气体分配网络中的流量平衡的制作方法

气体分配网络中的流量平衡的制作方法
【专利摘要】本发明涉及气体分配网络中的流量平衡，更具体地涉及将工艺气体供应给多站沉积室中的两或更多个站的流量分配网络。每个流量分配网络包括入口和用于将工艺气体运载至所述站的流量分配管线。所述流量分配管线包括入口下游的分支点和该分支点下游的两或更多条支线。每一条支线给站供应。该流量分配网络还在每一条支线中包括高度可变的流量元件。在每一条支线中，限制部件被设置在可变控制元件的下游。这些限制部件在标称上是相同的且被设计来将大部分压降从可变流量元件转移走以改善流量平衡，同时无需过于增加入口压强。在一些实施例中，负载转移允许较多可变的流量元件操作在未壅塞流态中。
【专利说明】气体分配网络中的流量平衡
相关申请交叉参考
[0001]本申请要求2012年8月17日提交的、申请号为61/684，261的美国临时专利申请和2012年11月2日提交的、申请号为13/667,282的美国专利申请的权益，前述申请出于全部目的通过参考将全文并入此处。
【技术领域】
[0002]本发明总体涉及流体的输送，更具体涉及气体分配网络中的流量平衡。
【背景技术】
[0003]现有流量分配网络依赖对称性、大部件和紧公差(close tolerance)来将流量均匀地分配给支线(branch)。虽然这可能适合液体或高压气体，但是低压可压缩流体所经历的速率扩大了射流元件(fluidic element)的微小变化,使流量失去平衡。该问题在复杂几何结构(比如在截流阀中所存在的那些结构)中尤为严重。
[0004]在等离子体打开的情况下改变气流的工艺序列(比如在2010年12月16日提交的申请序列号为12/970,846的美国专利申请中所描述的那个工艺序列(该专利其全文通过参考并入本文))通常要求将阀设置得尽可能靠近处理站(例如，室)。这转而要求将截流阀放置在该网络的每一条支线中，从而会产生流量不平衡。其它应用，尤其是牵涉给在一个反应器或多个反应器中的多个站的同步气流的那些应用，还会遭受至各个站或反应器的流量不平衡的影响。
[0005]用传统技术使流率平衡需要跨(across)支线的对称性，这在一些应用中可能不是可行的或者不是合乎希望的。例如，对称性可能排除诸如常规截流阀等高度可变的射流元件的使用。将这些射流元件制造为极低公差以维持跨支线的对称性会是过于昂贵的。替代地，利用大部件来平衡流量需要该系统中有显著的压降(pressure drop)，这会增加成本并限制最大流量。

【发明内容】

[0006]本发明提供了使输送给低压流量分配网络中的多个站的可压缩流体的流量平衡的技术。为了平衡流量，在分配管线的多条支线的靠近至站的出口处的端部引入流量限制器。所述流量限制器在标称上是相同的且被设计来将大部分压强负载从位于所述支线上游的相对高度可变的射流元件转移到可变度较小(less variable)的下游限流器，同时无需过于增加入口压强。将压强负载转移到可变度较小的限流器可允许较多可变的射流元件操作在未壅塞流态(unchoked flow regime)中且可改善流量平衡。这些技术有助于补偿高度可变的射流元件和跨支线的其它不对称性的不平衡效应且无需使用大射流部件。
[0007]在实施方式中，流量分配网络将工艺气体供应到多站沉积室中的两或更多个站。该流量分配网络包括用于接收工艺气体的至少一个入口和用于运载该气体的流量分配管线的网络。该流量分配管线的网络包括该入口下游的分支点和该分支点下游的两或更多条支线。每一条支线具有用于将工艺气体供应给相应的站的出口。该流量分配网络还包括具有流量系数Cv值的可变流量元件(例如,截流阀),流量系数Cv值跨支线从元件到元件以至少约2%的幅度变化。限制部件位于每一条支线中的可变控制元件的下游。该限制部件可以是例如可变控制元件下游的相关流量分配管线中的限制件(constriction)。所述限制部件在标称上是相同的。从入口到出口，工艺气体的流跨流量分配网络产生系统压降，该系统压降至少与出口处的压强一样大。在一些实施例中，流量分配网络的可变流量元件可操作在未壅塞流态中。
[0008]流量分配网络的可变流量元件平均地产生该流量分配网络中的系统压降的第一部分。限制部件平均地产生该流量分配网络中的压降的第二部分。在一些实施例中，该第二部分和该第一部分之比可在约5:1至约20:1之间。
[0009]在一些实施例中，流量分配网络可进一步包括用于控制系统压降的控制器。该控制器可与入口、一或多个出口和/或该网络的其它部件通信。
[0010]在实施方式的一个方面，所述限制部件可产生跨所述支线中的所述限制部件的一定的平均系统压降。在一实施例中，所述限制部件可产生跨所述限制部件的占系统压降的平均至少约3%的压降。在另一实施例中，所述限制部件可产生跨所述限制部件的占系统压降的平均至少约50%的压降。在又一实施例中，所述限制部件可产生跨所述限制部件的占系统压降的平均在10%和80%之间的压降。
[0011]在另一方面，所述可变流量元件可产生跨所述支线中的所述元件的一定的平均系统压降。在一实施例中，所述可变流量元件可产生跨所述可变流量元件的占所述流量分配网络中的总压降的平均至多约5%的压降。在另一实施例中，所述可变流量元件可产生跨所述可变流量元件的占所述流量分配网络中的总压降的平均至多约10%的压降。
