KR20060034393A - 터보 분자 펌프 - Google Patents

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Abstract

공정 챔버를 진공 상태로 형성하기 위한 터보 분자 펌프는 가스의 흡입구와 배출구가 형성된 원통형의 케이스에 상기 케이스의 내측면에 고정되며 다수의 스테이터 블레이드(stator blade)를 갖는 스테이터(stator) 및 상기 케이스의 중심축을 따라 회전가능하며 상기 다수의 스테이터 블레이드와 번갈이 배치되는 다수의 로터 블레이드(rotor blade)를 갖는 로터(rotor)가 구비된다. 상기 스테이터 및 상기 로터의 외측면에는 상기 가스에 포함된 이물질의 증착을 방지하기 위한 코팅막이 형성된다.

Description

터보 분자 펌프{turbo molecular pump}
도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 터보 분자 펌프를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 A 부분을 확대한 것으로 스테이터 및 로터에 코팅막이 형성된 상태를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 터보 분자 펌프의 작동 원리를 설명하기 위한 도면이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
110 : 케이스 112 : 플랜지
114 : 흡입구 116 : 배기구
120 : 스테이터 122 : 스테이터 본체
124 : 스테이터 블레이드 130 : 로터
132 : 로터 본체 134 : 로터 블레이드
140 : 코팅막 150 : 중심축
160 : 자기 베어링 180 : 모터
본 발명은 고속으로 회전하는 블레이드를 이용하여 가스를 배출하기 위한 터보 분자 펌프에 관한 것으로, 보다 상세하게는 화학 기상 증착 공정이 진행되는 챔버를 고속으로 회전하는 블레이드를 이용하여 진공 상태로 형성하기 위한 터보 분자 펌프에 관한 것이다.
근래에 반도체 장치의 제조 기술은 정보 통신 기술의 비약적인 발전에 따라 집적도, 신뢰도 및 처리 속도 등을 향상시키는 방향으로 발전되고 있다. 상기 반도체 장치는 실리콘 단결정으로부터 반도체 기판으로 사용되는 실리콘 웨이퍼를 제작하고, 상기 반도체 기판 상에 막을 형성하고, 상기 막을 전기적 특성을 갖는 패턴으로 형성함으로서 제조된다.
상기 반도체 장치의 제조 공정은 증착, 사진, 식각, 이온주입, 연마 등의 단위 공정들로 이루어지고, 상기 단위 공정들을 적절하게 조합하여 순차적으로 수행함으로서 반도체 장치가 제조된다. 상기 단위 공정들 중 증착 공정은 반도체 기판 상에 소정의 물질막을 증착하는 공정이다.
상기 증착 공정을 간략히 설명하면, 상기 반도체 기판이 인입된 공정 챔버내로 소스가스들을 인입하고, 상기 소스 가스들에 플라즈마 또는 열에너지를 공급하여 상기 소스가스들을 반응시킴으로써, 상기 반도체 기판 상에 물질막이 증착된다.
상기 증착 공정 후 상기 공정 챔버에 잔류하는 소스 가스를 배출하고 상기 공정 챔버를 진공 상태로 형성하기 위한 진공 장치로 터보 분자 펌프가 널리 사용되고 있다. 상기 터보 분자 펌프는 스테이터와 로터에 스테이터 날개와 로터 날개 를 축방향으로 다단 배치하고, 모터에 의해 로터를 고속 회전시키므로써 진공 처리를 행하는 장치이다.
그러나 상기 터보 분자 펌프가 상기 소스 가스를 배출하는 동안 상기 터보 분자 펌프의 스테이터와 로터에도 소정의 막이 형성된다. 특히 상기 소스 가스로 MPA(Methylpyrrolidine alane)가 사용되는 경우 상기 스테이터와 로터에는 알루미늄 막이 형성된다. 상기 스테이터와 로터에 상기 알루미늄 막이 형성되면 상기 스테이터의 블레이드와 상기 로터의 블레이드 사이의 갭이 좁아진다. 따라서 상기 로터의 블레이드의 구동이 어려워지게 되고, 상기 로터를 회전시키는 모터에 과부하가 걸리게 된다. 그 결과 상기 터보 분자 펌프의 작동이 정지되거나 상기 스테이터 블레이드 또는 상기 로터 블레이드가 파손되는 문제점이 발생한다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 스테이터 및 로터에 막이 형성되는 것을 방지하기 위한 터보 분자 펌프를 제공하는데 있다.
