KR20070051011A - 질량 유량 제어기 - Google Patents

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KR20070051011A
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강곤수
엄현섭
김영대
이승세
안성열
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삼성전자주식회사
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Abstract

유체의 질량 유량을 조절하기 위한 질량 유량 제어기에서 베이스는 유체가 통과하기 위한 유로를 가지며, 밸브는 유로를 통과하는 유체의 질량 유량을 조절한다. 밸브의 헤드는 관통홀을 갖는다. 밸브가 비정상적으로 닫혀 유로가 차단되는 경우 관통홀을 통해 유로 내부에 잔류하는 유체를 배출한다.

Description

질량 유량 제어기{Mass flow controller}
도 1은 종래의 질량 유량 제어기를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 종래의 질량 유량 제어기의 질량 유량 센서를 설명하기 위한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 질량 유량 제어기를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 4 및 도 5는 도 3에 도시된 밸브의 작동을 설명하기 위한 확대 단면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
200 : 질량 유량 제어기 210 : 베이스
212 : 유로 214 : 유입부
216 : 방출부 218 : 시트
220 : 바이패스부 230 : 질량 유량 센서
250 : 밸브 252 : 밸브 바디
254 : 제1 구동 유닛 256 : 제2 구동 유닛
260 : 밸브 제어부
본 발명은 유체의 질량 유량을 조절하기 위한 질량 유량 제어기(mass flow controller; MFC)에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 유체의 질량 유량을 측정하고 측정된 질량 유량과 기준 유량을 비교하여 상기 유체의 질량 유량을 조절하기 위한 질량 유량 제어기에 관한 것이다.
반도체 장치의 제조 공정에는 다양한 종류의 가스들이 사용되며, 상기 가스들의 질량 유량은 질량 유량 제어기에 의해 제어된다. 최근, 반도체 장치의 집적도가 향상됨에 따라 정밀한 공정 가스의 질량 유량의 측정 및 제어에 대한 요구가 점차 증대되고 있다.
도 1은 종래의 질량 유량 제어기를 설명하기 위한 개략적인 단면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 종래의 질량 유량 제어기의 질량 유량 센서를 설명하기 위한 개략도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 종래의 질량 유량 제어기(100)의 베이스(110)는 유체를 통과시키기 위한 유로(112)와, 상기 유로(112)의 내부로 유체를 유입시키기 위한 유입부(114)와, 상기 유로(112)로부터 유체를 방출하기 위한 방출부(116)를 갖는다.
유체를 통과시키기 위한 바이패스부(120)는 유입부(114)와 인접하여 상기 유로(112)의 내부에 배치되며, 샘플 배관(132)은 상기 유로(112)와 연결되어 있다. 구체적으로, 샘플 배관(132)은 상기 바이패스부(120)의 유입단과 방출단에 각각 인 접하도록 유로(112)와 연결되며, 바이패스부(120)를 통과하는 유체를 샘플링한다.
질량 유량 센서(130)는 바이패스부(120)를 통과하는 유체의 질량 유량을 측정한다. 상기 질량 유량 센서(130)는 샘플 배관(132)에 감겨진 제1발열 저항(134a)과 제2발열 저항(134b)을 포함한다. 제1발열 저항(134a)과 제2발열 저항(134b)은 백금 또는 그와 유사한 금속으로 이루어지며, 브리지 회로(136)와 연결되어 있다.
바이패스부(120)와 방출부(116) 사이에는 유체의 질량 유량을 조절하기 위한 컨트롤 밸브(140, 예를 들면, 솔레노이드 밸브)가 상기 유로(112)와 연결되어 있다.
제1발열 저항(134a)과 제2발열 저항(134b)이 가열되는 경우, 샘플 배관(132)의 상류측과 하류측 사이에는 상기 유체의 질량 유량에 비례하는 온도차가 발생되며, 이로 인하여 제1발열 저항(134a)의 저항값과 제2발열 저항(134b)의 저항값이 서로 다르게 되며, 상기와 같은 변화는 브리지 회로(136)에 의해 검출된다. 검출된 신호는 증폭기(amplifier, 미도시)에 의해 증폭되며, 증폭된 신호는 유체의 질량 유량과 대응하도록 보상기(compensator, 미도시)에 의해 보상된다.