[0012]在又一方面，流量分配网络可具有产生质量流率的可变流量元件，当每一个元件经历基本上相同的压降时，该质量流率跨所述支线从元件到元件平均以例如至少约2%的幅度变化。在另一实施例中，所述可变流量元件处的质量流率可以至少约5%或10%的幅度变化。
[0013]在另一方面，流量分配网络在所述支线中可具有限制部件，所述限制部件具有流量系数Cv值，该Cv值跨所述支线平均以小于一定百分比的幅度变化。在一实施例中，所述限制部件可跨所述支线从部件到部件平均以1%或更小的幅度变化。作为另一实施例，所述限制部件可跨所述支线从部件到部件平均以4%或更小的幅度变化。
[0014]在另一方面，所述限制部件可将工艺气体以标称上均匀的质量流率提供给给站供应的各出口。在一些实施例中，所述标称上均匀的质量流率可在出口之间以例如小于约1%的幅度变化。在另一实施例中，所述标称上均匀的质量流率可在出口之间以小于约2%的幅度变化。
[0015]下面参考附图进一步对这些方面以及其它方面进行描述。
【专利附图】

【附图说明】
[0016]图1A是根据实施方式的针对多站流量分配网络中的四个沉积站的归一化沉积速率的图形。
[0017]图1B是针对图1A的多站流量分配网络中的四个沉积站的归一化沉积速率和流量系数Cv的图形。
[0018]图2A是根据本文所描述的某些实施方式的具有四个站的流量分配网络的部件的示意图。
[0019]图2B是图2A的流量分配网络的部件的示意图，示出了在有和没有限制部件(限流器)的情况下在该网络中的节点处的压强。
[0020]图2C是示出沿着图2A和图2B的流量分配网络的支线在不同距离处的压降的图形。
[0021]图2D是根据实施方式的具有四个站的流量分配网络的部件的线条图。
[0022]图2E是根据实施方式的具有两个站的流量分配网络的部件的线条图。
[0023]图3A和3B是示出对图2A和2B的流量分配网络的一部分的设计变更从而包括限制部件的示意图。
[0024]图4A是示出根据实施方式设计限制部件以改善跨流量分配网络支线的流量平衡的方法的图形。
[0025]图4B是图4A中的图形的一部分的更为详细的视图。
[0026]图4C是示出针对图2A和2B的具有和没有限流器的流量分配网络中的各个容积流率的入口压强Pinlrt的变化的图形。
[0027]图5A是示出相对于在实施方式的射流元件处的上游压强Pin的容积流率(slm)的图形。
[0028]图5B是示出相对于图5A的射流元件中的下游压强的压降的图形。
[0029]图5C是示出流率的变化性和位于可变流量元件处的压强比相对于图2A和2B中的流量分配网络的限制部件的级别或限制的关系的图形。
[0030]图6是针对实施方式的流量分配网络中的流量平衡的电路模拟的图形。
【具体实施方式】
[0031]在下面的描述中，许多具体细节被陈述以便提供对这些实施方式的透彻理解。所公开的实施方式可在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下被实施。另一方面，公知的工艺操作不会被详细描述以免不必要地模糊所公开的实施方式。虽然会结合【具体实施方式】对所公开的实施方式进行描述，但要理解的是，这不是意图限制所公开的实施方式。
[0032]流量平衡的流量分配网络
[0033]在实施方式中，流量限制部件(限流器)被设置在流量分配网络的分配管线的多条支线的每一条中。这些流量限制部件在标称上是相同的。这样的网络包括用于从供应源接收气体的一或多个入口。这些网络还包括在所述入口下游的至少一个分支点和在所述分支点下游的两或更多支线。从单个或多个入口而来的气体在其到两或更多个出口的途中被分到多个支线中。每一条支线通过关联出口供应气体给独立的站。本文所呈现的一些实施方式采用四个站，每一个站都由流量分配网络供应工艺气体。本文所呈现的其它实施方式采用两个站。通常，流量分配网络的实施方式可包括两或更多个站。
[0034]实施方式的流量分配网络的站可以是例如室(例如，反应室)或室的部分(portion)，在其中可进行下列工艺中的一或多个:化学气相沉积、原子层沉积、共形膜沉积、等离子体增强化学气相沉积，等等。在一些实施例中，流量分配网络的站可以在多站沉积反应器中。这些站中的每一个均可以是装有喷头的反应室，该喷头从流量分配网络的出口接收工艺气体并将工艺气体提供到该站的内部。
[0035]多站反应器允许人们在一个室环境中同时运行相同或不同的工艺，从而提高工件处理的效率。一般而言，在单个室中，任意数量的站都是可行的。所述站可具有相同或不同的功能。在一实施例中，个体的站能够操作在不同的工艺条件下且可大体上彼此隔离。例如，一个站可操作在一种温度状况(temperature regime)下,而另一个站可操作在不同的温度状况下。一些操作会需要不同的温度状况(例如，较高的温度)，并可在不同的一个或多个站中被执行。根据某些实施方式，每一个处理室操作在相同的条件下或者操作在精确地实现相同厚度的氧化硅、氮化硅或其它材料同时在每一个站中被沉积的条件下。
