진공펌프(Vacuum pump)

반도체 공정에서는 대기 중에서 많은 공정이 이루어지지만 생각보다 많은 설비가 진공을 사용한다. 

챔버나 용기의 진공 상태를 만들거나 유지하기 위하여 사용되는 펌프를 진공 펌프라 한다. 왜 진공을 유지해야 하는지는 주변 공정 엔지니어에게 물어보라. 여기서는 공기와 공기 중 부유물 모두가 이물질로 취급한다.

우리가 사는 대기를 물이라 생각하면 쉽다. 반도체 공정에서는 물이 없는 곳에서 여러 종류의 특수한 물만으로 공정을 진행하고 싶은 것이다. 여기에 가장 기본이 용기 안의 물을 뽑아내는 진공펌프 인것이다. 물을 뽑아 제거하고 사용하고자 하는 특수한 물을 일정하게 흐르도록 하는 압력을 낮추는 역할을 한다. 

다양한 진공 펌프를 사용하고 있으나 가장 대표적인 것이 저 진공 펌프인 dry pump와 고진공 펌프인 TMP와 CRYO 펌프이다.  여기에서는 dry ethcer 설비에서 주로 사용되는 TMP와 Dry pump를 주로 설명하고 성능과 공정의 특성에 따라 TMP와 Cryo를 선택적으로 사용하면 된다.

미국에서 시작된 반도체 산업 초기에는 다양한 형태의 Pumping system이 존재 했을 것이다. 하지만 노우하우가 쌓이고 일본을 거쳐 한국에서 반도체 산업이 활성화 되면서 가장 효율적인 시스템을 기본으로 하여 설비가 발전해 나갔다. 결국 가장 효율적이고 안정적인 현재의 시스템들이 표준으로 자리 잡고 나머지는 역사 속으로 사라진 것이다.

참고사이트 
https://blog.naver.com/gsem0501/221936135261

 

TMP(Turbo Molecular Pump)와 DRY PUMP

Dry pump는 단독으로 사용이 가능하다. ATM에서 1.0E-3 ~ 1.0E-4 torr의 압력이 필요한 설비에서는 dry pump만 사용하여 진공을 유지한다.  이러한 저 진공 설비의 경우 dry pump만으로도 충분히 원하는 압력을 만들 수 있다. 여기에 압력을 더 낮추기 위해서는 추가로 고진공 펌프를 설치해야 한다.

고진공 펌프는 사용할 수 있는 압력이 정해져 있어서 dry pump를 이용하여 챔버의 압력을 일정한 수준으로 낮추어야 사용이 가능하다. 고진공 펌프만으로 구성하는 건 불가능하며 반드시 후단에 저진공 펌프(Dry pump 같은)를 배치하여야 한다. TMP를 사용하는 전단과 후단 모두를 저 진공 이하의 진공 상태를 유지해야 한다는 의미이다.

예전에 테스트 겸하여 TMP가 꺼져 있고 챔버가 ATM인 상태에서 APC를 열어 놓은 상태에서 dry pump를 켜고 Roughing valve를 열어서 펌핑을 시도해 본적이 있다. 챔버가 어느 정도 저진공이 되었을 때 TMP를 켜서 고진공까지 도달하였다.

가능여부를 테스트한 것이지 펌핑 시퀀스로는 사용할 수 없다. 시간이 많이 걸린다. 고객사 양상 라인은 기다려 주지 않는다. 항상 최적의 절차와 최소의 시간으로 운영되어야 하고 경쟁사인 적들보다 빨라야 한다. 

Dry pump를 단독으로 사용하거나 TMP와 같이 사용하는 경우 챔버와 펌프 사이에 밸브, 압력측정센서, 역류방지장치, 히터 등의 필요한 장치를 설치하여 사용하게 된다.

 

DRY PUMP

드라이펌프(Dry pump)는 일반적으로 ATM에서 저 진공까지 만들기 위한 pumping 장치로 사용된다. 일체형으로 된 펌프도 있으나 보통의 경우는 메카니컬 펌프와 부스터 펌프를 묶어서 사용하는데(강력한 펌핑 포스를 얻기 위해) 이를 통칭하여 드라이펌프라 부른다.

 

Mechanical pump + Booster pump for PVD

 

Dry의 이름이 붙은 이유는 기존의 펌프가 오일(Oil)을 사용하던 시절 오일을 사용하지 않고 pumping 하는 펌프를 개발하고 이를 dry라고 명명한 데서 발생한 게 아닌가 한다. 어쨌든 dry pump는 청정 공간인 크린룸에서는 당연히 사용하는 펌프가 되었다. 

드라이 펌프는 현장에서 거의 모든 진공 설비에 사용되어 진다. 저 진공 설비에서는 단독으로 사용되고 고진공 설비에서는 고진공 펌프 후단에 이 펌프를 사용하게 된다.

반도체/디스플레이 라인에는 사급이라 하여 설비를 주문한 메이커에서 한 개의 모델을 선정하여 설비 메이커에 공급하게 된다. 이러한 특성으로 라인별 동일한 메이커가 공급되고 라인마다 다른 메이커가 공급된다. 

