JP2011515660A - 複数の流入口を備えた高精度質量流量検証器 - Google Patents

Abstract

低い流入圧力において広い流量検証範囲にわたって高い測定精度をもたらす高精度質量流量検証器（ＨＡＭＦＶ）が、流体送達デバイスによる流量測定値を検証するために開示される。ＨＡＭＦＶは、上流バルブを有する複数Ｎの流入口を画定するチャンバ、１つの下流バルブを有する１つの流出口、チャンバ内の流体圧力を測定するように構成される圧力センサ、およびチャンバ内の流体温度を測定するように構成される温度センサを備える。複数Ｎの臨界流ノズルが、対応する上流バルブに隣接して配設される。ＨＡＭＦＶは、所望の流量検証範囲および流体の種類に基づいて、対応する上流バルブを開き、他の全ての上流バルブを閉じることによって、複数Ｎの臨界流ノズルの１つを起動するように構成されるコントローラをさらに備える。複数Ｎの臨界流ノズルの少なくとも２つは、異なる断面積を有する。
【選択図】図３

Description

関連出願の相互参照
本出願は、（１）２００５年３月２５日に出願された「External Volume Insensitive Flow Verification」と題する米国特許出願第１１／０９０，１２０号（「１２０出願」）（代理人整理番号ＭＫＳ−１５５）、（２）２００６年６月３０日に出願された「Critical Flow Based Mass Flow Verifier」と題する米国特許出願第１１／４７９，０９２号（「９２出願」）（代理人整理番号ＭＫＳ−１８０）、および（３）２００７年６月２７日に出願された「Mass Flow Verifiers Capable of Providing Different Volumes, And Related Methods」と題する米国特許出願第１１／７６９，４３５号（「４３５出願」）（代理人整理番号ＭＫＳ−１８８）の一部継続出願である。これらの特許出願の内容は、全てが記述されているかのように、参照によりその全体が本明細書に援用される。

質量流量コントローラ（ＭＦＣ）、質量流量比コントローラ（ＦＲＣ）、および質量流量計（ＭＦＭ)のような高精度の流体送達および測定システムは、半導体ウェーハ製造および他種の材料加工のような用途において非常に重要である。多くの場合に、これらの流体送達システムの精度を検証する必要がある。

ＭＦＣ、ＦＲＣ、ＭＦＭ、または他の被試験デバイス（ＤＵＴ）の精度を検証するために、質量流量検証器（ＭＦＶ）が用いられることがある。質量流量検証器の一種として上昇率（ＲＯＲ）流量検証器がある。一般的なＲＯＲ流量検証器は、チャンバ体積と、圧力センサと、温度センサと、上流および下流に１つずつある２つの隔離バルブとを備える。それらのバルブは、動作していないときには閉じることができ、動作が開始されるときに開いて、それによってＭＦＣ（またはＭＦＭ）からの流体が流量検証器の中に流れることを可能にする。流体の流れが安定すると、下流のバルブを閉じることができ、結果として、チャンバ体積内の圧力が上昇する。圧力トランスデューサーは、圧力の上昇を測定できる。これらの測定値を用いて、ＭＦＶへの流量を計算することができ、それによって、ＤＵＴの流量における精度性能を検証できる。

ＭＦＶの精度は、測定時間を長くすることによって改善できる。しかしながら、非常に低流速の範囲における高い測定精度と同時に、低い流入圧力において広い流量検証範囲をもたらすＭＦＶを構成することはより難題である。

それ故に、所望の流入圧力を越えることなく、より広い流量範囲にわたって改善された精度もたらすＭＦＶが望まれる。

流体送達デバイスによる測定値を検証するための高精度質量流量検証器（ＨＡＭＦＶ）は、複数Ｎの流入口を画定するチャンバ体積、および１つの流出口を備える。このＨＡＭＦＶは、Ｎ個の各流入口に対して上流バルブ、および流出口に対して１つの下流バルブを備える。ＨＡＭＦＶは、さらに、チャンバ体積内の流体圧力を測定するように構成される圧力センサを備える。

このＨＡＭＦＶは、さらに、複数Ｎの臨界流ノズルを備える。各臨界流ノズルは、対応する流入口における１つの上流バルブに隣接して配設される。ＨＡＭＦＶは、所望の流量検証範囲および流体の種類に基づいて、対応する上流バルブを開き、他の全ての上流バルブを閉じることによって、複数Ｎの臨界流ノズルのうちの１つを選択的に起動するように構成されるコントローラをさらに備える。複数Ｎの臨界流ノズルの少なくとも２つは、異なる断面積を有する。

このＨＡＭＦＶは、低い流入圧力において広い流量検証範囲にわたって高度な測定精度をもたらす。

１つの臨界流ノズルを備える質量流量検証器を示す図である。 臨界流時間を示すグラフである。 本明細書に開示される一実施形態に従った、複数の流入口および臨界流ノズルを備える高精度質量流量検証器を示す図である。

