TW201821770A - 流體特性測量系統、程式存儲介質和流體特性測量方法 - Google Patents

流體特性測量系統、程式存儲介質和流體特性測量方法 Download PDF

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Abstract

本發明提供流體特性測量系統、存儲有流體特性測量系統用程式的程式存儲介質和流體特性測量方法，其能夠容易地求出作為流體的特性的壓縮係數，大幅度提高了基於ROR系統等的流量測量精度。流體特性測量系統包括：具有固定容量的容器（1）；流量控制器（2），連接成能夠以固定流量向該容器（1）導入流體；以及資訊處理裝置（5），在所述容器（1）內的壓力不同的兩種狀況下，基於由所述流量控制器（2）以相互相同的流量向該容器（1）導入流體時的該容器（1）內壓力的各時間變化，計算與該流體的壓力對應的壓縮係數。

Description

流體特性測量系統、程式存儲介質和流體特性測量方法
本發明涉及測量作為流體的特性之一的壓縮係數的流體特性測量方法等，該流體用於例如半導體製造工序等。
ROR（Rate of Rise）系統是指如下系統：測量使測量流體流動時的基準容積內的壓力上升率，並且基於氣體的狀態方程式來測量所述測量流體的質量流量，可以使用該ROR系統來檢驗各種流量測量裝置。
在該ROR系統中，為了求出準確的質量流量需要得到壓縮係數，該壓縮係數是表示來自測量流體的狀態方程式的偏差的係數。
壓縮係數在理想流體中是1，而在實際流體中因其種類而不同，即使是同種類的流體也與壓力對應而變化。
因此，在以往的ROR中，如專利文獻1所述，利用文獻等中記載的每個壓力下的壓縮係數來求出質量流量。
但是，不可能預先求出全部流體的壓縮係數，並且有時僅僅某種壓力的壓縮係數作為代表值被知曉。
由此，在壓縮係數未知、或僅知道代表值的流體的情況下，存在難以進行高精度的測量的不良現象。
專利文獻1：日本專利公開公報特開2006-337346號
鑒於上述不良現象，本發明的目的在於能夠容易求出每個壓力下的流體的壓縮係數，從而大幅度提高由ROR系統等進行的流量測量精度。
即，本發明提供一種流體特性測量系統，其特徵在於，包括：具有固定容量的容器；流量控制器，連接成能夠以固定流量對所述容器導入或匯出流體；資訊處理裝置，在所述容器內的壓力不同的兩種狀況下，基於由所述流量控制器以相互相同的流量相對於所述容器導入或匯出流體時的所述容器內壓力的各時間變化，計算與所述流體的壓力對應的壓縮係數。
更具體地說，優選的是具有如下功能：所述資訊處理裝置根據所述壓力的時間變化和容器容量，分別假定計算將所述壓縮係數假定為不因壓力變化的固定值時所述各狀況下的流量，並且基於作為所述假定計算的流量的假定流量來計算所述壓縮係數。
在進行流體的壓縮係數測量時，為了能夠同時高精度地測量流量，優選的是，所述資訊處理裝置根據所述各狀況下的壓力和假定流量，求出這些壓力和假定流量的關係，根據該關係來計算所述容器內的壓力為0時的所述假定流量，並且將該壓力為0時的假定流量作為真實流量，基於該真實流量和所述容器內的壓力為規定值時的壓力的時間變化，計算所述壓縮係數。
按照以上述方式構成的本發明，由於能夠計算、測量與需要測量流量的氣體的壓力對應的壓縮係數，所以在利用ROR系統等的流量測量中，能夠高精度地補償由該壓縮係數產生的測量流量誤差。
參照附圖，對本發明的一個實施方式的流量測量系統100進行說明。
該流量測量系統100是所謂的ROR系統的一種，該ROR系統用作測量例如氣體（壓縮性流體）的流量的標準器，具有能夠測量作為所述氣體的特性的壓縮係數的功能。上述意思是指該流量測量系統100也是流體特性測量系統。
但是，如圖1所示，該流量測量系統100具有：固定容量的容器1；能夠以固定流量向該容器1導入氣體的流量控制器2；測量所述容器1內的壓力的壓力感測器3；測量同一容器1內的溫度的溫度感測器4；以及計算所述氣體的流量和壓縮係數的資訊處理裝置5等。
