KR20230043005A - 플라즈마 반응기 - Google Patents

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KR20230043005A
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김성중
김윤재
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주식회사 뉴파워 프라즈마
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Abstract

본 발명의 일 관점에 의한 플라즈마 반응기는, 일측에 가스 유입부가 형성되고, 타측에 가스 배출부가 형성되며, 내부에 환형 루프 공간이 형성되는 반응 몸체와, 상기 반응 몸체의 일부분을 둘러싸는 형상으로 형성되고, 상기 환형 루프 공간 내의 가스를 여기시켜서 플라즈마를 발생시킬 수 있도록, 전원부로부터 전력을 인가받는 일차 권선이 감겨져 있는 마그네틱 코어부와, 상기 일차 권선의 출력과 관련된 전기적 파라미터값를 기준값과 비교하여 상기 플라즈마의 오프 상태 여부를 판단하기 위한 제어부를 포함한다.

Description

플라즈마 반응기{Plasma reactor}
본 발명은 플라즈마 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 플라즈마 반응기에 관한 것이다.
일반적으로, 플라즈마 방전은 활성 가스를 생성하기 위한 가스 여기에 사용되고 있다. 활성 가스는 다양한 분야에서 널리 사용되고 있으며, 대표적으로 반도체 또는 디스플레이 제조 공정, 예컨대, 증착(deposition), 식각(etching), 애싱(ashing) 등 다양한 공정에 사용되고 있다.
최근, 반도체 장치의 제조를 위한 웨이퍼나 LCD 글라스 기판은 더욱 대형화 되어 가고 있다. 그러므로 플라즈마 생성에 대한 제어 능력이 높고, 대면적의 처리 능력을 갖는 확장성이 용이한 플라즈마 반응기가 요구되고 있다. 나아가, 기판의 대형화에 따라 공정 챔버의 볼륨도 증가되고 있어서 고밀도의 활성 가스를 충분히 원격으로 공급할 수 있는 플라즈마 반응기가 요구되고 있다.
한편, 플라즈마 반응기는 변압기 결합 플라즈마(transformer coupled plasma, TCP)를 사용한 것과 유도 결합 플라즈마(inductively coupled plasma, ICP)를 사용한 것이 있다. 변압기 결합 플라즈마(TCP)를 사용한 플라즈마 반응기는 토로이달 구조의 반응 몸체에 일차 권선 코일을 갖는 마그네틱 코어가 장착된 구조를 갖는다. 유도 결합 플라즈마(ICP)를 사용한 플라즈마 반응기는 중공형 튜브 구조의 반응 몸체에 유도 결합 안테나가 장착된 구조를 갖는다.
변압기 결합 플라즈마를 이용한 플라즈마 반응기에 있어서, 플라즈마 환경에 대한 모니터링 및 이를 이용한 피드백 제어가 중요해지고 있다. 변압기 결합 플라즈마에 있어서, 플라즈마가 오프된 경우, 변압기의 1차측으로 전력이 계속 공급되나 소모되지 못하고 전원부로 반사되어 전원부의 손상을 일으키고 있다. 따라서, 전원부의 손상을 방지하기 위해서는 플라즈마의 오프 상태를 모니터링 할 필요가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 플라즈마의 오프 상태를 모니터링 하여 전원부의 손상을 방지할 수 있는 플라즈마 반응기를 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 의한 플라즈마 반응기는, 일측에 가스 유입부가 형성되고, 타측에 가스 배출부가 형성되며, 내부에 환형 루프 공간이 형성되는 반응 몸체와, 상기 반응 몸체의 일부분을 둘러싸는 형상으로 형성되고, 상기 환형 루프 공간 내의 가스를 여기시켜서 플라즈마를 발생시킬 수 있도록, 전원부로부터 전력을 인가받는 일차 권선이 감겨져 있는 마그네틱 코어부와, 상기 일차 권선의 출력과 관련된 전기적 파라미터값를 기준값과 비교하여 상기 플라즈마의 오프 상태 여부를 판단하기 위한 제어부를 포함한다.
상기 플라즈마 반응기에 따르면, 상기 제어부는 상기 반응 몸체 내의 플라즈마가 오프 상태라고 판단할 경우 상기 전원부로부터 상기 일차 권선으로 상기 전력의 공급을 차단 또는 감소시키도록 상기 전원부를 제어할 수 있다.
상기 플라즈마 반응기에 따르면, 상기 전원부는 상기 전력을 스위칭하기 위한 인버터부를 포함하고, 상기 제어부는 상기 반응 몸체 내의 플라즈마가 오프 상태라고 판단할 경우 상기 인버터부의 동작을 오프시킬 수 있다.
상기 플라즈마 반응기에 따르면, 상기 전기적 파라미터값은 상기 일차 권선을 통한 전류 및 전압의 위상차를 포함할 수 있다.