[0036]在多个站处的工艺条件以及工艺流程本身可由控制器控制，该控制器包括用于监控、维持和/或调节某些工艺变量、流率和次数、温度、入口压强、出口压强等等的程序指令。所述指令可指定参数中的一些或全部以执行工艺的操作。该控制器可包括用于不同装置站的不同或相同的指令，从而允许所述站独立地或同步地操作。
[0037]该控制器会通常包括一或多个存储设备和一或多个处理器。该处理器可包括中央处理单元(CPU)或计算器、模拟和/或数字输入/输出连接(connection)、步进马达控制器板、以及其它类似部件。在处理器上执行用于实现恰当的控制操作的指令。这些指令可被存储在关联于控制器的存储设备上或者它们可在网络上被提供。通常，会有关联于系统控制器的用户界面。用户界面可包括显示屏、图形软件以显示工艺条件、以及用户输入设备匕如指点设备、键盘、触摸屏、麦克风、以及类似部件)。
[0038]用于控制不同工艺的操作的计算机程序代码可以以任何常规的计算机可读程序语目进行编写:例如，汇编语目、C、C++、Pascal、Fortran、或其它语目。编译后的目标代码或脚本由处理器执行以完成程序中所标识的任务。
[0039]用于监控工艺的信号可由系统控制器的模拟和/或数字输入连接提供。用于控制工艺的信号通过该处理系统的模拟和数字输出连接被输出。
[0040]在实施方式中，流量分配网络被设计或配置来将可压缩的流体(比如工艺气体)输送到一或多个站。前驱气体可以是在实施方式的许多应用中所使用的工艺气体。工艺气体可在大范围的压强(包括例如高于大气压强、处于大气压强、低于大气压强以及接近真空的出口压强)下通过流量分配网络被输送到所述站。在一些实施例中，该网络的入口气压(Pinlet)可在50和1000托之间。通常，在该流量分配网络中，从入口到出口，网络上的总压降(APsysteffl)较之输送气体所到达的站的绝对压强(Ptjutlrt)相对较大。也就是说，比APsystem/P?—大于I。在一些实施方式中，比I和20之间。除非另有声明，否则应假定本文所描述的实施方式和特征采用:(I)具有到多个出口的支线的流量分配网络，(2)用于将可压缩流体输送到这多个出口，以及(3)这样的可压缩流体在该流量分配网络上的总压降比出口压强大。
[0041]在所公开的某些实施方式中，精确的限制部件(比如机加工至紧公差的孔或管)被添加到流量分配网络中的支线的每一个端部处。该精确的限制部件位于出口处或靠近出口，所述出口将处于低的出口气压Pwtlrt的工艺气体提供给站(例如，5托、6托、7托，等等)。通常，该精确的限制部件在标称上是相同的，在跨支线的限制部件之间具有流量系数Cv的值的相对较低的变化(例如，5%或更低、1%或更低、2%或更低、3%或更低、4%或更低，等等)。限制部件可被设计来匹配限制最大的支线的典型压降，其中支线不具有相同的流动性能，比如当分配网络是不对称的时。通过提高在紧邻限制部件(限流器)的上游的点处的压强，支线中的气体的密度被增加，从而速率降低，这进而减少所述支线的上游部分中的损耗(即压降)。这些上游部分往往包含高度可变的射流元件，比如某些类型的阀。减少这些高度可变部件中的损耗会降低流量的从支线到支线的变化性，从而提高站与站之间的流量均匀性一这是对堆层膜特别重要的结果。
[0042]本文所公开的用于分配低压气体的设计和技术可不管射流元件从支线到支线的变化性(不对称性)而在流量分配网络的每一条支线中提供改进的流量匹配。这样的设计和技术还可将一些网络压降从高度可变的射流元件(例如，截流阀)转移到可变度较小的射流元件(“负载转移”)。可变度较小的射流元件的例子包括能够容易地且一贯地被生产为紧公差的限制部件，比如，举例来说，孔或机加工管。这些限制部件在流量系数Cv的值上可具有较低的变化性，当其被置于各条支线中时可改善流量平衡。
[0043]流量分配网络在高度可变的射流元件处可经受壅塞流。在该高度可变的射流元件下游添加限制部件能够将壅塞流转移到可变度较小的限制部件。因为会有与壅塞流相关联的较大压降，因此有利的是将壅塞流从较多可变的射流元件转移到可变度较小的限制部件。穿过射流元件的可压缩流体的壅塞流需要该射流元件中的压降占入口压强的大百分比(例如50%)。通过本文所述的负载转移，总压降的较大部分被转移到可变度较小的限制部件，这有助于流率的相对较少的变化。
[0044]在某些实施方式中，所公开的设计利用所输送的气体的压缩性来显著改善流量平衡却不会明显增加流量分配网络中的总体压降或者无需明显增加流量分配网络的一或多个入口处的压强。一些实施方式的其它优点包括:1)由于高度可变射流元件处的相对压降被大幅减少，所以允许在限制部件的上游使用高度可变射流元件，2)由于限制部件(限流器)可被设定尺寸以匹配限制最大的支线中的压降，所以消除了对该网络的射流元件的对称性的要求，这可显著地使所有的质量流率平衡，3)由于该网络中的气流的速率会被较高的压强降低，所以允许使用较小的网络部件，和/或4)能够利用改变低压气体的压强的显著效果从而通过采用“负载转移”以更高效地解决平衡问题。
[0045]图1A和图1B示出了用于将低压气体输送给四个独立的反应站(在其中进行例如氧化硅、氮化硅、多晶硅、和/或其它材料的沉积)的多站流量分配网络中的观测结果。该流量分配网络可被用在例如垂直集成存储器(VIM)的制造中。该些结果在没有本文所描述的在支线的端部采用的可变度较小的限制部件的情况下被观测到。
