KR100726709B1 - Antenna in inductively coupled plasma - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유도결합 플라즈마용 안테나에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 절연 재질의 관 내부에 안테나용 도체로 편복선을 삽입하여 구성하되, 상기 절연 재질의 관 내부에 편복선 주변으로 냉각을 위한 공기가 흐를 수 있게 하여 구성함으로써, 안테나의 축전결합, 즉 쉬스(sheath)에서의 축전 전기장에 의한 전압강하를 낮추게 되어 안테나 물질의 스퍼터링을 효과적으로 줄여줄 수 있는 효과를 제공하도록 된 유도결합 플라즈마의 내장형 안테나에 관한 것이다.The present invention relates to an antenna for inductively coupled plasma, and more particularly, a braided wire is inserted into an antenna conductor inside an insulated tube, and air for cooling around the braided line inside the insulated tube is provided. By integrating the antenna, it is possible to reduce the voltage drop caused by the capacitive coupling of the antenna, that is, the capacitive electric field in the sheath, thereby providing an effect of effectively reducing the sputtering of the antenna material. It is about.

유도결합, 플라즈마, 안테나, 절연, 관, 편복선, 공기Inductively coupled, plasma, antenna, isolated, tubing, braided, air

Description

유도결합 플라즈마의 내장형 안테나{Antenna in inductively coupled plasma} Antenna in inductively coupled plasma             

도 1a는 종래기술에 따른 솔레노이드 원통형 ICP의 구조를 나타내는 도면,Figure 1a is a view showing the structure of a solenoid cylindrical ICP according to the prior art,

도 1b는 종래기술에 따른 TCP구조를 나타내는 도면,Figure 1b is a view showing a TCP structure according to the prior art,

도 2a는 종래기술에 따른 솔레노이드 원통형 ICP에서 사용되는 파라데이 차폐막을 나타내는 도면,Figure 2a is a view showing a Faraday shielding film used in the solenoid cylindrical ICP according to the prior art,

도 2b는 종래기술에 따른 TCP에서 사용되는 파라데이 차폐막을 나타내는 도면,Figure 2b is a view showing a Faraday shielding film used in TCP according to the prior art,

도 3은 종래기술에 따른 절연되지 않은 금속안테나의 구조(a) 및 절연안테나의 구조(b)를 나타내는 도면,3 is a view showing the structure (a) and the structure (b) of the non-insulated metal antenna according to the prior art,

도 4a는 본 발명에 따른 절연안테나의 구조를 나타내는 도면,4A is a view showing the structure of an insulating antenna according to the present invention;

도 4b는 본 발명에 따른 절연안테나의 등가 축전회로를 나타내는 도면,4B is a view showing an equivalent power storage circuit of an insulating antenna according to the present invention;

도 5는 일반적인 ICP안테나와 RF 전원장치 및 매칭박스 연결회로를 나타내는 도면,5 is a view showing a general ICP antenna and RF power supply and matching box connection circuit,

도 6은 본 발명에 따른 RF 전원장치와 매칭박스 및 안테나 연결회로를 나타내는 도면,6 is a view showing an RF power supply and a matching box and an antenna connection circuit according to the present invention;

도 7은 금속관을 이용한 기존의 안테나에서 사용되는 RF 피드스루를 이용한 연결 및 냉각수 연결부위를 나타내는 도면,7 is a view showing the connection and the coolant connection using the RF feedthrough used in the conventional antenna using a metal tube,

도 8은 본 발명에 따른 절연안테나의 냉각용 압축공기와 RF 단자의 연결부위를 포함한 반응기로의 입력단을 나타내는 도면.8 is a view showing an input terminal to the reactor including a connection between the compressed air for cooling the insulation antenna and the RF terminal according to the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

101: 금속관 안테나 103: 안테나 절연층(절연 재질의 관)101: metal tube antenna 103: antenna insulation layer (tube of insulating material)

105: RF 쉬스 109: 공기층105: RF sheath 109: air layer

111: 안테나 도체(편복선) 203: RF 피드스루의 금속부분111: antenna conductor (braided wire) 203: metal part of the RF feedthrough

