TWI435196B - 氣體流量控制方法及裝置 - Google Patents

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Description

氣體流量控制方法及裝置
本申請案所主張優先權案為美國專利暫時申請案案號第61/252,143號(申請日為2009年10月15日)，該優先權案的說明內容全部已併入此案以供參考。
本發明為在流體流量(fluid flow)控制的領域，特別是在如半導體製程、平板顯示器製作、太陽電池製作等，需要更高度準確性的流動控制的技術領域。
量測氣體質流量(mass-flow rate)對許多工業化製程是很重要的。就半導體工業而言，量測必須非常準確，因為只要偏差幾個百分比的流量，就會導致製程失敗。
質流為系統中存在壓力梯度(pressure gradient)所產生的結果。只要系統沒有外在作用，質量將從高壓處流往低壓處。這是所有流量控制裝置之工作原理。為了控制從高壓區到低壓區之流量，需使用一流量限制(flow restriction)。該流量限制是放置於系統中所有流體必需通過之處。依據該限制特性不同，經過流量控制裝置的質流量乃是下列因素部分或是全部之函數：該流量限制的尺寸，該流量限制上游及下游壓力的大小，以及氣體的物理特性，如該氣體之密度(density)及動力黏度(dynamic viscosity)。該流量可透過一種或是數種上述參數的變化來控制。一般來說，氣體的物理特性及系統的溫度很難去改變或控制，所以通常流量是藉由改變系統內的壓力或/及流動限制器的尺寸來控制。
業界標準的流量控制裝置為質流控制器(mass flow controller,MFC)，包含一流動限制器，為閥門的形式，可部分開啟以提高流量或部分關閉以降低流量。閥門的開啟是由一封閉迴路(closed loop)之回授電路(feedback circuit)來控制，該電路可使外部提供之設定值與內部流量量測裝置的儀表讀值，兩者幾乎相等。流量量測裝置也使用一溫度感測器(thermal sensor)，具有兩個電阻溫度計(resistance-thermometer)元件，設置在通過氣流的管路外面周圍。藉由電流使該元件加熱。當氣流通過管路時，第一元件使氣流加熱，並且把熱度轉移給第二元件。利用兩者元件之間產生的溫度差異，即可量測氣體的質流量。在較新的發明當中，為使質流控制器較不受壓力影響，可設置一壓力傳感器(pressure transducer)位於該溫度感測器及該控制閥之間，以得知壓力改變對流體的影響。
該質流控制器使用了溫度感測器量測流量的結果，是導致必須要定期對該裝置進行校正，才能得到精確的流量控制。若沒有定期校正，經過質流控制器的實際流量，會因為流量量測裝置的偏差，而產生不能接受的數值。此校正通常是透過使氣體流經該質流控制器，進入一已知容積，或是從一已知容積出來，並量測在該容積內的壓力上升值或下降值來執行。實際流量可計算壓力上升或下降的速率，以及使用預先建立的壓力-溫度-體積的氣體關係而得出。此量測類型通常稱為壓力上升法(rate-of-rise)的校正技術。
該壓力上升法流量校正技術主要是以一次側流量(primary flow)之量測為基礎，因此是一種一次側的校正標準。換言之，流量僅由質量量測、壓力量測、體積量測以及時間量測來計算得到。已知的一次側流量量測技術目前僅有三種類型：一是質量量測法，量測質量隨著時間的變化；二是體積量測法，量測體積在固定的壓力下隨著時間的變化；三是壓力上升法，量測壓力在固定的容積內隨著時間的變化。所有其他類型的流量量測均為二次側(secondary)量測方法，且必須經過校正成為一次側量測。
另一種氣流量計量法為改變一臨界流孔(critical orifice)之上游側氣壓。在固定溫度下，一種氣體經過一臨界流孔的體積流量，是與該臨界流孔上游側或下游側的氣壓無關，但其前提是需符合一定的壓力條件，例如上游側氣壓為下游側氣壓兩倍。由於氣體密度和壓力成比例，藉由控制上游氣體密度，可控制通過該臨界流孔之質流率。
在此流量控制技術類型中，可使用一封閉迴路控制電路，配備一壓力傳感器，位在一控制閥與該臨界流孔之間，使用該控制閥來控制壓力。開啟或關閉控制閥可以維持臨界流孔上游側的特定壓力值。根據臨界流孔上游側的氣壓，以及該臨界流孔既定的特性，可以算出質流量。因此，精確的流量量測不只取決於壓力控制系統的性能，也受流孔的機械性整合度(mechanical integrity)以及流孔的穩定性所影響。因為該流孔易受微粒汙染物(particulate contamination)阻塞，或在氣流經過流孔時與氣體反應而腐蝕，因此必須定期去校正其氣壓-氣流關係。校正時是使用與上述使用在質流控制器相同的壓力上升法量測執行。
