DE4309782A1

DE4309782A1 - Sensoranordnung für eine Massenstrom-Steuerung

Info

Publication number: DE4309782A1
Application number: DE4309782A
Authority: DE
Inventors: Chang Hwang Hwang
Original assignee: Goldstar Electron Co Ltd
Current assignee: SK Hynix Inc
Priority date: 1992-04-15
Filing date: 1993-03-25
Publication date: 1993-10-21
Anticipated expiration: 2013-03-26
Also published as: KR940011791B1; JPH0618305A; KR930021984A; US5373737A; DE4309782B4

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Massenstrom-Steuerung zum Steuern einer Gasstromrate im allgemeinen und insbesondere eine Sensoranordnung einer derartigen Massenstrom-Steuerung, die geeignet ist, die Gasstromrate der Massenstrom-Steuerung unabhängig von Temperaturschwankungen in der Umgebung stabil zu erfassen.

Beschreibung des Standes der Technik

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird eine bekannte Massenstrom- Regelung (nachstehend der Einfachheit halber als "MSR" bezeichnet) beschrieben, die eine Art einer Einrichtung zur Steuerung der Gasstromrate in einem Herstellungssystem, z. B. einer Halbleiterherstellungsanlage zeigt, die allgemein einen Hauptkörper 1 aufweist, der mit Einlaßanschlüssen 2 und Auslaßanschlüssen 3 an gegenüberliegenden Enden versehen ist. An einer Stelle des Hauptkörpers 1 in der Nähe des Einlaßan schlusses 2 ist eine Sensoranordnung 4 zum Erfassen der Einlaß-Gasstromrate angeordnet, während an einer Stelle in der Nähe des Auslaßanschlusses 3 ein Gasstromraten-Steuerventil 5 angeordnet ist. Die MSR umfaßt des weiteren eine Leiterplatte 6 zur Zufuhr elektrischer Leistung zu der Sensoranordnung 4 über einen Steckverbinder 7 oder einen Ausgangsanschluß.

In Fig. 2 ist der Aufbau der bekannten Sensoranordnung 4 im Detail veranschaulicht. Wie in dieser Zeichnung abgebildet, hat die Sensoranordnung 4 ein Einpaßgehäuse 12, das mit einer thermisch isolierenden Platte 11 abgedeckt ist. Ein Sensorrohr 13 ist im Innern des Einpaßgehäuses 12 so angeordnet, daß sein Einlaß 13a und sein Auslaß 13b jeweils von einer Seite des Gehäuses wegstehen. Um die Stellung des Sensorrohres 13 in dem Gehäuse 12 festzulegen, greifen der Einlaß 13a und der Auslaß 13b des Sensorrohrs 13 in jeweilige einzelne O-Ringe 16 und 16′ an der äußeren Oberfläche des Gehäuses 12 ein.

Die Sensoranordnung 4 umfaßt des weiteren eine aufstromseitige Spule 14 und eine abstromseitige Spule 15, die um das Sensor rohr 13 gewunden sind und die Wärmemenge des durch das Rohr 13 strömenden Gases jeweils erfassen. Im Gasstromraten-Erfas sungsbetrieb der vorstehend erläuterten Sensoranordnung 4 der MSR werden etwa 5 cm³ (dieses Volumen kann entsprechend der unterschiedlichen Ausgestaltungen der MSR abweichen) des Einlaßgases, das durch den Einlaßanschluß 2 des Hauptkörpers 1 aufgenommen wird, in den Einlaß 13a des Rohrs 13 eingebracht und strömt durch das Rohr 13 in einer Richtung von der auf stromseitigen Spule 14 zu der abstromseitigen Spule 15.

