KR100418683B1 - 반도체 공정가스용 차압식 유량 제어기 - Google Patents

반도체 공정가스용 차압식 유량 제어기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 공정가스가 흐르는 유로에 차압을 발생하여 가스의 유량을 측정 및 제어하는 반도체 공정가스용 차압식 유량 제어기를 개시한다. 본 발명은 반도체 공정가스의 유로를 갖는 몸체와, 몸체의 유로를 여닫아 가스의 흐름을 제어하는 컨트롤밸브와, 몸체의 유로에 차압을 발생시킬 수 있도록 설치되는 차압발생요소와, 차압발생요소를 기준으로 하여 유로의 상류와 하류를 연결하는 바이패스와, 차압발생요소에 의하여 발생하는 유로상의 차압을 검출할 수 있도록 바이패스에 설치되는 압력센서와, 압력센서로부터 입력되는 검출신호에 따라 가스의 유량을 산출하고 컨트롤밸브를 제어하는 중앙처리장치로 구성된다. 본 발명에 의하면, 가스의 유로에 다공성 물질, 모세관들 등의 차압발생요소를 설치하여 유로를 따라 흐르는 가스에 차압을 발생시키고, 이 가스의 차압에 의하여 유량을 측정하여 응답성과 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있으며, 빠른 응답속도와 가스의 안정된 흐름에 의하여 가스의 유량을 정밀하고 신속하게 제어할 수 있다. 또한, 간단한 구조에 의하여 간편하고 경제적으로 제작 및 유지보수할 수 있으며, 유로에 설치되어 가스의 흐름에 차압을 발생하는 차압발생요소 자체의 필터링 기능에 의하여 가스의 순도를 높일 수 있는 효과가 있다.

Description

반도체 공정가스용 차압식 유량 제어기{DIFFERENTIAL PRESSURE TYPE FLUID MASS FLOW CONTROLLER FOR CONTROLLING FLOW GASES USED IN SEMICONDUCTOR DEVICE FABRICATION}
본 발명은 반도체 공정가스용 차압식 유량 제어기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반도체 공정가스가 흐르는 유로에 차압을 발생하여 가스의 유량을 측정 및 제어하는 반도체 공정가스용 차압식 유량 제어기에 관한 것이다.
주지하고 있는 바와 같이, 반도체 공정에는 가스, 예를 들어 반도체의 제조에 사용되는 도펀트(Dopant), 에천트(Etchant), 디퓨전(Diffusion) 및 퍼지(Purge) 가스 등이 사용되고 있다. 이와 같은 반도체 공정가스는 초고순도가 요구되고 있으며, 한편으로 반도체의 제조공정에서 반도체의 특성을 결정짓는 가스의 유량을 정밀하고 신속하게 제어하는 것은 상당히 중요하다.
이와 같은 반도체의 제조공정에서 가스의 유량을 제어하는 기술의 일례로 열감지식 질량유량 제어기를 살펴보면, 몸체의 유로를 흐르는 가스는 바이패스 (Bypass)를 경유하며, 바이패스는 가스를 일정한 비율로 분배하여 플로센서(Flow sensor)로 보낸다. 플로센서의 서멀레지스터(Thermal resistor)는 가스의 흐름에 따른 열전도에 의하여 온도 변화를 발생하며, 휘스톤브리지(Wheatston bridge)는 서멀레지스터의 온도 변화를 전압의 변화로 검출하여 전기신호를 출력하고, 증폭기는 휘스톤브리지의 전기신호를 증폭하여 컨트롤러에 입력한다. 컨트롤러는 입력되는 전기신호와 세트포인트(Set point) 값을 비교하고 그 결과에 따라 솔레노이드 또는 서멀액츄에이터(Thermal actuator)에 의하여 작동하는 컨트롤밸브를 여닫아 가스의 유량을 제어한다.
