현대 반도체 공정은 대부분 진공 챔버 내에서 진행되기 때문에 진공에 관한 지식은 선택이 아닌 필수 요소이다.
산화(Oxidation), 식각(Etch), 증착(Deposition) 등 주요 공정들이 대기압보다 낮은 압력 환경을 요구하는 이유는 단순히 공기를 제거하는 것을 넘어, 공정의 재현성과 정밀도를 확보하기 위함이다.
본 포스팅에서는 반도체 제조의 가장 기초가 되는 진공의 물리적 정의와 필요성, 그리고 이를 구현하기 위한 펌프 시스템에 대해 ISRC교육에서 배운 것들을 이론적으로 정리한다.
1. Properties of Vacuum
진공이란?
진공이란, 대기압보다 낮은 상태의 압력을 의미한다. 구체적으로 분자의 밀도가 대기 밀도인 2.5⨉1019 cm-3 보다 작은 경우를 의미한다.
즉 펌프를 이용하여 대기 속 분자들을 뽑아내서 밀도가 위 수치보다 낮아지면 의미상 진공 상태라고 부른다.
사용하는 단위는 토르(Torr)로서 760Torr = 760mmHg = 1.013mbar = 1atm으로 나타낸다.
기체 밀도가 작을 수록 진공이 좋다. 즉 기체 밀도가 작을 수록 진공의 정도가 높다는 것을 의미한다.
진공의 종류(Types of vacuum)를 나누어 보자면 5가지 정도로 나눌 수 있다.
● 저 진공(Low vacuum): 760mmHg ~ 1⨉10-3Torr
● 고 진공(High vacuum, HV): 1⨉10-3Torr ~ 1⨉10-7Torr
● 초 고 진공(Ultra High vacuum, UHV): less than 1⨉10-7Torr
● 극 고 진공(Extremely High vacuum, XHV)
● 우주 공간(Space vacuum)
(각각의 진공 영역에 적합한 펌프와 압력 측정 기구가 있다.)
진공의 물리적 변수(Physical parameters of vacuum)로는
압력, 분자밀도, 평균자유행로(Mean Free Path, λ), 단분자 층 형성 시간(Monolayer Formation Time)이 존재한다.
이들은 진공 상태에서 기체 분자가 얼마나 조밀하게 있는지, 그리고 얼마나 자유롭게 움직이는지를 나타내는 지표들이다.
분자 밀도(Molecular Density, n)이란, 단위 부피(1cm3)당 존재하는 평균 분자의 개수로서 압력(P)에 비례한다. 압력이 낮아질수록 챔버 안의 분자 개수가 줄어든다는 것을 수치로 보여준다. n(cm-3) = 3.31⨉1016P(torr)로서 표현된다.
평균자유행로(Mean Free Path, λ)란, 서로 다른 속도를 가진 기체 내 입자간의 충돌까지의 평균거리이다.
이해를 위해 간단한 비유를 들자면, 가상 부피 공간 내 불순물 입자들이 100개 있을 때와 10개 있을 때를 생각하면, 당연히 기체 분자의 이동 거리는 불순물 입자가 100개 있을 때 보다 10개 있을 때 더 많이 이동하게 된다.
혹은 가상 부피 공간 내 불순물 입자가 50개로 고정되어 있다고 생각해보자. 이 가상 공간의 압력을 높이면 불순물 입자들은 서로 똘똘 뭉치게 되어 기체 분자의 이동을 방해할 것이다. 하지만 압력을 낮추어 보면 이 불순물 입자들은 서로 거리가 벌어져 기체 분자가 이동을 해도 불순물 입자와 부딪히지 않고 멀리 갈 수 있을 것이다.
압력이 낮아지면 일정 부피 내의 기체 분자간 거리가 멀어져 이동하는 분자와의 충돌 확률이 줄어들어 평균자유행로는 길어짐을 알 수 있다.
즉 MFP는 압력(P)에 반비례한다.
