TW200413699A - Fluid flow measuring and proportional fluid flow control device - Google Patents

Description

200413699 玖、發明說明： 1 ·發明所屬之技術領域 本申請案與美國第6,348,098號專利案、2002年，7月 19日所申請第60/097,05 3號之”液體流量控制器及精密分 配裝置暨系統”案相關，而本發明依2002年7月19日所申 請之美國第60/3 97,1 62號”流體流量計測暨比例式流體流 量控制裝置π專利案要求優先權。 本發明係關於流量計測之領域，特別是關於半導體製造 中所使用超純化學物質流體之動態流量感知者。依本發明胃 ，基於因流量限制所導致之壓力差，而可用以決定流體之 流量。壓力信號係利用以DSP爲基礎之電子電路、例如微 處理機等作處理，並可介由一個人電腦型圖形化使用者介 面或其他顯示器連通至最終使用者處。由於流量限制及壓 力感知器孔穴之尺寸關係，故差壓感知器之精密度極高， 且可在限制區內作壓力計測，俾可產生較大之差壓。此種 最大化之壓差可增加最終流量計測之感度及精確性。再者# ，此等重要的區域可減少因計測所致之整個壓力損失’而 當用於計測以極低流體流動之動態性、高純度流體時’本 發明更具有優越性。 2 .先前技術 半導體之製造中，諸多不同之流體’例如去離子化水、 光阻劑、電介質上之旋體（spin)、聚醯胺、顯影劑、及化學機 械拋光（CMP)漿體、等等’務須精密且精準的分配（dispense， -6- 200413699 或稱供給、排放等）暨沉積於擬處理之基片上。例如，用於 該等應用之傳統式設備，擬作處理之晶圓係設在一適當噴 嘴之下方，該噴嘴則分配一預設量之液體或漿體用以被覆 或處理該晶圓。該所預設之液量係以幫浦循環、配管管徑 、及流體所含成分之特性等爲前提，而非考量沈積於晶圓 上之絕對量或流體之物質量。之後，典型的是，將晶圓轉 動，以使所分配之流體均勻的散播於晶片的整個表面上。 可迅即得知的是，在此種處理中，流體之分配與速率、及 分配流體之流量均非常重要。 當經由噴嘴之流體流動中止，例如在複數個晶圓處理過 程之間之中止階段時，則在噴嘴上即因存在有壓差因而形 成了液滴，此種液滴隨後即滴落於位在噴嘴下方之晶圓上 ，此對於晶圓上形成之圖型（pattern)損害極大，且須拋棄 或須重作處理該晶圓。爲了防止在噴嘴上形成有害之液滴 ，通常係使用外部吸回或停止/吸回閥爲之。後者之閥，一 般爲一種雙氣動控制式閥對，其一只閥係用以制止流體流 至噴嘴，而另一只閥則用以由分配終端或噴嘴之出口處將 液體吸回。此不僅可有助於防止出口處形成液滴並滴落， 並可有助於防止液體在暴露表面上之乾固，否則該種液體 之乾固將造成噴嘴之阻塞，並減少出口處之流體含量。 大型晶圓（例如直徑在3 00mm以上）之被覆（coating)亦有 問題，因會產生擾流之故。晶圓之旋轉速度，通常係將施 加於其上之被覆用流體，迅速的由其中心往外朝晶圓之端 部作散播。但是，此種作法在整個晶圓上將產生擾亂之氣 200413699 流，而造成了不平或不均勻之被覆。降低大型晶圓之旋轉 速度固可減少晶圓表面上之擾流’但此又將產生新的問題 。倘把速度降低’則流體在晶圓上流動之速度即緩慢’如 是，則流體在未全部散播於晶圓之端緣前’可能即已乾固。 在半導體製造之操作中，傳統上係使用幫浦作流體之分 配。但是，適用於該種應用之幫浦非常極爲價昂’且因過 度磨耗，故須經常更換。 3 .發明內容 因此，乃希提供一種閥系統，可避免上述種種缺點而可 對流體作精準及再生性的分配者。此外’亦希該種閥系統 不受流體溫度所影響，亦不受上游流體壓力所影響。再者 ，依本發明，復可廣泛的應用於任何流體控制裝置上，特 別是希求流體流量可作精密控制之狀況尤爲適用。 發明之揭示 依本發明，係提供一種可消除上述諸項缺點之流體流量 計測及比例式流體流量控制裝置。此種裝置係利用一比例式 閥反應於流量限制元件所測得之壓力差而控制流體流量者 。壓力係在限制流量元件之入口處或附近、及在其出口處 或附近加以感知，且該流量限制元件入、出口間之壓差係 轉換爲擬作控制之流體流量。該壓（力）差可爲連續性，或 爲連續性監測，且可調節一個或多個閥以獲得所希之流量 。此種控制系統對於具有各種黏度之流體亦具控制之能力 ，其可在操作者最少困難下，即可對該種流體作精確、重 複性之分配。依本發明，可依低成本及彈性之方式，達成 -8- 200413699 精確性及重複性之功能，可實時（real time，或稱即時）的對 各種處理變數作出反應。在一實施例中，由於限制元件之 關係，壓降元件可恢復大部分的壓力損失。 依本發明之另一實施例，係可包括一具有流體入口及流 體出口之比例式流量閥；一用於該比例式流量閥之引動器 (actuator)，用以調節該比例式流量閥；一限制流量元件， 具有一限制流量元件流體入口與一和該比例式流量閥入口 成流體相通之限制流量元件流體出口，該限制流量元件在 其限制流量元件流體入口與限制流量元件流體出口之間，馨 可造成一壓力降；一上游壓力感知器；一下游壓力感知器 ;及一控制器，係與該上游壓力感知器及該下游壓力感知 器相連通。該控制器尙可包括一個或多個處理器、一個或 多個電腦可讀記憶體、及儲存於該一個或多個電腦可讀記 憶體上之一套電腦可讀指令，且該套指令可由該一個或多 個之處理器加以執行。該套電腦可讀指令所包括之指令， 可用以執行接收一上游壓力信號、接收一下游壓力信號、 及基於該上游壓力信號與該下游壓力信號而計算流量等。鲁 本發明之再一個實施例所提供之裝置，可包括儲存於一 個或多個電腦可讀記憶體上之一套電腦可讀指令，並可依 一個或多個處理器執行該套指令，該套電腦可讀指令所包 括之指令，可基於模糊邏輯（fuzzy logic)方式計算流體流量 及計算整個變化。 本發明之又一個實施例所提供之裝置，可包括儲存於一 個或多個電腦可讀記憶體上，並可由一個或多個處理器加 -9- 200413699 以執行之一套電腦可讀指令，該套電腦可讀指令所包括之 指令係可用以執行··基於模糊邏輯計算流體流量及計算閥 輸出中之整個變化。該種閥輸出中之整個變化的計算，可 藉由：以一誤差對一第1套之組群功能（membership functions，或稱全體功能）作比較，以產生第1套之模糊輸 入；以流量中之一改變對一第2套之組群功能作比較，以 產生第2套之模糊輸入，其中自第1套及第2套模糊輸入 之各模糊輸入係結合有真實之輸入程度；施加一套規則於 該第1套與該第2套模糊輸入中，以產生一套模糊輸出， 其中各模糊輸出係結合有真實之輸出程度；將各模糊輸出 與閥輸出値中之個別改變相結合；及基於一個或多個模糊 輸出之真實輸出程度而計算閥輸出中之整個變化、並計算 結合有一個或多個模糊輸出之閥輸出値中的個別變化；等 而實現之。 依本發明各實施例所提供之裝置，因具有甚大之穩定性 ，故具有優越於習用技術PID控制器之特點。 本發明所提之諸實施例，其優點勝過習用之PID控制器 ，係因模糊邏輯可予程式化，以適應各種操作環境之變化 ，故本發明可作廣泛性之各種應用。 4.實施方式 首先，如第1圖所示，依本發明之一參考性實施例，流 體流量計測及比例式流體流量控制裝置係組裝在一殼體5 內。一流體控制裝置’例如以一步進式馬達（stepper motor) 引動之比例閥1 〇，依圖所示係具有一流體入口線1 2與一 200413699 流體出口線1 3，用以作最末段將液體分配至一使用之點’ 例如基片或晶圓等（未示）。和流體入口線12成流體相連通 者，爲一限制流量元件1 5。限制流量元件1 5最好爲一種 文氏管，詳情將於下述。諸如壓力轉換器之一第一壓力感 知器24，係設在限制流量元件1 5之入口或其附近’用以 感知一第1壓力，而諸如壓力轉換器之一第2壓力感知器 25，係設在限制流量元件1 5之出口或其附近’用以感知一 第2壓力。此外，亦可使用一種單一型之差壓感知裝置。 感知器與流體相接觸之部分，最好是以例如石墨之惰性材 料（依在應用上所使用之流體而定）製成。一個流體（fluid sue am)可測得兩個壓力，其中第1個壓力，係恰在流量感 知器中感應壓力降之前，於入口線所測得之壓力，而其中 的第2個壓力，則是在已感知有壓力降之該點所測得之壓 力。在參考性實施例中，壓力降係以流體路線中之一減縮 的截面加以感應者。此一突然減縮之截面係令流體速度在 此截面中增加，因而減低了流體壓力。該減縮截面之入口 與出口均經精細設計，故可恢復所感應壓力降之寄生壓力 損失（parastic pressure loss)，且因流體線係擴大，故大部 分之壓力降均可回復，流體流速亦可恢復。此種設計，即 是通用之文氏管（Ventri)型式，該第2個壓力係在裝置之喉 部’亦即在束縮點處，即可立刻的測得。此可用以產生最 大壓力差信號。系統之其他實施例，係經由一計測之流口 、一毛細管、一系列平行之毛細管、或多孔性媒介體等之 使用’而須求一壓力降。該種限制流量元件對於流體之化 200413699

