KR101288055B1 - 셀프 플라즈마 챔버를 포함하는 공정진행 모니터링 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공정진행 모니터링 장치에서 밀봉을 위해 사용하던 오링을 생략하여, 오링의 부식에 따른 제반문제점을 해결하고, 구성을 간소화하여 장치의 기밀성, 내열성, 신뢰성 측면에서 우수한 공정진행 모니터링 장치에 관한 것으로서, 본 발명에서의 공정진행 모니터링 장치는 공정 챔버에 연결된 배기관과 연결되고, 상기 공정 챔버 내의 가스를 인입시켜 플라즈마 상태로 만드는 공간을 형성하는 셀프 플라즈마 챔버와, 상기 배기관과 셀프 플라즈마 챔버의 연결부분에 설치되는 금속재질의 플랜지와, 상기 셀프 플라즈마 챔버와 상기 플랜지 사이의 누설을 방지하고 셀프 플라즈마 챔버가 소정의 진공압을 유지할 수 있도록 하는 기밀수단과, 상기 셀프 플라즈마 챔버 내의 가스를 플라즈마 상태로 만드는 고주파 전원을 공급하는 고주파 발생부와, 상기 고주파 전원을 발생시키는 전압과 전류를 측정하는 고주파 프로브와, 상기 셀프 플라즈마 챔버 내의 플라즈마로부터의 광선 빔을 감지하여 파장 영역별로 방출 감도를 측정하는 분광분석기와, 상기 고주파 프로브 및 분광분석기의 측정결과를 분석하여 상기 공정 챔버의 이상여부를 판단하는 제어부를 포함하며, 상기 셀프 플라즈마 챔버는 절연체 소재로 이루어지며, 상기 기밀수단은 상기 셀프 플라즈마 챔버와 상기 플랜지를 융착하여 일체화시키는 융착부로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

셀프 플라즈마 챔버를 포함하는 공정진행 모니터링 장치{Monitoring Device Having Self Plasma Chamber}

본 발명은 셀프 플라즈마 챔버를 포함하는 공정진행 모니터링 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 셀프 플라즈마 챔버를 구성하는 금속재질의 챔버 몸체와 절연관을 융착시켜 구성함으로써, 셀프 플라즈마 챔버의 구성을 간소화하고, 장치의 기밀성, 내열성, 신뢰성 측면에서 우수한 셀프 플라즈마 챔버를 포함하는 공정진행 모니터링 장치에 관한 것이다.

반도체 웨이퍼 또는 액정기판 등을 포함한 각종 표시장치의 기판은, 기판상에 박막을 형성하고 부분적으로 그 박막을 식각하는 등의 기판처리공정을 반복 수행함으로써 제조된다. 박막을 형성하는 공정은 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition, CVD) 방법 또는 플라즈마-강화 화학기상증착(Plasma Enhancement CVD, PECVD) 방법을 이용하여 수행되고 있다. 이외에도 반도체 공정에서 사용되는 증착기술로는 원자층 증착(Atomic Layer Deposition, ALD) 등이 있다.

이러한 증착 공정에서 사용되는 플라즈마 장치는 통상 반응공간을 형성하는 공정 챔버(process chamber)와, 공정가스를 공급하기 위한 샤워 헤드, 기판이 안착되는 하부전극, 샤워 헤드에 전원을 공급하기 위한 전원장치, 공정 챔버를 진공으로 유지하기 위한 진공펌브와 배기관 등을 포함한다.

이러한 반도체 공정에서 수율(yield)을 향상시키기 위해서는 공정 중에 발생하는 사고를 미리 방지하고 장비의 오동작 등을 사전에 방지하기 위해 공정의 상태를 실시간으로 모니터링하여 이상 상태 발생시 공정(process)을 중단시키는 등의 조치를 취하여 불량율을 낮춤으로써 공정을 최적화하는 것이 필요하다.

