DE69106893T2

DE69106893T2 - Intelligente massendurchflussvorrichtung.

Info

Publication number: DE69106893T2
Application number: DE69106893T
Authority: DE
Inventors: Richard Anderson
Original assignee: Sematech Inc
Current assignee: Sematech Inc
Priority date: 1991-01-07
Filing date: 1991-09-24
Publication date: 1995-05-18
Anticipated expiration: 2011-09-25
Also published as: EP0566574A1; EP0566574B1; WO1992012474A1; DE69106893D1; AU8753791A; JPH06502942A; US5062446A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet von Steuereinrichtungen zur Produktion und insbesondere eine Prozeßgassteuereinrichtung zur Verwendung bei der Halbleiterherstellung.
Bei der Herstellung von integrierten Halbleiterschaltungseinrichtungen werden verschiedene Schaltkreiselemente in oder auf einem Basissubstrat gebildet, wie einem Siliciumsubstrat. Verschiedene Verfahren zum Bilden dieser integrierten Schaltungseinrichtungen sind aus dem Stand der Technik gut bekannt. Beim Durchführen einiger dieser Schritte wird ein Halbleiterwafer in einer Reaktionskammer angeordnet, damit der Wafer gewissen, notwendigen Verfahrensschritten unterzogen wird, die die Schritte zum Abscheiden oder Ätzen verschiedener Schichten auf dem Wafer einschließen zu können. Nachdem diese Wafer in eine gegebene Kammer geladen worden sind, wird der Wafer einem oder mehreren von einer Vielfalt von Gasen, Flüssigkeiten und/oder eines Plasmas während einer gegebenen Verfahrenszyklusperiode ausgesetzt. Um die richtige Verarbeitung dieser Wafer sicherzustellen, muß eine Anzahl von Kammerparametern genau gesteuert werden. Ein kritischer Parameter ist die Menge und die Zusammensetzung des Fluids, das bei einem gegebenen Verfahrensschritt in die Kammer eingeführt wird.
Um die Menge und die Zusammensetzung des Fluids zu steuern, das in die Verarbeitungskammer eingeführt wird, sind verschiedene Maßnahmen und Methoden entwickelt worden, um die Fluidströmungsmenge zu der Reaktionskammer zu steuern. Eine üblicherweise verwendete Vorrichtung ist eine Massendurchflußvorrichtung, die die Menge (Masse) des Fluids steuert, das in die Kammer eingeführt wird.
Die meisten Massendurchflußsteuervorrichtungen nach dem Stand der Technik verlangen typischerweise einen äußeren Steuerkasten, um einen Satz von Sollwertsignalen zur Gassteuerung zu erzeugen und die Energie für die Sensorelektronik und das Steuerventil zu liefern. Die Massendurchflußsteuervorrichtung stellt das Öffnen des Mengenventils so ein, daß die Strömungsmenge durch den Durchflußsensor zu dem Ventileinstellwert paßt, der von der Steuervorrichtung vorgesehen ist. Die meisten dieser Steuerkästen sind mit einer Rechnerschnittstelle versehen, um die Massendurchflußsteuervorrichtung in ein automatisiertes Verarbeitungssteuersystem zu integrieren.
Obgleich der Stand der Technik für viele Verarbeitungstechniken nach dem Stand der Technik angemessen sein kann, hat er beträchtliche Nachteile auf dem Gebiet der Technik zum Herstellen von Einrichtungen, die Submikro-Technologie verwenden. Die Submikro-Technologie nach dem Stand der Technik, die zum Herstellen von Einrichtungen verwendet wird, die Einrichtungsabmessungen und/oder Leitungsabmessungen von weniger als 1 Mikron haben, verlangen, daß die Toleranzen der Reaktionskammer mit viel strengereren Spezifikationen gesteuert werden, wobei eine Spezifikation die Gasmenge ist, die in die Kammer eingeführt wird.
Die Eigenschaften von Massendurchflußsteuervorrichtungen nach dem Stand der Technik ändern sich mit der Zeit aufgrund des Alterns und können eine Zunahme von Fehlern bei der Gasströmungsmenge ergeben. Das Altern von irgendeinem der drei Elemente: das Durchflußmeter, die eingebaute Elektronik der Massendurchflußsteuervorrichtung und das Steuerventil können eine Drift der Massendurchflußsteuervorrichtung bewirken. Ferner können bei einigen angreifenden oder reaktiven Gasen kritische Abmessungen des Durchflußmeters verändert werden, die auch eine Drift der Massendurchflußsteuervorrichtung bewirken.
DE-A-34 32 494 betrifft eine Vorrichtung zum Steuern einer Fluidströmung. Die Vorrichtung verwendet einen Mikroprozessor, der einen Eingang in bezug auf die Größe der Strömung und ein Ausgangssteuersignal für eine Betätigungsvorrichtung erhalten kann. Die Vorrichtung kann auch die Temperatur, den Druck, die Leitfähigkeit, den ph-Wert und die Sauerstoffkonzentration erfassen.
EP-A-0,301,568 offenbart eine Vorrichtung zum Steuern der Fluidströmungsgeschwindigkeit durch eine Fluidübertragungsleitung. Ferner ist eine Widerstandsbrücke in Berührung mit einer getrennten Meßleitung in Fluidverbindung mit der Fluidübertragungsleitung angeordnet, und ein Signal von der Meßleitung wird zu einem Computer geschickt.
EP-A-0,110,325 offenbart ein Steuerventil für eine Strömungsgeschwindigkeit, das in einer Leitung angebracht ist. Der Fluiddruck und die Temperatur werden in der Nähe einer Öffnung gemessen, die an der Leitung vorgesehen ist, und die Strömungsgeschwindigkeit wird auf der Grundlage des erfaßten Drucks und der Temperatur berechnet.
Demgemäß ist es die Zielsetzung der Erfindung, eine sich selbst korrigierende Massendurchflußsteuervorrichtung zu schaffen, die den Massendurchfluß des Fluids zu der Kammer während der Verwendung korrigieren kann und die einen zuverlässigeren Mechanismus liefert, das der Verarbeitungskammer gelieferte Fluid zu steuern.
Diese Zielsetzung wird durch eine Massendurchflußsteuervorrichtung gelöst, wie sie in Anspruch 1 beansprucht wird.
Eine intelligente Massendurchflußsteuervorrichtung zum Steuern des Massenflusses von Gas in eine Halbleiterverarbeitungskammer wird beschrieben. Die Massendurchflußsteuervorrichtung besteht aus einem Durchflußmeter, das ein Meßrohr zum Messen eines Gasflusses durch das Durchflußmeter aufweist, und einem einstellbaren Ventil, in dem die Flußmenge durch das Flußmeter gesteuert wird. Die Meßschaltung, die mit dem Meßrohr verbunden ist, verwendet eine abgestimmte Brücke, um einen Unterschied bei der Temperatur über das Meßrohr zu erfassen, wobei der Temperaturunterschied proportional zu der Gasflußmenge durch das Durchflußmeter in Beziehung steht.
Verschiedene Schaltungsparameter, die mit dem Durchflußmeter verbunden sind, werden überwacht und als Eingänge zu einer Mikrosteuereinrichtung zum Verarbeiten geliefert. Die Mikrosteuereinrichtung enthält eine zentrale Verarbeitungseinheit CPU um die Intelligenz bei dem Durchflußmeter zu liefern, statt bei der Hosteinheit, mit der er gekoppelt ist. Die Mikrosteuereinrichtung schließt auch einen Signalprozessor ein, um die verschiedenen Eingangssignale zu verarbeiten, sowie eine Anzahl von Routinen, um eine Eichung, eine Diagnose und Korrektur des Gasflusses in Reaktion auf die verschiedenen, überwachten Signale zu liefern.
Ein Datenbus koppelt die Mikrosteuereinrichtung mit einem Host- oder Sensornetzwerk. Jedoch werden die Verbindung zwischen der Mikrosteuereinrichtung und der Hosteinheit auf einem Minimum beibehalten, da die Intelligenz bei der Durchflußsteuereinheit selbst vorgesehen ist.
Fig. 1 ist ein Blockdiagramm einer Massendurchflußsteuervorrichtung nach dem Stand der Technik.
Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm, das die Positionierung von drei Spulen um ein Meßrohr herum zeigt, die verwendet werden, den Gasfluß zu bestimmen, indem ein Temperaturunterschied über die Spulen gemessen wird.
Fig. 3 ist eine graphische Darstellung der Temperatur als Funktion des Abstandes zum Messen des Temperaturunterschiedes über die Spulenanordnung, die in Fig. 2 gezeigt ist.
Fig. 4 ist ein Blockdiagramm einer intelligenten Massendurchflußsteuervorrichtung der vorliegenden Erfindung.
