KR101288047B1 - 멀티 프리퀀시를 이용한 가스 분석장치 - Google Patents

멀티 프리퀀시를 이용한 가스 분석장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 멀티 프리퀀시를 이용한 가스 분석장치는, 챔버의 가스가 인입되는 보조 챔버에서 서로 다른 대역의 주파수 전원을 복합적으로 동시에 인가하여 플라즈마를 방전함으로써, 보조 챔버의 내부 압력변화에도, 플라즈마가 균일하게 방전 및 유지할 수 있는 안정성을 높일 수 있고, 다양한 주파수 전원을 공급을 통해 이온 집중화 현상을 감소하여 플라즈마 처리 효율을 높일 수 있도록 한다. 이를 위해 본 발명은, 플라즈마 방전을 위해 제 1 주파수를 상기 보조 챔버에 인가하는 제 1 주파수 발생부, 플라즈마 방전을 위해 제 2 주파수를 상기 보조 챔버에 인가하는 제 2 주파수 발생부, 및 보조 챔버에서 발생하는 광선을 분석하기 위한 분광분석기를 포함하고, 상기 제 1 주파수 및 제 2 주파수는 동시에 인가될 수 있다.

Description

멀티 프리퀀시를 이용한 가스 분석장치{Gas Analysis Apparatus Using Multi-Frequency}
본 발명은 멀티 프리퀀시를 이용한 가스 분석장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 플라즈마(Plasma)를 이용한 챔버(Chamber)의 공정 시 내부의 변화를 분석하기 위해, 챔버에서 배출되는 가스(Gas)를 보조 플라즈마 챔버로 인입하고, 대역이 서로 다른 주파수(Frequency)를 복합적으로 동시에 방출하여 안정적인 플라즈마 방전을 통해 가스를 분석하는 멀티 프리퀀시를 이용한 가스 분석장치에 관한 것이다.
반도체(Semiconductor) 및 디스플레이(Display) 제조에는 플라즈마를 이용한 박막, 식각 등을 이용한 제조공정이 이용된다. 박막 형성방법으로는 화학적 기상 증착법(CVD : Chemica Vapor Deposition), 진공증착(Evaporation), 이온플레이팅(Ion Plating), 스퍼터링(Sputtering) 등이 있으며, 상기 방법들을 통해 반도체의 웨이퍼 및 디스플레이 기판 표면에 다양한 가스들을 플라즈마로 이온화하여 증착함으로써 의도한 품질의 제품을 생산한다.
이러한 플라즈마를 이용한 공정에서, 챔버 내부의 가스 성분의 변화를 모니터링(Monitoring)하기 위해서, 이온화되어 있는 가스를 배기관을 통해 가스 분석장치로 인입하고, 다시 플라즈마로 상태로 변환하는 과정을 거치게 된다. 여기서, 인입된 가스를 플라즈마 상태로 변환하는 과정에서 내부 진공도에 따라 플라즈마의 방전 상태가 변화할 수 있어, 플라즈마의 안정적인 방전에 대한 필요성이 요구된다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위해, 도 1에서 도시하고 있는 종래기술, 한국등록특허 제 10-0690144호 "플라즈마를 이용한 가스 분석장치"는 원통형상의 반응로에 포집된 공정 챔버의 가스를, 고주파전원을 통한 플라즈마 변환하고, 이때 방전하는 빛을 분광기로 분석하는 가스 분석장치를 제안하고 있다.
그러나, 상기 가스 분석장치는 단일 대역의 주파수 전원으로만 플라즈마 방전시킴으로써, 반응로의 내부 압력변화가 발생할 경우 플라즈마의 방전 및 유지가 불안정적일수 있으며, 챔버의 내부 압력이 인가된 주파수 대역 한계치를 벗어나는 고진공 상태가 되면, 플라즈마의 방전, 유지, 재방전 및 소멸 등에 있어서 제어가 어려워지는 문제점이 발생할 수 있다.
본 발명의 목적은 챔버를 내부 변화를 감지하기 위해, 챔버의 가스를 보조 챔버에서 플라즈마로 변환 시, 보조 챔버에 서로 다른 대역의 주파수 전원을 복합적으로 인가함으로써, 보조 챔버 내부의 압력변화에 상관없이 안정적으로 플라즈마를 방전 및 유지할 수 있는 멀티 프리퀀시를 이용한 가스 분석장치를 제공하는 데 있다.
