JP2013037003A - 臨界流に基づく質量流量検証器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】流体送達被試験デバイス(DUT)110からの流体の流れを収容するように構成されるチャンバ130と、チャンバ内の気体温度を与える少なくとも1つの温度センサ180と、チャンバ内の気体圧力を与える少なくとも1つの圧力変換器170と、DUTからチャンバへの流体の流路に沿ってチャンバの上流に位置決めされる臨界ノズル140とを備える。臨界ノズル及び流量検証過程は、ノズルを通る流体の流量を臨界流条件に保持するように構成され、それによって、特定の流量検証時間中に、ノズルを通る流量が実質的に一定であり、且つノズルの下流のチャンバ内のいかなる圧力の変動にも実質的に影響を及ぼされないようになる。
【選択図】図1
Description
本出願は、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)の一部継続出願である。そ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。
上流圧力(DUTの下流圧力)を、実質的に一定に、且つチャンバ内の圧力変動に実質的に影響を及ぼされないように保持するように構成される。
1.上流バルブ120及び下流バルブ150の両方を開く。
2.DUTのための流量設定値を与える。
4.流量計算のためにチャンバ気体圧力及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。
7.下流バルブ150を開く。
8.チャンバ気体圧力及びチャンバ気体温度を記録するのを止める。
臨界ノズル140は、流体の流れを臨界流又はチョーク流れに保持するように構成される。気体が絞り機構の中を通り抜けるとき、その密度は減少し、速度は増加する。質量流束(単位面積当たりの質量流量)が最大になる臨界面積がある。この面積では、速度が音速であり、下流圧力をさらに減少させても、質量流量は増加しない。これは、臨界流又はチョーク流れと呼ばれる。
以下の気体関数を定義することができる。
臨界流条件にある。このようにして、測定雑音によって引き起こされる変動を最小限に抑えることができる。前段において説明されたCPSR動作は、DUTの下流圧力を乱すことなく、何度も流量の検証を実行するための簡単で、迅速な方法である。
Claims (21)
- 流体送達デバイスによる測定値を検証するための流量検証器であって、該流量検証器は、
前記デバイスからの前記流体の流れを収容するように構成されるチャンバと、
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、
前記チャンバ内の前記流体の温度を測定するように構成される温度センサと、
前記デバイスから前記チャンバへの前記流体の流路に沿って、前記チャンバの上流に位置決めされる臨界ノズルとを備え、
前記臨界ノズルは、臨界流時間tcf中に、前記ノズルを通る前記流体の流量を実質的に一定に保持し、且つ前記チャンバ内の圧力の変動の影響を実質的に受けないように構成される、流体送達デバイスによる測定値を検証するための流量検証器。 - 請求項1に記載の流量検証器において、前記臨界ノズルは、前記臨界流時間tcf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ことができるように構成され、前記臨界流条件は数学的に以下の式によって与えられ、
pdは前記チャンバ内及び前記臨界ノズルの下流の前記流体の圧力であり、
Puは前記臨界ノズルの上流の前記流体の圧力であり、
γはγ=Cp/Cvによって与えられ、前記流体の比熱Cp及びCvの比であり、ここで、Cpは一定の圧力における前記流体の熱容量であり、Cvは一定の体積における前記流体の熱容量であり、
apcはPdとPuとの間の最大限許容できる比を表す臨界圧力比であり、前記臨界流条件が満たされる場合に、前記ノズルを横切る前記流体の流れは実質的に一定のままであり、且つ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を及ぼされない、流量検証器。 - 請求項2に記載の流量検証器であって、前記デバイスから前記チャンバの入口への前記流体の流れを開閉するように構成される上流バルブと、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とをさらに備える、流量検証器。
