用于气体流量控制的方法和设备与流程

相关申请

本申请要求2015年7月10日提交的美国临时申请no.62/191,272的优先权权益，通过引用将该文献全文并入本文。

本申请涉及气体流量的控制，尤其是在需要精确测量的时候，例如，在半导体工艺当中。

背景技术：

对于很多工业过程而言，计量气体的流速是很重要的。就半导体工业而言，计量必须尤其精确，因为只有百分之几的流速偏差也可能导致工艺失败。

工业标准流量控制装置是质量流量控制器(mfc)，其含有能够部分打开从而允许流量增加或者能够部分关闭从而允许流量降低的阀。阀的打开是由闭环反馈电路控制的，该电路将使得外部提供的设定点(即，期望的流速)和内部流量测量装置的读数之间的差异最小化。所述流量测量装置采用具有两个缠绕在气体流经的管的外部的电阻式温度计元件的热传感器。通过施加电流对所述元件加热。随着气体流经所述管，该气体将从第一元件吸取热量并将其传递给第二元件。所产生的两个元件之间的温度差就是气体质量流速的测量结果。在更为新式的压力不敏感mfc当中，将压力换能器包含到热传感器和控制阀之间，以计入变化的压力对流量的影响。

mfc中采用的热传感器流量测量的后果在于，精确的流量控制需要对装置定期校准。如果没有定期的校准，通过mfc的实际流速就可能因流量测量装置当中的漂移而漂移到不可接受的值。这一校准往往是通过使气体通过mfc流入到已知容积内或者从已知容积中流出并测量该容积内的压力升高或下降而执行的。可以通过计算压力升高或下降的速率并采用所确立的压力—温度—容积关系确定实际流速。这种类型的测量被称为上升率校准。

另一种计量气体流速的方法将改变关键孔口的上游的气体压力。假设满足某些要求，例如，上游压力至少是下游压力的二倍，那么在恒定温度下通过关键孔口的气体的体积流速与上游或者下游的压力无关。通过控制与压力成正比的上游气体的密度，可以控制通过关键孔口的质量流速。

在这种类型的流量控制当中，采用处于闭环控制回路中的控制阀控制压力，所述闭环控制回路具有置于控制阀和关键孔口之间的压力换能器。通过打开或者关闭控制阀而保持关键孔口的上游的指定压力。由关键孔口上游的压力以及所确立的关键孔口的特性确定质量流速。因此，精确的流量计量不仅取决于压力控制系统的性能，还取决于所述孔口的尺寸的机械完整性和稳定性。由于所述孔口易于因颗粒污染而受到限制，或者因与流经其的气体发生反应而受到腐蚀，因而希望定期校准压力—流量关系。这一操作的执行将采用与mfc所采用的相同的上升率测量。

在这两种流量控制器当中，都不会在流量控制器经历校准之前发现任何流量漂移；因而，总是存在关键工艺遭受不准确的流量的严重损害的可能性。

这两种流量控制方案的缺点，尤其是需要外部测量进行校准和故障检测的这种情况说明了为什么希望获得改进的流量控制方案。

能够在其工作过程中检测故障的流量控制装置的关键要求是有足够数量的可观测并且可控制的过程变量。对于上文描述的两种类型的包括半导体工业当中采用的绝大多数流量控制装置的流量控制装置而言，没有足够的过程变量来完成这些任务。

技术实现要素：

包含下述对本公开的概括性总结的目的在于提供对本发明的一些方面和特征的基本理解。这一概括性总结不是对本发明的全面概述，因而其既非意在特别地指出本发明的重要或关键要素，也非意在划定本发明的范围。其唯一目的是以简化形式介绍本发明的一些构思，以作为下文介绍的更详细说明的前序。

所公开的实施例提供了一种能够对流量测量中的潜在漂移进行自监测的新型流量测量装置。

根据本发明的各个方面，采用具有足够用于执行自分析的过程变量的新型气体流量控制器代替了传统质量流量控制器。

根据本发明的实施例，通过实施两种流量限制而使得有足够数量的过程变量可用：(1)控制阀，其被设计为提供其位置与其流量限制特性之间的高度精确并且可重复的映射，并且能够实现对其位置的非常精确的测量和控制，以及(2)流量限制器，对于该流量限制器而言，上游压力、下游压力、温度和流量之间的关系得到了很好的表征。

