KR20210042401A

KR20210042401A - 외부 압력 트리거를 사용하여 펄스 가스 전달을 위한 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20210042401A
Application number: KR1020217009177A
Authority: KR
Inventors: 마이클 엘'바시; 마크 제이. 콰라티엘로; 준화 딩
Original assignee: 엠케이에스 인스트루먼츠 인코포레이티드
Priority date: 2018-09-07
Filing date: 2019-08-20
Publication date: 2021-04-19
Also published as: US20200081459A1; CN112654733A; TW202024835A; US20200241578A9; TWI818066B; WO2020050972A1; EP3847295A1; US10725484B2; US20200301455A1; US11513542B2; EP3847295A4

Abstract

유체의 펄스 전달을 위한 유체 제어 시스템 및 연관된 방법은 차단 밸브 및 차단 밸브의 상류에 있는 질량 유동 제어기(MFC)를 포함한다. MFC는 유동 채널, 상기 유동 채널 내의 유체의 유동을 제어하기 위한 제어 밸브, 상기 유동 채널의 유량을 측정하기 위한 유동 센서, 및 상기 차단 밸브의 개방을 나타내는 상기 차단 밸브로부터의 밸브 입력을 갖는 제어기를 포함한다. 제어기는 유체의 펄스 중에 전달되는 유체의 질량을 제어하기 위해 유동 채널로부터 차단 밸브로의 유체의 펄스를 개시하고 종료하도록 제어 밸브를 통한 유체의 유동을 제어하기 위해 밸브 입력에 응답하도록 구성된다. 밸브 입력은 압력 신호일 수 있으며, MFC는 압력 신호를 감지하기 위한 압력 센서를 포함할 수 있다.

Description

외부 압력 트리거를 사용하여 펄스 가스 전달을 위한 방법 및 장치

관련된 출원

본 출원은 2018년 9월 7일에 출원된 미국출원 제16/124,669호의 계속 출원이다. 상기 출원의 전체 교시들은 본원에 참조로 통합된다.

질량 유동 제어기(mass flow controller, MFC)는 액체들 및 가스들의 유동을 측정하고 제어하기 위한 디바이스이다. 일반적으로, MFC는 유입구 포트, 배출구 포트, 질량 유동 센서 및 원하는 질량 유동을 달성하도록 조정되는 비례 제어 밸브를 포함한다.

원자층 증착(atomic layer deposition, ALD) 프로세스들과 같은 반도체 제작 프로세스들은 여러 프로세싱 단계들에 걸쳐 여러 상이한 가스들 및 가스 혼합물들을 다양한 양들로 전달하는 것을 수반할 수 있다. 일반적으로, 가스들은 프로세싱 설비에서의 탱크들 내에 저장되며, 가스 계측 시스템들(gas metering systems)은 계측된 양들의 가스들을 탱크들로부터 화학적 증기 증착 반응기들(chemical vapor deposition reactors), 진공 스퍼터링 머신들(vacuum sputtering machines), 플라즈마 에칭기들(plasma etchers) 등과 같은 프로세싱 툴들로 전달하는데 사용된다. 통상적으로, 밸브들, 압력 조절기들, MFC들, 질량 유량비 제어 시스템들(mass flow ratio control systems)과 같은 구성요소들은 가스 계측 시스템에 또는, 상기 가스 계측 시스템으로부터 프로세싱 툴로의 유동 경로에 포함된다.

펄스 가스 전달 디바이스들은 가스의 펄스화된 질량 유동을 반도체 프로세스 툴들로 전달하기 위해 개발되었다.

유체의 펄스 전달을 위한 유체 제어 시스템은 차단 밸브(shutoff valve) 및 상기 차단 밸브의 상류에 있는 질량 유동 제어기(MFC)를 포함한다. 상기 MFC는 유동 채널, 상기 유동 채널 내의 유체의 유동을 제어하기 위한 제어 밸브, 상기 유동 채널의 유량(flow rate)을 측정하기 위한 유동 센서, 및 상기 차단 밸브의 개방을 나타내는 상기 차단 밸브로부터의 밸브 입력을 갖는 제어기를 포함한다. 상기 제어기는 상기 유체의 펄스 중에 전달되는 유체의 질량을 제어하기 위해 상기 유동 채널로부터 상기 차단 밸브로의 유체의 펄스를 개시하고 종료하도록 상기 제어 밸브를 통한 유체의 유동을 제어하기 위해 상기 밸브 입력에 응답하도록 구성된다.

상기 MFC는 압력 기반 MFC 또는 열(thermal) MFC일 수 있다. 상기 제어 밸브는 바람직하게, 제어 입력(예를 들어, 호스트 제어기로부터의 전자 제어 입력)에 비례하는 유동 출력을 생성하는 비례 밸브이다. 상기 비례 제어 밸브는 밸브 오리피스(valve orifice)를 통과하는 상기 유체의 유동을 제어하는데 사용될 수 있다. MFC들에 사용되는 통상적인 비례 밸브들은 솔레노이드 밸브들(solenoid valves) 및 피에조 밸브들(piezo valves)을 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 상기 MFC의 상기 제어기는 상기 유체의 펄스 중에 상기 유동 센서로부터의 피드백을 기초로 상기 제어 밸브를 통한 상기 유체의 유동을 제어할 수 있다.

상기 MFC로부터 하류에 위치된 상기 차단 밸브는 빠른 응답의, 공압으로 제어된 밸브(pneumatically controlled valve)일 수 있다. 밸브는 프로세스 챔버 및 우회 라인(divert line)에 결합된 3-방향 밸브일 수 있다. 차단 밸브는 호스트 제어기에 의해 제어될 수 있다.

상기 MFC에 대한 밸브 입력은 압력 신호일 수 있으며, 상기 MFC는 상기 압력 신호를 감지하기 위한 압력 센서를 포함할 수 있다. 상기 압력 센서는 공압 라인으로의 탭(tap)을 통해 압력 신호를 수신할 수 있고, 상기 라인에서의 압력은 상기 차단 밸브를 개방 및 폐쇄할 수 있다. 일반적으로, 상기 압력 센서는 호스트 제어기에 의해 제어되는 공압 라인을 통해 상기 압력 신호를 수신할 수 있다.

상기 밸브 입력이 압력 신호인 경우, 상기 MFC의 상기 제어기는 상기 압력 신호의 상승 엣지를 펄스 가스 전달을 시작하기 위한 트리거 신호(trigger signal)로 변환하도록 구성될 수 있다.

상기 MFC의 상기 제어기는 유동 설정치(flow set point) Q _SP 및 펄스-온 기간(pulse-on period) Δt로부터 몰 설정치(mole set point) n_SP를 계산하도록 구성될 수 있다. 상기 몰 설정치 n_SP는 상기 유체의 펄스 중에 전달될 상기 유체의 질량의 목표량이다. 상기 펄스-온 기간 Δt는 MFC에 저장된 기본 값(default value)일 수 있으며, 상기 유동 설정치 Q _SP는 호스트 제어기로부터 수신될 수 있다. 상기 MFC는 상기 저장된 기본 값으로부터 상기 펄스-온 기간 Δt를 변경하도록 프로그램 가능할 수 있다.

상기 MFC의 상기 제어기는 다음의 식에 따라 상기 유동 설정치 Q _SP 및 상기 펄스-온 기간 Δt로부터 상기 몰 설정치 n_SP를 계산하도록 구성될 수 있다.

[수학식 1]

상기 제어기는 상기 전달된 유체의 질량의 계산 및/또는 유체의 펄스 중에 펄스-온 기간 Δt의 기간을 기초로 제어 밸브를 폐쇄하도록 구성될 수 있다.

예를 들어, 상기 제어기는 i) 상기 측정된 유량, ii) 상기 유체의 펄스의 시작 시간 및 iii) 상기 유체의 펄스의 정지 시간의 함수로서 전달된 유체의 추정된 몰 수를 결정하도록 구성될 수 있다. 상기 제어기는 상기 펄스 중에 전달된 유체의 추정된 몰 수를 기초로 상기 제어 밸브를 통한 상기 유동을 제어할 수 있다.

상기 제어기는 상기 다음 식에 따라 전달된 유체의 실제 몰 수를 결정하도록 구성될 수 있다:

[수학식 2]

여기서 Δn은 펄스 기간 동안 전달된 실제 몰 수이고, Q는 상기 유동 센서에 의해 측정된 유량이고, t₁은 상기 펄스의 상기 시작 시간이고, 및 t₂는 상기 펄스의 정지 시간이다.

