TW201539167A - 提供壓力遲鈍自我檢驗質流控制器的系統及方法 - Google Patents

提供壓力遲鈍自我檢驗質流控制器的系統及方法 Download PDF

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    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
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    • G05D7/06—Control of flow characterised by the use of electric means
    • G05D7/0617—Control of flow characterised by the use of electric means specially adapted for fluid materials
    • G05D7/0629—Control of flow characterised by the use of electric means specially adapted for fluid materials characterised by the type of regulator means
    • G05D7/0635—Control of flow characterised by the use of electric means specially adapted for fluid materials characterised by the type of regulator means by action on throttling means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/76—Devices for measuring mass flow of a fluid or a fluent solid material
    • G01F1/86—Indirect mass flowmeters, e.g. measuring volume flow and density, temperature or pressure

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Abstract

一種質流控制器，其係包括：一基於壓力之流量計、一基於熱之流量計、一控制閥、以及一系統控制器。該基於壓力之流量計及基於熱之流量計各自測量通過該質流控制器的質流率。該控制閥控制該流率以回應根據在該測得流率相對低時由基於熱之流量計測得之流率和根據在該流率相對高時由該基於壓力之流量計測得之流率而產生的一控制訊號。這兩個流量計之流量測量值的比較可用來(a)感測在低流率的壓力擾動，以及(b)感測該基於熱之流量計何時落在校準外，藉此可施加一零偏移訊號至該基於熱之流量計。

Description

提供壓力遲鈍自我檢驗質流控制器的系統及方法 相關申請案之交互參照
本申請案基於並主張以下兩者的優先權：申請於2014年2月13日之美國專利申請案第14/180,063號，其標題為“SYSTEM FOR AND METHOD OF PROVIDING PRESSURE INSENSITIVE SELF VERIFYING MASS FLOW CONTROLLER”，律師簽號：086400-0189(MKS-233US)以及申請於2012年1月20日之美國專利申請案第13/354,988號，標題為“SYSTEM FOR AND METHOD OF MONITORING FLOW THROUGH MASS FLOW CONTROLLERS IN REAL TIME”，律師簽號：086400-0090(MKS-227)。該等申請案的全部內容併入本文作為參考資料。
發明所屬之技術領域
本揭示內容大體有關於質流控制器(MFC)，且更特別的是，有關於用以即時監視通過MFC之流量的系統及方法。用於本文的用語“氣體”包括用語“蒸氣(或數種)”，這兩個應視為不同的用語。
