KR20080068918A

KR20080068918A - 펌프에 있어서 기계식 피스톤의 위치 제어를 위한 시스템및 방법

Info

Publication number: KR20080068918A
Application number: KR1020087014266A
Authority: KR
Inventors: 조오지 곤넬라; 제임스 세드론; 이라즈 가쉬가이
Original assignee: 엔테그리스, 아이엔씨.
Priority date: 2005-11-21
Filing date: 2006-11-20
Publication date: 2008-07-24
Also published as: TW201350680A; WO2007061957A3; TWI493107B; WO2007061957A8; JP5674853B2; CN103016324A; TWI405905B; EP1954946A4; KR101283259B1; CN103016324B; WO2007061957B1; JP2013150549A; JP5339915B2; KR101279747B1; JP2009529847A; EP1954946A2; WO2007061957A2; KR20130036380A; TW200726914A; EP1954946B1

Abstract

본원에 개시된 시스템 및 방법의 실시예는, 유체의 운동과 토출량에 대하여 실시간 제어와, 원만한 동작의 제어, 그리고 매우 정확하고 반복적인 위치 제어를 행하기 위한, 반도체 제조에 유용한 펌핑 시스템에서, BLDCM을 이용하여 단단 펌프 혹은 다단 펌프를 구동한다. BLDCM은 맞춤 필드 지향 제어 방식을 실행하는 프로세서에 실시간으로 위치를 피드백하는 위치 센서를 채용할 수 있다. 본 발명의 실시예는 맞춤 제어 방식을 통하여 기본 기능(들)의 임계성에 따라 BLDCM의 작동 주파수를 높이고 낮춤으로써, 토출 펌프의 정확한 위치 제어를 바람직하지 못하게 양보하는 일 없이 열 발생을 줄일 수 있다. 상기 제어 방식은 BLDCM을 매우 낮은 속도로 구동시키면서 일정한 속도를 유지할 수 있으며, 이로써 펌핑 시스템은 진동을 최소화하고 토출 성능과 작업 능력을 실질적으로 증대시키면서 넓은 속도 범위로 작동할 수 있게 된다.

Description

펌프에 있어서 기계식 피스톤의 위치 제어를 위한 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR POSITION CONTROL OF A MECHANICAL PISTON IN A PUMP}

관련 출원에 대한 상호 참조

본원은 2005년 12월 2일자로 출원된 "펌프에 있어서 기계식 피스톤의 위치 제어를 위한 시스템 및 방법(SYSTEM AND METHOD FOR POSITION CONTROL OF A MECHANICAL PISTON IN A PUMP)"이란 명칭의 미국 가특허 출원 제60/741,660호와, 2006년 9월 1일자로 출원된 "펌프에 있어서 기계식 피스톤의 위치 제어를 위한 시스템 및 방법(SYSTEM AND METHOD FOR POSITION CONTROL OF A MECHANICAL PISTON IN A PUMP)"이란 명칭의 미국 가특허 출원 제60/841,725호를 우선권으로 주장하는데, 사실상 두 특허 출원 모두 본원에 그 내용이 참조로 인용되어 있다.

본 발명은 유체 펌프에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명의 실시예는 반도체 제조에 유용한 모터 구동식 단단 혹은 다단 펌프에 있어서 기계식 피스톤의 위치를 제어하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.

유체가 펌핑 장치에 의해 토출되는 양 및/또는 속도에 대하여 정확한 제어를 필요로 하는 많은 용례가 있다. 반도체 처리에서는, 예컨대 포토레지스트 화학 물질과 같은 광화학 물질이 반도체 웨이퍼에 도포되는 양과 속도를 제어하는 것이 중 요하다. 처리 중에 반도체 웨이퍼에 도포되는 코팅은 대개 웨이퍼 표면에 걸쳐서 소정의 평탄도 및/또는 균일한 두께를 필요로 하는데, 평탄도 및/또는 두께는 옹스트롬(Å) 단위로 측정되는 것이다. 처리 화학 물질이 웨이퍼에 도포(즉, 토출)되는 속도는, 처리 액체가 균일하게 도포되는 것을 보장하도록 신중하게 제어되어야만 한다.

오늘날 반도체 산업에서 사용되는 광화학 물질은 대개 매우 고가이며, 리터당 $ 1000에 달한다. 따라서, 최저의 양이지만 충분한 양의 화학 물질을 사용하는 것과, 펌핑 장치가 화학 물질에 손상을 입히지 않는 것을 보장하는 것이 매우 바람직하다.

불행하게도, 이러한 바람직한 특성은 현재의 펌핑 시스템으로 달성하기가 매우 곤란할 수 있는데, 그 이유는 서로 관련지어져 있는 장애물이 다수 존재하기 때문이다. 예컨대, 입력 전원 문제로 인해, 압력은 시스템별로 다를 수 있다. 유체의 동적 특성과 속성으로 인하여, 압력은 유체별로 다를 필요가 있다(예컨대, 유체의 점성이 클수록 더 큰 압력을 필요로 함). 작동시에, 펌핑 시스템의 여러 부분(예컨대, 스텝 모터)에서 일어나는 진동은 펌핑 시스템의 성능에, 특히 토출 단계에서의 성능에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 공압 펌프를 이용하는 펌핑 시스템의 경우, 솔레노이드가 켜질 때에 큰 압력 스파이크가 야기될 수 있다. 또한, 다단 펌프를 이용하는 펌핑 시스템의 경우, 작동시의 작은 돌발 고장이 액체에 강렬한 압력 스파이크를 야기할 수 있다. 이러한 압력 스파이크와 뒤이은 압력 하강은 유체에 손상을 입힐 수 있다(즉, 유체의 물리적 특성을 바람직하지 못하게 변화시 킬 수 있다). 추가적으로, 압력 스파이크는 유체 압력의 상승으로 이어질 수 있으며, 이로 인하여 토출 펌프는 의도했던 것보다 더 많은 유체를 토출하게 되거나 혹은 유체를 바람직하지 못한 동적 특성을 갖는 방식으로 토출하게 된다. 또한, 전술한 장애물이 서로 관련지어져 있기 때문에, 때때로 해결책은 더 많은 문제를 야기하거나 및/또는 문제를 악화시킬 수 있다.

일반적으로, 펌핑 시스템은 사이클 동안에 압력 변동을 만족할 만하게 제어할 수 없다. 유체의 운동과 토출량에 대하여 실시간 제어와, 원만한 동작의 제어, 그리고 매우 정확하고 반복적인 위치 제어를 제공할 수 있는 새로운 펌핑 시스템이 요구되고 있다. 특히, 펌프에 있어서 기계식 피스톤의 정확하고 반복적인 위치 제어가 요구되고 있다. 본 발명의 실시예는 이러한 요구 및 그 이상에 대처할 수 있다.

본 발명의 실시예는 펌프에 있어서 기계식 피스톤의 정확하고 반복적인 위치 제어를 위한 시스템 및 방법을 제공하는데, 이 실시예는 반도체 제조에 사용되던 이전에 개발된 펌핑 시스템 및 방법의 단점을 실질적으로 없애거나 줄인다. 구체적으로, 본 발명의 실시예는 모터 구동식 펌프를 구비한 펌핑 시스템을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에서, 모터 구동식 펌프는 토출 펌프이다.

본 발명의 여러 실시예에서, 토출 펌프는 다단 펌프 혹은 단단 펌프의 일부일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 2단 토출 펌프는 필드 지향 제어(FOC)를 이용하는 영구자석 동기식 모터(PMSM)와 디지털 신호 처리기(DSP)에 의해 구동된다.

본 발명의 일 실시예에서, 토출 펌프는 실시간 위치 피드백용의 위치 센서를 구비하는 무브러시 DC 모터(BLDCM)에 의해 구동된다.

본원에 개시된 본 발명의 여러 실시예의 장점으로는, 유체의 운동과 토출량에 대하여 실시간 제어와, 원만한 동작의 제어, 그리고 매우 정확하고 반복적인 위치 제어를 제공할 수 있다는 점이 있다.

본 발명의 목적은 토출 펌프의 정확한 위치 제어를 바람직하지 못하게 양보하는 일 없이 열 발생을 줄이는 것이다. 이러한 목적은 토출 등과 같이 중요한 기능에 대해서는 모터의 위치 제어 알고리즘의 작동 주파수를 증대시키고 중요하지 않은 기능에 대해서는 작동 주파수를 최적 범위로 감소시키도록 구성되어 있는 맞춤 제어 방식을 갖는 본 발명의 여러 실시예에서 달성 가능하다.

본 발명의 실시예에 의해 제공되는 다른 장점은 향상된 속도 제어이다. 본원에 개시된 맞춤 제어 방식은 모터를 매우 낮은 속도로 작동시킬 수 있고, 또한 일정한 속도를 유지할 수 있으며, 이로써 본원에 개시된 새로운 펌핑 시스템은 진동을 최소화하고 토출 성능과 작업 능력을 실질적으로 증대시키면서 넓은 속도 범위로 작동할 수 있게 된다.