本明細書の開示において異なるサイズの複数の臨界流ノズルを用いた高精度質量流量検証器が記述される。複数の臨界流ノズルを用いることにより、ＨＡＭＦＶに要求される流入圧力を越えることなく、より広い流量範囲にわたってＨＡＭＦＶが作動可能になる。比較的に高流速の検証範囲において、比較的に大きいサイズのノズルが、ＨＡＭＦＶに比較的に低い流入圧力を与え、ＨＡＭＦＶは、ＭＦＶに要求される（安全要件を満たす）流入圧力の最大値に対処できる。比較的に低流速の検証範囲において、比較的に小さいサイズのノズルが、比較的に長い臨界流時間または測定時間をもたらし、それにより、圧力信号対ノイズ比を改善し、それ故、流量検証の精度を改善する。

図１は、例えば原出願ＭＫＳ−１８０に記載される、１つの臨界流ノズルを備える質量流量検証器を示している。図１に示された一実施形態では、ＭＦＶ１００は、密閉されたチャンバに流れ込む流体圧力の上昇率を測定し、それをチャンバに流れ込む流量を検証するために用いる、上昇率タイプのＭＦＶである。特に、ＭＦＶ１００は、臨界流に基づくＭＦＶであり、流れ絞り機構１４０を備えており、その機構は、実施形態に示される臨界流ノズル１４０とすることができる。

後にさらに説明するように、臨界流ノズル１４０は、ノズル１４０の中の流れを一定に保持し、それによって、ＭＦＶ１００による質量流量試験がチャンバ内の上昇する圧力に実質的に影響されないようにする。こうして、臨界流ノズル１４０は、ＤＵＴに対する下流圧力外乱を大幅に最小化し、それによって流量検証過程中に、ＤＵＴの流量変動が最小になるようにする。また、臨界流ノズル１４０は、ＭＦＶ１００による質量流量検証が、臨界流ノズル１４０とＤＵＴとの間のいかなる外部体積によっても実質的に影響されないようにもする。実際、臨界流ノズル１４０とＤＵＴとの間の外部体積は、流量検証または臨界流に基づくＭＦＶによる他の演算値には無関係である。この特性は、外部体積無影響（ＥＶＩ）と呼ばれる。臨界流に基づくＭＦＶのＥＶＩ特性は、異なる流路を備える、臨界流に基づくＭＦＶとＤＵＴとの間の外部体積を確定する必要がないため、半導体プロセスツールにおけるガスパネルへのＭＦＶの統合を大幅に簡易化する。

ＭＦＶ１００は、ＤＵＴ１１０からの流体の流れを受け入れるように構成される密閉されたチャンバ体積１３０を含む。ＤＵＴ１１０は、一般的に、流体の流量を送達する質量流量コントローラまたは質量流量比コントローラである。下流出口バルブ１５０は、チャンバ１３０からの流体の流れを開閉する。上流入口バルブ１２０は、ＤＵＴ１１０からチャンバ１３０への流体の流れを開閉する。ＭＦＶ１００はさらに、チャンバ１３０内の流体圧力を測定するように構成される圧力センサ１７０と、チャンバ１３０内の流体温度を測定するように構成される温度センサ１８０とを備える。

ＲＯＲ ＭＦＶの基本原理は、チャンバ１３０にわたるマスバランスである。マスバランス方程式を使用し、チャンバ内の気体に理想気体の法則を適用して、以下の式に従ってＭＦＶのチャンバ内の気体圧力および気体温度を測定することによって、入口気体流量を求めることができる。

式中、ｋ_０は変換定数、すなわちｓｃｃｍ（標準立方センチメートル／分）単位で６×１０^７であり、ｓｌｍ（標準リットル／分）単位では６×１０^４であり、ここで、Ｐ_ｓｔｐは標準圧力（１．０１３２５×１０^５Ｐａ）であり、Ｔ_ｓｔｐは標準温度（＝２７３．１５Ｋ）であり、Ｐはチャンバ気体圧力であり、Ｖ_ｃはチャンバ体積であり、Ｔは気体温度である。

ＭＦＶ１００は、圧力センサ１７０および温度センサ１８０からの出力信号を受信すると共に、上流バルブ１２０および下流バルブ１５０の動作を制御するコントローラ１６０を含む。コントローラ１６０は、下流バルブが閉じた後に、チャンバ内の流体圧力の上昇率を測定し、経時的に測定された圧力の上昇率および温度を用いて、式（１）に従って、ＤＵＴからチャンバへの流体の流量を計算し、それによって、ＤＵＴによる流量測定値を検証する。

典型的な質量流量検証手順は以下のとおりである。
１．上流バルブ１２０および下流バルブ１５０の両方を開く。
２．ＤＵＴのための流量設定値を与える。
３．チャンバ圧力が定常状態になるまで待つ。
４．流量計算のためにチャンバ気体圧力およびチャンバ気体温度を記録し始める。
５．下流バルブ１５０を閉じて、チャンバ圧力を上昇させる。
６．流量の検証のために、一定の期間待機する。
７．下流バルブ１５０を開く。
８．チャンバ気体圧力およびチャンバ気体温度の記録を止める。
９．式（１）に基づいて流量を計算し、検証された流量を報告する。

臨界流ノズル１４０は、流体の流れを臨界流に保持するように構成され、その時点では、変動するチャンバ圧力またはノズルの下流圧力がチャンバ体積への流入質量流量に影響を与えることはない。臨界流条件において、ノズルの中の流れ（Ｑ_ｉｎ）は、ノズルの上流圧力（Ｐ_ｕ）のみによって決定され、それは、以下の方程式に記述されるように、ノズルの下流圧力（Ｐ_ｄ）に影響されない。

