유동-구조 연성 해석 방법을 이용한
반도체 공정용 진공펌프 계통의 고장 분석
① 진공펌프 계통의 조업조건 및 성능 해석
1. 서론
최근 들어 진공 기술은 다양한 산업 분야에서 활용되고 있으며, 진공을 만들기 위해서는 기체분자의 제거 방식에 따라 기체 이송식(gas transfer type) 또는 기체 흡착식(gas entrainment type) 진공펌프들이 사용되고 있다.
또한 국내의 기간산업인 반도체 산업에서 주로 사용하고 있는 화학적 증착 공정(CVD)은 0.01 Torr 정도의 저/중 진공 상태를 요구하므로, 이러한 진공상태의 유지를 위해서는 피스톤식, 회전식, 루츠식 펌프들과 같은 다양한 형태의 기체 이송식 진공 펌프들을 사용하여 반도체 공정의 가스를 대기 중으로 방출하여야 한다.
그러나 진공펌프들에 유입되는 반도체 공정 가스는 가스 이외에 CVD 공정의 부산물을 포함하고 있으며, 실제로 일부 반도체 산업의 배기 공정에서는 공정 부산물이 펌프 내부에 퇴적, 축적되고 이로 인한 펌프의 하우징/회전차 간의 충돌은 펌프 고장 및 파손의 주요 원인이 되곤 한다.
또한 공정 가스 중의 공정 부산물을 제거하기 위해서, 반도체 공장에서는 일반적으로 진공펌프 후단에 스크러버(scrubber)를 설치하여 사용하고 있는데, resin type 스크러버의 경우 packed-bed 구조를 가지므로 부산물이 스크러버에 퇴적됨에 따라 큰 압력 저항을 갖는 특성을 지닌다.
이러한 진공펌프 계통 하류의 스크러버의 큰 압력 저항은 상류의 진공펌프의 성능을 저하시키고, 더 나아가 진공펌프 내부의 고압과 고온을 초래하여 이로 인한 구조물의 변형으로 인한 하우징/회전차, 회전차/회전차 간의 충돌이 발생하며 궁극적으로는 진공펌프의 고장 및 파단을 야기하곤 한다.
그러나 앞서 언급한 이러한 진공펌프 계통의 고장에 대한 원인 분석 및 그에 대한 적절한 대처가 국내 반도체 산업체 현장에서 체계적으로 이루어지지 못하는 관계로, 진공펌프 계통에 대한 합리적인 분석 방법의 개발 및 적용을 통한 안정적인 조업조건 유지는 반도체 생산설비의 생산성 향상에 있어서 매우 중요한 과제이다.
그러므로 본 연구는 우선적으로 반도체 생산 공정용 진공펌프 계통의 조업조건 및 성능 예측을 위한 이론적 해석 방법을 제시하고, 본 방법을 실제 반도체 생산설비 진공 계통에 적용하여 진공펌프 계통의 조업조건 변화 및 성능저하에 대한 원인을 규명하였다. 진공펌프 계통의 분석 결과를 토대로 진공펌프 내부 기체유동에 대해 전산유체역학 해석방법을 제시하였고, 전산유체역학 해석 결과들로부터 진공펌프의 작동 시 펌프 내부에서의 압력, 온도 및 속도 분포에 대한 유동장 특성을 규명하였다.
더 나아가, 계산된 유동장 결과를 바탕으로 공정 부산물의 펌프 내부에서의 입자 거동 및 점착에 따른 퇴적-축적 특성을 분석하였다. 마지막으로 유동해석을 통해 얻은 진공펌프 내부의 온도 및 압력 데이터를 바탕으로 2개의 진공펌프가 연결된 경우의 펌프 회전차와 하우징의 구조해석을 수행하였고, 이를 통해 진공펌프의 변형 및 파단 원인을 규명하였다.
2. 진공펌프 계통의 조업 조건 및 성능 해석
2-1. 이론
Fig.1은 진공 챔버로부터 공정 가스가 유입되어, 진공펌프에 의해 가압되어 스크러버를 거친 후 대기 중으로 방출되는 국내의 한 반도체 생산업체의 진공펌프 계통을 보여주고 있다. 3개의 진공펌프가 상류의 반도체 진공 챔버와 하류의 스크러버 사이에 직렬로 연결되어 있으며, 이때 앞의 2개의 진공펌프(BB, CC)는 루츠식(roots type) 진공 펌프이고, 그 뒤에 설치된 진공펌프(DD)는 스크류식 (screw type) 진공 펌프로서 백킹펌프(backing pump)의 역할을 수행한다.
