[논문]루츠식 진공 펌프의 유동 및 부산물 입자 궤적에 대한 해석

이찬; 길현권; 노명근

doi:10.5293/kfma..2011.14.5.018

루츠식 진공 펌프의 유동 및 부산물 입자 궤적에 대한 해석
Analysis on the Flow and the Byproduct Particle Trajectory of Roots Type Vacuum Pump 원문보기

유체기계저널 = Journal of fluid machinery, v.14 no.5 = no.68, 2011년, pp.18 - 23

이찬 (수원대학교 기계공학과) , 길현권 (수원대학교 기계공학과) , 노명근 (엘오티베큠 기술연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

A CFD analysis method is developed and applied for investigating the gas flow and the byproduct particle trajectory in Roots type vacuum pump. The internal fluid flow and thermal fields between the rotors and the housing of vacuum pump are analyzed by using the dynamic mesh, the numerical methods for unsteady 2-D Navier-Stokes equation and the standard k-$\varepsilon$ turbulence model of the Fluent code. Coupled with the flow simulation results, the particle trajectory of the byproduct flowing into the pump with gas stream is analyzed by using discrete phase modeling technique. The CFD analysis results show the pressure, the velocity and the temperature distributions in pump change abruptly due to the rotation of rotors, and back flows are produced due to the strong reverse pressure gradients at rotor/rotor and rotor/housing clearances. The predicted byproduct particle trajectory results also show the particles impinge on the clearance surfaces between the housing and the rotor of pump and then may form the deposit layer causing the failure of pump.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러므로 본 연구는 반도체 공정용 루츠식 진공펌프 내부 기체유동에 대해 전산유체역학 해석을 수행하였고, 이를 통해 진공펌프의 작동 시 펌프 내부에서의 압력, 온도 및 속도 분포에 대한 유동특성을 규명하였다. 더 나아가, 계산된 유동장 결과를 바탕으로 공정 부산물의 펌프 내부에서의 입자 거동 및 점착에 따른 퇴적-축적 특성을 분석하였다.

가설 설정

8과 같이 관찰하였다. 또한 해석의 편의상, TEMAZ 입자들은 펌프 내부에서 증발되지 않고, TEMAZ 입자가 고체 표면에 도달하는 즉시 표면에 퇴적되는 것(trap-condition)으로 가정하였다.

제안 방법

1에서 보여지듯이, 2개의 서로 다른 방향으로 회전하는 회전차를 하우징이 감싸고 있는 루츠식 진공 펌프로서, 펌프의 회전수는 3,600 rpm이고, 회전차/하우징 및 회전차/회전차의 간극은 약 400 μm로 설계되었다.⁽⁴⁾ 또한 본 진공 펌프는 펌프 외부에 방열판을 설치하여, 펌프내부의 기체 압축 시 발생되는 열을 외부로 방출하도록 설계하였다.
그러므로 본 연구는 반도체 공정용 루츠식 진공펌프 내부 기체유동에 대해 전산유체역학 해석을 수행하였고, 이를 통해 진공펌프의 작동 시 펌프 내부에서의 압력, 온도 및 속도 분포에 대한 유동특성을 규명하였다. 더 나아가, 계산된 유동장 결과를 바탕으로 공정 부산물의 펌프 내부에서의 입자 거동 및 점착에 따른 퇴적-축적 특성을 분석하였다.
펌프 내부의 가스 열ㆍ유동장 해석을 위해서는, 비정상, 2차원 Navier-Stokes 방정식을 이용하여 유동 및 온도분포에 대한 계산하였고, 또한 펌프 내부의 난류 유동은 표준 k-ε 모형을 이용하여 해석하였다. 또한 하우징 및 회전차의 벽면 열손실에 대한 경계조건으로는, 펌프 외부 방열판의 설계조건을 고려하여, 총괄 대류열전달 계수를 50 W/m²-K로 설정하였다.
루츠식 진공펌프에 대한 전산유체역학적 해석을 수행하여, 펌프 내부의 유동장 및 공정 부산물 입자 궤적 특성을 검하였다. 진공 펌프 내 회전차의 회전에 따라 기체의 압력, 속도 및 온도 분포가 급격히 변화되었고, 회전차-하우징 및 회전차-회전차 사이의 간극을 통한 큰 역압력 구배는 강한 역류를 발생시켰다.
회전하는 회전차와 고정된 하우징 사이의 가스 유동장 해석을 위해서는 동적 격자계(dynamic mesh)를 사용하였다. 본 연구의 동적 격자기법은 시간 간격 1x10^-5 sec(회전각도: 0.21 deg)를 가지고, 회전차의 360도 회전에 대한 0.0167 sec까지 각 시간에 대해 격자 재생성(remeshing)기능을 이용하여 격자계를 생성하였다.^(8,9) 본 연구에서 동적 격자기법을 통해 생성된 회전차의 회전각도에 따른 격자계가 Figs.
앞서 언급한 전산유체역학적 해석방법을 이용하여, 펌프 내부의 압력, 속도 및 온도분포의 시간(또는 회전각도)에 따른 변화를 예측하였다. Fig.
일반적으로 CVD 공정에서 배출되는 TEMAZ 입자는 증기 상태로 펌프 입구에 유입되어야 하나, CVD 공정 챔버와 진공 펌프를 연결해 주는 배관 계통의 열손실로 인해, TEMAZ 입자가 응축되어 액적상태로 펌프로 유입되는 경우 간극사이에 퇴적되어 펌프 작동 및 성능에 문제를 야기할 수 있다. 이러한 이유로, 본 연구에서는 펌프로 유입되는 TEMAZ 입자를 액적상태로 가정하여, TEMAZ 입자들의 펌프 내부에서의 궤적 및 그에 따른 회전차 및 하우징 표면에의 퇴적현상을 Fig. 8과 같이 관찰하였다. 또한 해석의 편의상, TEMAZ 입자들은 펌프 내부에서 증발되지 않고, TEMAZ 입자가 고체 표면에 도달하는 즉시 표면에 퇴적되는 것(trap-condition)으로 가정하였다.
1절에서 언급한 루츠식 진공펌프의 해석을 위해 점성 유동에 대한 범용 CFD 소프트웨어인 Fluent code⁽⁷⁾를 사용하였다. 회전하는 회전차와 고정된 하우징 사이의 가스 유동장 해석을 위해서는 동적 격자계(dynamic mesh)를 사용하였다. 본 연구의 동적 격자기법은 시간 간격 1x10^-5 sec(회전각도: 0.

