KR100875775B1 - 유체 질량유량 제어기 및 그 작동방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유체 질량유동 제어기 및 그 작동방법에 관한 것으로서, 유체 질량유량 제어기(20)는 설정 포인트에서의유체 질량유동율을 제어하도록 제어밸브(40)를 제어하기 위한 유동 제한장치(56)를 가로지른 압력차를 검지하는 제1, 2 압력 센서(46, 48)에 접속된 제어 회로(70, 72, 74, 76, 80)를 포함하며, 상기 제어 회로(70, 72, 74, 76, 80)는 압력차 범위와 하류 압력 범위에 걸쳐 유량 제어기(20)를 통과하는 가스의 데이터 세트로, 측정된 온도에서의 압력차와 하류 압력을 비교하여 유동율을 조절하며, 상기 유량 제어기(20)는 2개 부분 본체(22)를 포함하고, 유동 제한장치(56)는 오리피스 또는 노즐을 포함하며 설정된 기공도를 갖는 소결된 금속 플러그 및 유량 제어기(20)가 노출되는 유동 조건을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

유체 질량유량 제어기 및 그 작동방법{FLUID FLOW CONTROLLER AND METHOD OF OPERATION}
본 발명은 유체 질량유량 제어기에 관한 것으로서, 특히 반도체 장치의 제조에 사용된 유독성 또는 고반응성 가스의 유동을 제어하는 유체 질량유량 제어기와, 상기 제어기의 유동 제한장치를 가로지른 유체 압력차와 상기 제어기에 의해 관찰된 하류 유체 압력을 상관시키는 데이터에 기초하여 제어기를 작동시키는 방법에 관한 것이다.
정밀한 유체 질량유량 제어기, 특히 예를 들면 반도체 장치의 제조에 사용된 유독성 또는 고반응성 가스와 같은 유체의 질량유동율을 제어하기 위한 유량 제어기가 개발되고 있다. 반도체 제조 분야에 있어서, 에칭 및 기상증착공정에 다양한 가스가 사용되고 있으며, 이들 가스는 인간에 해롭고 또한 대기에 노출되었을 때 고반응성을 가진다. 질량유량 제어기는 유체의 열 특성에 기초하여 전술한 형태의 유체의 유동율을 측정하고 제어하기 위해 개발되고 있다. 다른 유체 질량유량 제어기는 유동 제한장치 또는 오리피스를 가로지른 압력차를 측정하는 것에 기초하여 개발되고 있다. 종래 기술의 유체 질량유량 제어기는 유량 제어기의 많은 적용에 대해 의문점을 가지고 있다.
반도체 제조공정은 제조챔버내로 매우 정확한 양의 유체(가스)의 방출을 요구한다. 예를 들면, 분당 20리터 이상의 고속에서부터 분당 수십분의 1 세제곱센치미터의 저속범위의 유동율(CCM)이 요구될 수 있다. 더욱이, 반도체 제조에서의 반응성 가스를 제어하는데 사용된 유량 제어기의 반응시간과 안정성은 "온(ON)"신호에 대해 0.5 내지 1.0초내에서 요구된 유체 유동율을 안정화시킬 수 있는 제어기를 요구한다. 제조공정은 수초부터 수시간에 걸쳐 이루어질 수 있으며, 유체 유량 제어기의 정지 반응시간은 통상 1초 이내를 요구한다. 이러한 속도에서 열에 기초한 유체 질량유량 제어기의 반응 및 안정화에 대한 능력은 달성되기 어렵다.
일반적인 형태의 종래 기술의 유체 질량유량 제어기와 결합된 다른 문제점은 다양한 처리 유체에 대해 제어기 측정 요건에 관한 것이다. 종래 기술의 유체 질량유량 제어기는 전환 인자 및 전환 데이터 세트의 개발을 요구하는 불활성 또는 비독성 유체를 사용하여 측정되고 있다. 각 제어기의 측정을 위해 유독성 또는 고반응성 유체를 사용하는 것은 금지되어 있고 조작하는 사람에게 위험하기 때문에 종래 기술의 유체 질량유량 제어기는 질소 또는 아르곤과 같은 불활성 가스 또는 질량유량 제어기에 의해 제어되는 공정 유체의 특성과 유사한 특성의 유체를 이용하여 측정한다. 측정 유체와 전환 인자를 사용하는 이 처리는 질량유량 제어기의 작동에 오류를 발생시켜 시간 소모를 일으키고 따라서 고비용이다. 종래 기술의 질량유량 제어기의 부정확함과, 교체 공정 뿐만아니라 초기 설정동안 제어기를 측정하는데 요구된 비용과 시간은 반도체 장치의 제조를 포함하는 많은 제조공정에 실질적인 비용증가를 가져오며 유체 질량유량 제어기의 어떤 개선이 높게 요구되고 있다.
따라서, 유체 질량유량 제어기, 특히 전술한 것과 같은 제조공정에 사용된 형태의 질량유량 제어기에 대해 다수의 소망이 나타나고 있다. 이러한 소망은 제어기 설정포인트의 몇 퍼센트(적어도 1퍼센트가 바람직함)내의 제어기 정확성, 열 기초 질량유량 제어기에 의해 경험된 바와 같이 "정상"온도 상하 및 다양한 위치 또는 자세(즉, 우측은 올라가고, 비스듬하거나 또는 거꾸로된)에서 정확도의 손실없이 작동되며, 유동율의 넓은 범위에 걸쳐 정확한 측정 및 제어가 이루어지며, 안정된 유동 조건을 달성하도록 "작동(turn-on)"으로부터 빠르게 반응하며, 제조공정동안 유체 유량분배시스템 외부에서의 유량 제어기의 변경 및 서비스가가 용이할 것 등을 포함하고 있다. 유체 질량유량 제어기에서의 다른 소망은 제조 시간중 완성된 제어기를 측정하거나 또는 서비스후 제어기를 재측정하는 요구가 없고, 쉽게 교환할 수 있는 유동 제한장치 또는 오리피스, 서비스 또는 유량 제한장치의 교체후 유량 제어기의 작동성 및 정확도의 검증 용이, 유독성 및/또는 반응성 유체의 넓은 변화에 대한 유동율 제어의 정확성, 반도체 제조공정에 사용된 가스형태의 수많은 유체를 특정하는 것, 서로다른 가스 또는 액체 형태의 유체에 대한 유동율에 대해 제어기 가동 데이터의 쉬운 변경을 포함한다. 이들은 본 발명에 의해 개발되었다.
