KR20010051105A - 유체 분배 방법 및 장치 - Google Patents

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사버드레이몬드티.
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Abstract

롤링 멤브레인 펌핑 시스템을 이용하여 정확한 유체 량을 분배하기 위한 방법 및 시스템을 공개한다. 양호한 실시예에서, 본 방법은, 특별한 분배가 제 1 분배 이외의 다른 것이라면 예상한 멤브레인 가요성에서 적어도 일부분을 근거로 하여 분배를 변화시키기 위한 양을 계산하고, 여기서 상기 멤브레인 가요성은 제 1 분배 중에 최대 펌프실 압력에서 적어도 일부분을 기초로 하며; 특별한 분배가 제1 분배가면 멤브레인의 형상에서 적어도 일부분을 근거로 하여 분배를 변화시키기 위한 양을 계산하고; 계산한 양에서 적어도 일부분을 근거로 하여 펌핑시스템에서 피스톤을 이동시키고; 펌핑시스템의 출력밸브를 개방하고; 상기 펌프실 압력에서의 급격한 감소를 검출하여 펌핑시스템의 기계적 실패를 신호하기 위해 펌프실 압력을 모니터하고; 피스톤의 이동 중에 펌프실에서 최대 압력을 결정하는 것으로 이루어진다.

Description

유체 분배 방법 및 장치{Method and apparatus for dispensing fluids}
본 발명은 프로세스 유체 폐기물 및 오염에 특별한 관심을 가지고 있는 반도체 소자 제조 프로세스와 같은 제조 프로세스에서 사용되는 유체 및 고점성의 유체를 정확한 양으로 분배하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
많은 프로세스는 펌핑장치로서 분배하는 유체의 양 및/또는 속도를 정확하게 제어할 것을 요구한다. 예를 들어 집적회로의 제조 중에 반도체 웨이퍼에 적용되는 유체를 처리하는 속도 및 양은 처리액이 균일하게 적용될 것을 보장하고 또한 폐기물과 불필요한 소비를 회피하기 위하여 매우 정확하게 제어된다. 반도체 산업에서 사용되는 많은 화학제품은 독성이 있고 값이 비싸다. 따라서 정확하게 분배하면 독성 폐기물의 취급을 회피하며, 제조 원가를 줄인다. 기포 또는 입자의 형태로 된 프로세스 유체의 오염이나 다른 외부 오염은 많은 프로세스에서 주의 깊게 제어되어야 한다. 반도체 소자 제조 프로세스에서의 오염은 예를 들어 생산성을 낮추고, 프로세스 유체 및 생산시간의 손실을 초래한다.
예를 들어, 멀티칩 모듈(MCM), 고밀도 인터커넥트(HDI) 부품 및 다른 반도체 재료의 제조는 내부층 절연체로서 폴리이미드 재료의 박층의 적용을 필요로 한다. 상기 폴리이미드 재료는, 폴리이미드 필름의 필요한 두께가 100 미크론 만큼 작아질 수 있고 또 폴리이미드 필름의 최종 두께가 균일해야 하며, 정상상태에서 기판 또는 웨이퍼를 가로질러 2%이상 변하면 안되기 때문에, 정확한 양이 적용되어야 한다. 폴리이미드를 반도체 제조에 사용하기에 이상적으로 적합하게 만드는 유일한 기계 및 전기적 성질에 추가하여, 폴리이미드는 또한 정확한 양으로 폴리이미드를 펌핑하거나 공급하기가 어렵게 만드는 물리적 성질을 가지고 있다. 반도체 제조에 사용되는 많은 폴리이미드는 400 poise를 초과하는 점성을 가진다. 이와 같이 높은 점성을 갖는 유체는 펌핑하기가 어렵고 여과하기도 어렵다. 폴리이미드 유체의 가격이 갤런당 $15,000를 초과하는 것이 보통이다. 따라서, 폴리이미드 유체를 분배하는데 사용되는 펌프시스템이 폐기물 없이 정확한 양을 분배하는 것은 중요한 일이다.
종래 기술에서 유체 분배 시스템은 보통 유체를 정확히 계량하기 위해 양변위 펌프(positive displacement pump)를 사용한다. 종래 기술에서 사용되는 양변위 펌프의 한가지 방식은 벨로우즈형 펌프이며, 이 펌프의 실예가 미국 특허 제4,483,665호에 공개되어 있다. 대표적인 벨로우즈 펌프에서, 펌핑하고자 하는 유체는 일방향 체크밸브를 통해 중공관 벨로우즈로 들어간다. 대체로, 벨로우즈의 방출 단부는 다른 단부가 종방향의 팽창 및 수축을 위해 벨로우즈에 선택적으로 작용하는 왕복운동 기계부재에 연결되는 동안, 운동으로부터 수축된다. 수축될 때, 유체는 압력하에서 벨로우즈로부터 방출되거나 펌프된다. 벨로우즈 펌프에 있어서 한가지 문제점은 높은 펌프 압력에서, 상당한 내부 압력이 벨로우즈 상에 작용하며, 이 압력은 팽창 및 수축하는 동안 벨로우즈를 피로하게 하여 파괴시킬 수 있다. 또한, 벨로우즈는 압력하에서 수축하여 정밀도를 손상시킨다. 이러한 문제점을 극복하기 위해, 유체는 벨로우즈를 포위하는 챔버 내로 펌프되어서 벨로우즈 내의 가공 유체 압력을 적어도 부분적으로 균형을 맞춘다. 벨로우즈에 있어서, 다른 문제점은 주름 또는 회전이 벨로우즈로부터 공기 또는 화학물을 완전히 정화하기 어렵다는 것이다. 벨로우즈에 공기가 남아있으면 바람직하지 못한 공기 거품을 생성할 수 있다.
다이아프램식 양변위 펌프는 펌프형 벨로우즈와 연관된 문제점을 극복한다. 다이아프램식 펌프는 펌핑실를 두 섹션으로 분할하는 다이아프램을 가진다. 작용 유체는 챔버의 한 섹션안으로 펌프되거나 펌프 배출되어서 다이아프램을 전후로 이동시킴으로써, 가공 유체가 챔버의 절반 안으로 들어가게 하거나 나오게 한다. 만약, 챔버 내의 작용 유체의 용적 변화를 정확하게 알 수 있다면, 챔버 내의 가공 유체의 용적을 정확하게 알 수 있으므로, 정확한 계측작업을 할 수 있다. 다이아프램식 펌프는 다이아프램의 이동에 대해서 매우 정확한 제어를 달성하기 위해서, 비압축성 유압 유체에 의해서 정확하게 작동된다. 다이아프램식 펌프의 보기는 미국 특허 제 4.950.134호와, 제 5,167,837호, 제 5,490,765호와, 제 5,516,429호와, 제 5,527,161호와, 제 5,762,795호 및 제 5,772,899호에 기재되어 있다.
그러나, 유압 작동식 다이아프램은 실패되고, 유압 유체는 가공 유체로 실행될 수 있다. 이 오염물은 하류, 예를 들어, 다른 시스템, 예를 들어, 교대로 가공되는 반도체 기판으로 유동할 수 있으므로, 생산 라인 아래의 다른 시스템을 오염시킨다. 상기 시스템을 보수할 때, 유압 유체는 크린 룸을 통해서 견일 될 수 있다. 유압 유체에 의한 오염을 피하기 위해, 다이아프램은 공기 압력으로 작용된다. 공기의 압축성으로 인하여 분배 용적을 정확하게 제어하는 것은 더욱 어렵다.
