[반도체공정장치]크라이오 펌프(Cryo Pump)

진공

진공의 사전적 의미란 “비어있다”는 의미이다. 실제로 진공은 부분적으로 비어있는 공간을 의미한다. 진공의 실질적인 개념은 일정한 공간이 주위대기보다 적은 기체들을 함유한 대기보다 압력이 낮은 것을 말한다. 진공이 잡힌 부피공간을“작업 진공용기”라 부르고 진공과 바깥의 공간은 분리된다.

1. 진공의 필요성

작업을 할 때 매우 깨끗한 공간이 필요하고 깨끗한 공간을 만들기 위해 진공을 이용한다. 작업 할 때 영향을 받는 것은 기체들의 자유 운동 때문이다. 작업 할 때 공기 중에 포함된 혼합 기체들(질소, 산소 등)은 반응을 쉽게 하기 때문에 진공을 잡아주게 된다.

2. 진공의 종류

진공의 종류에는 러프진공, 고진공, 초고진공이라 불리는 진공의 다른 정도들이 있다. 그 정도는 진공의 응용에 따라 사용되어 진다. 즉, 저진공부터 고진공까지 진공의 종류가 존재하고 작업 환경에 맞추어 진공을 사용하게 된다. 진공의 이용은 아래의 표와 같다.

러프진공	고진동	초고진동
식품생산 진공증착 냉동건조 증류법 스퍼터링 전기제품 (네온등)	튜브공정 열처리 집적회로생산 장식용코팅 입자가속 화학연구 E-beam, 용접 기상증착 이온주입	우주개발 재료연구 금속공학 물리연구 표면연구 MBE

Torr는 압력의 단위로 mmHG와 거의 같은 값을 갖는 단위이다. 표준대기압을 760Torr로 정의한다.

Cryo Pump

1. 크라이오 펌프

기체를 아주 차갑게 하여 펌프 내에서 얼거나 붙잡혀 있도록 배기하는 펌프이다. 이 펌프는 오일을 안 쓰고 진공 상태에서 움직이는 파트가 없기 때문에 아주 깨끗하며, 매우 높은 쓰루푸트을 가진다. 탄화수소를 완전히 제거하여야 하는 고진공 산업에 사용된다. 크라이오 펌프는 기체 헬륨 Compressor, Cold head, 배플 펌프 몸통, 그리고 때때로 필요한 고진공 밸브로 구성되어 있다. 

Compressor, Cold head는 너무 낮은 온도를 제외하고는 냉장고와 매우 흡사하게 작동하며, 냉각수가 대기 중으로 방출되지 않는 폐 루프 냉장 시스템이다. 크라이오 펌프를 간단히 정리하면 매우 낮은 온도의 금속에 기체 분자를 얼어 붙게 만들어서 진공이 필요한 장소, 즉 챔버로 도망가지 못하게 잡아두는 펌프이다. 작동죽인 크라이오 펌프의 내부를 보면 냉장고 안에 수분이 얼어붙어 성에가 생긴 것처럼 각 금속면에 하얗게 기체분자가 응축된 것을 볼 수 있다.

쓰루푸트(Q)는 배기속도(S)×압력(P)(기체흐름의 양)으로 Q=PS이다. 배기속도는 단위 시간당 체적이므로 Q=PV/t로 표현 가능하다. 이 식의 의미는 압력이 감소하면 쓰루푸트도 감소하고 압력이 작으면 단위체적당 분자들이 작기 때문에 분자들을 제거하는 것이 어려워지는 것을 의미한다.

크라이오 펌프는 다른 고진공 펌프와 달리 oil의 역류현상이 없어서 좋다. 오일이 역류하면 챔버 내로 오일이 오염을 시키기 때문에 OLED같은 오염에 치명적인 것을 만들 때 크라이오 펌프를 사용한다.

 

2. Cryo pump의 구성

크라이오 펌프는 펌프 모듈과 컴프레서 모듈로 구성된다. 이러한 두 개의 모듈은 폐 루프 냉장 시스템을 형성하기 위하여 유연한 호스에 연결된다. 펌프 모듈의 주요한 구성은 팽창기 모듈, 어레이와 펌프 몸통이다. 컴프레서 모듈은 팽창기 모듈과 유연한 호스를 연결하여 냉장 장치를 형성한다. 가스 모양의 헬륨은 컴프레서와 팽창기 사이를 순환한다. 가끔 완전한 고진공 밸브가 펌프 모듈에 포함된다.

