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연재 매스플로우 천일야화(63) <매스플로우의 기초>

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작성자 댓글 0건 조회 1,596회 작성일 20-09-25 15:31

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사진 1.



서론

이번 회에는 매스플로우 미터(이하 MFM)와 매스플로우 컨트롤러(이하 MFC)의 전쟁터인 반도체 제조장치를 대상으로 하는 제품의 특수성에 관해 이야기해보려 한다. 반도체 제조장치를 대상으로 하는 시장은 전성기에는 매스플로우(MFMMFC의 총칭)의 세계 시장 점유율 80%를 차지했다고 알려져 있다. 분석, 연소, 에너지, 그 외 시장을 일반산업용 시장이라는 하나의 카테고리로 묶어서 다루는 시장과는 차원이 다르다. 특히 일본에서는 90년대에 제조 공정에 혼입하는 극미량의 불순물에 의해 초LSI의 성능수율이 크게 좌우된다는 점에 착안하여, 이것을 최대한으로 배제하는 울트라 클린(이하 UC) 테크놀로지의 중요성이 제창되기도 했다. 매스플로우(특히 MFC)의 기본 성능과는 다른 부분, 리크 성능이나 접가스 재질, 접가스부 표면 처리라고 하는 일반산업용에서는 거의 들어본 적이 없는 특수 기술이 부여된 이른바 “UC 지원 매스플로우라고 하는 카테고리가 생겨난 것이다. UC 지원은 재료 조달 절단 내면 연마 랩 가공 세척이라는, 매스플로우를 조립, 조정하기 이전의 재료 선정, 부품 가공 등 외주 기업에 위탁하는 경우가 많은 부분에 가중치가 주어져 있으며, 지금도 높은 수준에서 이 공정을 원스톱으로 실시할 수 있는 몇 안 되는 금속 가공회사의 역량에 도움을 받고 있는 부분이다(사진 1).

 

메탈 실링 및 리크율

메탈 실링은 제2세대 MFC에 탑재되기 시작한 기술이다. 이전의 외부 리크(누출)를 방지하는 실링재는 주로 엘라스토머(수지) 실링이었다(그림 1). 그러나 보다 높은 리크율이 요구되면서 수지 실링은 아무래도 분자 간 거리가 넓어서 가스가 투과되어 버리는 문제를 안고 있었다. 또한 반도체에서 사용하는 가스에는 엘라스토머 실링의 주력이었던 불소 고무(바이톤®)를 팽윤 또는 부식시켜 버리는 가스 종류도 있었기 때문에 보다 더 높은 리크율을 가진 대체 실링재 개발이 급선무였다.


리크율이란 MFC 단독에서의 기밀 성능을 평가하는 항목이다. JIS에는 어떤 조건 하에서 어떤 리크를 통과하는 정해진 기체의 스루풋이라고 기재되어 있다. 여기에서의 리크란 외부 리크를 말하며 MFC의 유량 제어 밸브의 닫힘 성능(내부 리크량=유출량)을 정의하는 것은 아니므로 주의해야 한다. 매스플로우 카탈로그에서는 1×10-12Pa/sec(He)라는 표기를 자주 볼 수 있다. 익숙해지지 않으면 먼저 이 Pa/sec 자체에 골머리를 앓게 된다. 이것은 누출 검출기에서 자주 사용되는 미세한 누출량을 나타내는 유량 단위이다. 필자가 매스플로우 업계에 데뷔했을 때는 아직 atmcc/sec라고 표기하는 경우가 더 많았다. 진공 관련 업계에 종사했던 필자보다 이전 시절의 사람들 중에는 torrL/sec라는 단위가 익숙한 분들도 계실지 모른다. 단위환산표는 산업기술종합연구소 계량표준종합센터 광학계측표준연구부문 압력진공표준연구그룹 홈페이지(URL은 마지막 페이지에 기재)에 정리되어 있으므로 확인해보시기 바란다. 또한 ccmL이라고 표기되어 있다. ccSI 단위계에서도 JIS에서도 사용할 수 없는 단위이기 때문이다. ‘그렇다면 SCCM은 무엇인가?’라는 촌스러운 질문은 지금까지 연재를 읽으셨던 독자께서는 하지 않으셨으면 한다. SCCM 유일의 근거인 SEMI Standard 조차 “Pa/sec를 이용하는 것이 바람직하다라고 표기했기 때문에 반도체 업계에서만 통용되는 관용 단위라는 것은 더 이상 말할 필요도 없다(자세한 내용은 62회 참조).

