KR20100029651A

KR20100029651A - 복사압진공펌프 및 전자빔진공펌프

Info

Publication number: KR20100029651A
Application number: KR1020080088499A
Authority: KR
Inventors: 고병모
Original assignee: 고병모
Priority date: 2008-09-08
Filing date: 2008-09-08
Publication date: 2010-03-17
Also published as: KR101008065B1

Abstract

본 고안은 (극)고진공펌프를 구성함에 있어 빛이나 전자기파(EM wave)의 복사압(Radiation pressure)이나 전자빔의 물질파에 의한 압력을 이용하여 진공펌프 내에 있는 입자들에게 한쪽 방향의 운동량을 부여하여 배기속도를 높임은 물론 (극)고진공상태로 만들 수 있는 새로운 형태의 진공펌프이다.

또한, 복사압이나 물질파를 이용한 국부 조사장치를 사용하여 반도체 및 태양전지 외 기타 진공상태에서 사용되는 나노스케일의 정밀 가공 설비에서 가공대상기판 표면에 붙어 있는 원하지 않는 기체입자들을 효과적으로 제거 혹은 밀도를 조절할 수 있는 설비도 포함한다.

1. 광원 (Electromagnetic wave source) 2. 복사압 진공펌프 (Radiation Pressure Vacuumpump) 3. 입구(Inlet) 4. 배출구(Exhaust outlet) 5.보조진공펌프(Backing vacuumpump) 6. 투명창(Transparent window) 7. 진공챔버(Vacuum chamber) 8. 빛가림막(light baffle) 9. 가스입자 (Gas particle) 10. 가공대상기판(substrate) 11.복사선가이드(waveguide) 12. 전자빔진공펌프 챔버 13.전자방출소스 전원연결부 14. 전자빔가속용 양전극 15.열전자방출용 필라멘트나 면상 냉전자방사체 16.전자방출소스용 전원 17.전자가속전계형성용 전원 18.가속전자 19.차단밸브

Description

복사압진공펌프 및 전자빔진공펌프{Radiation pressure Vacuum pump or Electron beam Vacuum pump}

본 고안에 적용되는 기술의 한가지는 기본적으로 전자기파 광자의 운동량을 복사압진공펌프 내의 가스 입자들에 전달하여 한쪽 방향으로 입자의 흐름성을 부여하는 방식인데, 조사되는 전자기파의 광량 및 파장에 따라 또한 배기하고자하는 가스입자 크기별로 전달할 수 있는 운동량 차이가 발생하므로 여러 가지 가스 입자의 혼합물 형태로 채워져 있는 진공펌프 내의 입자크기별(종류별)로 운동량 전달에 효과적인 파장의 광원이나 전자기파 소스를 진공펌프 외부나 내부에 하나 혹은 복수 개 설치하고 동시에 조사하여 진공펌프 내 가스입자의 배기속도를 높임은 물론 (극) 고진공상태로 만들 수 있는 것이다.

전자빔에 의한 운동량전달 방법은 전자기파의 광자에 비하여 전자는 질량을 가짐으로서 훨씬 큰 운동량 전달 효과를 볼 수 있으나 전달된 충격량이 지나칠 경우 충돌하는 가스 입자의 이온화를 유발할 수 있는데, 이 경우 상용화되어있는 이온펌프의 원리를 적용하여 음극쪽에 티타늄 전극 등을 사용하여 이온펌프 복합형으로 만들 수도 있다.

전자빔의 소스로서 라인형 필라멘트의 열전자를 사용할 수 도 있고 FED(전계효과디스플레이)에 사용되는 전계방출 냉전자를 사용할 수도 있는데 전자의 가속전압은 가능한한 가스 입자가 이온화하지 않는 범위에서 최대의 운동량전달이 이루어질 수 있도록 물질파 파장을 고려하여 정할 필요가 있고, 이온펌프로서의 역할도 기대한다면 출구를 밀폐시킨 상태에서 잔유 가스 입자들의 이온화를 효과적으로 유도할 수 있는 가속전압을 인가할 수 있도록 2단 혹은 다단계의 가변 가속전원전압 및 콘트롤러 설계가 필요하다.

전자기학의 대표적 이론인 맥스웰방정식에 의하면 전자기파도 운동량을 가지며 이는 전자기파를 구성하는 광자(photon)가 입자에 충돌시 운동량을 부여하는 것으로 이해할 수 있고 이 이론에 대한 실험적인 증명은 이미 완료되어있다.

