KR20010072200A - Ｅｓｒｆ 냉매의 가스배출처리 - Google Patents

Abstract

정전기적으로 보호되는 고주파(ESRF) 플라즈마 공급원을 냉각하는 방법과 장치. 상기 방법과 장치는 흡착된 가스를 제거하기 위해 진공을 만듦에 의해 액체 냉매탱크 안의 가스방출을 제공한다. 가스가 배출된 냉매는 열교환기에 의해 냉각된다. 이에 더하여 상기의 방법과 장치는 튜브의 급속한 배출과 가스배출챔버의 급속한 충전을 제공한다.

Description

ＥＳＲＦ 냉매의 가스배출처리{ESRF COOLANT DEGASSING PROCESS}

공동계류중인 출원들의 상호참조

본 출원은 1998년 8월 3일에 출원된 미국의 가출원번호 60/095,035의 'ESRF 냉매의 가스배출처리'이라는 명칭의 출원에 관련되어 있고, 상기 출원에 기한 우선권을 주장한다. 상기 출원의 내용은 참고적로서 본 출원에 포함되어있다.

본 출원은 이하의 공동계류 출원인: RF 플라즈마 시스템의 아킹(arcing)을 감지하고 방지하는 장치와 방법'의 명칭을 가진 출원번호 60/059,173의 출원과 '가스 플라즈마 처리를 감시하고 통제하기 위한 시스템과 방법'의 명칭을 가진 출원번호 60/059,151의 출원, '모든 표면에 전압인가가 가능하고 또한 온도가 조절되는 정전기적으로 차폐되는 고주파(RF) 플라즈마 공급원'의 명칭을 가진 출원번호 60/065,794의 출원등과 관련되어있다. 본 출원은 또한 '정전기적으로 차폐되는 고주파(ESRF) 챔버 냉각 시스템과 처리'의 명칭을 가진 1998년 8월 3일에 출원된 출원번호 60/095,036 (대리인 파일번호 2312-0633-6 PROV)의 현재 출원중인 출원과 이와 동시에 출원된 웨인 L 존슨이 발명한 '정전기적으로 차폐되는 고주파(ESRF) 챔버 냉각시스템과 처리'의 명칭을 가진 출원번호 09/ , ,(대리인 파일번호 2312-0813-6 YA WO)의 출원과도 관련되어있다. 상기의 출원중인 출원의 각각은 참고로서 본 출원의 전체에 포함되어 있다.

발명의 배경

발명의 분야

에칭처리와 증착처리를 사용하여 서브미크론급 특징을 가지는 반도체 웨이퍼를 제조하기 위하여, 현대 반도체 처리시스템은 반응성 이온에칭(RIE)과, 플라즈마 증강 화학기상증착법(PECVD), 스퍼터링 (Sputtering), 반응성 스퍼터링, 이온 보조 물리적 기상증착법(PVD)와 같은 플라즈마가 지원된 기술을 사용한다. 상기의 참조되는 현재 계류중인 출원에 더하여 가스 플라즈마 처리시스템의 다른 예는 본 발명의 발명자인 웨인 엘. 존슨의 미국특허번호 5,234,529에 설명되어 있다. 상기의 공지된 시스템에 있어서, 고주파(RF 전력)의 인가를 통하여 가스 플라즈마가 형성되고 보전되는 처리분위기로 가스가 도입된다. 전형적으로, 고주파전력은 헬리컬코일을 사용하는 플라즈마에 유도적으로 결합되어 있다.