상기한 목적은 본 발명에 따라, 챔버(chamber) 내부 가스를 배기관을 통해 인입하며, 인입된 상기 가스를 플라즈마 상태로 변환하는 보조 챔버를 이용한 가스 분석장치에 있어서, 플라즈마 방전을 위해 제 1 주파수를 상기 보조 챔버에 인가하는 제 1 주파수 발생부; 플라즈마 방전을 위해 제 2 주파수를 상기 보조 챔버에 인가하는 제 2 주파수 발생부; 상기 보조 챔버에서 발생하는 광선을 분석하기 위한 분광분석기를 포함하고, 상기 제 1 주파수 및 제 2 주파수는 동시에 인가되는 것에 의해 달성된다.
본 발명에 따르면, 챔버의 가스가 인입되는 보조 챔버에서 다른 대역의 주파수 전원을 복합적으로 인가하여 플라즈마를 방전함으로써, 보조 챔버의 내부 압력변화가 발생하더라도, 플라즈마가 균일하게 방전 및 유지할 수 있도록 한다.
도 1은 종래기술의 구성도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 분석장치의 구성도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 분석장치의 흐름도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 보조 챔버 내부 측면도를 도시한다.
본 발명에서 언급하는 챔버는, 반도체 웨이퍼 기판 또는 디스플레이 패널 기판 등의 제조공정에서 진공 펌프를 이용해 챔버 내부를 진공상태로 만들 수 있고, O₂, H₂, N₂, F₂, Cl₂, He, Ar, CCl₄, CHF₃등의 가스를 투입하여 강한 전자기장을 통해 플라즈마로 변환하여, 기판에 대한 식각 또는 박막 증착 등의 작업을 할 수 있는 챔버를 지칭할 수 있다.
본 발명에서 언급하는 플라즈마는, 자연계에서 존재하는 고체, 액체 및 기체의 물질구성 중, 기체에 직류, 초고주파, 전자빔 등 전기적 방법으로 높은 에너지를 가하여, 총 전하수가 같은 이온과 전자로 분리되어 전기적 중성상태의 자유 대전 정공을 포함한 전기 전도성 물질상태를 지칭할 수 있다.
본 발명에서 언급하는 배기관은, 챔버 및 보조 챔버와 연결되어, 일측에 구비된 진공 펌프를 통해 챔버 내부를 진공상태로 만들 수 있게 공기의 출입 통로 기능을 하고, 챔버의 공정 후 배출되는 가스의 배출 통로 기능을 하며, 챔버에서 배출되는 가스를 보조 챔버에 전달할 수 있는 기능을 하는 통로를 지칭할 수 있다.
본 발명에서 언급하는 보조 챔버는, 챔버의 가스를 배기관을 통해 인입하며, 인입된 가스를 주파수 전원을 통해 플라즈마 변환할 수 있으며, 내부 압력을 측정할 수 있는 압력센서가 일측에 구비되는 챔버를 지칭할 수 있다.
본 발명에서 언급하는 광섬유 케이블은, 원통형 형상으로 심(Core), 클래드(Clad) 및 재킷(Jacket) 등으로 이루어져 있으며, 주성분이 유리섬유의 빛 펄스로서 바깥전류에 영향을 받지 않으며 심과 다른 특성을 지닌 유리, 플라스틱 등으로 씌어져 전기신호를 광선신호로 변환하여 전달하는 케이블을 지칭할 수 있다.
본 발명에서 언급하는 제 1 주파수 발생부는, 0MHz 내지 150Mhz 대역의 제 1 주파수를 발생하고, 제 1 주파수를 발생시키는 전압과 전류를 측정할 수 있는 제 1 프로브를 포함할 수 있다.
본 발명에서 언급하는 제 2 주파수 발생부는 151MHz 내지 2.5GHz 대역의 제 2 주파수를 발생하고, 제 2 주파수를 발생시키는 전압과 전류를 측정할 수 있는 제 2 프로브를 포함할 수 있다.
