TW202024835A - 用於使用外部壓力觸發儀輸送脈衝氣體的方法和裝置 - Google Patents

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Abstract

用於流體的脈衝輸送的流體控制系統和相關方法包括關斷閥和在關斷閥上游的質量流量控制器(MFC)。MFC包括流動通道，控制流體在流動通道中的流動的控制閥，用於測量流動通道中的流量率的流量感測器，以及具有來自關斷閥的閥輸入的控制器，該閥輸入指示關斷閥的打開。控制器配置以響應閥輸入以控制通過控制閥的流體的流動，以啟動和終止從流動通道到關斷閥的流體脈衝，以控制在流體脈衝期間輸送的流體質量。閥輸入可以是壓力訊號，並且MFC可以包括壓力感測器以感測壓力訊號。

Description

用於使用外部壓力觸發儀輸送脈衝氣體的方法和裝置
本申請是2018年9月7日提交的美國申請No.16/124,669的延續。上述申請的全部教導通過引用併入本文。本發明係有關於用於使用外部壓力觸發儀輸送脈衝氣體的方法和裝置。
質量流量控制器(mass flow controller；MFC)是用於測量和控制液體和氣體的流量的裝置。通常，MFC包括入口、出口、質量流量感測器和比例控制閥，其被調節以實現期望的質量流量。
半導體製造處理，例如原子層沉積(atomic layer deposition；ALD)處理，可能涉及在幾個處理步驟中輸送各種數量的幾種不同的氣體和氣體混合物。通常，將氣體儲存在處理設施的槽中，並且使用氣體計量系統將計量的氣體從槽中輸送到處理工具，例如化學氣相沉積反應器、真空濺射機、電漿蝕刻機等。在氣體計量系統中或從氣體計量系統到處理工具的流路中包括閥門、壓力調節器、MFC、質量流量控制系統等閥門。
已經開發了脈衝氣體輸送裝置以將氣體的脈衝質量流輸送到半導體處理工具。
用於流體的脈衝輸送的流體控制系統包括關斷閥和在關斷閥上游的質量流量控制器(MFC)。MFC包括流動通道、控制流體在流動通道中的流動的控制閥、用於測量流動通道中的流量率的流量感測器以及具有指示關斷閥的打開的來自關斷閥的閥輸入的控制器。控制器配置以響應閥輸入以控制通過控制閥的流體的流動，以啟動和終止從流動通道到關斷閥的流體脈衝，以控制在流體脈衝期間輸送的流體質量。
MFC可以是基於壓力的MFC或熱MFC。控制閥較佳地是比例閥，其產生與控制輸入(例如，來自主機控制器的電子控制輸入)成比例的流量輸出。比例控制閥可用於控制通過閥孔的流體流動。MFC中使用的典型比例閥包括但不限於電磁閥和壓電閥。MFC的控制器可以根據在流體脈衝期間來自流量感測器的反饋來控制通過控制閥的流體流動。
位於MFC下游的關斷閥可以是快速響應的氣動控制閥。該閥可以是耦接至處理室和轉向管線的三通閥。關斷閥可以由主機控制器控制。
輸入到MFC的閥可以是壓力訊號，並且MFC可以包括壓力感測器以感測壓力訊號。壓力感測器可以經由分接頭接收到氣動管路中的壓力訊號，並在管路中打開和關閉關斷閥。通常，壓力感測器可以經由由主機控制器控制的氣動管線來接收壓力訊號。
在閥輸入是壓力訊號的情況下，MFC的控制器可以配置以將壓力訊號的上升邊緣轉換為觸發訊號，以開始脈衝氣體輸送。
MFC的控制器可以配置以從流動設定點QSP 和脈衝接通時段Δt 計算摩爾設定點nSP 。摩爾設定點n SP 是在流體脈衝期間待輸送的流體質量的目標量。脈衝接通時段Δt 可以是儲存在MFC中的內定值，並且可以從主機控制器接收流動設定點QSP 。MFC可以是可程式化的，以從儲存的內定值改變脈衝接通時段Δt 。
MFC的控制器可以配置以根據以下公式從流動設定點QSP 和脈衝接通時段Δt 計算摩爾設定點n SP ：
Figure 02_image001
控制器可以配置以基於在流體脈衝期間所輸送的流體的質量和/或脈衝接通時段Δt 的持續時間的計算來關閉控制閥。
例如，控制器可以被配置以確定輸送的流體的估計摩爾數作為i)測量的流量率、ii)流體脈衝的開始時間以及iii)流體脈衝的停止時間的函數。控制器可以基於在脈衝期間輸送的流體的估計摩爾數來控制通過控制閥的流量。
控制器可以配置以根據以下等式確定輸送的流體的實際摩爾數：
Figure 02_image003
其中，Δn 是在脈衝時段內輸送的實際摩爾數，Q 是流量感測器測得的流量，t 1 是脈衝的開始時間，t 2 是脈衝的停止時間。
一種輸送流體脈衝的方法，包括：以控制閥控制流體向流動通道的流動；以及用流量感測器測量流動通道中的流量率；接收來自控制閥下游的關斷閥的閥輸入，該閥輸入指示關斷閥的打開；響應閥輸入以控制通過控制閥的流體流動，以啟動和終止從流動通道到關斷閥的流體脈衝，以控制在流體脈衝期間輸送的流體質量。
可基於在流體脈衝期間來自流量感測器的反饋來控制通過控制閥的流體流動。
接收閥輸入可以包括感測經由分接頭接收到氣動管線中的壓力訊號，管線中的壓力打開和關閉關斷閥。
傳送流體脈衝的方法可以包括接收流動設定點Q SP ；從流量設定值Q SP 和脈衝接通時段Δt 計算摩爾設定值n SP ，該摩爾設定點n SP 是在流體脈衝期間待輸送的流體質量的目標量。輸送流體脈衝的方法可以進一步包括控制關斷閥的打開和關閉。
