专利名称：用于流量测量和确认质量流量控制器有效性的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及用来验证质量流量控制器的性能的方法和系统，更具体地说，涉及使用上升流量标准的速率验证质量流量控制器的性能。
背景技术：
现代制造工艺在特定制造阶段期间有时需要化学元素精确的化学当量比。为了实现这些精确的当量比，不同的工艺气体可以在特定的制造阶段期间被递送到处理室中。气体操纵台可以用来把这些工艺气体递送给有一个或多个舱室或反应器的处理工具。气体操纵台是包括一个或多个致力于把工艺气体给处理工具的集装架的机箱。气体操纵台本身又是由一组气体集装架组成的，而后者本身由一组气体管线组成。
气体管线组件可以包含一些分立组成部分，例如，入口配件、人工隔离阀、二进制受控气动隔离阀、气体过滤器、压力调节器、压力转换器、在线压力显示器、质量流量控制器和出口配件。这些组成部分之中的每个组成部分串联地与公用流动路径或用于一种特定工艺气体的专用通道耦合。歧管和阀门矩阵把每个气体管线的出口与处理室连接起来。
为了实现特定的化学当量比，处理工具控制器坚持给质量流量控制器的设定点，并且将与特定的气体管线相关联的阀门矩阵排序。指示的流量数值是由每条气体管线的质量流量控制器输出的而且受处理工具控制器监控。
质量流量控制器(MFC)是通过将流量传感器和比例控制阀连接到控制系统上来构成的。流量传感器借助模-数转换器与该控制系统耦合。控制阀由电流控制的的电磁阀驱动电路驱动。质量流量测量系统位于控制阀上游。该控制系统监控设定点输入和流量传感器输出，同时刷新控制阀门输入和指示的流量输出。由嵌入式控制系统执行的闭环控制算法用于管理源于通过比例控制阀和出口配件的入口配件上处理气体的质量流量，以致设定点输入和指示的流量输出之间的实时差异或误差接近零或尽可能快地以最小的过调和尽可能小的控制时间归零。
因为可以用于制造特定电子组成部分的气体超过500种，所以每个相应的质量流量控制器的操作都是至关重要的。通常，这些质量流量控制器是使用处理室自身使其生效的。图1描绘一个这样的现有技术的系统，其中处理室130是作为流量确认工具使用的。为了校验质量流量控制器120，设定点信号被输入到质量流量控制器120，该质量流量控制器依次开始使气体流向处理室130。因为处理室130的体积是已知的，所以被称为上升率的原始的流量测量技术可以用来测量进入那个体积的流量。这个方法利用质量守恒定律和气体状态方程来推演在固定体积中的压力和进入那个体积的流量(质量流量)之间的关系。该方程由下式给出m·=[ΔP·VRT]Δt---Eq.(1)]]>其中ΔP是在时间间隔Δt内的压力变化，R是通用气体常数，T是气体的绝对温度，而V是测量室的体积。方程1利用理想气体方程作为状态方程；相似的方程能针对其它的状态方程推演出来。
不幸的是，典型处理室130的体积可能是大约20到60公升，这使小流量的测量异常地耗费时间。此外，处理室130可能呈现遍及它的体积的大的温度梯度，从而破坏进入处理室130的质量流量的测量和计算。
图2展示使用容积在20到60公升之间的典型的处理室130在一些典型的流速下实现给定的压力变化所必需的时间数量。由于许多其它的限制，0.1托的最小压力可能是开始测量所必需的，而0.3托的最小累积压力是进行测量所必需的。结果，完成2sccm流量的单一流量点的确认过程可能需要多达5分钟，而质量流量控制器的确认过程可能要花费长达30分钟的时间。这个冗长的确认周期降低工具的实用性并且增加使用者的费用。
除了测量缓慢之外，测量准确性通常不好于读数的±5％。起作用的主要误差是温度误差、舱室体积误差和没有考虑到气体(吸附或解吸)。
确认质量流量控制器120有效性的其它方法可以利用平行于处理室130的第二体积来测量流量。然而，这些方法不允许测定质量流量控制器120的瞬时(非稳定态的)性能，而且确定质量流量控制器120上游体积所必需的许多步骤使这项技术难以整合到现有系统之中而且可能恶化确认过程所必需的已经相当长的时间需求。
因此，需要一些用来确认质量流量控制器有效性的系统和方法，这些系统和方法应该能快速测量动态性能和确认质量流量控制器的有效性同时通过减少测量不确定性提高确认过程的准确性。
发明内容
本发明揭示用于流量校验和确认质量流量控制器有效性的系统和方法。这些系统和方法能够测量质量流量控制器的动态性能，而且可以在一个步骤中完成流量校验和测量。
依照一个实施方案，两个体积可以一起用于在测量顺序期间精确地确定总体积，将错误的流动条件减到最少和减少对压力瞬变现象的敏感性。质量流量控制器可以与测量系统耦合。质量流量控制器可以被指定到特定的流量，而该系统可以开始流量测量。气体在质量流量控制器和测量系统之间的体积中累积而且测量这个体积内的压力。然后，气体可以流进已知的体积并且测量压力。然后在那两个时间间隔期间获得的各种不同的测量结果可以用来计算质量流量控制器和测量系统之间的体积和流速。该流速本身又可以用来确定质量流量控制器相对于设定点的准确性。
在一个实施方案中，属于第一体积的第一数据是在第一时间间隔期间收集的，属于第二体积的第二数据是在第二时间间隔期间收集的，第一体积是确定的，而流量是计算的。
在另一个实施方案中，第一体积包括以第一数据和第二数据为基础计算第一体积。
在又一个实施方案中，第一数据包括在第一时间间隔里的压力变化，而第二数据包括在第二时间间隔里的压力变化。
在另外一个实施方案中，第一体积是通过接收输入确定的。
在其它的实施方案中，用来测量通过质量流量流量控制器的流量的系统在质量流量控制器的下游与质量流量控制器耦合，该系统包括舱室、在该舱室上游与该舱室耦合的第一阀门、在该舱室下游与该舱室耦合的第二阀门和在第一阀门上游与该舱室耦合的压力传感器。
在另一些其它的实施方案中，该系统是可操作的收集在第一时间间隔期间属于第一体积的第一数据和收集在第二时间间隔期间属于第二体积的第二数据； 在一些实施方案中，第二数据是在收集第一数据之前收集的。
在一些实施方案中，第一数据是在收集第二数据之前收集的。
