KR102205980B1 - 완전히 침지된 공기-없는 피드백 흐름 제어 밸브를 사용하는 버블 및 폼 솔루션들 - Google Patents

Abstract

여기에 기재된 실시형태들은, 재순환 시스템에서 프로세싱 유체들의 버블-없는 순환을 촉진하기 위한 방법들 및 장치에 관한 것이다. 특정한 기재된 기술들은, 배출구에서의 흐름에 대한 가변 저항을 촉진하는 수동적인 기계적 밸브 설계들을 수반한다. 다른 기술들은, 균형된 및 버블-없는 흐름을 달성하기 위해, 흐름 미터들, 레벨 센서들로부터의 피드백을 이용하는 자동화된 흐름 제어 방식들을 수반한다. 기재된 실시형태들은, 특히 프로세싱 유체가 프로세싱 셀로부터 저장소로 리턴하는 경우, 프로세싱 유체로의 가스의 포함을 매우 감소시킨다.

Description

완전히 침지된 공기-없는 피드백 흐름 제어 밸브를 사용하는 버블 및 폼 솔루션들{BUBBLE AND FOAM SOLUTIONS USING A COMPLETELY IMMERSED AIR-FREE FEEDBACK FLOW CONTROL VALVE}

관련 출원들에 대한 상호-참조

본 출원은, 발명의 명칭이 "PLATING CELL FLUID RETURN BUBBLE PREVENTION PROCESS AND HARDWARE" 로 2012년 12월 11일자로 출원된 미국 가출원 제 61/735,943호의 이점을 주장하며, 그 가출원은 그 전체가 모든 목적들을 위해 여기에 참조로서 포함된다.

반도체 클린룸 제조 설비에서의 플로어 공간은, 풋프린트 (footprint) (영역) 관점으로부터 매우 비쌀 수 있다. 제조의 비용을 최소화시키기 위해, 몇몇 프로세싱 툴들은, 스택된 모듈 수직 아키텍처를 갖는 더 소형의 설계를 점차 이용한다. 전자화학적 도금 셀들의 그러한 스택된 접근법은, 단위 면적 당 유효한 툴 출력을 증가시키고, 툴의 수명에 걸쳐 상환 (amortize) 되는 경우 유효한 구현 비용들을 감소시킬 수도 있다. CA 프레몬트 소재의 램 리써치 코포레이션의 Sabre3D^TM 도금 시스템이 2 레벨 스택된 도금 모듈 아키텍처의 일 예이다. 혼합된 위상 환경 (예를 들어, 액체에 노출된 공기/가스) 에서 응축된 유체를 사용하는 웨이퍼 프로세싱 시스템들은 종종, 동작 유체들을 재순환시키고 재사용하기 위해 순환을 사용한다. 이러한 순환은, 툴의 일 부분 또는 영역으로부터 다른 부분 또는 영역으로의 유체의 순환 동안 액체에서 버블들 및 폼을 인트랩 (entrap) 및 생성할 수도 있다. 특정한 기술들이 (예를 들어, 유체 피드 라인에 탈기기 (degasser) 를 포함하여) 이들 버블들의 영향을 최소화시키도록 개발되었지만, 이들 기술들은 일반적으로 구현하기에 비싸다. 그로써, 프로세싱 유체로의 가스의 도입을 방지하기 위한 방법들 및 장치가 바람직하다.

여기에 설명된 몇몇 구현들은, 웨이퍼 기판 상의 피쳐들에 금속을 도금할 경우 전해질의 흐름을 제어하고, 도금 셀과 도금 배스 저장소 사이의 유체 흐름을 제어 및 모니터링하며, 도금 셀 및 도금 배스 저장소 내의 화학적 조성 및 조건들을 제어하기 위한 방법들, 장치, 및 시스템들에 관한 것이다. 기재된 실시형태들로부터 이득을 얻을 수도 있는 특정한 애플리케이션들은, 다마신 도금, 비교적 큰 개구들 (예를 들어, 직경이 적어도 약 5마이크로미터) 을 갖는 높은 애스팩트 비율 라인들 및 비아들 (예를 들어, 약 10:1 보다 큰 애스팩트 비율들을 갖는 비아들) 에서 구리를 도금하는 것을 수반하는 스루 실리콘 비아 (TSV) 애플리케이션들, 및 스루 레지스트 도금 (예를 들어, 웨이퍼 레벨 패키징에서 이용되는 증착) 을 포함하는 웨이퍼 프로세싱의 공통 영역들을 포함한다.

장치에서 유체들의 순환 시에 트랩 (trap) 된 공기, 버블들, 및 폼의 해로운 영향들을 회피하기 위해, 공기 및 액체의 최소 양의 혼합을 갖는 더 낮은 상승에서의 다른 부분에 대해 상승된 위치의 장치의 일 부분으로부터 전해질의 리턴을 제어하기 위한 방법들 및 장치가 설명된다. 여기에 기재된 구현들에서, 중력 구동된 리턴 흐름은, 레벨 민감형 피드백 흐름 제한 밸브에 의해 기계적으로 또는 자동적으로 조절/제어된다. 밸브의 상태는, 상부 격납 베슬 (containment vessel), 셀, 또는 트로트 (trough) 에서의 유체의 레벨에 기초하여 제어될 수도 있으며, 그 레벨은 통상적으로 작은 양들만큼만 (예를 들어, 약 1인치 미만) 변한다. 시스템은, 혼합된 위상 (공기 및 물) 에서 유체의 최소 수직 드롭들이 존재하고, 밸브가 항상 액체에 완전히 침지된다는 것을 보장하기 위한 방식으로 설계 및 동작될 수도 있다.

기재된 실시형태들의 일 양태에서, 기판 상으로 재료를 전기도금하기 위한 장치가 제공되며, 그 장치는, 전해질을 홀딩하기 위한 베슬, 베슬의 주변에 위치된 둑 벽 (weir wall), 및 전기도금 동안 베슬로, 둑 벽 위에, 및 유체 수집 트로트로 전해질이 흐르도록 둑 벽을 실질적으로 둘러싸는 유체 수집 트로트를 포함하는 전기도금 셀; 전해질 저장소; 유체 수집 트로트로부터 전해질 저장소로 전해질을 전달하기 위한 리턴 도관; 및 리턴 도관에서 흐르도록 저항을 가변적으로 증가 및 감소시키기 위한 흐름 제어 메커니즘을 포함하며, 여기서, 흐름 제어 메커니즘은 전기도금 동안 리턴 도관으로의 가스의 전달을 실질적으로 방지한다.

다양한 실시형태들에서, 흐름 제어 메커니즘은 플로트 (float) 및 흐름 수축기 (constrictor) 를 포함하고, 여기서, 플로트는 유체 수집 트로트 내의 전해질의 레벨을 이용하여 상승하여, 그에 의해, 흐름 수축기를 상승시키고 리턴 도관을 통한 흐름을 증가시키도록 구성된다. 몇몇 경우들에서, 플로트 및 흐름 수축기는 별개의 엘리먼트들이다. 흐름 수축기는 몇몇 경우들에서 실질적으로 구형 (spherical) 일 수도 있다. 다른 경우들에서, 흐름 수축기는 콘 또는 절두된 (truncated) 콘과 같이 형상화된다. 흐름 수축기는 또한 리턴 도관으로의 유입구를 커버하는 플랩 (flap) 일 수도 있으며, 여기서, 플랩은, 리턴 도관을 통해 흐르도록 저항을 가변적으로 제어하기 위하여 접속 포인트에 관해 스윙 (swing) 한다. 플로트 및 흐름 수축기는 몇몇 실시형태들에서 단일 유닛으로 통합될 수도 있다.

장치는 또한 유체 수집 트로트 또는 리턴 도관에서 흐름 수축 영역을 포함할 수도 있으며, 여기서, 흐름 수축기 및 흐름 수축 영역은 서로 맞물림 (mate) 하도록 구성된다. 몇몇 실시형태들에서, 흐름 수축기 및 흐름 수축 영역은 유체 기밀형 씨일 (fluid tight seal) 을 형성하기 위해 서로 맞물림한다. 다른 경우들에서, 장치는, 흐름 아축기 및 흐름 수축 영역이 폐쇄된 위치에서 서로 맞물림된 경우라도, 전해질이 유체 수집 트로트로부터 리턴 도관으로 배출 (drain) 될 수도 있는 배출 경로를 포함할 수도 있다.

몇몇 실시형태들에서, 장치는 또한 플로트 및/또는 흐름 수축기에 인접하게 위치된 배플들을 포함할 수도 있으며, 여기서, 배플들은 전해질에서 보텍스 (vertex) 들의 형성을 방지하도록 동작한다. 이들 또는 다른 실시형태들에서, 장치는, 플로트가 유체 수집 트로트에 존재할 수도 있는 경우 제한하는 하나 이상의 플로트 수축 엘리먼트들을 포함할 수도 있다. 몇몇 경우들에서, 유체 수집 트로트로부터 전해질 저장소로 전해질을 전달하기 위해 오버플로우 도관이 사용될 수도 있으며, 여기서, 오버플로우 도관으로의 유입구는 유체 수집 트로트의 타겟 유체 레벨 위에 위치된다. 흐름 센서는, 오버플로우 도관을 통한 흐름의 존재 또는 부재를 감지하는데 사용될 수도 있다. 특정한 구현들에서, 리턴 도관의 유출구는 전해질 저장소에서의 전해질의 레벨 아래에 위치된다.

특정한 구현들에서, 장치는, 전해질이 유체 수집 트로트를 떠난 이후 및 전해질이 전해질 저장소에 진입하기 전에 전해질을 홀딩하기 위해 리턴 도관에 위치된 보조 유체 수집 트로트를 또한 포함할 수도 있으며, 여기서, 흐름 제어 메커니즘은 보조 유체 수집 트로트에 위치된다. 장치는 부가적인 전기도금 셀을 또한 포함할 수도 있으며, 여기서, 리턴 도관은 전기도금 셀로부터 전해질을 수신하기 위한 제 1 유입구 및 부가적인 전기도금 셀로부터 전해질을 수신하기 위한 제 2 유입구를 포함한다.

기재된 실시형태들의 다른 양태에서, 기판 상으로 재료를 전기도금하기 위한 장치가 제공되며, 그 장치는, 전해질을 홀딩하기 위한 베슬, 베슬의 주변에 위치된 둑 벽, 및 전기도금 동안 베슬로, 둑 벽 위에, 및 유체 수집 트로트로 전해질이 흐르도록 둑 벽을 실질적으로 둘러싸는 유체 수집 트로트를 포함하는 전기도금 셀; 전해질 저장소; 유체 수집 트로트로부터 전해질 저장소로 전해질을 전달하기 위한 리턴 도관; 전해질 저장소, 제 1 펌프, 전기도금 셀 및 리턴 도관을 포함하는 도금 재순환 루프; 및 우회 도관을 포함하며, 여기서, 우회 도관은 전해질이 전기도금 셀에 도달하기 전의 포인트에서 도금 재순환 루프로부터 분기 (branch) 하고, 우회 도관은, 전해질이 전기도금 셀의 둑 벽을 넘친 이후의 포인트에서 도금 재순환 루프에 합류 (rejoin) 하며, 장치는, 전기도금 셀로 전달된 전해질의 가변 유동율 (flow rate) 을 허용하면서, 동시에, 전해질 저장소를 떠나고 리턴 도관을 통과하는 실질적으로 일정한 총 전해질 유동율을 제공하도록 구성된다.

몇몇 실시형태들에서, 버블 센서는 리턴 도관에 위치될 수도 있다. 이들 또는 다른 경우들에서, 장치는 도금 재순환 루프 또는 우회 도관에 위치된 제 2 펌프를 더 포함할 수도 있다.

여기에서의 실시형태들의 추가적인 양태에서, 기판 상으로 재료를 전기도금하기 위한 장치가 제공되며, 그 장치는, 전해질을 홀딩하기 위한 베슬, 베슬의 주변에 위치된 둑 벽, 및 전기도금 동안 베슬로, 둑 벽 위에, 및 유체 수집 트로트로 전해질이 흐르도록 둑 벽을 실질적으로 둘러싸는 유체 수집 트로트를 포함하는 전기도금 셀; 전해질 저장소; 유체 수집 트로트로부터 전해질 저장소로 전해질을 전달하기 위한 리턴 도관; 전해질 저장소, 펌프, 전기도금 셀 및 리턴 도관을 포함하는 도금 재순환 루프; 유체 수집 트로트에서 유체의 레벨을 감지하기 위한 레벨 센서; 리턴 도관에 위치된 배출 밸브; 및 레벨 센서로부터의 입력에 기초하여 배출 밸브의 위치를 제어하는 배출 제어기를 포함하며, 여기서, 배출 제어기는, 유체 수집 트로트 내의 전해질 레벨이 타겟 전해질 레벨 아래로 드롭되지 않는다는 것을 보장하여, 그에 의해, 실질적으로 어떠한 가스도 리턴 도관으로 진입하지 않는다는 것을 보장하도록 동작한다.

기판들 상으로 재료들을 전기도금하기 위한 장치가 제공되며, 그 장치는, 전해질을 홀딩하기 위한 베슬, 베슬의 주변에 위치된 둑 벽, 및 전기도금 동안 베슬로, 둑 벽 위에, 및 유체 수집 트로트로 전해질이 흐르도록 둑 벽을 실질적으로 둘러싸는 유체 수집 트로트를 포함하는 전기도금 셀; 전해질 저장소; 유체 수집 트로트로부터 전해질 저장소로 전해질을 전달하기 위한 리턴 도관; 전해질 저장소, 펌프, 전기도금 셀 및 리턴 도관을 포함하는 도금 재순환 루프; 장치를 통한 전해질의 유동율을 감지하기 위한 흐름 미터; 리턴 도관에 위치된 배출 밸브; 및 흐름 미터로부터의 입력에 기초하여 배출 밸브의 위치를 제어하는 배출 제어기를 포함하며, 여기서, 배출 제어기는, 유체 수집 트로트 내의 전해질 레벨이 타겟 전해질 레벨 아래로 드롭되지 않는다는 것을 보장하여, 그에 의해, 실질적으로 어떠한 가스도 리턴 도관으로 진입하지 않는다는 것을 보장하도록 동작한다.

기재된 실시형태들의 이들 및 다른 특성들은 관련 도면들을 참조하여 아래에 더 상세히 설명될 것이다.

도 1은, 전해질에서의 버블들, 포밍 (foaming), 및 용해된 (dissolve) 공기로부터의 셀 관련 실패들을 유도하는 것으로 알려진 종래 기술의 프로세싱 시퀀스를 설명하는 흐름도이다.
도 2a는 전해질 저장소와 유체 연통하는 다수의 도금 셀들을 갖는 종래의 전기도금 장치의 일 예를 도시한다.
도 2b는 아르키메데스 스크류를 갖는 종래의 전기도금 장치의 부가적인 예를 도시한다.
도 3은 플로트 및 밸브 어셈블리를 사용하는 전해질 리턴 도관으로의 가스의 도입을 감소시키기 위한 특정한 기재된 실시형태의 넓은 화상 및 개관이다.
도 4는, 트로트 내의 액체 레벨이 상승한 경우, 배출 파이프의 개방 (opening) 을 제어하기 위해 밸브 플랩 및 플로트를 사용하여, 상승된 트로트 영역으로부터 하부 저장소로의 액체의 흐름을 제어하기 위한 트로트의 일 실시형태를 도시한다.
도 5는 특정한 실시형태들에 따른 트로트를 도시하며, 여기서, 유출구 밸브의 핀치 포인트 (pinch point) 는 트로트로부터 리세스되고, 제어 밸브는 고체 볼 (solid ball) 이며, 플로트는 구형이다.
도 6은 보텍스 방지 및 플로트 한정 어셈블리를 더 포함하는 도 5에 도시된 것과 유사한 일 실시형태를 도시한다.
도 7은 별개로 탑재가능하고 교체가능한 밸브 메커니즘 및 어셈블리를 포함하는 밸브 및 트로트의 다른 실시형태를 도시하고, 밸브 및 흐름 메커니즘에 대한 힘들을 감소시키고 보텍스들의 형성을 감소시키는데 사용되는 트로트 내의 배플 플레이트를 추가적으로 도시한다.
도 8은 더 높은 공기-없는 (air-free) 배출 유동율을 허용하는 더 개방된 위치에서의 도 7의 트로트 및 밸브를 도시한다.
도 9는, 트로트 및 밸브의 다른 실시형태를 도시하며, 여기서, 결합된 단일 몸체 플로트 및 밸브 메커니즘이 존재한다.
도 10은, 도 9에 도시된 것들과 유사하지만 더 낮은 프로파일 및 더 작은 치수들을 가지며, 예를 들어, 수집 트로트 또는 모듈들 아래의 공간이 중요 제한 팩터일 수도 있는 더 작은 상승 드롭 동작들에 적합한 트로트 및 밸브의 일 실시형태를 도시한다.
도 11은, 밸브 위치 제어 플로트에 부착된 힌지 및 레버 어셈블리를 통한 기계적 밸브 제어 메커니즘을 포함하는 대안적인 소형 트로트 및 밸브 어셈블리를 도시한다.
도 12 내지 도 14는 도 9 및 도 10에 도시된 플로트/밸브 어셈블리들의 대안적인 구현들을 도시한다.
도 15 및 도 16은, 재순환 시스템 및 저장소를 공유하는 다수의 프로세싱 셀들을 갖는 프로세싱 시스템들의 개략적인 표현들을 도시하며, 여기서, 가변 저항이 버블-없는 흐름을 달성하기 위해 리턴 도관에서 사용된다.
도 17은 재순환 시스템 및 저장소를 공유하는 다수의 프로세싱 셀들을 갖는 프로세싱 시스템의 개략적인 표현을 도시하며, 여기서, 가변 흐름 전환이 버블-없는 흐름을 달성하기 위해 사용된다.

