CN112563105A - 等离子体处理装置中实现气体流量验证的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种等离子体处理装置中实现气体流量验证的系统及方法，在气盒中安装有集成流量验证系统；在对质量流量控制器的校准或验证时，气体不经过反应腔体，而是通过集成流量验证系统的罐体，从而简化容积和温度的测算，并且不受反应腔体温度、刻蚀工艺、材料吸附性等不稳定因素的影响，提高重复度和稳定性，节约时间。集成流量验证系统包含多个不同容积的罐体时，可以相应地为不同流量大小的MFC进行校准和验证，结果更为准确。

Description

等离子体处理装置中实现气体流量验证的系统及方法
技术领域
本发明涉及半导体加工等领域的气体流量控制技术，特别涉及一种等离子体处理装置中实现气体流量验证的系统及方法。
背景技术
半导体加工设备中需要精确控制气体的质量流量；每种设备的每种工艺都需要气体有相应的流量配比。例如，现有技术中的电感耦合等离子体(ICP)机台，通过气体输送系统将若干路气体输送到反应腔体中，利用射频在反应腔体内的处理区域产生等离子体，对晶片进行刻蚀等工艺处理。每路气体的供气管路上均设置有相应的MFC(质量流量控制器)来进行气体流量的控制。机台安装时，需要对每路气体的MFC进行校准，得到有关于气体流量的一组基线。在机台使用过程中，还需要定期对每路气体的MFC进行验证，将当前求得的气体流量与基线进行比较，重复度不可超过阈值，示例的阈值为±1％甚至更小，从而防止由于MFC流出的气体不准而导致工艺的偏移。
如图1所示，在理想状态下，将一个密闭容器的后端阀门关闭，使一路气体以固定的流量持续通入到抽成真空的该密闭容器内，假设该密闭容器的容积固定，温度不变，通过计算某段时间内的压力变化可以得出气体流量。
理想气体状态方程：
PV＝nRT
式中，P为气体压强，V为气体体积，n为气体物质的量，R为气体常量，T为气体的热力学温度；由此，可以推导出气体流量Q的计算公式：
Figure BDA0002350026170000011
进一步推导出：
Figure BDA0002350026170000012
式中“760”指760Torr，体积V的单位是cc，△t的单位是分钟，“273.15”指热力学温度273.15K；一段通气时间(△t)开始及结束时测得的气压值分别为P1和P2，其差值为△P，单位是Torr；V代入密闭容器的容积；T代入测得的密闭容器内的热力学温度。求得的气体流量Q的单位是sccm。
现有技术中通常以半导体加工设备的反应腔体作为上述密闭容器，进行MFC的校准和验证。参见图2，示例的ICP机台中，气盒(Gas Box)处任意一路气体经相应的供气管路进入到反应腔体10中，所述供气管路上设置有MFC来控制流量；气体入口与MFC之间的管路设有阀门V1，MFC与反应腔体10之间的管路还依次设有阀门V2、阀门V3。反应腔体10还与抽真空用的分子泵20、干泵30依次连通，分子泵20与反应腔体30之间设有阀门V4。
配合参见图1、图2所示，“校准”是在装机时执行的，先将控制精准、不发生偏移的标准MFC(goldenMFC)接入每一路供气管路上待安装MFC的位置，使气体以标准MFC设定的流量Q’，进入抽成真空的反应腔体内，关闭后端的阀门V4，反应腔体内的压力上升，测量压力的变化；在上述公式1或公式2中，Q’值代入气体流量Q处，将压力变化的数值及其对应的通气时间代入△P和△t处，将通过反应腔体的三维模型估算出的容积代入V处，用上式算出温度值T，对反应腔体进行校准，将反应腔体内的温度设定为T(或者对反应腔体的温度进行调整，直到实际测得的反应腔体内的温度为T)。
校准好的反应腔体，其容积和温度，被认为是通过上述过程获知的固定数值。利用校准好的反应腔体，对每一路气体的MFC分别进行校准。将待校准的MFC替换标准MFC接入到相应气体的供气管路，使气体以待校准MFC设定的流量，持续进入抽成真空的反应腔体内，该校准好的反应腔体的温度和容积已知，关闭阀门V4，一段时间后测试并计算该时间段内的压力变化，通过上述公式1或公式2，求得气体流量Q0，作为该MFC的基线。
在实际使用后，需要定期对每一路气体的MFC分别进行验证。待验证的MFC依照基线来设定流量Q0，使气体持续进入抽成真空的反应腔体内，该反应腔体内已稳定为校准时的温度，容积使用校准时的数值，关闭阀门V4，一段时间后测试并计算该时间段内的压力变化，通过上述公式1或公式2，求得实际的气体流量Q1。
计算重复度：
Figure BDA0002350026170000031
若求得的重复度超出设定的阈值范围(如±1％)，则认为该路MFC流出的气体不准，需要对其进行重新校准。
然而，由于上述的现有技术是使用反应腔体进行校准和验证，而随着工艺时间的增加，腔体的状况与安装时不一样，如温度会变化，腔体的内部材料会吸附某些气体等，造成反应腔体的不稳定性。这可能会导致验证时获得的重复度超过阈值±1％，却不能说明MFC是否准确。为此，往往需要大量时间将腔体状态稳定到安装时的状态，使得排除问题花费的时间长，验证困难。此外，对于某些气体(如NH3)，吸附性太强，根本无法使用腔体进行验证。
发明内容
本发明提供一种等离子体处理装置中实现气体流量验证的系统及方法，通过气盒中的集成流量验证系统来进行MFC的校准和验证，避免气体经过反应腔体，不受反应腔体不稳定因素的影响，从而节约时间，获得更准确的测试结果。
