KR102438550B1 - 반도체 제조설비 및 이의 운영방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 의하면, 비정질 탄소가 증착되어서 비정질 탄소막이 형성되는 ACL 공정이 수행되는 공정 챔버와, 상기 ACL 공정이 수행되는 과정에서 상기 공정 챔버에서 발생한 잔류 가스를 배출시키는 진공 펌프와, 상기 공정 챔버와 상기 진공 펌프를 연통시키는 챔버 배기관 상에 설치되어서 플라즈마 반응 영역을 형성하는 플라즈마 반응기와, 상기 플라즈마 반응기로 산소 가스를 공급하는 산소 공급기를 포함하며, 상기 플라즈마 반응 영역에서 상기 산소 공급기에 의해 공급된 산소가 분해되어서 생성된 산소가 상기 진공 펌프로 유입되어서 상기 진공 펌프에 증착된 수소화된 비정질 탄소를 산화시켜서 제거하거나, 상기 반응성 산소가 상기 플라즈마 반응 영역에서 상기 잔류 가스에 포함된 수소화된 비정질 탄소가 분해되어서 생성된 여기된 탄소원자와 여기된 수소원자를 산화시켜서 제거할 수 있다.

Description

반도체 제조설비 및 이의 운영방법 {SEMICONDUCTOR PRODUCTION FACILITY AND OPERATING METHOD OF THE SAME}
본 발명은 반도체 제조설비 기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 공정 챔버로부터 배출되는 배기가스를 플라즈마를 이용하여 처리하는 기술에 관한 것이다.
반도체 소자는 공정 챔버에서 웨이퍼 상에 포토리소그래피, 식각, 확산 및 금속증착 등의 공정들이 반복적으로 수행됨으로써 제조되고 있다. 이러한 반도체 제조 공정 중에는 다양한 공정 가스가 사용되며, 공정이 완료된 후에는 공정 챔버에 잔류가스가 존재하게 되는데, 공정 챔버 내 잔류가스는 유독성분을 포함하고 있기 때문에, 진공펌프에 의해 배출되어서 스크러버와 같은 배기가스 처리장치에 의해 정화된다.
ACL(Amorphous Carbon Layer, 비정질 탄소막) 공정은 반도체 공정에서 비정질 탄소(Amorphous Carbon Layer)가 증착되어서 비정질 탄소막(ACL)이 형성되는 공정이다. ACL 공정이 수행된 후 공정 챔버에서는 수소화된 비정질 탄소(a-C:H)(hydrogenated Amorphous Carbon)를 포함하는 잔류 가스가 발생하고, 수소화된 비정질 탄소(a-C:H)를 포함하는 잔류 가스는 진공 펌프에 의해 공정 챔버로부터 배출된다. 공정 챔버로부터 배출되는 가스에 포함된 수소화된 비정질 탄소(a-C:H)는 진공 펌프로 유입되어서 증착되며, 이는 진공 펌프의 MTBF(Mean Time Between Failure)를 단축시키는 원인이 되고 있다.
대한민국 공개특허 제10-2009-0057487호 (2009.06.08) 대한민국 공개특허 제10-2019-0019651호 (2019.02.27)
본 발명의 목적은 ACL 공정 설비에서 진공 펌프에 증착되어 막을 형성하는 수소화된 비정질 탄소(a-C:H)을 제거하는 반도체 제조설비 및 이의 운영방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 ACL 공정에서 공정 챔버로부터 배출되는 수소화된 비정질 탄소(a-C:H)가 배기 장비의 진공 펌프로 유입되는 것을 방지하는 반도체 제조설비 및 이의 운영방법을 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 비정질 탄소(Amorphous Carbon)가 증착되어서 비정질 탄소막(ACL)이 형성되는 ACL 공정이 수행되는 공정 챔버와, 상기 ACL 공정이 수행되는 과정에서 상기 공정 챔버에서 발생한 잔류 가스를 배출시키는 진공 펌프와, 상기 공정 챔버와 상기 진공 펌프를 연통시키는 챔버 배기관 상에 설치되어서 플라즈마 반응 영역을 형성하는 플라즈마 반응기와, 상기 플라즈마 반응기로 산소 가스를 공급하는 산소 공급기를 포함하는 반도체 제조설비의 운영방법으로서, 상기 진공 펌프에 증착된 수소화된 비정질 탄소(a:C-H)를 제거하는 증착물 제거 단계를 포함하며, 상기 증착물 제거 단계에서, 상기 산소 공급기에 의해 상기 플라즈마 반응기로 공급된 산소가 상기 플라즈마 반응 영역에서 분해되어서 반응성 산소(O*)를 생성하고, 상기 진공 펌프에 증착된 수소화된 비정질 탄소가 상기 반응성 산소와 반응하여 산화되는 반도체 제조설비의 운영방법이 제공된다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 비정질 탄소(Amorphous Carbon)가 증착되어서 비정질 탄소막(ACL)이 형성되는 ACL 공정이 수행되는 공정 챔버; 상기 ACL 공정이 수행되는 과정에서 상기 공정 챔버에서 발생한 잔류 가스를 배출시키는 진공 펌프; 상기 공정 챔버와 상기 진공 펌프를 연통시키는 챔버 배기관 상에 설치되어서 플라즈마 반응 영역을 형성하는 플라즈마 반응기; 및 상기 플라즈마 반응기로 산소 가스를 공급하는 산소 공급기를 포함하며, 상기 플라즈마 반응기는 상기 플라즈마 반응 영역에서 상기 산소 공급기에 의해 공급된 산소를 분해하여 반응성 산소(O*)를 생성하며, 상기 반응성 산소는 상기 진공 펌프에 유입되어서 상기 진공 펌프에 증착된 수소화된 비정질 탄소와 반응하여 상기 수소화된 비정질 탄소를 산화시키는 반도체 