上の式中、Ｃはノズルの吐出係数であり、Ａはノズルのオリフィスの断面積であり、Ｐ_ｕはノズルの上流圧力であり、Ｐ_ｄはノズルの下流圧力であり、それはまた、ＭＦＶ１００のチャンバ圧力であり、Ｒは一般気体定数であり、Ｔは気体温度であり、Ｍは気体の分子量であり、γは、γ＝Ｃ_ｐ／Ｃ_ｖとして定義される気体の比熱比であって、Ｃ_ｐは一定の圧力における流体熱容量であり、Ｃ_ｖは一定の体積における流体熱容量である。臨界流条件を満たすためには、ノズルの下流圧力に対する上流圧力の比率は、臨界圧力比α_ｐｃよりも小さい必要があり、臨界圧力比は、式（３）に従って、チャンバ内の流体すなわち気体の特性によって決定される。

式（３）の臨界流条件が保持される限り、ノズルの下流圧力すなわちチャンバ圧力は、絞り機構を横切る質量流量に影響を及ぼすことはなく、流量を増やす唯一の方法は、式（２）に従って上流圧力を高めることである。

臨界流に基づくＭＦＶは、図１に示すように、ＲＯＲ検証器のチャンバの入口において臨界流ノズルまたはオリフィスを有する。ＭＦＶ１００の上流バルブ１２０および下流バルブ１５０がいずれも開いており、ＤＵＴの流れが定常状態にあり、臨界ノズルが適当な大きさである場合には、絞り機構の下流圧力（チャンバ圧力）と、絞り機構の上流圧力との間の圧力比は、臨界圧力比α_ｐｃよりも小さい。それ故、流れ絞り機構を横切る流れは臨界流であり、式（２）によるチャンバ圧力とは無関係である。この定常状態の時点では、絞り機構を通る流れは、ＤＵＴによって送達される流れに等しく、絞り機構の上流圧力（ＤＵＴの下流圧力）は一定である。流量を検証するために、下流バルブ１５０が閉じられるとき、チャンバ圧力は上昇する。

チャンバ圧力と絞り機構の上流圧力との間の圧力比が、臨界圧力比α_ｐｃよりも小さい限り、絞り機構を通る流れは依然として臨界流であり、上昇するチャンバ圧力とは無関係である。それ故、絞り機構を通る流れは変化せず、絞り機構の上流圧力も変化しないため、チャンバ圧力が上昇している場合であっても、ＤＵＴへの下流圧力外乱は存在しない。上昇するチャンバ圧力が臨界圧力比（α_ｐｃ）を超える場合には、絞り機構を通る流れは臨界流ではなく、絞り機構の上流圧力および下流圧力の両方に依存する。結果として、絞り機構を通る流れは、ＤＵＴによって送達される流れに等しくなく、絞り機構の上流圧力が変化し、ＤＵＴへの下流圧力外乱が存在する。

ＭＦＶの臨界流時間は、下流バルブが完全に閉じられる時点と、上昇するチャンバ圧力が臨界圧力比α_ｐｃを超える時点との間の時間として定義される。臨界流時間中に、絞り機構を通る流れは一定の臨界流であり、チャンバ圧力とは無関係である。臨界流時間ｔ_ｃｆは、下記の式から導き出すことができる。

式中、（α_ｐ０）は、下流バルブが閉じる前に流入量が安定している時点におけるチャンバ圧力と絞り機構の上流圧力との間の初期圧力比である。

式（５）から明らかであるように、臨界流時間ｔ_ｃｆは、気体特性、気体温度、並びに臨界流ノズルおよびチャンバ体積を含むＭＦＶの形状に依存する。ＭＦＶの検証時間が臨界流時間内にある場合には、ノズルを横切る流れは一定の臨界流であり、上昇するチャンバ圧力はＤＵＴの下流圧力を乱さない。これは、ＤＵＴへの下流外乱を大幅に最小化する。

式（３）の臨界流条件が保持される限り、臨界流ノズルまたはオリフィスのような流れ絞り機構は、ＲＯＲ検証器のチャンバをＤＵＴへの外部配管から分離する。流量検証時間が臨界流時間内にある場合には、絞り機構を通る臨界流は、ＤＵＴの流量に等しい。また、ＤＵＴからＭＦＶへの流路に沿う圧力分布は一定である。明らかに、臨界流ノズルとＤＵＴとの間の外部体積は、式（１）の流量計算とは関係がない。流量検証の計算のために、準備較正過程において流れ絞り機構とＤＵＴとの間の外部体積を求める必要はない。これは、流入口の入り口における流れ絞り機構を有さない従来のＲＯＲ ＭＦＶと対照的である。従来のＲＯＲ ＭＦＶにおいて流れ検証時間中に、ＤＵＴからＭＦＶへの流路に沿う圧力分布は変化する。それ故、流量計算のために、ＤＵＴとＭＦＶとの間の外部体積を決定し、式（１）におけるチャンバ体積（Ｖ_ｃ）に対して、計算の要素として含める必要がある。

