CN112654733A - 利用外部压力触发进行脉冲气体输送的方法和设备 - Google Patents

利用外部压力触发进行脉冲气体输送的方法和设备 Download PDF

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Abstract

一种用于流体的脉冲输送的流体控制系统以及关联方法，包括截止阀以及位于该截止阀上游的质量流量控制器(MFC)。该MFC包括：流道、对流道中的流体流量进行控制的控制阀、对流道中的流率进行测量的流量传感器，以及控制器，该控制器具有来自截止阀的指示该截止阀的打开的阀输入。该控制器被配置成，响应于阀输入来对通过控制阀的流体流量进行控制，以发起和终止从流道到截止阀的流体脉冲，从而对流体脉冲期间输送的流体质量进行控制。该阀输入可以是压力信号，并且该MFC可以包括对压力信号进行感测的压力传感器。

Description

利用外部压力触发进行脉冲气体输送的方法和设备
相关申请
本申请是2018年9月7日提交的美国申请No.16/124,669的继续申请。上述申请的全部教导通过引用并入本文。
背景技术
质量流量控制器(mass flow controller(MFC))是一种用于测量和控制液体和气体的流量的装置。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，该比例控制阀可进行调节以实现期望的质量流量。
诸如原子层淀积(ALD)工艺的半导体制造工艺可以涉及在几个处理步骤期间以各种量输送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储罐中，并且使用气体计量系统来将定量的气体从储罐输送至处理工具，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、MFC、质量流量比控制系统等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工艺工具。
发明内容
一种用于流体的脉冲输送的流体控制系统包括：截止阀以及位于该截止阀上游的质量流量控制器(MFC)。该MFC包括：流道、对流道中的流体流量进行控制的控制阀、对流道中的流率(flow rate)进行测量的流量传感器、以及控制器，该控制器具有来自截止阀的阀输入，该阀输入指示截止阀的打开。该控制器被配置成，响应于阀输入来对通过控制阀的流体流量进行控制，以发起和终止从流道到截止阀的流体脉冲，从而对流体脉冲期间输送的流体质量进行控制。
MFC可以是基于压力的MFC或热MFC。控制阀优选为比例阀，该比例阀产生与控制输入(例如，来自主机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穿过阀孔的流体流量进行控制。在MFC中使用的典型比例阀包括但不限于电磁阀和压电阀。MFC的控制器可以在流体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。
位于MFC下游的截止阀可以是快速响应的气动控制阀。该阀可以是联接至工艺腔和转移管线(divert line)的三通阀。截止阀可以通过主机控制器进行控制。
MFC的阀输入可以是压力信号，并且该MFC可以包括对压力信号进行感测的压力传感器。压力传感器可以经由接进气动管线的分接头接收压力信号，该管线中的压力使截止阀打开和关闭。通常，压力传感器可以经由通过主机控制器控制的气动管线来接收压力信号。
在阀输入是压力信号的情况下，可以将MFC的控制器配置成，将压力信号的上升沿转换成开始脉冲气体输送的触发信号。
可以将MFC的控制器配置成，根据流量设定点QSP和脉冲开启(pulse-on)时段Δt来计算摩尔设定点nSP。摩尔设定点nSP是要在流体脉冲期间输送的流体质量的目标量。脉冲开启时段Δt可以是在MFC中存储的默认值，并且流量设定点QSP可以是从主机控制器接收的。MFC可以是可编程的，以从所存储的默认值改变脉冲开启时段Δt。
可以将MFC的控制器配置成，按照下式，根据流量设定点QSP和脉冲开启时段Δt来计算摩尔设定点nSP：
nSP＝0.744*QSP*Δt (1)。
可以将控制器配置成，基于对流体脉冲期间输送的流体质量和/或脉冲开启时段Δt的持续时间的计算，将控制阀关闭。
例如，可以将控制器配置成，根据以下项来确定所输送的流体的估计摩尔数：i)测量出的流率，ii)流体脉冲的开始时间，以及iii)流体脉冲的停止时间。控制器可以基于在脉冲期间输送的流体的估计摩尔数来控制通过控制阀的流量。
可以将控制器配置成，根据下式来确定所输送的流体的实际摩尔数：
Figure BDA0002964046640000021
其中，Δn是在脉冲时段期间输送的实际摩尔数，Q是通过流量传感器测量出的流率，t1是脉冲的开始时间，t2是脉冲的停止时间。
