KR20100116217A

KR20100116217A - 질량 유량 검증기, 및 질량 유량 검증기 정밀도 및 동작 유량 레인지를 증가시키는 방법

Info

Publication number: KR20100116217A
Application number: KR1020107020846A
Authority: KR
Inventors: 준후아 딩; 카베 자카르
Original assignee: 엠케이에스 인스트루먼츠, 인코포레이티드
Priority date: 2008-03-18
Filing date: 2009-01-21
Publication date: 2010-10-29
Also published as: EP2255166A1; JP2011515660A; US7757554B2; CN101978245A; KR101264652B1; US20090112504A1; EP2255166B8; WO2009117169A1; EP2255166B1; CN101978245B

Abstract

낮은 유입구 압력을 갖는 와이드 유량 검증 레인지에서 높은 측정 정밀을 제공하는 고 정밀 질량 유량 검증기(HAMFV)가 유체 전달 장치에 의해 유량 측정을 검증하기 위해 제공된다. 상기 HAMFV는 상류 밸브를 갖는 다수의 N개 유입구, 한 하류 밸브를 갖는 한 유출구, 챔버 내 유체의 압력과 온도를 각각 측정하도록 구성된 한 압력 센서 그리고 한 온도 센서를 갖는 챔버를 포함한다. 다수의 N개 임계 유량 노즐은 해당하는 상류 밸브에 인접하여 위치한다. 상기 HAMFV는 해당 상류 밸브를 개방하고 모든 다른 상류 밸브들은 폐쇄함에 의해, 바람직한 유량 검증 레인지 및 유체 타입에 기초하여 다수의 N개의 임계 유량 노즐 가운데 한 노즐을 작동하도록 구성된 한 제어기를 더욱 포함한다. 다수의 N개 임계 유량 노즐 중 적어도 두 개가 각기 다른 단면적을 갖는다.

Description

질량 유량 검증기, 및 질량 유량 검증기 정밀도 및 동작 유량 레인지를 증가시키는 방법{HIGH ACCURACY MASS FLOW VERIFIER WITH MULTIPLE INLETS}

(관련 출원)

본 발명은 1) 명칭이 "외부 체적에 영향을 받지 않는 유량 검증(External Volume Insensitive Flow Verification)"인 2005년 3월 25일자 출원 미국 출원 번호 11/090,120 ("'120 출원")(서류 고유번호 MKS-155), 2) 명칭이 "임계 유량에 기초한 질량 유량 검증기(Critical Flow Based Mass Flow Verifier)"인 2006년 6월 30일자 출원 미국 출원 번호 11/479,092 ("'092 출원")(서류 고유번호 MKS-180), 3) 명칭이 "각기 다른 체적을 제공할 수 있는 질량 유량 검증기 및 그 검증 방법(Mass Flow Verifiers Capable of Providing Different Volumes, And Related Methods)"인 2007년 6월 27일자 출원 미국 출원 번호 11/769,435 ("'435 출원")(서류 고유번호 MKS-188)의 일부 연속 출원이다. 이들 출원 내용을 본원 명세서에서 참고로 원용한다.

질량 유량 제어기(MFCs), 질량 유량 비 제어기(FRCs), 그리고 질량 유량 계량기(MFMs)와 같은 고 정밀 유체 전달 및 측정 시스템은 반도체 웨이퍼 생산 및 다른 종류의 재료 처리와 같은 적용에서 유용하다. 많은 경우에서 이들 유체 전달 시스템의 정확성은 검증될 필요가 있다.

질량 유량 검증기(MFVs)는 MFC, FRC, MFM, 또는 다른 피시험 장치(DUT)(device-under-test)를 검증하는데 사용될 수 있다. 질량 유량 검증기 한 종류는 "상승률(ROR)(rate-of-rise) 유량 검증기이다. 대표적인 ROR 유량 검증기는 일정 챔버 체적, 압력 감지기, 온도 감지기, 그리고 두 개의 격리 밸브, 한 상류 및 한 하류를 포함할 수 있다. 상기 밸브들은 사용하지 않는 동안 폐쇄되며, 시스템 동작이 개시되는 대 개방되고, 상기 유량 검증기를 통해 MFC (또는 MFM)로부터 유체가 흐르는 것을 허용한다. 유체의 흐름이 일단 안정되면, 하류 밸브가 폐쇄되고, 결과적으로 상기 챔버 체적 내 압력이 상승하기 시작된다. 이 같은 압력 상승을 압력 변환기가 측정한다. 이 같은 측정은 상기 MFV로 유입되는 유량 속도를 계산하도록 사용되며, 이에 의해 상기 DUT의 유량 정밀도를 검증하도록 한다.

MFV의 정밀도는 측정 시간을 증가시킴으로써 개선될 수 있다. 그러나 매우 낮은 유량 속도 범위에 대해서는 높은 측정 정밀도를 제공하며 동시에 유입 압력이 낮은 와이드 유량 검증 레인지(wide flow verification range)를 제공하는 MFV를 만드는 것은 쉬운 일이 아니다.

따라서 바람직한 유입 압력을 초과하지 않으면서 와이드 유량 레인지에서 유량 검증의 정밀도를 개선할 수 있는 MFV를 제공함이 요구된다.

유체 전달 장치의 유량 측정을 검증하기 위한 높은 정밀도 질량 유량 검증기(HAMFV)가 N개의 유입구와 하나의 유출구를 갖는 챔버를 포함한다. 상기 HAMFV는 N개 입구 각각에 상류 밸브를 포함하며, 출구에 하류 밸브를 포함한다. 상기 HAMFV는 상기 챔버 내 유체의 압력을 측정하도록 구성된 압력 센서를 더욱 포함할 수 있다.

상기 HAMFV는 N개의 임계 유량 노즐을 더욱 포함한다. 임계 유량 노즐 각각은 상기 유입구 해당 상류 밸브에 인접하여 위치한다. 상기 HAMFV는 해당 상류 밸브를 개방하고 모든 다른 상류 밸브들은 폐쇄하여, 바람직한 유량 검증 레인지 및 유체 타입에 기초하여 N개 임계 유량 노즐 중 하나를 선택적으로 작동하도록 구성된 제어기를 더욱 포함할 수 있다. N개 임계 유량 노즐 중 적어도 두 개가 각기 다른 단면적을 갖는다.

