TW201346227A - 即時監測流經質流控制器的流量之系統及方法 - Google Patents

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Abstract

一質量流量控制器(質流控制器)包括：一第一流量計，其經構建與安排以測量流經該質流控制器之質量流率；一第二流量計，其經構建與安排以測量流經該質流控制器之質量流率；一控制閥，其經構建與安排以便響應一控制訊號而控制流經該質流控制器之質量流率，該控制訊號係該等流量計其中之一個所測得之流率的函數；及一系統控制器，其經構建與安排以產生該控制訊號，並且當第一流量計所測得之質量流率和第二流量計所測得之質量流率間之差值超過一閾值時，提供一指示。

Description

即時監測流經質流控制器的流量之系統及方法
本申請案的美國對應案主張2012年1月20日申請的美國申請案案號13/354,988之權益，該申請案的全文以引用的方式併入本文。
本文大致關於質流控制器(質量流量控制器，Mass Flow Controller,MFC)，且特別關於即時(real time)監測通過MFC之流量之系統及方法。在本文中，若「氣體(gas)」和「蒸氣(vapor)」這二用語被視為不同的話，則「氣體」包含「蒸氣」。
質流控制器(MFC)是用來測量及控制氣體流量的裝置。它們經常在半導體製程中被用來控制氣體的流量，其中，必須小心控制進入半導體機台(例如真空室)內之氣體的流量以便製造高良率的半導體產品。MFC通常經設計和校正以將特定種類的氣體控制在特定的流率(flow rate)範圍內。這些裝置根據通常由使用者或外部裝置(例如半導體機台本身)所預先決定的已知設定值來控制流率。MFC可以是類比式或數位式的。它們通常被設計成使用於流入的氣體的壓力範圍中，低壓型和高壓型的MFC皆可取得。所有MFC皆具有一入口埠和多數出口埠、含有一質量流量感測器(質流感測器)的質流計、和一比例控制閥。作為反饋控制系統一部分之一系統控制器提供一控制訊號給該控制閥，該控制訊號是該設定值所決定之流率和該質流感測器所偵測而測得的流率間之比較的函數。因此，該反饋控制 系統操作該控制閥，以使所測得的流量被保持在該設定值所決定的流率。
此等控制系統假設MFC保持在一定的校正容差範圍內。為檢驗一MFC是否在校正的容差範圍內，通常以一種裝置作為質量流量檢驗器以對該MFC作離線(off line)檢驗。前者是用來檢驗流率。雖然離線檢驗是很準確，但總有一個問題就是，MFC可能在製程進行期間(即時)超出校正範圍，且在製程完成後才被偵測出來。這常導致半導體產品之良率降低，甚至整個失敗以致損失全部產品。這可能代價很高，當然不是吾人所想要的。吾人需要一種在製程進行時能即時持續檢驗MFC之校正設定的裝置及方法。
先前技術：日本專利申請案公開號2004-246826A2004.9.2。
一種質流控制器包括：一第一流量計，其經構建與安排以測量流經該質流控制器之質量流率；一第二流量計，其經構建與安排以測量流經該質流控制器之質量流率；一控制閥，其經構建與安排以便響應一控制訊號而控制流經該質流控制器之質量流率，該控制訊號係該等流量計其中之一個所測得之流率的函數；及一系統控制器，其經構建與安排以產生該控制訊號，並且當該第一流量計所測得之質量流率和該第二流量計所測得之質量流率間之差值超過一閾值時，提供一指示。
在看過以下例示的實施例說明與所附的圖式後，就可清楚瞭解以上這些及其他組件、步驟、特點、目的、利益、和優點。
10‧‧‧質流控制器(MFC)
12‧‧‧流量計
14‧‧‧流量計
16‧‧‧系統控制器
18‧‧‧控制閥
20‧‧‧質流控制器(MFC)
28‧‧‧塊體
30‧‧‧第一流量計
32‧‧‧入口埠
34‧‧‧主流道
36‧‧‧熱感質流感測器
38‧‧‧旁通元件
40‧‧‧毛細管
42‧‧‧阻抗元件
50‧‧‧第二流量計
52‧‧‧限流器
54‧‧‧溫度感測器
56‧‧‧壓力感測器
58‧‧‧壓力感測器
60‧‧‧出口埠
70‧‧‧流量計
72‧‧‧流量計
74‧‧‧流量控制單元
76‧‧‧比較器
78‧‧‧閾值偵測器
80‧‧‧閾值設定器
圖式揭露圖面例示的實施例。它們並未揭露所有實施例。可能會用到附加的或替代的其他實施例。顯而易見或非必要之細節可能被省略，以便節省空間或得到更有效的說明。相反的，某些實現的實施例可能未含有全部揭露的細節。不同的圖式中之相同的元件符號代表相同或類似的組件或步驟。
圖1是一MFC之簡化的方框圖，該MFC經構建與安排以即時控制流經該MFC之流量並監測該MFC之準確性；圖2是一實施本文所述之教示的MFC實施例之方框圖；及圖3是一些組件之方框圖，當一MFC(例如參照圖1及2所述之MFC)超出校正的容差範圍時，這些組件產生訊號顯示此情況。
現在討論圖示的實施例。可能會用到附加的或替代的其他實施例。顯而易見或非必要之細節可能被省略，以便節省空間或作更有效的說明。相反的，某些實施的實施例可能未含有全部揭露的細節。
參照圖1，例示、示範的質流控制器10係經構建與安排以即時控制流經MFC的流量及監測MFC的準確性。如圖所示，控制器10包含二個流量計12及14，各自獨立產生一代表所測量到之流經MFC的氣體流率之訊號。二流量計之輸出被提供給系統控制器16。系統控制器16處理從這二流量計12和14收到之二個訊號，及根據其中一個流量計所測得之流量和一設定值提供一控制訊號給比例控制閥18，並且當這二流量計所測得之二流率之差值被判定超過一預定的閾值時，提供一指示(「警報」)訊號。