一种输送流体脉冲的方法包括以下步骤：利用控制阀来控制流体流量进入流道；利用流量传感器对流道中的流率进行测量；从控制阀下游的截止阀接收阀输入，该阀输入指示截止阀的打开；以及响应于阀输入来对通过控制阀的流体流量进行控制，以发起和终止从流道到截止阀的流体脉冲，从而对流体脉冲期间输送的流体质量进行控制。
对通过控制阀的流体流量进行控制的步骤可以基于在流体脉冲期间来自流量传感器的反馈。
接收阀输入的步骤可以包括：感测经由接进气动管线的分接头接收到的压力信号，该管线中的压力使截止阀打开和关闭。
输送流体脉冲的方法可以包括以下步骤：接收流量设定点QSP；以及根据流量设定点QSP和脉冲开启时段Δt来计算摩尔设定点nSP，该摩尔设定点nSP是要在流体脉冲期间输送的流体质量的目标量。输送流体脉冲的方法还可以包括以下步骤：控制截止阀的打开和关闭。
在实施方式中，一种用于流体的脉冲输送的质量流量控制器(MFC)包括：流道、对流道中的流体流量进行控制的控制阀、对流道中的流率进行测量的流量传感器、以及控制器，该控制器具有来自控制阀下游的截止阀的阀输入，该阀输入指示截止阀的打开。该控制器被配置成，响应于阀输入来对通过控制阀的流体流量进行控制，以发起和终止从流道到截止阀的流体脉冲，从而对流体脉冲期间输送的流体质量进行控制。
在实施方式中，一种用于流体的脉冲输送的质量流量控制器(MFC)包括：流道、对流道中的流体流量进行控制的控制阀、对流道中的流率进行测量的流量传感器、以及控制器，该控制器具有输入并且被配置成，根据流量设定点QSP和脉冲开启时段Δt来计算摩尔设定点nSP。将控制器被配置成，响应于输入来对通过控制阀的流体流量进行控制，以发起和终止来自流道的流体脉冲，从而对流体脉冲期间输送的流体质量进行控制，该流体脉冲响应于所计算出的摩尔设定点nSP而终止。
在实施方式中，一种输送流体脉冲的方法包括以下步骤：接收流量设定点QSP；根据流量设定点QSP和脉冲开启时段Δt来计算摩尔设定点nSP；利用控制阀来控制流体流量进入流道；利用流量传感器对流道中的流率进行测量；以及响应于输入来对通过控制阀的流体流量进行控制，以发起和终止来自流道的流体脉冲，从而对流体脉冲期间输送的流体质量进行控制，该流体脉冲响应于所计算出的摩尔设定点nSP而终止。
在实施方式中，一种用于流体的脉冲输送的质量流量控制器(MFC)包括：流道、对流道中的流体流量进行控制的控制阀、对流道中的流率进行测量的流量传感器、对外部压力信号进行感测的压力传感器、以及控制器，该控制器被配置成，响应于外部压力信号，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，以发起和终止来自流道的流体脉冲，从而对流体脉冲期间输送的流体质量进行控制。
在实施方式中，一种输送流体脉冲的方法包括以下步骤：利用控制阀来控制流体流量进入流道；利用流量传感器对流道中的流率进行测量；对外部压力信号进行感测；以及响应于外部压力信号，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，以发起和终止来自流道的流体脉冲，从而对流体脉冲期间输送的流体质量进行控制。
本发明的实施方式可以包括以下特征中的一个或更多个：
(1)使用外部压力作为触发信号以开始脉冲气体输送；
(2)分接进下游正向截止阀的现有气动管线，并且将压力信号引导到脉冲气体输送装置(例如，脉冲MFC)中用于脉冲输送；
(3)将压力的上升/下降沿转换成触发信号，以供脉冲气体输送装置开始脉冲气体输送过程；
(4)使用流量设定点和脉冲开启持续时间来确定脉冲中的摩尔剂量设定点；
(5)识别气动致动的下游阀的关闭，以指示必须完成输送过程的时间；以及
(6)除了输送的细节以外，还通过脉冲输送装置报告输送的成功或失败。
在进行脉冲气体输送的现有方法中，质量流量控制器(MFC)是以恒定流量模式操作的，并且主机控制器使下游三通阀进行切换，以便以脉冲形式将流量转移到工艺腔和排放(dump)管线中。这种现有方法的缺点之一是，当在脉冲气体输送过程期间将气体转移到排放管线中时，浪费了昂贵的工艺气体。
本发明的实施方式提供了优于进行脉冲气体输送的现有方法的多个优点。实施方式包括具有外部压力触发以控制流体脉冲的输送的脉冲气体输送MFC的配置。外部压力触发可以来自控制下游阀的气动管线。由于脉冲MFC以脉冲输送模式操作，并且使用反馈来估计所输送的气体的量，因此，可以将精确摩尔量的脉冲气体输送到工艺腔中，从而最小化或消除工艺气体的浪费。此外，在使用恒定流量以及具有排放管线的阀来输送气体脉冲的现有处理工具上，通常只有最小的升级变化。实施方式可以提供以下脉冲气体输送解决方案：该解决方案可以以最少的软件和硬件改变来改装到现有的工艺工具中。
还应意识到，可以以各种方式组合所描述的实施方式的各种特征以产生许多附加的实施方式。此外，虽然已经描述了供与所公开的实施方式一起使用的各种材料、尺寸、形状、工艺、信号、各类型的流量传感器、各类型的阀等，但是在不扩展本发明范围的情况下，可以利用除所公开的内容以外的其它内容。