所述容器1是能夠成為真空的金屬製的室。在該容器1上設置有氣體的導入口1a和匯出口1b。在所述導入口1a上通過第一開關閥61連接有流量控制器2，在所述匯出口1b通過第二開關閥62連接有吸引泵7。此外，在該容器1上安裝有未圖示的溫度調節機構，將其溫度保持為固定。由所述溫度感測器4測量該溫度。
所述流量控制器2能夠使氣體以固定的質量流量流動，可以例舉的是能夠使質量流量固定的回饋式質量流量控制器。此外，也可以是臨界節流孔式恒定流量器等。在此使用在ROR系統中經常被利用的特定標準器。
所述資訊處理裝置5是電子電路，其具有CPU、記憶體、A/D-D/A轉換器、輸入輸出裝置和驅動器等。並且，通過基於在所述記憶體中存儲的程式、CPU及其周邊設備協作，如圖2所示該資訊處理裝置5發揮作為流量計算部51、壓縮係數計算部52、壓縮係數存儲部53和設備控制部54等的功能。
接著，與該流量測量系統100的動作說明一起詳細說明上述各部分。
首先，操作者利用未圖示的輸入裝置或通信裝置，向所述資訊處理裝置5輸入成為流量測量物件的氣體的種類，此後，使測量開始。此時，氣體的種類存儲在所述記憶體的規定區域內。
由此，所述設備控制部54在關閉第一開關閥61的狀態下打開第二開關閥62，從而使所述吸引泵7動作。由此，容器1內的壓力下降。
該設備控制部54監測來自壓力感測器3的測量壓力資料，容器1內的壓力為0、即容器1內成為真空時關閉第二開關閥62，此後，使吸引泵7停止。
接著，設備控制部54使所述流量控制器2動作，並且打開第一開關閥61。由此，控制成固定質量流量（但流量值未知）的流體流入容器1內，容器1內的壓力上升。
在這種狀態下，流量計算部51基於使壓縮係數固定時的氣體的狀態方程式，假定性地計算在流量控制器2中流動的氣體的流量Qtmp 。該假定性的流量以下稱為假定流量Qtmp 。
其步驟如下所述。
氣體的狀態方程式如以下公式（數1）所示。
[數1]
P是容器1內的壓力，V是容器1的容量，n是物質的量（氣體的質量），R是氣體常數，T是容器1內的溫度。
Z是氣體的壓縮係數，在此是與壓力無關的固定值，更具體地說將氣體看作理想氣體時Z=1。
如果將所述公式（數1）加以時間微分，則為
[數2]
V和R已知，是預先存儲在記憶體內的值。此外，T是由溫度感測器4取得的固定值，Z是1。
因此，所述流量計算部51在上述值的基礎上，通過將由壓力感測器3檢測的測量壓力的時間變化dP/dt代入式（數2）、或者是進行與其等效的計算來計算假定流量Qtmp 。
另外，根據以微小時間間隔取樣測量的壓力的變化來計算測量壓力的時間變化。
如果對每個壓力進行繪圖，則該假定流量Qtmp 與壓力對應而變化。這是因為氣體的壓縮係數實際上並不固定而與壓力對應變化。
更具體地說，在大部分的氣體中，假定流量Qtmp 在某一壓力（例如760Torr以下）下與壓力成線性關係。例如氣體是C4 F8 時如圖3所示。這是本發明人最先發現的。
利用上述關係，在上述實施方式中，流量計算部51分別求出任意或預先確定的、壓力不同的兩種狀況下的假定流量。
但是，由於如果流量固定則如上所述壓力和假定流量為線性關係，所以流量計算部51根據壓力不同的至少兩種狀況下的假定流量，求出壓力和假定流量的關係式（一次式，圖3的式A）。
並且，該流量計算部51根據上述關係式，計算壓力為0時的假定流量。
由於壓力為0時，全部氣體與理想氣體相同，壓縮係數為1，所以由流量計算部51計算的壓力為0時的假定流量Qtmp （圖3中198.54sccm）與實際流量Q相等。
因此，流量計算部51將壓力為0時的假定流量Qtmp 作為真實流量Q存儲在記憶體的規定區域中。
由此，在流量計算部51計算氣體的流量Q之後，所述壓縮係數計算部52按以下的步驟計算該氣體的壓縮係數。
氣體的狀態方程式是上述的式（數1）。
但是，由於壓縮係數Z因壓力和溫度而變動，所以如果進行維里展開，則表示為以下的公式。
[數3]
B、C・・・是維里係數，是溫度的函數，但是在此由於溫度固定，所以是常數。
壓力P=0時，Z=1，如果壓力上升，則對P的高次項的貢獻變大，但如上所述，在此由於將較低的壓力作為目標，所以可以忽視二次以上的項，由此，壓縮係數Z表示如下。
