KR100855935B1 - 유동분할시스템과 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고압의 상류측 압력을 필요로 하지 않고 단일의 가스유동을 알려진 정확한 값의 둘 이상의 2차유동으로 분할하기 위한 시스템에 관한 것이다. 이 시스템은 단일가스유동을 공급받기 위한 유입구와, 이 유입구에 연결된 제1 및 제2유동라인을 포함한다. 질량유량계가 제1라인을 통한 가스유동을 측정하고 측정된 유량을 나타내는 신호를 제공한다. 제한기가 제1라인을 통한 가스유동을 요구된 유량으로 제한하며 질량유량계가 정확히 작동할 수 있도록 충분히 높고 사전에 결정된 압력상한값 보다는 낮은 상류측 압력을 제공할 수 있도록 선택된 최소단면 유동영역을 갖는다. 질량유량제어기가 질량유량계로부터 측정된 유량을 나타내는 신호를 수신하고 이러한 신호에 기초하여 제2라인을 통한 유량을 유지한다.
Figure R1020037011130
유동분할시스템, 질량유량제어기, 질량유량계, 유동라인.

Description

유동분할시스템과 방법 {SYSTEM AND METHOD FOR DIVIDING FLOW}
본 발명은 반도체처리장비에 관한 것으로, 특히 오염되지 않고 정확히 계량된 공정가스를 반도체공정챔버로 공급하기 위한 가스박스(gas box)에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 단일의 가스박스로부터의 유동을 다수의 공정챔버로 분할하기 위한 시스템과 방법에 관한 것이다.
반도체장치의 제조에 있어서는 종종 공정챔버에 다수의 가스를 조심스럽게 동시에 그리고 정확히 측정되어 공급되는 것이 요구된다. 이러한 제조공정에는 여러 가지 방법이 이용되고 있으며, 반도체장치가 세척, 연마, 산화, 마스킹, 에칭, 도핑, 금속화 등이 되는 많은 독립된 처리단계가 요구될 수 있다. 이용된 단계, 이들의 특별한 수순과 사용된 물질 모두는 특정 장치의 제조에 기여한다.
아울러, 웨이퍼제조설비는 통상적으로 화학기상증착, 플라즈마증착, 플라즈마 에칭, 스퍼터링 및 기타 유사한 가스제조공정이 수행되는 영역을 포함하도록 구성된다. 화학기상증착반응기, 진공스퍼터링기, 플라즈마 에칭기 또는 플라즈마강화 화학기상증착기와 같은 공정설비에는 다양한 공정가스가 공급되어야 한다. 이들 설비에는 오염되지 않고 정확히 계량된 양의 순수가스가 공급되어야 한다.
전형적인 웨이퍼제조설비에 있어서 가스는 파이핑 또는 도관을 통하여 가스박스에 연결된 탱크에 저장된다. 가스박스는 제조설비의 탱크들로부터 공정설비에 오염되지 않고 정확히 계량된 양의 순수불활성 또는 반응가스를 공급한다. 가스박스, 즉 가스계량시스템은 밸브, 압력조절기와 변환기, 질량유량제어기와 필터/정화기와 같은 가스계량유니트를 갖는 다수의 가스유로를 포함한다. 각 가스유로는 독립된 가스공급원에 연결하기 위한 자체의 유입구를 가지나, 모든 가스유로는 공정설비에 연결하기 위하여 단일 유출구측으로 수렴된다.
때로는 다수의 공정챔버로 조합된 공정가스를 분할하는 것도 요구된다. 이와 같은 경우에 있어서, 가스박스의 단일 유출구는 2차유로를 통하여 다수의 공정챔버에 연결된다. 가스박스의 유출구의 1차유동이 2차유로들 사이에 균일하게 분할될 수 있도록 하기 위하여 각 2차유로에는 유동제한기가 배치된다. 그러나, 이러한 유동분할기술은 2차유로의 상류측 압력이 비교적 높게 유지되어야 한다(예를 들어 30~45 PSIA). 그렇지 않으면 안전 또는 다른 이유에서 상류측 압력이 낮게 유지되어야 하는 경우(예를 들어 15 PSIA) 이러한 기술은 정확하지 않게 될 것이다.