일반적으로, 가스 플라즈마의 생성도 처리의 특정온도에서 처리시스템을 유지하기 위하여 제거되어야 할 상당한 양의 열을 발생한다. 이제까지 이러한 열의 제거는 비효율적이었으며, 거추장스런 설계에 기초하고 있었다. 공지의 ESRF 플라즈마 공급원은, 유전체의 역할도 하는, 플루오리너트(FLUORINERT)와 같은 액체 냉매탱크를 사용하여 냉각되어왔다. 고주파에서 '좋은 유전체'는 그 유체가 강한 전기장에 노출되었을 때 단위체적당의 전력손실이 낮아야 함을 의미한다. 그러나 이러한 특이한 유체들은 공기와 같은 많은 양의 가스를 흡착하는 단점을 가지고 있다. 바꾸어 말하면, 공기(및 기타 가스들)에 노출된 액체(냉매) 표면은 표면층 내부로 가스를 흡착한다. 그리고 나서 이렇게 흡착된 가스는 액체가 혼합될 때(즉, 냉각시스템을 통해 이동하거나 압축될 때) 액체(체적 또는 내부)의 전체에 흩어진다. 더욱이, 가스는 냉매 펌프가 멈춰진 후에 냉매 내부로 흡착될 수도 있다. 펌프가 정지될 때, 시스템의 높은 부분에서의 냉매가 낮은 부분으로 흘러 내려가면, 그때 공기가 흘러 내려간 냉매를 대체한다. 펌프가 재가동될 때, 공기는 가스흡착의 또 다른 원인이 되는 공기방울로 될 수 있다. 고자장영역에서는, 강한 발산이 높은 국부적 가열을 일으킬 수 있으며, 그러므로 냉각액의 국부적 온도상승을 야기할 수 있다. 그 때, 가스의 방출율이 증가되어 더 많은 가스가 용액 밖으로 나오게 되고, 형석-유전(螢石-誘電)흡착력에 의해 흡착된 코일 표면상에서 합체되는 공기방울을 형성한다. 흡착된 공기방울은, 비균일한 전기장, 국부화된 가열 및 아킹(arcing)등을 유도하는 코일표면에서의 유전율의 차이를 발생한다. 이러한 아킹(arcing)은 공진기 캐비티(cavity) 내에서 사용되기 전에 상기의 가스가 냉각액으로부터 방출되지 않는다면 상기 유체의 측정된 유전강도보다 훨씬 낮은 전압에서 발생할 수 있다. 예를 들면, 플루오리너트(FLUORINERT)는 그 자체의 액체부피와 같은 양의 가스를 흡수하며, 포획된 가스를 제거하기 위한 처리가 반드시 필요하다.

흡수된 가스의 신속한 방출에 의한 아킹을 피하기 위하여, 공지의 시스템은 점차 ESRF 플라즈마 챔버를 통하여 냉매를 계속적으로 불어넣으면서 플라즈마 공급원에 전력을 증가시킨다. 고주파전력의 점차적 증가는 냉매로부터 흡착된 가스를 천천히 방출시키기에 충분한 한 주기의 시간동안 일어난다. 비록 냉매를 이러한 방법으로 운영함으로써 포획된 가스를 방출시키더라도, 상당한 양의 시간이 요구된다. 종종 이러한 처리는 수 시간이 걸릴 것이고, 그러므로 플라즈마 시스템의 사용을 지연시킨다.

흡착된 가스를 방출시키기 위한 공지의 시스템에 요구되는 긴 시간주기에 부가적으로, 플라즈마 공급원에 결합된 냉각 시스템은 대형웨이퍼(즉, 300mm) 처리 시스템에 사용되는 큰 냉각라인 때문에 거추장스러울 수 있다. 결과적으로 냉매라인이 부착된 처리실이 개방되어 있을 때, 일반적으로 상당한 양의 공기가 흡착된다. 냉매라인들은 수백 파운드의 냉매를 담고 있기 때문에 전형적으로 그 라인들은 부착된 채로 남아있다. 결과적으로, 처리실을 개방시키기 위해 부착된 라인들을 들어올리는 것은 어려우나 불가능하지는 않다.

이전에는 큰 라인들을 대체 냉각기구로 대체하는 방법이 알려져 있지 않았다. 처리 튜브로부터 열을 제거하는데 요구되는 많은 양의 냉매교환(예를 들어, 대략 분당 50-75 갈론)을 위해 큰 라인들이 요구된다. 또한, 요구되는 냉매의 무게와 압력 때문에 유연한 라인이 사용되는 것이 어렵거나 불가능하다.

