KR100440736B1

KR100440736B1 - 동축 병렬 안테나형 플라즈마 소스의 국소 인덕턴스직접조절 장치 및 방법

Info

Publication number: KR100440736B1
Application number: KR10-2001-0008157A
Authority: KR
Inventors: 오범환; 박세근
Original assignee: 오범환; 박세근
Priority date: 2001-02-19
Filing date: 2001-02-19
Publication date: 2004-07-15
Also published as: KR20020067810A

Abstract

본 발명은 동축 병렬 안테나형 플라즈마 소스의 국소 인덕턴스 직접조절 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은, RF 전류 경로가 변화되는 것에 의해서 인덕턴스가 변화되고, 변화된 인덕턴스 값에 따라 임피던스가 변화되는 방식으로 흐르는 전류의 양을 직접 조절하기 위한 안테나(30)를 구비하고 있는 것을 특징으로 한다. 따라서, 본 발명에 의하면 안테나(30)에 흐르는 전류의 양을 조절하여 RF 전력을 각 안테나(30)에 균등하게 분배함으로써 플라즈마 밀도를 균일하게 할 수 있으며, 부가적인 장비를 설치할 필요가 없으므로 시스템을 간단화시킬 수 있다.

Description

동축 병렬 안테나형 플라즈마 소스의 국소 인덕턴스 직접조절 장치 및 방법{Direct Inductance Controller for Coaxial Parallel ICP Antenna}

본 발명은 동축 병렬 안테나형 플라즈마 소스의 국소 인덕턴스 직접조절 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더 자세하게는 스파이럴 타입(Spiral type)의 안테나 에 흐르는 RF 전류의 경로를 변화시킴으로써, 플라즈마의 균일도를 향상시켜 식각 특성을 향상시킬 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 대면적의 실리콘 웨이퍼나 평판 디스플레이용 유리기판상에 박막을 증착하거나 패턴을 형성하기 위해서 비평형 저온 플라즈마를 사용하며, 플라즈마를 생성시키기 위해서 안테나에 약 10kV 내외의 전압, 약 10A의 전류를 인가하여 약 13.56MHz의 높은 고주파 RF전력을 인가한다. 대면적에서 매우 균일한 플라즈마 밀도를 얻기 위해서는 플라즈마에 에너지를 효율적으로 전달하여 안테나에서 소비되는 전력은 줄이고 플라즈마에 전이되는 전력의 양을 높일 수 있는 RF 안테나를 설계하여야 한다.

그러나, 도 1(a)와 같이 평면형(직렬연결형) ICP 안테나의 경우 안테나의 모든 부분에 같은 양의 전류가 흐르게 되지만, 코일 형태로 감겨 있어 안테나의 안쪽에 코일이 밀하게 모여 있으므로 전체적으로 안테나 안쪽의 전류 분포가 커지게 된다. 이에 따라 중심부의 플라즈마 밀도가 더 높아지게 되어 플라즈마 밀도가 균일하지 않게 되며, 큰 L값으로 인해 높은 인덕턴스를 가지게 되어 임피던스(Z=2**13.56MHz*L)가 높아지므로 안테나에서 소비되는 RF 전력이 높아지게 된다는 문제점이 있었다. 또한, 대면적하에서는 안테나 크기가 증가하면 임피던스가 커지게 되어 RF전력 손실로 인한 결합효율의 저하를 가져오고, 안테나 양단간의 전압차 증가로 인해 원치 않는 용량성 커플링 성분을 야기하게 되어 플라즈마의 특성에 안좋은 영향을 나타내게 된다는 문제점이 있었다.

이러한 평면형 ICP 안테나의 단점을 보완한 것으로서, 도 1(b)와 같이, 병렬 배열형 안테나가 개시되어 있지만, 이러한 병렬 배열형 안테나의 경우에는 안테나의 임피던스를 감소시켜 전체적으로 필요한 안테나 전압을 줄여줄 수는 있지만, 병렬로 연결된 안테나간의 임피던스 차이로 인하여 안테나에 균일한 전류를 인가할 수 없고, 상호유도 등의 문제로 인하여 임피던스와 출력에너지의 불균형이 나타나게 되며, 이로 인해 인가되는 가스 및 압력 조건에 민감한 특성을 갖고 있는 플라즈마의 밀도분포가 불균일하게 된다는 문제점이 있었다.