유체 펄스를 전달하는 방법은 제어 밸브를 통해 유동 채널로의 유체의 유동을 제어하는 단계; 유동 센서를 통해 상기 유동 채널에서의 유량을 측정하는 단계; 상기 차단 밸브의 개방을 나타내는 상기 제어 밸브의 하류에 있는 차단 밸브로부터 밸브 입력을 수신하는 단계; 및 상기 유체의 펄스 중에 전달된 유체의 질량을 제어하기 위해, 상기 유동 채널로부터 상기 차단 밸브로의 유체의 펄스를 개시하고 종료하도록, 상기 제어 밸브를 통한 유체의 유동을 제어하기 위해 밸브 입력에 응답하는 단계를 포함한다.

상기 제어 밸브를 통해 상기 유체의 유동을 제어하는 단계는 상기 유체의 펄스 중에 상기 유동 센서로부터의 피드백을 기초로 할 수 있다.

상기 밸브 입력을 수신하는 단계는 탭을 통해 공압 라인으로 수신된 압력 신호를 감지하는 단계를 포함할 수 있고, 라인에서의 압력은 상기 차단 밸브를 개방하고 폐쇄한다.

상기 유체의 펄스를 전달하는 방법은 유동 설정치 Q _SP를 수신하는 단계; 및 유동 설정치 Q _SP 및 펄스-온 기간 Δt로부터 몰 설정치 n_SP를 계산하는 단계 - 상기 몰 설정치 n_SP는 상기 유체의 펄스 중에 전달될 상기 유체의 질량의 목표량임 -를 포함할 수 있다. 상기 유체의 펄스를 전달하는 방법은 상기 차단 밸브의 개방 및 폐쇄를 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.

실시예에서, 유체의 펄스 전달을 위한 질량 유동 제어기(MFC)는 유동 채널, 상기 유동 채널에서 유체의 유동을 제어하기 위한 제어 밸브, 상기 유동 채널에서 유량을 측정하기 위한 유동 센서, 및 상기 차단 밸브의 개방을 나타내는 상기 제어 밸브의 하류에 있는 차단 밸브로부터의 밸브 입력을 갖는 제어기를 포함한다. 상기 제어기는 상기 유체의 펄스 중에 전달된 유체의 질량을 제어하기 위해 상기 유동 채널로부터 상기 차단 밸브로의 유체의 펄스를 개시하고 종료하도록, 상기 제어 밸브를 통해 유체의 유동을 제어하기 위해 상기 밸브 입력에 응답하도록 구성된다.

실시예에서, 유체의 펄스 전달을 위한 질량 유동 제어기(MFC)는 유동 채널, 상기 유동 채널에서 유체의 유동을 제어하기 위한 제어 밸브, 상기 유동 채널에서 유량을 측정하기 위한 유동 센서, 및 입력을 갖고, 유동 설정치 Q _SP 및 펄스-온 기간 Δt로부터 몰 설정치 n_SP를 계산하도록 구성된 제어기를 포함한다. 상기 제어기는 상기 유체의 펄스 중에 전달된 유체의 질량을 제어하기 위해 상기 유동 채널로부터 유체의 펄스를 개시하고 종료하도록 상기 제어 밸브를 통해 유체의 유동을 제어하기 위해 상기 입력에 응답하도록 구성되고, 상기 유체의 펄스는 상기 계산된 몰 설정치 n_SP에 응답하여 종료된다.

실시예에서, 유체의 펄스를 전달하는 방법은 유동 설정치 Q _SP를 수신하는 단계; 상기 유동 설정치 Q _SP 및 펄스-온 기간 Δt으로부터 몰 설정치 n_SP를 계산하는 단계; 제어 밸브를 통해 유동 채널로의 유체의 유동을 제어하는 단계; 유동 센서를 통해 상기 유동 채널에서의 유량을 측정하는 단계; 및 상기 유체의 펄스 중에 전달된 유체의 질량을 제어하기 위해 상기 유동 채널로부터 유체의 펄스를 개시하고 종료하도록 상기 제어 밸브를 통해 유체의 유동을 제어하기 위해 입력에 응답하는 단계 - 상기 유체의 펄스는 상기 계산된 몰 설정치 n_SP에 응답하여 종료됨 -를 포함한다.

실시예에서, 유체의 펄스 전달을 위한 질량 유동 제어기(MFC)는 유동 채널, 상기 유동 채널에서 유체의 유동을 제어하기 위한 제어 밸브, 상기 유동 채널에서 유량을 측정하기 위한 유동 센서, 외부 압력 신호를 감지하기 위한 압력 센서, 및 상기 유체의 펄스 중에 전달된 유체의 질량을 제어하기 위해 상기 유동 채널로부터 유체의 펄스를 개시하고 종료하도록, 상기 유동 센서로부터의 피드백을 기초로 상기 제어 밸브를 통한 유체의 유동을 제어하기 위해 상기 외부 압력 신호에 응답하도록 구성된 제어기를 포함한다.

실시예에서, 유체의 펄스를 전달하는 방법은: 제어 밸브를 통해 유동 채널로의 유체의 유동을 제어하는 단계, 유동 센서를 통해 상기 유동 채널에서의 유량을 측정하는 단계, 외부 압력 신호를 감지하는 단계, 및 상기 유체의 펄스 중에 전달된 유체의 질량을 제어하기 위해 상기 유동 채널로부터 유체의 펄스를 개시하고 종료하도록 상기 유동 센서로부터의 피드백을 기초로 상기 제어 밸브를 통한 유체의 유동을 제어하기 위해 상기 외부 압력 신호에 응답하는 단계를 포함한다.

본 발명의 실시예들은 다음의 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다:

(1) 펄스 가스 전달을 시작하기 위해, 외부 압력을 트리거 신호로 사용한다;

(2) 하류 포지티브 차단 밸브(downstream positive shut off valve)에 대한 기존의 공압 라인에 탭하고(tapping), 펄스 전달을 위한 펄스 가스 전달 디바이스(예를 들어, 펄스 MFC) 내로 압력 신호를 지향시킨다;

(3) 펄스 가스 전달 프로세스를 시작하기 위해, 압력 상승/하강 엣지를 펄스 가스 전달 디바이스의 트리거 신호로 변환한다;

(4) 펄스의 몰 도스 설정치를 결정하기 위해 유동 설정치 및 펄스-온 기간을 사용한다;

(5) 전달 프로세스가 완료되어야 하는 시간을 나타내기 위해 공압으로 작동되는 하류 밸브의 폐쇄를 인식한다; 그리고

(6) 펄스 전달 디바이스에 의해, 전달의 세부 사항에 부가하여 전달의 성공 또는 실패를 보고한다.

펄스 가스 전달을 위한 종래의 접근법에서, 질량 유동 제어기(MFC)는 일정한 유동 모드에서 작동되고, 호스트 제어기는 펄스들에서 유동을 프로세스 챔버 및 덤프 라인으로 우회시키기 위해 하류 3-방향 밸브를 전환시킨다. 상기 종래의 접근법의 단점들 중 하나는 가스가 펄스 가스 전달 프로세스 중에 덤프 라인으로 우회될 때 비용이 많이 드는 프로세스 가스를 낭비한다는 것이다.

본 발명의 실시예들은 펄스 가스 전달의 종래의 방법들에 비해 몇 가지 장점들을 제공한다. 실시예들은 유체 펄스의 전달을 제어하기 위해 외부 압력 트리거가 있는 펄스 가스 전달 MFC의 구성을 포함한다. 외부 압력 트리거는 하류 밸브를 제어하는 공압 라인으로부터 초래될 수 있다. 펄스 MFC가 펄스 전달 모드에서 작동하고 전달되는 가스의 양을 추정하기 위해 피드백을 사용하기 때문에, 펄스들의 정확한 가스 몰량(mole amounts)을 프로세싱 챔버 내로 전달할 수 있으며, 프로세스 가스의 낭비를 최소화하거나 제거할 수 있다. 또한, 가스 펄스들을 전달하기 위해 덤프 라인들이 있는 밸브들 및 일정한 유동을 사용하는 기존의 프로세싱 툴들에 대해 통상적으로 최소 업그레이드 변경만이 있다. 실시예들은 최소 소프트웨어 및 하드웨어 변경으로 기존 프로세스 툴에 새로 적용될(retrofit) 될 수 있는 펄스 가스 전달 해결책을 제공할 수 있다.