도입

본 명세서에서, "반도체 웨이퍼", "웨이퍼", "기판", "웨이퍼 기판", 및 "부분적으로 제조된 집적 회로" 라는 용어들은 상호교환가능하게 사용된다. 당업자는, "부분적으로 제조된 집적 회로" 라는 용어가 상부의 집적 회로 제조의 많은 스테이지들 중 임의의 스테이지 동안의 실리콘 웨이퍼를 지칭할 수 있음을 이해할 것이다. 다음의 상세한 설명은, 본 발명이 웨이퍼 상에 구현된다는 것을 가정한다. 반도체 디바이스 산업에서 사용되는 웨이퍼 또는 기판은 통상적으로, 200mm, 또는 300mm, 또는 450mm의 직경을 갖는다. 그러나, 본 발명은 그렇게 제한되지 않는다. 워크피스는 다양한 형상들, 사이즈들, 및 재료들을 가질 수도 있다. 반도체 웨이퍼들에 부가하여, 본 발명의 이점을 취할 수도 있는 다른 워크피스들은, 인쇄 회로 보드들 등과 같은 다양한 물품들을 포함한다.

여기에 기재된 실시형태들은, 임의의 특정한 습식 프로세싱 방법 (예를 들어, 전기도금, 습식 에칭, 습식 세정 등), 또는 임의의 특정한 케미컬 또는 케미컬들의 패밀리 (family) 로 제한되지 않고, 오히려, 당업자가 유사한 솔루션을 요구하는 유사한 이슈들을 제공할 경우 인식할 방법들에 일반적으로 연관된다. 본 발명의 설명이 실리콘 웨이퍼들 상에서 도금하기 위한 전기도금 방법의 맥락에서 쓰여졌지만, 본 발명은 그렇게 제한되지 않는다.

통상적으로, 유체들은 전기도금 애플리케이션 동안, 도금 용액 저장소로부터 도금 셀 또는 모듈로 펌핑된다. 이것은, 유체들의 순환, 대류, 온도 균일도 등을 제공하는 것을 돕는다. 프로세스 챔버로의 유동율은 종종, 펌프로의 RPM 또는 전력을 조절하고, 유체 전달 도관에서 흐름 측정 디바이스 (예를 들어, 흐름 미터 또는 압력 센서) 를 통한 제어 세트 포인트에 대한 응답을 조절함으로써 제어된다.

결함-없는 제품들의 제조를 촉진하기 위해, 전해질 내의 버블들의 형성이 회피 또는 최소화되어야 한다. 버블들이 프로세싱 모듈에 전달된 전해질에 존재하는 경우, 그들은 기판의 표면에 점착 (stick) 될 수도 있으며, 그에 의해, 기판을 마스킹하고, 도금이 이들 영역들에서 발생하는 것을 방해한다. 추가적으로, 많은 도금 셀들은, 전해질 흐름 및 워크피스를 둘러싸는 전기장들의 제어를 통한 특정한 증착 레이트들을 유지하도록 설계된다. 셀 내의 버블들 또는 폼의 형성 및/또는 트랩은, 셀의 원하는 기능에 악영향을 줄 수 있다.

액체들이 이용되고 버블들 또는 폼이 형성될 수도 있는 일반적인 프로세싱 애플리케이션들의 예들은, 전기도금, 무전해 도금, 화학적 기계적 연마, 연해질 연마, 화학적 및 전기화학적 에칭, 코팅 상의 스핀, 및 웨이퍼 린스 및 세정을 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 이들 애플리케이션들의 대부분에서, 저장소에 저장된 액체는 펌프로 전달되며, 예를 들어, 여기서, 그 후, 액체는 액체 웨이퍼 프로세싱 영역/모듈로의 그의 경로에서 필터, 가스 접촉기, 탈기기, 밸브들 및/또는 히터들과 같은 다양한 엘리먼트들을 통과할 수도 있다.

프로세싱 모듈은 공기 또는 가스 위상 제어된 분위기 (예를 들어, 질소, 암모니아, 헬륨, 네온, 아르곤, 수소 또는 이들 재료들의 혼합물의 분위기) 에 완전히 또는 부분적으로 개방될 수도 있다. 따라서, 주어진 시간에서 프로세싱 모듈 또는 셀에 저장된 유체의 양은 전체 흐름 루프에서 단지 유체의 일부일 뿐이다. 이러한 유체는 시간에 걸쳐 저장소의 유체와 혼합 및 교환된다. 저장소 내의 유체의 양은 순환 루프의 전체 유체의 큰 부분 (예를 들어, 80%) 또는 작은 부분 (예를 들어, 10%) 일 수도 있다. 새로운 유체는 블리드 (bleed) 및 피드 동작의 일부로서 시간에 걸쳐 저장소 및 순환 루프로부터 부가 및 추출될 수도 있으며, 그 동작은, 반응물들이 그들의 타겟 범위들 내에서 유지되도록 반응물들의 물리적 및 화학적 속성들을 제어하는데 부분적으로 사용된다.

이러한 저장소/모듈 아키텍처의 사용은 몇몇 예를 들자면, 유체들의 멀티-전달 사용을 허용하는 것, 전하 또는 온도 또는 웨이퍼 노출과 연관된 유체 열화 (degradation) 에 대한 시간 상수를 감소시키는 것 (그에 따라, 프로세스를 더 용이하게 제어가능하게 함) 및 더 정확한 온도 제어와 같은 수 개의 가능한 이점들을 갖는다.

몇몇 실시형태들에서, 유체 저장 저장소 및 프로세싱 모듈 양자에 공기/가스 계면이 존재한다. 특정한 경우들에서, 하나의 서브-엘리먼트 컨테이너 (예를 들어, 도금 모듈) 로부터 다른 컨테이너 (예를 들어, 도금 배스 저장소) 로의 유체의 이동은, 내부에 브레이크 (break) 들을 갖는 개방 또는 혼합된 위상 접속 또는 일련의 접속들을 통해 발생한다. 예를 들어, 2개의 콘테이너들을 접속시키는 도관들은 불완전하게 범람 (flood) 될 수도 있거나, 유체 브레이크는 컨테이너들 사이의 전달 동안 하나 이상의 위치들에서 빠져나갈 수도 있다 (exit).

반도체 산업에서, 유체들은, 제어된 흐름 동작 하에서 (예를 들어, 흐름 미터로부터의 펌핑 속도 또는 전력의 피드백 제어를 이용한 조절된 펌프를 사용하여) 저장소로부터 프로세싱 모듈로 전달될 수도 있다. 그러나, 프로세싱 모듈로부터 저장소로의 리턴 흐름은 일반적으로 개방되고 "자연스럽게" 조절되는데, 이는, 프로세스가 특정한 조건들에 의해 조절된 프로세스 모듈 배출로부터의 흐름을 갖는 큰 중력-구동 리턴이라는 것을 의미한다. 이들 조건들은 프로세싱 셀 내의 유체 레벨, 배출 파이프 부분 이용도, 속도, 및 유체를 리턴하는 흐르는 공기/액체 혼합된 위상의 형성을 포함할 수도 있다. 이들 조건들은, 프로세싱 모듈로부터의 유동율이, 프로세싱 모듈로의 유체 흐름의 레이트와 신속하게 매칭하게 할 수도 있다. 이러한 간단한 자연적으로 조절된 리턴 접근법은, 더 복잡한 매칭 흐름 접근법들의 복잡도 및 비용을 회피한다.

도 1은, 이전에 사용된 바와 같이, 액체 재순환 루프를 이용하는 프로세싱 시스템에서 유체를 순환하는 방법에 대한 흐름도를 제공한다. 도 1의 방법은, 추가적으로 후술되는 도 2a 및 도 2b에 도시된 것과 유사한 시스템 상에서 발생할 수도 있다. 방법 (100) 은 블록 (101) 에서 시작하고, 여기서, 하나 이상의 유체 프로세싱 모듈들로의 순환 및 이동을 위한 프로세싱 유체가 저장소에 저장된다. 다음으로, 블록 (103) 에서, 펌프는 저장소로부터 유체를 인출 (draw) 하며, 그에 의해, 유체 압력을 증가시키고 프로세싱 유체의 순환을 가능하게 한다. 블록 (105) 에서, 프로세싱 유체는, 저장소와 프로세싱 모듈 사이의 유체 라인에 포함될 수도 있는 다양한 선택적인 엘리먼트들을 통과한다. 이들 선택적인 엘리먼트들은, 예를 들어, 필터, 흐름 미터, 접촉기/탈기기, 라인 엘보우 (elbow) 들 및 티 (tee) 들, 및/또는 프로세스 모듈 역류 격리 밸브를 포함할 수도 있다. 다음으로, 블록 (107) 에서, 프로세싱 유체는 프로세싱 모듈로 진입하며, 그것은 웨이퍼를 처리하는데 사용된다. 프로세싱 모듈의 기능 (예를 들어, 증착, 에칭 등) 에 의존하여, 많은 상이한 타입들의 처리들이 이러한 동작 동안 발생할 수도 있다. 블록 (109) 에서, 프로세싱 유체는 프로세싱 모듈을 빠져나오며, 프로세스 유체 저장소 위의 높이에서 대기압으로 노출된다. 대기압에 노출된 이후, 블록 (111) 에서, 프로세싱 유체는, 다시 저장소를 향해 조절되지 않은 방식으로 중력 하에서 흐르도록 프로세싱 유체를 한정하고 지향시키는 배출 파이프에 진입한다. 다음으로, 블록 (113) 에서, 프로세싱 유체는 배출부를 빠져나오고, 저장소에 진입한다.

언급된 바와 같이, 조절되지 않은 자연적인 리턴 접근법이 더 복잡한 접근법들을 회피하는데 사용된다. 이들 더 복잡한 방법들에서, 도금 모듈로부터의 리턴 유동율은, 도금 모듈로의 도래하는 유동율과 근접하게 매칭하도록 조절될 수도 있다. 이러한 매칭은, 흐름 미터들 및/또는 레벨 제어 센서들과 같은 센서들을 갖는 전자적 또는 공압으로 (Pneumatic) 제어되는 가변 흐름 밸브를 사용하여 달성될 수도 있다. 그러나, 프로세싱 모듈에 진입하는 스트림의 유동율과 프로세싱 모듈을 빠져나가고 저장소를 피드하는 스트림의 유동율 사이의 작은 불균형조차도 액체가 저장소로부터 프로세싱 모듈도 또는 프로세싱 모듈로부터 저장소로 느리게 전달되게 할 수도 있다 (그에 따라, 유체의 프로세싱 모듈을 배출하고 가급적 비운다).

이와 대조적으로, 이들 바람직하지 않은 유체 구축들은 도 2a에 도시된 바와 같이, 리턴 유체의 흐름에 대한 저항이 "자연적으로" 결정 및 조절되게 함으로써 회피된다. 도 1과 관련하여 상술된 바와 같이, 프로세싱 유체는 저장소 (202) 에 홀딩된다. 도 1에 설명된 프로세스와는 대조적으로, 도 2a는 2개의 별개의 프로세싱 모듈들을 도시한다. 그러나, 동일한 기본 프로세스가 양자의 경우들에서 사용된다. 저장소 (202) 로부터, 프로세싱 유체는 펌프 (204) 를 통해 전달되며, 그 펌프는, 유체가 티 (208) 를 넘치기 전에 필터 (206) 를 통하게 한다. 티 (208) 의 각각의 유출구는 개별 프로세싱 모듈 (210) 에 피드된다. 도 2a의 실시형태에서, 프로세싱 모듈들 (210) 은 분수 (fountaion) 타입 도금 셀들이다. 그러나, 액체 프로세싱 유체들을 이용하는 다양한 다른 타입들의 프로세싱 모듈들이 또한 사용될 수도 있다. 프로세싱 유체는, 도금이 발생하는 곳인 1차 유체 격납 영역 (212) 으로 피드된다. 그 후, 유체는 1차 유체 격납 영역 (212) 의 둑 벽 위로 및 셀-레벨 트로트 (216) 로 넘치게 된다. 셀-레벨 트로트들 (216) 은 환형으로 형상화되며, 1차 유체 격납 영역들 (212) 을 둘러싼다. 셀-레벨 트로트들 (216) 로부터, 프로세싱 유체는 제 1 배출 파이프 (218) 아래로 및 공통 트로트 (220) 로 흐른다. 각각의 프로세싱 모듈 (210) 로부터의 흐름은 공통 트로트 (220) 로 배출된다. 공통 트로트 (220) 로부터, 프로세싱 유체는, 유체를 저장소 (202) 로 리턴시키는 리턴 도관 (222) 으로 진입한다. 도 2a에 나타낸 다른 특성들은 혼합 포인트들 (224a 및 224b) 이며, 여기서, 프로세싱 유체는 액체-가스 계면을 통과한다. 이들 혼합 포인트들 (224a 및 224b) 에서, 가스는 액체 프로세싱 유체로 바람직하지 않게 포함/혼합될 것이며, 유체의 버블들, 마이크로버블들, 폼, 및 급속한 산화를 초래한다. 가스 포함은 혼합 포인트 (224b) 에서 더 큰 문제일 것인데, 이는 이러한 포인트에서 저장소 (202) 로 진입하는 유체가 혼합 포인트 (224a) 에서 공통 트로트 (220) 로 진입하는 유체보다 더 높은 하향 속도를 가질 것이기 때문이다. 다음으로, 드롭 거리 (226) 가 나타나며, 프로세싱 모듈 (210) 내의 1차 유체 격납 영역 (212) 의 유체 레벨과 저장소 (202) 의 유체 레벨 사이의 거리 (226) 를 표현한다. 여기에서의 특정한 설명들에서, 약 5피트의 드롭 거리 (226) 가 일 예로서 사용된다.

도 2a에서 사용된 유체 제어는, 튜브들 내의 유체 흐름 가속, 채널 수축들, 엘보우들, 제약들, 및 다양한 점착성 소산과 연관된 압력 드롭과 수직 유체 압력 헤드 사이의 자연적인 균형을 획득함으로써 달성될 수도 있다. 이러한 경우에서, 프로세싱 모듈로부터 및 저장소로의 흐름은, 모듈로의 유동율과 신속히 동등하게 된다. 또한, 모듈로부터의 흐름은 동작 조건들에서 임의의 변화를 신속히 수용할 수 있다. 일반적으로, "자연적 복귀" 접근법은, 최대 타겟 시스템 유동율보다 큰 유동율을 수용하도록 사이징된 리턴 도관을 사용하는 것, 및 리턴 도관 유입구에서 유체 백업에서의 비교적 작은 증가들을 허용하는 것을 포함한다.

그러나, 이러한 자연적인 리턴 오버사이징 접근법이 큰 범위의 유동율들에 걸친 저장소로의 문제 없는 흐름 리턴을 보장하지만, 그것은, 리턴 도관에서의 흐름이 공기 및 액체의 혼합이라는 것을 근본적으로 보장한다. 공기는 종종, 리턴 도관의 적어도 일부에서 액체 스트림을 이용하여 하향으로 흐르는 버블들의 형태로 존재한다. 버블들은, 프로세싱 모듈로부터의 흐름이 오버사이징된 리턴 도관에 의해 허용된 최대 흐름보다 작은 임의의 경우에 존재한다. 리턴 도관이 통상적으로 관측되는 것보다 더 큰 흐름을 허용하도록 설계되므로, 리턴 도관에서의 버블들의 형성이 매우 일반적이다.

모듈과 저장소 사이의 수직 드롭이 수용될 수 있는 프로세스 모듈 유체 레벨들 (즉, 도금 셀 그 자체에서 수용될 수 있는 유체 레벨들) 의 범위와 비교하여 큰 상황들에서, 완전하게 매칭된 버블 없는 자연적인 리턴 흐름은, 모듈 배출 포트가 백업되는 유동율들/흐름 조건들의 매우 제한된 범위 하에서 발생한다. 유출구/배출 포트는 백업되는 것으로 고려될 수도 있으며, 여기서, 실질적으로 어느 가스도 흐르는 액체를 이용하여 배출구를 통과하지 않도록 배출구 위에 충분한 액체가 존재한다. 통상적으로, 이러한 조건을 달성하기 위한 최소 백업 높이는 배출 파이프의 직경 (예를 들어, 배출 파이프의 직경의 적어도 약 75%인 유체 높이) 과 대략 동일하다. 이들 매우 제한된 백업 조건들은, 완전히 채워지고 공기/버블 없는 상태의 리턴 경로에서의 흐름 저항이 흐름을 배출하기 위해 이용가능한 구동 압력 헤드와 완전히 매칭하는 경우들에 대응한다.

가변 리턴 제어 피드백 밸브들이 존재하지 않는 경우와 같이, 흐름 저항이 고정되면, 2개의 팩터들만이 배출구에서 유동율을 증가시킬 수 있다: 1) 유체 높이 및 관련 압력 헤드에서의 증가, 및 2) 라인에 홀딩된 상대적인 양의 가스에서의 감소. 액체의 유동율이 파이프에서의 고정된 수직 드롭 배출부에서 증가하는 경우, 파이프에서의 퍼센트로서의 가스의 양은, 결국 전체 파이프가 가스 없이 액체로 채워질 때까지 감소한다. 그 포인트에서 흐름을 추가적으로 증가시키기 위해, 액체 드롭 거리는 증가될 수도 있다. 셀에서의 유체 높이 증가로부터 도래할 수 있는 압력 헤드에서의 변화의 작은 가변성에 비해 셀로부터 저장소까지의 수직 드롭이 크고 고정된 경우, 공기-없는 균형된 흐름의 범위가 작다. 큰 드롭 및 작은 압력 헤드 가변성 조건들과 연관된 이러한 작은 프로세싱 윈도우는, 프로세스 모듈 사이즈들이 저장 저장소에 대한 수직 드롭에 비해 작지만 수직 (스택된) 모듈 툴들에 대해 점차 작아지기 때문에, 웨이퍼 프로세싱 장비를 핸들링하는 액체에 일반적이다.

