4. 진공에 대해 자세히 알아보자

 

 

 

진공

진공이란 한마디로 아무것도 들어 있지 않은 빈 그릇이라 말할 수 있는데,

다시 말하면 일정한 공간에 존재하는 공기를 제거한 상태를 의미한다. 용기는 그 빈 공 간을 주위로부터 격리시킨다.

 

물론 진공이라고 입자가 전혀 존재하지 않는 상태는 아니다 

극대 진공은 평방 수 cm당 수십 억의 분자 또는 원자가 존재하는 것이고 이것은 torr압력이다. 

(torr 1/760기압). 진공 펌프를 이용하여 chamber로부터 공기 를 제거한다. 

 

진공 펌프로는 여러 Type이 사용되고 있는데 어떤 펌프는 공기를 제거하고 또 어떤 펌프는 공기를 일정하게 응축하여 고이게 하거나 그 형태를 변화시킨다.

 

1.진공의 필요성

만약 증착시 진공을 시키지 않은 상태에서 증착을 한다면 다음과 같은 문제점들이 발생될 것이다.

 

1) 평균 자유행로(mean free path)가 짧아져 박막물질의 원자나 분자, 이온들이 기판까지 진행하지 못하게 된다. 

일반적으로 상온의 대기압에서 공기 분자의 평균 자유행로는 λ mfp = 500 Å으로 1초당 서로 10^10번 충돌하게 된다.

2) 공기분자가 박막 중에 들어가 불순물이 된다.

3) 공기중의 활성분자가 박막물질과 화합물을 형성할 수 있다.

4) 기화 혹은 증발을 위한 가열장치나 증발물질과 공기분자가 반응하여 화합물을 형성하여, 정상의 증발이 불가능하게 된다.

공기가 1기압이하의 압력으로 배기된 상태를 진공이라 부른다. 진공을 만들기 위한 장치를 진공펌프, 진공으로 배기되는 용기를 진공조라 부르고 진공펌프와 진공조를 일괄하여 진공장치라 부른다. 박막의 제작에 필요한 가장 중요한 장치가 바로 진공장치이다.

박막 제작에 필요한 진공은 Pa 대 또는 그 이하의 압력이다. Pa 대의 압력으로 배기 가능한 고진공 장치와,Pa 대로 배기 가능한 초고진공 장치가 있다.

 

. 300K에서 공기 분자의 평균 속도 = 4.6×10 4Cm/ sec

Vacuum Science and Technology

1 Torr = \( \frac{1}{760} \) 기압

 

 

분자의 운동 이론

- Maxwell-Boltzmann 공식

\( f(v) = \frac{dn}{dv} = \frac{4\pi}{\sqrt{\left(\frac{M}{2\pi RT}\right)^3}} v^2 \exp \left(- \frac{Mv^2}{2RT} \right) \)

• \( n \): \( v \)와 \( v + dv \) 사이의 속도를 갖는 분자 수
• \( M \): 분자의 무게
• \( T \): 절대온도
• \( R \): gas 보편상수

 

기체의 흐름

진공도에 따른 평균자유행로

우리는 진공 Chamber로부터 기체 분자를 빼내기 위해 기체 흐름을 알아야 한다.
많은 종류의 기체 흐름 가운데 점성유동 과 분자유동을 살펴보면

두 종류의 흐름은 분자들이 어떻게 공간을 채우는가와 관계가 있다.

* 점성유동

일반적으로 1× 10 - 2Torr보다더 큰 압력으로 공간을 차지하고 있는 기체 분자들은 유체같이 움직이는데 

이것을 점성유동이라고 한다.

점성유동 범위에서 분자들은 서로 아주 가깝게 둘러싸여 있으므로 항상 충돌하며, 진공 펌프가 Chamber로부터 분자들의 일부를 빼내면 다른 분자들이 빈 공간을 재빨리 채운다.

점성유동에서 분자 움직임은 예견된다. 

즉 분자가 Chamber표면을 때릴 때 상당히 정확하게 충돌후의 움직임을 예상할 수 있다.

또 분자들은 서로 밀접하게 둘러 쌓여 있고 예상대로 움직이기 때문에 Rough Pump작동을 위해 작은 직경의 호스 관
을 사용할 수 있다. 점성유동 압력과 상태는 어떤 위치에서 다른 곳으로 단위 시간 당 상당히 많은 양의 분자들을 움직일 수 있다.

