专利名称：具有多个入口的高精度质量流量检验器的制作方法
具有多个入口的高精度质量流量检验器相关申请的交叉引用本申请是如下申请的部分继续申请1)于2005年3月25日提交的第11/090，120 号美国专利申请(“，120”申请)，代理人案号MKS-155，题为“External Volume Insensitive Flow Verification”;〗)于2006年6月30日提交的第11/479，092号美国专利申请(“，092” 申请)，代理人案号MKS-180，题为“Critical Flow Based Mass Flow Verifier”;3)于2007 年6月27日提交的第11/769，435号美国专利申请(“，435”申请)，代理人案号MKS-188， 题为“Mass Flow Verifier Capable of Providing Different Volumes, And Related Methods”。通过引用，将这些申请的内容全部合并于此，视同完整地阐明。在诸如半导体晶元制造和其它类型的材料加工的应用中，高精度流体输送和测量 系统，例如质量流量控制器(MFC)、质量流量比率控制器(FRC)和质量流量计(MFM)，是有用 的。在许多情况下，需要检验这些流体输送系统的精度。质量流量检验器(MFV)可用于检验MFC、FRC、MFM或其它被测设备(DUT)的精度。 一种类型的质量流量检验器是上升率(ROR)流量检验器。典型的ROR流量检验器可包括腔 室容积(chamber volume)、压强传感器、温度传感器和两个隔离阀，一个上游和一个下游。 阀可在空闲时关闭，并且当启动运行时可打开，以使流体从MFC(或MFM)流过流量检验器。 一旦流体流量已经稳定，下游阀可关闭，所以容积内的压强可开始上升。压强传感器可测量 到压强的上升。这一测量可用于计算MFV的入口流率，由此检验DUT的流量精度性能。MFV的精度可通过增加测量时间来提高。然而，构造提供在非常低流率范围上的高 测量精度并且同时还提供具有低入口压强的宽流量检验范围的MFV，更有挑战性。因此，希望一种提供在较宽流量范围上的改良精度，而不会超过期望的入口压强 的 MFV。舰用于检验流体输送设备的流量测量的高精度质量流量检验器(HAMFV)包括腔室 容积，腔室容积界定数量为N的入口和一出口。HAMFV可包括用于N个入口中的每一个的上 游阀，以及用于出口的下游阀。HAMFV可进一步包括构造成测量腔室容积内的流体的压强的 压强传感器。HAMFV可进一步包括数量为N的临界流量喷嘴(critical flownozzle)。每一个 临界流量喷嘴可放置在入口之一的相应上游阀附近。HAMFV可进一步包括控制器，该控制器 构造成根据期望的流量检验范围和流体类型，通过打开相应的上游阀并关闭其它所有的上 游阀来选择性地启动数量为N的临界流量喷嘴中的一个。数量为N的临界流量喷嘴中的至 少两个可以具有不同的截面面积。HAMFV能够提供在具有低入口压强的宽流量检验范围上的高测量精度。附图简要说明
图1说明了包括单个临界流量喷嘴的质量流量检验器。图2是说明临界流量时期的曲线图。
