TWI758366B - 用於寬範圍質量流驗證之方法及裝置 - Google Patents

Abstract

一種具空間效益且在寬範圍的流率上針對未知流體來驗證流率之質量流驗證器(MFV)包含：腔室，被建構成用以接收流體；臨界流噴嘴，連接至該腔室；及第一與第二壓力感應器，分別地偵測在腔室中及該臨界流噴嘴之上游處的流體壓力。該MFV之控制器被建構成用以藉由以下操作來驗證該流體之流率：(i)在第一流量範圍中，基於由該第一壓力感應器所偵測之該流體壓力的上升率來量測第一流率且基於由該第一及第二壓力感應器所偵測之壓力來判定該流體之氣體性質函數，及(ii)在第二流量範圍中，基於由該第二壓力感應器所偵測之壓力及該判定的氣體性質函數來量測第二流率。

Description

用於寬範圍質量流驗證之方法及裝置

本發明是關於用於寬範圍質量流驗證之方法及裝置。

質量流驗證器(MFV)被使用以驗證流體遞送及量測系統之準確度。此種系統係包含例如在半導體製造系統及其他材料處理系統中的質量流控制器(MFC)、質量流比控制器(FRC)及質量流計量器(MFM)。

半導體製程可在數個處理步驟中涉及遞送各種數量的數種不同氣體及氣體混合物。整體而言，氣體係被儲存在位於處理設施處之儲槽中，且氣體計量系統係被使用以將已計量數量之氣體從儲槽遞送至處理工具，諸如化學汽相沈積反應器、真空濺鍍機、電漿蝕刻機，等等。其他組件，諸如閥、壓力調節器、MFC、FRC、MFM、MFV等等可被包含在氣體計量系統中或從氣體計量系統至處理工具之流動路徑中。設置諸如MFC、FRC、MFM及 MFV之組件以確保精確的製程氣體之遞送。由於在此種處理系統中空間通常係非常重要的，所以需要組件係盡可能地小或盡可能地具有空間效益。

需要能夠在寬範圍之流率之中驗證流體遞送系統之準確度而不需要在處理系統中大的佔用面積之質量流驗證器。

質量流驗證器係包含被建構成用以接收流體之腔室、與該腔室流體連接之臨界流噴嘴、第一及第二壓力感應器以及控制器。該第一壓力感應器係偵測在該腔室中的流體壓力，而該第二壓力感應器係偵測該臨界流噴嘴之上游的流體壓力。該控制器係被建構成用以藉由在第一流量範圍中，基於如由該第一壓力感應器所偵測到之在該流體之壓力上的上升率來量測第一流率來驗證該流體之流率。該控制器係進一步被建構成用以藉由在第二流量範圍中，基於由該第二壓力感應器所偵測到之壓力來量測第二流率來驗證流體之該流率。該臨界流噴嘴可與該腔室流體串聯連接且可被定位於該腔室之上游。

驗證流率之方法係包含，針對在第一流量範圍中之流率，引入流體至該質量流驗證器之該腔室中，且偵測該流體在該腔室中隨時間經過之壓力。該第一流率係基於在該腔室中之該流體之壓力上的上升率來進行計算。該方法進一步包含，針對在第二流量範圍中的流率，偵測 該質量流驗證器之該臨界流噴嘴之上游之該流體的壓力且基於該偵測到的上游壓力來計算該第二流率。

在某些情況下，被測試之氣體或氣體混合物可能係未知的。能夠驗證未知氣體或氣體混合物(或其他流體及流體混合物)之流率的質量流驗證器亦係所需的。在此種情況下，通過臨界流噴嘴之流率可以係等同於如在該質量流驗證器之腔室中所偵測到之流率，以獲得該氣體或氣體混合物之氣體性質函數。即使在已知氣體或氣體混合物的情況下，能夠判定氣體性質函數之質量流驗證器可提高使用臨界流噴嘴方法所執行之質量流驗證之該準確度。

質量流驗證器之該控制器可進一步被建構成用以基於在驗證在該第一流量範圍中之流率期間由該第一及第二壓力感應器所偵測到的壓力來判定該流體之氣體性質函數。在第二流量範圍中，該控制器可被建構成用以基於由該第二壓力感應器所偵測到的壓力及該判定的氣體性質函數來量測該第二流率。

驗證流率之方法可進一步包含基於由該第一壓力感應器及該第二壓力感應器所偵測之壓力來判定該流體之氣體性質函數。該方法亦可包含基於該偵測到的上游壓力及該判定的氣體性質函數來計算該第二流率。

