KR101181996B1

KR101181996B1 - 유량 조절 장치 및 그 제어 방법

Info

Publication number: KR101181996B1
Application number: KR1020100047866A
Authority: KR
Inventors: 신명희; 유동영
Original assignee: 주식회사 지에스티에스
Priority date: 2010-05-24
Filing date: 2010-05-24
Publication date: 2012-09-12
Also published as: KR20110128427A

Abstract

반도체 제조 공정이 수행되는 프로세스 모듈; 프리커서를 공급하는 가스/케미컬 공급 유니트; 상기 프로세스 모듈에 대한 상기 프리커서의 공급로를 개폐하는 밸브와, 상기 프리커서의 유량을 측정하는 센서부와, 상기 센서부의 측정값에 따라 상기 밸브의 개폐를 피드백 제어하는 유량 제어부를 구비하는 유량 조절 유니트; 상기 피드백 제어 동작과 구별하여 상기 밸브의 개폐를 오픈 루프 제어하는 밸브 SET부; 를 포함하는 유량 조절 장치 및 그 제어 방법이 기재된다.

Description

유량 조절 장치 및 그 제어 방법{FLOW CONTROL DEVICE AND CONTROL METHOD OF THE SAME}

본 발명은 반도체 제조 공정의 프로세스 모듈에 공급되는 가스 또는 케미컬의 유량을 제어하는 유량 조절 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 반도체(半導體, semiconductor) 부품을 제조하기 위한 반도체 공정은 화학 반응 공정 또는 물리 반응 공정으로 이루어지며, 상세하게는 불순물 주입 및 확산공정, 산화공정, 화학기상증착공정, 사진식각공정, 세정공정 등으로 구성된다. 반도체 제조는 이러한 단위 프로세스 모듈의 반복 공정을 통해 이루어진다.

이때, 각 프로세스 모듈(PM : Process Module)에 공급되는 가스나 케미컬의 유량을 조절하는 유량 조절 장치가 설치된다. 이러한 가스나 케미컬을 프리커서(precursor)라 부른다.

일반적인 유량 조절 장치는 가스나 케미컬의 유량을 정밀하게 제어할 수 있어야 하며, 외란(noise)이나 입력 오차(error)에 의하여 출력값이 목표값(norminal value)으로부터 발산(diverge)하지 않도록 제어 안정도(control stability)가 높아야 한다. 또한, 초기의 과도 응답(transient response)시 출력값이 신속하게 목표값에 도달할 수 있도록 안정화 시간(settling time)이 짧을 것을 요한다.

또한, 프로세스 모듈 내에 공급되는 가스나 케미컬은 실시간으로 압력, 유량등이 변경될 수 있고, 다양한 종류의 가스나 케미컬이 공정 단위마다 교체 투입될 수 있다. 이때, 유량 조절 장치의 제어 안정화 시간이 길어지면, 프로세스 모듈 전체의 공정 처리 시간이 누적적으로 지연되어 반도체 생산 수율이 저하되는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 반도체 공정의 유량 조절 장치의 프리커서 유량을 퍼지 제어(Fuzzy control)하여 안정화 시간을 줄이고, 이에 따라 프로세스 모듈의 공정 처리 시간을 단축 및 반도체 생산 수율 증가를 달성하는 유량 조절 장치 및 그 제어 방법을 제공하기 위한 것이다.

일 실시예로서, 본 발명의 유량 조절 장치는, 반도체 제조 공정이 수행되는 프로세스 모듈; 프리커서를 공급하는 가스/케미컬 공급 유니트; 상기 프로세스 모듈에 대한 상기 프리커서의 공급로를 개폐하는 밸브와, 상기 프리커서의 유량을 측정하는 센서부와, 상기 센서부의 측정값에 따라 상기 밸브의 개폐를 피드백 제어하는 유량 제어부를 구비하는 유량 조절 유니트; 상기 피드백 제어 동작과 구별하여 상기 밸브의 개폐를 오픈 루프 제어하는 밸브 SET부; 를 포함한다.

일 실시예로서, 본 발명의 유량 조절 장치는, 반도체 제조 공정이 수행되는 프로세스 모듈; 상기 프로세스 모듈에 대한 프리커서의 공급로를 개폐하는 밸브; 상기 프리커서의 유량을 측정하는 센서부; 상기 센서부의 측정값에 따라 상기 밸브의 개폐를 피드백 제어하는 유량 제어부; 상기 유량 제어부와 별개로 설치되며 상기 피드백 제어 동작과 구별하여 상기 밸브의 개폐를 오픈 루프 제어하는 밸브 SET부; 상기 밸브에 인가되는 전압을 모니터링하는 밸브 모니터링부; 를 포함한다.

여기서, 상기 프리커서의 유량이 목표값에 수렴할 때 상기 밸브에 인가되는 전압 또는 상기 밸브의 개폐량을 밸브 SET값으로 저장하며, 상기 밸브 SET부는 상기 밸브에 인가되는 전압 또는 상기 밸브의 개폐량을 상기 저장된 밸브 SET값으로 설정함으로써 상기 프리커서 유량의 안정화 시간을 감소시킨다.