在一個實施例中，用於流體的脈衝輸送的質量流量控制器(MFC)包括流動通道、控制流動通道中的流體的流動之控制閥、測量流動通道中的流量率之流動感測器以及具有從控制閥下游的關斷閥輸入的閥輸入之控制器，該閥輸入指示該關斷閥的打開。控制器配置以響應閥輸入以控制通過控制閥的流體的流動，以啟動和終止從流動通道到關斷閥的流體脈衝，以控制在流體脈衝期間輸送的流體質量。
在一個實施例中，用於流體的脈衝輸送的質量流量控制器(MFC)包括流動通道，控制閥以控制流動通道中的流體的流動，流動感測器以測量流動通道中的流量率，控制器具有輸入，並且配置以從流動設定點Q SP 和脈衝接通時段Δt 計算摩爾設定點n SP 。控制器配置以響應於輸入以控制通過控制閥的流體的流動，以啟動和終止來自流動通道的流體的脈衝，以控制在流體的脈衝期間輸送的流體的質量，流體的脈衝終止於對計算出的摩爾設定點n SP 的響應。
在一個實施例中，一種輸送流體脈衝的方法包括：接收流動設定點Q SP ；從流動設定點Q SP 和脈衝接通時段Δt 計算摩爾設定點n SP ；控制流體向流量中的流動帶控制閥的通道，使用流量感測器測量流動通道中的流量率，並響應輸入以控制通過控制閥的流體流動，以啟動和終止來自流動通道的流體脈衝以控制流體量在流體脈衝期間輸送流體，響應於計算出的摩爾設定點n SP 終止流體脈衝。
在一個實施例中，用於流體的脈衝輸送的質量流量控制器(MFC)包括流動通道，控制流動通道中的流體的流動之控制閥，測量流動通道中的流量率之流動感測器，感測外部壓力訊號之壓力感測器以及控制器，該控制器配置以響應於外部壓力訊號，以基於來自流量感測器的反饋來控制通過控制閥的流體流動，以啟動和終止從流動通道的流體脈衝以控制在流體脈衝期間輸送的流體質量。
在一個實施例中，一種輸送流體脈衝的方法包括：利用控制閥控制流體向流動通道的流動；利用流量感測器測量流動通道中的流量率；感測外部壓力訊號；以及響應於外部壓力訊號基於來自流量感測器的反饋來控制通過控制閥的流體流動，以啟動和終止來自流動通道的流體脈衝，以控制在流體脈衝期間輸送的流體質量。
本發明的實施例可以包括以下特徵中的一個或多個：
(1)使用外部壓力作為觸發訊號來開始脈衝氣體的輸送；
(2)進入用於下游的正向關斷閥的現有氣動管線，並將壓力訊號引導至脈衝氣體輸送裝置(例如，脈衝MFC)中以進行脈衝輸送；
(3)將壓力上升/下降邊緣轉換成觸發訊號，以使脈衝氣體輸送裝置開始脈衝氣體輸送過程；
(4)使用流動設定點和脈衝接通持續時間來確定脈衝中的摩爾劑量設定點；
(5)認識到氣動下游閥的關閉以指示必須完成輸送過程的時間；和
(6)除了輸送細節之外，通過脈衝輸送裝置報告輸送成功或失敗。
在用於脈衝氣體輸送的現有方法中，質量流量控制器(MFC)在恆定流量模式下運行，主機控制器切換下游的三通閥，以將流量轉向到處理室和排料場脈衝線。該現有方法的缺點之一是，當在脈衝氣體輸送過程中將氣體轉向到排放管線中時，它浪費了昂貴的過程氣體。
與現有的脈衝氣體輸送方法相比，本發明的實施例具有多個優點。實施例包括具有外部壓力觸發器以控制流體脈衝的輸送的脈衝氣體輸送MFC的配置。外部壓力觸發器可以來自控制下游閥的氣動管路。因為脈衝MFC在脈衝傳送模式下運行並且使用反饋來估計傳送的氣體量，所以可以將脈衝中精確的摩爾摩爾量的氣體傳送到處理室中，從而最小化或消除了處理氣體的浪費。此外，在使用恆定流量和帶有排污管線的閥門來傳送氣體脈衝的現有處理工具上，典型地只有最小的升級變化。實施例可以提供一種脈衝氣體輸送解決方案，該解決方案可以用最少的軟體和硬體改變來改造成現有的處理工具。
還應當理解，所描述的實施例的各種特徵可以以各種方式組合以產生許多另外的實施例。而且，儘管已經描述了各種材料、尺寸、形狀、過程、訊號、流量感測器的類型、閥的類型等，以用於所公開的實施例，但是在不擴展本發明的範圍的情況下，可以利用除了所公開的那些之外的其他材料。
以下是示例實施例的描述。
流體控制系統以及相關的裝置和方法，用於例如以脈衝方式輸送流體。提供了半導體製造過程或化學過程中的處理氣體。流體控制系統包括質量流量控制器(MFC)和位於MFC下游的關斷閥。MFC的控制器配置以響應閥輸入，以控制通過MFC控制閥的流體流動，以啟動和終止從流動通道到關斷閥的一個或多個流體脈衝，以控制在輸送過程中輸送的流體質量流體的脈衝。
工業過程可能需要在將流體脈衝傳送到處理室的過程中要傳送期望摩爾數的流體。
“摩爾”是具有單位符號mol的國際單位制(International System；SI)中物質量的計量單位。“摩爾”定義為一種物質的數量或樣品，其包含與12克碳12(12C)中的原子數量一樣多的構成粒子，例如原子、分子、離子、電子或光子，具有標準原子量12的碳的同位素。該數字由Avogadro常數表示，其常數約為6.022140857×10^23mol-1。摩爾被廣泛用作表達反應物和化學反應產物數量的便捷方式。摩爾體積(符號Vm )是在給定的溫度和壓力下一摩爾物質所佔的體積。它等於摩爾質量(M)除以質量密度(ρ)。
