CN1237423C - 在半导体制造中工艺气体的流量控制方法、设备和系统 - Google Patents

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Abstract

半导体制造中用于控制工艺气体的分批输送的一种流量控制系统和方法。其中该流量控制系统可于输送周期内在输送一批工艺气体的流动模式下和或者非流动模式下运行。在启动输送后，于测量周期测量该系统基准容积中气体的压降，同时中断从工艺气体源到基准容积的工艺气体的流动，并且继续以被控制流量从该系统向半导体制造设备输送工艺气体。在测量周期基准容积中的压降的速率被用于确定实际的流量。当实际流量不符合输送的指定流量时，在后继的输送周期内调节了被控制流量，在该后继的输送周期内输送了另一批工艺气体。在包含高达20个装置的流量控制系统组中，节省了重要的空间。

Description

在半导体制造中工艺气体的流量控制方法、设备和系统
技术领域
本发明涉及一种流量控制系统和方法，它用于控制分批地输送工艺气体到半导体制造设备。该系统的功能部件以狭长的输送“棒”方式安装在气体管线上。
背景技术
半导体制造工艺包含一个阶段，在此阶段中根据指定周期流量的程序将工艺气体输送到设备。用质量流量控制器来确定流量，工艺气体在调节的压力下供给质量流量控制器。质量流量控制器的输出经过一个气动开/关截止阀被送到制造设备。通过致动截止阀打开和对质量流量控制器通电来启动输送，以输出一个预设定值的流量。通过致动截止阀关闭和对质量流量控制器的设定点断电来停止输出。
一个重要的考虑事项是精度，在工艺阶段以该精度输出流量。为此目的，建议将质量流量控制器设定在其满刻度值的40％-100％之间。换言之，给定的质量流量控制器有2.5至1的可调范围。还有，对于所应用的特定气体必须标定质量流量控制器。这就是说，为了覆盖从5到1000sccm(标准厘米3/分)的流量范围，对任何给定的气体需要多达6个质量流量控制器。精度考虑因素还要求质量流量控制器在某段时间内保持其标定，最好是尽可能地长久。
在Wilmer的美国NO.5865205号专利中，公开了一种动态气体流量控制器，它用于控制气体从储气罐到半导体工艺室的输送。所公开的方法和装置中涉及确定：在输送操作之前驻留于储气罐里的气体初始质量，和在气体终止流向工艺室时驻留于储气罐里气体的最终质量。比较气体的初始质量和最终质量的值，以确定在方法步骤期间从储气罐释放出的气体的实际质量。这个值作为校正伺服环的输入去修正随后的气体输送方法步骤的系统的标定常数。校正伺服环执行动态伺服环的连续自校正，其中通到工艺室的气体流动被节流口上游的可变流量阀所计量。为了测量气体流量，在输送期间节流口之前产生的气体压力被感知。
在Wilmer的专利中，流量控制的概念应用于流出储气罐的气体，而不是应用于流入管线中的气体。操纵可变流量阀的控制信号由一个电路确定，在该电路中一输入信号(代表期望的流量)于输送步骤期间被积分，以决定所期望的体积/质量。该期望体积与从储气罐取出的实际体积相比较。作为该比较的函数而产生的控制信号作为设定值被施加到控制电路。在动态控制电路中，该设定值与感知流量的压力信号相比较，并且控制信号施加于可变流量阀上，以产生所期望的压力/流量。也就是说，在Wilmer的专利中，流量信号在时间上被积分，并且与实际体积相比较。该控制信号被施加于流量控制装置上，该流量控制装置包括在节流口前面产生压力的可变流量阀。
Kennedy的美国NO.4285245号专利，公开了测量和控制管线中气体的体积流量的方法和设备。该专利所关心的是公开一种方法，该方法是确定管线中流动的气体的流量的方法，该方法通过以下步骤来确定流量：在管线中的流量测量腔下游点处施加均匀流量，在该腔的上游点处暂时限制流动，并在限制流动的时间部分内测量上游与下游点之间的该腔中的压降，压降的速率基本上是与体积流量成正比。Kennedy的专利不涉及为半导体制造分批地输送工艺气体或者流量控制系统，因此对准确地输送一批工艺气体，可以流动模式或以非流动模式运行。
对于控制半导体制造的分批地输送工艺气体来说，需要改进的方法和流量控制系统，它用增加一些部件就能使一个常规的输送棒更完善，并可检验在运行阶段输送的流量的精度。对于控制半导体制造的分批地输送工艺气体，同样需要改进的方法和流量控制系统，它增大质量流量控制器的有效范围，确保标定的长期稳定和消除了对各种特定气体预先标定的要求。
发明内容
用于控制半导体制造的分批地输送工艺气体的本发明的方法使用了本发明的流量控制系统，该系统可以流动模式运行分批输送工艺气体或以非流动模式运行，该方法包括从压缩了的工艺气体源，经由流量控制系统的流通管道，在输送周期内以受控的流量输送一批工艺气体到半导体制造设备。流量控制系统的管线包括：用于形成管线中工艺气体的调节压力的压力调节器；位于压力调节器下游用于启动和停止流动模式的开/关阀，在该流动模式中于输送周期时间内将工艺气体输送至制造设备；和位于压力调节器管线上游的用于测量输送的实际流量的基准容积。
根据本发明，提供了使用流量控制系统在半导体制造中分批地输送工艺气体的一种控制方法，该流量控制系统可在输送一批工艺气体的流动模式下和在非流动模式下运行，所述的方法包括：在输送期间以控制流量，通过所述流量控制系统的流通管线，从被压缩的工艺气体源向半导体制造设备输送一批工艺气体；在所述批量工艺气体的所述输送开始之后，于测量周期测量所述流通管线中一基准容积中所述工艺气体的压降，同时中断工艺气体通过所述管线到所述基准容积的流动，并且继续以所述受控的流量从所述流量控制系统的所述管线向所述半导体设备输送工艺气体；于所述测量周期，由所述测量确定所述基准容积中压降速率和被输送的所述批量工艺气体的实际流量，以及在所述实际流量不符合所述输送的指定流量的情况下，于后继的输送期间从所述实际流量朝所述指定流量的方向调节所述控制流量，在该后继的输送期间，输送了另一批工艺气体。