본 발명은 개선된 유체 질량유량 제어기 및 그의 작동방법을 제공한다. 특히, 개선된 질량유량 제어기와 그의 작동방법은 반도체 장치의 제조에 사용된 가스형태의 유체의 유량을 제어하는 것과 조합하여 사용될 수 있다.
본 발명의 한 관점에 따르면, 유동 제한장치를 가로지른 압력차와 상기 유동 제한장치의 하류 압력의 측정을 이용하여 특정 온도에서의 특정 유체의 실제 질량유량을 정확하게 판독할 수 있는 유체 질량유량 제어기를 제공한다. 이러한 측정은 2개의 압력 센서 또는 변환기만을 사용하여 실행되며 측정되어지는 유체의 폭넓은 온도범위에 걸쳐 실행될 수 있다.
본 발명은 개선된 유체 질량유량 제어기, 특히 반도체 장치의 제조에 사용된 유독성 및 반응성 가스의 질량유동율을 제어하는 제어기를 제공하는 것으로서, 유량 제어기는 소망 설정 포인트 유동율에서 안정화되도록 빠른 반응 시간과 설정 포인트 조건내의 1퍼센트 미만의 오류의 정확도를 가진다. 또한, 제어기는 100 내지 1의 최대 내지 최소 유동율의 폭넓은 범위로 질량유동율을 측정할 수 있다. 질량유량 제어기는 공정 유체 또는 측정 유체의 측정을 요구하지 않으며, 따라서 유동측정공정에 있어서 전환 인자를 요구하지 않는다.
또한, 본 발명은 제어기가 노출되고 제어기가 작동될 때의 압력차와 하류 압력 범위내의 선택된 유체의 질량유량에 대한 데이터를 이용하여 유동 제한장치를 가로지른 압력차와 유동 제한장치의 하류 압력의 측정에 의해 작동하는 개선된 질량유량 제어기를 제공한다. 본 발명의 질량유량 제어기와 유량계는 대기압으로부터 유독성 또는 반응성 가스에 대한 안전 인도 시스템에서 경험된 진공 조건으로의 흡입 압력의 폭넓은 범위에 걸쳐 작동가능하다. 또한, 본 발명은 디지털 신호 프로세서와 같은 적절한 프로세서 회로, 상기 데이터를 기억하고 필요시 추가 데이터 세트를 수신하는 비휘발성 메모리를 포함하는 제어 시스템과 조합되는 유체 질량유 량 제어기를 포함한다.
본 발명은 교체가능한 유동 제한장치, 하나 이상의 압력 변환기 및 제어기와 조합된 단일 유량제어밸브의 빠른 교체에 적합한 묘듈 형태의 기계적으로 미완성된 구성인 유체 질량유량 제어기를 제공한다.
또한, 본 발명은 본 발명에 따른 유체 질량유량 제어기 또는 유량계에 기초한 압력을 사용하기에 적합하며, 다른 적용에도 이용가능하며 유독성 및 반응성 가스를 대해 이용하기에 적합한 다양한 유체에 대한 데이터 세트로서 이용가능한 압력차와 하류 압력의 유동 데이터를 갖는 유동 제한장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 유동 제한장치를 가로지른 압력차와 유동 제한장치의 하류 유체 압력을 측정하는 것에 의해 유체의 질량유동율을 측정 및/또는 제어하기 위한 방법, 특히 하류 압력이 대기압 이하인 작동 조건에 한정되지 않는 방법을 제공한다. 본 발명은 측정 유체로 제어기의 측정을 요구하지 않으며, 유독성 또는 고반응성의 다양한 형태의 공정 유체에 대해 제어기의 유동 제한장치에 대한 설정된 데이터 세트를 이용한다.
또한, 본 발명은 2개의 압력 센서, 디지털 신호 처리 프로세서를 포함하는 마이크로제어기 또는 프로세서 장치, 온도 센서 및 명령 신호 입력로부터의 신호를 수신하여, 유체 질량유량 제어기와 조합된 제어 밸브에 대해 적절한 아날로그 출력 신호를 제공하는 유체 질량유량 제어기를 제공한다. 또한, 마이크로제어기는 원격으로 데이터를 수신하고, 시리얼 EEPROM으로 데이터를 지원,입력하기 위한 RS485 통신 및 다양한 네트워크 통신으로 작동가능하다. 따라서, 본 발명은 유체 질량유량 제어기의 작동방법에 있어서 다른 유체에 대해 유동 제한장치를 특정화하는 데이터 세트를 다양한 형태의 유체에 따른 제어기의 작동의 빠른 변경을 위해 네트워크를 통해 원격으로 얻을 수 있는 방법을 제공한다.
본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 첨부한 도면을 참조하여 이하에서 설명하는 다른 중요한 관점과 함께 본 발명의 전술한 이점 및 특징을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 유체 질량유량 제어기를 도시하는 개략도;
도 2는 도 1에 도시된 제어기의 종단면도로서 이에 조합된 유체 유동 회로를 도시하는 도면;
도 3은 본 발명에 따른 도 1 및 도 2의 유량 제어기에 사용된 유동 제한장치의 상세 단면도;
도 4는 0torr 내지 2,000torr의 비교적 저압 범위내의 유동 제한장치를 가로지른 압력차와 하류 압력의 함수로서 가스 유체의 질량유동율을 도시하는 도면;
도 5는 본 발명에 따른 유동 제한장치와 지지체의 다른 예를 도시하는 종단면도;
도 6은 유동 제한장치를 가로지른 압력차와 하류의 압력의 함수로서 유동 제한장치의다른 형태의 특성을 도시하는 도 4의 유사도; 및
도 7A 및 도 7B는 도 1 및 도 2에 도시된 유체 질량유량 제어기의 조작실행 단계를 도시하는 플로우차트이다.