대상 데이터

^(8,9) 본 연구에서 동적 격자기법을 통해 생성된 회전차의 회전각도에 따른 격자계가 Figs. 2와 3에 나타나 있으며, 본 연구에 사용된 격자의 수는 약 36,000개이다.
본 진공 펌프는, 반도체 CVD 공정의 배기계통 적용 시, 다른 진공, 보조(backing) 펌프들 및 스크러버(scrubber), 배관망과 연결되어 작동하며, 이러한 배기계통상에서 본 진공펌프의 입, 출구 작동조건, 가스 및 부산물 유입조건은 Table 1과 같다. 또한 펌프로 유입되는 가스에 포함된 부산물은 CVD 공정에서 사용되는 TEMAZ(Tetrakis Ethylmethylamido Zirconium; C₁₂H₃₂N₄Zr)입자로서, 본 연구에서 고려한 TEMAZ 입자에 대한 특성도 Table 1에 정리되어 있다.^(4,5,6)
본 연구에서 고려한 진공 펌프는, Fig. 1에서 보여지듯이, 2개의 서로 다른 방향으로 회전하는 회전차를 하우징이 감싸고 있는 루츠식 진공 펌프로서, 펌프의 회전수는 3,600 rpm이고, 회전차/하우징 및 회전차/회전차의 간극은 약 400 μm로 설계되었다.

이론/모형

03이므로 본 연구의 TEMAZ/가스 혼합물은 충분한 유동성을 가지는 분립체로 고려될 수 있다.⁽⁷⁾그러므로 본 연구에서는 펌프 내부 TEMAZ 입자의 궤적 해석을 위해서 분립체 해석에 흔히 사용되는 DPM(Discrete Phase Model)기법을 사용하였고, 이때 입자 거동 및 궤적 계산 시 가스 유동의 난류 확산(turbulent dispersion)효과도 고려하였다.
그러므로 본 연구에서는, 2.1절에서 언급한 루츠식 진공펌프의 해석을 위해 점성 유동에 대한 범용 CFD 소프트웨어인 Fluent code⁽⁷⁾를 사용하였다. 회전하는 회전차와 고정된 하우징 사이의 가스 유동장 해석을 위해서는 동적 격자계(dynamic mesh)를 사용하였다.
펌프 내부의 가스 열ㆍ유동장 해석을 위해서는, 비정상, 2차원 Navier-Stokes 방정식을 이용하여 유동 및 온도분포에 대한 계산하였고, 또한 펌프 내부의 난류 유동은 표준 k-ε 모형을 이용하여 해석하였다.

성능/효과

8에서 보여진 바와 같이, 회전차 및 하우징의 표면은 높은 온도로 유지되므로, 이러한 높은 온도의 금속 표면에 TEMAZ 입자들이 닿게 되면, 금속 표면이 TEMAZ 입자의 점착 반응에 대한 촉매 역할을 하게 되고, 이로 인해 TEMAZ 입자의 금속표면에 대한 점착현상이 활성화되는 것으로 알려져 있다.⁽²⁾ 그리고 이러한 TEMAZ 입자의 점착을 통한 지속적인 퇴적층의 성장은 회전차의 운동을 방해하고 회전차-하우징 사이의 간극을 줄여주는 요인으로 작용하여, 궁극적으로는 회전차-하우징의 충돌 및 펌프의 고장을 유발할 수 있다. 그러므로 Fig.
또한 진공펌프 출구에서의 기체의 유동 박리 및 이로 인한 유효 토출면적의 감소가 관찰되었다. 더 나아가, 본 연구의 계산결과로 부터, 펌프로 유입되는 공정 부산물은 회전차-하우징 사이의 간극 부위에 점착되어 퇴적층을 형성할 수 있음을 알 수 있었다.

