진공기술 한밭대학교 나 사 균.

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1 진공기술 한밭대학교 나 사 균

2 진공의 정의 일반정의 : 라틴어에서 유래한 Vacuum(empty, vacant) 것으로 특정 공간안에 가스분자들이 매우 희박하게 존재하고 있는 상태 공학적 정의 : 주위의 대기보다 적은 수의 가스분자들을 포함하고 있는 공간 상태 American Vacuum Society : 대기압보다 낮은 압력의개체로 충만된 공간의 상태 “가스의 분자 밀도가 2.5*1019 분자/cm3 이하” (아보가드로 수:0˚C, 1기압(표준상태)에서 22.4 liters안에 6.02x1023개의 분자가 있다)

3 진공의 특성 현상적으로 구분한 진공의 특성 압력차이에 의한 힘: 정의로부터도 알 수 있다.
 압력차이에 의한 힘: 정의로부터도 알 수 있다. 빠른 증발: 물은 약 1/40 기압에서는 상온에서 끓는다. 냉동건조 소리와 열의 차단: 매질을 없애거나 줄이는 효과 운동저항의 감소: 비행기가 높이 나는 이유중의 하나이기도 함. 방전: 먼 거리를 나는 동안 충분히 가속되어 방전이 쉽게 일어남. 산화방지: 산소(사화의 주범)를 없애준다. 청정표면: 표면에 오염원으로 작용하는 기체를 없애주는 효과

4 진공의 종류 및 응용 압력 차에 의한 힘의 발생 극청정 환경 제공 단열효과 입자의 장거리 비행가능 증발과 승화작용
진공은 다음과 같은 특성이 있으므로 전 과학기술 분야와 산업분야에서 진공기술이 응용되고 있다 등의 특성이 있다.  압력 차에 의한 힘의 발생 극청정 환경 제공 단열효과 입자의 장거리 비행가능 증발과 승화작용 안정된 플라즈마를 유지 생화학 반응 억제 우주환경 제공

5 실생활에서 진공의 종류 및 응용

6 진공의 단위

7 어떻게 압력을 낮출것인가?

8 지구에서의 진공 우주의 전체는 평균적 약 10-20 Pa 이는 대기압이 약 105 Pa과 비교해 거의 완전진공
지상에서의 고도에 따른 진공도의 변화: 기압은 고도에 따라 감소한다. 지상기압의 ½ 되는 곳의 고도는 5.5 Km로 상층 대기의 움직임을 대표 하는 곳이며, 대류권계면의 높이인 12Km 부근은 약 200 hPa 이다. 부근은 지상 기압이 1/100 정도로 대기의 99%가 30Km 이내에 있음을 의미한다.

9 sputtering, LPCVD, plasma etch, microwave production
진공 영역 구분 진공의 정도 압력 범위(Pa) 용 도 응용분야 low 105 > P > 102 기계공학, 식품분야 medium 102 ≥ P > 10-1 epi growth 전자공학, 광학진공야금 high 10-1 ≥ P > 10-5 sputtering, LPCVD, plasma etch, microwave production 반도체, 레이저공학 Ultrahigh 10-9 ≥ P > 10-12 thin film preparation, TEM 반도체, 신소재, 가속기, 우주과학, 표면과학 extreme ultrahigh 10-12 < P surface analysis 우주과학, 차세대소자, 소립자연구

10 진공에 따른 Air성분 변화

11 증기압 주요 고체의 온도에 따른 증기압 주요 액체의 20℃에서의 증기압

12 평균자유행로(Mean Free Path)
: 한 입자가 다른 입자와 충돌하기 전까지 이동한 평균거리를 말한다. 대기중의 MFP는 매우 짧으며, 진공중의 MFP는 매우 길다. 즉, chamber내의 압력이 낮을수록 … 기체입자의 존재 확률은 줄고, 기체입자 사이의 공간은 증가하며, 입자끼리의 충돌 횟수는 줄어들기 때문에 MFP는 길어진다. MFP (λ) ∝ 1/n ∝ 1/P , λ ＝ 5/P(mtorr) 7.6×102 torr (atm) ×103 torr ×10-9 torr ＃ mol/cm × × ×107 (30 million trillion) (40 trillion) (40 million) MFP ×10-6 in in mi

13 압력에 따른 여러가지 값들

14 왜 진공에서 실험을 해야 하는가 ?

15 기체의 성질 Avogadro’s Law : 동일한 압력과 온도 조건에서 동일한 부피의 기체는 동일한 분자수(아보가드로수 : NA)를 갖는다. 이를 mole(몰)이라고 부른다. 분자에 대해서 논할 때 표본의 크기를 몰 단위로 정하는 것이 좋다. 이렇게 함으로써 같은 수의 분자들로 이루어진 표본들을 비교한다는 것이 확실해진다. 몰은 SI 기초 단위 중 하나이다. <Def. > 1몰은 12 g의 탄소 즉, 12 속에 들어있는 원자의 수이다.

