KR102159913B1 - 유량제어시스템 - Google Patents

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권기현
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세메스 주식회사
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Abstract

본 발명은 약액 압력의 변화에도 불구하고 유량제어가 가능한 유량제어시스템에 관한 것이다. 이를 위하여 유량제어시스템은, 약액공급원으로부터 공급되는 약액의 유량을 스테핑모터를 이용하여 조절하는 유량조절밸브, 상기 유량조절밸브를 제어하는 유량제어부, 및 상기 약액의 압력을 감지하는 적어도 하나의 압력감지부를 포함하고, 상기 유량제어부는 상기 약액의 압력에 기반하여 상기 스테핑모터의 펄스당 회전각을 변경한다.

Description

유량제어시스템{FLOW CONTROL SYSTEM}
본 발명은 유량제어시스템에 관한 것으로서, 구체적으로 약액 압력의 변화에도 불구하고 유량제어가 가능한 유량제어시스템에 관한 것이다.
반도체 소자, 액정 디스플레이 패널 등의 기판을 제조하는 반도체 제조 공정 중 다수 공정은 기판의 공정 처리를 위해 적어도 하나의 약액을 필요로 한다. 각 약액은 각 약액공급원으로부터 공급되고, 처리조, 챔버 등의 약액처리유닛에서 각 분사구 또는 노즐을 통해 토출 또는 분사된다.
따라서 일정량의 약액이 약액처리 유닛으로 안정적으로 공급되도록 밸브의 개폐를 제어하고, 배관을 통해 공급되는 약액의 유량을 실시간으로 측정하여 약액의 공급량을 조절하는 것은 기판 처리 장치에 있어서 매우 중요한 일이다.
일반적으로 약액처리유닛은 약액공급원으로부터 약액을 공급받기 위한 배관과, 노즐단의 개폐밸브와 약액량을 조절하는 적어도 하나의 약액조절밸브와, 약액조절밸브를 제어하는 유량제어부가 구비된다.
일반적으로 적어도 하나의 기판에 대한 약액처리공정이 완료되거나 설비 리셋 시, 홈센서를 이용한 유량조절밸브의 원점(origin) 동작이 요구된다.
한편 원점 동작이 이루어지는 도중에 노즐로부터 약액이 토출 또는 분사되지 않도록, 개폐밸브가 닫힌 상태로 원점동작이 수행된다. 개폐밸브가 닫힌 상태에서 원점동작이 수행되기 때문에, 배관 내 압력이 큰 폭으로 증가 또는 감소하게 된다. 배관 내 상승 또는 하강된 압력에 따라 발생하는 부하에 의해 유량조절밸브의 허용토크 범위를 벗어나게 되면, 유량조절밸브는 구동 중지되거나 유량을 제대로 조절할 수 없게 된다. 이에 따라 설비는 구동 중지되고, 진행하던 기판은 재처리 또는 폐기 처리되는 등의 손실이 발생할 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것이며, 약액 압력의 급격한 변화에도 구동이 가능한 유량제어시스템을 제공하기 위한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 약액공급원으로부터 공급되는 약액의 유량을 스테핑모터를 이용하여 조절하는 유량조절밸브, 상기 유량조절밸브를 제어하는 유량제어부, 및 상기 약액의 압력을 감지하는 적어도 하나의 압력감지부를 포함하고, 상기 유량제어부는 상기 약액의 압력에 기반하여 상기 스테핑모터의 펄스당 회전각을 변경하는 것을 특징으로 하는 유량제어시스템을 제공한다.
상기 유량제어부는 상기 약액의 압력 증가가 감지되면, 상기 스테핑모터의 펄스당 회전각을 감소시킬 수 있다.
상기 유량제어부는 상기 약액의 압력 감소가 감지되면, 상기 스테핑모터의 펄스당 회전각을 증가시킬 수 있다.
상기 유량제어부는 복수의 압력 범위에 따른 펄스당 회전각에 대한 정보를 갖는 룩업테이블을 구비할 수 있다.
상기 유량제어부는 상기 유량조절밸브가 구동하는 데 실패한 경우, 정해진 횟수만큼 상기 유량조절밸브를 재구동시킬 수 있다.
상기 유량제어부는 상기 유량조절밸브가 구동하는 데 실패한 경우, 상기 펄스당 회전각을 일정 크기만큼 감소시켜 상기 유량조절밸브를 재구동시킬 수 있다.
상기 유량제어부는 상기 재구동된 유량조절밸브가 구동하는 데 성공한 경우, 상기 룩업테이블의 정보를 수정할 수 있다.
