KR102267834B1 - 냉각블록 및 격리밸브를 포함하는 멀티스테이션 플라즈마 반응기 - Google Patents

냉각블록 및 격리밸브를 포함하는 멀티스테이션 플라즈마 반응기 Download PDF

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Abstract

반응열 또는 플라즈마 소스열에 의한 격리밸브의 손상을 방지하고, 가스들의 누설을 방지하며, 가스들의 반응에 의한 이물질의 생성을 차단하고, 반응기를 유지하는 비용 및 시간을 절감하는 냉각블록 및 격리밸브를 포함하는 멀티스테이션 플라즈마 반응기를 제시한다. 그 반응기는 복수개의 스테이션의 상부에 위치하여 가스들을 분사하는 샤워헤드와, 단독으로 존재하여 샤워헤드가 모두 연결되며 반응가스 배관을 흐르는 반응가스의 흐름을 단속하는 격리밸브 및 격리밸브와 연결되고 내부에는 반응가스 배관이 배치되며 반응가스 배관을 냉각시키는 냉각블록을 포함한다.

Description

냉각블록 및 격리밸브를 포함하는 멀티스테이션 플라즈마 반응기{Multi-station plasma reactor having cooling block and isolation valve}
본 발명은 플라즈마 반응기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 냉각블록 및 격리밸브를 활용하여, 멀티스테이션 플라즈마 반응기에서의 격리효과를 개선하고 열에 의한 손상을 방지하고 반응가스의 누설을 예방하며 반응기의 유지비용을 절감하는 플라즈마 반응기에 관한 것이다.
반도체 장비는 소자의 고집적화, 웨이퍼의 대구경화, 디스플레이의 대면적화 등에 따라 고용량 및 고기능이 추구되고 있다. 플라즈마 반응기는 반응가스를 활성화시켜 플라즈마 상태로 변형함으로써, 플라즈마 상태의 반응가스의 이온 또는 라디칼(radical)에 의해 증착, 식각, 세정 등에 활용되고 있다. 한편, 대량의 소자들을 효율적으로 제조하기 위하여, 국내공개특허 제2015-0139461호와 같은 멀티스테이션 플라즈마 반응기가 채택되고 있다. 상기 멀티스테이션 플라즈마 반응기에는 챔버와 플라즈마 소스를 격리시키기 위하여 격리밸브가 활용된다.
도 1은 종래의 멀티스테이션 플라즈마 반응기를 개념적으로 표현한 도면이다. 도 1에 의하면, 상기 장치는 운영부(110), RF 생성부(111), RF 매칭부(112) 및 인터페이스(113)을 포함하고, 챔버(120)에는 격리밸브(121), 분리블록(122), 샤워헤드(123) 및 스테이션(124)을 포함한다. 격리밸브(121)는 챔버(120)와 플라즈마 소스를 격리시키기 위하여 배치된다. 멀티스테이션 플라즈마 반응기의 경우, 웨이퍼(W)가 탑재되는 스테이션(124)은 복수개이며, 이에 따라 동일한 개수의 격리밸브(121) 및 샤워헤드(123)가 스테이션(124)과 연결된다. 여기서는 4개의 스테이션(124)을 사례로 들었다.