質流控制器(MFC)為用於測量及控制氣體流量的裝置。它們在半導體製程期間常用來控制氣體的流量，其中進入半導體工具(例如，真空室)的氣體流量必須小心控制以便產生高良率的半導體產品。MFC常被設計及校準成在特定流率範圍內可控制特別類型的氣體。該等裝置控制基於給定設定點的流率，該設定點常由使用者或外部裝置預定，例如半導體工具本身。MFC可為類比或數位型。它們常被設計成可使用進入氣體在壓力範圍內的市售低壓及高壓型MFC。所有MFC都有入口埠、出口埠、質流計，包括質流感測器與比例控制閥。系統控制器用作提供控制訊號給控制閥的反饋控制系統的一部份，該控制訊號係根據以下兩者的比較：由設定點決定的流率，由質流感測器感測的測得流率。該反饋控制系統從而操作該閥藉此使量測流量保持在按照設定點決定的流率。
此類控制系統假設MFC在一定容限內保持校準。為了測試MFC的流率是否在校準的容限內，通常用諸如質流檢驗器之類的裝置離線測試該MFC。儘管離線測試很準確，然而永遠會有以下問題：MFC在製程的運行期間可能變成落在校準外(即時地)而且不被偵測到，直到製程完畢。這常導致半導體產品的良率較低，甚至完全失敗導致損失整體產品良率。這可能很昂貴，而且顯然不合意。因此，亟須一種裝置及方法用以在製程正在運行時不斷地即時測試MFC的校準設定。
相關技藝參考資料
請參考日本公開申請案第2004-246826A2004.9.2號。
一種質流控制器，其係包括：一基於壓力之流量計，一基於熱之流量計，一控制閥，以及一系統控制器。該基於壓力之流量計經構造及配置成可測量通過該質流控制器的質流率。該基於熱之流量計經構造及配置成可測量通過該質流控制器的質流率。該控制閥經構造及配置成可控制通過該質流控制器的質流率以回應根據由該等流量計中之一者測得之流率而產生的一控制訊號。而且，該系統控制器經構造及配置成可在該測得流率相對低時根據由基於熱之流量計測得的流率來產生該控制訊號，以及在該流率相對高時根據由該基於壓力之流量計測得的流率來產生該控制訊號，使得該質流控制器對於入口壓力波動呈相對遲純。
一種控制氣體之質流率的方法，其係包含下列步驟：用一基於熱之流量計測量通過該質流控制器的質流率；用一基於壓力之流量計測量通過該質流控制器的質流率；用一控制閥控制通過該質流控制器的質流率以回應根據由該等流量計中之一者測得之流率而產生的一控制訊號；其中控制該質流率的步驟包括：根據(a)在該測得流率相對低時由基於熱之流量計測得的流率和(b)在該流率相對高時由該基於壓力之流量計測得的流率來產生該控制訊號，使得該質流計對於入口壓力波動呈相對遲純。
該基於熱之及該基於壓力之流量計之流量測量值的比較可用來(a)感測在低流率的壓力擾動使得在感測到壓力擾動之同時，該質流控制器根據基於壓力之流量計在低流率時測得的流率來產生該控制訊號，以及(b)感測該基於熱之流量計何時落在校準外，藉此可施加一零偏移訊號至該基於熱之流量計。
此時由以下示範具體實施例及附圖的詳述說明可明白以上及其他的組件、步驟、特徵、物件、效益及優點。
10‧‧‧示範質流控制器
12、14‧‧‧流量計
16‧‧‧系統控制器
18‧‧‧比例控制閥
20‧‧‧質流控制器(MFC)
28‧‧‧區塊
30‧‧‧第一流量計/基於熱之流量計/熱式流量計
32‧‧‧輸入埠
34‧‧‧主流徑
36‧‧‧熱式質流感測器
38‧‧‧旁通元件
40‧‧‧U形毛細管
42‧‧‧電阻元件
50‧‧‧第二流量計/壓力流量計
52‧‧‧流量限制計
54‧‧‧溫度感測器
56‧‧‧上游壓力感測器
58‧‧‧第二或下游壓力感測器
60‧‧‧出口埠
70、72‧‧‧流量計
74‧‧‧流量控制單元
76‧‧‧比較器
78‧‧‧臨限偵測器
80‧‧‧臨限值
82‧‧‧流率輸入
84‧‧‧入口壓力交換
附圖揭示數個示範具體實施例。它們並非所有的具體實施例。可另外使用或換成其他的具體實施例。可省略顯而易見或不必要的細節以節省空間或提供更有效的圖解說明。反之，有些具體實施例在沒有經揭示之所有細節下可實施。當相同的元件符號出現於不同的圖中時，其係指相同或類似的組件或步驟。