이하의 설명에 있어서, 유사한 구성요소에는 동일 참조부호를 병기한다. 첨부한 도면은 설명을 위해 개략적으로 도시하였다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 유체 질량유량 제어기는 참조부호 "20"으로 나타내었다. 질량유량 제어기(20)는 각각 협력하는 평면(24a, 26a)에서 종래의 기계식 조임장치(28)에 의해 서로 결합되는 직사각형 블록 형상의 제1, 2 본체부(24, 26, a first and second body part)를 포함하는 2개 부분 본체(22, a two-part body)를 포함한다. 제 1, 2 본체부(24, 26)에는 반도체 제조에 사용되는 가스형태의 유독성 또는 반응성 유체를 공급하기 위한 시스템용 도관에 유체 질량유량 제어기를 접속시키기 위한 유체 도관 접속부(25, 27, fluid conduct connector portions)가 제공되어 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 질량유량 제어기(20)는 텅스텐 헥사플루오라이드, 클로린 또는 설퍼 헥사플루오라이드등과 같은 유체에 압력을 가하기 위한 압력 공급 용기(29)를 포함하는 제조 시스템에 개재될 수 있다. 압력 공급 용기(29)는 도관(30)을 통해 질량유량 제어기(20)에 접속되며, 퍼지 도관(32, a perge coduit)은 상기 도관(30)에 또한 접속되며 필요시 적절한 리시버(receiver) 또는 스크러브(scrubber)(34)로 유제 제어기를 퍼지시키기 위해 도시되지 않은 퍼지 가스 공급원(a source of purge gas)에 접속된다. 그러나, 질량유량 제어기(20)의 작동 동안, 유체의 정확한 유량을 도관(33)을 통해 반도체 제조 챔버(36) 또는 용기내로 도입하기 위해 제어된다. 제조 챔버(36)는 예를 들면 하나 이상의 진공펌프(37)에 의해 실질적으로 감압된 압력으로 유지된다. 도 2에 도시된 바와 같이 유량 제어기가 개재된 시스템은 유량 제어기의 하나의 바람직한 적용을 도시하기 위해 간략하게 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 제1 본체부(24)는 도시되지 않은 종래의 기계식 조임장치에 의해 제1 본체부(24)의 평면부(24b)에 탈착가능하게 장착된 전기 제어 유량 제어밸브(40)를 지지한다. 제어밸브(40)는 제1 본체부(24)의 내부 통로(42)로부터 제 1 본체부(24)의 제 2 내부 통로(44)로 스로틀 유체유동으로 작동가능한 전기작동 폐쇄부재(41)를 포함한다. 또한, 제어밸브(40)는 상기 폐쇄부재(41)용 액추에이터(43)를 포함한다. 액추에이터(43)는 폐쇄부재(41)의 빠른 응답 및 정밀도를 위해 솔레노이드 또는 압전 재료를 사용하는 형태가 바람직하다. 또한 제 1 압력 압력센서(46)가 제1 본체부(24)에 탈착가능하게 장착되어 통로(44)와 연통하는 제1 본체부(24)의 통로(47)와 연통한다. 제 2 압력 센서(48)는 제2 본체부(26)상에 탈착가능하게 장착되어 제조 챔버(36)로 인도되는 도관(33)에 접속되는 통로인 제1 본체부(6)의 길이방향 유로(50)내로 개구하는 통로(49)와 연통한다. 제1, 2 압력 센서(46, 48)는 하니웰 데이터 인스트루먼츠 디비젼사의 상업적으로 이용가능한 형태일 수 있다. 제어 밸브(40)와 제1, 2 압력 센서(46, 48)는 도 1의 질량유량 제어기(20)용의 제거가능한 커버(51)내에 배치될 수 있다.
도 3을 참조하면, 제1 본체부(24)는 본체내에 형성되며 유동 제한장치(56)를 수용하기 위한 통로(44)와 동심을 이루는 원통형 카운터보어(counterbore)(54)를 포함한다. 유동 제한장치(56)는 시일 링(62)사이의 카운터보어(54)에 지지된 관형 어댑터(60)에 장착될 수 있는 관형 슬리브(58)에 지지되어 있다. 따라서, 유동 제한장치(56)는 제1, 2본체부(24, 26)를 분리하는 것에 의해 2개 부분 본체(22)로부터 쉽게 제거될 수 있으며, 그의 지지 슬리브(58)와 함께 유동 제한장치를 제거하고 동일한 유동 특성 또는 선택된 다른 유동 특성의 적절한 제한장치로 유동 제한장치를 교체할 수 있다. 유동 제한장치(56)는 제1, 2 압력 센서(46, 48)에 의해 검지될 수 있는 압력차를 발생시키기에 충분한 유동을 허용하도록 설정된 기공도를 갖는 소결된 금속 원통형 플러그형상 부재를 포함한다. 유동 제한장치(56)는 스테인레스강 또는 소망 기공도와 유동 제한 특성을 제공하도록 적절하게 압축되고 소결된 니켈 입자로 제조될 수 있다. 유량 제어기(20)에서 유동 제한장치(56)는 제어밸브(40)의 하류에 배치된다.
도 1을 참조하면, 유량 제어기(20)는 EEPROM 메모리와 같은 비휘발성 메모리(72)에 작동가능하게 접속된 디지털 신호 압축기로 특정되는 디지털 신호 처리 프로세서를 포함하는 마이크로제어기(70), 전원(74) 및 적절한 밸브 구동회로(76)를 포함하는 제어회로 또는 시스템에 의해 작동된다. 마이크로제어기(70)는 구동기(76)에 의한 폐쇄부재(41)의 동작을 효과적으로 하기 위해 제어밸브(40)에 작동가능하게 접속되어 있다. 또한, 마이크로제어기(70)는 제1, 2 압력 센서(46, 48)에 작동가능하게 접속되어 있으며, 설정된 위치에서 제어기(20)를 통해 유동하는 유체의 온도를 검지하도록 위치될 수 있는 온도센서(78)에 작동가능하게 접속되어 있다. 또한, 마이크로제어기(70)는 다양한 공급원으로부터의 명령신호, 데이터 세트 및 프로그래밍 변경을 수신하기 위한 적절한 인터페이스(80)에 작동가능하게 접속되어 있다.
