CN111670420B - 用于流体的脉冲输送的流体控制系统和输送流体脉冲的方法 - Google Patents

用于流体的脉冲输送的流体控制系统和输送流体脉冲的方法 Download PDF

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Abstract

用于流体的脉冲输送的流体控制系统和输送流体脉冲的方法。提供了一种对流体进行脉冲输送的流体控制系统，该系统包括：流道、发起和终止来自流道的流体脉冲的隔离阀以及脉冲质量流量控制器(MFC)。该MFC包括：对流道中的流体流量进行控制的控制阀、对流道中的流量进行测量的流量传感器以及控制器，该控制器对通过控制阀的流体流量和隔离阀的开关进行控制，以对流体脉冲期间输送的流体质量进行控制。可以基于在由隔离阀发起和终止的脉冲期间来自流量传感器的反馈，对通过控制阀的流体流量进行控制。

Description

用于流体的脉冲输送的流体控制系统和输送流体脉冲的方法
相关申请
本申请是2018年2月2日提交的美国申请No.15/887,447的继续申请。上述申请的全部教导通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及用于流体的脉冲输送的流体控制系统以及输送流体脉冲的方法。
背景技术
质量流量控制器(mass flow controller(MFC))是一种用于对液体和气体的流量进行测量和控制的装置。一般而言，MFC包括入口、出口、质量流量传感器以及比例控制阀，可调节该比例控制阀以实现希望的质量流量。
诸如原子层淀积(ALD)处理的半导体制造处理可以在几个处理步骤期间涉及输送各种量的几种不同的气体和气体混合物。通常，将气体贮存在处理设施处的罐中，并且使用气体计量系统将所计量的量的气体从罐输送至处理工具，诸如化学气相淀积反应器、真空溅射机、等离子蚀刻机等。典型地，将诸如阀、压力调节器、质量流量控制器(MFC)、质量流量控制系统的组件包括在气体计量系统中或者包括在从气体计量系统到处理工具的流径中。
已经开发出脉冲气体输送装置，以将气体的脉冲化质量流量输送至半导体处理工具。高速处理可以使用脉冲气体输送来制造先进的3-D集成电路，该3D集成电路包括硅通孔(TSV)，以提供管芯到管芯以及晶片到晶片的互连。
发明内容
一种用于流体的脉冲输送的流体控制系统，该流体控制系统包括：流道、发起和终止来自流道的流体的脉冲的隔离阀以及脉冲质量流量控制器(MFC)。该MFC包括：对流道中的流体流量进行控制的控制阀、对流道中的流量进行测量的流量传感器以及控制器，该控制器对通过控制阀的流体的流量以及隔离阀的开关进行控制，以对流体的脉冲期间输送的流体的质量进行控制。
该MFC可以是基于压力的MFC或热MFC。控制阀优选为比例阀，该比例阀生成与控制输入(例如，来自控制器的电子控制输入)成比例的流量输出。可以将比例控制阀用于对流体流量的水平进行控制。
控制器可以在由隔离阀发起和终止的脉冲期间基于来自流量传感器的反馈，对通过控制阀的流体流量进行控制。
流量传感器可以包括限流器，该限流器处于流道内并且被定位在控制阀与隔离阀之间。流量传感器还可以包括上游压力传感器，该上游压力传感器被配置成在控制阀与限流器之间的上游位置处对流道中的上游压力进行检测；以及下游压力传感器，该下游压力传感器被配置成在限流器与隔离阀之间的下游位置处对流道中的下游压力进行检测。以这样的方式配置的流量传感器基于上游压力和下游压力来对流量进行测量。
控制器可以配置成根据i)测量的流量、ii)检测的压力、iii)流体脉冲的开始时间以及iv)流体脉冲的停止时间，来确定输送的流体的估计摩尔数。控制器还可以配置成基于输送的流体的估计摩尔数，对通过控制阀的流量以及隔离阀的开关进行控制。
控制器可以配置成基于对残余流量和所测量的流量的确定，确定输送的流体的估计摩尔数。控制器可以配置成接收与上游压力相对应的上游压力信号以及与下游压力相对应的下游压力信号，并且根据i)下游压力和ii)限流器与隔离阀之间的死区容积，来确定残余流量。
控制器可以配置成基于对流体脉冲期间输送的流体质量的计算，对隔离阀进行开关(例如，关闭)。特别地，控制器可以配置成根据下式来确定输送的流体的估计摩尔数：
