用于基于压力的自校正质量流量控制器的装置和方法与流程

本申请要求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号美国临时专利申请、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、和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的权益，其全部内容通过引用的方式并入本文。

背景技术：

各种实施例涉及流体质量流量控制装置，其通过调节流量限制孔口、喷嘴、多孔介质或类似结构的上游的流体压力来运行。本文所用的流体旨在包括由于压力和温度的特定组合而处于气相的材料，无论这些材料在日常情况下是否为气态。因此，流体可以例如包括水蒸气或三氯化硼(bcl3)、以及诸如硅烷(sih4)、氩和氮等常见的气态材料。下面描述的实施例涉及确定流体流动路径中的流量限制处的当前流量状态，以确定所选择的流量控制算法是否对那些当前状态有效。可以适当地校正或改变当前选择的流量控制算法。

技术实现要素：

各种实施例包括流量控制系统，该流量控制系统包括一个或多个传感器、包括一个或多个传感器的流量测量传感器。基于压力的自校正质量流量控制装置可以包括在同一装置内的流量控制部分和流量验证部分。

替代实施例涉及可以在权利要求中大致陈述的其他特征和特征的组合。下面描述的实施例允许每个方法和/或组件的并行或串行处理。

一种控制质量流量控制装置的方法，该方法包括：提供流体或气体流动的流动路径，使用流量限制器下游的流动路径中的流体或气体的第一压力传感器测量第一压力，激活在流量限制器上游的流动路径中的截止阀，使用位于流量限制器上游的参考容积在流动路径中执行衰减率测量。该方法还包括响应衰减率测量的结果，通过使用比例阀调节流量限制器上游的第二压力传感器处的第二压力，以实现更接近接收的设定点流速的实际流速。

上述方法还包括衰减率测量，允许流量控制器确定实际流速。在各种实施例中，参考容积在截止阀的下游并且对应于第二压力传感器处的压力。该方法还包括比例阀，以控制至流量限制器的压力。流动路径包括截止阀、参考容积、比例控制阀以及流动路径内的多个压力感测器，比例控制阀被配置为控制至流量限制器的第二压力。在各种实施例中，第二压力是流量限制器上游的绝对压力，第一压力是流量限制器两端的压差。该方法包括针对流体或气体的进一步流量，通过使用来自历史测量的衰减率测量以分批过程而不是连续流量过程执行衰减率测量。

各种实施例包括质量流量控制器装置，该装置具有：流体或气体流动的流动路径；第一压力传感器，被配置为使用流量限制器下游的流动路径中的流体或气体来测量第一压力；在流量限制器上游的流动路径中的截止阀，使用在流量限制器上游的参考容积在流动路径中执行衰减率测量；以及比例阀，被配置为响应衰减率测量的结果，比例阀被配置为调节流量限制器上游的第二压力传感器处的第二压力，以实现更接近接收的设定点流速的实际流速。该装置包括使用衰减率测量确定实际流速。该装置具有作为校准容积的参考容积。装置中的参考容积位于截止阀的下游，对应于第二压力传感器处的压力。该装置具有比例阀，该比例阀是控制至流量限制器的压力的控制阀。

具有流动路径的装置包括截止阀、参考容积、比例控制阀以及流动路径中的多个压力感测器，比例控制阀被配置为控制至流量限制器的第二压力。装置具有的第二压力是流量限制器上游的绝对压力，第一压力是流量限制器两端的压差。该装置被配置为对流体或气体的进一步流量，通过使用来自历史测量的衰减率测量以分批过程而不是连续流量过程执行衰减率测量。

一种质量流量控制装置具有流体路径、流体路径中的截止阀、流体路径中的参考容积、与参考容积流体连通的第一压力测量传感器、提供指示参考容积内的流体温度的温度信号的第一温度测量传感器、流体路径中的比例阀以及与流体路径流体连通的第二压力测量传感器。

该装置还包括提供指示流体路径内流体温度的温度信号的第二温度测量传感器、流体路径中的流量限制器、与流体路径中的第三位置流体连通的第三压力测量传感器、以及电子控制模块，电子控制模块接收来自第二压力测量传感器的第一信号，并接收来自第三压力测量传感器的第二信号。该装置具有电子控制模块，该电子控制模块包括存储装置、计算压力比的控制算法执行处理器、以及至少一个通信装置，控制执行处理器使用至少一个通信装置以基于将压力比与从存储装置获得的预定值进行比较来发送算法状态通知。