 

* 분자유동

분자유동은 분자들이 아주 멀리 떨어져 있어서 분자들이 상호 영향을 미칠 수 없을 때 일어난다. 분자들의 움직임은 아주 Random하며, 분자들의 존재가 매우 작은 곳의 낮은 압력에서 일어난다. 분자 흐름 범위에서 분자운동은 예상할 수 없으므로 High Vacuum 펌프에서는 매우 큰 입구가 있어야 한다.

 

압력(Pressure)

압력은 단위 면적 당에 작용하는 힘의 세기로 나타낸다.
P = F/A P:압력, A:면적, F:힘의 세기(무게)
어떤 용기내에 있는 독립된 입자들은 자유롭게 움직이며, 다른 입자들과 결합하기가 쉽다.
수소나 산소 등은 아주 안정되게 결합하여 화학적인 물질을 만들지만, 예를 들어 헬륨, 네온, 아르곤등은 잘 반응하지 않는다. 모든 입자들은 질량을 가지고 있으며 중력의 힘에 의하여 끌어 당겨져서 지구의 표면을 일정한 무게로 누르게 되는데,
이를 우리는 대기압이라 부른다. 

 

이는 위도 45°의 평균해면에서 지구표면의 평균 압력이 14.7psi가 된다.

우리는 0。C에서의 14.7psi를 표준 대기압(1 std. atm)이라 부르며, 온도와 압력의 기준으로 삼는다.
공기를 빼내기 전에는 빠른 속도의 끊임없는 움직임 때문에 분자들간에, 그리고 분자들과 Chamber 벽 사이에 충돌이 일어나므로 14.7psi의 압력을 나타낸다. (1kg/cm2=14.7psi=1기압, 1psi=0.068kg/cm2)
공기를 빼내면 압력은 저하되지만 분자들을 전부 제거할 수는 없다.

대기압(Atmospheric Pressure)

14.7psi = 760 Torr = 1 Std. Atm = 101,000 Pascal
대기압은 14.7psi나 760Torr 또는 101,000Pa이며, 진공처리는 대기압보다 훨씬 낮은
압력 하에서 이루어진다. 대기에 의해 무게(힘)을 측정하는 방법이 Torricelli에 의해 창안되었는데, 그것은 공기의 무게에 대해 이미 알고 있는 유체의 무게의 저울로서 되어있다. 

 

처음에 사용된 유체는 물이었으며 나중에는 수은이 사용되었다. 그 측정법은 Barometer라는 분석기를 사용하는데, 우리는 압력단위를 Torrice -lli를 정의하는 의미로서 Torr라고 부른다.

압력측정

압력은 몇 가지 측정 단위로 표시할 수 있는데, Milliter of Mercury, Torr, 그리고 마이크론이 일반적으로 사용되고 있다.
다음 Table이 일반적으로 사용하는 척도이며, 이 척도에 대한 가치는 같은 압력(1Std ATM)에서 모두 List되어 있다.

 

상대적 부피에 대한 가스들의 분압

분압(Partial Pressure)

혼합 가스의 전체 압력은 혼합물 속에 있는 개별 가스 압력들의 각각의 합계이다.
이것을 Dalton의 분압의 법칙이라 하고, 혼합물 속에 있는 개개의 가스 압력을 분압이라고 한다.
표준상태(760 Torr, 0도씨)에서, 각 Gas는 총 부피중의 그 Gas의 백분율에 비례하는 압력을 가지고 있다.
예를 들어 N2 = 78% = 0.78×760=593 Torr가 되는것이다.

 

7)증기 압력(등압: Vapor Pressure)

액체나 고체가 기체가 될 때 우리는 이 과정을 증발(Evaporation)이라고 하며, 생산된 기체를 증기(Vapor)라고 한다. 물론 증기도 압력을 가지고 있으며 이 압력을 우리는 특정한 물질에 대한 증기압(Vapor Pressure)이라 한다. 

 

그리고 기체가 액체 로 변하는 것을 응축(Condensation)이라 하며, 고체가 기체로 직접 증발할 때 이 과정을 기화(Sublimation)라고 한다. 물은 1000C에서 끓거나 증발하는데, 그 때의 증기압은 대기압과 같으므로 증기는 주위의 대기와 합류하게 된다.

일반적으로 증기는 적당한 온도와 압력에서 액체 상태로 응축되려고 하는 기체로서, 모든 물질은 온도에 따라 직접 변하는 특징적인 포화 증기압력을 가지고 있다. 증기압은 온도에 따라 변하며 온도가 낮을수록 증기압도 낮아지는데, 다른 물질들도 마찬가지이다.