用于流量测量的可变限制的制作方法

本申请要求2016年9月19日提交的题为“用于流量校准的参考容积的系统和方法(systemandmethodsforreferencevolumeforflowcalibration)”的第62/396,809号美国临时专利申请、2016年9月19日提交的题为“用于流量测量的可变限制的系统、装置和方法(system,apparatusandmethodsforvariablerestrictionforflowmeasurements)”的第62/396,808号美国临时专利申请、以及2016年9月19日提交的题为“用于基于压力的自校正质量流量控制器的装置和方法(apparatusandmethodsforself-correctingpressurebasedmassflowcontroller)”的第62/396,807号美国临时申请的权益，每一个的全部内容通过引用的方式并入本文。

背景技术：

流量系统可以通过调节流量限制结构上游的流体压力来运行。扩大此类系统中流量范围的大小可能具有挑战性。为此，本公开总体涉及采用流量限制器的流量控制系统、方法，其能够精确调节流量大小。

技术实现要素：

在示例性实施例中，流量系统包括连接到反应腔室的流体流动路径、连接到流体流动路径的至少一个传感器，至少一个传感器被配置为基于流过至少一个传感器的流体流量产生信号。流量限制器连接到流体流动路径并位于腔室的上游。

流量限制器可以包括由流量限制器的第一元件和第二元件之间的流动路径区域限定的可调流量限制孔。驱动单元可以被配置为调节元件的相对定位以改变穿过孔的流体流动路径。特别地，第一元件或第二元件可以在孔流动路径中提供弯曲边界，以在流动路径内形成会聚区域、最靠近区域和发散区域。该系统可以包括控制器，该控制器被配置为从至少一个传感器接收信号并基于该信号控制流出流量限制器的流量。

在另一个示例性实施例中，提供可变流量限制测量的方法包括在反应腔室上游设置流量限制器，其中，流量限制器包括可调流量限制孔。选择对应于第一孔设置的第一流速。然后测量孔上游的流体流速以确定通过孔的验证流速。将选择的流速与验证流速进行比较，并且基于流速之间的误差来改变孔设置。

在又一个实施例中，流量限制器包括驱动单元，该驱动单元被配置为调节元件的相对位置。驱动单元可以包括反馈回路，用于连续监测和调节元件的相对位置，以维持腔室的流速。

附图说明

图1是根据示例性实施例的流量限制器中元件的局部剖视图。

图2是根据另一示例性实施例的流量限制器中元件的局部剖视图。

图3是根据又一示例性实施例的流量限制器中元件的局部剖视图。

图4a是根据示例性实施例的第一元件和第二元件的透视图。

图4b是根据示例性实施例的第一元件和第二元件的剖视图。

图5是根据示例性实施例的第一元件和第二元件的局部剖视图。

图6a是根据示例性实施例的流量系统的示意图。

图6b是根据示例性实施例的流量系统的示意图。

图6c是根据示例性实施例的流量系统的示意图。

图7是根据示例性实施例的质量流量系统的示意图。

图8是根据示例性实施例的质量流量系统的示意图。

图9是根据示例性实施例的质量流量系统的示意图。

图10是根据示例性实施例的质量流量系统的示意图。

图11是根据示例性实施例的质量流量系统的示意图。

图12是根据示例性实施例的与操作流量系统的方法相对应的流程图。

图13是根据示例性实施例的与操作流量系统的方法相对应的流程图。

图14是根据示例性实施例的与操作流量系统的方法相对应的流程图。

图15是根据示例性实施例的与操作流量系统的方法相对应的流程图。

具体实施方式

流量控制系统和方法通常用于半导体制造工艺中，其中，以受控速率向反应腔室提供气体供应。特别地，流体质量流量控制装置可以通过调节流量限制孔上游的流体压力来运行，该流量限制孔可以采用几种不同的结构。根据示例性实施例，图6a中描绘的系统包括连接到质量流量控制器112和反应腔室300的流量管线110。如图所示，并且考虑到流体流动方向10，质量流量控制器112中的流量限制器100和传感器200位于反应腔室300的上游。在这里和在本公开中提供的其他附图中，即使在某些情况下仅描绘了一个传感器，但是“传感器”指的是一个或多个传感器。此外，传感器可以包括温度传感器、压力传感器或通常在流量系统中使用的任何其他变量传感器。另外，腔室可以基本上表示工业中常见的任何反应腔室，包括真空腔室。最后，任何对“流体”或“多种流体”提及都包括在某些温度和压力条件下处于气相的材料，无论这些材料在其他环境条件下是否为气态。因此，例如，流体可以包括水蒸气或三氯化硼(bcl3)、以及诸如硅烷(sih4)、氩和氮等其他常见气态材料。回到附图，图6a和图6b描绘了流量系统，其中，传感器200分别在流量限制器100的上游和下游。类似地，图6c示出了示例性实施例，其中，传感器200在流量限制器100的上游和下游。另外，图6a至图6c的示例性实施例包括连接到传感器200和流量限制器100的控制器114。