附图说明
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明显，如附图所示，在附图中，贯穿不同视图，相同附图标记指代相同部分。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例示了使用质量流量控制器(MFC)、3通隔离阀以及转移管线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是例示使用如图5所示的MFC装置输送的气体脉冲的脉冲形状的曲线图。
图7A是包括脉冲MFC装置的流体输送系统的示意性例示图，该脉冲MFC装置具有来自下游截止阀的阀输入。
图7B是包括脉冲MFC装置的流体输送系统的示意性例示图，该脉冲MFC装置具有经由接进下游阀的气动管线的分接头接收到的压力信号输入。
图7C是包括脉冲MFC装置的流体输送系统的示意性例示图，该脉冲MFC装置具有经由由主机控制器控制的气动管线接收到的压力信号输入。
图8是包括对外部压力信号进行感测的压力传感器的脉冲MFC装置的实施方式的示意性例示图。
图9例示了使用下游阀的气动压力来触发使用脉冲MFC进行脉冲气体输送。
图10是输送流体脉冲的方法的实施方式的流程图。
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，半导体制造工艺或化学工艺中的工艺气体)进行脉冲输送的流体控制系统以及关联的装置和方法。流体控制系统包括质量流量控制器(MFC)和位于MFC下游的截止阀。将MFC的控制器配置成，响应于阀输入来对通过MFC的控制阀的流体流量进行控制，以发起和终止从流道到截止阀的一个或更多个流体脉冲，从而对流体脉冲期间输送的流体质量进行控制。
工业工艺可能需要在将流体脉冲输送至工艺腔期间输送期望摩尔数的流体。
“摩尔”是国际单位制(SI)中对物质的量进行度量的单位，单位符号为mol。“摩尔”被定义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)中的原子一样多的构成粒子(例如，原子、分子、离子、电子或光子)，碳12是具有标准原子量12的碳同位素。该数量由Avogadro常数表示，该常数约为6.022140857×10^23mol-l。摩尔被广泛用作对化学反应的反应物和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下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)。
脉冲气体输送的先前方法包括通过主机控制器在MFC上接通和断开气体流量。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率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6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以及与转移管线和工艺腔连接的三通阀130。主机控制器120指示MFC 110提供来自气体源的恒定流率的气体，并且基于期望的脉冲持续时间启用三通阀130以将流量切换至工艺腔或者转移管线。系统100未使用实际上将多少气体输送至工艺腔的反馈。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，通过转移管线浪费工艺气体，而这是所不期望的，因为工艺气体可能很昂贵。
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使用标准流率控制来直接控制脉冲输送。标准流率控制模式可以包括以下处理步骤：
a)为了发起流量，主机控制器在期望的脉冲开始时间(t1)发送流量设定点Q。
b)为了停止流量，主机控制器在期望的停止时间(t2)发送零(“0”)流量设定点。
c)从时间(t3)开始，重复上述“n”次以获得期望的脉冲数。
图2B是例示在标准速率控制模式下使用图2A的系统200的期望流率(“设定点”)和实际流率(“流量”)的示例的曲线图。
图2A和图2B所示的现有方法有多个缺点。MFC示出了快速控制(例如，<500msec)，但是对于某些原子层淀积(ALD)和硅通孔(TSV)工艺要求，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。该输送仅以时间为基础。没有对实际的所输送气体量进行反馈。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-容积的脉冲气体输送的现有脉冲气体输送装置300。基于压力-容积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。