为了达到上述目的，本发明的第一个技术方案是提供一种实现气体流量验证的气体输送系统，所述气体输送系统在气体的供气管路上对应设置有控制气体流量的质量流量控制器，其特征在于，所述气体输送系统设有集成流量验证系统，对质量流量控制器进行验证和/或校准；
所述集成流量验证系统设有连接至质量流量控制器输出端的至少一条气体流通路径；所述气体流通路径包含：
罐体，具有将从质量流量控制器输出的气体引入罐体的罐体入口，以及供气体从罐体输出的罐体出口；
第一阀门，与罐体出口连接，对罐体出口开启或关闭；
压力测量装置，对气体所在管路的压力进行测量；
温度测量装置，对气体所在管路的温度进行测量。
可选地，所述压力测量装置、温度测量装置和第一阀门均设置在罐体出口之后的管路，且所述压力测量装置、温度测量装置和第一阀门集成为流量测量系统。
可选地，所述罐体内部为中空结构。
可选地，还包括：位于所述中空结构内的气体导流结构，用于使所述气体在所述罐体内均匀分布。
可选地，所述气体导流结构包括若干个沿罐体入口至罐体出口方向堆叠的导流板，每个导流板具有至少一圈的引导通道，且相邻导流板的引导通道之间相互连通。
可选地，所述气体导流结构包括若干个相互分立的分布板，所述分布板与气体的流动方向具有夹角，各个所述分布板具有若干个贯穿所述分布板的通孔，所述气体由罐体入口进入罐体内，穿过所述通孔，通过所述罐体出口输出；所述压力侧壁装置和温度测量装置均设置在所述分布板内。
可选地，所述分布板的材料与罐体的材料相同。
可选地，所述集成流量验证系统设有分别连接至质量流量控制器输出端的多条气体流通路径；各条气体流通路径的罐体的容积不同；
多条气体流通路径使用各自对应的独立压力测量装置，或使用共用的压力测量装置；多条气体流通路径使用各自对应的独立温度测量装置，或使用共用的温度测量装置。
可选地，所述气体输送系统的气盒包含多路气体的供气管路，其各自设置有控制气体流量的质量流量控制器；通过共用的集成流量验证系统，或通过各自对应的独立的集成流量验证系统，对各路气体的质量流量控制器进行验证和/或校准。
可选地，所述集成流量验证系统的气体流通路径连接在质量流量控制器和干泵之间；所述罐体出口通过第一管路与所述干泵连接，所述第一阀门的开启或关闭，使该第一管路导通或阻断；
所述气体流通路径，进一步包含：
第二阀门，设置在质量流量控制器输出端与罐体入口连接的第二管路上，使该第二管路导通或阻断。
可选地，所述气体输送系统设置在半导体加工设备中；
所述集成流量验证系统设置在气盒处；
所述气体输送系统还设有连接在质量流量控制器输出端与半导体加工设备的反应腔体之间的第三管路，所述第三管路上设有控制该第三管路导通或阻断的第三阀门；所述反应腔体的排气管路依次设置有分子泵和所述干泵。
可选地，所述气体输送系统包含与集成流量验证系统并联的气体旁路，所述气体旁路连接在质量流量控制器输出端与干泵之间，通过气体旁路上设有第四阀门控制该气体旁路的导通或阻断。
可选地，第一阀门对罐体出口关闭，在质量流量控制器输出的气体稳定地向罐体内输送一段时间后，通过压力测量装置和温度测量装置测量气体所在管路上的压力及温度，得出该段时间内的压力变化，进而根据理想气体状态方程或其推导的公式来求取质量流量控制器的气体流量。
本发明的第二个技术方案是提供一种等离子体处理装置，所述等离子体处理装置包括反应腔体，所述反应腔体内进行半导体工艺处理；设有上述任意一种实现气体流量验证的气体输送系统；
在工艺处理过程中，所述气体输送系统将气盒处的若干路气体，输送到等离子体处理装置的反应腔体中，利用射频在反应腔体内的处理区域产生等离子体，对处理区域内的晶片进行相应的工艺处理；其中，若干路气体的供气管路对应设置有质量流量控制器进行气体流量的控制；
所述气体输送系统设有集成流量验证系统，在对若干路气体的质量流量控制器进行验证和/或校准时，每次将一个质量流量控制器的输出端与集成流量验证系统的指定气体流通路径连通，将该质量流量控制器输出的气体绕过反应腔体直接引入到指定气体流通路径的罐体，第一阀门对罐体出口关闭且气体稳定地输送到罐体内一段时间后，通过压力测量装置和温度测量装置测量气体所在管路上的压力及温度，得出该段时间内的压力变化，进而根据理想气体方程或其推导的公式来求取该质量流量控制器的气体流量。
可选地，所述等离子体处理装置包括电感耦合等离子体处理装置或电容耦合等离子体处理装置。
本发明的第三个技术方案是提供一种校准质量流量控制器气体流量的方法，使用上述任意一种实现气体流量验证的气体输送系统，在装机时对任意一路气体供气管路上的质量流量控制器进行校准，包含以下过程：
待校准质量流量控制器设定气体输送的流量，待校准质量流量控制器的输出端连通集成流量验证系统的指定气体流通路径，罐体出口的第一阀门开启，气体引入罐体后排出；第一阀门关闭，气体继续流入罐体后，获取气体所在管路上的压力变化的数值及其对应的通气时间，随同罐体的容积、罐体经校准的温度，代入理想气体状态方程或其推导的公式中，计算出气体流量，作为该质量流量控制器的基线。
可选地，校准质量流量控制器之前，还包含对集成流量验证系统中的罐体进行校准的过程：