205: RF 피드스루 절연 세라믹 207: 코팅 방지막205: RF feed-through insulation ceramic 207: Coating prevention film

209: 플라즈마 반응기 213 : 피팅209: plasma reactor 213: fitting

301: 진공 실링301: vacuum sealing

본 발명은 유도결합 플라즈마용 안테나에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유도결합 플라즈마용 안테나 겉에 절연층을 형성시키는 유도결합 플라즈마의 내장형 안테나에 관한 것이다.The present invention relates to an antenna for inductively coupled plasma, and more particularly, to an embedded antenna of inductively coupled plasma forming an insulating layer on the outside of the antenna for inductively coupled plasma.

대면적 고밀도 플라즈마 원(source)은 반도체 제조용 식각장비 뿐만 아니라 애슁(ashing)장비, 고밀도 플라즈마 화학가상증착법(HDP-CVD), 대형평판 디스플레 이의 제작공정 등에서도 요구되는 핵심요소이며, 특히 이를 이용한 플라즈마 에칭공정은 전체 반도체 공정중 아주 중요한 공정기술의 하나이다. 최근의 반도체 공정용 플라즈마 원의 가장 큰 문제점은 수득율 향상을 위한 공정의 대면적화에 대한 부응과 집적화 공정에 대한 수행능력이다. Large-area high-density plasma source is a key element required not only for etching equipment for semiconductor manufacturing but also for ashing equipment, high-density plasma chemical vapor deposition (HDP-CVD), and large flat panel display manufacturing processes. The etching process is one of the very important process technologies in the overall semiconductor process. The biggest problem of the plasma source for semiconductor processing in recent years is the ability to meet the large area of the process for improving the yield and the performance of the integration process.

종래에는 유도결합 플라즈마(Inductively coupled plasma, ICP)를 대면적화했을 때 안테나의 인덕턴스가 커지게 되어 안테나 양단에 높은 전압이 허용된다. 이에 따라 축전 전기장이 커지게 되어 쉬스(sheath)에 강한 전위차가 발생하여 이온 손실을 유발하고, 또한 플라즈마의 밀도를 낮추는 결과를 초래하게 된다. 또한, 상기 전위차는 파워의 입력부분과 접지부분 사이에서 가장 크기 때문에 플라즈마의 밀도 균형성에 치명적인 영향을 미친다. 이에 고밀도 플라즈마 원을 개발함과 동시에 저손상식각 및 표면처리공정 등에 적합한 플라즈마 원의 개발 필요성이 증대되고 있다.Conventionally, when the inductively coupled plasma (ICP) has a large area, the inductance of the antenna is increased to allow a high voltage across the antenna. As a result, the storage electric field becomes large, resulting in a strong potential difference in the sheath, causing ion loss, and lowering the density of the plasma. In addition, since the potential difference is the largest between the input and ground portions of the power, it has a fatal effect on the density balance of the plasma. Therefore, while developing a high density plasma source, the necessity of developing a plasma source suitable for low damage etching and surface treatment processes is increasing.

따라서, 빠른 공정을 위해 높은 플라즈마 밀도를 가지면서 300mm 웨이퍼를 커버할 수 있는 높은 공간적 균일도를 가져야 한다. 플라즈마 속에 삽입된 안테나의 경우 RF 전압을 인가시 자기 바이어스 효과로 인해 안테나의 구성 물질이 플라즈마 내에서 스퍼터링되어 체임버 내를 오염시키는 원인이 된다.Therefore, it must have a high spatial uniformity that can cover 300 mm wafers with high plasma density for fast processing. In the case of the antenna inserted into the plasma, the component material of the antenna is sputtered in the plasma and contaminates the chamber due to the self bias effect when the RF voltage is applied.