이러한 병렬 배열형 안테나의 단점을 보완한 것으로서, 도 1(c)와 같이, 안테나의 여러 턴을 각각 병렬로 연결한 병렬형 ICP 안테나가 개시되어 있지만, 이러한 병렬형 ICP 안테나의 경우에는 안테나 내부에서의 전위차를 줄일 수는 있지만, 각 안테나에 흐르는 전류의 양을 능동적으로 조절할 수가 없다는 문제점이 있었다.

이로 인하여, 평면형 ICP 안테나 또는 병렬 배열형 안테나 및 병렬형 ICP 안테나의 플라즈마 밀도분포를 균일하게 하기 위해서는, 각 병렬 안테나마다 전류의 양을 조절하기 위하여 각각 RF 발생기를 설치하거나 개별적인 정합 네트워크를 설치하여야 하므로, 부가적인 장비가 설치되는 것에 의해서 시스템이 복잡해지고 제작비용이 증가한다는 문제점이 있다.

본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 스파이럴 형태의 평면안테나에서 안테나에 흐르는 전류의 양을 조절하여 RF 전력을 각 안테나에 균등하게 분배함으로써 플라즈마 밀도를 균일하게 할 수 있는 것과 동시에, 부가적인 장비를 설치할 필요 없이 간단한 시스템으로 구현할 수 있는 동축 병렬 안테나형 플라즈마 소스의 국소 인덕턴스 직접조절 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

도 1(a)는 평면형 ICP 안테나의 단면도, 도 1(b)는 병렬 배열형 안테나의 단면도, 도 1(c)는 병렬형 ICP 안테나의 단면도이다.

도 2는 본 발명의 동축 병렬 안테나형 플라즈마 소스의 국소 인덕턴스 직접조절 장치의 전체 구성도이다.

도 3은 도 2에 있어서 안테나 코일(31), 더미로드(32), 및 전류조절기(34)로 구성되어 있는 안테나(30)를 위에서 본 확대도면이다.

도 4는 도 3에 있어서 안테나(30)의 전류조절기(34)의 조절봉(33)의 위치를 변화시키는 것에 의해서 RF 전류의 경로가 변화되는 것을 나타내는 도면이다.

도 5는 본 발명의 동축 병렬 안테나형 플라즈마 소스의 국소 인덕턴스 직접조절 방법의 알고리즘을 나타낸 플로우챠트이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *

10 : 정합 네트워크(matching network)

20 : 고주파전원(RF power supply)

30 : 안테나 31 : 안테나 코일

32 : 더미로드 33 : 조절봉

34 : 전류조절기

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, RF 전류 경로가 변화되는 것에 의해서 인덕턴스가 변화되고, 변화된 인덕턴스 값에 따라 임피던스가 변화되는 방식으로 흐르는 전류의 양을 직접 조절하기 위한 안테나를 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 동축 병렬 안테나형 플라즈마 소스의 국소 인덕턴스 직접조절 장치의 전체 구성도이고, 도 3은 도 2에 있어서 안테나 코일(31), 더미로드(32), 및 전류조절기(34)로 구성되어 있는 안테나(30)를 위에서 본 확대도면이며, 도 4는 도 3에 있어서 안테나(30)의 전류조절기(34)의 조절봉(33)의 위치를 변화시키는 것에 의해서 RF 전류의 경로가 변화되는 것을 나타내는 도면이다.

도 2에 표시한 바와 같이, 본 발명은 정합 네트워크(10), 고주파전원(20), 안테나(30), 유전체창(40), 공정챔버(50)로 구성되어 있다.