學性必須爲惰性，例如可用T e f 1 ο η、P F A、M F A、F E P、P V D F 或超高分子重量之PE等所製成。本實施例中之壓力感知器 包括石墨隔膜；由 Tenzor LLC(Basking Ridge, New Jersey) 出品之壓阻式（piezoresistive)壓力感知器；及由 Lucas Novasensor(Fremont? CA)出品之 p/n NPI-19A-701GH 的 s ST隔膜壓力感知器等，惟均須設一保護阻斷層，以和半 導體晶片製造中所使用之流體相容。其他之實施例，則可 使用陶瓷或矽薄膜之壓阻式壓力感知器，外部再被覆以一 保護阻斷層，或亦可爲其他形式之差壓感知器。閥1 0係以鲁 一比例閥引動器1 7加以引動。另如圖所示，殻體5內亦設 有一電子板1 6。 第2、3圖爲依本發明限制流量元件1 5之一實施例。此 一元件1 5具有一流體入口 1 1 1及一與此一流體入口 1 1 1相 隔開之流體出口 1 1 2。流體入口 1 1 1與一實質上成恒定截 面之第1入口部1 1 1 A相通，第1入口部1 1 1 A係在一傾斜 漸縮成較小截面之一第1漸縮部1 1 1 B處終止。第1漸縮部 1 1 1 B係與一平坦較小截面之第2漸縮部1 1 1 C成流體相通β ，依序的，再和文氏管之喉部1 1 4成流體相通。一第1漸 擴部1 1 5係自喉部1 1 4傾斜擴大’故其係朝向實質上爲恒 定截面之流體出口部1 2 2作擴大，並和出口 1 1 2相通。容 納第1壓力感知器24(第3圖）之一第1壓力感知器孔穴117 ，係和連通於第1入口部1 1 1 A、文氏管束縮之上游、之一 第1壓力感知器分接頭1 1 9成流體相通。容納第2壓力感 知器25(第3圖）之一第2壓力感知器孔穴120，係和連通 -12- 200413699 於喉部114、文氏管束縮之下游、之一第2壓力感知器分 接頭121成流體相通。該兩分接頭之長度可爲0.0 9〜1吋 ，直徑可爲〇 . 〇 1〜〇 . 5吋。抑止器1 2 6係用以將各壓力感知 器抑止在其各自的孔穴內，並以〇形環1 2 7封閉之。較小 截面1 1 4之直徑最好爲0.7或小於主直徑1 1 1 A。 第4圖爲流量元件1 5之另一實施例，其中該種元件係一 偏心平面通道之文氏管形。流體入口 1 1 Γ與漸縮入口部 11 1A’成流體相通，該入口部111A’因係推拔（tapered，傾斜） 壁，故係突然的變窄至收斂入口部1 1 1B’。漸縮入口部1 ΠΒ1馨 係與文氏管喉部1 1 4’成流體相通，之後，即自該喉部朝外 形成漸擴之出口部1 1 5 ’，最後抵達流體出口 1 1 2 ^容納一 第1壓力感知器（未示）之一第1壓力感知器孔穴1 17’，係 和連通於漸縮入口部111A’、文氏管束縮之上游、之一第1 壓力感知器分接頭1 1 9'成流體相通，容納第2壓力感知器 (未示）之一第2壓力感知器孔穴120’，係和連通於喉部1 14’ 、束縮下游處、之第2壓力感知器分接頭121’成流體相通 。各壓力感知器係分別以抑止器抑止於各自孔穴內’並以® 0形環封閉之。 流體係經流體入口 1 2進入裝置。流體係行經流體入口 1 2進入流量限制元件1 5，此流量限制元件中，流體係行經 一調節流體輪廓（fluid profile)之一第1部。流量限制之此 一段中的流體壓力，係藉一經由一壓力分接頭1 1 9而與該 第1部成流體相通之第1壓力感知器24予以計測。在第2 、3圖所示之實施例中，流體係進入一第1漸縮部1 1 1 B ’ -13- 200413699 之後進入一第2漸縮部1 1 1 c ’則流體之流速增加，而流體 之壓力減小。流體進入裝置之喉部11 4時，該處之流體壓 力係由一：其流體藉由一第2壓力分接頭1 2 1而和喉部1 1 4 中之流體相通，之一第2壓力感知器2 5予以作計測。流體 係經由一漸擴部1 1 5而由流量元件之喉部流出。流量元件 之該第1漸擴部1 1 5係連接於流體出口 1 2。 流體係自流量元件1 5之出口進入比例閥之入口。如第5 圖所示，一適當之比例閥1 〇具有一流體流動之路徑，包括 :一入口 300、一閥揚瓣302、一閥座、及一流體出口 305 _ 。閥揚瓣3 02下降動作時，一端係與隔膜3 04相接觸，另 一端則與另一隔膜3 04A暨座落於底座3 0 8中之彈簧309 相接觸。此係一種常閉之閥。揚瓣3 02係用以限制流體流 過閥座。一感知器3 0 7係設在感知器間隔物3 0 6上，用以 決疋步進馬達311之引導螺絲（lead screw)的π歸向（homing)1’ 位置。爲了調整流體在流動路徑中之流量，步進馬達3 i i 將轉動，驅動該引導螺絲3 1 0。引導螺絲3 1 0之運動乃令 隔膜3〇4及3〇4a位移，並把揚瓣3〇2由閥座中之密封位置鲁 予以移動’則可令流體流經閥座及揚瓣3 02。當步進式馬 達以反方向旋轉時，引導螺絲即自隔膜處縮回，且彈簧3 〇 8 之恢復彈力乃迫使隔膜3 04、3 04a位移，因而移動該揚瓣 以限制流體在流動路徑中之流量。此實施例中之閥作動機 構爲一種步進式馬達，惟亦可爲一線馬達、或其他的機械 性引動器、氣動式引動器、聲音線圈，或其他之使力引動 器。引動機構係與電子系統相接，電子系統乃可反應於流 -14- 200413699 量設定點及實際之流量，而改變送至引動器之各項命令 (commands)。在閥之另一種實施例中，步進式設備可確保 閥之閉合，閥通常爲啓開，而彈簧之動作係和步進設備相 反者。 依所希反應、線性及封閉面積等因素之不同，可使用各 種不同之揚瓣（poppet)。例如，第7圖所示者爲標準之 Parker/Partek之揚瓣302，其業經修正爲錐體302A，具有 一複合角度（如第7A圖所示之7.5度及16度）。此種複合 角度使揚瓣位置對流量反應更爲線性，並因之而更易作控 修 制。第8圖爲另一種揚瓣3 02’，其在封閉區處具有一減縮 直徑（對應於第7圖之揚瓣3 02)、及在封閉區附近角隅上設 有一去角（chamfer) 3 02，如是，乃可減少振動。第9圖所示 之修改式揚瓣3 0 2 ”，係包括複合角度亦具有一較大筒形3 0 4 直徑，供低流量之應用。第1 0圖所示之揚瓣3 0 2 ”，，係具 有彳旦疋之錐形角度（無複合角度），惟亦具有—^較大筒形直 徑以供低流量之應用。利用隔膜/揚瓣設計之大部分既有的 高純度流體閥，藉：該揚瓣之修改；令最後的新總成配合鲁 一適當的引動器；及把引動器/閥總成置入於具有一流量感 知器、計算暨控制邏輯、與引動器/閥總成之流量控制系統 中，即可予以作成爲比例式控制。 再參考第1圖所示，引動器1 7係連接於閥1 0。各壓力 感知器24、25(或單一型差壓感知裝置），係連通於一電腦 處理器或控制器，例如具有比例、積分及導數（P ID )回授組 件或模糊邏輯控制之控制器等。模糊邏輯控制包括以下三 -15- 200413699 個步驟：模糊化（fuzzification)、規則評估（evaluation)、及 去模糊化（defuzzification)。模糊化係用以可適合各種類比 輸入變數之過程，例如，把流量誤差、及流量之導數模糊 化成各種程度（degrees)，對該等程度，一小套之邏輯則爲 真實者。規則評估包括評估模糊輸入之各項變數，並基於 一套規則而產生一套模糊輸出者。而去模糊化係一種結合 該未經處理之模糊輸出（rawfuzzy outputs)於一合成系統輸 出中的過程者。關於模糊邏輯控制之一系統及方法，如第 20圖所示，將於下述。該種輸出可用以控制一閥或一加熱 器。因各感知器24、25係在各自之流體線上對壓力取樣， 故把所取樣之壓力信號送至控制器。