用於脈衝氣體輸送的先前方法包括由主機控制器在MFC上打開和關閉氣流。另一種現有方法是通過測量體積壓力來使用充放電體積來輸送脈衝。這些先前已知的方法的缺點包括施加在主機控制器上的高工作負荷，該主機控制器必須計算和調整流量以輸送所需的氣體量。隨著脈衝寬度變短，主機控制器與MFC之間的通訊跳動會以可重複性和準確性的形式降低脈衝氣體輸送的性能。脈衝形狀對於現有的脈衝MFC而言不是理想的，特別是對於傾向於具有長尾巴的基於壓力的脈衝MFC而言(例如，參見圖6和相關描述)。
圖1示出了現有的脈衝氣體輸送系統100，其使用熱的質量流量控制器(MFC)110、主機控制器120和連接至轉向管線和處理室的三通閥130。主機控制器120指示MFC 110從氣體源提供恆定的氣體流量率，並基於期望的脈衝持續時間啟動三通閥130以將流切換至處理室或轉向管線。系統100不使用關於實際將多少氣體輸送到處理室的反饋。諸如系統100之類的脈衝氣體輸送系統的缺點是脈衝精度和重複性取決於關斷閥(例如三通閥130)。此外，這種系統中的MFC總是在進行流動氣體，浪費了通過轉向管線的處理氣體，這是不希望的，因為處理氣體可以是很昂貴。
圖2A示出了採用快速響應的熱的MFC 210，例如基於微機電系統(microelectromechanical system；MEMS)技術的熱的MFC的現有脈衝氣體輸送系統200。主機控制器220使用標準流量率控制直接控制脈衝輸送。標準流量控制模式可以包括以下處理步驟： a)   為了啟動流量，主機控制器在所需的脈衝開始時間(t1 )發送流動設定點Q 。 b)   為了停止流量，主機控制器在所需的停止時間(t2 )發送一個零(“0”)流動設定點。 c)   從時間(t3 )開始，重複上述“n”次以獲得所需的脈衝數。
圖2B是示出使用圖2A的系統200的期望流量(“設定點”)和實際流量(“流量”)的示例的圖。在標準速率控制模式下為2A。
圖2A-2B所示的現有方法存在若干缺點。MFC顯示了快速控制(例如，＜500毫秒)，但是對於某些原子層沉積(atomic layer deposition；ALD)和直通矽通孔(through-silicon via；TSV)處理要求，它可能不夠快。MFC會響應設定點，但不會針對初始氣體斜升到設定點進行調整。輸送僅基於時間。沒有反饋實際輸送的氣體量。此外，主機控制器220和MFC 210之間的數位通訊“跳動”會影響脈衝輸送的可重複性。並且，快速但基於MEMS技術的熱MFC可與腐蝕性氣體不相容。
圖3A示出了使用基於壓力體積的脈衝氣體輸送的現有脈衝氣體輸送裝置300。基於壓力體積的摩爾測量技術在本領域中是已知的，並且利用引入已知體積的氣體的壓力(P)對時間(t)的響應305，如圖3B所示。裝置300包括提供已知體積的腔室350、位於腔室350的上游(“Vin”)的閥340和位於腔室350的下游(“Vout”)的閥345。還提供了定位於在腔室350和溫度感測器360的壓力感測器365。
最初，可通過打開上游閥340而關閉下游閥345而對裝置300進行充注，在下游閥345被關閉的同時，允許氣體流(Qi )在一段時間內進入裝置以填充腔室350(“充注”時段Δt=(t1 -t0 )，圖3B)並且發生壓力變化。在時間t1 和壓力P2 ，上游閥340被關閉(“Vin關閉”)。然後，該處理包括時段(t2 -t1 )，其中腔室350中的氣體被允許穩定至設定點。在該時段期間，例如通過壓力感測器365和溫度感測器360獲得壓力和溫度測量值。在下游閥345被打開時(圖3B的時間t2 處的“Vout OPEN”)，氣流(Qo )離開裝置300，直到閥345再次被關閉(在時間t4 處“Vout CLOSE”)，並在一段時間內將氣體脈衝，壓力變化(ΔP=P1 -P2 )從裝置輸送到處理工具(“輸送”期間Δt=t4 -t2 ,)。
基於壓力-體積的摩爾測量方法和裝置進一步描述於美國專利申請號13/626,432(2014年3月27日以 US 2014/0083514A1公開，現在以美國專利號 10,031,005 B2的形式發布)，其全部內容通過引用併入本文。在2016年5月24日授予Ding等人的美國專利9,348,339 B2中描述了採用流量的多通道脈衝氣體輸送，該流量基於輸送室內的壓降確定，該專利的全部內容通過引用併入本文。用於快速脈衝氣體輸送的系統和方法的其他示例在2015年4月7日授權給Ding的美國專利號8,997,686 B2和2018年7月24日授權給Ding的美國專利號10,031,531 B2中進行了描述，其全部內容其通過引用併入本文。
圖3B所示的脈衝氣體輸送可以通過執行輸送配方的裝置300的控制器上的程式來實現。通過觸發訊號例如來自主機控制器的控制訊號來啟動脈衝傳送。可以基於理想氣體定律的原理，Δn =(ΔP*V)/(R*T)估算輸送的氣體。
