|
고주파전원을 위한 대전류·저토크 신형 진공콘덴서대전류 통전, 저토크, 장수명진공콘덴서는 최근 반도체산업의 급성장과 더불어 반도체 박막 제조장치의 임피던스 정합(整合)용으로 용도가 확대됐다. 고주파전력을 플라즈마 부하에 공급하기 위해서는 고주파전원의 출력 임피던스와 플라즈마·임피던스의 정합을 구할 필요가 있다. 다양한 임피던스 값으로 변화하는 플라즈마에 수시 임피던스 정합을 확보하기 위해 가변소자인 진공가변콘덴서를 사용하고 있다.메이덴사는 진공 인터럽터(interrupt)로 오랜 세월 배양한 진공기술을 응용해 1992년부터 진공콘덴서의 실적을 쌓아왔다. 이번 액정장치·반도체 제조장치의 대용량화에 대응할 대전류·저토크 진공콘덴서를 개발했다.진공콘덴서는 통신기기에서 발진회로, 동조용 및 유도, 유전가열장치의 탱크회로, 각종 고주파 전원의 전압증폭용에 사용되는데 반도체산업의 급성장과 함께 CVD(Chemical Vapor Desposition : 화학기상 성장법), 식각(etching), 스패터(spatter : 용접 때 튀는 금속입자)장치 등 반도체 박막 제조장치의 임피던스 정합용으로 용도가 확대되고 있다. 박막형성의 대표적인 것으로 플라즈마 CVD가 있다. 플라즈마 CVD는 고주파전력으로 원료가스를 방전해 플라즈마 상태로 두면 화학적으로 활성 입자가 생성되면서 그 입자가 기판표면에서 화학반응을 촉진해 박막을 형성하는 것이다. 이 고주파전력을 플라즈마 부하에 공급하기 위해서는 고주파 전원의 출력 임피던스와 플라즈마 임피던스의 정합을 확보할 필요가 있다. 그러한 경우 프로세스 조건에 따라 다양한 임피던스 값으로 변화하는 플라즈마의 수시 임피던스 정합을 얻기 위해 가변소자인 진공가변콘덴서를 사용하고 있다. 고주파전원의 대용량화와 함께 진공콘덴서를 적용하고 있다.최근, 300㎜웨이퍼 대응에 따른 대형화, 액정 패널 등의 대형화와 더불어 대용량 고주파 전원을 사용할 수 있게 되면서 진공콘덴서도 대전류 대응이 요구됐다. 또한 반도체 제조장치의 박막성형, 미세가공한 프로세스인 경우 현재, 13.56MHz 주파수가 주류를 이루고 있지만 고효율화, 미세화 면에서 다른 고주파수 영역을 적용하면서 고주파를 위한 진공콘덴서의 기대도 커졌다.이와 같은 배경에서 대용량·고주파에 대응할 수 있는 진공콘덴서 개발을 실시했다. 이번 대전류·고주파대응, 그리고 작은 회전력(low torque)으로 조작성에 뛰어난 진공콘덴서의 새로운 형식을 개발, 제품화했기 때문에 소개한다<그림2>.  신형 진공콘덴서의 구조<그림3>에 표준 형식과 새로운 형식의 진공가변콘덴서의 외형구조를 나타낸다. 진공가변콘덴서는 세라믹 절연함 및 외주 탱크, 신축 가능한 송풍기(bellows), 외부회로 설치용 널빤지로 구성돼 진공용기 내에 정전용량을 형성하는 전극이 배치됐다. 벨로스는 진공(5×10-4Pa이하)과 대기를 구분해 신축하는 것으로 가동 측 전극을 상하시켜 정전용량을 가변시키는 것이며 동시에 고주파전류가 통전하는 경로이기도 하다. 진공콘덴서의 전극은 복수의 부조(浮彫)와 같은 차축 원통에서 생성돼 각 대면하는 전극을 형성하는 정전용량의 합계가 진공콘덴서의 정전용량이 된다. 진공가변콘덴서에서는 정전용량 조정나사를 회전시켜 가동 측 전극을 상하함으로써 고정전극과 대면하고 있는 면적이 변화하면서 이와 함께 정전용량이 변화한다. 진공콘덴서는 전극 간격이 좁기 때문에 전극은 고정밀도한 평행이동이 필요하다.