KR101526129B1 - Ｒｆ 가열된 챔버 컴포넌트들을 냉각시키기 위한 시스템 - Google Patents

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사라바나프리얀 스리라만
리키 마쉬
알렉스 페터슨
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램 리써치 코포레이션
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Abstract

일 실시형태에서, 플라즈마 프로세싱 디바이스는 유전체 윈도우, 진공 챔버, 에너지 소스 및 적어도 하나의 공기 증폭기를 포함할 수도 있다. 유전체 윈도우는 플라즈마 노출면과 공기 노출면을 포함할 수도 있다. 진공 챔버 및 유전체 윈도우의 플라즈마 노출면은 플라즈마 프로세싱 가스를 엔클로징하기 위해 협력할 수 있다. 에너지 소스는 유전체 윈도우를 통해 전자기 에너지를 전달하여 유전체 윈도우 내에 고온 영역을 형성할 수 있다. 적어도 하나의 공기 증폭기는 유전체 윈도우와 유체 연통할 수 있다. 적어도 하나의 공기 증폭기는 적어도 약 1 in-H2O 의 배압으로 동작할 수 있고, 적어도 약 30 cfm 의 공기를 제공할 수 있다.

Description

ＲＦ 가열된 챔버 컴포넌트들을 냉각시키기 위한 시스템{SYSTEMS FOR COOLING RF HEATED CHAMBER COMPONENTS}
관련된 출원들의 상호 참조
본 출원은 "SYSTEMS FOR COOLING RF HEATED CHAMBER COMPONENTS" 라는 명칭으로 2011년 10월 7일자로 출원된 미국 가출원 제61/544,799호를 우선권 주장한다. 상기 출원의 전체 내용은 본 명세서에서 참조로서 통합된다.
기술 분야
본 명세서는 일반적으로 냉각용 디바이스들을 포함하는 플라즈마 프로세싱 디바이스들에 관한 것이고, 더욱 상세하게는 유전체 윈도우를 냉각시키기 위한 디바이스들을 포함하는 플라즈마 프로세싱 디바이스들에 관한 것이다.
플라즈마 프로세싱 디바이스들은 예를 들면, 반도체 또는 유리로 형성된 기판으로부터 떨어진 물질을 에칭하는데 활용될 수 있다. 플라즈마 프로세싱 디바이스들은 이온화되어 플라즈마로 변형될 수 있는 플라즈마 프로세싱 가스들을 엔클로징하는 진공 챔버를 포함할 수도 있다. 예를 들면, 에너지 소스 (무선 주파수 (RF), 마이크로파 또는 다른 소스) 는 플라즈마를 생성하기 위해 에너지를 프로세스 가스에 인가할 수 있다. 일부 플라즈마 프로세싱 디바이스들에서, 에너지는 진공 챔버에 의해 형성된 유전체 윈도우를 통해 전달될 수 있다. 따라서, 유전체 윈도우는 전자기 에너지에 의해 유도되는 가열을 받을 수 있다. 또한, 가열은 프로세스 조건들에 의해 야기된 전자기 에너지에서의 변화들로 인해 유전체 윈도우의 특정 영역들에 한정될 수 있다. 유전체 윈도우에 대한 2 가지 가열 소스들이 존재할 수 있다. 먼저, 윈도우의 유전적 속성들 (탄젠트-δ) 은 RF 또는 마이크로파 전력의 직접적인 흡수를 발생시킬 수도 있다. 다음에, 에너지 소스에 의해 생성된 플라즈마는 윈도우를 간접적으로 가열할 수 있다. 또한, 가열은 심지어 유전체 윈도우에 걸쳐 분산될 수 있거나, 소스의 설계 (안테나 구성, 등등) 및 플라즈마 조건들로 인해 윈도우의 특정 영역들에 한정될 수 있다.
열 에너지는 유전체 윈도우들에 의해 수동적으로 (즉, 냉각 디바이스 없이) 제거되거나 액체 냉각 시스템 또는 팬 냉각 시스템과 같은 냉각 디바이스에 의해 제거될 수 있다. 액체 냉각 시스템들은 효율적일 수 있지만 수동 냉각 시스템 또는 팬 냉각 시스템보다 가격이 비싸다. 또한, 액체 냉각 시스템들은 전자기 에너지를 필요로 하는 환경에서 구현하기가 더 어렵다. 예를 들면, 액체 냉각은 열 경사도 및 열 분해를 발생하는 한정된 냉각을 야기할 수 있다. 액체의 유전적 속성들은 주변의 세라믹에 따라 상이하며, 이는 RF 전력의 불균일한 전달을 발생한다. 예를 들면, 액체는 전도성일 수도 있고, 이는 액체 내에서 RF 전력의 소멸을 발생할 것이다. 액체는 핵 형성을 필요로 할 수도 있고, 냉각 시스템 내에 포함시키기 어려울 수 있다.
팬 냉각 시스템들은 예컨대, 대류를 통한 유전체 윈도우들의 냉각을 위해 활용될 수 있다. 그러나, 팬 냉각 시스템들은 유전체 윈도우에서 에너지 소스에 의해 유도된 상대적으로 높은 열 부하를 한정된 영역들에 적용하는데 있어 비효율적이고 어려울 수 있다. 상세하게는, 플라즈마 프로세싱 디바이스들에 이용하기에 적합한 팬 냉각 시스템들은 높은 배압을 받을 경우에 열 제거에 비효율적이다. 예를 들어, 팬 냉각 시스템들은 약 0.5 in-H2O 이상의 배압들을 받을 경우에 냉각을 위해 충분한 공기 흐름을 제공하는 것을 지연시키거나 실패할 수도 있다.