增加質量流驗證器之操作流量範圍之方法係包含，針對低流率，利用上升率方法來判定流體之流率。該方法進一步包含，針對中間流率，利用上升率方法來判 定該流體之流率且判定該流體之氣體性質函數。針對高流率，該方法包含利用臨界流噴嘴方法及該判定的氣體性質函數來判定該流體之流率。

質量流驗證器之該控制器可進一步被建構成用以在獲得上升率量測與臨界流噴嘴量測之間作選擇以用於驗證該流體之後續流率。例如，該控制器可被建構成用以針對低流率而選擇獲得上升率量測及/或針對高流率而選擇獲得臨界流噴嘴量測。低流率可包含大約1sccm至大約1000sccm之流率的範圍，而高流率可包含大約1,000sccm至大約50,000sccm之流率的範圍。

質量流驗證器之該控制器可進一步被建構成用以根據上升率量測來計算該第一流率Qv。上升率的量測可被表示為：

其中，V係該腔室之體積，P_d係在該腔室中之該流體之該偵測壓力，且T係該流體之偵測溫度。該控制器亦可被建構成基於該流體之溫度及該臨界流噴嘴之已知幾何形狀來計算該氣體性質函數。例如，該控制器可被建構成用以基於該流體之分子量M及比熱比γ來判定該氣體性質函數f(M、γ)，其根據：

其中，P_u係在該臨界流噴嘴上游之該流體之該偵測壓力，C’係該臨界流噴嘴之排放係數，且A係該臨界流噴嘴 之喉部的截面面積。該第二流率Q_c可根據臨界流噴嘴量測來進行計算。臨界流噴嘴量測可被表示為：

該第一流量範圍及該第二流量範圍可包含重疊的流率。

質量流驗證器亦可包含被定位在該腔室之出口處的下游閥，且該控制器可被建構成用以關閉該下游閥以造成在該腔室中之流體壓力上升。溫度感應器亦可被包含在該質量流驗證器中，且該第一及第二流率可被進一步基於所偵測到的該流體之溫度。在質量流驗證器中的腔室可具有大約3L或更小的體積，或具有大約1L或更小的體積。複數個平行臨界流噴嘴可與該腔室流體連接，其中至少兩個臨界流噴嘴具有不同的截面喉部面積。該控制器可進一步被建構成用以藉由打開與該選擇的臨界流噴嘴相關聯之上游閥且關閉與其他臨界流噴嘴相關聯之上游閥來選擇性地啟動該複數個臨界流噴嘴中之一者。臨界流噴嘴亦可被建構成用以在上升率量測期間提供外部體積不靈敏性，諸如例如該第一流率。控制器可被建構成用以在臨界流週期內量測該第一流率，在該時間期間流過該臨界流噴嘴之該流體的流率係大致上恆定且對於該腔室內的壓力上的變化係大致上不靈敏的。

驗證流率的方法可包含在獲得上升率量測與臨界流噴嘴量測之間作選擇，以便量測該流體之後續流 率。例如，可針對相對較低流率來選擇上升率量測，且可針對相對較高流率來選擇臨界流噴嘴量測。該方法可進一步包含在複數個臨界流噴嘴之中選擇用於量測該流體之後續流率。該流體可以係未知氣體或氣體之混合物。在該腔室內之該流體之壓力的偵測可發生在臨界流週期內，使得可獲得對外部體積大致上不靈敏之上升率量測。

100:壓力(P)對時間(t)回應

102:步驟

104:步驟

106:步驟

108:步驟

110:質量流驗證器(MFV)

120:壓力感應器

130:溫度感應器

140:腔室

150:待測試器件(DUT)

160:閥

180:閥

200:質量流驗證器(MFV)

202:臨界流噴嘴

204:腔室

206:閥

208:閥

210:壓力感應器

212:壓力感應器

214:溫度感應器

216:入口

218:出口

230:控制器

250:待測試器件(DUT)

300:質量流驗證器(MFV)

302:臨界流噴嘴

306:上游閥

316:入口

330:控制器

400:質量流驗證器(MFV)

406:上游閥

416:入口

510:步驟

520:步驟

525:步驟

530:步驟

540:步驟

550:步驟

560:步驟

570:步驟

580:步驟

610:步驟

620:步驟

630:步驟

640:步驟

650:步驟

660:步驟

670:步驟

680:步驟

690:步驟

從以下對本發明之實例實施例更具體的描述中，上述內容將係顯而易見的，如在附圖中所繪示的，其中在通篇不同的視圖中相同的元件符號係表示相同的部件。圖式不一定按比例繪製，而是將重點放在說明本發明之實施例上。

