가스의 압력에 따른 흐름 viscous flow VS molecular flow

반도체 공정에서 대부분은 고진공(high vaccum)을 사용한다. 이런 일반적인 사용의 이유는 미세선폭으로 인해 보다 정밀하게 gas량을 조절해야함의 필요성과 공정 gas가 아닌 particle이나 다른 gas의 간섭을 막기위함이다.

 

우선 자연의 가스 흐름은 대부분 viscous flow(점성 유체)를 따른다. 이 경우에는 mfp가 짧고 계속해서 다른 원자들과 부딪히면서 이동하므로 압력이 높을경우 원자들은 개별적으로 행동하기 보다는 계속해서 이어지는 하나의 흐름을 가지면서 움직인다. 간단하게 떠올리면 흐르는 하천의 물을 생각하면 이해하기 쉽다. 보통은 viscous flow로 불리고 laminar flow(층류)로도 쓰인다.

 

Viscous flow(좌) molecular flow(우)의 개략적인 모습

그리고 고진공으로 오게되면 mfp는 매우 길어진다. 다른 원자들과의 충돌도 현저히 줄어들어 대부분 wall과의 충돌이 주를 이룬다.  이 경우에는 앞선 viscous flow와는 다르게 원자들이 개별적으로 행동하며 이는 랜덤한 형식으로 움직임을 갖는다. 아무렇게나 벽에 쏘아낸 bb탄 총알을 생각하면 이해하기 쉽다. 이를 Molecular flow(분자류)라 한다. 분자적(개별적)움직임이라 보면된다.

 

일반적으로 10-1까지를 viscous flow로 보고 5x10-3부터를 molecular flow로 보는데 이 중간의 압력을 transition 이나 knudsen flow로 부른다. viscous flow와 molecular flow 형식 모두를 가지는 중간 구간으로 보면 된다.