일 실시예로서, 본 발명의 유량 조절 장치는, 반도체 제조 공정이 수행되는 프로세스 모듈; 상기 프로세스 모듈에 대한 프리커서의 공급로를 개폐하는 밸브; 상기 프리커서의 유량을 측정하는 센서부; 상기 센서부의 측정값에 따라 상기 밸브의 개폐를 피드백 제어하는 유량 제어부; 상기 유량 제어부와 별개로 설치되며 상기 피드백 제어 동작과 구별하여 상기 밸브의 개폐를 오픈 루프 제어하는 밸브 SET부; 상기 밸브에 인가되는 전압을 모니터링하는 밸브 모니터링부; 를 포함하고, 상기 프로세스 모듈의 초기 상태 이전에 상기 밸브에 인가된 전압의 최종값이 밸브 SET값으로 저장되며, 상기 프로세스 모듈의 초기 상태가 개시되면 상기 밸브 SET부에 의하여 상기 밸브가 제어되며 상기 밸브의 개폐량이 상기 밸브 SET값으로 설정되고, 상기 프리커서의 유량이 스레스홀드 범위 ΔK 내에 들어오면 상기 유량 제어부에 의하여 상기 밸브가 제어되며 상기 센서부의 측정값에 따라 상기 밸브의 개폐이 피드백 제어된다.

일 실시예로서, 본 발명의 유량 조절 장치의 제어 방법은, 반도체 제조 공정이 수행되는 프로세스 모듈과, 상기 프로세스 모듈에 프리커서를 공급하는 가스/케미컬 공급 유니트와, 상기 프리커서의 공급로를 개폐하는 밸브와, 상기 밸브의 개폐를 센서부의 측정값에 따라 피드백 제어하는 유량 제어부와, 상기 유량 제어부와 별개로 설치되며 상기 밸브의 개폐량을 밸브 SET값으로 설정하는 밸브 SET부를 마련하는 단계; 상기 밸브를 상기 밸브 SET부에 연결하여 상기 밸브의 개폐량을 오픈 루프 제어하는 제1 모드, 상기 밸브를 상기 유량 제어부에 연결하여 상기 밸브의 개폐량을 피드백 제어하는 제2 모드 중 어느 하나를 선택함으로써 상기 프리커서의 유량이 목표값에 수렴되는 안정화 시간을 감소시키는 단계; 를 포함한다.

일 실시예로서, 본 발명의 유량 조절 장치의 제어 방법은, 반도체 제조 공정이 수행되는 프로세스 모듈과, 상기 프로세스 모듈에 프리커서를 공급하는 가스/케미컬 공급 유니트와, 상기 프리커서의 공급로를 개폐하는 밸브와, 상기 밸브의 개폐를 센서부의 측정값에 따라 피드백 제어하는 유량 제어부와, 상기 유량 제어부와 별개로 설치되며 상기 밸브의 개폐량을 밸브 SET값으로 설정하는 밸브 SET부를 마련하는 단계; 상기 프리커서의 유량이 스레스홀드 범위 ΔK를 벗어난 상태이면 상기 밸브를 상기 밸브 SET부에 연결하고 상기 밸브의 개폐량을 상기 밸브 SET값으로 설정하는 단계; 상기 밸브의 개폐량이 상기 밸브 SET값으로 설정된 후부터 일정시간 ΔT가 경과한 시점에서 상기 프리커서의 유량이 상기 스레스홀드 범위 ΔK를 벗어나면 상기 밸브 SET값을 증가시킴으로써 상기 밸브를 스텝 제어하는 단계; 상기 프리커서의 유량이 상기 스레스홀드 범위 ΔK 내에 있으면 상기 밸브를 상기 유량 제어부에 연결함으로써 상기 센서부의 측정값에 따라 상기 밸브의 개폐량을 피드백 제어하는 단계; 를 포함한다.

일 실시예로서, 본 발명의 유량 조절 장치의 제어 방법은, 반도체 제조 공정이 수행되는 프로세스 모듈과, 상기 프로세스 모듈에 대한 프리커서의 공급로를 개폐하는 밸브와, 상기 프리커서의 유량을 측정하는 센서부와, 상기 센서부의 측정값에 따라 상기 밸브의 개폐를 피드백 제어하는 유량 제어부와, 상기 유량 제어부와 별개로 설치되며 상기 피드백 제어 동작과 구별하여 상기 밸브의 개폐를 오픈 루프 제어하는 밸브 SET부와, 상기 밸브에 인가되는 전압을 모니터링하는 밸브 모니터링부가 유량 조절 장치에 마련될 때, 상기 프로세스 모듈의 초기 상태 이전에 상기 밸브에 인가된 전압의 최종값을 밸브 SET값으로 저장하며, 상기 프로세스 모듈의 초기 상태가 개시되면 상기 밸브 SET부에 의하여 상기 밸브를 제어하며 상기 밸브의 개폐량을 상기 밸브 SET값으로 설정하고, 상기 프리커서의 유량이 스레스홀드 범위 ΔK 내에 들어오면 상기 유량 제어부에 의하여 상기 밸브를 제어하며 상기 센서부의 측정값에 따라 상기 밸브의 개폐를 피드백 제어한다.

본 발명에 따르면, 유량 조절 장치의 프리커서 유량을 퍼지 제어(Fuzzy control)하여 안정화 시간을 줄일 수 있고, 프로세스 모듈의 공정 처리 시간을 단축시킬 수 있으며, 반도체 생산 수율 증가를 달성할 수 있다.

또한, 종래의 유량 조절기에서는 유량을 조절하는 밸브의 상태를 외부의 PMC에서 모니터링하기 불가능하였으나, 본 발명에서는 밸브 모니터링부를 구비하여 밸브에 인가되는 전압을 감지함으로써 밸브의 이상 징후를 예측할 수 있고 이에 따라 웨이퍼 손상을 감소시킬 수 있다.