종래의 반응기에는 격리밸브(121)는 4개의 샤워헤드(123) 각각의 상부에 위치하여, 반응가스(SiH4,N2,O2,N2O 등)와 상기 반응기에 의해 분해되어 분배되는 예컨대, 삼불화질소(NF3) 가스를 격리시킨다. 상기 반응기가 가동될 때, 삼불화질소(NF3) 가스가 불소(fluorine)로 분해되는 과정 등에서 발생하는 반응열에 의하여, 격리밸브(121)의 손상이 일어난다. 또한, 상기 플라즈마 소스는 자체의 소스열에 의해 격리밸브(121)의 손상을 초래한다. 격리밸브(121)가 손상되면 격리가 제대로 수행되지 않는다. 이렇게 되면, 상기 가스들의 누설이 발생하고 상기 가스들이 혼합되어 이물질이 생성된다. 이러한 이물질은 소자의 불량을 유발하는 치명적인 결함의 원인이다. 한편, 종래의 반응기는 복수개의 격리밸브(121)가 존재하므로, 격리밸브(121) 중의 하나만 손상되면 반응기(MPR) 전체를 수리해야 한다. 즉, 종래의 반응기는 격리밸브(121)의 손상 및 개수로 인하여 격리상태를 유지하는 비용 및 시간이 상대적으로 많이 소요된다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 반응열 또는 플라즈마 소스열에 의한 격리밸브의 손상을 방지하고, 가스들의 누설을 방지하며, 가스들의 반응에 의한 이물질의 생성을 차단하고, 반응기를 유지하는 비용 및 시간을 절감하는 냉각블록 및 격리밸브를 포함하는 멀티스테이션 플라즈마 반응기를 제공하는 데 있다.
본 발명의 과제를 해결하기 위한 냉각블록 및 격리밸브를 포함하는 멀티스테이션 플라즈마 반응기는 복수개의 스테이션과, 상기 복수개의 스테이션의 상부에 위치하여, 가스들을 분사하는 샤워헤드와, 단독으로 존재하여 상기 샤워헤드가 모두 연결되며, 반응가스 배관을 흐르는 반응가스의 흐름을 단속하는 격리밸브 및 상기 격리밸브와 연결되고, 내부에는 상기 반응가스 배관이 배치되며, 상기 반응가스 배관을 냉각시키는 냉각블록을 포함한다.
본 발명의 반응기에 있어서, 상기 격리밸브에는 왕복운동에 의해 상기 반응가스의 흐름을 단속하는 게이트부를 포함하고, 상기 게이트부 단부의 전면에 부착된 보호커버를 포함할 수 있다. 상기 보호커버는 상기 반응가스 배관이 개방되었을 때, 상기 반응가스가 상기 격리밸브로 유입되지 않도록 한다. 상기 보호커버는 상기 게이트부에 강제 끼움 방식으로 부착될 수 있다.
본 발명의 바람직한 반응기에 있어서, 상기 반응가스는 상기 냉각블록을 거쳐 상기 격리밸브로 향한다. 상기 냉각블록에는 상기 반응가스 배관을 감싸는 냉각라인을 포함할 수 있다. 상기 냉각라인에는 냉각수가 유동할 수 있다.
본 발명의 냉각블록 및 격리밸브를 포함하는 멀티스테이션 플라즈마 반응기에 의하면, 단독 격리밸브 및 냉각블록을 채용함으로써, 반응열 또는 플라즈마 소스열에 의한 격리밸브의 손상을 방지하고, 가스들의 누설을 방지하고 가스들의 반응에 의한 이물질의 생성을 차단한다. 또한, 단독 격리밸브를 적용하여 반응기를 유지하는 비용 및 시간을 절감한다. 냉각블록은 반응가스 배관을 냉각시켜, 가스들이 혼합되어 생성되는 이물질을 발생을 억제한다.
도 1은 종래의 멀티스테이션 플라즈마 반응기를 개념적으로 표현한 도면이다.
도 2는 본 발명에 의한 멀티스테이션 플라즈마 반응기를 개념적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2의 냉각블록 및 격리밸브를 나타내는 사시도이다.
도 4는 도 2의 냉각블록을 설명하기 위한 사시도이다.
도 5는 도 2의 격리밸브를 설명하기 위한 단면도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다음에서 설명되는 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 도면에서는 설명의 편의를 위하여 과장되게 표현하였다. 한편, 상부, 하부, 정면 등과 같이 위치를 지적하는 용어들은 도면에 나타낸 것과 관련될 뿐이다. 실제로, 반응기는 임의의 선택적인 방향으로 사용될 수 있으며, 실제 사용할 때 공간적인 방향은 반응기의 방향 및 회전에 따라 변한다.
