진공

기출문제 풀이

기출문제 ❶

진공 시스템을 설명하고 문제점과 개선 대책을 설명하시오.

STEP 1 접근 전략

• 난이도는 상 수준이며 가끔 출제되는 문제이다.

• 솔루션형으로 진공은 반도체 제조 분야에서 가장 많이 사용하는 방법이다. 일반적으로 진공 이란 압력이 대기압보다 낮은 상태로만 알고 있으나 반도체 제조에서의 진공이란 공간 내에 다른 물질의 분자나 원자가 요구되는 수준 이하로 유지되고 있다는 것을 의미한다. 이러한 관점에서 접근을 해야 진공 시스템의 문제점과 개선 대책을 설명할 수 있을 것이다.

STEP 2 답안 구조화 TIP

• 진공의 정의: 용어적, 공학적, 반도체 제조 공정 상 정의

• 진공의 발견: 토리첼리의 실험

• 진공 시스템의 구성

① 진공 상태의 용기(진공용기)

② 용기에 들어 있는 기체

③ 기체를 배기하기 위한 기기(진공펌프)

④ 진공을 측정하는 기기(센서)

⑤ 제어 밸브(밸브류)

• 기체 발생원: 확산, 방출, 증발, 반응, 투과, 누설, 역류 등

• 진공 시스템의 문제점

① 부적절한 진공펌프 선정

② 의도하지 않은 상태에서 펌프를 작동하고 있는 경우

③ 펌프와의 사용자 인터페이스 지점 중 하나 이상(흡입/흡입 라인, 급수, 공정 오염 물질 등)이 설계(설정)한 매개변수 밖에서 작동

④ 진공 챔버 또는 진공 라인이 부적절하게 지정

⑤ 누설

• 개선대책

① 누설유량을 고려한 진공펌프 선정

② 적절한 제어시스템 구축

③ 밸브, 가스킷의 노후화 주기적 확인

④ 진동방지를 위한 방지기구 사용

STEP 3 모범답안

진공이란 글자 그대로 해석하면 아무것도 없는 빈 공간(Empty or void)을 지칭합니다. 그러나 공학적으로 진공은 대기압보다 낮은 상태를 의미하며 다양한 분야에 활용되고 있습니다. 특히, 반도체 제조 공정에서는 필수 불가결한 요소로, 진공의 정도가 반도체 품질에 매우 큰 영향을 끼치고 있습니다. 반도체 제조 공정(웨이퍼 증착, 식각 등)에서는 진공의 의미가 통계 열역학적 개념으로 사용됩니다. 즉, 공간 내에 원치 않는 물질의 분자나 원자 및 이온이 요구 조건보다 작은 상태로 설명할 수 있습니다. 웨이퍼 위에 증착을 하거나 식각을 할 경우 공간 내에 포함된 물질이 존재하면 증착이나 식각의 결과가 불량이 될 수 있습니다.

진공 시스템은 다음과 같은 5가지의 기체 요소로 구성되어 있습니다. ① 진공 상태의 용기(진공용기), ② 용기에 들어 있는 기체, ③ 기체를 배기하기 위한 기기(진공펌프), ④ 진공을 측정하는 기기(센서), ⑤ 제어 밸브(밸브류)입니다.

진공 시스템을 구성할 경우, 기본 사양으로 크기(V), 기저진공도(P_0​), 유량(Q), 작동압력(P), 온도(T), 분위기(Air, H_2​, Ar 등), 펌프의 위치를 고려해야 하며, 1차 결정사항으로는 용기재료(SS, Al 등), 가공, 표면처리, 기체 방출율(Q), 도관, 밸브, 진공 게이지가 있습니다. 또 2차 결정사항으로는 진공펌프의 종류, 배기속도, 보조펌프의 여부, 보조펌프의 용량이 고려되어야 합니다.

진공 시스템에서 직면하는 일반적인 문제 중 일부는 공정 조건 및 조건의 변동, 주변장비(Utility) 규격의 변화, 장비 오작동 때문에 발생할 수 있습니다. 또한 흡입 부하, 온도, 누설률 및 흡입 가스의 구성을 포함한 다른 공정 매개변수는 진공 시스템의 적절한 기능을 위해 매우 중요한데, 진공펌프와 관련된 문제는 각각의 진공펌프 종류에 따라 다양하지만 다음의 일반적인 문제점들이 있을 수 있습니다. 첫째, 과도한 동력(High horsepower), 둘째, 누설(Leakage), 셋째, 진공펌프 소음(Noisy pump operation), 넷째, 진공 문제(Vacuum problems), 다섯째, 진동 문제(Vibration problems), 여섯째, 과도한 작동압력(Excessively high pump pressure), 일곱째, 오일미스트 제거기로부터의 오일 발생(Oil discharged from oil mist eliminator), 여덟째, 과열(Overheat)이 바로 그것입니다.

이러한 문제점들을 개선하기 위해서는, 우선 누설유량을 고려한 진공펌프를 선정하고, 적절한 제어시스템의 구축, 밸브, 가스킷의 노후화 주기적 확인, 진동 방지를 위한 방지기구의 사용, 설비의 정렬(Alignment) 확인, 게스킷, 배관 연결부의 확인, 윤활, 마모 상태의 확인 등이 이루어져야 합니다.