또한 MFP는 챔버내 기체가 공기(또는 질소)이고, 상온(약 20~25ºC)일 때, 그 값은 λ(cm) = 5x10-3/ P(torr)이다.
이는 진공의 등급을 나누는 척도가 된다.
단분자 층 형성 시간(Monolayer Formation Time, τ)이란, 깨끗하게 절단된 표면이 기체 분자 하나의 두께, 즉 단분자층으로 완전히 덮이는 데 걸리는 시간을 의미한다. 다시 말해 웨이퍼 표면이 얼마나 빠르게 오염되는가를 설명한다. 단분자층이 웨이퍼 표면의 입장에선 오염물질인 셈이다. 또한 웨이퍼 표면에 국한되지 않고 진공 내부에 노출된 모든 표면에도 해당된다.
이 파라미터 또한 압력(P)에 반비례한다. 압력이 높으면 순식간에 기판 표면 위로 단분자층이 빠르게 형성되며, 이를 방지하기 위해서는 압력이 낮아야 할 것이다.
MFT 역시 MFP처럼 상온의 공기를 기준으로 여러 변수들을 상수화하여 식을 도출할 수 있다.
τ(sec) = 2.4⨉10-6 / P(torr) 의 관계를 따른다.
또한 각 진공 영역은 단순한 압력의 수치가 아니라 MFT에 따라서도 나눌 수 있다.
저 진공의 MFT는 10-9초, 즉 저진공 일 때 단분자층은 그냥 순식간에 형성되므로 표면의 청정도를 기대할 수 없다.
고 진공의 MFT는 1초~100초이므로 공정 중에 표면이 급격히 오염되는 것을 막을 수 있는 수준 정도이다.
초 고 진공의 MFT는 1000초 이상, 즉 단분자층 형성시간이 수 십분에서 많게는 수 시간 단위로 늘어나므로, 원자 단위의 표면 분석이나 극도로 정밀한 공정이 가능해진다.
그러나 챔버 내 존재할 수 있는 기체들은 다양하고 이 기체들은 서로 다른 물리적 크기와 밀도를 가진다. 따라서 본문의 수식 2.4⨉10-6은 일반적인 대기 환경을 가정한 평균적인 잣대일 뿐이며, 특정 가스가 지배적인 상황에서는 표의 실제 분자 밀도를 반영하여 표면 오염 시간을 새롭게 산출해야 정확한 공정 제어가 가능하다.
진공을 만드는 것은 기체의 운동이다.
앞서 진공의 등급을 나누는 기준이 압력과 MFP라고 했다. 그렇다면 이 수치들은 어떻게 결정될까? 답은 챔버 내부 기체 입자들이 얼마나 자주, 어떻게 부딪히는지에 있다. 즉 기체의 운동은 충돌에 의한다.
● 충돌 단면적(Collision Cross-section): 두 입자간 충돌 시의 충돌면적으로 충돌확률을 결정한다.
● 충돌 빈도(Collision Frequency, fc): 시간당 충돌횟수로 평균자유행로(MFP)의 역수이다.
결국 이 모든 기체의 운동론의 결론은 실무로 귀결된다. 이후에 포스팅할 기상 증착(Evaporation) 공정에서 타겟 물질이 웨이퍼 표면까지 방해없이 잘 날아가려면, MFP(평균자유행로, λ)가 진공 챔버의 직경보다 커야 기상 증착이 잘 될 것이다. 이때 λ는 압력(P)으로 조절하여 우리가 원하는 MFP를 설정할 수 있을 것이다.
또한 기체의 운동은 다른 말로 기체 전달이라고 볼 수 있다.
기체 전달 현상과 전달 물리량에 대해 간략히 알아보자.
1. 확산(Diffusion): 쉽게 말해 농도(밀도) 차이에 의해 기체 분자가 움직이는 것을 의미한다. 또한 반드시 기체에 국한되는 것이 아닌 물질, 열 등 농도나 양으로 표현되는 것은 다 통용된다. Fick's Law of Diffusion 으로 설명 가능하다.
$$J_{A,z} = -D_{AB} \frac{dC_A}{dz}$$
이때 $$D_{AB}$$ 는 확산 계수, $$\frac{dC_A}{dz}$$ 는 농도 구배로서 표현된다.