유사한 도면 부호로 유사한 구성 요소를 표시하고 있는 첨부 도면과 함께 이하의 상세한 설명을 참조해 보면, 본 발명과 그 장점을 더 완전하게 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 무브러시 DC 모터를 구비한 모터 조립체의 모식도.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 무브러시 DC 모터가 실시된 다중 단 펌프("다단 펌프)의 모식도.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 다단 펌프가 실시된 펌핑 시스템의 모식도.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 관련하여 밸브 및 모터의 타이밍을 보여주는 모식도.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 무브러시 DC 모터와 스텝 모터 간의 평균 토크 출력 및 속도의 범위를 비교하여 보여주는 도표.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 무브러시 DC 모터와 스텝 모터 간의 평균 모터 전류 및 부하를 비교하여 보여주는 도표.

도 7은 30 kHz의 모터 작동과 10 kHz의 모터 작동 간의 차이점을 보여주는 도표.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른, 무브러시 DC 모터와 스텝 모터의 여러 단에 있어서의 압력 제어 타이밍을 예시하는 차트.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른, 무브러시 DC 모터와 스텝 모터의 여과 공정의 초기에 있어서의 압력 제어 타이밍을 예시하는 차트.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른, 무브러시 DC 모터가 실시된 단단 펌프의 모식도.

여러 도면에 있어서 유사하고 대응하는 부분을 지시하는 데에 유사한 도면 부호를 사용하고 있고 축척에 맞게 도시된 것은 아닌 상기 도면을 참조로 하여, 이하에서는 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

본 발명의 실시예는 반도체 제조 동안에 유체를 웨이퍼 상에 공급 및 토출하기 위한 다중 단("다단") 펌프를 구비한 펌핑 시스템에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명의 실시예는, 유체의 운동 및 유체의 웨이퍼 상으로의 토출량을 매우 정확하게 그리고 반복적으로 제어하기 위하여, 스텝 모터에 의해 구동되는 공급 단 펌프와 무브러시 DC 모터에 의해 구동되는 토출 단 펌프를 포함하는 다단 펌프가 실시되어 있는 펌핑 시스템을 제공한다. 본원에 기술된 다단 펌프와 이러한 펌프가 실시된 펌핑 시스템은 제한의 의도로 제공된 것이 아니라 예로서 제공된 것이며, 본 발명의 실시예는 그 밖의 다단 펌프 형태에 대해서도 실시될 수 있음을 유의하라. 이하에서는 위치 제어가 매우 정확하게 그리고 반복적으로 이루어지는 모터 구동식 펌핑 시스템의 실시예를 상세히 기술한다.

도 1은 모터(3030)와 이 모터에 결합된 위치 센서(3040)를 구비하는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 조립체(3000)의 개략도이다. 도 1에 도시된 예에서, 다이어프램 조립체(3010)는 리드 나사(3020)를 통해 모터(3030)에 연결된다. 일 실시예에서, 모터(3030)는 영구자석 동기식 모터("PMSM")이다. 브러시 DC 모터의 경우, 전류의 극성은 정류자 및 브러시에 의해 변경된다. 그러나, PMSM의 경우, 극성의 역전은 전력 트랜지스터를 회전자의 위치와 동기식으로 스위칭하는 것을 통해 수행된다. 따라서, PMSM은 "브러시가 없는" 것을 특징으로 할 수 있고, 브러시 DC 모터보다 믿을만한 것으로 고려된다. 추가적으로, PMSM은 회전자의 자석을 이용하여 회전자 자속을 발생시킴으로써 효율이 향상될 수 있다. PMSM의 다른 장점으로는 진동 감소, (브러시의 제거를 통한) 노이즈 감소, 효율적인 열 소산, 작은 점유 공간 및 작은 회전자 관성 등이 있다. 회전자의 운동에 의해 고정자 내에 유도되는 역자기력은, 고정자가 권취되는 방식에 따라 서로 다른 프로파일을 가질 수 있다. 어느 한 프로파일은 사다리꼴 형상을 가질 수 있고, 다른 프로파일은 사인파 모양을 가질 수 있다. 본원에서 용어 "PMSM"은 모든 타입의 무브러시 영구자석 모터를 대표하도록 되어 있으며, 용어 "무브러시 DC 모터(BLDCM)"와 서로 바꿔서 사용될 수 있다.

본 발명의 실시예에서, BLDCM(3030)은 도 2에 도시된 다단 펌프(100) 등과 같은 펌프에 공급 모터 및/또는 토출 모터로서 이용될 수 있다. 이 예에서, 다단 펌프(100)는 공급 단 부분(105)과 별도의 토울 단 부분(110)을 포함한다. 공급 단(105)과 토출 단(110)은 다단 펌프(100)에서 유체를 펌핑하는 롤링 다이어프램 펌프를 포함할 수 있다. 예컨대, 공급 단 펌프(150)["공급 펌프(150)"]는 유체를 수집하기 위한 공급 챔버(155), 공급 챔버(155) 내에서 움직여서 유체를 변위시키는 공급 단 다이어프램(160), 공급 단 다이어프램(160)을 이동시키기 위한 피스톤(165), 리드 나사(170), 및 공급 모터(175)를 포함한다. 리드 나사(170)는 너트, 기어, 또는 에너지를 모터에서 리드 나사(170)로 부여하기 위한 그 밖의 기구를 통하여 공급 모터(175)에 결합된다. 공급 모터(175)는 너트를 회전시키고, 이 너트가 다시 리드 나사(170)를 회전시키며, 이로 인해 피스톤(165)이 움직이게 된다. 공급 모터(175)는 임의의 적절한 모터(예컨대, 스텝 모터, BLDCM 등)일 수 있다. 본 발명의 일 실시에에서, 공급 모터(175)는 스텝 모터로 실시된다.

토출 단 펌프(180)["토출 펌프(180)"]는 토출 챔버(185), 토출 단 다이어프램(190), 피스톤(192), 리드 나사(195) 및 토출 모터(200)를 포함할 수 있다. 토출 모터(200)는 BLDCM을 비롯한 임의의 적절한 모터일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 토출 모터(200)는 도 1의 BLDCM(3030)으로 실시된다. 토출 모터(200)는 토출 모터(200)에서 필드 지향 제어("FOC")를 이용하는 디지털 신호 처리기("DSP")에 의해, 다단 펌프(100)에 탑재된 제어기에 의해, 또는 별도의[예컨대, 펌프(100)의 외부에 있는] 펌프 제어기에 의해 제어될 수 있다. 토출 모터(200)는 토출 모터(200)의 위치를 실시간 피드백하기 위한 인코더[예컨대, 미세 라인 회전 위치 인코더 또는 위치 센서(3040)]를 더 포함할 수 있다. 위치 센서를 사용하면, 피스톤(192)의 위치가 정확하게 그리고 반복적으로 제어되고, 이로써 토출 챔버(185)에 있어서 유체의 운동에 대한 정확하고 반복적인 제어가 행해진다. 예컨대, 일 실시예에 따라 DSP에 8000 펄스를 제공하는 2000 라인 인코더를 사용하면, 회전 각도를 0.045°단위로 정확하게 측정하고 제어할 수 있다. 또한, BLDCM은 저속에서 진동이 거의 없거나 전혀 없는 상태로 구동될 수 있다. 또한, 토출 단 부분(110)은 토출 단(100)에 있어서의 유체의 압력을 측정하는 압력 센서(112)를 더 포함할 수 있다. 압력 센서(112)에 의해 측정된 압력은 여러 펌프의 속도를 제어하는데 사용될 수 있다. 적절한 압력 센서로는 세라믹 및 폴리머 기반의, 압전저항형 및 용량성 압력 센서 등이 있으며, 이러한 센서로는 독일 코르브 소재의 Metallux AG에서 제조되는 것이 있다.

공정 유체로부터 불순물을 여과하기 위한 필터(120)는, 유체의 흐름의 관점에서 보면 공급 단 부분(105)과 토출 단 부분(110) 사이에 위치한다. 다수의 밸브[예컨대, 유입 밸브(125), 격리 밸브(130), 차단 밸브(135), 퍼지 밸브(140), 배출 밸브(145) 및 유출 밸브(147) 등]가 적절히 배치되어, 유체가 다단 펌프(100)를 통과하는 방식을 제어할 수 있다. 다단 펌프(100)의 여러 부분으로의 유체 흐름을 허용하거나 제한하도록, 다단 펌프(100)의 밸브가 개폐된다. 다단 펌프의 밸브는 정압 혹은 부압(진공)이 인가되는가에 따라 개방되거나 폐쇄되는 공압에 의해 작동되는 (즉, 가스 구동식) 다이어프램 밸브일 수 있다. 그 밖의 적절한 밸브도 가능하다.