따라서, 고압의 상류측 압력을 필요로 하지 않고 단일의 가스유동을 알려진 정확한 값의 둘 이상의 2차유동으로 분할하기 위한 시스템과 방법이 요구된다.
따라서, 본 발명은 고압의 상류측 압력을 필요로 하지 않고 단일의 가스유동을 알려진 정확한 값의 둘 이상의 2차유동으로 분할하기 위한 시스템을 제공한다. 이 시스템은 단일가스유동을 공급받기 위한 유입구와 이 유입구에 연결된 제1 및 제2유동라인을 포함한다. 질량유량계가 제1라인을 통한 가스유동을 측정하고 측정 된 유량을 나타내는 신호를 제공한다. 제한기가 제1라인을 통한 가스유동을 요구된 유량으로 제한하며, 질량유량계가 정확히 작동할 수 있도록 충분히 높고 사전에 결정된 압력상한값 보다는 낮은 상류측 압력을 제공할 수 있도록 선택된 최소단면 유동영역을 갖는다. 또한 이 시스템은 제2라인을 통한 가스유동을 제어하는 질량유량제어기를 포함한다. 질량유량제어기는 질량유량계로부터의 측정된 유량을 나타내는 신호를 수신하고 이러한 신호에 기초하여 제2라인을 통한 유량을 유지한다.
본 발명의 한 관점에 따라서, 제한기의 최소단면 유동영역은 사전에 결정된 압력상한값이 약 15 PSIA가 되도록 선택된다. 다른 관점에 따라서, 질량유량계와 질량유량제어기는 유량범위가 동일하게 주어진다.
본 발명의 다른 관점에 따라서, 질량유량제어기는 제2라인을 통한 유량이 실질적으로 제1라인의 측정된 유량과 동일하게 유지되도록 한다. 부가적인 관점에 따라서, 본 발명의 시스템은 또한 신호가 질량유량제어기에 의하여 수신되기 전에 질량유량계로부터의 측정된 유량을 나타내는 신호를 비례조절하기 위한 제어기를 포함함으로서, 질량유량제어기가 제2라인을 통한 유량이 실질적으로 제1라인의 측정된 유량의 사전에 결정된 비율과 동일하게 유지되도록 한다.
본 발명의 부가적인 관점에 따라서, 본 발명 시스템은 또한 유입구에 연결된 적어도 제3유동라인과, 이 제3라인을 통한 가스유동을 제어하는 질량유량제어기를 포함한다. 제3라인의 질량유량제어기는 질량유량계로부터의 측정된 유량을 나타내는 신호를 수신하고 이러한 신호에 기초하여 제3라인을 통한 유량을 유지한다. 또 다른 관점에 따라서, 본 발명의 시스템은 신호가 질량유량제어기에 의하여 수신되 기 전에 질량유량계로부터의 측정된 유량을 나타내는 신호를 비례조절하기 위한 적어도 하나의 제어기를 포함함으로서, 질량유량제어기가 제2 및 제3라인을 통한 유량이 실질적으로 제1라인의 측정된 유량의 사전에 결정된 비율과 동일하게 유지되도록 한다.
본 발명을 첨부도면에 의거하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 가스계량박스를 두 공정챔버에 연결된 공정가스의 가스공급원과 본 발명에 따라서 구성된 유동분할시스템을 보인 설명도.
도 2는 가스계량박스를 두 공정챔버에 연결된 공정가스의 가스공급원과 본 발명에 따라서 구성된 다른 유동분할시스템을 보인 설명도.
도 3은 가스계량박스를 3개의 공정챔버에 연결된 공정가스의 가스공급원과 본 발명에 따라서 구성된 또 다른 유동분할시스템을 보인 설명도.