공지된 다른 형식의 양변위 펌프는 롤링 멤브레인 펌프이다. 롤링 멤브레인 펌프는 펌핑실 내에서 유체를 이동시키는 왕복 피스톤을 포함한다. 피스톤과 펌핑실 벽과 가요성 멤브레인 사이의 이동 밀봉부를 가지는 피스톤 형식의 펌프는 피스톤과 챔버의 측벽에 부착되어서 유체가 벽과 피스톤 사이를 벗어나는 것을 방지한다. 피스톤이 이동할 때, 멤브레인은 펌프의 측부를 위아래로 구른다. 그러나, 멤브레인 가요성부는 고압하에서 펴진다. 반도체 제조 공정에서 분배되어야 하는 많은 가공 유체는 매우 점성이 있으며 매우 높은 압력에서 펌프 배출되어야 한다. 아마도, 이러한 이유로 인하여, 소량의 액체를, 특히 반도체 장치의 제조 공정에서 정확하게 분배하기 위해 종래 기술의 시스템에서는 사용하지 못한 것으로 추측된다.
본 발명은 종래 기술에서 발견된 문제점을 해결하는 개선된 정밀한 유체 분배 장치 및 방법을 제공한다. 특히, 본 발명은 가공 유체를 펌프하기 위해 작용 매체로서 유압 유체를 사용하지 않음으로써, 가공 유체와 생산 환경이 오염되는 위험성을 극복하고 정확한 유체 분배를 위해서 다른 형식의 양변위 펌프와 연관된 문제점을 극복한다.
도 1은 유체 분배 시스템의 개략도.
도 2a는 도 1의 분배 시스템에 사용되는 모터 및 펌프의 개략 부분단면도.
도 2b는 도 1의 분배 시스템에 사용되는 모터 및 펌프의 개략 부분단면도.
도 2c는 도 1의 분배 시스템에 사용되는 모터 및 펌프의 개략 부분단면도.
도 3은 도 2a 내지 도 2c에 도시된 모터 및 펌프를 연결하기 위한 커플링의 사시도.
도 4a 내지 도 4d는 도 1의 유체 분배 시스템에 대한 분배 공정의 양호한 실시예를 나타내는 흐름도.
도 5a 내지 도 5d는 도 1의 유체 분배 시스템에 대한 분배 공정의 다른 실시예를 나타내는 흐름도.
도 6은 도 1의 유체 분배 시스템에 대한 자동속도(autorate) 재충전 공정의 양호한 실시예를 나타내는 흐름도.
도 7은 도 1의 유체 분배 시스템에 대한 펌프실 예비충전 공정의 양호한 실시예를 나타내는 흐름도
도 8은 도 1의 분배 시스템의 챔버로 유체를 인입하기 위한 자동속도 특징을 갖는 양호한 실시예를 나타내는 흐름도.
도 9는 도 1의 분배 시스템의 챔버로부터 유체를 밀어내는 자동속도 특징을 갖는 양호한 실시예를 나타내는 흐름도.
※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※
100: 분배 시스템 102: 펌프
104: 모터 111: 압력 센서
116: 펌프 헤드 조립체 120: 콘트롤러
124, 126: 밸브 128: 검출기
206: 피스톤 208: 멤브레인
222: 커플링
본 발명의 예시적인 실시예의 한 형태에 따르면, 가공 유체를 정확하게 계측하기 위해 롤링 멤브레인 펌프를 사용하는 데 있어서의 문제점을 극복한다. 팽창으로 인한 롤링 멤브레인 펌프의 펌핑실에서 용적이 변화되는 것을 펌핑실 내의 압력 작용으로서 허용가능한 정도까지 예측할 수 있다. 챔버 내의 가공 유체의 압력은 변위 행정에 걸쳐서 모니터되고 행정에 걸쳐 개정된 소정양의 가공 유체를 전달하는 데 필요한 변위 행정의 거리를 모니터하여 멤브레인을 수축 및 팽창시키기 위해 고려해야 한다. 가공 유체의 오염 가능성은 가공 유체를 펌프 배출할 목적으로 다이아프램을 작용시키기 위해 유압 유체를 사용하지 않고 멤브레인의 고체 기계식 액추에이터 상에 의존함으로써 실질적으로 감소된다. 또한, 종래 기술의 벨로우즈 펌프와는 다르게, 롤링 멤브레인 펌프는 회전하지 않으므로 용이하게 정화되고 청소된다.
본 발명의 양호한 실시예의 다른 양태에 따라, 용이하게 분리될 수 있는 전기 모터에 의해 구동되는 기계적 작동기에 연결된 롤링 멤브레인 펌프 헤드(rolling membrane pump head)를 사용하여 고정밀 분배 시스템을 유지하기가 쉬워진다. 그러므로, 펌핑실, 챔버 본체, 롤링 멤브레인, 그리고 피스톤, 밸브 및 배관부(fluid connection)와 같은 배출 기구(displacing mechanism)로 구성되는 전체 유동 경로가 기계적 작동기 및 제어기를 방해하지 않고 수리하기 위해 청정실 환경으로부터 용이하게 제거될 수 있다. 또한, 새로운 제 2 펌프 헤드(second clean pump head)가 설치되어 시스템이 매우 신속하게 다시 작동하게 할 수 있다. 또한, 펌프 헤드는 용이하게 소제 및 재설치될 수 있다. 롤링 멤브레인의 내부 형상은 이 멤브레인이 신속하게 세척(flush)될 수 있게 한다. 그러므로, 제조 시설에서 가동을 중지하는 시간이 회피될 수 있다. 유사하게, 구동 기구로부터 펌프 헤드를 분리하는 것은 구동 기구가 필요하다면 용이하게 정비 및 교체될 수 있게 한다. 처리용 유체 경로가 방해받지 않으므로, 처리용 유체 유동 경로로부터 공기를 제거하기 위해 요구되는 퍼징 또는 유체 손실이 없다.
본 발명의 다른 장점은 매우 낮은 점성(1 내지 2 centipoise) 내지 매우 높은 점성(300 centipoise 이상)을 갖는 넓은 범위의 처리용 유체를 사용할 수 있다는 것이다. 이러한 처리용 유체의 예로는 솔벤트, 방식제(resist), 스핀 온 글라스(Spin On Glass), 폴리이미드, 낮은 유전상수를 갖는 유전체(dielectric) 또는 반도체 장치 제조 공정에 사용되는 다른 화학물질을 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다. 비록 반도체 장치 처리 응용예에 적합하지만, 본 발명은 다른 응용예에도 사용될 수 있다.
양호한 실시예에서, 본 발명의 방법은 특정 분배가 제 1 분배 이외의 것이라면 적어도 부분적으로 예측된 멤브레인 가요성에 의거하여 분배를 변화시키기 위한 양을 계산하는 단계를 포함하고, 상기 예측된 멤브레인 가요성은 상기 제 1 분배중에 적어도 부분적으로 최대 펌프실 압력에 의거하고, 특정 분배가 제 1 분배라면 적어도 부분적으로 상기 멤브레인의 형상에 의거하여 분배를 변화시키기 위한 양을 계산하는 단계와, 적어도 부분적으로 상기 계산된 양에 의거하여 상기 펌핑 시스템내로 피스톤을 이동시키는 단계와, 상기 펌핑 시스템의 출구 밸브를 개방하는 단계와, 상기 펌핑 시스템에서 기계적인 오류를 나타내기 위해 상기 펌프실 압력의 감작스러운 감소를 감지하도록 상기 펌프실 압력을 감시하는 단계 및, 상기 피스톤의 이동중에 상기 펌프실에서 최대 압력을 결정하는 단계를 또한 포함하는 것이다.
