KR100697893B1 - 반도체 제조용 처리기체의 유량제어시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

반도체 제조를 위해 처리기체의 일괄 운반을 제어하기 위한 유량제어시스템과 방법이 제공되는데, 유량제어시스템은 운반기간중에 처리기체를 일괄 운반하기 위한 유동모드와 정지모드에서 교대로 동작한다. 운반을 개시한 뒤, 처리기체 공급원으로부터 기준 커패시티로의 처리기체 흐름을 중단하고 유량제어시스템으로부터 반도체 제조장치로 조정된 유량으로 처리기체를 계속 운반하면서 측정기간 동안 유량제어시스템의 기준 커패시티내의 기체 압력강하를 측정한다. 측정기간동안의 기준 커패시티내의 압력강하율은 실제 유량 측정값으로 이용된다. 실제 유량이 운반을 위한 특정 유량과 일치하지 않을 경우, 다른 처리기체의 일괄 이동을 위한 후속 운반기간을 위한 조절된 유량이 조정된다. 유량제어시스테의 구성요소들은 폭 1.5인치 미만의 기다란 운반스틱 형태의 기체 매니폴드를 따라 배열되므로, 20개까지의 유니트로 구성될 수 잇는 일군의 유량제어시스템들에 있어서 중요한 공간을 절감할 수 있다.

Description

반도체 제조용 처리기체의 유량제어시스템 및 방법{FLOW CONTROL OF PROCESS GAS IN SEMICONDUCTOR MANUFACTURING}
본 발명은 반도체 제조장비로에 대한 처리기체의 일괄 운반을 제어하기 위한 유량제어시스템 및 그 방법에 관한 것이다. 이 시스템의 기능적 구성요소들은 좁은 운반 "스틱" 형태의 기체 매니폴드에 조립된다.
반도체 제조공정은 소정 기간동안 유량을 특정하는 프로그램에 따라 반도체 제조장비로 처리기체를 운반하는 상태를 포함한다. 유량은 유량제어기에 의해 설정되고, 이 제어기에는 조정된 압력으로 처리기체가 공급된다. 유량제어기의 출력은 공압식 온/오프 셧오프 밸브를 통해 제조장비로 운반된다. 셧오프 밸브를 개방하고 소정 값으로 유량을 운반하도록 유량 제어기를 작동시키면 운반이 시작된다. 또, 셧오프 밸브를 닫고 유량제어기의 설정점을 정지시키면 운반이 중단된다.
처리상태동안 운반되는 유량의 정확도는 중요한 고려사항이다. 이를 위해, 풀 스케일의 40-100% 값으로 유량제어기를 설정하는 것이 좋다. 요컨대, 주어진 유량제어기의 범위는 1:2.5이다. 또, 유량제어기는 인가되는 특정 기체용으로 교정되어야 한다. 이것은 5 내지 1000 sccm(standard cubic centimeters per minute)의 유량범위를 커버하려면 주어진 기체에 대해 4개의 유량제어기가 필요함을 의미한 다. 정확도를 위해서는, 유량제어기가 가능한한 긴 기간동안 교정상태를 유지해야 한다.
윌머의 미국특허 5,865,205에는 저장조로부터 반도체 처리 챔버로의 기체 운반을 제어하기 위한 동적 기체 유량제어기가 기재되어 있다. 여기에 기재된 방법과 장치는 운반작업 이전의 저장조내의 잔류기체의 초기 질량과 처리 챔버로의 기체 흐름이 끝났을 때 저장조내의 잔류기체의 최종 질량을 결정한다. 초기질량과 최종질량을 비교해 처리단계동안 저장조로부터 방출된 기체의 실제 질량을 결정한다. 이 값은 교정 서보루프에 대한 입력으로 작용하여 후속 기체운반처리 단계를 위한 시스템 교정율을 업데이트한다. 교정 서보루프의 실행은 동적 서보루프의 연속적인 자체 교정으로 작용하고, 이때 처리 챔버로 들어가는 기체의 유량은 오리피스 상류의 가변 유량밸브에 의해 측정된다. 운반중에 오리피스 앞에서 생성된 기체압력을 감지하여 기체 유량을 측정한다.
윌머의 특허에서의 유량제어의 원리는 라인을 통한 기체 흐름 대신에 저장조에서 기체가 흘러나오게 하는데 있다. 가변 유량밸브를 작동시키는 제어신호가 운반단계에 걸쳐 원하는 체적/질량을 정의하도록 (원하는 유량을 표시하는) 입력신호가 적분되는 회로에 의해 결정된다. 원하는 체적을 저장조에서 나온 실제 체적과 비교한다. 비교함수로서 제어신호가 생성되어 제어회로에 설정값으로 인가된다. 동적 제어회로에서, 이 설정값은 유량을 감지하는 압력신호와 비교되고, 가변 유량밸브에 제어신호가 인가되어 원하는 압력/유량을 생성한다. 즉, 윌머의 특허에서는 시간에 따라 적분되어 실제 체적과 비교된다. 이 제어신호는 유량제어장치에 이용 되고, 유량제어장치는 오리피스 앞의 압력을 생성하는 가변 유량밸브로 구성된다.
케네디의 미국특허 4,285,245에는 라인내의 유량을 측정하고 제어하는 방법과 장치가 기재되어 있다. 이 특허의 방법은, 라인내의 유량측정실 하류 지점의 유량이 균일하도록 하여 라인을 흐르는 기체의 유량을 결정하고, 유량측정실 상류 지점에서 임시로 유량을 제한하며, 제한된 유량이 흐르는 동안 상류지점과 하류지점 사이에서 유량측정실의 내부 압력강하를 측정하는 방식이고, 이때 압력강하율은 유량에 거의 비례한다. 케네디의 특허는 반도체 제조용 처리기체의 일괄운반이나, 일괄 처리기체의 정확한 운반을 위한 유동모드와 정지모드에서 교대로 동작하는 유량제어시스템에 관한 것은 아니다.
몇개의 요소만을 추가하여 종래의 운반스틱을 보강할 수 있고, 작동상태에서 운반되는 유량의 정확도를 확인할 수 있는, 반도체 제조용 처리기체의 일괄운반을 제어하는 개량된 방법과 유량제어시스템이 필요하다. 또, 유량제어기의 유효범위를 증가시키고, 장기간의 교정 안정성을 확보하며, 특정 기체에 대한 사전 교정이 불필요한 반도체 제조용 처리기체의 일괄운반을 제어하는 개량된 방법과 유량제어시스템이 필요하다.
반도체 제조용 처리기체를 일괄 운반하기 위한 유동모드로 동작할 수 있는 유량제어시스템을 이용해 처리기체의 일괄 이동을 제어하는 본 발명의 방법은, 유량제어시스템의 유동라인을 통해 압축 처리기체원으로부터 제어된 유량으로 운반기간동안 반도체 제조장치로 처리기체를 일괄 운반하는 단계를 포함한다. 유량제어시 스템은 처리기체의 조정된 압력을 상기 유량제어시스템의 유동라인에 설정하기 위한 압력조정기, 처리기체를 운반기간동안 반도체 제조장치로 운반하는 유동모드를 시작하고 중단하도록 압력조정기의 하류측에 위치한 온/오프 밸브, 및 상기 운반되는 실제 유량을 측정하는데 사용되고 상기 유동라인에서 압력조정기 상류에 위치한 기준 커패시티를 포함한다.