전자기파의 복사압에 의한 현상으로서는 보통 태양 근처를 지나가는 혜성의 꼬리를 예로 드는데, 혜성이 태양에 가까워지면 온도상승에 의해 혜성의 구성물질이

증발하고 증발한 입자들이 태양의 복사압에 의하여 태양 반대 방향으로 꼬리가 형 성되게 된다. 또 다른 예는 별의 크기에 관한 것으로서 별의 중력에 의해 별을 구성하는 입자들이 별의 중심 쪽으로 떨어지게 되는데 별의 내부에서는 핵반응에 의해 발생하는 빛(전자기파)의 복사압이 별 바깥쪽으로 입자들을 밀어내므로 중력과 평형을 이루는 지점에서 별의 크기(지름)가 결정되는 것이다.

전자기파의 에너지 흐름(복사에너지Flux)은 포인팅 벡터, S 로 표현할 수 있는데

이는 S [W/㎡]= E × H 로서 E 는 전자기파의 전기장 벡터이고 H 는 전기장 벡터에 수직으로 상응하는 자기장 벡터이다.

포인팅 벡터 S 는 시간에 따라 방향은 일정하고(전자기파의 진행방향) 그 크기는 변하므로 계산을 위하여서는 시간-평균크기 값을 사용하여야하는데 이를 <S>로 표시하면 <S> = | E × H | / 2 이며 | E × H |는 포인팅 벡터 크기의 최댓값으로 시간-평균치의 두 배이고 <S>를 전자기파의 복사강도라 부른다. 복사압(Prad)은 복사강도를 전자기파의 속도, C로 나눈 값이다.

즉 Prad ₌ <S>/c = | E × H | / 2c = E B / (2μo C)이다. ( μ _o 는 투자율 )

또한, 지향성 복사압에 대해서는

Prad = σ T ⁴ / C , σ는 스테판볼츠만 상수, T는 광원의 절대온도

로 알려져 있다.

전자기파와 입자의 충돌시 전달되는 운동량의 효과적인 측면에서 입자에 전반사 시 2배, 완전 흡수시 1배며 단순 투과시 0이다.

실험 결과에 따르면 조사하는 전자기파의 파장과 같은 크기(지름)의 입자가 전반사 의 근사치로 가장 좋은 운동량 전달 효과가 있는 것으로 알려져 있다.

그러므로 배기하고자 하는 복사압 진공펌프 안의 입자들 종류와 그 크기(지름)에 맞추어 조사하는 전자기파의 스펙트럼을 구성할 필요가 있는 것이다.

예를 들어 파장이 약 500nm인 가시광선을 사용하여 조사할 경우 운동량전달에 있어서 가장 효과적인 입자는 지름이 500nm 혹은 0.5μm 인 입자이다.

역으로 수소분자 같은 경우 지름을 약 1옹스트롬 즉 0.1nm 라고 할 경우 배기를 위한 가장 효과적인 전자기파의 파장은 0.1nm이고 이는 전자기파 스펙트럼 중 엑스선에 해당하는 전자기파이다. 공기를 구성하는 다른 분자들은 수소분자보다 크지만 대부분 크기가 약 수 나노미터 정도 미만이므로 효과적인 광원의 선택은 엑스선 발생관 및 자외선램프가 된다. 또한, 진공챔버 내에서 식각 및 기타 화학반응 등으로 여러 종류의 반응가스가 발생하는 경우도 있으므로 비용과 안전성 외 기타 등을 고려하여 조사할 전자기파의 스펙트럼을 폭넓게 선택할 필요가 있다.

전자빔에 의한 운동량전달 모델은 전자빔식각(E-beam lithography)이나 전통적인 전자디스플레이인 CRT(Cathod ray tube)의 전자빔 가속과 충돌에 의한 운동량과 에너지 전달 모델에 잘 나와 있다. 도면 2)의 열전자 방출 필라멘트(15)에는 저온에서도 열전자 방출에 필요한 일함수가 낮은 산화바륨 등의 물질을 도포하여 저온에서도 열전자방출이 용이하게 하고, 반대방향에는 양전극(14)를 설치하여 전계를 형성함으로써 전자를 가속하여 진공 챔버 내의 가스 입자와 충돌을 유도함으로써 운동량전달에 따른 배기 작용을 한다. 전자빔이 가스 입자에 충돌시 챔버 내의 가스입자를 이온화시킬 수 있는데 이온화된 입자들은 이온펌프의 원리 등을 적용하여 복합적인 전자빔-이온 진공펌프형태로 제작할 수도 있다. 또한 경우에 따라서 전자기파 복사압진공펌프 방식과 병용하여 효과를 극대화할 수 있다.

