TW201433897A - 用於壓力式質流控制器之自驗證的方法及裝置 - Google Patents

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Abstract

一種質流控制系統，當控制一流體之流動至一製程時，其之精確度能夠自驗證。該系統包含：用於隨著控制信號之變化而控制通過該系統之流體流動的一控制閥；用於隨著通過該系統之經量測的流體流動以及一目標設定點的變化而產生該控制信號的一控制器；一壓力感應器用於測量及控制在測量及驗證該流率作業中使用的流體壓力；以及一流體源用於提供一已知容積之流體在流動控制製程之該等步驟之間的任何時候於驗證該系統之精確度作業當中使用。

Description

用於壓力式質流控制器之自驗證的方法及裝置
本揭示內容一般地係有關於質流控制器，更特定言之係有關於壓力式質流控制器之自驗證。如於本文中所使用該用語“氣體(gas)”係認為包括氣體(gas)或蒸氣(vapor)。
一般地，一質流控制器(MFC)即時控制及監測流體(亦即，氣體或蒸氣)流動的速率因此通過該裝置的氣體之質量流率能夠經測量及控制。質流控制器(MFC)通常係用於在半導體製程期間控制氣體流動其中該等氣流必需小心地經控制進入半導體工具，諸如一真空室，為了生產高產率半導體產品。MFC一般地經設計及校準以在特定的流率範圍內控制特定型式之氣體的流率。該等裝置控制基於一已知設定點的流率，通常由使用者或一外部裝置諸如該半導體工具本身確定。該設定點能夠隨著一製程之每一步驟視針對每一步驟的該所需流率而定加以改變。MFC可以是類比或是數位的。其典型地經設計搭配進入氣體的壓力範圍使用，該等MFC典型地係適用於低壓及高壓。所有MFC具有一入口埠，及一出口埠，一包括質流感應器及一比例控制閥的質流計。一系統控制器係使用作為一回饋控制系統的一部分，隨著比較由該設定點所確定的流率與由該質流感應器所感應的該經測量流率之變化而改變提供一控制信號至該控制閥。該回饋控制系統因而操作該閥因此該經量測流係維持在如由該設定點確定的該流率。
該等控制系統假設該MFC依然處於在特定公差範圍內的校準狀況。為了測試MFC是否在校準的公差範圍內，該MFC典型地係利用如同質流驗證器的該等裝置離線地測試。該後者係用以測試該等流率。儘管離線測試係極為精確，但總有一問題在於MFC在製程進行期間(即時地)會變得無校準，並且直到製程完成才被偵測。往往如此會導致半導體產品的低產率，並甚至完全失敗導致整個產品生產率損失。如此會是昂貴的且顯然地係不欲見到的。所需要的是當製程在運作時用於連續即時地測試MFC之精確度的系統及方法。
質流控制器包括二型式，基於熱量及基於壓力的質流控制器。在以Junhua Ding為名於2012年1月20日提出申請的美國專利申請案第13/354,988號，標題為“即時監測通過質流控制器之流動的系統與方法(System and Method of Monitoring Flow Through Mass Flow Controllers in Real Time)”中；並讓渡予本受讓人，說明用於測試基於熱量的質流控制器之系統與方法因此無需離線進行而能夠驗證質流控制器的精確度。
本發明之特定具體實施例係有關於一質流控制系統，當控制一流體之流動至一製程時，其之精確度能夠即時地自驗證，該系統包含：用於隨著控制信號之變化而控制通過該系統之流體流動的一控制閥；用於隨著通過該系統之經量測的流體流動以及一設定點的變化而產生該控制信號的一控制器；以及一流體源用於提供一已知容積之流體在流動控制製程之該等步驟之間的任何時候於驗證該系統之精確度作業當中使用。於一應用中，該系統進一步包括一流動限制器以針對流動測量產生阻塞流狀況；一壓力感應器用於提供一代表該系統中該流動限制器上游該經測量的流體壓力；以及一溫度感應器用於提供一代表該系統中該經 量測的流體溫度的溫度測量信號。