이 방법은, 처리기체의 일괄 운반을 개시한 뒤, 유량제어시스템의 유동라인을 통해 기준 커패시티로의 처리기체 흐름을 중단하고 상기 조절된 유량으로 상기 유동라인으로부터 반도체 제조장치로 처리기체를 계속 운반하는 동안 상기 기준 커패시티내의 처리기체의 압력강하를 측정 기간동안 측정하는 단계, 및 상기 측정기간동안 기준 커패시티내의 압력강하율 및 운반되는 상기 일괄 처리기체의 실제 유량을 상기 측정단계에서 결정하고, 상기 실제유량이 운반을 위한 특정 유량과 일치하지 않을 경우 처리기체의 또다른 일괄 전달을 위한 후속 운반기간을 위해 상기 실제 유량으로부터 상기 특정 유량의 방향으로 상기 조절된 유량을 조정하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 유량제어시스템은 조절된 유량으로 목적지로 일괄적으로 운반될 압축기체원을 갖는 유체회로내에서 사용된다. 이 유량제어시스템은 처리기체를 일괄 운반하기 위한 유동모드와 정지모드로 교대로 작동된다. 이 유량제어시스템은 압축기체원으로부터의 기체를 운반하기 위한 유동라인, 유동라인에 조절된 기체압력을 설정하기 위한 유동라인내의 압력조정기, 처리기체를 운반기간동안 운반하기 위한 유동모드를 시작하고 중단하도록 압력조정기의 하류측으로 유동라인에 설치된 온/오프 밸브, 유량제어시스템에 의해 운반되는 처리기체의 실제 유량을 측정하는데 사용하도록 압력조정기 상류측으로 상기 유동라인에 설치된 기준 커패시티, 운반기간이 시작된 후 시작되는 측정기간동안 상기 기준 커패시티내의 처리기체의 압력강하를 측정하기 위한 압력센서, 유량제어시스템에 의한 처리기체의 운반중에 압축기체원으로부터 기준 커패시티로의 처리기체의 흐름을 중단하기 위해 기준 커패시티 상류측으로 상기 유동라인에 설치된 수단, 및 측정기간동안 기준 커패시티내의 측정된 압력강하와 압력강하율로부터 운반중인 일괄 처리기체의 실제 유량을 결정하고, 상기 실제유량이 운반을 위한 특정 유량과 일치하지 않을 경우 다른 일괄 처리기체가 운반되는 후속 운반기간을 위해 상기 특정된 유량의 방향으로 상기 조절된 유량을 실제 유량으로부터 조정하기 위한 제어기를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 유량제어시스템의 유량제어배열은 압력조정기 하류측으로 유동라인에 설치된 유량제어밸브를 포함하다. 유량제어시스템의 제어기는 조절된 유량을 조정하기 위해 유량제어밸브의 설정값을 조정한다. 유량제어밸브의 가능한 조정유량 범위가 10:1의 유효 범위를 갖는 풀 스케일의 100%까지 확장되는 것이 좋다.
본 발명의 다른 형태에 따르면, 유량제어시스템의 유량제어배열에는 압력조정기 하류측으로 유동라인내의 고정 오리피스가 있다. 압력조정기는 제어된 유량을 조정하기 위한 조정가능한 압력세팅을 갖는다.
본 발명의 유량제어시스템은 폭 1 1/8인치의 매니폴드와 어울리는 기능요소들을 이용한다. 이 조립체는 모듈라 베이스에 표면장착되는 특징을 갖는다. 중요한 장점은, 운반스틱의 길이가 단축되고 병렬 매니폴드들을 현재의 1.6인치 간격이 아닌 1.2인치 간격으로 중앙 라인들 사이에 나란히 설치할 수 있다는데 있다. 제어기의 유효 범위를 1:2.5에서 1:10까지 증가시킨 유량제어밸브를 채용한 유량제어시스템에서는, 1000, 200, 50 sccm의 3개 범위만으로도 5-1000 sccm의 유량을 커버할 수 있다. 장기간의 교정 안정성 역시 매번의 작동기간동안의 자동 교정에 의해 확보되며, 각각의 특정기체에 대한 교정의 필요성도 배제된다.
이하, 첨부 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 1A는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 제조시 처리기체의 일괄 운반을 위한 유량제어시스템의 개략도;
도 1B는 도 1A의 유량제어시스템의 구성요소들이 장착되어 있는 좁고 기다란 매니폴드나 운반 "스틱"을 따른 유량제어시스템 일부분의 확대도;
도 2A는 본 발명의 제2 실시예에 따른 반도체 제조시 처리기체의 일괄 운반을 위한 유량제어시스템의 개략도;
도 2B는 도 1A의 유량제어시스템의 구성요소들을 지지하는 좁고 기다란 매니폴드나 운반스틱을 따른 유량제어시스템의 일부분의 확대도;
도 3은 본 발명의 일 실시예의 순서도;
도 4는 본 발명의 유량제어시스템에 사용되고, 수동조정식 메인 압력 세팅조립체와, 메인 압력 세팅력과 무관하게 격막에 차압을 가하도록 동작할 수 있는 공 압조정식 차압 세팅조립체를 구비한 격막형 압력조정기의 단면도;
도 5는 도 4의 압력조정기의 수동 메인 압력세팅 조정상태를 자세히 보여주는 압력조정기의 확대도;
도 6은 압력조정기의 출구압력을 시간의 사이클함수로 표시하고 종래의 일정 압력에서 동작하는 압력조정기의 반응과 비교하여, 조정된 차압세팅에 의한 도 4, 5의 압력조정기의 압력반응을 나타낸 그래프;
도 7A, 7B는 도 1A, 1B, 2A, 2B의 유량제어시스템의 제어기의 정면도와 배면도;
도 8은 도 1A, 1B의 유량제어시스템의 전기-공압 회로도;
도 9는 도 2A, 2B의 유량제어시스템의 전기-공압 회로도.
반도체분야에서는 집적회로(IC) 칩이나 다이들을 제작할 때 처리기체들을 일괄적으로 운반하곤 한다. 반도체소자의 대량생산시, 수백개의 동일한 집적회로(IC) 라인패턴들은 수백개의 동일한 다이나 칩들로 절단되는 단일 반도체웨이퍼의 여러층들에 걸쳐 포토리소그래픽 방식으로 전개된다. 다이층들 각각에서, 회로라인들은 WF6와 같은 금속화 처리기체로부터 증착되고, 다른 처리기체로부터 증착된 절연체에 의해 다음층과 절연된다. 처리기체들은 통상 압축기체 공급원으로부터 이산 사이클로 또는 "일괄적"으로 운반되므로, 흐름과 흐름중단이 교대로 이루어지는 형태의 운반시스템이 필요하다.
이 목적으로 본 발명의 개선된 유동제어시스템(10)이 도 1에 개략적으로 도시되어 있다. 도 1에 따르면, 이 시스템(10)은 압축처리기체 공급원(12)의 기체를 반도체 제조장치(2)에 일괄 운반할 수 있는 유동라인(1)을 포함하는 것으로 도시되어 있다. 이 시스템(10)은 기체를 일괄적으로 운반하기 위한 유동모드와 정지모드로 예컨대 적당히 프로그램된 컴퓨터인 제어기(3)에 의해 교대로 동작된다.
유량제어시스템(10)은 또한 유동라인(1)에 규정된 기체압력을 설정하기 위한 압력조정기(16)를 더 포함한다. 라인(1)에서 압력조정기(16) 하류에 있는 온/오프 밸브(24)는 제어기(3)에 의해 작동되어, 운반기간동안 기체를 운반하는 유동모드를 시작하고 중단한다. 이 밸브(24)는 본 실시예에서는 공압식 밸브이지만, 도 8의 실시예에서는 공압-전기식이다.
유동라인(1)에서 압력조정기(16) 상류측에는 후술하는 바와 같이 유량제어시스템에 의해 운반되는 기체의 실제 유량을 측정하는데 이용되는 기준 커패시티(5)가 설치된다. 기준 커패시티(5) 옆으로 라인(1)에는 압력변환기형 압력센서(6)를 설치하여, 운반기간을 개시한 뒤 시작하는 측정기간동안 기준커패시티내의 기체압력강하를 측정한다.
기준커패시티(5)는 내부의 기체압력을 측정하기 위해 온도감지요소를 적분한다. 온도값은 압력강하율과 함께 표준상태[14.7psi, 20℃(293°K)]로 표현되는 실제유량을 결정하는데 이용된다.
