마이크 보거(Mike Boger) 에드워드 일본 전략마케팅 총괄책임자

단결정 실리콘이든 다결정 실리콘이든 결정질 실리콘 기질의 생산에는 제조 공정의 일환으로 진공 상태의 공정이 필요하다. 진공 시스템의 설계뿐만 아니라 사용되는 진공 펌프의 종류는 전체적인 제조비용과 환경에 지대한 영향을 끼친다.

제조업체들이 생산하는 웨이퍼로는 단결정 웨이퍼와 다결정 웨이퍼 두 가지 종류가 있다. 웨이퍼의 종류는 제조 방법을 결정한다. 즉, 초크랄스키(CZ) 크리스털 풀러나 실리콘 용광로의 방향성 고형화(DSS)라는 두 가지의 제조 방법이 있다.

CZ 풀러는 웨이퍼로 얇게 절단되었을 때 고효율(17~20%) 태양전지를 생산하는 데 사용되는 단결정 실리콘을 생산한다. 이 기술을 사용해 태양광 애플리케이션에 사용될 용도로 부품을 생산하는 데 걸리는 제조 시간은 일반적으로 이틀이다. 이 부품의 무게는 약 120kg에서 시작한다. 모양이 형성되고 난 후에는 일반적으로 100kg 미만이다.

이와는 대조적으로 DSS는 동일한 공정 시간에 훨씬 더 많은 양의 실리콘을 처리할 수 있다. 일반적으로 450kg으로 시작해서 800kg까지 가능하지만 그 결과 다결정 실리콘 잉곳에서 생산되는 웨이퍼는 일반적으로 효율이 더 낮은(13~16%) 태양전지를 생산한다.

진공 공정

두 제조 방법 모두에서 진공 상태의 공정이 사용된다는 유사점이 있다. 일반적으로 진공 공정에는 용기 공간 내부에 필요한 실제적인 공정 상태, 그 결과 최종 제품에 대한 영향, 기본 압력과 관련된 문제, 누설 방지, 펌프 위치, 관련된 배관, 가루 관리, 펌프 타입까지 모두 포함된다. 뿐만 아니라 CZ 풀러는 일반적으로 DSS 용광로에 비해 더 낮은 압력에서 더 많은 아르곤 가스를 필요로 한다. 불활성 속성 때문에 선택된 아르곤 가스는 열전도율이 낮기 때문에 까다로운 문제를 야기한다.

특정한 애플리케이션에 요구되는 최적의 펌프 종류와 크기는 일반적으로 진공 수치의 기능과 적절한 진공 속도이다. 신속한 진공 성능은 전체적인 공정 시간과 비용을 줄여주지만 폴리실리콘을 함유하고 있는 용기의 지나치게 빠른 진공 속도는 진공 라인에 제품을 유실하는 결과를 초래한다. 그럼에도 불구하고 일반적으로 빠른 진공 속도가 선호된다. 왜냐하면 용기 공간을 급속히 기본 압력 수준으로 만들면 결정화 공정의 시작이 그만큼 빨라지기 때문이다. 산소나 질소가 이 공정 중에 용기 내부로 누출되면 실리콘이 오염될 수 있다. 그 결과 일반적으로 누출 위험률 테스트를 위해 낮은 용기 압력이 요구된다.

진공 속도는 일반적으로 펌프 위치의 기능이며 파이프 직경에 따라 달라진다. 직경이 긴 파이프는 시스템 전도도를 높이기 때문에 그만큼 진공에 필요한 가스양도 늘어나게 된다. 파이프 크기는 낮은 압력에서 펌프 속도에 가장 큰 영향을 미친다. 제대로 파이프 배열이 설계되지 않으면 진공화 시간은 그만큼 늘어날 것이다. 공정 공간에 가깝게 파이프를 두면 파이프 운용 시간이 줄어들고 그만큼 진공화 속도도 빨라진다. 그림 1은 크리스털 챔버에 매우 가깝게 위치한 저진동 건조펌프를 보여준다. 높은 진동 수치의 펌프인 경우에는 추가적인 진동 감폭 기술을 이용하거나 저 진동 펌프를 사용할 때만이 공정 시간을 단축시킬 수 있다.

