가스 공급 - 질량유량계 MFC(Mass Flow Controller)

  

   자, 이제 MFC 이야기를 해봅시다. 챔버내에 진공을 충분히 뽑고나서 방전을 일으키기 위해 Ar 가스를 주입합니다. 그런데 대체 얼마나 주입해야 하나를 결정해야죠. 그렇다면 당연히 내가 지금 얼마나 가스를 주입하고 있는지를 알 수 있어야 합니다. 보통 가스(기체)가 흐르는 양, 즉 유량은 그 가스가 지나가는 어떤 관이 있다고 가정했을때 관의 단면을 A라 가정하고, 단위 시간당 흐르는 가스의 부피를 V 라 하면, V와 단면 A에 걸리는 압력 P의 곱인 V·P로 계산합니다(뭔소리야 이게!! ). 그러나 우리는 가스의 양을 변수로 지속적으로 조절해야 하는데, 그 값들을 순간순간 모두 계산하고 있을 수는 없습니다. 그래서 이러한 것들을 도구가 대신 해 주는데, 현재 주입되는 가스의 양을 정확이 측정 가능한 측정장치와 그것을 제어하기 위한 콘트롤러가 필요합니다. 그리고 그 일을 해주는 것이 바로 MFC(Mass Flow Controller) 입니다. 말 그대로 '질량유량계'라고 불리우는 MFC 는 스퍼터장치에서는 필수적인 구성요소 입니다. 최소한 1개는 기본이고, 어떤 기체를 사용하느냐, 또한 반응성 스퍼터링을 어떻게 할 것인가에 따라 몇개라도 장착이 가능합니다. 

앞의 파란색 및 뒤 2개의 검은색 box가 바로 MFC.
화살표는 가스흐름 방향으로, MFC 라면 필수적으로 그려져있음.

MFC 의 유량을 조절하는 디스플레이부
(디스플레이부는 MFC 본체에 내장된 경우도 있으나, 대부분 외부에 별도로 장착하게 되어있다.)

  
   유량을 나타내는 단위는 여러가지가 있지만 MFC 에서는 주로 sccm 라는 단위를 사용하고 있습니다. sccm 은 Standard Cubic Centimeter per Minute 의 약자입니다. 재미있는 것은, 많은 분들이 흔히 액체의 양을 계산하는데 쓰는 단위인 cc 가 바로 이 cubic centimeter 의 약자라는걸 모르는 분들이 많다는 거죠. -_ -  내가 산 자동차가 몇 cc 다 할때는 잘도 쓰는데 말이예요.. ;; 어쨌든.. 여기서 standard cubic centimeter 라는 것은 가로 x 세로 x 높이가 각각 1cm 인 부피를 의미를 말합니다. 그런데, 조건이 있습니다. 온도는 0℃, 기압은 1atm 하에서를 기준으로 합니다. 이것을 풀어서 말하자면, 1sccm 이라는 기체의 유량은, 0℃, 1atm 에서 1cc의 부피에 들어있는 어떤 기체의 분자들이 1분동안 어떠한 단면 A 를 통해 흘러간다는 것을 뜻합니다. 계산해보면, 1몰의 기체안에 들어있는 분자수는 아보가드로의 수(6.02x10²³개)이고, 이들이 기체화 되었을때 부피는 22.4L 가 되죠. 이것을 cc로 환산하면 22,400cc 이니까 결국 1cc 내에는 약 2.687x10¹⁹개 정도가 들어있게 됩니다. 그러니까.. 한마디로 말해서 1분동안 어떤 단면을  2.687x10¹⁹개의 기체분자가 통과한다는 겁니다. 알아둬야 할 것은 이 '1분 동안' 이란 의미 입니다. 즉, 50초 동안 분자 2.687x10¹⁹개 중 10%만 통과하고, 다음 10초동안 나머지 90%가 통과해도 1분동안에 2.687x10¹⁹개가 통과했으니 계산상으로 이것은 맞는 겁니다. 실제로는 이정도까지 차이는 나지않아 과장해서 말씀드렸습니다만, 이런 이유로 순간순간 약간의 진공도가 변화하는 것도 가능은 하다는 것을 염두에 둬야 합니다.  후..;; 오랜만에 계산을 했더니 전자두뇌가 터질거 같아여;;

 
    그런데 MFC도 종류가 여러가지 입니다. 대표적인것이 온도차를 이용한 열량형 유량계와 Coriolis Force를 이용한 Coriolis 방식인데요, 열량형과 Coriolis 방식내에서도 또 여러가지 타입으로 나뉩니다. 사실 거의 대부분 실험실에서는 보통 MFC 를 구입하고 그냥 장착해서 쓰기 때문에 어느 타입을 쓰는지 아는 경우는 참 드뭅니다. 그러니 이번 기회에 한번 알아보시는 것도 좋겠습니다. 그런데 유량계 종류가 매우 다양하니까 여기서는 열량형 유량계 중에서도 한가지만 알아보도록 하겠습니다. 이걸 종류별로 나열한다는것은 아주 심심한 내용이 될 것 같아서요 -_ - 그럼 오늘도 파워포인트로 급조한 그림을 보실까요?

