高精度基於壓力的流量控制器的製作方法
2023-07-27 13:24:26 1
專利名稱：高精度基於壓力的流量控制器的製作方法
相關申請的交叉引用本申請要求2002年8月28日申請的美國臨時專利申請序列No.60/406511的優先權，因此，將該申請的全部內容在此合併作為參考。
背景技術：
多種製造過程都需要對流體的流速和流量的控制。例如，半導體製造過程需要將非常精確數量的流體(主要是氣體)釋放到處理室。在該製造過程期間，可能需要高達每分鐘二十公升到低至每分鐘幾十分之一立方釐米(CCM)範圍的流速。
與此相適應，已經開發出了質量流量控制器，其測量並控制流體的流速，其中，流速測量是基於流體的熱特性的。典型地，將這些熱質量控制器用於監控在半導體器件的製造中使用的流體，如有毒的和高度活性的氣體的流量。而且，在多種製造工序中，將不同的氣體用在蝕刻和蒸汽沉積過程中。當暴露於環境大氣條件時，這些氣體可能對人有害，並且高度活性。
此外，已經開發了多種流體質量流量控制器，它們通過測量穿過流量限制器或節流孔的壓降操作。雖然已經證實了這些裝置在測量和控制流量中有用，但是也認識到許多缺點。例如，現有技術的質量流量控制器在有限的流動範圍上精確地控制流速，但是，當在更寬的動態範圍上控制流體的流速時，則會引入控制誤差。
因此，已經認識到迫切需要幾種壓力變送器以及加入了這種壓力變送器的流體質量流量控制器，特別是在如上所述的製造過程中使用的類型的質量流量控制器。這種迫切需求包括在控制器設置點內的百分之幾的控制器精度(通常，由現有設備可得到滿量程的百分之一)(所希望的是小於百分之一)；在升高的或低於「正常」的溫度，以及不同的位置或姿態(即正面朝上，向側面或倒置)，沒有精度損失的操作，如基於熱的質量流量控制器所那樣；在寬流速範圍的精確測量和控制；從開始到得到穩定的流動狀態的快速響應時間；製造的經濟；以及簡單的模塊機械結構，以便有利於維修該流量控制器，以及有利於為了該製造過程，使該流量控制器脫離流體流量分配系統。在流體質量流量控制器中需要的其它特徵包括在製造時，不需要校準每個全部的控制器設備，或者在維修之後重新校準該設備，可靠的容易互換的流量限制器或孔板部件的供應，在維修或更換流量限制器後，容易確認該流量控制器的操作性和精度，對很寬種類的有毒和/或活性流體，特別是數以百計的在半導體製造工藝中使用的氣體形式的流體，精確控制流速的能力，以及對不同氣體或液體形式的流體流速，容易改變控制器的工作數據。
發明內容
本申請涉及基於壓力的流量控制器。更特別地，本申請公開了不同的基於壓力的流量控制器，在比現有的流量控制設備更寬的動態範圍，其具有更高的精度。
在一個實施方式中，公開了一種質量流量控制器，其包括主體部分，該主體部分具有在其中形成的第一內部通道和至少第二內部通道，流量控制閥，該流量控制閥耦合到該主體部分，並且與該第一和第二內部通道連通，至少一個壓力變送器，該壓力變送器連接到該主體部分，並且與該第一內部通道、第二內部通道和流量限制器中的至少一個連通，耦合到第二內部通道的非線性流量限制器，設置該非線性流量限制器以產生通過其中的高度壓縮的層流，熱傳感器，該熱傳感器與該第一內部通道、第二內部通道和流量限制器中的至少一個連通，以及排氣容器，該排氣容器與該流量限制器連通。
在另一個實施方式中，公開了一種質量流量控制器，其包括一個或多個壓力變送器、上遊閥、非線性限制器，該非線性限制器定位在該閥和壓力變送器的下遊，並且被構造成在低流量時在該限制器的入口處具有更多地增加的流動壓力。