圖1圖示MFC的簡化方塊圖，其係經構造及配置成可控制通過該MFC的流量以及即時監視該MFC的準確度；圖2的方塊圖圖示應用描述於本文之教導的MFC具體實施例；以及圖3的方塊圖圖示用於產生表示MFC(如在說明如圖1及圖2時所述者)落在校準容限外時之訊號的組件；以及圖4的方塊圖圖示壓力遲純的MFC具體實施例。
此時描述數個示範具體實施例。可另外使用或換成其他的具體實施例。可省略顯而易見或不必要的細節以節省空間或提供更有效的說明。反之，有些具體實施例在沒有經揭示之所有細節下可實施。
請參考圖1，圖示示範質流控制器10經構造及配置成可控制通過MFC的流量以及即時監視MFC的準確度。如圖示，質 流控制器10包括兩個流量計12及14用以各自獨立產生代表氣體通過MFC之測得流率的訊號。這兩個流量計的輸出提供給系統控制器16。系統控制器16處理接收自兩個流量計12及14的兩個訊號以及基於該等流量計中之一者測得的流量與一設定點，提供控制訊號給比例控制閥18，以及在確定由這兩個流量計測得之流率的差異超過預定臨限(predetermined threshold)時提供指示(“警告”)訊號。
圖2更詳細地圖示大體以元件符號表示的MFC示範具體實施例。MFC 20經構造及配置成可控制通過MFC的流量以及即時監視MFC的準確度。如圖示，在區塊28，輸入埠32接收氣體，接著它包括界定通過MFC至出口埠60之主流徑34的導管。第一流量計30圖示成熱式質流計(thermal mass flow meter)。熱式質流計通常包括熱式質流感測器(thermal mass flow sensor)36。後者常包括旁通元件38設置於通過區塊28之氣流主流徑34的旁通。U形毛細管40的相對兩端各自連接至在旁通元件38上游端及下游端的主要途徑。一或更多電阻元件42(兩個最常見)用來測量通過毛細管的流量，在該實施例中，其係基於根據該兩個電阻元件之電阻差異的溫度測量值，接著該電阻差異是根據流體之感測溫度(為質流率的度量)的差異。旁通元件38經設計可保證在毛細管40兩端之間通過旁通元件38的氣流為層流。藉由維持層流，氣體通過毛細管的測得流率會是通過主流徑34的準確流量百分比。因此，通過毛細管40的感測流率會是通過MFC 20及離開出口埠60之流率的準確度量。代表感測流率的資料傳送至系統控制器16。
第二流量計50圖示成壓差流量計。對於扼流狀態(choked flow conditions)，流量計50包括限流器52(例如，臨界流量 噴嘴或孔口)，以及溫度感測器54和上游壓力感測器56經配置成各自可測量氣體從限流器52流動通過主流徑34上游的溫度及壓力。代表感測溫度及壓力的資料傳送到系統控制器用以根據該等感測測量值來確定通過第二流量計50的質流。對於非扼流狀態，第二或下游壓力感測器58設在限流器52的下游側上。代表感測溫度、上游壓力及下游壓力的資料傳送到系統控制器16用以根據該等感測測量值來確定通過第二流量計50的質流率。由第二流量計50提供的第二測量值(在扼流及非扼流具體實施例兩者中)與第一流量計30所提供的測量值無關。
請參考圖3，系統控制器16處理流量計70及72的輸出以便提供通過MFC之同一流量的兩個流量測量值。如圖示，流量計70設於流量控制單元74，其係施加控制訊號給比例控制閥18。比較器76裝設成可比較代表由兩個流量計70及72提供之感測流量測量值的資料以根據這兩個測量值的任何差異來提供輸出訊號。此輸出訊號用臨限偵測器78與某一臨限值(由臨限設定(threshold setting)80提供)比較。若比較器76的輸出訊號超過臨限值(其中，這兩個計提供不同流量測量值使得兩者的差異超過預定臨限)，該臨限偵測器提供警告或指示訊號以警告使用者該等計中至少有一者不準確，以及該MFC應該離線及進一步測試。應注意，可用許多方式中之任一提供設定在80處的臨限值，包括在原廠初始安置MFC時設定該值，或由使用者編程(programmed)。該臨限值的設定可根據用以具有該控制器用來輸送氣體之特定製程的質流的容許容限。因此，有些製程可能允許比其他還大的流量容限。
