KR100937726B1 - 질량 유량 장치를 구성 및 사용하기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

1종 이상의 유체와 함께 사용하기 위한 질량 유량 장치(21)를 구성하기 위한 시스템 및 방법이 제공된다. 상기 방법은 주어진 리스트릭터(114)에 대하여 계산되는 유체의 유체 거동 데이터를 얻는 것을 포함한다. 프로세서(130), 리스트릭터(114) 및 하나 이상의 센서(46, 48)와 같이, 장치(21)에 사용되는 구성품에 대한 패러미터는 계산을 위해 요구되는 수정을 정하기 위하여 얻어진다. 리스트릭터(114)와 구성품 패러미터는 상기 장치(21)에 대한 동작 패러미터를 결정하기 위하여 유체 거동 데이터와 함께 처리된다. 상기 동작 데이터는 장치(21)에 다운로드되어 프로세서(130)가 상기 유체의 유량을 모니터 및 제어할 수 있게 한다. 상기 장치(21)가 올바르게 기능하고 있음을 보증하기 위하여 검증 시험이 수행될 수 있다.

Description

질량 유량 장치를 구성 및 사용하기 위한 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR MAKING AND USING A MASS FLOW DEVICE}
본 발명은 일반적으로 플로우 시스템, 보다 구체적으로는 질량 유량 장치(mass flow device)를 구성하고 사용하기 위한 방법에 관한 것이다.
정밀한 유체 질량 유량 컨트롤러, 특히 반도체 소자의 제조시에 사용되는 유독성 및 반응성이 큰 가스와 같은 유체의 질량 유량을 제어하기 위한 흐름 컨트롤러를 개발하기 위한 노력이 이루어져 왔다. 반도체 제조 분야에서, 엣칭 및 증착 공정에서 여러 가지 종류의 가스가 사용된다. 이들 가스는 인간에게 유독성이 있을 수 있으며, 주변의 대기 상태에 노출되는 경우 반응성이 클 수도 있다. 상기한 종류의 유체의 유량을 측정 및 제어하는 질량 유량 컨트롤러가 개발되어 왔는데, 유량의 측정은 유체의 열적 성질에 기반을 두고 이루어진다. 플로우 리스트릭터(flow restrictor) 또는 오리피스에 걸친 압력차를 측정하는 것에 기반을 두고 있는 다른 종류의 유체 질량 유량 컨트롤러가 개발되어 왔다. 본 발명에 해당하는 종류의 종래의 유체 질량 유량 컨트롤러의 정밀도는 유량 컨트롤러를 적용하는 많은 용례에 있어서 적당하지 않다.
여러 반도체 제조 프로세스에서는 매우 정밀한 양의 유체(주로 가스)를 프로 세스 챔버 내로 방출하는 것을 필요로 할 수 있다. 예를 들면, 분당 20리터 정도로 큰 유량으로터 분당 세제곱 센티미터(CCM; cubic centimeter per minute)의 수십분의 1 정도로 낮은 유량 범위의 유량이 필요할 수도 있다. 더욱이, 반도체 제조시에 반응성 가스를 제어하는 데에 사용되는 유량 컨트롤러의 응답 시간 및 안정화 속도(stabilization rate)는, 상기 컨트롤러가 1초 미만, 바람직하게는 1초보다 훨씬 작은 시간 내에, 요구되는 유량에서, "온(on)" 신호에 반응할 수 있고 안정화될 수 있을 것을 요구할 수도 있다. 상기 프로세스 자체는 수 초 내지 수 시간에 걸쳐 어디서나 지속될 수도 있다. 현재의 유체 질량 유량 컨트롤러가 이러한 속도로 반응 및 안정화할 수 있는 능력은 달성하기가 어렵다.
종래의 압력 센서 및 이러한 센서를 이용하는 종래의 유체 질량 유량 컨트롤러와 관련된 다른 문제점은 그 구조에 있어서 고유한 사공간(dead space)의 크기이다. 통상, 이러한 질량 유량 컨트롤러는 각 압력 트랜스듀서와 관련된 중공의 챔버 내로 개방되는 단일의 입구/출구 포트를 갖고 있다. 따라서, 상기 중공 챔버의 일부 영역에서의 유체 흐름은 심하게 구속받을 수 있어, 스위프되지 않은 내적(unswept internal volume)은 커지고, 습기 건조 비가동 시간은 길어지며, 정화능력(purgability)은 떨어지게 된다.
종래의 유체 질량 유량 컨트롤러와 관련된 다른 문제점은 여러 가지 프로세스 유체에 대하여 상기 컨트롤러를 교정(calibration)해야 한다는 것이다. 종래의 유체 질량 유량 컨트롤러는 통상, 환산 인수(conversion factors) 또는 환산 데이터 셋트의 전개를 필요로 하는 불활성 또는 비독성 교정 유체를 사용하여 교정된 다. 각 컨트롤러 기구를 교정하기 위해 반응성이 크거나 독성이 있는 유체를 사용하는 것은 상당한 비용이 소요되고, 조작자에게 위험하기 때문에, 종래의 질량 유량 컨트롤러는 통상, 질소 또는 아르곤과 같은 불활성 유체 또는 질량 유량 컨트롤러에 의해 제어되는 프로세스 유체의 성질과 유사한 성질을 갖고 있는 유체 상에서 교정된다. 교정 유체 및 환산 인수를 이용하는 이러한 프로세스는 질량 유량 컨트롤러의 동작에 에러를 도입하고, 시간 소모적이며 따라서 비용이 비싸다. 종래의 질량 유량 컨트롤러의 비정확성, 초기 셋업 중에 그리고 교체 과정시 컨트롤러를 교정하는 데에 필요한 비용 및 시간은, 반도체 소자의 제조를 비롯한 많은 제조 프로세스에 비용을 실질적으로 추가시키고, 따라서 유체 질량 유량 컨트롤러에 대한 소정의 개선이 크게 요망되고 있다.
따라서, 압력 센서 및 이러한 센서를 포함하는 유체 질량 유량 컨트롤러, 특히 전술한 것과 같은 제조 프로세스에서 사용되는 종류의 것에 대하여 여러 가지 요망 사항이 확인되고 있다. 이러한 요망 사항으로는, 컨트롤러 셋포인트의 수 퍼센트(1 퍼센트 미만이 바람직함) 내에서의 컨트롤러 정밀도; 열 기반 질량 유량 컨트롤러에서 경험할 수 있는 것과 같이, 정밀도의 상실 없이, "통상"의 온도보다 높거나 낮은 온도 및 여러 위치 또는 자세(즉, 똑바른 자세, 옆으로 향한 자세 또는 뒤집어진 자세)에서의 동작; 넓은 범위의 유량에 걸쳐 정밀한 측정 및 제어; 동작 시작부터 안정된 흐름 상태를 달성할 때까지의 빠른 응답 시간; 제조의 경제성; 상기 유량 컨트롤러의 보수가 용이하도록 하고, 제조 프로세스에 대하여 유체 흐름 분배 시스템으로부터 유량 컨트롤러를 변경하는 것을 용이하게 하는 복잡하지 않은 모듈형 기계 구조 등이 있다. 유체 질량 유량 컨트롤러에서 요구되는 다른 특징으로는, 제조 시점에서 각 완성된 컨트롤러 기구를 교정해야 한다든지 또는 보수 후 그 기구를 재교정할 필요가 없을 것, 신뢰성 있고 쉽게 상호 교환 가능한 플로우 리스트릭터 또는 오리피스 부품의 제공, 플로우 리스트릭터로부터의 변경 또는 보수 후 유량 컨트롤러의 동작성 및 정밀성의 용이한 확인, 각종의 유독성 및/또는 반응성 유체, 특히 반도체 제조 프로세스에서 사용되는 가스 형태의 수백 종류의 유체에 대하여 정밀하게 유량을 제어할 수 있는 능력, 상이한 가스들 또는 액체 형태의 유체에 대하여 유량에 대한 컨트롤러 작업 데이터의 용이한 변경 등이 있다.
따라서, 다양한 범위의 압력 및 온도에 걸쳐 1종 이상의 유체를 정밀하게 측정 또는 제어할 수 있는 질량 유량 장치를 구성하는 방법 및 시스템에 대한 요구가 있다.
적어도 1종의 유체와 함께 사용하기 위한 질량 유량 장치를 구성하는 신규의 방법 및 시스템에 의해 기술적 진보가 제공된다. 한 가지 실시 형태에서, 상기 방법은 옵셋 패러미터(offset parameters)와 연관되어 있는 리스트릭터를 선택하는 것을 포함한다. 상기 옵셋 패러미터는 상기 유체와 연관된 거동 데이터(behavioral data)와 함께 처리되어 장치 패러미터(device parameters)를 생성한다. 상기 장치 패러미터는 상기 장치 내로 다운로드되어, 그 장치가 소정의 환경 조건 범위에 걸쳐 유체의 유량을 모니터링할 수 있도록 해준다.