상기 플라즈마 반응기에 따르면, 상기 전기적 파라미터값을 구하기 위한 전기적 신호값을 측정하기 위한 센서부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 전기적 신호값으로부터 상기 전기적 파라미터값을 구할 수 있다.
상기 플라즈마 반응기에 따르면, 상기 센서부는, 상기 일차 권선에 설치되어 전류를 측정하기 위한 제 1 센서와, 상기 마그네틱 코어부에 감겨진 이차 권선을 통해서 전압을 측정하기 위한 제 2 센서를 포함하고, 상기 전기적 신호값은 상기 전류와 상기 전압을 포함하고, 상기 전기적 파라미터는 상기 전류와 상기 전압의 위상차를 포함할 수 있다.
상기 플라즈마 반응기에 따르면, 상기 센서부는 상기 일차 권선을 통해서 전달되는 유효 전력을 측정하기 위한 제 3 센서를 더 포함하고, 상기 전기적 신호값은 상기 전류, 상기 전압 및 상기 유효 전력을 포함하고, 상기 제어부는 상기 전압의 실효값과 상기 전류의 실효값으로부터 피상 전력을 구하고, 상기 유효 전력 및 상기 피상 전력으로부터 상기 위상차를 구할 수 있다.
상기 플라즈마 반응기에 따르면, 상기 기준값은 상기 플라즈마가 온 상태인 경우의 상기 전기적 파라미터값을 포함하도록 소정 범위로 설정되고, 상기 제어부는 상기 위상차가 상기 기준값보다 큰 경우 상기 반응 몸체 내 플라즈마가 오프 상태인 경우로 판단할 수 있다.
상기 플라즈마 반응기에 따르면, 상기 제어부는 아크 검출을 위한 기준 전압을 미리 설정하되, 상기 제 2 센서로부터 측정된 전압값과 상기 기준 전압을 비교하여 상기 반응 몸체에서 아크 발생 여부를 검출할 수 있다.
상기 플라즈마 반응기에 따르면, 상기 제어부는 상기 전압값이 상기 기준 전압 이하이면 상기 반응 몸체에서 아크 발생을 검출할 수 있다.
상기 플라즈마 반응기에 따르면, 상기 제어부는 아크 검출을 위한 기준 전류를 미리 설정하되, 상기 제 1 센서로부터 측정된 전류값과 상기 기준 전류를 비교하여 상기 반응 몸체에서 아크 발생 여부를 검출할 수 있다.
상기 플라즈마 반응기에 따르면, 상기 제어부는 상기 전류값이 상기 기준 전류 이상이면 상기 반응 몸체에서 아크 발생을 검출할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 반응기에 따르면, 플라즈마 오프 상태 여부를 판단하여 전원부를 제어할 수 있어서, 플라즈마 오프로 인한 전원부의 손상을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 반응기를 보여주는 개략적인 회로도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 반응기를 보여주는 개략적인 회로도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 반응기를 보여주는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 플라즈마 반응기에서 플라즈마가 온 상태일 때의 전압과 전류의 파형을 보여주는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 플라즈마 반응기에서 플라즈마가 오프 상태일 때의 전압과 전류의 파형을 보여주는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 적어도 일부의 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 도면에서 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
다르게 정의되지 않는 한, 여기에 사용된 모든 용어들은 해당기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 같은 의미로 사용된다. 도면에서, 층 및 영역의 크기는 설명을 위해 과장되었고, 따라서 본 발명의 일반적인 구조들을 설명하기 위해 제공된다.
동일한 참조 부호들은 동일한 구성 요소를 나타낸다. 층, 영역, 또는 기판과 같은 한 구성이 다른 구성 상(on)에 있다고 지칭할 때, 그것은 다른 구성의 바로 상부에 있거나 또는 그 사이에 다른 개재된 구성이 또한 존재할 수 있는 것으로 이해될 것이다. 반면에, 한 구성이 다른 구성의 “바로 위에(directly on)” 있다라고 지칭할 때는 중간 개재 구성들이 존재하지 않는다고 이해된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 반응기(50)를 보여주는 개략적인 회로도이다.
도 1을 참조하면, 플라즈마 반응기(50)는 전원부(PU), 변압기(TF), 반응 몸체(RB), 센서부(SU) 및 제어부(CU)를 포함할 수 있다.
반응 몸체(RB)는 플라즈마가 생성되는 반응 공간을 한정할 수 있다. 반응 몸체(RB)는 그 일측에 가스 유입부가 형성되고, 타측에 가스 배출부가 형성될 수 있다. 반응 몸체(RB)에 유입된 가스는 플라즈마에 의해서 활성화되어 활성 가스로 배출될 수 있다. 예를 들어, 반응 몸체(RB)는 토로이달 구조를 가질 수 있고, 인덕턴스와 리액턴스를 갖는 등가 회로로 표시될 수 있다.