在示例性实施例中，流量限制器被配置为可调节地管理进入反应腔室的气体流速。因此，图7中所示的示例性流量限制器100可以包括调节流量限制孔120的驱动单元140。在示例性实施例中，流量限制可以包括由一个或多个元件成形的流动路径。元件可以如下面进一步讨论的呈现各种几何形状。图8和图9提供的示例性实施例中，流量限制孔120包括第一元件122和第二元件124，它们与驱动单元140一起定位。

示例性实施例使得能够使用流量限制孔上游的流体温度和压力来测量瞬时流体流速。由于通过孔的体积流量主要由孔两侧的压降驱动，并且特定温度下的流体密度随压力增加而增加，因此通过孔的与压力有关的质量流量表现为根据压降的平方根和入口压力的乘积。通常在运行方案之间进行区分，其中，压降达到绝对入口压力的大约一半以上。该临界比率的特性取决于气体的性质以及流量认为是可压缩的或是不可压缩的。尽管如此，当上游绝对压力与下游绝对压力之比大于约2比1时，流量通常被称为阻塞(通过孔的速度等于气体中的声速)，并且小于2比1被称为亚临界或非阻塞。阻塞状态下的质量流量与入口压力几乎呈线性，而明显地非线性是亚临界状态。这种行为使得难以实现宽动态范围。

使用限制孔可以实现流量限制，以扩展可以被单个装置精确控制的流量大小的范围。一个示例包括由步进马达和滚珠丝杠机构定位的直接接触型金属隔膜阀，其中，阀座和隔膜之间的环形间隙用作可变孔。然而，需要考虑通过孔的粘性流和从环形间隙流出的声流。由于在这种设计中压降可能是间隙高度的三次函数，因此使用上游压力进行的适当计算流量可能不会产生精确的结果。

通常，在阀开口非常小并且粘性力很大的低流速状态下，瞬时流量计算可能特别困难。为此，示例性实施例提供了包括可机械调节的流量限制孔的流量限制器，该流量限制器被设计为减轻粘度问题等。如前所述，流量限制孔可以由一个或多个元件形成。在示例性实施例中，可调流量限制孔由流量限制器的第一元件和第二元件之间的流动路径区域限定。元件的形状和相对位置可以用于确定通过限制器的流量特性。

在示例性实施例中，当在横截面中观察时，可调流量限制孔可以被视为包括两个主要元件。例如，如图5所示，第一元件20提供弯曲边界，第二元件30为在方向10上流动的流体提供基本直边界。如图所示，第一元件20的弯曲边界面向第二元件30的直边界，使得流体流动路径具有流量会聚区域60、边界彼此最接近的区域(最靠近)80、以及流量发散区域50。显然，第二元件30的直壁面向第一元件20大致弯曲的壁产生最靠近区域80，其在孔内沿流动方向没有有效的流动路径长度。当对使用流量限制器的系统压降建模时，在最靠近区域处的流动路径长度的这种缺失可以减轻粘性流动问题。

可以通过调节第一元件20或第二元件30的相对位置来改变包括间隙尺寸的流体流动路径。在图1至图3的示例性实施例中，第二元件30相对于第一元件20的位置调节40调节孔中的流量宽度。此外，元件20、30可以围绕对称轴70倾斜和旋转，如图4所示，以形成同轴嵌套在一起的轴对称的第一元件20和第二元件30。

在示例性实施例中，一个元件可以轴向重新定位，以增加或减小它与保持固定的另一个元件之间的间隙。在这种场景下，第一元件可以具有被插入特征并且是具有直壁横截面的圆锥形，而第二元件可以具有插入特征并且具有大致球形的部分，因此具有弯曲的横截面。或者，第一元件可以具有插入特征并且具有直壁的圆锥形，而第二元件可以具有通常形成为弯曲的环形环的被插入特征。锥形元件的锥形壁可以略微弯曲而不是直的，只要其曲率半径基本上大于弯曲的环形环元件的曲率半径，以便保持会聚到发散的流动路径横截面。

