[논문]크라이오펌프 알곤 회복시간 측정과 알곤 불안정성 분석

인상렬; 이동주

doi:10.5757/jkvs.2013.22.5.225

초록
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크라이오펌프는 응축과 흡착을 통해 기체를 배기하므로 극저온 표면 온도와 증기압이 배기성능에 큰 영향을 미친다. 어느 부분의 온도가 어중간하면 한번 응축했던 기체분자가 방출과 재응축 또는 재흡착을 반복하여 진공용기 압력이 어느 선 이하로 떨어지지 않고 심한 요동을 나타낸다. 어떤 기체나 특정 온도 범위에서 이런 불안정성이 나타날 수 있지만 크라이오펌프를 많이 사용하는 스퍼터 장치의 공정기체인 알곤을 배기할 때 불안정성이 발생하는 것은 좋지 않다. 본 논문에서는 알곤 회복시간 측정실험을 수행하면서 크라이오펌프의 알곤 불안정성의 원인과 대책을 분석했다.

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Cryopump removes gas molecules by condensation and adsorption. Therefore, cryo-surface temperature and corresponding vapor pressure influence directly the pumping performance. If the surface temperature of any part is neither low nor high, there occurs the desorption of gas molecules condensed or ad...

Cryopump removes gas molecules by condensation and adsorption. Therefore, cryo-surface temperature and corresponding vapor pressure influence directly the pumping performance. If the surface temperature of any part is neither low nor high, there occurs the desorption of gas molecules condensed or adsorbed, and the emitted molecules can be captured again, which leads to a time-consuming and fluctuating change of the pressure. Though every gas can show such a pressure instability at a specified temperature range, the instability generated in a sputter system using Ar as a working gas and operating with a cryopump is especially undesirable. In this paper the cause of the argon instability is analyzed and corrective is provided through the measurement of the Ar recovery time.

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AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 아직 표준 규격에 들어있지는 않지만 크라이오펌프 제조회사에서 크라이오펌프의 알곤 공정 적합성을 시험하는 가장 중요한 과정으로 시행되고 있는 크라이오펌프의 알곤 회복시간 측정을 하면서 크라이오펌프에서 나타나는 알곤 불안정성의 원인과 대책을 알아보려고 한다.
알곤이 너무 많이 주입되어서 펌프가 사실상 배기불능상태에 빠졌기 때문이다. 따라서 알곤을 소량만 주입한 후 1차 냉각단 온도의 영향을 체계적으로 다시 살펴보기로 했다.

제안 방법

알곤 회복시간을 본격적으로 측정하기 전에 예비실험으로서 알곤을 주입한 후 용기압력에 미치는 1차 냉각단 또는 2차 냉각단 온도의 영향을 먼저 조사함으로써 사용펌프의 알곤 적응성과 회복시간 실험조건을 알아보았다. 우선 1차 냉각단 온도를 50 K로 유지하면서 알곤을 500 sccm·h 주입한 후 압력변화를 측정한 결과 5×10^-7 mbar까지 회복시간은 6분이 소요되었고 3×10^-7 mbar에 도달하는 데는 1시간이 걸렸는데 이는 이미 펌프가 심각한 알곤 장애 상태에 있음을 나타낸다.
이 측정 결과를 보면 1차 냉각단 온도가 60 K 이상이 되면 알곤을 다량 유입해도 적정 압력범위에서는 알곤 불안정성이 없어질 것으로 예상할 수 있다. 이를 확인하기 위해 최종 알곤 회복시간 측정은 1차 냉각단 온도를 60 K 및 65 K로 놓고 시행했다.
국산 크라이오펌프 HPM20Q 모델에 대해 크라이오펌프의 알곤 사용 환경 적합성을 잘 나타내는 성능지표인 알곤 회복시간 측정을 수행했다. 이런 대유량 알곤 실험 중 흔히 나타나는 알곤 불안전성의 원인을 조사한 결과 1차 냉각단 온도가 60 K 이상이 되어야 알곤 불안정성이 없어질 수 있다는 결론을 얻었다.
이제 1차 냉각단 온도를 45∼60 K까지 단계별로 올리면서 압력을 측정하고(1차), 50 K에서 하루 유지한 후 다시 70 K까지 온도를 올리면서 압력을 측정하고(2차), 50 K로 또 하루를 놔두었다가 다시 80 K까지 올려가며 압력을 측정했다(3차).

대상 데이터

Figure 5. Cryopump test facility (single dome) and HPM20Q model cryopump (GVT) installed on it.

