已知容积，P_d是用压力传感器212获得的压力测量值并且T是用温度传感器214获得的温度测量值。

对于第二流量范围内的流速，可以使用CFN方法并且按照这里再现的式3用MFV200来获得通过临界流喷嘴202的流速Q_c：

其中，P_u是用压力传感器210获得的压力测量值，T是用温度传感器214获得的温度测量值，并且f(M,γ)是基于被测试的气体或气体混合物的已知气体性质函数。

在操作中，如有必要，可以在用ROR或CFN方法进行测量之前通过控制器230致使上游阀206关闭并通过下游泵或其他装置从MFV 200去除流体而执行初始排空过程。然后，可以通过控制器230打开上游阀206和下游阀208，从而允许从被测量装置(DUT)250(例如，测试MFC)流出的气体行进通过腔室204的入口216和出口218。为了通过ROR方法检验流速，接着可以关闭下游阀208，从而致使腔室204内的压力在获得温度测量值T和压力测量值P_d的一定时段内上升。在足以出现流量检验的时间之后，可以通过控制器230打开下游阀208，从而从腔室204释放气体并且允许来自DUT 250的气体重新开始正常流动。另选地，如果应用CFN方法，则获得压力测量值P_u和温度测量值T。将压力测量值和温度测量值报告给控制器230，在控制器230中可以计算经检验的流速。

第一流量范围可以包括相对低的流速，其中例如ROR方法能更准确和/或因为气体性质函数未知而不能执行CFN方法。第二流量范围可以包括相对高的流速，其中例如CFN方法能更准确和/或气体性质函数是已知的。第一流量范围和第二流量范围可以包括重叠的流速，并且MFV可以在流量检验过程中在ROR测量和CFN测量之间进行选择。例如，在已知气体性质函数的情况下，MFV可以选择优于ROR测量的CFN测量，因为与ROR测量相比，能更快速地获得CFN测量，并且不用中断气体输送。

如图5中所示，在从主控制器发出流量检验命令时(步骤510)，目标流速可以被分类为例如低(例如，ROR方法是适宜的)、中间(例如，ROR或CFN方法是适宜的)或高(例如，CFN方法是适宜的)(步骤520)。另外，对于多入口装置(图3至图4)，可以基于目标流速来选择适宜的入口和/或适宜尺寸的临界流喷嘴(步骤525)。在让流稳定了之后(步骤530)，可以通过ROR方法或CFN方法进行流量检验过程(步骤540)。如果选择的是ROR方法，则可以关闭MFV中的下游阀并且可以获得MFV腔室内的流体的压力和温度测量值，并且可以基于流体压力上升速率来计算流速(步骤550)。在获得测量值之后，可以打开下游阀，以从MFV排出流体(步骤570)。如果选择了CFN方法，则可以获得来自MFV中的临界流喷嘴上游的流体的压力测量值并且可以计算流速(步骤560)。然后，可以将通过ROR或CFN方法检验的流速报告给主控制器(步骤580)。

如上所述，通过CFN方法检验流速取决于被测试气体或气体混合物的性质，这些性质可能是未知的，或者若是已知的，则可能不准确。如果在CFN测量期间提供的气体性质信息不准确，则流量检验测量值同样将是不准确的。

MFV 200可以有利地通过使通过临界流喷嘴202的流量等于通过ROR测量在腔室204中而获得的流量来获得被测量气体的气体性质信息。特别地，在给定临界流喷嘴202的已知几何形状并且使通过喷嘴202的流速Q_c等于通过腔室204的流速Q_v的情况下，可如这里再现的式(2)确定被测量气体的气体性质函数：

在第一流速的质量流量检验期间，可以获得临界流喷嘴202上游的压力P_u以及在ROR测量期间获得的压力P_d和温度T。因此，可以从第一流速的初始流量检验确定气体性质函数f(M,γ)，然后结合CFN方法(例如，按照式3)使用该气体性质函数，以便后续在相同流量范围或第二流量范围内进行流速的流量检验。然后，可以更快地执行后续的质量流量检验过程，并且可以在没有单独知道被测试气体或气体混合物的情况下应用CFN方法。

如图6中所示，在尚未知道气体性质函数或者另外说期望获得经检验的气体性质函数的情况下从主机控制器发出初始流量检验命令时(步骤610)，可以确定目标流速是否在适宜于ROR测量的第一流量范围内(步骤620)。如果目标流速在第一流量范围之外并且不能利用所提供的MFV利用ROR方法进行验证，则向主机控制器进行报告(步骤630)。否则，可以通过使经过MFV腔室的流稳定来进行检验处理(步骤640)。在流稳定之后，可以关闭MFV中的下游阀并且获得温度测量值和压力测量值(步骤650)。然后，可以使用所获得的温度测量值和压力测量值来计算被测量气体的普适气体性质函数(步骤660)和基于流体压力上升速率来计算流速(步骤670)。

