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Monthly Magazine of Automatic Control Instrumentation

연재 매스플로우 천일야화(78)

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작성자 댓글 0건 조회 271회 작성일 22-09-06 13:40

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사진 1.



서론 

이번 회에는 매스플로우 미터(이하 ‘MFM’)와 매스플로우 컨트롤러(이하 ‘MFC’, MFM과 MFC를 총칭하여 매스플로우라 함)의 다운사이징 역사에 관하여 이야기하고자 한다. 이번 내용은 어디까지나 5SLM 수준보다 작으며 기체용 소유량 범위에 국한된다. 왜냐하면, 매스플로우는 수mL/min 수준에서 10,000㎥/h를 초과하는 기체를 대상으로 하며, 대유량 범위를 수비 범위로 하는 매스플로우는 스스로 그만큼의 유량을 흘려보내는 배관 직경에 사이즈가 좌우되어 버리기 때문이다. <사진 1>을 보면 알 수 있듯이 동일한 제조사의 매스플로우라도 유량(소유량~대유량)에 따라 그 사이즈가 크게 달라진다. 여기에 액체용을 추가하면 더욱 복잡해진다. 기체용 소유량 매스플로우의 경우에는 그 주요 무대가 반도체 제조장치를 비롯한 진공 장치, 그리고 분석 장치용 매스플로우이며, 이것이 매스플로우의 중심 시장이 되었기 때문에 매스플로우의 다운사이징 그 자체의 흐름을 따라간다면 매스플로우 제조사의 기술 혁신을 어느 정도 파악할 수 있다고 생각할 수도 있을 것이다.



매스플로우의 표준 사이즈

지난 회에서도 언급한 적이 있는데, 1980년대 후반에 매스플로우가 반도체 제조장치를 중심으로 그 시장이 비약적으로 커진 시대에 제조사 간에 사이즈 호환성이 없는 것이나 다름이 없었다. 다만, 시장에 새롭게 뛰어든 업체는 기존 제조사를 치환하는 형태로 실적을 쌓아나가는 것이 이 매스플로우 비즈니스의 기본이었기 때문에 자연스럽게 선행하는 제조사, 당시에는 타이란社의 베스트셀러 기종에 초점을 맞추어 그 호환성을 강조하는 제품이 세상에 나오게 되었다. 


이러한 매스플로우의 사이즈에 대한 공통된 인식은 결국 규격에는 이르지 못했지만, 제조사 간의 암묵적인 양해가 90년대 MFC에 있었다. “55LM 이하의 유량역이라면 1/4” VCR®(페이스씰) 타입 커플링의 경우 면간 치수가 124㎜”라는 내용이 그것이다. 이 면간 치수에 맞춘 MFC를 만드는 것이 매스플로우 다운사이징의 시작이 아닐까? 대부분의 제조사가 이것을 모방한 후 이번에는 5SLM 이하에 국한하지 않고 10~20SLM, 그리고 50SLM까지의 유량 범위도 면간 124㎜를 원하는 요구가 생겼다. 이것은 솔레노이드 타입의 액추에이터를 이용하는 타이란, 유닛 등 미국 계열 매스플로우 제조사가 그 액추에이터의 리프트 양의 크기를 지원할 수 있게 해주었다. 


이에 비해 일본의 피에조 액추에이터를 탑재한 MFC는 그 리프트 양이 적고 유량 센서와 층류 소자(바이패스) 구조 때문에 124㎜ 지원이 상당히 어려울 것이다. MFC의 다운사이징은 유량 제어 밸브뿐만 아니라 유량 센서와 분류 구조를 구성하는 바이패스와의 조합이기 때문에 50SLM 수준까지 5SLM의 분류 구조를 응용하는 것으로 대응하기는 상당히 어려운 부부분이 있었다. 동일한 구성의 센서와 바이패스를 조합하여 센서 튜브 측 저항을 높임으로써 분류비를 조작하는 연구가 필요하다. 이러한 종류의 다운사이징 타입은 센서, 밸브부의 압력 손실이 커지거나 압력 조건, 가스 선택에 따라 센서와 바이패스의 분류비가 흔들려 버리기 때문에 재현성과 관련된 문제도 많았다. 다만, 반도체 제조 장치를 대상으로 50SLM라고 하는 유량은 퍼지용 질소 라인이 대부분이었던 경우도 있으며 큰 문제가 된 사례는 필자가 파악하지는 못했다.


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그림 1. 

(출처: 히타치 금속㈜)




이후 1990년대 후반에 반도체 프로세스 가스 유량을 제어하는 5SLM 이하 유량 범위의 MFC에서 다운사이징에 대한 움직임이 일어났다. 기존 1/4” VCR® (페이스 씰) 타입 면간 치수는 124㎜에서 벗어나 106㎜를 새롭게 제시하였다.(그림 2) 이것은 일본 반도체 장치 제조사에서 이끌어 나갔던 타입으로, 90년대 후반부터 2000년대에 걸쳐 컴팩트 사이즈라고 불렸던 MFC이다. 솔레노이드 액추에이터의 독점 영역이 컸기 때문이다. 그래서인지 해외 제조사는 이 컴팩트 규격에 관심이 없었다. 아마 당시 MFC의 수요처로서 최대 반도체 제조장치 제조사인 어플라이드 머티리얼즈가 관심을 가지지 않았기 때문일 것이다. 분명히 124㎜와 106㎜의 차이는 18㎜이다. 이것을 획기적인 다운사이징이라고 말하기는 어렵다. 106㎜의 컴팩트 MFC에 연장 커플링을 추가하여 124㎜로 만들 수 있지만, 그 반대 경우는 불가능하다. MFC는 단독으로 이용되는 것이 아니다. 밸브, 조절기 등과 조합하여 가스 시스템을 구축해서 사용한다. 여기에서 겨우 18㎜의 다운사이징을 실현했을 때의 장점과 106㎜를 채용하여 서비스 부품으로서 두 가지 MFC를 가스종 유량 별로 준비했을 때의 장점을 비교하여 평가했을 가능성이 높다. 지금은 이 컴팩트 사이즈 MFC가 매스플로우의 역사 속으로 사라진 존재가 되어버렸다.