上述兩個質流控制方法皆使用一封閉迴路控制系統。在該系統中，壓力梯度反應於流量限制器，最終造成質流。如果將之視為一控制系統，則該裝置的輸出變數(output variable)為質流量，而輸入變數(input variables)為壓力與流量限制器特性。
就質流控制器而言，這種控制器是以質流量的二階量測(second-order measurement)來控制流量限制器的尺寸。流量限制器的實際尺寸特性雖然未知，但是可按比例調整，以根據實際需要擴大或是縮小流量限制器的尺寸。而在製程變數(process variables)，亦即流量限制與壓力方面，則只有壓力可藉由裝置(指較不受壓力影響的質流控制器)觀察到，而且只有流量限制是可控制的。
當維持大概固定的流量限制特性時，臨界流孔裝置可藉由監視並控制上游側氣壓來控制流量。臨界流孔裝置並不能監視或控制流量限制的特性，因此只能假設流量限制的特性維持恆定。在程序變數方面，藉由裝置可同時觀察與控制壓力，但不能觀察與控制流量限制。在沒有任何外在的影響下，流量限制的特性確實不會隨著時間改變。不過，在使用中，可能存在的化學或機械擾動，則可改變流量限制的特性。系統卻無法量測到這類的擾動，所以如果沒有外部校正的幫助，就無法修正這些擾動所產生的影響。
上述習知流量控制方法的缺點，尤其是需要以外部量測校正及偵測錯誤，可以說明目前亟需改進流量控制的新技術。
目前所需的流量控制裝置，必須能夠在操作中偵測出錯誤，並能透過自我校正去改正上述錯誤，最重要的解決方式乃是找到足夠數量的製程變數，且該變數需能觀測到且能加以控制。對上述兩種控制裝置而言，雖然兩者在現在的半導體產業中所使用的流量控制裝置中，已是主流的控制裝置，但均無法提供足夠的製程變數，來滿足上述需求。
在本發明中，乃是使用一控制閥，該控制閥設計成可以提供高度的準確性與可重複的位置與流量限制特性間的匹配度，並可獲得極為準確的位置量測與控制性，用來增加製程變數。
若能控制也能量測該流量限制特性，則在流量控制方面唯一需要額外加入的資訊為壓力梯度對流量限制的作用。這是因為對於流量限制的尺寸而言，流導(flow conductance)為一種可知的、可重複的函數。該控制方法類似於臨界流孔裝置，但臨界流孔法中的靜態流量限制是以可變且可量測的流量限制取代。
使用這種可控制的閥件，其成效取決於實際使用的流量控制裝置的型式。在臨界流孔型的流量控制裝置方面，在臨界流孔裝置上使用上述可控制的閥件可以消除因該臨界流孔的尺寸變化而產生的不確定性。就該溫度感測器型直流量控制器而言，由於其壓力傳感器與可控制閥件的結合，可以提供一已知流量，而該流量可以根據由該溫度傳感器所量測到的流量加以檢測，故而可偵測出不一致之量測結果，並將之當作錯誤。
然而，上述流量控制裝置在操作期間皆無法進型自我校正。為了提供自我校正功能，該流量控制裝置必須配備一一次側流量量測機制，作為其操作中不能分割的一部份。將這種型態的控制閥整合到該流量監測系統的實例如第1圖所示，可以提供一種具有高度準確性，並能自我校正的流量控制裝置。首先，控制閥108是用來控制該流量限制。在閥件106全關之下，以下降速率量測法(rate-of-drop measurement)控制該控制閥108的位置。在執行下降速率量測法之後，將閥件106打開，根據壓力傳感器112所量測到的系統內壓力值，調整該控制閥的位置，用以控制氣流。
可量測、控制大小範圍的流量限制為大幅提升流量控制系統性能之關鍵元件，該流量限制最終可使流量控制裝置具有自我校正功能，並且不需倚賴二次側流量量測。該類型控制閥技術上的挑戰為能夠製造出精確度足夠使用在半 導體工業的控制閥，已經臨到目前的產業，因為在半導體產業對精確度的要求，將以數量級的方式提高。對現在的半導體製程設備需要之質流量測準確度為+/-1%。一般來說，流量必須控制在1到10,000sccm(公制每秒立方公分)之間，而在流量限制入口與出口之間的壓力差(pressure difference)通常為20至150psi(磅/平方英吋)之間。想像一個靜態寬度10mm與靜態長度1mm之矩形流量限制，以及通過該流量限制有60psi的壓力降，則高度必須調整為0.8um使1sccm流量可以通過。執行與規格要求之+/- 1%誤差擴增(error propagation)，則其高度必須控制在+/- 1.1um以內。