상기 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일실시예에 의하면, 터보 분자 펌프는 가스의 흡입구와 배출구가 형성된 원통형의 케이스를 구비한다. 스테이터는 상기 케이스의 내측면에 고정되며, 다수의 스테이터 블레이드를 갖고, 로터는 상기 케이스의 중심축을 따라 회전가능하도록 구비되며, 상기 다수의 스테이터 블레이드와 번갈이 배치되는 다수의 로터 블레이드(rotor blade)를 갖는다. 코팅막은 상기 스테이터 및 상기 로터의 외측면에 형성되며, 상기 가스에 포함된 물질의 증착을 방지한다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 터보 분자 펌프는 상기 코팅막을 형성함으로써 상기 가스에 포함된 물질이 상기 스테이터 및 로터에 증착되는 것을 방지한다. 따라서 상기 터보 분자 펌프의 모터에 과부하가 걸리는 것을 방지하고, 상기 스테이터의 블레이드나 상기 로터의 블레이드가 파손되는 것을 방지한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 터보 분자 펌프에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 터보 분자 펌프를 설명하기 위한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 터보 분자 펌프(100)는 반도체 제조 장치, 특히 화학기상 증착장치에 설치되며, 공정 챔버에서 소정의 물질을 증착하기 위한 소스 가스의 배출한다.
케이스(110)는 대략 원통 형태를 가지며, 상부에는 가스를 흡입하기 위한 흡입구(112)가 형성되며, 일측 측면에는 상기 가스를 배출하기 위한 배기구(114)가 형성된다. 상기 케이스(110)는 상단부에 플랜지(112)가 형성되며, 볼트 등에 의해 화학기상증착 공정이 이루어지는 공정 챔버에 결합된다.
중심축(160)은 상기 케이스(110)의 중심부에 원주 형태로 구비된다. 상기 중심축(160)은 외주면을 따라 형성된 후술하는 모터(150)에 의해 고속으로 회전 구동된다.
터보 분자 펌프(100)는 스테이터(120)와 로터(130)를 구비하고 있다.
스테이터(120)는 실린더 형태의 스테이터 본체(122)와 상기 스테이터 본체(122)와 연결되는 다수의 스테이터 블레이드(124)로 구성된다. 상기 스테이터 본체(122)는 상기 케이스(110)의 내측면에 고정된다. 다수의 상기 스테이터 블레이드(124)는 상기 스테이터 본체(122)의 내측면에 상기 중심축 방향과 평행한 방향으로 서로 소정 간격 이격되어 구비된다. 상기 스테이터 블레이드(124)는 상기 스테이터 본체(122)의 내측면으로부터 상기 중심축 방향으로 연장되어 형성된다.
로터(130)는 로터 본체(132) 및 로터 블레이드(134)로 구성된다. 상기 로터 본체(132)는 상기 중심축(160)을 감싸며, 상기 중심축(160)에 고정된다. 다수의 상기 로터 블레이드(134)는 상기 스테이터 블레이드(124)와 대응하도록 상기 중심축 방향과 수직한 방향을 따라 상기 로터 본체(132)의 외측면으로부터 연장되어 구비된다. 상기 로터 블레이드(134)는 상기 로터 본체(132)의 외측면에 상기 중삼축 방향과 평행한 반향으로 서로 소정 간격 이격되어 구비된다. 그러므로 상기 스테이터 블레이드(124)와 로터 블레이드(134)는 서로 엇갈리도록 형성된다. 또한 상기 스테이터 블레이드(124)의 경사 방향과 로터 블레이드(134)의 경사 방향은 서로 반대로 형성된다.
상기 스테이터(120) 및 로터(130)는 스테인리스 스틸 재질로 형성될 수도 있으나, 일반적으로 알루미늄 재질로 형성된다.
도 2는 도 1에 도시된 A 부분을 확대한 것으로 스테이터 및 로터에 코팅막이 형성된 상태를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 상기 스테이터(120) 및 로터(130)의 외측면에는 코팅막 (140)이 형성된다. 상기 코팅막(140)은 화학기상증착 공정이 이루어지는 공정 챔버의 소스 가스를 배출하는 경우 상기 소스 가스에 포함된 물질이 상기 스테이터(120) 및 로터(130)에 증착되는 것을 방지한다.