於另一應用中，該系統進一步包括一第二壓力感應器用於提供一代表該流動限制器下游該經測量的流體壓力的壓力測量信號以致能夠針對非阻塞流動狀況測量該流率。
根據另一應用，提供當控制流動至一製程時，驗證一質流控制系統之精確度的一方法。該方法包含：隨著一控制信號變化控制流體流動通過該系統；隨著所測量通過該系統的流體流動及一設定點的變化產生該控制信號；以及提供一已知容積之流體在流動控制製程之該等步驟之間的任何時候於驗證該系統之精確度作業當中使用。
100‧‧‧基於壓力的MFC
110‧‧‧流體
120‧‧‧進入口
130‧‧‧導管
140‧‧‧支撐塊件
150‧‧‧出口
160‧‧‧上游比例控制閥
170‧‧‧控制器
180‧‧‧壓力感應器
190‧‧‧溫度感應器
200‧‧‧流動限制部分
210‧‧‧下游控制閥
220‧‧‧貯存器
250‧‧‧MFC
260‧‧‧壓力感應器
該等圖式根據本教示內容，經由實例，非具限制性地描述一或更多應用。於該等圖式中，相同的代表符號係有關於相同或是相似的元件。
圖1係為一基於壓力的MFC之一具體實施例的一般性概略圖，其經組配以容許不需離線作業進行該MFC之精確度測試；以及圖2係為一基於壓力的MFC之一第二具體實施例的一般性概略圖，其經組配以容許不需離線作業進行該MFC之精確度測試。
於以下的詳細說明中，經由實例提出複數具體的細節，為了提供對該等相關教示內容之徹底的瞭解。然而，熟知此技藝之人士應顯而易見的是本教示內容不需該等細節即可加以實踐。於其他例子中，廣為熟知的方法、程序、組件，及/或電路已相對高程度地經說明，無需細節，為了避免不必要地模糊本教示內容的觀點。
應瞭解的是熟知此技藝之人士由以下詳細的說明將對本主題技術之其他構態變得立即地顯而易見的，其中經由圖解顯示及說明本主題技術之不同的構態。如將為所理解的，本主題技術係能夠為其他的及不同的構態，並且其之複數細節在不同的其他方面能夠修改，所有修改不致背離本主題技術之範疇。因此，該等圖式及詳細說明係視為本質上具圖解性及不具限制性的。
本揭示內容係有關於一基於壓力的MFC。具有二具體實施例，其一係用於阻塞流動狀況，而另一者係用於非阻塞流動狀況。如將為所見，一裝置可經組配以在任一模式下操作。
阻塞流動係為一可壓縮流效應。變成“阻塞”或限制的參數係為該流體之速度。阻塞流動因此係為一流體動態狀況其中在一已知壓力及溫度狀況下流經該MFC的一流體將於其通過一限制(諸如一固定橫截面積的孔口或噴嘴)進入一較低壓力環境時速度增加。阻塞流動係為一限制狀況當該質流率並未隨著在下游壓力環境下的一進一步降低而上游壓力係為固定的情況增加。在阻塞流動狀況下，質流率可藉由增加該上游壓力或藉由減少該上游溫度而增加。該氣體之阻塞流動在許多應用中係為有用的因為該質流率係與該下游壓力無關的，僅視在該限制之上游側上該溫度與壓力而定。在阻塞流動狀況下，流動限制裝置，如閥，校準孔口板及噴嘴可用以產生一需要的質流率。針對阻塞流動狀況，至該流動限制器的該上游壓力Pu及該下游壓力Pd必需滿足以下基準：
其中γ係為氣體的比熱比(specific heat ratio)。
如於圖1中所示，一新式基於壓力的MFC 100之具體實施例係經組配(a)用於阻塞流動狀況以及(b)以即時提供能夠驗證該MFC之精確度的資訊。該MFC 100於MFC 100的一進入口120處接收流體110。該流體係經引導由該進入口通過支撐塊件140之一導管130至一出口埠150。MFC 100之塊件140的上游部分支撐一上游比例控制 閥160其經組配以在感應施加至該上游閥的一流動控制信號之後及隨著該信號變化調節通過該MFC 100之該出口150的該流體100之流率。