KR100386822B1 - 기체의 유속분포 측정기 - Google Patents

Abstract

기체의 유속분포 측정기는 기체 유속의 공간적인 분포를 가시적으로 알기 위한 것이다. 본 발명은 금속세선을 일정한 온도로 유지하기 위해 흘려주는 전류의 양으로 유속을 결정하는 CTA(Constant Temperature Anemometer)나 피라니게이지(Pirani gauge)의 원리를 응용하여 세선(細線)을 1차원 또는 2차원으로 배열한 후 유속의 방향과 수직으로 스캔하면서 스캔된 면에서 세선의 전기적 변화를 감지하여 유속을 측정하고 이를 수집하여 유속분포를 알아내어 가시화하도록 구성된다. 따라서, 본 발명은 기체 유속의 정량적 분포측정을 할 수 있으며, 고른 분포의 기체 분사가 필요한 반도체 제조공정등에 적용할 수 있는 효과를 제공한다.

Description

기체의 유속분포 측정기{Gas flux distribution meter}

본 발명은 기체의 유속분포 측정기에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 금속세선을 일렬로 혹은 2차원적으로 배열시켜 측정영역을 스캔함으로써, 유속의 공간적인 분포를 가시적으로 알 수 있도록 한 기체의 유속분포 측정기에 관한 것이다.

기존의 유속계는 여러방식이 있다. 대기압 부근의 유속계는 일반적으로 팬(fan)을 회전시켜 측정하는 방법과, 열전대나 열선을 이용하는 방법을 사용한다. 열선유속계는 유속, 특히 난류(Turbulence)를 측정하는 장치로서 정온도형 열선유속계(CTA; Constant Temperature Anemometer)와 정전류형 열선유속계(CCA; Constant Current Anemometer)가 있으나 현재는 부귀환제어이론(Negative Feedback Control Theory)을 적용한 정온도형 열선유속계(이하, CTA라 칭함)가 정전류형 열선유속계보다 빠른 주파수 응답특성을 비롯한 많은 장점을 가지고 있어서 널리 사용되고 있다.

CTA는 수미크론 굵기의 백금선에 일정한 온도가 되도록 외부의 전류나 전압을 유지시키면서 외부의 기체흐름의 크기에 따라 이를 일정온도로 유지하기 위해서 귀환 조절되는 전류의 양으로 유속을 결정한다. 즉, 유속이 클때는 백금선이 많이 냉각되므로 전류를 많이 필요하게 되고, 유속이 적을 때는 그 반대로 전류를 조금 필요하게 된다. 이는 저진공의 진공도를 측정하기 위한 피라니게이지의 원리와도 동일하다.

그런데, 위와 같은 종래 유속계는 한 부분에 대한 유속 측정은 가능하지만 공간적 유속의 분포를 측정하기는 구조적으로 곤란하다. 즉, 단일요소의 센서가 고정된 구조물에서는 한 위치에서의 유속을 알 수 있지만 공간적으로 여러 곳을 동시에 측정하기는 어렵다. 특히, 진공안에서의 측정에서는 더욱더 어렵다. 한예로, 전체적인 진공도가 약 수 토르(torr)에서 밀리토르(mT) 정도에서 공정이 이루어지는 반도체 공정에서 실리콘 웨이퍼에 산화막 등을 화학적으로 형성시킬 때 실리콘 기판에 일정한 유속으로 기체를 분사시키기 위한 샤워헤드(shower head)의 기체분사를 일정하게 유지하는 것은 공정에서는 수율(收率)에 관계된 중요한 요소로 인식되어 있지만 그 분포를 정량화시켜서 측정하기는 곤란하다.

따라서, 본 발명의 목적은 전술한 점을 감안하여 안출된 것으로, 센서 배열을 확장시켜 유속의 방향과 수직으로 스캔하면서 스캔된 면에서의 유속분포를 알아내고 이를 가시화할 수 있도록 한 기체의 유속분포 측정기를 제공함에 있다.

도 1은 본 발명에 따른 기체의 유속분포 측정기의 센서를 나타내는 구성도,

도 2는 도 1 측정센서를 2차원으로 확장 배열한 형태를 보여주는 도면,

도 3은 본 발명에 따른 측정기를 회전시켜 스캔하도록 제작된 구조를 보여주는 도면,

도 4는 본 발명의 측정기를 반도체 공정 등에 적용한 경우를 보여주는 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 센서모듈 11 : 금속세선

