티타늄 승화 펌프

 

 

 

6.2 티타늄 승화 펌프

티타늄 승화 펌프(titanium sublimation pump; TSP)는 대표적인 증발형 게터 펌프로써, 티타늄이 기체분자와 화학적으로 반응하여 기체를 배기하는 방식으로 구조가 매우 간단한 펌프이다. 티타늄을 승화하여 동작하기 때문에 티타늄을 사용하지 않는 공정에 적용하며, 탄화수소나 오염 물질을 사용하지 않는 진공 시스템에 장착하게 된다. 그림 6-4에서는 티타늄 승화 펌프의 표면에서 기체 분자가 배기되는 간단한 과정을 나타내고 있다. 티타늄은 화학적으로 반응이 잘되는 소재로써, 적절히 가열하면 액체를 거치지 않고 증기 상태의 기체로 승화하여 표면에 흡착한다. 그림에서 나타나듯이, 티타늄으로 흡착된 막은 진공 용기 중에 질소, 산소 및 수소와 같은 기체분자와 결합하여 티타늄 질화막, 티타늄 산소막 및 티타늄 수소 막과 같은 고체 화합물로 변환하는 화학적인 배기 작용한다. 표면에 화합물이 포화되면 새로운 티타늄 막을 형성하여 다시 배기하게 된다. 그림 6-5는 티타늄 승화 펌프의 내부 구조를 나타내고 있다. 펌프의 기본 구성은 Ti 필라멘트, 히터 및 티타늄 막으로 이루어져 있으며, 그림 (b)에서는 티타늄 승화 펌프의 외형을 나타낸다. 표 6-4는 상온과 액체질소 온도에서 티타늄 승화 펌프의 배기속도를 나타내고 있다. 배기속도는 액체질소의 낮은 온도 조건에서 더욱 빨리 배기 되는데, 이는 낮은 온도에서 접착 계수가 커지기 때문이다. 즉, 온도가 떨어지면 기체 분자들은 운동을 멈추고 표면에 흡착하여 배기하게 되며, 티타늄과 화학반응을 일으키게 된다. 표에서 알 수 있듯이, 티타늄 승화 펌프는 질소, 산소, 일산화탄소, 이산화탄소 및 수증기 등의 기체분자와 잘 반응하게 되지만, 불활성 기체나 메탄(methane)은 약한 흡착력으로 반응함으로 쉽게 배기 되지 못한다. 그림 6-6은 티타늄 승화 펌프에서 주로 사용하는 3종류의 티타늄 소스를 나타내며, 소스의 형태에 따라 분류하고 있다. 티타늄 소스는 그림에서 나타나듯이 일종의 소형 진공 부품이라 할 수 있으며, 대부분의 모델은 2-3/4인치의 플랜 지로 연결되어 장착된다. 그림 6-7에서는 티타늄 승화 펌프를 이용한 초고진공 시스템의 예를 나타내고 있다. 그림에서는 섭션 펌프, 크라이오 트랩과 이온 펌프로 결합한 매우 청결한 환경의 진공 시스템을 보여주며, 여기서 섭션 펌프는 초기 진공을 위한 러핑 펌프로 사용한다. 그림 6-8에서는 실제 초고진공 시스템의 외형을 비롯하여 티타늄 소스와 제어장치를 보여주고 있다.

 

 

 

