KR102467296B1 - 차폐 구조의 점화전극 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 차폐 구조의 점화전극에 관한 것이다. 본 발명의 차폐 구조의 점화전극은 플라즈마 챔버의 개구된 영역에 설치되는 절연 플레이트; 상기 절연 플레이트의 상부에 설치되어 상기 플라즈마 챔버의 플라즈마 방전 채널로 기전력을 전달하기 위한 점화 전극; 상기 절연 플레이트와 상기 플라즈마 챔버 사이에 구비되는 제1 실링부재; 및 상기 플라즈마 챔버와 상기 점화 전극 사이에 구비되는 제2 실링부재를 포함하여 점화전극이 플라즈마 챔버로부터 차폐된다. 본 발명의 차폐 구조의 점화전극을 이용하면, 점화전극이 완전하게 차폐됨으로써 역류되는 플라즈마에 의해 점화전극이 오염되어 파티클이 발생되는 것을 방지할 수 있다. 또한 점화전극이 이중 실링 구조를 통해 완전하게 차폐되어 플라즈마 챔버 내부의 진공 유지가 가능하도록 한다. 또한 사파이어를 이용하여 절연 플레이트를 형성함으로써 고온의 플라즈마에 의해 절연 플레이트가 손상되는 것을 방지한다. 또한 점화실패 및 파티클이 발생되는 것을 방지할 수 있다.

Description

차폐 구조의 점화전극{IGNITION OF SHIELDING STRUCTURE}
본 발명은 차폐 구조의 점화전극에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이중 실링구조로 점화전극을 차폐하여 파티클을 줄이기 위한 차폐 구조의 점화전극에 관한 것이다.
플라즈마 반응기는 반도체 공정을 다루는 설비에 있어서, 공정 챔버 외부에서 발생시킨 플라즈마를 공정 챔버로 공급하는 장치이다. 플라즈마 방전은 해리 가스에 사용되어 이온, 자유 라디칼(free radical), 원자 및 분자를 포함하는 활성 가스를 생성할 수 있다. 활성화된 가스는 반도체 웨이퍼와 같은 고형 물질, 파우더 및 기타 가스를 처리하는 것을 포함하는 다양한 산업 및 과학 분야에서 사용된다.
몇몇 분야에서는 처리되는 물질이 손상되기 쉬우므로 이온을 낮은 운동 에너지로 사용한다. 이방성 에칭 또는 평탄화된 절연체 증착과 같은 다른 분야에서는 높은 운동 에너지로 이온을 사용할 것을 필요로 한다. 반응성 이온 빔 에칭과 같은 도 다른 분야에서는 이온 에너지의 정밀 제어를 필요로한다.
또 다른 몇몇 분야에서는 처리되는 물질을 높은 밀도의 플라즈마에 직접 노출시키는 것을 필요로 한다. 이러한 분야 중 하나는 이온-활성화된 화학 반응을 생성하는 것이다. 다른 이러한 분야는 높은 종횡비 구조의 에칭 및 그 안으로 물질을 증착하는 것을 포함한다.
다양한 방식으로 플라즈마를 생성할 수 있는데, 이때 다양한 플라즈마 공급원은 DC 방전, 고주파(RF) 방전, 및 마이크로웨이브 방전을 포함한다. DC 방전은 가스 내의 두 개의 전극 사이에 전위를 인가함으로써 달성된다. RF 방전은 전원으로부터 플라즈마 내로 에너지를 정전기 또는 유도 결합시킴으로써 달성된다. 평행 판들은 에너지를 플라즈마 내에 유도 결합시키도록 통상적으로 사용된다. 유도 코일은 전류를 플라즈마 내에 유도하도록 통상적으로 사용된다. 마이크로웨이브 방전은 가스를 수용하는 방전 챔버 내에 마이크로웨이브 통과 윈도우를 통해 마이크로웨이브 에너지를 직접 결합시킴으로써 달성된다. 마이크로웨이브 방전은 높게 이온화된 전자 사이클론 공명(ECR) 플라즈마를 포함하는 넓은 범위의 방전 조건을 지원하도록 사용될 수 있다.