본 발명에서 언급하는 제1압력은, 진공 펌프를 통해 진공상태를 가지는 챔버 또는 보조 챔버의 내부 진동도가, 2×10­⁴torr 내지 10 torr인 상태를 지칭할 수 있다
본 발명에서 언급하는 제2압력은, 진공 펌프를 통해 진공상태를 가지는 챔버 또는 보조 챔버의 내부 진공도가, 11 torr 내지 300 torr인 상태를 지칭할 수 있다.
본 발명에서 언급하는 분광분석기는, 보조 챔버의 플라즈마에서 방출되는 자외선, 가시광선 등의 광선을 분광시켜 얻는 스펙트럼선(Spectral Line)을, 각각의 파장 영역별로 감도를 체크하여 분석하는 분석기를 지칭할 수 있다.
본 발명에서 언급하는 가스 분석장치는, 보조 챔버, 분광분석기, 제1, 2 주파수 발생부 및 제어부 등으로 이루어지며, 보조 챔버에서 발생하는 플라즈마가 방출하는 광선을 분석하여 챔버의 내부 상태변화를 모니터링할 수 있는 장치를 지칭할 수 있다.
본 발명에서 언급하는 제어부는, 압력센서, 분광분석기 제 1, 2 주파수 발생부 및 제 1, 2 프로브와 데이터 송수신하거나 제어할 수 있고, 사용자에 의해 정상작동 범위 또는 오작동 범위 등의 기준값을 설정할 수 있는 장치를 지칭할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 다른 가스 분석장치의 구성도를 도시한다.
도 2를 참조하면, 챔버(10) 하측은 배기관(20)과 연결되어 내부 진공도 조절 및 가스 배출을 할 수 있으며, 보조 챔버(110)의 일단은 보조 배기관을 통해 배기관(20)과 연결되고, 타 단은 분광분석기(140)와 광섬유 케이블(111)을 통해 연결된다. 보조 챔버(110) 외측면은 제 1 주파수 발생부(120), 제 2 주파수 방전부(130)와 연결되는 코일에 의해 각각 권회한다. 또한, 가스 분석장치(100) 일측에 구비되는 제어부(151)는 보조 챔버(110), 제1, 2 주파수 발생부(120, 130) 및 분광분석기(140) 등과 유선 케이블방식 또는 무선통신 방식으로 데이터를 송신하며 각각에 대한 동작을 제어를 할 수 있다.
챔버(10)에서 주입되는 가스는, 플라즈마를 통한 식각 또는 박막공정이 이루어지는 O₂, H₂, N₂, F₂, Cl₂, He, Ar, CCl₄, CHF 등의 가스이며, 해당 가스는 챔버에서 배출되어 배기관(20)과 보조 배기관을 통해 보조 챔버(110)에 인입하게 된다.
여기서, 도시하지 않았지만 배기관(20) 하측에는 챔버(10)의 진공도를 조절하기 위한 진공 펌프를 포함할 수 있다.
여기서, 가스는 배기관(20)과, 보조 챔버(110)와 배기관(20)을 연결하는 보조 배기관을 통해 보조 챔버(110)에 인입될 수 있다.
여기서, 보조 배기관의 길이 및 직경은 압력 또는 공정조건에 따라 조정될 수 있다.
보조 챔버(110)로 인입된 가스는, 챔버(10)에서는 플라즈마 상태였지만 배기관(20)과 보조 배기관을 거치면서 이온과 전자의 결합이 이루어져 있는 상태로 전이됨으로써, 가스 성분분석을 위해서는 다시 플라즈마 변환이 필요하다.
따라서, 보조 챔버(110)로 가스가 인입되면, 도시하지 않았지만 보조 챔버(110)와 연결된 진공 펌프를 통해 보조 챔버(110) 내의 진공도를 조절하고, 제 1 주파수 발생부(120) 및 제 2 주파수 발생부(130)를 통해 각각, 0MHz ~ 150MHz 대역의 제 1 주파수, 제 1 주파수 최대값인 150MHz의 14배 내지 16배의 최대값을 포함하는 151MHz ~ 2.5GHz 대역의 제 2 주파수를, 보조 챔버(110) 외측면을 권회하고 있는 코일을 통해 동시에 보조 챔버(110)로 공급한다. 이렇게 대역이 다른 주파수를 동시에 공급하는 이유는, 보조 챔버(110)의 진공도가 초기에는 진공 펌프를 통해 플라즈마 방전에 유리한 진공도로 조정 가능하지만, 플라즈마 방전 후, 진공도가 일정하게 유지되는 것이 아니라, 이온 및 전자의 운동상태, 공급 전력의 세기 등에 의해 수시로 변화 가능함으로써, 플라즈마를 안정적으로 균일하게 방전 및 유지하기 위해 서로 다른 대역의 주파수를 동시에 공급한다.
