KR20240017819A - 압력-기반 질량 유량비 제어 방법 및 장치 - Google Patents

압력-기반 질량 유량비 제어 방법 및 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR20240017819A
KR20240017819A KR1020237042171A KR20237042171A KR20240017819A KR 20240017819 A KR20240017819 A KR 20240017819A KR 1020237042171 A KR1020237042171 A KR 1020237042171A KR 20237042171 A KR20237042171 A KR 20237042171A KR 20240017819 A KR20240017819 A KR 20240017819A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
pressure
flow
secondary flow
pressure drop
flow rate
Prior art date
Application number
KR1020237042171A
Other languages
English (en)
Inventor
준후아 딩
Original Assignee
엠케이에스 인스트루먼츠 인코포레이티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 엠케이에스 인스트루먼츠 인코포레이티드 filed Critical 엠케이에스 인스트루먼츠 인코포레이티드
Publication of KR20240017819A publication Critical patent/KR20240017819A/ko

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D11/00—Control of flow ratio
    • G05D11/02—Controlling ratio of two or more flows of fluid or fluent material
    • G05D11/13—Controlling ratio of two or more flows of fluid or fluent material characterised by the use of electric means
    • G05D11/131—Controlling ratio of two or more flows of fluid or fluent material characterised by the use of electric means by measuring the values related to the quantity of the individual components
    • G05D11/132—Controlling ratio of two or more flows of fluid or fluent material characterised by the use of electric means by measuring the values related to the quantity of the individual components by controlling the flow of the individual components
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/05—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects
    • G01F1/34—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects by measuring pressure or differential pressure
    • G01F1/36—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects by measuring pressure or differential pressure the pressure or differential pressure being created by the use of flow constriction
    • G01F1/37—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects by measuring pressure or differential pressure the pressure or differential pressure being created by the use of flow constriction the pressure or differential pressure being measured by means of communicating tubes or reservoirs with movable fluid levels, e.g. by U-tubes
    • G01F1/372—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects by measuring pressure or differential pressure the pressure or differential pressure being created by the use of flow constriction the pressure or differential pressure being measured by means of communicating tubes or reservoirs with movable fluid levels, e.g. by U-tubes with electrical or electro-mechanical indication
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/76—Devices for measuring mass flow of a fluid or a fluent solid material
    • G01F1/86—Indirect mass flowmeters, e.g. measuring volume flow and density, temperature or pressure
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/76—Devices for measuring mass flow of a fluid or a fluent solid material
    • G01F1/86—Indirect mass flowmeters, e.g. measuring volume flow and density, temperature or pressure
    • G01F1/88—Indirect mass flowmeters, e.g. measuring volume flow and density, temperature or pressure with differential-pressure measurement to determine the volume flow
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F15/00—Details of, or accessories for, apparatus of groups G01F1/00 - G01F13/00 insofar as such details or appliances are not adapted to particular types of such apparatus
    • G01F15/005—Valves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F5/00—Measuring a proportion of the volume flow
    • G01F5/005—Measuring a proportion of the volume flow by measuring pressure or differential pressure, created by the use of flow constriction
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D7/00—Control of flow
    • G05D7/06—Control of flow characterised by the use of electric means
    • G05D7/0617—Control of flow characterised by the use of electric means specially adapted for fluid materials
    • G05D7/0629—Control of flow characterised by the use of electric means specially adapted for fluid materials characterised by the type of regulator means
    • G05D7/0635—Control of flow characterised by the use of electric means specially adapted for fluid materials characterised by the type of regulator means by action on throttling means
    • G05D7/0641—Control of flow characterised by the use of electric means specially adapted for fluid materials characterised by the type of regulator means by action on throttling means using a plurality of throttling means
    • G05D7/0652—Control of flow characterised by the use of electric means specially adapted for fluid materials characterised by the type of regulator means by action on throttling means using a plurality of throttling means the plurality of throttling means being arranged in parallel
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D7/00—Control of flow
    • G05D7/06—Control of flow characterised by the use of electric means
    • G05D7/0617—Control of flow characterised by the use of electric means specially adapted for fluid materials
    • G05D7/0629—Control of flow characterised by the use of electric means specially adapted for fluid materials characterised by the type of regulator means
    • G05D7/0635—Control of flow characterised by the use of electric means specially adapted for fluid materials characterised by the type of regulator means by action on throttling means
    • G05D7/0641—Control of flow characterised by the use of electric means specially adapted for fluid materials characterised by the type of regulator means by action on throttling means using a plurality of throttling means
    • G05D7/0664—Control of flow characterised by the use of electric means specially adapted for fluid materials characterised by the type of regulator means by action on throttling means using a plurality of throttling means the plurality of throttling means being arranged for the control of a plurality of diverging flows from a single flow

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Flow Control (AREA)
  • Measuring Volume Flow (AREA)

Abstract

단일 질량 유동을 총 유동에 대한 요망된 비의 이차 유동들로 분할하는 시스템 및 방법. 각각의 이차 유동 라인은 압력 강하 요소, 절대 압력 센서, 및 차동 압력 센서를 포함한다. 유동과 압력 사이의 비선형 관계가 유동과 선형 관계를 갖는 절대 및 차동 압력의 함수로 변환될 수 있다.