16 기체의 성질 Avogadro’s Law “ 얼마나 많은 분자나 원자가 1몰 안에 있는가? “
→ NA= 6.023× 1023 mol-1 어떤 물질내의 몰 수 n = N/ NA (이때 N은 물질의 분자수) Avogadro 수가 매우 크다 = 매우 작은 원자가 많이 있다. 예) 얼마나 많은 수의 분자수가 1리터에 포함되어 있는가? 6.023 × 1023 분자수 22.4 리터 = 2.69 × 1022 분자수/리터 예) 얼마나 많은 분자수가 1 cm3(1cc)에 포함되어 있는가? 6.023 × 1023 분자수 리터 22.4 리터 cc = 2.69 × 1019 분자수/cc ×

17 기체의 성질 Boyle’s Law : P1V1 = P2V2 이며, 기체의 질량과 온도가 일정할 때, 압력과
부피 사이의 관계식을 표현한 법칙이다. 만약 부피를 절반으로 줄이려면, 압력은 두배로 늘어나야 함. Note. Temperature held constant 보일의 법칙에 의하면 진공에서의 기체는 크게 확산되며, 이 현상은 지문이나 먼지의 기체에서도 일어난다. 물과 solvent 또한 기체의 큰 오염원이다.이 물질이 생성한 큰 부피는 “outgassing’의 중요한 부분이다.

18 기체의 성질 Boyle’s Law ex) 1 × torr의 압력하에 100 liter 부피를 가진 chamber에 1 std cc의 기체가 더해지면 압력은? 보일의 법칙을 사용해 P1V1 = P2V2 이므로, 760 torr × 1 cc = P2 × 100 l cc를 liter로 변환하면, 760 torr × 1 cc 리터 100 l cc ∴ P2 = 7.6 × torr 결국, Ptotal = Pchamber + P2 =1×10-4 torr + 7.6×10-3 torr = 7.7 × torr (즉, 대기압에서의 1cc의 약간의 기체 혼합흡입은 chamber내 진공도에 큰 영향을 주게 된다 ) = P2 ×

19 기체의 성질 Charles’ Law : V1/T1 = V2/T2 기체가 차가울 때 부피는 작으며, 그것을 가열하면 부피는 증가한다. 만약, 절대온도가 제곱이 되면, 기체의 부피는 제곱으로 나주어 지고, 압력은 변하지 않는다. Note. Pressure held constant

20 기체의 성질 Law of Gay-Lussac General Gas Law
: 만일 0oC 에서 기체의 부피에 온도가 1oC 씩 변하면, 원래 부피에서 ±1/273 씩 변화할 것이다. V = V0 X (oC/273) + V0 ∴ V = V0(1 + oC/273) General Gas Law : Boyle 과 Charles 법칙을 결합한 것으로, P1V1 / T1 = P2V2 / T2 Charles 법칙과 기체 법칙에서 온도는 절대온도로 0oK = -273 oC 이다.

21 Gas Flow Knudsen Number Viscous Flow Molecular Flow D : 용기의 지름
λ : 자유행정거리 Viscous Flow Molecular Flow Kn < 0.01 Kn > 1

22 Conductance 주어진 시간동안 지나간 경로(통과시킬 수 있는 용량.)를 의미하며, l /sec, ft3(cubic feet)/min, m3/hour 이다. Viscous flow에서 conductance는 파이프의 길이에 반비례하고, 파이프의 직경의 네제곱에 비례한다. Molecular flow 에서 conductance는 파이프의 길이에 반비례하고, 직경의 세제곱에 비례한다.

23 Conductance(구멍을 통한 전도)
M : 분자량, T : 온도 예) 300K의 질소기체에 대한 단위면적당 구멍전도를 계산해보시오.

24 Conductance(관을 통한 전도) 반지름 r의 관을 통해 분자 유동 r : 반경, L : 길이
예) 실온에서 공기(M=29)의 경우

25 Conductance 직렬 conductance : chamber에서 직렬로 구성 시 전체 conductance는 직렬에서 가장 작은 conductance보다도 더 작다. 예를 들어, 100 liter/sec의 직렬 conductance에 200 liter/sec의 속도를 가진 펌프를 연결 시 전체 conductance를 R, 연결한 conductance를 C, 펌프의 conductance를 S라고 하면, 1/R = 1/C + 1/S 즉, R = (CS)/(C+S)이다. 따라서, 100 l / sec × l / sec ( ) l / sec (연결한 펌프는 chamber에 그 용량의 1/3 (66.6 l / sec) 효력을 발생한다.) *펌프는 파이프보다 나은 것이 없으며, 기체가 펌프에 도달하기 전까지는 기체를 배기할 수 없다. 이를 conductance의 한계라고 한다.* 병렬 conductance : 병렬에서는 각각의 conductance를 더하면 된다. 즉, C total = C1 + C2

