Load-Lock 시스템의 작동 환경을 개선하는 방법
진공 시스템을 다룰 때 Load-Lock이라는 용어를 들어본 적 있나요?
Load-Lock은 주로 진공 환경에서 사용하는데, 챔버의 특정 장비나 시스템을 개방하지 않고도 샘플이나 부품을 추가하거나 제거할 수 있는 장치를 뜻합니다.
Load-Lock을 이용하면 시스템이 안정적으로 진공 환경을 유지할 수 있는데 이번 시간에는 진공 시스템의 Load-Lock을 개선할 수 있는 작업에 대해 알아보겠습니다.
Load-Lock 이란?
위에 언급한 것처럼 로드락이란, 진공 시스템을 대기에 노출시키지 않고 시료나 샘플을 주입, 또는 제거할 수 있는 장치입니다.
시스템 내부의 진공도를 유지하면서 시료, 샘플, 장비 등을 시스템 안팎으로 빠르고 편리하게 이동시키는 것이 목적으로, 주로 높은 진공도의 유지가 중요한 분야에서 많이 사용되고 있습니다.
작동 원리
로드락에는 일반적으로 두 개의 밸브가 있는데 하나는 진공 시스템 내부와 연결하고, 다른 하나는 대기압에 노출되어 있는 외부와 연결합니다.
샘플은 먼저 대기압 상태에서 로드락에 놓은 후, 외부와 연결된 밸브를 잠궈 로드락을 밀폐하고 펌프를 이용해 로드락 내부의 압력을 낮춥니다.
로드락 내부의 압력이 원하는 진공도에 도달하면, 시스템 내부와 연결된 밸브가 열리고 샘플이 시스템 안으로 이동될 수 있습니다.
사용 목적
로드락을 사용하는 목적은 진공 시스템이 대기에 노출되지 않도록 보호하기 위한 것으로, 진공 환경을 오염시키고 싶지 않거나, 진공도가 낮아져 다시 복원하기 위해서 장시간이 걸리는 상황을 피하기 위해서 사용됩니다.
로드락을 사용하면 진공 시스템이 일정한 저압 상태를 유지할 수 있으며, 샘플을 보다 빠르고 편리하게 이동시킬 수 있습니다.
사용 환경
로드락은 표면 분석이나 박막 증착, 반도체 처리 및 전자 현미경을 포함한 많은 과학 및 산업 응용 분야에 사용됩니다.
이런 경우 프로세스가 제대로 작동 하려면 시료 또는 샘플이 높은 진공 환경에 있어야 하며, 로드락을 통해 진공 시스템을 오염시키지 않고 작업을 수행할 수 있습니다.
Load-Lock 시스템의 작동을 개선하는 방법
로드락 시스템의 주요 목적은 시스템 외부의 대기압 상태와 시스템 내부의 진공 상태가 안전하게 전환되는 것입니다.
따라서 시스템 외부의 대기압과 시스템 내부의 진공도를 정확하게 측정할 필요가 있습니다.
두 지점의 진공도가 정확하게 측정될수록 전체 프로세스의 품질과 효율이 향상되고, Load-Lock 장치가 올바르게 작동될 가능성 또한 높아지기 때문입니다.
로드락 시스템 압력 측정의 중요성
로드락 시스템이 외부 대기압에 노출될 때, 오염된 습기가 로드락 내부로 흐르는 것을 차단하기 위해서는 약간의 양수적인 상대 압력을 가지는 것이 이상적이지만, 로드락의 내부의 압력이 너무 높으면 기체가 로드락에서 배출되며 발생하는 '펑' 소리를 초래해 시스템에 문제가 발생할 수 있습니다.
환기 종료 시점을 결정하기 위해서는 대기압과 가까운 압력을 정확하게 측정해 로드락 시스템이 충분히 환기된 후에만 열리도록 해야합니다.
정밀한 압력의 측정은 로드락이 mTorr 범위의 압력에 도달할 때 다시 한 번 중요성이 드러납니다.
측정에 사용되는 기기가 진공도를 너무 높게 측정하면, 실제 로드락의 압력은 시스템이 필요한 진공도보다 더 낮은 상태일 수 있습니다.
이런 경우, 로드락 챔버가 펌핑단계를 필요 이상으로 진행하며 시간과 처리량이 낭비될 수 있습니다.
반대로 측정 기기가 진공도를 너무 낮게 측정하면, 밸브가 열릴 때 실제 로드락의 압력이 너무 높아 외부의 오염물질이 로드락 내부로 이동해 시스템 환경 전체가 오염될 수 있습니다.
로드락 시스템의 압력을 측정하는 이상적인 방법
역사적으로 로드락 시스템의 압력을 측정하기 위해서는 여러 가지 방법이 사용되었는데, 그 중 한 가지 방법은 컨벡션-피라니(Convection Pirani) 진공 게이지를 사용해 두 영역의 압력을 측정하는 것입니다.
이 유형의 진공 게이지는 저압 상태에서 잘 작동하지만, 응답 시간이나 기체의 종류, 게이지의 방향 및 온도 등으로 인해 환기 압력 상태에서는 사용 상 문제가 생길 수 있습니다.
또 다른 방식은 환기 압력 표시를 위해 기계적인 힘 기반의 압력 스위치를 사용하는 것이지만, 이 방법은 내재적인 가변성을 가지고 있어 과합이나 저압 사건을 발생시킬 수 있습니다.
따라서 두 개의 적절히 선택된 별도의 게이지를 사용하는 것은 효과적이지만, 추가적인 전자기기나 인터페이스 및 진공 연결이 필요합니다.
