KR20170032481A - 실시간으로 질량 유량 제어기를 통과하는 흐름을 모니터링하는 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

질량 유량 제어기는, 상기 질량 유량 제어기를 통과하는 질량의 유속을 측정하도록 구성되고 구현되는 제 1 유량계; 상기 질량 유량 제어기를 통과하는 질량의 유속을 측정하도록 구성되고 구현되는 제 2 유량계; 상기 질량 유량 제어기를 통과하는 질량의 유속을 상기 유량계 중 하나에 의하여 측정된 바와 같은 유속의 함수로서 생성되는 제어 신호에 응답하여 제어하기 위하여 구성되고 구현되는 제어 밸브; 및 제어 신호를 생성하고, 상기 제 1 유량계에 의하여 측정된 바와 같은 질량의 유속 및 상기 제 2 유량계에 의하여 측정된 바와 같은 질량의 유속 사이의 차분이 임계를 초과할 경우 표시를 제공하도록 구성되고 구현되는 시스템 제어기를 포함한다.

Description

실시간으로 질량 유량 제어기를 통과하는 흐름을 모니터링하는 시스템 및 방법{SYSTEM FOR AND METHOD OF MONITORING FLOW THROUGH MASS FLOW CONTROLLERS IN REAL TIME}
관련 출원들에의 상호-참조
본 출원은 2012 년 1 월 20 일에 출원되며 원용에 의해 그 전체가 본 명세서에 포함되는 미국 출원 번호 제 13/354,988 호에 대한 미국 특허법 119 조에 의한 우선권을 주장한다.
분야
본 개시물은 일반적으로 질량 유량 제어기(mass flow controllers; MFC)에 관련되며, 좀 더 자세하게 설명하면 실시간으로 질량 유량 제어기를 통해 흐름을 모니터링하는 시스템 및 방법에 관련된다. 본 명세서에서 사용될 때 용어 "가스"는 두 용어가 다르게 고려되어야 한다면 용어 "증기"를 포함한다.
개관
질량 유량 제어기(MFC)는 가스의 흐름을 측정 및 제어하기 위한 디바이스이다. 이들은 보통 반도체 제조 프로세스 동안의 가스의 흐름을 제어하기 위하여 사용되는데, 여기에서 반도체 툴, 예컨대 진공 챔버로의 가스의 흐름은 높은 수율의 반도체 제품을 생산하기 위하여 조심스럽게 제어되어야 한다. MFC는 보통 특정한 타입의 가스를 유속의 특정 범위에서 제어하도록 설계되고 교정된다. 이 디바이스는 유속을 보통 반도체 툴 자체와 같은 사용자 또는 외부 디바이스에 의하여 선결정된 주어진 세트포인트에 기초하여 제어한다. MFC는 아날로그 또는 디지털일 수 있다. 이들은 통상적으로 주입 가스의 압력 범위에서 사용되도록 설계되는데, 저압 및 고압 MFC가 이용가능하다. 모든 MFC는 인입 포트, 및 인출 포트, 질량 유량 센서를 가지는 질량 유량계 및 비례 제어 밸브를 가진다. 시스템 제어기는 제어 신호를 제어 밸브에 세트포인트에 의하여 결정되는 바와 같은 유속 및 질량 유량 센서에 의하여 감지되는 바와 같은 측정된 유속의 비교의 함수로서 제공하는 피드백 제어 시스템의 일부로서 사용된다. 따라서 피드백 제어 시스템은 측정된 흐름이 세트포인트에 의하여 결정되는 바와 같은 유속에서 유지되도록 밸브를 작동시킨다.
이러한 제어 시스템은 MFC가 어떤 허용 오차 내에서 교정된 상태로 유지된다고 가정한다. MFC가 교정의 허용 오차 내에 있는지 여부를 테스트하기 위하여, MFC는 통상적으로 질량 흐름 검증기(mass flow verifier)와 같은 이러한 디바이스로써 오프라인에서 테스트된다. 후자는 유속을 테스트하기 위하여 사용된다. 비록 오프라인 테스팅이 매우 정확하지만, MFC가 프로세스의 실행 도중에(실시간으로) 교정 상태를 벗어날 수 있고, 프로세스가 완료될 때까지 검출되지 않을 수 있다는 문제점이 언제나 존재한다. 흔히 이것은 반도체 제품의 더 낮은 수율, 및 심지어는 결과적으로 전체 제품 수율의 손실을 야기하는 완전한 고장을 초래할 수 있다. 이것은 고비용의 작업일 수 있으며, 명백히 바람직하지 않다. 프로세스가 실행되고 있는 동안에 실시간으로 MFC의 교정 셋팅을 연속적으로 테스트하기 위한 디바이스 및 방법이 필요하다.