26 진공system에 의한 측정들 Pumping speed(배기속도)를 측정함으로써
진공 펌프의 성능을 알 수 있으며, l / sec 또는 ft3 (cubic feet) /min로 측정된다. 그러나, 이 측정으로 chamber에서 제거된 분자의 양을 알 수는 없다. 또한, 낮은 압력 하에서는 Pumping speed로만 규정 지을 수 없으므로 throughput(진공 배기용량)으로 배기량을 알 수 있다. Effective Pumping speed(유효배기속도)

27 진공system에 의한 측정들 예) 진공 시스템 배기 속도가 200 l/sec로 주어진 펌프와 연결이 되어 있는데 그 연결부분이 두 개의 진공 부품으로 되어 있다. 하나는 전도도가 200 l/sec인 튜브이고 다른 하나는 전도가 200 l/sec인 트랩이다. 이 진공시스템의 유효배기 속도를 구하시오 직렬연결식을 이용하면 따라서 F = 66.7 l/sec system내 존재하는 기체의 양은 압력(torr) × 체적(liter)이며, 이를 gas load 라고 부르며, 단위는 torr-liters 또는 pascal-liters 이다.

28 진공system에 의한 측정들 Throughput
압력(P)와 체적(V)의 곱(PV)는 진공에서 펌프가 기체를 한 곳에서 다른 곳으로 옮길 수 있는 양에 대한 측정이며, 이에 걸리는 시간(t)로 나눠주면 (PV/t), 펌프의 용량이다. 이를 throughput Q 라 한다. Throughput throughput Q 는 pumping speed(S) × P 또는 기체흐름의 양과 같다. S는 V/t 이므로, Q = PV/t 이다. 단위는 torr-l /sec, pascal-l /sec , 또는 atm ft3(cubic feet)/min로 쓸 수 있다 pumping이 계속되면, 압력이 감소하므로 단위체적당 분자가 감소하므로 분자들을 제거하는 것이 더욱 어려워진다. 따라서 Q도 감소한다.

29 진공System에서 Gas Source

30 진공펌프의 원리

31 진공펌프의 원리

32 진공펌프의 구분

33 Positive displacement Non-evaporator Getter
Pump의 종류 Pumps Gas transfer Pumps Entrapments Positive displacement Kinetic Adsorption Rotary Pump Drag Getter Non-evaporator Getter Turbo Molecular Sliding Vane Fluid Entrainment Sputter ion Rotary Plunger Water Jet Diode Diffusion Roots Triode Dry Pumps Cryo Diaphragm Multi-stage Rotor

34 Pump의 동작원리(Positive displacement 펌프)
로터리 펌프(rotary vane pump) 일반적으로 실험실에서 저진공 용도로 가장 많이 사용되는 로터리펌프의 구조와 작동 순서를 나타내었다. 로터리 펌프는 정지자(stator), 회전자(rotator) 그리고 vane에 의해 흡입(A), 압축(B,C), 배기(D)의 과정을 거쳐 작동하게된다. Vane과 회전자에 의해 압축된 가스의 압력이 배출밸브를 열기에 충분할 정도로 높아지면, 밸브가 열리면서 가스가 배출되게 된다.

35 Pump의 동작원리(Positive displacement 펌프)
: 오일 확산 펌프(Oil diffusion pump) 구조 작동 원리 구조는 크게 히터(heater)와 jet assembly로 구성되어 있다. 히터에서 끓어 형성된 오일 증기가 증기탑을 따라 상승하다가 아래쪽을 향한 노즐에서 초음속(약 300m/초)으로 분출되는 것이다. 이렇게 아래쪽을 향해 분사되면서 펌프주변으로 들어온 기체분자들을 함께 같은 방향으로 이동시켜 배기가 이루어진다.

36 Pump의 동작원리(Positive displacement 펌프)
오일 확산 펌프(Oil diffusion pump) 오일 산화 등에 따른 역류를 방지하기 위하여 펌프에 사용되는 오일은 다음과 같은 성질을 만족하여야 한다. <오일의 조건> ① 휘발성이 없고 정제(purification)가 쉬워야 한다. ② 배기하고자 하는 가스와 반응성이 없어야 한다. ③ momentum transfer를 용이하게 하기 위해 분자량 및 분자밀도가 높아야 한다. ④ 공기 중 산화, 진공 중 decomposition, 고온산화 등에 강해야 한다. ⑤ 유독성이 없어야 한다.