마이크로웨이브 또는 다른 타입의 RF 플라즈마 공급원과 비교하여, 환형(toroidal) 플라즈마 공급원(원격 플라즈마 반응기)은 낮은 전기장, 낮은 플라즈마 챔버 부식, 소형화, 및 비용 효과 면에서 장점을 갖는다. 환형 플라즈마 공급원은 낮은 전계로 동작하며 전류-종료 전극 및 관련 음극 전위 강하를 내재적으로 제거한다. 낮은 플라즈마 챔버 부식은 환형 플라즈마 공급원이 다른 방식의 플라즈마 공급원보다 높은 전력 밀도에서 작동하도록 한다. 또한, 고 투과성 자기 코어를 사용하여 전자기 에너지를 플라즈마에 효율적으로 결합시킴으로써, 환형 플라즈마 공급원이 상대적으로 낮은 RF 주파수에서 작동하도록 하여 전력 공급 비용을 낮추게 된다. 환형 플라즈마 공급원은 반도체 웨이퍼, 평판 디스플레이, 및 다양한 물질의 처리를 위해 불소, 산소, 수소, 질소 등을 포함하는 화학적으로 활성인 원자 가스를 생성하도록 사용되어 왔다.
플라즈마 공급원을 이용하여 안정적으로 플라즈마를 공급하기 위해서는 안정적인 초기 점화가 매우 중요하다. 어떠한 원인에 의해 플라즈마 점화에 실패하는 경우, 공정 진행이 중단되어 공정 생산성이 저하된다. 즉, 플라즈마 점화 단계 이전까지 진행된 단계들이 다시 진행되어야 할 수 있는데 이러한 경우 해당 공정은 실패하게 되고 다시 초기화하여 공정을 다시 시작하여야 한다. 최근, 반도체 장치의 제조를 위한 웨이퍼나 LCD 글라스 기판은 더욱 대형화 되어 가고 있어서 한 번의 공정 실패에 따른 손실률은 더욱 높아지게 된다. 또한 플라즈마 공급원을 이용하여 반도체를 제조하는 과정에서 파티클에 의해 웨이퍼가 오염되는 현상이 발생한다. 특히, 점차 작아지는 반도체 소자 제조시 작은 파티클 하나에도 불량 제품이 생성될 수 있다.
상기에서 설명한 점화 실패 및 파티클 생성은 플라즈마 공급원에 설치되는 점화전극의 오염 또는 손상에 의해 발생된다. 플라즈마 공급원에 설치된 점화전극은 단일 실링 구조로 역류된 플라즈마에 노출되어 손상되는 경우가 발생하였다. 또한 역류된 플라즈마에 의해 점화전극이 오염되고, 점화전극이 구동시 오염된 부분에서 파티클이 발생하여 플라즈마 공급원으로 제공되는 문제점이 발생하였다. 또한 점화전극에 설치되는 절연체인 세라믹이 고온의 플라즈마에 의해 손상되어 플라즈마 점화 실패가 발생하는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 이중 실링 구조로 점화전극을 완전하게 차폐함으로써 플라즈마에 의한 손상 및 파티클 요인이 발생하는 것을 방지할 수 있는 차폐 구조의 점화전극을 제공하는데 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일면은 차폐 구조의 점화전극에 관한 것이다. 본 발명의 차폐 구조의 점화전극은 플라즈마 챔버의 개구된 영역에 설치되는 절연 플레이트; 상기 절연 플레이트의 상부에 설치되어 상기 플라즈마 챔버의 플라즈마 방전 채널로 기전력을 전달하기 위한 점화 전극; 상기 절연 플레이트와 상기 플라즈마 챔버 사이에 구비되는 제1 실링부재; 및 상기 플라즈마 챔버와 상기 점화 전극 사이에 구비되는 제2 실링부재를 포함하여 점화전극이 플라즈마 챔버로부터 차폐된다.
일 실시예에 있어서, 상기 절연 플레이트는 사파이어이다.
일 실시예에 있어서, 상기 점화전극을 지지하기 위한 전극 지지부를 더 포함한다.