변압기(TF)는 그 일차측이 전원부(PU)에 연결되고, 반응 몸체(RB) 내에 가스의 플라즈마를 발생시키도록 그 이차측이 반응 몸체(RB)에 결합될 수 있다. 예를 들어, 변압기(TF)는 일차 권선(FC), 마그네틱 코어부(MC) 및 이차 권선(SC)을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로 보면, 마그네틱 코어부(MC)는 반응 몸체(RB)의 일부분을 둘러싸도록 제공되고, 일차 권선(FC)은 마그네틱 코어부(MC)에 결합하여, 반응 몸체(RB) 내에 가스의 플라즈마를 발생시킬 수 있도록 전원부(PU)에 연결될 수 있다. 이에 따라, 반응 몸체(RB)가 이차 권선(SC)이 되고, 반응 몸체(RB) 내에 생성된 플라즈마가 변압기(TF)의 이차측이 될 수 있다.
전원부(PU)는 변압기(TF)에 전력을 공급할 수 있다. 예를 들어, 전원부(PU)는 전원(PS)과 인버터부(IT)를 포함할 수 있다. 인버터부(IT)는 하나 이상의 스위칭 반도체 소자를 이용하여 전원(PS)으로부터 공급된 전력을 스위칭하여 변압기(TF)의 일차 권선(FC)으로 스위칭 전력을 공급할 수 있다. 예를 들어, 인버터부(IT)는 스위칭 반도체 소자로 하나 이상의 반도체 트랜지스터를 포함할 수 있다. 전원부(PU)는 주파수 변조(frequency modification, FM) 또는 펄스폭 변조(pulse width modification, PWM) 방식으로 전력을 공급할 수 있다.
일부 실시예에서, 선택적으로, 전원부(PU)와 트랜스포머(TF)의 일차 권선(FC) 사이에 공진 회로(RC)가 부가될 수 있다. 예를 들어, 공진 회로(RC)는 일차 권선(FC)에 직렬 연결된 적어도 하나의 공진 인덕터와 일차 권선(FC)에 병렬 연결된 적어도 하나의 공진 커패시터를 포함할 수 있다. 이러한 공진 회로(RC)는 LC 회로 또는 LCL 회로를 구성할 수 있다.
공진 회로(RC)는 전원부(PU)와 반응 몸체(RB) 사이에서 전력 전달 효율이 높아지도록 전원(PS)의 주파수 및 반응 몸체(RB)의 임피던스 등을 고려하여 설계될 수 있다. 공진 회로(RC)는 플라즈마 점화 시까지 반응 몸체(RB)로의 전력 전달 효율을 높이고, 플라즈마 점화 이후에는 전원부(PU)로 흐르는 전류를 제한하는 기능을 할 수 있다.
제어부(CU)는 플라즈마 반응기(50)를 모니터링하고 제어하도록 전원부(PU), 트랜스포머(TF), 센서부(SU) 및 반응 몸체(RB)의 적어도 일부와 연결될 수 있다. 예를 들어, 제어부(CU)는 변압기(TF)의 출력 또는 플라즈마와 관련된 전기적 파라미터값을 기초로 플라즈마 상태를 판단할 수 있다. 보다 구체적으로 보면, 제어부(CU)는 일차 권선(FC)의 출력과 관련된 전기적 파라미터값을 기준값과 비교하여, 플라즈마의 오프 상태를 판단할 수 있다.
나아가, 제어부(CU)는 반응 몸체(RB) 내의 플라즈마가 오프 상태라고 판단할 경우 전원부(PU)로부터 일차 권선(FC)으로 전력의 공급을 차단 또는 감소시키도록 전원부(PU)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부(CU)는 반응 몸체(RB) 내의 플라즈마가 오프 상태라고 판단할 경우 전원부(PU) 내 인버터부(IT)의 동작을 오프시켜 일차 권선(FC)으로 전력의 공급을 차단시킬 수 있다.
센서부(SU)는 전기적 파라미터값을 구하기 위한 전기적 신호값을 측정하기 위해서 플라즈마 반응기(50)에 제공될 수 있다. 예를 들어, 센서부(SU)는 트랜스포머(TF) 및 제어부(CU)에 연결될 수 있고, 선택적으로 전원부(PU)에 연결될 수도 있다.
센서부(SU)는 일차 권선(FC)에 설치되어 전류를 측정하기 위한 제 1 센서(S1)와, 전압을 측정하기 위한 제 2 센서(S2)를 포함할 수 있다. 나아가, 센서부(SU)는 일차 권선(FC)을 통해서 전달되는 유효 전력을 측정하기 위한 제 3 센서(S3)를 더 포함할 수 있다.
센서부(SU)는 전기적 신호값을 측정하여 제어부(CU)에 제공할 수 있고, 제어부(CU)는 센서부(SU)로부터 받은 전기적 신호값으로부터 전기적 파라미터값을 구할 수 있다. 이 실시예의 변형된 예에서, 센서부(SU)는 전기적 파라미터값을 직접 측정할 수도 있다.
