KR102023704B1

KR102023704B1 - 플라즈마 반응기 일체형 진공 펌프

Info

Publication number: KR102023704B1
Application number: KR1020180031525A
Authority: KR
Inventors: 허민; 이재옥; 강우석; 김대웅
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2018-03-19
Filing date: 2018-03-19
Publication date: 2019-09-20

Abstract

플라즈마 반응기 일체형 진공 펌프는 하우징, 한 쌍의 로터, 유전체, 및 고전압 전극을 포함한다. 하우징은 흡입구와 배기구를 가진다. 한 쌍의 로터는 하우징의 내부에서 서로 맞물리게 설치되며, 모터의 동력에 의해 회전하여 압력을 저감시키고, 하우징과 함께 접지된다. 판형의 유전체는 한 쌍의 로터와 마주하도록 하우징에 설치된다. 고전압 전극은 유전체의 외면에 위치하고, 전원으로부터 플라즈마 발생을 위한 구동 전압을 인가받는다.

Description

플라즈마 반응기 일체형 진공 펌프 {VACUUM PUMP WITH PLASMA REACTOR}

본 발명은 진공 펌프에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자체 세정 기능을 가지는 진공 펌프에 관한 것이다.

반도체, 디스플레이, 태양 전지 등의 제조 설비에는 증착, 식각 등을 수행하는 공정 챔버와, 공정 챔버의 내부를 진공으로 배기시키는 진공 펌프가 구비된다. 진공 펌프의 전단은 진공관(foreline)을 통해 공정 챔버와 연결되고, 진공 펌프의 후단은 상압의 스크러버(scrubber)와 연결된다. 진공 펌프는 하우징 내부에 설치된 한 쌍의 로터로 구성되며, 로터의 회전에 의해 압력을 저감시킨다.

공정 챔버가 화학기상증착(CVD), 플라즈마 강화 화학기상증착(PECVD), 원자층 증착(ALD) 등의 증착 챔버인 경우, 증착 원료인 전구체와 반응가스의 화학반응에 의해 박막 증착이 이루어진다. 박막 증착에 사용되지 않은 전구체는 퍼지 구간에서, 공정 부산물인 입자들은 세정 구간에서 공정 챔버로부터 배출된다.

진공 펌프는 증착 공정에 사용되는 가스에 항상 노출되어 있으므로 공정 챔버에서 배출된 전구체와 입자 부산물의 일부가 로터 위에 축적되며, 로터 사이의 간격을 막히게 하여 진공 펌프의 성능을 저하시킨다.

로터 위에 축적된 전구체와 입자 부산물을 제거하는 방법으로서, 진공 펌프의 하우징을 가열하여 기화시키는 방법과, 하우징 내부에 다량의 질소 가스를 주입하여 퍼지하는 방법과, 진공관에 포집 트랩을 설치하는 방법 등이 사용되고 있다.

그러나 가열 방식은 열에 의해 진공 펌프의 내부 부품이 손상될 수 있으므로 가열 온도에 제한이 있고, 질소 퍼지 방식은 세정 효과가 높지 않으면서 공정 단가가 높다. 또한, 트랩 설치 방식은 트랩 교체를 위해 트랩에 축적된 전구체가 대기 중에 노출되는 경우 화재와 폭발의 위험이 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 자체 세정 기능을 구비한 플라즈마 반응기 일체형 진공 펌프를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 반응기 일체형 진공 펌프는 하우징, 한 쌍의 로터, 유전체, 및 고전압 전극을 포함한다. 하우징은 흡입구와 배기구를 가진다. 한 쌍의 로터는 하우징의 내부에서 서로 맞물리게 설치되며, 모터의 동력에 의해 회전하여 압력을 저감시키고, 하우징과 함께 접지된다. 판형의 유전체는 한 쌍의 로터와 마주하도록 하우징에 설치된다. 고전압 전극은 유전체의 외면에 위치하고, 전원으로부터 플라즈마 발생을 위한 구동 전압을 인가받는다.