또한, 종래의 유량 조절기는 유량 조절기 상류측에 해당하는 전단부 및 하류측에 해당하는 후단의 압력 차이에 따라 프리커서의 정량 제어가 어렵고, 특히 이러한 차압 변화는 프로세스 모듈의 동작중에 더욱 빈발하는 문제점이 있었다. 이때마다, 유량의 플럭츄에이션(fluctuation)이 발생하고, 이와 같은 외란 또는 오차 성분을 PID 제어와 같이 제어부의 정해진 시나리오대로 제어하였으므로, 안정화 시간이 길어지거나 경우에 따라서는 프리커서의 유량이 목표값에 수렴하지 못하고 발산하는 심각한 문제점들이 생겼다.

본 발명에서는 외부의 PMC에서 직접 프리커서 공급로의 개구율을 조절하며, 이를 위하여 피에조 밸브 또는 솔레노이드 밸브와 같이 전자적으로 동작되는 밸브의 개폐를 퍼지 제어함으로써 제어 안정성을 높이고 안정화 시간을 단축한다.

또한, 본 발명에서는 안정화 상태의 밸브 인가 전압을 밸브 SET값으로 기억해두고, 유량 또는 압력 변동 발생시 밸브 인가 전압을 모니터링하여 밸브 인가 전압이 밸브 SET값과 많은 차이가 나면 즉시 밸브 SET값을 인가함으로써 오픈 루프 제어에 의하여 안정화 시간을 극단적으로 줄일 수 있다.

도 1은 본 발명과 대비하기 위한 가상의 실시예로서, 단순하게 피드백 제어되는 유량 조절 장치를 도시한 블럭도이다.
도 2는 퍼지 제어되는 본 발명의 유량 조절 장치의 일 실시예를 도시한 블럭도이다.
도 3은 본 발명의 유량 조절 장치의 다른 일 실시예를 도시한 블럭도이다.
도 4는 본 발명의 밸브의 일 실시예를 도시한 단면도이다.
도 5 및 도 6은 도 1의 유량 조절 장치의 과도 응답 곡선이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 유량 조절 장치의 과도 응답 곡선이다.
도 9는 본 발명의 유량 조절 장치의 제어 방법을 도시한 순서도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.

도 1은 본 발명과 대비하기 위한 가상의 실시예로서, 단순하게 피드백 제어로만 제어되는 유량 조절 장치를 도시한 블럭도이다. 도시된 실시예에서는 프로세스 모듈(400)에 프리커서를 공급하는 유량 조절 유니트(100)가 센서부(120), 밸브(130), 유량 제어부(110)를 구비한다. 유량 제어부(110)는 센서부(120)의 측정값에 따라 밸브(130)의 개폐 동작을 폐루프(closed loop) 제어할 뿐이다. 또한, PID 제어와 같이 정해진 시나리오가 유량 제어부(110) 또는 프로세스 모듈 제어부(200)에 입력될 뿐이다.

정해진 시나리오대로 폐루프 제어만 실행될 경우, PID 제어의 한계점인 안정화 시간 증가, 과도 응답 구간(transient response area)에서의 진폭 증가, 외란에 대한 민감성, 정상 상태 오차(steady state error)의 증가 등 다양한 문제점을 유발한다. 또한, 프로세스 챔버 내부는 수시로 압력, 온도, 사용 가스의 종류 등이 바뀌게 되는데 그에 따라 유량 조절 유니트(100)의 전단 및 후단의 압력 차이나 유량의 플럭츄에이션이 발생하게 되고, 이로 인하여 안정화 시간이 길어지게 된다.

반면에, 센서부(120)의 측정값과 상관없이 개루프 제어(open loop)만 실행되는 경우, 파라미터의 설정만 제대로 이루어지면 과도 응답 특성이 종아지는 장점은 있으나, 외란에 대한 대처 능력이 부족하고, 시스템 파라미터의 변화에 지나치게 민감하며, 게인(gain)의 설정값에 따라 제어 동작이 급격하게 변화되는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명에서는 폐루프 제어 및 개루프 제어 각각의 단점을 보완하는 한편, 이들을 반도체 공정의 유량 조절 장치에 맞게 최적으로 개량하여 퍼지 제어와 유사한 동작 알고리즘을 갖는 유량 조절 장치를 제공한다.

도 2는 퍼지 제어되는 본 발명의 유량 조절 장치의 일 실시예를 도시한 블럭도이다. 도 3은 본 발명의 유량 조절 장치의 다른 일 실시예를 도시한 블럭도이다. 도 2 및 도 3의 점선 화살표는 프리커서의 흐름을 나타내고 실선 화살표는 신호의 흐름을 나타낸다. 도 2 및 도 3에 도시된 유량 조절 장치는 프로세스 모듈(400), 프로세스 모듈 제어부(300), 유량 조절 유니트(100), 밸브 SET부(520)를 포함한다.

도 2의 실시예에서는, 밸브 모니터링부(530)에 입수된 밸브(130)의 전압을 육안으로 감지하여 밸브 SET부(520)를 수동으로 조절하고, 밸브(130)의 동작 전압에 해당하는 신호가 파워 서플라이(POWER SUPPLY) 또는 신호 발생기(FULSE GENERATOR) 등으로 이루어진 신호 인가부(540)에서 생성되며, 신호 인가부(540)에서 발생한 밸브(130) 작동 신호가 스위칭부(510)를 거쳐 밸브(130)로 인가된다. 이와 같이 도 2의 실시예는 인-시츄로 수동 제어 가능한 밸브 SET부(520)를 나타낸다.

신호 인가부(540)는 밸브 SET부(520) 및 스위칭부(510) 사이에 개재되며, 밸브 SET부(520)의 지령에 따라 밸브 SET값에 해당하는 전압을 스위칭부(510)를 통하여 밸브(130)에 인가하고, 상기 전압 인가에 따라 밸브(130)는 밸브 SET값에 대응하는 양만큼 개폐된다.