상기 약액이 토출되는 토출부, 및 상기 토출부에 구비되어 상기 약액의 흐름을 차단하는 개폐밸브를 더 포함하고, 상기 유량제어부는, 상기 유량조절밸브가 상기 개폐밸브에 의해 상기 약액의 흐름을 차단된 상태에서 원점(origin) 동작을 수행하는 경우, 상기 감지되는 압력에 기반하여 상기 스테핑모터의 펄스당 회전각을 변경시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 유량제어부는 감지된 약액 압력에 기반하여 스테핑모터의 펄스당 회전각을 가변하여 유량조절밸브를 구동하므로, 유량조절밸브의 구동실패를 방지할 수 있다.
본 발명에 따르면 기존의 압력센서들을 이용할 수 있어서 다른 센서를 구비할 필요가 없으므로 비용을 절감할 수 있다.
본 발명에 따르면 적어도 하나의 압력센서들을 기반으로 판단할 수 있어 정확한 판단이 가능하다.
본 발명에 따르면 유량조절밸브의 구동이 실패의 본질적 원인은 압력의 상승 또는 하강이므로, 압력의 상승 또는 하강을 기초로 제어되므로 부차적인 요인을 기초로 제어하는 것보다 빠른 제어가 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 유량제어시스템의 구성을 간략하게 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스테핑모터에 사용되는 펄스파의 파형을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 유량제어부에 구비된 룩업테이블(lookup table)을 나타낸 도면이다.
본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 서술하는 실시예로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 구성 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이다.
이하 첨부된 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 유량제어시스템의 구성을 간략하게 도시한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 유량제어시스템(100)은, 가스, 처리액 등의 약액을 노즐에 공급하는 약액공급원(110), 약액공급원(110)으로부터 공급되는 약액의 유량을 측정하고 유량조절밸브를 제어하는 유량제어부(120), 유량제어부(120)의 제어에 따라 유량을 조절하는 유량조절밸브(130), 유량의 압력을 감지하는 압력감지부(160), 약액을 토출하는 토출부(150), 토출부(150)로의 약액흐름을 차단하는 개폐밸브(140)를 포함한다.
약액공급원(110)은 유량제어부(120), 유량조절밸브(130), 개패밸브(140)를 거쳐 약액을 토출부(150)에 공급할 수 있다. 반도체 웨이퍼, 디스플레이패널 등의 기판은 공정처리마다 적어도 하나의 약액 처리가 필요하므로, 약액공급원(110)은 적어도 하나일 수 있다. 약액공급원(110)은 약액을 저장할 수 있는 적어도 하나의 저장탱크일 수 있다. 약액공급원(110)이 적어도 2 이상의 저장탱크로 구성되는 경우, 적어도 2 이상의 저장탱크에 저장된 약액은 서로 순환할 수 있도록 저장탱크 사이에 순환배관이 설치될 수 있다. 또한 순환배관으로 약액을 순환시키기 위해 적어도 하나의 펌프를 구비할 수 있다. 약액은 적정온도를 벗어나면 변성되거나 약액처리 효과가 저하될 수 있으므로 약액의 온도를 설정된 온도로 유지하는 것은 중요하다. 따라서 약액공급원(110)에는 약액이 적정온도로 유지할 수 있도록 온도조절부(미도시)가 구비될 수 있다.
토출부(150)는 약액공급원(110)으로부터 공급된 약액의 최종 목적지이다. 토출부(150)로부터 약액이 기판(W)에 분사 또는 토출되거나, 토출부(150)로부터 약액이 다른 시스템으로 전달될 수 있다. 약액이 기판(W)에 분사 또는 토출되는 경우 토출부(150)는 관 형태 또는 슬릿 형태를 취할 수 있다. 관 형태의 토출부는 기판 중심에 약액을 분사 또는 토출하기 용이한 형태이다. 관 형태의 토출부는 기판의 센터부분에 약액을 분사 또는 토출하는 데에 적합한 구조이고, 슬릿 형태의 토출부(150)는 기판의 일측부터 타측으로 약액을 분사 또는 토출하기 적합한 구조이다. 토출부(150)는 적어도 2개의 약액을 동시에 분사 또는 토출할 수 있다. 각 약액은 약액공급원(110)에서 혼합되어 토출부(150)로 분사 또는 토출될 수 있고, 각 약액은 토출부(150)에서 혼합되어 분사 또는 토출될 수 있다.
