专利名称：能够提供不同的容积的质量流量检验器及相关方法
能够提供不同的容积的质量流量检验器及相关方法
相关申请本申请涉及2006年6月30日提交的美国序列号11/479， 092，其又是2005年3月 25日提交的美国序列号11/090， 120的部分继续，这两个申请的内容在这里都通过引用被 全部并入。
背景 高精度流体输送系统在很多工业应用中已变得非常重要，例如在晶片和芯片制造 的半导体工业中。这样的流体输送系统一般包括诸如质量流量控制器(MFC)和质量流量检 验器(MFV)的部件以调节或监控流体流量。 单个半导体器件的制造可能需要对到通常包括处理室的处理工具的多达十二种
或更多种气体的谨慎同步和对这些气体的输送的精确测量。在制造过程中使用各种配方，
且可能需要例如清洁、磨光、氧化、掩蔽、蚀刻、掺杂、金属化等半导体器件的很多分立的处
理步骤。所使用的步骤、其特定的顺序以及所涉及的材料都对半导体器件的制造产生影响。 晶片制造设备通常被组织成包括在其中气体制造过程(例如化学气相沉积、等离
子沉积、等离子蚀刻和喷涂)被执行的区域。处理工具被提供有各种制程气体，不管该处理
工具是化学气相沉积反应器、真空喷涂机、等离子蚀刻机，还是等离子增强型化学气相沉积
或其它类型的系统、机器或装置。制程气体以精确计量的量被提供给该工具。 在一般晶片制造设备中，气体存储在罐中，罐通过管道或导管连接到气体箱。这样
的气体箱可用于将精确计量的量的纯惰性或反应物气体从制造设备的罐输送到处理工具。
气体箱或气体计量系统一般包括具有气体单元的多个气体路径。这样的单元一般包括气
体棒，气体棒又可包括一个或多个部件，例如阀、压力调节器、压力传感器、质量流量控制器
(MFC)和质量流量计(MFM)以及其它单元如质量流量检验器(MFV)。 现有技术质量流量检验器(MFV)用于对流体输送系统和/或有关的半导体处理工 具的质量流量控制器的性能提供现场检验。
图1示出用于从被测器件(DUT)例如质量流量 控制器MFC 104检验流量的一个这样的现有技术质量流量检验器(MFV)IOO的例子。MFV 100可包括具有预定容积的容器或室102、控制集气管(未示出)和室102之间的流量的上 游或第一阀108、控制从室102到出口例如真空泵的流量的下游或第二阀110、配置成检测 室102内的压力的压力传感器112( —般为电容压力计)、以及温度传感器114。
如图1所示，一般MFV 110可包括控制器120，其接收压力传感器112和温度传感 器114的输出信号，并控制上游阀108和下游阀110的操作。 继续参考图l，在操作中，控制器120通常被设计为在操作期间控制器120首先打 开上游和下游阀108和IIO，使得流出现而通过上游阀108，进入容器102并从下游阀110出 来。控制器120进一步被设计为在足以允许流稳定的初始化时期之后，下游阀110关闭以 停止来自室102的流。当室102充满来自MFC 104的流体时，控制器120从压力计112接 收容器压力的测量信号，从其时钟接收对时间的测量，并确定由于气体流引起的容器压力 的变化的速率。控制器120接着从这些测量结果确定MFC 104所提供的实际流速，以便可 确定MFC的精确度。
在进行流量测量之后，一般，上游阀108接着关闭，且下游阀110打开，以例如通过 连接到真空泵(未示出)而清空容器102。因此，通过利用压力测量的样本值，控制器120 可根据容器102的已知容积中的、所测量到的压力随时间的变化(AP/At)而计算出气体 流速。在图2中用图形示出由根据下述方程(1)表达的数学模式表示的操作的例子。
