CN110100218A - 用于基于热的质量流量控制器(mfcs)的增强流量检测可重复性的方法及设备 - Google Patents

用于基于热的质量流量控制器(mfcs)的增强流量检测可重复性的方法及设备 Download PDF

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Abstract

电子装置制造系统包括具有热流量传感器的质量流量控制器(MFC)。热流量传感器可测量质量流率并且可包括传感器管，所述传感器管具有涂覆有材料的内表面以形成内阻挡层。内阻挡层可防止或实质上减少在内表面上发生腐蚀性反应的可能性，此可防止或减少MFC漂移超出MFC的质量流率准确性规格的可能性。此可改善由MFC进行的流量检测的可重复性。亦提供了在电子装置制造系统中测量和控制质量流率的方法，其他方面也是如此。

Description

用于基于热的质量流量控制器(MFCS)的增强流量检测可重复 性的方法及设备
相关申请
本申请案主张于2016年12月31日所提交的标题为“METHODS AND APPARATUS FORENHANCED FLOW DETECTION REPEATABILITY OF THERMAL-BASED MASS FLOW CONTROLLERS(MFCS)”的美国正式专利申请案第15/396,619号的优先权(代理人案卷第24591/USA号)，出于各种目的通过引用方式将所述美国正式专利申请案的全部内容并入本文。
技术领域
本公开涉及电子装置制造，并且更具体地涉及其中所使用的质量流量控制器。
背景技术
电子装置制造系统可包括一或多个质量流量控制器(MFC)。MFC测量和控制用于制造电子装置的处理气体的质量流率。处理气体可包括可输送到一或多个处理腔室的(例如)清洁气体、沉积气体及蚀刻剂气体，以及其他气体，在所述处理腔室中可在半导体晶片、玻璃板或类似的基板上制造电子电路。在一些电子装置制造系统中，为了产生具有(例如)微观小尺寸的电子装置，可能需要精确地以高达(例如)+/-1％的质量流率准确度来输送处理气体。尽管一些质量流量控制器(MFC)可以能够初始地提供如此高的质量流率准确度以及其他准确度容差(tolerance)，但随着时间，一些MFC可能经历“漂移”或偏移它们所指定的质量流率准确度，此可能超过它们所指定的容差。此可能对正在制造的电子装置的生产造成不利影响。因此，需要改进的MFC。
发明内容
根据第一方面，提供了一种质量流量控制器。质量流量控制器包括入口端口、出口端口、热流量传感器、流率控制阀及控制器。热流量传感器经配置以测量流过质量流量控制器的气体的质量流率。热流量传感器具有传感器管，及传感器管具有耦接到入口端口的输入端。传感器管亦具有输出端、内表面及外表面。内表面涂覆有材料以形成内阻挡层。流率控制阀耦接在传感器管的输出端与出口端口之间。流率控制阀经配置以增加或减少流过质量流量控制器的气体的质量流率。控制器经配置以接收来自热流量传感器的传感器信息及操作流率控制阀。
根据第二方面，提供了一种电子装置制造系统。电子装置制造系统包括处理腔室、气体输送系统及系统控制器。处理腔室具有基板支撑件，及气体输送系统包括气体供应和质量流量控制器。质量流量控制器包括具有传感器管的热流量传感器。传感器管具有输入端、输出端、内表面及外表面。内表面涂覆有材料以形成内阻挡层。系统控制器经配置以操作处理腔室和气体输送系统。
根据第三方面，提供了一种在电子装置制造系统中测量和控制质量流率的方法。所述方法包括提供包括具有传感器管的热流量传感器的质量流量控制器。传感器管具有输入端、输出端、内表面及外表面。内表面涂覆有材料以形成内阻挡层。所述方法亦包括经由热流量传感器来测量质量流率，及回应于测量而经由质量流量控制器根据需要来调整质量流率。
根据以下的详细描述、所附权利要求书及附图，根据本公开的这些和其他实施方式的其他方面、特征及优点可以是显而易见的。因此，将本案的附图和描述在本质上认为是说明性的，而不是限制性的。
附图说明
下面所描述的附图仅用于说明目的，并不一定按比例绘制。附图并不意图以任何方式限制本公开的范围。
图1示出了根据本公开的实施方式的电子装置制造系统。