本发明的实施例提供了一种控制通过控制阀的气体的流速的方法，所述方法包括：生成使气体流量控制阀的上游的压力、所测量的阀的位置和流速相关联的查找表；在气体流量控制阀的上游的压力以及用于根据所述查找表获得所确定的位置所需要的驱动信号的基础上确立通过所述控制阀的流速；继续使所述气体流量控制阀保持在所确定位置上，从而随着压力的变化而提供预期流速，如果压力确实发生了变化的话；采用气体流量控制阀上游的流量传感器确定流速；计算来自查找表的预期流速和通过流量传感器确定的流速之间的差异，采用所述差异更新查找表，并且继续测量压力并对气体流量控制阀进行调整，以取得预期流速，以及在所述差异超出预定值的情况下发送警报。所述流量传感器可以是具有第二查找表的流量限制器，所述第二查找表基于流量限制器上游和下游的压力以及流量限制器的温度的测量结果确定流速。所述流量限制器可以包括管或者形成于经机械加工的金属块中的通道，所述方法还可以包括使流量限制器的上游的压力保持为流量限制器的下游的压力的至少两倍。所述流量传感器可以是热传感器，所述方法还可以包括由热传感器的质量流量信号获得流速。

根据其他实施例，提供了一种控制通过控制阀的气体的流速的方法，所述方法包括：生成使气体流量控制阀的上游的压力、所测量的阀的位置和流速相关联的第一查找表；确定通过设置于所述控制阀的上游的流量限制器的气体的流速，其中，所述气体流速是利用第二查找表以及流量限制器上游的压力、流量限制器下游的压力和流量限制器的温度的测量值确定的；由所述第一查找表确定获得预期流速所需的控制阀位置的变化。驱动该控制阀位置的变化；在预期流速处于非零值上的时间内重复上面的步骤。

根据其他方面，提供了一种用于控制气体的流量的设备，其包括可控制阀，其中，测量所述阀的位置和所述阀的上游的气体压力，并将其与第一查找表结合使用，以确定通过所述阀的气体的流速；以及所述可控制阀的上游的流量限制器，其中，测量流量限制器的温度以及流量限制器的上游和下游的气体压力，并将其与第二查找表结合使用，以确定通过流量限制器的气体的流速。采用由第一查找表确定的流速和由第二查找表确定的流速的比较检验流量的准确性。所述流量限制器可以包括管或者形成于经机械加工的金属块中的通道。

附图说明

结合到本说明书中并构成了其一部分的附图对本发明的实施例进行了例示，其连同说明书一起用以对本发明的原理进行解释和举例说明。附图旨在以示意图的方式示出了示范性实施例的主要特征。附图并非意在描绘实际实施例的每一特征，也并非意在描绘所示元件的相对尺寸，并且也不是按比例绘制的。

图1是用于气体流量控制的自检验的根据本发明的气体流量控制设备的实施例的简化示意图。

图2a是用于实现针对控制阀使用的高精确度可控流量限制的根据本发明的设备的实施例的简化示意图。图2a示出了处于闭合位置上的控制阀。

图2b是用于实现针对控制阀使用的高精确度可控流量限制的根据本发明的设备的实施例的简化示意图。图2b示出了处于打开位置上的控制阀，其中，通过“h”指示开口量。

图3是流量限制器的实施例的简化示意图。

图4a和4b是流量限制器的另一实施例的简化示意图。

图5是用于控制和检验气体流量的过程的实施例的流程图。

图6是用于控制和检验气体流量的过程的另一实施例的流程图。

图7是用于气体流量控制的自检验的根据本发明的气体流量控制设备的实施例的简化示意图。

具体实施方式

根据本发明的各个方面，采用一种新型气体流量控制器(gfc)代替了标准质量流量控制器。一般而言，应当认识到，在标准mfc当中，所测内容为与气体的质量流量有关的能量转移(以气体携带的热的形式)。相反，在所公开的气体流量控制器当中，所测量和控制的内容为气体流量而非质量流量。因此，通过使用所公开的方案，将实现对气体流量的更好的控制。

图1是用于气体流量控制的自检验的根据本发明的气体流量控制设备100的实施例的简化示意图。在图1中，气体源104向gfc100的入口101内提供气流。压力换能器106测量入口101处的气体压力。之后，使气体流入到流量限制器110(下文将参考图3、图4a和图4b对其做进一步解释)内。在流量限制器110的下游提供第二压力换能器112。