Eine intelligente Massendurchflußsteuervorrichtung zum Steuern der Menge an Fluidfluß in eine Halbleiterverarbeitungskammer wird beschrieben. In der folgenden Beschreibung sind zahlreiche, besondere Einzelheiten angegeben, wie besondere Einrichtungen, Meßtechniken, Schaltungsanordnungen usw., um ein gründliches Verständnis der vorliegenden Erfindung zu schaffen. Jedoch ist es für den Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet offensichtlich, daß die vorliegende Erfindung ohne diese spezifischen Einzelheiten ausgeführt werden kann. An anderen Stellen sind gut bekannte Vorgänge und Strukturen nicht im einzelnen beschrieben worden, um nicht unnötigerweise die vorliegende Erfindung unkler zu machen.
Es wird auf die Fig. 1 Bezug genommen, in der ein Schema einer Massendurchflußsteuervorrichtung 10 nach dem Stand der Technik gezeigt ist. Die Vorrichtung 10 besteht aus drei Haupteinrichtungen, namlich einem Durchflußmeter 11, einem Sensor 20 und einer Strömungseinstelleinheit 30. Gas von einer Gasquelle wird mit einem Einlaß 12 des Flußmeters 11 gekoppelt, während ein Auslaß 13 des Flußmeters 11 mit einer Gasbestimmungsziel gekoppelt ist, wie einer Halbleiterverarbeitungskammer.
Um einen weiten Strömungsbereich in dem Bereich von ungefähr 10 SCCM bis 50.000 SCCM zu überdecken, wird der Gasstrom in einem festen Verhältnis zwischen dem Meßrohr 15 und dem Hauptströmungskanal unterteilt.
Eine laminare Strömungseinrichtung 14 ist in Reihe mit der Hauptgasströmung eingeführt, um einen Druckunterschied über sie herzustellen. Die Strömung sowohl in dem Meßrohr 15 als auch in dem Hauptströmungskanal muß im laminaren Strömungsbereich gehalten werden, um ein festes Strömungsverhältnis zwischen ihnen aufrechtzuerhalten. Ein Meßrohr 15 ist parallel zu der Einrichtung 14 gekoppelt, um den Massenfluß des Gases durch das Flußmeter 11 zu messen. Typischerweise wird der Durchmesser des Meßrohrs 15 wesentlich kleiner als der Durchmesser der Hauptströmung des Gases durch die Einrichtung 14 gemacht, so daß ein kleiner Prozentsatz des Gases tatsächlich durch das Meßrohr 15 gelenkt wird und das meiste Gas an dem Rohr 15 vorbeigeht. Wegen dieser Konstruktion der Einrichtung 14, eine laminare Strömung vorzusehen, tritt ein Druckunterschied über die Meßeinrichtung 14 auf, wodurch auch ein Druckunterschied über das Meßrohr 15 geliefert wird. Dieser Druckunterschied bewirkt, daß ein festes Verhältnis der Gesamtmenge der Gasströmung durch das Meßrohr 15 fließt. Indem richtige Konstruktionskriterien für die physikalische Konstruktion der Einrichtung 14 und das Rohr 15 ausgewählt werden und indem sichergestellt wird, daß das Meßrohr 15 und die laminare Strömungseinrichtung 14 eine Größe haben, eine laminare Strömung über den Verwendungsbereich aufrechtzuerhalten, kann die gesamte Gasströmung über das Flußmeter 11 bestimmt werden, indem die Gasströmung durch das Meßrohr 15 gemessen wird.
Anschließend an die Einrichtung 14 und das Rohr 15 wird die Gasströmung zu einem Mengenventil 31 der Vorrichtung 30 gelenkt, bevor sie an einem Auslaß 13 nach außen geführt wird. Das Ventil 31 ist ein veränderliches Einstellventil, das ohne weiteres eingestellt werden kann, die Menge der Gasströmung zu dem Auslaß 13 zu steuern. Die Einstellung des Ventils 31 kann entweder von Hand, wie durch mechanische Schrauben, oder automatisch, wie durch eine elektrische Steuerung, in Abhängigkeit einer tatsächlich verwendeten Einrichtung vorgesehen werden. Eine bevorzugte Einrichtung ist ein Magnetventil, dessen Öffnen elektrisch gesteuert sowie geändert werden kann. Eine andere Einrichtung zum Bewegen der Ventilspindel wendet die Spannung an, die an einen Stapel von piezoelektrischem Material angelegt wird.
Obgleich eine Anzahl von Einrichtungen nach dem Stand der Technik verwendet werden kann, die Strömung des Gases durch die Einrichtung 10 zu messen, verwendet die Einrichtung 10 eine der einfachsten, dennoch genauen Techniken. Eine erste Spule 17 wird um einen Abschnitt des Meßrohrs 15 herumgewickelt, während eine zweite Spule 18 um einen Abschnitt des Rohrs 15 herumgewickelt wird, der sich stromabwärts von der Spule 17 befindet. Zwischen den zwei Spulen 17 und 18 ist eine dritte Spule 19 angeordnet, die verwendet wird, Wärmeenergie zu dem Gas zu liefern, das das durch das Rohr 15 fließt. Man erkennt, daß die Spulen 17-19 oben dargestellt und beschrieben worden sind, als daß sie um das Meßrohr 15 herumgewickelt worden sind, aber in der Praxis müssen diese Spulen 17-19 nicht notwendigerweise um das Rohr 15 herumgewickelt werden. Diese Spulen 17-19 können benachbart oder sonst wie nahe bei den entsprechenden Abschnitten des Rohrs sein. Ferner können Widerstandselemente ohne weiteres für die Spulen 17-19 verwendet werden. Zusätzlich werden die Spulen 17-18 aus Materialien mit einem beträchtlichen Widerstandstemperaturkoeffizienten hergestellt, um als Thermometer zu dienen, während die Spule 19 einen kleinen Temperaturkoeffizienten hat und als Heizeinrichtung dient.
Die Enden der zwei Spu1en 17-18 sind mit der Meßvorrichtung 20 gekoppelt. Ein Ende der Spule 17 ist mit einem Ende der Spule 18 verbunden, während das andere Ende der Spulen 17 und 18 mit dem Knoten 23 bzw. 24 verbunden ist. Ein Widerstandsnetzwerk, das aus den Widerständen 21 und 22 besteht, ist über die Knoten 23 und 23 geschaltet. Die Spulen 17 und 18 und die Widerstände 21 und 22 sind ausgestaltet, ein abgeglichenes Brückennetzwerk zu liefern. Anderungen bei dem Widerstand der Spulen 17 und 18, wobei die Änderungen dazu neigen, in der entgegengesetzten Richtung zu sein, ergeben einen Fehlabgleich der Brücke, wodurch sich das Signal ergibt, das zu ΔT proportional ist. Die Ablesung ΔT (Temperaturdifferenz), die über die Knoten 23 und 24 abgenommen wird, ist als ein Ausgang der Vorrichtung 20 vorgesehen. Die zwei Enden der Heizspule 19 sind mit einer elektrischen Quelle verbunden, die, wenn sie angelegt wird, bewirkt, daß die Heizspule 19 Wärmeenergie zuführt, um das Gas in dem Rohr 15 zu erwärmen.
Die Arbeitsweise des Meßrohrs 15 und seiner zugehörigen Spulen 17-19, um die Strömungsmenge des Gases in dem Rohr 15 zu messen, wird besser unter Bezugnahme auf die Fig. 2 und 3 dargestellt. Bezug nehmend auf Fig. 2 und 3 zeigt Fig. 2 die Position der verschiedenen Spulen 17-19 um das Meßrohr 15 herum, während die Fig. 3 die beigefügte graphische Darstellung der Temperatur (T) als Funktion des Abstandes (X) zeigt, die sich auf das Diagramm der Fig. 2 bezieht. Bei den Diagrammen ist die eingangsseitige Spule 17 mit einem Abstand X&sub0; angeordnet, während die ausgangsseitige Spule 18 mit einem relativen Abstand X&sub1; angeordnet ist. Die Heizspule 19 ist in der Mitte zwischen X&sub0; und X&sub1; angeordnet.
Ohne irgendeine Gasströmung durch das Rohr 15, wie in dem Fall, wenn das Ventil 31 der Fig. 1 vollständig geschlossen ist, heizt die Heizeinrichtung 19 das stationäre Gas in dem Rohr 15, wodurch sich die Temperaturkurve 27 der Fig. 3 ergibt. Wie man aus der Kurve 27 erkennen kann, wird die höchste Temperatur an der Stelle der Heizspule 19 angetroffen, die in der Mitte zwischen X&sub0; und X&sub1; ist. Die Temperaturen an den Positionen X&sub0; und X&sub1; sind im wesentlichen gleich, so daß TEIN gleich TAUS ist. Somit ergeben die Eingangs- und Ausgangstemperatur (TEIN bzw. TAUS), wie sie durch die Spulen und 18 erfaßt werden, ein ΔT von null. Man beachte, daß die Spulen 17 und 18 tatsächlich die Temperatur nicht erfassen. Vielmehr bewirkt die Widerstandsänderung von jeder Spule, die durch das Vorhandensein von Wärme bewirkt wird, daß sich der Strom durch die Spulen ändert. Diese Stromänderung wird durch das Brückennetzwerk gemessen.