이를 위해, 공정 챔버와는 별도로 공정 챔버의 배기관에 연결되는 셀프 플라즈마 챔버를 마련하여, 셀프 플라즈마 챔버로 유입된 공정가스의 성분 및 압력 등의 변화를 실시간으로 모니터함으로써 공정상의 변화를 감지하는 기술이 제안되었다.

한국공개특허 제2008-0101968호는 공정가스를 모니터링 하는 장치에 관한 것으로, 구조가 간단하고 경제적이면서도 신뢰성 있게 공정 챔버에서 배기되는 가스를 분석할 수 있는 가스 모니터링 장치를 개시하고 있다.

그러나, 상기의 종래 기술에서는 챔버 몸체와 챔버 플레이트 사이 등을 밀봉하여 누설을 방지하고, 모니터링 챔버가 소정의 진공압을 유지할 수 있도록 하는 구성요소로서, 오링(oring)이 개재되는데, 상기 오링은 다음과 같은 문제점을 지닌다.

통상, 현존하는 상업용 오링은 400도 이상의 고온에서 부식성이 강한 염소성 가스, 불화물 가스에 견디지 못한다. 그런데, 가스 모니터링 장치는 이러한 부식성 가스에 노출되어 사용되고, 사용 조건에 따라 400도 이상의 온도에 노출될 수 있으므로, 종래의 오링을 사용한 제품의 경우, 밀봉이 파괴되어 공정사고의 원인이 될수 있는 문제가 있다.

또한, 챔버의 진동, 기구적인 하중에 의해 밀봉이 유지되지 못하므로 장치의 챔버형태를 변경하는데 제약이 된다. 가스 모니터링 장치는 챔버 내부의 플라즈마를 광학적으로 모니터하는데 오링을 사용할 경우, 광축을 일렬로 유지하도록 구성하기 위해서 별도의 부품이 필요하여 조립성, 무게, 비용, 부피 등의 요소에서 불리한 단점이 있는 것이다.

또한, 부식된 오링은 장치 내 오염원이 될 수 있고, 모니터링 장치의 신뢰성에 안좋은 영향을 미칠 수 있다.

따라서, 본 발명에서는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 종래의 기술에서 누설방지 및 밀봉을 위해 설치되는 오링을 생략하여, 오링의 부식에 따른 제반문제점을 해결할 수 있는 공정진행 모니터링 장치를 제공하고자 한다.

또한, 금속재질의 챔버 몸체와 절연관을 융착시켜 구성함으로써, 셀프 플라즈마 챔버의 구성을 간소화하고, 장치의 기밀성, 내열성, 신뢰성 측면에서 우수한 공정진행 모니터링 장치를 제공하고자 한다.

상기와 같은 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 공정 챔버에 연결된 배기관에 설치되는 공정진행 모니터링 장치에 있어서, 상기 배기관과 연결되고, 상기 공정 챔버 내의 가스를 인입시켜 플라즈마 상태로 만드는 공간을 형성하는 셀프 플라즈마 챔버와, 상기 배기관과 셀프 플라즈마 챔버의 연결부분에 설치되는 금속재질의 플랜지와, 상기 셀프 플라즈마 챔버와 상기 플랜지 사이의 누설을 방지하고 셀프 플라즈마 챔버가 소정의 진공압을 유지할 수 있도록 하는 기밀수단과, 상기 셀프 플라즈마 챔버 내의 가스를 플라즈마 상태로 만드는 고주파 전원을 공급하는 고주파 발생부와, 상기 고주파 전원을 발생시키는 전압과 전류를 측정하는 고주파 프로브와, 상기 셀프 플라즈마 챔버 내의 플라즈마로부터의 광선 빔을 감지하여 파장 영역별로 방출 감도를 측정하는 분광분석기와, 상기 고주파 프로브 및 분광분석기의 측정결과를 분석하여 상기 공정 챔버의 이상여부를 판단하는 제어부를 포함하며, 상기 셀프 플라즈마 챔버는 절연체 소재로 이루어지며, 상기 기밀수단은 상기 셀프 플라즈마 챔버와 상기 플랜지를 융착하여 일체화시키는 융착부로 이루어질 수 있다.

