用于实时地监测穿过质量流量控制器的流量的系统和方法
【专利摘要】质量流量控制器包括：第一流量计，其被构造和布置成测量穿过质量流量控制器的质量的流率；第二流量计，其被构造和布置成测量穿过质量流量控制器的质量的流率；控制阀，其被构造和布置成响应于根据如流量计之一所测量的流率而产生的控制信号来控制穿过质量流量控制器的质量的流率；以及系统控制器，其被构造和布置成产生控制信号，并在如第一流量计所测量的质量的流率和如第二流量计所测量的质量的流率之间的差异超过阈值时提供指示。
【专利说明】用于实时地监测穿过质量流量控制器的流量的系统和方法
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请根据美国法典第35篇第119条要求2012年1月20日提交的美国申请号 13/354988的优先权利益，该美国申请通过引用被全部并入本文。
【技术领域】
[0003] 本公开通常涉及质量流量控制器（MFC)，且更特别地涉及用于实时地监测穿过 MFC的流量的系统和实时地监测穿过MFC的流量的方法。如在本文使用的，术语"气体"包 括术语"蒸汽"，如果这两个术语被认为不同的话。
[0004] 概要
[0005] 质量流量控制器（MFC)是用于测量和控制气体的流量的设备。它们通常用于在半 导体制造工艺期间控制气体的流量，其中进入半导体工具（例如真空室）内的气体的流量 必须被谨慎地控制，以便产生高产率半导体产品。MFC通常被设计和标定成控制在特定范围 的流率（flow rate)下的特定类型的气体。设备基于由通常用户预先确定的给定设定点或 外部设备（例如半导体工具本身）来控制流率。MFC可以是模拟或数字的。它们一般被设 计成对入口气体的压力范围使用，低压和高压MFC是可用的。所有MFC具有进气口和出气 口、包括质量流量传感器和比例控制阀的质量流量计。系统控制器用作反馈控制系统的一 部分，反馈控制系统根据如由设定点所确定的流率与如质量流量传感器所感测的所测量的 流率的比较来向控制阀提供控制信号。反馈控制系统因此操作阀，使得所测量的流量被维 持在如由设定点所确定的流率。
[0006] 这样的控制系统假设MFC在某个容限内保持标定。为了测试MFC是否在标定的容 限内，一般离线地测试MFC，利用这样的设备作为质量流量检验器。质量流量检验器用于测 试流率。虽然离线测试非常准确，但总是有下列问题:MFC可能在过程的运行（实时地）期 间变得标定失效，且没有被检测到，直到过程完成为止。这可常常导致半导体产品的较低产 量和甚至导致整个产品产量的损失的完全故障。这可能是昂贵的，且显然是不合乎需要的。 所需要的是当过程正运行时用于实时地连续测试MFC的标定设置的设备和方法。
[0007] 相关技术的描述
[0008] 参考日本公布的申请2004-246826A2004. 9. 2。
【发明内容】
[0009] 一种质量流量控制器，包括：
[0010] 第一流量计，其被构造和布置成测量穿过该质量流量控制器的质量的流率；
[0011] 第二流量计，其被构造和布置成测量穿过该质量流量控制器的质量的流率；
[0012] 控制阀，其被构造和布置成响应于根据如由流量计之一所测量的流率而产生的控 制信号来控制穿过质量流量控制器的质量的流率；以及
[0013] 系统控制器，其被构造和布置成产生控制信号，并在如由第一流量计所测量的质 量的流率和如第二流量计所测量的质量的流率之间的差异超过阈值时提供指示。
[0014] 根据例证性实施例和附图的下面的详细描述的查阅，这些以及其它部件、步骤、特 征、对象、益处和优点现在将变得清楚。
【专利附图】
【附图说明】
[0015] 附图公开了例证性实施例。它们并不阐述所有实施例。此外或替代地，可使用其它 实施例。可能明显或不必要的细节可被省略以节省空间或为了更有效的说明。相反，可在 没有所公开的所有细节的情况下实践一些实施例。当相同的数字出现在不同的附图中时， 它指相同或相似的部件或步骤。
[0016] 图1是被构造和布置成控制穿过MFC的流量并实时地监测MFC的准确度的MFC的 简化方框图；
[0017] 图2是使用这里所描述的教导的MFC的实施例的方框图；以及
[0018] 图3是用于产生指示MFC(例如关于图1和2描述的MFC)何时在标定容限之外的 信号的部件的方框图。
【具体实施方式】
[0019] 现在讨论例证性实施例。此外或替代地，可使用其它实施例。可能明显或不必要 的细节可被省略以节省空间或为了更有效的说明。相反，可在没有所公开的所有细节的情 况下实践一些实施例。