다른 실시 형태에서, 질량 유량 장치에 정보를 제공하는 방법은 리스트릭터 와 연관된 리스트릭터 정보, 적어도 1개의 센서와 연관된 센서 정보를 확인(식별)하는 것을 포함한다. 상기 리스트릭터 정보 및 센서 정보는 각각 리스트릭터와 센서의 성질을 규정한다. 유체와 연관된 거동 정보가 확인된다. 확인된 리스트릭터 정보 및 센서 정보는 상기 거동 정보와 함께 처리되어 상기 장치에 대한 동작 데이터를 생성하여, 상기 장치가 유체를 제어할 수 있게 한다. 상기 동작 데이터는 상기 장치에 억세스 가능한 메모리에 저장된다.
다른 실시 형태에서, 적어도 1종의 유체의 유량을 제어하는 장치는 유체의 유량을 구속하는 리스트릭터와, 프로세서와, 이 프로세서에 억세스 가능하며 상기 유체 유량을 제어하는 밸브와, 상기 유체 유량을 나타내는 유량 데이터를 생성하는 적어도 1개의 센서와, 상기 프로세서에 억세스 가능한 메모리를 포함한다. 상기 메모리는 상기 리스트릭터와 센서 및 유체와 관련된 장치 데이터, 상기 프로세서에 의해 처리하기 위한 명령어(instructions)를 포함한다. 상기 명령어는 상기 센서로부터 유량 데이터를 수신하고, 수신된 유량 데이터 및 장치 데이터에 기초하여 유량을 계산하며, 상기 밸브를 작동시키기 위한 것이다. 작동의 정도는 계산된 유량과 연관되어 있다.
도 1은 유량 컨트롤러를 구성하기 위한 예시적인 방법의 흐름도이다.
도 2 내지 도 6은 도 1의 방법을 이용하여 조립될 수 있는 예시적인 질량 유량 컨트롤러 및 여러 가지 구성품을 보여준다.
도 7은 도 2 내지 도 6의 질량 유량 컨트롤러를 구성하기 위한 방법의 다른 실시 형태를 보여주는 흐름도이다.
도 8은 도 7의 방법에 따라 유체 거동 데이터를 얻기 위한 방법을 보여주는 흐름도이다.
도 9는 도 8의 방법에 의해 얻을 수 있는 예시적인 유체의 거동 특성을 보여주는 3차원 그래프이다.
도 10은 도 7의 방법에 따라 특정의 구성품 패러미터를 얻기 위한 특정 방법을 보여주는 흐름도이다.
도 11은 도 7의 방법에 따라 센서를 특징지우기 위한 특정 방법을 보여주는 흐름도이다.
도 12는 도 7의 방법에 따라 리스트릭터를 특성화시키기 위한 특정 방법을 보여주는 흐름도이다.
도 13은 도 12의 방법에 의해 얻을 수 있는 예시적인 데이터 포인트를 보여주는 그래프이다.
도 14는 특정 유체 및 유량에 대한 도 2 내지 도 6의 유량 컨트롤러의 조립을 요약하는 흐름도이다.
본 발명은 전체적으로 플로우 시스템, 특히 질량 유량 장치를 구성하고 사용하기 위한 방법에 관한 것이다. 그러나, 이하의 설명은 본 발명의 다른 특징들을 실행하기 위한 많은 다른 실시 형태 또는 예를 제공하기 위한 것이라는 점을 이해하여야 한다. 본 발명을 단순화하기 위하여 구성품 및 구조의 특정예를 설명한다. 이들은 물론, 단순한 예이고, 제한적인 것이 아니다. 또한, 본 명세서에서는 여러 예에서 도면 부호 및/또는 문자를 반복한다. 이러한 반복은 단순함 및 명료함을 위한 것이고, 그 자체로 여러 가지 실시 형태 및/또는 논의한 구성 사이의 관계를 구술하는 것은 아니다.
도 1을 참조하면, 유량 제어 장치(도 2 내지 도 6)를 구성하기 위한 방법(10)이 도시되어 있다. 상기 방법(10)은 유량 측정 장치와 같이 유체 유량 시스템에서 사용되는 다른 장치 또는 구성품에도 똑같이 적용될 수 있다는 점을 이해하여야 한다. 이하에서 보다 상세하게 설명하는 바와 같이, 상기 유량 제어 장치는 유체의 거동에 영향을 미칠 수도 있는 소정의 환경 조건 범위에 걸쳐 1종 이상의 유체의 유량을 제어하도록 동작 가능하다. 예를 들면, 유체의 압력 및/또는 온도의 변화, 상기 장치의 입력 압력 및 출력 압력의 변화는 상기 장치를 통과하는 유체의 유량에 영향을 미칠 수도 있다. 더욱이, 1종의 유체의 거동은 유체가 갖고 있는 성질의 차이로 인하여, 다른 유체의 거동과는 다르게 변할 수도 있다. 따라서, 상기 장치가 특정 유체에 대하여 원하는 유량을 유지하도록 하기 위한 것이라면, 상기 장치는 이들 변화에 응답하여 상기 유체 유량을 조정하여야 한다.
상기 방법(10)의 단계(12)에서, 유체 거동 데이터는 상이한 압력 및/또는 온도에서 유체의 거동을 실험적으로 결정함으로써 컴파일된다. 예를 들면, 데이터는 압력이 진공(예컨대, 0 psi(pound per square inch) 또는 0 torr)에서 1기압(예컨대, 14.7 psi 또는 760 torr)까지 증가함에 따라 여러 압력 지점에서 얻어질 수 있다. 유체의 거동을 더욱 규정하기 위하여 여러 온도 지점에서 추가의 데이터를 얻 을 수도 있다.
단계(12)에서 유체 거동 데이터가 컴파일된 후에, 상기 방법(10)은 단계(14)로 이어지는데, 여기서 센서 및 리스트릭터와 같은 유량 제어 장치의 여러 구성품에 대한 패러미터가 얻어질 수 있다. 이하에서 보다 상세하게 설명하는 바와 같이, 센서는 유체 흐름의 어떤 성질들(예컨대, 압력 또는 온도)이 검출될 수 있도록 해주고, 리스트릭터는 미리 규정된 리스트릭터 성질에 따라 유체 흐름을 변경시키는 역할을 한다. 본 예에서, 복수 개의 센서 및 리스트릭터에 대한 패러미터가 얻어지고 이들 패러미터는 특정의 센서 또는 리스트릭터와 연관된다. 예컨대, 주어진 리스트릭터에 대한 패러미터 셋트가 얻어진 다음에, 데이터베이스에서, 리스트릭터에 할당된 독특한 일련 번호와 연관된다.
단계(16)에서, 유량 제어 장치에 사용하기 위한 리스트릭터와 하나 이상의 센서가 선택된다. 각 센서 및 리스트릭터는 패러미터 셋트와 연관되어 있기 때문에, 선택된 구성품의 거동은 알려져 있고, 그러한 선택을 할 때에 특별한 주의는 요구되지 않는다. 단계(18)로 이어지면, 상기 리스트릭터의 패러미터는 유체 거동 데이터와 함께 처리된다. 다른 실시 형태에서, 상기 센서 패러미터 역시 유체 거동 데이터와 함께 처리될 수 있다. 본 예에서, 상기 유량 제어 장치는 단일의 유체와 함께 사용하기 위한 것이지만, 복수 종의 유체에 대한 유체 거동 데이터가 처리될 수도 있다는 것에 유의하여야 한다. 상기 처리의 결과, 상기 유체와 관련하여 유량 제어 장치의 거동을 규정하는 장치 패러미터가 얻어진다. 이 장치 패러미터는 상기 장치(예컨대, 상기 장치에 억세스 가능한 메모리)에 다운로드될 수 있 다. 따라서, 하나 이상의 밸브를 사용함으로써, 상기 장치는 상기 센서와 리스트릭터 및 유체 사이의 알려진 관계를 이용하여 유체의 유량을 제어할 수 있다. 상기 방법(10)은, 상기 센서/리스트릭터 패러미터 및 유체의 거동 데이터가 알려져 있는 한, 상이한 센서/리스트릭터 조합을 이용하여 상기 장치를 만들 수 있도록 해주고, 그 장치가 여러 종류의 상이한 유체와 함께 동작할 수 있도록 해준다.
