混合气体分流系统及控制分流气体流量的方法与流程

1.本发明属于半导体设备技术领域，涉及一种混合气体分流系统及控制分流气体流量的方法。


背景技术：

2.随着人们对于半导体的庞大需求，半导体的技术也日新月异。其中，为能精确地控制半导体的制程中反应气体的均匀性、精确性等，分流系统的设计与调校受到瞩目。
3.在半导体设备中，通常使用质量流控制器(mass flow controller)来控制各种气体的流量，来满足各种半导体制程的需求。而由于各种气体本身的热传导率不同，会导致质量流控制器内的流量传感器的输出值有所差异，以往都会使用气体修正参数(gas correction factor)，来将其修正成以n2为基准的值，来控制气体流量。然而，如供应气体为混合气体时，随着混合气体中各成分气体之比率会有所差异，无法事先知道该混合气体修正参数的数值而对于分流气体供应的稳定度造成影响。因此需要一种混合气体分流系统及控制分流气体流量的方法，精确地于每次使用混合气体时进行分流和控制。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种混合气体分流系统及控制分流气体流量的方法，以解决了现有技术中存在的无法精确地在每次使用混合气体时进行分流和控制的技术问题。
5.第一个方面，本发明实施例提供了一种混合气体分流系统，包括：混气装置；分流装置，所述分流装置包含容器、分流管线及压力计，所述分流管线与所述容器之输出侧连通；所述混气装置与所述分流装置由一连通管线彼此连通，而所述容器设置于所述连通管线与所述分流管线之间，所述压力计连通于所述容器或所述连通管线，用来量测所述容器或所述连通管线之压力。
6.较佳地，所述分流管线包含多个分流子管线，所述分流装置进一步包含多个质量流控制器，分别设置于多个分流子管线，用于控制所述多个分流子管线的各别流量。所述容器的体积为所述质量流控制器每秒最大流通体积的十倍以上。
7.本发明另提供一种控制分流气体流量的方法，其包含：设定工序，设定混气装置中各汇流子管线中第一质量流控制器的流量成为所希望的混合比例；调控工序，将分流装置的分流管线各分流子管线的第二质量流控制器，从充分开放逐步调整流速，使压力计读数趋于稳定；计算工序，于所述压力计读数稳定时，将所述第二质量流控制器流速的总和除以所述第一质量流控制器的总和，而算出混合气体修正参数；及反馈工序，由所述混合气体修正参数，反馈给所述各分流子管线的第二质量流控制器，获得所述各分流子管线的真实流量。
8.较佳地，其中所述第二质量流控制器以相同的流速从充分开放逐步调整流速。所述压力计读数稳定的时间为10秒以上。使用如前项所述的混合气体分流系统。
9.本发明实施例至少具有以下技术效果：
10.本发明实施例提供的一种提供了一种混合气体分流系统，包括：混气装置和分流装置，分流装置包含容器、分流管线及压力计，分流管线与容器的输出侧连通；混气装置与分流装置由一连通管线彼此连通，而容器设置于连通管线与分流管线之间，压力计连通于容器或连通管线，用来量测容器或连通管线的压力。解决了现有技术中存在的无法精确地在每次使用混合气体时进行分流和控制的技术问题，达到了提升制程均匀性，提升良率及特性的技术效果。
附图说明
11.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
12.图1为本发明第一实施例提供的混合气体分流系统示意图；
13.图2a为本发明第一实施例提供的混合气体分流系统测量混合气体修正参数的方法步骤图；
14.图2b为本发明第一实施例提供的混合气体分流系统压力计读数的曲线；
15.图3为本发明第二实施例提供的混合气体分流系统示意图。
16.图标：10-混合气体分流系统；11-混气装置；12-分流装置；13-第一喷淋头；14-第二喷淋头；111-汇流管线；111a-汇流子管线；111a1-手动阀；111a2-系统阀；111a3-压力调节阀；111a4-过滤器；111a5-气控阀；111b-汇流子管线；111b1-手动阀；111b2-系统阀；111b3-液体质流计；111b4-气控阀；111b5-汽化器；111c-汇流子管线；111c1-手动阀；111c2-系统阀；111c3-压力调节阀；111c4-过滤器；111c5-气控阀；112a-第一质量流控制器；112c-第一质量流控制器；113-输出管线；121-输入管线；122-容器；123-压力计；124-分流管线；124a-分流子管线；124b-分流子管线；124c-分流子管线；125a-第二质量流控制器；125b-第二质量流控制器；125c-第二质量流控制器；90-连通管线；20-混合气体分流系统；21-混气装置；22-分流装置；231-第一喷淋头；232-第二喷淋头；211-汇流管线；211a-汇流子管线；211a1-手动阀；211a2-系统阀；211a3-压力调节阀；211a4-过滤器；211a5-气控阀；211b-汇流子管线；211b1-手动阀；211b2-系统阀；211b3-液体质流计；211b4-气控阀；211b5-汽化器；211c-汇流子管线；211c1-手动阀；211c2-系统阀；211c3-压力调节阀；211c4-过滤器；211c5-气控阀；212a-第一质量流控制器；212c-第一质量流控制器；213-输出管线；221-输入管线；222-容器；223-压力计；224-分流管线；2241-第一分流子管线系统；2242-第二分流子管线系统；2241a-第一分流区域管线；2241b-第二分流区域管线；2241c-第三分流区域管线；2241d-第四分流区域管线；2242e-第一分流区域管线；2242f-第二分流区域管线；2242g-第三分流区域管线；2242h-第四分流区域管线；225a～d-第二质量流控制器；225e～h-第二质量流控制器；91-连通管线。