따라서, 플라즈마 프로세싱 디바이스들의 유전체 윈도우들을 냉각시키기 위한 대안적인 디바이스들이 요구된다.
일 실시형태에서, 플라즈마 프로세싱 디바이스는 유전체 윈도우, 진공 챔버, 에너지 소스, 플레넘 및 적어도 하나의 공기 증폭기를 포함할 수도 있다. 유전체 윈도우는 플라즈마 노출면과 공기 노출면을 포함할 수도 있다. 진공 챔버는 유전체 윈도우와 결합될 수 있다. 진공 챔버 및 유전체 윈도우의 플라즈마 노출면은 플라즈마 프로세싱 가스를 엔클로징하기 위해 협력할 수 있다. 에너지 소스는 진공 챔버의 내부 또는 외부에 배치될 수 있다. 에너지 소스는 유전체 윈도우를 통해 진공 챔버 내로 에너지를 전달할 수 있다. 전자기 에너지는 유전체 윈도우 내에 고온 영역을 형성할 수 있고, 플라즈마 프로세싱 가스의 적어도 일부분을 플라즈마로 변형할 수도 있다. 적어도 하나의 공기 증폭기는 유전체 윈도우의 공기 노출면과 유체 연통할 수 있다. 적어도 하나의 공기 증폭기는 적어도 약 1 in-H2O 의 배압으로 동작할 수 있고, 적어도 약 30 cfm 의 공기를 제공할 수 있다.
또 다른 실시형태에서, 플라즈마 프로세싱 디바이스는 유전체 윈도우, 진공 챔버, 에너지 소스, 플레넘 및 적어도 하나의 공기 증폭기를 포함할 수도 있다. 유전체 윈도우는 플라즈마 노출면과 공기 노출면을 포함할 수도 있다. 진공 챔버는 유전체 윈도우와 결합될 수 있다. 진공 챔버와 유전체 윈도우의 플라즈마 노출면은 플라즈마 프로세싱 가스를 엔클로징하기 위해 협력할 수 있다. 에너지 소스는 진공 챔버 외부에 배치될 수 있다. 에너지 소스는 유전체 윈도우를 통해 진공 챔버 내로 전자기 에너지를 전달하여 전자기 에너지가 플라즈마 프로세싱 가스의 적어도 일부분을 플라즈마로 변형시키기 위해 유전체 윈도우 내에 고온 영역을 형성하도록 할 수 있다. 플레넘은 유전체 윈도우의 공기 노출면과 유체 연통할 수 있다. 플레넘은 유전체 윈도우의 고온 영역에 걸쳐 배치될 수 있다. 적어도 하나의 공기 증폭기는 플레넘과 유체 연통할 수 있다. 적어도 하나의 공기 증폭기는 플레넘을 적어도 약 2 in-H2O 의 배압으로 가압시키고 적어도 약 30 cfm 의 공기를 제공할 수 있다.
본 명세서에서 설명된 실시형태들에 의해 제공된 이러한 추가의 특징들은 도면들과 함께 하기의 상세한 설명을 고려하여 더 완전히 이해될 것이다.
도면들에서 설명되는 실시형태들은 그 특성이 예시적이고, 청구항들에 의해 정의된 요지를 제한하도록 의도되지 않는다. 예시적인 실시형태들의 하기의 상세한 설명은 하기의 도면들과 함께 읽을 때 이해될 수 있으며, 도면들에서 유사한 구조는 유사한 도면부호로 표시된다.
도 1 은 본 명세서에 도시되고 설명된 하나 이상의 실시형태들에 따른 플라즈마 프로세싱 디바이스를 개략적으로 도시한다.
도 2 는 본 명세서에 도시되고 설명된 하나 이상의 실시형태들에 따른 플레넘 (plenum) 을 개략적으로 도시한다.
도 3 은 본 명세서에 도시되고 설명된 하나 이상의 실시형태들에 따른 플레넘 세그먼트를 개략적으로 도시한다.
도 4 는 본 명세서에 도시되고 설명된 하나 이상의 실시형태들에 따른 공기 증폭기를 개략적으로 도시한다.
도 5a 는 본 명세서에 도시되고 설명된 하나 이상의 실시형태들에 따라 도 1 의 라인 5-5 를 따라 취득된 단면도를 개략적으로 도시한다.
도 5b 는 본 명세서에 도시되고 설명된 하나 이상의 실시형태들에 따라 도 1 의 라인 5-5 를 따라 취득된 단면도를 개략적으로 도시한다.
도 6a 는 본 명세서에 도시되고 설명된 하나 이상의 실시형태들에 따른 유전체 윈도우를 개략적으로 도시한다.
도 6b 는 본 명세서에 도시되고 설명된 하나 이상의 실시형태들에 따른 유전체 윈도우를 개략적으로 도시한다.
도 1 은 일반적으로 기판들로부터 물질들을 에칭하고 및/또는 기판들 상에 물질들을 증착시키기 위한 플라즈마 프로세싱 디바이스의 일 실시형태를 도시한다. 플라즈마 프로세싱 디바이스는 일반적으로 진공 챔버, 진공 챔버의 개구부를 실링하는 유전체 윈도우, 에너지 소스 및 적어도 하나의 공기 증폭기를 포함한다. 플라즈마 프로세싱 디바이스와 플라즈마 프로세싱 디바이스의 동작의 다양한 실시형태들이 본 명세서에 더 상세하게 설명될 것이다.