控制器則比較送來之 壓力値，並計算橫跨限制流量元件1 5間之壓力降，詳情將 於下述。基於該壓力降、自控制器所送出之信號，係送至 引動器1 7，乃可用以調節流體控制閥1 〇。亦可作溫度及動 黏度之修正。 控制器基於流體之兩個個別的壓力差及溫度，可用以計 算流量，並以所計測之流量對一預先輸入之設定點流量作 比較而調節比例閥，以達到流量設定點。控制器亦可自循 環周期之開始起，加總流經流體流量控制裝置之全部容積 量，且當所分配之全部容積量等於最終使用者所輸入之容 積量設定時，可將閥封止。在另一實施例中，流量設定點 係倂同時間値設定點（取代全部容積量設定點）一起輸入。 由液體開始分配起即計時，直到測得所經過之時間値等於 所輸入之點之前，系統仍爲正常運作，而之後，閥即完全 200413699 關閉以完成此一循環周期。 一可與液體相容之比例式閥1 〇係設有流體流注之流量 調節。此種總成係由兩項主要組件構成：閥1 〇及引動器 1 7。在參考性實施例中，閥1 0係一種隔膜及揚瓣型裝置， 可有效的控制流量，同時可降低因閥所致之壓力降。閥隔 膜可令揚瓣駐止或移動，而藉該揚瓣在孔穴中之位置，即 可調節流量。如上述及如第7〜10圖所示，由Paker/Partek (Tucson，AZ)所提供之標準型PV-10揚瓣閥10，係業經修 改，而可在較大的流量範圍內，作甚佳之流量比例控制。鲁 在另一實施例中，則係使用未作額外揚瓣修改之標準型St. Gobain Performance P1 a s t i c s (G ar d e n Grove，CA)HPM〇 弓[動 器係用以使隔膜作機械性移動，之後則爲揚瓣之機械性移 動。參考性實施例中之引動器，係一種由EAD (Dover，NH) ，p/n L1MGE-10X03提供之一步進式馬達，可依複數之初 步（primary steps)或以微步（miro-stepping)作操控，俾可令 隔膜/揚瓣總成可作較精準之移動。其他適當的引動器，可 包括線性馬達、聲音線圈、及各種氣動型引動器。 ® 第2 1圖爲一種可計算流體流量之控制器一實施例。在第 21圖之實施例中，控制器可包括一中央處理單元2100及 一數位式信號處理器2102。各中央處理單元2100及數位 式信號處理器2102可包括或存取（access)電腦可讀記憶體 (例如，RAM、ROM、EPROM、Flash、外部磁性記憶裝置 、或習用其他電腦可讀記億體）。第2 1圖之例示中，中央 處理單元2 1 00可存取板上之快閥記憶體2 1 04，而數位式 200413699 信號處理器2 1 0 2則可存取板上之快閃記憶體2丨〇 6。各快 閃記憶體2104及2106可儲存一套電腦可讀指令21 〇8及 2110，並可由各自之處理器加以執行。介由一標準或訂購 之介面控制2 1 1 1 ’即可連通該數位式信號處理器2 1 0 2及 中央處理單元2100。 控制器尙可包括一溫度感知器輸入2 1 1 2，俾可接收來自 一*熱親之溫度5虎，一^步進式馬達驅動器2 1 1 3，基於中央 處理單元2 1 00之輸出，可產生一步進式馬達驅動信號；及 複數之壓力感知器輸入2114、其他各種輸入、或用於遂行 特殊用途之各種輸出（例如，類比及數位輸出、特殊口等）。 操作時，控制器可利用來自各別壓力感知器之輸入信號 及來自一熱阻器（thermi ster)之溫度信號而計算流體之最終 流量。再者，來自單一差壓感知器之信號的輸出，亦可用 以計算最終流量。各壓力信號係以類比/數位晶片作處理， 之後，將處理後之信號放大，最後所得之信號再饋送入數 位式信號處理器2 1 02中。此一處理器係在比中央處理單元 2 1 00爲高的頻率上動作，俾可作壓力與溫度信號之濾波， 以免造成控制環路反應之大幅延遲。信號之濾波應屬必須 ，可減少不必要之雜訊（來自壓力感知器、來自系統或外部） ，並可達成較精準之壓力計測。當比較兩個壓力信號時， 此甚爲實用。之後，即可獲得差壓信號。 中央處理單元2 1 00係基於壓力計測及流體溫度而執行 指令2 1 0 8以計算流量。溫度會影響壓力之讀取、流體之密 度及黏度等，繼而影響流量之計算。介由一預先加載之校 200413699 正曲線，差壓信號即被記錄，且相關於一初步之流量 (p r i m a r y f 1 〇 w r a t e)。校正曲線仰賴流體流動路徑之絕對尺 寸、限制區之尺寸、及壓力感知器之反應等而定。每一流 體控制系統爲一條單一之曲線。用於模型流體之曲線業予 正常化。結果的初步流量’係在所測得之溫度下，以流體 之密度及黏度予以作進一步的修改。該所儲存之資料係相 關於對流體所測得溫度時之密度與黏度。在一參考實施例 中，密度與黏度係作爲用於多種流體之溫度的函數，並將 此函數以管形（tubular form)作爲資料、或作爲各種數學之鲁 函數、而加以儲存之。參考實施例係利用 Motorola p/n MC68HC912DG128(Shamberg，IL)之微處理器作最末之各 項計算。之後，即可記錄或得知相關流體之最後流量。 此間應注意者，該等複數電腦可讀指令可儲在多重的記 憶體之間、且以多重的處理器加以執行，該等指令亦可予 以儲在一個或多個電腦可讀記憶體上，而以一個或多個的 處理器加以執行。又者，此道行家均知，該等電腦可讀指 令可依軟體、韌體（firmware)及/或硬體等實現之。 ® 第20圖爲流量計算流程圖。在本發明之一實施例中，依 第2 0圖所示之流程方法，以一個或多個處理，執行儲存於 電腦可讀記憶體（例如，RAM、ROM、Flash、磁性儲存體 、或習知各種電腦可讀記億體）上之電腦可讀指令即可遂行 之。在步驟2002，控制器可讀取一溫度（例如，經第21圖 之溫度輸入21 12)。在步驟2004，控制器可對照感知器表 而存取溫度，以計算溫度之偏移。在步驟2006，控制器可 -19- 200413699 讀取各種壓力信號（例如，經第2 1圖之各種壓力感知器輸 入2114)。而在步驟2008，係校正用於溫度偏移之壓力信 號。之後，控制器即基於該等壓力信號及配合各壓力感知 器（步驟2010)之阿拉伯數字演算法等，計算Pi、P2及壓力 中之壓力差。 在步驟20 1 2，控制器可基於壓力差而計算一初始之流量 ，並介由一預先加載之校正曲線令該初始流量相關聯於一 初步流量。校正曲線可依流體流動路徑之絕對尺寸、限制 區域之尺寸、及壓力感知器之反應等而定。每一個流體控馨 制系統可爲單一條曲線。在實施例中，對於模型化之流體 ，該曲線已予正常化。此外，在步驟20 1 2，控制器可基於 黏度與密度而修改初始流量。在步驟20 1 4，控制器基於流 量校正而可調整流量，以計算最末之流量。在步驟20 1 6， 控制器可基於該定點而決定擬修正流量之數量。在步驟 20 1 8，控制器係基於流量之修正而可產生一信號用以調整 控制閥。 究竟以多少量調整控制閥之計算，可包括以模糊邏輯方® 式爲之。模糊邏輯之應用有3種步驟：模糊化、規則評估 、及去模糊化。模糊化係一種把各項輸入變數加總成爲一 個程度的過程，對該程度’一小部分之邏輯爲真實者。依 本發明之一實施例’可將流量有關之變數、及流量對時間 之比値改變相關之變數等’對組群功能作比較’以決定用 於各組群功能之程度。 以一例而言’控制器可將流量誤差及流量/時間（d F / d t)之 -20- 200413699 改變對組群功能作比較。以習知之任何方式，均可計算流 量誤差及dF/dt。誤差可區成負、零、正等3種型態。第 2 3 A圖所示者，爲用於誤差之組群功能一實施例。在第2 3 A 圖中，線23 02表示負性誤差組群功能，線23 04爲中性之 零誤差組群功能，而線23 06則爲正性誤差組群功能。dF/dt 亦可區分成3種型態，即減少、穩定、及增加。第23 B圖 爲用於此3種型態之組群功能。在第2 3圖中，線2 3 0 8表 示dF/dt減少，線23 10表示穩定之dF/dt，而線23 12則表 示dF/dt增加。應說明者，乃第23 A及23B圖所示之組群 鲁 功能僅爲代表性之實施例，其等自亦可爲任何其他之形狀 。本發明之其他實施例中，對各種變數可界定以較多或較 少的組群功能。 誤差値及dF/dt可對組群功能作比較，以決定真實之程 度。例如，誤差値係在點2 3 1 4，則用於各誤差組群功能之 真實程度將如下：負〇%、零90%、正10%。