Description

압력-기반 질량 유량비 제어 방법 및 장치
관련 출원
본 출원은 2021년 6월 8일에 출원된 미국 출원번호 17/342,341의 계속출원이다. 상기 출원의 전체 교시는 본원에 참조로 포함된다.
반도체 장치의 제조는 종종 진공 챔버와 같은 처리 툴에 대한 수십 가지 가스의 철저한 동기화 및 정확하게 측정된 운반을 요구한다. 다양한 방식이 제조 공정에 사용되고, 반도체 장치를 세정, 연마, 산화, 마스킹, 식각, 도핑, 금속화하는 등의 많은 별개의 처리 단계가 요구될 수 있다. 사용되는 단계들, 이들의 특정 시퀀스, 및 수반되는 재료들이 모두 특정 장치의 제조에 기여한다.
따라서, 웨이퍼 제조 설비는 일반적으로 화학 기상 증착, 플라즈마 증착, 플라즈마 식각, 스퍼터링, 및 다른 유사한 가스 제조 공정이 수행되는 영역들을 포함하도록 조직된다. 처리 툴, 예를 들어 화학 기상 증착 반응기, 진공 스퍼터링 기계, 플라즈마 식각기, 또는 플라즈마 강화 화학 기상 증착에는, 다양한 공정 가스가 공급되어야 한다. 순수 가스가 오염물질 없이 정확하게 계량된 양으로 툴에 공급되어야 한다.
통상의 웨이퍼 제조 설비에서, 가스는 파이프 또는 도관을 통해 가스 박스에 연결되는 탱크에 저장된다. 가스 박스는 제조 설비의 탱크에서 처리 툴까지 오염물질 없이 정확하게 계량된 양의 순수 불활성 또는 반응 가스를 운반한다. 가스 박스 또는 가스 계량 시스템은 밸브, 압력 조절기 및 변환기, 질량 유량 제어기, 및 필터/정화기와 같은 가스 계량 유닛을 구비한 복수의 가스 경로를 포함한다. 각각의 가스 경로는 별개의 가스 공급원과의 연결을 위한 자체 유입구를 구비하지만, 모든 가스 경로는 처리 툴과의 연결을 위한 단일 토출구로 집중된다.
다수의 공정 챔버들 또는 기타 목적지들 사이의 복합 공정 가스의 분할이 요망될 수 있다. 이러한 경우, 가스 박스의 단일 토출구는 이차 유동 경로들(라인들 또는 채널들)을 통해 다수의 위치에 연결된다. 유량비 제어기(FRC)가 이차 유동 라인들 내의 이차 유동들의 상대비를 측정 및 제어하고, 주지의 정확한 값들의 이차 유동들로 공정 챔버들에 대한 유체의 정확한 운반을 보장한다.
열 유량 센서들이 선형 센서 응답 및 낮은 압력 강하 특성으로 인해 수년 동안 질량 유량비 제어(FRC)에 사용되어 왔다. 그러나, 열 유량 센서들은 제로 드리프트의 경향이 있다. 또한, 소정의 응용에서, 화학 반응이 센서의 열 센서 모세관 표면을 변화시키고 센서 드리프트를 야기할 수 있다.
압력-기반 유량비 제어(PBFRC)가 미국 특허 10,698,426에 제시되어 있다. 이러한 시스템에서, 열 유량 센서들은 유량 제한기의 상류 및 하류에서 감지되는 압력에 기반하여 유량을 결정하는 압력-기반 센서들로 대체되었다. 압력 센서수를 감소시키기 위해, 공통 압력 센서가 FRC의 유입구에서 공유되었고, 각각의 유량 제한기의 바로 상류에서 이에 인접하는 압력이 재귀 계산을 통해 공유 감지된 압력으로부터 산출되었다. 유량이 상류 압력 및 감지된 하류 압력으로부터 산출되었다.
압력-기반 유량 센서들은 열 유량 센서들에 의해 제기된 문제를 극복하지만 자체적인 문제를 제기한다. 압력 센서 신호와 유량 사이의 관계는 매우 비선형일 수 있고, 그에 따라 유량비 제어 응용에 사용될 때 가스 특성에 관한 지식이 요구된다. 이러한 어려움을 극복하기 위해, 각각의 유량 센서 내의 압력 강하 요소(유량 제한기)가 각각의 라인의 이차 유량과 상류 압력 및 하류 압력의 함수 사이의 선형 응답을 생성하도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 층류 요소(laminar flow element)가 선택될 수 있다.
FRC 응용 고유의 다른 어려움은, 압력 강하 요소에 걸친 차동 압력이 매우 낮을 수 있고, 절대 압력 센서들의 오차 범위 내, 즉 압력 판독의 1% 내에 있을 수 있다는 데에 있다. 낮은 차동 압력은 층류 압력 강하 요소에 의해 악화될 수 있다. 이러한 문제를 극복하기 위해, 각각의 유동 라인 내의 압력 센서들 중 하나가 압력 강하 요소 상류 및 하류의 압력과 연통하는 차동 압력 감지 요소로 대체된다. 차동 압력 센서는 작은 차동 압력 측정에 대해 절대 압력 센서보다 높은 정확도를 제공하고, 이러한 정확도는 절대 압력과 무관하다. 단일 차동 압력 측정은 2개의 절대 압력 센서에 의해 획득되는 압력차보다 오차 범위에 속할 가능성이 훨씬 더 적다. 단일 절대 압력 센서와 함께, 차동 압력 센서는 특히 낮은 압력 강하 조건으로 훨씬 더 정확한 유동 측정을 제공한다.
질량 유동을 이차 유동들로 분할하는 시스템은 유입 유동을 공급받도록 구성되는 유입구, 및 유입구에 연결되는 이차 유동 라인들을 포함한다. 각각의 이차 유동 라인은 이차 유량을 갖는 이차 유동을 운반하도록 구성되는 유동 경로, 유동 경로 내의 압력 강하 요소, 및 제어 신호에 기반하여 이차 유량을 제어하도록 구성되는 밸브를 포함한다. 각각의 이차 유동 라인 내의 유량은 압력 강하 요소의 압력을 나타내는 압력 신호를 제공하도록 구성되는 압력 센서, 및 압력 강하 요소 상류 및 하류의 압력과 연통하고, 압력 강하 요소에 걸친 차동 압력을 나타내는 차동 압력 신호를 제공하도록 구성되는 차동 압력 감지 요소에 의해 감지된다. 제어기가 압력 신호 및 차동 압력 신호에 기반하여 각각의 이차 유동 라인의 이차 유량을 계산하도록 구성되고, 총 유량에 대한 이차 유량의 요망된 비를 획득하기 위해 각각의 밸브에 제어 신호를 발생시키도록 추가로 구성된다.
각각의 차동 압력 요소는 일면에서 압력 강하 요소 상류의 압력에 노출되고 타면에서 압력 강하 요소 하류의 압력에 노출되는 다이어프램을 포함할 수 있다.
일 구성에서, 각각의 이차 유동 라인에서, 압력 센서는 압력 강하 요소의 상류에 있고 밸브는 압력 강하 요소의 하류에 있다. 각각의 유동 라인의 상류 압력 센서는 모든 이차 유동 라인에 의해 공유되는 공통 압력 센서일 수 있다.
다른 구성에서, 밸브는 압력 강하 요소의 상류에 위치된다. 압력 센서는 밸브와 압력 강하 요소 사이에 또는 압력 강하 요소의 하류에 위치될 수 있다.
압력 강하 요소는 이차 유량과 압력 강하 요소의 압력 및 압력 강하 요소에 걸친 차동 압력의 함수 사이의 선형 응답을 생성하도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 압력 강하 요소는 층류 요소일 수 있다.
각각의 이차 유동 라인 내의 유체의 온도를 측정하도록 구성되는 온도 센서가 각각의 유동 라인 내에 제공될 수 있거나, 공통 온도 센서가 제공될 수 있다.
제어기는 다음 관계식에 따라 각각의 이차 유량의 비를 산출 및 제어하도록 구성될 수 있다:
= = .
질량 유동을 이차 유동들로 분할하는 방법에서, 제어기는 압력 신호 및 차동 압력 신호에 기반하여 각각의 유동 라인의 이차 유량을 결정하고, 제어기는 총 유량에 대한 이차 유량의 요망된 비를 획득하기 위해 각각의 밸브에 제어 신호를 발생 및 적용한다.
전술한 내용은 첨부 도면에 도시된 바와 같은 예시적인 실시예들의 후술하는 보다 구체적인 설명에서 명확해질 것이며, 상이한 도면들 전체에 걸쳐 유사한 참조 번호는 동일한 부분을 가리킨다. 도면은 반드시 정확한 비율로 그려진 것이 아니라, 실시예들을 예시하는 데에 중점을 둔 것이다.
도 1은 질량 유량 제어기들의 세트로부터 단일 질량 유동을 공급받는 선행 기술의 열 유량비 제어기를 도시한 개략도이다.
도 2는 층류 요소를 갖는 채널 내의 가스(N2)에 대해 상류 압력, 하류 압력, 및 유동 사이의 관계를 도시한 3차원 그래프이다.
도 3은 압력-기반 유량비 제어기의 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 4는 공유된 절대 압력 센서를 갖는 다른 실시예의 개략도이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 예시적인 실시예들에서 압력 강하 요소로 사용될 수 있는 여러 층류 요소의 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 각각 절대 압력 센서 및 차동 압력 센서의 단면도이다.
도 7은 절대 및 차동 압력 센서를 사용하여 단일 질량 유동을 요망된 비의 이차 유동들로 분할하는 방법의 예시적인 실시예를 도시한 흐름도이다.
예시적인 실시예들의 설명이 이어진다.