附圖1是流體質量流量控制器的等比例視圖；附圖2是當抽真空時，在附圖1的質量流量控制器的一個實施方式中的三個不同流量區域的圖解；附圖3是說明流量特性的曲線圖，其中，將附圖1的質量流量控制器抽真空；附圖4是說明附圖1的質量流量控制器的流量靈敏度作為流速的函數變化的曲線圖；附圖5是說明附圖1的質量流量控制器中基於附圖6所示的預期變送器校準漂移的預期流量測量誤差的曲線圖；附圖6是說明相對於參考壓力，附圖1中的質量流量控制器的變送器穩定性的曲線圖；附圖7A是說明流量為172.0sccm左右時，附圖1的質量流量控制器的穩定性等級的曲線圖，並且說明了溫度對它的影響；附圖7B是說明流量為46.0sccm左右時，附圖1的質量流量控制器的穩定性等級的曲線圖，並且說明了溫度對它的影響；附圖7C是說明流量為10.75sccm左右時，附圖1的質量流量控制器的穩定性等級，並且說明了溫度對它的影響；以及附圖7D是說明流過附圖1的質量流量控制器的流體的實際溫度讀數以及錯誤的溫度讀數的曲線圖。
具體實施例方式
本公開的內容涉及流量控制器，更特別地，涉及高精度基於壓力的流量控制器。然而，應當理解，下面公開的內容提供了許多不同的實施方式，或例子，以便實現該流量控制器的不同特徵。在下面描述構件和排列的特殊例子，以便簡化本公開。當然，這些僅僅是例子，而不是為了進行限制。此外，本公開的內容會在不同的例子中重複附圖標記和/或字母。這種重複是為了簡單和清楚的目的，並且就其本身來說，不是為了指定所述的不同實施方式和/或結構之間的關係。
參照附圖1，說明了典型的質量流量控制器(MFC)。在2001年10月12日申請的美國臨時專利申請序列No.60/329031和2000年9月20日申請的美國專利申請序列No.09/666039中，介紹並更全面地描述了該流量控制器10的不同實施方式，因此，將它們合併作為參考，如同整體上再現它們。
本實施方式所示的MFC10具有單個主體部分12。應當理解，可以隨意地將一個或更多個模體部件(未示出)添加到該主體部分12。例如，該主體部分12可以具有連接流體供應系統的管道的適當的連接器(未示出)，如供應氣體形式的特別是有毒的或活性流體的半導體製造系統，以便用於半導體製造。
MFC10支持電控制流量控制閥14，通過傳統的機械固定器(未示出)將該流量控制閥14可拆卸地安裝在主體部分12的表面16。典型的機械固定器非限制地包括螺絲釘配合件、螺絲釘、銷、鎖定元件、搭扣配合以及鎖定元件。該流量控制閥14優選地是預先安裝的模塊結構，這樣，可以容易地將其安裝在主體部分12上的預定位置，以便一旦安裝，就不需要該流量控制閥14的調整。這優於現有技術的系統，在現有技術的系統中，閥14不是模塊的，因此必須安裝，這一般需要相當大量的時間。閥14包括電動的關閉元件18，操作該關閉元件以節流從第一內部通道20到第二內部通道22的流體流動。第一內部通道20與源壓力容器流體連通。閥14還包括執行器24，以便在全開和全閉位置之間移動該關閉元件18。執行器24優選地是螺線管或壓電型的，以便在全開和全閉位置之間，高分辨度地、快速且精確地控制關閉元件18的位置。一些實施方式不利用閥14，因此，其可以用作流量計而不是流量控制器。
將壓力變送器26安裝在主體部分12的表面16，並且與在該主體部分12中形成的第二內部通道22流體連接。在說明的實施方式中，壓力變送器26通過第三內部通道28連接第二內部通道22。在可替換的實施方式中，可以將該壓力變送器連接到第二內部通道，並且設置成測量通過該第二內部通道的壓力，從而消除了對第三內部通道28的需要。本領域的技術人員可以理解，通過將壓力變送器26直接連接到第二內部通道22，可以最小化MFC10內的「死區」。大多數壓力變送器，如附圖1的變送器26具有零點和量程漂移。零點漂移描述了當零輸入時，測量中出現的變化。量程漂移描述了範圍的上或下限的變化。零點漂移典型地是大分量，其可能包含高達總漂移的80％。
如圖1所示，可以將至少一個熱傳感器23定位在主體部分12上或以其它的方式與該主體部分連通。將該至少一個熱傳感器23設置成測量穿過第一內部通道20、第二內部通道22、流體限制器30或上述部件中的任何部件的流體的溫度。在第一個實施方式中，將該熱傳感器耦合到第一內部通道20、第二內部通道22、流量限制器30或任何上面中的至少一個。在可替換的實施方式中，熱傳感器23包括定位在第一內部通道20、第二內部通道22、流量限制器30或任何上面之內的傳感裝置(未示出)。典型的熱傳感器23例如包括溫度計、熱電偶、紅外傳感器或者在現有技術中已知的其它溫度讀取裝置。
