2024년 제37호 진공산업저널에 게재된 에드워드 Tech Hub Training Center의 김효배 상무의

'로드락 챔버에서 진공 배관(foreline)의 영향' 기고문 내용을 시리즈로 편집하여 공유해 드립니다.

 

 

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반도체의 많은 공정들과 일반 산업에서의 많은 공정들이 진공 분위기에서 진행된다. 진공에서 공정이 이루어지는 이유는 무엇일까? 그 해답은 대기압 환경과 진공 환경의 차이를 분석하면 찾을 수 있을 것이다. 대기압 상태의 공기는 H₂O나 산소 같이 반응성이 큰 기체 분자들을 포함하여 많은 수의 기체 분자들로 구성되어 있다. 이러한 기체 분자들의 영향을 최소화하는 방법 중의 하나는 그 수를 현저하게 줄이는 것이고, 그 환경을 진공이라고 한다. 즉, 대기 중의 기체 분자들의 영향을 최소화하려는 목적이 진공에서 공정을 진행하는 첫 번째 이유일 것이다. 진공 분위기에서 공정을 할 수 있는 곳을 진공 챔버라 한다. 그리고 이 진공 챔버를 진공으로 만들기 위해서는 진공 펌프가 필요하다. 진공 챔버와 진공 펌프를 직접 연결하여 사용하면, 주어진 조건(진공 챔버, 진공 펌프)에서는 가장 최적인 진공 시스템이 된다. 그러나 여러 가지 제약으로 인하여 실제 모든 진공 시스템은 진공 챔버와 진공 펌프를 연결하기 위해서 진공 배관을 사용한다. 물론 진공 밸브도 함께 설치된다. 특정 공정을 진행하기 위해서 진공 챔버를 설계하고, 최적의 진공 펌프를 선정하는 것은 모든 진공을 경험해 본 엔지니어들이라면 매우 중요하다고 인지할 것이다. 그러면 진공 배관을 선정하는 것에 대해서는 어떻게 생각할까? 필자의 경험으로는 많은 엔지니어들이 이에 대한 고민의 해결 방법으로 진공 펌프의 입구 크기에 맞추어 진공 배관의 직경을 선정한다. 문제는 진공 챔버와 연결되는 부분의 크기가 진공 펌프의 입구 크기와 다른 경우일 것이다. 그래서 로드락(loadlock) 챔버를 중심으로 배관의 선정에 대해 논의하고자 한다

 

 

 

1. 진공 챔버 내에서 기체 분자 소스[1]

 

진공 챔버는 처음에는 대기압 상태에 있을 것이고, 진공 펌프는 특정 압력(공정 압력)까지 진공 챔버 내에 존재하는 기체 분자들을 펌핑할 것이다. 펌핑 초기에는 이 기체 분자들에 의한 부하가 지배적일 것이다. 기체 부하는 기체의 양과 성질, 시스템의 온도, 요구 압력, 배기속력(pumping speed) 등에 의존할 것이다.

 

이상적인 진공 시스템에서는 리크(leak)가 없을 수 있지만, 실제 시스템의 경우 리크가 존재하고 이 리크로 인해 기체 부하를 더하게 된다. 리크라고 함은 실(seals)등의 결함으로 진공 시스템 밖의 기체 분자들이 진공 시스템 안으로 들어오는 것이다. 여기서 진공 시스템은 진공 챔버, 진공 밸브, 진공 배관, 진공 펌프 등을 포함한다.

 

백스트리밍(back-streaming)은 진공 펌프에서 진공 챔버로 이동하는 기체 분자들을 말한다. 오일 진공 펌프를 사용하는 경우, 오일 증기의 백스트리밍을 최소화하기 위해서 콜드 트랩(cold trap), 배프(baffle) 등을 사용하였다.

 

진공 챔버를 고진공으로 만드는데 있어서 아웃개싱(outgassing)은 기체 부하에 가장 중요한 기여를 할 수 있으며, 추정이나 대응이 가장 어렵다. 아웃개싱은 표면 물질로부터 기체 분자가 방출되는 기화(vaporization), 표면에 흡착된 기체 분자들이 방출되는 탈착(desorption), 진공 챔버 재료 내부에 있는 기체 분자가 방출되는 확산(diffusion) 그리고 시스템 밖의 기체 분자가 챔버 벽을 통해 챔버 안으로 방출되는 침투(permeation)가 있다.