[0046]在图1A中，针对流量分配网络中的四个沉积站绘制了归一化沉积速率(即，特定站的沉积速率/所述站的最高沉积速率)。在许多应用中，希望的是，沉积速率跨多个站从最高速率以小于大约最大变化的幅度变化。在所示的应用中，希望的是，沉积速率跨四个沉积站以小于约1%的最大允许变化的幅度变化。在图1A中，站2的3%以及站I和4的7%的明显较高的变化在受到观测的网络中被观测到。所观测到的沉积速率的变化的源可以是因为反应物浓度的变化、射频功率的变化(在等离子体辅助沉积反应的情况下)、以及被输送给该系统的单个的站或室的前驱气体或其它工艺气体的质量流率的变化。在本公开的上下文中，质量流率的变化是会被讨论(address)的变化。应当理解的是,此处所讨论的“气体流率”或“流率”或“流量”的变化是工艺气体的质量流率的变化。由于沉积速率是质量流率的函数，所以工艺气体的质量流率的变化直接影响沉积速率。
[0047]质量流率对沉积速率的影响被反映在图1B所示的图形中。更具体地，图1B中的图形示出了四个站的归一化沉积速率对应于控制至站的气流的射流元件(例如，阀)的流量系数Cv的一些测量结果且是对该流量系统Cv的值的一些测量结果。参数Cv使质量流率关联于特定射流元件(比如阀)中的压降。就跨射流元件的压降固定的情况而言，较高的Cv值对应于较高的质量流率。当然，较高的质量流率又对应于接收该气流的站中的较高的沉积速率。
[0048]实施方式的技术和设计可提供在标称上均匀的质量流率的工艺气体至流量分配网络的站。在实施方式中，在标称上均匀的质量流率从站到站以小于小百分比(例如，1%、2%、0.5%，等等)的幅度变化。跨站的在标称上均匀的质量流率可对应于跨站的在标称上均匀的沉积速率。可得益于实施方式的这样的技术和设计的应用是采用电介质的堆层的VIM的制造。堆层可包括，举例来说，氧化物或氮化物的交替层和/或氧化物和多晶硅的交替层。当务之急是，在应用(比如VM)中，单独的层的厚度受到良好的控制且从站到站是一致的。当然，本文所公开的技术和装置并不限于VIM应用。与集成电路制造商、LED制造商、光伏制造商等有关的许多其它应用可得益于本文所公开的技术和装置。
[0049]图2A是根据本文所描述的某些实施方式描绘流量分配网络10的配置的示意图。在所示的配置中，流量分配网络10是多站沉积反应器。流量分配网络10包括将工艺气体输送给四个站20的流量分配管线12的网络，该四个站20包括站1-20 (a)、站2-20 (b)、站3-20 (c)和站4-20 (d)。在该示图中，站20是反应室中的沉积站。站20中的每一个包括喷头，喷头接收工艺气体并将该工艺气体提供到站20的内部。在其它实施例中，站20可包括其它部件。
[0050]工艺气体可通过各歧管的两个入口 30 Ca)和30 (b)中的一或多个被提供给流量分配网络10。所描绘的流量分配网络10在流量分配管线12的T配件(本文也称为T形物或T形件)处具有三个分支点40 (a)、42 (a)和42 (b)。从歧管I和2的入口 30 (a)和30 (b)开始，气体在第一分支点40 (a)遇到第一个T配件，第一个T配件将气流分成两个部分，一个部分将气体提供给站2-20 (b)和站3-20 (c)而另一个部分将气体提供给站
1-20(a)和站4-20 (d)。这些管线中的每一条在第一分支点40 (a)下游的T配件处具有两个二级分支点42 (a)和42 (b)，分支点42 (a)和42 (b)将气流分到至站1_20 (a)、站
2-20(b)、站3-20 (c)和站4-20 (d)的四条独立的支线中。
[0051]另外，如图2A的流量分配网络10的图形中所描绘的，每一个站20具有两个局部入口 50 (a)和50 (b)，局部入口 50 (a)和50 (b)将气体直接提供给相关的站20。在所示的实施例中，局部入口 50 (a)是歧管3的入口而局部入口 50 (b)是TEOS入口。TEOS是有时被用来形成氧化硅及相关材料的前驱体。在实践中，这些局部入口 50 (a)和50 (b)可被采用来将许多不同气体中的任意一种直接提供给相关的站20。
[0052]在所描绘的流量分配网络10中，关注的是独立支线的不同的站20处的质量流率和相关沉积速率的变化性的源。此处所描述的变化性的主源在于射流元件(例如，阀、限制部件、分配管线，等等)的设计中，在一组给定的条件下，质量流率在具有相同设计的元件和元件之间变化或者在单个元件中随着时间变化。在阀和限制部件的实施例中，具有相同设计的元件之间的不对称性基于制造公差(manufacturing tolerance)和其它制造变量(fabrication variation)。如果变化性的源在于流量分配管线从一条支线到另一条支线的不对称性，那么该不对称性可以与分配管线12的不对称的长度、障碍物(例如，分配管线中的碎片)、配件和/或弯头(例如，弯管)相关联。
[0053]射流元件中的变化性往往显示为具有相同设计的射流元件之间的流量系数Cv的值的变化。如前所述，流量系数Cv使质量流率与跨射流元件的压降相关联。在所示的实施方式中，跨支线的质量流率的变化性的主源基于支线中的可变流量元件60之间的流量系数Cv的值的变化。虽然可变流量元件60在所示实施例中被描绘为阀，但在其它实施方式中，可变流量元件可以是变化性的其它源或者可以是跨支线的变化性的源的组合。