도 2를 참조하면, 도 1의 방법(10)을 이용하여 만들어 질 수 있는 것과 같은 유체 질량 유량 컨트롤러(21)가 도시되어 있다. 상기 질량 유량 컨트롤러(21)는 두 부분 모듈형 몸체(two-part modular body)(22)를 포함하며, 이 모듈체는 전체적으로 사각인 블록형의 제1 및 제2 몸체부(24, 26)를 포함하고, 이들 몸체부는 평탄한 공동면(24a, 24b)에서 각각 종래의 기계식 파스너(도시 생략)에 의해 서로 적절하게 연결될 수 있다. 상기 몸체부(24, 26)에는, 반도체 제조 시스템(29)(도 3)과 같이, 예컨대 반도체 제조시에 사용하기 위한 가스 형태의 유독성 또는 반응성 유체를 공급하기 위한 유체 공급 시스템의 적당한 도관과 연결하기 위하여 각각 적당한 커넥터(25, 27)가 제공된다.
예로써 그리고 도 3에 도시된 바와 같이, 질량 유량 컨트롤러(21)는, 유체, 예컨대 반도체 제조 프로세스에서 사용될 수 있는 텅스텐 헥사플루오라이드, 염소, 술퍼 헥사플루오라이드, 또는 200종 이상의 유체 중 임의의 유체를 소정 압력 하에서 공급하기 위한 공급 압력 용기(28)를 포함하고 있는 반도체 제조 시스템(29)에 개재될 수 있다. 상기 공급 압력 용기(28)는 적당한 도관(30)을 매개로 유량 컨트롤러(21)에 연결되어 있다. 퍼지 도관(32)이 역시 상기 도관(30)에 그리고 필요할 때 적당한 리시버 또는 스크루버(scrubber)(34)에 상기 유량 컨트롤러를 퍼지하기 위한 퍼지 가스 공급원(도시 생략)에 연결되어 있다. 그러나, 상기 유량 컨트롤러(21)의 동작 중에, 도관(33)을 통해 반도체 제조 챔버 또는 용기(36) 내로 들어가기 위한 유체의 정확한 유량이 제어된다. 상기 챔버(36)는 통상, 예컨대 하나 이상의 진공 펌프(37)를 통해 실질적으로 감소된 압력에서 유지된다. 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 유량 컨트롤러(21)가 개재되어 있는 시스템(29)은 단순화된 형태로 단지 예로써 도시되어 있는 바, 이는 상기 유량 컨트롤러의 한 가지 바람직한 적용례를 보여주기 위함이다. 상기 유량 컨트롤러(21)는 다른 시스템에 사용될 수 있다는 점을 이해하여야 한다.
도 3 내지 도 6을 참조하면, 상기 제1 몸체부(24)는 종래의 기계식 파스너(40a)에 의해 제1 몸체부(24)의 한 면(24a)에 제거 가능하게 장착되어 있는 전기 제어식 유량 제어 밸브(40)를 지지한다. 상기 유량 제어 밸브(40)는 미리 조립한 모듈형 구조로 되어 있는 것이 바람직한데, 상기 밸브(40)는 일단 장착되면 그 밸브를 조정할 필요가 없도록 미리 정한 위치에서 제1 몸체부(24) 상에 쉽게 장착될 수 있다. 이것은 밸브(40)가 모듈형이 아니고, 따라서 통상 비교적 많은 시간을 필요로 하는 조정이 이루어져야 하는 종래 기술에 비해 이점이 된다. 상기 밸브(40)는 전기 작동식 폐쇄 부재(41)(도 4)를 포함하는데, 이 폐쇄 부재는 제1 몸체부(41)의 제1 내부 통로(42)로부터 제2 내부 통로(44)까지 유체의 흐름을 교축시키도록 동작 가능하다. 상기 제1 내부 통로(42)는 공급 압력 용기(28)로부터 유체를 수용할 수 있게 도관(30)과 유체 연통 상태에 있다. 상기 밸브(40)는 또한 상기 폐쇄 부재(41)를 완전히 개방된 위치와 완전히 폐쇄된 위치 사이에서 이동시키기 위하여 작동기(43)를 포함하고 있다. 상기 작동기(43)는 완전한 개방 위치와 완전한 폐쇄 위치 사이의 폐쇄 부재(41)의 위치를 높은 선명도로 신속하게 그리고 정밀하게 제어하기 위하여 솔레노이드형 또는 압전형인 것이 바람직하다. 상기 제1 몸체부(24)의 면(24b)에는 제1 압력 트랜스듀서(46)가 장착되어 있고, 이 트랜스듀서는 제1 몸체부(24)에 형성되어 있는 제2 내부 통로(44)와 제3 내부 통로(47)와 유체 연통 상태에 있다. 제2 몸체부(26)의 한 면(26b)에는 제2 압력 트랜스듀서(48)가 장착되어 있고, 이 제2 압력 트랜스듀서는 제2 몸체부(26)에 형성되어 있는 제1 내부 통로(49) 및 제2 내부 통로(50)와 유체 연통 상태에 있다. 상기 제2 내부 통로(50)는 또한 도관(33)에도 유체식으로 연결되어 제조 챔버(36)에 이른다. 유체 질량 유량 컨트롤러(21)의 구성품을 덮기 위하여 제거 가능한 커버(도시 생략)가 제공될 수도 있다.
도 5에 가장 명확하게 도시한 바와 같이, 각 몸체부(24, 26) 내에는 실린더형 오목부(52)가 형성되어 있는 것이 바람직하다. 각 오목부(52)는 바닥벽(54)과, 이 바닥벽으로부터 에워싸며 연장되는 측벽(56)을 포함하는 것이 바람직하다. 컵 형태의 다이어프램(58)이 각 오목부에 고정식으로 배치되어 있다. 각 컵 형태의 다이어프램은, 바람직하게는 바닥벽(54)과 밀접하게 그리고 평행하게 연장하여 측정 간극(measurement gap)(62)을 형성하는 다이어프램 하측벽(60)과, 바람직하게는 측벽(56) 부근에서 그 측벽과 평행하게 연장되어 환형의 유로(流路)(66)를 형성하는 환형 측벽(64)을 포함한다. 상기 측정 간극(62)은 높이가 약 0.003~0.020 인치 이고, 바람직하게는 약 0.010 인치이며, 반면에 상기 환형 유로(66)는 높이가 더 큰 것이 바람직하다. 상기 다이어프램 하측벽(60)은 편평하거나 주름진 형태일 수 있고, 유체 압력을 받을 때 유연성을 나타내는 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 다이어프램 하측벽(60)의 두께는 그 다이어프램 하측벽이 노출되는 유체 압력 범위에 따라 변동될 수 있다. 비교적 작은 압력 범위에 대하여, 상기 다어이프램 벽은 비교적 얇을 수 있고, 반면에 비교적 큰 압력 범위에 대하여, 상기 다어어프램은 비교적 두꺼울 수 있다. 부식성이 큰 환경에 대하여, 상기 다이어프램(58), 특히 다이어프램 하측벽(60)은 스테인리스강, 사파이어, 인코넬(Inconnel), 알루미나, 세라믹 등과 같이 내식성 재료로 구성되는 것이 바람직하다. 상기 압력 트랜스듀서(46, 48)는 다이어프램 하측벽(60)의 휨 양을 측정, 그리고 그에 따라 질량 유량 컨트롤러(21) 내부의 유체 압력을 측정하기 위하여 내변형 게이지(resistive strain gage) 또는 커패시턴스형일 수 있다.
상기한 구성에 있어서, 환형 유로(66)를 통한 유체 흐름은 실질적으로 방해받지 않고, 반면에 측정 간극(62)을 통한 유체 흐름은 구속되어, 환형 유로(66)에 있을 수도 있는 유체의 난류를 감쇠시키고, 종래의 기술에서 만연한 노이즈를 감소시킨다. 측정 간극(62) 및 환형 유로(66)는 또한 상기 유체가 이들 체적을 통과하여 클린 스위프되도록 보장한다. 따라서, 이들 체적 내의 사공간은 제거되어, 정화력은 더 좋아지고 건조 비가동 시간은 더 빨라진다. 상기 제1 몸체부(24)에서의 유체 유량은 보통 제1 몸체부 내의 유체 압력이 더 커서 제2 몸체부 내의 유체 압력보다 보통 더 낮기 때문에, 상기 제1 몸체부(24)의 환형 유로(66)는 제2 몸체부(26)의 환형 유로(66)보다 폭이 더 작은 것이 바람직하다. 이러한 방식으로, 유체 흐름을 멈추거나 시작하게 하기 위한 래그 시간(lag time)은 감소될 수 있다.
상기 몸체부(24, 26)는 스테인리스강, 알루미늄 등과 같이 열전도성 재료로 구성되는 것이 바람직하며, 따라서 몸체부를 통과하는 유체를 가열 또는 냉각하는 역할을 한다. 상기 다이어프램 하측벽(60)은 그 각각의 몸체부(24 또는 26)에 상대적으로 가깝게 배치되기 때문에, 다이어프램 하측벽(60)의 온도는 유체 온도에 의해 덜 영향을 받아, 종래 시스템에 비해 측정 정밀도를 향상시킨다.
