본 논문에서는 반도체 제조장비의 핵심 부품 중에 하나인 질량유량제어기(MFC, Mass Flow Controller)클 설계하고 구현하였다 Microchip社의 마이크로콘트롤러(Microcontroller) PIC 16F876을 사용하여 개발된 MFC는 여러가지 문제점을 가진 아날로그(Analog) 방식의 MFC와 고가의 DSP(Digital Signal Processor) 및 고분해능의 AD변환기(Analog to Digital Convertor)를 사용하는 디지털 MFC의 장점을 혼합한 하이브리드형(Hybrid-Type)이다. 본 논문에서 개발된 MFC는 크게 센서부(Sensor Unit), 제어부(Control Unit), 구동기부(Actuator Unit)로 구성되었으며, 성능향상을 위한 자동보정(Automatic Calibration) 알고리즘과 표준테이블(Reference Table) 방식을 사용하였다.
본 논문에서는 반도체 제조장비의 핵심 부품 중에 하나인 질량유량제어기(MFC, Mass Flow Controller)클 설계하고 구현하였다 Microchip社의 마이크로콘트롤러(Microcontroller) PIC 16F876을 사용하여 개발된 MFC는 여러가지 문제점을 가진 아날로그(Analog) 방식의 MFC와 고가의 DSP(Digital Signal Processor) 및 고분해능의 AD변환기(Analog to Digital Convertor)를 사용하는 디지털 MFC의 장점을 혼합한 하이브리드형(Hybrid-Type)이다. 본 논문에서 개발된 MFC는 크게 센서부(Sensor Unit), 제어부(Control Unit), 구동기부(Actuator Unit)로 구성되었으며, 성능향상을 위한 자동보정(Automatic Calibration) 알고리즘과 표준테이블(Reference Table) 방식을 사용하였다.
In this paper, an MFC (Mass Flow Controller) which is widely used in many semiconductor manufacturing processes for controlling the mass flow rate of a gas is designed and implemented using the PIC 16F876 of Microchip, Inc. The MFC implemented in this thesis has the form of hybrid-type, i.e., the mi...
In this paper, an MFC (Mass Flow Controller) which is widely used in many semiconductor manufacturing processes for controlling the mass flow rate of a gas is designed and implemented using the PIC 16F876 of Microchip, Inc. The MFC implemented in this thesis has the form of hybrid-type, i.e., the mixed-type of the analog-type MFC, which has many problems such as low accurary, and digital-type MFC, which use an expensive DSP (Digital Signal Processor) and an ADC (Analog to Digital Convertor) with high precision. The MFC is consists of the sensor unit, the control unit and the actuator unit, and it has used the automatic calibration algorithm and the reference table method for the improvement of the performance.
In this paper, an MFC (Mass Flow Controller) which is widely used in many semiconductor manufacturing processes for controlling the mass flow rate of a gas is designed and implemented using the PIC 16F876 of Microchip, Inc. The MFC implemented in this thesis has the form of hybrid-type, i.e., the mixed-type of the analog-type MFC, which has many problems such as low accurary, and digital-type MFC, which use an expensive DSP (Digital Signal Processor) and an ADC (Analog to Digital Convertor) with high precision. The MFC is consists of the sensor unit, the control unit and the actuator unit, and it has used the automatic calibration algorithm and the reference table method for the improvement of the performance.
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문제 정의
MFC의 유량 측정원리를 설명하기 위해 먼저 유량측정을 실제로 담당하는 센서 부를 살펴보자. 센서 부의 세부구성은 Fig.
이런 추세에 따라 각 MFC 생산업체에서는 디지털화된 모델을 선보이고 있으나 가격이 너무 높으며, 국내 업체의 경우에는 여러 기반 기술의 특허문제 등으로 인해 완제품을 생산하는 업체는 없는 실정이다[3]. 따라서, 본 논문에서는 MFC의 유량 센서 부(Flow Sensor Unit)와 구동 기부(Actuator Unit) 의전반적인 제어를 담당하는 전자회로 제어기에 저가의 마이크로프로세서 (Microprocessor)를 사용하여 이를 제어하는 알고리즘을 개발하고, 기존의 아날로그형(Analog- Type) MFC를 보완한 하이브리드형 (Hybrid-Type)의 MFC를 개발하고자 한다. 본 논문에서는 이를 위하여 유량 센서 측정값에 대한 처리와 구동기 정밀제어를 위한 회로설계, 그리고 이들을 이용한 유량의 고속 .