Figure GDA0003103245370000021
其中，Δn是估计摩尔数，Qm是由流量传感器测得的流量，Vd2是限流器与隔离阀之间的死区容积，Pd是下游压力，t1是脉冲的开始时间，并且t2是脉冲的停止时间。
流量可以根据上游压力、下游压力以及流体的一个或更多个特性(诸如分子量MW和比热比γ)来测量。
所述系统还可以包括温度传感器，该温度传感器被配置成对流道中的流体的温度进行测量，在这种情况下，流量还可以根据流体的温度来进行测量。
控制器可以配置成接收来自主机控制器的控制信号，该控制信号包括流体的标识、流体脉冲的希望摩尔数、流体脉冲的持续时间以及重复的脉冲的数量。
隔离阀可以集成到脉冲MFC中或者可以处于脉冲MFC外部。例如，外部隔离阀可以是三通阀，所述三通阀联接至处理室和排放管线。所述系统可以包括多个外部隔离阀。所述隔离阀中的一个隔离阀可以联接至处理室，并且所述隔离阀中的另一隔离阀可以联接至排放管线。
一种输送流体脉冲的方法，所述方法包括：利用控制阀控制流体流量进入流道；利用流量传感器对流道中的流量进行测量；对隔离阀的开关进行控制，以发起和终止来自流道的流体脉冲；以及对通过控制阀的流体流量以及隔离阀的开关进行控制，以对流体脉冲期间输送的流体质量进行控制。
可以基于在由隔离阀发起和终止的脉冲期间的反馈(例如，来自流量传感器的反馈)，来对通过控制阀的流体流量进行控制。
所述方法还可以包括：在控制阀与限流器之间的上游位置处，对流道中的上游压力进行检测，该限流器设置在控制阀与隔离阀之间；以及在限流器与隔离阀之间的下游位置处，对流道中的下游压力进行检测。对流道中的流量进行测量可以是基于上游压力和下游压力的。
所述方法还可以包括：根据i)测量的流量、ii)测量的压力、iii)流体脉冲的开始时间以及iv)流体脉冲的停止时间，来确定输送的流体的估计摩尔数。可以基于输送的流体的估计摩尔数，对通过控制阀的流体流量以及隔离阀的开关进行控制。
本发明的实施方式提供了多个优点。包括由MFC控制的隔离阀(例如，基于所输送的气体的估计摩尔数的控制器)可使实施方式加速脉冲气体的输送、提高脉冲气体输送的准确度、匹配希望的脉冲形状、简化脉冲气体的输送、节省气体用量、使室内气体种类交叉污染最小化以及消除MFC控制阀泄漏的问题。本发明的实施方式可以为诸如ALD和TSV处理的使用质量流量控制器的快速脉冲输送应用提供全面的解决方案。
附图说明
如附图中例示的前述内容将根据下文对示例实施方式进行更具体地描述而变得显而易见，在附图中，贯穿不同视图，相同标号指代相同部分。附图不必按比例绘制，而是将重点放在例示实施方式上。
图1例示了使用热质量流量控制器(MFC)和转移管线(divert line)的现有脉冲气体输送系统。
图2A和图2B例示了采用快速响应MFC的现有脉冲气体输送系统。
图3A和图3B例示了使用衰减脉冲输送速率的现有脉冲气体输送系统。
图4例示了采用由流量设定点(Q)和输送时间(Δt)的乘积定义的气体剂量的脉冲输送。
图5是现有的基于压力的脉冲MFC装置的示意性例示图。
图6是具有集成隔离阀的基于压力的脉冲MFC的示意性例示图。
图7A是例示使用没有集成隔离阀的MFC输送的气体脉冲的脉冲形状的曲线图。
图7B是例示使用具有集成快速响应隔离阀的MFC输送的气体脉冲的脉冲形状的曲线图。
图8例示了具有外部隔离阀的示例脉冲MFC系统。
图9例示了具有外部隔离阀和排放管线的示例脉冲MFC系统。
图10例示了具有两个外部隔离阀和排放管线的示例脉冲MFC系统。
具体实施方式
以下是对示例实施方式的描述。
提供了对流体(例如，半导体制造处理或化学处理中的处理气体)进行脉冲输送的流体控制系统。流体控制系统包括质量流量控制器(MFC)和隔离阀，以发起和终止来自流道的一个或多个流体脉冲。
工业处理可能需要在将流体脉冲输送至处理室期间输送希望摩尔数的流体。