最初，可以在下游阀345关闭时，通过打开上游阀340来填充装置300，使气体流量(Qi)在一时间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时，将上游阀340关闭(“Vin关闭”)。然后，该过程包括时段(t2-t1)，在该时段中，可使腔室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。在将下游阀345打开后(在图3B的时间t2处，“Vout打开”)，气体流量(Qo)离开装置300，直到将阀345再次关闭(在时间t4处，“Vout关闭”)，从而在一时间段(“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 2014/0083514Al的美国专利申请No.13/626,432(现在发布为美国专利No.10,031,005 B2)中进一步描述了基于压力-容积的摩尔测量方法和装置，其全部内容通过引用并入本文。在2016年5月24日颁发给Ding等人的美国专利No.9,348,339 B2中描述了采用基于输送腔室内的压降而确定的流率的多通道脉冲气体输送，其全部内容通过引用并入本文。在2015年4月7日颁发给Ding的美国专利No.8,997,686 B2以及在2018年7月24日颁发给Ding的美国专利No.10,031,531 B2中描述了进行快速脉冲气体输送的系统和方法的进一步的示例，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方法的程序来实现图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期望的。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，这通常需要中断工艺。通常，脉冲形状(例如，脉冲宽度)不是所期望的，或者脉冲与期望的方波未充分匹配。此外，需要向腔室350填充一定体积的气体需要花费时间。各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-容积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率与气体无关，而是依赖压力(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)×输送时间(Δt＝t2–t1)，或者更精确地，通过式2。
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，期望准确且可重复地输送气体。为此，可以使用MFC的计算能力来对流率进行计算和调节，以在指定的时间内输送所需量的气体。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。MFC可以保持流率曲线下方的面积，即，Q×Δt，或者如式2所提供的。
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提供与期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MFC510发送触发信号。MFC 510包括控制阀580(例如，比例控制阀)以对从气体源到流道515中的流体流量进行控制。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工艺腔的流体。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以对流道中的流率(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。
可以根据在此复制的式2来计算脉冲气体输送量：
Figure BDA0002964046640000091
其中，Δn是输送的气体，单位为摩尔，Q是通过流量传感器测量出的流率，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。
以Junhua Ding、Michael L'Bassi和Tseng-Chung Lee的名义在2014年3月13日提交的题为“System For And Method Of Fast Pulse Gas Delivery”的美国专利申请No.14/209,216(公布为US 2014/0190571 A1)中可以找到脉冲质量流量输送系统的进一步的示例，其全部教导通过引用并入本文。
现有方法需要主机控制器将数字或模拟触发信号发送至脉冲MFC，以便开始脉冲气体输送过程。用户可能难以利用现有方法的脉冲MFC来改装现有的工艺工具，因为这样做需要软件和硬件的改变。