관련 기술의 설명
일본 공개 출원 제 2004-246826A2004.9.2 호를 참조한다.
질량 유량 제어기는:
상기 질량 유량 제어기를 통과하는 질량의 유속을 측정하도록 구성되고 구현되는 제 1 유량계;
상기 질량 유량 제어기를 통과하는 질량의 유속을 측정하도록 구성되고 구현되는 제 2 유량계;
상기 질량 유량 제어기를 통과하는 질량의 유속을 상기 유량계 중 하나에 의하여 측정된 바와 같은 유속의 함수로서 생성되는 제어 신호에 응답하여 제어하기 위하여 구성되고 구현되는 제어 밸브; 및
제어 신호를 생성하고, 상기 제 1 유량계에 의하여 측정된 바와 같은 질량의 유속 및 상기 제 2 유량계에 의하여 측정된 바와 같은 질량의 유속 질량의 유속 사이의 차분이 임계를 초과할 경우 표시를 제공하도록 구성되고 구현되는 시스템 제어기를 포함한다.
이러한 그리고 다른 컴포넌트, 단계, 피쳐, 오브젝트, 이점, 및 장점이 이제 예시적인 실시예 및 첨부 도면의의 후속하는 상세한 설명의 검토로부터 이제 명백해 질 것이다.
도면은 예시적인 실시예를 개시한다. 그들은 모든 실시예를 발표하는 것은 아니다. 다른 실시예가 추가적으로 또는 대신에 사용될 수도 있다. 공간을 절약하거나 더 효과적인 예시를 위하여 피상적이거나 불필요한 것일 수도 있는 세부사항은 생략될 수도 있다. 반대로, 몇몇 실시예는 개시된 세부사항 모두가 없어도 실시될 수도 있다. 상이한 도면에 동일한 숫자가 나타난다면, 이것은 동일하거나 유사한 컴포넌트 또는 단계를 지칭한다.
도 1 은 MFC를 통하여 흐름을 제어하고 실시간으로 MFC의 정확도를 모니터링하도록 구성되고 구현되는 MFC의 단순화된 블록도이다;
도 2 는 본 명세서에서 설명되는 교시를 채용하는 MFC의 일 실시예의 블록도이다; 그리고
도 3 은 언제 도 1 및 도 2 와 연계하여 설명된 것과 같은 MFC가 교정 허용 오차를 벗어나는지를 나타내는 신호를 생성하기 위한 컴포넌트의 블록도이다.
예시적인 실시예들이 이제 논의된다. 다른 실시예가 추가적으로 또는 대신에 사용될 수도 있다. 공간을 절약하거나 더 효과적인 표현을 위하여 피상적이거나 불필요한 것일 수도 있는 세부사항은 생략될 수도 있다. 반대로, 몇몇 실시예는 개시된 세부사항 모두가 없어도 실시될 수도 있다.
도 1 을 참조하면, 도시되는 예시적인 질량 유량 제어기(10)는 MFC를 통하여 흐름을 제어하고 실시간으로 MFC의 정확도를 모니터링하도록 구성되고 구현된다. 도시된 바와 같이, 제어기(10)는 각각 독립적으로 MFC를 통과하는 가스의 측정된 유속을 나타내는 신호를 생성하는 두 개의 유량계(12 및 14)를 포함한다. 두 개의 유량계들의 출력은 시스템 제어기(16)로 제공된다. 제어기(16)는 두 개의 유량계(12 및 14)로부터 수신되는 두 개의 신호를 처리하며, 유량계 중 하나에 의하여 측정된 흐름 및 세트 포인트에 기초하여 제어 신호를 비례 제어 밸브(18)로 제공하고, 두 개의 유량계에 의하여 측정된 바와 같은 유속에서의 차분이 선결정된 임계를 초과한다는 결정이 이루어지면 표시("alarm") 신호를 제공한다.