具体实施方式
17.下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技
术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
18.本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
19.本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括多形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。
20.＜第一实施例＞
21.请参阅图1，本发明第一实施例的混合气体分流系统示意图。如图1所示，混合气体分流系统10包含：混气装置11；及分流装置12。混气装置包含汇流管线111；多个第一质量流控制器112a、112c；及输出管线113。而分流装置12则包含输入管线121；容器122；压力计123；分流管线124及多个第二质量流控制器125a、125b、125c。
22.如图1所示，混气装置11中的由第一汇流子管线111a；第二汇流子管线111b及第三汇流子管线111c，并将各汇流子管线111a、111b、111c的输出端汇流成输出管线113而构成汇流管线111。各汇流子管线111a、111b、111c的输入端分别连通至供给不同原料的供给源。如图1所示，第一汇流子管线111a及第三汇流子管111c上从输入端至输出端依序分别具有手动阀111a1、111c1；系统阀111a2、111c2；压力调节阀111a3、111c3；过滤器111a4、111c4；气控阀111a5、111c5及第一质量流控制器112a、112c，用来供给不同种类的气体。而第二汇流子管线111b上从输入端至输出端依序分别具有手动阀111b1；系统阀111b2；液体质流计111b3；气控阀111b4及汽化器111b5，用来供给例如四乙氧基硅烷(teos)等由液体蒸发成气体的原料。
23.混气装置11的输出管线113与分流装置12的输入管线121彼此连通而构成连通管线90。压力计123连通于连通管线90上，而容器122的输入侧与输入管线121连通，输出侧则与分流管线124连通。分流装置12的分流管线124包含第一分流子管线124a；第二分流子管线124b；及第三分流子管线124c，各分流子管线124a、124b、124c再分别分流至第一喷淋头13及第二喷淋头14。多个第二质量流控制器125a、125b、125c分别设置于第一分流子管线124a、第二分流子管线124b及第三分流子管线124c上。
24.混气装置11中，手动阀111a1、111b1、111c1用于手动控制各汇流子管线111a、111b、111c之开关；系统阀112a2、111b2、112c2用于使用自动控制系统，来系统化地控制各汇流子管线111a、111b、111c的开关；压力调节阀111a3、111c3用于调节各汇流子管线111a、111c上的压力；过滤器111a4、111c4用于过滤各汇流子管线111a、111c中的气体；而气控阀111a5、111c5则用于控制第一质量流控制器112a、112c两端的压力差，使其落在第一质量流控制器112a、112c设计的可操作范围内。本实施例中的多个第一质量流控制器输出端的压力小于50kpa，输入端与输出端的压力差大于100kpa，分别控制从各汇流子管线112a、112c
输入气体的流量，最后汇流至输出管线113。
25.而第二分流子管线124b由于用来供给例如四乙氧基硅烷(teos)等由液体蒸发成气体的原料，故配置有液体质流计111b3；气控阀111b4及汽化器111b5。液体质流计111b3用来控制流通的液体原料流量，藉此控制第二分流子管线124b上的流速。气控阀111b4则用来调节输入端及输出端的压力差，而汽化器111b5则用来将液体质流计111b3控制的液体原料，蒸发而成气体而送出。
26.分流装置12中，压力计123用于量测连通管线90上的压力；容器122用缓冲并混合来自混气装置11的气流。多个第二质量流控制器125a、125b、125c分别控制各分流子管线124a、124b、124c的流量。
27.为获得缓冲及混合效果，容器的体积需为第二质量流控制器每秒最大流通体积的十倍以上。
28.请继续参阅图2a，其说明使用本发明第一实施例的混合气体分流系统控制分流气体流量的方法步骤图，以及图2b，其表示使用本发明第一实施例的混合气体分流系统时压力计读数的曲线。
29.首先进行设定工序，设定混气装置11中各汇流子管线111a、111b、111c中第一质量流控制器112a、112c的流量与液体质流计111b3的质量流成为所希望的混合比例。在此方法的设定工序中，第一汇流子管线111a的流量设定为2slm，第二汇流子管线111b的流量设定为5slm，第三汇流子管线111c的流量设定为1.5slm。