그러나 종래의 열감지식 유량 제어기는 가스의 흐름에 따른 열용량을 플로센서의 서멀레지스터에서 온도 변화로 발생시키고, 휘스톤브리지에 의하여 서멀레지스터의 온도 변화를 전압의 변화로 검출하여 가스의 유량을 측정하는 간접 방식으로 응답성이 매우 낮은 문제가 있다. 또한, 가스의 전체 유량 범위 내에서 유량에 따른 플로센서의 기전력과의 상관 관계가 직선성을 보장하고 있지 못하며, 가스의 압력에 따라 플로센서의 감도가 변화하기 때문에 신뢰성이 크게 저하되는 문제를 수반하고 있다. 뿐만 아니라, 가스의 종류에 따라 유량의 측정에 사용되는 보상상수를 변경해야 하는 번거롭고 불편한 문제가 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 여러 가지 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 유로를 따라 흐르는 가스에 차압을 발생시키고, 이 가스의 차압에 의하여 유량을 측정하여 응답성과 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있는 반도체 공정가스용 차압식 유량 제어기를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 빠른 응답속도와 가스의 안정된 흐름에 의하여 가스의 유량을 정밀하고 신속하게 제어할 수 있는 반도체 공정가스용 차압식 유량 제어기를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 간단한 구조에 의하여 간편하고 경제적으로 제작및 유지보수할 수 있는 반도체 공정가스용 차압식 유량 제어기를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 유로에 설치되어 가스의 흐름에 차압을 발생하는 차압발생요소 자체의 필터링 기능에 의하여 가스의 순도를 높일 수 있는 반도체 공정가스용 차압식 유량 제어기에 있다.
이와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 반도체 공정가스의 유로를 갖는 몸체와; 몸체의 유로를 여닫아 가스의 흐름을 제어하는 컨트롤밸브와; 몸체의 유로에 차압을 발생시킬 수 있도록 설치되는 차압발생요소와; 차압발생요소를 기준으로 하여 유로의 상류와 하류를 연결하는 바이패스와; 차압발생요소에 의하여 발생하는 유로상의 차압을 검출할 수 있도록 바이패스에 설치되는 압력센서와; 압력센서로부터 입력되는 검출신호에 따라 가스의 유량을 산출하고, 컨트롤밸브를 제어하는 중앙처리장치로 이루어지는 반도체 공정가스용 차압식 유량 제어기에 있다.
도 1은 본 발명에 따른 차압식 유량 제어기의 구성을 나타낸 정면도,
도 2는 본 발명에 따른 차압식 유량 제어기의 구성을 부분적으로 확대하여 나타낸 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 차압식 유량 제어기에서 다른 예의 차압발생요소가 적용되어 있는 구성을 부분적으로 확대하여 나타낸 단면도,
도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ선 부분 확대 단면도이다.
♣도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ♣
10: 몸체 12: 유로
18: 가스공급장치 20: 컨트롤밸브
22: 밸브실 24: 액츄에이터
26: 밸브체 30: 차압발생요소
32: 다공성 물질 34: 기공
36: 모세관 38: 구멍
40: 바이패스 42: 제1 압력포트
44: 제2 압력포트 50: 압력센서
60: 중앙처리장치 70: 케이싱
이하, 본 발명에 따른 반도체 공정가스용 차압식 유량 제어기에 대한 바람직한 실시예를 첨부된 도면들에 의거하여 상세하게 설명한다.
먼저, 도 1과 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 유량 제어기의 외관을 구성하는 몸체(10)에는 반도체의 제조에 사용되는 도펀트, 에천트, 디퓨전 및 퍼지 가스 등의 유로(12)가 형성되어 있으며, 유로(12)는 가스의 도입구(14)와 가스의 배출구(16)를 갖는다. 도입구(14)는 잘 알려진 가스공급장치(18)에 연결되어 있으며, 배출구(16)를 통하여 배출되는 가스는 반도체의 제조공정으로 공급된다. 유로(12)의 상류는 컨트롤밸브(20)의 밸브실(22)과 연결되어 있다. 컨트롤밸브(20)의 밸브실(22)에는 액츄에이터(24)의 작동에 의하여 유로(12)를 여닫아 가스의 흐름을 제어하는 밸브체(26)가 구성되어 있다. 본 실시예에 있어서 컨트롤밸브(20)의 액츄에이터(24)는 일반적인 솔레노이드로 구성할 수 있다.
본 발명의 유량 제어기는 유로(12)의 하류에 설치되어 가스의 흐름에 차압을 발생하는 차압발생요소(30)를 구비한다. 차압발생요소(30)는 가스의 흐름에 대하여 저항을 발생하는 다공성 물질(Porous material: 32)로 구성되어 있으며, 이 다공성 물질(32)은 다수의 미세한 기공(34)들을 갖는다. 다공성 물질(32)은 세라믹 필터 (Ceramic filter)나 스테인리스스틸 필터(Stainless steel filter)로 구성되어 있다. 세라믹 필터 및 스테인리스스틸 필터는 소결에 의하여 제작할 수 있으며, 스테인리스스틸 필터는 일렉트로폴리싱(Electropolishing)에 의하여 정밀도, 청정도, 화학적 안정성, 내식성 등이 우수한 표면을 갖도록 제작한다. 이와 같은 세라믹 필터 및 스테인리스스틸 필터에 의해서는 기공들을 통과하는 가스 속의 불순물을 효과적으로 흡착하여 제거할 수 있다.