[0020] 参考图1，所示出的示例性质量流量控制器10被构造和布置成控制穿过MFC的流 量并实时地监测MFC的准确度。如所示的，控制器10包括两个流量计12和14,每个流量计 独立地产生表示穿过MFC的气体的所测量的流率的信号。这两个流量计的输出被提供到系 统控制器16。控制器16处理从这两个流量计12和14接收的两个信号，并基于由流量计之 一所测量的流量和设定点来向比例控制阀18提供控制信号，并且当确定如两个流量计所 测量的流率中的差异超过预定阈值时提供指示（"警报"）信号。
[0021] 在图2中示出通常在20指示的MFC的更详细的示例性实施例。MFC20被构造和 布置成控制穿过MFC的流量并实时地监测MFC的准确度。如所示的，气体在包括导管的块 28的输入口 32处被接收，该导管限定穿过MFC到出气口 60的主要流动路径。第一流量 计30被示为热质量流量计。热质量流量计一般包括热质量流量传感器36。后者通常包括 布置在穿过块28的气体流的主要流动路径34的旁路中的旁路元件38。U形毛细管40具 有分别连接到在旁路元件38的上游和下游端处的主通路的相对端。一个或多个阻力元件 42(两个是最常见的）用于根据例如这两个阻力元件的阻力中的差异基于温度测量来测量 穿过毛细管的流量，阻力中的差异转而是流体的感测温度（质量流率的度量）中的差异的 函数。旁路元件38设计成确保穿过在毛细管40的两端之间的旁路元件38的气体流是层 流的。通过维持层流流动，穿过毛细管的气体的所测量的流率将是穿过主流动路径34的流 的精确百分比。因此，穿过毛细管40的所感测的流率将是穿过MFC20并离开出气口 60的 流率的准确度量。表示所感测的流率的数据被传递到系统控制器16。
[0022] 第二流量计50被示为差压流量计。针对阻塞流状况，流量计50包括流量限制器 52 (例如临界流喷嘴或孔口）和布置成测量从流量限制器52上游流经主流动路径34的气 体的相应温度和压力的温度传感器54和上游压力传感器56。将表示所感测的温度和压力 的数据传输到系统控制器，用于在根据这些所感测的测量结果确定流经第二流量计的质量 流量时使用。针对非阻塞流状况，第二或下游压力传感器58设置在流量限制器52的下游 侧上。将表示所感测的温度、上游压力和下游压力的数据传输到系统控制器16,用于根据所 感测的测量结果确定流经第二流量计50的质量流量。由第二流量计50 (在阻塞和非阻塞 实施例中）提供的第二测量独立于由第一流量计30提供的测量。
[0023] 参考图3,系统控制器16处理流量计70和72的输出以便提供穿过MFC的同一流 的两个流量测量结果。如所示，流量计70被提供到流量控制单元74,流量控制单元74转而 将控制信号施加到比例控制阀18。提供比较器76以比较表示由两个流量计70和72提供 的所感测的流量测量结果的数据以提供输出信号，输出信号作为这两个测量结果之间的任 何差异的函数并表示两个测量结果之间的任何差异。通过阈值检测器78将这个输出信号 与某个阈值（由阈值设置80提供）比较。如果比较器76的输出信号超过阈值（其中这两 个计提供不同的流量测量结果，使得在这两者之间的差异超过预定阈值），阈值检测器提供 警报或指示信号以警告用户该计中的至少一个是不准确的，以及MFC应被离线地采用并进 一步被测试。应注意，在80处的阈值设置的值可以用多种方法中的任一个（包括在MFC的 初始工厂设置期间设置该值）来提供，或是用户编程的。可根据针对特定过程的质量流量 中的可允许容限来设置阈值，控制器用于利用该特定过程来输送气体。因此，一些过程可以 比其它过程允许流量中的更大容限。
[0024] 虽然第一和第二流量计在图2中分别被描述为热质量流量计和差压流量计，它 们也可以是其它类型的流量计，例如科里奥里流量计、磁性流量计或超声流量计，取决于 MFC20打算用于的应用。虽然第一流量计的类型不同于第二流量计的类型是优选的，但是 这两个流量计可以是相同的类型。例如，这两个流量计可以是热质量流量计或差压流量计。 此外，虽然第一流量计30位于控制阀18的上游而第二流量计位于控制阀18的下游，这两 个流量计的位置可以是沿着MFC的主流动路径34的任何地方。例如，这两个流量计可以在 控制阀18的上游或下游。
[0025] 如图3所示，尽管来自第一流量计70的测量结果在流量控制单元74中被用于控 制MFC流量输出并且来自第二流量计72的测量结果被用于实时地验证MFC的准确度，但是 来自第二流量计72的测量结果可在流量控制单元74中被用于控制MFC20的流量输出，且 来自第一流量计70的测量结果被用于流量验证。
