펌프의 종류와 원리 2. 러핑 펌프의 종류와 특징

전 시간에는 펌프를 배우기 전 펌프가 어떻게 구성되고 각각의 펌프들은 어떤 진공에서 사용되는지 알아봤습니다. 일반적으로 러핑펌프는 대기압부터 10-3torr까지의 압력에서 사용되는 펌프들로 챔버의 진공 목표가 러핑 펌프수준이면 단일로 사용하지만 고진공인 경우에는 초기에 챔버의 압력을 고진공 펌프가 돌아갈 수 있게 만들어주고 이후에는 백업 펌프로 사용되어집니다.

 

그럼 순서대로 러핑 펌프에 대해 배워보겠습니다.

 

1.피스톤 회전 펌프(로터리 펌프)

개략적인 피스톤 회전펌프의 모습

보시면 pump inlet에서 가스가 주입되고 안에있는 피스톤이 회전하면서 공기를 압축->방출을 반복한다. 생각외로 복잡해보이는 구조를 지녔지만 들어온 가스를 압축시켜 방출하는 단순한 구조를 가졌다. 

 

2.오일 회전 펌프

오일 회전 펌프의 모습

이 오일 회전 펌프도 앞선 피스톤펌프와 비슷한 원리로 작동된다. 오일로 둘러싸인 내부 구조에서 로터가 돌아가며 기체를 압축시키고 이후 방출시키는 동일한 구조를 가지고 있다. 다만 내부에 오일이있어 마찰로인한 열을 줄여주며 윤활유적용 작용도 해준다. 다만 오일로 가득 쌓여진 구조를 가지고 있어 오일의 증기압이 곧 펌프의 용량 한계치인 경우가 많다. 

 

여기서 오일에 다른 불순물이 섞여있으면 당연히 용량은 더 작아진다. 거기에 만약 고진공인 경우에 오일펌프를 잘못연결하거나(벨브를 잘못 열어)하는 경우에 오일이 내부로 역류하여 들어가게되고 이는 진공챔버로 들어가 챔버를 완전히 오염시키게 된다. 

 

이러한 기계적 펌프는 두가지 기능을 가지고있다. 우선 챔버에서 기체를 대강(고진공 펌프 run 전까지) 배기하고 그 이후에는 고진공 펌프를 보조하는 역할을 한다. 일반적으로 Visocous flow에서 사용되는 러핑펌프와 달리 고진공 펌프는 Molecular flow에서 사용된다. 

 

이는 기체의 수집도 랜덤에 가까우며 내보내는것도 랜덤에 가깝다는 이야기이다. 거기다 막단에는 기체를 내보낼 힘이 없으므로 여기에 기체를 압축시켜 밖으로 내보내는 러핑 펌프를 사용하는것이다. 이를 forepump 또는 백킹펌프(backing pump)라고 한다.

 

하지만 앞선것들은 모두 펌프가 잘 작동하기 위하여 오일을 사용하는데 이는 대부분이 챔버를 오염시킬 확률이 높다. 따라서 매우 에민한 공정인 반도체 공정들을 위해서는 오일 펌프를 사용하지 않게되었고 대부분 다 드라이 펌프를 사용하게 된다.

 

3. 드라이 펌프

 

드라이 펌프는 스크류를 계속해서 돌리며 기체를 압축시켜 내보내는 형식을 사용한다. 앞선 펌프들과 다른점은 로터가 돌아가는 대신 끊임없이 한쪽방향으로 회전하는 스크류를 사용한다는것이다. 다만 오일이 없기 때문에 마찰에 대한 영향이 크며 챔버에서 나오는 기체의 온도가 높거나 칠러에서 펌프를 제대로 식혀주지 못할시에는 펌프가 갈리는소리가 나며 파손되는 경우가 있다.

dry pump 의 모습

산업에서는 주로 이 드라이 펌프를 사용한다. 이외에도 섭션펌프, 송풍기/부스터 펌프가 있으나 반도체 산업에서는 거의 사용되어지지 않아 긴 설명을 하지 않겠다.

 

다만 섭션펌프는 압축->방출이 아닌 기체를 포집하는, 한마디로 잡아두는 역할의 펌프이다. 그리고 일명 모양이 땅콩과 같아 루츠펌프라 불리는 송풍기/부스터 펌프는 두개의 로터가 서로 돌아가며 in에서 out으로 공기를 밀어내는 형식이다. 

 

여기까지 공부해보았고 추가로 질문하실분들은 질문주시면 감사하겠습니다.