专利名称：双模式质量流检验以及质量流递送系统和方法
双模式质量流检验以及质量流递送系统和方法
背景技术：
可以使用质量流检验器(MFV)以检验高精度流体递送系统的精确性，流体递送系统诸如质量流控制器(MFC)和质量流比控制器(FRC)。通常，质量流检验器可以包括腔、压力换能器、温度传感器和两个隔离阀，一个向上游，一个向下游。阀可以在空闲期间关闭，并且当初始化运转时可以打开，从而允许流体从诸如MFC或FRC的被测设备(DUT)流动通过流量检验器。一旦流体流动已经稳定，下游阀可以关闭，而作为结果，腔中的压力可能上升， 而可以测得压力的升高以及气体温度。可以使用这些测量以计算流率，并且因而检验DUT 的性能。可以使用诸如摩尔递送设备(MDD)的质量流递送设备，以将所需量的气体精确地递送入半导体处理腔。这种质量流递送设备可以提供高度可重复和精确量的气体质量，用于半导体制造工艺中，例如原子层淀积(ALD)工艺中。近年来，通过流线型设计和减少足迹(foot print)，半导体处理工具的成本降低的倡议已经对流体递送系统的设计产生了显著的影响。虽然已经减少了流体递送系统的尺寸和复杂性，已经增加了对检验以及递送精确性的需求。由于对流动精确性以及将临界流体递送入处理腔中的增加的需求，两个特征、即质量流递送和质量流检验是必须的。然而，对于消费者而言，同时拥有MFV和MDD的成本相对昂贵和费力。同样地，MDD趋向于具有大足迹。因此，需要能够向消费者提供对同时需要质量流检验和质量流递送的成本有效解决方法的系统和方法。
发明内容
一种系统执行了流体的质量流递送，以及对流体的质量流检验。该系统包括配置以控制流体流入腔的入口阀、配置以控制流体流出腔的出口阀、配置以测量腔内压力的压力传感器以及控制器。在一些实施例中，该系统还包括温度传感器，其配置以测量腔内的温度。控制器配置以当处于第一模式时，控制入口和出口阀的打开和关闭，以使得使用腔内压力和温度变化的测量值，而检验被测设备对流体流率的测量值。控制器还配置以当处于第二模式时，控制入口和出口阀的打开和关闭，以使得使用腔内压力和温度变化的测量值，而将所需量的流体从腔内递送至处理设备中。现在，根据对所述实施例的下列详述、随附附图以及权利要求的研究，这些以及其他部件、步骤、特征、目的、益处和优点将变得清楚。
附图公开了说明性实施例。它们未阐明所有实施例。可以额外或作为代替地使用其他实施例。当在不同附图中出现相同的附图标记时，其意于指示相同或相似的部件或步骤。
图1示出了质量流检验器的结构图。图2示意性地示出了质量流递送系统。图3是示出质量流递送方法的典型实施例的流程图。图4是根据本公开内容一个实施例的双模式质量流检验以及质量流递送系统的示意性图示。图5是示出根据本公开内容一个实施例的执行质量流检验和质量流递送的方法的典型实施例的流程图。
具体实施例方式在本公开内容中，公开了一种系统和方法，其允许单一系统执行质量流检验和质量流递送，而节省消费者的成本并且节省厂商的空间。现在讨论示意性实施例。可以额外地或作为代替地使用其他实施例。图1是质量流检验器100的结构图。MFV 100包括封闭的容积或腔130 (具有已知的容积V。)，其配置以接收来自被测设备(DUT)IlO的流体流。示出在所述实施例中的DUT 110是递送所需流体流率的MFC。MFC通常是独立设备，其包括质量流传感器、控制阀和控制和信号处理电子器件，并且可以用于重复地递送所需流体流率。DUT 110的实例可以包括但不局限于质量流控制器(MFC)和质量流量比控制器(FRC)。入口阀120接通或切断从DUT 110至腔130的流体流。出口阀150接通或切断从腔130的流体流。MFV 100还包括配置以测量腔130中流体压力的压力传感器170以及配置以测量腔130中流体温度的温度传感器180。通常，正检验其质量流率的流体是气体，但是也可以由MFV100检验器他类型的流体的流率。虽然在图1中所示的实施例中，示出由MFV 100测得的设备是单一 DUT(MFC) 110， 应当注意到在其他实施例中，可以将多个DUT连接至MFV 100，并且由其进行测试。例如，可以经由气体歧管将多个DUT连接至MFV 100。将控制器160连接至MFV 100。控制器160控制DUT 110的性能的现场(in-situ) 检验，并且控制入口阀120和出口阀150的操作。在MFV 100的一个实施例中，控制器160 可以实施“增长率”(R0I )技术、流动检验技术以执行质量流检验。当实施ROR技术时，通过使得流体流入已知容积并且测量在给定时间间隔期间发生的压力上升，而确定流体的流率。ROR MFV的基本原理是在腔130上的质量平衡。使用质量平衡等式，并且对腔内气体应用理想气体状态方程，通过根据下述等式测量MFV 100的腔130内的气体(或其他流体)压力和温度，可以获得入口流体流率