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图3说明了根据本公开内容的一个实施方式的包括多个入口和临界流量喷嘴的 高精度质量流量检验器。舰在本公开内容中，所描述的高精度质量流量检验器使用不同尺寸的多个临界流量 喷嘴。多个临界流量喷嘴的使用允许HAMFV运行于较宽流量范围而不会超过HAMFV的入口 压强要求。对于较高的流率检验范围，具有较大尺寸的喷嘴向HAMFV提供较低的入口压强， 以便HAMFV满足MFV的最大入口压强要求(安全要求)。对于较低的流率检验范围，具有较 小尺寸的喷嘴提供较大的临界流量时期或长的测量时间，由此改善压强信噪比，从而提高 流量检验的精度。图1说明了包括单个临界流量喷嘴的质量流量检验器，例如在MKS-180母申请中 所描述的。在图1所说明的实施方式中，MFV 100是上升率类型的MFV，其中流入封闭腔室 的流体的压强的上升率被测量且用于检验进入腔室的流率。特别地，MFV 100是基于临界 流量的MFV，包括流量限流器140，在所说明的实施方式中，该限流器为临界流量喷嘴140。如下面进一步描述的，临界流量喷嘴140保持经过喷嘴140的流量稳定，以至于 MFV 100所检测的质量流量基本上不受腔室内的上升压强影响。因此，临界流量喷嘴140大 大地最小化对DUT的下游压强扰动，以至于DUT具有在流量检验过程中的最小化流量波动。 临界流量喷嘴140还借助MFV 100来实施质量流量检验，这基本上不受临界流量喷嘴140 和DUT之间的任意外部容积影响。实际上，临界流量喷嘴140和DUT之间的外部容积与由 基于临界流量的MFV所进行的流率检验或其它计算无关。这一特性被称为外部容积不敏感 (EVI)。基于临界流量的MFV的EVI特性大大地简化了 MFV至半导体制造工具上的气体显 示屏的集成，因为不需要确定在具有不同流动路径的基于临界流量的MFV和DUT之间的外 部容积。MFV 100包括容纳来自DUT 110的流体流的封闭腔室容积130。DUTllO是提供流 体流率的典型质量流量控制器或质量流量比率控制器。下游出口阀150开启和关闭来自腔 室130的流体流。上游入口阀120开启和关闭从DUT 110进入腔室130内的流体流。MFV 100进一步包括构造成分别测量腔室130内的流体的压强和温度的压强传感器170和温度 传感器180。ROR MFV的基本原理是在腔室130上的质量平衡。利用质量平衡方程，并且对腔室 中的气体应用理想气体定律，根据下面等式，通过测量在MFV的腔室中的气体压强和气体 温度，能够得到入口气体流率
ΓΠ η ko0Ts'P*Vcn、Qin =---— -C1)
Pstp dtyrj其中，Ictl是转换常数，即6X107，单位为SCCm(标准立方厘米每分钟)，或者 6X IO4,单位为slm(标准升每分钟)；Pstp是标准压强(1. 01325X IO5Pa)，Tstp是标准温度 (273. 15K)，其中P是腔室气体压强，Vc是腔室容积，而T是气体温度。MFV 100包括控制器160，控制器160接收来自压强传感器170和温度传感器180 的输出信号，并且控制上游阀120和下游阀150的运行。在关闭下游阀之后，控制器160测 量腔室内的流体的压强的上升率，并且利用所测量的随时间和温度变化的压强上升率，根 据等式(1)，计算从DUT进入腔室的流体的流率，由此检验DUT的流量测量。
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典型的质量流量检验步骤如下1.打开上游阀120和下游阀150 ；2.设定DUT的流量设置点；3.等待，直至腔室压强处于稳定状态；4.开始记录腔室气体压强和腔室气体温度，以便进行流量计算；5.关闭下游阀150，以至于腔室压强上升；6.等待用于流量检验的一段时期；7.打开下游阀150 ；8.停止记录腔室气体压强和腔室气体温度；9.根据等式(1)，计算并报告所检验的流量。临界流量喷嘴140构造成保持流体流为临界流量，此时改变腔室压强或喷嘴的下 游压强将不会影响进入腔室容积的入口质量流量。在临界流量状态下，经过喷嘴的流量 (Qin)只由喷嘴的上游压强(Pu)所决定，并且不会受到喷嘴的下游压强(Pd)所影响，如下面 等式所描述Q1n = C · A · P11 · fg(M, γ，T) (2)