상기 융착부는 상기 셀프 플라즈마 챔버의 표면을 금속화하여 상기 플랜지와 금속간의 접합으로 전환하는 메탈라이징을 통해 접합하여 이루어질 수 있다.

상기 셀프 플라즈마 챔버는 세라믹, 사파이어, 석영을 포함하는 절연체 소재 중 선택된 어느 하나 또는 그들의 조합으로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 셀프 플라즈마 챔버의 외주면에는 자기장을 발생시키기 위한 전자기장 발생부에 연결되는 자성체가 구비된다.

상기 셀프 플라즈마 챔버의 몸체에는 외부 공기와의 접촉 면적을 넓힐 수 있도록 요철 모양으로 형성된 방열부가 구비될 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명에 의하면, 종래의 기술에서 누설방지 및 밀봉을 위해 설치되는 오링을 생략하여, 오링의 부식에 따른 제반문제점을 해결할 수 있다.

더 나아가, 절연체 재질의 챔버와 금속재질의 플랜지를 융착시켜 구성함으로써, 셀프 플라즈마 챔버의 구성을 간소화하고, 장치의 기밀성, 내열성, 신뢰성 측면에서 우수한 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 공정진행 모니터링 장치가 적용된 반도체 공정 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 공정진행 모니터링 장치의 일실시예를 도시한 평면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 공정진행 모니터링 장치의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 공정진행 모니터링 장치가 적용된 반도체 공정 시스템을 나타낸 도면이다.

본 발명의 공정진행 모니터링 장치(100)는 공정 챔버(10)에서 배출되는 가스가 유입되도록 배기관(40)과 연결되어 상기 공정 챔버(10) 내의 가스를 인입시켜 플라즈마 상태로 만드는 공간을 형성하는 셀프 플라즈마 챔버(20)와, 상기 셀프 플라즈마 챔버(20) 내의 가스를 플라즈마 상태로 만드는 고주파 전원을 공급하는 고주파 발생부(50)와, 상기 고주파 전원을 발생시키는 전압과 전류를 측정하는 고주파 프로브(도시하지 않음)와, 상기 셀프 플라즈마 챔버(20) 내의 플라즈마로부터의 광선 빔을 감지하여 파장 영역별로 방출 감도를 측정하는 분광분석기(spectrometer)(60)와, 상기 고주파 프로브 및 분광분석기(60)의 측정결과를 분석하여 상기 공정 챔버(10)의 이상여부를 판단하는 제어부(70)를 포함한다.

상기 공정 챔버(10)는 기판 처리가 이루어지는 반응공간을 형성하며 반응공간을 진공으로 유지함과 동시에 일정한 압력과 온도로 유지시켜주는 기능을 수행한다.

공정 챔버(10)의 일측에는 배기관(40)과 이에 연결된 진공펌프(30)를 더 포함한다. 공정 챔버(10) 내에서 소정의 공정을 미반응 공정 가스와 반응 부산물은 진공 펌프(30)에 의해 펌핑되어 상기 배기관(40)을 통해 배기된다. 이때 일부의 배기 가스는 배기관(40)의 일측에 연통된 인입관(80)을 통해 셀프 플라즈마 챔버(20)의 내부로 유입되어 실시간으로 모니터링 된다.

상기 인입관(80)의 위치와 길이 및 직경은 플라즈마 공정에 영향을 주지 않을 정도에서 최적의 조건을 실험을 통해서 결정한다. 이렇게 정해진 인입관의 설치 조건에 따라 인입관을 설치하여 배기관(40)의 가스 성분과 인입관(80)을 통해 인입되는 가스 성분이 실질적으로 동일하게 되도록 한다.

