APC (Automatic Pressure Controller)

고진공 설비는 다양한 Pumping down 시나리오를 가진다. 고진공의 경우 고진공 펌프가 필요하며 TMP, CRYO가 많이 사용된다. 여기서는 내 전문이었던 etch를 기준으로 하여 APC + TMP로 설명하겠다.

업계에서 사용하는 공정용 압력 조절 밸브는 주로 VAT, NorCal 그리고 몇 가지 제품이 사용되고 있다. 초기에는 VAT가 거의 독점하다시피 하였고 이후 많은 회사들이 추격하는 모양새이다.

NorCal Valve를 말하니 그 옛날 NorCal Valve가 디스플레이용 대구경 pendulum valve 제품을 선보여 이를 자사 설비에 테스트하던 때가 기억난다. VAT사가 거의 독점적 지위로 고가 정책을 유지하던 당시 우리 개발팀 Project manager가 그 대안으로 NorCal valve를 선정하고 설치하고 테스트를 진행하였다. 많은 문제가 있었다. 테스트하고 업데이트하고 테스트하고 업데이트하고 그리고 양산 설비에 적용까지 하게 되었다. 덕분에 경쟁자가 생긴 VAT가 가격도 내리고 특별 가격도 제시하고 나름 나쁘지 않은 대안이었다.

NorCal Pendulum Valve (출처:NorCal home page)

 

여기서는 VAT사의 제품으로 설명한다. 더 많이 써봤으며 익숙하다. 공정용 pressure controller는 여러 가지 타입이 있다. 소구경에서 대구경까지 모양도 다르고 구동 방식도 다르다. 아래 그림처럼 대구경의 경우 슬라이드 방식으로 동작하며 소구경의 경우에는 actuator가 회전하는 구조가 많다. 

VAT사 Isolation valve (출처:VAT홈페이지)

 

자료를 찾다 보니 아래와 같은 APC도 있다. 기종의 밸브가 한쪽 방향으로 회전하거나 슬라이딩하여 압력을 조절하였다면 이 새로운 Symmetric valve는 actuator를 상하로 움직여 가스등의 기체 흐름을 치우치지 않고 균형 있게 흐르게 하는 역할을 하는 것이다.

VAT사 Symmetrical Control Valve (출처:VAT홈페이지)

 

아래 사진은 설비를 만들던 당시 사용하던 VAT사의 pendulum valve이다. 여기에 heat option이 포함되어 검정 플라스틱 커버가 더해지긴 했다. 사용하는 기능에 따라 많은 option이 있어 선택만 하면 된다. 대신 비용이 마구 상승한다.

반도체에서는 웨이퍼의 크기에 따라 한 개만 사용한다. 별도의 컨트롤러가 있어 컨트롤러와 통신을 하여 밸브를 열고, 닫고, 압력을 맞추게 된다. 아래 사진에서 보이는 전체는 몸통이고 그 안에 반쯤 열린 부분이 actuator라고 불리는 실제 구동되는 부분이다. 이 부분을 움직여 pumping line의 conductance를 조절하여 챔버의 압력을 맞추게 된다.

VAT Pendulum Valve (출처:VAT홈페이지)

VAT Pendulum Valve의 구동 이미지 (출처:VAT홈페이지)

 

디스플레이 진공 설비에서 위의 VAT Pendulum Valve를 8개 묶어 사용하였다. VAT Controller를 멀티 드랍으로 묶어 모두 동일하게 하나처럼 사용할 수가 있다. 아주 유용하고 정확하게 동작한다. 약간의 설정이 필요하다.

챔버의 한 변의 크기가 3m 정도여서 TMP를 6~8개를 연결해야 필요한 펌핑 능력이 나오고 이에 맞게 밸브 개수 역시 같은 수를 사용하게 되었다. 챔버가 커지면 거대한 TMP를 만들고 사용하는 대신 작은 TMP를 여러 개 사용하여 처리한다. 전체가 하나처럼 sync 되어  구동한다. 설정에 따라 일부 밸브는 구동하지 않게 할 수도 있다. 

그리고 Dry pump도 2~3개를 사용하여야 한다. 제어에서는 이 모두를 모니터링하여 이상 동작을 하는 경우 이를 반드시 확인하고 알람을 뛰워야 한다. 그렇지 않으면 차후 누군가 댓가를 치를 것이다.

APC제어맵(공정을 위한 압력 조절용 APC 제어 구조)

 

공정용 압력 조절 밸브의 구동 원리는 간단하다. 필요한 가스를 투입하고 게이지 값을 읽어 압력이 높으면 밸브를 현재보다 더 열어 압력을 낮추게 되고 압력이 낮으면 밸브를 조금 닫아 압력을 높게 만든다. 이러한 기능을 빠르게 항상 처리한다. 결국 가스의 흐름이 흔들리면 밸브도 같이 흔들린다. 정밀한 가스의 투입을 위해 MFC를 설치하게 되고 또한 MFC에 공급되는 가스 양의 안정을 위한 레귤레이터를 설치하게 된다.

안정된 공정의 최종 목표는 챔버의 압력이 일정하게 유지하는 게 목표이다. 여기에 프라즈마를 생성하고 여기서 발생되는 이온의 량을 일정하게 유지해야 일정한 공정(Etch rate 혹은 depo rate이라 불리는)이 진행된다. 이러한 값들이 흔들리면 공정의 결과도 흔들리게 되어 재현성 없는 설비가 된다.  

Etch 공정과 Depo 공정이 프라즈마를 만들어 사용하는 것은 같으나 사용하는 gas가 서로 달라 발생되는 프라즈마 색깔이 다르게 나타난다. 같은 공정이라도 사용하는 gas가 다르면 다른색의 프라즈마가 나타난다.

흔들리지않는 균일한 프라스마가 핵심이다.

 

APC의 원리는 간단하다. 하지만 이러한 기능을 구현하는 데는 많은 노하우가 필요하다. 또한 최상의 성능을 위한 많은 기능이 필요하고 이를 지원하게 된다. 제어 입장에서는 많은 부가 기능보다 우리가 필요한 기능(원하는 대로 제어 엔지니어가 제어할 수 있는)이 많으면 좋다. 

 

Serial Command

 

압력조절 이미지는 어려워.