儘管已各自用圖2的熱式質流計及壓差流量計來描述 第一及第二流量計，然而它們也可為其他類型的流量計，例如科氏流量計(coriolis flow meter)，磁性流量計或超音波流量計，這取決於要使用MFC 20的應用。雖然第一流量計的類型與第二流量計的不同為較佳，然而這兩個流量計可為同一個類型。例如，這兩個流量計可為熱式質流計或者是壓差流量計。此外，雖然第一流量計30位於控制閥18的上游以及第二流量計位於控制閥18的下游，然而這兩個流量計的位置可在MFC之主流徑34中的任何一處。例如，這兩個流量計可在控制閥18的上游或下游。
如圖3所示，儘管第一流量計70的測量值使用於流量控制單元74以控制MFC流量輸出以及來自第二流量計72的測量值用來即時檢驗MFC的準確度，然而來自第二流量計72的測量值可使用於流量控制單元74以控制MFC 20的流量輸出以及來自第一流量計70的測量值用來檢驗流量。
描述於本文的各種MFC具體實施例更可經組配成可提供壓力遲純操作以及在MFC流量範圍內有較大的控制準確度。一般而言，基於壓力之流量計從而基於壓力之流量控制在MFC入口處對於壓力擾動或波動是遲純的。不過，相較於熱式質流計，基於壓力之流量計在流率低及入口壓力低時極不準確。因此，在圖示於圖4的一具體實施例中，系統控制器80經組配及配置成與圖2的控制器16類似，以及更經組配成可切換這兩個流量計以便根據通過MFC的入口壓力及流率來控制控制閥18的位置。在圖4的具體實施例中，基於熱之流量計30的輸出可用來控制用於相對低流率的控制閥18，以及基於壓力之流量計50的輸出可用來控制用於相對高流率的控制閥。更特別的是，在一具體實施例中，該交換點(cross over point) 或值是以針對該等流量計所設計的滿刻度流率(full scale rate of flow)的一預定百分比來決定。該預定百分比數的選擇係根據氣體流動通過該等流量計預期壓力範圍。因此，當通過MFC的流率確定小於滿刻度(FS)的預定百分比時，該基於熱之流量計的輸出用來控制控制閥18；以及當通過MFC的流率確定大於滿刻度的預定百分比時，該基於壓力之流量計的輸出用來控制控制閥18。在流率等於交換值(cross-over value)時，任一流量計可用來控制該控制閥。
在一實作中，使用者可以滿刻度的百分比決定該交換值，以及提供該值作為在84處的輸入給系統控制器80。替換地，在製造MFC時可提供它。
因此，在一實施例中，對於小於滿刻度之20%的流率，控制器80會施加基於熱之流量計30的輸出至控制閥18，以及對於等於或大於滿刻度之20%的流率，控制器80會施加基於壓力之流量計50的輸出至控制閥18。藉由在流率相對低時用基於熱之流量計30控制MFC，可改善流率低時的流量控制準確度。
當MFC使用基於壓力之感測器測量值控制通過控制閥的流量時，它是壓力遲純的MFC，亦即，在入口處對於壓力擾動呈實質遲純。不過，當MFC使用基於熱之感測器測量值控制流量時，它對於入口壓力擾動是敏感的。因此，本發明MFC的一額外特徵是要補償MFC在使用基於熱之測量值控制流量時發生的壓力擾動。具體言之，當質流控制使用在低流量範圍內的熱式流量感測器測量值(thermal flow sensor measurement)以及兩個流量感測器之間有表明壓力擾動的急大流量偏差時，該系統控制器感測壓力擾動，以及用控制器80暫時將流量控制輸入由熱式流量感測器測量值切換到基 於壓力之流量測量值直到壓力暫態期消失。例如，可藉由設定一臨限使得該偏差必須超過該臨限來決定什麼構成兩個流量感測器的急劇“大流量偏差”，這應考慮到才足以保證該變化。在該偏差超過臨限時，發生由熱式流量測量值切換到基於壓力之流量測量值。當該偏差落到臨限以下時，控制器80將基於壓力之流量測量值切回到熱式流量測量值。
一般而言，該基於熱之流量計的輸出比壓力流量計更容易漂移。結果，該基於熱之流量計最初由使用者或在原廠校準以提供零偏移，亦即，該基於熱之流量計的輸出用零偏移訊號校準使得該基於熱之流量計的輸出在零輸入下為零。不過，在使用期間，該基於熱之流量計可能落在校準外以及提供錯誤的讀數。因此，該MFC也可經組配成在該基於熱之流量計落在校準外時可感測以及自動調整該零偏移。例如藉由假設如果該基於熱之流量計落在校準外，這兩個流量計的讀數應相差預定容許的容限或數量，可實現此事。因此，可不斷地比較基於熱之流量計及壓力流量計的輸出(甚至在流量操作期間在任何一刻只有一個流量計控制該控制值18)以判斷該基於熱之流量計是否已落在校準外。如果該基於熱之流量計的輸出讀數與該壓力流量計的輸出讀數相差一預定數量，則由該系統控制器提供零偏移調整訊號給該基於熱之流量計，如圖4所示。一般而言，最好在流量高於交換開關的交換值(例如，20%滿刻度)時只調整熱式流量感測器的零偏移，因為對於低於20%滿刻度交換的流量，該基於壓力之感測器可能不提供用於低流量範圍調整的準確測量值，因而這兩個流量計之輸出的比較可能不準確。
