KR20240010919A - 가스분석장치 및 이를 포함하는 기판처리시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 가스분석장치 및 이를 포함하는 기판처리시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기판처리를 위한 공정챔버로 유입되거나 공정챔버의 배기라인으로 배출된 분석대상가스를 분석하여 기판처리공정을 모니터링하거나 진단할 수 있는 가스분석장치 및 이를 포함하는 기판처리시스템에 관한 것이다.
본 발명은 기판처리시스템에 설치되는 가스분석장치(100)로서, 유입된 분석대상가스를 이온화시켜 이온화가스를 생성하는 이온화부(120)와; 상기 이온화부(120)로부터 유입된 이온화가스를 질량분석하는 질량분석부(130)와; 상기 질량분석부(130)의 내부압력을 조절하기 위하여 상기 질량분석부(130)에 결합되는 진공펌프(140)와; 상기 분석대상가스가 상기 이온화부(120)로 유입되는 유입경로와 상기 이온화부(120)로부터 상기 이온화가스가 유출되는 유출경로 상에 각각 설치되는 가스유로 오리피스(150) 및 이온유로 오리피스(160);를 포함하고, 상기 이온화부(120)의 내부압력은 상기 가스유로 오리피스(150) 및 상기 이온유로 오리피스(160)에 의해 미리 설정된 압력범위 내에서 유지되는 것을 특징으로 하는 가스분석장치(100)를 개시한다.

Description

가스분석장치 및 이를 포함하는 기판처리시스템{Gas analysis apparatus and substrate processing system having the same}
본 발명은, 가스분석장치 및 이를 포함하는 기판처리시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기판처리를 위한 공정챔버로 유입되거나 공정챔버의 배기라인으로부터 배출된 분석대상가스를 분석하여 기판처리공정을 모니터링하거나 진단할 수 있는 가스분석장치 및 이를 포함하는 기판처리시스템에 관한 것이다.
반도체 또는 디스플레이 제조 장비에는 가스를 이온화시켜 가스를 분석하는 가스분석장치가 설치될 수 있다.
예로서, 상기 가스분석장치는 반도체 또는 디스플레이를 제조하는 과정에서 발생되는 가스나 공정챔버 배기라인(FL)으로부터 배출된 가스를 분석함으로써 공정에 영향을 주지 않으면서 공정 상태를 실시간으로 모니터링하거나 진단할 수 있다.
종래 기판처리공정의 모니터링이나 진단을 위한 가스분석장치 중 하나로 SP-OES(Self Plasma Optical Emission Spectroscopy)가 있다. (도 1 참조)
SP-OES 가스분석장치는, 도 1에 도시된 바와 같이, 기판처리를 위한 처리공간을 형성하는 공정챔버를 포함하는 기판처리장치(200)에 결합되어 분석대상가스를 분석하는 장치로서, 배기라인(FL)에 결합되어 분석대상가스를 이온화시키는 이온화부(11)와, 상기 이온화부(11)에서 이온화된 분석대상가스에서 방출되는 광의 스펙트럼을 감지하는 분광센서부(12)와, 상기 분광센서부(12)에서 검출된 데이터를 기초로 분석대상가스를 분석하고 이온화부(11) 및 분광센서부(12)의 동작을 제어하는 제어부(13) 및 제어부(13)와 통신하는 단말(14)을 포함할 수 있다.
상기 이온화부(11)는, 분석대상가스가 유입되는 플라즈마챔버(11a)와, 상기 플라즈마챔버(11a) 내부에 유도전계를 형성하는 전극부(11b)와, 상기 전극부(11b)에 RF전력을 인가하기 위한 RF전원(11c)을 포함할 수 있다.
기판처리장치(200)의 배기라인(FL)에는 가스흐름을 제어하기 위한 밸브(V)가 설치될 수 있다.
상기 전극부(11b)는 상기 플라즈마챔버(11a)에 권선된 코일일 수 있으며 전극부(11b)에 의해 플라즈마챔버(11a) 내에 유도전계가 형성되어 분석대상가스가 이온화되어 플라즈마 상태로 여기될 수 있다.
상기 플라즈마챔버(11a)에는 광투과 가능한 윈도우(11d)가 설치될 수 있다.
분광센서부(12, Optical Emission Spectroscopy)는, 윈도우(11d)를 통해 플라즈마챔버(11a)에서 발생되는 광의 스펙트럼을 검출하는 분광기 센서일 수 있다.
상기 분광센서부(12)에서 검출되는 방출스펙트럼을 기초로 분석대상가스의 성분 등이 분석될 수 있다.
그러나, SP-OES의 경우 같은 원소가 여러 개의 발광 스펙트럼을 가지고 있고 여러 원소의 방전 시 동일한 파장에 여러 원소의 스펙트럼이 겹쳐서 정확한 분석이 어려운 경우가 있어서 감도 및 분해능이 질량분석기(MS)에 비해 불리하다.
관련 선행문헌으로 한국공개특허 제10-2008-0019279호는 인클로저 내에 포함된 가스 종을 광학 방출 분광분석법을 이용하여 분석하는 가스 모니터링 장치에 관한 것으로, 인클로저에 연결된 돌출부 내부 공간에 모니터링 플라즈마를 발생시키는 수단과, 모니터링 플라즈마에 의해 방출된 광 방사를 픽업하는 적어도 하나의 센서와, 센서에 의해 픽업된 광을 수광하여 분석하는 방출 스펙트럼 분석기 수단을 포함한다. 상기 선행문헌은 플라즈마가 형성되는 내부 공간 및 광투과 윈도우에 퇴적물이 퇴적되어 분석 감도가 저하되고 내부 클리닝을 위해 공정이 주기적으로 중단되는 문제점을 해결하기 위해, 플라즈마에 의해 이온화된 입자들 및 전자들을 광을 픽업하는 센서로부터 편향시키는 필드 발생기 수단을 적용하였다.
그러나, 상기 선행문헌에 제시된 구조는 인클로저로부터 돌출부의 내부 공간으로 다량의 가스가 유입되므로, 입자를 센서에서 편향시키는 편향 필드를 형성하는 것만으로는 모니터링장치를 장시간 사용시 돌출부의 내부 공간 및 윈도우 등이 다양한 입자들에 의해 오염되는 문제를 완전히 해결하기 어려우며 클리닝 시 가스분석장치를 기판처리장치에서 분리한 후 클리닝하거나 오염된 부품을 새 부품으로 교체하고 재설치해야 하는데, 이 과정에서 기판처리공정의 연속성에 영향을 주는 문제점이 있다.
또한 상기 종래 가스 모니터링 장치는 분광센서를 이용해 가스를 분석하므로 감도 및 분해능 측면에서 불리한 점이 있는데, 감도 및 분해능 측면에서 분광센서 대신 질량분석기(MS)를 이용하는 경우, 질량분석기(MS)는 고진공환경에서 작동되어야 하므로 고진공펌프가 설치되고 기판처리공정에 따라 공정챔버는 다양한 압력범위를 가지므로 플라즈마챔버에서 플라즈마가 안정적으로 유지되기 위한 적정한 내부압력을 유지하기 어렵기 때문에, 기판처리시스템의 가스분석을 위해 분광센서 대신 질량분석기(MS)를 적용하기 어려운 문제가 있다.
감도 및 분해능 측면에서 이점이 있는 질량분석기(MS)를 이용한 가스분석장치로서 ICP-MS(Inductively coupled plasma - Mass spectroscopy)가 있으나, IPC-MS는 액체시료를 분무해 에어로졸 상태로 만든 후 ICP 토치를 이용해 생성된 고온의 Ar 플라즈마로 도입되면 이온화과정을 거치고, 이를 이온/전하비로 측정하여 분석하는 MS(질량분석기)로 분석하는 기술로, 감도와 분해능에서는 이점이 있으나 장시간 연속 사용이나 기판처리공정을 모니터링하거나 진단할 목적으로 사용되지 않는다.
또한, 종래 기판처리공정의 모니터링이나 진단을 위한 가스분석장치 중 다른 하나로 RGA(Residual Gas Analyzer)가 있다. (도 2 참조)
RGA 가스분석장치는, 일반적으로 질량범위가 1 - 100 혹은 1 - 200 amu인 4중극자 질량분석기로서 진공시스템 안에 잔류하는 가스를 측정하거나 공정시스템 안의 반응가스 혹은 생성가스의 변화를 모니터링하는데 사용될 수 있다.