한 쌍의 로터는 서로 맞물려 회전하는 제1 스크류 로터와 제2 스크류 로터로구성될 수 있으며, 한 쌍의 전동축과 기어 조립체에 의해 모터의 동력을 전달받아 회전할 수 있다. 유전체는 흡입구와 거리를 두고 하우징의 상면에 위치할 수 있으며, 흡입구는 유전체보다 배기구로부터 더 멀리 위치할 수 있다.

유전체는 단일 유전체일 수 있다. 유전체의 전체 폭은 한 쌍의 로터의 전체 폭보다 작을 수 있고, 유전체는 한 쌍의 로터 각각과 동일한 면적으로 마주할 수 있다. 유전체는 가장자리가 실런트에 의해 밀봉된 상태로 하우징에 설치될 수 있고, 고전압 전극은 하우징과 거리를 두고 유전체의 가장자리 안쪽에 위치할 수 있다.

다른 한편으로, 유전체는 한 쌍의 로터 각각에 대응하는 한 쌍의 유전체로 구성될 수 있다. 한 쌍의 유전체 각각의 폭은 한 쌍의 로터 각각의 폭보다 작을 수 있고, 한 쌍의 유전체 각각의 중심은 한 쌍의 로터 각각의 중심과 일치할 수 있다.

한 쌍의 유전체 각각은 가장자리가 실런트에 의해 밀봉된 상태로 하우징에 설치될 수 있다. 한 쌍의 고전압 전극 각각은 하우징과 거리를 두고 한 쌍의 유전체 각각의 가장자리 안쪽에 위치할 수 있다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 진공 펌프는 진공관을 통해 공정 챔버와 연결되어 공정 챔버의 내부를 진공으로 배기시키며, 한 쌍의 로터와 유전체 및 고전압 전극을 포함한다. 한 쌍의 로터는 하우징의 내부에서 서로 맞물리게 설치되고, 모터의 동력에 의해 회전하여 압력을 저감시키며, 하우징과 함께 접지된다. 판형의 유전체는 한 쌍의 로터와 마주하도록 하우징에 설치된다. 고전압 전극은 유전체의 외면에 위치하며, 공정 챔버의 세정 단계에서 전원으로부터 구동 전압을 인가받아 유전체와 한 쌍의 로터 사이의 공간에 플라즈마를 발생시킨다.

플라즈마 발생 영역의 폭은 한 쌍의 로터 전체의 폭보다 작을 수 있으며, 플라즈마 발생 시 한 쌍의 로터는 회전하여 원주 방향에 따른 로터의 전체면이 플라즈마에 노출될 수 있다.

유전체와 고전압 전극은 하우징의 흡입구와 거리를 두고 하우징의 상면에 위치할 수 있으며, 하우징과 유전체 사이에 실런트가 제공되어 하우징 내부의 기밀을 유지할 수 있다.

본 발명에 따른 진공 펌프는 공정 챔버의 가동을 중지시키지 않고도 공정 챔버의 세정 단계 중에 플라즈마를 발생시켜 로터 위에 축적된 전구체와 입자 부산물을 효과적으로 제거할 수 있다. 따라서 진공 펌프의 유지보수 주기를 늘릴 수 있고, 진공 펌프의 유지보수에 따른 공정 챔버의 휴지기를 단축시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마 반응기 일체형 진공 펌프(이하, 편의상 '진공 펌프'라 한다)의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시한 진공 펌프 가운데 하우징의 내부 구성을 도시한 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시한 Ⅲ-Ⅲ선을 기준으로 절개한 진공 펌프의 부분 분해 단면도이다.
도 4는 도 3에 도시한 진공 펌프의 세정 과정을 도시한 구성도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 진공 펌프의 단면도이다.
도 6은 도 5에 도시한 진공 펌프의 세정 과정을 도시한 구성도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마 반응기 일체형 진공 펌프(이하, 편의상 '진공 펌프'라 한다)의 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시한 진공 펌프 가운데 하우징의 내부 구성을 도시한 사시도이다.