依照又一个实施方案，节流孔可以连同某个体积一起用来精确地确定与节流孔上游的体积的几何结构或压力不相关的流速。此外，可以利用使用该节流孔所确定的误差点推演和拟合误差曲线。随后，流量可以在不使用节流孔的情况下被计算出来并且可以以那个导出的和拟合的误差曲线为基础进行调整。质量流量控制器可以与测量系统耦合。该质量流量控制器可以被指定到特定的流量而该系统可以开始测量流量。然后，在这个时间间隔期间获得的各种不同的测量结果可以用来计算流速。该流速本身又可以用来确定质量流量控制器相对于设定点的准确性。
在一个实施方案中，属于第一体积的第一数据是在第一时间间隔期间收集的，然后，第一流量被计算出来并且以误差曲线为基础进行调整。
在另一个实施方案中，误差曲线是通过使导出的误差曲线与一组误差点(包括确定的一组误差点)拟合确定的，其中每个确定的误差点是通过下述步骤确定的当节流孔处在打开位置时在第一设定点收集在第二时间间隔期间属于第一体积的第二数据；以第二数据为基础计算第二流量；当节流孔处在节流位置时在第一设定点收集在第三时间间隔期间属于第一体积的第三数据；以第三数据为基础计算第三流量；以及把第二流量与第三流量进行比较。
在其它的实施方案中，节流孔是可操作的在节流位置产生压力梯度，在这种情况下节流孔上游的压力是节流孔下游压力的大约两倍。
在又一个实施方案中，当第一设定点至少是500sccm的时候，该节流孔是可操作的产生压力梯度。
在其它的实施方案中，那组确定的误差点之中每个误差点都代表一个误差，在这种情况下第一设定点至少是500sccm。
在另外一个实施方案中，那组误差点包括一组观测到的误差点，每个观测到的误差点都是通过下述步骤确定的在第二设定点收集在第四时间间隔期间属于第一体积的第四数据和以第四数据为基础计算第四流量。
在另外的一个实施方案，误差曲线是以气体类型为基础调整的。
在一个实施方案中，系统在质量流量控制器下游与质量流量控制器耦合，该系统包括舱室、在该舱室上游与该舱室耦合的第一阀门、在该舱室下游与该舱室耦合的压力传感器和在该压力传感器上游与该舱室耦合的节流孔。
在特定的实施方案中，该系统是可操作的收集在第一时间间隔期间属于第一体积的第一数据和计算第一流量。
本发明的这些和其它的方面在结合下面的描述和附图考虑时将被更好地领会和理解。下面的描述在指出本发明的各种不同的实施方案和它们的许多特定的细节的时候是作为例证而不是作为限制给出的。许多替代方案、修正方案、补充或重新排列可以在本发明的范围内完成，而且本发明包括所有这样的替代方案、修正方案、补充或重新排列。
包括构成这份说明书某个部分的附图为的是描绘本发明的某些方面。通过参照在附图中举例说明的可仿效的非限制性的实施方案对本发明和组成部分的以及按本发明配备的系统的操作的较清楚的印象将会变得更容易显而易见，在这些附图中同一的参考数字表示同一组成部分。请注意，在这些附图中举例说明的特征不必依比例绘制。
图1包括使用处理室确认质量流量控制器有效的传统的现有技术系统的例证。
图2包括在流量校验过程中利用处理室的时候在一些典型的流速下实现压力变化所需时间的曲线图。
图3包括用于确认质量流量控制器有效的系统的一个实施方案的方框图。
图4包括利用所描述的方法的一个实施方案实现的压力随时间变化的曲线图。
图5-8包括描述完成流量校验或验证质量流量控制器操作有效的方法的各种不同实施方案的流程图。
图9包括用于质量流量控制器的验证系统的一个实施方案的方框图。
图10包括在质量流量控制器和类似于图9描绘的系统之间的路径几何排列的一个实施方案的方框图。
图11包括在质量流量控制器和类似于图9描绘的系统之间的路径几何排列的一个实施方案的方框图。
图12包括描绘使用图9描绘的系统完成流量校验或确认质量流量控制器操作有效的方法的一个实施方案的流程图。
具体实施例方式这份申请涉及2002年2月5日授权给Tinsley等人的以“System and Method of Operation of a Digital Mass FlowController”为题的美国专利第6,343,617号；2003年11月4日授权给Tinsley等人的以“System and Method of Operation，of aDigital Mass Flow Controller”为题的美国专利第6,640,822号；2004年1月27日授权给Tinsley等人的以“System and Method ofOperation of a Digital Mass Flow Controller”为题的美国专利第6,681,787号；2002年5月14日授权给Vyers的以“System andMethod for a Digital Mass Flow Controller”为题的美国专利第6,389,364号；2004年3月30日授权给Vyers的以“System andMethod for a Digital Mass Flow Controller”为题的美国专利第6,714,878号；2002年9月3日授权给Vyers的以“System andMethod for a Variable Gain Proportional-Integral(PI)Controller”为题的美国专利第6,445,980号；2002年9月10日授权给Tariq等人的以“System and Method for Sensor Response Linearization”为题的美国专利第6,449,571号；2003年6月10日授权给Larsen等人的以“Mass Flow Sensor Interface Circuit”为题的美国专利第6,575,027号；1999年5月11日授权给Mudd等人的以“FlowController，Parts of Flow Controller，and Related Method”为题的美国专利第5,901,741号；1998年12月22日授权给Mudd的以“FlowController，Parts of Flow Controller，and Related Method”为题的美国专利第5,850,850；1998年6月16日授权给Mudd的以“Methodof Making a Flow Controller”为题的美国专利第5,765,283号。在这个段落里面引证的所有的专利和申请在此通过引证全部并入。
