유량계는 기체 또는 액체의 단위 시간당 유량(질량 또는 체적)을 측정하는 데 사용되는 장치로 주로 정확한 유량 모니터링이나 유량 제어를 위하여 사용된다. 종류로는 마그네틱 유량계, 코리올리 유량계, 초음파 유량계, 차압 유량계, 용적식 유량계, 터빈 유량계, 와류 유량계, 기타 유량계 등 다양한 종류의 유량계가 있다.
COMI-ULFC는 초음파 유량제어기로 한쌍의 초음파 센서를 이용한 유량계센서, 유량계측 및 제어를 통합한 유량제어기로 구성되며 반도체 제조공정에서 사용되는 다양한 약액의 유량계측 및 제어에 사용될 수 있다.
유량계 센서부는 약액과의 직접적인 접촉이 이루어지지 않도록 하여 반도체 미세공정에 필수적인 파티클 오염 문제를 해소하였으며 내열성 및 내화학성이 우수한 PFA(Perfluoroalkoxy) 소재로 개발했다.
유량계 계측 및 제어부는 초음파 구동신호발생, 초음파 수신신호 ADC(Analog Digital Conversion), 신호처리 및 TOF(Time Of Flight), 유량계산을 수행하며 기존 시스템들과는 다르게 원칩 솔루션(onechip solution)으로 개발되어 개별 회로구성에 따른 노이즈와 타이밍 문제를 해소했다. 또한 아날로그 출력을 통한 공압밸브를 제어하는 방식과 스텝드라이버를 통한 스텝모터 구동 밸브를 제어하는 방식을 지원하여 사용자가 원하는 유량을 제어할 수 있다.
인터페이스부는 상위 컴퓨터와 EtherCAT 또는 RS485 통신을 통하여 연결되어 파라미터 설정 및 제어, 실시간 모니터링을 수행할 수 있다.
1) 유량계 센서부
유량계 계측부에서 초음파 센서에 발진 신호를 인가하면 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환하여 반대쪽 센서에 전달된다. 반대쪽 센서는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하고 계측부에서는 수십~수백 mV 크기의 신호가 계측된다.
초음파 TOF(Time of Flight) 계측시 최적의 수신파형 강도와 형상을 위하여 센서의 임피던스 매칭 방법과 센서 내부 관로의 형상이 결정되었다.
Inline U-Tube Type 유량계 센서
- 반도체 장비에서 주로 사용되는 U-Type 초음파 유량계
- 2MHz 초음파 센서 모듈
- 유량계측 범위 : 30 ~ 2000 ml/min
- 계측 정밀도 : 0.03 ~ 0.5 L/min : ± 5 mL/min, 0.5 ~ 2.0 L/min : ± 1% of RD
ESD 방전용 유량계 센서
약액과 PFA 튜브 내외부에 축적된 정전하를 외부 접지로 유도할 수 있도록 대전방지 PFA 적용
2) 유량계 계측 및 제어부
초음파 센서에 발진 신호를 인가 및 수신신호 고속 ADC를 수행하며, 획득된 Upstream 및 Downstream ADC 데이터에 대한 신호처리 및 실시간 파형분석을 통하여 초음파의 TOF(Time of Flight)를 계산하고 이로부터 유량을 산출한다. 유량계산시 유량 및 온도에 따른 보정을 수행한다.
계측된 유량을 기반으로 사용자가 요구하는 유량을 제어하기 위한 출력값을 산출한다. 일반적으로 반도체 장비에 사용되는 유량조절용 제어 밸브는 공압 또는 스텝모터를 사용하므로 공압 제어용 아날로그 출력 신호 방식과 스텝모터 제어용 스텝드라이버 방식을 선택할 수 있다.
하드웨어
- 전반 시간차 계측 정밀도(dTOF, Differential Time-Of-Fight) : 25ps 이하
- 유량계측 정밀도 : 30ml 이하
- 초음파 센서 인터페이스 : 1.0 ~ 2.5MHz
- 모듈당 2ch 동시 유량제어(2 PID Control Loop)
- 디지털 출력 : 2ch/module
- 아날로그 출력 : 4~20mA, 2ch/module
- 아날로그 입력 : 4~20mA, 2ch/module
- 스텝드라이버(Optional) : 2ch/module
소프트웨어
- 초음파 송수신 신호 처리부
- 유량계산 및 보정 알고리즘
- PID 제어 알고리즘
- 사용자 프로그램
3) 유량계 인터페이스부
반도체 장비 제조 공급 업체 시장은 산업용 통신 프로토콜을 위해 EtherCAT을 표준화하고 있다. Applied Materials, ASML, Lam Research 및 Tokyo Electron과 같은 대형 반도체 장비 회사는 EtherCAT Technology Group(ETG)과 협력하여 이 표준화를 주도하고 있다. 이 표준화를 통하여 표준에 정의된 일치된 데이터 구조 및 동기화 모드를 통해 장치를 보다 쉽게 교체하고 유지 보수 할 수 있도록 한다. 이는 자동화 장치 제조업체가 반도체 시장에 판매하려는 제품에 EtherCAT 기능을 구현해야 함을 의미한다. 커미조아는 국내 최초로 ETG.5003 표준에 따라 유량계 제어기를 개발하였다.
하드웨어
- EtherCAT 통신 모듈
- RS485 통신 모듈
- 전원모듈
- LED 모듈(Optional)
소프트웨어
- 반도체 제조 장비에 적용되는 장치들을 위한 EtherCAT 슬레이브
네트워크 인터페이스
- 세계 최대 반도제 장비 제조 업체들 주도로 개발된 EtherCAT 표준
적용
- 다양한 장치의 상호 운용성 확보
- ETG.5003.1 표준인 공통 장치 프로파일(CDP, Common Device Profile)
준수
- ETG.3003.202 Mass Flow Controller 특정 장치 프로파일(SDP, Specific Device Profile) 준수
