KR20120132358A - 질량 유량계 모니터링 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비-펌핑된 상태인 챔버에 대해 기체를 공급하기 위한 압력 챔버에 연결된 질량 유량계(MFC)를 모니터링하는 방법에 관한 것으로, 시험 주기 동안 연속적인 충전 사이클을 생성하기 위해 MFC를 주기적으로 스위칭하는 단계 및 시험 기간(test period) 동안 간격을 두고 챔버의 압력을 측정하는 단계를 포함하고, MFC의 총 스위치 시간은 충전 사이클의 적어도 10%이며, 이 방법은 압력 측정치의 평균을 획득하고 MFC가 적절히 작동되는지의 여부를 결정하기 위해 이 평균을 이력 데이터와 비교하는 단계를 포함한다.

Description

질량 유량계 모니터링{Mass Flow Controller Monitoring}

본 발명은 기체를 챔버에 공급하기 위해 압력 챔버에 연결된 질량 유량계(MFC)를 모니터링하기 위한 방법에 관한 것이다.

질량 유량계는 반도체 기판을 식각하고 이 위에 필름을 증착하는 단계를 포함하는 공정 동안에 기체의 측정된 흐름을 압력 챔버에 공급하기 위해 사용된다. 정확한 흐름 속도는 공정의 재현 가능성에 있어서 극히 상당할 수 있으며, 또한 흐름 속도의 부정확성에 따라 챔버 내의 화학 물질의 비율의 변화로 인해 상이한 공정이 수행될 수 있다.

따라서, 유량계가 작동 시에 문제점을 식별하기 위해 유량계를 모니터링하는 시스템이 이미 개발되었다. 전형적으로 이들 시스템은 MFC에서 원하는 유량 속도를 배열하는 단계, 기체 흐름을 안정화하는 단계, 정해진 부피 챔버가 설정 압력이 달성될 때까지 또는 정해진 시간 동안 기체를 충전될 수 있는 단계, 챔버 내로의 기체의 충전 속도를 결정하는 단계를 포함한다. 이 시험 동안 챔버는 펌핑되지 않는다. 이 속도 값은 MFC가 정확히 작동되는 여부를 확인하기 위해 알려진 적당한 값과 비교될 수 있다.

제US7822570호, 제6955072호 및 제5684245호에는 유량 질량계를 작동시키기 위한 다양한 방법이 제시된다.

이러한 시스템은 상대적으로 긴 공정 시간 동안 매우 유용하다. 그러나, 공지된 스위치형 보쉬 공정(switched Bosch process)을 사용할 때, MFC의 개방 및 폐쇄 시간이 이의 설계 길이로부터 변화하는 경우 주기적 공정 시간을 감소시키는 것이 선호되며, 편차는 사이클 시간의 상당한 부분이 될 수 있어서 이러한 요인으로 공정에 있어서 뒤틀림(distortion)이 야기된다. 수 분 동안에 수행되는 공정 또는 사이클에 대해 챔버에 기체가 공급되는 기간에 수 밀리초의 변화가 있다면, 이는 무시해도 좋은 변화를 야기한다. 그러나, 공정 또는 사이클이 상당히 감소되는 경우, MFC의 공정에서 리드(lead) 또는 지연 기간(lag period)은 공정 변화에 대해 상당한 부분이 된다.

출원인은 이 문제점을 감소시킬 수 있는 방법을 개발하였다.

본 발명의 일 양태는 비-펌핑된 상태(unpumped condition)인 챔버에 대해 기체를 공급하기 위한 압력 챔버에 연결된 질량 유량계(MFC)를 모니터링하는 방법으로 구성되며, 이 방법은 시험 주기 동안 연속적인 충전 사이클을 생성하기 위해 MFC를 주기적으로 스위칭하는 단계 및 시험 기간(test period) 동안 간격을 두고 챔버의 압력을 측정하는 단계를 포함하고, MFC의 총 스위치 시간은 충전 사이클의 적어도 10%이며, 이 방법은 압력 측정치의 평균을 획득하고 MFC가 적절히 작동되는지의 여부를 결정하기 위해 이 평균을 이력 데이터(historical data)와 비교하는 단계를 포함한다.