30.接着，进行调控工序，将分流装置12上各分流子管线124a、124b、124c的第二质量流控制器125a、125b、125c，以流速相同的方式从充分开放逐步调整流速，使压力计123读数趋于稳定。所谓充分开放指第二质量流控制器125a、125b、125c能够完全流通第一质量流控制器112a、112c与液体质流计111b3所控制的总汇流量的开放程度，不会有气流蓄积在管线内的状态。在此方法的调控工序中，第一次调控先将第二质量流控制器125a、125b、125c的流量从全开调整成为皆为1slm，此时压力计读数会逐渐上升，如图2b中a区段所示。由于压力计123读数不断攀升，表示气体蓄积在连通管线90及容器122中，即可知混气装置11中汇流管线111由第一质量流控制器112a、112c与液体质流计111b3的总汇流量大于第二质量流控制器125a、125b、125c所控制的总分流量。此时，需进行第二次调控。在第二次调控时，将第二质量流控制器125a、125b、125c的流量增加，调整成皆为2slm。于调控的瞬间，压力计123会观察到瞬间的压降，紧接着可观察到压力计123读数仍逐渐上升，如图2b中b区段所示，表示仍持续有气体蓄积在连通管线90及容器122中，即可知混气装置11中汇流管线111由第一质量流控制器112a、112c与液体质流计111b3所控制的总汇流量仍大于第二质量流控制器125a、125b、125c所控制的总分流量。此时，需进行第三次调控。在第三次调控时，将第二质量流控制器125a、125b、125c的流量增加调整成皆为3slm。于调控的瞬间，压力计123会观察到瞬间的压降，紧接着可观察到压力计123读数虽更为平缓，但仍呈现上升的趋势，如图2b中c区段所示。此即表示还是有气体缓慢蓄积在连通管线90及容器122中，即可知混气装置11中汇流管线111由第一质量流控制器112a、112c与液体质流计111b3所控制的总汇流量仍略大于第二质量流控制器125a、125b、125c所控制的总分流量。此时，需第四次调控。在第四次调控时，将第二质量流控制器125a、125b、125c的流量增加，调整成皆为3.5slm。在调控的瞬间，压力计123会观察到与先前相比相对轻微的瞬间压降后，压力计123读数呈现
稳定水平线(约10秒)，如图2b中d区段所示。此即表示混气装置11中汇流管线111由第一质量流控制器112a、112c与液体质流计111b3所控制的总汇流量与第二质量流控制器125a、125b、125c所控制的总分流量达到实质上相同的大小。
31.再来，进行计算工序。在调控工序中由调整第二质量流控制器125a、125b、125c使得压力计123读数稳定后，将各分流子管线124a、124b、124c的第二质量流控制器125a、125b、125c的流速总和除以各汇流子管线111a、111b、111c的第一质量流控制器112a、112c与液体质流计111b3的流速总和，即可算出混合气体修正参数gcf。在此方法的计算工序中，第二质量流控制器125a、125b、125c的流速总和为10.5slm，第一质量流控制器112a、112c与液体质流计111b3的流速总和为8.5slm，故可算出此实施例中混合气体修正参数gcf为10.5/8.5＝1.235。
32.最后，进行反馈工序，由前述计算工序所得混合气体修正参数gcf为1.235，将该数字反馈于各分流子管线124a、124b、124c的第二质量流控制器125a、125b、125c，进而获得各分流子管线124a、124b、124c的真实流量。
33.由本发明的第一实施例之方法而算出混合气体修正参数gcf后，从而能让混合气体分流系统10更精准地控制第一分流子管线124a、第二分流子管线124b及第三分流子管线124c的流量，使不同喷淋区域的喷流量得以更精准地控制，使制程的均匀性提升，提升良率及特性。
34.＜第二实施例＞
35.请参阅图3，本发明第二实施例的混合气体分流系统20示意图。如同第一实施例，混合气体分流系统20包含：混气装置21；及分流装置22。混气装置21包含汇流管线211；多个第一质量流控制器212a、212c；及输出管线213。而分流装置22则包含输入管线221；容器222；压力计223；分流管线224及多个第二质量流控制器225a～d、225e～h。
36.其中，混气装置21中由第一汇流子管线211a；第二汇流子管线211b及第三汇流子管线211c，并将各汇流子管线211a、211b、211c的输出端汇流成输出管线而构成汇流管线211。而第一汇流子管线211a及第三汇流子管线211c上从输入端至输出端依序分别具有手动阀211a1、211c1；系统阀211a2、211c2；压力调节阀211a3、211c3；过滤器211a4、211c4；气控阀211a5、211c5及第一质量流控制器212a、212c，第二汇流子管线211b上从输入端至输出端依序分别具有手动阀211b1；系统阀211b2；液体质流计211b3、气控阀211b4及汽化器211b5，其功能配置皆与第一实施例的混气装置相同，于此不再赘述。
37.混气装置21的输出管线213与分流装置22的输入管线221彼此连通而构成连通管线91。压力计223连通于连通管线91上，而容器222的输入侧与输入管线221连通，输出侧则与分流管线224连通。分流装置22的分流管线224由第一分流子管线系统2241及第二分流子管线系统2242所构成，将供给的气体先分流至第一分流子管线系统2241及第二分流子管线系统2242，再分别供给至第一喷淋头231及第二喷淋头232。第一分流子管线系统2241与第二分流子管线系统2242皆分别包含第一分流区域管线2241a、2242e；第二分流区域管线2241b、2242f；第三分流区域管线2241c、2242g；及第四分流区域管线2241d、2242h。各分流区域管线分别配置有第二质量流控制器225a～d、225e～h，独力控制各分流区域管线的流量。