제조설비가 제공된다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 비정질 탄소(Amorphous Carbon)가 증착되어서 비정질 탄소막(ACL)이 형성되는 ACL 공정이 수행되는 공정 챔버와, 상기 ACL 공정의 완료 후 상기 공정 챔버에서 발생한 잔류 가스를 배출시키는 진공 펌프와, 상기 공정 챔버로부터 배출되는 배출 가스가 상기 진공 펌프로 유입되기 전에 상기 배출 가스를 플라즈마 반응을 이용하여 처리하는 플라즈마 반응기와, 상기 플라즈마 반응기로 산소 가스를 공급하는 산소 공급기를 포함하는 반도체 제조설비의 운영방법으로서, 상기 공정 챔버에서 상기 ACL 공정이 수행되는 ACL 공정 단계; 상기 ACL 공정 단계에서 발생한 상기 공정 챔버 내 잔류 가스를 상기 진공 펌프를 가동하여 상기 공정 챔버로부터 배출시키는 배기 단계; 및 상기 배기 단계에 의해 상기 공정 챔버로부터 상기 잔류 가스가 배출되는 과정에서 상기 잔류 가스에 포함된 수소화된 비정질 탄소(a-C:H)가 처리되는 가스 처리 단계를 포함하며, 상기 가스 처리 단계에서, 상기 잔류 가스에 포함된 수소화된 비정질 탄소(a-C:H)가 상기 플라즈마 반응 영역에서 여기된 탄소원자(C*)와 여기된 수소원자(H*)로 분해되고, 상기 산소 가스(O2)는 반응성 산소원자(O*)로 분해되며, 상기 여기된 탄소원자(C*)는 상기 반응성 산소원자(O*)와 반응하여 상기 진공 펌프로 유입되기 전에 이산화탄소 가스(CO2) 또는 일산화탄소 가스(CO)로 산화되며, 상기 여기된 수소원자(H*)는 상기 반응성 산소원자(O*)와 반응하여 상기 진공 펌프로 유입되기 전에 수증기(H2O)로 산화되는 반도체 제조설비의 운영방법이 제공된다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 비정질 탄소(Amorphous Carbon)가 증착되어서 비정질 탄소막(ACL)이 형성되는 ACL 공정이 수행되는 공정 챔버; 상기 ACL 공정의 완료 후 상기 공정 챔버에서 발생한 잔류 가스를 배출시키는 진공 펌프; 상기 공정 챔버로부터 배출되는 배출 가스가 상기 진공 펌프로 유입되기 전에 상기 배출 가스를 플라즈마 반응을 이용하여 처리하는 플라즈마 반응기; 및 상기 플라즈마 반응기로 산소 가스(O2)를 공급하는 산소 공급기를 포함하며, 상기 플라즈마 반응기는 상기 플라즈마 반응 영역에서 잔류 가스에 포함된 수소화된 비정질 탄소(a-C:H)를 여기된 탄소원자(C*)와 여기된 수소원자(H*)로 분해하고 상기 산소 가스(O2)를 반응성 산소원자(O*)로 분해하며, 상기 여기된 탄소원자(C*)는 상기 반응성 산소원자(O*)와 반응하여 상기 진공 펌프로 유입되기 전에 이산화탄소 가스(CO2) 또는 일산화탄소 가스(CO)로 산화되며, 상기 여기된 수소원자(H*)는 상기 반응성 산소원자(O*)와 반응하여 상기 진공 펌프로 유입되기 전에 수증기(H2O)로 산화되는 반도체 제조설비가 제공된다.
본 발명에 의하면 앞서서 기재한 본 발명의 목적을 모두 달성할 수 있다. 구체적으로는, 플라즈마 반응기로 공급된 산소 가스가 플라즈마 반응기의 플라즈마 영역에서 분해되어서 가열된 반응성 산소가 생성되며, 생성된 반응성 가스는 진공 펌프로 유입되어서 진공 펌프에 증착된 수소화된 비정질 탄소와 반응함으로써, 진공 펌프에 증착된 수소화된 비정질 탄소가 제거된다.
또한, 플라즈마 반응기의 플라즈마 반응 영역에서 수소화된 비정질 탄소(a-C:H)가 플라즈마 반응에 의해 추가 공급되는 산소 가스와 반응하여 이산화탄소 가스, 일산화탄소 가스 및 수증기를 생성하므로, 진공 펌프로 유입되는 가스에 수소화된 비정질 탄소(a-C:H)가 포함되는 것이 방지된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 제조설비의 개략적인 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 반도체 제조설비의 배기관 플라즈마 장치에서 플라즈마 반응기에 대한 종단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 마그네틱 코어를 도시한 사시도이다.
도 4는 도 1에 도시된 반도체 제조설비의 배기관 플라즈마 장치에 사용되는 점화 시스템의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 제조설비의 운영방법을 개략적으로 설명하는 순서도이다.
도 6은 도 5에 도시된 반도체 제조설비의 운영방법에 따른 결과를 보여주는 그래프로서, 배기관 플라즈마 장치의 작동 상태에 따른 수소화된 비정질 탄소의 처리 상태를 보여준다.
도 7은 도 5에 도시된 반도체 제조설비의 운영방법에 따른 결과를 보여주는 그래프로서, 플라즈마의 유/무에 따른 수소화된 비정질 탄소의 처리 상태를 보여준다.
도 8은 도 5에 도시된 반도체 제조설비의 운영방법에 따른 결과로 진공 펌프에서 수소화된 비정질 탄소막이 감소된 상태를 확인할 수 있는 비교 사진이다.
도 9는 도 5에 도시된 반도체 제조설비의 운영방법에서 산소 공급 유량과 수소화된 비정질 탄소의 감소량 사이의 관계를 보여주는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 제조설비의 운영방법을 개략적으로 설명하는 순서도이다.