Dabei fließt das Gas in dem Sensorrohr 13 mit einer Geschwin digkeit, die im wesentlichen proportional zu der Gasstromrate in dem Hauptkörper 1 der MSR ist. Mit anderen Worten erhöht sich die Geschwindigkeit des Gases in dem Sensorrohr 13, wenn die Gasstromrate in dem Hauptkörper 1 erhöht wird, und die Geschwindigkeit des Gases in dem Sensorrohr 13 verringert sich, wenn die Gasstromrate in dem Hauptkörper 1 reduziert wird. Des weiteren wurde festgestellt, daß alle Arten von Gasen individuelle spezifische Wärme(-Koeffizienten) haben, die voneinander entsprechend ihrer Strömungsraten und Arten abweichen. Die Wärme eines Gases ist proportional zur Strö mungsgeschwindigkeit dieses Gases.

In Übereinstimmung mit der vorgenannten Theorie der Gasströ mung, ist es für Fachleute dieses Gebietes bekannt, daß der Wärmeunterschied (_T = T₁-T₂) zwischen der Wärme T₁, die an der aufstromseitigen Spule 14 des Sensorrohres 13 erfaßt wird und der Wärme T₂, die durch die abstromseitige Spule 15 erfaßt wird, direkt proportional zur momentanen Geschwindigkeitsdif ferenz des Gases zwischen der aufstromseitigen Spule 14 und der abstromseitigen Spule 15 ist.

Der kleine Wärmeunterschied _T zwischen der aufstromseitigen Spule 14 und der abstromseitigen Spule 15 wird in einen Spannungswert umgewandelt, der dem Wärmeunterschied _T ent spricht. Dieser Spannungswert wird zur Berechnung der momenta nen Geschwindigkeitsdifferenz des Gases verwendet, das durch das Sensorrohr 13 strömt, und als Ergebnis davon ist es möglich, die gesamte Gasstromrate pro Zeiteinheit zu errech nen, die durch den Hauptkörper 1 strömt.

Währenddessen wird die Sensoranordnung 4 auf einfache Weise durch Veränderungen der Umgebungsbedingungen beeinträchtigt, z. B. den Umgebungsdruck und die Umgebungstemperatur. Insbeson dere verursacht eine bemerkenswerte Veränderung der Umgebungs temperatur, daß der kleine Wärmeunterschied _T, der durch die Sensoranordnung 4 erfaßt wird, eine unrichtige Bestimmung der gesamten Gasstromrate des Hauptkörpers 1 verursacht. Daher macht eine derartige nennenswerte Veränderung der Umgebungs temperatur der durch die Sensoranordnung 4 erfaßten Tempera turunterschied wertlos. Da die meisten der kommerziell verwen deten MSR, die so kalibriert sind, daß sie bei einer Tempera tur von 0°C und einem Druck von 760 Torr verwendet werden, im allgemeinen bei anderen Temperaturen und Drücken eingesetzt sind, ist die praktische Genauigkeit der Sensoranordnung 4 der MSR gelegentlich bis auf etwa 5 bis 25% der idealen Genauig keit reduziert und verursacht unrichtige Berechnungen der Gesamtgasstromrate der MSR.

In dem Bestreben, das vorgenannte Problem zu überwinden, wurden einige Techniken vorgeschlagen, z. B. die Installation überlappender thermischer Isolierplatten um das Gehäuse 12 und zusätzlich ein äußeres Gehäuse 12 um die Sensoranordnung 4. Allerdings haben diese bekannten Techniken insofern ein Problem, daß sie nur eine begrenzte Wirksamkeit haben und außerdem können sie nicht einmal diese begrenzte Wirksamkeit bereitstellen, wenn sie bei einer kleinbauenden Sensoranord nung verwendet werden.

Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine Sensoranordnung für eine Massenstromsteue rung bereitzustellen, die die Gasflußrate der Massenstrom steuerung unabhängig von Schwankungen der Umweltbedingungen, insbesondere von Temperaturschwankungen stabil erfaßt.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Sensoranordnung für eine Massenstromsteuerung mit folgenden Merkmalen bereitgestellt: ein Ummantelungsgehäuse, das mit einer thermischen Isola tionsplatte abgedeckt ist; ein Sensorrohr, das in dem Ummantelungsgehäuse angeordnet ist, um durch das Ummantelungs gehäuse hindurchzuragen; eine aufstromseitig liegende Spule und eine abstromseitig liegende Spule, die um das Sensorrohr gewickelt sind und dazu eingerichtet sind, jeweils Wärme eines durch das Sensorrohr strömenden Gases zu erfassen; ein thermo elektrischer Umsetzer, um die Wärmedifferenz _T zwischen der durch die aufstromseitige Spule erfaßten Wärme T₁ und der durch die abstromseitige Spule erfaßten Wärme T₂ in eine Spannung umzusetzen; ein Verstärker, um die Ausgangsspannung des thermoelektrischen Umsetzers zu verstärken; ein Linear isierer, um die verstärkte Spannung des Verstärkers zu linear isieren; eine Kühleinrichtung zum Aufrechterhalten der Innen temperatur der Sensoranordnung auf einer vorbestimmten Tempe ratur; und ein Thermostat, um wahlweise die Leistungszufuhr zu der Kühleinrichtung ein- bzw. auszuschalten, wenn die Innen temperatur der Sensoranordnung niedriger bzw. höher als eine vorbestimmte kritische Temperatur ist.

Die oben genannten und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachstehenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefüg ten Zeichnungen näher erläutert, in denen:

Fig. 1 und 2 eine Anordnung eines bekannten Massenstromreglers veranschaulichen, wobei Fig. 1 die Anordnung des bekannten Massenstromreglers und Fig. 2 eine Sensoran ordnung des Massenstromreglers nach Fig. 1 zeigen und

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Sensoranordnung eines Massen stromreglers mit einer Temperaturstabilisierungsein richtung gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist.

Bei der erfindungsgemäßen Sensoranordnung stimmen einige Elemente mit denen der vorstehend beschriebenen bekannten Sensoranordnung überein. Diese, beim Stand der Technik und bei der Erfindung vorhandenen Elemente tragen dieselben Bezugs zeichen.

In Fig. 3 ist eine Sensoranordnung eines Massenstromreglers mit einer Temperaturstabilisierungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Wie in der Zeichnung gezeigt, weist die Sensoranordnung 4 gemäß der Erfindung ein ummantelndes Gehäuse auf, das mit einer thermisch isolierenden Platte abgedeckt ist. In dem Ummantelungsgehäuse 12 ist ein Sensorrohr 13 so vorgesehen, daß sein Einlaß 13a und sein Auslaß 13b jeweils von dem Gehäuse 12 wegstehen. Die Sensoran ordnung 4 weist weiterhin eine aufstromseitig liegende Spule 14 und eine abstromseitig liegende Spule 15 auf, die um das Sensorrohr 13 im Abstand voneinander gewickelt sind und die Wärmemengen T₁ und T₂ des durch das Rohr 13 passierenden Gases erfassen.

