WO2022215948A1 - 반도체 제조설비 및 이의 운영방법 - Google Patents

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WO2022215948A1
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배진호
이종택
김민재
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(주)엘오티씨이에스
(주)엘오티베큠
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Definitions

  • the present invention relates to an exhaust gas treatment technology, and more particularly, to a technology for treating exhaust gas generated in a semiconductor manufacturing process using plasma.
  • a semiconductor device is manufactured by repeatedly performing processes such as photolithography, etching, diffusion, and metal deposition on a wafer in a process chamber using various process gases. After the semiconductor process is completed, residual gas is present in the process chamber. Since the residual gas in the process chamber contains harmful components such as toxic components, it is discharged by a vacuum pump and purified by an exhaust gas treatment device such as a scrubber. do.
  • the ACL (Amorphous Carbon Layer, amorphous carbon film) process is a process in which amorphous carbon is deposited in a semiconductor manufacturing process to form an amorphous carbon film (ACL).
  • ACL amorphous Carbon Film
  • the exhaust gas of the ACL process contains hydrogenated amorphous carbon (aC:H) and hydrocarbons (C X H Y ).
  • Hydrogenated amorphous carbon (aC:H) and hydrocarbons (C X H Y ) contained in the exhaust gas of the ACL process are deposited in the vacuum pump, thereby reducing the performance of the vacuum pump and shortening the MTBF of the vacuum pump. .
  • An object of the present invention is to provide a semiconductor manufacturing facility for removing hydrogenated amorphous carbon (aC:H) and hydrocarbons (C X H Y ) that are deposited in a vacuum pump in an ACL process facility to form a film, and an operating method thereof.
  • aC:H hydrogenated amorphous carbon
  • C X H Y hydrocarbons
  • Another object of the present invention is to provide a semiconductor manufacturing facility for preventing hydrogenated amorphous carbon (aC:H) and hydrocarbons (C X H Y ) discharged from the process chamber in the ACL process from flowing into a vacuum pump and an operating method thereof will be.
  • aC:H hydrogenated amorphous carbon
  • C X H Y hydrocarbons
  • amorphous carbon Amorphous Carbon
  • oxygen gas supplied to the plasma reactor is decomposed in the plasma region of the plasma reactor to generate heated reactive oxygen, and the generated reactive oxygen flows into the vacuum pump and reacts with hydrogenated amorphous carbon deposited in the vacuum pump, The hydrogenated amorphous carbon deposited in the vacuum pump is removed.
  • a-C:H hydrogenated amorphous carbon
  • oxygen gas additionally supplied by the plasma reaction to generate carbon dioxide gas, carbon monoxide gas, and water vapor. It is prevented that amorphous carbon (a-C:H) is included.
  • hydrocarbons (C X H Y ) deposited on the vacuum pump are removed by reacting with fluorine (F 2 ) generated by decomposing nitrogen trifluoride (NF 3 ) into plasma, thereby preventing deterioration of the performance of the vacuum pump .
  • hydrocarbons (C X H Y ) included in the exhaust gas are decomposed in a plasma reaction together with nitrogen trifluoride (NF 3 ) in the plasma reaction region, thereby preventing the performance degradation of the vacuum pump.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a schematic configuration of a semiconductor manufacturing facility according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a longitudinal cross-sectional view of a plasma reactor in the plasma apparatus of the semiconductor manufacturing facility shown in FIG. 1 .
  • FIG. 3 is a perspective view illustrating the magnetic core shown in FIG. 2 .
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing the configuration of an ignition system used in a plasma apparatus of the semiconductor manufacturing facility shown in FIG. 1 .
  • FIG. 5 is a flowchart schematically illustrating a method of operating a semiconductor manufacturing facility according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a graph showing results according to the operating method of the semiconductor manufacturing facility shown in FIG. 5 , and shows a processing state of hydrogenated amorphous carbon according to an operating state of a plasma apparatus.
  • FIG. 7 is a graph showing results according to the operation method of the semiconductor manufacturing facility shown in FIG. 5, and shows the treatment state of hydrogenated amorphous carbon according to the presence/absence of plasma.
  • FIG. 8 is a comparative photograph confirming the reduced state of the hydrogenated amorphous carbon film in the vacuum pump as a result of the operation method of the semiconductor manufacturing facility shown in FIG. 5 .
  • FIG. 9 is a graph showing a relationship between an oxygen supply flow rate and a reduction amount of hydrogenated amorphous carbon in the operating method of the semiconductor manufacturing facility shown in FIG. 5 .
  • FIG. 10 is a flowchart schematically illustrating a method of operating a semiconductor manufacturing facility according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a view schematically illustrating a state in which hydrogenated amorphous carbon (a-C:H) is processed in a plasma reactor according to the operating method of the semiconductor manufacturing facility shown in FIG. 10 .
  • a-C:H hydrogenated amorphous carbon
  • FIG. 12 is a block diagram illustrating a schematic configuration of a semiconductor manufacturing facility according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a longitudinal cross-sectional view of a plasma reactor in the plasma apparatus of the semiconductor manufacturing facility shown in FIG. 12 .
  • a semiconductor manufacturing facility 100 includes a semiconductor manufacturing equipment 101 in which a semiconductor manufacturing process for manufacturing a semiconductor device is performed, and gas from the semiconductor manufacturing equipment 101 .
  • aC:H amorphous carbon
  • the semiconductor manufacturing equipment 101 includes a process chamber 102 in which a semiconductor manufacturing process using various process gases is performed.
  • the process chamber 102 includes all types of process chambers commonly used for semiconductor manufacturing in the field of semiconductor manufacturing equipment.
  • the residual gas generated in the process chamber 102 is purified by the exhaust gas treatment equipment 106 while being discharged to the outside by the exhaust equipment 103 .
  • a typical ACL (Amorphous Carbon Layer, amorphous carbon film) process is performed in the process chamber 102 .
  • the ACL process refers to a process in which amorphous carbon is deposited in a semiconductor process to form an amorphous carbon film (ACL).
  • a residual gas including hydrogenated amorphous carbon (aC:H) and hydrocarbons (C X H Y ) is generated in the process chamber 102 .
  • the residual gas including hydrogenated amorphous carbon (aC:H) and hydrocarbons (C X H Y ) generated in the process chamber 102 is removed from the process chamber 102 by the exhaust device 103 . is emitted
  • the exhaust device 103 discharges residual gas including hydrogenated amorphous carbon (aC:H) and hydrocarbons (C X H Y ) generated in the process chamber 102 after the ACL process is performed.
  • the exhaust device 103 includes a vacuum pump 104, a chamber exhaust pipe 105a that connects the process chamber 102 and the vacuum pump 104, and the residual gas discharged from the process chamber 102 flows as exhaust gas;
  • a pump exhaust pipe 105b extending downstream from the vacuum pump 104 through which exhaust gas flows is provided.
  • the vacuum pump 104 forms a negative pressure on the side of the process chamber 102 through the chamber exhaust pipe 105a connecting the process chamber 102 and the vacuum pump 104 in order to discharge the residual gas of the process chamber 102 . . Since the vacuum pump 104 includes a configuration of a vacuum pump commonly used in the field of semiconductor manufacturing equipment, a detailed description thereof will be omitted. Hydrogenated amorphous carbon (aC:H) and hydrocarbons (C X H Y ) contained in exhaust gas are introduced into the vacuum pump 104 through the chamber exhaust pipe 105a, and the hydrogenated amorphous carbon ( aC:H) and hydrocarbons (C X H Y ) are deposited to form a film.
  • aC:H Hydrogenated amorphous carbon
  • C X H Y hydrocarbons
  • the chamber exhaust pipe 105a connects the exhaust port of the process chamber 102 and the suction port of the vacuum pump 104 between the process chamber 102 and the vacuum pump 104 .
  • the residual gas of the process chamber 102 is discharged through the chamber exhaust pipe 105a by the negative pressure generated by the vacuum pump 104 to form exhaust gas.
  • a pump exhaust pipe 105b extends downstream from the vacuum pump 104 .
  • the pump exhaust pipe 105b is connected to the discharge port of the vacuum pump 104 so that the exhaust gas discharged from the vacuum pump 104 flows.
  • the exhaust gas treatment equipment 106 processes and purifies harmful components included in the exhaust gas of the process chamber 102 .