12a,12b : 전류선 13 : 리드선

14 : 지지대 15 : 커넥터

20 : 샤워헤드 30 : 챔버

31 : 회전중심축 32 : 밀대

40 : 신호조절기 50 : 다채널데이타획득기

60 : 컴퓨터

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 기체의 유속분포 측정기는, 기체의 유속분포를 측정하기 위한 장치에 있어서, 직렬로 배열되는 금속세선, 금속세선의 양끝단에 연결되어 금속세선에 전류를 흘려주는 전류선, 및 금속세선에 일정간격으로 연결되는 리드선들로 된 센서모듈과, 상기 센서모듈과 일렬로 연결되는 회전 가능한 중심축, 및 상기 중심축의 아래방향으로 수직되게 연결되는 밀대를 포함하며, 상기 센서모듈의 전류선을 통해 금속세선에 일정전류를 흘리면서 이웃하는 리드선들 사이의 전압차를 검출하여 공간적인 유속분포를 측정하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 기술하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 기체의 유속분포 측정기 구성의 일예를 보여주는 도면이다. 도 1에 보여진 측정기는 금속세선(11)을 일차원적으로 배열시키고, 그 금속세선(11)의 양끝단에 전류선(12a,12b)을 연결한다. 도 1의 측정기는 또한, 일렬로 배열된 금속세선(11)의 일정간격마다 리드선들(13)을 연결하여 각 리드선 사이의 유속을 측정할 수 있도록 한다. 금속세선(11)으로부터 인출된 다수의 리드선들(13)은 지지대(14)을 통해 커넥터(15)와 연결된다. 이러한 구성을 갖는 도 1 측정기는 하나의 센서모듈(10)로 만들어질 수 있다.도 2는 도 1의 구성을 갖는 다수의 센서모듈(10)을 2차원으로 배열시켜 유속 측정범위를 보다 넓게 확장시킨 경우를 보여준다. 도 2에 보여진 측정기는 각 센서모듈의 금속센서들로부터 인출된 리드선들을 하나의 지지대를 통해 커넥터와 연결된다. 도 1의 측정기는 센서모듈(10)이 유속의 방향과 수직한 한 면을 휩쓸면서 측정하여 그 면에서의 유속분포를 알아낼 수 있는 반면 도 2의 측정기는 도 1의 센서모듈(10)이 그 면을 휩쓸면서 측정한 효과를 한번에 측정할 수 있게 해준다. 따라서, 도 2처럼 센서모듈(10)을 2차원 배열하면 그 센서모듈들을 유속과 나란한 방향으로 휩쓸면서 측정하여 3차원 공간의 유속분포를 측정할 수 있다.

본 발명은 금속이 갖고 있는 고유한 성질중에 온도에 따라서 전기저항값이 변한다는 사실을 이용한 것이다. 예를 들면, 백금은 상온 근방에서 1℃ 변함에 따라 전기저항의 변화가 처음값의 약 4×10^-3배 변하게 되며 니켈의 경우는 약 6×10^-3정도 변하게 된다. 따라서, 이들은 온도계로서의 이용이 가능하게 하는 데 낮은 진공도를 측정하는 피라니 게이지나 유속계의 원리가 되기도 한다. 즉, 일정온도로 유지되고 있는 금속세선에 기체의 분자가 부딪치면 부딪힌 기체분자는 가열되고 있는 열선으로부터 열을 빼앗아 가거나 고온의 기체인 경우는 열을 주게 되므로 이는 세선에 온도의 변화를 일으키게 된다. 이 온도변화는 세선의 전기저항 변화가 세기게 하므로 결국 전기적으로는 이 변화를 감지함으로서 용기내의 입자의 수 즉, 압력을 측정하거나 유속을 측정할 수 있는 것이다.

위와 같은 원리를 확장시켜 금속세선(11)을 도 1 또는 도 2처럼 1차원 또는 2차원의 배열을 만든다. 여기서, 금속세선(11)이 직렬로 연속해서 연결되므로 전류의 변화에 의해서 유속분포를 측정하기 곤란하다. 그래서, 본 발명은 일정한 전류를 금속세선(11)에 흘려주면서 세선(11) 각 요소인 리드선들(13)의 저항의 변화 즉, 온도의 변화를 전압을 검출하여 측정한다. 즉, 본 발명은 금속세선(11)의 온도변화에 대응하는 전압을 검출하여 유속을 측정한다. 금속세선(11)에는 양끝단에 연결된 전류선(12a,12b)을 통해 일정시간 전류를 흘려주어 금속세선(11)이 주변의 기체보다 충분히 높은 온도의 열선이 되도록 한다. 전류선(12a,12b)을 통해 흐르는 전류는 정전류형식을 갖는다. 물론, 일정주파수를 갖는 교류를 사용하여 락인(lock-in)시킬 수도 있다. 금속세선(11)에 일정한 간격으로 연결된 이웃한 리드선들(13) 사이에서 측정되는 전압은 그 해당 세선(11) 부근에서의 유속에 대한 정보를 갖는다. 그래서, 이 전압의 차이들로부터 1차원 또는 2차원에서의 유속분포를 측정한다. 여기서, 공간의 유속분포를 측정하기 위해 고려해야 할 점이 두가지 있다. 첫째는 금속세선(11)를 기체의 흐름에 가능하면 방해를 받지 않도록 제작하는 일이고, 둘째는 리드선들의 미약한 전압변화 신호를 분리해 내는 일이다.

