분광학은 초고진공(UHV)으로 정의된 10-6mbar와 10-9mbar 사이의 압력이 효과적으로 작동하기 위해 필요합니다. 이 진공 수준을 필요로 하는 또 다른 공정은 원자층 증착입니다. 대형 강입자 충돌기와 같은 입자 가속기의 경우 시스템의 특정 부분은 10-9mbar와 10-12mbar 사이의 극고진공(XHV)으로 지정된 더 낮은 압력을 요구합니다.
이러한 진공 수준을 달성하기 위해서는 정확한 펌핑 트레인 뿐만 아니라 정확한 압력 측정 기술이 필요합니다. 또한 진공 시스템을 위한 재료의 선택이 무엇보다 중요합니다. 이러한 저압을 유지하기 위해서는 진공 시스템의 상세한 분석이 필요합니다.
펌프
고진공 요건에서와 마찬가지로 전진공 펌프와 고진공 펌프의 조합이 필요합니다. 건식 진공 펌프는 UHV 및 XHV 적용에 필수적입니다. 선택할 수 있는 펌프는 스크롤 펌프, 나사 펌프 및 다단계 백업 펌프입니다. 최종 선택은 펌프 속도 요건에 달려 있습니다.
가벼운 가스를 펌핑하는 드래그 스테이지로 UHV TMP를 달성하는 것은 일반적인 선택이지만 나중에 보게 되겠지만 수증기에 대한 높은 펌핑 속도가 자주 필요하며 여기서 크라이오펌프가 좋은 후보가 될 것입니다. 표면 분석 및 이온 펌프와 같이 진동이 문제가 되는 경우 움직이는 부품이 일상적으로 사용되지 않고 추가 펌핑이 필요할 수 있습니다. 또한 펌핑 트레인에 이 기술을 추가하는 것은 XHV 응용 분야에서 일상적으로 사용됩니다.
이온 펌프의 작동 원리를 설명하는 Gamma Vacuum의 비디오입니다.
펌프 본체 내의 압력이 10-4 mbar 이상이면 티타늄 전극에 고전압이 인가되어 전자 방전이 발생합니다. 일반적으로 1200 Gauss의 강력한 자석은 이러한 전자를 끌어당겨 플라즈마로 애노드 링 내에 유지합니다.
양극 조립체 내의 잔류 가스는 이 자유 전자와 충돌할 것입니다. 이러한 상호작용의 결과로 전자는 기체 원소와 분자의 원자가 껍질에서 제거됩니다. 결과적으로 양의 기체 종은 양의 양극에서 티타늄 음극판으로 튕겨집니다.
양의 기체 이온이 음극과 충돌할 때, 티타늄의 일부는 표면으로부터 스퍼터링됩니다. 기체 종들은 티타늄과 화학적으로 그리고 물리적으로 반응하여 갇히게 되고, 따라서 크라이오펌프와 유사한 펌핑 메커니즘을 제공합니다.
게이지
펜닝(콜드 캐소드) 및 이온(핫 캐소드) 게이지 모두 UHV 영역으로 측정되지만 이온 게이지는 가장 높은 감도(10-11mbar)를 제공합니다.
이온 게이지의 그림은 다음과 같습니다:
뜨거운 음극 이온화 게이지는 빛나는 음극(전자 소스)에서 양극(전자 드레인)으로 일정한 전자 흐름을 시작합니다. 이 전자들은 압력에 따라 양의 가스 분자에 부딪혀 양이온이 되며 압력 관련 전류가 이온 수집기에 등록됩니다
또한 뜨거운 음극 이온화 게이지의 하한은 X선 인자에 기인합니다. 음극에서 방출된 전자가 양극에 충격을 가하면 광자(연 X선)가 방출되어 이온 수집기 표면에서 전자가 방출되어 오프셋 전류가 발생합니다. 이를 극복하기 위해 이온 수집기를 차폐하여 X선 효과를 감소시키는 "추출기" 시스템이 개발되었습니다. 추출기 시스템은 양이온을 집속하여 이온 전류를 허용 수준으로 유지하고 결과적으로 측정 범위를 10-12 mbar 이상으로 확장합니다.
침투
10-3~10-6mbar의 고분자 및 고무 O-링 씰은 고진공 적용의 경우 만족스럽게 작동합니다. 그러나 UHV 및 XHV 공정의 경우 투과율이 너무 높습니다. 따라서 금속 개스킷 씰을 사용해야 합니다. 구리 개스킷은 인듐을 사용할 수 있지만 가장 일반적인 재료입니다. 금속 씰의 추가적인 장점은 450°C까지 진공 무결성을 유지할 수 있다는 것입니다. 앞으로 보게 되겠지만 탈가스를 고려할 때 중요합니다. 여러 번 깨지거나 문제 없이 만들 수 있는 O-링 씰과 달리 금속 개스킷을 깨야 할 경우 재사용할 수 없습니다.
디개싱
탈가스는 진공 수준을 10-6mbar 미만으로 유지하고 유지하는 데 있어 중요한 장애물 중 하나입니다.
주요 원인은 수증기이지만, 공정에 휘발성 유기종이 포함되어 있는 경우에는 이 문제도 해결해야 합니다. 증기의 흡착을 최소화하려면 천천히 가스를 배출하는 것이 중요합니다. 다음 지침을 고려하고 이를 준수해야 합니다
- 챔버의 내부 표면적 최소화
- 내부에서 용접만 하는 것
- 탈착/배가스율이 낮은 자재를 사용합니다
- 재료의 적절한 전처리(예: 전자 polishing)
- 내부에 틈이 생기거나 부피가 막히는 일이 없는지 확인합니다(예: 탭된 블라인드 홀)
- 씰, 피드스루 등의 수를 줄입니다.
- 금속 씰을 사용할 때 가능한 탈가스 속도를 높이기 위해 미량 가열을 사용합니다.
누출 감지
UHV 및 XHV 진공 수준을 유지하려면 10-7 mbar/s 미만의 누출 속도가 필요합니다. 이 값을 안정적으로 측정하려면 헬륨 누출 감지기가 가장 실용적인 솔루션을 제공합니다.
아래에 표시된 것과 같은 국소 누출 감지 방법은 누출 속도를 10-12mbar까지 측정할 수 있습니다.
결론
- 펌핑 시스템을 선택할 때에는 정확한 진공 수준을 고려해야 하며 진동이 문제가 되는 경우에는 고려해야 합니다
- 진동에 민감한 애플리케이션이나 XHV가 필요한 곳에 이온 펌프를 추가하는 것이 좋습니다.
- UHV 영역의 정확하고 신뢰할 수 있는 압력 측정을 위해 일반적으로 선택할 수 있습니다
- XHV 영역에서 Extractor 게이지가 선호되는 유형입니다,
탈가스화를 최소화하는 것이 필수적이며 재료와 시스템 설계의 선택이 중요합니다
- 안정적인 진공을 유지하기 위해서는 헬륨 누출 감지기(Helium Leak Detector)의 사용이 필수적입니다.
출처: Provac
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