  • the exhaust gas treatment equipment 106 includes a scrubber 107 for treating the exhaust gas.
  • the scrubber 107 is connected to the downstream end of the pump exhaust pipe 105b to treat harmful components contained in the exhaust gas discharged from the vacuum pump 104 .
  • the scrubber 107 includes all types of scrubbers commonly used for treating exhaust gases in the field of semiconductor manufacturing equipment technology.
  • a plasma apparatus 108 processes hydrogenated amorphous carbon (aC:H) and hydrocarbons (C X H Y ) deposited in a vacuum pump 103 .
  • the plasma apparatus 108 generates excited oxygen atoms (O * ), which are reactive species, from oxygen (O 2 ) using plasma for removal of hydrogenated amorphous carbon.
  • the plasma apparatus 108 generates excited fluorine atoms (F * ) and fluorine (F 2 ) as reactive active species from nitrogen trifluoride (NF 3 ) using plasma for removal of hydrocarbons (C X H Y ). do.
  • the plasma apparatus 108 includes a plasma reactor 110 installed on the chamber exhaust pipe 105a, a power source 180 for supplying power to the plasma reactor 110, and oxygen gas or nitrogen trifluoride as the plasma reactor 110 .
  • a gas supply 185 for supplying (NF 3 ) is provided.
  • the plasma reactor 110 is installed on the chamber exhaust pipe 105a to decompose oxygen gas or nitrogen trifluoride supplied from the gas supplier 185 using plasma.
  • oxygen (O 2 ) is decomposed into oxygen atoms excited by plasma (O * ).
  • nitrogen trifluoride is a fluorine atom (F * ) excited by plasma, a nitrogen atom excited (N * ), fluorine (F 2 ), nitrogen (N 2 ) and electrons (e) is decomposed into components comprising
  • oxygen (O 2 ) is decomposed and generated excited oxygen atoms (O * ) are introduced into the vacuum pump 104 to react with the hydrogenated amorphous carbon deposited in the vacuum pump 104 .
  • the plasma reactor 110 nitrogen trifluoride (NF 3 ) is decomposed and generated fluorine (F 2 ) is introduced into the vacuum pump 104 and reacts with hydrocarbons (C X H Y ) deposited in the vacuum pump 104 .
  • ICP inductively Coupled Plasma
  • the plasma reactor 110 is described as an inductively coupled plasma reactor using an inductively coupled plasma (ICP: Inductively Coupled Plasma).
  • the plasma reactor 110 is described as using an inductively coupled plasma, but the present invention is not limited thereto.
  • the plasma reactor includes any type of plasma reactor that generates a plasma reaction (for example, a plasma reactor using a capacitively coupled plasma (CCP)), which also falls within the scope of the present invention.
  • CCP capacitively coupled plasma
  • the plasma reactor 110 includes a reaction chamber 120 , a magnetic core 130 disposed to surround the reaction chamber 120 , an igniter 140 for plasma ignition, and a magnetic core 130 .
  • the plasma reactor 110 includes a reaction chamber 120 , a magnetic core 130 disposed to surround the reaction chamber 120 , an igniter 140 for plasma ignition, and a magnetic core 130 .
  • a first coil (not shown) that is wound on and receives power from the power source 180
  • a second coil (not shown) that is wound on the magnetic core 130 and supplies power to the igniter 140 .
  • the reaction chamber 120 has a toroidal shape, and includes a gas inlet 121 , a gas outlet 123 spaced apart from the gas inlet 121 , and a gas inlet 121 .
  • a plasma reaction unit 125 that connects the gas discharge unit 123 and generates a plasma reaction is provided.
  • the gas discharged from the process chamber ( 102 of FIG. 1 ) is introduced into the vacuum pump 104 through the reaction chamber 120 through the chamber exhaust pipe ( 105a of FIG. 1 ).
  • the gas inlet 121 is in the form of a short tube extending about the linear extension axis X, and the front end of the gas inlet 121 is opened to form an inlet 122 through which gas is introduced.
  • the inlet 122 communicates with the exhaust port of the process chamber (102 in FIG. 1) through the chamber exhaust pipe (105a in FIG. 1).
  • a gas injection port 121a through which the gas supplied from the gas supply 185 is injected is formed in the gas inlet 121 .
  • the gas discharge unit 123 is a short tube shape coaxially spaced apart from the gas inlet unit 121 on the extension axis X, and the rear end of the gas discharge unit 123 is opened to discharge the gas. ) to form
  • the outlet 124 communicates with the inlet of the vacuum pump (104 in FIG. 1) through the chamber exhaust pipe (105a in FIG. 1).
  • the plasma reaction unit 125 connects the spaced-apart gas inlet 121 and the gas discharge unit 123 , and a plasma reaction area A in which a thermal reaction and a plasma reaction to the gas occur is formed.
  • the plasma reaction unit 125 includes a first connection pipe part 126 and a second connection pipe part 127 positioned to be spaced apart from each other on both sides with the extension axis X interposed therebetween.
  • the first connector part 126 and the second connector part 127 extend parallel to the extension axis X and communicate with the gas inlet 121 and the gas outlet 123 . Accordingly, plasma is generated in the plasma reaction unit 125 along an annular discharge loop R as shown by a broken line.
  • the gas introduced through the gas injection hole 121a is decomposed by plasma in the plasma reaction region A.
  • oxygen gas is introduced into the gas injection hole 121a, the decomposition reaction of oxygen gas by plasma in the plasma reaction region A is as shown in Reaction Equations 1 and 2 below.
  • the excited oxygen atoms (O * ) generated by the plasma in the plasma reaction region (A) are heated to improve the reactivity with the hydrogenated amorphous carbon.
  • the reaction chamber 120 is described as being configured by coupling the first chamber member 120a and the second chamber member 120b.
  • the first chamber member 120a includes the entire gas inlet 121 , a part of the first connector part 126 connected to the gas inlet part 121 , and a part of the second connector part 127 .
  • the second chamber member 120b includes the entire gas discharge part 123 , a part of the first connection pipe part 126 connected to the gas discharge part 123 , and a part of the second connection pipe part 127 .
  • the magnetic core 130 is disposed to surround the reaction chamber 120 .
  • the magnetic core 130 will be described as a ferrite core generally used in an inductively coupled plasma generator.
  • 3 shows the magnetic core 130 as a perspective view. 2 and 3, the magnetic core 130 has a ring-shaped ring portion 131 surrounding the plasma reaction portion 125 of the reaction chamber 120 from the outside, and the inner region of the ring portion 131. It has a transverse connecting portion 135 .
  • the ring portion 131 has a rectangular annular shape, and is disposed at a right angle to the extension axis X to surround the plasma reaction portion 125 of the reaction chamber 120 from the outside.
  • the rectangular ring portion 131 has two opposite long sides 132a and 132b and two opposite short sides 133a and 133b.
  • the connecting portion 135 extends in a straight line to connect between the two opposing long side portions 132a and 132b of the ring portion 131 . Both ends of the connection part 135 are connected to the center of each of the two long sides 132a and 132b.
  • the connection part 135 is disposed to pass through the gap 128 formed between the first connection pipe part 126 and the second connection pipe part 127 of the reaction chamber 120 .
  • the inner region of the ring portion 131 is separated into a first through hole 136 and a second through hole 137 by the connection portion 135 , and the first through hole 136 is connected to the first through hole of the reaction chamber 120 .
  • the connector part 126 passes and the second connector part 127 of the reaction chamber 120 passes through the second through hole 137 .
  • the magnetic core 130 has a shape that surrounds the first connector part 126 and the second connector part 127 of the reaction chamber 120 from the outside, respectively.
  • the igniter 140 receives high voltage power from the power source 180 to ignite the plasma.
  • the igniter 140 is described as being located adjacent to the gas inlet 121 in the plasma reaction unit 125 of the reaction chamber 120, but the present invention is not limited thereto.
  • the first coil 150 is wound around the first long side 132a of the magnetic core 130 and is connected to the power source 180 .
  • the first coil 150 receives an AC power of a radio frequency through the power source 180 to form an induced magnetic flux in the magnetic core 130 .
  • An induced electric field is generated by the induced magnetic flux formed in the magnetic core 130 , and plasma is formed by the generated induced electric field.
