用于气体流量控制的方法和设备的制造方法
【专利说明】用于气体流量控制的方法和设备
[0001]本申请是申请日为2010年10月15日、发明名称为“用于气体流量控制的方法和设备”的专利申请201080046178.X的分案申请。
[0002]相关申请
[0003]本申请要求享有2009年10月15日提交的美国临时专利申请N0.61/252143的优先权权益，在此通过引用将其全文并入本文。
技术领域
[0004]本发明属于流体流量控制的领域，更具体地说，属于例如半导体处理、平板显示器制造、太阳电池制造等所需要的高精确度流量控制的领域。
【背景技术】
[0005]气体质量流率的计量对于很多工业工艺而言都是重要的。对于半导体工业而言，计量必须特别精确，因为仅仅百分之几的流率偏差都可能导致工艺失效。
[0006]质量流量是系统中存在压力梯度的结果。只要未对系统做任何外功，质量将从高压区域流向低压区域。这就是所有流量控制装置的工作原理。为了控制从高压区域到低压区域的流率，使用了节流装置(flow restrict1n)。定位节流装置，使得系统中所有流动都必须通过该节流装置。根据节流装置的特性，通过流量控制装置的质量流率是以下项中的一些或全部项的函数:节流装置的尺寸、节流装置上游和下游的压力大小、系统的温度和气体的物理性质，例如密度和动态粘度。可以通过改变这些参数中的一个或多个来控制流率。总之，气体的物理性质和系统的温度难以改变或控制，因此通过改变系统中的压力、节流装置的尺寸或两者来控制流量。
[0007]行业标准的流量控制装置是包含阀门形式的节流装置的质量流量控制器(MFC)，可以部分地打开阀门以增大流量或部分闭合阀门以减小流量。阀门的开放由闭环反馈电路控制，使得外部提供的设定值和来自内部流量测量装置的读数之间的差异最小化。流量测量装置使用了热传感器，在气体流经的管路外部缠绕着两个电阻-温度计元件。通过施加电流而加热元件。在气体流经管路时，它从第一元件获取热量并将其传递给第二元件。所导致的两个元件之间的温差是气体质量流率的度量。在更新的、对压力不敏感的MFC中，在热传感器和控制阀之间包括压力换能器，以解决压力变化对流量的影响问题。
[0008]在MFC中使用热传感器流量测量的结果是精确的流量控制需要定期对装置进行校准。如果没有定期校准，通过MFC的实际流率可能由于流量测量装置中的误差而漂移成不可接受的值。常常通过使气体经过MFC流入或流出已知体积并测量该体积中的压力升高或下降来执行这种校准。可以通过计算压力升高或下降的速率并利用确定的压力-温度-体积气体关系来确定实际流率。这种测量被称为上升速率校准。
[0009]上升速率流量校准基于基本流量测量，因此是基本校准标准一一亦即，仅通过测量质量、压力、体积和时间来确定流量。仅有三种类型的已知基本流量测量:重量分析型，测量质量随时间的变化；体积型，测量在恒定压力下体积随时间的变化；以及上升速率型，测量恒定体积下压力随时间的变化。所有其他类型的流量测量都是辅助测量，必须要校准到基本测量。
[0010]另一种计量气体流率的方法是改变关键孔口上游气体的压力。在满足特定的压力要求(例如上游压力是下游压力的两倍)的情况下，在恒定温度下通过关键孔口的气体的体积流率与上游或下游压力无关。通过控制上游气体的密度(与压力成正比)，可以控制通过关键孔口的质量流量。
[0011]在这种类型的流量控制中，利用闭环控制电路中的控制阀控制压力，该电路在控制阀和关键孔口之间设置有压力换能器。打开或闭合控制阀以将关键孔口上游维持在指定压力。根据关键孔口上游的压力和已确定的关键孔口特性来确定质量流率。因此，精确的流量计量不仅取决于压力控制系统的性能，而且取决于孔口的机械完整性和尺寸稳定性。由于孔口易于受到微粒污染的限制或与流经它的气体反应而受到侵蚀，所以最好能够定期校准压力-流量关系。这是利用与用于MFC的上升速率测量相同的测量来执行的。