예를 들어, 보조 챔버(110)의 진공도가 2×10­⁴torr ~ 10 torr의 제1압력, 즉 고진공상태인 경우, 0MHz ~ 150MHz 주파수 대역의 제 1 주파수만으로도 충분히 플라즈마를 방전하고 유지할 수 있지만, 보조 챔버(110)의 내부 진공도가 11 torr ~ 300 torr인 제2압력, 즉 상압에 가까운 진공상태일 경우, 제 1 주파수의 대역으로는 플라즈마의 방전, 재방전, 유지 및 소멸이 어려울 수 있다. 하지만, 151MHz ~ 2.5GHz의 주파수 대역을 갖는 제 2 주파수를 이용하면 상기 문제점을 해결할 수 있다. 따라서, 보조 챔버(110) 내부 진공도의 편차가 명확하지 않은 상황에서 다양한 대역의 주파수를 동시에 인가하면 플라즈마의 방전, 재방전, 유지 및 소멸의 제어에 있어 안정성을 높일 수 있다.
또한, 단일 주파수 대역을 사용했을 때 발생할 수 있는 쉬스층(Sheath)의 이온 집중화 현상을, 다중 대역의 주파수 인가를 통해 이온을 밀고 당기는 방식의 DC 셀프 바이어스를 유도하여 해결함으로써, 플라즈마의 효율을 높일 수 있다.
여기서, 제 1 주파수 발생부(120), 제 2 주파수 발생부(130)는 보조 챔버(110)에 코일을 권회하는 방식으로 주파수를 공급하지만, 본 발명은 이에 한정된 것은 아니며, 보조 챔버(110) 내부와 연통하는 안테나를 삽입하는 방식으로도 주파수를 공급할 수 있다.
여기서, 제 1 주파수 발생부(120), 제 2 주파수 발생부(130)가 보조 챔버(110)에 코일을 권회하는 횟수 및 위치는 공정 상황에 따라 최적화될 수 있다.
제 1, 2 주파수의 공급을 통해 보조 챔버(110) 내부에서 플라즈마가 방전하면, 플라즈마는 가시광선, 자외선 등의 광선을 방출한다. 상기 광선을 보조 챔버(110)와 광섬유 케이블(111)로 연결된 분광분석기(140)로 전달하면, 분광분석기(140)는 전송받은 광선의 스펙트럼선을 각각의 파장 영역별로 분석하여 성분 검사를 한다. 성분 검사 결과를 제어부(151)에 전달하면, 제어부(151)는 검사 결과가 사용자에 의해 설정되어 있는 정상작동 범위 내에 포함되는지 판단할 수 있고, 입력된 검사 결과를 토대로 가스 분석장치(100)를 최적화하기 위해 가스 분석장치(100) 및 진공 펌프 등을 제어한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 분석장치의 흐름도를 도시한다.
도 3을 참조하면, 챔버(10)는 플라즈마를 이용한 공정에 사용된 가스를 배기관(20)으로 배출한다(S101).
배출된 가스는 챔버(10)의 내부 상태 변화를 모니터링 하기 위해 배기관(20)과 보조 배기관을 통해 보조 챔버(110)에 인입되면(S102), 제 1, 2 주파수 발생부(120, 130)를 통해 서로 다른 대역의 제 1, 2 주파수를 보조 챔버(110)에 공급한다(S103).
여기서, 제 1, 2 주파수 발생부(120, 130)는, 보조 챔버(110)의 일측에 구비된 압력센서를 통해, 보조 챔버(110) 내부 압력을 판단하여 제어부(150)에 전송하면, 제어부(150)는 현재 압력에서 플라즈마 방전 및 유지에 유리한 대역의 주파수를 제 1, 2 주파수 발생부(120, 130)의 제어를 통해 선택적으로 공급할 수 있다. 이는 복합적인 주파수 인가가 아니라, 내부 압력에 따라 선택적으로 단일 주파수 공급이 이루어질 수 있어, 가스 분석장치의 전체적인 효율을 높일 수 있다.