図２は、臨界流時間、ならびに臨界流に基づくＭＦＶ１００の応答を示すグラフである。グラフ２１０は、チャンバ内の流体圧力を表しており、それは、下流バルブが閉じられるときに上昇する。グラフ２２０は、臨界ノズルを横切る流体の流量すなわちチャンバ体積への流入量を表す。ＭＦＶの臨界流時間が、参照番号２３０で図２に示される。図２において明らかであるように、臨界流時間中では、ノズルを通る流入量は、臨界流またはチョーク流れであり、上昇するチャンバ圧力は、ノズルの流入量および上流圧力（ＤＵＴの下流圧力でもある）に影響を及ぼさない。臨界流時間が経過した後に、流入量は降下し、ＤＵＴの下流圧力が変化する。

流量検証中に、チャンバ圧力を、臨界圧力比限界よりも常に低く抑えることができる場合には、ノズルを通る流れは常に臨界流条件にあり、チャンバ圧力が変化しても、ＤＵＴの下流圧力は乱されることがなく、それによってＤＵＴの実際の流れの変動は実質的に最小限に抑えられる。チャンバ体積へのノズルを横切る流入量は、ＤＵＴの流量と等しい。流量検証のために、ＤＵＴとＭＦＶとの間の外部体積を求める必要はない。

図３は、本明細書に開示された一実施形態に従った、複数の流入口と複数の臨界流ノズルとを含む高精度質量流量検証器（ＨＡＭＦＶ）３００を示す。ＨＡＭＦＶ３００は、例を挙げれば、ＭＦＣ、ＭＦＭ、またはＦＲＣのようなデバイス３９９による流体の流量測定値を検証するように構成される。ＨＡＭＦＶ３００は、チャンバ体積３１０と、圧力センサ３２０と、温度センサ３５０と、下流バルブ３７０を有する流出口３７２と、それぞれ上流バルブ３６０を有する複数Ｎの流入口３１５と、各流入口に対する臨界流ノズル３３０とを備える。チャンバ３１０は、Ｎ個の流入口の任意の１つを通してＤＵＴから流体の流れを受け入れることができる。

複数Ｎの臨界流ノズル３３０の各々は、対応する流入口３１５の１つに隣接して配設される。図３に示す実施形態においてＮは２、すなわち、示された実施形態では、２個の流入口と、各流入口に１つずつ配設される２個の臨界流ノズルとが含まれる。当然理解されるように、Ｎは２に限定されない。別の実施形態では、チャンバは、２つよりも多い数の流入口および対応する（２つよりも多い）臨界流ノズルを有し得る。

複数Ｎの臨界流ノズル３３０の各々は、対応する上流バルブ３６０の１つに隣接して配設される。図３に示された実施形態では、臨界ノズルは、上流バルブの下流に配設される。当然理解されるように、別の実施形態では、臨界流ノズルは、上流バルブの上流にも配設され得る。上流バルブの１つは、流量範囲および気体（または他の流体）の種類に基づいて、選択的に開かれ、他の全ての上流バルブは、流量検証時間全体において閉じられている。それ故、流量検証時間中に、ただ１つの臨界流ノズルが作動する。

上の図１で説明した方法で、複数Ｎの臨界流ノズル３３０の各々は、作動中の該ノズルにおける臨界流時間ｔ^ｉ _ｃｆ（ｉ＝１…Ｎ）中に、臨界流ノズルを通る流体の流量を実質的に一定に保持し、そしてチャンバ内の圧力の変動に実質的に影響されないように構成される。ｉ番目の臨界流ノズルにおける臨界流時間ｔ_ｃｆ,ｉ用の式は、式（５）への類推によって、以下の式として容易に得られる。

式中、Ａ_ｉ（ｉ＝１…Ｎ）は、ｉ番目のノズルにおけるノズルののど部の断面積であり、Ｃ_ｉは、ｉ番目のノズルの吐出係数であり、他の全ての変数は、上述の式（５）に関して前に定義されたものである。臨界流時間ｔ_ｃｆ,ｉは、ｉ番目の臨界流ノズルが作動するときに、下流バルブが閉じられる時点と、Ｐ_ｄとＰ_ｕとの間の比率が臨界圧力比限界α_ｐｃを超える時点との間の期間として定義される。

式（６）から明らかであるように、全てのｉ（ｉ＝１…Ｎ）においてｉ番目の臨界流ノズルにおける臨界流時間ｔ_ｃｆ,ｉ（ｉ＝１…Ｎ）は、ｉ番目の臨界流ノズルの断面積Ａ_ｉに反比例する。ｉ番目のノズル（ｉ＝１…Ｎ）における臨界流時間ｔ_ｃｆ,ｉは、それ故、ノズルサイズを小さくすることによって長くすることができる。

臨界流時間を長くすることによって、圧力変化（△Ｐ）を増大させて、これにより、信号対ノイズ比を増加させるために、ＨＡＭＦＶ３００は体積をより長く充填できる。また、より長い検証時間は、多くの測定データサンプルを提供でき、測定ノイズを除去することができる。これら２つの方法により、より長い臨界流時間によって、質量流量検証の精度および再現性を、特に１〜１００ｓｃｃｍ窒素（Ｎ_２)と同等の流れといった、低い流量範囲において、改善することができる。それ故、ＨＡＭＦＶ３００が、異なるサイズの臨界流ノズルを有する複数の流入口を備える場合には、比較的に小さいサイズの臨界流ノズルを備える流入口を選択でき、それにより、低い流量検証のための大きいｔ_ｃｆ,ｉを提供する。