该方法还包括，在开始输送该批工艺气体后，在经由管线到基准容积的工艺气体流动中断和从流量控制系统管线向半导体制造设备以控制流量继续输送工艺气体时，测量测量周期里基准容积中工艺气体的压降。测量周期里基准容积中压降的速率和被输送的该批工艺气体的实际流量由测量确定。在实际流量不符合输送的指定流量的情况下，受控的流量，在随后的输送了另一批工艺气体的输送周期中，由实际的流量调向指定流量。
根据本发明，还提供了应用于具有压缩气体源的流体回路中的一种流量控制系统，利用所述流量控制系统，该压缩气体将以控制流量分批地输送至目的地，所述流量控制系统可在输送一批气体的流动模式下和在非流动模式下运行，所述流量控制系统包括：流通管线，通过它可输送来自压缩气源的气体；在所述流通管线中的压力调节器，用于在所述管线中确定被调节的气体压力；在所述压力调节器的下游所述管线中的开/关阀，用以启动和停止所述流动模式，在该流动模式中，于输送周期所述气体被输送；在所述压力调节器的上游的流通管线中的基准容积，它用于测量由所述流量控制系统输送的气体的实际流量；压力传感器，用于在输送期间启动后的测量周期开始期间，测量所述基准容积中的所述气体的压降；所述基准容积上游的所述管线中的装置，用于利用流量控制系统在输送所述气体期间，中断气体从所述压缩气源到所述基准容积的流动；控制器，用于在所述测量周期从所述基准容积中的所述测得的压降和压降的速率，确定一批被输送工艺气体的实际流量；和在所述实际流量不符合所述输送的指定流量的情况下，于后继的输送期间由所述实际流量朝所指定流量调节被控制流量，在该后继的周期输送了另一批工艺气体。
依据本发明的流量控制系统用于具有压缩气体源的流体回路中，用流量控制系统，该压缩气体以受控的流量分批地输送到目的地。该流量控制系统可以流动模式运行而输送一批气体，以及或者以非流动模式运行。流量控制系统包含：从压缩气体源通过其输送气体的流通管线；为在管线中形成调节的气体压力的流通管线上的压力调节器；位于压力调节器下游管线上用于启动和停止流动模式的开/关阀，在该流动模式中，气体被输送了一个输送周期；用于测量通过流量控制系统输送的实际气体流量的位于压力调节器上游的流通管线上的基准容积；在启动输送周期之后开始的测量周期中测量基准容积中气体压降的压力传感器；在输送气体期间利用流量控制系统中断由压缩气体源到基准容积的气体流动的位于基准容积上游管线上的装置；和在正在被输送的一批工艺气体的实际流量的测量期间由测到的压降确定基准容积中压降速率的控制器，以及在实际流量不符合输送的指定流量的情况下，在随后的输送了另一批工艺气体的输送周期中，受控的流量由实际的流量调向指定流量。
本发明的一个实施例中，系统的流量控制装置包括位于压力调节器下游的管线上的质量流量控制阀。该系统的控制器为调整受控的流量而调节质量流量控制阀的设定点数值。该质量流量控制阀最好具有可在延伸至该控制阀满刻度的100％并且有效量程为10∶1的可能的受控流量设定值的范围。
依据本发明的另一种形式，系统的流量控制装置包括一个固定的节流口，它位于压力调节器下游的流通管线上。为调节受控的压力流量，该压力调节器具有可调节的设定压力。
本发明的流量控制系统使用与
Figure C0181025800111
英寸宽的管道线相容的功能部件。该组件特征在于表面安装在组合式底座上。显著的好处是减少了输送棒的长度和使得并排地配置平行管道线成为可能，它们的中心线间距是1.2英寸，而不是当前的1.6英寸。在流量控制系统中使用了质量流量控制阀，它将控制器的有效量程从2.5∶1提高到10∶1，使得仅以三个范围：1000、200和50sccm就覆盖了5-10O0sccm的流量。在每个运行阶段通过自动标定还确保了标定的长期稳定性，并且消除了对每种特定气体都要进行标定的要求。
根据本发明，还提供了用于半导体制造的一种设备，其中一种工艺气体以被控的流量分批输送入该设备，该设备包括以下各部分的结合：压缩的工艺气体源；半导体制造设备；和流量控制系统，该流量控制系统可在将分批气体从所述压缩的工艺气体源输送到所述半导体制造设备的流动模式下和在非流动模式下运行，所述流量控制系统包括：流通管线，通过它可输送来自压缩气源的工艺气体；在所述流通管线中的压力调节器，用于确定在所述管线中被调节的工艺气体压力；在所述压力调节器下游所述管线中的开/关阀，用以启动和停止所述流动模式，在该流动模式中，于输送周期输送所述气体；在所述压力调节器上游的所述流通管线中的基准容积，它用于测量由所述流量控制系统输送的气体的实际流量；压力传感器，用于在启动输送周期后开始的测量周期中，测量所述基准容积中的所述气体的压降；在所述管线中的装置，用于所述流量控制系统输送所述气体期间，中断工艺气体从所述压缩气源到所述基准容积的流动；和控制器，用于在所述测量周期由所述测得的所述基准容积中的压降和压降的速率，确定一批被输送工艺气体的实际流量；和在所述实际流量不符合所述输送的指定流量的情况下，于后继的输送周期由所述实际流量朝所指定流量方向调节被控制流量，在该后继的周期输送了另一批工艺气体。
本发明的这些和其它的特点与优点，通过下列本发明的带有附图的几个实施例的详细说明将会变得更明显。
附图说明
图1A是依据本发明的一个实施例的用于半导体制造中分批地输送工艺气体的流量控制系统的示意图；
图1B是图1A的沿着系统的狭窄细长管道或输送“棒”的流量控制系统局部的放大示意图，系统的功能部件安装在系统中；
图2A是依据本发明的第二个实施例的用于半导体制造中分批地输送工艺气体的流量控制系统的示意图；
图2B是图1B的沿着支撑系统功能部件的狭窄细长管道或输送棒的流量控制系统局部的放大示意图；
图3图示本发明一个实施例的流程图；
图4是隔膜式压力调节器的剖视图，它可用于本发明的流量控制系统中，该调节器包含：一个可手动调节的主压力设定值组件；和一个可气动控制不同压力的设定值组件，它实际上可与主压力设定力无关地将不同的力施加到调节器膜片上；