37 Pump의 동작원리(Positive displacement 펌프)
오일 확산 펌프의 System 구성

38 Oil Pump에서 발생하는 Oil의 Backstream
흐르는 가스분자들로부터 오일 증기 분자들에게 운동량이 전달되어 발생 압력 ↓ -> backstream ↑ 압력 ↑ -> backstream ↓ backstream을 완전 제거하기는 불가능

39 Oil Pump에서 발생하는 Oil의 Backstream 방지

40 Pump의 동작원리(Positive displacement 펌프)
터보 분자 펌프(turbo-molecular pump =TMP)

41 Pump의 동작원리(Positive displacement 펌프)
TMP 구조 터보 분자 펌프는 블레이드의 회전에 의해 분자에 momentum transfer가 일어나고 이때 분자가 원하는 방향으로 튀어 나감으로써 배기가 이루어 진다는 간단한 원리를 가지고 있다.

42 Pump의 동작원리(Positive displacement 펌프)
터보 분자 펌프(turbo-molecular pump) 진공용기의 압력이 높은 경우, 기체분자의 량이 많기 때문에 기체 분자들은 독립적으로 움직이지 못하고 서로 영향을 받게 되는데,이처럼 분자의 평균자유행로(mean free path)가 짧고 분자들 사이에 힘이 작용하는 경우를 viscous flow라고 한다. 이때 기체 분자는 완전 탄성구처럼 작용하여 충돌이 일어나면 그대로 다시 튀어나가게 되고 또한 압력 구배에 따른 자연스러운 흐림을 갖게 되는 것으로 알려져 있다. 따라서 이 경우 역류 (back stream)에 대한 우려가 없고, 그림에서처럼 블레이드에 부딪힌 분자는 자연스럽게 배기될 것이다.

43 Pump의 동작원리(Entrapment펌프)
Cryogenic pump ‘저온(cryo-)’을 이용한 것으로, 차가운 표면에 기체 분자들이 응축 또는 흡착되도록 하여 제거하는 원리를 이용한다. 냉매로는 액체질소나 압축된 헬륨을 이용

44 Pump의 동작원리(Entrapment펌프)
<크라이오 펌프의 작동 원리와 구조> 크라이오 펌프에 사용되는 냉동기는 2단으로 되어 있고 1단은 냉동 능력이 큰 80K 이하로 냉각 할 수가 있고 2단은 냉동능력이 작은 10K~20K(켈빈)으로 냉각할 수가 있다. 15K Cryo Panel(1) (응축 Panel)과 15K Cryo Panel(2) (흡착 Panel)은 냉동기의 2단에 부착되어 있고 냉동능력이 큰 1단에 부착되어 있는 80K Shield와 80K Buffle은 실온의 방사(복사)열로부터 펌프를 보호를 하고 있다. <크라이오 펌프가 배기하는 주요 기체> 공기(N2,O2) : 진공장치 초기 Pumping후의 잔류기체. 방출(H2O) : 진공용기의 벽면에 흡착(통상의 진공장치에는 최대의 성분) Glass,플라스틱,세라믹,등으로 부터의 방출 Gas (H2) : 진공용기의 금속벽 내부의 확산 방출 (초고진공,극 진공에서 문제) 고온,용해금속(특히Al) 으로의 방출(증착,Sputter)

45 Pump의 동작원리(Entrapment펌프)

46 Pump의 동작원리(Entrapment펌프)
이온 펌프(Ion pump) 기체를 이온화하여 표면과의 반응성을 높여 주어진 공간으로부터 기체분자를 제거하는 방법 Cathode로부터 발생된 전자는 바깥에서 형성된 자기장의 영향으로 나선형으로 anode 쪽으로 운동을 한다. 전압은 약 5 kvolt 정도이고 자기장은 전자에 회전운동을 유도하여 곧바로 anode로 가는 것을 방지하고 기체분자와 충돌할 수 있는 확률을 높이게 된다. 전자는 나선형 운동 중에 기체 분자와 충돌하여 이온화시키고, 이온화된 기체는 cathode 쪽으로 급격히 가속되어 배기 과정이 이루어지게 된다.

47 진공system에서의 압력

48 진공게이지

49 진공게이지 Bourdon gauge : 나선형 튜브의 휨 정도 Thermocouple gauge : 두 금속선을 접합시켜
온도에 따른 전압차

50 진공게이지 Pirani gauge : Wheatstone Bridge 이용 Convection gauge :
기체의 대류에 의한 열전단 현상 이용 (가스 종류에 따라 변화 큼)

51 진공게이지 Ionzation gauge (Bayare-Alpert gauge)

52 LED제조공정에서 사용하는 진공장비 건식 식각장비 주성 MOCVD 장비

53 LED제조공정에서 사용하는 진공장비 LPCVD System
Wafers are stacked upright and heated in a furnace The walls of the chamber are heated – a “hot-wall” reactor

54 LED제조공정에서 사용하는 진공장비 Metal CVD System