스퍼터 이온펌프 역사 (Sputter Ion Pump History)

애질런트(Agilent)는 예프센(Jepsen), 헬머(Helmer) 및 홀(Hall)이 Varian Associates에서 이온 펌프를 발명한 지 60주년을 기념합니다. 이 발명은 초고진공(UHV)을 가능하게 한 중요한 이정표였습니다. 애질런트 테크놀로지스(Agilent Technologies)는 2010년 Varian, Inc.를 인수하면서 고진공 및 초고진공 기술 분야에서 타의 추종을 불허하는 풍부한 경험을 물려받았습니다. 이 중요한 기반 기술의 발전은 입자 가속기 및 분석 장비에서 반도체 및 코팅에 이르는 많은 과학 및 기술 응용 분야에 깨끗한 고진공 및 초고진공을 제공했습니다.

 

초기 역사

 

Varian의 초기 활동은 1948년에 Klystron의 발명가인 Russell Varian과 그의 형제 Sigurd에 의해 공동 설립된 이후, 마이크로파 전자관 분야에 있었습니다. Robert Jepsen은 1951년에 회사에 합류하여 곧 Klystron 연구 그룹의 책임자가 되었습니다. 그의 전자 진공 펌핑에 대한 조사는 1957년(그림 1 참조)에 첫 번째 스퍼터 이온 펌프(SIP)를 실현하게 되었고, 이후 VacIon 펌프라고 명명되었습니다. 그는 이 장치의 공동 발명가였습니다 [1]. 

Fig. 1 - The first VacIon‚ sputter ion pump was invented by Varian in 1957.

 

이 펌프는 가공 후 마이크로파 전력 튜브에서 초고진공(UHV)을 유지하기 위한 부속 펌프로 개발되었으며, 곧 꿀벌집 모양의 양극과 수천 리터/초의 속도로 작동하는 상업용 VacIon 펌프(그림 2 참조)가 생산되었습니다. 루이스 홀(Lewis Hall)과 존 헬머(John Helmer)는 가장 적합한 음극 재료 선택 및 이온 펌프 설계 최적화에 관여한 연구팀의 일원이었습니다. 셔미 라더포드(Sherm Rutherford)는 1959년 2월 Varian에 중앙 연구 부서(Central Research Department)에 합류하였으며, 이후 곧 진공 부서(Vacuum Division)로 분리되었습니다. 그의 활동은 로버트 예프센(Robert Jepsen)을 위해 일하며 스퍼터 이온 펌프의 성능(펌핑 속도 및 방전 강도 I/P)을 자기장, 전압, 양극 셀 직경, 양극 셀 길이 및 압력과 같은 광범위한 매개변수에 대해 연구하는 것이었습니다 [2,3]. 렌 자피로풀로스(Renn Zaphiropoulos)는 1959년에 진공 부서에 합류하였으며, 원래의 부속 펌프에서 최대 5000 l/s까지의 대형 펌프로 이온 펌프를 확장하는 작업에 종사했습니다 [4]. 그의 그룹은 고전압 도입부, 자석, 제어 장치, 시스템, 플랜지, 밸브, 흡착 펌프 및 티타늄 승화 펌프(TSP) 작업을 수행했습니다. 1960년에 "슬롯" 타이타늄 음극 [5], "슈퍼 VacIon 펌프"라는 이름으로 소개되었으며, 이는 희귀 가스 펌핑 메커니즘 [6] 및 불안정한 아르곤 펌핑 현상에 관한 관찰을 기반으로 하였습니다. 같은 해에 W.M. 브루베이커(Consolidated Electrodynamics Corporation)에 의해 3극 펌프가 발명되었으며 [7,8], Varian은 1960년대 후반에 이를 "Noble Ion Pumps"라는 이름으로 판매하기 시작했으며, 1970년대 초반에 "Triode Ion Pumps"로 이름을 변경했습니다.

Fig. 3 - 5000 liter per second VacIon‚ pump.

