적절한 호스 설치로 반도체 팹(Fab) 비용을 절감하는 방법

호스 설치 실무의 작은 변화로도 반도체 제조 비용을 크게 절감할 수 있습니다

반도체 제조 공정에서 정밀한 온도 제어를 유지하는 것은 필수입니다. 가용 웨이퍼를 만드는 데 사용되는 원자층 증착(ALD), 원자층 식각(ALE), 기타 공정 도중 일어나는 화학적 반응은 흔히 극도로 높은 열을 발생시키며, 정밀한 온도 제어가 없다면 필름 두께와 공정 효율에 문제가 생길 수 있습니다. 고온에 노출된다는 것은 또한 웨이퍼와 이를 생산하는 데 사용되는 장비의 손상을 방지하려면 적절한 냉각이 필요함을 의미합니다.

반도체 제조업체의 툴 공정 챔버 내 정전 척에는 웨이퍼를 냉각하고 문제를 예방할 수 있도록 온도 조절용 유체가 공급됩니다. 이러한 유체가 얼마나 비용 효율적으로 그 기능을 수행할 수 있는지 여부는 툴 외부에서 일어나는 일에 따라 결정되지만, 온도 제어 장치(또는 "칠러")가 있는 서브팹(subfab)과 생산 현장에서 지속적으로 가동되는 툴에 저온 유체를 공급하는 호스가 중요합니다.

호스 시스템을 통해 툴에서 칠러로 또 그 반대로 유체를 순환시키는 이러한 "열 루프(Thermal Loop)"의 효율이 반도체 팹(fab)의 수익성에 지대한 영향을 줄 수 있습니다. 서브팹(subfab) 내 칠러 고장 또는 호스 응축수로 인해 발생된 물웅덩이 청소와 관련된 가동 중단은 팹(fab) 운영업체에 심각한 생산성 손실을 일으킬 수 있습니다. 가동 중단을 방지했더라도, 부적절한 호스 단열 또는 설치 및 라우팅 방법으로 인해 에너지 원가가 크게 증가하여 운영 비용이 상승할 수 있습니다.

이 기사에서는 이 마지막 문제, 즉 반도체 팹(fab) 내의 호스 설치 및 라우팅 문제를 방지하는 방법에 대해 설명합니다. 특히 적절한 단열 호스를 설치함으로써 반도체 제조 문제를 해결하는 방법에 대한 자세한 내용은 관련 기사에서 확인할 수 있습니다. 높은 수준의 적절한 열 제어를 통해 웨이퍼 생산 수율을 최적화하는 방법은 관련 주제를 다룬 이 기사 를 참조하십시오.

반도체 팹(Fab) 내 단열 호스 설치 및 라우팅의 모범 사례

호스 단열을 추가하거나 호스를 변경하는 것이 칠러와 툴 사이 유체의 중대한 온도 변화에 대응하는 최적의 방법이라는 오해가 흔합니다. 경우에 따라, 단열 부족이나 호스 선택이 문제가 되기도 합니다. 열전도율이 낮은 에어로젤(aerogel) 단열재 또는 진공 단열 메탈 호스를 사용하면 유체와 사용 환경 온도가 더욱 극한에 가까워져도 에너지 손실을 예방할 수 있습니다. 하지만, 경우에 따라 단열 상태와 관계없이 호스의 설치 및 라우팅 방식에 따라 호스 성능이 표준 이하가 될 수 있습니다. 다양한 반도체 제조 애플리케이션에서 공간이 제한적일 수 있지만, 최고의 제품 성능을 보장하려면 호스 설치 및 라우팅 모범 사례를 최대한 준수해야 합니다.

호스 설치 및 구조에 대한 고려 사항

호스 구조와 설치가 운반하는 유체의 열적 안전성에 영향을 줄 수 있습니다. 예를 들어, 연결구도 고려해야 합니다. 경우에 따라, 호스의 나머지 부분에 이미 단열이 적용되어 있더라도, 응축을 방지하려면 노출된 연결구에 단열재를 적용하는 것을 고려해야 할 수 있습니다. 더불어, 불필요한 누설 또는 열 전달을 방지하려면 연결구가 올바르게 설치되어 있는지 확인해야 합니다.

