TWI431255B - 能提供不同容積之質量流動校對機及其相關方法 - Google Patents

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Description

能提供不同容積之質量流動校對機及其相關方法
本發明係有關使用於工業應用方面之高精密流體輸送系統，特別是在低入口壓力且增大的流動範圍下仍能保持足夠高的精確度之流體輸送系統。
高精密流體輸送系統在許多工業應用方面已變得很重要，例如在半導體工業中用於晶圓與晶片製造。此流體輸送系統典型包含一些組件，例如質量流動控制器(Mass Flow Controller，MFC)與質量流動校對機(Mass Flow Verifier，MFV)，以調節或監視流體流動。
單一半導體裝置的製造需要小心同步及精密測量輸送12種或更多氣體，給予通常包含一腔體的一處理工具。不同配法(recipes)係使用在製程，且可能需要許多分開的處理步驟，在該處理步驟中一半導體裝置係，例如被清潔、拋光、氧化、遮罩、蝕刻、摻雜、金屬化等。所使用的步驟、該些步驟之特定順序、及所牽涉之材料係皆對半導體裝置的製造做出貢獻。
晶圓製造設施普遍係組織成包含一些領域，在該些領域中進行氣體製造過程如化學氣相沈積、電漿沈積、電漿蝕刻、與濺射的氣體製程。該些製程工具，例如化學氣相沈積反應器、真空濺射機器、電漿蝕刻器或電漿增強化學氣相沈積或其他類型的系統、機器或裝置的處理工具係提 供不同處理氣體。處理氣體係以精密量度的數量供應至該些工具。
在一典型晶圓製造設施中，氣體係儲存在槽箱，其係經由管路或導管以連接至一氣體流量控制箱(gas box)。此氣體流量控制箱可用來將精密量度數量的純粹惰性或反應性氣體，從製造設施的槽輸送至一處理工具。氣體流量控制箱或氣體計量(gas metering)系統典型包含複數個氣體通道，其具有氣輔控制器(gas unit)。這類氣輔控制器典型包含氣體桿(gas sticks)，其依序包含一或多個組件，例如閥、壓力調節器、壓力轉換器、質量流動控制器(MFC)與質量流動計(Mass Flow Meter，MFM)、以及其他單元，例如質量流動校對機(MFV)。
先前技術之質量流動校對機(MFV)已用來在原處(in situ)提供流體輸送系統、及/或相關半導體處理工具的質量流動控制器性能的校對。圖1係描述用來驗證來自測試裝置(Device Under Test，DUT)的流動之先前技術的質量流動校對機(MFV)100，例如一質量流動控制器(MFC)104。MFV100可包含：具有預先定義的容積之一容器或腔體102；控制在一氣體歧管(未在圖顯示)與腔體102之間的流動之一上游閥或第一閥108；控制從腔體102至一出口的流動，例如一真空幫浦之一下游閥或第二閥110；一壓力感測器112，典型為一電容式液體壓力計(capacitive manometer)，其被組態以感測在腔體102中的壓力；及一溫度感測器114。
如第一圖所示，一典型的MFV 110可包含一控制器120，以接收壓力感測器112與溫度感測器114的輸出信號，並控制上游閥108與下游閥110的操作。
繼續參考第一圖，在操作上，控制器120通常係程式化，所以在操作期間，控制器120先開啟上游閥與下游閥108和110，以致產生流動通過上游閥108而流入容器102，並流出下游閥110。控制器120係進一步程式化，所以在足夠允許流動至穩定的初始化期間，下游閥110係關閉以停止從腔體102流動。當腔體102充滿來自MFC 104的流體時，控制器從液體壓力計112接收容器壓力的測量信號，從其時脈接收時間的測量，及決定由於氣體流動所造成的容器壓力變化率。控制器120然後從這些測量加以決定由MFC104所提供的實際流率，所以可決定MFC的精確度。