Fig. 4 - Sputter ion pump production in Torino plant, built in 1967.

 

초고진공(UHV) 기술

 

초고진공(UHV) 기술 오늘날 우리가 알고 있듯이, 고에너지 물리학, 의료 입자 가속기 및 표면 과학 실험과 같은 응용 분야에서 초고진공(UHV) 기술은 모두 금속으로 이루어진 베이커블 진공 시스템을 사용합니다. 이 기술은 스테인리스강 형식 및 튜빙, 구리 밀봉 "Wheeler" 플랜지 및 금속-세라믹 피드스루를 사용하여 VacIon 펌프의 적용과 함께 개발되었습니다. 이전의 UHV 연구는 사실상 상업적으로 비현실적인 유리 챔버를 필요로 했습니다. Varian은 스테인리스강 진공 시스템이 동일하게 낮은 탈가스율을 가지고 있으며 유리의 사용이 필요하지 않음을 증명했습니다. 예를 들어, 낮은 UHV 압력 게이지(종종 Helmer 게이지로 언급됨)는 스테인리스강 인클로저에서 처음으로 평가되었습니다.

 

가장 큰 스퍼터 이온 펌프 설치 중 하나는 유럽 핵 연구 기구(CERN)에서 1971년부터 1984년까지 운영된 하드론 충돌기 ISR(교차 저장 고리)이었습니다. CERN을 장비하기 위해 1967년에 토리노 근처에 새로운 Varian 공장이 열렸습니다 (그림 4 참조). 이 공장은 오늘날에도 일반적으로 유럽에서 "이온 겟터 펌프"로 불리는 스퍼터 이온 펌프 생산의 중심지입니다. 스퍼터 이온 펌프와 티타늄 승화 펌프(TSP)의 조합이 원칙적으로는 10^-12 Pa까지의 낮은 압력을 달성할 수 있다는 것이 곧 이해되었습니다 [9], 그러나 SIP를 높은 압력에서 시작하고 운영하는 데 중요한 제한 사항이 있었습니다.

 

고압 동작

당시 SIP(스퍼터 이온 펌프)는 10^-4 Pa 이하의 진공 범위에서 존재하는 유일한 오일 프리 펌프였지만, 더 높은 압력에서 작동하는 데 많은 문제가 있었습니다. 여기에는 높은 전력 소모로 인한 고온과 탈가스, 아르곤 불안정성, 단락 및 아킹, 그리고 전반적으로 제한된 펌프 수명이 포함되었습니다. 대기에서 1 Pa까지 작동할 수 있는 제올라이트(흡착) 펌프는 일반적으로 SIP의 러핑 펌프로 사용되었기 때문에, 스퍼터 이온 펌프를 시작하는 것은 신뢰할 수 없는 과정이었습니다. 1960년대와 1970년대 동안 대부분의 연구 개발 활동은 Kimo Welch [10]와 Dave Harra [11,12]의 기여와 함께 SIP의 작동을 높은 압력으로 확장하는 데 중점을 두었습니다. 고증발율 승화 장치와 SIP 펌핑을 결합하여 수천 리터/초의 속도로 10^-2 Pa에서 작동하는 시스템이 설계되었습니다 (그림 5 참조) [13, 14]. 오일 프리 터보 분자 펌프와 이에 대응하는 오일 프리 러프닝 펌프(예: 스크롤 펌프)의 출현으로 새로운 시대가 시작되었으며, 이는 곧 높은 압력 범위에서 SIP의 이상적인 보완 장치가 되었습니다. 결과적으로 이온 펌프의 응용 범위는 UHV로 더 명확하게 식별되었습니다.