本发明及其各种不同的特征和有利的细节将参照在附图中举例说明并在下面的描述中详细说明的非限制性实施方案予以更全面的解释。关于广为人知的原材料、处理技术、组成部分和设备的描述被省略，为的是不在细节上不必要地使本发明变得模糊不清。然而，人们应该理解，当指出本发明的优选实施方案的时候，详细的描述和特定的例子仅仅是作为例证而不是作为限制给出的。在阅读本说明书之后，各种不同的不脱离权利要求书范围的替代方案、修正方案、补充方案和重新排列对于熟悉这项技术的人将变得显而易见。
现在将注意力指向能够测量质量流量控制器动态性能的用于流量校验和确认质量流量控制器有效性的系统和方法。这些系统和方法的实施方案除了它的稳定状态行为之外还考虑到捕获流量控制器的瞬间流动行为而且可以是可操作的以至少50ms的更新率计算流量。同样地，该测量系统和方法能够测量质量流量控制器的过调量、稳定时间、响应时间、所述变量的重复性和进行体积在动态流动条件下的定量测量而且能用于初步的体积标定。
依照一个实施方案，两个体积可以一起用来精确地确定测量顺序期间的总体积，将错误的流动条件减到最少和降低对压力瞬变现象的敏感性。质量流量控制器可以与测量系统耦合。质量流量控制器可以被命令按指定的流量操作而且该系统可以开始流量测量。气体可以在质量流量控制器和测量系统之间的体积中累积而且可以测量这个体积内的压力。然后，气体可以流进已知的体积并且测量压力。然后，在那两个时间间隔期间获得的各种不同的测量结果可以用来计算质量流量控制器和测量系统之间的体积和流速，该流速本身又可以用来确定质量流量控制器与设定点相关的准确性。同样地，这些系统和方法也可以允许测试质量流量控制器内通过阀门的泄漏。通过以信号通知质量流量控制器流速为零，探测到的压力变化可以归因于通过那些阀门的泄漏。
这些系统和方法可以使用上升速率技术测量质量流量控制器的性能，把气体状态方程和质量守恒定律结合起来推演类似于方程1的方程。质量流量可以用下式确定m·=[ΔP·VZRT]Δt---Eq.(2)]]>其中ΔP是在时间间隔Δt内的压力变化，R是通用气体常数，T是气体的绝对温度，Z是气体压缩因数，而V是测量室的体积。气体压缩因数Z对于轻的气体通常等于1，对于较重的分子(例如，WF6)可能远远小于1。压缩因数的使用可以在非理想的可压缩气体的情况下提高流量测量的准确性。
现在转向图3，描述可以与并入与处理室平行的气流实现本发明的系统和方法的硬件安排的可仿效实施方案。上升速率系统(ROR)300可以用来测量质量流量控制器120相对于设定点的准确性。上升速率系统300可以通过通向处理室130的气体管线302并入气流。在一个特定的实施方案中，阀门350、370在质量流量控制器120的下游并且在处理室130的上游。ROR 300可以包含在阀门330、310之间的舱室305和在阀门310下游的压力传感器320。压力传感器可以是技术上普遍知道的类型的传感器，能够测定从0.1托到1000托的压力。与处理室130的介于10公升和60公升之间的典型体积相比较，舱室305通常有介于10毫升和1公升之间的体积。
ROR 300可以接到气流中，在质量流量控制器120和阀门350的下游并且在阀门370和处理室130的上游。在阀门350、370和310之间连接部分的实际体积是用体积360表示的。在许多情况下，ROR 300是使用直径从0.25英寸到0.5英寸的316L不锈钢管与气体管线连接的，虽然其它材料(例如，镍或钨)可以用在气体管线302被用来传送专用气体的情况。气体从气源110流向质量流量控制器120，后者根据设定点控制通过它的气体体积，通常在0.1sccm和每分钟100公升之间。然而，如果阀门310、350是打开的而阀门370是关闭的，则气体从质量流量控制器120流向舱室305，如果阀门350、370是打开的而阀门310是关闭，那么气体从质量流量控制器120流到处理室130。
在特定的实施方案中，为了能用ROR 300进行流量测量，阀门370对处理室130是关闭的，阀门350对质量流量控制器120是打开的，而在ROR 300里面的阀门310是关闭的。质量流量控制器120被命令按指定的流量操作，于是ROR系统300开始流量测量。气体在阀门350、370和ROR系统300里面的阀门310之间的体积360中累积。在ROR 300里面的压力传感器320在阀门310的上游，而且这种几何排列能够测量体积360内的压力。压力随时间的变化可以被测量出来，以便稍后用于流量测量结果的量化。每隔一些时间Δt1，将阀门330关闭并且将阀门310打开从而允许气体流进ROR 300的舱室305，已知的体积。压力继续作为时间的函数用和ROR 300中的压力传感器320监控。
压力随时间变化的典型曲线在图4中给出。在这张图中，所描绘的最初的压力变化发生在样品体积360中，而且压力变化和时间间隔分别是ΔP1和Δt1。从大约10秒开始的第二个倾斜是在阀门310打开而阀门330关闭时出现的。在这种情况下，累积体积是体积360和舱室305的已知体积的组合。压力随时间的变化在时间时间间隔Δt2内是ΔP2。然后，体积360可以使用下面的表达式计算出来。
v=[ΔP2·VΔt2][ΔP1Δt1-ΔP2Δt2]---Eq.3]]> 然后，方程3可以与方程2结合用来确定流量。然后，可以将确定下来的流量与质量流量控制器的设定点进行比较以确定质量流量控制器120的准确性。
现在转向图5，描述用来测量流动属性和验证质量流量控制器准确性的方法的一个实施方案的流程图。这个特定的方法在测量大流量(大于200sccm)的时候可能是有利的，因为在最初测量瞬态流量期间可利用较大的体积，从而减少测量的不确定性。