“摩尔”是国际单位制(SI)中对物质的量进行测量的单位，单位符号为mol。“摩尔”被规定为这样的物质的量或样品，即，该物质的量或样品包含和12克碳12(12C)中的原子一样多的本构粒子(例如，原子、分子、离子、电子或光子)，碳12按照定义是具有标准原子量12的碳同位素。该数字由Avogadro常数表示，该常数约为6.022140857×1^23mol-l。摩尔被广泛用作对反应物和化学反应产物的量进行表达的便捷方式。摩尔体积(符号Vm)是在给定的温度和压力时一个摩尔的物质所占的体积。摩尔体积等于摩尔质量(M)除以质量密度(ρ)。
之前的脉冲气体输送方法包括通过主机控制器接通和断开MFC上的气体流量。另一种现有方法是通过对体积压力进行测量来使用填充和排出体积进行脉冲输送。这些先前已知方法的缺点包括施加在主机控制器上的高工作负荷，该主机控制器必须计算和调节流量(flow rate)以输送所需量的气体。随着脉冲宽度变短，主机控制器与MFC之间的通信抖动会在可重复性和准确度方面降低脉冲气体输送的性能。对于现有的脉冲MFC，尤其是对于基于压力的脉冲MFC，脉冲形状不是理想的，该脉冲形状往往具有长拖尾(例如，参见图7A和关联描述)。
图1例示了现有脉冲气体输送系统100，该脉冲气体输送系统使用热质量流量控制器(MFC)110、主机控制器120以及与转移管线和处理室连接的三通阀130。主机控制器120指令MFC 110提供来自气体源的恒定流量的气体，并且基于希望的脉冲持续时间启用三通阀130以将流量切换至处理室或者转移管线。系统100不使用实际上将多少气体输送至处理室的反馈。诸如系统100的脉冲气体输送系统的缺点是脉冲准确度和可重复性取决于截止阀，例如，三通阀130。此外，这种系统中的MFC总是在使气体流动，通过转移管线浪费处理气体，而这是所不希望的，因为处理气体可能很昂贵。
图2A例示了采用快速响应的热MFC 210(诸如基于微机电系统(MEMS)技术的热MFC)的现有脉冲气体输送系统200。主机控制器220使用标准流量控制来直接控制脉冲输送。标准流量控制模式可以包括以下处理步骤：
a)为了发起流量，主机控制器在希望的脉冲开始时间(t1)发送流量设定点Q。
b)为了停止流量，主机控制器在希望的停止时间(t2)发送零(“0”)流量设定点。
c)从时间(t3)开始，重复上述“n”次以获得希望的脉冲数。
图2B是例示在标准速率控制模式下使用图2A的系统200的希望流量(“设定点”)和实际流量(“流量(flow)”)的示例的曲线图。
图2A和图2B中所示的现有方法有多个缺点。MFC显示快速控制(例如，<500msec)，但是对于某些ALD和TSV处理要求，该MFC可能不够快。MFC对设定点进行响应，但是不会将初始气体坡度调节至该设定点。输送仅以时间为基础。没有对实际输送的气体量的反馈。此外，主机控制器220与MFC 210之间的数字通信“抖动”会影响脉冲输送的可重复性。而且，快速但基于MEMS技术的热MFC可能与腐蚀性气体不兼容。
图3A例示了使用基于压力的脉冲气体输送的现有脉冲气体输送装置300。基于压力的摩尔测量技术是本领域已知的，并且利用了引入已知容积中的气体的压力(P)对时间(t)的响应305，如图3B所示。装置300包括：提供已知容积的腔室350、位于腔室350上游的阀340(“Vin”)以及位于腔室350下游的阀345(“Vout”)。还提供了位于腔室350处的压力传感器365以及温度传感器360。
初始地，在下游阀345被关闭时，可以通过打开上游阀340来填充装置300，使得气体流量(Qi)在一时段内进入装置以填满腔室350(“填充”时段Δt＝(t1-t0)，图3B)，并使压力发生变化。在时间t1和压力P2，上游阀340关闭(“Vin关闭”)。然后，该处理包括时段(t2-t1)，在该时段中，允许腔室350中的气体稳定到设定点。在该时段期间，例如通过压力传感器365和温度传感器360来获得压力和温度的测量值。在下游阀345被打开时(在图3B的时间t2处，“Vout打开”)，气体流量(Qo)离开装置300，直到阀345被再次关闭(在时间t4处，“Vout关闭”)，从而在一时段(“输送”时段Δt＝t4-t2)以及压力变化(ΔP＝P1-P2)期间将气体脉冲从装置输送至处理工具。