图6示出了使用图5的系统500的脉冲输送的曲线图。对于叠加在理想脉冲形状602上的实际脉冲形状604，流率被标绘为时间的函数。理想脉冲的脉冲宽度为300ms。曲线下方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中的气体继续从MFC流动。可以通过下游截止阀将任何残留气体转移至转移管线(参见图1)，以避免该气体流动至工艺腔。
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7A是对流体进行脉冲输送的流体控制系统700A的示意性例示图。系统700A包括脉冲MFC装置710，该脉冲MFC装置具有来自下游阀130的阀输入712A。阀130可以是常用于原子层淀积(ALD)工艺中的快速响应的气动截止阀(也被称为“ALD阀”)。MFC装置710控制从气体源通过流道到下游阀130(在此例示为三通隔离阀)的流体流量。来自截止阀130的阀输入712A指示截止阀的打开。在3通阀的背景下，打开可以是指允许流体流量通过一个阀出口(例如，去往工艺腔)，但不能通过另一阀出口(例如，去往转移管线)。将MFC装置710中的控制器配置成，响应于阀输入712A来对通过MFC的控制阀的流体流量进行控制，以发起和终止从流道到截止阀130(该截止阀在打开状态下可使流体通向工艺腔)的流体脉冲，从而对流体脉冲期间输送的流体质量进行控制。主机控制器120经由去往阀130的控制信号714A来控制阀130的打开和关闭。控制信号714A可以是电控制信号。阀130的控制可以经由中间控制阀和气动控制管线进行，举例来说，如图7B所示。MFC装置710与主机控制器120进行通信以协调流体输送过程。通常，如本文所述，MFC装置710从主机控制器120接收流量设定点QSP。
可以将MFC装置的控制器配置成，根据流量设定点QSP和脉冲开启时段Δt来计算摩尔设定点nSP，摩尔设定点nSP是要在流体脉冲期间输送的流体质量的目标量。脉冲开启时段Δt可以是在MFC中存储的默认值，并且流量设定点QSP可以是从主机控制器接收的。MFC可以是可编程的，以从所存储的默认值改变脉冲开启时段Δt。
图7B是对流体进行脉冲输送的流体控制系统700B的示意性例示图。如在系统700A中一样，脉冲MFC装置710设有阀输入，该阀输入在系统700B中是压力信号输入712B，该压力信号输入是经由接进下游阀130的气动控制管线中的分接头接收到的。气动控制管线中的压力使下游阀130打开和关闭。在操作中，主机控制器120向气动控制阀716发送控制信号714B，以触发气动控制阀将压力(例如，100PSI)传递至下游阀130达一定的持续时间。通常，该持续时间对应于用于输送流体脉冲的期望的脉冲开启时段。主机控制器120可以控制具有多个气动控制阀(例如，50至60个阀)的气动分配板。在图7B中，为简单起见，仅例示了一个气动控制阀716，但应理解，作为气动分配板的一部分，可以存在附加的阀。
图7C是对流体进行脉冲输送的流体控制系统700C的示意性例示图。如在系统700B中一样，主机控制器120控制下游阀130的打开和关闭，并且脉冲MFC装置710设有外部压力信号输入，以触发脉冲输送。在系统700C中，MFC装置710经由气动管线从控制阀718接收压力信号输入712C，该控制阀718是由主机控制器120控制的。去往气动控制阀718的控制信号714C触发气动控制阀718，以将压力(例如，100PSI)传递至脉冲MFC装置710。MFC 710的压力传感器对压力信号进行感测，该压力信号触发脉冲MFC装置710的脉冲输送。从主机控制器120到气动控制阀716的控制信号714C触发气动控制阀716，以将压力(例如，100PSI)传递至下游阀130，从而使该下游阀致动。通常，可以经由来自主机控制器的一个或更多个控制信号714C来控制气动控制阀716和718。例如，可以经由公共控制信号714C同时控制阀716和718。气动控制阀716和718可以是气动分配板的一部分，如前所述。
除了图7A至图7C中所例示的实施方式以外，还可以实现对ALD阀的状态进行感测的某些其它方式。例如，ALD阀上的位置开关可以提供对ALD的状态的反馈，以使MFC能够感测到ALD阀是打开的。
图8是包括脉冲MFC装置810的系统800的实施方式的示意性例示图，该脉冲MFC装置810包括对外部压力信号进行感测的压力传感器890。将下游ALD阀的气动压力变化(参见图1、图7A、图7B)用于触发脉冲气体输送装置810上的脉冲输送。将压力传感器890添加至脉冲气体输送装置，该压力传感器890被配置成检测下游ALD阀的气动控制压力变化。可以将压力传感器890内置到MFC装置中，并且在操作上连接至MFC控制器805，以对外部压力信号进行感测，该外部压力信号是经由馈入MFC装置中的气动管线892接收到的。将装置810配置成与主机控制器820进行通信以接收流量设定点。可以在装置810上以默认值预先配置用于脉冲输送的脉冲开启时段(以秒为单位的Δt)，但是可以通过网络浏览器界面或者某种其它合适的方法将该脉冲开启时段重新配置成另一值。可以将流量设定点QSP(以sccm为单位)用于根据在此复制的式1来计算摩尔剂量设定点nSP(以微摩尔为单位)：