圖1A係繪示在上升率流量驗證方法期間之壓力對時間回應的曲線圖。

圖1B係習知技術之質量流驗證器的示意圖。

圖2係包含臨界流噴嘴及腔室體積之質量流驗證器的示意圖。

圖3係包含兩個臨界流噴嘴及腔室體積之質量流驗證器的示意圖。

圖4係包含不具有臨界流噴嘴之通道、具有臨界流噴嘴之兩個通道及腔室體積的質量流驗證器的示意圖。

圖5係繪示包含上升率及臨界流噴嘴量測方法 之流量驗證方法的圖式。

圖6係繪示包含判定氣體性質函數之流量驗證方法的圖式。

以下描述本發明之實例實施例。

提供利用上升率(ROR)量測技術及臨界流噴嘴(CFN)量測技術兩者之質量流驗證器(MFV)。如以下所進一步描述的，MFV可包含用於使用在ROR量測中之腔室體積及用於與CFN方法一起使用之臨界流噴嘴。在MFR中所包含之壓力感應器可通用於ROR與CFN量測方法兩者。

ROR量測技術在本領域中係習知的，且利用被引入至習知體積之氣體的壓力(P)對時間(t)回應100，如在圖1A中所繪示的。實例習知技術MFV 110係被繪示於圖1B中。為了驗證來自於待測試器件(DUT)150(諸如，例如，質量流控制器(MFC))之氣體之流率，習知技術MFV係已包含提供已知體積之腔室140、定位於腔室140之上游之閥160及定位於腔室140之下游之閥180。首先，藉由關閉上游閥160、打開下游閥180且應用真空泵，可清洗器件110(步驟102，圖1A)。在器件110已經被清洗之後，上游及下游閥160及180可被打開，允許氣體流(Qi)進入器件110。程序進一步包含初始化週期，其中來自於DUT 150之氣體流被允許穩定至設定點(步驟104，圖1A)。接著關閉下游閥180(步驟106，圖1A)，導致氣體在一段時間(△t) 之週期內填充腔室140且發生在壓力(△P)上的變化。在此週期期間，係藉由壓力感應器120及溫度感應器130來獲得壓力及溫度量測。當打開下游閥180(步驟108，圖1A)時，氣體流(Qo)離開器件110且允許恢復氣體從DUT至處理工具之正常遞送。

可使用在ROR測試期間所獲得之壓力及溫度量測以根據以下的方程式來計算氣體流率：

其中Q_v係進入至MFV中之氣體流率，V_c係MFV之腔室的體積，T_stp係標準溫度(273.15° K)，P_stp係標準壓力(1.01325×10⁵Pa)，P_d係在腔室內所量測的壓力，及T係量測的溫度。在美國專利第7,461,549號及美國專利第7,757,554號中進一步描述ROR量測方法及器件，其全部內容係以引用方式而併入本文中。

由於ROR量測方法及器件係包含使用具有足夠大的體積之腔室來容納一段時間週期內的氣體之流入，所以此種方法及器件的實用性通常被限制於涉及相對較低流率的應用(例如，大約1000標準立方公分每分鐘(sccm)的N₂當量或更少的流率)。更高的流率需要更大的腔室體積，由於空間限制，其在許多處理系統中可能係不切實際的。即使在處理系統可提供空間來容納具有較大腔室體積的MFV的情況下，使用較大的腔室亦可能導致相對於相對較低流率的不精確性。因此，利用ROR技術之MFV通常被 定制為在相對地較窄的範圍內來驗證流率。

此外，當MFV被使用以提供原位流驗證時，如通常的那樣，至處理工具之氣體流係被中斷一段時間週期。至處理工具之氣體流被中斷的時間週期係包含：清洗管線所需的時間，以便於提供初始之空腔室體積；被允許穩定化之在氣體流動期間的時間；及在量測期間所獲得之時間(亦即，△t)，如在圖1A中所繪示的。更大的腔室體積對於相對較低流率亦可能係非所期望的，因為其等對於處理時間可能導致更大的中斷。

然而，ROR量測技術之優點係可在不知道被量測之特定氣體或氣體混合物的情況下來應用它們。方程式4係得自於腔室體積之上的質量平衡及理想氣體定律之應用，其與氣體係無關的，憑藉壓力(P)、溫度(T)及體積(V)之三個狀態變數來表徵化被量測之氣體的行為。