작동 시에, 다단 펌프(100)는 준비 구간, 토출 구간, 충전 구간, 예비 여과 구간, 여과 구간, 배출 구간, 퍼지 구간, 정적 퍼지 구간을 포함할 수 있다(도 4 참조). 공급 구간 동안에는 유입 밸브(125)가 개방되고 공급 단 펌프(150)가 공급 단 다이어프램(160)을 움직여서(예컨대, 당겨서) 유체를 공급 챔버(155) 안으로 끌어들인다. 충분한 양의 유체가 공급 챔버(155)에 채워지면, 유입 밸브(125)가 폐쇄된다. 여과 구간 동안에는 공급 단 펌프(150)가 공급 단 다이어프램(160)을 움직여서 유체를 공급 챔버(155)로부터 변위시킨다. 유체가 필터(120)를 지나서 토출 챔버(185)로 유동하는 것을 허용하도록, 격리 밸브(130)와 차단 밸브(135)가 개방된다. 일 실시예에 따르면, 필터(120)에 있어서 압력이 상승하는 것을 허용하도 록 격리 밸브(130)가 먼저 (예컨대, "예비 여과 구간"에서) 개방된 이후에, 유체가 토출 챔버(185) 안으로 유동하는 것을 허용하도록 차단 밸브(135)가 개방될 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 격리 밸브(130)와 차단 밸브(135)가 모두 개방될 수 있고, 필터의 토출 측에 있어서 압력을 상승시키도록 공급 펌프가 움직일 수 있다. 여과 구간 동안에, 토출 펌프(180)는 홈 위치에 이르게 될 수 있다. Laverdiere 등이 2004년 11월 23일자로 출원한(대리인 서류 제ENTG1590호) "가변 홈 위치 토출 장치용 시스템 및 방법(SYSTEM AND METHOD FOR A VARIABLE HOME POSITION DISPENSE SYSTEM)"이란 명칭의 미국 가특허 출원 제60/630,384호와, Laverdiere 등이 2005년 11월 21일자로 출원한(대리인 서류 제ENTG1590/PCT호) "가변 홈 위치 토출 장치용 시스템 및 방법(SYSTEM AND METHOD FOR A VARIABLE HOME POSITION DISPENSE SYSTEM)"이란 명칭의 PCT 특허 출원 PCT/US2005/042127호에 기술되어 있는 바와 같이, 토출 펌프의 홈 위치는 토출 사이클 동안에 토출 펌프에 가장 큰 가용 체적을 제공하는 위치일 수 있지만, 이 가용 체적은 토출 펌프가 제공할 수 있는 최대 가용 체적보다는 작은데, 상기 두 특허 출원의 내용은 본원에 참조로 인용되어 있다. 다단 펌프(100) 중에서 사용하지 않은 보유 체적을 줄이기 위해, 토출 사이클과 관련된 여러 파라미터에 기초하여 홈 위치를 선택한다. 이와 마찬가지로, 공급 펌프(150)는 그 최대 가용 체적보다 작은 체적을 제공하는 홈 위치에 이르게 될 수 있다.

유체가 토출 챔버(185)에 유입될 때, 유체의 압력이 증가한다. Gonnella 등이 2005년 12월 2일자로 출원한(대리인 서류 제ENTG1630호) "유압의 제어를 위한 시스템 및 방법(SYSTEM AND METHOD FOR CONTROL OF FLUID PRESSURE)"이란 명칭의 미국 특허 출원 제11/292,559호에 기술된 바와 같이, 토출 챔버(185) 내의 압력은 공급 펌프(150)의 속도를 조절하는 것을 통해 제어될 수 있는데, 상기 특허 출원의 내용은 본원에 참조로 인용되어 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 토출 챔버(185) 내의 유체 압력이 예정된 압력 설정점에 도달할 때[예컨대, 압력 센서(112)에 의해 결정됨], 토출 단 펌프(180)는 토출 단 다이어프램(190)을 뒤로 당기기 시작한다. 다시 말해서, 토출 단 펌프(180)는 유체의 토출 챔버(185)로의 유입을 허용하도록 토출 챔버(185)의 가용 체적을 증대시킨다. 이는, 예컨대 토출 모터(200)를 예정된 속도로 역회전시켜서 토출 챔버(185) 내의 압력을 줄이는 것을 통해 실시될 수 있다. 토출 챔버(185) 내의 압력이 (시스템의 공차 범위 내에서) 설정점 아래로 떨어지는 경우, 토출 챔버(185) 내의 압력을 설정점에 도달하게 하도록 공급 모터(175)의 속도가 증대된다. 상기 압력이 (시스템의 공차 범위 내에서) 설정점을 넘어서는 경우, 공급 모터(175)의 속도는 줄어들고, 하류측 토출 챔버(185) 내의 압력이 감소하게 된다. 공급 모터(175)의 속도를 증가 및 감소시키는 공정은, 토출 단 펌프가 홈 위치에 도달할 때까지 반복될 수 있고, 이 시점에 공급 모터와 토출 모터가 모두 멈춰질 수 있다.

다른 실시예에 따르면, 여과 구간 동안에 제1 단 모터의 속도는 "무반응 영역" 제어 방식을 사용하여 제어될 수 있다. 토출 챔버(185) 내의 압력이 초기 임계값에 도달할 때, 토출 단 펌프는 유체의 보다 자유로운 토출 챔버(185)로의 유입을 허용하도록 토출 단 다이어프램(190)을 이동시킬 수 있고, 이에 의해 토출 챔 버(185) 내의 압력이 하강하게 된다. 압력이 최저 압력 임계값 아래로 떨어지는 경우, 공급 모터(175)의 속도가 증대되어, 토출 챔버(185) 내의 압력이 증가하게 된다. 토출 챔버(185) 내의 압력이 최대 압력 임계값을 넘어서게 되는 경우, 공급 모터(175)의 속도가 줄어든다. 게다가, 공급 모터(175)의 속도를 증가 및 감소시키는 공정은, 토출 단 펌프가 홈 위치에 도달할 때까지 반복될 수 있다.

배출 구간이 시작될 때, 격리 밸브(130)는 개방되고, 차단 밸브(135)는 폐쇄되며, 배출 밸브(145)는 개방된다. 다른 실시예에서, 차단 밸브(135)는 배출 구간 동안에 개방된 채로 유지되고, 배출 구간이 끝날 때 폐쇄될 수 있다. 이러한 기간 동안에, 차단 밸브(135)가 개방되어 있다면, 압력 센서(112)에 의해 측정될 수 있는 토출 챔버 내의 압력이 필터(120)의 압력에 의해 영향을 받을 것이기 때문에, 압력은 제어기에 의해 파악될 수 있다. 공급 단 펌프(150)는 개방된 배출 밸브(145)를 통하여 기포를 필터(120)로부터 제거하도록 유체에 압력을 가한다. 배출이 예정된 속도로 일어나게 하여, 배출 시간을 늘리고 배출 속도를 늦추는 것을 허용하며, 이를 통해 배출물의 양을 정확하게 제어하는 것을 허용하도록, 공급 단 펌프(150)를 제어할 수 있다. 공급 펌프가 공압 스타일 펌프인 경우, 유체 유동 저항체가 배출 유로에 설치될 수 있고, 공급 펌프에 인가되는 공기 압력은 "배출" 설정 압력을 유지하도록 증대되거나 감소되어, 달리 제어되지 않는 방법에 대해 약간의 제어를 제공할 수 있다.

퍼지 구간이 시작될 때, 격리 밸브(130)는 폐쇄되고, 차단 밸브(135)는 배출 구간에서 개방되어 있었다면 폐쇄되며, 배출 밸브(145)가 폐쇄되고, 퍼지 밸 브(140)가 개방되며, 그리고 유입 밸브(125)가 개방된다. 토출 펌프(180)는 기포를 퍼지 밸브(140)를 통해 배출하도록 토출 챔버(185) 내의 유체에 압력을 인가한다. 정적 퍼지 구간 동안에, 토출 펌프(180)는 정지되지만, 퍼지 밸브(140)는 개방 상태로 유지되어 공기를 계속 배출한다. 퍼지 구간 또는 정적 퍼지 구간 동안에 제거되는 임의의 잉여 유체는 다단 펌프(100)의 밖으로 보내지거나(예컨대, 유체 공급원으로 되돌려 보내지거나 버려짐) 또는 공급 단 펌프(150)로 재순환될 수 있다. 준비 구간 동안에, 공급 단 펌프(150)가 공급원(예컨대, 공급 용기)의 주변 압력에 이를 수 있도록, 유입 밸브(125), 격리 밸브(130) 및 차단 밸브(135)는 개방되고 퍼지 밸브(140)는 폐쇄될 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 준비 구간에서 모든 밸브는 폐쇄될 수 있다.