  • the first coil 150 is wound twice on the magnetic core 130, but the present invention is not limited thereto.
  • the second coil 160 is wound on the second long side portion 132b of the magnetic core 130 while being separated from the first coil 150 , and is connected to the igniter 140 and the switch circuit (relay) 190 .
  • An induced electromotive force is generated in the second coil 160 to supply power to the igniter 140 .
  • the first coil 150 , the second coil 160 , and the magnetic core 130 serve as a transformer, so that a high voltage for the operation of the igniter 140 is formed in the second coil 160 and output .
  • the second coil 160 is wound on the magnetic core 130 with a larger number of turns than the number of turns of the first coil 150 , and in this embodiment, it will be described as being wound six times.
  • the power source 180 applies AC power of a radio frequency to the first coil 150 to generate inductively coupled plasma.
  • the first coil 150 , the second coil 160 , and the magnetic core 130 function as a transformer. That is, the first coil 150 , the second coil 160 , and the magnetic core 130 serve as the primary coil, the secondary coil, and the iron core in the transformer.
  • the boosted high voltage power can be applied to the igniter 140 .
  • the gas supply 185 stores oxygen gas or nitrogen trifluoride, which is a processing gas, and supplies the stored oxygen gas or nitrogen trifluoride to the plasma reactor 110 through the gas supply pipe 188 .
  • the gas supply pipe 188 is connected to the gas injection hole 121a formed in the gas inlet 121 of the reaction chamber 120 in the plasma reactor 110 .
  • the oxygen gas supplied by the gas supplier 185 and introduced into the plasma reactor 150 is excited oxygen atoms (O * ) heated by the plasma in the plasma reaction region (A) of the plasma reactor 110 .
  • nitrogen trifluoride supplied by the gas supplier 185 and introduced into the plasma reactor 150 is a fluorine atom (F * ), excitation by plasma in the plasma reaction region (A) of the plasma reactor 110 . It is decomposed into nitrogen atoms (N * ), fluorine (F 2 ), nitrogen (N 2 ) and electrons (e).
  • the present invention provides a method of operating a plasma apparatus for processing chamber exhaust gas treatment.
  • 5 is a flowchart schematically illustrating a method of operating a semiconductor manufacturing facility according to an embodiment of the present invention.
  • the method of operating a semiconductor manufacturing facility according to an embodiment of the present invention shown in FIG. 5 is an operating method of the semiconductor manufacturing facility 100 shown in FIG. To remove some or all of carbon and hydrocarbons. 1 and 2 together with FIG.
  • the method of operating a semiconductor manufacturing facility includes an ACL process step in which an amorphous carbon film (ACL) deposition process is performed in a process chamber 102 ( S100), the process stopping step (S110) in which the ACL process performed in the process chamber 102 is stopped, and the process stopping step (S110) are performed so that the vacuum pump ( and a deposit removal step (S120) of removing the hydrogenated amorphous carbon or hydrocarbon deposited in 104).
  • ACL process step in which an amorphous carbon film (ACL) deposition process is performed in a process chamber 102 ( S100)
  • the process stopping step (S110) in which the ACL process performed in the process chamber 102 is stopped
  • the process stopping step (S110) are performed so that the vacuum pump ( and a deposit removal step (S120) of removing the hydrogenated amorphous carbon or hydrocarbon deposited in 104).
  • a deposition process of an amorphous carbon film (ACL) is performed in the process chamber 102 . Since the deposition process of the amorphous carbon film (ACL) includes the configuration of an ACL process typically used in a semiconductor manufacturing process, a detailed description thereof will be omitted.
  • the residual gas generated in the process chamber 102 while the ACL process step S100 is performed is discharged from the process chamber 102 through the chamber exhaust pipe 105a and the pump exhaust pipe 105b by the operation of the vacuum pump 104 to be exhausted. to form gas
  • the exhaust gas of the ACL process contains hydrogenated amorphous carbon (aC:H) and hydrocarbons (C X H Y ). Hydrogenated amorphous carbon and hydrocarbons included in the ACL process are deposited in a vacuum pump 104 .
  • the process stopping step ( S110 ) the ACL process performed in the process chamber 102 and the discharge of the residual gas generated by the ACL process are stopped.
  • the process stopping step S110 may include stopping for cleaning of the process chamber 102 . Since the process stopping step S110 is performed, the deposit removing step S120 is performed in a state in which the ACL process performed in the process chamber 102 and the discharge of the residual gas generated by the ACL process are stopped.
  • the hydrogenated amorphous carbon and hydrocarbon deposited in the vacuum pump 104 are removed in a state in which the ACL process performed in the process chamber 102 and the residual gas generated by the ACL process are stopped.
  • the deposit removal step ( S120 ) is performed by supplying oxygen gas or nitrogen trifluoride to the plasma reactor 110 by the gas supplier 185 while the plasma reactor 110 is in operation.
  • the oxygen gas (O 2 ) supplied to the plasma reactor 110 in operation is decomposed by the plasma in the plasma reaction region (A) and thus [reaction formula 1] and A heated excited oxygen atom (O * ) is generated.
  • the heated excited oxygen atoms (O * ) generated in the plasma reactor 110 are introduced into the vacuum pump 104 .
  • the hydrogenated amorphous carbon deposited in the vacuum pump 104 is oxidized by reacting with heated excited oxygen atoms (O * ) introduced into the vacuum pump 104 .
  • the hydrogenated amorphous carbon is oxidized to generate carbon dioxide gas (CO 2 ) and water vapor (H 2 O) and removed.
  • 6 to 8 are test results showing the effect of removing the hydrogenated amorphous carbon deposited in the vacuum pump 104 according to the operating method of the semiconductor manufacturing facility shown in FIG. 5 .
  • the graph of FIG. 6 shows the concentration of carbon dioxide (CO 2 ) in the vacuum pump 104 according to the plasma device 108 operating state (On, Off).
  • the horizontal axis is time (minutes), and the vertical axis is carbon dioxide concentration (ppm).
  • ppm carbon dioxide concentration
  • the generation of carbon dioxide means removal by oxidation of hydrogenated amorphous carbon. It is confirmed from the graph of FIG. 6 that the hydrogenated amorphous carbon deposited in the vacuum pump 104 is removed, and the higher the temperature of the excited oxygen atoms flowing into the vacuum pump 104 is, the higher the removal effect of the hydrogenated amorphous carbon is. Confirmed.
  • the graph of FIG. 7 shows the carbon dioxide (CO 2 ) concentration in the vacuum pump 104 according to the operating state (On, Off) of the plasma reactor 110 .
  • the horizontal axis is time (minutes), and the vertical axis is carbon dioxide concentration (ppm).
  • O * heated excited oxygen atoms
  • FIG. 8 show the effect of removal of hydrogenated amorphous carbon deposited in vacuum pump 104 by plasma apparatus 108 .
  • the picture on the left of FIG. 8 shows the thickness of the deposit in the vacuum pump 104 according to the position when the plasma device 108 is not operated, and the picture on the right of FIG. 8 shows the case where the plasma device 108 is operating In the vacuum pump 104, the thickness of the deposit is indicated according to the position.
  • the average thickness of the deposits in the photo data on the left is 67.6 ⁇ m
  • the thickness of the deposits in the photo data on the right is an average of 45.7 ⁇ m
  • the deposition thickness of by-products is reduced by about 32% due to the action on the plasma device 108. that is confirmed
  • the test data graph of FIG. 9 shows the relationship between the oxygen flow rate supplied to the plasma reactor 110 operating with 7 kW of power applied and the removal efficiency of the hydrogenated amorphous carbon deposited in the vacuum pump 104 .
  • the horizontal axis is the oxygen flow rate (slm) supplied to the plasma reactor 110
  • the left vertical axis is the oxidation reaction participation rate (%) of oxygen supplied to the plasma reactor 110
  • the right vertical axis is the vacuum pump 104. It is the thickness decrease ( ⁇ m) of the hydrogenated amorphous carbon film deposited in Referring to FIG.
  • the efficiency can be increased by supplying oxygen to the plasma reactor 110 at an oxygen flow rate representing the highest excited oxygen atom (O * ) production rate according to the operating power of the plasma reactor 110 to prevent unnecessary consumption of oxygen.