[數4]
如果將式（數4）代入式（數1）並進行時間微分，則流量Q表示如下。
[數5]
另一方面，由於如果利用二項式定理對1/Z2 進行展開，並且忽視其二次以上的項，則表示為1/Z2 =1-2Z，所以式（數5）可以進一步表示如下。
[數6]
如果對該式（數6）進行變形，則成為下式。
[數7]
壓縮係數計算部52利用上述式（數7）或進行與其等效的計算來求出維里係數B，並且計算出表示為所述式（數4）的依存於壓力的壓縮係數Z。
更具體地說，V、R、T已知，所述流量計算部51計算出Q。因此，壓縮係數計算部52通過從壓力感測器3取得某一時點的測量壓力Pt（Pt是0以外的值），並且計算該時點的壓力上升率Pt’，來計算所述維里係數B。並且，將該維里係數B代入式（數4），求出作為壓力的函數的壓縮係數Z。
另外，壓縮係數計算部52計算維里係數時，雖然如上所述必須取得某一時點的測量壓力Pt和該時點的壓力上升率Pt’，但是由於可以採用所述流量計算部51計算假定流量時測量的兩種狀況中的一種狀況的壓力和壓力上升率，所以不需要在壓縮係數的計算時再次進行壓力測量。
如此由壓縮係數計算部52計算的維里係數B和/或壓縮係數Z如圖4所示，與此時的溫度和氣體的種類成對並存儲在壓縮係數存儲部53中。
此後，在流量計算部51測量同種類的氣體的流量時，以將溫度保持為同一溫度為條件，通過將存儲在所述壓縮係數存儲部53中的壓縮係數或維里係數代入式（數6）或者是進行與其等效的計算，來計算流量。
但是，按照這種構成，由於能夠高精度地計算用於測量流量的氣體的壓縮係數，所以在像該流量測量系統100那樣的ROR系統的流量測量中，能夠可靠地補償由該壓縮係數產生的測量流量誤差。
此外，就壓縮係數而言，即使是未知的氣體，由於在由流量測量系統100進行的最初的流量測量時，與此並行進行基於軟體的壓縮係數的計算、測量，所以不需要用於計算壓縮係數的特別的設備，並且也不需要為此花費大量的精力和時間。
另外，本發明並不限定於所述實施方式。
例如，在某一規定壓力（和溫度）下的壓縮係數已知的氣體的情況下，流量測量部測量所述規定壓力下的壓力上升率。並且，將把該值代入式（數2）而求出的假定流量Qtmp 作為真實流量Q。此後的求出壓縮係數的步驟相同。
在這種情況下，只要在流量測量時測量所述規定壓力下的壓力上升率，則不需要測量兩種壓力下的壓力上升率，就能夠求出壓縮係數。
此外，在所述實施方式中，持續以固定流量向容器1內導入氣體，但是僅在（用於測量壓力的時間變化的）容器1內的壓力不同的兩種狀況下氣體的導入流量相同即可，其他時刻的流量可以不同。
另外，設備控制部54由於以容器1內的壓力為真空（極端低壓）的狀態開始使流體向容器1內流入，因此在流體開始向容器1內流入之後假定流量Qtmp 馬上變得不穩定，會有假定流量Qtmp 和壓力的線性關係不被保持的情況。即便是這種情況，是在容器1內的壓力不同的兩種狀況下，基於在氣體向容器1的導入流量相等的時刻測量的假定流量Qtmp 和壓力的關係，可以求出假定流量Qtmp 和壓力的關係式（一次式）。
此外，如圖5所示，可以將流量控制器2連接在容器1的匯出口1b上，基於以固定流量從容器1匯出氣體時的該容器內壓力的時間變化，計算與氣體的壓力對應的壓縮係數。
此外，只要不違反本發明宗旨，可以對本發明進行各種變形和實施方式的組合。
1‧‧‧容器
1a‧‧‧導入口
1b‧‧‧匯出口
2‧‧‧流量控制器
3‧‧‧壓力感測器
4‧‧‧溫度感測器
5‧‧‧資訊處理裝置
7‧‧‧吸引泵
51‧‧‧流量計算部
52‧‧‧壓縮係數計算部
53‧‧‧壓縮係數存儲部
54‧‧‧設備控制部
61‧‧‧第一開關閥
62‧‧‧第二開關閥
100‧‧‧流量測量系統
圖1是表示本發明的一個實施方式的流量測量系統的整體的示意圖。 圖2是表示同一實施方式的控制裝置的功能框圖。 圖3是表示對C4F8進行測量時的假定流量與壓力的關係的圖。 圖4是表示在壓縮係數存儲部中存儲的氣體的種類、溫度、維里係數的表。 圖5是表示本發明的其他實施方式的流量測量系統的整體的示意圖。