RGA 가스분석장치는 일차적으로 진공시스템 안의 잔류가스를 측정하는 것으로, 잔류가스의 조성분석을 통하여 진공도를 측정할 수 있고, 진공시스템 안으로 흘려주는 가스의 양 혹은 시스템 안에서 일어나는 화학반응을 실시간 모니터링할 수 있으므로, RGA의 응용분야는 진공시스템 안에서 이루어지는 반도체 제조공정의 공정 모니터링에 사용된다.
RGA 가스분석장치는 도 2에 도시된 바와 같이, 기판처리를 위한 처리공간을 형성하는 공정챔버를 포함하는 기판처리장치(200)에 결합되어 분석대상가스를 분석하는 장치로서, 이온원(미도시)을 포함하는 질량분석부(21)와, 상기 질량분석부(21)에서 검출된 데이터를 기초로 분석대상가스를 분석하고 상기 질량분석부(21)의 동작을 제어하는 제어부(23) 및 제어부(23)와 통신하는 단말(24)을 포함할 수 있다.
상기 이온원(미도시)은 필라멘트에 전류가 흐를 때 방출되는 열전자를 가속시켜서 중성분자 혹은 원자와 충돌하여 이온화되는 electron impact 이온원일 수 있다.
상기 질량분석부(21)는, 4개의 평행한 금속봉으로 이루어진 전극조립체인 4중극자필터와 검출기를 포함할 수 있다.
RGA 가스분석장치는 질량분석부(21)의 동작 환경인 10-3 torr 이하의 진공도를 유지시키기 위하여 질량분석부(21)에 진공펌프(22a, 22b)가 결합될 수 있으며, 기판처리장치(200)의 배기라인(FL)에는 가스흐름을 제어하기 위한 밸브(V)가 설치될 수 있다.
RGA 가스분석장치는 원소별로 중첩되는 부분이 없고 감도가 뛰어난 장점이 있으나 이온원으로 필라멘트를 사용하므로 분석대상가스가 부식성가스를 포함하는 경우 필라멘트의 수명이 매우 짧아지므로 부식성가스가 있는 환경에서 사용하기 어렵고 장시간 동작하기 어려운 문제점이 있다.
한편, 도 1을 참조하면, 종래 셀프플라즈마를 이용한 가스분석장치들은 배기라인(FL)에서 분기된 분기라인에 결합되고 배기라인(FL)의 가스가 확산되어 가스분석장치로 유입될 수 있으며, 분석이 완료된 가스는 다시 해당 분기라인을 통해 배기라인(FL)으로 배출되도록 구성된다.
이 경우, 분기라인 측에 개폐 밸브가 설치된다고 하더라도, 개폐 밸브가 가스분석장치의 동작과 연동되어 제어되는 밸브가 아니므로 기판처리 공정 중 가스분석이 이루어질 필요가 없을 때에도 분기라인을 통해 가스분석장치가 지속적으로 유입되고 결과적으로 가스분석장치의 오염도가 커지는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 감도와 분해능이 뛰어나면서 오염이나 부식성 가스를 사용하는 환경에서도 장시간 동작 가능하며 기판처리공정에 영향을 주지 않으면서 실시간으로 공정을 모니터링하거나 진단할 수 있는 가스분석장치 및 이를 포함하는 기판처리시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명은 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 창출된 것으로서, 기판처리시스템에 설치되는 가스분석장치(100)로서, 유입된 분석대상가스를 이온화시켜 이온화가스를 생성하는 이온화부(120)와; 상기 이온화부(120)로부터 유입된 이온화가스를 질량분석하는 질량분석부(130)와; 상기 질량분석부(130)의 내부압력을 조절하기 위하여 상기 질량분석부(130)에 결합되는 진공펌프(140)와; 상기 분석대상가스가 상기 이온화부(120)로 유입되는 유입경로와 상기 이온화부(120)로부터 상기 이온화가스가 유출되는 유출경로 상에 각각 설치되는 가스유로 오리피스(150) 및 이온유로 오리피스(160)를 포함하는 가스분석장치(100)를 개시한다.
상기 이온화부(120)의 내부압력은 상기 가스유로 오리피스(150) 및 상기 이온유로 오리피스(160)에 의해 미리 설정된 압력범위 내에서 유지될 수 있다.
상기 가스유로 오리피스(150)의 직경은 상기 이온유로 오리피스(160)의 직경보다 작을 수 있다.
상기 이온화부(120)는, 상기 분석대상가스가 이온화되는 내부공간이 형성되는 이온화챔버(122)와, 상기 이온화챔버(122) 내부공간에 이온화를 위한 유도전계를 형성하는 전극부(124)와, 상기 전극부(124)로 RF전력을 인가하는 RF전원(126)을 포함할 수 있다.
상기 이온화챔버(122)의 양단에는 상기 분석대상가스가 유입되는 유입구(122a)와 상기 이온화된 이온화가스가 유출되는 유출구(122b)가 형성될 수 있다.
상기 유입구(122a) 및 상기 유출구(122b)는 상기 이온화챔버(122)의 길이방향에 평행한 일직선 상에 위치될 수 있다.
상기 전극부(124)는 상기 이온화챔버(124)의 외주면에 권선되는 코일일 수 있다.
상기 가스유로 오리피스(150) 및 상기 이온유로 오리피스(160)는 동축 상에 위치될 수 있다.
상기 가스분석장치(100)는, 상기 이온화부(120) 전단에 설치되며 상기 분석대상가스가 유입되는 유입구(110a)와 상기 이온화부(120)로 상기 분석대상가스가 유출되는 유출구(110b)가 형성되는 가스유입챔버(110)를 추가로 포함할 수 있다.
상기 가스유로 오리피스(150)는 상기 가스유입챔버(110)의 상기 유입구(110a) 측에 설치될 수 있다.
상기 가스유로 오리피스(150)의 중심축 및 상기 이온유로 오리피스(160)의 중심축은 서로 한점에서 교차하도록 배치될 수 있다.
상기 가스유로 오리피스(150)의 중심축 및 상기 이온유로 오리피스(160)의 중심축은 서로 평행하거나 또는 꼬인 위치에 배치될 수 있다.
상기 질량분석부(130)는, 사중극자 필터(132)와, 상기 이온화부(120)로부터 유입된 상기 이온화가스를 상기 사중극자 필터(132)로 전달하는 이온옵틱(134)와, 상기 사중극자 필터(132)를 통과한 이온들에 의해 생성되는 신호를 검출하는 검출부(136)를 포함할 수 있다.
상기 가스유입챔버(110)에 광투과 가능한 제1윈도우(115)가 설치될 수 있다.
상기 가스분석장치(100)는, 상기 제1윈도우(115)를 통해 레이저를 조사하여 상기 가스유로 오리피스(150) 및 이온유로 오리피스(160)를 클리닝하는 클리닝부(170)를 추가로 포함할 수 있다.
상기 가스유입챔버(110)에 광투과 가능한 제3윈도우(119)가 설치될 수 있다.
상기 가스분석장치(100)는, 상기 제3윈도우(119)를 통해 상기 분석대상가스를 분광분석하는 분광분석부(180)를 추가로 포함할 수 있다.
상기 가스분석장치(100)는, 기판처리를 위한 처리공간을 형성하는 “공정챔버, 상기 처리공간의 가스를 외부로 배출하기 위한 배기라인(FL), 및 상기 공정챔버로 공정가스를 공급하기 위한 가스공급부 중 적어도 어느 하나”에 설치될 수 있다.
다른 측면에서 본 발명은, 기판처리를 위한 처리공간을 형성하는 공정챔버를 포함하는 기판처리장치(200)와; 상기 공정챔버로 공정가스를 공급하기 위한 가스공급부와, 가스분석장치(100)를 포함하는 기판처리시스템을 개시한다.
본 발명에 따른 가스분석장치 및 이를 포함하는 기판처리시스템은, 감도와 분해능이 뛰어나면서 오염이나 부식성 가스를 사용하는 환경에서도 장시간 동작 가능하며 기판처리공정에 영향을 주지 않으면서 실시간으로 공정을 모니터링하거나 진단할 수 있는 이점이 있다.
구체적으로, 본 발명은 플라즈마를 형성하기 위한 이온화챔버로 가스가 유입되는 유입구 측과 이온화챔버에서 이온화된 가스가 유출되는 유출구 측에 2개의 오리피스를 설치함으로써, 질량분석기가 고진공 분위기에서 작동하고 기판처리공정이 다양한 공정압력 범위에서 수행됨에도 불구하고, 이온화챔버의 압력을 적정 범위에서 유지하여 플라즈마를 안정적으로 생성/유지할 수 있고, 가스유입량 감소에 따라 가스분석장치의 오염이 크게 저감되며, 기판처리공정을 모니터링/진단하는데 감도와 분해능이 뛰어난 플라즈마 질량분석 기법을 적용할 수 있는 이점이 있다.