상기 HAMFV는 낮은 유입 압력을 갖는 와이드 유량 레인지에서 높은 측정 정밀도를 제공할 수 있다.

도 1은 단일 임계 유량 노즐을 포함하는 질량 유량 검증기를 도시한 도면.
도 2는 임계 유량 주기를 설명하는 그래프를 도시한 도면.
도 3은 본 발명 한 실시예에 따라, 다수 유입구와 임계 유량 노즐들을 포함하는 고 정밀 유량 검증기를 도시한 도면.

본 발명에서, 고 정밀 질량 유량 검증기는 다수의 각기 다른 크기를 갖는 임계 유량 노즐(critical flow nozzles)을 사용한다. 다수의 임계 유량 노즐 사용은 더욱 폭이 넓은(와이드) 유량 레인지에서 상기 HAMFV의 유입구 압력 필요 조건을 초과하지 않고 상기 HAMFV가 동작할 수 있도록 한다. 상대적으로 높은 유량 속도 검증 레인지의 경우에, 상대적으로 큰 크기의 노즐은 상대적으로 낮은 유입구 압력을 HAMFV에 제공하며, 따라서 상기 HAMFV는 MFVs에 대한 최대 유입구 압력 필요 조건(안전 필요 조건)을 충족할 수 있도록 한다. 상대적으로 낮은 유량 속도 검증 레인지의 경우, 상대적으로 작은 크기의 노즐은 상대적으로 큰 임계 유량 주기 또는 긴 측정 시간을 제공하며, 이에 의해 압력 신호 대 잡음 비를 개선시키고 따라서 유량 검증의 정밀도를 개선하도록 한다.

도 1은 MKS-180 출원에서 설명한 바와 같은 단일 임계 유량 노즐을 포함하는 질량 유량 검증기를 도시한 도면이다. 도 1에서 설명된 실시예에서, MFV(100)는 MFV의 상승률(ROR) 타입이며, 챔버 내로 흘러들어 가는 유체 압력의 상승률이 측정되어 챔버 내로의 유량 속도를 검증하도록 사용된다. 특히, 상기 MFV(100)는 설명된 실시예에서 임계 유량 노즐(140)인 유량 제한기(140)를 포함하는 임계 유량에 기초한 MFV이다.

하기에서 설명하는 바와 같이, 임계 유량 노즐(140)은 노즐(140)을 통한 유량을 일정하게 유지하여, 상기 MFV(100)에 의한 질량 유량 검사가 상기 챔버 내 상승 압력에 영향을 받지 않도록 한다. 따라서 상기 임계 유량 노즐(140)은 상기 DUT로의 하류 압력 방해를 크게 줄이며, 유량 검증 처리 중에 최소의 유량 변화가 일어날 수 있도록 한다. 상기 임계 유량 노즐(140)은 또한 상기 임계 유량 노즐(140)과 DUT 사이 어떠한 외부 체적에도 영향을 받지 않고 상기 MFV(100)에 의해 질량 유량을 검증하도록 한다. 사실, 상기 임계 유량 노즐(140)과 DUT 사이 외부 체적은 임계 유량에 기초한 MFVs에 의한 유량 속도 검증 또는 다른 계산과 무관하다. 이 같은 특성은 외부 체적 무감(EVI)(external volume insensitivity)이라 불린다. 이 같은 임계 유량에 기초한 MFVs의 EVI 특성은 각기 다른 유동 경로를 갖는 임계 유량에 기초한 MFV와 DUTs 사이 외부 체적을 결정할 필요가 없기 때문에 반도체 처리 장비에서 가스 패널로 MFV를 통합하는 것을 매우 단순하게 한다.

상기 MFV(100)는 DUT(110)로부터 유체 유량을 수용하는 폐쇄 챔버(130)를 포함한다. 상기 DUT(110)는 상기 유체의 유량 속도를 전달하는 질량 유량 제어기 또는 질량 유량 비 제어기이다. 한 하류 유출 밸브(150)가 상기 챔버(130)로부터의 유체 흐름을 차단하고 개방한다. 한 상류 유입 밸브(120)가 상기 DUT(110)로부터 상기 챔버(130) 내로 유체의 흐름을 차단하고 개방한다. 상기 MFV(100)는 상기 챔버(130) 내 유체의 압력과 온도를 각각 측정하도록 구성된 압력 센서(170) 및 온도 센서(180)를 더욱 포함한다.

ROR MFV의 기본 원리는 상기 챔버(130)에서의 질량 밸런스이다. 상기 질량 밸런스 식을 사용하여, 그리고 상기 챔버 내 가스에 대해 이상 가스 법칙을 적용하여, 다음 식에 따라 MFV 챔버 내 가스 압력과 가스 온도를 측정함으로써 상기 유입 가스 유량 속도가 얻어질 수 있다.

(1)

상기 식에서 k ₀ 는 변환 상수로서, 즉 sccm (분당 표준 입방 센티미터) 단위에서는 6 x 10⁷ 또는 slm (분당 표준 리터) 단위에서는 6 x 10⁴이며; P _stp 는 표준 압력(1.01325 x 10⁵Pa), T _stp 는 표준 온도( 273.15 K), P 는 챔버 가스압, V _c 챔버 체적, 그리고 T 는 가스 온도이다.

상기 MFV(100)는 상기 압력 센서(170)와 온도 센서(180)로부터 출력 신호를 수신하는 제어기(160)를 포함하며, 그리고 상기 상류 밸브(120)와 하류 밸브(150)의 동작을 제어한다. 상기 제어기(160)는 상기 하류 밸브가 폐쇄된 후에 챔버 내 유체 압력 상승 속도를 측정하며, 시간에 대한 압력과 온도의 상승 속도 측정하여 식(1)에 따라 상기 DUT로부터 챔버 내로의 유체의 흐름 속도를 계산하도록 하고, 이에 의해 상기 DUT에 의한 유량 측정을 검증하도록 한다.

대표적인 질량 유량 검증 과정은 다음과 같다:

1. 상류 밸브(120)와 하류 밸브(150) 모두를 개방한다;

2. DUT에 대한 유량 세트 포인트를 제공한다;

3. 챔버 압이 안정 상태인 때까지 기다린다;

4. 유량 계산을 위해 챔버 가스압과 챔버 가스 온도 기록을 시작한다;

5. 하류 밸브(150)를 차단하여 챔버 압이 상승하도록 한다;

6. 유량 검증을 위해 한 주기 시간을 기다린다;

7. 하류 밸브(150)를 개방한다;

8. 챔버 가스압과 챔버 가스 온도 기록을 중단한다;

9. 식(1)에 따라 검증된 유량을 계산 및 보고한다.