도 6a를 참조하면, 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 압력 센서(70)가 도시되어 있는데, 이전의 실시 형태의 부품과 동일한 부품은 동일한 도면 부호로 나타내었다. 압력 센서(70)는 제1 도관 커넥터(76)와 제2 도관 커넥터(78) 사이의 몸체부(74)를 통과하여 연장되는 주 내부 통로(72)를 제외하고는 전술한 몸체부(24, 26)와 구성면에서 유사하다. 상기 주 내부 통로(72)는 제1 내부 통로(75)와 제2 내부 통로(77)에 유체식으로 연결되어 있다. 제1 및 제2 내부 통로(75, 77)는 이전의 실시 형태와 마찬가지로, 측정 간극(62) 및 환형 유로(66)에 유체 연통 상태에 있다. 이 실시 형태는, 비교적 큰 유량으로 이동하는 유체의 압력을 측정하는 데에 특히 유리한데, 상기 비교적 큰 유량에서는 유체의 일부가 압력 측정 챔버를 우회하여 그렇지 않으면 일어날 수 있는 난류를 감소시킨다.
질량 유량 컨트롤러(21)의 몸체부(24, 26)는 비교적 큰 유량을 측정 및 제어하기 위해 주 내부 통로(72)를 포함하도록 유사한 방식으로 변형될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
도 6b를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시 형태에 따른 압력 센서(80)가 도시되어 있는데, 이전의 실시 형태의 부품과 동일한 부품에 대하여는 동일한 도면 부호로 나타내었다. 상기 압력 센서(80)는, 제2 내부 통로(84)와 유체 연통 상태에 있는 제1 내부 통로(82) 및 제3 내부 통로(88)와 유체 연통 상태에 있는 제4 내부 통로(86)에 의해 주 내부 통로(72)가 대체되어 있다는 것을 제외하고는 압력 센서(70)와 구조면에서 유사하다. 상기 제2 및 제3 내부 통로(84, 88)는 또한 이전의 실시 형태에서와 마찬가지로, 측정 간극(62) 및 환형 유로(66)와 유체 연통 상태에 있다. 이 실시 형태는 이전의 실시 형태보다 더 작은 유량으로 이동하는 유체의 압력을 측정하는 데에 이용되는 것이 바람직하다.
도 4, 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 제1 몸체부(24)는 제1 몸체부(24)의 제3 내부 통로(47)와 동심원인 제1 원통형 카운터 보어(110)를 포함하는 것이 바람직하고, 제2 몸체부(26)는 제1 카운터 보어(110)를 향하고 제2 몸체부(26)의 제1 내부 통로(49)와 동심원인 제2 원통형 카운터 보어(112)를 포함하는 것이 바람직하다. 플로우 리스트릭터(114)는 제1 및 제2 카운터 보어(110, 112)에 배치되는 것이 바람직하다. 상기 플로우 리스트릭터(114)는 관형 슬리브(116) 내에 지지될 수 있는 재질의 디스크(118)를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 슬리브(116)는 시일 링(113a, 113b) 사이에서, 적당한 관형 어댑터 내에 장착되고 카운터 보어(110, 112) 내에서 지지될 수 있다. 따라서, 상기 플로우 리스트릭터(114)는 상기 몸체부(24, 26)를 분리하고, 상기 플로우 리스트릭터(114)를 제거하며, 그 플로우 리스 트릭터를 상이한 흐름 특성 또는 동일한 흐름 특성을 갖고 있는 적당한 교체 리스트릭터로 교환함으로써 상기 몸체(22)로부터 쉽게 제거될 수 있다. 상기 디스크(118)는, 압력 트랜스듀서(46, 48)에 의해 감지될 수 있는 디스크에 걸친 압력 차이를 야기하기에 충분한 흐름을 구속함으로써 유체가 디스크를 통과하여 흐를 수 있도록 미리 정해진 기공도를 갖고 있는 소결 금속 재료를 포함하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 상기 플로우 리스트릭터(114)는 원하는 기공도 및 흐름 구속 성질을 제공하도록 적당하게 압축 및 소결된 스테인리스강 또는 니켈 분체로 제작될 수 있다. 상기 플로우 리스트릭터(114)는 제어 밸브(40)의 하류측에서 유량 컨트롤러(21)에 배치되는 것이 유리하다. 플로우 리스트릭터(114)는 다른 재료로 구성될 수 있고, 및/또는 코일형 모세관 튜브, 오리피스 또는 다른 리스트릭터 수단과 같은 것으로 구현될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
본 발명에 따르면, 플로우 리스트릭터(114)는 별도의 상류측 또는 하류측 유체 필터가 제거될 수 있도록 리스트릭터로서 그리고 유체 필터로서 역할을 하도록 구성될 수 있다. 전형적인 리스트릭터에 있어서, 제어된 압력 강하는 여과 성질에 상관 없이 특정된다. 전형적인 필터에 있어서, 여과 성질은 제어된 압력 강하에 상관 없이 특정된다. 따라서, 본 발명의 플로우 리스트릭터(114)는 이것을 통과하는 특정 유체에 대하여 제어된 압력 강하 및 특정화된 여과 특성을 갖도록 구성될 수 있다.
플로우 컨트롤러(21)와 함께 사용될 수 있는 플로우 리스트릭터의 다른 실시 형태는 2002년 8월 28일에 출원된 미국 특허 가출원 번호 60/406,511에 개시되어 있으며, 상기 출원의 개시 내용은 그 전체가 본 명세서에 참고로 합체된다.
플로우 리스트릭터(114)의 온도를 검출하기 위해 온도 탐침자(probe)(136)(도 3)를 카운터 보어(110) 부근의 공간에 삽입할 수 있도록 제1 몸체부(24)에 슬롯(도시 생략)이 배치될 수 있다. 상기 온도 탐침자(116)로부터 얻어진 온도 신호는 유체의 실제 온도에 기초하여 리스트릭터 특징화 정보가 사용될 수 있도록 제어 회로(도 3)에서 사용될 수 있다.
다시, 도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 흐름 컨트롤러(21)는 제어 회로 또는 시스템을 더 포함하는 것이 바람직한데, 이 제어 회로 또는 시스템은 상기 몸체(22)로부터 연장되는 장착 브라켓(124)에 고정되어 있는 한 쌍의 이격된 프린트 회로판(PCB) 상에 장착되어 있다. 상기 제어 회로는 EEPROM과 같은 비휘발성 메모리(132) 및 데이터 입력 장치(134)에 동작 가능하게 접속되어 있는 디지털 신호 프로세서(DSP)(130)로서 특징지워지는 마이크로컨트롤러 또는 마이크로프로세서를 포함한다. 상기 프로세서(130)는 밸브(40)에 동작 가능하게 접속되어 상기 폐쇄 부재(41)(도 3)를 폐쇄 위치와 개방 위치 사이에서 이동시킨다. 상기 프로세서(130)는 또한 신호 증폭기(138, 140)를 매개로 각각 압력 트랜스듀서(46, 48)에, 그리고 미리 정해진 위치에서 컨트롤러(21)를 통해 흐르는 유체의 온도를 감지하도록 배치될 수 있는 온도 센서(136)에 동작 가능하게 접속되어 있다. 상기 마이크로 컨트롤러(130)는 또한 플러그 커넥터(142)(도 1)와 같은 적당한 인터페이스에 동작 가능하게 접속되어 여러 소스로부터의 프로그래밍 변화, 데이터 셋트 및 명령어 신호를 수신한다. 상기 유량 컨트롤러(21)가 동작 상태에 있을 때를 표시 하기 위하여 인디케이터 발광 다이오드(LED)(144)가 제공될 수 있다.
상기 프로세서(130)는 텍사스 인스트루먼트 인코포레이티드사로부터 구매 가능한 TMS320 LF2406 고정점(fixed point) 마이크로 컨트롤러인 것이 바람직하다. 그러나, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 고정점 또는 부동 소수점(floating point) 프로세서를 사용할 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 압력 센서(46, 48)는, 그 자신의 A/D 및 D/A 컨버터를 지니고 있는 프로세서(130)에의 아날로그 입력으로서 14 비트 내지 16 비트 해상도로 +/- 0.5 볼트 범위에서 동작하는 것이 바람직하다. 다른 아날로그 입력은 온도 센서(136)에 대한 것이고, 12 비트 해상도(도시 생략)를 갖고 있는 0 내지 5 볼트 셋 포인트 명령어 신호 입력이다. 상기 프로세서(130)는 또한 밸브 드라이버(도시 생략)를 통해 밸브(40)의 동작을 제어하기 위하여 아날로그 출력 신호를 제공할 수도 있다. 프로세서(130)와의 통신은 다른 통신 수단이 이용될 수 있지만, RS485 4-유선 통신 링크 및/또는 CAN(Controller Area Network)를 통해 이루어진다. 프로세서(130)는 또한 에뮬레이션 및 디버그를 위한 JTAG(Joint Test Action Group) 및 프로그래밍을 위한 파워업 부트로더 함수를 지원할 수 있는 것이 바람직하다. 메모리(132)는 적어도 32 Kbytes의 시리얼 EEPROM을 포함하는 것이 바람직하다.