在可替換的實施方式中，可以將至少一個熱控制元件與MFC10的主體部分12連通。可以將該至少一個熱控制元件(未示出)連接到第一內部通道20、第二內部通道22、流量限制器30或任何上面中的至少一個，並且可以設置該熱控制元件，以便將內部通道20，22、流量限制器30的溫度調整到所要的溫度。例如，在一個實施方式中，可以設置該熱控制元件(未示出)，以便將流量限制器30加熱到所要的溫度，從而將流動在其中的流體的溫度保持在所要的溫度。典型的熱控制元件非限制地包括線圈加熱器、電阻加熱器、壓電加熱器和冷卻器或在現有技術中已知的其它裝置。
參照附圖1，將流量限制器30連接到控制閥14下遊的第二內部通道22，並包括流量限制器入口50和流量限制器出口52。在一個實施方式中，流量限制器30包括高度非線性流量限制器，該非線性流量限制器具有伸長的管狀體或毛細管體。由於該毛細管體的伸長的體長以及其相對小的水力直徑，在流量限制器30內產生毛細管或層流。當高度可壓縮的層流穿過該毛細管體時，可以產生有用的非線性。更特別地，當流量限制器30具有與流量限制器路徑長度相比相對小的水力直徑(L/D)時，可以產生該有用的非線性，並且通過該限制器的流動是高度壓縮的層流。本領域的技術人員可以理解，可以將流量限制器30製造成不同的長度和內部直徑，以便產生通過其的高度可壓縮的層流，並且可以由不同的材料製造該流量限制器。例如，在一個實施方式中，該流量限制器30由適當壓縮及燒結的不鏽鋼或鎳微粒製成，以便產生所要的孔隙度和節流特性。可以理解，流量限制器30可以由其它材料或結構構成。典型可替換的結構非限制地包括具有相對小的水力直徑的盤繞毛細管、平板、槽形板、環形板、孔板、平行板、層疊板、卷片或在本領域中已知的其它結構。
可以將流量限制器出口52連接到不同的容器，將該容器設置成接收MFC10的排氣。例如，在一個實施方式中，將流量限制器出口52連接到排氣容器，該排氣容器具有形成在其中的真空。在可替換的實施方式中，將該流量限制器出口連接到出口容器，該出口容器具有形成在其中的接近真空。例如，該出口容器可以是大約1psia(磅/平方英寸)或更少。可選擇地，可以將流量限制器出口52連接排氣容器，該排氣容器具有形成在其中的壓降和/或可變的真空。例如，該出口容器具有從大約0psia變化到大約5psia的壓力。可選擇地，可以將第二壓力變送器54接近流量限制器30定位，並且設置成測量離開MFC10的排氣的壓力。
使用期間，在流量限制器入口50的壓力和流量限制器出口52的壓力之間形成壓降。在一個實施方式中，流量限制器入口50和流量限制器出口52之間的壓降至少是流量限制器入口50壓力的百分之50左右。在另一個實施方式中，流量限制器入口50和流量限制器出口52之間的壓降至少是流量限制器入口50壓力的百分之60左右。在更另一個實施方式中，流量限制器入口50和流量限制器出口52之間的壓降至少是流量限制器入口50壓力的百分之70左右。簡而言之，流量限制器入口50和流量限制器出口52之間的壓降至少是流量限制器入口50壓力的百分之50左右到接近百分之100。
在本申請中，將可壓縮的層流界定為流量限制器入口50和流量限制器出口52之間的壓降，該壓降至少是流量限制器入口50壓力的百分之10左右，同時，將高度可壓縮的層流也界定為流量限制器入口50和流量限制器出口52之間的壓降，該壓降至少是流量限制器入口50壓力的百分之50左右。由於流過流量限制器30的高度可壓縮的層流的產生，具有有用的非線性的MFC10產生了「讀數誤差百分比」特性的漂移，而不是「滿量程誤差百分比」特性的漂移。因而，與現在可用的相比，MFC10具有增強的動態範圍，特別是在低流量時。