단열 호스와 함께 제공되는 연결구는 다양할 수 있지만, 예를 들어 Swagelok^® FV 진공-재킷 호스와 일부 Swagelok^® Y-단열 호스의 경우 연결구가 풀림처리 튜브 스터브(annealed tube stub)입니다. 이 튜브 스터브는 맞대기 용접, Swagelok^® 퀵 커넥트, Swagelok VCR^® 메탈 가스켓 면 밀폐 피팅 또는 Swagelok^® 튜브 피팅을 통해 다른 부품 또는 장비에 연결할 수 있습니다. Swagelok 튜브 피팅 연결구를 사용하는 경우, 불필요한 누설 또는 열 전달을 방지하려면 올바른 설치 지침을 준수하는 것이 중요합니다. 자세한 내용은 그림 1에 있는 설치 지침을 참조하십시오.

 
튜브를 턱 부분에 닿을 때까지 피팅에 완전히 삽입하고, 너트를 손으로 돌려 조이십시오.

 
너트의 6시 위치를 표시하십시오.

피팅 몸체가 흔들리지 않게 고정한 뒤 너트를 9시 방향으로 1과 1/4 바퀴 돌려 조이십시오.

 

그림 1: Swagelok 튜브 피팅 설치

이는 초기 "페럴 장착"이므로, Swagelok 간격 측정 검사기를 사용하여 피팅이 충분히 조여졌는지 확인할 수 있습니다. 아래 그림 2를 참조하십시오.

일반적으로, 1인치가 넘는 호스는 너트 및 페럴이 사전 장착된 상태로 제공됩니다. 1인치가 넘는 페럴 장착 너트에는 1/2 회전이 필요합니다.

호스 라우팅 고려 사항

호스가 얼마나 좋은 구조이든 관계없이, 시설 전반에서 호스가 라우팅된 방식이 호스의 성능에 크게 영향을 끼칠 수 있습니다. 라우팅만으로도 응축수와 핫스팟(hot spot)이 발생할 가능성이 높으므로, 특히 호스 내의 유체 온도가 극도의 저온 또는 고온에 도달하는 경우 그 가능성이 높아집니다. 다음은 라우팅과 관련한 문제를 방지하려면 따라야 할 몇 가지 모범 사례입니다.

최소 직선 길이 유지: 항상 호스 제품 카탈로그에 나와 있는 최소 직선 길이 조건을 준수하십시오. 호스를 연결구에 너무 가까운 곳에서 구부리면 호스가 찢어져서 누설, 호스 파열 또는 호스 수명 감소를 초래할 수 있습니다.

오답 

정답  

오답 

정답 

그림 3: 최소 직선 길이 - 오답 및 정답의 예

최소 벤딩 반경 유지: 마찬가지로, 공표된 최소 벤딩 반경 조건을 준수해야 합니다. 더 급격한 벤딩으로 호스를 설치하면 호스가 꺽여 호스 수명이 감소할 수 있습니다. 더불어, 호스를 벤딩할 때 호스 단열재가 늘어나거나 압축되어 성능과 기능에 부정적인 영향을 끼칠 수 있습니다.

벤딩 바깥쪽에서는 단열재가 늘어나 얇아짐 

 

벤딩 안쪽에서는 단열재가 압축됨

그림 4: 최소 벤딩 반경 - 단열재에 끼치는 영향

호스 변형을 방지하는 구조: 중력이 호스 몸체를 아래로 당기면서 연결 지점 근처에서 호스에 변형력을 가해 자연적으로 호스 변형이 발생할 수 있습니다. 특히 연결구 부분에 엘보우 피팅 및 어댑터를 사용하여 호스 변형을 최소화 또는 완화해야 합니다. 엘보우 또는 어댑터를 설치한 후 다른 호스 길이가 필요할 수 있지만, 호스 변형을 상쇄하는 방식으로 시스템을 설계하면 호스 수명이 늘어납니다.

 

 
오답

 
정답

그림 5: 호스 변형 - 오답 및 정답의 예

여러 평면 내의 벤딩에 주의: 호스를 비틀지 마십시오. 호스 변형을 방지하려면 한 평면에서만 호스를 벤딩하십시오. 복합 벤딩의 경우, 여러 호스 부분 또는 다른 격리 방법을 사용하십시오.