實際上，除了高精確度計量閥以外，很少有人研究如何製作出具有可量測且可控制限制的控制閥。但高精確度計量閥並不符合半導體製造之成本、空間、潔淨度以及可靠性要求，也是事實。美國專利第6,761,063-B2號「隔膜閥之真正位置感測器」(True Position Sensor for Diaphragm Valves)，提出「一個設置於隔膜與致動器間的薄形導電元件」，以量測在該導電元件與閥本體之間的電容。該電容值提供指示該導電元件與閥本體之間距離，該電容值也給予隔膜與閥本體之間距的指示，此外也給予該閥開啟量的指示。該發明的組成(含所有這些單獨的部分)對多只能提供約0.01英吋(即約25,000nm)精確度之控制能力。此外，其發明人也指出，當流體流經閥門時，電容將會改變，所以此方法較不適用於在本發明中所需精確度下，量測流量限制的特性。
本發明之下列簡要說明，目的是在提供本發明一些觀點及特色之基礎認知。簡要說明並非本發明的全面概括，也因此其目的並非為特別說明本發明之關鍵性或不可或缺之元素，更不是用來限制本發明的範圍。其唯一目的是將 本發明的一些觀念以簡要的方式呈現，以作為以下詳細說明文字的序言。
本發明在實施例中提供了一個可控制的流量限制裝置，其中流量限制之尺寸可非常精準地量測與控制，達到極高度的精確度。該尺寸的量測與控制精準到可以將該流量限制裝置運用到具有自我校正能力的氣流控制機制(如第1圖所示)，而其流量精確度更能達到符合半導體產業所需之程度。
本發明之實施例中提供一個控制流體流量之裝置，包含：一第一區塊，具有一流量限制表面；一第二區塊，具有一互補流量限制表面，其中該流量限制表面與該互補流量限制表面互相配合，形成一流量限制閥；一流體入口孔，位在該第一區塊或是該第二區塊之一者，並且提供流體至該流量限制閥的通道；一流體出口孔，位在該第一區塊或是該第二區塊之一者，並提供流體至該流量限制閥的通道；一密封件，設置在該流量限制閥周圍；且其中藉由至少該第一區塊或該第二區塊之至少一者的彈性彎曲，來改變該流量限制閥的開啟量。
本發明的實施例中也提供一個精確的氣體供給系統，包含：一流量控制閥；一壓力傳感器，用以量測位於該流量控制閥上游側之氣壓；一溫度感測器；一流量調節器，位於該流量控制閥上游；一管道，耦接該流量調節器與該流量控制閥；以及一控制器，可從該壓力傳感器與該溫度感測器接收訊號，並可根據流量計算來控制該流量控制閥的運作；其中，該流量控制閥包含一個致動器，用以彈性彎曲該流量控制閥之一本體部份來改變氣流量。
本發明的實施例中也提供一個控制經過氣體供給系統之流量的方法，該氣體供給系統具有一流量控制閥，一流量調節器，以及一已知氣體封閉容積，連接該流量調節器與該流量控制閥；該方法包含下列步驟：啟動該流量控制閥 以提供一所需的流量；暫時中斷氣流通過該流量調節器；量測氣體溫度；量測在該已知容積內的氣體壓降；利用所測得的溫度、壓降與已知容積計算經過該流量控制閥的流量；恢復氣流通過該流量調節器；以及，利用計算出的流量，透過啟動一致動器，使該流量控制閥本體一部份彈性彎曲，調整通過該流量控制閥之流量。
本發明的實施例提供一個可控制的流量限制裝置，其中流量限制的尺寸可非常精準的量測與控制。該流量限制尺寸的量測與控制的精準度達到可以用來完成具有自我校正能力的氣流控制機制(如第1圖所示)，而滿足半導體產業所需的流量量測與控制準確度要求。
本發明不同的實施例中，乃是藉由運用以下技術特徵來達到所需的精準度：1.流量限制裝置具有兩個對設的表面，使其產生單軸運動，而其他兩軸之橫向運動及/或旋轉運動則限制在大約1nm以下；2.量測該單軸上的運動量，使其精準度達到約1nm之程度；3.致動該運動，使其解析度達到約0.1nm之程度。
本發明中另一個例示實施例是如第2圖所示，是由兩個相接鄰的本體201與本體202組成，並具有一個平坦的接觸面，該平坦接觸面形成流量限制閥211。即第一區塊201具有一流量限制表面213，第二區塊202則具有一互補流量限制表面212。第一區塊201之流量限制表面213與第二區塊202之互補流量限制表面212相配合，形成流量限制閥211。在第2圖的實施例中，流量限制閥211由建立在第一區塊201流量限制表面213的環形延伸215形成，由此界定洞孔216(如第3圖所示)。相反地，互補流量限制表面212則加工製作成平坦狀，與環形延伸215緊靠，且互相推擠而形成一完全的密封。