供气管路上安装标准质量流量控制器设定气体输送的流量，标准质量流量控制器的输出端连通集成流量验证系统的指定气体流通路径，罐体出口的第一阀门开启，气体引入罐体后排出；第一阀门关闭，气体继续流入罐体后，获取气体所在管路上的压力变化的数值及其对应的通气时间，随同测得的罐体内温度，及标准质量流量控制器设定的流量值，代入理想气体状态方程或其推导的公式中，计算出罐体容积；此时测得的罐体内温度作为罐体经校准的温度，在对实际使用的质量流量控制器进行校准或验证时使用，并使罐体内的实际温度根据经校准的温度进行调整。
本发明的第四个技术方案是提供一种验证质量流量控制器气体流量的方法，使用上述任意一种实现气体流量验证的气体输送系统，在工艺处理过程中定期对任意一路气体供气管路上的质量流量控制器进行验证，包含以下过程：
待验证质量流量控制器根据基线设定气体输送的流量Q0，待验证质量流量控制器的输出端连通集成流量验证系统的指定气体流通路径，罐体出口的第一阀门开启，气体引入罐体后排出；第一阀门关闭，气体继续流入罐体后，获取气体所在管路上的压力变化的数值及其对应的通气时间，随同罐体的容积、罐体经校准的温度，代入理想气体状态方程或其推导的公式中，计算出实际的气体流量Q1；进而计算重复度：
Figure BDA0002350026170000061
判断求得的重复度是否超出设定的阈值范围。
可选地，待验证质量流量控制器的基线，是在装机时使用所述校准质量流量控制器气体流量的方法，对该质量流量控制器进行校准时获得的。
可选地，理想气体状态方程：
PV＝nRT
式中，气体压强P，气体的体积V，气体物质的量n，气体常量R，气体的热力学温度T；推导出气体流量Q的计算公式：
Figure BDA0002350026170000071
进一步推导出：
Figure BDA0002350026170000072
其中，体积V代入罐体的容积；气体的热力学温度T代入罐体内的温度；△P为通气时间△t对应的压力差值；
或者，进一步推导出考虑漏率时气体流量Q的计算公式：
Figure BDA0002350026170000073
其中，体积V代入罐体的容积；气体的热力学温度T代入罐体内的温度；
△P为通气时间△t对应的压力差值；Leak指罐体的漏率。
可选地，集成流量验证系统包含多条气体流通路径时，根据其中罐体容积的不同对气体流通路径进行指定；将供气管路上的质量流量控制器与指定气体流通路径连通，该质量流量控制器的气体流量与指定气体流通路径中罐体的容积相适应。
现有技术通常使用反应腔体对MFC进行验证，但腔体的温度，是否用于工艺处理，内部材料的吸附性等都会造成反应腔体的不稳定性，从而影响验证的精度。
与现有技术相比，本发明所述等离子体处理装置中实现气体流量验证的系统及方法，其优点在于：本发明在气盒中安装有集成流量验证系统，其绕过反应腔体直接与干泵连接；在对质量流量控制器进行验证时，气体不经过反应腔体，而是通过集成流量验证系统的罐体，从而不受反应腔体不稳定因素(温度、刻蚀工艺、材料吸附性等)的影响。
本发明使用集成流量验证系统验证或校准质量流量控制器时，重复度和稳定性高于使用反应腔体的现有技术；本发明省去了反复调整使腔体状态稳定或排除问题花费的时间；本发明所需时间为使用腔体时的四分之一，大大节约了时间。
本发明的集成流量验证系统至少包含一个罐体，简化了容积和温度的测算，提高了效率。集成流量验证系统包含多个不同容积的罐体时，可以相应地为不同流量大小的质量流量控制器进行校准和验证，结果更为准确。
附图说明
图1是理想状态下进行气体流量计算的原理示意图；
图2是现有技术中进行MFC校准和验证时的系统结构示意图；
图3是本发明一个实施例中通过IFV进行MFC校准和验证时的系统结构示意图；
图4是本发明另一个实施例中通过IFV进行MFC校准和验证时的系统结构示意图；
图5是本发明的IFV中一种罐体的结构示意图；
图6是本发明的IFV中另一种罐体的结构示意图；图7是图6中奇数层所述导流板沿X方向的一种结构示意图；图8是图6中偶数层所述导流板沿X方向的一种结构示意图。
图9是本发明的IFV中又一种罐体的结构示意图；
图10是包含图9中罐体的一种通过IFV进行MFC校准和验证时的系统结构示意图；
图11是本发明的IFV中一条气体流通路径的设备布置示意图；
图12是本发明使用IFV时进行MFC校准和验证时的压力变化示意图；
图13是本发明使用IFV进行气体流量计算时的流程示意图。
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说明。
本发明提供一种实现气体流量验证的气体输送系统及方法，适用于半导体加工设备等需要进行气体流量控制的任何一种设备，例如是电感耦合等离子体处理装置或电容耦合等离子体处理装置，通过气体输送系统将若干路气体输送到反应腔体中，利用射频在反应腔体内的处理区域产生等离子体，对晶片进行刻蚀等工艺处理。每路气体的供气管路上均设置有相应的MFC(质量流量控制器)来进行气体流量的控制。
图3示出气体输送系统及其中集成流量验证系统的一个实施方式。气盒(Gas Box)处的一路气体Gas1经相应的供气管路进入到反应腔体10中，所述供气管路上设置有MFC来控制流量；气盒与MFC之间的管路设有阀门V1，MFC与反应腔体10之间的管路还依次设有阀门V2、阀门V3。反应腔体10还与分子泵20连通，在分子泵20之后的排气管路上还设置有干泵30，分子泵20与反应腔体10之间设有阀门V4；分子泵20与干泵30在对反应腔体10抽真空时分别使用；一般先通过干泵30将反应腔体10内从大气压抽到指定的压力，比如100mTorr，之后开启分子泵20，将反应腔体10内从前述指定的压力再抽到真空状态，即从100mTorr抽到几乎为0mTorr。