프로세서(130)는 압력 센서(46, 48)를 위한 입력과 밸브(40)를 제어하기 위한 출력 신호 사이에서 초당 약 200회의 속도로 실행되는 폐쇄 루프 제어 함수를 운영하는 것이 바람직하다. 제어 루프 업데이트가 유지되지 않고 있을 때 메모리(132)로의 새로운 데이터 트랜스퍼가 공급될 수 있지만, 상기 제어 루프가 기능하고 있는 동안에 인터페이스(142)를 통한 통신이 수행된다.
유량 컨트롤러(21)의 각 구성품은 일련 번호와 같은 식별 부호(identification code)를 포함할 수 있다. 예컨대, 유량 컨트롤러(21)는 밸브(40), 트랜스듀서(46, 48), 리스트릭터(114), PCB(120, 122) DSP(130) 및 메모리(132)와 마찬가지로, 독특한 일련 번호를 갖고 있을 수 있다. 이들 일련 번호는 데이터 베이스 또는 다른 저장 수단에 입력되어, 특정의 유량 컨트롤러(21)와 연관된 구성품을 쉽게 확인할 수 있도록 한다. 이하에서 보다 상세하게 설명하는 바와 같이, 상기 데이터 베이스는 또한 2001년 10월 12일에 출원된 미국 특허 가출원 번호 60/329,031호에 개시되어 있는 것과 같이 각 구성품과 관련한 정보를 포함할 수도 있으며, 상기 가특허 출원의 개시 내용은 본 명세서에 그 전체가 참고로 합체된다.
도 7을 참조하면, 도 2 내지 도 6의 유량 컨트롤러(21)를 구성하기 위한 방법(200)이 도시되어 있다. 상기 방법(200)은 조립전 단계(pre-assembly), 조립 단계 및 조립 후(post-assembly) 단계로 나뉘어지는 단계(210~228)를 이용하여 미조립 상태에서 조립 상태까지 각종의 유량 컨트롤러 구성품을 취하도록 동작 가능하다. 조립 전 단계, 조립 단계 및 조립 후 단계는 단지 예시적인 것이고, 한 가지 조립 접근법을 명확하게 하는 역할을 한다. 다음 단계들의 순서는 변할 수 있고, 몇몇 단계는 자동으로 될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 또한, 어떤 단계에서는 동일한 종류의 복수 개의 구성품을 처리하기 위하여 배치 프로세싱 모드를 이용할 수도 있다.
단계(210~218)에서, 방법(200) 중의 조립 전 단계는 유량 컨트롤러(21)를 프로그램하는 데에 필요한 각종의 정보를 얻고, 그 정보를 하나 이상의 데이터 베이스에 저장하는 것을 포함한다. 이들 단계는 유량 컨트롤러(21)에 사용되는 물리적 구성품에 대한 유체 거동(단계 210) 및 패러미터를 규정하는 것(212~216)을 포함한다.
도 7의 단계(210) 및 도 8을 참조하면, 유체 거동 데이터는 복수 종의 유체에 대하여 실험적으로 결정된다. 유체 거동은 압력 및 온도를 변화시킴으로써 변경될 수 있다. 일반적으로, 일정한 온도에서 유지되고 오리피스(예컨대, 리스트릭터)를 통과한 유체는 어떤 질량 유량/압력차 비에서, 질량 유량과 압력차(예컨대, 하류 압력/상류 압력) 사이에서 비교적 직선인 관계를 보일 수 있다. 이러한 직선 영역은 "초크 흐름(choked flow)" 영역이라 부르고, 예컨대 질량 유량 대 압력차의 비가 약 1.6:1 보다 큰 경우에 일어날 수 있다. 초크 흐름 중에, 유체 속도는 음속(예컨대, 소리의 속도)에 도달하고, 상류 압력에서 더욱 증가하며, 오리피스를 통한 유체의 속도를 그에 상응하게 증가시키지는 않는다. 그러나, 질량 유량은 상류 압력의 증가와 함께 계속 선형 증가할 수 있다. 이것은 상류 압력이 증가하면 유체 밀도가 더 증가되고, 이는 직접 질량 유량에 영향을 미치기 때문이다. 이러한 선형 관계 때문에, 초크 흐름 영역에 있는 유체에 대한 질량 유량을 제어하기 위해 컨트롤러를 디자인하고 사용하는 것은, 비초크 흐름 영역(예컨대, 질량 유량 대 압력차의 비가 1.6:1 미만인 경우)에서 유체를 제어하는 것과 비교하여 상대적으로 쉬울 수 있다.
상기 비초크 흐름 영역에서, 유량과 압력차 사이의 관계는 비선형일 수 있고, 따라서 제어하기가 더 어려울 수 있다. 그러나, 비초크 흐름 영역에서의 유량 제어는 반도체 처리 산업과 같은 특정 산업에서는 중요한 관심사일 수 있다. 또한, 어떤 용례에서의 몇몇 유체는 단지 비초크 흐름 영역에서만 사용 가능할 수 있고, 따라서 초크 흐름 영역에서의 제어는 크게 관련이 없을 수 있다. 예컨대, 유체는 비초크 흐름 영역 중의 가스 형태로부터 초크 흐름 영역 중의 액체로 변할 수 있고, 따라서 가스 형태의 유체를 사용하는 것은 비초크 흐름 동작을 필요로 할 수 있다. 따라서, 비초크 흐름 영역에 있는 유체의 정밀한 측정 및 제어가 요망되고, 도 8에 도시한 바와 같이, 데이터는 각종 유체의 거동을 모델링하기 위하여 집속되어야 한다. 이러한 데이터는 압력 및 온도의 변화가 주어진 크기의 리스트릭터를 통한 유체의 흐름(SCCM으로 측정)에 어떻게 영향을 미치는지를 확인할 때 중요하다. 상이한 유체는 상이한 성질을 갖고 있기 대문에, 유량 컨트롤러(21)에 의해 이용될 수 있는 각 유체의 거동이 정해져야 한다.
도 8만을 참조하면, 유체 거동 데이터를 집속하는 프로세스(229)는 특정 갯수(예컨대, 12개)의 리스트릭터를 선택하고 설치하는 것과 함께 단계(230)에서 시작된다. 단계(232)에서, 압력차, 하류 압력 및 온도의 어떤 조합에 대한 유체의 거동을 나타내는 데이터 포인트를 얻기 위하여 1종 이상의 유체가 리스트릭터를 통해 통과된다. 설명의 목적을 위하여, 유체를 시험하는 것은 유체를 진공으로부터 1기압에 이르는 압력 범위에 노출시키고, 특정 압력 포인트(예컨대, 본 예의 경우 14개의 포인트)에서 데이터를 수집하는 것을 포함할 수 있다. 유체의 거동은 초크 흐름 영역에서 몇몇 데이터 포인트를 사용하여 예측할 수 있으므로, 이들 데이터 포인트의 대부분은 비초크 흐름 영역에 위치할 수 있다는 것에 유의하여야 한다. 추가의 데이터는 유체의 온도를 변화시켜 얻을 수 있다. 이들 변화는 특정의 리스트릭터 디자인과 관련하여 유체의 거동을 규정하기 위하여 각종의 리스트릭터에서 수행될 수 있다. 따라서, 14개의 압력 측정과 함께 3개의 온도 및 12개의 리스트릭터가 사용된다면, 총 14×3×12=504 개의 데이터 포인트가 샘플링되어 단일 유체의 거동을 규정할 수 있다. 다음에, 추가 유체들의 거동이 유사한 방식으로 규정될 수 있다. 본 예에서, 총 32종의 유체가 수 천개의 데이터 포인트로 그와 같이 규정된다. 이들 데이터 포인트는 초크 흐름 영역 및 비초크 흐름 영역에서 주어진 리스트릭터를 통한 유체의 흐름을 규정하는 데에 사용될 수 있다.
도 8의 프로세스를 계속하여, 단계(234)에서, 시험 프로세스에 의해 얻어진 데이터가 기록된다. 기록된 데이터는 단계(236)에서 분석되어, 최적 적합 및 보간 방정식(best fit and interpolation)을 생성하여 3차원 그래프(도 9)에 추가의 포인트를 형성한다. 상기 분석에 의해, 특정 가스의 거동에 특정 리스트릭터를 제공하기 위하여 보간될 수 있는 각 유체에 대한 다항 인수(polynomial factors)가 얻어진다. 단계(238)에서, 상기 다항 인수는 데이터 베이스에 저장된다.