도 3과 도 4를 참조하면, 차압발생요소(30)의 다른 예로 복수의 모세관(36)들은 몸체(10)의 유로(12)에 설치되어 가스의 흐름에 저항을 발생하며, 모세관(36)들의 구멍(38)을 통과하는 가스 속의 불순물은 구멍(38)의 표면에 흡착되어 제거된다. 모세관(36)들은 다공성 물질(32)과 마찬가지로 스테인리스스틸을 소재로 제작하여 일렉트로폴리싱한다. 본 실시예에 있어서 차압발생요소(30)의 모세관(36)들은 다공판으로 대신할 수도 있으며, 모세관(36)들과 다공판의 표면은 필요에 따라 유리에 의하여 코팅할 수도 있다.
도 1을 다시 참조하면, 본 발명의 유량 제어기는 차압발생요소(30)를 기준으로 하여 유로(12)의 상류와 하류를 연결하는 바이패스(40)를 구비하며, 바이패스 (40)는 상류의 제1 압력포트(42)와 하류의 제2 압력포트(44)로 구성되어 있다. 바이패스(40)의 제1 및 제2 압력포트(42, 44) 사이에는 제1 및 제2 압력포트(42, 44)의 압력을 검출하는 압력센서(50)가 설치되어 있다. 압력센서(50)는 제1 및 제2 압력포트(42, 44) 사이의 차압을 검출하는 차압센서로 구성할 수 있다. 압력센서(50)의 감지신호는 중앙처리장치(Central Processing Unit, CPU: 60)에 입력되며, 중앙처리장치(60)는 압력센서(50)로부터 입력되는 검출신호에 따라 컨트롤밸브(20)의 액츄에이터(24)를 작동시켜 가스의 흐름을 제어한다. 컨트롤밸브(20)와 중앙처리장치(60)는 몸체(10)에 착탈할 수 있도록 부착되는 케이싱(70)에 수용되어 있다.
지금부터는 이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 반도체 공정가스용 차압식 유량 제어기에 대한 작용을 설명한다.
도 1과 도 2를 참조하면, 컨트롤밸브(20)의 밸브체(26)가 열려진 상태에서 가스공급장치(18)로부터 공급되는 가스는 몸체(10)의 도입구(14)를 통하여 도입된 후, 몸체(10)의 유로(12)를 따라 흐르면서 밸브실(22)과 다공성 물질(32)의 기공 (34)들을 순차적으로 경유하게 된다. 유로(12)의 단면적보다 좁은 다공성 물질(32)의 기공(34)들을 통과함으로써 가스의 압력은 강하된다. 따라서, 다공성 물질(32)의 상류와 하류에는 압력의 차이가 발생하며, 제1 압력포트(42)와 제2 압력포트 (44) 사이에도 압력의 차이가 발생한다. 이때, 다공성 물질(32)의 기공(34)들을 통과하는 가스의 흐름이 층류유동(Laminar flow)이면 가스의 차압과 유량과의 관계는 직선으로 나타난다.
압력센서(50)는 제1 압력포트(42)와 제2 압력포트(44) 사이의 차압을 검출하여 검출신호를 출력하며, 중앙처리장치(60)는 압력센서(50)로부터 입력되는 검출신호를 세트포인트 값과 비교하여 가스의 유량을 구한다. 중앙처리장치(60)는 얻어진 가스의 유량이 미리 설정되어 있는 적정한 가스의 유량인가를 판단하여 가스의 유량이 적정하게 유지되도록 컨트롤밸브(20)의 액츄에이터(24)를 작동시키는 제어신호를 출력하며, 액츄에이터(24)의 작동에 의하여 밸브체(26)는 유로(12)를 여닫아 가스의 흐름을 제어한다.