마이크로제어기(70)는 텍사스 인스트루먼츠 인코퍼레이티드사로부터 이용가능한 TMS320 LF2407 마이크로제어기가 바람직하다. 제1, 2 압력 센서(46, 48)는 자체의 A/D 및 D/A 컨버터를 수행하는 마이크로제어기(70)에 아날로그 입력으로서 14 내지 16비트 분해능(rsolution) 범위로 +/- 0.5볼트에서 작동한다. 다른 아날로그 입력은 온도 센서(78)에 대해 입력되며 12비트 분해능으로 명령 신호를 0 내지 5볼트 설정 포인트 명령 신호 입력이다. 또한, 마이크로제어기(70)는 구동기(76)를 통해 제어밸브(40)의 작동을 제어하기 위한 아날로그 출력 신호를 제공한다. 마이크로제어기(70)와의 통신은 RS4854-유선통신링크 및/또는 CAN(Controller Area Network)를 통해 이루어질 수 있다. 또한, 마이크로제어기(70)는 에뮬레이션(emulation)과 디벅(debug)용 JTAG 인터페이스 및 프로그래밍용 파워업 부트로더(powerup bootloader)를 지원할 수 있다. 메모리(72)는 적어도 4000바이트의 EEPROM이 바람직하다.
마이크로제어기(70)는 제1, 2 압력센서(46, 48)를 제어하기 위한 입력과 제어밸브(40)를 제어하기 위한 출력신호 사이에 초당 약 100배의 비율로 실행되는 폐루프 제어함수를 요구한다. 통신은 인터페이스(80)를 통해 실행되며, 제어 루프는 제어 루프 업데이트가 유지될 수 없을 때 메모리(72)에 새로운 데이터를 전송한다.
본 발명의 중요한 관점은 질량유량 제어기(20)의 정상 작동 범위를 발견하는 것으로, 유체 유동율은 제조 챔버(36)내의 압력에 실질적으로 대응하는 절대 하류 압력 뿐만 아니라 유동 제한장치(56)를 가로지른 압력차의 함수이다. 도 4는 유동 제한장치(56)를 가로지른 압력차(torr)의 함수 및 유로(50), 도관(33) 및 제조 챔버(36)내의 하류 압력(torr)의 함수로서 분당 표준 세제곱센티미터(SCCM)에서의 유동 특성을 나타낸다. 도 4는 유동 제한장치를 가로질러 유동하는 유체의 유동 특성을 도시하며, 압력 범위는 참조부호 "90"로 나타낸 3차원 면을 가질 수 있다. 유동 특성 또는 면(90)은 특정 온도에 대한 것이다. 도 4에 있어서, 유체에 대한 질량유량 특성(90)은 25℃에서 운영되었다. 도 4에 도시된 바와 같이, 저온에서 취해진 측정은 예를 들면 면(92, 94)으로 나타낸 유동 특성을 제공한다. 면 "92"로 나타낸 유동 특성은 면 "90"으로 나타낸 유동 특성에 대한 온도보다 낮은 온도에 대한 것이며, 상기 측정보다 낮은 온도인 면 "94"에 의해 결정된 유동 특성은 유동 특성 면 "92"를 발전시키기 위해 취해졌다.
또한, 도 4에 도시된 것으로부터, 유동 제한장치를 가로지른 질량유동율, 특히 도 4에 나타낸 압력범위는 하류 압력으로 변화한다. 예를 들면, 하류 압력이 약 0.0torr이고 유체 제한장치를 가로지른 압력차가 약 1575.0torr이면, 특정 제한장치에 대한 유동율은 약 280SCCM이다. 그러나, 하류 압력이 760.0torr(표준 대기압)이면, 유체 제한장치를 가로지른 동일 압력차에 대한 유동율은 약 500SCCM이다. 따라서, 유동 제한장치를 가로지른 가스형태의 유체 유동 거동은 유동 제한장치의 하류 압력 뿐만 아니라 온도 및 압력차에 의존한다.
다양한 온도, 유동 제한장치를 가로지른 압력차 및 하류 압력에서의 도 4에 나타낸 유동 특성은 유동 제한장치(56)와 같은 소결된 금속형 유동 제한장치에 대한 것이다. 선택적으로, 도 6 에 도시된 바와 같은 유사한 유동 특성이 25℃에서의 침상형 원형 오리피스(95)에 대해 나타난다. 도 4 및 도 6에 도시된 특정 유동 특성은 질소가스에 대한 것이지만, 다른 가스도 본 명세서에 기술된 유동 특성의 형태에 대해 도 4 및 도 5에 도시된 일반 유동 특성에 따라 작용하도록 나타난다.
따라서, 도 4 및 도 6에 따른 유동 특성은 제어기(20)와 같은 질량유량 제어 기와 접속되어 사용된 유동 제한장치의 특정 형태 및 반도체 제조에 사용된 처리 가스 또는 증기를 포함하는 액체 및 가스 형태의 다양한 유체에 대해 개발될 수 있다.
도 4의 면 "90, 92, 94"와 같은 3차원 유동 특성을 표시하는 데이터 점은 다양한 방식으로 개발되어 유량 제어기(20)의 메모리(72)내로 도입될 수 있다. 설정 포인트 모드에서 작동될 때 유량 제어기 마이크로제어기(70)는, 유동율이 마이크로제어기로의 명령 입력에 설정 포인트 또는 추적으로서 마이크로제어기(70)내로 프로그램될 때까지, 실제 유동율을 결정하기 위해 제1, 2 압력 센서(46, 48)에 의해 유동 제한장치를 가로지른 압력차를 검지하는 것에 의해 설정포인트에 접근하도록 유량 제어기(20)를 통한 유동을 조절하기 위해 제어밸브(40)의 작동을 명령하도록 프로그램될 수 있다. 특정 가스에 대해 면 "90, 92, 94"를 나타내는 데이터 포인트는 종래의 유동측정설비를 사용하여 얻어질 수 있다.