하기에는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 예시적인 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1에서, 분배 시스템(100)은 롤링 멤브레인과, 전기 모터(104)에 의하여 구동되는 양변위 펌프(102)를 포함한다. 펌프내로는 압력 센서(111)가 합체되어 있다. 펌프실(102)에 대한 입구는 입구 밸브(112)에 연결되고, 펌프실의 출구는 출구 밸브(114)에 연결된다. 상기 펌프와 2개의 밸브는 펌프 헤드 조립체(116)로 언급될 것이다. 상기 입구 밸브는 처리 유체의 소스에 대한 라인을 통하여 연결되고, 상기 처리 유체의 소스는 벌크 공급 컨테이너(118)로 개략적으로 도시된다. 상기 출구 밸브는 유체를 요구하는 처리 기계류에 연결된다.
상기 입구 및 출구 밸브는 공압적으로 작동된다. 공압 밸브 콘트롤러(120)는 상기 밸브들을 작동시키고, 이것은 공압 소스(122)로 부터 입구 또는 출구 밸브로 가압된 공기를 연결시킴으로써 일반적으로 폐쇄된 위치로 편향되게 된다. 콘트롤러(106)로 부터의 신호에 반응하여서 상기 공압 밸브 콘트롤러(120)는 입구 밸브(112) 및 출구 밸브(114)를 각각 개방시키기 위하여 솔레노이드 제어되는 공압 밸브(124 및 126)를 작동시킨다. 상기 공압 공급부가 입구 및 출구 밸브를 적절하게 작동시키기 위하여 불충분한 압력을 가질 때에 검출기(128)가 감지하게 된다. 검출기(130)는 펌프(102)로 부터 처리 유체 누설을 감지하게 된다.
모터(104), 공압 밸브 콘트롤러(120), 압력 센서(111), 검출기(128), 검출기(130)는 콘트롤러(106)와 협력되게 되어 있다. 상기 콘트롤러 및 연통 매체는 어떠한 특정의 형태에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 상기 콘트롤러는 마이크로프로세스 베이스와 프로그램가능한 것이 될 수 있다. 도시된 실시예에서, 상기 콘트롤러는 프로그램가능하고 마이크로프로세서 베이스의 프로그램가능한 모터 콘트롤러(111)인 메인 콘트롤러(108)를 포함한다. 메인 콘트롤러(108)는 직접적인 모터 제어를 제외하고는 모든 분배 시스템의 작용을 제어한다. 이것은 분배되는 처리 유체의 양 또는 부피, 그리고 분배가 발생되어야만 하는 시간 및 비율을 지시하는 정보의 처리 제어를 제공하는 컴퓨터 또는 다른 콘트롤러에 연결된다. 상기 메인 콘트롤러는 이러한 정보를 대응되는 변위 및 펌프(102)용의 속도값으로 변환시키고, 이러한 정보를 모터 콘트롤러(110)에 연결시킨다. 그 다음, 연속적으로 설명되는 방법으로 상기 압력 센서(111)의 출력을 기초를 하여서 펌프(102)내의 피스톤과 같은 변위 기구에 부착되는 롤링 멤브레인의 변형을 방지하기 위하여 상기 모터 콘트롤러는 모터(104)를 상기 특정화된 거리 및 속도에 따라서 이동시키도록 지시한다.
도 2a, 도 2b 및 도 2c에서, 상기 펌프(102)와 모터(104)의 상세한 것이 개략적으로 도시되어 있고, 여기에서 펌프는 단면으로 도시되어 있다. 상기 펌프의 하우징은 베이스(202)와 커터(204)를 포함한다. 상기 커버내에는 고체 또는 강성의 피스톤(206)이 배치되어 있다. 가요성의 멤브레인(208)은 피스톤의 면(210)에 부착된다. 상기 멤브레인은 표면으로부터 연장되고, 펌프실(21)을 형성하기 위하여 상기 펌프 하우징의 내부벽을 부착된다. 양호한 실시예에서, 상기 멤브레인과 피스톤은 단일의 일체적인 테프론(Teflon)의 편으로 형성된다. 상기 테프론은 대부분의 반도체 장치 제조 방법에서 사용되는 유체와 작용하지 않는다. 상기 피스톤이 완전히 후퇴하게 될 때, 도 2a에 도시된 바와 같이, 상기 멤브레인은 하우징의 내부벽에 대하여 이것을 가압하는 방법으로 피스톤에 부착되어 형성되어 있다. 이러한 점은 상기 피스톤이 펌프실의 내부 및 외부로 이동할 때에 피스톤으로 그리고 그 밖으로 굴리게 될 것이다. 도 2는 부분적으로 하강된 위치에 있는 피스톤을 도시하고, 상기 멤브레인은 피스톤의 면(210)을 둘러싸고 있는 롤(214)로 형성된다. 상기 펌프실은 입구 개구(216)와 출구 개구(218)를 가지는데, 처리 유체가 입구 밸브(112)를 통과한 이후에 상기 처리 유체는 취출되며(도 1), 출구 밸브(114)의 개구를 분배하기 위하여 처리 유체가 출구 개구를 통하여 존재하게 된다.
상기 피스톤(206)은 해제가능한 커플링(222)에 의하여 모터(104)에 연결되고, 이러한 점은 도 2c에 도시된 바와 같이 펌프 헤드 또는 모터를 서비스하기 위한 펌프 헤드로 부터 모터가 쉽게 분리되도록 한다. 장착부가 도시되어 있지 않는 모터는 피스톤을 펌프하기 위하여 왕복운동 방법으로 이동되는 출력부를 가진다. 상기 해제가능한 커플링은 도 3에 도시된 바와 같이 모터에 부착되는 베이스(302)와, 제거가능한 피스(piece)(303)를 포함한다. 상기 커플링은 칼러와 같은 맨드럴(222)의 헤드부(224) 주위플 결합시킨다. 상기 제거가능한 피스가 제거됨으로써, 상기 맨드럴의 헤드는 커플링의 베이스내로 미끌어질 수 있다. 상기 2개의 피스는 스크류(도시 않음)에 의하여 함께 결합된다. 강하고 신뢰성이 있는 연결을 만들기 위하여, 상기 맨드럴에 헤드부는 커플링의 내부면위에 형성된 홈내에 결합되는 릿지에 의하여 둘러싸여 있다.
상기 모터는 양호한 형태에서 회전가능한 출력부를 가지는 스텝퍼 모터(228)를 포함한다. 상기 모터 운동의 회전 출력을 선형의 왕복운동을 변환시키기 위하여, 선형 작동기(230)는 스텝퍼 모터의 출력부를 펌프에 연결시킨다. 상기 커플링(220)은 나사 부재(232)에 의하여 선형 작동기(230)의 출력 맨드럴에 연결된다. 그러나, 이것은 다른 방법으로 부착될 수 있다.
도 4에서, 또한 도 1 및 도 2a, 도 2b, 도 2c를 참고로 하면, 펌프내의 피스톤(206)(도 2a)이 변위되는 초기 또는 베이스라인 거리와, 변위되는 초기 속도를 지시하는 값으로 모터 콘트롤러에 제공하며, 모터 콘트롤러(110)(도 1)에 명령을 보내는 메인 콘트롤러(108)(도 1)에 의하여 분배 사이클이 단계 402에서 시작하게 된다. 상기 피스톤이 이동되는 거리는 분배될 처리 유체의 양과의 함수이다. 이것은 멤브레인(208)의 변형을 발생시킬 수 있는 압력실내에서 어떠한 압력이 없이도 거리의 함수로 변위될 것이다(도 2). 상기 속도는 비율 또는 분배가 발생되어야만 하는 시간 및, 분배되는 양의 함수이다. 이러한 분배는 예를 들면 제조 방법의 콘트롤러 또는 사용자로부터의 요청을 수용하는 메인 콘트롤러에 대한 반응에서 보낼 수 있다. 이러한 요청은 어떠한 양의 처리 유체와, 그리고 특정의 분배율 또는 시간을 선선택적으로정할 수 있다. 또한, 상기 양과 비율은 메인 콘트롤러에서 처리될 수 있다. 분배 사이클은, 분배를 하기 위하여 이용가능한 충분한 거리가 있는 한 특정의 위치에서 피스톤으로 시작할 필요가 없다. 그러나, 분배 시스템을 구동할 때에, 상기 피스톤은 도 2a에 도시된 바와 같이 완전하게 수축된 위치로 있게 된다.