图5是图4的调节器放大视图，以特别详细的方式表示其手动主压力设定值调节；
图6是图4和图5调节器的典型的压力响应曲线，带有受控的不同的压力设定值，该响应曲线表示调节器出口压力，该出口压力作为时间的周期函数进行描绘，并且与在恒定压力下常规运行的调节器响应曲线进行比较；
图7A、图7B分别是图1A、1B、2A、2B的流量控制系统的控制器3的前视图和后视图；
图8是图1A、1B的流量控制系统的电—气图；和
图9是图2A、2B的流量控制系统的电—气图；
具体实施方式
半导体工业在制造集成电路(IC)芯片或晶片中采用分批地输送各种工艺气体。在通常的批量生产半导体器件时，数百种相同的“集成”电路(IC)划线图形在一单个半导体晶片上的几层上通过影印石版被复制，然后依次被切成数百种相同的芯片或晶片。在每个晶片层中，电路图由金属化工艺气体，例如六氟化钨(WF6)沉积而成，而用由另一种工艺气体沉积的绝缘材料与下一层形成绝缘。这些工艺气体通常由压缩气源以不连续的流动循环或“分批”方式输送，因此需要一种可以流动模式和非流动模式交替工作的输送系统。
为此目的，根据本发明的改进流量控制系统10示于简图1中。参见图1，可见系统10包含流通管线1，来自压缩工艺气体源12的气体通过它分批地输送到半导体制造设备2。由控制器3，例如适合编程的计算机，可以流动模式运行系统10而分批地输送气体，或以非流动模式运行系统10。
为了在管线中建立调节的气体压力，流量控制系统10还包括在流通管线1中的压力调节器16。在压力调节器16的下游管线中的一个开/关阀24，由控制器3致动，以启动和停止流动模式，在流动模式期间，气体在输送周期时间内被输送。在所公开的实施例中，阀24是个气动阀，见电—气原理简图8。
基准容积5设在压力调节器16上游的流通管线1上，用来测量由下面讨论的流量控制系统所输送气体的实际流量。压力变换器形式的压力传感器6位于邻近基准容积5的流通管线1上，用来在启动输送周期后开始的测量周期中测量基准容积中气体的压降。
基准容积5含有温度传感器元件以测量容积内部气体的温度。控制器所用的温度值，连同压力下降的速率，用以确定表示标准状况的[14.7psia24和20℃(293°K)]实际流量。标准状况的流量是：
Figure C0181025800131
V是基准容积的体积，单位是cc
ΔP/Δt是压力变化速率，单位是psi/min
T是绝对温度，单位是°K。
装置14是所图示实施例中的一个气动阀，位于基准容积5的上游的流通管线1上，可由控制器3设定在关闭的位置，以在由流量控制系统输送气体到设备2期间中断工艺气体从气源12到基准容积5的流动。
依据使用本发明的流量控制系统10的半导体制造中控制分批输送工艺气体的方法，一批工艺气体在输送周期时间内以控制的流量，从压缩的工艺气体源通过流量控制系统10的流通管线1，被输送到半导体制造设备2。一批工艺气体开始输送之后，于测量周期时间内测量基准容积中工艺气体的压降，同时用阀14中断工艺气体通过管线流到基准容积和继续使工艺气体以控制的流量从控制系统10的管线输送到半导体制造设备2。
由测量周期内所测得的基准容积中工艺气体的压降、基准容积中压降的速率来依次确定被输送的一批工艺气体的实际流量。在实际流量不符合指定的、所期望的输送流量时，由系统所控制的输送流量在随后的另一批工艺气体被输送的输送期间内由实际的流量向指定的流量方向调节。在图1A和1B所公开的实施例中，这种确定和调节是用控制器3，一个编程的计算机，来完成的。在随后的输送期间内利用调节控制流量的控制器发送的信号，控制器3调节质量流量控制阀22的设定点数值，其时另一批工艺气体被输送。为此目的，控制器3包含一个基准存储器28，它存储着实际流量和质量流量控制阀的流量设定值间的数学关系，用于参照确定所控制流量的调节值大小，使得在随后的输送期间内，两个数值之间的差值被减至0。
流量控制系统10还包括气体汇流管7，它为细长的输送棒形式，其宽度小于1.5英寸。流量控制系统的部件沿着与流通管线1联通的气体汇流管配置，流通管线1通过汇流管延伸至安装在汇流管的上表面的各部件。因此，气体汇流管7用作这些部件的安装底座。在公开的实施例中，该安装底座具有1.125英寸的宽度，这就允许并排地以平行中心线间距1.20英寸的距离安置多个流量控制系统，所以可在包含高达20个装置的组中节省重要的空间。气动阀8能有选择地开通，以允许净化气体通过流量控制系统的流通管线1。
将连同常规的质量流量控制阀22一起使用的流量控制系统10，通过将质量流量控制阀的有效量程从25比1提高到10比1而提供了重要的改进，使得仅用三个范围：1000、200和50sccm就能覆盖从5至1000sccm的流量。该流量控制系统还消除了对每种特定气体进行标定的要求，并在下个阶段的每个输送阶段期间通过自动再标定，确保标定的长期稳定性。
使用的流量控制系统的半导体制造中控制分批输送工艺气体的方法涉及：通过用于输送工艺气体的流量控制器3设定为期望的设定流量值，而把期望的流量值设定为满刻度的百分之几。在该输送阶段测出实际流量，并且调节质量流量控制阀的指令，使得在其后输送阶段实际流量保持等于设定点数值。此操作可以在每个输送阶段或在所希望数目的输送阶段之后被重复。由测量基础容积5中的压力变化来确定的实际流量是用标准单位表示的，并且基本上适用于任何气体。实际值与期望的设定点数值相比较。如果这两个数值间有任何差别，则流量控制系统修正发送到质量流量控制阀22的指令，使得该差别(误差信号)减至0。
图7A和图8中，在控制器3上的数字显示器40，允许操作者利用转换开关41去轮流阅读设定点流量数值和实际流量数值。设定点数值可以致动增加按钮42和减少按钮43来调整。第二个开关44允许启动和停止工艺气体的输送。通常，压力调节器16被设定为提供给调节压力是10-15psi的质量流量控制阀22，用于测量实际流量的小基准容积5直接安装在压力调节器的上游。压力转换器6测量该容积中的压力。气动开/关阀14被安装在该容积的上游。当阀14打开时，它在常用压力40-50psi下向该容积供给来自气源管线12的工艺气体。对于系统10不需要精确调节气源压力，例如可在45psi和60psi之间的任何位置。