도 1 을 참조하면, 플라즈마 프로세싱 디바이스 (100) 는 기판 (24) 의 프로세싱 동안 플라즈마 프로세싱 가스들 및 플라즈마를 엔클로징하기 위한 진공 챔버 (20) 를 포함한다. 진공 챔버 (20) 는 기준 전위로 세팅될 수 있는 금속 물질로부터 형성될 수 있다. 기판 (24) 은 프로세싱을 위해 진공 챔버 (20) 내에 위치될 수 있다. 예를 들면, 기판은 (도 1 에 도시되지 않은) 척 디바이스에 의해 제자리에 클램핑될 수 있다. 진공 챔버 (20) 는 관통 실리콘 비아 에칭의 실시형태들에서 예를 들면 약 1-1000 mTorr, 또는 약 100 mTorr 내지 약 200 mTorr 와 같은 넓은 압력 범위에서 유지될 수 있다. 진공 챔버 (20) 는 예를 들면, 불소 (F), 염소 (Cl), 브롬 (Br), 요오드 (I), 및 아스타틴 (At) 과 같은 할로겐들 또는 할로겐 원소들을 포함할 수도 있는 플라즈마 프로세싱 가스들을 엔클로징한다. 추가로, 특정 프로세스 가스들은 CClF3, C4F8, C4F6, CHF3, CH2F3, CF4, HBr, CH3F, C2F4, N2, O2, Ar, Xe, He, H2, NH3, SF6 , BCl3, Cl2, 및 이온화될 수 있는 다른 가스들을 포함할 수도 있다.
플라즈마 프로세싱 디바이스 (100) 는 전자기 에너지가 송신될 수 있는 유전체 윈도우 (10) 를 포함한다. 유전체 윈도우 (10) 는 진공 챔버 (20) 와 공기 노출면 (14) 의 내부에 노출되도록 구성된 플라즈마 노출면 (12) 을 포함한다. 유전체 윈도우 (10) 는 100kHz 내지 100 MHz 의 주파수 범위를 가지는 전자기 에너지와 같은 전자기 에너지를 송신하는 유전체 물질로 형성된다. 적절한 유전체 물질들은 예컨대, 질화 알루미늄 (AlN), 알루미늄 산화물 (Al2O3), 또는 유사한 투과 속성들을 지닌 임의의 다른 내화 물질들을 포함하는 석영 및 세라믹들을 포함한다.
플라즈마 프로세싱 디바이스 (100) 는 플라즈마 프로세싱 가스들을 이온화하기에 충분한 전자기 에너지를 생성하기 위한 에너지 소스 (30) 를 포함한다. 에너지 소스 (30) 는 내부 코일 (32) 및 외부 코일 (34) 을 포함할 수 있다. 내부 코일 (32) 과 외부 코일 (34) 각각은 도 1 에서 방사상으로 동심이고 실질적으로 원형의 나선들로 형성되는 것으로 도시된다. 에너지 소스 (30) 는 예컨대, 서로에 대한 각 회전으로 형성된 각진 동심의 세그먼트들, 솔레노이드형 컨덕터들, 토로이드형 컨덕터들 또는 이들의 조합들과 같이 전자기 에너지를 생성하기에 적합한 임의의 형상으로 형성된 코일들을 포함할 수도 있다.
에너지 소스 (30) 는 일부 실시형태들에서 약 50W 내지 약 20kW, 일 실시형태에서 약 2kW 이상, 다른 실시형태에서 약 3kW, 또는 또 다른 실시형태에서 약 4.5kW 와 같은 넓은 전력 범위에 걸쳐 전자기 에너지를 생성할 수 있다. 일부 실시형태들에서, 내부 코일 (32) 및 외부 코일 (34) 은 서로 전도성 결합된다. 다른 실시형태들에서, 복수의 코일들은 복수의 RF 제너레이터들에 의해 전원이 공급된다. 에너지 소스 (30) 가 다중-코일 RF 소스로서 도시되지만, 에너지 소스는 무선 주파수 (RF) 소스, 전자 사이클로트론 공명 (ECR), 마이크로파 혼, 슬롯 안테나, 또는 원통형 윈도우로 둘러싸인 나선형 안테나를 이용하는 헬리콘 소스들과 같지만 이에 제한되지 않는 유도성 결합된 플라즈마를 생성하기 위해 전자기 에너지를 발생할 수 있는 임의의 디바이스일 수도 있음에 유의한다.