상기와 같은 질량 유량 센서(130)에 의해 측정된 유체의 질량 유량을 나타내는 측정 신호는 밸브 제어부(미도시)로 전송되며, 밸브 제어부는 측정 신호와 기 설정된 기준 유량과 대응하는 기준 신호를 비교하고, 상기 측정 신호가 기준 신호와 일치하도록 컨트롤 밸브(140)의 동작을 제어한다.
상기와 같은 질량 유량 제어기는 반도체 장치의 제조 공정에 널리 사용된다. 예를 들면, 상기 질량 유량 제어기는 증착 공정, 식각 공정 등과 같은 단위 공정을 수행하기 위한 기판 가공 장치에서 공정 가스의 공급 유량을 제어하기 위해 사용된다.
상기 단위 공정을 수행하는 도중에 상기 질량 유량 제어기의 동작 불량이 발생되는 경우, 상기 기판 가공 장치의 주제어부는 상기 가공 공정을 중단시킨다. 구체적으로, 상기 주제어부는 상기 공정 가스를 공급하기 위한 공정 가스 배관 중에 설치된 다수의 밸브들을 닫고, 공정 챔버 내부에 위치된 반도체 기판을 공정 챔버로부터 언로딩시킨다. 이어서, 상기 공정 가스 배관 및 상기 질량 유량 제어기의 내부에 잔류하는 공정 가스를 배출시킨 후, 질량 유량 제어기를 교체한다.
상술한 바와 같은 이유로, 상기 기판 가공 장치와 연결된 가스 공급 장치는 상기 공정 가스 배관 및 질량 유량 제어기 내부에 잔류하는 공정 가스를 배출하기 위한 퍼지 배관 및 퍼지 밸브를 추가적으로 구비한다. 상기 퍼지 배관 및 퍼지 밸브는 상기 질량 유량 제어기의 유입부와 인접하여 상기 공정 가스 배관과 연결된다.
특히, 노멀 클로즈 타입(normal close type) 질량 유량 제어기가 가스 공급 장치에 적용되는 경우에는 상기 퍼지 배관 및 퍼지 밸브가 필수적으로 요구된다. 상기 노멀 클로즈 타입 질량 유량 제어기의 컨트롤 밸브는 작동 전원이 인가되는 경우에만 개방되며, 작동 전원이 인가되지 않는 동안에는 닫힌 상태로 유지된다. 따라서, 상기 주제어부에 의해 작동 전원이 차단되면, 상기 베이스의 유로는 컨트롤 밸브에 의해 차단된다. 또한, 컨트롤 밸브의 자체 고장이 발생되는 경우, 상기 공정 가스 배관 및 질량 유량 제어기의 유로 내부에 잔류하는 공정 가스는 퍼지 배 관 및 퍼지 밸브를 통해서만 배출될 수 있다.
그러나, 상기와 같은 퍼지 배관 및 퍼지 밸브는 가스 공급 장치의 부피를 증가시키고, 가스 공급 장치의 가격을 상승시킨다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 제1목적은, 컨트롤 밸브가 비정상적으로 닫힌 경우, 유로 내부에 잔류하는 유체를 퍼지시키기 위한 질량 유량 제어기를 제공하는데 있다.
상기 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의하면, 질량 유량 제어기는 유체의 흐름을 위한 유로와 상기 유체를 상기 유로로 유입시키기 위한 유입부 및 상기 유체를 상기 유로로부터 방출하기 위한 방출부를 갖는 베이스를 갖는다. 질량 유량 센서는 상기 유입부와 인접하여 상기 유로와 연결되고, 상기 유로를 통과하는 유체의 질량 유량을 측정한다. 밸브는 관통홀을 갖는 헤드 및 상기 헤드와 연결되는 연결축을 포함하는 밸브 바디와, 상기 유체의 유량을 조절하기 위해 상기 밸브 바디의 개방 정도를 조절하는 제1 구동 유닛 및 상기 유로가 차단되는 경우 상기 유로 내의 유체를 배출하기 위해 상기 관통홀이 상기 유로와 연결되도록 상기 연결축을 회전시키는 제2 구동 유닛을 포함하며, 상기 방출부와 인접하여 상기 유로와 연결된다. 밸브 제어부는 상기 질량 유량 센서에 의해 측정된 질량 유량과 기준 유량을 비교하여 상기 유체의 질량 유량이 기준 유량과 일치시키며, 상기 유로가 차단되는 경우 상기 유로 내의 유체를 배출하기 위해 상 기 밸브의 동작을 제어한다.