밸브 모니터링부(530)는 밸브 SET부(520)에 의하여 인가되는 밸브 SET값에 대응되는 전압 또는 스위칭부(510)를 통하여 밸브(130)에 인가되는 밸브 실시간 전압을 모니터링한다. '밸브 실시간 전압'이란 밸브 SET부(520)에 의하여 인가되는 밸브 SET값에 대응되는 전압 및 유량 제어부(110)에 의하여 밸브(130)에 인가되는 밸브(130) 인가 전압을 모두 포함하는 값이다.

AD 변환기(550)는 밸브 모니터링부(530) 및 스위칭부(510) 사이에 개재되어 아날로그 전압을 디지털값으로 변환한다.

도 3의 실시예에서는 밸브 모니터링부(530), 밸브 SET부(520), 스위칭부(510)가 다이렉트 제어 유니트(500)에 내장되며, 다이렉트 제어 유니트(500)는 프로세스 모듈 제어부(200)에 의하여 자동 제어된다.

프로세스 모듈 제어부(200)는 2 개의 채널(210,220)을 구비하며, 제1 채널(210)에는 다이렉트 제어 유니트(500)가 연결되고, 제2 채널(220)에는 유량 조절 유니트(100)가 연결된다. 따라서, 유량 조절 유니트(100)의 피드백 제어 동작 및 다이렉트 제어 유니트(500)의 오픈 루프 제어 동작이 프로세스 모듈 제어부(200)에 의하여 자동으로 제어되는 실시예이다.

이와 같이 다이렉트 제어 유니트(500)는 유량 조절 유니트(100)와 별개로 마련되고, 프로세스 모듈 제어부(200)의 지령에 따라 밸브 SET부(520)의 동작을 자동 제어한다.

프로세스 모듈(400)은 에칭 공정, 증착 공정 등의 반도체 제조 공정이 수행되는 챔버이다. 프로세스 모듈 제어부(300)는 반응 가스나, 반응 원자를 포함한 프리커서를 프로세서 모듈에 공급한다.

프로세스 모듈(400)과 프로세스 모듈 제어부(300) 사이에는 유량 조절 유니트(100)가 마련되어 프리커서의 유량을 정량 조절한다. 유량 조절 유니트(100)의 예로서, MFC, LMFC, LFC 등을 들 수 있다.

유량 조절 유니트(100)는 밸브(130)와, 센서부(120)와, 유량 제어부(110)를 포함한다. 유량 조절 유니트(100)는 외부의 프로세스 모듈 제어부(200)와 연결되어 밸브(130)의 개폐 동작을 폐루프 제어한다.

밸브(130)는 프리커서의 공급로를 개폐하는 것으로서, 전압 인가에 따라 개폐율이 자동으로 조절되는 피에조 밸브(130) 또는 솔레노이드 밸브(130) 등이 바람직하다.

센서부(120)는 프리커서의 유량을 측정한다. 이를 위하여, 센서부(120)는 프로세스 모듈(400) 내부의 분압을 측정하여 초기값과 비교함으로써 유량 이상 유무를 확인하거나, 이상기체 방정식에 프로세스 모듈(400)의 체적과, 압력 변화량, 시간 경과량 등을 대입함으로써 인-시츄(In-situ)로 프리커서의 유량/압력 이상 유무를 체크한다.

센서부(120)는 도시된 바와 같이 밸브(130)의 전단에 설치되는 것에 한정되지 않고, 밸브(130)의 전단 또는 후단에 하나씩 배치되거나 양쪽 모두에 배치될 수 있다. 밸브(130)와 센서부(120)와 프로세스 모듈(400)은 공급관에 의하여 서로 연결되는데, 도시된 것과 같이 센서부(120)가 일측에 배치되는 경우에도 유체(프리커서)의 연속성에 의하여 큰 오차 없이 유량 측정을 할 수 있다.

그러나, 센서부(120)가 마련된다고 하더라도 프리커서의 유량 측정은 어느 정도 가능하지만, 밸브(130) 내부 유로에 슬러지가 끼어 막힘 현상이 발생하거나 막힘 현상에 의하여 점진적으로 프리커서 공급로의 압력이 증가되거나 유량 조절 장치 관로의 이상 유무 등을 체크할 수는 없다. 따라서, 본 발명은 밸브 모니터링부(530)를 설치하여 프리커서의 유량은 물론 밸브(130) 내부 유로의 막힘 현상이나 프리커서 공급로의 이상 동작을 밸브 실시간 전압 감지를 통하여 달성할 수 있는 장점이 있다.

유량 제어부(110)는 센서부(120)의 측정값을 입력받고 그 측정값에 따라 밸브(130)의 개폐를 폐루프(closed loop)로 피드백(feed back) 제어한다.

본 발명은 안정화 시간 단축을 위하여 특히 과도 응답 영역에서 탁월한 제어성을 갖는 오픈 루프 제어 수단도 구비하는데, 밸브 SET부(520)가 여기에 해당한다. 밸브 SET부(520)는 유량 제어부(110)의 피드백 제어 동작과 구별하여 밸브(130)의 개폐량을 오픈 루프 제어한다. 따라서, 밸브 SET부(520)는 유량 제어부(110)와 별개로 설치되는 것이 바람직하며, 밸브 SET부(520) 및 유량 제어부(110)의 밸브(130) 연결 절환을 위하여 스위칭부(510)가 마련된다.

스위칭부(510)는 밸브(130)를 밸브 SET부(520) 및 유량 제어부(110) 중 어느 하나에 선택적으로 연결한다. 일 실시예로서, 과도 응답의 초기 상태에서는 스위칭부(510)에 의하여 밸브(130)가 밸브 SET부(520)에 연결되며 밸브 SET값에 대응되는 전압이 밸브(130)에 인가됨으로써 밸브(130)의 개폐량이 밸브 SET값에 대응하는 값으로 설정된다.

