반도체 진공챔버의 Pumping & Venting 시퀀스

 

반도체 진공챔버, 왜 압력 제어가 중요한가?

반도체 제조공정에서 '진공챔버(Vacuum Chamber)'는 공정의 정밀도를 좌우하는 가장 중요한 구성요소 중 하나입니다. 수십 나노미터 수준의 패턴을 형성해야 하는 극한의 정밀 환경에서, 공기 분자조차 공정에 치명적인 오염원이 될 수 있기 때문입니다.

이러한 이유로 진공챔버는 '압력'이라는 물리적 조건을 정밀하게 제어해야 하며, 그 핵심이 바로 **Pumping (진공 형성)**과 Venting (진공 해제) 시퀀스입니다. 이 글에서는 반도체 장비에서 일반적으로 사용되는 진공챔버의 Pumping & Venting 시퀀스를, 엔지니어와 오퍼레이터 모두가 이해할 수 있도록 구체적인 단계와 장비 작동 원리까지 풀어 설명합니다.

 

진공챔버의 기본 구조 이해

진공챔버는 다음과 같은 주요 장치로 구성됩니다:

• 챔버 본체 (Chamber Body): 공정이 실제로 수행되는 밀폐된 공간
• Dry Pump: 대기압 상태에서 10⁻¹~10⁻³ Torr까지 압력을 낮추는 장치
• Turbo Molecular Pump (TMP): 고진공(10⁻⁶ Torr 수준) 형성을 위한 고속 회전 펌프
• Vent Valve: 질소나 Clean Dry Air를 유입시켜 압력을 다시 대기압으로 높이는 밸브
• Gate Valve: 펌프와 챔버 사이의 경로를 제어하는 밸브
• 진공 게이지 (Pirani, Cold Cathode 등): 실시간 압력 측정을 위한 센서

 

 

Pumping 시퀀스 – 진공은 어떻게 형성되는가?

1단계 – 초기 상태 확인

공정 전에 챔버가 진공화되기 전, 다음 사항을 반드시 점검합니다:

• Vent Valve 완전 폐쇄
• Dry Pump 정상 대기 상태
• TMP 회전 여부 확인 (필요 시 Pre-Spin)
• 진공 게이지 정상 작동 여부 확인
• 인터록 시스템 작동 (도어 닫힘 등 안전 조건 충족)

 

2단계 – Roughing: Dry Pump를 이용한 초기 배기

Roughing은 진공 형성의 첫 단계로, Dry Pump를 통해 챔버 내부의 대기를 빠르게 배출합니다.

• 초기 압력: 약 760 Torr (대기압)
• 목표 압력: 약 10⁻³ Torr
• 장비: Dry Pump, Scroll Pump, 또는 Roots Pump
• 제어 포인트:
  • Roughing Valve Open
  • Pressure 모니터링 (Pirani Gauge 사용)
  • TMP는 이 단계에서 Gate Valve가 닫혀 있어야 함

▶ 시간 소요: 수십 초 ~ 수 분
▶ 위험 요소: TMP Gate를 이 시점에 열면 내부 과부하로 파손될 수 있음

 

3단계 – Cross-over 및 TMP 구동

Dry Pump로 대기압에서 10⁻³ Torr 수준까지 낮춘 후, TMP를 구동해 고진공 상태로 진입합니다.

• TMP 회전 속도(RPM) 확인 → 지정 RPM 이상 도달 시 Roughing Valve Close, Gate Valve Open
• TMP는 10⁻³ Torr 이하에서 가장 효율적으로 작동하므로, 적정 압력까지 도달 후 연결
• Dry Pump는 TMP의 배기 포트(Foreline) 유지용으로 계속 동작

▶ 압력 범위: 10⁻³ ~ 10⁻⁶ Torr
▶ 시간 소요: 수 분 ~ 수십 분 (챔버 크기와 조건에 따라 다름)

 

 4단계 – Base Pressure 확인 및 공정 대기

공정 시작 전, 설정된 Base Pressure에 도달했는지 센서로 확인합니다.

• Base Pressure 도달 시 → 공정 시작 허용 신호 생성
• 이상압 발생 시 인터록 작동하여 공정 시작 불가

 

Venting 시퀀스 – 진공을 어떻게 해제하는가?

1단계 – 공정 종료 후 안정화 대기

공정이 끝난 후 바로 Vent를 시작하면 안 됩니다.

• Plasma 또는 RF 파워 종료 후 → 약간의 안정화 시간 필요
• 챔버 내부 온도 및 잔류 가스 제거 시간 확보

▶ Dry Pump와 TMP는 계속 작동 중

 

2단계 – TMP 분리 (Gate Valve 닫기)

TMP를 보호하기 위해 Gate Valve를 먼저 닫습니다.

• TMP는 완전 정지시키지 않고, 회전은 계속 유지 (Cold Shutdown 금지)
• TMP 베어링 보호 목적

 

3단계 – Vent Valve 개방 및 질소 주입

Vent Valve를 점진적으로 열어 **N₂ 또는 CDA (Clean Dry Air)**를 투입합니다.

• Fast Venting:
  • 밸브를 빠르게 열어 수십 초 안에 대기압 도달
  • 위험: 파티클 재비산, 서지 현상, 내부 부품 손상 가능성
• Slow Venting:
  • Regulated Flow로 천천히 압력 상승
  • 수 분간 대기압 도달
  • 장점: 파티클 제어, 정전기 방지, 열적 충격 방지

▶ 압력 모니터링: Capacitance Manometer 또는 Pirani Gauge 사용
▶ 도어 인터록: 압력 730~760 Torr 도달 후 도어 개방 가능

 

자동화된 Pumping & Venting 시퀀스 예시 (Load Lock 기준)

[Pumping]
1. Door Close 확인
2. Vent Valve Close 확인
3. Roughing Valve Open → Dry Pump 시작
4. 10⁻³ Torr 도달 시 → Roughing Valve Close, TMP Start
5. TMP RPM 도달 시 Gate Valve Open
6. 10⁻⁶ Torr 도달 시 공정 Ready

[Venting]
1. 공정 종료 → RF/Plasma 종료
2. TMP Gate Valve Close
3. Vent Valve 점진적 Open → N₂ 유입
4. 760 Torr 도달 시 → Door Open

 

 

Pumping & Venting 시 실무 노하우 10가지

1. TMP는 압력보다 RPM을 먼저 확인 후 연결
2. Dry Pump 필터 및 오일 상태 주기적 점검
3. Vent 가스는 반드시 건조하고 청정한 질소 사용
4. 게이지 센서도 정기적인 교정 필요
5. Gate Valve는 전동형보다 공압형이 반응 속도 우수
6. 공정별 Base Pressure 기록 및 이력 관리
7. 파티클 분석 결과가 안 좋다면 Slow Vent 의무화
8. Vacuum Leak Test는 Pumping 속도 비교로 간접 진단 가능
9. 공정 시작 전 Pressure Drop Test로 시스템 Tightness 확인
10. Pumping/Venting 모두 단계별 Delay 타이밍 설정 필요

 

핵심 키워드 요약

키워드	설명
Pumping 시퀀스	진공 형성 단계
Roughing	초기 배기 단계, Dry Pump 사용
TMP	고진공 형성을 위한 고속 회전 펌프
Venting 시퀀스	진공 해제 단계
Slow Vent	입자 방지용 점진적 압력 상승
Gate Valve	챔버와 펌프 간 경로 제어 밸브
Interlock	압력 조건 만족 시 동작 허용