以Ding的名义在2014年3月27日公布为US 2014/0083514 Al的美国专利申请No.13/626,432中还描述了基于压力的摩尔测量方法和装置，其全部内容通过引用并入本文。由Ding等人在2016年5月24日发布的美国专利No.9,348,339B2中描述了采用基于输送室内的压降而确定的流量的多通道脉冲气体输送，其全部内容通过引用并入本文。
可以通过装置300的控制器上的执行输送配方的程序来实现图3B所示的脉冲气体输送。通过触发信号(例如，来自主机控制器的控制信号)来发起脉冲输送。可以基于理想气体定律的原理来估计输送的气体，Δn＝(ΔP*V)/(R*T)。
图3A和图3B所示的方法有几个限制。脉冲输送的准确度和可重复性取决于下游截止阀的速度和可靠性。具有快速响应时间的截止阀是所希望的。然而，如果阀老化，则可能需要实施自适应调节(这会增加复杂性)，或者可能需要更换阀，这通常需要中断处理。通常，脉冲形状(例如，脉冲宽度)不是所希望的，或者脉冲与希望的方波不充分匹配。此外，需要向腔室350填充一定体积的气体需要花费时间。每个脉冲之前的气体填充时间和稳定时间限制了快速的气体输送周期时间。
然而，基于压力的摩尔测量技术的优点在于，可以在不知道正被测量的特定气体或气体混合物的情况下应用这些技术。根据腔室容积上的质量平衡和理想气体定律的应用得出的气体流量与气体无关，而是依靠压力(P)、温度(T)以及体积(V)这三个状态变量，来对正被测量的气体的行为进行表征。
图4例示了采用由理想的方形流量设定点(Q)与输送时间(Δt)的乘积定义的气体剂量的脉冲输送。可以通过“脉冲开启”时段(t2–t1)、“脉冲关闭”时段(t3-t2)、气体剂量(例如，每脉冲的气体摩尔数)以及每周期的脉冲数来指定气体输送周期400。对于脉冲输送，可以将气体摩尔剂量定义为：理想的流量设定点(Q)x输送时间(Δt＝t2–t1)。
如图4所示的流量的阶梯函数(step function)式输送是理想的，但是因实际的传感器和阀时间常数而不切实际。对于实践应用，在要求的时间帧内的剂量的准确度和可重复性是关键的目标。因此，希望准确且可重复地输送气体。为此，可以使用MFC的计算能力来对流量进行计算和调节，以在指定的时间内输送所需量的气体。特别地，可以将MFC配置成对实际输送的气体剂量进行计算并将其调节成目标脉冲气体剂量。
图5例示了对气体进行脉冲输送的现有系统500。系统500包括被配置为进行脉冲输送的基于压力的MFC 510。主机控制器520与MFC 510进行通信，例如，向MFC 510提供与希望的脉冲输送信息有关的信息，诸如脉冲摩尔设定点、脉冲开启时段、脉冲关闭时段以及重复脉冲数。为了发起脉冲输送周期，主机控制器520向MFC 510发送触发信号。MFC 510包括控制阀580(例如，比例控制阀)以对来自气体源流体流量进入流道515进行控制。将MFC 510的控制器505配置成对通过控制阀580的流体流量进行控制，以在流体脉冲期间控制输送至处理室的流体。控制器505基于来自流量传感器525的反馈对通过控制阀580的流体流量进行控制，设置该流量传感器525以对流道中的流量(Q)进行测量。流量传感器525包括处于流道515内的限流器570以及相应的上游压力传感器555和下游压力传感器565。控制阀580处于限流器570和压力传感器的上游。
可以通过下式来计算图5中的装置的脉冲气体输送量：
Figure GDA0003103245370000081
其中，Δn是以摩尔为单位的输送气体，Q是由流量传感器测量的流量，t1是脉冲的开始时间，t2是脉冲的结束时间。
在Junhua Ding等人的题为“System for and Method of Fast Pulse GasDelivery”的国际专利公报No.WO 2012/116281 Al中进一步描述了基于压力的脉冲MFC气体输送，其全部内容通过引用并入本文。
图7A示出了使用图5的系统500的脉冲输送的曲线图。针对叠加在理想脉冲形状702上的实际脉冲形状704，将流量标绘为时间的函数。理想脉冲的脉冲宽度为300ms。曲线下的面积表示所输送的气体的摩尔数。在实际输送的脉冲中存在较大的瞬态响应(例如，拖尾)，这可以归因于传感器(例如，下游压力传感器565)与控制阀580之间的容积。当控制阀580关闭以使脉冲终止时，处于流道515中的气体继续流向处理室。