在图1中，gfc100实施两种相继的流量限制：(1)流量限制器110，对于该流量限制器而言，上游压力、下游压力、温度和流量之间的关系得到了很好的表征，随后继之以(2)控制阀108，其被设计为提供其位置与其流量限制特性之间的高度精确并且可重复的映射，并且能够实现对其位置的非常精确的测量和控制。这两种流量限制的相继运行将实现对气体流量的更好的控制，并提供足够的允许gfc实施自监测的参数。

本发明的各种实施例采用了具有可控流量限制的控制阀108，其中，流量限制的尺度是可以非常高的精确度加以测量和控制的。

在本发明的实施例中，这一水平的精确度是通过结合下述特征而获得的：

1.所述流量限制的两个相反的面的单轴运动，其中，另外两个轴内的横向和/或旋转运动限于小于大约1nm。

2.以大约1nm的精确度测量所述单轴维度内的运动。

3.具有大约0.1nm的分辨率的运动致动。

在图2a和2b中示出了这样的控制阀的示例性实施例。在这一实施例中，控制阀由两个具有平面接触区域的相邻主体201和202构成，所述平面接触区域形成了流量限制211。图2a示出了闭合状态，即，无流量状态，图2b示出了打开位置。如图所示，主体202经由上挠曲部和下挠曲部221接合至主体201。在一个实施例中，主体201和主体202是圆柱形的；挠曲部分221是从主体202伸出的圆化盘，并且可以是与主体202从同一体块中加工出来的，或者可以是通过(例如)焊接简单地附接至主体202的。尽管其他形状也是可能的，但是圆形将提供均匀并且平衡的移动。在这一实施例中，下挠曲部分221还起着对腔213进行密封的密封件210的作用，尽管显然有可能提供单独的密封件。腔213是由主体201的下部、主体202的底表面和下挠曲部分221界定的，其包括耦接至入口管道208的腔204和耦接至出口管道209的腔205。当主体202处于其松弛位置时，其密闭地隔开腔204和腔205。在主体202处于其上升位置时，其允许受控流体在腔204和腔205之间流动。

在操作杆(lever)240和主体201的顶部之间提供线性致动器206，从而在致动器206膨胀时使操作杆升高，继而使主体202升高，并使主体202的挠曲部分发生弹性挠曲，如图2b所示。在升高位置上，形成了流量限制表面的主体202的底表面相对于主体201的互补流量限制表面升高了距离“h”，从而允许受控流体通过流量限制阀211流入到腔213内，因而气体可以流入到出口管道209内。在这一实施例中，两个圆柱形挠曲部使主体201和主体202之间的相对运动局限于一个自由度(竖直)，并且限制主体201和主体202在纸页所在平面内相对于彼此的旋转。这样做将通过流量限制211实现对流体流量的高精确控制。

将致动器206安装到第一主体201内，其作用于第二主体202，从而引发第二主体的位移，并因此改变流量限制尺度。将位移传感器207安装到第一主体内，以测量第二主体202相对于第一主体的这一位移。或者，位移传感器可以测量操作杆240或致动器206的位移。在一个实施例中，这一目的是采用能够测量大约1纳米级别的线性位移的电容式测量装置或位移传感器实现的。

借助于传感器207的输出和致动器206的作用形成闭环控制回路，以实现对流量限制211的尺度的控制，继而实现对耦接两个腔的流导的控制。将管道208和管道209结合到系统内，从而将气流引入到一个腔，并从另一个腔引出，使得所有的流量都必须通过由所述两个主体限定的流量限制。

如图1所示，这一实施例的gfc还包含流量限制器110。流量限制器的典型实施例如图3和图4a-4b所示。在图3中，将弯成u形的管用于所述流量限制器。如图3所示，该管301被焊接到凸缘302内，所述凸缘借助于插入到螺栓孔303内的螺栓固定到流量控制装置(未示出)的主体，从而将流量限制器的气流通路连接至两个压力换能器106和112的气流通路，所述两个压力换能器也固定至流量控制装置的主体上，其中一个在流量限制器的上游，一个在流量限制器的下游。在图4a-4b中，在体块内加工出流量限制器通道401，这一体块也类似地借助于插入到螺栓孔403内的螺栓固定至流量控制装置。

在控制流量之前，创建查找表或者某些其他形式的数据记录(统称为“查找表”)，以描述上游压力、下游压力、温度和通过流量限制器110的流量之间的关系。另一种俘获这种信息的方式是描述上游压力、横跨流量限制器的压降、温度和流经流量限制器110的流量之间的关系。借助于这种查找表和流量限制器110两端的压力传感器以及测量流量限制器的温度的温度传感器114，能够将流量限制器110用作流量传感器。由于流量限制器没有活动零件，因而相对于查找表发生的气体流量漂移应当是最小的(如果有的话)。

