KR101609346B1 - 플라즈마 발생장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 발생장치는, 반응챔버와 진공펌프를 연통시키는 배기관; 이 배기관 상에 설치되고, 상류의 제1위치와 하류의 제2위치에서 배기관과 각각 연통되도록 배기관에 연결되는 적어도 하나의 바이패스관; 및 이 바이패스관에 결합된 플라즈마 반응기를 포함하는 것을 특징으로 하여서, 공정에 사용된 후 배출되는 PFC 가스를 재분해하여 PFC 가스의 방출을 대폭 감축함과 더불어, 재분해된 PFC 라디칼을 이용하여 공정 중에 진공라인에 쌓인 부산물을 세정하게 됨으로써, 장비 성능 및 수명의 향상과 제품 수율의 증대에 기여하는 효과가 있게 된다.

Description

플라즈마 발생장치 {APPARATUS FOR GENERATING PLASMA}
본 발명의 실시예는 플라즈마 발생장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 반응챔버와 진공펌프 사이에 배치되고, 공정에 사용된 PFC 가스를 재분해하여 PFC의 방출을 대폭 줄일 수 있으면서 배기관 또는 펌프 내에 쌓이는 부산물을 분해된 PFC 가스의 라디칼로 세정할 수 있도록 된 플라즈마 발생장치에 관한 것이다.
이하에 기술되는 내용은 단순히 본 발명의 실시예와 관련되는 배경 정보만을 제공할 뿐, 종래 기술을 구성하는 것이 아님을 밝혀둔다.
화학기상증착(Chemical Vapor Deposition; 이하 CVD라 함) 공정 동안, 증착가스는 기판의 표면상에 박막층을 형성하기 위해 반응챔버 내에 유입된다. 그러나 이들 증착가스의 각 입자가 반응챔버 내에서 잔류하는 시간이 짧기 때문에, 반응챔버내로 유입된 증착가스의 일부 입자만이 CVD 공정 동안 소모되며 웨이퍼뿐만 아니라, 반응챔버의 벽과 같은 영역에 원하지 않는 증착이 발생한다.
소모되지 않은 가스 입자는 진공라인을 통해 부분적으로 반응된 화합물 및 부산물과 함께 반응챔버로부터 방출된다. 이들 방출된 가스 중 많은 화합물은 여전히 높은 반응상태에 있으며, 진공라인 내에 원하지 않는 증착을 형성할 수 있는 분말상 또는 부유성 부산물을 포함한다. 이러한 분말상 또는 부유성 부산물의 증착 및 축적은 문제를 야기한다. 진공라인에 많은 부산물이 축적되는 경우, 진공라인 및 이와 연관된 진공펌프가 적절히 세척되지 않으면 막힌다. 주기적으로 세척하더라도, 부산물의 축적은 진공펌프의 정상동작을 방해하며 그 사용기간 및 수명을 단축시킨다. 또한, 부산물은 진공라인으로부터 반응챔버로 역류할 수 있으며, 기판을 오염시켜 웨이퍼 수율에 악영향을 끼친다.
반응챔버의 벽 및 유사한 영역으로부터 원하지 않는 증착물질을 제거하기 위해, 반응챔버의 세척기술은 플루오르와 같은 에칭가스를 사용한다. 에칭가스가 반응챔버 내로 유입되고, 플라즈마가 형성되며, 에칭가스가 반응챔버의 벽 등에서 증착물질과 반응함으로써, 이 증착물질을 제거하게 된다.
반응챔버의 벽으로부터 증착물질을 제거하는 것은 플라즈마가 증착물질에 근접한 영역에서 생성된다는 점에서 매우 간단하다. 하지만, 진공라인으로부터 증착물질을 제거하는 것은 진공라인이 반응챔버의 하류에 있기 때문에 더욱 복잡하다. 따라서, 소정 기간에 반응챔버는 세척공정에 의해 충분히 세척될 수 있는 반면에, 부산물은 진공라인에 남게 된다.
