TWI420568B - 流量比率控制裝置 - Google Patents

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Description

流量比率控制裝置
本發明係關於一流量比率控制裝置等，以所希望之比率將使用於半導體製造處理之原料氣體等加以分流。
自以往，在半導體製造處理領域中，伴隨著晶圓之大型化其儲存晶圓之處理腔室亦逐漸大型化。而在半導體晶圓上成膜時，吾人雖期望其用以成膜之原料氣體濃度均一，但若僅自一處將原料氣體導入如此經大型化之處理腔室中，則濃度分布有時會發生不均。
因此最近有人於處理腔室設置複數氣體導入口，再自各導入口將質量流量比受到控制之原料氣體送入，俾使腔室內氣體濃度均一。此時使用一流量比率控制裝置以作為將原料氣體分流為所希望之比率之裝置。
圖5顯示2分流型之習知之流量比率控制裝置100X之一例。此圖5中，符號RXM係供氣體流入之主流路。壓力感測器4X設置於此主流路RXM上，其終端分支為二。已分支之各分支流路RX1、RX2上分別串聯設置有流量計21X、22X與控制閥31X、32X。又，閥控制部5X監控自各流量計21X、22X所輸出之流量資料及自壓力感測器所輸出之壓力資料，並根據此等各資料數值控制控制閥31X、32X，控制其俾使流經各分支流路RX1、RX2之氣體質量流量之相對於總流量之比率(稱為流量比率)為所賦予之設定比率。
具體而言，首先，此閥控制部5X反饋控制一方之分支流路RX2之控制閥32X，俾使該壓力資料數值(亦稱實測壓力)為預先所定之一定目標壓力。又，於實測壓力被控制在目標壓力附近或是此以上之條件下時，反饋控制另一方之控制閥32X，俾使流量資料數值(亦稱實測流量)之相對於總流量之比率為該設定比率。
專利文獻1：特開2005-38239號公報
然而，如此之裝置中有在主流路RXM流量小之狀態下回應性不佳，過渡性分流控制性能不穩定之問題。
舉一例以具體說明其理由。例如若進行使主流路RXM根部亦與其他流路連接等所謂流路切換，主流路RXM流量減少且壓力降低之情形發生，為使其壓力上昇，首先即關閉一方之分支流路RX1之控制閥31X。然而由於流量小，壓力僅能緩慢上昇，到達目標壓力為止所耗費時間長。又，其間另一方之控制閥32X亦進入不受控制之關閉狀態。如此一旦壓力降低，在某程度之長時間內各閥動作即會停止，其間分流控制無法進行。圖6顯示其實驗結果。已知在流量小之狀態下，壓力一旦下降(時間點TS)，至其壓力恢復為止即需耗費相當長之時間(t1)，其間控制不穩定。
亦即如上述，主流路流量一旦減少裝置回應性即會變得不佳，並使過渡性狀況中分流控制性能劣化。
鑒於相關弊病，本發明之目的主要在於提供眾所期待之方法以解決此等課題，於此種流量比率控制裝置中實質上不改變任何構成卻可在主流路流量小之狀態下維持回應性並保證過渡性分流控制性能。
本發明以如下之方法解決相關課題。
亦即，本發明係依一流量比率控制裝置，包含：主流路，供流體流入；複數分支流路，自此主流路終端分支；控制閥，分別設於各分支流路上，以調節流經該分支流路之流量；流量測定機構，直接或間接測定主流路流量及各分支流路流量；閥控制部，控制一設於分支流路上之控制閥，控制其以使此控 制閥之更上游側壓力為所賦予之目標壓力，並在此壓力超過目標壓力附近時開始控制另一控制閥，俾使各分支流路流量比率為預定之設定比率；及目標壓力設定部，主流路流量愈小愈降低所設定之該目標壓力，並對該閥控制部輸出此目標壓力。
進行比率控制且較佳之分支流路條數為2條。