상기 분배 명령을 수용할 때에, 단계 404에서 모터 콘트롤러는 모터를 요구되는 속도에서 피스톤을 전진시키도록 한다. 모터가 이동되는 것을 메인 콘트롤러가 검출하면, 이것은 단계 406에서 출구 밸브(114)(도 1)를 개방시킨다. 단계 408에서, 상기 모터 콘트롤러는 펌프실 압력 센서(111)를 판독함으로써 에러 교정 루프를 시작한다(도 1). 상기 루프는 펌프의 변위 행정을 통하여 반복된다. 이러한 루프동안에, 상기 피스톤용의 변위 거리는 멤브레인(208)의 스트레칭(stretching)을 교정하기 위하여 일정하게 업데이트된다(도 2). 양호하게는 가요성의 테프론으로 제조되는 상기 멤브레인은 압력실의 압력이 증가될 때 특히, 고압에서 연장되거나 변형된다. 결과적으로, 펌프가 소정량 변위된 결과로서 펌프실 밖으로 배출되어야할 유체가 실제로는 움직이지 않는다(도 2 참조). 그대신 유체중 일부가 다이아프램의 팽창에 의해 형성된 공간내로 보내지게 된다. 분배 오류는 피스톤 전진 거리와 관련된 총 소요 분배량과 펌프실 압력의 함수로서, 신뢰성 있게 추정될 수 있다. 소정의 주어진 분배 동안의 펌프실 압력은 분배되는 유체의 점성과 펌프 분배율의 함수이다. 그러나, 양호한 실시예에서, 센서(111; 도 1 참조)가 펌핑 펌프실(212)내의 실제 압력을 측정하는데 사용된다. 따라서, 두 변수를 모두 알 수 있기 때문에, 분배 오류를 산출할 수 있다. 그러나, 분배를 시작하기 전에 분배에 대한 총 예상 시간을 산출하여, 펌프실 압력의 모니터링 및 분배 오류에 대한 보정량 산출의 가장 효과적인 방법을 결정할 수 있다.
단계 410에서, 분배 오류가 계산된다. 양호한 실시예에서, 상기 분배 오류는 압력 센서(111)에 의해 측정된 펌프실내의 압력의 함수로서 모델링된다. 양호한 실시예에서, 이 오류의 계산에 사용되는 방정식은 Ax2+ Bx + C의 이차 다항식이고, 여기서 x는 압력이며, 상기 계수 A, B, C는 펌프에 의해 실제로 분배되는 양과 예상량을 비교하는 실험으로부터 얻어진 실험적 데이터를 상기 방정식에 대입하고, 이를 분배 동안의 최대 펌프실 압력과 대응시킴으로써 결정된다. 이 근사치는 가장 주류를 이루는 반도체 디바이스 제조 작업에 대하여 충분한 정밀도를 제공하고, 양호한 결과를 제공하도록 획득된다. 일단 예상 분배 오류가 산출되면, 오류를 보상하는 단계 412에서 시작 위치와 갱신된 변위 거리의 함수인 최종 모터 위치에 대하여 새로운 갱신된 값이 계산된다. 단계 414에서, 피스톤의 새로운 또는 갱신된 전진율이 계산되고, 그래서, 피스톤의 증가된 변위에 대한 조절이 수행된 이후에 전체 분배 시간이 원래의 소요 시간 또는 속도와 동일해지게 된다. 모터 콘트롤러는 이 전진율을 달성하고, 단계 416에서 적절한 지령을 발령하기 위해 필요한 모터 속도를 결정한다.
문제가 발생한 것을 지시하는 압력의 갑작스런 강하에 대하여 단계 418에서 펌프실 내의 압력을 측정한다. 이런 압력 강하가 존재하는 경우에는 주 컨트롤러로 경보가 송신된다. 정상적인 분배 동안 펌핑 펌프실내의 압력은 유출 밸브(114; 도 1 참조) 개방시의 초기 압력 강하를 제외하고는 비교적 원활한 방식으로 변화된다. 모터 또는 펌프를 구동하는 다른 시스템의 기계적 구성요소가 손상되기 시작한 경우에, 분배 동안 상기 펌프실 압력은 정상적인 상태 보다 더 큰 진폭으로, 더 높은 주파수로 동요하기 시작한다. 따라서, 유출 밸브가 개방되었을 때의 초기 감소 이후에 펌핑 펌프실 압력이 가파르게 변하는 것을 모니터링 함으로서 구동 시스템의 손상이 심각해지기 이전에 사용자가 손상을 발견할 수 있다.
이 프로세스는 결정 단계 420에서 모터가 그 최종 위치에 도달하거나 분배 시간이 경과되지 않는 한 단계 408로 반복적으로 복귀된다. 분배될 처리 유체의 양에 따라서, 루프는 분배 동안 수백회 발생될 수 있다. 모터가 그 최종 위치에 도달하거나 분배 시간이 경과된 경우에, 단계 422에서 모터 콘트롤러에 의해 모터가 정지된다.
단계 424 및 426에서 나타난 바와 같이, 일단 모터 콘트롤러 분배 시퀀스의 종료를 검출하면, 메인 콘트롤러는 사용자 또는 프로세스에 의해 "석-백(suck back)"이 요청되었는지 아닌지에 따라서 모터가 단계 428에서 석백 시퀀스를 시작하게 하거나, 단계 434로 점프하여 유출 밸브(114; 도 1 참조)를 폐쇄한다. 상기 석백 시퀀스는 펌프(102; 도 2 참조)내의 피스톤(206)의 이동을 역전시키거나 수축시켜 분배기 유출부의 노즐 또는 팁내의 유체가 팁 또는 노즐내부로 충분히 멀리 후퇴되게 하여 말라버리거나 방울져서 떨어지는 것을 감소시키는 것을 의미한다. 단계 430에서, 모터 콘트롤러(110)는 모터(104; 도 1 참조)가 메인 콘트롤러(108)로부터 통신된 속도 및 거리 값에 기초하여 반대 방향으로 펌프의 피스톤을 이동시키도록 한다. 사용자는 처리 유체에 따라서 이들 값을 설정한다.
일단 메인 콘트롤러(108; 도 1 참조)가 단계 432에서 석백 시퀀스의 종료를 검출하고 나면, 이는 단계 434에서 유출 밸브(114)를 폐쇄하고, 재충전 단계를 시작한다. 재충전 단계 동안, 처리 유체는 유체 소스 용기(118)로부터 펌핑 펌프실(212; 도2)내로 흡인된다. 처리 조건에 따라, 매 분배 이후 마다 재충전 단계를 수행할 필요는 없다. 단계 436에서, 주 컨트롤러는 유입 밸브(111)를 개방하고, 단계 438에서 모터 콘트롤러가 재충전 시퀀스를 시작하도록 지령을 보낸다. 재충전 시퀀스는 단계 440에서, 도 2a에 도시된 재충전된 또는 완전히 수축된 위치를 향해 모터가 이동되기 시작하게 한다. 이는 메인 콘트롤러(108)로부터 수신된 초기 속도에 대해서도 마찬가지이다. 단계 442에서, 모니터링 루프가 시작된다. 상기 멤브레인(208; 도 2 참조)이 가요성을 가지기 때문에, 너무 높은 음의 계기압(여기서, 계기압은 펌프실내의 압력과 대기압 사이의 차이를 나타냄)은 펌프실의 중앙을 향해 멤브레인이 내향으로 접혀지게 한다. 이는 멤브레인의 변형을 유발하고, 펌프를 정비해야할 필요성을 발생시킨다. 따라서, 단계 444에서, 음의 계기압이 점검된다. 계기압의 크기가 작동의 허용 범위의 소정 최소값 보다 낮은 경우에, 단계 446에서 펌프(102)내의 피스톤(206; 도 2 참조)의 속도를 증가시킴으로써, 재충전율이 증가된다. 단계 448에서, 음의 계기압의 크기가 작동 허용 범위의 소정 최대값 보다 너무 큰 경우에, 단계 450에서 멤브레인이 접혀지는 것을 피하도록 피스톤의 속도를 감소시킴으로써 재충전율이 감소되게 된다.