在一个特定的实施方案中，阀门370可以借助控制系统关闭，从而指出将要进行的是测试还是确认质量流量控制器的有效性。为了开始测试，打开阀门310、330并且用泵380抽真空(步骤510)。然后，将阀门330关闭而且数据可以为开始的州被轮流(步骤520)。当质量流量控制器120以特定的设定点为基础控制流量的时候，可以收集第一时间间隔里的数据(步骤530)。可以使用技术上已知的传感器(例如，压力传感器320)监测特定的时间周期中的时间、压力和温度。在一些实施方案中，这个时间周期的长度可以借助压力或时间的抽检点确定。举例来说，当体积内的压力达到特定的真空压强的时候，第一时间间隔可以结束。第一时间间隔结束时的压力可以大幅度改变，取决于被测量的流量，但是通常在10托和1000托之间。第一时间间隔也可以在预定的时间量(通常是至少10秒，但不超过60秒)之后结束。
然后，在第一时间间隔结束(步骤530)之后，可以关闭阀门310(步骤540)，并且收集第二时间间隔里的数据(步骤550)。与在第一时间间隔期间一样，这组数据可以包括压力、温度和时间，而且第二时间间隔的长度可以使用与前面就第一时间间隔讨论的判据相同的判据来确定。
在第二时间间隔结束(第550步骤)之后，可以使用方程2和方程3计算体积360和流动属性(步骤570、580)。作为替代，体积360可能是输入的(步骤590)，然后可以使用输入的体积计算流动属性(步骤580)。然后，可以将流量与质量流量控制器120的初始设定点进行比较，以便确定质量流量控制器120的准确性。
熟悉这项技术的人将会理解，各种不同的步骤、测量、和计算可以以各式各样的方式控制和完成，包括借助镶嵌在ROR系统300里面的控制系统或借助连同质量流量控制器120、气体管线302和处理室130一起利用的控制系统。
类似地，图6是用来测量流量和确认质量流量控制器120有效性的方法的流程图，该方法对于中等流量(20sccm-200sccm)可能是有利的，在这种情况下，在开始的瞬间状态期间使用体积较大的舱室305并非是必然有用的。
在一个实施方案中，阀门370可以借助控制系统关闭，从而指出将要进行的是流量测量还是确认质量流量控制器120的有效性。为了进行质量流量控制器的测试，将阀门310、330打开并且用泵380抽真空(步骤610)。然后，将阀门310关闭并且可以获得初始状态的数据(步骤620)。然后，在质量流量控制器120以特定的设定点为基础控制流量的情况下，可以收集第一时间间隔里的数据(步骤630)。可以使用技术上已知的传感器(例如，压力传感器320)在特定的时间周期中监测时间、压力和温度。这个时间周期的长度可以借助压力或者计时抽检点确定，如同前面就图5讨论那样。
然后，在第一时间间隔(步骤630)结束之后，可以关闭阀门330、打开阀门310(步骤640)和收集第二时间间隔里的数据(步骤550)。与第一时间间隔期间一样，这组数据可以包括压力、温度和时间，而且第二时间间隔的长度可以使用与前面关于第一时间间隔讨论的判据相同的判据确定。
然后，在第二时间间隔(第650步骤)结束之后，可以使用方程2和方程3计算体积360和流动属性(步骤670，680)。作为替代，体积360可能是输入的(步骤690)，然后，可以使用输入的体积计算流动属性(步骤680)。然后，可以将该流量与质量流量控制器120的初始设定点进行比较，确定质量流量控制器120的准确性。
一旦确定了阀门350、370和310之间的体积360，就可以使用唯一的体积360进行流量测量。在许多装置中，体积360很小(小于20cc)，因此在指定的流速下测量压力变化比较容易，通常对于给定的流速测量时间将减少五倍。
图7举例说明一个利用体积360测量流动属性或确认质量流量控制器120有效性的方法。这个方法对于流速小于20sccm的情况可能是特别有效的，而且允许使用短得多的测量时间间隔。阀门370可以借助控制系统关闭，从而指出将要进行的是流量测量还是确认质量流量控制器120的有效性。为了进行质量流量控制器的测试，将阀门310、330打开然后用泵380抽真空(步骤710)。然后将阀门310关闭并且获得初始状态的数据(步骤720)。然后，在质量流量控制器120以特定的设定点为基础控制流量的情况下，可以如同前面讨论的那样收集第一时间间隔里的数据(步骤730)。
在第一时间间隔(步骤730)结束之后，可以将阀门310打开并且将阀门330关闭(步骤740)。在特定的情况下，打开阀门310前面的阀门330在整个第一时间间隔里面始终维持体积360中的压力可能是有利的。然后，在第一时间间隔(步骤730)结束之后，可以使用方程2和方程3以及先前确定的体积360的测量结果(步骤770)计算流动属性(步骤780)。作为替代，可以先由使用者用手输入体积360(步骤790)，然后可以计算流动属性(步骤780)。然后，可以将计算出来的流量与质量流量控制器120的设定点进行比较，确定质量流量控制器120的准确性。
此外，一旦确定了质量流量控制器阀门和阀门之间的体积360，就可以使用舱室305和体积360的已知体积进行流量测量。这对于高体积流量可能是有用的，在这种情况下大的测量体积是符合要求的。
图8举例说明在流量测量或校验质量流量控制器120时利用体积360和舱室305组合的方法。阀门370可以借助控制系统关闭，从而指出将要进行的是流量测量还是确认质量流量控制器120的有效性。为了进行质量流量控制器的测试，将阀门310、330打开并且用泵380抽真空(步骤810)。然后将阀门330关闭并且获得初始状态的数据(步骤820)。然后，可以如同前面讨论的那样在质量流量控制器120以特定的设定点为基础控制流量时收集第一时间间隔里的数据(步骤830)。
然后，在第一时间间隔(步骤830)结束之后，可以将阀门330打开(步骤840)，然后可以使用方程2和方程3、先前确定的体积360的测量结果(步骤870)和舱室305的已知体积计算流动属性(步骤880)。作为替代，体积360可能是使用者用手输入的(步骤890)，然后计算流动属性(步骤880)。然后，将该流量与质量流量控制器120的设定点进行比较，确定质量流量控制器120的准确性。