例えばＭＦＶにおける流入圧力の最大値を、３０００ｓｃｃｍＮ_２と同等の流れにおいて１００トールよりも小さくすることが好ましいというような、ＭＦＶに要求される流入圧力の最大値が存在する。式（２）に従って、臨界流ノズルの上流圧力である、臨界流に基づくＭＦＶに対する流入圧力は、同量の流入量においてノズルののど部の断面積Ａ_ｉに反比例する。ＨＡＭＦＶ３００は、高精度の流量検証に要求される流入圧力の最大値に対応できる比較的に大きなサイズの臨界流ノズルを備える流入口を選択できる。このようにして、ＨＡＭＦＶ３００は、流入圧力の最大値用件に違反することなく、非常に大きな流量に至るように流量検証範囲を拡大できる。それ故、複数Ｎの臨界流ノズルの少なくとも２つは、異なる断面積を有する。当然のことながら、一部の実施形態においては、２つ以上のＮ個の臨界流ノズルが異なる断面積を有する。一部の実施形態において、全てのＮ個の臨界流ノズルが異なる断面積を有する。

ＨＡＭＦＶ３００は、複数Ｎの臨界流ノズル３３０の１つ（たとえばｉ番目のノズル）を、流量検証過程において対応するｉ番目の上流バルブ（ｉ＝１…Ｎ）を開き、他の全ての上流バルブ３６０を閉じることによって、選択的に起動するように構成されるコントローラ３８０を含む。一実施形態において、ｉ番目のノズルの選択は、所望の流量検証範囲およびユーザに供給され得る流体または気体の種類に基づく。

一実施形態において、コントローラ３８０は、ホストコントローラまたはユーザからの流量検証コマンドを受信する。流量検証コマンドは、所望の使用可能な流量範囲および流体の種類についての情報を含み得る。本実施形態において、次に、コントローラ３８０は、所望の使用可能な流量範囲および流体または気体の種類に関する受信した情報に基づいて、複数Ｎの臨界流ノズルの１つを選択的に起動する。本願において、臨界流ノズルを「起動する」は、（流量が、ＨＡＭＦＶによって検証される）流体がその臨界流ノズルを通って流れることを可能にさせることを意味する。当然のことながら、臨界流ノズルを通る流体の流れは、上述した臨界流動条件を満たす。一実施形態において、臨界流ノズルは、該ノズルに対応する上流バルブを開き、他の全ての上流バルブを閉じることのみによって起動する。

ｉ番目の臨界流ノズル（ｉ＝１…Ｎ）が起動されると、コントローラは、上の段落において記述した方法で、ＤＵＴの流量を検証するように設定される。ｉ番目の臨界流ノズル（ｉ＝１…Ｎ）がコントローラ３８０によって選択される場合には、デバイス３９９からの流体は、選択されたｉ番目のノズルの中を流れ、その流れは、ノズルの臨界流時間ｔ_ｃｆ,ｉ中に、臨界流条件を満たすようにされる。

一実施形態において、コントローラ３８０は、さらに、コントローラ３８０が下流バルブが閉じられた後に、チャンバ内の流体圧力の上昇率を測定および決定できるように、下流バルブ３７０、上流バルブ３６０、圧力センサ３２０、および温度センサ３５０の稼働を制御するように構成される。コントローラ３８０は、コントローラ３８０が圧力センサ３２０および温度センサ３５０の各々を用いることによって、チャンバ内の流体圧力および温度を測定できるように、下流バルブ３７０および上流バルブ３６０を適切な時点において起動（および／または適切な場合には停止）する。次に、コントローラ３８０は、それが測定した圧力の上昇率および温度を用いて、式（１）に従って、デバイスからチャンバ内に流れる流体の流量を計算する。これにより、デバイス３９９により流量測定値を検証する。

コントローラ３８０によりｉ番目の臨界流ノズルが起動中されると、圧力センサおよび温度センサは、臨界流時間ｔ_ｃｆ,ｉ内に、ｉ番目の臨界流ノズルにおいて測定を行うように設定され、これにより、質量流量検証器による流量検証は、変動するチャンバ圧力および質量流量検証器とＤＵＴとの間の外部体積に実質的に影響されない。

稼働中に、デバイスによる流量の測定値を検証する方法は、質量流量検証器内のチャンバとデバイス（ＤＵＴ）との間における流体の流路に沿って複数Ｎの臨界流ノズルを配設し、次に、所望の流量検証範囲および気体の種類に基づいて、ｉ番目の上流バルブを開き、他の全ての上流バルブを閉じることによって、Ｎ個の臨界流ノズルのうちのｉ番目の１つ（ｉ＝１…Ｎ）を起動する方法を含む。