도 1 및 도 2 를 모두 참조하면, 플라즈마 프로세싱 디바이스 (100) 는 옵션으로 유전체 윈도우 (10) 를 통한 냉각 공기의 실질적으로 균일한 흐름을 지향하도록 하는 플레넘 (plenum; 40) 을 포함할 수도 있다. 플레넘 (40) 은 부분적인 엔클로저로 형성되고, 하나 이상의 주입구들 (42) 과 하나 이상의 배출구들 (44) 을 포함한다. 따라서, 냉각 공기는 플레넘 (40) 의 주입구 (42) 에 의해 수용되고 플레넘 (40) 에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸인, 배압을 갖는 압력 영역으로 도입될 수 있다. 플레넘 (40) 은 파티션 벽들 (48) 에 의해 복수의 세그먼트들 (46) 로 분할될 수 있고, 따라서 각각의 세그먼트는 적어도 하나의 주입구 (42) 및 적어도 하나의 배출구 (44) 를 포함할 수 있다. 플레넘 (40) 이 도 1 및 도 2 에 실질적으로 링 형상인 것으로 도시되지만, 플레넘 (40) 은 본 명세서에서 더 상세히 설명되는 유전체 윈도우 (10) 의 가열 영역에 냉각 공기를 제공하기에 적합한 임의의 형상으로 형성될 수 있음에 유의한다. 플레넘 (40) 은 예컨대, 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE 또는 "테플론"), 폴리에테르에테르 케톤 (PEEK), 폴리에테르이미드 (PEI 또는 "울템"), 세라믹들, 또는 임의의 다른 전자기 에너지 투과성 물질과 같은 수동 물질로 형성될 수 있다.
플레넘 (40) 은 서로 통합될 수 있는 복수의 세그먼트들 또는 단일 피스로 형성될 수 있다. 상세하게는, 도 3 에 도시된 것과 같이, 플레넘 세그먼트 (140) 는 플레넘 세그먼트 (140) 내에 형성된 복수의 배출구들 (144) 을 포함할 수도 있다. 플레넘 세그먼트 (140) 는 실질적으로 웨지형이고, 실질적으로 원통형 영역 또는 실질적으로 링 형 영역을 엔클로징하기 위해 추가의 플레넘 세그먼트들 (140) 을 결합하도록 구성될 수도 있다. 본 명세서에 설명된 플레넘들은 에너지 소스 (30) 와 협력하고 가압된 냉각 흐름을 유전체 윈도우 (10) 또는 그 원하는 영역에 제공하기에 적합한 임의의 형상으로 제공될 수도 있음에 유의한다.
도 4 를 참조하면, 플라즈마 프로세싱 디바이스 (100) 는 플레넘 (40; 도 1) 에 공기를 제공하기 위한 적어도 하나의 공기 증폭기 (60) 를 포함한다. 각각의 공기 증폭기 (60) 는 유입된 공기 (72) 를 수용하기 위한 주입구 (62), 냉각 공기 (70) 를 출력하기 위한 배기구 (64) 및 가압된 공기 (68)(즉, 깨끗히 건조된 공기) 를 수용하기 위한 제어 입력부 (66) 를 포함한다. 임의의 특정 이론에 구속되지 않으면, 제어 입력부 (66) 내로 주입된 가압된 공기 (68) 는 베르누이의 원리 (Bernoulli's principle) 와 코안다 효과 (Coanda effect) 에 따라 가압된 공기 (68) 와 비교하여 상대적으로 많은 양의 냉각 공기 (70) 를 제공한다. 상세하게는, 가압된 공기 (68) 는 제어 입력부 (66) 를 통해 및 링형 노즐 (74) 내로 주입될 수 있다. 가압된 공기 (68) 는 링형 노즐 (74) 을 통해 이동하여 공기 증폭기 (60) 외부의 공기와 비교할 때 상대적으로 높은 밀도로 공기 증폭기 (60) 에 들어갈 수 있다. 가압된 공기 (68) 는 공기 증폭기 (60) 의 배기구 (64) 쪽으로 지향될 수 있다. 코안다 효과에 따르면, 가압된 공기 (68) 는 실질적으로 공기 증폭기 (60) 의 환상 경계부 (76) 를 따라 이동할 수도 있다.
가압된 공기 (68) 는 주위 공기를 혼입하고 (entrain), 공기 증폭기 (60) 의 주입구 (62) 를 둘러싸는 공기와 비교하여 상대적으로 낮은 압력의 영역을 생성할 수 있다. 가압된 공기 (68) 는 혼입, 압력 차이, 또는 이들의 조합으로 인해 유입된 공기 (72) 가 공기 증폭기 (60) 에 들어가게 할 수도 있다. 따라서, 공기 증폭기 (60) 는 가압된 공기 (68) 에 대하여 상대적으로 많은 양의 냉각 공기 (70) 를 생성할 수 있다. 따라서, 공기 증폭기 (60) 는 예를 들면, 일 실시형태에서 약 25 psig 내지 약 80 psig, 다른 실시형태에서 약 30 psig, 또는 또 다른 실시형태에서 약 50 psig 와 같은, 약 20 psig 내지 약 100 psig 의 압력을 갖는 가압된 공기 (68) 가 공급될 경우에 적절한 공기 흐름을 제공할 수 있다. 공기 증폭기 (60) 는 예를 들면, 일 실시형태에서 약 20 cfm 내지 약 3,000 cfm, 다른 실시형태에서 약 25 cfm 내지 약 900 cfm, 또 다른 실시형태에서 약 30 cfm 내지 약 230 cfm, 또는 추가의 실시형태에서 약 125 cfm 내지 약 230 cfm 와 같은, 적어도 약 20 cfm 의 레이트로 적합한 양의 냉각 공기 (70) 를 제공할 수 있다.