본 발명의 차폐 구조의 점화전극을 이용하면, 점화전극이 완전하게 차폐됨으로써 역류되는 플라즈마에 의해 점화전극이 오염되어 파티클이 발생되는 것을 방지할 수 있다. 또한 점화전극이 이중 실링 구조를 통해 완전하게 차폐되어 플라즈마 챔버 내부의 진공 유지가 가능하도록 한다. 또한 사파이어를 이용하여 절연 플레이트를 형성함으로써 고온의 플라즈마에 의해 절연 플레이트가 손상되는 것을 방지한다. 또한 점화실패 및 파티클이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 반응기를 도시한 사시도이다.
도 2는 플라즈마 반응기를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 도 2의 점화전극부를 확대한 확대도이다.
도 4는 점화전극부의 분해사시도이다.
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 반응기를 도시한 사시도이고, 도 2는 플라즈마 반응기를 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 3은 도 2의 점화전극부를 확대한 확대도이고, 도 4는 점화전극부의 분해사시도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 플라즈마 반응기(100)는 환형 플라즈마 채널(140)을 갖는 플라즈마 챔버(110)와 플라즈마 챔버(110) 내부로 유도 기전력을 제공하는 변압기로 구성된다.
플라즈마 챔버(110)는 중공으로 형성되어 내부에 환형 플라즈마 채널(140)이 형성된다. 플라즈마 챔버(110)는 가스가 유입되는 상부 영역, 플라즈마가 방전되는 방전관 및 플라즈마 가스가 배출되는 하부 영역을 각각 포함하도록 적어도 네 개로 분리된다. 본 발명에서는 상부 영역 및 하부 영역이 각각 두 부분으로 분리됨으로써 모두 여섯 개로 분리되어 결합된다. 분리된 플라즈마 챔버(110)는 결합시 환형 플라즈마 채널(140)이 형성되도록 내부가 파진다. 분리된 플라즈마 챔버(110)는 결합시 사이에 고무 등과 같은 실링부재(미도시)를 삽입함으로써 환형 플라즈마 채널(140)의 진공 상태를 유지한다.
플라즈마 챔버(110)는 알루미늄, 스테인리스, 구리와 같은 금속성 물질제작된다. 또는 양극 산화처리된 알루미늄과 니켈 도금된 알루미늄으로 제작될 수 있다. 또는 내화 금속(refractory metal)로 제작될 수 있다. 또는 석영과 같은 절연 물질로 형성될 수도 있다. 플라즈마 챔버(110)는 의도된 플라즈마 프로세스가 수행되기에 적합한 다른 물질로도 재작될 수 있다. 플라즈마 챔버가 금속 물질을 포함하는 경우에는 에디 전류를 제거하기 위하여 전기적 불연속성을 갖도록 하는 하나 이상의 전기적 절연 영역을 포함한다. 절연 영역은 석영, 세라믹과 같은 전기적 절연 물질로 구성된다.
플라즈마 챔버(110)는 환형 플라즈마 채널(140)의 상부로부터 파져 개구된 영역에 플라즈마 점화를 위한 점화전극부(160)가 구비된다. 또한, 플라즈마 챔버(110)의 상부에서 측면 중앙에는 공정가스가 공급되는 가스공급홀(112)이 구비된다. 플라즈마 챔버(110)의 하부 중앙에는 개구된 가스 출구(113)가 구비된다. 가스 출구(113)는 공정챔버(미도시)에 연결되어 플라즈마 챔버(110)에서 생성되는 활성된 플라즈마 가스를 공정챔버(미도시)로 공급한다. 공정챔버에서 플라즈마에 의해 생성되는 대전된 입자가 피처리 기판(미도시)과 직접 접촉하도록 한다. 선택적으로, 플라즈마 챔버는 공정챔버로부터 일정 거리에 위치되어 대전된 입자가 가스 이송 중에 재결합하는 동안, 활성화된 중성 가스가 공정 챔버 내로 유동하도록 한다.
플라즈마 챔버(110)에는 플라즈마 챔버(110)의 온도를 조절하기 위한 냉각채널(104)이 구비될 수 있다. 냉각채널(104)을 따라 냉각수가 흐르므로 고온의 플라즈마에 의해 플라즈마 챔버(110)가 가열되지 않도록 조절한다.
