CN112327948A - 一种质量流量控制器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种质量流量控制器，包括流体通道、控制装置、控制阀、第一流量检测装置、第二流量检测装置，控制阀设置在流体通道上，第一流量检测装置用于检测流体通道输出端和控制阀之间的流体参数生成第一流量检测信息，第二流量检测装置用于检测流体通道输入端和控制阀之间的流体参数生成第二流量检测信息；控制装置用于根据第一流量检测信息得到第一流量检测值，根据第一流量检测值与目标流量值的差值和二流量检测信息控制控制阀开度；根据第二流量检测信息和控制阀开度得到第二流量检测值，并在第一流量检测值与第二流量检测值之间的差值超过预设差值阈值时判定质量流量控制器异常。该控制装置能够实时诊断流量检测装置精度，提高设备安全性。

Description

一种质量流量控制器

技术领域

本发明涉及半导体设备领域，具体地，涉及一种质量流量控制器。

背景技术

在半导体工艺中，工艺流体(如，工艺气体)的流量与工艺效果关系密切，半导体设备对流体质量流量控制器的要求中最重要的一点就是高精度。与传统的热式感测原理质量流量控制器相比，基于压力感测原理的质量流量控制器仅需采用高精度压力传感器测量流体通道中流体的压力，即可实现高精度的流量检测，同时压力传感器响应时间短，温度漂移小甚至无漂移，可以满足气体质量流量控制器的更高要求。

然而，传统的压力式质量流量控制器在使用一段时间后，由于环境温度、流体污染等原因，有可能出现精度超差的现象，但由于检测条件的限制，用户无法在半导体工艺进行过程中对质量流量控制器的精度进行检验，该控制组件一旦在工艺过程中发生上述故障，便有可能对半导体生产产生致命的影响，造成巨大损失。

因此，如何提供一种能够实时检验自身精度的质量流量控制器，成为本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明旨在提供一种质量流量控制器，该质量流量控制器能够实时检验自身精度，提高半导体工艺的安全性。

为实现上述目的，本发明提供一种质量流量控制器，包括流体通道、控制装置、控制阀、第一流量检测装置、第二流量检测装置，所述控制阀设置在所述流体通道上，所述流体通道具有输入端和输出端，所述第一流量检测装置用于检测所述输出端和所述控制阀之间所述流体通道中的流体参数并生成第一流量检测信息，所述第二流量检测装置用于检测所述输入端和所述控制阀之间所述流体通道中的流体参数并生成第二流量检测信息；

所述控制装置用于根据所述第一流量检测信息得到第一流量检测值，并根据所述第一流量检测值与目标流量值的差值以及所述第二流量检测信息控制所述控制阀的开度；还用于根据所述第二流量检测信息以及所述控制阀的开度得到第二流量检测值，并在所述第一流量检测值与所述第二流量检测值之间的差值超过预设差值阈值时，判定所述质量流量控制器异常。

可选地，所述第二流量检测装置包括第一压力传感器，用于检测所述输入端和所述控制阀之间所述流体通道中的流体压力；所述第二流量检测信息包括所述第一压力传感器检测得到的第一流体压力值。

可选地，所述控制阀为压电阀，所述压电阀中设置有压电陶瓷，所述控制阀的开度为所述压电陶瓷的位移量；

所述控制装置根据如下计算式得到所述第二流量检测值Q2：

Q2＝f(P1，σ)＝χP1(nσ³+mσ²+ρσ+υ)；

其中，P1为所述第一流体压力值，σ为所述压电陶瓷的位移量，χ、n、m、ρ、υ均为常数。

可选地，所述控制装置通过向所述控制阀发送开度控制信号，控制所述压电陶瓷的位移量；

所述控制装置根据所述开度控制信号得到所述压电陶瓷的位移量。

可选地，所述控制装置通过向所述控制阀发送开度控制信号，控制所述压电陶瓷的位移量；

所述质量流量控制器还包括位置检测装置，用于检测所述压电陶瓷的位移量；

所述控制装置通过所述位置检测装置得到所述压电陶瓷的位移量。可选地，所述控制装置根据如下计算式得到所述开度控制信号u：

u＝K(Q1-Q，P1)＝s(Q1-Q)+ψP1；

其中，Q1为所述第一流量检测值，Q为所述目标流量，s和ψ为常数。

可选地，所述控制装置根据如下计算式得到所述压电陶瓷的位移量σ：

σ＝∫∫_α≥βμ(α，β)η_αβ[u]dαdβ；

其中，α和β分别为所述开度控制信号u的上升阈值和下降阈值，μ(α，β)为基于所述上升阈值α和所述下降阈值β的Preisach函数，η_αβ[u]为基于所述开度控制信号u的迟滞算子。