- 請求項3に記載の流量検証器であって、前記下流バルブ及び前記上流バルブ、並びに前記圧力センサ及び前記温度センサを制御するように構成されるコントローラをさらに備え、該コントローラは、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の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、前記流体送達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、流量検証器。
- 請求項4に記載の流量検証器において、前記圧力センサ及び前記温度センサは、前記流量検証過程が、変化するチャンバ圧力、及び前記検証器と前記DUTとの間の外部体積とは実質的に無関係であるように、前記臨界時間tc内に測定を行なうように構成される、流量検証器。
- 請求項2に記載の流量検証器において、前記臨界流時間tcfは、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、PdとPuとの間の比が前記臨界圧力比限界apcを超える時点との間と定義され、
Vcはチャンバ体積であり、
ap0はt=0における前記ノズルの上流と下流との間の初期圧力比であり、
C’は前記ノズルのための吐出係数であり、
Aは前記ノズルののど部の断面積であり、
fg(M,γ,T)は以下のとおりであり、
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は気体温度であり、
γは前記流体の比熱Cp及びCvの比であり、Cpは一定の圧力における気体熱容量であり、Cvは一定の体積における気体熱容量である、流量検証器。 - 請求項4に記載の流量検証器において、前記コントローラは、
a)前記上流バルブ及び前記下流バルブを開き、
b)前記デバイス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)流量計算のためにチャンバの気体圧力及び前記チャンバ気体温度を記録し始め、
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臨界流時間tcfよりも短い時間だけ待ち、
g)前記下流バルブが閉じられた時点から測定されるような臨界時間内に、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、前記流体送達デバイスの測定値を検証するように構成され、
Vcはチャンバ体積であり、
Tstpは約273.15Kであり、
Pstpは約1.01325e5Paであり、
K0はSCCM単位の場合、約6×107、SLM単位の場合、6×104であり、
Pは前記圧力センサ/変換器によって測定されるチャンバ圧力であり、
Tは前記温度センサによって測定される気体温度である、流量検証器。 - 請求項8に記載の流量検証器において、前記臨界ノズルは、前記ROR検証器の前記チャンバ体積を、前記DUTへの外部配管から分離し、それによって前記外部体積の情報が前記ROR質量流量検証器の前記流量計算と関係がなくなると共に、前記流量検証器と前記DUTとの間の前記外部体積を求めるための準備較正が一切不要になるようにする、流量検証器。
- 請求項9に記載の流量検証器において、前記流量検証器は、連続パルス準リアルタイム(CPSR)動作モードにおいて動作することができ、該動作モードでは、前記コントローラによって、複数の検証時間のそれぞれにおいて、前記圧力センサ及び前記温度センサによって圧力測定及び温度測定が行なわれ、該各検証時間は、前記下流バルブが閉じられるときに開始し、前記下流バルブが閉じられた時刻から前記臨界流時間tcfが経過する前に、前記下流バルブが開けられるときに終了し、それによって、前記ノズルを横切る流れが常に前記臨界流条件にあり、前記チャンバ圧力が変化しても、前記流量、及び前記DUTの前記下流圧力に実質的に影響を及ぼさないようにする、流量検証器。
- 請求項10に記載の流量検証器において、前記コントローラによって計算される前記流量は、前記CPSRモードにおいて何度も実行する場合の平均流量であり、それによって、前記圧力センサ及び前記温度センサ内の測定雑音によって引き起こされる前記計算された流量の変動が最小限に抑えられる、流量検証器。
- 請求項1に記載の流量検証器において、前記臨界ノズルは、前記ノズルを通る前記流体の流れを臨界流に制限するように構成される、流量検証器。
- 流体送達デバイスの測定値を検証する方法であって、
前記質量流量検証器と前記DUTとの間の前記流体の流路に沿って臨界ノズルを配置することであって、臨界流時間中に、前記残留物の該ノズルを横切る流体の流れ、及び該ノズルの上流の前記流体の圧力が実質的に一定のままであり、且つ前記チャンバ内の圧力の上昇の影響を実質的に受けないように、該流体の流れを保持する、配置すること、