다시 도 1 을 참조하면, 플라즈마 프로세싱 디바이스 (100) 의 일 실시형태에서, 진공 챔버 (20) 는 유전체 윈도우 (10) 에 결합될 수 있다. 예를 들면, 진공 챔버 (20) 의 개구부는 유전체 윈도우 (10) 에 의해 적어도 부분적으로 실링될 수 있다. 상세하게는, 유전체 윈도우 (10) 의 플라즈마 노출면 (12) 은 플라즈마 프로세싱 디바이스 (100) 의 동작 동안 플라즈마 및/또는 플라즈마 프로세싱 가스들에 노출될 수 있다. 유전체 윈도우 (10) 가 도 1 에서 진공 챔버 (20) 의 상부에 커플링되는 것으로 도시되지만, 유전체 윈도우 (10) 는 전자기 에너지를 수용하기에 적합한 진공 챔버 (20) 의 임의의 부분을 실링할 수도 있음에 유의한다. 일부 실시형태들에서, 플라즈마 프로세싱 디바이스 (100) 는 유전체 윈도우 (10) 의 부분들을 가열하고, 유전체 윈도우 (10) 내의 스트레스들을 감소시키기 위한 히터 (26) 를 포함할 수도 있다.
에너지 소스 (30) 는 진공 챔버 (20) 외부에 유전체 윈도우 (10) 와 인접하여 배치될 수 있다. 플레넘 (40) 은 에너지 소스 (30) 와 유전체 윈도우 (10) 에 인접하여 위치될 수 있고, 따라서 플레넘 (40) 은 유전체 윈도우 (10) 의 공기 노출면 (14) 과 유체 연통 (fluid communicaton) 한다. 도 5a 및 도 5b 를 종합적으로 참조하면, 플레넘 (40) 은 내부 코일 (32) 과 외부 코일 (34) 사이에 위치될 수 있다. 도 5a 에 도시된 일 실시형태에서, 플레넘 (40) 의 일부분은 유전체 윈도우 (10) 의 공기 노출면 (14) 을 접촉할 수 있다. 도 5b 에 도시된 다른 실시형태에서, 플레넘 (40) 은 오프셋 거리 D 에 의해 유전체 윈도우 (10) 의 공기 노출면 (14) 으로부터 오프셋될 수 있다. 오프셋 거리 D 는 예컨대, 일 실시형태에서 약 0.25 mm 이상이거나 다른 실시형태에서 약 2mm 와 같은, 유전체 윈도우 (10) 의 효율적인 냉각을 촉진시키기에 적합한 임의의 거리일 수 있다.
동작 동안, 에너지 소스 (30) 는 유전체 윈도우 (10) 를 통해 진공 챔버 (20) 내로 전자기 에너지를 전달하여 플라즈마 프로세싱 가스의 적어도 일부분을 플라즈마로 변형시킨다. 전자기 에너지의 일부분은 유전체 윈도우 (10) 에 의해 흡수될 수 있는 열 에너지로 변형된다. 상세하게는, 일부 전자기 에너지는 유전체 윈도우 (10) 의 유전적 속성들에 따라 열로 변환될 수 있고, 전자기 에너지의 추가 부분은 플라즈마 프로세싱 가스들을 이온화한 후에 유전체 윈도우 (10) 에 의해 흡수될 수 있다 (예컨대, 유전체 윈도우 (10) 는 플라즈마 노출면 (12) 을 통해 플라즈마에 의해 가열될 수 있다). 따라서, 유전체 윈도우 (10) 의 온도는 전자기 에너지에 의해 증가될 수 있다. 일부 실시형태들에서, 전자기 에너지는 이방성이며, 따라서 유전체 윈도우 (10) 의 서로 다른 부분들은 변화하는 양의 전자기 에너지의 대상이 될 수 있다. 유전체 윈도우 (10) 에서 유도된 열은 유전체 윈도우 (10) 를 통해 전달된 전자기 에너지의 양과 상관될 수 있다. 예를 들면, 본 명세서에 개시된 실시형태들에서, 전자기 에너지의 약 40% 이상은 유전체 윈도우 (10) 에 의해 열로서 흡수될 수 있다. 유전체 윈도우는 예를 들면, 일 실시형태에서 약 1 kW 이상, 다른 실시형태에서 약 1.5 kW, 또는 또 다른 실시형태에서 약 2.25 kW 와 같은, 전자기 에너지의 적어도 약 0.4 kW 를 열로서 흡수할 수 있다. 따라서, 고온 영역 (16; 핫 스폿) 은 유전체 윈도우 (10) 의 다른 부분들에 비하여 전자기 에너지에 의해 유도된 상당히 많은 양의 열을 받는 유전체 윈도우 (10) 의 부분에 형성될 수 있다.
플레넘 (40) 은 유전체 윈도우 (10) 의 고온 영역 (16) 에 걸쳐 배치될 수 있다. 고온 영역 (16) 은 플라즈마가 진공 챔버 (20) 내에 생성되는 동안 유전체 윈도우 (10) 의 평균 온도를 초과하는 프로세싱 동안의 온도를 갖는 유전체 윈도우 (10) 의 임의의 영역을 포함할 수 있다. 고온 영역 (16) 은 동작 동안 피크 온도를 가지는 유전체 윈도우 (10) 의 부분을 포함할 수도 있다. 대안적으로 또는 추가로, 고온 영역 (16) 은 최고 평균 온도를 가지는 유전체 윈도우 (10) 의 부분을 포함할 수도 있다. 내부 코일 (32) 과 외부 코일 (34) 을 포함하는 실시형태들에서, 고온 영역 (16) 은 내부 코일 (32) 과 외부 코일 (34) 사이의 갭 바로 밑에 위치된 유전체 윈도우 (10) 의 부분에 위치될 수도 있다. 플레넘을 가지지 않는 실시형태들에서, 적어도 하나의 공기 증폭기 (60; 도 4) 는 유전체 윈도우 (10) 의 고온 영역 (16) 과 직접적으로 유체 연통할 수 있다.
