KR101670296B1

KR101670296B1 - 파티클 저감 구조를 갖는 플라즈마 챔버

Info

Publication number: KR101670296B1
Application number: KR1020140146818A
Authority: KR
Inventors: 최도현
Original assignee: 최도현
Priority date: 2014-10-28
Filing date: 2014-10-28
Publication date: 2016-10-28
Also published as: KR20160049630A

Abstract

본 발명의 파티클 저감 구조를 갖는 플라즈마 챔버는 단면적을 갖는 중공의 방전 튜브를 갖고 플라즈마 방전 채널을 형성하는 챔버 바디, 상기 플라즈마 방전 채널로 가스가 주입되도록 상기 챔버 바디에 구성되는 가스 입구, 상기 플라즈마 방전 채널에서 가스가 배출되도록 상기 챔버 바디에 구성되는 배기 홀을 갖는 가스 출구를 포함하고, 상기 배기 홀의 단면적은 상기 가스 출구가 형성된 방전 튜브가 갖는 플라즈마 방전 채널의 단면적보다 작다. 본 발명의 플라즈마 챔버는 플라즈마 이온 입자의 흐름이 플라즈마 챔버 내측의 가스 출구 주변에서 감속되는 구조를 갖기 때문에 플라즈마 챔버 내부의 가스 출구 주변에서 플라즈마 이온 입자의 강한 충돌에 의한 파티클 발생을 저감할 수 있다. 플라즈마 챔버는 챔버 바디에 구성되는 하나 이상의 절연 갭을 포함하고, 상기 절연 갭을 사이에 두고 연결되는 두 개의 방전 튜브 사이의 절연 갭은 아크성 방전을 저감시키기 위하여 상기 플라즈마 방전 채널 방향으로 벌어지는 아크성 방전 방지 경사 구조를 갖는다.

Description

파티클 저감 구조를 갖는 플라즈마 챔버{PLASMA CHAMBER HAVING PARTICLE REDUCTION STRUCTURE}

본 발명은 플라즈마 방전에 의하여 이온, 자유 래디컬, 원자 및 분자를 포함하는 활성 가스를 발생 시키고 그 활성 가스로 고체, 분말, 가스 등에 대한 플라즈마 처리를 하기 위한 플라즈마 발생기에 관한 것으로, 구체적으로는 공정 챔버의 외부에서 원격으로 플라즈마 발생하여 공정 챔버로 활성 가스를 공급하는 플라즈마 발생기의 플라즈마 챔버에 관한 것이다.

플라즈마 방전은 이온, 자유 래디컬, 원자, 분자를 포함하는 활성 가스를 발생하기 위한 가스 여기에 사용되고 있다. 활성 가스는 다양한 분야에서 널리 사용되고 있으며 대표적으로 반도체 제조 공정 예들 들어, 식각, 증착, 세정, 에싱 등 다양하게 사용되고 있다.

최근, 반도체 장치의 제조를 위한 웨이퍼나 LCD 글라스 기판은 더욱 대형화 되어 가고 있다. 그럼으로 플라즈마 이온 에너지에 대한 제어 능력이 높고, 대면적의 처리 능력을 갖는 확장성이 용이한 플라즈마 소스가 요구되고 있다. 플라즈마를 이용한 반도체 제조 공정에서 원격 플라즈마의 사용은 매우 유용한 것으로 알려져 있다. 예를 들어, 공정 챔버의 세정이나 포토레지스트 스트립을 위한 에싱 공정에서 유용하게 사용되고 있다. 그런데 피처리 기판의 대형화에 따라 공정 챔버의 볼륨도 증가되고 있어서 고밀도의 활성 가스를 충분히 원격으로 공급할 수 있는 플라즈마 소스가 요구되고 있다.