圖3A-圖3B中示出的方法有幾個限制。脈衝輸送的準確性和可重複性取決於下游關斷閥的速度和可靠性。期望具有快速響應時間的關斷閥。然而，如果閥門老化，則可能需要進行自適應調節，這會增加複雜性，或者可能需要更換閥門，這典型地需要中斷處理。通常，脈衝形狀(例如，脈衝寬度)不符合要求，或者脈衝與所需的方波不充分匹配。此外，向腔室350充一定體積的氣體之需要需求時間。每個脈衝之前的充氣時間和穩定時間限制了快速的氣體輸送循環時間。
然而，基於壓力-體積的摩爾測量技術的優點在於，可以在不知道要測量的特定氣體或氣體混合物的情況下應用它們。氣體流量率取決於腔室容積的質量平衡和理想氣體定律的應用，它與氣體無關，取決於壓力(P)、溫度(T)和體積(V)的三個狀態變量)以特徵化被測氣體的行為。
圖4示出了採用由理想方形流動設定點(Q)與輸送時間(Δt)的乘積所限定的氣體劑量的脈衝輸送。氣體輸送週期400可以由“脈衝接通”時段(t2 -t1 )、“脈衝斷開”時段(t3 -t2 )、氣體劑量(例如，每個脈衝的氣體摩爾數)以及每個週期的脈衝數。對於脈衝輸送，氣體摩爾劑量可以定義為：理想流動設定點(Q)x輸送時間(Δt=t2 -t1 )，或更精確地由公式2表示。
如圖4中所示，流動的階梯函數輸送是理想的，但由於實際的感測器和閥時間常數而是不切實際的。對於實際應用，在要求的時間範圍內劑量的準確性和可重複性是關鍵目標。因此，期望準確且可重複地輸送氣體。為此，可以使用MFC的計算功能來計算和調整流量率，以在指定的時間內輸送所需的氣體量。MFC可以配置以計算實際輸送的氣體劑量並將其調整為目標脈衝氣體劑量。MFC可以保持流量曲線下的面積，即Q xΔt 或方程2所提供的面積。
圖5示出了用於氣體的脈衝輸送的現有系統500。系統500包括配置用於脈衝輸送的基於壓力的MFC 510。主機控制器520與MFC 510通訊，例如，以向MFC 510提供與期望的脈衝輸送資訊有關的資訊，例如脈衝摩爾設定點、脈衝接通時段、脈衝斷開時段以及重複脈衝的數量到MFC510。為了要啟動輸送週期，主機控制器520將觸發訊號發送到MFC510。MFC510包括控制閥580(例如，比例控制閥)以控制流體從氣體源到流動通道515的流動。MFC 510的控制器505配置以控制通過控制閥580的流體的流量，以在流體的脈衝期間控制輸送到處理室的流體。控制器505基於來自流量感測器525的反饋來控制通過控制閥580的流體的流量，流量感測器525被提供來測量流動通道中的流量率(Q)。流量感測器525包括在流量通道515內的限流器570以及分別的上游壓力感測器555和下游壓力感測器565。控制閥580在限流器570和該等壓力感測器的上游。
可以根據等式2計算脈衝氣體的輸送量，此處重現：
Figure 02_image005
其中，Δn 是以摩爾計的輸送氣體，Q 是流量感測器測得的流量，t1 是脈衝的開始時間，t2 是脈衝的結束時間。
在Junhua Ding等人的題為“快速脈衝氣體輸送的系統和方法”的國際專利公開號WO 2012/116281 A1中進一步描述了基於壓力的脈衝MFC氣體的輸送，其全部內容為通過引用併入本文。
脈衝質量流量輸送系統的其他示例可以在2014年3月13日以Michael Jun Ding，Michael L'Bassi和Tseng-Chung-Lee的名義提交的，標題為“快速脈衝氣體輸送的系統和方法”的美國專利申請14/209,216中找到，公開號為US 2014/0190571 A1，通過引用將其全部內容併入本文。
現有方法要求主機控制器向脈衝MFC發送數位或模擬觸發訊號，以便開始脈衝氣體輸送過程。使用者可能難以利用現有方法的脈衝MFC來改造現有的處理工具，因為這樣做需要軟體和硬體的改變。
圖6示出了使用圖5的系統500的脈衝輸送的曲線圖。針對疊加在理想脈衝形狀602上的實際脈衝形狀604，將流量率繪製為時間的函數。理想脈衝具有300ms的脈衝寬度。曲線下的面積代表所輸送氣體的摩爾數。在實際輸送的脈衝中存在較大的瞬態響應(例如，尾部)，這可以歸因於感測器(例如，下游壓力感測器565)與控制閥580之間的容積。當控制閥580關閉時，當終止脈衝時，在流動通道515中的氣體繼續從MFC流動。任何殘留的氣體都可以通過下游的關斷閥轉向到轉向管線(見圖1)，以避免氣體流向處理室。
如果待輸送的脈衝的持續時間相對較長，則瞬變流動可以不是那麼重要。然而，如果脈衝短，則瞬變流動可能會成問題。MFC通常在穩態下進行校準。然而，MFC控制閥的瞬態響應可以因閥而異。
圖7A是用於流體的脈衝輸送的流體控制系統700A的示意圖。系統700A包括具有來自下游閥130的閥輸入712A的脈衝MFC裝置710。閥130可以是通常用於原子層沉積(atomic layer deposition；ALD)處理中的快速響應的氣動關斷閥(也稱為“ALD閥”)。MFC裝置710控制從氣體源通過流動通道到下游閥130的流體的流動，在此示出為三通隔離閥。來自關斷閥130的閥輸入712A指示關斷閥的打開。在三通閥的情況下，打開可以意味著允許流體流通過一個閥出口，例如流向處理室，但不允許通過另一閥出口，例如流向轉向管線。MFC裝置710中的控制器配置以響應閥輸入712A以控制通過MFC的控制閥的流體的流動，以啟動和終止從流動通道到關斷閥130的流體脈衝，其在打開狀態中允許流體輸送到處理室，以控制在流體脈衝期間輸送的流體質量。閥130的打開和關閉由主機控制器120經由控制訊號714A控制到閥130。控制訊號714A可以是電控制訊號。閥130的控制可以經由中間控制閥和氣動控制管線來進行，如例如圖7B所示。MFC裝置710與主機控制器120通訊以協調流體輸送過程。典型地，如本文所述，MFC裝置710從主機控制器120接收流動設定點QSP 。
