이 글은 sk하이포 교육 이수 후 복습하기 위한 차원으로 작성한 글입니다.
배워가는 입장이기 때문에 오류가 있을 수 있습니다! 오류 지적 대환영
반도체에서 Thin film의 사용
박막(thin films)은 VLSI에서 정말 다양하게 사용됨.
* VLSI란 ? 10,000 ~ 1,000,000개의 트랜지스터를 포함하는 대규모 칩이다.
만드는 방법
"Bottom - up"
낮은 곳에서 출발해 단계별로 하나씩 올라가는 방식.
쉽게 말해, 건축물 같은 경우, 아래부터 위로 올라가며 공사하지만, 중간에 수도나 콘크리트 등 필요한 걸 추가할 수 있음.
반도체의 Bottom up 공정은 중간에 뭘 추가할 수가 없다.
애초에 반도체가 너무 작기 때문에 중간에 추가하거나 제거하거나 할 수가 없어서 노즐을 사용해서 아래부터 하나씩 쌓아서 올리는 방식으로 thin film을 제작하게 된다.
centimeter scale에서는 노즐을 사용하여 하나씩 올렸지만, nano scale로 접어들면서부터는 gas를 이용한 "표면 반응"을 사용하게 된다.
아무튼 이게 제목인 진공과 무슨 상관일까???
--> 박막 증착 시 순도 높은 박막 형성을 위해 진공이 필요하다.
이용 예시로는 PVD(physical sputtering, thermal evaporation of metals, e-beam evaporation, pulsed laser deposition, MBE etc.), CVD(thermal CVD, APCVD, low pressure CVD, high pressure CVD, HW-CVD, plasma enhanced(assisted) CVD, photon assisted CVD, e-beam assisted CVD, Ion beam assisted CVD, ALD, PE-ALD etc.)이 있다
Vacuum 진공
기체(물질)가 없는 공간의 상태.
- 진공의 역사
< Torricelli's experiment >
- 그릇과 유리관을 준비
- 수은 담긴 그릇 위에 수은이 가득 찬 유리관을 통째로 뒤집음
결과 : 수은이 중력에 의해 내려가다가 76cm 지점까지 내려가면 더 이상 안 내려감. 이는 관을 흔들거나 기울여도 변하지 않음.
의문점 : 왜 다 안 내려갔을까? 눌러주는 힘의 정체는 뭘까? 빈 공간은 뭘까?
-> 보이지 않는 외부의 힘을 대기압이라고 정함. 대기압의 단위는 [atm]
1 atm = 760 mmHg = 760 Torr (토리첼리의 실험을 기려 단위를 Torr라고 함)
* Air
공기가 존재하면 지구에 "압력"이라는 것이 발생
* Pressure (압력)
Ideal gas law (이상 기체 방정식) : PV = nRT
어우 잠만 유체역학 어려워서 생략 좀 할게요 ㅋㅋㅠ
* Pressure regime
AVS 정의에 의하면 진공이란 압력이 대기압보다 낮은 공간의 영역이라고 합니다.
(AVS는 과학계 전체에 서비스 제공, 정보 전파 및 지원 제공을 목적으로 설립된 비영리 과학 협회랍니다~)
앞의 토리첼리 실험에서 대기압이란 공기가 누르는 힘이라고 정하였음
반도체의 관점에서 보았을 때!
우리는 반도체의 질 좋은 박막 형성을 위해 진공을 이용해 주어야 하는데 이 진공은 압력과 관계가 있다.
압력의 세기에 따라 진공의 세기가 달라지고, 조금 덜 신경 써도 되면 저진공에서 공정을 진행하고 소자에 직접적인 영향을 미칠 수 있는 부분에서 박막을 형성할 때에는 고진공을 사용해야 할 것임
이때, 진공을 형성하기 위하여 고려해야 할 사항은 어떤 것이 있을까? (이는 매우 화학적 지식이 동반되어 이해에 다소 어려움이 있었다ㅠㅠ 혹시나 틀린 부분이 있다면 꼬옥 지적을 부탁드리는 바 입니다..🥲)
* Vacuum system & Flow type
바보같은 내가.. 진공에서의 점성 흐름을 이해하기 위한 유체 역학 Flow Regime 내용
<참고자료 : StudySmarter UK>
- What is Flow Regime
유체 역학의 맥락에서 Flow Regime이란 층류, 천이 및 난류 흐름을 포함한 유체 흐름의 특성 또는 동작을 나타낸다.