  • the degree of oxidation reaction of the hydrogenated amorphous carbon deposited in the vacuum pump 104 increases in proportion to the temperature inside the vacuum pump 104 within the upper limit value. Accordingly, it is advantageous to apply high power to the plasma reactor 110 in order to increase the temperature of the excited oxygen atoms (O * ) generated in the plasma reactor 110 .
  • the reduction rate of the thickness of the hydrogenated amorphous carbon film formed by deposition in the vacuum pump 104 satisfies the following proportional relationship.
  • nitrogen trifluoride (NF 3 ) when nitrogen trifluoride (NF 3 ) is supplied to the plasma reactor 110, the nitrogen trifluoride supplied to the plasma reactor 110 in operation is excited by the plasma in the plasma reaction region (A). It is decomposed into components including a fluorine atom (F * ), an excited nitrogen atom (N * ), fluorine (F 2 ), nitrogen (N 2 ) and electrons (e). Fluorine (F 2 ) generated by decomposition of nitrogen trifluoride in the plasma reactor 110 is introduced into the vacuum pump 104 . Fluorine (F 2 ) introduced into the vacuum pump 104 reacts with hydrocarbons (C X H Y ) deposited in the vacuum pump 104 to generate hydrocarbons (C X H Y ) is removed.
  • FIG. 10 is a flowchart schematically illustrating a method of operating a semiconductor manufacturing facility according to another embodiment of the present invention.
  • the operating method of the semiconductor manufacturing facility according to another embodiment of the present invention shown in FIG. 10 is also an operating method of the semiconductor manufacturing facility 100 shown in FIG. 1 . Referring to FIG. 1 together with FIG.
  • a method of operating a semiconductor manufacturing facility includes an ACL process step S200 in which an amorphous carbon film (ACL) deposition process is performed in a process chamber 102 and , an exhaust step (S210) of forming exhaust gas by operating the exhaust device 103 to discharge the residual gas in the process chamber 102 generated in the ACL process step (S200) from the process chamber 102, and an exhaust step (S210) ), including hydrogenated amorphous carbon (aC:H) and hydrocarbons (C X H Y ) contained in the exhaust gas formed by the gas treatment step (S220) is treated.
  • ACL process step S200 in which an amorphous carbon film (ACL) deposition process is performed in a process chamber 102 and , an exhaust step (S210) of forming exhaust gas by operating the exhaust device 103 to discharge the residual gas in the process chamber 102 generated in the ACL process step (S200) from the process chamber 102, and an exhaust step (S210) ), including hydrogenated amorphous carbon (a
  • a deposition process of an amorphous carbon film (ACL) is performed in the process chamber 102 . Since the deposition process of the amorphous carbon film (ACL) includes the configuration of an ACL process typically used in a semiconductor manufacturing process, a detailed description thereof will be omitted.
  • the residual gas generated in the process chamber 102 while the ACL process step S200 is performed is discharged from the process chamber 102 through the chamber exhaust pipe 105a and the pump exhaust pipe 105b by the operation of the vacuum pump 104 to be exhausted. to form gas
  • the exhaust gas of the ACL process contains hydrogenated amorphous carbon (aC:H) and hydrocarbons (C X H Y ).
  • the vacuum pump 104 of the exhaust equipment 103 is operated after the completion of the ACL process step (S200) so that the residual gas in the process chamber 102 generated in the ACL process step (S200) is removed from the process chamber 102 ) is emitted from
  • the residual gas discharged from the process chamber 102 flows along the chamber exhaust pipe 105a and the pump exhaust pipe 105b to form exhaust gas and flows into the scrubber 107 .
  • the gas treatment step S220 is performed together.
  • the gas treatment step ( S220 ) hydrogenated amorphous carbon (aC:H) or hydrocarbons (C X H Y ) contained in the exhaust gas is removed before being introduced into the vacuum pump 104 .
  • the plasma reactor 110 is operated and oxygen gas or nitrogen trifluoride is supplied to the plasma reactor 110 by the gas supply 185 .
  • FIG. 11 A process in which hydrogenated amorphous carbon (aC:H) contained in exhaust gas is treated in the gas treatment step S220 is shown in FIG. 11 .
  • hydrogenated amorphous carbon (aC:H) and oxygen gas (O 2 ) are introduced into the plasma reaction region A formed in the plasma reactor 110 .
  • Hydrogenated amorphous carbon (aC:H) flowing into the plasma reaction region (A) is included in the gas discharged from the process chamber (102 in FIG. 1), and oxygen gas (O 2 ) introduced into the plasma reaction region (A) ) is supplied from the gas supplier (185 in FIG. 1).
  • the hydrogenated amorphous carbon (aC:H) introduced into the plasma reaction region (A) is a carbon atom (C * ) and an excited hydrogen atom (H * ) by the plasma reaction in the plasma reaction region (A). is decomposed into Oxygen gas (O 2 ) introduced into the plasma reaction region (A) is decomposed into excited oxygen atoms (O * ).
  • a substitution (oxidation) reaction occurs between the excited carbon atoms (C * ), the excited hydrogen atoms (H * ), and the excited oxygen atoms (O * ) generated by the plasma reaction to generate carbon dioxide gas.
  • CO 2 carbon monoxide gas
  • H 2 O water vapor
  • hydrogenated amorphous carbon (aC:H) in the plasma reaction region (A) of the plasma reactor 150 reacts with oxygen gas (O 2 ) additionally supplied by the plasma reaction to react with carbon dioxide gas (CO 2 ), carbon monoxide gas (CO) and water vapor (H 2 O). Accordingly, it is prevented that hydrogenated amorphous carbon (aC:H), which is a cause of failure of the vacuum pump 104, is contained in the gas discharged from the plasma reactor 110 and introduced into the vacuum pump 104 .
  • Hydrocarbons (C X H Y ) included in the exhaust gas in the gas treatment step ( S220 ) may be treated.
  • hydrocarbons (C X H Y ) and nitrogen trifluoride (NF 3 ) are introduced into the plasma reaction region A formed in the plasma reactor 110 .
  • Hydrocarbons (C X H Y ) flowing into the plasma reaction region (A) are included in the exhaust gas of the ACL process, and nitrogen trifluoride (NF 3 ) flowing into the plasma reaction region (A) is a gas supply (FIG. 1). 185).
  • hydrocarbons (C X H Y ) and nitrogen trifluoride (NF 3 ) are decomposed into atomic units by plasma reaction and then combined to form carbon tetrafluoride (CF 4 ), hydrofluoric acid (HF), ammonia (NH 3 ) ), hydrogen cyanide (HCN) is decomposed into components, and hydrocarbons (C X H Y ) are treated.
  • the semiconductor manufacturing facility 200 includes the semiconductor manufacturing equipment 101 , the exhaust equipment 103 for discharging gas from the semiconductor manufacturing equipment 101 , and the semiconductor manufacturing equipment ( and an exhaust gas treatment equipment 106 for treating the gas discharged from 101, and a plasma device 208 for treating hydrogenated amorphous carbon (aC:H) and hydrocarbons (C X H Y ) using plasma. . Since the semiconductor manufacturing facility 200 has substantially the same configuration as the semiconductor manufacturing facility 100 shown in FIG. 1 except for the plasma device 208 , only the plasma device 208 will be described herein.
  • the plasma apparatus 208 includes a plasma reactor 210 , a power source 180 for supplying power to the plasma reactor 210 , and a gas supply 185 for supplying gas to the plasma reactor 210 . Since the plasma apparatus 208 has substantially the same configuration as the plasma apparatus 108 shown in FIG. 1 except for the plasma reactor 210 , only the plasma reactor 210 will be described herein.
  • the plasma reactor 210 includes a reaction chamber 220 , a magnetic core 130 disposed to surround the reaction chamber 220 , an igniter 140 for plasma ignition, and a magnetic core 130 . ) and having a coil (not shown) wound on and receiving power from a power source 180 . Since the plasma reactor 210 has substantially the same configuration as the reaction chamber 120 shown in FIG. 2 except for the configuration of the reaction chamber 220 , only the reaction chamber 220 will be described herein.
  • the reaction chamber 220 is a toroidal-shaped chamber, and includes a gas inlet 121 , a gas outlet 123 spaced apart from the gas inlet 121 , and a gas inlet 121 .
  • a plasma reaction unit 125 that connects the gas discharge unit 123 and generates a plasma reaction is provided.