발명의 요약

본 발명의 목적은 유전성 유체의 콘디쇼닝시의 지연을 줄이는 ESRF 공급원을 냉각하기 위한 개선된 방법과 시스템을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 다음의 임무: (1) 유전체로서의 액체 냉매의 신뢰도를 증가시킴 (2) 플라즈마 밀도를 증가시킴 및 (3) 냉매의 시동범위를 증가시킴중에서 최소한 하나의 임무를 수행하는 동안 콘디쇼닝의 지연을 감소함에 있다. 상기 후자의 2개의 임무는 냉매장애와 그로 인한 조기 코일아킹(arcing)을 피하기 위하여 플라즈마 공급원에 고주파전력을 적용하는데 있어서의 엄격한 조건을 완화하는 것과 관련되어 있다. 조기에 아킹(arcing)이 발생하는 것을 피하기 위하여 냉매의 콘디쇼닝에 의해 고주파플라즈마 공급원이 명목전력으로(다소 감소된 전력수준 대신에) 가동될 수 있다.

그러므로, 낮은 플라즈마 밀도가 얻어질 수 있고, 양호한 시동조건들이 상당한 지연없이(고주파전력을 상당한 값으로 올림에 의하여) 얻어질 수 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 캐비티의 장애, 즉, 코일아킹(arcing)의 수, 발생빈도, 발생정도를 줄이는 동시에 콘디쇼닝의 지연을 감소하는데 있다.

본 발명의 이러한 목적과 다른 목적들은 고주파 플라즈마를 기초로 한 처리시스템에서 사용되는 액체 냉매로부터 가스를 배출하는 방법과 시스템에 의하여 달성될 수 있다. 액체냉매 내부에 흡착된 가스를 제거하기 위하여 진공을 사용함으로써, 시스템은 침수된 코일의 표면에 부착된 마이크로미터의 공기방울에 의해 발생되는 아킹(arcing)을 제거한다.

도면의 간단한 설명

발명의 보다 완전한 이해 및 많은 부수적 장점은 다음의 상세한 설명을 참조하면 분명해질 것이며, 특히 첨부된 도면에 관하여 고려할 때,

도 1은 ESRF 플라즈마 처리시스템의 가스배출구성의 개략도이고,

도 2는 도 1에 나타난 밸브들과 펌프들 각각의 상태를 나타내는 표이다.

바람직한 실시예의 상세한 설명

본 발명에 있어, ESRF 시스템은 처리되지 않은 액체 냉매와 관련된 이전의 문제들, 즉 유도 코일 주변의 아킹(arcing) 없이 냉각된다. 동일하거나 또는 대응하는 부분을 같은 참조번호로 나타낸 도면을 참조하면, 도 1은 ESRF 플라즈마 처리시스템의 가스배출 구성의 개략적 도시이다. 상기 ESRF 플라즈마 공급원은 플루오리너트와 같은 냉매탱크에 담겨진 적어도 하나의 유도코일을 포함한다. 가스배출시스템은 최소한 다음의 4가지 모드, 즉, ① 플라즈마 처리시 일어나는 기본운전 ② 처리의 시작 또는 후에 나타나는 가스배출모드 ③ 시스템이 냉매가 필요하지 않은 다른 작업 중 또는 유지를 위해 진공상태에 있을 때 나타나는 급속한 배출 ④ 가스배출 챔버가 보조공급원으로부터 냉매가 재충전되는 재충전모드, 중의 어느 한가지 모드에서 사용된다.