可选地，所述第一流量检测装置包括流量控制单元、第二压力传感器和第三压力传感器，所述流量控制单元设置在所述流体通道上，位于所述输出端和所述控制阀之间，所述第二压力传感器用于检测所述流量控制单元和所述控制阀之间所述流体通道中的流体压力和流体温度，所述第三压力传感器用于检测所述输出端和所述流量控制单元之间所述流体通道中的流体压力；

所述第一流量检测信息包括所述第二压力传感器检测得到的第二流体压力值、流体温度值和所述第三压力传感器检测得到的第三流体压力值。

可选地，所述流量控制单元包括层流元件，所述流体通道中的流体以层流形式流过该层流元件，所述控制装置根据如下计算式得到所述第一流量检测值Q1：

其中，T为所述流体温度值，P2为所述第二流体压力值，P3为所述第三流体压力值，γ和

为常数。

可选地，所述流量控制单元具有用于允许流体通过的限流孔，所述控制装置根据如下计算式得到所述第一流量检测值Q1：

其中，T为所述流体温度值，P2为所述第二流体压力值，P3为所述第三流体压力值，α、β、τ、ω和λ均为常数。

在本发明提供的质量流量控制器中，控制装置不仅用于控制该控制阀的开度，还能够根据该第二流量检测信息以及该控制阀的开度得到第二流量检测值Q2，从而通过比较第一流量检测值Q1与第二流量检测值Q2的方式判断第一流量检测装置的精度是否失调。本发明提供的质量流量控制器能够随时对流量检测装置的精度进行诊断，实时监控自身工作状态，从而提高半导体工艺设备的安全性，为大规模集成电路制造装备及成套工艺的半导体装备的生产工艺提供保障，并节约设备维护保养所需的时间，提高生产效率。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明一种实施例提供的质量流量控制器的结构示意图；

图2是本发明一种实施例提供的质量流量控制器对流体通道中的流体流量进行控制的过程示意图；

图3是本发明另一种实施例提供的质量流量控制器对流体通道中的流体流量进行控制的过程示意图；

图4是本发明另一种实施例提供的质量流量控制器的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

现有的质量流量控制器通常包括流体通道和设置在该流体通道上的阀门以及压力传感器等感测模块，该压力传感器等感测模块设置在阀门的下游，在半进行导体工艺的过程中，控制电路根据该压力传感器等感测模块的检测值实时计算得到流体通路中流量的计算值，并控制阀门的开度增大或减小以使得该计算值趋近预设流量。

为检测该压力传感器等感测模块是否出现精度偏差，需要在非工艺时间向流体通道的输入端提供给定压强的流体，并将阀门的开度调节为给定值(如，100％)，接着将阀门快速关闭，在此过程中记录压力传感器的检测值变化过程。将该压力传感器的检测值变化过程与进行半导体工艺前通过同样步骤测得的检测值变化过程进行比较即可知晓精度偏差情况。

然而，该检测过程只能在非工艺时间进行，存在工艺过程中流量控制失控造成安全事故的风险，并且，该检测过程需接入给定的气源，检测过程本身也会占据较长时间，影响半导体生产节奏。

为解决上述技术问题，本发明提供一种质量流量控制器，如图1所示，该质量流量控制器包括流体通道、控制装置、控制阀、第一流量检测装置、第二流量检测装置，控制阀设置在流体通道上，流体通道具有输入端和输出端，第一流量检测装置用于检测输出端和控制阀之间流体通道中的流体参数并生成第一流量检测信息，第二流量检测装置用于检测输入端和控制阀之间流体通道中的流体参数并生成第二流量检测信息。

控制装置用于根据第一流量检测信息得到第一流量检测值Q1，并根据第一流量检测值Q1与目标流量值Q的差值以及第二流量检测信息控制控制阀的开度；还用于根据第二流量检测信息以及控制阀的开度得到第二流量检测值Q2，并在第一流量检测值Q1与第二流量检测值Q2之间的差值超过预设差值阈值时，判定该质量流量控制器异常。

需要说明的是，设置在控制阀下游的第一流量检测装置生成的第一流量检测信息是用于反馈控制控制阀的开度的，即，控制装置根据第一流量检测值Q1控制控制阀的开度，以使得第一流量检测值Q1达到目标流量Q。