제어부(CU)는 센서부(SU)를 이용하여 전기적 파라미터값을 구하고, 이 전기적 파라미터값으로부터 반응 몸체(RB) 내 플라즈마 상태를 모니터링 할 수 있다. 예를 들어, 제어부(CU)는 반응 몸체(RB) 내 플라즈마가 온 상태인지 오프 상태인지를 모니터링할 수 있다.
제어부(CU)는 반응 몸체(RB) 내 플라즈마를 모니터링 하여 플라즈마가 오프 상태인 경우로 판단하면, 전원부(PU)의 전력 공급을 차단할 수 있다. 이에 따라, 사고, 실수 또는 오작동 등으로 일차 권선(FC)으로 가는 전력이 감소되어 반응 몸체(RB) 내 플라즈마가 오프된 경우, 전력이 전원부(PU)로 되돌아 와 전원부(PU)를 손상시키는 것을 방지할 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 반응기(50a)를 보여주는 개략적인 회로도이다. 플라즈마 반응기(50a)는 도 1의 플라즈마 반응기(50)에 일부 구성을 부가하거나 변형한 것이고, 따라서 서로 참조될 수 있는 바 중복된 설명은 생략된다.
도 2를 참조하면, 플라즈마 반응기(50a)는 전원부(PU), 트랜스포머(TF), 센서부(SU) 및 제어부(CU)를 포함할 수 있다.
센서부(SU)에서 제 1 센서(S1) 및/또는 제 3 센서(S3)는 트랜스포머(TF) 또는 전원부(PU)에 결합될 수 있다. 예를 들어, 제 1 센서(S1)는 전류 트랜스포머 형태로 제공될 수 있다. 제 2 센서(S2)는 마그네틱 코어부(MC)에 감겨진 이차 권선(SC2)을 통해서 전압을 측정할 수 있다. 예를 들어, 이차 권선(SC2)에 연결된 저항에 걸리는 전압을 측정함으로써 일차 권선(FC)에 걸리는 전압을 간접적으로 측정할 수 있다.
센서부(SU)는 제 1 내지 제 3 센서(S1, S2, S3)을 통해서 전류, 전압 및 유효 전력을 측정할 수 있다. 따라서, 센서부(SU)를 통해서 측정하는 전기적 신호값은 전류, 전압 및 유효 전력을 포함할 수 있다.
선택적으로, 플라즈마 반응기(50a)에는 도 1의 공진 회로(RC)가 전원부(PU)와 트랜스포머(TF) 사이에 더 부가될 수도 있다.
제어부(CU)는 전술한 전류 및 전압의 위상차를 구해서 전기적 파라미터값으로 이용할 수 있다. 예를 들어, 전기적 파라미터값은 일차 권선(FC)을 통한 전류 및 전압의 위상차를 포함할 수 있다. 제어부(CU)는 이 위상차를 기준값과 비교하여 플라즈마의 온 상태 또는 오프 상태 여부를 판단할 수 있다.
제어부(CU)는 플라즈마 점화 동작을 수행할 때 플라즈마가 오프 상태임에도 불구하고 플라즈마가 온 상태인 것으로 착오 인식하여 일차 권선(FC)에 전원을 계속 인가할 수 있다. 이 경우, 플라즈마가 실제 오프 상태이므로, 일차 권선(FC)에 인가된 전력은 전원부(PU)로 되돌아와 전원부(PU)를 손상시킬 수 있다.
따라서, 제어부(CU)는 일차 권선(FC)의 출력과 관련된 전기적 파라미터값으로서, 전류 및 전압의 위상차를 확인하여 플라즈마 온/오프 상태를 인식하여 동작할 필요가 있다.
제어부(CU)는 전류 및 전압의 위상차를 다음과 같이 구할 수 있다.
플라즈마 전력 전달에 있어서, 유효 전력은 피상 전력과 역률의 곱으로 표현될 수 있다. 전류와 전압의 위상차를 θ라고 하는 경우, 역률은 cosθ로 표현될 수 있다. 여기서, 전류와 전압의 위상차는 직접 측정이 곤란하므로, 유효전력과 피상전력을 먼저 확인한 후 역률을 계산하여 확인할 수 있게 된다.
피상 전력은 전압의 실효값과 전류의 실효값의 곱으로 표현될 수 있다. 따라서, 전류와 전압을 측정하여 그 실효값들을 구하면 피상 전력을 구할 수 있고, 부가하여 유효 전력을 측정하면, 유효 전력 및 피상 전력으로부터 역률을 계산해 낼 수 있다. 이 역률로부터 전류와 전압의 위상차를 구할 수 있다. 따라서, 제어부(CU)는 센서부(SU)를 통해서 전기적 신호값으로, 전류, 전압 및 유효 전력을 측정해서, 이로부터 전류와 전압의 위상차를 구할 수 있다.
이 실시예의 변형된 예에서는 센서부(SU)에서 위상차를 직접 측정할 수도 있다.