流量検証の初期においてｉ番目の上流バルブと下流バルブとの両方が、流れ（流路に沿った、デバイスからｉ番目の流入口を通るチャンバ内への流れ）を安定させるために開かれて保持される。すなわち、流路に沿う圧力の変化がなく、そして、チャンバ内への流体の流量が定常状態に達する。次に、チャンバの流出口における下流バルブは、チャンバ内への流体圧力が上昇し始めるように閉じられる。次に、式（１）に従った流体の流量を算定するために、臨界流時間ｔ_ｃｆ,ｉ内に、チャンバ内への流体圧力および温度が測定され、そのようにして、ＤＵＴによる流量測定値が検証される。ＭＦＶの流量検証時間が、ｉ番目のノズルに対して定義された臨界流時間ｔ_ｃｆ,ｉ内であるため、ｉ番目のノズルを横切る流体の流量、およびｉ番目のノズルの上流の流体圧力は実質的に一定であり、実質的にチャンバ内の圧力の上昇とは無関係である。さらに、ＤＵＴとＭＦＶとの間の外部体積は、流量を算定するために決定される必要がない。

要するに、流体送達デバイスによる流量測定値を検証する質量流量検証器の精度および使用可能な流量範囲を増大させる方法は、流量測定デバイスとチャンバとの間に複数Ｎの臨界流ノズルを提供し、次に、選択されたノズルを横切る流体を制限して流すように、Ｎ個の臨界流ノズルの１つを選択的に作動する方法を含む。このようにして、選択されたノズルを通る流体の流量は、ノズルの下流における圧力とノズルの上流における圧力との比率が臨界圧力比α_ｐｃよりも小さい限り、チャンバ内における圧力の変動に影響されない。この方法は、所望の流量検証範囲、流体の種類、およびＭＦＶの流入圧力の最大値要件に基づいて、臨界流ノズルにとって最適なオリフィスサイズを選択することをさらに含む。

上述した方法およびシステムは、特に、低い流量範囲（例えば１〜１００ｓｃｃｍＮ_２と同等）において、質量流量検証の精度および再現性を改善する。この範囲において最大約＋／−０．５％である読み間違い精度が実現される。さらに、これらの方法およびシステムは、流入圧力の最大値（例えば全てのＮ_２と同等の流量範囲において１００トール）を越えることなく、流量検証範囲を増大できる（例えば１〜３０００ｓｃｃｍＮ_２と同等）。臨界流ノズルが用いられるため、外部体積無影響が達成できる。上述した改善は、単一のマノメータを用いて達成し得、これにより単位原価を減少できる。要するに、高精度原位置質量流量検証器が、半導体および他の材料加工に用いられるツール用に提供され得る。

広い流量範囲および低い流入圧力における高精度流量検証を提供するシステムおよび方法の特定の実施形態が説明されてきたが、これらの実施形態における暗黙の概念を他の実施形態においても用いることができることは理解されたい。本出願の保護範囲は、以下の特許請求の範囲のみに限定される。

これらの特許請求の範囲において、単数形の構成要素のへ言及は、特記しない限り、「唯一」を意味するように意図されておらず、むしろ「１つまたは複数」を意味するように意図されている。当業者に既知であるか、または後に知られることになる、本開示全体を通じて説明される種々の実施形態の構成要素に対する全ての構造的および機能的均等物は、参照により本明細書に明白に組み込まれ、特許請求の範囲によって包含されることが意図されている。さらに、特許請求の範囲において明らかに列挙されているか否かにかかわらず、本明細書において開示されるいかなるものも公共のものとして提供するように意図されていない。その要素が、「〜の手段」という言い回しを用いて明らかに列挙されない限り、または方法に関する請求項の場合には、その要素が、「〜するステップ」という言い回しを用いて列挙されない限り、いかなる請求項の要素も、米国特許法第１１２条第６項第３５条項の定めるところに従って解釈されるべきではない。

Claims (22)