본 발명의 한 가지 양태는, 질량 유량 컨트롤러(21)의 통상의 동작 범위에서, 유체 유량은 플로우 리스트릭터(114)에 걸친 압력차뿐만 아니라, 제조 챔버(36) 내의 압력에 실질적으로 상응하는 하류측 절대 압력의 함수라는 발견에 있다. 이러한 관계는 2000년 9월 20일에 출원된 미국 특허 출원 번호 09/666,039 호에 상세하게 논의되어 있으며, 그 상세한 개시 내용은 본 명세서에 전체가 참고로 합체된다.
도 9를 참조하면, 유량과 하류측 절대 압력 사이의 관계가 그래프(239)로 도시되어 있는데, 그래프(239)는 유량(SCCM의 단위로 z축(242)으로 나타냄)이 하류측 압력(torr의 단위로 y축(244)으로 나타냄)과 압력차(torr의 단위로 x축(240)으로 나타냄)에 의존하고 있음을 보여준다. 그래프(239)는 또한 각각 상이한 유체 온도를 나타내는 3개의 표면(246, 248, 250)을 포함한다.
플로우 리스트릭터에 걸친 질량 유량은 압력차, 하류측 절대 압력 및 온도에 따라 변하지만, 상류측 압력, 하류측 압력 및 유량 사이의 관계는 선형 관계가 아니라는 점에 유의하여야 한다. 예컨대, 하류측 압력이 약 0.0 torr이고, 플로우 리스트릭터에 걸친 압력차가 약 1575.0 torr라면, 시험된 특정 리스트릭터에 대한 유량은 약 280 SCCM(데이터 포인트(252)로 나타냄)이다. 그러나, 하류측 압력이 760.0 torr라면, 플로우 리스트릭터에 걸친 동일한 압력차(예컨대, 1575.0 torr)에 대한 유량은 약 500 SCCM(데이터 포인트(254)로 나타냄)이다. 이제, 도 7의 단계(212), 도 10a 및 도 10b를 참조하면, PCB(120, 122) 및 DSP(130)에 대한 패러미터가 얻어진다. 예컨대, DSP와 연관된 증폭기의 게인 값(gain value)(SP1, SP2)을 결정하기 위하여 BON(bed of nails) 시험을 이용할 수 있다. 유사하게, +5 볼트, +3.3 볼트, 및/또는 +3.0 볼트(DSP 기준 전압일 수 있다)의 이상적인 값으로부터의 변화와 같은 PCB(120, 122)의 전압을 결정하기 위하여 BON 시험이 이용될 수 있다. 상기 전압의 변화는 유량 컨트롤러(21)의 성능에 영향을 미치고, 따라서 원 하는 수준의 유체 제어를 달성하기 위하여 고려되어야 한다. 후술하는 바와 같이, 이들 패러미터는 이상적인 구성품 값과 실제 구성품 값 사이의 변화에 대하여 수정이 이루어질 수 있게 해준다.
도 10a를 참조하면, 아날로그 또는 디지털 입출력(I/O) 보드는 방법(259)을 이용하여 다음과 같이 시험될 수 있다. 단계(260)에서, 시험을 위해 보드를 선정하고 설치한다. 상기 보드에 관련된 전압은 단계(262)에서 합격/불합격 표준을 이용하여 측정되고, 그 결과가 기록된다. 단계(264)에서, 디지털 통신 경로는 합격/불합격 표준을 이용하여 측정되고, 그 결과가 기록된다. 또한, 밸브 구동 신호(예를 들면, 도 2의 밸브(40)를 구동하는 데 이용된 신호)는 단계(266)에서 합격/불합격으로 시험된다. 각각의 시험 결과는 단계(268)에서, 시험된 보드와 관련된 일련 번호와 함께 데이터베이스에 저장된다.
도 10b를 참조하면, DSP 보드는 방법(269)을 이용하여 다음과 같이 시험될 수 있다. 단계(270)에서, 시험을 위해 보드를 선정하고 설치한다. 단계(272)에서 3V 아날로그-to-디지털 참고 전압의 측정이 이루어지고 기록된다. 온도 센서(136)(도 3)와 관련된 게인과 같이, 단계(274)에서는, 각각의 증폭기(A1, A2)(도 3)와 관련된 게인(SP1, SP2)이 측정되고 기록된다. 다음에, DSP는 단계(276)에서 프로그래밍되고, 아날로그 입력 회로는 단계(278)에서 시험된다. DSP 보드와 관련된 플로우 회로의 시험은 단계(280)에서 이루어진다. 각각의 시험의 결과는 단계(282)에서, 시험된 보드와 관련된 일련 번호와 함께 데이터 베이스에 저장된다. 도 7의 단계(214)와 도 11의 방법(283)을 참조하면, 트랜스듀서(46, 48)는 다 음과 같이 특징지워진다. 단계(284)에서, 트랜스듀서 및 관련된 블록이 선택되어 고정물 상에 설치된다. 단계(286, 288)에서, 각각의 트랜스듀서는 25 퍼센트의 증분으로 0 퍼센트의 압력에서 100 퍼센트 압력의 압력 범위에서 증가되고(stepped), 다시 100 퍼센트에서 0 퍼센트의 압력으로 감소되어, 응답 곡선 및 히스테리시스 값을 얻는다. 예를 들면, 각각의 트랜스듀서는 (12.5 psia의 증분을 이용하여) 0 에서 50 psia의 압력 범위에 노출될 수 있고, 다시 50 psia 에서 0 psia로 감소될 수 있다. 다음에, 응답은 단계(290)에서 다항 인수(A0, A1 및 A2)에 적합하게 된 곡선일 수 있고, 상기 다항 인수는 관련 트랜스듀서에 연관된 일련 번호와 함께 저장될 수 있다. 상기 인수들은 각각의 트랜스듀서(46, 48)에 의하여 감지되는 절대 압력을 계산하기 위하여 DSP(130)에 의해 이용될 수 있다. 전술한 바와 같이, 이 프로세스는 여러 트랜스듀서에서의 변화를 확인하는 것을 도와주고, 절대 압력을 결정할 때 유량 컨트롤러(21)가 변화를 책임질 수 있게 한다.
도 7의 단계(216) 및 도 12의 방법(291)을 참조하면, “쇼트 테스트(short test)”는 단계(210)에서 사용된 12개의 리스트릭터와 같이 크기가 다른 복수 개의 리스트릭터 각각과 관련하여 실행될 수 있다. 쇼트 테스트는 “표준” 리스트릭터에 대한 특징을 규정하고, 기준선-이 기준선에 대하여 다른 리스트릭터(예를 들면, 제작자에 의하여 다른 시기에 생산된 리스트릭터 배치)가 측정될 수 있다-을 설정함으로써 적어도 두가지 목적을 수행한다.
본 발명에 따른 예에서, 12개의 상이한 크기(SCCM 면에서)의 리스트릭터는 리스트릭터의 특징을 규정하기 위한 목적으로 식별될 수 있다. 각각의 크기에 대하여, 소정의 갯수(예들 들면 100개)의 리스트릭터가 평균 유량을 측정하기 위하여 선택되고 시험될 수 있다. 본 발명에 따른 예에서, 두 개의 데이터 포인트가 세 종류의 유체 세트에 대하여 수집되는데, 상기 유체 세트는 단계(210)에서 특징 지워진 거동을 갖는 유체의 부세트이다. 예들 들면, 첫 번째 시험은 규격화된 흐름에서 리스트릭터의 압력 강하를 측정할 수 있다. 이것은 0에서 99의 값(이상값은 50)을 갖는 인수(Q1)을 결정한다. 두 번째 시험은 규격화된 흐름의 일부(예들 들면 절반)에서 리스트릭터의 압력 강하를 측정하기 위해 수행된다. Q1, 제로 절편(intercept) 및 두 번째 시험의 결과를 이용하여, 역시 0에서 99(이상값은 50)의 값을 갖는 인수(Q2)가 정해질 수 있다. 따라서 Q1과 Q2는 리스트릭터의 거동을 특징짓는다. 일단 리스트릭터의 거동이 정해지면, +/- 10%와 같은 허용 가능한 범위가 결정될 수 있다. 상기 허용 가능한 범위는 조립된 유량 컨트롤러에 의해 교정 가능한 흐름의 범위를 식별할 수 있다. 유량 컨트롤러(21)를 조립할 때에 사용된 임의의 리스트릭터는 쇼트 테스트를 받게 되고, 수용 가능한 범위에 떨어지거나(예컨대, 0~99의 범위에서 Q1,Q2를 갖는다), 불합격된다.