도 1과 도 2를 참고하면, 제1 실시예의 진공 펌프(100)는 하우징(10)과, 하우징(10) 내부에 설치된 한 쌍의 로터(20)와, 한 쌍의 로터(20)와 마주하도록 하우징(10)에 설치된 판형의 유전체(50)와, 유전체(50)의 외면에 위치하는 고전압 전극(60)을 포함한다. 한 쌍의 로터(20)와 유전체(50) 및 고전압 전극(60)이 플라즈마 반응기를 구성한다.

하우징(10)은 밀폐된 내부 공간을 가지며, 흡입구(11)와 배기구(12)를 포함한다. 흡입구(11)는 진공관(foreline)(71)을 통해 공정 챔버(도시하지 않음)와 연결되고, 배기구(12)는 상압의 스크러버(scrubber)(도시하지 않음)와 연결된다. 진공 펌프(100)는 흡입구(11)를 통해 공정 챔버의 공기를 흡입하고, 배기구(12)를 통해 공기를 외부로 배출한다.

한 쌍의 로터(20)가 하우징(10) 내부에 설치된다. 한 쌍의 로터(20)는 예를 들어 스크류 타입일 수 있으며, 제1 및 제2 스크류 로터(21, 22)가 서로 맞물려 회전하면서 제1 및 제2 스크류 로터(21, 22)의 홈과 하우징(10) 사이에 형성되는 용적 변화에 의해 공기를 연속적으로 흡입, 압축, 토출하는 구성일 수 있다.

하우징(10)과 한 쌍의 로터(20)는 금속으로 제작되고, 진공 펌프(100) 작동 시 항상 접지되어 있거나, 플라즈마 발생 시에만 선택적으로 접지될 수 있다. 한 쌍의 로터(20)는 전술한 스크류 타입으로 한정되지 않으며, 다양하게 변형 가능하다.

하우징(10) 내부에는 한 쌍의 로터(20)를 회전시키기 위한 한 쌍의 전동축(23, 24)과 기어 조립체(30) 및 모터(40)가 제공된다. 한 쌍의 전동축(23, 24)은 제1 스크류 로터(21)의 중심을 길이 방향으로 가로지르는 제1 전동축(23)과, 제2 스크류 로터(22)의 중심을 길이 방향으로 가로지르는 제2 전동축(24)을 포함할 수 있다.

기어 조립체(30)는 제1 전동축(23)에 제공된 제1 기어(31)와, 제2 전동축(24)에 제공되며 제1 기어(31)와 맞물리는 제2 기어(32)와, 모터(40)의 회전축에 결합된 제3 기어(33)와, 제1 기어(31)와 제2 기어(32) 중 어느 하나 및 제3 기어(33)와 맞물리는 제4 기어(34)를 포함할 수 있다.

도 2에서는 제4 기어(34)가 제1 기어(31)와 맞물리는 경우를 예로 들어 도시하였다. 한편, 기어 조립체(30)는 제4 기어(34)를 생략하고 제3 기어(33)를 제1 기어(31) 또는 제2 기어(32)에 바로 맞물리게 하는 구성도 가능하다.

모터(40)의 동력은 기어 조립체(30)를 통해 제1 및 제2 전동축(23, 24)으로 전달되어 한 쌍의 로터(20)를 고속으로 회전시킨다. 제1 전동축(23)과 제2 전동축(24)의 양측 단부에는 도시하지 않은 베어링이 제공되어 이들 로터(20)와 전동축(23, 24)의 회전을 지지한다.

하우징(10)의 흡입구(11)는 로터(20)의 상측에 위치할 수 있고, 하우징(10)의 배기구(12)는 로터(20)의 하측으로부터 내부 배관(13)을 통해 하우징(10)의 측면 바깥으로 연장될 수 있다. 제1 실시예의 진공 펌프(100)는 윤활유를 사용하지 않는 건식(dry) 진공 펌프로서, 윤활유 역류에 따른 공정 불량을 원천적으로 차단할 수 있다.