在输送阶段开始之前，气源开/关阀14是打开的，并且基准容积5被在气源压力充注。压力调节器16在质量流量控制阀22的入口处保持一个恒定的压力。在给定的输送操作开始时，该操作一般持续20-40秒，质量流量控制阀22下游的开/关阀24被操纵至开启，并且质量流量控制阀通电，以设定点数值去输送流量。测量周期起始于输送开始之后，例如开始输送后1秒钟。随着工艺气体的连续输送，基准容积5中的压力是逐渐降低的。测量周期持续的最长时间为20秒，或在测量容积中的压力达到诸如20psi的预定值时结束。在测量周期结束时，控制器3的显示器40上显示的流量被修正得与所测的精确数值相符合，以及如果需要的话，可确定任何修正因素将应用到下一个输送阶段。测量周期结束时出现在压力调节器入口处的压力变化不影响调节器的出口压力，如上所述，该调节器的出口压力一般设定为10-15psi。所以，基准容积5中的压力可以从额定值50psi降到限定值20psi。在较低的流量值下，测量周期将限制为最长20秒。在较高的流量值下，20psi限定值会在20秒限定值之前出现。
在输送阶段开始时，控制器上的流量显示器40将显示先前的输送流量值。然后，当完成了一个测量周期时，它将转而显示当时的流量。由于测量周期的结束，气源端的开/关阀14被操纵至开启，并且基准容积5中的压力返回到气源的压力水平。这不影响施加到质量流量控制阀入口处的调节压力。
图2A和2B实施例中的流量控制系统10′不需要质量流量控制阀22和其附属的截止阀。利用压力调节器16′和包含在开/关阀座20上的节流口36来提供流量控制。对于给定的节流口，通过压力调节器16′，流量与施加于其上的绝对压力成正比。在此应用中，压力调节器的设定值是由施加于压力调节器圆帽上的压力信号来确定的。该压力信号由电/气转换器38产生，见图2A和图9，转换器38产生一个与来自控制器3的输入电压成正比的压力(与施加于质量流量控制阀的信号相类似)。当图1A和图1B的流量控制系统在运作时，在设定值和测到的流量问的任何差值(偏差信号)，都被用来修正施加到压力调节器圆帽上的压力信号。在输送阶段结束时，节流口36下游的开/关阀20被操纵至关闭和从压力调节器16′圆帽上撤去压力信号。这就使节流口36上游的压力保持在设定点数值和防止蠕变，这种蠕变通常在非流动条件下发生于压力调节器的出口。给定的节流口能以10∶1的可调范围用于输送流量，使得能仅以对应于1000、200、50sccm的三个节流口尺寸覆盖5-1000sccm的流量。
依据本发明，特别是图1A和图1B的流量控制系统10，流量控制系统的程序的操作顺序示于图3的流程图中。根据控制系统的功能说明，要指出的是：在所公开的实施例中系统的质量流量控制阀22具有200sccm的范围。压力调节器设定在标称值10psi(25psia)。基准容积的标称体积是20cc。压力转换器6具有0-100psia的范围。通往基准容积5的气源12处于标称值50psi(65psia)。如上所述，它不必非常精确(±2psi)。
如图3提到的第一个操作是在质量流量控制阀设定于100％时为流量控制系统确定标定系数。为完成这一步，控制器上的流量检测开关45被设定于“开”，并且工艺气体输送以控制器3设定于100％的方式运行和用一个标定了的流量计读出实际的输送流量。这就确立了控制器3上数字显示器40(百分比)指示的流量和实际流量之问的关系。然后在控制器中建立的标定系数使得100％指示与期望的满刻度值200sccm相符合。例如：标定输送量220sccm和流量指示为120％。为了获得100％和200sccm，标定系数将是 100 120 × 200 220 = 0.75 . 为了在数字显示器40上显示标定系数，将控制器开关44置于“停止”并且显示开关41置于“设定”，通过应用按压控制器3上的增加按钮42和减少按钮43来设定新的系数。为了核实流量是200sccm和指示是100％，进行另一次输送运行。如果需要的话，可以重复该程序。
下一步程序是，确定实际流量和质量流量控制阀流量设定范围内的设定流量之间的数学关系。这是通过设定在100％时输送运行来获得的，接着在10％设定下输送运行并且确定每次运行的实际流量(由控制器测得)。在控制器中建立了转换功能，它被用于计算要发送到质量流量控制阀的控制信号，使得流量保持等于设定值。接着的程序是建立标定运行：显示开关41设到“设定”和流动运行开关44设到“停止”，按压42和43两个按钮，并按住，直至标定系数被显示；然后将显示开关41置于“流量”。这就启动两个连续的输送运行。
下一步是为输送工艺气体，设定流量控制器22的期望的流量设定值，例如80％。这可用控制器3上的增加钮42和减少钮43来调节，同时显示开关41置于“设定”。控制器上的流量检测开关45置于“开”。将流量开关44扳到“启动”以开始输送气体。显示开关41置于“流量”，并且在输送期间可在数字显示器40上看到流量指示。在测量周期结束时，数字显示器上的流量指示将被更新。更新值的开始将短暂地闪烁(1-2秒)。将流动开关44扳到“停止”来中断输送。在控制器3上的流量检测开关45已置于“关”的情况下，数字显示器40上的流量指示在输送持续期内会保持不变。如果认为流量控制器3仅仅需要定期地标定检验，则可选择此种运行模式。
然后设定变到50％，流量检测置于“开”，而另一次输送开始，并且在数字显示器上可看到流量指示。起初，流量指示将接近50％。在测量周期结束时，将显示实际流量值。如果不是50％，则将计算修正量并以便用于下一次输送。为了确定流量值在50±0.1％，可进行2或3次运行。然后，设定变到20％，并且重复该程序。同样，设定变到10％，并且重复该程序。