임계 유량 노즐(140)은 유체 유량을 일정 임계 유량으로 유지하도록 구성되며, 이때 가변 챔버 압력 또는 상기 노즐의 하류 압력은 상기 챔버 체적 내로 들어가는 유입 질량 유량에 영향을 미치지 않는다. 상기 임계 유량 조건에서, 상기 노즐을 통한 유량(Q _in )은 상기 노즐의 상류 압력(P _u )에 의해서만 결정되며, 다음 식으로 설명되는 바와 같이 상기 노즐의 하류 압력(P _d )에 의해 영향을 받지 않는다.

(2)

(3)

이때

(4)

상기 식에서, C는 상기 노즐의 방전 계수(discharge coefficient)이며, A는 상기 노즐 오리피스 단면적이고, P _u 는 상기 노즐 상류 압력이며, P _d 는 MFV(100)의 챔버 압력이기도 한 상기 노즐의 하류 압력이고, R는 유니버설 가스 상수이며, T 는 가스 압력이고, M 는 가스 분자량, 그리고 Υ는

로 정해지는 가스의 비열 비이고, 이때 C_p 는 정압에서 상기 유체의 열용량이며, C_v 는 정적에서 유체의 열 용량이다. 임계 유량 조건이 만족되도록 하기 위해, 상기 노즐의 상류 압력 대 하류 압력의 비는 임계 압력 비, α_pc 이하이어야 하며, 이 같은 임계 압력 비는 식(3)에 따라 상기 챔버 내 유체 또는 가스의 특성에 의해 결정된다.

식(3)의 상기 임계 유량 조건이 유지되는 한, 상기 노즐의 하류 압력 또는 챔버 압력이 제한을 초과하여 상기 질량 유량 속도에 영향을 미치지 않을 것이며, 그리고 상기 유량 속도를 증가시키기 위한 유일한 방법은 식(2)에 따라 상류 압력을 증가시키는 것이다.

임계 유량에 기초하는 MFV는 도 1에서 설명된, ROR 검증기 챔버의 입구에 있는 임계 유량 노즐 또는 오리피스를 갖는다. 상기 MFV(100)의 상류 밸브(120)와 하류 밸브(150) 모두는 개방되며 상기 DUT의 유량이 안정된 상태이고 상기 임계 노즐 크기가 적절하다면, 상기 제한기(restrictor)의 하류 압력(챔버 압력)과 상기 제한기의 상류 압력 사이의 압력 비는 상기 임계 압력 비 α_pc 이하이다. 따라서 상기 유량 제한기를 초과하는 유량이 임계 유량이며 식(2)에 따라 상기 챔버 압력에 종속한다. 이 같은 안정된 상태에서, 제한기를 통한 유량은 상기 DUT에 의해 전달된 유량과 동일하며, 상기 제한기의 상류 압력(상기 DUT의 하류 압력)은 일정하다. 상기 하류 밸브(150)가 유량 검증을 위해 차단되는 때, 상기 챔버 압력은 상승한다.

상기 챔버 압력과 상기 제한기의 상류 압력 사이 압력 비가 임계 압력 비 α_pc 이하 인한, 상기 제한기를 통한 유량은 아직 임계 유량이며 상기 상승하는 챔버 압력에 종속된다. 따라서, 상기 제한기를 통한 유량은 변경되지 않으며, 상기 제한기의 상류 압력은 변경되지 않고, 그리고 상기 챔버 압력이 증가하는 때에도 DUT에 대해 어떠한 하류 압력 방해도 존재하지 않는다. 만약 상승하는 챔버 압력이 상기 임계 압력 비(α_pc)를 초과하면, 상기 제한기를 통한 유량은 임계 유량이 아니며, 상기 제한기의 상류와 하류 압력 모두에 종속한다. 결과적으로, 상기 제한기를 통한 유량은 상기 DUT에 의해 전달된 유량과 동일하지 않으며, 상기 제한기의 상류 압력이 변경되고 그리고 상기 DUT에 대한 하류 압력 방해가 존재한다.

MFV의 임계 유량 주기는 상기 하류 밸브가 완전히 차단되는 순간과 상기 상승 압력이 상기 임계 압력 비 α_pc를 초과하는 순간 사이 주기로 정해진다. 이 같은 임계 유량 주기 중에, 상기 제한기를 통한 유량은 일정한 임계 유량이며 상기 챔버 압력에 영향을 받지 않는다. 상기 임계 유량 주기, t _cf _, 는 다음과 같이 유도될 수 있다.

(5)

상기 식에서, α_pc 는 상기 하류 밸브가 차단되기 전에 상기 유입 유량이 안정화되는 순간 상기 제한기의 상류 압력과 챔버 압력 사이 초기 압력 비이다.

상기 식(5)으로부터, 임계 유량 주기 t _cf 가 가스 특성, 가스 온도, 그리고 상기 임계 유량 노즐 및 챔버 체적을 포함하는 MFV 기하학 구조에 종속한다. MFV의 검증 시간이 상기 임계 유량 주기 내에 있으면, 상기 노즐을 통한 유량은 일정한 임계 유량이며, 상승하는 챔버 압력은 상기 DUT의 하류 압력을 방해하지 않는다. 이는 상기 DUT에 대한 하류 방해를 크게 줄인다.

임계 유량 노즐 또는 오리피스와 같은 유량 제한기는 식(3)의 임계 유량 조건이 유지되는 한 ROR 검증기 챔버를 상기 DUT로의 외부 배관으로부터 분리한다. 상기 유량 검증 주기가 상기 임계 주기 내에 있으면, 상기 제한기를 통한 임계 유량은 상기 DUT의 유량 속도와 동일하며, 상기 DUT로부터 상기 MFV로의 경로를 따라 압력의 분산이 안정된다. 상기 임계 유량 노즐과 상기 DUT 사이 외부 체적은 식(1)의 유량 계산과 무관하다. 유량 검증 계산을 위해, 상기 유량 제한기와 상기 DUT 사이의 외부 체적을 결정하기 위한 설비 눈금 측정 처리가 필요하지 않다. 이는 유입구에서 유량 제한기를 갖지 않는 종래의 ROR MFVs와는 반대되는 것이다. 종래의 ROR MFVs 경우, 상기 압력 분산은 상기 DUT로부터 상기 MFV로의 경로를 따라 유량 검증 주기 동안 변경된다. 따라서, 상기 DUT와 MFV 사이의 외부 체적이 결정되어야 하며 유량 계산을 위해 식(1)에서 챔버 체적(V _c )을 계산에 포함해야 한다.

