DE60128566T2

DE60128566T2 - Durchflussregelung für ein prozessgas in der halbleiterfertigung

Info

Publication number: DE60128566T2
Application number: DE60128566T
Authority: DE
Inventors: Louis Richmond OLLIVIER
Original assignee: Parker Hannifin Corp
Current assignee: Parker Hannifin Corp
Priority date: 2000-03-27
Filing date: 2001-02-22
Publication date: 2008-01-31
Anticipated expiration: 2021-02-23
Also published as: CN1432147A; KR100697893B1; DE60128566D1; US6363958B1; HK1057621A1; EP1424614B1; US6450200B1; EP1297396A4; EP1297396A2; EP1297396B1; KR20020093857A; US20020092564A1; WO2001073820A3; EP1424614A3; EP1424614A2; AU2001241629A1; WO2001073820A2; JP4564223B2; JP2003529218A; CN1237423C

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der diskontinuierlichen Zufuhr von Prozessgas in ein Werkzeug zur Halbleiterherstellung. Funktionsbauteile des Systems sind auf einem Gasrohrverteiler in Form eines schmalen „Zufuhrstabs" montiert.
Der Halbleiterfertigungsprozess enthält eine Phase, in welcher das Prozessgas dem Werkzeug gemäß einem Programm, welches für eine Zeitperiode einen Durchfluss festlegt, zugeführt wird. Die Durchflussmenge wird durch einen Durchflussmengenregler, welcher mit Prozessgas bei einem geregelten Druck versorgt wird, hergestellt. Der Ausstoß des Durchflussmengenreglers wird dem Herstellungswerkzeug durch ein pneumatisch betätigtes Schalt-Absperrventil zugeführt. Die Zufuhr wird durch öffnendes Betätigen des Absperrventils und Erregen des Durchflussmengenreglers zur Zufuhr eines Durchflusses bei einem voreingestellten Wert gestartet. Die Zufuhr wird durch schließendes Betätigen des Absperrventils und Aberregen des Sollwerts des Durchflussmengenreglers gestoppt.
Ein wichtiger Gesichtspunkt ist die Genauigkeit, mit welcher der Durchfluss während der Prozessphase zugeführt wird. Diesbezüglich empfiehlt es sich, den Durchflussmengenregler auf einen Wert zwischen 40 und 100% seines Skalenendwerts einzustellen. In anderen Worten, ein gegebener Durchflussmengenregler hat einen Regelbereich von 2,5 zu 1. Außerdem muss der Durchflussmengenregler für das spezifische Gas, für welches er verwendet wird, kalibriert sein. Dies bedeutet, dass, um einen Bereich von Durchflüssen von 5 bis 1000 Standard-Kubikzentimetern pro Minute (sccm) abzudecken, nicht weniger als sechs Durchflussmengenregler für jedes beliebige gegebene Gas erforderlich sein können. Der Gesichtspunkt der Genauigkeit erfordert ferner, dass der Durchflussmengenregler seine Kalibrierung für eine gewisse Zeitperiode behält, vorzugsweise so lang wie möglich.
Ein dynamischer Gasdurchflussmengenregler zur Steuerung der Zufuhr eines Gases aus einem Speicherbehälter in eine Halbleiterprozesskammer ist im Wilmer erteilten US-Patent Nr. 5,865,205 offenbart. Das darin offenbarte Verfahren und die darin offenbarte Einrichtung betreffen die Bestimmung einer am Anfang, vor einem Zufuhrvorgang, im Speicherbehälter vorhandenen Gasmasse und der am Ende, nach Beendigung des Durchflusses von Gas in die Prozesskammer, im Speicherbehälter vorhandenen Gasmasse. Die Werte der Gasmassen am Anfang und am Ende werden verglichen, um die tatsächliche Masse von während des Formulierungsschritts aus dem Speicherbehälter freigesetztem Gas zu bestimmen. Dieser Wert dient als Eingabe in einen Kalibrierungs-Regelkreis, um die Systemkalibrierung für einen nachfolgenden Formulierungsschritt konstant zu halten. Die Ausführung des Kalibrierungs-Regelkreises dient als fortlaufende Selbstkalibrierung eines dynamischen Regelkreises, wobei der Durchfluss von Gas in die Prozesskammer durch ein Dosierventil stromaufwärts einer Öffnung gemessen wird. Der während der Zufuhr vor der Öffnung erzeugte Gasdruck wird erfühlt, um die Gasdurchflussmenge zu messen.
Im Wilmer erteilten Patent findet der Gedanke der Durchflussregelung statt auf ein in einer Leitung strömendes Gas auf ein aus einem Speicherbehälter ausströmendes Gas Anwendung. Das Steuersignal, welches das Dosierventil betätigt, wird durch eine Schaltung bestimmt, in welcher ein (den gewünschten Durchfluss darstellendes) Eingangssignal über die Dauer des Zufuhrschritts integriert wird, um das gewünschte Volumen/die gewünschte Masse zu definieren. Das gewünschte Volumen wird mit dem aus dem Speicherbehälter entnommenen tatsächlichen Volumen verglichen. Ein Steuersignal wird als eine Funktion dieses Vergleichs erzeugt und als ein Sollwert auf die Steuerschaltung angewendet. In der dynamischen Steuerschaltung wird der Sollwert mit dem den Durchfluss erfühlenden Drucksignal verglichen und wird ein Steuersignal auf das Dosierventil angewendet, um den gewünschten Druck/Durchfluss zu erzeugen. Das heißt, bei Wilmer wird das Durchflusssignal über die Zeit integriert und mit dem tatsächlichen Volumen verglichen. Das Steuersignal wird auf die Durchflussregelung angewendet, welche daraus besteht, dass das Dosierventil einen Druck vor der Öffnung erzeugt.
Das Kennedy erteilte Patent, US-Patent Nr. 4,285,245 offenbart ein Verfahren und eine Einrichtung zur Messung und Regelung einer volumetrischen Durchflussmenge von Gasen in einer Leitung. Das Patent ist von Interesse wegen seiner Darstellung eines Verfahrens zur Bestimmung der in einer Leitung strömenden Durchflussmenge eines Gases durch Auferlegen einer gleichförmigen Durchflussmenge an einer Stelle stromabwärts einer Durchfluss-Messkammer in der Leitung, vorübergehendes Begrenzen des Durchflusses an einer Stelle stromaufwärts der Kammer und Messen der Druckabnahme in der Kammer zwischen der stromaufwärts gelegenen Stelle und der stromabwärts gelegenen Stelle während eines Teils der Dauer des begrenzten Durchflusses, wobei die Geschwindigkeit der Druckabnahme im wesentlichen proportional zur volumetrischen Durchflussmenge ist. Das Kennedy erteilte Patent betrifft nicht die diskontinuierliche Zufuhr von Prozessgas zur Halbleiterherstellung oder ein Durchflussregelungssystem, welches zu diesem Zweck in einer Betriebsart „Durchfluss" für die genaue Zufuhr einer Partie Prozessgas und im Wechsel in einer Betriebsart „Kein Durchfluss" betrieben werden kann.
Ein Verfahren zur Steuerung der Gaszufuhr in eine Prozesskammer ist in WO 97/34208 offenbart. In der Durchflussleitung von einer Gasquelle zu einer Prozesskammer ist ein Hohlraum mit einem bekannten Volumen angeordnet, wobei ein Regelventil und ein Absperrventil zwischen dem Hohlraum und der Prozesskammer liegen. Der Einlass in diesen Hohlraum wird durch ein Absperrventil stromaufwärts dieses Hohlraums gesteuert. Ein Regelungssystem misst die Temperatur und den Druck des Gases im Hohlraum und berechnet unter Verwendung der gemessenen Temperatur- und Druckänderung in diesem Hohlraum den tatsächlichen Massedurchfluss. Wenn der Wert dieses berechneten Durchflusses nicht mit einem gewünschten Wert übereinstimmt, verstellt das Regelungssystem das Regelventil stromabwärts des Hohlraums, bis der gewünschte Wert erreicht ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung war, ein verbessertes Verfahren zur Steuerung der diskontinuierlichen Zufuhr von Prozessgas zur Halbleiterherstellung zu finden, welches einen herkömmlichen Zufuhrstab durch Hinzufügen von nur wenigen Bauteilen ergänzen kann und welches eine Überprüfung der Genauigkeit des in einer aktiven Phase zugeführten Durchflusses gestattet. Eine weitere Aufgabe der Erfindung war, den wirksamen Regelbereich des Massedurchflussreglers zu vergrößern, langfristige Stabilität der Kalibrierung sicherzustellen und Vorkalibrierungen für spezifische Gase überflüssig zu machen.