도 4는 종래기술에 따라서 구성된 가스계량박스와 두 유로를 통하여 두 공정챔버에 연결된 공정가스의 가스공급원을 보인 설명도.
도면에서는 동일 또는 유사한 구성부분에 대하여서는 동일한 부호로 표시하였다.
도 1에서, 본 발명은 적어도 두 유로 사이의 가스흐름, 즉 가스유동을 분할하기 위한 시스템과 방법을 제공한다. 특히 이들 시스템과 방법은 반도체공정챔버에 대하여 오염이 없고 정확히 계량된 공정가스 및 퍼지가스를 공급하기 위한 가스 계량시스템과 함께 사용될 수 있게 되어 있다. 본 발명의 시스템과 방법은 단일의 가스유동을 비교적 높은 상류측 압력을 요구함이 없이 알려진 정확한 값의 둘 이상의 2차유동으로 분할할 수 있는 잇점을 제공한다.
한편, 도 4는 종래기술에 따라서 유동을 분할하기 위한 시스템(100)을 보이고 있다. 이 시스템(100)은 가스공급원(예를 들어, 가스탱크)(104a)(104b)(104c) (104d)으로부터 공정가스와 퍼지가스를 포함하는 다수의 가스를 공급받고 두 공정챔버(106)(108)에 공급되는 가스를 정확히 계량공급하는(또는 가스가 단일공정챔버의 다른 영역 또는 인젝터에 계량공급될 수 있다) 가스계량시스템(102)에 사용된다. 가스계량시스템(112)은 다수의 가스스틱(gas stick)(112a)(112b)(112c)(112d)을 갖는 가스박스(110)를 포함한다(비록 4개의 가스스틱이 도시되어 있으나, 가스박스는 4개 이상의 가스스틱을 가질 수 있다). 각 가스박스는 예를 들어 질량유량제어기(MFC)(114), MFC의 앞에 배치된 밸브(116)와, MFC의 뒤에 배치된 밸브(118)를 포함한다. 가스스틱(112a)(112b)(112c)(112d)은 각각 가스공급원(104a)(104b)(104c)(104d)에 연결되고 제어가능한 가스통로를 제공함으로서 오염없는 정확히 계량된 양의 가스 또는 가스의 조합이 가스계량시스템(102)으로부터 공정챔버(106)(108)에 공급될 수 있다. 비록 도시되지는 않았으나, 가스스틱(112a)(112b)(112c)(112d)에는 필터, 정화기와 압력변화기 및 제어기와 같은 가스의 모니터링 또는 제어를 위한 다른 구성요소가 구비될 수 있다. 가스스틱(112a)(112b)(112c)(112d)은 예를 들어 각 스틱으로부터의 가스유동이 요구되는 경우 가스박스를 떠나기 전에 혼합될 수 있도록 예를 들어 유출매니폴드(128)에 함께 연결될 수 있다. 진공펌프(120)가 밸브(122)(124)를 통하여 공정챔버(106)(108)에 연결된다. 작동중에 진공펌프(120)는 가스계량시스템(102)을 통하여 가스공급원(104a)(104b)(104c)(104d)으로부터 가스를 흡출하여 공정챔버(106)(108)로 보낸다.
적어도 두 공정챔버(106)(108) 사이로 가스유동을 분할하기 위한 종래기술의 시스템(100)은 가스박스(110)의 유출매니폴드(128)에 연결되는 유입매니폴드, 즉 유입구(126), 유입구(126)으로부터 공정챔버(106)(108)로 연장된 제1 및 제2유동라인(130)(132)과, 각 유동라인에 배치된 제한기(134)를 포함한다.
