오늘 다뤄볼 주제는 구조물의 “내부 진공 압력”입니다.
진공은 흔히 우주 공간에 비유해서 이야기합니다. 어떠한 입자도 존재하지 않는 공간입니다.
반도체 공정 중 증착, 박막, 포토 등 대부분 단계에서 구조물 내 진공 상태를 요구하며, 잔류 된 불순물들에 의해 hillock 등의 불량 요소들이 발생할 수 있습니다.
그림 1. 박판 불량 요소 단면 사진
구조물 내부가 진공 상태라면 주변 입자들에 의해 압력이 낮은 내부 방향으로 “진공 압력＂이 발생하게 됩니다.
만약 완전 진공 상태가 된다면 주변 대기압과 유사한 최대 1atm의 진공 압력이 형성될 수 있습니다.
그림 2. 진공 게이지 예시
반도체 구조물에 대해 진공 압력 검토는 왜 필요할까요?
이번 주제인 트랜스퍼 챔버 구조물은 반도체 공정 특성상 공정 간 진공 상태에 항상 노출되어 있습니다. 우리 눈에 보이지 않지만, 공기에는 다양한 입자들로 구성되어 있고 증착 공정이나 박막 공정 등의 반도체 공정 간에 이러한 입자들이 불순물로서 대상 표면에 불량 요소를 만드는 요인이 될 수 있습니다. 그렇기 때문에 반도체 장비에서는 진공 펌프를 이용하여 상시 진공 상태를 유지하고 있습니다.
반도체 공정에서 항상 진공 상태가 유지되어야 한다는 것은 바꿔 얘기한다면 구조물이 내부로 수축하는 진공 압력이 상시로 적용되고 있으며, 이때 구조물의 안전성이 필수로 확보되어야 한다는 의미가 될 수 있습니다. 만약 항복 강도 이상의 영구 변형이 구조물에 상시로 발생하고 있다면 구조물 파괴는 물론 진공 상태 유지에 어려움이 존재할 수 있습니다.
진공 압력은 어떻게 수치적으로 정의하고 평가할 수 있을까요?
진공을 이야기할 때 가장 쉽게 이해할 수 있는 것은 우주 공간입니다. 우주에서는 입자가 존재하지 않아 유체의 흐름이나 압력, 마찰, 저항 등 어떠한 물리 현상이 존재하지 않는다고 이야기합니다. 반면에 우리가 생활하고 있는 지구에서는 대기 중에 여러 입자와 성분들로 구성되어 내/외부에서 같은 대기압을 받고 있습니다.
만약 챔버 내부가 완전한 진공 상태가 된다면 어떻게 될까요?? 외부에서는 대기압이 동일하게 존재하고 있고, 내부는 입자들이 제거되어 압력이 존재하지 않으므로 구조물 내부로 최대 1atm의 대기압으로 수축할 수 있습니다. 현실에서는 완전한 진공 상태를 만들 수 없다고 이야기하지만, 수치 해석에서는 보수적인 상황을 가정해 1atm의 진공 압력에 대해 검토를 수행하게 됩니다.
그렇다면, 구조물이 완전 진공 상태가 되었을 때 어떻게 해석 검증을 할 수 있는지 함께 알아보도록 하겠습니다. 예제 모델은 반도체 공정에 사용되는 트랜스퍼 챔버 구조물이며, 완전 진공 상태에 대한 진공 압력 1atm과 구조물 자체 무게 하중에 대해 과연 구조 안전성을 가지는가에 대한 검토 자료입니다.
해석 프로그램
- midas NFX 2021 R1
해석 종류
- 선형 정적해석(Linear static analysis)
해석 목적
트랜스퍼 챔버 구조물에 구조물의 무게 하중과 상/하부 장비 하중 및 내부 완전 진공 상태 가정하여 내부 면에 진공 압력 하중 1atm 적용 시 구조물의 안전성 검토를 수행.
구조 안전성 평가는 안전율 1.5 기반으로 각 재료 허용 응력(항복 응력/안전율)보다 낮으면 구조적 안전성을 가진다고 평가하며, 기밀성 유지를 위해 추가 제한 사항으로 1mm 이내 변형을 기준으로 평가함.
그림 3. 트랜스퍼 챔버 구조물 예시, 해석 모델
주요 해석 결과
그림 4. Case. 1 미보강 모델 해석 결과
그림 5. Case .2 처짐 보강 모델 해석 결과
- 고정 하중과 장비 하중 및 내부 진공 압력 1atm에 대한 트랜스퍼 챔버 구조물 구조 안전성 검토 수행.
- Case. 1 미보강 모델의 경우 내부 진공 압력에 대하여 상부 판에서 최대 1.40mm 변형으로 요구 기준 1mm 만족하지 못하며, 처짐 변형으로 상부 판에서 최대 59.86MPa로 재료 허용 응력 184MPa 이내 안정성 확인함.
- Case. 2 처짐 보강 모델은 상/하부 판에 형상 보강재 추가함으로써 상부 처짐 변형에 대하여 보강부에서 하중을 분담하도록 적용함. 내부 진공 압력에 대하여 상부 판에서 최대 0.94mm 변형으로 요구 기준 1mm 만족하며, 처짐 변형 때문에 상부 판에서 최대 85.73MPa로 재료 허용 응력 184MPa 이내 안정성 확인함.
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