[0054]可以是流量分配网络10中的变化性的主源的阀的一个实施例是截流阀(例如，Veriflo⑧ISO 9001阀)。常规截流阀的特征的变化性可在约±10%。常规截流阀中的变化性的源可以与靠近该阀的机械致动器以及与该阀中的膜片或流量控制机构的变形度相关联。
[0055]在实施方式中，流量分配网络10中的可变流量元件60的流量系数Cv跨支线在元件之间平均以至少约例如1%、2%、5%、10%等这样的幅度变化。例如,每一个可变流量元件60的流量系数Cv可从标称的Cv值以从流量分配网络10中的所有的可变流量元件60计算出的至少约2%的幅度变化。
[0056]在一些实施例中，流量分配网络10中的可变流量元件60的系数Cv跨支线在元件之间以至少约最小百分比(例如，2%、5%，等等)的变化幅度变化从而与站的质量流率或沉积速率的大于最大允许变化(例如，1%、2%，等等)的变化相对应。例如，流量系数Cv的值可需要以2%的至少最小百分比的变化幅度变化从而产生沉积速率的大于1%的最大允许变化的变化，其中该网络还未包含精确的限流器。由于沉积速率超过最大允许变化，所以通过在高度可变的射流元件下游设置可变度较小的射流元件而使流量平衡可被用来将沉积速率变化降至小于最大允许变化。
[0057]回到图2A，流量分配网络10在可变流量元件60 (a)、60 (b)、60 (c)和60 (d)的下游包括四个限制部件70。限制部件70在标称上是相同的，具有从所有限制部件70的标称Cv值以最大变化幅度(例如，0.5%、1%、2%、3%、4%，等等)或较小的变化幅度在支线中的部件之间变化的流量系数Cv值。标称相同的限制部件70具有相同的设计特征，该设计特征具有可在小于例如0.5%、1%、2%、3%、4%等公差内被制造的尺寸(例如，内径)，以便流量系数C v的值的最大变化不被超越。
[0058]工艺气体流通过限制部件70下游的出口 80提供给站。在实施方式中，限制部件70将工艺气体提供给各出口 80，各出口 80以标称上均匀的质量流率和/或标称上均匀的沉积速率供应站20。标称上均勾的速率在所有的站20从标称速率以不超过最大允许的变化幅度(例如，1%、2%，等等)变化。例如，支线中的限制部件70可以以在出口 80之间以小于约1%的幅度变化的质量流率提供工艺气体。
[0059]图2B示出了当图2A的流量分配网络10包含所述限制部件70时以及当不包含限制部件70时，在图2A的流量分配网络10中压强如何变化。针对两种网络10计算出的压强值被显示在该示图中的各个节点处。括号中的节点压强是当网络10不包括限制部件70时的压强。括号外的节点压强是当其包括限制部件70时的压强。当网络10包括限制部件70时，网络10中的所示压强示出了从可变流量元件60转移到限制部件70的负载(压降)。重要的是，在具有限制部件70 (限流器)的所示设计中，可变流量元件60中的压降对网络10中的总压降APsystem的贡献从56%降至9%。该压降APsystem参考图2C中所示的图形进行进一步的说明。
[0060]在实施方式中，可变流量元件60对包含限制部件70的流量分配网络10中的总压降Δ Psystem平均贡献至多约最大阀贡献(例如，5%、10%、15%、20%，等等)。例如，可变流量元件60可跨支线平均贡献至多约网络10中的总压降APsystem的20%。作为另一实施例，可变流量元件60可跨支线平均贡献至多约网络10中的总压降APsystem的10%。在又一实施例中，可变流量元件60可跨支线平均贡献至多约网络10中的总压降APsystem的5%。
[0061]在实施方式中，限制部件70对总压降APsystem平均贡献至少约最小贡献(例如，3%、5%、10%、25%、50%、60%或70%)。在一实施方式中，限制部件70平均贡献至少约3%。在另一实施方式中，限制部件70平均贡献至少约50%。在又一实施方式中，限制部件70平均贡献 10% 到 80%ο
`[0062]图2Β中所示的压强值利用Mathcad ?.模型计算。Mathcad⑧^^型包括流量分配网络10从第一分支点40 (a)到在四个站20处的出口 80 (例如，喷头歧管)的部分。所使用的气体是12slm的N20、5slm的N2和4slm的He的混合物。该模型所使用的P、μ、Cp和k基于该混合物的性质。Darcy-We i sbach方程被用于管子而Co I ebrook方程被用于摩擦因子。等效长度方法被用于流量分配管线12中的配件(例如，弯管，T形件)。Swagelok ?MS-06-84阀被用作为可变流量元件60的模型。所有方法假定流充分形成。Cv从测量结果计算得出(0.301-0.314)。出口压强Poutlet是6托而温度自始至终是25°C。
