KR100491214B1 - 고전력마이크로파플라즈마어플리케이터 - Google Patents

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Abstract

플라즈마 어플리케이터는 실린더형 외부 튜브와; 상기 외부 튜브 내에 위치하고, 상기 외부 튜브와 동심이며, 제 1 단부와 제 2 단부를 갖는 실린더형 플라즈마 튜브와; 상기 플라즈마 튜브의 제 1 단부에 위치하는 제 1 지지대; 상기 플라즈마 튜브의 제 1 단부에서 상기 플라즈마 튜브를 둘러싸고, 상기 플라즈마 튜브와 상기 제 1 지지대 사이에 압착되며, 상기 플라즈마 튜브의 상기 제 1 단부로부터 제 1 거리에 위치하는 시일과; 상기 플라즈마 튜브 안으로 제 2 거리만큼 연장하는 시일드를 포함한다.

Description

고전력 마이크로파 플라즈마 어플리케이터{HIGH POWER MICROWAVE PLASMA APPLICATOR}
본 발명은 일반적으로 플라즈마 어플리케이터(applicator)에 관한 것이다.
플라즈마 기초 여기 소스 또는 플라즈마 어플리케이터는 종종 높은 입력 전력을 취급할 수 있어야 하고 높은 반응성 화학적 환경과 조합되는 고온에 견딜 수 있어야 한다. 예를 들면, 플라즈마 어플리케이터의 일반적인 응용에서, NF3 가스가 어플리케이터 내로 흐르고 플라즈마에 의해 분해된다. 그 결과 얻어지는 활성화 종이 어플리케이터 외부로 흘러 인-시튜 챔버의 세정, 에칭, 포토레지스트 제거 또는 어떤 다수의 작업을 위해 사용되는 반도체 처리 장비 내로 흐른다. 인-시튜 챔버 세정을 위한 반응성 종을 사용하는 예로서 1994년 7월 21에 제출된 미합중국 특허 제08/278,605호 "원격 여기 소스를 사용하는 증착 챔버 세정 기술"이 참조된다.
이러한 장비가 극히 부적당한 환경에 노출되면 플라즈마 어플리케이터를 매우 빠르게 손상시킬 수 있다. 예를 들면, 상업적으로 이용할 수 있는 일부 어플리케이터는 활성화된 종을 담기 위하여 수정 튜브를 사용한다. 이런 시스템에서, 형성된 플루오르는 아주 빠르게 튜브를 에칭한다. 더욱이, 고전력 레벨(예를 들어 약 1 kW)에서 수정은 파괴되는 경향이 있다. 그러므로, 어플리케이터를 몇 번만 사용한 후 또는 작동의 지속 주기 동안에 튜브의 벽은 매우 얇아져서 이런 시스템에 사용되는 고온 및 진공에 계속해서 노출되면 파괴될 것이다. 그러므로, 매우 짧은 튜브의 수명 때문에 그것은 버려지고 새로운 튜브로 교체되어야 한다. 반복적으로 수정 튜브를 교체하는 불편과 비용은 둘 다 아주 높아질 수 있다.
기존 플라즈마 어플리케이터의 일부는 수정 튜브 대신에 세라믹 튜브를 사용한다. 세라믹 튜브는 종종 직면하는 화학적 부식 환경에서 수정 튜브보다 양호하게 지탱될 수 있다. 그러나 세라믹 튜브는 만능이 아니다. 이들은 통상적으로 수정 및 다른 재료와 비교할 때 상대적으로 높은 열팽창 계수를 가진다. 그러므로, 이런 시스템에서 일반적으로 발생하는 실내 온도와 높은 처리 온도 사이의 반복된 순환은 세라믹 튜브 내에 큰 스트레스를 발생시킨다. 이런 스트레스는 결국 튜브의 크랙킹 및 결함을 초래한다.
2개의 동심 튜브, 즉 마이크로파 방사선을 투과시키는 재료, 예를 들어 수정과 사파이어로 형성되는 외부 튜브와 내부 튜브를 사용하는 마이크로파 플라즈마 어플리케이터가 개발되었다. 상기 내부 튜브는 플라즈마를 포함하므로 고온과 부식 조건에 노출되는 튜브이다. 내부 튜브를 냉각하기 위하여, 2개의 튜브 사이의 환형 영역을 통해 물이 흐른다. 이런 시스템은 1995년 2월 13일에 출원된 미합중국 특허 제08/387,603호에 개시되어 있다. 물이 마이크로파를 흡수하기 때문에, 환형 영역이 형성될 수 있는 두께에 대해 심한 제한이 있다. 너무 두꺼우면, 마이크로파는 심하게 희박해져서 내부 튜브 내에 플라즈마를 일으켜 유지하기가 어렵거나 불가능할 것이다. 한편, 이런 영역이 너무 얇다면 냉각 효과는 심하게 손상될 것이다.
플라즈마 어플리케이터 디자인의 이런 개선에도 불구하고, 플라즈마 튜브의 열팽창에 의해 발생되는 높은 열적 스트레스는 여전히 튜브를 크랙시킨다. 부가적으로, 플라즈마 튜브만 고장나는 유일한 구성요소가 아니다. 또한 플라즈마 튜브내의 진공 유지를 보조하고 냉각제 시스템의 밀봉을 보조하는 시일과 'O' 링은 이런 시스템 내에 발생되는 고온 및 다른 불리한 조건에 노출될 때 급속하게 열화되어 결국 고장난다. 더욱이, 전력 레벨이 1 kW 레벨 이상으로 증가될 때 현재 이용할 수 있는 플라즈마 어플리케이터의 결함 문제는 더욱 심해져 고장 빈도가 증가하게 된다.
본 발명의 목적은 플라즈마 어플리케이터를 제공하는 것이다.
