多气体质量流量控制器和方法与流程

1.本发明涉及质量流量传感器和质量流量控制器，并且特别地，但不作为限制，本发明涉及提高质量流量传感器的准确度。


背景技术：

2.典型的质量流量控制器(mfc)是在其他工艺中设置、测量和控制诸如热蚀刻和干蚀刻等的工业工艺中的气体的流率的装置。mfc的重要部分是用于测量流过装置的气体的质量流率的热式流量传感器。
3.与(相对于气体的质量流率具有完全的线性相关性的)理想流量传感器信号相反，热式流量传感器所输出的流量传感器信号相对于流体的实际流率是非线性的：热式流量传感器的灵敏度在较高流率处下降。换句话说，流量传感器信号对流率的灵敏度不是恒定的，它随着流量的增加而降低。如这里所使用的，灵敏度是指流量传感器信号与被测量气体的质量流率的比率。
4.在典型的质量流量控制器中，热式流量传感器的非线性由特性气体来进行表征，然后作为特性数据以表的形式存储在mfc的存储器中。然后，使用该特性数据调整来自热式流量传感器的流量传感器信号，以提供测量流率。
5.当控制工艺气体时，用工艺气体的实时气体数据来调整特性数据，但是该调整没有考虑(各个质量流量控制器的热式流量传感器之间的)差异。例如，许多物理方面(诸如传感器构造和电压调整等)可能在热式流量传感器之间变化，并且将调整应用于特性数据会导致不正确的流量测量。
6.因此，需要存在用以提供解决本方法在对流量传感器信号的多气体非线性调整中的不足的新的创新的特征的一种方法和/或设备。