토출 구간 동안에, 유출 밸브(147)는 개방되고 토출 펌프(180)는 토출 챔버(185) 내의 유체에 압력을 인가한다. 유출 밸브(147)는 토출 펌프(180)보다 느리게 제어에 응답할 수 있기 때문에, 유출 밸브(147)가 먼저 개방되고 예정된 약간의 기간이 지난 이후에 토출 모터(200)가 기동될 수 있다. 이는 토출 펌프(180)가 유체를 부분 개방된 유출 밸브(147)를 통과하게 밀어넣는 것을 방지한다. 또한, 이는 유출 밸브의 개방으로 인해 유체가 토출 노즐을 향해 올라가는 것(이는 미니 펌프임)과, 뒤이어 토출 모터의 작동으로 인해 유체가 전진 운동하는 것을 방지한다. 다른 실시예에서는, 유출 밸브(147)가 개방되고 이와 동시에 토출 펌프(180)에 의해 토출이 시작될 수 있다.

토출 노즐 내의 잉여 유체를 제거하는 추가적인 흡입(suckback) 구간이 수행 될 수 있다. 흡입 구간 동안에, 유출 밸브(147)는 폐쇄될 수 있고, 보조 모터 또는 진공을 이용하여 잉여 유체를 토출 노즐 밖으로 빨아낼 수 있다. 별법으로서, 유출 밸브(147)는 개방 상태로 유지될 수 있고, 상기 유체를 토출 챔버로 돌려보내기 위해 토출 모터(200)를 역회전시킬 수 있다. 흡입 구간은 잉여 유체가 웨이퍼 상으로 적하(滴下)하는 것을 방지하는데 기여한다.

도 3은 다단 펌프(100)가 실시된 펌핑 시스템(10)을 보여주는 모식도이다. 펌핑 시스템(10)은 유체를 웨이퍼(25) 상으로 토출하기 위해 다단 펌프(100)와 함께 작동하는 유체 공급원(15) 및 펌프 제어기(20)를 더 포함할 수 있다. 다단 펌프(100)의 작동은 펌프 제어기(20)에 의해 제어될 수 있다. 펌프 제어기(20)는 다단 펌프(100)의 작동을 제어하기 위한 제어 명령(30)의 세트가 들어있는 컴퓨터 판독 가능한 매체(27)(예컨대, RAM, ROM, 플래시 메모리, 광디스크, 자기 디스크, 또는 그 밖의 컴퓨터 판독 가능한 매체)를 포함할 수 있다. 프로세서(35)(예컨대, CPU, ASIC, RISC, DSP 또는 그 밖의 프로세서)는 상기 명령을 실행한다. 구체적으로, 펌프 제어기는 다단 펌프(100)에 내장되거나, 또는 제어 신호, 데이터 혹은 그 밖의 정보를 통신하기 위한 하나 이상의 통신 링크를 통하여 다단 펌프(100)에 연결될 수 있다. 예를 들면, 펌프 제어기(20)는 통신 링크(40 및 45)를 통하여 다단 펌프(100)에 통신 연결되는 것으로 도 3에 도시되어 있다. 통신 링크(40 및 45)는 네트워크(예컨대, 이더넷, 무선 네트워크, 글로벌 네트워크, DeviceNet 네크워크 또는 당업계에 알려져 있거나 개발되고 있는 그 밖의 네트워크), 버스(예컨대 SCSI 버스), 또는 그 밖의 통신 링크일 수 있다. 펌프 제어기(20)는 내장 PCB 기판 혹 은 원격 제어기로서 실시되거나, 그 밖의 적절한 방식으로 실시될 수 있다. 펌프 제어기(20)가 다단 펌프(100)와 통신하는 것을 허용하기에 적합한 인터페이스(예컨대, 네트워크 인터페이스, I/O 인터페이스, 아날로그-디지털 변환기 및 그 밖의 구성 요소)가 펌프 제어기(20)에 포함될 수 있다. 펌프 제어기(20)는 프로세서, 메모리, 인터페이스, 디스플레이 장치, 주변 장치 또는 그 밖의 컴퓨터 부품 등을 비롯한 당업계에 공지된 다양한 컴퓨터 부품을 포함할 수 있다. 펌프 제어기(20)는 다단 펌프의 여러 밸브 및 모터를 제어하여, 다단 펌프가 저점도 유체(즉, 100 센티푸아즈 미만) 또는 그 밖의 유체 등을 비롯한 유체를 정확하게 토출할 수 있게 한다. Cedrone 등이 2005년 12월 2일자로 출원한(대리인 서류 제ENTG1810호) "펌프 용의 I/O 인터페이스 시스템 및 방법(I/O INTERFACE SYSTEM AND METHOD FOR A PUMP)"이란 명칭의 미국 가특허 출원 제60/741,657호에 기술되어 있는 I/O 인터페이스 커넥터가, 펌프 제어기(20)를 다양한 인터페이스 및 제조 도구에 연결하는데 사용될 수 있다.

도 4는 다단 펌프(100)의 여러 작동 구간에 있어서 밸브 및 토출 모터의 타이밍을 모식적으로 보여준다. 구간이 바뀌는 동안에 몇몇 밸브가 일제히 폐쇄되는 것으로 도시되어 있지만, 압력 스파이크를 줄이기 위해 이들 밸브의 폐쇄 타이밍은 약간 구분되게(예컨대, 100 밀리초) 조절될 수 있다. 예컨대, 배출 구간과 퍼지 구간 사이에서는, 배출 밸브(145)를 폐쇄하기 바로 전에 격리 밸브(130)를 폐쇄할 수 있다. 그러나, 본 발명의 다양한 실시예에서는 다른 밸브 타이밍이 이용될 수 있음을 유의하라. 추가적으로, 몇몇 구간은 함께 수행될 수 있다(예컨대, 충전/토 출 단계는 동시에 수행될 수 있으며, 이 경우에 유입 밸브와 유출 밸브 모두가 충전/토출 구간에서 개방될 수 있다). 또한, 특정 구간은 매(每) 사이클마다 반복 수행할 필요가 없음을 유의하라. 예컨대, 퍼지 구간과 정적 퍼지 구간은 매 사이클마다 수행되지는 않는다. 이와 마찬가지로, 배출 구간은 매 사이클마다 수행되지는 않는다. 또한, 재충전 이전에 여러 번의 토출이 수행될 수 있다.

여러 밸브의 개폐는 유체에 있어서 압력 스파이크를 일으킬 수 있다. 정적 퍼지 구간이 끝날 때 퍼지 밸브(140)를 폐쇄하면, 예컨대 토출 챔버(185)의 압력이 상승하게 될 수 있다. 각 밸브는 폐쇄될 때 소량의 유체를 변위시킬 수 있기 때문에, 이러한 압력 상승이 일어날 수 있다. 예컨대, 퍼지 밸브(140)의 폐쇄시에는 소량의 유체가 퍼지 밸브에 의해서 토출 챔버(185)를 향해 변위될 수 있다. 퍼지 밸브(140)의 폐쇄로 인하여 압력의 상승이 일어날 때 유출 밸브(147)가 폐쇄되기 때문에, 압력이 줄어들지 않는다면 이후의 토출 구간 동안에, 유체의 웨이퍼 상으로의 "스피팅(spitting)"이 발생할 수 있다. 이러한 압력을 정적 퍼지 구간 동안에 또는 추가적인 구간 동안에 해제하기 위해, 토출 모터(200)는 차단 밸브(135) 및/또는 퍼지 밸브(140)의 폐쇄에 의해 야기된 임의의 압력 증가를 보상하는 예정된 거리만큼 피스톤(192)을 후퇴시키도록 역회전될 수 있다. 밸브[예컨대, 퍼지 밸브(140)]의 폐쇄에 의해 야기된 압력 상승을 교정하는 것에 관한 일 실시예가, Gonnella 등이 2005년 12월 2일자로 출원한(대리인 서류 제ENTG1420-3호) "모터를 이용하여 압력 변동을 교정하는 시스템 및 방법(SYSTEM AND METHOD FOR CORRECTING FOR PRESSURE VARIATIONS USING A MOTOR)"이란 명칭의 미국 가특허 출원 제 60/741,681호에 기술되어 있으며, 이 특허 출원의 내용은 본원에 참조로 인용되어 있다.

또한, 공정 유체에 있어서의 압력 스파이크는, 갇힌 공간들을 형성하도록 밸브를 폐쇄하고 이러한 갇힌 공간들 사이에 있는 밸브를 개방하는 것을 회피함으로써 줄어들 수 있다. Gonnella 등이 2005년 12월 2일자로 출원한(대리인 서류 제ENTG1740호) "펌프에 있어서 밸브의 작동 순서를 정하기 위한 시스템 및 방법(SYSTEM AND METHOD FOR VALVE SEQUENCING IN A PUMP)"이란 명칭의 미국 가특허 출원 제60/742,168호에는, 공정 유체에 있어서 압력 스파이크를 줄이기 위한 밸브 개방 및 폐쇄 타이밍의 일 실시예가 기술되어 있다.