附图说明

根据以下结合附图的详细描述，将更全面地理解本公开，其中，相同的附图标记表示相同的元素，其中：

图1是根据示例性实施例的流量控制系统的示意图。

图2是根据示例性实施例的流量控制系统的示意图。

图3是根据示例性实施例的流量验证和流量控制系统的示意图。

图4是根据示例性实施例的流量控制系统的示意图。

图5是可以由图1至图4中所示的系统执行的方法的流程图。

具体实施方式

本公开不限于其在以下描述中阐述的或附图中示出的构造细节和部件布置的应用。该系统能够具有其他实施例并且能够以各种方式实践或实施。此外，本文使用的措辞和术语是出于描述的目的，而不应被视为限制。本文中“包括”、“包含”或“具有”、“含有”、“涉及”及其变化形式的使用旨在涵盖其后列出的项目及其等同物以及附加项目。方向形容词“内部”、“外部”、“上部”、“下部”和类似术语的使用旨在帮助理解设计元素之间的相对关系，不应被解释为意味着空间中的绝对方向，也不应被视为限制。

基于压力的流体质量流量控制装置的代表性示例包括流体路径，该流体路径依次包括入口、比例控制阀、用于测量流体路径内包含的流体的温度和压力的配置、流量限制器和出口。通常，存在与流体路径元件相关联的电子控制模块，并且这些元件和模块一起构成该装置。压力和温度感测元件的尺寸和形状可以适合于将它们包括在装置的入口部分内。质量流量控制可以包括控制模块，其接收指示期望质量流量的设定点信号、确定指示流量、将指示流量与设定点进行比较，并且使用该比较的功能来产生信号以调节控制流体流量的比例阀。在代表性的基于压力的质量流量控制器中，指示气态流体温度和压力的信号用于基于关于流量限制器的知识计算通过流体路径的指示流量。可以使用各种控制方案来调节气流以使指示流量可接受地接近匹配期望的设定点。控制模块可以与模块本身分离，由此这些功能由较大系统中并且在质量流控制器外部的其他装置执行。

通过流量限制器的气体的质量流量取决于限制器两端的压差和气体的密度；因此，通过基于压力的质量流量控制器计算指示流量通常需要测量绝对压力。在孔口和喷嘴流量限制器的情况下，当上游与下游绝对压力之比大于约2比1(2：1)时，流量通常被称为壅塞(通过孔口或喷嘴的速度等于气体中的声速)，并且小于约2比1(2：1)可以被称为亚临界或非壅塞。壅塞状态下的质量流量与入口压力几乎呈线性关系，而在亚临界状态下则是明显地非线性。基于压力的流体质量流量控制装置可以假设下游绝对压力名义上是真空状态(例如，小于一个大气压绝对压力的十分之一)；因此，测量流量限制器上游的绝对压力提供了计算指示质量流量的充足信息。当下游压力超过上游压力的大约一半时的实例可能导致指示质量流量计算误差。简单的基于压力的质量流量控制器无法确定由于过大的下游压力而发生的控制误差。

对前述问题的一种解决方案涉及在质量流量控制装置中具有另一压力测量传感器。第二压力传感器可以是压差型，用于直接测量流量限制器两端的压降。在一些实施例中，第二压力传感器可以是绝对型，用于测量流量限制器下游的压力，并且压降计算为上游和下游压力之间的差。可以利用流量限制器两端的压差型传感器结合使用测量流量限制器下游压力的绝对型。第二压力传感器可以方便地具有适合于将其包括在装置的出口部分内的尺寸和形状。

当通过孔口或喷嘴流量限制器的流量在壅塞流和未壅塞流之间转换时，上游压力与下游压力的比率通常被称为临界比。算术逆有时也称为临界比。临界比的具体情况取决于气体的性质以及流量是可压缩的还是不可压缩的。限制器开口边缘的微小机械细节也可能影响经验观察到的非线性的开始。针对特定流体流动路径中的特定气体，可以为电子控制模块设定特定临界比值，或者可以进行诸如考虑“两个”合适的临界比值等广义选择。电子控制模块可以获得从压力测量得到的临界比值，并将获得的值与存储的临界比值进行比较。当比较表示指示流速的计算可能是不准确的时，控制模块可以向一个或多个外部装置发送通知。控制模块还可以改变计算指示流量的等式或参数。

