用于實時地監測穿過質量流量控制器的流量的系統和方法
【專利摘要】質量流量控制器包括：第一流量計，其被構造和布置成測量穿過質量流量控制器的質量的流率；第二流量計，其被構造和布置成測量穿過質量流量控制器的質量的流率；控制閥，其被構造和布置成響應于根據如流量計之一所測量的流率而產生的控制信號來控制穿過質量流量控制器的質量的流率；以及系統控制器，其被構造和布置成產生控制信號，并在如第一流量計所測量的質量的流率和如第二流量計所測量的質量的流率之間的差異超過閾值時提供指示。
【專利說明】用于實時地監測穿過質量流量控制器的流量的系統和方法
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 本申請根據美國法典第35篇第119條要求2012年1月20日提交的美國申請號 13/354988的優先權利益，該美國申請通過引用被全部并入本文。
【技術領域】
[0003] 本公開通常涉及質量流量控制器（MFC)，且更特別地涉及用于實時地監測穿過 MFC的流量的系統和實時地監測穿過MFC的流量的方法。如在本文使用的，術語"氣體"包 括術語"蒸汽"，如果這兩個術語被認為不同的話。
[0004] 概要
[0005] 質量流量控制器（MFC)是用于測量和控制氣體的流量的設備。它們通常用于在半 導體制造工藝期間控制氣體的流量，其中進入半導體工具（例如真空室）內的氣體的流量 必須被謹慎地控制，以便產生高產率半導體產品。MFC通常被設計和標定成控制在特定范圍 的流率（flow rate)下的特定類型的氣體。設備基于由通常用戶預先確定的給定設定點或 外部設備（例如半導體工具本身）來控制流率。MFC可以是模擬或數字的。它們一般被設 計成對入口氣體的壓力范圍使用，低壓和高壓MFC是可用的。所有MFC具有進氣口和出氣 口、包括質量流量傳感器和比例控制閥的質量流量計。系統控制器用作反饋控制系統的一 部分，反饋控制系統根據如由設定點所確定的流率與如質量流量傳感器所感測的所測量的 流率的比較來向控制閥提供控制信號。反饋控制系統因此操作閥，使得所測量的流量被維 持在如由設定點所確定的流率。
[0006] 這樣的控制系統假設MFC在某個容限內保持標定。為了測試MFC是否在標定的容 限內，一般離線地測試MFC，利用這樣的設備作為質量流量檢驗器。質量流量檢驗器用于測 試流率。雖然離線測試非常準確，但總是有下列問題:MFC可能在過程的運行（實時地）期 間變得標定失效，且沒有被檢測到，直到過程完成為止。這可常常導致半導體產品的較低產 量和甚至導致整個產品產量的損失的完全故障。這可能是昂貴的，且顯然是不合乎需要的。 所需要的是當過程正運行時用于實時地連續測試MFC的標定設置的設備和方法。
[0007] 相關技術的描述
[0008] 參考日本公布的申請2004-246826A2004. 9. 2。
【發明內容】
[0009] 一種質量流量控制器，包括：
[0010] 第一流量計，其被構造和布置成測量穿過該質量流量控制器的質量的流率；
[0011] 第二流量計，其被構造和布置成測量穿過該質量流量控制器的質量的流率；
[0012] 控制閥，其被構造和布置成響應于根據如由流量計之一所測量的流率而產生的控 制信號來控制穿過質量流量控制器的質量的流率；以及
[0013] 系統控制器，其被構造和布置成產生控制信號，并在如由第一流量計所測量的質 量的流率和如第二流量計所測量的質量的流率之間的差異超過閾值時提供指示。
[0014] 根據例證性實施例和附圖的下面的詳細描述的查閱，這些以及其它部件、步驟、特 征、對象、益處和優點現在將變得清楚。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015] 附圖公開了例證性實施例。它們并不闡述所有實施例。此外或替代地，可使用其它 實施例?？赡苊黠@或不必要的細節可被省略以節省空間或為了更有效的說明。相反，可在 沒有所公開的所有細節的情況下實踐一些實施例。當相同的數字出現在不同的附圖中時， 它指相同或相似的部件或步驟。
[0016] 圖1是被構造和布置成控制穿過MFC的流量并實時地監測MFC的準確度的MFC的 簡化方框圖；
[0017] 圖2是使用這里所描述的教導的MFC的實施例的方框圖；以及
[0018] 圖3是用于產生指示MFC(例如關于圖1和2描述的MFC)何時在標定容限之外的 信號的部件的方框圖。
【具體實施方式】
[0019] 現在討論例證性實施例。此外或替代地，可使用其它實施例?？赡苊黠@或不必要 的細節可被省略以節省空間或為了更有效的說明。相反，可在沒有所公開的所有細節的情 況下實踐一些實施例。