在计算出流速之后，可以打开下游阀，以从MFV排出气体(步骤680)，并且可以将所检验的流速报告给主机控制器(步骤690)。

对于经历了上面参照图6描述的过程的气体或气体混合物，随后的检验过程可以涉及在ROR方法和CFN方法之间进行选择，如图5中描述的。

因为必须针对流量范围适宜地确定临界流喷嘴的尺寸以便为该范围中的流速提供阻流条件，所以在一个MFV中可以包括多个临界流喷嘴以遍及MFV的整个流量检验范围。例如，各自具有不同横截面面积的多个临界流喷嘴可以被包括在一个MFV中。可以选择MFV的适宜的临界流喷嘴来用于基于目标流速的检验过程。

图3例示了包括多个临界流喷嘴202、302和上游阀206、306的MFV 300。每个上游阀206、306与腔室204的入口216、316关联。虽然图3例示了具有两个临界流喷嘴202、302的MFV，但是可以包括不止两个喷嘴。例如，在一个MFV中可以包括三个、四个、五个或更多个临界流喷嘴。另外，虽然图3例示了位于其相应的流喷嘴202、302上游的每个阀206、306，但是阀206、306也可以在通向腔室204的流动路径中位于流喷嘴202、302之后。

温度传感器214、压力传感器210、212、阀206、208、306和临界流喷嘴202、302可以联接到控制器330。在流量检验过程期间，控制器330可以基于目标流速(以及如果可用的话，已知气体类型)选择适宜的上游阀(例如，上游阀306)打开。所有其他上游阀(例如，上游阀206)可以在流量检验过程期间关闭，由此致使气体从DUT 250通过所选择的临界流喷嘴(例如，喷嘴302)流向腔室204。

如图3中所示，压力传感器210、212和温度传感器214为临界流喷嘴202、302和腔室容积204共用，使得每个传感器都可以用于提供用于CFN方法和ROR方法二者的测量值。另选地，单独的压力传感器和温度传感器可以与每个组件关联。

另外，被配置为选择适宜的临界流喷嘴和/或接收压力和温度数据的控制器可以位于MFV内部，如图2至图4中例示的。控制器230、330可以被配置为从位于MFV中的任何数目的压力传感器和温度传感器接收压力和温度信号并且控制任何数量的阀的操作。控制器230、330可以与和气体计量或监测系统关联的主机控制器进一步通信。

对于不需要CFN方法的流量检验(例如，瞬态分析)，MFV 400可以包括没有临界流喷嘴的通道，如图4中例示的。具有上游阀406的通道可以连接到腔室204的入口416，从而在上游阀406打开时允许气体直接从DUT 250流到腔室204。如同上游阀206和306一样，上游阀406可以联接到控制器330并由其操作。

通常，MFV可以被配置为使用ROR方法检验流速并且获得用于第一流量范围内的流速的气体性质函数，第一流量范围包括例如约1sccm至约1000sccm的流速。MFV也可以被配置为针对第二流量范围内的流速使用CFN方法检验流速，第二流量范围包括例如约1000sccm至约50,000sccm的流速。

然而，应用ROR或CFN方法的流量范围可以根据诸如MFV内的腔室的容积以及MFV中包括的临界流喷嘴的数目和尺寸这样的因素而变化。MFV可以包括具有约1L、约2L、约3L或约4L的容积的腔室。MFV可以包括尺寸为约0.25mm、0.50mm或0.75mm的临界流喷嘴。另外，可以定义其中ROR或CFN方法是适宜的重叠的中间流量范围。例如，对于具有约3L腔室容积和单个临界流喷嘴的MFV，可以将低流量范围限定为包括约1sccm至约500sccm的流速，可以将中间流量范围定义为约100sccm至约2000sccm的流速，并且可以将高流量范围定义为约1000sccm至约50,000sccm的流速。对于这种MFV，可以针对低流量范围或中间流量范围内的目标流量初始选择ROR方法。MFV的临界流喷嘴的尺寸可能不适宜用于低流量范围中的流速，这样，在低流速的流量检验过程期间可能无法获得气体的气体性质函数。然而，如果目标流速落入中间流量范围内，则可以获得气体性质函数。一旦获得气体性质函数，就可以为目标流速在中间和/或高流量范围内的后续检验选择CFN方法。因为CFN方法能够提供更快的测量并且不需要干扰气流，所以一旦已知气体的性质，CFN方法就可以优于ROR方法。