시험 기간 동안 종종 MFC를 반복함으로써, 스위치 기간(switch period)은 기체 흐름 기간의 상당한 부분이 되며, 이에 따라 스위칭의 부정확도(inaccuracy)가 필연적으로 나타난다.

선호되는 실시예에서, 시험 기간은 챔버가 사전정해진 압력에 도달될 때 또는 사전 정해진 사이클 횟수가 수행될 때 종료될 수 있다.

각각의 사이클은 충전 단계 및 지연(비 충전) 단계를 포함할 수 있다. 충전 및/또는 지연 단계의 길이는 시험 사이클 동안에 변화할 수 있다. 스위치형 보쉬 공정에서 전형적인 바와 같이, MFC는 사이클 동안에 완전히 폐쇄 또는 완전히 개방될 필요가 없다. 시험은 MFC가 실질적으로 폐쇄 및 실질적으로 개방되는 경우 수행될 것이다.

사이클 시간은 약 0.1 초 내지 약 60 초에서 변화할 수 있다. 이전의 스위치형 보쉬 공정에서, 시간이 1초 미만인 것이 더욱 선호된다. 의도된 공정 시간 및 스위치 시간의 상대적인 길이에 따라 사이클의 횟수가 적절히 선택될 수 있다. 이는 적어도 2회 이상이어야 한다.

MFC에 대한 스위치 시간은 약 10 ms 내지 약 200 ms일 수 있다. MFC 스위치 시간 대 사이클 시간의 비율은 약 0.00017 내지 약 2이다.

추가로, 방법은 압력 측정치의 기울기(gradient)를 획득하고 MFC가 적절히 작동되는지의 여부를 결정하기 위해 이 기울기를 이력 데이터와 비교하는 단계를 포함한다.

따라서, 시간에 따라 수득된 기울기를 좌표화함으로써, MFC가 느리게 개방되거나 또는 빠르게 개방되는지의 여부를 결정할 수 있다.

추가 양태에서, 본 발명은 챔버에 대해 기체를 공급하는, 챔버에 연결된 질량 유량계(MFC)의 작동을 모니터링하는 방법으로 구성되며, 이 방법은 일정 기간 동안 MFC가 주기적으로 개방 및 폐쇄되는 시험 단계를 개시하는 단계, 간격을 두고 챔버의 압력을 측정하는 단계, 압력 증가의 기울기를 결정하는 단계, 및 MFC의 작동 중에 점진적인 변화를 나타내기 위해 시간에 대해 측정된 기울기의 이력 트렌드(historical trend)를 결정하는 단계를 포함한다.

본 발명이 상기와 같이 기재될지라도, 본 발명은 하기 기술 내용 또는 전술된 특징의 조합을 포함할 수 있다.

본 발명은 다양한 방식에 따라 수행될 수 있으며, 특정 실시예는 예시로서 첨부된 도면에 따라 기재될 것이다.

도 1은 루핑 또는 주기적 충전 속도에 대한 챔버 압력의 상승을 나타내는 도면.
도 2는 시간에 따른 충전 속도 기울기의 변화를 나타내는 도면.

기재된 바와 같이, 본 발명은 느리게 개방 또는 폐쇄되는 MFC를 식별하기 위해 사용될 수 있는, "단 단계/다중 사이클(short step/multi cycle)" 충전 속도 척(fill rate check)의 사상을 제시한다.