然而，在许多情况下，引进上升速率计算的误差可能变得很重要。更具体地说，当流速上升时，由体积360或该路径中其它的流动元素(例如，阀门350)组成的管线的长度可能改变与舱室305的已知体积里面的压力变化速率相关的体积360里面的压力变化速率。体积360中压力变化速率的变更取决于体积360的几何结构、质量流量控制器120的流速和流过气体管线302的气体的性质，并因此能使流速计算和质量流量控制器120的同标准验证变得困难。这些效应在流速高于200sccm时可能特别显著。因此，需要的是在测量压力和压力变化或计算体积和流速时用来消除或补偿这些效应的方法。
在所揭示的系统和方法的特定的实施方案中，节流孔可以与某个体积结合起来使用，以便精确地确定流速，不考虑在节流孔上游的体积的几何结构或压力。此外，可以利用使用节流孔所确定的误差点推演和拟合误差曲线。然后，可以计算在不使用节流孔时的流量和以导出和拟合的误差曲线为基础调整流量。图9描述一个硬件安排实施方案，该硬件安排可以并入气流，与处理室平行，该处理室可以通过在测定装置上游使流体短路或节流按自然法则补偿对上游压力的依赖性。与前面关于图3的描述一样，上升速率系统(ROR)300可以并入通过气体管线302流向处理室130的气流。在图9描绘的特定实施方案中，节流孔322接在ROR 300和阀门350之间，紧靠ROR 300。节流孔322可以用来减少体积360的几何结构对压力测量结果的影响和改善ROR 300的可用性和准确性。
节流孔322可以通过使用被称为“流体短路”的技术减少ROR 300对体积360的几何结构的敏感性。这项技术使流动路径变窄，以致体积360中的压力大于节流孔322上游的压力。尽管许多压力梯度可以用来减少体积360的几何结构的影响，但是为了获得理想的效果，节流孔322应该形成这样的压力梯度，以致体积360中的压力至少是节流孔322上游压力的两倍。这可以使节流孔322上游的压力在流速恒定不变期间实质上保持恒定不变。在一个实施方案中，节流孔322可以是多位阀，这种阀门能依照质量流量控制器120的流速定位，在体积360和ROR 300之间产生适当的压力梯度。
在另一个实施方案中，节流孔322可以是技术上已知的有打开位置、关闭位置和节流位置的三通阀。气体管线302和处理室130可以在节流孔322处于关闭位置时正常地起作用。当节流孔322处在打开位置时，ROR 300可以如同参照图5-8描述的那样与气体管线302和工艺室130一起起作用。然而，通过把节流孔322放在节流位置，可以在体积360和ROR 300之间产生一个压力梯度，该压力梯度允许ROR 300中待定的流速与上游压力或体积无关。因为ROR 300中的流速可以被确定而且与体积360无关，所以不需要获得用来确定体积360的几何结构的测量结果。
举例来说，参照图5，不需要步骤540-570和590。在这个利用节流孔322的情况下，阀门370可以借助控制系统关闭，从而指出将要进行的是测试还是确认质量流量控制器的有效性。为了开始测试，将阀门310、330打开并且用泵380抽真空(步骤510)。然后，可以将阀门330关闭，将节流孔322设定在节流位置并且获得初始状态的数据(步骤520)。然后，在质量流量控制器120以特定的设定点为基础控制流量时，可以收集第一时间间隔里的数据(步骤530)。可以使用技术上已知的传感器(例如，压力传感器320)在特定的时间周期中监测时间、压力和温度。在一些实施方案中，这个时间周期的长度可以借助压力或时间的抽检点确定。举例来说，当在舱室305的体积中压力达到特定的真空压强的时候，第一时间间隔可以结束。第一时间间隔结束时的压力可以大幅度改变，取决于正在测量的流量，但是通常介于10托和1000托之间。第一时间间隔也可以在达到预定的时间量(通常至少10秒，但不超过60秒)之后结束。
在这个第一时间间隔(步骤530)结束之后，可以使用方程2和方程3计算流动属性(步骤580)，不考虑体积360。因此，仅仅由于利用节流孔322，就不再需要第二时间间隔而且可以取消步骤540-570和590。
熟悉这项技术的人将会理解，利用节流孔322，也可以用图6-8描绘的方法实现类似的步骤减少，而且可以在单一瞬态期间利用舱室305的体积来确定流速和确认质量流量控制器120的有效性。此外，人们将会理解，同样的步骤减少可以不顾节流孔322的落实方法(例如，三位阀或多位阀)都能实现。
尽管节流孔322可以调节以便在任何流速下利用，但是，在一个特定的实施方案中，节流孔322可以是三位阀，其中节流孔被调节成适合用于形成这样的压力梯度，使体积360中的压力在流速在500sccm以上时大于节流孔322上游压力的两倍。
对于500sccm以下的流速，体积360引进的误差可以被精确地补偿。为了精确地补偿误差，误差项作为主要变量(包括流速、几何结构和气体类型)的函数的方程可以针对体积360的特定几何结构推演出来。该方程可以给出适合于体积360的特定几何结构引进的误差的曲线形状。
举例来说，方程可以针对流量修正项推演出来，该修正项适合于体积360与图10描绘的情况相似的情况，其中体积360是直径恒定不变的管子。更明确地说，方程能被展开，展示体积360的平均压力与舱室305中实测的平均的压力的关系。这被表示成Pavg＝1/3(P1-P2)+P2Eq(4) 上述的方程可以用于与其它的方程结合推演修正项，该修正项将给出使用方程(2)测定的流量和预期的真实流量之间的差异，把关于体积360中预期的平均压力的附加信息合并动量方程O=dpdx+μ(d2u2x2+d2u2z2)---Eq.(4.1)]]>对于圆筒形几何结构1RddR(R·dydR)=1μdpdx---Eq.(4.2)]]>
由于压力梯度与R无关，方程4.2能被积分，给出u(R)=1udpdxR24+AlogR+B---Eq.(4.3)]]>边界条件为u(0)＝有限值＝＞A＝Oμ(a)=0⇒B=-(dPdx)a24μ]]>u(R)=-14udpdx(a2-R2)---Eq.(4.4)]]>μavg=-∫02π∫0Rμ(R)rdrdθ∫02π∫0Rrdrdθ=dpdxR28μ]]>