일반적으로, 일 측면에서, 본 발명은 실린더형 외부 튜브와; 상기 외부 튜브 내에 위치하고, 상기 외부 튜브와 동심이며, 제 1 단부와 제 2 단부를 갖는 실린더형 플라즈마 튜브와; 상기 플라즈마 튜브의 제 1 단부에 위치한 제 1 지지대; 상기 플라즈마 튜브의 제 1 단부에서 상기 플라즈마 튜브를 둘러싸고, 상기 플라즈마 튜브와 상기 제 1 지지대 사이에 압착되며, 상기 플라즈마 튜브의 상기 제 1 단부로부터 제 1 거리에 위치하는 시일을 포함하고; 상기 튜브를 둘러싸는 상기 시일에 대한 보호부를 제공하도록 시일드가 상기 플라즈마 튜브 안으로 제 2 거리만큼 연장하는 플라즈마 어플리케이터이다.
일반적으로, 다른 측면에서, 본 발명은 실린더형 외부 튜브와; 상기 외부 튜브 내에 위치하고, 상기 외부 튜브와 동심이며, 내부 벽을 갖는 실린더형 플라즈마 튜브와; 상기 플라즈마 튜브 안으로 연장하는 플러그를 가지며, 상기 플라즈마 튜브와 상기 플라즈마 튜브의 상기 내부 벽으로 연장하는 상기 플러그의 부분 사이에 환형 갭 영역을 형성하는 어댑터를 포함하며, 상기 어댑터는 동작 중에 처리 가스가 상기 플라즈마 내로 흐르는 루트를 형성하도록 그 안에 형성되어 상기 환형 갭 영역과 통하는 통로를 포함하는 플라즈마 어플리케이터이다.
일반적으로, 또 다른 측면에서 본 발명은 실린더형 외부 튜브와; 상기 외부 튜브 내에 위치하여 상기 외부 튜브와 축방향으로 정렬되며, 제 1 단부와 제 2 단부를 갖고, 상기 외부 튜브와 동작 중에 냉각제가 흐르는 환형 갭 영역을 형성하는 실린더형 플라즈마 튜브; 상기 플라즈마 튜브의 제 1 단부에 위치하며, 내부 벽을 갖는 제 1 홀이 내부에 형성되고, 상기 플라즈마 튜브와 외부 튜브를 수용하는 제 1 지지대; 상기 플라즈마 튜브의 상기 제 1 단부에서 상기 플라즈마 튜브를 둘러싸고 상기 플라즈마 튜브와 상기 제 1 홀의 내부 벽 사이로 연장하는 제 1 시일; 및 상기 외부 튜브를 둘러싸고, 상기 외부 튜브와 상기 제 1 홀의 내부 벽 사이로 연장하는 제 2 시일을 포함하는 플라즈마 어플리케이터이다.
바람직한 실시예에서, 또한 플라즈마 어플리케이터는 상기 플라즈마 튜브의 상기 제 2 단부에 위치하고, 내부 벽을 갖는 제 2 홀이 내부에 형성되며, 상기 플라즈마 튜브와 상기 외부 튜브를 둘 다 수용하는 제 2 지지대; 상기 플라즈마 튜브의 제 2 단부에서 상기 플라즈마 튜브를 둘러싸고, 상기 플라즈마 튜브와 상기 제 2 홀의 상기 내부 벽 사이로 연장하는 제 3 시일; 및 상기 외부 튜브를 둘러싸고 상기 외부 튜브와 상기 제 2 홀의 상기 내부 벽 사이로 연장하는 제 4 시일을 더 포함한다. 상기 플라즈마 튜브는 외부 튜브보다 더 길고, 상기 플라즈마 튜브는 외부 튜브의 양 단부 바깥으로 연장된다. 제 1 지지대는 그 안에 형성된 홀을 통과하여 그 안으로 연장하는 다수의 냉각제 유입 포트를 포함한다. 상기 다수의 냉각제 유입 포트는 플라즈마 튜브의 축 둘레에 위치하여 냉각제가 다수의 냉각제 유입 포트를 통해 환형 갭 영역 내에 주입될 때, 실질적으로 0인 방사 방향으로의 플라즈마 튜브에 대한 알짜(net) 힘을 발생시킨다.
일반적으로, 또 다른 특징에서 본 발명은 실린더형 외부 튜브와; 상기 외부 튜브 내에 위치하여 상기 외부 튜브와 축방향으로 정렬되고, 제 1 단부와 제 2 단부를 가지며, 상기 외부 튜브와 동작 중에 냉각제가 흐르는 환형 갭 영역을 형성하는 실린더형 플라즈마 튜브; 상기 플라즈마 튜브의 상기 제 1 단부에 위치하고, 내부 벽을 갖는 실린더형 제 1 홀이 내부에 형성되며, 상기 플라즈마 튜브와 상기 외부 튜브를 둘 다 수용하는 제 1 지지대; 상기 플라즈마 튜브의 제 1 단부에서 상기 플라즈마 튜브를 둘러싸고 상기 플라즈마 튜브와 상기 실린더형 홀의 상기 내부 벽 사이로 연장하며, 상기 플라즈마 튜브의 상기 제 1 단부로부터 제 1 거리에 위치하는 제 1 시일; 및 상기 외부 튜브를 둘러싸고, 상기 외부 튜브와 상기 실린더형 홀의 상기 내부 벽 사이로 연장하는 제 2 시일을 포함하며; 상기 제 1 지지대는 이를 통과하여 그 안에 형성된 상기 홀 안으로 연장하는 다수의 냉각제 유입 포트를 포함하며, 상기 다수의 냉각제 유입 포트는 상기 플라즈마 튜브의 축 둘레에 대칭적으로 위치하는 플라즈마 어플리케이터이다.
본 발명의 서로 다른 특징을 사용하는 플라즈마 어플리케이터는 쉽게 6 kW를 취급할 수 있고, 별 문제없이 상당히 더 높은 전력 레벨도 취급할 수 있다.
상기 'O' 링의 독특한 구성은 사파이어 및 수정 튜브의 동심성을 제공하고, 어플리케이터 컴포넌트의 서로 다른 열적 팽창을 허용하여 사파이어 튜브와 같은 주요 컴포넌트 상의 스트레스를 감소시키며, 가스/플라즈마 및 물 시스템을 시일링한다. 또한, 분리형 'O' 링을 사용하여 물과 가스/플라즈마 시스템을 시일링하기 때문에 상기 시일은 각각의 목적에 대해 최적화될 수 있다.
