펌프의 종류와 원리 3. 터보 분자 펌프(Turbomolecular pump)와 주의사항

이번에 전달해드릴 내용은 TMP입니다 터보 분자 펌프라고 불리는 펌프로 대부분의 반도체 공정장비에서 사용되는 가장 일반적인 펌프입니다. 물론 고진공 펌프에는 여러 종류가 있기에 앞서서 살짝만 간단히 설명드리고 바로 TMP로 넘어가도록 하겠습니다.

 

우선 오일 확산 펌프입니다. 간단히 원리를 설명드리면 오일을 높은 온도로 가열하여 위쪽으로 향해진 오일 증기들이 아랫방향으로 노출된 좁은 분사장치를 통해서 쏘아지는 형태입니다. 아래로 쏘아지면서 증기 분자들을 밑으로 가게만들고 이는 기체분자들을 아래에 있는 펌프로 내보내지게 되어 진공을 유지하는 형태입니다. 그리고 쏘아진 증기들은 벽면의 냉각수에 의해 다시 밑으로 향하고 밑에서는 다시 가열하여 열만 있다면 끝없이 반복되는 형태입니다. 

그림은 도저히 나아지지 않네요.. 죄송합니다.

여기서 오일확산펌프는 오일의 증기와 역류로 인해 챔버를 쉽게 오염시키므로 거의 사용되어지지 않습니다. 아마 실험실이나 작은 연구용 장비에는 사용할지도.. 아직 한번도 못봤습니다.

 

그리고 크라이오 트랩이 있는데 이는 대부분 몇몇의 기체들(CO2또는 수증기,용매들)에 사용되는 특수한 펌프로 그냥 단순히 아주 차가운 액화질소를 사용하여 기체들을 냉각시켜 기체분자를 없애는(정확히 말하면 고체로 바꾸는)형태의 펌프아닌 펌프입니다. 크게 사용하지는 않으므로 넘어가도록 하겠습니다.

 

이제 TMP공부에 앞서 공부했던것의 개념을 집고 넘어가야하는데 그건 바로 고진공 펌프는 반드시 백킹펌프를 사용하여야한다. 이 말인 즉슨 TMP를 사용하며 동시에 백킹펌프를 사용해야한다는 이야기인데 이것도 그냥 아무거나 달면 안되고 각각의 TMP용량에 따른 기계적 펌프를 달아야한다. 이를 계산하기 위해 나온것이 임계 포압력인데 포어라인(Foreline)의 압력이 너무 높으면 오히려 기체가 역류하므로 이를 막기위해서는 임계포압력 이하의 압력을 계산하여 맞는 기계적 펌프를 사용하여야한다. 

 

아무튼 그 개념을 알았으면 이제 TMP에 대해 공부해보면, TMP는 기계적 압축 펌프로 5X10-10까지도 진공을 뽑아낼 수 있는 청결한 펌프이다. 원리는 다음과 같다. TMP내부에는 ROTOR와 STATOR 라고 하는 Blade가 순차적으로 결합되어 있는데 이는 각각 반대의 방향을 가지고 있다. TMP의 용량을 결정짓는것은 이 Blade의 길이와 개수, 그리고 허용가능한 회전속도이다.

스테이터는 고정되어 있으며 로터가 용량에 맞는 RPM(revolutions per minute)으로 회전하면서 Random으로 들어온 기체분자를 아래 방향으로 운동량을 준다. 여기서 왜 Random이냐면 이미 고진공으로 넘어갈 수 있는 수준의 압력은 Molecular flow이기 때문이다. 계속해서 아래로 내려갈수록 위로 올라가기 어려운 각도로 로터와 스테이터가 세팅되어있고 결국은 점차 기체분자들이 아래쪽으로 밀침을 당하듯이 내려가 포어라인으로 가 모여서 기계적펌프로 배출되게 된다.

로터와 스테이터를 볼 수 있다.

간단히 설명하자면 끊임없이 아래로 내려치는 탁구를 생각하면 될 것 같다. TMP는 매우 정교하게 만들어진 펌프로 상당히 오랜기간 사용할 수 있지만 그럼에도 주의는 필요하다. 가장 중요하게 조심해야할것은 당연히 대기에 노출되는 경우이다. 요즘은 대부분 메뉴얼장비가 아닌 오토장비라 일정 압력이 넘지 않으면 락이걸려 백킹펌프나 VENT라인이 열리지않지만 메뉴얼장비는 누르면 누르는대로 열려 순간적으로 많은 수의 기체분자가 치고 들어올 수 있다. 

 

이는 로터의 날을 순간적으로 눌러 고속으로 회전하는 날이 다른 Blade에 닿는순간 대 참사가 일어날것이다. 아니면 닿지 않더라도 순간적인 힘으로 구부러져 계속해서 사용하면 다시 그 부분에서 문제가 발생 할 수 있다.  항상 벨브를 열고닫는걸 신중히 생각햐여야하겠다. 

 

원래는 초고진공 펌프까지 배우려했지만 산업에서 많이 사용하지 않고 실제로 볼 일도 별로 없으므로 다음시간 부터는 게이지로 넘어가도록 하겠습니다. 질문사항은 언제나 환영입니다.

 

감사합니다.