(층류 : 유체 입자가 잘 정의된 경로선을 따라 부드럽고 질서있게 움직이는 흐름 유형으로, 일반적으로 낮은 유속과 더 작은 튜브에서 관찰된다. 레이놀즈 수는 점성력에 대한 관성력의 비율을 측정한 것이다. 유체 밀도, 속도, 특성 선형 치수 및 동적 점도를 사용하여 계산된다)
Flow Regime은 유체 운동의 패턴이나 표현형으로 이해될 수 있는데, 여기에는 다양한 제약 조건과 그 조건에서 유체가 어떻게 행동하고 움직이는 이해하는 것이 포함된다.
- 층류(Laminar Flow) : 일반적으로 낮은 속도에서 부드럽고 유선형의 유체 이동을 특징으로 한다.
- 난류(Turbulent Flow) : 일반적으로 높은 속도에서 혼란스럽고 무질서한 유체 운동으로 표시된다.
- 천이유동(Transitional Flow) : 층류와 난류 사이의 영역
- Key Principles of Flow Regime in Engineering Fluid Mechanics
1. 질량 보존 원리 : 시스템에 들어오는 유체의 총 질량은 언제든지 시스템에서 나가는 유체의 총 질량과 같아야 함
2. 운동량 보존 원리 (Navier-Stokes 방정식) : 움직이는 유체의 속도, 압력, 온도 및 밀도가 어떻게 관련되어 있는지를 설명 (공식은 개복잡하다)
Flow Regime을 형성하는 중요한 요소 : 점도(viscosity 유체의 끈적거림 정도), 밀도(density 유체의 단위 부피당 질량), 속도(velocity 유체 변위의 변화율), 내외부 조건(온도, 압력, 흐름 영역의 기하학적 구조)
- Flow Regime Meaning and its Types
1. Laminar flow regime : 유체가 두 층 사이에 방해나 혼잡 없이 평행한 층으로 흐른다
-> 더 높은 점도(viscosity), 더 작은 파이프 직경, 더 낮은 속도(velocity)
ex. 수도꼭지를 약하게 틀면 물이 거의 방해받지 않고 유선형으로 부드럽게 흘러나온다. 이는 물의 낮은 속도와 높은 점도의 산물이며, 층간 교차 흐름을 제한하여 안정적인 층류를 유도한다.
2. Turbulent flow regime : 유체 입자가 무작위적이고 혼란스러운 방식으로 이동한다
-> 더 낮은 점도(viscosity) ,더 큰 파이프 직경, 더 높은 속도(velocity)
ex. 수도꼭지를 세게 틀면 물이 혼란스럽게 분출되어 바깥쪽으로 튀게 된다.
- How Flow Regime is Represented in Engineering Projects
레이놀즈 수가 사용된다.
Laminar flow regime : Re < 2000
Transitional flow : 2000 <= Re <= 4000
Turbulent flow : 4000 < Re
이것을 진공 영역에서 본다면?
<참고자료 : pfeiffer-vacuum, indico.cern.ch>
flow channel diameter에 대한 MFP는 흐름 유형을 설명하는 데 사용될 수 있다.
그럼 잠깐 MFP와 이 내용을 이해하는데 필요한 Knudsen number를 보고 오겠다.
* Mean free path (자유행정거리)
분자 간 충돌 전까지 거리(d)의 평균
| 1 atm (760 Torr) | MFP = 0.02 mirons |
| 1 m Torr | MFP = 5.08 cm |
| 10^(-9) Torr (UHV: Ultra High Vacuum) | 50km |
=> 압력이 낮아질수록 MFP가 증가한다.
박막 증착에서 증착실의 압력을 대기압보다 훨씬 낮게 하면, 타겟을 떠나 기판을 향해 이동하는 입자의 평균 자유 경로가 증가하여 박막 형성이 가능해진다. 또한 바람직하지 않은 입자가 챔버 내에서 감소되어 더욱 균질하고 순수한 얇은 필름이 생성된다.
* Knudsen number
: 물리적 길이 척도에 대한 분자 MFP 길이의 비율로 정의되는 무차원 수
λ : 평균 자유 경로(Mean Free Path)
D : 대표적인 물리적 길이 척도 (유동 채널의 직경)
Knudsen number는 가스 흐름의 유형을 특성화하고 이를 특정 압력 범위에 할당한다.
-> 챔버 디자인 시 고려해야 하는 요소이다.
다양한 유형의 흐름 체계 프로필
여기서 Viscous flow 개념을 알기 위해서는 연속체의 개념을 알아야 할 것 같다.