본 발명에서 '밸브 SET값'이란, 소정의 상수에 해당하는 밸브(130)의 개폐량 또는 상기 밸브(130)의 개폐량을 얻기 위하여 밸브(130)에 인가되는 소정의 전압값을 말한다. 바람직한 실시예로서, 프리커서의 유량이 목표값(N)에 수렴할 때, 밸브(130)에 인가되는 전압 또는 밸브(130)의 개폐량을 밸브 SET값으로 기억해두며, 밸브 SET부(520)는 밸브(130)에 인가되는 전압 또는 밸브(130)의 개폐량을 미리 저장된 최적의 밸브 SET값으로 설정함으로써 프리커서 유량의 안정화 시간을 감소시키는 것이 본 발명의 주요 특징이다.

이를 위하여 밸브(130)의 개폐량 제어를 위하여 밸브(130)에 인가되는 전압을 실시간으로 모니터링하는 수단이 필요한데, 밸브 모니터링부(530)가 바로 이러한 기능을 한다.

밸브 모니터링부(530)에서 감지된 전압은 아날로그 전압 또는 AD 변환기(550)를 거쳐 변환된 디지탈값으로 프로세스 모듈 제어부(200) 또는 다이렉트 제어 유니트(500)에 실시간으로 입수되며, 프리커서의 유량이 목표값(N)에 수렴할 때 밸브(130)에 인가되는 전압 또는 밸브(130)의 개폐량은 최적의 밸브 SET값으로 프로세스 모듈 제어부(200) 또는 다이렉트 제어 유니트(500)에 기억된다.

일 실시예로서, 프로세스 모듈 제어부(200)는 초기 상태에는 밸브(130)의 개폐량을 밸브 SET값으로 설정하여 오픈 루프 제어하며, 초기 상태를 지나면 센서부(120)의 측정값에 따라 밸브(130)의 개폐량을 피드백 제어한다.

일 실시예로서, 프로세스 모듈 제어부(200)는, 초기 상태뿐만 아니라, 정상 상태에서도 외란 등에 의하여 밸브 실시간 전압이 목표값(N)을 심하게 벗어나면 안정화 시간을 줄이기 위하여 유량 제어부(110)의 피드백 제어 동작은 오프시키고 밸브 SET부(520)의 오픈 루프 제어 동작을 활성화시킨다.

따라서, 프로세스 모듈 제어부(200)는 밸브(130)를 일정하게 개폐하여 오픈 루프 제어한 후 센서부(120)의 측정값에 따라 밸브(130)의 개폐를 피드백 제어하고, 이에 따라 프리커서의 유량이 목표값(N)에 수렴되는 안정화 시간이 획기적으로 감소된다.

도 4는 본 발명의 밸브(130)의 일 실시예를 도시한 단면도이다. 도시된 밸브(130)는 혼합 기화기가 예시되며, 원료액과 반송가스를 혼합시키는 밸브(130)의 일종으로서, 원료액이 유입되는 원료액유입구(12)와, 반송가스가 유입되는 반송가스유입구(14) 및 상기 원료액과 반송가스를 혼합하여 혼합가스를 생성하는 혼합공간(16)을 포함한다.

원료액과 반송가스의 유입량은 조절 밸브(12a, 14a)에 의해서 조절된다. 혼합공간(16)에는 피에조 액츄에이터(22, piezo actuator)와 결합된 다이어프램(24, diaphragm)이 마련되며, 피에조 액츄에이터(22)의 동작에 의해서 다이어프램(24)이 유량을 미세하게 제어한다. 또한, 제1히터(28)에 의해 원료액과 반송가스의 혼합 시 일정한 온도가 유지된다. 하우징(26)은 원료액 유입구(12)와 반송가스 유입구(14) 및 혼합공간(16)을 형성한다.

상술한 바와 같은 혼합 기화기 타입 밸브(130)에 사용되는 원료액으로는 테오스(Si(OC2H5)4,TEOS, Tetraethyl orthosilicate) 등과 같이 규소(Si) 성분이 포함된 원료액이 사용될 수 있다.

규소(Si)가 포함된 원료액을 장시간 사용할 경우, 반송가스유입공(15) 등이 막혀서 유량 조절 민감도가 떨어질 수 있지만, 본 발명에서는 센서부(120)에서 측정된 프리커서의 유량값과 함께 밸브(130)에 인가되는 밸브 실시간 전압이 입수되기 때문에 프리커서의 유량은 물론 밸브(130)의 이상 유무와 관로 막힘 현상도 함께 모니터링될 수 있다.

도 5 및 도 6은 도 1의 유량 조절 장치의 과도 응답 곡선이다. 도 1의 피드백 제어 수단만 사용될 경우, 프리커서의 유량 측정값이 도 5와 같이 목표값(N)에 수렴하지 못하고 발산하거나, 도 6과 같이 안정화 시간이 매우 길어질 수 있다.

도 7 및 도 8은 본 발명의 유량 조절 장치의 과도 응답 곡선이다. 도 2 또는 도 3의 본 발명의 유량 제어부(110)와 함께 밸브 SET부(520)가 함께 퍼지 제어 수단으로 사용되면 안정화 시간이 획기적으로 줄어들게 된다.

즉, 초기 상태에는 밸브(130)의 개폐량을 밸브 SET값으로 설정하여 오픈 루프 제어하며, 초기 상태를 지나면 밸브 SET부(520)의 연결을 끊고 유량 제어부(110)를 밸브(130)와 연결한다. 이때는 센서부(120)의 측정값에 따라 밸브(130)의 개폐량은 피드백 제어된다.