도 1은, 기판처리장치의 분석대상가스를 분석하기 위한 종래 SP-OES 가스분석장치를 보여주는 개념도이다.
도 2는, 기판처리장치의 분석대상가스를 분석하기 위한 종래 RGA 가스분석장치를 보여주는 개념도이다.
도 3은, 본 발명의 제1실시예에 따른 가스분석장치 및 이를 포함하는 기판처리시스템을 보여주는 개념도이다.
도 4는, 본 발명의 제2실시예에 따른 가스분석장치 및 이를 포함하는 기판처리시스템을 보여주는 개념도이다.
도 5는, 본 발명의 제3실시예에 따른 가스분석장치 및 이를 포함하는 기판처리시스템을 보여주는 개념도이다.
도 6은, 본 발명의 제4실시예에 따른 가스분석장치 및 이를 포함하는 기판처리시스템을 보여주는 개념도이다.
도 7은, 본 발명에 따른 가스분석장치 및 이를 포함하는 기판처리시스템을 보여주는 블록도이다.
이하 본 발명에 따른 가스분석장치 및 이를 포함하는 기판처리시스템에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 기판처리시스템은, 도 3 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 기판처리를 위한 처리공간을 형성하는 공정챔버를 포함하는 기판처리장치(200)와; 상기 공정챔버로 공정가스를 공급하기 위한 가스공급부와; 분석대상가스를 분석하는 가스분석장치(100)를 포함한다.
상기 기판처리장치(200)는, 기판에 대한 증착, 시각 등의 기판처리가 이루어지는 처리공간을 형성하는 공정챔버와, 상기 공정챔버에 설치되어 기판을 지지하는 기판지지부와, 상기 공정챔버에 설치되어 기판처리를 위한 가스를 분사하는 가스분사부를 포함할 수 있다.
상기 공정챔버는, 기판처리를 위한 처리공간을 형성하는 구성으로서, 다양한 구성이 가능하며, 원통 또는 육면체 형상의 처리공간을 형성할 수 있다.
예를 들면, 상기 공정챔버는, 상측이 개구된 챔버본체와, 챔버본체의 개구에 탈착가능하게 결합된 상부리드를 포함할 수 있다.
상기 챔버본체는, 기판지지부 등이 설치되는 구성으로서, 다양한 구성이 가능하며, 처리공간에 기판의 도입 및 배출을 위한 내측벽에 하나 이상의 게이트가 형성될 수 있다.
또한, 상기 챔버본체에는, 처리공간 내의 가스나 공정부산물을 배기하기 위한 배기구(미도시)가 형성될 수 있다.
상기 배기구(미도시)에는 상기 처리공간의 가스를 외부로 배출하기 위한 배기라인(FL)이 결합될 수 있다.
상기 배기라인(FL)의 단부는 처리공간 내의 압력을 적정한 공정압(예로서, 진공분위기)으로 형성하기 위한 진공펌프(미도시)와 연결될 수 있다.
여기서 기판처리의 대상인 기판은, 식각, 증착 등 기판처리가 수행되는 구성으로서, 반도체 제조용기판, LCD 제조용기판, OLED 제조용기판, 태양전지 제조용기판, 투명 글라스기판 등 어떠한 기판도 가능하다.
상기 기판지지부는, 상기 공정챔버에 설치되어 기판을 지지하는 구성으로 다양한 구성이 가능하다.
상기 기판지지부는, 공정챔버 내 처리공간의 하측에 설치될 수 있으며, 기판이 안착되는 기판안착면을 구비하는 기판안착플레이트를 포함할 수 있다.
반송로봇(미도시)에 의해 공정챔버 내로 도입된 기판은 기판지지부 상에 안착되어 척킹될 수 있고, 이를 위해, 상기 기판안착플레이트에는, 진공척 또는 정전척이 내장될 수 있다.
또한, 상기 기판안착플레이트에는 안착된 기판의 온도를 적정한 공정온도로 제어하기 위한 기판온도제어부가 추가로 설치될 수 있다. 상기 기판온도제어부는 기판의 온도를 히팅하거나 냉각하기 위한 구성으로, 발열체 또는 열매체(coolant)를 포함할 수 있다.
상기 가스분사부는, 상기 공정챔버에 설치되어 기판처리를 위한 가스를 분사하는 구성으로 다양한 구성이 가능하며, 공정에 따라 다양한 공정가스를 공급하는 시스템과 연결될 수 있다.
예로서, 상기 가스는 증착, 식각 등을 위한 공정가스로서 전구체, 반응가스, 캐리어가스, 퍼지가스 등을 포함할 수 있고, 공정에 따라 Cl, F, H, 또는 N 등을 함유하는 부식성 가스를 포함할 수 있으며 이 경우, 공정 부산물 역시 부식성의 특성을 가질 수 있다.
상기 기판처리장치에서 수행되는 식각, 증착, 리소그래피 등의 기판처리는 CVD, PVD, 또는 ALD 공정 등 특정 물리, 화학적 공정에 한정되지 않으며, ICP(Inductively coupled plasma, CCP(Capacitively coupled plasma), ECR(Electron cyclotron resonance) 등 플라즈마를 이용한 기판처리공정을 포함할 수 있다.
상기 기판처리장치(200)는 진공분위기를 유지하거나 내부에 불순물 유입을 억제하여 기판처리를 수행하는 장치일 수 있다.
이때, 기판처리공정에 적합한 공정챔버 내부압력은 공정종류에 따라 진공에서 상압까지 다양하게 설정될 수 있으며, 예로서, 공정종류에 따라 0.01torr에서 10torr 내의 압력범위를 가질 수 있다.
기판처리를 위한 공정가스 및 그 부산물은 기판처리시스템의 오염이나 부식을 유발할 수 있는데, 이 경우 공정챔버는 내식성 재질로 이루어질 수 있고, 공정부산물인 파티클에 의해 유발된 오염은 in-situ 클리닝 또는 원격플라즈마에 의해 클리닝될 수 있다.
기판처리 후 공정부산물이나 미반응가스들은 배기라인(FL)을 통해 외부로 배기될 수 있다.
상기 가스공급부는, 상기 공정챔버로 공정가스를 공급하기 위한 구성으로 가스공급원 및 가스공급원과 상기 공정챔버의 가스분사부 사이에 설치되어 공정가스를 전달하기 위한 가스공급라인을 포함할 수 있다.
기판처리장치(200)에 있어서, 기판처리공정을 실시간으로 모니터링(공정종료 시점 등을 파악)하고 진단하는 것이 중요하다. 식각, CVD 공정 등 많은 기판처리공정에서 다량의 공정부산물이 생성되며, 공정부산물들은 고분자물질(polymer)과 같은 파티클을 생성시키고 이러한 파티클들이 공정챔버의 내벽 등에 부착되기 때문에 공정 파라미터(플라즈마 등의 공정분위기)의 변동을 초래하고, 이에 따라 공정 수행 중 기판의 디펙트 요인이 되어 수율 저하를 초래하기 때문이다.
따라서, 본 발명에 따른 기판처리시스템은 가스를 분석할 수 있는 가스분석장치(100)를 포함함으로써 공정을 실시간으로 모니터링하고 공정상태를 진단할 수 있도록 구성된다.
상기 가스분석장치(100)는, 상기 기판처리를 위한 처리공간을 형성하는 공정챔버, 상기 처리공간의 가스를 외부로 배출하기 위한 배기라인(FL), 및 상기 공정챔버로 공정가스를 공급하기 위한 가스공급부 중 적어도 어느 하나에 설치될 수 있다.
상기 가스분석장치(100)가 공정챔버에 결합되는 경우 가스분석장치(100)가 분석하는 분석대상가스는, 공정챔버로부터 유입되는 처리공간 내의 가스일 수 있다.
상기 가스분석장치(100)가 배기라인(FL)에 결합되는 경우 분석대상가스는 공정챔버의 배기구(미도시)를 통해 배기라인(FL)으로 배출되는 가스일 수 있다.
상기 가스분석장치(100)가 가스공급부에 결합되는 경우 분석대상가스는 공정챔버로 공급될 공정가스일 수 있다.