除了提供扩展的流量检验范围(例如，1sccm至50,000sccm)之外，MFV 200、300、400还能够提供外部容积不敏感性，如其全部内容以引用方式并入本文中的US7,474,968和US 7,757,554中进一步描述的。

具体地，在ROR测量期间，临界流喷嘴(例如，临界流喷嘴202、302)可以被配置为保持通过喷嘴的气体的流速恒定，由此使对DUT的下游压力干扰最小化并且致使MFV对MFV和DUT之间的外部容积基本上不敏感。假定腔室压力P_d与临界流喷嘴上游压力P_u之比小于临界流压力比(式5)，DUT的下游压力将不会在ROR测量期间受到腔室中压力上升的影响。在这样的状况下，ROR测量的精度得以改善，并且系统不需要确定和校正外部容积，确定和校正外部容积会是时间密集的过程。

在已知气体并且提供多入口MFV(例如，MFV 200、300)的情况下，控制器230、330可以在ROR测量期间选择要使用的适宜大小的临界流喷嘴，使得腔室压力P_d与上游压力P_u之比在ROR测量期间不超过临界流压力比。

另选的，在气体初始未知和/或提供单入口MFV(例如，MFV 100)的情况下，临界流喷嘴的尺寸可以被确定成在至少短临界流时段内为大多数气体提供临界流。然后，可以在短临界流时段内对未知气体进行初始ROR测量。如在U.S.7,474,968中进一步描述的，临界流时段被定义为下游阀完全关闭的时刻与上升的腔室压力超过临界流压力比的时刻之间的时段。因此，如果ROR测量的检验时间在临界流时段内，则上升的腔室压力不会影响DUT的下游压力，并且穿过喷嘴的流速是恒定的，从而提供外部容积不敏感性。众所周知，诸如SF₆这样的大分子量气体具有比诸如He和H₂这样的小分子量气体的临界流时段更大的临界流时段。因此，MFV可以包括小尺寸的临界流喷嘴和控制器，该控制器被配置为在短检验时间内获得初始ROR测量值，该短检验时间落入甚至小分子量气体的临界流时段内。

一旦确定了气体性质函数，则在多入口MFV中，就可以使用不同尺寸的临界流喷嘴执行后续ROR测量，以提供更长的临界流时段，由此进一步提高流量检验精度。

本文中引用的任何专利、公开申请和参考文献的教导的全部内容以引用方式并入。

虽然已经参照本发明的示例实施方式来特别示出和描述本发明，但本领域的技术人员应该理解，在不脱离随附权利要求书涵盖的本发明的范围的情况下，可对这些示例实施方式进行形式和细节上的各种改变。

Claims

1.一种质量流量检验器，该质量流量检验器包括：

腔室，该腔室被配置为接纳流体；

临界流喷嘴，该临界流喷嘴在所述腔室的上游与所述腔室串联地流体连接；

第一压力传感器，该第一压力传感器检测所述腔室中的流体压力；

第二压力传感器，该第二压力传感器检测所述临界流喷嘴的上游的流体压力；以及

控制器，该控制器被配置为通过以下步骤检验所述流体的流速：

(i)在第一流量范围中，基于由所述第一压力传感器检测到的所述流体的压力上升速率来测量第一流速，并且基于由所述第一压力传感器和所述第二压力传感器检测到的压力来确定所述流体的分子量和比热比率的气体性质函数；以及

(ii)在阻流的第二流量范围中，基于由所述第二压力传感器检测到的压力和所确定的所述气体性质函数来在临界流喷嘴测量方法中测量第二流速，该第二流量范围包括比所述第一流量范围中的流量高的流量，

其中，所述控制器还被配置为根据下式基于所述流体的分子量M和比热比率γ来确定所述气体性质函数f(M,γ)：

其中，V是所述腔室的容积，P_d是所检测到的所述腔室中的流体的压力，T是检测到的流体的温度，P_u是检测到的所述临界流喷嘴的上游的流体的压力，C’是所述临界流喷嘴的排出系数，并且A是所述临界流喷嘴的喉部的横截面面积。