* 연속체 continuum : 물체를 더 작은 요소로 무한하게 나누어도 그 각각의 요소가 전체로서의 물질의 성질을 그대로 유지하는 물질을 뜻한다. 물체 내에 물질이 균일하게 분포되어 있고, 물체가 차지한 공간을 완전히 꽉 채우고 있으며, 따라서 에너지나 운동량 등의 물리량들이 극소 극한에서도 그대로 유지된다고 가정한다.
질량 보존, 운동량 보존 및 에너지 보존 방정식에서도 사용되고 (앞의 Flow regime에서 사용되는 원리로도 언급하였다) 유체에서 연속체를 평가하는 방법으로 Knudsen number가 사용된다.
이 Viscous flow는 연속 흐름으로도 알려져 있는데, 그 이유는 단위 부피당 분자가 충분히 많은 양이기 때문이다.
Free Molecular Flow에서 λ > D : 분자와의 충돌보다 벽과의 충돌이 더 많다
Viscous (continuum) flow 에서 λ <D/100 : 분자와의 충돌이 지배적이다
아무튼 이런 개념이 진공 챔버를 만들 때 (장비 제작 시) 중요한 이론이다 이 말이네요!
* Important terminology
- Vapor pressure(증기압) : 용기 내 증기의 압력
- Adsorption (흡착) : 가스 분자의 결합이 표면에서만 일어나는 것
- absorption(흡수)
- desorption(탈착)
- sublimation : 고체의 외벽이 날라가는 것
- Permeation(투과) : 액체나 기체가 기공이나 작은 구멍을 통과하는 과정
* 원치 않는 gas가 진공 시스템에 들어갈 수 있는 세 가지 주요 경로 (장비사 CS 부서의 HW part에서 하는 일로 진공도체크가 있는데 이때 아래의 주요 경로를 고려해야 한다)
- Leaks
- Outgassing
- Backstreaming
* Leaks
(번역이 쉽지 않아서 영어로 작성합니다..)
- Real Leaks : 외부 유입
- Virtual Leaks : apparent leaks caused by release of trapped gas inside the system
- Permeation Leaks : the migration of gas through the wall material or sealing
진공 누출은 원치 않는 가스 유출, 유입을 허용하는 시스템 부분의 작은 구멍에서 발생할 수 있다.
구멍의 크기, 온도, 시스템을 통해 펌핑되는 가스 유형, 내부 대 외부 압력 차에 따라 심각도가 다른데, 진공 시스템에 누출이 발생하면 효율성이 저하되고, 제품이 원활하게 작업되지 않기 때문에 여러가지 문제를 초래한다.
* Outgassing (가스방출)
: 갇히거나, 용해되거나, 흡수되거나, 재료에서의 동결된 가스의 방출로 정의된다.
고진공 증착 방식의 어려움임.
- 열역학에서 가스 분자는 항상 압력이 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하는 경향이 있기 때문에 챔버의 압력 수준을 낮추면 챔버에 가스가 로드되는 것 같은 문제가 발생한다.
- 원자의 불완전한 결합을 줄이기 위해 진공 상태에서 표면에 가스나 증기를 흡착한다.
- 재료 유형에 관계없이 모든 표면에 outgassing이 발생할 수 있다.
- outgassing의 네 가지 주요 원인 : Vaporization(기화), Desorption(탈착), Diffusion(확산), Permeation(침투)
- outgassing을 줄이는 방법 : 적절한 재료 선택, 표면 처리 및 클리닝, 베이킹
- 위 방법의 접근 방식 : 사용 전 일시적으로 표면에서 분자 탈착을 최대한 자극, 표면에 장벽을 형성하여 흡착된 분자가 작용 전반에 걸쳐 탈착되는 것을 차단
* Closed vs open-flow system
- Closed system : bell-jar type evaporator
: 종 모양의 유리병으로 덮여 있으며, 바닥은 열려 있는 형태. 유리병 내에서 진공을 형성함
- Open-flow system
: 벨브가 상시 열려있으며, pump를 통해 gas가 동시다발적으로 빠지게 한다.
* Vacuum hardware
: Chambers, Valves, fittings, flanges, pipes, gauges, feedthroghs, pumps, etc.
* Loadlock
: 진공 상태인 main chamber에 부착되어 main chamber 내부로 기판을 운반해 넣거나 다시 빼내는 공간.
Transfer chamber와 PM(Process Module)의 오염도를 최소화하여 생산성을 향상시킨다.
* Vacuum pump type
- Gas Transfer or Diplacement (shoveling sand 삽)
: 저진공용 (ex. Rotary Vane Pump)
- Momentum Transfer (billiards or ping pong 당구)
: 중진공용 (ex. Turbomolecular PumP
- Entrapment (fly paper 파리 종이)
: 고진공용 (ex. Cryo Pump)
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