[0020] 參考圖1，所示出的示例性質量流量控制器10被構造和布置成控制穿過MFC的流 量并實時地監測MFC的準確度。如所示的，控制器10包括兩個流量計12和14,每個流量計 獨立地產生表示穿過MFC的氣體的所測量的流率的信號。這兩個流量計的輸出被提供到系 統控制器16?？刂破?6處理從這兩個流量計12和14接收的兩個信號，并基于由流量計之 一所測量的流量和設定點來向比例控制閥18提供控制信號，并且當確定如兩個流量計所 測量的流率中的差異超過預定閾值時提供指示（"警報"）信號。
[0021] 在圖2中示出通常在20指示的MFC的更詳細的示例性實施例。MFC20被構造和 布置成控制穿過MFC的流量并實時地監測MFC的準確度。如所示的，氣體在包括導管的塊 28的輸入口 32處被接收，該導管限定穿過MFC到出氣口 60的主要流動路徑。第一流量 計30被示為熱質量流量計。熱質量流量計一般包括熱質量流量傳感器36。后者通常包括 布置在穿過塊28的氣體流的主要流動路徑34的旁路中的旁路元件38。U形毛細管40具 有分別連接到在旁路元件38的上游和下游端處的主通路的相對端。一個或多個阻力元件 42(兩個是最常見的）用于根據例如這兩個阻力元件的阻力中的差異基于溫度測量來測量 穿過毛細管的流量，阻力中的差異轉而是流體的感測溫度（質量流率的度量）中的差異的 函數。旁路元件38設計成確保穿過在毛細管40的兩端之間的旁路元件38的氣體流是層 流的。通過維持層流流動，穿過毛細管的氣體的所測量的流率將是穿過主流動路徑34的流 的精確百分比。因此，穿過毛細管40的所感測的流率將是穿過MFC20并離開出氣口 60的 流率的準確度量。表示所感測的流率的數據被傳遞到系統控制器16。
[0022] 第二流量計50被示為差壓流量計。針對阻塞流狀況，流量計50包括流量限制器 52 (例如臨界流噴嘴或孔口）和布置成測量從流量限制器52上游流經主流動路徑34的氣 體的相應溫度和壓力的溫度傳感器54和上游壓力傳感器56。將表示所感測的溫度和壓力 的數據傳輸到系統控制器，用于在根據這些所感測的測量結果確定流經第二流量計的質量 流量時使用。針對非阻塞流狀況，第二或下游壓力傳感器58設置在流量限制器52的下游 側上。將表示所感測的溫度、上游壓力和下游壓力的數據傳輸到系統控制器16,用于根據所 感測的測量結果確定流經第二流量計50的質量流量。由第二流量計50 (在阻塞和非阻塞 實施例中）提供的第二測量獨立于由第一流量計30提供的測量。
[0023] 參考圖3,系統控制器16處理流量計70和72的輸出以便提供穿過MFC的同一流 的兩個流量測量結果。如所示，流量計70被提供到流量控制單元74,流量控制單元74轉而 將控制信號施加到比例控制閥18。提供比較器76以比較表示由兩個流量計70和72提供 的所感測的流量測量結果的數據以提供輸出信號，輸出信號作為這兩個測量結果之間的任 何差異的函數并表示兩個測量結果之間的任何差異。通過閾值檢測器78將這個輸出信號 與某個閾值（由閾值設置80提供）比較。如果比較器76的輸出信號超過閾值（其中這兩 個計提供不同的流量測量結果，使得在這兩者之間的差異超過預定閾值），閾值檢測器提供 警報或指示信號以警告用戶該計中的至少一個是不準確的，以及MFC應被離線地采用并進 一步被測試。應注意，在80處的閾值設置的值可以用多種方法中的任一個（包括在MFC的 初始工廠設置期間設置該值）來提供，或是用戶編程的。可根據針對特定過程的質量流量 中的可允許容限來設置閾值，控制器用于利用該特定過程來輸送氣體。因此，一些過程可以 比其它過程允許流量中的更大容限。
[0024] 雖然第一和第二流量計在圖2中分別被描述為熱質量流量計和差壓流量計，它 們也可以是其它類型的流量計，例如科里奧里流量計、磁性流量計或超聲流量計，取決于 MFC20打算用于的應用。雖然第一流量計的類型不同于第二流量計的類型是優選的，但是 這兩個流量計可以是相同的類型。例如，這兩個流量計可以是熱質量流量計或差壓流量計。 此外，雖然第一流量計30位于控制閥18的上游而第二流量計位于控制閥18的下游，這兩 個流量計的位置可以是沿著MFC的主流動路徑34的任何地方。例如，這兩個流量計可以在 控制閥18的上游或下游。
[0025] 如圖3所示，盡管來自第一流量計70的測量結果在流量控制單元74中被用于控 制MFC流量輸出并且來自第二流量計72的測量結果被用于實時地驗證MFC的準確度，但是 來自第二流量計72的測量結果可在流量控制單元74中被用于控制MFC20的流量輸出，且 來自第一流量計70的測量結果被用于流量驗證。