그리고 확산계수는 물질마다 다른 고유의 값이다.
2. 점성(Viscosity): 형태가 변화할 때 나타나는 유체의 저항 또는 서로 인접하는 부분이 떨어지지 않으려는 성질을 의미한다.
이때 기체의 점성은 온도에 비례하고, 압력과는 무관한 성질을 지닌다.
3. 열전달(Heat Transfer): 온도 차이로 인해 한 계에서 다른 계로 전달될 수 있는 에너지의 한 형태를 열이라고 하고, 열의 이동은 두 물체 사이의 온도차에 의해 흐른다. 열은 항상 고온에서 저온으로 흐른다.
열전달 메커니즘은 전도(Conduction), 대류(Convection), 복사(Radiation) 3가지 형태로 나뉜다.
● 전도(Conduction): 에너지가 많은 분자와 에너지가 적은 분자의 직접적인 상호작용을 통해 고 에너지에서 저 에너지로 에너지를 전달해주는 것을 의미한다. Fourier's Law of Heat Conduction에 의해 설명된다.
$$ \frac{q_x}{A} = -k \frac{△T}{△x}$$
k는 열전도도이며 수식 앞에 -가 붙는 이유는 온도구배의 방향과 열전달의 방향이 다르기 때문이다.
● 대류(Convection): 뜨거운 고체 표면이 근처 유체의 온도에 영향을 끼치는 것을 대류라고 부른다. Newton's Law of Cooling에 의해 설명되며, q/A = h△T로 정의된다.
대류는 강제 대류(Forced Convection)과 자연 대류(Natural Convection)로 나뉜다.
● 복사(Radiation): 중간매질 없이 전자기파의 형태로서 에너지를 전달한다. Stefan-Boltzmann Law에 의해 설명되며, q/A = εσT4로 정의된다.
기체의 흐름은 Knudsen number(Kn)에 따라 점성유동, 분자유동, 전이유동으로 구분 가능하다.
$$Kn = \frac{λ}{d_{pore}} = \frac{평균자유행로}{기공의 직경}$$ 으로 나타낸다.
#1. Kn < 0.01(high pressures): 점성유동
#2. Kn >1, Re<1200(low pressures): 분자유동
#3. 1> Kn > 0.01: 전이유동(점성유동과 분자유동의 중간단계)
기체 흐름과 관련하여 중요한 개념 중 하나인 Conductance(C)에 대해 알아보자.
Conductance란 주어진 시간 동안 기체를 통과시킬 수 있는 파이프의 능력을 의미한다.
즉 아무리 좋은 펌프를 달아도 낮은 컨덕턴스의 파이프를 이용하면 높은 진공도(낮은 압력)를 형성할 수는 없다.
C = Q/△P, Q=C△P이며, 기체 유량(Q)은 입구와 출구의 압력차에 비례하고, 파이프의 길이에 반비례, 직경에는 비례한다.
1/C는 저항으로 표현된다.
● Series conductance(직렬 연결): 전체 컨덕턴스는 가장 작은 컨덕턴스보다 더 작아진다. 펌프가 아무리 좋아도 중간에 가느다란 파이프가 하나라도 있으면 전체 배기 속도는 가장 가느다란 파이프(가장 안 좋은 부품) 수준으로 떨어진다. 이것을 병목 현상이라 한다.
● Parallel conductance(병렬 연결): 전체 컨덕턴스는 각각의 컨덕턴스의 합으로 계산된다.
유량(Throughput, Q)이란 펌프 입장에서 단위 시간 당 흐르는 기체의 양을 의미한다.(gas flow rate)
$$Q = PS = \frac{PV}{t} [Torr liter / sec]$$
S(Pumping speed): 펌프의 기체 방출 능력, 배기 속도를 의미한다. 즉 단위 시간 당 빼내는 양이라고 생각하면 편할 것이다.