도 11은 도 10에 도시된 반도체 제조설비의 운영방법에 따라 플라즈마 반응기에서 수소화된 비정질 탄소(a-C:H)가 처리되는 상태를 개략적으로 설명하는 도면이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예의 구성 및 작용을 상세하게 설명한다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 제조설비의 개략적인 구성이 블록도로서 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 제조설비(100)는 반도체 제조공정이 진행되는 반도체 제조 장비(101)와, 반도체 제조 장비(101)로부터 가스를 배출시키는 배기 장비(103)와, 배기 장비(103)에 의해 반도체 제조 장비(110)로부터 배출되는 가스를 처리하는 배기가스 처리 장비(106)와, 수소화된 비정질 탄소(a-C:H)를 제거하는 배기관 플라즈마 장치(108)를 포함한다.
반도체 제조 장비(101)는 다양한 공정가스를 이용한 반도체 제조공정이 진행되는 공정 챔버(102)를 구비한다. 공정 챔버(102)는 반도체 제조 설비 기술 분야에서 반도체 제조를 위해 통상적으로 사용되는 모든 형태의 공정 챔버를 포함한다. 공정 챔버(102)에서 발생한 잔류 가스는 배기 장비(103)에 의해 외부로 배출되는 과정에서 배기가스 처리 장비(106)에 의해 정화된다. 본 실시예에서 공정 챔버(102)에서는 통상적인 ACL(Amorphous Carbon Layer, 비정질 탄소막) 공정이 수행되는 것으로 설명한다. 통상적으로 ACL 공정은 반도체 공정에서 비정질 탄소(Amorphous Carbon)가 증착되어서 비정질 탄소막(ACL)이 형성되는 공정을 의미한다. ACL 공정이 수행된 후 공정 챔버(102)에서는 수소화된 비정질 탄소(a-C:H)(hydrogenated Amorphous Carbon)를 포함하는 잔류 가스가 발생한다. ACL 공정이 수행된 후 공정 챔버(102)에서 발생된 수소화된 비정질 탄소(a-C:H)를 포함하는 잔류 가스는 배기 장비(103)에 의해 공정 챔버(102)로부터 배출된다.
배기 장비(103)는 ACL 공정이 수행된 후 공정 챔버(102)에서 발생된 수소화된 비정질 탄소(a-C:H)를 포함하는 잔류 가스를 배출시킨다. 배기 장비(103)는 진공 펌프(104)와, 공정 챔버(102)와 진공 펌프(104)를 연결하는 챔버 배기관(105a)과, 진공 펌프(104)로부터 하류 쪽으로 연장되는 펌프 배기관(105b)을 구비한다.
진공 펌프(104)는 공정 챔버(102)의 잔류 가스를 배출하기 위하여 공정 챔버(102)와 진공 펌프(104)를 연결하는 챔버 배기관(105a)을 통해 공정 챔버(102) 측에 음압을 형성한다. 진공 펌프(104)는 반도체 제조 설비 기술 분야에서 통상적으로 사용되는 진공 펌프의 구성을 포함하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다. 진공 펌프(104)로 잔류 가스에 포함된 수소화된 비정질 탄소(a-C:H)가 유입되며, 진공 펌프(104) 내에 수소화된 비정질 탄소(a-C:H)가 증착되어서 막을 형성하며, 이는 진공 펌프(104)의 조기 고장으로 이어진다. 진공 펌프(104)에 증착된 수소화된 비정질 탄소(a-C:H)는 배기관 플라즈마 장치(108)의 작용으로 제거될 수 있다.
챔버 배기관(105a)은 공정 챔버(102)와 진공 펌프(104)의 사이에서 공정 챔버(102)의 배기구와 진공 펌프(104)의 흡입구를 연결한다. 진공 펌프(104)에 의해 형성되는 음압에 의해 공정 챔버(102)의 잔류 가스가 챔버 배기관(105a)을 통해 배기가스로서 배출된다.
펌프 배기관(105b)은 진공 펌프(104)로부터 하류 쪽으로 연장된다. 펌프 배기관(105b)은 진공 펌프(104)의 토출구와 연결되어서 진공 펌프(104)로부터 배출되는 배기가스가 유동한다.
배기가스 처리 장비(106)는 배기 장비(103)에 의해 배출되는 공정 챔버(102)에서 발생된 잔류 가스에 포함된 유해 성분을 처리하여 정화한다. 배기가스 처리 장비(106)는 진공 펌프(104)로부터 배출되는 가스를 처리하는 스크러버(107)를 구비한다. 스크러버(107)는 펌프 배기관(105b)의 하류측 끝단에 연결되어서 진공 펌프(104)로부터 배출되는 가스에 포함된 유해 성분을 처리한다. 스크러버(107)는 반도체 제조 설비 기술 분야에서 배기가스를 처리하기 위해 통상적으로 사용되는 모든 형태의 스크러버를 포함한다.
배기관 플라즈마 장치(108)는 진공 펌프(103)에 유입되어서 증착된 수소화된 비정질 탄소(a-C:H)를 제거한다. 배기관 플라즈마 장치(108)는 플라즈마를 이용하여 수소화된 비정질 탄소의 제거에 필요한 여기된 산소원자인 반응성 산소(O*)를 생성한다. 배기관 플라즈마 장치(108)는 챔버 배기관(105a) 상에 설치되는 플라즈마 반응기(110)와, 플라즈마 반응기(110)에 전력을 공급하는 전원(180)과, 플라즈마 반응기(110)로 산소 가스를 공급하는 산소 공급기(185)를 구비한다.