일반적으로 20 으로 표시되는 MFC의 더 상세한 예시적인 실시예가 도 2 에 도시된다. MFC(20)는 MFC를 통과하는 흐름을 제어하고 MFC의 정확도를 실시간으로 모니터링하기 위하여 구성되고 구현된다. 도시된 바와 같이, 가스는 MFC를 통과하는 인출 포트(60)까지의 메인 흐름 경로(34)를 정의하는 도관을 포함하는 블록(28)의 입력 포트(32)에서 수납된다. 제 1 유량계(30)는 열량형 질량 유량계로서 도시된다. 열량형 질량 유량계는 통상적으로 열량형 질량 유량 센서(36)를 포함한다. 후자는 보통 블록(28)을 통과하는 가스 흐름의 메인 흐름 경로(34)의 바이패스에 배치되는 바이패스 엘리먼트(38)를 포함한다. U-형 모세관(40)은 바이패스 엘리먼트(38)의 업스트림 및 다운스트림 단부에서 일차 패스웨이에 각각 연결되는 반대 단부를 가진다. 하나 이상의 저항 엘리먼트(42)(두 개는 거의 공통적임)가 모세관을 통과하는 흐름을 이 예에서는 두 개의 저항 엘리먼트의 저항에서의 차분의 함수로서의 온도 측정에 기초하여 측정하기 위하여 사용되는데, 이것은 이제 질량 유속의 측정인 유체의 감지 온도에서의 차분의 함수이다. 바이패스 엘리먼트(38)는 모세관(40)의 양단부 사이의 바이패스 엘리먼트(38)를 통과하는 가스 흐름이 층류성(laminar)인 것을 보장하도록 설계된다. 층류성 흐름을 유지함으로써, 모세관을 통과하는 가스의 측정된 유속은 메인 흐름 경로(34)를 통과하는 흐름의 정확한 백분률이 될 것이다. 따라서, 모세관(40)을 통과하는 감지된 유속은 MFC(20)를 통과하고 인출 포트(60)를 벗어나는 유속의 정확한 측정이 될 것이다. 감지된 유속을 나타내는 데이터는 시스템 제어기(16)로 통신된다.
제 2 유량계(50)는 차압 유량계로서 도시된다. 막힌(choked) 흐름 조건에 대하여, 유량계(50)는 흐름 제한기(52)(예를 들어, 크리티컬 흐름 노즐 또는 오리피스), 및 흐름 제한기(52)로부터 상류인 메인 흐름 경로(34)를 통과하여 흐르는 가스의 개별적인 온도 및 압력을 측정하도록 구현되는 온도 센서(54) 및 업스트림 압력 센서(56)를 포함한다. 감지된 온도 및 압력을 나타내는 데이터는 제 2 유량계(50)를 통과하는 질량 흐름을 이러한 감지된 측정의 함수로서 결정하는 데에서 사용하기 위하여 시스템 제어기로 송신된다. 막히지 않은(non-choked) 흐름 조건에 대하여, 제 2 또는 다운스트림 압력 센서(58)가 흐름 제한기(52)의 하류측에 제공된다. 감지된 온도, 상류 압력 및 하류 압력을 나타내는 데이터는 제 2 측정기(50)를 통과하는 질량 흐름을 감지된 측정의 함수로서 결정하기 위하여 시스템 제어기(16)로 송신된다. 제 2 유량계(50)(막힘 및 막히지 않음 실시예 모두에서)에 의하여 제공되는 제 2 측정은 제 1 유량계(30)에 의하여 제공되는 측정으로부터 독립적이다.