图2示出了根据本公开的实施方式的电子装置制造系统的质量流量控制器。
图3A示出了根据本公开的实施方式的质量流量控制器的热流量传感器。
图3B示出了根据本公开的实施方式的沿着图3A的剖面线3B-3B所截取的热流量传感器的传感器管的横截面图。
图4示出了根据本公开的实施方式的在电子装置制造系统中测量和控制的质量流率的方法。
具体实施方式
现在将详细参考在附图中示出的本公开的示例性实施方式。尽可能，在整个附图中将使用相同的元件符号来指示相同或相似的部分。
电子装置制造可能涉及在电子装置生产中的精确控制及将处理气体输送到处理腔室。质量流量控制器(MFC)用于电子装置制造系统的气体输送系统中，以测量和控制流过其中的处理气体的质量流率。然而，一些MFC，特别是已经与腐蚀性处理气体一起使用的基于热的MFC，可能随着时间不再准确地测量和控制流过其中的处理气体的质量流率。亦即，此类MFC可能经历漂移或质量流率的偏移超过MFC的指定准确度，此可能不利地影响正被制造的电子装置的产量。
在一个方面中，根据本公开的一或多个实施方式，电子装置制造系统包括改进的MFC。改进的MFC可包括具有传感器管的热流量传感器，在所述传感器管处可测量流过其中的处理气体的质量流率。基于所测量的质量流率和MFC的“设定点”(亦即，所期望的质量流率)，MFC可根据需要来操作MFC的流率控制阀，以增加或减少流过MFC的气体的质量流率以便将设定点维持在预定准确度内。传感器管可具有涂覆有材料的内表面以形成内阻挡层。内阻挡层可防止或实质上延迟流过的腐蚀性处理气体，对质量流率测量的准确度及由MFC所执行的后续流率控制阀操作产生不利影响。
说明和描述改进的MFC以及包括在电子装置制造系统中测量和控制质量流率的方法的其他方面的示例性实施方式的进一步细节将结合图1至图4在下文更详细地解释。
图1示出了根据一或多个实施方式的电子装置制造系统100。电子装置制造系统100可包括气体输送系统102、处理腔室104及系统控制器106。气体输送系统102可将一或多种处理气体以一或多个所期望的质量流率供应到处理腔室104。气体输送系统102可包括经由第一MFC 110a耦接到处理腔室104的第一气体供应108a及经由第二MFC 110b耦接到处理腔室104的第二气体供应108b。在其他实施方式中，可提供额外的或较少的气体供应和MFC，用以将额外的或较少的气体输送到处理腔室104。
MFC 110a和110b可分别用于测量和控制从它们相应的气体供应108a和108b流入处理腔室104的通过其中的气体流量。亦即，MFC 110a和110b可分别测量流过其中的气体的质量流率，及(若或必要的话)随后根据相应的MFC的设定点来调整流率控制阀。可由用户及/或系统控制器106来建立设定点。如结合图2至图4在下文所述的，MFC 110a和110b可分别经配置以维持它们的额定准确度。
处理腔室104可为用于执行在一或多个基板上的一或多个处理(像是(例如)物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、蚀刻、退火、预清洁、金属或金属氧化物移除，或类似者)的任何合适的处理腔室。可在处理腔室中的基板上进行其他处理。在一些实施方式中，处理腔室104可包括用于将一或多种处理气体以预定模式输送到处理腔室104中的喷头112，预定模式可取决于喷头112的配置(例如，喷头112中的气体输送开口的数量、尺寸及/或排列)。在其他实施方式中，可在处理腔室104中替代地或额外地使用一或多种类型的喷嘴及/或固定装置，来输送一或多种处理气体。
处理腔室104亦可包括基板支撑件114，所述基板支撑件114经配置以在处理腔室104中处理基板116的期间保持基板116。基板116可为(例如)半导体晶片、玻璃板或用于在其上制造各种电性装置或其他类型装置的其他合适类型基板。基板支撑件114可包括用于将基板116定位及/或保持在适当位置的一或多个机构，像是(例如)静电卡盘或导销。在一些实施方式中，基板支撑件114亦可包括用于升高和降低基板116、对基板116提供及/或移除热量及/或提供电偏压的合适装备。