图2是描述在利用升高率(ROR)测量技术的一般压力计内的压力(P)与时间(t) 的压力关系200的曲线。对于一般质量流量检验，控制器(例如图1的控制器120)或具有 类似计算功能的其它器件/部件利用通常根据下列方程的流量检验的升高率方法 &=^(^)方程(1) 其中，Qi是在A的时期期间进入质量流量检验器的平均气体流量，k。是转换常数 (=6X 107标准立方厘米/分钟或sccm) ， Pstp是标准压力(=1. 01325X 105Pa) ， Tstp是标 准温度(273. 15° K) ， V。是测量室容积，P是所测量的室气体压力，以及T是所测量的气体 温度。 虽然例如图1所示和所述的现有技术质量流量检验器(MFV)对其预期目的可证明 是有用的，但日益证明存在对高精度流体输送系统中使用的、可高度精确地以低容积流速 操作的质量流量检验器的需要。例如图1中的现有技术质量流量检验器已证明在低容积流 速时不能满足某些精确度规范，例如，在处于或低于大约10标准立方厘米/分钟(sccm)的 低流速时，不能满足在所指示的流量读数误差的0. 5%内。 产生了对在到MFV的相对低的进口压力(例如大约等于或小于75Torr)的压力处 检验在较大流量范围(例如lsccm到10， OOOsccm内)的流速的需要。进一步地，由于流噪 声被室容积放大的事实，具有多个压力传感器的单个容积不能够覆盖宽的流量范围，例如 lsccm到10， OOOsccm。 因此，所期望的是通过提供可在宽流量范围内以低容积流速高度精确地操作的质 量流量检验器来处理所提到的限制的系统、方法和装置。
概述 本公开的实施方式目的在于这样的系统、方法和装置，包括软件实现，其处理以前 对现有技术MFV技术提到的缺点，并处理在低进口压力时检验增加的流量范围的当前需 要。本公开的方面通过提供一种布置而提供在大流量范围内的质量流速的高精度测量，该 布置配置成限定多个预先选择和不同的容积，以便分别限定单独的流量检验子范围，当这 些子范围组合时限定整个流量检验范围。使用这样的布置在对质量流量检验执行的压力测 量中便于将与压力有关的有害噪声减到最小。实施方式可利用单个压力计来便于减少成 本。 虽然这里描述了某些实施方式，本领域技术人员应认识到，其它实施方式和方面
在本公开的所包括的说明书和附图中是内在的，并被说明书和附图支持。 附图的简要说明 当与附图一起阅读时，从下面的描述中可更充分理解本公开的方面，附图在本质 上被视为例证性的，而不是限制性的。附图不一定按比例绘制，而是着重于本公开的原理。 在附图中 图1是描述现有技术质量流量检验器的示意 图2是描述使用升高率(R0R)测量技术的压力计的压力与时间响应的曲线；
图3是根据本公开的能够提供不同容积的单压力计质量流量检验器(MFV)的实施 方式的示意图； 图4是根据本公开的实施方式描述测量流量的方法并提供流量检验的图示；以及
图5是能够提供不同容积的单压力计质量流量检验器的另一实施方式的示意图。
虽然这里介绍了某些附图，但本领域技术人员应理解，在附图中描述的实施方式 是例证性的，且可在本公开的范围内设想并实践那些示出的以及这里所述的其它实施方式 的变化方式。
详细描述 本发明人认识到，在对质量流量检验执行的压力测量中的有关噪声可能呈现对测 量精确度的限制，特别是在低流速和低压力时。
根据本公开的流量测量噪声最小化技术可利用下列事实对于质量流量检验，由 压力测量噪声o p引起的流量测量噪声Qn与MFV的室容积V。成比例，如下
Qn ^ Vc o p 方程(2) 通过最小化MFV的室容积，可最小化流量测量噪声。然而，对于给定的流速，当室 容积减小时，在MFV的室容积中的压力升高率AP/At将增加，这可根据方程(1)看到。如 果室容积太小，对高流速的升高的压力可超过压力传感器的最大测量范围，这引起流量测 量误差。在MFV的流量测量范围和流量测量精确度(其由流量测量噪声限制)之间有折衷。
现有技术MFV具有带有多个压力传感器的单个大容积以获得宽的流量测量范围。 例如，卢卡斯测试器具有带有O. 1、1和10Torr的全标度的三个压力传感器的20升室容积。 流量测量范围是lsccm到2， 000sccm。然而，低流速测量(< 10sccm)精确度由压力测量噪 声限制，压力测量噪声根据方程(2)被大的室容积放大。 为了在压力测量中，包括在低流速和低压力时的测量中最小化噪声的不良效应， 本公开的实施方式利用不同大小的测量室容积，这些大小根据特定流量被测器件(DUT)的 流量范围来选择。设置有不同容积的MFV选择大室容积来检验高流量范围，而它选择小室 容积来检验低流量范围。因此，可调节容积的MFV可权衡测量精确度(由测量噪声限制) 和测量范围(由最大压力升高率限制)。 本公开的这些方面通过利用预先选择的大小的多个测量容积对在大流量范围内 的质量流速提供高精度测量。