또한, 준비 구간 동안에, 토출 챔버(185) 내의 압력은 다이어프램의 속성, 온도, 또는 그 밖의 인자에 기초하여 바뀔 수 있음을 유의하라. James Cedrone이 2005년 12월 2일자로 출원한(대리인 서류 제ENTG1800호) "펌프에 있어서 압력을 보상하기 위한 시스템 및 방법(SYSTEM AND METHOD FOR PRESSURE COMPENSATION IN A PUMP)"이란 명칭의 미국 가특허 출원 제60/741,682호에 기술되어 있는 바와 같이, 토출 모터(200)는 이러한 압력 드리프트를 보상하도록 제어될 수 있으며, 상기 특허는 본원에 그 내용이 참조로 인용되어 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 잠재적으로 유해한 압력 변동을 회피하거나 혹은 경감할 수 있는 원만한 유체 취급 특성을 갖춘 다단 펌프를 제공한다. 또한, 본 발명의 실시예는 압력이 공정 유체에 미치는 유해한 영향을 줄이는 것을 돕도록 다른 펌프 제어 기구 및 밸브 라이닝을 채용할 수 있다. 다단 펌프(100)용 펌프 조립체의 추가적인 예는, Zagars 등이 2005년 2월 4일자로 출원한(대리인 서류 제ENTG1420-2호) "정밀 펌핑 장치용 펌프 제어기(PUMP CONTROLLER FOR PRECISION PUMPING APPARATUS)"란 명칭의 미국 특허 출원 제11/051,576호에서 확인할 수 있을 것이며, 이 특허 출원의 내용은 본원에 참조로 인용되어 있다.

일 실시예에서, 다단 펌프(100)는 스텝 모터를 공급 모터(175)로서 포함하고 BLDCM(3030)을 토출 모터(200)로서 포함한다. 적절한 모터 및 관련 부품은 미국 뉴햄프셔주 도버에 소재하는 EAD Motors와 같은 곳으로부터 입수할 수 있다. 작동시에 BLDCM(3030)의 고정자는 고정자 자속을 일으키고 회전자는 회전자 자속을 일으킨다. 고정자 자속과 회전자 자속 간의 상호작용은 BLDCM(3030)의 토크, 더 나아가 속도를 형성한다. 일 실시예에서, 디지털 신호 처리기(DSP)는 모든 필드 지향 제어(FOC)를 수행하는데 사용된다. FOC 알고리즘은 컴퓨터 판독 가능한 매체에 수록되는 컴퓨터 실행 소프트웨어 명령으로 구현된다. BLDCM(3030)을 제어하고 FOC 알고리즘을 수 마이크로초 내에 완전히 실행하는 계산 능력, 속도 및 프로그램 가능성을 갖는 디지털 신호 처리기를, 현재는 비교적 미미한 부가 비용을 들여서 온칩 하드웨어 주변기기와 함께 사용할 수 있다. 본원에 개시된 발명의 실시예를 구현하는데 이용될 수 있는 DSP의 한 가지 예로는 텍사스주 달라스 소재의 텍사스 인스트루먼츠 인크에서 시판하는 16-비트 DSP(부품 번호 TMS320F2812PGFA)가 있다.

BLDCM(3030)은 실제 회전자 위치를 감지하는 적어도 하나의 위치 센서를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 위치 센서는 BLDCM(3030)의 외부에 위치할 수 있다. 일 실시예에서, 위치 센서는 BLDCM(3030)의 내부에 위치할 수 있다. 일 실시 예에서, BLDCM(3030)은 센서를 구비하지 않을 수 있다. 도 1에 도시된 예에서, 위치 센서(3040)는 BLDCM(3030)의 실제 회전자 위치를 실시간으로 피드백하기 위해 BLDCM(3030)에 결합되어 있는데, DSP는 상기 BLDCM(3030)의 실제 회전자 위치를 사용하여 BLDCM(3030)을 제어한다. 위치 센서(3040)를 구비한 구성은, 기계식 피스톤[예컨대, 도 2의 피스톤(192)]의 위치에 대하여 매우 정확하고 반복적인 제어가 이루어져서, 토출 펌프[예컨대, 도 2의 토출 펌프(180)]의 피스톤 변위 시에 유체의 이동 및 토출량에 대하여 매우 정확하고 반복적인 제어가 확실하게 이루어진다는 추가적인 이점이 있다. 일 실시예에서, 위치 센서(3040)는 미세 라인 회전 위치 인코더이다. 일 실시예에서, 위치 센서(3040)는 2000 라인 인코더이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 2000 라인 인코더는 DSP에 8000 펄스 또는 카운트를 제공할 수 있다. 2000 라인 인코더를 사용하면, 회전 각도를 0.045°단위로 정확하게 측정하고 제어할 수 있다. 다른 적절한 인코더도 또한 사용될 수 있다. 예컨대, 위치 센서(3040)는 1000 또는 8000 라인 인코더일 수 있다.

BLDCM(3030)은 매우 낮은 속도로 작동될 수 있으면서도 등속도를 유지할 수 있는데, 이는 진동이 거의 없거나 전혀 없다는 것을 의미한다. 스텝 모터 등과 같은 다른 기술에서는, 저속 작동시에 항상 진동이 펌프 시스템에 유발되었는데, 이러한 진동은 취약한 등속도 제어에 기인한 것이었다. 이러한 진동은 토출 성능을 악화시킬 것이고, 그 결과 작동의 윈도우 영역이 매우 좁아진다. 추가적으로, 진동은 공정 유체에 유해한 영향을 미칠 수 있다. 표 1과 도 5 내지 도 9는 스텝 모터와 BLDCM을 비교하고, BLDCM(3030)을 다단 펌프(100)의 토출 모터(200)로서 이용 할 때 나타나는 많은 장점을 입증한다.

항목	스텝 모터	BLDCM
부피 분해능(㎕/스텝)	1	0.1 (10배 향상)
기본 동작	작동, 멈춤, 대기, 작동, 대기 멈춤; 저속에서 모터의 진동과 "토출의 플리커링"을 야기함	연속 동작, 멈추지 않음
모터 전류, 전력	최대 조건에 관한 전류를 세팅하고, 요구되는 바와는 관계없이 전력 소비	부하에 적응 가능
토크 전달	낮음	높음
속도 성능	10∼30x	30,000x

표 1에서 확인할 수 있는 바와 같이, 스텝 모터에 비해 BLDCM은 상당히 증대된 분해능과 더불어, 연속적인 회전 동작, 낮은 전력 소비, 높은 토크 전달율 및 넓은 속도 범위를 제공할 수 있다. BLDCM의 분해능은 스텝 모터에 의해 제공되는 분해능에 비해 대략 10배 이상일 수 있다는 점을 유의하라. 이러한 이유로, BLDCM에 의해 제공될 수 있는 증분의 최소 단위는, 스텝 모터와 관련하여 일반적으로 사용되는 용어인 "스텝"과는 구분되게 "모터 증분"이라 한다. 이러한 모터 증분은 연속 동작을 제공할 수 있는 일 실시예에 따른 BLDCM에 있어서 측정 가능한 최소의 운동 단위인 반면에, 스텝 모터는 불연속적인 스텝으로 작동한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 BLDCM과 스텝 모터의 평균 토크 출력 및 속도 범위를 비교하여 보여주는 도표이다. 도 5에 예시된 바와 같이, BLDCM은 고속에서 스텝 모터의 토크 출력보다 거의 일정하게 높은 토크 출력을 유지할 수 있다. 또한, BLDCM의 속도 범위는 스텝 모터에 비해 더 넓다(예컨대, 1000배 이상). 이와는 대조적으로, 스텝 모터는 낮은 토크 출력을 갖는 경향이 있고 이러한 토크 출력도 속도의 증가시에 바람직하지 못하게 하락하는 경향이 있다(즉, 토크 출력이 고속에서 줄어든다).

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 BLDCM과 스텝 모터의 평균 모터 전류 및 부하를 비교하여 보여주는 도표이다. 도 6에 예시된 바와 같이, BLDCM은 시스템에 걸리는 부하에 적응 및 순응할 수 있고, 부하를 감당하는데 필요한 전력만을 사용한다. 이와는 대조적으로, 스텝 모터는 요구되는 바와는 관계없이, 최대 조건에 맞춰 세팅된 전류를 사용한다. 예컨대, 스텝 모터의 피크 전류는 150 밀리암페어(mA)이다. 1 lb 부하를 움직이는 데에는 10 lb 부하의 경우만큼의 전류를 필요로 하지 않음에도, 1 lb 부하뿐만 아니라 10 lb 부하를 움직이는 데에도 150 mA의 전류가 동일하게 사용된다. 그 결과, 스텝 모터는 작동 시에 부하와 상관없이 최대 조건에 관한 전력을 소비하고, 이는 에너지의 비효율적이고 비경제적인 사용을 초래한다.