Diese Aufgaben werden durch das Verfahren nach Anspruch 1 erfinderisch gelöst. Vorteilhafterweise hat das Massedurchflussregelventil einen Bereich möglicher gesteuerter Durchflussmengen-Einstellungen, welcher sich, mit einem wirksamen Regelbereich von 10 : 1, auf 100% seiner gesamten Skala erstreckt.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 14 dargelegt.
Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende ausführliche Beschreibung mehrerer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen besser erkennbar.
1 ist eine schematische Darstellung eines Durchflussregelungssystems zur diskontinuierlichen Zufuhr von Prozessgas in der Halbleiterfertigung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
2 ist eine vergrößerte schematische Zeichnung eines Teils des Durchflussregelungssystems in 1A längs eines schmalen, länglichen Rohrverteilers oder „Zufuhrstabs" des Systems mit darauf montierten Bauteilen des Systems.
3 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Ausführung der Erfindung.
4 ist eine Schnittansicht eines Membran-Druckreglers, welcher im Durchflussregelungssystem der Erfindung verwendet werden kann, welcher Regler eine manuell einstellbare Hauptdruckeinstellanordnung und eine pneumatisch steuerbare Differentialdruckeinstellanordnung, welche betätigt werden kann, um unabhängig von der Hauptdruckeinstellkraft eine differentielle Kraft an die Reglermembran anzulegen, enthält.
5 ist eine vergrößerte Ansicht des Reglers in 4, welche dessen manuelle Hauptdruckeinstellanordnung detailliert zeigt.
6 ist eine typische Druckantwort des Reglers in 4 und 5 mit einer gesteuerten Differentialdruckeinstellung, wobei die Antwort als der Reglerauslassdruck, aufgetragen als eine zyklische Funktion der Zeit, dargestellt und der Antwort eines herkömmlich bei einem konstanten Druck betriebenen Reglers gegenübergestellt ist.
7A und 7B sind eine Vorder- bzw. eine Rückansicht des Reglers 3 des Durchflussregelungssystems in 1 und 2.
8 ist ein Elektro-/Pneumatik-Schaltplan des Durchflussregelungssystems in 1A und 1B.
Die Halbleiterindustrie verwendet die diskontinuierliche Zufuhr von Prozessgasen bei der Herstellung von Chips mit integrierten Schaltungen (IC) oder Halbleiterplättchen. Bei der üblichen Massenproduktion von Halbleitereinrichtungen werden Hunderte identischer Leiterbahnmuster integrierter Schaltungen (IC) fotolitografisch über mehrere Schichten auf einen einzigen Halbleiter-Wafer, welcher wiederum in Hunderte identischer Dice oder Chips geschnitten wird, abgebildet. In jeder der Die-Schichten werden die Leiterbahnen aus einem Metallisierungsprozessgas wie Wolframhexafluorid (WF₆) abgeschieden und durch ein aus einem anderen Prozessgas abgeschiedenes Isoliermaterial von der nächsten Schicht isoliert. Die Prozessgase werden typischerweise in diskreten Durchflusszyklen oder „Partien" aus unter Druck stehenden Vorräten zugeführt, so dass Zufuhrsysteme eines Typs benötigt werden, welcher im Wechsel in den Betriebsarten „Durchfluss" und „Kein Durchfluss" betrieben werden kann.
Ein verbessertes Durchflussregelungssystem 10 gemäß der Erfindung für diesen Zweck ist in 1 schematisch dargestellt. Wie in 1 gezeigt, kann das System 10 als eine Durchflussleitung 1, durch welche Gas aus einem unter Druck stehenden Prozessgasvorrat 12 einem Werkzeug zur Halbleiterherstellung 2 diskontinuierlich zugeführt werden kann, enthaltend angesehen werden. Das System 10 kann mittels eines Reglers 3, zum Beispiel eines entsprechend programmierten Computers, im Wechsel in einer Betriebsart „Durchfluss" für die Zufuhr einer Partie Gas und in einer Betriebsart „Kein Durchfluss" betrieben werden.
Das Durchflussregelungssystem 10 enthält ferner einen Druckregler 16 in der Durchflussleitung 1, um in der Leitung einen geregelten Gasdruck herzustellen. Ein Schaltventil 24 in der Leitung 1 stromabwärts des Druckreglers 16 wird durch den Regler 3 betätigt, um die Betriebsart „Durchfluss", während welcher das Gas für eine Zufuhrzeitperiode zugeführt wird, zu starten und zu stoppen. In der offenbarten Ausführungsform ist das Ventil 24 ein pneumatisch betätigtes Ventil; siehe Pneumatik-/Elektro-Schaltplan in 8.
Eine Referenzkapazität 5 zur Verwendung beim Messen der tatsächlichen Gasdurchflussmenge, welche das Durchflussregelungssystem wie unten erörtert zuführt, ist in der Durchflussleitung 1 stromaufwärts des Druckreglers 16 vorgesehen. Ein Drucksensor 6 in Form eines Druckwandlers befindet sich bei der Referenzkapazität 5 in der Leitung 1, um während einer nach dem Start einer Zufuhrzeitperiode beginnenden Messzeitperiode einen Druckabfall des Gases in der Referenzkapazität zu messen.
Die Referenzkapazität 5 enthält ein Temperaturfühlelement zum Messen der Temperatur des Gases innerhalb der Kapazität. Der Temperaturwert wird in Verbindung mit der Druckabnahmegeschwindigkeit vom Regler verwendet, um den tatsächlichen Durchfluss, ausgedrückt für Standardbedingungen [14,7 psia und 20° C (293° K)], zu bestimmen. Der Durchfluss für Standardbedingungen ist:
V ist das Volumen der Kapazität in ccm.
ist die Druckänderungsgeschwindigkeit in psi/min.
T ist die Temperatur in °K.
Eine Einrichtung 14, in der dargestellten Ausführungsform ein pneumatisch betätigtes Ventil, in der Leitung 1 stromaufwärts der Referenzkapazität 5 kann durch den Regler 3 in eine Aus-Stellung gestellt werden, um während der Zufuhr des Gases in das Werkzeug 2 durch das Durchflussregelungssystem den Durchfluss von Prozessgas von der Quelle 12 zur Referenzkapazität 5 zu unterbrechen.
Gemäß dem Verfahren zur Steuerung der diskontinuierlichen Zufuhr von Prozessgas zur Halbleiterherstellung mittels des Durchflussregelungssystems 10 der Erfindung wird, für eine Zufuhrzeitperiode, der Halbleiterherstellungsmaschine 2 eine Partie Prozessgas aus einer Quelle von unter Druck stehendem Prozessgas durch die Durchflussleitung 1 des Durchflussregelungssystems 10 bei einer geregelten Durchflussmenge zugeführt. Nach dem Start der Zuführung der Partie Prozessgas wird, für eine Messzeitperiode, der Druckabfall des Prozessgases in der Referenzkapazität gemessen, während der Durchfluss von Prozessgas durch die Leitung zur Referenzkapazität mit dem Ventil 14 unterbrochen und die Zufuhr von Prozessgas aus der Leitung des Durchflussregelungssystems zur Halbleiterherstellungsmaschine 2 bei der geregelten Durchflussmenge fortgeführt wird.