_2] α =—Jt{Yj (1)其中P是腔中的气体压力；T是气体温度；Vc是腔容器的容积；K0是热功转换当量，以SCCm(每分钟的标准立方厘米)单位为6X 107，以slm(每分钟标准升)单位为6 X IO4;
Pstp 是标准压力(=1. 01325e5Pa)；以及Tstp 是标准温度(=273. 15K)。控制器160接收来自压力传感器170和温度传感器180的输出信号，并且基于接收得的输出信号而控制入口阀120和出口阀150的操作。控制器160测量出口阀150关闭后腔130内流体压力的增长率，并且使用测得的压力随着时间和温度的增长率，以根据等式⑴计算从DUT 110流入腔130的流体的流率G!in。在典型实施例中，正测试的MFC 110可以连接至MFV 100。在空闲期间，切断从MFC 110至MFV 100的流体流。当启动MFV 100的检验运行时，打开入口阀120和出口阀150， 从而流体从MFC 110流至MFV 100。MFC 110可以提供有流动设定值。在启动阶段期间，允许从MFC 110的流体流率以及腔130内流体压力达到稳定状态。一旦达到稳定状态，关闭出口阀150，从而流体压力开始在腔内130建立。控制器 160通过接收腔130内压力传感器170的压力测量值以及温度传感器180的温度测量值，而确定一定时间阶段期间的压力增长率(即，压力的变化率或时间导数)。例如，可以在时间阶段中每隔预定时间间隔而记录腔130内的温度和压力测量值。在一个典型实施例中，每个预定时间间隔可以约为0.00025秒，而时间阶段可以从约 0. 1秒至约30秒。当然，可以在MFV 100中的其他实施例中使用不同的时间间隔和时间阶段。在时间阶段的末期，打开出口阀150，以允许流体流出腔130，流至排气口(诸如真空泵， 作为实例)或者其他类型的输出设备上。可以基于腔130的已知容积V内的温度和压力测量值，而计算流体压力的增长率或时间导数(除以流体温度T)，gp Δ (P/T)/At0基于计算得的增长率△ (P/T)/At，可以确定和检验由MFC 110产生的流率，从而可以正确地校正MFC 110。由控制器160使用上述等式(1)，计算流率9。可以如下进行典型的质量流检验1、打开上游阀120和下游阀150 ；2、对于DUT给出流动设定值；3、等待，直到腔压力处于稳定状态；4、开始记录腔气体压力以及腔气体温度，用于流动计算；5、关闭下游阀150，从而腔压力上升；6、等待一定阶段，用于流动检验；7、打开下游阀150 ；8、基于等式(1)计算和报告已检验的流动。通过基于压力传感器170和温度传感器180的输出而控制上游阀120和下游阀 150的操作，并且使用测得的压力随着时间的增长率以根据等式(1)计算从DUT 110流入腔 130的流体流率，控制160检验了 DUT 110执行的对流率的测量。图2是根据本公开内容一个实施例的质量流递送系统200的典型实施例的示意性视图。质量流递送系统200包括腔230、控制流入腔230的质量流的入口阀220、以及控制流出腔230的质量流的出口阀250。根据本公开内容一个典型实施例，入口阀200和出口阀 250包括开/关型阀，而至少出口阀250具有非�？斓南煊κ奔洌缭�1至5毫秒。质量流递送系统200还具有用于提供对腔230内压力的测量的压力换能器270以及用于提供腔230上或内部的温度的测量的温度传感器观0。压力换能器270也具有非�？斓南煊κ奔洌缭�1至20毫秒。根据本公开内容的一个典型实施例，温度传感器280 接触腔230的壁，并且提供了对其温度的测量。用于递送系统200的合适的压力换能器270的实例是可从本公开内容的受让人、 MKS Instruments of Andover Mass 处可获得的 Baratron 商标的压力换能器(http:// www, mksinst. com)。合适的阀220、250也可从该受让人处获得。控制器260被编程以控制入口阀220和出口阀250的打开和关闭，以使得将精确已知的摩尔数量的气体从递送腔230递送至输出处理设备中。在一个实施例中，递送系统200可以是脉动递送系统，其配置以递送脉冲的顺序来递送气体。概述之，递送系统200根据下列循环而以离散的脉冲递送气体1、充气打开入口阀220，允许气体流进入递送腔230，并且将腔充气至目标压力或者目标量的气体摩尔数。