또한, 단계 452에서, 모터 콘트롤러는 압력 센서(111)에 의해 측정된 펌프실내의 압력의 변화를 모니터링한다. 정상적인 재충전 동안, 펌프실 압력은 소정 음의 계기압에서 비교적 균일하게 유지된다. 재충전 동안 펌프실 압력이 현저히 변화되는 시간은 단지 소스 버틀이 비워지고, 공기가 라인내로 흡인되는 경우 뿐이다. 부가적으로, 연속적인 재충전 동안, 소스에서 라인내로 보다 많은 공기가 흡인될 때 펌프실내의 음의 계기압이 감소되는 경향을 갖는다. 따라서, 처리 유체원 용기가 비었는지를 결정하기 위해 음의 계기압의 감소 또는 절대압의 증가에 대하여 재충전 또는 연속적인 재충전 동안 펌프실 압력이 모니터링되어야 한다. 피스톤이 주어진 재충전 시퀀스동안 이동한 거리가 단일 재충전내의 계기압 감소를 검출하기에 충분하지 못한 시간인 경우에는 연속적인 재충전에 걸친 모니터링이 필요할 수 있다. 단계 452에서 모터 콘트롤러에 의해 소스가 비어있는 상태가 검출된 경우에, 단계 458에서 모터가 정지됨으로써 재충전이 정지되고, 단계 456에서 메인 콘트롤러로 경보가 송신되며, 이는 순차적으로, 이용자에게 경보를 발한다. 이 소스가 빈 상태의 검출 방법은 소스 근방에 배치된 종래의 기계적 버블 센서에 비해 하나 이상의 장점을 갖는데, 이는 이런 센서와는 달리 자주 기계적으로 조절할 필요가 없다는 것이다. 두 번째로, 버블센서가 가동부를 가지기 때문에, 종래의 버블 센서는 보다 자주 손상되게 된다. 또한, 재충전 공정은 모터가 도 2a에 도시한 바와 같은 완전 배출된 "홈(home)" 위치 또는 몇몇 다른 소정의 위치일 수 있는 소정의 최종 위치에 도달하거나 소정의 시간이 경과될 때까지 계속된다. 예를 들면, 재충전이 공지된 분배 공정 사이에 발생되면, 재충전 시간은 분배 사이클 사이의 시간에 대해 설정된다. 선택적으로, 재충전 순서는 분배 요구를 수용할 때 정지될 수 있다. 메인 콘트롤러가 단계 460에서 재충전 순서의 종료를 검출하면, 단계 462에서 입구 밸브(111)(도 1)가 폐쇄된다.
도 5, 도 5b 및 도 5c는 도 1의 유체 분배 시스템을 위한 분배 공정의 선택적인 실시예를 도시하는 플로우 다이어그램이다. 도 1, 도 2a, 도 2b 및 도 2c를 또한 참조하여 도 5를 참조하면, 분배 사이클은 모터 콘트롤러(110)에 명령을 전송하는 메인 콘트롤러(108)(도 1)에 의해 단계 502에서 개시된다. 단계 504에서, 명령이 제 1 분배를 위한 것인지를 결정한다. 상기 명령이 제 1 분배를 위한 것이 아니면, 단계 503에서, 분배 에러가 계산된다. 적합한 실시예에서, 분배 에러는 제 1 분배 중에, 압력 센서(111)에 의해 측정됨으로써 펌프실 내의 최대 압력의 함수로써 모델링된다. 한 적합한 실시예에서, 상기 에러의 계산에 사용되는 수학식은 2차 다항식 Ax2+Bx+C이며, 여기서 x는 압력이며, 계수 A, B 및 C는 펌프에 의해 실제로 분배된 양에 대해 예상되는 실험으로부터 얻어진 실험 데이터를 상기 수학식에 대입하며 분배 중에 최대 압력에 관련시킴으로써 결정된다. 이러한 접근은 양호한 결과를 제공하는 것이 밝혀졌으며, 대부분의 현재의 반도체 장치 제조 적용에 충분한 정확성을 제공한다. 멤브레인은 유력한 펌프실 압력의 함수로서 예상 가능한 방식으로 만곡 및 팽창되며, 분배 에러는 예상되는 멤브레인의 만곡에 기초하여 분배를 변화시키는 양을 제공한다.
단계 506에서, 모터 콘트롤러는 적합하게는 다이아프램 기하학적 형상 및 분배 체적의 함수인 초기 분배 보정을 계산한다. 초기 분배 보정은 실험적으로 계산할 수 있으며, 적합하게는 멤브레인의 역학적 거동의 이해에 기초한다. 한 적합한 실시예에서, 상기 에러의 계산에 사용되는 수학식은 2차 다항식 Ax2+Bx+C이며, 여기서 x는 분배 거리이며, 계수 A, B 및 C는 펌프에 의해 실제로 분배된 양에 대해 예상되는 실험으로부터 얻어진 실험 데이터를 상기 수학식에 대입하며 분배 중에 최대 압력에 관련시킴으로써 결정된다.
단계 507에서, 모터 콘트롤러는 다음의 인자; 속도, 거리, 분배 보정값 등 중 하나 이상에 기초하여 모터가 피스톤을 전진시키도록 한다. 속도는 적합하게는 분배가 발생되는 비율 또는 시간 및 분배되는 양의 함수이다. 분배 명령은 예를 들면 제조 공정 콘트롤러 또는 사용자로부터의 요구를 수용하는 메인 콘트롤러에 응답하여 전송된다. 상기 요구는 소정의 공정 유체량, 선택적으로는 특정 분배율 또는 시간에 의해 한정될 수 있다. 선택적으로, 상기 양 및 비율은 메인 콘트롤러내에 프로그램 될 수 있다. 피스톤이 이동되는 거리는 적합하게는 분배되는 공정 유체량의 함수이다. 상기 거리는 멤브레인(208)(도 2)의 변형을 발생시킬 수 있는 펌프실 내의 압력이 없는 거리의 함수로서 피스톤 변위되는 공지된 체적에 기초하여 계산된다. 분배 사이클은 분배를 발생시키는데 사용될 수 있는 충분한 변위 거리가 있는 한, 특정 위치에서 피스톤을 개시시킬 필요는 없다. 그러나, 분배 시스템의 여기 중에, 피스톤은 도 2a에 도시한 바와 같이 완전 배출 위치로 배출된다.