[0063]图2C是在图2A和2B的流量分配网络10的各个节点处计算出的压强作为距入口的距离的函数的图形。图2C中的图形包括示出压强在包含所述限制部件70的流量分配网络10内如何变化的第一曲线。该图形还包括示出压强在流量分配网络10不包含限制部件70时在流量分配网络10内如何变化的第二曲线。在该两种情况下，在离第一分支点最远距离处的出口压强是6托。在实施方式中，通过在出口歧管处具有大大超过用于该工艺的流量的抽速，出口压强Ptjutlrt可被维持在低压。
[0064]在不包含限制部件70的流量分配网络10中，入口压强是97.5托。特别关注的是，越过不包含限制部件70的分配网络10的四条支线的每一条中的阀，压强从约70托下降至约18.7托。入口压强、压降和出口压强在每一条支线(支管)中略有变化。如前所述，阀是所述流量分配网络10中的流率变化性的主源。此外，也如前面所注意到的，在没有限制部件70的流量分配网络10中的总压降的约56%通过这些阀发生在流中。结果，这些阀中的变化性被直接转化为输送给每一个站20的气体的质量流率的变化性。且当然，质量流率的变化性对应于沉积速率的变化性。
[0065]在包含限制部件70的流量分配网络10中，入口压强是128.7托。在该实施例中，压强越过阀从约108托下降至约97托，而在限制部件70下游的出口处，压强从约97托下降至约6托。在该实施例中，压降已被转移到限制部件70。重要的是，在具有限制部件70的设计中，阀对流量分配网络10中的总压降的贡献从56%降至9%。此外，入口压强从流量分配网络10不包含限制部件70时的97.5托增加到流量分配网络10包含限制部件70时的128.7托。将压降转移到限制部件70会增加总的系统压降。在一些实施方式中，在增加系统压降时，可采取一些步骤以避免给气体断开施加过压。[0066]图2C中的图形还示出了可变流量元件60 (此处是阀)贡献总压降APsystem的第一部分(APV)而限制部件70贡献总压降APsystem的第二部分(Λ P,)。此外，还有来自流量分配网络10的其它部件的相对较小的贡献。当流量分配网络10包含限制部件70时，压降从可变流量元件60转移到限制部件70。在该实施例中，来自可变流量元件60的压降对网络10中的总压降的贡献从56%降至9%。在实施方式中，由限制部件70平均贡献的第二部分与由可变流量元件60平均贡献的第一部分的比至少是比如5:1、10:1、15:1、20:1等最小值。在一些实施方式中，限制部件70可被设计来将入口压强维持在低于最大值(例如，150托、200托、300托、400托、500托、600托，等等)。
[0067]图2D是根据实施方式的具有四个站的流量分配网络10的部件的线条图。该流量分配网络10包括将工艺气体输出给四个站(未图示)的流量分配管线12的网络。从入口(未图示)将工艺气体提供给流量分配网络10。所描绘的流量分配网络10在流量分配管线12中的T配件处具有三个分支点40 (a)、42 (a)和42 (b)。从入口开始，气体在第一分支点40 (a)遇到第一个T配件，第一个T配件将气流分成两个部分，一个部分将气体提供给两个站而另一个部分将气体提供另外两个站。这些管线中的每一条在第一分支点40 (a)下游的T配件处具有两个二级分支点42 (a)和42 (b)。从而，气流被分到至相应站的四条独立的支线中。
[0068]图2D中所描绘的流量分配网络10还包括四个可变流量元件60 (a)、60 (b)、60(c)和60 (d)，此处描绘为阀。该流量分配网络10还包括可变流量元件60 (a)、60 (b)、60(c)和60 (d)下游的四个限制部件70。该流量分配网络10还包括至该四个站的四个出口80。该四个限制部件70位于出口 80处或者邻近出口 80。限制部件70在标称上是相同的且被设计来将大部分压降从可变度较大的流量元件转移到可变度较小的限制部件。
[0069]图2E是根据实施方式的具有两个站的流量分配网络10的部件的线条图。该流量分配网络10包括将工艺气体输出给两个站(未图示)的流量分配管线12的网络。从入口(未图示)将工艺气体提供流量分配网络10。该流量分配网络10在T配件处具有单个分支点40 (a)。从入口 30开始，气体在分支点40 (a)遇到第一个T形件，其将气流分成穿过两条支线的两个部分。一条支线将气体提供给一个站而另一条支线将气体提供给另一个站。该流量分配网络10还包括两个可变流量元件60 (a)和60 (b)，此处描绘为阀。该流量分配网络10还包括可变流量元件60 Ca)和60 (b)下游的两个限制部件70。该流量分配网络10还包括至该两个站的两个出口 80。该两个限制部件70位于出口 80处或者邻近出口80。限制部件70在标称上是相同的且被设计来将大部分压降从较多可变的流量元件转移到可变度较小的限制部件。
[0070]应当理解的是，本文所公开的发明特征不局限于诸如图2A、2B、2C和2D中所描绘的流量分配网络10。例如，一些实施方式在各个站不使用独立的局部站入口。另外，一些流量分配网络只采用单个歧管入口。此外，虽然所示网络中描绘了两个站和四个站，但所公开的实施方式并不限于两个和四个站。事实上，用于将可压缩流体输送给两或更多个站的任何网络均可被采用。相应地，虽然所示网络中描绘了包括两条支线和四条支线的分配管线的网络，但所公开的实施方式可具有任意数量的支线。此外，虽然所示实施例中将可变流量元件60描绘为阀，但任何源或变化性的任何源或者变化性的源的组合可被包括。作为另一示例，一些实施方式可在网络10的各部件处包括用于控制压强的一或多个控制器以控制特定部件处的压强和/或控制穿过网络10的压降。