특정한 예로서, 분수 타입 도금 셀은 저장소로부터 셀의 내부 캐비티로의 주입된 흐름을 수신한다. 그로부터, 유체는, ("분수" 가 주변 풀 (poll) 로 흐를 것이므로) 내부 캐비티의 외측 직경에 위치된 둑 위에서 외측 환형 수집 챔버로 서서히 흐른다. 낮은 속도 박편 (laminar) 조건들 하에서 오버플로우가 발생하며, 일반적으로, 부분적으로는 내부 캐비티의 큰 직경으로 인해 버블들 또는 난류 (turbulence) 가 생성되지 않는다 (예를 들어, 300mm 직경 기판들을 프로세싱하기 위한 모듈의 내부 캐비티는 약 380mm인 직경을 가질 수도 있음). 둑 벽으로부터 환형 수집 챔버/트로트로의 통상적인 드롭은, 몇몇 경우들에서 약 4 내지 6인치 사이일 수도 있다. 유체는 외측 수집 챔버에서 수집되며, 셀 아래에 위치된 도금 저장소 또는 "도금 베스" 로 프로세싱 유체를 리턴시키는 배출구로 지향된다. 이러한 유체 전달은 셀의 외측 수집 챔버와 저장소 사이의 배출 파이프를 통해 발생할 수도 있다. 배출구 (종종 리턴 도관으로서 지칭됨) 는, 환형 수집 챔버/트로트로부터 전달된 이후 및 저장소로 전달되기 전에 전해질이 누산되는 중간 트로트를 포함할 수도 있다. 이러한 중간 트로트는 다수의 도금 셀들로부터 전해질을 수용하는데 사용될 수도 있다. 이러한 경우, 배출/리턴 도관은 1개 초과의 개별적인 파이프를 포함할 수도 있으며, 예를 들어, 배출/리턴 도관은 각각의 전기도금 셀의 환형 수집 챔버/트로트와 중간 트로트 사이의 도관 뿐만 아니라, 중간 트로트와 저장소 사이의 도관을 포함할 수도 있다. 전기도금 셀들의 환형 수집 트로트들과 중간 트로트 사이의 도관들은 몇몇 실시형태들에서, 약 3 내지 5인치 사이에 있을 수도 있다. 중간 트로트와 전해질 저장소 사이의 도관은 약 3 내지 5피트 사이에 있을 수도 있다.

외측 수집 챔버 및 배출구는, 유체가 최대 시스템 전달가능한 흐름보다 작은 임의의 유동율로 외측 수집 챔버를 오버플로우하지 않도록 사이징될 수 있다. 배출구를 통한 최대 흐름은, 리턴 경로가 액체로 완전히 채워지고 공기가 없는 조건들 및 리턴 경로에서 이용가능한 최대 압력 구동력 하에서, 도관들에서의 리턴에 대한 전체 흐름 저항 및 임의의 다른 제약들 (예를 들어, 밸브들, 오리피스 (orifice), 엘보우들, 티들 등) 에 의해 결정된다. 리턴 흐름에 대한 자연적으로 이용가능한 압력 구동력은 상승 압력, 또는 압력 헤드이며, 유체의 밀도 곱하기, 중력 가속도, 곱하기 유체가 아래의 저장소에 진입하는 포인트 위의 프로세싱 모듈의 높이의 곱과 동일하다.

더 낮은 유동율들에서, 프로세싱 모듈 내의 유체 레벨은, 버블들의 존재로 인해 흐름이 가스 및 액체 위상들의 혼합물이기 때문에, 예측하기에 더 복잡하다. 그러나, 총 흐름이 작은 경우, 이용가능한 압력 구동력이 동일하기 때문에, 순 (net) 리턴 흐름 저항도는 최대 단일 위상 (액체) 흐름의 경우보다 크다. 낮은 흐름에서의 부가적인 저항은, 배출 파이프가 액체들로 완전히 채워지면 발생하는 것보다 유체의 더 높은 로컬 속도들에 크게 기여가능하다. 공기/액체 유체 혼합은 혼합된 위상 확장된 매체들을 생성하며, 이는, 난류를 증가시키며, 파이프에서 이동하는 액체의 속도가, 파이프가 액체로 완전히 채워지는 것보다 더 크게 한다.

큰 수직 드롭 자연적 흐름들에 관한 하나의 문제점은, 자연적인 리턴 압력 드롭이 매우 클 수 있기 때문에, 및 흐름 요건의 가장 높은 말단을 수용하도록 설계된 비교적 큰 튜브에서 매우 큰 속도들로 제어되지 않은 혼합된 위상 흐름이 신속히 가속될 수 있기 때문에, 발생한다. 예를 들어, 수직 드롭의 모든 풋 (foot) 에 대해, 물을 함유하는 리턴 도관에서의 압력 드롭은 약 0.43psi이다. 따라서, 5풋 드롭은 약 2.15psi를 초과하는 구동 압력을 갖는다. 이러한 셋업에서, 분 당 50리터가 진입할 수 있고 (0.35 psi 드롭), 0.725" 직경 파이프의 5피트를 통과할 수 있으며 (1.19 psi), 대략 이러한 이용가능한 높이 및 압력 (2.24 psi) 을 이용하여 배스 (0.7 psi) 로 확장/빠져나갈 수 있다. 그러나, 분 당 25리터로 흐르는 동일한 구조는 약 0.66 psi (약 3.3배 아래) 의 압력 드롭을 요구하고, 분 당 약 5리터의 유동율은 0.05 psi (약 43배 아래) 보다 작은 압력 드롭을 요구한다.

가스-없는 기계적으로 조절된 레벨의 조절되고 구동된 리턴 도관이 분 당 약 5 내지 50 리터로부터의 유동율들의 전체 범위에 걸친 리턴 흐름을 갖게 할 수 있는 어려움을 고려한다. 모든 상황들에 대한 총 압력 드롭은 이용가능한 압력 헤드, 즉 이러한 예에 대해서는 2.15 psi와 동일해야 한다. 또한, 도관이 충분히 커야만 하며, 저항들 (예를 들어, 튜브, 입구들, 벤트들, 수축들, 및 출구들) 의 합이 그 동일한 2.15 psi에서 가장 큰 흐름 (50 lpm) 을 수용하기에 충분히 작아야만 한다. 0.875" 의 ID를 갖는 1 인치 OD 파이프는, "광범위하게 개방된" 임의의 흐름 제어 장치 또는 메커니즘에서 오버플로우를 안전하게 방지할 수도 있으며, 즉, 여기서, 광범위하게 개방된 상태에 있는 메커니즘은 무시가능한 부가적인 저항을 제공한다.

대조적으로, 5 lpm의 가장 낮은 유동율에서, 리턴 도관에서의 압력 드롭 및 제약들은 무시가능하므로, 거의 모든 2.15 psi 압력 드롭은 매우 폐쇄되고 매우 제약된 제어 밸브 메커니즘에 상주해야 한다. 제어 밸브가 (0.6 in²의 단면적을 갖는) 0.875" 직경 튜브의 전체 영역을 간단히 폐쇄하면, 밸브를 기계적으로 조절하는 유체 레벨 피드백에 가해진 힘은 약 (2.15 파운드/in²)*(0.6 in²)~1.3 파운드의 힘으로 고려가능하다. 흐름이 더 큰 유동율로 증가하고 레벨이 상승하기 시작하면, 적어도 그 레벨의 기계적 힘이 밸브를 개방시키는데 사용되어야 한다. 일 목적은, 흐름의 모든 조건들에서, 밸브 및 리턴 도관 유입구 위에 생성될 수도 있는 보텍스 또는 유사한 현상들에 의해 가스가 제어 밸브로 흡입되는 것이 방지되어야 한다는 것이다. 그렇지 않으면, 가스는 리턴 도관을 통해 높은 속도로 아래의 저장소에 전달될 수도 있다.

조절되지 않은 배출구가 가스-없는 조건들을 유지할 수 있는 작은 범위의 가능한 흐름들을 도시한 다른 예에서, 전통적인 고정된 럼핑 (lump) 된 시스템 흐름 팩터 C_v가 사용된다. 이러한 예는, 분 당 10 갤런 (gpm) 액체 배출 리턴 흐름 (분 당 약 37.8 리터) 의 특징이 전통적으로 고정된 럼핑된 시스템 흐름 팩터 C_v에 의해 근사될 수 있다고 가정한다. 이러한 경우, 흐름 팩터는 밸브의 저항 기여들, 및 또한 라인들, 입구 및 출구 저항들을 고려한다. 그에 따라, 배출구를 통한 흐름은 다음과 같다.

셀로부터 배스로의 수직 드롭이 공칭적으로 약 5피트 (60인치) 이면, 헤드 압력은 약 2.15 psi 일 것이고, 물에 대해, SG＝1.0이다. 따라서, 시스템에 대한 Cv는 6.82 gpm psi-1/2 일 것이다. 셀 내의 헤드 변화의 약 3인치의 범위가 셀의 외측 수집 챔버를 오버플로우하지 않으면서 배출구를 커버하도록 수용될 수 있다고 가정하면, 약 10.00 ± 0.12gpm (38.80 ± 0.46 lpm) 의 흐름 범위, 또는 단지 약 ± 1.2% 의 가변 흐름 범위가 압력 구동력에서의 변화들에 의해 수용될 수 있다. 따라서, 셀에서의 액체 레벨 상승을 갖는 것 이외에 저항을 조절하는 수단이 요구된다.

상술된 문제를 요약하기 위해, 종래의 수단이 프로세싱 동안 종종 발생하는 흐름에서의 변화들을 수용하는데 불충분하기 때문에, 리턴 도관에서의 저항을 조절하는 더 강건한 방법이 필요하다. 예를 들어, 프로세싱 모듈을 통한 흐름이 너무 높은 경우, 프로세싱 모듈은 오버플로우할 수도 있다. 대조적으로, 프로세싱 모듈을 통한 흐름이 너무 작은 경우, 가스는 리턴 전해질과 함께 리턴 도관으로 당겨질 수도 있으며, 이는 리턴 도관을 통과하는 전해질로 및 다시 저항소로 버블들/폼을 바람직하지 않게 도입한다. 따라서, 유동율들의 범위를 넘는 프로세싱 모듈 리턴 도관에서 유체의 통기 (aeration) 를 회피할 수 있고, 유동율들에서의 변화들에 신속히 응답할 수 있으며, 다수의 흐름 프로세싱 조건들을 이용하는 유연성을 사용자에게 허용하는 작은 폼 팩터의 수동 또는 능동 디바이스를 가능하게 하는 것이 바람직하다 (디바이스 엘리먼트들의 조합은 의존가능하고, 강건하고, 낮은 비용이고 자동적으로 조절됨). 예를 들어, 수동 디바이스는 기계적 디바이스일 수도 있지만, 능동 디바이스는 레벨 센서들과 결합하여 사용되는 전자적으로 제어되느 ㄴ밸브들을 포함할 수도 있다. 디바이스는 리턴 도관으로의 공기의 도입을 회피하기 위해 자체-조절될 수도 있다. 몇몇 경우들에서, 흐름 프로세싱 조건들이 단일 기판 상에 막을 증착하는 과정에 대해, 또는 순차적으로 수 개의 기판들을 도금하는 과정 동안 변할 수도 있기 때문에, 프로세싱 조건들의 유연성이 또한 중요하다. 그러한 디바이스의 이점들은, 특정한 프로세싱 결함들, 전해질 저장 저장소의 과도한 산화, 및 전해질에서의 가스/버블들/폼의 존재에 관련된 불안정성을 포함하는, 리턴 도관으로의 가스의 도입에 관련된 다양한 프로세싱 문제점들의 제거를 포함한다.

전해질에서의 버블들의 존재로 인해 발생할 수도 있는 문제의 일 타입의 일 예는, 전기도금 셀에서 채널화된 이온적으로 저항성있는 플레이트의 사용에 관한 것이다. 이들 타입들의 플레이트들은, 매우 균일한 막들이 매우 얇은 시드층을 갖는 웨이퍼들 상에 증착되게 하며, 오늘날의 집적 회로들의 가장 문제있는 다마신 배선 치수들과 연관된 상황이다. 종종, 채널화된 이온적으로 저항성있는 플레이트들은 채널화된 이온적으로 저항성있는 엘리먼트들, 높은 저항 가상 애노드들, 및 다른 유사한 용어들로서 종종 지칭된다. 이들 플레이트들은, 다음의 미국 특허들 및 특허 출원들에서 추가적으로 논의되고 설명되며, 그들 각각은 여기에 그 전체가 참조로서 포함된다: 발명의 명칭이 "HIGH RESISTANCE IONIC CURRENT SOURCE" 이고 2005년 1월 20일자로 출원된 미국 특허 제 7,622,024호; 발명의 명칭이 "METHOD OF ELECTROPLATING USING A HIGH RESISTANCE IONIC CURRENT SOURCE" 이고 2009년 10월 13일자로 출원된 미국 특허 제 7,967,969호; 발명의 명칭이 "METHOD AND APPARATUS FOR ELECTROPLATING" 이고 2008년 11월 7일자로 출원된 미국 특허 제 8,308,931호; 발명의 명칭이 "METHOD AND APPARATUS FOR ELECTROPLATING" 이고 2009년 6월 9일자로 출원된 미국 특허 제 8,475,636호; 발명의 명칭이 "METHDO AND APPARATUS FOR ELECTROPLATING" 이고 2009년 10월 26일자로 출원된 미국 특허 제 8,475,644호; 발명의 명칭이 "METHDO AND APPARATUS FOR ELECTROPLATING" 이고 2013년 5월 31일자로 출원된 미국 특허 출원 제 13/907,265호; 및 발명의 명칭이 "METHOD AND APPARATUS FOR FILLING INTERCONNECT STRUCTURES" 이고 2011년 5월 16일자로 출원된 미국 특허 출원 제 13/108,881호.

높은 저항 플레이트의 큰 이방성 이온 저항이 플레이트의 설계로 인해 발생하며, 이는, 두께가 약 0.1 내지 1인치인 유전체 플레이트에서 매우 큰 수 (예를 들어, 몇몇 실시형태들에서, 수천) 의 매우 작은 (예를 들어, 몇몇 실시형태들에서 직경이 0.03인치 미만) 개별 및 비-연통 스루 홀들로 이루어져 있다. 액체는, 이온적으로 저항성있는 플레이트 홀들을 통해 용이하게 흐를 수 있지만, 전해질에 가스가 존재하는 경우, 가스는 플레이트 내의 홀들보다 큰 버블들로 합체될 수도 있다. 이것이 발생하면, 버블들은 플레이트 아래에 트랩되게 될 수 있으며, 그에 의해, 액체의 흐름, 및 그에 따른 플레이트를 통한 이온 전류을 차단한다. 그러한 버블들을 기계적으로 제거하는 것은 실질적인 양의 에너지 및 노력을 요구할 수 있다. 그로써, 제 1 장소에서 이들 버블들의 형성을 방지할 시에 큰 값이 존재한다. 이러한 홀 차단은 플레이트의 평균 저항을 증가시킬 뿐만 아니라 차단된 홀들의 임의의 비-균일한 분포가 기판 상에 도금된 막에서의 두께 분포를 수정할 수 있다. 따라서, 플레이트 아래의 버블들의 형성은 회피되어야 한다. 이러한 스루홀 차단은, 버블들 또는 폼이 워크피스 상의 도금 프로세스의 성능에 어떻게 부정적으로 영향을 줄 수 있는지의 많은 예들 중 단지 하나이다.

상술된 바와 같이, 안전, 가중치, 공간, 인체공학 등에 관련된 실제적인 원인들 때문에, 도금 모듈은 도금 배스 유체의 메인 볼륨/저장소 위에서 수 피트로 상주할 수도 있다. 도금 프로세스 동안, 도금 유체는 도금 모듈(들)과 저장소 사이에서 순환될 수도 있다. 산업이 진보함에 따라, 멀티-레벨 프로세싱 장치, 예를 들어, 스택된 배향으로 배열된 2개의 "플로어들" 을 갖는 멀티-스테이션 도금 장치를 사용하는 것이 더 일반적이 되고 있다. 이러한 변화는 반도체 제조 설비 내의 공간을 효율적으로 사용하기 위한 필요성에 의해 드라이브 (drive) 된다.

그러나, 스택된 프로세싱 장치의 사용은, 장치의 상이한 부분들 사이에서의 유체의 전달, 특히, 상이한 수직 높이들에 위치된 컨테이너들 또는 다른 엘리먼트들 사이에서의 유체의 전달에 관련된 부가적인 문제점들을 도입한다. 이들 유체 전달 문제들은, 더 높은 레벨 프로세싱 모듈 까지 펌핑된 전해질로 가스를 용해시키기 위한 더 큰 펌핑 압력들 및 관련 전위에 대한 필요성, 더 높은 레벨의 프로세싱 모듈에 도달할 시에 초포화된 (supersaturated) 용해된 가스 조건을 갖는 스트림으로부터 버블들의 핵형성 및 가스의 후속 릴리즈, 전해질이 낮은 레벨 프로세싱 모듈 및/또는 저장소로 리턴하는 공기 및 전해질의 제어되지 않거나 불량하게 제어된 혼합, 및 폼 및 마이크로버블들이 유동 사이클을 반복하기 위해 펌프로 주입된 경우 용해될 수 있는 저장소에서 그 폼 및 마이크로버블들의 형성을 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다.