 

카탈로그 누출 속도에 관한 표기는 크게 두 그룹으로 나눌 수 있다. 메탈 실링 모델이 1×10-12Pa/sec(He), 엘라스토머(러버) 실링 모델이 1×10-9Pa/sec(He) 정도이다.

메탈 실링 방법에는 몇 가지가 있는데, SUS 316L의 블록과 플랜지를 연마하고 마지막에는 래핑을 통해 경면 상태로 만든 부품들을 실링재인 금속 O링 혹은 C링을 끼워서 규정 토크로 볼트 고정하는 방법이 많으며, 이 때 체결하는 힘에 대한 O(C)의 반력으로 유체의 누출을 실링하고 있다. 간단하게 설명하면 <그림 2>와 같은 이미지가 된다(이 그림은 어디까지나 이미지이며 특정 제조사의 구조를 도시한 것은 아니다). 그러므로 메탈 실링이란 실링재만 동일한 형태의 금속 실링으로 바꾸면 사용할 수 있는 것이 아니다. 당연히 엘라스토머 O링과는 받는 쪽의 몸체, 플랜지의 설계도 다르며 SUS316L이라는 가공이 어려운 재료를 정밀 가공으로 깎아내어 실링부를 연마하고 래핑으로 마무리할 필요가 있기 때문에 처음에는 매우 고가의 실링 방법이었다. 


메탈 실링의 경우 리크율은 He 누출 검출기의 검출 한계가 그대로 기재되어 있는 경우가 많은데, “실제로는 더 누출되지는 않지만 검출할 수 있는 것은 여기까지 뿐이다.”라는 의미이다. 이 리크율은 (He)라고 기재하는 것처럼 헬륨 누출 시험이다. 헬륨이 사용되는 이유는 두 번째로 작은 원자이며 약간의 빈틈을 빠져나올 수 있는 성질을 가지고 있어 누출 감지에 편리하기 때문이다. 그러나 헬륨의 가격은 현재 폭등하여 매우 고가인 가스이다. 그렇다면 왜 가장 작고 가격도 저렴한 수소를 사용하지 않는가 하는 질문이 있을 수 있는데, 이는 연소 및 폭발하기 쉬운 수소 역시 이용하고 싶지 않기 때문이다.

 

매스플로우의 출하 검사의 경우, 진공 후드법으로 헬륨 누출 시험이 이루어지고 있는 경우가 많다. 다른 방법으로 취부법이나 스니퍼법이 있으며 매스플로우가 비교적 소형의 기기라는 점과 출하 시 단일 제품으로서의 전체 누출량을 계측하기 위해 진공 후드법이 일반적이다(그림 3). 배관 기기의 외부 누출은 인명과 관련된 사고를 일으킬 가능성이 있다. 인간은 산소가 20% 정도 섞인 공기에서밖에 살 수 없기 때문에 불활성 가스인 질소 100%에서는 질식되어 버릴 것이다. 하물며 반도체에 사용되는 가스는 독성이나 가연성, 폭발성을 가진 가스가 퍼져 있을 것이다. 실란(SiH4)1% 미만까지 희석해도 공기와 접하면 자연 발화하는 경우가 있는 재료이다. 필자가 신입 시절에 외부 누출 사고를 한번이라도 일으킨 매스플로우 제조사는 출입을 금지한다!’라고 말할 정도까지 반도체 디바이스 제조사에게는 위협이 되는 가스다. 그런 만큼 전수 He 누출 검사를 실시하고 그 결과를 검사 성적서에 기재하여 납품하는 것이 당연한 규칙이다.

누수 테스트에 관해서는 참고 자료로 SEMI E16-매스플로우 컨트롤러의 누설률 결정 및 가이드를 읽어보시기 바란다.


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그림 1. 


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그림 2. 메달 O링 사용 시(단면)


a302b2e5509e54bc4c23ea4179dd3509_1601015434_38.jpg
그림 3.
 




..(후략)




黒田 誠 / EZ-Japan

본 기사는 2020년 9월호에 게재되었습니다.  

  

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본 기사는 월간지[計側技術] (일본일본공업출판주식회사 발행)로부터 번역·전재한 것입니다.

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