Throttle Valve Pressure Controller

Throttle Valve Pressure Controller란 무엇인가?

반도체 제조 공정에서 ‘진공’은 절대적으로 필요한 공정 환경입니다. 특히 CVD, Etch, ALD 같은 고정밀 공정에서는 챔버 압력을 미세 단위로 정밀하게 제어해야 하며, 이 핵심 역할을 수행하는 장치가 바로 **Throttle Valve Pressure Controller(스로틀 밸브 압력 제어기)**입니다.

Throttle Valve는 챔버와 진공 펌프 사이에 설치되어 있으며, 챔버 내부의 압력(Feedback Pressure)을 실시간으로 감지하고, PID 알고리즘 기반의 컨트롤러가 목표값(Set Point)과 비교하여 적절한 개도를 유지시킵니다.

단순히 밸브를 여닫는 것이 아닌, 압력 센서 → 컨트롤러 → 액추에이터로 이어지는 정밀 제어 루프를 통해 수 mTorr 단위까지 정확하게 압력을 제어할 수 있습니다.

 

Throttle Valve의 구조와 작동 원리

Throttle Valve는 구조에 따라 다음 두 가지로 나뉘며, 반도체 장비에 따라 적절한 타입이 적용됩니다.

1. Butterfly Valve

• 원형 디스크가 회전하며 개도를 조절
• 빠른 응답성과 소형화 가능
• CVD, Etch 공정에서 자주 사용됨

2. Gate Valve

• 플레이트가 상하로 이동하며 개폐
• 고진공 및 플라즈마 저항성이 우수
• ALD 또는 초고진공용 공정에 적합

이 밸브들은 서보 모터 또는 스텝 모터 액추에이터를 통해 제어되며, 일부 장비는 엔코더 피드백 기반으로 0.1도 단위의 정밀한 개도 조절도 가능합니다.

 

PID 제어 알고리즘이 중요한 이유

Throttle Valve Pressure Controller의 뇌 역할을 하는 것은 PID Controller입니다. PID는 세 가지 요소로 구성됩니다:

• P (Proportional): 현재 오차에 비례해 조절
• I (Integral): 누적 오차를 장기적으로 보정
• D (Derivative): 오차 변화 속도에 따라 예측 제어

PID 튜닝이 잘못되면 다음과 같은 문제가 발생할 수 있습니다:

• 압력 오버슈트로 공정 불안정
• **발진(Oscillation)**으로 장비 손상
• 응답 지연으로 타이밍 불일치

따라서 공정 조건에 맞는 PID 값 튜닝은 반드시 전문가에 의해 수행되어야 하며, 공정 변경 시마다 재조정이 필수입니다.

 

압력 제어 방식: Open Loop vs. Closed Loop

1. Open Loop 방식

• 압력 센서를 사용하지 않음
• 일정 시간 또는 밸브 각도 기반 제어
• 구조는 단순하지만 정밀도 떨어짐

2. Closed Loop 방식

• 압력 센서에서 실시간 피드백 수신
• PID 제어로 자동 조정
• 정밀 공정에 필수 (Etch, ALD 등)

현재 대부분의 반도체 장비는 Closed Loop 방식을 채택하고 있으며, 정밀 센서를 기반으로 수 mTorr 단위의 안정적인 제어를 구현하고 있습니다.

 

 구성 요소별 상세 설명 

구성	요소기능
Throttle Valve	챔버와 펌프 사이 압력 흐름 제어 (Butterfly 또는 Gate Type)
Pressure Sensor	Capacitance Manometer, Pirani Gauge 등으로 압력 측정
PID Controller	목표 압력 도달을 위한 개도량 계산
Actuator	서보모터/스텝모터로 밸브 물리적 구동
인터페이스	RS232, RS485, DeviceNet, EtherCAT 등 장비와 통신 연결

 

 

 실제 반도체 공정에서의 적용 사례

1. CVD 공정

• 증착 중 일정한 압력 유지가 필수
• 가스 유량 변화에도 PID로 압력 안정화

2. Dry Etch 공정

• SF₆, Cl₂ 등 반응성 가스 사용
• 압력 변동은 식각 균일도에 직접 영향

3. ALD 공정

• 원자층 단위 증착 → 압력 변화가 곧 불량
• Pulse/Exposure/Purge 등 단계별 압력 다르게 설정 필요

 

 주요 제조사 및 기술 동향

 

반도체 양산에 사용되는 대표 제조사

• MKS Instruments (https://www.mks.com): Baratron 센서 기반 정밀 제어 솔루션
• VAT Valve (https://www.vatgroup.com): 고진공용 밸브 및 컨트롤러 전문
• PLAYTG  (https://playtg.co.kr): 경제성과 성능의 균형이 좋은 국산 제품

 

기술 트렌드

• AI 기반 압력 예측 제어
• 스마트 진단 기능 내장된 Self-diagnosis Controller
• 초고속 서보모터 탑재 → 10~50ms 응답 속도 실현

 

자주 발생하는 문제와 유지보수 포인트

증상	원인	조치
압력 불안정	PID 튜닝 미흡	PID 재조정
밸브 멈춤	이물질 유입, 축 마모	Valve 분해 세척
압력 튐	MFC 불안정, 펌프 용량 문제	Flow Sync 및 펌프 점검
센서 노이즈	노후화, 오염	센서 교체 또는 보정

 

 

정기 점검 추천 주기

• 밸브 오염 확인: 매월
• 센서 교정: 6개월마다
• 액추에이터 점검: 연 1회
• PID 재튜닝: 공정 조건 변경 시 즉시

 

통신 및 시스템 연동

현대 반도체 장비는 PLC(PC) 또는 FDC 시스템과 실시간 연동되어야 하므로, Throttle Valve Controller의 통신 안정성도 매우 중요합니다.

• RS-232/RS-485: 구형 장비 호환
• EtherCAT: 고속 고정밀 장비용
• 장비 연동 실패 시: 압력값 9999 오류, 통신 끊김, 공정 비정상 종료

해결 팁

• 통신 간섭 제거용 노이즈 필터링 장치 설치
• 접지 분리, 장비 펌웨어 버전 일치 확인

 

정밀 진공 제어의 심장, Throttle Valve Pressure Controller

Throttle Valve Pressure Controller는 단순한 유틸리티가 아닌, 공정 수율과 직결된 정밀 제어 솔루션입니다. 특히 압력 오차가 미세 불량으로 이어질 수 있는 반도체 공정에서는, 이 장치의 정확한 작동과 적절한 유지보수가 핵심 경쟁력입니다.

정확한 압력 제어, 정기 유지보수, PID 최적화, 그리고 센서 교정을 통해, 공정 안정성과 수율을 동시에 확보할 수 있습니다. 챔버 내부의 수mTorr 압력 차이가 수백 개의 웨이퍼 품질을 좌우할 수 있습니다.