Qsccm @ 20℃ = (V/14.7) x (ΔP/Δt) x (293/T)
V는 커패시티의 체적으로 단위는 cc임.
ΔP/Δt는 압력변화율로 단위는 psi/min이고 T는 °K임.
도시된 실시예에서, 라인(1)에서 기준 커패시터(5)의 상류에 있는 공압밸브(14)가 제어기(3)에 의해 오프 위치로 설정되면, 유량제어시스템에 의해 반도체제조장치(2)로 기체를 운반하는 동안 공급원(12)으로부터 처리기체가 기준 커패시티(5)로 흐르는 것을 차단할 수 있다.
본 발명의 유량제어시스템(10)을 이용한 반도체 제조를 위한 처리기체의 일괄운반을 제어하는 방법에 따르면, 처리기체 전체가 압축처리기체원으로부터 유량제어시스템(10)의 유동라인(1)을 통해 운반기간동안 소정 유량으로 반도체 제조장치로 운반된다. 처리기체의 일괄 운반을 개시한 뒤, 기준 커패시티에서의 처리기체의 압력강하를 소정 기간동안 측정하되, 이동안 밸브(14)를 닫아 라인을 통한 기준 커패시티로의 처리기체의 흐름은 차단하고 유랑제어시스템의 라인으로부터 소정 유량으로 반도체 제조장치(2)로의 처리기체의 운반은 계속한다.
측정기간동안의 기준 커패시티에서의 처리기체의 측정된 압력강하로부터, 기준 커패시터에서의 압력강하율과, 운반중인 일괄 처리기체의 실제 유량이 결정된다. 실제 유량이 소정 운반유량과 일치하지 않으면, 시스템에 의한 제어된 운반유량이 다른 일괄 처리기체가 운반되는 후속 운반기간을 위해 실제 유량으로부터 특정 유동 방향으로 조절된다. 도 1A, 1B에 도시된 실시예에서, 이런 결정과 조정은 프로그램된 컴퓨터인 제어기(3)에 의해 이루어진다. 제어기(3)는 다른 일괄 처리기체가 운반되는 후속 운반기간에 대한 제어된 유량을 조정하기 위해 제어기에서 전송된 신호에 의해 유량제어밸브(22)의 설정값을 조정한다. 이 목적으로, 제어기(3) 에는 제어된 유량의 조정량을 결정하는데 있어 기준으로 하는 유량밸브의 유량 설정값과 실제 유량 사이의 수학적 관계를 저장하기 위한 기준메모리(28)가 있으므로, 두개의 값들 사이의 편차를 후속 운반기간에 제로까지 낮출 수 있다.
유량제어시스템(10)은 폭 1.5인치 미만의 기다란 운반스틱형 기체 매니폴드(7)를 더 포함한다. 유량제어시스템의 구성요소들은 유동라인(1)과 통하도록 기체매니폴드를 따라 배열되고, 유동라인(1)은 매니폴드를 통해 매니폴드 윗면에 장착된 구성요소들 각각에 연결된다. 따라서, 기체매니폴드(7)는 각 구성요소의 장착대 역할도 한다. 전술한 실시예에서 장착대는 폭이 1.125 인치이다. 이렇게 되면 평행한 중심라인들 사이의 간격을 1.20인치로 하여 여러개의 유량제어시스템을 나란히 20개까지 배치하여 공간을 절감할 수 있다. 공압밸브(8)를 선택적으로 개폐하면 유량제어시스템의 유동라인(1)에 세정기체를 흐르게 할 수 있다.
유량제어밸브(22)와 함께 사용될 유량제어시스템(10)은 유량제어밸브의 유효범위를 2.5/1에서 10/1까지 증가시킴으로써, 1000, 200, 50sccm의 3개의 범위만으로도 5-1000sccm의 유량을 커버할 수 있다. 유량제어시스템은 각각의 특정 기체에 대해 시스템을 교정할 필요성을 배제하고 다음 상태를 위해 운반할 때마다 자동으로 재조정하여 장기간의 교정 안정성을 보장하기도 한다.
유량제어시스템을 이용해 반도체 제조를 위한 일괄적인 처리기체 운반을 제어하는 방법은, 처리기체의 운반을 위해 유량제어기(3)의 유량을 원하는대로 설정하여 원하는 유량값을 %로 설정하는 것을 포함한다. 운반상태동안의 실제 유량을 측정하고 유량제어밸브에 대한 명령어를 조정하여, 실제 유량을 그 다음 운반상태 의 설정값과 같도록 유지한다. 이런 동작을 운반상태마다 또는 원하는 횟수로 운반한 뒤에 반복할 수 있다. 기준 커패시티(5)내의 압력변화를 측정하여 결정된 실제유량은 표준단위로 표시되고 기본적으로 모든 기체에 적용된다. 실제 값은 원하는 설정값과 비교된다. 두 값 사이에 차이가 있으면, 유량제어시스템이 그 차이(에러신호)가 제로까지 감소되도록 유량제어밸브(22)에 보내진 명령신호를 조정한다.
도 7A, 8에 도시된 바와 같이, 제어기(3)의 디지탈 디스플레이(40)를 통해 오퍼레이터는 스위치(41)를 스위칭하면서 설정 유량값과 실제 유량값을 교대로 읽을 수 있다. 설정값은 푸시버튼(42,43)을 눌러 아래위로 조정할 수 있다. 제2 스위치(44)를 이용해 처리기체의 운반을 개시하고 중단한다. 통상, 압력조정기(16)는 10-15psi 정도의 조정된 압력에서 유량제어밸브(22)를 설정한다. 실제 유량을 측정하는데 사용되는 소형 기준 커패시티(5)는 압력조정기의 바로 윗쪽에 설치한다. 커패시티의 내부압력은 압력변환기(6)로 측정한다. 공압식 온/오프 밸브(14)는 커패시티 상류에 장착한다. 밸브(14)가 열리면, 공급라인(12)으로부터 통상 40-50psi의 고압기체가 커패시터에 공급된다. 시스템(10)의 공급압력을 정밀조정할 필요는 없다. 예컨대 압력은 45-60psi 사이에 있으면 된다.
운반 상태를 개시하기 전에, 온/오프 밸브(14)를 개방하고 기준 커패시터(5)를 공급압력으로 채운다. 압력조정기(16)는 유량제어밸브(22)의 입구를 정압상태로 유지한다. 통상 20-40초 지속되는 일정 운반동작을 개시할 때, 유량제어밸브(22) 하류의 온/오프 밸브(24)를 개방하고 설정값으로 유량을 운반하도록 유량제어밸브를 작동시킨다. 측정주기는 운반을 시작한 뒤, 즉 운반을 시작한 뒤 1초내에 시작 된다. 처리기체를 계속 운반할수록, 기준 커패시티(5)의 내부압력은 점점 강하한다. 측정주기는 최대 20초 동안 지속되거나, 측정 커패시티내의 압력이 20psi 정도의 값에 도달할 때 끝난다. 측정주기가 끝날 때, 제어기(3)의 디스플레이(40)에 표시된 유량값은 정확한 측정치와 일치하도록 갱신되고, 필요하다면 다음 운반상태에 적용되도록 모든 교정 팩터를 결정한다. 압력조정기의 입구에서의 압력변화는 측정주기 끝에서 발생하고, 통상 전술한대로 10-15psi로 설정된 조정된 출구압력에 영향을 주지 않는다. 따라서, 기준 커패시티(5)의 압력은 50psi의 정상값에서 20psi의 하한값까지 강하될 수 있다. 측정주기는 낮은 유량값에서 최대 20초로 제한된다. 유량값이 높을수록, 20초 제한값보다 먼저 20psi의 제한값이 발생할 수 있다.
운반 상태를 시작할 때, 제어기의 디스플레이(40)에 그 전 운반 유량값이 표시된다. 다음, 측정주기가 끝났을 때 현재 유량값으로 변동된다. 측정 주기가 완료되면, 공급측의 온/오프 밸브(14)가 개방되고, 기준 커패시티(5)의 압력이 공급 레벨로 복귀한다. 이렇게 하면, 유량제어밸브 입구에 걸리는 조정압력에 영향을 주지 않는다.