진공라인을 충분히 세척하기 위해서는 세척기간이 증가되어야 한다. 그러나, 세척기간을 증가시키면 이는 장비의 가동률 및 웨이퍼 수율에 악영향을 미치기 때문에 바람직하지 않다. 또, 작업자의 수작업에 의한 세척에는 화학적 세척제가 사용되기 때문에, 작업의 불편 및 위험성의 문제가 존재하게 된다.
더구나, 진공라인의 세정을 위해 라디칼을 직접 발생시키고 이를 진공라인을 통해 배출시키는 방법으로 세척하게 되면, 반응챔버와 진공라인의 압력차에 의해 라디칼이 재결합하여 진공라인의 세척은 사실상 불가능하다.
따라서, 진공라인을 효과적으로 세척하기 위한 장치 및 이를 수행하는 방법에 대한 필요성이 제기되었다.
한편, CVD 및 세척 공정에서의 또 다른 중요한 문제는 진공라인을 통해 반응챔버로부터 배출되는 가스 및 부산물의 종류에 관한 것이다. 예를 들어, 플라즈마 내에서 에칭가스의 분리가 완전하지 않고(실제 유입된 가스 입자의 10% 정도만 분리된다) 에칭가스의 각 입자가 반응챔버 내에 잔류하는 시간이 매우 짧기 때문에, 반응챔버 내로 유입된 일부 입자만이 증착물질과 반응한다. 반응하지 않은 에칭가스의 입자는 진공라인을 통해 반응성 부산물과 함께 반응챔버로부터 펌핑된다.
에칭가스로서 반도체 산업에서 사용되는 많은 플루오르 함유가스는 과불소화합물(Perfluorochemicals; 이하 PFC라 함)로 불리운다. 일반적으로 사용되는 PFC는 CF4, C2F6, NF3, SF6 또는 유사한 가스를 포함한다. 이들 가스는 긴 수명(예를 들어 CF4는 50,000년)을 가지는 것으로 알려져 있으며, 지구 온난화 현상을 유발한다. 따라서, 산업체에서 사용된 PFC를 대기로 방출하기 전에 완전히 파괴하여 배출하게 하는 국제적 규제가 강화되고 있는데, 실질적으로 방출되는 PFC를 감소시키지는 못하고 있으며, 단지 진공라인 및 진공펌프를 거친 PFC 가스가 스크러버(Scrubber)에 의해 배출제한 기준 이하의 유해물질을 갖도록 처리된 후에 대기 중으로 방출되고 있는 실정에 있다.
이에 본 발명의 실시예는 수작업에 의하지 않고서 진공라인에 축적된 부산물을 제거할 수 있는 플라즈마 발생장치를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 실시예는 공정에 사용된 PFC 가스를 재분해하여 PFC의 방출을 대폭 줄일 수 있도록 하는 플라즈마 발생장치를 제공하는 것이 목적이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생장치는, 반응챔버와 진공펌프를 연통시키는 배기관; 상기 배기관 상에 설치되고, 상류의 제1위치와 하류의 제2위치에서 상기 배기관과 각각 연통되도록 상기 배기관에 연결되는 적어도 하나의 바이패스관; 및 상기 바이패스관에 결합된 플라즈마 반응기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이상과 같이 본 발명의 실시예에 의하면, 공정에 사용된 후 배출되는 PFC 가스를 재분해하여 PFC 가스의 방출을 대폭 감축함과 더불어, 재분해된 PFC 라디칼을 이용하여 공정 중에 진공라인에 쌓인 부산물을 세정하게 됨으로써, 장비 성능 및 수명의 향상과 제품 수율의 증대에 기여하는 큰 효과가 있게 된다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면, PFC의 방출이 대폭 줄어들게 되어, 스크러버를 생략할 수 있고, 이로써 제품의 원가 절감에 크게 이바지하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생장치의 연결관계를 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 플라즈마 발생장치의 단면도이다.
이하, 본 발명의 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생장치의 연결관계를 개략적으로 도시한 구성도이며, 도 2는 도 1에 도시된 플라즈마 발생장치의 단면도이다.