具體地，該上游控制閥160係可在一完全開啟與一完全閉合的位置之間的任何位置處隨著源自於該控制器170的一流動控制信號變化及感應該信號之後操作，俾以控制源自於MFC之該出口150的該流體110之流率。該流動控制信號係隨著一(a)所示施加至該控制器170且代表通過該MFC之流體的該所需(流動設定點)流率的設定流動信號(由使用者及/或由諸如一獨立的電腦或製程工具的一外部裝置設定)，以及(b)代表其係為流經該MFC的該流體之壓力與溫度的一函數的該經測量流率的一經測量流動信號變化而由控制器170產生。控制器170包括用於儲存校準係數的記憶體，該等係數係為提供一基於該等感測溫度及由該系統接收的壓力信號的精確測量流動信號所必需。於該顯示的具體實施例中，此測量流動信號係提供作為由壓力感應器180(顯示於圖1中係為一壓力轉換器的形式)所提供的一壓力信號及由溫度感應器190提供的溫度信號之一函數。該MFC的出口150係配置具有一些型式之以代表符號200標示的流動限制部分，其可由該下游控制閥210提供具許多樣式的表示在200的流動約束器，可由下流控制閥210提供(藉由控制閥的位置俾以產生一受限制的開口)，或是藉由一分離裝置，諸如一流體噴嘴/孔口其在阻塞流動狀況下具有限制該流動及由該出口150流動的該流體之壓力的效果。
為了即時地驗證該MFC之精確度，圖1之該圖解的具體實施例，該MFC 100同時進一步地包括於該出口150處由該塊件140支撐的下游控制閥210，以及一貯存器220。該貯存器220係藉由該塊件140支撐在該二控制閥160與210之間。該貯存器係經組配以儲存流入該MFC的一已知容積之流體。該溫度感應器190係耦合至該貯存器220因此其測量該貯存器壁的溫度，近似於該貯存器220中該流體因而以及於該MFC中流動的該流體的溫度。該溫度感應器190提供該控制器170一代表該經測量溫度的信號。該經測量的流率係為此測量溫度的函數，以及該壓力如由該壓力感應器180測量。壓力感應器180同時在二閥160與210之間與該導管130耦合，並經組配以測量流 經該導管130至顯示為該下游控制閥210的一孔口200的該流體限制器110的該流體110之壓力。
於一製程之作業期間，該下游控制閥210係為開啟的，並且該流動設定點係設定在一非零值，致使該控制器170控制通過該上游閥160之流動，因此該經測量流動將等於該非零設定值。代表該感測溫度及壓力的數據，以源自於該溫度感應器190及該壓力感應器180之信號的形式，傳輸至該控制器170用於確該經測量流經該MFC的質流。如以下更為詳細地說明，該控制器170針對一阻塞流狀況確定基於方程式(2)的該經測量質流率0：Q p =C'˙A˙f(m,r,T)˙P u (2)其中C’係為孔口200之孔口排放係數，A為有效的孔口面積，m為氣體之分子量，γ為該氣體之比熱容量比，T為該氣體溫度，Pu為該上游壓力，以及f(m,γ，T)係為與該氣體分子量m，該氣體的比熱容量γ，及該氣體溫度T有關的一數學函數。
該控制器170提供閥控制信號至閥160用於控制該流進出該MFC 100，因此該經測量的流率Q p 追蹤由該流動設定點所控制之該流動。只要MFC係經正確地校準，該二者大體上維持相等(在容許的公差範圍內)。閥210係用以界定該流動限制器之該孔口，於阻塞流動狀況期間，該閥210之位置將保持不變。
能夠在經控制一零設定點的任何時間執行一流動驗證檢查，例如在氣體輸送製程的二步驟之間的該段期間，或是在完成該製程之後。於該流動驗證期間，當該流體持續地自該貯存器220流動(係處於較該MFC之該壓力下游為高的一壓力下)時，該控制器170自動閉合該上游比例控制閥160容許該控制器170驗證基於由壓力感應器170提供的該壓力信號之衰減率的該流率。此驗證期間典型地需要約100至300毫秒以執行該測量作業。於特定的具體實施例中，該驗證期間可為介於100至300毫秒之間。於此驗證期間，源自於貯存器220的流體110係經引導由該MFC 100之該出口150而出。由衰減率原理所確定的該流率，Q ν，其係指示該剩餘流體110退出該系 統時所處之流率，是剩餘液體110存在系統流速的象徵，可由方程式(3)加以確定： 其中t表示時間，k表示一轉換常數以及V，P u ，及T分別地表示該貯存器220之容積，如由該壓力感應器180測量的氣體壓力，以及如由該溫度感應器190測量的氣體溫度。