도 2A, 2B의 실시예의 유량제어시스템(10')에는 유량제어밸브(22)와 그에 따른 셧오프 밸브가 불필요하다. 압력조정기(16')와 온/오프 배브(20)의 시트에 형성된 오리피스(36)를 통해 유량이 제어된다. 유량은 압력조정기(16')에 의해 오리피스에 걸린 절대압력에 비례한다. 이 경우, 압력조정기의 설정점은 압력조정기의 돔에 인가된 압력신호에 의해 설정된다. 압력신호는 전기/공압 컨버터(38)에 의해 생성되고(도 2A, 9 참조), 이 컨버터는 (유량제어밸브에 인가된 신호에 유사한) 제어 기(3)로부터의 입력전압에 비례하는 압력을 발생시킨다. 설정값과 측정값 사이의 편차(에러신호)는 도 1A, 1B의 유량제어시스템의 동작에서와 마찬가지로 압력조정기의 돔에 인가된 압력신호를 수정하는데 이용된다. 운반상태의 끝에서, 오리피스(36) 하류의 온/오프 밸브(20)가 닫혀 압력신호가 압력조정기(16')의 돔으로부터 제거된다. 이렇게 되면, 설정값에서 오리피스(36)의 상류측 압력이 유지되고 정지상태에서 압력조정기의 출구에 일반적으로 발생할 크리프(creep)가 방지된다. 오리피스는 10:1의 변동폭으로 유량을 운반하여, 1000, 200, 50 sccm에 대응하는 3개 사이즈의 오리피스만으로 5-1000 sccm의 유량을 커버하는데 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 유량제어시스템, 특히 도 1A, 1B의 유량제어시스템(10)의 프로그램의 동작순서가 도 3에 도시되어 있다. 제어시스템의 기능, 제시된 실시예의 시스템의 기능을 보이기 위한 기준으로, 유량제어밸브(22)는 200sccm의 범위를 갖는다고 하자. 압력조정기는 10psi(25psia)로 설정한다. 기준 커패시티의 정상 용량은 20cc이다. 압력변환기(6)는 0-100 psia의 범위를 갖는다. 기준 커패시티(5)의 공급원(12)은 정상값이 50psi(65psia)이다. 전술한바와 같이 이 값은 ±2psi로 아주 정밀할 필요는 없다.
도 3에 따른 첫번째 동작은 유량제어시스템에 대한 교정팩터를 100%의 유량제어값 세팅으로 설정하는 것이다. 이를 위해, 제어기의 유량체크밸브(45)를 "yes"로 설정하고, 제어기(3)의 100% 세팅으로 처리기체의 운반운행을 시작하며, 운반되는 실제 유량을 교정된 유량계로 판독한다. 이렇게 하면, 제어기(3)의 디지탈 디스 플레이(40)에 %로 표시된 유량과 실제유량 사이의 관계가 설정된다. 다음, 200sccm의 원하는 풀스케일에 대응하는 100% 표시를 하는 제어기에 교정팩터가 생성된다. 예컨대, 교정중에 220sccm이 운반되면 유량이 120%로 표시된다. 100%와 200sccm을 얻기위한 교정팩터는 100/120 x 200/220 = 0.75일 것이다. 교정팩터를 디지탈 디스플레이(40)에 표시하기 위해 제어기스위치(44)를 "stop"으로, 디스플레이 스위치(41)를 "setting"으로 설정하면, 제어기(3)의 버튼(42,43)을 이용해 새로운 팩터를 설정한다. 유량이 200sccm이고 표시가 100%임을 확인하기 위해 다른 운반동작이 이루어진다. 이 과정은 필요하다면 반복될 수 있다.
다음 처리단계는 유량제어밸브 유량세팅 범위에 걸쳐 유량세팅값과 실제유량 사이의 수학적 관계를 정립하는 것이다. 이것은 운반상태를 100%로 세팅한 다음, 운반상태를 10%로 세팅하고 (제어기로 측정한) 실제 유량을 운반할때마다 결정하여 얻어진다. 운반함수는 제어기에 설정되고, 제어기는 유량제어밸브로 보내질 제어신호를 계산하여 유량이 설정치와 같게 남아있도록 하는데 사용된다. 다음은 교정단계들로서, 디스플레이 스위치(41)를 "setting"으로 설정하고 유량작동스위치(44)를 "stop"으로 설정하며, 교정팩터가 표시될 때까지 두개의 버튼(42,43)를 밀어두며, 이어서 디스플레이 스위치(41)를 "flow"로 설정한다. 이렇게 하면, 두개의 연속 운반상태가 시작된다.
다음단계는 처리기체를 80% 정도 운반할 수 있도록 유량제어기(22)의 유량 세팅값을 설정하는 것이다. 이것은, 디스플레이 스위치(41)를 "setting"으로 설정하면서 제어기(3)의 푸시버튼(42,43)를 위아래로 조정하면 된다. 제어기의 유량 체 크스위치(45)는 "yes"로 설정한다. 유량스위치(44)를 "start"로 변환하면 운반이 시작된다. 디스플레이 스위치(41)를 "flow"로 설정하면, 운반하는 동안 디지탈 디스플레이(40)에서 유량 표시를 관찰할 수 있다. 측정주기의 끝에서, 디스플레이상의 유량표시를 업데이트한다. 업데이트된 값의 시작이 짧게(1-2초 동안) 점멸된다. 유량스위치(44)를 "stop"으로 스위칭하면 운반이 중단된다. 제어기(3)의 유량 체크스위치(45)를 "no"로 설정하면, 디스플레이(40)의 유량표시가 운반 기간동안 변하지 않는다. 유량제어기(3)가 주기적으로만 교정상태를 확인할 필요가 있다고 느낄 때 이 동작모드를 선택할 수 있다.
다음 세팅을 50%로 바꾸고, 유량 체크를 "yes"로 설정하며, 다른 운반과정을 시작하고, 디스플레이의 유량표시를 관찰한다. 먼저, 유량표시를 50%에 가깝게 한다. 측정주기가 끝날 때쯤, 실제유량값이 보일 것이다. 그 값이 50%가 아니면, 수정값을 계산하여 다음 운반과정에 적용한다. 유량값을 50±0.1%로 설정하도록 2개나 3개 과정을 취할 수 있다. 세팅을 20%로 변경하고 이 과정을 반복한다. 마찬가지로, 세팅을 10%로 변경하고 과정을 반복한다.
도 2A, 2B의 실시예의 유량제어시스템(10')은 직경 0.004인치의 오리피스(36)를 시트에 형성한 온/오프 밸브(20)를 이용했다. 이렇게 하면 조절압력을 2.5-25psia로 조정하면서 유량은 10-150sccm이 된다. 교정팩터를 설정하기 위해, 상기 과정을 이용해 100% 표시에서 150sccm의 작동상태를 얻는다. 다음, 운반함수나 수학관계를 설정하도록 교정동작을 행한다. 다음, 전술한 기능적 데모에서와 마찬가지로 80, 50, 20, 10%에서 실제 운반동작들을 할 수 있다.
두가지 기능 시현에 있어서, 유량제어시스템(10')은 유량세팅을 제공하고, 운반된 실제 유량값을 판독하며, 운반단계를 시작하고 중단하며, 각 운반단계마다 또는 주기적으로 필요에 따라 유량확인을 선택한다. 최종 구성으로, 유량제어시스템에 표시되고 병합된 기능들은 당업자라면 알 수 있듯이 중앙컴퓨터에 병합된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 도 1A, 1B, 2A, 2B의 실시예들의 통상의 압력조정기들(16,16')은 압력 크리프 효과를 완화하기 위해 그리고 유량제어시스템들이 유동상태와 정지상태를 교대로 동작할 때 더 신속한 압력반응과 안정상태 동작을 통해 처리기체의 활용도와 경제성을 향상시키기 위해 도 4, 5에 도시된 압력조정기(50)로 대체될 수 있다. 이 압력조정기는 1999년 5월 10자의 미국 가특허출원 60/133,295에 기재되어 있다.
