Vacuum Pumps

요약

진공과 관련된 장비에는 항상 Vacuum pump가 중요한데, 사용면과 가격에 따라 여러가지 펌프가 존재한다. 장비에 달린 pump를 잘 알아야 고장도 적고 작동법을 이해할 수 있으니 한번쯤 보는것도 나쁘지 않다.

정의상 가정	gas flows_Reynold's number, knudsen's number
내용상 가정
공식	gsa transfer type, entrapment type
단위
응용

↑파란 박스의 글자를 클릭하시면 가정과 응용으로 넘어 가실 수 있습니다!!

진공 펌프에 대해서 간단하게 원리와, 종류만 소개해보겠습니다.

원리에 따라 진공 펌프는 크게 두가지로 나뉩니다.

1. gas transfer type

펌프를 사용해 기체분자를 외부로 보내 제거시키는 것입니다. 여기에는 Rotary vane pump, Turbo-molecular pump, Oil diffusion pump가 있습니다.

2. entrapment type

기체 입자를 잡아놓는 방법으로 여전히 진공 용기나 펌프속에 남아있으나 펌프에 붙잡혀있어 챔버 내부에는 기체분자가 없어 진공으로 만드는 법입니다.

Sorption pump, Cryopump, Sputter-ion pump등이 있습니다.

고진공을 뽑냐, 저진공을 뽑냐에 따라 pump종류가 나눠져있으며,

저진공을 뽑는 pump가 반드시 있어줘서 고진공 뽑는 pump를 도와줄 수 있습니다.

즉 먼저 Low vacuum pump로 먼저 챔버내부의 진공을 어느정도 만들어주는것을 Fore-pumping이라 하며

그후 High vacuum pump가 동작하여 고진공으로 만드는 것을 Backing pumping이라 합니다.

저진공 펌프먼저 보겠습니다.

그럼 가장 먼저 Rotary vane pump를 먼저 보겠습니다.

Rotary pump는 저진공 용도로 가장 많이 사용되는 펌프입니다. 위 그림에서 Rotor가 시계방향으로 돌면 vane이 inlet쪽의 기체를 압력차로 빨아들이고 이 기체가 압축되어 압력이 배출밸브(Discharge valve)를 열기 충분해지면 밸브가 열리면서 가스가 밖으로 배출됩니다. Rotor가 도는 빈공간의(rotor와stator사이) volume에 따라 pumping스피드가 커져 위 오른쪽 그림처럼 2개를 달아논 경우도 있습니다. 이걸 two stage rotary pump라하는데 two stage를 사용함으로써 single을 사용할 때보다 더욱 낮은 압력의 진공도를 얻을 수 있습니다. 

pumping speed는 volume과 rotor speed의 곱이고, 최대로 만들수 있는 통상적인 압력은 single일때는 10^(-2)Torr이고 double일땐 10^(-4)Torr입니다.

이때 Rotor와 Stator사이에는 oil을 채워주는데, stator와 vane사이의 공간을 막아주며(sealant), 윤활과 회전에 의한 마찰열을 감소시켜줍니다. 이때 사용하는 오일의 증기압이 낮아야 좀 더 낮은 압력까지 낮출 수 있고, 역류에의한 진공 챔버의 오염을 방지합니다.

그러나 oil은 어찌됬는 유기물 이므로 C가 발생해 온도가 올라가거나 조금 샌다하면 소재의 leakage pass에 반응하게 됩니다. 따라서 민감한 소자를 만들때 사용하지 않습니다.

oil을 사용하는대신 주의사항도 엄청나게 많습니다.

먼저 역류(backstream)을 조심해야합니다.

즉 oil이 증기상태가 되어 챔버로 이동할수있는데, 이렇게 된다면 챔버는 완전히 오염되게 됩니다.

펌프가 작동하며 마찰열이 발생하여 온도가증가하면 오일 증기압이 상승하여 당연히 발생하게 됩니다.

아니면 펌프가 오작동해서 챔버의 진공도가 펌프보다 높은상태에서 연결된다면, 오일이 챔버로 빨려들어가는 경우도 있습니다.

가장 먼저 작동순서를 절대 햇깔리면 안되겠고, 혹시모를 역류를 방지하기 위해 오일 트랩(oil trap)이나 역류 방지판(baffle)등을 사용합니다.

