안녕하세요, 송송입니다. 오늘은 반도체 분야에 다가가기 전! 필수적으로 알아야하는 분야가 있습니다.
바로 진공입니다. 왜 진공을 알아야 할까? 진공을 빼고서는 반도체를 논할 수 없는 필수가결의 분야이기 때문입니다.
뭐.. 요즘은 다들 과학에 관심없는 분들도 많이 들어보셨기 때문에 친숙한 단어일 겁니다.
그럼 매우 간단하게 시작해 볼까요?
1. 진공이란?
- 진공(Vaccum) : 어원적인 뜻은 비어있음, 또는 아무것도 없음.
진공상태에서 나타나는 7가지 현상.
1) 압력차에 의한 힘
2) 빠른 증발
3) 소리와 열 차단
4) 운동저항의 감소
5) 방전
6) 산화방지
7) 청정표면
자. 진공상태에서 나타나는 7가지 현상 덕분에 반도체 분야에서는 진공이 필수적이라고 했습니다.. 이 중 어느 항목때문일까요??
정답은.. 7) 청정표면. 즉, 반도체 분야는 현재 매우 작은 나노 스케일 공정이 대세이기 때문에 아주 작은 불순물의 영향을 받습니다. 그렇기 때문에, 초고진공 환경에서 불순물의 영향을 최소화시켜야 제 기능을 다 할 수 있는거죠!
그렇다고 해서 나머지 항목은 상관이 없냐? 그렇다는것은 아닙니다.! 모두 영향이 있다는 사실~ 기억하고 가시죠.
2. 진공도의 분류
- 진공도 : 진공의 정도를 압력으로 나타내고 있으며, 단위는 Pa, bar, Torr로 사용되고 있습니다.
진공도는 크게 5가지로 분류되고 있지만, 보편적으로 사용되는 것은 3-4단계를 사용하고 있으며 사람마다 차이가 있습니다.
| 진공 영역 | 압력(P) | |
| Pa | mbar 또는 Torr | |
| 저진공(Low vaccum) | 대기압 > P > 102 | 대기압 > P > 1 |
| 중진공(Middle vaccum) | 102 > P > 101 | 1 > P > 10-3 |
| 고진공(High vaccum) | 10-1 > P > 10-5 | 10-3 > P > 10-7 |
| 초고진공(Ultra-high vaccum) | 10-5 > P > 10-8 | 10-7 > P > 10-10 |
| 극고진공(Extrem ultra-high vaccum) | 10-8 > P | 10-10 > P |
보편적으로는 쉽게 저진공, 고진공, 초고진공으로 부르고 있으며, 사실 저진공이 중진공의 압력까지 얘기하고 있습니다.
극고진공의 경우는, 항공 우주분야에서 극한의 진공상태를 묘사하기 위해 사용되며, 반도체 공정쪽에서는 사용하지 않습니다.
앞서 말씀드렸듯 진공상태에는 불순물이 거의 존재하지 않기 때문에 반도체 공정변수가 최소화 할 수 있습니다.
뿐만 아니라, 진공 상태에서는 진공 챔버내 분자들의 평균자유행로를 확보해줍니다.
아니.. 잠깐만 평균자유행로는 또 뭐야?
3. 평균자유행로(Mean free path)
- 닫힌 계 용기내 존재하는 기체 분자들은 기본적으로 움직임을 갖습니다. 움직이는 도중에 다른 분자들과 충돌을 하면서 방향을 바꾸게 됩니다.
자, 간단히 생각해 봅시다. 한 교실에 학생이 100명입니다. 내가 사물함에서 칠판까지 뛰어야하는데 학생이 100명이면 얼마나 많은 방해를 받고 나서야 칠판에 도착할까요?
반대로 한 교실에 학생이 5명입니다. 마찬가지로, 내가 사물함에서 칠판까지 뛰어햐하는데 방해를 받을까요?
이렇게 내가 교실에서 뛸때 다른 학생과 한번도 충돌하지 않고 갈 수 있는 최대거리의 평균값을 평균자유행로라고 합니다.
이렇게 비유를 들으니 좀 쉽죠?
압력이 낮다 = 한 교실에 학생(분자)이 적다
압력이 높다 = 한 교실에 학생(분자)이 많다
압력이 낮을수록 내가 부딪히는 학생(분자)가 적기 때문에 평균자유행로가 길어지게 되는겁니다.
* 수식은 따로 유도하지 않겠습니다.!
우린 쉽게 쉽게 이해만 해보자구요.
다음엔 진공 상태를 유지해주는 진공 펌프로 돌아오겠습니다.