도 2는 임계 유량 주기, 그리고 그 같은 임계 유량에 기초하는 MFV(100)의 응답을 설명하는 도면이다. 그래프(210)는 상기 챔버 내 유체의 압력을 나타내며, 이 같은 유체 압력은 하류 밸브가 폐쇄된 때 상승한다. 그래프(220)는 상기 임계 노즐을 가로지르는 유체의 유량 속도 또는 챔버로의 유입 유량을 나타낸다. MFV의 임계 유량 주기가 도면 부호(230)로 도 2에 도시된다. 도 2에서 도시된 바와 같이, 상기 임계 유량 주기 동안, 상기 노즐을 통한 입구 유량은 임계의 또는 억제된 유량이며, 상기 상승 챔버 압력은 유입구 유량 그리고 노즐의 상류 압력(상기 DUT의 하류 압력이기도 하다)에 영향을 미치지 않을 것이다. 상기 임계 유량 주기가 경과한 뒤에, 상기 입구 유량 속도가 떨어지며, 그리고 상기 DUT의 하류 압력이 변경된다.

상기 챔버 압력이 유량 검증 중에 임계 압력 비 한계보다 항상 낮게 유지될 수 있다면, 상기 노즐을 통한 유량은 항상 임계 유량 상태로 있게 될 것이며, 가변 챔버 압력은 상기 DUT의 하류 압력을 방해하지 않을 것이고, 이는 상기 DUT의 실제 유량 변동을 최소로 할 것이다. 상기 노즐에서 챔버로의 유입구 유량은 상기 DUT의 유량 속도와 동일하다. 유량 검증을 위해 상기 DUT와 MFV사이 외부 체적을 결정할 필요가 없다.

도 3은 본 발명의 한 실시예에 따라, 다수의 유입구 그리고 다수의 임계 유량 노즐을 포함하는 고 정밀 질량 유량 검증기(HAMFV)(300)를 설명한다. 상기 HAMFV(300)는 일례로서 MFC, MFM, FRC와 같은 장치(399)에 의해 유체의 유량 속도 측정을 검증하도록 구성된다. HAMFV(300)는 챔버(310), 압력 센서(320), 온도 센서(350), 하류 밸브(370)를 갖는 유입구(372), 그리고 상류 밸브(360)와 임계 유량 노즐(330)을 각각 갖는 다수의 N개 유입구를 포함한다. 상기 챔버(310)는 N개 유입구 하나를 통해 상기 DUT로부터 유체의 유량을 받아들인다.

다수의 N개 임계 유량 노즐(330) 각각은 해당하는 유입구(315)에 인접하여 위치한다. 도 3에 도시된 실시예에서, N=2, 즉 설명된 실시예는 두 개의 유입구와 각 유입구에 하나씩 두 개의 임계 유량 노즐을 포함한다. 물론 N는 2로 제한되지 않으며, 다른 실시예에서, 상기 챔버는 2보다 많은 유입구와 상응하는 수의 임계 유량 노즐을 가질 수 있다.

다수의 N개 임계 유량 노즐(330) 각각은 해당하는 상류 밸브(360)에 인접하여 위치한다. 도 3에서 도시된 실시예에서, 상기 임계 노즐은 상기 상류 밸브 이후에 위치한다. 물론 다른 실시예에서는, 상기 임계 노즐이 상기 상류 밸브 이전에 위치할 수 있기도 하다. 상기 상류 밸브 중 한 상류 밸브는 유량 속도 레인지(flow rate range)와 가스(또는 다른 유체) 타입에 따라 개방되도록 선택되며, 그리고 모든 다른 상류 밸브는 전 유량 검증 주기 동안 폐쇄된다. 따라서, 상기 임계 유량 노즐 중 오직 한 노즐만이 상기 유량 검증 주기 동안 작동하게 된다.

다수의 N개 임계 유량 노즐(330) 각각은 도 1에서 설명된 방법으로, 한 임계 유량 주기 tⁱ _cf (i = 1, ..., N) 동안 그 같은 노즐이 작동되는 때 상기 임계 유량 노즐을 통한 유체의 유량 속도가 챔버 내 압력 변화에 무관하며 일정하게 유지되도록 구성된다. i-번째 임계 유량 노즐의 경우 상기 임계 유량 주기 t _cf _,i 에 대한 수학 식은 식(5)에서와 유사하게 다음 식에 의해 구해진다.

(6)

상기 식에서, A _i (i = 1, ..., N)는 i-번째 노즐의 노즐 구멍 단면적이며, C _i 는 i-번째 노즐 방전 계수이고, 그리고 모든 다른 변수는 식(5)과 관련하여 앞서 정의된 바와 같다. 상기 임계 유량 주기 t _cf _,i 는 상기 하류 밸브가 차단된 때의 시점과 P _d 와 P _u 사이의 비가 상기 i-번째 임계 유량 노즐이 작동되는 때 상기 임계 압력 비 한계

를 초과하는 시점 사이로 규정된다.

식(6)에서 설명된 바와 같이, 모든i (i = 1, ..., N)의 경우, i-번째 임계 유량 노즐에 대한 상기 임계 유량 시간 주기 t _cf _,i (i = 1, ..., N)는 i-번째 임계 유량 노즐 단면적 A_i에 반비례한다. 따라서 상기 i-번째 노즐(i = 1, ..., N)에 대한 임계 유량 주기 t _cf _,i 는 노즐 크기가 감소함에 따라 증가될 수 있다.