부가적으로, 독특한 시일드 디자인(즉, 어느 한쪽의 단부에서 플라즈마 튜브 내로 연장하는 연장부)은 여러 가지 방법으로 사파이어 튜브 'O' 링에 대한 보호부를 제공한다. 그것은 투명한 사파이어 플라즈마 튜브를 통과하는 광대역 플라즈마 방출에 'O' 링이 직접 노출되는 것을 방지한다. 또한 플라즈마 'O' 링에 도달하기 전에 플라즈마가 지나가야 하는 긴 경로(예를 들면, 복잡한 시일)를 제공한다. 이런 경로는 플라즈마가 'O' 링에 도달하는 것을 차단하고 플라즈마가 냉각되도록 하고 시일에 도달하는 시간만큼 덜 활동적이 되도록 한다. 부가적으로, 상기 시일드는 플라즈마로부터 사파이어 튜브의 단부에 입력되는 열을 감소시켜 사파이어 튜브의 단부에 대한 온도를 낮게 유지한다. 이들은 사파이어 튜브와 직접 접촉하여 고온에 의해 열화되기 때문에 이는 'O' 링의 수명을 연장시킨다. 튜브와 접촉하는 다른 'O' 링처럼 플라즈마 'O' 링의 시일딩(shielding)은 곧바로 물 냉각의 이익을 수용하지 않기 때문에 절대 이는 필요하다.
또한, 플라즈마와 직접 접촉하게 되는 시일드(예를 들면, 플라즈마 튜브의 단부에서의 연장부)의 경질 코팅 양극처리는 시스템과 처리 챔버를 오염시킬 수 있는 미립자를 발생시킬 수 있는 아킹(arcing)의 위험을 굉장히 감소시킨다.
다른 장점과 특징은 바람직한 실시예에 수반하는 설명과 특허 청구의 범위로부터 나타날 것이다.
이제 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세히 설명할 것이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명을 실현하는 액체 냉각된 고전력 원격 플라즈마 어플리케이터(10)는 외부 수정 튜브(14)내에 동심으로 정렬되는 사파이어 플라즈마 튜브(12)를 포함한다. 상기 수정 튜브(14)보다 더 긴 플라즈마 튜브(12)는 수정 튜브(14)의 어느 한쪽의 단부를 넘어 연장하도록 수정 튜브(14) 내에 배치된다. 상기 수정 튜브(14)의 내부 벽과 상기 플라즈마 튜브(12)의 외부 벽은 플라즈마 튜브(12)를 냉각하도록 냉각제가 흐르는 얇은 환형 영역(16)(도 3 참조)을 형성한다. 물 또는 어떤 다른 마이크로파 흡수 액체가 냉각제로서 사용된다면, 상기 갭의 반지름 치수는 충분히 작게 형성되어 상기 냉각제가 상기 마이크로파 에너지를 너무 많이 흡수하지는 않을 것이다.
튜브(12와 14)는 중앙 몸체(20)를 포함하는 여러 개의 컴포넌트로 구성되는 금속(예를 들면, 알루미늄) 하우징내에 수용된다. 중앙 몸체(20)는 상기 튜브(12와 14) 둘레에 형성되어, 직각 도파관 부분의 위와 아래로 연장하는 실린더형 공명 공동(resonant cavity)(23)을 갖는 직각 도파관 부분(22)을 포함한다. 직각 도파관 부분(22)은 소스(208)(도 4 참조)로부터 마이크로파 에너지를 수용하며, 작동 동안 플라즈마를 발생시키고 플라즈마를 유지하는 플라즈마 튜브(12)내에 이를 커플링한다. 또한 상기 하우징은 상부 지지용 칼라(24)와 하부 지지용 칼라(46)를 포함하고, 그것은 둘 다 중앙 몸체(20)의 대응하는 반대 측면 상에 고정된다. 상부 및 하부 지지용 칼라(24와 46)는 튜브(12와 14)의 단부 상에 고정되어 이를 물리적으로 지지한다. 상기 어플리케이터의 가스 유입 단부에서, 플러그 연장부(32)를 갖는 캡 플레이트(30)는 플러그 연장부(32)가 플라즈마 튜브(12) 아래로 연장하도록 상부 지지용 칼라(24)내에 볼트로 조여진다. 어플리케이터(10)의 출구 단부에서, 할로우 실린더형 연장부(52)를 갖는 어댑터 플레이트(50)는 그것의 실린더형 연장부가 플라즈마 튜브(12) 위쪽으로 연장하도록 하부 지지용 칼라(46) 위에 볼트로 조여진다.
상부 지지용 칼라(24)(도 2에 더 상세히 도시된)는 서로 대칭적으로 마주보게 배치되고 상기 칼라(24)의 중앙을 통해 통과하는 실린더형 홀(28)과 통해있는 2개의 냉각제 유입 포트(26a와 26b)를 포함한다. 홀(28)은 직경(D1)을 갖는 하부 실린더형 영역(32)과 서로 다른 더 작은 직경(D2)을 갖는 상부 실린더형 영역(34)을 형성하는 계단식 내부 벽(30)을 가진다. D1은 그것이 수정 튜브를 수용하도록 수정 튜브(14)의 외부 직경보다 약간 더 크다. 부가적으로, 상기 하부 실린더형 영역(32)의 내부 벽(36)은 'O' 링(40)을 홀딩하는 단일 홈(38)을 가진다. 상기 상부 실린더형 영역(34)의 직경(D2)은 플라즈마 튜브(12)의 외부 직경 보다 약간 더 크지만 수정 튜브(14)의 외부 직경보다 더 작다. 그러므로, 상부 실린더형 영역(34b)은 플라즈마 튜브(12)를 수용한다. 부가적으로, 상기 상부 실린더형 영역(34b)의 내부 벽(30)에는 2개의 홈(42와 44)이 형성되고, 상기 홀은 각각 2개의 'O' 링(70과 72) 중 대응하는 하나를 홀딩한다. 홈(42와 44)은 상기 유입 포트(26a와 26b)가 칼라를 통과하는 위치에 인접하여 그 위에 배치되고, 홈(38)은 유입 포트(26a와 26b)에 인접하여 그 아래에 배치된다.