개시된 장치, 시스템, 및 방법의 용도 중 하나는, 반도체 처리 툴, 챔버, 및/또는 기타 시스템, 기기, 및 장치에 오염물질 없이 정확하게 계량된 양의 공정 가스와 퍼지 가스를 운반하기 위한 가스 계량 시스템을 위한 것이다. 현재 개시된 장치, 시스템, 및 방법은 임의의 상류 질량 유량 제어기의 성능을 저해함 없이 작동한다는 이점을 제공한다. 현재 개시된 장치, 시스템, 및 방법은 압력 센서들을 사용하여 단일 질량 유동을 요망된 비의 이차 유동들로 분할할 수 있다는 이점을 제공한다. 장치, 시스템, 및 방법은, 비교적 높은 상류 압력이나 유동을 포함하는 가스(들)에 관한 지식을 요구함 없이, 가스 또는 액체의 단일 유동을 요망된 비를 갖는 주지의 정확한 상대값의 다수의 이차 유동으로 분할한다는 이점을 제공한다.
도 1은 열 유량 센서들에 의존하는 선행 기술의 유량비 제어기(100)의 개략도이다. 이는 비교를 위해 도시된 질량 유량 제어기들(101)의 세트로부터 단일 질량 유동(103)을 공급받는다. 질량 유량 제어기들(101)의 세트는 유체들(102)의 유동을 유량비 제어기(100)의 유입 라인 또는 매니폴드(104) 내로 제어한다. 유체들은 가스 탱크와 같은 기존의 가스 저장 장치로부터 인입되는 공정 가스와 퍼지 가스 둘 다를 포함하는 혼합물일 수 있다. 도시되진 않지만, 유체들(102)은 필터, 정화기, 압력 변환기, 및 제어기와 같은 추가 구성요소에 의해 모니터링되거나 제어될 수 있다. 질량 유동(102)은 유입구(104)에 공급되는 유입 유동(103)을 형성한다. 다른 실시예에서, 유입 유동은 단일 질량 유량 제어기, 가스 저장 용기, 또는 기타 공급원으로부터 공급되는 단일 유체(102)로 구성된다. 유입 유동은 유량(Qt)으로 유입구(104) 내에서 이동한다. 질량 유량 제어기(101) 및 가스(102)의 양은 가변적일 수 있다. 가스(102)는 임의의 잠재적인 공급원 또는 가스 저장 장치로부터 유래할 수 있다. 개별 가스들(102)의 특성은 알려져 있지만, 유입 유량(Qt) 및 혼합물(103)의 특성은 상이한 처리 방식들로 인해 알려져 있지 않을 수 있다.
유입구(104)는 이차 유동 라인들(105a, 105b, ..., 105N)에 연결된다. 유입 유동은 이차 유동들로 분할된다. 이차 유동들은 이차 유량들(Q1, Q2, ..., QN)로 이차 유동 라인들(105)의 유동 경로들 내에서 이동한다. 유량비 제어기는 유량비 제어기가 작동하는 시스템의 요건에 따라 임의의 수의 이차 유동 라인과 이차 유동을 가질 수 있다. 이차 유동 라인들(105) 내의 이차 유량들(Q1, Q2, ..., QN)의 합은 다음 수식에 표현된 바와 같이 유입 유량(Q)과 같아야 한다:
.
각각의 이차 유량(Q1, Q2, ..., QN)과 유입 유량(Qt) 사이의 비는 다음 수식에 의해 정의될 수 있다:
,
상기 수식 중, 는 이차 유동 라인(i)의 유량비이다. 이차 유량들(Q1, Q2, ..., QN)과 유입 유량(Qt) 사이의 비가 결정될 수 있다면, 이는 정확하게 제어될 수 있다. 이차 유동들의 비는 각각의 이차 유동 라인(105) 상의 유량 센서들(106)에 의해 제공되는 신호에 기반하여 결정되되, 유량 센서들은 측정된 이차 유동들을 나타내는 신호를 제공한다.
이차 유동들은 각각의 이차 유동 라인(105) 상에 위치되는 밸브(107)에 의해 제어될 수 있다. 제어기가 유량 센서들(106)에 의해 제공되는 신호를 수신하고, 이차 유동들의 현재 비를 결정하고, 적어도 하나의 밸브(107)에 제어 신호를 전송하여, 이차 유동 라인들(105) 내의 이차 유동들을 변경하여 이차 유동들의 요망된 비를 획득하도록 프로그래밍된다. 제어기는 호스트 제어기로부터 또는 사용자 인터페이스를 통해 이차 유량들의 요망된 비, 즉 질량 유량비 설정점(rspi; i = 1, 2, ..., N)을 수신하도록 프로그래밍될 수 있다.
제어기는 유량 센서들(106)에 의해 제공되는 측정된 이차 유동들을 나타내는 신호를 수신하고, 이차 유동 라인들 내의 이차 유동들의 유량비를 계산하도록 프로그래밍된다. 제어기는 또한 PID와 같은 피드백 제어 알고리즘 또는 기타 피드백 제어 알고리즘을 사용하여 이차 유동들의 계산된 비와 이차 유동들의 요망된 비의 차에 기반하여 제어 신호를 계산하도록 프로그래밍된다. 제어기는 또한 적어도 하나의 밸브(107)에 계산된 제어 신호를 전송하도록 프로그래밍된다. 제어 신호는 적어도 하나의 이차 유동을 조절하도록 적어도 하나의 밸브(107)에 지시한다. 제어기는 적어도 하나의 밸브(107)에 제어 신호를 전송함으로써, 이차 유동들의 실제 비가 이차 유동들의 요망된 비와 같아질 때까지, 적어도 하나의 이차 유동 라인(105)을 통과하는 이차 유동을 조절한다.
유량비를 계산하기 위한 유입 질량 유동을 포함하는 유입구(104)에 공급되는 유체 또는 유체 혼합물에 관한 기존의 지식이 없는 경우, 유량 센서들(106)의 신호들과 이들이 모니터링하는 이차 유동들 사이의 관계는 선형일 필요가 있다. 선형 함수(f(x))는 다음 특성을 갖는다: 및 , 상기 수식 중, k는 상수이다. 이러한 특성은 유체(103)의 특성에 관한 지식 없이 이차 유량비를 분리 및 계산하기 위해 사용되는 수학적 계산에 필수적이다.
인 경우(상기 수식 중, Q1은 이차 유동 라인(105a) 내의 이차 유동의 유량이고 f1(x1)은 유량 센서(106a)에 의해 제공되는 신호(x1)의 선형 함수임), 및 인 경우(상기 수식 중, Q2는 이차 유동 라인(105b) 내의 이차 유동의 유량이고 f2(x2)는 유량 센서(106b)의 신호(x2)의 상이한 선형 함수임), 2개의 이차 유량(Q1, Q2) 사이의 비(r)는 다음 수식으로 표현될 수 있다:
.
함수들(f1(x1), f2(x2))의 선형 특성으로 인해, 상기 수식은 다음과 같이 변환될 수 있다:
,
상기 수식 중, x0가 상수이므로, = 는 상수이다. y1 = x1/x0 및 y2 = x2/x0는 변환된 센서 신호들이다. 함수들(f1(x0), f2(x0))은 둘 다 유체 특성에 기반하는 동일한 변수를 포함한다. 함수(f1(x0))를 함수(f2(x0))로 나누면 k0가 나오기 때문에, 함수들(f1(x0), f2(x0))에서 발견되는 미지의 유체 특성에 기반하는 변수들은 상쇄되어, 유량비(r)를 계산하는 데에 더 이상 요구되지 않는다. 따라서, 유량비()는 변환된 센서 신호들의 비()에 상응한다. 이러한 관계는 유량 센서들(106)에 의해 제공되는 신호에 기반하는 이차 유량들의 비의 결정을 가능하게 한다. 이차 유량들의 비는 유입 유량(Qt) 및/또는 유입구(104) 내의 가스 또는 유체(103)에 관한 기존의 정보가 없어도 결정될 수 있다.
도 1에 도시된 것과 같은 유량비 제어기에서, 이차 유량들의 비를 결정하기 위해 사용되는 변환의 수학적 한계는, 유량 센서들(106)의 신호와 이들이 이차 유동 라인들(105) 내에서 측정하는 유동 사이의 선형 응답을 갖는 유량 센서들(106)의 사용을 요구한다는 데에 있다. 유량비 제어기에 통상적으로 사용되는 열 유량 센서들은 이와 같은 선형 응답을 갖는다.
열 유량 센서들은 선형 함수에 의해 측정되는 유량과 관련되는 센서 출력을 갖는다. 또한, 열 유량 센서들은 유량비 제어를 요구하는 소정의 상황에 도움이 되는 낮은 압력 강하를 갖는다. 그러나, 열 유량 센서들을 사용하는 데에는 단점이 있다. 구체적으로, 열 유량 센서들에는, 측정시, 열 유량 센서들을 사용하는 유량비 제어기에 부정확성을 초래하는 장기간 드리프트가 가해진다. 또한, 열 유량 센서의 고온은 HBr 및 Cl2와 같은 소정의 반응성 가스 종과 함께 사용되는 경우 바람직하지 않은 화학 반응을 야기할 수 있다. 이러한 반응은 열센서 정확도를 추가로 감소시킬 수 있다.
압력-기반 질량 유량 측정 기법 및 센서는 열-기반 질량 유량 센서에 대한 대안을 제공한다. 통상적인 압력-기반 유량 센서는 유량 제한기의 상류 및 하류에 절대 압력 센서들을 구비한다. 압력 센서들을 사용하는 유량비 제어기는 제로 드리프트, 내식성, 및 고온 성능의 측면에서 기존의 열-기반 유량비 제어기보다 나은 성능을 가질 수 있다. 그러나, 압력-기반 질량 유량 측정은 대개는 압력 센서 출력과 유량 사이에 매우 비선형의 관계를 갖는다. 이러한 관계는 굉장히 복잡할 수 있고 유체 특성을 중요한 변수로 포함할 수 있다. 예를 들어, 노즐에 대한 유량(Q)은 비폐색(un-choked) 유동 조건에서 다음 수식에 의해 결정된다:
,
상기 수식 중, C'은 토출 계수, A는 노즐의 목 면적, Pu는 노즐 상류의 압력, Pd는 노즐 하류의 압력, R은 범용 가스 상수, T는 유체 온도, M은 유체 분자량, γ는 가스의 비열비이다. 이러한 및 다른 매우 비선형의 관계로 인해, 유체 특성이 일반적으로 압력 센서들의 측정을 사용하여 유량비를 직접 결정하는 데에 요구된다. 그러나, 층류 요소와 같은 압력 강하 요소가 유동을 운반하는 각각의 라인 내에 배치되는 경우, 이는 요소 상류의 압력, 요소 하류의 압력, 및 유동 사이의 새로운 관계를 형성한다.
질량 유량비 제어 응용에서, 유입 유동의 가스 특성은 유량비 제어기에 알려져 있지 않을 수 있다. 이러한 특성은 각각의 이차 유동 채널 내의 절대 이차 유량을 결정하는 데에 필요한 가스 비열, 가스 분자량, 및 가스 점도를 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 유입 질량 유동은 또한 적어도 2개의 성분의 미지의 혼합물로 구성될 수 있다.
이차 유량들은 일반적으로 다음 수식에 의해 결정될 수 있다:
Q = f(∈, d, L, mw, r, μ, T, Pu, Pd),
상기 수식 중, Q는 이차 유량, f()는 압력 강하 요소의 치수(∈, d, L), 유체 특성(mw, r, μ), 유체 온도(T), 상류 압력(Pu), 및 하류 압력(Pd)의 함수이다. 층류 요소들의 경우, 함수(f())는 다음 형태를 가질 수 있다:
Q = f(∈, d, L, mw, r, μ, T, Pu, Pd) = k(∈, d, L, mw, r, μ, T) * (Pu2-Pd2),
상기 수식 중, k()는 압력(즉, Pu 및 Pd)이 없는 함수이다. 다시 말하면, 유량(Q)에 대한 상류 압력 및 하류 압력의 효과는 다른 인자들로부터 분리될 수 있다.
도 2는 층류 요소를 갖는 채널 내의 가스(N2)에 대해 상류 압력, 하류 압력, 및 유동 사이의 관계(301)를 도시한 3차원 그래프(300)이다. 그래프(300)는 요소 상류의 압력(Pu), 요소 하류의 압력(Pd), 및 채널 내의 유량(Q) 사이의 관계(301)를 표시하고 특정 데이터 포인트들(302)을 포함한다. Q, Pu, 및 Pd 사이의 관계(301)는 여전히 매우 비선형이다:
,
상기 수식 중, k(∈, d, L, mw, r, μ, T)는 층류 요소의 기하형상(∈, d, L), 유체 특성(mw, r, μ), 및 가스 온도(T)에 따른 함수이다. 함수 k(∈, d, L, mw, r, μ, T)의 경우, ∈은 다공성 매체일 때 층류 요소의 다공성이고, d는 환형 우회 또는 관다발 층류 요소의 내경이고, L은 층류 요소의 길이이다. 그러나, k()의 모든 변수가 유량비 제어기의 이차 유동 라인들에 걸쳐 일정하게 유지될 수 있으므로, k()는 가스 온도가 고정됨을 가정하여 수학적 상수로 처리될 수 있다. k()가 상수인 경우, 층류 요소를 갖는 채널 내의 유량은 요소 상류의 압력의 제곱과 요소 하류의 압력의 제곱의 차와 선형적으로 관련된다. 다음 예시적인 벡터 변환 시퀀스를 사용하여, 2개의 압력(Pu, Pd)으로부터 유량(Q)과 선형적으로 관련되는 벡터 변수를 도출하는 것이 가능하다. 2개의 벡터는 다음과 같이 정의될 수 있다:
(1) 수정된 압력 벡터()
상류 압력 및 하류 압력 스칼라 변수로 구성되는 열 벡터이고(상기 수식 중, 은 벡터 전치 연산자임),
(2) 변환 벡터()
스칼라 상수 함수()의 행 벡터이다. Q, Pu, 및 Pd 사이의 관계는 상기 2개의 벡터를 다음과 같이 사용하여 재작성될 수 있다:
,
,
,
상기 수식 중, 는 행렬/벡터를 위한 내적 연산자이다. 재작성된 유량(Q)은 각각의 이차 유동 채널에 대해 상류 압력(Pu) 및 하류 압력(Pd)으로부터 도출되는 수정된 압력 벡터()와 선형 관계를 갖는다. 다시 말하면, 압력-기반 유량비 제어기 내의 압력 강하 요소로서 층류 요소를 사용하는 것은 유량(Q)과 수정된 압력 벡터 변수() 사이의 선형 응답을 제공한다. 이는 미지의 유입 유체에 대한 질량 유량비 제어를 가능하게 한다.
상기 수식은 다음과 같이 확장될 수 있다:
.
이러한 형태로부터, 주어진 유동에 대해, 평균 압력((Pu + Pd)/2)이 증가함에 따라, 제한기에 걸친 압력 강하(Pu - Pd)가 감소함을 알 수 있다. 이러한 상황은 예를 들어 하나의 채널이 다른 채널들에 비해 낮은 비 설정점을 갖는 경우 일어날 수 있다. 다른 채널들을 통과하는 높은 유동은 높은 유입 압력 및 그에 따라 모든 채널에서의 높은 평균 압력을 초래할 수 있다; 낮은 설정점 채널을 통과하는 낮은 유동은 매우 작은 압력 강하를 초래한다.
작은 압력 강하는 2개의 절대 압력 센서를 사용하는 유동 측정에 문제를 일으킨다. 낮은 유동 및 낮은 압력 강하 조건의 경우, 압력 강하 요소에 걸친 차동 압력(Pu - Pd)은 작을 수 있고, 절대 압력 센서들의 오차 범위 내, 즉 압력 판독의 1% 내에 있을 수 있다. 다시 말하면, 2개의 절대 압력 센서는 낮은 유동 측정에 대해 정확한 차동 압력(Pu - Pd) 측정을 제공하지 못 할 수 있다.
유량비 제어기의 각각의 채널 내의 각각의 유량 제한기에 걸친 차동 압력(Pu, Pd)이 절대 압력 센서들에 의해 정확히 측정되기에 충분한지는 응용에 따라 상당히 좌우된다. 2채널 유량비 제어기의 후술하는 두 경우를 고려한다.
첫 번째 경우, 총 유입 유동(Qt)은 200 sccm이고 비 설정점은 1:1이다. 이 경우, Q1 = Q2 = 100 sccm이다. 채널 1 상의 압력 조건은 (Pu+Pd1)/2가 10 Torr이고 Pu-Pd1이 2 Torr일 수 있다. 2개의 Torr 차동 압력은 10 Torr의 1%의 오차 범위를 초과하므로, 측정 및 제어가 용인가능하다.
두 번째 경우, 총 유입 유동(Qt)은 1100 sccm이고 비 설정점은 1:10이다. 이후, Q1은 100 sccm으로 제어되고, Q2는 1000 sccm으로 제어된다. Q2를 제어하는 제어 밸브는 1000 sccm을 획득하기 위해 개방 유지되지만, 높은 유량은 큰 압력 강하 및 그에 따라 높은 상류 압력(Pu)을 초래한다. 채널 1 내의 밸브는 높은 상류 압력으로부터의 유동을 최소화하기 위해 거의 폐쇄 유지된다. 그 결과, 채널 1 내의 조건은 평균 압력((Pu+Pu1)/2)이 100 Torr이고 차동 압력(Pu-Pd1)이 0.2 Torr일 수 있다. 0.2 Torr 차동 압력은 실질적으로 상류 압력 센서의 압력 및 평균 압력의 1%보다 작다. 따라서, 2개의 절대 압력 센서는 정확한 유량비 제어를 위한 정확한 차동 압력(Pu-Pd1)을 제공할 수 없다.
낮은 차동 압력의 문제를 극복하기 위해, 하나의 절대 압력 센서가 차동 압력 센서로 대체된다. 이후, 비 계산 공식은 다음과 같이 제시될 수 있다:
2개의 절대 압력 센서(즉, Pu 및 Pd)의 경우:
유동(i): ,
유량비(i): ,
상기 수식 중, ki는 유동 채널(I)에 대해 가스 특성 및 압력 강하 요소의 특징의 함수이고, 는 총 유동()이다.
하나의 절대 압력 센서 및 하나의 차동 압력 센서(즉, Pu 및 DP)의 경우, 가 로 대체된다:
유동(i): ,
유량비(i): = = .
도 3은 각각의 상류 및 하류 절대 압력 센서가 상류 절대 센서 및 차동 센서로 대체되는 압력-기반 유량비 제어기(300)의 예시적인 실시예를 도시한 개략도이다. 도 3의 유량비 제어기(300)는 다채널 가스 운반의 일부일 수 있고, 가스 공급기(예를 들어, 가스 탱크)로부터 예를 들어 공정 가스와 퍼지 가스를 비롯한 다수의 가스의 혼합물 또는 개별 가스를 선택적으로 공급받는다. 유량비 제어기(300)는 이차 유동 라인들(305)을 통과하는 이차 유동들의 비를 결정 및 정확하게 제어하기 위해 압력 센서들(306) 및 차동 압력 센서들(308)로부터 압력 신호를 수신하도록 구성된다. 각각의 차동 센서는 층류 요소(309)에 걸쳐 연결된다. 이러한 센서는 통상적으로 2개의 포트가 연결되는 양면에서 가스 압력에 노출되는 다이어프램을 포함한다. 유량비 제어기(300)는 온도 센서(311)로부터 가스 온도 신호를 획득하도록 구성될 수 있다. 온도 센서(311)는 유입 유동의 온도를 나타내는 가스 온도 신호를 제공하도록 구성된다. 대안적인 실시예에서, 온도 센서(311)는 각각의 이차 유동 라인(305) 상에 위치될 수 있다. 제공된 온도 신호(들)는 유량비 제어기(300)의 교정 과정에서 k(∈, d, L, mw, r, μ, T)를 정규화하기 위해 사용될 수 있다.