한편, 도 3에 보여진 바와 같이 측정기를 한쪽 끝 부근에 회전 가능한 중심축(31)을 연결하고, 그 중심축(31)에 아래를 향하여 수직되게 밀대(pushingrod)(32)를 연결한다. 그래서, 밀대(32)를 일정방향으로 밀어서 중심축(31)을 회전시켜 그 중심축(31)에 연결된 측정기가 중심축(31)과 연동되어 함께 회전하도록 한다. 측정기는 금속세선(11)을 회전시키면서 측정공간을 스캔한다. 물론, 회전방법을 택하지 않고 세선(11)에 수직방향으로 직선적으로 스캔할 수 있도록 밀대(pushing rod)를 설치할 수도 있다.

이러한 구조를 갖는 측정기를 반도체 공정에 채용한 경우를 예로 들어 보다 구체적으로 기체의 유속분포 측정과정을 설명한다.

도 4에서, 진공상태의 챔버(30) 안에 본 발명의 측정기를 설치한다. 측정기는 가스를 분사하는 샤워헤드(shower head)(20)와 마주보게 설치된다. 측정기의 금속세선(11)은 샤워헤드(20)를 통해 분사되는 기체에 의해 온도의 변화가 일어나게 된다. 다수의 차동증폭기로 이루어진 신호조절기(Signal conditioner)(40)는 금속세선(11)의 양끝단과 그 사이에 일정간격으로 연결된 전류선(12a,12b)과 리드선들(13)에 걸리는 전압(V0, V1, …, Vn)을 대응하는 차동증폭기로 입력받아 이웃하는 선들간에 전압차를 구한다. 신호조절기(40)의 각 차동증폭기는 구해진 전압차를 각각 일정크기로 증폭시킨 후 다채널데이타획득기(Multi-channel data acquistion)(50)로 출력한다. 다채널데이타획득기(50)는 입력되는 다수의 전압차를 하나의 데이타로 획득하여 컴퓨터(60)로 출력한다. 컴퓨터(60)는 입력된 데이타를 근거로 시간에 따른 전압의 변화에 대응하여 유속분포를 가시화한다. 이때, 컴퓨터(60)는 유속분포를 그래프형태로 가시화하여 3차원적인 유속의 지도를 얻도록 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 기체의 유속분포 측정기는, 피라니 게이지의 원리와 CTA 유속계의 동작원리를 응용하여 1차원 또는 2차원으로 세선을 배열시켜 측정영역을 스캔하므로써, 유속의 공간적인 분포를 가시적으로 알 수 있도록 하는 효과를 갖는다. 또한, 반도체 공정에서와 같이 일정한 기체의 유속분포를 이루려는 공정에 적용할 수 있으며, 하나의 진공게이지로도 사용가능하다.

Claims (8)

1. 기체의 유속분포를 측정하기 위한 장치에 있어서,

   직렬로 배열되는 금속세선, 금속세선의 양끝단에 연결되어 금속세선에 전류를 흘려주는 전류선, 및 금속세선에 일정간격으로 연결되는 리드선들로 된 센서모듈;

   상기 센서모듈과 일렬로 연결되는 회전 가능한 중심축; 및

   상기 중심축의 아래방향으로 수직되게 연결되는 밀대를 포함하며,

   상기 센서모듈의 전류선을 통해 금속세선에 일정전류를 흘리면서 이웃하는 리드선들 사이의 전압차를 검출하여 공간적인 유속분포를 측정하는 것을 특징으로 하는 기체의 유속분포 측정기.
2. 제 1항에 있어서, 상기 측정기는 상기 센서모듈을 2차원으로 배열시키는 것을 특징으로 하는 기체의 유속분포 측정기.
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서, 상기 측정기는 상기 밀대를 일정방향으로 밀어 중심축을 회전시키고, 중심축의 회전에 연동하여 센서모듈을 회전시키면서 측정공간을 스캔하는 것을 특징으로 기체의 유속분포 측정기.
5. 제 4항에 있어서, 상기 센서모듈은 유속의 방향과 수직되게 스캐닝하는 것을 특징으로 하는 기체의 유속분포 측정기.
6. 제 1항에 있어서, 상기 측정기는

   다수의 차동증폭기를 구비하여, 이웃하는 리드선들 사이의 전압차를 구하고, 구한 전압차를 증폭시키는 신호조절기;

   상기 신호조절기에서 증폭된 다수의 전압차신호를 입력받아 하나의 데이터를 획득하는 다채널데이타획득기; 및

   상기 다채널데이타획득기에서 획득한 데이타를 근거로 시간에 따른 전압의 변화에 대응하여 유속분포를 그래프형태로 가시화하는 컴퓨터를 구비함을 특징으로 하는 기체의 유속분포 측정기.
7. 제 1항에 있어서, 상기 전류선은 정전류형식의 입력이 인가됨을 특징으로 하는 기체의 유속분포 측정기.
8. 제 1항에 있어서, 상기 전류선은 일정주파수를 갖는 교류의 입력이 인가되어 락인(lock-in)시킴을 특징으로 하는 기체의 유속분포 측정기.