臨界流噴嘴(亦被稱之為限流器及聲波噴嘴)，在本領域中係習知的且被使用以向氣體流提供阻流，其中，在從噴嘴之下游在壓力上進一步的降低的情況下，氣體之質量流係不增加。

對於欲應用之阻流條件，下游壓力(P_d)對上游壓力(P_u)之比值必須小於由流過臨界流噴嘴之氣體的性質所判定之臨界壓力比值，如由以下所提供的：

其中，γ係氣體之比熱之比值。比熱之比值係被定義 為γ=Cp/Cv，其中Cp係氣體在恆定壓力下之熱容量，而Cv係氣體在恆定體積下之熱容量。

臨界流噴嘴已經被使用於流量驗證技術中。例如，如在美國專利第7,474,968號及在美國專利第7,757,554號中所描述的，臨界流噴嘴已經被使用以藉由保持進入至MFV腔室中的恆定流且最小化對DUT之下游壓力干擾來提高ROR量測之準確度。

可獨立於基於ROR的方法及器件來使用CFN方法及器件來驗證在氣體或氣體混合物之性質係已知的情況下的流率。通過阻流噴嘴的流率(Q_c)可被表示為：

其中C’係CFN之排放係數，A係CFN之截面面積，R係通用氣體常數，M係氣體之分子量，及T係氣體之溫度。

方程式6可另外地被表示為方程式(3)，轉載於此：

其中f(M，γ)係基於分子量(M)及比熱比(γ)之氣體特定參數的氣體性質函數。如從方程式3可看出的，通過臨界流噴嘴之氣體之流率(Q_c)可基於氣體之量測的上游壓力(P_u)及量測的溫度(T)來判定，條件是臨界流噴嘴幾何形狀及氣體性質係已知的。

CFN量測技術的一個優點係可快速地獲得量測而不中斷至處理工具的氣體流。此外，臨界流噴嘴在尺寸 上通常較小，而因此在處理系統中不需要大量的空間。然而，即使其中臨界流噴嘴具有越來越小的截面面積，CFN方法對於在相對較低流動範圍內的氣體流之量測而言亦非理想的。當氣體流率較低時，其係難以維持阻流的條件。因此，在氣體或氣體混合物係已知的情況下，CFN方法通常係被使用於在相對較高流動範圍內之氣體流之量測。

圖2係繪示MFV 200，其包含用於與CFN量測方法一起使用之臨界流噴嘴202及用於與ROR量測方法一起使用之腔室204兩者，藉此提供用於在低至高流動範圍內使用的適應性。MFV 200亦包含閥206、208、壓力感應器210、212及溫度感應器214，其中之各者係被連接至控制器230。上游閥206係與腔室204之入口216流體連接，而下游閥208係與腔室204之出口218流體連接。

對於在第一流量範圍內的流率，可利用使用如在圖1A中所繪示之ROR方法的MFV 200且根據方程式1來獲得流率Q_v，方程式1係轉載於此：

其中V係腔室204之已知體積，P_d係利用壓力感應器212所獲得的壓力量測，及T係利用溫度感應器214所獲得的溫度量測。

對於在第二流量範圍內的流率，可利用使用CFN方法之MFV 200且根據方程式3來獲得通過臨界流噴嘴202之流率Q_c，方程式3係轉載於此：

其中P_u係利用壓力感應器210所獲得的壓力量測，T係利用溫度感應器214所獲得的溫度量測，且f(M，γ)係基於被測試之氣體或氣體混合物之已知的氣體性質函數。

在操作中，若需要的話，在藉由控制器230而利用ROR或CFN方法來進行量測之前，可執行初始的排空程序，藉此導致上游閥206關閉且藉由下游泵或其他工具而導致流體從MFV 200被移除。接著可藉由控制器230來打開上游閥206及下游閥208，允許從待測試器件(DUT)250(例如，測試MFC)流出的氣體行進通過腔室204之入口216及出口218。為了藉由ROR方法來驗證流率，接著可關閉下游閥208，導致腔室204內的壓力在一段時間週期內上升，同時獲得溫度(T)及壓力(P_d)量測。在足以發生流驗證的時間之後，可藉由控制器230來打開下游閥208，從腔室204釋放氣體，且允許恢復氣體從DUT 250之正常流出。或者，若應用CFN方法，則獲得壓力量測(P_u)及溫度(T)量測。將壓力及溫度量測報告至控制器230，其中可計算驗證流率。

