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

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

 

 

▪ ▪ ▪ ▪ ▪

 

 

 

3. 진공 챔버와 진공 배관의 차이

 

그림 2에서 진공 밸브의 위치는 펌핑 시간에 어떤 영향을 줄 것이라 예측할 수 있다. 단순한 이유로는 진공 밸브를 기준으로 진공 챔버 쪽은 대기압이고 진공 펌프 쪽은 진공이기 때문이다. 진공 밸브의 위치만을 변경하여, 진공 밸브의 위치를 위쪽(진공 챔버 쪽), 중간, 아래쪽 (진공 펌프 쪽)으로 구분하면, 진공 시스템에서 초기에 대기압 상태인 부피가 위쪽에서 아래쪽으로 갈수록 커진다. 즉, 펌핑 시간도 위쪽에서 아래쪽으로 갈수록 길어질 것이라는 것을 예측할 수 있다. 그림 3은 진공 밸브 위치에 따른 펌핑 시간에 대한 모의실험 결과이다. 진공 밸브 위치를 제외하고 나머지 조건들은 동일하다. 펌핑하여야 할 공간(부피)의 차이가 발생하므로 펌핑시간의 차이가 발생하는 것을 쉽게 이해할 수 있다. 특히, 진공밸브가 진공챔버 쪽에 설치된 경우(UP), 펌핑해야 할 공간(부피)가 가장 작으므로 가장 빨리 펌핑할 수 있다.

 

 

그림 3. 진공 밸브 위치 변화에 따른 펌핑 시간에 대한 모의실험 결과(a)와 진공 밸브 위치에 따른 개략도(b)

 

 

그림 4는 그림 3의 진공 밸브위치가 중간(middle)인 경우와 진공 챔버와 진공 밸브 사이의 배관에 해당하는 부피만큼 진공 챔버의 부피를 증가시킨 경우(modified middle)에 대한 모의실험 결과이다. 따라서, 두 경우에 대해 밸브 위쪽의 부피는 동일하다. 차이점은 배관의 길이가 다르다는 점이다. 즉, middle의 진공 배관 길이가 modified middle 보다 2배 길다.

 

 

그림 4. 그림3의 middle과 modified middle에 대한 모의실험 결과(a)와 개략도(b).

 

 

모의실험 결과에서는 대기압에서 약 0.5 Torr까지는 시간에 따른 진공 챔버 압력이 내려가는 거동은 두 경우가 일치한다. 단지 0.5 Torr 이하의 경우 modified middle이 더 빨리 진공 챔버의 압력이 내려간다. 이 차이의 원인은 진공 배관의 컨덕턴스 때문이다. 진공 밸브 위쪽의 부피가 동일할지라도 middle은 진공 배관을 통해서 진공 챔버 내의 기체 분자들이 진공 밸브 쪽으로 흘러간다. 그러나 modified middle은 진공 챔버만 있다. 여기서 진공 배관은 기체 분자의 흐름이 고려된다는 것이고 진공 챔버는 기체 분자의 흐름이 고려되지 않는 다는 것을 이해할 수 있다. 진공 챔버는 압력의 변화가 순간적으로 동일하게 유지된다는 것이다. 진공 챔버의 부피가 작은 경우에는 모의실험에서의 이러한 상황이 실제 시스템과 큰 차이가 없겠지만, 진공 챔버의 부피가 아주 크고 내부가 복잡하다면 모의실험 결과와 실제 시스템에서의 측정 결과와 차이가 발생할 것이다. 이 차이를 줄이기 위해서는 가능한 진공 챔버 내부의 구조를 배관의 형태로 고려한 모의 실험을 하여 펌핑 시간을 예측하여야 할 것이다.

 

 

4. 진공배관의 컨덕턴스와 단열 팽창

 

식(3)에서 보인 바와 같이 진공 챔버에서의 유효배기속력은 펌프의 배기속력을 초과할 수 없다. 진공 배관이 길이 L이 고정되어 있다면, 진공 배관의 컨덕턴스를 크게 하는 방법은 배관의 직경을 큰 것을 선택하는 것이다. 배관의 직경이 크다는 것은 배관의 부피가 크다는 것과 일치한다. 그림 2의 진공 펌프 위치에 진공 펌프 대신에 배관이 막혀 있다고 가정하자. 진공 밸브를 여는 순간 진공 챔버에 있는 가스들은 진공 배관으로 이동할 것이다. 이것은 보일의 법칙을 이용해서 설명할 수 있고, 진공 챔버 안에 있던 기체 분자들은 배관으로 이동하게 되므로 기체 분자들이 팽창한다고 할 수 있다.