系统控制器106可为任何合适的计算器处理器，计算器处理器耦接到及/或经配置以单独地或一起地控制用于在处理腔室104内执行处理的电子装置制造系统100的一或多个部件。系统控制器106可包括中央处理单元、微控制器或其他合适的计算器处理装置；存储器；及支持电路。系统控制器106可经配置以执行与处理腔室104的操作相关的程序设计指令及/或对电子装置制造系统100的其他控制器提供指令，像是(例如)对MFC 110a及/或110b提供设定点。
图2示出了根据一或多个实施方式的MFC 210。MFC 210可用于电子装置制造系统100中，以及在一些实施方式中可与MFC 110a及/或110b相同或相似。MFC 210可在特定压力范围内操作，其中低于所述范围的压力可能使MFC 210的气体不足而导致压力不能达到压力的设定点，而同时高于所述范围的压力可能导致不稳定的质量流率。例如，在一些实施方式中，MFC 210可在约7psia至50psia(绝对压力的磅每平方英寸)的压力范围内操作。MFC210可在其他合适的压力范围内操作。
MFC 210可包括控制器218、热流量传感器220、流率控制阀222、入口端口224、出口端口226及耦接到入口端口224与出口端口226之间的流径228。流径228可分成传感器流径230和旁路流径232。如结合图3A在下文更详细地描述的，热流量传感器220可测量经由传感器流径230的所接收的流过其中的气体的质量流率。旁路流径232可耦接在入口端口224与流率控制阀222之间，及可(例如)并联耦接到热流量传感器220。旁路流径232可在热流量传感器220的上游和下游建立气体的层流。旁路流径232亦可通过经由热流量传感器220转移总流量的一部分，来设定流量范围。旁路流径232可进一步维持在热流量传感器220与总流量之间的恒定的流量比率(独立于气体温度和压力)。可使用合适的旁路几何形状(未示出)，像是(例如)平盘、环形块及管束。传感器流径230和旁路流径232可在流率控制阀222的输入端处重新结合。
流率控制阀222可接收来自控制器218的信号，以响应于来自热流量传感器220而由控制器218所接收的输入信号来调节气体流量。流率控制阀222可经配置以增加或减少流过MFC 210(在一些实施方式中，从完全关闭的位置(亦即，0％设定点-无气流)到完全打开的位置(亦即，100％设定点-全流量))的气体的质量流率。在一些实施方式中，流率控制阀222可具有球-座组合，其中阀的移动部分可以连接到球用于关闭座。在一些实施方式中，流率控制阀222可为热、比例螺线管或压电致动器类型的阀。亦可使用其他合适的流率控制阀。
控制器218可经配置以接收来自热流量传感器220的传感器信息，及操作流率控制阀222。控制器218亦可经配置以执行其他功能，及/或与电子装置制造系统的其他装置及/或控制器进行通讯。控制器218可包括可(例如)安装在印刷电路板上的一些电子部件，像是(例如)微控制器或其他合适的计算器处理装置、一或多个A/D转换器、阀驱动器及其他调节部件。为了设定所期望的质量流率，控制器218可从用户及/或系统控制器(像是(例如)电子装置制造系统100的系统控制器106)接收设定点命令。在一些实施方式中，设定点命令可为0到5VDC或0到20mA的电信号，代表0％到100％的质量流率。在一些实施方式中，MFC 210可在小于全范围内操作，像是(例如)从全范围的约10％到90％。其他设定点命令值及/或操作范围是可能的。控制器218亦可从热流量传感器220接收传感器信息(例如，质量流率测量)，及作为响应而对流率控制阀222提供控制电压，以增加或减少通过MFC 210的质量流率，以达到由设定点命令所指示的设定点。例如，若从热流量传感器220所接收的质量流率测量是低于设定点，则控制器218可调整流率控制阀222，以增加通过MFC 210的质量流率，直到质量流率达到设定点(或是在设定点的可接受范围内，像是例如+/-1％)。