Die vorgenannten Spulen 14 und 15 sind mit einem thermoelek trischen Umsetzer 19, z. B. einer Wheatstone′schen Brücke verbunden, um die Wärmedifferenz _T zwischen der Wärme T₁, die durch die aufstromliegende Spule 14 erfaßt wird und der Wärme T₂, die durch die abstromliegende Spule 15 erfaßt wird, in eine Spannung umzusetzen. Um die Ausgangsspannung des thermo elektrischen Umsetzers 19 zu verstärken, sind die Ausgangsan schlüsse des Umsetzers 19 mit einem Verstärker 17 verbunden, der seinerseits mit einem Linearisierer 18 verbunden ist, um die verstärkte Spannung des Verstärkers 17 in 0-5 V Gleich spannung zu linearisieren. Die Sensoranordnung 4 umfaßt des weiteren eine Temperaturstabilisierungseinrichtung. Nachste hend wird diese Temperaturstabilisierungseinrichtung im Detail beschrieben. Diese Einrichtung weist eine Kühlplatte 21 auf, die in dem Ummantelungsgehäuse 12 so angeordnet ist, daß sie die Innentemperatur der Sensoranordnung 4 auf einer vorbe stimmten Temperatur hält. Die Kühlplatte 21 ist mit einem Steckverbinder 23 für elektrische Leistung über ein Paar thermoelektrischer Peltierdrähte 22 verbunden. Diese thermo elektrischen Peltierdrähte 22 werden mit elektrischer Leistung aus dem Steckverbinder 23 beaufschlagt. Um die Kühlplatte 21 zu veranlassen, in einem gekühlten Zustand auf einer bestimm ten Temperatur zu bleiben, ist ein Thermostat 24 in dem Ummantelungsgehäuse 12 vorgesehen. Dieser Thermostat 24 dient dazu, die Stromversorgung zu der Kühlplatte 21 wahlweise abzuschalten, wenn die Innentemperatur der Sensoranordnung 4 niedriger oder höher als ein vorbestimmter kritischer Punkt ist.

Die thermoelektrischen Peltierdrähte 22 weisen einen Antimon draht 22a, der mit einem -15 V Gleichspannungsanschluß 23a des Steckverbinders 23 verbunden ist, und einen Wismutdraht 22b auf, der mit dem Masseanschluß 23b des Steckverbinders 23 verbunden ist.

Der Thermostat 24 ist mit dem Antimondraht 22a der thermoelek trischen Drähte 22 durch Verbindungsdrähte 25 verbunden.

Nachstehend wird die Wirkung der vorstehend beschriebenen Sensoranordnung 4 im Detail unter Bezugnahme auf Fig. 3 im Betrieb beschrieben.

Nach dem Anschalten einer Halbleiterherstellungsanlage, die mit der vorstehend beschriebenen Sensoranordnung 4 der MSR ausgestattet ist, wird der MSR aufgewärmt. Als Ergebnis des Aufwärmvorgangs des MSR gibt der Steckverbinder 23 elektrische Leistung von seinem -15 V Gleichspannungsanschluß 23a und seinem Masseanschluß 23b an die Kühlplatte 21, jeweils durch den Antimondraht 22a und den Wismutdraht 22b, ab. Während der Versorgung der Kühlplatte 21 mit Strom wird der Peltiereffekt in den thermoelektrischen Peltierdrähten 22 der Sensoranord nung 4 hervorgerufen, und dies verursacht, daß die Innentempe ratur des Ummantelungsgehäuses 12 stets auf einer vorbestimm ten Temperatur von etwa 10°C unabhängig von den Umgebungsbe dingungen gehalten wird. Hierbei bedeutet der Peltiereffekt, daß ein aus unterschiedlichen Metallen zusammengesetzter Draht Wärme empfängt oder erzeugt, wenn er an seinen beiden Enden mit elektrischer Leistung beaufschlagt wird. Wenn die Innen temperatur der Sensoranordnung 4 unter einen vorbestimmten kritischen Punkt aufgrund einer fortgesetzten Aufnahme von Wärme durch die Kühlplatte 21 absinkt, hervorgerufen durch eine fortgesetzte Energiezufuhr zu der Kühlplatte 21, trennt der Thermostat 24 die Kühlplatte 21 von dem Steckverbinder 23 und unterbricht die Energiezufuhr von dem Steckverbinder 23 zu der Kühlplatte 21. Wenn andererseits die Innentemperatur der Sensoranordnung 4 den vorbestimmten kritischen Punkt als Ergebnis einer fortgesetzten Abschaltung der Kühlplatte 21 erreicht, verbindet der Thermostat 24 die Kühlplatte 21 mit dem Steckverbinder 23 und bewirkt, daß elektrische Leistung von dem Steckverbinder 23 zu der Kühlplatte 21 gelangt.