접지 레벨로부터 셀 레벨까지 유체들을 펌핑하기 위한 대안적인 접근법은 각각의 레벨에 존재하고 저장된 저장 (저장소) 유체를 갖는 것일 것이다. 그러나, 이러한 접근법에 관해 적어도 3개의 문제점들이 존재한다. 제 1 문제점은, 매우 산성이고, 뜨겁고, 부식성 유체들이 오퍼레이터들의 몸 (body) 들 위에 수직으로 위치되면, 그 오퍼레이터들에게 매우 상당한 레벨의 동작적인 위험이 존재한다는 것이다. 그러한 방식으로 홀딩된 상당한 양들의 저장된 전위 에너지를 갖는 잠재적으로 위험성있는 케미컬들의 큰 양들은, 매우 더 큰 볼륨들에 관련된 격납 및 안전 예방들에 대한 증가된 필요성을 요구할 것이다. 제 2 문제는, 프로세스 모듈 및 저장소가 동일한 높이/에너지 레벨에 있다면, 펌핑 제어 하드웨어의 피딩 및 리턴 세트 양자를 갖을 필요성이다. 제 3 이슈는, 프로세싱 툴의 기계적 안정성 및 구조적 무결성 (integrity) 에 관한 것이다. 저장소 내의 도금 용액의 100리터 (약 25갤런) 는 무게가 약 115kg (250 lbs) 이다. 상승된 도금 모듈과 동일한 높이로 이러한 양의 전해질을 유지하는 것은, 실질적인 구조 강도를 갖는 프로세싱 툴을 요구한다. 다른 부수적인 무거운 장비 (예를 들어, 펌프들, 필터들, 열 교환기들, 접촉기들) 가 또한, 상승된 레벨 상에 또한 존재할 필요가 있을 것이다. 플로어로부터 떨어져 6피트 이상으로 이들 무거운 엘리먼트들 모두를 갖는 것은, 벤딩, 틸트 및 붕괴로부터 구조를 지지할 수 있어서, 툴 설계에 무게 및 비용 양자를 부가하는 툴 프레임 설계들을 요구한다. 마지막으로, 상승된 저장소(들)로의 유체들의 수동 붓기 (pouring) 또는 상승된 저장소(들)로부터 제거하는 것 뿐만 아니라, 저장소들의 일반적인 유지보수는 매우 어렵고 위험하여, 그렇지 않으면 반드시 요구되지 않는 일 레벨의 동작 복잡도를 부가한다. 이들 실제적인 원인들 때문에, 바닥 레벨에서 저장소들 및 펌프들과 같은 유체 프로세싱 엘리먼트들을 유지시키는 것은 매우 유리하다.

액체들이 프로세싱 모듈로 및 그것으로부터 전달되는 도금 및 다른 프로세스들은, 항상 단일 정적인 유동율로 구동되지 않는다. 개별 기판을 도금하는 프로세스 동안, 또는 시퀀스로 기판들을 프로세싱할 경우 (예를 들어, 상이한 타입들의 기판들이 상이한 유동 조건들 하에서 프로세싱됨) 기판들 사이에서 유동율을 셀로 조절하는 것이 종종 바람직하다. 상당한 확산/대류 의존성을 갖는 프로세스들은, 개별 기판의 프로세싱 동안 유동율 변경들 및 제어를 종종 요구할 것이다. 그러한 프로세스의 일 예는 합금 전해질 도금 (예를 들어, SnAg 땜납 범프 합금 도금) 이며, 여기서, 하나 이상의 컴포넌트들은 대용량 전달이 활성적으로 제어되는 조건들 하에서 도금된다. 최소의 (본 발명의 실시형태들의 이점 없는) 흐름에서의 급속한 변화들은, 재설정되기 위한 버블-없는 조건에 대해 몇몇 시간을 요구하며, 많은 경우들에서, 흐름에서의 변화가 발생한 이후 긴 시간 기간이 경과한 이후라도 버블-없는 조건을 재설정하는 것은 가능하지 않다. 따라서, 임의의 조건에서 버블들의 도입 또는 폼의 형성 없이 유동율들에서의 신속한 변화를 가능하게 하는 방법 및 장치가 바람직하다.

프로세싱 유체를 순환하는 특정한 종래의 방법들에서, 저장소로 리턴하는 유체는 상당히 제어되지 않은 방식으로 흐른다. 특정한 기재된 실시형태들의 일 목적은, 조절되지 않은 리턴 흐름에서 일반적인 리턴 도관에서 유체의 로컬 흐름 속도 및 버블-생성 난류를 감소시키는 것이다.

압축가능하지 않은 유체의 주어진 볼륨 유동율에 대해, 로컬 속도는 흐름의 로컬 단면적에 의해 나눠진 볼륨 유동율과 동일하다. 따라서, 흐름에 대한 영역을 증가시키는 것은 유체의 속도, 및 그에 따라 운동량 및 에너지를 감소시킬 것이다. 중력 하에서, 유체 가속도는 점착성 및/또는 폼 팩터 유도된 팩터들에 의해 제한된다. 자연적인 중력-구동된 조건들 하에서 리턴하는 유체를 갖는 큰 사이즈의 튜브에 대해, 유체 속도는 점착성 표면 항력 (drag force) 들에 의해 약하게만 제한된다.

전달 도관 내의 유체에 가해진 항력은, (매우 ?塚? 막을 갖는 매우 큰 튜브를 요구하는) 도관의 계면 영역의 양을 증가시킴으로써 또는 도관 (예를 들어, 팩된 베드 (packed bed)) 내에 패킹 재료를 포함함으로써 증가될 수도 있으며, 여기서, 유체는 다수의 작은 단계들로 패킹 재료의 타워를 아래로 캐스케이드 (cascade) 한다. 유체의 속도를 제어하고 유체의 점착성 저항을 증가시킬 시에 이러한 접근법의 제한은, 큰 범위의 공기-없는 운반 조건들 위에서 프로세스를 구동할 능력이 없다는 것이다. 너무 높은 유동율에서, 가스 위상은, 유체에서 인캡슐레이트되게 되며, 공기 버블들은 타워 내의 액체와 함께 아래로 당겨지게 된다. 도 2b에 도시된 대안적인 접근법은 아르키메데스 스크류 (250) 및 일련의 도관들을 이용하며, 이는 더 낮은 레벨로의 순환 와인딩 (winding) 슬라이드에서 아래로의 긴 흐름 경로를 생성하기 시작한다. 도 2b는 2개의 상이한 관점들로부터의 동일한 실시형태의 2개의 뷰들을 도시한다. 아르키메데스 스크류는, 전해질이 1개 초과의 레벨로부터 (예를 들어, 스택된 "듀엣 (duet)" 전기도금 셀 아키텍처에서 2개의 레벨들 각각으로부터) 스크류로 진입하게 하기 위해 1개 초과의 유입구를 가질 수도 있다. 이러한 경우, 1개 초과의 중간 유체 수집 트로트가 사용되며, 그 중 하나는 상부 전기도금 셀들 (252) 로부터 유체를 수집하기 위한 상부 트로트 (251) 이고, 다른 하나는 하부 전기도금 셀들 (254) 로부터 유체를 수집하기 위한 하부 트로트 (253) 이다. 전달 도관들 (255) 은 전기도금 셀들 (252 및 254) 로부터 트로트들 (251 및 253) 로 유체를 전달하기 위해 사용될 수도 있다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 분리된 전해질 저장소 (202B) 가 사용될 수도 있으며, 여기서, 저장소는 저장소 벽 (256) 에 의해 2개의 부분들로 분리된다. 유체는 유출구 (257) 에서 아르키메데스 스크류를 빠져나온다. 몇몇 경우들에서, 하부 트로트 (253) 로부터의 유체는, 아르키메데스 스크류에 진입하지 않고, 대신 하부 트로트 (253) 과 저장소 (202B) 사이의 엘보우 (258) 과 같은 간단한 접속을 통과하여 전해질 저장소 (202B) 로 직접 전달될 수도 있다.

이러한 접근법에 관한 하나의 문제점은, 큰 범위의 가능한 유동율들에 대한 제한된 이용도 및 기능이다. 실제로, 스크류로의 유체의 진입은, 주의깊게 제어되어야 하거나 대용량 난류가 발생할 수도 있다. 이러한 경우라면, 스크류 내의 유체는 종종 실질적인 양의 각 운동량을 갖는 높은 속도 난류 조건들을 이동시킬 것이며, 그 후, 그 유체는 표면에서 비-이동 매체로 빠져나가야 해서, 실질적인 시어링 (sheer) 을 초래한다. 유동율이 증가함에 따라, 슬라이드 내의 막 두께 및 유체의 평균 속도 양자가 증가하지만, 점착성 인출은 감소한다. 아크키메데스 스크류의 출구에서, 공기/액체 계면이 여전히 존재하며, 유체는 높은 속도로 저장소 유체 내로 슬라이딩하는 스크류를 빠져나가서, 버블들 또는 폼을 생성한다. 따라서, 이러한 전통적인 방법은 일반적으로, 본 발명의 실시형태들의 목적들을 충족시키는데 적절하지 않으며, 버블들의 형성을 회피하고 큰 범위의 유동율들에 대해 유체의 중력 리턴을 조절하는 더 양호한 방법이 바람직하다.

리턴 도관 내의 유체가 액체로 완전히 채워지고 가스/공기가 없으면, 버블들의 형성이 특정한 유동율 조건에 대해 실질적으로 방지될 수 있음이 관측되었다. 이러한 조건은, 모든 시간들에서 리턴 도관 유입구 및 유출구 위 및 아래에 액체층을 가짐으로써 달성가능하다.

몇몇 실시형태들에서, 특정한 레벨의 하나 이상의 프로세싱 모듈들로부터 다시 저장소로의 유체의 리턴은 1개 초과의 단계로 수행된다. 중간 에어 브레이크는, 예를 들어, 단일 배출 파이프를 바닥 플로어 저장소에 아래로 전달하기 전에 특정한 레벨에 대해 모든 유체 배출구들을 결합시키는 레벨-특정 배출-유체 수집 트로트를 이용하여 생성될 수도 있다. 이러한 레벨-특정 수집 트로트는 중간 트로트로 고려될 수도 있다. 예를 들어, 4개의 도금 모듈들이 2개의 레벨들 (서로의 상단 상에 스택된 레벨들) 각각에 포함되는 멀티-툴 도금 장치에서, 상부 리턴 유체 수집 트로트 (즉, 제 1 중간 트로트) 은 상부 레벨 상에서 4개의 도금 모듈들을 빠져나오는 모든 유체를 결합시키는데 사용될 수도 있고, 하부 리턴 유체 트로트 (즉, 제 2 중간 트로트) 은 하부 레벨 상에서 4개의 도금 모듈들을 빠져나오는 모든 유체를 결합시키는데 사용될 수도 있다. 제 1 중간 트로트는 제 2 중간 트로트로 배출될 수도 있거나, 그들은 별개의 파이프들을 통해 전해질 저장소들로 독립적으로 배출될 수도 있다.

도금 셀 (예를 들어, 둑 벽의 상부 에지) 로부터 환형 유체 수집 트로트 또는 중간 트로트까지의 수직 드롭 거리는 작아야 하며 (예를 들어, 약 15cm 미만), 둑 오버플로우/환형 수집 트로트의 영역은 커야 한다 (예를 들어, 둑은 실질적인 난류 및 버블/폼 형성을 회피하기 위해, 약 20cm 이상의 직경을 가져야 한다). 몇몇 경우들에서, 도금 모듈의 유체 오버플로우 둑의 상부 에지와 환형 유체 수집 트로트 또는 중간 트로트 사이의 수직 거리는 약 3 내지 20cm 사이, 예를 들어, 약 6 내지 10cm 사이에 있다. 특정한 경우들에서, 거리는 약 7cm 미만일 수도 있다. 환형 수집 트로트의 직경은, 전기도금 셀의 스캐일에 의존하여 약 15 내지 50cm 사이일 수도 있다. 몇몇 경우들에서, 환형 수집 트로트의 직경은 약 22 내지 42cm 사이이다.

이러한 설계는, 셀의 베이스에서 박편 낮은 흐름 속도들 및 최소의 버블 형성을 초래한다. 몇몇 실시형태들에서, 여기에 설명된 바와 같은 흐름 제한 디바이스는 셀로부터 중간 트로트까지의 배출구에서 사용될 수 있다. 다른 실시형태에서, 셀로부터 중간 트로트까지의 배출구는 배출 제한 디바이스를 부가함으로써 제한된다. 특정한 실시형태들에서, 트로트에 배출구 제한기를 갖는 셀은 프로세스 모듈 유체 레벨 센서를 가지며, 가스 (특히, 질소 또는 아르곤과 같은 비활성 가스) 는, 프로세스모듈로부터 아래로 도래하는 유체에 대한 및 셀의 배출 제한기를 통한 양의 헤드 압력을 생성하도록 유입구 포트를 통해 트로트로 피드된다. 트로트 내의 압력은, 셀 내의 유체의 레벨이 타겟 셀 유체 높이 (타겟 유체 높이는 배출구를 백업되게 유지하는데 충분하고, 유체는 제한된 배출 라인 아래로 공기-없이 흐름) 에 관해 유지되도록 셋팅될 수도 있는 트로트 제어 벤팅 (venting) 밸브를 사용하여 조절될 수도 있다.

일반적으로, 리턴 셀 또는 트로트로부터의 완전히 채워진 도관 피드를 통한 리턴 흐름에 대한 구동력 (압력) 에서의 변화는, 공간 제약들 및 셀 또는 트로트 내의 누산된 유체에서 버블들의 형성을 회피하기 위한 필요성으로 인해 매우 제한된다. 이것은, 구동력에서의 변화, 및 그에 따른 완전히 채워진 도관에서 리턴 유동율을 조절하기 위한 능력이 트로트 (즉, 리턴 도관 유입구) 내의 도관의 베이스로부터의 거리 대 트로트의 높이의 비율에 의해 제한된다는 것을 암시한다. 이러한 비율은 통상적으로 매우 작다. 예를 들어, 트로트 도는 셀이 유체의 약 3인치 (0.25 ft) 를 포함할 수 있고, 트로트로부터 저장소 내의 유체 레벨까지의 수직 드롭이 약 5피트이면, 액체로 완전히 채워진 도관을 갖는 유체 상에 가해진 압력들의 범위는 공칭 압력의 단지 (0.25 ft)/(5 ft)x100=5% 이다. 상기 나타낸 바와 같이, 그러한 상황에 대한 결과적인 흐름의 범위는 이러한 값보다 훨씬 더 작다 (단지 1.2%). 오버플로우 없는 공기-없이 흐를 공칭 유동율은, 도관 입구, 엘보우들, 오리피스, 밸브들, 및 출구들에서의 압력 드롭들의 균형에 의해 결정된다. 수동으로 조정가능한 밸브를 사용하여 흐름 저항을 정밀하게 변경시킴으로써 공기가 도관을 통과하지 않고 라인이 단지 백업되는 경우로 흐름 저항을 수동으로 조절할 수 있다. 이것은 흐름 저항이, 수직 드롭 (이러한 예에서는 5 ft) 으로 인해 이용가능한 것과 리턴 시스템에서의 총 압력 드롭이 동일하도록 튜닝되게 한다. 그러나, 제어된 압력의 범위는 여전히 작고 (예를 들어, 그 설정된 값의 단지 5%), 제어된 흐름의 범위는 매우 작다 (예를 들어, 단지 약 1.2%). 흐름이 이를 초과하여 증가하면, 유체는 백업될 것이며, 결국 공기-함유 유체 오버플로우 경로로 트로트를 오버플로우할 것이다. 대안적으로, 흐름이 매우 느리게 되면, 공기는 리턴 유체와 함께 흡입될 것이고, 폼이 발생될 것이다.

일반적으로, 가스 계면 근처에서 이동하는 액체의 속도가 높으면, 큰 수의 작은 유체-연행된 (fluid-entrained) 버블들 및/또는 폼의 형성이 발생할 수도 있다. 높은 속도들이 종종, 배관 및 격납이 제한되는 동작들로부터 발생한다. 이들 작은 버블들의 분리는, 프로세싱 및 재순환 시스템의 작은 공간 및 볼륨에서 매우 어려울 수 있다. 따라서, 특히, 높은 배스 턴오버 (turnover) 레이트 및 높은 유동율들 및 속도들의 사용과 결합된 경우, 한편으로는 풋프린트 및 볼륨들을 핸들링하는 유체를 최소화시키는 것과 다른 한편으로는 연행된 버블들의 회피 사이의 일반적인 엔지니어링 충돌이 존재한다. 예를 들어, 도금 배스 볼륨이 50리터이고 유동율이 25 lpm이면, 배스는 매 2분마다 실질적으로 순환된다. 일반적인 저장소 배스 높이 (예를 들어, 약 1 내지 2 ft, 유체 레벨은 레벨 제어를 위해 및 펌프에서의 공기/액체 계면으로부터의 공기에서 흡입하는 것을 회피하기 위해 필요함) 에 대해, 저장소 내의 평균 하향 속도는 매우 클 수 있다. 이것은, 적당하게 사이징된 버블들일지라도, 그들의 상향 속도가 탱크 내의 하향 속도에 의해 초과되기 때문에, 그들이 표면으로 상승하는 것을 대기함으로써 용이하게 분리될 수도 없다는 것을 의미한다. 저장소를 떠난 이후 펌프에 그에 따라 도달하는 버블들은, 펌프의 업스트림 측에서의 압력 아래에 놓이며, 이는 (대기압에서의 용해도에 관해) 전해질에서 가스들의 과포화된 용액을 생성할 수도 있다. 스트림이 프로세싱 모듈 (예를 들어, 도금 셀) 에 진입하는 경우와 같이, 압력이 감소하는 경우, 용해된 가스는 릴리즈된다.