Wenn es jedoch eine Gasströmung in dem Rohr 15 gibt, bewirkt die tatsächliche Gasströmung, daß der maximale Temperaturpunkt physikalisch in Richtung zu der stromabwärtigen Spule 18 verschoben wird, wie es durch die Kurve 28 der Fig. 3 beispielhaft gezeigt ist. Die Spitzenverschiebung in Richtung zu X&sub1; in Fig. 3 ist aufgrund der Gasströmung, die von X&sub0; in Richtung zu X&sub1; auftritt und die Verschiebungsgröße hängt von der tatsächlichen Strömungsgeschwindigkeit des Gases zwischen X&sub0; und X&sub1; ab. Mit der Verschiebung der Kurve ist die Kurve nicht länger symmetrisch, wodurch sich eine niederere Temperatur bei X&sub0; und eine höhere Temperatur bei X&sub1; ergibt. Dieser Temperaturunterschied bei X&sub0; und bei X&sub1; ist als der Temperaturunterschied ΔT definiert, der eine unmittelbare Funktion der Größe der Gasströmung zwischen X&sub0; und X&sub1; ist. Somit kann, indem ΔT gemessen wird, die tatsächliche Gasströmung durch das Rohr 15 gemessen werden, vorausgesetzt, daß die anderen Parameter konstant gehalten werden. Demgemäß kann unter Verwendung dieses Prinzips die Einrichtung 10 der Fig. 1 nach dem Stand der Technik ohne weiteres ΔT über die Spulen 17 und 18 messen, wobei der ΔT Wert eine unmittelbare Angabe der gesamten Gasströmung aus dem Auslaß 13 heraus liefert.
In mathematischen Größen liefern die Fig. 2 und 3 das Folgende. Beginnend mit einem sehr vereinfachten Modell mit einer Wärmeleistung P in das Gas, dann kann die Massendurchflußgeschwindigkeit QM erhalten werden aus (Gleichung 1)
Wo CP die spezifische Wärme des bestimmten Gases ist. In einem praktischen Durchflußmeter muß dieser Ausdruck mit einem Eichfaktor für das in Betracht gezogene besondere Flußmeter multipliziert werden. Die Praxis hat gezeigt, daß jedes Flußmeter ausreichend unterschiedlich ist, so daß es eine Eichung verlangt. Idealerweise sollte das Flußmeter mit dem Gas geeicht werden, mit dem beabsichtigt ist, es das Flußmeter zu verwenden. Praktische Überlegungen verlangen, daß die Massendurchflußsteuervorrichtungen mit nichtaggressiven, ungiftigen Gasen geeicht werden. Die Eichung mit einem inertgas wird auf diejenige für ein anderes Gas durch einen Korrekturfaktor umgewandelt, der von dem Flußmeterhersteller geliefert wird. (Gleichung 2)
Die "K"-Faktoren werden erhalten aus (Gleichung 3)
wo die N "Struktur" Faktoren für das Gas sind, die von einer ersten Näherung über die Anzahl von Molekülen in einem Gas (mit 1, 2, 3, vielen Atomen) abhängen, p die Dichte des Gases ist. Es wurde gezeigt, daß reale Gase, sogar einige relativ einfache dieser Gleichung nicht folgen. Eine Korrekturfunktion f(QM) wird stattdessen benötigt. Konstante Korrekturfaktoren können durch analoge Elektronik ausgeführt werden, indem die Verstärkungen eingestellt werden, aber das Anwenden einer Korrekturfunktion in Realzeit verlangt einen Mikroprozessor.
Bei einem Durchfluß null ist das Temperaturprofil entlang des Rohres zu der Heizspule symmetrisch. Wenn man Gas durch das Rohr strömen läßt, wird Wärme von der Mitte des geheizten Abschnittes in Flußrichtung geführte was ein schräges Temperaturprofil gibt, wie es oben gezeigt ist.
Die oben angegebene Formel ist auf der Grundlage einer Anzahl von Vereinfachungsannahmen. Erstens, die Durchschnittsgeschwindigkeit der Strömung, die Leitfähigkeit, die Dichte, die Viskosität und die spezifische Wärme des Gases sind über den in dem Sensor verwendeten Temperaturbereich konstant. Zweitens, wenn von einem Gas zu einem anderen umgewandelt wird, haben diese Größen die gleiche Temperaturabhängigkeit wie das Eichgas.
Man erkennt, daß bei Einrichtungen nach dem Stand der Technik die Heizspule 19 physikalisch nicht vorhanden ist, sondern ihre Funktion in die Spulen 17 und 18 eingebaut wird und die Heizfunktion von Spulen, wie 17 und 18 geliefert wird. In diesem Fall haben die Kurven, wie es durch die Kurven 27 und 28 der Fig. 3 beispielhaft gezeigt ist, eine unterschiedliche Form, jedoch liefert eine ΔT Ablesung weiterhin eine Angabe der Größe des Gasflusses durch das Rohr 15 und deshalb durch die Einrichtung 10. Andere Ausgestaltungen, die verwendet worden sind, schließen die Verwendung des Sensorrohres selbst als die Heizeinrichtung ein, indem ein elektrischer Strom durch das Rohr durch Klemmen fließt, die sich an den Enden des Rohres befinden. Die Arbeitsweise der Temperatursensoren 17 und 18 bleibt im wesentlichen die gleiche.
Der größte Teil von Massendurchflußsteuervorrichtungen nach dem Stand der Technik wird unter Verwendung von analoger Elektronik ausgeführt. Analoge Elektronik hat einen Vorteil, daß sie von sich aus in "Realzeit" ist, jedoch ist die Ausführung von Korrektur funktionen und anderen Merkmalen bei analoger Elektronik unpraktisch. Diese Ungeeignetheit wird ausgeschlossen, sobald ein Mikroprozessor eingegliedert wird, was der Fall bei der vorliegenden Erfindung ist.
Beim Betrieb liefert die Einrichtung 10 der Fig. 1 nach dem Stand der Technik einen Ausgang ΔT, der direkt mit der Menge an Gasströmung durch das Flußmeter 11 in Beziehung steht. Da die Parameter, die mit der physikalischen Auslegung, die sich auf den Gasdurchfluß in der Einrichtung 10 beziehen, festgelegt und/oder bekannt sind, liefert ΔT eine Angabe über den Gasdurchfluß und daher die Menge an fließendem Gas. Wenn die Gasart bekannt ist, liefert ΔT eine Ablesung der Gasmasse, die zu der Verarbeitungskammer geliefert wird. Somit ist es bei bekanntem Gas und Schaltungsparametern ohne weiteres einfach, den Massendurchfluß des Gases zu bestimmen, wenn der Wert ΔT von der Einrichtung 10 bekannt ist. Die Durchflußeinstellung, die durch das Ventil 31 geschaffen wird, kann so erfolgen, daß sie auf irgendwelche Änderungen bei diesem ΔT reagiert. Das Ventil 31 kann eingestellt werden, um ein erwünschtes ΔT zu liefern. Vorzugsweise kann ein Steuersignal für die Durchflußeinstellung so gemacht werden, daß es automatisch reagiert, ein erwünschtes ΔT beizubehalten.
In vielen Fällen ist das ΔT Signal mit einer Überwachungseinheit oder sogar mit einem Prozessor verbunden. Jedoch liefert, wie er beim Stand der Technik verwendet wird, der Prozessor oder die Überwachungseinheit die notwendige Intelligenz, um auf verschiedene Anregungseingaben zu reagieren. In dem besonderen Fall erhält der Prozessor die Anregung in der Art eines ΔT Signals, ermittelt es und liefert einen Ausgang, die Durchf lußeinstellung zu steuern. Wo eine Anzahl von Einrichtungen in einem Herstellungsumfeld verlangt wird, ist der Prozessor typischerweise eine Massendurchflußsteuervorrichtung mit mehreren Kanälen, wo zahlreiche Eingänge von einer Mehrzahl von Einrichtungen geliefert werden. Teilweise aus diesen Gründen sind Durchflußsteuervorrichtungen einfach und "nicht intelligent" gehalten worden.