Aus dem gemessenen Druckabfall des Prozessgases in der Referenzkapazität für die Messzeitperiode werden die Geschwindigkeit des Druckabfalls in der Referenzkapazität und daraus wiederum die tatsächliche Durchflussmenge der zugeführt werdenden Partie Prozessgas bestimmt. Sollte die tatsächliche Durchflussmenge nicht mit einer festgelegten, gewünschten Durchflussmenge für die Zufuhr übereinstimmen, wird die geregelte Durchflussmenge der Zufuhr durch das System für eine nachfolgende Zufuhrzeitperiode, in welcher eine weitere Partie Prozessgas zugeführt wird, von der tatsächlichen Durchflussmenge in Richtung der festgelegten Durchflussmenge verstellt. In der offenbarten Ausführungsform der 1 und 2 wird dieses Bestimmen und Verstellen durch einen Regler 3, einen programmierten Computer, vorgenommen. Der Regler 3 verstellt einen Sollwert des Massedurchflussregelventils 22 nach einem vom Regler gesendeten Signal zum Verstellen der geregelten Durchflussmenge für eine nachfolgende Zufuhrzeitperiode, in welcher eine weitere Partie Prozessgas zugeführt wird. Zu diesem Zweck enthält der Regler 3 einen Referenzspeicher 28, in welchem eine mathematische Beziehung zwischen der tatsächlichen Durchflussmenge und der Durchflussmengeneinstellung des Massedurchflussregelventils gespeichert ist, auf welche beim Bestimmen der Größe der Verstellung der geregelten Durchflussmenge dergestalt, dass die Differenz zwischen den beiden Werten in der nachfolgenden Zufuhrzeitperiode auf Null verringert wird, Bezug genommen wird.
Das Durchflussregelungssystem 10 enthält ferner einen Gasrohrverteiler 7 in Form eines länglichen Zufuhrstabs mit einer Breite unter 1,5 Zoll. Bauteile des Durchflussregelungssystems sind längs des Gasrohrverteilers angeordnet, wobei sie mit der Durchflussleitung 1, welche durch den Rohrverteiler und zu jedem der auf der Oberseite des Rohrverteilers montierten Bauteile verläuft, in Verbindung stehen. Somit dient der Gasrohrverteiler 7 als Befestigungssockel für diese Bauteile. Bei der offenbarten Ausführungsform hat der Befestigungssockel eine Breite von 1,125 Zoll. Dies gestattet das Anordnen einer Vielzahl dieser Durchflussregelungssysteme nebeneinander in einem Abstand von 1,20 Zoll zwischen den parallelen Mittellinien, wodurch in einer Gruppe, die bis zu 20 Einheiten enthalten kann, viel Platz gespart wird. Das pneumatisch betätigte Ventil 8 kann selektiv geöffnet werden, um ein Reinigungsgas durch die Durchflussleitung 1 des Durchflussregelungssystems strömen zu lassen.
Das in Verbindung mit einem herkömmlichen Massedurchflussregelventil 22 zu verwendende Durchflussregelungssystem 10 bietet durch Vergrößern des wirksamen Regelbereichs des Massedurchflussregelventils von 2,5 : 1 auf 10 : 1 eine merkliche Verbesserung, wodurch es möglich wird, Durchflüsse von 5 bis 1000 sccm mit nur drei Bereichen, 1000, 200 und 50 sccm, abzudecken. Das Durchflussregelungssystem macht außerdem das Kalibrieren des Systems für jedes spezifische Gas überflüssig und gewährleistet durch automatisches Nachkalibrieren während jeder Zufuhrphase für die nächste Phase die langfristige Stabilität der Kalibrierung.
Das Verfahren zur Regelung der diskontinuierlichen Zufuhr von Prozessgas zur Halbleiterherstellung mittels des Durchflussregelungssystems umfasst das Einstellen des gewünschten Durchflusswerts als einen Prozentsatz des Skalenendwerts durch Einstellen der gewünschten Durchflusseinstellung des Durchflussreglers 3 für das Ausführen der Zufuhr von Prozessgas. Der tatsächliche Durchfluss während der Zufuhrphase wird gemessen und der Befehl an das Massedurchflussregelventil wird so angepasst, dass in der (den) nachfolgenden Zufuhrphase(n) der tatsächliche Durchfluss gleich dem Sollwert gehalten wird. Dieser Vorgang kann bei jeder Zufuhrphase oder nach einer gewünschten Anzahl von Zufuhrphasen wiederholt werden. Der durch Messen der Druckänderung in der Referenzkapazität 5 bestimmte tatsächliche Durchfluss wird in Standardeinheiten ausgedrückt und gilt im wesentlichen für jedes beliebige Gas. Der tatsächliche Wert wird mit dem gewünschten Sollwert verglichen. Bei Vorliegen einer Differenz zwischen den beiden Werten verändert das Durchflussregelungssystem das an das Massedurchflussregelventil 22 gesendete Befehlssignal so, dass die Differenz (das Fehlersignal) auf Null verringert wird.
Eine digitale Anzeige 40 in 7A und 8 am Regler 3 gestattet dem Bediener, durch Umschalten eines Schalters 41 im Wechsel den Durchfluss-Sollwert und den Durchfluss-Istwert abzulesen. Der Sollwert lässt sich durch Betätigen der Taster „Auf" 42 und „Ab" 43 verstellen. Ein zweiter Schalter 44 gestattet, die Zufuhr des Prozessgases zu starten und zu stoppen. Typischerweise ist der Druckregler 16 so eingestellt, dass er das Massedurchflussregelventil 22 bei einem geregelten Druck von 10-15 psi versorgt. Die zum Messen des tatsächlichen Dufchflusses verwendete kleine Referenzkapazität 5 ist direkt stromaufwärts des Druckreglers eingebaut. Der Druckwandler 6 misst den Druck in der Kapazität. Das pneumatisch betätigte Schaltventil 14 ist stromaufwärts der Kapazität eingebaut. Wenn das Ventil 14 geöffnet ist, versorgt es die Kapazität mit Prozessgas aus der Versorgungsleitung 12 bei einem typischen Druck von 40-50 psi. Es ist nicht erforderlich, den am System 10 anliegenden Versorgungsdruck genau zu regeln. Er kann zum Beispiel irgendwo zwischen 45 und 60 psi liegen.
Vor dem Start einer Zufuhrphase wird das Versorgungs-Schaltventil 14 geöffnet und die Referenzkapazität 5 beim Versorgungsdruck gefüllt. Der Druckregler 16 erhält am Einlass des Massedurchflussregelventils 22 einen konstanten Druck aufrecht. Beim Start eines gegebenen Zufuhrvorgangs, welcher typischerweise 20-40 Sekunden dauert, wird das Schaltventil 24 stromabwärts des Massedurchflussregelventils 22 öffnend betätigt und wird das Massedurchflussregelventil so erregt, dass es einen Durchfluss beim Sollwert zuführt. Die Messperiode beginnt nach dem Start der Zufuhr, z.B. 1 Sekunde nach dem Start der Zufuhr. Bei fortgesetzter Zufuhr des Prozessgases nimmt der Druck in der Referenzkapazität 5 allmählich ab. Die Messperiode geht für eine maximale Dauer von 20 Sekunden weiter oder wird beendet, wenn der Druck in der Messkapazität einen vorbestimmten Wert wie 20 psi erreicht. Am Ende der Messperiode wird die in der Anzeige 40 am Regler 3 angezeigte Durchflussangabe aktualisiert, so dass sie mit dem gemessenen genauen Wert übereinstimmt, und wird, wenn erforderlich, ein auf die nächste Zufuhrphase anzuwendender Korrekturfaktor bestimmt. Die Änderung des Drucks am Eingang des Druckreglers, welche am Ende der Messperiode auftritt, hat keinen Einfluss auf den geregelten Auslassdruck, welcher typischerweise bei 10-15 psi eingestellt ist, wie oben erwähnt. Somit kann der Druck in der Referenzkapazität 5 von einem Nennwert von 50 psi auf einen Grenzwert von 20 psi absinken. Die Messperiode wird bei niedrigeren Durchflusswerten auf maximal 20 Sekunden begrenzt. Bei höheren Durchflusswerten kann die 20-psi-Grenze vor der 20-Sekunden-Grenze auftreten.
Bei Beginn der Zufuhrphase zeigt die Durchflussanzeige 40 am Regler den Durchflusswert der vorherigen Zufuhr an. Dann, bei Abschluss der Messperiode, wechselt sie zur Angabe des aktuellen Durchflusses. Bei Beendigung der Messperiode wird das Schaltventil 14 auf der Versorgungsseite öffnend betätigt und steigt der Druck in der Referenzkapazität 5 wieder auf das Versorgungsniveau. Dies hat keinen Einfluss auf den am Einlass des Massedurchflussregelventils anliegenden geregelten Druck.