38.分流装置22中，压力计223用于量测连通管线91上的压力；容器222用缓冲并混合
来自混气装置21的气流。由此实施例的多个第二质量流控制器225a～d、225e～h，由于可以分别控制各分流区域管线的流量，可更精准的控制第一喷淋头231及第二喷淋头232各区域的气体供给。
39.使用第二实施例的混合气体分流系统20控制分流气体流量的方法与第一实施例相同，由调控工序调整第二质量流控制器225a～d、225e～h之流量，找寻能使气压维持平衡的总流量后，计算该流量与第一质量流控制器212a、212c及液体质流计211b3所显示的流量的比值，并将混合气体修正参数gcf反馈给第二质量流控制器225a～d、225e～h，获得各分流区域管线2241a、2242e、2241b、2242f、2241c、2242g、2241d、2242h的真实流量。
40.由本发明第二实施例的配置，即可单独控制第一喷淋头231及第二喷淋头232各区域的流量，达到更加均匀的供给。
41.＜第三实施例＞
42.第三实施例的混合气体分流系统与第一实施例的混合气体分流系统10相同，仅控制分流气体流量的方法有所差异。以下就第三实施例的混合气体分流系统中控制分流气体流量的方法进行说明。
43.首先进行设定工序，设定混气装置11中各汇流子管线111a、111b、111c中第一质量流控制器112a、112c之流量与液体质流计111b3之质量流成为所希望的混合比例。在此方法的设定工序中，第一汇流子管线111a之流量设定为2slm，第二汇流子管线111b之流量设定为5slm，第三汇流子管线111c之流量设定为1.5slm。
44.接着，进行调控纪录工序，将各分流子管线124a、124b、124c的第二质量流控制器125a、125b、125c调控成全开，并记录在全开状态下第二质量流控制器125a、125b、125c的流量读数。在此方法的纪录工序中，记录到第二质量流控制器125a的流量读数为3.4slm，第二质量流控制器125b的流量读数为3.6slm，第二质量流控制器125c的流量读数为3.5slm，其总合为10.5slm。
45.接着，进行调整工序，将分流子管线124c的第二质量流控制器125c保持全开，并分别调整分流子管线124a、124b的第二质量流控制器125a、125b，使第二质量流控制器125a、125b的流量读数分别成为3.5slm，即为记录工序中所记得总合10.5slm的三分之一。
46.最后，进行比例工序，仍然将分流子管线124c的第二质量流控制器125c保持全开，并分别调整分流子管线124a、124b的第二质量流控制器125a、125b。在本方法中，将第二质量流控制器125a、125b、125c的流量比设定为1:2:3。此时，调整第二质量流控制器125a、125b的流量读数分别成为1.75slm、3.5slm，而保持全开的第二质量流控制器125c的读数会成为5.25slm。
47.由本发明第三实施例的方法，即可让混合气体分流系统10更精准地控制第一分流子管线124a、第二分流子管线124b及第三分流子管线124c的流量，使不同喷淋区域的喷流量得以更精准地控制，使制程的均匀性提升，提升良率及特性。
48.本技术领域技术人员可以理解，本发明中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案可以被交替、更改、组合或删除。进一步地，具有本发明中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的其他步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。进一步地，现有技术中的具有与本发明中公开的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。
49.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
50.术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
51.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体状况理解上述术语在本发明中的具体含义。
52.在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
53.应该理解的是，虽然附图的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，其可以以其他的顺序执行。而且，附图的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，其执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其他步骤或者其他步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
54.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照所述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对所述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。