상기 질량 유량 제어기에서 상기 밸브가 상기 제1 구동 유닛에 의해 개방되어 있는 동안 상기 관통홀을 통한 유체의 흐름이 차단되도록 상기 관통홀의 중심축이 상기 유체의 유동 방향에 대하여 수직하는 방향으로 배치되며, 상기 유로가 상기 밸브에 의해 비정상적으로 닫힌 경우, 상기 관통홀을 통하여 상기 유로가 연결될 수 있다.
상기 질량 유량 제어기는 상기 밸브가 비정상적으로 차단되더라도 상기 관통홀을 통하여 상기 유로 내부의 유체를 배출할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 질량 유량 제어기를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 3을 참조하면, 상기 질량 유량 제어기(200)는 유체를 공급하기 위한 유체 배관(미도시)에 연결된다. 예를 들면, 반도체 장치의 제조 공정에 사용되는 다양한 가스들을 공급하기 위한 유체 배관 중에 연결되며, 상기 가스들의 질량 유량을 조절한다. 질량 유량 제어기(200)는 베이스(210), 질량 유량 센서(230), 밸브(250) 및 밸브 제어부(260)를 포함한다.
상기 베이스(210)는 상기 유체 배관과 연결되며, 상기 유체의 흐름을 위해 상기 베이스(210)를 관통하는 유로(212)와, 상기 유체 배관으로부터 상기 유로(212)로 상기 유체를 유입시키기 위한 유입부(214) 및 상기 유로(212)로부터 상기 유체 배관으로 상기 유체를 방출하기 위한 방출부(216)를 갖는다.
상기 질량 유량 센서(230)는 상기 유입부(214)와 인접한 부위의 유로(212)와 연결되고, 상기 유로(212)를 통과하는 유체의 질량 유량을 측정한다. 상기 질량 유량 센서(230)는 상기 유체를 샘플링하기 위한 샘플 배관(232)과, 상기 샘플 배관(232)에 감겨진 제1발열 저항(234a)과 제2발열 저항(234b), 제1발열 저항(234a)과 제2발열 저항(234b)에 연결된 브리지 회로(236), 상기 브리지 회로(236)와 연결된 증폭기(238)와, 상기 증폭기(238)에 연결된 보상기(240)를 포함한다.
구체적으로, 상기 유체를 통과시키기 위한 바이패스부(220)가 유입부(214)와 제1부위(212a) 사이에서 상기 유로(212) 내부에 배치되어 있고, 상기 바이패스부(220)를 통과하는 유체를 샘플링하기 위한 샘플 배관(232)은 바이패스부(220)의 유입단과 인접하는 유로(212)로부터 분기되어 바이패스부(220)의 방출단과 인접하는 유로(212)와 연결된다.
도시된 바에 따르면, 유로(212) 내부에는 통상적인 바이패스부(220)가 배치되어 있으나, 유체의 흐름을 층류로 형성하기 위한 모세관 타입의 바이패스부가 사용될 수도 있다.
상기 제1발열 저항(234a)과 제2발열 저항(234b)은 샘플 배관(232)의 상류측 및 하류측에 각각 감겨져 있으며, 제1발열 저항(234a)과 제2발열 저항(234b)이 가열되는 경우, 상기 브리지 회로(236)는 상기 샘플링 배관(232)의 상류측 및 하류측 사이의 온도차에 대응하는 전기적 신호를 발생시킨다.
상기 증폭기(238)는 브리지 회로(236)에 의해 검출된 전기적 신호를 증폭하 고, 보상기(240)는 증폭된 신호가 상기 바이패스부(220)를 통과하는 유체의 질량 유량에 대응하도록 보상한다.