도 3 을 참조하면, 시스템 제어기(16)는 MFC를 통과하는 동일한 흐름의 두 개의 흐름 측정을 제공하기 위하여 유량계(70 및 72)의 출력을 처리한다. 도시된 바와 같이, 유량계(70)는 흐름 제어 유닛(74)으로 제공되고, 이것은 이제 제어 신호를 비례 제어 밸브(18)로 인가한다. 비교기(76)는 두 개의 측정기(70 및 72)에 의하여 제공되는 감지된 흐름 측정을 나타내는 데이터를 비교하여 두 개의 측정 사이의 임의의 차분의 함수이고 이것을 나타내는 출력 신호를 제공하기 위하여 제공된다. 이러한 출력 신호는 임계 검출기(78)에 의하여 몇몇 임계 값(임계 설정(80)에 의하여 제공됨)과 비교된다. 비교기(76)의 출력 신호가 임계 값(여기에서 두 개의 측정기가 상이한 흐름 측정을 제공하여 이들 사이의 차분이 선결정된 임계를 초과하게 함)을 초과한다면, 임계 검출기는 알람 또는 표시 신호를 제공하여 측정기 중 적어도 하나가 부정확하다는 것 그리고 MFC가 라인에서 떨어져서 추가적으로 테스트되어야 한다는 것을 사용자에게 경고한다. 80 에서의 임계 설정의 값이 MFC의 초기 공장 셋업 도중에 값을 설정하는 것 또는 사용자에 의하여 프로그래밍되는 것을 포함하는 여러 방법들 중 임의의 것에서 제공될 수 있다는 것에 주의해야 한다. 임계 값은 제어기가 가스를 전달하는데 사용하는 특정 프로세스에 대한 질량 흐름에서의 허용가능한 허용 오차의 함수로서 설정될 수 있다. 따라서, 몇몇 프로세스는 다른 것보다 흐름에 있어서 더 큰 허용 오차를 허용할 수도 있다.
비록 도 2 에서 제 1 및 제 2 유량계가 열량형 질량 유량계 및 차압 유량계로서 각각 설명되어 왔지만, 이들은 MFC(20)가 의도되는 적용예에 의존하여 유량계의 다른 타입, 예컨대 코리올리 유량계, 자기적 유량계 또는 초음파 유량계일 수 있다. 비록 제 1 유량계의 타입이 제 2 유량계의 그것과는 상이한 것이 바람직하지만, 두 개의 유량계는 동일한 타입일 수 있다. 예를 들어, 양자의 유량계는 열량형 질량 유량계 또는 차압 유량계일 수 있다. 더 나아가, 비록 제 1 유량계(30)가 제어 밸브(18)의 상류에 위치되고 제 2 유량계가 제어 밸브(18)의 하류에 위치되지만, 이러한 두 개의 유량계의 위치는 MFC의 메인 흐름 경로(34)를 따라 임의의 곳일 수 있다. 예를 들어, 양자의 유량계는 제어 밸브(18)에 상류이거나 하류일 수 있다.
도 3 에 도시된 바와 같이, 비록 제 1 유량계(70) 로부터의 측정이 MFC 흐름 출력을 제어하기 위하여 흐름 제어 유닛(74) 내에서 사용되고 제 2 유량계(72) 로부터의 출력이 MFC의 정확도를 실시간으로 증명하도록 사용되지만, 제 2 유량계(72) 로부터의 측정은 MFC(20)의 흐름 출력을 제어하기 위하여 흐름 제어 유닛(74)에서 사용될 수 있고, 제 1 유량계(70) 로부터의 출력은 흐름 검증을 위하여 사용될 수 있다.
논의된 컴포넌트, 단계, 피쳐, 오브젝트, 이점 및 장점은 단지 예시일 뿐이다. 이들 중 어느 것도 또한 이들에 관련된 어떤 논의도 어떠한 방법으로도 보호 범위를 제한하려고 의도되지 않는다. 다수의 다른 실시예도 역시 고찰된다. 이것은 더 적은, 추가적인, 및/또는 상이한 컴포넌트, 단계, 피쳐, 오브젝트, 이점 및 장점을 가지는 실시예를 포함한다. 또한 이것은 컴포넌트 및/또는 단계가 상이하게 구현 및/또는 순서결정되는 실시예를 포함한다.
그렇지 않다고 진술되지 않는 한, 후속하는 청구항 내에 있는 것을 포함하여 본 명세서에서 진술되는 모든 측정치, 값, 등급(ratings), 포지션, 크기, 사이즈, 및 다른 사양은 정확한 것이 아니고 근사치이다. 이들은 그들이 관련되며 당업계에서 통상적인 기능과 일관적인 타당한 범위를 가지도록 의도된다.
본 개시물에서 인용된 바 있는 모든 문헌, 특허, 특허 출원, 및 다른 공개 문서는 여기에서 원용에 의해 본 명세서에 포함된다.