상부 칼라(24)가 튜브(12와 14) 둘 다와 함께 상기 주요 몸체에 적당히 조립될 때, 상기 하부 'O' 링(40)은 수정 튜브(14) 둘레에 압착되어 이를 견고히 홀딩하며, 상기 2개 상부 'O' 링(42와 44)은 플라즈마 튜브(12) 둘레에 압착되어 플라즈마 튜브를 견고히 홀딩한다.
하부 지지용 칼라(46)는 상부 칼라(24)와 매우 유사하게 설계된다. 그것은 서로 대칭적으로 마주보게 배치되어 하부 지지용 칼라(46)의 중앙을 통과하는 실린더형 홀과 통해있는 2개 냉각제 출구 포트(48a와 48b)를 포함한다. 하부 지지용 칼라(46)의 홀은 직경(D1)을 갖는 상부 실린더형 영역과 직경(D2)을 갖는 하부 실린더형 영역을 형성하는 계단식 내부 벽을 가진다. 상기 상부 실린더형 영역의 내부 벽은 2개의 홈, 즉 하부 홈(62)과 상부 홈(64)을 포함하고, 각각의 홈은 2개의 'O' 링(80과 82) 중 대응하는 하나를 홀딩한다. 그리고 상기 상부 실린더형 영역의 내부 벽은 'O' 링(60)을 홀딩하는 단일 홈(58)을 포함한다. 홈(62와 64)은 상기 출구 포트(48a와 48b)가 지지용 칼라(46)를 통과하는 위치에 인접하여 아래에 위치하는 반면, 홈(58)은 출구 포트(48a와 48b)에 인접하여 상부에 위치한다.
상부 지지용 칼라(24), 'O' 링(40과 72) 및 하부 지지용 칼라(46)에서, 'O' 링(60과 82)은 냉각제가 플라즈마 튜브(12) 둘레에 형성되는 냉각제 재킷으로부터 누출되는 것을 방지하는 시일로서 기능한다. 'O' 링(70과 80)은 플라즈마 튜브내의 플라즈마 및 활성화된 가스가 누출되는 것을 방지하는 시일로서 기능한다. 물 및/또는 가스가 상기 시일을 지나서 누출되는 경우에, 누출이 상기 제 2 시일을 돌파하는 위험에서 벗어나게 하는 블리이드 홀(75)이 있다. 블리이드 홀(75)은 물과 플라즈마 'O' 링을 수용하는 2개의 홈 사이에 상부 및 하부 지지용 칼라(24와 26)를 관통하여 드릴된다(도 2 참조). 또한 상기 어플리케이터의 다른 단부에서 2개의 'O' 링을 통과하는 가능한 누출을 취급하기 위해 유사하게 배치된 블리이드 홀이 하부 지지용 칼라(46)내에 존재한다.
두 종류의 'O' 링이 사용된다. 상기 냉각제와 접촉하게 되는 'O' 링(즉, 'O' 링(40, 60, 72 및 82))은 상업적으로 이용 가능한 에틸렌 프로필렌 'O' 링이다. 반면에, 잠재적으로 상기 플라즈마와 접촉하게 되는 'O' 링(예를 들면, 'O' 링(70과 80)은 마이크로파 비흡수 및 화학적 저항 재료로 형성된다. 전술된 실시예는 상업적으로 이용 가능한 두폰트사의 백색 KalrezTM 'O' 링을 사용한다.
상기 'O' 링(40, 60, 70, 72, 80 및 82)의 구성은 누출을 방지하는 시일을 제공하는 것 외에도, 적어도 2개의 부가적 중요한 장점을 제공한다. 첫째, 이들은 2개의 튜브가 동심성을 유지하도록 한다. 둘째, 이들은 서로 다른 축의 2개의 튜브의 열팽창이 튜브를 크랙 또는 손상시킬 수 있는 어떤 과도한 스트레스를 발생시키지 않도록 한다.
캡 플레이트(30)가 상부 지지용 칼라(24) 상에 조립될 때, 상기 실린더형 플러그 연장부(32)는 그것의 하단부가 적어도 상기 냉각제 'O' 링(72)의 레벨 아래에 있도록 플라즈마 튜브(12) 안으로 충분히 멀리 연장한다. 캡 플레이트(30)는 상기 상부 지지용 칼라에 대해 결합되는 그것의 표면 일부에 형성되는 원형 'O' 링 홈(31)을 포함한다. 홈(31)은 플라즈마 튜브(12)내의 진공 유지를 보조하고 또한 반응성 가스가 누출되는 것을 방지하는 VitonTM 'O' 링(33)을 홀딩한다.
캡 플레이트(30)의 플러그 연장부(32)는 상기 플라즈마 튜브와 접촉하게 되는 2개의 'O' 링(즉, 'O' 링(70과 72))을 위한 시일드로서 기능하여, 상기 'O' 링이 플라즈마에 의해 발생되는 불리한 방사에 의해 직접 조사되는 것을 방지한다. 전술된 실시예에서, 캡 플레이트(30)는 전체적으로 물론 매우 양호한 열적 도체인 알루미늄으로 형성된다. 또한 플러그 연장부(32)는 플라즈마 튜브의 근처 부분에 입력되는 열을 감소시킴으로써 플라즈마 내에 형성되는 고온으로부터 'O' 링을 보호하는 역할을 한다.
또한 캡 플레이트(30)는 처리 가스가 플라즈마 튜브(12)내에 유입되는 통로를 구비한다. 상기 실린더형 플러그 연장부(32)는 캡(30)이 어플리케이터(10) 상에 조립될 때 얇은 환형 갭 영역(90)이 플러그 부분(32)과 플라즈마 튜브(12)의 내부 벽 사이에 존재하도록 플라즈마 튜브(12)의 내부 직경보다 작은 직경을 가진다. 그것의 상부 단부에 가까운 플러그 연장부(32)는 플러그 직경의 계단식 증가에 의해 형성되는 숄더(92)를 가진다. 숄더(92)는 장치가 조립될 때 상기 플라즈마 튜브가 플러그(32)의 축방향으로 슬라이딩하는 것을 방지하는 정지물로서 기능한다. 상기 어플리케이터가 조립될 때 숄더(92) 및 다른 단부에서 대응하는 숄더는 플라즈마 튜브가 가열될 때 축방향으로 자유롭게 팽창할 수 있도록 플라즈마 튜브의 길이보다 충분히 큰 거리를 두고 배치된다.