MFC裝置的控制器可以配置以從流動設定點QSP 和脈衝接通時段Δt計算摩爾設定點nSP ，該摩爾設定點nSP 是在期間輸送的流體的目標量流體的脈衝。脈衝接通時段Δt 可以是儲存在MFC中的內定值，並且可以從主機控制器接收流動設定點QSP 。MFC可以是可程式化的，以從儲存的內定值改變脈衝接通時段Δt 。
圖7B是用於脈衝輸送流體的流體控制系統700B的示意圖。與系統700A中一樣，脈衝MFC裝置710帶有閥輸入，其在系統700B中是壓力訊號輸入712B，該壓力訊號輸入712B經由分接頭接收到下游控制閥130的氣動控制管線中。氣動控制管線中的壓力打開和關閉。在操作中，主機控制器120將控制訊號714B發送到氣動控制閥716，以觸發氣動控制閥將例如100 PSI的壓力輸送給下游閥130持續一段時間。典型地，持續時間對應於用於輸送流體脈衝的期望的脈衝接通時段。主機控制器120可以控制具有多個氣動控制閥，例如50-60個閥的氣動分配板。在圖7B中，為簡單起見僅示出了一個氣動控制閥716，但是應當理解，作為氣動分配板的一部分可以存在附加的閥。
圖7C是用於流體的脈衝輸送的流體控制系統700C的示意圖。如在系統700B中那樣，主機控制器120控制下游閥130的打開和關閉，並且脈衝MFC裝置710被提供有外部壓力訊號輸入以觸發脈衝輸送。在系統700C中，MFC裝置710經由氣動管線從由主機控制器120控制的控制閥718接收壓力訊號輸入712C。到氣動控制閥718的控制訊號714C觸發氣動控制閥718以使壓力例如100 PSI通過到脈衝MFC裝置710。MFC 710的壓力感測器感應到壓力訊號，該壓力訊號觸發脈衝MFC裝置710的脈衝輸送。控制訊號714C從主機控制器120到氣動控制閥716觸發氣動控制閥716以將例如100PSI的壓力輸送至下游閥130以致動該閥。通常，可以經由來自主機控制器的一個或多個控制訊號714C來控制氣動控制閥716和閥718。例如，閥716和閥718可以經由共同的控制訊號714C被同時控制。如前所述，氣動控制閥716和閥718可以是氣動分配板的一部分。
除了如圖7A-7C所示的實施例之外，可以實現某種其他方式來感測ALD閥的狀態。例如，ALD閥上的位置開關可提供ALD狀態的反饋，以允許MFC感測到ALD閥已打開。
圖8是系統800的實施例的示意圖，該系統800包括脈衝MFC裝置810，該脈衝MFC裝置810包括用於感測外部壓力訊號的壓力感測器890。下游ALD閥的氣壓變化(見圖1、圖7A、圖7B)用於觸發脈衝氣體輸送裝置810上的脈衝輸送。壓力感測器890被添加到脈衝氣體輸送裝置，配置以檢測下游ALD閥的氣動控制壓力變化。壓力感測器890可以內置到MFC裝置中並且可操作地連接至MFC控制器805，以感測經由氣動管線892饋入MFC裝置所接收的外部壓力訊號。裝置810配置以與主機控制器820通訊以接收流動設定點。可以在裝置810上以內定值預先配置用於脈衝傳送的脈衝接通時段(以秒為單位的∆t )，但是亦可以通過網路瀏覽器界面或某種其他合適的方法將其重新配置以另一個值。流量設定值Q SP (以sccm為單位)可用於根據等式1計算摩爾劑量設定點nSP (以微摩爾為單位)，複製如下：
Figure 02_image007
其中，∆t 是(預配置的)脈衝接通時段，而0.744是單位轉換因子。
MFC 810包括控制閥880(例如，比例控制閥)，以控制從氣體源到流動通道815的流體流動。MFC 810的控制器805配置以控制通過流體的流量。控制閥880在流體脈衝期間控制輸送到處理室的流體。控制器805基於來自流量感測器825的反饋來控制通過控制閥880的流體的流量，該反饋被提供來測量流動通道中的流量率(Q)。流量感測器825包括分別在流動通道815內的限流器870以及上游壓力感測器855和下游壓力感測器865。控制閥880在限流器870和該等壓力感測器的上游。與(圖5)系統500中的主機控制器520不同，系統800的主機控制器820不需要向MFC 810發送觸發訊號來啟動脈衝傳送週期。MFC 810的觸發訊號來自閥門輸入，例如壓力感測器890感測到的壓力訊號。
當氣動壓力在用於打開下游ALD閥的上升邊緣上的預定閾值之上時，可以檢測到脈衝氣體輸送觸發訊號。示例性的氣動控制壓力訊號在圖9中的904示出。
圖7A、圖7B和圖8中所示的流體輸送系統包括：圖7A，7B和8可以提供一種脈衝氣體輸送解決方案，該解決方案可以用最少的軟體和硬體改變來改造成現有的處理工具(見圖1)。例如，主機控制器不需要配置以向MFC發送觸發訊號以開始脈衝輸送。