상기 고주파 발생부(50)는 셀프 플라즈마 챔버(20) 내의 가스를 플라즈마 상태로 만들기 위한 고주파 전원을 생성하여 공급한다. 그리고 공급되는 고주파 전원의 상태를 측정하기 위해 고주파 발생부(50)의 일단에 고주파 프로브(RF probe)가 설치되어 있다. 즉, 고주파 프로브는 챔버(20)에 공급되는 고주파(RF)의 전압, 전류의 상태를 모니터하여 챔버(20) 내부의 상태를 실시간으로 모니터링한다. 고주파 프로브는 V-I 프로브라고도 하는데 전압의 RMS(Root Mean Square) 값, 전류의 RMS 값, 전압과 전류의 위상 관계 또는 주파수 등을 측정한다.

제어부(70)는 이렇게 측정된 값들을 정상 상태인 경우의 값들과 비교함으로써 공정 챔버(10)의 이상여부를 판단할 수 있다. 즉, 장비의 오동작이나 공정의 이상으로 인해 가스 성분이 변화하거나 온도, 압력 조건이 달라져서 생기는 변화를 측정값을 통해 확인할 수 있다.

분광분석기(spectrometer)(60)는 셀프 플라즈마 챔버(20)에서 플라즈마 상태의 가스에서 나오는 빛을 광 파이버를 통해 입력받아 시간과 파장에 따른 분광 분포를 측정한다. 즉 분광분석기(spectrometer)(60)는 플라즈마 구성성분에 의한 분광 분포를 측정하는 것으로, 빛의 파장에 따른 분포도를 측정한다. 다시 말하면, 분광분석기(60)를 사용하여 플라즈마에서 방출되는 빛의 파장별 분포값을 측정함으로써 챔버 내부의 물리적, 화학적 상태를 실시간으로 모니터링한다.

분광 분석기(60)나 고주파 프로브를 통해 측정된 데이터는 제어부(70)로 전달되어 공정과정에 사용되거나 생성되는 물질의 상태를 실시간으로 계산할 수 있으며, 계산 결과를 통해 이상 여부를 판단하기 위해 정상적인 공정조건에서의 상태값들을 저장하고 있다가 이 값과 측정값을 비교한다. 즉 정상 상태인 경우의 데이터와 측정 데이터와 비교하여 일치정도에 따라 이상여부를 판단할 수 있다.

첨부한 도 2는 본 발명에 따른 공정진행 모니터링 장치의 일실시예를 도시한 평면도로서, 상기 셀프 플라즈마 챔버(20)는 절연체 재질의 절연관(23)과 챔버몸체(21)를 포함하는데, 상기 절연관(23)은 상기 배기관(40)과 금속재질의 플랜지(도시안함)를 통해 연결된다.

종래에는 상기 셀프 플라즈마 챔버(20)와 플랜지(22)를 연결시킴에 있어서, 그 사이에 오링을 삽입하여 기밀을 유지하도록 하였다.

그러나, 상기 오링은 시간이 지남에 따라 부식이 됨으로써, 장치 내 오염원을 발생시켜 모니터링 장치의 신뢰성에 안좋은 영향을 미칠 수 있을 뿐 아니라, 챔버의 기밀성이 약화되어 가스 누출의 위험성이 있는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명에서는 상기 오링을 생략하고, 이를 대체하면서도 더욱 견고하게 상기 셀프 플라즈마 챔버(20)와 플랜지(22)를 연결시킬 수 있는 기술수단으로, 융착부(22)를 제안한다.

즉, 챔버에서의 누설을 방지하고, 셀프 플라즈마 챔버(20)가 소정의 진공압을 유지할 수 있도록 하는 기밀수단으로서, 상기 셀프 플라즈마 챔버(20)와 플랜지(22)를 융착하여 일체화시키는 융착부(22)를 갖는 것이다.