nSP＝0.744*QSP*Δt (1)，
其中，Δt是(预先配置的)脉冲开启时段，0.744是单位转换因子。
MFC 810包括控制阀880(例如，比例控制阀)以对从气体源到流道815中的流体流量进行控制。将MFC 810的控制器805配置成，对通过控制阀880的流体流量进行控制，以在流体脉冲期间控制输送至工艺腔的流体。控制器805基于来自流量传感器825的反馈对通过控制阀880的流体流量进行控制，该流量传感器525被设置成对流道中的流率(Q)进行测量。流量传感器825包括处于流道815内的限流器870以及相应的上游压力传感器855和下游压力传感器865。控制阀880处于限流器870和压力传感器的上游。与系统500(图5)中的主机控制器520不同，系统800的主机控制器820不需要向MFC 810发送触发信号来发起脉冲输送周期。MFC 810的触发信号是根据阀输入(例如，通过压力传感器890感测到的压力信号)得出的。
当气动压力高于使下游ALD阀打开的处于上升沿上的预定阈值时，可以检测到脉冲气体输送触发信号。图9中在904处例示了示例气动控制压力信号。
图7A、图7B以及图8中例示的流体输送系统可以提供以下脉冲气体输送解决方案：该解决方案可以以最少的软件和硬件改变来改装到现有的工艺工具(参见图1)中。例如，主机控制器不需要被配置成向MFC发送触发信号以开始脉冲输送。
可以将具有相应下游阀的多个脉冲MFC设置为复用的，如某些工艺可能需要的。
流体输送系统也可以使用脉冲MFC来净化系统，例如，流道或工艺腔。为了净化，MFC在正常MFC模式下操作，并且阀打开命令被发送至MFC，引起控制阀的最大开度。
使用基于摩尔的脉冲输送，MFC 810对控制阀880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 810以精确的时序自动地输送一个或更多个流量脉冲，其中在各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，关闭MFC。在脉冲输送期间，MFC 810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880的流量设定点(Qsp)进行调节，以便针对各个脉冲，在目标脉冲开启时段(Ton)内精确地输送期望的摩尔数。
如本领域已知的，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)以及气体性质(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 BDA0002964046640000131
其中，C是限流器的排出系数，R是通用气体常数，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公式，并且是本领域所已知的。
尽管图8例示了被用于脉冲气体输送的基于压力的MFC，但是该MFC也可以是热MFC。对于热MFC，流量传感器是热流量传感器，该热流量传感器提供通过MFC的流率的测量。
可以利用改进的脉冲MFC(诸如MFC 710或MFC 810(图7A、图7B、图8))来对具有外部隔离阀的现有系统(诸如图1所示)进行改型，以使用本文所描述的方法，响应于来自下游隔离阀的输入对通过控制阀的流量进行控制，从而提供改善的脉冲输送。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。主机控制器简单地指定流量设定点并且控制下游截止阀的打开/关闭。MFC可以基于流量设定点和脉冲开启时段来计算每脉冲要输送的摩尔数。主机控制器可以但不需指定每脉冲要输送的摩尔数连同其它期望的工艺参数。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，基于对输送的实际摩尔的计算来对控制阀进行控制。对输送的实际摩尔的计算应当足够快，并且控制信号应当足够快以断开隔离阀以使脉冲终止。这表明应在MFC处本地进行计算。
本发明的实施方式的操作或功能可以包括：
(1)将压力传感器集成到脉冲气体输送装置中，该压力传感器对外部压力进行感测；
(2)外部压力是从气动管线分接出的，该气动管线使外部阀打开或关闭；或者
(3)外部压力可以直接来自由主机控制器控制的气动管线；
(4)将外部压力的上升/下降沿转换成触发信号，以开始脉冲气体的输送；
(5)根据预定的压力阈值来检测外部压力的上升/下降沿；
(6)脉冲的脉冲中的摩尔剂量设定点(nSP)可以根据式1，由流量设定点(QSP)和脉冲开启时段(Δt)来确定。