밸브(250)는 밸브 바디(252), 제1구동 유닛(254) 및 제2구동 유닛(256)을 포함한다. 방출부(216)와 인접하는 베이스(210)의 상부에는 밸브(250)와 유로(212)를 연결하기 위한 포트(222)가 형성되어 있고, 유로(212)는 포트(222)를 통해 베이스(210)의 유입단(214)과 방출단(216) 사이를 연결한다. 밸브(250)는 포트(222)에 장착되는 연결 부재(256)를 통해 유로(212)와 연결된다. 포트(222)가 형성된 베이스(210)의 상부와 마주보는 베이스(210)의 하부에는 밸브 시트(258)가 장착되어 있다.
밸브 바디(252)는 볼 형상을 갖는 밸브 헤드(252a)와 연결축(252b)을 포함한다. 밸브 헤드(252a)는 상기 연결축(252b)의 연장 방향과 수직한 방향으로 형성된 홀(252c)을 갖는다. 상기 밸브 헤드(252a)는 상기 연결축(252b)에 의해 제1 구동 유닛(254) 및 제2 구동 유닛(256)과 연결된다. 상기 제1 구동 유닛(254)은 유체의 유량을 조절하기 위해 밸브 바디(252)의 개방 정도를 적절하게 조절한다. 구체적으로 상기 제1 구동 유닛(254)은 상기 연결축(252b)을 상승 또는 하강시키고, 상기 연결축(252b)의 상승 또는 하강에 따라 상기 밸브 헤드(252a)와 상기 밸브 시트(258) 사이의 간격이 조절된다.
상기 제1 구동 유닛(254)은 써멀 타입으로, 상기 연결축(252b)을 가열하여 팽창시킴으로써 상기 유량을 조절한다. 제1구동 유닛(254)은 솔레노이드(solenoid)를 포함하며, 밸브 바디(252)는 원뿔 형상을 갖는 포펫 밸브 헤드(poppet valve head)를 가질 수도 있다.
상기 제2 구동 유닛(256)은 상기 홀(252c)의 방향을 전환시킨다. 구체적으로 상기 제2 구동유닛(256)은 상기 연결축(252b)을 회전시키고, 상기 연결축(252b)의 회전에 따라 상기 밸드 헤드(252a)도 회전한다. 따라서 상기 홀(252c)의 방향이 전환된다. 상기 홀(252c)은 평상시에는 상기 베이스(210)에 의해 막혀 있으며, 상기 밸브(250)가 비정상적으로 닫힌 경우 상기 유로(212) 내부에 잔류하는 유체를 배출시키기 위해 개방된다. 이때, 상기 유로(212) 내부에 잔류하는 유체는 상기 포트(222)의 유입단과 상기 홀(252c) 및 상기 포트(222)의 방출단을 거쳐 배출된다.
밸브 제어부(260)는 밸브(250)의 동작을 적절하게 제어한다. 구체적으로, 보상기(240)에 의해 보상된 신호는 밸브 제어부(260)로 전송되며, 밸브 제어부(260)는 기 설정된 기준 유량과 대응하는 기준 신호와 상기 보상된 신호를 비교하여 상기 질량 유량 센서(230)에 의해 측정된 질량 유량과 기 설정된 기준 유량이 일치하도록 상기 제1 구동 유닛(254)을 제어하여 상기 밸브(250)의 개폐 정도를 조절한다. 여기서, 상기 보상된 신호는 질량 유량 센서에 의해 측정된 유체의 유량을 의미한다.
또한, 상기 밸브 제어부(260)는 상기 비정상적인 측정 신호에 따라 밸브(250)를 닫는다. 상기 밸브(250)가 닫히면, 상기 유로(212) 내부의 유체를 배출하기 위하여 상기 밸브 제어부(260)는 상기 제2 구동 유닛(256)을 제어하여 상기 홀(252c)에 의한 상기 유로(212)의 연결을 조절한다.
도 4 및 도 5는 도 3에 도시된 밸브의 작동을 설명하기 위한 확대 단면도이 다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 질량 유량 센서(230)에 문제가 발생된 경우, 상기 질량 유량 센서(230)는 비정상적인 측정 신호를 발생시키고, 상기 밸브 제어부(260)는 상기 비정상적인 측정 신호에 따라 밸브(250)를 닫는다.