在完成流動測量之後，上游閥108接著典型地關閉，且下游閥110開啟以淨化容器102，例如藉由連接至真空幫浦(未在圖顯示)。因此，藉由利用壓力測量的取樣值，控制器120可從容器102的已知容積中的壓力對時間之測量變化(ΔP/Δt)來計算氣體流動率。操作的一範例之圖解視圖是在第二圖顯示，其係根據下述方程式(1)所示之數學模型加以表示。
第二圖係利用上升率(Rate-of-Rise，ROR)測量技術，以描述在一典型液體壓力計中壓力的壓力(P)與時間(t)關係200之圖式。對於典型的質量流動校對而言，一控制器， 例如，第一圖的控制器120、或具有類似計算功能的其他裝置/組件，係利用流動校對之上升率方法，該方法通常根據下方程式： 其中Q i 是在Δt時段期間流入質量流動校對機之平均氣體，k o 為一轉換常數(6x107 標準立方公分/分鐘或sccm)，P stp 為標準壓力(=1.01325x105 Pa )，T stp 為標準溫度(273.15∘K)，V c 為測量腔體容積，P 為測量的腔體氣體壓力，且T 為測量的氣體溫度。
雖然先前技術之質量流動校對機(MFV)，例如第一圖的顯示及描述，對其所要之目的證明很有用，但是逐漸地已證明在高精密度流體輸送系統中使用低容積流動率時，需要具有高精確度以進行操作的質量流動校對機。例如第一圖的先前技術之質量流動校對機，已證明在低容積流動率不能夠符合某些精確度規格，例如，在低流動率或低於約10標準立方公分/分鐘(sccm)下有0.5%的指示流動讀取誤差。
需要在MFV的相當低之入口壓力，例如壓力大約等於或小於75托爾(Torr)上，能夠於較大流動範圍，例如在1sccm至10,000 sccm上確認流動率。此外由於流動雜訊係被腔體容積放大，具有多個壓力感測器的單一容積不能 夠涵蓋寬廣的流動範圍，例如1sccm至10,000 sccm。
因此，需要能夠處理提供質量流動校對機其能以低容積流動率，在寬廣流動範圍上以高精確度操作所特別提及限制之系統、方法及裝置。
本發明之具體實施例係針對處理先前技藝MFV技術所特別提及之缺陷，及處理目前需要確認在低入口壓力且增大的流動範圍之系統、方法與裝置，其中包含軟體實現。本發明的態樣係藉由提供一配置，以在大流動範圍上提供質量流動率的高精密測量，該配置係組態成定義複數個預先選定及不同的容積，以便分別定義個別的流動校對次範圍，而當該些流動校對次範圍組合時可定義整個流校對範圍。該配置的使用可於質量流動校對所執行的壓力測量中，促進使有害壓力相關的雜訊最小化。具體實施例可利用單一液體壓力計以促進減少成本。
雖然在此描述某些具體實施例，但是熟諳此項技術人士應可瞭解，其他具體實施例及態樣係固有的，且包含在本發明的描述及圖式內。
由本發明認知到質量流動校對所執行的壓力測量中的相關雜訊，特別是在低流動率及低壓力下對於測量精確度會呈現限制。
根據本發明的流動測量雜訊最小化技術，可利用到在質量流動校對中，由壓力測量雜訊σp 所引起的流動測量雜訊Qn 係與MFV的腔體容積Vc 成比例，如下式所示：Q n V c ．σ p ．　　　方程式(2)藉由最小化MFV的腔體容積，可減小流動測量雜訊。然而根據方程式(1)可看出，當腔體容積於一給定的流動率減少時，MFV的腔體容積中的壓力上升率ΔP/Δt將增加。若腔體容積太小，於一高流動率的上升壓力可超過壓力轉換器(pressure transducer)的最大測量範圍，此會引起流動測量錯誤。在MFV的流動測量範圍與流動測量精確度(其係受到流動測量雜訊的限制)之間存在取捨選擇。
先前技術MFV具有多個壓力轉換器的單一大容積，以達成一寬廣的流動測量範圍。例如，Lucas Tester(盧卡斯測試器)具有0.1、1、和10 Torr全刻度的三個壓力轉換器之20公升腔體容積。流動測量範圍為1sccm至2,000 sccm。然而，低流動率測量(<10 sccm)精確度係受到壓力測量雜訊的限制，其係根據方程式(2)而由大的腔體容積所放大。