本发明在气盒处设置有集成流量验证系统IFV(integrated flow rateverification)，用来对MFC进行校准和验证。所述集成流量验证系统IFV包含阀门V5、罐体40(Tank)和流量测量系统FMS(flow rate measurement system)；其中，阀门V5的输入端，接在阀门V2与阀门V3之间，阀门V5的输出端连接罐体40的入口，在相应的阀门V1、V2、V5开启(阀门V3关闭)时可以将气体引入到罐体40中；与罐体40出口连通的管路上设置流量测量系统FMS的压力测量装置(PC)、温度测量装置(TC)和阀门V6；阀门V6之后的管路直接连通到干泵30，气体可以不经过反应腔体10而由干泵30直接抽走。
本例中压力测量装置、温度测量装置和阀门V6均位于罐体40出口之后的管路上，且压力测量装置、温度测量装置和阀门V6集成为FMS。在其他的示例中，可以将阀门V6留在罐体40出口与干泵30之间的管路上，而将压力测量装置和/或温度测量装置的感测元件安装到罐体40上或管路的其他位置，对压力变化及温度变化进行测量。
图4示出气体输送系统及其中集成流量验证系统IFV的另一个实施方式。气盒处分多路供气管道将气体Gas11、Gas12、Gas13输送到反应腔体10，各供气管路上对应设置有MFC11、MFC12、MFC13来控制流量；分别对应三路气体，在气体入口与其各自MFC之间的管路分别设有阀门V11、V12、V13，各MFC之后的管路分别设有阀门V21、V22、V23。阀门V21、V22、V23的输出端连通，一路通过共用的阀门V3连接反应腔体10，该反应腔体10之后的排气管路依次设置分子泵20、阀门V4、干泵30。
阀门V21、V22、V23的输出端之后的另一路，通过共用的集成流量验证系统IFV，绕过反应腔体10直接连接干泵30，来对各路气体的MFC分别进行校准和验证。本实施例的所述集成流量验证系统IFV中，压力测量装置、温度测量装置和阀门V6均位于罐体40出口之后的管路上，且压力测量装置、温度测量装置和阀门V6集成为FMS，包含两条气体输送路径及两者共用的流量测量系统FMS。一条气体输送路径依次设置阀门V50、第一罐体41、阀门V51，另一条气体输送路径依次设置阀门V52、第二罐体42、阀门V53；其中，第一罐体41、第二罐体42的容积不同。阀门V50、V52的输入端并列地接在阀门V21、V22、V23的输出端之后；阀门V51、V53的输出端并列地连接流量测量系统FMS；所述流量测量系统FMS设有压力测量装置(PC)、温度测量装置(TC)和阀门V6，阀门V6之后的管路直接连通到干泵30。
控制相应阀门的启闭，可以将三路气体中任意选定的一路，绕过反应腔体10直接输送到集成流量验证系统IFV，进入指定的一条气体输送路径中。以第一路气体Gas11为例，其供气管路上的阀门V11、V21开启，其他气体的供气管路上的阀门V12、V22、V13、V23关闭；阀门V3关闭，避免气体进入反应腔体10。阀门V50、V51开启(V52、V53关闭)，可以使选定的一路气体经过第一罐体41后，与流量测量系统FMS连接；阀门V52、V53开启(V50、V51关闭)，可以使选定的一路气体经过第二罐体42后，与流量测量系统FMS连接。第一罐体41、第二罐体42的容积不同，当需要校准小流量的MFC时，使用小容积的罐体40(本例是第一罐体41)；当需要校准大流量的MFC时，使用大容积的罐体40(本例是第二罐体42)。
示例地还可以设置一个与集成流量验证系统IFV并联的气体旁路，其中接入一个阀门V7，可以使气体从阀门V21、V22、V23中的任意一个输出后，可以绕过集成流量验证系统IFV和/或反应腔体10，经阀门V7所在的该气体旁路直接由干泵30抽走。
以下以图4所示的通过IFV进行MFC校准和验证时的系统中的罐体40进行详细说明：
图5本发明的IFV中一种罐体的结构示意图。在本实施例中，所述罐体40内部为中空结构。
在本实施例中，在对质量流量控制器进行验证时，气体不经过反应腔体10(参考图4)，而是通过集成流量验证系统的罐体40，从而不受反应腔体10不稳定因素(温度、刻蚀工艺、材料吸附性等)的影响。
图6是本发明的IFV中另一种罐体的结构示意图；图7是图6中奇数层所述导流板沿X方向的一种结构示意图；图8是图6中偶数层所述导流板沿X方向的一种结构示意图。
在本实施例中，还包括：位于所述中空结构内的气体导流结构50，用于使所述气体在所述罐体40内均匀分布，使得压力测量装置对罐体40出口的压力测量更加准确，温度测量装置对罐体40出口的温度测量更加准确，有利于对MFC校准和验证更加精确。
在本实施例中，沿罐体40入口至罐体出口方向，所述气体导流结构50包括若干个交替堆叠的奇数层导流板50a和偶数层导流板50b，奇数层导流板50a和偶数层导流板50b分别具有至少一圈的引导通道50aa(见图7或图8)，且奇数层导流板50a与偶数层导流板50b之间相互连通。