  • the reaction chamber 120 decomposes the gas supplied from the gas supplier 185 using plasma to generate reactive active species.
  • the overall configuration of the reaction chamber 220 has substantially the same configuration as that of the reaction chamber 120 illustrated in FIG. 2 . However, the inlet 122 of the gas inlet 121 communicates with the gas supply 185 through the inlet pipe 186 , and the outlet 124 of the gas outlet 123 is connected to the chamber exhaust pipe through the outlet pipe 187 . It is different from the reaction chamber 120 shown in FIG. 2 in that it communicates with ( 105a of FIG. 12 ) and does not include a separate gas injection hole ( 121a of FIG. 2 ).
  • the gas introduced through the inlet 122 by the plasma formed in the plasma reaction region A is decomposed to generate reactive active species.
  • nitrogen trifluoride (NF 3 ) is introduced through the inlet 122
  • nitrogen trifluoride (NF 3 ) is decomposed in the plasma reaction region (A) to react active species of excited fluorine atoms (F *) ) and fluorine (F 2 ).
  • nitrogen trifluoride (NF 3 ) in the plasma reaction region (A) is nitrogen (N 2 ), fluorine (F 2 ), excited nitrogen atom (N * ), excited fluorine atom (F * ) and electrons (e ) can be decomposed into components containing
  • oxygen (O 2 ) is introduced through the inlet 122 , oxygen (O 2 ) is decomposed in the plasma reaction region (A) to generate excited oxygen atoms (O * ) as reactive active species.
  • the reactive active species generated in the plasma reaction region A is supplied to the chamber exhaust pipe (105a in FIG. 12 ) through the discharge pipe 187 .
  • the method of operating the semiconductor manufacturing facility shown in FIG. 5 may be equally applied to the semiconductor manufacturing facility 200 shown in FIG. 12 . That is, in a state in which the ACL process is stopped, the excited oxygen atoms (O * ) generated in the plasma reactor 210 are supplied to the vacuum pump 106 to remove the hydrogenated amorphous carbon deposited in the vacuum pump 106, or Fluorine (F 2 ) generated in the plasma reactor 210 is supplied to the vacuum pump 106 to remove hydrocarbons (C X H Y ) deposited in the vacuum pump 106 .

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Abstract

본 발명에 의하면, 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 잔류가스를 상기 공정 챔버로부터 배출시키는 진공 펌프; 상기 공정 챔버와 상기 진공 펌프를 연통시키는 챔버 배기관; 플라즈마를 이용하여 플라즈마 반응 영역을 형성하는 플라즈마 반응기; 및 상기 플라즈마 반응기로 처리 가스를 공급하는 가스 공급기를 포함하며, 상기 잔류가스는 상기 공정 챔버로부터 배출되어서 상기 챔버 배기관을 따라 유동하여 배기가스를 형성하며, 상기 처리 가스는 상기 플라즈마 반응 영역에서 플라즈마에 의해 분해되어서 반응 활성종을 형성하며, 상기 반응 활성종은 상기 챔버 배기관 내에서 상기 배기가스와 함께 반응하며, 상기 처리 가스는 산소(O2) 또는 삼불화질소(NF3)인, 반도체 제조설비 및 이의 운영방법이 제공된다.

Description

반도체 제조설비 및 이의 운영방법
본 발명은 배기가스 처리 기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반도체 제조 공정에서 발생하는 배기가스를 플라즈마를 이용하여 처리하는 기술에 관한 것이다.
반도체 소자는 공정 챔버에서 웨이퍼 상에 포토리소그래피, 식각, 확산 및 금속증착 등의 공정들이 다양한 공정 가스를 이용하여 반복적으로 수행됨으로써 제조되고 있다. 반도체 공정이 완료된 후에는 공정 챔버에 잔류가스가 존재하게 되는데, 공정 챔버 내 잔류가스는 유독성분 등의 유해 성분을 포함하고 있기 때문에, 진공펌프에 의해 배출되어서 스크러버와 같은 배기가스 처리장치에 의해 정화된다.
ACL(Amorphous Carbon Layer, 비정질 탄소막) 공정은 반도체 제조 공정에서 비정질 탄소(Amorphous Carbon)가 증착되어서 비정질 탄소막(ACL)이 형성되는 공정이다. ACL 공정이 수행된 후 공정 챔버에서 발생한 잔류가스는 진공 펌프에 의해 공정 챔버로부터 배출되어서 배기가스를 형성한다. ACL 공정의 배기가스는 수소화된 비정질 탄소(a-C:H)(hydrogenated Amorphous Carbon) 및 탄화수소(CXHY)를 포함한다. ACL 공정의 배기가스에 포함된 수소화된 비정질 탄소(a-C:H) 및 탄화수소(CXHY)는 진공 펌프에 증착되어서, 진공 펌프의 성능을 저하시키고 진공 펌프의 MTBF를 단축시키는 원인이 되고 있다.
본 발명의 목적은 ACL 공정 설비에서 진공 펌프에 증착되어 막을 형성하는 수소화된 비정질 탄소(a-C:H) 및 탄화수소(CXHY)를 제거하는 반도체 제조설비 및 이의 운영방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 ACL 공정에서 공정 챔버로부터 배출되는 수소화된 비정질 탄소(a-C:H) 및 탄화수소(CXHY)가 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 챔버; 상기 ACL 공정이 수행되는 과정에서 상기 공정 챔버에서 발생한 잔류가스를 상기 공정 챔버로부터 배출시키는 진공 펌프; 상기 공정 챔버와 상기 진공 펌프를 연통시키는 챔버 배기관; 플라즈마를 이용하여 플라즈마 반응 영역을 형성하는 플라즈마 반응기; 및 상기 플라즈마 반응기로 처리 가스를 공급하는 가스 공급기를 포함하며, 상기 잔류가스는 상기 공정 챔버로부터 배출되어서 상기 챔버 배기관을 따라 유동하여 배기가스를 형성하며, 상기 처리 가스는 상기 플라즈마 반응 영역에서 플라즈마에 의해 분해되어서 반응 활성종을 형성하며, 상기 반응 활성종은 상기 챔버 배기관에 공급되며, 상기 처리 가스는 산소(O2) 또는 삼불화질소(NF3)인, 반도체 제조설비 및 이의 운영방법이 제공된다.
본 발명에 의하면 앞서서 기재한 본 발명의 목적을 모두 달성할 수 있다. 구체적으로, 플라즈마 반응기로 공급된 산소 가스가 플라즈마 반응기의 플라즈마 영역에서 분해되어서 가열된 반응성 산소가 생성되며, 생성된 반응성 산소는 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.
그리고, 진공 펌프에 증착된 탄화수소(CXHY)는 삼불화질소(NF3)를 플라즈마로 분해하여 생성된 불소(F2)와 반응하여 제거됨으로써, 진공 펌프의 성능 저하를 방지할 수 있다.
또한, 배기가스에 포함된 탄화수소(CXHY)는 플라즈마 반응 영역에서 삼불화질소(NF3)와 함께 플라즈마 반응으로 분해됨으로써, 진공 펌프의 성능 저하를 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 제조설비의 개략적인 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 반도체 제조설비의 플라즈마 장치에서 플라즈마 반응기에 대한 종단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 마그네틱 코어를 도시한 사시도이다.
도 4는 도 1에 도시된 반도체 제조설비의 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, 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.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 제조설비의 개략적인 구성을 도시한 블록도이다.
도 13은 도 12에 도시된 반도체 제조설비의 플라즈마 장치에서 플라즈마 반응기에 대한 종단면도이다.
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 소자를 제조하기 위한 반도체 제조공정이 수행되는 반도체 제조 장비(101)와, 반도체 제조 장비(101)로부터 가스를 배출시키는 배기 장비(103)와, 배기 장비(103)에 의해 반도체 제조 장비(101)로부터 배출되는 가스를 처리하는 배기가스 처리 장비(106)와, 플라즈마를 이용하여 수소화된 비정질 탄소(a-C:H) 및 탄화수소(CXHY)를 처리하는 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 잔류가스는 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) 및 탄화수소(CXHY)를 포함하는 잔류가스가 발생한다. ACL 공정이 수행된 후 공정 챔버(102)에서 발생된 수소화된 비정질 탄소(a-C:H) 및 탄화수소(CXHY)를 포함하는 잔류가스는 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) 및 탄화수소(CXHY)를 포함하는 잔류가스를 배출시킨다. 배기 장비(103)는 진공 펌프(104)와, 공정 챔버(102)와 진공 펌프(104)를 연결하고 공정 챔버(102)으로부터 배출되는 잔류가스가 배기가스로서 유동하는 챔버 배기관(105a)과, 진공 펌프(104)로부터 하류 쪽으로 연장되어서 배기가스가 유동하는 펌프 배기관(105b)을 구비한다.