基于压力的自校正质量流量控制装置可以包括同一装置内的流量控制部分和流量验证部分。流量验证部分可以在流量控制部分的上游，因为即使在执行流量验证时，该布置也使得连续输送流体的过程相对容易。本文认为这种布置不失一般性。一种自校正流体质量流量控制装置包括：流体路径，该流体路径依次包括入口、可控截止阀、用于测量包含在流体路径的参考容积内的流体的第一温度和第一压力的布置、比例控制阀、用于测量包含在流体路径内的流体的第二温度和第二压力的布置、流量限制器、用于测量包含在流体路径内的流体的第三压力的布置、以及出口。可以对上述顺序进行其他排列。可以存在与流体路径元件相关联的电子控制模块，并且这些元件和模块一起构成该装置。压力和温度传感元件的尺寸和形状可以适合于包含在装置的总体尺寸内。例如，第一压力传感器可以装配在入口部分内，第二压力传感器可以装配在参考容积内，第三压力传感器可以装配在出口部分内。

在基于压力的自校正质量流量控制装置中，质量流量控制包括控制模块，该控制模块接收指示期望的质量流量的设定点信号、使用来自第二压力和第二温度传感器的信号确定指示流量、将指示流量与设定点进行比较，并且使用该比较的功能来产生信号以调节控制流体流量的比例阀。流量控制部分可以使用来自第三压力传感器的信号来确定指示流速是否可能是不准确的。下面将进一步讨论可以如何处理可能的不准确性。流量验证包括关闭截止阀以将流体路径与入口隔离，同时受控质量流量继续通过出口，一段时间内重复测量流体路径的参考容积内包含的流体的第一温度和第一压力，打开截止阀以重新建立与入口的流体路径连接，使用压力-温度-体积方法计算验证流量信号，并将验证流量信号提供给校正监控功能。

当检测到不准确的可能性时，可以由流量控制部分启动自校正，或者响应于从外部系统接收的请求启动自校正。在任一情况下，在设定点保持恒定的同时，执行流量验证以获得当前验证流量信号，并且还获得相应的指示流速。然后将指示流速与验证流量信号进行比较。验证流量信号不会受到下游压力变化的影响，并且被认为比指示流速更准确。用于计算指示流速的存储系数和装置配置信息可以由控制模块内的校正监控功能改变，报告给外部系统或以其他方式管理。

多个自校正质量流量控制器可以与被馈送到多个真空室的多种气体物质一起使用，用于在通常被称为“工具”的单个大型装置内处理半导体器件。成组的质量流量控制器(“托盘”)允许几种不同的气体组合同时进入单个歧管，馈送至真空室内的气体分配结构(“喷头”)。歧管管道中的传导不足可能导致特定质量流量控制器组的下游压力变得太高而不能维持组内一个或多个质量流量控制器内的壅塞流动状态。可监测歧管内的压力，并将相应的信号提供给组内的所有质量流量控制器，作为每个质量流量控制器具有单独的第三压力传感器的替代方案。然后，可以基于共享的第三压力传感器信号或根据从工具主控制器(每个质量流量控制器的控制模块外部的控制系统)发出的命令进行各个质量流量控制器自校正。

参考图1，图1是基于压力的流体质量流量控制装置100的代表性示例，其包括流体路径101，该流体路径101依次包括入口102、比例控制阀104、致动器驱动器105、压力传感器106、温度传感器108、控制模块150、出口170和腔室190。

装置100可以被配置为基于从外部系统152接收的设定点来控制流体或气体的流量。控制模块150可以控制流体路径元件101并且这些元件与模块一起构成装置100。

在各种实施例中，压力传感器106和温度传感器108的尺寸和形状可以适合于包括在装置100的入口部分102内。控制模块150可以接收指示期望的质量流速的设定点信号。控制模块150可以基于装置100的历史校准表使用指示压力来确定实际流速。信息存储器156可以存储历史校准表，该历史校准表包括可以用于确定实际流速的压力值而无需计算实际流速。基于确定的压力，控制模块150能够改变致动器105以通过比例阀104改变压力。由于校准表将压力与正在输送的流速相关联，因此可以通过调节压力来调节实际流速，从而间接调节压力。

在一些实施例中，图1中所示的基于压力的质量流量装置100产生指示气态流体的温度和压力的信号，并且该温度和压力可以基于通过流量限制器的压力计算通过流体路径的指示流速。可以使用各种控制方案来调节气流以使指示流量可接受地接近期望的设定点。控制模块150可以远离模块本身定位，由此这些功能由较大系统中的其他装置代替执行，并且在质量流量控制器外部执行。

在图1所示的实施例中，气体可以通过入口102流入由致动器105控制的比例阀104。致动器105被配置为在比例阀104中调节以改变比例阀104的开口。流体状态感测机构可以包括比例阀104下游的压力传感器106和温度传感器108。压力传感器106可以产生压力p1并产生将压力指示给控制模块150的信号，该控制模块150控制致动器驱动器162，致动器驱动器162通过致动器105控制比例阀104。温度传感器可以产生温度t1并且向控制模块产生将温度t1指示给控制模块150的信号。接下来，气体/流体可以通过流量限制器110到达出口170。