技术实现要素：

7.一个方面可以表征为一种用于控制质量流量控制器的方法，该方法包括：提供通过所述质量流量控制器的流量传感器的工艺气体，获得所述流量传感器用的经气体调整的灵敏度系数，以及获得所述流量传感器用的经气体调整的非线性数据。该方法还包括：使用所述经气体调整的灵敏度系数和所述经气体调整的非线性数据来产生所述流量传感器用的经气体调整的特性数据。使用来自所述流量传感器的流量传感器信号，从所述经气体调整的特性数据获得流量值，以及使用所述流量值连同设置点信号一起来控制所述质量流量控制器的阀。
8.另一方面可以表征为一种质量流量控制器，该质量流量控制器包括：气体用的主流动路径；阀，用于控制通过所述主流动路径的气体的流率；以及流量传感器，其耦接到所述主流动路径以提供指示所述气体的质量流率的流量传感器信号。灵敏度调整模块被配置为用工艺气体用的转换因子调整灵敏度系数，以产生所述流量传感器用的经气体调整的灵敏度系数。所述质量流量控制器的非线性调整模块被配置为用所述工艺气体用的非线性因
子调整与特性气体相关联的所述流量传感器用的非线性数据，以产生经气体调整的非线性数据。特性化模块被配置为使用所述经气体调整的灵敏度系数和所述经气体调整的非线性数据来产生所述流量传感器用的经气体调整的特性数据，并且所述特性化模块被配置为使用来自所述流量传感器的流量传感器信号，从所述经气体调整的特性数据获得流量值。所述质量流量控制器的控制器被配置为使用所述流量值连同设置点信号一起来控制所述质量流量控制器的所述阀。
附图说明
9.图1是质量流量控制器(mfc)的框图，该质量流量控制器结合了用于对流量传感器信号进行多气体非线性调整的改进方法。
10.图2是描绘与本文公开的实施例相关的可以遍历的示例性方法的流程图。
11.图3是描绘可以用于实现图1中所描绘的mfc的方面的mfc的物理组件的框图。
12.图4是描绘与特性气体相关的流量传感器用的特性数据的曲线图。
13.图5是描绘与特性气体相关的流量传感器用的理想线性信号的曲线图。
14.图6是描绘流量传感器用的非线性数据的产生的曲线图。
15.图7是描绘与特性气体相关的流量传感器用的示例性非线性数据的曲线图。
16.图8是描绘与工艺气体相关的流量传感器用的理想信号的曲线图。
17.图9是描绘图7中的非线性数据的调整的曲线图，该调整用以产生与工艺气体相关的流量传感器用的经气体调整的非线性数据。
18.图10是描绘流量传感器用的经气体调整的特性数据的产生的曲线图。
具体实施方式
19.现在参考附图，图1示出包含了改进跨多个气体类型的测量和控制准确度的方法的质量流量控制器(mfc)100。这些组件的所示布置是逻辑上的，并不意味着是实际的硬件图。因此，可以在实际实现中组合、进一步分离、删除和/或补充组件。如本领域普通技术人员将理解的，图1中描绘的组件可以以硬件或者硬件与固件和/或软件的组合来实现。此外，根据本说明书，各个单独组件的构造在本领域普通技术人员的技术内是公知的。
20.在整个本公开中，从受控气体方面描述示例和实施例，但是应当认识到，示例和实施例通常适用于可以是气体或液体的流体，并且该流体可以包括元素的混合物和/或化合物。液体例如可以是硫酸，并且气体可以是氮气。取决于应用，mfc 100可以将气态的流体(例如，氮气)和/或液态的流体(例如，盐酸)递送到例如半导体设施中的工具。许多实施例中的mfc 100被配置为在变化的温度和压力下将不同类型的流体递送到不同类型的容器或器皿。
21.如图所示，mfc 100的基座105包括气体所流过的旁路110。旁路110引导恒定比例的气体通过主路径115和传感器管120。因此，通过传感器管120的气体的流率指示流过mfc 100的主路径115的气体的流率。
22.在该实施例中，传感器管120是作为mfc 100的流量传感器123的一部分的小口径管。并且如图所示，感测元件125和130耦接(例如，缠绕)到传感器管120的外部。在一个说明性实施例中，感测元件125和130是电阻温度计元件(例如，导线线圈)，但是也可以利用其他
类型的传感器(例如，电阻温度检测器(rtd)和热电偶)。此外，在不脱离本发明的范围的情况下，其他实施例当然可以利用不同数量的传感器和用于处理来自传感器的信号的不同架构。
23.如图所示，感测元件125和130电连接到感测元件电路135。通常，感测元件电路135被配置为(响应于来自感测元件125、130的信号146、148而)提供流量传感器信号150，其中该流量传感器信号150指示通过传感器管120的流率，并因此指示通过mfc 100的主路径115的流率。
24.流量传感器信号150由沿着传感器管120的温度分布来限定，其中该温度分布影响感测元件125、130之间的温度差。流量传感器信号150在整个流率范围中相对于通过传感器管120的流率是非线性的：(与较低流率相比)流量传感器信号150的灵敏度在较高流率处降低。简要地参考图4，例如，从诸如氮气等的特性气体的流量传感器信号150和通过流量传感器123的流体的质量流率方面描绘了流量传感器123用的示例性特性数据。如图4所示，示例性特性数据指示(与较低流率相比)流量传感器123的灵敏度在较高流率处降低。
25.图4所示的特性数据可以在将质量流量控制器100向客户发售(release)之前在特性化工艺期间产生。特性化工艺例如可以包括：使气体流过流量传感器123；利用流量传感器123的操作范围的0％至100％的流率值范围中的多个流率所用的精密质量流量计(未示出)来测量气体的流率；以及获得测量流率中的各个测量流率的流量传感器信号150的值。(与特性气体相关的流量传感器123用的)特性数据可以表示为：{(fi,yi)|i＝1、2、
…
、n}，其中fi是流量值，并且yi是信号值。