유량비 제어기(300) 및 관련 방법은 비교적 높은 상류 압력 및 가스 특성에 관한 지식을 요구함 없이 가스 또는 액체의 단일 질량 유동을 이차 유동들의 요망된 비를 갖는 주지의 정확한 상대값의 다수의 이차 유동으로 분할한다는 이점을 제공한다. 압력 센서(306) 및 차동 압력 센서(308)는 각각 압력 강하 요소(309)의 상류에서 측정되는 압력 및 압력 강하 요소(309)에 걸쳐 측정되는 압력을 나타내는 신호를 발생시킨다.
유입구(304)는 이차 유동 라인들(305a, 305b, ..., 305N)에 연결된다. 유체의 유입 유동은 이차 유동 라인들(305)의 경로들 내에서 유량들(Q1, Q2, ..., QN)로 이동하는 이차 유동들로 분할된다. 유입구(304) 내의 유입 유동의 유입 유량(Qt)은 이차 유동 라인들(305) 내의 이차 유량들(Q1, Q2, ..., QN)의 합과 같다: Qt = . 유량비 제어기는 유량비 제어기가 작동하는 시스템의 요건에 따라 임의의 수의 이차 유동 라인(305)을 가질 수 있다. 이차 유동 라인들의 토출구들은 단지 하나의 처리 툴 내의 처리 챔버들 또는 2개 이상의 처리 툴 내의 위치들과 같은 동일한 수의 위치들에 연결될 수 있다. 각각의 이차 유동 라인의 토출구는 시스템에 의해 요구되는 임의의 장치 또는 목적지에 연결될 수 있다.
각각의 상류 압력 센서(306)는 압력 강하 요소 상류의 압력에 대응하는 신호를 발생시키고, 각각의 이차 유동 라인(305)에 대해 변수(Pui)를 위한 입력으로 사용될 수 있다. 각각의 차동 압력 센서(308)는 압력 강하 요소에 걸친 차동 압력에 대응하는 신호를 발생시키고, 각각의 이차 유동 라인(305)에 대해 변수(DPi)를 위한 입력으로 사용될 수 있다. 따라서, 이차 유동 라인들(405) 내의 이차 유량들(Q1, Q2, ..., QN)은 또는 로서 압력 신호들의 함수() 또는 벡터()와 선형적으로 관련된다.
이러한 선형 관계는 이차 유동 라인들(305) 내의 이차 유량들(Q1, Q2, ..., QN)과 유입 유량 사이의 각각의 비(즉, )가 압력 센서들(306i, 308i)에 의해 제공되는 신호를 사용하여 결정되는 것을 가능하게 한다. 이는 유체(303), 유체(303)의 특성, 및 유입구(304) 내의 유체(303)의 절대 참 유량(Qt)에 관한 기존의 정보가 없이도 가능하다. 유체(303)는 여러 성분 유체들의 혼합물일 수 있고, 성분 유체들은 알려져 있거나 알려져 있지 않을 수 있다.
제어기(310)는 메모리 및 프로세서를 갖는 마이크로프로세서와 같은 컴퓨터일 수 있다. 대안적으로, 제어기(310)는 수학적 과정을 수행할 수 있는 임의의 유사한 장치일 수 있다. 제어기(310)는 상류 압력 센서들(306) 및 차동 센서들(308)에 의해 제공되는 신호를 수신하도록 프로그래밍된다. 제어기(310)는 상류 압력 센서들(306) 및 차동 압력 센서들(308)의 신호를 사용하여 각각의 이차 유동 라인(305)에 대해 변환된 센서 응답 벡터들(, , ..., )을 도출하도록 추가로 프로그래밍된다. 변환된 센서 응답 벡터들(, , ..., ) 각각은 이차 유동 라인들 내의 이차 유동들의 유량(Q1, Q2, ..., QN)과 선형 관계를 갖는다. 제어기(310)는 변환된 센서 응답 벡터들(, , ..., )을 사용하여 이차 유동 라인들(305)의 이차 유량들(Q1, Q2, ..., QN)의 비를 결정하도록 구성된다. 이차 유량들의 각각의 비는 모든 이차 유동 라인(305a, 305b, ..., 305N)의 이차 유량(Q1, Q2, ..., QN)과 유입 유량(Qt; Qt = ) 사이에 결정될 수 있다.
각각의 이차 유동 라인(305)은 이차 유동 라인(305) 내의 이차 유량(Q1, Q2, ..., QN)을 제어하도록 구성되는 밸브(307)를 포함한다. 밸브(307)는 압력 유량 센서들(306, 308)의 상류 또는 하류에 위치될 수 있다. 제어기(310)는 이차 유동들의 목표 비 또는 요망된 비를 획득하도록 밸브들(307)을 제어하기 위해 제어 신호를 전송하도록 구성될 수 있다. 제어기(310)는 압력 센서들(306, 308)의 압력 신호에 기반하여 이차 유량들(Q1, Q2, ..., QN)의 현재 비를 결정하도록 구성될 수 있다. 이어서, 제어기(310)는 적어도 하나의 밸브(307)에 제어 신호를 전송할 수 있고, 제어 신호에 응하여 적어도 하나의 밸브(307)는 이차 유동 라인(305)의 이차 유동을 변경할 것이다. 제어기(310)는, 적어도 하나의 밸브(307)에 제어 신호를 전송하는 것을 포함하는 피드백 루프를 통해, 이차 유량들의 비가 요망된 비와 같아질 때까지 적어도 하나의 이차 유동 라인(305)의 이차 유동을 조정한다.
제어기(310)는 이차 유량들의 요망된 비 또는 유량비 설정점을 수신하도록 구성될 수 있다. 제어기(310)는 이차 유량들(Q1, Q2, ..., QN)과 압력 센서들(306, 308)의 신호들 사이의 개시된 수학적 관계들 중 임의의 것을 사용하여 현재 이차 유량들(Q1, Q2, ..., QN), 이차 유량들의 현재 비, 이차 유량들의 목표 비, 즉 질량 유량비 설정점(rspi; i = 1, 2, ..., N), 이차 유량들의 목표 비를 발생시키는 이차 유량들(Q1, Q2, ..., QN), 및 이차 유량들의 목표 비를 유도하는 적어도 하나의 밸브(307)에 전송되는 제어 신호를 결정할 수 있다. 제어기(310)는 각각의 이차 유동 채널의 유량비를 요망된 유량비 설정점으로 조절하기 위해 이차 유량들의 계산된 비 및 이차 유량들의 요망된 비에 기반하여 이차 유동 채널들 내의 각각의 밸브에 제어 신호를 계산 및 전송하는 피드백 제어 모듈을 포함할 수 있다. 제어기(310)는 또한 유입 유동(Qt)을 계산하도록 구성될 수 있다.
유량비 제어기(300)는 절대 압력 센서(306) 및 차동 압력 센서(308)를 사용하여 유량 및 그에 따라 유량비를 측정하기 때문에, 기존의 열 질량 유량비 제어기에 비해 여러 이점이 있다. 먼저, 이는 이차 유량들과 압력 센서들(306, 308)의 변환된 신호들 사이의 선형 관계를 사용하여 압력-기반 질량 유량비 제어를 수행하는 능력을 제공한다. 다음으로, 압력-기반 유량 센서들은 선행 기술의 열-기반 유량 센서들보다 안정적이다. 압력-기반 유량 센서들은 또한 열-기반 유량 센서들보다 높은 내식성을 갖는다. 게다가, 압력-기반 유량 센서들은 열-기반 유량 센서들보다 고온 응용에 더 적합하다.
일 실시예에서, 압력 강하 요소들(309)은 층류 요소들이다. 이차 유량(Q)과 선형 관계를 갖는 (2 Pu - DP) · DP에 상응하는 함수가 존재하는 한, 층류 요소 외의 다른 압력 강하 요소(309)가 유량비 제어기(300)에 사용될 수 있다. 하나의 예시적인 대안으로, 이차 유동이 노즐 상류의 압력과 직접 선형적으로 관련되는 임계 유동 노즐/오리피스가 있다. 그러나, 임계 유동 노즐에 의해 유도될 수 있는 높은 압력 강하는 유량비 제어기의 일부 응용에서 문제가 될 수 있다. 압력 강하 요소(309)로서 층류 요소를 사용하는 하나의 이점은 임계 유동 노즐/오리피스에 비해 낮은 압력 강하를 갖는다는 데에 있다. 실제로, 층류 요소가 있어도, 높은 해상도를 위해 낮은 압력 층류 범위가 유지되는 것이 최상이다. 이를 위해, 상류 압력 및 압력 강하는 유동 막힘을 방지하기 위해 임계 유동점 미만으로 충분히 낮아야 한다.
차동 압력 유량 센서들에 의해, 제어 밸브는 도 3에서와 같이 유량 제한기 및 압력 센서의 상류에 위치되는 것이 일반적으로 바람직한데, 이러한 구성이 더 나은 해상도를 위한 더 큰 차동 압력(DP)으로 이어지기 때문이다. 또한, 절대 압력 센서가 더 낮은 압력(Pd)을 측정하기 위해 제한기의 하류에 위치되는 것보다 더 높은 압력(Pu)을 측정하기 위해 제한기의 상류에 위치되는 것이 최상이지만, Pu 대신 Pd가 측정될 수 있다.