메인 콘트롤러가 모터가 작동하는 것을 검출하면, 단계(508)에서 출구 밸브(114)가 개방된다. 단계 510에서, 모터 콘트롤러는 펌프실 압력 센서(111)(도 1)을 판독함으로써 펌프실 압력을 결정한다. 적합한 실시예에서, 분배 중에 측정된 최대 압력은 저장된다. 도 4의 플로우 다이어그램을 참조하여 설명한 방법과는 달리, 피스톤에 대한 변위 거리는 멤브레인(208)(도 2)의 신장을 보정하도록 일정하게 갱신(updated)되지 않는다. 단계 512에서, 펌프실 압력은펌프실 압력의 임의의 비교적 급속한 감소를 결정하기 위해 감시(monitoring)된다. 펌프실 압력의 급속한 감소가 검출되는 경우, 역학적 오류(fault)의 검출을 지시하는 메인 콘트롤러로 신호가 전송된다. 따라서, 펌프내의 역학적 오류는 임의의 급속한 감소에 대한 펌프실 압력을 감시함으로써 검출될 수 있다. 따라서, 상술한 바와 같은 방법은 작업자에게 실제 파손을 경고하며 작업자가 수리를 계획하도록 잠제적인 파손 가능성을 작업자에게 인식시킨다.
단계 514에서, 펌프실 압력이 예비 설정된 한계를 초과하였는지를 결정한다. 펌프실 압력이 예비 설정된 한계를 초과하면, 단계 516에서 고압 상태를 나타내는 신호가 발생되며 모터는 정지된다. 펌프실 압력이 예비 설정된 한계를 초과하지 않으면, 단계(518)에서 모터가 최종 위치에 도달하였는지를 결정한다. 모터가 최종 위치에 도달하지 않았으면, 단계 510에서 개시된 공정이 반복된다. 모터가 최종 위치에 도달하였으면, 단계 520에서 모터는 모터 콘트롤러에 의해 정지된다.
단계 522, 524에 나타낸 바와 같이, 모터 콘트롤러 분배 순서의 종료를 검출하면, 메인 콘트롤러는 "석-백(suck-back)"이 사용자 또는 공정에 의해 요구되었는지에 의존하여 단계 526에서 모터가 석 백 순서를 초기화하도록 하며, 출구 밸브(114)(도 1)를 폐쇄한다. 석 백 순서는 유체가 물방울이 되어 낙하하거나 건조되는 것을 감소시키기 위해 분배기 출구의 팁 또는 노즐 내의 유체가 팁 또는 노즐 내로 충분히 후퇴되도록 펌프(102)(도 2) 내의 피스톤(206)의 이동을 배출 또는 반전시키는 것을 의미한다. 단계 530에서, 상기 모터 콘트롤러(110)는 메인 콘트롤러(108)로부터 전송된 속도 및 거리 값에 기초하여 반전 방향으로 모터(104)(도 1)가 펌프의 피스톤을 이동시키도록 한다. 적합한 실시예에서, 사용자는 공정 유체에 의존하여 상기 값들을 설정한다.
단계 532에서, 모터 콘트롤러는 펌프실 압력 센서(111)(도 1)를 판독함으로써 펌프실 압력을 결정한다. 단계 534에서, 펌프실 압력이 예비 설정된 한계 보다 낮은지를 결정한다. 펌프실 압력이 예비 설정된 한계 보다 낮으면, 단계 536에서 저압 상태를 나타내는 신호가 발생되며, 모터는 정지된다. 펌프실 압력이 예비 설정된 한계 보다 낮지 않으면, 단계 538에서 피스톤이 최종 석 백 위치에 도달하였는지를 결정한다. 적합한 실시예에서, 압력 검출은 피스톤의 운동 중에 계속 발생한다. 피스톤이 최종 석 백 위치에 도달하지 않으면, 단계 532에서 개시된 공정이 반복된다. 피스톤이 최종 위치에 도달하면, 모터는 적합하게는 단계 540에서 모터 콘트롤러에 의해 정지된다.
메인 콘트롤러(108)(도 1)는 단계 542 에서 석-백(suck-back)의 단부를 검출한 후, 544 단계에서 출구 밸브(114, 544)를 폐쇄하고 재충전 공정을 시작한다. 재충전 공정 중에, 처리 유체는 유체 소스 컨테이너(118)로부터 펌핑실(212)로 도입된다. 재충전 공정은 공정 요건에 따라 매 분배 이후에 이루어질 필요는 없다. 단계 546 에서 메인 콘트롤러는 입구 밸브(111)를 개방하고 단계 548 에서는 재충전 시퀀스를 시작하도록 모터 콘트롤러에 지시를 내린다.
도 5c는 모터 제어 재충전 시퀀스에 대한 흐름도를 도시한다. 단계 550에서는 임의의 처리(recipe) 파라메터가 변화했으므로 현재의 충전이 제 1 재충전인지 아닌지에 대한 결정이 이루어진다. 양호한 실시예에서는 처리 파라메터가 분배될 체적, 분배율, 타임 세팅 등과 같은 분배 작업을 위한 다양한 파라메터를 정의한다. 예를 들어, 처리 파라메터는 2초 내에 분배될 3 mL 의 분배 체적과 4초의 재충전 타임을 특정화할 수 있다.
단계 552에서는 재충전을 위해서 자동-비율(auto-rate) 함수가 요망되는지에 대한 결정이 이루어진다. 재충전을 위해 자동-비율 함수가 필요하다면, 이후 단계 600에서, 자동-비율 재충전이 실행된다. 본원에서 자동-비율 재충전 공정은 도 6의 흐름도를 참조하여 논의될 것이다. 자동-비율 재충전 함수가 요구되지 않으면 이후 처리 파라메터 변화(단계 560) 이후에 제 1 재충전을 위한 일정 비율 재충전 공정이 이루어진다.
양호한 실시예에서는, 임의의 처리 파라메터가 변화했으므로 현재의 재충전이 제 1 재충전이 아니라면 이후에 단계 554에서 재충전을 위해 자동-비율 함수가 요망되는지에 대한 결정이 이루어진다. 재충전을 위해 자동-비율 함수가 요망된다면 임의의 처리 파라메터가 변화했으므로 이후 단계 556에서 현재의 재충전이 제 2 재충전인지에 대한 결정이 이루어진다. 현재의 처리 파라메터가 변화했으므로 현재의 재충전이 제 2 재충전이라면 모터의 속도는 이전 자동-비율 재충전에서 결정된 최대 속도의 함수로서 세팅된다. 처리 파라메터 변화(단계 560) 이후의 제 1 재충전을 위한 일정 비율 재충전 공정이 실시된다.
단계 562에서, 모터 콘트롤러는 모터가 재충전된 위치를 향해 이동하도록 한다. 단계 564에서, 모터 콘트롤러는 펌프실 압력 센서(111)(도 1)를 판독하므로써 펌프실 압력을 결정한다. 양호한 실시예에서는 단계 566에서, 현재 판독한 펌프실 압력이 재충전중에 맞이한 이전에 기록된 압력보다 높은지가 결정된다. 만약 그러하다면 이후 양호한 실시예에서는 현재의 압력의 값이 후술될 연속(subsequent) 분배에서 사용될 소프트웨어 소스 엠프티 디텍션(SSED)을 위한 벤치마크 값으로 기록된다. 단계 568에서는 펌프실 압력이 미리설정된 한계치 이하인지 아닌지에 대한 결정이 이루어진다. 펌프실 압력이 미리설정된 한계치 보다 낮으면 이후 단계 570에서 저압 상태를 나타내는 신호가 발생되어 모터가 정지한다. 만약 펌프실 압력이 미리설정된 한계치보다 낮지 않으면 단계 572에서 피스톤이 최종 재충전된 위치에 도달했는지에 대한 결정이 이루어진다. 피스톤이 최종 재충전된 위치에 도달했으면 모터는 단계 574에서 통상 모터 콘트롤러에 의해 정지된다. 일단 모터가 정지되면, 양호한 실시예에서는 도 7과 관련하여 본원에 기술된 펌프실 예비충전(precharge) 공정 700이 수행된다.