图2A和图2B实施例中的流量控制系统10′的功能说明，涉及开/关阀20的使用，阀20在其座上含有一个直径0.004的节流口36。当调节压力被控制在2.5到25psia时提供10到150sccm的流量。为了确定标定系数，前面提及的程序用于获得在100％指示下流量150sccm的运行条件。为了确定传递函数或数学关系而进行下一次标定运作。然后如先前的功能说明，在80％、50％、20％和10％的指示下进行实际输送运行。
在两种功能说明中，流量控制系统10′用于提供设定流量，读出被输出流量的实际值，启动和停止输送阶段及在每次输送或按期望的周期选择流量校验。在主要的配置中，显示的和包含在流量控制系统中的功能在机器的中央计算机中完成，熟练的技工由阅读申请者的公开将会明白。
依据本发明的另外的特点，图1A、1B和图2A、2B的实施例的常规的压力调节器16和16′可用图4、图5中所示的压力调节器50取代，用于减轻压力蠕变的效应，并且当流量控制系统以交替的流动和非流动的模式运行时，能有更快的压力响应和稳态运行以改善工艺气体的利用或系统的经济性，这个压力调节器公开于1999年5月10日申请的共同所有的临时申请系列号NO.60/133295的申请中。
在基本的结构方面，调节器50包含以52标示的壳体，它可包含一个整体是环形的管座部分54和下面主体部分56。一个相连的螺母58可被装入管座54的凸缘下端60的上方，以便与主体56上端的外螺纹进行螺纹连接。由此管座54和主体部分56可结合以构成壳体52中的内腔63。上和下支承板64和65分别被夹在管座54和主体部分56之间用于支撑其它的调节器部件。每个支承板64和65分别被构成具有中心孔66和67。板65还被构成具有多个轴向延伸的通孔或通道，其中的一个通孔或通道用68标示，并且造成与主体56的升高的环形表面69压缩地结合，以实现防止流经调节器50的气体或其它流体泄露的支撑密封。
外壳52的主体部分56自身被构成具有内部流体通道70，它通常被分成L形上游部分71a和下游部分71b，每个部分都从主体56的轴向表面72延伸到其上径向表面73。流体通道70本身在调节器的入口74和出口75之间延伸，以便流体按箭头76所指的方向流动通过那里。在图1A、1B和图2A、2B的控制系统10和10′中的流体流通环路内，气体的高压力流量从气源12供输到调节器入口74，并且一个调节的较低压力流量从调节器出口75输送到质量流量控制阀22。关于这一点，调节器入口74可和经阀14与气源12连通的流体相接，同时出口75和经阀20与质量流量控制阀22连通的流体相接。如图所示，入口74和出口75的每一个可相应地分别被构造成带法兰的延伸管76a、76b，它们与主体部分56相连接。对于在流体系统10中连接来说，如图所示，延伸管76a具有一个连接的内管接头连接器78，同时延伸管76b具有一个连接的外管接头连接器80。
为了控制通过通道70的液体流量，内腔63安装一个阀组件，它包括座阀芯82和相关的阀座84，在通道70中阀座84例如用一个圆盘来构成，圆盘被支承在通道70的上游部分71a的上方，并被夹在下支承板56的中心孔67和通道部分71a的孔之间，进入主体部分56的上径向表面73。阀座84相对流向76定位，具有上游侧86和下游侧88，并且包含一个开口90，开口90容许流体压力进入内腔63的下增压室92，该下增压室部分地由下支承板65来构成。流出增压室92并进入通道70的下游部分71b的流量是通过板通道68来调节的。用作阀座盘84的圆盘用塑料或其它的聚合物材料制成较好，而最好是用氟聚合物，如kel-F(3M st.Pall，MN)。
座阀芯82可沿着调节器50的中央纵向轴线94在第一个位置与可变的第二个位置之间运动，第一个位置(见图4)是流体系统10(图1A)以其非流动模式运行时，关闭流体流动通道70的位置，而可变的第二个位置是将通过通道70的流体流量进行节流以便系统10在其流动模式下工作。为与阀座84配合，座阀芯82被设置成沿着轴线94从下面头部96延伸至上面细长的推杆部分98，该下面头部96配置在阀座84的相对上游侧86，推杆部分98依次通过开口90及下板的孔67沿轴线94从连接头部96的下接近端100延伸至上面末端102。座阀芯头部96被构造成诸如所示普通的圆锥形，当座阀芯头部96在可变的第二座阀芯位置朝向或远离阀座84运动时，使开口90的相对尺寸成环形地变化，而相应地，通过调节器的流量也改变。
为控制座阀芯82沿轴线94的运动，膜片110被安装在内腔63中，如配置成流体与通道70相连通，以构成增压室92的柔性上壁，和连接成与座阀芯82是力传递的接触。膜片110是个常规的单件或多件结构，并且包括一个圆周延伸的、通常柔韧的“隔膜”部分112，隔膜部分112径向延伸到外部边缘，该边缘构成了膜片110的外圆周，并且它被夹在用于把膜片110安装在内腔63中的上板64和下板65之间。在两片结构的膜片110中，膜片部分110被焊接、粘结或者被安装到支撑部分114，支撑部分114支持隔膜部分112，并且隔膜部分112由此轴向地延伸通过板64的孔66以构成圆柱状的伸出部115，伸出部115包括一个内部的中央通道116和一个外部的台肩118。通道116被构造成可容纳座阀芯推杠98的末端102，并制有与推杠98的外螺纹相连接的内螺纹。这样在内腔63中安装的膜片110被设置成用以响应流体压力，该压力与入口压力(Pi)和流到调节器50的流体的出口压力(P0)成正比，并且施加到以122标示的方向以推动座阀芯82朝向其关闭流体流动通道70的第一位置。大气压(Pa)通过盖经由124进入隔膜110上侧的内腔63。