在空間上，第一本體或是第一區塊201為不動的，而第二本體或是第二區塊202與第一本體或是第一區塊連接的部份為一懸臂203。該懸臂的位置使第二本體在平坦接觸面上之運動，對第一本體而言基本上為單軸運動，且其運動特性為可以推估並可重複實現。該本體之平坦表面製作出圖形，以形成兩個分開的孔洞，分別為204與205。藉由此種設計，使得兩個本體互相接觸時，兩個孔洞彼此隔開，但是當兩個本體彼此分開時，一流量限制閥211可使兩個洞接在一起。
在第2圖中，本體201與本體202是從一單件材料製成，例如以不銹鋼製成。當然，也可使用與所使用的氣體相容，並且允許在懸臂上可靠又可重複彎曲的任何材料來製作。舉例來說，可代替的材料包含其他型態的鋼、高鎳合金(Inconel)、哈氏合金(Hastellooy)等等。然而值得注意的是，若從一個固體材料塊製作，該閥面可能比較難以製成。因此，第2A圖顯示一種替代的實施例，其中本體201與本體202是由兩材料塊製成，所以該加工製程變得非常簡單。當然，本體201與202其中一個或是兩個都可使用多於一個材料塊製成。將多數材料塊加以組合最典型的方法，是利用扣件220，例如螺栓將材料塊結合在一起，但也可能以黏著或是焊接方式，使其固定在一起。組合材料塊時最重要的要求是，在連結的位置不能發生位移，但卻能在其流量限制區產生單軸運動。由於第2圖與第2A圖的實施例，應該會以相同方式操作，以下的說明將可適用於兩種方式。
有一致動器206裝置在第一本體201上，作用於第二本體202，使第二本體位移，藉此改變流量限制的尺寸。換句話說，當致動器膨脹或收縮時，該致動器導致本體202在懸臂203周圍產生彈性彎曲。這種作法與通常稱為彎曲軸承的方式類似，其中因形成彎曲軸承的材料彈性彎曲或變形，產生運動。由於這種運動為彈性變形，運動特性會非常準確且可控制。此外，由於該變形的彈性特性，放鬆之後該裝置本然的會回復到其自然的位置。該位移感測器207裝置在第一本體上，以量測此位移。在本發明一個實施例中，是使用一電容式量測儀或是位移感測器，來量測大約一奈米程度的線性位移。
感測器207的輸出以及致動器206的動作會形成一閉迴路控制電路，以完成流量限制211尺寸的控制，也因此，該流量傳感器偶接到該兩個孔洞。該系統包括管道208與管道209，以將氣流導入通過孔218，進到其中一個孔洞，並且經過孔219，而從另一個孔洞205出來，進入管道209。如此一來，所有流量必須經過流量限制閥211，該閥是由兩個本體所界定。
將兩個形成流量限制的本體以懸臂接合後，將與使用機械式樞軸或滑動事組成不同，因為在這種設計下以經不會產生摩擦，所以消除了機械作用與滯後作用。同樣地，在致動期間，兩個本體之間的彈性變形是可以忽略的；彈性變形與連接兩個本體的懸臂相隔絕。因此，定義該流量限制的兩個平面不會彎曲。
如第2圖與第2A圖中所示，本體202的位置應盡可能靠近本體201，以關閉流量限制。根據本發明一實施例，本體201與本體202是作成，當以扣件將兩個本體連接一起時，兩個本體會互相緊靠且互相推擠，而關閉流量限制211。以一彈性密封件210包圍該流量限制211，以防止氣體洩漏到大氣中。此外，根據本發明一實施例，該密封件210是製作成使得該密封可以拉緊並拽拉兩個本體201與202，使其互相緊靠，以使流量限制211關閉。在本圖式中顯示，該線性致動器206呈現放鬆的狀態。該致動器固定在本體201上，並且推向該本體202。當線性致動器206致動之後，會推向彈性密封件210的拉伸方向，而將本體202從本體201推開，迫使本體202以懸臂203為中心軸轉動，藉此使流量限制211可以開啟。但是應該了解，該致動器206也可設置成固定於本體202上，並且推向本體201的方向。
如第3圖所示，如果從頂部向下看，該流量限制211形成一個圓圈。其中該流量限制211內徑為r1 ，外徑為r2 。氣流是從流量限制211的內部，流經整個流量限制211，到達流量限制211的外部。如果從第4圖來看，就是使氣流從入口管道208，流到孔洞204。如果流量限制211開啟，則會再流至孔洞205。又由於密封件210的阻擋，會流到出口管道209。結果，如兩個本體201與202彼此互相閉合，就會如第2圖所示，將流量限制211關閉，這時氣體無法流動。當啟動線性致動器206後，流量限制211會開啟，這時氣體可以從入口208流動至出口209。整體來說，當流量限制開啟時，氣體流量將會增加。