주로 쓰는 단위는 sccm이나 Torr L/s을 쓰며, 1sccm = 2.69⨉1019 molecules/min이다.
배기 속도(Pumping speed, S)는 압력에 따라 변한다. 펌프의 능력에는 한계가 있어서 특정 압력 이상 밑으로는 낮출 수 없다. 이 펌프 능력의 한계 전까지는 동일한 Pumping speed로 압력을 낮출 수 있다. 즉 특정 압력 밑으로는 안떨어진다.
이때 챔버 내부를 펌핑(Pumping)시킨다는 것은 진공 펌프를 이용해 챔버 내부의 기체 분자를 외부로 빼내어 압력을 낮추는 작업을 의미한다. 더 나아가 챔버 내부에 강하게 흡착되어 있는 오염 물질들을 탈착시킨다. 이는 챔버의 진공도가 높아지는 것(고진공 도달)을 방해하는 가장 큰 원인이며 아웃개싱(Outgassing)현상이라고 한다.
펌핑 다운(Pump-down)이란 공정에 필요한 목표 진공도까지 압력을 떨어뜨리는 것을 의미한다.
기체 잔류 시간(Gas residence time, τ)이란 기체가 펌핑되기 전까지 챔버 내에 머무는 시간을 의미한다. τ = V/S의 식으로 나타낸다. 이 식을 통해 알 수 있듯, 공정의 부산물 생성을 방지하려면 배기 속도(S)를 높여 기체의 잔류 시간(τ)을 줄여 웨이퍼 표면 위 부산물의 형성을 막아야한다.
엔지니어가 펌프를 끄지 않고 계속 돌리는 이유는 단순히 챔버 안을 진공 상태로 만들기 위한 것뿐만 아니라 챔버 내의 압력이 낮아짐에 따라 챔버 벽면이나 부품 표면에 흡착되어 있던 어려 오염인자들이 탈착되어 나오는 것(방출 가스, Outgassing)을 실시간으로 제어하여 더욱 정밀한 시스템을 만들기 위함이다.
Outgassing이란 진공 챔버 내부 벽면(표면)에 흡착되어 있던 가스가 진동상태(저압이 되면 평형이 깨지면서 벽면에서부터 확산이 시작되어 챔버 내부까지 도달해 챔버 내부의 진공도를 낮추는 현상을 의미한다.
배기 시간에 대해 살펴보면, 진공에서의 배기 시간은 전기에서의 RC 등가회로로 설명이 가능하다.
$$Q = PS = \frac{-d(PV)}{dt} = -V \frac{dP}{dt}$$
$$P(t) = P_0 exp(\frac{-St}{V})$$
이 수식의 의미는 챔버 내부를 진공 상태로 만들 때 내부의 기체를 배출하여야 하는데, 이때 압력의 감소는 선형적이지 않고 지수함수적으로 감소한다는 것을 의미한다.
Outgassing의 특성에 대해 살펴보면,
$$Outgassing rate: Q = Q_0e^ \frac{△E_{binding}}{kT}$$
이 수식의 의미는 기체가 벽면(표면)에서 얼마나 빨리 떨어져 나오는지, 즉 평형이 펌핑 진행에 따라 얼마나 빠르게 깨어지는지를 의미한다. 수식에서 알 수 있듯이 Q(Outgassing rate)는 온도(T)에 지수함수적으로 비례한다.
한 가지 예시를 들어보면, 물의 경우 stainless steel 표면에서 매우 큰 흡착 에너지를 가지고 있다. stainless steel로 만들어진 챔버의 내부를 펌핑시켜 진공상태로 만들려고 하면, 초기 펌핑 단계에서는 매우 많은 물이 탈착될 것이고 이 물이 outgassing의 대부분을 차지한다.
또한 stainless steel 진공 챔버는 매우 복합적인 구조를 가지고 있고, 표면의 상태 마저 균일하지 않아서 기체 분자들이 가지는 결합 에너지가 매우 넓고 복합적이다. 그러므로 pumping down이 진행되는 동안 선형적으로 기체가 빠지는 게 아니라 챔버 내 다양한 에너지 분포를 가진 기체들이 pumping하는 동안 계속 탈착되어 빠져 나오니까 배기 시 지수함수적으로 진행되는 것이다.