제1 및 제2유동라인(130)(132)을 통한 유량을 정확히 제어하기 위하여, 제한기(134)의 최소단면 유동영역(예를 들어, 직경)은 제1 및 제2유동라인(130)(132)의 다른 제한수단 보다 커야 한다. 제한기(134)는 유량을 제어하는데 사용되므로, 상류측 압력(즉, 유동분할시스템 100의 앞의 가스공급시스템 102의 압력)이 비교적 높게 유지되어야 한다(예를 들어 30-40 PSIA). 이와 같이, 안전 또는 다른 이유에서 상류측 압력을 비교적 낮게 유지되는 것이 바람직한 경우(예를 들어 15 PSIA 이하), 종래기술의 시스템(100)은 유동의 분할과 조절이 정확하지 않게 된다. 더욱이, 시스템을 정지시켜야 하는 제한기(134)의 교환없이는 유동라인(130)(132)사이의 유량비율을 변경시키는 것이 불가능하다.
다시 도 1로 돌아가서, 본 발명에 따른 유동분할시스템(10)은 가스박스(110)의 유출매니폴드(128)로부터의 단일가스유동이 공급되는 유입구, 즉 매니폴드(12)와, 유입구(12)에 연결된 제1 및 제2유동라인(14)(16)을 포함한다. 질량유량계(18)가 제1라인(14)을 통한 가스유동을 측정하고 측정된 유량을 나타내는 신호를 발생 한다. 제한기(20)가 제1라인(14)을 통한가스유동을 요구된 유량으로 제한하며 질량유량계(18)가 정확히 작동될 수 있도록 충분히 높고 사전에 결정된 압력상한값 보다는 낮은 상류측 압력을 제공토록 선택된 최소단면 유동영역을 갖는다. 이 시스템은 또한 제2라인(16)을 통한 가스유동을 제어하는 질량유량제어기(22)를 갖는다. 질량유량제어기(22)는 질량유량계(18)로부터의 측정된 유량을 나타내는 신호를 수신하고 이 신호에 기초하여 제2라인(16)을 통한 유량을 유지한다.
제한기(20)의 최소단면 유동영역은 사전에 결정된 압력상한값이 약 15 PSIA가 되도록 선택되는 것이 좋다. 아울러, 질량유량계(18)와 질량유량제어기(22)는 동일한 유동범위가 주어지는 것이 좋다.
도 1의 유동분할시스템(10)에 있어서, 질량유량제어기(22)는 제1라인(14)의 측정된 유량과 실질적으로 동일하게 제2라인(16)을 통한 유량을 유지한다. 비록 도시하지는 않았으나, 유동분할시스템(10)에는 둘 이상의 유동라인이 구비될 수 있으며, 각 부가적인 유동라인은 제1유동라인(14)의 질량유량계(18)로부터 그 설정점(set point)을 수신하는 유량제어기를 갖는다.
도 2에서는 본 발명에 따라서 구성된 다른 유동분할시스템(30)을 보이고 있다. 도 1과 도 2의 시스템(10)(30)은 각각 유사하며 동일한 구성요소에 대하여 동일한 부호로 표시하였다. 또한 도 2의 시스템(30)은 신호가 질량유량제어기(22)에 의하여 수신되기 전에 질량유량계(18)로부터의 측정된 질량유량을 나타내는 신호를 비례조절하기 위한 제어기(32)를 포함함으로서 질량유량제어기(22)는 제2라인(16)을 통한 유량이 제1라인(14)의 측정된 유량의 사전에 결정된 비율과 같도록 유지한 다.
도 3에서는 본 발명에 따라서 구성된 다른 유동분할시스템(40)을 보이고 있다. 도 2과 도 3의 시스템(30)(40)은 각각 유사하며 동일한 구성요소에 대하여 동일한 부호로 표시하였다. 도 3의 시스템(40)은 또한 유입구(12)에 연결된 제3유동라인(42)과, 제3라인(42)을 통한 가스유동을 제어하는 질량유량제어기(46)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 제3라인(42)은 자체의 게이트 밸브(125)를 같는 제3공정챔버(109)에 연결된다.