由於本體201與本體202皆為剛性，該裝置裡唯一會發生的運動就是本體在旋臂203所在位置的彎曲。而本體202相對於本體201的運動是非常精準的。在作輕微運動時，流量限制211開啟大約幾微米的程度，遠小於流量限制與該彎曲位置之間的距離。這時在流量限制附近，本體202與本體201相對的運動實質上可以視為單軸運動，其方向與流量限制211的平面垂直。此種精準的運動為本裝置的氣流特徵能夠重複實現的重要關鍵。
必須說明的是，第2圖的實施例只是用來提供說明之用，因此，在不損及其性能之前提下，可以作出各種變化。舉例來說，第2B圖就顯示一實施例，其中一個本體(在此為本體201)包含一氣體入口孔，而另一個本體(在此為本體202)則包含一出口孔。當然，兩者互換也會有相同的結果。第2C圖說明一實施例，其中兩個本體並未連接在一起。反而是使本體201成為固定不會移動，而本體202則由一懸臂裝置獨立固定，所以本體202可以彈性地彎曲，以控制流量限制的啟閉。
此外，第2D圖與第2E圖說明如何設置密封件，使其同時可控制流經閥門的流量大小。如第2D圖與其細部放大視圖第2E圖所示，密封件210設置在孔洞204與孔洞205周圍。該密封件的周邊是固定連接於不動的本體201，而其中心區域固定連接於可彎曲之本體202。在此設計下，當致動器206啟動時，會向本體202推動，本體202轉而推動密封件210。結果可使密封210彈性變形，以致產生開啟「h」高度，使氣體可以從孔洞204流動至孔洞205。
第2F圖與第2G圖表示本發明案另一個實施例，其中第2F圖顯示其關閉狀態(此時沒有流量條件)，而第2G圖則顯示其開啟狀態。如圖所示，本體202與本體201連接之處形成彎曲部221。在一實施例中，本體201與本體202為圓筒狀，彎曲部221為從本體202延伸出來的圓盤，並可從與本體202同一塊體加工製成，但也可只是利用例如焊接等方法，連接於本體202。雖然也可使用其他形狀，然而環狀可能提供較為一致且均衡的運動。在此實施例中，下方的彎曲部221同時可提供如密封件210一般的功能。當然也顯然可能利用另一個單獨密封件來達成，而與其他實施例一樣。如第2G圖所顯示，提供線性致動器206在槓桿240與本體201頂端部分之間，所以當致動器206膨脹時，會提起槓桿，故而提起本體202，並且彈性曲伸該本體202的彎曲部。在抬起的狀態下，本體202的底面形成流量限制表面，該底面從本體201的互補流量限制表面抬起「h」的距離，以此方式可控制通過流量限制閥211的流體流量。在本實施例中，兩個圓筒彎曲部會限制本體201與202之間的相對運動的一個(垂直方向)自由度，並且會限制兩本體在圖面平面方向的相對旋轉。此奘做法能夠高度準確地控制流體通過流量限制211的流量。
如果將流量限制開啟的大小「h」(如第4圖所示)加以量化，則可得到以下的方程式，把氣體流量當作該開口大小h的函數：
流量=2πPin 2 h3 /3RTμln(r1 /r2 )　公式(1)
其中：
Pin 表示在入口208的氣壓，
R表示普適氣體常數(=1.986 cal‧K-1 ‧mol-1 )
T表示絕對溫度(單位：K)
μ表示氣體的黏性
而h、r1 與r2 的尺寸顯示在第3圖與第4圖。
對於大多數的氣流應用，公式(1)描述通過流量限制的層流(laminar flow)，並可提供足夠準確的答案。然而，如果在出口209處的氣壓(Pout )比起入口208處的壓力(Pin )高出太多，在這種應用場合公式(1)所算出的流量必須再乘上cos(arcsin(Pout /Pin ))。
第5圖顯示氣流在入口處的壓力為0.2MPa(約30psi)絕對氣壓。本發明的氣流限制在設計上的優點之一是，其流量是氣流限制開啟量h的立方函數。這意味著在流量限制開啟量一個數量級的改變可以控制流量三個數量級，給予該裝置有非常大範圍的流量控制能力。
線性致動器206可以為各種類型，例如線圈致動器或壓電致動器。一典型例子為壓電致動器，零件編號：P830.30，製造廠商：Physik Instrumente,GmbH，為德國Karlsruhe/Palmbach的製造商。該位移感測器也可以為各種類型，例如應變力感測器或是電容式位置感測器。一典型例子為電容式位置感測器，零件編號：D510.050，製造廠商也是Physik Instrumente。