具体的，在本实施例中，每一层的所述引导通道50aa包括两端，且一端位于导流板(50a，50b)的中间，另一端位于所述导流板(50a，50b)的边缘，其中，奇数层导流板50a的进气口设置在引导通道50aa中间的端部，奇数层导流板50a的出气口设置在引导通道50aa边缘的端部，而偶数层导流板50b的进气口设置在引导通道50aa边缘的端部，偶数层导流板50b的出气口设置在引导通道50aa中间的端部，这样，使得气体由奇数层的引导通道50aa的中心端部进入引导通道50aa，经过奇数层的引导通道50aa之后，从奇数层的引导通道50aa的边缘端部进入偶数层的引导通道50aa的边缘进气口，在所述偶数层的引导通道50aa内传输后，被输送至偶数层引导通道50aa的中间端部，再通过中间端部进入奇数层引导通道50aa中间端部的进气口，依次类推。相比较中空结构，使得气体速度更加均匀，能够减少每种气体的差异性。这是由于：所述引导通道50aa的空间均匀，气体在所述引导通道50aa的传输过程中不会因进入罐体40或者离开罐体40截面积发生突然改变带来的密度和温度的变化，使得温度测量装置对罐体出口温度的测量更加准确，有利于提高对MFC校准和验证的精确度。
在本实施例中，由于每层的引导通道50aa为多圈，且每层的引导通道50aa相邻两圈能够共用侧壁，使得罐体40内能够布局较长的引导通道50aa。而所述引导通道50aa的长度较长，有利于提高MFC校准和验证的精确度。
在其他实施例中，奇数层导流板的进气口设置在引导通道边缘的端部，奇数层导流板的出气口设置在引导通道中间的端部，而偶数层导流板的进气口设置在引导通道中间的端部，偶数层导流板的出气口设置在引导通道边缘的端部。
所述气体包括：氩气和/或氦气。
在本实施例中，所述气体为氦气，氦气更接近理想气体，密度，温度变化相对于氩气更小，使用所述集成流量验证系统测量氦气更加精准。
所述罐体40内引导通道的形状、数量、尺寸等可以根据实际应用情况确定，本文不做限定。集成流量验证系统IFV有多条气体输送路径时，除了其各自罐体40的容积不同外(如第一罐体41、第二罐体42)，可以根据需要使这些罐体40的内部结构种类相同或不同。
图9是本发明的IFV中又一种罐体的结构示意图；图10是包含图9中罐体的一种通过IFV进行MFC校准和验证时的系统结构示意图。
请参考图9和图10，所述罐体40内设置若干个相互分立的分布板60，所述分布板60与气体的流动方向具有夹角α，各个所述分布板60具有若干个贯穿所述分布板的通孔60a，所述气体由罐体入口进入罐体40内，穿过所述通孔60a，通过所述罐体出口输出。
在本实施例中，所述温度测量装置的个数为三个，且每个所述温度测量装置的测温点设置于所述分布板60中；所述压力测量装置的个数为一个，所述压力测量装置设置于所述罐体40内，使得压力测量装置测量的是罐体40内的压力而不再是测量罐体出口管路上的压力，温度测量装置测量的是罐体40内的温度而不再是测量罐体出口管路上的温度，有利于避免气体传输出罐体40后气体的压力和温度发生变化，因此，有利于更加精确的校准和/或验证MFC。
在其他实施例中，所述温度测量装置和压力测量装置的个数还可以为其他值。
在本实施例中，所述分布板60具有若干个贯穿所述分布板60的通孔60a，所述分布板60与气体的流动方向具有夹角α，使得气体在罐体40内传输的过程中，中间区域的气体与分布板60的本体接触，边缘区域的气体与罐体40的内壁接触，使得气体在罐体40内的压力分布和温度分布较均匀，使得压力测量装置对罐体40内的压力测量较准确，温度测量装置对罐体40内的温度测量较准确，有利于提高对MFC校准和验证的精确度。
在本实施例中，在所述罐体40内设置分布板60，使得进入罐体40边缘的气体与罐体40的侧壁接触，进入罐体40中间区域的气体与分布板60接触，而所述分布板60的材料与罐体40的材料相同，使得气体在罐体40内的压力分布和温度分布更加均匀，使得压力测量装置对罐体40内的压力测量更加准确，温度测量装置对罐体40内的温度测量更加准确，有利于进一步提高对MFC校准和验证的精确度。
在本实施例中，所述夹角α为90度。在其他实施例中，所述夹角为其他度数。
本发明还提供一种实现气体流量验证的方法，图3、图4的气体输送系统及其中集成流量验证系统IFV都适用。下文以图4所示具有两条气体输送路径的集成流量验证系统IFV，以选定的一路气体输送到阀门V50、V51、第一罐体41所在的路径为例，对本发明的所述方法进行说明。
如图13所示，本发明的所述方法，包含计算气体流量的过程：
步骤a1、输送选定的一路气体，该气体的供气管路上的当前MFC设定了气体输送的流量，开启阀门V6、V50、V51，使该气体经过第一罐体后被干泵抽走；
步骤a2、关闭阀门V6，使气体继续流入第一罐体，等待第一时间(本例约30s)后，记录第一时间对应的第一压力P1；再等待第二时间后，记录第二时间与第一时间的差值△t，并记录第二时间对应的第二压力P2，计算压力的差值△P＝P2-P1；
步骤a3、利用理想气体状态方程或其推导的算式，计算出气体流量。
理想气体状态方程：
PV＝nRT
式中，P为气体压强，V为气体体积，n为气体物质的量，R为气体常量，T为气体的热力学温度；由此，可以推导出气体流量Q的计算公式：
Figure BDA0002350026170000141
进一步推导出：
Figure BDA0002350026170000142