[0026] 所討論的部件、步驟、特征、對象、益處和優點僅僅是例證性的。它們中沒有一個以 及關于它們的討論也非旨在以任何方式限制保護范圍。還設想了很多其它實施例。這些實 施例包括具有更少的、額外的和/或不同的部件、步驟、特征、對象、益處和優點的實施例。 這些實施例還包括部件和/或步驟被不同地布置和/或排序的實施例。
[0027] 除非另有說明，在這個說明書中（包括在接下來的權利要求中）闡述的所有測量、 值、額定值、位置、幅值、尺寸和其它規范是近似的，不是確切的。它們預期具有與它們所涉 及的功能和與它們所屬的領域中的慣例一致的合理范圍。
[0028] 所有制品、專利、專利申請和在本公開中引用的其它公布物特此通過引用被并入 本文。
[0029] 短語"用于…的模塊"在權利要求中使用時被預期并應被解釋為包括所描述的相 應的結構和材料及其等效形式。類似地，短語"用于…的步驟"在權利要求中使用時被預期 并應被解釋為包括所描述的相應的行動及其等效形式。這些短語在權利要求中的缺失意指 權利要求并不被預期且不應被解釋為限于相應的結構、材料或行動及其等效形式中的任一 個。
[0030] 所陳述或示出的事情沒有被預期或不應被解釋為使任何部件、步驟、特征、對象、 益處、優點或等效形式獻給公眾，而不管它是否在權利要求中被列舉出。
[0031] 保護范圍僅由現在接下來的權利要求限制。該范圍被預期或應被解釋為與在當按 照這個說明書被解釋時的權利要求中使用的語言的普通意義和接下來的訴訟歷史一致的 范圍一樣廣泛，并包括所有結構和功能等效形式。
【權利要求】
1. 一種質量流量控制器，包括： 第一流量計，其被構造和布置成測量穿過所述質量流量控制器的質量的流率； 第二流量計，其被構造和布置成測量穿過所述質量流量控制器的質量的流率； 控制閥，其被構造和布置成響應于根據由所述流量計之一所測量的流率而產生的控制 信號來控制穿過所述質量流量控制器的質量的流率；以及 系統控制器，其被構造和布置成產生所述控制信號，并在由所述第一流量計所測量的 質量的流率和由所述第二流量計所測量的質量的流率之間的差異超過閾值時提供指示。
2. 根據權利要求1所述的質量流量控制器，其中所述第一流量計和所述第二流量計具 有相同的類型。
3. 根據權利要求1所述的質量流量控制器，其中所述第一流量計和所述第二流量計具 有不同的類型。
4. 根據權利要求1所述的質量流量控制器，其中所述流量計中的至少一個是差壓流量 計。
5. 根據權利要求1所述的質量流量控制器，其中所述流量計中的至少一個是熱質量流 量計。
6. 根據權利要求5所述的質量流量控制器，其中所述流量計中的另一個是差壓流量 計。
7. 根據權利要求1所述的質量流量控制器，其中所述流量計中的至少一個是科里奧利 流量計。
8. 根據權利要求1所述的質量流量控制器，其中所述流量計中的至少一個是磁性流量 計。
9. 根據權利要求1所述的質量流量控制器，其中所述流量計中的至少一個是超聲流量 計。
10. 根據權利要求1所述的質量流量控制器，其中所述第一流量計和所述第二流量計 分別在所述控制閥的上游和下游。
11. 根據權利要求1所述的質量流量控制器，其中所述第一流量計和所述第二流量計 都位于所述控制閥的上游。
12. 根據權利要求1所述的質量流量控制器，其中所述第一流量計和所述第二流量計 都位于所述控制閥的下游。
13. 根據權利要求1所述的質量流量控制器，其中所述控制信號根據由熱質量流量計 所測量的流率而產生。
14. 根據權利要求13所述的質量流量控制器，其中另一流量計是差壓流量計。
15. 根據權利要求1所述的質量流量控制器，其中所述控制信號根據由差壓流量計所 測量的流率而產生。
16. 根據權利要求15所述的質量流量控制器，其中另一流量計是熱質量流量計。
17. 根據權利要求1所述的質量流量控制器，其中所述閾值是用戶設置的。
18. 根據權利要求1所述的質量流量控制器，其中所述閾值是工廠設置的。
19. 根據權利要求1所述的質量流量控制器，其中根據針對過程的質量流量中的可允 許容限來設置所述閾值，所述控制器用于利用所述過程來輸送氣體。
【文檔編號】G01F25/00GK104114982SQ201380005938
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2013年1月9日 優先權日:2012年1月20日
【發明者】丁軍華 申請人:Mks 儀器公司
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