Der Arbeitsablauf eines Programms für ein Durchflussregelungssystem gemäß der Erfindung, insbesondere das Durchflussregelungssystem 10 in 1 und 2, ist im Ablaufdiagramm in 3 dargestellt. Bezüglich einer Funktionsdemonstration des Regelungssystems wird besonders erwähnt, dass das Massedurchflussregelventil 22 des Systems in der offenbarten Ausführungsform einen Bereich von 200 sccm hat. Der Druckregler ist bei einem Nenndruck von 10 psi (25 psia) eingestellt. Das Nennvolumen der Referenzkapazität ist 20 ccm. Der Druckwandler 6 hat einen Bereich von 0 bis 100 psia. Der Vorrat 12 für die Referenzkapazität 5 liegt bei einem Nennwert von 50 psi (65 psia). Er muss nicht sehr genau sein (±2 psi), wie oben erwähnt.
Eine erste Operation wie in 3 gezeigt dient dazu, den Kalibrierfaktor für das Durchflussregelungssystem bei auf 100% eingestelltem Massedurchflussregelventil zu ermitteln. Um dies zu vollbringen, wird der Durchflussdrosselschalter 45 am Regler auf „Ja" gestellt und wird bei auf 100% eingestelltem Regler 3 ein Zufuhrlauf von Prozessgas durchgeführt und wird der zugeführt werdende tatsächliche Durchfluss mit einem kalibrierten Durchflussmessgerät abgelesen. Dies stellt die Beziehung zwischen dem durch die digitale Anzeige 40 am Regler 3 (in %) angezeigten Durchfluss und dem tatsächlichen Durchfluss her. Dann wird der Kalibrierfaktor, welcher dafür sorgt, dass eine Anzeige von 100% dem gewünschten Skalenendwert von 200 sccm entspricht, im Regler erzeugt. Beispiel: Der Kalibrierlauf führt 220 sccm zu, und die Durchflussangabe lautet 120%. Der Kalibrierfaktor zum Erreichen von 100% und 200 sccm ist dann 100/120·200/220 = 0,75. Bei auf „Stopp" gestelltem Reglerschalter 44 und auf „Einstellung" gestelltem Anzeigeschalter 41 zur Anzeige des Kalibrierfaktors in der digitalen Anzeige 40 wird der neue Faktor mittels der Taster „Auf" 42 und „Ab" 43 am Regler 3 eingestellt. Dann wird ein weiterer Zufuhrlauf durchgeführt, um zu überprüfen, ob der Durchfluss 200 sccm und die Angabe 100% ist. Wenn erforderlich, kann die Prozedur wiederholt werden.
Der nächste Schritt im Prozess ist, eine mathematische Beziehung zwischen dem tatsächlichen Durchfluss und der Durchflusseinstellung über den Bereich der Durchflusseinstellungen des Massedurchflussregelventils herzustellen. Dies wird durch Durchführen eines Zufuhrlaufs bei der Einstellung 100%, gefolgt von einem Zufuhrlauf bei der Einstellung 10%, und Bestimmen des (vom Regler gemessenen) tatsächlichen Durchflusses in jedem Lauf erreicht. Diese Übertragungsfunktion wird innerhalb des Reglers ermittelt, wo sie zum Berechnen des an das Massedurchflussregelventil zu sendenden Steuersignals verwendet wird, damit der Durchfluss gleich der Einstellung bleibt. Der folgende Ablauf erzeugt die Kalibrierläufe: den Anzeigeschalter 41 auf „Einstellung" und den Durchflussfunktionsschalter 44 auf „Stopp" stellen; die beiden Taster 42 und 43 drücken und gedrückt halten, bis der Kalibrierfaktor angezeigt wird; und dann den Anzeigeschalter 41 auf „Durchfluss" stellen. Dies leitet die zwei aufeinanderfolgenden Zufuhrläufe ein.
Der nächste Schritt ist, eine gewünschte Durchflusseinstellung des Durchflussreglers 22, zum Beispiel 80%, einzustellen, um eine Zufuhr von Prozessgas vorzunehmen. Dies geschieht durch Verstellen mittels der Taster „Auf" 42 und „Ab" 43 am Regler 3, während der Anzeigeschalter 41 auf „Einstellung" steht. Der Durchflussdrosselschalter 45 am Regler steht auf „Ja". Die Zufuhr wird durch Umschalten des Durchflussschalters 44 auf „Start" gestartet. Der Anzeigeschalter 41 wird auf „Durchfluss" gestellt, und die Anzeige des Durchflusses wird während der Zufuhr in der digitalen Anzeige 40 beobachtet. Am Ende der Messperiode wird die Durchflussangabe in der Anzeige aktualisiert. Bei Erscheinen des aktualisierten Werts blinkt dieser kurz (1-2 Sekunden). Die Zufuhr wird durch Umschalten des Durchflussschalters 44 auf „Stopp" gestoppt. Wenn der Durchflussdrosselschalter 45 am Regler 3 auf „Nein" stünde, bliebe die Durchflussangabe in der Anzeige 40 für die Dauer der Zufuhr unverändert. Diese Betriebsart kann gewählt werden, wenn davon auszugehen ist, dass der Durchflussregler 3 nur in regelmäßigen Abständen einer Überprüfung der Kalibrierung bedarf.
Dann wird die Einstellung auf 50% geändert, der Durchflussdrosselschalter auf „Ja" gestellt und eine weitere Zufuhr gestartet und die Durchflussangabe in der Anzeige beobachtet. Anfänglich liegt die Durchflussangabe nahe bei 50%. Am Ende der Messperiode wird der tatsächliche Durchflusswert angezeigt. Wenn er nicht 50% ist, wird eine auf die nächste Zufuhr anzuwendende Korrektur berechnet. Es kann zwei oder drei Läufe erfordern, um den Durchflusswert bei 50% ± 0,1% zu etablieren. Dann kann die Einstellung auf 20% geändert und die Prozedur wiederholt werden. Ebenso wird die Einstellung auf 10% geändert und die Prozedur wiederholt.
Bei der Funktionsdemonstration wird das Durchflussregelungssystem 10 verwendet, um eine Durchflusseinstellung zu liefern, den tatsächlichen Wert des zugeführten Durchflusses abzulesen, eine Zufuhrphase zu starten und zu stoppen und Durchfluss-Überprüfung nach Wunsch bei jeder Zufuhr oder in regelmäßigen Abständen zu wählen. Bei der letzten Konfiguration sind die angezeigten und im Durchflussregelungssystem enthaltenen Funktionen im zentralen Computer der Maschine implementiert, was einem Durchschnittsfachmann beim Lesen der Offenbarung seitens der Anmelderin klar werden wird.
Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung können die herkömmlichen Druckregler 16 und 16' der Ausführungsformen in 1 und 2 durch den in 4 und 5 gezeigten Druckregler 50 ersetzt werden, um den Druckkriecheffekt zu mildern und, wenn die Durchflussregelungssysteme im Wechsel in den Betriebsarten „Durchfluss" und „Kein Durchfluss" betrieben werden, eine schnellere Druckantwort und stationären Betrieb für verbesserte Prozessgasverwertung oder eine andere Systemeinsparung zu ermöglichen. Dieser Druckregler ist in der im gemeinsamen Besitz stehenden vorläufigen Anmeldung Seriennr. 60/133,295, welche am 10. Mai 1999 eingereicht wurde, offenbart.