[0026] 所讨论的部件、步骤、特征、对象、益处和优点仅仅是例证性的。它们中没有一个以 及关于它们的讨论也非旨在以任何方式限制保护范围。还设想了很多其它实施例。这些实 施例包括具有更少的、额外的和/或不同的部件、步骤、特征、对象、益处和优点的实施例。 这些实施例还包括部件和/或步骤被不同地布置和/或排序的实施例。
[0027] 除非另有说明，在这个说明书中（包括在接下来的权利要求中）阐述的所有测量、 值、额定值、位置、幅值、尺寸和其它规范是近似的，不是确切的。它们预期具有与它们所涉 及的功能和与它们所属的领域中的惯例一致的合理范围。
[0028] 所有制品、专利、专利申请和在本公开中引用的其它公布物特此通过引用被并入 本文。
[0029] 短语"用于…的模块"在权利要求中使用时被预期并应被解释为包括所描述的相 应的结构和材料及其等效形式。类似地，短语"用于…的步骤"在权利要求中使用时被预期 并应被解释为包括所描述的相应的行动及其等效形式。这些短语在权利要求中的缺失意指 权利要求并不被预期且不应被解释为限于相应的结构、材料或行动及其等效形式中的任一 个。
[0030] 所陈述或示出的事情没有被预期或不应被解释为使任何部件、步骤、特征、对象、 益处、优点或等效形式献给公众，而不管它是否在权利要求中被列举出。
[0031] 保护范围仅由现在接下来的权利要求限制。该范围被预期或应被解释为与在当按 照这个说明书被解释时的权利要求中使用的语言的普通意义和接下来的诉讼历史一致的 范围一样广泛，并包括所有结构和功能等效形式。
【权利要求】
1. 一种质量流量控制器，包括： 第一流量计，其被构造和布置成测量穿过所述质量流量控制器的质量的流率； 第二流量计，其被构造和布置成测量穿过所述质量流量控制器的质量的流率； 控制阀，其被构造和布置成响应于根据由所述流量计之一所测量的流率而产生的控制 信号来控制穿过所述质量流量控制器的质量的流率；以及 系统控制器，其被构造和布置成产生所述控制信号，并在由所述第一流量计所测量的 质量的流率和由所述第二流量计所测量的质量的流率之间的差异超过阈值时提供指示。
2. 根据权利要求1所述的质量流量控制器，其中所述第一流量计和所述第二流量计具 有相同的类型。
3. 根据权利要求1所述的质量流量控制器，其中所述第一流量计和所述第二流量计具 有不同的类型。
4. 根据权利要求1所述的质量流量控制器，其中所述流量计中的至少一个是差压流量 计。
5. 根据权利要求1所述的质量流量控制器，其中所述流量计中的至少一个是热质量流 量计。
6. 根据权利要求5所述的质量流量控制器，其中所述流量计中的另一个是差压流量 计。
7. 根据权利要求1所述的质量流量控制器，其中所述流量计中的至少一个是科里奥利 流量计。
8. 根据权利要求1所述的质量流量控制器，其中所述流量计中的至少一个是磁性流量 计。
9. 根据权利要求1所述的质量流量控制器，其中所述流量计中的至少一个是超声流量 计。
10. 根据权利要求1所述的质量流量控制器，其中所述第一流量计和所述第二流量计 分别在所述控制阀的上游和下游。
11. 根据权利要求1所述的质量流量控制器，其中所述第一流量计和所述第二流量计 都位于所述控制阀的上游。
12. 根据权利要求1所述的质量流量控制器，其中所述第一流量计和所述第二流量计 都位于所述控制阀的下游。
13. 根据权利要求1所述的质量流量控制器，其中所述控制信号根据由热质量流量计 所测量的流率而产生。
14. 根据权利要求13所述的质量流量控制器，其中另一流量计是差压流量计。
15. 根据权利要求1所述的质量流量控制器，其中所述控制信号根据由差压流量计所 测量的流率而产生。
16. 根据权利要求15所述的质量流量控制器，其中另一流量计是热质量流量计。
17. 根据权利要求1所述的质量流量控制器，其中所述阈值是用户设置的。
18. 根据权利要求1所述的质量流量控制器，其中所述阈值是工厂设置的。
19. 根据权利要求1所述的质量流量控制器，其中根据针对过程的质量流量中的可允 许容限来设置所述阈值，所述控制器用于利用所述过程来输送气体。
【文档编号】G01F25/00GK104114982SQ201380005938
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2013年1月9日 优先权日:2012年1月20日
【发明者】丁军华 申请人:Mks 仪器公司