후속연구

⁽²⁾ 그리고 이러한 TEMAZ 입자의 점착을 통한 지속적인 퇴적층의 성장은 회전차의 운동을 방해하고 회전차-하우징 사이의 간극을 줄여주는 요인으로 작용하여, 궁극적으로는 회전차-하우징의 충돌 및 펌프의 고장을 유발할 수 있다. 그러므로 Fig. 9와 같은 TEMAZ 입자궤적의 예측결과를 바탕으로, TEMAZ 입자 퇴적 부위에 대한 금속 표면의 온도 관리를 위한 방열설계 최적화 및 파우더 트랩(powder trap) 설치 같은 방안들이 고려될 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	진공기술로서 어떤 기술들이 사용되는가?	최근 들어 진공기술은 다양한 산업분야에서 활용되고 있으며, 진공을 만들기 위해서는 기체분자의 제거방식에 따라 기체 이송식(gas transfer type) 또는 기체 흡착식(gas entrainment type) 진공펌프들이 사용되고 있다. 또한 국내의 기간산업으로 성장하고 있는 반도체 산업에서 주로 사용하고 있는 화학적 증착 공정(CVD)은 0.
	진공상태의 유지를 위해 어떤 펌프들이 사용되고 있는가?	또한 국내의 기간산업으로 성장하고 있는 반도체 산업에서 주로 사용하고 있는 화학적 증착 공정(CVD)은 0.01 Torr 정도의 저ㆍ중진공 상태를 요구하므로, 이러한 진공상태의 유지를 위해서는 피스톤식, 회전식, 루츠식 펌프들과 같은 다양한 형태의 기체 이송식 진공 펌프들이 사용되고 있다.(1)
	루츠식 진공펌프에 대한 전산유체역학적 해석을 통해 펌프 내부의 유동장 및 공정 부산물 입자 궤적 특성을 분석한 결과는?	루츠식 진공펌프에 대한 전산유체역학적 해석을 수행하여, 펌프 내부의 유동장 및 공정 부산물 입자 궤적 특성을 검하였다. 진공 펌프 내 회전차의 회전에 따라 기체의 압력, 속도 및 온도 분포가 급격히 변화되었고, 회전차-하우징 및 회전차-회전차 사이의 간극을 통한 큰 역압력 구배는 강한 역류를 발생시켰다. 또한 진공펌프 출구에서의 기체의 유동 박리 및 이로 인한 유효 토출면적의 감소가 관찰되었다. 더 나아가, 본 연구의 계산결과로 부터, 펌프로 유입되는 공정 부산물은 회전차-하우징 사이의 간극 부위에 점착되어 퇴적층을 형성할 수 있음을 알 수 있었다.

참고문헌 (10)

황태성, 2008, "기초진공기술," 보문당.
노명근, 황태경, 박제우, 2008, "스크류형 건식 진공펌프 기술현황 및 응용," 한국진공학회지, 제17권 제4호, pp. 291∼301.
이상윤, 노명근, 김병옥, 이안성, 2010, "반도체/디스플레이 공정급 건식진공펌프 개발 개요," 한국진공학회지, 제19권 제4호, pp. 265∼274.

원문보기 상세보기
이찬, 2010, "반도체 공정용 진공펌프계통해석 및 WH4400의 유동/구조 해석," 엘오티베큠 최종보고서.
TEMAZ, www.fmclithium.com.
Monnier, D., Nuta, I., Chatillon, C., Gros-Jean, M. and Blanquet, E., 2009, "Gaseous Phase Study of the Zr- Organometallic ALD Precursor TEMAZ by Mass Spectrometry," Journal of Electochemical Society, Vol. 156, no.1, pp. 71∼75.
Fluent User's Guide, 1998.
최봉수, 2009, "FLUENT Dynamic Mesh Method를 이용한 유압식 쇼크 업소버 해석," 유체기계저널, 제12권 제3호, pp. 75∼78.

원문보기 상세보기
Kapil, S. and Jayesh, M., "Remeshing Strategy for the Dynamic Mesh model in FLUENT," Fluent Inc.
Ashish, M. J., David I. B., James, D. F., John, A. L. and Joseph, C. M., 2006, "Clearance Analysis and Leakage Flow CFD Model of a Two-Lobe Multi-Recompression Heater," International Journal of Rotating Machinery, Vol. 2006, Article ID 79084, pp. 1∼10.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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