원격 플라즈마 발생기(remote plasma generator)는 플라즈마 발생 방식에 따라 다양한 플라즈마 소스가 사용되고 있다. 예를 들어, 유도 결합 플라즈마 소스(inductively coupled plasma source), 용량 결합 플라즈마 소스(capacitively coupled plasma source), 마이크로웨이브 플라즈마 소스(microwave plasma source) 등이 원격 플라즈마 발생기에 사용되고 있다. 유도 결합 플라즈마 소스의 경우 특히 변압기를 채용한 방식을 변압기 결합 플라즈마 소스(transformer coupled plasma)라 한다. 변압기 결합 플라즈마 소스(transformer coupled plasma source)를 사용한 원격 플라즈마 발생기는 토로이달 구조의 챔버 몸체에 일차 권선 코일을 갖는 마그네틱 코어가 장착된 구조를 갖는다. 원격 플라즈마 발생기의 반도체 제조 공정에서의 초기 응용은 공정 챔버의 세정을 위한 세정 공정이나 포토레지스트의 스트립을 위한 에싱 공정 등에 활용되어 왔다. 그러나 최근에는 다양한 미세 공정에 응용하고자 하는 요구가 증가하고 있다.

한편, 원격 플라즈마 발생기에서 파티클 발생은 공정 챔버에서 진행되는 피처리 기판의 오염을 유발할 수 있어서 매우 부정적인 요소이다. 그럼으로 원격 플라즈마 발생기에서 내부 파티클 발생을 저감시키기 위한 기술에 대한 연구 개발 노력이 지속적으로 이루어지고 있다. 그러나 다양한 공정 조건 예를 들어 가스 유량, 가스 유속, 공정 가스의 종류, 및 플라즈마 발생 용량 등의 다양한 조건에서 파티클 발생을 저감하기가 용이하지 않은 실정이다.

원격 플라즈마 발생기의 플라즈마 챔버의 내부에서 파티클 발생의 주요 부분으로는 가스 출구와 절연 갭 사이에서 발생될 수 있다. 플라즈마 챔버의 가스 출구에서는 빠른 유속으로 인하여 플라즈마 이온 입자의 충돌이 강하게 일어남으로 인하여 가스 출구가 손상되고 이로 인한 파티클이 발생될 수 있다. 둘 이상의 챔버 바디가 조립된 플라즈마 챔버의 경우 전기 절연을 위하여 절연 갭을 구비할 수 있다. 이때 절연 갭을 사이에 두고 마주하는 플라즈마 챔버 바디에서 아크성 방전이 발생될 있으며, 이로 인하여 파티클이 발생될 수 있다.

본 발명의 목적은 원격 플라즈마 발생기를 위한 플라즈마 챔버의 가스 출구가 유속을 감속할 수 있는 구조를 갖도록 하여 내부 파티클 발생을 저감할 수 있는 플라즈마 챔버를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 원격 플라즈마 발생기를 위한 플라즈마 챔버의 절연갭 사이에서 아크성 방전이 저감되도록 챔버 바디 구조가 개선된 플라즈마 챔버를 제공하는데 있다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일면은 파티클 저감 구조를 갖는 플라즈마 챔버에 관한 것이다. 본 발명의 플라즈마 챔버는: 단면적을 갖는 중공의 방전 튜브를 갖고 플라즈마 방전 채널을 형성하는 챔버 바디; 상기 플라즈마 방전 채널로 가스가 주입되도록 상기 챔버 바디에 구성되는 가스 입구; 상기 플라즈마 방전 채널에서 가스가 배출되도록 상기 챔버 바디에 구성되는 배기 홀을 갖는 가스 출구를 포함하고, 상기 배기 홀의 단면적은 상기 가스 출구가 형성된 방전 튜브가 갖는 플라즈마 방전 채널의 단면적보다 작고, 상기 배기 홀의 주변으로 상승 기류가 형성되도록 상기 배기 홀의 주변 가장 자리 영역이 오르막 형태의 경사진 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.

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일 실시예에 있어서, 상기 배기 홀의 내경은 일단에서 타단까지 좁아지다가 넓어지는 구조를 갖는다.