이하에서는 전류와 전압의 위상차를 이용하여 플라즈마 상태를 모니터링하는 방법에 대해서 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 플라즈마 반응기에서 플라즈마가 온 상태일 때의 전압과 전류의 파형을 보여주는 그래프이고, 도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 플라즈마 반응기에서 플라즈마가 오프 상태일 때의 전압과 전류의 파형을 보여주는 그래프이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 플라즈마가 온 상태일 때의 전류와 전압의 위상차(도 4)에 비해서, 플라즈마가 오프 상태일 때의 전류와 전압의 위상차(도 5)가 더 큰 것을 알 수 있다.
본 발명에 따른 플라즈마 반응기들(50, 50a)에 따르면, 플라즈마가 온 상태일 때의 전류와 전압의 위상차는 통상적으로 약 10~30o 범위를 갖고, 플라즈마가 오프 상태일 때의 전류와 전압의 위상차는 통상적으로 약 70~90o 범위를 가질 수 있다.
따라서, 플라즈마 반응기들(50, 50a)의 전기적 파라미터값, 예컨대 위상차를 구하여 기준값과 비교하면, 플라즈마 온오프 상태 여부를 판단할 수 있다. 예를 들어, 기준값은 플라즈마가 온 상태일 때의 전기적 파라미터값, 예컨대 위상차를 포함하도록 소정 범위로 설정되되고, 제어부(CU)는 플라즈마 반응기들(50, 50a)의 전기적 파라미터값, 예컨대 위상차가 기준값보다 큰 경우, 반응 몸체(RB) 내 플라즈마가 오프 상태인 경우로 판단할 수 있다.
다른 예로, 기준값은 플라즈마가 오프 상태일 때의 전기적 파라미터값, 예컨대 위상차를 포함하도록 소정 범위로 설정되고, 제어부(CU)는 플라즈마 반응기들(50, 50a)의 전기적 파라미터값, 예컨대 위상차가 기준값 범위인 경우, 반응 몸체(RB) 내 플라즈마가 오프 상태인 경우로 판단할 수 있다.
따라서, 제어부(CU)는 플라즈마 반응기들(50, 50a)의 전기적 파라미터값으로부터 플라즈마의 온오프 상태를 판단할 수 있다.
한편, 제어부(CU)는 센서부(SU)를 통해서 전기적 신호값으로, 전류 또는/및 전압을 측정해서, 이로부터 반응 몸체(RB)에서 발생되는 아크(arc) 발생 여부를 감지할 수 있다.
아크는 반응 몸체(RB)의 내벽에서의 코팅막 손상과 관련되어 있고, 플라즈마에 의해 코팅막의 손상은 점진적으로 증가될 수 있다. 반응 몸체(RB)의 내벽은 이리듐 산화막(Y2O3) 또는 알루미늄 산화막(Al2O3)과 같은 절연 박막으로 코팅되어 있다.
아크는 소프트 아크와 하드 아크로 구분될 수 있는데, 소프트 아크는 반응 몸체(RB)에 코팅된 절연 박막을 거의 손상시키지 않을 수 있으나, 하드 아크는 절연 박막을 심각하게 손상시킬 수 있다. 일반적으로, 하드 아크는 소프트 아크의 다발 후에 나타나는 경향을 보여준다. 따라서, 반응 몸체(RB)에서 발생되는 아크를 감지함으로써, 소프트 아크의 발생을 미리 확인해서, 하드 아크가 발생하는 것을 미리 예방하는 것을 기대할 수 있다.
아크는 방전 상태를 이루기 때문에 전류가 상승하고 전압이 하강하는 특성을 나타낸다. 따라서, 이러한 전류 또는 전압을 모니터링함으로써 아크 발생을 감지할 수 있다.
먼저, 출력전압을 이용하여 아크를 검출할 수 있다. 제어부(CU)는 아크 검출을 위한 기준 전압을 미리 설정한다. 제어부(CU)는 센서부(SU)를 통해 전기적 신호값인 전압값을 측정하고, 전압값과 기준 전압을 비교함으로써 아크 발생 여부를 검출할 수 있다. 예를 들어, 제어부(CU)는 전압값이 기준 전압 이하이면 반응 몸체(RB)에서 아크 발생을 검출할 수 있다. 또한, 제어부(CU)는 센서부(SU)를 통해 측정된 전압의 단위 시간당 감소율(ΔV/Δt)의 확인을 통해 보다 신속하게 아크 발생을 검출할 수 있다.
