진공(vacuum)이란 무엇인가?

안녕하세요. 훈릴스입니다.

오늘은 진공에 대해서 같이 한 번 알아보는 시간을 가져보고자 합니다. 반도체 공정 장비에서는 정말 진공에 대해 많이 이야기가 나오는데요. 진공은 무엇이며 어떠한 원리로 작용하는지 알아보고자 합니다. 저도 골머리를 앓고 학습한 경험이 있기 때문에 방문자 분들 알기 쉽게끔 잘 정리해서 설명해보고자합니다.

 

우선 진공을 논하기에 앞서 압력에 대해서 이야기해봅시다. 압력은 단위 면적당 가해지는 힘입니다. 모든 표현법은 단위면적당 가해지는 힘을 기본으로 나타내는데, SI 단위계로는 \(N/m^2\)을 사용합니다. 진공에서는 압력을 단위로 사용합니다. 압력에 따라 저진공  / 중진공 / 고진공 / 초고진공으로 나뉩니다.

 

기체는 작은 입자로 이루어져있습니다. 그리고 이 작은 입자들은 끊임없이 움직입니다. 공간 속에서 이 작은 입자들이 움직일 때, 계속해서 공간 상에서 충돌을 하고 이것이 압력으로 나타나는 형태입니다. 보통 low vacuum 또는 rough vacuum에은 단위가 760torr~1 torr(Rough vacuum) 1~\(10^{-3}\)(Medium vacuum) 입니다. 그리고 고진공은 \(10^{-3} 에서 10^{-6}\) 사이를 고진공이라고 합니다. 초고진공은 \(10^{-8}\) 이하를 초고진공이라고 보통 이야기합니다.

 

단위는 Pa과 torr을 사용하는데 관습적으로 torr를 더 많이 사용하는 것으로 알고 있습니다. 보통 760~\(10^{-3}\)는 MFP(Mean Free Path)가 공간의 크기보다 훨씬 작기 때문에 많은 충돌을 하고, 이 압력 이하에서는 공간의 길이보다 MFP가 훨씬 크기 때문에 작은 충돌을 하는 것으로 알려져 있습니다.

 

"진공은 언제 사용하나요?"

1. Rough vacuum- wafer chuck, load lock chamber, sputtering, RIE, LPCVD2. High vacuum- evaporation, ion implantation3. ultra - high vacuum- surface analysis, MBE(Molecular Beam Epitaxy)

 

위와 같이 진공 정도에 따라 사용하는 용도가 다릅니다. 정말 반도체 공정 하나하나마다 사용하는 것을 알 수 있습니다. 어떠한 공간을 진공으로 만든다는 것은 공간 안의 기체를 제거하는 것을 의미합니다. 보통 현장에서는 "진공을 잡는다"라고 표현을 많이 합니다. 진공을 잡기에 앞서, 우선 공간을 청소해야겠죠? 청소하는 방법은 다음과 같습니다.

 

1. 공간안의 오염물 제거(NaCl, LiF) 등2. 화학접착물질을 100도~300도 사이에서 가열해서 제거3. 비활성기체를 투입해서 깨끗이 한다.4. 새로운 진공형성

 

위와 같은 순서대로 진공이 이루어지게 됩니다. 그 다음으로는 진공을 형성하게 되는데요. 진공을 형성하는 방법은 다음과 같습니다.1. 공간 속의 원래의 공기 제거 - 빠른 진공 형성 방법이지만 고진공 잡기는 힘듭니다.2. 다양한 Source로부터 발생한 공기 제거 (화학흡착물질, 챔버 안의 누설기체, 펌프의 backstreaming 기체) - 고진공을 형성할 때 사용하는 방법입니다. 다만, 오랜시간이 걸립니다.

 

이렇게 진공을 형성하게 됩니다. 진공의 잡는 방법은 기계마다, 회사마다 다르기 때문에 하나하나씩 포스팅해가면서 알아가봅시다. 마지막으로 gas flow regime에 대해 알아보고자 합니다. 앞서 압력에 따라 진공의 정도가 나뉜다고 말씀드렸습니다. 이론적으로 viscous flow와 molcules low로 나뉩니다.

 

viscous flow

- \(10^{-2}\) torr 이상에서 발생하는 기체의 흐름 방식입니다.- 기체 입자는 끊임없이 충돌합니다.- 기체 입자끼리의 충돌 >> 기체입자와 벽과의 충돌- 기체는 coherent & colletive 집합체로서 작용하는데, 이는 유체와 유사합니다.

 

Molecules flow

- \(10^{-2}\) 이하에서 발생하는 기체의 흐름 방식입니다.- 기체 입자끼리의 충돌 << 기체입자와 벽과의 충돌- 기체입자는 개별적인 입자로서 활동합니다.

 

 

이상으로 진공에 대해 알아보았습니다. 진공에 대해 공부하시는 분들 모두 화이팅입니다.감사합니다.