이번 포스팅은 진공 관련된 대략적인 이해와 이를 바탕으로 펌프 종류, 그리고 진공을 뽑은 이후의 진공도를 측정하는 게이지 관련하여 설명을 드리겠습니다.
반도체 공정 장비 내 진공이 필요한 이유는 다음과 같습니다.
- 원하는 기능을 그대로 구현하기 위해 결함 없는 박막을 증착하기 위해서입니다.
예를 들어, 먼지들로 인해 공정 중 불량(short)이 생기지 않게 하기 위해 등등..
- 특정 압력에서 플라즈마를 띄우는 공정을 위해서입니다.
- 금속의 녹는점을 낮추기 위해서입니다.
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 oil pump에 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)
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