同樣的，倘dF/dt 係在點2316，則用於dF/dt之真實程度將如下：減少〇%、 穩定80%、增加20%。因之，模糊化過程係決定用於一所馨 設輸入變數之真實狀況究爲如何者。而其他的輸入，包括 例如溫度、溫度之變化量、壓力、壓力之變化量、或任何 其他之變數等，可予轉變成流量及/或流量中之改變。 規則評估包括取得各項模糊輸入（例如，負：〇 %、零：9 0 % 、正：1 0 %、減少：〇 %、穩定：8 0 %、增加：2 0 %)並產生 一套模糊輸出。依本發明之一實施例，該模糊輸出可爲擬 施加已g又一*套規則之流量閥上的改變（c h a n g e，變化） -21- 200413699 。一套規則之一實施例，如袠1所示： ____袠 1 1 倘如 誤差=負 及 dF/dt=減少 改變=大 2 誤差=負 d F / d t =穩疋 改變=S I 3 誤差=負 dF/dt =增加 改變=S I 4 誤差=零 dF/dt =減少 改變=S I 5 誤差=零 d F / d t=穩疋 改變=NC 6 誤差=零 dF/dt =增加 改變=S D 7 誤差=正 dF/dt =減少 改變=S D 8 誤差=正 dF/dt=穩定 改變=S D 9 誤差=正 d F / d t =增加 改變=LD SI = 小 增量 LI = 大 增量 NC = 不變 SD = 小 減量 LD = 大 減量 利用上表，並持續前例中之誤差的模糊輸入=負〇 %、零 9 0%、正1 0%，及dF/dt =減少0%、穩定80%、及增力口 20% ，即可成爲下列之模糊輸出及真實程度·_ 無改變=8 0 %真實（由規則5 ) 小減量=20%真實（由規則6) 小減量=10%真實（由規則8) -22- 200413699 大減量=10%真實（由規則9) 此狀況中，用於模糊輸入之最小真實度已予使用作模糊 輸出之真實度。例如，以規則5而言，因誤差=0爲9 〇 %， 而dF/dt =穩定爲80%，故擇取80%。用於任何一種模糊輸 入之規則，其真實度爲〇%(例如用於誤差=負或dF/dt =增力口） 之規則，由於用於模糊輸出之真實度必將爲0%，故未予示 出。在本發明之其他實施例中，對模糊輸出真實度之認定 可爲選擇之一項主題，並可予以最佳化。而在本發明又一 個實施例中，則可排除最低真實度之模糊輸出。可用任何 其他方式擇取模糊輸出，例如僅擇其真實度在某一數値以 上之模糊輸出。因此，規則9中之較大增量，由於該較大 增量之真實度僅爲1 〇%，故可予以排除之。但是，規則8 中之較小增量模糊輸出，因用於較小減量模糊輸出之最高 真實度爲20%，故不宜排除。 表2係用於產生各種模糊輸出、較爲繁複之規則另一例 示。在表2之狀況中，可將誤差對5個組群功能作比較： 大負、小負、零、小正、及大正，且dF/dt可對5個組群 功能作比較：大負、小負、零、小正、及大正。基於模糊 輸入dF/dt及誤差之真實度，即可產生7種的模糊輸出： 極大量增加、大量增加、小量增加、不變、小量減少、大 量減少、及極大量減少。 -23- 200413699 表2 大負 大負 極大量增加 大負 小負 極大量增加 大負 零 大量增加 大負 小正 小量增加 大負 大正 不變 小負 大負 極大量增加 小負 小負 大量增加 小負 零 小量增加 小負 小正 不變 小負 大正 小量減少 零 大負 大量增加 零 小負 小量增加 零 零 不變 零 小正 小量減少 零 大正 大量減少 小正 大負 小量增加 小正 小負 不變 小正 零 小量減少 小正 小正 大量減少 小正 大正 極大量減少 大正 大負 不變 大正 小負 小量減少 大正 零 大量減少 大正 小正 極大量減少 大正 大正 極大量減少 200413699 表2係何以可將各種模糊輸入對他種的組群功能作比較 以產生他種模糊輸出之例示。 去模糊化係一種結合各項模糊輸出而造成系統輸出之過 程。以一例示而言，可使用表1所例示之各種模糊輸出。 各個模糊輸出可針對系統中之個別改變。例如，表3即例 示如何可令表Ϊ之各種模糊輸出與各種個別的輸出（例如數 値中之百分比改變）相結合者。 表3 改變 閥輸出中之百分比改變 大減量 -20 小減量 -1 0 不變 0 小增量 10 大增量 20 如表3所示，對一大減量之模糊輸出而言，閥輸出中之 百分比改變必爲20%，而對一小減量而言，則必爲-1 0%， 以下類推。各種模糊輸出可由表3乘以適當的常數，並可 予以加總在一起。故，例如，由表1之各種模糊輸出，並 排除其真實度僅爲1 〇%之大減量模糊輸出，則流量閥中之 整個變化爲： 變化=(0*·8 + -10*·2 + -20*10)(80+20+10)=-3·6 基於此一數値，控制器即可把閥關閉3.6%。此可在例如 第20圖之步驟2016上、產生一適當的閥控制信號即可實 現之。在本發明之一實施例中，閥控制信號可送至一閥驅 -25- 200413699 動器，此一閥驅動器即可產生一類比閥驅動信號用以驅動 閥爲開啓或關閉。 第1例 本例係依本發明計測及控制流體流量裝置之一實施例、 應用於以化學機械令基片平面化（planarization)處理中，對 其所使用之流體流量作計測及控制者。更具體而言，此例 係說明本發明之一實施例如何的可予用以將拋光流體作個 別容量的送於一基片者。化學機械拋光係用於光學鏡頭之 製造。而化學機械平面化則用於半導體裝置之製造。拋光鲁 流體可爲酸性或酸基之液體，亦可含有磨料，例如矽石或 礬土（alumina)等。用以拋光矽氧化物之實用性流體，包含 成水性氫氧化鉀溶液之矽漿體；用以拋光銅金屬之實用性 流體，則包括：例如過氧化氫之氧化物、例如Benzotriazole 之抑制劑、及例如乙酸之有機酸的水性溶液等。 本發明裝置之入口係接於盛裝拋光液體之壓力化容器或 以重力饋送之容器。裝置之出口則係接於拋光器具 (polishing tool)上之噴嘴。拋光器具設有藉一旋轉墊或轉I 動皮帶使其轉動之作拋光之基片。基片係與拋光墊相接觸 ，依拋光液體之化學作用，把基片上之某些材料去除。拋 光液體係經噴嘴送至器具上之基片；拋光液體係以流量（動） 裝置暨其電子系統控制其流動（量）。流量裝置之電子系統 可連接於拋光器具之控制器上，俾可令器具控制拋光流體 分配在基片上之時序（timing)。器具尙可包括一拋光終點檢 知器，此亦可用以控制拋光流體送至基片上之時序，裝置 -26- 200413699 中之電子系統，其中之信號處理器，當盛裝拋光液體之壓 力化容器內的壓力有變化時，可消除拋光液體供應量之變 化性。較諸蠕動性之幫浦而言，本發明裝置可依恒定之流 量供應拋光液體。結果，拋光液體係以經控制之容量及流 量供給予一基片，除了可使化學物質之浪費減至最低外， 並可令基片作勻稱及重複性之拋光。 第2例 本例係使用本發明之一實施例應用於一汽化器（vaporizor ，或汽化物質）系統中之流體流量計測及控制，則前導液體鲁 (liquid precusors)即可依個別之容量供液至汽化器（物）以 形成氣體者。具體言之，本例係說明本發明之一實施例係 如何計測及控制前導液體至汽化器（物）的流體者。 前導液體屬化學物質，在汽化器（物）內可予加熱而成爲 氣體。汽化後之氣體再送至一反應室內已加熱之一基片上 ，在此基片上作進一步之反應或分解。此種氣體可用以在 基片（板）上之金屬、半導體、或電介質之上形成一薄膜（化 學氣體沈積法或原子層化學氣體沈積法）。其亦可用以蝕刻β 基片之表面，或用以乾燥基片。前導液體可爲例如水、2-丙院、或 tetraethyl orthosilicate(四乙酯鄰位砂酸鹽）、 TE0S等之純液。前導液體亦可爲含有strontium(緦） dipivaloylmethane、Sr(DPM)2 等，溶解於例如 tetrabydrofuran (四氫呋喃）溶解劑中之固體。某些液體，如銅（I)hexafluor-opentanedionate vinyltrimethylsilane(六氟化戊二酉享乙嫌 三甲基四矽烷）、（VTMS)Cu(hfac)等，均爲熱敏性，且可藉 -27- 200413699 使用於流體流量計之熱感知器予以分解之。前導液體一般 係以每分鐘0.1 g〜50g之流量送至汽化器（物）。薄膜對於鏡 頭及光纖等光學裝置之被覆甚爲重要。而複數薄膜或單一 薄膜對平板、微處理器及記憶裝置等之製造亦甚重要。 