개폐밸브(140)는 유량조절밸브(130)와 토출부(150) 사이에 구비되어 유량조절밸브(130)로부터 토출부(150)로의 약액흐름을 차단할 수 있다. 공정상의 이유로 개폐밸브(140)가 토출부(150)의 약액흐름을 차단할 수 있고, 원점(origin)동작을 위해 개폐밸브(140)가 토출부(150)의 약액흐름을 차단할 수 있다. 개폐밸브(140)는 유량제어부(120)에 의해 제어될 수 있다.
유량제어시스템(100)은 반도체 웨이퍼 또는 디스플레이 패널 등의 기판 제조를 위해 풀가동되기 때문에, 시스템 열화로 인한 고장이나 기판 불량을 방지하기 위해서는 시스템의 원점(origin)동작이 필요하다. 즉, 원점(origin) 동작이란 홈센서를 이용하여 실린더, 밸브, 센서 등의 동작상태를 점검하는 동작 또는, 처리공정을 끝내고 다음 처리공정을 시작하기 위해 초기위치로 되돌아가는 동작을 의미한다. 각각의 유닛 별로 원점 동작이 이루어질 수 있고, 시스템 리셋 시 유닛 전체에 대한 원점 동작이 이루어질 수 있다. 한편 유량조절밸브(130)가 원점동작을 수행하는 경우, 약액이 토출부로 토출 또는 분사되는 것을 피하기 위해 개폐밸브(140)에 의해 약액의 흐름이 차단될 수 있다. 또한 약액처리를 위해 약액을 기판에 분사 또는 토출한 후, 약액이 의도하지 않게 기판으로 토출되는 경우를 방지하기 위해 개폐밸브(140)가 토출부(150)의 약액흐름을 차단할 수 있다.
유량조절밸브(130)는 유량제어부(120)에 의해 제어되는 약액의 유량을 조절하기 위한 밸브이다. 유량조절밸브(130)는 1펄스가 입력되면 정해진 각도만큼 회전하는 스테핑모터로 구동될 수 있다. 스테핑모터로 구동되는 유량조절밸브(130)는 다양한 형태가 있을 수 있다.
"ㅜ"형태의 유량조절밸브(130)가 있을 수 있다. "ㅜ"자 형태의 유량조절밸브는 약액공급원(110)으로부터 토출부(150)로 이어진 배관에 스테핑모터로 연동되는 흐름방지용 나사가 박힌 형태로서, 스테핑모터에 이해 흐름방지용 나사가 유량조절밸브의 내부로 파고들 때마다 유량의 흐름이 감소하고, 스테핑모터에 의해 흐름방지용 나사가 풀리면 유량의 흐름이 증가하는 구조이다. 유량조절밸브는 흐름방지용 나사가 어느정도 파고들었는지 또는 풀려있는지를 알기 위해서 홈센서를 이용한 원점동작이 필요할 수 있다.
상기와는 다르게 "ㅡ"형태의 유량조절밸브(130)가 있을 수 있다. 유량조절밸브는 약액공급원(110)으로부터 토출부(150)로 이어진 배관 내부에 스테핑모터에 연결된 유량조절판의 각을 변경하여 유량의 흐름을 조절할 수 있다.
유량조절밸브(130)의 형태는 상술한 예시에 한정되지 않고 스테핑모터로 구동되는 유량조절밸브는 본 발명의 유량제어시스템에 모두 적용될 수 있다.
유량제어부(120)는 유량을 측정하고, 약액압력을 기반으로 유량조절밸브에 구비된 스텝모터의 펄스 당 회전각을 변경시킨다.
구체적으로 유량제어부(120)는 유량을 측정하기 위한 유량측정부(121)와 측정된 유량 정보를 기반으로 유량조절밸브(130)을 제어하기 위한 밸브제어부(122)를 구비할 수 있다.
유량측정부(121)는 약액공급원(110)으로부터 공급되는 약액의 유량을 측정할 수 있다. 밸브제어부(122)는 유량측정부(121)에서 측정된 약액의 유량 정보를 기반으로 유량조절밸브(130)를 제어한다.
기본적으로 스테핑모터는 허용 토크범위가 존재한다. 스테핑모터가 허용 토크범위를 넘어 구동 시, 구동이 안되거나 정해진 각만큼 회전하지 않을 수 있다. 이 현상을 스톨현상이라 한다. 시스템 리셋 또는 기판 처리한 후 유량조절밸브의 원점동작 시 개폐밸브(140)가 닫힌 상태에서 유량조절밸브 (130)로 유량을 조절하면 약액 압력의 증가 및 감소 현상이 발생할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 유량제어시스템(100)은 약액 압력의 변화를 감지하여 스테핑모터의 펄스당 회전각을 변경함으로써, 허용토크 범위 내에서 스테핑모터를 구동할 수 있다.