Claims (5)

  1. 一種流體特性測量系統，其特徵在於，包括： 具有固定一容量的一容器； 一流量控制器，連接成能夠以固定一流量對所述容器導入或匯出一流體；以及 一資訊處理裝置，在所述容器內的壓力不同的兩種狀況下，基於由所述流量控制器以相互相同的所述流量相對於該容器導入或匯出所述流體時所述容器內一壓力的各時間變化，計算與所述流體的壓力對應的一壓縮係數。
  2. 如請求項1所述的流體特性測量系統，其特徵在於： 所述資訊處理裝置根據所述壓力的時間變化和所述容器的所述容量，分別對所述壓縮係數假定為不因壓力而變化的一固定值時的所述各狀況下的一流量進行一假定計算， 所述資訊處理裝置基於作為所述假定計算的所述流量的一假定流量來計算所述壓縮係數。
  3. 如請求項2所述的流體特性測量系統，其特徵在於： 所述資訊處理裝置根據所述各狀況下的一壓力和所述假定流量，求出所述壓力和所述假定流量的一關係； 所述資訊處理裝置根據所述關係計算所述容器內的所述壓力為0時的所述假定流量，並且將所述壓力為0時的所述假定流量作為一真實流量；以及 所述資訊處理裝置基於所述真實流量和所述容器內的所述壓力為一規定值時的一壓力的時間變化來計算所述壓縮係數。
  4. 一種存儲有流體特性測量系統用程式的程式存儲介質，所述流體特性測量系統用程式安裝在一流體特性測量系統中，所述流體特性測量系統包括：具有固定一容量的一容器；一流量控制器，連接成能夠以固定一流量對所述容器導入或匯出一流體；以及一資訊處理裝置； 存儲有所述流體特性測量系統用程式的所述程式存儲介質的特徵在於： 使所述資訊處理裝置發揮如下功能：在所述容器內的一壓力不同的兩種狀況下，基於由所述流量控制器以相互相同的所述流量相對於所述容器導入或匯出一流體時的所述容器內一壓力的時間變化，計算與所述流體的所述壓力對應的一壓縮係數。
  5. 一種流體特性測量方法，基於相對於固定一容量的一容器導入或匯出一流體時的一壓力來測量作為所述流體的特性的一壓縮係數； 所述流體特性測量方法的特徵在於： 在所述容器內的所述壓力不同的兩種狀況下，基於以相互相同的所述流量相對於所述容器導入或匯出所述流體時的該容器內一壓力的時間變化，計算與所述流體的所述壓力對應的所述壓縮係數。
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