172nm 엑시머 램프와 진공물리학의 기초지식
진공 물리학의 기초
이온 플레이팅 기술은 진공증착코팅에서 발전하여 현재는 거의 진공환경에서 이루어지고 있습니다. 진공 코팅 공정의 중요성과 고유한 특성을 이해하기 위해 진공과 관련된 기본 지식을 소개합니다.
2.1 진공
2.1.1 진공의 정의
진공이란 일반적으로 1표준기압(1atm)보다 낮은 압력의 기체 상태를 말합니다. 일반적인 대기 조건에 비해 가스는 극도로 희박합니다. 단위 부피당 분자 수가 크게 줄어들고, 분자 간 또는 다른 입자(전자, 이온)와의 충돌 가능성이 크게 낮아지고, 단위 표면적(예: 챔버 벽)에 단위 시간당 분자가 충돌하는 횟수도 현저히 감소합니다. 이 긴 평균 자유 경로는 172nm 엑시머 램프 및 기타 진공 자외선 소스에 이상적인 환경을 제공하여 광자가 사실상 흡수 없이 기판에 도달할 수 있도록 합니다.
2.1.2 진공 형성
진공은 자연진공과 인공진공으로 구분됩니다.
자연 진공 대기압은 고도에 따라 감소합니다. 해수면의 표준 대기압은 1.01325 × 10⁵ Pa입니다. 10km 이상에서는 고도가 15km 증가할 때마다 압력이 대략 10배씩 떨어집니다.
인공 진공 인공 진공은 진공 펌프를 사용하여 밀봉된 용기에서 가스를 펌핑하여 생성됩니다. 이온 플레이팅 기술에 사용되는 진공은 코팅 전 챔버를 필요한 압력 수준으로 진공화하는 인공 진공입니다. 초-고진공(UHV) 코팅 시스템에서는 흡착된 가스를 추가로 제거하기 위한 현장 세척에 172 nm 엑시머 램프가 종종 사용됩니다.-
진공의 특성과 법칙을 이해하는 것은 진공 물리학, 진공 획득, 진공 측정 및 진공 응용 기술을 포함한 진공 이온 도금 기술 전문가의 핵심 지식 영역 중 하나입니다.
2.1.3 진공도의 중요성
진공도 가스 희박 정도를 진공도(또는 진공 수준)라고 하며 일반적으로 압력으로 표시합니다. 압력이 낮다는 것은 분자 수가 적고 진공도가 높다는 것을 의미합니다.
압력의 단위 SI 단위는 파스칼(Pa)입니다. 일반적인 변환 관계는 표 2-1에 나와 있습니다.
표 2-1 압력 단위 환산
| 아빠 | 토르 | mbar | ATM |
|---|---|---|---|
| 7.500×10⁻³ | 10⁻² | 10⁻² | |
| 1.333×10² | 1 | 1.333 | 1.315×10⁻³ |
| 100 | 0.750 | 1 | |
| 1.013×10⁵ | 760 | 1013 | 1 |
압력의 근원 압력은 열적으로 움직이는 수많은 가스 분자가 용기 벽에 지속적으로 무작위로 충돌하여 발생합니다.
진공 범위 및 일반 펌프 분류
저진공: 1×10⁵ Pa ~ 1×10² Pa → 로터리 베인 펌프, 슬라이드 밸브 펌프
중간 진공: 1×10² Pa ~ 1×10⁻² Pa → 루츠 펌프, 부스터 펌프
고진공: 1×10⁻⁵ Pa ~ 1×10⁻⁵ Pa → 오일 확산 펌프, 터보분자 펌프
초-고진공: < 1×10⁻⁵ Pa(일반적으로 10⁻⁸ Pa 이하) → 스퍼터-이온 펌프, 티타늄 승화 펌프, 크라이오펌프, 게터 펌프
UHV 시스템에서 172nm 엑시머 램프는 챔버의 현장 UV-오존 세척에 널리 사용됩니다. 172 nm 진공 자외선은 원자 산소와 오존을 효율적으로 생성하여 잔류 탄화수소를 강력하게 제거하고 배경 오염을 극도로 낮춥니다.
다양한 진공 수준에서의 분자 밀도 진공은 절대적이지 않고 상대적입니다. 0도 및 1기압에서는 cm³당 2.687 × 101⁹ 분자가 있습니다. 10⁻⁸ ~ 10⁻⁹ Pa(UHV)에서도 cm³당 약 33~330개의 분자가 남아 있습니다. 이러한 수준에서 172nm 엑시머 램프에서 방출되는 광자의 평균 자유 경로는 수 미터에서 수십 미터에 이르며 가스 흡수가 거의 발생하지 않으므로 표면 개질 및 광{12}}보조 증착에 매우 효과적입니다.
2.2 기체 분자 운동의 기본 법칙
진공 속의 기체는 이상기체로 취급되며, 이상기체 이론을 이용하여 분자운동을 논한다.
2.2.1 이상기체의 운동론
이상기체 모델의 기본 가정 ① 분자는 분자간 거리에 비해 부피가 무시할 만큼 작은 점질량으로 취급됩니다. ② 분자는 중단 없이 연속적이고 무작위적으로 운동한다. ③ 분자는 장거리 힘이 없는 완벽하게 탄력 있는 단단한 구체입니다.- 모든 에너지는 운동 에너지이고 충돌은 완전히 탄력적이며(운동량과 에너지 보존) 평균 속도나 내부 에너지가 아닌 방향만 변경됩니다.
이러한 가정은 압력이 낮고 분자간 거리가 크기 때문에 진공 시스템에서 매우 잘 유지됩니다.
코팅 기술의 실질적인 중요성 고진공 및 초-고-진공 도금 공정에서 172nm 엑시머 램프는 다음을 위한 진공 자외선 광원으로 자주 사용됩니다.
현장 기판 세척(흡수된 물과 탄화수소의 광분해)-
표면 활성화(접착력 향상을 위한 댕글링 본드 생성),
VUV-지원 CVD 또는 ALD 증착.
고진공으로 인해 172nm 광자의 거의 100%가 기상 흡수 없이 가공물 표면에 도달하여 공정 효율성과 필름 품질을 극적으로 향상시킵니다.
