Cleanroom Tech Talk 1부 : 진공이란 무엇이며 어떤 유형의 진공 펌프가 있습니까?
Cleanroom Tech Talks 시리즈의 첫 번째 기사에 오신 것을 환영합니다! 저는 Chris McNally입니다. 클린룸과 진공 챔버에 적용되는 진공 기술의 기초를 안내해 드리겠습니다. 이 에피소드에서는 진공이 실제로 무엇인지, 진공을 측정하는 방법, 진공을 생성하는 데 사용되는 다양한 유형의 펌프와 기법에 대해 처음부터 알아보겠습니다.
진공이란 무엇입니까?
가장 단순한 진공은 공기 분자와 같은 모든 "물질"이 제거된 공간입니다. 지구에서는 대기 중의 분자에 끊임없이 둘러싸여 있습니다. 주어진 부피에서 이러한 분자를 제거하면 진공이 생성됩니다.
하지만 지구에는 분자가 절대적으로 없는 공간인 완벽한 진공이 존재하지 않습니다. 우리가 얻을 수 있는 가장 가까운 값은 제곱센티미터당 약 30,000 분자입니다. 이는 많은 것처럼 들릴 수 있지만 대기압에 비해 거의 아무것도 아닙니다.
반도체 챔버 솔루션 사업부에서는 챔버 내부의 진공을 제어하는 것을 목표로 합니다. 챔버 내부의 가스 분자가 반동하여 챔버 벽에 부딪혀 힘을 가합니다. 이러한 충돌의 힘을 측정함으로써 진공 측정과 동일한 압력을 측정합니다.
진공 압력은 어떻게 측정합니까?
진공 압력은 다양한 단위로 측정할 수 있습니다. 이 기사에서는 Torr를 사용합니다.
760 Torr = 해수면에서 지구의 대기압.
10−⁷ - 10−⁸ Torr = 일반적인 반도체 챔버 압력.
이를 원근감 있게 표현하면, 반도체 챔버 내부의 압력은 국제우주정거장이 궤도를 돌고 있는 열구체와 유사합니다.
두 가지 주요 진공 펌프 유형
진공을 생성하기 위해 당사는 두 가지 주요 범주로 분류되는 진공 펌프를 사용합니다.
이송 펌프 - 이 펌프는 분자를 물리적으로 챔버 밖으로 이동시킵니다.
역학 펌프: 분자를 이동시키기 위해 분자에 역학 에너지를 추가합니다(예: 터보 분자 펌프, 확산 펌프).
정변위 펌프: 분자를 잡고, 압축하고, 배출합니다.
트랩 펌프 - 이 펌프는 시스템 내부에 분자를 트랩하고 유지합니다.
극저온 펌프: 매우 차가운 표면을 사용하여 분자를 동결하고 포획합니다.
스퍼터 이온 펌프: 플라즈마와 자기장을 사용하여 분자를 재료로 포획합니다.
챔버 내 트랩: 분자를 직접 포획하는 챔버 내부의 차가운 표면(예: Edwards CTI-Cryogenics 냉장고, Polycold 크라이오칠러).
이러한 다양한 펌프는 주어진 진공 공정에서 다양한 목표 압력을 달성하며, 이는 고객, 부문 및 시장에 따라 다릅니다.
목표 압력: 점성 유량 대 분자 유량
진공 챔버 내부의 분자 거동은 얼마나 많은 분자가 남아 있는지에 따라 달라집니다.
점성 유동 (Viscous Flow)
뉴욕 그랜드 센트럴 역의 붐비는 출퇴근 시간을 상상해 보십시오. 수천 명의 사람들이 역 안을 가득 메우고 바쁘게 오가고 있습니다. 여기서 당신은 역 한쪽 끝에 서 있습니다. 그 상태에서 눈을 감고, 건너편 벽에 닿기 위해 최대한 빠른 속도로 역을 가로질러 걷는다면, 사람들과 계쏙 부딪히고, 부딪힌 사람들에 튕겨 나가면서 앞으로 나아가게 될 것입니다.
이것이 점성 흐름입니다. 가스 분자는 챔버 벽보다 더 자주 서로 충돌합니다.
분자 유동 (Molecular Flow)
이제 같은 상황을 새벽 3시라고 상상해 보십시오. 역 안은 거의 비어 있어, 누구와도 부딪히지 않고 반대편까지 걸어갈 수 있습니다. 이것이 바로 분자 유동입니다. 기체 분자들은 서로 충돌하기보다는 챔버를 가로질러 이동하다가벽에 부딪히고, 다시 방향을 바꿔 챔버 내부 공간을 무작위로 튕기듯 이동하게 됩니다.