r
对于^·
Pu
< CC =
—认pc其中/g(M,r，r) =
(2 )^r + b(RT{ μ γ
(3)
\i/2
2
7 + 1
(4)在上面等式中，C是喷嘴的流量系数，A是喷嘴孔口的截面面积，Pu是喷嘴的上游 压强，Pd是喷嘴的下游压强，并且还是MFV 100的腔室压强，R是普适气体常数，T是气体温 度，M是气体分子量，而γ是定义为Y =CP/CV的气体比热比，其中Cp是在恒定压强下的流 体的热容，而Cv是在恒定容积下的流体的热容。为了满足临界流量条件，喷嘴的上游压强 与下游压强之间的比值必须小于临界压强比α p。，根据等式(3)，Cip。由腔室内的流体或气 体的特性所决定。只要等式(3)的临界流量条件保持，喷嘴下游压强或腔室压强将不会影响流过限 流器的质量流率，且根据等式(2)，增加流率的唯一方式是增加上游压强。基于临界流量的MFV具有在ROR检验器的腔室入口处的临界流量喷嘴或孔口，如 在图1中所说明。如果MFV 100的上游阀120和下游阀150都打开且DUT的流量处于稳定 状态，以及临界喷嘴的尺寸适当设计，那么在限流器的下游压强(腔室压强)和限流器的上 游压强之间的压强比小于临界压强比αρ。。因此，根据等式(2)，流过流量限流器的流量是 临界流量，并且与腔室压强无关。在这一稳定状态下，流过限流器的流量等于DUT所输送的 流量，并且限流器的上游压强(DUT的下游压强)是常数。当下游阀150关闭以便流量检验 时，腔室压强上升。只要在腔室压强和限流器的上游压强之间的压强比小于临界压强比Cip。，流过限 流器的流量仍然是临界流量，且与上升的腔室压强无关。因此，流过限流器的流量不变，限 流器的上游压强不变，并且没有对DUT的下游压强扰动，即使当腔室压强增加时。如果增加 的腔室压强超过临界压强比(α ρ。)，那么流过限流器的流量不是临界流量，且它取决于限流器的上游压强和下游压强。结果，流过限流器的流量不等于DUT所输送的流量，限流器的上 游压强改变，并且对DUT有下游压强扰动。MFV的临界流量时期定义为在下游阀完全关闭的时刻和上升的腔室压强超过临界 压强比α p。的时刻之间的这段时期。在临界流量时期，流过限流器的流量是恒定的临界流 量，且与腔室压强无关。临界流量时期t。f可从如下得出, - Κ·Κ-αρο))
c/ C'-A-fg(M,r,T)其中，α p(l是在关闭下游阀之前稳定入口流量时在腔室压强与限流器的上游压强 之间的初始压强比。从等式(5)可知，临界流量时期t。f取决于气体特性、气体温度和包括有临界流量 喷嘴和腔室容积的MFV的几何尺寸。如果MFV的检验时间在临界流量时期内，那么流过喷 嘴的流量是恒定的临界流量，并且上升的腔室压强不会干扰DUT的下游压强。这大大地最 小化对DUT的下游扰动。只要等式(3)的临界流量条件成立，诸如临界流量喷嘴或孔口的流量限流器将 ROR检验器的腔室与DUT的外部管道设备相隔离。如果流量检验时期在临界时期内，那么 流过限流器的临界流量等于DUT的流率，并且沿着从DUT到MFV的路径的压强分布是稳定 的。显然，临界流量喷嘴和DUT之间的外部容积与等式(1)的流量计算无关。并不需要建立 标定过程来确定用于流量检验计算的在流量限流器和DUT之间的外部容积。这与传统ROR MFV相反，传统ROR MFV在入口处没有流量限流器。对于传统ROR MFV,在流量检验时期，压 强分布沿着从DUT到MFV的路径变化。