도 3에 표시한 바와 같이, 본 발명의 안테나(30)는 고주파전원(20)과 정합 네트워크(10)를 통하여 전력이 공급되는 스파이럴 형태의 안테나 코일(31)과, 전류의 경로를 가변시킬 수 있도록 상기 안테나 코일(31) 내부에 일정한 간격을 유지하며 설치되는 더미로드(32), 및 상기 더미로드(32)상에 위치변경이 가능하도록 부착되어 있고 조절봉(33)을 조절하여 위치를 이동시키는 것에 의해서 RF 전류의 경로를 변화시킬 수 있는 전류조절기(34)로 구성되어 있다.

도 4와 같이, 전류조절기(34)의 조절봉(33)의 위치를 변화시켜 전류조절기(34)를 더미로드(32)상에서 위치이동시키면 안테나 코일(31)과 더미로드(32)로 흐르는 RF 전류의 경로가 변화되어 안테나(30)의 인덕턴스가 변화되고, 변화된 인덕턴스 값에 따라 안테나(30)의 임피던스가 변화됨으로써 변화된 임피던스 값에 따라 안테나(30)에 흐르는 전류의 양을 조절할 수 있다.

안테나(30)에 부착되는 위치변경이 가능한 전류조절기(34)는 여러개 설치가 가능하고, 전류조절기(34)에 의해서 가변될 수 있는 인덕턴스의 값은 1.22μH에서 1.5μH까지이다.

도 5에 표시한 바와 같이, 우선, 각 안테나(30)의 전류조절기(34)의 위치를 변화시켜 각 안테나(30)의 인덕턴스를 일치시킴으로써 균등한 RF 전압의 분배를 가능하게 한다(S1). 그 다음, 2-20MHz 의 라디오 주파수 신호를 고주파전원(20)에서 발생시키고(S2), 전력전달 효율을 높이기 위해 정합 네트워크(10)를 통하여 각 안테나(30)에 전력을 병렬로 공급한다(S3). 공급된 전력에 의해서 안테나(30)에 원형방향의 전류가 흐르게 되고 이 원형방향의 전류가 수직방향의 시변화 자기장을 유도하여, 유도된 수직방향의 자기장에 의해서 원형방향의 시변화 전기장이 유도된다(S4). 유도된 원형방향의 전기장에 의해 전자가 가속되고, 가속된 전자가 공정 기체와 충돌하여 고밀도 저온 플라즈마를 발생시킨다(S5). 각 안테나(30)에 전류가 흐르게 되면 안테나(30)에서는 전류의 흐름을 방해하는 인덕턴스가 발생되며, 각 안테나(30)의 인덕턴스를 동일하게 맞춰 모든 안테나(30)의 임피던스를 동일하게 하더라도, 고주파전원(20)에서 각 안테나(30)까지의 연결방식, 상태 등 여러가지 변수에 의해 각 안테나(30)의 실제 임피던스 값은 동일하지 않을 수 있다. 이로 인하여, 전력 분배가 균등하게 이루어지지 않아 소스간의 플라즈마 밀도가 균일하지 않게 되는 경우가 발생할 수 있다. 이러한 경우, 각 안테나(30)의 전류조절기(34) 위치를 변화시켜 안테나 코일(31)과 더미로드(32)로 흐르는 RF 전류의 경로를 변화시킴으로써, 안테나(30)에 흐르는 전류의 양을 조절하여 RF 전력을 각 안테나(30)에 균등하게 분배하여 소스간의 플라즈마 균일도를 향상시킨다(S6).

따라서, 전류조절기(34)의 조절봉(33)의 위치를 변화시켜 안테나(30)에 흐르는 전류량을 조절함으로써, 직렬 연결된 안테나에서 문제가 되었던 높은 RF 전력 소비를 해결할 수 있는 것과 동시에 병렬 연결된 안테나에서 문제가 되었던 안테나간의 임피던스 차이를 능동적으로 제어할 수 있다.