또한 wet방식의 큰 단점이라 볼 수 있는 물이나 아세톤 등과 같이 쉽게 응축되는 가스는 pumping의 압축단계에서 압력증가로 가스가 응축되어 배출되지 않아 진공도를 떨어뜨립니다. 이것도 gas ballast valve로 펌프의 압축 주기에 외부에서 대기나 다른가스를 주입시켜 충분한 방출 압력을 갖게 하여 물분자가 펌프안에서 응축되는 것을 방지시켜주는 기술이있습니다.

두번재로 Dry pump입니다.

이것은 oil을 쓰지 않아 소자에 반응 생성물을 발생을 방지합니다. 즉 원리는 Rotory pump와 같으나 oil없이 작동합니다. 

다음은 Sorption pump인데 cryosorption 방식입니다

즉 가스를 저온으로 얼려 흡착시키는 것입니다. 펌프 통에는 극 저온의 LN2가스가 있는데 가스가 내려오며 얼어 캡쳐됩니다.

1~10mTorr정도 진공을 만들수 있으며, 장비를 시작하는 경우 주로 사용됩니다.

이제 고진공 펌프를 보겠습니다.

처음 볼것은 가격이 저렴한 Oil diffusion pump인데, 펌핑 속도도 빠르고(200~8000 l/sec) ultimate pressure도 높습니다.(10^(-10)Torr)

위 그림과 같이 oil을 사용합니다.

먼저 boller에서 oill을 끓여 기화를 시키면 중간의 관을 타고 올라갑니다. 그뒤 양 옆으로 oil을 분사하여 gas를 아래로 밀어내어 포집하고 gas 분자를 밖으로 내보냅니다. 고진공 펌프인 만큼 당연히 fore backing 펌프가 필요합니다. 소리는 있으나 진동은 덜한 장점이 있습니다.

그러나 역시 oil을 사용하므로 챔버안으로 oil이 역류(backstreaming)할 수 있고, 응축된 oil이 박막이나 기판을 오염시킬 수 있습니다. oil기체가 뜨거운 필라멘트와 접촉한다면, carbonized deposit을 형성하여(타버려서) 박막내의 electrical leakage나 high breakdown을 유발 합니다.

이러한 이유로 표면분석기나 UHV system에 사용하면 압됩니다.

따라서 이는 Nonelectronic thin film코팅에 사용되고 보통 decorative, optical, mechanical 박막에 쓰입니다.

oil의 backstream을 방지하기 위해 챔버와 펌프 사이에 차가운 trap을 배치하여 oil을 응축시켜 다시 펌프로 떨어뜨립니다. 

참고로 진공펌프에 쓰이는 oil은 아무런 oil이나 쓰면 되는게 아니라

휘발성이 없고, 정제가 쉬워야 하며, 배기하고자 하는 가스와 반응성이 없어야하고, momentum transfer를 용이하게 하기위해 높은 분자량 및 분자밀도를 가져야 합니다.

또한 공기 중 산화, 진공 중 decomposition, 고온 산화등에 강해야하며, 유독성이 없어야 합니다.

다음으로 전자소자를 만들때 주로 쓰이는 터보펌프에 대해 보겠습니다.

영어 이름으로 Turbomoleculer pumps(TMP)로 불리는 이것은 제트기 모터와 같은 원리를 가지고 있습니다.

먼저 펌프속도는 100~5000 l/sec이고 ultimate pressure는 10^(-10)Torr가 됩니다.

oil같은 것을 사용하지 않아 backstreaming를 조심하지 않아도 됍니다.(clean pump) 

위 그림과 같은 회전날개가 엄청난 속도로 회전합니다.(20000~100000 rpm)

날로 기체 분자를 아래로 때려 가장 아래로 기체 분자를 빼냅니다.

수소와 헬륨을 제외하곤 엄청 빠른 속도로 진공을 만드나 이 기기는 비쌉니다.

그러나 나링 세라믹이라 엄청나게 잘 깨지므로, 상압에서 작동시키면 가스압력이 커서 깨지게 됩니다.

따라서 fore and backing pump가 필요합니다.

다음은 진짜 cryogenic pump입니다.

