진공 펌프, 열증착법

소개글

진공 펌프, 열증착법에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 진공 펌프(Pump)
1) 진공 펌프
2) 사용 목적과 효과
3) 종류와 범위
4) 진공 펌프의 선택
5) 진공 펌프의 분류
① 작동 압력 여부에 따른 분류
② 작동원리에 따른 분류
6) 저진공 펌프
로타리 베인 펌프 (Rotary vane pump)
7) 고진공 펌프
오일확산 펌프(Oil diffusion pump)

2. 열 증착법
열 증착법

본문내용

금속들의 박 또는 선을 적당한 형상으로 만들어 증발원 으로 한 것으
로, 증착재료를 놓고 증발원에 전류를 흘려 가열하여 물질을 증발시키는 방법 이다.
융점이 낮은 재료의 증착에 유리하며 증착 속도는 filament에 공급하는 전류량을 조절함
으로써 변화시킬 수 있으며, 증착 재료의 source는 선(wire) 또는 작은 덩어리 상태로써
filament에 감거나 basket 또는 boat위에 놓고 양쪽의 전극을 통해 전류를 흘려주면 증착
재료를 놓은 부위의 전기 저항열이 최대가 되어 증착이 이루어진다.
증발원 재료를 증기압을 고려하여 선택함에 있어서 고려해야 할 것은 고온에서는 증발의
재료와 박막재료가 어느 조합에 대해서 반응이나 확산을 일으켜 화합물이나 합금을 형성
하는 문제이다. 왜냐하면 합금이 되면 융점이 떨어지고 증발원은 끊어지기 쉽기 때문이
다.
따라서 증발원의 재료는 합금이 될 수 없는 조합을 선택하여야 하며, 그것이 힘들 때는
증발원의 온도를 낮추던가, 증발원 재료의 양을 박막재료의 양보다 훨씬 많게 하여 증발
원의 소모를 조금이라도 억제해야 한다.
이 전기저항열을 이용한 진공증착 방법에서는 공급하는 전류량이 충분히 증착재료에 전
달될 수 있도록 증착 source 면적과 열적 접촉 (thermal contact)을 크게 하는 것이 바
람직하며, 이 방법은 다양한 크기와 형상의 증착 source를 이용할 수 있는 장점이 있다.
◎ 증발원으로부터 기판에 증착되기까지의 박막증착 형성과정은 크게
① 재료의 증발에 의한 기체 상으로의 상변화
② 증발원으로부터 기판까지의 원자 또는 분자의 이동
③ 기판 위의 이들 원자 또는 분자들의 흡착
④ 기판 표면에서 particle들의 결합력의 변형 및 재배열
등의 물리적인 단계에 의해서 이루어진다.
진공증착을 행할 때에 증착 상태를 기술하는 데에 필요한 기본 공식들은 기체분자의 속
도분포가 Maxwell-Boltzmann분포를 지닌다는 가정 하에서 대부분의 고전적인 열역학이
나 기체운동론으로부터 도출된다.
기체분자의 흐름은 열평형상태에 있는 기체 분자가 존재하는 공간 중에 단위면적을 고려
하는데, 단위시간에 단위면적을 한 방향의 면에서 다른 방향의 면으로 가로지르는 분자
의 수 J는
로 표현되며, 여기서 n은 밀도, v는 산술 평균속도이다. 이것은 Hertz -Knudsen
equation이라고 하는데, 기체의 흐름을 나타내는 중요한 식이다. 이 식을 압력 P와 분자
량 m을 사용하여 다시 쓰면
이 되며, 여기서 Pe는 평형 증기압 (Torr), T는 온도이다.
진공증착실험에 있어서 고려해야 하는 것 중의 하나는 증발분자의 대부분이 다른 분자와
충돌하지 않고 직진하는 기판에 도착하도록 하는 것이다.
잔류기체와 충돌하여 산란되는 particle 의 수는
에 비례하므로 particle들이 증발원에서 기판까지 도달하여 흡착하려면 증발원과 잔류기
체가 충분히 적어야 한다.
잔류기체에 대한 악영향은 이들 잔류기체들이 증발되는 source재료와 함께 기판 위에
같이 흡착되어 흡착된 박막의 순도 및 박막의 형태에 영향을 줄뿐만 아니라 박막물질의
직진이 방해되어 산란되는 증발원의 particle수를 증가시켜 원하는 균일한 박막을 얻기
어렵게 한다.
증발원에서 증발한 분자는 무질서하게 운동하는 잔류가스 분자와 충돌하면서 나아가는데
평균적으로 어느 정도 충돌하지 않고 직진할 수 있는가를 가늠하는 거리를 평균자유행로
(Mean Free Path, MFP)라 하며 길이의 차원을 갖는다.
Vacuum evaporation에서 기판과 증발표면사이의 거리는 보통 10～50 cm를 유지하므로
10-5 Torr 이하에서는 대부분의 방출된 기체 원자들이 일직선(straight-line path)의 거동
을 보인다고 간주하게 된다. 따라서 mass flow를 유지하기 위해서는 주어진 압력 하에
서 가스의 MFP가 기판과 증발사이의 거리보다 커야 한다.
이렇게 증발원으로부터 증발된 분자들은 기판에 증착되기 전에 어떤 방향성
(directionality)을 가지며 운동하는데, 기판위로 순도가 매우 높고, 고르게 방출되는 이상
적인 증착의 경우 증착률은 다음의 Knudsen에 의한 emission cosine law에 의해 결정
된다.
다음장의 그림 1.에서처럼 source로부터 기판까지의 반경거리를 , 반경벡터와 기판에
수직한 수직 벡터와의 각을 증발된 재료의 총 질량을 , 증착된 재료의 총 질량을
, 구의 표면 위의 기판 면적 에 투영된 면적을 라 하면
이므로
의 관계를 이용하면 결과적으로 증착률은 다음과 같다.
for a point source
for the small area source
그림 1. Evaporation from (a) Point source (b) Small area source
이렇게 증착된 박막두께의 분포를 고려해 보면 증발원과 기판의 모양과의 상대적인 위
치에 따라서 달라지게 된다. 따라서 다음장의 그림 2. 에서처럼 어느 면에서 증발하는
물질 상에 평평한 기판을 놓고 거기에 증발해 오는 분자를 증착시키는 경우를 고려해
보자.
source에서 기판까지의 거리를 , source중심에서 떨어진 거리를 , film의 중심 두
께를 , source중심에서 떨어진 거리의 film두께를 라 하면
for a point source
for the small area source
로 표현될 수 있다.
위 식에서 알 수 있듯이 기판 중심의 위치에서 바깥쪽으로 멀어질수록, 즉 상대적으로
값이 커질수록 두께 비()는 감소하게 되어 증착된 film 두께의 균일도(uniformity)는 떨어지게 된다.
이상에서 살펴본 바와 같이 저항가열법을 이용한 진공증착방법에서 증발원으로 방출된
분자들이 기판 위에 증착되는 증착률은 source의 기하학적인 요소, source와 기판과
의 상대적인 위치, 응축 계수(condensation coefficient)등에 의존하므로 진공증착 박
막실험시 세심한 주의와 관찰을 필요로 한다.
그림 2. Geometry of thickness distribution of evaporated films.

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