비율 변경 질량유량 측정장치가 데이터 포인트를 얻기위해 또한 사용될 수 있다. 더욱이, 이러한 유동 측정장치는 설계 사양서내의 유량 제어기(20)와 같은 유량 제어기의 작동을 입증하는데 사용될 수 있으며, 또한 설계 사양서내의 특정 유동 제한장치를 입증하는데 사용될 수 있다. 설계 사양서가 본 명세서에 기술된 형태의 유체 제어장치 및 유량 제어기에 대해 설계되면, 각각의 성능은 유독성 및 고반응성 가스가 각각 완성된 유량 제어기 또는 유동 제한장치의 검증 시험동안 사용되는 것이 요구되지 않도록 비율 변경 질량유량 측정장치 또는 질량유량 측정장치 및 불활성가스의 사용이 입증될 수 있다. 예를 들면, 데이터 포인트의 선택된 수는 제어기(20)와 같은 유량 제어기 또는 유동 제한장치(56)와 같은 유동 제한장치에 대해 대기인 배기압으로 30psig 불활성가스에서의 50, 100, 500 및 3,000 SCCM의 유동율에서 입증될 수 있다. 또한, 유량 제어기(20)의 설계 사양서를 나타내는 데이터 포인트는 전술한 비율 변경 유동 측정장치로 시험될 때 유량 제어기의 작동성을 입증하기 위해 메모리(70)내로 도입될 수 있다. 적절한 비율 변경 또는 상승률 질량유량 측정장치가 상업적으로 이용가능하다.
더욱이, 유체 질량유량 제어기(20)는 유량 제어기(20)와 동일한 형태의 제어기와 조합하여 시험된 어떠한 유체에 대한 데이터 공급원에 접속되는 네트워크를 구비한 인터페이스(80)를 통해 접속될 수 있다. 이 방식에 있어서, 유량 제어기(20)에 의해 제어되는 어떠한 가스는 적절한 프로세서에 기억된 데이터베이스를 즉시 조회하는 것에 의해 메모리(70)내로 도입된 그의 유동 특성을 가질 수 있다. 예를 들면, 유량 제어기(20)의 매각인은 폭넓은 가스에 대해 조합된 프로세서 및 메모리상에 기억된 선택된 데이터 세트를 가질 수 있으며, 데이터 세트 형태에 대응하는 각 데이터 세트는 유동 제한장치의 어떠한 한 형태에 대해 도 4 및 도 6에 도시된 유동 특성을 각각 제공할 것이다. 유량 제어기(20)와 같은 유량 제어기를 사용하고 특정 가스로 제어기를 사용하기를 원하는 고객은 예를 들면 인터넷과 같은 네트워크를 통해 마이크로제어기(70)와 그의 메모리(72)로 직접 필요한 데이터 세트를 공급 및 다운로드해줄 것을 즉시 매각인에게 요구할 수 있다.
마이크로제어기(70)의 작동은 도 7A 및 도 7B를 참조하여 이하에서 상세히 설명한다. 마이크로제어기 또는 프로세서(70)는 폐루프 제어 및 통신 기능을 실행하도록 작동가능하다. 폐루프 제어는 초당 100배의 비율로 실행되는 것이 바람직하며 상향(lookup) 테이블 또는 다항식 계산의 실행을 요구한다. 모든 코드는 "C"로 표기될 것이다. 마이크로제어기 또는 프로세서(70)의 기능은 도 7A의 플로우차트에 요약되어 있다. 도 7A에서의 단계 100은 프로세서(70)의 키 함수를 구동하기 위한 10 밀리초 인터럽트를 나타낸다. 단계 102에 있어서, 프로세서는 하류 압력 "XD1"의 64개의 샘플과 이들 샘플의 평균을 획득한다. 단계 104에 있어서, 프로세서는 상류 압력 "XD2"의 64개의 샘플과 이들 샘플의 평균을 획득한다. 단계 106은 소프트웨어 태그 "CV1＿SN"으로 나타낸 제어밸브(40)의 제어를 위한 아날로그 출력 신호의 32개의 샘플의 평균이다. 단계 108은 단계 110에서의 0 내지 5볼트 설정 포인트 명령 신호 입력의 32개의 샘플과 단계 112에서의 0 내지 5볼트 아날로그 출력신호의 32개의 샘플을 얻기 위한 신호 모드에서의 프로세서(70)의 작동을 나타낸다. 단계 114는 아날로그 입력이 지면에 쇼트될 때를 나타낸다. 단계 116은 TE1로 나타낸 온도 센서(78)로부터의 신호의 32개의 샘플과 이들 샘플의 평균을 얻는 프로세서를 나타낸다. 단계 118은 신호 입력을 압력, 유동 및 온도의 영어 유닛(English units)으로의 전환을 제공한다. 도 7A에서의 단계 120은 도 4의 면 "90, 92, 94"를 사용하는 유동 루틴의 계산의 실행이다. 새로운 프로세서는 단계 122에서 제어 모드로 진행한다.
도 7B는 예를 들면 각각의 작동 온도에 대해 면 "90, 92, 94"와 같은 3차원 지도의 세트를 사용하여 어떻게 유동 루틴의 계산이 실행되는지를 도시하며, 이에 의해 유동은 유동 제한장치(56)를 가로지른 압력차의 변화, 유통 유로(50)에서의 하류 압력 및 온도 센서(78)에 의해 검지된 온도의 함수로서 계산된다. 유동 설정은 하류 압력의 범위 전체에 걸쳐 이루어지며, 유동율은 유동 제한장치(56)에 대해 얻어진다. 이 데이터 세트는 3차원 곡선의 범위로 고정된다. 3차원 지도는 압력차 "XD2-XD1"로 지도화된 z축상의 유동, x축상의 유동 및 y축상의 방출 또는 하류 압력으로 지도화될 수 있다.