상기 가스분석장치(100)는, 기판처리시스템에 설치되는 가스분석장치(100)로서 플라즈마(plasma)를 이용해 가스가 이온화된 입자들에 대한 질량분석을 수행하는 SP-MS(Self-plasma mass spectrometer)일 수 있다.
상기 가스분석장치(100)는, 유입된 분석대상가스를 이온화시켜 이온화가스를 생성하는 이온화부(120)와; 상기 이온화부(120)로부터 유입된 이온화가스를 질량분석하는 질량분석부(130)와; 상기 질량분석부(130)의 내부압력을 조절하기 위하여 상기 질량분석부(130)에 결합되는 진공펌프(140)를 포함할 수 있다.
상기 이온화부(120)는, 분석대상가스가 유입되며 상기 유입된 분석대상가스를 이온화시켜 이온화가스를 생성하는 구성으로 다양한 구성이 가능하다. 여기서, 이온화가스란 분석대상가스가 이온화된 상태의 입자들인 플라즈마를 의미한다.
예로서, 상기 이온화부(120)는 플라즈마를 생성할 수 있는 플라즈마생성모듈일 수 있다. 상기 이온화부(120)에서 셀프 플라즈마 생성이 가능하므로, 본 발명에 따른 가스분석장치(100)는 플라즈마를 이용하지 않는 기판처리공정에 대한 모니터링이나 공정진단도 가능하게 할 수 있다.
구체적으로, 상기 이온화부(120)는, 도 3 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 분석대상가스가 이온화되는 내부공간이 형성되는 이온화챔버(122)와, 상기 이온화챔버(122) 내부공간에 이온화를 위한 유도전계를 형성하는 전극부(124)와, 상기 전극부(124)로 RF전력을 인가하는 RF전원(126)을 포함할 수 있다.
상기 이온화챔버(122)는 상기 분석대상가스가 이온화되는 내부공간이 형성되는 챔버로 다양한 구성이 가능하며, 부식성 환경에서도 장시간 연속동작이 가능하도록 내부가 세라믹, 석영, 사파이어 등 내식성 재질로 이루어질 수 있다.
상기 전극부(124)는 상기 이온화챔버(122) 내부공간에 분석대상가스의 이온화를 위한 유도전계를 형성하기 위한 구성으로 다양한 구성이 가능하다.
예로서, 상기 전극부(124)는, 상기 이온화챔버(122)의 외주면에 권선되는 코일(안테나)일 수 있으며, 전극부(124)에 의해 형성되는 유도전계는 이온화챔버(122)를 투과해 내부공간의 분석대상가스를 이온화시키는 에너지를 제공할 수 있다.
상기 RF전원(126)은 전극부(124)로 미리 설정된 주파수의 RF전력을 인가하는 전원으로 다양한 구성이 가능하다. 예로서, 상기 RF전원(126)은 50MHz의 RF파워를 인가하는 파워소스, 임피던스매칭을 위한 매처(Matcher), 및 인가되는 전압을 모니터링하는 전압모니터링부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 RF전원(126)은 플라즈마 점화를 위한 점화기(igniter)를 추가로 포함할 수 있다.
상기 RF전원(126)에 의해 전극부(124)로 RF전력이 인가되면, 이온화챔버(122) 내에 유도전계가 형성되고 그에 따라 분석대상가스가 이온화되어 이온화가스(플라즈마)가 생성될 수 있다.
상기 이온화챔버(122) 내에 생성된 플라즈마가 안정적으로 유지되기 위해서 이온화챔버(122)는 적정한 내부압력을 유지해야한다. 상기 이온화챔버(122) 내에서 플라즈마가 안정적으로 유지되기 위해 적절한 내부압력은 최소 10-3torr이며 보다 바람직하게는 1torr ~ 10-2torr에서 원활하게 동작한다.
상기 이온화챔버(122)가 “공정챔버, 기판처리장치(200)의 배기라인(FL), 또는 가스공급부” 보다 상대적으로 낮은 내부압력을 유지함에 따라 분석대상가스가 이온화챔버(122)로 유입될 수 있다.
상기 이온화챔버(122)는 길이를 가지며 내부공간을 형성하는 중공형 챔버(원형 또는 각형)로서, 상기 이온화챔버(122)의 양단에는 분석대상가스가 유입되는 유입구(122a)와 상기 이온화된 이온화가스가 유출되는 유출구(122b)가 형성될 수 있다.
상기 유입구(122a)는, “공정챔버, 기판처리장치(200)의 배기라인(FL), 또는 가스공급부”와 연통되어 유입구(122a)를 통해 분석대상가스가 이온화챔버(122) 내로 유입될 수 있다.
상기 유출구(122b)는 이온화챔버(122) 내에서 이온화된 이온화가스를 유출하는 개구로서, 유출구(122b)를 통해 유출된 이온화가스는 후술하는 질량분석부(130)로 유입될 수 있다.
상기 유입구(122a) 및 상기 유출구(122b)는 상기 이온화챔버(122)의 길이방향에 평행한 일직선 상에 위치될 수 있다. 이때, 상기 유입구(122a)의 중심을 지나는 중심축과 유출구(122b)의 중심을 지나는 중심축이 일치할 수 있다.
상기 이온화부(120)는 제1연결관(102)을 통해 “공정챔버, 배기라인(FL), 또는 가스분석부”에 연통될 수 있다. 분석대상가스는 제1연결관(102)을 지나 이온화챔버(122)의 유입구(122a)로 유입될 수 있다.
상기 제1연결관(102)은 상기 이온화부(120)를 “공정챔버, 배기라인(FL), 또는 가스분석부”에 연통시키기 위한 구성으로, 제1연결관(102)에는 개폐가 제어되는 제1제어밸브(CV1)가 설치될 수 있다. 또한, 상기 제1연결관(102)에는 제1연결관(102)의 압력을 센싱하기 위한 압력센서(P)가 추가로 설치될 수 있다.
상기 제1제어밸브(CV1)은 개폐가 제어될 수 있다면 게이트밸브, 볼밸브, 버터플라이밸브, 콕밸브, 다이어프램밸브 등 다양한 밸브가 가능하다.
상기 질량분석부(130)는, 이온화부(120)로부터 유입된 이온화가스를 질량분석하는 구성으로 다양한 구성이 가능하다.
상기 질량분석부(130)는 이온화가스를 구성하는 이온의 질량을 질량대 전하비로 측정할 수 있는 장비로서, 이온화가스를 비전하에 따라 분리시킬 수 있는 필터를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 질량분석부(130)는 사중극자 질량분석기로서, 사중극자 필터(132)와, 상기 이온화부(120)로부터 유입된 상기 이온화가스를 상기 사중극자 필터(132)로 전달하는 이온옵틱(134)와, 상기 사중극자 필터(132)를 통과한 이온들에 의해 생성되는 신호를 검출하는 검출부(136)를 포함할 수 있다.
상기 사중극자 필터(132)는 4개의 평행한 금속막대로 이루어지며 각 금속막대에 인가되는 전압은 통과하는 이온의 이동경로에 영향을 주므로 인가된 전압에 대해 일정한 질량대 전하비를 가지는 이온들만 경로를 따라 이동하고 다른 이온들은 경로를 벗어나게 되므로, 다양한 전압에 따라 사중극자 필터(132)를 통과하는 이온들을 측정하여 질량 스펙트럼이 얻어질 수 있다. 사중극자 질량분석의 원리는 종래 널리 알려진 것으로 상세한 설명은 생략한다.
상기 이온옵틱(134)은 사중극자 필터(132) 전단에 배치되어 불필요한 입자들을 제외시킨 후 이온화가스를 사중극자 필터(132)로 전달할 수 있다.
이온화챔버(122)에서 분석대상가스가 이온화되기는 하나 분석대상이 되는 이온들 이외에도 전자나 중성입자가 혼재하게 되는데, 이온옵틱(134)은 사중극자 필터(132)로 분석대상이 되는 이온들이 최대한 입사되고 불필요한 전자나 중성입자들은 사중극자 필터(132)로 입사되지 않도록 할 수 있다. 이를 통해 분해능 및 감도가 개선되고 노이즈가 저감될 수 있다.
상기 검출부(136)는, 상기 사중극자 필터(132)를 통과한 이온들에 의해 생성되는 신호를 검출하는 구성으로 다양한 구성이 가능하다.