图3A示出了根据一或多个实施方式的热流量传感器320。在一些实施方式中，热流量传感器320可与热流量传感器220相同或相似，及/或可用于MFC 210(图2)及/或MFC 110a及/或110b(图1)中。热流量传感器320可包括电路系统334、温度感测/加热器线圈336a和336b，及传感器管340。传感器管340可具有耦接到入口端口(像是(例如)经由图2的传感器流径230的入口端口224)的输入端342。传感器管340亦可具有耦接到流率控制阀的输入端(像是(例如)图2的流率控制阀222)的输出端344。在一些实施方式中，传感器管340可由不锈钢或(镍-铬-钼合金)制造或包括不锈钢或(镍-铬-钼合金)，及更特别地在一些实施方式中，是不锈钢316L或C-22或另一种Ni-Cr-Mo钢合金。在一些实施方式中，传感器管340可受限在真空条件下在约摄氏1000度以上进行退火处理。在一些实施方式中，传感器管340可具有如在图3B所示的约1.3mm到1.7mm的内径D。传感器管340的其他合适的内径是可能的。
在一些实施方式中，温度感测/加热器线圈336a和336b可具有作为加热器和电阻温度检测器的双重角色。由热流量传感器320基于流过其中的气体的热导率来测量质量流率。当气体通过传感器管340的输入端342进入热流量传感器320时，温度感测/加热器线圈336a和336b可加热气体。其他实施方式可具有替换的及/或附加的加热器。质量流率可被确定为对温度的成比例变化，及可被电路系统334转换成传输到MFC控制器(像是(例如)图2的控制器218)的电信号。更具体而言，如图3A所示的，温度感测/加热器线圈336a和336b可缠绕传感器管340。温度感测/加热器线圈336a和336b的电阻及它们在给定温度下的准确度可为已知的。可将温度感测/加热器线圈336a和336b连接到电路系统334的桥电路，及可对温度感测/加热器线圈336a和336b供应来自电路系统334的经调节的电流。在一些实施方式中，线圈温度可以比环境温度高约摄氏70度。当气体流过传感器管340时，可将由温度感测/加热器线圈336a和336b所引入的热量带到下游。这种气流可导致上游温度感测/加热器线圈336a检测到比下游温度感测/加热器线圈336b较冷的温度。温度差可与流过传感器管340的气体的质量流率成正比例。电路系统334可基于所感测到的线圈温度来确定质量流率，及可输出代表确定的质量流率的电信号。热流量传感器320的输出因此可为质量流率的函数，并且对于不同的气体可显著变化。
在腐蚀性气体(像是(例如)氯气(Cl2)或溴化氢(HBr))流过MFC的传感器管的传统MFC中，与传感器管材料的腐蚀性反应可能发生在有湿气存在的加热区域。加热区域可具有(例如)摄氏100度或更高的升高温度，及可位于像是温度感测/加热器线圈336a和336b的加热器处或附近。此种腐蚀性反应可能改变传感器管的热传导性质，此可能导致测量到不准确的质量流率，及经由流率控制阀的不准确或非必要调整的响应。
为了防止或减少此种腐蚀性反应的可能性，可将传感器管340涂覆材料以形成阻挡层。如图3B所示的，传感器管340具有内表面346和外表面348。可将内表面346涂覆材料350以形成内阻挡层352。在一些实施方式中，亦可将外表面348涂覆材料350以形成外阻挡层354。可经由原子层沉积(ALD)施加材料350。可选地，可使用施加材料350到内表面346及/或外表面348的其他合适的方法。在一些实施方式中，材料350可由氧化铝(Al2O3)或五氧化二钽(Ta2O5)制成，或者包括氧化铝(Al2O3)或五氧化二钽(Ta2O5)。内阻挡层352可形成为单一层，及/或可具有约50nm到150nm的厚度。外阻挡层354也可形成为单一层，及/或可具有约50nm到150nm的厚度。内阻挡层352及/或外阻挡层354可具有其他合适的厚度，及/或在一些实施方式中，可由多种材料类型形成。在一些实施方式中，内阻挡层352和外阻挡层354可由不同的材料形成。内阻挡层352及/或外阻挡层354可分别地防止或实质上降低在内表面346及/或外表面348上发生的腐蚀性反应的可能性，此可防止或降低MFC(像是MFC 210(图2))的漂移超过MFC的质量流率准确度规格的可能性。此可改进由MFC进行的流量检测的可重复性。
图4示出根据一或多个实施方式的在电子装置制造系统中测量和控制质量流率的方法400。在处理方块402处，方法400可包括提供包括具有传感器管的热流量传感器的MFC，传感器管具有输入端、输出端、内表面及外表面，内表面涂覆有材料以形成内阻挡层。例如，MFC可为MFC 110a、110b(图1)或210(图2)，及可包括具有传感器管340的热流量传感器320(图3A)，其中传感器管340可具有涂覆有材料350的内表面346以形成内阻挡层352(图3B)。
