MFC는 기체의 질량 흐름률을 측정 및 제어하는 장치 입니다. 반도체 공정에서 많이 사용되며 거의 모든 GAS가 들어가는 장비에서 볼 수 있다고 할 수 있습니다. 특히 최근 반도체 공정 패턴의 미세화가 진행되면서 ETCH 공정 등 화학용품 및 GAS를 사용하는 장치에는 이러한 미세 조정이 중요하게 되었습니다. 이러한 장치가 어떠한 구성요소와 동작원리로 구동 되는지 아래의 글을 통해 알아보도록 하겠습니다.
MFC의 정의
MFC(Mass Flow Controller)는 특정 기체의 질량 흐름률을 정확하게 측정하고 제어하는 장치입니다. 이 장치는 기체의 유형, 압력, 온도 등의 변화가 있더라도 일정한 질량 흐름률을 유지할 수 있도록 설계되어 있습니다. MFC는 기체 흐름의 정밀한 제어가 필요한 다양한 산업 분야에서 사용되며, 반도체 제조, 생명 과학 연구, 화학 공정, 에너지 연구 등에서 사용되고 있습니다.
MFC의 기본 작동 원리는 유량 센서를 사용하여 기체의 질량 흐름률을 측정하고, 그 정보를 바탕으로 제어 회로가 제어 밸브를 조절함으로써 원하는 흐름률을 달성하는 것입니다. 사용자는 디스플레이 및 인터페이스를 통해 특정 흐름률을 설정할 수 있으며, 이 설정 값에 따라 기체 흐름을 자동으로 조절합니다.
MFC의 구성요소
미세한 기체의 흐름률을 조정하기 위하여는 어떠한 구성요소들이 동작하여야 하는지 MFC의 주요 구성 요소와 그 특징들을 알아보도록 하겠습니다. 먼저 유량 센서(Flow Sensor)가 가장 중요한 부분으로 자리잡고 있습니다. 유량 센서는 기체의 실시간 흐름률을 측정하는 핵심 부품으로서, 기체가 센서를 통과할 때, 센서는 기체의 질량 흐름률을 감지하고 이 정보를 제어 시스템으로 전송합니다. 유량 센서는 일반적으로 열전달 원리를 사용하여 기체 흐름을 측정합니다.
다음은 이러한 유량을 제어할 수 있는 제어 밸브(Control Valve)입니다. 제어 밸브는 유량 센서로부터의 정보에 기반하여 기체 흐름을 조절하는 역할을 합니다. 제어 시스템이 설정된 흐름률에 도달하기 위해 필요한 조정을 계산하고, 그에 따라 밸브의 개폐 정도를 조절하여 기체의 흐름량을 정밀하게 제어합니다.
이러한 제어는 제어 회로를 통해 조작이 됩니다. 제어회로는 유량 센서로부터의 신호를 처리하고, 제어 밸브의 작동을 조절하는 데 필요한 명령을 생성합니다. 이 회로는 사용자가 설정한 흐름률과 실제 흐름률을 비교하고, 필요한 경우 제어 밸브의 조정을 통해 흐름률을 조정합니다.
대부분의 장치에는 사용자가 장치를 쉽게 제어하고 모니터링할 수 있도록 도와주는 디스플레이 및 인터페이스가 탑재되어 있습니다. 이를 통해 사용자는 설정된 흐름률, 실제 흐름률, 기체 종류 등의 정보를 확인하고 조정할 수 있습니다. 기본적으로 입구 및 출구 포트(Inlet and Outlet Ports)가 MFC에는 설치되어 있습니다. 이는 기체가 장치로 들어오고 나가는 입구 및 출구 포트이며, 이 포트들은 장치를 기체 공급원 및 사용 지점에 연결하는 역할을 합니다.
이러한 구성 요소들은 함께 작동하여 정밀한 기체 흐름 제어를 가능하게 합니다. 정밀한 흐름 제어는 공정의 반복성과 정확성을 보장하며, 결과적으로 제품의 품질과 생산성을 향상시킵니다. 좋은 Controller를 선택하고자 한다면 기체의 종류, 필요한 흐름률 범위, 작동 환경 등 다양한 요소를 고려해야 합니다.
MFC의 동작원리
그렇다면 이러한 모듈들이 어떻게 유기적으로 동작하여 MFC를 동작 시키는지 알아보도록 하겠습니다. 우선 동작 원리를 이해하기 위해, 기본적인 구성 요소와 그들이 어떻게 상호작용 하는지 살펴보겠습니다. 앞서 말한 것처럼 Mass flow controller는 주로 유량 센서, 제어 밸브, 제어 회로로 구성됩니다. 다음 단계들을 통해 MFC는 작동하게 됩니다.
기체는 입구 포트를 통해 장치로 들어옵니다. 이 때, 기체는 다양한 압력 및 온도 조건을 가질 수 있습니다. 들어온 기체는 유량 센서를 통과하게 됩니다. 유량 센서는 기체의 질량 흐름률을 측정하기 위해 열전달 원리를 사용합니다. 예를 들어, 센서의 한 부분을 가열하고, 기체가 이 가열된 부분을 지나갈 때 소모되는 열의 양을 측정함으로써 기체의 흐름률을 결정합니다. 기체의 질량 흐름률은 열의 소모량과 직접적인 관계가 있습니다.
유량 센서로부터의 받아 들여진 신호는 제어 회로로 전송됩니다. 제어 회로는 실시간으로 기체의 흐름률을 감지하고, 이를 사용자가 설정한 목표 흐름률과 비교합니다. 만약 실제 흐름률이 목표 흐름률과 다르다면, 제어 회로는 제어 밸브를 조절하여 기체의 흐름률을 조정합니다. 예를 들어, 실제 흐름률이 너무 낮다면, 제어 회로는 밸브를 더 열어서 더 많은 기체가 흐를 수 있도록 합니다. 반대로, 실제 흐름률이 너무 높다면, 밸브를 더 닫아서 흐름률을 줄입니다.
이 과정은 연속적이며 반복적으로 이루어지며, 제어 회로와 제어 밸브의 조정을 통해 결국 사용자가 설정한 목표 흐름률에 도달하게 됩니다. 이를 통해, 기체의 압력이나 온도가 변화하더라도 일정한 질량 흐름률을 유지할 수 있습니다. 이러한 단계들을 통해 MFC는 다양한 조건에서도 정밀하게 기체의 질량 흐름률을 제어할 수 있습니다. 이는 과학 실험, 반도체 제조 공정 등에서 중요한 역할을 하며, 공정의 정확성과 반복성을 보장하는 데 필수적입니다.