공정 챔버가 증착 챔버인 경우 진공 펌프(100)는 증착 가스에 항상 노출되어 있으므로 공정 챔버에서 배출되는 전구체와 입자 부산물의 일부가 로터(20) 위에 지속적으로 축적된다. 제1 실시예의 진공 펌프(100)는 로터(20) 위에 축적된 전구체와 입자 부산물을 제거하는 자체 세정 기능을 가진다.

도 3은 도 1에 도시한 Ⅲ-Ⅲ선을 기준으로 절개한 진공 펌프의 부분 분해 단면도이다.

도 1 내지 도 3을 참고하면, 한 쌍의 로터(20)와 마주하는 하우징(10)의 일부에 개구부(14)가 위치하고, 판형의 유전체(50)가 개구부(14)에 설치된다. 하우징(10)은 유전체(50) 설치로 인해 내부의 진공이 누설되지 않도록 유전체(50)의 둘레를 따라 견고한 실런트(15)를 배치할 수 있다. 유전체(50)는 유리, 석영, 알루미나 등으로 제작될 수 있다.

유전체(50)는 흡입구(11)와 거리를 두고 하우징(10)의 상면에 위치할 수 있으며, 제1 및 제2 스크류 로터(21, 22)의 일부와 마주한다. 유전체(50)는 로터(20)의 길이 방향과 나란한 한 쌍의 장변을 가지는 직사각 형상일 수 있고, 하우징(10)의 상면에서 흡입구(11)는 유전체(50)보다 배기구(12)로부터 더 멀리 위치할 수 있다.

도 3을 기준으로 유전체(50)의 폭(w1)은 제1 및 제2 스크류 로터(21, 22)의 전체 폭(w2)보다 작을 수 있고, 유전체(50)가 제1 스크류 로터(21)와 마주하는 부분의 폭(w3)과, 제2 스크류 로터(22)와 마주하는 부분의 폭(w4)이 같을 수 있다.

고전압 전극(60)은 유전체(50)의 외면에 위치하는 판형의 전극일 수 있으며, 진공 펌프(100)의 세정 시 전원(65)과 연결되어 구동 전압을 인가받는다. 구동 전압은 교류(AC) 전압 또는 고주파(RF, radio frequency) 전압일 수 있다. 고전압 전극(60)은 하우징(10)과 접하지 않도록 유전체(50)보다 작은 크기를 가지며, 하우징(10)과 일정 거리를 두고 유전체(50)의 가장자리 안쪽에 위치할 수 있다.

전술한 구성의 진공 펌프(100)는 고전압 전극(60)의 전원(65)을 끈 상태에서 모터(40)의 작동으로 한 쌍의 로터(20)를 회전시킴으로써 통상의 펌프 기능을 수행한다. 그리고 공정 챔버에서 배출되는 전구체와 입자 부산물이 로터(20) 위에 축적되어 진공 펌프(100)의 성능이 저하될 때 플라즈마 세정을 진행한다.

도 4는 도 3에 도시한 진공 펌프의 세정 과정을 도시한 구성도이다.

도 4를 참고하면, 하우징(10)과 한 쌍의 로터(20)를 접지시킨 상태에서 전원(65)으로부터 고전압 전극(60)으로 구동 전압을 인가한다. 그러면 한 쌍의 로터(20)와 고전압 전극(60)의 전위 차에 의해 유전체(50)와 한 쌍의 로터(20) 사이의 공간에 플라즈마(P)가 생성된다. 이때 한 쌍의 로터(20)는 회전 중이므로 원주 방향에 따른 로터(20)의 전체면이 플라즈마(P)에 노출된다.

공정 챔버에서 진행되는 증착 공정은 증착, 1차 퍼지, 세정, 및 2차 퍼지의 네 단계로 이루어진다. 이 중 세정 단계에서 사용되는 세정 가스는 헬륨, 산소, 삼불화질소(NF₃) 등을 포함할 수 있다. 진공 펌프(100)의 플라즈마 세정은 공정 챔버로부터 세정 가스를 공급받는 세정 단계에서 진행될 수 있다.