플라즈마 반응기(110)는 챔버 배기관(105a) 상에 설치되어서 산소 공급기(170)로부터 공급되는 산소 가스를 플라즈마를 이용하여 분해한다. 플라즈마 반응기(110)에서 산소(O2)는 플라즈마에 의해 분해되어서 반응성 산소(O*)가 생성된다. 플라즈마 반응기(110)에서 생성된 반응성 산소(O*)는 진공 펌프(104)로 유입되어서 진공 펌프(104)에 증착된 수소화된 비정질 탄소와 반응한다. 본 실시예에서는 플라즈마 반응기(110)가 유도결합 플라즈마(ICP: Inductively Coupled Plasma)를 이용하는 유도결합 플라즈마 반응기인 것으로 설명한다. 본 실시예에서는 플라즈마 반응기(110)가 유도결합 플라즈마를 이용하는 것으로 설명하지만, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 본 발명에서 플라즈마 반응기는 플라즈마 반응을 발생시키는 모든 방식의 플라즈마 반응기(예를 들어서 용량성 결합 플라즈마(CCP: Capacitively Coupled Plasma)를 이용하는 플라즈마 반응기)를 포함하고, 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것이다.
도 2에는 유도결합 플라즈마 반응기(110)의 개략적인 구성이 종단면도로서 도시되어 있다. 도 2를 참조하면, 유도결합 플라즈마 반응기(110)는 반응 챔버(120)와, 반응 챔버(120)를 감싸도록 배치되는 마그네틱 코어(130)와, 플라즈마 점화를 위한 점화기(140)와, 마그네틱 코어(130)에 권선되고 전원(180)으로부터 전력을 공급받는 제1 코일(미도시)과, 마그네틱 코어(130)에 권선되고 점화기(140)에 전력을 공급하는 제2 코일(미도시)을 구비한다.
반응 챔버(120)는 토로이달(toroidal) 형상의 챔버로서, 가스 유입부(121)와, 가스 유입부(121)와 이격되어서 위치하는 가스 배출부(123)와, 가스 유입부(121)와 가스 배출부(123)를 연결하며 플라즈마 반응이 일어나는 플라즈마 반응부(125)를 구비한다. 공정 챔버(도 1의 102)로부터 배출되는 가스는 챔버 배기관(도 1의 105a)을 통해 반응 챔버(120)를 거쳐서 진공 펌프(104)로 유입된다.
가스 유입부(121)는 직선의 연장축선(X)을 중심으로 연장되는 짧은 관 형태로서, 가스 유입부(121)의 선단부는 개방되어서 가스가 유입되는 유입구(122)를 형성한다. 유입구(122)는 챔버 배기관(도 1의 105a)을 통해 공정 챔버(도 1의 102)의 배기구와 연통된다. 가스 유입부(121)에는 산소 공급기(185)로부터 공급되는 산소 가스(O2)가 분사되는 산소 분사구(121a)가 형성된다.
가스 배출부(123)는 연장축선(X) 상에 가스 유입부(121)와 동축으로 이격되어서 위치하는 짧은 관 형태로서, 가스 배출부(123)의 후단부는 개방되어서 가스가 배출되는 배출구(124)를 형성한다. 배출구(124)는 챔버 배기관(도 1의 105a)을 통해 진공 펌프(도 1의 104)의 흡입구와 연통된다.
플라즈마 반응부(125)는 이격된 가스 유입부(121)와 가스 배출부(123)를 연결하며, 내부에 가스에 대한 열반응 및 플라즈마 반응이 일어나는 플라즈마 반응 영역(A)이 형성한다. 플라즈마 반응부(125)는 연장축선(X)을 사이에 두고 양측에 각각 이격되어서 위치하는 제1 연결관부(126)와 제2 연결관부(127)를 구비한다. 제1 연결관부(126) 및 제2 연결관부(127)는 연장축선(X)과 평행하게 연장되고 가스 유입부(121) 및 가스 배출부(123)와 연통된다. 그에 따라, 플라즈마 반응부(125)에는 파선으로 도시된 바와 같은 고리형 방전 루프(R)를 따라서 플라즈마가 발생한다. 산소 분사구(121a)를 통해 유입된 산소 가스가 플라즈마 반응 영역(A)에서 플라즈마에 의해 분해된다. 플라즈마 반응 영역(A)에서 플라즈마에 의한 산소 가스의 분해 반응은 아래 반응식 1과 반응식 2와 같다.
[반응식 1]
O2 + hv → O* + O*
O* : 반응성 산소
[반응식 2]
O2 + e- → O + O-
플라즈마 반응 영역(A)에서 플라즈마에 의해 생성된 반응성 산소(O*)는 가열되어서 수소화된 비정질 탄소와의 반응성을 향상시킨다. 반응성 산소(O*)의 생성률과 온도를 높이기 위하여 유도결합 플라즈마 반응기(110)에 인가되는 전력은 높을 수록 유리하다.
본 실시예에서 반응 챔버(120)는 제1 챔버 부재(120a)와 제2 챔버 부재(120b)가 결합되어서 구성되는 것으로 설명한다. 제1 챔버 부재(120a)는 가스 유입부(121) 전체와, 가스 유입부(121)와 연결되는 제1 연결관부(126)의 일부 및 제2 연결관부(127)의 일부를 포함한다. 제2 챔버 부재(120b)는 가스 배출부(123) 전체와, 가스 배출부(123)와 연결되는 제1 연결관부(126)의 일부 및 제2 연결관부(127)의 일부를 포함한다.
마그네틱 코어(130)는 반응 챔버(120)를 감싸도록 배치된다. 본 실시예에서 마그네틱 코어(130)는 유도결합 플라즈마 발생장치에서 일반적으로 사용되는 페라이트 코어(Ferrite Core)인 것으로 설명한다. 도 3에는 마그네틱 코어(130)가 사시도로서 도시되어 있다. 도 2와 도 3을 참조하면, 마그네틱 코어(130)는 반응 챔버(120)의 플라즈마 반응부(125)를 외부에서 감싸는 고리형상의 고리부(131)와, 고리부(131)의 내부 영역을 가로지르는 연결부(135)를 구비한다.