내가 사용해본 펌프 혹은 양산 라인에 설치된 대표적인 펌프 메이커로는 에드워드, 카시야마, 알카텔, 에바라, 레이볼드, LOT Vacuum 등이 있다. 

 

LOT Vacuum (https://www.lotvacuum.com/business/semiconductor.php)

DRY PUMP (출처 각사 홈페이지)

 

 

DRY PUMP만 사용한 설비와 TMP까지 사용하는 설비의 비교

 

고진공 펌프의 성능상 챔버를 ATM에서 roughing pressure까지는 dry pump가 담당하고 이후에서 고진공 펌프가 pumping 하게 되는데 고진공 펌프 후단의 압력을 낮추는 데 사용된다.

드라이 펌프는 챔버(Chamber)의 기체를 pumping 하여 제거하는 데 사용된다. 가스가 유입이 없는 경우에는 챔버의 압력을 낮추기 위해서 사용되고 공정 중에는 가스의 흐름을 만들기 위한 pumping용으로 사용된다.

현장에서 Dry pump는 유틸리티에 가깝게 운용된다. Air나 house vacuum처럼 항상 구동되고 있으며 수리나 특별한 경우가 아니면 멈추지 않는다.

 

현장에 설치된 드라이펌프 이미지

 

디스플레이 설비에 적용된 Parallel pumping system.

 

 

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TMP(Turbo Molecular Pump)

TMP는 선풍기 날개 같은 블레이드를 고속 회전시켜 기체는 밑으로 밀어내 펌핑을 하게 된다.

고진공 펌프인 TMP는 ATM에서 바로 가동하여 pumping이 불가한 장치이다. 20,000 RPM의 고속 회전을 하게 되어 ATM에서 구동하는 건 TMP에 상당한 무리를 주는 것이다. 이러한 이유로 절차를 지켜 사용하게 되는데 압력이 일정 수준 이하가 되었을 때 사용이 가능해진다.

 

I사, T사 TMP Pumping system

 

고진공 펌프를 사용하기 위하여 챔버의 압력을 일정한 값 이하로 만들어야 한다. 드라이 펌프(Dry pump)를 이용하여 챔버를 일정 압력 이하로 낮추게 된다.

Dry pump를 이용하여 챔버의 압력을 ATM에서 Roughing pressure까지 pumping을 위해 사용된다. 이렇게 챔버가 일정한 압력까지 낮아지면 TMP를 가동해 원하는 고진공까지 pumping 하게 된다. Roughing pressure는 장치가 원하는 압력과 TACT을 고려하여 사용자가 설정하는 압력이다.

TMP는 정상 RPM까지 도달하는데 10분 넘게 소요되며 20,000 RPM 이상 회전해야 사용 가능한 normal speed가 된다.

TMP가 normal speed로 가동 중에 갑자기 많은 기체가 투입되면 TMP는 break가 걸리게 되고 결국 회전을 멈추게 된다. 
만일 TMP가 고속 회전 시 기체가 아닌 고체가 떨어지면 아래와 같이 내부가 망가질 것이다.

파손된 TMP Blade의 모습

 

TMP 역시 수리나 특별한 상황이 아니면 끄지 않고 계속 사용한다. 챔버를 Vent 하는 경우에도 위쪽에 달린 APC를 full close 한 후 챔버만 vent 하여 작업을 진행한다.

 

PUMPING SEQUENCE (클릭하면 움직이는 이미지가 보임)

 

CRYO PUMP
또 다른 고진공 펌프로 Cryo pump가 있다. 기체를 저온 응축하여 가두는 방식으로 pump 하게 된다. 공정의 특성에 따라 TMP 혹은 CRYO 펌프를 선택적으로 사용하게 된다. 

챔버(Chamber)
공정을 위한 반응 용기. 보통 알루미늄이나 SUS를 이용하여 만든다. 진공의 압력을 견디기 위해서 상당한 두께와 무게를 가진다. 

ATM(Atmosphere)
우리가 사는 대기를 말한다. 주로 대기압을 말할 때 사용한다. 

Roughing pressure
ATM에서 dry pump를 이용하여 pumping을 시작하여 일정한 압력 이하게 되면 TMP를 이용하여 고진공 pumping을 하게 된다.  전환 시점의 압력을 사용자가 지정하는데 항목명으로 사용한다.

Base pressure
Chamber는 pumping 하고자 하는 압력을 말하며 보통 1.0x10-7승 torr 정도를 설정한다.
Base pressure는 보통 HW가 가질 수 있는 최대 성능 가까이 설정하는 것이 보통이고 pumping 하여 base pressure를 도달하는데 일정 시간 이상이 소요되면 챔버가 leak를 가지는 것으로 pumping timeout이 되고 Base 도달 후 지정한 시간 동안 지정 압력 이상으로 상승하면 leak rate high가 된다. 따라서 base pressure는 상당히 중요한 압력이다. 

Leak rate
Chamber를 특정 압력까지 pumpng 한 후에 챔버의 모든 밸브를 닫고 일정시간 대기후 증가하는 압력을 계산하여 분당 상승률을 계산한다. 이를 근거로 분당 leak rate을 계산하여 지정한 값보다 크면 leak rate high가 된다. 또한 leak rate는 날짜등을 포함하여 관리하여 차후 비교할 수 있어야 한다.