본 발명에 따르면, 시스템의 통상 운전은 강제 대류에 의해 플라즈마 소오스 챔버를 효율적으로 냉각하고 미리 설정된 온도를 유지하기 위하여, 플라즈마 처리시스템(115)를 통하여 가스가 배출된 액체 냉매를 뽑아내는 것을 포함한다. 도 1 및 도 2 를 참고로 하면, 유체흐름 냉각루프는 냉매탱크[즉, 가스배출챔버(100)]의 바닥으로부터 대용량 펌프(140)을 사용하는 밸브(110a)를 통하여 냉매를 펌핑하는 것으로 구성되며, 상기 밸브를 통해 펌프는 밸브(110f)와 플라즈마 처리챔버(115)를 통하여 냉매가 흐르도록 하기 위해 필요한 전체압력헤드를 제공한다. 냉각 사이클은 밸브(110d)를 통하여 냉매를 냉매탱크[또는 가스배출챔버(100)]에 완전히 복귀시킴으로 이루어진다. 펌프(140)에 의해 구동되는 이러한 냉매 사이클은 플라즈마 처리챔버로부터 열을 제거하고 그 열을 냉매탱크(가스배출챔버:100)에 축적시킨다. 가스배출챔버(100)과 플라즈마 처리시스템(115) 사이의 펌핑사이클은 플라즈마 처리챔버를 미리 설정된 온도로 유지하기 위하여 계속된다. 미리 설정된 온도는 플라즈마 처리챔버(115)의 열부하를 결정하고 냉매사이클에 의한 열의 제거율을[플라즈마 처리챔버 (115)의 냉각율은 냉매의 유량과 냉매유체의 특성, 챔버 자체내의 배관설계에 의하여 결정된다] 고려함에 의해 유도될 수 있다.

냉매탱크(가스배출챔버:100) 내부의 냉매의 온도를 유지하기 위하여, 열교환기(130)을 포함하는 두 번째 냉각 사이클이 제공되는데, 열교환기에서 열은 냉매와 외부의 공급원으로부터 공급된 차가운 물 사이에 교환된다. 냉각양은 열을 흡착한 냉매로부터 열을 빼앗기 위해 흘러야할 냉각수의 양을 조절함에 의해 조절된다. 두 번째 냉각 사이클은 펌프(125)를 사용하여 냉매탱크[가스배출챔버(100)]의 바닥으로부터 냉매를 펌핑하여 필터(135)를 거쳐 열교환기(130)을 거치는 것을 포함한다. 두 개의 냉각 사이클[플라즈마 처리챔버로의 하나의 사이클과 열교환기(130)으로의 다른 하나]은 가스배출챔버로부터의 같은 출구라인을 공유한다는 점을 주목한다. 그러나 배관은 이러한 설계에 한정되지 않으며, 사실 이러한 임무를 수행하기 위하여 2개 이상의 라인을 가질 수 있다. 도시한 바와 같이, 냉매와 냉각수원 사이에서 열을 교환하기 위한 열교환기(130)은 냉각장치(132)에 결합되어있다. 온도조절밸브 (134)는 열교환기 (130)을 거친 냉각수원의 온도가 통제될 수 있도록 위치되어있다. 만약 냉각수 온도차(섭씨 몇도, 2에서 5도사이 이상)가 현저하게 되면 냉각수의 유량은 증가될 것이다. 냉각수와 냉매는 계속해서 흐른다. 냉각양은 냉각수 밸브가 얼마나 많이 개방되어 있는가에 의해 결정된다.

냉매가 목적온도까지 냉각되었을 때, 온도조절밸브(134)는 펌프(125)가 펌핑을 시작하기 위한 신호를 보내어 냉매가 가스배출챔버(100)에 돌아가게 한다. 냉매가 열교환기(130)으로부터 냉매탱크(가스배출챔버:100)에 되돌아가는 중에, 고주파 전류모니터(136)은 복귀라인(138)을 따라 중간위치에 위치된다. 본 발명은 이에 더하여 냉매의 가스가 배출되어야할 때를 결정하는 방법을 제공한다. 따라서 냉매내의 가스흡착수준은 샘플챔버에 인가된 고주파 전압을 사용하여 결정되고, 결과적인 전류가 측정된다. 고주파전류는 유체의 유전강도의 지표이다. 더욱이, 냉매의 유전강도는 직접적으로 냉매내에 흡착된 가스의 존재에 의하여 영향 받는다. 그러므로, 본 발명은 자동적으로 이러한 테스트를 주기적으로 수행하여 가스배출이 필요한지 여부를 판단할 수 있다. 가스배출이 필요하면, 작동기에 통보되어질 수 있거나 가스배출이 자동적으로 다음 처리단계의 마지막에서 수행되어진다.