第一流量範圍可包含相對較低流率，在例如ROR方法可係更精確的情況下及/或在因為氣體性質函數係未知的而不能執行CFN方法的情況下。第二流量範圍可包含相對較高流率，在例如CFN方法可以係更精確的情況下及/或在氣體性質函數係已知的情況下。第一及第二流量範圍可包含重疊的流率，且MFV可在流量驗證程序中在 ROR量測與CFN量測之間作選擇。例如，在氣體性質函數係已知的情況下，MFV可選擇超越ROR量測之CFN量測，因為CFN量測可比ROR量測更快地被獲得且不中斷氣體遞送。

如在圖5中所展示的，當從主機控制器發出流量驗證命令(步驟510)時，目標流率可被分類為例如低的(例如，ROR方法係適當的)、中間的(例如，ROR或CFN方法係適當的)或高的(例如，CFN方法係適當的)中之一者(步驟520)。此外，對於多入口器件(圖3至4)，可基於目標流率來選擇適當的入口及/或適當地定尺寸的臨界流噴嘴(步驟525)。在流量已經被允許穩定化之後(步驟530)，流量驗證程序可藉由ROR方法或CFN方法來進行(步驟540)。若選擇ROR方法，則可關閉位於MFV中的下游閥，可獲得MFV腔室內的流體之壓力及溫度量測，且可基於在流體之壓力上的上升率來計算流率(步驟550)。在獲得量測之後，可打開下游閥以從MFV排出流體(步驟570)。若選擇CFN方法，則可獲得從位於MFV中之臨界流噴嘴之上游的流體之壓力量測，且可計算流率(步驟560)。接著，可將如藉由ROR或CFN方法所驗證之流率報告至主機控制器(步驟580)。

如上所述，藉由CFN方法之流率之驗證係取決於被測試之氣體或氣體混合物的性質，其可能係未知的，或若係已知的話，其可能係不準確的。若在CFN量測期間所提供之氣體性質資訊係不準確的，則流量驗證量測 將同樣地係不準確的。

MFV 200可有利地藉由使通過臨界流噴嘴202之流量與在腔室204中由ROR量測所獲得的流量相等來獲得被測試之氣體的氣體性質資訊。詳言之，給定臨界流噴嘴202之已知幾何形狀且使通過噴嘴202之流率(Q_c)與通過腔室204之流率(Q_v)相等，則被測試之氣體的氣體性質函數可被判定為方程式(2)，其轉載於此：

在第一流率之質量流驗證期間，臨界流噴嘴202之上游的壓力(P_u)可與在ROR量測期間所獲得之壓力(P_d)及溫度(T)一起獲得。因此，氣體性質函數f(M，γ)可從第一流率的初始流量驗證來判定，且接著與CFN方法來結合使用(例如，根據方程式3)，以用於在相同或第二流量範圍內之後續的流率之流量驗證。接著，隨後的質量流驗證程序可更快速地被實施，且可應用CFN方法，而不需要對正在測試之氣體或氣體混合物有獨立的了解。

如在圖6中所展示的，在氣體性質函數係尚未知的或其係另外地需要獲得驗證的氣體性質函數的情況下，根據來自於主機控制器之初始流量驗證命令(步驟610)，可進行關於目標流率是否在適合於ROR量測之第一流量範圍中之判定(步驟620)。若目標流率係在第一流量範圍之外且不能使用提供有MFV之ROR方法來進行驗證，則向主機控制器進行報告(步驟630)。在其他方面，驗證 程序可藉由允許流量穩定化通過MFV之腔室來進行(步驟640)。在流量已經穩定化之後，位於MFV中的下游閥可被關閉且獲得溫度及壓力量測(步驟650)。接著，可使用獲得的溫度及壓力量測來計算被測試之氣體的通用氣體性質函數(步驟660)及基於在流體之壓力上之上升率的流率(步驟670)兩者。

在計算流率之後，可打開下游閥以從MFV排出氣體(步驟680)，且可向主機控制器報告驗證的流率(步驟690)。

對於已經經歷了上述關於圖6之程序的氣體或氣體混合物，隨後的驗證程序可包含在ROR與CFN方法之間作選擇，如在圖5中所描述的。

由於臨界流噴嘴必須針對流量範圍適當地定尺寸，以便於為在範圍中的流率提供阻流條件，所以在一個MFV中可包含多個臨界流噴嘴，以擴展MFV的總體流量驗證範圍。例如，各具有不同截面面積的多個臨界流噴嘴可被包括在一個MFV中。基於目標流率，可選擇適當的MFV之臨界流噴嘴以用於使用在驗證程序中。