因此，必须确定DUT和MFV之间的外部容积，并且将 此外部容积作为等式(1)中的腔体容积(V。)的因子，以便进行流量计算。图2是说明临界流量时期和基于临界流量的MFV 100的响应的曲线图。曲线图210 表示腔室内的流体的压强，当下游阀关闭时，此流体压强上升。曲线图220表示穿过临界喷 嘴的流体流率或者进入腔室容积的入口流量。MFV的临界流量时期在图2中用标号230指 示。如图2所见，在临界流量时期，流过喷嘴的入口流量是临界流量或阻流，上升的腔室压 强将不会影响到入口流量和喷嘴的上游压强(这也是DUT的下游压强)。在临界流量时期 期满之后，入口流率下降，并且DUT的下游压强变化。如果腔室压强能够在流量检验期间保持一直低于临界压强比极限，那么经过喷嘴 的流量将一直处于临界流量状态，且变化的腔室压强将不会干扰DUT的下游压强，这大大 地最小化DUT的实际流量波动。穿过喷嘴至腔室容积的入口流量等于DUT的流率。并不需 要确定用于流量检验的在DUT和MFV之间的外部容积。图3说明了根据本公开内容的一个实施方式的包括多个入口和多个临界流量喷 嘴的高精度质量流量检验器(HAMFV) 300。HAMFV 300构造成检验由设备399进行的流体流 率的测量，举例来说，设备399例如MFC、MFM或/和FRC。HAMFV 300包括腔室容积310、压 强传感器320、温度传感器350、具有下游阀370的出口 372以及数量为N的入口 315，入口 315具有上游阀360和用于每个入口的临界流量喷嘴370。腔室310能够容纳从DUT流过 N个入口中的任意一个的流体流。数量为N的临界流量喷嘴330中的每一个喷嘴都位于入口 315中的相应一个附 近。在图3所说明的实施方式中，N= 2，即所说明的实施方式包括两个入口和两个临界流
9量喷嘴，在每个入口处都有一个喷嘴。当然，应当理解，N并不限制于2，在其它实施方式中， 腔室可具有大于2个的入口和相应数量(大于2)的临界流量喷嘴。数量为N的临界流量喷嘴330中的每一个喷嘴都位于上游阀360中的相应一个附 近。在图3所说明的实施方式中，临界喷嘴位于上游阀之后。当然，应当理解，在其它实施 方式中，临界流量喷嘴还能够位于上游阀之前。根据流率范围和气体(或其它流体)类型， 选择打开上游阀中的一个，并且在整个流量检验时期关闭所有其它的上游阀。因此，在流量 检验时期，只有一个临界流量喷嘴启动。数量为N的临界流量喷嘴330中的每一个喷嘴构造成在当其启动时关于某喷嘴的 临界流量时期ti。f(i = 1，...，N)内保持流过临界流量喷嘴的流体流率基本上恒定，并且基 本上不受腔室内的压强变化影响，构造方式如在上面图1所描述的。第i个临界流量喷嘴
的临界流量时期t。f,i的数学表达式通过对等式(5)的类推容易得出
权利要求
一种质量流量检验器，用于检验由流体输送设备进行的流体的流量测量，所述质量流量检验器包括腔室，其界定数量为N的入口，所述腔室构造成在所述入口中的每个处接收来自所述设备的流体的流；压强传感器，其构造成测量所述腔室内的所述流体的压强；数量为N的临界流量喷嘴，每个临界流量喷嘴位于所述入口中的对应一个附近，每个临界流量喷嘴沿着从所述设备穿过对应入口至所述腔室的所述流体的流动路径位于所述腔室的上游；其中，对于所有的i(i＝1，...，N)，第i个临界流量喷嘴构造成在关于所述第i个临界流量喷嘴的临界流量时期tcf，i(i＝1，...，N)内保持流过所述第i个临界流量喷嘴的流体的流率基本上恒定，并且基本上不受所述腔室内的压强变化影响。
2.根据权利要求1所述的质量流量检验器，进一步包括控制器，所述控制器构造成选 择性地启动所述数量为N的临界流量喷嘴中的一个，以便由所述质量流量检验器进行流量 检验操作。
