본문내용
1. 진공과 박막
1.1. 진공의 정의와 측정
진공이란 원래 라틴어로 'vacua', 즉 기체(물질)가 없는 공간의 상태를 의미하여 이런 이상적인 진공 상태일 때 기압(압력)은 0이 된다. 하지만 실제로 이렇게 완전한 진공 상태의 제작은 불가능하다. 우주 공간의 경우도 미약하지만 물질의 입자들이 계속 움직이고 있기 때문에 기압이 지구상의 대기압의 약 10의 17승 분의 1정도는 된다. 정확하게 말하자면 공간의 기체 압력이 대기압(1기압)보다 낮은 상태, 즉 분자의 수가 1㎠ 내에 약 2.69 × 10^19개 이하인 상태를 의미한다. 따라서 진공도는 용기 속에 남아 있는 기체의 압력으로 표현된다. 진공도를 직접 압력으로 측정하는 경우와 기체가 지닌 다른 물리적 특성을 이용하여 간접적으로 측정하는 방법이 있는데, 민감도가 후자의 경우가 더 좋으므로 대부분의 진공 게이지 즉 압력계는 기체가 가진 열 또는 전기적 특성을 이용하고 있다. 하지만 이러한 물리적 특성이 기체마다 다르므로 대부분의 경우 질소에 대한 압력으로 눈금이 보정되어 있다. 따라서 종류가 다른 기체를 사용하거나 혼합된 기체를 사용할 때는 따로 보정값을 찾아 그 기체의 압력으로 변환하여야 올바른 기압을 측정할 수 있다."
1.2. 진공의 필요성
진공의 필요성은 크게 세 가지로 분류할 수 있다.
첫째, 깨끗한 환경 제공이다. 반도체 물질의 도핑 정도를 표시할 때 ppm(백만분율)이라는 단위를 사용하는데, 이는 백만 분의 일 정도의 이물질이 해당 물질의 특성을 바꿀 수 있다는 것을 의미한다. 예를 들어 반도체 재료인 실리콘에 10ppm 정도의 붕소를 첨가하면 전기 전도도가 약 1000배 정도 증가한다. 이 정도의 정밀도 수준에서는 대기 중에 존재하는 수소 분자와도 반응할 수 있기 때문에 오염되지 않는 깨끗한 환경이 필요하다.
둘째, 적절한 환경 제공이다. 예를 들어 스퍼터링(sputtering)을 이용할 때는 mTorr 수준의 기압이 필요하지만, CVD(화학 기상 증착)의 경우에는 그보다 100배 이상 높은 압력이 사용된다. 반면 각종 표면 분석 장비의 경우에는 10-8Torr 이하의 초고진공 환경이 요구되기도 한다. 즉, 공정에 따라 적절한 진공 환경이 필요하다.
셋째, 진공 특성을 이용하는 경우이다. 물의 끓는점이 대기압의 약 1/40 수준에서는 실온 정도로 떨어지기 때문에, 진공을 이용하여 음식의 향을 잘 보존한 채 물을 증발시킬 수 있다. 또한 진공의 높은 전기적 절연성을 이용하여 고압 장비에 응용하기도 한다. 이 밖에도 초고진공 환경에서 사용할 수 있는 장비와 재료 등에 관한 연구가 필요해지고 있다.
이처럼 진공은 깨끗한 환경 제공, 공정에 적합한 환경 구현, 진공 특성 활용 등 다양한 용도로 필요로 되고 있다.
1.3. 진공 펌프의 종류와 원리
진공 펌프의 종류와 원리는 다음과 같다.
오일 회전 펌프(Oil rotary pump)는 가장 기본적인 진공펌프로, 보통 로터리펌프라고 불리며 다른 고진공 펌프들과 함께 사용된다. 오일이 밀폐제 역할과 냉매제 역할을 수행하기도 한다. 수명이 20년 이상으로 길고 지속적인 빠른 회전으로 인해 소음이 발생하며, 겨울철 오일이 얼면 작동이 불가능한 단점이 있다.
루츠 펌프(Roots Pump)는 오일을 사용하지 않는 건식 펌프로, 로터리 펌프와 진공 용기 사이에 직렬로 연결되어 배기속도를 증가시키고 오일의 역류로 인한 오염을 방지하기 위한 보조펌프로 사용된다.
오일 확산 펌프(Oil diffusion pump)는 최초에는 수은 증기를 이용하였으나 유독성의 문제로 오일로 대체되었다. 일반적인 러핑 펌프에 비해 배기 속도가 높고 기계적인 구동의 펌프가 아니므로 소음이나 진동이 없지만, 충분히 냉각되지 못하면 역류의 위험이 있으며 저진공 펌프의 지속적인 작동이 필요하다.
터보 펌프(Turbo-molecular pump)는 기체분자들을 효과적으로 배출하기 위해 회전자의 속도가 기체의 열에너지에 의한 이동속도보다 커야 한다. 시동시간이 짧고 운전비용이 저렴하며 청결한 고진공 펌프이지만, 가격이 높고 유지보수가 어려우며 가벼운 기체(He)에 대한 낮은 압축비를 갖는다.
크라이오 ...
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