보어 홀(110)은 캡 플레이트(30)내의 방사 방향에 수평적으로 연장하고 상기 캡 플레이트의 중앙 위로 통과한다. 이런 보어 홀(110)은 선구물질 가스가 상기 어플리케이터(10)에 공급되는 유입 포트를 형성한다. 숄더(92)에 가까운 플러그(32)의 주변 둘레에서(즉, 플러그(32)의 직경이 증가하는 지점 바로 이전), V형 홈(112)이 플러그 연장부 둘레에 환형 공동을 형성한다. 홈(112)은 상기 캡 플레이트의 축에 대해 대략 45ㅀ의 각도로 상기 캡 플레이트 내로 직진하는 2개 이상의 통로(114)를 통해 보어 홀(110)과 통해 있다. 상기 캡 플레이트의 축에 대해 서로 180ㅀ로 배치되는 이런 통로(114)는 홈(112)의 하나의 벽으로부터 상기 캡 플레이트의 중앙에 가까운 보어 홀(110)로 연장한다.
작동 동안, 보어 홀(110)내에 유입되는 선구 물질 가스는 이런 접속 통로(114)를 통해 상기 플러그를 포위하고 강제 환기 챔버와 같이 기능하는 V형 홈(112)으로 흐른다. 다음에 V형 홈(112)으로부터의 가스는 상기 얇은 환형 갭 영역(90)을 통과하여 플라즈마를 형성하기 위해 마이크로파 에너지에 의해 여기되는 플라즈마 튜브(12) 내부로 흐른다. 캡 플러그를 둘러싸는 환형 공동 내에 상기 가스를 흘려줌으로써, 상기 가스는 플라즈마 튜브의 내부 표면 둘레에 균일하게 분포된다. 부가적으로, 상기 가스가 상기 얇은 환형 갭 영역에 플라즈마 튜브의 벽을 따라 주입되기 때문에 이것은 플라즈마로부터 'O' 링을 보호한다. 이는 2개 방식으로 가능한데, 첫째 환형 갭 영역(90)이 얇기 때문에 플라즈마 튜브 벽을 따라 상기 갭 영역 내에 플라즈마가 스며드는 것을 막는다. 또한, 상기 가스의 외부 방향 흐름은 상기 갭 내에 플라즈마가 스며드는 것을 추가로 막으려는 경향이 있는 플라즈마로부터의 버퍼를 형성한다.
어댑터 플레이트(50)의 실린더형 연장부(52)는 캡 플레이트(30) 상의 플러그 연장부(32)에 의해 사용되는 유사한 기능을 사용한다. 즉, 어댑터 플레이트(50)가 어플리케이터(10) 상에 조립될 때 실린더형 연장부(52)는 'O' 링(82)의 레벨 이하의 플라즈마 튜브(12)내, 즉 냉각제 시일까지 연장한다. 그러므로, 상기 금속 연장부는 2개의 'O' 링(80과 82)이 플라즈마에 의해 형성되는 열과 방사선에 노출되는 것을 방지하는 시일드로서 기능한다.
실린더형 연장부(52)는 활성화된 종이 주요 처리 챔버에 전달되도록 상기 어플리케이터의 외부로 통과하는 보어(55)를 포함한다. 보어를 좀더 작게 하면 2가지 장점이 생긴다는 것을 알 수 있다. 첫째, 더 작은 직경의 보어는 플라즈마에 의해 발생되는 아킹을 방지하고 마이크로파가 상기 보어를 통해 외부로 스며드는 것을 막는다. 부가적으로, 실린더형 연장부의 외부 직경에 비하여 더 작은 보어는 하나가 상기 연장부의 단부에서 더 큰 방사상 곡선을 사용하도록 하는데, 여기서 상기 연장부의 내부 벽은 상기 연장부의 외부 벽과 만난다. 이것은 연장부에 형성되고 다음에 기술되는 상기 보호층과 연관되는 장점을 가진다.
전술된 실시예에서, 상기 어플리케이터의 유입 단부에서, 플러그 연장부(32)는 플라즈마 튜브 내에 형성되는 높은 부식성 환경으로부터 이들을 보호하기 위해 그 위에 형성되는 경질 코팅 양극화 층을 가진다. 상기 경질 코팅 양극화 층은 약 0.001 인치의 두께이고, 상기 노출된 금속 표면의 피팅(pitting)을 방지한다. 이런 보호층이 없다면, 상기 금속에 대한 두드러진 손상이 발생하고 이것은 챔버를 오염시켜 제품을 못쓰게 만드는 미립자를 형성한다. 상기 경질 코팅 양극화 처리는 MIL A 8525, TYPE Ⅲ, CLASS 1, NON DYED로서 식별되는 공지된 군용 규격에 따라 수행된다.
효과적인 경질 코팅 양극화 층을 제조하기 위해, 연장부(32)는 단지 평탄하고 서서히 둥근 코너를 갖는 것이 바람직하다. 어떤 날카로운 에지 또는 작은 반경 코너가 있다면, 상기 경질 코팅 양극화 층은 이런 영역에 부착되지 않을 것이고 보호는 불충분할 것이다.
또한 경질 코팅 양극화 층을 어플리케이터의 하부 단부에서 상기 연장부(52)에 제공하는 것은 선택적이다. 이런 경우에, 실린더형 연장부(52) 또는 시일드 상에 상대적으로 두꺼운 벽을 갖는 것이 바람직하다. 이것은 상기 연장부의 외부 직경에 비해 더 작은 보어를 수반한다. 또한 더 두꺼운 벽은 양호한 열전달을 가지므로, 더 얇은 벽과 비교할 때 더 작은 열적 기울기를 가진다.