이러한 사항들을 고려할 때, 로드락 시스템의 압력을 측정하는 가장 이상적인 방법은 두 개의 센서를 단일 기기에 결합하는 방법입니다.
각각 특정 범위를 위해 설계된 두 개의 센서를 단일 기기에 결합하는 것이 가장 이상적인 방법이 될 수 있습니다.
목표
- 로드락 시스템의 적절한 벤팅과 설정한 압력 조건의 보장
- 로드락 시스템을 열 때 '펑' 소리가 나는 현상 방지
- 프로세스 중 오염 물질의 이동 감소
방법
로드락 시스템을 올바르기 작동하기 위해서는 시스템 외부의 대기 압력과 시스템 내부의 mTorr 범위 진공도의 정확한 진공도 측정이 필요합니다.
대기압으로의 환기를 고려할 때, 로드락 시스템의 압력은 시스템 외부보다 높아야 하며, 밸브를 열기 위한 적절한 조건을 제공해야 합니다.
스피링이나 접점을 이용한 압력 스위치는 정밀도가 떨어지며, 종종 시스템이 적절한 압력을 달성하기 전에 밸브를 열어버릴 수 있습니다.
또한 기계식 스위치는 가변성을 보상하기 위해 로드락 챔버가 충분히 환기되었는지 확인하기 위한 대기 시간을 추가하는 경우도 있지만, 이런 방식은 불필요한 지연 시간을 초래하고, 종종 너무 많은 양압을 생성하기도 합니다.
대류 게이지라고도 불리는 컴벡션-피라니 진공 게이지를 사용해 로드락 시스템을 제어할 때 비슷한 문제가 발생하곤 합니다.
이 게이지는 대기압에서의 측정을 제공할 수 있지만, 신호에 영향을 미치는 다양한 요인들로 인해 정확도가 상당히 나쁩니다.
이 게이지는 압력의 간접적인 측정으로, 가스의 자연 대류에 의해 열선의 냉각을 통해 측정값을 얻습니다.
압력은 대류 냉각에 영향을 주지만, 다른 변수들도 센서 와이어에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다.
이에는 가스 조유와 주변 온도, 와이어의 방향(자세) 등이 포함됩니다.
또한 컨벡션 피라니 게이지를 사용해 환기 상태를 모니터링 하는 것은 측정 전에 센서 와이어 주변의 대류 전류가 안전화 되기까지 시간이 소요되므로, 프로세스 효율성이 떨어집니다.
아래의 그림은 로드락 시스템이 신속하게 대기압으로 환기되었는데도 불구하고, 진공 게이지의 응답이 늦어져 환기 중에 과압이 발생하는 현상을 보여줍니다.
로드락 시스템의 압력을 측정하는 가장 좋은 방법은 두 가지 구별된 기능에 특화된 두 개의 센서 기술을 사용하는 것입니다.
벤팅 압력 측정은 직접적인 측정 센서 기술을 사용해 다이어프램에 가해지는 힘을 측정하고 이를 피에조 레지스터에 압력을 가하게 합니다.
이를 통해 기체의 종류와 온도 및 게이지 방향과 같은 변수에 의한 영향을 제거할 수 있습니다.
로드락 시스템의 밸브가 열리 때, 후속 벤팅 사이클을 위한 압력 변화가 센서의 Output으로 출력됩니다.
이렇게 함으로써 주변 상태의 서서히 변화하는 부분(일반적으로 날씨나 건물의 환경 제어로 인한 것)을 수용할 수 있습니다.
대기압을 측정하는 다이어프램으로 보호된 피에조레지스터 센서는 mTorr 수준에서 충분한 값을 제공할 수 없으므로, 공정 압력을 정밀하게 측정하기 위해 열전대 또는 피라니 기반의 진공 게이지가 일반적으로 직접방식의 측정 센서와 결합됩니다.
마지막으로 완전히 별개인 두 개의 게이지를 사용한는 것이 기술적으로 우수할지라도, 각 게이지가 각각의 진공 포트와 케이블, 전자기기와 연결되는 상황은 실용적이지 않기 때문에 두 가지 센서를 단일 장치에서 효과적으로 처리하는 다중 센서 기기의 사용이 로드락 응용 분야에서 가장 효과적인 방법이 될 수 있습니다.
로드락 시스템에서 사용할 진공 센서의 선택
인포라드의 HVG-2020B는 로드락 시스템을 위한 단일 기기 솔루션으로, 다이어프램으로 보호된 피에조 센서와 열전대 피라니 센서를 하나로 소형 장치에 결합하고 있습니다.
로드락 시스템의 벤팅 종료 시점을 결정하기 위해 피에조 센서는 대기압에서 100ms / 0.1% Rdg + 0.3 T의 빠르고 정확한 응답을 제공하며, 기체의 종류에 영향을 받지 않습니다.
로드락 시스템에 전달되는 진공도를 측정하기 위해 정밀 용접된 피라니 센서는 mTorr 범위의 진공도를 정확하게 측정하여 공정 오염의 최소화를 보장합니다.
HVG-2020B의 통합 전자 회로는 두 개의 설정값을 포함하며, 두 가지 중요한 로드락 시스템의 진공 측정 영역 범위에서 연속적인 Signal을 제공합니다.
HVG-2020B는 로드락 시스템 사용 환경에서 검증된 디자인으로, 오랜 기간 동안 다양한 환경에서 우수한 정확도와 기능 및 신뢰성을 입증했습니다.
인포라드는 다양한 압력대의 진공 센서와 그리고 기체 유량을 측정하는 Mass Flow Meter / Mass Flow Controller도 제공하고 있습니다.
문의사항은 아래 링크를 이용하시기 바랍니다.
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