도 12를 참조하면, 단계(292)에서 시험하기 위해 리스트릭터를 선정하여 설치한다. 단계(294)에서, 유체(예컨대, 질소)가 규격화된 유량(예컨대, 100 SCCM)으로 리스트릭터를 통과하여 흐른다. 상류 압력 및 하류 압력이 단계(296)에서 측정되어 기록된다. 단계(298)에서, 압력은 상류 압력의 일부(예컨대, 절반)로 감소되고, 상류 압력 및 하류 압력은 다시 측정되어 기록된다. 이전에 얻어진(도 7의 단계(210)) 유체 거동 데이터를 이용하여, 단계(300)에서 리스트릭터에 대한 Q1, Q2 값이 설정된다. 상기 리스트릭터는, Q1 및 Q2 값이 수용 가능한 범위 밖에 있다면, 불합격된다는 점에 유의하여야 한다. 리스트릭터에 대한 쇼트 테스트가 수행된 후에, 그 리스트릭터는 압력 및 직선성의 축을 갖는 2차원 어레이에 데이터 포인트로서 표현될 수 있다(도 13).
도 13을 참조하면, 그래프(302)는 106개의 데이터 포인트(304)를 포함하는데, 이들 데이터 포인트는 전형적인 100 SCCM 리스트릭터들의 그룹의 압력 특성 및 비선형성 특성을 측정하는 과정에서 플롯팅될 수 있는 정보를 나타낸다. 그래프(302)는 압력 강하를 나타내는 x축(306)(1140 내지 1380 torr의 범위를 갖고 있다)과, 비선형성을 나타내는 y축(308)(10.5 내지 13.5의 범위를 갖고 있다)을 포함한다. 따라서, 각각의 데이터 포인트는 압력 강하 및 비선형성의 특정 조합을 갖는 리스트릭터를 나타낸다. 상기 데이터는 각 리스트릭터에 대하여 Q1, Q2 값을 설정하는 데에 사용될 수 있다. 예를 들면, 그래프(302)에서, Q1=50, Q2=50의 값을 갖고 있는 리스트릭터는 1273 torr의 압력 값과, 풀 스케일(full-scale)의 12.1%의 비선형성을 가질 것이다.
도 7을 참조하고, 단계(218)로 계속하면, 단계(210~216)에서 얻어진 데이터는 하나 이상의 데이터 베이스에 넣어질 수 있다. 데이터 중 일부는 단지 한 번에 얻어질 수도 있다는 점을 이해하여야 한다. 예컨대, 주어진 유체에 대한 유체 거동 데이터는 단지 한 번에 얻어져 데이터 베이스에 저장되기만 하면 된다. 다음에, 그것은 향후에 사용하기 위하여 이용 가능하다. 유사하게, 각 구성품(예컨대, PCB, DSP, 트랜스듀서, 리스트릭터 등)은 한 번에 시험될 수 있다. 그러나, 복수 개의 구성품이 주어진 시험 사이클 중에 시험될 수도 있다. 구성품들을 나타내는 데이터는 일련 번호와 같은 독특한 식별자에 의해 특정 구성품과 연관될 수 있다. 몇몇 구성품 패러미터는 제조 중에 또는 제조 후에 식별되고, 다음에 구성품과 함께 쉬핑된다(shipped). 이것은 미리 정해진 패러미터를 갖고 있는 구성품을 획득할 수 있게 해주고, 따라서 유량 컨트롤러(21)의 조립 중에 패러미터를 정해야 하는 필요성을 제거해 준다.
단계(220)에서, 유량 컨트롤러(21)용의 PCB, DSP, 트랜스듀서 및 밸브 등이 선택된다. 각 구성품은 미리 정해진 패러미터와 연관되어 있기 때문에, 고도로 특별한 기준을 만족시키는 구성품들을 선택하는 것은 필요하지 않다. 예컨대, 특정의 유체가 사용된다면, 각 선택된 구성품에 대한 패러미터가 미리 정해진 수용 가능한 값의 범위 내에 있는 한 엄밀한 제한 규정을 충족시키는 구성품을 선택할 필요가 없다. 이것은 특정의 Q1, Q2 값을 갖는 리스트릭터를 찾으려는 시도를 하는 대신에, 치수로 리스트릭터를 선택할 수 있게 해준다. 단계(222)에서, 상기 리스트릭터 및 트랜스듀서 패러미터는 유체 거동 데이터와 함께 처리되어 장치 패러미터를 생성한다. 상기 프로세싱은 이전의 단계에서 얻어진 정보를 컴파일하여 프로세서가 전압 변화, 리스트릭터 특성, 트랜스듀서 패러미터 및 특정 유체에 대한 거동 패턴을 책임질 수 있도록 해준다. 이것은 A0, A1, A2, B배압, 절편 및 유사한 정보를 이용하여 최적 적합을 생성한다. 이 정보가 특정 유량 컨트롤러에 대하여 유 체마다 다를 수 있기 때문에, 상기 프로세싱은 유량 컨트롤러에 의해 제어되는 각 유체에 대하여 수행될 수 있다. (도 7에 도시한 바와 같은 단계(222)에 필적할 수 있는) 단계(224)에서, 상기 장치는 전술한 것과 같이 물리적으로 조립되고, 단계(226)에서, 상기 장치 패러미터는 장치 내로 다운로드된다. 단계(228)의 후조립 단계에서, 상기 장치에 대하여 검증 시험이 수행되어 올바른 동작을 보증한다. 도 14를 참조하면, 방법(309)은 도 2 내지 도 6의 유량 컨트롤러(21)와 관련하여 도 7의 단계(220~228)에서 설명한 것과 같은 조립 프로세스를 요약하고 있다. 단계(310)에서, 유량 컨트롤러(21)에 대한 요구 조건이 규정된다(예컨대, 25 psi의 유입 압력과, 100 millitorr에서 동작하는 프로세스 챔버 내로의 유출구를 갖고 있는 BC13의 500 SCCM 풀 스케일 유량). 단계(312)에서, 리스트릭터(114)에 대하여 리스트릭터 치수가 정해진다(예컨대, 1000 SCCM 질소). 일단 Q1, Q2 패러미터가 기록된다면, 임의의 1000 SCCM 단위가 사용될 수 있다는 것에 유의하여야 한다. 유체를 유동시킬 수 있는 오리피스를 구비하고 있는 밸브(40)를 선택하지만, 그 밸브는 상기 패러미터를 넘어 특징지울 필요는 없다. 단계(314)에서, 사용될 트랜스듀서(46, 48) 및 베이스 블록이 선택된다. 필요한 유량이 250 SCCM 질소 등가물 미만이라면, 저흐름 모델에 대한 유입 블록도 선택된다. 유입 블록 및 유출 블록은 모두 3 SLM 질소 등가물 이상의 유량에 대하여 큰 흐름 수정을 갖고 있어야 한다. 이러한 선택은 이들 블록에 용접되는 트랜스듀서의 특성에 영향을 미치지 않는다. 각 트랜스듀서에 대한 곡선 맞춤 인수(curve fit factor)는 유량 컨트롤러(21)에 대하여 기록되어야 한다.
단계(316)에서, PCB(예컨대, I/O 보드 및 DSP 보드)가 선택되고, 전압 및 게인 값이 유량 컨트롤러(21)에 대하여 기록된다. 단계(318)에서, 기록된 데이터는 유량 컨트롤러(21)와 연관된 장치 데이터베이스 파일에 저장된다. 선택된 가스 및 리스트릭터 치수에 대한 리스트릭터 데이터베이스로부터 다항 데이터가 단계(320)에서 획득된다. 단계(322)에서, 조작 프로그램은 상기 장치 데이터 베이스 파일에 기록된 수집 데이터와, 리스트릭터 데이터 베이스로부터 다항식 데이터를 취하고, 데이터 파일을 생성하여 유량 컨트롤러(21)의 동작을 위한 패러미터를 설정한다. 다음에, 상기 데이터 파일은 메모리(132) 내로 다운로드되어 DSP가 유량 컨트롤러(21)의 흐름을 제어할 수 있도록 한다. 단계(324)에서, 질소 유량 제어를 위한 패러미터 또한 유량 컨트롤러(21)에 대한 가스 테이블에 다운로드될 수 있다. 단계(326)에서, 유량 컨트롤러(21)의 동작은 마무리된 유량 컨트롤러(21)로 질소를 유동시킴으로써 검증되어, 상기 장치의 반응 및 정밀성을 보증한다.
본 발명을 바람직한 실시 형태를 참조로 하여 특별히 도시 및 설명하였지만, 당업자라면 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 형태 및 세부적인 사항에 대해 다양한 변화가 가능하다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 청구항은 본 발명과 일치하는 한 넓게 해석되어야 한다.

Claims (26)

1종 이상의 유체용 질량 유량 장치를 설정하는 방법으로서,
옵셋 패러미터와 관련되어 있는 리스트릭터를 선택하는 단계;
장치 패러미터를 생성하기 위해서 상기 유체와 연관되어 있는 거동 데이터와 함께 상기 옵셋 패러미터를 처리하는 단계; 및
상기 장치 패러미터를 상기 질량 유량 장치 내로 다운로드하는 단계
를 포함하고, 상기 장치 패러미터는 상기 질량 유량 장치가 미리 결정된 환경 조건 범위에 걸쳐 상기 유체의 유량을 모니터링할 수 있도록 하는 것인 질량 유량 장치 설정 방법.