크라이오 펌프에서 중요한 역할을 맡는 펌프 모듈과 컴프레서 모듈에 대해서 자세히 알아야 한다. 펌프 모듈은 다음 중요 성분들로 구성된다.(팽창기 모듈, 1단계와 2단계 크라이오 어레이, 펌프 몸통, 2단계 온도 모니터, 압력 고체 밸브)

팽창기는 냉동이 만들어지는 곳이며, 컴프레서에 의해 고압 헬륨 가스가 공급된다. 이 가스는 극저온을 만들기 위해 2개의 Stage로 확장된다. 2개 Stage의 실제 동작 온도는 변할 것이며, 부과된 열과 가스 로드에 의존한다. 전형적으로 1단계는 50˚K와 80˚K사이에서 동작하며 2단계 또는 콜드 헤드는 10˚K와 20˚K 사이에서 동작한다. 크라이오 어레이는 팽창기에 의해 냉각되는 배기된 표면이다. 이러한 크라이오 어레이에서 진공 용기의 기체들은 응축되고 흡착된다. 펌프 몸체는 진공 용기에 펌프를 붙이는 단단한 진공 덮개로 형성된다.

컴프레서 모듈은 높은 압력, 높은 순도, 실온 헬륨 가스를 팽창기 모듈에 제공한다. 컴프레서 모듈은 냉각수, 윤활유 압축기 컴프레서 캡슐, 고압력 헬륨 유출로 증발된 오일을 제거하는 2단 여과 시스템과 컴프레서의 손상을 방지하기 위한 연동 장치와 컴프레서와 팽창기의 작동을 위한 전력 공급기로 구성된다.

 

3. Cryo pump의 동작 방법

크라이오 펌프 작동에 있어서 헬륨은 압축되고 그 열을 컴프레서의 주위 벽으로 전달한다. 이 열은 헬륨을 식혀주는 냉각수에 의해 제거되며, 냉각되고 압축된 헬륨은 펌프 콜드 헤드로 간다. 

콜드 헤드에 있는 팽창기에서 밸브작동 시스템은 헬륨이 팽창하는 것을 허용하며 팽창된 헬륨은 콜드 헤드와 배플 어레이로부터의 열을 받아들여 콜드 헤드와 배플 어레이를 각각 12˚K와 70˚K로 냉각시킨다. 이 차가운 표면들은 진공 용기로부터 기체를 배기한다. 진공 상태에서 차가운 표면들은 저온 응축과 크라이오 섭션의 2가지 방법으로 기체를 배기한다.

4. 크라이오 응축과 크라이오 섭션

크라이오 펌프는 대부분의 기체를 가정용 냉장고의 수증기를 배기하는 것과 같은 방법으로 배기한다. 즉, 기체를 고체로 응축하는 것이다. 이러한 일련의 과정들을 크라이오 응축이라고 한다. 대부분의 기체가 20˚K에서는 표면에 부착될 가능성이 낮고 이온도에서 대부분의 기체 분압들의 합은 1011 Torr이하의 값을 갖는다. 

대부분의 기체들은 1단계, 2단계의 크라이오 어레이에서 응축된다. 어레이들은 그들을 응축함으로써 헬륨, 수소, 네온을 배기하기에 충분히 차갑지 않다. 이러한 이유 때문에 다른 방법을 이용하는데 그 방법이 크라이오 섭션이다. 

크라이오 응축과는 달리 크라이오 섭션은 표면과 관련된 현상이다. 대부분의 기체들은 20˚K에서 냉동, 응축이 가능해도 헬륨, 수소, 네온은 이온도에서 매우 활동적이다. 다공성 물질은 2단계 크라이오 어레이에서 부여되며 이 물질은 일반적으로 활성탄이다. 헬륨, 수소, 네온은 미로 같은 구조나 활성탄 공간에서 트랩된다. 간단히 말하면 실온에서 스펀지가 수증기를 흡수하는 것과 비슷하다. 이러한 과정들이 크라이오 섭션이다.

다공성 물질의 사용은 다음과 같은 사실을 보증해준다.

➀ 기체를 트랩하기 위해 매우 넒은 표면적이 가능하다.

➁ 기체가 다공성 물질 주변에 들어오면, 순차적으로 열에너지를 잃게 되어 표면에 달라붙게 된다.

➂ 미로 안으로 들어오면 트랩하기 어려운 기체들도 펌프로부터 벗어나기 힘들다.