且本發明係依一控制機構，該控制機構適用於一流體迴路機構，該流體迴路機構包含：主流路，供流體流入；複數分支流路，自此主流路終端分支；控制閥，分別設於各分支流路上，調節流經該分支流路之流量；流量測定機構，直接或間接測定主流路流量及各分支流路流量；及壓力感測器，設於一分支流路上之控制閥上游；且該控制機構包含：閥控制部，控制一設於分支流路上之控制閥，控制其以使此控制閥上游側壓力為所賦予之目標壓力，並在此壓力超過目標壓力附近時開始控制另一控制閥，俾使各分支流路流量比率為預定之設定比率；及目標壓力設定部，主流路流量愈小愈降低所設定之該目標壓力，並對該閥控制部輸出此目標壓力。
依如此構成之本發明，即使所導入之流體總流量小，亦可應此變更設定使目標壓力降低，因此實測壓力可馬上到達目標壓力附近或其以上。其結果可縮短對控制閥之控制停止期間，與習知者相比即使於低流量時控制回應性亦獲得改善，可實現過渡性分流控制性能之提昇。
 實施發明之最佳形態
以下參照圖示說明關於本發明一實施形態。
圖1係顯示依本實施形態之流量比率控制裝置100之概略示意圖。此流量比率控制裝置100將例如半導體製造用原料氣體分流為既定比率，再供給至半導體處理腔室，構成未圖示之半導體製造系統之一部分。又，其大致上包含流體迴路機構200與用以控制此流體迴路機構200之控制機構300。
流體迴路機構200之構成與上述習知者相同，包含供需分流之流體流入之主流路RM與自此主流路RM終端部分支之2條分支流路R1、R2。被導入主流路RM之流體如上述係例如半導體製造用之混合原料氣體，而於此實施形態，在此主流路RM之上游設有未圖示之流量控制裝置，藉由此流量控制裝置被導入之流體質量流量受到控制。又，主流路或分支流路係為方便區別流路賦予之名稱，非實質上表示形狀或性狀者。亦即，朝分支流路分支之所有流體流經之流路部分係主流路，例如有一條粗管，細管自其側壁分支時，主流路係至分支部分為止，自此下游之細管及粗管分別稱為分支流路。
係流量測定機構之流量計21、22與控制閥31、32分別串聯設置於各分支流路R1、R2上。
流量計21(22)直接測定通過此之流體質量流量，其詳細情況雖未圖示，但使用熱式者、差壓式者等各種型者皆可。且於本實施形態中雖係藉由合計流經各分支流路R1、R2之實測流量間接求取主流路RM流量，但亦可例如直接測定主流路流量與一方之分支流路再自其差分間接求取另一方分支流路流量等。間接求取時用以進行此運算之控制機構300(後述)負責流量測定機構功能之一部分。
控制閥31(32)係應接收之閥控制訊號(後述)數值可進行擴張收縮流路徑之遙控之壓電閥或電磁閥、熱閥、蝶閥等。同圖中控制閥31、32雖係設置於流量計21、22下游，但因流量計種類不同亦可將流量計21、22設置於控制閥31、32下游。符號4係測定主流路RM壓力，再輸出顯示其數值之壓力測定訊號之壓力感測器4。於本 實施形態中雖係將此壓力感測器4配置於主流路RM之終端分支點，但亦可設置於無壓降並連通此之部位，例如分支流路R1、R2上之流量計21、22上游或主流路RM之中間部位等，於此配置場所即使發生例如壓降，重點是係可測定主流路壓力之部位即可。
控制機構300係類比電路或是使用CPU等之數位電路或是使此等者混雜之電路，藉由此電路動作作為閥控制部5、目標壓力設定部6等發揮功能。
以下說明各部，即閥控制部5對各控制閥31、32輸出該閥控制訊號，以控制閥開度，包含第1控制部51與第2控制部52。
第1控制部51對設置於一方之分支流路R1上之控制閥31進行控制，為使自壓力感測器4所輸出之壓力測定資料數值(以下亦稱實測壓力)為另外賦予之目標壓力，自其偏差反饋運算以計算閥控制訊號數值，再輸出此閥控制訊號。
又，目標壓力低，伴隨此實測壓力亦低時，因低壓之影響閥31本已難以動作，若再加上閥控制訊號數值小，即會因閥31不感帶之影響而有動作不穩定之虞。在此，於此實施形態中係採用目標壓力愈低反饋增益數值愈大之控制，俾使進行即使目標壓力低亦可迅速穩定之控制，在該壓力控制穩定後，迅速開始接著進行之流量控制。更具體而言，係以以下式(1)決定反饋增益數值。
f(s)=(100+K1 )/(K1 +s)……(式1)