제1항에 있어서, 복수 개의 하류 절대 압력, 압력차 및 온도에서 상기 유체의 거동을 실험적으로 결정함으로써 상기 거동 데이터를 얻는 것을 더 포함하는 것인 질량 유량 장치 설정 방법.
제2항에 있어서, 상기 실험적으로 결정된 거동은 공지된 유량을 갖고 있는 테스트 리스트릭터를 사용하여 결정되는 것인 질량 유량 장치 설정 방법.
제1항에 있어서, 상기 리스트릭터는 복수 개의 리스트릭터로부터 크기에 의해 선택되는 것인 질량 유량 장치 설정 방법.
제1항에 있어서, 상기 선택된 리스트릭터에 대한 상기 옵셋 패러미터를 결정하기 위하여 리스트릭터 시험을 실행하는 단계를 더 포함하는 것인 질량 유량 장치 설정 방법.
제5항에 있어서, 상기 리스트릭터 시험을 실행하는 단계는,
규격화된 압력에서 상기 리스트릭터를 시험함으로써 제1 값을 얻는 단계;
상기 규격화된 압력보다 낮은 압력에서 상기 리스트릭터를 시험함으로써 제2 값을 얻는 단계; 및
상기 옵셋 패러미터를 확인하기 위해 상기 리스트릭터의 거동을 특성화시킬 수 있게 해주는 상기 제1 및 제2 값을 이용하는 단계를 포함하는 것인 질량 유량 장치 설정 방법.
제6항에 있어서, 상기 제1 및 제2 값은 상기 옵셋 패러미터인 것인 질량 유량 장치 설정 방법.
제6항에 있어서, 상기 거동 데이터로 상기 옵셋 패러미터의 최적 적합을 찾아내는 단계를 더 포함하는 것인 질량 유량 장치 설정 방법.
제1항에 있어서, 센서 패러미터와 연관되어 있는 1개 이상의 센서를 선택하는 단계를 더 포함하고, 상기 센서 패러미터는 미리 결정된 압력 범위에 걸쳐 센서를 시험하여 얻어진 히스테리시스 값과 응답 곡선을 계산함으로써 결정되는 것인 질량 유량 장치 설정 방법.
제1항에 있어서, 상기 환경 조건 범위는 복수 개의 하류 절대 압력을 포함하는 것인 질량 유량 장치 설정 방법.
제1항에 있어서, 상기 환경 조건 범위는 복수 개의 압력차를 포함하는 것인 질량 유량 장치 설정 방법.
제1항에 있어서, 상기 환경 조건 범위는 복수 개의 온도를 포함하는 것인 질량 유량 장치 설정 방법.
제1항에 있어서, 복수 종의 유체로부터 유체를 선택하는 단계를 더 포함하고, 구성품 및 옵셋 패러미터는 단지 상기 선택된 유체와 관련된 거동 데이터와 함께 처리되는 것인 질량 유량 장치 설정 방법.
유체를 제어하기 위한 정보를 질량 유량 장치에 제공하는 방법으로서,
리스트릭터와 연관된 리스트릭터 정보와, 1개 이상의 센서와 연관된 센서 정보를 확인하는 단계로서, 상기 리스트릭터 정보 및 센서 정보는 리스트릭터와 센서의 성질을 규정하는 단계;
상기 유체와 연관된 거동 정보를 확인하는 단계;
상기 질량 유량 장치가 유체를 제어할 수 있게 하는 상기 질량 유량 장치에 대한 동작 데이터를 생성하기 위해 상기 확인된 리스트릭터 정보 및 센서 정보를 상기 거동 정보와 함께 처리하는 단계;
상기 동작 데이터를 상기 질량 유량 장치에 억세스 가능한 메모리에 저장하는 단계
를 포함하는 것인 유체를 제어하기 위한 정보를 질량 유량 장치에 제공하는 방법.
제14항에 있어서, 시험을 수행하여 상기 동작 데이터를 검증하는 단계를 더 포함하고, 상기 시험은 하나 이상의 공지된 유체를 사용하여 상기 질량 유량 장치의 정밀도 수준을 측정하는 것인 유체를 제어하기 위한 정보를 질량 유량 장치에 제공하는 방법.
제14항에 있어서, 상기 리스트릭터 정보와 센서 정보 및 거동 정보를 하나 이상의 데이터베이스로부터 조회하는 단계를 더 포함하는 것인 유체를 제어하기 위한 정보를 질량 유량 장치에 제공하는 방법.
제14항에 있어서, 상기 거동 정보는 하류 절대 압력과 압력차 및 온도의 미리 결정된 범위에 걸쳐 유체의 거동을 나타내는 데이터를 포함하는 것인 유체를 제어하기 위한 정보를 질량 유량 장치에 제공하는 방법.
제17항에 있어서, 상기 유체의 질량 유량과 상기 질량 유량 장치의 압력차 사이의 관계는 비선형인 것인 유체를 제어하기 위한 정보를 질량 유량 장치에 제공하는 방법.
1종 이상의 유체의 유량을 제어하는 장치로서,
상기 유체의 유량을 구속하는 리스트릭터;
프로세서;
상기 유체의 유량을 제어하기 위해 상기 프로세서에 억세스 가능한 밸브;
상기 유체 유량을 나타내는 유량 데이터를 생성하는 1개 이상의 센서; 및
상기 프로세스에 억세스 가능한 메모리를 포함하고,
상기 메모리는 상기 리스트릭터, 센서, 및 유체와 연관된 장치 데이터; 및 상기 센서로부터 유량 데이터를 수신하고, 수신된 유량 데이터 및 상기 장치 데이터에 기초하여 유량을 계산하며, 상기 밸브를 작동시키기 위해, 상기 프로세서에 의해 처리하기 위한 명령어를 포함하고, 상기 밸브의 작동 정도는 상기 계산된 유량과 관련되어 있는 것인 유체 유량 제어 장치.
제19항에 있어서, 상기 장치 데이터는 상기 리스트릭터의 물리적 패러미터와 상기 유체의 거동 특성 사이의 관계를 확인하는 처리된 정보를 포함하는 것인 유체 유량 제어 장치.
제19항에 있어서, 상기 센서를 수용하도록 동작 가능한 하우징을 더 포함하고, 상기 센서는 바닥면 및 측면을 포함하며, 상기 하우징은, 상기 장치를 통과하는 유체에 유로를 제공하도록 유체 연통 상태에 있는 제1 및 제2 통로; 및 상기 센서에 의해 채워지고 상기 제1 통로와 제2 통로 사이에 배치되는 공동을 형성하며, 상기 유로는, 상기 센서의 측면과 상기 공동의 측면에 의해 정해지는 제1 간극과 상기 센서의 바닥면과 상기 공동의 바닥면에 의해 정해지는 제2 간극에 의해, 상기 공동을 통해 형성되어, 상기 유체는 상기 제1 통로로부터 상기 공동 내로 그리고 상기 공동으로부터 상기 제2 통로 내로 스위프되지 않는 방식으로 흐르게 되는 것인 유체 유량 제어 장치.
1종 이상의 유체의 유량과 관련한 리스트릭터를 특성화시키는 방법으로서,
상기 유체의 규격화된 유량에서 리스트릭터의 제1 압력 강하를 측정하는 단계;
상기 측정된 압력 강하에 기초하여 제1 인수를 계산하는 단계;
상기 규격화된 유량의 일부에서 상기 리스트릭터의 제2 압력 강하를 측정하는 단계; 및
상기 제2 압력 강하에 기초하여 제2 인수를 계산하는 단계
를 포함하고, 상기 제1 및 제2 인수는 상기 리스트릭터의 거동을 특성화시키는 것인 리스트릭터 특성화 방법.
제22항에 있어서, 상기 제2 인수를 계산하는 단계는 또한 상기 제1 인수와 제로의 절편에 기초하는 것인 리스트릭터 특성화 방법.
제22항에 있어서, 상기 규격화된 유량의 일부는 규격화된 유량의 절반인 것인 리스트릭터 특성화 방법.
제22항에 있어서, 상기 제1 및 제2 인수 중 하나 이상이 미리 정해진 범위의 밖에 있다면, 상기 리스트릭터를 불합격시키는 단계를 더 포함하는 것인 리스트릭터 특성화 방법.
제22항에 있어서, 상기 리스트릭터를 압력을 나타내는 제1 축과 선형성을 나타내는 제2 축을 구비하는 2차원 어레이에 데이터 포인트로서 나타내는 단계를 더 포함하고, 상기 제1 인수 및 제2 인수 중 하나는 상기 제1 축과 연관되어 있고, 다른 하나는 상기 제2 축과 연관되어 있는 것인 리스트릭터 특성화 방법.
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