증착코팅 장치에서 온도가 왜 중요할까요?
이번 주제인 증착 코팅 장치 탑 리드는 반도체 공정 중 증착을 위해 사용되는 PECVD의 커버입니다. 플라즈마가 사용되는 장치의 경우 300℃~500℃로 매우 높은 고온의 환경에 노출되어 있으며, 내부의 히트 블록(Heat block)에서 복사 현상을 통해 커버인 탑 리드 구조물로 전달이 되고 내부 냉각관을 통해 구조물의 적정온도를 유지합니다.
300℃ 넘는 환경에 노출되고 다양한 재료가 들어간 반도체 장비에서는 온도에 의한 문제가 더욱 크게 발생할 수 있습니다. 증착 공정을 위해서 내부는 항상 진공상태의 기밀성을 유지하면서 고온의 환경에 노출됩니다. 만약 고온에 의해 밀폐를 위한 고무 O-ring이 녹아버린다면 혹은 온도 편차에 의해 탑 리드 전체가 휘는 것처럼 열팽창이 발생해서 틈새가 생겨버린다면, 내부의 기밀성이 유지될 수 없어 목적에 맞게 사용할 수 없습니다. 열팽창에 의한 하중 부하가 심하다면 구조물 자체가 파손될 위험도 존재하고 있습니다.
반도체 공정의 특성상 많은 장비가 100℃ ~ 500℃ 의 고온의 환경에 노출되어 있습니다.
한여름 무더운 날씨가 보통 35℃ 온도인 것을 생각해보면 장비가 운용되는 100℃~500℃ 온도는 상상하기 어려운 온도일 수 있습니다.
프랑스 파리의 유명한 에펠탑은 여름에 겨울보다 6 inch(15.24cm) 키가 큰다고 합니다.
높은 온도에서 물체가 “열팽창”에 의해 물체의 부피가 커지게 되는 것입니다.
고온에서 반도체 장비는 과연 어떨까요??
열전달 현상을 어떻게 정의할 수 있을까요?
온도가 높다면 어떤 문제가 생길 수 있을까요?? 단순하게는 고온에 의해 아이스크림이나 초콜릿이 녹는 것처럼 철이나 플라스틱도 매우 높은 온도에서 녹아버릴 수 있습니다. 또는 열에 의해 팽창되어 구조물이 심하게 변형될 수 있습니다. 이를 방지하기 위해 우리 주변에서 철로나 도로를 보면 일정부분마다 간격을 띄워 놓는 것을 볼 수 있습니다. 만약 다 붙여놓는다면 철로가 휘거나 도로가 파손돼서 튀어 오르는 매우 위험한 상황이 발생할 수 있습니다.
열이 전달되는 물리현상은 일반적으로 전도, 대류, 복사 열전달로 수치화하여 표현할 수 있습니다. 고온의 히트 블록에서 발생한 열이 각 위치의 구조물까지 어떻게 전달될 것인지 그리고 어느 정도의 위치별로 온도분포가 발생하는지를 수치적으로 명확하게 확인하고 열에 의한 팽창변형이나 영구변형 측면에서 안전한지에 대해 정성적으로 평가해야 합니다.
그렇다면 반도체 장비 구조물에 대해서 내부 고온의 히트 블록에서 온도가 어떻게 전달되고 온도분포와 구조적 안전성이 있는가에 대해 함께 알아보도록 하겠습니다. 예제는 증착 코팅 장치의 탑 리드에 내부 히트 블록에 의한 복사열과 내부 냉각관의 영향을 고려해서 온도분포와 열팽창, 응력분포를 기반으로 ASME 준하여 안전성을 검토한 자료입니다.
반도체 증착코팅 장치 탑리드 열전달 및 열응력 해석
해석 목적
- 증착 코팅 장치 속 가열 장치(Heater Block)로부터 가해진 열에 의해 가열되는 탑 리드 및 냉각 파이프에 따른 온도 분포 확인
- 열팽창에 따른 열응력은 ASME Sec.VIII Div.2 준하여 Primary + Secondary stress 구조안전성 평가 수행
주요 해석결과
- 내부 고온의 히트 블록 및 탑 리드 내부 냉각관 반영하여 열전달 해석한 결과, 탑 리드 하단부에서 최대 189.97℃, 탑 리드 모서리부에서 최소 78.23℃로 최대편차 111.74℃ 발생함을 확인함
- ASME 2010 SEC.VIII, DIV.2에 따라 각 재료별 허용응력 Sps 값(: Max.(2*Sy or 3*Sm))과 최대 발생 응력을 비교한 결과, 모든 파트에서 약 1.99 이상의 안전율로 해당 구조물은 작동 조건 내에서 구조적 안전성을 확인함
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