본 발명의 실시예는 단독 격리밸브 및 냉각블록을 채용함으로써, 반응열 또는 플라즈마 소스열에 의한 격리밸브의 손상을 방지하여, 가스들의 누설을 방지하고 가스들의 반응에 의한 이물질의 생성을 차단하며, 반응기를 유지하는 비용 및 시간을 절감하는 멀티스테이션 플라즈마 반응기를 제시한다. 이를 위해, 단독 격리밸브 및 냉각블록을 포함하는 멀티스테이션 플라즈마 반응기의 구조에 대하여 자세하게 알아보고, 상기 반응기가 동작하는 과정을 상세하게 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예에 적용되는 멀티스테이션 플라즈마 반응기는 반응가스를 활성화시켜 플라즈마 상태로 변형함으로써, 플라즈마 상태의 반응가스의 이온 또는 라디칼(radical)에 의해 증착, 식각, 세정 등에 활용된다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 멀티스테이션 플라즈마 반응기(MPR)를 개념적으로 나타낸 도면이다. 다만, 엄밀한 의미의 도면을 표현한 것이 아니며, 설명의 편의를 위하여 도면에 나타나지 않은 구성요소가 있을 수 있다.
도 2에 의하면, 본 발명의 반응기(MPR)는 운영부(10), RF 생성부(11), RF 매칭부(12) 및 인터페이스(13)를 포함하고, 챔버(20)에는 냉각블록(30) 및 격리밸브(40)가 연결된다. 챔버(20)의 내부에는 분기블록(50), 분배관(51), 샤워헤드(52) 및 스테이션(53)을 포함한다. 운영부(10)는 RF 생성부(11), RF 매칭부(12)를 제어하고, 반응가스를 공급하고 반응기(MPR)를 제어하는 것과 같이 반응기(MPR)를 운영하는 모든 것을 통칭한다. 도면은 운영부(10)에 대하여 개념적으로 표현한 것에 불과하므로, 본 발명의 범주 내에서 다양하게 변형될 수 있다. 웨이퍼(W)는 스테이션(53)에 탑재되며, 스테이션(53)은 다양한 형태의 척, 서셉터 등이 공지되어 있다.
본 발명의 반응기(MPR)은 대량의 소자들을 효율적으로 제조하기 위하여, 멀티스테이션 플라즈마 반응기(MPR)가 채택된다. 실제 사용되고 있는 멀티스테이션 플라즈마 반응기(MPR)의 스테이션(53)은, 도면에 표현된 것과는 달리, 일렬로 배열되지 않고 가로방향 및 세로방향으로 예컨대 2*2의 배열을 가진다. 도면에서는 설명의 편의를 위하여, 일렬로 배열된 상태를 제시하였다. 이에 따라, 샤워헤드(52)는 스테이션(53)의 상부에 위치하므로, 샤워헤드(52)는 가로방향 및 세로방향으로 2*2의 배열을 가진다. 샤워헤드(52) 및 스테이션(53)의 구조는 반응기(MPR)의 종류, 용도 등에 따라 달라질 수 있다.
RF 생성부(11)는 펄싱(pulsing)될 수도 있는 RF 신호를 생성하고, 챔버(20) 내에서의 다양한 프로세스들을 제어하도록 챔버(20)에 RF 신호를 제공한다. RF 매칭부(12)는 갑작스런 RF 지터로 인한 주파수 불일치 문제를 해결한다. 통상적으로, 플라즈마의 고전력 상태에서 임피던스를 매칭시키고 더불어 저전력 상태에서 임피던스를 매칭시키기 위해 서로 다른 2개의 매칭주파수가 요구하다. RF 매칭부(12)는 RF 전력의 고전력 위상 및 저전력 위상의 임피던스 매칭을 위하여 자동으로 주파수를 변조한다. RF 생성부(11) 및 RF 매칭부(12)는 이미 공지되었으므로, 여기서는 상세한 설명은 생략하기로 한다. 인터페이스(13)는 격리밸브(40)를 운영부(10)에 접속시키며, 운영부(10)에 의해 격리밸브(40)를 제어한다.