參照附圖2，說明了典型的流量限制器30。為了說明，加壓的流體進入流量限制器入口50，並且通過流量限制器出口52離開進入真空。在流量限制器30內，將流體流動分成三個不同的區域，指定為A，B和C。在區域A，流體流動主要具有層流特性。在區域B，該流體流動具有高的速度，並且連帶增加了動力損耗。在區域C，該流體流動主要具有分子特性。應當理解，這些區域會根據壓力源，限制器參數以及其它變量變化。當抽到接近真空時，可能不存在區域B和C。因此，區域A的層流特性實質上通過流量限制器30的整個長度而呈現，同時，保持了有用的非線性。
現在，參照附圖3-7，對基於壓力的MFC來說，其中，流量與入口壓力(聲速應用)或壓差(層流元件(LFE’s)，其中，壓降與管路壓力相比較小)成比例，壓力變送器零點的變化會轉化成MFC的校準誤差，該MFC呈現出「滿量程百分比」特性。
附圖3表示非線性流量限制器的流動特性的曲線圖，將該非線性流量限制器設置成產生高度可壓縮的層流。為了產生附圖3所示的數據，MFC具有非線性流量限制器，將該MFC設置成在24℃溫度使氧氣流動，並且抽真空。如圖3所示，在此公開的流量限制器產生了流量相對入口壓力曲線的斜率，該斜率具有高度的非線性，並且在低流量時比高流量時更陡峭。該流量限制器的非線性特性產生了在低流速時比現在可用的更精確的MFC。
附圖4表示非線性流量限制器對不同流速的壓力測量誤差的靈敏度的曲線圖。如圖4所示，MFC具有非線性流量限制器，將該流量限制器設置成在24℃溫度使氧氣流動，並且抽真空。如圖4所示，壓力對該MFC的壓力測量誤差的靈敏度在低流速時減少。因此，附圖3和4說明，與現在可用的非線性限制器相比，具有所述的非線性流量限制器的MFC能夠在更寬的動態範圍上精確地控制流體的流速。
附圖5表示說明了「讀數百分比」的流速誤差的曲線圖，該流速誤差由典型的附圖6的變送器的壓力測量誤差導致。如圖所示，1Torr(託)的壓力測量誤差對大約20sccm或更大的流量來說，產生大約1個「讀數百分比」或更少的流動誤差，而對於大約1sccm到大約20sccm的流量來說，產生大約6個「讀數百分比」的流動誤差。
附圖6用圖說明MFC10的壓力變送器的穩定性。如上所述，當存在零輸入時，零漂移描述了發生在測量中的變化。量程漂移描述了範圍的上或下限中的變化。零漂移典型地是大分量，並且可以包含總漂移的80％。當用圖表示時，零漂移表現為平均值的垂直偏移。例如，附圖6的線60表示相對於壓力的應答器誤差。如圖所示，在經過從大約0Torr到大約750Torr的參考壓力範圍，線60在值0.10上保持非常恆定，並且擁有接近於0的斜率。
附圖7A-7D表示MFC隨時間的穩定性的幾個圖解表示，該MFC具有如上所述的非線性限制器，以及其上的誤補償溫度變量的效果。在附圖7A-7C中，在大約172.0sccm，46.0sccm和10.75sccm的流速，測量單個1000sccm的MFC。附圖7D表示相對於流體的估計溫度參見線G，流過MFCs的流體的實際溫度參見線F，該估計溫度由連接到該MFC的控制系統補償。如圖7A-7D所示，在12和20小時之間，流過該MFC的實際溫度在大約23℃到大約24℃之間變化。該連接到MFC的控制系統錯誤地確定流過該MFC的流體的溫度在大約27℃和29℃之間變化(見線G，附圖7D)。響應於該控制系統的錯誤的溫度變量讀數，經過該MFC的流量增加。
如上所述，可以構造MFC，在該MFC10內放置燒結的元件或伸長的(如毛細管或本領域中已知的其它裝置)層流元件，與供應壓力相比，其具有穿過流量限制器的大壓降。當將高真空應用於流量限制器出口52，與供應壓力相比，形成了流動的高度非線性流動特性，當與流量限制器入口50的壓力比較時，從而形成了接近100％的壓降。結果，在低流量時，每單元流量增加需要的較高增加的壓力減少了通過零漂移誤差導致的誤差對壓力變送器的影響。例如，在流量範圍的低端，在變送器上1Torr零漂移的影響僅是該流量範圍的高端的影響的1/20或更少。在某些工業如半導體工業，可能希望使用具有更多「讀數百分比」校準誤差特性的MFC。這可以得到這種益處如總量減少、在低壓範圍增長的精度以及靈活性。
