[반장공] Mass Flow Controller_1

안녕하세요. 오늘부터는 틈틈이 반도체를 높은 효율, 퀄리티로 만들 수 있게끔 하는 장비 및 부품에 대해 포스팅 해보겠습니다.

가장 첫 시간으로 MFC라고 불리는 Mass Flow Controller, 유량제어기를 공부해보겠습니다.

 

Contents

1. What is Mass Flow?
2. Mass Flow Meter
3. Components of MFC
4. Gas Type

먼저 유량에 대해 정의하고, MFC의 일부분이자 독립적인 기기로도 존재하는 MFM의 원리를 보겠습니다.

그 후 MFC 요소를 알아본 후 마지막으로 MFC에 부여된 gas type에 대해 공부해보겠습니다.

 

1. What is Mass Flow?

 

Mass Flow, 유량은 일정 시간동안 tube나 channel을 통과하는 물질의 양으로 정의됩니다.

그림에서 볼 수 있듯이 t=0에서 t=dt가 되는 순간에 영역을 통과하는 물질의 양을 dm으로 정의하며, 

이것이 유량의 정의가 됩니다.

 

하지만 이 유량이라는 것은 측정할 때의 압력, 온도에 따라 크게 바뀔 수 있습니다.

때문에 STP (Standard Temperature and Pressure)로의 변화가 필요합니다. STP의 단위로는 SLPM(Standard Liter Per Minute, 분당 표준리터)와 SCCM(Standard Cubic Centimeters per Minute, 1분당 1cc 흐르는 양) 등이 있습니다. 

 

2. Mass Flow Meter

 

Mass Flow Meter, MFM은 MFC와 다르게 유량을 제어 및 조절할 순 없지만, 현재 통과하는 유체의 양을 측정하는 장비를 일컫습니다. 사진속 왼쪽의 3-wire Sensor 기준으로 알아보겠습니다.

 

side stream이라고 불리는 양옆단에 센서가 달려있으며, 이는 온도 센서입니다. (이번 포스팅은 Thermal MFC 기준.)

가운데에 있는 heater가 통과하는 유체에 열을 부여하면, 처음 들어와 열을 미처 받지 못한 유체의 온도와 열을 받으며 나가는 유체의 온도를 비교하여 현재 들어오는 유량이 어떻게 되는지 감지하는 원리입니다.

 

MFM의 경우도 여러 산업군에서 쓰이지만, 특히 반도체 산업에서는 제어까지 가능한 MFC를 주로 사용합니다.

 

 3. Components of MFC

이제 MFC의 구조를 본격적으로 살펴보겠습니다.

크게 나누자면 MFM, PID 제어, 컨트롤 밸브로 이루어져 있다고 생각할 수 있습니다.

 

위에서 알아본 MFM의 원리대로 유량을 측정하고, 사용자가 원하는 유량인 SetPoint와 비교하여 맞지 않다면 PID 제어 신호를 출력합니다. 이 신호가 밸브 드라이버로 넘어가 컨트롤 밸브에 전달되면 밸브는 신호에 맞춰 열고 닫으며 SetPoint에 맞도록 교정합니다. 

 

MFC는 Full Scale의 2~100%까지 정밀한 제어가 가능하고, 해상도라 불리는 Resolution은 0.1% 단위까지 소화하며 아주 미세한 유량 변화도 감지할 수 있습니다. 

 

4. Gas Type

MFC에는 고유한 기체의 용도가 적혀있습니다. 제가 속한 연구실의 MFC 사진을 예시로 보겠습니다.

N2, 그 밑에 200 SCCM이라고 적혀있는 걸 보실 수 있습니다.

이는 N2를 기준으로 200sccm까지 제어할 수 있는 MFC라는 의미가 되겠습니다. 

이처럼 기종별로 gas type에 맞는 유량을 제어할 수 있도록 factory calibrated되어 나옵니다.

 

하지만 무조건 Ar 사용시에는 Ar, N2 사용시에는 N2전용 MFC를 사용해야 하는 걸까요?

그렇진 않습니다. 당연히 사용자가 사용토록하는 기체의 종류가 바뀔 수 있고, 예산이 한정되거나 1:1로 gas type을 매칭해야 하는 상황이라면 거부감을 느낄 수도 있겠습니다.

때문에 MFC는 다른 기체 타입에 맞춰 후보정하고 제어해주는 기능을 갖고 있습니다.

 

GCF(Gas Correction Factor) 또는 Multi-GCF(Multi-Gas Correction Function) 등 보정 기법이나 계수를 활용해

N2용 MFC에 Ar이나 O2같은 다른 기체가 들어왔을 때, 비열, 입자크기 등 기체 고유의 차이에 따라 보정된 값을 적용하여 알맞게 제어해줍니다. 하지만 그렇다고 해서 사진과 같은 MFC에 Ar이나 O3을 넣었을 때 적힌대로 200sccm까지 무조건 제어가 보장되느냐 하면 그것은 아닙니다. 이유는 방금 말했듯 보정된 값에 따라 제어해주는 것이기 때문에 기초 사양대로 똑같은 유량까지 제어할 수는 없는 것입니다.

 

 

오늘은 이렇게 MFC에 대해 공부해보았습니다.

분량상 온도, 압력 등 MFC에 대해 알아볼 것들이 조금 더 있지만 추후 포스팅에서 이어 다뤄보겠습니다. 감사합니다.

 

Reference 

Mass Flow Technology

Mass Flow Technology