 

 

4-1. 진공 배관의 직경과 펌핑 시간의 관계

 

그림 5는 진공 시스템에서 진공 배관의 직경 변화에 따른 펌핑 시간을 그린 그림이다.

 

그림 5. 진공 배관(foreline) 직경 변화에 따른 펌핑 시간.

펌핑 시간에 대한 값은 진공 챔버의 부피와 같은 진공 시스템의 구성 조건에 따라 다르며, 목표 압력에 따라 기울기의 차이가 발생한다.

그러나 배관의 직경 변화에 따른 펌핑 시간의 변화에 대한 경향성은 비슷하다.

 

 

챔버에서의 배기속력인 유효배기속력은 배관의 컨덕턴스가 커지면, 펌프의 배기속력 값을 향해 커진다. 이것은 배관의 컨덕턴스를 크게 하면, 즉 배관의 직경을 크게 하면 펌핑 시간을 감소시킬 수 있다는 것을 의미한다. 진공 배관의 컨덕턴스는 식(1)과 식(2)로 표현했듯이 배관 직경의 3승에 비례한다. 배관의 컨덕턴스가 크다는 것은 기체 분자가 원활히 흘러갈 수 있다는 것이고, 이는 펌핑 시간의 감소로 나타날 것이다. 이와 같은 현상은 그림 5에서는 배관의 직경이 A 보다 작은 영역에서 나타난다. 그런데 직경이 A 보다 큰 영역에서는 반대의 결과가 나타난다. 즉, 배관의 컨덕턴스가 커지는데도 불구하고 펌핑 시간은 증가한다. 이것은 진공 배관(foreline)의 컨덕턴스가 커지면 진공 챔버의 기체 분자들을 원활히 이동시킬 수 있지만, 진공 배관 자체의 부피도 펌핑을 해야 하기 때문이다. 즉, 배관의 직경이 커짐에 따라서 배관의 부피도 커진다. 진공 펌프는 진공 챔버에 있는 기체 분자만 펌핑하는 것이 아니라 진공 배관에 있는 기체 분자도 펌핑을 하여야 하기 때문이다. 따라서, 가장 효율적인 로드락 시스템을 만들기 위해서는 펌핑 시간이 최소가 되는 배관의 직경 A를 찾아야 한다.

 

필자의 경험에서는 진공 배관의 최적의 직경은 진공 시스템의 구성에 의존한다. 반도체의 경우는 5”배관 근방(ISO100 ~ ISO160)에서 디스플레이의 경우는 8”배관 근방(ISO160 ~ ISO250)에서 펌핑 시간이 가장 짧게 측정된다.

 

그림 5는 압력이 결정되어 있는 경우에 대한 것이다. 즉, 목표 압력까지 펌핑 시간과 진공 배관의 직경과의 관계를 보여준다. 동일한 진공 시스템에서 목표 압력이 다르면, 그림 5에 표시된 최소 펌핑 시간을 나타내는 진공 배관의 직경 A의 값이 달라지게 된다.

 

주어진 배관에 대한 컨덕턴스의 크기를 고려하면, 압력이 높은 영역보다 압력이 낮은 영역에서 그 크기가 작아진다. 이는 배관의 컨덕턴스가 식(1)과 식(2)에서처럼 압력에 비례하기 때문이다. 압력이 낮은 영역에서 컨덕턴스를 크게 하는 방법은 배관의 직경을 크게 하는 것이다.

 

그림 6은 동일한 진공 시스템에서 배관의 직경을 각각 ISO100과 ISO250으로 모의 실험한 결과이다.  펌핑을 시작하여 약 2 초 까지는 ISO250 배관의 챔버 압력이 낮다. 이것은 ISO250 배관의 부피가 더 크기 때문에 나타나는 현상이다. 보일의 법칙을 이용하여 진공 챔버의 압력을 계산해 보면 확인할 수 있다. 진공 챔버의 압력이 약 0.05 Torr 이하에서는 ISO250 배관의 컨덕턴스가 ISO100 배관의 컨덕턴스 보다 커지면서 펌핑 시간이 단축되는 것이다.

 

 

그림 6. 동일한 조건에서 배관의 직경에 따른 펌핑 시간의 비교.