因此，提供一種如上所述的高精度基於壓力的流量控制器。應當理解，前面的描述僅是說明性的，並且可以使用可替換的設計得到相似的功能，這對本領域的技術人員顯而易見的。
權利要求
1.一種質量流量控制器，包括主體部分，該主體部分具有在其中形成的第一內部通道和至少第二內部通道；流量控制閥，該流量控制閥耦合到該主體部分，並且與該第一和第二內部通道連通；至少一個壓力變送器，該壓力變送器耦合到該主體部分，並且與該第一內部通道和第二內部通道中的至少一個連通；耦合到第二內部通道的非線性流量限制器，設置該非線性流量限制器以產生通過其中的高度壓縮的層流；熱傳感器，該熱傳感器與該第一內部通道、該第二內部通道和該流量限制器中的至少一個連通；以及排氣容器，該排氣容器與該流量限制器連通。
2.如權利要求1所述的裝置，其中將該第二內部通道設置成使流體以比該流量限制器的輸出壓力更大的壓力流動。
3.如權利要求1所述的裝置，其中該排氣容器處於真空狀態。
5.如權利要求1所述的裝置，該排氣容器接近真空狀態。
6.如權利要求1所述的裝置，其中該排氣容器處於大約0-5psia的壓降狀態。
7.如權利要求1所述的裝置，其中該流量限制器由壓縮的和燒結的材料製造。
8.如權利要求1所述的裝置，其中該限制器是多孔的。
9.如權利要求1所述的裝置，其中該流量限制器包括盤繞的毛細管。
10.如權利要求1所述的裝置，其中將該流量限制器定位在該流量控制閥的下遊。
11.如權利要求1所述的裝置，其中設置該流量限制器，使得在高度壓縮層流的流量限制器入口和流量限制器出口之間實現至少50％的壓降。
12.如權利要求1所述的裝置，進一步包括至少一個壓力變送器，該壓力變送器與該流量限制器的出口連通。
13.一種質量流量控制器，包括一個或多個壓力傳感器；上遊閥；非線性限制器，該非線性限制器定位在該閥和該壓力傳感器的下遊，並且將該非線性限制器設置成在低流量時在該限制器的入口每個流量單元具有更多地增加的壓力。
14.如權利要求13所述的裝置，其中，該限制器包括層流元件，將該層流元件設置成產生從中通過的高度壓縮的層流。
15.如權利要求13所述的裝置，其中將該限制器設置成在限制器入口和限制器出口之間提供該流量限制器的入口壓力的至少大約50％的壓降。
16.如權利要求13所述的裝置，其中該限制器包括伸長的毛細管體，該毛細管體具有小的水力直徑。
17.如權利要求13所述的裝置，其中該限制器包括燒結體。
18.如權利要求13所述的裝置，其中該限制器包括多孔體，該多孔體上形成有平行和串行的氣孔。
19.如權利要求13所述的裝置，其中以多種結構形成該限制器，該結構選自由毛細管、環形隙、環形板、平行板、槽形板、層疊板、盤繞毛細管體以及卷片組成的組。
全文摘要
公開了一種質量流量控制器，其包括主體部分，該主體部分具有在其中形成的第一內部通道和至少第二內部通道，流量控制閥，該流量控制閥連接到該主體部分，並且與該第一和第二內部通道連通，至少一個壓力變送器，將該壓力變送器耦合到該主體部分，並且與該第一內部通道、第二內部通道和流量限制器中的至少一個連通，耦合到第二內部通道的非線性流量限制器，設置該非線性流量限制器以產生通過其中的高度壓縮的層流，熱傳感器，該熱傳感器與該第一內部通道、第二內部通道和流量限制器中的至少一個連通，以及排氣容器，該排氣容器與該流量限制器連通。
文檔編號G05D7/06GK1688839SQ03824330
公開日2005年10月26日 申請日期2003年8月28日 優先權日2002年8月28日
發明者D·T·穆德, W·W·懷特 申請人:霍裡巴斯特克公司