如果要输送的脉冲的持续时间相对较长，那么瞬变流可能并不那么重要。然而，如果脉冲较短，那么瞬变流可能会成问题。MFC通常是在稳态下进行校准的。然而，MFC控制阀的瞬态响应可能因阀而异。
图6例示了根据本发明的实施方式的对流体进行脉冲输送的改进的流体输送系统600。系统600包括具有集成的隔离阀690的基于压力的脉冲MFC 610。MFC 610包括控制阀680(例如，比例控制阀)以对流道615中的流体流进行控制。隔离阀690被配置成发起和终止从流道615到例如处理室的流体脉冲。脉冲MFC控制器605被配置成对通过控制阀680的流体流以及隔离阀690的开关进行控制，以控制在流体脉冲期间输送的流体质量。控制器605可以基于在由隔离阀690发起和终止的脉冲期间来自流量传感器625的反馈，对通过控制阀680的流体流进行控制。
在图6中，控制阀680被显示为位于流量传感器625之前，以对进入流道615的流进行控制，但是也可以将控制阀置于流量传感器之后。
流量传感器625被设置成对流道615中的流量(Q)进行测量。在图6所示的实施方式中，流量传感器625包括限流器670，该限流器处于流道615内并且被设置在控制阀680与隔离阀690之间。流量传感器625还包括相应的上游压力传感器655和下游压力传感器665。上游压力传感器655被配置成在控制阀680与限流器670之间的上游位置处对流道615中的上游压力(Pu)进行检测。下游压力传感器665被配置成在限流器670与隔离阀690之间的下游位置处对流道615中的下游压力(Pd)进行检测。流量传感器被配置成基于上游压力和下游压力对流量进行测量，如本领域所已知的那样。该系统还可以包括温度传感器660，该温度传感器被配置成对流道615中的流体的温度进行测量，在这种情况下，还可以根据流体的温度来测量流量，如本领域所已知的那样。
如图6所示，脉冲MFC控制器605与主机控制器620进行通信，以发送和接收与流体输送处理有关的数据。控制器605可以被配置成从主机控制器620接收控制信号，例如，以指定用于流体的脉冲输送的参数。控制信号可以包括：流体的标识、流体脉冲的希望摩尔数、流体脉冲的希望持续时间、脉冲之间的关闭时间以及脉冲数。控制器605还可以被配置成基于所输送的流体的估计摩尔数，对通过控制阀680的流及隔离阀690的开关进行控制。控制器605被配置成在脉冲输送期间对控制阀680的流设定点进行调节，以控制通过阀的流。控制器605还可以被配置成基于所输送的流体的估计摩尔数，对流设定点及脉冲输送期间的脉冲的持续时间(例如，实际脉冲开启时段)进行控制。在一实施方式中，控制器根据i)所测量的流量、ii)残余流量、iii)流体脉冲的开始时间以及iv)流体脉冲的停止时间，来确定所输送的流体的估计摩尔数。控制器605被配置成接收与上游压力(Pu)相对应的上游压力信号以及与下游压力(Pd)相对应的下游压力信号，并且根据i)下游压力和ii)限流器与隔离阀之间的死区容积来确定残余流量。
在图6所示的系统中，快速响应隔离阀690被添加到基于压力的脉冲MFC 610中，以使脉冲形状更方形或更理想。在没有隔离的情况下，流的长衰减往往会对控制阀关闭之后的脉冲形状以及输送准确度产生不利的影响。隔离阀690的使用还提高了输送速度，使得系统600可以输送短持续时间(100ms-200ms)的脉冲。可以在脉冲结束时同时关闭控制阀680和隔离阀690，由此消除流体向处理室的任何泄漏。
图6中例示的实施方式包括被集成到脉冲MFC 610中的隔离阀690。也可以将隔离阀安装在脉冲MFC(包括热MFC)的外部，如图8至图10所示。这种解决方案可与现有的具有脉冲气体输送能力的脉冲MFC(诸如MKS P9B MFC(MKS Instruments，Inc.))兼容。
当使用外部隔离阀时，可以使用排放管线(例如，转移管线)，如图9至图10所示，使脉冲MFC对于每个脉冲输送具有确定的初始条件。排放管线允许在脉冲开始之前从流道中清除流体。
本发明的实施方式是对现有脉冲MFC，尤其是对基于压力的脉冲MFC的扩展。当到达脉冲输送时段(脉冲开启时段)的终点时，立即将下游隔离阀关闭，以使输出流量降至零。可以根据在此复制的等式1来计算图6中的装置的脉冲气体输送量Δn(单位：摩尔)：