이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생장치는, 반응챔버(10)와 진공펌프(20)를 연통시키는 배기관(30); 이 배기관(30) 상에 설치되고, 상류의 제1위치와 하류의 제2위치에서 배기관(30)과 각각 연통되도록 배기관(30)에 연결되는 적어도 하나의 바이패스관(40); 및 이 바이패스관(40)에 결합된 플라즈마 반응기(50)를 포함하고 있다.
반도체 또는 LCD의 제조 설비는 크게 반응챔버(10), 배기관(30)을 통해 반응챔버(10)와 연결되어 반응챔버(10) 내부의 반응가스를 배기시키는 진공펌프(20)를 포함하고 있다.
반응챔버(10)는 증착, 에칭, 세척 등이 이루어지는 챔버로서, 반응챔버(10)의 내부로 반응가스를 주입하면서 웨이퍼 표면에 에칭을 실시하거나 증착 등을 실시하게 된다. 이러한 반응챔버(10)에서는 SiO2, SiNx, ZrO2, HfO2 및 금속과 같은 물질들과 유기물 및 다양한 가스들이 배출된다.
특히, 반응챔버(10)가 CVD 공정용 챔버인 경우에 진공펌프(20)로 많은 분말상 또는 부유성 부산물들이 배출된다. 공정이 진행됨에 따라 반응챔버(10)에서 배출되는 부산물들은 배기관(30)과 진공 펌프(20)의 터빈 블레이드 등과 같은 구성요소에 분말 형태로 적층되게 된다.
배기관(30)과 적어도 하나의 밸브(15) 및 진공펌프(20)가 진공라인을 구성하게 된다. 배기관(30)은 예컨대 스테인리스강, 알루미늄 등과 같은 금속으로 만들어진다. 배기관(30)에는 반응챔버(10)로부터 진공펌프(20)로 배기되는 가스의 흐름을 제어하기 위한 예컨대 게이트밸브와 같은 밸브(15)가 마련된다.
진공펌프(20)는 반응챔버(10)의 내부를 일정한 진공상태로 유지시키는 것과 공정 진행 후의 가스를 반응챔버(10)의 외부로 배출시키는 것을 수행하게 된다.
세척공정 후 반응챔버(10)로부터 배출되는 가스 중에서는, 반응챔버(10) 내 세척공정에서 반응하지 않고 그대로 배기되는 에칭가스, 즉 PFC 가스가 존재하게 되는데, 이러한 PFC 가스를 배기관(30)이 진공펌프(20) 쪽으로 전달한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생장치에서는 이와 같이 소모되지 않고 배기관(30)을 통해 배기되는 PFC 가스를 세정가스로 하여 재사용한다.
바이패스관(40)은 플라즈마가 발생하고 배기관(30)에 플라즈마가 확산될 수 있게 연결되어 있다. 즉 적어도 하나의 바이패스관(40)이 배기관(30) 상의 상류에 있는 제1위치와 하류에 있는 제2위치에서 배기관(30)과 각각 연통되도록 연결된다. 도 1과 도 2에는 한 쌍의 바이배스관(40)이 설치된 예가 도시되어 있지만, 이에 한정되지 않고 대략 1 ~ 6개의 바이패스관(40)이 배기관(30)에 배치될 수 있다. 2 이상의 바이패스관(40)이 설치되는 경우에는, 배기관(30)의 외주에 원주방향으로 소정의 간격을 두고 서로 떨어져 배열될 수 있다.
바이패스관(40)은 석영 또는 세라믹과 같은 절연재질로 만들어지는 것이 바람직하다. 바이패스관(40)이 금속 등과 같은 도체로 만들어지는 경우에는 절연부재(미도시)가 바이패스관(40)의 중간에 개재되게 함으로써, 코일 등에 의해 유기되는 전류가 바이패스관(40)에서 도통되지 못하도록 단락시켜야 한다.
