提供压力不敏感自我验证的质量流量控制器的系统和方法

摘要

提供了一种质量流量控制器，其包括压力式流量计、热式流量计、控制阀和系统控制器。压力式流量计和热式流量计每一个都测量通过质量流量控制器的质量的流量。控制阀响应于当测量流量相对较低时，根据由热式流量计测量的流量，及当流量相对较高时，根据由压力式流量计测量的流量而产生的控制信号来控制流量。两个流量计的流量测量的比较可以用于(a)感测在低流量的压力扰动，及(b)感测热式流量计何时失去校准，以使得可以将零偏移信号应用于热式流量计。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请基于于2014年2月13日提交的代理人档案号086400-0189(MKS-233US)的题为“SYSTEM FOR AND METHOD OF PROVIDING PRESSURE INSENSITIVE SELF VERIFYINGMASS FLOW CONTROLLER”的美国专利申请第14/180,063号，和2012年1月20日提交的代理人档案号086400-0090(MKS-227)的题为“SYSTEM FOR AND METHOD OF MONITORING FLOWTHROUGH MASS FLOW CONTROLLERS IN REAL TIME”的美国专利申请第13/354,988号并要求它们的优先权。这些申请的全部内容以引用的方式并入本文中。

技术领域

本公开内容总体上涉及质量流量控制器(MFC)，具体而言，涉及实时监测通过MFC的流量的系统和方法。本文所使用的术语“气体”包括术语“蒸气”，假如认为两个术语不同的话。

背景技术

质量流量控制器(MFC)是用于测量和控制气体的流量的设备。它们通常用于在半导体制造过程中控制气体的流量，其中，必须仔细控制气体到例如真空室的半导体工具中的流量，以便产生高产率的半导体产品。MFC通常设计和校准为控制在特定流量范围的特定类型的气体。设备基于通常由用户或如半导体工具自身的外部设备预定的给定设定值控制流量。MFC可以是模拟或数字的。它们典型地被设计为结合入口气体的压力范围、MFC可用的低压和高压来使用。所有MFC都具有入口、出口、包括质量流量传感器和比例控制阀的质量流量计。系统控制器用作反馈控制系统的部分，其根据由设定值确定的流量与由质量流量传感器感测的测量流量的比较而将控制信号提供给控制阀。反馈控制系统从而操作阀门，以使得测量流量保持在由设定值确定的流量。

这种控制系统假定MFC保持在一定公差内的校准中。为了测试MFC的流量是否在校准的公差内，典型地借助作为质量流量验证器的这种设备离线测试MFC。尽管离线测试非常准确，但总是存在在过程运行中(实时地)MFC失去校准，直到完成过程都无法检测到的问题。这常常会导致半导体产品较低的产量，甚至完全失败，导致整个产品产量的损失。这是昂贵的，显然不是所希望的。需要一种用于在过程运行的同时实时地连续测试MFC的校准设定的设备和方法。

相关技术的说明

参考了日本公开申请2004-246826A2004.9.2。

发明内容

提供了一种质量流量控制器，其包括：压力式流量计、热式流量计、控制阀和系统控制器。压力式流量计构造和布置为测量通过质量流量控制器的质量的流量。热式流量计构造和布置为测量通过质量流量控制器的质量的流量。构造和布置控制阀，以便响应于根据由一个流量计测量的流量而产生的控制信号来控制通过质量流量控制器的质量的流量。系统控制器构造和布置为当测量流量相对较低时，根据由热式流量计测量的流量产生控制信号，及当流量相对较高时，根据由压力式流量计测量的流量产生控制信号，以使得质量流量控制器对入口压力扰动相对不敏感。

提供了一种控制气体的质量流量的方法，其包括：用热式流量计测量通过质量流量控制器的质量的流量；用压力式流量计测量通过质量流量控制器的质量的流量；响应于根据由一个流量计测量的流量而产生的控制信号来以控制阀控制通过质量流量控制器的质量的流量；其中，控制质量的流量包括(a)为当测量流量相对较低时，根据由热式流量计测量的流量，及(b)当流量相对较高时，根据由压力式流量计测量的流量，产生控制信号，以使得质量流量计对入口压力扰动相对不敏感。