재충전을 위해 임의의 처리 파라메터가 변화하고 자동-비율 함수가 요구되지 않으므로 현재의 재충전이 제 1 재충전이 아니라면, 또는 임의의 처리 파라메터가 변화했으므로 현재의 재충전이 제 2 재충전이라면, 이후에 임의의 처리 파라메터가 변화(단계 276)했으므로 제 1 재충전 이외의 일정 비율 재충전이 수행된다. 단계 578에서는 모터 콘트롤러가 모터를 재충전된 위치로 이동시킨다. 단계 580에서 모터 콘트롤러는 펌프실 압력 센서(111)(도 1)를 판독하므로써 펌프실 압력을 결정한다. 양호한 실시예에서는 단계 582에서 잘못된 경보를 방지하기 위해 현재 판독된 펌프실 압력이 SSED 벤치마크 값 플러스 오프셋보다 큰지에 대한 결정이 이루어진다. SSED 벤치마크는 재충전 비율이 일정 비율 재충전에서 일정하므로 일정한 재충전 압력에 의존하게 된다. 만약 재충전중에 소스 버틀이 비워지게 되면 압력은 공기/가스가 펌프실 내로 견인됨에 따라 증가될 것이다. 따라서 현재 판독된 펌프실 압력이 SSED 벤치마크 값 플러스 오프셋보다 크다면 이후 양호한 실시예에서는 단계 584에서 소스 엠프티 경보 신호가 발생되어 모터가 정지된다. 따라서, 펌프실의 압력과 SSED 벤치마크 값을 비교하여, 소스를 감시하고 이에 의해서 유체 소스가 비어 있는지와 비어 있을 때를 결정하게 된다. 따라서, 본 발명의 양호한 실시예에 있어서, 소스가 언제 비어 있는지를 결정하기 위한 조정에 의존하는 것을 회피할 수 있게 된다.
단계 586에서, 펌프실의 압력이 소정의 한계 이하인지를 결정하게 된다. 펌프실의 압력이 소정의 한계 이하인 경우에는, 이후에 단계 588에서, 저압 상태를 표시하는 신호가 생성되고, 모터는 정지하게 된다. 펌프실의 압력이 소정의 한계 이하가 아니라면, 이후에 단계 590에서, 피스톤이 최종 재충전 위치에 도달했는지를 결정하게 된다. 피스톤이 최종 재충전 위치에 도달하지 않았다면, 이후에 단계 580에서부터 시작하게 되는 단계가 반복된다. 피스톤이 최종 재충전 위치에 도달하였다면, 모터는 유리하게는 단계 592에서의 모터 제어 장치에 의해서 정지하게 된다. 유리한 실시예에 있어서, 일단 모터가 정지하게 되면, 본원에서 도 7을 참조하여 설명한 바와 같이 펌프실의 예비 충전 공정(700)이 수행된다.
도 6은 흐름도(600)로서, 도 1의 유체 분배 시스템용의 유리한 실시예의 자동 속도 재충전 공정을 도시하는 것이다. 현재의 재충전이 제 1 재충전인 경우에는, 임의의 처리 파라메터가 변경되고, 재충전을 위해서 자동 속도 함수가 필요하게 되므로, 이후에 도 6의 자동 속도 재충전 공정이 수행된다. 자동 속도 재충전 순서는, 단계 602에서, 모터가 재충전 또는 완전한 후퇴 위치로 이동하게 하며, 이에 대해서는 도 2a에 도시되어 있다. 이는, 매우 낮은 초기 속도일 때, 메인 콘트롤러(108)로부터 수신하는 경우에 그렇다. 단계 604에 있어서, 펌프실의 압력이 측정된다. 재충전 속도는 압력이 단계 606에서 결정되는 바와 같이 소정의 최소 문턱값에 도달할 때까지 증가하게 된다(단계 608). 재충전 속도는, 예를 들어서 피스톤(206)의 속도를 증가시킴으로서 증가하게 된다. 일단 압력이 소정의 최소 문턱값에 도달하게 되는 경우에는, 단계 610에서 동작을 수용할 수 있는 범위에 대한 최소값에 기초하여 압력이 너무 낮은지를 결정하게 된다. 압력이 너무 낮은 경우라면, 이후에 재충전 속도는, 유리하게는 피스톤의 속도를 감소시킴으로서 멤브레인과의 충돌을 회피하도록 단계 612에서 감소시키게 된다. 단계 614에 있어서, 획득한 최대 속도가 기록된다. 기록된 최대 속도는 후속하는 분배 (과정)에서 사용되어질 수도 있다.
단계 616에 있어서, 모터가 최종 위치에 도달했는지를 결정하게 된다. 모터가 최종 위치에 도달하지 못한 경우에는, 이후에 단계 604에서부터 시작하는 공정이 반복된다. 모터가 최종 위치에 도달한 경우에는, 모터는 단계 618에서 모터 제어 장치에 의해서 정지하게 된다. 단계 612에 있어서, 메인 콘트롤러는 재충전 순서의 마지막을 감지하게 되며, 단계 622에 있어서, 메인 콘트롤러는 입력 밸브(111)를 폐쇄하게 된다.
도 7은 흐름도(700)로서, 도 1의 유체 분배 시스템용의 유리한 실시예의 펌프실 재충전 공정을 도시하는 것이다. 단계 702에 있어서, 모든 밸브는, 유리하게는 메인 콘트롤러에 의해서 폐쇄되며, 따라서 펌프는 밀봉된다. 단계 704에 있어서, 모터 제어 장치는 펌프실의 압력 센서(111)를 읽어서 펌프실의 압력을 결정하게 된다(도 1). 단계 706에 있어서, 펌프실의 압력이 소정의 예비 충전 압력 보다 큰지를 결정하게 된다. 유리한 실시예에 있어서, 소정의 예비 충전 압력은 5 psig이다. 압력이 소정의 예비 충전 압력 보다 큰 경우에는, 이후에 단계 708에서, 펌프의 피스톤은 펌프실의 압력이 소정량만큼 소정의 예비 충전 압력 이하로 될 때까지 후방으로 이동하게 된다. 유리한 실시예에 있어서, 소정량은 3 psig이며, 소정의 예비 충전 압력은 5 psig이다. 단계 712에 있어서, 펌프는 펌프실의 압력이 소정의 예비 충전 압력이 될 때까지 전방으로 이동하게 된다.
유리한 실시예에 있어서, 도 7의 공정은 펌프 피스톤을 이동하게 하는 모든 동작의 마지막에 수행된다. 도 1의 유체 분배 시스템에서 사용된 멤브레인의 특성 때문에, 분배하기 이전에 펌프실의 압력을 제어하는 것은 곤란하다. 이는 멤브레인이 사용 수명 중에 말리거나, 휘어지거나, 주름이 지거나 또는 영구히 펴지게 되는 경향이 있기 때문이다. 도 7의 유리한 실시예의 펌프실 예비 충전 공정은 이와 같은 멤브레인의 특성 중의 하나 또는 그 이상을 보상하게 된다.
또한, 각각의 분배에 앞서서, 멤브레인이 제대로 말려 있어야 하고 다음 번의 분배에도 바로 가능한 것이 바람직하다. 도 7의 펌프실의 예비 충전 공정의 장점은 바로, 각각의 분배가 소정의 예비 충전 압력으로부터 시작한다는 것이다. 그 결과, 멤브레인의 사용 수명에 걸쳐서 공정의 일관성과 반복성이 유지되게 된다.