Fig.1에서 보여 지듯이, Pc, P1, P2, P3, P4, P5, Pa는 계통상의 각 위치에서 가스압력을, m은 펌핑 계통을 흐르는 가스의 질량유량을 나타내며, 진공 챔버로부터 대기까지의 공정 가스를 배출하는 과정의 전형적인 가스 압력의 변화가 나타나 있다.
Fig. 1 Vacuum pump system for semiconductor production process
이러한 압력 변화과정 상의 각 펌프들의 작동조건을 구하기 위해서는 다음과 같은 진공펌프 계통의 압력 균형 (pressure balance) 에 대한 이론 식이 세워질 수 있고
이때
그리고 압력 값 P1, P2, P3 는 진공펌프들의 질량유량(m)과 연관된 고유 특성곡선들(characteristic curves)을 나타내는 3개 식들 F, G 및 H에 의해 구해지고, 스크류 펌프 출구 압력(P4)은 펌프 특성식에 의해 구해지므로 식 (1)은 다음과 같이 정리될 수 있다.
식 (2)-(7)은 6개의 변수들 (계통상의 기체압력: P1, P2, P3, P4, P5 및 펌핑 계통을 흐르는 가스의 질량유량 : m) 에 대해 비선형 연립방정식들로 표현되어 있다. 이러한 비선형 연립방정식을 풀기 위해서는, 진공펌프들의 흡입 압력과 질량유량 간의 관계들, F, G 및 H, 은 펌프 제작사의 측정결과로부터 상관관계식으로 도출하고 (Fig.2의 예 참조), α 와 mdes 는 펌프 제작사의 고유 설계값을 사용한다.
그리고 파이프 배관에 의한 압력 손실 계수들 (Kc1, K45) 은 현장의 파이프 설치 조건에 따라 구해질 수 있으며, 스크러버 압력손실 계수 (Kscr) 는 스크러버 제작업체의 설계 또는 시험 결과를 통해 구해진다.
Fig. 2 Mass flow rate vs inlet pressure (DD vacuum pump)
2-2. 계통 해석 결과 및 고찰
그리고 파이프 배관에 의한 압력 손실 계수들 (Kc1, K45) 은 현장의 파이프 설치 조건에 따라 구해질 수 있으며, 스크러버 압력손실 계수 (Kscr) 는 스크러버 제작업체의 설계 또는 시험 결과를 통해 구해진다.
앞서 기술한 식 (2)-(7)의 진공펌프 계통의 해석방법을 Fig. 1의 국내 한 반도체 생산설비의 진공펌프 계통에 대해 적용하여 본 방법의 신뢰성을 검증하였다. 식 (2)의 경계 조건인 챔버 압력(Pc)은 0.3 torr, 대기압(Pa)은 760 torr 로 설정하였고, 진공 펌프들의 특성 곡선에 대한 상관 관계식 및 고유 설계치들은 펌프 제작업체가 제공한 자료들을 사용하였다.
식 (2)-(7)의 6개 연립방정식을 풀기 위해서는 MATLAB을 사용하였고, 수치해석 방법으로는 Levenberg_Marquardt 방법을 사용하였다. Fig.3은 스크러버 압력손실계수(Kscr)를 0에서 1010 Pa/(kg/s)2 까지 바꾸어 가며 해석한 결과들을 비교하고 있다.
Kscr이 0인 조건은 진공펌프계통에 스크러버가 설치되지 않은 경우를 의미하며, Kscr이 1010 인 조건은 스크러버에 공정 가스 부산물이 많이 퇴적되어 스크러버가 거의 막혀 있는 경우를 의미한다. 그리고 Kscr이 3.125x107인 경우는 스크러버 제작업체에서 위험 신호를 주는 설계 값이다.
Fig. 3에서 보여 지듯이, 스크러버가 없는 진공펌프계통에 대한 예측 결과와 실제 시험 결과가 잘 일치하고 있다. 이를 통해 본 방법이 진공펌프 계통 분석에 신뢰성 있게 적용될 수 있음을 알 수 있다. Fig.3으로 부터, 스크러버 압력손실계수 (Kscr) 가 107 이하인 경우에는 진공펌프 계통의 압력 곡선이 거의 변화되지 않고 정상적인 조업 조건이 유지됨을 알 수 있으나, 부산물의 퇴적으로 인해 스크러버 압력손실계수(Kscr)가 107 이상으로 올라가는 경우에는 압력 곡선이 정상적인 조건에 비해 현저히 변화하는 양상을 보인다.
😥 미리 보기는 여기까지!
내용을 이어서 보고 싶다면,
아래 정보를 입력해 주세요.
