[반도체 설비] 진공 펌프(Vacuum Pump)의 역할과 종류

반도체 제조 공정에서는 진공 상태를 유지하는 것이 필수적입니다. 웨이퍼 표면의 오염 방지, 균일한 증착 및 식각 공정 등을 위해 진공 환경이 필요하기 때문입니다. 이러한 환경을 구현하는 데 핵심적인 역할을 하는 장치가 바로 진공 펌프(Vacuum Pump)입니다. 이번 글에서는 반도체 공정에서 사용되는 진공 펌프의 주요 종류와 역할, 기술적 특징에 대해 자세히 알아보겠습니다.

 

 

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진공 펌프의 역할

진공 펌프는 공기 및 기타 가스를 제거하여 특정한 수준의 진공 상태를 유지하거나 생성하는 장치입니다. 진공 펌프의 대표적인 역할들은 다음과 같습니다.

오염 방지: 진공 상태를 통해 불순물을 최소화시켜, 웨이퍼 표면에 불순물이 접촉하지 않도록 방지할 수 있습니다.

플라즈마에 영향: 압력 정도에 따라 플라즈마 형성에 필요한 전압이 달라집니다. 증착 공정의 경우, 박막을 균일하게 증착하기 위한 이상적인 환경을 조성시킵니다. 식각 공정의 경우, 균일하고 정확한 etch를 위해 안정적인 진공 상태를 유지시킵니다.

가스 흐름 제어: 공정 중 사용되는 반응성 가스의 흐름을 조절합니다.

 

진공 펌프의 종류

반도체 공정에서 사용되는 진공 펌프는 진공 수준 및 공정 요구사항에 따라 다양한 종류로 나뉩니다.

[진공 수준은 저진공 (Rough Vacuum), 중진공 (Medium Vacuum), 고진공 (High Vacuum), 초고진공 (Ultra-High Vacuum) 등으로 나뉩니다.]

 

보통 크게 가스 이송식 (Gas Transfer)과 가스 포획식 (Gas Entrapment)로 종류가 나뉩니다.

 

Gas Transfer 방식의 진공 펌프는 공기의 흐름을 통해 가스를 이송시켜 직접적으로 제거하는 방식입니다.

 

로터리 베인 펌프 (Rotary Vane Pump)

- Vane이라는 회전날개를 통해 흡입, 차단, 배기의 과정을 거쳐 공기를 빼냅니다.

- 저진공 생성에 적합합니다.

- 유지보수가 비교적 간단하고, 경제적입니다.

- 윤활제 용도로 기름을 넣기 때문에, 오염이 발생할 위험이 있습니다.

 

Rotary Vane Pump의 구동 과정 (출처: Edwards Vacuum)

 

루츠 펌프 (Roots Pump)

- 오일을 사용하지 않아 Dry Pump라고도 불리며, 기체의 이동을 유도하는 펌프입니다. 

- 흡입, 이송, 배기, 차단의 과정을 거칩니다.

- 독립적으로 사용하기보다 주로 로터리 펌프의 보조 펌프로 사용한다고 합니다.

 

터보 분자 펌프 (TurboMolecular Pump)

- 마치 선풍기처럼, 터빈 날개를 고속으로 회전시켜 분자 수준에서 가스를 제거합니다.

- 고진공(high vacuum) 및 초고진공(ultra-high vacuum) 생성에 적합합니다.

- 주로 다른 종류의 펌프를 통해 어느 정도 진공을 잡은 후에 사용됩니다.

 

Turbomolecular Pump 모식도 (출처: Wikipeida)

 

확산 펌프 (Oil Diffusion Pump)

- 기름을 증발시켜, 기체와 충돌을 일으킴으로써 공기를 빼냅니다.

- 벽면에 닿은 기름은 냉각되어 보일러로 다시 흘러내려가는데, 가열이 잘 되지 않으면 역류의 위험이 있다는 단점이 있습니다.

- 고진공 용도이기 때문에, 보조펌프를 필요로 합니다.

 

 

Gas Entrapment 방식의 진공 펌프는 이온들을 물리적으로 흡착시켜 포획하는 방식입니다. 공기의 흐름이 아니라 이온을 직접적으로 제거하기 때문에 고진공에 유리합니다.

 

크라이오 펌프 (Cryo Pump)

- 극저온에서 가스를 응축 또는 흡착시켜 제거합니다.

- 초고진공 환경 생성이 가능합니다.

- 소모품이 적고 안정성이 높다는 장점이 있습니다.

 

이온 펌프 (Ion Pump)

- 양쪽 음극판에 전원을 가하여 튀어나온 전자가 기체와 충돌하여 기체들을 이온화시킵니다. 이온들은 음극에 붙어 포집됩니다.

- 이온 충돌로 인해 음극 표면에서 Ti가 튀어나오는데, 이것이 기체 분자들과 결합하여 포집됩니다.

- 저진공 ~ 초고진공의 넓은 진공영역에서 사용 가능합니다.

 

 

 

진공 상태, 진공의 정도를 파악하기 위해서는 진공 게이지(Vacuum Gauge)를 사용합니다. 이에 대해 궁금하시다면 아래의 지난 포스팅을 참고해 주시면 되겠습니다.

 

[반도체 설비] 압력 게이지 (Pressure Gauge), 진공 게이지 (Vacuum Gauge) 종류