1. 流体送達デバイスによる流体の流量測定値を検証するための質量流量検証器であって、該質量流量検証器は、
   複数Ｎの流入口を画定し、前記デバイスからの前記流体の流れを前記流入口の各々において受け入れるように構成されているチャンバと、
   前記チャンバ内の前記流体の圧力を測定するように構成される圧力センサと、
   複数Ｎの臨界流ノズルであって、その各々が対応する前記流入口の１つに隣接して、前記対応する流入口を通る前記デバイスから前記チャンバへの流体の流路に沿った前記チャンバの上流に位置決めされている臨界流ノズルと、を備えており、
   全てのｉ（ｉ＝１…Ｎ）において、前記ｉ番目の臨界流ノズルにおける臨界流時間ｔ_ｃｆ,ｉ（ｉ＝１…Ｎ）中に、前記ｉ番目の臨界流ノズルは、前記ｉ番目の臨界流ノズルを通る前記流体の流量を実質的に一定に保持し、前記チャンバ内の圧力の変動に実質的に影響されないように構成される質量流量検証器。
2. 前記質量流量検証器による流量検証動作のために、前記複数Ｎの臨界流ノズルの１つを選択的に起動するように構成されるコントローラをさらに備える、請求項１に記載の質量流量検証器。
3. 前記コントローラが、前記質量流量検証器の所望の流量検証範囲、および前記流体の種類に基づいて、前記複数Ｎの臨界流ノズルの前記１つを選択的に起動するようにさらに構成される、請求項２に記載の質量流量検証器。
4. 複数Ｎの上流バルブをさらに備え、その各々が前記臨界流ノズルの対応する１つに関連し、
   前記対応する上流バルブを開き、他の全ての上流バルブを閉じることによって前記臨界流ノズルの各々を起動することができる、請求項３に記載の質量流量検証器。
5. 臨界流ノズルの各々が、前記対応する上流バルブの上流または下流に配設される、請求項４に記載の質量流量検証器。
6. 臨界流ノズルの各々が、前記対応する上流バルブに隣接して配設される、請求項４に記載の質量流量検証器。
7. 前記チャンバの出口からの前記流体の流れを開閉するように構成される下流バルブをさらに備える、請求項４に記載の質量流量検証器。
8. 全てのｉ（ｉ＝１…Ｎ）において、前記ｉ番目の臨界流ノズルにおける前記臨界流時間ｔ_ｃｆ,ｉ（ｉ＝１…Ｎ）が、前記ｉ番目の臨界流ノズルの前記断面積Ａ_ｉに反比例し、
   前記複数Ｎの臨界流ノズルのうちの少なくとも２つが異なる断面積を有する、請求項３に記載の質量流量検証器。
9. 前記所望の流量検証範囲が比較的に高い場合に、比較的に大きいサイズの臨界流ノズルが、前記ＭＦＶに比較的に低い流入圧力を与えるように構成される、請求項８に記載の質量流量検証器。
10. 前記所望の流量検証範囲が比較的に低い場合に、比較的に小さいサイズの臨界流ノズルが、前記測定時間を長くして前記測定の精度を高めるように構成される、請求項８に記載の質量流量検証器。
11. 前記チャンバ内の前記流体温度を測定するように構成される温度センサをさらに備える、請求項１に記載の質量流量検証器。
12. 前記ｉ番目の臨界流ノズル（ｉ＝１…Ｎ）が、その臨界流時間ｔ_ｃｆ,ｉ中に、前記ノズルを通って流れる前記流体が臨界流条件を満たすように構成され、前記Ｎ個の臨界流ノズルの各々における前記臨界流条件は数学的に以下の式によって与えられ、
    

    

    式中、
    Ｐ_ｄは、前記チャンバ内および前記ｉ番目の臨界流ノズルの下流における前記流体圧力であり、
    Ｐ_ｕは、前記ｉ番目の臨界流ノズルの上流の前記流体圧力であり、
    γはγ＝Ｃ_ｐ／Ｃ_ｖとして定義される前記流体の比熱比であり、ここで、Ｃ_ｐは一定の圧力における前記流体の熱容量であり、Ｃ_ｖは一定の体積における前記流体の熱容量であり、
    α_ｐｃは、Ｐ_ｄとＰ_ｕとの間の最大限許容できる比を表す臨界圧力比であり、前記Ｎ個の臨界ノズルの各々を横切る前記流体の流れは実質的に一定のままであり、前記チャンバ内の圧力のいかなる変動にも実質的に影響されない、請求項１に記載の質量流量検証器。
13. 前記コントローラが、前記下流バルブ、前記上流バルブ、前記圧力センサおよび前記温度センサを制御するようにさらに構成されており、
    前記コントローラが、前記下流バルブが閉じられた後に前記チャンバ内の前記流体圧力の上昇率を測定し、該測定された上昇率を用いて、前記デバイスから前記チャンバへ流れ込む前記流体の流量を計算し、それによって、前記デバイスによる測定値を検証するようにさらに構成される、請求項７に記載の質量流量検証器。
14. 前記ｉ番目の臨界流ノズルにおける前記臨界流時間ｔ_ｃｆ,ｉが、以下の式によって与えられるように、前記下流バルブが閉じられる時点と、Ｐ_ｄとＰ_ｕとの間の比が前記臨界圧力比限界α_ｐｃを超える時点との間と定義され、
    

    

    式中、
    Ｖ_ｃは、前記質量流量検証器における前記チャンバ体積であり、
    ａ_ｐ０は、前記下流バルブが閉じられる前の時点における前記ノズルの前記上流と前記下流との間の初期圧力比であり、
    Ｃ_ｉは、前記ｉ番目（ｉ＝１…Ｎ）の臨界流ノズルにおける吐出係数であり、
    Ａ_ｉ（ｉ＝１…Ｎ）は、前記ｉ番目のノズルにおける該ノズルののど部の断面積であり、
    ｆ_ｇ（Ｍ，γ，Ｔ）は、以下に定義される気体物性の関数であり、
    

    