Einige andere Nachteile, denen man bei Massendurchflußsteuervorrichtungen nach dem Stand der Technik begegnet, werden unten beschrieben. Solche Nachteile sind das Fehlen einer Selbstprüfmöglichkeit; das Fehlen irgendeiner Art von Eichung an Ort und Stelle, um Eicheffekte zu minimieren (eine Eichung an Ort und Stelle wird benötigt, weil das Entfernen der Massendurchflußsteuervorrichtung von dem Gerät zum Kalibrieren einige Abschaltzeit des Gerätes von einiger Bedeutung ergibt); das Fehlen eines Verfahrens zur automatischen Nullstellung, um Wirkungen einer Nullverschiebung zu minimieren; das Fehlen von Korrekturen für Umgebungsbedingungen. Ferner wird eine bessere Linearität bevorzugt (dies ist ein Mangel bei analoger Elektronik und wird bei digitaler Elektronik nicht verlangt) und für einige Anwendungen wird ein vielfältigerer Betrieb erwünscht, wie ein programmierbarer sanfter Start oder Anfahren. Einrichtungen nach dem Stand der Technik fehlen auch Diagnosemöglichkeiten auf der Schaltungsplatte. Diagnose an Ort und Stelle würde die Vorrichtungsverwendung verbessern und einen unnötigen Austausch von Massendurchflußsteuervorrichtungen vermeiden. (Es wurde gezeigt, daß ein beträchtlicher Prozentsatz von ausgetauschten Massendurchflußsteuervorrichtungen richtig arbeitet). Ferner altern Massendurchflußsteuervorrichtungen nach dem Stand der Technik mit der Zeit, und eine vorgenommene Korrekturwirkung verlangt typischerweise Einstellungen auf der Schaltungsplatte und in vielen Fällen wird dies von Hand durchgeführt. Bei analoger Elektronik wechselwirken häufig die Null- und Verstärkungseinstellungen, so daß das "Abstimmen" einer analogen Massendurchflußsteuervorrichtung ein iteratives und zeitaufwendiges Verfahren ist.
Viele bestehende Massendurchflußsteuervorrichtungen haben Überschwingprobleme. Bei kürzeren Verfahren, wie bei Verfahren für einzelne Wafer, wo die Verfahrenszeit in Minuten oder Sekunden statt Stunden gemessen wird, bedeutet ein Überschwingen, daß der Gasdruck während eines beträchtlichen Bruchteils der gesamten Verfahrenszeit außer Kontrolle ist. Es wird bevorzugt, ein sich anpassendes Steuerschema zu verwenden, das die Eigenschaften des spezifischen Systems "lernt", bei dem es angebracht ist. Dies führt zu einer viel schärferen Steuerung. Ferner sind bestehende Massendurchflußsteuervorrichtungen gegen Kabellängen zwischen der Hauptsteuereinrichtung und der Massendurchflußsteuervorrichtung empfindlich. Eine digitale Kommunikation schließt diese Schwierigkeit aus.
Bezug nehmend auf Fig. 4 ist eine "intelligente" Massendurchflußsteuervorrichtung (IMFC) 49 der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die intelligente Massendurchflußsteuervorrichtung 49 besteht aus vier Vorrichtungen, nämlich dem Flußmeter 12a, dem Sensor 20a, der Durchflußeinstelleinheit 30a und der Mikrosteuereinrichtung 50. Die Vorrichtungen 11a, 20a und 30a arbeiten äquivalent wie diejenigen mit den gleich bezeichneten Elementen 11, 20 bzw. 30, die unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 3 beschrieben worden sind. Diese gleichen Elemente werden dadurch bezeichnet, daß sie die gleiche Bezugszahl haben, daß aber der Buchstabe "a" diesen Elementen in Fig. 4 hinzugefügt worden ist. Wie man jedoch in Fig. 4 erkennt, sind zusätzliche Überwachungseinrichtungen bei diesen Vorrichtungen eingeschlossen. Der Sensor 20a liefert ein ΔT Signal als einen Ausgang, wobei ΔT einen Wert hat, der eine Angabe für den Massendurchfluß des Gases durch das Durchflußmeter 11a ist.
Zusätzlich weist der Sensor 20a eine Strommeßeinrichtung 44 zum Messen des Heizstroms I&sub1; zu der Heizspule 19a auf. Ein Temperatursensor 41, um die Einlaßgastemperatur T&sub1; zu messen, und ein Drucksensor 42, um den Einlaßdruck P&sub1; zu messen, befinden sich an dem Einlaß zu dem Durchflußmeter 11a. Ein Temperatursensor 43 ist in die elektronischen Schaltungen des Sensors 20a eingebettet, um die Temperatur (T&sub2;) des Brückennetzwerkes zu messen (die Sensoren 41-43 sind typischerweise Wandler). Einige Quellenfehler, denen beim Stand der Technik begegnet wird und die die vorliegende Erfindung aufgrund dieser Sensoren überwindet, sind beschrieben in "Thermal Nethods of Flow Measurements"; P. Bradshaw, Jounal of Scientific Instruments (Journal of Physics E); 1968 Series 2, Band 1,; Seiten 504 - 509.
Bezug nehmend auf die Einheit 30a wird ein Durchflußeinstellsignal mit dem Mengeneinstellventil 31a gekoppelt, das darauf reagiert, die Größe seiner Öffnung zu steuern. Obgleich eine Vielzahl von Ventilbetätigungseinrichtungen verwendet werden können, verwendet die bevorzugte Ausführungsform eine von zwei Arten von Ventilbetätigungseinrichtungen. Die erste ist ein Solenoid, bei dem die Position des Ventilstößels dem Solenoidstrom proportional ist. Die zweite ist eine piezoelektrische Betätigungseinrichtung, in der die Position des Ventilstößels proportional der Spannung der Betätigungseinrichtung ist. Somit ist eine verwendete Meßeinrichtung 45 eine Strommeßeinrichtung für Solenoidventile oder eine Spannungsmeßeinrichtung für piezoelektrische Ventile. Für eine gegebene Massendurchflußgeschwindigkeit wird von dem Ventilstrom (oder der Spannung) erwartet, daß sie sich genau wiederholt. Eine Diagnoseroutine überwacht dann den Ventilstrom (oder Spannung) für eine gegebene Durchflußgeschwindigkeit. Änderungen oder die Geschwindigkeit einer Änderung können verwendet werden, um ein beginnendes Versagen des Steuerventils vorwegzunehmen.
Die Mikrosteuereinrichtung 50 besteht aus einem Prozessor (CPU) 51, einem Signalprozessor 54 und einer Anzahl von Softwareroutinen 52, 53, 55 und 56. Ein bidirektionaler Bus 58 verbindet die zentrale Verarbeitungseinheit CPU mit dem System, typischerweise einem Hostprozessor und/oder einem Netzwerk. Man erkennt, daß die Mikrosteuereinrichtung 50 einen Speicher einschließt, wobei der Speicher ein getrennter Speicher sein kann oder als Teil der zentralen Verarbeitungseinheit CPU 51 eingeschlossen sein kann, um verschiedene Softwareroutinen zusammen mit Daten zu speichern. Eine Größe der gespeicherten Daten ist der Sollwert 57, der der zentralen Verarbeitungseinheit CPU 51 von dem Bus 58 geliefert wird. Obgleich verschiedene Pfeile als Eingänge zu der zentralen Verarbeitungseinheit CPU 51 gezeigt sind, erkennt man ohne weiteres, daß solche Signaleingänge innerhalb der zentralen Recheneinheit CPU 51 sein können oder alternativ durch den Bus 58 zu der und von der zentralen Recheneinheit CPU 51 geliefert werden können.
Beim Betrieb werden die Ablesungen T&sub1; und P&sub1; der Eingangstemperatur und des Drucks mit der Routine 53 für die Korrektur auf die Umgebung gekoppelt, nachdem sie von dem Signalprozessor 54 verarbeitet worden sind. Die Signale ΔT, I&sub1; und T&sub2; von dem Durchflußmeter 11a und dem Sensor 20a werden auch mit dem Signalprozessor 54 gekoppelt. Die Stromablesung I&sub2; wird von der Diagnoseroutine 56 gekoppelt, nachdem sie von dem Signalprozessor 54 verarbeitet worden ist, während das Durchflußeinstellsignal zu dem Steuerventil 31a von der zentralen Verarbeitungseinheit CPU 51 geliefert wird. Der Ausgang des Signalprozessors 54 ist mit der zentralen Verarbeitungseinheit CPU 51 gekoppelt und ist auch mit der Routine 55 zur Selbsteichung und automatischen Nulleinstellung 55 und und der Diagnoseroutine 56 gekoppelt. Der Ausgang der Selbsteichungsroutine 55 ist auch mit der Diagnoseroutine 56 gekoppelt. Der Zweck der Mikrosteuereinrichtung 50 ist, verschiedene Eingänge zu erhalten, die sich auf die Umgebung beziehen, um "im Vorübergehen" Korrekturen vorzunehmen, damit der erwünschte Gasdurchfluß beibehalten wird. Ferner hält die Mikrosteuereinrichtung 50 eine Aufzeichnung von Betriebsdaten über die Zeit aufrecht, um langzeitige Änderungen zu korrigieren, die sich bei verschiedenen Einrichtungen der intelligenten Massendurchflußsteuervorrichtung 49 ergeben und beginnende Fehler zu erfassen.