청구항에서 사용될 경우 어구 "~하기 위한 수단"은 설명된 바와 같은 대응하는 구조 및 물질 및 그들의 균등물을 포함하는 것으로 의도되고 해석되어야 한다. 이와 유사하게, 청구항에서 사용될 경우 어구 "~하기 위한 단계"는 설명된 바와 같은 대응하는 동작 및 그들의 균등물을 포함하는 것으로 의도되고 해석되어야 한다. 청구항에 이러한 어구가 없다는 것은 대응하는 구조, 물질, 또는 동작으로 또는 그들의 균등물로 제한될 것으로 의도되지 않으며 그렇게 제한되는 것으로 해석되어서는 안 된다는 것을 의미한다.
청구항에 인용되는 지와 무관하게, 언급되거나 예시된 바 있는 어느 것도 임의의 컴포넌트, 단계, 피쳐, 오브젝트, 이점, 장점, 또는 균등물을 공중의 재산으로 바치는 것을 야기하는 것으로 의도되거나 해석되어서는 안 된다.
보호 범위는 오직 이제 후속하는 청구항에 의해서만 한정된다. 그 범위는, 본 명세서 및 후속하는 심사 이력에 비추어 해석될 때의 청구항에서 사용된 언어의 의미와 일관되는 정도로 넓게 그리고 모든 구조적 및 기능성 균등물을 망라하는 것으로 의도되며 해석되어야 한다.

Claims (19)

  1. 질량 유량 제어기로서,
    상기 질량 유량 제어기를 통과하는 질량의 유속을 측정하도록 구성되고 구현되는 제 1 유량계;
    상기 질량 유량 제어기를 통과하는 질량의 유속을 측정하도록 구성되고 구현되는 제 2 유량계;
    상기 질량 유량 제어기를 통과하는 질량의 유속을 상기 유량계 중 하나에 의하여 측정된 바와 같은 유속의 함수로서 생성되는 제어 신호에 응답하여 제어하기 위하여 구성되고 구현되는 제어 밸브; 및
    제어 신호를 생성하고, 상기 제 1 유량계에 의하여 측정된 바와 같은 질량의 유속 및 상기 제 2 유량계에 의하여 측정된 바와 같은 질량의 유속 사이의 차분이 임계를 초과할 경우 표시를 제공하도록 구성되고 구현되는 시스템 제어기를 포함하는, 질량 유량 제어기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 유량계는 동일한 타입인, 질량 유량 제어기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 유량계는 상이한 타입인, 질량 유량 제어기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 유량계 중 적어도 하나는 차압 유량계(differential pressure flow meter)인, 질량 유량 제어기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 유량계 중 적어도 하나는 열량형 질량 유량계(thermal mass flow meter)인, 질량 유량 제어기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 유량계 중 다른 것은 차압 유량계인, 질량 유량 제어기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 유량계 중 적어도 하나는 코리올리 유량계인, 질량 유량 제어기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 유량계 중 적어도 하나는 자기식 유량계(magnetic flow meter)인, 질량 유량 제어기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 유량계 중 적어도 하나는 초음파 유량계(ultrasonic flow meter)인, 질량 유량 제어기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 유량계는 각각 상기 제어 밸브의 상류 및 하류에 있는, 질량 유량 제어기.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 유량계는 모두 상기 제어 밸브의 상류에 포지셔닝되는, 질량 유량 제어기.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 유량계는 모두 상기 제어 밸브의 하류에 포지셔닝되는, 질량 유량 제어기.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 신호는 열량형 질량 유량계에 의하여 측정되는 바와 같은 유속의 함수로서 생성되는, 질량 유량 제어기.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 다른 유량계는 차압 유량계인, 질량 유량 제어기.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 신호는 차압 유량계에 의하여 측정되는 바와 같은 유속의 함수로서 생성되는, 질량 유량 제어기.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 다른 유량계는 열량형 질량 유량계인, 질량 유량 제어기.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 임계는 사용자에 의하여 설정되는, 질량 유량 제어기.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 임계는 공장에서 설정되는, 질량 유량 제어기.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 임계는, 상기 제어기가 배달 가스를 전달하기 위하여 사용되는 수단인 프로세스에 대한 질량 흐름에서의 허용가능한 허용 오차의 함수로서 설정되는, 질량 유량 제어기.
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