主压力设定组件，整体以127标示，它可于128标示的方向上在膜片110上施加平衡力以对抗流体压力122，并且推动座阀芯82朝向其打开流体流动通道70的第二位置。这种力128，至少部分是可调节压缩的主螺旋弹簧或者容纳在内腔63中的其他弹性件产生的，该主弹簧用130处的剖视表示。在图4说明的实施例中，弹簧130与轴线94同轴地配置，以压缩中间的膜片110和手调钮132，该钮可沿着轴线94移动。对于调节器50的紧凑设计，钮132在标号134处有外螺纹，并被装在管座54中，而以螺纹与管座54的内螺纹部分136旋转连接。正如临时参考图5中所示的主压力设定组件127的放大正视图能很好地看到的，管座54被设置成具有一个窗口140(也显示于图4中的剖视图)，通过该窗口提供了用手可达到的旋钮132的滚花部分142。
回到图4的剖视图，可见到当弹簧130被配置在上保持架150和下保持架152中间时是容纳在内腔63中的。上弹簧保持架150是通常的盘状，并以紧靠方式配置成与钮132的推动部分154是力传递接触。下弹簧保持架152通常是圆柱状，并且当膜片支撑伸出部115用螺纹以力传递接触方式与保持架152的外螺纹部分156结合时，保持架152是同轴地装在膜片支撑伸出部115上方的。保持架152用一个螺母160紧固在伸出部115上，螺母160有个相连的O形环162，环162上方，弹簧130的下端可被摩擦安装以帮助弹簧与轴线94的同轴对准。压缩环164或其它垫片可用保持架152装在伸出部115上方，用于限定保持架在伸出部上方的移动。
为了在箭头122方向在隔膜110上施加一个附加力，透视图中以170标示的波形弹簧或别的可压缩件同轴地装于保持架152上方。弹簧170被支承在上支承板64与保持架152的径向向外延伸的法兰部分172之间以在其间压缩。弹簧170的这种压缩为进一步推动座阀芯82移向其第一个位置提供了偏移力，这样流体通道70在缺乏压力设定力128时通常是关闭的。在其第一个位置和第二个位置间的座阀芯82的运动可以用泡沫衬垫174来缓冲，衬垫174同轴地安装于膜片伸出部115上方，用于压紧中间保持架152和板64。因压力设定力128作用而致的座阀芯82在第二个位置的移动被保持架152的下止动表面176与板64的紧靠结合所限定。
调节器50还包括压差设定组件，通常以180标示。依据本发明的方案，提供的压差设定组件180可独立于主压力设定组件127致动以便施加一个差示的力，诸如经由膜片110上的第二个螺旋弹簧件181的压缩在箭头128方向上进一步推动座阀芯82朝向打开可进行流体流动的通道70的第二位置。在图示的图4的实施例中，压差设定组件180可响应给定输入压力(Ps)的气动开/关控制信号，Ps最好在50-60psig之间，与操纵图1的流体系统10的气动阀14和24时通常使用的压力处于同样的水平。在例如三通气动阀(未显示)的共同控制下所提供的信号除通往系统10的气动阀14和24外也通到组件180。
通过管子或其它的管接头182，压力控制信号可进入调节器50，管接头182具有例如内螺纹终端184，它是为上述三通阀或其它控制信号源的管子或其它管接头而配置的，还具有外螺纹终端186是为与调节器壳52的管接头190的螺纹连接而配置的。管接头190依次有外螺纹终端192，它是为与管座54的内螺纹上端194作螺纹连接而配置的，而取决于管接头端186尺寸的内螺纹终端196，可以通过导向套或别的变径接头体198连接到管接头端186上。管接头190的内螺纹终端196还配置有一个凹口，它延伸到内端壁200，这构成壳体52中的第二腔202。该管接头外螺纹终端192还配置有一个细长的导向部分204，导向部分204被装配在钮132的整体为圆柱形锪孔206中，以协助沿轴线94导向钮。
为了控制第二弹簧件181的压缩，活塞210具有一个连接的O形环或其它的密封或衬垫环211，活塞210安装在202腔中，可在202腔的下端壁200和上端壁212中间移动。上端壁212例如由变径接头体198的径向向内延伸的内台肩构成，该台肩环绕管接头190和变径接头体198的共用开口214，该开口214的作用是作为流体压力信号进入腔202的入口。
活塞210经一个细长的力传递件220可操纵地与弹簧181连接。该件220沿着轴线94延伸，穿过中心孔222同轴地安装，该中心孔222从上端部224至下端部226穿过管接头190、钮132和弹簧保持架150各个件而形成，上端部224配置成与活塞220紧密接触，下端部226配置成与弹簧181紧密接触。弹簧181本身同轴地安装在主压力设定弹簧130中，同时弹簧181安装在伸出部115上方，以在其台肩部分118和倒U形保持架228之间压缩，保持架228被插在弹簧181和细长件220的下端部226之间。
在腔202中，活塞210可响应控制压力信号，信号可通过孔214并作用于活塞的上表面230。这就是说，活塞210可从通常偏置的上位置到如图4所示的下位置沿轴线94移动。对于在其上位置的偏移活塞，一个可压缩的螺旋弹簧232被安装在凹槽234中，凹槽234形成于活塞的下表面236内，以便逆着管接头的下端壁200进行压缩。在其下位置，活塞210压下细长件220，细长件220依次引起弹簧181的压缩，以把差动力施加到膜片110上，该差动力大约在3-4psig。这样，可实现受控的差动力的施加可与主压力设定力无关。
由弹簧181所施加的力是“差动力”，因为它可按阶梯函数施加以引起调节器出口压力的成比例改变而不改变主压力设定。例如，在调节器50主压力设定组件127被调节至约0-30psi范围内时，差动压力设定组件180可由控制信号操纵使有效的调节器设定增大标称3psi。如果希望的话，可调节控制信号的压力值去实现差动力方面通常成比例的增大或减少。
