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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5. Outgassing의 효과

 

일반적인 로드락 챔버에서 아웃개싱(outgassing) 효과가 나타나는 것은 진공 챔버의 압력이 0.1 Torr 이하 이어야 한다. 정확하게는 진공 챔버의 표면적과 재질, 진공 배관의 컨덕턴스 등에 따라서 차이가 발생한다. 압력이 높은 영역에서는 진공 챔버 내에 떠다니는 기체 분자들의 수가 지배적이지만, 압력이 낮아지면서 진공 챔버의 표면에서 탈착되어 나오는 기체 분자들의 수가 지배적으로 바뀌기 때문이다. 그리고 주어진 배관에 대한 컨덕턴스의 크기는 압력이 높은 영역보다 압력이 낮은 영역에서 그 크기가 작아진다. 이러한 사실들은 아웃개싱의 영향이 큰 압력으로 진공 챔버의 압력이 낮아지면 진공 배관의 컨덕턴스는 작아진다는 것을 의미한다. 그림 8은 아웃개싱 레이트에 따른 펌핑 시간을 예측한 모의 실험 결과이다.

 

 

그림 8. 아웃개싱 레이트에 따른 펌핑 시간. 여기서 아웃개싱 레이트의 단위는 mbar l/s cm²이다. 아웃개싱 레이트 이외의 값들은 동일하다.

 

진공 챔버의 압력이 0.1 Torr 보다 높을 영역에서는 차이를 보이지 않지만 0.1 Torr 보다 낮은 영역에서는 아웃개싱 레이트에 따른 차이가 나타난다.

펌프의 배기속력과 배관의 컨덕턴스 모두 압력의 함수이지만, 식(3)에 표현한 것과 같이 유효배기속력은 둘 중에 작은 값에 의존한다. 압력이 낮아지므로 배관의 컨덕턴스가 작아지고 진공 챔버의 펌핑에 더 영향을 미치게 된다. 따라서 이 영역에서는 배관의 직경을 크게 하면 유효배기속력을 크게 하므로 더 빨리 펌핑할 수 있을 것이다. 그림 6에서 보는 바와 같이, 목표 압력이 0.1 Torr 인 경우에는 ISO100 배관을 사용한 것이 더 빨리 펌핑하지만, 목표 압력이 0.01 Torr가 되면 ISO250 배관을 사용하는 것이 더 유리하다.

 

 

 

6. 실제 진공 챔버

 

진공 챔버의 배기 포트는 진공 배관의 직경과 일치하는 경우도 있지만 많은 경우에 있어서 진공 배관의 직경 보다 작다. 진공 챔버를 디자인하는 엔지니어들은 펌핑하는 동안 진공 챔버에서 일어나는 여러 현상들과 내부의 구조물들을 고려하여 배기 포트의 직경을 결정할 것이다. 식(1)과 식(2)에서 보듯이 배관의 컨덕턴스는 직경의 3승에 비례한다. 따라서, 이 부분의 컨덕턴스는 작아지게 되고, 이로 인하여 전체 배관의 컨덕턴스가 작아질 수 있다. 배기 포트의 컨덕턴스가 작아지는 것을 최소화하는 방법은 배기 포트에 연결되는 배기 포트의 크기와 같은 배관의 길이를 최소화하는 것이다.

 

 

 

그림 9. 진공 챔버의 배기 포트가 진공 배관의 직경이 다른 경우에 대한 모의 실험 결과.

배기 포트의 직경과 같은 배관의 길이를 0.3 m와 1 m로 가정하여 계산한 결과이다.

 

그림 9에서 보는 바와 같이 목표 압력이 1 Torr 근방이라면 그 영향이 적지만, 목표 압력이 50 mTorr라면 그 차이가 약 4초이다. 그러므로 목표 압력이 낮으면 낮을수록 진공 챔버의 배기 포트에 대한 설계는 신중히 검토해야 한다.

 

 

 

7. 초기 펌핑 동안 기체의 흐름

 

진공 챔버 내부에는 공정을 진행하기 위한 구조물들이 설치되어 있다. 이러한 구조물들은 기체 분자의 흐름에 영향을 준다. 특히, 진공 배관에 설치되어 있는 진공 밸브를 여는 순간에는 매우 많은 양의 기체 분자들이 진공 배관을 통해서 진공 펌프로 향해 흘러간다. 이 많은 양의 기체 분자의 흐름이 긴 시간 동안 지속되는 것이 아니라 매우 짧은 시간 동안 발생한다. 이 때 기체 분자의 속도는 음속에 도달하며 쵸크트 흐름(choked flow)를 형성한다. 이 흐름은 진공 시스템 내부의 기구에 손상을 줄 수 있다.