제3라인(42)의 질량유량제어기(44)는 질량유량계(18)로부터의 측정된 유량을 나타내는 신호를 수신하고 이 신호에 기초하여 제3라인(42)을 통한 유량을 유지한다. 시스템(40)은 신호가 제3라인(42)의 질량유량제어기(44)에 의하여 수신되기 전에 질량유량계(18)로부터의 측정된 질량유량을 나타내는 신호를 비례조절하기 위한 제2제어기(46)를 포함함으로서 질량유량제어기(22)(44)는 제2 및 제3라인(16)(42)을 통한 유량이 제1라인(14)의 측정된 유량의 사전에 결정된 비율과 같도록 유지한다.
본 발명의 유동분할시스템(10)(30)(40)에 사용되는 적당한 질량유량계(18)와 질량유량제어기(22)(44)로서 적당한 것은 미국 매사추세츠 앤도버에 소재하는 MKS Instruments(http://www.mksinst.com)에서 제조판매하는 Mass-Flo®브랜드의 제품이 있다. 특히, Type 1179 Mass-Flo®브랜드의 제어기가 좋다. Type 246 및 247의 싱글 앤드 퍼 채널 파워 서플라이/리드아웃 제어모듈이 제2 및 제3유동라인(16)(42)의 질량유량제어기(22)(44)의 유량설정점을 비례제어하기 위한 제어기(32)(46)로서 사용될 수 있다. 비록 도시하지는 않았으나, 본 발명의 시스템(10)(30)(40)은 가스박스(110)와 공정챔버(106)(108)(109)사이에 신속하고 용이하게 조립할 수 있는 모듈화된 유니트로서 제공될 수 있다. 이러한 경우에 있어서, 셧오프 밸브 또는 적당한 코넥터(50)가 유동분할기시스템과 가스박스(110)의 유출매니폴드(128) 사이에 제공될 수 있다.
이상으로 본발명이 특정 실시형태로 설명되었으나 전문가라면 다양한 변경과 수정이 있을 수 있음을 이해할 것이다. 따라서, 첨부된 청구범위는 본 발명의 기술사상과 범위에 포함되는 이들 변경 및 수정실시형태 모두를 포함할 것이다.

Claims (19)

  1. 고압의 상류측 압력을 필요로 하지 않고 단일의 가스유동을 알려진 정확한 값의 둘 이상의 2차유동으로 분할하기 위한 시스템에 있어서, 이 시스템이 단일가스유동을 공급받기 위한 유입구, 이 유입구에 연결된 제1유동라인, 이 유입구에 연결된 제2유동라인, 제1라인을 통한 가스유동을 측정하고 측정된 유량을 나타내는 신호를 제공하는 질량유량계, 제1라인을 통한 가스유동을 요구된 유량으로 제한하며 질량유량계가 정확히 작동할 수 있도록 충분히 높고 사전에 결정된 압력상한값 보다는 낮은 상류측 압력을 제공할 수 있도록 선택된 최소단면 유동영역을 갖는 제한기와, 제2라인을 통한 가스유동을 제어하며 질량유량계로부터의 측정된 유량을 나타내는 신호를 수신하고 이러한 신호에 기초하여 제2라인을 통한 유량을 유지하는 질량유량제어기로 구성됨을 특징으로 하는 유동분할시스템.
  2. 제1항에 있어서, 질량유량계와 질량유량제어기는 유량범위가 동일하게 주어짐을 특징으로 하는 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 사전에 결정된 압력상한값이 15 PSIA임을 특징으로 하는 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 질량유량제어기가 제2라인을 통한 유량을 제1라인의 측정된 유량과 동일하게 유지함을 특징으로 하는 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 신호가 질량유량제어기에 의하여 수신되기 전에 질량유량계로부터의 측정된 유량을 나타내는 신호를 비례조절하여 질량유량제어기가 제2라인을 통한 유량이 제1라인의 측정된 유량의 사전에 결정된 비율과 동일하게 유지되도록 하는 제어기를 포함함을 특징으로 하는 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 유입구에 연결된 적어도 제3유동라인과, 이 제3라인을 통한 가스유동을 제어하고는 질량유량제어기를 포함하고, 질량유량제어기가 질량유량계로부터의 측정된 유량을 나타내는 신호를 수신하고 이러한 신호에 기초하여 제3라인을 통한 유량을 유지함을 특징으로 하는 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 질량유량제어기가 제2 및 제3라인을 통한 유량이 제1라인의 측정된 유량과 동일하게 유지함을 특징으로 하는 시스템.