기계적 (수동적) 피드백 유체 레벨 배출 레이트 조절 설계들

도 3은 본 발명의 일 실시형태의 개관이다. 공기 전달 방지 기계적 제어 플로트 및 밸브 어셈블리 (302) 는 리턴 수집 트로트 (304) 아래에 상주한다. 리턴 도관 (306) 내의 유체는 항상 액체로 채워져 있고 버블들 및 폼이 없다 (예를 들어, 약 1 ppm 미만의 가스). 리턴 도관 (306) 의 유출구 (308) 는 저장소 (310) 내의 유체 (309) 의 레벨 아래에 위치된다. 응급 오버플로우 라인 (312) 은 트로트 (304) 상에 존재하며, 그 트로트는, 밸드 (302) 가 재밍 (jam) 되는 매우 좋지 않은 이벤트에서 유용한 적어도 최대 펌프 출력까지의 유동율들을 수용할 수도 있다. 도 4 및 다른 실시형태들에 도시된 바와 같이, 임의의 비정상적인 리턴 흐름 이벤트들을 검출하는데 사용되는 오버플로우 라인 상에 오버플로우 센서 (도 3에 도시되지 않음) 가 존재할 수도 있다. 이것은, 밸브가 차단되게 되는 시간을 식별하는데 사용될 수도 있다. 도 3에 또한 도시되지 않은 것은, 셀 보조 격납 영역 (314) 에 하우징되는 프로세싱 모듈들이다. 셀 보조 격납 영역 (314) 의 저부 부분만이 도시되어 있다. 프로세싱 유체는 보조 격납 영역 (314) 로부터 아래로 트로트 (304) 로 하나 이상의 트로트 유입구들 (미도시) 을 통해 배출될 수도 있다. 프로세싱 유체는 또한, 보조 격납 배출구 (316) 를 통해 보조 격납 영역 (314) 으로부터 바깥으로 배출될 수도 있다. 유체 드롭 거리 (318) 는 트로트 내의 유체 레벨과 저장소 내의 유체 사이의 거리이다.

오버플로우 라인 입구는, 일반적인 동작에서, 유체가 오버플로우 라인으로 거의 전달되지 않거나 전달되지 않도록 트로트의 상단에 위치될 수도 있다. 하나 이상의 센서들 (미도시) 은 제어 밸브 아래의 리턴 도관에 부착될 수도 있다. 이러한 센서 또는 센서들은, 밸브가 재밍되지 않고 흐름 유체가 공기-없는 것임을 확인하는데 사용될 수도 있다. 센서는, 예를 들어, 공기-감지 용량성 타입의 센서 또는 스루 빔 레이저 타입 센서일 수도 있다. 다른 타입들의 센서들이 또한 사용될 수도 있다. 센서는 라인에서 공기의 존재 또는 부재를 검출하고, 오작동한 흐름 리턴 제어 밸브의 경우에 알람을 전송하는데 사용될 수도 있다. 낮은 레벨들의 산소가 요구되는 다른 실시형태들에서, 산소 센서는, 저장소, 리턴 라인 또는 피드 라인들, 또는 유체가 존재하는 장치의 다른 부분들에서 산소의 농도를 검출하는데 사용될 수도 있다. 이들 센서들은, 피드백 제어들과 함께 사용되는 경우, 예를 들어, 산호 조절 디바이스 (예를 들어, 탈기기, 액체 접촉기 또는 질소 버블기) 가 하나 이상의 농도 센서들로부터의 판독들에 적어도 부분적으로 기초하여 원하는 레벨들로 산소의 농도를 유지시키는데 사용되는 경우, 특히 유용할 수도 있다.

언급된 바와 같이, 전해질로의 버블들/폼의 도입이 바람직하지 않은 하나의 이유는, 전해질에서의 산소의 존재가 도금에 악영향을 줄 수 있다는 것이다. 몇몇 실시형태들에서, 전해질에서의 산소의 농도는, 예를 들어, 장치의 이들 영역들을 통해 실질적으로 산소-없는 가스 (예를 들어, 질소) 의 스트림을 흐르게 함으로써, 전기도금 셀, 유체 수집 트로트들 중 임의의 것, 및/또는 전해질 저장소로부터 산소를 퍼지함으로써 추가적으로 최소화 및 제어된다. 이러한 가스 퍼지는, 전해질로의 산소의 포함을 방지하는 것을 도우며, 기재된 실시형태들 중 임의의 것과 결합하여 사용될 수 있다.

도 4는 힌지된 플랩 제어 밸브를 사용하여 하나의 가능한 제어 방식을 제공하는 간단한 설계를 도시한다. 접속 (409) 에 의해 플로트 (403) 에 접속된 평평한 제한 밸브 플랩 (402) 은, 리턴 도관 (404) 에 인접하게 위치될 수도 있다. 이러한 설계 밑에 있는 기본적인 아이디어는, 평평한 제한 밸브 플랩 (402) 및 플로트 (403) 가, 프로세싱 모듈을 통한 유동율이 증가할 경우, 트로트 (410) 내의 유체 레벨이 상승하여 플로트 (403) 가 상승하게 하도록, 흐름에 대한 가변 저항을 생성한다는 것이며, 이는 액체가 배출될 수도 있는 개구 (405) 를 생성하기 위해 평평한 제한 밸브 플랩 (40) 을 개방한다. 제한 밸브 플랩 (402) 이 개방된 경우, 흐름에 대한 저항이 감소하고, 리턴 도관 (404) 을 통한 유동율이 증가한다. 이는, 프로세싱 모듈로의 유동율 (및 그에 따른 트로트 (410) 내의 유체 레벨) 이 비교적 높은 경우 리턴 도관 (404) 을 통한 유동율이 충분히 높다는 것을 보장하면서, 또한, 프로세싱 모듈을 통한 흐름 (및 그에 따른 트로트 (410) 내의 유체 레벨) 이 비교적 낮은 경우, 실질적으로 어느 가스도 리턴 도관 (404) 에 진입하지 않도록 리턴 도관 (404) 을 통한 유동율이 충분히 낮다는 것을 보장함으로써, 트로트 (410) 내의 유체의 구축을 방지하는 것을 돕는다.

플랫 제한 밸브 플랩 (402) 은 밸프 플랩 (402) 이 일 단부에서 피봇 지점 주위에서의 회전에 의해 개방되도록 하는 제1 힌지 (406) 를 가질 수 있다. 힌지 (406) 는 트로프 (trough) 베이스에의 러버 부착물, 기계적 힌지, 또는 플랩의 주 단일 축 회전을 허용하는 다른 메커니즘일 수 있다. 제2 힌지 (407) 는 플로트 (403) 와 연결부 (409) 가 만나는 밸브 플랩 (402) 상에 포함될 수 있다. 연결부 (409) 와 플로트 (403) 가 만나는 곳에, 다른 힌지가 있을 수도 있고, 또는 그렇지 않을 수도 있다. 플로트 (403) 와 제한 밸브 플랩 (402) 사이의 연결부 (409) 는, 플로트가 상승할 때에 밸브/ 유동 압축기 (constrictor) 가 개방되는, 그리고 플로트가 하강할 때에 밸브/ 유동 압축기가 폐쇄되는, 예측가능한 방식으로 동작해야 한다. 일부 경우에, 연결부 (409) 는 완전히 고정식이고 및/또는 비-가요성이다. 다른 경우에, 연결부 (409) 는 가요성이다. 일부 경우에, 연결부 (409) 는 약 5 내지 20 cm의 길이 사이에 있다. 유체가 셀 (미도시) 내로 공급되고 트로프 (410) 가 턴-오프 될 때에 (예를 들어, 순환 펌프가 턴-오프 될 때에), 트로프 (410) 가 최종적으로 완전히 배수 (drain) 하도록, 플랩 (402) 내의 작은 드레인 홀 (408) 이 선택적으로 포함될 수 있다. 도 4에 도시된 예에서, 복귀 도관 (404) 은 약 1 인치 또는 그 이상의 내부 직경을 가지며, 이는 약 3 피트 이상의 수직 드롭에서 약 50 lpm의 중력 구동 복귀 유동을 제한하는 밸브 플랩에서 적절할 수 있다.

플로트 (403) 는 압력-유도된 밸브 폐쇄 힘을 조절하고 극복하도록 설계되어야 한다. 플로트 (403) 로 전달되는 밸브 (402) 상에의 힘은, 따라서 밸브 오리피스 구역 (411) 의 영역과 균형을 이룬다 (proportional). 이러한 단순한 설계에서, 오리피스는 도관 입구 (411) 이다. 밸브 표면 (402) 상에의 힘 및 필요한 플로트 (403) 의 사이즈가 더 작게끔 하기 위해, 압축 (즉, 유체가 감소된 단면 영역을 통해 유동하는 영역) 이 도관 입구 (411) 에서 이용될 수 있다. 그러나, 도관 입구 (411) 에서의 압축의 존재는 또한, 배수부 (오리피스, 라인, 엘보우 등의 조합) 가 조절할 수 있는 최대 유동을 감소시킨다. 도 4에 도시된 일반적인 설계에 관한 특정 실시예에서, 복귀 도관 (404) 의 직경의 약 45 내지 70%의, 또는 약 50 내지 60%의, 예를 들어, 복귀 도관 (404) 의 직경의 약 50%의 직경을 가지는 압축이 복귀 도관 (411) 에서 이용될 수 있다. 특정 예로서, 약 4피트의 드롭으로 약 12 내지 50 리터/분의 전해액의 가변 제어 유동을 허용하는 설계가 약 1 인치의 공칭 (nominal) 내부 직경을 가지는 도관을 가질 수 있고, 약 5.75인치 또는 그 초과의 직경을 가지는 플로트를 가지면서, 약 0.565 인치의 니들 제어 밸브를 갖는 약 0.575 인치의 제어 오리피스/ 압축을 가질 수 있다.

압축 구성요소의 직경은 플랩 타입 밸브 (402) 의 사이즈/설계에서 제어 요인인데, 이는 이러한 두 개의 구성요소가 직접 서로 상호작용하기 때문이다. 특정 구현 예에서, 제어 플로트 (403) 는 상대적으로 평평하며, 스쿼트 (squat) (예를 들어, 실린더) 형상이다. 구형, 타원형, 블록/프리즘 등과 같은 다른 형상이 또한 이용될 수 있다. 특정 실시예에서, 트로프 (410) 는 과유동 (overflow) 튜브 (413) 를 가질 수도 있고, 이는 과유동 센서 (414) 를 포함할 수 있다. 과유동 센서는 과유동이 발생하는 시기를 탐지하는데 이용될 수 있다. 이는, 예를 들어 제한 밸브 플랩 (402) 이 차단되거나 고정되는 (stuck) 경우, 트로프 (410) 가 스필링 (spilling) 되는 것을 방지하는데 도움을 준다. 각 튜브 (404 및 413) 의 출구가 저장소 내의 유체 레벨 아래에 있도록, 과유동 튜브 (413) 및 복귀 도관 (404) 모두는 저장소 (미도시) 내로 하향 연장할 수 있다. 이는 프로세싱 유체가 튜브 (404 및 413) 내에 존재할 때에 저장소 내에 홀딩된 액체 내로 가스가 혼합되는 것을 방지하는데 도움을 준다.

도 5는 도 4에 개략적으로 도시된 예의 변형 예이다. 이러한 실시예에서, 볼 플로트 (503) 는 연결부 (509) 에 의해 볼 밸브 (502) 에 연결된다. 플로트 (503) 는 거대한 중공형일 수 있고 (또는. 예를 들어 약 0.8 g/cm³ 미만, 약 1 g/cm³ 미만의, 낮은 밀도의 물질로 제조될 수 있고), 유체 레벨이 트로프 (510) 내에서 증가될 때에 압축된 구역 (515) 내의 도관 입구 (511) 로부터 멀리 실질적으로 고체인 볼 밸브 (502) 를 푸쉬한다. 트로프 (510) 내의 에어 페이즈는 따라서 복귀 도관 입구 (511) 로부터 수직으로 분리되고, 에어는 도관 (504) 내에 전달되지 않는다. 유체 유속이 증가할수록, 트로프 (510) 내의 레벨은 약간 증가한다. 이는 플로트 (503) 가 상승되는 것을 유발하며, 이는 제어 볼 밸브 (502) 를 상승시키며, 이에 따라 복귀 도관 (504) 의 마우스 (511) 에서 압축 정도를 감소시킴으로써 복귀 도관 입구 (511) 가 개방된다. 플로트 (503) 상에 작동할 수 있는, 그렇지 않은 경우 밸브 위치의 변동을 유발할 수 있는, 크로스 유동 힘을 감소시키기 위해 트로프 (510) 내에 배플 (517) 이 위치될 수 있다. 트로프 (510) 내의 유체 유동의 전체 방향이 화살표 (518) 로서 도시된다.

도 4의 실시예와 유사하게, 과유동 튜브 (513) 가 트로프 (510) 내에 포함될 수 있고, 과유동이 일어나는 시기를 탐지하기 위해 과유동 센서 (514) 가 과유동 튜브 (513) 에 위치될 수 있다. 과유동 튜브 (513) 및 복귀 도관 (504) 모두의 출구가 저장소 (미도시) 내의 유동 레벨 아래에서 끝날 수 있다.

피해야만 하는 일 조건은 순간 유속 (배수율) 에 큰 진동이다. 트로프 (510) 밖으로의 유속이 너무 오랜 기간 동안 트로프 (510) 내로의 유속을 초과하는 경우, 유체 레벨은 임시적으로 하강될 수 있고, 이는 제어 밸브 핀치 지점 (511) 위의 액체 레벨이 하강되도록 하며, 이는 공기가 볼 밸브 (502) 를 지나 복귀 도관 (504) 아래로 그리고 아래의 저장소 내로 흡수되도록 (sucked) 할 수 있다. 유체가 순환하지 아니할 때에 트로프 (510) 가 배수되도록 하기 위해, 플로트 (503) / 밸브 (402) 가 그의 하향/ 폐쇄 위치 내에 있을 때에, 볼 밸브 (402) 는 완전히 폐쇄되어 복귀 도관 입구 (511) 와 정합되지 아니하며, 또는 대안적으로, 유닛 (502 및 511) 이 함께 안착될 (seated) 때에도 누출 경로를 허용하도록, 작은 리지 (ridges), 갭, 스탠드오프 (standoffs) 또는 유사한 디바이스 (520) 가 플로트 (503) 밀 볼 밸브 (502) (또는 다른 실시예에서는 다른 밸브) 의 설계 내에 포함될 수 있다. 도 5에서는 구성요소 (520) 가 양의(positive) 스탠드오프-형태의 구조물로서 도시되고 있으나, 다른 실시예에서, 이러한 구성요소 (520) 음의 홈/디보트/컷-아웃-형태의 구조물일 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 특정 실시예에서, 이러한 구성요소 (520) 는 포함되지 아니하며, 시스템이 완전히 배수되는 것이 방지될 수 있다. 이러한 케이스인 경우에, 유체가 시스템을 통해 유동하지 않을 때에도, 시스템은 복귀 도관 (504) 내에 프로세스 유체를 보유할 수 있다. 이는 유체가 다시 순환을 시작할 때의 일시적인 시작 페이스 동안 프로세싱 유체 내로의 가스의 도입을 방지하는데 도움을 줄 수 있다.

도 6은 도 5에 도시된 것과 유사하나, 또한 볼 플로트 (603) 의 위치를 한정하는 크래들로서 동작하는, 볼 플로트 (603) 주위에 소용돌이-방지 배플 (621) 을 더 포함하는 실시예를 도시한다. 소용돌이 방지 배플은 압축된 구역 (615) 및 복귀 도관 (604) 내로의 유도 에어로 동작할 수 있는 선회-풀 효과를 방지하는데 도움을 준다. 이러한 실시예에서 구성요소가 도 5에 도시된 그리고 설명된 것과 다를 수 있다. 스탠드오프/리지/홈 구성요소가 도시되지 않는다 하더라도, 유체가 시스템 내에서 순환되지 않을 때에도 배수를 촉진하기 위해, 위와 같은 구성요소가 볼 밸브 (602) 및 볼 플로트 (603) 상에 포함될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.

도 7은 폐쇄 또는 낮은 유동 조건으로 유동하는, 트로프 (710) 내에 설치되는 분리 장착 및 교체 가능한 밸브 메커니즘 (701) 을 도시한다. 도트 박스 영역 (701) 내에 도시된 장치가 단일의 제거 가능한 유닛으로 제공될 수 있고, 이는 필요할 때에 쉽게 교체할 수 있다. 교체 가능한 밸브 메커니즘 (701) 은 임의의 적절한 형태를 취할 수 있는 제어 밸브 조립체 장착부 (726) 에 의해 트로프 (710) 에 장착될 수 있다. 교체 가능한 밸브 메커니즘 (701) 은 또한 배플 (717) 에 근접하여 설치될 수 있다. (다른 형상이 또한 이용될 수 있다고 하더라도) 도 7에 도시된 플로트 (703) 는 형상 면에서 실린더 형이고, 장치의 원뿔형 압축된 유동 섹션 (715) 내에 하우징되는 제어 밸브 (702) 에 연결된다. 도 7의 실시예에서, 압축된 유동 섹션 (715) 원뿔형 콘처럼 형상화된다. 밸브 (702) 가 상승될 때에, 유동 제한이 감소되고, 복귀 도관 (704) 을 통한 유속이 증가되며, 복귀 도관 (704) 내로의 에어 유동의 도입이 방지된다. 플로트 (703) 의 이동을 제한하기 위해 플로트 (703) 는 개방형 "케이지" (725) 내에 수용될 수 있고, 케이지 구성요소 (725) 는 또한 소용돌이 형성을 방지하는 배플로서 동작한다. 도 7의 오른쪽 하부 에, 에어가 복귀 도관 (704) 및 압축된 유동 구역 (715) 으로 들어가는 것을 허용할 수 있는 임의의 선회-풀 효과를 방지하는데 도움을 주기 위해 내부로 연장하는 배플 (727) 을 구비하는 케이지 (725) 의 반전 모습이 도시된다. 과유동 센서 (714) 에 조립되는 과유동 튜브 (713) 는 스필링을 방지하는데 도움을 주기 위해 제공될 수 있다. 복귀 도관 (704) 및 과유동 튜브 (713) 의 출구는 저장소 (미도시) 의 유체 레벨 아래에서 끝날 수 있다.