상기 임계 유량 주기를 증가시킴으로써, 상기 HAMFV(300)는 압력 변화(DP) 를 증가시키기 위해 그 체적을 더욱 오래 충전시킬 수 있으며, 따라서 신호 대 잡음 비를 증가시킬 수 있다. 더욱 긴 검증 주기는 또한 상기 측정 노이즈를 제거하기 위해 더욱 많은 측정 데이터가 사용되도록 할 수 있다. 이들 두 방법에서, 상기 임계 유량 주기의 큰 값이 특히, 가령 1 - 100 sccm 니트로겐(N2) 등가 유량의 경우와 같은 적은 유량 레인지에서 질량 유량 검증의 정확도와 반복성을 개선시킬 수 있다. 따라서, HAMFV(300)가 각기 다른 크기의 등가 유량을 갖는 다수의 유입구를 갖는다면, 상기 HAMFV(300)는 임계 유량 노즐 크기가 상대적으로 작은 유입구를 선택할 수 있으며, 이는 적은 유량 레인지에서 질량 유량 검증의 경우 큰 값의 t _cf _,i 를 제공한다.

MFVs에 대한 최대 유입구 압력 조건이 있으며, 가령, MFV에 대한 최대 유입구 압력은 3,000 sccm N2 등가 유량의 경우 100 Torr 이하이어야 한다. 식(2)에 따라, 상기 임계 유량 노즐의 상류 압력인, 임계 유량에 기초한 MFV에 대한 유입구 압력은 동일한 양의 유입구 유량의 경우 노즐 구멍 단면적 A _i 에 반비례한다. HAMFV(300)는 임계 유량 노즐의 크기가 높은 유량 검증을 위한 최대 유입구 압력 조건에 맞는 큰 크기를 갖는 유입구를 선택한다. 이와 같이 하여, HAMFV(300)는 그 유량 속도 검증 레인지를 최대 유입구 압력 조건을 위배하지 않고 매우 높은 유량 속도로 확장할 수 있다. 따라서, 다수의 N개 임계 유량 노즐 가운데 적어도 두 개의 노즐이 각기 다른 단면적을 갖는다. 물론, 어떤 실시예에서는, 세 개 이상의 유량 노즐이 각기 다른 단면적을 가질 수 있기도 하다. 다른 실시예에서는, 모든 N개 임계 유량 노즐이 각기 다른 단면적을 가질 수 있다.

HAMFV(300)는 i-번째 상류 밸브(i = 1, ..., N)를 개방시키고 모든 다른 상류 밸브(360)를 폐쇄함으로써, 한 유량 검증 작업을 위해 다수의 N개 임계 유량 노즐(330) 가운데 한 노즐을 선택적으로 작동시키도록 구성된 제어기(380)를 포함한다. 한 실시예에서, 상기 i-번째 노즐의 선택은 바람직한 유량 속도 검증 레인지 그리고 사용자에 의해 공급될 수 있는 유체 또는 가스 타입에 기초한다.

한 실시예에서, 제어기(380)가 호스트 제어기 또는 사용자로부터 한 유량 검증 명령을 수신한다. 상기 유량 검증 명령은 바람직한 동작 유량 레인지 그리고 유체 타입 정보를 포함한다. 이 같은 실시예에서, 상기 제어기(380)는 다음에 바람직한 동작 유량 레인지 및 유체 또는 가스의 타입과 관련하여 수신한 정보에 기초하여 다수의 N개 임계 유량 노즐 가운데 한 노즐을 선택적으로 작동시킨다. 본 발명에서, 한 임계적 유량 노즐 "작동시킨다"는 것은, 상기 유체(그 유량 속도가 상기 HAMFV에 의해 검증된)가 그 같은 임계 유량 노즐을 통해 흐르도록 함을 의미한다. 물론, 상기 임계 유량 노즐을 통한 유체의 유량은 본원 명세서에서 설명된 임계 유량 상태를 만족시킬 것이다. 한 실시예에서, 임계 유량 노즐은 그 같은 임계 유량 노즐에 해당하는 상류 밸브만을 개방하고, 모든 다른 상류 밸브들은 폐쇄함으로써 작동될 수 있다.

i-번째 임계 유량 노즐(i = 1, ..., N)을 작동시키면, 상기 제어기가 상기 문단에서 설명된 방법으로 상기 DUT의 유량 속도를 검증하도록 구성된다. 상기 i-번째 임계 유량 노즐(i = 1, ..., N)이 상기 제어기(380)에 의해 선택된 때, 상기 장치(399)로부터의 유체는 상기 선택된 i-번째 노즐을 통해 흐르며, 이와 같은 흐름은 상기 노즐의 임계 유량 주기 t _cf _,i 동안 상기 임계 유량 조건을 만족시키도록 된다.

한 실시예에서, 상기 제어기(380)는 그 같은 제어기(380)가 상기 하류 밸브가 폐쇄된 후에 상기 챔버 내 유체의 압력 상승 속도를 측정하고 결정할 수 있도록, 하류 밸브(370), 상류 밸브(360), 압력 센서(320), 그리고 온도 센서(350)의 동작을 제어하도록 더욱 구성된다. 상기 제어기(380)는 그 같은 제어기(380)가 상기 압력 센서(320)와 온도 센서(350)를 제각기 사용하여, 상기 챔버 내 유체의 압력과 온도를 측정할 수 있도록, 상류 밸브(370)와 하류 밸브(360)를 올바른 시간에 작동시키거나 필요에 따라 그 작동을 멈추게 한다. 다음에 상기 제어기(380)는 식(1)에 따라 상기 장치로부터 상기 챔버 내로 흐르는 유체의 유량 속도를 계산하기 위해 측정하였던 압력과 온도의 상승 속도를 사용하며, 그에 의해 상기 장치(399)에 의해 유량 측정을 검증한다.

상기 제어기(380)에 의한 i-번째 임계 유량 노즐의 작동이 있게 되면, 상기 압력 센서 그리고 온도 센서가 i-번째 임계 유량 노즐에 대하여 임계 주기 t _cf _,I 내에서 측정하도록 구성되며, 상기 질량 유량 검증기에 의한 유량 검증이 상기 가변 챔버 압력에 무관하며, 상기 질량 유량 검증기와 DUT사이의 외부 체적에 무관하도록 한다.

동작 시, 한 장치에 의해 유체의 유량 측정을 검증하는 방법은 질량 유량 검증기 내 챔버와 상기 장치(DUT) 사이 유체의 유량 경로를 따라 다수의 N개 임계 유량 노즐을 위치시키고, 다음에 i-번째 상류 밸브를 개방시키고 모든 다른 상류 밸브들은 폐쇄함으로써, 바람직한 유량 속도 검증 레인지와 가스 타입에 기초하여, N개 임계 유량 노즐 가운데 i-번째 노즐(i = 1, ..., N)을 작동시킴을 포함한다.