본 논문에서는 반도체 제조의 전 공정에서 많이 사용하는 MFC를 설계하고 구현하였다. 고가의 DSP 및 고분해능의 AD변환기를 사용하는 디지털 유량계와 여러 가지 문제점을 갖고 있는 기존의 아나로그 방식을 혼합하여 개발된 하이브리드형 MFC는 유량 센서 부와 구동
따라서, 본 논문에서는 MFC의 유량 센서 부(Flow Sensor Unit)와 구동 기부(Actuator Unit) 의전반적인 제어를 담당하는 전자회로 제어기에 저가의 마이크로프로세서 (Microprocessor)를 사용하여 이를 제어하는 알고리즘을 개발하고, 기존의 아날로그형(Analog- Type) MFC를 보완한 하이브리드형 (Hybrid-Type)의 MFC를 개발하고자 한다. 본 논문에서는 이를 위하여 유량 센서 측정값에 대한 처리와 구동기 정밀제어를 위한 회로설계, 그리고 이들을 이용한 유량의 고속 . 정밀제어를 위한 알고리즘을 연구하였으며, 이러한 연구를 바탕으로 MFC를 실제로 구현하여 그 성능을 확인하였다.
이에 대한 특허를 출원하였다. 본 논문에서의 하이브리드형 MFC는 센서부의 비선형성에 대한 문제를 해결하였고, 안정되게 유량을 조절하는 사실을 실제 질소가스를 사용한 실험에서 그 동작을 확인하였다.
제안 방법
8는 유량이 전혀 없는 초기상태 0[SCCM]에서 각각 40 및 70(SCCM] 으로 유량을 제어하는 실제 측정값이다. Fig. 9과 Fig. 10은 초기 유량이 0이 아닌 20[SCCM]일 때 각각 40 및 70[SCCM]으로 유량을 제어하는 과정을 측정하였다. 채널(Channel) 1은 MFC의 구동기에 공급되어지는 직류전압이며 채널 2는 센서 부와 브릿지 회로를 거친 출력전압이다.
위한 부분이다. RS-232 직렬통 <1 (Serial Communication) 방식을 이용하여 외부장치에 MFC에 대한 정보를 표시할 수 있으며, MFC 자체에 12키 (Key) 방식의 키패드(Key Pad)와 7세그먼트 (7-Segment)를 설치하여 자체에서 유량의 확인과 설정이 가능하도록 설계되었다.
동시에 설정 유량에 해당하는 센서 테이블을 참조하여 현재 응답되어야만 하는 값과 실제로 측정되고 있는 값을 비교하여 미세조정을 한다. 이러한 표준테이블 방식을 사용하면 센서 부의 선형성이 보장되지 않더라도 정확한 유량을 제어할 수 있다.
또한, 성능 향상을 위한 자동 보정 알고리즘과 표준테이블 방식을 채택하여 제어 프로그램을 개발하였으며 이에 대한 특허를 출원하였다. 본 논문에서의 하이브리드형 MFC는 센서부의 비선형성에 대한 문제를 해결하였고, 안정되게 유량을 조절하는 사실을 실제 질소가스를 사용한 실험에서 그 동작을 확인하였다.
사이의 직류전압을 만들어낸다. 실제 MFC의 구현에서는 0~100[SCCM}을 제어하기 위해 필요한 20~50[V] 사이의 전압을 단계로 제어하였다.
이 장에서는 기존 MFC의 제어회로를 개선한 하이브리드형의 MFC를 설계하고 구현한다. 개발된 하이브리드형 MFC는 자동보정(Automatic Calibration) 알고리즘과 표준테이블(Reference Table) 방식의 비선형 보정기술을 적용하여 아날로그형의 MFC보다 성능이 우수하고 보정에 사용되는 시간을 줄일 수 있으며 마이크로콘트롤러 (Microcontroller)를 사용하여 다양한 부가기능을 추가할 수 있는 장점이 있다.