26.如上所述，在典型的质量流量控制器中，流量传感器123的非线性可以用特性气体来表征，然后作为特性数据以表的形式存储在mfc 100的存储器中。然后，可以使用该特性数据来调整来自流量传感器123的流量传感器信号150，以提供对流率的测量。可以用工艺气体的实时气体数据来调整特性数据，但是在现有技术方法中，该调整没有考虑各个不同质量流量控制器的热式流量传感器之间的差异。例如，许多物理方面(诸如传感器构造和电压调整等)可能在热式流量传感器之间变化，并且将调整应用于特性数据会导致不正确的流量测量和不准确的质量流量控制。
27.本公开的一个方面是：从流量传感器123的两个操作方面来表征流量传感器123，并且这两个方面中的各个方面可以基于被测量和控制的工艺气体来进行调整。更具体地，图4中描绘的特性数据被分成两个部分：1)理想信号部分(其可以表示为灵敏度系数162)；以及2)非线性部分(其可以被存储为非线性数据167并且被表示为理想信号数据与图4的特性数据之间的差异值)。
28.参考图2，示出了描绘用于提供跨多个气体类型的改进的测量和控制准确度的方法的流程图。如图所示，可以产生流量传感器123用的灵敏度系数162，并将灵敏度系数162作为特性数据的理想信号部分的表示而存储在mfc100中(框200)。另外，可以产生流量传感器123用的非线性数据167，并将非线性数据167作为特性数据的非线性部分的表示而存储在mfc 100中(框202)。图5至图7共同描绘了用以将特性数据分解为理想信号部分和非线性部分的示例性方法。如图1所示，非线性数据167和灵敏度系数162被存储为流量传感器123用的特性气体数据。
29.参考图5，示出了描绘特性气体的示例性理想信号部分的曲线图，其中该理想信号
部分表示线性的理想流量传感器信号。理想信号部分(也称为理想信号)可以由作为灵敏度系数(sc)的单个值表示，其中灵敏度系数(sc)是在沿着表示理想信号的线的任意点处的理想流量传感器信号与质量流率的比率。流量传感器123实际上在(质量流量控制器100被设计为进行控制的)如图5所示的质量流率的范围中不输出理想信号部分，但是在非常低的流率处，流量传感器123以线性方式操作。因此，可以通过在低流率处对流量传感器信号150进行采样以获得灵敏度系数来产生理想信号部分，并且灵敏度系数可以用于计算在较高流率处的理想信号值。理想信号部分的各个理想信号值可以由si＝sc*fi表示，其中sc是灵敏度系数，fi是流量值，其中i＝1、2、
…
、n。
30.如图6所示，可以通过获得理想信号部分的多个理想信号值si中的各个理想信号值与特性气体用的特性数据的相应信号值yi之间的差来产生非线性数据。非线性数据可以表示为：{(fi,zi)|i＝1、2、
…
、n}，其中fi是流量值，zi是与特性气体用的流量值相关联的非线性值，其中非线性值zi中的各个非线性值等于si减去yi。图7是所得非线性数据的描绘。因此，可以从流量传感器123用的灵敏度系数162和非线性数据167来表征流量传感器123。
31.按照该方法，图1描述了流量传感器123用的所存储的灵敏度系数162和所存储的非线性数据167。如上所论述的，所存储的灵敏度系数162和所存储的非线性数据167可以在特性化工艺期间产生，并且在将mfc 100发售以供使用之前存储在mfc 100中。
32.从理想信号部分(例如，灵敏度系数162)和非线性部分(例如，非线性数据167)方面来表征mfc 100的流量传感器123，这使得这两个操作方面能够基于所使用的工艺气体的类型而单独调整。
33.另外，转换因子cf被存储在mfc 100中以产生所存储的转换因子164(框204)。转换因子164中的各个转换因子是与特性气体相关联的某些特定参数用的值和与工艺气体相关联的特定参数用的值的比率。例如，对于特定流量值，转换因子中的各个转换因子可以表示特性气体用的理想信号值与特定工艺气体用的理想信号值的比率。转换因子中的各个转换因子可以用接受的准确程度来表示特性气体的热容量与工艺气体的热容量的比率。
34.另外，气体特有的非线性因子(nlf)被存储在mfc中以产生所存储的非线性因子168(框206)。非线性因子可以(例如，从实时气体测量)以经验或实验的方式导出。
35.可以在将mfc 100发售以供最终用户使用之前执行的特性化工艺期间进行参考框200至框206所描述的步骤。在操作期间，为了调整工艺气体的流率的控制，调整特性数据的理想信号部分(例如，所存储的灵敏度系数162)和特性数据的非线性部分(例如，非线性数据167)。更具体地，由灵敏度调整模块160用(工艺气体用的)转换因子164其中之一来调整所存储的灵敏度系数162，以获得经气体调整的灵敏度系数(gasc)(框208)。如上所论述的，灵敏度系数表示流量传感器123用的特性数据的理想信号部分，并且经气体调整的灵敏度系数可以通过将灵敏度系数除以工艺气体用的转换因子来获得(gasc＝sc/cf)。图8示出了特性气体用的理想信号部分的表示和工艺气体用的理想信号部分的表示。
36.另外，非线性调整模块166用工艺气体用的非线性因子168其中之一来调整所存储的非线性数据167，以获得经气体调整的非线性数据(ganl)(框210)。图9示出了特性气体用的非线性数据的调整以产生经气体调整的特性数据。经气体调整的特性数据可被表示为工艺气体用的非线性值。
37.如图所示，可由特性化模块169使用经气体调整的灵敏度系数(gasc)和经气体调
100能够与包括外部处理工具的外部网络和装置通信。例如，可以经由通信组件1134将所指示的流量通信到外部装置。本领域普通技术人员将理解，通信组件1134可以包括使得能够进行各种无线(例如，wifi)和有线(例如，以太网)通信的(例如，被集成的或分布式的)组件。
45.图3中所描绘的质量流量传感器1136描绘了本领域普通技术人员已知的用于实现图1所示的流量传感器123的组件的集合。这些组件可以包括感测元件、放大器、模数转换组件和滤波器。
46.对于本领域技术人员来说，对这些实施例的各种修改将是显而易见的，并且在不脱离本发明的精神或范围的情况下，本文所定义的一般原理可以适用于其他实施例。因此，本发明不旨在局限于本文所示的实施例，而是被赋予与本文所公开的原理和新颖特征一致的最宽范围。