진공 펌프(104)는 공정 챔버(102)의 잔류가스를 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 챔버 배기관(105a)을 통해 배기가스에 포함된 수소화된 비정질 탄소(a-C:H) 및 탄화수소(CXHY)가 유입되며, 진공 펌프(104) 내에 수소화된 비정질 탄소(a-C:H) 및 탄화수소(CXHY)가 증착되어서 막을 형성한다. 진공 펌프(104) 내에 증착되어서 막을 형성하는 수소화된 비정질 탄소(a-C:H) 및 탄화수소(CXHY)는 진공 펌프(104)의 성능을 저하시키고 진공 펌프(104)의 MTBF를 단축시킨다. 진공 펌프(104)에 증착된 수소화된 비정질 탄소(a-C:H) 및 탄화수소(CXHY)는 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 잔류가스가 챔버 배기관(105a)을 통해 배출되어서 배기가스를 형성한다.
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 공정 챔버(102)의 배기가스에 포함된 유해 성분을 처리하여 정화한다. 배기가스 처리 장비(106)는 배기가스를 처리하는 스크러버(107)를 구비한다. 스크러버(107)는 펌프 배기관(105b)의 하류측 끝단에 연결되어서 진공 펌프(104)로부터 배출되는 배기가스에 포함된 유해 성분을 처리한다. 스크러버(107)는 반도체 제조 설비 기술 분야에서 배기가스를 처리하기 위해 통상적으로 사용되는 모든 형태의 스크러버를 포함한다.
플라즈마 장치(108)는 진공 펌프(103)에 증착된 수소화된 비정질 탄소(a-C:H) 및 탄화수소(CXHY)를 처리한다. 플라즈마 장치(108)는 수소화된 비정질 탄소의 제거를 위해 플라즈마를 이용하여 산소(O2)로부터 반응 활성종(reactive species)인 여기된 산소원자(O*)를 생성한다. 또한, 플라즈마 장치(108)는 탄화수소(CXHY)의 제거를 위해 플라즈마를 이용하여 삼불화질소(NF3)로부터 반응 활성종인 여기된 불소원자(F*) 및 불소(F2)를 생성한다. 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 가스 또는 삼불화질소(NF3)를 공급하는 가스 공급기(185)를 구비한다.
플라즈마 반응기(110)는 챔버 배기관(105a) 상에 설치되어서 가스 공급기(185)로부터 공급되는 산소 가스 또는 삼불화질소를 플라즈마를 이용하여 분해한다. 플라즈마 반응기(110)에서 산소(O2)는 플라즈마에 의해 여기된 산소원자(O*)로 분해된다. 또한, 플라즈마 반응기(110)에서 삼불화질소(NF3)는 플라즈마에 의해 여기된 불소원자(F*), 여기된 질소원자(N*), 불소(F2), 질소(N2) 및 전자(e)를 포함하는 성분으로 분해된다. 플라즈마 반응기(110)에서 산소(O2)가 분해되어서 생성된 여기된 산소원자(O*)는 진공 펌프(104)로 유입되어서 진공 펌프(104)에 증착된 수소화된 비정질 탄소와 반응한다. 플라즈마 반응기(110)에서 삼불화질소(NF3)가 분해되어서 생성된 불소(F2)는 진공 펌프(104)로 유입되어서 진공 펌프(104)에 증착된 탄화수소(CXHY)와 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 플라즈마 반응기(110)의 개략적인 구성이 종단면도로서 도시되어 있다. 도 2를 참조하면, 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 가스 공급기(185)로부터 공급되는 가스가 분사되는 가스 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. 가스 분사구(121a)를 통해 유입된 가스가 플라즈마 반응 영역(A)에서 플라즈마에 의해 분해된다. 가스 분사구(121a)로 산소 가스가 유입되는 경우, 플라즈마 반응 영역(A)에서 플라즈마에 의한 산소 가스의 분해 반응은 아래 반응식 1과 반응식 2와 같다.
[반응식 1]
O2 + hv → O* + O*
O* : 여기된 산소원자
[반응식 2]
O2 + e- → O + O-
플라즈마 반응 영역(A)에서 플라즈마에 의해 생성된 여기된 산소원자(O*)는 가열되어서 수소화된 비정질 탄소와의 반응성을 향상시킨다. 여기된 산소원자(O*)의 생성률과 온도를 높이기 위하여 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.
가스 공급기(185)는 처리 가스인 산소 가스 또는 삼불화질소를 저장하고 저장된 산소 가스 또는 삼불화질소를 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 가스 분사구(121a)와 연결되는 것으로 설명한다. 도시된 바와 같이, 가스 공급기(185)에 의해 공급되어서 플라즈마 반응기(150)로 유입되는 산소 가스는 플라즈마 반응기(110)의 플라즈마 반응 영역(A)에서 플라즈마에 의해 가열된 여기된 산소원자(O*)로 분해된다. 도시되지는 않았으나, 가스 공급기(185)에 의해 공급되어서 플라즈마 반응기(150)로 유입되는 삼불화질소는 플라즈마 반응기(110)의 플라즈마 반응 영역(A)에서 플라즈마에 의해 불소원자(F*), 여기된 질소원자(N*), 불소(F2), 질소(N2) 및 전자(e)로 분해된다.
본 발명은 공정 챔버 배기가스 처리용 플라즈마 장치의 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 탄소 및 탄화수소의 일부 또는 전체를 제거하기 위한 것이다. 도 5와 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 탄소 또는 탄화수소를 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(102)에서 발생한 잔류가스는 진공 펌프(104)의 작동에 의해 챔버 배기관(105a)과 펌프 배기관(105b)을 통해 공정 챔버(102)로부터 배출되어서 배기가스를 형성한다. ACL 공정의 배기가스는 수소화된 비정질 탄소(a-C:H) 및 탄화수소(CXHY)를 포함한다. ACL 공정에 포함된 수소화된 비정질 탄소 및 탄화수소는 진공 펌프(104)에 증착된다.
공정 중단 단계(S110)에서는 공정 챔버(102)에서 수행되던 ACL 공정 및 ACL 공정에 의해 발생한 잔류가스의 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 잔류가스의 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 잔류가스의 배출이 중단된 상태에서 진공 펌프(104)에 증착된 수소화된 비정질 탄소 및 탄화수소가 제거된다. 증착물 제거 단계(S120)는 플라즈마 반응기(110)가 가동되는 상태에서 가스 공급기(185)에 의해 플라즈마 반응기(110)로 산소 가스 또는 삼불화질소가 공급됨으로써 수행된다.
플라즈마 반응기(110)로 산소 가스가 공급되는 경우에, 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 여기된 산소원자(O*)가 생성된다. 플라즈마 반응기(110)에서 생성된 가열된 여기된 산소원자(O*)는 진공 펌프(104)로 유입된다. 진공 펌프(104)에 증착된 수소화된 비정질 탄소는 진공 펌프(104)로 유입된 가열된 여기된 산소원자(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 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 여기된 산소원자의 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 여기된 산소원자(O*)가 공급되는 경우에 진공 펌프(104)에 증착된 수소화된 비정질 탄소의 제거 효과가 나타나는 것이 확인된다.