控制模块150可以包括通信接口154，其接收来自外部系统152的指定设定点的信号。通信接口154可以与信息存储器156通信以确定发送到致动器驱动器以实现设定点的适当压力。可以基于来自通信接口154的设定点、以及流体流量计算160的计算值来确定误差信号159，流体流量计算160的计算值是根据信息存储器156以及来自流体流动路径101的压力和温度。

参考图2，图2示出了质量流量控制装置200。质量流量控制装置200包括流动路径，该流动路径包括入口201、比例阀202、流体状态感测传感器(压力传感器206和温度传感器207)、流量限制器210、下游压力传感器212和出口216。压力传感器208可以产生第一压力信号p1208，温度传感器207可以产生信号温度t1209以发送信号到流量计算器262。比率比较器264可以将压力信号p1208与压力信号p2214进行比较。

在各种实施例中，可以将另一个压力测量传感器212添加到质量流量控制装置200。第二压力传感器212可以是压差型，用于直接测量流量限制器210两端的压降。在一些实施例中，第二压力传感器212可以是绝对型，用于测量流量限制器210下游的压力，压降计算为上游压力传感器206与来自压力传感器212的下游压力之间的差值。可以利用在流量限制器210两端使用压差型传感器结合测量流量限制器210下游压力的绝对型。第二压力传感器212可以方便地具有适合于将其包括在装置200的出口216部分内的尺寸和形状。

当通过孔口或喷嘴流量限制器210的流量在壅塞流和未壅塞流之间转换时，上游压力p1208与下游压力p2214之比通常被称为临界比。算术逆有时也称为临界比。临界比的具体情况取决于气体的性质以及流量是可压缩的还是不可压缩的。限制器开口边缘的微小机械细节也可能影响经验观察到的非线性的开始。针对特定流体流动路径中的特定气体，可以为电子控制模块250设定特定临界比值，或者可以进行广义选择，诸如考虑“两个”合适的临界比值等。电子控制模块250可以获得从压力测量通过比率比较器264得到的临界比值，并将获得的值与存储的临界比值进行比较。当比较表示指示流速的计算可能是不准确的时，控制模块可以向一个或多个外部装置发送通知。控制模块250还可以改变用于计算指示流量的等式或参数。

控制模块250可以包括通信接口252，其关于气体/流体的类型和设定点压力与外部系统270通信。控制模块250还可以将用于存储的信息通信到信息存储器254。信息存储器254还可以存储来自比率比较器264根据差压比较的状态通知266。设定点256可以被发送到误差信号发生器258，以确定控制致动器203来控制压力的致动器驱动器260的致动。

参考图3，图3是基于压力的自校正质量流量控制装置300，其可以包括流量控制部分317和流量验证部分305，这两部分可以在同一装置内或者在其他实施例中彼此连接或者彼此通信但是在单独的装置中。在一些实施例中，流量验证部分305可以在流量控制部分317的上游，因为该布置使流体/气体连续输送到反应室，同时进行流量验证。自校正流体质量流量控制装置300包括流体路径，该流体路径包括入口301、可控截止阀303、用于测量包含在流体路径的参考容积310内的流体的第一温度和第一压力的流体状态感测装置307(压力传感器312和温度传感器313)配置、比例控制阀319、用于测量包含在流体路径内的流体的第二温度(使用第二温度传感器323)和第二压力(使用第二压力传感器321)的配置、流量限制器325、用于测量包含在流体路径内的流体的第三压力(压力传感器327)的配置、以及出口329。可对上述顺序进行各种其他排列。本文提到的各种压力传感器可以是感测器(transducer)等。

控制模块350包括致动器驱动器352、校准计算器354、校正监控器356、致动器驱动器358、流量计算器362、比率比较器363、通信接口365和信息存储器367。控制模块350可以从外部系统331接收气体类型和设定点流速。电子控制模块350可以与流体路径元件相关联，并且这些元件和模块一起构成装置300。压力传感器312、321和327以及温度传感器313、323的尺寸和形状适合于包括在装置300的总体尺寸内。例如，压力传感器312可以装配在入口部分301内，第二压力传感器321可以装配在参考容积310内，并且第三压力传感器327可以装配在出口329内。