[0071]图3A和3B是流量分配网络10的射流元件中的设计变更(如其可在图2A和2B中呈现的)的示意图。所述变更引入在阀和至反应器中的站20的出口 80之间的限制部件70。图3A描绘了射流元件的不变(基准管线)的设计。图3B描绘了在流量分配网络10的支线的主流路径中具有限制部件70的射流元件的修改版本。图3A和3B中所描绘的两个元件之间的唯一差别在于图3A在向喷头(分配网络至反应站的流量出口)进给的下管道中包含限制部件70。图3A和3B中所示的向射流元件进给的上管道是与用于图2A和2B中的歧管3的局部入口 50 (a)相关联的管道。限制部件70被描绘为在支线中位于阀的下游的在入口中的颈缩件(constriction)。该颈缩件被呈现为具有约0.09英寸的内径(ID)。不变的下管道的ID是约0.180英寸。在其它实施方式中，也可使用其它ID。
[0072]应当理解的是，限制部件70可被用在许多不同类型的流量分配网络10中，而不仅仅被用在可具有有如图3A和3B中所示的独立的局部歧管入口的U形或V形设计的那些网络10中。此外，应当理解的是，也可使用针对限制部件70的其它设计。
[0073]从设计的角度看，要注意的是，限制部件70被添加在阀或其它可变流量元件60的下游以便降低可变流量元件60的压强比并疏通(un-choke)它们。进一步地，稳定部件(consistent component)(例如，限制部件70)应是流量分配网络10的每一条支线中的限制最大的射流元件。换句话说，任何支线中的大部分压降主要发生在稳定部件中。另外，应当以不会引起流量分配网络10的总压降APsystem的显著增加和网络10的入口压强Pinlet的可能的显著增加这样的方式完成流量分配网络的修改以平衡支管(支线)中的流量并将压强负载从可变流量元件60转移走。
[0074]设计限制部件以平衡流量
[0075]如前面所注意到的，理想的是具有这样一种流量分配网络10，其中跨流量分配网络10的支线的质量流率或沉积速率的变化性相当小，例如，小于约1%、2%等。另外，理想的是满足该目标而无需过度增加流量分配网络10中的入口压强Pinlrt。
[0076]图4A是示出根据实施方式通过选择使流量平衡却无需过度增加入口压强Pinlrt的限制部件设计而在流量分配网络10中跨支线地在低水平的变化性内平衡流量的技术的图形。该方法改变图2A和2B的具有四个站的流量分配网络10中的限制部件70的内径。结果建立在Mathcad 模型的基础上，如前所述。
[0077]图4A中的图形具有两条曲线。第一条曲线示出了在限制部件70的内径从0.04英寸变化到0.18英寸的过程中，四个站之间的质量流率的变化。第二条曲线示出了在限制部件70的内径从0.04英寸变化到0.18英寸的过程中，该网络的入口压强。该内径被选定以使质量流率的变化小于最大允许变化(在该实施例中是1%)，并维持相对较低的入口压强。如该图上所示，具有0.090英寸的内径的限制部件70在通过每一条支线提供的质量流率的变化上提供适当小的变化，同时维持流量分配网络10中的相对较低的入口压强。
[0078]图4B是图4A中的图形的一部分的更为详细的视图，包括针对限制部件70的内径从0.0895至0.0905英寸的不同值示出了四个站的质量流率的变化的一部分第一曲线。该图形示出了 0.09英寸附近的限制部件70的内径的轻微变化对质量流率的变化的影响。围绕0.09英寸内径的±0.0002英寸的实际公差示出了在±0.0002英寸的实际公差内制造的不同限制部件70的质量流率的变化性。较小的实际公差(例如，±0.0001英寸)可利用例如激光切割部件而获得。[0079]图4C是示出针对图2A和2B的流量分配网络10的从Mathcad ?模型计算得出的各个容积流率的入口压强Pinlet的变化的图形。该图形包括示出了入口压强在分配网络10不包含限制部件70时在分配网络10内如何变化的第一曲线。在该实施例中，在向喷头进给的下管道的内径是如图3A中所示的0.18英寸的基准管线的值。该图形还包括示出了入口压强Pinlet在分配网络10包含限制部件70时在分配网络10内如何针对不同的容积流率而变化的第二曲线。在该实施例中，所述内径是如图3B中所示的0.09英寸。此处提供了对流量分配网络中的容积流率的范围的比较，其中slm是标准升每分钟。如模拟的分配网络所示，限制部件70的引入使入口压强Pinlet增加了约10到50托。该增加刚好在公差范围内。[0080]壅塞流[0081]当根据方程2a，上游压强Pin与下游压强Ptjut的比等于或大于临界压强比P*(在方程I中进行定义)时，可压缩流体中的壅塞流可发生在射流元件(例如，阀、限制部件，等等)中。当基于方程个比小于临界压强比P*时，未壅塞流发生。针对壅塞流和未壅塞流的流率Q分别在方程2b和3b中被示出。如所示，系数Cv使流率Q与射流元件中的压强相关。
【权利要求】