本發明流量裝置之入口係接於前導液體之壓力化源，出 口則係接至汽化器（物）。流量裝置之閥可爲汽化器（物）之上 游或下游。汽化器（物）之出口係接於其內具有擬以氣體處 理之基板的器具處理室。如須以多重的前導液體作多種處 理時，則可使用多重的流量裝置。流量裝置之電子系統可鲁 接至器具之控制器，則處理器即可對流體流量自壓力化源 經流量表進入加熱的汽化器（物），作整個液體流程之遙控 。供化學氣體沈積處理之汽化器（汽化物質），包括例如加 熱之metal frits(金屬熔前玻璃原料）、加熱之金屬屏幕、加 熱之閥件、及加熱之管件等。 盛裝前導液體之容器內壓力有變化時，將導致流至汽化 器（物）之液體流量的變化。熱流量元件中、前導液體之分 解亦會導致流至汽化器（物）流體流量的精準性。倘供應汽Φ 化器（物）之流體流量控制不好，因汽化器（物）之飽和關係， 故亦將使汽化器（物）無法將所供應之流體完全蒸發，而汽 化器（物）之不完全汽化蒸發，必將形成液滴而滴落於處理 室內，進而滴落在處理之基片上造成極大之影響。惟如依 本發明’則可依限制（熱）流量元件而控制前導液體之流量 ，並以經控制之流量供應至汽化器（物），其無關於上游壓 力之波動者。 -28- 200413699 第3例 本例係依本發明之一實施例，用以供基片作電鍍裝 (electroless plating)之流體流量計測及控制者。具體言之 ，本例係說明本發明之實施例係如何的可用以對施加於一 基片上之一系列化學物質的分配作計測及控制，以在鍍裝 處理中形成一金屬膜者。此種過程可免除一般浴鍍處理之 化學物質的排放。用於鍍裝之金屬或金屬合金等溶液，包 括（但非限制）銀、銅、鈾、鈀、金及錫等。通常須要觸媒 使鍍液中之基片活化，該等觸媒可爲膠體鈀、碳、石墨、 錫-鈀膠體、及例如polypyrrole(聚吡咯）之傳導性聚合體等 。某些此等觸媒中之金屬及鍍液甚爲昂貴，且在作鍍裝處 理時，將造成浪費，或須予以減少以降低鍍裝之成本。某 些此等溶液中之金屬，在施作鍍裝處理時，會產生毒性， 且會形成浪費，故須予以減少，以降低其對環境之排放量 ，並減低廢棄物之處理暨成本。 對使用於鍍裝處理之各化學物質，本發明裝置之入口係 連接於以幫浦或以重力饋送之化學物質源。裝置之出口係 連接於一噴嘴，以把各化學物質送至基片上。利用熱交換 器、冷卻器、或電阻性加熱器元件等，在溶液送至基板之 前，可先予以降溫或升溫。例如，以無電處理可將銅金屬 沈積於一基片上，其係藉由：經一第1流量裝置，使基片 和含有膠體鈀之活性溶液相接觸；利用一第2流量裝置， 以水漂洗該基片；經一第3流量裝置，使已催化之基片和 一氫氯酸活性溶液相接觸；及經一第4流量裝置，使該基 -29- 200413699 片和含有：一含銅離子源、一例如甲醛之還原劑、一例如 E D Τ A之複合劑、及一例如氫氧化鉀之鹼、等’之一定量銅 溶液相接觸。最後’基片再以第2流量裝置藉水加以淸洗。 流量裝置之電子系統可接至鍍裝器具之控制器，以調節 經由各該流量裝置所作之時序、周期、及流體流動之順序 。如是，則在處理之每一個步驟中，各化學物質均可以經 計測之容量迅速且精準的供給於基片上。僅供應足可達成 完全反應之化學物質量於基板上，除了可降低化學物質之 浪費外，並可撙節使用之材料成本。此外，復可減少因化 學物質之拖長（drag out)所致對基片之污染。再者，因爲流 量元件之迅速動作及控制閥對循環時間之減少等，亦可使 處理流程時間縮短，繼而增加產能。 第4例 本例係依本發明之裝置，用以計測及控制供給於一基片 之流體流量，俾可形成一同形的被覆（conformal coating) 者。具體言之，本發明可用以計測及控制供應於一基片上 之流體流量’而可在該基片上以該流體材料作精密性之被 覆者。在自旋被覆（spin coating)處理中，電介質材料、光阻材 料、抗反射性被覆材料、聚亞醯胺，諸如h e X a m e t h y 1 d i s 1 azane (六甲基矽乙烷）、鐵電材料、及sol-gel (溶膠）等之助催化 劑（promotor)等’通常係以液體或漿體形式沉積在基片上。 該等材料係以一固定式或移動式噴嘴供應於一靜態或緩速 轉動之基片上。材料送至基片上後，該基片即以約1 〇 〇〜 5 OOOrpm之高轉速旋轉，以將其上之材料均勻的被覆於其 -30· 200413699 上而形成液體材料之薄膜。該等材料中’有許多材料之價 値不菲，故在被覆過程中、如何降低其用量以及不造成浪 費、乃爲極重要之事。重複性之被覆須以恒定、前後一致 之容量供施放基片上。 本發明流量裝置之入口係接於盛裝被覆液體、以壓力化 或以重力作饋送之容器，而出口則接於被覆器具上之噴嘴 。被覆器具具有一基片’係以旋轉夾頭固定之。被覆液體 係經噴嘴而施加於器具上之基板之上；本發明之流體裝置 與閥，則可控制流至噴嘴之被覆液體流量。流量裝置之電· 子系統可接至器具之控制器，則器具之控制器即可控制施 加於基板上之被覆流體的時序及流量。藉由本發明之流量 裝置及電子系統之通信，被覆器具可依噴嘴位置及基片轉 速等因素作爲函數，而改變施加於基片上之被覆流體流量 ，俾達成所希求之被覆。流量裝置之微處理器及控制邏輯 ，可消除容裝被覆液體之容器壓力變化所致被覆流體容量 之變化。如是，除可降低化學物質之浪費外，該基片上之 重複性被覆均可更勻稱。 ® 第5例 本例係本發明之一實施例之應用，用以計測及控制液體 之流量，使流體供應至一基片上而可和基片造成反應者。 具體言之，本例係說明本發明之一實施例如何計測及控制 反應性流體之流量至一基片者。該種反應性流體包括（但非 限制）正性或負性光阻顯影劑、光阻剝離劑、如氫氟酸之各 種酸、如臭氧式去離子化水之氧化劑、或如過氧乙酸之蝕 -31- 200413699 刻劑等。 本發明流量裝置之入口係接於容納反應液體、以壓力化 或以重力作饋送之容器，出口則係接至器具上之噴嘴。反 應液體係經噴嘴施加於器具上之基片之上；而流至器具噴 嘴之反應流體流量，則以本發明流量裝置曁其閥作控制。 流量裝置之電子系統可接於器具之控制器，以令器具得以 控制流至基板上之流體流動時序與流量。流量裝置之電子 系統可經由器具之控制器而接於一反應終點感知器，則接 近反應終點或抵達該反應終點時，反應流體之流量即減少鲁 或中止。蝕刻處理之一例爲，使用過氧乙酸把銅由鍍著之 晶圓周緣予以除去者。結果，應用本發明之一實施例，即 可對反應流體作一定容量之控制而送至基片，且對處理終 點亦可作精準之控制者。 第6例 本例係本發明一實施例裝置以一系列化學物質感知器應 用於計測及控制液體流量及成分之說明例示。具體而言， 本例係說明本發明之裝置如何的結合一只或多只化學物質β 感知器，而可控制流體流量及流體成分者。此種應用中， 控制希可包含（但非限制）鍍槽、RCA淸理槽、臭氧水槽、 及氫氟酸槽等在內。本發明一實施例結合該等感知器之其 他應用，包括保持一化學槽之純度。例如，在一循環槽內 諸如粒子、有機材料或金屬離子等污染物質之增加，須要 將槽內業已遭受污染之流體定期的加以排放掉，並更新等 量之未受污染流體的狀況。此外’此槽亦可切換成一淨化 -32- 200413699 器或粒子過濾器，以去除污染物並保持恒定之流量，俾可 保護目前之處理運作與產品，直到污染可予去除爲止。 把臭氧溶解成爲去離子化水，係用以將各種基片表面上 之有機材料去除者。臭氧產生器輸出氣體濃度之波動及水 流量，均將導致所溶解臭氧濃度之變化。而該種所溶解臭 氧濃度的改變，乃使得以臭氧水令基板表面氧化所須時間 產生變化，進而造成前後不一之處理結果及淸潔時間。 在一溢流式淸潔槽中，爲了保持所溶解臭氧之濃度，依 本發明一實施例裝置之入口，係接至一去離水化水源，出H 口則接於一氣體接觸器。該氣體接觸器係一種物質之轉換 裝置，用以將溶解之氣體轉換成液體。該種氣體接觸器之 說明及使用’可見目者W.L· Gore，Elkton，MD.及Mykrolis Corporation，Billerica，ΜΑ·等之揭示。來自臭氧產生器之 臭氧氣體係送至氣體產生器之殼體側，在該處，臭氧氣體 乃溶解於經氣體接觸器之各管所流出之去離子化水之中。 溶入水中之臭氧濃度，係以溶解臭氧濃度監測器作計測， 該種監測器例如IN U S A、N e e d h a m、Μ A，之產品，係連接_ 在氣體接觸器之流體出口處。