Figure GDA0003103245370000101
其中，Qm是由流量传感器测量的流量(来自限流器的上游压力Pu和下游压力Pd以及气体温度T和气体特性(诸如气体分子量MW和比热比γ)的函数)，Vd2是限流器与隔离阀之间的死区容积，Pd是下游压力测量值，t1是脉冲的开始时间，t2是脉冲的结束时间。
包括死区体积Vd2和下游压力Pd的项
Figure GDA0003103245370000102
是基于质量守恒的原理的。在等式1中提供该项，以补偿在限流器与隔离阀之间的空间中存在的任何流体。可以将所述项定义为残余流量。如果上游压力传感器与下游压力传感器之间的流道中存在压力差，那么在将隔离阀关闭之后，流量传感器可能会产生流量信号。然而，由于已将隔离阀关闭，因此该流量不会去往处理室。然而，通道中仍存在流体，等式1中的所述项旨在对该存在的流体进行补偿。
在运算中，用户可以为基于摩尔的脉冲输送指定以下参数：(1)摩尔输送设定点(nsp)，(2)脉冲开启时段(Ton)的希望(例如，目标)时间长度，(3)总的脉冲开启和关闭时段(Ttotal)，以及(4)脉冲数(N)。可以经由主机控制器620将所述信息发送至MFC 610。基于该信息，MFC 610的控制器605被配置成根据等式1，基于通过流量传感器(例如，流量传感器625)测量的流量，自动地对流量设定点以及可选地对脉冲开启时段进行调节，以在希望的脉冲开启时段内，精确地输送希望的摩尔量的气体。
使用基于摩尔的脉冲输送，MFC 610对控制阀680的流量设定点以及可选地对实际脉冲开启时段进行控制并且根据需要进行调节，以便控制随每个脉冲输送的摩尔数。基于这些参数，MFC 610以精确的时序自动地输送N个流量脉冲，其中在每个总脉冲时段中的开启MFC的部分期间，每个脉冲输送Δn摩尔，并且在总的脉冲开启和关闭时段(Ttotal)中的剩余部分内，断开MFC并且关闭隔离阀。在脉冲输送期间，MFC 610基于在脉冲期间输送的流量的估计摩尔数的反馈，自动地对控制阀680的流量设定点(Qsp)进行调节，以便针对每个脉冲，在目标脉冲开启时段(Ton)内精确地输送希望的摩尔数。MFC 610还可以基于先前脉冲输送的反馈，对控制阀680的流量设定点以及可选地对实际脉冲开启时段进行调节。
在某些情形下，例如，在系统闲置了一会儿之后的处理启动期间，对摩尔输送的请求可能小于流道容积中的流体质量。这也被称为“第一晶片”问题。例如，控制阀可能有泄漏，这导致流道中的压力累积。该压力可能足以产生脉冲所需的摩尔。在这种情形下，MFC可以仅打开隔离阀，但是不打开控制阀，来输送希望的流体脉冲。在该脉冲期间，如果实现了流体的希望摩尔数(如根据等式1计算出的)，则可以对下游压力Pd进行测量并且使脉冲终止。
如本领域所已知的，根据下式，可以将通过通道的限流器的流量(Q)表达为限流器的上游压力(Pu)和下游压力(Pd)(即，紧邻限流器的压力)、通过限流器的流径的横截面(A)以及气体特性(诸如比热比γ和分子量MW)的函数：
Q＝fQ(Pu，Pd，A，γ，MW) (3)。
可以通过经验数据或实验获得函数fQ。在将流量喷嘴作为限流器的情况下，可以使用下式：
Figure GDA0003103245370000111
其中，C是限流器的排出系数，R是通用气体常数，并且T是气体温度。
可以使用其它的限流器以及对通过这些限流器的质量流量进行描述的对应等式，并且在本领域是已知的。
通过本发明的实施方式获得的优于现有方法的特定优点包括：提高了气体脉冲输送的准确度；通过消除长脉冲拖尾匹配了所需的脉冲形状；以及特别是对于短持续时间的脉冲，提高了输送的速度。图7A和图7B是考虑在具有集成下游隔离阀和没有集成下游隔离阀的情况下对脉冲气体输送性能进行比较。
如上所述，图7A是例示使用没有集成隔离阀的系统(诸如图5的系统500)获得的脉冲形状的曲线图。图7B是例示使用具有集成快速响应隔离阀的系统(诸如图6的系统600)获得的脉冲形状的曲线图。如在图7A中那样，图7B中示出了两条曲线，具有300ms脉冲宽度的理想脉冲形状706以及使用系统600获得的实际脉冲形状708。在图7A和图7B的实际脉冲形状之间的比较证明了图7B的脉冲形状通过消除长脉冲拖尾而提供了气体脉冲输送准确度并且匹配了理想的脉冲形状。消除脉冲拖尾可以实现提高的输送速度。