분기블록(50)에는 각종 공정가스, 퍼지용 가스 등이 유입되며, 상기 가스들은 분배관(51)을 통하여 샤워헤드(52)에 공급된다. 샤워헤드(52)는 분기블록(50)으로부터 공급받은 가스들을 챔버(20) 내부로 분사한다. 분기블록(50) 및 샤워헤드(52)는 이미 잘 알려진 것으로, 여기서는 개념적으로 간략하게 표현하였다.
냉각블록(30) 및 격리밸브(40)의 조합은 RF 매칭부(12) 및 샤워헤드(52)의 반응가스 배관(21)에 장착된다. 상기 조합은 반응기(MPR)가 가동될 때, 예컨대, 삼불화질소(NF3) 가스가 불소(fluorine)로 분해되는 과정 등에서 발생하는 반응열에 의한 격리밸브(40)의 손상을 방지한다. 구체적으로, 상기 반응열은 반응가스 배관(21)을 통하여 전달되어, 반응가스 배관(21)에 부착된 격리밸브(40)에서 열에 취약한 부품, 예컨대 오링의 손상이 야기된다. 상기 오링의 손상에는 일부가 용융되거나, 변형되거나 또는 탄성을 상실하는 경우가 있다. 또한, 반응가스 배관(21)을 유동하는 플라즈마 소스는 자체의 소스열에 의해 격리밸브(40)의 손상을 초래한다. 상기 반응열 및 소스열에 의해 격리밸브(40)가 손상되면 격리가 제대로 수행되지 않는다. 이렇게 되면, 상기 가스들의 누설이 발생하고 상기 가스들이 혼합되어 이물질이 생성된다. 이러한 이물질은 소자의 불량을 유발하는 치명적인 결함의 원인이 된다.
냉각블록(30)을 이용하여 반응가스 배관(21)을 냉각시키면, 상기 반응열 및 플라즈마 소스열에 의하여 격리밸브(40)가 손상되지 않도록 한다. 즉, 냉각블록(30)을 이용하여 상기 반응열 및 플라즈마 소스열의 영향으로부터 격리밸브(40)를 차단하면, 격리밸브(40) 중에서 상기 반응열 및 플라즈마 소스열에 취약한 부품의 손상을 방지할 수 있다. 상기 반응열 및 소스열은 격리밸브(40)의 손상을 일으키는 주된 원인이다. 냉각블록(30) 및 격리밸브(40)는 이하에서 상세하게 설명하기로 한다.
한편, 종래의 멀티스테이션 플라즈마 반응기에는 복수개의 격리밸브(121, 도 1 참조)가 존재하므로, 격리밸브(121) 중의 하나만 손상되면 반응기 전체를 수리해야 한다. 즉, 종래의 반응기는 격리상태를 유지하는 비용 및 시간이 상대적으로 많이 소요된다. 그런데, 본 발명의 반응기(MPR)에는 단독 격리밸브(40)가 장착된다. 단독 격리밸브(40)를 사용하면, 격리밸브(40)가 손상되었을 경우에만 수리하면 된다. 이에 따라, 본 발명의 반응기(MPR)는 종래의 반응기에 비해 격리상태를 유지하는 비용 및 시간이 대폭 절감된다. 본 발명의 반응기(MPR)는 단독 격리밸브(40)와 함께 냉각블록(30)의 냉각효과에 의해 상기 비용 및 시간을 더욱 절감한다.
도 3은 도 2의 냉각블록(30) 및 격리밸브(40)를 나타내는 사시도이다. 이때, 멀티스테이션 플라즈마 반응기(MPR)는 도 2를 참조하기로 한다.