这样的不同大小的测量容积的使用便于最小化在对质量流量 计算和检验执行的压力测量中出现的有害的与压力有关的噪声。本公开的进一步的方面可 提供单个压力计用于这样的流量检验，从而允许减少成本。本公开的实施方式目的在于对 例如来自流体控制器件的容积流速的高精确度测量和/或检验有用的系统、方法和装置。 本公开的实施方式可包括软件或固件，其具有适合于利用多个测量容积来实现和控制这样 的质量流量检验的计算机可执行的代码，例如适当的算法，每个测量容积优选地限定流速 的子范围，当这些流速的子范围组合时提供大的流速范围。 对于特定DUT的流量测量或检验，可基于DUT的工作流量范围来选择根据本公开 的多个测量容积。例如，可选择选定数量的测量容积，使得这些容积相差大约一个数量级 (logl。)。通过使DUT转向到相对于从该DUT接收的流量而选定大小的特定测量容积，可有 效地减小或最小化DUT流量检验测量的统计方差。因此，本公开的实施方式可通过最小化在特定质量流量DUT的流量范围的子范围内的压力测量中的噪声效应，来提供和/或提高 MFV的精确度，特别是在低流速时，例如大约0. 5sccm或更低的流速，如下面进一步详细地 并关于附图描述的。 图3示出根据本公开布置的可调节容积的MFV 300的一个实施方式的示意 图。如所示，MFV 300包括不同容积的多个室302(1)-302(3)(示出三个，但数量可少至 两个和多至可能必须覆盖所关注的整个范围)，并可被配置和布置成接收来自DUT例如 MFC 310的质量流量(Qi)308作为其输入。提供一个或多个上游阀304(1)-304(3)和下 游阀312 (1) -312 (3)，用于选择性地控制进入和流出多个室302 (1) -302 (3)中的每个室 的流量。压力计306配置和布置成选择性地测量每个室302(1)-302(3)中的压力。来 自302(1)-302 (3)的流量可由压力计306通过选择性地操作阀318(1)-318(3)来选择 性地测量，如所示。温度传感器316(1)-316(3)可配置和布置成例如检测与相应的室 302(1)-302 (3)相关的温度，以便检测在一个或多个位置处、优选地在相应的室的壁处的温 度。离开MFV的质量流量被表示为(Q。)309。 控制器、处理器或其它类似的器件303控制系统300的期望的操作(为了清楚起 见，在图3中省略了与控制器303的连接，然而，可提供任何适当的连接)。例如，控制器 303可控制或便于一个或多个上游阀例如阀304(1)-304(3)以及一个或多个下游阀例如阀 312(1)-312(3)的操作。控制器303适当地配置有例如软件或固件，以便控制系统的操作并 执行期望步骤的序列。在这方面，控制器还可适当地通过适当的通信链路例如以太网连接 等或任何适当的计算机可读介质连接，以接收这样的操作的一些或所有必要的指令并执行 期望步骤的序列。 系统300的每个测量室例如室302 (1) -302 (3)中的任何一个可配置和布置成具有 期望的容积并从进口 308接收(例如，期望半导体制程气体的)流体流，进口 308连接成从 被测器件(DUT)例如质量流量控制器MFC 310接收流体。进口连接到相应的进口或上游阀 304(1)-304(3)，阀被操作以便选择哪个室从进口 308接收流体。进口阀304 (1)-304 (3)连 接到相应的室302(1)-302 (3)。所示的示例性实时方式包括具有被对数地标度的相应且不 同容积例如分别10升、1升和0. 1升的三个室。这三个室的流量检验范围也可被对数地标 度，例如分别1， 000-10， OOOsccm、 100-1， OOOsccm和l-100sccm。当然，虽然在图3中示出 三个测量室，但可使用任何适当数量的室，且大小的差异也可变化。因此，本公开的实施方 式可操作来测量任何流速范围，且在以一精确度(在读数误差的0.5%内)测量低质量流 速(< 10sccm)时特别有用。每个室包括连接到相应的出口或下游阀312(1)-312(3)的出 口 。每个下游阀选择性地将相应的室连接到系统300的出口 309。