유량 제어 밸브는 또한 유량 제한기 및 압력 센서의 하류에 위치될 수 있다. 이 경우, 압력 측정은 차동 압력 센서 및 상류 또는 하류 압력 센서에 의해 이루어질 수 있다. 그러나, 상류 압력을 감지함으로써, 상류 압력 센서는 미국 특허 10,698,426에서와 같이 및 도 4에 도시된 바와 같이 공유될 수 있다. 여기서, 각각의 채널(405)의 제어 밸브(407)는 제한기(409)의 하류에 위치된다. 제한기에 걸친 차동 압력은 차동 압력 센서(408)에 의해 측정된다. 종전과 같이, 공통 온도 센서(411)가 모든 채널에 의해 공유될 수 있거나, 개별 온도 센서가 각각의 채널 상에 위치될 수 있다. 절대 압력 센서(406)가 각각의 채널 내의 유량 제한기의 상류에서 유량 제한기에 인접하게 위치될 수도 있다. 그러나, 압력 센서수를 감소시키기 위해, 단일 압력 센서(406)가 도 4에 도시된 바와 같이 모든 채널에 의해 공유될 수 있다. 특허 10,698,426에서와 같이, 각각의 유량 제한기의 바로 상류에서 이에 인접하는 실제 압력이 재귀 계산을 통해 산출될 수 있다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 실시예에서 압력 강하 요소로 사용될 수 있는 여러 층류 요소의 도면이다. 여러 상이한 유형의 층류 요소가 압력 강하 요소로 사용될 수 있다. 잠재적인 유형의 층류 요소들로, 주름형 층류 요소(501), 관다발 층류 요소(502), 및 환형 층류 요소(503)가 포함된다. 기타 층류 요소들로, 평행판 층류 요소 및 압축된 층류 요소, 예를 들어 소결된 다공성 금속 필터 또는 기타 다공성 매체가 포함된다. 층류 요소들은 탁월한 일관성으로 정밀 기계가공된다. 층류 요소들은 또한 낮은 압력 범위에서도 유동, 상류 압력, 및 하류 압력 사이의 관계를 유지한다. 각각의 층류 요소는 유동이 요소의 내부를 통해 이동하도록 강제하는 주변 케이스(500a, 500b, 500c)를 포함한다. 각각의 층류 요소의 내부는 요소를 통해 이동하는 유체 내에 층류를 유도하는 방해물(들)을 포함한다. 주름형 층류 요소(501)의 경우, 이의 내부는 리지 및 그루브 층상 금속판들(504)로 충진된다. 관다발 층류 요소(502)의 경우, 이의 내부는 길이가 유동 방향과 평행한 관들(505)로 충진된다. 환형 층류 요소(503)의 경우, 이의 내부는 단단한 원통(506)을 포함하고, 이의 길이는 유동 방향과 평행하여 주변 케이스(500c)와 중앙 원통(506) 사이에 링형 갭(507)을 형성한다. 층류 요소가 이차 유동 라인들 내에 층류를 유도할 수 있는 한, 도 5에 도시된 것을 포함하지만 이에 제한되지 않는 층류 요소들의 임의의 변경 및 구성이 본 발명에 의해 사용될 수 있다.
층류 요소들의 경우, 함수()가 채널 내의 유동과 선형 관계를 갖는다. 이러한 선형 관계로 인해, 유량비 제어기는 층류 요소의 상류에서 측정되는 압력 및 층류 요소에 걸쳐 측정되는 압력에 대응하는 신호를 사용하여 미지의 가스 또는 가스 혼합물로 구성되는 미지의 유체의 이차 유동들의 비를 결정 및 제어할 수 있다. 강한 선형 관계는 도 3에 도시된 바와 같이 유량비 제어시 층류 압력 강하 요소를 사용할 때 정확한 유량비 측정 및 제어를 가능하게 한다.
적합한 절대 압력 센서(306)는 MKS 바라트론 절대 커패시턴스 마노미터이고, 이의 단면이 도 6a에 도시된다. 센서 캡슐은 다이어프램(601), 및 전자기기(604)에 결합되는 금속-세라믹 전극 구조(603)를 포함한다. 다이어프램의 기준측(605; 이면)은 측정될 압력보다 훨씬 더 낮게 매우 높은 진공으로 소개된다. 기준측의 높은 진공은 내부 화학 게터 펌프(607)에 의해 마노미터의 수명에 걸쳐 유지된다. 다이어프램(601)의 측정측은 배플(613)에 걸쳐 포트(611)를 통해 시스템에 연결된다. 압력이 금속 다이어프램 및 인접한 고정된 이중 전극 사이의 커패시턴스의 변화를 측정함으로써 결정된다. 적합한 차동 압력 센서는 MKS 바라트론 차동 커패시턴스 마노미터이고, 이의 단면이 도 6b에 도시된다. 압력이 금속 감지 다이어프램(615) 및 인접한 고정된 이중 전극(617) 사이의 커패시턴스의 변화를 측정함으로써 결정된다. 감지 다이어프램의 일측은 "낮은 압력 포트(P2)"에 연결되고, 감지 다이어프램의 타측은 배플(619)에 걸쳐 "높은 압력 포트(P1)"에 연결된다. 다이어프램은 구부러지고, 두 압력의 차에 비례하는 전기 신호로서 감지된다.
일부 실시예에서, 각각의 이차 유동 채널은 유량비 제어 응용을 위한 유량 측정을 제공하기 위해 교정될 필요가 있다. N2와 같은 교정 가스가 유동 계산식을 위해 i번째 이차 유동 채널에서 의 계수들을 결정하기 위해 사용될 수 있다:
, 또는
.
(Pui, Pdi, Qi)의 다수의 교정점이 교정 과정 중에 전체 작동 범위에 대해 수집될 수 있다. 또한, 온도 센서들이 유입 유동 및/또는 이차 유동들에 대해 T를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 교정점들은 의 계수들을 결정하기 위해 사용될 수 있다.
대안적인 유동 계산 방법은 교정 중에 각각의 이차 유동 채널에 대해 도 3에 도시된 것과 유사하게 변수들(Pui, Pdi, Qi)의 3D 맵을 구축하는 것을 포함한다. 유량비 제어기(310, 410)는 3D 맵을 룩업 테이블로 사용하여 i번째 유동 채널에 대해 측정된 상류 압력(Pui) 및 차동 압력(DPi)에 기반하여 유량(Qi)을 결정할 수 있다. 유입 가스가 미지의 가스인 경우, 유량비 제어기(300, 400)는 교정 가스(예를 들어, N2)로서 유입 가스를 처리할 수 있고, 교정된 계수() 또는 (Pui, Pdi, Qi)의 3D 맵을 사용하여 교정 가스로서 이차 유량들(Qi)을 계산하고 이후 대응하는 유량비들(ri)을 계산할 수 있다. 각각의 이차 유동 라인 내의 유동(Qi)이 수정된 압력 벡터()와 선형 관계를 갖기 때문에, 대응하는 유량비(ri)는 계산된 유량(Qi)이 실제 가스가 아닌 교정 가스에 기반할 때에도 정확하다.
도 7은 절대 및 차동 압력 센서를 사용하여 유입 유동을 요망된 비의 이차 유동들로 분할하는 방법의 예시적인 실시예를 도시한 흐름도(700)이다. 흐름도(700)에 도시된 방법은 도 3 및 도 4에 도시된 방식으로 구성되는 압력 강하 요소, 밸브, 압력 센서, 제어기, 및 기타 요소를 갖는 유량비 제어기를 사용하여 수행될 수 있다. 첫 번째 단계(701)는 유입 채널에서 유입 유동을 공급받는 것이다. 유입 유동을 포함하는 유체, 유체 특성, 및 유입구 내의 유량은 알려져 있지 않을 수 있다. 다음 단계(702)에서, 유입 유동은 이차 유동들로 분할된다. 이차 유동들은 유입구에 연결되는 이차 유동 라인들의 경로들에 의해 운반된다. 이차 유동들은 이차 유량들로 이차 유동 라인들 내에서 이동한다. 각각의 이차 유동 라인에 대해, 다음 단계들(703, 704)이 수행된다. 단계(703)에서, 제1 압력 센서가 압력 강하 요소의 상류 또는 하류에서 이차 유동 라인 내의 압력을 측정하고, 단계(704)에서, 차동 압력 센서가 압력 강하 요소에 걸쳐 이차 유동 라인 내의 압력을 측정한다.
다음 단계(705)는 제어기에 의해 수행된다. 제어기는 측정된 절대 압력 및 압력 강하 요소에 걸친 차동 압력을 사용하여 유량들 및 이차 유량들의 비를 결정한다. 이는, 이차 유동 라인들/채널들 내의 층류 요소에 의해, 이차 유량들이 절대 및 차동 압력의 함수, 구체적으로는 일 실시예에서 와 선형적으로 관련되기 때문에 가능해진다. 최종 단계(706)에서, 제어기는 이차 유량들의 명시된 또는 요망된 비를 획득하기 위해 이차 유동 라인들 내의 적어도 하나의 이차 유량을 제어하도록 이차 유동 라인들 상에 위치되는 적어도 하나의 밸브에 제어 신호를 계산 및 전송한다. 제어기는 단계(703)로 복귀함으로써 피드백 제어 알고리즘을 사용하여 단계(706)를 완료할 수 있다. 제어 신호는 이차 유량들의 결정된 비 및 이차 유량들의 요망된 비에 따라 적어도 하나의 밸브를 제어한다. 흐름도(700)에 나타낸 방법은 유량비 제어기의 작동 중에 지속적으로 수행될 수 있고, 극도의 정확성으로 이차 유량들의 요망된 비의 시퀀스를 달성하기 위해 사용될 수 있다.
일반적으로, 제어기는 절대 유량비(Qi/Qt)를 처리한다. 그러나, 단지 2개의 이차 유동의 경우, 제어기는 상대 유량비(Q1/Q2 또는 Q2/Q1)를 처리할 수 있다. 어떤 경우든, 총 유랑에 대한 이차 유량의 요망된 비가 획득된다.
예시적인 실시예들이 구체적으로 도시 및 설명되었지만, 당업자는 첨부된 청구범위에 의해 포괄되는 실시예들의 범주를 벗어남 없이 형태 및 세부사항의 다양한 변경이 가능함을 이해할 것이다.