 

스퍼터 이온 펌프의 최적화

 

스퍼터 이온 펌프의 사용에서 가장 큰 문제 중 하나는 고압 또는 오랜 기간 동안 저압에서 불활성 가스를 펌핑할 때의 불안정성이었습니다. 이 제한을 극복하기 위해, 여러 가지 시도가 이루어졌습니다. 이는 이미 언급한 슬롯 음극과 3극 음극, 그리고 1967년 T. 톰(T. Tom)과 B.D. 제임스(B.D. James)가 제안하고 울텍(Ultek)이 도입한 차등 이온(DI) 펌프입니다. 차등 이온 펌프에서는 하나의 음극은 탄탈럼으로, 다른 하나는 티타늄으로 만들어집니다. 무거운 재료의 음극을 선택한 이유는 불활성 가스 이온이 음극과의 탄성 충돌 횟수를 늘리기 위해서였습니다. 가스 이온이 에너지 중립 상태로 튕겨 나가서 양극이나 벽에 심어지고, 그곳에서 지속적으로 스퍼터된 티타늄에 의해 영구히 묻히게 됩니다. 이러한 해결책을 통해 불활성 가스의 펌핑 속도는 높아집니다(질소에 대한 명목 펌핑 속도의 약 20%). 반면, 수소 펌핑 속도는 탄탈럼에서 수소의 낮은 용해도로 인해 감소합니다.

 

두 번째 접근법은 3극 펌프에서 사용되는데, 여기서 음극은 원래 여러 개의 티타늄 스트립으로 만들어졌습니다 (그림 6a 참조). 이 구성에서는 음극이 이온에 투명하며 전체 펌프 외피는 추가적인 펌핑 표면으로 사용됩니다. 펌핑된 분자의 재스퍼터링은 발생하지 않습니다. 이는 음극이 음전압으로 작동하면서 양극과 펌프 벽이 접지된 상태로 유지함으로써 얻어집니다. 3극 펌프는 음극 왜곡 및 티타늄의 취성 현상으로 인해 표준 펌프보다 수소에 대한 용량이 낮습니다. 그러나 3극 원리는 아르곤보다 무거운 불활성 가스도 안정적으로 펌핑할 수 있는 유일한 알려진 구성입니다 [16].

 

Fig. 6b - StarCell‚ structure

 

두 번째 3극 펌프 경험을 통해, 1983년 Varian은 StarCell®로 알려진 새로운 음극 구조를 개발하여 3극을 완전히 재설계했습니다 (그림 6b 참조). StarCell® 음극판은 뾰족하게 배치된 방사형 티타늄 핀 구조를 보여주며, 이는 펜닝 셀 전기장 대칭을 따라 그레징 충돌 확률을 크게 높이고 에너지 중립 입자를 생성합니다 [17]. 반사 확률은 실제로 입사각의 함수이기도 합니다. 이 고급 솔루션은 최고의 성능을 제공합니다. 불활성 가스는 더 안정적으로 펌핑되며 펌핑 속도가 향상됩니다. 동시에 StarCell은 다이오드와 비교해 수소의 펌핑 속도와 용량을 제공하며, 이는 고귀한 다이오드보다 훨씬 높습니다. 또한 고압 작업은 표준 3극 펌프보다 더 안정적입니다. 음극의 변형은 피할 수 있으며, 음극 셀의 중심에서 주변으로의 제어된 침식으로 인해 요소 수명이 증가합니다.

 

불활성 가스 펌핑 문제 외에도, 스퍼터 이온 펌프의 성능은 자기장, 적용된 전압 및 요소 모양과 같은 여러 요인에 따라 달라집니다. 이러한 이유로 Varian의 연구 개발 활동은 펜닝 셀 작동에 영향을 미치는 주요 매개변수의 최적화에 초점을 맞추고 있으며, 앞으로도 계속 될 것입니다. 주요 결과는 간략히 요약되어 있습니다.