  8. 제6항에 있어서, 신호가 질량유량제어기에 의하여 수신되기 전에 질량유량계로부터의 측정된 유량을 나타내는 신호를 비례조절하기 위한 적어도 하나의 제어기를 포함하여 질량유량제어기가 제2 및 제3라인을 통한 유량이 제1라인의 측정된 유량의 사전에 결정된 비율과 동일하게 유지되도록 함을 특징으로 하는 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 질량유량제어기가 제2 및 제3라인을 통하여 동일한 유량을 유지하도록 질량유량계로부터의 측정된 유량을 나타내는 신호가 조절됨을 특징으로 하는 시스템.
  10. 고압의 상류측 압력을 필요로 하지 않고 단일의 가스유동을 알려진 정확한 값의 둘 이상의 2차유동으로 분할하기 위한 방법에 있어서, 이 방법이 유입구에서 단일가스유동을 공급받는 단계, 유입구에 제1유동라인을 연결하는 단계, 유입구에 제2유동라인을 연결하는 단계, 상류측 압력이 사전에 결정된 압력상한값 보다 낮도록 제1유동라인을 통한 가스유동을 요구된 유량으로 제한하는 단계, 제1라인을 통한 가스유동을 측정하는 단계와, 제1라인을 통하여 측정된 가스유동에 기초하여 제2라인을 통한 유동을 유지하기 위한 단계로 구성됨을 특징으로 하는 유동분할방법.
  11. 제10항에 있어서, 사전에 결정된 압력상한값이 15 PSIA임을 특징으로 하는 방법.
  12. 제10항에 있어서, 제2라인을 통한 유량이 제1라인의 측정된 유량과 동일하게 유지됨을 특징으로 하는 방법.
  13. 제11항에 있어서, 제2라인을 통한 유량이 제1라인의 측정된 유량의 사전에 결정된 비율로 유지됨을 특징으로 하는 방법.
  14. 고압의 상류측 압력을 필요로 하지 않고 단일의 가스유동을 알려진 정확한 값의 둘 이상의 2차유동으로 분할하기 위한 방법에 있어서, 이 방법이 유입구에서 단일가스유동을 공급받는 단계, 유입구에 제1유동라인을 연결하는 단계, 유입구에 제2유동라인을 연결하는 단계, 유입구에 제2유동라인을 연결하는 단계, 상류측 압력이 사전에 결정된 압력상한값 보다 낮도록 제1유동라인을 통한 가스유동을 요구된 유량으로 제한하는 단계, 제1라인을 통한 가스유동을 측정하는 단계와, 제1라인을 통하여 측정된 가스유동에 기초하여 제2 및 제3라인을 통한 유동을 유지하기 위한 단계로 구성됨을 특징으로 하는 유동분할방법.
  15. 제14항에 있어서, 사전에 결정된 압력상한값이 15 PSIA임을 특징으로 하는 방법.
  16. 제14항에 있어서, 제2 및 제3라인을 통한 유량이 제1라인의 측정된 유량과 동일하게 유지됨을 특징으로 하는 방법.
  17. 제16항에 있어서, 제2 및 제3라인을 통한 유량이 제1라인의 측정된 유량의 사전에 결정된 비율로 유지됨을 특징으로 하는 방법.
  18. 제17항에 있어서, 동일한 유량이 제2 및 제3라인을 통하여 유지됨을 특징으로 하는 방법.
  19. 제17항에 있어서, 사전에 결정된 비율이 단일제어기를 통하여 선택됨을 특징으로 하는 방법.
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