一旦該驗證期間結束，該下游比例控制閥210係即完全地閉合以阻止任何剩餘的流體110退出該MFC 100。於該驗證期間，MFC 100使用方程式(2)對照該衰減流率，如根據方程式(3)所確定的Q ν而驗證該經計算的流率Q p 。
假若Q p 脫離Q ν係高於一預定的精確度公差限度，則該MFC 100會送出一警報至該主控制器(未顯示)以警告脫離校準狀況。可交替地，該MFC 100可以數學方式調整或更新該等基於驗證值Q ν的係數諸如在該流動計算方程式(2)中的C’及/或A，以致介於Q p 及Q ν間該流動誤差減至最小、為或低於該預定的精確度公差限度。因此，在該流動驗證期間，該MFC 100在公差限度範圍內係經再校準。因此，一旦調整，當接續地控制一非零狀況，該MFC 100使用該經驗證的流率數值以達成該流體退出該系統所處之目標流率。
圖2顯示用於針對非阻塞流動狀況操作該MFC的一具體實施例。特別地，該MFC 250包括與圖1具體實施例相同或相似的組件，但具有一附加的壓力感應器260(顯示為一壓力轉換器)其經佈置用以感測流動限制器200下游該氣體之壓力。該第二壓力感應器260可安裝至塊件140，或是與塊件分開地安裝。
應察知的是圖2之該具體實施例可用於阻塞流動狀況及非阻塞流動狀況。圖2具體實施例之該操作模式因而係確定該MFC 250係針對阻塞流動狀況或是針對非阻塞流動狀況而作動。
針對非阻塞流動狀況，藉由方程式(4)計算該經測量的流率： Q p =f(P u ,P d ,T,m,γ,A) (4)其中f係為該上游壓力P u ，下游壓力P d ，氣體溫度T，氣體分子量m，氣體比熱比γ以及有效孔口面積A的數學函數。
在非阻塞流動狀況下流動期間，為了驗證該上游閥再次閉合且氣體將接著由該MFC 250之該貯存器220流動並自該出口150流出(該閥260之下游)。該經驗證的流率，Q ν，仍然由上述方程式(3)確定。
與Q p 及Q ν之值相關的數據可在控制器170中累積以及與Q p 及Q ν相關的數據因而能夠經比較以確定該MFC是否超出特定校準公差。更進一步，在方程式(4)中的該等係數可經更新以將Q ν與Q p 間的該流動誤差減至最低。因此，該MFC 250在該流動驗證期間係經再校準。
因此，前述係為用於即時地持續測試及驗證一MFC之校準設定而同時進行製程作業的系統及方法。於一附加的應用中，假若在儲存於該控制器170之該記憶體中的目前係數，以及由該系統所作該等測量所確定的係數之間具有差異，則該系統亦能夠藉由調整基於該等驗證結果的流動計算係數作自校準。於該一佈置中，用於該經測量流率Q p 的一流動計算方程式之該等係數能夠根據該驗證結果再計算，以致介於Q p 及Q ν間該流動誤差減至最小，為或低於一預定的精確度公差限度俾以在該流動驗證期間，於該公差限度範圍內再校準該系統。
由於可在上述說明的裝置及製程中作其他的改變及修正而不致背離本文中所包含之本發明的範疇，所以所意欲的是包含在上述說明中的所有主題應以一說明性而非限制性的觀念加以詮釋。
100‧‧‧基於壓力的MFC
101‧‧‧流體
120‧‧‧進入口
125‧‧‧上游控制閥
130‧‧‧出口
135‧‧‧下游控制閥
138‧‧‧噴嘴/孔口
140‧‧‧控制器
150‧‧‧貯存器
160‧‧‧溫度感應器
170‧‧‧壓力感應器