따라서, 출원인은 적어도 시험 챔버 충전 속도가 다수의 횟수의 짧은 공정 단계로 구성되는 것을 제안하며, 이에 따라, MFC는 각각의 연속적인 단계 동안에 켜지거나 또는 커진다(또는 매우 느리게 유동한다). 이는 MFC가 총 MFC '온(on)' 시간의 상당 부분을 구성하는 온(on)/오프(off)를 변환하는데 걸리는 시간을 의미한다. 따라서, 온/오프 시간의 임의의 지연 또는 변동은 저/고 충전 속도 판독(fill rate reading)으로서 나타나야 하며, 이에 따라 사용자에게 문제점을 경고한다.

공정 챔버를 포함하는 장치의 오랜 기간의 작동에 걸쳐서 MFC 성능의 드리프트(drift)를 픽업하기 위해 시험을 구체적으로 설계하였다. 따라서, 도 1에서 MFC의 느린 개방 응답이 좌표화된다. 충전 속도의 각각의 사이클은 각각 가변 길이일 수 있는 "충전" 및 "측정" 단계를 포함한다. 사이클의 횟수는 챔버 내에서 수행되는 공정의 기간의 반영으로서 부분적으로 변화할 수 있다. 충전 속도 시험 기간의 종료는 달성된 압력 또는 정해진 횟수의 사이클에 의해 트리거링될 수 있다(trigger).

충전 속도에서 각각의 루프 또는 사이클로부터의 데이터는 그 뒤 데이터 로거(data logger)에 의해 기록될 수 있다. 이 데이터는 도 1에 도시된 압력/시간 그래프를 좌표화하기 위해 사용된다. 이는 시험 선(test line)의 기울기(gradient)를 계산하기 위해 사용될 수 있고, 이 정보는 저장된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 기간에 대한 시험 데이터가 경과된 시간에 대한 기울기의 그래프로 좌표화될 수 있다. MFC가 일정하게 작동되면, 좌표화된 선은 직선일 수 있다. 그러나, MFC가 느리게 개방된다면, 이는 음의 기울기를 갖는 플롯(plot)을 생성할 것이며, 반면 빠르게 개방되는 경우 플롯은 양의 기울기를 가질 것이다. 충전 속도가 정상 범위 외에 있다는 것을 장치 조작자에게 경고하기 위해 임계값이 설정될 수 있다.

MFC가 느리게 개방되고 느리게 폐쇄된다면, 도 2에 예시된 기울기에는 영향을 미치지 않을 수 있다.

이 변화는 각각의 단계 동안에 0으로 요구(demand)를 셋팅하지 않고 MFC 흐름을 스테핑함으로써(stepping) 확인될 수 있으며, 이에 따라 값은 단지 MFC의 개방 동작에만 의존된다. MFC는 궁극적인 챔버 압력에 도달될 때까지 동일한 단계에서 램핑된다(ramp). 이 값은 데이터 로거 내에 기록되고, 평균 값을 찾기 위해 다수 회 시험이 수행된다. 그 뒤, 평균값이 기록되고, 상한 범위 및 하한 범위에 대해 평가된다. 최종 압력이 이전의 시험으로부터 감소되는 경우, MFC는 느리게 개방되는 것으로 불릴 수 있다. 최종 압력이 이전의 시험으로부터 증가되는 경우, MFC는 신속히 개방되는 것으로 불릴 수 있다.

현재의 기술에 따라 MFC에 대한 개방 시간은 전형적으로 ~100 msec이지만 50 내지 400 msec의 범위일 수 있다. 폐쇄 시간은 MFC에 따라 30 내지 600 msec의 범위이고, 통상적인 모델은 50 msec의 폐쇄 시간을 갖는다. 따라서, 전형적인 사이클 공정에서, MFC는 100 msec 이후 완전히 개방될 수 있으며, 600 msec까지 개방된 상태로 유지될 수 있고, 그 뒤 650 msec에서 완전히 폐쇄될 수 있다. 사이클이 재차 개시되기 전에 약 5초를 대기하는 것이 통상적이다. 개방 기간은 t=200 msec에서 개시되는 폐쇄에 따라 아마도 감소되는 것이 이상적일 수 있다.