상기 소스 가스로 반도체 기판 상에 알루미늄 막을 형성하기 위한 선행 물질인 MPA(Methylpyrrolidine alane)가 사용되는 경우 상기 스테이터(120) 및 로터(130)에 증착이 잘 이루어진다. 그 이유는 로터(130)가 30000 ~ 55000 rpm 정도의 고속 회전을 하는 경우, 터보 분자 펌프(100)의 온도가 80 ~ 100℃ 정도가 되는데 이는 상기 MPA 소스 가스가 증착되기 위한 조건이기 때문이다.
상기 MPA와 같은 증착을 방지하기 위한 코팅막(140)으로는 산화알루미늄(Al2O3)막 또는 질화막이 사용된다. 상기 산화알루미늄막은 화학기상증착, 물리기상증착, 원자층 증착, 스퍼터링 등 다양한 방법으로 형성될 수 있다. 상기 질화막은 플라즈마 상태의 질소 가스를 알루미늄 재질의 상기 스테이터(120) 및 로터(130)에 공급하여 형성할 수 있다. 즉 상기 스테이터(120) 및 로터(130)의 외측면에 질화알루미늄막이 형성된다.
상기 코팅막(140)은 상기 스테이터(120) 및 로터(130)에 MPA 등의 소스 가스가 증착되어 발생하는 상기 모터(150)의 과부하나 상기 스테이터 블레이드(124) 및 로터 블레이드(134)의 파손을 미연에 방지할 수 있다.
터보 분자 펌프(100)는 또한 중심축(160)을 자력에 의해 지지하는 자기 베어링(20)과, 중심축(160)에 토크를 발생시키는 모터(180)를 구비하고 있다.
자기 베어링(160)은 중심축(160)에 대해 반경 방향의 자력을 발생시키는 반경 방향 전자석(161, 163)과, 중심축(160)의 반경 방향의 위치를 검출하는 반경 방향 센서(162, 164)와, 중심축(160)에 대해 축방향의 자력을 발생시키는 축방향 전자석(166, 167)과, 상기 축방향 전자석(166, 167)에 의한 축방향의 힘이 작용하는 금속 디스크(165) 및 중심축(160)의 축방향 위치를 검출하는 축방향 센서(168)를 구비하고 있다.
상기 반경 방향 전자석(161)은 상호 직교하도록 배치된 2쌍의 전자석으로 구성되어 있다. 각 쌍의 전자석은 중심축(160)의 모터(180)보다 상부 위치에, 중심축(160)을 끼고 대향 배치되어 있다.
상기 반경 방향 전자석(161)과 모터(180)사이에는 반경 방향 전자석(161)측에 인접하고, 중심축(160)을 끼고 대향하는 반경 방향 센서(162)가 2쌍 설치되어 있다. 2쌍의 반경 방향 센서(162)는 2쌍의 반경 방향 전자석(161)에 대응하여 상호 직교하도록 배치되어 있다.
또한, 중심축(160)의 모터(180)보다 하부 위치에는 마찬가지로 2쌍의 반경 방향 전자석(163)이 서로 직교하도록 배치되어 있다.
상기 반경 방향 전자석(163)과 모터(180)사이에도, 마찬가지로 반경 방향전자석(163)에 인접하여 반경 방향 센서(164)가 2쌍 설치되어 있다.
이들 반경 방향 전자석(161, 163)에 여자 전류가 공급됨으로써, 중심축(160)이 자기 부상된다. 이 여자 전류는 자기 부상시에 반경 방향 센서(162, 164)에서의 위치 검지 신호에 따라 제어되며, 이에 따라 중심축(160)이 반경 방향의 소정위치 에 지지된다.
중심축(160)의 하부에는 자성체로 형성된 원반상의 금속 디스크(165)가 고정되어 있고, 상기 금속 디스크(165)를 끼고 대향한 한쌍씩의 축방향 전자석(166, 167)이 배치되어 있다. 또한, 중심축(160)의 하단부에 대향하여 축방향 센서(168)가 배치된다.
상기 축방향 전자석(166, 167)의 여자 전류는 축방향 센서(168)에서의 위치 검지 신호에 따라 제어되며, 이에 따라 중심축(160)이 축방향의 소정위치에 지지되도록 되어 있다.