도 8의 사진들은 플라즈마 장치(108)에 의해 진공 펌프(104)에서 증착된 수소화된 비정질 탄소의 제거 효과를 보여준다. 도 8의 왼쪽 사진은 플라즈마 장치(108)가 작동하지 않은 경우에 진공 펌프(104)에서 증착물의 두께를 위치에 따라 표시한 것이고, 도 8의 오른쪽 사진은 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, 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 여기된 산소원자(O*)의 양도 함께 비례하여 증가하지만, 플라즈마 반응기(110)로 공급되는 산소 유량이 15slm 이상 범위에서는 플라즈마 반응기(110)의 플라즈마 한계로 인해 생성되는 여기된 산소원자(O*)의 양이 더 이상 증가하지 않는다는 것을 의미한다. 따라서, 플라즈마 반응기(110)의 작동 전력에 따라 최고의 여기된 산소원자(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 여기된 산소원자(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)
도시되지는 않았으나, 플라즈마 반응기(110)로 삼불화질소(NF3)가 공급되는 경우에, 가동 중인 플라즈마 반응기(110)로 공급된 삼불화질소는 플라즈마 반응 영역(A)에서 플라즈마에 의해 여기된 불소원자(F*), 여기된 질소원자(N*), 불소(F2), 질소(N2) 및 전자(e)를 포함하는 성분으로 분해된다. 플라즈마 반응기(110)에서 삼불화질소의 분해에 의해 생성된 불소(F2)는 진공 펌프(104)로 유입된다. 진공 펌프(104)로 유입된 불소(F2)는 진공 펌프(104)에 증착된 탄화수소(CXHY)와 반응하여, 사불화탄소(CF4)와 불산(HF)을 생성함으로써 탄화수소(CXHY)가 제거된다.
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 잔류가스를 배기 장비(103)를 가동하여 공정 챔버(102)로부터 배출시켜서 배기가스를 형성하는 배기 단계(S210)와, 배기 단계(S210)에 의해 형성되는 배기가스에 포함된 포함된 수소화된 비정질 탄소(a-C:H)와 탄화수소(CXHY)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 수행되면서 공정 챔버(102)에서 발생한 잔류가스는 진공 펌프(104)의 작동에 의해 챔버 배기관(105a)과 펌프 배기관(105b)을 통해 공정 챔버(102)로부터 배출되어서 배기가스를 형성한다. ACL 공정의 배기가스는 수소화된 비정질 탄소(a-C:H) 및 탄화수소(CXHY)를 포함한다.
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 잔류가스가 공정 챔버(102)로부터 배출된다. 공정 챔버(102)로부터 배출되는 잔류가스는 챔버 배기관(105a) 및 펌프 배기관(105b)을 따라 유동하면서 배기가스를 형성하고 스크러버(107)로 유입된다. 배기 단계(S210)가 수행되는 동안 가스 처리 단계(S220)가 함께 수행된다.
가스 처리 단계(S220)에서는 배기가스에 포함된 수소화된 비정질 탄소(a-C:H) 또는 탄화수소(CXHY)가 진공 펌프(104)로 유입되기 전에 제거되도록 처리된다. 가스 처리 단계(S220)에서 플라즈마 반응기(110)가 가동되고 가스 공급기(185)에 의해 플라즈마 반응기(110)로 산소 가스 또는 삼불화질소가 공급된다.
가스 처리 단계(S220)에서 배기가스에 포함된 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 가스 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.
가스 처리 단계(S220)에서 배기가스에 포함된 탄화수소(CXHY)가 처리될 수 있다. 이 경우, 도시되지는 않았으나 탄화수소(CXHY)와 삼불화질소(NF3)가 플라즈마 반응기(110)에 형성된 플라즈마 반응 영역(A)으로 유입된다. 플라즈마 반응 영역(A)으로 유입되는 탄화수소(CXHY)는 ACL 공정의 배기가스에 포함된 것이고, 플라즈마 반응 영역(A)으로 유입되는 삼불화질소(NF3)는 가스 공급기(도 1의 185)로부터 공급되는 것이다. 플라즈마 반응 영역(A)에서 탄화수소(CXHY)와 삼불화질소(NF3)가 플라즈마 반응에 의해 원자단위로 분해 후 결합하여 사불화탄소(CF4), 불산(HF), 암모니아(NH3), 사이안화수소(HCN)를 포함하는 성분으로 분해되어서, 탄화수소(CXHY)가 처리된다.
도 12에는 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 제조설비의 개략적인 구성이 블록도로서 도시되어 있다. 도 12를 참조하면, 반도체 제조설비(200)는 반도체 제조 장비(101)와, 반도체 제조 장비(101)로부터 가스를 배출시키는 배기 장비(103)와, 배기 장비(103)에 의해 반도체 제조 장비(101)로부터 배출되는 가스를 처리하는 배기가스 처리 장비(106)와, 플라즈마를 이용하여 수소화된 비정질 탄소(a-C:H) 및 탄화수소(CXHY)를 처리하는 플라즈마 장치(208)를 포함한다. 반도체 제조설(200)는 플라즈마 장치(208)를 제외한 나머지 구성들이 도 1에 도시된 반도체 제조설비(100)와 대체로 동일하므로, 여기서는 플라즈마 장치(208)에 대해서만 설명한다.
플라즈마 장치(208)는 플라즈마 반응기(210)와, 플라즈마 반응기(210)에 전력을 공급하는 전원(180)과, 플라즈마 반응기(210)로 가스를 공급하는 가스 공급기(185)를 구비한다. 플라즈마 장치(208)는 플라즈마 반응기(210)를 제외한 나머지 구성들이 도 1에 도시된 플라즈마 장치(108)와 대체로 동일하므로, 여기서는 플라즈마 반응기(210)에 대해서만 설명한다.
도 13에는 플라즈마 반응기(210)의 개략적인 구성이 종단면도로서 도시되어 있다. 도 13을 참조하면, 플라즈마 반응기(210)는 반응 챔버(220)와, 반응 챔버(220)를 감싸도록 배치되는 마그네틱 코어(130)와, 플라즈마 점화를 위한 점화기(140)와, 마그네틱 코어(130)에 권선되고 전원(180)으로부터 전력을 공급받는 코일(미도시)을 구비한다. 플라즈마 반응기(210)는 반응 챔버(220)의 구성을 제외한 나머지 구성들이 도 2에 도시된 반응 챔버(120)와 대체로 동일하므로, 여기서는 반응 챔버(220)에 대해서만 설명한다.
반응 챔버(220)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. 반응 챔버(120)는 가스 공급기(185)로부터 공급되는 가스를 플라즈마를 이용하여 분해하여 반응 활성종을 생성한다. 반응 챔버(220)의 전체적 구성은 도 2에 도시된 반응 챔버(120)와 대체로 동일한 구성을 갖는다. 다만, 가스 유입부(121)의 유입구(122)는 유입관(186)을 통해 가스 공급기(185)와 연통되고, 가스 배출부(123)의 배출구(124)는 배출관(187)을 통해 챔버 배기관(도 12의 105a)과 연통되며, 별도의 가스 분사구(도 2의 121a)를 구비하지 않는다는 점에서 도 2에 도시된 반응 챔버(120)와 차이가 있다.
플라즈마 반응 영역(A)에서 형성되는 플라즈마에 의해 유입구(122)를 통해 유입되는 가스는 분해되어서 반응 활성종을 생성한다. 도시된 바와 같이, 유입구(122)를 통해 삼불화질소(NF3)가 유입되는 경우에 삼불화질소(NF3)는 플라즈마 반응 영역(A)에서 분해되어서 반응 활성종인 여기된 불소원자(F*)와 불소(F2)를 생성한다. 구체적으로 플라즈마 반응 영역(A)에서 삼불화질소(NF3)는 질소(N2), 불소(F2), 여기된 질소원자(N*), 여기된 불소원자(F*) 및 전자(e)를 포함하는 성분으로 분해될 수 있다. 도시되지는 않았으나, 유입구(122)를 통해 산소(O2)가 유입되는 경우에 산소(O2)는 플라즈마 반응 영역(A)에서 분해되어서 반응 활성종인 여기된 산소원자(O*)를 생성한다. 플라즈마 반응 영역(A)에서 생성된 반응 활성종은 배출관(187)을 통해 챔버 배기관(도 12의 105a)으로 공급된다.
도시되지는 않았으나, 도 12에 도시된 반도체 제조설비(200)에도 도 5에 도시된 바와 같은 반도체 제조설비의 운영방법이 동일하게 적용될 수 있다. 즉, ACL 공정을 중단한 상태에서 플라즈마 반응기(210)에서 생성된 여기된 산소원자(O*)가 진공 펌프(106)에 공급되어서 진공 펌프(106)에 증착된 수소화된 비정질 탄소가 제거되거나, 플라즈마 반응기(210)에서 생성된 불소(F2)가 진공 펌프(106)에 공급되어서 진공 펌프(106)에 증착된 탄화수소(CXHY)가 제거될 수 있다.