고리부(131)는 직사각형의 고리형상으로서, 연장축선(X)과 직각으로 배치되어서 반응 챔버(120)의 플라즈마 반응부(125)를 외부에서 감싼다. 직사각형의 고리부(131)는 대향하는 두 장변부(132a, 132b)들과, 대향하는 두 단변부(133a, 133b)들을 구비한다
연결부(135)는 고리부(131)의 대향하는 두 장변부(132a, 132b)들 사이를 연결하도록 직선으로 연장된다. 연결부(135)의 양단은 두 장변부(132a, 132b)들 각각의 중심과 이어진다. 연결부(135)는 반응 챔버(120)의 제1 연결관부(126)와 제2 연결관부(127) 사이에 형성된 틈(128)을 통과하도록 배치된다. 연결부(135)에 의해 고리부(131)의 내부 영역은 제1 관통구(136)와 제2 관통구(137)로 분리되며, 제1 관통구(136)를 반응 챔버(120)의 제1 연결관부(126)가 지나가고 제2 관통구(137)를 반응 챔버(120)의 제2 연결관부(127)가 지나간다. 그에 따라, 마그네틱 코어(130)는 반응 챔버(120)의 제1 연결관부(126)와 제2 연결관부(127)를 각각 외부에서 에워싸는 형태가 된다.
점화기(igniter)(140)는 전원(180)으로부터 고전압의 전력을 공급받아서 플라즈마를 점화한다. 본 실시예에서 점화기(140)는 반응 챔버(120)의 플라즈마 반응부(125)에서 가스 유입부(121)에 인접하여 위치하는 것으로 설명하는데, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다.
도 4에는 마그네틱 코어(130)에 권선된 제1 코일과 제2 코일이 도시되어 있다. 도 4를 참조하면, 제1 코일(150)는 마그네틱 코어(130)의 제1 장변부(132a)에 권선되고 전원(180)에 연결된다. 제1 코일(150)은 전원(180)을 통해 무선주파수의 교류 전원을 인가받아서 마그네틱 코어(130)에 유도자속을 형성한다. 마그네틱 코어(130)에 형성된 유도자속에 의해 유도전기장이 생성되고, 생성된 유도전기장에 의해 플라즈마가 형성되는 것이다. 본 실시예에서는 제1 코일(150)은 마그네틱 코어(130)에 2회 권선되는 것을 설명하는데 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다.
제2 코일(160)은 마그네틱 코어(130)의 제2 장변부(132b)에 제1 코일(150)과 분리되어서 권선되고 점화기(140)와 스위치 회로(릴레이)(190)를 통해 연결된다. 제2 코일(160)에는 유도 기전력이 발생하여 점화기(140)에 전력을 공급한다. 즉, 제1 코일(150), 제2 코일(160) 및 마그네틱 코어(130)는 변압기의 역할을 수행함으로써, 제2 코일(160)에 점화기(140)의 작동을 위한 고전압이 형성되어서 출력된다. 이를 위하여, 제2 코일(160)은 마그네틱 코어(130)에 제1 코일(150)의 권선수보다 더 큰 권선수로 권선되는데, 본 실시예에서는 6회 권선되는 것으로 설명한다.
전원(180)은 유도 결합 플라즈마 발생을 위하여, 무선주파수의 교류 전력을 제1 코일(150)에 인가한다. 본 실시예에서 제1 코일(150), 제2 코일(160) 및 마그네틱 코어(130)는 변압기로서 기능한다. 즉, 제1 코일(150), 제2 코일(160) 및 마그네틱 코어(130)는 변압기에서 1차 코일, 2차 코일 및 철심의 역할을 하게 된다. 제2 코일(160)의 권선수를 제1 코일(150)의 권선수보다 크게 함으로써, 점화기(140)에 승압된 고전압의 전력을 인가할 수 있게 된다.
산소 공급기(185)는 산소 가스를 저장하고 저장된 산소 가스를 가스 공급관(188)을 통해 플라즈마 반응기(110)로 공급한다. 본 실시예에서는 가스 공급관(188)이 플라즈마 반응기(110)에서 반응 챔버(120)의 가스 유입부(121)에 형성된 산소 분사구(121a)와 연결되는 것으로 설명한다. 산소 공급기(185)에 의해 공급되어서 플라즈마 반응기(150)로 유입되는 산소 가스는 플라즈마 반응기(110)의 플라즈마 반응 영역(A)에서 플라즈마에 의해 분해되어서 가열된 반응성 산소(O*)를 생성한다.
본 발명은 반도체 제조설비의 운영방법을 제공한다. 도 5에는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 제조설비의 운영방법을 개략적으로 설명하는 순서도가 도시되어 있다. 도 5에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 제조설비의 운영방법은 도 1에 도시된 반도체 제조설비(100)의 운영방법으로서, 진공 펌프(도 1의 104)에 증착된 수소화된 비정질 탄소의 일부 또는 전체를 제거하기 위한 것이다. 도 5과 함께 도 1과 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 제조설비의 운영방법은, 공정 챔버(102)에서 비정질 탄소막(ACL)의 증착 공정이 수행되는 ACL 공정 단계(S100)와, 공정 챔버(102)에서 수행되던 ACL 공정이 중단되는 공정 중단 단계(S110)와, 공정 중단 단계(S110)가 수행되어서 공정 챔버(102)에서 ACL 공정이 중단된 상태에서 진공 펌프(104)에 증착된 수소화된 비정질 탄소를 제거하는 증착물 제거 단계(S120)를 포함한다.
ACL 공정 단계(S100)에서는 공정 챔버(102)에서 비정질 탄소막(ACL)의 증착 공정이 수행된다. 비정질 탄소막(ACL)의 증착 공정은 반도체 제조 공정에서 통상적으로 사용되는 ACL 공정의 구성을 포함하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다. ACL 공정 단계(S100)가 수행되면서 공정 챔버(112)에는 수소화된 비정질 탄소(a-C:H)를 포함하는 잔류 가스가 발생한다. ACL 공정 단계(S100)가 수행되면서 공정 챔버(102)에서 발생한 잔류 가스는 진공 펌프(104)의 작동에 의해 챔버 배기관(105a)과 펌프 배기관(105b)을 통해 공정 챔버(102)로부터 배출된다. 공정 챔버(102)로부터 배출된 잔류 가스에 포함된 수소화된 비정질 탄소는 진공 펌프(104)에 증착된다.