즉 챔버 내부를 진공 상태로 만들려고 하는데, 대기압 상태일 때의 챔버 내부 벽면에 잔류 가스들이 많이 흡착되어 있다는 것이다.
이러한 문제를 해결하기 위한 방법은 배기 전 챔버 내부 벽면을 매끈매끈하게 만들어 표면적을 줄이는 것이다. 이러면 oungassing이 줄어 pumping의 효과를 올릴 수 있다.
2. Pressure Measurement
위에서 챔버 내부 벽면을 매끈하게 만들어 표면적을 줄이면, outgassing이 줄어들어 pumping의 효과를 올린 채로 배기를 시작했다면 이제 챔버 내부에 기체 분자가 얼마나 남았는지 측정해야 한다.
이때 압력의 측정, 즉 진공의 측정은 진공 챔버 내 기체분자의 밀도(농도)에 따라 직접측정과 간접측정으로 나뉜다.
● 직접측정(Direct measurement): 챔버 내 기체 분자의 밀도가 높을 때, 주로 저진공 영역에서 측정하는 방법이다.
기체 분자들이 벽면에 부딪히며 가하는 실제 힘이나 압력의 차이를 이용해 측정한다.
- 고체: Diaphragm 게이지, 전기용량 압력계, 부르동 관 등
- 액체: 액체 압력계(U자관 압력계), 멕레오드 게이지 등
● 간접측정(Indirect measurement): 챔버 내 기체 분자의 밀도가 낮을 때, 주로 고진공 ~ 초 고진공 영역에서 측정하는 방법이다.
열전도도 같은 압력에 의존하는, 즉 기체 분자의 농도에 의존하는 물리량의 함수로 압력을 측정한다.
- 운동 전달량(점성도): SRG
- 전하 발생(이온화): 이온-Hot/Cold 게이지 등
- 에너지 전달(열전도도): 열전쌍, 피라니 게이지 등
진공도의 수준에 따라 측정 방식도 다르고 진공 게이지도 각각 다른 진공 게이지가 요구된다.
이때 진공 게이지는 특정 구간의 진공도를 측정할 수 있는 도구이다.
진공 게이지의 선택은 다음과 같다.
- 측정할 압력 영역을 고려해 정확한 압력을 읽는 게이지를 선택한다.
- 측정 환경에 유의하여 게이지의 오차가 발생할 수 있으므로 게이지 작동 조건에 맞게 진공 게이지를 선택한다.
- 게이지의 찌꺼기(Contamination), 기계적 진동(Vibration of gauge tube)을 최소화 하는 견고성이 뛰어난 게이지를 선택한다.
| 진공 영역 | 게이지 명칭 | 측정 가능 범위(Torr) |
| 저진공 (High Pressure) | Mercury Manometer | $$10^2 \sim 10^{-3}$$ |
| Bourdon Gauge | $$10^2 \sim 10^0$$ |
|
| Diaphragm | $$10^2 \sim 10^{-4}$$ | |
| 중진공 (Medium) | Capacitance Manometer | $$10^1 \sim 10^{-5}$$ |
| Thermocouple | $$10^0 \sim 10^{-3}$$ | |
| Pirani | $$10^0 \sim 10^{-4}$$ | |
| McLeod | $$10^0 \sim 10^{-6}$$ | |
| 고진공 (High Vacuum) | Cold Cathode | $$10^{-2} \sim 10^{-10}$$ |
| Ionization | $$10^{-3} \sim 10^{-12}$$ | |
| 초고진공 (UHV) | Residual Gas Analyzer | $$10^{-4} \sim 10^{-14}$$ |
● Direct gauge: Bourdon(부르동) 게이지, 전기용량(Capacitance Diaphragm) 게이지
● Indirect - reading gauges: 진공 게이지는 간접 측정 방식을 적용한다.