具有某些下游閥的多脈衝MFC可以被安排用於多工，如某些過程所需要的。
流體輸送系統還可以使用脈衝MFC沖洗系統，例如流動通道或處理室。為了進行沖洗，MFC在正常MFC模式下運行，並且閥打開命令被發送到MFC，從而導致控制閥最大打開。
使用基於摩爾的脈衝輸送，MFC 810控制並根據需要調節控制閥880的流動設定點以及可選的實際脈衝接通時間，以控制隨每個脈衝輸送的摩爾數。基於這些參數，MFC 810會按照精確的時序自動發送一個或多個流量脈衝，每個脈衝在MFC開啟的每個總脈衝時段的一部分期間輸送Δn 摩爾，並關閉MFC的其餘部分總的脈衝開關時段(Ttotal )。在脈衝輸送期間，MFC 810基於在脈衝期間輸送的估計摩爾數的反饋，自動調整控制閥880的流動設定點(Qsp )，以便在目標脈衝接通時段內精確輸送所需的摩爾數(Ton )每個脈衝。
如本領域中已知的，通過通道的限流器的流量(Q )可以表示為限流器的上游和下游壓力(Pu 和Pd )的函數(即，緊鄰壓力)限流器)，流經限流器(A )的流路橫截面以及氣體特性，例如比熱比和分子重量MW ，其計算公式如下：
Figure 02_image009
該函數可以通過經驗數據或實驗獲得。在使用流量噴嘴作為限流器的情況下，可以使用以下公式：
Figure 02_image011
其中C是限流器的排放係數，R是通用氣體常數，T是氣體溫度。
可使用其他限流器和描述通過這些限流器的質量流量的相應方程式，並且它們在本領域中是已知的。
雖然圖8示出了用於脈衝氣體輸送的基於壓力的MFC，該MFC也可以是熱MFC。對於熱MFC，流量感測器是一種熱流量感測器，可測量通過MFC的流量。
具有外部隔離閥的現有系統，如圖1所示，可以用改善的脈衝MFC進行修整，例如MFC 710或MFC 810(圖7A、圖7B、圖8)，使用本文所述的方法以響應於來自下游隔離閥的輸入來控制通過控制閥的流量，以提供改善的脈衝輸送。改善的脈衝MFC不會像標準MFC中那樣簡單地控制隨時間的流量，而是以摩爾水平計算脈衝過程中輸送的流體質量。主機控制器只需指定流動設定點並控制下游關斷閥的打開/關閉即可。MFC可以基於流動設定點和脈衝接通時間來計算每個脈衝待輸送的摩爾數。主機控制器可以但不必指定每個脈衝待輸送的摩爾數以及其他所需的過程參數。MFC在本地控制脈衝傳送週期。在這種情況下，控制閥是基於實際輸送的摩爾數的計算來控制的，而不是僅僅基於時間。實際輸送的摩爾數的計算應足夠快，控制訊號應足夠快以關閉隔離閥以終止脈衝。這表明計算應被MFC局部地完成。
本發明實施例的操作或功能可以包括：
(1)將壓力感測器集成到脈搏氣體輸送裝置中，該壓力感測器感測外部壓力；
(2)從打開/關閉外部閥的氣動管線中汲取外部壓力；或
(3)外部壓力可以直接來自由主機控制器控制的氣動管線；
(4)將外部壓力的上升/下降邊緣轉換成用於開始脈衝氣體輸送的觸發訊號；
(5)通過預定的壓力閾值檢測外部壓力的上升/下降邊緣；
(6)一個脈衝中的一個脈衝中的摩爾劑量設定值(nSP )可以根據等式1由流量設定值(QSP )和脈衝接通時段(Δt)確定。
圖9示出了使用下游閥的氣壓使用脈衝MFC來觸發脈衝氣體輸送的初始測試結果。由MFC報告的測得的流量率902被繪製為時間的函數。還繪製了由MFC的壓力感測器感測到的下游ALD閥的壓力904。在906，響應於指示下游閥原因打開的壓力訊號904中的階躍而打開MFC的控制閥。高於閾值的壓力增加是用於MFC打開控制閥的觸發器910。在908，控制閥被關閉，導致MFC報告的流量904迅速返回零。由於MFC根據測量的流量控制流量，因此脈衝輸送不受下游閥門瞬態變化的影響。
圖9所示的初始結果證明了具有外部(壓力)輸入的脈衝MFC裝置按預期執行，響應於外部輸入而啟動和終止流體脈衝。脈衝氣體的輸送精度足夠好，實現了所需摩爾量的輸送。此外，脈衝氣體的輸送可以在容許的下游ALD閥的開閉期間內完成。
圖10是輸送流體脈衝的方法的實施例的流程圖1000。在1010，主機控制器將流動設定點QSP 發送到脈衝MFC。脈衝接通時段∆t 在MFC上預先配置。在1020，例如根據等式1，由基於流動設定點QSP 和脈衝接通時段∆t 的脈衝MFC確定以摩爾為單位的氣體劑量設定點。在1030，主機控制器控制下游閥的打開和關閉以傳送氣體脈衝，其中閥門由主機控制器控制的氣動管路致動。在1040，通過脈衝MFC感測下游閥的氣動管線中的壓力變化，該脈衝MFC被分接到氣動管線中。在1050，如果感測到的壓力高於預定值，則脈衝MFC開始傳送氣體脈衝。在1060，脈衝MFC在脈衝輸送期間調節流動設定點，以達到目標摩爾設定點nSP ，並在脈衝接通時段∆t 內完成輸送。
本文引用的所有專利、公開的申請和參考文獻的教導通過引用整體併入本文。
雖然已經具體地示出和描述了示例實施例，但是本領域技術人員將理解，可以在不脫離所附申請專利範圍所涵蓋的實施例的範圍的情況下在形式和細節上進行各種改變。