펌프 성능 문제

잉곳 제조 중에 녹은 실리콘은 진공 시스템에 의해 챔버에서 배출되는 실리콘 증기를 발생시킨다. 이 증기가 파이프와 펌프 속에서 응결될 때 펌프 성능을 저하시키고 유지비를 높이는 연마 가루를 생성한다. 이는 또한 시스템이 환기될 때 산소와 반응함으로써 위험할 정도로 높은 온도를 만들어낼 수도 있다. 공정 조건에 따라서 1kg이나 되는 많은 가루가 이틀간의 공정 주기 동안 생성될 수도 있다. 이 가루는 펌프에 들어가기 전에 혹은 산소와 반응하기 전에 처리해야 펌프의 오염을 막을 수 있다. 사전 펌프 트래핑을 하는 경우 트랩의 효율은 펌프 효율에 대한 영향을 고려해 균형을 맞춰야 한다.

가루 처리 성능 또한 기름 밀봉식(Oil-sealed) 회전펌프나 피스톤펌프 그리고 고성능 건조펌프 중에서 선택할 때 반드시 고려해야 하는 기본 사항이다. 회전펌프나 피스톤펌프에서는 펌프 구조를 봉인하는 데 기름이 사용된다. 기름 밀봉식 펌프는 건조펌프와 비교해 기능은 동일하지만 초기비용이 적게 든다. 그러나 유지비용은 급격하게 늘어나 총 소유비용이 건조펌프 비용을 초과한다.

기름 밀봉식 펌프는 잦은 유지관리가 필요하다. 어떤 경우에는 두 공정 주기마다 한 번씩 유지관리를 해야 하는 경우도 있다. 펌프 안에 고이는 가루 때문에 윤활유를 교체해야 하기 때문이다. 뿐만 아니라 이 펌프의 종류는 매달 완벽하게 점검·정비해야 한다. 그 결과 유지관리에 소요되는 정지시간 때문에 생산성이 저하되고 오염된 기름의 처리 때문에 운영비용이 높아지며 환경에도 좋지 않은 영향을 준다. 또한 유지관리 책임자에게도 잠재적인 안전 문제를 야기한다. 기름 청소기기를 사용해 기름 교체 횟수를 줄일 수도 있지만 이 기기 또한 추가 에너지 소비와 관리 요건 때문에 추가비용을 발생시킨다.

회전식 펌프와 피스톤 펌프 모두 비교적 소음이 많고 공정 챔버에 쉽게 전달되는 저 주파수 기계 진동을 발생시킨다. 이는 결정 형성에 악영향을 미치기도 한다.

총 소유비용을 낮추는 대안 건조펌프

기름 밀봉식 펌프와 관련된 유지관리비용, 안전 문제, 추가비용 문제 때문에 건조진공펌프 기술에 대한 관심이 뜨겁다. 그림 2는 일반적인 건조진공펌프를 제시하고 있다. 비용이 더 고가이지만 건조펌프는 총 소유비용이 낮게 드는 장점이 있다. 주로 유지관리비가 적게 들기 때문이다. 건조펌프는 오염된 기름을 교환하거나 처리할 필요가 없기 때문에 환경 영향도 최소화한다. 뿐만 아니라 유지관리는 가끔씩만 필요하거나 전혀 필요하지 않기 때문에 그만큼 총 소유비용이 줄어드는 효과가 있다.

특정한 건조펌프 설계에서 가루 처리 성능은 중요한 고려사항이 된다. 펌프 상부에 가루를 가두는 장치를 사용하면 가루 처리 성능은 그 장치의 효율에 따라 달라진다. 

잉곳 제조를 위한 건조펌프를 선택할 때 압축기의 설계도 특별한 관심 대상이 된다. 건조펌프는 정밀한 기계적 간격이 필요하다. 온도 관리가 설계의 주요한 고려사항이기 때문이다. 효과적으로 관리하지 않으면 온도 팽창 때문에 고정자와 회전자 간의 간격이 줄어들어 펌프의 고장을 일으킨다. 이것은 가루가 많이 발생하는 공정이나 아르곤의 저조한 열전도성 때문에 아르곤을 사용하는 공정에서 특히 신경을 써야 할 부분이다.

윤활유가 건조펌프의 기어박스를 오염시키거나 드라이브 부품이 진공 공간을 오염시키는 문제도 특별한 고려사항이다. 윤활유가 진공 공간에 들어가면 펌프 속에 있는 가루와 섞여 펌프가 고장을 일으키는 원인이 된다. 가루가 기어박스에 들어가는 것도 막을 수 있어야 한다. 가루가 기어박스 안에 들어가면 베어링을 오염시키고 펌프의 수명도 그만큼 줄어들게 된다.