다음으로, 출력전류를 이용하여 아크를 검출할 수 있다. 제어부(CU)는 아크 검출을 위한 기준 전류를 미리 설정한다. 또한, 제어부(CU)는 센서부(SU)를 통해 전기적 신호값인 전류값을 측정하고, 전류값값을 기준 전류와 비교함으로써 아크 발생 여부를 검출할 수 있다. 예를 들어, 제어부(CU)는 전류값이 기준 전류 이상이면 반응 몸체(RB)에서 아크 발생을 검출할 수 있다. 또한, 제어부(CU)는 센서부(SU)를 통해 측정된 전류의 단위 시간당 증가율(ΔI/Δt)의 확인을 통해 보다 신속하게 아크 발생을 검출할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 플라즈마 반응기(100)를 보여주는 개략적인 단면도이다. 플라즈마 반응기(100)는 도 1 내지 도 2의 플라즈마 반응기(50, 50a)의 일부 구성을 구체적으로 구현한 예일 수 있다.
도 3을 참조하면, 플라즈마 반응기(100)는 전원부(PU), 반응 몸체(110), 마그네틱 코어부(130) 및 일차 권선(140)을 포함할 수 있다.
반응 몸체(110)는 도 1 내지 도 2의 반응 몸체(RB)의 구체적인 일 예로써 제공되며, 플라즈마가 생성되는 반응 공간을 한정할 수 있다. 예를 들어, 반응 몸체(110)는 그 일측에 가스 유입부(120)가 형성되고, 타측에 가스 배출부(130)가 형성되며, 내부에 환형 루프 공간(112)이 형성될 수 있다. 반응 몸체(110)의 환형 루프 공간(120)은 이차 코일(SC)을 구성하는 것으로 이해될 수 있다.
이러한 구조에 따르면, 가스가 가스 유입부(120)로 유입되어 환형 루프 공간(112) 내에서 활성화되어, 가스 배출부(130)로 활성 가스가 배출될 수 있다. 환형 루프 공간(112)은 토로이달 반응 공간으로 불릴 수도 있다.
반응 몸체(110)는 하나의 구조로 형성되거나 또는 여러 블록으로 구성될 수 있다. 반응 몸체(110)는 절연 코팅이 이루어진 전도성 금속으로 구성되거나 또는 석영과 같은 절연물로 구성될 수도 있다. 반응 몸체(110)는 환형 루프 공간(112)을 갖도록 튜브 형상으로 형성되거나 또는 내측에 환형 루프 공간(112)이 가공된 블록 구조물로 형성될 수도 있다.
일부 실시예에서, 반응 몸체(110)는 복수의 절연부(114)를 기준으로 여러 블록으로 조립될 수 있으며, 예컨대 상부 블록, 중간 블록, 하부 블록으로 구분될 수 있다. 보다 구체적으로 보면, 상부 블록에서 가스 유입부(120)를 통해서 유입된 가스가 두 유로로 분지되고, 중간 블록은 한 쌍으로 구성되어 분지된 두 유로에 각각 결합되고, 하부 블록에서 두 유로가 합쳐져 가스가 가스 배출부(125)로 배출될 수 있다.
나아가, 상부 블록, 중간 블록 및 하부 블록은 단일 블록으로 구성되거나 또는 이 중 일부가 여러 블록으로 조립되어 구성될 수도 있다.
마그네틱 코어부(130)는 도 1 내지 도 2의 마그네틱 코어부(MC)의 일 예로써 제공될 수 있으며, 변압기(TF)의 코어로 기능할 수 있다. 마그네틱 코어부(130)는 반응 몸체(110)의 일부분을 둘러싸는 형상으로 형성될 수 있다. 마그네틱 코어부(130)는 환형 루프 공간(112) 내의 가스를 여기시켜서 플라즈마를 발생시킬 수 있도록 전원부(PU)로부터 전력을 인가받는 일차 권선(140)이 감겨져 있을 수 있다.
예를 들어, 마그네틱 코어부(130)는 하나 또는 복수의 마그네틱 코어들을 포함할 수 있다. 마그네틱 코어들은 반응 몸체(110)의 신장 방향을 따라서 이격되게 반응 몸체(110)를 실질적으로 한 바퀴 둘러싸는 형태로 배치될 수 있다. 예를 들어, 마그네틱 코어들은 반응 몸체(110)의 중간 블록을 수평 방향으로 둘러싸도록 배치될 수 있다. 마그네틱 코어들은 자성 물질로 구성될 수 있고, 예컨대 페라이트(ferrite)로 구성될 수 있다.
나아가, 마그네틱 코어들은 중간 블록이 두 부분으로 나누어진 경우, 이 두 부분들을 모두 둘러싸도록 배치될 수도 있다. 이 경우, 마그네틱 코어들은 수직 구조의 중간 블록을 따라서 수직으로 적층된 형태로 배치될 수 있다. 한편, 반응 몸체(110)가 전체적으로 환형 튜브 형태로 형성된 경우, 마그네틱 코어들은 이러한 환형 튜브를 따라서 배치될 수도 있다.
일부 실시예에서, 마그네틱 코어부(130) 내 각 마그네틱 코어는 환형의 단일 구조로 형성되거나 또는 복수의 조각들이 결합된 구조로 형성될 수도 있다. 예를 들어, 두 조각들이 서로 마주보는 형태로 배치될 수 있고, 두 조각들은 서로 접촉되거나 또는 자력선이 폐루프를 형성하는 한도 내에서 조금 이격될 수도 있다.