설명된 실시예들의 다양한 특징들은 다수의 추가적인 실시예들을 생성하기 위해 다양한 방식들로 결합될 수 있음을 또한 인식되어야 한다. 더욱이, 다양한 재료들, 치수들, 형상들, 프로세스들, 신호들, 유동 센서들의 타입들, 밸브들의 타입들 등이 개시된 실시예들과 사용하는 것으로 설명되었지만, 개시된 것 이외의 다른 것들이 본 발명의 범주를 확장하지 않으면서 이용될 수 있다.

전술한 것은 유사한 참조부호들이 상이한 도면들 전체에 걸쳐 동일한 부분들을 지칭하는 첨부 도면들에 도시된 바와 같이, 예시적인 실시예들의 다음의 더욱 특정한 설명으로부터 명백해질 것이다. 도면들은 축적에 따를 필요는 없으며, 실시예들을 예시할 때 배치되는 것 대신에 강조한다.
도 1은 질량 유동 제어기(MFC), 3-방향 분리 밸브 및 우회 라인을 사용하는 종래의 펄스 가스 전달 시스템을 도시한다.
도 2a-2b는 빠른 응답 MFC를 이용하는 종래의 펄스 가스 전달 시스템을 도시한다.
도 3a-3b는 감쇠 펄스 전달의 속도를 사용하는 종래의 펄스 가스 전달 시스템을 도시한다.
도 4는 유동 설정치(Q) 및 전달 시간(Δt)의 곱에 의해 정의된 가스 도스를 이용하는 펄스 전달을 도시한다.
도 5는 종래의 압력-기반 펄스 MFC 디바이스의 개략도이다.
도 6은 도 5에 도시된 MFC 디바이스를 사용하여 전달되는 가스 펄스의 펄스 형태를 도시하는 그래프이다.
도 7a는 하류 차단 밸브로부터의 밸브 입력을 갖는 펄스 MFC 디바이스를 포함하는 유체 전달 시스템의 개략도이다.
도 7b는 하류 밸브로의 공압 라인으로 탭을 통해 수신되는 압력 신호 입력을 갖는 펄스 MFC 디바이스를 포함하는 유체 전달 시스템의 개략도이다.
도 7c는 호스트 제어기에 의해 제어되는 공압 라인을 통해 수신된 압력 신호 입력을 갖는 펄스 MFC 디바이스를 포함하는 유체 전달 시스템의 개략도이다.
도 8은 외부 압력 신호를 감지하기 위한 압력 센서를 포함하는 펄스 MFC 디바이스의 실시예의 개략도이다.
도 9는 펄스 MFC를 사용하여 펄스 가스 전달을 트리거하기 위해 하류 밸브의 공압을 사용하는 것을 도시한다.
도 10은 유체의 펄스를 전달하는 방법의 실시예의 흐름도이다.

예시적인 실시예들에 대한 설명은 다음과 같다.

반도체 제조 프로세스 또는 화학 프로세스에서 유체 예를 들어, 프로세스 가스의 펄스 전달을 위한 유체 제어 시스템들 및 연관된 디바이스들 및 방법들이 제공된다. 유체 제어 시스템들은 질량 유동 제어기(MFC) 및 상기 MFC로부터 하류에 위치된 차단 밸브를 포함한다. MFC의 제어기는 유체의 펄스 중에 전달된 유체의 질량을 제어하기 위해 유동 채널로부터 차단 밸브로의 유체의 하나 이상의 펄스들을 개시하고 종료하도록, MFC의 제어 밸브를 통해 유체의 유동을 제어하기 위해 밸브 입력에 응답하도록 구성된다.

산업 프로세스는 프로세스 챔버로 전달되는 유체의 펄스 중에 원하는 몰 수의 유체가 전달되는 것을 요구할 수 있다.

'몰'은 단위 기호 mol을 갖는 국제 단위계(International System of Units, SI)에서 물질의 양에 대한 측정 단위이다. '몰'은 12g의 탄소-12(12C) - 표준 원자 원자량 12를 갖는 탄소의 동위 원소 -에 원자들이 있는 것처럼, 다수의 구성 입자들로서, 예를 들어 원자들, 분자들, 이온들, 전자들 또는 광자들을 포함하는 물질의 양 또는 샘플로서 정의된다. 이 수는 대략 6.022140857×10^23 mol-1의 값을 갖는 아보가드로 상수(Avogadro constant)에 의해 표현된다. 몰은 반응물들 및 화학 반응들의 생성물들의 양을 표현하기 위한 편리한 방식으로서 널리 사용된다. 몰 체적(기호 V_m)은 주어진 온도 및 압력에서 물질의 1몰이 차지하는 체적이다. 이는 몰 질량(M)을 질량 밀도(ρ)로 나눈 것과 같다.

펄스 가스 전달을 위한 이전의 접근법들은 호스트 제어기에 의한 MFC 상에서의 가스의 유동의 턴 온 및 턴 오프를 포함한다. 다른 종래의 접근법은 체적 압력을 측정함으로써 펄스들을 전달하기 위해, 충전 및 방전 체적을 사용한다. 이러한 이전에 알려진 접근법들의 단점들은 요구된 양의 가스를 전달하기 위한 유량을 계산하고 조정해야 하는, 호스트 제어기 상에 가해지는 높은 작업 부하를 포함한다. 펄스 폭이 짧아지면, 호스트 제어기와 MFC 간의 통신 지터링(communication jittering)이 반복성 및 정확성의 측면에서 펄스 가스 전달의 성능을 저하시킨다. 펄스 형태는 종래의 펄스 MFC, 특히 긴 테일들(tails)을 갖는 경향이 있는 압력 기반 펄스 MFC들에 대해 이상적이지 않다(예를 들어, 도 6 및 연관된 설명 참조).

도 1은 열 질량 유동 제어기(MFC)(110), 호스트 제어기(120) 및 우회 라인 및 프로세스 챔버에 연결된 3-방향 밸브(130)를 사용하는 종래의 펄스 가스 전달 시스템(100)을 도시한다. 호스트 제어기(120)는 MFC(110)에게 가스 공급원으로부터 일정한 유량의 가스를 제공하도록 지시하고, 원하는 펄스 지속 시간들을 기초로 프로세스 챔버 또는 우회 라인으로 유동을 전환하기 위해 3-방향 밸브(130)를 활성화시킨다. 시스템(100)은 프로세스 챔버에 얼마나 많은 가스가 실제로 전달되는지에 대한 피드백을 사용하지 않는다. 시스템(100)과 같은 펄스 가스 전달 시스템의 단점은 펄스 정확성 및 반복성이 차단 밸브, 예를 들어 3-방향 밸브(130)에 의존한다는 것이다. 또한, 이러한 시스템에서 MFC는 가스를 항상 유동시키고 우회 라인을 통해 프로세스 가스를 낭비하는데, 이는 프로세스 가스에 비용이 많이 들 수 있으므로 바람직하지 않다.

도 2a는 마이크로 전자 기계 시스템(microelectromechanical system, MEMS) 기술에 기초한 열 MFC와 같은, 빠른 응답의 열 MFC(210)를 이용하는 종래의 펄스 가스 전달 시스템(200)을 도시한다. 호스트 제어기(220)는 표준 유량 제어를 사용하여 펄스 전달을 직접적으로 제어한다. 표준 유량 제어 모드는 다음의 프로세싱 단계들을 포함할 수 있다:

a) 유동을 개시하기 위해, 호스트 제어기는 원하는 펄스 시작 시간(t ₁ )에 유동 설정치 Q를 전송한다.

b) 유동을 정지시키기 위해, 호스트 제어기는 원하는 정지 시간(t ₂ )에 영("0")의 유동 설정치를 전송한다.

c) 시간(t ₃ )에서 시작하는 원하는 펄스들의 수에 대해 위의 것을 "n"번 반복한다.

도 2b는 표준 속도 제어 모드에서, 도 2a의 시스템(200)을 사용하여 원하는 유량("설정치") 및 실제 유량("유동")의 예시를 도시하는 그래프이다.