BLDCM의 경우에는, 부하가 증가하거나 감소함에 따라 전류가 조절된다. 임의의 특정 시점에 있어서, BLDCM은 자기(自己) 보상을 하고, BLDCM 자체를 요구 속도로 회전시키는데 필요한 전류량을 BLDCM 자체에 공급하며, 부하를 움직이기 위한 힘을 필요한 만큼만 일으킬 것이다. 모터가 움직이지 않는 경우 전류는 매우 낮을 수 있다(10 mA 미만). BLDCM의 제어는 자기 보상 타입이므로(즉, 시스템에 걸리는 부하에 따라 그에 맞게 전류를 조절할 수 있으므로), 모터가 움직이지 않는 경우라도 항상 켜져 있다. 이와는 대조적으로, 용례에 따라서 스텝 모터는 움직이지 않을 때 꺼질 수 있다.

위치 제어를 유지하려면, BLDCM에 관한 제어 방식을 매우 자주 운용할 필요가 있다. 일 실시예에서, 제어 루프는 30 kHz로, 즉 사이클당 약 33 ㎳로 운용된다. 따라서, 33 ㎳마다 제어 루프는 BLDCM이 제 위치에 있는가를 체크한다. 만약 제 위치에 있다면, 어떠한 동작도 시도하지 않는다. 만약 제 위치에 있지 않다면, 전류를 조절하고 BLDCM을 제 위치로 강제 이동시키려는 시도를 한다. 이와 같은 신속한 자기 보상 동작에 의해 매우 정확한 위치 제어가 가능해지며, 이는 몇몇 용례에서 매우 바람직하다. 제어 루프를 통상적인 경우(예컨대, 10 kHz)에 비해 고속(예컨대, 30 kHz)으로 운용한다는 것은, 시스템에서 열이 과잉 발생한다는 것을 의미한다. 이는 BLDCM이 전류의 전환을 더 자주 행할수록 열 발생 기회가 더 많아지기 때문이다.

본 발명의 한 가지 양태에 따르면, 몇몇 실시예에서 BLDCM은 열 발생을 감안하여 구성된다. 구체적으로, 제어 루프는 단일 사이클 동안에 2가지 서로 다른 속도로 운용되도록 구성된다. 사이클 중 토출 구간 동안에, 제어 루프는 고속(예컨대, 30 kHz)으로 운용된다. 사이클 중 토출 이외의 구간 동안에, 제어 루프는 저속(예컨대, 10 kHz)으로 운용된다. 이러한 구성은 토출 구간 동안의 매우 정확한 위치 제어가 중요한 용례에서 특히 유용할 수 있다. 예를 들면, 토출 기간 동안에 제어 루프는 30 kHz로 운용되며, 이러한 운용은 뛰어난 위치 제어를 제공한다. 나머지 기간에는 속도가 10 kHz로 되돌아간다. 이와 같이 함으로써 온도를 크게 낮출 수 있다.

사이클 중 토출 구간은 용례에 따라 맞춰질 수 있다. 예를 들면, 토출 시스템은 20초 사이클을 수행할 수 있다. 한 번의 20초 사이클에서, 5초는 토출을 위한 것일 수 있고, 나머지 15초는 로깅(logging) 또는 재충전 등을 위한 것일 수 있다. 사이클과 사이클 사이에는, 15∼20초의 준비기간이 있을 수 있다. 따라서, BLDCM의 제어 루프는 사이클 중 작은 비율(예컨대, 5초)을 고주파수(예컨대, 30 kHz)로 운용하고, 사이클 중 큰 비율(예컨대, 15초)을 저주파수(예컨대, 10 kHz)로 운용할 것이다.

당업자라면 전술한 파라미터(예컨대, 5초, 15초, 30 kHz, 10 kHz 등)가 예시적인 것이고 한정의 의도가 없다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 작동 속도와 시간은 본원에 개시된 본 발명의 범위 및 정신 내에서 적합하게 조절되거나 또는 다른 방식으로 맞춰질 수 있다. 이러한 프로그램 가능한 파라미터를 결정하는 데 경험적 방법을 이용할 수 있다. 예컨대, 10 kHz는 매우 통상적인 BLDCM 운용 주파수이다. 다른 속도를 사용할 수도 있지만, BLDCM의 제어 루프를 10 kHz보다 느리게 운용하면, 위치 제어를 상실할 위험에 처할 수 있다. 일반적으로 위치 제어를 회복하기가 어렵기 때문에, BLDCM은 위치를 유지하는 것이 바람직하다.

본 발명의 이러한 양태의 한 가지 목표는, 위치 제어의 수준을 바람직하지 못하게 낮추는 일 없이 사이클 중 토출 이외의 구간 동안에 속도를 최대한 낮추는 것이다. 본원에 개시된 실시예에서 상기 목표는 BLDCM에 관한 맞춤 제어 방식을 통해 수행될 수 있다. 맞춤 제어 방식은, 토출 등과 같은 중요한 기능에 대하여 약간 과잉의/증강된 위치 제어를 확보하기 위해, 주파수를 (예컨대, 30 kHz로) 증대시키도록 되어 있다. 또한, 맞춤 제어 방식은 중요하지 않은 기능이 낮은 주파수(예컨대, 10 kHz)로 운용될 수 있게 함으로써 열 발생을 줄이도록 되어 있다. 추가적으로, 맞춤 제어 방식은 사이클 중 토출 이외의 구간 동안에 저주파수로 운용되어 야기되는 임의의 위치 제어 상실을 최소화하도록 되어 있다.

맞춤 제어 방식은 압력에 의해 특징 지워질 수 있는 바람직한 토출 프로파일을 제공하도록 되어 있다. 이러한 특징화는 압력 신호의 편차를 기초로 할 수 있다. 예컨대, 평탄한 압력 프로파일은 원만한 동작, 작은 진동, 더 나아가 양호한 위치 제어를 암시할 것이다. 이와는 대조적으로, 기준에서 벗어난 압력 신호는 열악한 위치 제어를 암시할 것이다. 도 7은 30 kHz의 모터 작동과 10 kHz의 모터 작동(0.5 mL/s로 10mL) 간의 차이점을 예시하는 도표이다. 처음 20초는 토출 단계이다. 도 7에서 확인할 수 있는 바와 같이, 토출 단계 동안에, 30 kHz의 토출은 10 kHz의 토출에 비해 더 원만하고 노이즈가 적은 압력 프로파일을 갖는다.

위치 제어에 관한 한, BLDCM을 10 kHz로 운용하는 것과 15 kHz로 운용하는 것의 차이는 미미할 수 있다. 그러나, 속도가 10 kHz 아래로 (예컨대, 5 kHz로) 떨어진다면, 이 속도는 양호한 위치 제어를 충분히 유지할 수 있을 정도로 빠르지 못할 수 있다. 예컨대, BLDCM의 일 실시예는 유체를 토출하도록 되어 있다. 위치 제어 루프가 1 ㎳ 미만(즉, 약 10 kHz 이상)으로 운용되는 경우, 눈으로 볼 수 있는 영향은 없다. 그러나, 위치 제어 루프의 운용 시간이 1, 2, 또는 3 ㎳ 범위까지 올라가면, 유체에서의 영향을 눈으로 볼 수 있게 된다. 다른 예를 들면, 밸브의 타이밍이 1 ㎳ 미만으로 바뀌는 경우, 어떠한 유체의 변화도 눈으로 확인할 수 없다. 그러나, 밸브의 타이밍이 1, 2, 또는 3 ㎳ 범위로 바뀐다면, 유체의 변화를 눈으로 확인할 수 있다. 따라서, 맞춤 제어 방식은 시간 제약적 기능(예컨대, 모터, 밸브 등의 타이밍)을 약 10 kHz 이상으로 운용하는 것이 바람직하다.

다른 고려 사항으로는 토출 시스템의 내부 순환이 있다. 토출 시스템이 1 kHz 정도로 느리게 운용되도록 세팅된다면, 1 ㎳의 경우보다 나은 분해능은 나타나지 않고, 1 ㎳의 경우보다 나을 필요가 있는 계산은 수행될 수 없다. 이러한 경우에, 10 kHz는 토출 시스템에 있어서 실용적인 주파수이다. 전술한 바와 같이, 전술한 수치는 예시적인 것이다. 10 kHz 미만(예컨대, 5 kHz 또는 심지어 2 kHz)의 속도를 세팅하는 것도 가능하다.

이와 마찬가지로, 성능 요건을 충족시킨다면, 30 kHz를 초과하는 속도도 세팅 가능하다. 본원에 개시된 예시적인 토출 시스템은 다수의 라인(예컨대, 8000 라인)을 갖는 인코더를 사용한다. 라인들 간에 걸리는 시간이 속도이다. BLDCM이 매우 느리게 작동되더라도, 라인 간의 간격이 매우 미세하므로, 매우 신속하게 다음 라인에 도달할 수 있고, 이에 기초하여 인코더에 펄스를 제공한다. BLDCM이 1 rps로 구동된다는 것은, 1초 내에 8000 라인을 지나고, 더 나아가 8000 펄스를 발생시킨다는 것을 의미한다. 펄스의 폭이 바뀌지 않는다면(즉, 펄스의 폭이 목표 폭에서 벗어나 있지 않고 거듭 동일하게 유지된다면), 이는 속도 제어가 매우 양호함을 암시한다. 펄스의 폭에 동요가 나타난다면, 이는 시스템 설계(예컨대, 공차) 및 용례에 따라 반드시 나쁜 것은 아니지만 취약한 속도 제어를 암시한다.