為了要作為氣流控制器使用，第2圖的裝置必須配備一些控制流量限制開啟量(h)的元件。第6圖顯示一個這種實施例，該實施例配備有一控制器601，用來量測位移感測器的輸出，並使用儲存在電腦可讀取之儲存媒介數值，以決定流量限制的開啟量(h)。其後，該控制器控制線性致動器將本體202移動，直到位移感測器顯示的數值與所需開啟量符合，例如移動到設定點的位置為止。這種控制可以一標準控制迴路來執行，如比例-積分-微分(PID,proportional-integral-derivative)控制器。
如公式(1)所示，除了已知值h、r1 與r2 之外，必須還要得知Pin 與T之值，才能執行有效的氣體流量控制。第1圖所示之裝置即可用來決定上述參數之數值。在本實施例中，第6圖之裝置600相當於第1圖中的控制閥108，而第6圖中的控制器601則相當於第1圖中控制閥108的一部份，並代表一控制迴路。該控制迴路乃是嵌套第1圖中控制器120之控制迴路當中。
第1圖中的控制器120已經將所需之數值儲存在其電腦可讀取之儲存媒介裡，該數值可供其決定流量限制所需的開啟量(h)，為計算在特定氣壓與氣體溫度下，要達到所需流量所應有的開啟量。決定所需開啟量可以使用一公式來執行，例如公式(1)即為適用。此外也可透過例如查看對照表的方式為之，該對照表可以預先量測在較大範圍之Pin 、T與h的數值下，氣體的流量值，以供該控制器120使用。
第1圖所示之氣流控制器可以取得足夠數量的參數，以供觀察與控制之用，使其可以執行自我診斷與自我校正。進一步來說，事實上只需要在氣流控制器正在用來供應所需的氣體流量到一處理腔體時，才需要進行自我診斷與自我校正。
如第1圖所示，該裝置包含一氣體管線101，具有一入口103，該入口與一氣體供應源104形成流體連通，並具有一出口105，與一處理腔體(未顯示在圖中)形成流體連通。在標準製程條件下，閥門106會開啟並使氣體流經容積110，再經過控制閥106，最後進入處理腔體。
容積110代表在閥門106與控制閥108之間的恆定總容積。壓力傳感器112乃是設置成可量測在容積(V)110內的壓力。而溫度感測器114設置在可量測各元件溫度的位置。在本發明某些實施例中，該感測器114可能是特別設計的感測器，而與一或多個元件形成直接的熱連接。在其他實施例中，該環境溫度是在控制下，因此應該不會發生不同處所溫度差異巨大或者溫度隨時間而有劇烈變化的情形。因此，只要將溫度感測器置於該氣體供應系統的附近，即可提供足供所需的溫度資訊。
測試通過控制閥108的氣流的程序，可歸納如下：
1.　將該控制閥108設定在一個所需的流量，然後開始一氣流。
2.　關閉閥門106。
3.　在閥門106關閉期間，使用該壓力傳感器，以一定時間間隔量測壓力，該時間間隔通常可為1到100毫秒。
4.　在壓力數值下降特定值(通常為起始值的1到10%)之後，開啟閥門106，結束測試程序。
5.　量測期間的某些時點，記錄溫度感測器114的讀數。
上述步驟的先後順序，具有相當程度的彈性。舉例來說，步驟1與步驟2可以對調。而步驟5則可以在測試程序中，任何時間點執行。
在閥門106上可以作幾種改善措施。該閥門106最簡單的形式應該就是一開/關型截斷閥門。這種類型的閥門具有潛在缺點，就是在步驟4中，當閥門開啟時，容積V 110內部的壓力將會劇烈上升。壓力快速上升的結果可能會使控制閥108改變流量限制的開啟量時，速度難以快到足以將進入到處理腔內的氣流流量維持於恆定。為解決這個問題，計量閥(metering valve，如第1圖所示)是一種不錯的選擇，可以用來代替截斷閥。計量閥為一個在設定的範圍內，可提供可變氣體流量的閥門設計。在一段量測期間末段將計量閥106開啟，控制器會控制閥門開啟量，以使壓力的上升速率(由壓力轉換器112量得)維持在一定的緩慢程度，使通過控制閥108的流量不會發生劇烈變動。換句話說，計量閥106的開啟是緩慢進行，而不是突然地執行，所以氣流可以保持平穩。另一種作法則是，不在所有處理步驟期間使壓力上升，而是在量測期間將壓力保持不變，最後在處理步驟結束後，才將壓力上升。此方法可將流量通過控制閥108時可能產生的擾亂影響，降到最小。
根據理想的氣體方程式，在容積V 110內的氣體量可表示如下：
n=PV/RT　公式(2)
其中：
n=氣體量(單位：莫耳數)
P=壓力傳感器量得的壓力值
V=氣體的體積
R=理想氣體常數(=1.987 cal‧K-1 ‧mol-1 )
T=絕對溫度(單位：K)
在一定程度上，所有實體的氣體都是非理想的。對這些非理想氣體，公式(2)可改寫為：
n=PV/ZRT，其中　公式(3)
Z=壓縮因子
該壓縮因子可在各種手冊中找到，也可針對特定氣體以實驗量測得到，該壓縮因子為溫度與壓力的函數。