 

 

4-2 단열 팽창

 

로드락 챔버를 펌핑하기 위해서 진공 밸브를 열기 전의 진공 시스템의 압력 분포는 진공 챔버는 대기압, 진공 배관은 진공(상황에 따라 다르지만, 0.1 Torr 이하일 것이다)일 것이다. 진공 펌프 입구를 막고 진공 밸브를 열면 진공 챔버의 압력이 낮아질 것이다. 진공 챔버의 압력이 얼마나 낮아지는지 알고 싶다면 보일의 법칙을 이용해서 계산하면 된다. 이 경우 매우 빠른 기체 분자들의 이동으로 인하여 시스템 (진공 챔버와 진공 배관) 밖으로 열전달이 되지 않는다. 그래서 진공 챔버의 기체 분자들이 짧은 시간 내에 진공 배관으로 이동(팽창)하므로, 단열 팽창으로 이 시스템의 변화를 설명할 수 있다. 단열 팽창은 온도의 하강을 동반한다. 즉, 기체 분자들의 온도가 낮아지게 되는 것이다. 진공 펌프의 입구가 열려 있다면, 진공 챔버에서 진공 배관으로 이동한 기체 분자들이 진공 펌프로 인하여 배기가 될 것이다. 즉, 진공 챔버의 기체 분자들의 팽창 정도가 더 커질 것이다.

 

앞서 언급한대로 펌핑 시간을 줄이기 위해서 적당한 직경의 배관을 사용하는데, 목표 압력이 낮아진다면 배관의 직경을 좀 더 큰 것을 사용해야 한다. 이것은 진공 배관의 부피가 증가함을 의미한다. 또한, 단열 팽창 현상이 더 강하게 나타남을 의미한다. 독자들도 알고 있다시피, 단열 팽창을 억제하는 방법으로 직경이 작은 배관을 이용하여 천천히 펌핑(slow pumping)을 하면 된다.

 

진공 챔버를 펌핑할 때 나타나는 단열 팽창에 대한 연구는 Zhao박사의 박사 학위 논문에 잘 나와 있다. 이에 대한 관심이 있는 독자들의 Zhao박사의 논문을 참고하기 바란다.[3] 여기서는 진공 챔버를 펌핑하는 동안 기체 분자의 온도 변화에 대해서만 간략히 언급하겠다. Zhao박사는 그의 논문에서 기체 분자의 온도가 하강하고 다시 상승하는 현상을 아래의 식으로 설명하였다.

 

 

         

(4)

 

 

여기에서 h는 진공 챔버 벽에서의 평균 열전달 계수, As는 진공 챔버의 표면적, γ는 비열비, p는 압력, V는 부피, Tw는 진공 챔버의 온도, T는 기체 분자의 온도, 그리고 τ는 진공 챔버의 부피와 유효배기속력의 비이다.

 

시간에 따른 기체 분자의 온도 변화는 식(4)에 표현되었는데 첫번째 항은 진공 챔버로부터 열을 받아 온도가 상승하는 것이고 두번째 항은 단열 팽창으로 인하여 기체 분자의 온도가 하강하는 것을 나타낸다. 그의 실험 데이터는 -80 ^oC까지 온도가 하강함을 보여준다.

 

그림 7. H₂O의 상태도. 원으로 표시한 것은 20 ^oC, 상대습도 50%에 해당한다.

단열 팽창에 의해서 온도가 -60 ^oC까지 떨어졌을 때는 다이아몬드를 연결한 지점이다. H₂O의 부분압에 의해서 압력이 결정될 것이다.

 

 

그림 7은 H₂O의 상태도를 보여준다. 원형의 점은 진공 챔버 내부에서의 초기 H₂O(g)를 가정한 값을 표시한 것이다. 진공 챔버 내부의 온도는 20 ^oC이고 상대습도는 50%이다. 초기 펌핑에 의해서 기체 분자들의 온도가 -60 ^oC까지 떨어지면 H₂O(g)의 배출 정도에 따라서 H₂O의 상태는 다이아몬드를 연결한 선의 어느 한 지점으로 표시될 것이다. 이때 H₂O(g)의 부분압이 0.008 Torr 이하가 되면 H₂O는 기체 상태를 유지할 수 있다. 20 ^oC의 기체 분자의 온도가 -60 ^oC로 떨어지는 시간 동안에 진공 챔버의 압력을 0.7 Torr이하로 펌핑할 수 있는 용량의 진공 펌프가 개발될 수 있을까? 이런 진공 펌프의 개발은 쉽지 않을 것이라 필자는 생각한다.

 

그림 7에서 보듯이 H₂O(g)는 H₂O(S)가 될 것이고, 빠른 펌핑시 진공 챔버 내부에서 나타나는 연무 현상은 H₂O(S)와 관련이 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 물의 삼중점이 0.01 ^oC, 4.59 Torr이므로 H₂O(L)이 발생하지 않는다고 장담할 수도 없다.

 

 

 

 

 

Edwards Korea와 진공 기술에 관련된 더 자세한 정보는 아래 Edwards Korea 네이버 블로그를 방문해 주시기 바랍니다.

http://blog.naver.com/edwards_korea