배관(170)은 각 유닛 사이를 연결하여 약액이 각 유닛으로 공급될 수 있도록 해준다. 배관(170)은 가열 수단을 포함할 수 있다. 배관(170)에 구비된 가열수단은 약액의 온도를 일정하게 유지할 수 있다.
압력감지부(160)는 약액의 압력을 감지하여 유량제어부(120)에 압력정보를 제공한다. 압력감지부(160)는 유량제어시스템에 구비된 유닛들(110, 120, 130, 140, 150) 중 적어도 어느 하나에 구비되거나, 유닛들(110, 120, 130, 140, 150) 사이를 연결하는 각각의 배관(170)들 중 적어도 어느 하나에 구비되어 약액 압력을 감지하여 유량제어부(120)에 제공할 수 있다.
약액감지부(160)에 의해 압력 증가가 감지되면,유량제어부(120)는 스테핑모터의 펄스당 회전각을 감소시킬 수 있다. 그리고 약액감지(160)부에 의해 압력 감소가 감지되면 유량제어부(120)는 스테핑모터의 펄스당 회전각을 증가시킬 수 있다. 한편 이러한 약액감지부의 압력감지에 의한 스테핑모터의 펄스당 회전각의 증가 또는 감소는 설비의 원점 동작시에만 이루어질 수 있다.
이하 도 2 및 도 3을 참조하여 유량제어부의 동작에 대해 상세히 살펴본다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스테핑모터에 사용되는 펄스파를 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 유량제어부에 구비된 룩업테이블(lookup table)을 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 스테핑모터에 사용되는 펄스파는 동일한 펄스가 반복되는 형태로 이루어진다. 펄스 하나 당 스테핑모터가 정해진 펄스당 회전각만큼 회전한다.
본 발명의 유량제어부(120)은, 압력감지부(160)로부터 전송되는 약액의 압력을 연속적으로 모니터링함으로써 유량조절밸브(130)에 구비된 스테핑모터의 펄스당 회전각을 변경할 수 있다. 압력감지부(160)가 전송하는 약액의 압력에 대한 정보는 복수개일 수 있다. 즉 각 유닛의 약액 압력 또는 각 유닛 사이를 연결하는 배관의 약액 압력 중 적어도 2이상일 수 있다. 유량제어부(120)는 여러 압력 정보 중 적어도 하나에 근거하여 유량조절밸브(130)를 제어할 수 있다.
도 3에 도시된 룩업테이블은 측정된 압력을 기반으로 유량제어부(120)가 유량조절밸브(130)을 제어하기 위해 필요한 데이터이다. 룩업테이블은 복수의 압력(Pa)범위와 각 압력범위에 대응되는 펄스당 회전수(rad/s)를 지시한다.
룩업테이블은 압력범위가 0~P(Pa)일 때 스테핑모터의 펄스당 회전각을 w(rad/s)로 지시하고, 압력범위가 1P~2P(Pa)일 때, 스테핑모터의 펄스당 회전각을 0.5w(rad/s)로 지시한다. 그리고 압력범위가 2P~3P(Pa)일 때, 스테핑모터의 펄스당 회전각을 0.3w(rad/s)로 지시하고, 3P~4P(Pa)일 때 스테핑모터의 펄스당 회전각을 0.25w(rad/s)로 지시한다. 여기서의 압력은 절대값으로서 압력이 음의 압력일 수도 있고, 양의 압력일 수도 있다.
토크공식에 의하면, 토크(T)는 출력(P)을 RPM(R)로 나눈 값에 대응된다. 일정한 출력(P)에 대해 토크(T)가 증가하려면 RPM(R)이 작아져야 한다. 룩업테이블은 측정된 압력이 증가할수록 작아진 펄스당 회전각을 지시한다. 즉, 룩업테이블에 따라 유량조절밸브(130)를 구동하면, 높은 압력에 의한 부하가 걸리더라도 유량조절밸브(130) 내 스테핑모터의 구동실패를 방지할 수 있다.
이를 방지하기 위해, 유량제어부(120)에 구비된 룩업테이블은 압력 범위에 따른 스테핑모터의 회전각을 지시하고, 유량제어부(120)는 룩업테이블을 참조하여 측정된 압력에 대응되는 펄스당 회전각으로 스테핑모터가 구동하도록 유량조절밸브(130)를 작동시킨다.
룩업테이블에 기재된 압력범위에 따른 각속도에 대한 정보는 사용자에 의해 직접 입력 또는 수정되거나 초기 설정에 따른 것일 수 있고, 유량조절밸브(130) 구동 중에 유량제어부(120)에 의해 업데이트된 것일 수 있다.
