진공의 특성

반도체 공정을 이해하기에 앞서 반드시 알아야 할 진공의 특성에 대해 알아보자.

 

1. 진공(Vacuum)

: 진공이란 말은 생활 속에서도 접할 수 있는 용어이다.

집에서 사용하는 진공청소기, 진공포장 등을 예로 들 수 있다.

진공청소기는 공기의 압력차를 이용한 기구로 기체의 이동 현상을 이용한 것이라고 생각하면 된다.

(공기는 압력차가 생기면 압력이 높은 고기압에서 압력이 낮은 저기압으로 이동하게 된다)

 

진공이란 어떤 입자도 없이 비어있는 공간이라고 말할 수 있지만,

공학에서는 '대기압보다 낮은 압력 상태'라고 이해하면 된다.

 

① 진공의 특성

: 진공은 대기압보다 낮은 압력 상태를 의미하므로

진공이란 우리가 느끼는 주변의 공기보다 희박한 숫자의 공기 분자가 있는 상태이다.

 

ⓐ 이상기체 방정식 : PV = nRT

이상기체 방정식을 통해 기체의 특성을 이해해보자.

PV = nRT (P: 압력, V: 부피, n: 기체의 몰수, R: 이상기체 상수, T: 절대온도)

진공의 압력(P)은 진공 챔버 안에 있는 기체의 분자수(n)에 비례한다.

즉, 진공 챔버의 압력을 낮추려면 진공 챔버 안에 있는 기체 분자를 외부로 배출시켜야 하는데,

기체 분자를 외부로 배출시켜 진공을 만들어 주는데 진공 펌프를 사용한다.

 

ⓑ 진공의 단위

: 진공은 기체의 압력상태를 의미하기 때문에 압력의 단위와 같다.

가장 보편적으로 사용되는 단위는 Torr와 Pa이다.

(대기압 = 760 Torr = 101.3 kPA, 1 Torr = 133Pa, 1 Torr ≈ 100Pa라고 이해하면 좋다)

 

ⓒ 기체의 성질

⒜ 평균 자유이동거리(Mean Free Path)

: 한 기체 분자가 다른 기체 분자와 충돌 후 또 다른 기체 분자와 충돌할 때까지의 평균 이동 거리이다.

챔버 내에 기체 분자수가 많을수록(=압력이 높을수록) 이상기체 방정식에 의해

평균 자유이동거리가 짧아진다는 것을 알 수 있다.

 

⒝ 기체 분자의 이동속도

운동에너지(½mv²) = 열에너지(3/2kT)에 의해 기체 분자의 평균 운동에너지는 절대온도에 비례하므로,

같은 온도에서 기체 분자가 가벼울수록 빠르고 무거울수록 느리게 움직인다.

 

기체분자들의 속력분포

위 사진과 같이 기체 종류에 따라 기체 분자의 이동속도가 차이가 나게 되는데,

고진공을 만들 때 가벼운 기체 분자인 수소나 헬륨 등은 진공펌프에서 점핑이 잘 안 된다.

 

② 진공 시스템

⒜ 진공 챔버 : 진공을 유지하고 공정을 진행하는 공간

⒝ 진공 펌프 : 진공 챔버를 진공 상태로 만들어주는 장치

⒞ 진공 게이지 : 진공도를 측정하는 장치

⒟ 진공 밸브 : 진공 챔버와 외부를 연결하는 개폐 장치

⒠ 실링 : 진공 챔버에 여러 가지 장치를 연결할 때, 연결 부위에서 Leak 가 생기는 것을 방지하는 부분 (O-ring, Gasket)

 

반도체 공정에서 진공을 사용하는 이유는 챔버를 깨끗하게 만들어줘서 표면의 오염을 방지하고

다른 물질과의 반응을 억제하여 순도 높은 공정을 진행할 수 있기 때문이다.