도 3에 의하면, 냉각블록(30) 및 격리밸브(40)의 조합은 RF 매칭부(12)로부터 연장되는 반응가스 배관(21)에 부착된다. 냉각블록(30) 일측의 반응가스 배관(21)의 지지부(도시되지 않음)에 제1 플랜지(22)가 고정된다. 제2 플랜지(23)는 냉각블록(30) 및 격리밸브(40)를 결합시킨다. 격리밸브(40)는 제3 플랜지(24)에 의해 샤워헤드(52)와 연결된 배관과 결합된다. 이때, 샤워헤드(52)와 연결된 배관은 위치에서 차이가 있지만, 반응가스 배관(21)과 동일한 기능한다. RF 매칭부(12)를 기준으로, 냉각블록(30)이 격리밸브(40)에 비해 먼저 위치하는 이유는 상기 플라즈마 소스열이 격리밸브(40)를 손상시키지 않도록 하기 때문이다.
도 4는 도 2의 냉각블록(30)을 설명하기 위한 사시도이다. 이때, 멀티스테이션 플라즈마 반응기(MPR)는 도 2를 참조하기로 한다.
도 4에 의하면, 냉각블록(30)은 블록본체(31) 및 냉각라인(32)을 포함한다. 이때, 반응가스 배관(21)은 블록본체(31)의 내부를 관통한다. 냉각라인(32)은 냉각수가 유동하며, 상기 냉각수는 냉각수 입구(33)로부터 유입되고, 냉각수 출구(34)로 배출된다. 반응가스 배관(21)을 보다 효과적으로 냉각시키기 위하여, 반응가스 배관(21)은 냉각라인(32)의 안쪽에 배치된다. 반응가스 배관(21)은 냉각라인(32)의 안쪽에 배치되면, 반응가스 배관(21)으로부터 발생되는 열이 격리밸브(40)로의 전달을 보다 효과적으로 차단할 수 있다. 또한, 냉각블록(30)은 반응가스 배관(21)을 냉각시켜, 가스들이 혼합되어 생성되는 이물질을 발생을 억제할 수 있다.
도 5는 도 2의 격리밸브(40)를 설명하기 위한 단면도이다. 이때, 멀티스테이션 플라즈마 반응기(MPR)는 도 2를 참조하기로 한다.
도 5에 의하면, 격리밸브(40)는 플랜지 블록(41), 보호커버(42), 가이드 블록(43), 게이트부(44), 샤프트(45), 오링(46), 실린더(47), 구동모터(48) 및 표시계(49)를 포함한다. 게이프부(44)는 샤프트(45), 실린더(47) 및 구동모터(48)를 이용하여 플랜지 블록(41)의 내부로 왕복운동하여 반응가스 배관(21)에서의 반응가스 흐름을 단속한다. 게이트부(44) 단부의 전면에는 보호커버(42)가 부착된다. 보호커버(42)가 부착된 게이트부(44)가 플랜지 블록(41)을 가로질러 A 상태에 위치하면, 반응가스 배관(21)은 폐쇄된다. 보호커버(42)가 부착된 게이트부(44)가 플랜지 블록(41)을 벗어나서 B 상태에 위치하면, 반응가스 배관(21)은 완전히 개방된다. 표시계(49)는 게이트부(44)가 이동하는 정도를 표시한다. 여기서, 샤프트(45), 실린더(47) 및 구동모터(48)의 구동방식은 사례로 제시한 것에 불과하므로, 본 발명의 범주 내에서 다른 방식, 예컨대 리니어 모터를 적용할 수 있다.
