반도체 설비 가스 유량, 질량 유량 관계

반도체 설비에서 주입되는 가스의 유량 단위로 sccm(standard cubic centimeters per minute)이 사용된다. 이를 이용해 질량 유량(mass flow rate, MFR)을 계산할 때, sccm 값에 가스의 몰 질량(molar mass, g/mol)을 곱하는 이유를 설명하겠다.

1. sccm의 의미

sccm은 표준 상태(0°C, 1 atm)에서의 부피 유량을 나타내는 단위이다. 즉, 1 sccm은 표준 조건에서 1분당 1 cm³의 기체가 흐른다는 의미다.

하지만 질량 유량(MFR)은 부피 유량이 아니라 실제로 흐르는 가스의 질량(g/min)을 의미한다. 따라서 부피 유량(sccm)에서 질량 유량(g/min)으로 변환하기 위해 밀도(ρ) 또는 몰 질량(M)을 활용해야 한다.

2. 질량 유량(MFR) 계산 과정

① 이상 기체 상태 방정식 활용

이상 기체 상태 방정식은 다음과 같다.

PV = nRT

이를 변형하면,

n = PV / RT

여기서,  
- n = 기체의 몰 수 (mol)  
- P = 압력 (atm)  
- V = 부피 (L)  
- R = 기체 상수 (0.0821 L·atm/(mol·K))  
- T = 온도 (K)  

표준 상태(STP, 0°C, 1 atm)에서 1몰의 기체는 22.4L를 차지한다.  
즉, 1 sccm = 1 cm³/min = 1 × 10⁻³ L/min이므로, 몰 유량( ṅ )을 구하면

ṅ = (sccm × 10⁻³) / 22.4

이제, 질량 유량( ṁ )은 다음과 같이 구할 수 있다.

ṁ = ṅ × M

즉,

ṁ = ((sccm × 10⁻³) / 22.4) × M

3. 왜 sccm과 몰 질량을 곱하는가

sccm은 부피 유량이므로 직접 질량 유량으로 변환할 수 없다.  
기체의 몰 질량(M)이 중요한 이유는, 기체마다 1몰당 질량(g)이 다르기 때문이다.  
부피 유량 → 몰 유량 → 질량 유량 변환 과정에서  
1. 몰 유량(ṅ)을 구한 후  
2. 몰 질량(M)을 곱하여 질량 유량(g/min)을 얻는다.

4. 예제 계산 (O₂와 N₂ 비교)

>>>  산소(O₂) 100 sccm 주입 시 질량 유량

- 산소의 몰 질량: M = 32 g/mol  
- 몰 유량:

  ṅ = (100 × 10⁻³) / 22.4 = 4.464 × 10⁻³ mol/min

- 질량 유량:

  ṁ = 4.464 × 10⁻³ × 32 = 0.143 g/min




>>>  질소(N₂) 100 sccm 주입 시 질량 유량

- 질소의 몰 질량: M = 28 g/mol  
- 몰 유량:

  ṅ = (100 × 10⁻³) / 22.4 = 4.464 × 10⁻³ mol/min

- 질량 유량:

  ṁ = 4.464 × 10⁻³ × 28 = 0.125 g/min

즉, 같은 100 sccm이라도 O₂는 0.143 g/min, N₂는 0.125 g/min으로 차이가 난다.

5. 정리

sccm은 표준 상태의 부피 유량 단위로, 기체의 종류에 따른 질량 정보가 없다.  
질량 유량(MFR)을 구하려면, 몰 유량(ṅ)을 구한 후 몰 질량(M)을 곱해야 한다.  
같은 sccm 값이라도 기체의 몰 질량에 따라 실제 질량 유량이 달라진다.  
반도체 공정에서는 가스별로 정확한 MFR을 조절해야 하므로 몰 질량을 고려한 계산이 필수적이다.