溶解臭氧濃度監測器輸出之 信號，係用以作爲進入本發明流量裝置之電子系統及微處 理器的輸入信號。本發明之電子系統、微處理器、及控制 邏輯，將在預設的限度內，改變經由氣體接觸器之流量， 俾可令所溶解之臭氧濃度保持在預設之濃度範圍內。例如 ，倘由臭氧產生器所輸出之臭氧氣體濃度降低時，以流量 裝置即可令經由氣體接觸器之水量相對減少，即可保持所 -33- 200413699 溶解臭氧之濃度。 此外，本發明流量裝置之電子系統，利用其類比輸出、 或RS485輸出、或其他適當裝置，即可改變臭氧產生器氣 體流量’並可保持經過氣體接觸器之固定水量，而無關於 流量裝置上游之水壓力如何。例如，倘溶解之臭氧濃度超 過了 一預設之門濫，同時，水流量爲恒定時，可將臭氧產 生器之電力降低，即可令所產生之溶解臭氧濃度降低，並 回復爲適當準位。結果，一恒定成分之化學混合物，可依 本發明之一實施例，予以作控制、準備並送至一基板。 第7例 本例係例示一種具有熱交換器之文氏管（Ventri)系統的 應用，係重複性加熱、計測及控制流體流量，以使一容量 之流體的分配，在室溫下可提升至一高溫，以供之後的處 理用。 使用在：10/01/2001所倂用同申請、美國第60/326357 號、，’CLOSED LOOP HEAT EXCHANGE APPARATUS(密閉 回路熱交換器裝置）”中所揭橥方法的殻管式熱交換器，其鲁 內徑爲2 · 2 5吋，長度爲1 8吋，殻側係接至一加熱成7 0 °C ，流量爲1 .46 1/min·之水源。本發明一實施例裝置之入口 係接於一溫度爲2 3 °C之水源。本發明之閥出口係接於熱交 換器之管側的入口另件上。水入口至管側及熱交換器之管 側的出口的溫度，係以J型熱耦作計測，而其資料則用 Agilent資料記錄器作記錄。進入熱交換器各管內之液體水 分配循環之流量及時序，係以流量裝置電子系統及一袖珍 -34- 200413699 型電腦作控制。該分配循環每分鐘爲：在流量爲20ml/sec. 下，以1 5秒時間將水送至管內；4 5秒後水流停止。第1 1 圖所示者，爲熱交換器管入口水溫、管出口水溫、及用於 一定數量分配循環所測得之流量、等所描繪之曲線。由其 結果可知，以本發明之此一實施例暨一熱交換器，可將 3 0 0ml重複供給之液體自23°C加熱至67±0.9°C。於單一晶 圓淸潔、無電鍍裝、顯影劑或光阻之剝離，等處理中所使 用之流體，可用上述之系統調節該流體之溫度。 第8例 鲁 本例係應用於使用文氏管之流量系統，可依經精密控制 之溫度令流體以固定之流率作固定容量之供給者。 依1 0/0 1 /2 00 1於美國所倂同申請、第60/3263 57號 ’’CLOSED LOOP HEAT EXCHANGE APPARATUS(密閉回路 熱交換器裝置V’中所揭示之方法，準備一內徑2.25吋，長 度8吋之殼管式熱交換器，其殼側係接於一已加熱爲26.8 °C ，流量爲〇·5 1/min之水源。本發明實施例之入口係接於一 溫度爲2 3.4 °C之水源。本實施例中，閥之出口，係接於熱W 交換器管側之入口另件。水入口至管側、及熱交換器管側 之出口、等之溫度，係以J形熱耦作計測，而資料則用 Agilent資料記錄器記錄之。進入熱交換器管內之液體水分 配循環的流量暨時序，係用流量裝置電子系統及袖珍型電 腦作控制。分配循環每分鐘爲··在流量20ml/sec時，將水 送入管內5秒鐘、1 0秒鐘後，水流即停止。第1 2圖所示 者，爲描繪熱交換器管入水溫、管出口水溫、及數個分配 -35- 200413699 循環所測量之水量、等之曲線。結果顯示，使用本發明之 實施例暨一熱交換器，可保持26.0 3 5 ±0.09 5 °C之溫度，重 複的供給1 〇 〇 m 1之液體。此種結合，可用以對例如光阻劑 之流體溫度作精準性的保持。 第9例 本例爲一種毛細管系統中，作流體流量之計測與控制， 可作低容積流量之有機性流體的供給與控制者。 壓力降元件係使用PFA管件，長度爲40吋，內徑爲0.058 吋，撚扭數（twist)爲14等。例如2-丙烷之流體，入口溫度馨 必須約爲2 3 °C，並可用限制流量元件表面上之一熱敏電阻 予以計測，而以溫度輸入於第2 1圖所示電子系統之溫度感 知器輸入模組。2_丙烷係以約20psig(表壓力）之壓力與氮氣 或氬氣容存在一壓力化容器中。2 -丙烷之流量係以控制器 設定點加以調節之。設定點可經RS 4 8 5或輔助的類比輸入 模組，藉一外部器具控制器予以輸入於微處理器，如第2 1 圖之電子系統。結果，此種流量系統可在約0.00 8 g/sec (0.16g/min)〜約0.5g/Sec(9.6g/min)之低流量範圍中，供應修 流體。此種系統所控制之流量，極適用於化學氣體沈積處 理之應用。 第1 〇例 本例爲使用一演算法暨一文氏管系統，當上游供應壓力 有變化時，仍可保持恒定容量分配之例示者。 本發明裝置之流量裝置，係使用：一同心文氏管；Teflon 、（按，杜邦之註冊商標）製、3/8吋Flaretek(註冊商標）之 -36- 200413699 各種另件、一流量兀件、兩只LucasNovaSensor、 Fremont 、CA，所製之串聯壓力感知器、及型號LIMGE-10X03之 一比例式控制閥用EAD步進馬達，具有修改之引導螺絲及 型號爲EE-SX770PR之Sager電氣定位感知器，用以決定 步進馬達及閥之歸位位置（homing position)。閥體係Paker 之產品，型號爲PV-10，具有修改之揚瓣。該等壓力感知 器與該閥係以電子硬體作介面。來自流動裝置電子系統之 流量及壓力輸出，利用一圖形化之使用者介面記錄在一 IBM可相容的電腦上。 β 文氏管流量元件之入口係接於一壓力化之水源，水係盛 納在一鎭流桶（ballast tank)內，水則是以型號405 Α之液幫 浦作壓力式供給，並附設有一 Micropump、Vancouver、WA. 之壓力開關。鎭流桶內之壓力可在20〜33psig壓力下作循 環使用。流量裝置所分配之流體物質，係在一 Mettler Toledo PR8 002天平上作計測，並以一套IBM個人相容性 電腦加以記錄之。 用於流量裝置之分配時間，約爲1 0秒之0 N，及約爲2 0® 秒之OFF。因鎭流桶內之壓力，係在約20〜3 3psi間發生 變化，故總分配量爲1〇〇、150及200ml流體，係以每秒爲 10、15及20ml之程式化流量，分成重複共23次之分配。 各種結果之一部分，係如第1 4圖所示。該等結果係表示 ，以電子控制系統依溫度及壓力感知器進入微處理器之各 種輸入，而調節流經流量限制元件之液體流量的狀況者。 微處理器具有：可用以儲存或存取若干流體之動黏度與溫 -37- 200413699 度間、業經儲存、列表或函數化、之各種相互關係，的能 力，並具有：可計算用以修正壓力降之溫度，的能力。該 等結果亦顯示，本發明之流量裝置與電子系統尙具有：可 前後一致的供應定量之流體之能力，無論流體上游之壓力 是否有變化均然。在微處理器中，係把單位時間所分配流 體之總量，作計算、加總，並對設定點作比較者。對於分 配時間之各項修正，係依控制邏輯作成，俾調整系統中之 壓力改變，並保持分配之容量與流量。由天平資料所決定 、作23次分配之分配容量爲1 00.97、151.23及20 1.5 0ml _ ，就標準之分配誤差百分比而言，係小於〇. 4個百分點。 第1 1例 指數之係數及指數 本例係依本發明一實施例，應用數學演算法。使用單一 標準校正流體即可校正流量裝置，而可用於多種流體者。 對於文氏管之流量計而言，所伋展之等式可用以計算任何 流體之體積流量。第22圖爲文氏管內流體流量對壓力降、 截面積、及流體黏度等關係之原理說明。