룩업테이블의 기재에 따라 유량제어부(120)에 의해 제어되는 유량조절밸브(130)의 구동이 실패한 경우, 유량제어부(120)는 유량조절밸브(130)를 구동 실패하기 전과 동일한 펄스당 회전각으로 미리 설정된 횟수만큼 다시 구동할 수 있다.
유량제어부(120)가 유량조절밸브(130)를 전과 동일한 펄스당 회전각으로 다시 구동하는데 실패하면, 유량제어부(120)는 감지된 압력보다 적어도 한단계 더 높은 압력범위에 대응되는 펄스당 회전각으로 유량조절밸브(130)를 구동할 수 있다. 즉, 구동 실패 시 펄스당 회전각을 줄여서 유량조절밸브(130)를 구동할 수 있다. 이때 유량조절밸브(130)의 구동이 성공하면, 유량제어부(120)는 룩업테이블에서 현재압력범위에 대응되는 펄스당 회전각을 업데이트할 수 있다.
본 발명에 따르면, 유량제어부는 감지된 약액 압력에 기반하여 스테핑모터의 펄스당 회전각을 가변하여 유량조절밸브를 구동하므로, 유량조절밸브의 구동실패를 방지할 수 있다.
본 발명에 따르면 기존의 압력센서들을 이용할 수 있어서 다른 센서를 구비할 필요가 없으므로 비용을 절감할 수 있다.
본 발명에 따르면 적어도 하나의 압력센서들을 기반으로 판단할 수 있어 정확한 판단이 가능하다.
본 발명에 따르면 유량조절밸브의 구동이 실패하는 본질적 원인은 압력의 상승 또는 하강이므로, 압력의 상승 또는 하강을 기초로 제어되므로 부차적인 요인을 기초로 제어하는 것보다 빠른 제어가 가능하다.
상기에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 유량제어시스템 110 : 약액공급원
120 : 유량제어부 130 : 유량조절밸브
140 : 개폐밸브 150 : 토출부
160 : 압력감지부 170 : 배관

Claims (9)

  1. 약액공급원으로부터 공급되는 약액의 유량을 스테핑모터를 이용하여 조절하는 유량조절밸브;
    상기 유량조절밸브를 제어하는 유량제어부; 및
    상기 약액의 압력을 감지하는 적어도 하나의 압력감지부를 포함하고,
    상기 유량제어부는 상기 약액의 압력에 기반하여 상기 스테핑모터의 펄스당 회전각을 변경하고,
    상기 유량제어부는, 상기 약액의 압력 증가가 감지되면, 상기 스테핑모터의 펄스당 회전각을 감소시키는 것을 특징으로 하는 유량제어시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 유량제어부는,
    복수의 압력 범위 각각에 따른 펄스당 회전각에 대한 정보를 갖는 룩업테이블을 구비하는 것을 특징으로 하는 유량제어시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유량조절밸브가 구동하는 데 실패한 경우, 상기 유량제어부는 정해진 횟수만큼 상기 유량조절밸브를 재구동하는 것을 특징으로 하는 유량제어시스템.
  5. 제1항에 있어서
    상기 유량제어부는,
    상기 약액의 압력 감소가 감지되면, 상기 스테핑모터의 펄스당 회전각을 증가시키는 것을 특징으로 하는 유량제어시스템.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 유량제어부는,
    상기 유량조절밸브가 구동하는 데 실패한 경우, 상기 감지된 약액의 압력보다 높은 압력범위에 대응되는 펄스당 회전각으로 상기 유량조절밸브를 재구동하는 것을 특징으로 하는 유량제어시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 유량제어부는,
    상기 재구동된 유량조절밸브가 구동하는 데 성공한 경우, 상기 룩업테이블의 정보를 수정하는 것을 특징으로 하는 유량제어시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 약액이 토출되는 토출부; 및
    상기 토출부에 구비되어 상기 약액의 흐름을 차단하는 개폐밸브를 더 포함하고,
    상기 유량제어부는,
    상기 유량조절밸브가 상기 개폐밸브에 의해 상기 약액의 흐름이 차단된 상태에서 원점(origin) 동작을 수행하는 경우, 상기 감지된 약액의 압력에 기반하여 상기 스테핑모터의 펄스당 회전각을 변경시키는 것을 특징으로 하는 유량제어시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 약액의 압력은,
    상기 약액공급원의 약액의 압력, 상기 약액공급원과 상기 유량조절밸브 사이의 약액의 압력, 상기 유량조절밸브의 약액의 압력, 상기 유량조절밸브와 상기 토출부 사이에 위치하는 약액의 압력 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 유량제어시스템.
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