발명의 내용은 전자기파의 광자가 가지는 운동량이나 가속 전자빔의 운동량이 진공펌프 내의 가스 입자에 한쪽 방향으로 전달하여 배기속도를 높임은 물론 (극)고진공 상태로 만들 수 있는 새로운 방식의 진공 펌프를 구현할 수 있으며 또한 이 원리를 이용하여 전자기파의 국부 조사장치나 레이저 및 전자빔을 이용하여 진공상태를 요하는 반도체 공정 중 국부적으로 고진공 상태를 요하는 경우나 공정 중 발생하는 새로이 생성되는 가스 입자의 효과적인 제거 혹은 증착 공정 등에서 표면에 붙어있는 원치않는 가스입자의 제거용으로 사용할 수 있다. 즉 일정 범위 내에서 나노입자의 컨트롤에도 사용할 수 있는 것이다.

기존의 진공펌프 중 확산펌프는 증발한 오일증기 입자가 가스입자에 진공펌프 출구 쪽으로 운동량을 부여하여 배기작업을 하고 드라이스크류 진공펌프는 쌍으로 물려서 회전하는 스크류의 날개가 입자에 진동량을 부여하며 터보분자펌프는 다층 금속판 형태의 팬(Fan)이 고속으로 회전하면서 펌프 내의 가스입자에 운동량을 부여하는 등 산업 현장에 주로 사용하는 진공펌프의 원리가 가스입자에 운동량을 직접 부여하는 방식으로서, 기계식인 경우 정밀한 기계가공기술을 필요로 하고 확산펌프 등 오일을 사용하는 경우 오일 증기의 역류로 진공챔버 내부를 오염시키는 문제 등이 있다. 다른 방식으로는 고진공 상태를 구현하기 위하여 온도를 극저온으로 유 지하여 가스입자의 운동성을 저하시켜 냉각된 표면에 가스입자를 포획하여 진공도를 올리던지(냉온펌프), 챔버 내에 양극과 음극 등 전극을 설치하고 전기장과 자기장을 형성 후 이를 이용하여 기체입자를 이온화시켜 제거시키는 방법 외에 티타늄 등 화학적으로 반응성이 좋은 금속을 진공챔버 내에 증착시켜 가스 입자를 증착 막으로 포집하는 게터링 방법 등을 사용하고 있다.

새로 고안한 방식은 전자기파의 광자나 가속전자빔을 가스 입자에게 운동량 전달의 직접적인 매개체로 사용하므로 기계적인 요소가 필요 없어 구조가 단순하며 배출하고자 하는 챔버내의 가스입자에 효과적으로 운동량을 전달할 수 있는 전자기파 소스를 잘 선정하고 보조 진공펌프(Auxiliary Backing pump)와 같이 사용할 경우 이온화가 힘든 입자들도 쉽게 배출할 수 있어 고청정의 아주 높은 진공상태를 쉽게 구현할 수 있는 것이다. 전자빔을 사용하는 경우는 전극과 전자발생원 등의 구조를 갖추어야 하나 광자보다 보다 큰 운동량 전달이 가능한 장점이 있다.

기존의 극고진공펌프인 냉온펌프나 이온펌프와 티타늄 확산 등에 의한 확산펌프등이 출구를 막은 상태에서 챔버내의 가스 입자를 포집하는 방법이므로 반도체나 기타 나노공정 등에서 식각 등의 가공시 챔버 내에서 새로운 가스가 발생하는 경우 사용이 제한되는 문제가 있는데 새로운 복사선 압력 및 전자빔 압력을 이용한 진공펌프의 경우 진공펌프의 배출구를 막을 필요가 없으므로 연속공정에 쉽게 대응할 수 있는 것이다. 또한 단순한 구조로 제작은 물론 유지보수하기가 용이하여 산업계에 쉽게 적용할 수 있다.

또한 광자 및 전자빔이 입자에 운동량을 전달하는 원리를 이용하여 국부조사장치를 만들어 사용하면 진공챔버 내에서 고청정 상태를 요구하는 실리콘이나 나노소자 혹은 디스플레이 유리표면 등에 붙어 있는 원치않는 가스 입자들을 쉽게 제거할 수 있는데 전자기파 및 전자빔의 파장 선정을 잘하면 가스입자들을 선택적으로 제거할 수도 있으므로 고품질의 제품을 생산할 수 있는 반도체 및 나노소자 가공을 위한 진공장비제작에도 응용이 가능하다.

복사압진공펌프는 밀폐된 챔버 외부나 내부에 복사선 소스를 한 개 혹은 다수 개 설치하고 그 반대쪽에는 배기가 이루어질 수 있도록 배출구를 구성하여 보조진공펌프를 설치한다. 복사선 소스로부터 방사되는 전자기파는 밀폐된 관내의 잔유 가스입자들에게 조사되어 배출구 쪽으로 운동량을 부여함으로써 배기속도를 높이고 진공도를 높일 수 있는 것이다.