공정 중단 단계(S110)에서는 공정 챔버(102)에서 수행되던 ACL 공정 및 ACL 공정에 의해 발생한 잔류 가스의 배출이 중단된다. 공정 중단 단계(S110)는 공정 챔버(102)의 세정을 위해 중단되는 것을 포함할 수 있다. 공정 중단 단계(S110)가 수행되어서 공정 챔버(102)에서 수행되던 ACL 공정 및 ACL 공정에 의해 발생한 잔류 가스의 배출이 중단된 상태에서 증착물 제거 단계(S120)가 수행된다.
증착물 제거 단계(S120)에서는 공정 챔버(102)에서 수행되던 ACL 공정 및 ACL 공정에 의해 발생한 잔류 가스의 배출이 중단된 상태에서 진공 펌프(104)에 증착된 수소화된 비정질 탄소가 제거된다. 증착물 제거 단계(S120)는 플라즈마 반응기(110)가 가동되는 상태에서 산소 공급기(185)에 의해 플라즈마 반응기(110)로 산소 가스가 공급됨으로써 수행된다. 가동 중인 플라즈마 반응기(110)로 공급된 산소 가스(O2)는 플라즈마 반응 영역(A)에서 플라즈마에 의해 분해되어서 위의 [반응식 1]과 같이 가열된 반응성 산소(O*)가 생성된다. 플라즈마 반응기(110)에서 생성된 가열된 반응성 산소(O*)는 진공 펌프(104)로 유입된다. 진공 펌프(104)에 증착된 수소화된 비정질 탄소는 진공 펌프(104)로 유입된 가열된 반응성 산소(O*)와 반응하여 산화된다. 수소화된 비정질 탄소는 산화되어서 이산화탄소 가스(CO2)와 수증기(H2O)를 생성하며 제거된다.
도 6 내지 도 8은 도 5에 도시된 반도체 제조설비의 운영방법에 따른 진공 펌프(104)에 증착된 수소화된 비정질 탄소의 제거 효과를 보여주는 테스트 결과에 대한 것이다.
도 6의 그래프는 배기관 플라즈마 장치(108) 작동 상태(On, Off)에 따른 진공 펌프(104)에서의 이산화탄소(CO2) 농도를 보여준다. 도 6의 그래프에서, 가로축은 시간(분)이고, 세로 축은 이산화탄소의 농도(ppm)이다. 도 6의 그래프에 의하면, 플라즈마 반응기(110)가 작동하는 상태에서 이산화탄소의 농도가 높은 것으로 측정된다. 이산화탄소의 발생은 수소화된 비정질 탄소의 산화에 의한 제거를 의미한다. 도 6의 그래프로부터 진공 펌프(104)에 증착된 수소화된 비정질 탄소의 제거가 확인되며, 진공 펌프(104)로 유입되는 반응성 산소의 온도가 높을 수록 수소화된 비정질 탄소의 제거 효과가 높아지는 것이 확인된다.
도 7의 그래프는 플라즈마 반응기(110)의 작동 상태(On, Off)에 따른 진공 펌프(104)에서의 이산화탄소(CO2) 농도를 보여준다. 도 7의 그래프에서, 가로축은 시간(분)이고, 세로 축은 이산화탄소의 농도(ppm)이다. 도 7의 그래프에 의하면, 플라즈마 없이 산소만 공급하는 경우 진공 펌프(104)에 증착된 수소화된 비정질 탄소의 제거 효과가 거의 없고, 플라즈마에 의해 생성된 가열된 반응성 산소(O*)가 공급되는 경우에 진공 펌프(104)에 증착된 수소화된 비정질 탄소의 제거 효과가 나타나는 것이 확인된다.
도 8의 사진들은 배기관 플라즈마 장치(108)에 의해 진공 펌프(104)에서 증착된 수소화된 비정질 탄소의 제거 효과를 보여준다. 도 8의 왼쪽 사진은 배기관 플라즈마 장치(108)가 작동하지 않은 경우에 진공 펌프(104)에서 증착물의 두께를 위치에 따라 표시한 것이고, 도 8의 오른쪽 사진은 배기관 플라즈마 장치(108)가 작동하는 경우에 진공 펌프(104)에서 증착물의 두께를 위치에 따라 표시한 것이다. 도 8에 의하면 좌측의 사진 자료에서 증착물의 두께는 평균 67.6㎛이고, 우측의 사진 자료에서 증착물의 두께는 평균 45.7㎛로서, 배기관 플라즈마 장치(108)에 작용에 의해 부산물의 증착 두께가 약 32% 감소한 것이 확인된다.