氣體流量與每單位時間氣體量的改變，兩者關係可以下式表示：
流量=Δn/Δt公式(4)
其中t=時間。
公式(3)帶入公式(4)，可得出：
流量=(ΔP/Δt)V/ZRT　公式(5)
第一因子(ΔP/Δt)只是壓力量測的斜率，為上述過程步驟3中量得的時間的函數。因此，使用上述壓力量測值，與體積、溫度，以及壓縮因子結合，即使用本發明實施例的裝置算出實際流經控制閥108的氣體流量。並可得到兩種獨立的方法，來量測進入處理腔體的氣體流量。
本發明案不同實施例的一個或是更多步驟可以手動或是自動操作來執行。舉例來說，開啟/關閉閥門的步驟與擷取壓力讀數的步驟，都可以電腦控制自動執行。或者，不同閥門當中的一個或是多個，也可以手動致動，但由此造成的流量則可根據量測到的壓力降自動計算得到。其中一個或是多個步驟，都可利用儲存在電腦可讀取之儲存媒介的指令，經由如第1圖所示的控制線傳遞通信，以完成自動操作。
本發明量測系統的另一個優點在於，如果發現所需流量與測得流量之間有任何差異，只要改變控制閥108的設定，就可以修正此差異，再度提供所需的流量。這種方式的修正特別適用，因為壓力下降率的量測，可以提供一次側校正的標準。這種修正可以再同一製程步驟中進行，也可在之後的製程步驟中執行。如果該系統由電腦控制，此種修正會非常的簡單。
必須說明的是，以上所述之方法及技術本質上並不限於任何特定之裝置，且可以任何適用之元件組合加以達成。此外，各種態樣之泛用性裝置也可適用在所述之發明中。也可以使用特製的裝置，已執行上述之發明方法步驟，而獲得更多優勢。
本發明既已根據特定實例說明如上，該說明無論如何均只在例示本發明，不得用以限制其範圍。習於斯藝之人士均可利用各種不同之硬體、軟體、韌體之結合，實施本發明。此外，本發明之其他實施方式，也可由此行業之人士根據本發明之專利說明書加以達成，完成實施。本案之說明書及所舉之實例，目的只是在展示，而本發明之專利真正範圍及精神，只能由以下申請專利範圍限定。
101．．．氣體管線
103．．．入口
104．．．氣體供應源
105．．．出口
106．．．計量閥
108．．．控制閥
110．．．容積(V)
112．．．壓力傳感器
114．．．溫度感測器
120．．．控制器
201．．．本體
202．．．本體
203．．．懸臂
204．．．孔洞
205．．．孔洞
206．．．線性致動器
207．．．位移感測器
208．．．入口管道
209．．．出口管道
210．．．彈性密封件
211．．．流量限制閥
212．．．互補流量限制表面
213．．．流量限制表面
215．．．環形延伸
216．．．洞孔
218．．．通過孔
219．．．孔
220．．．扣件
221．．．彎曲部
240．．．槓桿
601．．．控制器
本案的圖式包括在本說明書，並且構成本說明書之一部份，圖式是在例示說明本發明之實施例，以及(配合說明)提供解釋與描述本發明之原理。圖式的目的在於用圖解方式說明所舉的實施例中之主要特徵。圖式的目的不在於描述實施例或提到的相關元素的每一個特徵，或其尺寸，也不是按其比例製圖。
第1圖為一個依據本發明具自我校正能力之氣流控制裝置一實施例簡化原理圖。
第2圖為一個依據本發明可高精準度控制的流量限制製成之裝置一實施例之簡化原理圖，而第2A圖則表示一個替代的實施例。
第2B圖至第2D圖表示第2圖實施例的修改例，而第2E圖則顯示第2D圖之細部放大圖。
第2F圖與第2G圖表示本發明另一實施例。
第3圖為一個顯示該流量限制細節部分之簡化原理圖。
第4圖為一個顯示第2圖之實施例中，流量限制開啟時狀態的簡化原理圖，圖中指定該流量限制開啟的量為「h」。
第5圖為一個顯示流量與流量限制開啟量(h)之間的關係圖，即在特定的入口壓力與流量限制半徑尺寸下的關係。
第6圖為依據本發明可高精準度控制的流量限制裝置之裝置一實施例之簡化原理圖，該裝置包含一處理器與電腦可讀取之儲存媒介，以自動化控制流量限制開啟的量。
101‧‧‧氣體管線
103‧‧‧入口
104‧‧‧氣體供應源
105‧‧‧出口
106‧‧‧計量閥
108‧‧‧控制閥
110‧‧‧容積(V)
112‧‧‧壓力傳感器
114‧‧‧溫度感測器
120‧‧‧控制器

Claims (20)

  1. 一種控制流體流量之裝置，包括：一第一區塊，具有一流量限制表面及一形成彎曲軸承之部分；一第二區塊，具有一互補流量限制表面，其中該流量限制表面與該互補流量限制表面配合，以形成一流量限制閥；一流體入口孔，形成在該第一區塊或第二區塊其中之一者，並提供流體通道至該流量限制閥；一流體出口孔，形成在該第一區塊或第二區塊其中之一者，並提供流體通到至該流量限制閥；一密封件，設置在該流量限制閥周圍；以及其中藉由該彎曲軸承部分因材料變形所生之彈性彎曲，使第一區塊產生方向垂直於該流量限制平面的單軸運動，以使該流量限制閥之開啟量改變。