두 체제 모두에서 단일 펌프가 효율적으로 작동할 수 없기 때문에 스택형 펌프 시스템을 사용합니다.
먼저 러핑 펌프라고도 하는 1차 펌프 또는 보조 펌프가 시스템을 대기에서 약 10−³ Torr(점성 유량)로 낮춥니다. 그런 다음 고 진공 펌프 가 챔버를 분자 흐름으로 밀어 넣어 해당 공정에 필요한 기본 압력을 달성합니다.
Kinetic 펌프란 무엇입니까?
Kinetic 펌프는 분자에 운동 에너지를 적용하여 방향성 유동을 생성하는 이송 펌프 유형입니다. 두 가지 유형의 역학 펌프를 자세히 살펴보겠습니다.
터보 분자 펌프 는 시간당 최대 670마일의 놀라운 속도로 회전하는 터빈처럼 작동합니다. 회전할 때 분자의 일부가 펌프로 내려갑니다. 분자는 궁극적으로 시스템 밖으로 배출될 때까지 점점 더 의도적인 편향을 통해 아래로 계속 진행됩니다.
대신 확산 펌프 는 고속 오일 제트를 사용합니다. 분자는 소진되기 전에 오일에 의해 풀로 끌려갑니다.
트랩 펌프란 무엇입니까?
이송 펌프와 달리 트랩 펌프는 분자를 밖으로 이동시키지 않고 시스템 내에서 트랩합니다.
극저온 펌프 는 차가운 표면을 사용하여 분자를 포획하고 진공을 생성합니다. 이러한 분자는 펌프가 가득 찰 때까지 펌프에 의해 유지되며, 이 시점에서 냉동된 분자는 해동되어 시스템에서 씻어냅니다.
스퍼터 이온 펌프는 플라즈마와 자기장을 사용하여 분자를 포획합니다. 플라즈마는 전자를 떨어뜨려 이온을 생성하는 자기장에서 제어됩니다. 그런 다음 이러한 양이온이 음극에 끌려 스퍼터링을 생성하여 기본적으로 재료로 변합니다. 이러한 펌프는 분자를 물질로 트랩하여 진공을 생성합니다.
챔버 내 트랩 은 진공 펌프가 아니라 오히려 기술입니다. 진공 챔버 내부에 직접 배치된 전용 가스 트랩을 사용합니다. 예로는 Edwards CTI-Cryogenics 냉장고 및 Polycold 극저온 냉각기와 같은 Gifford-McMahon 냉장고가 있습니다. 이러한 시스템은 차가운 표면을 챔버에 삽입하여 전도도 손실에 의해 제한되지 않기 때문에 챔버 외부에 연결된 펌프보다 분자를 더 효과적으로 포획합니다.
Edwards CTI-Cryogenics 저온 트랩 (Gifford-McMahon 냉장고 기반)은 수증기 및 크세논과 같은 기타 가스를 포집할 수 있는 매우 차가운 표면을 제공합니다.
Polycold 크라이오칠러는 Meissner 코일을 사용하여 저온 냉매를 순환시켜 코일을 냉각하고 물 분자를 트랩합니다. CTI-Cryogenics 저온 트랩의 초저온에 도달하지는 않지만 매우 빠른 용수 펌핑 속도가 필요한 응용 분야에서 매우 효과적입니다.
다음에 유의하십시오.
진공은 분자를 제거하여 챔버 내부의 압력을 줄이는 것입니다. 필요한 압력 또는 진공 레벨은 해당 공정에 따라 달라집니다.
각 진공 펌프는 목적과 역할이 다르기 때문에, 하나의 펌프로 모든 진공 범위를 커버할 수는 없습니다. 이에 따라 진공 펌프는 단계적으로 조합해 상요합니다. 먼저 1차 펌프가 압력을 점성 유동 영역까지 낮춘 뒤, 고진공 펌프가 이를 이어받아 분자 유동 영역까지 펌핑을 진행합니다.
Cleanroom Tech Talks의 첫 번째 에피소드를 마무리합니다. 다음에서는 다양한 진공 기술과 각 유형의 펌프가 특정 클린룸 응용 분야를 지원하는 방법에 대해 자세히 알아보겠습니다.