 

 
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정답

그림 6: 여러 평면 내 벤딩 - 오답 및 정답의 예

적절한 공간 유지: 차갑거나 뜨거운 유체를 운반하는 호스가 서로 너무 가깝게 배치된 경우, 호스 사이에 적절한 주변 온도 대기 흐름이 부족하여 호스 표면 온도에 영향을 줄 수 있습니다. 차가운 호스를 서로 너무 가까이 배치하면 호스 표면이 이슬점 아래로 떨어져 응축수가 생길 수 있습니다. 뜨거운 호스를 서로 너무 가까이 배치하면 허용 가능한 온도 변수를 초과하는 핫스팟(hot spot)이 발생할 수 있습니다.

호스 사이 거리(d)가 짧을수록, 호스 사이 공기 온도(T_ambient)와 호스 내 유체 온도(Tm)가 더 가까워집니다. 응축 방지에 필요한 일반적인 권장 사항은 단열재로 감싼 호스(예: Swagelok Y 단열재 사용)를 호스 외부 직경의 3배 이상 떨어진 상태로 유지하는 것입니다. 좁은 공간에서 그렇게 하기 어렵다면, 호스 스페이서를 사용하여 호스를 강제로 떼어놓는 것을 고려하십시오. 1인치 또는 2인치의 공간만으로도 열 관리에 큰 차이를 만들 수 있습니다.

호스를 올바르게 라우팅하는 방법에 대해 자세히 알아보기

반도체 호스를 올바르게 설치하는 것이 중요한 이유는 무엇입니까?

반도체 팹(fab) 전체에 배치되는 첨단 기술 장비에 비해 호스는 전혀 복잡하지 않은 부품으로 보일 수 있지만, 호스를 얼마나 잘 선택하고 설치, 라우팅, 유지하는지에 따른 영향이 클 수 있습니다. 다음 예를 통해 호스가 얼마나 큰 차이를 만드는지 알아보십시오.

• 예를 들어, 툴 공정 챔버에 -20°C의 냉각 유체가 공급되어야 하지만, 칠러로 오고가는 호스가 부적절하게 단열, 설치 또는 라우팅되어 공정 챔버에 -20°C 유체를 공급하려면 과도한 보상이 필요하고 설정값을 -25°C로 지정해야 할 수 있습니다. 유체가 다시 칠러로 순환될 때, -17°C까지 가열되어 칠러에서 Δ5°C를 보상해야 할 수 있습니다.
• 1°C를 냉각할 때마다 $0.13/hr의 비용이 소요되며, 칠러가 연중무휴로 지속적으로 가동된다고 가정하면 이는 칠러 한 대당 연간 5,600달러의 에너지 비용을 의미합니다
• 해당 툴에 칠러 10대가 필요하다면, 툴 하나를 냉각하는 데 드는 연간 에너지 비용이 56,000달러에 달합니다. 팹(fab)에 그러한 툴이 100대가 있다면, 툴 냉각에 드는 연간 에너지 비용이 570만 달러입니다.
• 하지만, 호스를 올바르게 단열, 설치, 라우팅한다면, 칠러에서 나가고 들어오는 유체의 온도 차이를 현실적으로 Δ1°C까지 줄일 수 있습니다.
  

이 시나리오에서, 위 매개변수를 사용하여 툴 100대를 냉각하는 데 드는 비용은 연간 약 110만 달러로 떨어지며, 이는 순전히 냉각 비용 감소액만으로 연간 460만 달러를 절감할 수 있음을 의미합니다!

반도체 호스 선택, 설치, 라우팅과 관련된 모범 사례를 따른다면, 에너지 절감 이외에도 유지보수 감소, 부품 수명 연장이라는 장점을 제공할 뿐 아니라 툴 가동 시간 및 수율도 높일 수 있습니다. 호스 관련 실무를 최적화하는 데 지원을 사용할 수 있다면, Swagelok 엔지니어가 제품 테스트 및 선택 지원, 귀사 열 루프(Thermal Loop)의 에너지 감사, 다양한 호스 자문 서비스를 제공할 수 있습니다. 전문가와 상담하여 지금과 다른 호스 관리 방식을 채택함으로써 어떻게 비용을 절감하고 생산성을 높일 수 있는지 알아보십시오.

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