자기장과 관련하여, 저압에서 최대 효율은 자기장이 높고 셀 축과 정렬되어 있을 때 얻을 수 있음이 밝혀졌습니다. 이러한 조건은 자기 회로의 크기를 증가시키는 것보다 향상된 균일성을 가진 회로를 설계함으로써 달성할 수 있습니다. 하나의 가능성은 경계 영역에 추가 자석을 배치하여 자기 플럭스 라인을 편향시키는 것입니다 (그림 7 참조) [18, 19]. 또 다른 해결책은 서로 다른 직경의 셀을 가진 축 대칭 펌프를 설계하여 사용 가능한 음극 표면을 더 잘 채우고 동일한 직경의 모든 셀에 동일한 자기장을 사용하는 것입니다 (그림 8 참조) [20].

 

음극과 양극 사이에 적용된 전압 [21]과 스퍼터링 수율, 즉 펌핑 속도에 대한 영향을 조사하고 테스트했습니다 [22]. 이 테스트는 전압이 증가함에 따라 최대 펌핑 속도가 증가하는 반면, 낮은 압력 범위에서의 펌핑 속도는 낮은 전압에서 더 높다는 것을 보여주었습니다. 이러한 압력 의존성은 펜닝 셀의 중앙 영역에서 전압을 저하시킨 공간 전하 효과 때문입니다. 이러한 관찰에 따라, Varian은 90년대에 전압을 압력에 따라 변경할 수 있는 새로운 고전압 컨트롤러를 개발했습니다(이온 전류를 통해 읽음). 이러한 작동 모드 덕분에 펌핑 속도는 전체 작동 압력 범위에서 최적화되었습니다. 이는 높은 펌핑 속도뿐만 아니라 누출 전류를 줄이는 데에도 이점을 제공합니다. 누출 전류는 주로 필드 방출에 기인하며 전압에 비례하여 지수적으로 증가합니다(Fowler-Nordheim 방정식에 따라). 펌프가 3kV와 같은 낮은 전압에서 작동되면 누출 전류가 크게 감소하여 보다 신뢰할 수 있는 이온 전류 판독이 가능해지고 더 나은 압력 변환이 가능합니다.

 

마지막으로, 누출 전류를 줄이기 위해, 연속 셀 간의 중공을 제거한 새로운 양극 구조가 개발되었습니다 (그림 9 참조). 사실, 높은 압력 작동 중 음극 표면에서 형성되는 수염은 필드 방출과 누출 전류의 중요한 원인으로 인식됩니다. 연구 [23]에 따르면 셀 간의 중공에서 더 많은 수염이 생성된다고 합니다. 이 새로운 요소는 일반적으로 "SEM 요소"라고 불리며, 이온 펌프 전류가 과압 시 전자현미경 총(필라멘트 또는 미세 팁 전자 방출기)을 보호하기 위한 압력 설정값으로 사용되는 주사 전자 현미경 응용 분야에서 자주 사용됩니다. 이는 10^-8 Pa까지 신뢰할 수 있는 압력 표시를 허용합니다.

 

 

초고진공(UHV) 기술 혁신

 

진공 기술의 선구자였던 것 외에도, 우리는 전 세계 주요 연구 센터와 고객과 협력하여 새로운 진공 솔루션과 기술을 지속

적으로 연구하고 개발하고 있습니다. 최적화된 자기장을 갖춘 인라인 이온 겟터 펌프는 지난 10년 동안 우리가 맞춤 설계한 많은 제품 중 하나입니다. 이 펌프는 "독일 전자 싱크로트론"(DESY)과 협력하여 개발되었습니다(그림 13 참조). 2010년 특허 EP 2 431 996 A1에 의해 보호되는 혁신적인 인라인 개념을 사용하여, XFEL 시스템에 설치된 이온 펌프는 T-피스를 통해 연결할 필요 없이 빔 튜브의 일체형 부분이 되었습니다(그림 14 참조). 튜브 축을 중심으로 대칭적으로 배치된 자석의 배열과 자기장을 안내하기 위해 사용된 극 조각의 기하학적 구조는 빔 궤도에 대한 방해를 최소화하도록 설계되었습니다.