圖2顯示更詳細之示範性MFC實施例，標示為20。MFC 20係經構建與安排以即時控制流經該MFC的流量及監測MFC的準確性。如 圖所示，在塊體28之入口埠32接收氣體，塊體28包含一管路，其界定一通過該MFC到達出口埠60之主流道34。如圖所示之第一流量計30是熱感質流計。熱感質流計典型地包括一熱感質流感測器36，後者通常包含一旁通元件38，旁通元件38設置在流過塊體28之氣體流之主流道34之旁通(bypass)內。一U型的毛細管40之二相對端分別在旁通元件38之上游端及下游端連接該主流道。一或多個阻抗元件42(兩個是最常見的)根據溫度測定(measurement)來測量流經毛細管之流量，在本例子，該溫度測定是該二阻抗元件之阻抗之差異的函數，轉而成為所感測到之流體溫度之差異及測定質量流率之差異的函數。旁通元件38經設計以確保流經位於毛細管40兩端間之旁通元件38的氣體流是層流狀態。藉由維持層流，流經該毛細管之氣體所測得的流率將使流經主流道34之氣體流率為一準確的百分比。如此，流經毛細管40所感測到的流率將是流經MFC 20且離開出口埠60之流率的準確測定。代表該感測到的流率的數據係被傳遞到系統控制器16。
此處所顯示的第二流量計50是差壓流量計。對於阻流狀態(choked flow condition)，流量計50包含一限流器52(例如臨界流噴嘴或孔口)、一溫度感測器54、及一上游壓力感測器56，溫度感測器54和上游壓力感測器56經安排以分別測量流經位於限流器52之上游之主流道34之氣體的溫度及壓力。代表該感測到之溫度及壓力的數據被傳送到系統控制器16以用來判定流經第二流量計50之質量流量，此質量流量是這些感測到的測定資料之函數。對於非阻流狀態，第二(或下游)壓力感測器58設置在限流器52之下游側。代表該感測到之溫度、上游壓力、和下游壓力的數據被傳送到系統控制器16以用來判定流經第二流量計50之質量流量，此質量流量是這些感測到之測定資料之函數。第二流量計50所提供之第二個測定資料(在阻流和非阻流狀態二實施例中)相對於第一流量計30所提供之測定 資料是獨立的。
參照圖3，系統控制器16處理流量計70及72的輸出以便對流經該MFC之同一流量提供二個流量測定資料。如圖所示，流量計70是被提供給流量控制單元74，後者又將一控制訊號送到比例控制閥18。比較器76是用來將代表二流量計70及72所感測到之流量測定資料的數據加以比較以提供一輸出訊號，這輸出訊號既是這二個測定資料間之差值的函數也是此差值的代表。閾值偵測器78比較這輸出訊號和某些閾值值(由閾值設定器80所提供)。如果比較器76之輸出訊號超過該閾值(當該二流量計所提供的二個流量測定資料之差值超過一預定的閾值時)，則閾值偵測器78提供一警報或指示訊號以警告使用者該二流量計中至少有一個是不準確的，且應將該MFC取下離線並再作檢驗。應當瞭解閾值設定器80的數值可用許多方法中之一者來提供，包括在MFC最初工廠組裝時設定該數值，或由使用者以程式設定。該閾值可作為使用此控制器來傳送氣體之特定製程所允許的複數個質量流量之容差的函數而設定。如此，某些製程可能比其他製程允許較大的流量容差。
雖然第一及第二流量計分別以圖2中之熱感質流計及一差壓流量計來說明，但是它們仍可以是其他類型的流量計，例如柯氏(coriolis)流量計、磁性式流量計、或超音波式流量計，取決於要MFC20作何應用而定。雖然以第一流量計的類型不同於第二流量計者為較佳，但是這二流量計也可以是相同類型。例如，二流量計可以皆是熱感質流計或差壓流量計。又，雖然第一流量計30位於控制閥18的上游，第二流量計位於控制閥18的下游，但是，這二流量計的位置可以在MFC之主流道34上任何位置。例如，這二流量計可皆位於控制閥18之上游或下游。
如圖3所示，雖然來自第一流量計70之測定資料被流量控 制單元74用來控制MFC之流量輸出，而來自第二流量計72之測定資料被用來即時查核MFC之準確性，但是，來自第二流量計72之測定資料也可被流量控制單元74用來控制MFC 20之流量輸出，而來自第一流量計70之測定資料則用來作流量查核。
已經說明過的這些組件、步驟、特點、目的、利益、和優點只是用作舉例說明。它們或有關它們的說明皆非要用來限制保護範圍。另亦設想到數個其他實施例，包括具有較少、較多及/或不同的組件、步驟、特點、目的、利益、和優點之實施例。這些實施例也包括將組件及/或步驟作不同的安排及/或順序。
除非另有指明，在此說明書(包括後述的申請專利範圍)所陳述的所有測定、數值、評級、位置、幅度、大小、及其他規格皆是近似的，而非精確不差的。它們有一個和與其相關的功能、相關的技術所慣用者一致的合理範圍。
本文所引用的所有文章、專利申請案、專利案、及其他出版物皆以引用的方式併入本文。
當申請專利範圍使用「用於...手段(means for)」用語時，此語應解釋為涵蓋已經說明之對應的結構和材料及其均等物。同樣的，當申請專利範圍使用「用於...步驟(step for)」用語時，此語應解釋為涵蓋已經說明之對應的作為及其均等作為。申請專利範圍沒有此等用語時，意謂該申請專利範圍不應解釋為受限於任何對應的結構、材料、或作為或其均等物(均等作為)。
沒有任何已經說明或圖示者應被解釋為要將任何組件、步驟、特點、目的、利益、優點、或均等物貢獻給社會大眾，無論其是否記載於申請專利範圍。
保護範圍係僅由後述之申請專利範圍所限定。當考量本說明書及之後的申請歷史檔案來解釋申請專利範圍時，這範圍應要解釋為與申請專利範圍所用文字用語之通常意義一致且盡可能寬廣，且涵蓋所有結構性和功能性均等物。
16‧‧‧系統控制器
18‧‧‧控制閥
20‧‧‧質流控制器(MFC)
28‧‧‧塊體
30‧‧‧第一流量計
32‧‧‧入口埠
34‧‧‧主流道
36‧‧‧熱感質流感測器
38‧‧‧旁通元件
40‧‧‧毛細管
42‧‧‧阻抗元件
50‧‧‧第二流量計
52‧‧‧限流器
54‧‧‧溫度感測器
56‧‧‧壓力感測器
58‧‧‧壓力感測器
60‧‧‧出口埠