    式中、
    Ｍは、前記流体の分子量であり、
    Ｒは、一般気体定数であり、
    Ｔは、流体温度であり、
    γは、前記流体の比熱比である、請求項１３に記載の質量流量検証器。
15. 前記コントローラによる前記ｉ番目の臨界流ノズルの起動時、前記圧力センサおよび前記温度センサが、前記ｉ番目の臨界流ノズルにおける前記臨界流時間ｔ^ｉ _ｃｆ内に測定するように設定され、それによって、前記質量流量検証器による流量検証が、前記変動するチャンバ圧力および前記質量流量検証器と前記ＤＵＴとの間の前記外部体積によって実質的に影響されない、請求項１４に記載の質量流量検証器。
16. 前記ｉ番目の臨界流ノズル（ｉ＝１…Ｎ）の起動時に、前記コントローラが、
    ａ）前記ホストコントローラまたは前記ユーザから受信した前記所望の流量検証範囲および前記流体の種類に基づいて前記下流バルブを開き、前記ｉ番目の上流ノズルを起動し、
    ｂ）前記ホストコントローラまたは前記ユーザによる前記ＤＵＴのための流量設定値を与え、
    ｃ）前記チャンバ内の圧力が定常状態に達し、安定するまで待ち、
    ｄ）流量検証計算のために、前記チャンバ内における前記流体の圧力および温度を記録し始め、
    ｅ）前記下流バルブを閉じて、それによって前記チャンバ内の圧力が上昇するようにし、
    ｆ）流量検証のために、前記ｉ番目の臨界流ノズルにおける前記臨界流時間ｔ_ｃｆ,ｉよりも短い時間において、前記チャンバ内の前記流体の圧力および温度を計測し続け、
    ｇ）前記下流バルブが閉じられた時点から計測された臨界時間内に、前記下流バルブを開き、
    ｈ）以下の式を用いて、前記チャンバに流れ込む前記流体の流量を計算することによって、前記デバイスの測定値を検証するように構成され、
    

    

    式中、
    Ｖ_ｃは、前記質量流量検証器における前記チャンバ体積であり、
    Ｔ_ｓｔｐは、２７３．１５Ｋである標準ガス温度であり、
    Ｐ_ｓｔｐは、１．０１３２５ｅ５Ｐ_ａである標準ガス圧力であり、
    Ｋ_０は、ＳＣＣＭ単位の場合、約６×１０^７、ＳＬＭ単位の場合、約６×１０^４であり、
    Ｐは、前記圧力センサによって測定される前記流体の圧力であり、
    Ｔは、前記温度センサによって測定される前記流体の温度である、請求項１４に記載の質量流量検証器。
17. 前記デバイスが、質量流量メータ、質量流量コントローラ、および流量比コントローラのいずれかを備える、請求項１に記載の質量流量検証器。
18. デバイスによる流体の流れの測定値を検証する方法であって、
    質量流量検証器内のチャンバと前記デバイスとの間の前記流体の流路に沿って、複数Ｎの臨界流ノズルを配置するステップと、
    前記ｉ番目のノズルに対して定義された臨界流時間ｔ_ｃｆ,ｉ（ｉ＝１…Ｎ）中に、前記ｉ番目のノズルを横切る前記流体の流れ、および前記ｉ番目のノズルの上流の前記流体圧力を実質的に一定に保持し、前記チャンバ内の圧力の上昇に実質的に影響されないように、前記Ｎ個の臨界流ノズルのｉ番目の１つ（ｉ＝１…Ｎ）を起動するステップと、
    前記チャンバの上流の入口バルブおよび前記チャンバの下流の出口バルブが開かれている間に、前記流体が流路に沿って前記デバイスから前記ｉ番目の流入口を通って前記チャンバに流れ込むようにするステップと、
    前記チャンバ内に流れ込む前記流体の流量、および前記チャンバ内の前記流体圧力を定常状態に達するようにするステップと、
    前記流体圧力が前記チャンバ内で上昇し始めるように、前記チャンバの流出口の下流のバルブを閉じるステップと、
    前記臨界流時間ｔ_ｃｆ,ｉ内に流体圧力および流体温度の測定値を用いて、前記チャンバ内の前記流体圧力の上昇率を測定し、該測定された圧力の上昇率を用いて、前記流体温度の測定値と共に、前記流体の流量を計算するステップと、を含む、方法。
19. 前記Ｎ個の臨界流ノズルの各々は、臨界流時間ｔ_ｃｆ,ｉ（ｉ＝１…Ｎ）中に臨界流条件が満たされるように、該ノズルにおける臨界流時間ｔ_ｃｆ,ｉ（ｉ＝１…Ｎ）中に、前記ｉ番目のノズルにおいて該ノズルを通る流体の流れを制限するように構成および配設される、請求項１８に記載の方法。
20. 前記流体の流量は以下の式を用いて計算され、
    

    

    式中、ＰおよびＴは、前記変動するチャンバ圧力が前記ＤＵＴの前記下流圧力に影響を及ぼさないような前記臨界流時間内における検証時間中に、前記圧力センサおよび前記温度センサによって測定される、請求項１８に記載の方法。
21. 前記流体の流量についての流量測定デバイスによる測定値を検証する質量流量検証器における精度および使用可能な流量範囲を増大する方法であって、該質量流量検証器は、前記流量測定デバイスからの前記流体の流れを受け入れるように構成されるチャンバと、該チャンバ内の前記流体圧力を測定するように構成される圧力センサと、該チャンバ内の前記流体温度を測定するように構成される温度センサとを備えており、該方法は、
    前記流量測定デバイスと前記チャンバとの間に複数Ｎの臨界流ノズルを配設するステップと、
    対応する上流バルブを開き、他の全ての上流バルブを閉じることによって、Ｎ個の臨界流ノズルの１つを選択的に起動するステップと、を含む、方法。
22. 前記所望の流量検証範囲、前記流体の種類、およびＭＦＶの流入圧力の最大値要件に基づいて、前記臨界流ノズルのための最適なオリフィスサイズを選択するステップをさらに含む、請求項２１に記載の方法。

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