图1的气体流量控制器100具有足够数量的可观测、可控制参数，从而能够执行关于流量准确度以及诸如阀位置、压力换能器漂移等的其他参数的自诊断。此外，这些自诊断能够发生在气体流量控制器正在以预期流速向处理腔室输送气体之时。

图1的控制器120具有存储于其计算机可读存储介质内的值，所述值允许其确定所需的流量限制开口的量h，该量是对于既定气体压力和温度而言获得预期流速所必需的。可以采用通过针对各种各样的压力、温度、阀位置、h的值测量气体流速而提前确定的查找表执行对所需开口的确定。

通过图5的流程图示出了用于控制和检验通过气体控制阀108的气体的流量的过程的一个实施例，可以对其做出如下总结：

1.在步骤500中，将流速的预期设定点发送至控制器120。如果在505中所述设定点为零，那么假设完成了处理，并在510中由控制器发送使阀闭合的信号，并且该过程在515中停止。

2.如果在505中，设定点不为零，那么过程进行至步骤520，其中，控制器采用用于控制阀108的查找表连同压力换能器p2112指示的测量压力，从而由所述查找表确定所需的控制阀位置。

3.控制器确定用于确立来自第一查找表的确定位置的所需驱动信号。这一操作是采用闭环控制系统完成的，借助于该系统，对驱动信号加以改变，直到控制阀内的位置传感器在525中确定已经建立了由第一查找表确定的位置为止。

4.控制器读取压力换能器p1106和p2112以及温度传感器t114的值。采用这一数据，控制器由用于流量限制器110的第二查找表确定流速。

5.在535中，控制器将通过流量限制器第二查找表确定的流量与通过控制阀第一查找表确定的流量进行比较。如果在535中，所述值匹配，那么所述过程就返回至步骤505。

6.如果在535中，通过流量限制器第二查找表确定的流量与通过控制阀第一查找表确定的流量不同，那么在540中，控制器对控制阀第一查找表更新，从而与通过流量限制器第二查找表确定的流量一致。

7.此外，如果步骤540的比较指示通过流量限制器查找表确定的流量和通过控制阀查找表确定的流量之间的差异大于某一预定阈值，那么控制器在550中发送警报。

8.在设定点处于任何非零值上的时间内按照规律的间隔重复步骤2-7。

在另一实施例中，通过图6的流程图示出了用于控制和检验通过控制阀108的气体的流量的过程，可以将其总结如下：

1.在600中将预期设定点发送至控制器。如果在605中所述设定点为零，那么假设完成了处理，并在610中由控制器发送使阀闭合的信号，并且所述过程停止。

2.如果在605中，所述值不是零，那么控制器读取压力换能器p1、p2以及温度传感器t的值。采用这一数据连同用于流量限制器的第二查找表，在615中，控制器确定当前流量，因而其将允许计算出要对所述流量做出多少改变才能实现设定点流量。

3.在620中，控制器采用用于控制阀的第一查找表，并且确定阀必须移动多少才能提供在步骤615中确定的流量变化。

4.在625中，控制器命令控制阀移动所需的量。

5.在设定点处于任何非零值上的时间内按照规律的间隔重复步骤2、3和4。

6.要时常地根据命令或者根据每一设定点变化或某一其他方便的调度，按照630中的每次判决检验流量的准确度。这是通过在635中将根据流量限制器查找表确定的流量与根据控制阀查找表确定的流量进行比较而完成的。如果在640中，这两个值的差异超过了某一预定阈值，那么在645中，发送警告或警报，从而提醒操作者不能检验流量的准确度。

在这一实施例中，对在步骤5中描述的规律间隔加以选择，使之短于控制阀能够移动到所需位置的时间；因此，控制器不断地更新所需的控制阀移动，最终控制阀收敛于所需位置，从而使根据流量限制器查找表确定的流量保持与预期设定点相等。

