1. 진공 펌프, 진공 게이지 (반도체 공정)

반도체 제조 (박막 증착, 식각) 뿐 아니라, 반도체 평가/측정 단계에서도 진공이 필요합니다.

 

이번 포스팅은, 진공 관련된 대략적인 이해와 펌프 종류, 그리고 진공도를 측정하는 게이지 관련하여 설명을 드리겠습니다.

 

진공이 필요한 이유는 원하는 기능을 그대로 구현하기 위해 결함 없는 박막을 증착하기 위해, 그리고 먼지들로 인해 공정 중 불량(short)이 생기지 않는, 어찌 보면 위 글을 보는 분들은 당연히 아시는 이야기를 진행하고 있습니다.

특정 압력에서 플라즈마를 띄우는 공정을 진행하거나, 금속의 녹는점을 낮추기 위한 공정, 혹은 base pressure에 따라 박막 성질 변화 등의 다양한 이유로 진공에 대해 반도체 공학자들은 민감해집니다.

 

먼저, 챔버에 진공을 만드는 펌프에 대해 말씀을 드리겠습니다.

진공 펌프 종류

진공 펌프는 해당 범위의 진공도 제작에 용이한 저 진공 펌프, 고진공 펌프, 초고진공 펌프로 나뉩니다.

1) 저진공 펌프

저 진공 펌프는 Dry pump / Oil 이용 펌프로 나뉩니다. Dry pump는 oil에 비해 배기속도가 3배 느리지만, oil 역류 위험이 없다는 점에서 자주 사용됩니다.

1-1. Roots pump : 대형 챔버(다량의 공기 배기 가능), 1 Torr ~ 10 Torr.

1-2. Screw pump : 공기가 고속으로 회전하는 screw에 압축, 배기 속력 큼.

1-3. Claw pump : 회전자가 벨브 역할을 하며 진공도 조절, 직접 배기펌프.

1-4. Diaphragm & piston pump : Diaphragm이 펌프 속의 부피 조절로 배기, 수 Torr.

1-5. 흡착 펌프 (Capture pump) : 초기배기용 펌프로, backing pump 사용 X.

1-6. Venturi pump : 빠른 기체의 흐름을 이용하여 챔버 내 기체 분자 제거.

 

2) 고진공 펌프 

고진공 펌프는 다음과 같이 나뉩니다.

 

2-1. Oil Diffusion pump

• 오일 증기 제트 속으로 기체가 열 운동에 의해 확산되어 들어와 운동량 받아 배기.

• 배출량 큼, 일정한 배기 속력, 10-3 Torr ~ 10-9 Torr, 역류 가능성 존재.

 

2-2. Turbomolecular pump (TMP)

• 고속으로 회전하는 날개가 분자흐름 상태로 온 기체 분자들을 쳐 압축시켜 배기.

• H2, He 등 열 운동 속도 큰 원자 및 분자 배기속도 저하 (압축비 小).

• 10-2 ~ 5 x 10-10 Torr, 큰 배기속도, 비쌈.

 

2-3. 분자 드래그 펌프

•움직이는 표면 방향으로 기체가 배기되는 원리.

•10 Torr ~ 10-6 Torr.

 

2-4. 냉온 펌프

• Crossover pressure : 수 Torr

• 질량이 가벼운 기체분자의 배기속도 小

• 포획 펌프로 배기속력 큼

 

3) 초고진공 펌프

초고진공 펌프는 다음과 같이 나뉩니다.

 

3-1. 티타늄 승화 펌프 (TSP)

• Ti Bulker filament를 승화시켜 chamber 내 기체와 반응

• 불활성 기체와 반응 X

 

3-2. NEG

카트리지 이용 펌프, H2 배기 속도가 빨라 UHV에 이용

 

3-3. Ion pump

• 기체를 이온화하여 표면과 반응성을 높여 공간으로부터 기체분자 제거
(화합물 형성 시켜 배기하는 mechanism)

 

원하는 펌프를 선택하셨으면, 실제로 구현이 되는지 및 진공도에 이상이 없는지 측정하는 진공 게이지가 필요합니다.

진공 게이지의 종류는 크게 측정 방식(직접 측정 게이지/간접 측정 게이지)으로 나뉩니다.

직접 측정 게이지

직접 측정 게이지는 압력 직접 측정 게이지로 힘에 대한 벽의 변위 계산을 통해 압력을 계산하는 게이지입니다.
따라서, 기체의 물리적인 특성과 무관합니다. 관련 게이지 종류는 다음과 같습니다.

 

 

1. 액체 벽 사용 게이지

1-1. 액주형 기압계 : P2 – P1 = pgh 원리, 대기압 ~ 10-2Torr
1-2. 맥리오드 게이지 : 1과 비슷, 수은 기둥 이용하여 측정  : 1 Torr ~ 10-6 Torr 측정 (Indirect gauge calibration 하는 데 사용)

2. 고체 벽 사용 게이지

2-1. 부르돈 게이지 : 압력에 따라 튜브의 휜 정도를 이용하여 측정 : 대기압 ~ 0.1 Torr
2-2. Diaphragm 게이지 : 압력 변화에 따른 튜브의 부피변화 측정 : 대기압 ~ 1 torr
2-3. 축전 용량식 게이지 : 압력 변화에 따라 격막의 휜 정도를 축전용량의 변화로 측정 :1 ~ 10-3 Torr측정 가능, 온도 변화에 민감. (Capacitance Manometer)

 

간접 측정 게이지

간접 측정 게이지는 압력 간접 측정 게이지로, 기체마다 특성이 다른 값들을 다 적용하여 압력을 계산하는 게이지입니다.
: 기체마다 특성 다름
: 민감도 大

민감도가 좋아 진공도 확인에 주로 쓰이는 간접 측정 게이지의 종류는 다음과 같습니다.

 

1. 기체의 열 특성 이용 게이지

1-1. Thermocouple Gauge : 압력 변화로 열 전도도 변화, 그로 인한 기전력 변화: 대기압 ~ 10-2 Torr
1-2. Pirani Gauge : 압력 변화로 열 전도도 변화, 그로 인한 저항 변화 : 5x10-1 Torr ~ 5x10-3 Torr
1-3. Conventional gauge (전도 + 대류 측정)

 

2. 기체의 이온 이용

2-1. Hot cathode ion gauge (10-4 Torr ~ 10-8 Torr)
2-2. Cold cathode ion gauge (1 Torr ~ 10-7 Torr)

3. 기체의 점성 특성 이용

• Spinning Rotor Gauge (1 Torr ~ 10-7 Torr)

 

4. 진동수 이용 (수정 발진자 게이지)

5. 방전 이용 (가이슬러 방전관)

6. RGA 게이지

• 기체 분자 양뿐 아니라 기체의 종류 중요 (분압 측정 가능)

• 이온화 과정 및 전화량 대비 질량별 분류(시간 : TOF, 공간 : 자기장 or 4 중극중극 질량분석)