图9例示了使用下游阀的气动压力来触发使用脉冲MFC进行脉冲气体输送的初始测试结果。如由MFC报告的测量出的流率902被标绘为时间的函数。还标绘了如由MFC的压力传感器感测到的下游ALD阀的压力904。在906，响应于压力信号904中的阶跃，MFC的控制阀打开，该阶跃指示下游阀打开。高于阈值的压力增加是使MFC打开控制阀的触发910。在908，控制阀关闭，导致MFC报告的流量904迅速返回至零。因为MFC基于测量出的流率来控制流量，所以脉冲输送不受下游阀的瞬态变化的影响。
图9所示的初始结果证明了具有外部(压力)输入的脉冲MFC装置如预期地，响应于外部输入来开始和终止流体脉冲。脉冲气体输送的准确度足够好，从而实现期望摩尔量的输送。此外，脉冲气体输送可以在允许的下游ALD阀开闭时段内完成。
图10是输送流体脉冲的方法的实施方式的流程图1000。在1010，主机控制器将流量设定点QSP发送至脉冲MFC。在MFC上预先配置了脉冲开启时段Δt。在1020，脉冲MFC例如根据式1，基于流量设定点QSP和脉冲开启时段Δt来确定以摩尔为单位的气体剂量设定点。在1030，主机控制器控制下游阀的打开和关闭以输送气体脉冲，其中，该下游阀是由通过主机控制器控制的气动管线进行致动的。在1040，脉冲MFC对下游阀的气动管线中的压力变化进行感测，该脉冲MFC被分接进气动管线。在1050，如果感测到的压力高于预定值，则脉冲MFC开始输送气体脉冲。在1060，脉冲MFC在脉冲输送期间调节流量设定点，以满足目标摩尔设定点nSP，并且在脉冲开启时段Δt内完成输送。
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，但是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 (31)

1.一种用于流体的脉冲输送的流体控制系统，所述系统包括：
截止阀；以及
位于所述截止阀上游的质量流量控制器(MFC)，所述MFC包括：
流道，
控制阀，所述控制阀对所述流道中的流体流量进行控制，
流量传感器，所述流量传感器对所述流道中的流率进行测量，以及
控制器，所述控制器具有来自所述截止阀的指示所述截止阀的打开的阀输入，所述控制器被配置成，响应于所述阀输入来对通过所述控制阀的流体流量进行控制，以发起和终止从所述流道到所述截止阀的流体脉冲，从而对所述流体脉冲期间输送的流体质量进行控制。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器基于在所述流体脉冲期间来自所述流量传感器的反馈，来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或2所述的系统，其中，所述阀输入是压力信号，并且其中，所述MFC包括对所述压力信号进行感测的压力传感器。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述压力传感器经由接进气动管线的分接头接收所述压力信号，所述管线中的压力使所述截止阀打开和关闭。
5.根据权利要求3所述的系统，其中，所述压力传感器经由通过主机控制器控制的气动管线来接收所述压力信号。
6.根据权利要求3所述的系统，其中，所述控制器被配置成，将所述压力信号的上升沿转换成开始脉冲气体输送的触发信号。
7.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述截止阀由主机控制器控制。
8.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述控制器被配置成，根据流量设定点QSP和脉冲开启时段Δt来计算摩尔设定点nSP，所述摩尔设定点nSP是要在所述流体脉冲期间输送的所述流体质量的目标量。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述脉冲开启时段Δt是在所述MFC中存储的默认值，并且所述流量设定点QSP是从主机控制器接收的。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述MFC可编程为从所存储的默认值改变所述脉冲开启时段Δt。
11.根据权利要求8所述的系统，其中，所述控制器被配置成，基于对所述流体脉冲期间输送的所述流体质量和/或所述脉冲开启时段Δt的持续时间的计算，将所述控制阀关闭。
12.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述截止阀是联接至工艺腔和转移管线的三通阀。
13.一种输送流体脉冲的方法，所述方法包括以下步骤：
利用控制阀来控制流体流量进入流道；
利用流量传感器对所述流道中的流率进行测量；
从所述控制阀下游的截止阀接收阀输入，所述阀输入指示所述截止阀的打开；以及