그리고 이 106㎜ 컴팩트 MFC라는 존재는 이후의 IGS(Integrated Gas System) 시대에도 영향을 끼친다. 300㎜ 웨이퍼 지원 반도체 제조 장치의 가스 공급계에서는 IGS 지원의 MFC가 채용되었다.(그림 3) 여기에는 기존 면간 치수와 비슷한 규격으로서 포트 간 치수(피치)가 존재한다. IGS 지원 기기는 다운 포트라고 하며 기기 바닥면에 유체 입구 및 출구가 있다. 이 포트 사이의 거리가 92㎜와 79.8㎜라는 피치가 다른 두 개의 규격이 존재했었다. 앞서 이야기한 표준 사이즈(면간 124㎜) MFC를 기반으로 한 것이 92㎜, 컴팩트 MFC(106㎜)를 기반으로 한 것이 79.8㎜였다. 여기에서도 표준 사이즈는 미국 장치 제조사, 컴팩트 사이즈는 일본 정치 제조사라고 하는 두 가지 규격이 존재했었다.


IGS를 지원하는 MFC에는 또 하나의 규격이 있다. MFC의 깊이 사이즈이다. 이것은 원래 IGS가 1.5인치 혹은 1.125 인치 사각형을 바닥면 형상으로 둔 기기를 조합하는 모듈이기 때문이다. MFC만으로는 이 사이즈를 수용할 수 없기 때문에 가로가 긴 직사각형 바닥면 형상으로 되어 있다. (그림 4) IGS에서는 또 하나의 규격으로 실링 형상이 있으며, W 실링이나 C 실링이라는 이름으로 알려져 있다. 이 실링 형상이 다르면 피치나 깊이 치수가 맞더라도 연결할 수 없기 때문에 주의해야 한다. 오해하는 사용자들이 일부 있는 듯 하지만 W 실링이나 C 실링이라고 하는 실링 규격에 따라 MFC의 바닥면 연결부 가공 형상 그 자체가 다르기 때문에 실링재만 바꾼다고 해서 연결할 수 있는 것은 아니므로 주의가 필요하다.


IGS를 지원하는 MFC를 기술적으로 고찰해보면 면간 치수와 깊이 방향에서의 사이즈를 소형화하기 위한 노력이 이루어지고 있음을 알 수 있다. 특히 79.8㎜ 피치는 106㎜ MFC에서의 일본 MFC 제조사가 가진 수고를 십분 활용했다. 또한 1.125인치 깊이 사이즈에 맞춘 MFC를 만들어 내기 위해 미국 MFC 제조사들도 솔레노이드 액추에이터와 밸브 구조를 크게 수정할 기회가 되었음을 알 수 있다. 무엇보다 필자가 진화했다고 생각했던 부분은 표준과 컴팩트뿐만 아니라 다수 존재하는 IGS와 실링 방식에 맞추어 MFC의 입구, 출구쪽 플랜지를 모듈화함으로써 주문에 맞는 MFC를 조립할 수 있다는 이른바 “자작이 용이한 MFC”가 나타났다는 점이다. ㈜ 호리바 에스텍의 Z500 시리즈나 브룩스의 GF100 시리즈는 대량 생산을 바탕으로 유연한 사양 지원도 가능하며 PI 등 새로운 기술에 대한 확장성도 가진 MFC 조작 시리즈로 평가받고 있다.


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그림 2. 


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그림 3. 


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그림 4.

(출처: ㈜후지킨)




한층 더 다운사이징된 일반공업용 매스플로우

지금부터는 현재 진행 중인 매스플로우 다운사이징 기술 동향에 관해 설명한다. 이 항목에 관해서는 분석장치와 같은 일반 공업용과 반도체 제조 장치용으로 나누어 이야기하도록 하겠다. 반도체 제조 장치용과 기타 용도에서 요구사항이 크게 다르기 때문이다. 구체적으로 말하면 다운사이징에 가장 효과적인 열식 유량 센서의 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)화를 받아들일 수 있느냐 없느냐이다. <그림 5>는 기존 타입인 권선 타입과 MEMS 타입의 구조를 비교한 것이다. 권선형은 바이패스와 조합한 전체상이 <그림 6>과 같은 형태이며, MEMS 타입과 동일한 유량 범위에서 비교한다면 다운사이징이라는 요구에 대해 불리한 구조임을 알 수 있다. MEMS형에도 당연히 바이패스가 필요한 유량 범위는 존재하지만, 직접 유체에 닿으면서 감도가 높아지기 때문에 원래의 분류비를 권선형보다 작게 설정할 수 있는 이점이 있으며, 이것은 동일한 유량 범위로 비교하면 바이패스를 소형화할 수 있다는 점에서 효과적이다.



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그림 5. 열식 유량 센서 일반 예 및 유량식 

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그림 6.  




..(후략) 


黒田 誠 / EZ-Japan

본 기사는 2022년 9월호에 게재되었습니다.  

  

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본 기사는 월간지[計側技術] (일본일본공업출판주식회사 발행)로부터 번역·전재한 것입니다.

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