[0012]上述两种方法都利用闭环控制方案来控制质量流量，其中质量流量是作用于节流装置两端的气压梯度的最终结果。看做控制系统，这些装置的输出变量是质量流量，输入变量是压力和节流特性。
[0013]对于MFC而言，它基于质量流率的二阶测量控制节流装置的尺寸。节流装置的实际尺寸特性未知，但可以按比例地调节以根据需要增大或减小节流装置。对于工艺变量、节流装置和压力来说，仅有压力可以由装置观测到(对于压力不敏感MFC而言)，仅有节流装置可以控制。
[0014]关键孔口装置通过监测和控制上游压力，同时维持大致恒定的节流特性来控制流量。除了假设它们恒定的情况之外，关键孔口装置不监测或控制节流装置的特性。对于工艺变量而言，压力既可以由装置观测又可以由装置控制，而节流装置既不可控又不可观测。的确，如果没有任何外界影响，节流装置的特性不应随着时间变化；但是，在工作中，存在着节流装置发生化学或机械微扰的可能性。这种微扰不能被系统测量，因此，没有外部校准的辅助不能进行校准。
[0015]这两种流量控制方案的缺点，尤其是需要进行外部测量来校准并进行故障检测，说明了为什么希望有改进的流量控制方案。
[0016]能够在工作中检测故障并通过自校准来校正那些故障的流量控制装置的关键要求是，有充分多数量的可观测且可控制的工艺变量。对于上述两种类型的流量控制装置(它们一起包括了半导体工业中使用的绝大多数流量控制装置)，没有充分多的工艺变量来完成这些任务。
[0017]在本发明中，通过实施控制阀来增加这些工艺变量，其中设计控制阀以提供其位置和其流量限制特性之间的高度精确且可重复的映射，并且控制阀能够对其位置进行非常精确的测量和控制。
[0018]如果可以控制并测量节流装置，控制流量所必需的仅有的额外输入是作用于节流装置的压力梯度信息，因为流导是节流装置尺寸的可获知且可重复的函数。这种控制方案类似于关键孔口装置的方案，只是利用可变且可测量的节流装置替换了静态节流装置。
[0019]使用这种可控阀门获得的好处将取决于其中实施可控阀门的流量控制装置的类型。对于关键孔口流量控制装置，用可控阀门替换关键孔口将消除对关键孔口尺寸的任何改变的不确定性。对于热传感器MFC，由于压力换能器和可控阀门的组合提供了已知的流率，可以对照热传感器测量的流率来检查这个流率，其中将任何偏差标记为故障。
[0020]不过，这两种流量控制装置类型都不能在工作期间自校准。为了具有那种能力，流量控制装置必须要结合基本流量测量作为其工作的集成部分。将这种控制阀结合到图1中所示的流量监测系统中获得了高度精确且自校准的流量控制装置。一开始，将基于利用完全闭合的阀门106执行的下降速率流量测量来控制确定流量限制的控制阀108的位置。在下降速率测量之后，将打开阀门106，并将通过基于压力换能器112所测量的系统中的压力调节控制阀的位置来控制流量。
[0021]尺寸可测量可控的节流装置是大大改进流量控制方案的关键部件，能够最终使得流量控制装置可进行自校准且不依赖辅助流量测量。对所需精确度进行数量级估计就可以明了制造对于半导体工业而言足够精确的这种控制阀的技术挑战。当前半导体处理设备所需的质量流量精确度为+/-1 %。通常，必须在I和lOOOOsccm (每秒标准立方厘米)之间控制流量，节流装置入口和出口之间的压差通常介于20和150psi(镑/平方英寸)之间。如果设想一种例示性的节流装置，形状为矩形，静态宽度10mm，静态长度1mm，节流装置两端的压降为60psi，则必须将高度调节到0.8um以允许Isccm的流量。以+/_1%的技术规格执行误差传播，必须将高度控制在+/-1.1nm之内。
[0022]实际上，除了并非很适合半导体制造在成本、空间、清洁度和可靠性方面的要求的高精度计量阀之外，利用可测量可控节流装置实现控制阀所作的工作非常少。题为“TruePosit1n Sensor for Diaphragm Valves” 的专利 6761063-B2