열량형 MFC의 기본 측정 원리

   위 타입의 열량형 유량계는 일명 분류세관식 유량계라고도 합니다. 그림을 보면, 기체가 지나가는 파이프인 주관에 가늘고 긴 U 자형 모세관 튜브(Bypass 라고도 함)가 달려있습니다. 층류소자(Laminar flow element)라고 하는 넘은, 유입되는 기체를 층류로 조절하여 모세관으로 들어가는 기체와 주관을 흐르는 기체의 흐름에 대한 비율을 같게 만들어 줍니다. 그렇지 않으면 모세관 내부를 흐르는 기체의 양이 너무 적으므로 계산이 안되겠죠. U자형 모세관은 1개가 달린넘도 있고, 2개가 달린넘도 있는데 보통 2개 달렸으면 Coriolis 방식인 경우가 많습니다. 그러나 보호를 위해서 굵은 관 하나 안에 2개가 숨겨 들어가 있는 경우도 있으니 단순히 겉만 보고 판단은 금물입니다. 바로 이 U자형 모세관 튜브가 전체적인 센서의 역할을 하게 됩니다. U 자 튜브 중간에 열선과 두개의 센서가 달려있는데 기체가 흐르고 있지 않을때엔 두 센서 부위의 온도가 같습니다. 기체가 전혀 흐르지 않으면 T₁ = T₂ 인거죠. 일반적으로 많이 쓰이는 방식에 대한 그림을 아래에 나타내었습니다. 

기체가 흐르지 않을때엔  T₁ = T₂ 가 된다. 

기체가 흐르게 되면 열의 이동이 발생해서  T₁ = T₂ 의 평형상태가 깨지고, 

 T₁ 과 T₂ 사이에 △T 가 발생함.

* △T 를 구하는 센서의 방식은 회사마다 약간씩 다름.

   기체가 흐르지 않을때엔, 히터 양쪽의 온도센서의 온도는 열적평형이 이루어져서 똑같습니다. 즉,  T₁ = T₂ 를 유지합니다. 그런데 이제 기체가 흐르기 시작하면, 기체흐름에 의해 열의 이동이 발생하게 됩니다. 가장 뜨거운 부분이 흐름에 따라 이동되어 T₁ 센서의 온도는 내려가고, T₂ 센서의 온도는 증가하게 되죠. 그래서 처음 T₁ = T₂ 였던 열적평형상태가 깨지고 T₁ 과 T₂ 사이에 온도차 △T 가 발생합니다. 기체양이 얼마일때 △T 는 얼마가 된다 라는것이 이미 데이터화 되어있으므로 이것으로 기체의 유량을 알 수 있습니다. 이때 컨트롤러는 즉각적으로 유량 계산을 하여 사용자가 설정한 유량과 차이가 나면 바로 밸브를 열고 닫고 조절하면서 설정값과 실제 유량을 맞추게 됩니다. △T 를 측정하는 방법은 회사나 모델마다 조금씩 차이가 있는데, 기체의 온도를 직접 측정하는 방법도 있습니다. 기체가 첫 번째 센서를 지날 때 온도센서는 기체 온도 T₁을 측정합니다. 그리고 열선에서는 일정한 값의 열량이 공급되고 있죠. 그러면 기체의 온도는 약간이나마 상승하게 되고, 이것을 두 번째 센서에서 T₂로 측정하여 △T 를 구할 수도 있습니다.  

 그런데, 측정원리는 이렇지만 실제 장치에서는 저렇게 온도센서 따로, 열선 따로가 아니라 보통 저항발열체 2개가 달려있는 경우가 많습니다. 저항발열체 2개 사이에서 온도차 ΔT가 발생하면 이것을 브릿지 회로로 검출해냅니다. 

브릿지 회로 측정방법

유량이 많을수록 T1 에서 열을 많이 빼앗기므로 T2와 온도차가 커지고, 이것을 검출하여 계산함.

다시 말하지만 측정방식은 제조사나 모델마다 조금씩 다르다.

    그런데 분명 MFC 는 말 그대로 '질량유량계' 라고 했습니다. Ar(아르곤)가스와 N₂(질소)가스는 질량이 서로 다릅니다. MFC는 Ar의 질량에 맞춰 세팅된 것, 또 N₂ 의 질량에 맞춰 세팅된것, 다른 기체라면 그 기체의 질량값에 맞춰 세팅된 것들을 각각 장착하고 사용해야 합니다.  그렇지 않고 하나의 MFC 를 가지고 여러 가스를 번갈아 가며 쓰고 싶다면, MFC 에서 가스보정계수를 고려해서 수치를 보정해 줘야합니다. 일명 Gas Correction Factors 라 합니다. 보통 N₂를 1.00 으로 기준을 삼고, 각 가스의 상대적 비를 정해놓죠. 예를 하나 들어보면, N₂ (1.00) 으로 맞춰진 MFC 를 가지고 산소인 O₂ 를 100sccm 흘렸다고 해봅시다. 제가 가진 MFC에서 O₂ 의 보정계수는 0.993 입니다. 그럼 수치상으로는  O₂  를 100sccm 만큼 흘려보냈지만, 실제로 흘러들어간 O₂ 의 양은 99.3sccm 이 되는겁니다. 주의할 점은, MFC 의 타입과 종류에 따라서 이 보정계수가 조금씩 다 다릅니다. 그래서 아무거나 적용 하면 안됩니다. 자신의 MFC 에 맞게 계산된 보정계수를 찾아서 적용 해야 합니다. 그러나 대부분 N₂를 기준으로 삼았기 때문에 N₂는 1.00 로 되어있습니다. 추가로, 위 원리로 단순히 관을 통해 흐르는 유량만 측정하는 장비는 MFM(Mass Flow Meter) 라고 합니다. 유량을 제어 하는 것이 MFC인데, 보통 MFC는 MFM가 같이 달려서 작동됩니다.  

2016.1.17. 혼동있을듯한 부분을 조금 알기쉽게 수정함.


...by 개날연..







경축~~ !! 100번째 게시물!!

휴...
이번 주말에는 어디가서 바람좀 쐬고 와야.. - _-y~