상기 유량 검증의 시작 시, i-번째 상류 밸브와 하류 밸브가 개방되어 유량(챔버 내로 i-번째 유입구를 통해 상기 장치로부터 한 흐름 경로를 따라)이 일정해지도록 한다. 즉, 상기 흐름 경로를 따라 어떠한 압력 변화도 없으며, 상기 챔버 내로의 유체의 유량 속도가 안정된 상태에 도달한다. 다음에 상기 챔버 유출 구에서의 하류 밸브가 폐쇄되며, 상기 챔버 내 유체의 압력이 상승하도록 한다. 그 다음 상기 챔버 내로의 유체에 대한 압력과 온도 측정은 상기 임계 유량 주기 t _cf _,i 내에 이루어져서, 식(1)에 따라 상기 유체의 유량 속도를 계산하고, 따라서 상기 DUT에 의해 유량 측정을 검증할 수 있도록 한다. 상기 MFV의 유량 속도 검증 주기가 i-번째 노즐에 대하여 정해진 임계 유량 주기 t _cf _,i 내에 있기 때문에, i-번째 노즐에서의 유체 유량과 i-번째 노즐 유체 상류의 압력이 일정하며 상기 챔버 내 압력 상승과 무관하다. 그 밖에, 상기 DUT와 MFV 사이의 외부 체적은 상기 유량 속도를 계산하기 위해 결정될 필요가 없다.

요약건대, 유체 전달 장치에 의해 유량 측정을 검증하는, 질량 유량 검증기의 정확도와 동작 유량 레인지를 증가시키는 방법이 상기 유량 측정장치와 챔버 사이 다수의 N개 임계 유량 노즐을 제공하고, 다음에 상기 N개 임계 유량 노즐 가운데 한 노즐을 선택적으로 작동시키어 상기 선택된 노즐에서의 유체의 흐름을 제한하도록 함을 포함한다. 이와 같이하여, 상기 노즐 하류에서의 압력 대 노즐 상류에서의 압력 비가 임계 압력 비 α_pc 이하인 한, 선택된 노즐을 통한 유체 유량 속도는 상기 챔버 내 압력 변동에 따라 변동되지 않는다. 이 같은 방법은 바람직한 유량 검증 레인지, 유체 타입 그리고 MFVs에 대한 최대 유입구 압력 조건에 기초하여, 상기 임계 유량 노즐에 대한 최적 오리피스 크기를 선택함을 더욱 포함한다.

상기 설명된 방법 및 시스템은 특히 적은 유량 레인지(가령, 1 - 100 sccm N2 또는 그와 등가의 것)에 대해 질량 유량 검증의 정확성과 반복성을 개선시킨다. 약 +/-0.5% 판독 오차까지의 정확성이 이 같은 레인지에 대해 달성되었다. 또한, 이들 방법 및 시스템은 최대 유입구 압력(가령, N2의 모든 유량 레인지 또는 그와 등가의 것에 대해 100 torr)을 초과하지 않으면서, 유량 검증 레인지를 증가시킬 수 있다(가령, 1 to 3000 sccm N2 또는 그와 등가의 것). 임계 유량 노즐이 사용되기 때문에, 외부 체적에 무관한 특징(external volume insensitivity)이 달성될 수 있다. 상기 설명된 개선 특징은 단일의 유체 압력계를 사용하여 달성할 수 있으며, 따라서 장치 설비의 비용을 줄이도록 한다. 요약건대, 고 정밀 질량 유량 검증기가 반도체 및 다른 재료 처리에서 사용된 장비에 제공될 수 있다.

일정 실시예가 와이드 유량 레인지 그리고 낮은 유입구 압력에서 고 정밀 유량 검증을 제공하기 위한 시스템 및 방법에 대해 설명되었으나, 이들 실시예의 함축적인 개념이 다른 실시예에서도 사용될 수 있는 것이다. 따라서 본 발명의 보호 범위는 다음에 오는 청구범위에 의해서만 제한된다.

청구범위에서, 특별히 명시하지 않으면, 한 요소에 대한 기재는 "하나 및 단지 하나"를 의미하는 것이 아니며, "하나 또는 둘 이상"을 의미하는 것이다. 당업자에게 잘 알려진 사항으로서 본원 명세서에서 설명된 다양한 실시예 요소들의 모든 구조적 및 기능적 등가물은 본원 명세서에서 참고로 인용되며, 청구범위 보호범위에 속하는 것이다. 또한 본원 명세서에서 명시되지 않은 것 어느 것도 그 같은 내용이 청구범위에 명시되는가와 관계없이 공중의 재산이 되는 것은 아닌 것이다. 상기 요소가 그 기재를 "을 위한 수단" 또는 방법 청구항의 경우, 그 같은 요소가 그 기재를 "하는 단계"를 사용하여 기재되지 않았다면, 어떠한 청구항 요소도 35 U.S.C. §12, 6번째 문단에 따른 것으로 판단되지 않는다.