또한, 여러 가지 조건에 민감한 플라즈마의 특성을 보다 쉽게 조절 할 수 있으며, 한번 설계한 안테나에 대하여 다양하게 사용할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 동축 병렬 안테나형 플라즈마 소스의 국소 인덕턴스 직접조절 장치 및 방법에 의하면, 스파이럴 형태의 평면안테나에서 각 안테나(30)의 전류조절기(34)의 조절봉(33)의 위치를 변화시켜 안테나 코일(31)과 더미로드(32)로 흐르는 RF 전류의 경로를 변화시킴으로써, 안테나(30)에 흐르는 전류의 양을 조절하여 RF 전력을 각 안테나(30)에 균등하게 분배하여 플라즈마 밀도를 균일하게 할 수 있다.

또한, 본 발명의 동축 병렬 안테나형 플라즈마 소스의 국소 인덕턴스 직접조절 장치 및 방법에 의하면, 안테나(30)의 전류분포를 능동적으로 제어하여 직렬연결과 병렬연결에서 문제가 되었던 플라즈마 밀도의 불균일 현상을 해결할 수 있을 뿐만 아니라, 부가적인 장비를 설치할 필요가 없으므로 시스템을 간단화시킬 수 있으며 제작비용을 절감시킬 수 있다.

Claims

삭제
정합 네트워크(10), 고주파전원(20), 유전체창(40), 공정챔버(50)를 설치하고 정합 네트워크(10) 및 고주파전원(20)에 의한 제어로 플라즈마를 대면적에서 균일하게 형성하기 위한 동축 병렬 안테나형 플라즈마 소스의 국소 인덕턴스 직접조절 장치에 있어서,

RF 전류 경로가 변화되는 것에 의해서 인덕턴스가 변화되고, 변화된 인덕턴스 값에 따른 임피던스의 변화에 의해, 흐르는 전류의 양이 조절될 수 있도록 한 안테나(30)를 포함하되,

상기 안테나(30)는,

상기 고주파전원(20)과 정합 네트워크(10)를 통하여 전력이 공급되는 스파이럴 형태의 안테나 코일(31);

전류의 경로를 가변시킬 수 있도록 상기 안테나 코일(31) 내부에 일정한 간격을 유지하며 설치되는 더미로드(32); 및

상기 더미로드(32)상에 위치변경이 가능하도록 부착되어 있고, 조절봉(33)을 조절하여 위치를 이동시키는 것에 의해서 상기 안테나 코일(31)과 더미로드(32)로 흐르는 RF 전류의 경로를 변화시킬 수 있는 전류조절기(34)

를 포함하고 있는 동축 병렬 안테나형 플라즈마 소스의 국소 인덕턴스 직접조절 장치.
정합 네트워크(10), 고주파전원(20), 유전체창(40), 공정챔버(50)를 설치하고 정합 네트워크(10) 및 고주파전원(20)에 의한 제어로 플라즈마를 대면적에서 균일하게 형성하기 위한 동축 병렬 안테나형 플라즈마 소스의 국소 인덕턴스 직접조절 방법에 있어서,

각 안테나(30)의 전류조절기(34)의 위치를 변화시켜 각 안테나(30)의 인덕턴스를 일치시킴으로써 균등한 RF전압의 분배를 가능하게 하는 단계(S1);

2-20MHz 의 라디오 주파수 신호를 고주파전원(20)에서 발생시키는 단계(S2);

전력전달 효율을 높이기 위해 정합 네트워크(10)를 통하여 각 안테나(30)에 전력을 병렬로 공급하는 단계(S3);

원형방향으로 안테나(30)에 흐르는 전류가 수직방향의 시변화 자기장을 유도하는 것에 의해서 원형방향의 시변화 전기장을 유도하는 단계(S4);

유도된 전기장에 의해 가속된 전자가 공정 기체와 충돌하여 고밀도 저온 플라즈마를 발생시키는 단계(S5); 및

상기 단계(S5)에 의해 발생된 플라즈마의 밀도가 불균일할 때 각 안테나(30)의 전류조절기(34) 위치를 변화시켜 주므로써, 각 안테나(30)에 흐르는 전류의 양을 조절하여 플라즈마의 균일도를 향상시키는 단계(S6)

를 포함하는 동축 병렬 안테나형 플라즈마 소스의 국소 인덕턴스 직접조절 방법.