도 9의 시험 데이터 그래프는 7kW의 전력이 인가되어서 작동하는 플라즈마 반응기(110)로 공급되는 산소 유량과 진공 펌프(104)에서 증착된 수소화된 비정질 탄소의 제거 효율 사이의 관계를 보여준다. 도 9에서 가로축은 플라즈마 반응기(110)로 공급되는 산소 유량(slm)이고, 좌측 세로축은 플라즈마 반응기(110)로 공급되는 산소의 산화 반응 참여 비율(%)이며, 우측 세로축은 진공 펌프(104)에서 증착된 수소화된 비정질 탄소막의 두께 감소량(㎛)이다. 도 9를 참조하면, 플라즈마 반응기(110)로 공급되는 산소 유량이 15slm일 때, 진공 펌프(104)에서 증착된 수소화된 비정질 탄소의 제거 효율이 가장 우수하다는 것이 확인된다. 이는 플라즈마 반응기(110)로 공급되는 산소 유량이 0slm으로부터 15slm까지 증가함에 따라 생성되는 반응성 산소(O*)의 양도 함께 비례하여 증가하지만, 플라즈마 반응기(110)로 공급되는 산소 유량이 15slm 이상 범위에서는 플라즈마 반응기(110)의 플라즈마 한계로 인해 생성되는 반응성 산소(O*)의 양이 더 이상 증가하지 않는다는 것을 의미한다. 따라서, 플라즈마 반응기(110)의 작동 전력에 따라 최고의 반응성 산소(O*) 생성률을 나타내는 산소 유량으로 플라즈마 반응기(110)에 산소를 공급하여 불필요한 산소의 소비를 방지함으로써 효율성을 높일 수 있다. 또한, 진공 펌프(104)에 증착된 수소화된 비정질 탄소의 산화 반응 정도는 진공 펌프(104) 내부의 온도에 상한 값 내에서 비례하여 증가한다. 그에 따라, 플라즈마 반응기(110)에서 생성되는 반응성 산소(O*)의 온도를 증가시키기 위해 플라즈마 반응기(110)에 높은 전력을 인가하는 것이 유리하다.
본 실시예에서 진공 펌프(104)에 증착되어서 형성된 수소화된 비정질 탄소막질의 두께 감소율은 아래와 같은 비례관계식을 만족한다.
[비례식]
탄소막질의 두께 감소율 ∝ 산소유량(slm) × 반응시간(min.) × 온도(K)
도 10에는 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 제조설비의 운영방법을 개략적으로 설명하는 순서도가 도시되어 있다. 도 10에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 제조설비의 운영방법도 도 1에 도시된 반도체 제조설비(100)의 운영방법이다. 도 10과 함께 도 1을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 제조설비의 운영방법은, 공정 챔버(102)에서 비정질 탄소막(ACL)의 증착 공정이 수행되는 ACL 공정 단계(S200)와, ACL 공정 단계(S200)에서 발생한 공정 챔버(102) 내 잔류 가스를 배기 장비(103)를 가동하여 공정 챔버(102)로부터 배출시키는 배기 단계(S210)와, 배기 단계(S210)에 의해 공정 챔버(102)로부터 잔류 가스가 배출되는 과정에서 잔류 가스에 포함된 수소화된 비정질 탄소(a-C:H)가 처리되는 가스 처리 단계(S220)를 포함한다.
ACL 공정 단계(S200)에서는 공정 챔버(102)에서 비정질 탄소막(ACL)의 증착 공정이 수행된다. 비정질 탄소막(ACL)의 증착 공정은 반도체 제조 공정에서 통상적으로 사용되는 ACL 공정의 구성을 포함하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다. ACL 공정 단계(S200)가 완료된 후에는 공정 챔버(112)에 수소화된 비정질 탄소(a-C:H)를 포함하는 잔류 가스가 발생한다. ACL 공장 단계(S200)의 완료 후 공정 챔버(102)에서 발생한 잔류 가스는 배기 단계(S210)를 통해 공정 챔버(102)의 외부로 배출된다.
배기 단계(S210)에서는 ACL 공정 단계(S200)의 완료 후 배기 장비(103)의 진공 펌프(104)가 가동되어서 ACL 공정 단계(S200)에서 발생한 공정 챔버(102) 내 잔류 가스가 공정 챔버(102)로부터 배출된다. 배기 단계(S210)에서 공정 챔버(102)로부터 배출된 가스는 챔버 배기관(105a)과 펌프 배기관(105b)을 따라서 유동한다. 배기 단계(S210)에서 공정 챔버(102)로부터 배출된 가스는 플라즈마 반응기(110)와 진공 펌프(104)를 차례대로 거친 후 스크러버(107)로 유입된다. 배기 단계(S110)가 수행되는 동안 가스 처리 단계(S220)가 함께 수행된다.
가스 처리 단계(S220)에서는 배기 단계(S210)에 의해 공정 챔버(102)로부터 잔류 가스가 배출되는 과정에서 잔류 가스에 포함된 수소화된 비정질 탄소(a-C:H)가 진공 펌프(104)로 유입되기 전에 제거되도록 처리된다. 가스 처리 단계(S220)에서 플라즈마 반응기(110)가 가동되고 산소 공급기(185)에 의해 플라즈마 반응기(110)로 산소 가스가 공급된다. 가스 처리 단계(S220)에서 수소화된 비정질 탄소(a-C:H)가 처리되는 과정은 도 11에 도시된 바와 같다. 도 11을 참조하면, 수소화된 비정질 탄소(a-C:H)와 산소 가스(O2)가 플라즈마 반응기(110)에 형성된 플라즈마 반응 영역(A)으로 유입된다. 플라즈마 반응 영역(A)으로 유입되는 수소화된 비정질 탄소(a-C:H)는 공정 챔버(도 1의 102)으로부터 배출되는 가스에 포함된 것이고, 플라즈마 반응 영역(A)으로 유입되는 산소 가스(O2)는 산소 공급기(도 1의 185)로부터 공급되는 것이다.
플라즈마 반응 영역(A)으로 유입된 수소화된 비정질 탄소(a-C:H)는 플라즈마 반응 영역(A)에서 플라즈마 반응에 의해 여기된(exited) 탄소원자(C*)와 여기된 수소원자(H*)로 분해된다. 플라즈마 반응 영역(A)으로 유입된 산소 가스(O2)는 여기된 산소원자(O*)로 분해된다.
플라즈마 반응 영역(A)에서 플라즈마 반응에 의해 발생한 여기된 탄소원자(C*), 여기된 수소원자(H*) 및 여기된 산소원자(O*)들 사이에는 치환(산화) 반응이 일어나서 이산화탄소 가스(CO2), 일산화탄소 가스(CO) 및 수증기(H2O)가 생성된다.