Im elementaren Aufbau enthält der Regler 50 ein mit 52 bezeichnetes Gehäuse, welches einen gewöhnlich ringförmigen oberen Kappenteil 54 und einen unteren Grundteil 56 enthalten kann. Zur Herstellung einer Schraubverbindung mit einem mit Außengewinde versehenen oberen Ende 62 des Grundkörpers 56 kann eine zugehörige Mutter 58 über ein mit Flansch versehenes unteres Ende 60 der Kappe 54 geschraubt sein. Der Kappenteil 54 und der Grundteil 56 können auf diese Weise ineinandergreifen, um eine innere Kammer 63 im Gehäuse 52 zu definieren. Eine obere Trägerplatte 64 und eine untere Trägerplatte 65 sind zwischen den Kappenteil 54 und den Grundteil 56 geklemmt, um andere Reglerbauteile zu tragen. Jede der Platten 64 und 65 ist mit einer mittigen Öffnung 66 bzw. 67 gebildet. Die Platte 65 ist außerdem mit einer Vielzahl von sich axial erstreckenden Durchgangsbohrungen oder Kanälen gebildet, von welchen einer mit 68 bezeichnet ist, und greift zusammendrückend in eine erhabene ringförmige Oberfläche 69 des Grundkörpers 56 ein, um eine Reserve-Abdichtung gegen ein Austreten des durch den Regler 50 strömenden Gases oder sonstigen Fluids zu bewirken.
Der Grundteil 56 des Gehäuses 52 selbst ist mit einem internen Fluiddurchgang 70 gebildet, welcher sich in gewöhnlich L-förmige Stromaufwärts- und Stromabwärts-Teile 71a und 71b unterteilen lässt, welche sich jeweils von einer axialen Oberfläche 72 des Grundkörpers 56 zu einer oberen radialen Oberfläche 73 desselben erstrecken. Der Fluiddurchgang 70 selbst erstreckt sich in der durch Pfeile 76 gekennzeichneten Richtung zwischen einem Einlass 74 und einem Auslass 75 des Reglers für den Durchfluss von Fluid durch denselben. Innerhalb des Fluidkreises in den Regelungssystemen 10 und 10' in 1 und 2 wird aus dem Vorrat 12 ein Durchfluss von Gas mit hohem Druck dem Reglereinlass 74 zugeführt und wird aus dem Reglerauslass 75 ein geregelter Durchfluss mit niedrigerem Druck dem Massedurchflussregelventil 22 zugeführt. In dieser Hinsicht kann der Reglereinlass 74 über das Ventil 14 mit dem Vorrat 12 in Fluidverbindung stehen, während der Auslass 75 über das Ventil 20 mit dem Massedurchflussregelventil 22 in Fluidverbindung steht. Entsprechend kann sowohl der Einlass 74 als auch der Auslass 75, wie gezeigt, als mit Flansch versehene Rohrverlängerung 76a bzw. 76b konfiguriert sein, welche mit dem Grundteil 56 verbunden sein kann. Zur Verbindung innerhalb des Fluidsystems 10 ist die Verlängerung 76a mit einer zugehörigen Anschlusskupplung dargestellt, während die Verlängerung 76b mit einem zugehörigen Stecker 80 dargestellt ist.
Zur Regelung des Fluidstroms durch den Durchgang 70 beherbergt die Kammer 63 eine einen Teller 82 und einen zugehörigen Ventilsitz 84 enthaltende Ventileinheit, welche im Durchgang 70 beispielsweise durch eine Scheibe, welche über dem Stromaufwärts-Teil 71a des Durchgangs 70 befestigt ist und zwischen der mittigen Öffnung 67 der unteren Trägerplatte 65 und der Öffnung des Durchgangsteils 71a in die obere radiale Oberfläche 73 des Grundteils 56 geklemmt ist, definiert ist. Der Ventilsitz 84 ist relativ zur Durchflussrichtung 76 als eine Stromaufwärts-Seite 86 und eine Stromabwärts-Seite 88 aufweisend ausgerichtet und enthält eine Öffnung 90 zum Einlassen von Fluiddruck in einen unteren Raum 92 der Kammer 63, welcher Raum teilweise durch die untere Trägerplatte 65 definiert ist. Der Durchfluss aus dem Raum 92 und in den Stromabwärts-Teil 71b des Durchgangs 70 erfolgt durch Plattenkanäle 68. Die Scheibe für die Ventilsitz-Scheibe 84 ist vorzugsweise aus einem Kunststoff- oder anderen Polymermaterial, im besten Fall aus einem Fluorpolymer wie Kel-F^® (3M, St. Paul, MN) gebildet.
Der Teller 82 ist längs einer zentralen Längsachse 94 des Reglers 50 zwischen einer (in 4 gezeigten) ersten Position, welche den Durchgang 70 für den Fluidstrom schließt, für den Betrieb von Fluidsystem 10 (1) in seiner Betriebsart „Kein Durchfluss" und einer variablen zweiten Position, welche den Fluidstrom durch den Durchgang 70 drosselt, für den Betrieb von System 10 in seiner Betriebsart „Durchfluss" beweglich. Für die Zusammenarbeit mit dem Ventilsitz 84 ist vorgesehen, dass der Teller 82 längs der Achse 94 von einem gegenüber der Stromaufwärts-Seite 86 des Ventilsitzes 84 angeordneten unteren Kopfteil 96 zu einem oberen, länglichen Schaftteil 98 ausfährt, welcher wiederum durch die Öffnung 90 und die Öffnung 67 der unteren Platte längs der Achse 94 von einem mit dem Kopfteil 96 verbundenen unteren nahegelegenen Ende 100 zu einem oberen fernen Ende 102 ausfährt. Der Teller-Kopfteil 96 ist wie die gezeigte gewöhnliche Konusform konfiguriert, um die relative Größe der Öffnung 90 ringförmig zu variieren und entsprechend die Durchflussmenge durch den Regler zu variieren, wenn er in der variablen zweiten Tellerposition zum Ventilsitz 84 hin oder von diesem weg bewegt wird.
Zur Regelung der Bewegung des Tellers 82 längs der Achse 94 befindet sich eine Membran 110 in der Kammer 63 in Fluidverbindung mit Durchgang 70 angeordnet, um eine flexible obere Wand des Raums 92 zu definieren, und in kraftübertragender Verbindung mit dem Teller 82 stehend. Die Membran 110 weist eine herkömmliche ein- oder mehrteilige Konstruktion auf und enthält einen sich am Umfang erstreckenden, gewöhnlich flexiblen „Membranteil" 112. Der Membranteil 112 erstreckt sich radial nach außen zu einem äußeren Rand, welcher die äußere Peripherie der Membran 110 definiert und welcher zur Befestigung der Membran 110 in der Kammer 63 zwischen die obere Platte 64 und die untere Platte 65 geklemmt ist. Bei einer zweiteiligen Konstruktion der Membran 110 ist der Membranteil 112 an einen Stützteil 114 geschweißt, geklebt oder auf eine andere Weise an diesem befestigt, welcher Stützteil 114 den Membranteil 112 trägt und welcher sich von diesem aus axial durch die Öffnung 66 der Platte 64 erstreckt, wobei er eine zylindrische Verlängerung 115, innen einen mittigen Durchgang 116 und außen eine Schulter 118 enthaltend, definiert. Der Durchgang 116 ist so konfiguriert, dass er das ferne Ende 102 des Tellerschafts 98 aufnimmt, und kann mit einem Innengewinde versehen sein, um mit einem mit Außengewinde versehenen Teil 120 des Schafts 98 verschraubt zu werden. So in der Kammer 63 untergebracht, ist die Membran 110 dafür vorgesehen, auf eine Fluiddruckkraft zu reagieren, welche proportional zum Einlassdruck (P_i) und zum Auslassfluiddruck (P_o) des Fluidstroms zum Regler 50 ist und auf die mit 122 bezeichnete Richtung angewendet wird, um den Teller 82 zu seiner ersten Position hin zu drängen, welche den Durchgang 70 für den Fluidstrom schließt. Der Atmosphärendruck (P_a) wird über Anschluss 124 durch die Kappe 54 in die Kammer 63 auf der Oberseite der Membran 110 eingelassen.