상기 주파수의 공급을 통해 가스의 플라즈마 변환이 일어나고(S104), 플라즈마가 방출하는 광선을 분광분석기(140)를 통해 분석한다(S105).
광선 분석 결과를 제어부(151)에 전송하면(S106), 제어부(151)는 분석결과를 토대로 가스 분석장치(100)를 제어하여 최적화 한다(S107).
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 보조 챔버 내부 측면도를 도시한다.
도 4를 참조하면, 보조 챔버(110)에 인입된 가스가 서로 다른 대역의 멀티 주파수 공급을 통해 이온과 전자로 분리된다. 플라즈마는 이온과 전자의 총 전하수가 동일하여 전기적으로 중성상태를 유지한다.
여기서, 플라즈마 변환이 일어나는 보조 챔버(110)는 사용된 가스가 해리되어 보조 챔버 내벽에 부착함으로써, 보조 챔버(110)를 오염시키는 원인이 될 수 있다. 이를 방지하기 위해, 챔버(10)에서 내부 세정을 위해 사용했던 가스가 배기관(20)을 통해 보조 챔버(110)에 인입되면, 챔버(10)와 같은 방식으로, 인입된 가스를 플라즈마 변환하여 이온과 전자의 운동을 통해 보조 챔버(110) 내벽에 부착된 이물질을 제거한다.
여기서, 보조 챔버(110) 내의 이물질이 해리된 가스와 서로 접촉 및 결합하여 보조 챔버(110) 내부 모서리 부분에 위치할 경우, 모서리 틈새 각진 구조의 특성상 세정작업에 어려움이 발생할 수 있음으로, 보조 챔버(110) 모서리 부분을 나선형으로 형성하여 이물질의 세정력을 높일 수 있다.
여기서, 본 발명의 보조 챔버(110) 내부 모서리 구조는 나선형으로 한정된 것을 아니며, 모서리 부분이 각지지 않은 원형, 원통형 등의 굴곡을 가진 형태로도 적용될 수 있다.
10: 챔버 20 : 배기관
100: 가스 분석장치 111: 광섬유 케이블
110: 보조 챔버 120: 제 1 주파수 발생부
130: 제 2 주파수 발생부 140: 분광분석기
151: 제어부

Claims (7)

  1. 챔버(chamber) 내부 가스를 배기관을 통해 인입하며, 인입된 상기 가스를 플라즈마 상태로 변환하는 보조 챔버를 이용한 가스 분석장치에 있어서,
    플라즈마 방전을 위해 제 1 주파수를 상기 보조 챔버에 인가하는 제 1 주파수 발생부;
    플라즈마 방전을 위해 제 2 주파수를 상기 보조 챔버에 인가하는 제 2 주파수 발생부; 및
    상기 보조 챔버에서 발생하는 광선을 분석하기 위한 분광분석기;
    를 포함하고, 상기 제 1 주파수 및 제 2 주파수는 동시에 인가되는 것을 특징으로 하는 멀티 프리퀀시를 이용한 가스 분석장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 보조 챔버는,
    상기 챔버 내의 가스가 배출되는 배기관과 연결되며, 상기 배기관을 통해 인입된 상기 가스를 플라즈마 상태로 만드는 챔버인 것을 특징으로 하는 멀티 프리퀀시를 이용한 가스 분석장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 보조 챔버는,
    상기 배기관으로부터 인입되는 가스의 압력을 측정하기 위한 압력센서를 일측에 구비하는 것을 특징으로 하는 멀티 프리퀀시를 이용한 가스 분석장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 분광분석기는,
    상기 보조 챔버와 광섬유 케이블로 연결되는 것을 특징으로 하는 멀티 프리퀀시를 이용한 가스 분석장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 주파수 발생부는,
    0MHz 내지 150MHz의 주파수를 발생하는 것을 특징으로 하는 멀티 프리퀀시를 이용한 가스 분석장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 주파수 발생부는,
    151MHz 내지 2.5GHz의 주파수를 발생하는 것을 특징으로 하는 멀티 프리퀀시를 이용한 가스 분석장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 주파수의 최대값은,
    상기 제 2 주파수 최대값에 대해 14배 내지 16배인 것을 특징으로 하는 멀티 프리퀀시를 이용한 가스 분석장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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