도 2a-2b에 도시된 종래의 접근법에는 여러 단점들이 있다. MFC는 빠른 제어(예를 들어, <500 msec)를 나타내지만, 이는 특정한 원자 층 증착(ALD) 및 관통-실리콘 비아(through-silicon via, TSV) 프로세스 요건들에 대해 충분히 빠르지 않을 수 있다. MFC는 설정치에 응답하지만, 초기 가스 램프를 설정치로 조정하지 않는다. 전달은 시간만을 기초로 한다. 실제 전달된 가스량의 피드백은 없다. 더욱이, 호스트 제어기(220)와 MFC(210) 사이의 디지털 통신들 "지터"는 펄스 전달의 반복성에 영향을 미칠 수 있다. 또한, 빠르지만 MEMS 기술을 기초로 하는 열 MFC는 부식성 가스들과 호환되지 않을 수 있다.

도 3a는 압력-체적 기반의 펄스 가스 전달을 사용하는 종래의 펄스 가스 전달 디바이스(300)를 도시한다. 압력-체적 기반의 몰 측정 기법들은 이 기술분야에 알려지며, 도 3b에 도시된 바와 같이, 알려진 체적으로 유입된(introduced) 가스의 압력(P) 대 시간(t) 응답(305)을 사용한다. 디바이스(300)는 알려진 체적을 제공하는 챔버(350), 챔버(350)의 상류에 위치된 밸브(340)("Vin"), 및 챔버(350)의 하류에 위치된 밸브(345)("Vout")를 포함한다. 또한, 챔버(350)에 위치된 압력 센서(365) 및 온도 센서(360)가 제공된다.

초기에, 디바이스(300)는 상류 밸브(340)를 개방함으로써 충전될 수 있는 한편, 하류 밸브(345)는 폐쇄되고, 이는 가스 유동(Q_i)이 일정 시간의 기간("충전" 기간 Δt=(t₁-t₀), 도 3B) 및 발생하는 압력의 변경에 걸쳐, 챔버(350)를 채우기 위해 디바이스에 들어가는 것을 허용한다. 시간 t₁ 및 압력 P₂에서, 상류 밸브(340)가 폐쇄된다("Vin CLOSE"). 그 후, 프로세스는 챔버(350) 내의 가스가 설정치로 안정화되도록 허용되는 기간(t₂-t₁)을 포함한다. 이 기간 동안, 압력 및 온도 측정치들이 예를 들어, 압력 센서(365) 및 온도 센서(360)에 의해 획득된다. 하류 밸브(345)의 개방 시(시간 t₂에서 "Vout OPEN", 도 3B), 밸브(345)가 다시 폐쇄될 때까지(시간 t₄에서 "Vout CLOSE") 가스의 유동(Q_o)은 디바이스(300)를 빠져나가고, 일정 시간의 기간("전달" 기간 Δt = t₄-t₂) 및 압력 변화(ΔP = P₁-P₂)에 걸쳐 디바이스로부터 프로세싱 툴로 가스의 펄스를 전달한다.

압력-체적 기반 몰 측정 방법들 및 디바이스들은 2014년 3월 27일에 미국 2014/0083514A1로 공개되고, 현재 Ding의 명의로 미국특허 제10,031,005 B2호로 발행된 미국특허출원 제13/626,432호에 더 설명되며, 이의 전체 내용은 본원에 참조로 포함된다. 전달 챔버 내의 압력 강하를 기초로 결정된 유량을 이용하는 다중 채널 펄스 가스 전달은 Ding 등에게 2016년 5월 24일에 발행된 미국특허 제9,348,339 B2호에서 설명되며, 이의 전체 내용은 본원에 참조로 포함된다. 빠른 펄스 가스 전달을 위한 시스템들 및 이의 방법들의 추가적인 예시들은 Ding에게 2015년 4월 7일에 발행된 미국특허 제8,997,686 B2호 및 Ding에게 2018년 7월 24일에 발행된 미국특허 제10,031,531 B2호에서 설명되며, 이의 전체 내용들은 본원에 참조로 포함된다.

도 3b에 도시된 펄스 가스 전달은 전달 레시피를 실행하는 디바이스(300)의 제어기 상의 프로그램에 의해 구현될 수 있다. 펄스 전달은 트리거 신호, 예를 들어 호스트 제어기로부터의 제어 신호에 의해 개시된다. 전달된 가스는 이상적인 가스 법칙의 원칙 Δn =(ΔP * V)/(R * T)을 기초로 추정될 수 있다.

도 3a-3b에 도시된 접근법은 여러 제약들을 갖는다. 펄스 전달의 정확성 및 반복성은 하류 차단 밸브의 속도 및 신뢰성에 의존한다. 빠른 응답 시간을 갖는 차단 밸브가 요구된다. 하지만, 밸브가 노후화되면, 적응형 조정을 구현해야 하지만 이는 복잡성을 추가하거나, 통상적으로 프로세스에 중단을 요구하는 밸브의 교체를 필요로 할 수 있다. 종종, 펄스 형태(예를 들어, 펄스 폭)이 원하는 대로 되지 않거나, 또는 펄스가 원하는 구형파와 충분히 일치하지 않는다. 또한, 가스의 체적으로 챔버(350)를 충전하기 위한 필요성은 시간을 요구한다. 각 펄스 이전의 가스 충전 시간 및 안정화 시간은 빠른 가스 전달 사이클 시간을 제한한다.

하지만, 압력-체적 기반의 몰 측정 기법들의 장점은 상기 기법들이 측정되는 특정한 가스 또는 가스 혼합물의 지식 없이도 적용될 수 있다는 것이다. 챔버 체적에 걸친 질량 밸런스(mass balance) 및 이상적인 가스 법칙(ideal gas law)의 적용으로부터 유도되는 가스 유량은 가스에 독립적이며, 측정되는 가스의 성질(behavior)을 특징짓기 위해, 압력(P), 온도(T) 및 체적(V)의 세 개의 상태 변수들에 의존한다.

도 4는 이상적인 정사각형의 유동 설정치(Q) 및 전달 시간(Δt)의 곱에 의해 정의된 가스 도스를 이용하는 펄스 전달을 도시한다. 가스 전달 사이클(400)은 '펄스-온' 기간(t₂-t₁), '펄스-오프' 기간(t₃-t₂), 가스 도스(예를 들어, 펄스 당 가스의 몰 수), 및 사이클 당 펄스들의 수에 의해 특정될 수 있다. 펄스 전달의 경우, 가스 몰 도스는: 이상적인 유동 설정치(Q) x 전달 시간(Δt=t₂-t₁)으로서, 또는 더욱 정확하게는 식 2에 의해 정의될 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같은 유동의 단계 함수 전달은 이상적이지만, 실제 센서 및 밸브 시간 상수들에 기인하여 비현실적이다. 실제 적용들의 경우, 요구되는 시간 프레임에서 도스의 정확성 및 반복성이 중요한 목표들이다. 따라서, 가스를 정확하고 반복적으로 전달하는 것이 바람직하다. 이를 위해, 지정된 시간에 요구되는 양의 가스를 전달하기 위해, 유량을 계산하고 조정하도록 MFC의 계산 기능을 사용할 수 있다. MFC는 실제 전달된 가스 도스를 계산하고, 이를 목표 펄스 가스 도스로 조절하도록 구성될 수 있다. MFC는 유량 곡선 아래의 면적, 즉 Q x Δt를 또는 식 2에 의해 제공되는 면적을 유지할 수 있다.

도 5는 가스의 펄스 전달을 위한 종래의 시스템(500)을 도시한다. 시스템(500)은 펄스 전달을 위해 구성된 압력 기반 MFC(510)를 포함한다. 호스트 제어기(520)는 예를 들어, 펄스 몰 설정치, 펄스-온 기간, 펄스 오프 기간 및 반복된 펄스들의 수와 같은 원하는 펄스 전달 정보에 관한 정보를 MFC(510)에 제공하기 위해 상기 MFC(510)와 통신한다. 펄스 전달 사이클을 개시하기 위해, 호스트 제어기(520)는 트리거 신호를 MFC(510)에 전송한다. MFC(510)는 가스 공급원으로부터 유동 채널(515) 내로 유체 유동을 제어하기 위한 제어 밸브(580)(예를 들어, 비례 제어 밸브)를 포함한다. MFC(510)의 제어기(505)는 유체의 펄스 중에 프로세스 챔버로 전달되는 유체를 제어하기 위해 제어 밸브(580)를 통한 유체의 유동을 제어하도록 구성된다. 제어기(505)는 유동 채널에서 유량(Q)을 측정하기 위해 제공되는, 유동 센서(525)로부터의 피드백을 기초로 제어 밸브(580)를 통한 유체의 유동을 제어한다. 유동 센서(525)는 각각, 유동 채널(515) 및 상류 및 하류 압력 센서들(555 및 565) 내에 유동 제한기(570)를 포함시킨다. 제어 밸브(580)는 제한기(570) 및 압력 센서들의 상류에 있다.