Die Diagnoseroutine 53 arbeitet auf zwei Niveaus. Das erste ist, eine Selbstdiagnose des Sensors und der Elektronik der Einheit 20a und des Ventils 31a zu liefern. Das zweite ist, eine Systemdiagnose zu liefern, die andere Durchflußsteuervorrichtungen und Drucksensoren in dem System überwacht (wie es unten erörtert wird). Die Ablesungen T&sub1; und P&sub1; liefern kontinuierliche Temperatur- und Druckinformationen und daher die Dichte des Gases am Einlaß. Wie es in den Gleichungen 3 und 4 gezeigt ist, wird der "K" Faktor für ein Gas durch die Dichte dieses Gases beeinflußt. Die Ablesungen von T&sub1; und P&sub1; werden der Routine 53 so geliefert, daß irgendwelche Schwankungen der Dichte des Gases am Einlaß durch die Routine 53 ausgeglichen und korrigiert werden. Demgemäß beeinflussen, wenn sich die Eingangstemperatur und der Druck des Gases am Eingang wegen verschiedener äußerer Bedingungen ändern, die Änderungen notwendigerweise den Massendurchfluß. Die Routine 53 gleicht automatisch diese Änderung aus, wodurch ein im wesentlichen konstanter Massendurchfluß des Gases beibehalten wird. Somit liefert die Routine 53 eine dynamische Korrektur auf Änderungen in der Umgebung, die Änderungen bei dem Massendurchf luß des Gases bewirken können. Die Routine 53 überwacht und korrigiert auch Änderungen bei der Elektronik und Signalverarbeitungsschaltung aufgrund von Änderungen in der Umgebung.
Für die Routine 53 für die Systemdiagnose ist die intelligente Massendurchflußsteuervorrichtung 49 als ein Teil eines Sensornetzwerks ausgestaltet. Die intelligente Massendurchflußsteuervorrichtung 49 wirkt als ein "Gegenstand" in dem Sinn eines Gegenstandes bei einer gegenstandsorientierten Programmierung. Die intelligente Massendurchflußsteuervorrichtung 49 sendet und empfängt Nachrichten und erkennt Nachrichten auf dem Netzwerk, die sich auf ihre Funktion beziehen. Einige dieser Nachrichten, beispielsweise der Verfahrenskammerdruck werden bei Routinen für eine Selbstdiagnose und Selbsteichung verwendet.
Bei einer programmierten Durchflußrate in dem Netzwerksystem würde ein Druckanstieg in dem System mit dem erwarteten Wert verglichen und irgendeine notwendige Korrektur zum Überbrükken würde berechnet und korrigiert. Wenn mehr als eine intelligente Massendurchflußsteuervorrichtung 49 gleichzeitig betrieben wird, um Verfahrensgasmischungen herzustellen, würde jede intelligente Massendurchflußsteuervorrichtung 49 die Durchflußraten der anderen Massendurchflußsteuervorrichtungen 49 aus dem Netzwerk lesen und den Gesamtsystemdruck berechnen, der für den gesamten Gasdurchfluß und die gegebene Pumpgeschwindigkeit erwartet wird. Irgendwelche Abweichungen würden an den Systehost geliefert.
Der Zweck der Gaskorrekturfunktionsroutine 52 ist, eine mathematische Funktion für jede gegebene Art von Gas zu liefern, das bei dem Herstellungsverfahren verwendet wird, so daß die intelligente Massendurchflußsteuervorrichtung 49 ohne weiteres mit einer Vielfalt von Gasen verwendet werden kann.
Praktisch gesehen wird die intelligente Massendurchflußsteuervorrichtung 49 mit inerten, nichtaggressiven Gasen geeicht. Übliche Praxis ist es, die Eichung mit inertem Gas einzustellen, damit sie zu dem Gas paßt, für das die besondere intelligente Massendurchflußsteuervorrichtung 49 vorgesehen ist, verwendet zu werden, indem ein neuer Eichfaktor Kx berechnet wird, der die spezifische Wärme Cp, die Dichte p und einen "N" Faktor berücksichtigt, der sich auf die Molekülstruktur des Gases bezieht. (Gleichung 4)
worin sich die Indizes auf das Eichgas bzw. auf das Gas beziehen, mit dem die intelligente Massendurchflußsteuervorrichtung verwendet werden soll.
Dieses Verfahren arbeitet ausreichend gut bei einatomigen sowie einigen zweiatomigen Gasen bei einem Genauigkeitsniveau von 2 bis 5%, wobei jedoch die Erfahrung gezeigt hat, daß es für komplexere Gase oder für eine verbesserte Genauigkeit ungeeignet ist. Hinkle und Mariano (Hinkle, L. D. und Mariano, C.F., "Towards Understanding the Fundamental Mechanisms and Properties of the Thermal Mass Flow Controller", 37th AVS Symp., Toronto Oktober 1990) haben gezeigt, daß selbst bei relativ einfachen Gasen der Umwandlungsfaktor durch eine Gaskorrekturfunktion ersetzt werden sollte, das heißt eine Funktion der Durchflußgeschwindigkeit. Bei der intelligenten Massendurchflußsteuervorrichtung 49 kann die Gaskorrekturfunktion von dem Host während der Systeminitialisierung abgeladen werden. Diese mathematische Funktion, die ein Potenzreihenpolynom sein kann, aber nicht darauf beschränkt ist, wird in der Routine 52 berechnet und angewendet. Im unwahrscheinlichen Fall, daß die Beziehung nicht als eine Funktion mit der erforderlichten Genauigkeit ausgedrückt werden kann, hat die Routine 52 Möglichkeiten, eine Nachschlagetabelle und eine Interpolationsroutine zu speichern, um die Gaskorrekturfunktion zu berechnen.
Das Signal ΔT wird als ein Ausgang von dem abgeglichenen Brückennetzwerk geliefert, das aus den Spulen 17a und 18a und den Widerstandselementen 21a und 22a besteht.
Beim Stand der Technik werden typischerweise die Brücke und dazugehörige, elektronische Schaltungen der Einheit 20 als Gleichstromschaltungen betrieben. Es gibt beträchtliche Vorteile jedoch, die Brücke in eine Wechselstrombrücke umzuwandeln. Wegen der höheren Empfindlichkeit und Rauschunterdrükkungseigenschaften von phasenverriegelten Erfassungseinrichtungen kann die Empfindlichkeit der Brücke wahrscheinlich um wenigstens eine Größenordnung gegenüber einem Gleichstrombetrieb verbessert werden. Ferner kann, indem ein einfacher Verhältnistransformator statt der Teilerwiderstände 2la und 22a verwendet wird, die Empfindlichkeit der Brücke und der Erfassungselektronik gegenüber Drift aufgrund von Altern der Teilerwiderstände und Umgebungsänderungen im wesentlichen ausgeschlossen werden. Das Gebiet der Wechselstrombrücken ist auf dem Gebiet der Präzisionsplatinwiderstandsthermometrie höchst entwickelt worden. Wechselstrombrücken werden bei Kondensatormanometern verwendet. Die erhöhte Empfindlichkeit und Genauigkeit, die bei Verwendung der Wechselstrombrückentechnologie mit einer phasenempfindlichen Erfassungeinrichtung erhalten werden, liefern sowohl eine verbesserte Genauigkeit als auch einen weiteren Betriebsbereich für die intelligente Massendurchflußsteuervorrichtung 49 der vorliegenden Erfindung (vergleiche "Standard Cell Enclosure with 20-µK Stability"; Cutkosky, R. D. und Field, B.F.; IEEE Transactions on Instrumentation und Measurement; Volume IM- 23, No. 4, Dezember 1974; Seiten 295-298).
Wie es oben beschrieben worden ist, ist der Zweck von ΔT, den Massendurchfluß des Gases zu liefern. Das Signal T&sub2; liefert eine Messung der Brücke und elektronischen Schaltung der Einheit 20a. Diese Messung wird von dem Signalprozessor 54 verwendet, um den Ausgang der Einheit 20a gegenüber Umgebungstemperaturwirkungen zu korrigieren. Die Heizstromablesung R&sub1; liefert eine genaue Ablesung des Heizstroms und somit die von der Heizspule 19a erzeugte Wärmemenge.
Da die Interpretation des Wertes ΔT für ein gegebenes Gas von der Menge der Heizenergie abhängt, die dem Gas durch die Heizspule 19a geliefert worden ist, wobei die Heizenergie eine Funktion des Stroms ist, der der Heizspule 19a geliefert wird, ist es von Bedeutung, daß der Heizstrom I&sub1; der genau überwacht wird, um eine enge Toleranz aufrechtzuerhalten.
Es gibt zwei bevorzugte Arbeitsweisen für den Massendurchflußsensor 20a: 1) konstanter Heizstrom und gemessenes ΔT, oder 2) konsantes ΔT und gesteuerter und gemessener Heizstrom. Die erste Art ist einfacher auszuführen, da der Heizstrom nur auf einen festen und konstanten Wert gesteuert werden muß. Bei der zweiten Art wird der Heizstrom gesteuert, wobei verlangt wird, daß das gemessene ΔT konstant bleibt. Bei dieser Art sind die Messung von Strom und von ΔT miteinander verbunden. Dies neigt dazu, genauer zu sein, da die Brücke bei einem Nullabgleich gehalten wird. Die Rauschunterdrückungseigenschaften der Nullabgleichsschaltung sind besser, als zu versuchen, sehr kleine Signale genau zu messen. Irgendein von null abweichendes Signal bewirkt eine proportionale Einstellung bei dem Heizstrom, um die Brücke zurück in den Abgleich zu bringen. Der Heizstrom, der ein viel größeres Signal ist, kann rauschunempfindlicher als das kleine Signal ΔT gemacht werden, das bei der ersten Art verwendet wird.