한편, 초기 상태뿐만 아니라 보다 일반적인 경우로 밸브 SET부(520)의 기능을 확장하여, 프리커서의 유량이 스레스홀드(threshold) 범위 ΔK를 벗어난 상태이면 밸브(130)가 밸브 SET부(520)에 연결됨으로써 밸브(130)의 개폐량이 밸브 SET값으로 설정되고, 프리커서의 유량이 스레스홀드 범위 ΔK 내에 있으면 밸브(130)가 유량 제어부(110)에 연결됨으로써 센서부(120)의 측정값에 따라 밸브(130)의 개폐량이 피드백 제어된다.

따라서, 본 발명의 경우 초기 상태뿐만 아니라 정상 상태에서도 외란 노이즈의 유입시 안정화 시간 감소 효과를 얻을 수 있다.

오픈 루프 제어와 피드백 제어의 스위칭 시점은 도 2의 경우 스위칭부(510)의 수동 조작에 의하여 이루어지며 도 3의 경우 다이렉트 제어 유니트(500)에 의한 스위칭부(510)의 자동 제어에 의하여 이루어진다.

이때, 일 실시예로서, 밸브(130)의 개폐량이 밸브 SET값으로 설정된 후부터 일정 시간 ΔT가 경과한 시점에서 프리커서의 유량이 스레스홀드 범위 ΔK를 벗어나면 밸브 SET값을 증가시킴으로써 스텝 제어하는 것이 안정화 시간 감소에 도움이 된다. 이러한 실시예는 도 8에 도시되었다.

설명의 편의상 초기 상태에 대한 예를 들면, 초기 상태에서 밸브(130)는 오픈 루프 제어되고 시간 경과에 따라 밸브(130)의 밸브 SET값이 단계별로 증가됨으로써 밸브(130)는 스텝 제어되며, 초기 상태를 지나면 센서부(120)의 측정값에 따라 밸브(130)가 피드백 제어된다. 이러한 스텝 제어 동작은 초기 상태는 물론 정상 상태시 외란 유입에 의하여 프리커서의 유량이 목표값(N)을 크게 벗어나 오픈 루프 제어로 절환된 경우에도 사용될 수 있다.

도 9는 본 발명의 유량 조절 장치의 제어 방법을 도시한 순서도이다. 도 9를 참조하며, 본 발명의 유량 조절 장치의 동작 및 제어 방법에 대하여 정리한다.

본 발명의 유량 조절 장치의 제어 방법은, 밸브(130)를 밸브 SET부(520)에 연결하여 밸브(130)의 개폐량을 오픈 루프 제어하는 제1 모드, 밸브(130)를 유량 제어부(110)에 연결하여 밸브(130)의 개폐량을 피드백 제어하는 제2 모드를 정의할 때, 상기 제1 모드 및 제2 모드 중 어느 하나를 선택함으로써 프리커서의 유량이 목표값(N)에 수렴되는 안정화 시간을 감소시키는 단계를 포함한다.

이를 구체적으로 살펴보면, 밸브 SET부(520)를 마련하고 유량 조절 장치를 초기화하는 단계(S10)와, 프리커서의 유량이 스레스홀드 범위 ΔK를 벗어난 상태인지 여부를 판단하는 단계(S20)와, 프리커서의 유량이 ΔK를 벗어난 상태이면 밸브(130)를 밸브 SET부(520)에 연결하고(S40), 밸브(130)의 개폐량을 밸브 SET값으로 설정하는 단계(S50)를 포함한다.

안정화 시간을 줄이기 위하여 프로세스 모듈(400)의 초기 상태 이전에 밸브(130)에 인가된 전압의 최종값이 밸브 SET값으로 저장한다. 이와 같이 이전 공정에서 수렴 상태의 밸브 개폐량을 차기 공정 초기 상태에서 밸브 SET값으로 간주하면 안정화 시간 감소 효과를 더욱 증가시킬 수 있다.

프로세스 모듈(400)의 초기 상태가 개시되면 밸브 SET부(520)에 의하여 밸브(130)가 제어되며 밸브(130)의 개폐량이 상기 기억된 밸브 SET값으로 설정된다. 오픈 루프 제어의 빠른 응답에 의하여 프리커서의 유량이 스레스홀드 범위 ΔK 내에 들어오면 유량 제어부(110)에 의하여 밸브(130)가 제어되며 센서부(120)의 측정값에 따라 밸브(130)의 개폐가 피드백 제어된다. 이에 의하여 밸브(130)의 개폐량은 목표값에 짧은 안정화 시간으로 수렴된다.

여기서, 밸브 SET값을 더 좋은 최적값으로 업데이트(update)하는 단계(S30)가 추가될 수 있는데, 상술한 바와 같이 최적으로 밸브 SET값은 프리커서의 유량이 목표값(N)에 수렴할 때의 값으로 기억되어 있으며, 밸브(130)의 장시간 사용에 따른 특성 변경으로 밸브 SET값이 계속 업데이트되는 것이 바람직하다. 예를 들어 도 7에서는 최적의 밸브 SET값은 N으로 기억되어 있으며, 도 8에서는 최적의 밸브 SET값은 1ΔT 동안은 S1으로 기억되어 있고 1ΔT~2ΔT동안은 S2로 업데이트되어 있다.

한편, 밸브(130)의 개폐량이 밸브 SET값으로 설정된 후부터 일정시간 ΔT가 경과하였는지 여부를 판단(S50)하고, ΔT가 경과한 시점에서 프리커서의 유량이 스레스홀드 범위 ΔK를 벗어나면 밸브 SET값을 S1에서 S2로 증가시킴(S30)으로써 밸브(130)의 개폐량을 스텝 제어하는 것이 바람직하다.