100:系統 110:質量流量控制器(MFC) 120:主機控制器 130:三通閥 200:熱的MFC 210:系統 220:主機控制器 300:裝置 305:壓力(P)對時間(t)的響應 340:閥 345:閥 350:腔室 360:溫度感測器 365:壓力感測器 500:系統 505:控制器 510:MFC 515:流動通道 520:主機控制器 525:流量感測器 570:上游壓力感測器 555:下游壓力感測器 565:限流器 580:控制閥 602:理想脈衝形狀 604:實際脈衝形狀 700A:系統 700B:系統 700C:系統 710:MFC裝置 712A:閥輸入 712B:壓力訊號輸入 712C:壓力訊號輸入 714A:控制訊號 714B:控制訊號 714C:控制訊號 716:閥 718:閥 800:系統 805:MFC控制器 810:MFC裝置 815:流動通道 820:主機控制器 825:流量感測器 855:上游壓力感測器 865:下游壓力感測器 870:限流器 880:控制閥 890:壓力感測器 892:氣動管線 902:流量率 904:壓力、壓力訊號 906:步驟 908:步驟 910:觸發器 1010:步驟 1020:步驟 1030:步驟 1040:步驟 1050:步驟 1060:步驟 Δt:脈衝接通時段QSP :流動設定點 n SP :摩爾設定點
通過以下對示例實施例的更具體描述，如圖式所示，前述內容將變得顯而易見，在圖式中，貫穿不同的視圖，相似的圖式標記指代相同的部分。圖式不一定按比例繪製，而是將重點放在說明實施例上。
圖1示出了使用質量流量控制器(MFC)、三通隔離閥和轉向管線的現有脈衝氣體輸送系統。
圖2A-2B示出了採用快速響應MFC的現有脈衝氣體輸送系統。
圖3A-3B示出了使用衰減脈衝輸送速率的現有脈衝氣體輸送系統。
圖4示出了採用由流動設定點(Q)和輸送時間(Δt)的乘積定義的氣體劑量的脈衝輸送。
圖5是現有的基於壓力的脈衝MFC裝置的示意圖。
圖6是示出使用如圖5所示的MFC裝置輸送的氣體脈衝的脈衝形狀的曲線圖。
圖7A是包括脈衝MFC裝置的流體輸送系統的示意圖，該脈衝MFC裝置具有來自下游關斷閥的閥輸入。
圖7B是包括脈衝MFC裝置的流體輸送系統的示意圖，該脈衝MFC裝置具有經由分接頭接收到到下游閥的氣動管線中的壓力訊號輸入。
圖7C是包括脈衝MFC裝置的流體輸送系統的示意圖，該脈衝MFC裝置具有經由由主機控制器控制的氣動管線接收的壓力訊號輸入。
圖8是包括用於感測外部壓力訊號的壓力感測器的脈衝MFC裝置的實施例的示意圖。
圖9示出了使用下游閥的氣壓來使用脈衝MFC來觸發脈衝氣體輸送。
圖10是輸送流體脈衝的方法的實施例的流程圖。
120:主機控制器
130:三通閥
700A:系統
710:MFC裝置
712A:閥輸入
714A:控制訊號

Claims (31)

  1. 一種用於流體的脈衝輸送的流體控制系統，該系統包含： 關斷閥；以及 該關斷閥上游的質量流量控制器(mass flow Controller ；MFC)，包括： 流動通道； 控制閥，用以控制在該流動通道中的流體流動； 流量感測器，用以測量該流動通道中的流量率；以及 控制器，具有來自該關斷閥的閥輸入，該閥輸入指示該關斷閥的打開，該控制器配置以響應該閥輸入以控制通過該控制閥的流體流動，以啟動和終止來自該流動通道到該關斷閥的流體脈衝，以控制在該流體脈衝期間輸送的流體質量。
  2. 根據申請專利範圍第1項之系統，其中該控制器基於在該流體脈衝期間來自該流量感測器的反饋來控制通過該控制閥的該流體流動。
  3. 根據申請專利範圍第1或2項之系統，其中該閥輸入是壓力訊號，並且其中該MFC包括壓力感測器以感測該壓力訊號。
  4. 根據申請專利範圍第3項之系統，其中該壓力感測器經由分接頭接收該壓力訊號到氣動管路中，該管路中的壓力打開和關閉該關斷閥。
  5. 根據申請專利範圍第3項之系統，其中該壓力感測器經由由主機控制器控制的氣動管線來接收該壓力訊號。
  6. 根據申請專利範圍第3項之系統，其中該控制器配置以將該壓力訊號的上升邊緣轉換成用於開始脈衝氣體輸送的觸發訊號。
  7. 根據申請專利範圍第1或2項之系統，其中該關斷閥由主機控制器控制。
  8. 根據申請專利範圍第1或2項之系統，其中該控制器配置以從流動設定點Q SP 和脈衝接通時段Δt 來計算摩爾設定點n SP ，該摩爾設定點n SP 是在該流體脈衝期間被輸送的該流體質量的目標量。
  9. 根據申請專利範圍第8項之系統，其中該脈衝接通時段Δt 是儲存在該MFC中的內定值，並且該流動設定點Q SP 被從主機控制器接收。
  10. 根據申請專利範圍第9項之系統，其中該MFC是可程式化的以從該儲存的內定值改變該脈衝接通時段Δt 。
  11. 根據申請專利範圍第8項之系統，其中該控制器配置以基於在該流體脈衝期間所輸送的該流體質量和/或該脈衝接通時段Δt 的持續時間的計算來關閉該控制閥。
  12. 根據申請專利範圍第1或2項之系統，其中該關斷閥是耦接至處理室和轉向管線的三通閥。