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.

Claims (18)

  1. 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 잔류가스를 상기 공정 챔버로부터 배출시키는 진공 펌프;
    상기 공정 챔버와 상기 진공 펌프를 연통시키는 챔버 배기관;
    플라즈마를 이용하여 플라즈마 반응 영역을 형성하는 플라즈마 반응기; 및
    상기 플라즈마 반응기로 처리 가스를 공급하는 가스 공급기를 포함하며,
    상기 잔류가스는 상기 공정 챔버로부터 배출되어서 상기 챔버 배기관을 따라 유동하여 배기가스를 형성하며,
    상기 처리 가스는 상기 플라즈마 반응 영역에서 플라즈마에 의해 분해되어서 반응 활성종을 형성하며,
    상기 반응 활성종은 상기 챔버 배기관에 공급되며,
    상기 처리 가스는 산소(O2) 또는 삼불화질소(NF3)인,
    반도체 제조설비.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 처리 가스는 산소이며,
    상기 반응 활성종은 여기된 산소원자(O*)를 포함하는,
    반도체 제조설비.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 여기된 산소원자(O*)는 상기 진공 펌프에 유입되어서 상기 진공 펌프에 증착된 수소화된 비정질 탄소와 반응하여 상기 수소화된 비정질 탄소를 산화시키는,
    반도체 제조설비.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 가스 공급기는 상기 증착된 수소화된 비정질 탄소의 두께 감소율이 최대값을 갖도록 상기 플라즈마 반응기로 공급하는 산소 가스의 유량을 조절하는,
    반도체 제조설비.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 여기된 산소원자(O*)는 상기 플라즈마 반응기와 상기 챔버 배기관을 연통시키는 배출관을 통해 상기 챔버 배기관으로 공급되는,
    반도체 제조설비.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 플라즈마 반응기는 상기 챔버 배기관 상에 설치되며,
    상기 플라즈마 반응기는 상기 플라즈마 반응 영역에서 상기 배기가스에 포함된 수소화된 비정질 탄소(a-C:H)를 여기된 탄소원자(C*)와 여기된 수소원자(H*)로 분해하며,
    상기 여기된 탄소원자(C*)는 상기 여기된 산소원자(O*)와 반응하여 상기 진공 펌프로 유입되기 전에 이산화탄소 가스(CO2) 또는 일산화탄소 가스(CO)로 산화되며,
    상기 여기된 수소원자(H*)는 상기 여기된 산소원자(O*)와 반응하여 상기 진공 펌프로 유입되기 전에 수증기(H2O)로 산화되는,
    반도체 제조설비.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 처리 가스는 삼불화질소이며,
    상기 반응 활성종은 여기된 불소원자(F*) 및 불소(F2)를 포함하는,
    반도체 제조설비.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 불소(F2)는 상기 진공 펌프에 유입되어서 상기 진공 펌프에 증착된 탄화수소(CXHY)와 반응하여 사불화탄소(CF4)와 불산(HF)을 생성하는,
    반도체 제조설비.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 여기된 불소원자(F*) 및 불소(F2)는 상기 플라즈마 반응기와 상기 챔버 배기관을 연통시키는 배출관을 통해 상기 챔버 배기관으로 공급되는,
    반도체 제조설비.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 플라즈마 반응기는 상기 챔버 배기관 상에 설치되며,
    상기 플라즈마 반응기는 상기 플라즈마 반응 영역에서 상기 삼불화질소와 상기 배기가스에 포함된 탄화수소(CXHY)를 플라즈마 반응시켜서 사불화탄소(CF4), 불산(HF), 암모니아(NH3) 및 사이안화수소(HCN)을 생성하는,
    반도체 제조설비.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 반응 활성종은 상기 플라즈마 반응기와 상기 챔버 배기관을 연통시키는 배출관을 통해 상기 챔버 배기관으로 공급되는,
    반도체 제조설비.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 플라즈마 반응기는 상기 챔버 배기관 상에 설치되는,
    반드체 제조설비.
  13. 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 잔류가스를 상기 공정 챔버로부터 배출시키는 진공 펌프와, 상기 공정 챔버와 상기 진공 펌프를 연통시키는 챔버 배기관과, 플라즈마를 이용하여 플라즈마 반응 영역을 형성하는 플라즈마 반응기와, 상기 플라즈마 반응기로 처리 가스를 공급하는 가스 공급기를 포함하는 반도체 제조설비의 운영방법으로서,
    상기 진공 펌프에 증착된 증착물을 제거하는 증착물 제거 단계를 포함하며,
    상기 증착물 제거 단계에서, 상기 가스 공급기에 의해 상기 플라즈마 반응기로 공급된 상기 처리 산소가 상기 플라즈마 반응 영역에서 분해되어서 반응 활성종을 생성하고, 상기 증착물이 상기 반응 활성종과 반응하여 제거되며,
    상기 처리 가스는 산소(O2) 또는 삼불화질소(NF3)인,
    반도체 제조설비의 운영방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 처리 가스는 산소이고, 상기 반응 활성종은 여기된 산소원자(O*)를 포함하며,
    상기 증착물 제거 단계에서, 여기된 산소원자(O*)는 상기 진공 펌프에 유입되어서 상기 진공 펌프에 증착된 수소화된 비정질 탄소와 반응하여 상기 수소화된 비정질 탄소를 산화시키는,
    반도체 제조설비의 운영방법.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 처리 가스는 삼불화질소(NF3)이고, 상기 반응 활성종은 여기된 불소원자(F*) 및 불소(F2)를 포함하며,
    상기 증착물 제거 단계에서, 여기된 불소(F2)는 상기 진공 펌프에 유입되어서 상기 진공 펌프에 증착된 탄화수소(CXHY)와 반응하여 사불화탄소(CF4)와 불산(HF)을 생성하는,
    반도체 제조설비의 운영방법.
  16. 비정질 탄소(Amorphous Carbon)가 증착되어서 비정질 탄소막(ACL)이 형성되는 ACL 공정이 수행되는 공정 챔버와, 진공 펌프와, 상기 공정 챔버와 상기 진공 펌프를 연통시키는 챔버 배기관과, 플라즈마를 이용하여 플라즈마 반응 영역을 형성하는 플라즈마 반응기와, 상기 플라즈마 반응기로 처리 가스를 공급하는 가스 공급기를 포함하는 반도체 제조설비의 운영방법으로서,
    진공 펌프를 가동하여 상기 상기 공정 챔버의 잔류가스를 배기가스로서 배출시키는 배기 단계; 및
    상기 배기 단계에 의해 상기 배기가스가 상기 챔버 배기관을 따라 유동하는 과정에서 상기 배기가스를 처리하는 가스 처리 단계를 포함하며,
    상기 가스 처리 단계에서, 상기 플라즈마 반응 영역에서 상기 처리 가스와 상기 배기가스의 플라즈마 반응이 이루어지며,
    반도체 제조설비의 운영방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 처리 가스는 산소이고, 상기 반응 활성종은 여기된 산소원자(O*)를 포함하며,
    상기 가스 처리 단계에서, 상기 배기가스에 포함된 수소화된 비정질 탄소(a-C:H)가 분해되어서 여기된 탄소원자(C*)와 여기된 수소원자(H*)를 생성하며,
    상기 여기된 탄소원자(C*)는 상기 여기된 산소원자(O*)와 반응하여 상기 진공 펌프로 유입되기 전에 이산화탄소 가스(CO2) 또는 일산화탄소 가스(CO)로 산화되며,
    상기 여기된 수소원자(H*)는 상기 여기된 산소원자(O*)와 반응하여 상기 진공 펌프로 유입되기 전에 수증기(H2O)로 산화되는,
    반도체 제조설비의 운영방법.
  18. 청구항 16에 있어서,
    상기 처리 가스는 삼불화질소(NF3)이며,
    상기 가스 처리 단계에서, 상기 플라즈마 반응 영역에서 상기 삼불화질소와 상기 배기가스에 포함된 탄화수소(CXHY)가 반응하여 사불화탄소(CF4), 불산(HF), 암모니아(NH3) 및 사이안화수소(HCN)가 생성되는,
    반도체 제조설비의 운영방법.
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