핵심 이론 정리

1. 토리첼리의 원리

1643년 이탈리아의 물리학자 토리첼리는 유리관과 수은을 사용하여 [그림 4-19]와 같은 실험을 하였다. 그 결과 단면적 1\text{cm}^2인 한쪽 끝이 막힌 길이 1\text{m}의 유리관 안에 수은을 가득 채운 다음, 수은이 담긴 그릇 안에 거꾸로 세우면 유리관 안의 수은주는 용기에 담겨 있는 수은의 표면으로부터 76\text{cm}의 높이를 항상 유지하게 된다는 것을 발견하였다. 이때 유리관 위쪽은 진공상태가 되는데 이를 ‘토리첼리 진공’이라 한다. 유리관 안의 수은주가 76\text{cm}가 되는 것은 수은주의 무게가 그릇에 담긴 수은의 표면에 작용하는 대기의 압력과 균형을 이루기 때문이다.

이 실험으로 대기압(1기압)은 높이 76\text{cm}의 수은주 무게와 같다는 사실이 발견되었으며, 이는 오늘날 진공의 측정 단위에 있어서도 기초적인 개념이 되었다. 사용하는 진공도의 단위인 토르(Torr)는 토리첼리의 머릿글자를 딴 것이며, 대기압 상태를 표시하는 760\text{Torr}나 760mmHg, 76cmHg 등도 모두 토리첼리의 실험에서 나타난 수은주의 길이를 이용한 대기압 표시이다.

2. 절대 진공도(절대압력)와 게이지 진공도(게이지 압력)

보통 진공도의 단위는 Torr Abs(토르로 표시된 절대 진공도)로 사용한다. 만일 단순히 Torr라고만 표시된 경우에도 Torr Abs.를 나타내는 것으로 보면 된다. 진공도 단위를 사용함에 있어서 자주 혼동을 일으키는 것은 절대 진공도와 게이지 상 진공도이다. 게이지 상 진공도는 절대 진공도와는 다르게 대기압을 0으로 놓고 완전 진공을 −760mmHg 또는 -76\text{cmHg}로 표시하는 것으로, 일부 부르동 게이지의 눈금이 관념상 또는 계산상 편의를 위해 이와 같이 표기한 데서 비롯되고 있다. 즉, 절대 진공도는 절대압력을 기준으로 압력 0이 완전 진공이고 게이지 진공도는 대기압을 기준으로 대기압보다 높으면 양(+), 대기압보다 낮으면 음(-)으로 계산한다. 따라서 앞서 설명하였듯 완전 진공은 대기압에서 음의 방향으로 760\text{mmHg}가 되는 것이다.

3. 진공펌프의 용량단위

진공펌프의 용량을 나타내는 단위는 여러 가지가 있으나, 우리나라에서는 일반적으로 l/min이 사용되고 있다. 그러나 m^3 /hr(Cubic Meter per Hour = CMH)나 ft^3 /min(Cubic Feet per Minute = CFM) 등도 간혹 쓰이고 있으므로 환산표를 이용하면 사용하는 단위로 쉽게 환산할 수 있다.

4. 진공도에 따른 진공도 구분

진공 영역은 진공도에 따라 몇 가지로 구분되어 불려지고 있다. 진공 영역을 이와 같이 구분하는 이유는 각 진공 영역에 따라 적용되는 공정이 달라지고, 펌프의 기종 또한 다르게 되기 때문이다. 진공 영역별로 구분되는 공정 및 펌프의 기종은 다음 표와 같다.

5. 진공펌프의 종류

각기 다른 진공 영역에 따라 진공을 발생시키는 진공펌프의 종류가 다르다. 이는 [표 4-2]에 나타 내었다. 진공펌프의 종류를 좀 더 상세히 구분해 보면 다음과 같다.

- 건식 로타리 베인 펌프(Dry-Running rotary vane pump)

- 만유식 로타리 베인 펌프(Oil flooded rotary vane pump)

- 순환 급유식 로타리 베인 펌프(Oil circulated injected rotary vane pump)

- 배출 급유식 로타리 베인 펌프(Once-Through oil injected rotary vane pump)

- 로타리 피스톤 펌프(Rotary piston pump)

- 로타리 기어 펌프(Rotary gear pump)

- 피스톤 펌프(Piston pump)

- 다이아프램 펌프(Diaphram pump)

- 루츠 펌프(Roots pump)

- 수봉식 펌프(Liquid ring pump)

- 터보 분자 펌프(Turbo molecular pump)

- 확산 펌프(Diffusion pump)

- 이제트 펌프(Steam ejector/Gas ejector)

- 흡착 펌프(Absorption pump)

- 이온 펌프(Ion pump)

- 게터 펌프(Getter pump)

- 승화 펌프(Sublimation pump)

- 저온 펌프(Cryo pump)

6. 진공 시스템의 구성

7. 진공펌프의 배기량과 배기속도

진공펌프의 배기량(Throughput) [\text{mbar} \times \text{L/s}]은 펌프의 배기속도(Pumping speed) [\text{L/s}]에 흡기구 쪽 압력을 곱한 것이다. 즉 배기량 = 배기속도 \times 압력 또는 Q = S_p \times p이다. S_p에는 펌프의 배기성능과 기체분자의 물리량에 대한 정보가 들어있다. 저진공 펌프는 회전수와 이송용적을 곱한 값으로 주어지므로 거의 기체의 종류와 상관이 없지만 고진공 펌프를 사용할 때에는 일반적으로 기체의 종류에 영향을 받는다. 고진공 펌프의 S_p는 v_{av}/4(또는 C_0)와 펌프 흡기구의 단면적(A) 및 배기확률(\beta)을 곱한 것이다(S_p​=C_0​×A×β). 배기확률은 일단 흡기구 내로 들어온 입자를 배출하거나 흡수할 확률을 말한다. S_p​는 압력이 P인 용기와 압력이 0인 가상적인 용기를 연결하는 통과확률이 β인 도관의 컨덕턴스와 같다고 볼 수 있다(Q=S_p​×(p−0)).