- 열전대 게이지(Themo - couple gauge): 서로 다른 금속의 접합은 온도에 비례한다. 즉 서로 다른 금속을 붙여놓으면 온도 차이에 따라 전자가 이동하려는 동적인 힘이 생기는데, 이 힘의 크기가 온도에 정비례한다. 온도 차이가 크면 전자가 많이 이동할 것이고, 온도 차이가 적으면 전자가 덜 이동할 것이다. 이를 측정하는 것이 열전대 게이지이다.
조금 더 자세히 설명하자면, 다른 금속 두 개를 접촉 시켜놓으면 컨택 포텐셜(Contact Potential, 접촉 전위차)이 생긴다. 쉽게 이해하려면 농도 차이에 의한 확산과 같은 메커니즘을 떠올리면 될 것이다. 이때 컨텍 포텐셜이 생기는 이유는 두 금속이 서로 다른 일함수(금속의 최외각 전자를 내놓는 능력이라 생각하면 편함)를 가지고 있기 때문이다. 즉 열전대 게이지는 두 금속의 접합부에 컨택 포텐셜, 즉 전위차가 생기고 이 전위차는 온도에 따라 변한다.
이 원리를 이용해 온도 변화를 측정하고 이를 통해 진공 내 기체 분자의 압력을 간접적으로 측정하는 것이다.
구조가 간단하며 저진공 영역에서 활용하고 반응속도는 느리다. - 피라니 게이지(Pirani gauge): 팔라멘트의 온도 변화를 통한 Wheatstone bridge의 저항 변화를 검출하는 방식이다.
- 이온 게이지(Ionization gauge): 현대 반도체 공정에서 많이 쓰이는 진공 게이지이다. 기체 분자가 적은 고진공 영역에서 측정이 가능하며, 진공 챔버 내 기체 분자를 이온화 하여 전자와 양이온이 형성되면, 이온 전류의 측정을 통해 기체 분자의 밀도(압력)를 측정한다.
- 이외에도 Hot cathode ion gauge(열음극), Cold cathode ion gauge(냉음극) 등이 있다.
냉음극에 대해 간단히 설명하자면 Hot cathode필라멘트에 의한 고온(2000K) 및 산화의 문제점을 개선한 진공 게이지이다.
Vacuum Pumps
위에서 설명했듯이 모든 진공에 동작하는 진공 게이지는 존재하지 않는다. 따라서 모든 진공에서 동작하는 펌프 또한 존재하지 않는다. 진공도에 따라 필요한 펌프가 달라진다는 의미다.
본 포스팅에서는 수많은 진공 펌프 중 몇 가지 정도만 소개할 예정이다.
그전에 진공 펌프가 무엇인지 설명을 하자면,
진공 펌프란 챔버 내 압력을 대기압 보다 낮게 혹은 분자 밀도를 대기 밀도보다 낮은 상태로 만들어주는 장치이다.
압축 배출식에 의해 물리적으로 외부로 방출하는 방식이 있고, 내부 흡수식으로 챔버 내부로 흡수하는 방식이 있다.
외부 방출식은 챔버내 기체 분자들을 펌프를 이용해서 외부로 방출시키는 것이고, 내부 흡수식은 챔버 내에 기체 분자를 가두는 방식이다.
Roughing pump
러핑펌프라고 불리며, 대기압 ~ 1⨉10-3Torr 영역에서 주로 사용하며, 초기 배기에 사용된다.
압축 배출식에서 회전식에 해당한다.
Pumping mechanism을 살펴보면, 그림처럼 Rotor가 회전함에 따라 Rotor blade가 회전하면서 내부 벽을 훑게 된다. 쉽게 설명하자면 구슬이 벽면에 붙은 채로 빙글빙글 돈다고 생각하면 편할 것이다. Rotor blade는 스프링이 있어서 늘어나거나 줄어드는 것이 가능하다.