在此f(s)係反饋增益，s係目標壓力，K1 係適當設定之調整係數。又，關於f(s)之運算適用處，在此係將f(s)乘以對目標壓力與實測壓力之偏差施以PID運算所計算出之數值，以計算閥控制值。除此之外，因控制系不同，亦可使f(s)乘以該偏差以計算閥控制值，亦可對使f(s)乘以偏差所計算出之數值施以PID運算，以計算閥控制值。
第2控制部52對設置於另一方之分支流路R2上之控制閥32進行控制，進行反饋運算以計算閥控制訊號數值，再輸出此閥控制訊號，俾使該分支流路R2之實測流量流量比率為自外部電腦等傳送而 來之設定比率資料數值(以下亦稱設定比率)。惟該實測壓力未超過目標壓力附近時，亦即未超過自目標壓力恰低於既定值分之壓力時，輸出閥關閉訊號，亦即使閥完全關閉之訊號，不使用反饋運算出之數值。又，所謂流量比率係相對於整體流量，亦即流經主流路RM之流量流經各個分支流路R1、R2之流量比率。
又，以上所述閥控制部5之功能係描述其原理性框架，即使其功能上相同，有時亦會發生若干實際上物理構成不同或根據此運算過程不同等情形。
例如此實施形態中，第2控制部52係由目標流量計算部522與局部控制部521構成，此局部控制部521為設於另一方之分支流路R2上之質量流量控制器MFC之構成要素。質量流量控制器MFC包含上述控制閥32、流量計22、局部控制部521，該局部控制部521根據藉由流量計22所測定之實測流量與目標流量之偏差計算閥控制訊號數值，以控制控制閥32，俾使其達到自外部所賦予之目標流量。
以下說明在如此構成下係進行何種運算，即首先藉由實質上設置於質量流量控制器MFC外之該目標流量計算部522計算另一方之分支流路R2之流量比率達到該設定比率所需之目標流量，再將此目標流量輸出至質量流量控制器MFC。又，在此設定比率係流入質量流量控制器MFC之流量之相對於全質量流量之比例。又，質量流量控制器MFC自實測流量與目標流量之偏差計算閥控制訊號數值以控制控制閥32。
又，目標流量計算部522進行之目標流量之計算係例如以下進行。
首先合計來自各流量計21、22之實測流量Qmfm、Qmfc，以求取流經主流路RM之流體之全質量流量Q(參照式2)。
Q=Qmfm+Qmfc………(式2)
其次，自設定比率RATIO_SET藉由以下(式3)計算目標流量Qmfc_SET。
Qmfc_SET =Q×RATIO_SET=Qmfm×RATIO_SET/(1-RATIO_SET)………(式3)
另一方面，該目標壓力設定部6當主流路RM之實測流量愈小，設定之該目標壓力愈低，並將此目標壓力對該閥控制部5輸出。實測流量與相對於此之目標壓力之關係可例如圖2所示，相對於實測流量之變化目標壓力必然變化，亦可如圖3所示，相對於實測流量之變化目標壓力階段性地變化。又，實測流量為0時目標壓力不設定為0，使其偏移而稍微成正數值。此係為防止閥內有不感帶或會滯後而因此影響初動延遲之情形發生。又，此實施形態中，設定該偏移壓為與為使流量比率裝置100達到最低動作流量所需最低標準之必要壓力相同或此以上。又，流量比率裝置100之最低動作流量自質量流量控制器MFC之最低流量控制值與流量比率裝置100之最低流量比率控制值決定之。例如若質量流量控制器MFC之最低流量控制值為2%，流量比率裝置100之最低流量比率控制值為10%，則質量流量控制器MFC全量流量之20%(2%×100/10)為流量比率裝置100之最低動作流量。
將具體實驗結果顯示於圖4。與於圖6所示之習知結果比較即知設定之目標壓力低，回應性大幅獲得改善。
因此，依本實施形態，即使所導入之流體總流量小，亦可應此變更設定使目標壓力降低，因此可在短時間內滿足所謂”實測壓力到達目標壓力附近或其以上”之對控制閥31、32之控制條件，可縮短對各控制閥31、32無法控制之無效時間。其結果，於低流量時與習知者相比控制回應性獲得改善，可實現過渡性分流控制性能之提昇。