圖3係繪示包含多個臨界流噴嘴202、302及上游閥206、306之MFV 300。各個上游閥206、306係與腔室204之入口216、316相關聯。儘管圖3係繪示具有兩個臨界流噴嘴202、302之MFV，但亦可包括多於兩個的噴嘴。例如，三個、四個、五個或更多個臨界流噴嘴可被包括在一個MFV中。而且，儘管圖3係繪示定位於其各別的流噴嘴 202、302之上游的各個閥206、306，但是閥206、306亦可被定位於流噴嘴202、302之後的通往腔室204之流動路徑中。

溫度感應器214、壓力感應器210、212、閥206、208、306及臨界流噴嘴202、302可被耦接至控制器330。在流量驗證程序期間，控制器330可基於目標流率及(若可用的話)已知的氣體類型來選擇適當的上游閥(例如，上游閥306)來打開。所有其他的上游閥(例如，上游閥206)可在流量驗證程序期間被關閉，藉此使得氣體從DUT 250流出通過選擇的臨界流噴嘴(例如，噴嘴302)而至腔室204。

如在圖3中所展示的，壓力感應器210、212及溫度感應器214對於臨界流噴嘴202、302及腔室204兩者可以係共用的，使得可使用每個感應器以提供用於與CFN及ROR方法兩者一起使用的量測。或者，單獨的壓力及溫度感應器可與每個組件相關聯。

而且，被建構成用以選擇適當的臨界流噴嘴及/或接收壓力及溫度資料之控制器可被定位於MFV內部中，如在圖2至4中所繪示的。控制器230、330可被建構成用以從定位於MFV中的任何數量的壓力及溫度感應器來接收壓力及溫度信號，且用以控制任何數量的閥的操作。.控制器230、330可與與氣體計量或監視系統相關聯之主機控制器進一步通信。

對於在不需要CFN方法(例如，瞬態分析)的情 況下的流量驗證，MFV 400可包含不具有臨界流噴嘴的通道，如在圖4中所繪示的。具有上游閥406之通道可被連接至腔室204之入口416，當上游閥406被打開時，允許氣體從DUT 250直接地流出至腔室204。如與上游閥206及306一樣，上游閥406可被耦接至控制器330且由其來進行操作。

通常，MFV可被建構成用以使用ROR方法來驗證流率且獲得針對在第一流量範圍內之流率的氣體性質函數，第一流量範圍係包含例如大約1sccm至大約1000sccm之流率。MFV亦可被建構成用以針對在第二流量範圍內之流率而使用CFN方法來驗證流率，第二流量範圍係包含例如大約1000sccm至大約50,000sccm的流率。

然而，施加ROR或CFN方法之流量範圍可根據諸如在MFV內之腔室之體積及在MFV中所包括之臨界流噴嘴的數量及尺寸因素而變化。MFV可包含具有大約1L、大約2L、大約3L或大約4L之體積的腔室。MFV可包含具有大約0.25mm、0.50mm或0.75mm之尺寸的臨界流噴嘴。此外，可定義重疊的中間流量範圍，其中，ROR或CFN方法係適當的。例如，對於具有大約3L的腔室體積及單一臨界流噴嘴之MFV，可將低流量範圍定義為包含大約1sccm至大約500sccm之流率，可將中間流量範圍定義為包含大約100sccm至大約2000sccm的流率，且可將高流量範圍定義為包含大約1000sccm至大約50,000sccm的流率。對於此種MFV，ROR方法最初可在低流量範圍或中間流量範圍 內選擇目標流率。MFV之臨界流噴嘴可能無法針對使用於低流量範圍內之流率而被適當地定尺寸，且因此，在低流率之流量驗證程序期間，可能無法獲得氣體之氣體性質函數。然而，若目標流率落在中間流量範圍內，則可獲得氣體性質函數。一旦獲得氣體性質函數，則可在目標流率係在中間及/或高流量範圍內的情況下選擇CFN方法以用於後續的驗證。由於CFN方法能夠提供更快速的量測且不需要中斷氣體流，所以一旦氣體之性質係已知的，則CFN方法可能係優於ROR方法。