热式流量计和压力式流量计的流量测量的比较可以用于(a)感测在低流量的压力扰动，以使得尽管感测到压力扰动，但质量流量控制器根据在低流量由压力式流量计测量的流量产生控制信号，及(b)感测热式流量计何时失去校准，以使得可以将零偏移信号应用于热式流量计。

依据说明性实施例和附图的以下详细说明的论述，这些以及其他部件、步骤、特征、对象、益处和优点将变得清晰。

附图说明

附图公开了说明性的实施例。它们没有阐述全部的实施例。可以另外或替代地使用其他实施例。省略了明显的或不必要的细节以节省空间或为了更有效的说明。相反地，在没有公开其全部细节的情况下，可以实践一些实施例。在相同的参考标记出现在不同附图中的情况下，其指代相同或相似的部件或步骤。

图1是被构造和被布置为实时地控制通过MFC的流量并监控MFC的精确度的MFC的简化方框图；

图2是采用本文所教导的MFC的实施例的方框图；及

图3是用于产生指示诸如结合图1和2所述的MFC之类的MFC何时失去校准公差的信号的组件的方框图；及

图4是压力不敏感的MFC的实施例的方框图。

具体实施方式

现在论述说明性的实施例。可以另外或替代地使用其他实施例。省略了明显的或不必要的细节以节省空间或为了更有效的说明。相反地，在没有公开其全部细节的情况下，可以实践一些实施例。

参考图1，所例示的示例性的质量流量控制器10被构造和被布置为实时地控制通过MFC的流量并监控MFC的精确度。如所示的，质量流量控制器10包括两个流量计12和14，每一个都独立地产生信号，其表示所测量的通过MFC的气体的流量。两个流量计的输出提供给系统控制器16。系统控制器16处理从两个流量表12和14接收的两个信号，并根据由流量计之一测量的流量和设定值将控制信号提供给比例控制阀18，并在做出由两个流量计所测量的流量的差超过预定阈值的确定时提供指示(“报警”)信号。

图2中显示了总体上以20示出的MFC的更详细的示例性实施例。构造和布置MFC20，以便实时控制通过MFC的流量并监控MFC的精确度。如所示的，在块28的输入端口32处接收气体，块28又包括导管，限定通过MFC到出口60的主流动路径34。第一流量计30显示为热质量流量计。热质量流量计典型的包括热质量流量传感器36。后者通常包括旁路元件38，布置在气流通过块28的主流动路径34的旁路中。U形毛细管40具有相反末端，在旁路元件38的上游端和下游端分别连接到主通路。一个或多个电阻元件42(最常见的是两个)用于基于根据例如在两个电阻元件的电阻中的差的温度测量来测量通过毛细管的流量，质量流量的测量，两个电阻元件的电阻中的差又根据流体的感测温度中的差。旁路元件38设计为确保在毛细管40的两端之间通过旁路元件38的气流是层状的。通过保持层流，测量的通过毛细管的气体的流量会是通过主流动路径34的流量的精确百分比。因而，感测的通过毛细管40的流量会是通过MFC 20并离开出口60的流量的精确测量。将表示感测的流量的数据传送到系统控制器16。

将第二流量计50显示为差压式流量计。对于阻流条件，流量计50包括限流器52(例如，临界流喷嘴或孔)、温度传感器54和上游压力传感器56，布置为测量在限流器52上游流过主流动路径34的气体的各自的温度和压力。将表示感测的温度和压力的数据传送到系统控制器，用于根据这些感测的测量确定通过第二流量计50的质量流量。对于非阻流条件，在限流器52的下游侧提供第二或下游压力传感器58。将表示感测的温度、上游压力和下游压力的数据传送到系统控制器16，用于根据感测的测量确定通过第二流量计50的质量的流量。由第二流量计50提供的第二测量(在阻流和非阻流的实施例中)与由第一流量计30提供的测量无关。