전자빔진공펌프는 관내 잔유 가스 입자들에게 전자빔을 이용하여 운동량을 부여하는는 구조로서 배출구 반대 쪽에 전자 방출을 용이하게 하기 위한 라인형 열전자방출원을 설치하거나 FED등에 사용되는 전계효과에 의한 냉전자 방출 장치를 설치하여 전자를 발생시키고 출구쪽에는 이들 전자를 가속시킬 수 있도록 양전극을 설치한 구조이다. 배출구는 복사압진공펌프와 마찬가지로 터보분자펌프등의 보조진공펌프를 설치하여 복사압진공펌프나 전자빔진공펌프가 원할하게 동작할 수 있도록 일정 진공도를 유지시켜 주도록 한다.

도 1)은 한쪽에 투명창(6)이 설치된 밀폐된 용기로 되어있고 투명창의 반대 쪽에는 가속된 관내 잔유 가스입자들이 보조펌프를 통하여 배출될 수 있도록 배출구가 설치되어 있다. 투명창(6) 외부나 내부에 설치된 전자기파 소스가 밀폐된 관을 통하여 광원 반대쪽으로 방사하여 관내 압력이 떨어지면 입구(3)에 연결 설치된 진공챔버의 가스가 밀려나와 고진공상태를 유지하게 되는데 이때 빛가림막(8)은 복사압에 의한 가스 입자의 진공챔버로의 역류를 방지한다.

도 2)는 전자빔에 의한 관내가스에 운동량을 부여하는 방식의 전자빔 진공펌프로서 밀폐된 전자빔진공펌프 챔버(12)의 한쪽에 라인형 열전자 방출용 라인형 필라멘트나 면상 냉전자방사체(15)를 설치하고 반대쪽인 배출구 주변에는 전자를 가속시키기 위한 전계형성용 양전극(14)을 설치하여 관내 잔유 가스의 배기속도를 오릴 수 있는 전자빔 진공펌프의 구조이다.

도 3)은 전자기파에 의한 복사압이나 전자빔을 사용하여 국부적으로 표면의 불필요한 분자 등을 제거할 수 있는 장치이다. 기판 표면에 물리적인 힘으로 붙어있는 분자들은 복사압이나 전자빔에 의한 운동량에 의해 표면에서 이탈되어 제거되므로 극 청정상태를 유지할 수 있다.

Claims

원통형이나 사각형 관등 밀폐된 관의 내부 혹은 외부에 가시광 광원이나 레이저 혹은 자외선 및 엑스선 등 전자기파 발생장치를 설치하고 반대 방향에는 가스 입자의 배기가 이루질 수 있는 배출구를 설치하여 진공펌프 챔버 내의 가스 입자가 전자기파 광자의 복사압에 의한 운동량전달 방법으로 배기작용을 가능하게 하는 형태의 진공펌프및 장치.
원통형이나 사각형 관등 밀폐된 관의 내부에 열전자방출이 용이한 라인형 필라멘트나 전계효과에 의한 냉전자 방출을 가능하게 하는 면상 혹은 선형 전자발생원을 설치하고 반대 쪽에는 이들 전자를 가속할 수 있는 전극과 배출구를 설치하여 관내 입자에 전자빔의 충돌에 의한 운동량 전달로 배기작용을 가능하게 하는 구조의 전자빔 진공펌프 및 장치
진공상태에서 식각이나 증착 등의 가공이 이루어지는 장치에 있어서 가공대상

기판(substrate)상에 붙어있는 불필요한 가스 입자 등을 전자기파의 광자에 의한 복사압으로 전체 혹은 국부적인 조사에 의한 운동량을 부여하거나 전자빔을 가속시켜 전자빔에 의한 운동량 전달 방법으로 표면에 붙어 있는 불필요한 입자를 제거 혹은 밀도 조절 등 가공할 수 있도록 만든 장치나 설비. (레이저 절단이나 마킹 등의 장비는 제외한다)
복사압진공펌프에 있어서 전자기파소스(1)로부터 방사되는 전자기파가 진공챔버(7) 출구로 부터 유입되는 가스 입자를 역류시키지 않도록 빛(전자기파) 가림막(8)을 설치한 구조의 복사압진공펌프 및 장치
전자빔진공펌프에 있어서 전자빔을 가속시키기 위한 배출구 쪽의 양전극(14)을 깔때기 모양으로 하여 잔유 가스 배출 효과를 높인 구조의 전자빔진공펌프 및 장치