Eine allgemein mit 127 bezeichnete Hauptdruckeinstellanordnung kann betätigt werden, um in der mit 128 bezeichneten Richtung eine Ausgleichskraft an die Membran 110 anzulegen, um der Fluiddruckkraft 122 entgegenzuwirken und den Teller 82 zu seiner zweiten Position hin zu drängen, welche den Durchgang 70 für den Fluidstrom öffnet. Eine solche Kraft 128 wird zumindest teilweise durch das verstellbare Zusammendrücken einer schemenhaft bei 130 gezeigten Haupt-Schraubenfeder oder eines anderen elastischen Bauteils, welche bzw. welches in der Kammer 63 untergebracht ist, entwickelt. Bei der in 4 dargestellten Ausführungsform ist die Feder 130 koaxial zur Achse 94 angeordnet, um zwischen der Membran 110 und einem von Hand verstellbaren Knopf 132, welcher längs der Achse 94 verschiebbar ist, zusammengedrückt zu werden. Zwecks eines kompakten Aufbaus des Reglers 50 ist der Knopf 132 mit einem Außengewinde versehen wie bei 134 und ist er in der Kappe 54, mit einem Innengewindeteil 136 derselben drehbar verschraubt, untergebracht. Wie am besten durch Betrachten der in 5 gezeigten vergrößerten Vorderansicht der Hauptdruckeinstellanordnung 127 zu erkennen ist, ist die Kappe 54 mit einem Fenster 140 versehen (das auch in 4 schemenhaft dargestellt ist), durch welches ein gerändelter Teil des Knopfs 132 für die Hand zugänglich ist.
Zurück zur Schnittansicht in 4 – die Feder 130 kann als in der Kammer 63, zwischen einem oberen Halter 150 und einem unteren Halter 152 angeordnet, untergebracht angesehen werden. Der obere Federhalter 150 ist gewöhnlich scheibenförmig und ist in aneinanderstoßendem, kraftübertragendem Kontakt mit einem Axialdruckteil 154 des Knopfs 132 angeordnet. Der untere Federhalter 152 ist gewöhnlich zylinderförmig und ist koaxial über der Membranstützverlängerung 115, in kraftübertragender Verbindung mit einem mit Außengewinde versehenen Teil 156 derselben verschraubt, angebracht. Der Halter 152 ist mit einer Mutter 160, welche einen zugehörigen O-Ring 162 aufweisen kann, über welchen das untere Ende der Feder 130 in Reibpassung aufgesetzt sein kann, um das koaxiale Ausrichten der Feder auf die Achse 94 zu unterstützen, auf der Verlängerung 115 befestigt. Ein Druckring 164 oder ein anderer Abstandshalter kann mit dem Halter 152 über der Verlängerung 115 angebracht sein, um den Weg des Halters über der Verlängerung zu begrenzen.
Zum Anlegen einer zusätzlichen Kraft in Richtung des Pfeils 122 an die Membran 110 ist eine Wellenfeder oder ein anderes zusammendrückbares Bauteil, wie schemenhaft bei 170 dargestellt, koaxial über dem Halter 152 angebracht. Die Feder 170 steht auf der oberen Trägerplatte 64, um zwischen dieser und einem sich radial nach außen erstreckenden Flanschteil 172 des Halters 152 zusammengedrückt zu werden. Ein solches Zusammendrücken der Feder 170 schafft eine Vorspannungs-Kraft, um den Teller 82 weiter zu seiner ersten Position hin zu drängen, so dass der Fluiddurchgang 70 bei Fehlen einer Druckeinstellkraft 128 normalerweise geschlossen ist. Die Bewegung des Tellers 82 zwischen seiner ersten und seiner zweiten Position kann mit einer zusammendrückbaren Schaumstoffscheibe 174 gedämpft werden, welche koaxial über der Membranverlängerung 115 angebracht ist, um zwischen dem Halter 152 und der Platte 64 zusammengedrückt zu werden. Die Verschiebung des Tellers 82 in seine zweite Position durch Anlegen der Druckeinstellkraft 128 wird durch das Anstoßen einer unteren Anschlagfläche 176 des Halters 152 an die Platte 64 begrenzt.
Regler 50 enthält ferner eine allgemein mit 180 bezeichnete Differentialdruckeinstellanordnung. Gemäß den Vorgaben der vorliegenden Erfindung ist die Differentialdruckeinstellanordnung 180 dafür vorgesehen, unabhängig von der Hauptdruckeinstellanordnung 127 betätigt werden zu können, um eine differentielle Kraft anzulegen, wie über das Zusammendrücken eines zweiten Schraubenfeder-Bauteils 181 auf der Membran 110 in Richtung des Pfeils 128, wodurch der Teller 82 weiter zur zweiten Position hin gedrängt wird, welche den Durchgang 70 für den Fluidstrom öffnet. Bei der in 4 dargestellten Ausführungsform kann die Differentialdruckeinstellanordnung 180 in Reaktion auf ein pneumatisches Schalt-Steuersignal eines gegebenen Eingangsdrucks (P_I) betätigt werden, welcher vorzugsweise zwischen etwa 50 und 60 psig liegen kann, um auf dem gleichen Pegel zu liegen, welcher herkömmlicherweise zum Betreiben der Pneumatikventile 14 und 24 des Fluidsystems 10 in 1 verwendet wird. Das Signal für die Anordnung 180 sowie die Ventile 14 und 24 des Systems 10 kann unter der gemeinsamen Kontrolle zum Beispiel eines pneumatischen Dreiwegeventils (nicht dargestellt) erzeugt werden.
Das Druckregelsignal kann über eine Rohrleitung oder eine andere Anschlussverbindung 182 mit zum Beispiel einem Kupplungsende 184, welches für eine Rohrleitung oder eine andere Verbindung zum oben erwähnten Dreiwegeventil oder zu einer anderen Steuersignalquelle konfiguriert ist, und einem Steckerende 186, welches für einen Gewindeanschluss mit einem Adapter 190 des Reglergehäuses 52 konfiguriert ist, in den Regler 50 eingelassen werden. Der Adapter 190 wiederum hat ein Steckerende 192, welches für einen Gewindeanschluss mit einem mit Innengewinde versehenen oberen Ende 194 der Kappe 54 konfiguriert ist, und ein Kupplungsende 196, welches je nach Größe des Anschlussendes 186 über eine Reduzierhülse oder ein anderes Reduzierstück 198 daran gekuppelt werden kann. Das Kupplungsende 196 des Adapters 190 ist ferner als eine Vertiefung, welche sich zur inneren Stirnwand 200, die eine zweite Kammer 202 im Gehäuse 52 definiert, erstreckt, aufweisend konfiguriert. Das Steckerende 192 des Adapters ist ferner als einen länglichen Führungsteil 204, welcher in einer gewöhnlich zylindrischen Senkung 206 des Knopfs 132 angebracht ist, um die Führung des Knopfs längs der Achse 94 zu unterstützen, aufweisend konfiguriert.
Zum Steuern des Zusammendrückens des zweiten Federbauteils 181 ist ein Kolben 210 mit einem zugehörigen O-Ring oder anderen Dichtungsring 211 so in der Kammer 202 untergebracht, dass er zwischen der unteren Stirnwand 200 und einer oberen Stirnwand 212 der Kammer 202 verschiebbar ist. Die obere Stirnwand 212 ist definiert wie durch einen sich radial nach innen erstreckenden inneren Schulterteil des Reduzierstücks 198 um eine gemeinsame Öffnung 214 des Adapters 190 und des Reduzierstücks 198, welche Öffnung 214 als ein Anschluss zum Einlassen des Signalfluiddrucks in die Kammer 202 dient.
Der Kolben 210 ist über ein längliches kraftübertragendes Bauteil 220 mit der Feder 181 wirkverbunden. Ein solches Bauteil 220, wie es koaxial durch eine mittige Bohrung 222, welche durch den Adapter 190, den Knopf 132 und den Federhalter 150 gebildet ist, angebracht ist, erstreckt sich von einem oberen Ende 224, welches in aneinanderstoßendem Kontakt mit dem Kolben 220 angeordnet ist, zu einem unteren Ende 226, welches in aneinanderstoßendem Kontakt mit der Feder 181 angeordnet ist, längs der Achse 94. Die Feder 181 selbst ist koaxial in der Hauptdruckeinstellfeder 130, welche über der Membranverlängerung 115 angebracht ist, angeordnet, um zwischen deren Schulterteil 118 und einem umgedrehten U-förmigen Halter 228, welcher zwischen die Feder 181 und das untere Ende 226 des länglichen Bauteils 220 gelegt ist, zusammengedrückt zu werden.