在又一实施例中，如果所需精确度不够高，但是希望进行某一类型的流速检验，那么可以将热传感器放置到气体控制阀而非流量限制器的上游。在图7的图中对此给出了图示，其中，采用热传感器701检验流速的准确度。在图7中，由热传感器701测量的两个发热元件之间的温度差指示gfc108的上游的气体的质量流速。将这一质量流速与gfc的查找表结合使用，以检验通过gfc的实际流量，并对任何漂移进行校正。如“背景技术”部分中解释的，热传感器701中的不精确性要比流量限制器中的高；但是，所述流速检验将在控制阀未能正确工作的情况下提供价值，因为其提供能够用于检验gfc108当中的漂移的数据。注意，图7中的热传感器701的使用不同于现有技术mfc中对其的使用，因为在现有技术当中，热传感器输出是通过mfc的流量的指示。相反，在图7的实施例中，热传感器的输出是gfc上游的流量的指示，而通过gfc的流量是通过查找表确定的并通过热传感器701的输出加以检验。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种控制通过控制阀的气体的流速的方法，所述方法包括：

生成将气体流量控制阀的上游的压力、所测量的所述阀的位置和流速联系起来的查找表；

在所述气体流量控制阀的上游的压力以及用于根据所述查找表获得确定的位置需要的驱动信号的基础上，确立通过所述控制阀的流速；

如果所述压力确实发生了变化，则继续使所述气体流量控制阀保持在所确定的位置上，从而随着所述压力的变化提供预期流速；

使用所述气体流量控制阀的上游的流量传感器来确定所述流速；

计算来自所述查找表的所述预期流速和通过所述流量传感器确定的流速之间的差异，

使用所述差异来更新所述查找表，并且继续测量所述压力并对所述气体流量控制阀进行调整，以实现所述预期流速，以及

如果所述差异超出预定值则发送警报。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述流量传感器是具有第二查找表的流量限制器，所述第二查找表基于所述流量限制器的上游和下游的压力以及所述流量限制器的温度的测量结果来确定流速。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述流量限制器包括管，并且所述方法还包括使所述流量限制器的上游的压力保持至少是所述流量限制器的下游的压力的两倍。

4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述流量限制器包括形成于经机械加工的金属块中的通道。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述流量传感器是热传感器，并且所述方法还包括根据所述热传感器的质量流量信号来获得所述流速。

6.一种控制通过控制阀的气体的流速的方法，所述方法包括：

a.生成使气体流量控制阀的上游的压力、所测量的所述阀的位置和流速相关联的第一查找表；

b.确定通过位于所述控制阀的上游的流量限制器的气体的流速，其中，所述气体流速是利用第二查找表以及所述流量限制器的上游的压力、所述流量限制器的下游的压力和所述流量限制器的温度的测量值确定的；

c.由所述第一查找表来确定用于获得预期流速所需的控制阀位置的变化；

d.驱动该控制阀位置的变化；

e.在所述预期流速处于非零值的时间内重复步骤b-d。

7.一种用于控制气体的流量的设备，其包含可控制阀，其中，测量所述阀的位置和所述阀的上游的气体压力，并且将其与第一查找表结合使用，以确定通过所述阀的气体的流速；以及所述可控制阀的上游的流量限制器，其中，测量所述流量限制器的温度以及所述流量限制器的上游和下游的气体压力，并且将其与第二查找表结合使用，以确定通过所述流量限制器的气体的流速。

8.根据权利要求7所述的设备，其中，根据所述第一查找表确定的流速与根据所述第二查找表确定的流速的比较被用来检验流量的准确性。

9.根据权利要求7所述的设备，其中，所述流量限制器包含管。

10.根据权利要求7所述的设备，其中，所述流量限制器包括形成于经机械加工的金属块中的通道。

11.一种用于控制气体的流量的设备，包括：

可控制阀；

位于所述可控制阀的上游的热传感器；

控制器，所述控制器存储将所述阀的位置、所述阀的上游的气体压力和通过所述阀的气体的流速相关联的查找表，其中，通过所述热传感器测量的质量流量被发送至所述控制器，并且所述控制器使用质量流量值来更新所述查找表。

12.一种用于控制气体的流量的设备，包括：

控制阀；

位于所述可控制阀的上游的流量限制器；

位于所述流量限制器的上游的第一压力换能器；

位于所述流量限制器的下游和所述控制阀的上游的第二压力换能器；

被设置为测量所述流量限制器处的温度的温度传感器；

包括处理器和存储介质的控制器，所述存储介质包括将在气体流量控制阀的上游测量的所述第一压力换能器的压力、所测量的所述控制阀的位置和通过所述控制阀的流速相关联的第一查找表以及将所述第一压力换能器的上游的压力、所述第二压力换能器的下游的压力、所述温度传感器的温度以及通过所述流量限制器的质量流量相关联的第二查找表。