Claims (19)

  1. 一種質流控制器，包括：一第一流量計，其經構建與安排以測量流經該質流控制器之質量流率；一第二流量計，其經構建與安排以測量流經該質流控制器之質量流率；一控制閥，其經構建與安排以便響應一控制訊號而控制流經該質流控制器之質量流率，該控制訊號係該等流量計其中之一個所測得之流率的函數；及一系統控制器，其經構建與安排以產生該控制訊號，並且當該第一流量計所測得之質量流率和該第二流量計所測得之質量流率間之差值超過一閾值時，提供一指示。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之質流控制器，其中，該第一及第二流量計是相同類型。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之質流控制器，其中，該第一及第二流量計是不同類型。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之質流控制器，其中，該等流量計中至少一個是差壓流量計。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之質流控制器，其中，該等流量計中至少一個是熱感質流計。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之質流控制器，其中，該等流量計中之另外一個是差壓流量計。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之質流控制器，其中，該等流量計中至少一個是柯氏(coriolis)流量計。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之質流控制器，其中，該等流量計中至少一個是磁性式流量計。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之質流控制器，其中，該等流量計中至少一個是超音波式流量計。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之質流控制器，其中，該第一及第二流量計分別位於該控制閥之上游及下游。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之質流控制器，其中，該第一及第二流量計皆位於該控制閥之上游。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之質流控制器，其中，該第一及第二流量計皆位於該控制閥之下游。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之質流控制器，其中，該控制訊號為一熱感質流計所測得之流率的函數。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之質流控制器，其中，該另外一個流量計是差壓流量計。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之質流控制器，其中，該控制訊號為一差壓流量計所測得之流率的函數。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之質流控制器，其中，該另外一個流量計是熱感質流計。
  17. 如申請專利範圍第1項所述之質流控制器，其中，該閾值是由使用者設定。
  18. 如申請專利範圍第1項所述之質流控制器，其中，該閾值是在出廠時設定。
  19. 如申請專利範圍第1項所述之質流控制器，其中，該閾值作為使用該控制器來傳送氣體之製程所允許的質量流量之容差的一函數而設定。
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