한편, 센서부(120)의 측정 결과, 프리커서의 유량이 스레스홀드 범위 ΔK 내에 있으면 밸브(130)를 유량 제어부(110)에 연결(S60)하고, 센서부(120)의 측정값에 따라 밸브(130)의 개폐량을 피드백 제어한다. 프로세스 모듈(400) 내에서 수행되는 반도체 공정에 변경 사항이 발생하면 이를 감지하고(S70), 장치의 초기화(S10)를 실시하여 상기 과정을 반복한다.

이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

100...유량 조절 유니트 110...유량 제어부
120...센서부 130...밸브
200...프로세스 모듈 제어부(PMC:Process Module Controller)
210...제1 채널 300...가스/케미컬 공급 유니트
400...프로세스 모듈 500...다이렉트 제어 유니트
510...스위칭부 520...밸브 SET부
530...밸브 모니터링부 540...신호 인가부
550...AD 변환기

Claims

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반도체 제조 공정이 수행되는 프로세스 모듈;
프리커서를 공급하는 가스/케미컬 공급 유니트;
상기 프로세스 모듈에 대한 상기 프리커서의 공급로를 개폐하는 밸브와, 상기 프리커서의 유량을 측정하는 센서부와, 상기 센서부의 측정값에 따라 상기 밸브의 개폐를 피드백 제어하는 유량 제어부를 구비하는 유량 조절 유니트;
상기 피드백 제어 동작과 구별하여 상기 밸브의 개폐를 오픈 루프 제어하는 밸브 SET부; 를 포함하고,
상기 밸브 SET부는 상기 유량 제어부와 별개로 설치되는 유량 조절 장치.
반도체 제조 공정이 수행되는 프로세스 모듈;
프리커서를 공급하는 가스/케미컬 공급 유니트;
상기 프로세스 모듈에 대한 상기 프리커서의 공급로를 개폐하는 밸브와, 상기 프리커서의 유량을 측정하는 센서부와, 상기 센서부의 측정값에 따라 상기 밸브의 개폐를 피드백 제어하는 유량 제어부를 구비하는 유량 조절 유니트;
상기 피드백 제어 동작과 구별하여 상기 밸브의 개폐를 오픈 루프 제어하는 밸브 SET부; 를 포함하고,
초기 상태에는 상기 밸브의 개폐량을 밸브 SET값으로 설정하여 오픈 루프 제어하며, 상기 초기 상태를 지나면 상기 센서부의 측정값에 따라 상기 밸브의 개폐량을 피드백 제어하는 프로세스 모듈 제어부; 를 포함하는 유량 조절 장치.
반도체 제조 공정이 수행되는 프로세스 모듈;
프리커서를 공급하는 가스/케미컬 공급 유니트;
상기 프로세스 모듈에 대한 상기 프리커서의 공급로를 개폐하는 밸브와, 상기 프리커서의 유량을 측정하는 센서부와, 상기 센서부의 측정값에 따라 상기 밸브의 개폐를 피드백 제어하는 유량 제어부를 구비하는 유량 조절 유니트;
상기 피드백 제어 동작과 구별하여 상기 밸브의 개폐를 오픈 루프 제어하는 밸브 SET부; 를 포함하고,
상기 밸브를 일정하게 개폐하여 오픈 루프 제어한 후 상기 센서부의 측정값에 따라 상기 밸브의 개폐를 피드백 제어함으로써, 상기 프리커서의 유량이 목표값에 수렴되는 안정화 시간을 감소시키는 프로세스 모듈 제어부; 를 포함하는 유량 조절 장치.
반도체 제조 공정이 수행되는 프로세스 모듈;
프리커서를 공급하는 가스/케미컬 공급 유니트;
상기 프로세스 모듈에 대한 상기 프리커서의 공급로를 개폐하는 밸브와, 상기 프리커서의 유량을 측정하는 센서부와, 상기 센서부의 측정값에 따라 상기 밸브의 개폐를 피드백 제어하는 유량 제어부를 구비하는 유량 조절 유니트;
상기 피드백 제어 동작과 구별하여 상기 밸브의 개폐를 오픈 루프 제어하는 밸브 SET부; 를 포함하고,
상기 프리커서의 유량이 스레스홀드 범위 ΔK를 벗어난 상태이면 상기 밸브가 상기 밸브 SET부에 연결됨으로써 상기 밸브의 개폐량이 밸브 SET값으로 설정되고,
상기 프리커서의 유량이 상기 스레스홀드 범위 ΔK 내에 있으면 상기 밸브가 상기 유량 제어부에 연결됨으로써 상기 센서부의 측정값에 따라 상기 밸브의 개폐량이 피드백 제어되는 유량 조절 장치.
제5항에 있어서,
상기 밸브의 개폐량이 상기 밸브 SET값으로 설정된 후부터 일정시간 ΔT가 경과한 시점에서 상기 프리커서의 유량이 상기 스레스홀드 범위 ΔK를 벗어나면 상기 밸브 SET값이 증가되는 유량 조절 장치.
반도체 제조 공정이 수행되는 프로세스 모듈;
프리커서를 공급하는 가스/케미컬 공급 유니트;
상기 프로세스 모듈에 대한 상기 프리커서의 공급로를 개폐하는 밸브와, 상기 프리커서의 유량을 측정하는 센서부와, 상기 센서부의 측정값에 따라 상기 밸브의 개폐를 피드백 제어하는 유량 제어부를 구비하는 유량 조절 유니트;