운행정지 시(기타 다른시기)에 냉매액의 표면이 공기(및/또는 다른 가스들)에 (제한적으로)노출되었기 때문에, 냉각시스템은 냉매 내로 흡착된 가스를 줄이기 위하여 주기적인 가스배출이 필요하다(또한, 본 발명에 있어서 흡착된 가스의 양은 냉각조 자체의 설치와 설계에 의하여 줄여질 수 있다. 냉각조는 냉각시스템 내에 가장 높이 위치한 장치로 배치되어있고, 냉매튜브를 위한 모든 배출구는 펌핑시스템이 정지되었을 때 냉매에 침수되어진 채로 있다). 방출모드동안에 일단 밸브(110h)가 개방되면, 진공펌프(165)는 서지탱크(145)의 증기공간에 존재하는 증기와 라인(106)에 남아있는 증기를 배출시킨다. 그동안, 서지탱크 증기공간과 가스배출챔버 (100)에 연결되는 라인(106)내의 압력은 감소되고, 그리하여, 압력완화밸브 (105)를 개방하기에 충분한 압력차가 발생한다. 압력완화밸브(105)가 개방될 때, 가스배출챔버(100)내의 증기공간으로부터 방출된 가스는 이탈한다. 단속적으로, 압력완화밸브 (105)는 가스배출챔버 내의 증기가 진공상태가 되었을 때 닫혔다가, 흡착된 가스의 발생으로 압력이 오를 때 재개방되는 것을 반복한다. 가스배출챔버 (100)내의 증기공간이 진공상태가 될 때, 압력이 낮아지고, 그러므로, 가스의 탈착율이 증가한다. 냉매로부터 가스의 발생을 야기하는 압력이 냉매의 증기압 보다 더 크다. 진공처리의 적절한 조절에 의해, 액체의 과도한 증발없이 유체로부터 가스의 제거가 가능하다. 냉매의 순환을 위한 개방밸브(110a)와 (110f), (110d)에 더하여, 두 개의 냉각사이클 라인과 플라즈마 처리챔버 (115)내에 남아있는 냉매로부터 효과적이며 효율적인 가스배출을 위하여 대용량펌프(140)에 전원이 인가된다. 더하여, 펌프(125)는 두 번째 냉각사이클 라인을 통해, 가스가 배출된 냉매를 순환시키기 위하여 전원이 인가된다.

본 발명은 또한 플라즈마 처리시스템(115)가 동작하지 않을 때, 즉, 웨이퍼의 교환이나 유지시에 시스템(115)로부터 냉매를 배출시킬 수 있다. 본 명세서에스는 이러한 동작을 급속 배출모드라 한다. 급속 배출모드 중에, 펌프(140)은 밸브 (110c)를 통하여 냉매의 플라즈마 처리시스템(115)을 진공상태로 만들고, 냉매를 밸브(110e)를 통하여 가스배출챔버(100)으로 이동시킨다. 냉매가 과도하게 가스배출챔버(100)에 이동될 때, 압력완화밸브 (105)가 개방되고, 냉매는 라인(106)을 통하여 서지탱크(145)에 방출된다. 플라즈마 처리시스템(115)를 진공상태로 만들 때, 밸브(110c)와 (110e)는 폐쇄될 수 있으며, 펌프(140)은 정지될 수 있다. 바로 이때, 플라즈마 처리챔버는 보수유지와 다른 서비스를 위하여 개방될 수 있다. 한 주기의 시간[플라즈마 처리챔버(115)에 서비스 공급을 위한 시간에 의존하는]동안에, 냉매는 펌프(125)를 사용하여 열교환기를 통하여 냉각될 수 있다. 더욱이, 펌프 (165)는 서지탱크(145)로부터 밸브(110h)를 통하여 증기를 뽑아내며, 냉매가 가스챔버(100)을 채울 때, 가스배출챔버(100)으로부터 압력완화밸브 (105)를 거친 가스증기의 배출이 원인이 되어 서지탱크(145) 내부에 형성된 압력을 낮춘다. 다른 실시 예로써, 선택사항인 냉각트랩(166)이 펌프(165)와 냉매가 배출되기 전에 (응축에 의한) 냉매를 포착하기 위한 배출구 사이에 있다. 이것은 가격이 상승될 수 있는 냉매의 손실을 줄인다. 응축된 냉매(167)은 필요하다면 --수작업 또는 펌프를 통하여(도시않됨)-- 가스배출챔버 내부에 다시 투입될 수 있다.