Claims

유체 전달 장치에 의한 유체의 유량 측정을 검증하기 위한 질량 유량 검증기에 있어서,
상기 질량 유량 검증기가 유체 전달 장치로부터 유체의 유량을 유입구 각각에서 수용하도록 구성되는 다수의 N개 유입구를 갖는 챔버;
상기 챔버 내 유체의 압력을 측정하도록 구성된 압력 센서; 및
다수의 N개 임계 유량 노즐로서, 임계 유량 노즐 각각이 상기 유입구들 중 해당 유입구에 인접하여 위치하며, 임계 유량 노즐 각각이 해당 유입구를 통해 상기 유체 전달 장치로부터 챔버로 유체의 흐름 경로를 따라 상기 챔버의 상류에 위치하는 다수의 N개 임계 유량 노즐;을 포함하며;
모든 i (i = 1, ..., N)에 대해, i-번째 임계 유량 노즐의 경우, i-번째 임계 유량 노즐이 임계 유량 주기 t _cf _,i (i = 1, ..., N) 동안, i-번째 임계 유량 노즐을 통한 유체의 유량 속도를 일정하게 유지시키고 챔버 내 압력의 변화에 민감하지 않도록 구성됨을 특징으로 하는 질량 유량 검증기.
제 1항에 있어서, 질량 유량 검증기에 의한 유량 검증 작업을 위해 다수의 N개 임계 유량 노즐 중 한 노즐을 선택적으로 작동시키도록 구성된 제어기를 더욱 포함함을 특징으로 하는 질량 유량 검증기.
제 2항에 있어서, 상기 제어기가 상기 질량 유량 검증기를 위한 바람직한 유량 속도 검증 레인지에 기초하고, 그리고 그 유체의 타입에 기초하여 다수의 N개 임계 유량 노즐 중 하나인 상기 노즐을 선택적으로 작동시키도록 더욱 구성됨을 특징으로 하는 질량 유량 검증기.
제 3항에 있어서, 다수의 N개 상류 밸브를 더욱 포함하며, 상류 밸브 각각이 상기 임계 유량 노즐 중 해당하는 노즐과 연결되고;
임계 유량 노즐 각각이 해당하는 상류 밸브를 개방하고, 모든 다른 상류 밸브를 폐쇄함에 의해 작동될 수 있음을 특징으로 하는 질량 유량 검증기.
제 4항에 있어서, 임계 유량 노즐 각각이 해당하는 상류 밸브 이전에 또는 이후에 위치함을 특징으로 하는 질량 유량 검증기.
제 4항에 있어서, 임계 유량 노즐 각각이 해당하는 상류 밸브에 인접하여 위치함을 특징으로 하는 질량 유량 검증기.
제 4항에 있어서, 상기 챔버의 유출구로부터 유체의 흐름을 통과하게 하거나 차단시키도록 구성된 하류 밸브를 더욱 포함함을 특징으로 하는 질량 유량 검증기.
제 3항에 있어서, 모든 i (i = 1, ..., N)의 경우, i-번째 임계 유량 노즐에 대한 상기 임계 유량 시간 주기 t _cf _,i (i = 1, ..., N)는 i-번째 임계 유량 노즐 단면적 A_i에 반비례하며; 그리고
다수의 N개 임계 유량 노즐 가운데 적어도 두 노즐이 각기 다른 단면적을 가짐을 특징으로 하는 질량 유량 검증기.
제 8항에 있어서, 바람직한 유량 속도 검증 레인지가 상대적으로 큰 때, 상대적으로 크기가 큰 임계 유량 노즐이 상기 MFV로 상대적으로 낮은 유입구 압력을 제공하도록 구성됨을 특징으로 하는 질량 유량 검증기.
제 8항에 있어서, 상기 바람직한 유량 속도 검증 레인지가 상대적으로 적은 때, 상대적으로 크기가 작은 임계 유량 노즐이 측정 시간을 증가시키도록 구성되며, 이에 의해 상기 측정의 정확도를 증가시킴을 특징으로 하는 질량 유량 검증기.
제 1 항에 있어서, 상기 챔버 내 유체의 온도를 측정하도록 구성된 온도 센서를 더욱 포함함을 특징으로 하는 질량 유량 검증기.
제 1항에 있어서, 상기 i-번째 임계 유량 노즐(i = 1, ..., N)은 이를 통해 흐르는 유체가 그 임계 유량 주기 t _cf _,i 동안 한 임계 유량 조건을 만족시키도록 구성되며, 그리고 N개 임계 유량 노즐 중 각각의 노즐에 대한 임계 유량 조건이 다음 식에 의해 제공되며;

상기 식에서, P_d 는 챔버 내 그리고 i-번째 임계 유량 노즐 하류의 유체 압력이고,
P_u 는 i-번째 임계 유량 노즐의 상류 유체의 압력이며,
Υ는
로 정해지는 유체의 비열 비이고, 이때 C_p 는 정압에서 상기 유체의 열용량이며, C_v 는 정적에서 유체의 열 용량이고, 그리고

는 P_d 와 P_u 사이 최대 허용 가능 비를 나타내는 임계 압력 비로서, N개 임계 노즐 가운데 각 노즐에서의 유체 흐름이 일정하고 상기 챔버 내 어떠한 압력 변화에도 민감하지 않도록 하는 임계 압력 비임을 특징으로 하는 질량 유량 검증기.
제 7항에 있어서, 상기 제어기가 하류 밸브, 상류 밸브, 압력 센서, 그리고 온도 센서를 제어하도록 더욱 구성되며; 그리고
상기 장치로부터 상기 챔버 내로의 유체의 흐름 속도를 계산하기 위해 측정된 상승 속도를 사용하고, 그에 의해 상기 장치에 의해 측정을 검증하여, 하류 밸브가 폐쇄된 뒤에 상기 챔버 내 유체 압력의 상승 속도를 측정하도록 상기 제어기가 더욱 구성됨을 특징으로 하는 질량 유량 검증기.
제 13항에 있어서, 상기 i-번째 임계 유량 노즐의 경우 상기 임계 유량 주기 t _cf,i 가 상기 상류 밸브가 완전히 차단되는 순간과 P_d 과 P_u 사이 비가 다음 식으로 정해지는 상기 임계 압력 비 α_pc를 초과하는 순간 사이로 정해지며:

상기 식에서,
V_c 는 질량 유량 검증기 내 챔버의 체적이고,
α_p0 는 상기 하류 밸브가 차단되기 전 순간에 상기 노즐의 상류와 하류 사이 초기 압력 비이며,
C _i 는 i-번째 (i=1,...,N) 임계 유량 노즐에 대한 방전 계수이고,
A _i (i = 1,...,N)는 상기 i-번째 노즐에 대한 노즐 구멍의 단면적이며,
f_g(M,Υ,T)는 다음과 같은 식으로 정해지는 가스 특성 곡선이고,