활성탄은 콜드 헤드와 2단계 크라이오 트랩 안쪽 면에 붙어있다. 활성탄은 헬륨, 수소, 네온에 대해 충분한 표면을 제공하기 때문에 배기 기체들을 쉽게 트랩할 수 있다. 따라서 배기하기 어려운 기체만을 위한 활성탄을 유지하기 위해 몇 가지 방법이 필요하다. 배기하기 어려운 기체들을 위한 활성탄 표면을 보존하려면 배기하기 쉬운 기체를 응축하기 위해 적당한 표면을 제공하기 위해 콜드 헤드의 바깥쪽 표면은 코팅이 안 된 상태로 남겨둔다. 그 다음 활성탄을 콜드 헤드의 안쪽 표면에만 달라붙게 함으로써 배기하기 쉬운 기체에 덜 접근하도록 만든다.

활성탄 표면으로 향하는 컨덕턴스를 제한하기 위해 콜드 헤드 주위에 배플이나 1단계 크라이오 어레이를 설치한다. 배플은 갑작스러운 온도 변화로부터 콜드 헤드를 방지하는데 갑작스런 변화는 주위로부터의 방사열이나 가스 로드에 의해 생길 수 있다. 이것은 활성탄 표면에 트랩된 기체는 부적당하게 시스템 안으로 방출 되지 않는다는 것을 보장한다.

 

5. 주의 사항

압력 교체 밸브는 압력 증진을 방지하기 위해 설계되었고, 압력 교체 밸브를 바꾸거나, 제한하거나, 제거하지 말아야 한다. 크라리오 펌프가 진공 용기 경로에 올바르게 밸브된 후 크라이오 펌프 작동 온도는 최적 작업을 위해 20˚K이하를 유지해야 한다. 진공 용기 압력이 104 Torr보다 작거나 고진공 밸브가 닫힐 때, 2단계 온도는 보통 14˚K이하여야 한다. 배기속도, 수용량, 쓰루푸트 같은 정상 동작 파라미터에 대해 크라이오 펌프 data sheet를 검사해야 한다.

대기압에서 크라이오 펌프를 가동시키는 것은 쉽게 말해서 가정에서 냉장고의 문을 열어놓고 가동시키는 것과 같기 때문에 정교한 구성에서 가동해야 하며 크라이오 펌프 전체가 차가워야 한다. 그래서 크라이오 펌프에 전력과 물을 공급한 후 크라이오 펌프 몸통에서 공기를 제거하는 것이 첫 번째로 할 일이다. 이것은 오일이 없는 기계적 진공 펌프를 사용하여 펌프 밖으로 러핑한다. 펌프 표면이 차가워지면 칠다운을 가동하고 러핑 펌프의 밸브를 꺼준다. 

그 다음 컴프레서를 가동하고 동작 온도로 펌프를 냉각한다. 우리는 두 곳 중 어느 곳의 펌프 온도를 보고서 압력을 검사할 수 있으며 시스템에 제공된 수소 진공관 온도계나 고체 센서 원격 표시를 검사할 수 있다. 2단계 어레이가 차가워지면 펌프는 작업 준비가 완료되었다고 할 수 있고 펌프가 작동할 때 이것을 가동하여 실제 냉장고처럼 취급할 수 있다.

 

6. 크로스오버

크라이오 펌프가 동작 온도(20˚K이하)가 되면 크라이오 펌프는 모든 기체를 수용하기 위한 배기 속도와 수용 능력에 도달하게 된다. 이것은 시스템 내에 밸브되기 위한 준비가 되는데 이런 과정을 크로스 오버라고 한다. 크라이오 펌프들은 시스템이 밸브될 때 보통 가스로드보다 더 많이 배기할 수 있는 능력을 가지는데 이것을 펌프의 순간 쓰루푸트 능력이라 부른다.

이것은 높은 압력에서 밸브를 오프 시키기 위해 러핑 펌프를 사용함으로써 짧은 러핑 시간을 제공하고 진공 용기로 이동하는 러핑 펌프 오일의 역류 확률을 줄인다. 크로스 오버 압력은 러핑 펌프가 밸브 오프되고 크라이오 펌프가 배기 압력, 배기 과정에 역효과를 주지 않고 밸브 인될 때 진공 용기안의 압력이며 크라이오 펌프 압력보다 높다. 크로스 오버 압력은 최대 순간 쓰루푸트에서 진공 용기 체적을 나눔으로써 계산한다.