상기 실린더형 연장부의 외부 직경은 조립을 쉽게 하도록 플라즈마 튜브의 내부 직경보다 충분히 더 작다. 물론, 이것은 상기 환형 갭 영역(90)이 상기 어플리케이터의 다른 단부에서 상기 플러그 연장부의 둘레에 형성되는 것과 유사하게 상기 실린더형 연장부의 외벽과 상기 플라즈마 튜브의 내부 벽 사이에 얇은 환형 갭 영역을 형성한다. 전술된 실시예에서, 이런 갭에 가스가 흐르지 않는다. 그러나, 상기 어플리케이터의 유입 쪽에 대해 기술된 바와 같은 동일한 가스 주입 방법이 상기 어플리케이터의 출구 쪽에도 사용될 수 있다는 것에 주의하라. 바꾸어 말하면, 가스는 하부 시일드 연장부에 의해 형성되는 환형 갭 영역을 통해 상기 플라즈마 튜브의 하부 단부 내로 흐를 수 있다. 주입된 가스는 플라즈마가 갭에 스며드는 것을 방지할 것이다. 그러나, 이런 경우에 상기 갭을 통해 흐르는 가스는 상기 플라즈마 튜브의 다른 단부 내로 주입되는 세정 가스와 동일할 필요는 없다. 예를 들면, 세정 가스는 유입 가스 또는 전형적 운반 가스, 이를테면 질소, 헬륨 또는 아르곤이 될 수 있다.
물 포트의 구성은 전술된 실시예의 다른 중요한 특징이다. 상부에서 공급되는 물은 방사 방향으로 상기 튜브에 대한 알짜 압력이 형성되지 않도록 균형이 맞춰진다. 각각의 유입 포트(26a와 26b)를 통한 상기 시스템으로의 냉각제의 흐름은 플라즈마 튜브에 방사력을 형성하는 경향이 있다. 2개 유입 포트를 사용하여 상부 지지용 칼라(24)내에 서로 마주하게 위치시킴으로써, 상기 유입구 중 하나를 통해 흐르는 냉각제에 의해 형성된 측력은 다른 유입구에 의해 발생된 동일하고 반대 위치에 발생된 측력에 의해 균형이 맞춰진다. 그러므로, 상기 시스템을 통한 냉각제 펌핑의 결과로서 플라즈마 튜브에 발생된 알짜 방사력은 0이 될 것이다. 이것은 시간이 지나 플라즈마 튜브 한쪽에 구멍이 뚫리기 쉬운 방사상으로 유도된 알짜 힘이 없다는 것을 의미한다. 상기 힘이 안정되지 않은 경우, 탄성 재료로 형성되는 'O' 링은 변형되기 쉽고, 이로써 상기 플라즈마 튜브에 구멍이 뚫리게 하여 더 이상 수정 외부 튜브와 동심이 되지 않는다. 그 결과 환형 갭이 더 이상 플라즈마 튜브의 둘레에 균일한 두께를 갖지 않게 되고, 튜브 둘레에 냉각이 불균일하게 되어 덜 효과적이다.
전술된 실시예는 단지 서로 마주보게 배치된 2개의 유입 포트를 나타내지만, 플라즈마 튜브에 대한 알짜 방사 유도 힘이 실질적으로 0이 되는 한 유입 포트의 어떤 다른 구성이 사용될 수 있다. 그러므로, 예를 들면 하나는 상기 지지용 칼라 둘레에 균일하게 일정 거리에 배치되고 360ㅀ/n 만큼 서로 분리되는 n개의 유입 포트로 사용될 수 있다. 유입 포트의 수는 짝수일 필요는 없지만 하나 이상이어야 한다는 것에 주의하라.
물이 냉각제로서 사용되는 경우, 상기 사파이어 튜브와 상기 수정 튜브 사이의 좁은 방사상 갭은 일반적으로 0.005내지 0.020 인치의 범위 내에 있을 수 있다. 상기 갭은 사파이어 튜브의 효과적인 냉각을 제공하는 동시에, 마이크로파 에너지를 흡수하는 물의 부피를 최소화하기에 충분히 커야 한다. 상기 갭이 너무 좁다면, 냉각 자켓에 의해 형성되는 압력 하강이 너무 클 것이고 조립은 더욱 힘들어질 것이다. 다른 한편, 상기 갭이 너무 크면 상기 마이크로파 에너지의 감쇠가 너무 클 것이고 이는 플라즈마 어플리케이터의 성능 및 효율에 불리하게 작용할 것이다.
전술된 실시예에서, 사파이어 튜브(12)는 1.168인치의 O.D.와 약 1.040의 I.D.를 가진다. 수정 튜브(14)는 약 1.328인치의 O.D.와 1.184 인치의 I.D.를 가진다. 그러므로 냉각제 흐름에 대해 약 0.008의 방사 갭을 형성한다. 부가적으로, 사파이어 튜브(12)는 약 11 인치 길이이고 수정 튜브(14)는 약 9.5인치 길이이다. 그 결과 사파이어 튜브(12)는 약 0.75인치만큼 수정 튜브(14)의 각 단부를 넘어 연장한다.
플러그 연장부(32)와 실린더형 연장부(52)는 약 1.000인치의 외부 직경을 가진다. 그러므로, 상기 어플리케이터의 양 단부에서 환형 갭 영역은 약 0.020 인치의 반지름 치수를 가진다. 더욱이, 전술된 실시예에서 실린더형 연장부(52)를 통과하는 보어(55)는 약 0.75 인치의 직경을 가진다.
115와 117에 의해 표시된 위치에서 상기 상부 및 하부 지지용 칼라를 통과하는 홀은 이런 위치에서 홀 내에 지지되는 튜브보다 반지름 치수가 근소하게 약 0.004-0.005 인치 더 길다. 그러므로, 상기 튜브는 보통 'O' 링에 의해 적당히 홀딩될 때 상기 지지용 칼라에 정상적으로 접촉되지 않는다. 그러나, 어떤 이유 때문에 어느 한쪽의 튜브가 방사상 방향의 샛길로 이동되는 경우 이들의 이동은 튜브가 서로 접촉되지 않도록 이런 치수로 제한될 것이다.