除了提供擴展的流量驗證範圍(例如，1sccm至50,000sccm)之外，MFV 200、300、400亦能夠提供外部體積不靈敏性，如在美國專利第7,474,968號及美國專利第7,757,554號中所進一步描述的，其全部內容係以引用方式被併入本文中。

詳言之，在ROR量測期間，臨界流噴嘴(例如，臨界流噴嘴202、302)可被建構成用以維持通過噴嘴之氣體之流率的恆定，藉此使對DUT的下游壓力干擾最小化且使得MFV對MFV與DUT之間的外部體積大致上不靈敏。若腔室壓力(P_d)與臨界流噴嘴之上游的壓力(P_u)之間的比值係小於臨界流壓力比值(方程式5)，則DUT之下游的壓力將不受在ROR量測期間在腔室中之上升壓力的影響。在此種條件之下，ROR量測之準確度得以提高，且系統不需要外部體積之判定及對外部體積之校正，其可能係一個耗時的程序。

在氣體係已知的且提供多個入口之MFV(例如，MFV 200、300)的情況下，控制器230、330可在ROR量測期間選擇用於使用之適當地定尺寸的臨界流噴嘴，以使得腔室壓力(P_d)與上游壓力(P_u)之間之比值在ROR量測之持續時間內係不超過臨界流壓力比值。

或者，在最初氣體係未知的及/或提供單一入口之MFV(例如，MFV 100)的情況下，臨界流噴嘴可被定尺寸以在至少一個短的臨界流週期內為大部分氣體提供臨界流。接著，可在短的臨界流週期內對未知氣體進行初始的ROR量測。如在美國專利第7,474,968號中所進一步描述的，臨界流週期係被定義為當下游閥被完全地關閉時之時刻與當升高的腔室壓力超過臨界流壓力比值之時刻之間之週期。因此，若ROR量測之驗證時間係在臨界流週期內，則上升的腔室壓力係不影響DUT之下游壓力且穿過噴嘴之流率係恆定的，在提供外部體積不靈敏性的條件下。已知大分子量氣體(諸如SF₆)係具有比小分子量氣體(諸如He及H₂)之那些臨界流週期更大的臨界流週期。因此，MFV可包含小尺寸的臨界流噴嘴及控制器，控制器被建構成用以在短的驗證時間內獲得初始的ROR量測，短的驗證時間係落在甚至小分子量氣體之臨界流週期內。

一旦判定氣體性質函數，則在多個入口之MFV中，可藉由使用被不同地定尺寸之臨界流噴嘴來執行隨後的ROR量測來提供更長的臨界流週期，且藉此進一步提高流量驗證準確度。

在本文中所引用之所有專利、公開的申請案及參考文獻之教導係通過引用而整體被併入。

儘管已經參照本發明之實例實施例來具體地展示及描述本發明，但是由熟習本領域之那些技術者將瞭解的，可在其中進行形式及細節上的各種改變，而不脫離由所附之申請專利範圍所包含之本發明的範圍。

200:質量流驗證器(MFV)

202:臨界流噴嘴

204:腔室

206:閥

208:閥

210:壓力感應器

212:壓力感應器

214:溫度感應器

216:入口

218:出口

230:控制器

250:待測試器件(DUT)

Claims (26)

1. 一種質量流驗證器，包括：腔室，被建構成用以接收流體；臨界流噴嘴，在該腔室之上游與該腔室流體串聯連接；第一壓力感應器，偵測在該腔室中之流體壓力；第二壓力感應器，偵測該臨界流噴嘴之上游的流體壓力；及控制器，被建構成用以藉由以下操作來驗證該流體之流率：(i)在第一流量範圍中，基於由該第一壓力感應器所偵測之該流體壓力的上升率來量測第一流率且基於由該第一壓力感應器及該第二壓力感應器所偵測之壓力來判定該流體之氣體性質函數，及(ii)在第二流量範圍中，基於由該第二壓力感應器所偵測之壓力及該判定的氣體性質函數來量測第二流率。
2. 如申請專利範圍第1項之質量流驗證器，其中，該控制器進一步被建構成用以在獲得上升率量測及臨界流噴嘴量測之間作選擇以用於驗證該流體之後續流率。
3. 如申請專利範圍第2項之質量流驗證器，其中，該控制器被建構成用以針對低流率選擇獲得上升率量測。
4. 如申請專利範圍第3項之質量流驗證器，其中，該低流率包含約1sccm至約1000sccm之流率範圍。
5. 如申請專利範圍第2項之質量流驗證器，其中，該控制器被建構成用以針對高流率選擇獲得臨界流噴嘴量測。
6. 如申請專利範圍第5項之質量流驗證器，其中，該高流率包含約1000sccm至約50000sccm之流率範圍。
7. 如申請專利範圍第1項之質量流驗證器，其中，該第一流量範圍及該第二流量範圍包含重疊的流率。
8. 如申請專利範圍第1項之質量流驗證器，其中，該控制器進一步被建構成用以基於該流體之溫度及該臨界流噴嘴之已知幾何形狀來計算該氣體性質函數。
9. 如申請專利範圍第1項之質量流驗證器，其中，該控制器被建構成用以根據如以下公式所給定之上升率量測來計算該第一流率Q_v：