일 실시예에 있어서, 상기 배기 홀은 다공 홀 구조를 갖는다.

일 실시예에 있어서, 상기 배기 홀에 설치되는 배기 링을 포함한다.

일 실시예에 있어서, 상기 배기 링은 상기 방전 튜브의 내측에서 상기 배기 홀의 주변으로 상승 기류가 형성되도록 상기 배기 홀의 주변 가장 자리 영역이 오르막 형태의 경사진 구조를 갖는다.

일 실시예에 있어서, 상기 배기 링은 상기 배기 홀의 내경이 일단에서 타단까지 좁아지다가 넓어지는 구조를 갖도록 구조화 된다.

일 실시예에 있어서, 상기 배기 링은 복수개의 관통된 홀들을 포함한다.

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본 발명의 플라즈마 챔버는 플라즈마 이온 입자의 흐름이 플라즈마 챔버 내측의 가스 출구 주변에서 감속되는 구조를 갖기 때문에 플라즈마 챔버 내부의 가스 출구 주변에서 플라즈마 이온 입자의 강한 충돌에 의한 파티클 발생을 저감할 수 있다. 또한 플라즈마 챔버에 구비되는 하나 이상의 절연 갭은 플라즈마 방전 채널을 향하여 갭의 크기가 커지는 구조를 갖기 때문에 절연 갭 사이에서 발생되는 아크성 방전과 이로 인한 파티클 발생을 저감할 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 챔버의 개략적인 구조를 보여주는 단면도이다.
도 2는 도 1의 플라즈마 챔버의 가스 출구의 구조를 확대하여 보여주는 도면이다.
도 3 및 도 4는 가스 출구의 배기 홀에 배기 링을 설치한 예들을 보여주는 부분 단면도이다.
도 5는 배기 링의 홀 구조를 예시하는 배기 링의 평면도이다.
도 6 및 도 7은 플라즈마 챔버의 절연 갭의 구조를 보여주는 도면이다.

본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공 되어지는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 구성은 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 챔버의 개략적인 구조를 보여주는 단면도이고, 도 2는 도 1의 플라즈마 챔버의 가스 출구의 구조를 확대하여 보여주는 도면이다.

도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 챔버(20)는 변압기 결합 플라즈마 발생기(a transformer coupled plasma)(10)(이하, '플라즈마 발생기'로 약칭함)의 경우를 예로한다. 플라즈마 발생기(10)는 변압기(40)가 결합된 플라즈마 챔버(20)와 변압기(40)로 플라즈마 발생을 위한 전력을 공급하는 교류 스위칭 전원(AC switching power supply)(30)을 구비한다. 플라즈마 챔버(20)는 가스 입구(24)와 가스 출구(26)가 구성되며 플라즈마 방전 채널(21)을 형성하는 중공의 챔버 바디(22)를 구비한다. 챔버 바디(22)는 환형 구조를 갖고 다수개의 마그네틱 코어(42)가 결합되어 있다. 마그네틱 코어(42)에는 일차 권선 코일(44)이 다수회 권선되어 있다. 일차 권선 코일(44)은 교류 스위칭 전원(30)으로부터 교류 전력을 공급받아 구동된다.

교류 스위칭 전원(30)으로부터 일차 권선 코일(44)로 교류 전력이 공급되면 변압기(40)가 구동되면서 플라즈마 방전 채널(21)로 공급된 가스에 유도 기전력이 전달되어 플라즈마가 발생된다. 이때, 플라즈마 방전 채널(21) 내에 발생된 플라즈마는 변압기(40)의 이차측을 형성한다.

챔버 바디(22)는 복수개의 중공의 방전 튜브(22-1,22-2,22-3,22-4)가 연결되어 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 내지 제4 방전 튜브(22-1,22-2,22-3,22-4)가 환형으로 결합되어 구성된다. 가스 입구(24)는 제1 방전 튜브(22-1)에 가스 출구(50)는 제3 방전 튜브(22-3)에 각각 구성된다. 가스 입구(24)와 가스 출구(50)는 설계 요건에 따라 그 위치가 변경 가능하다. 가스 출구(50)를 구성하기 위해 제3 방전 튜브(22-3)에는 배기 홀(52)이 형성된다. 배기 홀(52)의 단면적(r2)은 제3 방전 튜브(22-3)에 의해 형성되는 플라즈마 방전 채널(21-3)의 단면적(r1) 보다 작다.