어플리케이터의 어느 한쪽 단부에서 상기 연장부 또는 시일드는 전술된 것보다 플라즈마 튜브 내로 더 깊이 관통할 수 있다. 물론, 이것은 상기 'O' 링의 더 큰 보호를 제공한다. 또한 이들은 'O' 링의 적은 보호가 허용될 수 있다면 도시된 것보다 더 짧아질 수 있다. 부가적으로, 플라즈마 튜브 내에 발생되는 플라즈마는 전체 튜브를 채우려는 경향이 있다는 것에 주의하라. 그러므로, 전술된 실시예에서 플라즈마 튜브의 더 큰 부분이 마이크로파 공동의 아래 보다 위에 있는 약간 비대칭의 어플리케이터를 제조한다. 즉, 튜브의 입력단으로부터 마이크로파 공동의 중앙까지의 거리는 마이크로파 공동의 중앙으로부터 어플리케이터의 출력단까지의 거리보다 작다. 그러나, 이것은 또한 바람직한 다른 프로파일이 될 수 있다는 것을 제시하지 않는다. 부가적으로, 플라즈마 튜브, 외부 튜브, 'O' 링, 어플리케이터 하우징과 그것의 컴포넌트가 설명되었지만, 또한 다른 재료가 사용될 수 있다는 것으로 이해해야 할 것이다. 예를 들면, 상기 외부 튜브는 선택된 재료가 마이크로파 에너지에 투명하고 노출될 수 있는 온도를 잘 견디기만 하면 반드시 수정일 필요는 없다. 부가적으로, 사파이어 대신에 다른 재료, 예를 들어 수정 또는 다른 세라믹이 플라즈마 튜브에 사용될 수 있다.
전형적인 처리 시스템
전술된 플라즈마 어플리케이터는 광범위한 응용에 사용될 수 있다. 예를 들면, 도 4에 도시된 바와 같은 플라즈마 처리 시스템에서 활성화된 가스 종류의 원격 소스로서 사용될 수 있다. 이런 응용에서, 외부 가스 소스(200)는 도관(202)을 통해 플라즈마 어플리케이터(10)의 가스 유입 포트에 가스(예를 들어, 몇 가지 지명하여 NF3, C2F6, CF4)를 공급한다. 마이크로파 소스(208)로부터의 마이크로파 에너지는 도파관(22)을 통해 어플리케이터에 진입하여 어플리케이터내의 사파이어 플라즈마 튜브를 통해 흐르는 가스를 활성화시킨다. 플라즈마 어플리케이터(10)내에서 발생된 활성화된 가스 종은 차례로 플라즈마 어플리케이터(10)의 가스 출구 포트에 접속된 다른 라인(240)을 통해 플라즈마 챔버(204)에 공급된다. 펌프/냉동 장치 유니트(206)는 어플리케이터의 냉각 시스템의 냉각제 입구와 출구 포트 사이에 접속되고 그것이 작동할 때 어플리케이터(10)를 통해 냉각제를 순환시킨다. 상기 냉각제 회로내의 필터(207)는 냉각제 흐름에서 찌꺼기를 필터링한다. 전술된 실시예에서, 상기 필터는 0.2 미크론 필터이다.
전형적으로 플라즈마 챔버를 진공화하기 위한 진공펌프, 플라즈마 챔버 내에 제 2 플라즈마를 발생하기 위한 전력 소스(예를 들어, RF 공급 또는 DC 공급)를 포함하는 시스템 내에 다른 컴포넌트가 존재한다. 이런 컴포넌트는 당업자가 플라즈마 작업 시스템에 사용되는 컴포넌트와 익숙하기 때문에 도시되지 않는다.
여기된 종은 어떤 적당한 방식으로 처리 챔버에 전달될 수 있다. 부가적으로 상기 어플리케이터는 직접 기판 처리 챔버에 장착될 수 있거나 그것으로부터 멀리 배치될 수 있고, 이런 경우에 적당한 재료로 형성된 활성화된 가스 공급 라인이 요구될 것이다. 활성화된 가스 종이 높게 반응한다면, 활성화된 플루오르에 대한 경우가 될 수 있는 바와 같이, 라인(240)은 발생된 활성화된 가스 종과 상호 작용하지 않는 재료, 예를 들면 사파이어로 형성될 수 있다. 다른 적당한 재료는 스테인레스 강, 알루미늄, 세라믹 또는 일부 플루오르 기초 재료를 포함한다. 부가적으로, 금속 라인이 사용되면 플라즈마 처리 챔버로부터 어플리케이터의 전기적 절연을 제공하기 위해 비도전 또는 유전 재료, 이를테면 사파이어로 형성되는 그것의 섹션을 포함해야 할 것이다.
다른 실시예는 다음의 특허청구항내에 있다. 예를 들면, 도시된 2개의 'O' 링(도 1에서 'O' 링(70과 72) 및 'O' 링(80과 82) 참조)의 경우에 단일 'O' 링을 사용할 수 있다. 가스 분포 매니폴드와 복잡한 시일(즉, 환형 갭 영역을 통과하는 플라즈마 튜브의 단부 둘레의 긴 경로)은 플라즈마와 'O' 링으로부터 멀리 떨어진 활성화된 가스 종을 유지하도록 기능한다.
이상에서는 본 발명의 양호한 일 실시예에 따라 본 발명이 설명되었지만, 첨부된 청구 범위에 의해 한정되는 바와 같은 본 발명의 사상을 일탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에게는 명백하다.
본 발명은 높은 입력 전력을 취급할 수 있고, 높은 반응성 화학적 환경과 조합되는 고온에 견딜 수 있는 플라즈마 어플리케이터를 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 마이크로파 플라즈마 어플리케이터의 단면도.
도 2는 도 1로부터의 상부 칼라의 단면도.
도 3은 도 1의 플라즈마 어플리케이터의 입력단을 도시하는 도면.