2.根据权利要求1所述的质量流量检验器，其中，所述控制器还被配置为在获得上升速率测量值和获得临界流喷嘴测量值之间进行选择，以便检验所述流体的后续流速。

3.根据权利要求2所述的质量流量检验器，其中，所述控制器被配置为针对低流速而选择获得上升速率测量值。

4.根据权利要求3所述的质量流量检验器，其中，所述低流速包括1sccm至1000sccm的流速范围。

5.根据权利要求2所述的质量流量检验器，其中，所述控制器被配置为针对高流速而选择获得临界流喷嘴测量值。

6.根据权利要求5所述的质量流量检验器，其中，所述高流速包括1,000sccm至50,000sccm的流速范围。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的质量流量检验器，其中，所述第一流量范围和所述第二流量范围包括重叠的流速。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的质量流量检验器，其中，所述控制器还被配置为基于所述流体的温度和所述临界流喷嘴的已知几何形状来计算所述气体性质函数。

9.根据权利要求1至6中任一项所述的质量流量检验器，其中，所述控制器被配置为根据上升速率测量值来计算第一流速Q_v，该第一流速Q_v通过下式给出：

10.根据权利要求1所述的质量流量检验器，其中，所述控制器被配置为根据临界流喷嘴测量值来计算第二流速Q_c，该第二流速Q_c通过下式给出：

11.根据权利要求1至6中任一项所述的质量流量检验器，所述质量流量检验器还包括位于所述腔室的出口处的下游阀，其中所述控制器还被配置为关闭所述下游阀，从而致使所述腔室内的流体压力上升。

12.根据权利要求1至6中任一项所述的质量流量检验器，所述质量流量检验器还包括温度传感器，并且其中所述第一流速和所述第二流速进一步基于检测到的所述流体的温度。

13.根据权利要求1至6中任一项所述的质量流量检验器，其中，所述腔室容积为3L或更小。

14.根据权利要求1至6中任一项所述的质量流量检验器，其中，所述腔室容积为1L或更小。

15.根据权利要求1至6中任一项所述的质量流量检验器，所述质量流量检验器还包括与所述腔室流体连接的多个并行临界流喷嘴，至少两个临界流喷嘴具有不同的喉部横截面面积。

16.根据权利要求15所述的质量流量检验器，其中，所述控制器还被配置为通过如下步骤选择性地启动所述多个临界流喷嘴中的一个：打开与所选择的临界流喷嘴关联的上游阀并且关闭与其他临界流喷嘴关联的上游阀。

17.根据权利要求1至6中任一项所述的质量流量检验器，其中，所述临界流喷嘴被配置为在测量所述第一流速期间提供外部容积不敏感性。

18.根据权利要求1至6中任一项所述的质量流量检验器，其中，所述控制器被配置为在临界流时段内测量所述第一流速。

19.一种检验流速的方法，该方法包括以下步骤：

对于第一流量范围中的流速，将流体引入质量流量检验器的腔室中，检测所述腔室中的流体随时间推移的压力，并且基于所述腔室中的所述流体的压力上升速率来计算所述第一流速；

基于由第一压力传感器和第二压力传感器检测到的压力来确定所述流体的分子量和比热比率的气体性质函数；以及

对于阻流的第二流量范围中的流速，检测所述质量流量检验器的临界流喷嘴的上游的流体的压力并且基于检测到的上游压力和所确定的气体性质函数来在临界流喷嘴测量方法中计算所述第二流速，该第二流量范围包括比所述第一流量范围中的流量高的流量，

其中根据下式基于所述流体的分子量M和比热比率γ来确定所述气体性质函数f(M,γ)：

20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述流体是气体混合物。

21.根据权利要求19或20所述的方法，所述方法还包括在获得上升速率测量值和获得临界流喷嘴测量值之间进行选择，以便测量所述流体的后续流速。

22.根据权利要求21所述的方法，其中，针对低流速而选择获得上升速率测量值，并且针对相对高流速而选择获得临界流喷嘴测量值。

23.根据权利要求19或20中任一项所述的方法，所述方法还包括在多个临界流喷嘴当中进行选择，以便测量所述流体的后续流速。

24.根据权利要求19或20中任一项所述的方法，其中，检测所述腔室中的所述流体的压力发生在临界流时段内。

25.一种增大质量流量检验器的操作流量范围的方法，该方法包括以下步骤：

对于低流速，利用上升速率方法来确定流体的流速；

对于中间流速，利用上升速率方法来确定所述流体的流速并且确定所述流体的分子量和比热比率的气体性质函数；以及

对于高流速，利用临界流喷嘴方法以及所确定的气体性质函数来确定所述流体的流速，

其中，V是在所述上升速率方法中使用的腔室的容积，P_d是所检测到的所述腔室中的流体的压力，T是检测到的流体的温度，P_u是检测到的所述临界流喷嘴方法的临界流喷嘴的上游的流体的压力，C’是所述临界流喷嘴的排出系数，并且A是所述临界流喷嘴的喉部的横截面面积。