Crossover Pressure(torr) = Maxmium Impulsive Throguput(torr-liters)/Chamber Volume(liters)

이 식의 의미로부터 크라이오 펌프가 크라이오 펌프 data sheet에서 처리할 수 있는 순간 가스로드를 알 수 있다.

 

7. 재생과정(유지보수), 재생정보

크라이오 펌프에서 재생 과정은 4단계를 거친다.

➀ 진공 용기 경로에서 펌프를 분리시키고 컴프레서를 끈다.

➁ 가열된 건조 질소로 깨끗이 하는 동안 펌프를 따뜻하게 해야 한다. 축적된 기체들은 압력 교체 밸브를 통해 펌프로부터 분출된다. 만약 펌프가 독가스나 부식 가스를 사용했다면 예방책은 세척기 또는 허가된 방법으로 교체 밸브로 배출해야 한다. 펌프가 재생되는 동안 다공성 트랩들은 그들을 재생하기 위해서 가열될 수 있다. 2단계 크라이오 어레이가 실온에 이를 때까지 계속되어야 한다. 배기압력을 읽기 위해 펌프 몸통 위에 게이지를 놓아서는 안 된다. 재생하는 동안 게이지 펌프 진공 용기에서 폭발하기 쉬운 가스 혼합물에 연소의 원인을 제공할 수도 있다.

➂ 남은 기체들을 제거하고 어레이들과 펌프 몸통 사이의 격리 진공을 만들기 위해 러핑 펌프로 사용한 펌프의 내용물을 제거한다.

➃ 작동 온도까지 펌프를 냉각한다.

그 외의 특별한 크라이오 펌프에 대해서 재생의 상세한 조작 매뉴얼을 참조해야한다.

재생정보는 크라이오 펌프의 좋은 동작 상태를 지속하도록 돕는데 이용된다.

➀ 재생시 크라이오 펌프 시스템에서 만족스럽지 못한 기본 압력 또는 작동 압력에 도달하는 주기를 찾아서 60%의 주기로 판에 박힌 재생을 한다.

➁ 또한 재생 주기 동안의 시간은 알려진 가스 종류의 계속적인 기체 흐름의 경우에 계산될 수 있다.

A=16.6×C/B

A=연속적인 기체 흐름이 있는 작동 지속 시간 B=기체 흐름 C=배기되는 특별한 기체 종류에 대한 크라이오 펌프 수용량

➂ 압력 교체 밸브는 7∼9psig*에서 열고 크라이오 펌프 몸통 꼭대기 바로 밑에 위치한다. 밸브를 부수거나 제한해서는 안된다.

* psig : 게이지 압력의 단위, 1프사이그는 1제곱인치의 넓이에 작용하는 1파운드의 힘.

➃ 요구된 압력에서 가열된 질소를 사용하여 깨끗이 하는 것은 2단계 어레이가 수증기의 청결을 유지할 수 있다는 것을 확신하며 질소 퍼지는 펌프에 모인 유독 가스들의 희석을 확실히 할 것이다.

➄ 올바른 재생 절차와 시간에 있어 조작 매뉴얼을 따라야 한다.

➅ 크라이오 펌프를 재생하기 전에 다공성 트랩을 재생하는 것이 러핑 펌프 오일로부터의 보호를 확실히 할 것이다.

 

9. 조업 정지

크라이오 펌프는 고진공 분리 밸브를 닫고 컴프레서를 멈춤으로써 정지될 수 있다. 그러나 실온에서 warm-up시간은 길어질 수 있다. 또한, 올바른 재생 없이도 1단계에서 응축된 수증기는 2단계 활성탄으로 이동할 수 있으며 활성탄의 용량을 줄일 수 있다.

그러므로 재생처럼 펌프를 부드럽게 하는 것이 좋다. 어느정도 가열된 건조 질소를 사용하여 배기하는 동안 펌프를 부드럽게 해야한다. 축적된 기체들은 압력 교체 밸브를 통해 펌프로부터 배출될 것이다. 이것은 2단계 크라이오 어레이가 실온에 이를 때 까지 계속되야 한다. 실온이 되면 퍼지 가스히터를 끄고 질소 공급을 중지해야한다.

 

10. cryo pump의 라인업

 

참고 문헌

1. 진공의 기초(Basic Vacuum Practice), 김홍배, 손상희 공역, ㈜ 전자 자료사 p.9, p.36, p.87∼98

2. 진공기기의 유지관리 매뉴얼, 한국알박(주)