2、等待压力稳定3、递送打开出口阀250，其连接至处理设备，测量已递送的气体量，并且当正确量的气体离开递送腔230时关闭出口阀250。4、进行至下一循环，其中重复上述步骤1、2和3。图3是示出质量流递送方法的典型实施例的流程图。根据本公开内容的一个实施例，图2的质量流递送系统200的控制器260可以配置以实施图3的方法300。参考图2 和3，控制器260被编程以如图3中302处所示接收所需质量流递送设定点(setpoint)，例如通过输入设备；如图3中304处所示关闭出口阀250 ；以及如图3中306处所示打开至腔 230的入口阀220。控制器260进一步编程以如图3中308处所示，接收来自压力换能器270和温度传感器观0的测量信号，其分别测量腔230内的气体压力和温度。控制器260进一步编程以如图3中310处所示，在腔230内压力到达预定水平时关闭入口阀220。压力的预定水平可以是用户定义的，在该情况下，可以通过输入设备提供。作为选择地，可以由控制器沈0 基于所需质量流递送设定点而计算。如图3中312处所示，在预定等待阶段之后，在预定等待阶段期间腔230内的气体可以到达平衡状态，控制260打开出口阀250，以从递送腔230中排出一定质量的气体至输出处理设备。预定等待阶段可以是用户定义的，在该情况下可以通过设备提供。作为选择地，预定等待阶段可以由控制器260基于递送腔内气体的平衡状态而确定。控制器260进一步编程以如图3中313处所示，从压力换能器270和温度传感器280接收测量信号，以便于监视递送至输出处理设备的质量流的量。随后，如图3中314处所示，当排出的气体质量等于用户定义的所需质量流设定点时，出口阀250关闭。通常，仅打开出口阀250非常短的时段(例如100至1000毫秒)。随后，控制器260可以指示已经排出至输出设备的气体质量。在一个实施例中，递送系统200可以是配置以精确测量和控制其递送至输出处理设备的气体(或其他流体)摩尔数量的摩尔递送设备(MDD)，所述输出处理设备例如可以是半导体晶圆加工腔。在该实施例中，控制器260配置以计算离开递送腔230同时排放至处理设备的气体摩尔数量。气体递送系统200的控制器260可以实施基于模型的算法，以测量和控制流入递送腔230的固定容积中的气体摩尔数量。控制器260实施的算法可以允许计算流入和流出腔230的气体摩尔数量。因而，在上述气体递送系统200中，当递送腔230排放至处理设备时，将已知离开递送腔230的气体摩尔数量。在一个实施例中，控制器260可以实施基于模型的算法，其使得控制器260监视压力传感器270的压力测量值和温度传感器观0的温度测量值，并且使用理想气体状态方程以获得所需摩尔数。在该实施例中，控制器260打开入口阀220，以将气体引入递送腔230中。随后，充气至目标压力。随后控制器260测量进入递送腔230的固定容积中的气体量，并且当在固定容积中获得目标摩尔数时关闭入口阀220。在该阶段期间充入递送腔230中的气体摩尔数由下式给出
权利要求
1.一种用于流体质量流递送和用于流体质量流检验的系统，该系统包括腔；入口阀，所述入口阀配置以控制流入腔的流体流；出口阀，所述出口阀配置以控制流出腔的流体流；压力传感器，所述压力传感器配置以测量腔内压力；以及控制器；其中控制器配置以当处于第一模式时控制入口阀和出口阀的打开和关闭，以使得检验由一设备对流体流率的测量；以及其中控制器还配置以当处于第二模式时控制入口阀和出口阀的打开和关闭，以使得将所需量的流体从腔中递送至输出处理设备中。
2.根据权利要求1所述的系统，其中控制器响应于用户输入，用于在第一模式和第二模式之间选择。
3.根据权利要求1所述的系统，其中控制器还配置以接收指示在第一和第二模式之间选择的输入信号，并且响应于接收得的输入信号而以在第一和第二模式中所选之一运行。
4.根据权利要求3所述的系统，还包括输入设备，所述输入设备用于传输指示在第一和第二模式之间选择的输入信号，并且其中控制器配置以通过输入设备接收输入信号。
5.根据权利要求1所述的系统，还包括温度传感器，所述温度传感器配置以测量腔内流体的温度。
6.根据权利要求1所述的系统，其中控制器配置以当处于第一模式时测量在出口阀关闭后一定时间阶段期间腔内流体压力的增长率，并且使用测得的增长率而计算从设备流出的流体流率。