펄스 가스 전달량은 식 2에 따라 계산될 수 있으며, 여기에 다시 기재된다(reproduced):

[수학식 2]

,

여기서 Δn은 전달된 가스(몰)이고, Q는 유동 센서에 의해 측정된 유량이고, t ₁ 은 펄스의 시작 시간이고, t ₂ 는 펄스의 종료 시간이다.

압력 기반 펄스 MFC 가스 전달은 Junhua Ding 등의, 명칭이 "빠른 펄스 가스 전달을 위한 시스템 및 이의 방법(System For And Method Of Fast Pulse Gas Delivery)"인 국제특허공보 WO 2012/116281 A1호에서 더 설명되며, 이의 전체 내용들은 본원에 참조로 포함된다.

펄스 질량 유동 전달 시스템들의 추가적인 예시들은 Junhua Ding, Michael L' Bassi 및 Tseng-Chung의 명의로 2014년 3월 13일에 출원되고, 명칭이 "빠른 펄스 가스 전달을 위한 시스템 및 이의 방법"이며, US 2014/0190571 A1로 공개된 미국특허출원 제14/209,216호에서 발견될 수 있으며, 이의 전체 교시들은 본원에 참조로 포함된다.

종래의 접근법은 호스트 제어기가 펄스 가스 전달 프로세스를 시작하기 위해 디지털 또는 아날로그 트리거 신호를 펄스 MFC로 전송하는 것을 요구한다. 사용자들이 종래의 접근법의 펄스 MFC로 기존의 프로세스 툴들을 새로 적용하는 것은 그렇게 하는 것이 소프트웨어 및 하드웨어 변경들을 요구하기 때문에 어려울 수 있다.

도 6은 도 5의 시스템(500)을 사용한 펄스 전달의 그래프를 도시한다. 유량은 이상적인 펄스 형태(602) 상에 중첩된 실제 펄스 형태(604)에 대한 시간의 함수로서 그래프로 도시된다. 이상적인 펄스는 300ms의 펄스 폭을 갖는다. 곡선 아래 면적은 전달된 가스의 몰을 나타낸다. 전달된 실제 펄스에는 큰 과도 응답(large transient response)(예를 들어, 테일)이 있으며, 이는 센서(예를 들어, 하류 압력 센서(565))와 제어 밸브(580) 사이의 체적에 기인할 수 있다. 제어 밸브(580)가 폐쇄될 때, 펄스를 종료하기 위해, 유동 채널(515)에 있는 가스는 MFC로부터 계속 유동한다. 임의의 잔류 가스는 가스가 프로세스 챔버로 유동하는 것을 피하기 위해, 하류 차단 밸브에 의해 우회 라인(도 1 참조)으로 우회될 수 있다.

전달되는 펄스들이 지속 시간이 상대적으로 긴 경우, 일시적인 유동은 그렇게 중요하지 않을 수 있다. 하지만, 펄스들이 짧으면, 일시적인 유동이 문제가 될 수 있다. MFC는 통상적으로, 정적 상태에서 교정된다. 하지만, MFC 제어 밸브들의 과도 응답은 밸브마다 상이할 수 있다.

도 7a는 유체의 펄스 전달을 위한 유체 제어 시스템(700A)의 개략도이다. 시스템(700A)은 하류 밸브(130)로부터의 밸브 입력(712A)을 갖는 펄스 MFC 디바이스(710)를 포함한다. 밸브(130)는 원자 층 증착(ALD) 프로세스(또한, 'ALD 밸브'로도 지칭됨)에서 보통 사용되는 빠른 응답의, 공압 차단 밸브일 수 있다. MFC 디바이스(710)는, 본원에서 3-방향 분리 밸브로 도시된 바와 같이, 가스 공급원으로부터 유동 채널을 통해 하류 밸브(130)로의 유체의 유동을 제어한다. 차단 밸브(130)로부터의 밸브 입력(712A)은 차단 밸브의 개방을 나타낸다. 3-방향 밸브의 맥락에서, 상기 개방은, 유체 유동이 하나의 밸브 배출구를 통해, 예를 들어 프로세스 챔버로 허가되지만, 다른 밸브 배출구를 통해, 예를 들어 우회 라인으로는 허가되지 않음을 의미할 수 있다. MFC 디바이스(710)에서의 제어기는 유동 채널로부터 차단 밸브(130)로의 유체의 펄스를 개시하고 종료하도록 MFC의 제어 밸브를 통해 유체의 유동을 제어하기 위해 밸브 입력(712A)에 응답하도록 구성되며, 이는 개방 상태에서는 유체의 펄스 중에 전달되는 펄스의 질량을 제어하기 위해 유체가 프로세스 챔버로 통과하는 것을 허용한다. 밸브(130)의 개방 및 폐쇄는 호스트 제어기(120)에 의해, 밸브(130)로의 제어 신호(714A)를 통해 제어된다. 제어 신호(714A)는 전기 제어 신호일 수 있다. 밸브(130)의 제어는 예를 들어, 도 7b에 도시된 바와 같이, 중간 제어 밸브 및 공압 제어 라인을 통해 이루어질 수 있다. MFC 디바이스(710)는 유체 전달 프로세스를 조정하기 위해 호스트 제어기(120)와 통신한다. 통상적으로, MFC 디바이스(710)는 본원에 설명된 바와 같이 호스트 제어기(120)로부터 유동 설정치 Q _SP를 수신한다.

MFC 디바이스의 제어기는 유동 설정치 Q _SP 및 펄스-온 기간 Δt로부터 몰 설정치 n_SP를 계산하도록 구성될 수 있으며, 몰 설정치 n_SP는 유체의 펄스 중에 전달될 유체의 질량의 목표량이다. 펄스-온 기간 Δt는 MFC에 저장된 기본 값일 수 있으며, 유동 설정치 Q _SP는 호스트 제어기로부터 수신될 수 있다. MFC는 저장된 기본 값으로부터 펄스-온 기간 Δt를 변경하도록 프로그램 가능할 수 있다.

도 7b는 유체의 펄스 전달을 위한 유체 제어 시스템(700B)의 개략도이다. 시스템(700A)에서와 같이, 펄스 MFC 디바이스(710)는 밸브 입력이 제공되며, 상기 밸브 입력은 시스템(700B)에서 하류 밸브(130)로의 공압 제어 라인으로 탭을 통해 수신되는 압력 신호 입력(712B)이다. 공압 제어 라인에서의 압력은 하류 밸브(130)를 개방 및 폐쇄한다. 작동시, 호스트 제어기(120)는 일정 기간 동안 압력, 예를 들어 100 PSI를 하류 밸브(130)로 통과시키기 위해 공압 제어 밸브를 트리거하도록, 제어 신호(714B)를 공압 제어 밸브(716)로 전송한다. 통상적으로, 시간의 지속 기간은 유체 펄스의 전달을 위해 원하는 펄스-온 기간에 대응한다. 호스트 제어기(120)는 복수의 공압 제어 밸브들, 예를 들어 50-60개의 밸브들을 갖는 공압 분배 패널을 제어할 수 있다. 도 7b에서, 단순화를 위해 하나의 공압 제어 밸브(716)만이 도시되었지만, 추가적인 밸브들이 공압 분배 패널의 일부로서 존재할 수 있음이 이해된다.