플라즈마 처리챔버는 또한 신속하게 냉각된 냉매를 전달받을 수 있는 준비를 할 수 있다. 서지탱크(145)로부터 충전시에 펌프(180)과 (125)는 냉매를 밸브 (110b)를 통하여 필터와 열교환기(130), 복귀라인(138)을 경유하여 가스배출챔버내에 유입시킨다. 서지탱크(145)의 바깥으로 내뿜어진 냉매를 대체하기 위하여, 밸브 (110g)는 냉매 내부로 흡착되면 아킹(arcing)을 일으키지 않는 압축된 N ₂ 를 받아들이기 위하여 개방된다. 충분한 냉매가 가스배출챔버에 추가되었을 때, 밸브 (110a)와 (110f)는 냉매가 처리시스템(115) 내부로 불어 넣어지기 위하여 개방된다. 그때 시스템은 정상적인 동작으로 복귀한다.

이러한 방법으로, 본 발명은 제거되지 않으면 냉매 안에 가두어져 코일(s)의 아킹(arcing)을 일으킬 수 있는 가스를 제거하는데 필요한 시간을 줄인다. 또 다른 실시 예로, 진공상태가 유체 상부의 압력을 줄이고 계속적으로 유체로부터 가스를 뽑아내는 동안에, 유체는 정상적인 조건하에서 내뿜어진다.

분명하게, 상기의 설명의 관점에서 본 발명의 수많은 수정과 변화가 가능하다. 그러므로 첨부된 청구범위 내에서, 발명은 특별하게 여기서 설명된 것 이외의 기타 다른 방법으로 실시될 수 있다.

Claims (6)

1. 가스배출챔버내에 흡착된 가스를 포함하고 있는 액체냉매를 저장하는 단계와;

   진공을 사용하여 액체냉매상의 압력을 낮추는 단계; 및

   가스가 배출된 냉매를 형성하기 위하여 흡착된 가스가 액체냉매로부 배출됨에 따라 흡착된 가스를 제거하는 단계를 포함하여 구성되는, 가스가 흡착된 액체 냉매를 처리하는 방법.
2. 제 1항에 있어서, 가스가 배출된 냉매를, 플라즈마 처리시스템으로부터 열을 제거하기 위하여 플라즈마 처리시스템에 펌핑하는 단계를 더욱 포함하여 구성된 방법.
3. 제 2항에 있어서, 상기의 펌핑단계는 가스가 배출된 냉매를 플라즈마 처리시스템내에 잠겨진 유도코일을 수용한 저장챔버의 내부로 펌핑하는 것을 포함하여 구성된 방법.
4. 제 1항에 있어서, 열교환기를 사용하여 가스가 배출된 냉매를 냉각하는 단계를 더욱 포함하여 구성되는 방법.
5. 제 1항의 방법에 있어서, 상기의 압력을 낮추는 단계는, 압력완화밸브에 연결된 진공펌프를 가동하여 가스배출챔버내의 압력완화밸브를 개방하는 것을 포함하여 구성된 방법.
6. 제 1항에 있어서, 냉매 샘플에 고주파(RF) 전압을 인가하는 단계와;

   고주파(RF)전압 인가에 의하여 샘플에 생성된 고주파(RF) 전류를 측정하는 단계; 및

   측정된 고주파(RF)전류에 의하여 포획된 가스의 양을 결정하는 단계를 더욱 포함하여 구성된 방법.