6.3 이온 펌프

진공 시스템 내에 존재하는 가스는 기체분자로 구성되어 있으며, 이미 진공의 기초 이론 부분에서 원자나 분자에 대해 약간 언급하였다. 원자나 분자는 동일한 수의 전자와 양자를 구성하며 전기적으로 균형을 이루는 중성 입자이다. 이와 같은 중성 입자에서 전자를 제거하게 되면 음의 전하를 가진 전자가 사라지면서 입자는 양이온으로 변하게 되며, 이러한 과정을 이온화(ionization)라 한다. 이온 펌프(ion pump)는 이와 같은 현상을 이용한 것으로, 일명 스퍼터 이온 펌프(sputter ion pump; SIP)라고 부르기도 한다. 전기 방전을 이용한 전극의 진공 실험은 이미 오래전부터 시작되었는데, 1858년 Plicker는 진공실험을 통해 반응성 가스가 Pt 전극과 반응하면서 내벽에 증착이 발생한다는 사실을 감지하였다. 그리고 1916년 Vegard는 음극에서 흡착이 일어나며, 이는 화학적인 결합이 아니라는 것을 알았고, 또한 흡착으로 인하여 방전관 내에서 압력의 변화를 야기한다는 것을 관측하였다. 그림 6-9에서는 이온화 과정의 기본 원리를 나타내는 것으로, 외부에서 전원을 연결하여 고전압으로 방전하면 음극에서 방출된 높은 에너지를 가진 전자가 양극을 향해 고속으로 이동하다가 기체 입자들과 충돌하여 양이온을 생성하게 된다. 이때, 양이온화된 입자는 음극을 향해 강하게 끌려 5 내지 10 단분자층으로 이온주입 현상이 일어나며, 이를 이온 배기(ion pumping)이라 한다. 이와 같은 과정에서 양이온이 음극 표면과의 충돌에 의한 이온 충격으로 음극의 물질이 분자 단위로 음극의 표면에서 떨어져 나오게 되는데, 이러한 현상을 스퍼터링(sputtering)이라고 한다. 이온 충격으로 스퍼터링 되는 음극은 표면의 흡착을 위해 게터를 이용하며, 게터 재료로는 일반적으로 티타늄을 사용한다. 따라서 이온화 과정과 스퍼터 현상이 일어나기 때문에 스퍼터 이온 펌프라고 명명하며, 스퍼터 과정에서 떨어져 나온 티타늄은 다른 곳에 부착되면서 다시 게터막을 형성하게 된다. 즉, 게터 펌프에서는 가열에 의해 티타늄을 승화하지만, 이온 펌프에서는 기체분자의 이온을 이용하여 스퍼터한다. 이온 펌프도 일종의 기체를 잡아두는 포획 펌프이며, 이온 주입한 기체는 내부 확산되지 않기 때문에 이러한 스퍼터링으로 새로운 게터막을 만들게 된다. 그림 6-10에서는 스퍼터 이온 펌프의 동작 원리를 나타내고 있다. 스퍼터 이온 펌프의 동작을 구체적으로 살펴보면, 음극에서 발생한 전자는 자기장의 영향으로 인하여 나선운동을 하면서 양극으로 향하는데, 자기장의 역할은 전자가 기체분자와 더 많은 충돌을 할 수 있도록 회전운동을 하며 양극으로 바로 이동하는 것을 억제하게 된다. 따라서 전자가 기체분자와 많은 충돌을 유발하여 양이온을 만들며, 양이온은 그림의 하단부에 음극으로 향하여 충돌하게 된다. 이와 같은 이온 충격에 의해 음극 재료인 티타늄이 표면에서 스퍼터되면서 새로운 티타늄 막을 형성하게 된다. 외부에서 인가하는 전압은 대략 5 kv 정도이며, 자기장의 세기는 1,000~2,000 gauss 정도이다. 배기가스를 외부로 배출하지 않는 이온 펌프는 많은 양의 기체분자를 급격하게 배기할 수 없기 때문에 산업용 펌프로는 적합하지 않으나, 연구나 분석용의 초고진공 펌프로써 베이킹(baking)을 동반하면 $10^{-11}$ torr까지 도달할 수 있다. 또한, 펌프의 특징으로는 소비전력이 낮으며 진동이 없어 매우 조용하고 수명이 길며 오일을 전혀 사용하지 않는 청정한 펌프로 알려져 있다. 펌프의 배기속도는 최대 1,000L/sec. 정도이고, 압력이 높아지면 이온화도가 커지기 때문에 배기속도가 높아지는 특성을 가진다. 동작 원리에서 기술하였듯이, 이온화 과정과 게터에 의한 흡착으로 배기함으로 기체의 종류에 따라 배기속도가 다르며, 특히 수소에 대한 배기속도는 질소보다 빠른 반면에 불활성기체에 대해서는 그리 좋지 못한 편이다.