在本发明中，控制装置不仅用于控制控制阀的开度，还能够根据第二流量检测信息以及控制阀的开度得到第二流量检测值Q2，从而通过比较第一流量检测值Q1与第二流量检测值Q2的方式判断第一流量检测装置的精度是否失调。具体的，如图1所述，控制装置中设置有流量控制模块，用于控制控制阀的开度，还设置有实时自动诊断模块用于检测流量检测装置的精度是否失调。

本发明提供的质量流量控制器能够随时对流量检测装置的精度进行诊断，实时监控自身工作状态，从而提高半导体工艺设备的安全性，为大规模集成电路制造装备及成套工艺的半导体装备的生产工艺提供保障，并节约设备维护保养所需的时间，提高生产效率。

作为本发明的一种可选实施方式，控制装置比较第一流量检测值Q1与第二流量检测值Q2并判断第一流量检测装置是否异常的比较式为：(Q2-r)<Q1<(Q2+r)，其中，r为预设差值阈值，当第一流量检测值Q1与第二流量检测值Q2满足该比较式时，控制装置判定第一流量检测装置正常；当第一流量检测值Q1与第二流量检测值Q2不满足该比较式时(即，二者差值超出预设差值阈r时)，控制装置判定第一流量检测装置异常。

本发明实施例对预设差值阈r的大小不做具体限定，可由工作人员根据质量流量控制器所在半导体工艺设备的系统精度自行调整。

为便于工作人员及时发现异常，优选地，控制装置还用于在判定第一流量检测装置异常后发出报警信号，以实现自动报警。本发明实施例对自动报警的具体方式不做具体限定，例如，控制装置可以将报警信号发送至半导体设备的人工操作控制台，控制台通过在显示屏上显示提示信息等方式提示工作人员；或者，本发明提供的质量流量控制器还可以包括报警装置，控制装置可以将报警信号发送至报警装置，使报警装置进行报警，例如，报警装置可以为指示灯，在接收到报警信号后闪烁发光；或者，报警信号可以为蜂鸣器，在接收到报警信号时启动并发出报警声。

本发明实施例对控制阀的结构不做具体限定，例如，如图1、图4所示，控制阀可以包括压电阀，该压电阀中设置有压电陶瓷，控制阀的开度即为压电陶瓷的位移量。

本发明实施例对第二流量检测装置的种类不做具体限定，例如，作为本发明的一种可选实施方式，第二流量检测装置可以包括第一压力传感器(压力传感器1)，第二流量检测信息可以包括第一压力传感器检测得到的第一流体压力值，控制装置根据该第一流体压力值和控制阀的开度得到第二流量检测值Q2。

具体地，控制装置根据如下计算式得到该第二流量检测值Q2：

Q2＝f(P1，σ)＝χP1(nσ³+mσ²+ρσ+υ)；

其中，P1为该第一流体压力值，σ为该压电陶瓷的位移量σ，χ、n、m、ρ、υ均为常数。

本发明实施例对该第一流体压力值P1、压电陶瓷的位移量σ的形式不做具体限定，例如，第一流体压力值P1、压电陶瓷的位移量σ均可以为模拟信号，对应的，如图1所示，控制装置中可以设置有A/D转换模块，以将其转变为数字信号，以便进行后续的处理和计算。

在本发明实施例中，压电阀处流体的实时流量Q2是第一流体压力值P1和压电陶瓷的位移量σ的函数f(P1，σ)，在半导体工艺开始前可不断调节入口压力P1和压电陶瓷的位移量σ并通过第二流量检测装置以外的检测方式检测流速，以求得计算式中的常数σ，χ、n、m、ρ、υ。

为进一步提高诊断流量检测装置精度的诊断效率，优选地，可在半导体工艺开始前调节入口压力P1和压电陶瓷的位移量σ并检测流体通路中的流体流速，将流体流速随入口压力P1和压电陶瓷位移量σ变化的规律记载在表格中，如下表1-1所示。

表1-1

	P11	P12	P13	…	P1N
						σ1	Q2(P11,σ1)	Q2(P12,σ1)	Q2(P13,σ1)	…	Q2(P1N,σ1)
σ2	Q2(P11,σ2)	Q2(P12,σ2)	Q2(P13,σ2)	…	Q2(P1N,σ2)
						σ3	Q2(P11,σ3)	Q2(P12,σ3)	Q2(P13,σ3)	…	Q2(P1N,σ3)
…	…	…	…	…	…
						σN	Q2(P11,σN)	Q2(P12,σN)	Q2(P13,σN)	…	Q2(P1N,σN)