对于具有一个或更多个外部隔离阀的脉冲MFC(图8至图10)，脉冲MFC仍基于脉冲输送要求直接控制下游隔离阀。如果应用了排放管线(诸如图9和图10所示)，则在开始新的脉冲输送之前，脉冲MFC可以在脉冲输送结束时快速清空捕获在脉冲MFC与下游隔离阀之间的残余气体。
图8例示了包括具有外部隔离阀890的脉冲MFC 810的脉冲输送系统800的示例。脉冲MFC 810基于从主机控制器820接收到的脉冲输送要求，对来自气体源的气体流量以及隔离阀890的打开和关闭进行控制。
图9例示了包括具有外部三通隔离阀930和排放管线的脉冲MFC 910的脉冲输送系统900的示例。与图1的三通隔离阀130不同的是，由脉冲MFC 910而不是由主机控制器920来直接控制隔离阀930。
可以利用改进的脉冲MFC(如MFC 610)来对具有外部隔离阀的现有系统(如图1所示)进行改型，以使用本文所描述的方法对隔离阀进行控制，从而提供改进的脉冲输送。改进的脉冲MFC不会像在标准MFC中一样，随时间简单地控制流量，而是以摩尔水平计算脉冲期间输送的流体质量。主机控制器指定每脉冲要输送的摩尔数以及其它希望的处理参数。然而，MFC在本地控制脉冲输送周期。在这种情况下，与仅基于时间形成对比，基于对估计的输送摩尔数的计算来控制控制阀和隔离阀。对估计的输送摩尔数的计算必须足够快并且控制信号必须足够快以断开隔离阀，以便终止脉冲。这表明应在MFC处本地进行计算。
图10例示了包括脉冲MFC 1010、两个外部隔离阀1090、1092以及排放管线的脉冲输送系统1000的示例。两个隔离阀1090、1092均是由脉冲MFC 1010根据脉冲输送要求进行控制的。如图所示，隔离阀1090被配置成打开和关闭到处理室的流量，同时隔离阀1092被配置成打开和关闭到排放管线的流量。由主机控制器1020将脉冲输送要求传送至MFC 1010。
本文所引用的所有专利、公布的申请以及参考文献的教导通过引用它们的全部内容而并入。
虽然具体示出并描述了多个示例实施方式，但本领域技术人员应当理解，在不脱离所附权利要求涵盖的实施方式的范围的情况下，可以在形式和细节上对这些实施方式进行各种改变。

Claims (21)

1.一种用于流体的脉冲输送的流体控制系统，所述流体控制系统包括：
流道；
隔离阀，所述隔离阀发起和终止来自所述流道的流体脉冲；以及
质量流量控制器MFC，所述质量流量控制器包括对所述流道中的流体流量进行控制的控制阀、对所述流道中的流量进行测量的流量传感器以及专用控制器，所述专用控制器基于来自所述流量传感器的反馈来对通过所述控制阀的流体流量进行控制，所述专用控制器连接至所述隔离阀以对所述隔离阀的开关进行控制以发起和终止所述脉冲，从而对在所述流体脉冲期间输送的流体质量进行控制，其中，所述专用控制器被配置成根据i)所测量的流量、ii)所述流体脉冲的开始时间以及iii)所述流体脉冲的停止时间，来确定所输送的流体的估计摩尔数，并且其中，所述专用控制器被配置成基于所输送的流体的所述估计摩尔数，对通过所述控制阀的流量和所述隔离阀的开关进行控制。
2.根据权利要求1所述的流体控制系统，其中，所述专用控制器在由所述隔离阀发起和终止的所述脉冲期间对通过所述控制阀的所述流体流量进行控制。
3.根据权利要求1所述的流体控制系统，其中，所述流量传感器包括：
限流器，所述限流器处于所述流道内并且被设置在所述控制阀与所述隔离阀之间；
上游压力传感器，所述上游压力传感器被配置成在所述控制阀与所述限流器之间的上游位置处对所述流道中的上游压力进行检测；以及
下游压力传感器，所述下游压力传感器被配置成在所述限流器与所述隔离阀之间的下游位置处对所述流道中的下游压力进行检测，所述流量传感器基于所述上游压力和所述下游压力对流量进行测量。
4.根据权利要求3所述的流体控制系统，其中，所述专用控制器被配置成基于对在所述流体脉冲期间输送的所述流体质量的计算，关闭所述隔离阀。
5.根据权利要求3所述的流体控制系统，其中，所述专用控制器被配置成基于对残余流量和所测量的流量的确定，确定所输送的流体的所述估计摩尔数。