為了要最小化在壓力測量中雜訊的有害影響(包含在低流動率與低壓力上的測量)，本發明的具體實施例係利用不同尺寸的測量腔體容積，且該些不同尺寸係基於一特定測試流動裝置(DUT)的流動範圍而選取。不同容積的 MFV可被提供，其中係選擇一大的腔體容積以確認高流動範圍，另外選擇一小的腔體容積以確認低流動範圍。因此，可調整容積的MFV可使在測量精確度(受到測量雜訊的限制)與測量範圍(受到最大壓力上升率的限制)之間的取捨選擇取得平衡。
本發明的這些態樣係利用預先選定尺寸的多個測量容積，以提供在大範圍流動的質量流動率的高精密測量。該些不同尺寸測量容積之使用可促進在為質量流動計算與校對，所執行的壓力測量中發生的有害壓力相關雜訊的最小化。本發明的進一步態樣可提供單一液體壓力計之使用供流動校對，如此則可減少成本。本發明的具體實施例係為對高精確度測量及/或容積流動率校對有用之系統、方法、與裝置，例如來自一流體控制裝置。本發明的具體實施例可包含軟體或韌體，其具有電腦可執行程式碼，例如適當的演算法，該電腦可執行程式碼適於利用多個測量容積的質量流動校對之實施與控制，每一測量容積較佳為定義一次範圍的流動率，而該些測量容積組合時可提供大範圍的流動率。
對於一特定DUT的流動測量或校對而言，根據本發明的多個測量容積，其可基於DUT的操作流動範圍而選擇。例如，選定數量的測量容積可被選擇，以致於容積係差約一數量級的大小(log10 )。藉由從DUT轉移至一特定測量容積其大小相關於從DUT所接收的流動，DUT流動校對測量的統計變異可有效地減少或最小化。因此，如下面 進一步之細節及有關附圖的描述，藉由最小化在一特定質量流DUT中的流動範圍上的次範圍之壓力測量中的雜訊影響，本發明之具體實施例可提供及/或改善MFV的精確度，特別是在低流動率，例如，在0.5 sccm與更低的流動率時。
第三圖係描述根據本發明排置的一可調整容積MFV 300的一具體實施例之示意的視圖。如圖所示，MFV 300包含不同容積的複數個腔體302(1)-302(3)(圖係顯示三個，但是數量可少至為兩個，及多到可涵蓋整個所期望的範圍)，並可組態及配置以接收來自一DUT的質量流動(Q i )308，例如MFC 310的一輸入。一或多個上游閥304(1)-304(3)與下游閥312(1)-312(3)，係提供用於選擇性控制流入及流出多個腔體302(1)-302(3)之每一者。液體壓力計306係組態及配置成選擇性地測量在腔體302(1)-302(3)之每一者中的壓力。如圖所示，來自腔體302(1)-302(3)的流動可藉由選擇性地操作閥318(1)-318(3)以由液體壓力計306選擇性地測量。溫度感測器316(1)-316(3)可組態及配置成檢測與個別腔體302(1)-302(3)有關的溫度，舉例而言，在一或多個位置上檢測溫度，較佳為在對應腔體的壁。在此以(Q o )309表示離開MFV的質量流動。
控制器，一處理器或其他類似裝置303可控制系統300所期望的操作，為了清楚起見，第三圖3省略了來自控制器303的連接，然而可使用任何適當連接。例如，控 制器303可控制或促進一或多個上游閥的操作，例如閥304(1)-304(3)、及一或多個下游閥，例如312(1)-312(3)。控制器303係適合例如使用軟體或韌體來組態，以便控制系統的操作及實現所期望的步驟的序列。關於這一點，控制器亦可適當地透過一適當通信連結予以連接，例如一乙太網路連接等、或任何適當電腦可讀取媒介，以接收用於此操作的一些或全部需要的指令並執行所期望的步驟序列。