每个室还优选地通过测试 阀318 (1) -318 (3)连接到压力传感器306，以便通过选择性地操作每个阀318 (1) -318 (3)， 可在期望的时间段内测量特定室内的压力。每个室302(1)-302(3)还包括用于测量 每个室302(1)-302 (3)中的压力的温度传感器316(l)-316(3)。由相应的温度传感器 316 (1) -316 (3)进行的对每个室内的流体的温度的测量结果被提供到控制器303，且类似 地，来自压力传感器306的压力测量结果被提供到控制器。对上游和下游阀304 (1) -304 (3) 和312(1)-312(3)的控制选择性地也由控制器控制。 由室提供的子范围优选地交迭或依次邻接，以便为MFV 300的系统提供一个连续 的全范围。通过使用多个室，MFV的范围可根据室和相应部分的数量来扩展。
再次参考图3，如果与MFV 300的选定的室302 (1) -302 (3)相关的上游阀 304(l)-304(3)和相应的下游阀312(1)-312(3)是打开的，则通过选定的室的流将处于或 将最终达到稳态流。接着，为了流量检验，相应的下游阀312(1)-312(3)被关闭，且在选定 的室中的室压力升高。以这种方式，可选择选定容积的室301，并可使用普通压力计306和 相应的温度传感器316进行升高率测量。 图4示出根据本公开的方法400的实施方式，其例如可用于图3的MFV 300的测量 流量。如在步骤402所述的，可提供已知或选定容积例如容积312(1)-312(3)的多个室或 容器，使得每个室的容积相应于质量流量检验器或诸如质量流量控制器等被测器件(DUT) 的工作范围的流量子范围。 流体流可根据在相应于选定的室的流量子范围内的质量流量器件的实际流量被 提供到选定的室，如在步骤404所述的。在步骤404之前，特定的流量范围被自动地或由用 户确定，以便确定需要用于测量的特定的室302(1)-302 (3)。接着，控制器303优选地用于 关闭与其它未被选定的室相关的所有上游、下游和测试阀，并且只操作与选定的室相关的 上游、下游和测试阀，这将在步骤404开始适当的流量子范围内的测量。与接收流体流的选 定的室相关的温度可使用例如相应的温度传感器316来测量，如在步骤406所述的。被选 定的室的适当测试阀318打开，允许在下游阀312被关闭时使用单个压力计测量选定的室 内的压力，如在408所述的。可根据所测量的温度、压力、时间和接收流的室的容积来计算 流量，如在步骤410所述的。 虽然这里描述了某些实施方式，本领域技术人员应理解，本公开的方法、系统和装 置可体现在其它特定的形式中，而不偏离其实质。 例如，虽然这里的系统和方法通常被描述为包括至少两个不同的室，且在所示实 施方式中包括三个不同的室，根据本公开任何适当数量的室可用于多个室。在所描述的实 施方式中，每个室设置有固定的容积。应理解，在室的容积可被调节到相应于系统的工作范 围的子范围的、两个或多个预先选择的容积中的任何一个的场合，可使用仅仅一个室。例 如，如图5所示，室500可具有带有适当密封的端壁502，端壁502是可调节的，以将容积扩 大或减小到预先选择的水平。端壁502可例如为可移动活塞504的一部分。进口阀506和 出口阀508设置成控制从DUT 510进入室并从室出来的流。压力计512和温度传感器514 设置成在室内的压力的升高率期间进行适当的压力和温度测量。因此，在图3的实施方式 中的所有三个容积可于是被设置有具有可调节的容积的单个室。事实上，所示布置允许提 供任何数量的容积，当活塞完全縮回时提供最大容积，而当活塞在邻近压力计进口和热传 感器的位置上时提供最小容积。进一步地， 一个或多个室可设置有固定的容积，而其它室有 可调节的容积。此外，虽然这里所述的实施方式提及单个压力计的使用，根据本公开可结合 多个测量容积使用多个压力计。例如，一个或多个次级或备用压力计可与主压力计并联或 串联配置。 相应地，这里所述的实施方式因此在所有的方面被认为是本公开的例证而不是限 制。
权利要求