자기 베어링(160)은 이들 반경 방향 센서(162, 164) 및 축방향 센서(168)의 검출신호를 기초로 반경 반향 전자석(161, 163) 및 축방향 전자석(166, 167) 등의 여자 전류를 각각 피드 백 제어함으로써 중심축(160)을 자기 부상시키는 자기 베어링 제어부를 제어계(176)내에 구비하고 있다.
중심축(160)의 상부 및 하부측에는 보호용 베어링(170, 172)이 배치되어 있다.
통상, 중심축(160) 및 이에 부착되어 있는 각 부분으로 이루어지는 로터(130)는 모터(180)에 의해 회전하고 있는 동안, 자기 베어링(160)에 의해 비접촉 상태에서 축 지지된다. 보호용 베어링(170, 172)은 터치다운이 발생한 경우에 자기 베어링(160)에 대신해 로터(130)를 지지함으로써 장치 전체를 보호하기 위한 베어링이다.
따라서, 보호 베어링(170, 172)은 내륜이 중심축(160)에는 비접촉 상태로 되 도록 배치되어 있다.
모터(180)는 케이스(110) 내측의 반경 방향 센서(162)와 반경 방향 센서(164)사이에서 중심축(160)의 축방향 대략 중심위치에 배치되어 있다. 이 모터(180)에 통전함으로써, 중심축(160) 및 상기 중심축에 고정된 로터(130), 즉 로터 본체(132) 및 로터 블레이드(134)가 회전하도록 되어 있다.
또한, 터보 분자 펌프는 커넥터(174) 및 케이블을 통하여 제어계(176)에 접속되어 있다.
도 3은 도 1에 도시된 터보 분자 펌프의 작동 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 흡입구(114)를 통해 흡입된 가스는 일정한 각도를 가지고 고속으로 회전하는 로터 블레이드(134)와 상기 가스 분자의 충돌에 의해 하부에 위치하는 상기 스테이터 블레이드(124)로 이동된다. 상기 스테이터 블레이드(124)로 이동된 가스는 상기 가스 분자가 상기 스테이터 블레이드(124)와 충돌하면서 다시 그 하부에 위치하는 상기 로터 블레이드(134)로 이동된다. 이를 반복하면서 상기 가스를 배기구(116)를 통하여 배출된다. 상기 로터 블레이드(134)와 상기 스테이터 블레이드(134)의 경사 방향이 서로 다르므로 상기 가스가 역류하지 못하고 배기구(116)를 통하여 배출된다. 따라서 상기 터보 분자 펌프(100)와 연결된 공정 챔버의 소스 가스를 외부로 배출하고, 상기 공정 챔버 내부를 진공 상태로 만들 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 터보 분자 펌프는 로 터 및 스테이터에 코팅막을 형성하여 화학기상 증착시 사용되는 소스 가스의 증착을 방지한다. 따라서 상기 소스 가스의 증착에 따른 모터의 과부하나 상기 로터의 블레이드 및 스테이터의 블레이드가 파손되는 것을 사전에 방지할 수 있다. 그러므로 반도체 제조 공정의 생산성을 향상시킬 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (4)

  1. 가스의 흡입구와 배출구가 형성된 원통형의 케이스;
    상기 케이스의 내측면에 고정되며, 다수의 스테이터 블레이드(stator blade)를 갖는 스테이터(stator);
    상기 케이스의 중심축을 따라 회전가능하도록 구비되며, 상기 다수의 스테이터 블레이드와 번갈이 배치되는 다수의 로터 블레이드(rotor blade)를 갖는 로터(rotor); 및
    상기 스테이터 및 상기 로터의 외측면에 형성되며, 상기 가스에 포함된 물질의 증착을 방지하기 위한 코팅막을 포함하는 것을 특징으로 하는 터보 분자 펌프.
  2. 제1항에 있어서, 상기 코팅막은 산화 알루미늄(Al2O3)막 또는 질화막인 것을 특징으로 하는 터보 분자 펌프.
  3. 제1항에 있어서, 상기 가스는 화학 기상 증착에 사용되는 소스 가스인 것을 특징으로 하는 터포 분자 펌프.
  4. 제3항에 있어서, 상기 소스 가스는 MPA(Methylpyrrolidine alane)인 것을 특징으로 하는 터포 분자 펌프.
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