사중극자 필터(132)를 통과한 이온들은 검출부(136)로 들어오는데, 검출부(136)는 포획된 이온이 만드는 신호를 검출하여 질량 스펙트럼(Mass spectrum)이 도출될 수 있다. 상기 검출부(136)는, 예로서, Electron multiplier, 패러데이 컵(Faraday cup), 또는 SEM (secondary electron multiplier)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 상기 질량분석부(130)는, 분석 대상인 이온(양이온)이 검출부(136)까지 전기장에 의한 영향만으로 운동하는 것이 이상적이므로 입자간 충돌이 발생하지 않기 위해 고진공 분위기에서 동작하며, 보다 구체적으로는, 내부압력이 최대 10-3 torr 이하로 유지되어야 하고 10-4torr 이하에서 원활하게 동작한다.
이를 위해, 가스분석장치(100)는, 질량분석부(130)의 내부압력을 조절하기 위하여 상기 질량분석부(130)에 결합되는 진공펌프(140)를 포함한다.
상기 진공펌프(140)는 질량분석부(130)의 진공도를 낮게 유지하기 위하여 고진공 펌프인 터보펌프(140a)로 구성될 수 있고, 터보펌프를 지원하기 위한 보조펌프(backing pump, 140b)를 추가로 구비할 수 있다.
또한, 상기 질량분석부(130)는, 도 7에 도시된 바와 같이, 진공도를 감지하기 위한 압력센서(131)를 추가로 구비할 수 있다.
질량분석부(130)는 진공펌프(140)에 의해 고진공의 내부압력이 형성되므로, 상대적으로 높은 내부압력이 형성되는 이온화챔버(122) 내의 이온화가스가 질량분석부(130)로 유입될 수 있다.
이때, 상기 질량분석부(130)는 제2연결관(104)을 통해 배기라인(FL)에 연통될 수 있다. 질량분석부(130) 내의 입자들은 제2연결관(104)을 지나 배기라인(FL)으로 유입될 수 있다.
상기 제2연결관(104)은 상기 질량분석부(130)를 상기 배기라인(FL)에 연통시키기 위한 구성으로, 제1연결관(102) 보다 배기라인(FL)의 하류 측에 연통되며, 제2연결관(104)에는 개폐가 제어되는 제2제어밸브(CV2)가 설치될 수 있다.
상기 제2제어밸브(CV2)는 개폐가 제어될 수 있다면 게이트밸브, 볼밸브, 버터플라이밸브, 콕밸브, 다이어프램밸브 등 다양한 밸브가 가능하다.
또한, 상기 제2연결관(104)에는 상술한 진공펌프(140)가 설치될 수 있다.
상술한 구성을 포함하는 가스분석장치(100)는, 가스분석장치(100)의 동작을 제어하기 위한 제어부(190)를 포함할 수 있다.
상기 제어부(190)는 상기 제1제어밸브(CV1)의 개폐를 제어할 수 있으며, 상기 가스분석장치(100)가 제2제어밸브(CV2)도 포함하는 경우 상기 제어부(190)는 제2제어밸브(CV2)의 개폐동작도 제어할 수 있음은 물론이다.
상기 제어부(190)는 기판처리시스템 전체 동작에 대한 컨트롤을 가능하게 구성되거나 또는 기판처리시스템의 메인제어부로부터의 제어신호에 따라 가스분석장치(100)의 동작을 제어하도록 구성될 수 있다.
기판처리공정에 대한 모니터링이나 진단은 기판처리공정 중 지속적으로 수행될 필요가 없는 경우가 있다. 가스분석이 기판처리공정 중 일정 시간 동안만 이루어지면 충분함에도 불구하고 기판처리공정 중 다량의 분석대상가스가 가스분석장치(100)로 지속적으로 유입되는 경우 가스분석장치(100)의 오염이 가속화되는 문제점이 있다.
배경기술에 기재된 한국공개특허 제10-2008-0019279호 또한 분석대상이 되는 입자들이 다량으로 인클로저로부터 돌출부의 내부공간으로 지속적으로 유입되므로 상기 오염문제를 그대로 포함한다.
본 발명은 제1연결관(102)에 제1제어밸브(CV1)를 설치하고 제어부(190)가 가스분석장치(100)의 동작(가스분석 수행 또는 가스분석 중지)에 따라 제1제어밸브(CV1)의 개폐를 제어함으로써, 가스분석이 불필요한 경우 제어부(190)가 제1제어밸브(CV1)를 폐쇄하여 가스분석장치(100) 내로 분석대상가스가 유입되지 않도록 할 수 있고, 그에 따라 가스분석장치(100)의 오염을 감소시킬 수 있는 이점이 있다.
또한, 종래 가스분석장치는 가스분석장치로 유입된 가스가 배기되지 않아 잔류한 입자들에 의해 가스분석장치의 오염이 유발될 수 있으나, 본 발명은 제2연결관(104)을 통해 질량분석부(130) 내의 입자들을 배기라인(FL)으로 배기시켜 가스분석장치(100) 내의 오염을 최소화할 수 있는 이점이 있다.
상기 제어부(190)는 제1제어밸브(CV1) 및 제2제어밸브(CV2) 뿐만 아니라, 이온화부(120), 질량분석부(130), 및 후술하는 클리닝부(170)의 동작도 제어할 수 있다.
한편, 상기 가스분석장치(100)의 정상적인 동작을 위한 이온화챔버(122)의 진공도는 질량분석부(130)의 진공도와 서로 상이하다. 질량분석부(130)는 내부압력이 최대 10-3 torr 이하로 유지되어야 하고 10-4torr 이하에서 원활하게 동작하는데 비해, 이온화챔버(122)는 그 보다 높은 압력 범위(최소 10-3torr, 보다 바람직하게는 1torr ~ 10-2torr)에서 원활하게 동작하므로, 이온화챔버(122) 내에서 안정적인 플라즈마 형성을 위해서는 내부 압력조건 또한 안정적으로 유지될 수 있어야 한다.
질량분석부(130)는 진공펌프(140)에 의해 고진공 분위기가 형성되고 유지될 수 있으나, 이온화챔버(122)는 “공정챔버, 배기라인(FL), 또는 가스분석부” 및 질량분석부(130)와 연통되어 있고 별도의 압력조절을 위한 펌프가 설치되지 않으므로 이온화챔버(122) 내의 압력을 적정한 범위에서 유지하기 위한 수단이 필요하다.
특히, 공정챔버는 공정 종류에 따라 10-2torr에서 10torr 사이의 넓은 범위의 압력을 가지므로, 넓은 공정압력 범위에서 가스분석장치(100)를 장시간 사용(3개월 이상 연속 사용)하기 위해서는 이온화챔버(122)의 적정 진공도가 안정적으로 유지되는 것이 필수적이다.
이를 위해, 본 발명에 따른 가스분석장치(100)는 분석대상가스가 상기 이온화부(120)로 유입되는 유입경로와 상기 이온화부(120)로부터 상기 이온화가스가 유출되는 유출경로 상에 각각 설치되는 가스유로 오리피스(150) 및 이온유로 오리피스(160)를 포함한다.
상기 가스유로 오리피스(150)는, 분석대상가스가 이온화챔버(122)로 유입되는 유입경로에 설치될 수 있다.
상기 가스유로 오리피스(150)는 분석대상가스가 이온화부(120)의 이온화챔버(122)로 유입되는 유입경로 상에 설치되는 작은 구멍이 형성된 플레이트(Plate, 판)로, 상기 구멍은 분석대상가스의 이동방향을 따라 직경이 동일한 원통형 개구이거나 또는 분석대상가스의 이동방향을 따라 직경이 증가하거나 감소하는 콘형 개구일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 다양한 형상이 가능함은 물론이다.
상기 가스유로 오리피스(150)에 형성되는 구멍은 하나 또는 복수로 구비될 수 있다.
또한, 상기 가스유로 오리피스(150)는 복수로 구비될 수 있고, 복수의 가스유로 오리피스(150)들은 서로 간격을 두고 배치되어 다단구조를 형성할 수 있다. 상기 복수의 가스유로 오리피스(150)들에 형성되는 구멍의 크기는 모두 동일하거나 또는 분석대상가스 유입방향으로 가며 가변될 수 있다.
상기 가스유로 오리피스(150)가 복수로 구비되어 여러 개의 작은 구멍을 가진 오리피스의 조합으로 구성된 경우, 상기 복수의 가스유로 오리피스(150)들에 형성되는 구멍들의 중심은 동축상 배치될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 가스유로 오리피스(150)가 설치된 유로 상에는 개폐가 제어(전기신호로 제어)되는 밸브가 추가로 설치될 수 있다.