그럼으로 플라즈마 방전 채널(21)에 흐르는 플라즈마 상태의 이온 입자들의 유속은 배기 홀(52)을 진입하는 부근에서 정체되기 때문에 플라즈마 방전 채널(21)의 다른 영역에 비하여 배기 홀(52)과 그 주변에서 감속된다. 플라즈마 이온 입자들의 흐름이 감속되면서 배기 홀(52)과 그 주변에서 플라즈마 이온 입자들의 충돌력이 감쇄되기 때문에 파티클 발생이 저감된다.

가스 출구(50)의 배기 홀(52) 주변에서 플라즈마 이온 입자들의 흐름을 더욱 감속 시키기 위하여 제3 방전 튜브(22-3)는 내측에서 배기 홀(52)의 주변으로 상승 기류가 형성되도록 배기 홀(52)의 주변 가장 자리 영역(54)이 오르막 형태의 경사진 구조를 갖게 할 수 있다. 또한, 배기 홀(52)의 내경이 일단에서 타단까지 좁아지다가 넓어지는 구조를 갖도록 하는 경우 감속 효과를 더욱 높일 수 있다. 이 실시예에서는 배기 홀(52)을 하나로 구성하는 경우를 예로 하였으나, 도면에는 도시되지 않았으나, 제3 방전 튜브(21-3)의 단면적(r1) 보다 작은 단면적을 갖는 조건 범위에서 배기 홀(52)을 다공 홀 구조로 구성할 수 있다.

도 3 및 도 4는 가스 출구의 배기 홀에 배기 링을 설치한 예들을 보여주는 부분 단면도이고, 도 5는 배기 링의 홀 구조를 예시하는 배기 링의 평면도이다.

도 3을 참조하여, 본 발명의 플라즈마 챔버(20)는 가스 출구(50)의 배기 홀(52)에 배기 링(70)을 장착하여 플라즈마 이온 입자의 흐름을 감속할 수 있다. 배기 링(70)은 배기 홀(52)에 삽입되는 삽입 링(71)과 에지 링(72)으로 분리되어 구성될 수 있다. 삽입 링(71)과 에지 링(72)은 하나로 결합되어 배기 홀(52)에 장착되어 관통된 홀을 형성한다. 배기 링(70)을 둘 이상으로 분리하여 구성하는 경우에는 열적 변형에 따른 배기 링(70)의 손상을 방지할 수 있다. 그러나 열적 변형을 충분히 극복할 수 있는 경우에는 삽입 링(71)과 에지 링(72)을 하나의 몸체로 구성하는 것도 가능하다. 에지 링(74)은 배기 홀(52)의 주변으로 상승 기류가 형성되도록 가장 자리 영역(73)이 오르막 형태의 경사진 구조를 갖는 것이 바람직하다. 도면에는 도시되지 않았으나 삽입 링(71)의 내경이 일단에서 타단까지 좁아지다가 넓어지는 구조를 갖도록 하는 경우 감속 효과를 더욱 높일 수 있다.

도 4 및 도 5를 참조하여, 다른 형태의 배기 링(75)은 배기 홀(52)의 입구에 장착되는 원반형 구조의 갖는다. 원반형 구조의 배기 링(75)은 중앙에 하나의 원형 홀, 타원형 홀, 다공 홀 등의 하나 이상의 관통된 홀이 형성된다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 플라즈마 챔버(20)는 플라즈마 이온 입자의 흐름이 가스 출구(50) 주변에서 감속되는 구조를 갖기 때문에 플라즈마 챔버(20) 내부의 가스 출구(50) 주변에서 플라즈마 이온 입자의 강한 충돌에 의한 파티클 발생을 저감할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

도 6 및 도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 챔버의 절연 갭의 구조를 보여주는 도면이다.