式2中“760”指760Torr，体积V的单位是cc，△t的单位是分钟，“273.15”指热力学温度273.15K；通气时间△t对应的压力差值△P，单位是Torr；气体流量Q的单位是sccm。
考虑到实际使用时，容器(反应腔体或罐体)是存在漏率的，为此进一步推导出考虑漏率时气体流量Q的计算公式：
Figure BDA0002350026170000143
式4中，体积V以容器的容积表示(单位是mL)，本例的容器是第一罐体；273.15指热力学温度273.15(K)；C指气体温度(单位是℃)；通气时间△t(单位是分钟)，对应的压力差值△P，单位是mTorr；Leak指容器的漏率(单位是mTorr/minutes)；气体流量Q的单位是sccm。
本发明所述方法的第一示例，用于对任意一路气体的相应MFC进行验证，执行包含a1～a3的气体流量计算过程。验证时，步骤a1的“当前MFC”是这一路选定气体的供气管路在实际工艺过程中使用的MFC(即待验证的MFC)，其在步骤a1设定的气体流量Q0对应于该MFC在校准时得到的基线；步骤a2中获取压力变化的数值及其对应的通气时间△P和△t，代入后续公式；步骤a3利用公式1、公式2或公式4计算气体流量时，体积V和摄氏温度C(或对应的热力学温度T)处对应代入校准时获知的体积和温度的数值，由此求得实际的气体流量Q1。则进一步通过步骤a4，计算重复度：
Figure BDA0002350026170000144
并且，判断求得的重复度是否超出设定的阈值范围(如±1％)；若超出阈值范围，则认为该路MFC流出的气体不准，需要对其进行重新校准。完成一路MFC的验证后，切换启闭的阀门(使这一路供气管路上的阀门关闭，下一路供气管路上的阀门开启)，并重复执行第一示例中a1～a4的处理；直至所有MFC都完成验证。
本发明所述方法的第二示例，用于在装机时对任意一路气体相应MFC的校准，执行包含a1～a3的气体流量计算过程。校准时，步骤a1中的“当前MFC”是这一路选定气体的供气管路上安装的用于后续实际使用的MFC(即待校准的MFC)，使这路气体以该MFC设定的流量进行输送；步骤a2中获取压力变化的数值及其对应的通气时间△P’和△t’(加撇表示校准时的时间和压差的数值可以与验证时的数值不同)，代入后续公式；步骤a3利用公式1、公式2或公式4时，体积V和摄氏温度C(或对应的热力学温度T)处对应代入已知的第一罐体的容积和温度，由此求得的气体流量Q作为该MFC的基线，在实际工艺过程中定期对该MFC验证时使用。完成一路MFC的校准后，切换启闭的阀门(使这一路供气管路上的阀门关闭，下一路供气管路上的阀门开启)，并重复执行第二示例中a1～a3的处理；直至所有MFC都完成校准。
本发明所述方法的第三示例，用于对集成流量验证系统IFV的罐体的校准，通常在校准MFC之前实行，以获取校准及验证MFC时所需的罐体容积。如校准第一罐体时，执行包含a1～a3的气体流量计算过程，其中步骤a1的“当前MFC”是任意一路选定气体的供气管路上安装的一个控制精准、不发生偏移的标准MFC(goldenMFC)，使该路气体以标准MFC设定的流量Q’输送；步骤a2中获取压力变化的数值及其对应的通气时间△P”和△t”(加两撇表示校准时的时间和压差的数值可以与验证时的数值不同)，代入后续公式；步骤a3中利用公式1、公式2或公式4时，气体流量Q处代入Q’值，温度由FMS测量而得，由此求得第一罐体的容积V，此时获得的容积将在校准和验证各路MFC时使用。
所述罐体(或罐体的内壁、或罐体内的引导通道等)，使用不与气体发生反应，或不会对气体进行吸附的材料制成，具有较为简单的形状和内部结构，使得罐体随着时间变化，不会像反应腔体那样吸附气体，导致验证的流量不准。并且，相比反应腔体而言，IFV的罐体是不加热的，环境温度也很稳定。温度传感器测量的温度精准，不受环境温度和加热器的影响。反应腔体是加热的，环境温度会受边上的其他反应腔体影响。
并且，在校准和验证MFC时，例如在执行步骤a1～a2的过程中，还需要使第一罐体的实际温度维持在校准第一罐体时获得的摄氏温度C(或对应的热力学温度T)。为此，例如第一罐体配置有对其内部温度进行调整的器件，或者，通过有限次试验可以知晓指定某个流量的某种气体在持续流过或充入第一罐体内一段时间后，该第一罐体的温度可以达到校准时的温度，则可以对通气的第一时间和/或第二时间进行设计。可以通过流量测量系统FMS的温度测量装置测得的第一罐体的实际温度，确定该实际温度是否达到校准第一罐体时获得的温度。
上述的第一示例、第二示例或第三示例中，如果当前选定气体的供气管路上安装的是小流量的MFC，可以切换集成流量验证系统IFV中的气体流通路径，将小容积的罐体(本例是第一罐体)所在路径上的阀门开启而关闭IFV中其他路径上的阀门；如果当前选定气体的供气管路上安装的是大流量的MFC，可以切换集成流量验证系统IFV中的气体流通路径，将大容积的罐体(本例是第二罐体)所在路径上的阀门开启而关闭IFV中其他路径上的阀门。IFV中的气体流通路径有更多数量时，可以相应地设置MFC的流量范围与不同容积罐体的连通关系。