예로서, 상기 밸브는 가스유로 오리피스(150) 전단에 설치되어 개폐 정도가 제어됨으로써 가스유로 오리피스(150)를 통과하는 가스의 유량이 조절될 수 있다.
일 실시예로서, 도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 가스유로 오리피스(150)는 상기 분석대상가스의 유입경로 중 이온화챔버(122)의 유입구(122a) 측에 설치될 수 있다.
다른 실시예로서, 도 5 및 도 6을 참조하면, 가스분석장치(100)는 이온화부(120) 전단에 설치되는 가스유입챔버(110)를 추가로 포함할 수 있고, 이때 상기 가스유로 오리피스(150)는 가스유입챔버(110)의 유입구(110a) 측에 설치될 수 있다.
상기 가스유입챔버(110)는 상기 “공정챔버, 배기라인(FL), 또는 가스공급부”로부터 상기 분석대상가스가 유입되는 유입구(110a)와 상기 이온화부(120)로 상기 분석대상가스가 유출되는 유출구(110b)가 형성되는 챔버로서 다양한 구성이 가능하다.
상기 가스유입챔버(110)는 내부에 분석대상가스가 유동할 수 있는 공간이 형성된다면 다양한 형상으로 형성될 수 있으며, 이온화챔버(122)와 유사하게 부식성 환경에서도 장시간 연속동작이 가능하도록 내부가 세라믹, 석영, 사파이어 등 내식성 재질로 이루어질 수 있다.
상기 가스유입챔버(110)는 이온화챔버(122) 전단에 설치되어 유입된 분석대상가스가 이온화챔버(122)로 전달되도록 구성될 수 있다.
상기 가스유입챔버(110)에는 상기 분석대상가스가 유입되는 유입구(110a)와 상기 이온화부(120)로 상기 분석대상가스가 유출되는 유출구(110b)가 형성될 수 있다.
이때, 상기 가스유로 오리피스(150)는 도 3 또는 도 4에 도시된 바와 같이 가스유입챔버(110)의 유출구(110b) 측에 설치되거나, 도 5 또는 도 6에 도시된 바와 같이 상기 가스유입챔버(110)의 유입구(110a) 측에 설치될 수 있다.
도시하지는 않았으나, 상기 가스유로 오리피스(150)가 가스유입챔버(110) 전단 제1연결관(102) 내에 설치되거나 가스유입챔버(110)와 이온화부(120) 사이에 별도로 구비되는 유로에 설치되는 예도 가능함은 물론이다.
상기 이온유로 오리피스(160)는, 이온화부(120)로부터 이온화가스가 유출되는 유출경로 상에 설치될 수 있다.
상기 이온유로 오리피스(160)는 이온화가스가 이온화부(120)의 이온화챔버(122)에서 유출되는 유출경로 상에 설치되는 작은 구멍이 형성된 플레이트(Plate, 판)로, 분석대상가스의 이동방향을 따라 직경이 동일한 원통형 개구이거나 또는 분석대상가스의 이동방향을 따라 직경이 증가하거나 감소하는 콘형 개구일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 다양한 형상이 가능함은 물론이다.
상기 이온유로 오리피스(160)에 형성되는 구멍은 하나 또는 복수로 구비될 수 있다.
또한, 상기 이온유로 오리피스(160)는 복수로 구비될 수 있고, 복수의 이온유로 오리피스(160)들은 서로 간격을 두고 배치되어 다단구조를 형성할 수 있다. 상기 복수의 이온유로 오리피스(160)들에 형성되는 구멍의 크기는 모두 동일하거나 또는 이온 유입방향으로 가며 가변될 수 있다.
상기 복수의 이온유로 오리피스(160)들에 형성되는 구멍들의 중심은 동축상 배치될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 이온유로 오리피스(160)가 복수로 구비되어 여러 개의 작은 구멍을 가진 오리피스의 조합으로 구성된 경우, 상기 복수의 이온유로 오리피스(160)들에 형성되는 구멍들의 중심은 동축상 배치될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 이온유로 오리피스(160)가 설치된 유로 상에는 개폐가 제어(전기신호로 제어)되는 밸브가 추가로 설치될 수 있다.
예로서, 상기 밸브는 이온유로 오리피스(160) 전단에 설치되어 개폐 정도가 제어됨으로써 이온유로 오리피스(160)를 통과하는 이온의 유량이 조절될 수 있다.
또한, 상기 복수의 이온유로 오리피스(160)들은, 전압을 인가함으로써 자체적으로 이온옵틱스로 기능할 수도 있다.
일 실시예로서, 도 3 내지 도 6을 참조하면, 상기 이온유로 오리피스(160)는 이온화챔버(122)의 유출구(122b) 측에 설치될 수 있다.
도 3 내지 도 6은 이온유로 오리피스(160)가 이온화부(120)의 유출구(122b) 측에 설치되는 예를 도시한 것이지만, 이온유로 오리피스(160)가 이온화부(120)와 질량분석부(130) 사이에 구비되는 별도의 유로에 설치되거나 질량분석부(130)의 유입구 측에 설치되는 예도 가능함은 물론이다.
상기 이온화챔버(122)를 사이에 두고 가스유로 오리피스(150)와 이온유로 오리피스(160)가 설치되어 이를 통해 분석대상가스가 유입되고 이온화가스가 유출됨에 따라, 동작 중 이온화챔버(122) 내부압력이 미리 설정된 압력범위 내에서 안정적으로 유지될 수 있다.
또한, 종래 가스분석장치는 가스유로 오리피스(150)를 포함하지 않으므로 가스분석장치 내로 많은 양의 가스가 유입되고 그에 따라 오염도가 커지는 문제점이 있으나, 본 발명은 가스유로 오리피스(150)를 포함함으로써 가스분석장치(100)로 유입되는 분석대상가스의 유입량을 크게 감소시켜 가스분석장치(100)의 오염을 크게 감소시킬 수 있는 이점이 있다.
이때, 상기 가스유로 오리피스(150)의 직경은 상기 이온유로 오리피스(160)의 직경 보다 작게 형성될 수 있다. 상기 이온유로 오리피스(160)의 크기가 과도하게 작아지면 질량분석부(130)의 감도가 저하되고, 오리피스가 작은 오염물질에도 쉽게 막히는 문제가 있으므로 이온유로 오리피스(160)의 크기는 일정 정도 이상의 크기를 유지할 필요가 있다.
상기 가스유로 오리피스(150)의 크기는 이온화챔버(122)의 적정 내부압력을 고려하여 치수설계될 수 있다.
한편, 도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 가스유로 오리피스(150) 및 상기 이온유로 오리피스(160)는 동축 상에 위치될 수 있다.
이때, 상기 가스유로 오리피스(150)의 중심축은 상기 이온유로 오리피스(160)의 중심축과 일치할 수 있고, 상기 중심축은 이온화챔버(122)의 길이방향에 평행할 수 있다.
다른 예로서, 도 5 및 도 6을 참조하면, 상기 가스유로 오리피스(150)의 중심축 및 상기 이온유로 오리피스(160)의 중심축은 서로 한점에서 교차하도록 배치될 수 있고, 바람직하게는 상기 가스유로 오리피스(150)의 중심축 및 상기 이온유로 오리피스(160)의 중심축이 수직으로 교차될 수 있다.
다른 예로서, 상기 가스유로 오리피스(150)의 중심축 및 상기 이온유로 오리피스(160)의 중심축은 서로 평행하거나 또는 꼬인 위치에 배치될 수 있다
상기 가스유로 오리피스(150) 및 이온유로 오리피스(160)는 작은 구멍이 형성된 플레이트이므로 장기간 사용 시 오염되어 개구의 일부가 막히면 정상적인 동작이 어려울 수 있다. 오염된 가스유로 오리피스(150)와 이온유로 오리피스(160)를 클리닝하거나 새로운 부품으로 교체하기 위해서는 가스분석장치(100)를 기판처리장치에서 분리한 후 재설치해야 하는데, 이 경우 기판처리공정의 연속성에 영향을 주는 문제점이 있다.
이를 위해, 본 발명에 따른 가스분석장치(100)는 상기 가스유로 오리피스(150) 및 이온유로 오리피스(160)를 클리닝하는 클리닝부(170)를 추가로 포함한다.
상기 클리닝부(170)는, 가스유로 오리피스(150) 및 이온유로 오리피스(160)에 레이저를 조사하여 가스유로 오리피스(150) 및 이온유로 오리피스(160)에 적층된 오염물질을 제거(승화, 증발)시킬 수 있다.