Claims (22)

  1. 질량 유동을 이차 유동들로 분할하는 시스템으로서,
    유입 유동을 공급받도록 구성되는 유입구;
    상기 유입구에 연결되는 이차 유동 라인들로, 각각의 이차 유동 라인은 이차 유량을 갖는 이차 유동을 운반하도록 구성되는 유동 경로; 상기 유동 경로 내의 압력 강하 요소; 제어 신호에 기반하여 상기 이차 유량을 제어하도록 구성되는 밸브; 상기 압력 강하 요소의 압력을 나타내는 압력 신호를 제공하도록 구성되는 압력 센서; 및 상기 압력 강하 요소 상류 및 하류의 압력과 연통하고, 상기 압력 강하 요소에 걸친 차동 압력을 나타내는 차동 압력 신호를 제공하도록 구성되는 차동 압력 감지 요소를 포함하는 것인 이차 유동 라인들; 및
    상기 압력 신호 및 상기 차동 압력 신호에 기반하여 각각의 이차 유동 라인의 이차 유량을 계산하도록 구성되고, 총 유량에 대한 이차 유량의 요망된 비를 획득하기 위해 각각의 밸브에 상기 제어 신호를 발생시키도록 추가로 구성되는 제어기를 포함하는, 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 차동 압력 요소는 일면에서 상기 압력 강하 요소 상류의 압력에 노출되고 타면에서 상기 압력 강하 요소 하류의 압력에 노출되는 다이어프램을 포함하는, 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 각각의 이차 유동 라인에서, 상기 압력 센서는 상기 압력 강하 요소의 상류에 있고 상기 밸브는 상기 압력 강하 요소의 하류에 있는, 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 각각의 유동 라인의 상기 상류 압력 센서는 모든 이차 유동 라인에 의해 공유되는 공통 압력 센서인, 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 밸브는 상기 압력 강하 요소의 상류에 위치되는, 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 압력 센서는 상기 밸브와 상기 압력 강하 요소 사이에 위치되는, 시스템.
  7. 제5항에 있어서, 상기 압력 센서는 상기 압력 강하 요소의 하류에 위치되는, 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 압력 강하 요소는 상기 이차 유량과 상기 압력 강하 요소의 압력 및 상기 압력 강하 요소에 걸친 차동 압력의 함수 사이의 선형 응답을 생성하도록 구성되는, 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 압력 강하 요소는 층류 요소인, 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 각각의 이차 유동 라인 내의 유체의 온도를 측정하도록 구성되는 온도 센서를 추가로 포함하는, 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 상기 제어기는 다음 관계식에 따라 각각의 이차 유량의 비를 산출 및 제어하도록 구성되는, 시스템:
    = = .
  12. 질량 유동을 요망된 비의 이차 유동들로 분할하는 방법으로서,
    유입구에서 유입 유동을 공급받는 단계;
    상기 유입 유동을 상기 유입구에 연결되는 이차 유동 라인들 내로 분할하는 단계로, 각각의 이차 유동 라인은 이차 유량을 갖는 이차 유동을 운반하도록 구성되는 유동 경로; 상기 유동 경로 내의 압력 강하 요소; 제어 신호에 기반하여 상기 이차 유량을 제어하도록 구성되는 밸브; 상기 압력 강하 요소의 압력을 나타내는 압력 신호를 제공하도록 구성되는 압력 센서; 및 상기 압력 강하 요소 상류 및 하류의 압력과 연통하고, 상기 압력 강하 요소에 걸친 차동 압력을 나타내는 차동 압력 신호를 제공하도록 구성되는 차동 압력 감지 요소를 포함하는 것인 단계;
    제어기에 의해, 상기 압력 신호 및 상기 차동 압력 신호에 기반하여 각각의 이차 유동 라인의 이차 유량을 결정하는 단계; 및
    상기 제어기에 의해, 총 유량에 대한 이차 유량의 요망된 비를 획득하기 위해 각각의 밸브에 상기 제어 신호를 발생 및 적용하는 단계를 포함하는, 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 차동 압력 요소는 일면에서 상기 압력 강하 요소 상류의 압력에 노출되고 타면에서 상기 압력 강하 요소 하류의 압력에 노출되는 다이어프램을 포함하는, 방법.
  14. 제12항에 있어서, 각각의 이차 유동 라인에서, 상기 압력 센서는 상기 압력 강하 요소의 상류에 있고 상기 밸브는 상기 압력 강하 요소의 하류에 있는, 방법.
  15. 제14항에 있어서, 각각의 유동 라인의 상기 상류 압력 센서는 모든 이차 유동 라인에 의해 공유되는 공통 압력 센서인, 방법.
  16. 제12항에 있어서, 상기 밸브는 상기 압력 강하 요소의 상류에 위치되는, 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 압력 센서는 상기 밸브와 상기 압력 강하 요소 사이에 위치되는, 방법.
  18. 제16항에 있어서, 상기 압력 센서는 상기 압력 강하 요소의 하류에 위치되는, 방법.
  19. 제12항에 있어서, 상기 압력 강하 요소는 상기 이차 유량과 상기 압력 강하 요소의 압력 및 상기 압력 강하 요소에 걸친 차동 압력의 함수 사이의 선형 응답을 생성하도록 구성되는, 방법.
  20. 제12항에 있어서, 상기 압력 강하 요소는 층류 요소인, 방법.
  21. 제12항에 있어서, 각각의 이차 유동 라인 내의 유체의 온도를 측정하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  22. 제12항에 있어서, 상기 제어기는 다음 관계식에 따라 각각의 이차 유량의 비를 산출 및 제어하는, 방법:
    = = .
KR1020237042171A 2021-06-08 2022-06-06 압력-기반 질량 유량비 제어 방법 및 장치 KR20240017819A (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US17/342,341 US11940307B2 (en) 2021-06-08 2021-06-08 Methods and apparatus for pressure based mass flow ratio control
US17/342,341 2021-06-08
PCT/US2022/072774 WO2022261618A1 (en) 2021-06-08 2022-06-06 Methods and apparatus for pressure based mass flow ratio control