현대의 건조펌프는 최적의 에너지 효율성을 목표로 설계되었고, 이러한 설계로 인해 운영비용과 환경 영향이 줄어든다. 현재의 건조펌프는 일반적으로 고속 스크류(그림 3) 혹은 진동이 없거나 진동을 줄여주는 펌프 메커니즘을 이용하기 때문에 최고의 펌프 효율성을 위해 공정 공간 가까이 위치하게 된다. 과도한 잡음으로 인해 야기되는 잠재적인 위험이 그만큼 줄어들기 때문에 조작자에게도 위험이 적어지는 것이다. 그림 4는 건조펌프에서 생성되는 낮은 진동 수치를 보여준다. 첨단 열 설계 덕분에 물의 냉각 시에 필요한 물의 양도 줄어든다. 마지막으로 건조펌프는 윤활유 펌프에 비해 환경적 영향도 그만큼 적고 공간 사용 효율성도 최적화하는 효과를 갖고 있다.

다수의 건조펌프는 또한 평면 판과 반도체 산업에서 이미 광범위하게 사용 중인 기능인 회전 빈도, 투입 전류, 투입 전력, 온도와 같은 펌프 운전 변수들을 먼 거리에서 원격 모니터링을 할 수 있는 성능을 갖추고 있다. 원격 모니터링을 통해 펌프 상태 점검이 가능하고 중요한 제품 손실을 야기하는 예정에 없던 유지관리 시간을 허비할 필요도 없어진다. 실리콘 결정 제조 용도로 일반적으로 사용되고 있지는 않지만 성능 모니터링은 다른 유사한 용도에 비해 진공 시스템 총 소유비용을 줄이는 데 한 몫 하는 것으로 입증되었다.

에드워드의 GXS 스크류 건조펌프

에드워드 GXS 스크류 펌프는 실리콘 잉곳 제조 용도로 건조펌프가 제공하는 우수한 장점들을 갖추고 있다. 이 펌프는 저가의 운영비용에 필요한 기능과 높은 신뢰도를 통합한 제품이다. 또한 소음장치 없이도 단 0.43m2에 64dB 미만의 소음만을 만드는 등 우수한 환경적 기능 또한 갖추고 있다. 소음 장치를 제거하면 원치 않는 가루받이를 제거함으로써 신뢰도가 더 높아진다. 주입구 먼지 필터를 사용하지 않은 상태의 펌프 소직 통로 효과는 CZ 결정 애플리케이션에서 이미 입증되었다.

이러한 높은 품질 덕분에 펌프 서비스 수명이 늘어나며 그 결과 운영비용이 줄어들게 된다. GXS 스크류 건조펌프는 10torr에서 120slm의 아르곤을 취급할 수 있는 통합 부스터 펌프를 갖추고 있으며, 단 4slm의 실 퍼지를 사용하고 최종 전력은 4.9kW이다. 이 펌프의 가루 처리 능력은 앞서 논의한 취급 시 주의사항들을 모두 고려한 결과이다. 뿐만 아니라 일련의 통신 프로토콜을 위한 내장된 웹 서버와 지원을 통해 원거리에서 실시간으로 운영 변수들을 측정하는 기능이 제공된다.

태양광 솔루션으로 가장 적합한 건조펌프

태양광 기기 제조 공정은 다른 에너지 생산 기술과 비슷한 수준의 생산원가 달성이라는 목표와 환경 영향을 최소화한다는 목표, 이 두 가지에 의해 계속 지배를 받을 것이다. 현재로서는 결정질 실리콘 기술이 계속 지배적인 위치에 있을 것으로 예상되기 때문에 웨이퍼 제조 공정은 이 두 가지 목표를 앞당길 수 있는 잠재성을 가지고 있다. 진공 시스템의 설계와 펌프의 선택과 관련해 내린 결정은 운영비용에 상당한 영향을 줄 수 있고, 따라서 제품의 최종 비용에도 영향을 줄 것이다. 진공 시스템의 초기비용보다는 에너지 비용, 예상외의 공정 정지 시간에 따른 유지관리 비용, 잠재적인 생산량 감소, 소비재와 유해한 쓰레기 관리를 포함한 총 소유비용은 최적의 진공펌프 솔루션이 과연 어떤 것인가를 판단할 수 있는 좋은 기준들이다. 이런 관점에서 보자면 건조펌프 기술이 기름 밀봉식 펌프에 비해 훨씬 큰 장점을 갖고 있다는 것이 분명해진다. 따라서 향후 건조펌프가 가장 적합한 태양광 솔루션으로 각광받을 것이 자명하다.

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