且僅自既存者改變軟體性構成即可實現，因此不需大幅提高成本或投資設備等。
又，本發明不限於該實施形態。例如分支流路亦可設置3條以上。惟在控制上宜僅將其中1條作為以壓力為參數控制控制閥開度之壓力控制線，將其他分支流路作為為使其達到所希望之分流比率 而控制流量之流量控制線。
且於該實施形態雖係即時使用測定之實測流量以決定目標壓力，但不限於此，亦可因穩定控制第目的設置延遲時間，或是在某些條件齊備之時點藉由實測流量決定目標壓力等。
且該控制機構實質上無需獨立，亦可使其功能附帶於例如其他依半導體製造之控制裝置或資訊處理裝置等。具體而言，可使為實現此控制機構之軟體搭載於例如因其他目的而被使用之電腦內。
且本發明不僅可適用於半導體製造處理時，亦可適用於其他氣體，除氣體外亦可適用於液體，可使與該實施形態相同之作用效果奏效。
除此之外，本發明在不逸脫其趣旨之範圍內可進行各種變形。
100X、100‧‧‧流量比率控制裝置(流量比率裝置)
RXM、RM‧‧‧主流路
4X、4‧‧‧壓力感測器
RX1、RX2、R1、R2‧‧‧分支流路
21X、22X、21、22‧‧‧流量計
31X、32X、31、32‧‧‧控制閥(閥)
5X、5‧‧‧閥控制部
200‧‧‧流體迴路機構
300‧‧‧控制機構
6‧‧‧目標壓力設定部
51‧‧‧第1控制部
52‧‧‧第2控制部
522‧‧‧目標流量計算部
521‧‧‧局部控制部
TS‧‧‧時間點
t1‧‧‧時間
MFC‧‧‧質量流量控制器
圖1係顯示本發明之一實施形態中流量比率控制裝置之整體示意圖。
圖2係顯示同一實施形態中實測流量與相對於此之目標壓力之關係曲線圖。
圖3係同一實施形態之變形例，顯示實測流量與相對於此之目標壓力之關係曲線圖。
圖4係顯示同一實施形態中回應特性之實驗結果。
圖5係顯示習知流量比率控制裝置之整體示意圖。
圖6係顯示習知回應特性之實驗結果。
100‧‧‧流量比率控制裝置(流量比率裝置)
RM‧‧‧主流路
4‧‧‧壓力感測器
R1、R2‧‧‧分支流路
21、22‧‧‧流量計
31、32‧‧‧控制閥(閥)
5‧‧‧閥控制部
200‧‧‧流體迴路機構
300‧‧‧控制機構
6‧‧‧目標壓力設定部
51‧‧‧第1控制部
52‧‧‧第2控制部
522‧‧‧目標流量計算部
521‧‧‧局部控制部
MFC‧‧‧質量流量控制器

Claims (3)

  1. 一種流量比率控制裝置，包含：主流路，供流體流入；複數分支流路，自該主流路之終端部分支；控制閥，分別設於各分支流路上；流量測定機構，直接或間接測定主流路之流量及各分支流路之流量；閥控制部，控制設於一分支流路上之控制閥，並控制使得較該控制閥為上游側之壓力成為所賦予之目標壓力，並在該壓力超過目標壓力附近時開始控制其他控制閥，俾使各分支流路之流量比率成為預定之設定比率；及目標壓力設定部，主流路流量愈小則將該目標壓力設定得愈低，並對該閥控制部輸出該目標壓力。
  2. 如申請專利範圍第1項之流量比率控制裝置，其中該分支流路設有2條。
  3. 一種控制機構，適用於一流體迴路機構，該流體迴路機構包含：主流路，供流體流入；複數分支流路，自該主流路之終端部分支；控制閥，分別設於各分支流路上；流量測定機構，直接或間接測定主流路之流量及各分支流路之流量；及壓力感測器，設於一分支流路上之控制閥上游；該控制機構包含：閥控制部，控制設於一分支流路上之控制閥，並控制使較該控制閥更上游側之壓力成為所賦予之目標壓力，並在該壓力超過目標壓力附近時開始控制另一控制閥，俾使各分支流路流量比率成為預定之設定比率；及目標壓力設定部，主流路流量愈小則將該目標壓力設定地愈低，並對該閥控制部輸出該目標壓力。
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