 

 

그림 1. 진공 챔버에서 기체 부하

 

본 논의에서는 로드락 챔버를 중심으로 배관 선정을 다룰 것이므로 기체 부하는 진공 챔버 안의 공간에 있는 기체 분자들과 진공 챔버 표면에서 탈착되는 아웃개싱과 관련된 기체 분자들에 의한 부하만을 고려하겠다. 아웃개싱은 챔버의 표면에서 기체 분자가 방출되는 것이므로 챔버의 표면적의 크기가 영향을 주고 챔버의 재질에 따라서도 그 값이 달라진다. 단위 시간당 단위 면적당 기체 분자가 방출되는 값인 아웃개싱 레이트(outgassing rate)를 이용하여 그 값을 표현한다. 리크의 경우는 리크 레이트(leak rate)가 크지 않을 경우, 로드락 챔버의 펌핑 시간(pumping time)에 영향을 주지 않으므로 여기에서는 리크는 고려하지 않겠다.

 

 

 

2. 간단한 진공 시스템

 

일반적인 로드락 챔버는 대기압에서 대략 100 mTorr ~ 10 mTorr까지 펌핑을 한다. 양산 설비에 사용되는 것이라면 이 때 펌핑 시간이 매우 중요한 인자가 될 것이다. 그림 2는 로드락 시스템을 단순화한 개략도이다.

 

먼저, 진공 펌프와 관련된 중요한 개념은 배기속력(pumping speed)이다. 이것은 ISO규정에[2] 따라서 진공 펌프의 제작사에서 측정하여 제공한다. 펌프 입구의 특정 압력에서 단위 시간당 제거되는 기체 분자의 부피를 그 특정 압력에서의 펌프의 배기속력이라 한다. 이것은 압력의 함수로 표현된다. 압력에 따른 배기속력의 그래프를 그리면 최대값이 나타나고 통상적으로 배기속력의 최대값을 그 펌프의 용량이라 표현한다. 정확한 표현은 펌프의 최대배기속력(peak pumping speed)이다. 진공 배관의 경우 컨덕턴스(conductance)라는 개념을 사용하여 그 성능을 표현한다.

 

 

그림 2. 간단한 진공 시스템

 

컨덕턴스는 단위 시간당 통과시킬 수 있는 기체의 용량을 의미하며, 단위는 [부피/시간]으로 표현된다. 이 값 또한 압력의 함수이다. 물론 컨덕턴스는 배관의 모양이나 길이 등의 형태에 따라서도 달라진다. 여기서는 고정된 길이 L (cm)의 원형 배관에 대해 직경 D (cm)의 변화에 따른 진공 시스템의 차이에 대하여 논의하겠다. 긴 원형 배관의 컨덕턴스는 식(1)과 같이 표현된다.

 

 

식 (1)

 

 

여기에서, π는 원주율, η는 기체 분자의 점성도, D는 직경, L은 길이, P는 진공 배관 양 끝 단의 평균 압력(Torr)을 나타낸다. 20 ^oC air에 대해 적용하면 식(1)은 식(2)로 표현할 수 있다.

 

식 (2)

 

진공 챔버 배기 포트(exhaust port)에서 제거되는 기체 분자들은 유효배기속력(effective pumping speed)으로 설명할 수 있으며, 이것은 식(3)과 같이 표현된다.

 

식 (3)

 

여기에서 S_eff는 유효배기속력을, C는 진공배관의 컨덕턴스를, S_p는 진공 펌프의 배기속력을 나타낸다. 식(3)의 의미는 유효배기속력은 컨덕턴스와 펌프의 배기속력 중에 작은 값보다 작다는 것이다. 배관이 없는 진공 시스템이라면 S_eff는 S_p와 같을 것이다. 그러나 배관이 있는 시스템이라면 S_eff는 S_p 보다 작아질 것이고, 이것은 배관의 컨덕턴스에 의한 영향 때문이다. 컨덕턴스가 작은 진공 배관(foreline)을 선정하면, 진공 펌프의 성능이 큰 것을 선택했을지라도 그 진공 펌프의 성능만큼 사용하지 못한다는 것을 의미한다. 따라서 진공 배관의 선정은 매우 중요하다.

 

 

 

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