 

진공 챔버 내부에서는 구조물들과 진공 챔버의 펌핑 포트(pumping port) 사이의 구조물들의 배열에 따라 특정 구간에서는 기체 분자의 속도가 빨라지고 난류(turbulent flow)가 발생한다. 이러한 기체 분자들의 흐름에 의해서 진공 챔버 내부에 존재하던 입자들(particles)이 흩날릴 수 있다.

 

이와 비슷한 현상이 발생하는 예는 진공 상태인 진공 챔버를 대기압으로 벤트(vent)하는 경우이다. 고압의 기체가 진공 챔버에 흘러가면서 단열 팽창 현상이 나타나고, 많은 기체 분자들이 진공 챔버로 유입되다 보니 진공 챔버 내부에서 난류가 발생한다. 물리적으로 이것은 대기압 상태의 진공 챔버를 펌핑할 때 나타나는 현상과 동일하다. 이런 문제가 발생하는 것을 방지하기 위해서 벤트를 할 때는 디퓨저(diffuser)를 사용한다.

 

디퓨저는 스폰지와 같은 구조로 만들어졌기 때문에 컨덕턴스가 작다. 식(1)과 식(2)에서처럼 동일한 직경과 길이에 대해, 컨덕턴스는 압력에 비례함을 알 수 있다. 고압과 진공의 압력의 비를 고려하면 진공 챔버의 펌핑 라인에 디퓨저를 설치하면 펌핑 시간이 매우 길어질 것이라는 것을 예상할 수 있다.

 

 

 

8. 요약

 

독자들도 알고 있다시피 로드락 챔버에서 초기 펌핑하는 동안 발생하는 현상을 억제하기 위해 일반적으로 사용하는 방법이 천천히 펌핑(slow pumping)하는 것이다. 슬로우 펌핑은 배관의 컨덕턴스를 작게 해서 유효배기속력을 작게 하여 펌핑하는 것이다. 슬로우 펌핑을 하는 동안 진공 챔버의 압력은 낮아지게 될 것이다. Zhao박사의 논문에서도 보여주듯이 유효배기속력이 작을수록 기체 분자의 온도 강하는 작아지고, 진공 챔버의 초기 압력이 낮을수록 기체 분자의 온도 강하는 작아진다. 슬로우 펌핑의 효과들은 이 결과들과 일치한다.

 

제품을 생산하는데 진공을 이용하는 경우에는 슬로우 펌핑을 이용하여 진공 챔버 내에 발생하는 연무 현상이나 와류 발생을 억제할 수 있지만, 펌핑 시간이 길어지면서 생산성이 저하되는 문제가 발생한다. 이 문제를 해결하기 위해 많은 연구[6~12]가 진행되었으나 그 결과들은 큰 차이가 없이 연무나 와류로 인하여 발생되는 시료(웨이퍼나 유리) 위의 입자 문제를 해결하기 위해서는 생산성의 저하를 받아들이는 선택을 해야 한다는 것이다. 혁신적인 해결책이 제시되지 않는 상황에서 진공 시스템에서 연무나 와류를 억제하면서도 생산성 저하를 최소화하는 최적의 조건을 찾아야 하는 엔지니어들이 진공 배관의 선정의 중요성을 이해하는데 조금이나마 도움이 되길 바란다.

 

 

 

 

9. 참고 문헌

 

[1] R. Grinham and A. Chew, Appl.Sci.Coverg.Technol. 26(5), 95 (2017).

[2] ISO21360.

[3] Jun Zhao, Ph.D. Thesis, 1990.

[4] D. Michael Strong and Allen P. MacKenzie, Freeze-Drying of Tissues, Raven Press, New York, 1993.

[5] https://en.wikipedia.org/wiki/Vapour_pressure_of_water.

[6] K. Zapfe and J. Wojtkiewicz, Proc. SRF2007, WEP74, 2007.

[7] Yan Ye, Benjamin, Y.H. Liu and David Y.H.Pui, J. Electrochem. Soc., 140, 1463(1993).

[8] G. Strasser, H.P. Bader and M.E. Bader, J. Vac. Sci. Tech. A8, 4092(1990).

[9] T. Tsuji, S. Akao, T. Oizumi, N. Takeda, Y. Tsukahara and K. Yamanaka, Jpn J. Appl. Phys. 56, 07JC03(2017).

[10] H. Haga, N. Nakao, and H. Yakushiji, US9,984,907 (2018).

[11] A.J.H. Klop, J.F. Hoogkamp, R. Visser, J.C.J.A Vugts, H.J.L.M. Vullings, L.W.M. Kuipers and J.H.G. Franssen, EP 1457830 (2004).

[12] A. Mak, L. Chen, Y.P. Chen, S. Sherstinsky, E. Englhardt, V. Wang, J.F. Salfelder and M.G. Chafin, EP 0778359 (1996).

[13] A. Roth, Vacuum Technology, North-holland publishing Co. New York, 1976.

 

 

 

 

 

 

 

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