잔류 가스 분석기

 

 

 

7.4 잔류 가스 분석기

지금까지 공부해온 대부분의 게이지들은 기체의 종류를 구별하지 않고 압력을 측정하는 압력계로써, 진공 펌프를 이용하여 단순히 진공 용기 내에 존재하는 다양한 기체 분자들을 배기하는 경우에는 전체 압력을 측정하여 진공도를 나타내는 것으로 충분하였다. 그러나 진공 시스템에서 공정을 진행하거나 초고진공을 이용한 분야에서 정성적인 진공상태를 분석할 경우에는 전반적인 진공의 양뿐만 아니라 잔류하는 기체의 구성 성분이나 종류에 대한 정보가 중요하다. 즉, 공정을 진행하는 과정에서 진공 용기 중에 전체 압력을 구성하는 각 기체에 대한 분압을 측정하고 분석하는 것이 유용하다. 이와 같이 진공 용기 중에 잔류하는 기체의 성분이나 조성 등을 측정하는 것으로 잔류 가스 분석기(RGA;residual gas analyzer)라고 하고, 잔류하는 각 가스 성분의 압력을 측정하기 때문에 분합 게이지(partial pressure gauge)라고 하기도 한다. 따라서 이러한 분석기는 전체 압력뿐만 아니라 각종 기체의 분압을 측정하며, 고진공 혹은 초고진공 영역에서 동작한다. 이와 같은 잔류 가스 분석기의 기본 원리는 진공 용기 내에 잔류하는 혼합 기체를 전자의 충격으로 이온화하고, 전기장과 자기장을 인가하여 이온의 질량에 따라 분리함으로써 각 질량에 따라 이온의 양을 검출하게 된다. 이때, 전자장은 이온의 질량을 보다 세분화하기 위해 여러 가지 방식으로 인가하는데, 현재 가장 많이 사용하는 방식이 4극자형 질량 분석기(QMS; quadrupole mass spectrometer)이다. 일반적으로 분압 게이지의 헤드는 3가지 부분으로 구성하는데, 이온 원(ion source), 질량 분석부 및 이온 검출 부로 나눈다. 이온 원은 열전자를 이용하여 기체분자를 이온화하게 된다. 표 7-2는 각종 기체분자에 대한 이온화 에너지를 나타낸다. 그리고 질량 분석부는 이온원에서 이온화된 이온의 질량과 전하의 비(mass-to-charge ratio; MZ)를 이용하여 분리함으로써 분석한다. 4극자형 질량 분석기의 경우, 전극에 인가되는 전압을 변화시키면 순차적으로 질량 전하비에 따른 이온 전류를 측정한다. 이와 같이 이온을 검출하기 위해 금속으로 구성된 이온 컬렉터 전극을 이용하여 전류를 측정하며, 이러한 전극을 패러데이 컵(Faraday cup) 혹은 패러데이 컬렉터 (Faraday collector)라고 한다. 그림 7-23은 4극자형 질량 분석기의 기본적인 구조를 나타내며, 필라멘트로부터 발생한 열전자는 4극자를 통하여 대응하고 있는 반대편에 양극을 향하여 이동하면서 기체 분자들과 충돌함으로써 이온을 생성하게 된다. 이때 이온들은 질량별로 분류하여야 하며, 이는 시간적으로 분류하거나 공간적으로 분류하게 된다. 4극자형 질량 분석기는 공간적인 방법으로 분류하는데, 그림에서 나타나듯이 4개의 원기둥 모양의 전극으로 4극자형 전기장(quadrupole field)을 형성하여 이온의 질량별로 분리하게 된다. 그림 7-24에서는 4극자형 필터의 원리와 전기장을 나타내고 있다. 그림에서 와 같이 4극자형 질량 분석기에서는 자기장을 사용하지 않고, 전기장을 이용하는 것이 특징이다. 서로 마주보는 전극은 동일하지만, 이웃하는 전극은 반대이며, 이때 발생하는 전기장은 쌍곡선의 전위 분포로 그림에서 나타낸다.

$$V(+) = U + Vcoswt$$
$$V(-) = -U- Vcoswt$$

인가되는 전기장은 dc와 rf 전압이 동시에 인가되며, 식에서 U는 de bias이고, 전압의 크기는 U<V이다. 이와 같이 각각 두 쌍의 전극으로 구성된 금속 막대의 축방향으로 주어진 전압에 대해 특정한 이온만 통과하여 패러데이 컵에 검출되며, 이외에 무겁거나 가벼운 이온들은 4극자형 필터에서 접지되어 소멸된다. 이러한 방법으로 인가되는 전압을 순차적으로 변화시키면서 다른 이온들에 대해서도 필터로 분리하면서 측정하게 된다. 그림 7-25는 4극자형 질량 분석기의 분석 자료를 나타낸다. 그림에서는 많은 양의 수증기, 질소 및 산소에 대한 피크가 크게 나타났으며, 이는 진공용기의 공기 누설을 나타낸다. 그리고 그림 7-26은 4극자형 질량 분석기의 외형을 나타낸다.

 

 

 

8. 진공누설

진공 시스템을 구성함에 있어 고려하여야 할 사항으로는 지금까지 기술한 것처럼 진공 용기의 크기, 펌프나 게이지의 선정 및 각종 소재 등이 기초가 되어야 하고, 이를 토대로 진공도의 결정, 진공의 상태 및 진공 시스템의 효율적인 운영일 것이다. 이와 같은 중요한 고려사항 중에 또 다른 요소가 바로 진공 용기 의 누설(1eak)을 확인하는 것이다. 특히, 각종 진공 시험을 비롯하여 진공 시스템을 이용한 공정에 따라 다양한 방법으로 누설을 시험하게 된다. 사실, 진공 시스템에서 누설은 어떠한 방식으로든 발생하게 되며, 아무리 완벽하게 만들어진 진공 용기라고 하더라도 누설이 없다고 말할 수 없다. 이와 같은 이유로 성능이 우수한 진공 펌프를 이용하여 진공 용기 내에 기체 분자들을 배기하여도 최종 압력 이하로 더 이상 내려가지 않게 된다. 그러나 진공 시스템을 설계하고 사용하고자 하는 공정의 목적에 맞게 구성하기 위해서는 가능한 누설의 정도는 매우 작아야 하고, 이에 따라 공정을 수행함에 있어 방해를 받지 말아야 하며, 더욱이 문제를 일으키지 말아야 한다. 따라서 진공 펌프를 이용하여 진공 시스템에서 진공을 발생시키고 지속적으로 유지하기 위하여 먼저 진공 용기의 기체 분자를 효율적으로 제거하고, 탈기체(outgassing)를 수행하며, 마지막으로 누설을 제거하여야 할 것이다. 본 장에서는 진공 시스템에서 발생하는 누설의 기초 이론, 발생원인, 검출방법 및 누설의 방지 등에 대해 기술하고, 또한 누설률(leak rate)에 대해 정의하도록 한다.