1.一种用于将工艺气体供应给多站沉积室中的两或更多个站的流量分配网络，所述流量分配网络包括: 用于接收所述工艺气体的入口； 用于运载所述工艺气体的流量分配管线的网络，其包括所述入口下游的分支点和所述分支点下游的两或更多条支线，其中每一条支线具有用于将工艺气体供应给相应的站的出Π ； 每一条支线中的具有Cv值的可变流量元件，该Cv值跨所述支线从元件到元件以至少约2%的幅度变化；以及 每一条支线中的所述可变控制元件下游的限制部件，其中所述限制部件在标称上是相同的， 其中从所述入口到所述出口，所述工艺气体的流跨所述流量分配网络产生系统压降，该系统压降至少与所述出口处的压强一样大 。
2.如权利要求1所述的流量分配网络，其中所述可变流量元件操作在所述未壅塞流态中。
3.如权利要求1所述的流量分配网络，其中所述限制部件产生跨所述限制部件的占所述系统压降的平均至少约3%的压降。
4.如权利要求1所述的流量分配网络，其中所述限制部件产生跨所述限制部件的占所述系统压降的平均至少约50%的压降。
5.如权利要求1所述的流量分配网络，其中所述限制部件产生跨所述限制部件的占所述系统压降的平均在10%和80%之间的压降。
6.如权利要求1所述的流量分配网络，其中所述可变流量元件产生跨所述可变流量元件的占所述流量分配网络中的总压降的平均至多约10%的压降。
7.如权利要求1所述流量分配网络，其中所述可变流量元件产生跨所述可变流量元件的占所述流量分配网络中的总压降的平均至多约5%的压降。
8.如权利要求1所述的流量分配网络，其中所述可变流量元件平均地产生所述流量分配网络中的所述压降的第一部分而所述限制部件平均地产生所述流量分配网络中的所述压降的第二部分，且其中所述第二部分与所述第一部分之比在约5:1至约20:1之间。
9.如权利要求1所述的流量分配网络，其中所述可变流量元件产生质量流率，当每一个元件经历实质上相同的压降时，该质量流率跨所述支线从元件到元件平均以至少约2%的幅度变化。
10.如权利要求1所述的流量分配网络，其中所述支线中的所述限制部件具有Cv值，该Cv值跨所述支线从部件到部件平均以1%或更小的幅度变化。
11.如权利要求1所述的流量分配网络，其中所述支线中的所述限制部件具有Cv值，该Cv值跨所述支线从部件到部件平均以4%或更小的幅度变化。
12.如权利要求1所述的流量分配网络，其中每一条支线中的所述可变流量元件包括阀。
13.如权利要求1所述的流量分配网络，其中所述限制部件是所述可变控制元件下游的相关流量分配管线中的限制件。
14.如权利要求1所述的流量分配网络，其中所述限制部件将工艺气体以标称上均匀的质量流率提供给给站供应的各出口。
15.如权利要求14所述的流量分配网络，其中所述标称上均匀的质量流率在出口之间以小于约1%的幅度变化。
16.如权利要求14所述的流量分配网络，其中所述标称上均匀的质量流率在出口之间以小于约2%的幅度变化。
17.如权利要求1所述的流量分配网络，其进一步包括与所述入口和所述出口通信的控制器以控制所述系统压降。
18.如权利要求1所述的流量分配网络，其中所述入口压强小于约200托。
19.一种平衡至多站沉积室中的两或更多个站的流量的方法，所述方法包括: 在入口处接收工艺气体； 通过流量分配管线的网络运载工艺气体，所述流量分配管线的网络包括入口下游的分支点和所述分支点下游的两或更多条支线，每条支线具有有Cv值的可变流量元件，该Cv值跨所述支线从元件到元件以至少约2%的幅度变化； 通过每一条支线中的出口将工艺气体供应给相应的站； 将限制部件设置在每条支线中的每个可变控制元件的下游，其中所述限制部件跨所述支线在标称上是相同的；以 及 从入口到所述出口，产生跨所述流量分配网络的系统压降，该系统压降至少与所述出口处的压强一样大。
20.如权利要求19所述的方法，其进一步包括使所述可变流量元件操作在未壅塞流态中。
21.如权利要求19所述的方法，其中产生系统压降包括由所述限制部件产生跨所述限制部件的占所述系统压降的平均在10%和80%之间的压降。
22.如权利要求19所述的方法，其中产生系统压降包括由所述可变流量元件产生跨所述流量可变元件的占所述流量分配网络中的总压降的平均至多约10%的压降。
23.如权利要求19所述的方法，其中产生系统压降包括: 由所述可变流量元件平均地产生所述压降的第一部分；以及 由所述限制部件平均地产生所述压降的第二部分，其中所述第二部分与所述第一部分之比在约5:1至约20:1之间。
24.如权利要求19所述的方法，其中所述支线中的所述限制部件具有Cv值，该Cv值跨所述支线从部件到部件平均以1%或更小的幅度变化。
25.如权利要求19所述的方法，其进一步包括通过所述限制部件将工艺气体以标称上均匀的质量流率提供给给站供应的各出口。
26.如权利要求25所述的方法，其中所述标称上均匀的质量流率在出口之间以小于约1%的幅度变化。
27.如权利要求19所述的方法，其中产生所述系统压降包括通过与所述入口和所述出口通信的控制器控制所述系统压降。
【文档编号】F17D1/04GK103591458SQ201310361997
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年8月19日 优先权日:2012年8月17日
【发明者】杰弗里·沃马克, 史蒂芬·劳 申请人:诺发系统公司