其中，P11至P1N表示入口压力P1的各个取值，σ1至σN表示压电陶瓷的位移量σ的各个取值，Q2(P11,σ1)至Q2(P1N,σN)表示各入口压力P1取值与各压电陶瓷的位移量σ取值对应的流体通道中流体流速Q2的值。在进行半导体工艺的过程中，控制装置可以直接根据第一流体压力值P1和压电陶瓷的位移量σ在表格中找到对应的第二流量检测值Q2。

在本发明中，控制装置能够通过向控制阀发送开度控制信号，控制压电陶瓷的位移量。

具体地，控制装置可根据第一流量检测值Q1与目标流速Q之间的差值(Q1-Q)以及该第二流量检测信息通过如下计算式得到开度控制信号u(即压电阀的控制电压)：

u＝K(Q1-Q，P1)＝s(Q1-Q)+ψP1；

其中，s和ψ为常数，在本发明中，控制装置根据第一流体压力值P1(入口压强)以及第一流量检测值Q1与目标流速Q之间的差值控制压电陶瓷改变位移量，从而通过反馈控制的方式将第一流量检测值Q1(在正常情况下可代表流体的流速)调整至目标流速Q，实现对流体通道中流体流速的精确控制。

本发明实施例对如何确定压电陶瓷的位移量σ不做具体限定，例如，作为本发明的一种可选实施方式，控制装置可以直接根据开度控制信号得到压电陶瓷的位移量σ。

具体地，控制装置可根据如下计算式得到该压电陶瓷的位移量σ：

σ＝∫∫_α≥βμ(α，β)η_αβ[u]dαdβ；

其中，α和β分别为该开度控制信号u的上升阈值和下降阈值，μ(α，β)为基于该上升阈值α和该下降阈值β的Preisach函数，η_αβ[u]为基于该开度控制信号u的迟滞算子。在本发明实施例中，为消除压电陶瓷的开度控制信号u与位移量σ之间的迟滞非线性关系造成的误差，该控制装置对迟滞算子η_αβ[u]与Preisach函数μ(α，β)进行二重积分，得到相应的Preisach迟滞模型，从而精确求得压电陶瓷的位移量σ。

为提高获取压电陶瓷位移量σ的效率，作为本发明的另一种可选实施方式，如图4所示，质量流量控制器还可以包括位置检测装置(例如，位置传感器)，用于检测压电陶瓷的位移量，控制装置通过位置检测装置得到压电陶瓷的位移量σ。

作为本发明的一种可选实施方式，第一流量检测装置包括流量控制单元、第二压力传感器(压力传感器2)和第三压力传感器(压力传感器3)，流量控制单元设置在流体通道上，位于输出端和控制阀之间，第二压力传感器用于检测该流量控制单元和该控制阀之间该流体通道中的流体温度和流体压力，第三压力传感器用于检测输出端和流量控制单元之间流体通道中的流体压力。

第二压力传感器设置在流量控制单元朝向该输入端的一侧，既可以检测流体温度，也可以检测流体压力，第三压力传感器设置在流量控制单元朝向输出端的一侧；

第一流量检测信息包括第二压力传感器检测得到的第二流体压力值、流体温度值和第三压力传感器检测得到的第三流体压力值，控制装置用于根据温度信号、第二流体压力值和第三流体压力值得到第一流量检测值Q1。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，流量控制单元可以包括层流元件，流体通道中的流体以层流形式流过该层流元件，控制装置可以根据如下计算式得到第一流量检测值Q1：

其中，T为流体温度值，P2为第二流体压力值，P3为第三流体压力值，γ和

为常数。在本发明实施例中，第一流量检测值Q1是层流元件上下游流体压强之间的差值(P2-P3)与流体的温度值T的函数f(P2-P3，T)，控制装置通过计算该函数的函数值得到第一流量检测值Q1。

作为本发明实施例的另一种具体实施方式，流量控制单元可以为具有用于允许流体通过的限流孔，控制装置根据如下计算式得到该第一流量检测值Q1：

其中，α、β、τ、ω和λ均为常数。在本发明实施例中，第一流量检测值Q1是限流孔上下游的流体压强P2、P3与流体温度值T的函数f(P2，P3，T)，控制装置通过计算该函数的函数值得到第一流量检测值Q1。