图11是集成流量验证系统IFV中一条气体流通路径的布置结构示意图。MFC·71的输入端引入气体，该MFC·71通过相应的控制器711来设定气体流量(本例为500sccm)；MFC·71输出端之后分两路，一路经阀门79连接一旁路，该旁路后续可以连通至反应腔体或者IFV的其他未指定的气体流通路径(图未示出)；MFC·71输出端之后的另一路连接IFV中当前指定的一条气体流通路径，其中经阀门72连接一罐体73(示例的容积为102L)，该罐体73后端经一阀门74与干泵78连接；温度测量装置75、电容压力计76(capacitancemanometer)的感测元件分别探入罐体73内部，对温度及压力进行测量；本例中温度测量装置75示出罐体内为25℃，电容压力计76通过连接一集成有计时器的压力显示装置77，对压力差及对应时间(本例为65.2Torr和60min)同时进行显示。
图12示出使用集成流量验证系统IFV时的压力变化情况。通过旁路将MFC输出的气体直接由干泵抽走时，压力基本平稳地处于较低数值，参见箭头81处；切换阀门，使MFC输出的气体不经过旁路，而是流经罐体后被干泵抽走时，压力在小幅提升后恢复平稳状态，参见箭头82处；一段时间后，关闭罐体后端阀门，参见箭头83处，压力开始明显提升；随着通气时间增加，压力也相应增加，在该过程中记录压力变化的数值△P和对应的通气时间△t用于计算气体流量；MFC停止气体输送后，参见箭头84处，压力基本平稳地维持在提升后的较高数值；再将罐体后端阀门打开，参见箭头85处，罐体内的气体被干泵抽走，压力开始快速地下降。
综上所述，本发明提供一种等离子体处理装置中实现气体流量验证的气体输送系统及方法，通过气盒中的集成流量验证系统IFV来进行MFC的校准和验证，IFV至少包含一个罐体，其容积和温度的测算简单准确；本发明可以避免气体经过反应腔体，不受反应腔体不稳定因素的影响，从而节约时间，提高校验效率，并可以获得更准确的测试结果。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (21)

1.一种实现气体流量验证的气体输送系统，所述气体输送系统在气体的供气管路上对应设置有控制气体流量的质量流量控制器，其特征在于，所述气体输送系统设有集成流量验证系统，对质量流量控制器进行验证和/或校准；
所述集成流量验证系统设有连接至质量流量控制器输出端的至少一条气体流通路径；所述气体流通路径包含：
罐体，具有将从质量流量控制器输出的气体引入罐体的罐体入口，以及供气体从罐体输出的罐体出口；
第一阀门，与罐体出口连接，对罐体出口开启或关闭；
压力测量装置，对气体所在管路上的压力进行测量；
温度测量装置，对气体所在管路上的温度进行测量。
2.如权利要求1所述实现气体流量验证的气体输送系统，其特征在于，所述压力测量装置、温度测量装置和第一阀门均设置在罐体出口之后的管路，且所述压力测量装置、温度测量装置和第一阀门集成为流量测量系统。
3.如权利要求1所述实现气体流量验证的气体输送系统，其特征在于，所述罐体内部为中空结构。
4.如权利要求3所述实现气体流量验证的气体输送系统，其特征在于，还包括：位于所述中空结构内的气体导流结构，用于使所述气体在所述罐体内均匀分布。
5.如权利要求4所述实现气体流量验证的气体输送系统，其特征在于，所述气体导流结构包括若干个沿罐体入口至罐体出口方向堆叠的导流板，每个导流板具有至少一圈的引导通道，且相邻导流板的引导通道之间相互连通。
6.如权利要求4所述实现气体流量验证的气体输送系统，其特征在于，所述气体导流结构包括若干个相互分立的分布板，所述分布板与气体的流动方向具有夹角，各个所述分布板具有若干个贯穿所述分布板的通孔，所述气体由罐体入口进入罐体内，穿过所述通孔，通过所述罐体出口输出；所述压力测量装置和温度测量装置均设置在所述罐体内。
7.如权利要求6所述实现气体流量验证的气体输送系统，其特征在于，所述分布板的材料与罐体的材料相同。
8.如权利要求1所述实现气体流量验证的气体输送系统，其特征在于，所述集成流量验证系统设有分别连接至质量流量控制器输出端的多条气体流通路径；各条气体流通路径的罐体的容积不同；
多条气体流通路径使用各自对应的独立压力测量装置，或使用共用的压力测量装置；多条气体流通路径使用各自对应的独立温度测量装置，或使用共用的温度测量装置。
9.如权利要求8所述实现气体流量验证的气体输送系统，其特征在于，所述气体输送系统的气盒包含多路气体的供气管路，其各自设置有控制气体流量的质量流量控制器；通过共用的集成流量验证系统，或通过各自对应的独立的集成流量验证系统，对各路气体的质量流量控制器进行验证和/或校准。
10.如权利要求1中任意一项所述实现气体流量验证的气体输送系统，其特征在于，
所述集成流量验证系统的气体流通路径连接在质量流量控制器和干泵之间；
所述罐体出口通过第一管路与所述干泵连接，所述第一阀门的开启或关闭，使该第一管路导通或阻断；
所述气体流通路径，进一步包含：
第二阀门，设置在质量流量控制器输出端与罐体入口连接的第二管路上，使该第二管路导通或阻断。
11.如权利要求10所述实现气体流量验证的气体输送系统，其特征在于，所述气体输送系统设置在半导体加工设备中；
所述集成流量验证系统设置在气盒处；
所述气体输送系统还设有连接在质量流量控制器输出端与半导体加工设备的反应腔体之间的第三管路，所述第三管路上设有控制该第三管路导通或阻断的第三阀门；所述反应腔体的排气管路依次设置有分子泵和所述干泵。
12.如权利要求10所述实现气体流量验证的气体输送系统，其特征在于，所述气体输送系统包含与集成流量验证系统并联的气体旁路，所述气体旁路连接在质量流量控制器输出端与干泵之间，通过气体旁路上设有第四阀门控制该气体旁路的导通或阻断。