  2. 如申請專利範圍第1項之裝置，進一步包括一個位移感測器。
  3. 如申請專利範圍第2項之裝置，其中該位移感測器設置成可量測該流量限制開啟量，其精確程度至少為100奈米。
  4. 如申請專利範圍第2項之裝置，進一步包括一致動器，可操作以產生該彈性彎曲。
  5. 如申請專利範圍第4項之裝置，進一步包括一回饋裝置，用以接收該位移感測器的輸出，並以發送一啟動信號給該致動器之方式，控制該流量限制閥之開啟量。
  6. 如申請專利範圍第4項之裝置，其中該致動器包括一壓電致動器。
  7. 如申請專利範圍第5項之裝置，其中該回饋裝置控制流量限制閥之開啟量，其精確程度至少為100奈米。
  8. 如申請專利範圍第2項之裝置，其中該位移感測器之量測頻度為每100毫秒至少量測一次。
  9. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該第一區塊與該第二區塊中，至少一者包括一懸臂裝置。
  10. 一種用以精準供應氣體的系統，包括：一流量控制閥；一壓力傳感器，用以量測流量限制閥上游側之氣壓；一溫度感測器；一流量調節器，設置於該流量限制閥之上游；一管道，連接該流量調節器與該流量控制閥；以及一控制器，用以接收該壓力傳感器與該溫度感測器的信號，並根據流量計算控制流量控制閥的運作；其中該流量控制閥包括一個致動器，可藉由彈性彎曲該流量控制閥的一本體部分，使其產生方向垂直於該流量控制閥流量限制平面的單軸運動，來改變氣體流量。
  11. 如申請專利範圍第10項之系統，其中該流量控制閥進一步包括一位移感測器，用以量測該本體部份之彈性彎曲，並傳送一相應的信號給該控制器。
  12. 如申請專利範圍第11項之系統，其中該控制器控制該流量控制閥之流量限制開啟量，其精確程度至少為100奈米。
  13. 如申請專利範圍第11項之系統，其中該位移感測器的信號每100毫秒至少傳送一次。
  14. 如申請專利範圍第10項之系統，其中該控制器藉由致動該流量調節器，以在該流量控制器之上游側暫時中斷氣流，並使用該壓力傳感器量測在該管道內的壓力下降速率，以計算通過該流量限制閥之流量。
  15. 如申請專利範圍第10項之系統，其中該流量調節器包括一計量閥(metering valve)。
  16. 如申請專利範圍第10項之系統，其中流量控制閥之本體部份包括一流量限制表面及一形成彎曲軸承之部分，且其中該流量控制閥進一步包括：一第二本體部分，具有一互補流量限制表面，其中該流量限制表面與該互補流量限制表面配合形成一流量限制閥；一流體入口孔，位在該第一本體部分或第二本體部分中之一者，並提供流體通道至該流量限制閥；一流體出口孔，位在該第一本體部分或該第二本體部分中之一者，並提供流體通道至該流量限制閥；一密封件，設置在該流量限制閥周圍；以及其中藉由該彎曲軸承部分因材料變形所生之彈性彎曲，使第一本體部分產生該方向垂直於該流量限制平面的單軸運動，以使該流量限制閥之開啟量改變。
  17. 一種控制通過氣體供應系統的流量的方法，該氣體供應系統具有一流量控制閥，一流量調節器，以及一個已知氣體封閉容積，連接該流量調節器與該流量控制閥；該方法包含下列步驟： 啟動該流量控制閥以提供一所需的流量；暫時中斷通過該流量調節器的氣流；量測該氣體溫度；量測在該已知容積內的氣體壓降；利用所測得的溫度、壓降與已知容積之數值，計算經過該流量控制閥的流量；恢復氣流通過該流量調節器；以及利用計算出的流量，透過啟動一致動器，使該流量控制閥一本體部份彈性彎曲，產生方向垂直於該流量控制閥流量限制平面的單軸運動，以調整通過該流量控制閥之流量。
  18. 如申請專利範圍第17項之方法，進一步包括一量測該本體部分彈性彎曲量位移量之步驟。
  19. 如申請專利範圍第17項之方法，其中該流量調節器包括一計量閥，且其中該恢復流量的步驟包括緩慢開啟該計量閥，以控制在該已知容積內的壓力上升。
  20. 如申請專利範圍第17項之方法，其中該調整經過該流量限制閥的流量的步驟，包括啟動該致動器以使該本體部分以一懸臂為軸，作彈性彎曲。
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