변압기는 일차 권선(121)을 갖는 마그네틱 코어(120)로 플라즈마 챔버(110)의 일부를 감싸도록 설치된다. 마그네틱 코어(120)에 감겨진 일차권선(121)은 전원 공급원(180)에 전기적으로 연결된다. 전원 공급원(180)은 일차권선(121)으로 전력을 공급하여 변압기를 구동시킨다. 플라즈마 챔버(110)의 환형 플라즈마 채널(140)에서 플라즈마가 방전되어 이차 회로를 형성한다.
플라즈마 챔버(110)의 상부 개구된 영역에는 플라즈마 챔버(110) 내로 공급된 공정 가스에 플라즈마 방전이 발생할 수 있도록 하는 점화전극부(160)가 구비된다. 점화전극부(160)는 플라즈마 챔버(110) 상부의 개구된 영역에 설치된다. 점화전극부(160)는 점화전극(162)과 절연 플레이트(164) 및 점화전극 지지부(166)로 구성된다. 절연 플레이트(164)는 플라즈마 챔버(110)의 개구된 영역에 설치된다. 이때, 절연 플레이트(164)와 플라즈마 챔버(110) 사이에는 제1 실링부재(172)가 구비된다. 제1 실링부재(172)에 의해 플라즈마 챔버(110)는 진공 상태로 밀폐되며 플라즈마 챔버(110) 내에서 생성된 플라즈마가 점화전극(162)으로 역류되는 것을 방지한다.
점화전극(162)은 일면이 돌출되도록 다단으로 형성된다. 점화전극(162)의 돌출된 중심부분은 절연 플레이트(164)의 상부에 설치된다. 점화전극(162)으로 전력이 인가되고 플라즈마 챔버(110) 상부 중앙의 가스 공급홀(112)을 통해 내부로 공정가스가 유입되면, 플라즈마 챔버(110)의 플라즈마 방전 채널(140)로 기전력을 전달되어 플라즈마가 방전된다. 점화전극(162)은 알루미늄으로 구성될 수 있는데 다른 대안의 금속 물질로 제작하는 것도 가능하다. 점화전극(162)은 일차권선으로 전력을 공급하는 전원 공급원에 함께 연결될 수도 있고, 별도의 전원 공급원에 연결될 수 있다.
절연 플레이트(164)는 판 형태로 플라즈마 챔버(110)의 개구된 영역에 설치된다. 절연 플레이트(164)의 상부로 점화전극(162)이 설치된다. 점화전극(162)은 절연 플레이트(164)와 완전하게 밀착되어 설치될 수도 있고, 사이에 약간에 공간을 두고 설치될 수 있다. 이는 절연 플레이트(164)가 고온의 플라즈마에 의해 팽창되는 경우, 깨지는 것을 방지하기 위함이다. 이러한 공간은 매우 미세하므로 도면에서는 도시하지 않았다. 절연 플레이트(164)는 둘레를 따라 단부가 상측으로 절곡 형성되어 중심부분의 오목한 부분에 점화전극(162)의 돌출부가 설치된다. 절연 플레이트(164)는 세라믹으로 형성될 수도 있고, 사파이어로 형성될 수도 있다. 사파이어는 고온에 강한 물질로 플라즈마 챔버 내에서 방전되는 고온의 플라즈마를 견딜 수 있어 절연 플레이트(164)가 깨지는 것을 방지한다.
제2 실링부재(174)는 점화전극(162)의 하부 둘레에 위치된다. 제2 실링부재(174)는 외부로부터 플라즈마 챔버(110)로 공기가 유입되는 것을 방지할 뿐만 아니라, 플라즈마 챔버(110)로부터 역류되는 플라즈마를 완전하게 차단한다. 다시말해, 제2 실링부재(174)에 의해 플라즈마 챔버(110)는 완전한 진공 상태를 유지할 수 있을 뿐만아니라, 절연 플레이트(164)가 깨진 경우, 플라즈마 챔버(110)로부터 플라즈마가 역류되어 점화전극(162)이 손상되는 것을 방지할 수 있다.
전극 지지부(176)는 제2 실링부재(174) 내측에 위치하여 점화전극(162)을 지지한다. 전극 지지부는 세라믹으로 형성될 수 있으며, 다양한 재질로 변형이 가능하다. 절연 플레이트(164)와 전극 지지부는 동일한 재질로 형성되거나 서로 다른 재질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 모두 사파이어로 형성될 수도 있고, 모두 세라믹으로 형성될 수 있다.