3.根据权利要求2所述的质量流量检验器，其中，所述控制器进一步构造成根据所述 质量流量检验器的期望的流率检验范围以及根据所述流体的流体类型来选择性地启动所 述数量为N的临界流量喷嘴中的所述一个。
4.根据权利要求3所述的质量流量检验器，进一步包括数量为N的上游阀，每个上游阀 与所述临界流量喷嘴中的对应一个相关联；其中，通过打开对应的上游阀并关闭其它所有的上游阀，能够启动所述临界流量喷嘴 中的每一个。
5.根据权利要求4所述的质量流量检验器，其中，每个临界流量喷嘴位于对应的上游 阀之前或之后。
6.根据权利要求4所述的质量流量检验器，其中，每个临界流量喷嘴位于对应的上游 阀附近。
7.根据权利要求4所述的质量流量检验器，进一步包括构造成开启或关闭来自所述腔 室的出口的所述流体的流量的下游阀。
8.根据权利要求3所述的质量流量检验器，其中，对于所有的i(i= 1，. . .，N)，所述第 i个临界流量喷嘴的所述临界流量时期t。f,i(i = 1，. . .，N)与所述第i个临界流量喷嘴的 截面面积Ai成反比；并且其中，所述数量为N的临界流量喷嘴中的至少两个具有不同的截面面积。
9.根据权利要求8所述的质量流量检验器，其中，当所述期望的流率检验范围较高时， 具有较大尺寸的临界流量喷嘴构造成向MFV提供较低的入口压强。
10.根据权利要求8所述的质量流量检验器，其中，当所述期望的流率检验范围较低 时，具有较小尺寸的临界流量喷嘴构造成增加测量时间，由此增加测量精度。
11.根据权利要求1所述的质量流量检验器，进一步包括构造成测量所述腔体内的所 述流体的温度的温度传感器。
12.根据权利要求1所述的质量流量检验器，其中，所述第i个临界流量喷嘴(i= 1，. . .，N)构造成在其的临界流量时期t。f,i内使得流过的流体满足临界流量条件，并且其中，对于所述N个临界流量喷嘴中的每一个，所述临界流量条件由
13.根据权利要求7所述的质量流量检验器，其中，所述控制器进一步构造成控制所述 下游阀、所述上游阀、所述压强传感器和所述温度传感器；并且其中，所述控制器进一步构造成在所述下游阀关闭之后测量所述腔室内的所述流体的 压强的上升率，利用所测量的上升率来计算从所述设备进入所述腔室的所述流体的流率， 由此检验由所述设备进行的测量。
14.根据权利要求13所述的质量流量检验器，其中，所述第i个临界流量喷嘴的所述临 界流量时期t。f,i定义在当所述下游阀关闭的时间点到当Pd和Pu之间的比率超过临界压强 比极限α p。的时间点之间，这由
15.根据权利要求14所述的质量流量检验器，其中，在所述控制器启动所述第i个临界 流量喷嘴时，所述压强传感器和所述温度传感器构造成在所述临界时期t。f,i内对所述第i 个临界流量喷嘴进行测量，以至于所述质量流量检验器的流量检验与变化的腔室压强以及 所述质量流量检验器和所述DUT之间的外部容积基本无关。
16.根据权利要求14所述的质量流量检验器，其中，在所述第i个临界流量喷嘴(i = 1，. . .，N)启动时，所述控制器构造成由如下步骤检验所述设备的测量a)打开所述下游阀，并且根据从主控制器或用户接收到的所述期望的流量检验范围和 所述流体类型来启动第i个上游阀；b)由所述主控制器或所述用户设定所述DUT的流量设置点；c)等待，直至所述腔室内的压强达到稳定状态并且稳定化；d)开始测量所述腔室内的所述流体的压强和温度，以便进行流量检验计算；e)关闭所述下游阀，以至于所述腔室内的压强上升；f)在小于关于所述第i个临界流量喷嘴的临界流量时期t。fa的时期，保持测量所述腔 室内的所述流体的压强和温度，用于流量检验；g)由当所述下游阀关闭时测量的临界时期内打开所述下游阀；以及h)计算进入所述腔室的所述流体的流率，利用 WVc d(P、