다른 고려 사항은 디지털 신호 처리기(DSP)의 처리 능력의 실제 한계에 관한 것이다. 예를 들어, 1회의 사이클에서 토출을 위해, 위치 제어기, 전류 제어기 등에 대한 모든 필요한 계산을 수행하는데 거의 약 20 ㎲가 걸릴 수 있다. 30 kHz의 운용은 약 30 ㎲가 걸리는데, 이는 전술한 계산을 행하면서 남은 시간으로는 제어기의 모든 나머지 공정을 운용하기에 충분한 시간이다. 30 kHz보다 빠른 속도로 운용될 수 있는 더 강력한 프로세서를 사용하는 것도 가능하다. 그러나, 30 ㎳보다 빠른 속도의 작동은 한계 효용 감소를 초래한다. 예컨대, 50 kHz의 운용은 겨우 약 20 ㎲가 걸린다(1/50000 Hz = 0.00002 s = 20 ㎲). 이러한 경우에, 50 kHz에서 더 나은 속도 성능이 확보될 수 있지만, 시스템이 갖는 시간은 제어기를 구동시키는데 필요한 모든 처리를 수행하기에는 부족하고, 그에 따라 처리 문제가 야기된다. 게다가 50 kHz로 운용하면 전류의 전환이 훨씬 더 빈번하게 이루어질 것이고, 이는 전술한 열 발생 문제의 원인이 된다.

요컨대, 열 방출을 줄이기 위한 한 가지 해법은, 토출 작업 동안에는 고주파수(예컨대, 30 kHz)로 운용되고 토출 이외의 작업(예컨대, 재충전) 동안에는 저주파수(예컨대, 10 kHz)로 떨어지거나 되돌아가도록 BLDCM을 구성하는 것이다. 맞춤 제어 방식과 관련 파라미터를 구성하는데 있어서 고려하는 인자로는, 위치 제어 성능, 프로세서의 처리 능력과 관련이 있는 계산 속도, 및 계산 이후에 전류가 전환되는 횟수와 관련이 있는 열 발생 등이 있다. 전술한 예에서는, 토출 이외의 작업 동안에 행해지는 10 kHz 운용에 있어서 위치 제어 성능의 손실이 미미하고, 토출 작업 동안에 행해지는 30 kHz 운용에 있어서 위치 제어가 뛰어나며, 그리고 열 발생이 상당히 줄어든다. 열 발생을 줄이는 것을 통해, 본 발명의 실시예는 온도의 변화가 토출되는 유체에 영향을 미치지 못하게 한다는 기술적인 장점을 제공할 수 있다. 이는 민감한 및/또는 값비싼 유체의 토출 단계를 수반하는 용례에 있어서 특히 유용할 수 있는데, 이러한 경우에는 열 또는 온도 변화가 유체에 영향을 미칠 수 있는 모든 가능성을 배제시키는 것이 매우 바람직할 것이다. 또한, 유체를 가열하는 것도 토출 작업에 영향을 미칠 수 있다. 이러한 영향 중 하나를 자연적인 액 잘림(suck back) 효과라 한다. 액 잘림 효과는, 토출 작업에서 열이 발생할 때, 이 열이 유체를 팽창시키는 것을 설명한다. 유체가 펌프의 외부에서 냉각하기 시작할 때, 유체는 수축하고 노즐의 단부에서 움츠러든다. 따라서, 자연적인 액 잘림 효과로 인하여, 부피가 정확하지 않을 수 있고 일정하지 않을 수 있다.

도 8은 본 발명의 일 실시예 따른 여러 단계에 있어서 스텝 모터 및 BLDCM의 사이클 타이밍을 예시하는 차트이다. 전술한 예에 따라, 공급 모터(175)는 스텝 모터로 실시되고, 토출 모터(200)는 BLDCM으로 실시된다. 도 8에서 음영 영역은 모터가 작동 상태임을 나타낸다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 스텝 모터와 BLDCM은 여과 사이클 동안의 압력 제어를 용이하게 하는 방식으로 구성될 수 있다. 스텝 모터와 BLDCM의 압력 제어 타이밍의 일례가 도 9에 주어져 있는데, 이 도면에서 음영 영역은 모터가 작동 상태임을 나타낸다.

도 8 및 도 9는 공급 모터(175)와 토출 모터(200)의 예시적인 구성을 예시한다. 보다 구체적으로, 일단 압력 신호의 설정점에 도달하면, BLDCM[즉, 토출 모터(200)]은 프로그램된 여과 속도로 역회전하기 시작할 수 있다. 그 사이에, 스텝 모터[즉, 공급 모터(175)]의 속도는 압력 신호의 설정점을 유지하기 위해 바뀐다. 이러한 구성은 몇 가지 장점을 제공한다. 예컨대, 유체에 압력 스파이크가 일어나지 않고, 유체에 작용하는 압력이 일정하며, 점도 변동에 관한 조절이 필요치 않고, 시스템 간의 차이가 없으며, 유체 상에 진공이 나타나지 않을 것이다.

다단 펌프에 관하여 기술하였지만, 본 발명의 실시예는 단단 펌프에도 채용될 수 있다. 도 10은 펌프(4000)용 펌프 조립체의 모식도이다. 펌프(4000)는 전술한 다단 펌프(100)의 하나의 단, 즉 토출 단과 유사할 수 있으며, 본원에 기술된 바와 같은 BLDCM의 실시예에 의해 구동되는 롤링 다이어프램과 단일 챔버를 포함할 수 있고, 위치 제어를 위한 제어 방식도 전술한 다단 펌프와 동일하거나 유사하다. 펌프(4000)는 이 펌프(4000)를 통과하는 여러 유로를 형성하고 펌프의 챔버를 적어도 부분적으로 형성하는 토출 블럭(4005)을 포함할 수 있다. 토출 블럭(4005)은 PTFE, 개질 PTFE, 또는 그 밖의 재료로 이루어진 일체형 블럭일 수 있다. 이러한 재료는 다수의 공정 유체와 반응하지 않거나 최소의 반응만을 나타내기 때문에, 이러한 재료를 사용하면 추가 하드웨어를 최소화하면서 유로 및 펌프 챔버를 토출 블럭(4005)에 직접 가공할 수 있게 된다. 따라서, 토출 블럭(4005)은 통합형 유체 매니폴드를 제공함으로써 배관에 대한 필요성을 줄인다.

토출 블럭(4005)은 복수 개의 외부 입구 및 출구, 예컨대 유체를 받아들이는 입구(4010)와, 유체를 퍼징/배출하기 위한 퍼지/배출 출구(4015), 그리고 토출 구간 동안에 유체가 토출되는 토출 출구(4020) 등을 포함할 수 있다. 도 10의 예에서는, 펌프가 단 하나의 챔버를 구비하기 때문에, 토출 블럭(4005)은 외부 퍼지 출구(4015)를 포함한다. Iraj Gashgaee가 2005년 12월 2일자로 출원한(대리인 서류 제ENTG1760호) "O-링이 없는 슬림형 연결구와 그 조립(O-RING-LESS LOW PROFILE FITTING AND ASSEMBLY THEREOF)"이란 명칭의 미국 가특허 출원 제60/741,667호는, 토출 블럭(4005)의 외부 입구 및 출구를 유체 라인에 연결하는데 사용될 수 있는 O-링이 없는 연결구의 실시예를 기술하고 있으며, 이 특허 출원의 내용 전체가 본원에 참조로 인용되어 있다.

토출 블럭(4005)은 유체를 입구로부터 [예컨대, 적어도 부분적으로 밸브 플레이트(4030)에 의해 형성되는] 유입 밸브로, 유입 밸브로부터 펌프 챔버로, 펌프 챔버로부터 퍼지/배출 밸브로, 그리고 펌프 챔버로부터 출구(4020)로 보낸다. 펌프 커버(4225)는 펌프 모터를 손상으로부터 보호할 수 있는 한편, 피스톤 하우징(4027)은 피스톤에 대한 보호를 제공할 수 있으며, 폴리에틸렌 또는 그 밖의 폴리머로 형성될 수 있다. 밸브 플레이트(4030)는 유체의 흐름을 펌프(4000)의 여러 부품으로 향하게 하도록 구성될 수 있는 밸브 시스템(예컨대, 유입 밸브와, 퍼지/배출 밸브)을 위한 밸브 하우징을 제공한다. 밸브 플레이트(4030)와 대응 밸브는 밸브 플레이트(230)와 관련하여 전술한 방식과 유사하게 형성될 수 있다. 유입 밸브와 퍼지/배출 밸브 각각은 밸브 플레이트(4030)에 적어도 부분적으로 통합되며, 해당 다이어프램에 정압 혹은 부압이 인가되는가에 따라 개방되거나 폐쇄되는 다이어프램 밸브이다. 별법으로서, 몇몇 밸브는 토출 블럭(4005)의 외부에 있거나, 추가적인 밸브 플레이트에 배치될 수 있다. 도 10에 도시된 예에서는, 밸브 플레이트(4030)와 토출 블럭(4005) 사이에 PTFE 시트를 개재하여 여러 밸브의 다이어프램을 형성한다. 밸브 플레이트(4030)는 해당 다이어프램에 정압 또는 부압을 인가하기 위한 각 밸브 용의 밸브 제어 입구(도시 생략)를 포함한다.