Innerhalb der Kammer 202 ist der Kolben 210 ansprechend auf das durch die Öffnung 214 eingelassene und an eine obere Oberfläche 230 des Kolbens angelegte Steuerdrucksignal betätigbar. Das heißt, der Kolben 210 ist längs der Achse 94 von einer normal vorgespannten oberen Position zur in 4 gezeigten unteren Position verschiebbar. Um den Kolben in seiner oberen Position vorzuspannen, kann eine zusammendrückbare Schraubenfeder 232 in einer in einer unteren Oberfläche 236 des Kolbens gebildeten Vertiefung 234 angebracht werden, um gegen die untere Stirnwand 200 des Adapters zusammengedrückt zu werden. In seiner unteren Position drückt der Kolben 210 das längliche Bauteil 220 nieder, welches wiederum das Zusammendrücken der Feder 181 bewirkt, um eine differentielle Kraft, welche etwa zwischen 3 und 4 psig liegen kann, auf eine Membran 110 anzuwenden. Auf diese Weise kann, unabhängig von der Anwendung der Hauptdruckeinstellkraft, eine kontrollierte Anwendung der differentiellen Kraft erreicht werden.
Die durch die Feder 181 angewendete Kraft ist insoweit „differentiell", als sie als eine Treppenfunktion angewendet werden kann, um eine angemessene Änderung im Reglerauslassdruck zu bewirken, ohne die Hauptdruckeinstellung zu ändern. Zum Beispiel bei in einem Bereich von etwa 0-30 psi eingestellter Hauptdruckeinstellanordnung 127 des Reglers 50 kann die Differentialdruckeinstellanordnung 180 durch das Steuersignal betätigt werden, um die wirksame Reglereinstellung um nominell 3 psi zu erhöhen. Wenn gewünscht, kann der Druck des Steuersignals verstellt werden, um eine gewöhnlich proportionale Erhöhung oder Verringerung der differentiellen Kraft zu bewirken.
Beim Betrachten der nächsten Funktion des Reglers 50 der im Fluidkreis des Kreises für diskontinuierliche Gaszufuhr 10 in 1 angewendeten Erfindung (wobei darin der Regler 16 durch den Regler 50 der Erfindung ersetzt ist) kann zusätzlich 6 herangezogen werden, in welcher eine typische Antwort des Reglers 50 in einem solchen Kreis bei 250 als Kurve des Auslassdrucks (P_o) über der Zeit (t) grafisch dargestellt ist. Für einen gegebenen Einlassfluiddruck, welcher etwa 50-60 psi betragen kann, und einen festgelegten Auslassdruck-Sollwert von etwa 15 psi wird das System vor dem Zeitpunkt t₀ in einer Betriebsart „Durchfluss" betrieben. In einer solchen Betriebsart wird durch den Regler 50 Gas bei einer stationären Durchflussmenge von zum Beispiel 200 sccm und einem geregelten Auslassdruck von etwa 14,8 psi zugeführt. Ein solcher Druck wird unter der Kontrolle der Hauptdruckeinstellung des Reglers 50, welcher auf einen Nenndruck von 12 psi eingestellt ist, und mit einem Signaldruck, welcher dem Regler zugeführt wird, um einen in der Regel 3 psi betragenden Differentialdruck anzulegen, bewirkt. Sowohl die Haupt- als auch die Differentialdruckeinstellung kann auf eine niedrigere Durchflussmenge von zum Beispiel 50 sccm eingestellt werden. In dieser Hinsicht ist zu erwähnen, dass wegen des beim Erhöhen der Durchflussmenge von niedrigem Durchfluss auf ihren stationären Wert auftretenden „Erschlaffungseffekts" der tatsächliche Reglerauslassdruck bei stabilem Durchfluss ungefähr 0,2 psi niedriger als der Sollwert ist.
Ungefähr zum Zeitpunkt t₀, welcher der Beendigung der Betriebsart „Durchfluss" entspricht, wird das Massedurchflussregelventil 22 (1) auf „Aus" gestellt. Kurz darauf, d.h. nach 0,5 s oder weniger, wird das pneumatische Schaltventil 24 schließend betätigt, so dass der Fluidstrom vom stationären Wert auf Null zurückgeht. Meistens gleichzeitig mit der Betätigung des Ventils 24 wird der Signaldruck zum Regler 50 unterbrochen, um die Differentialdruckeinstellung wegzunehmen. In dieser Hinsicht können die Funktionen des Ventils 24 und des Reglers 50 unter der Kontrolle eines gemeinsamen Signaldrucks vorteilhafterweise synchronisiert werden.
Durch Wegnehmen der Differentialdruckeinstellung wird die wirksame Einstellung des Reglers 50 auf 12 psi gesenkt. Insofern, als der Auslassdruck beim Arbeitsdruck von 14,8 psi bleibt, schließt der Regler, so dass der Auslassdruck im wesentlichen bei 14,8 psi aufrechterhalten wird. Je nach der Länge der Periode „Kein Durchfluss" und/oder dem typischerweise etwa 0,5 s langen Intervall zwischen dem Einleiten der Betriebsart „Kein Durchfluss" und der Wegnahme des Steuerdrucksignals, um das Schließen des Reglers zu bewirken, kann der Auslassdruck über den Zeitraum ?t₀ geringfügig, auf vielleicht 15 psi, steigen. Es wird jedoch gewürdigt werden, dass aufgrund der geregelten Differentialdruckeinstellung kein merklicher Kriecheffekt erkennbar ist, selbst wenn das System mit sehr langen Intervallen, d.h. 1 Stunde oder länger, zwischen den Betriebsarten „Durchfluss" betrieben wird.
Geht man dann längs der Kurve 250 weiter, wird zum Zeitpunkt t₁, welcher der Einleitung der nächsten Betriebsart „Durchfluss" entspricht, das Drucksignal wiederaufgenommen, um das Ventil 24 zu öffnen und die differentielle Kraft wieder an den Regler anzulegen. Kurz darauf wird das Massedurchflussregelventil 22 wieder auf Durchflussregelung gestellt. Bei einem solchen Betrieb kann der Durchfluss von Null auf einen stationären Wert erhöht werden, bevor infolge eines durch die wirksame Änderung der Reglereinstellung von 12 psi auf 15 psi herbeigeführten Kriechens eine merkliche Erhöhung im Auslassdruck auftritt. Somit sinkt der Auslassdruck bei steigender Durchflussmenge nur um etwa 0,2 psi, um sich schnell, innerhalb einer sehr kurzen Periode Δt₁ von etwa 0,5 s oder weniger, auf den Arbeitsdruck einzupendeln. Wesentlich ist, dass, da weder Überschwing- noch andere Schwingungseffekte beobachtet werden, der Übergang von Null auf einen stationären Durchfluss innerhalb 1 s oder weniger erfolgen kann.
Zu Vergleichszwecken ist bei 250' die Druckkurve eines bei einer konstanten Druckeinstellung von 15 psi herkömmlich betriebenen Reglers dargestellt. Zum Zeitpunkt t₀ und weiter über die Periode Δt₀', welche 100 s oder länger sein kann, lässt sich beobachten, dass der Auslassdruck der Kurve 250' vom Arbeitsdruck ausgehend um etwa 2 psi steigt. Gegenüber dem Anstieg um 0,2 psi bei Ventil 50 der Erfindung ist ein solcher Anstieg bedeutend, ebenso wie die Periode Δt₁', welche 1,5 s oder länger sein kann, wobei einige Überschwing- oder andere Schwingungseffekte beobachtet werden.
Somit mildern diese einzigartige und wirkungsvolle Fluiddruckregler-Konstruktion und -Betriebsweise im offenbarten Durchflussregelungssystem und -verfahren den Druckkriecheffekt und gestatten sie, wenn die Durchflussregelungssysteme im Wechsel in den Betriebsarten „Durchfluss" und „Kein Durchfluss" betrieben werden, eine schnellere Druckantwort und einen schnelleren stationären Betrieb, was eine verbesserte Verwertung der Prozessgase oder andere Systemeinsparungen ermöglicht.