추가로, 배기관(30)의 일측 또는 바이패스관(40)의 일측에는 내부의 플라즈마를 육안으로 확인할 수 있게 하는 윈도우(35)가 설치될 수 있다. 여기서, 윈도우(35)는 사파이어 등과 같은 재질로 만들어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 반응기(50)는 바이패스관(40)에 설치되어 바이패스관(40)의 내부 공간으로 플라즈마를 발생시킨다. 플라즈마는 세정가스를 이온과 라디칼로 분해되게 하여, 배기관(30) 및 심지어 진공펌프(20)의 내부에 적층된 부산물과 반응하면서 이들을 기화시키고, 화학적으로 안정한 원소로 변환시킨다.
플라즈마 반응기(50)는 유도성 결합 플라즈마(Inductively Coupled Plasma) 방식, 용량성 결합 플라즈마(Capacitively Coupled Plasma) 방식, 및 아크 제트(Arc Jet) 방식 등과 같은 플라즈마 생성 방식 중 어느 하나를 이용하여 플라즈마를 발생시킨다. 도 1과 도 2에는 유도성 결합 플라즈마 방식을 적용한 플라즈마 반응기(50)의 한 예를 나타내고 있지만, 본 발명이 이러한 예에 한정되지 않으며, 다른 방식의 플라즈마 방식도 적용될 수 있음은 당연하다.
도시된 플라즈마 반응기(50)는 바이패스관(40)에 결합된 적어도 하나의 자기 코어(51); 하나의 자기코어(51)에 권선되거나 2 이상의 자기코어(51)들 모두에 권선되어 있는 코일(52); 및 이 코일(52)과 전기적으로 연결된 전원부(53)를 포함하고 있다. 추가로, 전원부(53)에 전기적으로 연결되어 파워를 제어하는 제어기(54)를 포함할 수 있다.
폐쇄된 자기 코어(51)가 각 바이패스관(40)에 결합되고, 전원부(53)에 전기적으로 연결된 코일(52)이 자기 코어(51)에 권선된다. 자기 코어(51)는 페라이트 재질로 만들어지는 것이 좋으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
필요에 따라 다수의 자기 코어(51)가 하나의 바이패스관(40)에 대해 설치될 수 있으며, 각 자기 코어(51)에 권선된 코일(52)들은 전원부(53)에 직렬로 또는 병렬로 연결될 수 있다.
각각의 바이패스관(40)의 일측에는 점화장치(Ignitor; 55)가 구비되며, 점화장치(55)는 전원부(53)에 전기적으로 연결되게 된다.
전원부(53)는 교류(AC), 직류(DC), 무선 주파수(RF), 및 극초단파(Microwave) 중 어느 하나의 방식으로 구동할 수 있다. 예를 들어 무선 주파수 전원을 자기 코어(51)에 인가하는 경우에는 100 ~ 700 kHz의 전원을 인가하는 것이 바람직하지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
제어기(54)는 외부 신호에 따라 선택적으로 전원을 인가하도록 전원부(53)를 제어하게 된다.
증착공정 등과 같은 공정들의 진행에 따라 반응챔버(10) 또는 진공라인의 내부에 부산물이 일정 수준으로 누적된 것이 확인되면 세척공정을 진행하게 된다. 세정가스가 반응챔버(10) 내로 유입되고 플라즈마가 형성되며, 세정가스가 반응챔버(10)의 벽 등에서 증착물질과 반응함으로써, 이 증착물질을 제거하게 된다.
이때, 밸브(15)를 개방하여 반응챔버(10)와 배기관(30)을 연통시켜 반응챔버(10) 내에서 반응하지 않고 그대로 배기되는 세정가스, 즉 PFC 가스를 주입한다. 전원부(53)로부터 코일(52) 및 점화장치(55)로 전원을 공급하여 플라즈마 반응기(50)에 유도 전자장을 형성하고 초기의 플라즈마를 생성한다.
바이패스관(40)과 배기관(30)의 내부에 플라즈마가 발생하는데, 진공펌프(20)의 펌핑 압력에 따라 플라즈마는 제트의 형태로 진공펌프(20)까지 유입될 수도 있다. 바이패스관(40)과 배기관(30) 또는 진공펌프(20)에 발생한 플라즈마는 반응챔버(10)에서 반응하지 않고 그대로 배기되는 세정가스, 즉 PFC 가스를 이온과 라디칼로 분해되게 하여, 배기관(30) 및 진공펌프(20)의 내부에 적층된 부산물과 반응하면서 이들을 기화시키고, 화학적으로 안정한 원소로 변환시킨다.