샤프트(45)는 게이트부(44) 내부에 삽입되어 고정되며, 오링(46)은 반응가스 배관(21)의 반응가스가 누설되지 않도록 한다. 격리밸브(40)가 개방상태(B)에 있을 때, 상기 반응가스의 누설이 발생한다. 그런데, 오링(46)이 존재함에도 불구하고, 상기 반응가스의 누설을 충분하게 방지하지 할 수 없다. 특히, 상기 반응가스는 부식성이 강하여, 오링(46)이 쉽게 손상된다. 보호커버(42)를 게이트부(44) 단부의 전면에 부착시키면, 상기 반응가스의 격리밸브(40)로의 유입을 확실하게 차단한다. 상기 반응가스의 부식성은 앞에서 설명한 반응열 및 소스열과 함께 격리밸브(40)의 오링(46)의 손상을 초래하는 주된 원인이다. 보호커버(42)는 밀봉효과를 충분하게 획득하는 정도이면, 그 형상 및 재질에는 제한을 받지 않는다. 보호커버(42)는 게이트부(44)에 접착되거나, 보호커버(42)의 삽입부(42a)를 게이트부(44)의 삽입홀(44a)에 강제 끼움 방식으로 고정할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 멀티스테이션 플라즈마 반응기(MPR)에 의하면, 냉각블록(30), 단독 격리밸브(40) 및 보호커버(42)를 포함한다. 냉각블록(30)은 반응열 또는 플라즈마 소스열이 반응가스 배관(21)으로부터 격리밸브(40)로 전달되지 않도록 하여, 특히 격리밸브(40)의 오링(46)의 용융 및 변형을 방지한다. 보호커버(42)는 반응가스 배관(21)을 유동하는 각종 가스, 특히 부식성 가스가 격리밸브(40)에 유입되어, 격리밸브(40)의 오링(46)의 물성이 변화되지 않도록 한다. 냉각블록(30) 및 보호커버(42)는 격리밸브(40)의 오링(46)의 손상을 초래하는 주된 원인인 반응열, 소스열 및 부식성 가스를 확실하게 차단한다. 또한, 단독 격리밸브(40)는 앞에서 설명한 바와 같이 격리상태를 유지하는 비용 및 시간을 대폭 절감시킨다.
이상, 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
10; 운영부 11; RF 생성부
12; RF 매칭부 13; 인터페이스
20; 챔버 21; 반응가스 배관
22, 23, 24; 제1 내지 제3 플랜지
30; 냉각블록 31; 블록본체
32; 냉각라인
33, 34; 냉각수 입구 및 냉각수 출구
40; 격리밸브 41; 플랜지 블록
42; 보호커버 43; 가이드 블록
44; 게이트부 45; 샤프트
46; 오링 47; 실린더
48; 구동모터 49; 표시계
50; 분기블록 51; 분배관
52; 샤워헤드 53; 스테이션

Claims (7)

  1. 복수개의 스테이션;
    상기 복수개의 스테이션 각각의 상부에 위치하여, 반응가스를 분사하는 복수개의 샤워헤드;
    단독으로 존재하여 상기 복수개의 샤워헤드가 모두 연결되며, 반응가스 배관을 흐르는 상기 반응가스의 흐름을 단속하는 격리밸브; 및
    상기 격리밸브와 연결되고, 내부에는 상기 반응가스 배관이 배치되며, 반응열 및 플라즈마 소스열에 의해 가열되는 상기 반응가스 배관을 냉각시키는 냉각블록을 포함하고,
    상기 냉각블록과 상기 격리밸브의 조합은 RF 매칭부 및 상기 샤워헤드 사이의 상기 반응가스 배관에 장착되고, 상기 반응가스는 상기 냉각블록을 거쳐 상기 격리밸브로 향하고, 상기 냉각블록에는 상기 반응가스 배관을 감싸는 냉각라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각블록 및 격리밸브를 포함하는 멀티스테이션 플라즈마 반응기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 격리밸브에는 왕복운동에 의해 상기 반응가스의 흐름을 단속하는 게이트부를 포함하고, 상기 게이트부 단부의 전면에 부착된 보호커버를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각블록 및 격리밸브를 포함하는 멀티스테이션 플라즈마 반응기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 보호커버는 상기 반응가스 배관이 개방되었을 때, 상기 반응가스가 상기 격리밸브로 유입되지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 냉각블록 및 격리밸브를 포함하는 멀티스테이션 플라즈마 반응기.
  4. 제2항에 있어서, 상기 보호커버는 상기 게이트부에 강제 끼움 방식으로 부착되는 것을 특징으로 하는 냉각블록 및 격리밸브를 포함하는 멀티스테이션 플라즈마 반응기.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서, 상기 냉각라인에는 냉각수가 유동하는 것을 특징으로 하는 냉각블록 및 격리밸브를 포함하는 멀티스테이션 플라즈마 반응기.
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