반도체 진공시스템 구성과 가스 공급부, UHP 밸브·MFC 고르는 법 (반도체 진공시스템 1편)

반도체 진공시스템은 크게 가스 공급부, 챔버, 밸브, 펌프, 게이지와 배관 부품으로 이뤄집니다. 이 연재에서는 가스가 들어오는 곳부터 드라이 펌프까지 다섯 편에 나눠, 구간마다 어떤 기술이 필요하고 어떤 제품을 쓰는지 정리합니다. 1편에서는 전체 구성을 먼저 보고, 가스가 처음 지나는 가스 공급부를 다룹니다.

반도체 진공시스템 구성도. 가스통에서 밸브, MFC, 체크밸브를 지나 챔버로 가스가 들어가고, 게이트 밸브, 스로틀 밸브, 터보분자펌프, 드라이 펌프 순으로 배기합니다. 챔버에서 드라이 펌프로 바로 이어지는 러핑 라인도 따로 있습니다

그림 오른쪽 배관이 러핑 라인입니다. 러핑은 대기압 상태인 챔버(웨이퍼를 넣고 공정을 진행하는 밀폐 용기)를 먼저 거친 진공까지 뽑아내는 단계인데, 이때는 터보분자펌프를 거치지 않고 드라이 펌프가 바로 뽑습니다. 터보분자펌프 배기구와 뒤쪽 펌프를 잇는 배관은 포어라인이라고 부릅니다.

반도체 챔버가 까다로운 건 세 가지를 한꺼번에 맞춰야 하기 때문입니다.

1 깨끗해야 합니다. 가스 배관이나 진공 부품에서 입자나 오일 증기가 들어오면 안 됩니다.

2 새면 안 됩니다. 공기가 조금만 새어 들어와도 목표 진공에 못 미치고 공정 가스 조성이 바뀝니다.

3 압력이 일정해야 합니다. 챔버 압력은 들어오는 가스량과 빠져나가는 배기량으로 정해지니, 한쪽만 흔들려도 압력이 흔들립니다.

그래서 부품을 고를 때는 규격이 맞는지만 볼 게 아니라, 그 자리에서 오염이나 누설, 압력 안정성에 문제가 없는지까지 따져 봐야 합니다. 참고로 이 연재의 압력 단위는 mbar입니다. 1 mbar는 100 Pa이고, 1 Torr는 약 133.32 Pa입니다.

PART 01

반도체 가스 공급부에는 왜 UHP 밸브와 MFC를 쓰나요?

MFC(질량유량제어기)는 유량계와 제어 회로, 제어 밸브를 한 몸에 넣어 가스를 설정한 양만큼 흘려 주는 장치입니다. 열식 MFC는 0.01 sccm 수준의 아주 작은 유량부터 1000 SLPM 수준의 큰 유량까지 모델이 나뉘어 있어서, 쓰실 가스와 유량 범위부터 정해야 합니다. sccm은 표준 상태 기준으로 1분에 흐르는 기체 부피(cm³)이고, SLPM은 같은 기준의 리터 단위입니다. 유량을 재기만 하면 되는 자리에는 MFM(질량유량계)을 씁니다.

가스 공급 한 줄(스틱) 구성도. 안쪽 면을 매끈하게 마감한 배관(절단면), VCR 피팅, UHP 다이어프램 밸브, MFC, 체크밸브가 한 줄로 이어집니다

PART 02

UHP 다이어프램 밸브는 일반 밸브와 무엇이 다른가요?

여기에 가스가 닿는 안쪽 면을 전해연마하고 패시베이션 처리해서 입자가 붙을 틈을 줄인 것이 UHP(초고순도) 사양입니다. 전해연마는 금속 표면을 전기화학적으로 살짝 녹여 매끈하게 다듬는 마감입니다. 한 제조사 사양서를 보면 가스가 닿는 면의 조도를 Ra 5 µin(약 0.13 µm) 수준으로 관리하고, 일부 다이어프램 밸브는 Ra 8 µin으로 적어 둡니다. 같은 UHP라도 제조사와 시리즈마다 값이 다르니 카탈로그에서 표면 조도를 꼭 확인하세요.

UHP 다이어프램 밸브 단면. 얇은 금속 다이어프램이 시트를 눌러 유로를 막고, 가스가 닿는 안쪽 면은 매끈하게 마감되어 있습니다

PART 03

VCR 피팅과 체크밸브는 왜 다나요?

VCR 피팅은 두 몸체 사이에 금속 개스킷을 끼우고 너트로 조여서 밀봉하는 연결부입니다. 고무 O링 대신 금속끼리 밀봉하기 때문에 고청정 가스 라인에 많이 씁니다. 개스킷은 조이면서 눌려 모양이 바뀌니, 한 번 풀었다가 다시 조일 때는 새 개스킷으로 바꾸는 것이 원칙입니다.

VCR 피팅 분해도. 두 몸체 사이에 둥근 금속 개스킷이 들어가고, 바깥 너트로 조여 밀봉합니다

밸브파크 진공 체크밸브 Any Direction은 이름처럼 수직, 수평 어느 방향으로도 달 수 있고, 제품 페이지 기준 누설률은 1×10⁻⁸ mbar·L/s, 최소 개방 차압은 약 7 mbar입니다. 누설률은 닫힌 상태에서 새어 나가는 기체량을 말합니다. 한편 일반 압축공기나 물 배관이라면 UHP 사양은 과할 수 있으니 용도부터 확인해 보시는 게 좋습니다.

▸ 가스 종류와 표면 조도 등급을 알려 주시면 밸브파크 엔지니어가 맞는 UHP 밸브와 피팅 조합을 골라 드립니다.

가스 공급부의 UHP 다이어프램 밸브, 질량유량제어기(MFC), 체크밸브 사진

FAQ

자주 묻는 질문

Q. UHP 밸브 표면 조도는 어느 정도를 보면 되나요?

A. 한 제조사 사양서 기준으로 가스가 닿는 면이 Ra 5 µin(약 0.13 µm) 수준이고, 일부 다이어프램 밸브는 Ra 8 µin입니다. 제조사와 시리즈마다 다르니 카탈로그 값을 확인하세요.

Q. MFC와 MFM은 어떻게 다른가요?

A. MFC는 유량을 재고 설정값에 맞게 조절까지 하고, MFM은 재기만 합니다. 유량을 바꿔야 하는 공정 라인에는 MFC를, 흐름을 확인만 하는 자리에는 MFM을 씁니다.

Q. 일반 압축공기 배관에도 UHP 밸브를 써야 하나요?

A. 아닙니다. UHP 사양은 반도체 공정 가스처럼 오염을 극도로 꺼리는 라인용입니다. 일반 압축공기나 물 배관이라면 용도에 맞는 일반 밸브가 낫습니다.

Q. VCR 개스킷은 다시 써도 되나요?

A. 권하지 않습니다. 한 번 조이면 개스킷이 눌려 모양이 바뀌기 때문에, 다시 조일 때는 새 개스킷으로 바꾸세요.

▸ 다음 편: 2편 챔버 밸브, 게이트 밸브와 스로틀 밸브

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