도 7c는 유체의 펄스 전달을 위한 유체 제어 시스템(700C)의 개략도이다. 시스템(700B)에서와 같이, 호스트 제어기(120)는 하류 밸브(130)의 개방 및 폐쇄를 제어하고, 펄스 MFC 디바이스(710)는 펄스 전달을 트리거하기 위해 외부 압력 신호 입력이 제공된다. 시스템(700C)에서, MFC 디바이스(710)는 호스트 제어기(120)에 의해 제어되는 제어 밸브(718)로부터 공압 라인을 통해 압력 신호 입력(712C)을 수신한다. 공압 제어 밸브(718)로의 제어 신호(714C)는 압력, 예를 들어 100 PSI를 펄스 MFC 디바이스(710)로 통과시키기 위해, 공압 제어 밸브(718)를 트리거한다. MFC(710)의 압력 센서는 펄스 MFC 디바이스(710)에 의한 펄스 전달을 트리거하는, 압력 신호를 감지한다. 호스트 제어기(120)로부터 공압 제어 밸브(716)로의 제어 신호(714C)는 밸브를 작동시키기 위해 압력, 예를 들어, 100 PSI를 하류 밸브(130)로 통과시키도록 공압 제어 밸브(716)를 트리거한다. 일반적으로, 공압 제어 밸브(716 및 718)는 호스트 제어기로부터의 하나 이상의 제어 신호들(714C)을 통해 제어될 수 있다. 예를 들어, 밸브들(716 및 718)은 공통 제어 신호(714C)를 통해 동시에 제어될 수 있다. 공압 제어 밸브들(716 및 718)은 이전에 설명된 바와 같이, 공압 분배 패널의 일부일 수 있다.

도 7a-7c에 도시된 실시예들에 추가하여, ALD 밸브의 상태를 감지하기 위한 일부 다른 방식이 구현될 수 있다. 예를 들어, ALD 밸브 상의 위치 스위치는 MFC가 ALD 밸브가 개방되어 있음을 감지하는 것을 허용하도록 ALD 상태의 피드백을 제공할 수 있다.

도 8은 외부 압력 신호를 감지하기 위해 압력 센서(890)를 포함하는 펄스 MFC 디바이스(810)를 포함하는 시스템(800)의 실시예의 개략도이다. 하류 ALD 밸브(도 1, 7a, 7b 참조)의 공압 변경은 펄스 가스 전달 디바이스(810)에서 펄스 전달을 트리거하는 데 사용된다. 압력 센서(890)는 하류 ALD 밸브의 공압 제어 압력 변경을 감지하도록 구성된 펄스 가스 전달 디바이스에 추가된다. 압력 센서(890)는 MFC 디바이스에 내장될 수 있고, 상기 MFC 디바이스로 공급되는 공압 라인(892)을 통해 수신되는 외부 압력 신호를 감지하기 위해 MFC 제어기(805)에 작동 가능하게 연결될 수 있다. 디바이스(810)는 유동 설정치를 수신하기 위해 호스트 제어기(820)와 통신하도록 구성된다. 펄스 전달을 위한 펄스-온 기간(Δt (초))은 디바이스(810) 상의 기본 값으로 미리 구성될 수 있지만, 웹 브라우저 인터페이스 또는 일부 다른 적합한 방법을 통해 다른 값으로 재구성될 수 있다. 유동 설정치 Q_SP(sccm)는 식 1에 따라 몰 도스 설정치 n_SP(마이크로 몰)를 계산하는 데 사용할 수 있으며, 여기에 다시 기재된다:

[수학식 1]

여기서 t는 (미리 구성된) 펄스-온 기간이고 0.744는 단위 변환 계수이다.

MFC(810)는 가스 공급원으로부터 유동 채널(815)로의 유체의 유동을 제어하기 위한 제어 밸브(880)(예를 들어, 비례 제어 밸브)를 포함한다. MFC(810)의 제어기(805)는 유체의 펄스 중에 프로세스 챔버로 전달되는 유체를 제어하기 위해 제어 밸브(880)를 통한 유체의 유동을 제어하도록 구성된다. 제어기(805)는 유동 채널에서 유량(Q)을 측정하기 위해 제공되는 유동 센서(825)로부터의 피드백을 기초로 제어 밸브(880)를 통한 유체의 유동을 제어한다. 유동 센서(825)는 각각, 유동 채널(815) 내의 유동 제한기(870) 및 상류 및 하류 압력 센서들(855 및 865)을 포함한다. 제어 밸브(880)는 제한기(870) 및 압력 센서들로부터 상류에 있다. 시스템(500)(도 5)에서의 호스트 제어기(520)와 달리, 시스템(800)의 호스트 제어기(820)는 펄스 전달 사이클을 개시하기 위해 트리거 신호를 MFC(810)에 전송해야 하는 것은 아니다. MFC(810)에 대한 트리거 신호는 밸브 입력, 예를 들어 압력 센서(890)에 의해 감지된 압력 신호로부터 유도된다.

펄스 가스 전달 트리거 신호는 공기압이 하류 ALD 밸브가 개방되도록 상승 엣지에서 미리 결정된 임계치보다 높을 때 감지될 수 있다. 예시적인 공압 제어 압력 신호가 도 9의 904에 도시된다.

도 7a, 7b 및 8에 도시된 유체 전달 시스템(들)은 최소한의 소프트웨어 및 하드웨어 변경으로, 기존의 프로세스 툴들(도 1 참조)로 새로 적용될 수 있는 펄스 가스 전달 해결책을 제공할 수 있다. 예를 들어, 호스트 제어기는 펄스 전달을 시작하기 위해 트리거 신호를 MFC로 전송하도록 구성되어야 하는 것은 아니다.

각각의 하류 밸브들이 있는 다수의 펄스 MFC들은 특정한 프로세스들에 의해 요구될 수 있는 멀티플렉싱을 위해 배열될 수 있다.

유체 전달 시스템들은 또한, 시스템, 예를 들어 유동 채널 또는 프로세스 챔버를 퍼지(purge)하기 위해 펄스 MFC를 사용할 수 있다. 퍼지를 위해 MFC는 정상 MFC 모드로 작동되고, 밸브 개방 명령이 MFC로 전송되며, 이는 제어 밸브의 최대 개방을 야기한다.

몰 기반 펄스 전달을 사용하여, MFC(810)는, 필요한 경우, 제어 밸브(880)의 유동 설정치를 제어하고 조정하며, 선택적으로는, 각 펄스로 전달되는 몰 수를 제어하기 위해, 실제 펄스-온 기간을 제어하고 조정한다. 이들 파라미터들을 기초로, MFC(810)는 정확한 타이밍 시퀀스로 하나 이상의 유동 펄스를 자동으로 전달하고, 각 펄스는 MFC가 온인 각 전체 펄스 기간의 일부 동안 Δn 몰을 전달하고, 전체 펄스 온 및 오프 기간(T_total) 중 나머지에 대해서는 MFC를 턴 오프한다. 펄스 전달 동안, MFC(810)는 각 펄스에 대해 목표 펄스-온 기간(T_on) 내에 원하는 몰 수를 정확하게 전달하기 위해 펄스 중에 전달된 추정된 몰 수의 피드백을 기초로 제어 밸브(880)의 유동 설정치(Q _SP)를 자동으로 조정한다.

통상의 기술자에게 알려진 바와 같이, 채널의 유동 제한기를 통한 유동(Q)은 다음의 식에 따라, 제한기의 상류 및 하류 압력들(P _u 및 P _d )(즉, 제한기에 바로 인접한 압력들), 제한기를 통한 유로의 단면(A), 및 특정한 열 비율 γ 및 분자량 MW와 같은 가스 특성들의 함수로서 표현될 수 있다:

[수학식 3]

.

함수 f _Q 는 경험적인 데이터 또는 실험으로 획득될 수 있다. 유동 제한기로서 유동 노즐의 경우, 다음의 식이 사용될 수 있다:

[수학식 4]

여기서, C는 유동 제한기의 배출 계수이고, R은 보편적인 가스 상수이고, T는 가스 온도이다.

다른 유동 제한기들 및 상기 유동 제한기들을 통한 질량 유동을 설명하는 대응하는 식들이 사용될 수 있고, 이는 이 기술분야에 알려져 있다.

도 8이 펄스 가스 전달에 압력-기반 MFC가 사용되는 것을 도시하지만, MFC는 또한, 열 MFC일 수 있다. 열 MFC의 경우, 유동 센서는 MFC를 통한 유량의 측정을 제공하는 열 유동 센서이다.