應注意，該兩個流量測量值的微分(derivative)可用來 區別這兩個流量測量值由壓力擾動引起的比較差異，以及由需要校準偏移引起者。在前者情況下，該微分相當快地改變，因為這兩個流量測量值的比較差異快速地改變，然而在後者情形下，該微分相當慢地改變。
使用描述於本文之所有特徵的質流控制器有數個優點。流量測量值基於質流流量範圍的切換利用這兩個流量感測器的最佳準確度。此外，甚至在沒有上游壓力感測器下，提供在全部流量範圍內都呈壓力遲純的MFC。最後，自我修正可改善容易漂移至零之熱式流量感測器測量值的準確度。
已加以描述的組件、步驟、特徵、物件、效益及優點都僅供圖解說明。它們或與彼等有關的論述均非旨在以任何方式限制保障的範疇。預期也有許多其他具體實施例。這些包括有較少、附加及/或不同組件、步驟、特徵、物件、效益及優點的具體實施例。這些也包括其中組件及/或步驟以不同方式排列及/或定序的具體實施例。
除非另有說明，在包括隨附申請專利範圍的本專利說明書中提及的所有測量值、數值、評比、位置、量級、大小及其他規格都是近似而不是確切值。它們旨在有與下列一致的合理範圍：與彼等有關的功能以及彼等所屬技藝的慣例。
在本揭示內容提及的所有文章、專利、專利申請案及其他出版物都併入本文作為參考資料。
片語「用於...之構件」(「means for」)在用於申請項時旨在且應被解釋成可涵蓋已描述之對應結構及材料及其等效陳述。同樣，片語「用於...之步驟」(「step for」)在用於申請項時旨在且 應被解釋成可涵蓋已描述之對應動作及其等效陳述。申請項中沒有該等片語意指該申請項並非意欲且不應被解釋成受限於該等對應結構、材料或動作中之任一或受限於彼等之等效陳述。
已陳述或說明之任何內容並非意欲或不應解釋為任何組件、步驟、特徵、物件、效益、優點或等效陳述可貢獻給公衆，不管它是否詳述於申請專利範圍。
該保障範疇只受限於下列申請專利範圍。在根據本說明書及後續之申請歷程(prosecution history)解釋時，該範疇旨在且應被解釋成儘可能廣泛地與申請專利範圍中所使用之語言的普通意思相符，以及涵蓋所有結構及功能等效陳述。
10‧‧‧示範質流控制器
12、14‧‧‧流量計
16‧‧‧系統控制器
18‧‧‧比例控制閥

Claims (19)

  1. 一種質流控制器，其係包括：一基於壓力之流量計經構造及配置成可測量通過該質流控制器的質流率；一基於熱之流量計經構造及配置成可測量通過該質流控制器的質流率；一控制閥經構造及配置成可控制通過該質流控制器的質流率以回應根據由該等流量計中之一者測得之流率而產生的一控制訊號；以及一系統控制器經構造及配置成可在該測得流率相對低時根據由基於熱之流量計測得的流率來產生該控制訊號，以及在該流率相對高時根據由該基於壓力之流量計測得的流率來產生該控制訊號，使得該質流控制器對於入口壓力波動(perturbation)呈相對遲純。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之質流控制器，其中該系統控制器經組配成有一交換值(cross-over value)，其中該系統控制器在該測得流率低於該交換值時根據由該基於熱之流量計測得的流率來產生該控制訊號，以及在該測得流率高於該交換值時根據由該基於壓力之流量計測得的流率來產生該控制訊號。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之質流控制器，其中係根據該質流控制器所控制的流量範圍來選擇該交換值。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之質流控制器，其中該交換值由人工輸入。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之質流控制器，其中該交換值由原 廠安裝(factory installed)。