倘把第22圖公式中之項目=4—設爲一 ”幾何係數” 時，則可用流量係數（discharge coefficient)C，暨一單一結 合之校正係C ’取代之，如是，則最後的等式即可予通式化 爲：Q = C’（2AP/p)n之形式，式中，指數η約爲〇·5，其係一 種實驗値。 令流量表附設兩個壓力感知器，並放置在一具有壓力標 -38- 200413699 準及流量標準之測試台上。測量流體流量，作爲用於至少 二種流體、該壓力感知器差異之輸出的函數。第15圖爲用 於3種流體所作測量之結果，該3種流體分別爲：水、2-丙烷、及甘油18%與2-丙烷82%之w/w混合體。利用具有 一先期指數係數（preexponential coefficient)與指數之動力 函數用以搭配各流體資料組。 因C’ = Q/(2AP/p)n，乃可依”Q"對”2ΔΡ/ρ”之關係而獲得C· 之値，如第1 6圖所示；並由各種流體之流量、流體密度、 及壓力降資料等之間的數學關係，決定一校正係數及一指鲁 數。例如，利用動力函數數字關係作最佳搭配之資料，可 獲知具有一先期指數係數C’及一指數η之函數。在第16 圖中，用於水之先期指數因數（係數）C’爲4.000 1，而其指 數爲 0.5342 。 雖然，在第1 6圖中、所有3個曲線之動力曲線搭配等式 的指數η均約爲0.54，但各流體之C’校正係數先期指數的 因數卻均爲不同。此等係數對各流體之動黏度ν的關係， 描繪如第17圖所示，並即可決定各流體校正係數C’與動黏I 度兩者間之數學關係。例如，最佳搭配直線可提供C’之値 作爲動黏度之函數，如第1 7圖所示。 決定係數C’之値的能力，可計算流經特殊文氏管流量計 之任何流體、在所查究之流量與動黏度範圍內，之流量者。 在一參考實施例中，此種流量模式，藉一合倂有C’係數 之新係數”Κ”及變化之流體特性等之界定，可進一步對於流 體特性（μ及Ρ)中之溫度從屬性變化作補償，則流量等式乃 -39- 200413699 成爲 Q = KAPn，式中：K = C’（2/p)n。 對於一同心之文氏管流量感知器，如第1 8圖所示，係用 於hO及IP A之”K”與溫度之關係。在數據資料之 International Critical Tables(國際評鑑表）中，此等資料爲 可行’由此等資料’即可決定：以各流體之校正係數” Κ ” 與動黏度之數學關係作爲溫度之函數者。例如，如第1 8圖 所示’係雨種流體水和IP A，以作爲溫度之函數的較佳搭 配多項式等式。 爲了證明此種模式，可將流量對壓力降資料與所計算之鲁 流量作比較。如第1 9圖所示者，爲利用K及2 4.0 °C之水 與23.6°C之IPA作比較所得之曲線。用於甘油/IPA之結果 ，係僅基於C’（未作溫度校正）之計算所得。 在一特殊文氏管流量計設計上，倘具有足夠之校正資料 時，將可使其設計爲較好的特性化。倘流量等式 Q = C’（2AP/p)n'中之指數”n”爲常數，且係數等式之斜率”m” 爲常數時，則”C’ = b-mv”亦爲常數，利用一種之單一流體， 在已知溫度下，以單一之流量必可校正該設計之其他文氏β 管流量計。流量計一旦作了校正，則此裝置即可予以應用 於：其動黏度與密度係作爲溫度之函數、並業已輸入於電 子電路或微處理器、之各他種流體中。 爲了因應文氏管流量計尺寸由於製造偏差所致之變數， 唯一未知、在係數等式中之”bM直，可由b = C’ + mv之關係中 決定之；因，，m ”之値，即斜率，係已知，且C ’ = Q / (2 △ P / p ) n ( Q 及ΔΡ係來自流量對壓力降資料點，且動黏度v及密度p -40- 200413699 分別爲校正流體之動黏度及密度），故b = Q/(2AP/p)n + mv。 5 .圖式簡單說明 第1圖爲依本發明一實施例、一包括有限制流量元件及 比例式閥之殼體斜視圖。 第2圖爲依本發明一實施例之同心式文氏管圖示。 第3圖爲第1圖所示同心式文氏管之剖面圖。 第4圖爲依本發明另一實施例之偏心平面通道式文氏管 圖式。 第5圖爲依本發明一實施例之比例式閥分解圖。 鲁 第6圖爲第5圖之閥的斜視圖。 第7圖爲用於第5圖所示之閥的一修改式揚瓣（poppet， 或稱提動件）剖面圖。 第7A圖爲第7圖所示揚瓣一部分之放大剖面圖。 第8圖爲依本發明另一實施例之一修改式揚瓣側面圖。 第9圖爲依本發明再一實施例之一修改式揚瓣側面圖。 第1 〇圖爲依本發明又一實施例之一修改式揚瓣側面圖。 第11圖爲依第7例、關於熱交換器管入口與出口水溫、· 及所測得流量等曲線圖。 第1 2圖爲依第8例、關於熱交換器入口與出口水溫、及 所測得流量等曲線圖。 第1 3圖爲依本發明一實施例之照片圖面，用以例示流量 限制元件、比例式閥、及電子系統等。 第1 4圖爲依第1 0例、關於流量對時間之曲線圖。 第1 5圖爲依第1 1例、關於流量對壓力降之曲線圖。 -41- 200413699 第16圖爲依第11例、關於流量對2ΔΡ/ρ之曲線圖。 第1 7圖爲依第11例、關於係數C’對動黏度之曲線圖。 第1 8圖爲依第11例、關於” K ”對溫度之曲線圖。 第1 9圖爲依第1 1例、關於流量對壓力降之曲線圖。 第2 0圖爲依本發明之控制系統流程圖。 第2 1圖爲依本發明、電子系統之信號處理及控制部分的 方塊圖。 第22圖爲流體在文氏管內流動時，有關壓力降、截面積 及流體特性等之原理說明圖。而 第 23A、23B 圖爲組群功會 b (membership functions)之實 施例，其可用以計算閥輸出中之整個變化。 主要部分之代表符號說明 5 殼 pm 體 10 比 例 式 閥 1 2 流 體 入 □ 線 13 流 體 出 □ 線 15 限 制 流 量 元 件 17 比 例 式 閥 引 動 器 24 第 1 壓 力 感 知 器 25 第 2 壓 力 感 知 器 111 流 體 入 P 112 流 體 出 P 1 1 1 A 第 1 入 P 部 1 1 1 B 第 1 漸 縮 部 -42- 200413699 1 1 1 c 第 2 漸 縮 部 114 喉 部 115 第 1 漸 擴 部 117 第 1 壓 力 感 知 器 τπτ 孔 穴 119 第 1 壓 力 感 知 sa 益 分 接 頭 120 第 2 壓 力 感 知 ηψ 孔 穴 12 1 第 2 壓 力 感 知 器 分 接 頭 122 流 體 πϋ 出 □ 部 111' 流 體 入 □ 1 1 2f 流 體 出 □ 1 14' 文 氏 管 喉 部 115* 漸 擴 出 □ 部 117' 第 1 壓 力 感 知 益 孔 穴 119' 第 1 壓 力 感 知 潘 分 接 頭 1 1 1 Af 漸 縮 入 □ 部 1 1 1 Bf 漸 縮 入 Ρ 部 300 入 □ 302 閥 揚 瓣 304 隔 膜 305 流 體 出 □ 306 感 知 器 間 隔 物 307 感 知 器 308 底 座 3 02A 錐 體

-43- 200413699 3 04A 隔 膜 3 02丨， 修 改 之 揚 瓣 3 10 螺 絲 3 11 步 進 式 馬 達 2002 步 驟 2004 步 驟 2006 步 驟 20 10 步 驟 20 12 步 驟 20 14 步 驟 20 1 6 步 驟 20 18 步 驟 2 100 中 央 處 理 單 元 2 102 數 位 信 號 處 理 器 2 104 快 閃 記 憶 體 2 106 快 閃 記 憶 體 2 108 電 腦 可 讀 指 令 2 110 電 腦 可 讀 指 令 2 112 溫 度 感 知 器 輸 入 2 113 步 進 式 馬 達 驅 動 器 2 114 壓 力 感 知 器 輸 入 2 3 02 負 誤 差 組 群 功 能 2 3 04 中 性 零 誤 差 組 群 功能 2 3 0 6 正 誤 差 組 群 功 能

-44- 200413699 2 3 0 8 減少 dF/dt 23 10 穩定 dF/dt 23 12 增加 dF/dt 23 14 誤差値之點 23 16 dF/dt 之點

Claims (1)