m·=πR·48uRTPdpdx]]> Pdp=m·=(8μRTπR·4)dx]]>∫p0p1pdp=∫0Lm·8μRTπR·4dx]]>假定T是常数12p2|p0p1=-m·8μRTπR·4L]]>12(P02-PL2)=-m·8μRTπR·4L]]>PL2=(P02-m·16μRTπR·4L)]]>PL=(P02-m·16uRTπR·4L)12---Eq.(5.1)]]>Pavg-=∫0L1PavgdL∫0L1dL---Eq.(5.2)]]>一般地说，对于二次函数
P＝ax2+b其中x＝L P＝PL当x＝0时，P＝P0P＝aL2+P0，a=PL-P0L2]]>P=PL-P0L2x2+P0---Eq.(5.4)]]>Pavg=∫0LPdx∫0Ldx---Eq.(5.5)]]>Pavg=∫0L(PL-P0L2x2+p0)dx∫0Ldx]]>=(PL-P0L2)13x3+P0x|0LL]]>=(PL-P0L2)(L33)+P0LL]]>Pavg=13(PL-P0)+P0]]>
Pavg=23P0+13PL--Eq.(5.6)]]>P0=(m.16μRTπR.4L+PL2)12]]>Pavg=23(m·16μRTπR·4L+PL2)12+13PL---Eq.(5.7)]]>如果M.=m.16μRTπR.4L---Eq.(5.8)]]>如果PL是时间的函数在一个实施方案中，PL＝P1+At，如果P＝OPavg(t)=23((M·)+(At)2)12+13At---Eq.(6.1)]]>通常，当m(m上面应该有一个点)接近零时，完成变得比较小。对于给定的质量流量，在气体粘度逐渐增加时，误差可能逐渐增加，于是，整个体积由两个部分组成体积360和舱室305。
m·=(ΔPavg(t)vVvRTvΔt+ΔP(t)fVfRTfΔt]]>如果假定温度是相同的
m·=1RΔtT(ΔPavg(t)vVv+ΔP(t)fVf)---Eq.(6.3)]]>在正常情况下，ΔP(t)v＝ΔP(t)f所以mc·=1RΔtT(ΔP(t)f(Vv+Vf))---Eq.(6.4)]]>于是，计算质量流量的误差可以通过两个表达式相减来估计me·=mc·-m·]]>me·=1RΔtT(ΔPf(t)fVv-ΔPavg(t)vVv)---Eq.(7.1)]]>平均压力的变化可以根据方程7.1被代入。为了简化，如我们假定ΔP(t)f从t＝0和P＝0于是(ΔPΔt)f=A]]>me·=1RT(AVv-ddt[23(M+(At)2)12+13At]Vv)---Eq.(7.2)]]>方程7.2似乎有很好的表现。因为ehaved.As the variable可变体积Vv→0me·→0]]>M·→0,]]>me→0M·=m·16μRTπR·4L---Eq.(7.3)]]>为了简化，如果VT＝Vv+Vf
m·=ΔP(t)fVTRTΔt]]>m·=1RT(AVT)---Eq.(7.4)]]>M·=1BT(AVT)16μRTπR·4L---Eq.(7.5)]]>方程6.1的导数将得到dPavg(t)dt=ddt[23(M·+(At)2)12+13At]]]>dPavg(t)dt=[23(A2t(M·+(At)2)12)+13A]---Eq.(8.1)]]>m·e=1RT(AVv-[23(A2t(M·+(At)2)12)+13A]Vv)---Eq.(8.2)]]>me·=vRT[A-(23(A2t(A(V+v)16μLπR4+(At)2)12)+13A)]---Eq.(9)]]>其中Vv＝(m3)，R=8.3149(Pam2molK),]]>T(K)， μ＝(Pas)，L(m)，R(m)，t(s)， 1sscm=7.41·10-7mols]]>A项是舱室305中的压力导数。于是，预期流量可以通过把增加方程9的结果加到方程2上得到。
变量16L/πR4(其中R上面有一个点)等同于流动路径几何结构项并且用H表示，气体粘度是依气体而定的项，用G表示。方程9可以被重新写成me·=VvRT(A-[23(A2t(HGAVT16μLπR·4+(At)2)12)+13A])---Eq.10]]> 不幸的是，用于流量测量的大多数几何结构将不如同图10给出的那样简单。然而，同样的形式体系能用来推演适合任何几何结构的方程。第二种常见的几何结构可能是直接在舱室305的上游引进阀门310，如图11所示。
在这种情况下，管子(体积360)中的平均压力是用下面的方程11给出的。
Pavg＝(P1-P3)/3+P3其中P3＝Pv+P2，而Pv是阀门3两端的压降。在研制时，同样的技术可以用于方程9，开发描述这种特定几何结构的替代方程，并且用下式给出me·=VvRT[A-(23(A22t(A(Vt)16μLπR·4+(A2t)2)12)+13A2)]---Eq·(11)]]> 其中A2是直接在阀门330上游的压力导数。
一旦推导出适用于体积360的特定几何结构的方程，就可以通过使用ROR 300计算质量流量控制器120当节流孔322处在打开位置时在一系列流量设定下的流速与当节流孔322处在节流位置时在同一系列流量设定下的计算流速的比值对超过500sccm的流量凭经验观测由体积360的特定例证所引起的实际误差。通过比较按照这些流量设定之中的每个流量设定计算出来的两个流速，可以确定一组与适合于500sccm以上的流速的误差曲线相对应的点。然后，导出方程(例如，方程10)所描述的曲线可以与凭经验确定的发生在500sccm以上的误差点拟合，产生一个误差方程，该误差方程描述代表体积360的几何结构在所有的流量下引起的误差的曲线。
此外，在许多情况下，体积360在流量200sccm以下时所引起的误差从统计上来看并非无关紧要。因此，在这些流速下观测到的真实流量可以用于建立可以与该方程所描述的误差曲线拟合的点。
在该方程描述的曲线与凭经验确定的曲线拟合的时候，描述适合于某特定体积几何结构例证的误差曲线的误差方程的变量(包括几何结构项(H))可以被计算出来。然后，这条误差曲线可以在进一步校正体积360引起的误差时应用于用ROR 300获得或计算的测量结果和流速，从而允许更精确计算质量流量控制器120的流速。人们将理解，这个误差曲线可以用来校正在任何流速下当节流孔322处在打开位置时体积360引进的误差，从而允许在单一瞬态期间利用舱室305的体积更精确地确定流速和校验质量流量控制器120。
