#1 반도체와 진공

#1 반도체와 진공

< 1. 진공의 필요와 정의 >

반도체 공정에서는 불순물과 평균 자유 경로(Mean Free Path), 플라즈마 사용 등의 이유로, 진공 분위기에서 이뤄져야하는 공정이 많습니다.

그렇기 때문에 반도체 설비를 공부함에 있어 진공은 빼놓을 수 없는 요소입니다.

사전적 의미의 진공(Vacuum)이란 비어 있는 공간을 의미하지만

실질적으로는 완벽히 비워진 공간이 아니라, 주위의 대기압(1기압)보다 적은 기체를 가진 공간을 의미합니다.

그러니까 완벽히 비워진 공간이 아니라해도, 대기압보다 압력이 낮으면 진공 상태라는 것입니다.

여기서 압력이란 어떤 면적에 가해진 힘인데,

진공을 형성한 용기(공간)속에도 기체입자들이 존재하기때문에

이 기체입자가 용기내부를 움직이면서 용기와 부딪히게되고 압력을 가하게 됩니다.

이것은 기체입자가 있기만 하면 압력이 있다는 것이고, 아무리 낮은 진공일지라도 이 압력을 통해 진공의 압력(진공도)을 알 수 있다는 것입니다.

< 2. 진공의 분류 > 

진공 상태는 위에서 언급한 진공의 압력, 진공의 정도에 따라 저진공, 중진공, 고진공, 초고진공으로 분류할 수 있습니다.

1> 저진공 (Low Vacuum / Rough Vacuum)과 중진공

저진공은 대기압 ~ 1 Torr 정도 / 중진공은 1 ~ 10-3 Torr 정도의 압력을 말합니다.

많은 경우에 대기압 ~ 10-3 Torr 범위의 진공 상태를 저진공(Low Vacuum or Rough Vacuum)으로 분류하며,

이러한 저진공 상태에서는 용기 속 기체 입자의 수량이, 진공을 형성한 용기 내부 표면에 부착되어 있는 수량보다 많은 상태입니다.

그래서 기체 입자와 용기 내벽간의 충돌보다 기체 입자끼리의 충돌이 많습니다.

이러한 상태에서 기체는 점성 유동(Viscous Flow)하여 액체처럼 움직이며, 이동 경로를 예측할 수 있습니다.

하지만, 기체의 흐름은 다른 조건들도 특정되어야 하므로 항상 저진공 ~ 중진공에서 점성 유동한다고는 할 수 없으니 참고만 해주세요!

2> 고진공 (High Vacuum)

고진공은 10-3 ~ 10-7 Torr 정도의 압력이며, 기체 입자와 용기 내벽간의 충돌이 많이 일어납니다.

이 경우, 기체 입자의 평균 자유 행로는 매우 크며 분자 유동(Molecular Flow)하게 됩니다.

분자 유동은 기체 입자들이 서로 너무 떨어져 있기때문에 서로간에 영향을 끼치지 않아서 용기 내벽과의 충돌이 많아지고 이동 경로또한 예측이 불가합니다.

이때문에 Viscous Flow영역과는 다른 방법으로 진공을 형성해야합니다.

(저진공 영역에서와 다른 종류의 펌프 사용)

< 3. 진공 시스템 >

진공 상태를 만들기 위해서 진공이 형성되는 용기(챔버)와 배기하는 펌프, 진공도를 측정하는 게이지가 필요하며,

이러한 구성을 진공 시스템이라 부릅니다.

위에서 Viscous Flow와 Molecular Flow를 설명한 그림에 게이지를 달아주면 진공시스템이 되겠죠..?!

1> 챔버

진공이 형성되는 공간, 공정이 진행되는 공간이며 웨이퍼가 가공되는 공간입니다. 

이때문에 반응 가스에 의한 부식이나 불순물의 부착이 힘든 재질로 만들어 집니다.

(구글에 챔버 검색을 추천드립니당…)

2> 펌프

진공 상태를 만드는 배기 장치에는 펌프가 사용되며, 챔버 내 기체를 외부로 배출하여 진공을 형성합니다.

펌프는 진공도에 따라 나누어 사용해야하는데, 위에서 설명한 Viscous Flow와 Molecular Flow같은 기체 입자의 유동 차이로 인한 것 입니다.

즉, 저진공에서는 챔버 내의 기체가 Viscous Flow, 액체의 흐름과 유사하여 액체를 배기하듯 Pumping하고

고진공에서 기체는 Molecular Flow, 입자 상태의 흐름과 유사하여 입자를 배기하듯 Pumping해야하기 때문입니다.

3> 게이지

챔버 내부의 진공도를 측정하기위한 장치입니다.

진공의 정도는 압력으로 표현되며, 챔버 안의 분자밀도를 측정하여 압력을 알 수 있습니다.

압력은 어떤 면적에 작용하는 힘이기 때문에 기체분자밀도(n)와 관련되어, 아래와 같이 표현할 수 있습니다.

이 식은 진공도 측정의 기본이 되며, 압력 변화에 따른 다른 물리적 특성 변화를 이용하여 측정할 수도 있습니다.

진공의 측정 단위는 Torr 혹은 mmHg가 사용되며 1 Torr = 1 mmHg 입니다. (1 atm = 760 Torr)

하지만, Torr는 SI 단위계가 아니기 때문에 종종 Pa(Pascal)로 변환하여 사용하기도 합니다.