一种质量流量检验器，其用于检验来自一质量流量器件的流体的流量，该质量流量器件在一工作流量范围内操作，所述质量流量检验器包括一系统，其被构造和布置成限定不同的预定容积以便表示在所述工作流量范围内的子范围，每个容积包括用于从所述质量流量器件接收流的进口并包括出口阀，以便在所述出口阀关闭时能够测量因从所述质量流量器件到一容积中的流而发生的压力变化；温度传感器，其被构造和布置成，当在一容积内的压力变化被测量时产生表示在该容积内的流体的温度的信号；压力传感器，其被构造和布置成，当在一容积内的压力变化被测量时，产生表示在该容积内的压力变化的信号；以及控制器，其被构造和布置成根据压力计压力信号、温度信号和选定的容积的大小来测量从所述质量流量控制器到该选定的容积的流量。
2.如权利要求l所述的质量流量检验器，其中所述系统包括用于限定所述不同的容积的多个室。
3.如权利要求l所述的质量流量检验器，其中所述系统包括一室，该室的容积是可调节的，以便限定所述不同的预定容积。
4.如权利要求3所述的质量流量检验器，其中所述室包括壁，该壁可移动来提供可调节的容积。
5.如权利要求4所述的质量流量检验器，其中所述壁是可移动活塞的一部分。
6.如权利要求l所述的质量流量检验器，其中多个容积由三个分离的室限定。
7.如权利要求6所述的质量流量检验器，其中所述三个室包括具有大约lo.o升的容积的第一室、具有大约1.o升的容积的第二室和具有大约o.1升的容积的第三室。
8.如权利要求7所述的质量流量检验器，其中具有大约lo.o升的容积的所述第一室配置和布置成操作来在大约lo，000到大约l，000s(Cm的流速范围内进行测量。
9.如权利要求7所述的质量流量检验器，其中具有大约1.o升的容积的所述第二室配置和布置成操作来在大约l，000到大约lOOs(Cm的流速范围内进行测量。
10.如权利要求7所述的质量流量检验器，其中具有大约o.1升的容积的所述第三室配置和布置成操作来测量大约lOO到大约l SCCm的流速范围。
11.如权利要求7所述的质量流量检验器，其中所述多个室配置和布置成操作来对大约lo，000到大约lSCCm的流速范围的压力进行测量。
12.如权利要求l所述的质量流量检验器，其中所述压力传感器是电容压力计。
13.如权利要求12所述的质量流量检验器，其中所述检验器包括单个压力传感器用于每个容积。
14.如权利要求13所述的质量流量检验器，其中所述检验器包括在每个容积的出口和所述单个压力传感器之间的阀，以便控制从选定的容积到所述单个压力传感器的流量。
15.一种用于检验来自一质量流量器件的流体的流量的方法，该质量流量器件在一工作流量范围内操作，所述方法包括限定不同的预定容积以便表示在所述工作流量范围内的子范围；选择性地控制从所述质量流量器件通过每个容积的进口的流量，并选择性地控制从每个容积通过出口阀的流量，以便在所述出口阀关闭时能够测量因从所述质量流量器件到一容积中的流而发生的压力变化；当在一容积内的压力变化被测量时使用温度传感器产生表示在该容积内的流体的温 度的信号；当在一容积内的压力变化被测量时使用压力传感器产生表示在该容积内的压力变化 的信号；以及根据压力计压力信号、温度信号和多个容积之一的已知容积，测量来自所述质量流量 控制器的流量。
16. 如权利要求15所述的方法，还包括基于来自所述质量流量器件的流体流处于相应 于一容积的流量子范围内而选择该容积来接收来自所述质量流量器件的流体流。
17. 如权利要求15所述的方法，其中所述质量流量器件的流量范围为大约10， 000sccm 到大约lsccm。
18. 如权利要求15所述的方法，其中限定不同的预定容积以便表示在所述工作流量范 围内的子范围的所述步骤包括调节室的容积，以选择所述预定容积中的一个。
全文摘要
本发明的实施方式目的在于这样的系统、方法和装置，包括软件实现，其对通过使用多个容积进行的在大流量范围内的质量流速的高精度测量有用，每个容积具有不同和选定的大小。单个压力计的使用可便于减少成本，且使用多个室容积可提供高精确度，同时减少在流量测量中的噪声的效应，这些容积根据在质量流量检验器的总范围内的子流量范围来设定大小。
文档编号G01F25/00GK101796378SQ200880024524
公开日2010年8月4日 申请日期2008年6月23日 优先权日2007年6月27日
发明者K·H.·扎卡, 丁军华 申请人:Mks仪器公司