图12描绘如同前面详细说明过的那样使用ROR 300和描述误差曲线的方程计算流速的方法的一个实施方案。在这种情况下，阀门370可以用控制系统关闭，从而指出将要进行的究竟是测试还是质量流量控制器的校验。为了开始测试，将阀门310、330打开并且用泵380抽真空(步骤1210)。然后，将阀门330关闭并且获得初始状态的数据(步骤1220)。然后，在质量流量控制器120基于特定的设定点控制流量的情况下，可以收集第一时间间隔里的数据(步骤1230)。可以使用技术上已知的传感器(例如，压力传感器320)监测某特定的时间周期中的时间、压力和温度。在一些实施方案中，这个时间周期的长度可以借助压力或时间的测试点确定。举例来说，第一时间间隔可以在体积里面的压力达到某特定的真空压力时结束。第一时间间隔结束时的压力可能大幅度改变，取决于被测量的流量，但是通常介于10托和1000托之间。第一时间间隔也可以在某预定时间量(通常至少10秒，但至多60秒)之后结束。
然后，在这个第一时间间隔(步骤1230)结束之后，可以在不考虑体积360的情况下使用方程2和方程3计算流动属性(步骤1240)。然后，如同前面描述的那样，可以使用先前确定的误差方程对这些流动属性校正体积360引进的误差(步骤1250)。结果，不需要第二时间间隔，而且可以在节流孔322处在打开位置的情况下按任何流量设定计算精确的流速。
在使用ROR 300计算流速的时候，当确定被介绍的误差时候，此外，在大多数情况下，也可以使这些方程适合把通过气体管线302流动的气体考虑进来。这可以通过使用气体粘度项(方程10中的G)完成，而气体粘度项的数值是基于流过气体管线302或ROR 300的气体确定的。举例来说，气体项(G)可能对于氮气是一个数值，而对于一种类型的氟化物气体是另一个数值，等等。把取决于气体的不同数值用于G，最后产生的误差曲线不但能针对体积360的形状校正计算出来的流量，而且能针对流过气体管线302的气体的粘度校正计算出来的流量。熟悉这项技术的人将理解各种不同的步骤、测量和计算可以用各式各样的方法来控制和实施，包括用镶嵌在ROR系统300里面的控制系统，或用连同质量流量控制器120、气体管线302和处理室130一起利用的控制系统。
人们还将理解，凭经验确定的用来与用方程描述的曲线拟合的点将在节流孔322的统调和优化的基础上确定。举例来说，如果节流孔322是供形成压力梯度之用统调的，而且体积360中的压力在流速等于或大于200sccm时比节流孔322上游压力的两倍还要大，则凭经验确定的点可能在200sccm和更高的流速下。
请注意并非参照图5-8和12描述的所有步骤都是必不可少的，某个步骤可能是不需要的，而且除了已描述的步骤之外还可能利用一些附加步骤，包括附加的测量、时间间隔，等等。此外，该方法中每个元素的描述次序不必是它的利用次序。在阅读这份说明书之后，原本熟悉这项技术的人将能够确定哪种步骤安排将最适合特定的落实。
在前面的说明书中，已经参照特定的实施方案描述了本发明。然而，原本熟悉这项技术的人将领会到各种不同的修正和变化可以在不脱离权利要求书中陈述的本发明的范围的情况下完成。因此，这份说明书和那些附图应该在说明性的而非限制性的意义上看待，而且所有这样的修正都倾向于被包括在本发明的范围之内。
前面已经描述了与特定的实施方案有关的利益、其它的优势和解决问题的办法。然而，这些利益、优势和解决问题的办法以及任何可能使任何利益、优势或解决办法出现或变得更显著的组成部分将不被解释为任何权利要求或全部权利要求的重要的、必需的或必要的特征或组成部分。
权利要求
1.一种测量流经流量控制器的流量的方法，该方法包括收集在第一时间间隔期间属于第一体积的第一数据；收集在第二时间间隔期间属于第二体积的第二数据；确定第一体积；以及计算流量。
2.根据权利要求1的方法，其中所述确定第一体积包括计算第一体积。
3.根据权利要求2的方法，其中所述第一体积是以第一数据和第二数据为基础计算的。
4.根据权利要求3的方法，其中所述第一数据包括在第一时间间隔内的压力变化，而所述第二数据包括在第二时间间隔内的压力变化。
5.根据权利要求4的方法，其中所述收集第二数据是在收集第一数据之前完成的。
6.根据权利要求4的方法，其中所述收集第一数据是在收集第二数据之前完成的。
7.根据权利要求1的方法，其中确定第一体积包括接收输入。
8.根据权利要求7的方法，其中所述第一数据包括在第一时间间隔内的压力变化，而所述第二数据包括在第二时间间隔内的压力变化。
9.根据权利要求8的方法，其中所述收集第二数据是在收集第一数据之前完成的。
10.根据权利要求8的方法，其中所述收集第一数据是在收集第二数据之前完成的。
11.一种测量流经流量控制器的流量的方法，该方法包括收集在第一时间间隔期间属于第一体积的第一数据；以及以第一数据为基础计算流量，其中所述第一体积是先前确定的或作为输入接收的。
12.根据权利要求11的方法，其中所述第一体积是先前通过下述步骤确定的收集在第一时间间隔期间属于第一体积的第一数据；收集在第二时间间隔期间属于第二体积的第二数据；以及以第一和第二数据为基础计算第一体积。
13.一种测量流经质量流量控制器的流量的方法，该方法包括收集在第一时间间隔期间属于第一体积的第一数据；以及以第一数据为基础计算流量，其中第二体积是先前确定的或作为输入接收的。
14.根据权利要求13的方法，其中所述第二体积是先前通过下述步骤确定的收集在第一时间间隔期间属于第一体积的第一数据；收集在第二时间间隔期间属于第二体积的第二数据；以及以第一或第二数据为基础计算第二体积。
15.一种测量流经流量控制器的流量的系统，其中所述系统在所述流量控制器的下游与所述流量控制器耦合，该系统包括舱室；在所述舱室上游与所述舱室耦合的第一阀门；在所述舱室下游与所述舱室耦合的第二阀门；以及在所述第一阀门上游与所述舱室耦合的压力传感器。