기본 구성으로, 압력조정기(50)는 하우징(52)을 포함하고, 이 하우징은 환형의 상부 캡(54)과 하부 본체(56)를 구비한다. 관련 너트(58)를 캡(54)의 플랜지 하단부(60)에 삽입하여 본체(56)의 나사식 돌출 상단부(62)와 나사결합한다. 캡(54)과 본체(56)는 서로 맞물려 하우징(52)의 내부챔버(63)를 형성할 수 있다. 캡(54)과 본체(56) 사이에는 다른 조정요소들을 지지하기 위한 상하 지지판(64,65)을 끼운다. 이들 지지판(64,65) 각각에는 중앙 구멍(66,67)이 형성된다. 지지판(65)에는 다수의 보어나 채널들이 축선방향으로 형성되고, 이들중 하나를 68로 표시하였으며 이것은 본체(56)의 환형 돌출면(69)과 맞물려 기체나 기타 유체가 압력조정기(50)를 통해 누설되지 않도록 밀봉하는 역할을 한다.
하우징(52)의 본체(56) 자체에는 내부 유동로(70)가 형성되고, 이 유동로는 대략 L형의 상류부(71a)와 하류부(71b)로 구분될 수 있으며, 각각은 본체(56)의 외측면(72)에서부터 상부 반경면(73)까지 이어진다. 유동로(70) 자체는 압력조정기의 입구(74)와 출구(75) 사이를 뻗어, 유동로를 통해 화살표(76) 방향으로 유체가 흐른다. 도 1A, 1B, 2A, 2B의 유량제어시스템(10,10') 내부에서, 공급원(12)으로부터 압력조정기 입구(74)로 고압 기체가 공급되고, 압력조정기 출구(75)로부터 유량제어밸브(22)로 조정된 저압 유체가 흐른다. 이와 관련해, 조정기 입구(74)는 밸브(14)를 통해 공급원(12)과 소통되게 출구(75)와 결합될 수 있고, 출구(75)는 밸브(20)를 통해 유량제어밸브(22)와 통하게 연결된다. 따라서, 입구(74)와 출구(75)는 도시된 바와 같이 플랜지형 튜브 연장부(76a-b)로 구성될 수 있고, 이들 연장부 각각은 본체(56)에 연결될 수 있다. 유량제어시스템(10) 내부의 연결을 위해, 연장부(76a)는 관련 암 커넥터(78)를, 연장부(76b)는 수 커넥터(80)를 갖는 것으로 도시되어 있다.
유동로(70)를 통한 유체 흐름을 제어하기 위해, 챔버(63)내에는 유동로(70)내에 형성된 포핏(82)과 관련 밸브시트(84)를 포함한 밸브조립체가 수납되고, 이 밸브조립체는 유동로(70)의 상류부(71a)에 디스크로 지지되며 유동로 상류부(71a)의 개구와 하부 지지판(56)의 중앙 개구(67) 사이로 지지판(56)의 상부 반경면(73)에 조립된다. 밸브시트(84)는 그 상류측(86)과 하류측(88)이 유동방향(76)으로 배향되고, 부분적으로 하부 지지판(65)으로 이루어지는 챔버(63)의 하부 공간(92)에 유체압력을 인가하기 위한 구멍(90)을 포함한다. 유체는 하부공간(92)으로부터 판형 채널(68)을 통해 유동로(70) 하류부(71b)로 들어간다. 밸브시트(84)의 디스크는 플라스틱이나 기타 폴리머로 구성되는 것이 바람직하지만, Kel-F(3M사 제품)와 같은 플루오로폴리머가 가장 바람직하다.
포핏(82)은 압력조정기(50)의 종축선(94)을 따라 도 1A의 유량제어시스템(10)의 정지모드의 동작을 위해 유동로(70)를 폐쇄한 제1 위치(도 4 참조)와, 시스템(10)의 유동모드의 동작을 위해 유동로(70)를 통해 유체를 트로틀시키는 가변 제2 위치 사이를 움직인다. 밸브시트(84)와 협력하기 위해, 포핏(82)은 밸브시트(84)의 상류측(86) 맞은편에 배치된 하부 헤드부(96)로부터 기다란 상부 스템부(98)까지 종축선(94)을 따라 뻗으며, 스템부(98)는 구멍(90)과 하부판 개구부(67)를 통해 종축선(94)을 따라 헤드부(96)에 연결된 하단부(100)로부터 상단부(102)까지 뻗는다. 포핏 헤드부(96)는 구멍(90)의 상대크기를 환형으로 변동시키도록 대략 원추형으로 구성되므로, 가변 제2 포핏 위치에서 밸브시트(84)에 대해 접근하거나 멀어지면서 압력조정기를 통과하는 유량을 변동시킬 수 있다.
종축선(94)을 따른 포핏(82)의 이동을 조절하기 위해, 챔버(63)내에 격막(110)을 설치하되, 유동로(70)와 통하면서 공간(92)의 가요성 상단벽을 형성하고 포핏(82)과 접촉하도록 배치한다. 격막(110)은 일체형이거나 여러 부분으로 구성될 수 있고, 원주방향으로 뻗는 가요성 "격막" 부분(112)을 포함한다. 격막부분(112)의 외측부는 반경방향으로 뻗어서 격막(110)의 외주부를 구성하고, 챔버(63) 내에 격막(110)을 장착하기 위해 상부판(64)과 하부판(65) 사이에 고정된다. 격막(110)이 두 부분으로 구성될 경우, 격막부분(110)은 격막부분을 지지하는 백업부(114)에 용접, 접착 또는 부착되고, 백업부는 판(64)의 개구부(66)를 통해 축선상으로 뻗으면서 내부 중앙통로(116)와 외부 견부(118)를 갖는 원통형 연장부(115)를 구성한다. 통로(116)는 포핏 스템(98)의 말단부(102)를 수용하도록 구성되고, 스템(98)의 숫나사(120)와 맞물리도록 암나사가 형성될 수도 있다. 이렇게 챔버(63)에 수납된 격막(110)은 유체압력에 반응하고, 유체압력은 압력조정기(50)의 입구압력(Pi)과 출구압력(Po)에 비례하며 화살표(122) 방향으로 작용하여 포핏(82)을 제1 위치를 향해 밀어 통로(70)를 폐쇄한다. 챔버(63) 내부에서 캡(54)을 관통한 포트(124)를 통해 격막(110) 윗면에 대기압(Pa)이 작용한다.
화살표(122) 방향의 압력에 대항해 화살표(128) 방향으로 격막(110)에 평형력을 가하여 포핏(82)을 제2 위치로 밀어 통로(70)를 개방하도록 메인 압력세팅 조립체(127)가 작용한다. 화살표(128) 방향의 압력은 부분적으로는 챔버(63)내에 장착된 메인 코일스프링(130) 등의 탄성부재에 의해 생성된다. 도 4의 실시예에서, 스프링(130)은 종축선(94)과 동축으로 배치되어 중간 격막(110)과 수동식 놉(132)을 가압하고, 놉(132)은 종축선(94)을 따라 이동한다. 압력조정기(50)를 소형화하기 위해, 놉(132)은 숫나사(134)를 갖고 캡(54)의 암나사(136)에 나사결합된다. 도 5에는 메인 압력세팅 조립체(127)의 정면도가 확대도시되어 있는바, 캡(54)에는 도 4에 파단선으로 도시된 창(140)이 있으며, 이 창을 통해 놉(132)의 널(132)을 손으로 조정할 수 있다.