参考图3，系统控制器16处理流量计70和72的输出，以便提供通过MFC的同一流量的两个流量测量。如所示地，将流量计70提供给流量控制单元74，其又将控制信号应用于比例控制阀18。提供比较器76以比较表示由两个流量计70和72提供的感测的流量测量的数据，以提供根据且表示两个测量之间的任何差的输出信号。由阈值检测器78将这个输出信号与一些阈值(由阈值设定80提供的)相比较。如果比较器76的输出信号超过阈值(其中，两个流量计提供不同的流量测量，以使得在二者之间的差超过预定阈值)，阈值检测器就提供报警或指示信号，以警告用户至少一个流量计不准确，且MFC应离线并进一步测试。应该指出的是，在80的阈值设定的值可以以多个方式的任意一个提供，包括在MFC的初始工厂设置过程中设定值或用户编程的。可以根据用于使用控制器来传送气体的特定过程的质量流量中可允许的公差来设定阈值。因而，一些过程可以允许流量中比其他的更大的公差。

尽管在图2中将第一流量计和第二流量计分别说明为热质量流量计和差压式流量计，但它们也可以是其他类型的流量计，例如科里奥利流量计、磁流量计或超声波流量计，取决于MFC 20打算用于的应用。尽管优选的是第一流量计的类型与第二流量计的不同，但两个流量计可以是相同的类型。例如，两个流量计都可以是热质量流量计或差压式流量计。此外，尽管第一流量计30位于控制阀18的上游，第二流量计位于控制阀18的下游，但这两个流量计的位置可以在沿MFC的主流动路径34的任何地方。例如，两个流量计可以在控制阀18的上游或下游。

如图3所示，尽管来自第一流量计70的测量在流量控制单元74中用于控制MFC流量输出，来自第二流量计72的测量用于实时验证MFC的精确度，但来自第二流量计72的测量可以在流量控制单元74中用于控制MFC20的流量输出，而来自第一流量计70的测量可以用于流量验证。

本文所述的MFC的多个实施例可以进一步被配置为在MFC的整个流量范围中提供压力不敏感的操作和更高的控制精度。一般来说，压力式流量计及因此的基于压力的流量控制对于在MFC的入口的压力干扰或扰动不敏感。然而，相比于热质量流量计，压力式流量计在低流量和低入口压力时不是非常准确的。因此，在一个实施例中，如图4所示，系统控制器80类似于图2的控制器16来配置和布置，并进一步被配置为在两个流量计之间切换，以便取决于入口压力和通过MFC的流量控制控制阀18的位置。在图4的实施例中，热式流量计30的输出可以用于在相对较低的流量控制控制阀18，压力式流量计50的输出可以用于在相对较高的流量控制控制阀。具体而言，在一个实施例中，将交叉点或值确定为流量计设计的满刻度流量的预定百分比。根据流过流量计的气体的压力的预期范围来选择预定百分比数量。因而，当通过MFC的流量确定为小于满刻度(FS)的预定百分比时，热式流量计的输出就用于控制控制阀18；当通过MFC的流量确定为大于满刻度的预定百分比时，压力式流量计的输出就用于控制控制阀18。当流量等于交叉值时，任一流量计都可以用于控制控制阀。

在一个实施方式中，用户可以确定满刻度的百分比的交叉值，并将该值在84作为输入提供给系统控制器80。可替换地，它可以MFC的制造过程中提供。

因而，在一个示例中，对于小于满刻度的20％的流量，控制器80将热式流量计30的输出应用于控制阀18，对于等于和大于20％满刻度的流量，控制器80将压力式流量计50的输出应用于控制阀18。通过在相对低的流量使用热式流量计30来控制MFC，改进了在低流量的流量控制的精确度。