상기 식에서,
M 는 유체의 분자량이고,
R 는 유니버설 가스 상수이며,
T 는 유체의 온도이고, 그리고
Υ는 유체의 비열 비임을 특징으로 하는 질량 유량 검증기.
제 14항에 있어서, 제어기에 의해 상기 i-번째 임계 유량 노즐을 작동시킨 뒤, 상기 압력 센서와 온도 센서가 상기 i-번째 임계 유량 노즐에 대해 임계 주기 tⁱ _cf내에 측정되도록 구성되며, 상기 질량 유량 검증기에 의한 유량 검증이 가변 챔버 압력과 무관하며, 그리고 상기 질량 유량 검증기와 상기 DUT 사이 외부 체적과 무관하도록 됨을 특징으로 하는 질량 유량 검증기.
제 14항에 있어서, 상기 i-번째 임계 유량 노즐(i = 1, ..., N) 작용이 있으면, 제어기가 다음과 같이 상기 장치의 측정을 검증하도록 구성되며:
a) 상기 호스트 제어기 또는 사용자로부터 수신된 유체 타입 그리고 바람직한 유량 검증 레인지에 기초하여 하류 밸브를 개방하고 상기 i-번째 상류 밸브를 작동시키며;
b) 상기 호스트 제어기 또는 사용자에 의해 상기 DUT로 유량 세트 포인트를 제공하고;
c) 상기 챔버 내 압력이 안정된 상태에 도달하고 그리고 안정해지는 때 까지 대기하며;
d) 유량 검증 계산을 위해 챔버 내 유량의 압력과 온도 측정을 시작하고;
e) 하류 밸브를 차단하여, 상기 챔버 내 압력이 상승하도록 하며;
f) 유량 검증을 위해, i-번째 임계 유량 노즐의 경우, 상기 임계 유량 주기 t _cf,i 보다 짧은 주기 동안 상기 챔버 내 유체의 압력과 온도를 계속 측정하며;
g) 상기 하류 밸브가 차단된 때로부터 측정된 한 임계 주기 내에 상기 하류 밸브를 개방하고; 그리고
h) 다음 식을 사용하여 상기 챔버 내로 들어가는 유체의 흐름 속도를 계산하며;

상기 식에서, V_c 는 질량 유량 검증기 내 챔버 체적이며,
T _stp 는 273.15K인 표준 가스 온도이고,
P _stp 는 1.01325e5 P_a 인 표준 가스 압력이며,_,
k ₀ 는 SCCM 단위당 약 6 x 10⁷이고, SLM 단위당 6 x 10⁴이며,
P 는 압력 센서에 의해 측정된 유체의 압력이고,
T 는 온도 센서에 의해 측정된 유체의 온도임을 특징으로 하는 질량 유량 검증기.
제 1항에 있어서, 상기 장치가 질량 유량 미터; 질량 유량 제어기; 그리고 유량 비 제어기 가운데 하나를 포함함을 특징으로 하는 질량 유량 검증기.
한 장치에 의해 유체의 유량 측정을 검증하는 방법에 있어서,
질량 유량 검증기 내 챔버와 상기 장치(DUT) 사이 유체의 유량 경로를 따라 다수의 N개 임계 유량 노즐을 위치시키고;
N개의 임계 유량 노즐(i = 1, ..., N) 가운데, i-번째 노즐을 작동시키어, 상기 i-번째 노즐에 대해 정해진 한 임계 유량 주기 t _cf _,i (i = 1, ..., N) 동안, i-번째 노즐에서의 유체의 유량과 i-번째 노즐 상류 유체의 압력이 일정하게 유지되고 상기 챔버 내 압력의 상승에 민감하지 않도록 하며;
상기 챔버 상류 유입구 밸브와 하류 유출구 밸브가 개방 상태인 동안, i-번째 유입구를 통해 상기 장치로부터 상기 챔버 내로의 유량 경로를 따라 유체가 흐르도록 하고;
상기 챔버 내로의 유체의 유량 속도와 상기 챔버 내 유체의 압력이 안정된 상태에 도달하도록 하며;
상기 챔버의 하류 유출구 밸브를 폐쇄하여 상기 유체의 압력이 상기 챔버 내에서 상승하기 시작하도록 하고; 그리고
상기 임계 유량 주기 t _cf _,i 내에서 유체 압력과 유체 온도를 측정하여, 상기 챔버 내 유체의 압력 상승 속도를 측정하도록 하며, 상기 측정된 압력 상승 속도를 사용하여 유체 온도의 측정과 함께 유체 흐름 속도를 계산하도록 함을 특징으로 하는 유체의 유량 측정을 검증하는 방법.
제 18항에 있어서, i-번째 노즐에 대하여, 그 같은 노즐을 통한 유체의 흐름이 그 같은 노즐의 임계 유량 주기 t _cf _,i (i = 1, ..., N)동안 제한 되도록 N개 임계 유량 노즐 각각이 만들어지며, t _cf _,i (i = 1, ..., N)동안 일정 임계 유량 조건이 만족되도록 함을 특징으로 하는 유체의 유량 측정을 검증하는 방법.
제 18항에 있어서, 상기 유체의 유량 속도 계산 행위가 다음 식을 사용하며:

상기 식에서, P와 T가 상기 임계 유량 주기 내인 검증 주기 중에 상기 압력 센서 및 온도 센서에 의해 측정되어, 상기 가변 챔버 압력이 상기 DUT의 하류 압력에 영향을 미치지 않도록 함을 특징으로 하는 유체의 유량 측정을 검증하는 방법.
유체의 유량 속도 유량 측정 장치에 의해 측정을 검증하는 질량 유량 검증기 정밀도 및 동작 유량 레인지를 증가시키는 방법으로서, 상기 질량 유량 검증기가 상기 유량 측정 장치로부터의 유체 유량을 수용하도록 구성된 챔버, 상기 챔버 내 유체의 압력을 측정하도록 구성된 압력 센서, 그리고 상기 챔버 내 유체의 온도를 측정하도록 구성된 온도 센서를 포함하는, 상기 방법에 있어서,
상기 유량 측정 장치와 챔버 사이에 다수의 N개 임계 유량 노즐을 제공하고; 그리고
한 해당하는 상류 밸브를 개방하고 모든 다른 상류 밸브를 폐쇄하여 상기 N개 임계 유량 노즐 가운데 하나의 노즐을 선택적으로 작동시킴을 포함함을 특징으로 하는 질량 유량 검증기 정밀도 및 동작 유량 레인지를 증가시키는 방법.
제 21항에 있어서, 바람직한 유량 검증 레인지, 유체 타입 그리고 MFVs를 위한 최대 유입구 압력 요건을 기초로 하여 상기 임계 유량 노즐에 대한 최적의 오리피스 크기를 선택함을 더욱 포함함을 특징으로 하는 질량 유량 검증기 정밀도 및 동작 유량 레인지를 증가시키는 방법.