도 4의 단면도로 돌아가면, 스프링(130)은 상부 리테이너(150)와 하부 리테이너(152) 사이로 챔버(63) 내부에 배치된 것으로 도시되어 있다. 상부 스프링 리 테이너(150)는 대략 원판형이고 놉(132)의 돌출부(154)와 맞닿아 힘을 전달하도록 배치된다. 하부 스프링 리테이너(152)는 대략 원통형이고, 격막 백업 연장부(115)와 동축으로 배치되며, 숫나사(156)와 나사결합하여 힘을 전달한다. 리테이너(152)는 관련 O-링(162)을 가질 수 있는 너트(160)로 연장부(115)에 체결되고, 스프링(130)의 하단부는 O-링과 마찰결합하여 스프링이 종축선(94)과 동축으로 정렬되는 것을 돕는다. 연장부(115)를 통한 리테이너(152)의 주행을 제한하기 위해 연장부(115)상의 리테이너(152)에 압축링(164)이나 기타 스페이서를 배치할 수도 있다.
화살표(122) 방향으로 격막(110)에 힘을 더 주기 위해, 리테이너(152)에 파형 스프링(170) 등의 압축부재를 동축으로 장착한다. 이 스프링(170)은 상부 지지판(64)과의 사이로 리테이너(152)의 반경 외측방향으로 돌출한 플랜지부(172)에 지지되어 압축된다. 이렇게 스프링(170)이 압축되어 있어 포핏(82)을 제1 위치로 더 밀어주는 편향력을 제공하므로, 화살표(128) 방향의 압력이 작용하지 않으면 유동로(70)는 평상시 닫혀있게 된다. 제1 위치와 제2 위치 사이의 포핏(82)의 움직임은 압축 발포 와셔(174)에 의해 완충되고, 이 와셔(174)는 격막 연장부(115)에 동축으로 장착되어 리테이너(152)와 판(64)을 압축한다. 화살표(128) 방향의 압력에 의한 포핏(82)의 제2 위치로의 움직임은 리테이너(152)의 하부 정지면(176)과 판(64)의 맞닿음에 의해 제한된다.
조정기(50)는 차압 세팅조립체(180)를 더 포함한다. 본 발명에 따르면, 차압 세팅조립체(180)는 메인 압력세팅 조립체(127)와는 독립적으로 작동하여 격막(110) 상의 제2 코일스프링(181)의 압축력과 같은 차압을 화살표(128) 방향으로 제공하여 유동로(70)를 개방하는 제2 위치로 포핏(80)을 더 밀어주도록 제공된다. 도 4의 실시예에서, 차압 세팅조립체(180)는 주어진 입력 압력(Ps)의 공압 온/오프 제어신호에 응답해 작동되고, 이 압력은 도 1의 유량제어시스템(10)의 공압밸브들(14,24)을 작동시키는데 통상 이용되는 값과 같은 50-60 psig가 바람직할 수 있다. 조립체(180)와 시스템(10)의 밸브(14,24)로 가는 신호는 예컨대 공압식 3-웨이 밸브(도시 안됨)의 제어하에 제공될 수 있다.
압력제어신호는 튜브(182) 등의 연결구를 통해 압력조정기(50)로 전달될 수 있고, 튜브(182)의 암단부(184)는 전술한 3-웨이 밸브나 기타 제어신호 발생기에 연결되도록 구성되며, 튜브의 수단부(186)는 압력조정기 하우징(52)의 어댑터(190)에 나사결합되도록 구성된다. 어댑터(190)의 수단부(192)는 캡(54)의 암나사(194)와 나사결합하도록 구성되고, 암단부(196)는 튜브의 수단부(186)의 크기에 따라 부싱(198)에 결합될 수 있다. 어댑터(190)의 암단부(196)는 또한 하우징(52)내의 제2 챔버(202)를 구성하는 내부 단부벽(200)까지 이어진 홈을 갖도록 구성된다. 어댑터의 수단부(192)는 놉(132)의 원통형 대응 보어(206)에 끼워맞춤되는 기다란 안내부(204)를 갖도록 구성되어, 종축선(94)을 따라 놉을 안내하는 것을 보조한다.
제2 스프링(181)의 압축을 조정하기 위해, 관련 O-링이나 시일 또는 패킹 링(211)을 갖는 피스톤을 챔버(202)의 하단벽(200)과 상단벽(212) 사이에서 움직이도록 챔버(202)에 설치한다. 부싱(198)의 내향돌출 견부에 의해 어댑터(190)와 부 싱(198)의 공통 개구(214)를 중심으로 상단벽(212)이 형성되고, 이 개구(214)는 챔버(202)에 신호유압을 인가하기 위한 포트 기능을 한다.
피스톤(210)은 기다란 동력전달부재(220)를 통해 스프링(181)에 기능적으로 연결된다. 이 부재(220)는 중앙 보어(222)를 통해 동축으로 종축선(94)을 따라 뻗어있고, 보어(222)는 어댑터(190), 놉(132) 및 스프링 리테이너(150)를 관통해 형성되며, 부재(220)의 상단부(224)는 피스톤(220)과 맞닿도록 배치되고 하단부(226)는 스프링(181)과 맞닿게 배치된다. 스프링(181) 자체는 메인 압력세팅 스프링(130)내에서 격막 연장부(115)에 동축으로 장착되어, 스프링(181)과 기다란 부재(220)의 하단부(226) 사이에 삽입된 역 U형 리테이너(228)와 견부(118) 사이에 압축된다.
챔버(202) 내에서, 피스톤(210)은 개구(214)를 통해 피스톤 윗면(230)에 인가되는 압력제어신호에 반응한다. 즉, 피스톤(210)은 평상시의 상부 위치에서 도 4의 하부위치로 종축선(94)을 따라 움직인다. 피스톤을 상부위치로 바이어스하기 위해, 피스톤의 아랫면(236)에 형성된 홈(234)에 압축코일스프링(232)을 장착하여 어댑터의 하단벽(200)에 대해 압축한다. 하부 위치에서, 피스톤(210)은 기다란 부재(220)를 누르고, 이 부재는 스프링(181)을 압축하여 격막(110)에 약 3-4 psig의 차압을 인가한다. 이렇게 하여, 메인 압력 세팅력의 인가와 무관하게 조정된 차압을 인가할 수 있다.
스프링(181)에 의해 인가된 힘은 메인 압력세팅을 변화시키지 않고 0-30 psi 범위내에서 조정되는 압력조정기(50)의 메인압력 세팅조립체(127)로 압력조정기 출 구압력을 비례적으로 변동시키기 위한 스텝 함수로 인가될 수 있고 차압 세팅조립체(180)가 정상적인 3psi 만큼 유효 조정기 세팅을 증가시키도록 제어신호로 작동될 수 있다는 점에서 "차동적"이다. 필요하다면, 제어신호의 압력을 조정하여 차압력을 비례적으로 증감시킬 수도 있다.
(압력조정기(16) 대신 본 발명의 압력조정기(50)를 구비한) 도 1의 일괄 유량제어시스템(10)의 유체회로에 채용되는 본 발명의 압력조정기(50)의 다음 동작에 대해서, 도 6을 참고하여 설명하고, 여기서 유체회로내의 압력조정기(50)의 통상적인 반응은 시간(t)에 대한 출구압력(Po)을 그래프(250)로 표시하였다. 50-60 psi일 수 있는 입구압력과 약 15psi의 특정 출구압력값에 대해, 시스템은 유동모드에서 시간(to) 이전에 동작한다. 이 모드에서, 기체는 200 sccm 정도의 정상상태 유량과 약 14.8psi의 출구압력으로 압력조정기(50)를 통해 이동한다. 이런 압력은 12psi의 정상압력으로 조정되는 압력조정기(50)의 메인 압력값의 조정하에, 그리고 통상 3psi의 차압을 인가하도록 압력조정기에 공급되는 신호압력과 함께 작용한다. 메인 압력값과 차압 설정값 둘다 50 sccm 정도의 낮은 유량에서 설정될 수도 있다. 이와 관련해, 안정된 유동에서의 압력조정기의 실제 출구압력은 낮은 유량에서 안정상태값으로 유량이 증가함에 따라 "드룹(droop)" 효과로 인해 설정값보다 약 0.2psi 낮다.