考虑的本发明的调节器50的下一个操作时要附加参考图6，调节器50是图1的分批气体输送回路10的流体回路中使用的(以本发明的调节器50取代图中的调节器16)，其中调节器50在这种回路中典型响应按出口压力(P0)对时间(t)的曲线被描绘于250。对于给定的入口流体压力，它大约可在50-60psi之间，而规定的出口压力设定值约为15psi，该系统在时间t0前以流动模式运行。在这种模式下，气体通过调节器50以稳态流量输送，例如200sccm，而调节的出口压力约为14.8psi。在控制调节器50的主压力设定的情况下实现此压力，调节器50被调到标称的压力12psi，并且供给调节器以信号压力以便施加通常是3psi的差动压力，主压力和差动压力设定两者都可以设定在较低流量，例如50sccm。在这方面，应注意实际的调节器出口压力在稳流时是低于设定值约0.2psi，这是由于流量按从低流量到其稳态值增加时的“固有偏差”造成的。
在时间t0附近，相应于该流动模式的结束，质量流量控制阀22(图1)被命令“关”。这之后很短时间，即0.5秒或更短，气动开/关阀24被操纵至关闭，使得流体流动从稳态速度减少到0。通常与阀24动作的同时，至调节器50的信号压力中断，以撤去压差设定。在这方面，阀24和调节器50的操作最好在共同的信号压力控制下同步。
随着压差信号被移去，调节器50的有效设定减至12psi。由于出口压力保持在14.8psi的工作压力，所以该调节器关闭使得出口压力大致保持在14.8psi。根据非流动时间的长度和/或通常约在非流动模式开始和控制压力信号被撤去之间0.5秒的间隔实现调节器的关断，该出口压力经过周期Δt0可稍微增至15psi。然而，应理解到，由于被控压差设定没有明显的蠕变效应，甚至系统在两种流动模式之间运行间隔很长即1小时或更长时也是如此。
然后，在对应于下一个流动模式的开始的时间t1，继续沿着轨迹250，压力信号被恢复，以打开阀24并将压差力重新加于调节器上。这之后短暂的时间内，质量流量控制阀22被命令重新控制流量。在这种运行中，在出口压力出现任何显著的增加之前，流量可从0增至稳态值，该显著的增加是因调节器设定从12psi到15psi的有效变化而引致的蠕变的结果。因此，由于流量增加，出口压力仅减少约0.2psi，以在约0.5秒或更少的非常短的时间Δt1内快速调整工作压力。重要的是，由于未观察到过调或其它的振荡现象，从0到稳态流动的变换可在1秒或更短的时间中完成。
为了比较的目的，以250′表示的通常运行在15psi的恒定的压力设定下调节器的压力轨迹。在时间t0和持续时间Δt0′，它可以是100秒或更长，可注意到轨迹250′的出口压力，从运行压力增加了约2psi。对于本发明的阀50，与0.2psi增量相比，这样的增量是相当大的，由于时间Δt1′可以是1.5秒或更长，对一些过调或其它的振荡的效应是明显的。
所以，在所公开的流量控制系统和方法中，这个独特的和有效的流体压力调节器减轻压力蠕变现象的运行结构与方法，以及当流量控制系统运行于变动流量和非流动模式时，允许对改进的工艺气体应用或别的系统经济结构有较快的压力响应和稳态运行。
除非另有指定，结构的材料应考虑为对所涉及的各种用途来说是常用的。此类材料通常将是抗腐蚀的和或者选择成适合所输送的流体或具有所期望的机械性能。
由于预料到在本发明中可能做出某些改变，而不背离本文中所涉及的方案，因此我们的意图是：在上述说明书中包含的所有内容应被理解为解释性的，而不是限制意义的。

Claims (27)

1.使用流量控制系统在半导体制造中分批地输送工艺气体的一种控制方法，该流量控制系统可在输送一批工艺气体的流动模式下和在非流动模式下运行，所述的方法包括：
在输送期间以控制流量，通过所述流量控制系统的流通管线，从被压缩的工艺气体源向半导体制造设备输送一批工艺气体；
在所述批量工艺气体的所述输送开始之后，于测量周期测量所述流通管线中一基准容积中所述工艺气体的压降，同时中断工艺气体通过所述管线到所述基准容积的流动，并且继续以所述受控的流量从所述流量控制系统的所述管线向所述半导体设备输送工艺气体；
于所述测量周期，由所述测量确定所述基准容积中压降速率和被输送的所述批量工艺气体的实际流量，以及在所述实际流量不符合所述输送的指定流量的情况下，于后继的输送期间从所述实际流量朝所述指定流量的方向调节所述控制流量，在该后继的输送期间，输送了另一批工艺气体。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于：所述控制流量的所述调节包括所述质量流量的调节。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于：所述控制流量的所述调节包括所述压力调节器压力设定的调节。
4.根据权利要求3的方法，其特征在于：所述方法包括，在所述输送周期结束时撤去施加到压力调节器的一圆帽上的一压力信号，以防止在非流动模式时压力调节器出口处的压力蠕变。
5.根据权利要求1的方法，其特征在于：所说方法还包括确定实际流量和所述流量控制系统的设定流量之间的数学关系，和在所述所确定的正被输送的所述批量的工艺气体的实际流量不符合所述输送的所述指定流量的情况下，在确定所述控制流量的所述调整的尺度时参考所述数学关系。
6.根据权利要求5的方法，包括，在所述控制系统的基准存储器中存储所述数学关系，以便引用。
7.根据权利要求5的方法，其特征在于：包括调节一个具有所有可能的控制流量设定的范围的质量流量控制阀，该流量设定以10∶1的有效的量程延伸到其满刻度的100％。
8.根据权利要求1的方法，其特征在于：所述的测量周期具有≤20秒的持续时间。
9.根据权利要求1的方法，其特征在于：所述的测量周期持续预定的最大的持续时间或者当测量容积中压力达到预定的最小压力时较快地被终结。
10.根据权利要求1的方法，还包括，在所述测量周期结束时停止工艺气体通过所述管线流动到所述基准容积的中断，使所述基准容积中压力返回到由所述压缩气源供给的工艺气体的压力水平。
11.根据权利要求1的方法，其特征在于：所述方法还包括：
调节所述调节器的主压力设定组件，致使来自该处的所述工艺气体的流量被调节至一出口压力，该压力小于用于以控制流量输送所述工艺气体的期望出口压力；