상기 레이저의 파장은 가스유로 오리피스(150) 및 이온유로 오리피스(160)에 영향을 주지 않으면서 표면의 오염물질만을 제거할 수 있도록 조정될 수 있다.
한편, 상기 가스분석장치(100)가 이온유로 오리피스(160)만을 포함하는 경우 상기 클리닝부(170)는 이온유로 오리피스(160)를 클리닝하기 위한 클리닝수단일 수 있다.
이때, 상기 클리닝부(170)는, 제1레이저광원과, 상기 제1레이저광원에서 출사되는 레이저가 상기 이온유로 오리피스(160)로 향하도록 하는 제1광학계를 포함할 수 있다.
상기 제1레이저광원에서 출사된 레이저는 제1광학계를 통과해 이온유로 오리피스(160)에 포커싱될 수 있다. 상기 제1광학계는 출사된 레이저의 광로를 형성하는 구성으로 다양한 구성이 가능하며, 하나 이상의 렌즈 또는 반사부재를 포함할 수 있다.
상기 가스분석장치(100)가 도 3 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 이온화부(120)로 상기 분석대상가스가 유입되는 유입경로 상에 가스유로 오리피스(150)가 추가로 설치되는 경우, 상기 가스유로 오리피스(150) 또한 클리닝부(170)에 의해 클리닝될 수 있음은 물론이다.
상기 가스유로 오리피스(150)와 이온유로 오리피스(160)가 동축 상에 위치되는 경우, 상기 제1광학계는, 레이저가 상기 가스유로 오리피스(150) 또는 상기 이온유로 오리피스(160)에 포커싱 되도록 레이저의 초점을 조절하는 초점조절부를 포함할 수 있다.
상기 가스분석장치(100)가 가스유입챔버(110)를 포함하는 경우, 상기 클리닝부(170)는 상기 가스유입챔버(110) 외부에 설치될 수 있다.
이때, 상기 가스유입챔버(110)에는 상기 클리닝부(170)에서 조사된 레이저가 투과 가능한 제1윈도우(115)가 설치될 수 있다.
상기 제1윈도우(115)를 통과한 레이저는 가스유로 오리피스(150) 및 이온유로 오리피스(160)에 포커싱되어 가스유로 오리피스(150) 및 이온유로 오리피스(160)를 클리닝할 수 있다.
도 4는 단일한 제1레이저광원 및 제1광학계를 이용해 가스유로 오리피스(150) 및 이온유로 오리피스(160)를 모두 클리닝할 수 있도록 구성된 실시예를 도시한 것이다.
반면, 도 5 내지 6에 도시된 바와 같이, 상기 가스유로 오리피스(150)가 상기 가스유입챔버(110)의 상기 유입구(110a) 측에 설치되어, 상기 가스유로 오리피스(150)의 중심축 및 상기 이온유로 오리피스(160)의 중심축이 서로 한점에서 교차하도록 배치되는 경우, 상기 가스유입챔버(110)에 상기 클리닝부(170)에서 조사된 레이저가 투과 가능한 제2윈도우(117)가 추가로 설치될 수 있다.
또한, 상기 가스유로 오리피스(150)가 상기 가스유입챔버(110)의 상기 유입구(110a) 측에 설치되어, 상기 가스유로 오리피스(150)의 중심축 및 상기 이온유로 오리피스(160)의 중심축이 서로 평행하거나 또는 꼬인 위치에 배치되는 경우에도, 상기 가스유입챔버(110)에 상기 클리닝부(170)에서 조사된 레이저가 투과 가능한 제2윈도우(117)가 추가로 설치될 수 있다.
이때, 상기 클리닝부(170)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 제2레이저광원과, 상기 제2레이저광원에서 조사되는 레이저광이 상기 제2윈도우(117)를 통해 상기 가스유로 오리피스(150)로 향하도록 하는 제2광학계를 추가로 포함할 수 있다. 상기 제2광학계는 레이저의 이동경로를 형성하는 구성으로 다양한 구성이 가능하며, 하나 이상의 렌즈 또는 반사부재를 포함할 수 있다.
즉, 상기 클리닝부(170)는 상기 제1레이저광원 및 제1광학계를 포함하는 제1클리닝유닛(170a)과 제2레이저광원 및 제2광학계를 포함하는 제2클리닝유닛(170b)를 별도로 구비할 수 있다.
상기 제1클리닝유닛(170a)은 이온유로 오리피스(160)의 클리닝을 위한 것으로 제1클리닝유닛(170a)에서 조사된 레이저는 제1윈도우(115)를 투과해 이온유로 오리피스(160)에 포커싱될 수 있다.
상기 제2클리닝유닛(170b)은 가스유로 오리피스(150)의 클리닝을 위한 것으로 제2클리닝유닛(170b)에서 조사된 레이저는 제2윈도우(117)를 투과해 가스유로 오리피스(150)에 포커싱될 수 있다.
상기 제1클리닝유닛(170a) 및 제2클리닝유닛(170b)은 제어부(190)에 의해 서로 독립적으로 제어되어 동작될 수 있다.
또한, 상기 클리닝부(170)는, 도 6에 도시된 바와 같이, 단일한 제1레이저광원을 포함하며 출사된 레이저를 2개의 광로 빔분할하여 가스유로 오리피스(150)와 이온유로 오리피스(160)를 클리닝할 수 있다.
이를 위해, 상기 제1광학계는, 상기 제1레이저광원에서 출사된 레이저광을 2개의 분할광으로 분할하는 빔분할부(172)와, 상기 빔분할부(172)에서 분할된 2개의 분할광이 각각 제1윈도우(115) 및 제2윈도우(117)를 통과해 상기 이온유로 오리피스(160) 및 상기 가스유로 오리피스(150)로 향하도록 하는 하나 이상의 반사부재(174)를 포함할 수 있다.
상기 빔분할부(172)에서 분할된 2개의 분할광은 각각 제1윈도우(115) 및 제2윈도우(117)를 통과해 상기 이온유로 오리피스(160) 및 상기 가스유로 오리피스(150)로 각각 조사될 수 있다.
도 4 및 도 6과 같이 클리닝부(170)가 단일한 제1레이저광원을 포함하는 경우 상기 가스유로 오리피스(150) 및 상기 이온유로 오리피스(160)는 동시에 클리닝하거나 또는 순차로 시분할 클리닝될 수 있다. 단일한 제1레이저광원으로 2개의 오리피스(150, 160)를 동시에 클리닝하는 경우 높은 출력의 광원을 적용해야 하나, 2개의 오리피스(150, 160)를 시분할 클리닝하는 경우 상대적으로 낮은 출력의 레이저광원을 적용할 수 있는 이점이 있다.
상기 가스유로 오리피스(150) 및 상기 이온유로 오리피스(160)가 단일한 제1레이저광원을 이용해 시분할 클리닝되는 경우, 상기 클리닝부(170)의 제1광학계는 상기 제1레이저광원에서 출사되는 레이저광이 상기 가스유로 오리피스(150) 또는 상기 이온유로 오리피스(160)로 선택적으로 조사되도록 광로를 조정하는 광로조정수단을 포함할 수 있다.
상기 광로조정수단은 제1레이저광원에서 출사되는 레이저광이 상기 가스유로 오리피스(150) 또는 상기 이온유로 오리피스(160)로 선택적으로 조사되도록 광로를 조정할 수 있다면 다양한 구성이 가능하며, 예로서 반사광의 방향을 조정할 수 있는 회전하는 미러 스캐너를 포함할 수 있다.
상기 오리피스(150, 160)에 대한 클리닝 시점은 다양한 방식으로 결정될 수 있다.
예로서, 상기 클리닝부(170)는, 미리 설정된 시간간격 또는 미리 설정된 시점에 오리피스(150, 160)에 대한 클리닝을 수행할 수 있다.
다른 예로서, 상기 클리닝부(170)는, 상기 이온유로 오리피스(160)의 오염도를 감지하는 오염감지부를 추가로 포함할 수 있다.
상기 오염감지부는 상기 이온유로 오리피스(160)의 개구의 크기가 오염물질에 의해 막혔는지 여부를 감지할 수 있다면 다양한 구성이 가능하며, 예로서 상기 이온유로 오리피스(160)를 통과하는 이온화가스의 양을 검출하는 센서일 수 있다.