  13. 一種輸送流體脈衝的方法，該方法包含： 用控制閥控制進入流動通道的流體流動； 用流量感測器測量該流動通道中的流量率； 接收來自該控制閥下游的關斷閥的閥輸入，該閥輸入指示該關斷閥的打開；以及 響應該閥輸入以控制通過該控制閥的流體流動，以啟動和終止從該流動通道到該關斷閥的流體脈衝，以控制在該流體脈衝期間輸送的流體質量。
  14. 根據申請專利範圍第13項之方法，其中基於在該流體脈衝期間來自該流量感測器的反饋來控制通過該控制閥的該流體流動。
  15. 根據申請專利範圍第13或14項之方法，其中接收該閥輸入包括：感測經由分接頭接收壓力訊號到氣動管線中，該管線中的壓力打開和關閉該關斷閥。
  16. 根據申請專利範圍第13或14項之方法，更包含： 接收流動設定點Q SP ；以及 從流動設定點Q SP 和脈衝接通時段Δt 計算摩爾設定點n SP ，該摩爾設定點n SP 是在該流體脈衝期間待輸送的該流體質量的目標量。
  17. 根據申請專利範圍第13或14項之方法，更包含控制該關斷閥的打開和關閉。
  18. 一種用於流體的脈衝輸送的質量流量控制器(MFC)，該MFC包含： 流動通道； 控制閥，用以控制在該流動通道中的流體流動； 流量感測器，用以測量該流動通道中的流量率；以及 控制器，具有來自該控制閥下游的關斷閥的閥輸入，該閥輸入指示該關斷閥的打開，該控制器配置以響應該閥輸入以控制通過該控制閥的流體流動，以啟動和終止來自該流動通道到該關斷閥的流體脈衝，以控制在該流體脈衝期間輸送的流體質量。
  19. 根據申請專利範圍第18項之MFC，其中該控制器基於在該流體脈衝期間來自該流量感測器的反饋來控制通過該控制閥的該流體流動。
  20. 根據申請專利範圍第18或19項之MFC，其中該閥輸入是壓力訊號，並且其中該MFC包括壓力感測器以感測該壓力訊號。
  21. 根據申請專利範圍第20項之MFC，其中該壓力感測器經由分接頭接收壓力訊號到氣動管線中，該管線中的壓力打開和關閉該關斷閥。
  22. 根據申請專利範圍第20項之MFC，其中該壓力感測器經由由主機控制器控制的氣動管線來接收該壓力訊號。
  23. 根據申請專利範圍第20項之MFC，其中該控制器配置以將該壓力訊號的上升邊緣轉換成用於開始脈衝氣體輸送的觸發訊號。
  24. 根據申請專利範圍第18或19項之MFC，其中該控制器配置以從流動設定點Q SP 和脈衝接通時段Δt 來計算摩爾設定點n SP ，該摩爾設定點n SP 是在該流體脈衝期間被輸送的該流體質量的目標量。
  25. 根據申請專利範圍第24項之MFC，其中該脈衝接通時段Δt 是儲存在該MFC中的內定值，並且該流動設定點Q SP 被從主機控制器接收。
  26. 根據申請專利範圍第25項之MFC，其中該MFC是可程式化的以從該儲存的內定值改變該脈衝接通時段Δt 。
  27. 根據申請專利範圍第24項之MFC，其中該控制器配置以基於在該流體脈衝期間所輸送的該流體質量和/或該脈衝接通時段Δt 的持續時間的計算來關閉該控制閥。
  28. 一種用於流體的脈衝輸送的質量流量控制器(MFC)，該MFC包含： 流動通道； 控制閥，用以控制在該流動通道中的流體流動； 流量感測器，用以測量該流動通道中的流量率；以及 控制器，具有輸入，並配置以從流動設定點Q SP 和脈衝接通時段Δt 計算摩爾設定點n SP ，該控制器配置以響應該輸入以控制通過該控制閥的流體流動，以啟動和終止來自該流動通道的流體脈衝，以控制在該流體脈衝期間輸送的流體質量，該流體脈衝響應於該計算的摩爾設定點n SP 而被終止。
  29. 一種輸送流體脈衝的方法，該方法包含： 接收流動設定點Q SP ；以及 從流動設定點Q SP 和脈衝接通時段Δt 計算摩爾設定點n SP ； 用控制閥控制在流動通道中的流體流動； 用流量感測器測量該流動通道中的流量率；以及 響應輸入以控制通過該控制閥的流體流動，以啟動和終止來自該流動通道的流體脈衝，以控制在該流體脈衝期間輸送的流體質量，該流體脈衝響應於該計算的摩爾設定點n SP 而被終止。
  30. 一種用於流體的脈衝輸送的質量流量控制器(mass flow controller；MFC)，該MFC包含： 流動通道； 控制閥，用以控制在該流動通道中的流體流動； 流量感測器，用以測量該流動通道中的流量率； 壓力感測器，用以感測外部壓力訊號；以及 控制器，配置以響應於該外部壓力訊號，以基於來自該流量感測器的反饋來控制通過該控制閥的流體流動，以啟動和終止來自該流動通道的流體脈衝，以控制在該流體脈衝期間輸送的流體質量。
  31. 一種用於流體的脈衝輸送的方法，該方法包含： 用控制閥控制在該流動通道中的流體流動； 用流量感測器測量該流動通道中的流量率； 感測外部壓力訊號；以及 響應於該外部壓力訊號，以基於來自該流量感測器的反饋來控制通過該控制閥的流體流動，以啟動和終止來自該流動通道的流體脈衝，以控制在該流體脈衝期間輸送的流體質量。
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