系統300的每一測量腔體，例如腔體302(1)-302(3)之任一者，可組態及配置成具有所期望的一容積，及接收來自入口308的一流體流動(例如所期望的一半導體處理氣體)，該入口308係連接以接收來自一測試裝置(DUT)的流體，例如一質量流動控制器MFC 310。此入口係連接至對應的入口或上游閥304(1)-304(3)，閥係操作以便選擇要接收來自入口308的流體之腔體。入口閥304(1)-304(3)係連接至對應的腔體302(1)-302(3)。顯示的示範性具體實施例係包含具個別與不同容積的三個腔體，其係分別以對數比例(logarithmically scaled):10公升、1公升、與0.1公升。這三個腔體的流動校對範圍係分別亦為對數比例：1,000-10,000 sccm、100-1,000 sccm、與1-100 sccm。當然，雖然在第三圖顯示三個測量腔體，但是可使用任何適當數量的腔體，且亦可改變為不同尺寸。因此，本發明的具體實施例可進行操作以測量任何範圍的流動率，且在具一精確度(在讀取誤差的0.5%內)的低質量流動率(<10 sccm)係 特別有用。每一腔體包含一出口，其係連接至一對應的出口或下游閥312(1)-312(3)。每一下游閥係選擇性連接對應的腔體至系統300的出口309。每一腔體亦較佳地透過一測試閥318(1)-318(3)以連接至一壓力感測器306，所以藉由選擇性地操作每一閥318(1)-318(3)，一特定腔體內的壓力可在所期望的時段上測量。每一腔體302(1)-302(3)亦包含一溫度感測器316(1)-316(3)以測量在每一腔體302(1)-302(3)中的壓力。每一腔體中的流體溫度之測量係提供給控制器303，其中該測量由對應的溫度感測器316(1)-316(3)所取得，且同樣地來自壓力感測器306的壓力測量係提供給控制器。上游閥與下游閥304(1)-304(3)和312(1)-312(3)的控制係選擇性地亦受到控制器的控制。
由腔體提供的次範圍較佳為依序地重疊或相鄰以便為MFV 300的系統提供一連續完整範圍。藉由使用多個腔體，MFV的範圍可以腔體及對應的部件之數量的函數予以擴充。
重新參考第三圖，若相關於MFV 300的一選定腔體302(1)-302(3)之上游閥304(1)-304(3)與對應的下游閥312(1)-312(3)二者係開啟，通過選定腔體的流動將會在或最後達成一穩定狀態流動。對應的下游閥312(1)-312(3)然後關閉以進行流動校對，且腔體壓力在選定的腔體中係上升。如此，一選定容積的腔體301可被選取，且上升率測量可使用共通的液體壓力計306與對應的溫度感測器316加以完成。
第四圖係描述根據本發明的測量流動的方法400之一具體實施例，例如可與第三圖的MFV 300一起使用。可提供已知或選定容積之複數個腔體或容器，例如在步驟402的描述的容積312(1)-312(3)，以致於每一腔體的容積係對應於一質量流動校對機或一測試裝置(DUT)，例如一質量流動控制器的操作範圍之流動次範圍。
如步驟404所述，流體流動可基於質量流動裝置之實際流動以提供給一選定的腔體，該實際流動係在對應於所選定之腔體的流動次範圍內。在步驟404之前，特定的流動範圍可自動或由使用者決定，以便決定需使用於測量的特定腔體302(1)-302(3)。控制器303然後較佳為用來關閉與其他非選定腔體有關的所有上游、下游、與試驗閥，且只操作與所選定腔體有關的上游、下游與試驗閥，其在步驟404將開始適當的流動次範圍的測量。如在步驟406的描述，有關接收流體流動的所選定腔體之溫度，可使用例如對應的溫度感測器316進行測量。如在步驟408的描述，所選定腔體的適當測試閥318係開啟，以允許當下游閥312關閉時，在所選定腔體內的壓力能夠以單一液體壓力計進行測量。如在步驟410的描述，流動可基於測量到的溫度、時間、與接收流動的腔體之容積予以計算。