최고-비트 프로세스는 y축의 다양한 값에서 곡선을 발생시킨다. 대표적으로, x대 z의 곡선은 1, 50, 100, 300, 500 및 700torr와 같은 XD1에 대해 생성될 수 있다. 그 후, 프로세스는 다른 작동 온도에서 반복된다. 그 후, 측정 데이터는 유동 포인트로부터 프로세서에서 사용되는 고정된 포인트 양으로 지도화된다. 이들 테이블은 프로세서로 다운로드되며 유동 계산동안 불러낸다. 도 7B에서의 단계 124의 측정 데이터를 얻는 것은 센서(78)에 의해 검지된 온도 상하에 가장 가까운 온도에서의 측정 지도 또는 면을 얻는 것에 의해 실행된다. 단계 126 및 128에서의 유동은 측정 데이터(CAL DATA)에서의 2개의 곡선에 대한 압력차 "XD2-XD1"을 내삽하는 것에 의해 계산된다. 현재 측정 온도에서의 유동은 측정 유동 데이터 포인트 사이에 내삽하는 것에 의해 계산된다. 단계 130 및 132에서 현재 측정 데이터에서의 유동은 XD1 값에 의한 Flow(0)과 Flow(i) 및 Flow(0)와 Flow(1)에 대한 y축 값 사이에 내삽하는 것에 의해 계산된다. 유동은 TE1의 값으로 Flow@Temp(0)과 Flow@Temp(1) 사이에 내삽하는 것에 의해 계산되며 2개의 측정 데이터 세트에 대한 온도가 선택된다.
도 5를 참조하면, 전술한 바와 같이 유동 제한장치(56)는 다른 유동 제한장치 및 관련된 장치와 조합하여 작동될 수 있다. 유동 제한장치(56)는 예를 들면 면 시일 접합고정부(110)와 같은 종래의 고정으로 탈착가능하게 장착될 수 있다. 고정부(110)는 원통형 플러그 유동 제한장치(56)와 그의 관형 지지 슬리브(58)를 수용하기 위한 보어(114)를 제공하도록 한쪽 단부에서 카운터보어된 길이방향 관통통로(112)를 포함한다. 슬리브(58)는 보어(114)내에 가벼운 압력으로 고정될 수 있다. 유량 제어기(20)와 조합하여 사용하기 위한 유동 제한장치는 약 0.18인치의 직경과 약 0.18인치의 길이를 갖는 원통형 플러그일 수 있으며, 다공성 소결 스테인레스강, 니켈 또는 하스텔로이 C-22의 형태일 수 있다. 고체 강 슬리브(58)는 316L 스테인레스강 형태일 수 있다. 유동 제한장치(56)의 제조 허용오차는 예를 들면 30psig의 제한장치의 하류 압력에서 50, 100, 500 및 3,000SCCM의 질량유동율을 입증하는 것에 의해 입증될 것을 요구할 수 있다.
따라서, 측정 또는 측정 전환 인자는 유동 제한장치(56) 또는 유량 제어기(20)에 대해 필요하지 않다. 사용시, 유량 제어기(20) 및/또는 유동 제한장치(56)는 전술한 비율 변경 유동측정장치 또는 유사한 장치를 사용하는 이들 장치를 통하여 불활성가스의 설정된 양을 유동시키는 것에 의해 작동성을 얻도록 입증될 수 있다. 유동 제한장치 및/또는 유량 제어기는 각각의 장치가 예를 들면 도 4에 도시된 것과 같은 유동 특성에 따라 실행되는 것을 보증하도록 위치되거나 또는 복귀될 수 있다.
질량유량 제어기(20)와 유동 제한장치(56)의 구성 및 작동 뿐만 아니라 전술한 설정과 같이 유량 제어기의 작동 방법은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자에 의해 쉽게 이해될 것이다. 더욱이, 유량 제어기(20)는 유량계로서 기능하며, 설정 포인트 조건으로 유체 유동율을 제어하기 위한 유량계로서 사용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예를 기술하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자에 의해 첨부한 특허청구범위의 기술사상을 일탈하지 않는 범위내에서 다양한 변형 빛 변경이 가능하다.

Claims (32)

  1. 공정에 따라 유체의 유동을 제어하기 위한 유체 질량유량 제어기(20)에 있어서,
    유체 유로(50)를 포함하는 제1, 2 본체부(24, 26)를 갖는 2개 부분 본체(22);
    상기 2 개 부분 본체내의 유로에 개재된 유동 제한장치(56);
    상기 유동 제한장치의 상기 유체 유로의 상류 유로내의 유체 압력을 검지하기 위한 제1 본체부(24)에 위치한 제1 압력 센서(46)와 상기 유동 제한장치의 상기 유체 유로의 하류 유로내의 유체 압력을 검지하기 위한 제2 본체부에 위치한 제2 압력 센서(48);
    상기 질량유량 제어기(20) 통과하는 유체의 온도를 검지하기 위한 온도 센서(78);
    상기 유로를 통과하는 유체의 유동을 제어하기 위한 상기 유동 제한장치(56)의 상류에 있는 제어 밸브(40); 및
    상기 유동 제한장치(56)를 통과하는 압력차와 상기 유동 제한장치(56)의 상기 유로 하류 유로내의 유체 압력을 검지하는 것에 기초하여 상기 유량 제어기를 통과하는 유체의 질량유량을 제어하기 위해 상기 제어 밸브(40) 및 상기 제1, 2 압력 센서(46, 28)에 작동가능하게 접속된 제어 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 질량유량 제어기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 회로는 유동 제한장치(56)는 상기 제1, 2 압력 센서(46, 48), 상기 온도 센서(78), 상기 제어 밸브(40) 및 상기 유동 제한장치(56)를 통과하는 상기 제1, 2 압력센서(46, 48)에 의한 압력차의 값, 유로(50)와 도관(33)과 제조 챔버(36)에 관련된 하류 압력 및 온도 센서(78)에 검지된 온도값에서 유체의 유동 제한장치(56)를 통과하는 질량유량을 지정하는 데이터를 포함하는 메모리(72)에 작동가능하게 접속된 마이크로제어기(70)를 포함하며,
    상기 마이크로제어기(70)는 1) 압력차, 하류 압력 및 온도의 특정 조건에서 상기 유동 제한 장치(56)를 통과하는 상기 유체의 유동율을 표시하는 출력 신호; 및 2) 인터페이스(80)와 연결된 메모리(72)에서 설정된 유체 유동율로 상기 유량 제어기(20)를 통해 유동하는 상기 유체의 유동을 제한하도록 상기 제어 밸브(40)를 작동시키는 것 중 하나 또는 둘 모두를 제공하도록 작동가능한 것을 특징으로 하는 유체 질량유량 제어기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 인터페이스(80)는 설정된 온도에서 공지의 유체의 질량유량에 대해 상기 유량 제어기(20)내의 상기 유동 제한장치의 하류 압력과 상기 유동 제한장치(56)를 통과하는 압력차에 대한 유체 질량유동율의 데이터를 수신하기 위해 상기 마이크로제어기(70)에 작동가능하게 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 유체 질량유량 제어기.