도 8은, 보다 더 개방/높은 유량 위치에서 도 7의 실시형태를 나타낸다. 밸브 어셈블리 (701) 는 제어 밸브 어셈블리 마운트 (726) 들을 통해 트로프 (trough) 의 저면에 장착된다. 밸브 (702) 는 트로프 (710) 의 나머지 아래에 드롭 다운 제한된 유동 섹션 (715) 에 하우징된다. 제어 밸브 어셈블리 마운트 (726) 는, 용이한 교체를 허용하면서 우수한 시일을 제공하기 위해, 개스킷, 오링, 도는 여타의 유사한 메커니즘을 트로프 (710) 의 저면에 포함할 수도 있다.

도 9는, 플로트 (float) 와 밸브 엘리먼트가 단일 엘리먼트/피스 (piece) (930) 에 같이 포함되는, 트로프 (910) 와 제어 밸브 (930) 의 대안적인 디자인을 나타낸다. 제어 밸브/플로트 (930) 는 이전의 실시형태들과 같이 유사한 원리 하에서 동작한다. 프로세싱 셀을 통한 그리고 트로프 (910) 내로의 유속이 증가하면, 트로프 (910) 내의 유체의 높이가 올라간다. 이것은 밸브/플로트 (930) 를 올라가게 하는데, 이것은 제한된 플로우 영역 (915) 에서 유동에 대한 저항성을 감소시키고, 리턴 도관 (904) 을 통한 유속을 증가시킨다. 시스템이 임의의 적절한 유속들 및 유체들에 대해 스케일될 (scaled) 수도 있는 반면, 특정 실시형태들에서는 유동 제어 어셈블리 (901) 의 직경 (유동 제어 어셈블리 (901) 의 대향 면들 사이의 거리 (931) 에 의해 측정된 바와 같다) 은 약 2-6 인치 사이, 또는 약 3-5 인치 사이, 예를 들어 약 4 인치이다. 이것은 리턴 도관 (904) 의 내측 직경의 약 200-600% 사이, 예를 들어 약 300-500% 사이일 수도 있다. 유동 제어 어셈블리 (901) 내의 밸브/플로트 (930) 의 바디의 직경은, 리턴 도관 (904) 의 내측 직경의 약 125-600% 사이 또는 약 200-400% 사이일 수도 있다.

도 10의 실시형태는, 도 9에 도시된 실시형태와 유사한데, 하부 프로파일 및 보다 작은 플로트 (930) 를 가지고, 트로프로부터 저장소로 더 작은 수직 강하를 가지는 시스템과 함께 사용하기 적합하다.

도 9 및 도 10에 도시된 개시된 디자인들은, 그것의 상대적으로 큰 변위 용적 (displacement volume) 및 낮은 무게 (예컨대, 큰 모양 및 낮은 평균 밀도) 에 기인한 상당한 부력을 가진 매우 가벼운 중량의 플로트/밸브 엘리먼트 (930) 를 고려한다. 밸브 (930) 의 동작은 높은 밀도의 물질을 실린더 형상의 플로트 (930) 의 내부 캐비티 (cavity, 932) 안으로, 특히 저면에, 삽입함으로써, 조절될 수도 있는데, 이것은 유닛 부가된 기계적 안정성 (unit added mechanical stability) 을 줄 수도 있으며, 트로프 내부의 적절한 유체 레벨에서의 동작을 위한 튜닝을 고려할 수도 있다. 유사하게, 동일한 효과를 얻기 위해 플로트/밸브 (930) 는 그것의 저면의 더 밀도가 높은 물질 및 상부 부분의 덜 밀도가 높은 물질을 포함할 수도 있다.

제어 밸브/플로트 (930) 는 트로프 (910) 에 연결된 밸브 하우징 부분 (933) 에 위치될 수도 있다. 밸브 하우징 (933) 은 도시된 바와 같이, 트로프 (910) 의 다른 부분 아래로 연장될 수도 있고, 캐스킷, 오링 또는 여타 종류의 시일 (seal) 로 시일될 수도 있다. 특정 실시형태들에서, 밸브 하우징 (933) 의 바닥 내측 표면 (934) 은 제어 밸브/플로트 (930) 와 (정확히 또는 대략적으로) 맞춰질 수 있도록 디자인될 수도 있다. 밸브 하우징 (933) 의 바닥 내측 표면 (934) 은 또한 밸브 메이팅 (mating) 표면 (933) 으로 불리울 수도 있다. 밸브 메이팅 표면 (933) 은 통상적으로 그 센터에 혹은 그 센터 부근에 "쵸크 점"(choke point) 오리피스 (911) 를 포함할 것이다. 쵸크 점 (911) 의 직경은 리턴 도관 (904) 의 내측 직경보다 더 작을 수도 있는데, 예를 들어 리턴 도관 (904) 의 직경의 약 25-75% 사이이다. 특정한 실행예에서, 쵸크 점 (911) 은 약 0.5인치의 직경을 가진다. 트로프 (910) 내의 액체 레벨이 충분히 높은 경우, 제어 밸브/플로트 (930) 은 상승하고, 액체는 쵸크 점 오리피스 (911) 를 통과한다. 액체 레벨이 충분히 낮은 경우, 제어 밸브/플로트 (930) 는 하측으로 가라앉아 쵸크 점 오리피스 (911) 를 (완전히 또는 부분적으로) 막는다. 이는 제한된 유동 영역 (915) 에서의 유동에 대한 저항성을 증가시키는데 도움을 주고, 버블들이 리턴 도관 (904) 에 들어가지 않도록 보장하는 것에 도움을 준다.

도 7 및 도 8에 도시된 장치와 같이, 플로트/밸브 (930) 는 케이지 어셈블리 (cage assembly, 925) 에 제공될 수도 있는데, 이것은 쵸크 점 (911) 위에 소용돌이 (vortex) 들의 형성을 방지하는 것을 돕기 위해 배플 (927) 들을 포함할 수도 있다. 또한, 선택적인 오버플로우 센서 (914) 를 포함하는 오버플로우 도관 (913) 은 트로프 (910) 가 쏟아지는 것을 방지하는 것을 돕도록 포함될 수도 있다.

다양한 실시형태들에서, 밸브 메이팅 표면 (934) 은, 제어 밸브/플로트 (930) 의 바닥 원뿔 표면에 대략적으로 혹은 정확히 맞춰질 수 있도록 원뿔 형상으로 생길 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 2 개의 표면들 (제어 밸브/플로트 (930) 의 원뿔 표면 및 밸브 메이팅 표면 (934)) 이 실질적으로 평행일 수도 있다. 다른 실시형태들에서, 제어 밸브/플로트 (930) 의 원뿔 표면은 밸브 메이팅 표면 (934) 보다 더 가파른 테이퍼 (taper) 를 가질 수도 있다. 다시 말하면, 제어 밸브/플로트 (930) 는, 그것이 안착하는 하우징 (933) 보다 더 뾰족할 수도 있다. 이러한 디자인은 밸브 아래의 작은 영역 안으로 압력 강하를 집중시키는 것을 도울 수도 있고, 그에 따라 기계적 평형에 필요한 플로트 리프팅 힘 (float lifting force) 를 감소시킬 수 있다.

배관 (plumbing) 에서 여타의 압력 강하 컴포넌트들을 무시하면, 밸브 (930) 에 걸친 압력 강하는 유체 헤드/높이와 연관된 압력 강하와 대략적으로 동일해야만 한다. 플로트 (930) 상의 힘은, 1) 밸브 (930) 위의 압력, 및 2) 밸브/플로트 (930) 아래의 낮은 압력의 지역 (region) 의 영역 (area) 에 걸친 통합된 차압 (integrated differential pressure) 사이의 압력 차에 비례한다. 낮은 압력 지역의 단면 영역을 가능한한 많이 줄임으로써, 그리고 핀치 점 (pinch point, 911) 에서의 상대적으로 작은 지역으로 압력 강하를 집중시킴으로써, 이동된 유체 볼륨에 의해 공급되는 리프팅 힘 (lifting force) 이 감소되고, 그에 따라 플로트/밸브 (930) 의 필요 사이즈를 감소시킨다. 이는 장치 또는 설비 내부의 공간이 최소한도로 되는 특정 어플리케이션들에서 디자인의 중요한 특성일 수도 있다. 훨씬 더 소형이지만 동일하게 효과적인 제어 디바이스가 달성된다.

도 11은 트로프 (1110), 제어 밸브 (1102) 및 리턴 도관 (1104) 의 대안적인 실시형태를 나타낸다. 이 실시형태는, 제어 밸브 (1102) 가 리턴 유체 수집 트로프 (1104) 측에 위치한다는 점에서 상술한 많은 실시형태들과 상이하다. 따라서, 이 실시형태는, 용기/저장소로의 트로프 (1110) 아래의 공간의 양이 매우 제한적인 상황에 특히 적합할 수도 있다. 플랩형 (flap-type) 제어 밸브 (1102) 는, 리턴 유동 도관 유입부 (1111) 의 앞에 힌지 (1106) 에 의해 위치되고, 유지될 수 있다. 밸브 (1102) 가 힌지 점 (1106) 주변을 스윙 (swing) 하고 회전하여, 리턴 도관 유입부 (1111) 주변의 영역을 개방하고, 유입부 (1111) 근방의 유동 제한/저항성을 감소시킨다. 스탠드오프 (standoff), 리지 (ridge), 그루브 (groove) 또는 여타의 종류의 매커니즘 (1136) 이 밸브 (1102) 가 완전히 폐쇄되지 않도록 방지하는데 선택적으로 사용될 수 있고, 예를 들어 유체가 유동하고 있지 않을 때 트로프 (1110) 가 배수하는 (drain) 것을 허용한다.

밸브 위치는 연결 (1109) 을 통해 플로트 (1103) 로 조절될 수도 있다. 예를 들어, 연결 (1109) 은 레버 아암 (lever arm) 을 증가시키는 기계적 이점일 수도 있다. 기계적 이점 증가의 값은 대략적으로, 힌지 점 (1106) 으로부터 밸브 상의 연결 점 (1107) 까지의 평균 거리에 대한, 밸브 (1102) 로부터 플로트 (1103) 가지의 연결 (1109) 의 길이의 비율에 대응한다. 트로프 내로의 유속이 증가하면, 트로프 내의 유체 레벨은 증가하고, 플로트가 올라가고, 밸브 압축은 감소된다 (예컨대, 밸브는 더 열린다). 여타의 디자인들과 함께, 레벨 센서들과 함께, 배플 (baffle) 들및 유사한 소용돌이-방지 구조들이, 리턴 도관 및 용기/저장소로의 버블들의 우연적인 끌려감 (entrainment) 를 방지하도록 포함될 수도 있다. 사용될 수도 있는 부가적인 엘리먼트들은, 트로프 (1110) 를 가로지르는 가로 유동 (cross flow) 을 감소시키기 위한 유입부 배플 (1117) 및 소용돌이들을 형성할 가능성을 최소화하기 위한 소용돌이-방지 배플들을 가진 케이지 (1125) 를 포함한다. 또한, 선택적인 오버플로우 도관 (미도시) 이 사용될 수도 있다.

도 12 내지 도 14는 도 10에 도시된 디자인과 유사한 디자인의 상세한 단면도들을 나타낸다. 이러한 도면들에서 주목할만한 피쳐들은, 밸브 (1212) 및 밸브 메이팅 표면 (1234) 의 모양에 관하여 제어 유동 쵸크 점 (1211) 의 상세들을 포함한다. 밸브 표면 (1230) 및 밸브 메이팅 표면 (1234) 의 기울어진 (sloped) 성질에 기인하여, 유동 속도는, 유체가 방사상 내측으로 이동함에 따라 증가한다. 그에 따른 압력 강하가 쵸크 점 (1211) 근방에 집중되고, 플로트의 저면 상에 작용하는 힘은 밸브 (1230) 의 쵸크 점 (1211) 근방에 집중된다. 이는 플로트/밸브 (1230) 에 의해 필요로 되는 총 반작용 힘 (reactive force) 을 감소시킨다. 압축 (1211) 은, 플로트/밸브 (1230) 가 트로프 (1210) 내로 및 쵸크 점 (1211) 으로부터 떨어지게 위로 거리를 이동할 때, 플로트/밸브 (1230) 의 존재에 기인하는 최소 부가된 저항성 (minimal added resistance) 과 함께 압력 강하는 목표 최대 유속에 대해 적절한 값으로 감소되도록, 사이징될 (sized) 수 있다. 플로트/밸브 (1230) 및/또는 밸브 메이팅 표면 (1234) 은, 플로트/밸브가 (상대적으로) 폐쇄된 위치에 있을 경우라도 유체가 쵸크 점 (1211) 을 통해 배수될 수 있게 하기 위해 스탠드오프들(standoffs)/리지들(ridges)/컷아웃들(cutouts)/디보트들(divots) 을 포함할 수도 있다. 다른 실시형태들에서, 이러한 것들은 생략될 수도 있고, 유체 타이트 시일 (fluid tight seal) 이 얻어질 수도 있다. 프로세싱하는 유체가 시스템을 통해 순환하고 있지 않을 때일지라도, 이는 리턴 도관 (1204) 이 유체의 채움을 유지하게 할 수도 있다. 또한 도시된 것은 높이 h 를 가지는 유입부 배플 플레이트 (1217) 이다. 배플 (1217) 아래에는 유동 갭 (flow gap, 1238) 이 있다. 일련의 배플 플레이트 (1237) 들은 또한, 소용돌이들의 형성을 방지하는 것을 돕기 위해, 플로트/밸브 (1230) 주변의 공간에 제공될 수 있다.

리턴 도관 유입부 (1204) 의 처음 부분 (1239) (이것은 어떤 케이스들에서는 또한 제어 밸브 하우징 내의 오리피스/쵸크 점 (1211) 의 유출부로 고려될 수도 있다) 은, 도 12 내지 도 14에 도시된 바와 같이, 도관 (1204) 의 단면 영역이 상측 부분 (1239) 에서 더 작고 하측 부분에서 더 크도록 테이퍼될 (tapered) 수도 있다. 이러한 테이퍼링은 임의의 추가적인 압력 강하들을 최소화하는데 도움을 줄 수도 있다.

일부 실시형태들에서, 제어 밸브 어셈블리는, 밸브 압축이 오리피스 구멍 (1211) 을 완전히 시일링하는 것을 방지하는 플로트 위치 정지-스페이서 (1220) 를 포함하여, 그에 따라 포텐셜 (potential) 이 체증되는 것 (jamming) 을 회피하고, 셀들 및 트로프로의 유체의 공급이 정지된 경우 트로프가 배수할 수 있게 한다. 여타의 디자인들에서, 밸브 (1230) 는, 도금 셀 및 트로프 내로의 유체의 유동이 정지된 경우 트로프가 완전히 배수하지 않도록 오리피스 (1211) 를 완전히 폐쇄하게 디자인될 수도 있다.

오리피스가 완전히 폐쇄된 경우, 액체는 비-유체 (non-flowing) 상태에서 반환 도관에 남을 수도 있다. 즉, 반환 도관은 침수될 (flooded) 수도 있고, 재-시작 (re-start) (즉, 유체가 프로세싱 셀로 및 프로세싱 셀을 통해 순환하는 것을 다시 한번 시작하는 경우) 일 수도 있고, 반환 도관 및 리저버 (reservoir) 에 버블들 (bubbles) 의 주입이 조금 있거나 없을 수도 있다. 반면에, 가스/버블들이 반환 도관 및 리저버에 주입될 수도 있는 유체 순환의 시작에서 과도 기간이 있을 수도 있다. 도 14는 도 12 및 도 13에 도시된 설계와 유사하나, 원뿔 모양의 밸브 섹션 (1230) 의 크기가 (유동 (flow) 에 비교하여) 감소된 설계를 도시한다.

앞선 많은 설명 및 다수의 실시예들은 유체를 단일 반환 도관으로 수집하고 향하게 하는 드레인 수집 “트러프 (trough)” 또는 홈통 (gutter) 을 갖는 유체 반환 시스템의 맥락에서 나타내진다. 그러나, 이러한 엘리먼트는 요구되지 않고, 모든 맥락에서 바람직하지 않을 수도 있다는 것이 이해된다 (예를 들어, 이러한 실시형태들이 프로세싱 모듈의 수평 플레이트에서 이용가능한 제한된 스페이스가 있는 경우 가장 유익할 수도 있고, 셀-레벨 트러프를 갖는 것이 바람직하지 않을 수도 있다). 중력 정규화된 플롯 (gravity regulated float) 및 제어 밸브 및 전술한 다른 피쳐들 (features) 은 또한 (프로세싱 모듈의 주 도금 볼륨/파운틴 (fountain) 의 주변 주위의 둑 (weir) 을 둘러싸는 고리 모양의 (annular) 셀-레벨 트러프에서) 프로세싱 모듈 자체로 직접적으로 병합될 수 있다. 일부 경우, 셀-레벨 트러프의 사용은 확장된 플레이트 또는 작업 공간을 허용한다. 셀-래벨 트러프의 사용은 또한 단일 수평 레벨 상의 다중 셀들이 결합된 반환 유동 정규화 피쳐를 갖는 것을 허용한다.