고장의 가장 전형적인 특징은 MFC가 느리게 개방되는 것이지만 전술된 루프 충전 방법(looped fill approach)은 또한 누출 또는 느리게 MFC를 폐쇄하는 것을 식별할 수 있다. 이에 따라 종래의 공정 동안에(충전 속도 사이클이 공정 시간과 유사할 수 있는 것을 가정함), MFC 개방 및 폐쇄 시간은 1 초의 영역(region)일 수 있으며, 반면 총 충전 사이클은 약 60 초일 수 있다. 그러나, 시험 공정을 수행할 때, 충전 시간은 상당히 단축될 수 있어서 1초의 MFC 시간이 500 msec의 총 충전 사이클과 대비된다. 그 결과, MFC 개방 및 폐쇄 시간은 전체의 상당히 큰 비율이다. 효과적인 시험 동안에, 총 MFC 개방 및 폐쇄 시간은 충전 단계(즉, MFC 시간을 포함한 충전 시간)의 10%를 초과하는 것이 선호될 수 있다.

전술된 방법에 따라 챔버는 작동 챔버일 것이지만, 또한 개별적인 챔버인 것도 또한 가장 유용할 수 있고, 이는 질량 유량계에 따른 문제점을 바람직하지 못하게 알려주고, 시험 결과에 기여하는 작동 챔버 내의 누출 결함을 방지할 수 있다.

Claims (14)

1. 비-펌핑된 상태인 챔버에 대해 기체를 공급하기 위한 압력 챔버에 연결된 질량 유량계(MFC)를 모니터링하는 방법으로서,
   -시험 주기 동안 연속적인 충전 사이클을 생성하기 위해 MFC를 주기적으로 스위칭하는 단계 및
   -시험 기간(test period) 동안 간격을 두고 챔버의 압력을 측정하는 단계를 포함하고,
   MFC의 총 스위치 시간은 충전 사이클의 적어도 10%이며, 이 방법은 압력 측정치의 평균을 획득하고 MFC가 적절히 작동되는지의 여부를 결정하기 위해 이 평균을 이력 데이터(historical data)와 비교하는 단계를 포함하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 시험 기간은 챔버가 사전정해진 압력에 도달될 때 종료되는 방법.
3. 제1항에 있어서, 시험 기간은 사전정해진 횟수의 사이클 이후 종료되는 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 사이클은 충전 단계 및 지연(비 충전) 단계를 포함하는 방법.
5. 제4항에 있어서, 충전 및/또는 지연 단계의 길이는 시험 기간 동안 변화되는 방법.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, MFC는 사이클 동안에 완전히 폐쇄 및/또는 개방되지 않는 방법.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 사이클 시간은 약 0.1 초 내지 약 60초인 방법.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 둘 이상의 사이클이 수행되는 방법.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, MFC에 대한 스위치 시간은 약 10 ms 내지 약 200 ms인 방법.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, MFC 스위치 시간 대 사이클 시간의 비율은 0.00017 내지 2인 방법.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 압력 측정치의 기울기를 획득하고 MFC가 적절히 작동되는지의 여부를 결정하기 위해 이 기울기를 이력 데이터와 비교하는 단계를 포함하는 방법.
12. 챔버에 대해 기체를 공급하는, 챔버에 연결된 질량 유량계(MFC)의 작동을 모니터링하는 방법으로서,
    -일정 기간 동안 MFC가 주기적으로 개방 및 폐쇄되는 시험 단계를 개시하는 단계,
    -간격을 두고 챔버의 압력을 측정하는 단계,
    -압력 증가의 기울기를 결정하는 단계, 및
    -MFC의 작동 중에 점진적인 변화를 나타내기 위해 시간에 대해 측정된 기울기의 이력 트렌드(historical trend)를 결정하는 단계를 포함하는 방법.
13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 챔버는 에칭 또는 증착 공구의 작동 챔버인 방법.
14. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 챔버는 시험 챔버(test chamber)인 방법.

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