  6. 如申請專利範圍第2項所述之質流控制器，其中該質流控制器包括用於接受一氣體的一入口；以及該系統控制器也經構造及配置成可在該測得流率相對低以及該入口沒有壓力擾動時根據由基於熱之流量計測得的流率來產生該控制訊號，以及在該測得流率相對低以及有壓力擾動時根據由該基於壓力之流量計測得的流率來改變以產生該控制訊號。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之質流控制器，其中該壓力擾動用該基於熱之流量計與該基於壓力之流量計之間的一急大流量偏差(sudden big flow deviation)表明。
  8. 如申請專利範圍第2項所述之質流控制器，比較該基於熱之流量計及該基於壓力之流量計的輸出以判斷該基於熱之流量計是否已落在校準外。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之質流控制器，其中在該基於熱之流量計的輸出讀數(output reading)與該基於壓力之流量計的輸出讀數相差一預定數量時，提供一零偏移調整訊號給該基於熱之流量計。
  10. 一種用質流控制器控制氣體之質流率的方法，其係包含下列步驟：用一基於熱之流量計測量通過該質流控制器的質流率；用一基於壓力之流量計測量通過該質流控制器的質流率；用一控制閥控制通過該質流控制器的質流率以回應根據由該等流量計中之一者測得之流率而產生的一控制訊號；以及其中控制該質流率的步驟包括：根據(a)在該測得流率相對 低時由基於熱之流量計測得的流率和(b)在該流率相對高時由該基於壓力之流量計測得的流率來產生該控制訊號，使得該質流計對於入口壓力波動呈相對遲純。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中控制該質流率的步驟包括：根據(a)在該測得流率低於一交換值時由基於熱之流量計測得的流率和(b)在該流率高於該交換值時由該基於壓力之流量計測得的流率來產生該控制訊號，使得該流率的控制對於壓力波動呈相對遲純。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中該交換值的選擇係根據受控的流量範圍。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中該交換值由人工輸入。
  14. 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中該交換值由原廠安裝。
  15. 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中控制該質流率的步驟包括：根據(a)在該測得流率相對低以及該質流控制器之入口處沒有壓力擾動時由基於熱之流量計測得的流率和(b)在該流率相對低以及在該入口處有壓力擾動時由該基於壓力之流量計測得的流率來產生該控制訊號，使得該質流計對於入口壓力波動呈相對遲純。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之方法，其中用這兩個流量感測器之間的一急大流量測量偏差表明一壓力擾動。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之方法，其中一急大流量偏差在該偏差超過臨限時發生。
  18. 如申請專利範圍第10項所述之方法，其更包括：比較該基於熱之流量計及該基於壓力之流量計的輸出以判斷該基於熱之流量計是否已落在校準外。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之質流控制器，其更包括：在該基於熱之流量計的輸出讀數與該基於壓力之流量計的輸出讀數相差一預定數量時，提供一零偏移調整訊號給該基於熱之流量計。
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