雖然特定具體實施例已在此描述，但是熟諳此項技術人士應可瞭解，本發明的方法、系統及裝置，可在不脫離本發明的精神下具體實施在其他特定形式中。
例如，雖然在此的系統與方法通常已描述成包含至少 兩不同腔體，且在說明的具體實施例包含三個不同腔體，任何適當數量的腔體可用於根據本發明的多個腔體。在描述的具體實施例中，每一腔體具有一固定的容積。應該瞭解，少至一個腔體可使用，其中腔體的容積可調整至對應於系統的操作範圍的次範圍之兩或多個預先選定容積之任一者。例如，如第五圖所示，腔體500可具有適當封口的一端壁502，其可調整擴大或減小容積至預先選定的位準。端壁502可為例如一可動活塞504的一部分。一入口閥506與出口閥508係提供用於控制從DUT 510至腔體，及離開腔體之流動。液體壓力計512與溫度感測器514係提供在腔體的壓力上升率期間，進行適當壓力與溫度測量。因此，第三圖中之具體實施例提供的所有三個容積，接著可改以具有一可調整容積之單一腔體提供。事實上，顯示的排置允許提供任何數量的容積，當活塞係整個縮回時可提供最大容積，且當活塞係在相鄰液體壓力計入口與熱感測器時可提供最小容積。此外，一或多個腔體可以固定的容積提供，而其他腔體以可調整容積方式提供。此外，雖然在此描述的具體實施例係參考單一液體壓力計的使用，但是多個液體壓力計可連繫於本發明的多個測量容積進行使用。例如，一或多個輔助或備用液體壓力計可與主要液體壓力計進行並聯或串聯組態。
因此，在此描述的具體實施例係認為在本發明的說明之所有態樣內，而不是限制本發明。
100‧‧‧質量流動校對機(MFV)
102, 302, 500‧‧‧腔體
104, 310‧‧‧質量流動控制器(MFC)
108, 304‧‧‧上游閥或第一閥
110, 312‧‧‧下游閥或第二閥
112‧‧‧壓力感測器
114, 316, 514‧‧‧溫度感測器
120, 303‧‧‧控制器
300‧‧‧可調整容積MFV
306, 512‧‧‧液體壓力計
308‧‧‧質量流動(Q i )
309‧‧‧出口
318‧‧‧測試閥
502‧‧‧端壁
504‧‧‧可動活塞
506‧‧‧入口閥
508‧‧‧出口閥
510‧‧‧測試裝置(DUT)
本發明的態樣可從下面連同閱讀僅為說明而非限制之附圖的描述而變得更瞭解。圖式不必然依比例繪製，而是要強調本發之原理，其中：第一圖係描述一先前技術之質量流動校對機之圖解視圖；第二圖係描述使用上升率(ROR)測量技術的一液體壓力計的壓力與時間響應(time response)比較之圖式；第三圖係能根據本發明提供不同容積的單一液體壓力計質量流動校對機(MFV)的一具體實施例之示意圖；第四圖係描述根據本發明之一具體實施例的測量流動及提供流動校對的方法之圖式；及第五圖係能提供不同容積的單一液體壓力計質量流動校對機的另一具體實施例之示意圖。
雖然在此呈現特定圖式，但是熟諳此項技術人士應可瞭解，在圖式中描述的具體實施例是說明，且這類顯示之變化以及在此描述之其他具體實施例係實施且認為是在本發明的範疇內。
300‧‧‧可調整容積MFV
302‧‧‧腔體
303‧‧‧控制器
304‧‧‧上游閥或第一閥
306‧‧‧液體壓力計
308‧‧‧質量流動(Q i )
309‧‧‧出口
310‧‧‧質量流動控制器(MFC)
312‧‧‧下游閥或第二閥
316‧‧‧溫度感測器
318‧‧‧試驗閥

Claims (18)

  1. 一種用以校對來自在一操作流動範圍上操作的一質量流動裝置的流體之流動之質量流動校對機，該質量流動校對機包含：一系統，其係建構及配置成定義不同的預定容積，以便代表在該操作流動範圍中的次範圍，每一容積包含一入口，用以從該質量流動裝置接收流動；及一出口閥，用以當該出口閥關閉時，可測量來自從該質量流動裝置至一容積的流動所發生之壓力變化；一溫度感測器，其係建構及配置成當該等壓力變化係在一容積內測量時，產生代表在該容積內的流體溫度之一信號；一壓力感測器，其係建構及配置成當該等壓力變化係在一容積內測量時，產生代表在該容積內的壓力變化之信號；及一控制器，其係組態及配置成以該液體壓力計壓力信號、該溫度信號、與該選擇容積的尺寸之一函數，以測量從該質量流動控制器至該等容積之其中任何所選擇之一者之流動。