즉, 플라즈마 반응기(150)의 플라즈마 반응 영역(A)에서 수소화된 비정질 탄소(a-C:H)는 플라즈마 반응에 의해 추가 공급되는 산소 가스(O2)와 반응하여 이산화탄소 가스(CO2), 일산화탄소 가스(CO) 및 수증기(H2O)를 생성한다. 그에 따라, 플라즈마 반응기(110)로부터 배출되어서 진공 펌프(104)로 유입되는 가스에 진공 펌프(104)의 고장 원인인 수소화된 비정질 탄소(a-C:H)가 포함되는 것이 방지된다.
이상 실시예를 통해 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 실시예는 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 수정되거나 변경될 수 있으며, 본 기술분야의 통상의 기술자는 이러한 수정과 변경도 본 발명에 속하는 것임을 알 수 있을 것이다.
100 : 반도체 제조설비 101 : 반도체 제조 장비
102 : 공정 챔버 103 : 배기 장비
104 : 진공 펌프 105a : 챔버 배기관
105b : 펌프 배기관 106 : 배기가스 처리 장비
107 : 스크러버 108 : 배기관 플라즈마 장치
110 : 플라즈마 반응기 120 : 반응 챔버
130 : 마그네틱 코어 140 : 점화기
150 : 제1 코어 160 : 제2 코어
180 : 전원 185 : 산소 공급기

Claims (10)

  1. 비정질 탄소(Amorphous Carbon)가 증착되어서 비정질 탄소막(ACL)이 형성되는 ACL 공정이 수행되는 공정 챔버와, 상기 ACL 공정이 수행되는 과정에서 상기 공정 챔버에서 발생한 잔류 가스를 배출시키는 진공 펌프와, 상기 공정 챔버와 상기 진공 펌프를 연통시키는 챔버 배기관 상에 설치되어서 플라즈마 반응 영역을 형성하는 플라즈마 반응기와, 상기 플라즈마 반응기로 산소 가스를 공급하는 산소 공급기를 포함하는 반도체 제조설비의 운영방법으로서,
    상기 진공 펌프에 증착된 수소화된 비정질 탄소(a:C-H)를 제거하는 증착물 제거 단계를 포함하며,
    상기 증착물 제거 단계에서, 상기 산소 공급기에 의해 상기 플라즈마 반응기로 공급된 산소가 상기 플라즈마 반응 영역에서 분해되어서 반응성 산소(O*)를 생성하고, 상기 진공 펌프에 증착된 수소화된 비정질 탄소가 상기 반응성 산소와 반응하여 산화되며,
    상기 증착물 제거 단계에서, 상기 증착된 수소화된 비정질 탄소의 두께 감소율은 상기 산소 공급 유량의 상한 값 아래의 범위에서 상기 산소 가스 공급 유량에 비례하여 증가하며,
    상기 증착물 제거 단계에서, 상기 산소 공급기는 상기 증착된 비정질 탄소의 두께 감소율이 최대값을 갖도록 상기 플라즈마 반응기로 공급되는 산소 가스를 상기 상한 값의 유량으로 공급하며,
    상기 상한 값은 상기 플라즈마 반응기의 작동 전력에 따라 상기 반응성 산소의 최고 생성률을 나타내는 산소 유량인,
    반도체 제조설비의 운영방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 증착물 제거 단계에서 상기 증착된 수소화된 비정질 탄소의 두께 감소율은 상기 진공 펌프의 내부 온도(K)에 비례하여 증가하는,
    반도체 제조설비의 운영방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 진공 펌프의 내부 온도는 가열된 상태로 상기 진공 펌프로 유입되는 상기 반응성 산소(O*)에 의해 상승하는,
    반도체 제조설비의 운영방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 공정 챔버에서 상기 ACL 공정이 수행되는 ACL 공정 단계와, 상기 공정 챔버에서 수행되는 ACL 공정이 중단되는 공정 중단 단계를 더 포함하며,
    상기 증착물 제거 단계는 상기 공정 중단 단계가 수행되어서 상기 공정 챔버에서의 ACL 공정이 중단된 상태에서 수행되는,
    반도체 제조설비의 운영방법.
  7. 비정질 탄소(Amorphous Carbon)가 증착되어서 비정질 탄소막(ACL)이 형성되는 ACL 공정이 수행되는 공정 챔버;
    상기 ACL 공정이 수행되는 과정에서 상기 공정 챔버에서 발생한 잔류 가스를 배출시키는 진공 펌프;
    상기 공정 챔버와 상기 진공 펌프를 연통시키는 챔버 배기관 상에 설치되어서 플라즈마 반응 영역을 형성하는 플라즈마 반응기; 및
    상기 플라즈마 반응기로 산소 가스를 공급하는 산소 공급기를 포함하며,
    상기 플라즈마 반응기는 상기 플라즈마 반응 영역에서 상기 산소 공급기에 의해 공급된 산소를 분해하여 반응성 산소(O*)를 생성하며,
    상기 반응성 산소는 상기 진공 펌프에 유입되어서 상기 진공 펌프에 증착된 수소화된 비정질 탄소와 반응하여 상기 수소화된 비정질 탄소를 산화시키며,
    상기 반응성 산소에 의한 상기 증착된 수소화된 비정질 탄소의 두께 감소율은 상기 산소 공급 유량의 상한 값 아래의 범위에서 상기 산소 가스 공급 유량에 비례하여 증가하며,
    상기 산소 공급기는 상기 증착된 비정질 탄소의 두께 감소율이 최대값을 갖도록 상기 플라즈마 반응기로 공급되는 산소 가스를 상기 상한 값의 유량으로 공급하며,
    상기 상한 값은 상기 플라즈마 반응기의 작동 전력에 따라 상기 반응성 산소의 최고 생성률을 나타내는 산소 유량인,
    반도체 제조설비.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
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