공정 챔버의 세정 단계에서 진공 펌프(100)에 플라즈마(P)를 발생시킴에 따라, 플라즈마(P)로부터 불소(F) 라디칼과 전자 및 이온이 생성된다. 불소 라디칼은 로터(20) 위에 축적된 전구체와 입자 부산물을 분해하여 세정하고, 전자와 이온은 표면 반응도(surface reactivity)를 증가시켜 순수한 불소 라디칼이 존재할 때보다 효과적으로 전구체와 입자 부산물을 세정한다.

이와 같이 제1 실시예의 진공 펌프(100)는 공정 챔버의 가동을 중지시키지 않고도 공정 챔버의 세정 단계 중에 플라즈마(P)를 발생시켜 로터(20) 위에 축적된 전구체와 입자 부산물을 효과적으로 제거할 수 있다. 따라서 진공 펌프(100)의 유지보수 주기를 늘릴 수 있고, 진공 펌프(100)의 유지보수에 따른 공정 챔버의 휴지기를 단축시킬 수 있다.

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 진공 펌프의 단면도이고, 도 6은 도 5에 도시한 진공 펌프의 세정 과정을 도시한 구성도이다.

도 5와 도 6을 참고하면, 제2 실시예의 진공 펌프(200)에서 하우징(10)은 한 쌍의 로터(20) 각각에 대응하는 한 쌍의 개구부(14)를 구비하며, 한 쌍의 유전체(50)가 한 쌍의 개구부(14) 각각에 설치된다. 그리고 한 쌍의 고전압 전극(60)이 한 쌍의 유전체(50) 각각의 외면에 위치한다.

한 쌍의 유전체(50) 각각의 폭은 대응하는 로터(20)의 직경보다 작을 수 있다. 한 쌍의 고전압 전극(60) 각각은 하우징(10)과 접하지 않도록 유전체(50)보다 작은 크기를 가지며, 하우징(10)과 일정 거리를 두고 유전체(50)의 가장자리 안쪽에 위치할 수 있다. 한 쌍의 고전압 전극(60)은 같은 전원(65)에 연결되어 진공 펌프(200) 세정 시 같은 구동 전압을 인가받는다.

공정 챔버의 세정 과정에서 한 쌍의 고전압 전극(60)에 동일한 구동 전압을 인가한다. 그러면 로터(20)와 고전압 전극(60)의 전위 차에 의해 유전체(50)와 로터(20) 사이의 공간에 플라즈마(P)가 발생하고, 플라즈마(P)로부터 생성된 불소 라디칼과 전자 및 이온이 로터(20) 위에 축적된 전구체와 입자 부산물을 세정한다.

플라즈마 세정 과정에서, 플라즈마(P) 영역의 폭은 로터(20)의 폭보다 작지만, 로터(20)는 회전하는 상태이므로 원주 방향에 따른 로터(20)의 전체면이 플라즈마(P)에 노출되어 세정이 이루어진다. 제2 실시예의 진공 펌프(200)는 유전체(50)와 고전압 전극(60)이 한 쌍으로 제공되는 것을 제외하고 전술한 제1 실시예와 동일하며, 중복되는 설명은 생략한다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

100, 200: 진공 펌프 10: 하우징
20: 로터 21: 제1 스크류 로터
22: 제2 스크류 로터 23: 제1 전동축
24: 제2 전동축 30: 기어 조립체
40: 모터 50: 유전체
60: 고전압 전극 65: 전원