상기 셀프 플라즈마 챔버(20)의 절연관(23)은 일단이 개방된 원통형 관형상으로 이루어지며, 개방된 일단에 융착부(22)가 형성되는데, 상기 융착부(22)는 비금속 재질의 셀프 플라즈마 챔버(20)와 금속 재질의 플랜지(22)를 융착시켜 일체화할 수 있는 메탈라이징을 통해 구현된다.

여기서, 상기 셀프 플라즈마 챔버(20)는 세라믹, 사파이어, 석영을 포함하는 절연체 소재 중 선택된 어느 하나 또는 그들의 조합으로 이루어진다.

본 발명의 실시예에서는 상기 셀프 플라즈마 챔버(20)가 세라믹 소재로 이루어지는 것을 예로 들어 설명하도록 한다.

세라믹은 금속 재료와의 접합성이 매우 나쁘며, 이는 서로 결정구조가 다르기 때문인데, 그들을 견고하고 고기밀로 접합하기 위해서는, 세라믹의 표면을 금속화하여 금속 재료 간의 접합으로 전환할 필요가 있다.

이를 위해, 세라믹의 표면에 티타늄 기반의 금속 페이스트를 도포하고, 고온 진공하에서 처리하여 티타늄이 세라믹에 확산 또는 세라믹과 반응하여 세라믹의 표면에 금속층을 형성시킨다.

메탈라이징 후에 도금처리를 실시하고, 브레이징을 통해 금속과 접합시킴으로써, 상기 융착부(22)를 형성할 수 있다.

이와 같은 융착부(22)는 높은 내식성이 있으며, 세라믹과 금속을 접합시켜서 기밀성, 내열성, 장기신뢰성 측면에서 매우 우수한 특성이 있다.

한편, 상기 절연관(23)의 외주면에는 자기장을 발생시키기 위한 전자기장 발생부에 연결되는 자성체(24)가 구비된다.

또한, 상기 챔버 몸체(21)에는 외부 공기와의 접촉 면적을 넓힐 수 있도록 요철 모양의 방열부(25)가 구비된다. 이러한 방열부(25)를 통해 냉각팬이나 냉각수 순환장치 등과 같은 별도의 냉각 장치 없이도 셀프 플라즈마 챔버(20)의 내부를 냉각할 수 있다.

이하에서는 본 발명에 따른 공정진행 모니터링 장치의 동작을 설명한다.

먼저, 공정 챔버(10) 내에서 소정의 공정을 미반응 공정 가스와 반응 부산물은 진공 펌프(30)에 의해 펌핑되어 배기관(40)을 통해 배기된다. 이때 일부의 배기 가스는 인입관(80)를 통해 셀프 플라즈마 챔버(20)의 내부로 유입된다.

한편, 고주파 전원을 공급하는 고주파 발생부(50)에서 발생된 고주파는 셀프 플라즈마 챔버(20)의 내부의 배기 가스를 이온화하여 플라즈마를 발생시킨다.

셀프 플라즈마 챔버(20) 내에서 플라즈마가 발생되면 플라즈마로부터 방사되는 빛이 분광분석기(60)로 전달되고, 이와 같이 전달된 광신호는 분광분석기(60)에 의해 분해되어 광 스펙트럼에 관한 전기적인 신호로 변환되고, 또 가스의 종류에 따라 스펙트럼 신호의 강도가 감지된다.

분광분석기(60)에서 감지된 스펙트럼 신호의 강도를 바탕으로 제어부(70)는 특정 가스의 농도를 실시간으로 계산하고 디스플레이한다. 여기서 제어부(70)는 특정 가스의 농도를 절대치가 아닌 기준물질의 농도에 대한 상대적으로 값으로 나타낼 수 있다.