다단 펌프(100)와 마찬가지로, 펌프(4000)는 유체 방울이 전자 기기를 수용하고 있는 펌프(4000)의 영역에 들어가는 방지하기 위한 몇몇 특징부를 포함할 수 있다. "방적(防滴) 특징부"는 돌출 립, 경사부, 부품 간의 시일, 금속/폴리머 계면의 오프셋, 및 전자 기기를 액적으로부터 격리시키기 위한 전술한 다른 특징부를 포함할 수 있다. 전자 기기 및 매니폴드는 펌프 챔버 내의 유체에 열이 미치는 영향을 줄이도록 전술한 방식과 유사하게 구성될 수 있다.

따라서, 본원에 개시된 시스템 및 방법의 실시예는, 유체의 운동과 토출량에 대하여 실시간 제어와, 원만한 동작의 제어, 그리고 매우 정확하고 반복적인 위치 제어를 행하기 위한, 반도체 제조에 유용한 펌핑 시스템에서, BLDCM을 이용하여 단단 펌프 혹은 다단 펌프를 구동할 수 있다. BLDCM은 맞춤 FOC 방식을 실행하는 프로세서에 실시간으로 위치를 피드백하는 위치 센서를 채용할 수 있다. 단단 펌프와 다단 펌프에는 동일하거나 유사한 FOC 방식이 적용될 수 있다.

본 발명은 예시적인 실시예를 참조로 하여 본원에 상세히 기술되었지만, 이러한 기술 내용이 단지 예로서 주어진 것이고 한정의 의미를 갖는 것으로 해석되지 않음은 물론이다. 따라서, 전술한 본 발명에 따른 실시예의 세부 사항에 있어서의 많은 변화와 본 발명의 추가적인 실시예가 본 명세서를 참조로 한 당업자에게 명백할 것이고, 당업자에 의해 실시될 수 있음은 물론이다. 이러한 모든 변화와 추가적인 실시예는 청구된 본 발명의 범위 내에 속하는 것으로 고려된다. 따라서, 본 발명의 범위는 이하의 청구범위와 법률상의 등가물에 의해 결정되어야 한다.

Claims

펌프;

상기 펌프 내에 있는 토출 펌프를 구동시키는 무브러시 DC 모터;

상기 펌프를 제어하기 위한 소프트웨어 명령을 담고 있는 컴퓨터 판독 가능한 매체; 및

상기 컴퓨터 판독 가능한 매체와 상기 펌프에 통신 연결되는 프로세서

를 포함하고, 상기 소프트웨어 명령은 상기 무브러시 DC 모터의 회전 각도를 반도체 제조 공정의 제어 방식에 따라 제어하도록 상기 프로세서에 의해 실행될 수 있는 것인 펌핑 시스템.
제1항에 있어서, 상기 토출 펌프는,

토출 챔버;

피스톤;

상기 토출 챔버와 상기 피스톤 사이에 배치된 토출 단 다이어프램; 및

상기 피스톤과 상기 무브러시 DC 모터를 연결하는 리드 나사

를 포함하는 피스톤 변위 펌프인 것인 펌핑 시스템.
제2항에 있어서, 상기 무브러시 DC 모터에 결합되어 있으며 상기 피스톤의 실시간 위치 피드백을 제공하도록 상기 프로세서와 통신하는 위치 센서를 더 포함 하는 펌핑 시스템.
제3항에 있어서, 상기 위치 센서는 상기 무브러시 DC 모터의 내부 또는 외부에 결합되는 것인 펌핑 시스템.
제3항에 있어서, 상기 위치 센서는 상기 피스톤의 제어를 용이하게 하는 측정을 0.045°의 회전 각도 단위로 제공하도록 작동 가능한 것인 펌핑 시스템.
제3항에 있어서, 상기 위치 센서는 1000, 2000, 또는 8000 라인 인코더인 것인 펌핑 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제어 방식은 상기 토출 펌프의 작동 중에 상기 무브러시 DC 모터에 의한 열 발생을 최소화도록 되어 있는 것인 펌핑 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제어 방식은 상기 무브러시 DC 모터를 단일 사이클 동안에 적어도 2가지 제어기 주파수로 구동하도록 되어 있는 것인 펌핑 시스템.
제8항에 있어서, 상기 적어도 2가지 제어기 주파수는 상기 단일 사이클 중의 토출 부분을 위한 제1 주파수를 포함하는 것인 펌핑 시스템.
제9항에 있어서, 상기 제1 주파수는 30 kHz인 것인 펌핑 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제어 방식은 압력 신호가 원만한 것을 특징으로 하는 바람직한 토출 프로파일을 제공하도록 되어 있는 것인 펌핑 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제어 방식은 토출 작업 동안에는 상기 무브러시 DC 모터를 제1 주파수로 구동하고 토출 이외의 작업 동안에는 제2 주파수로 떨어지도록 되어 있는 것인 펌핑 시스템.
제1항에 있어서, 상기 펌프는 단단 펌프 또는 다단 펌프인 것인 펌핑 시스템.
토출 챔버;

피스톤;

상기 토출 챔버와 상기 피스톤 사이에 배치된 토출 단 다이어프램;

무브러시 DC 모터; 및

상기 피스톤과 상기 무브러시 DC 모터를 연결하는 리드 나사

를 구비하는 피스톤 변위 펌프인 토출 펌프를 포함하고, 상기 무브러시 DC 모터는 컴퓨터 판독 가능한 매체 상에 수록되어 있고 제어 방식을 수행하는 프로세서에 의해 실행 가능한 소프트웨어 명령에 의하여 제어되며, 상기 프로세서는 상기 컴퓨터 판독 가능한 매체와 상기 펌프에 통신 연결되는 것인 펌프.
제14항에 있어서, 상기 무브러시 DC 모터에 결합되어 있으며 상기 피스톤의 실시간 위치 피드백을 제공하도록 상기 프로세서와 통신하는 위치 센서를 더 포함하는 펌프.
제15항에 있어서, 상기 위치 센서는 상기 무브러시 DC 모터의 내부 또는 외부에 결합되는 것인 펌프.
제15항에 있어서, 상기 위치 센서는 상기 피스톤의 제어를 용이하게 하는 측정을 0.045°의 회전 각도 단위로 제공하도록 작동 가능한 것인 펌프.
제14항에 있어서, 상기 제어 방식은 상기 무브러시 DC 모터를 단일 사이클 동안에 적어도 2가지 제어기 주파수로 구동함으로써 열 발생을 최소화도록 되어 있고, 상기 적어도 2가지 제어기 주파수는 상기 단일 사이클 중의 토출 부분을 위한 제1 주파수를 포함하는 것인 펌프.
펌프에 있어서 기계식 피스톤의 위치를 제어하는 방법으로서,

상기 기계식 피스톤을 무브러시 DC 모터에 연결하는 단계;

상기 기계식 피스톤의 위치를 실시간으로 피드백하기 위해 위치 센서를 채용 하는 단계; 및

제어 방식을 수행하는 소프트웨어 명령에 따라 상기 무브러시 DC 모터의 제어 루프의 작동 주파수를 제어하는 단계

를 포함하고, 상기 소프트웨어 명령은 컴퓨터 판독 가능한 매체 상에 수록되어 프로세서에 의해 실행될 수 있고, 상기 프로세서는 상기 컴퓨터 판독 가능한 매체와 상기 펌프에 통신 연결되며, 상기 제어 방식은 토출 작업 동안에는 상기 기계식 피스톤의 피스톤 제어를 강화하도록 상기 무브러시 DC 모터의 작동 주파수를 높이고, 토출 이외의 작업 동안에는 열 발생을 최소화하도록 상기 무브러시 DC 모터의 작동 주파수를 낮추는 것인 펌프의 기계식 피스톤 위치 제어 방법.
제19항에 있어서, 사이클 중 토출 부분 동안에는 상기 무브러시 DC 모터의 작동 주파수를 약 30 kHz로 높이는 단계를 더 포함하는 펌프의 기계식 피스톤 위치 제어 방법.
제19항에 있어서, 사이클 중 토출 이외의 부분 동안에는 상기 무브러시 DC 모터의 작동 주파수를 약 10 kHz로 낮추는 단계를 더 포함하는 펌프의 기계식 피스톤 위치 제어 방법.
제19항에 있어서, 상기 펌프는 단단 펌프 또는 다단 펌프인 것인 펌프의 기계식 피스톤 위치 제어 방법.