7.根据权利要求6所述的系统，其中控制器还进一步配置以当处于第一模式时，使用下述等式计算流体的流率Q Qin =WVc d(p、Pstp dt其中P是腔中的气体压力； T是气体温度； Vc是腔容器的容积；K0是热功转换当量，以SCCm(每分钟的标准立方厘米)单位为6X 107，以slm(每分钟标准升)单位为6 X IO4;Pstp是标准压力(=1. 01325e5Pa)；以及 Tstp是标准温度(=273. 15K)。
8.根据权利要求1所述的系统，其中设备包括至少下列其中之一质量流控制器和流量比控制器。
9.根据权利要求1所述的系统，其中控制器配置以当处于第二模式时，测量在一定时间阶段期间流入腔内的流体质量，并且随后通过控制入口阀和出口阀的打开和关闭而递送所需质量的流体进入和输出处理设备。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所需质量的流体包括所需摩尔数量的流体，并且其中控制器配置以当处于第二模式时，通过监视压力换能器的压力测量值以及温度传感器的温度测量值来测量该时间阶段期间流入腔内的流体的摩尔数量。
11.根据权利要求10所述的系统，其中在该时间阶段递送至腔内并且占据腔的一定容积V。的前体气体的摩尔数量，由下式给出
12.根据权利要求11所述的系统，其中控制器还配置以当处于第二模式时 打开入口阀以允许气体流入腔内；通过监视压力换能器的压力测量值以及温度传感器的温度测量值来测量通过入口阀流入腔内的气体摩尔数量；以及当所需摩尔数量的气体已经进入递送腔时关闭入口阀。
13.根据权利要求12所述的系统，其中控制器还配置以当处于第二模式时 打开出口阀，以将流体质量从腔内排放至输出处理设备；通过监视压力换能器的压力测量值以及温度传感器的温度测量值来测量通过出口阀排放至输出处理设备的气体摩尔数量；以及当已排放的气体质量等于所需质量流设定点时关闭出口阀。
14.根据权利要求12所述的系统，其中所需的气体摩尔数量是用户指定的。
15.根据权利要求12所述的系统，其中控制还配置以在多个递送循环的每一个期间重复如下步骤控制入口阀和出口阀的打开和关闭，以使得将所需摩尔数量的气体引入腔内， 并且随后将所需摩尔数量的气体从腔内引入输出处理设备中。
16.一种实施双模式质量流检验和质量流递送的方法，该方法包括接收指示在双模式系统的运行的第一模式和第二模式之间的选择的输入信号； 当输入信号指示选择第一模式时，控制双模式系统中的入口阀和出口阀的打开和关闭，以使得检验由一设备对流体流率的测量；以及当输入信号指示选择第二模式时，控制入口阀和出口阀的打开和关闭，以使得将所需量的流体从双模式系统的腔内递送至输出处理设备中。
17.根据权利要求16所述的方法，其中控制双模式系统中的入口阀和出口阀的打开和关闭以使得检验由一设备对流体流率的测量的步骤包括使得流体从设备流入腔内；以及当出口阀关闭时测量腔内流体压力的增长率，并且使用压力增长率以计算流体的流率。
18.根据权利要求16所述的方法，其中计算流体流率的步骤包括使用下述等式
19.根据权利要求16所述的方法，其中控制入口阀和出口阀的打开和关闭以使得将所需量的流体从腔内递送至输出处理设备中的步骤，包括打开入口阀以允许流体流入腔内；测量通过入口阀流入腔内的流体量；当所需量的流体已经进入腔内时关闭入口阀；等待一定阶段以便于稳定腔内气体的压力和温度；打开出口阀已将流体质量从腔中排出；测量通过出口阀而从腔内排放至输出处理设备的流体量；以及当已排放的气体质量等于所需流体质量设定点时关闭出口阀。
20.根据权利要求19所述的方法，其中测量流入腔内流体量以及测量从腔内排放至输出处理设备的流体量的步骤包括通过监视压力换能器的压力测量值以及温度传感器的温度测量值而测量进入或离开腔的流体摩尔数量；并且其中所需流体量包括所需流体摩尔数量。
21.根据权利要求12所述的系统，其中由控制器基于所需质量流设定点来计算所需气体摩尔数量。
全文摘要
一种系统执行流体质量流递送，并且还执行流体的质量流检验。该系统包括控制流体流入腔的入口阀、控制流体流出腔的出口阀、测量腔内流体压力的压力换能器、测量腔内流体温度的温度传感器以及控制器。控制器配置以使用腔内压力和温度变化的测量值而控制入口和出口阀的打开和关闭，以使得当处于第一模式时检验由一设备对流体流率的测量，以及当处于第二模式时以便于将所需量的流体从腔递送至处理设备。
文档编号G01F1/00GK102301208SQ200980154214
公开日2011年12月28日 申请日期2009年11月18日 优先权日2008年11月18日
发明者K·扎尔卡, 丁军华 申请人:Mks仪器公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