또한, 상기 제어부(70)는 각 공정별로 입력되어 있는 기준 값과 분광분석기(60)에서 감지되는 가스의 종류 및 농도에 관한 데이터를 비교하여 공정이 제대로 진행되고 있는지의 여부나 공정 챔버(10) 상에 누설이 생겼는지의 여부를 판단한다.

또한, 제어부(70)는 가스의 종류별로 스펙트럼 신호의 강도가 시간에 따라 변하는 추이를 분석하여 공정의 종료시점(end point)를 결정하고, 그 결과를 작업자에게 디스플레이한다. 즉 공정에 사용된 소스 가스에 대한 스텍트럼 신호의 강도가 강하게 유지되고, 반응 부산물에 대한 스펙트럼 신호의 강도가 약하게 유지된다면 소스 가스가 더 이상 소모되지 않고, 또 반응 부산물이 생성되지 않는다는 것을 의미하므로 제어부(70)는 공정이 완료되었다고 판단하게 된다.

이때, 본 발명에서의 셀프 플라즈마 챔버(20)는 절연체인 절연관(23)과 금속재질의 플랜지를 융착하여 일체화시키는 융착부(22)를 구비하고 있으므로, 장치의 기밀성, 내열성, 신뢰성 측면에서 우수한 효과가 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

10 : 공정 챔버 20 : 셀프 플라즈마 챔버
21 : 챔버 몸체 22 : 융착부
23 : 절연관 30 : 진공펌프
40 : 배기관 50 : 고주파 발생부
60 : 분광분석기 70 : 제어부
80 : 인입관 100 : 공정진행 모니터링 장치

Claims (5)

1. 공정 챔버에 연결된 배기관에 설치되는 공정진행 모니터링 장치에 있어서,
   상기 배기관과 연결되고, 상기 공정 챔버 내의 가스를 인입시켜 플라즈마 상태로 만드는 공간을 형성하는 셀프 플라즈마 챔버;
   상기 배기관과 셀프 플라즈마 챔버의 연결부분에 설치되는 금속재질의 플랜지;
   상기 셀프 플라즈마 챔버와 상기 플랜지 사이의 누설을 방지하고 셀프 플라즈마 챔버가 소정의 진공압을 유지할 수 있도록 하는 기밀수단;
   상기 셀프 플라즈마 챔버 내의 가스를 플라즈마 상태로 만드는 고주파 전원을 공급하는 고주파 발생부;
   상기 고주파 전원을 발생시키는 전압과 전류를 측정하는 고주파 프로브;
   상기 셀프 플라즈마 챔버 내의 플라즈마로부터의 광선 빔을 감지하여 파장 영역별로 방출 감도를 측정하는 분광분석기; 및
   상기 고주파 프로브 및 분광분석기의 측정결과를 분석하여 상기 공정 챔버의 이상여부를 판단하는 제어부;
   를 포함하며,
   상기 셀프 플라즈마 챔버는 절연체 소재로 이루어지며, 상기 기밀수단은 상기 셀프 플라즈마 챔버와 상기 플랜지를 융착하여 일체화시키는 융착부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 공정진행 모니터링 장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 융착부는 상기 셀프 플라즈마 챔버의 표면을 금속화하여 상기 플랜지와 금속간의 접합으로 전환하는 메탈라이징을 통해 접합하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 공정진행 모니터링 장치.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 셀프 플라즈마 챔버는 세라믹, 사파이어, 석영을 포함하는 절연체 소재 중 선택된 어느 하나 또는 그들의 조합으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 공정진행 모니터링 장치.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 셀프 플라즈마 챔버의 외주면에는 자기장을 발생시키기 위한 전자기장 발생부에 연결되는 자성체가 구비되는 것을 특징으로 하는 공정진행 모니터링 장치.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 셀프 플라즈마 챔버의 몸체에는 외부 공기와의 접촉 면적을 넓힐 수 있도록 요철 모양으로 형성된 방열부가 구비되는 것을 특징으로 공정진행 모니터링 장치.

Images