前記チャンバの入口及び出口バルブを開かれている間に、前記流体が流路に沿って前記デバイスから前記チャンバに流れ込むようにすること、
前記チャンバ内に流れ込む前記流体の流量、及び前記チャンバ内の前記流体の圧力が定常状態に達することができるようにすること、
前記チャンバの下流のバルブを閉じることであって、前記流体の圧力が前記チャンバ内で上昇し始めるようにする、閉じること、並びに
前記臨界流時間内に流体圧力及び流体温度の測定を行うことであって、前記チャンバ内の前記流体の圧力の上昇率を測定する、測定を行うこと、及び該測定された上昇率を用いることであって、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、用いることを含む、方法。 - 請求項13に記載の方法において、前記臨界ノズルは、前記臨界流時間中に臨界流条件が満たされるように、前記ノズルを横切る前記流体の流れを制限するように構成され、前記臨界流条件は数学的に以下の式によって与えられ、
pdは前記チャンバ内及び前記臨界ノズルの下流内の前記流体の圧力であり、
Puは前記臨界ノズルの上流の前記流体の圧力であり、
γはγ=Cp/Cvによって与えられ、前記流体の比熱Cp及びCvの比であり、ここでCpは一定の圧力における前記流体の熱容量であり、Cvは一定の体積における前記流体の熱容量であり、
apcはPdとPuとの間の最大限許容できる比を表す臨界流パラメータであり、前記臨界流条件が満たされる場合に、前記ノズルを横切る前記流体の流れは実質的に一定のままであり、且つ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を及ぼされない、方法。 - 請求項15に記載の方法において、
前記圧力の測定及び前記温度の測定は複数の検証時間のそれぞれにおいて行われ、各該検証時間は、前記下流バルブが閉じられるときに開始し、前記下流バルブが閉じられた時刻から前記臨界流時間tcfが経過する前に前記下流バルブが開けられるときに終了し、
前記計算された流量は、前記CPSRモードにおける多数の実行中の平均流量であり、測定される雑音が最小限に抑えられるようにする、方法。 - DUT(被試験デバイス)と、該DUTによる質量流量測定値を検証するための質量流量検証器との間の外部体積を求めるのを避ける方法であって、該方法は、
前記質量流量検証器の前記入口に流れ絞り機構を配置することを含み、該流れ絞り機構は、
臨界ノズル、及び
臨界オリフィスのうちの少なくとも一方を含む、方法。 - 流体の流量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よって計算される前記流体の流量の変動を最小限に抑える方法であって、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収容す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の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の温度を測定するように構成される温度センサとを備え、該方法は、
該ノズルを横切る前記流体の流れを制限するように、前記流量測定デバイスと前記チャ
ンバとの間に臨界ノズルを配設することを含み、前記ノズルの下流の圧力及び前記ノズルの上流の圧力の比が臨界流パラメータapcよりも小さい限り、前記ノズルを通る前記流体の流量が前記チャンバ内の圧力の変動の影響を実質的に受けないようにする、方法。 - 請求項18に記載の方法であって、所望の流量範囲、及び前記流量測定デバイスの最大下流圧力要件に基づいて、前記臨界ノズルのための最適なオリフィスサイズを選択することをさらに含む、方法。
- 請求項18に記載の方法であって、前記流量ノズルの前記上流圧力を測定するために、該流量ノズルの上流に位置決めされる第2の圧力変換器をさらに備え、前記第2の圧力変換器によって測定される前記流量ノズルの前記上流圧力を用いて、前記流量検証を実行する前に、前記ノズルを通る流れが安定しているか否かを判定することができる、方法。
- 請求項20に記載の方法において、前記第2の圧力変換器によって測定される前記流量ノズルの前記上流圧力を用いて、cMFVへの第2の流量検証方法として、請求項7に記載の式によって前記ノズルを通る前記流量を計算することができる、方法。
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