Claims (28)

  1. 一種質流控制系統，當控制一流體之流動至一製程時，其精確度能夠即時地自驗證，該裝置包含：一控制閥，其用於隨著一控制信號之變化而控制通過該系統之流體流動；一控制器，其用於隨著通過該系統及一設定點之經量測的流體流動的變化而產生該控制信號；以及一流體源，其提供一已知容積之流體在流動控制製程之該等步驟之間的任何時候於驗證該系統之精確度作業當中使用。
  2. 根據申請專利範圍第1項之質流控制系統，其進一步包括一流動限制器，其用於針對通過該系統的流體流動產生阻塞流動狀況。
  3. 根據申請專利範圍第2項之質流控制系統，其中該流動限制器具有一孔口，其橫截面積係為可調整的。
  4. 根據申請專利範圍第2項之質流控制系統，其進一步包括一第二控制閥，其用於提供一界定該流動限制器的可調整開口。
  5. 根據申請專利範圍第1項之質流控制系統，其進一步包括一壓力感應器經組配以提供一代表該系統中該經測量的流體壓力的壓力測量信號；以及一代表該系統中該經測量的流體溫度的溫度測量信號。
  6. 根據申請專利範圍第5項之質流控制系統，其中該控制器係經組配以確定隨著該系統中該流體之該經測量的壓力及溫度變化通過該系統之該經測量的流體流量Q p 如Q p =C'˙A˙f(m,r,T)˙P u ，其中C’係為該流動限制器之該孔口排放係數，A為該流動限制器之該有效的孔口面積，m為該氣體之分子量，γ為該氣體之比熱容量比，T為該氣體溫度，P u 為該上游壓力，以及f(m,γ,T)係為與該氣體分子量，該氣體的比熱容量，及該氣體溫度有關的一數學函數。
  7. 根據申請專利範圍第1項之質流控制系統，其中該流體源係為一位設在該控制閥下游之已知容積的貯存器以致在經控制一零流動設定點時閉合該控制閥，並且仍容許流體由該貯存器流動並由該系統基於阻塞流動狀況量測Q p ，其中另一流動測量Q ν能夠藉由源自於該貯存器的流體衰減率而完成如 其中t表示時間，k表示一轉換常數以及V，Pu，及T分別地表示該貯存器之容積，該貯存器中該氣體的壓力及溫度。
  8. 根據申請專利範圍第7項之質流控制系統，其中該系統能夠隨著藉由源自於該貯存器之該流體的衰減率完成的流動測量Q ν，與藉由該系統基於阻塞流動狀況量測Q p 之間任何差異之變化而自驗證其之流動精確度。
  9. 根據申請專利範圍第7項之質流控制系統，其進一步包括一第二閥，其中該第二控制閥係經閉合以在完成該流動驗證之後履行該零流動設定點控制。
  10. 根據申請專利範圍第7項之質流控制系統，其中在該流動控制製程之該等步驟之間的任何時間於一驗證期間進行驗證，該驗證期間係介於100與300毫秒之間。
  11. 根據申請專利範圍第7項之質流控制系統，其中該貯存器係位設在該控制閥與該流動限制器之間。
  12. 根據申請專利範圍第7項之質流控制系統，其中假若Q p 脫離Q ν係高於一預定的精確度公差限度，則系統提供一警報至一主控制器以警告脫離校準狀況。
  13. 根據申請專利範圍第7項之質流控制系統，其中該系統能夠針對基於該驗證結果的該經測量流率Q p 調整流動計算方程式之係數，以致介於Q p 與Q ν之間該流動誤差係降至最低，位在或是低於該預定的精確度公差限度因此該系統於該流動驗證期間在該等公差限度範圍內經再校準。
  14. 根據申請專利範圍第1項之質流控制系統，其進一步包括一流動限制器，一第一壓力感應器用於隨著該流動限制器上游的該流體之壓力變化而產生一信號以及一第二壓力感應器用於隨著該流動限制器下游的該流體之壓力變化而產生一信號用於在非阻塞流動狀況期間測量該流體之流動，其中該經測量的流率Q p 係基於以下方程式：Q p =f(P u ,P d ,T,m,γ,A),其中f係為該上游壓力P u ，下游壓力P d ，氣體溫度T，氣體分子量m，氣體比熱比γ以及有效孔口面積A的數學函數。