일부 실시예에서, 마그네틱 코어부(130)는 환형 루프 공간(112)의 양측에 분리되게 결합될 수도 있다. 예를 들어, 마그네틱 코어부(130)는 환형 루프 공간(112)의 좌측 부분을 둘러싸는 제 1 부분과, 환형 루프 공간의 우측 부분을 둘러싸는 제 2 부분으로 분리될 수도 있다.
일차 권선(140)은 도 1 내지 도 2의 일차 권선(FC)의 일 예로써 제공될 수 있다. 일차 권선(140)은 전원부(145)에 연결되며, 마그네틱 코어부(130)의 일부분을 둘러싸도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 일차 권선(140)은 마그네틱 코어부(130)의 일부분 상에 1회전 이상 감겨져 있다. 마그네틱 코어부(130)의 루프와 일차 권선(140)의 루프는 실질적으로 수직 방향으로 배치될 수 있다.
이러한 구조는 전체적으로 도 1 내지 도 2의 변압기(TF)를 구성할 수 있다. 마그네틱 코어부(130)에 일차 권선(140)이 감겨져 있고, 마그네틱 코어부(130)를 감싸는 형태로 반응 몸체(110)의 환형 루프 공간(112)이 배치될 수 있다. 즉, 환형 루프 공간(112)이 변압기(TF)의 이차측이 될 수 있다. 이에 따라, 일차 권선(140)에 1차 전류가 흐르게 되면, 마그네틱 코어부(130)에 자기력이 유도되고, 이러한 유도 자기력에 의해서 환형 루프 공간(112)에 2차 전류가 유도되면서 플라즈마가 형성될 수 있다. 이러한 의미에서 이 플라즈마는 변압기 유도 플라즈마(transformer coupled plasma, TCP)라고 불릴 수도 있다.
이 플라즈마에 의해서 환형 루프 공간(112) 내에 가스들이 활성화될 수 있다. 이러한 활성 가스는 라디칼(radical), 이온 등을 포함할 수 있다. 이러한 활성 가스는 가스 배출부(125)를 통해서 필요한 곳으로 공급될 수 있다. 이러한 의미에서 플라즈마 반응기(100)는 원격 플라즈마 생성기(remote plasma generator, RPG), 원격 플라즈마 소스(remote plasma source, RPS) 또는 리모트 플라즈마 시스템(remote plasma system, RPS)으로 불릴 수도 있다. 하지만, 본 발명이 이러한 명칭에 의해서 제한되지는 않는다.
도 3에서 도 1 및 도 2의 제어부(CU) 및 센서부(SU)는 도시의 간략화를 위해서 생략되었지만, 도 1 및 도 2를 참조하여 제어부(CU) 및 센서부(SU)가 반응 몸체(110) 및 마그네틱 코어부(130)에 연결될 수 있다.
전술한 플라즈마 반응기(100)에서 생성된 활성 가스는 반도체, 디스플레이 또는 솔라셀 등의 제조 장치에서 챔버를 세정하기 위한 세정 가스로 사용되거나 또는 기판을 처리하기 위한 공정 가스로 사용될 수 있다.
이러한 플라즈마 반응기(100)는 기판을 처리하기 위한 공정 챔버(미도시)와 결합되어 기판 처리 시스템을 구성할 수 있다.
공정 챔버는 기판을 처리하기 위한 처리 공간을 포함하고, 플라즈마 반응기(100)의 가스 배출부(125)에 연결되어 처리 가스를 공급받을 수 있다. 예를 들어, 공정 챔버는 기판을 안착시키기 위한 기판 지지대를 포함할 수 있다. 공정 챔버는 기판에 박막을 형성하거나, 기판 상의 박막을 식각하거나 기판 상의 유기물을 애싱처리하거나 또는 기판을 세정 처리하는 데 이용될 수 있다.
플라즈마 반응기(100)는 공정 챔버를 세정하기 위하여 세정 처리를 위한 활성 처리 가스를 생성하여 가스 배출부(125)를 통해서 공정 챔버로 보내거나 또는 공정 챔버 내에서 기판 처리를 위하여 활성 공정 가스를 가스 배출부(125)를 통해서 공정 챔버로 제공할 수 있다.
예를 들어, 공정 챔버 내에서 기판 처리를 위하여 활성 공정 가스를 제공할 경우, 반응 몸체(110)는 석영이나 절연 처리된 알루미늄 블록이나 유리 등의 유전체 재질이고, 적어도 2개의 부분을 서로 융착 또는 용접시켜서 이루어질 수 있다. 여기서, 일차 권선은 반응 몸체의 일면에 형성되는 도전체 평판일 수 있다.