6.根据权利要求5所述的流体控制系统，其中，所述专用控制器被配置成接收与所述上游压力相对应的上游压力信号和与所述下游压力相对应的下游压力信号，并且根据i)所述下游压力和ii)所述限流器与所述隔离阀之间的死区容积，将所述残余流量确定为
Figure FDA0003103245360000021
其中，Vd2是所述限流器与所述隔离阀之间的所述死区容积，并且Pd是所述下游压力。
7.根据权利要求5所述的流体控制系统，其中，所述专用控制器被配置成根据下式来确定所输送的流体的所述估计摩尔数：
Figure FDA0003103245360000022
其中，Δn是所述估计摩尔数，Qm是由所述流量传感器测量的流量，Vd2是所述限流器与所述隔离阀之间的死区容积，Pd是所述下游压力，t1是所述脉冲的开始时间，并且t2是所述脉冲的停止时间。
8.根据权利要求3所述的流体控制系统，其中，所述流量是根据所述上游压力、所述下游压力及所述流体的一个或更多个特性测量出的。
9.根据权利要求8所述的流体控制系统，其中，所述流体的一个或更多个特性包括分子量MW和比热比γ。
10.根据权利要求8所述的流体控制系统，所述流体控制系统还包括：温度传感器，所述温度传感器被配置成对所述流道中的流体的温度进行测量，并且其中，所述流量还是根据所述流体的温度测量出的。
11.根据权利要求1所述的流体控制系统，其中，所述专用控制器被配置成接收来自主机控制器的控制信号，所述控制信号包括所述流体的标识、所述流体脉冲的希望摩尔数以及所述流体脉冲的持续时间。
12.根据权利要求1所述的流体控制系统，其中，所述隔离阀被集成到所述MFC中。
13.根据权利要求1所述的流体控制系统，其中，所述隔离阀处于所述MFC外部。
14.根据权利要求13所述的流体控制系统，其中，所述隔离阀是三通阀，所述三通阀联接至处理室和排放管线。
15.根据权利要求13所述的流体控制系统，其中，所述流体控制系统包括多个隔离阀，并且其中，所述隔离阀中的一个隔离阀联接至处理室，并且所述隔离阀中的另一隔离阀联接至排放管线。
16.根据权利要求1所述的流体控制系统，其中，所述专用控制器被配置成基于对残余流量和所测量的流量的确定，确定所输送的流体的所述估计摩尔数。
17.一种输送流体脉冲的方法，所述方法包括：
利用质量流量控制器MFC的控制阀来控制流体流量进入流道；
利用该MFC的流量传感器对所述流道中的流量进行测量；
对隔离阀的开关进行控制，以发起和终止来自所述流道的流体脉冲；以及
利用所述MFC中的专用控制器，确定所输送的流体的估计摩尔数，基于来自所述流量传感器的反馈对通过所述控制阀的流体流量进行控制，并且对所述隔离阀的开关进行控制，以对在所述流体脉冲期间输送的流体质量进行控制，其中，所输送的流体的所述估计摩尔数是根据i)所测量的流量、ii)所述流体脉冲的开始时间以及iii)所述流体脉冲的停止时间确定的，并且其中，通过所述控制阀的所述流体流量和所述隔离阀的开关是基于所输送的流体的所述估计摩尔数来控制的。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，对通过所述控制阀的所述流体流量进行控制是基于在由所述隔离阀发起和终止的所述脉冲期间来自所述流量传感器的反馈的。
19.根据权利要求17所述的方法，所述方法还包括：
在所述控制阀与限流器之间的上游位置处，对所述流道中的上游压力进行检测，所述限流器被设置在所述控制阀与所述隔离阀之间；以及
在所述限流器与所述隔离阀之间的下游位置处，对所述流道中的下游压力进行检测；
并且其中，对所述流道中的流量进行测量是基于所述上游压力和所述下游压力的。
20.根据权利要求19所述的方法，所述方法还包括：根据i)所述下游压力和ii)所述限流器与所述隔离阀之间的死区容积，确定残余流量，并且其中，基于所述残余流量和所测量的流量，确定所输送的流体的所述估计摩尔数。
21.根据权利要求17所述的方法，其中，所输送的流体的所述估计摩尔数是基于对残余流量和所测量的流量的确定来确定的。
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