다시 도 1 을 참조하면, 적어도 하나의 공기 증폭기 (60) 는 플레넘 (40) 과 유체 연통한다. 상세하게는, 플라즈마 프로세싱 디바이스 (100) 는 하나 이상의 덕트들 (50) 을 가질 수 있다. 하나 이상의 덕트들 (50) 은 예를 들면, 테플론, PEEK, 울템, 세라믹들, 또는 임의의 다른 전자기 에너지 투과형 물질과 같은, 수동 물질로 형성될 수 있다. 각각의 덕트 (50) 는 공기 증폭기 (60) 의 배기구 (64) 과 유체 연통하는 증폭기 오리피스 (52) 와 플레넘 (40) 의 주입구 (42) 와 유체 연통하는 플레넘 오리피스 (54) 를 포함할 수도 있다. 따라서, 공기 증폭기 (60) 는 덕트 (50) 와 플레넘 (40) 을 통해 유전체 윈도우 (10) 에 냉각 공기를 공급할 수 있다. 도 1 은 4 개의 공기 증폭기들 (60) 및 4 개의 덕트들 (50) 을 도시하지만, 플라즈마 프로세싱 디바이스 (100) 는 유전체 윈도우 (10) 에 적절한 냉각을 제공하기에 충분한 임의의 수의 공기 증폭기들 (60) 과 덕트들 (50) 을 가질 수 있음에 유의한다.
플레넘 (40) 에 공급되는 공기는 수동적으로 퍼지 (purge) 될 수 있다. 예를 들면, 플레넘 (40) 은 압력 제어 챔버 (22) 내에 하우징될 수 있다. 압력 제어 챔버 (22) 는 주변 압력보다 낮은 압력으로 유지될 수 있고, 플레넘 (40) 의 배출구 (44) 는 압력 제어 챔버 (22) 내에 직접 공기를 퍼지할 수 있다. 퍼지된 공기는 (도 1 에 도시되지 않은) 배기 시스템을 통해 압력 제어 챔버 (22) 로부터 제거될 수 있다. 다른 실시형태에서, 압력 제어 챔버 (22) 는 주변 압력보다 높은 압력으로 유지될 수 있고, 플레넘 (40) 의 배출구 (44) 는 압력 제어 챔버 (22) 로 직접 공기를 퍼지할 수 있다. 퍼지된 공기는 (도 1 에 도시되지 않은) 벤트 (vent) 들을 통해 압력 제어 챔버 (22) 로부터 제거될 수 있다. 추가의 실시형태들에서, 플레넘은 플라즈마 프로세싱 디바이스 (100) 의 외부에서 공기를 수동적으로 퍼지하기 위해 (도 1 에 도시되지 않은) 배기관과 유체 연통할 수 있다.
추가로 또는 대안적으로, 공기는 플레넘 (40) 으로부터 능동적으로 퍼지될 수 있다. 예를 들면, 하나 이상의 공기 증폭기들 (60) 은 플레넘 (40) 과 유체 연통하고, 플레넘 (40) 으로부터 공기를 제거하도록 구성될 수 있다. 따라서, 도 1 은 입력 전용 장치에서 덕트들 (50) 을 도시하지만, 덕트들 (50) 은 플레넘 (40) 으로 공기를 제공하고 및/또는 그로부터 공기를 제거하도록 구성될 수 있다. 추가로, 도 1 은 공기 증폭기들 (60) 이 공기를 플레넘 (40) 에 제공하는 것으로 도시하지만, 공기 증폭기 (60) 의 주입구 (62) 는 플레넘 (40) 으로부터 공기를 제거하기 위해 플레넘 (40) 의 배출구 (44) 와 연통할 수 있다.
일부 실시형태들에서, 적어도 하나의 공기 증폭기가 플레넘 없이 이용될 수 있다. 예를 들어, 도 6a 및 도 6b 를 종합하여 참조하면, 적어도 하나의 공기 증폭기 (60) 는 플레넘을 이용하지 않고 유전체 윈도우 (10) 의 공기 노출면 (14) 과 유체 연통할 수 있다. 상세하게는, 도 6a 는 적어도 하나의 공기 증폭기 (60) 가 유전체 윈도우 (10) 의 공기 노출면 (14) 에 대하여 수직으로 배향되는 일 실시형태를 개략적으로 도시한다. 따라서, 적어도 하나의 공기 증폭기 (60) 의 배기구 (64) 는 유전체 윈도우 (10) 에 대하여 냉각 공기 (70) 가 유전체 윈도우 (10) 의 공기 노출면 (14) 과 실질적으로 수직하는 경로를 따라 흐르도록 배향될 수 있다. 도 6b 에 도시된 다른 실시형태에서, 적어도 하나의 공기 증폭기 (60) 는 유전체 윈도우 (10) 의 공기 노출면 (14) 에 대하여 빗각 α 으로 배향된다. 따라서, 적어도 하나의 공기 증폭기 (60) 의 배기구 (64) 는 유전체 윈도우 (10) 에 대하여 냉각 공기 (70) 가 빗각 α 으로 유전체 윈도우 (10) 의 공기 노출면 (14) 과 정렬된 경로를 따라 흐르도록 배향될 수 있다. 빗각 α 은 도 6b 에 약 25°내지 약 35°인 것으로 도시되지만, 빗각 α 은 유전체 윈도우 (10) 의 온도를 제어하기에 적절한 임의의 각도일 수 있음에 유의한다.