플라즈마 반응기(100)는 플라즈마 발생을 위하여 진공 상태를 유지해야 하므로 플라즈마 챔버(110)와 점화전극부(160)의 밀폐가 매우 중요하다. 이러한 밀폐력을 향상시키기 위하여 점화전극부(160)는 고무링과 같이, 진공을 위한 제1, 2 실링부재(172, 174)가 구비된다.
제1 실링부재(172)는 플라즈마 챔버(110)의 진공을 유지하면서, 플라즈마 방전 시 플라즈마 가스가 플라즈마 챔버(110) 내에서 점화전극(162)으로 유입되는 것을 방지한다. 종래는 점화전극(162)으로 유입된 플라즈마는 점화전극(162)을 손상시켜 잦은 점화실패가 발생된다. 또한 공정 진행 중 공정챔버로부터 역류(backstream)되는 플라즈마에 의해 점화전극(162)에 파티클(particle)이 형성되고, 이러한 파티클은 다시 공정 처리시 공정챔버로 제공되어 피처리 기판을 오염시킨다. 그러나 본 발명에서는 제1 실링부재(172)를 이용하여 점화전극(162)으로 유입되는 플라즈마를 완전하게 차단함으로써 점화전극(162)에 파티클 발생 요소를 제거한다. 그러므로 점화실패를 줄일 수 있다.
제2 실링부재(174)는 외부 공기가 점화전극부(160) 및 플라즈마 챔버(110) 내로 유입되는 것을 방지한다. 점화전극(162)과 제1 절연 플레이트(164) 사이의 공간으로 외부 공기가 유입되어 점화전극(162)과 진공상태의 플라즈마 챔버(110) 내로 유입될 수 있다. 또한 절연 플레이트(164)가 깨져서 플라즈마가 점화전극부(160)로 유입되는 것도 방지할 수 있다.그러므로 본 발명의 점화전극부(160)는 제1, 2 실링부재(172, 174)를 이용하여 점화전극부(160)를 완전하게 차폐시킴으로써 플라즈마 역류 및 파티클을 방지할 수 있다. 제1, 2 실링부재(172, 174)는 O링을 사용한다.
이상에서 설명된 본 발명의 차폐 구조의 점화전극의 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.
100: 플라즈마 반응기 110: 플라즈마 챔버
112: 가스 공급홀 113: 가스 출구
120: 마그네틱 코어 121: 일차권선
140: 환형 플라즈마 채널 160: 점화전극부
162: 점화전극 164: 절연 플레이트
172: 제1 실링부재 174: 제2 실링부재
176: 전극 지지부 180: 전원 공급원

Claims (3)

  1. 플라즈마 챔버의 개구된 영역에 설치되는 절연 플레이트;
    상기 절연 플레이트의 상부에 설치되어 상기 플라즈마 챔버의 플라즈마 방전 채널로 기전력을 전달하며, 상기 절연 플레이트와 소정 간격 이격되어 설치되는 점화전극;
    상기 절연 플레이트와 상기 플라즈마 챔버 사이에 구비되는 제1 실링부재;
    상기 플라즈마 챔버와 상기 점화전극 사이에 구비되어 상기 점화전극을 지지하는 전극 지지부; 및
    상기 플라즈마 챔버와 상기 점화 전극 사이에 구비되며, 상기 전극 지지부의 외주면에 배치되어 상기 플라즈마 챔버, 상기 점화전극, 및 상기 전극 지지부에 접촉되는 제2 실링부재를 포함하여 점화전극이 플라즈마 챔버로부터 차폐되는 것을 특징으로 하는 차폐 구조의 점화전극.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 실링부재, 상기 절연 플레이트, 상기 전극 지지부 및 상기 제2 실링부재가 상기 플라즈마 챔버 내 플라즈마 가스를 활성화하는 공간을 기준으로 순서대로 가까이 위치하고,
    상기 절연 플레이트는 사파이어인 것을 특징으로 하는 차폐 구조의 점화전극.
  3. 제1항에 있어서,
    제1 실링부재는 상기 제2 실링부재보다 상대적으로 작은 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 차폐 구조의 점화전극.
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