1. 200413699 拾、申請專利範圍： 1 · 一種流體流量計測及比例式流體流量控制裝置，包括： 一比例式流量閥，具有一流體入口及一流體出口； 一用於該比例式流量閥之引動器，用以調節該比例式 流量閥； 一限制流量元件，具有一限制流量元件流體入口及一 限制流量元件流體出口，該限制流量元件流體出口係與 該比例式流量閥之流體入口成流體相通，該限制流量元 件在該限制流量元件流體入口及該限制流量元件流體出φ 口間，可造成一壓力降； 用以計測該壓力降之裝置； 基於該壓力降，以用於計算出流量之裝置；及 一控制器，係與該壓力降計測裝置暨與該引動器相通 ’用以反應於該所計測之壓力降而控制經該比例式流量 閥之流體流量。 2 .如申請專利範圍第1項之流體流量計測及比例式流量控 制裝置，其中該限制流量元件會造成一寄生（parasitic)鲁 之壓力降。 3 ·如申請專利範圍第1項之流體流量計測及比例式流量控 制裝置，其中該限制流量元件包括一文氏管（Ventri)。 4 ·如申請專利範圍第1項之流體流量計測及比例式流量控 制裝置，尙包括用以感知該流體溫度之裝置，且該控制 器係反應於該所感知之溫度而修正該計算之流量。 5 .如申請專利範圍第3項之流體流量計測及比例式流量控 -46- 200413699 制裝置，其中該用於計測該壓力降之裝置包括一第1壓 力轉換器，用以感知該文氏管之流體上游壓力，及一第 2壓力轉換器，用以感知該文氏管之最大限制部內的流 體壓力。 6· —用以控制自一分配器（dispenser)至使用點之流體分配 之方法，該方法包括： 設一具有流體入口及一流體出口之比例式流體流量閥； 設一其流體與該流體入口相通之限制流量元件，該限 制流量元件會造成一壓力降； 感知橫跨於該限制流量元件間之該壓力降；及 反應該壓力降而調節該比例式流體流量閥；等。 7 ·如申請專利範圍第6項之方法，其中設以一引動器 (actuator)以調節該比例式流體流量閥。 8 .如申請專利範圍第6項之方法，尙包括設以一控制器， 係感知該所測得之壓力降而用以控制該引動器。 9 .如申請專利範圍第6項之方法，尙包括模糊邏輯控制規 貝U (fuzzy logic control rule)，用以調節該比例式流體流 量閥。 1 〇 .如申請專利範圍第1項之流體流量計測及比例式流體流 量控制裝置，尙包括設在該引動器上之一定位感知器。 1 1 .如申請專利範圍第1項之流體流量計測及比例式流體流 量控制裝置，其中該限制流量元件係以所測得壓力降之 至少10 %作回復（recover)。 1 2 .如申請專利範圍第1項之流體流量計測及比例式流體流 量控制裝置，其中該控制器係使用模糊邏輯控制規則。 -47- 200413699 13.如申請專利範圍第1項之流體流量計測及比例式流體流 量控制裝置，其中該控制器係使用所儲存之流體特性資 料以計測及控制流體之流量。 14 ·—種校準方法，係使用單一標準校準流體用以校準一流 體流量裝置，該方法包括： 設一具有第1與第2壓力感知器之流量； 計算由該第1與第2壓力感知器所感知之兩個壓力間 的一第1壓力差，藉此而計測流經該流量表之一第1流 體的流量； 計算由該第1與第2壓力感知器所感知之兩個壓力間 的一第2壓力差，藉此而計測流經該流量表之一第2流 體的流量； 基於流量、流體密度、及對該第1與第2流體所計算 之壓力差等；之關係，而決定校準係數； 決定該校準係數及各該流體之動黏度等兩者之關係； 及 儲存該關係。 1 5 ·如申請專利範圍第1 4項之校準方法，尙包括以該儲存之 關係對一第3流體之測得的差壓作比較，並基於該比較 而決定該第3流體之流量。 1 6 ·如申請專利範圍第1 4項之校準方法，尙包括校正該關係 俾用於溫度變數。 1 7 . —種裝置，包括： 一比例式流量閥，具有一流體入口及一流體出口； -48- 200413699 一用於該比例式流量閥之引動器’用以調節該比例式 流量閥； 一限制流量元件，具有一限制流量元件流體入口及一 限制流量元件流體出口，後者係與該比例式流量閥之該 流體入口成流體之相連通，該限制流量元件在該限制流 量元件流體入口及該限制流量元件流體出口之間造成有 一壓力降； 一上游壓力感知器； 一下游壓力感知器； ♦ 一控制器，係與該上游壓力感知器及該下游壓力感知 器相連通，該控制器尙包括= 一或多個處理器； 一個或多個電腦可讀記憶體； 一套儲存於該一個或多個電腦可讀記憶體上之電腦可 讀指令，該套指令可由該一個或多個處理器加以執行， 該套電腦可讀指令包括可執行下列項目之指令： 接收一上游壓力信號； 0 接收一下游壓力信號；及 基於該上游壓力信號與該下游壓力信號而計算一流體 流量；等。 1 8 ·如申請專利範圍第1 7項之裝置，其中該控制器係與該引 動器相通，且該套電腦可讀指令尙包括可執行閥輸出之 整個變化的指令者。 1 9 .如申請專利範圍第1 7項之裝置，其中該控制器尙可基於 -49- 200413699 閥輸出之改變而可執行產生一閥控制信號。 2 0 ·如申請專利範圍第1 9項之裝置，其中該控制器尙包括一 閥驅動器，係基於閥控制信號而可動作以產生一驅動信 號’且將該閥驅動信號連通於該引動器。 2 1 ·如申請專利範圍第1 8項之裝置，其中該可執行計算閥輸 出之整個變化的指令，尙包括可執行下列之指令： 以一結合流量之變數對一第1套組群功能（membership functions)作比較，以產生一第1套之模糊輸入；及 以一結合流量中變化之變數對一第2套組群功能作比鲁 較，以產生一第2套之模糊輸入； 其中由該第1套模糊輸入及該第2套模糊輸入之各模 糊輸入係與真實之輸入程度相結合。 22 .如申請專利範圍第2 1項之裝置，其中該可執行計算閥輸 出之整個變化的指令，尙包括可執行下列之指令： 施加一套規則（rules)於該第1套模糊輸入及第2套模 糊輸入，以產生一套模糊輸出，其中各模糊輸出係與真 實之輸出相結合。 β 23 .如申請專利範圍第22項之裝置，其中該可執行計算閥輸 出之整個變化的指令，尙包括可執行下列之指令： 將各模糊輸出結合一個別之變化於閥之輸出値中；及 基於一個或是多個模糊輸出之真實輸出程度而計算閥 輸出中之整個變化，及計算結合有該一個、或多個中之 各個模糊輸出、之閥輸出値中的個別變化。 24 . —種裝置，包括一套儲存於一個或多個電腦可讀記憶體 -50- 200413699 上之電腦可讀指令，該套指令可用該一個或多個處理器 作執行，該套電腦可讀指令包括可執行下列之指令： 計算流體之流量；及 基於模糊邏輯計算閥輸出中之整個變化。 25 ·如申請專利範圍第24項之裝置，其中可用以執行計算閥 輸出中之整個變化的該套指令尙包括可執行下列之指令： 以一結合流量之變數對一第1套組群功能作比較，以 產生一第1套之模糊輸入；及 以一結合流量中之一改變的變數對一第2套組群功能 作比較，以產生一第2套之模糊輸入； 其中自該第1套模糊輸入與第2套模糊輸入之各模糊 輸入係結合有真實之輸入程度。 26 .如申請專利範圍第25項之裝置，其中用以執行計算閥輸 出之整個變化的該套指令，尙包括可執行下列之指令： 施加一套規則於該第1套模糊輸入及該第2套模糊輸 入，以產生一套模糊輸出，其中各模糊輸出係結合有一 真實之輸出程度。 27 .如申請專利範圍第25項之裝置，其中用以執行計算閥輸 出之整個變化的該套指令，尙包括可執行下列之指令： 將各模糊輸出與一閥輸出値中之個別改變相結合；及 基於一個或多個模糊輸出之真實輸出程度，計算閥輸 出中之整個變化，及計算結合有該一個、或多個模糊輸 出之各一個模糊輸出、之閥輸出値中，其中之個別改變。 2 8 · —種裝置，包括一套儲存於一個或多個電腦可讀記憶體 -51- 200413699 上之電腦可讀指令，可用一個或多個處理器加以執行， 該套電腦可讀指令包括可用於執行下列之指令： 計算流體之流量；及 基於模糊邏輯，計算閥輸出中之整個變化，此係藉： 以一誤差對一第1套組群功能作比較，以產生一第1 套模糊輸入； 以一流量中之改變對一第2套組群功能作比較，以產 生一第2套模糊輸入，其中自該第1套模糊輸入與該第 2套模糊輸入之各模糊輸入，係與真實之輸入程度相結 合； 施加一套規則於該第1套模糊輸入與第2套模糊輸入 ，以產生一套模糊輸出，其中各模糊輸出係與真實之輸 出程度相結合； 將各模糊輸出與閥輸出値中之個別改變相結合；及 基於一個或多個模糊輸出之輸出真實程度而計算閥輸 出中之整個變化，及計算結合有該一個、或多個之各個 模糊輸出、的閥輸出中之個別變化；等而實現。 2 9 .如申請專利範圍第2 8項之裝置，其中該套電腦可讀指令 尙包括可執行用以排除（dr op)結合有真實之特殊輸出程 度的模糊輸出之指令。 3 0 .如申請專利範圍第2 8項之裝置，其中該套電腦可讀指令 尙包括可執行用以執行把真實之輸出程度置於真實之輸 入程度之上的指令。 3 1 .如申請專利範圍第2 8項之裝置，其中用於一特殊模糊輸 -52- 200413699 出之真實輸出程度，係等於用於一套特殊模糊輸入之真 實輸入程度，依此，該特殊模糊輸入乃被建立。 3 2 .如申請專利範圍第2 8項之裝置，其中該套電腦可讀指令 尙包括基於閥輸出中所計算之整個變化而可用以執行產 生一閥控制信號。

   -53-