전술된 것과 같이, 적어도 하나의 공기 증폭기 (60) 를 이용한 냉각 흐름의 주입은 상당한 양의 배압을 생성할 수 있고, 이는 유전체 윈도우 (10) 쪽으로의 공기의 흐름을 억제할 수 있다. 본 명세서에 설명된 실시형태들에 따라, 플레넘 (40) 은 일반적으로 예컨대, 약 2 in-H2O 이상과 같은, 적어도 약 1 in-H2O 의 배압으로 가압된다. 추가로, 배압은 공기 증폭기들 (60) 의 동작을 위해 요구되는 것은 아님에 유의한다.
*예를 들면, 자체 일관적인 공기 흐름 및 에너지 보존 멀티-피직스 (multi-physics) 모델은 공기 증폭기당 제공되는 공기 출력과 플레넘에서의 배압 간의 상관을 계산하도록 활용되었다. 이 모델은 덕트들을 통해 단일 플레넘으로 냉각 공기를 공급하는 4 개의 공기 증폭기들을 포함하였다. 그 결과는 오프셋 플레넘과 플러시 (flush) 플레넘을 이용하여 결정되었다. 모델로부터의 결과들은 하기에 표 1 로 요약된다.
Figure 112014124524467-pat00001
모델 결과들은 플레넘이 공기 증폭기당 30 cfm 의 출력에 대하여 적어도 약 2.4 in-H2O 의 배압으로 가압되는 것을 나타낸다. 또한, 모델 결과들은 일반적으로 배압 및 공기 흐름이 상관되는 것을 입증한다. 상세하게는, 공기 증폭기로부터의 출력 흐름이 증가함에 따라 플레넘에 의해 제공되는 배압 (흐름 저항성) 이 증가한다.
공기 증폭기들은 유전체 윈도우들의 온도를 제어하기 위해 다양한 공기 채널링 플레넘 설계들과 함께 활용될 수 있음이 이해되어야 한다. 또한, 모델 데이터는 공기 증폭기들이 팬 냉각 시스템들을 지연시키기에 충분한 배압을 받는 경우에도 플레넘들의 도움으로 유전체 윈도우들에 상대적으로 높은 레이트의 냉각 공기를 제공할 수 있는 것을 나타낸다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시형태들은 예컨대, 에칭을 통한 관통 실리콘 프로세스들에 대하여 약 3 kW 를 초과하는 전자기 에너지를 받는 유전체 윈도우들을 효율적으로 냉각시키는데 활용될 수도 있다. 추가로, 본 명세서에 설명된 실시형태들은 예컨대, 에칭 프로세스들, 화학 증착, 산화물 에칭, 금속 에칭, 등등에 대하여 다른 타입의 전자기 에너지를 받는 유전체 윈도우들을 효율적으로 냉각시키는데 활용될 수도 있다.
용어들, "실질적으로" 및 "약" 은 본 명세서에서 임의의 정량 비교, 값, 측정, 또는 다른 표현에 따를 수도 있는 고유의 불확실성의 정도를 나타내도록 활용될 수도 있음에 유의한다. 이러한 용어들은 또한 본 명세서에서 정량적 표현이 논쟁 중인 요지의 기본 기능의 변경 없이 언급된 참조로부터 변화할 수도 있는 정도를 나타내도록 활용된다.
특정 실시형태들이 본 명세서에 예시되고 설명되었지만, 다양한 다른 변경들 및 변형들이 청구된 요지의 사상 및 범위로부터 벗어남 없이 실행될 수도 있음이 이해되어야 한다. 추가로, 청구된 요지의 다양한 양태들이 본 명세서에 설명되지만, 이러한 양태들은 결합하여 활용되지 않아야 한다. 따라서, 첨부된 청구항들은 청구된 요지의 범위 내에 있는 이러한 모든 변경들 및 변형들을 커버하는 것으로 의도된다.