유동모드의 끝에 해당하는 시간 t0에서, 유량제어밸브(22)를 "오프"하도록 명령한다(도 1 참조). 0.5초나 그보다 짧은 시간 뒤에, 공압 온/오프 밸브(24)를 닫아 유량을 안정상태에서 제로까지 낮춘다. 밸브(24)의 작동과 동시에, 압력조정기(50)로 가는 신호압력이 중단되어 차압 세팅을 제거한다. 이와 관련해, 밸브(24)와 조정기(50)의 동작은 공통 신호압력의 제어하에 동기적인 것이 유리하다.
차압 세팅이 제거되면, 조정기(50)의 세팅이 12psi까지 감소된다. 출구압력이 14.8psi의 동작압력에 있는 한, 압력조정기는 출구압력이 14.8psi로 유지되도록 닫힌다. 정지기간 및/또는 인터벌에 따라, 정지모드가 시작될 때와 제어압력신호가 제거되어 압력조정기가 닫힐 때 사이의 약 0.5초 동안, 출구압력은 기간 Δt0 동안 약 15psi로 약간 증가될 수 있다. 그러나, 다행히도 제어된 차압세팅 덕분에 시스템이 유동모드 사이의 인터벌이 1시간 이상으로 아주 길게 작동될 때에도 크리프 효과는 명백하게 없다.
다음, 그 다음 유동모드의 개시에 대응하는 시간 t1에서의 그래프(250)를 따라, 압력신호가 재개되어 밸브(24)를 개방하고 압력조정기에 차압력이 재인가된다. 그 직후에, 유량제어밸브(22)는 유량을 다시 제어하라는 명령을 받는다. 이런 동작에서, 유량은 조정기의 세팅값이 12psi에서 15psi로 변화되어 출구압력이 증가하기 전에 제로에서 안정상태로 증가될 수 있다. 따라서, 유량이 증가함에 따라, 출구압력은 약 0.5초 이하의 단기간(Δt1)내에 작동압력을 신속히 안정시키도록 약 0.2psi만 감소된다. 중요한 것은, 오버슛이나 기타 진동효과가 관찰되지 않으면서도, 유량이 1초 이내에 제로에서 안정상태로 설정될 수 있다는 것이다.
비교를 위해, 압력조정기가 15psi의 일정 압력에서 동작하는 압력 그래프를 250'으로 표시했다. 시간 t0와 그 뒤의 100초 이상일 수 있는 Δt0' 동안 그래프(250')의 출구압력은 작동압력에서 약 2 psi 정도 증가됨이 관찰되었다. 본 발명의 압력조정기(50)에서의 0.2psi 증가에 비해, 이런 증가는 상당히 큰편이므로 1.5초 이상인 Δt0' 동안 오버슈트나 기타 진동효과가 나타날 수 있다.
따라서, 설명된 유량제어시스템과 방법에서, 이런 독특하고 효과적인 유체압력 조정기의 구성과 작동방법에 의하면 압력 크리프 효과가 완화되고, 유량제어시스템이 유동모드와 정지모드로 교대로 작동될 때 압력반응과 안정상태 동작이 더 빨라져 처리기체 활용도가 개선되고 시스템의 경제성도 향상된다.
달리 특정하지 않는 한, 구성 재료는 통상적인 것도 포함된다고 할 수 있다. 이런 재료는 내식성을 갖고 운반유체와 잘 어울리도록 선택되거나 원하는 기계적 성질을 갖도록 선택될 수 있다.
이상의 설명은 어디까지나 예를 든 것일 뿐이고, 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.

Claims (27)

  1. 반도체 제조용 처리기체를 일괄 운반하기 위한 유동모드로 동작할 수 있는 유량제어시스템을 이용해 처리기체의 일괄 운반을 제어하는 방법에 있어서:
    처리기체의 조정된 압력을 상기 유량제어시스템의 유동라인에 설정하기 위한 압력조정기, 처리기체를 운반기간동안 반도체 제조장치로 운반하는 유동모드를 시작하고 중단하도록 압력조정기의 하류측에 위치한 온/오프 밸브, 및 상기 운반되는 실제 유량을 측정하는데 사용되고 상기 유동라인에서 압력조정기 상류에 위치한 기준 커패시티를 포함하는 유량제어시스템의 상기 유동라인을 통해 압축 처리기체원으로부터 제어된 유량으로 상기 운반기간동안 반도체 제조장치로 처리기체를 일괄 운반하는 단계;
    상기 처리기체의 일괄 운반을 개시한 뒤, 상기 유량제어시스템의 유동라인을 통해 상기 기준 커패시티로의 처리기체 흐름을 중단하고 상기 조절된 유량으로 상기 유동라인으로부터 반도체 제조장치로 처리기체를 계속 운반하면서 상기 기준 커패시티내의 처리기체의 압력강하를 측정 기간동안 측정하는 단계; 및
    상기 측정기간동안 기준 커패시티내의 압력강하율 및 운반되는 상기 일괄 처리기체의 실제 유량을 상기 측정단계에서 결정하고, 상기 실제유량이 운반을 위한 특정 유량과 일치하지 않을 경우 처리기체의 또다른 일괄 운반을 위한 후속 운반기간을 위해 상기 실제 유량으로부터 특정 유동 방향으로 상기 조절된 유량을 조정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 유량제어시스템이 압력조정기 하류측의 유량제어밸브를 더 포함하고, 상기 조절된 유량을 조정하는 단계는 유량제어밸브의 설정값을 조정하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 유량제어시스템이 상기 유동라인에서 압력조정기 하류측에 고정된 오리피스를 더 포함하고, 상기 조절된 유량을 조정하는 단계는 압력조정기의 압력세팅을 조정하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 압력조정기는 돔에 인가된 유체압력에 의해 압력세팅이 설정되는 돔형 압력조정기이고, 정지모드에서 압력조정기의 출구에서의 크리프를 방지하기 위해 압력조정기의 돔에 인가된 압력신호를 상기 운반기간의 끝에서 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 유량제어시스템은 세팅에 따라 가능한 유량범위내에서 상기 조절된 기체 운반 유량을 설정하도록 조정될 수 있으며, 상기 유량제어시스템의 실제 유량과 유량세팅 사이의 수학적 관계를 설정하는 단계와, 운반중인 상기 일괄 처리기체의 결정된 실제 유량이 운반을 위한 상기 특정 유량과 일치하지 않을 경우 조절된 유량의 조정 사이즈를 결정하는데 있어서 상기 수학적 관계를 기준으로 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 기준을 위해 상기 수학적 관계를 유량제어시스템의 기준 메모리에 저장하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 유량제어시스템이 10:1의 유효 범위로 풀 스케일의 100%까지 가능 유량 세팅범위를 확장한 유량제어밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 측정기간이 20초 보다 짧거나 같은 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 측정기간이 소정 최대 기간동안 지속되거나 측정 커패시티내의 압력이 소정 최소값에 도달할 때 더 빨리 종결되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 측정기간의 끝에서 상기 유동라인을 통한 기준 커패시티로의 처리기체의 흐름을 중단하여 기준 커패시티내의 압력을 상기 압축기체원으로부터 공급된 처리기체의 압력 레벨로 되돌리는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 압력조정기가 압축된 처리기체원과 통하도록 결합된 입구, 출구, 및 압력조정기를 닫아 처리기체의 흐름을 차단하고 압력조정기를 통한 처리기체의 흐름을 트로틀하도록 교대로 동작하는 밸브요소를 구비하고, 상기 밸브요소는 힘을 전달하게 결합된 격막에 의해 작동되고 처리기체의 압력에 반응하도록 처리기체가 흐르도록 배치되며, 상기 압력조정기가 상기 격막에 선택압력 설정치를 인가하기 위한 조정식 메인 압력세팅 조립체를 더 포함하고,
    상기 조절된 유량으로 처리기체를 운반하기 위해 소정 출구압력보다 낮은 출구압력으로 처리기체의 유량을 조정하도록 상기 압력조정기의 메인 압력 세팅조립체를 조정하는 단계;