이론/모형

알곤 회복시간 측정에는 국산 크라이오펌프로 GVT(사)에서 신규로 개발한 HPM20Q 모델을 사용했다(Fig. 5). 이 펌프는 흡기구 직경 200 mm, 질소 배기속도가 1,500 L/s인 중형 펌프로 알곤 최대유량은 1,350 sccm으로 측정되었으므로 회복시간 시험유량은 1,000 sccm으로 정했다.

성능/효과

이 측정 후 펌프의 기본 상태인 1차 냉각단 온도 36 K, 2차 냉각단 온도 11 K에서 하루가 지났을 때 압력은 여전히 2.6×10-7 mbar에 머무르고 있어서 10-8 mbar대로 진입할 가망성이 안 보였다.
온도가 어느 수준 이하이면 비록 방출은 크게 차이가 나지 않아도 재흡착이 계속 일어나 원활한 배기가 어려워진다고 판단된다. 이 측정 결과를 보면 1차 냉각단 온도가 60 K 이상이 되면 알곤을 다량 유입해도 적정 압력범위에서는 알곤 불안정성이 없어질 것으로 예상할 수 있다. 이를 확인하기 위해 최종 알곤 회복시간 측정은 1차 냉각단 온도를 60 K 및 65 K로 놓고 시행했다.
1차 냉각단 온도를 기존 36 K에서 60 K로 승온시킨 후에야 알곤 회복시간 측정이 가능해졌으며 1,000 sccm·h 주입 후 5×10-8 mbar 회복시간이 5분 이내로 정상적인 배기성능을 나타냈다.
국산 크라이오펌프 HPM20Q 모델에 대해 크라이오펌프의 알곤 사용 환경 적합성을 잘 나타내는 성능지표인 알곤 회복시간 측정을 수행했다. 이런 대유량 알곤 실험 중 흔히 나타나는 알곤 불안전성의 원인을 조사한 결과 1차 냉각단 온도가 60 K 이상이 되어야 알곤 불안정성이 없어질 수 있다는 결론을 얻었다. 1차 냉각단 온도를 기존 36 K에서 60 K로 승온시킨 후에야 알곤 회복시간 측정이 가능해졌으며 1,000 sccm·h 주입 후 5×10^-8mbar 회복시간이 5분 이내로 정상적인 배기성능을 나타냈다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	크라이오펌프란?	크라이오펌프는 흡기구 면적당 가장 큰 배기속도를 나타내는 진공펌프다. 이런 큰 배기속도와 함께 기계적 회전체가 없이 단지 극저온 표면을 형성해 두는 것만으로 배기성능을 유지하는 크라이오펌프의 특성 상 매우 큰 기체 유량에 대해서 기능저하 없이 잘 견딘다는 것이 최대 강점이다.
	다른 흡장형 펌프들과 비교한 크라이오펌프의 장점은?	이런 큰 배기속도와 함께 기계적 회전체가 없이 단지 극저온 표면을 형성해 두는 것만으로 배기성능을 유지하는 크라이오펌프의 특성 상 매우 큰 기체 유량에 대해서 기능저하 없이 잘 견딘다는 것이 최대 강점이다. 그리고 다른 흡장형 펌프들과 달리 화학적 배기작용을 하지 않으므로 헬륨을 제외하고는 불활성 기체를 배기하는데도 전혀 어려움이 없다 [1]. 따라서 다량의 알곤을 공정 기체로 사용하는 스퍼터 장치에서는 주펌프로 크라이오펌프가 많이 사용된다.
	크라이오펌프의 최대 장점은?	크라이오펌프는 흡기구 면적당 가장 큰 배기속도를 나타내는 진공펌프다. 이런 큰 배기속도와 함께 기계적 회전체가 없이 단지 극저온 표면을 형성해 두는 것만으로 배기성능을 유지하는 크라이오펌프의 특성 상 매우 큰 기체 유량에 대해서 기능저하 없이 잘 견딘다는 것이 최대 강점이다. 그리고 다른 흡장형 펌프들과 달리 화학적 배기작용을 하지 않으므로 헬륨을 제외하고는 불활성 기체를 배기하는데도 전혀 어려움이 없다 [1].

참고문헌 (5)

S. R. In and S. P. Kang, J. Korean Vac. Soc. 22, 45 (2013).

원문보기 상세보기
D. M. Hoffman, B. Singh, and J. H. Thomas III, Handbook of Vacuum Science and Technology, (Academic Press, San Diego, 1998), p. 168.
K. Welch, Capture Pumping Technology, (Elsevier, Amsterdam, 2001), p. 311.
M. J. Eacobacci and D. A. Olsen, Patent US4546613 (1985).
H. D. Kishorenath, J. E. de Rijke, and M. O. Foreman, Patent US5386708 (1995).

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