도 4는 도 1에 도시된 플라즈마 어플리케이터를 사용하는 플라즈마 처리 시스템의 블록도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
12 : 플라즈마 튜브 14 : 수정 튜브
16 : 환형 영역 20 : 중앙 몸체

Claims (9)

  1. 실린더형 외부 튜브;
    상기 외부 튜브 내에 위치하고, 상기 외부 튜브와 동심이며, 제 1 단부와 제 2 단부를 갖는 실린더형 플라즈마 튜브;
    상기 플라즈마 튜브의 제 1 단부에 위치하는 제 1 지지대; 및
    상기 플라즈마 튜브의 제 1 단부에서 상기 플라즈마 튜브를 둘러싸고, 상기 플라즈마 튜브와 상기 제 1 지지대 사이에 압착되며, 상기 플라즈마 튜브의 상기 제 1 단부로부터 제 1 거리에 위치하는 시일(seal)을 포함하며,
    상기 플라즈마 튜브를 둘러싸는 상기 시일에 대한 보호부를 제공하도록 시일드(shield)가 상기 플라즈마 튜브의 제 1 단부 안으로 제 2 거리만큼 연장하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 어플리케이터.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 거리는 상기 제 1 거리보다 더 큰 것을 특징으로 하는 플라즈마 어플리케이터.
  3. 실린더형 외부 튜브;
    상기 외부 튜브 내에 위치하고, 상기 외부 튜브와 동심이며, 내부 벽을 갖는 실린더형 플라즈마 튜브; 및
    상기 플라즈마 튜브 안으로 연장하는 플러그를 가지며, 상기 플라즈마 튜브 안으로 연장하는 상기 플러그의 일부와 상기 플라즈마 튜브의 내부 벽 사이에 환형 갭 영역을 형성하는 어댑터를 포함하며, 상기 어댑터는 동작 중에 처리 가스가 상기 플라즈마 내로 흐르는 루트를 형성하도록 상기 어댑터 안에 형성되어 상기 환형 갭 영역과 통하는 통로를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 어플리케이터.
  4. 실린더형 외부 튜브;
    상기 외부 튜브 내에 위치하여 상기 외부 튜브와 축방향으로 정렬되며, 제 1 단부 및 제 2 단부를 갖고, 상기 외부 튜브와 동작 중에 냉각제가 흐르는 환형 갭 영역을 형성하는 실린더형 플라즈마 튜브;
    상기 플라즈마 튜브의 상기 제 1 단부에 위치하며, 내부 벽을 갖는 제 1 홀이 내부에 형성되고, 상기 플라즈마 튜브와 상기 외부 튜브를 둘 다 수용하는 제 1 지지대;
    상기 플라즈마 튜브의 상기 제 1 단부에서 상기 플라즈마 튜브를 둘러싸고 상기 플라즈마 튜브와 상기 제 1 홀의 내부 벽 사이로 연장하는 제 1 시일; 및
    상기 외부 튜브를 둘러싸고 상기 외부 튜브와 상기 제 1 홀의 내부 벽 사이로 연장하는 제 2 시일을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 어플리케이터.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 플라즈마 튜브의 상기 제 2 단부에 위치하고, 내부 벽을 갖는 제 2 홀이 내부에 형성되며, 상기 플라즈마 튜브와 상기 외부 튜브를 둘 다 수용하는 제 2 지지대;
    상기 플라즈마 튜브의 제 2 단부에서 상기 플라즈마 튜브를 둘러싸고 상기 플라즈마 튜브와 상기 제 2 홀의 상기 내부 벽 사이로 연장하는 제 3 시일; 및
    상기 외부 튜브를 둘러싸고 상기 외부 튜브와 상기 제 2 홀의 상기 내부 벽 사이로 연장하는 제 4 시일을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 어플리케이터.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 플라즈마 튜브는 제 1 길이를 갖고, 상기 외부 튜브는 제 2 길이를 가지며, 상기 제 1 길이는 상기 제 2 길이보다 더 큰 것을 특징으로 하는 플라즈마 어플리케이터.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 플라즈마 튜브는 상기 외부 튜브의 양 단부 바깥으로 연장하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 어플리케이터.
  8. 제 4 항에 있어서, 상기 제 1 지지대는 그 안에 형성된 상기 홀을 통과하여 상기 홀 안으로 연장하는 다수의 냉각제 유입 포트를 포함하고, 상기 다수의 냉각제 유입 포트는 상기 플라즈마 튜브의 축 둘레에 배치되어 상기 다수의 냉각제 유입 포트를 통해 상기 환형 갭 영역 내로 냉각제가 주입될 때 실질적으로 0인 방사 방향으로의 상기 플라즈마 튜브에 대한 알짜(net) 힘을 발생시키는 것을 특징으로 하는 플라즈마 어플리케이터.
  9. 실린더형 외부 튜브;
    상기 외부 튜브 내에 위치하여 상기 외부 튜브와 축방향으로 정렬되고, 제 1 단부와 제 2 단부를 가지며, 상기 외부 튜브와 동작 중에 냉각제가 흐르는 환형 갭 영역을 형성하는 실린더형 플라즈마 튜브;
    상기 플라즈마 튜브의 상기 제 1 단부에 위치하고, 내부 벽을 갖는 실린더형 제 1 홀이 내부에 형성되며, 상기 플라즈마 튜브와 상기 외부 튜브를 둘 다 수용하는 제 1 지지대;
    상기 플라즈마 튜브의 제 1 단부에서 상기 플라즈마 튜브를 둘러싸고 상기 플라즈마 튜브와 상기 실린더형 홀의 상기 내부 벽 사이로 연장하며, 상기 플라즈마 튜브의 상기 제 1 단부로부터 제 1 거리에 위치하는 제 1 시일; 및
    상기 외부 튜브를 둘러싸고, 상기 외부 튜브와 상기 실린더형 홀의 상기 내부 벽 사이로 연장하는 제 2 시일을 포함하며;
    상기 제 1 지지대는 상기 제 1 지지대를 통과하여 그 안에 형성된 상기 홀 안으로 연장하는 다수의 냉각제 유입 포트를 포함하며, 상기 다수의 냉각제 유입 포트는 상기 플라즈마 튜브의 축 둘레에 대칭적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 어플리케이터.
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