안녕하십니까?

질문하신 내용으로 보아 Boat를 사용하는 진공장비는 Thermal Evaporator로 사료됩니다.

일반적으로 Thermal Evaporator는 고체 금속을 진공중에서 가열 용융 증발시켜 반도체 표면에 증착하는 진공증착장비로 증발의 원리는 컵의 물이 증발하는 것과 같습니다.
즉, 가열에 의해 물-공기 계면에서 물분자는 충분한 내부에너지를 얻어 물분자사이에 응집력을 끊고 증발되는 원리와 같이 고체 금속 내부에서도 동일한 현상에 의해 증발이 일어납니다.

이렇한 증발의 메카니즘을 이해하기 위해서는 두가지 개념이 필요합니다.

1. 랭뮤어의 필림이론

랭뮤어는 텅스턴 전구를 연구하다가 진공중에서 텅스텐 필라멘트를 백열상태로 두면 점차 전구의 표면이 검게 증착되고 필라멘트의 두께가 가늘어지느 것을 보고 증착이론을 설명하게 되었습니다.
텅스텐 필라멘트의 표면으로부터 가열온도와 그 온도에서의 포화증기압으로 결정되는 증발량 만큼의 텅스텐 원자가 계속 증발하여 전구의 내부가 진공 중이라면 증발한 텅스텐 원자는 직접 전구의 표면까지 산란되지 않고 증착된다고 설명을 하였습니다.
여기서 중요한 것은 텅스텐 원자가 증발후 전구의 표면에 닿기전에 기체분자가 존재한다면 텅스텐 원자는 산란되어 전구의 표면까지 도달하지 않을 것이라는 것입니다. 즉, 전구의 표면에 증착되는 텅스텐원자를 줄이기 위해 비활성기체로 전구의 내부를 채우게되면 텅스텐 원자는 텅스텐 필라멘트 주위에 얇은 증발원자의 필림을 형성하고 농도차에의한 확산에의해 증착여부가 결정된다는 것 입니다.

랭뮤어의 필림이론으로부터 증착이 원할하게 이루어지기 위해서는 전구의 내부에 잔류 불순물(gas 주로 산소와 질소)이 없는 고 진공상태 일수록 증착이 잘된다는 것이며, 반대로 증착을 방해하기 위해서는 불활성개스로 채우는 방법이 좋다는 것입니다.
참고로 어떤 물질의 증기압이 높으면 잘 휘발한다는 의미이며, 외부압력이 진공이 될수록 고체표면에서의 증발이 활발히 일어납니다.

2. 평균자유행정(Mean Free Path :mfp)

평균 자유행정이란 증발된 원자가 주변의 기체와 충돌하지 않고 진행할 수 있는 평균거리를 의미합니다. 즉 진공도가 클수록 증발된 원자는 방해받지않고 먼거리를 움직일 수 있다는 의미입니다. 실온의 공기분자는 1Pa의 압력에서 mfp는 6.5mm이고 0.01Pa에서는 65cm가 됩니다. 평균자유행정이 길다는 의미는 도중에 잔류개스와 충돌에 의해 방해 받지 않고 증착될수 있다는 의미입니다.

위의 두가지 개념을 지니고 질문하신 내용을 검토하겠습니다.

1). 챔버 내의 불순물을 제거하여 증착 분자수를 증가 시킨다.
-> 랭뮤어의 필림이론으로 설명가능합니다. 즉, 도중에 방해받지 않고 증착되는 메카니즘입니다. 증발원자는 산란되는 양이 적으므로 대부분 증착에 쓰입니다.

2). 고열 상태에서 Boat의 산화 방지한다.
-> 당연히 산소가 진공중에는 희박하므로 산화가 방지됩니다.

3). 증착물과의 화학반응 감소
-> 역시 잔류 개스(주로 산소)에 의해 증착물의 화학반응을 감소시킵니다.

4). 부위별 고른 증착 두께 및 부착력을 강화하여 정밀한 증착 가능
-> 평균자유행정이 길어지므로 부위별 증착두께가 단순히 증발원에 의존합니다. 즉 증발원으로부터 증발된 원자가 그대로 직진하여 증착물에 증착됩니다. 부착력이 강화되는것은 열에너지에 의해 활성화된 증발원자가 증착물표면에서 순간적으로 용접(micro welding)되는 것으로 생각하시면 됩니다.

이외에도
5) 대기압에서 금속을 증발시키려면 많은 에너지가 필요하나 진공중에서 증발시키면 적은 에너지를 가해도 된다.
6) 반도체 공정을 이용하여 만들므로 한번의 증착에 대량생산이 가능하다( 하나의 증발원으로 다수개의 웨이퍼 증착이 가능하고 고 진공이 되면 평균자유행정이 길어져 증발원에 일정거리의 구면(sphere)위치에 배치한 웨이퍼에 증착되는 입자는 동일한 특성을 보인다)
등이 있을 수 있습니다.

도움이 되었으면 합니다.
감사합니다.