Bei der ersten Art wird das unabgeglichene Signal von der Brücke als die Messung der Durchflußrate verwendet und wird der Ventilsteuerschaltung eingegeben. Bei der zweiten Art wird der Heizstrom überwacht und wird als ein Maß der Durchflußrate verwendet. Man beachte, daß, obgleich zwei Methoden für den Betrieb der Heizeinrichtung in der Einheit 20a beschrieben worden sind, andere Methoden ohne weiteres ausgeführt werden können.
Die Routine 55 zur Selbsteichung und automatischen Nulleinstellung wird verwendet, um die intelligente Massendurchflußsteuervorrichtung 49 während der Initialisierung selbst zu eichen. Bei geschlossenem Ventil 31a werden die Massendurchflußparameter gemessen, wobei die Routine 55 verwendet wird. Dies sollte durch die Tatsache belegt werden, daß T&sub1; gleich T&sub2; sein sollte. Wenn Korrekturen verlangt werden, dann werden diese Korrekturwerte berechnet und ausgeführt. Dann werden solche Selbsteichungsmessungen und Korrekturfaktoren von der zentralen Verarbeitungseinheit CPU 51 aufgezeichnet (gespeichert). Ferner bewirkt die Diagnoseroutine 56, daß der Stromwert I&sub2; aufgezeichnet wird (unter der Annahme, daß das Ventil 31a elektrisch betrieben wird, wie durch ein Solenoid), um eine historische Aufzeichnung des Solenoidstroms über die Zeit aufrechtzuerhalten. Der Hauptzweck der Routine 56 ist, Diagnosen zu liefern und eine Aufzeichnung verschiedener Schaltkreisparameter mit der Zeit aufrechtzuerhalten, um diese Zahlen zu korrelieren und das Altern verschiedener Einrichtungen zu bestimmen. Wenn die gemessenen Paramterwerte einen vorbestimmten Punkt erreichen, ein Punkt, der unerwünscht weit von dem Anfangswert entfernt ist, wird von der zentralen Verarbeitungseinheit CPU 51 ein Signal geliefert, um dem Host mitzuteilen, daß eine Reparatur oder ein Austausch für eine bestimmte Einrichtung verlangt werden.
Da die intelligente Massendurchflußsteuervorrichtung 49 der vorliegenden Erfindung eine intelligente Einrichtung ist, muß eine minimale Kommunikation zwischen ihr und dem Hostprozessor oder dem Netzwerk auftreten. Während des Betriebs überträgt der Host durch den Datenbus 58 der Mikrosteuereinrichtung 50 die Sollwertinformation für ein bestimmtes Gas, das verwendet werden soll. Die Sollwertinformation wird in der zentrlaen Verarbeitungseinheit CPU 51 gespeichert und von ihr geliefert. Vor oder bei Erhalt dieser Information initiiert die Mikrosteuereinrichtung 50 ihre Initiierungsroutine und wählt dann die richtige Gaskorrekturfunktion für das sich in der Verwendung bef indende Gas aus. Diese Funktion wird an die Sollwertinformation angepaßt, um einen Arbeitspunkt für die intelligente Massendurchflußsteuervorrichtung 49 herzustellen. Das Durchflußeinstellsignal von der zentralen Verarbeitungseinheit CPU aktiviert das Ventil 31 auf das erwünschte Öffnen, um den erwünschten Gasdurchfluß herzustellen. Schließlich werden alle Schaltkreisparameter überwacht und geprüft, um zu bestimmen, ob irgendwelche anderen Korrekturen von der zentralen Verarbeitungseinheit CPU 51 benötigt werden. Sobald der erwünschte Durchflußpegel hergestellt worden ist, überträgt dann die zentrale Verarbeitungseinheit CPU 51 dann ein Bestätigungssignal zurück zu der Hosteinheit, um die Hosteinheit darüber zu informieren, daß der erwünschte Arbeitspunkt erreicht worden ist und der erwünschte Massendurchf luß des Gases zu der Halbleiterverarbeitungskammer geliefert wird.
Ein Hauptvorteil der Verwendung der intelligenten Massendurchflußsteuervorrichtung der vorliegenden Erfindung ist, daß das erforderliche Verarbeiten, um die Massendurchflußsteuervorrichtung zu betreiben, von der Arbeitseinheit entfernt und dezentralisiert wird. (Dies nimmt an, daß der Host eine solche Verarbeitung ausführen kann.) Der Host muß nicht an dem fort laufenden Überwachen der Betriebsparameter teilnehmen. Die Arbeitseinheit muß nur Bestätigungssignale ("Flaggen") prüfen, die das richtige Arbeiten der intelligenten Massendurchflußsteuervorrichtung 49 bestätigen. Diese Dezentralisierung der steuernden Intelligenz befreit den Host, um andere Funktionen auszuführen, und erlaubt ferner, daß eine Mehrzahl dieser Einheiten mit dem Host und/oder dem Netzwerk gekoppelt werden, ohne den Host und/oder das Netzwerk mit fortlaufenden Überwachungsaufgaben zu belasten.
Unter Bezugnahme auf den Signalprozessor 54 wird darauf hingewiesen, daß er als eine Vielfalt von Hardwareeinrichtungen ausgeführt werden kann, wie eine Schaltung mit phasenverriegelter Schleife oder eine Kombination aus Hardware und Software.
Obgleich die intelligente Massendurchflußsteuervorrichtung 49 der bevorzugten Ausführungsform als eine einzelne Einheit arbeiten kann, ist die bevorzugte Verwendung, eine Mehrzahl solcher intelligenter Massendurchflußsteuervorrichtungen zu einem Systemniveauschema zusammenzubinden. Demgemäß beschreibt und kennzeichnet die folgende Beschreibung drei Betriebsniveaus für das bevorzugte System aus intelligenten Massendurchflußsteuervorrichtungen. Jedoch erkennt man, daß, obgleich ein bevorzugtes Beispiel beschrieben wird, andere Systeme und Systemfunktionen ohne weiteres ausgeführt werden können, ohne von dem Gedanken und dem Bereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Bei dem Systemschema ist eine Mehrzahl von intelligenten Massendurchflußsteuervorrichtungen 49 mit dem Bus 58 gekoppelt und steht mit dem Arbeitsprozessor in Verbindung. Andere Überwachungs- und Steuereinrichtungen, wie Druckwandler, sind auch mit dem Bus 58 gekoppelt, um mit dem Host zu kommunizieren. Jede intelligente Massendurchflußsteuervorrichtung kann in einer von drei Betriebsarten arbeiten. Diese drei Arten sind tatsächlich Betriebsniveaus und werden von oben nach unten als 1) Host- oder Prozeßsystemniveau, 2) Netzwerkniveau und 3) Sensorniveau bezeichnet.
Bei dem Systemniveau des Betriebs arbeitet das System in einer von fünf Betriebsschritten, die Initialisierung, Laufzeit, Datenprotokollierung, Diagnose und Warnung sind. Die Beschreibung von jedem ist unten angegeben.
Bei dem Initialisierungsmodus schickt der Host oder die Systemsteuereinrichtung eine Gesamtanforderung an jeden Sensor in dem Netzwerk, um seine Kennung und seinen Zustand zurückzubringen. Das System vergleicht dann die bestehende Konfiguration mit der spezifizierten, um festzustellen, daß die Sensorkonfiguration zu der für das Verfahren verlangten paßt. Die Prüfung des Sensorzustands bestätigt, daß das Sensorsystem zum Betrieb oder zur Aktualisierung bereit ist. Dann kann, nachdem der Zustand des bestehenden Systems bestätigt worden ist, der Hostrechner fortschreiten, irgendwelche von den Sensoren verlangte Informationen zu aktualisieren, um den nächsten Verfahrensprozeß durchzuführen. Dies können neue Sollwerte für die nächsten Verfahrensschritte sein, die ausgeführt werden sollen, neue Steuerparameter, wie die Rampengeschwindigkeit für den Gasdurchfluß, usw.
In dem Laufzeitmodus schickt der Host Verfahrensschrittkennzeichnungs-, Start- und Stoppbefehle. Nach dem Senden des Startbefehls überwacht der Host der Reihe nach den "Befehl Empfang" Handshake-Vorgang und bestätigt, daß der richtige Befehl fehlerfrei empfangen worden ist und überwacht die "Betrieb in Ordnung" Flagge, die von jedem Sensor während des Betriebs gemäß den anfangs geladenen Verfahrensparametern gehalten wird. Der Host überwacht auch eine Warnflagge, die von dem Sensor gesetzt wird, wenn Selbstprüfungen irgendeine Funktionsstörung bei sich selbst oder anderen "partnermäßigen" Sensoren erfassen.