    상기 운반기간내에 상기 소정 출구압력에서 운반기체의 유량을 조정하도록 상기 압력설정값과 무관하게 운반기간 초기에 차압을 상기 격막에 인가하는 단계; 및
    상기 운반기간 끝에 상기 차압의 인가를 중단하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제1항에 있어서, 반도체 제조용으로 후속 운반기간 동안 또다른 일괄 처리기체의 운반을 반복하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 조절된 유량을 적어도 상기 측정기간동안 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 조절된 유량을 상기 운반기간 내내 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제1항에 있어서, 조절된 유량범위로 처리기체를 운반하도록 상기 유량제어시스템을 조정할 수 있고, 상기 일괄 처리기체를 더 운반하기 위해 상기 실제유량을 이용해 상기 범위에 걸쳐 유랑제어시스템을 교정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제1항에 있어서, 폭 1.5인치 미만의 기다란 운반스틱 형태의 기체 매니폴드를 따라 상기 유량제어시스템의 요소들을 배열하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제1항에 있어서, 운반중의 처리기체의 온도를 측정하는 단계와, 측정된 온도를 이용해 결정된 상기 실제 유량을 표준상태로 표현하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 조절된 유량으로 목적지로 일괄적으로 운반될 압축기체원을 갖는 유체회로내에서 사용되고, 처리기체를 일괄 운반하기 위한 유동모드와 정지모드로 교대로 작동되는 유량제어시스템에 있어서:
    상기 압축기체원으로부터의 기체를 운반하기 위한 유동라인;
    상기 유동라인에 조절된 기체압력을 설정하기 위한 상기 유동라인내의 압력조정기;
    상기 처리기체를 운반기간동안 운반하기 위한 상기 유동모드를 시작하고 중단하도록 상기 압력조정기의 하류측으로 유동라인에 설치된 온/오프 밸브;
    상기 유량제어시스템에 의해 운반되는 처리기체의 실제 유량을 측정하는데 사용하도록 상기 압력조정기 상류측으로 유동라인에 설치된 기준 커패시티;
    운반기간이 시작된 후 개시되는 측정기간동안 상기 기준 커패시티내의 처리기체의 압력강하를 측정하기 위한 압력센서;
    유량제어시스템에 의한 처리기체의 운반중에 압축기체원으로부터 기준 커패시티로의 처리기체의 흐름을 중단하기 위해 기준 커패시티 상류측으로 상기 유동라인에 설치된 수단; 및
    상기 측정기간동안 기준 커패시티내의 측정된 압력강하와 압력강하율로부터 운반중인 일괄 처리기체의 실제 유량을 결정하고, 상기 실제유량이 운반을 위한 특정 유량과 일치하지 않을 경우 다른 일괄 처리기체가 운반되는 후속 운반기간을 위해 특정 유동의 방향으로 상기 조절된 유량을 실제 유량으로부터 조정하기 위한 제어기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유량제어시스템.
  19. 제18항에 있어서, 상기 압력조정기 하류측으로 유동라인에 설치된 유량제어밸브를 더 포함하고, 상기 제어기는 상기 조절된 유량을 조정하기 위해 유량제어밸 브의 설정값을 조정하는 것을 특징으로 하는 유량제어시스템.
  20. 제19항에 있어서, 상기 유량제어밸브의 가능한 조정유량 범위가 10:1의 유효 범위를 갖는 풀 스케일의 100%까지 확장되는 것을 특징으로 하는 유량제어시스템.
  21. 제19항에 있어서, 상기 제어기가 상기 조정된 유량의 조정 크기를 결정하는데 있어 기준하기 위해 상기 유량제어밸브의 유량세팅과 실제 유량 사이의 수학적 관계를 저장하는 기준 메모리를 포함하는 것을 특징으로 하는 유량제어시스템.
  22. 제18항에 있어서, 폭 1.5인치 미만의 기다란 운반스틱 형태의 기체 매니폴드를 더 포함하고, 이 매니폴드를 따라 구성요소들이 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 유량제어시스템.
  23. 제18항에 있어서, 상기 압력조정기의 하류측으로 유동라인에 설치된 고정 오리피스를 더 포함하고, 상기 압력조정기는 상기 조정된 유량을 조정하기 위한 조정가능 압력세팅을 갖는 것을 특징으로 하는 유량제어시스템.
  24. 제23항에 있어서, 상기 압력조정기는 자체 돔에 인가된 유체압력에 의해 압력세팅을 설정하는 돔형 압력조정기이고, 상기 제어기는 압력조정기의 돔에 인가된 압력신호를 운반기간 끝에서 제거하여 정지모드에서 압력조정기 출구의 압력 크리 프를 방지하는 것을 특징으로 하는 유량제어시스템.
  25. 제18항에 있어서, 상기 압력조정기가 처리기체원과 통하도록 결합된 입구, 출구, 및 압력조정기를 닫아 처리기체의 흐름을 차단하고 압력조정기를 통한 처리기체의 흐름을 트로틀하도록 교대로 동작하는 밸브요소를 구비하고, 상기 밸브요소는 힘을 전달하게 결합된 격막에 의해 작동되고 유체 압력에 반응하도록 처리기체가 흐르도록 배치되며, 상기 압력조정기가 상기 격막에 선택압력 설정치를 인가하기 위한 조정식 메인 압력세팅 조립체를 더 포함하여 상기 조절된 유량으로 처리기체를 운반하기 위해 소정 출구압력보다 낮은 출구압력으로 상기 압력조정기로부터의 기체흐름을 조정하고, 차압 세팅조립체를 작동하여 상기 세팅력과 무관하게 격막에 차압을 인가하여 상기 힘들과 함께 상기 소정 출구압력과 비슷한 처리기체의 조절된 출구압력을 제공하며, 상기 제어기는 운반기간 초기에는 상기 차압 세팅 조립체를 작동시켜 운반기간동안 상기 차압을 인가하고 운반기간 끝에는 격막에 대한 차압의 인가를 중단하는 것을 특징으로 하는 유량제어시스템.
  26. 제18항에 있어서, 상기 중단수단이 온/오프 밸브인 것을 특징으로 하는 유량제어시스템.
  27. 반도체 제조중에 조절된 유량으로 처리기체를 일괄 운반할 것을 필요로 하고, 압축 처리기체원, 반도체 제조장치, 및 처리기체를 일괄 운반하기 위한 유동모 드와 정지모드로 교대로 작동되는 유량제어시스템을 구비한 반도체 제조용 장치에 있어서:
    상기 압축기체원으로부터의 처리기체를 운반할 수 있는 유동라인;
    상기 유동라인에 조절된 기체압력을 설정하기 위한 상기 유동라인내의 압력조정기;
    상기 처리기체를 운반기간동안 운반하기 위한 상기 유동모드를 시작하고 중단하도록 상기 압력조정기의 하류측으로 상기 유동라인에 설치된 온/오프 밸브;
    상기 유량제어시스템에 의해 운반되는 처리기체의 실제 유량을 측정하는데 사용하도록 상기 압력조정기 상류측으로 상기 유동라인에 설치된 기준 커패시티;
    운반기간이 시작된 후 개시되는 측정기간동안 상기 기준 커패시티내의 처리기체의 압력강하를 측정하기 위한 압력센서;
    유량제어시스템에 의한 처리기체의 운반중에 압축 처리기체원으로부터 기준 커패시티로의 처리기체의 흐름을 중단하기 위한 상기 유동라인내의 수단; 및
    상기 측정기간동안 기준 커패시티내의 측정된 압력강하와 압력강하율로부터 운반중인 일괄 처리기체의 실제 유량을 결정하고, 상기 실제유량이 운반을 위한 특정 유량과 일치하지 않을 경우 다른 일괄 처리기체가 운반되는 후속 운반기간을 위해 특정 유동 방향으로 상기 조절된 유량을 실제 유량으로부터 조정하기 위한 제어기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
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