在各种实施例中，控制模块350涉及：控制模块350接收指示期望质量流量的设定点信号、使用来自第二压力传感器321和第二温度传感器323的信号确定指示流量、比较指示流量与设定点，并使用该比较的功能以产生调节控制流体流量的比例阀的信号。流量控制部分可以使用来自第三压力传感器的信号来确定指示流速是否可能是不准确的。流量验证305可以包括关闭截止阀以将流体路径与入口301隔离，同时受控质量流量继续通过出口327，一段时间内重复测量流体路径的参考容积310内包含的流体的第一温度t0和第一压力p0，打开截止阀以重新建立与入口301的流体路径连接，使用压力-温度-体积方法计算验证的流量信号，并将验证的流量信号提供给校正监控功能以激活致动器驱动器358来调节比例阀319，从而调节压力p1以使流量更接近流速。在一些实施例中，流量限制器325可以具有在流动路径上游的比例阀319。在一些实施例中，流量限制器325可以包括热传感器。

当检测到不准确的可能性时，可以由流量控制部分317启动自校正，或者响应于从外部系统接收的请求启动自校正。在任一情况下，在设定点保持恒定的同时，执行流量验证以获得当前验证的流量信号，并且还获得相应的指示流速。然后将指示流速与验证的流量信号进行比较。验证的流量信号不会受到下游压力变化的影响，并且被认为比指示流速更准确。用于计算指示流速的存储系数和装置配置信息可以由控制模块内的校正监控功能改变，报告给外部系统或以其他方式管理。

流体状态传感器307可以包括压力传感器312和温度传感器313。压力传感器312可以产生压力信号p0，温度传感器313可以产生压力信号t0。压力信号p0和温度信号t0将被发送到校准计算器354。

在一些实施例中，与流动路径中的压力传感器312相比，参考容积310可以移动到下游位置。在其他实施例中，参考容积310可以移动到相对于比例阀319的上游更下游的位置。

参考图4，图4示出了具有多个自校正质量流量控制器的装置400，其可以与被馈送到多个真空室426、448和464的多种气体物质一起使用，用于在通常被称为“工具”的单个大型装置内处理半导体器件。质量流量控制器(420、432、442、454、458和476)组(“托盘”)允许几种不同气体的组合同时进入单个歧管(442、444和460)，馈送至真空室内的气体分配结构(“喷头”)。歧管管道中的传导不足可能导致特定质量流量控制器组的下游压力变得太高而不能维持组内一个或多个质量流量控制器内的壅塞流动状态。可以使用压力传感器424、压力传感器446和压力传感器462监测歧管内的压力，并将相应的信号提供给组内的所有质量流量控制器，作为每个质量流量控制器具有单独的第三压力传感器的替代方案。然后，可以基于共享的第三压力传感器信号或根据从工具主控制器(每个质量流量控制器的控制模块外部的控制系统)发出的命令进行各个质量流量控制器自校正。

图4示出了包括各种系统的装置400，包括气体提供器402和气体提供器404。装置400具有多个阀406、408、410、412、418、430、440、452、456和457。装置400包括一个或多个压力传感器，以确定气体的流速。压力传感器414、416、424、446、462、470和472可以用于确定mfc420、432、442、454、458和476外部的压力。

参考图5，图5示出了过程500，其包括可以由图1至图4中所示的系统执行的多个步骤。在步骤502处，压力传感器327可以被配置为测量压力。压力传感器327可以测量流量限制器下游的压力，以确认流量限制器325在出口329上游以非壅塞状态运行。如果流量限制器在非壅塞状态下运行，则可以在步骤504中激活截止阀303。激活截止阀之后，在步骤506中可以使用流动路径中的压力和温度来执行衰减率计算。基于衰减率的输出，在步骤510中，调节比例阀319以实现基于压力的流速朝向查找表中的设定点数值。衰减率计算可以确定实际流速，并且流量控制器装置可以将实际流速与设定点流速进行比较。基于上述比较，可以将比例阀之后的压力调节到更接近对应于设定点流速的压力。在各种实施例中，计算衰减率是已知的。然而，与那些专利不同，此处的衰减率测量是通过测量流量限制器(孔口)下游的压力来触发的，并且仅通过比例阀调节压力。

本文公开的各种实施例不涉及执行气体的连续输送，而是以分批输送气体的方式运行。该装置必须激活截止阀，然后使用参考容积执行衰减率以保持气体温度恒定以确定实际流速。

一种用于参考容积测量的装置，包括：参考容积腔室，参考容积腔室的内部区域包括入口部分、底部部分、带翅片的结构化侧壁和中心壁，其限定流体的流体路径的流体边界，流体通过入口部分进入，通过垂直于流体路径安装的转换器元件感测，并通过参考容积腔室的出口部分流出。

已经如此描述了该系统的至少各种实施例的若干方面，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，并且旨在落入本发明的范围内。因此，前面的描述和附图仅是示例性的。