100: 플라즈마 프로세싱 디바이스
10: 유전체 윈도우
20: 진공 챔버
30: 에너지 소스
40: 플레넘
50: 덕트
60: 공기 증폭기

Claims (16)

  1. 플라즈마 프로세싱 디바이스로서,
    플라즈마 노출면과 공기 노출면을 포함하는 유전체 윈도우;
    상기 유전체 윈도우와 결합된 진공 챔버로서, 상기 진공 챔버와 상기 유전체 윈도우의 상기 플라즈마 노출면은 플라즈마 프로세싱 가스를 엔클로징 (enclose) 하기 위해 협력하는, 상기 진공 챔버;
    상기 유전체 윈도우에 인접하여 배치된 에너지 소스로서, 상기 에너지 소스는 상기 유전체 윈도우를 통해 상기 진공 챔버 내로 전자기 에너지를 전달하여 상기 전자기 에너지가 상기 유전체 윈도우 내에 고온 영역을 형성하고 상기 플라즈마 프로세싱 가스의 적어도 일부분을 플라즈마로 변형시키도록 하는, 상기 에너지 소스; 및
    상기 유전체 윈도우의 상기 공기 노출면과 유체 연통하는 적어도 하나의 공기 증폭기로서, 상기 적어도 하나의 공기 증폭기는 적어도 1 in-H2O 의 배압으로 동작하고, 적어도 30 cfm 의 공기를 제공하는, 상기 적어도 하나의 공기 증폭기를 포함하며,
    상기 유전체 윈도우의 상기 공기 노출면 및 상기 적어도 하나의 공기 증폭기와 유체 연통하는 플레넘 (plenum) 을 더 포함하고,
    상기 플레넘은 상기 유전체 윈도우의 상기 고온 영역에 걸쳐 배치되며,
    상기 적어도 하나의 공기 증폭기 및 상기 플레넘과 유체 연통하는 하나 이상의 덕트들을 더 포함하고,
    상기 플레넘은 적어도 하나의 배출구를 포함하며,
    상기 하나 이상의 덕트들 중 하나의 덕트는 상기 플레넘의 적어도 하나의 배출구 및 퍼징 공기 증폭기와 유체 연통하여 상기 퍼징 공기 증폭기가 상기 플레넘으로부터 공기를 제거하도록 하는, 플라즈마 프로세싱 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 고온 영역은 상기 진공 챔버 내에 배치된 상기 플라즈마에 의해 유도된 열에 부합하는, 플라즈마 프로세싱 디바이스.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 공기 증폭기는 링 형상의 노즐과 유체 연통하는 제어 입력부를 포함하는, 플라즈마 프로세싱 디바이스.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 플레넘 및 상기 하나 이상의 덕트들은 전자기 에너지 투과성 물질을 포함하는, 플라즈마 프로세싱 디바이스.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 공기 증폭기는 배압이 적어도 2 in-H2O 이 되도록 상기 플레넘을 가압하고, 상기 적어도 하나의 공기 증폭기 각각은 30 cfm 의 공기를 제공하는, 플라즈마 프로세싱 디바이스.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 플레넘은 압력 제어 챔버 내에 위치되고, 공기는 상기 플레넘의 적어도 하나의 배출구로부터 상기 압력 제어 챔버로 퍼지 (purge) 되는, 플라즈마 프로세싱 디바이스.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 에너지 소스는 내부 코일 및 외부 코일을 포함하는, 플라즈마 프로세싱 디바이스.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 플레넘은 상기 내부 코일과 상기 외부 코일 사이에 배치되는, 플라즈마 프로세싱 디바이스.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 플레넘은 링 형상인, 플라즈마 프로세싱 디바이스.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 플레넘은 상기 유전체 윈도우와 접촉하는, 플라즈마 프로세싱 디바이스.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 플레넘은 상기 유전체 윈도우로부터 오프셋되는, 플라즈마 프로세싱 디바이스.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 에너지 소스는 무선 주파수 소스, 헬리콘 소스, 전자 사이클로트론 공명, 마이크로파 소스 또는 이들의 조합을 포함하는, 플라즈마 프로세싱 디바이스.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자기 에너지는 50 W 이상의 전력 레벨을 가지는, 플라즈마 프로세싱 디바이스.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 유전체 윈도우는 알루미늄 질화물, 알루미늄 산화물, 또는 석영을 포함하는, 플라즈마 프로세싱 디바이스.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 공기 증폭기는 플레넘의 이용 없이 상기 유전체 윈도우의 상기 공기 노출면과 유체 연통하는, 플라즈마 프로세싱 디바이스.
  16. 플라즈마 프로세싱 디바이스로서,
    플라즈마 노출면과 공기 노출면을 포함하는 유전체 윈도우;
    상기 유전체 윈도우와 결합된 진공 챔버로서, 상기 진공 챔버와 상기 유전체 윈도우의 상기 플라즈마 노출면은 플라즈마 프로세싱 가스를 엔클로징하기 위해 협력하는, 상기 진공 챔버;
    상기 진공 챔버 외부에 배치된 에너지 소스로서, 상기 에너지 소스는 상기 유전체 윈도우를 통해 상기 진공 챔버 내로 전자기 에너지를 전달하여 상기 전자기 에너지가 상기 플라즈마 프로세싱 가스의 적어도 일부분을 플라즈마로 변형시키기 위해 상기 유전체 윈도우 내에 고온 영역을 형성하도록 하는, 상기 에너지 소스;
    상기 유전체 윈도우의 상기 공기 노출면과 유체 연통하는 플레넘으로서, 상기 플레넘은 상기 유전체 윈도우의 고온 영역에 걸쳐 배치되는, 상기 플레넘; 및
    상기 플레넘과 유체 연통하는 적어도 하나의 공기 증폭기로서, 상기 적어도 하나의 공기 증폭기는 상기 플레넘을 적어도 2 in-H2O 의 배압으로 가압시키고 적어도 30 cfm 의 공기를 제공하는, 상기 적어도 하나의 공기 증폭기를 포함하며,
    상기 적어도 하나의 공기 증폭기 및 상기 플레넘과 유체 연통하는 하나 이상의 덕트들을 더 포함하고,
    상기 플레넘은 적어도 하나의 배출구를 포함하며,
    상기 하나 이상의 덕트들 중 하나의 덕트는 상기 플레넘의 적어도 하나의 배출구 및 퍼징 공기 증폭기와 유체 연통하여 상기 퍼징 공기 증폭기가 상기 플레넘으로부터 공기를 제거하도록 하는, 플라즈마 프로세싱 디바이스.
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