도 6 및 도 7을 참조하여, 플라즈마 챔버(20)의 내부에서 파티클이 발생되는 원인의 하나로는 절연 갭(60) 주변에서 발생되는 아크성 방전이다. 이를 저감하기 위하여 본 발명의 플라즈마 챔버(20)는 절연 갭(60) 주변에서의 아크성 방전을 저감할 수 있도록 절연 갭(60) 주변의 구조를 개선하였다. 즉, 절연 갭(60)을 사이에 두고 연결되는 두 개의 방전 튜브(22-1, 22-2) 사이의 절연 갭(60)은 아크성 방전을 저감시키기 위하여 플라즈마 방전 채널(21) 방향으로 벌어지는 아크성 방전 방지 경사 구조(66)를 갖는다. 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이, 아크성 방전 방지 경사 구조(66)는 선형적으로 기울어진 경사 구조를 가질 수 있다. 또는 도 7에 도시된 바와 같이, 아크성 방전 방지 경사 구조(66)는 만곡진 구조를 가질 수 도 있다.

이와 같이, 절연 갭(60)은 플라즈마 방전 채널(21)을 향하여 갭의 크기가 커지는 구조를 갖기 때문에 절연 갭(60) 사이에서 발생되는 아크성 방전과 이로 인한 파티클 발생을 저감할 수 있다.

이상에서 설명된 본 발명의 파티클 저감 구조를 갖는 플라즈마 챔버의 실시예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그럼으로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

10: 플라즈마 발생기 20: 플라즈마 챔버
21, 21-1~21-4: 플라즈마 방전 채널 22: 챔버 바디
22-1~22-4: 방전 튜브 24: 가스 입구
30: 교류 스위칭 전원 40: 변압기
42: 페라이트 코어 44: 일차 권선
50: 가스 출구 52, 73, 76: 배기 홀
54: 배기 홀 가장 자리 영역 56: 배기홀 내부 경사면
60: 절연 갭 62: 절연 링
64: 오-링 66: 아크성 방전 방지 경사 구조
71, 72, 75: 배기 링 76: 홀

Claims

단면적을 갖는 중공의 방전 튜브를 갖고 플라즈마 방전 채널을 형성하는 챔버 바디;
상기 플라즈마 방전 채널로 가스가 주입되도록 상기 챔버 바디에 구성되는 가스 입구;
상기 플라즈마 방전 채널에서 가스가 배출되도록 상기 챔버 바디에 구성되는 배기 홀을 갖는 가스 출구를 포함하고,
상기 배기 홀의 단면적은 상기 가스 출구가 형성된 방전 튜브가 갖는 플라즈마 방전 채널의 단면적보다 작고, 상기 배기 홀의 주변으로 상승 기류가 형성되도록 상기 배기 홀의 주변 가장 자리 영역이 오르막 형태의 경사진 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 챔버.
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제1항에 있어서,
상기 배기 홀의 내경은 일단에서 타단까지 좁아지다가 넓어지는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 챔버.
제1항에 있어서,
상기 배기 홀은 다공 홀 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 챔버.
제1항에 있어서,
상기 배기 홀에 설치되는 배기 링을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 챔버.
제5항에 있어서,
상기 배기 링은 상기 방전 튜브의 내측에서 상기 배기 홀의 주변으로 상승 기류가 형성되도록 상기 배기 홀의 주변 가장 자리 영역이 오르막 형태의 경사진 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 챔버.
제5항에 있어서,
상기 배기 링은 상기 배기 홀의 내경이 일단에서 타단까지 좁아지다가 넓어지는 구조를 갖도록 구조화 된 것을 특징으로 하는 플라즈마 챔버.
제5항에 있어서,
상기 배기 링은 복수개의 관통된 홀들을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 챔버.
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