 

 

게다가, 이온 펌프 내부 요소의 위치는 값비싸고 복잡한 광학 차폐 장치를 추가할 필요 없이 빔을 "자체 차폐"하도록 최적화되었습니다. 특정 응용 요구사항을 충족하기 위해 설계된 또 다른 이온 펌프는 미국의 레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO) [25] (그림 17 참조)에 장착된 대형 2500 L/s 이온 펌프였습니다. 최근 중력파가 탐지된 곳입니다. 이 중력파는 아인슈타인의 일반 상대성 이론 예측 100년 후, LIGO의 수 킬로미터 크기의 검출기에 의해 탐지되었습니다. 이 검출기들은 중성자별 쌍, 블랙홀, 초신성 등 격변적인 우주 원인으로 인한 시공간의 미세한 파동을 측정하기 위해 레이저 간섭계를 사용합니다. LIGO의 진공 시스템은 Agilent에서 설계하고 제작한 2500 L/s 이온 펌프로 장비되었습니다.

 

LIGO 실험의 성공 이후, Agilent는 동일한 응용 분야에 사용할 수 있는 새로운 VacIon Plus 1000 펌프(그림 15 참조)를 개발했습니다. 이 펌프는 과거에 생산된 적이 있지만, 2016년에 새로운 용접 기술과 유한 요소법 시뮬레이션을 사용하여 완전히 새롭게 스타일링되었습니다. VacIon Plus 1000은 일본에서 건설 중인 또 다른 대형 인터페로미터인 카미오카 중력파 검출기(KAGRA, 그림 16 참조)에 설치될 예정입니다. 이러한 수 킬로미터 크기의 검출기에서 초고진공을 생성하고 유지하는 것은 전체 시스템의 작동에 필수적입니다. 더욱이, 가동 시간, 신뢰성 및 무진동 작동은 이러한 검출기에 절대적으로 필요한 요건입니다. Agilent는 이러한 엄격한 기준을 충족하기 위해 맞춤형 이온 펌프를 설계하고 제작하여 실험의 성공을 위한 이상적인 진공 조건을 제공했습니다. 이온 펌프와 관련된 또 다른 혁신은 2011년에 도입된 4UHV(그림 18 참조)입니다. 이는 초고진공(UHV) 응용 분야를 위한 최초의 진정한 4채널 이온 펌프 컨트롤러입니다. 4UHV는 여러 크기의 펌프를 독립적으로 전원 공급, 제어 및 모니터링할 수 있는 다양한 구성으로 제공되어 사용의 유연성을 높입니다. 4UHV는 모든 VacIon

Plus 펌프의 전류 판독값을 자동으로 압력으로 변환하도록 공장에서 사전 프로그래밍되었습니다. UHV 영역까지 신뢰할 수 있는 압력 판독을 보장하기 위해, 4UHV는 적용되는 고전압을 압력 함수로 최적화하여 누출 전류의 오해를 제거합니다.

 

마지막으로 2016년에 VacIon Plus 200이 도입되었습니다. 이 이온 펌프는 연구 센터, 대학, 입자 가속기 및 빔라인과 같은 XHV(극초고진공) 및 UHV 응용 분야를 위해 맞춤 설계되었습니다. 새로운 VacIon Plus 200(그림 19 참조)은 낮은 압력에서 최대 펌핑 속도를 자랑하는 최초의 이온 펌프입니다. 이 범위는 일반적으로 이온 펌프의 작동 범위로, 기존 이온 펌프는 더 높은 압력(보통 1 × 10^-6 mbar 범위)에서 최고 성능을 보입니다. 이는 특수 요소 설계와 최적화된 자기장 분포 덕분입니다. 더욱이, VIP200은 현재 완전히 진공 처리된 유일한 펌프입니다. 이는 펌프 조립 전에 모든 진공에 노출된 표면이 진공로에서 진공 처리된다는 것을 의미합니다. 이 열처리는 수소 탈가스 속도를 효과적으로 최대 90%까지 감소시켜 최종 압력까지 더 빠르게 펌프 다운할 수 있습니다.