响应于所述阀输入来对通过所述控制阀的流体流量进行控制，以发起和终止从所述流道到所述截止阀的流体脉冲，从而对所述流体脉冲期间输送的流体质量进行控制。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，对通过所述控制阀的流体流量进行控制的步骤是基于在所述流体脉冲期间来自所述流量传感器的反馈的。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其中，接收阀输入的步骤包括：感测经由接进气动管线的分接头接收到的压力信号，所述管线中的压力使所述截止阀打开和关闭。
16.根据权利要求13或14所述的方法，所述方法还包括：
接收流量设定点QSP；以及
根据流量设定点QSP和脉冲开启时段Δt来计算摩尔设定点nSP，所述摩尔设定点nSP是要在所述流体脉冲期间输送的所述流体质量的目标量。
17.根据权利要求13或14所述的方法，所述方法还包括：控制所述截止阀的打开和关闭。
18.一种用于流体的脉冲输送的质量流量控制器(MFC)，所述MFC包括：
流道；
控制阀，所述控制阀对所述流道中的流体流量进行控制；
流量传感器，所述流量传感器对所述流道中的流率进行测量；以及
控制器，所述控制器具有来自所述控制阀下游的截止阀的阀输入，所述阀输入指示所述截止阀的打开，所述控制器被配置成，响应于所述阀输入来对通过所述控制阀的流体流量进行控制，以发起和终止从所述流道到所述截止阀的流体脉冲，从而对所述流体脉冲期间输送的流体质量进行控制。
19.根据权利要求18所述的MFC，其中，所述控制器基于在所述流体脉冲期间来自所述流量传感器的反馈，来对通过所述控制阀的所述流体流量进行控制。
20.根据权利要求18或19所述的MFC，其中，所述阀输入是压力信号，并且其中，所述MFC包括对所述压力信号进行感测的压力传感器。
21.根据权利要求20所述的MFC，其中，所述压力传感器经由接进气动管线的分接头接收所述压力信号，所述管线中的压力使所述截止阀打开和关闭。
22.根据权利要求20所述的MFC，其中，所述压力传感器经由通过主机控制器控制的气动管线来接收所述压力信号。
23.根据权利要求20所述的MFC，其中，所述控制器被配置成，将所述压力信号的上升沿转换成开始脉冲气体输送的触发信号。
24.根据权利要求18或19所述的MFC，其中，所述控制器被配置成，根据流量设定点QSP和脉冲开启时段Δt来计算摩尔设定点nSP，所述摩尔设定点nSP是要在所述流体脉冲期间输送的所述流体质量的目标量。
25.根据权利要求24所述的MFC，其中，所述脉冲开启时段Δt是在所述MFC中存储的默认值，并且所述流量设定点QSP是从主机控制器接收的。
26.根据权利要求25所述的MFC，其中，所述MFC可编程为从所存储的默认值改变所述脉冲开启时段Δt。
27.根据权利要求24所述的MFC，其中，所述控制器被配置成，基于对所述流体脉冲期间输送的所述流体质量和/或所述脉冲开启时段Δt的持续时间的计算，将所述控制阀关闭。
28.一种用于流体的脉冲输送的质量流量控制器(MFC)，所述MFC包括：
流道；
控制阀，所述控制阀对所述流道中的流体流量进行控制；
流量传感器，所述流量传感器对所述流道中的流率进行测量；以及
控制器，所述控制器具有输入并且被配置成，根据流量设定点QSP和脉冲开启时段Δt来计算摩尔设定点nSP，所述控制器被配置成，响应于所述输入来对通过所述控制阀的流体流量进行控制，以发起和终止来自所述流道的流体脉冲，从而对所述流体脉冲期间输送的流体质量进行控制，所述流体脉冲响应于所计算出的摩尔设定点nSP而终止。
29.一种输送流体脉冲的方法，所述方法包括：
接收流量设定点QSP；
根据所述流量设定点QSP和脉冲开启时段Δt来计算摩尔设定点nSP，
利用控制阀来控制流体流量进入流道；
利用流量传感器对所述流道中的流率进行测量；以及
响应于输入来对通过所述控制阀的流体流量进行控制，以发起和终止来自所述流道的流体脉冲，从而对所述流体脉冲期间输送的流体质量进行控制，所述流体脉冲响应于所计算出的摩尔设定点nSP而终止。
30.一种用于流体的脉冲输送的质量流量控制器(MFC)，所述MFC包括：
流道；
控制阀，所述控制阀对所述流道中的流体流量进行控制；
流量传感器，所述流量传感器对所述流道中的流率进行测量；
压力传感器，所述压力传感器对外部压力信号进行感测；以及
控制器，所述控制器被配置成，响应于所述外部压力信号，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，以发起和终止来自所述流道的流体脉冲，从而对所述流体脉冲期间输送的流体质量进行控制。
31.一种输送流体脉冲的方法，所述方法包括：
利用控制阀来控制流体流量进入流道；
利用流量传感器对所述流道中的流率进行测量；
对外部压力信号进行感测；以及
响应于所述外部压力信号，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，以发起和终止来自所述流道的流体脉冲，从而对所述流体脉冲期间输送的流体质量进行控制。
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