  15. 一種當控制一流動至一製程時驗證一質流控制系統之精確度的方法，該方法包含：隨著一控制信號之變化控制通過該系統之流體流動；隨著通過該系統及一設定點之經量測的流體流動的變化而產生該控制信號；以及提供一已知容積之流體在流動控制製程之該等步驟之間的任何時候用於校準該系統。
  16. 根據申請專利範圍第15項之方法，其中控制該流體之流動包括控制通過一流動限制器的流體之流動俾以產生阻塞的流動狀況。
  17. 根據申請專利範圍第16項之方法，其中控制該流動通過一流動限制器包括控制該流動通過一孔口，其橫截面積係為可調整的。
  18. 根據申請專利範圍第16項之方法，其中控制該流動通過一流動限制器包括控制該流動通過一第二控制閥，其用於提供一界定該流動限制器的可調整開口。
  19. 根據申請專利範圍第15項之方法，其進一步包括提供一壓力測量信號代表該系統中該經測量的流體壓力；以及提供一溫度測量信號代表該系統中該經測量的流體溫度。
  20. 根據申請專利範圍第19項之方法，其進一步包括確定隨著該系統中該流體之該經測量的壓力及溫度變化通過該系統之該經測量的流體流量Q p 如Q p =C'˙A˙f(m,r,T)˙P u ，其中C’係為該流動限制器之該孔口排放係數，A為該流動限制器之該有效的孔口面積，m為該氣體之分子量，γ為該氣體之比熱容量比，T為該氣體溫度，P u 為該上游壓力，以及f(m,γ,T)係為與該氣體分子量，該氣體的比熱容量，及該氣體溫度有關的一數學函數。
  21. 根據申請專利範圍第15項之方法，其進一步包括提供一源自於位設在一控制閥下游之已知容積的貯存器之流體源以致在經控制一零流動設定點時閉合該控制閥，並且仍容許流體由該貯存器流動並由該系統基於阻塞流動狀況量測Q p ，其中另一流動測量Q ν能夠藉由源自於該貯存器的流體衰減率而完成如 其中t表示時間，k表示一轉換常數以及V，P u ，及T分別地表示該貯存器之容積，該貯存器中該氣體的壓力及溫度。
  22. 根據申請專利範圍第21項之方法，其進一步包括隨著藉由源自於該貯存器之該流體的衰減率完成的流動測量Q ν，與藉由該系統基於阻塞流動狀況量測該流率Q p 之間任何差異之變化的自驗證系統流動精確度。
  23. 根據申請專利範圍第21項之方法，其進一步包括閉合一第二控制閥以在完成該流動驗證之後履行該零流動設定點控制。
  24. 根據申請專利範圍第21項之方法，其中在該流動控制製程之該等步驟之間的任何時間於一驗證期間進行驗證，該驗證期間係介於100與300毫秒之間。
  25. 根據申請專利範圍第21項之方法，其中該貯存器係位設在一控制閥與一流動限制器之間。
  26. 根據申請專利範圍第21項之方法，其進一步包括假若Q p 脫離Q ν係高於一預定的精確度公差限度，則傳送一警報至一主控制器以警告脫離精確狀況。
  27. 根據申請專利範圍第21項之方法，其進一步包括針對基於該驗證結果的該經測量流率Q p 調整流動計算方程式之係數，以致介於Q p 與Q ν之間該流動誤差係降至最低，位在或是低於該預定的精確度公差限度俾以於該流動驗證期間在該等公差限度範圍內再校準該系統。
  28. 根據申請專利範圍第15項之方法，其進一步包括隨著一流動限制器上游的該流體之壓力變化而產生一信號，以及隨著該流動限制器下游的該流體之壓力變化而產生一信號用於在非阻塞流動狀況期間測量該流體之流動，其中該經測量的流率Q p 係基於以下方程式：Q p =f(P u ,P d ,T,m,γ,A),其中f係為該上游壓力P u ，下游壓力P d ，氣體溫度T，氣體分子量m，氣體比熱比γ以及有效孔口面積A的數學函數。
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