Blade와 내벽은 오일 막이 기밀을 유지한다. 그러나 오일이 챔버 쪽으로 역류할 수 있어서 실제 산업 현장에서는 거의 안 쓴다. 정확히는 러핑 펌프를 사용해도 이러한 모델은 쓰지 않는다.
그 외 Dry pump, Diffusion Pump도 오일을 사용하며, 오일이 챔버 쪽으로 역류할 가능성이 있어 쓰지 않는다.
Turbo Molecular Pump (TMP)
터보 분자 펌프라고 불리며, 오일을 사용하지 않아 챔버 쪽을 오염시킬 일이 없다는 장점이 있다.
압축 배출식의 운동량 전달 방식의 분자 펌프이다. 10-2 ~ 5⨉10-10 Torr 영역에서 사용 가능하다.
이외의 특징으로는 단순 동작, 짧은 동작 시간, 높은 배기 속도 등이 있다.
위 이미지와 같이 회전자 날(Rotor Blade)과 고정자 날(Stator Blade)이 서로 엇갈린 배치로 되어있다.
보통 24,000 ~ 80,000 rpm 정도의 속도를 가진다.
고순도 고진공 펌프로 사용되므로 가격이 비싼데도 불구하고 여러 현장에서 많이 사용한다.
단점은 회전자 날과 고정자 날의 엇갈린 배치 때문에 분자가 역류할 수 있다.
Cryogenic Pump
크라이오 펌프는 냉온 펌프 또는 극저온 펌프라고도 불린다.
이 펌프는 온도를 낮춰 흡착을 잘 할 수 있는 조건을 만들어준다. 온도가 낮아지면 기체 분자의 거동이 점점 느려지고 이후엔 거의 가만히 있는다. 기체 분자들은 챔버 중심 부 쪽에서 진종 펌프 쪽으로 이동한다.
크라이오 펌프의 원리는 챔버 표면을 극저온으로 냉각시켜 기체 분자를 표면에 응축 또는 흡착시켜 진공을 만드는 펌프다.
물리적으로 기체를 쳐내는 방식과 달리, 극저온 표면에 기체가 달라붙어(응축, 흡착) 챔버 내 진공도를 높인다.
오일을 전혀 사용하지 않아 오염의 염려가 없다. 고진공 뿐만 아니라 초 고진공으로도 사용가능하다.
고가의 장비이지만 초 고진공을 요구하는 환경에서 많이 사용된다.
Vacuum Applications
진공이 필요한 공정은 CVD, MBE, ALD, Sputtering, Evaporation 등이 있다.
MBE(Molecular Beam Epitaxy)란, 초고진공 환경에서 증착할 소스 물질을 빔 형태로 증발(가열)시켜, 기판 표면에 충돌 없이 도달하게 해 원자 단위로 박막을 단결정 형태로 증착시키는 공정이다.
따라서 소스 물질은 반응 전에 다른 불순물이랑 닿이면 안되므로 초고진공에서 진행해야 한다. 이렇게 되면 빔 형태의 소스 물질은 평균 자유 행로가 매우 길어져 기판에 닿이기 전까지는 쭉 직진하게 된다.
주요 특징으로는 약 1ML/s 대략 초당 한 층 정도의 속도로 매우 느리게 성장한다.
이 특징은 속도가 중요한 공정, 예를 들면 대량 생산이 필요해 한번에 십수장의 웨이퍼에 산화막을 증착시키는 산화 공정이나 금속 배선 공정 같이 트렌지스터 위 수십 수백층 금속 막을 쌓아야 하는 공정에서는 속도가 느려지면 공정 시간이 너무 길어져 단점이지만, 정교한 고품질의 박막이 필요하거나 원자 수준의 두께를 제어하는 게 필요한 공정일 때는 매우 큰 장점으로 활용된다.
또한 서로 다른 물질(Al0.32Ga0.68As, GaAs)을 원자 단위로 번갈아 쌓아 양자 구조를 만들 수 있는 것이 매우 큰 장점이다.
이외의 진공이 필요한 나머지 공정들은 추후 따로 포스팅하여 심도있게 다룰 것이다.
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