이와 같이 다공성 물질(32)의 상류와 하류에서 발생하는 차압을 압력센서 (50)에 의하여 검출하고, 중앙처리장치(60)에 의하여 가스의 유량을 산출한 후, 컨트롤밸브(20)의 밸브체(26)에 의하여 가스의 유량을 제어하여 응답성과 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있으며, 또한 반도체의 제조에 적합하도록 가스의 유량을 정밀하고 신속하게 제어할 수 있다.
한편, 본 발명의 유량 제어기는 몸체(10)의 유로(12)에 다공성 물질(32)을 설치하고, 다공성 물질(32)에 의한 가스의 차압을 압력센서(50)에 의하여 검출하는 간단한 구조에 의하여 간편하고 저렴한 비용으로 제작할 수 있다. 다공성 물질(32)과 압력센서(50)는 교환이 쉽고, 수리가 용이하여 간편하고 경제적으로 유지보수할 수 있다. 그리고 다공성 물질(32)의 기공(34)들을 통과하는 가스 속에 포함되어 있는 불순물은 기공(34)들에 흡착되어 제거되므로, 가스의 순도를 효과적으로 높일 수 있다.
도 3과 도 4를 참조하면, 차압발생요소(30)의 다른 예로 모세관(36)들의 구멍(38)을 통과한 가스의 압력은 앞에서 설명한 다공성 물질(32)에서와 마찬가지로 강하되며, 압력센서(50)는 모세관(36)들의 상류와 하류에 배치되어 있는 제1 압력포트(42)와 제2 압력포트(44) 사이의 차압을 검출하여 검출신호를 출력한다. 중앙처리장치(60)는 앞에서 설명한 것과 마찬가지로 압력센서(50)로부터 입력되는 검출신호를 세트포인트 값과 비교하여 가스의 유량을 구하고, 컨트롤밸브(20)의 액츄에이터(24)를 작동시키는 제어신호를 출력하며, 액츄에이터(24)의 작동에 의하여 밸브체(26)는 유로(12)를 여닫아 가스의 흐름을 제어한다. 그리고 모세관(36)들의 구멍(38)을 통과하는 가스 속의 불순물은 구멍(38)의 내면에 흡착되어 제거되므로, 가스의 순도를 효과적으로 높일 수 있다.
이상에서 설명된 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위내에서 이 분야의 당업자에 의하여 다양한 변경, 변형 또는 치환이 가능할 것이며, 그와 같은 실시예들은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명은 반도체 공정가스의 유량을 제어하는 것으로 설명되어 있으나, 화학 공정의 가스나 기타 유체의 유량을 제어하는데 적용할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 반도체 공정가스용 차압식 유량 제어기에 의하면, 가스의 유로에 다공성 물질, 모세관들 등의 차압발생요소를 설치하여 유로를 따라 흐르는 가스에 차압을 발생시키고, 이 가스의 차압에 의하여 유량을 측정하여 응답성과 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있으며, 빠른 응답속도 및 가스의 안정된 흐름에 의하여 가스의 유량을 정밀하고 신속하게 제어할 수 있다. 또한, 간단한 구조에 의하여 간편하고 경제적으로 제작 및 유지보수할 수 있으며, 유로에 설치되어 가스의 흐름에 차압을 발생하는 차압발생요소 자체의 필터링 기능에 의하여 가스의 순도를 높일 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 반도체 공정가스의 유로를 갖는 몸체와;
    상기 몸체의 유로를 여닫아 상기 가스의 흐름을 제어하는 컨트롤밸브와;
    상기 몸체의 유로에 차압을 발생시킬 수 있도록 설치되는 차압발생요소와;
    상기 차압발생요소를 기준으로 하여 상기 유로의 상류와 하류를 연결하는 바이패스와;
    상기 차압발생요소에 의하여 발생하는 상기 유로상의 차압을 검출할 수 있도록 상기 바이패스에 설치되는 압력센서와;
    상기 압력센서로부터 입력되는 검출신호에 따라 상기 가스의 유량을 산출하고, 상기 컨트롤밸브를 제어하는 중앙처리장치로 이루어지는 반도체 공정가스용 차압식 유량 제어기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 차압발생요소는 다공성 물질로 이루어지는 반도체 공정가스용 차압식 유량 제어기.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 차압발생요소는 상기 가스의 흐름 방향을 따라 설치되는 다수의 모세관들로 이루어지는 반도체 공정가스용 차압식 유량 제어기.
KR1020030042583A 2003-06-27 2003-06-27 반도체 공정가스용 차압식 유량 제어기 KR100418683B1 (ko)

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