[1] 상위 레벨 설계

[1] 상위 레벨 설계

1.진공이란

물질이 전혀 존재하지 않는 공간을 의미하지만, 실제로는 이렇게 만들기가 어렵기 때문에 1/1000mmHg 정도 이하의 저압을 가리킨다. 진공도는 저압 상태의 공기의 압력을 그대로 이용하여 표현한다.

1 atm(대기압)을 760mmHg = 760 torr = 101325 Pa로 나타낼 수 있다.

왜 SEM에서 진공을 유지해 주어야 할까?

만약 SEM이 진공상태가 아니라면 전자빔의 에너지가 15kV라도 100mm 밖에 움직일 수 없게 된다. 기체 분자나 금속 내의 자유전자가 다른 입자와 충돌하지 않고 움직이는 평균적인 거리를 mean free path라고 하는 데 진공 상태에서 mean free path는 커진다.

2. 진공 만들기

용기 안을 진공 상태로 만들기 위해서는 진공 펌프로 내부에 있는 기체들을 빼내어야 한다.  우리가 만들어야 하는 진공도는 10^-5 Torr이다. 10^-5 Torr는 높은 진공도이기 때문에 낮은 진공도 일 때는 Rotary Vane를 사용하고 높은 진공도일 때는  Turbomotecular를 사용하여 목표 상태로 맞추어야 한다.  

Rotary 펌프의 원리를 알아보자

Rotary 펌프는 가장 기본적인 펌프로 대기압에서 1 torr 정도까지 진공도를 낮추어준다. 진공 장치에서 대부분 로터리 펌프를 1차 펌프로 사용해서 초기 배기를 시킬 때 사용한다. 가스를 배출시키는 방법은 흡입-고립-압축-배기 4단계이다.

Rotary 펌프에서는 오일을 사용하는 데 이것은 회전에 의한 마찰열을 감소시키고 공기가 빠져나갈 공간을 막아주기 위해 사용하는 것이다. 이 때 오일은 증기압이 낮은 것을 이용하는 것이 좋은 데 펌프 오일이 증기가 되어 진공 용기 쪽으로 이동하는 역류를 막아주기 위해서이다.

다음으로 Turbo Pump를 알아보자.

기체의 양이 많을 때는 기체를 유체, 덩어리 형태로 간주하여 배기할 수 있다. 하지만 진공도가 높아질 수록 물질이 줄어들어서 이 때에는 분자 하나씩 제거해야 한다.

Turbo 펌프는 모터가 회전 속도 2만 ~ 8만 rpm 정도로 초고속으로 회전하면서 분자를 흡기구부터 배기구로 이동시킨다. Turbo 펌프는 기계적 충격에 약하고 급격한 압력 변화에 취약하다.

3. 진공 측정하기

진공을 측정하는 방식에는 크게 직접 측정 방법과 간접 측정 방법이 있다. 직접 측정 방법은 기체 분자들에 의해 가해지는 힘으로부터 압력을 직접 측정한다. Pa = N/m^2  주로 수은주 압력계나 기계식 압력계를 이용한다.

간접 측정 방법은 기체의 물리적 특성이 압력에 따라 변하는 것을 이용하는 방식으로 기체의 열전도도나 점성, 기체의 이온화 등을 이용한다.  

진공을 측정할 때 진공도에 따라 측정하는 방법이 달라진다.  그래서 진공 영역에 따라 2~3개의 게이지(진공계)를 같이 사용해야 한다.

4. 진공 시스템과 외부의 연결

SEM에는 진공 내부로 고전압,고전류, 신호를 전달 해 주어야 한다. 이 때  외부와 SEM 내부의 진공 시스템을 연결시키기 위해서 진공을 견딜 수 있는 피드스루(feed through)를 사용한다.   

5. 기체 누설

챔버 외부에서 틈새로 인해 챔버 내부로 기체가 유입되는 것을 실제누설(real leak)라고 한다. 이와는 다르게 가상누설(virtual leak)이 있는 데 이것은 외부에서 기체의 유입은 없지만 실제누설과 같은 증상을 보여 진공이 유지되지 못 하거나 진공을 만드는 데 오래 걸리게 하는 것이다. 대표적으로 아웃게싱(outgassing)이라는 것이 있는 데 이것은 챔버 내부벽과 챔버 장비에 기체 분자나 수분이 흡착되어 있다가 진공 상태로 가면서 방출되는 현상이다. 흡착된 수분과 기체들은 고진공으로 갈수록 방출되어 최고 진공으로의 도달을 방해한다. 이러한 가상누설은 고진공 상태를 오래 유지만 해도 어느 정도 제거 가능하다.