더욱이, 배기관(30)의 하류를 통해 진공펌프(20) 쪽으로 배출되는 PFC 가스의 라디칼이 진공펌프(20) 쪽으로 나아가서 통과하게 되는데, 재분해된 PFC 가스의 라디칼을 이용해서 진공펌프(20) 내 구성요소들에 축적된 부산물을 세척하게 되는 것이다.
이에 따라 공정에 사용된 후 그대로 배기되는 미반응 PFC 가스를 본 발명의 플라즈마 발생장치에서 재분해하고, 배기관 또는 진공펌프 내에 쌓이는 부산물을 재분해된 PFC 가스의 라디칼로 세정하는 데에 이용함으로써, PFC의 방출을 대폭 줄일 수 있는 장점이 있게 된다. 더구나, 이렇게 PFC의 방출이 대폭 줄어들게 되어, 기존의 스크러버를 생략할 수 있기 때문에, 유해물질의 처리를 위한 설비, 공정, 시간, 비용 등을 감소시킬 수 있어 제품의 원가 절감에 크게 이바지하게 되는 것이다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예들에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 반응챔버 20 : 진공펌프
30 : 배기관 40 : 바이패스관
50 : 플라즈마 반응기 51 : 자기 코어
52 : 코일 55 : 점화장치

Claims (7)

  1. 반도체, LCD 또는 OLED등 공정을 진행하는 반응챔버;
    상기 반응챔버를 진공으로 유지하기 위한 진공펌프;
    상기 반응챔버와 진공펌프를 연통시키는 배기관;
    상기 배기관 상에 설치되고, 상류의 제1위치와 하류의 제2위치에서 상기 배기관과 각각 연통되도록 상기 배기관에 연결되는 적어도 하나의 바이패스관; 및
    상기 바이패스관에 결합된 플라즈마 반응기를 포함하며,
    상기 반응챔버와 상기 배기관 사이에는 밸브가 설치되며
    상기 밸브는 초기 상태에서 폐쇄되고,
    상기 반응챔버에서 부산물이 일정 수준 누적되면 세정가스를 반응챔버로 유입하여 플라즈마를 형성하고 세정가스로 반응챔버내의 증착 물질을 제거하며,
    상기 증착 물질을 제거한 후 상기 밸브를 개방하여 상기 반응챔버와 상기 배기관을 연통 상태로 하고 미반응된 가스인 PFC가스를 배기관으로 보내어 상기 플라즈마 반응기에 의하여 상기 PFC가스가 분리되어 그 라디칼이 상기 진공펌프에 전달되어 상기 배기관과 상기 진공펌프가 동시에 상기 PFC가스에 의하여 세정되도록 한 플라즈마 발생장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 반응기는,
    상기 바이패스관에 결합된 적어도 하나의 자기 코어;
    하나의 상기 자기코어에 권선되거나 2 이상의 상기 자기코어들 모두에 권선되어 있는 코일; 및
    상기 코일과 전기적으로 연결된 전원부
    를 포함하는 플라즈마 발생장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 바이패스관의 일측에는 점화장치가 구비되며,
    상기 점화장치는 상기 전원부에 전기적으로 연결되어 있는 플라즈마 발생장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 바이패스관은 절연재질로 만들어지는 플라즈마 발생장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 바이패스관이 도체로 만들어질 때, 절연재질의 링부재가 바이패스관의 중간에 개재되는 플라즈마 발생장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 배기관의 일측 또는 상기 바이패스관의 일측에는 내부의 플라즈마를 육안으로 확인할 수 있게 하는 윈도우가 설치되는 플라즈마 발생장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 배기관 또는 상기 바이패스관에서 플라즈마에 의해 분해되는 가스는 상기 반응챔버로부터 유입되는 플라즈마 발생장치.
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