13.如权利要求1所述实现气体流量验证的气体输送系统，其特征在于，第一阀门对罐体出口关闭，在质量流量控制器输出的气体稳定地向罐体内输送一段时间后，通过压力测量装置和温度测量装置分别测量气体所在管路的压力及温度，得出该段时间内的压力变化，进而根据理想气体状态方程或其推导的公式来求取质量流量控制器的气体流量。
14.一种等离子体处理装置，其特征在于，所述等离子体处理装置包括反应腔体，所述反应腔体内进行半导体工艺处理；设有权利要求1～13中任意一项所述实现气体流量验证的气体输送系统；
在半导体工艺处理过程中，所述气体输送系统将气盒处的若干路气体，输送到所述反应腔体中，利用射频在反应腔体内的处理区域产生等离子体，对处理区域内的晶片进行相应的工艺处理；其中，若干路气体的供气管路各自设置有质量流量控制器进行气体流量的控制；
所述气体输送系统设有集成流量验证系统，在对若干路气体的质量流量控制器进行验证和/或校准时，每次将一个质量流量控制器的输出端与集成流量验证系统的指定气体流通路径连通，将该质量流量控制器输出的气体绕过反应腔体直接引入到指定气体流通路径的罐体，第一阀门对罐体出口关闭且气体稳定地输送到罐体内一段时间后，通过压力测量装置和温度测量装置测量气体所在管路上的压力及温度，得出该段时间内的压力变化，进而根据理想气体方程或其推导的公式来求取该质量流量控制器的气体流量。
15.如权利要求14所述等离子体处理装置，其特征在于，所述等离子体处理装置包括电感耦合等离子体处理装置或电容耦合等离子体处理装置。
16.一种校准质量流量控制器气体流量的方法，其特征在于，使用权利要求1～13中任意一项所述实现气体流量验证的气体输送系统，在装机时对任意一路气体供气管路上的质量流量控制器进行校准，包含以下过程：
待校准质量流量控制器设定气体输送的流量，待校准质量流量控制器的输出端连通集成流量验证系统的指定气体流通路径，罐体出口的第一阀门开启，气体引入罐体后排出；第一阀门关闭，气体继续流入罐体后，获取气体所在管路上的压力变化的数值及其对应的通气时间，随同罐体的容积、罐体经校准的温度，代入理想气体状态方程或其推导的公式中，计算出气体流量，作为该质量流量控制器的基线。
17.如权利要求16所述校准质量流量控制器气体流量的方法，其特征在于，校准质量流量控制器之前，还包含对集成流量验证系统中的罐体进行校准的过程：
供气管路上安装标准质量流量控制器设定气体输送的流量，标准质量流量控制器的输出端连通集成流量验证系统的指定气体流通路径，罐体出口的第一阀门开启，气体引入罐体后排出；第一阀门关闭，气体继续流入罐体后，获取罐体内压力变化的数值及其对应的通气时间，随同测得的罐体内温度，及标准质量流量控制器设定的流量值，代入理想气体状态方程或其推导的公式中，计算出罐体容积；此时测得的罐体内温度作为罐体经校准的温度，在对实际使用的质量流量控制器进行校准或验证时使用，并使罐体内的实际温度根据经校准的温度进行调整。
18.一种验证质量流量控制器气体流量的方法，其特征在于，使用权利要求1～13中任意一项所述实现气体流量验证的气体输送系统，在工艺处理过程中定期对任意一路气体供气管路上的质量流量控制器进行验证，包含以下过程：
待验证质量流量控制器根据基线设定气体输送的流量Q0，待验证质量流量控制器的输出端连通集成流量验证系统的指定气体流通路径，罐体出口的第一阀门开启，气体引入罐体后排出；第一阀门关闭，气体继续流入罐体后，获取气体所在管路上的压力变化的数值及其对应的通气时间，随同罐体的容积、罐体经校准的温度，代入理想气体状态方程或其推导的公式中，计算出实际的气体流量Q1；进而计算重复度：
Figure FDA0002350026160000051
判断求得的重复度是否超出设定的阈值范围。
19.如权利要求18所述验证质量流量控制器气体流量的方法，其特征在于，待验证质量流量控制器的基线，是装机时使用权利要求13或14所述校准质量流量控制器气体流量的方法，对该质量流量控制器进行校准时获得的。
20.如权利要求18或19所述验证质量流量控制器气体流量的方法，其特征在于，
理想气体状态方程：
PV＝nRT
式中，气体压强P，气体的体积V，气体物质的量n，气体常量R，气体的热力学温度T；推导出气体流量Q的计算公式：
Figure FDA0002350026160000052
进一步推导出：
Figure FDA0002350026160000053
其中，体积V代入罐体的容积；气体的热力学温度T代入罐体内的温度；
△P为通气时间△t对应的压力差值；
或者，进一步推导出考虑漏率时气体流量Q的计算公式：
Figure FDA0002350026160000061
其中，体积V代入罐体的容积；气体的热力学温度T代入罐体内的温度；
△P为通气时间△t对应的压力差值；Leak指罐体的漏率。
21.如权利要求18或19所述验证质量流量控制器气体流量的方法，其特征在于，
集成流量验证系统包含多条气体流通路径时，根据其中罐体容积的不同对气体流通路径进行指定；将供气管路上的质量流量控制器与指定气体流通路径连通，该质量流量控制器的气体流量与指定气体流通路径中罐体的容积相适应。
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