在处理方块404处，可经由热流量传感器来测量质量流率。例如，可通过热流量传感器220(图2)或热流量传感器320(图3A)，来测量流过MFC 210(图2)的气体的质量流率。
并且在处理方块406处，方法400可包括响应于测量而经由质量流量控制器根据需要来调整质量流率。例如，响应于用热流量传感器220(图2)或热流量传感器320(图3)测量质量流率，控制器218可根据需要调整流率控制阀222，以调整通过MFC 210的质量流率，以达到或进入MFC 210的设定点的可接受范围内。
以上描述仅公开了本公开的示例性实施方式。对上文公开的设备、系统及方法的修改可落入本公开范围内。因此，尽管已经公开了本公开的示例性实施方式，但应理解的是，其他实施方式可落入由以下权利要求所限定的本公开的范围内。

Claims (15)

1.一种质量流量控制器，包括：
入口端口；
出口端口；
热流量传感器，所述热流量传感器经配置以测量流过所述质量流量控制器的气体的质量流率，所述热流量传感器具有传感器管，所述传感器管具有耦接到所述入口端口的输入端，所述传感器管亦具有输出端、内表面及外表面，所述内表面涂覆有材料以形成内阻挡层；
流率控制阀，所述流率控制阀耦接在所述传感器管的所述输出端与所述出口端口之间，所述流率控制阀经配置以增加或减少流过所述质量流量控制器的所述气体的所述质量流率；及
控制器，所述控制器经配置以接收来自所述热流量传感器的传感器信息及操作所述流率控制阀。
2.如权利要求1所述的质量流量控制器，其中所述传感器管的所述外表面涂覆有所述材料以形成外阻挡层。
3.如权利要求1所述的质量流量控制器，其中所述材料包括氧化铝或五氧化二钽。
4.如权利要求1所述的质量流量控制器，其中所述内阻挡层具有约50nm到150nm的厚度。
5.如权利要求1所述的质量流量控制器，其中所述传感器管具有约1.3mm到1.7mm的内径。
6.如权利要求1所述的质量流量控制器，其中所述传感器管包括不锈钢或镍-铬-钼合金。
7.如权利要求1所述的质量流量控制器，所述质量流量控制器进一步包括旁路流径，所述旁路流径耦接在所述入口端口与所述流率控制阀之间，所述旁路流径并联耦接到所述热流量传感器。
8.一种电子装置制造系统，包括：
处理腔室，所述处理腔室具有基板支撑件；
气体输送系统，所述气体输送系统包括气体供应和质量流量控制器，所述质量流量控制器包括具有传感器管的热流量传感器，所述传感器管具有输入端、输出端、内表面及外表面，所述内表面涂覆有材料以形成内阻挡层；及
系统控制器，所述系统控制器经配置以操作所述处理腔室和所述气体输送系统。
9.如权利要求8所述的电子装置制造系统，其中所述传感器管的所述外表面涂覆有所述材料以形成外阻挡层。
10.如权利要求8所述的电子装置制造系统，其中所述材料包括氧化铝或五氧化二钽，并且经由原子层沉积来施加所述材料。
11.如权利要求8所述的电子装置制造系统，其中所述内阻挡层包括单一层，并且具有约50nm到150nm的厚度。
12.一种在电子装置制造系统中测量和控制质量流率的方法，所述方法包括以下步骤：
提供质量流量控制器，所述质量流量控制器包括具有传感器管的热流量传感器，所述传感器管具有输入端、输出端、内表面及外表面，所述内表面涂覆有材料以形成内阻挡层；
经由所述热流量传感器来测量质量流率；及
响应于所述测量，经由所述质量流量控制器根据需要来调整所述质量流率。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述提供的步骤包括以下步骤：经由原子层沉积来施加所述材料到所述内表面。
14.如权利要求12所述的方法，其中所述提供的步骤进一步包括以下步骤：提供涂覆有所述材料的所述外表面以形成外阻挡层。
15.如权利要求12所述的方法，其中所述材料包括氧化铝或五氧化二钽。
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