도 1에 도시된 것과 같은 외부 분리 밸브를 갖는 기존의 시스템은 본원에서 설명된 방법을 사용하여 개선된 펄스 전달을 제공하기 위해 하류 분리 밸브로부터의 입력에 응답하여 제어 밸브를 통한 유동을 제어하도록 MFC(710) 또는 MFC(810)(도 7a, 7b, 8)와 같은 개선된 펄스 MFC로 새로 적용될 수 있다. 개선된 펄스 MFC는 표준 MFC에서와 같이, 시간에 걸쳐 유동을 단순히 제어하는 것이 아니라, 펄스 중에 전달되는 유체의 질량을 몰 레벨로 계산할 것이다. 호스트 제어기는 유동 설정치를 단순히 특정하고, 하류 차단 밸브의 개방/폐쇄를 제어한다. MFC는 유동 설정치 및 펄스-온 기간을 기초로 펄스 당 전달될 몰 수를 계산할 수 있다. 호스트 제어기는 다른 원하는 프로세스 파라미터들과 함께 펄스 당 전달될 몰 수를 지정할 수 있지만, 이를 지정해야 하는 것은 아니다. MFC는 펄스 전달 사이클을 로컬로(locally) 제어한다. 이 경우, 제어 밸브는 단지 시간을 기초로 하는 것이 아니라, 전달된 실제 몰의 계산을 기초로 제어된다. 전달된 실제 몰의 계산은 충분히 빠르고 제어 신호는 펄스를 종료하기 위해 차단 밸브를 끌만큼 충분히 빨라야 한다. 이는 계산이 MFC에서 로컬로 이루어진다는 것을 암시한다.

본 발명의 실시예들의 작동 또는 기능은 다음을 포함할 수 있다:

(1) 압력 센서는 외부 압력을 감지하는 펄스 가스 전달 디바이스에 통합된다;

(2) 외부 밸브를 개방/폐쇄하는 공압 라인으로부터 외부 압력이 탭된다; 또는

(3) 외부 압력은 호스트 제어기에 의해 제어되는 공압 라인으로부터 직접적으로 초래될 수 있다;

(4) 외부 압력의 상승/하강 엣지는 펄스 가스 전달을 시작하기 위한 트리거 신호로 변환된다;

(5) 외부 압력의 상승/하강 엣지는 미리 결정된 압력 임계치에 의해 감지된다;

(6) 펄스에서 펄스의 몰 도스 설정치(n_SP)는 식 1에 따라 유동 설정치(Q _SP) 및 펄스 온 기간(Δt)에 의해 결정될 수 있다.

도 9는 펄스 MFC를 사용하여 펄스 가스 전달을 트리거하기 위해 하류 밸브의 공압을 사용하는 초기 테스트 결과들을 도시한다. MFC에 의해 보고된 측정된 유량(902)은 시간의 함수로서 그래프로 도시된다. 또한, MFC의 압력 센서에 의해 감지된 하류 ALD 밸브의 압력(904)도 그래프로 도시된다. 906에서, MFC의 제어 밸브는 하류 밸브의 개방 원인을 나타내는 압력 신호(904)의 단계에 응답하여 개방된다. 임계 값을 초과하는 압력의 증가는 MFC가 제어 밸브를 개방하게 하는 트리거(910)이다. 908에서, 제어 밸브가 폐쇄되고, MFC 보고된 유동(904)이 빠르게 0으로 복귀하게 한다. MFC가 측정된 유량을 기초로 유동을 제어하기 때문에, 펄스 전달은 하류 밸브의 일시적인 변경들에 영향을 받지 않는다.

도 9에 도시된 초기 결과는 외부(압력) 입력이 있는 펄스 MFC 디바이스가 의도된 대로, 외부 입력에 응답하여 유체의 펄스를 개시하고 종료하는 것을 수행하는 것을 보여준다. 펄스 가스 전달 정확성이 충분히 우수하여, 원하는 몰량의 전달을 달성한다. 또한, 펄스 가스 전달은 허용 가능한 하류 ALD 밸브 개방-폐쇄 기간 내에 완료될 수 있다.

도 10은 유체의 펄스를 전달하는 방법의 실시예의 흐름도(1000)이다. 1010에서 호스트 제어기는 유동 설정치 Q _SP를 펄스 MFC로 전송한다. 펄스-온 기간 Δt는 MFC에서 미리 구성된다. 1020에서 가스 도스 설정치(몰)는 펄스 MFC에 의해 예를 들어, 식 1에 따라 유동 설정치 Q _SP 및 펄스-온 기간 t를 기초로 결정된다. 1030에서, 호스트 제어기는 밸브가 호스트 제어기에 의해 제어되는 공압 라인에 의해 작동되는, 가스 펄스를 전달하기 위해 하류 밸브를 개방 및 폐쇄하는 것을 제어한다. 1040에서, 하류 밸브의 공압 라인에서 압력 변경은 공압 라인으로 탭되는, 펄스 MFC에 의해 감지된다. 1050에서 감지된 압력이 미리 결정된 값을 초과하면, 펄스 MFC는 가스 펄스를 전달하기 시작한다. 1060에서, 펄스 MFC는 목표 몰 설정치 n_SP를 충족하고 펄스-온 기간 Δt 내에서 전달을 완료하기 위해 펄스 전달 중에 유동 설정치를 조정한다.

본원에서 언급된 모든 특허들, 공개된 출원들 및 참조문헌들의 교시들은 그 전체가 참조로 통합된다.

예시적인 실시예들이 특히 도시되고 설명되었지만, 통상의 기술자에게는 첨부된 청구범위에 포함된 실시예들의 범주를 벗어나지 않으면서 형태 및 세부 사항들의 다양한 변경들이 그 안에서 이루어질 수 있음을 이해할 것이다.