상기 유체를 공급하기 위한 유체 소스(미도시)와 질량 유량 제어기(200)를 연결하는 유체 배관에 설치된 에어 밸브가 닫힌 후, 밸브 제어부(260)는 유체 배관과 질량 유량 제어기(200) 내부에 잔류하는 유체를 퍼지시키기 위해 밸브(250)를 개방시킨다. 따라서, 유체 배관 및 질량 유량 제어기(200)의 유로(212) 내에 잔류하는 유체는 도 5에 도시된 바와 같이 밸브(250)를 통해 배출된다.
상기 밸브 제어부(260)에 문제가 발생되어 제어 신호가 발생되지 않는 경우, 밸브(250)는 작동 전원이 차단되므로 유로(212)를 차단시킨다. 상기 유체 소스와 질량 유량 제어기(200) 사이에 배치된 에어 밸브가 닫힌 후, 상기 제2 구동 유닛(256)은 외부로부터 제공되는 개방 신호에 따라 상기 연결축(252b)을 회전시켜 상기 홀(252c)에 통해 상기 유로(212)를 개방시킨다. 따라서, 유체 배관 및 질량 유량 제어기(200)의 유로(212) 내부에 잔류하는 유체가 상기 홀(252c)을 통해 배출된다.
상기 밸브(212)의 자체 결함에 의해 밸브(212)가 비정상적으로 닫힌 경우, 상기 유체 소스와 질량 유량 제어기(200) 사이에 배치된 에어 밸브가 닫힌 후, 상기 제2 구동 유닛(256)은 밸브 제어부(260)로부터 제공되는 개방 신호 또는 외부로부터 제공되는 개방 신호에 따라 상기 연결축(252b)을 회전시켜 상기 홀(252c)에 통해 상기 유로(212)를 개방시킨다. 따라서, 유체 배관 및 질량 유량 제어기(200)의 유로(212) 내부에 잔류하는 유체가 상기 홀(212c)을 통해 배출된다. 도 4 및 도 5에 도시된 화살표는 밸브(250)를 통해 흐르는 유체의 방향을 의미한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 질량 유량 제어기의 밸브가 비정상적으로 차단된 경우, 질량 유량 제어기의 유로 내부에 잔류하는 유체는 관통홀을 통해 외부로 배출될 수 있다. 따라서, 추가적인 퍼지 배관 및 퍼지 밸브를 설치할 필요가 없으며, 가스 공급 장치의 부피를 감소시킬 수 있고, 가스 공급 장치의 가격을 낮출 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (3)

  1. 유체의 흐름을 위한 유로와 상기 유체를 상기 유로로 유입시키기 위한 유입부 및 상기 유체를 상기 유로로부터 방출하기 위한 방출부를 갖는 베이스;
    상기 유입부와 인접하여 상기 유로와 연결되고, 상기 유로를 통과하는 유체의 질량 유량을 측정하기 위한 질량 유량 센서;
    관통홀을 갖는 헤드 및 상기 헤드와 연결되는 연결축을 포함하는 밸브 바디와, 상기 유체의 유량을 조절하기 위해 상기 밸브 바디의 개방 정도를 조절하는 제1 구동 유닛 및 상기 유로가 차단되는 경우 상기 유로 내의 유체를 배출하기 위해 상기 관통홀이 상기 유로와 연결되도록 상기 연결축을 회전시키는 제2 구동 유닛을 포함하며, 상기 방출부와 인접하여 상기 유로와 연결되는 밸브; 및
    상기 질량 유량 센서에 의해 측정된 질량 유량과 기준 유량을 비교하여 상기 유체의 질량 유량이 기준 유량과 일치시키며, 상기 유로가 차단되는 경우 상기 유로 내의 유체를 배출하기 위해 상기 밸브의 동작을 제어하는 밸브 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 질량 유량 제어기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 밸브가 상기 제1 구동 유닛에 의해 개방되어 있는 동안 상기 관통홀을 통한 유체의 흐름이 차단되도록 상기 관통홀의 중심축이 상기 유체의 유동 방향에 대하여 수직하는 방향으로 배치되는 것을 특징으로 하는 질량 유량 제어기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 유로가 상기 밸브에 의해 비정상적으로 닫힌 경우, 상기 관통홀을 통하여 상기 유로가 연결되는 것을 특징으로 하는 질량 유량 제어기.
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