Wenn nicht anders angegeben, sind die Bauwerkstoffe als für die vorkommenden Verwendungen herkömmlich anzusehen. Solche Werkstoffe sind allgemein korrosionsfest und im übrigen im Hinblick auf Verträglichkeit mit dem zu fördernden Fluid oder auf gewünschte mechanische Eigenschaften ausgewählt.
Da vorauszusehen ist, dass gewisse Änderungen an der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne von den hierin eingeschlossenen Vorgaben abzuweichen, sollen alle in der vorangehenden Beschreibung enthaltenen Dinge eher in einem veranschaulichenden als in einem einschränkenden Sinn zu interpretieren sein.

Claims

Verfahren zur Regelung der diskontinuierlichen Zufuhr von Prozessgas für die Halbleiterherstellung unter Verwendung eines Durchflussregelungssystems (10), das in einer Durchflussbetriebsart zur Zufuhr einer Partie Prozessgas und im Wechsel in einer Durchflussunterbrechungsbetriebsart betrieben werden kann, welches Verfahren enthält: Zuführen einer Partie Prozessgas aus einer Quelle von unter Druck stehendem Prozessgas (12) durch eine Durchflussleitung (1) des Durchflussregelungssystems (10) zu einer Halbleiterherstellungsmaschine (2) mit einer geregelten Durchflussmenge über eine Zufuhrzeitperiode, welche Leitung (1) des Durchflussregelungssystems (10) einen Druckregler (16) zum Herstellen eines geregelten Drucks des Prozessgases in der Leitung (1), ein Schaltventil (24) stromabwärts des Druckreglers (16) zum Beginnen und Unterbrechen der Durchflussbetriebsart, während welcher das Prozessgas der Maschine (2) für die Zufuhrzeitperiode zugeführt wird, und stromaufwärts des Reglers (16) in der Leitung eine Referenzkapazität (5), die verwendet wird, um die tatsächliche Durchflussmenge der Zufuhr zu messen, und stromaufwärts der Referenzkapazität (5) in der Leitung eine Einrichtung (14) zur Unterbrechung des Gasdurchflusses von der Quelle von unter Druck stehendem Prozessgas (12) zu der Referenzkapazität (5) während der Zufuhr des Gases durch das Durchflussregelungssystem (10) umfasst, nach dem Beginn der Zufuhr der Partie des Prozessgases, während einer Messzeitperiode während der Zufuhrzeitperiode, Messen des Druckabfalls des Prozessgases in der Referenzkapazität (5), während der Durchfluss des Prozessgases durch die Leitung zu der Referenzkapazität (5) mit der Einrichtung (14) zur Unterbrechung unterbrochen wird, und Fortführen der Zufuhr der Partie des Prozessgases von der Leitung des Durchflussregelungssystems (10) zu der Halbleiterherstellungsmaschine (2) mit der geregelten Durchflussmenge, Bestimmen der Rate des Druckabfalls in der Referenzkapazität (5) aus der Messung während der Messperiode und der tatsächlichen Durchflussmenge der zugeführten Partie des Prozessgases und, falls die tatsächliche Durchflussmenge nicht mit einer festgelegten Durchflussmenge für die Zufuhr übereinstimmt, Einstellen der geregelten Durchflussmenge in Richtung der festgelegten Durchflussmenge von der tatsächlichen Durchflussmenge für eine nachfolgende Zufuhrzeitperiode, in welcher eine weitere Partie des Prozessgases zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Durchflussregelungssystem (10) ferner ein Durchflussmengenbegrenzungsventil (22) stromabwärts des Druckreglers (16) aufweist, wobei das Einstellen der geregelten Durchflussmenge das Einstellen eines Sollwertes des Durchflussmengenbegrenzungsventils (22) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Durchflussregelungssystem (10) verstellbar so eingestellt werden kann, dass die geregelte Durchflussmenge der Gaszufuhr innerhalb eines Bereichs möglicher geregelter Durchflussmengen in Abhängigkeit von der Einstellung des Durchflussregelungssystems (10) eingerichtet wird, und wobei das Verfahren ferner das Herstellen einer mathematischen Beziehung zwischen der tatsächlichen Durchflussmenge und der Durchflussmengeneinstellung des Durchflussregelungssystems (10) umfasst, und in dem Fall, dass die bestimmte tatsächliche Durchflussmenge der Partie des zugeführten Prozessgases nicht mit der festgelegten Durchflussmenge für die Zuführung übereinstimmt, bei der Bestimmung der Größe der Einstellung der geregelten Durchflussmenge auf die mathematische Beziehung Bezug genommen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, umfassend das Speichern der mathematischen Beziehung in einem Referenzspeicher des Regelungssystems (10) für die Bezugnahme darauf.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Durchflussmengenbegrenzungsventil (22) einen Bereich möglicher geregelter Durchflussmengeneinstellungen hat, der sich auf 100% seiner gesamten Skala mit einem wirksamen Regelbereich von 10:1 erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Messzeitperiode eine Dauer von weniger als oder gleich 20 Sekunden hat.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Messzeitperiode über eine vorbestimmte maximale Dauer andauert oder früher beendet wird, wenn der Druck in der Messkapazität einen vorbestimmten Minimaldruck erreicht.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner enthaltend das Beenden der Unterbrechung des Durchflusses von Prozessgas durch die Leitung (1) zu der Referenzkapazität (5) am Ende der Messzeitperiode, um den Druck in der Referenzkapazität (5) auf ein Druckniveau des von der Quelle von unter Druck stehendem Gas (12) zugeführten Prozessgases zurückzubringen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Druckregler (16) einen Einlass, der in Fluidverbindung mit der Quelle von unter Druck stehendem Prozessgas (12) steht, einen Auslass, ein Ventilelement hat, das betätigbar ist, um den Regler für den Durchfluss von Prozessgas zu schließen und im Wechsel den Durchfluss von Prozessgas durch den Regler zu drosseln, welches Ventilelement durch eine Membran betätigt wird, die in Kraft übertragender Verbindung mit diesem verbunden ist und in Fluidverbindung mit dem Prozessgas angeordnet ist, so dass es auf eine Fluiddruckkraft desselben anspricht, wobei der Regler ferner eine verstellbare Hauptdruckeinstellanordnung zum Anlegen einer ausgewählten Druckeinstellkraft an die Membran umfasst, und wobei das Verfahren ferner enthält: Einstellen der Hauptdruckeinstellanordnung des Reglers in der Weise, dass der Durchfluss des Prozessgases von diesem auf einen Auslassdruck geregelt wird, der geringer ist als ein gewünschter Auslassdruck zur Zufuhr des Prozessgases mit der geregelten Durchflussmenge; Anlegen etwa zu Beginn der Zufuhrzeitperiode einer differentiellen Kraft an der Membran unabhängig von der Druckeinstellkraft, so dass der Durchfluss des Prozessgases von dieser in der Zufuhrzeitperiode auf einen Auslassdruck geregelt wird, der etwa der gewünschte Auslassdruck ist; und Beenden des Anlegens der differentiellen Kraft etwa am Ende der Zufuhrzeitperiode.
Verfahren nach Anspruch 1, umfassend das Wiederholen des Verfahrens zur Zufuhr einer weiteren diskreten Partie Prozessgas zur Halbleiterherstellung während einer nachfolgenden Zufuhrzeitperiode.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die geregelte Durchflussmenge mindestens während der Messzeitperiode gleichförmig gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei welchem die geregelte Durchflussmenge über die gesamte Zufuhrzeitperiode gleichförmig gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Durchflussregelungssystem (10) für die Zufuhr von Prozessgas in einem Bereich von geregelten Durchflussmengen verstellbar ist und das Verfahren ferner die Verwendung der tatsächlichen Durchflussmenge enthält, um das Durchflussregelungssystem über den Bereich zu kalibrieren, um zusätzliche Partien Prozessgas zuzuführen.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner enthaltend das Anordnen von Bauteilen des Durchflussregelungssystems entlang eines Gasrohrverteilers in Form eines länglichen Zufuhrstabes, der eine Breite von weniger als 1,5 Zoll hat.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner enthaltend das Messen der Temperatur des zugeführten Prozessgases und das Verwenden der gemessenen Temperatur, um die bei Standardbedingungen bestimmte tatsächliche Durchflussmenge auszudrücken.