즉 펌프가 엄청나게 차가워서 표면에 기체 분자들이 응축 또는 흡착하여 제거하는 것입니다.

펌핑스피드는 700~4000 l/sec이며 최종 압력은 10^(-10)Torr정도 됩니다. 

극 저온을 만들기위해 액체질소나 압축된 헬륨을 이용하는데 H2, He, Ne와 같이 증기압이 높은 기체는 응축으로 배기할 수 없어 20K이하 흡착제로 따로 배기됩니다.

fore-pumping으로 10^(-2)Torr가 필요하고 모든 기체를 배기할 수 있고 초고진공을 얻을 수 있으며 조용한 분석장비입니다.

다만 재료가 비싸다는게 흠입니다.

마지막으로 Ion&getter pump입니다

이는 전자기적으로 가스를 배출하는 것입니다.

10^(-10)Torr 정도 가능하고 fore pumping으로 10^(-4)Torr가 필요합니다.

이때 

으로 에너지는 mean free path에 영향을 받는데 압력이 감소해야 mean free path가 증가하므로 압력이 충분히 낮아야 합니다.

cathode서 전자가 방출되면 가스와 충돌을 하며 회전하며 anode로 가게됩니다.

충돌한 가스는 이온화 되어 ionized되고 cathode로 가속되게 됩니다. 

더 많은 이온과 전자를 충돌시키기 위해 Ti cathode는 길게 만듭니다.

또한 자석을 붙여 전자가 돌면서 움직이게 하여 충돌을 더 맣이 시킵니다.

가스는 Ti와 ion burial과 반응하여 제거되게 됩니다.

이때 제거될 가스들은 여러가지 이므로

약한 ion은 Ti에 붙게되고 높은 에너지의 강한 ion은 Ti를 때려 Ti의 표면을 벗깁니다.

이럴 경우 에너지가 강한 이온은 이전 공정이나 방금 새로 붙어있던 이온을 강하게 때려 다시 이온이 방출되게 만듭니다.

이를 memory effect라 합니다.

이것은 진동도 없고 oil도 쓰지 않아 깨끗하므로 UHV를 할때 주로 쓰며 H2분자 같은 경우 이온화시키기 어려워 잘 펌핑시키지 못합니다.

이제 이 펌프로 어떻게 진공을 잡는지 간략하게만 진공장비 구성도를 보겠습니다.

oil diffusion pump의 경우 일딴 oil diffusion pump는 위 그림의 1입니다. 사용하기 전에 fore and backing을 해야하므로 17번 rotary pump로 초기진공을 먼저 잡아줍니다.18, 11벨브를 열고 17로 진공을 잡아준뒤 어느정도 진공이 잡히면(14 Thermal conductivity gauge로 1차로 진공을 확인합니다.)

11번 벨브를 잠그고 18번은 진공을 뽑기위해 계속 열어줍니다.

그리곤 1번 oil pump를 가동시킨뒤 7번 벨브를 열어 진공을 뽑아줍니다.

참고사항으로 21 liquid nitrogen trap과 13 roughing line trap으로 oil back stream방지를 해주며 16 bellows의 쭈글쭈글한 관은 로타리 펌프의 진동을 챔버에 전달되지 않게 해줍니다.

TMP도 똑같습니다.

로타리 펌프로 먼저 저진공을 잡아주고 TMP로 초고진공을 잡아줍니다.

아래 그림은 Ion& getter pump의 모식도입니다.

로타리 대신에 sorption pump를 이용했습니다. 이는 진공도 없고 깨끝합니다.

위의 진공장비로 챔버를 진공으로 만든 뒤

다음 스퍼터링 시스템으로 입자를 때려 박막을 증착하거나

아래 그림 E-beam evaporation system으로 입자를 증발시켜 박막을 증착하거나 (에너지 높은 eletron으로 녹입니다.)

참고사항으로 진공장비에 주 챔버(main chamber), 부 챔버(Load lack chamber)가 있는데 이는 main chamber에 고진공 고순도 분위기가 갖춰져야 하므로 대기 분위기에서 기판을 main chamber에 주입하기위해 공정률과 공정질을 저하시키지 않기위해 load lock에서 어느정도 진공을 잡아줘 완충역할을 시킵니다.