   

   其中，V係該腔室之體積，P_d係在該腔室中之該流體之該偵測壓力，且T係該流體之偵測溫度。
10. 如申請專利範圍第9項之質量流驗證器，其中，該控制器進一步被建構成用以基於該流體之分子量M及比熱比γ而根據以下公式來判定該氣體性質函數f(M,γ)：

    

    其中，P_u係在該臨界流噴嘴上游之該流體之該偵測壓力，C’係該臨界流噴嘴之排放係數，且A係該臨界流噴嘴之喉部的截面面積。
11. 如申請專利範圍第10項之質量流驗證器，其中，該控制器被建構成用以根據如以下公式所給定之臨界流噴嘴量測來計算該第二流率Q_c：

    
12. 如申請專利範圍第1項之質量流驗證器，其進一步包括被定位在該腔室之出口處的下游閥，其中，該控制器進一步被建構成用以關閉該下游閥以造成在該腔室中之流體壓力上升。
13. 如申請專利範圍第1項之質量流驗證器，其進一步包括溫度感應器，且其中，該第一及第二流率係進一步基於該流體之偵測溫度。
14. 如申請專利範圍第1項之質量流驗證器，其中，該腔室體積係約為3L或更小。
15. 如申請專利範圍第1項之質量流驗證器，其中，該腔室體積係約為1L或更小。
16. 如申請專利範圍第1項之質量流驗證器，其進一步包括與該腔室流體連接的複數個平行臨界流噴嘴，至少兩個臨界流噴嘴具有不同的截面喉部面積。
17. 如申請專利範圍第16項之質量流驗證器，其中，該控制器進一步被建構成用以藉由打開與該選擇的臨界流噴嘴相關聯之上游閥並關閉與其他臨界流噴嘴相關聯之上游閥來選擇性地啟動該複數個臨界流噴嘴之一者。
18. 如申請專利範圍第1項之質量流驗證器，其中，該臨界流噴嘴被建構成用以在該第一流率之量測期間提供外部體積不靈敏性。
19. 如申請專利範圍第1項之質量流驗證器，其中，該控制器被建構成用以在臨界流週期內量測該第一流率。
20. 一種驗證流率之方法，包括：針對在第一流量範圍中之流率，引入流體至質量流驗 證器之腔室中，偵測該流體在該腔室中隨時間經過之壓力，並基於在該腔室中之該流體壓力的上升率來計算該第一流率；基於由該第一壓力感應器及該第二壓力感應器所偵測之壓力來判定該流體之氣體性質函數；及針對在第二流量範圍中的流率，偵測該質量流驗證器之臨界流噴嘴上游之該流體的壓力且基於該偵測的上游壓力及該判定的氣體性質函數來計算該第二流率。
21. 如申請專利範圍第20項之方法，其中，該流體係未知氣體或氣體之混合物。
22. 如申請專利範圍第20項之方法，其進一步包括在獲得上升率量測及臨界流噴嘴量測之間作選擇以用於量測該流體之後續流率。
23. 如申請專利範圍第22項之方法，其中，針對低流率選擇獲得上升率量測且針對較高流率選擇獲得臨界流噴嘴量測。
24. 如申請專利範圍第20項之方法，其進一步包括在複數個臨界流噴嘴當中作選擇以用於量測該流體之後續流率。
25. 如申請專利範圍第20項之方法，其中，偵測在該腔室 中之該流體的壓力係在臨界流週期內發生。
26. 一種增加質量流驗證器之操作流量範圍的方法，包括：針對低流率，利用上升率方法來判定流體之流率；針對中間流率，利用上升率方法來判定該流體之流率且判定該流體之氣體性質函數；及針對高流率，利用臨界流噴嘴方法及該判定的氣體性質函數來判定該流體之流率。

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