상기 오염감지부는 가스유로 오리피스(150)의 오염도도 함께 감지하도록 구성될 수 있음은 물론이다.
상기 오염감지부를 통해 상기 이온유로 오리피스(160)(또는 가스유로 오리피스(150)의 오염도를 감지하여 클리닝 개시 시점이 결정될 수 있다. 즉, 감지된 오염도가 미리 설정된 기준을 넘어서는 경우 클리닝 프로세스가 개시될 수 있다.
예로서, 상기 가스분석장치(100)에서 검출된 오리피스(150, 160)의 오염도가 미리 설정된 기준을 벗어나는 경우, 상기 제어부(190)는 오리피스(150, 160)에 대한 클리닝 프로세스가 개시되도록, 제1제어밸브(CV1), 제2제어밸브(CV2)를 폐쇄하고 이온화부(120) 및 질량분석부(130)의 동작을 중단시키며, 클리닝부(170)의 작동을 개시할 수 있다.
상기 제어부(190)는 기판처리공정에 영향을 주지 않으며 효과적인 클리닝이 가능하도록 클리닝부(170)의 클리닝 시점, 클리닝 시간, 및 클리닝 간격을 제어할 수 있다.
또한, 상기 가스분석장치(100)는, 상기 분석대상가스를 분광분석하는 분광분석부(180)를 추가로 포함할 수 있다.
상기 분광분석부(180)는 분광센서를 포함하는 OES(Optical Emission Spectroscopy)로서 분석대상가스의 광스펙트럼을 감지하고 감지된 신호는 제어부(190)로 전달될 수 있다.
이를 위해, 상기 가스분석장치(100)의 가스유입챔버(110)에 광투과 가능한 제3윈도우(119)가 추가로 설치될 수 있다.
상기 제3윈도우(119)는 상기 제1윈도우(115) 및 제2윈도우(117)와 간섭되지 않는 위치에 설치되며, 상기 분광분석부(180)는 제3윈도우(119)를 통과한 광에 대한 분광분석을 수행할 수 있다.
한편, 상기 제어부(190)는 기판처리시스템 운용을 위한 소프트웨어(SW)가 설치된 단말(500, PC 등)과 통신하며 가스분석장치(100)로부터 검출되는 검출값을 기초로 가스분석장치(100)의 동작을 제어할 수 있다.
상기 가스분석장치(100)로부터 검출되는 검출값은 이온화가스의 질량스펙트럼, 오리피스(150, 160)의 오염도, 내부 압력값 등 다양한 측정 데이터를 포함할 수 있다.
도 3 내지 도 7은 본 발명에 따른 가스분석장치(100)가 배기라인(FL)에 설치된 예를 도시하였으나, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니며, 가스분석장치(100)가 공정챔버, 배기라인(FL), 또는 상기 공정챔버로 공정가스를 공급하기 위한 가스공급부에 결합되는 실시예도 동일하게 구현 가능하다.
이상은 본 발명에 의해 구현될 수 있는 바람직한 실시예의 일부에 관하여 설명한 것에 불과하므로, 주지된 바와 같이 본 발명의 범위는 위의 실시예에 한정되어 해석되어서는 안 될 것이며, 위에서 설명된 본 발명의 기술적 사상과 그 근본을 함께하는 기술적 사상은 모두 본 발명의 범위에 포함된다고 할 것이다.
100: 가스분석장치 200: 기판처리장치

Claims (14)

  1. 기판처리시스템에 설치되는 가스분석장치(100)로서,
    유입된 분석대상가스를 이온화시켜 이온화가스를 생성하는 이온화부(120)와; 상기 이온화부(120)로부터 유입된 이온화가스를 질량분석하는 질량분석부(130)와; 상기 질량분석부(130)의 내부압력을 조절하기 위하여 상기 질량분석부(130)에 결합되는 진공펌프(140)와; 상기 분석대상가스가 상기 이온화부(120)로 유입되는 유입경로와 상기 이온화부(120)로부터 상기 이온화가스가 유출되는 유출경로 상에 각각 설치되는 가스유로 오리피스(150) 및 이온유로 오리피스(160);를 포함하고,
    상기 이온화부(120)의 내부압력은 상기 가스유로 오리피스(150) 및 상기 이온유로 오리피스(160)에 의해 미리 설정된 압력범위 내에서 유지되는 것을 특징으로 하는 가스분석장치(100).
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 가스유로 오리피스(150)의 직경은 상기 이온유로 오리피스(160)의 직경보다 작은 것을 특징으로 하는 가스분석장치(100).
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 이온화부(120)는,
    상기 분석대상가스가 이온화되는 내부공간이 형성되는 이온화챔버(122)와, 상기 이온화챔버(122) 내부공간에 이온화를 위한 유도전계를 형성하는 전극부(124)와, 상기 전극부(124)로 RF전력을 인가하는 RF전원(126)을 포함하며,
    상기 이온화챔버(122)의 양단에는 상기 분석대상가스가 유입되는 유입구(122a)와 상기 이온화된 이온화가스가 유출되는 유출구(122b)가 형성되는 것을 특징으로 하는 가스분석장치(100).
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 유입구(122a) 및 상기 유출구(122b)는 상기 이온화챔버(122)의 길이방향에 평행한 일직선 상에 위치되는 것을 특징으로 하는 가스분석장치(100).
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 전극부(124)는 상기 이온화챔버(124)의 외주면에 권선되는 코일인 것을 특징으로 하는 가스분석장치(100).
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 가스유로 오리피스(150) 및 상기 이온유로 오리피스(160)는 동축 상에 위치되는 것을 특징으로 하는 가스분석장치(100).
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 가스분석장치(100)는, 상기 이온화부(120) 전단에 설치되며 상기 분석대상가스가 유입되는 유입구(110a)와 상기 이온화부(120)로 상기 분석대상가스가 유출되는 유출구(110b)가 형성되는 가스유입챔버(110)를 추가로 포함하며,
    상기 가스유로 오리피스(150)는 상기 가스유입챔버(110)의 상기 유입구(110a) 측에 설치되는 것을 특징으로 하는 가스분석장치(100).
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 가스유로 오리피스(150)의 중심축 및 상기 이온유로 오리피스(160)의 중심축은 서로 한점에서 교차하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 가스분석장치(100).
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 가스유로 오리피스(150)의 중심축 및 상기 이온유로 오리피스(160)의 중심축은 서로 평행하거나 또는 꼬인 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 가스분석장치(100).
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 질량분석부(130)는, 사중극자 필터(132)와, 상기 이온화부(120)로부터 유입된 상기 이온화가스를 상기 사중극자 필터(132)로 전달하는 이온옵틱(134)와, 상기 사중극자 필터(132)를 통과한 이온들에 의해 생성되는 신호를 검출하는 검출부(136)를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스분석장치(100).
  11. 청구항 7에 있어서,
    상기 가스유입챔버(110)에 광투과 가능한 제1윈도우(115)가 설치되며,
    상기 가스분석장치(100)는, 상기 제1윈도우(115)를 통해 레이저를 조사하여 상기 가스유로 오리피스(150) 및 이온유로 오리피스(160)를 클리닝하는 클리닝부(170)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스분석장치(100).
  12. 청구항 7에 있어서,
    상기 가스유입챔버(110)에 광투과 가능한 제3윈도우(119)가 설치되며,
    상기 가스분석장치(100)는, 상기 제3윈도우(119)를 통해 상기 분석대상가스를 분광분석하는 분광분석부(180)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스분석장치(100).
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 가스분석장치(100)는, 기판처리를 위한 처리공간을 형성하는 공정챔버, 상기 처리공간의 가스를 외부로 배출하기 위한 배기라인(FL), 및 상기 공정챔버로 공정가스를 공급하기 위한 가스공급부 중 적어도 어느 하나에 결합되는 것을 특징으로 하는 가스분석장치(100).
  14. 기판처리를 위한 처리공간을 형성하는 공정챔버를 포함하는 기판처리장치(200)와; 상기 공정챔버로 공정가스를 공급하기 위한 가스공급부와; 청구항 1 내지 13 중 어느 하나의 항에 따른 가스분석장치(100);를 포함하며,
    상기 가스분석장치(100)는, 상기 기판처리를 위한 처리공간을 형성하는 공정챔버, 상기 처리공간의 가스를 외부로 배출하기 위한 배기라인(FL), 및 상기 공정챔버로 공정가스를 공급하기 위한 가스공급부 중 적어도 어느 하나에 결합되는 것을 특징으로 하는 기판처리시스템.
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