16.根据权利要求15的系统，其中所述系统可操作的用于收集在第一时间间隔期间属于第一体积的第一数据；以及收集在第二时间间隔期间属于第二体积的第二数据。
17.根据权利要求16的系统，其中所述第一体积对应于所述第一阀门和所述流量控制器之间的体积，而第二体积对应于所述第一体积和舱室的体积。
18.根据权利要求17的系统，其中所述第一数据包括在第一时间间隔内的压力变化，而第二数据包括在第二时间间隔内的压力变化。
19.根据权利要求18的方法，其中所述收集第二数据是在收集第一数据之前完成的。
20.根据权利要求18的系统，其中所述其中收集第一数据是在收集第二数据之前完成的。
21.根据权利要求18的系统，其中所述系统进一步可操作的用于确定第一体积；以及计算流量。
22.根据权利要求21的系统，其中所述系统借助以第一和第二数据为基础的计算确定第一体积。
23.根据权利要求21的系统，其中所述系统通过接收输入确定第一体积。
24.一种测量流经质量流量控制器的流量的方法，该方法包括收集在第一时间间隔期间属于第一体积的第一数据；计算第一流量；以及以误差曲线为基础调整第一流量。
25.根据权利要求24的方法，进一步包括确定误差曲线。
26.根据权利要求25的方法，其中确定误差曲线包括使推演得出的误差曲线与包括一组确定的误差点在内的一组误差点拟合。
27.根据权利要求25的方法，其中所述的每个确定的误差点是通过下述步骤确定的在第一设定点收集在第二时间间隔期间属于第一体积的第二数据，其中节流孔处在畅通位置；以第二数据为基础计算第二流量；收集在第三时间间隔期间按第一设定点属于第一体积的第三数据，其中所述节流孔处在节流位置；以第三数据为基础计算第三流量；以及把第二流量与第三流量进行比较。
28.根据权利要求27的方法，其中所述节流孔可操作的在节流位置形成压力梯度，在这种情况下节流孔上游的压力是节流孔下游压力的大约两倍。
29.根据权利要求28的方法，其中当第一设定点至少为500sccm的时候，所述节流孔可操作的形成压力梯度。
30.根据权利要求28的方法，其中被确定的误差点组之中的每个误差点代表一个误差，其中第一设定点至少是500sccm。
31.根据权利要求30的方法，其中误差点组包括一组观测到的误差点。
32.根据权利要求26的方法，其中所述每个观测到的误差点是通过下述步骤确定的在第二设定点收集在第四时间间隔期间属于第一体积的第四数据；以及以第四数据为基础计算第四流量。
33.根据权利要求32的方法，其中观测到的误差点组之中的每个误差点代表一个误差，在这种情况下第二设定点是200sccm或更少。
34.根据权利要求26的方法，其中所述确定误差曲线进一步包括以气体的类型为基础调整误差曲线。
35.一种测量流经质量流量控制器的流量的系统，其中所述系统在质量流量控制器下游与质量流量控制器耦合，所述系统包括舱室；在所述舱室上游与舱室耦合的第一阀门；在所述舱室下游与舱室耦合的压力传感器；以及在所述压力传感器上游与所述舱室耦合的节流孔。
36.根据权利要求35的系统，其中所述系统可操作的用以收集在第一时间间隔期间属于第一体积的第一数据；以及计算第一流量。
37.根据权利要求36的系统，其中所述节流孔切可操作的产生压力梯度，在这种情况下节流孔上游的压力是节流孔下游压力的大约两倍。
38.根据权利要求37的系统，其中计算第一流量进一步包括以误差曲线为基础调整第一流量。
39.根据权利要求38的系统，其中所述系统进一步可操作的用以确定误差曲线。
40.根据权利要求39的系统，其中确定误差曲线包括使推演得出的曲线误差与包括一组确定的误差点在内的一组误差点拟合。
41.根据权利要求40的系统，其中所述系统可操作的通过下述步骤确定每个确定的误差点在第一设定点收集在第二时间间隔期间属于第一体积的第二数据，其中所述节流孔处在畅通位置；以第二数据为基础计算第二流量；在第一设定点收集在第三时间间隔期间属于第一体积的第三数据，其中所述节流孔处在节流位置中；以第三数据为基础计算第三流量；以及把第二流量与第三流量进行比较。
42.根据权利要求40的系统，其中被确定的误差点组之中的每个误差点代表一个误差，在这种情况下第一设定点是至少500sccm。
43.根据权利要求42的系统，其中误差点组包括一组观测到的误差点。
44.根据权利要求43的系统，其中所述系统可操作的通过下述步骤确定每个观测到的误差点在第二设定点收集在第四时间间隔期间属于第一体积的第四数据；以及以第四数据为基础计算第四流量。
45.根据权利要求44的系统，其中被观测到的误差点组之中的每个误差点代表一个误差，在这种情况下所述的第二设定点是200sccm或更少。
46.根据权利要求45的系统，其中所述确定误差曲线进一步包括以气体类型为基础调整所述的误差曲线。
47.根据权利要求37的系统，其中所述第一数据是所述节流孔处在节流位置时收集的。
48.根据权利要求47的系统，其中所述节流孔是可操作的当第一流量高于500sccm的时候产生压力梯度的三通阀。
49.一种测量流经质量流量控制器的流量的方法，该方法包括收集在第一时间间隔期间属于第一体积的第一数据，其中所述第一数据是在节流孔处在节流位置时收集的而且所述节流孔可操作的在节流位置产生压力梯度，在这种情况下节流孔上游的压力是节流孔下游压力的大约两倍；以及计算第一流量。
50.根据权利要求49的方法，其中所述节流孔是可操作的当第一流量高于500sccm的时候产生压力梯度的三通阀。
全文摘要
本发明揭示用于流量校验和确认质量流量控制器有效性的系统和方法。质量流量控制器可以被命令按特定的流量和流量测量结果开始。在某个时间间隔期间，气体在第一体积中累积而且在这个体积内获得测量结果。然后，在这个时间间隔期间获得的各种不同的测量结果可以用来计算流速。该流速本身又可以用来确定与设定点相关的质量流量控制器的准确性。
文档编号G05D7/06GK101014917SQ200580029957
公开日2007年8月8日 申请日期2005年7月7日 优先权日2004年7月9日
发明者斯图阿特·A·蒂森, 桑德浦·萨库玛安, 詹姆斯·巴克 申请人:迅捷公司