17.根据权利要求1所述的质量流量检验器，其中，所述设备包括如下之一质量流量 计；质量流量控制器；以及流量比率控制器。
18.一种用于检验由设备进行的流体的流量测量的方法，包括沿着在质量流量检验器的腔室和所述设备之间的所述流体的流动路径放置数量为N 的临界流量喷嘴；启动N个临界流量喷嘴的第i个(i = 1，. . .，N)，以至于在为所述第i个喷嘴定义的 临界流量时期t。f, i(i = 1，. . .，N)内，流过所述第i个喷嘴的所述流体的流量与所述第i 个喷嘴上游的所述流体的压强基本上稳定，并且基本上不受所述腔室内的压强上升影响；当所述腔室上游的入口阀和所述腔室下游的出口阀保持打开时，引起所述流体沿着从 所述设备穿过第i个入口进入所述腔室的流动路径流动；允许进入所述腔室的所述流体的流率和所述腔室内的所述流体的压强达到稳定状态；关闭所述腔室下游的所述出口阀，以至于所述腔室内的所述流体的压强开始上升；以及在所述临界流量时期t。f, i内，测量流体压强和流体温度，以测量所述腔室内的所述流 体的压强的上升率，并利用所测的压强的上升率来计算所述流体的流率以及流体温度的测量。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述N个临界流量喷嘴中的每一个构造和布置 成使得对于所述第i个喷嘴，流过该喷嘴的流体的流量在关于该喷嘴的临界流量时期t。f,i(i = 1，...，N)内受到限制，以至于在t。f,i(i = 1，...，N)内满足临界流量条件。
20.根据权利要求18所述的方法，其中，计算所述流体的流率的行为包括利用下面给 出的数学公式。WvcU —---m Pstp dAT)其中P和T由所述压强传感器和所述温度传感器在检验时期测量，所述检验时期在所 述临界流量时期内，以至于变化的腔室压强不会影响到所述DUT的下游压强。
21.一种增加质量流量检验器的精度和工作流量范围的方法，所述质量流量检验器检 验由流体的流率的流量测量设备进行的测量，所述质量流量检验器包括构造成接收来自所 述流量测量设备的流体的流的腔室、构造成测量所述腔室内的所述流体的压强的压强传感 器以及构造成测量所述腔室内的所述流体的温度的温度传感器，所述方法包括在所述流量测量设备和所述腔室之间提供数量为N的临界流量喷嘴；以及通过打开对应的上游阀和关闭其它所有的上游阀，选择性地启动所述N个临界流量喷 嘴中的一个。
22.根据权利要求21所述的方法，进一步包括根据期望的流量检验范围、流体类型和 MFV的最大入口压强要求来选择所述临界流量喷嘴的最佳孔口尺寸。
全文摘要
公开了一种用于检验由流体输送设备进行的流量测量的高精度质量流量检验器(HAMFV)，其提供在具有低入口压强的宽流量检验范围上的高测量精度。HAMFV包括界定具有上游阀的数量为N的入口的腔室、具有下游阀的出口、构造成分别测量腔室内的流体的压强和温度的压强传感器以及温度传感器。数量为N的临界流量喷嘴放置在相应上游阀附近。HAMFV进一步包括控制器，该控制器构造成根据期望的流量检验范围和流体类型，通过打开相应的上游阀并关闭其它所有的上游阀来启动数量为N的临界流量喷嘴中的一个。数量为N的临界流量喷嘴中的至少两个具有不同的截面面积。
文档编号G01F25/00GK101978245SQ200980109388
公开日2011年2月16日 申请日期2009年1月21日 优先权日2008年3月18日
发明者K·扎尔卡, 丁军华 申请人:Mks仪器公司