在本发明提供的质量流量控制器中，控制装置不仅用于控制该控制阀的开度，还能够根据第二流量检测信息以及控制阀的开度得到第二流量检测值Q2，从而通过比较第一流量检测值Q1与第二流量检测值Q2的方式判断第一流量检测装置的精度是否失调。本发明提供的质量流量控制器能够随时对流量检测装置的精度进行诊断，实时监控自身工作状态，从而提高半导体工艺设备的安全性，为大规模集成电路制造装备及成套工艺的半导体装备的生产工艺提供保障，并节约设备维护保养所需的时间，提高生产效率。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种质量流量控制器，其特征在于，包括流体通道、控制装置、控制阀、第一流量检测装置、第二流量检测装置，所述控制阀设置在所述流体通道上，所述流体通道具有输入端和输出端，所述第一流量检测装置用于检测所述输出端和所述控制阀之间所述流体通道中的流体参数并生成第一流量检测信息，所述第二流量检测装置用于检测所述输入端和所述控制阀之间所述流体通道中的流体参数并生成第二流量检测信息；

所述控制装置用于根据所述第一流量检测信息得到第一流量检测值，并根据所述第一流量检测值与目标流量值的差值以及所述第二流量检测信息控制所述控制阀的开度；还用于根据所述第二流量检测信息以及所述控制阀的开度得到第二流量检测值，并在所述第一流量检测值与所述第二流量检测值之间的差值超过预设差值阈值时，判定所述质量流量控制器异常。

2.根据权利要求1所述的质量流量控制器，其特征在于，所述第二流量检测装置包括第一压力传感器，用于检测所述输入端和所述控制阀之间所述流体通道中的流体压力；所述第二流量检测信息包括所述第一压力传感器检测得到的第一流体压力值。

3.根据权利要求2所述的质量流量控制器，其特征在于，所述控制阀为压电阀，所述压电阀中设置有压电陶瓷，所述控制阀的开度为所述压电陶瓷的位移量；

所述控制装置根据如下计算式得到所述第二流量检测值Q2：

Q2＝f(P1，σ)＝χP1(nσ³+mσ²+ρσ+υ)；

其中，P1为所述第一流体压力值，σ为所述压电陶瓷的位移量，χ、n、m、ρ、υ均为常数。

4.根据权利要求3所述的质量流量控制器，其特征在于，所述控制装置通过向所述控制阀发送开度控制信号，控制所述压电陶瓷的位移量；

所述控制装置根据所述开度控制信号得到所述压电陶瓷的位移量。

5.根据权利要求3所述的质量流量控制器，其特征在于，所述控制装置通过向所述控制阀发送开度控制信号，控制所述压电陶瓷的位移量；

所述质量流量控制器还包括位置检测装置，用于检测所述压电陶瓷的位移量；

所述控制装置通过所述位置检测装置得到所述压电陶瓷的位移量。

6.根据权利要求4所述的质量流量控制器，其特征在于，所述控制装置根据如下计算式得到所述开度控制信号u：

u＝K(Q1-Q，P1)＝s(Q1-Q)+ψP1；

其中，Q1为所述第一流量检测值，Q为所述目标流量，s和ψ为常数。

7.根据权利要求4所述的质量流量控制器，其特征在于，所述控制装置根据如下计算式得到所述压电陶瓷的位移量σ：

σ＝∫∫_α≥βμ(α，β)η_αβ[u]dαdβ；

其中，α和β分别为所述开度控制信号u的上升阈值和下降阈值，μ(α，β)为基于所述上升阈值α和所述下降阈值β的Preisach函数，η_αβ[u]为基于所述开度控制信号u的迟滞算子。

8.根据权利要求1至7中任意一项所述的质量流量控制器，其特征在于，所述第一流量检测装置包括流量控制单元、第二压力传感器和第三压力传感器，所述流量控制单元设置在所述流体通道上，位于所述输出端和所述控制阀之间，所述第二压力传感器用于检测所述流量控制单元和所述控制阀之间所述流体通道中的流体压力和流体温度，所述第三压力传感器用于检测所述输出端和所述流量控制单元之间所述流体通道中的流体压力；

所述第一流量检测信息包括所述第二压力传感器检测得到的第二流体压力值、流体温度值和所述第三压力传感器检测得到的第三流体压力值。

9.根据权利要求8所述的质量流量控制器，其特征在于，所述流量控制单元包括层流元件，所述流体通道中的流体以层流形式流过该层流元件，所述控制装置根据如下计算式得到所述第一流量检测值Q1：

其中，T为所述流体温度值，P2为所述第二流体压力值，P3为所述第三流体压力值，γ和

为常数。

10.根据权利要求8所述的质量流量控制器，其特征在于，所述流量控制单元具有用于允许流体通过的限流孔，所述控制装置根据如下计算式得到所述第一流量检测值Q1：

其中，T为所述流体温度值，P2为所述第二流体压力值，P3为所述第三流体压力值，α、β、τ、ω和λ均为常数。

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