Claims

흡입구와 배기구를 가지는 하우징;
상기 하우징의 내부에서 서로 맞물리게 설치되며, 모터의 동력에 의해 회전하여 압력을 저감시키고, 상기 하우징과 함께 접지되어 접지 전극을 이루는 한 쌍의 로터;
상기 한 쌍의 로터와 마주하도록 상기 하우징에 설치된 판형의 유전체; 및
상기 유전체의 외면에 위치하고, 전원으로부터 구동 전압을 인가받아 상기 유전체와 상기 한 쌍의 로터 사이의 공간에 플라즈마를 생성하여 상기 한 쌍의 로터를 세정하는 판형의 고전압 전극
을 포함하는 플라즈마 반응기 일체형 진공 펌프.
제1항에 있어서,
상기 한 쌍의 로터는 서로 맞물려 회전하는 제1 스크류 로터와 제2 스크류 로터로 구성되며, 한 쌍의 전동축과 기어 조립체에 의해 상기 모터의 동력을 전달받아 회전하는 플라즈마 반응기 일체형 진공 펌프.
제1항에 있어서,
상기 유전체는 상기 흡입구와 거리를 두고 상기 하우징의 상면에 위치하며, 상기 흡입구는 상기 유전체보다 상기 배기구로부터 더 멀리 위치하는 플라즈마 반응기 일체형 진공 펌프.
제3항에 있어서,
상기 유전체는 단일 유전체이고, 상기 유전체의 전체 폭은 상기 한 쌍의 로터의 전체 폭보다 작으며, 상기 유전체는 상기 한 쌍의 로터 각각과 동일한 면적으로 마주하는 플라즈마 반응기 일체형 진공 펌프.
제4항에 있어서,
상기 유전체는 가장자리가 실런트에 의해 밀봉된 상태로 상기 하우징에 설치되고, 상기 고전압 전극은 상기 하우징과 거리를 두고 상기 유전체의 가장자리 안쪽에 위치하는 플라즈마 반응기 일체형 진공 펌프.
제3항에 있어서,
상기 유전체는 상기 한 쌍의 로터 각각에 대응하는 한 쌍의 유전체로 구성되고, 상기 한 쌍의 유전체 각각의 폭은 상기 한 쌍의 로터 각각의 폭보다 작으며, 상기 한 쌍의 유전체 각각의 중심은 상기 한 쌍의 로터 각각의 중심과 일치하는 플라즈마 반응기 일체형 진공 펌프.
제6항에 있어서,
상기 한 쌍의 유전체 각각은 가장자리가 실런트에 의해 밀봉된 상태로 상기 하우징에 설치되고, 상기 한 쌍의 고전압 전극 각각은 상기 하우징과 거리를 두고 상기 한 쌍의 유전체 각각의 가장자리 안쪽에 위치하는 플라즈마 반응기 일체형 진공 펌프.
진공관을 통해 공정 챔버와 연결되어 상기 공정 챔버의 내부를 진공으로 배기시키는 진공 펌프에 있어서,
하우징의 내부에서 서로 맞물리게 설치되며, 모터의 동력에 의해 회전하여 압력을 저감시키고, 상기 하우징과 함께 접지되어 접지 전극을 이루는 한 쌍의 로터;
상기 한 쌍의 로터와 마주하도록 상기 하우징에 설치된 판형의 유전체; 및
상기 유전체의 외면에 위치하며, 상기 공정 챔버의 세정 단계에서 전원으로부터 구동 전압을 인가받아 상기 유전체와 상기 한 쌍의 로터 사이의 공간에 플라즈마를 생성하여 상기 한 쌍의 로터를 세정하는 판형의 고전압 전극
을 포함하는 플라즈마 반응기 일체형 진공 펌프.
제8항에 있어서,
상기 플라즈마 발생 영역의 폭은 상기 한 쌍의 로터 전체의 폭보다 작으며, 상기 플라즈마 발생 시 상기 한 쌍의 로터는 회전하여 원주 방향에 따른 상기 로터의 전체면이 상기 플라즈마에 노출되는 플라즈마 반응기 일체형 진공 펌프.
제9항에 있어서,
상기 유전체와 상기 고전압 전극은 상기 하우징의 흡입구와 거리를 두고 상기 하우징의 상면에 위치하며, 상기 하우징과 상기 유전체 사이에 실런트가 제공되어 상기 하우징 내부의 기밀을 유지하는 플라즈마 반응기 일체형 진공 펌프.