  2. 如申請專利範圍第1項之質量流動校對機，其中該系統包含複數個腔體，用於定義該等不同的容積。
  3. 如申請專利範圍第1項之質量流動校對機，其中該系統包含一腔體，其具有可調整之一容積以便定義不同的該預定容積。
  4. 如申請專利範圍第3項之質量流動校對機，其中該腔體包含可移動之一壁以便提供該可調整之容積。
  5. 如申請專利範圍第4項之質量流動校對機，其中該壁為一可動活塞之一部分。
  6. 如申請專利範圍第1項之質量流動校對機，其中該複數個容積係由三個分隔的腔體所定義。
  7. 如申請專利範圍第6項之質量流動校對機，其中該等三個腔體包含一第一腔體，其具有約10.0公升的一容積；一第二腔體，其具有約1.0公升的一容積；及一第三腔體，其具有約0.1公升的一容積。
  8. 如申請專利範圍第7項之質量流動校對機，其中該具有約10.0公升的一容積的第一腔體係組態及配置以進行操作，以便測量約在10,000至1,000sccm之一流動率範圍。
  9. 如申請專利範圍第7項之質量流動校對機，其中該具有約1.0公升的一容積的第二腔體係組態及配置以進行操作，以便測量約在1,000至100sccm之一流動率範圍。
  10. 如申請專利範圍第7項之質量流動校對機，其中該具有約0.1公升的一容積的第三腔體係組態及配置以進行操作，以便測量約在100至1sccm之一流動率範圍。
  11. 如申請專利範圍第7項之質量流動校對機，其中該複數個腔體係組態及配置來進行操作，用以測量約10,000至約1sccm之一流動率範圍的壓力。
  12. 如申請專利範圍第1項之質量流動校對機，其中該壓力感測器為一電容式液體壓力計。
  13. 如申請專利範圍第12項之質量流動校對機，其中該校對機包含與每一容積一起使用的單一壓力感測器。
  14. 如申請專利範圍第13項之質量流動校對機，其中該校對機包含在每一容積的一出口與該單一壓力感測器之間的閥，以便控制從選定的一容積至該單一壓力感測器的流動。
  15. 一種用於校對來自在一操作的流動範圍上進行操作的一質量流動裝置的一流體之流動之方法，該方法包含：定義不同的預定容積，以便代表在該操作的流動範圍內的次範圍；選擇性控制來自該質量流動裝置且通過每一容積的一入口之流動，並選擇性控制來自每一容積且通過一出口閥的之流動，所以當該出口閥關閉時，可測量來自從該質量流動裝置至一容積的流動發生的壓力變化；當該等壓力變化係在容積內測量時，使用一溫度感測器產生代表在該容積內的該流體的溫度之一信號；當該等壓力變化係在一容積內測量時，使用一壓力感測器產生代表在該容積內的壓力變化之一信號；及以該液體壓力計信號、該溫度信號、與該複數個容積其中之一者的該已知的容積之函數，以測量來自該質量流動控制器的流動。
  16. 如申請專利範圍第15項之方法，其進一步包含選擇一容積，以基於在對應於該容積的流動次範圍內之流動，接收來自該質量流動裝置的流體流動。
  17. 如申請專利範圍第15項之方法，其中該質量流動裝置的該流動範圍係約10,000sccm至約1sccm。
  18. 如申請專利範圍第15項之方法，其中該定義不同的預先定義容積，以便代表在該操作流動範圍內的次範圍，包含將一腔體的容積調整成該等預先定義容積之選定的其中之一者。
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