在所述调节器的一膜片上施加一个差动力，该力与所述的压力设定力无关，致使来自该处的所述工艺气体的流量在所述输送周期里被调节至一出口压力，该压力相应于所述的期望出口压力；和
在所述输送周期结束时终止施加所述的差动力。
12.根据权利要求1的方法，包括重复所述的方法，以在后继的输送周期输送断续的另一批、用于半导体制造的工艺气体。
13.根据权利要求1的方法，其特征在于：所述控制流量至少在所述的测量周期里是保持均匀的。
14.根据权利要求1的方法，其特征在于：所述控制流量在所述整个输送期间是保持均匀的。
15.根据权利要求1的方法，其特征在于：所述的方法还包括使用所述实际流量，对输送附加的多批所述工艺气体，在整个所述范围内标定所述流量控制系统。
16.根据权利要求1的方法，还包括在所述输送期间沿着宽度小于1.5英寸细长的输送棒形式的气体管道流动所述工艺气体。
17.根据权利要求1的方法，其特征在于：还包括测量被输送的所述工艺气体的温度和使用测得的温度去表示在标准状况下所确定的所述实际流量。
18.应用于具有压缩气体源的流体回路中的一种流量控制系统，利用所述流量控制系统，该压缩气体将以控制流量分批地输送至目的地，所述流量控制系统可在输送一批气体的流动模式下和在非流动模式下运行，所述流量控制系统包括：
流通管线，通过它可输送来自压缩气源的气体；
在所述流通管线中的压力调节器，用于在所述管线中确定被调节的气体压力；
在所述压力调节器的下游所述管线中的开/关阀，用以启动和停止所述流动模式，在该流动模式中，于输送周期所述气体被输送；
在所述压力调节器的上游的流通管线中的基准容积，它用于测量由所述流量控制系统输送的气体的实际流量；
压力传感器，用于在输送期间启动后的测量周期开始期间，测量所述基准容积中的所述气体的压降；
所述基准容积上游的所述管线中的装置，用于利用流量控制系统在输送所述气体期间，中断气体从所述压缩气源到所述基准容积的流动；
控制器，用于在所述测量周期从所述基准容积中的所述测得的压降和压降的速率，确定一批被输送工艺气体的实际流量；和在所述实际流量不符合所述输送的指定流量的情况下，于后继的输送期间由所述实际流量朝所指定流量调节被控制流量，在该后继的周期输送了另一批工艺气体。
19.根据权利要求18的流量控制系统，还包括，位于所述压力调节器下游所述管线的质量流量控制阀，为调节所述控制流量，所述控制器调节所述质量流量控制阀的设定点值。
20.根据权利要求19的流量控制系统，其特征在于：所述质量流量控制阀具有可能的被控制流量设定的范围，该流量设定以10∶1的有效量程延伸到满刻度的100％。
21.根据权利要求19的流量控制系统，其特征在于：所述控制器包含一个基准存储器，存储实际流量和所述质量流量控制阀的设定流量之间的数学关系，用于在确定所述被控制流量的所述调节时引用。
22.根据权利要求18的流量控制系统，还包括具有宽度小于1.5英寸的细长的输送棒形式的气体管线，所述流量控制系统的元件沿着所述气体管线配置。
23.根据权利要求18的流量控制系统，还包括位于所述压力调节器下游管线中的固定节流口，所述压力调节器具有用于调节所述控制流量的可调压力设定。
24.根据权利要求23的流量控制系统，其特征在于：所述压力调节器是圆帽加载的压力调节器，其压力设定是通过施加在压力调节器圆帽上的流体压力来确定的，并且所述控制器在输送期结束时撤去施加到压力调节器圆帽上的压力信号，以防止所述系统的非流动模式中压力调节器出口处的压力蠕变。
25.根据权利要求18的流量控制系统，其特征在于：所述压力调节器具有流体连通地与所述压缩工艺气体源相连接的入口，出口，阀元件，该阀元件能关闭与所述调节器工艺气体的流动和对所述工艺气体通过所述调节器的流量进行节流，所述阀元件通过与它成力传递联系的膜片起作用，和被配置成与所述工艺气体在流体上沟通，以响应它的流体压力，并且所述的调节器还包含一个可调节的主压力设定组件，用于在所述膜片上施加选择的设定压力，致使来自该调节器的所述工艺气体的流量被调节至一出口压力，该压力小于以控制流量输送所述工艺气体的期望出口压力；
在所述膜片上施加一个差动力的可致动的差动力设定组件，该力与所述的压力设定力无关，致使所述力一起提供一为所期望的出口压力的所述气体的可调节出口压力，其中所述控制器在所述输送周期开始时操纵所述差动力设定组件，以便在所述输送周期内施加所述差动力，并且在所述输送周期结束时终止在所述膜片上施加所述差动力。
26.根据权利要求18的流量控制系统，其特征在于：所述用于中断的装置是个开/关阀。
27.用于半导体制造的一种设备，其中一种工艺气体以被控的流量分批输送入该设备，该设备包括以下各部分的结合：压缩的工艺气体源；半导体制造设备；和流量控制系统，该流量控制系统可在将分批气体从所述压缩的工艺气体源输送到所述半导体制造设备的流动模式下和在非流动模式下运行，
所述流量控制系统包括：
流通管线，通过它可输送来自压缩气源的工艺气体；
在所述流通管线中的压力调节器，用于确定在所述管线中被调节的工艺气体压力；
在所述压力调节器下游所述管线中的开/关阀，用以启动和停止所述流动模式，在该流动模式中，于输送周期输送所述气体；
在所述压力调节器上游的所述流通管线中的基准容积，它用于测量由所述流量控制系统输送的气体的实际流量；
压力传感器，用于在启动输送周期后开始的测量周期中，测量所述基准容积中的所述气体的压降；
在所述管线中的装置，用于所述流量控制系统输送所述气体期间，中断工艺气体从所述压缩气源到所述基准容积的流动；和
控制器，用于在所述测量周期由所述测得的所述基准容积中的压降和压降的速率，确定一批被输送工艺气体的实际流量；和在所述实际流量不符合所述输送的指定流量的情况下，于后继的输送周期由所述实际流量朝所指定流量方向调节被控制流量，在该后继的周期输送了另一批工艺气体。
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