액티브 (active) 전자 또는 공압 유체 레벨 드레인 레이트 피드백 정규화 설계들

기계적인 그리고 주로 패시브 (passive) 자기-정규화 (self-regulating) 설계들에 의해 버블-프리(bubble-free) 및 난류-프리 (turbulence-free) 가 되도록 유동을 정규화하는 것에 더하여, 동일한 목표들이 밸브들, 유량계들, 레벨 센서들, 압력 센서들, 유동 전환기들 (diverts) 등과 같은 자동화된 프로세스-제어 디바이스들의 결합을 허용하여 달성될 수도 있다. 액티브 제어 설계들의 일부의 하나의 잠재적 이점은, 시스템이 패시브 제어 시스템보다 더 컴팩트 (compact) 할 수도 있다는 것이다. 나아가, 액티브 제어 시스템들은 큰 (large) 공통 수집 트러프 등과 같은 특정 엘리먼트들을 보다 쉽게 제거할 수 있다. 이용가능한 공간, 상대적인 비용, 가능한 실패 모드들 및 방지들, 및 액티브 (예를 들어, 전기적으로 또는 공압적으로 제어된) 드레인 설계와 패시브 (예를 들어, 기계적으로 자기-정규화) 드레인 설계 사이의 다른 트레이드오프들 (tradeoffs) 은 유체 재순환 및 제어 스키마 (scheme) 를 구현하는 경우 고려되어야 한다.

액티브하게 제어된 버블-프리 드레인 설계의 프로세스 장치의 하나의 주목할만한 피스 (piece) 는 액티브 자동화된 설정가능한 제어 밸브이다. 이들은 가끔 자동화된 프로세스 제어 밸브들 또는 자동화된 비례하는 제어 밸브들로 지칭된다. 자동화된 제어 밸브를 통한 유속 (flow rate) 은 이후에 설명되는 다수의 실시형태에서 밸브 입력 (예를 들어, 압력 또는 전압 입력) 에 대해 선형화될 필요가 없다. 오히려, 자동화된 제어 시스템들은 알려진/예측가능한 방식으로 밸브 자동화된 입력에 응답하는 메커니즘만을 요구한다. 제어 밸브들의 클래스들 (classes) 의 특정 실시예는, 제한되지 않으나, 공, 바늘 및 게이트 밸브을 포함하고, 이들 각각은 비-수동 (non-manual) 위치 정규화 디바이스를 사용하여 밸브 유동 오리피스의 위치, 크기 및/또는 형상을 변화함에 의해 자동화될 수 있다. 밸브 타입의 정확한 선택은 특별하게 제한되지 않고, 밸브의 다수의 상이한 타입들/형상들/크기들이 사용될 수도 있다. 그러나, 밸브의 저항 계수 (앞선 수학식 1과 관련하여 설명된 C_V) 에 의해 측정된 바와 같은 밸브의 저항은 밸브가 최대 타겟 드레이닝 (draining) 유속을 수용하도록 충분히 개방되는 경우 충분히 커야 한다. 적절한 밸브의 섹션에서의 다른 제한들은 이하에서 보다 상세히 설명되는 밸브의 필요한 응답 시간 (즉, 밸브가 위치를 어떻게 빨리 변경하는지) 을 포함할 수도 있다. 적합한 밸브들의 예시들은 (Chanhassen, MN의 FutureStar로부터의) AutoValve^TM, (Billerica, MA의 Entegris로부터의) NT Proportional Control Valve Model 6400 Series 및 (예를 들어, Cedar Grove, NJ의 Plast-O-Matic으로부터의) Automated Ball Control Valve를 포함한다.

후속하는 바와 같이 넓게 설명될 수 있는 자동화된 버블-프리 드레인 유동 제어된 실시형태들의 적어도 2개의 클래스들이 나타나진다. 제1 클래스에서, 자동화된 가변 저항 반환 (또는 가변 저항 반환) 은, 반환 도관 내의 유동이 프로세싱 셀 (들) 로 진입하는 세트 유속에서의 임의의 변화와 매칭되도록 설정되거나 액티브하게 제어되는 경우, 사용될 수도 있다. 제2 클래스에서, 자동화된 가변 유동 전환 (또는 가변 유동 전환) 은, 셀 수집 트러프 또는 침수된 공통 반환으로 항햐는 총 유동 중 나머지와 함께 드레인에서의 유동 반환에 대한 저항이 하나의 (예를 들어, 최대 타겟) 고정된 유속에서의 버블 프리 드레인 유동을 생성하도록 사전-튜닝되거나 정적이고, 반환 도관에서의 유동이 항상 고정된 유속과 동일하고, 펌프가 항상 유체를 고정된 유속에서 프로세싱 셀들로 배달하고, 총 고정된 유속의 일부분이 웨이퍼와 접촉하는 프로세싱 챔버로 진입하도록 전환되는 경우, 사용될 수도 있다.

도 15는 전술된 제1 클래스의 가변 저항 반환 설계의 일 실시예를 도시한다. 펌프 (1550) 는, 파이프를 통해 유체를 더 높은 상승 및 프로세스 필터들 (1552), 유량계들 (1553), 탈기기들 (degassers) (1554), 엘보우들 (elbows) 등과 같은 다양한 엘리먼트들로 구동하기 위해 필요한 압력을 생성하는 유체 리저버 또는 배쓰 (bath) (1551) 로부터 유동을 끌어낸다. 탈기기 (1554) 는 전해질로부터 산소 및 다른 가스들을 제거하는데 사용될 수도 있다. 이는 프로세싱 모듈 (1555) 로 배달된 유체 내에 존재하는 임의의 가스가 유체에 포화된 상태보다 적다는 것을 보장하는데 유익할 수도 있다. 이는 카운터 전극 및 웨이퍼 (미도시) 사이의 전류의 유동을 달리 블록할 수 있는 프로세싱 모듈 (1555) 내에 버블들을 형성하는 확률을 감소시킨다. 즉, 탈기기 (1554) 가 (상당한 도금 결점들을 야기할 것인) 버블들이 웨이퍼의 표면에 형성되지 않는 것과, (플레이트를 통과하는 것으로부터 전류를 블록하고, 도금 결점들을 야기할 것인) 버블들이 채널링된 이온 저항 플레이트의 표면 상에 형성되지 않는 것을 보장하는 것을 돕는다.

이러한 또는 다른 실시형태들에서, 피드 라인 (feed line) 은, 펌프 (1550) 가 턴 오프되는 (turned off) 경우 폐쇄하는 셀-피드-고립-밸브 (cell-feed-isolation-valve; CFIV) (1556) 을 포함할 수도 있고, 그에 의해 셀들 (1555) 이 피드 라인들을 통해 반대 방향으로 배수하는 것으로부터 방지하고, 펌프 (1550) 가 결국 재시작되는 경우 셀 (1555) 및 툴 버블-프리를 유지한다. 따라서, 버블 형성의 과도 상태들 조차도 회피될 수도 있다. CFIV (1556) 는 자동적으로 시스템 컨트롤러 (예를 들어, 웨이퍼 및 동작 프로세스 컨트롤러 (1557)) 의 방향 하에서, 또는 비상 오프 (emergency off; EMO) 조건 또는 스위치 트리거에 응답하여 폐쇄할 수 있다. 비상 오프 트리거는, 예를 들어, 보조 컨테인먼트 리키지 (containment leakage) 가 검출되는 경우 캐터스트라피컬 리키지 (catastrophic leakage) 를 회피하도록 포함될 수도 있다.

도 15는 파운틴 타입 도금 셀 (1555) 에 진입하고, 파운틴 둑 (1558) 을 통과하고, 셀 유체 수집 트러프 (1559) 에 수집하는 유체를 도시한다. 본 실시형태들은 파운틴 타입 도금 장치에 제한되지 않는다. 예를 들어, 패들 (paddle) 셀, 스프레이 에쳐 (etcher) 또는 스프레이 무전헤 도금 셀 반응기, 미소유체 셀, 등이 모두 개시된 기술들 및 장치에 유익할 수도 있다. 일반적으로, 유체는 프로세싱 셀 (1555) 을 통과하고, 웨이퍼를 향애, 그리고 둑 벽 (1558) 을 통과하기 이전에 주 유체 컨테인먼트 영역 (1560) 으로, 그리고 셀-레벨 유체 수집 영역/트러프 (1559) (예를 들어, 프로세싱 셀 (1555) 의 주 유체 컨테인먼트 영역 (1560) 의 주변 주위에 위치된 고리 모양의 트러프 (1559)) 로 일반적으로 향해진다. 트러프 (1559) 로부터, 유체는 액체로 침수되도록 남는 공통 반환 영역 (1562) 으로 공급될 수도 있는 프로세싱 모듈 드레인 (1561) 을 통과한다. 그 후, 유체는 공통 반환 영역 (1562) 으로부터, 공통 드레인 (1563) 을 통해 리저버 (1551) 로 통과하고, 유체는 다시 프로세싱 셀들 (1555) 로부터 펌핑 아웃되고 (pumped out) 재활용될 수 있다.

유체 레벨 센서 (1564) 로부터의 신호가 프로세싱 셀 (들) (1555) 의 주 유체 컨테인먼트 영역 (1560) 에서의 유체의 레벨을 측정하고, 수집 트러프 (1559) 에서의 유체의 레벨을 감지하고, 그리고 트러프 (1559) 에서의 유체 레벨이 프로세싱 모듈 드레인 (1561) 으로의 유입구의 레벨보다 충분히 높다는 것을 보장하는데 사용될 수도 있다. 유체 레벨 센서 (1564) 로부터의 신호는 드레인 프로세스 컨트롤러 (1565) 로 공급될 수도 있다. 드레인 프로세스 컨트롤러 (1565) 는, 예를 들어, 드레인 프로세스 컨트롤러 (1565) 로부터 수신되는 신호에 응답하여 자동화된 드레인 밸브 (1567) 을 개방하거나 폐쇄하는 자동화된 드레인 밸브 위치 컨트롤러 (1566) 에 배달되는 전압 공압 압력을 변조함에 의해 자동화된 드레인 밸브 위치 컨트롤러 (1566) 과 통신할 수도 있다. 이는 셀 수집 트러프 (1559) 에서의 유체의 타겟 레벨을 유지하기 위해 드레인 밸브 (1567) 가 제어되는 것을 허용한다.

레벨 센서들의 다수의 상이한 타입들이 채용될 수도 있는 반면, 특정 시스템의 설계는 사용된 센서의 타입에 의해 영향을 받는다. 적합한 유체 레벨 센서들 (1564) 의 예시들은 음향 반향 (acoustic echo) 타입 센서들, 정전용량 스트립 센서들, 및 고 민감도 (high sensitivity) 압력 변환기 센서들을 포함한다. 음향 반향 타입 센서는 셀 수집 트러프 영역 (1559) 에서의 유체 레벨을 직접 또는 트러프와 병렬로 연결된 시계 (sight) 튜브를 통해 감지할 수도 있다. 압력 변환기는 반환 파이프 (1561) 또는 침수된 공통 반환 영역 (1562) 에서의 유체 레벨보다 수 인치 아래의 유체의 압력 헤드를 측정할 수도 있다. 예를 들어, 10 inch-of-water-full-scale 압력 변환기는, 예를 들어, 셀들 (1555) 보다 약 2-7 인치 아래로부터의 영역에서의 유체 헤드 및 타겟 액체 제어 레벨 라인 아래 위치된 침수된 공통 드레인 반환 (1561) 내에서의 유체 헤드를 측정하도록 배치될 수 있다.

선택적인 오버플로우 (overflow) 센서 스위치 (1568) 가 밸브 개방 에러들과 같은 실패를 감지하기 위해 하나 이상의 셀들 (1555) 에 배치될 수 있다. 오버플로우 센서 (1568) 로부터의 에러 센서 신호에 응답하여, 컨트롤러 (예를 들어, 유동 컨트롤러 (1569) 가 펌프 (1550) 를 멈추게 하고, 셀 고립 밸브 (들) (1556) 및/또는 드레인 고립 밸브 (DIV) 들 (1570) 을 선택적으로 폐쇄할 수도 있다. 자동화된 드레인 제어 밸브 (1567) 가 완전하게 폐쇄할 수도 있고, 따라서 드레인을 고립시키고, 정지-유동 또는 EMO 조건들에서 충분히 높은 레벨에서의 셀-레벨 유체 수집 트러프 (1559) 에서의 유체를 유지하는데 사용될 수도 있는 반면, 2 상태 (개방 또는 폐쇄) 드레인 고립 밸브 (DIV) (1570) 가 보다 빨리 반응할 수도 있고, 또한 자동화된 드레인 밸브 (1567) 가 실패하는 경우 누수에 대한 추가된 보호를 제공할 수도 있다. 또한, 도 15에 도시된 바와 같이, 드롭 (drop) 거리 (1571) 는 셀-레벨 트러프 (1559) 에서의 유체 레벨과 리저버 (1551) 에서의 유체 레벨 사이의 거리이다. 특정 실시예에서, 이 거리는 약 5 feet로 설명된다.

단지 설명된 자동화된 전자 오버플로우 제어 보호에 대한 대안으로서, 오버사이징된 (oversized) 오버플로우 드레인 라인들의 별개의 세트가 유체의 리저버 (1551) 로의 반환을 허용하는데 사용될 수도 있다. 오버플로우 드레인 라인들은 오버플로우가 일어나는지 여부를 감지하기 위한 센서들 (예를 들어, 정전용량 또는 빔 (beam) 광학 타입 센서들) 을 선택적으로 가질 수도 있다. 다양한 실시형태들에서, 오버플로우 센서들은 다양한 원하는 수정 및/또는 예방 시스템 응답들을 트리거링하는데 사용될 수 있다.

레벨 센서가 유체 레벨 제어의 일부로서 이용되지 않은, 또 다른 가변 배출부 저항 설계가 도 16에 도시된다. 일 실시예에서, 흐름 제어기 (1569) 로부터의 신호는 펌프 속도와 자동화된 배출 밸브 (1567) 의 위치 모두를 제어하는데 사용된다. 오버 플로우 센서 (1573) 를 갖는 오버플로우 배출 라인 (1572) 은 전술된 바와 같이 사용될 수도 있다. 미리 결정된 값 위치 대 유속 관계는, 백업되고 버블-없는 배출 라인을 유지하는 제어 밸브 저항을 달성하도록 밸브 위치에 대한 적합한 셋팅 사이에서의 관계를 설정하는 목표를 가지고 실험적으로 또는 이론적으로 설정될 수도 있다.

예를 들어, 오퍼레이터는, 유속 각각에 대해 원하는 레벨 (예를 들어, 배출 유입구 위의 1인치) 에서 수집 트로트 (1559) 내의 유체의 레벨을 유지하는데 사용될 수도 있는 조건들을 식별하도록 밸브 셋팅들 (예를 들어, 입력 전압, 압력 또는 개방% 셋팅들 등) 과 연관된 데이터 세트를 수집하고, 다양한 셀 유속에서 실험 세트를 수행할 수 있다. 그 후, 그 데이터를 가지고, 보간법 또는 커브 피팅이 임의의 가능한 흐름 미터로 검출된 흐름에 대해 자동화된 배출 밸브 (1567) (예를 들어, 전압 또는 압력) 에 적합한 입력 신호 사이의 수학적 관계를 생성하도록 사용될 수 있다. 이 수학적 관계는, 순시 (instantaneous) 흐름 미터 (1553) 측정에 기초하여 밸브 위치를 셋팅하도록, 프로그래밍가능한 로직 제어기 (PLC) (1566) 또는 다른 프로세스 제어기에 프로그래밍될 수도 있다.

이 방법은, 위의 문단들 및 도 15를 참조하여 설명된 것들에 비해, 더 나은 안정성과 더 낮은 비용과 같은 이점들이 있을 수도 있으나, 저항 셋팅 대 유속의 매우 정확한 교정에 대한 필요성과 같은 다수의 약점들을 가질 수도 있다. 레벨/흐름 에러 제어에 대한 시스템에서 피드백을 제공하기 위한 유일한 방법이 유체 레벨 드롭/전체 헤드 (head) 에 연관하여 일반적으로 상당히 제한된, 셀 (1555) 내의 유체 레벨에서의 작은 증가이므로, 이 정확한 교정이 필요하다. 전술된 바와 같이, 밸브 (1567) 의 정확도 및 그 교정은 양호해야 한다 (예를 들어, 약 2% 보다 더 양호함). 추가적으로, 밸브 위치 재현성 (즉, 자동화된 배출 밸브 (1567) 로의 주어진 입력에 기초하여 특정 밸브 위치를 달성하는 재현성) 은 도 15의 실시예와 비교하여 도 16의 실시예에서 보다 중요하다. 교정이 오프이면, (예를 들어, 밸브 작동이 변경되면, 또는 어떤 이유 때문에 밸브 (1567) 의 위치가 교정 프로세스로부터 예측된 것에 대응되지 않으면), 셀 (1555) 은 (셧다운을 야기하여) 오버플로우되거나 (일반적인 리턴 라인 (1563) 과 프로세싱 배출부 (1561) 로 버블의 도입을 야기하여) 언더플로우될 수도 있다. 따라서, 특정 실시예에서, 빔 굴절 센서 (1574) 를 통한 선택적인 광학 (optical) 또는 버블 감지를 위한 다른 매커니즘은 일반적인 리턴 도관(1563)에서 포함될 수도 있다. 이 엘리먼트(1574)는 셀(1555)에서의 유체 레벨은 시스템 피드백에 치고하여 제어되지 않는 특히 도 16의 설계에서 이점이 있다. 따라서, 특정한 응용의 요구사항들과 제한들에 따라, 하나 또는 다른 타입의 시스템이 바람직할 수도 있다.