In dem Datenprotokollierungsmodus befiehlt der Host den Prozessoren, örtlich gemessene Verfahrensparameter auf einer fortlaufenden Basis mit einer vorbestimmten Abtastfrequenz zu speichern. Am Ende des Verfahrens kann der Host die gesammelten Daten von jedem Sensor aufladen und den Sensoren ermöglichen, die örtlich gesammelten Datendateien zu löschen.
Im Warnmodus, wenn der Host eine Sensorwarnung erfaßt, meldet der Host dieses der Betriebsperson und wird in Abhängigkeit von den vorprogrammierten Informationen, die die Ernsthaftigkeit des Fehlers des Sensors klassifizieren, in der Reihenfolge der Ernsthaftigkeit: der Betriebsperson melden; mit der Verarbeitung fortfahren, aber eine Flagge für die Charge oder den Wafer setzen, daß eine Untersuchung verlangt wird; ein ordnungsgemäßes Abschalten des Systems durchführen; und eine Systemnotabschaltung durchführen.
Im Diagnosemodus informiert der Host die Sensoren, um ihre Selbstdiagnoseroutinen durchzuführen und die Ergebnisse mitzuteilen. Der Host wertet die Antworten aus und meldet der Betriebsperson, ob irgendwelche der Sensoren eine Beachtung verlangen.
Das Netzwerk wird aus einer Netzwerksteuereinrichtung bestehen, die mit dem Bus 58 gekoppelt ist, um den Netzwerkverkehr für den Zweck zu überwachen, die Netzwerkbetriebsniveaus zu liefern. Da das Netzwerk keine großen Mengen an Realzeitinformationen aufnehmen muß, kann es eines mit mittlerer Geschwindigkeit (wie ein serieller Drahtbus) sein, der alle Sensoren parallel statt des Busses 58 verbindet. Eine parallele Netzwerkverarbeitung der Sensoren ist wesentlich, um die vollen Möglichkeiten der intelligenten Massendurchflußsteuervorrichtungen zu verwirklichen, da jeder Sensor auf die anderen Sensoren in dem System als Teil ihrer örtlichen Selbstprüfroutinen hört oder horcht. Ein Datenbus ähnlich demjenigen, der von den Steuereinrichtungen 8031 oder 8051 (diese Steuereinrichtungen werden von Intel Corporation of Santa Clara, Kalifornien hergestellt) verwendet wird, oder ähnliche Steuereinrichtungen sind geeignet und können ohne weiteres angepaßt werden. Die Netzwerksteuereinrichtung erkennt Prioritätssignale, wie Warnungen und gibt sie unmittelbar an den Host weiter.
Eine vollständige Ausführung des Netzwerksystems intelligente Massendurchflußsteuervorrichtungen verlangt, daß ein Systemdruckwandler auch als Gegenstand des Netzwerkes intelligenter Massendurchflußsteuervorrichtungen arbeitet. Um das System aus intelligenten Massendurchflußsteuervorrichtungen vollständig auszuführen, wird eine parallele Entwicklung eines intelligenten Druckwandlers verlangt. Da dies tatsächlich nicht parallel auftreten mag, wäre eine Zwischenlösung für die Netzwerksteuereinrichtung, diese Funktion zu stimulieren. Die Netzwerksteuereinrichtung würde das Signal von dem Druckwandler nehmen und es in die Form der Gegenstandsnachricht umwandeln, die von dem Netzwerk aus intelligenten Massendurchflußsteuervorrichtungen verlangt wird. Eine etwaige Entwicklung eines intelligenten Druckwandlers wäre erleichtert, da die intelligenten Funktionen, die in der Netzwerksteuereinrichtung eingegliedert sind, ohne weiteres auf den Druckwandler übergehen könnten.
Wenn der Druckwandler als ein Teil des Netzwerksystems aus intelligenten Massendurchflußsteuervorrichtungen eingeschlossen ist, kann auch die Eichung der intelligenten Massendurchflußsteuervorrichtungen an Ort und Stelle eingegliedert werden. Es gibt Eichsysteme zum Eichen von Massendurchflußsteuervorrichtungen an Ort und Stelle, wobei diese jedoch das Anbringen zusätzlicher Ausrüstung und ein getrenntes Host- und Steuersystem verlangen. Mit dem Druckwandler als Teil des Netzwerkes von intelligenten Massendurchflußsteuervorrichtungen kann die Eichung der intelligenten Massendurchflußsteuervorrichtungen an Ort und Stelle als ein von dem Verfahren getrennter Vorgang ausgeführt werden, oder Einzelpunkt-Bestätigungsprüfungen der Eichung können während der Bearbeitung durchgeführt werden.
Beim Betrieb auf dem Sensorniveau schließen die intelligenten Massendurchflußsteuervorrichtungen eine Anzahl von Funktionen ein, die unten beschrieben werden.
1. Sensorkennzeichnung: Nach einer Fernanforderung von der Hoststeuereinrichtung liefert der Sensor einen einzigartigen Kennzeichnungscode zurück und kann die Modellnummer des Herstellers, den Bereich, die Gasart, den Systemort und laufende Eichkonstanten einschließen.
2. Selbsteichung: Bei einem Durchfluß von null kann die Nullage des Sensors gemessen und mit dem vorhergehend gemessenen, gespeicherten Wert verglichen werden. Irgendeine Drift kann durch Ändern der gegenwärtigen Eichkonstanten korrigiert werden. Bei einer in dem Netzwerksystem programmierten Durchflußgeschwindigkeit würde der Druckanstieg in dem System mit dem erwarteten Wert verglichen und irgendeine Korrektur zum Überbrücken berechnet und korrigiert. Wenn mehr als eine intelligente Massendurchflußsteuervorrichtung gleichzeitig arbeitet, um Verfahrensgasmischungen herzustellen, würden die intelligenten Massendurchflußsteuervorrichtungen die Durchflußraten der anderen intelligenten Massendurchflußsteuervorrichtungen von dem Netzwerk lesen und den gesamten Systemdruck berechnen, der für den gesamten Gasdurchfluß und eine gegebene Pumpgeschwindigkeit erwartet wird.
3. Anpassen der Steuerung: Die intelligente Massendurchflußsteuervorrichtung lernt die Antwort des Systems auf Änderungen bei der Durchflußgeschwindigkeit und stellt ihre Arbeitsweise ein, um den Betrieb des Steuerventils zu optimieren.
4. Signalverarbeitung: Auswählbare Verfahren zum Abfragen und zur Mittelung, beispielsweise eine Anzahl von Proben pro Mittelung, Ablaufdurchschnitt, Fensterdurchschnitt.
5. Eichdaten: Eichkonstanten werden intern gespeichert. Zusätzlich werden alte Eichkonstanten datiert und gespeichert. Eine Betrachtung der Eichgeschichte ist Teil der Selbstdiagnose.
6. Netzwerkkommunikation: Die intelligente Massendurchflußsteuervorrichtung kann in einem Sensornetzwerk konfiguriert werden. Die intelligente Massendurchflußsteuervorrichtung wird ein "Gegenstand" in einer Hardware analog zu gegenstandsorientiertem Programmieren. Die intelligente Massendurchflußsteuervorrichtung sendet und empfängt Nachrichten. Sie erkennt Nachrichten auf dem Netzwerk, die zu ihrer Funktion in Beziehung stehen. Einige dieser Nachrichten, beispielsweise Verarbeitungskammerdruck, werden bei den Routinen zur Eigendiagnose und Selbsteichung verwendet. Die intelligente Massendurchflußsteuervorrichtung empfängt ihren Sollwert von dem Host über das Netzwerk und gibt ein "in Ordnung" auf eine Anfrage zurück oder sendet eine Warnung, wenn irgend etwas falsch läuft.
7. Fehlervoraussage: Dies ist ein Teil der Eigendiagnose. Überwachung der Änderung der Eichung, die durch die Routine zur Selbsteichung entdeckt worden ist, Werte außerhalb der Toleranz des Steuerventilstroms oder eine Angabe eines unvollständig geschlossenen Ventils.
8. Ferneinstellung: Der Bereich und die Weite können innerhalb der physikalischen Grenzen der intelligenten Massendurchflußsteuervorrichtung von der Hoststeuereinrichtung eingestellt werden. Es werden keine mechanischen oder elektrischen Einstellungen verlangt.
9. Die Gas- und Drucksensoren am Einlaß werden gemessen und die Ergebnisse werden zum Ausgleich des Ausgangs des Durchflußmeters verwendet.
Somit sind eine intelligente Massendurchflußsteuervorrichtung und ein Systemschema für eine solche Steuervorrichtung beschrieben worden.