도 8은 흐름도(800)로서, 도 1의 분배 시스템에 있어서, 펌프실 내로 유체를 밀어 넣기 위한 유리한 실시예의 자동 속도 특성을 도시하는 것이다. 단계 802에 있어서, 모터 제어 장치는 모터가 피스톤을 이동시켜 펌프실의 체적이 증가된도록 한다. 펌프실의 체적의 증가는 펌프실의 압력이 감소하도록 하게 되어 유체가 밀려 들어가게 된다. 양호한 실시예에 있어서, 단계 803에서, 펌프의 입력 밸브는 양호하게는 메인 콘트롤러에 의해 개방된다. 단계 804에서, 모터 콘트롤러는 펌프실 압력 센서(111)를 판독함으로써 펌프실 압력을 결정한다(도 1 참조). 모터 속도는 압력이 단계 806에서 결정되는 초기설정 최소한계값에 이를 때까지 증가된다(단계 808). 양호한 실시예에 있어서, 초기설정 최소한계값는 -8psig이다. 압력이 초기설정 최소한계값에 이를 때, 압력이 적용가능한 작동 범위의 최소값보다 작은지에 대한 결정이 단계 810에서 이루어진다. 양호한 실시예에 있어서, 적용가능한 작동 범위의 최소값은 -10psig이다. 압력이 적용가능한 작동 범위의 최소값보다 작으면, 모터 속도는 감소된다. 단계 814에서, 피스톤이 필요한 거리만큼 이동되었는지에 대한 결정이 이루어진다. 피스톤이 필요한 거리만큼 이동되지 않았으면, 단계 804에서의 공정 개시가 반복된다. 피스톤이 필요한 거리만큼 이동되었으면, 단계 815에서 모터 콘트롤러가 모터를 정지시킨다. 단계 816에서, 메인 콘트롤러는 입력 밸브를 폐쇄한다.
도 9는 도 1의 분배 시스템에서 펌프실의 외부로 유체를 밀어내기 위한 오토-레이트 특성의 실시예를 나타내는 흐름도(900)이다. 단계 902에서, 모터 콘트롤러는 모터가 피스톤을 이동시키도록 하여 펌프실 용적을 감소시킨다. 펌프실 용적의 감소는 유체가 밀려 나가도록 하는 펌프실 압력의 증가를 야기한다. 양호한 실시예에 있어서, 단계 903에서, 펌프의 출력 밸브는 양호하게는 메인 콘트롤러에 의해 개방된다. 단계 904에서, 모터 콘트롤러는 펌프실 압력 센서(111)를 판독함으로써 펌프실 압력을 결정한다(도 1 참조). 모터 속도는 압력이 단계 906에서 결정되는 초기설정 최대한계값에 이를 때까지 증가된다(단계 908). 양호한 실시예에서, 초기설정 최대한계값는 85psig이다. 압력이 초기설정 최대한계값에 이를 때, 압력이 적용가능한 작동 범위의 최대값보다 큰지에 대한 결정이 이루어진다. 양호한 실시예에 있어서, 적용가능한 작동 범위의 최대값은 100psig이다. 압력이 적용가능한 작동 범위의 최대값보다 크면, 모터 속도는 감소된다. 단계 914에서, 피스톤이 필요한 거리만큼 이동되었는지에 대한 결정이 이루어진다. 피스톤이 필요한 거리만큼 이동되지 않았으면, 단계 904에서 공정 개시가 반복된다. 피스톤이 필요한 거리만큼 이동되었으면, 단계 915에서 모터 콘트롤러가 모터를 정지시킨다. 단계 916에서, 메인 콘트롤러는 출력 밸브를 폐쇄한다.
도 8의 흐름도는 양호하게는 펌프 피스톤이 후방으로 이동하여 펌프실 내로 유체를 유입할 때 사용된다. 도 9의 흐름도는 양호하게는 펌프 피스톤이 전방으로 이동하여 펌프실로부터 유체를 밀어낼 때 사용된다. 펌프실 내의 압력은 다양한 인자 예를 들어, 피스톤의 속도, 유체 점도, 펌프로의 연관 부착부 등에 의존한다. 도 8 및 도 9의 오토-레이트 공정의 한 장점은 유체가 펌프실로부터 유출되거나 펌프실로 유입되는지에 따라 펌프실 압력이 최대값 또는 최소값에 가까워지도록 피스톤의 속도가 자동으로 조절될 수 있다는 것이다. 펌프실 내의 압력은 자동으로 조절되기 때문에, 도 8 및 도 9의 공정의 다른 장점은 펌프의 펌핑중에 펌프 조작자가 펌프가 연결 방법 및 유체의 점도에 기초한 압력을 점검할 필요가 없다는 것이다. 또한, 프라이밍(priming) 작동은 유체의 점도 및 펌프의 연결에 기초한 실험을 요하는 펌프 설정을 조작자가 시행착오 방법을 적용하여 행해야 하는 종래의 수동 설정 작동보다 매우 신속하다.
본원에 기술된 바와 같은 펌프실로부터의 폐쇄 루프 압력 피드백은 몇가지 장점을 제공한다. 예를 들어, 분배 보정, 압력 한계 검출, 펌프 내외로 또는 펌프를 통해 유체를 이동시키기 위한 오토-레이트 기능, 공급원 소비상태 검출, 기계적 결함 검출 등이다.
본 발명의 다양한 실시예가 메인 콘트롤러 및 모터 콘트롤러에 대해 상술되었지만, 본 발명은 그것에 제한되지 않고, 다양한 기능을 수행하기 위해 단일 콘트롤러를 채택하는 실시예가 사용될 수 있다.
또한, 압력 센서가 본 발명의 펌프 내에 합체되는 실시예가 상술되었지만, 그것에 제한되지 않는다. 선택적인 실시예에서, 압력 센서는 예를 들어, 펌프실 내에서 발생되는 압력 신호를 전달할 수 있는 형상 및 크기의 오리피스를 통해 펌프실에 유압식으로 연결될 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 압력 센서는 센서가 펌프실 내의 압력을 감지하도록 펌프에 근접되게 위치될 수 있다.
상술한 설명은 본 발명의 한 예시적인 실시예를 참조로 이루어진다. 그러나, 상기 실시예는 본 발명의 범위로부터 일탈함이 없이 변형 또는 변경될 수 있다.

Claims (3)

  1. 롤링 멤브레인 펌핑 시스템을 활용하여 유체의 정확한 양을 분배하기 위한 방법에 있어서,
    특정 분배가 제 1 분배 이외의 것이라면 적어도 부분적으로 예측된 멤브레인 가요성에 의거하여 분배를 변화시키기 위한 양을 계산하는 단계를 포함하고, 상기 예측된 멤브레인 가요성은 상기 제 1 분배 중에 적어도 부분적으로 최대 펌프실 압력에 의거하고,
    특정 분배가 제 1 분배라면 적어도 부분적으로 상기 멤브레인의 형상에 의거하여 분배를 변화시키기 위한 양을 계산하는 단계와,
    적어도 부분적으로 상기 계산된 양에 의거하여 상기 펌핑 시스템내로 피스톤을 이동시키는 단계와,
    상기 펌핑 시스템의 출구 밸브를 개방하는 단계와,
    상기 펌핑 시스템에서 기계적인 오류를 나타내기 위해 상기 펌프실 압력의 감작스러운 감소를 감지하도록 상기 펌프실 압력을 감시하는 단계 및,
    상기 피스톤의 이동중에 상기 펌프실에서 최대 압력을 결정하는 단계를 또한 포함하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 출구 밸브를 개방하는 단계는 상기 펌프 시스템의 메인 콘트롤러에 의해 실행되는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 펌프실내의 최대 압력은 펌프실 압력 센서를 주기적으로 판독하고 상기 펌프실 압력 센서로부터 판독된 압력의 최대값을 기억함으로써 결정되는 방법.
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