도 17은 특정 실시예들에 따른 가변적인 흐름 우회 설계의 실시예이다. 명확성을 위해, 이 실시예에서 및 다른 실시예들의 몇몇에서, 가능한 포함된 특징들의 모든 치환들이 실시예 각각에서 설명되고 있지 않으나, 이러한 특징들이 바람직한 또는 동작적인 필요에 따라 임의의 실시예에서 통합될 수 있다. 가변적인 흐름 우회 방법의 기본적 목적은, 언제나 백업되고 버블-프리인 배출/리턴 도관(1763)을 동시에 유지하는 동안, 프로세싱 모듈(들)(1755)에 전달된 가변적 유속을 허용하는 것이다. 일반 회귀 영역(1762)을 나가는 유속이 다양하지 않은 조건들을 생성함으로써 달성될 수도 있으며, 따라서 (일반 회귀(1762) 및 리저버(1751) 사이의) 고정된 배출 저항을 갖는 배출 시스템이, 트로트(1759)로부터 일반 회귀(1762)로 백업되고 버블-프리인 프로세싱 모듈 배출부 (1561) 를 항상 촉진 (promote) 하도록 충분히 높게 설정한다. 2개의 유체-피딩 흐름 경로들 (1780 및 1781)이 이 방법에 있으며, 이들은 배출 경로에서 일 포인트로 병합한다. 하나의 흐름 경로 (메인 피드 흐름 (1780))은 유체를 리저버(175)로부터 프로세싱 셀(1755)의 주 유체 용기(containment) 영역(1760)으로 향하게 한다. 여기서부터, 메인 피드 흐름(1780)은 프로세싱 모듈 배출부 (1761) 를 따라 일반 회귀 (1762) 로 그리고 리턴 도관 (1763) 으로 흐른다. 제2 흐름 경로 (우회된 흐름 (1781)) 은 흐름 우회 티(tee)(1783)에서 메인 피드 흐름 (1780) 밖으로 유체를 우회시키며, 그 후 일반 회귀 영역(1762)에서 메인 피드 흐름(1780)이 재 결합하기 전에 배출 "전환" 경로 (1781)을 통해 흐른다.

특정한 실시예로서, 유체는 리저버(1751)로부터 광학 필터(1750)를 통해 및 기능이 리저버 (1751) 및 우회 티 (1783) 사이의 실질적으로 일정한 총 유속을 유지하는데 도움이 되기 위한 것인 (또는 때때로 총 흐름 미터 (1753) 로 지칭되는) 제 1 흐름 미터(1753) 를 통해 펌핑될 수도 있다. 이 유속이 실질적으로 일정한 것으로 설명되었으나, 이는 이 경우 제 1 흐름 제어기(1787)인 제어기에 의해 적합한 레벨로 제어되고/설정될 수도 있다. 전체 시스템 (또는 대응하는 아날로그 신호) 에 대한 목표 총 비-우회된 유속은, 유체가 백업되고, 또한 적합한 배출 흐름-저항 설정과 함께, 유체가 수집 트로트(1759)에서 적합한 유체 레벨에 있도록, 설정된다. 제1 흐름 미터 (1753) 로부터의 신호는 (또한 때때로 비-우회된 흐름 제어기 (1787) 로 지칭되는) 제 1 흐름 제어기 (1787) 로 보내지며, 제1 흐름 미터(1753)으로부터의 측정된 유속과 목표 (비-우회된) 흐름에 대한 목표 값이 비교된다. 제1 흐름 제어기(1787)는 목표 비-우회된 총 유속을 획득하고 유지하도록 펌프 속도를 조정한다.

제1 흐름 미터와 통하는 프로세스 흐름 밸브를 사용하고, 총 흐름 프로세스 제어 밸브 (미도시)의 밸브 위치를 조절하는 제1 흐름 제어기(1787)을 가지는 것과 같은 일정한 총 비-우회된 흐름을 유지하는 다른 방법들이 가능하다. 리턴 도관(1783)에서 리저버 (1751) 로의 일정한 총 흐름을 달성하기 위한 다른 방법은, 흐름 우회 티를 채용하는 것이 아니라, 우회 경로 대신에 제 2 지정된 펌프(미도시)를 사용하는 것 및 수집 트로트 (1759)/배출 경로 (1761) 로 유체를 직접 향하도록 및 목표 총 유속과의 차이와 같도록 제2 펌프의 유속을 설정하는 것, 및 제1 펌프가 프로세싱 모듈 속도를 입력하는 목표 셀 프로세싱 유속을 제어하는, 제1 펌프를 사용하여 프로세스 모듈 목적 유속을 설정하고 제어하는 것이다.

이 또는 다른 실시예들에서, 우회된 흐름(1781)은 유체 수집 트로트(1759) 또는 (도 17에 도시된 바와 같이) 프로세싱 모듈 배출부 (1761) 에 (예를 들어, 일반 회귀 영역(1762) 또는 셀-레벨 트로트(1759)로부터의 출구의 몇몇 인치들 내에서 배출 경로(1761)에서 포인트로의 티를 통해) 가까운 위치에서 메인 피드 흐름(1780)과 재결합할 수도 있다. 우회된 유체(1781)는 유체 수집 트로트(1759)보다 다른 위치에서 메인 피드 흐름(1780)과 재결합하는 경우, 우회된 흐름 경로(1781) 대 메인 피드 흐름 경로(1780)를 통해 통과된 상대적인 유체량에서의 어떤 변화가 거의 일정한 유체 레벨 및 백업된 상태에 남도록 배출 수집 트로트(1759)에서 유체에 필요한 총 배출 압력을 유지하기 위해, 압력 드롭에서의 뚜렷한 변화를 야기하지 않을 수 있도록, 이 위치는 선택되어야 한다.

우회된 흐름 경고(1781)을 통과하지않는 유체는 대신 메인 피드 유체 경로(1780)를 흐르며, 유체는 프로세싱 모듈들(1755)로 전달된다. 제2 흐름 미터(1784)는 도시된 바와 같이 메인 피드 흐름 경로(1780)에서 위치될 수도 있다. 목표 프로세스 유속은 제2 유속 제어기(1788)로 보내질 수도 있으며, 메인 피드 흐름(1780)의 비-우회된 부분에서의 측정된 프로세스는 목표 프로세스 흐름(즉, 하나 이상의 프로세싱 모듈(1755)에 유체를 전달하기 위한 목표 유속)에 비교될 수도 있다. 제2 흐름 제어기(1788)는, 메인 피드 흐름(1780)의 비-우회된 부분에서 흐름이 목표 프로세스 유속에 일치하도록 (요구한대로 프로세싱 모듈들(1755)에 흐름을 제한하는) 자동화된 셀 유속 제어 밸브(1789)의 위치를 조정할 수도 있다. 이 제어는 직접 수행될 수도 있으며, 중간의 자동화된 셀 유속 제어기(1790)를 통해 수행될 수도 있다. 또한, 제1 및 제2 흐름 제어기들(1787 및 1788)은 시스템 및 시스템의 다른 태양들을 더 제어할 수도 있는 웨이퍼 핸들링 프로세스 제어기 (1757) 에 의해 제어될 수도 있다. 2개의 흐름 브랜치들 (우회된 흐름 (1781) 및 메인 피드 흐름(1780)의 비-우회된 부분) 은 일반 회귀 영역(1762)에서 병합한다.

선택적인 오버플로우 배출 라인(1774) 및 오버플로우 센서 (1773) 는 오버플로우가 발생하거나 발생한 경우 오버플로우를 수용하고 검출하는데 사용된다. 선택적인 배출 버블 센서(1785) (예를 들어, 빔 버블 센서를 통한 광학)은 시스템이 설계에 따라 동작하도록 하는데 사용될 수도 있다. 마지막으로, 수동적으로 조정가능한 셀 배출 제어 밸브 (786) 는, 셀-레벨 트로트 (1759)에서 원하는 레벨의 유체 백업을 달성하도록 리턴 도관(1763)에서 사용될 수도 있다. 트로트(1759)에서의 최적 레벨의 백업은 목표 총 시스템 유속에 특정되며, 한번 설정되면 목표 시스템 총 유속에서 버블-프리 드레이닝과 백업된 유체 조건들을 참작할 것이다. 도 15 내지 17에 도시된 실시예들이, 2개의 프로세싱 모듈들이 단일의 리저버/재순환 시스템을 공유하는 시스템들을 도시하는 동안, 임의의 프로세싱 모듈의 수가 사용될 수도 있다는 것이 이해되어야한다. 다수의 예시들에서, 예를 들어, 오직 단일의 프로세싱 모듈들이 사용된다. 다른 케이스들에서, 3개 이상의 프로세싱 모듈들이 리저버 및 재순환 시스템을 공유할 수도 있다. 또한, 도 16 및 17이 오직 단일의 오버플로우 리턴 도관을 도시하고 있으나, 독립적인 프로세싱 모듈 각각이 각각의 오버플로우 도관으로 장비될 수 있다는 것이 이해되어야한다. 특정 실시예에서, 이러한 독립적인 오버플로우 도관들이 유체를 리저버에 회귀시키기 전에 병합될 수도 있다.

또 다른 구현들

본 명세서의 위에서 설명된 장치/방법은 예를 들어 반도체 디바이스, 디스플레이, LED, 광전지 패널 등의 제작 또는 제조를 위한 리토그래피컬 패터닝 툴 또는 프로세스와 연결되어 사용될 수도 있다. 일반적으로, 그러나 필수적이지 않게 이러한 툴/프로세스들은 일반적인 제조 시설에서 함께 실시되거나 사용될 것이다. 막의 리토그래피컬 패터닝은 일반적으로 다음의 단계들의 일부 또는 전부를 포함하며, 단계 각각은 가능한 툴들로 가능해진다: (1) 작업 피스에 포토리지스트를 적용; (2) 핫 플레이트 또는 퍼나스(furnace) 또는 UV 경화 툴을 사용하여 포토리지스트를 경화; (3) 웨이퍼 스테퍼와 같은 툴로 가시, UV, 또는 x-레이 광을 포토리지스트에 노출; (4) 리지스트를 선택적으로 제거하도록 리지스트를 디벨롭하여 ?? 벤치와 같은 툴을 사용하여 포토리지스트를 패터닝; (5) 건식 또는 플라즈마-지원된 에칭 툴을 사용함으로써 리지스트 패턴을 아래의 막 또는 작업 피스에 전사; 및 (6) RF 또는 마이크로웨이브 플라즈마 리지스트 스트리퍼와 같은 툴을 사용하여 리지스트를 제거.

개시된 방법들과 장치들을 구현하기 위한 다수의 다른 방법들이 있다는 것이 알려져야한다. 따라서, 본 개시는, 개시된 구현들의 진정한 스피릿 및 범위 내에 포함되도록 변형, 변환, 치환 및 균등물로의 대치 모두를 포함하도록 해석된다.

Claims (40)

1. 기판 상으로 재료를 전기도금하기 위한 장치로서,
   전해질을 홀딩하기 위한 베슬 (vessel); 상기 베슬의 주변에 위치된 둑 벽 (weir wall); 및 전기도금 동안 상기 베슬로, 상기 둑 벽 위로, 및 유체 수집 트로트 (trough)) 로 전해질이 흐르도록 상기 둑 벽을 실질적으로 둘러싸는 상기 유체 수집 트로트를 포함하는 전기도금 셀;
   전해질 저장소 (reservoir);
   상기 유체 수집 트로트로부터 상기 전해질 저장소로 전해질을 전달하기 위한 리턴 도관;
   전해질이 상기 유체 수집 트로트를 떠난 이후 및 전해질이 상기 전해질 저장소로 진입하기 전에 전해질을 홀딩하기 위해 상기 리턴 도관에 위치된 보조 (secondary) 유체 수집 트로트; 및
   상기 리턴 도관에서 흐르도록 저항을 가변적으로 증가 및 감소시키기 위한, 상기 보조 유체 수집 트로트에 위치되는 흐름 제어 메커니즘을 포함하며,
   상기 흐름 제어 메커니즘은 전기도금 동안 상기 리턴 도관을 통한 가스의 전달을 실질적으로 방지하는, 기판 상으로 재료를 전기도금하기 위한 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 흐름 제어 메커니즘은, 상기 유체 수집 트로트 내의 전해질의 일 레벨이 지정된 최소 레벨 아래로 떨어지지 않는다는 것을 보장함으로써, 상기 리턴 도관을 통한 가스의 전달을 실질적으로 방지하는, 기판 상으로 재료를 전기도금하기 위한 장치.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 흐름 제어 메커니즘은, 플로트 (float) 및 흐름 수축기 (constrictor) 를 포함하며,
   상기 플로트는 상기 유체 수집 트로트 내의 상기 전해질의 일 레벨로 상승하여, 그에 의해, 상기 흐름 수축기를 상승시키고 상기 리턴 도관을 통한 흐름을 증가시키도록 구성되는, 기판 상으로 재료를 전기도금하기 위한 장치.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 플로트 및 흐름 수축기는 접속기에 의해 접속되는 별개의 엘리먼트들인, 기판 상으로 재료를 전기도금하기 위한 장치.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 흐름 수축기는 실질적으로 구형 (spherical) 인, 기판 상으로 재료를 전기도금하기 위한 장치.
6. 제 4 항에 있어서,
   상기 흐름 수축기는 콘 (cone) 또는 절두된 (truncated) 콘과 같이 형상화되는, 기판 상으로 재료를 전기도금하기 위한 장치.
7. 제 4 항에 있어서,
   상기 흐름 수축기는 상기 리턴 도관으로의 유입구를 커버하는 플랩 (flap) 이며,
   상기 플랩은 상기 리턴 도관을 통해 흘리기 위한 저항을 가변적으로 제어하도록 접속 포인트에 대해 스윙 (swing) 하는, 기판 상으로 재료를 전기도금하기 위한 장치.
8. 제 3 항에 있어서,
   상기 플로트 및 흐름 수축기는 단일 유닛으로 통합되는, 기판 상으로 재료를 전기도금하기 위한 장치.
9. 제 3 항에 있어서,
   상기 유체 수집 트로트 또는 리턴 도관에 흐름 수축 영역을 더 포함하며,
   상기 흐름 수축기 및 상기 흐름 수축 영역은 서로 맞물림 (mate) 하도록 구성되는, 기판 상으로 재료를 전기도금하기 위한 장치.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 흐름 수축기 및 상기 흐름 수축 영역은, 유체 기밀형 씨일 (fluid tight seal) 을 형성하기 위해 서로 맞물림되는, 기판 상으로 재료를 전기도금하기 위한 장치.
11. 제 9 항에 있어서,
    상기 흐름 수축기 및 상기 흐름 수축 영역이 폐쇄된 위치에서 서로 맞물림된 경우라도, 상기 유체 수집 트로트로부터 상기 리턴 도관으로 전해질이 배출될 수도 있는 배출 경로를 더 포함하는, 기판 상으로 재료를 전기도금하기 위한 장치.
12. 제 3 항에 있어서,
    상기 플로트 및/또는 상기 흐름 수축기 근방에 위치된 배플 (baffle) 들을 더 포함하며,
    상기 배플들은 상기 전해질 내의 보텍스 (vortex) 들의 형성을 방지하도록 동작하는, 기판 상으로 재료를 전기도금하기 위한 장치.
13. 제 3 항에 있어서,
    상기 플로트가 상기 유체 수집 트로트일 수 있는 경우 제한되는 하나 이상의 플로트 위치 수축 엘리먼트들을 더 포함하는, 기판 상으로 재료를 전기도금하기 위한 장치.
14. 제 1 항에 있어서,
    상기 유체 수집 트로트로부터 상기 전해질 저장소로 전해질을 전달하기 위한 오버플로우 도관을 더 포함하며,
    상기 오버플로우 도관으로의 유입구는 상기 유체 수집 트로트 내의 타겟 유체 레벨 위에 위치되는, 기판 상으로 재료를 전기도금하기 위한 장치.
15. 제 14 항에 있어서,
    상기 오버플로우 도관을 통한 흐름의 존재 또는 부재를 감지하기 위한 흐름 센서를 더 포함하는, 기판 상으로 재료를 전기도금하기 위한 장치.
16. 제 1 항에 있어서,
    부가적인 전기도금 셀을 더 포함하며,
    상기 리턴 도관은 상기 전기도금 셀로부터 전해질을 수신하기 위한 제 1 유입구, 및 상기 부가적인 전기도금 셀로부터 전해질을 수신하기 위한 제 2 유입구를 포함하는, 기판 상으로 재료를 전기도금하기 위한 장치.
17. 제 1 항에 있어서,
    상기 리턴 도관의 유출구는 상기 전해질 저장소 내의 전해질의 일 레벨 아래에 위치되는, 기판 상으로 재료를 전기도금하기 위한 장치.
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40. 기판 상에 재료를 전기도금하는 방법에 있어서,
    전기도금 셀의 베슬을 통해 전해질을 흘리는 단계로서, 상기 전해질은 상기 베슬 주변의 둑 벽 위로 그리고 상기 둑 벽을 둘러싸는 유체 수집 트로트로 이동하는, 상기 베슬을 통해 전해질을 흘리는 단계;
    상기 유체 수집 트로트로부터, 리턴 도관 및 전해질이 상기 유체 수집 트로트를 떠난 이후 전해질을 홀딩하기 위해 상기 리턴 도관에 위치된 보조 (secondary) 유체 수집 트로트를 통해, 전해질 저장소로 전해질을 흘리는 단계로서, 상기 전해질 저장소, 제 1 펌프, 상기 전기도금 셀, 및 상기 리턴 도관은 도금 재순환 루프를 형성하는, 상기 전해질 저장소로 전해질을 흘리는 단계;
    상기 리턴 도관을 통해 흐르도록 저항을 가변적으로 증가 및 감소시키는, 상기 보조 유체 수집 트로트에 위치되는 흐름 제어 메커니즘을 사용하여 상기 리턴 도관을 통한 전해질 흐름을 제어하는 단계로서, 상기 흐름 제어 메커니즘은 전기도금 동안 상기 리턴 도관을 통한 가스의 전달을 실질적으로 방지하는, 상기 전해질 흐름을 제어하는 단계를 포함하는, 기판 상에 재료를 전기도금하는 방법.

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