Claims

1. Massendurchflußsteuervorrichtung oder MFC zum Steuern einer Massenströmung eines Gases, das in ein Gerät eingebracht wird, das zur Halbleiterverarbeitung benutzt wird, wobei die MFC hat: einen Gasströmungsmesser (11a), der eine laminare Strömung zum Aufnehmen des Gases an seinem Einlaß und zum Abgeben einer dosierten Gasströmung an seinem Auslaß hat, ein mit dem Gasströmungsmesser (11a) gekoppeltes Strömungsventil (31a) zum Regeln der Gasströmung, die als Ausgangsgröße an das Gerät gegeben wird, eine Fühlerschaltung (20a), die mit dem Gasströmungsmesser (11a) gekoppelt ist, um den Gasstrom durch den Gasströmungsmesser zu erfassen, einen Prozessor (50), der ein Signal von der Fühlerschaltung (20a) erhält und im Ansprechen auf dieses ein Steuersignal an das Strömungsventil (31a) gibt, um eine Stellung des Strömungsventils (31a) einzustellen, bei der eine gewünschte Gas-Strömung vom Strömungsventil abgegeben wird, gekennzeichnet durch:

einen Temperaturfühler (41), der mit dem Einlaß des Gasströmungsmessers (11a) gekoppelt ist, um die Temperatur des in den Gasströmungsmesser eintretenden Gases zu messen;

einen Druckfühler (42), der mit dem Einlaß des Gasströmungsmessers (11a) gekoppelt ist, um den Druck des in den Gasströmungsmesser eintretenden Gases zu messen; wobei

der Prozessor (50) zum Empfang von Temperatur- und Druckinformation von den Temperatur- und Druckfühlern (41, 42) gekoppelt ist;

der Prozessor (50) außerdem eine in seinem Speicher gespeicherte Softwareroutine zum automatischen Verarbeiten der Gasströmungs-, Temperatur- und Druckinformation und zum Einstellen des Steuersignals für das Strömungsventil aufgrund der Temperatur- und Druckinformation umfaßt, um Umgebungsänderungen des Gases am Einlaß zu korrigieren, damit eine ausgewählte Masse an Gas in das Gerät strömt, und

der Prozessor (50) außerdem eine Abgleichsoftwareroutine umfaßt, um während des Anlaufens der MFC automatisch, vor Ort den Ausgleich von Massenströmungsparametern der MFC, und während einer programmierten Prozeßströmungsrate automatisch, vor Ort einen Prozeßabgleich eines Massenstromes der MFC zu bewirken, wobei die Abgleichroutine eine Prozeßvariable des Gerätes vor Ort während der Halbleiterverarbeitung überwachen kann.

2. MFC nach Anspruch 1, wobei der Prozessor (50) außerdem eine Diagnosesoftwareroutine zum periodischen Überwachen eines ausgewählten Parameters umfaßt, der der MFC über der Zeit Zugeordnet ist, zum Speichern dieser periodisch überwachten Parameterinformation und zum Vergleichen der gespeicherten Information zum Bestimmen von Änderungen des ausgewählten Parameters über der Zeit, wobei die Dignoseroutine die bestimmten Änderungen benutzt, um abzuschätzen, ob die MFC eine Abgleichung oder einen Ersatz erfordert.

3. MFC nach Anspruch 2, wobei einer der ausgewählten Parameter durch eine Fühleinrichtung (45) gemessen wird, die mit dem Strömungsventil (31a) gekoppelt ist, um zu bestimmen, ob das Strömungsventil einen Abgleich erfordert.

4. MFC nach Anspruch 1, wobei der Prozessor (50) außerdem eine Fühlerkompensationssoftwareroutine umfaßt, mit der eine Drift der Fühlerschaltung bestimmt und kompensiert wird.

5. MFC nach Anspruch 4, wobei die MFC mit einem Bus gekoppelt ist, um Information über diesen Bus zu übertragen, um mit anderen der MFC's zu verkehren, wobei die MFC sich in unmittelbarem Verkehr mit anderen der MFC's befinden kann.

6. MFC nach Anspruch 5, wobei jede MFC eine Anpassungsroutine umfaßt, die das bestimmte Werkzeug erlernt, auf der sie installiert ist.

7. MFC nach Anspruch 1, wobei der Prozessor (50) eine Routine zum Erstellen einer mathematischen Gaskorrekturfunktion für den bestimmten Gasströmungsmesser (11a) umfaßt, wobei die Routine Korrekturen für eine Vielzahl von Gasen vornehmen kann

8. MFC nach Anspruch 1, weiterhin gekennzeichnet durch:

einen Stromfühler (44) zum Messen eines Stroms einer Heizeinrichtung (19a), wobei die Fühlerschaltung (20a) auf Temperaturänderungen anspricht, die sich durch die Heizeinrichtung ergeben; wobei

der Prozessor (50) außerdem gekoppelt ist, um ein Signal von dem Stromfühler (44) zu erhalten, und

der Prozessor (50) das Steuersignal für das Strömungsventil (31a) im Ansprechen auf das Signal von dem Strömungsfühler (44) einstellt.