일부 실시예에서, 반응 몸체(110)는 일면을 냉각시킬 수 있도록 전방에 제 1 냉각 자켓(미도시)이 설치되고, 타면을 냉각시킬 수 있도록 후방에 제 2 냉각 자켓(미도시)이 설치될 수 있다. 이 경우, 제 1 냉각자켓과 제 2 냉각자켓은 일차 권선에 선택적으로 연결되어 추가 권선으로 이용할 수도 있다. 제 1 냉각자켓과 제 2 냉각자켓은 반응 몸체(110)와 일차 권선 사이에 개재될 수 있다.
마그네틱 코어부(130)는 4개 방향으로 배치되어 전체적으로 X자 형태를 이루는 4개의 단위 코어들로 이루어지고, 단위 코어들의 선단부들은 중심 경계면이 X자 형태로 서로 접촉되도록 경사면이 형성될 수도 있다. 이 경우, 단위 코어 각각은 반응 몸체(110)의 일부분, 일차 권선의 일부분, 제 1 냉각자켓 및 제 2 냉각자켓의 일부분을 둘러싸는 형태로 형성될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 플라즈마 반응기
110: 반응기 본체
120: 가스 유입부
125: 가스 배출부
130: 마그네틱 코어부
140: 1차 권선

Claims (12)

  1. 일측에 가스 유입부가 형성되고, 타측에 가스 배출부가 형성되며, 내부에 환형 루프 공간이 형성되는 반응 몸체;
    상기 반응 몸체의 일부분을 둘러싸는 형상으로 형성되고, 상기 환형 루프 공간 내의 가스를 여기시켜서 플라즈마를 발생시킬 수 있도록, 전원부로부터 전력을 인가받는 일차 권선이 감겨져 있는 마그네틱 코어부; 및
    상기 일차 권선의 출력과 관련된 전기적 파라미터값을 기준값과 비교하여 상기 플라즈마의 오프 상태 여부를 판단하기 위한 제어부를 포함하는,
    플라즈마 반응기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 반응 몸체 내의 플라즈마가 오프 상태라고 판단할 경우 상기 전원부로부터 상기 일차 권선으로 상기 전력의 공급을 차단 또는 감소시키도록 상기 전원부를 제어하는,
    플라즈마 반응기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 전원부는 상기 전력을 스위칭하기 위한 인버터부를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 반응 몸체 내의 플라즈마가 오프 상태라고 판단할 경우 상기 인버터부의 동작을 오프시키는,
    플라즈마 반응기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기적 파라미터값은 상기 일차 권선을 통한 전류 및 전압의 위상차를 포함하는,
    플라즈마 반응기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기적 파라미터값을 구하기 위한 전기적 신호값을 측정하기 위한 센서부를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 전기적 신호값으로부터 상기 전기적 파라미터값을 구하는,
    플라즈마 반응기.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 센서부는,
    상기 일차 권선에 설치되어 전류를 측정하기 위한 제 1 센서; 및
    상기 마그네틱 코어부에 감겨진 이차 권선을 통해서 전압을 측정하기 위한 제 2 센서를 포함하고,
    상기 전기적 신호값은 상기 전류와 상기 전압을 포함하고,
    상기 전기적 파라미터는 상기 전류와 상기 전압의 위상차를 포함하는,
    플라즈마 반응기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 센서부는 상기 일차 권선을 통해서 전달되는 유효 전력을 측정하기 위한 제 3 센서를 더 포함하고,
    상기 전기적 신호값은 상기 전류, 상기 전압 및 상기 유효 전력을 포함하고,
    상기 제어부는 상기 전압의 실효값과 상기 전류의 실효값으로부터 피상 전력을 구하고, 상기 유효 전력 및 상기 피상 전력으로부터 상기 위상차를 구하는,
    플라즈마 반응기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 기준값은 상기 플라즈마가 온 상태인 경우의 상기 전기적 파라미터값을 포함하도록 소정 범위로 설정되고,
    상기 제어부는 상기 위상차가 상기 기준값보다 큰 경우 상기 반응 몸체 내 플라즈마가 오프 상태인 경우로 판단하는,
    플라즈마 반응기.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 제어부는 아크 검출을 위한 기준 전압을 미리 설정하되,
    상기 제 2 센서로부터 측정된 전압값과 상기 기준 전압을 비교하여 상기 반응 몸체에서 아크 발생 여부를 검출하는,
    플라즈마 반응기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 전압값이 상기 기준 전압 이하이면 상기 반응 몸체에서 아크 발생을 검출하는,
    플라즈마 반응기.
  11. 제 6 항에 있어서,
    상기 제어부는 아크 검출을 위한 기준 전류를 미리 설정하되,
    상기 제 1 센서로부터 측정된 전류값과 상기 기준 전류를 비교하여 상기 반응 몸체에서 아크 발생 여부를 검출하는,
    플라즈마 반응기.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 전류값이 상기 기준 전류 이상이면 상기 반응 몸체에서 아크 발생을 검출하는,
    플라즈마 반응기.
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