표준 형식은 진공중의 전극 중심부분에 가이드용 세라믹 중앙 핀이 있기 때문에 가이드를 따라 접동(摺動)하고 있는 것이다. 또한 벨로스에는 고강도 스테인리스에 도전율이 좋은 동(銅)을 코팅한 2층 구조의 벨로스를 사용하고 있어 고강도와 저손실을 실현하고 있다. 진공중 세라믹 중앙 핀 접동과 외주 탱크를 전극의 일부로 사용함으로써 소형화를 실현하고 있다.새로운 형식은 대기 중에 마찰이 적은 접동을 겸비한 가이드용 부품이 있어 표준 형식보다 마찰이 적은 접동화를 꾀했다. 게다가 새롭게 동합금 신소재로 구성된 벨로스를 이용함으로써 대전류와 저토크를 추구했다. 이번 신형 콘덴서에 대해 해설한다.신형 진공콘덴서의 특징1. 저토크진공콘덴서는 대전류에 대응할수록 벨로스 구경이 커지면서 토크가 커지는 것이 일반적이다. 진공콘덴서는 모터로 구동되는데 토크가 커지면 모터부분도 대형화되면서 반도체장치 전체에 손실이 커진다. 또 장치도 커지면서 소형화의 폐해가 됐다. 새로운 형식에서는 표준 형식 동급 제품에 비해 실효 토크를 약 50% 저감하는 데 성공했다. 토크를 저감함으로써 모터의 소형화, 전력절약, 나사의 장수명화에 기여할 수 있다. 새로운 형식에서는 대기부분에 가이드용의 마찰이 적은 접동 부품이 있기 때문에 그 가이드용 부품을 따라 가동측 전극이 고정밀도로 이동할 수 있다. 마찰이 적어 접동 성질을 향상시켰다.2. 고주파·대전류 통전전극, 널빤지 등의 구성부재는 도전율이 좋은 동을 사용하고 있기 때문에 저항 손실은 매우 적다. 유일하게 문제가 되는 것은 벨로스의 발열손실이다. 새로운 형식에는 통전성이 좋은 동합금신소재를 이용했다. 신동합금소재의 도전율은 60% IACS 이상(국제표준연동에 대한 고유 전도율대비)이기 때문에 인(燐)청동과 벨륨동과 비교해도 높다. 도전율이 좋은 동합금 벨로스를 통해 손실이 적은 것을 추구면서 고주파·대전류 통전을 가능하게 했다. 종래는 통전성능을 향상시키기 위해서는 벨로스의 구경을 크게 해 통전면적을 크게 해야 했지만 새로운 형식에서는 신소재를 통해 통전성능향상을 거뒀다. 자연 공냉에서 표면 온도 125℃, 벨로스 온도 200℃이하를 확인하고, 필드 테스트에서도 대전류·고주파의 경우 좋은 결과를 얻었다.진공콘덴서는 유전체가 진공이기 때문에 유전체손실이 있는 것은 콘덴서의 양 끝을 절연하는 세라믹뿐이다. 절연함의 유전체 손실을 더욱 저감시킴으로써 대전류화가 가능하다고 전망하기 때문에, H94 시리즈, H110 시리즈에서는 절연함의 고순도 알루미늄 적용을 준비하고 있다. 절연함의 고순도 알루미늄화를 통해 발열·손실의 저감을 추구했다.3. 장수명진공콘덴서에는 수명부품이 2개 있으며, 하나는 벨로스이다. 벨로스의 수명은 벨로스의 신축량에 따라 영향을 미친다. 새로운 형식에서는 동합금소재 벨로스를 사용해 저손실화를 추구하고 있지만, 이 벨로스는 강도가 높아 가볍게 누름으로써 (하프 스트로크) 100만 사이클 이상의 수명을 갖고 있다. H84 시리즈는 장수명 형식으로 설계되었고 벨로스 수명은 하프 스트로크로 1000만 사이클(종래 대비 10배)의 실력이 있다. 다른 하나는 나사와 너트로 수명은 회전수와 내부온도에 따라 영향을 미친다. 나사와 너트는 고경도 처리한 것을 사용, 물리는 것 방지에 특수고온도 그리스를 사용함으로써 1500만 회전 이상의 수명실력이 있다(하프스트로크).4. 조립성진공콘덴서는 모터로 구동되지만 종래는 절연재 커플링을 연결해 모터에 직결하기 때문에 긴 방향으로 길어지는 문제가 있었다. 