在示例性实施例中，第一元件20是固定的，具有弯曲的横截面，第二元件30可轴向调节40，如图4b所示。在装置组装期间，可轴向移动的元件可与固定元件精确同轴对准。可移动元件可以由盘簧(diskspring)悬挂，当可移动元件完全嵌套在固定元件中(从而关闭阀门)时，盘簧在设备组装期间其外周边被夹紧。

如前所述，驱动单元可以包括一个或多个致动器，用于调节至少一个元件的位置。本公开预期基本上包括适合于实施示例性实施例的任何致动器类型。有利地，驱动单元包括具有低滞后的机械刚性致动器，其提供可调节元件容易且可重复的定位。其他类型的致动器包括但不限于压电、磁致伸缩、热激活微机械加工硅或电磁螺线管致动器(其可以包括合适的机械连杆)。

还可以理解，只要在可调节元件和固定元件之间没有结合或摩擦，两个元件之间的相对运动仅需要在大致轴向方向上。例如，相对于另一个元件轴的一个元件轴的较小倾斜可以将所得到的孔尺寸从圆形改变为椭圆形。然而，最靠近区域在间隙内沿流动方向仍然没有有效地流动长度。流动路径长度的这种缺失消除了在平板流量限制设计的情况下根据需要保持平行度的担忧。

感测致动器位置也可以证明定位控制系统的设计是有益的。位置感测可以通过各种技术来实现，包括但不限于电容、电感、光学感测。在示例性实施例中，驱动单元包括用于设定可调元件位置的步进马达。有利地，这种机构可以提供调节可调元件位置而不需要位置传感器或反馈的简单且可靠的方法。

在示例性实施例中，可以使用确定流速的压力-体积-温度(pvt)方法来执行原位流速验证，无论何时改变可调孔设置，该方法都使可变流量限制件和致动器的任何可重复性问题无效。例如，如图10和图11所示，质量流量控制器112包括在传感器200和流量限制器100上游的出口控制阀116。这可以被视为流量控制器子系统117，如图11所示。此外，该系统包括位于入口控制阀118上游的入口控制阀116和传感器200，其允许基于参考容积113进行计算。特别地，该流量验证子系统可以与各种验证协议一起使用来提供校正方案，可以根据质量流量控制器内的附加情况数据来选择校正方案。例如，可以在三十秒处理步骤的第一个五秒期间执行流速验证，然后以校正由验证检测到的任何误差的方式修正可调孔设置，用于处理步骤的剩余部分。或者，可以假定致动器位置感测比流体温度信息更稳定、更准确，并且因此以校正由流量验证检测到的任何误差的方式改变指示的温度。

图12至图15中的流程图提供了运行流量系统的示例性方法，其包括调节通过流量限制器的流量。因此，示例性实施例包括选择流速400、验证流速500并且对流量限制器设置进行必要的调整600，如图12所示。根据步骤410，可以布置一个系统，其中，流量限制器位于反应腔室的上游，如图10和11所示。这里也是，流量管路连接流量限制器上游的阀和传感器，控制器连接到流量限制器、阀和传感器。可以选择通过流量限制器的流速，例如使用流量的设定点。同样，流量限制器可以包括连接到驱动单元的可调节孔，其中，第一和第二元件限定孔的流动路径。因此，根据步骤420和430，可以选择进入腔室的期望的流速，该期望的流速对应于第一孔元件位置设置，其中，驱动单元设定元件的相对位置。

接下来在510和520中，测量流量限制器上游的流体的流速。例如，如图11所示，可以使用入口控制阀和出口控制阀之间的流体体积以及诸如温度和压力的传感器数据来计算流速。然后，在步骤520中计算在第一孔元件设置下得到的验证流速，随后用于比较。

根据步骤610和620，然后将验证的流速与所选择的流速进行比较以确定速率之间的误差程度。在步骤630，可以使用该误差差异来调整孔大小以校正差异。例如，基于该差异，图4中的元件之一可以重新定位到x、y或z轴上的第二设置以增加或减少流量。该过程可以执行一次或迭代到达到可接受的误差范围为止。例如，在示例性实施例中，在计算验证的流量之后，改变孔设置并再次与验证的流量进行比较以确定误差差异是否可接受。

已经如此描述了示例性实施例的若干方面，应当理解，本领域技术人员将容易想到各种改变、修改和改进。这些改变、修改和改进旨在成为本公开的一部分，并且旨在落入实施例的范围内。因此，前面的描述和附图仅是示例性的而非限制性的。