본 논문에서는 이를 위하여 유량 센서 측정값에 대한 처리와 구동기 정밀제어를 위한 회로설계, 그리고 이들을 이용한 유량의 고속 . 정밀제어를 위한 알고리즘을 연구하였으며, 이러한 연구를 바탕으로 MFC를 실제로 구현하여 그 성능을 확인하였다.
대상 데이터
2개의 센서 R“, I电 로 구성된 일본 STEC社의 열 식 질량 유량 센서 (Thermal Mass Flow Sensor)를 사용하였다. ③ 센서 전처리부(Sensor Preprocess Unit)
주 제 어부(Main Controller Unit)설계된 MFC의 전반적인 제어를 담당하는 부분으로 Microchip社의 PIC 16F876을 사용하였다. 이 마이크로콘트롤러는 10[Bit] 분해능(Resolution)의 AD 변환기 (Analog to Digital Convertor), 10[Bit] 분해능의 PWM 발생기, 8[KByte}의 프로그램 메모리(Program Memory), 368[Byte]의 데이터메모리(Data Memory), 256[Byte]의 EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory), USART(Universal Synchronous/Asyn- chronous Receiver/Transmitter) 등을 내장한 형태여서 소형 .
구동기 제어부로부터 직류전압을 받아 실제로 유량을 제어하는 부분으로 일본 STEC社의 압전 방식 구동기를 사용하였다.
기부의 전반적인 제어를 담당하는 전자회로 제어기로 10[Bit]의 AD변환기가 내장된 저가의 마이크로프로세서를 사용하였다.
본 논문에서 설계하고 구현한 MFC의 특성을 측정하기 위하여 질소(入勺 가스를 대상으로 실험을 하였다. Fig.
이들은 프로그램 실행 중 쓰기 작업이 가능한 비휘발성 기억장치여야 한다. 실제 제작에는 PIC 16F876에 내장된 플래쉬메모리를 사용하였다.
이론/모형
본 논문에서 구현한 MFC에 사용된 센서 (Sensor: 와 구동기 방식은 각각 열 질량 유량(Thermal Mass Flow) 방식과 압전(Piezo) 방식을 사용하였다.
성능/효과
그러나, 이 응답시간은 센서가 질소가스 질량의 증감에 반응하여 열을 교환하는데 걸리는 시간일 뿐이며 실제로 질소가스의 증감이 늦는 것은 아니다. HP社의 Soap Film Flowmeter로 질소가스의 유량을 측정하여 보면 구동기제어전압의 변화와 거의 동시에 유량의 변화가 생김을 확인할 수 있었다. 또한, 이러한 실험 결과들은 센서에서 검출되는 값이 설정값 변경 후 일정한 전압을 유지하는 것을 보여준다.
MFC를 설계하고 구현한다. 개발된 하이브리드형 MFC는 자동보정(Automatic Calibration) 알고리즘과 표준테이블(Reference Table) 방식의 비선형 보정기술을 적용하여 아날로그형의 MFC보다 성능이 우수하고 보정에 사용되는 시간을 줄일 수 있으며 마이크로콘트롤러 (Microcontroller)를 사용하여 다양한 부가기능을 추가할 수 있는 장점이 있다.
결과적으로 열전달량의 차가 곧 보정에 사용되는 기존의 방식의 경우 전체 제어에 있어 비선형성 보정이 요구된다. 그러나, 테이블 방식을 사용하게 되면 필요한 유량에 대해서 필요한 제어 전압과 이때 검출되어야하는 센서값을 바로 알 수가 있다.
HP社의 Soap Film Flowmeter로 질소가스의 유량을 측정하여 보면 구동기제어전압의 변화와 거의 동시에 유량의 변화가 생김을 확인할 수 있었다. 또한, 이러한 실험 결과들은 센서에서 검출되는 값이 설정값 변경 후 일정한 전압을 유지하는 것을 보여준다. 이는 본 논문에서 개발된 MFC가 안정하게 동작하는 것을 의미한다.
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