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 유동 제한장치(56)는 다공성 플러그를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 질량유량 제어기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 유동 제한장치(56)는 설정된 기공도를 갖는 소결된 금속 플러그를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 질량유량 제어기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 유동 제한장치(56)를 통과하는 압력차를 검지하는 상기 설정된 기공도는 상기 유동 제한장치의 설정된 상류 압력과 상기 유동 제한장치의 설정된 하류 압력에서 공지의 유체의 질량유동율에 대응하는 것을 특징으로 하는 유체 질량유량 제어기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 2개 부분 본체(22)는 제 1 본체부(24)와 상기 제 1, 2 본체부와의 결합면(24a, 26a)에서 상기 제 1 본체부에 탈착가능하게 접속되는 제 2 본체부(26)를 포함하며, 상기 유동 제한장치(56)는 카운터보어(54)가 형성된 상기 본체부중의 하나에 장착되어 상기 제, 2 본체부(24, 26)가 서로 분리됨에 따라 제거가능한 것을 특징으로 하는 유체 질량유량 제어기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제1, 2 압력 센서(46, 48)중의 하나는 상기 제 1 본체부(24)상에 장착되며, 상기 제1, 2 압력 센서(46, 48)중의 다른 하나는 상기 제 2 본체부(6)상에 장착되며, 상기 제1, 2 압력 센서(46, 48)의 각각은 상기 제1, 2본체부(24, 26)내의 통로(44)와 교차하는 통로(47)와 연통하는 것을 특징으로 하는 유체 질량유량 제어기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제어 밸브(40)는 상기 제 1 본체부(24)상에 장착되며 통로(42)에 개재된 폐쇄부재(41)를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 질량유량 제어기.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 회로는 디지털 신호 처리 프로세서를 포함하는 마이크로제어기(70), 상기 디지털 신호 처리 프로세서를 포함하는 마이크로제어기(70)에 접속된 메모리(72), 상기 제어 밸브(40)와 상기 마이크로제어기(70) 사이에 개재된 밸브 구동 전원(74) 및 상기 마이크로제어기(70)에 데이터나 명령 또는 이들 모두와 통신하기 위한 하나 이상의 네트워크에 접속되는 인터페이스(80)를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 질량유량 제어기.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 메모리(72)는 상기 유동 제한장치(56)를 통과하는 최대 압력과 최소 압력 사이의 압력 관계에 대한 특정 유체의 주어진 온도와 상기 유동 제한장치의 하류에서의 유체의 압력 범위에 기초하여 설정된 질량유동율을 나타내는 데이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 질량유량 제어기.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 유동 제한장치(56)를 통과하는 전후의 압력차와 상기 유동 제한장치의 상기 유로 하류에서 압력 범위에 기초하여 상기 특정 유체의 다수의 온도에서의 설정된 질량유동율을 나타내는 복수의 데이터를 상기 메모리(72)내에 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 유체 질량유량 제어기.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 유동 제한장치(56)를 통과하는 전후의 압력차와 상기 유동 제한장치의 상기 유로 하류에서 압력 범위에 기초하여 주어진 온도에서의 설정된 질량유동율을 나타내는 복수의 데이터 세트를 상기 메모리(72)내에 포함하며,
    상기 복수의 데이터는 각각 다수의 유체에 대응하는 것을 특징으로 하는 유체 질량유량 제어기.
  15. 공지된 유체의 질량유량을 측정하기 위한 유체 유량계에 있어서,
    유체유로(50)를 포함하는 제1, 2 본체부(24, 26)를 갖는 2개 부분 본체(22);
    상기 2개 부분 본체내의 상기 유로에 개재된 유동 제한장치(56);
    상기 유동 제한장치의 상기 유체 유로의 상류 유로내의 유체 압력을 검지하기 위한 제1 본체부(24)에 위치한 제1 압력 센서(46)와 상기 유동 제한장치의 상기 유체 유로의 하류 유로내의 유체 압력을 검지하기 위한 제2 본체부에 위치한 제2 압력 센서(48);
    상기 유동 제한장치(56)를 통과하는 유체의 온도를 검지하기 위한 온도 센서(78); 및
    상기 제1, 2 압력 센서(46, 48) 각각에 의해 지된 유체 압력의 차에 의해 결정된 상기 유동 제한장치(56)를 통과하는 압력차, 상기 유동 제한장치의 유로 하류에서의 유체 압력 및 상기 유동 제한장치(56) 통과하여 유동하는 상기 유체의 온도에 기초하여 상기 유체 유량계를 통과하는 유체의 질량유량을 측정하는 상기 제1, 2 압력 센서(46, 48) 및 상기 온도 센서(78)에 작동가능하게 접속된 제어 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 유량계.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제어 회로는 디지털 신호 처리 프로세서를 포함하는 마이크로제어기(70)와 상기 상기 디지털 신호 처리 프로세서를 포함하는 마이크로제어기(70)에 접속된 메모리(72)가 상기 유동 제한장치(56)를 통과하는 최대 압력과 최소 압력 사이의 압력 관계에 대한 특정 유체의 주어진 온도와 상기 유동 제한장치의 하류에서의 유체의 압력 범위에 기초하여 설정된 질량유동율을 나타내는 데이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 유량계.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 유동 제한장치(56)를 통과하는 전후의 압력차와 상기 유동 제한장치의 상기 유로 하류에서 압력 범위에 기초하여 상기 특정 유체의 다수의 온도에서의 설정된 질량유동율을 나타내는 복수의 데이터를 상기 메모리(72)내에 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 유체 유량계.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 유동 제한장치(56)를 통과하는 전후의 압력차와 상기 유동 제한장치의 상기 유로 하류에서 압력 범위에 기초하여 주어진 온도에서의 설정된 질량유동율을 나타내는 복수의 데이터 세트를 상기 메모리(72)내에 포함하며,
    상기 복수의 데이터는 각각 다수의 유체에 대응하는 것을 특징으로 하는 유체 유량계.