Dementsprechend erfaßt die Sensoranordnung 4 die Wärmediffe renz _T des durch das Sensorrohr 13 strömende Gas unabhängig von Schwankungen der Umgebungstemperatur. Die erfaßte Wärme differenz _T wird dann zur Berechnung der Strömungsrate pro Zeiteinheit des Gases in dem Hauptkörper 1 der MSR verwendet. Das durch den Hauptkörper 1 dem MSR strömende Gas wird in seiner Strömungsrate auf der Grundlage der errechneten Strö mungsrate pro Zeiteinheit gesteuert.

Wie vorstehend beschrieben, stellt die vorliegende Erfindung eine Sensoranordnung eines Massenstromreglers bereit, die mit einer temperaturstabilisierenden Einrichtung versehen ist, die eine Kühleinrichtung und einen Thermostat aufweist, wobei beide dazu eingerichtet sind, die Innentemperatur der Sensor anordnung an einem vorbestimmten kritischen Punkt zu halten. Daher erfaßt die Sensoranordnung dieser Erfindung die Gas stromrate des Hauptkörpers des Massestromreglers unabhängig von Schwankungen der Umgebungstemperatur sehr genau. In dieser Hinsicht ist die Sensoranordnung für eine hochwertige und präzise Halbleiterherstellungsanlage geeignet.

Obwohl bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu erläuternden Zwecken beschrieben wurden, erkennen Fachleu te, daß vielfache Abwandlungen, Zusätze oder Austauschmöglich keiten vorhanden sind, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen, wie er in den beigefügten Patentansprüchen defi niert ist.

Claims

1. Sensoranordnung (4) für einen Massenstromregler mit:
einem Ummantelungsgehäuse (12), das mit einer thermischen Isolationsplatte (11) abgedeckt ist;
einem Sensorrohr (13), das in dem Ummantelungsgehäuse (12) angeordnet ist, um durch das Ummantelungsgehäuse (12) hindurchzuragen;
einer aufstromseitig liegenden Spule (14) und einer abstromseitig liegenden Spule (15), die um das Sensorrohr gewickelt (13) sind und dazu eingerichtet sind, jeweils Wärme eines durch das Sensorrohr (13) strömenden Gases zu erfassen;
einem thermoelektrischer Umsetzer (19), um die Wärmediffe renz _T zwischen der durch die aufstromseitige Spule (14) erfaßten Wärme T₁ und der durch die abstromseitige Spule (15) erfaßten Wärme T₂ in eine Spannung umzusetzen;
einem Verstärker (17), um die Ausgangsspannung des thermo elektrischen Umsetzers (19) zu verstärken;
einem Linearisierer (18), um die verstärkte Spannung des Verstärkers (17) zu linearisieren;
einer Kühleinrichtung (21) zum Aufrechterhalten der Innen temperatur der Sensoranordnung (4) auf einer vorbestimmten Temperatur; und
einem Thermostat (24), um wahlweise die Leistungszufuhr zu der Kühleinrichtung (21) ein- bzw. auszuschalten, wenn die Innentemperatur der Sensoranordnung (4) niedriger bzw. höher als eine vorbestimmte kritische Temperatur ist.

2. Sensoranordnung (4) nach Anspruch 1, bei der die Kühlein richtung eine Kühlplatte (21) umfaßt, die in dem Ummante lungsgehäuse (12) angeordnet ist und ein Paar thermoelek trische Peltierdrähte (22a, 22b) aufweist, um die Kühl platte (21) mit einem Steckverbinder für elektrische Leistung (23) zu verbinden.

3. Sensoranordnung (4) nach Anspruch 2, bei der die thermo elektrischen Peltierdrähte einen Antimondraht (22a) zur Verbindung mit einem Ansteuer-Stromversorgungsanschluß (23a), und einen Wismutdraht (22b) aufweisen, der mit einem Masseanschluß des Stromversorgungssteckverbinders (23b) verbunden ist.