상기 피드백 제어 동작과 구별하여 상기 밸브의 개폐를 오픈 루프 제어하는 밸브 SET부; 를 포함하고,
초기 상태에서 상기 밸브는 오픈 루프 제어되고 시간 경과에 따라 상기 밸브의 밸브 SET값이 단계별로 증가됨으로써 상기 밸브는 스텝 제어되며,
상기 초기 상태를 지나면 상기 센서부의 측정값에 따라 상기 밸브가 피드백 제어되는 유량 조절 장치.
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반도체 제조 공정이 수행되는 프로세스 모듈;
프리커서를 공급하는 가스/케미컬 공급 유니트;
상기 프로세스 모듈에 대한 상기 프리커서의 공급로를 개폐하는 밸브와, 상기 프리커서의 유량을 측정하는 센서부와, 상기 센서부의 측정값에 따라 상기 밸브의 개폐를 피드백 제어하는 유량 제어부를 구비하는 유량 조절 유니트;
상기 피드백 제어 동작과 구별하여 상기 밸브의 개폐를 오픈 루프 제어하는 밸브 SET부;
상기 유량 조절 유니트의 동작을 제어하는 프로세스 모듈 제어부;
상기 유량 조절 유니트와 별개로 마련되고, 상기 프로세스 모듈 제어부의 지령에 따라 상기 밸브 SET부의 동작을 제어하는 다이렉트 제어 유니트; 를 포함하는 유량 조절 장치.
제11항에 있어서,
상기 다이렉트 제어 유니트는,
상기 밸브 SET부와,
상기 밸브를 상기 밸브 SET부 및 상기 유량 제어부 중 어느 하나에 선택적으로 연결하는 스위칭부와,
상기 밸브에 인가되는 전압을 모니터링하는 밸브 모니터링부를 포함하는 유량 조절 장치.
삭제
반도체 제조 공정이 수행되는 프로세스 모듈;
상기 프로세스 모듈에 대한 프리커서의 공급로를 개폐하는 밸브;
상기 프리커서의 유량을 측정하는 센서부;
상기 센서부의 측정값에 따라 상기 밸브의 개폐를 피드백 제어하는 유량 제어부;
상기 유량 제어부와 별개로 설치되며 상기 피드백 제어 동작과 구별하여 상기 밸브의 개폐를 오픈 루프 제어하는 밸브 SET부;
상기 밸브에 인가되는 전압을 모니터링하는 밸브 모니터링부; 를 포함하고,
상기 프로세스 모듈의 초기 상태 이전에 상기 밸브에 인가된 전압의 최종값이 밸브 SET값으로 저장되며,
상기 프로세스 모듈의 초기 상태가 개시되면 상기 밸브 SET부에 의하여 상기 밸브가 제어되며 상기 밸브의 개폐량이 상기 밸브 SET값으로 설정되고,
상기 프리커서의 유량이 스레스홀드 범위 ΔK 내에 들어오면 상기 유량 제어부에 의하여 상기 밸브가 제어되며 상기 센서부의 측정값에 따라 상기 밸브의 개폐이 피드백 제어되는 유량 조절 장치.
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반도체 제조 공정이 수행되는 프로세스 모듈과, 상기 프로세스 모듈에 프리커서를 공급하는 가스/케미컬 공급 유니트와, 상기 프리커서의 공급로를 개폐하는 밸브와, 상기 밸브의 개폐를 센서부의 측정값에 따라 피드백 제어하는 유량 제어부와, 상기 유량 제어부와 별개로 설치되며 상기 밸브의 개폐량을 밸브 SET값으로 설정하는 밸브 SET부를 마련하는 단계;
상기 프리커서의 유량이 스레스홀드 범위 ΔK를 벗어난 상태이면 상기 밸브를 상기 밸브 SET부에 연결하고 상기 밸브의 개폐량을 상기 밸브 SET값으로 설정하는 단계;
상기 밸브의 개폐량이 상기 밸브 SET값으로 설정된 후부터 일정시간 ΔT가 경과한 시점에서 상기 프리커서의 유량이 상기 스레스홀드 범위 ΔK를 벗어나면 상기 밸브 SET값을 증가시킴으로써 상기 밸브를 스텝 제어하는 단계;
상기 프리커서의 유량이 상기 스레스홀드 범위 ΔK 내에 있으면 상기 밸브를 상기 유량 제어부에 연결함으로써 상기 센서부의 측정값에 따라 상기 밸브의 개폐량을 피드백 제어하는 단계; 를 포함하는 유량 조절 장치의 제어 방법.
반도체 제조 공정이 수행되는 프로세스 모듈과, 상기 프로세스 모듈에 대한 프리커서의 공급로를 개폐하는 밸브와, 상기 프리커서의 유량을 측정하는 센서부와, 상기 센서부의 측정값에 따라 상기 밸브의 개폐를 피드백 제어하는 유량 제어부와, 상기 유량 제어부와 별개로 설치되며 상기 피드백 제어 동작과 구별하여 상기 밸브의 개폐를 오픈 루프 제어하는 밸브 SET부와, 상기 밸브에 인가되는 전압을 모니터링하는 밸브 모니터링부가 유량 조절 장치에 마련될 때,
상기 프로세스 모듈의 초기 상태 이전에 상기 밸브에 인가된 전압의 최종값을 밸브 SET값으로 저장하며,
상기 프로세스 모듈의 초기 상태가 개시되면 상기 밸브 SET부에 의하여 상기 밸브를 제어하며 상기 밸브의 개폐량을 상기 밸브 SET값으로 설정하고,
상기 프리커서의 유량이 스레스홀드 범위 ΔK 내에 들어오면 상기 유량 제어부에 의하여 상기 밸브를 제어하며 상기 센서부의 측정값에 따라 상기 밸브의 개폐를 피드백 제어하는 유량 조절 장치의 제어 방법.