当MFC使用压力式传感器测量来控制通过控制阀的流量时，它是压力不敏感的MFC，即，对于在入口的压力扰动基本不敏感。然而当MFC使用热式传感器测量来控制流量时，它对于入口压力扰动是敏感的。因此，公开的MFC的另一特点是提供对MFC使用基于热的测量来控制流量时发生的压力扰动的补偿。具体而言，当质量流量控制使用在低流量范围内的热流量传感器测量，且存在由两个流量传感器之间的突然大流量偏差指示的压力扰动时，系统控制器感测这个压力扰动，并借助控制器80将流量控制输入从热流量传感器测量暂时转换到基于压力的流量测量，直到压力瞬变期过去。例如可以通过设定阈值来确定“两个流量传感器之间的突然大流量偏差”由什么构成，以使得偏差必须超过认为是足以保证变化的阈值。当偏差超过阈值时，从热流量测量到基于压力的流量测量的转换发生。当偏差下降到低于阈值时，控制器80将基于压力的流量测量转换回热流量测量。

在一般情况下，热流量计的输出趋于漂移大于压力流量计。其结果是，热流量计最初由用户或在工厂校准以提供零偏移，即，以零偏移信号校准热流量计的输出，使得零输入时热流量计的输出为零。然而，在使用过程中，热流量计会失去校准并提供错误的读数。因此，MFC也可以被配置为感测热流量计何时失去校准并自动调整零偏移。这例如可以通过假设如果两个流量计的读数相差预定可允许的公差或量，就假定热流量计失去校准。因此，热流量计和压力流量计的输出可以连续进行比较(即使在流量操作过程中的任何一个时间只有一个流量计控制控制阀18)，以确定热流量计是否已经失去校准。如果热流量计的输出读数与压力流量计的输出读数相差预定量，那么零偏移调整信号可以由系统控制器提供给热流量计，如图4所示。总的来说，优选地，只有当流量高于交叉转换的交叉值，例如20％FS时才调整热流量传感器的零偏移，因为压力式传感器对于低于20％FS交叉点的流量的低流量范围调整可能不提供准确的测量，因而两个流量计的输出的比较结果可能不准确。

应该注意的是，这两个流量测量的导数可以用于在由于压力扰动的两个流量测量之间的比较差与由于校准偏移的需要的那些之间进行区分。在前者的情况下，由于两个流量测量之间的比较差中的快速变化，导数变化相当迅速，而在后者的情况下，导数变化相当缓慢。

采用本文所述全部特点的质量流量控制器具有几个优点。基于质量流量的流量范围转换流量测量利用了两个流量传感器的最佳精度。此外，提供压力不敏感的MFC用于全流量范围，即使没有上游压力传感器。最后，自校正可以提高热流量传感器测量的容易发生零漂移的精确度。

论述的组件、步骤、特征、对象、益处和优点只是说明性的。它们或与它们有关的论述中没有一个旨在以任何方式限制保护的范围。还考虑了许多其他的实施例。这些包括具有更少的、附加的和/或不同组件、步骤、特征、对象、移除和优点的实施例。这些还包括其中的组件和/或步骤被不同地布置和/或排序的实施例。

除非另有说明，本说明书包括随后的权利要求书中阐述的所有的测量、值、等级、位置、量、大小和其他规格都是近似的，并非准确的。它们旨在具有与它们所相关的功能和它们所属领域中的惯例一致的合理范围。

本公开内容中引用的所有文献、专利、专利申请及其他公布都通过参考借以并入本文中。

当在权利要求中使用时，短语“模块，用于”旨在且应解释为包含已经说明的相应的结构和材料及其等价物。类似地，当在权利要求中使用时，短语“步骤，用于”旨在且应解释为包含已经说明的相应的动作及其等价物。这些短语不在权利要求中出现表示该权利要求并非旨在且不应解释为局限于任何相应的结构、材料过动作或其等价物。

所陈述的或所例示的中没有任何内容旨在或应解释为导致将任何组件、步骤、特征、对象、益处、优点或其等同形式贡献于公众，不管在权利要求书中是否表述了它。

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