따라서 모터와의 중심이 흐트러졌을 때 표준 형식에서는 조정 나사에 가로 방향력을 이용해 세라믹 중앙 핀 접동부분의 마찰력이 올라가면서 구동 토크를 증가시킨다는 문제가 있었다. 소형화 및 절연이 용이하다는 점에서 요구되고 있는 벨트걸기 구동을 하자 마찬가지로 문제가 있었다. 이 때문에 새로운 형식에서는 가로방향력을 얻기 위한 베어링을 중복 내장해 접동부분도 마찰이 적은 접동 부품을 사용함으로써 접동 마찰증가를 방지하고 있다. 표준 형식에서는 3N 정도의 벨트 장력에서도 구동토크가 증가해버리지만 새로운 형식에서는 30N 벨트 장력이라도 구동토크는 증가하지 않는다. 나사 부분은 절정과 형상 등 고객의 요구에 부응해 주문이 가능한 구조로 했다.새로운 형식의 진공콘덴서 제품군 <표1>에 사양을 <그림4>에 그 외관을 나타낸다. 새로운 형식으로는 5가지 시리즈를 제품화했다. 수백MHz 초고주파에서는 수백pF의 콘덴서가 필요하다. H84 시리즈는 고주파전용으로서 제품화했다. 실제로 고주파에서의 평가도 실시돼 충분한 결과를 얻었다. 그밖에 통전전류·내전압을 향상시킨 것이 H94시리즈, H110시리즈이다. H65시리즈는 외경 65㎜, H82 시리즈는 외경 82㎜, H84 시리즈는 외경 84㎜, H94 시리즈는 외경 94㎜, H110시리즈는 외경 110㎜이다. 각 시리즈 모두 4기종 이상의 라인업을 예정하고 있다. 또한 표준형식은 소형·저용량, 새로운 형식은 대형·대용량으로 분리해서 앞으로도 계속 판매할 예정이다.향후 과제박막성형, 미세가공인 경우 플라즈마 프로세스에서는 안정성, 균일성이 중요하다. 이를 위해 임피던스 정합기에서는 정합시간의 단축이 요구된다. 생산성 향상 면에서 단시간에 플라즈마 프로세스를 대량 처리하는 일이 요구된다. 게다가 공간 절약도 요구되고 있다.1. 대용량화·저손실화향후 통전능력이 더욱 기대된다. 대전류 전용 신소재 벨로스와 고순도 알루미늄 절연함 등 새로운 형식에서는 저손실화를 시도했는데 수년 후에는 저손실화가 더욱 필요해질 것이다. 전극부분의 열손실 저감, 냉각 강화로 인한 열손실 저감 등 대용량화를 위한 저손실화 대처가 과제다. 당연히 모터의 대형화로 인한 손실도 무시할 수 없기 때문에 저 토크를 유지하는 일도 과제다.2. 고속 매칭 대응종래까지 진공콘덴서는 10회전 정도로 정전용량을 가변하고 있기 때문에 매칭 포인트까지 수 회전 이상 회전시켜야 하며 2~3초 정도 시간이 걸리고 있다. 그 동안에 정돈되지 않은 박막이 형성되기 때문에 단시간(0.5초 정도)에 매칭을 얻기 원하는 요망이 있다. 향후 점점 고속회전, 고가속도 회전될 경향에 있다. 이에 대응하기 위해 고속·고가속 회전에도 견딜 수 있는 특수 나사 채용과 1회전화 하기 위해 큰 절정의 특수 나사를 채용하는 등 나사 부분을 더욱 장수명화 하는 것이 과제다.3. 소형화소형화가 요구되고 있는 한편, 고내압과 대용량화도 요구되고 있다. 상반되는 요구를 실현하기 위해서는 전극의 고밀도화, 신소재에 따른 고내압화 등 전극부분의 소형화에 맞설 필요가 있다. 전극의 소형화에 관해서는 향후 대책을 강구해야할 과제라고 생각한다.진공콘덴서는 반도체 제조와 밀접한 관계가 있으며 중요한 부품중 하나이다. 앞으로도 수용가의 기술동향에 맞춰 요구에 부응한 진공콘덴서의 개발, 제품화를 추진할 생각이다. 또 가변 콘덴서의 대용량화에 맞춰서 고정 진공콘덴서에 대해서도 고내압화를 실현한 제품개발도 진행할 예정이다.
<Energy News>
|
|
장바구니
주문내역