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20240017819A true KR20240017819A (ko) 2024-02-08

Family

ID=84285911

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020237042171A KR20240017819A (ko) 2021-06-08 2022-06-06 압력-기반 질량 유량비 제어 방법 및 장치

Country Status (5)

Country Link
US (1) US11940307B2 (ko)
JP (1) JP2024521576A (ko)
KR (1) KR20240017819A (ko)
TW (1) TW202301058A (ko)
WO (1) WO2022261618A1 (ko)

Family Cites Families (27)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3838598A (en) 1969-03-28 1974-10-01 Brunswick Corp Capillary flow meter
WO1997004288A1 (en) 1995-07-17 1997-02-06 Rosemount Inc. Transmitter for providing a signal indicative of flow through a differential transducer using a simplified process
US5837903A (en) 1995-09-22 1998-11-17 The Scott Fetzer Company Inc. Device for measuring exhaust flowrate using laminar flow element
KR20000056692A (ko) 1999-02-25 2000-09-15 윤종용 로드락 유닛의 가스 농도 자동 제어장치
US6363958B1 (en) 1999-05-10 2002-04-02 Parker-Hannifin Corporation Flow control of process gas in semiconductor manufacturing
CN100403198C (zh) 2001-05-24 2008-07-16 迅捷公司 流体流量控制器和定比率控制流体流量的方法和装置
US6736370B1 (en) 2002-12-20 2004-05-18 Applied Materials, Inc. Diaphragm valve with dynamic metal seat and coned disk springs
US7072743B2 (en) 2004-03-09 2006-07-04 Mks Instruments, Inc. Semiconductor manufacturing gas flow divider system and method
TW200834275A (en) 2006-09-05 2008-08-16 Celerity Inc Multi-gas flow device
US8887549B2 (en) 2007-02-19 2014-11-18 Brooks Instrument, Llc Valve leakby diagnostics
US7874208B2 (en) 2007-10-10 2011-01-25 Brooks Instrument, Llc System for and method of providing a wide-range flow controller
US8197133B2 (en) 2008-02-22 2012-06-12 Brooks Instruments, Llc System and method for sensor thermal drift offset compensation
WO2009110895A1 (en) 2008-03-05 2009-09-11 Brooks Instrument, Llc A system, method, and computer program for determining fluid flow rate using a pressure sensor and a thermal mass flow sensor
US7905139B2 (en) 2008-08-25 2011-03-15 Brooks Instrument, Llc Mass flow controller with improved dynamic
US8132464B2 (en) 2010-07-12 2012-03-13 Rosemount Inc. Differential pressure transmitter with complimentary dual absolute pressure sensors
US9557744B2 (en) 2012-01-20 2017-01-31 Mks Instruments, Inc. System for and method of monitoring flow through mass flow controllers in real time
US8752433B2 (en) 2012-06-19 2014-06-17 Rosemount Inc. Differential pressure transmitter with pressure sensor
US9146563B2 (en) 2013-03-01 2015-09-29 Hitachi Metals, Ltd. Mass flow controller and method for improved performance across fluid types
US9617928B2 (en) 2013-04-24 2017-04-11 Ford Global Technologies, Llc Automotive combination sensor
US9562796B2 (en) 2013-09-06 2017-02-07 Illinois Tool Works Inc. Absolute and differential pressure transducer
JP5854335B2 (ja) 2013-11-20 2016-02-09 プログレッシオ合同会社 処理チャンバの圧力制御方法及び処理チャンバの圧力制御装置
US10996689B2 (en) 2016-09-12 2021-05-04 Horiba Stec, Co., Ltd. Flow rate ratio control device with flow velocity control mode
US11073846B2 (en) 2018-01-30 2021-07-27 Illinois Tool Works Inc. Mass flow controller with absolute and differential pressure transducer
US10698426B2 (en) * 2018-05-07 2020-06-30 Mks Instruments, Inc. Methods and apparatus for multiple channel mass flow and ratio control systems
JP2020021176A (ja) 2018-07-30 2020-02-06 株式会社堀場エステック 流量制御装置
US11187561B2 (en) 2020-02-25 2021-11-30 Mks Instruments, Inc. Methods and apparatus for pressure based mass flow ratio control
JP2022047815A (ja) * 2020-09-14 2022-03-25 アズビル株式会社 マスフローコントローラ

Also Published As

Publication number Publication date
WO2022261618A1 (en) 2022-12-15
JP2024521576A (ja) 2024-06-03
US11940307B2 (en) 2024-03-26
US20220390261A1 (en) 2022-12-08
TW202301058A (zh) 2023-01-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5613752B2 (ja) マルチ反対称最適制御性能構成を使用する流量比制御装置を含むガス送出方法及びシステム
US6820632B2 (en) Parallel divided flow-type fluid supply apparatus, and fluid-switchable pressure-type flow control method and fluid-switchable pressure-type flow control system for the same fluid supply apparatus
KR100740914B1 (ko) 차압식 유량계 및 차압식 유량 제어 장치
US7461549B1 (en) Mass flow verifiers capable of providing different volumes, and related methods
JP7288463B2 (ja) 多流路質量流量・質量流量比制御システムのための方法及び装置
EP1564615A1 (en) Fluid-switchable flow rate control system
KR20020000867A (ko) 실시간 유동 측정 및 수정용 광범위 가스 유동 시스템
US11150120B2 (en) Low temperature thermal flow ratio controller
JP2023515812A (ja) 圧力に基づいた質量流量比率制御用の方法及び装置
KR20240017819A (ko) 압력-기반 질량 유량비 제어 방법 및 장치