  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 삭제
  22. 삭제
  23. 공정에 따라 유체의 유동율을 제어하기 위한 방법에 있어서,
    제1, 2 본체부(24,260를 갖는 2개 부분 본체(22)를 구비하는 유체 질량유량 제어기(20), 상기 2개 부분 본체(22)를 통과하는 유체 유로(50), 상기 유체 유로(50)내에 개재된 유동 제한장치(56), 상기 유체 유로내의 상기 유동 제한장치의 상류 유체 압력을 검지하기 위한 상기 제1 본체부(24)에 위치한 제 1 압력 센서, 상기 유동 제한장치의 하류 유체 압력을 검지하기 위한 상기 제2 본체부(26)에 위치한 제 2 압력 센서 및 상기 유체 유로와 상기 유동 제한장치를 통과하는 유체의 유동을 제어하기 위한 제어 밸브(40)를 제공하는 단계;
    상기 제1, 2 압력 센서(46, 48)로 상기 유체 유로를 통해 유동하는 유체의 압력을 측정하는 단계;
    상기 유동 제한장치(56)를 통과하는 전후의 압력차에 기초하여 유체 질량유량 제어기(20)를 통과하여 유동하는 유체의 질량유동율을 결정하는 단계; 및
    상기 유체 유로를 통해 유동하는 유체의 질량유동율이 상기 유체의 질량유동율의 설정 포인트가 될 때까지 상기 유체 유로를 통과하는 유체의 유동을 변경시키도록 상기 제어 밸브(40)를 작동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체의 유동율 제어방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 압력 측정 공정은 760torr 내지 0torr의 범위에서 실행되는 것을 특징으로 하는 유체의 유동율 제어방법.
  25. 제 23 항에 있어서,
    상기 유체 유로를 통과하여 유동하는 유체의 질량유동율은 상기 유동 제한장치(56)을 통과하는 상기 압력차, 상기 제 2 압력 센서(48)에 의해 측정된 상기 압력, 및 상기 온도 센서(78)에 의해 측정된 상기 온도를 유동 제한장치(56)를 통과하는 압력차, 유로(50)와 도관(33)과 제조 챔버(36)에 관련된 하류 압력 및 공지 유체의 질량 유량을 측정하는 온도에 기초한 설정된 질량유동률의 데이터를 비교하는 것에 의해 결정되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체의 유동율 제어방법.
  26. 제 23 항에 있어서,
    상기 유동 제한장치(56)를 통과하는 압력차를 상기 측정된 온도에서의 상기 제 2 압력 센서(48)에 의해 측정된 상기 압력과 비교하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체의 유동율 제어방법.
  27. 제 23 항에 있어서,
    선택된 유체를 상기 유동 제한장치(56)를 통과하여 유동시키고, 다중 하류 압력 및 다중 온도에서의 상류 및 하류 압력을 측정하므로써 유체 질량유량 제어기(20)에 의해 제어되도록 선택된 유체의 질량유동율 데이터를 획득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체의 유동율 제어방법.
  28. 제 27 항에 있어서,
    변화율 측정장치를 사용하여 상기 유체의 유동율을 측정하는 것을 특징으로 하는 유체의 유동율 제어방법.
  29. 유체의 질량유동율을 측정하기 위한 방법에 있어서,
    유체 유로(50)와 이에 개재된 유동 제한장치(56)를 포함하는 2개 부분 본체(22)를 제공하는 단계;
    상기 유로를 통해 상기 유체를 유동시키고 상기 유동 제한장치(56)의 상류 및 하류 유로를 통과하여 유동하는 유체의 압력을 측정하는 단계; 및
    상기 유동 제한장치(56)를 통과하여 유동하는 유체의 압력차와 상기 유동 제한 장치의 상기 유동 제한장치의 하류 압력을 상기 유동 제한장치(56) 전후의 압력차와 유로(50)와 도관(33)과 제조 챔버(36)에 관련된 하류 압력에 대해 유체 유로을 통하여 유동하는 유체의 질량유동률의 데이터를 비교하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체의 질량유동율 측정방법.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 유동 제한장치의 하류 압력은 0torr 내지 760torr의 범위내인 것을 특징으로 하는 유체의 질량유동율 측정방법.
  31. 제 29 항에 있어서,
    상기 2개 부분 본체(22), 상기 유로내의 상기 유동 제한장치(56)의 상류 유체 압력을 검지하기 위한 제 1 압력 센서(46) 및 상기 유동 제한장치(56)의 상기 유로 하류내의 압력을 검지하기 위한 제 2 압력 센서(48)를 포함하는 유체질량 유량계를 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체의 질량유동율 측정방법.
  32. 제 29 항에 있어서,
    상기 유동 제한장치(56)를 통과하는 압력차와 상기 유동 제한장치(56)의 상기 유로 하류내의 상기 압력을 상기 측정된 온도 상하의 선택된 온도에 대한 질량유동율의 데이터와 비교하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체의 질량유동율 측정방법.
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