Claims

유체의 펄스 전달(pulse delivery)을 위한 유체 제어 시스템으로서,
차단 밸브(shutoff valve); 및
상기 차단 밸브의 상류에 있는 질량 유동 제어기(mass flow controller, MFC) - 상기 질량 유동 제어기는:
유동 채널,
상기 유동 채널에서의 유체의 유동을 제어하기 위한 제어 밸브,
상기 유동 채널에서의 유량을 측정하기 위한 유동 센서(flow sensor), 및
상기 차단 밸브의 개방을 나타내는 상기 차단 밸브로부터의 밸브 입력을 갖는 제어기 - 상기 제어기는 상기 유체의 펄스 중에 전달된 유체의 질량을 제어하기 위해 상기 유동 채널로부터 상기 차단 밸브로의 유체의 펄스를 개시하고 종료하도록, 상기 제어 밸브를 통해 유체의 유동을 제어하기 위해 상기 밸브 입력에 응답하도록 구성됨 -를 포함함 -를 포함하는, 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제어기는 상기 유체의 펄스 중에 상기 유동 센서로부터의 피드백을 기초로 상기 제어 밸브를 통해 상기 유체의 유동을 제어하는, 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 밸브 입력은 압력 신호이고, 상기 MFC는 상기 압력 신호를 감지하기 위한 압력 센서를 포함하는, 시스템.
제3항에 있어서, 상기 압력 센서는 공압 라인으로의 탭(tap)을 통해 상기 압력 신호를 수신하고, 상기 라인에서의 압력은 상기 차단 밸브를 개방하고 폐쇄하는, 시스템.
제3항에 있어서, 상기 압력 센서는 호스트 제어기에 의해 제어되는 공압 라인을 통해 상기 압력 신호를 수신하는, 시스템.
제3항에 있어서, 상기 제어기는 상기 압력 신호의 상승 엣지를 펄스 가스 전달을 시작하기 위한 트리거 신호로 변환하도록 구성되는, 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 차단 밸브는 호스트 제어기에 의해 제어되는, 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제어기는 유동 설정치 Q _SP 및 펄스-온 기간(pulse-on period) Δt로부터 몰 설정치 n_SP를 계산하도록 구성되고, 상기 몰 설정치 n_SP는 상기 유체의 펄스 중에 전달될 상기 유체의 질량의 목표량인, 시스템.
제8항에 있어서, 상기 펄스-온 기간 Δt는 상기 MFC에 저장된 기본 값(default value)이고, 상기 유동 설정치 Q _SP는 호스트 제어기로부터 수신되는, 시스템.
제9항에 있어서, 상기 MFC는 상기 저장된 기본 값으로부터 상기 펄스-온 기간 Δt를 변경하도록 프로그램 가능한, 시스템.
제8항에 있어서, 상기 제어기는 전달된 상기 유체의 질량의 계산 및/또는 상기 유체의 펄스 중에 상기 펄스-온 기간 Δt의 기간을 기초로 상기 제어 밸브를 폐쇄하도록 구성되는, 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 차단 밸브는 프로세스 챔버 및 우회 라인(divert line)에 결합된 3-방향 밸브인, 시스템.
유체의 펄스를 전달하는 방법으로서, 상기 방법은:
제어 밸브로 유동 채널로의 유체의 유동을 제어하는 단계;
유동 센서로 상기 유동 채널에서의 유량을 측정하는 단계;
차단 밸브의 개방을 나타내는 상기 제어 밸브의 하류에 있는 상기 차단 밸브로부터 밸브 입력을 수신하는 단계; 및
상기 유체의 펄스 중에 전달된 유체의 질량을 제어하기 위해 상기 유동 채널로부터 상기 차단 밸브로의 유체의 펄스를 개시하고 종료하도록, 상기 제어 밸브를 통한 유체의 유동을 제어하기 위해 밸브 입력에 응답하는 단계를 포함하는, 방법.
제13항에 있어서, 상기 제어 밸브를 통해 상기 유체의 유동을 제어하는 단계는 상기 유체의 펄스 중에 상기 유동 센서로부터의 피드백을 기초로 하는, 방법.
제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 밸브 입력을 수신하는 단계는 탭을 통해 공압 라인으로 수신된 압력 신호를 감지하는 단계를 포함하고, 상기 라인에서의 압력은 상기 차단 밸브를 개방하고 폐쇄하는, 방법.
제13항 또는 제14항에 있어서,
유동 설정치 Q _SP를 수신하는 단계; 및
유동 설정치 Q _SP 및 펄스-온 기간 Δt로부터 몰 설정치 n_SP를 계산하는 단계 - 상기 몰 설정치 n_SP는 상기 유체의 펄스 중에 전달될 상기 유체의 질량의 목표량임 -를 포함하는, 방법.
제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 차단 밸브의 개방 및 폐쇄를 제어하는 단계를 더 포함하는, 방법.
유체의 펄스 전달을 위한 질량 유동 제어기(MFC)로서, 상기 MFC는:
유동 채널;
상기 유동 채널에서 유체의 유동을 제어하기 위한 제어 밸브;
상기 유동 채널에서 유량을 측정하기 위한 유동 센서; 및
차단 밸브의 개방을 나타내는 상기 제어 밸브의 하류에 있는 상기 차단 밸브로부터의 밸브 입력을 갖는 제어기 - 상기 제어기는 상기 유체의 펄스 중에 전달된 유체의 질량을 제어하기 위해 상기 유동 채널로부터 상기 차단 밸브로의 유체의 펄스를 개시하고 종료하도록, 상기 제어 밸브를 통해 유체의 유동을 제어하기 위해 상기 밸브 입력에 응답하도록 구성됨 -를 포함하는, 질량 유동 제어기(MFC).
제18항에 있어서, 상기 제어기는 상기 유체의 펄스 중에 상기 유동 센서로부터의 피드백을 기초로 상기 제어 밸브를 통해 상기 유체의 유동을 제어하는, 질량 유동 제어기(MFC).
제18항 또는 제19항에 있어서, 상기 밸브 입력은 압력 신호이고, 상기 MFC는 상기 압력 신호를 감지하기 위한 압력 센서를 포함하는, 질량 유동 제어기(MFC).
제20항에 있어서, 상기 압력 센서는 공압 라인으로의 탭을 통해 상기 압력 신호를 수신하고, 상기 라인에서의 압력은 상기 차단 밸브를 개방하고 폐쇄하는, 질량 유동 제어기(MFC).
제20항에 있어서, 상기 압력 센서는 호스트 제어기에 의해 제어되는 공압 라인을 통해 상기 압력 신호를 수신하는, 질량 유동 제어기(MFC).
제20항에 있어서, 상기 제어기는 상기 압력 신호의 상승 엣지를 펄스 가스 전달을 시작하기 위한 트리거 신호로 변환하도록 구성되는, 질량 유동 제어기(MFC).
제18항 또는 제19항에 있어서, 상기 제어기는 유동 설정치 Q _SP 및 펄스-온 기간 Δt로부터 몰 설정치 n_SP를 계산하도록 구성되고, 상기 몰 설정치 n_SP는 상기 유체의 펄스 중에 전달될 상기 유체의 질량의 목표량인, 질량 유동 제어기(MFC).
제24항에 있어서, 상기 펄스-온 기간 Δt는 상기 MFC에 저장된 기본 값이고, 상기 유동 설정치 Q _SP는 호스트 제어기로부터 수신되는, 질량 유동 제어기(MFC).
제25항에 있어서, 상기 MFC는 상기 저장된 기본 값으로부터 상기 펄스-온 기간 Δt를 변경하도록 프로그램 가능한, 질량 유동 제어기(MFC).
제24항에 있어서, 상기 제어기는 전달된 상기 유체의 질량의 계산 및/또는 상기 유체의 펄스 중에 상기 펄스-온 기간 Δt의 기간을 기초로 상기 제어 밸브를 폐쇄하도록 구성되는, 질량 유동 제어기(MFC).
유체의 펄스 전달을 위한 질량 유동 제어기(MFC)로서, 상기 MFC는:
유동 채널;
상기 유동 채널에서 유체의 유동을 제어하기 위한 제어 밸브;
상기 유동 채널에서 유량을 측정하기 위한 유동 센서; 및
입력을 갖고, 유동 설정치 Q _SP 및 펄스-온 기간 Δt로부터 몰 설정치 n_SP를 계산하도록 구성된 제어기 - 상기 제어기는 상기 유체의 펄스 중에 전달된 유체의 질량을 제어하기 위해 상기 유동 채널로부터 유체의 펄스를 개시하고 종료하도록 상기 제어 밸브를 통해 유체의 유동을 제어하기 위해 상기 입력에 응답하도록 구성되고, 상기 유체의 펄스는 상기 계산된 몰 설정치 n_SP에 응답하여 종료됨 -를 포함하는, 질량 유동 제어기(MFC).
유체의 펄스를 전달하는 방법으로서, 상기 방법은:
유동 설정치 Q _SP 를 수신하는 단계;
상기 유동 설정치 Q _SP 및 펄스-온 기간 Δt으로부터 몰 설정치 n_SP를 계산하는 단계;
제어 밸브로 유동 채널로의 유체의 유동을 제어하는 단계;
유동 센서를 통해 상기 유동 채널에서의 유량을 측정하는 단계; 및
상기 유체의 펄스 중에 전달된 유체의 질량을 제어하기 위해 상기 유동 채널로부터 유체의 펄스를 개시하고 종료하도록 상기 제어 밸브를 통해 유체의 유동을 제어하기 위해 입력에 응답하는 단계 - 상기 유체의 펄스는 상기 계산된 몰 설정치 n_SP에 응답하여 종료됨 -를 포함하는, 방법.
유체의 펄스 전달을 위한 질량 유동 제어기(MFC)로서, 상기 MFC는:
유동 채널;
상기 유동 채널에서 유체의 유동을 제어하기 위한 제어 밸브;
상기 유동 채널에서 유량을 측정하기 위한 유동 센서;
외부 압력 신호를 감지하기 위한 압력 센서; 및
상기 유체의 펄스 중에 전달된 유체의 질량을 제어하기 위해 상기 유동 채널로부터 유체의 펄스를 개시하고 종료하도록 상기 유동 센서로부터의 피드백을 기초로 상기 제어 밸브를 통한 유체의 유동을 제어하기 위해 상기 외부 압력 신호에 응답하도록 구성된 제어기를 포함하는, 질량 유동 제어기(MFC).
유체의 펄스를 전달하는 방법으로서, 상기 방법은:
제어 밸브로 유동 채널로의 유체의 유동을 제어하는 단계;
유동 센서로 상기 유동 채널에서의 유량을 측정하는 단계;
외부 압력 신호를 감지하는 단계; 및
상기 유체의 펄스 중에 전달된 유체의 질량을 제어하기 위해 상기 유동 채널로부터 유체의 펄스를 개시하고 종료하도록 상기 유동 센서로부터의 피드백을 기초로 상기 제어 밸브를 통한 유체의 유동을 제어하기 위해 상기 외부 압력 신호에 응답하는 단계를 포함하는, 방법.