첨부한 도면을 참조하여 상기 종래기술을 보다 상세히 설명한다The prior art will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

유도결합 플라즈마(이하, ICP)는 안테나에 형성되는 시간에 따라 진동하는 RF 전기장에 의해 장치 속에 안테나와 평행한 방향의 전기장을 유도하여 플라즈마를 발생시키는 방법이다. ICP 반응기에서 금속 RF 안테나에 흐르는 시간에 따라 진 동하는 높은

Figure 112004062676735-pat00001
값 때문에 금속 안테나는 RF 전극처럼 작용해서 안테나 바로 앞 또는 유전체 윈도우가 있는 경우에는 윈도우 바로 앞에 안테나와 평행한 방향의 유도전기장 뿐만 아니라 안테나에 수직한 방향의 축전 전기장을 유도한다. 축전 전기장에 의해 안테나 주변의 RF 쉬스에서 강한 전위차가 형성되어 발생하는 변위전류는 플라즈마의 방전개시에는 아주 유용하지만 이에 의해 이온 손실을 유발하고, 안테나 주변 물질의 스퍼터링을 일으켜 장비 내의 오염을 일으키며, 플라즈마의 밀도를 낮추는 역할을 하게 된다. 또한 일단 플라즈마가 발생된 후에는 이온의 변위전류가 지배적인 경우 안테나가 놓여있는 유전체 윈도우의 원하지 않은 침식을 유발하게 된다. 의도하지 않은 윈도우의 스퍼터링은 반도체 공정의 경우 웨이퍼의 오염을 유발하며 극단적인 경우 윈도우가 약해져서 진공에 영향을 미칠 수 있다.Inductively coupled plasma (ICP) is a method of generating a plasma by inducing an electric field in a direction parallel to the antenna in the device by an RF electric field oscillating with time formed in the antenna. High oscillation over time flowing from the ICP reactor to the metal RF antenna
Figure 112004062676735-pat00001
Because of the value, the metal antenna acts like an RF electrode, inducing an induction field in the direction parallel to the antenna as well as an induction field in the direction perpendicular to the antenna, in front of the antenna or, if there is a dielectric window. Displacement current generated by the strong electric potential difference in the RF sheath around the antenna due to the storage electric field is very useful for initiating the discharge of the plasma, but it causes ion loss and sputtering of the material around the antenna, causing contamination in the equipment. It will lower the density of. Also, once the plasma is generated, if the displacement current of the ions dominates, it causes unwanted erosion of the dielectric window on which the antenna is placed. Unintentional sputtering of the window can cause contamination of the wafer in the semiconductor process and, in extreme cases, the window can become weak and affect the vacuum.

도 3의 좌측 (a) 도면에 도시한 바와 같은 구조의 금속 안테나는 안테나 양단에 인가되는 큰 RF 전압이 완전히 RF 쉬스를 통해 전압강하가 일어나므로 0자기 바이어스 전압이 커서 안테나 물질의 스퍼터링으로 인한 오염이 심한 문제이다.In the metal antenna having the structure shown in the left (a) diagram of FIG. 3, since a large RF voltage applied to both ends of the antenna completely decreases through the RF sheath, the zero magnetic bias voltage is large, resulting in contamination due to sputtering of the antenna material. This is a serious problem.

이를 예방하기 위하여, 기체(substrate)의 같은 물질로 된 안테나를 사용하기도 하며, 석영과 같은 절연물질로 원통형의 진공장비를 만들어 그 둘레에 솔레노이드 형태의 안테나를 감아두는 도 1a에 도시한 바와 같은 ICP 장비나 장치의 상부에 두꺼운 석영유리 윈도우를 위치시키고, 그 위에 나선형의 안테나를 올려놓는 형태의 도 1b에 도시한 바와 같은 TCP 등이 제안되었다. 안테나를 외부에 위치시키는 이러한 방법은 안테나의 한 방향으로만 파워가 전달되므로 플라즈마 내부에 위치한 안테나에 비해 효율이 떨어지며, RF 누설을 막기 위해 구조물을 설치해줘야 하는 번거로움이 있다.In order to prevent this, an antenna made of the same material as a substrate may be used, and an ICP as shown in FIG. 1A which winds a solenoid-shaped antenna around a cylindrical vacuum equipment made of an insulating material such as quartz A TCP or the like as shown in FIG. 1B has been proposed in which a thick quartz glass window is placed on top of the equipment or device and a spiral antenna is placed thereon. This method of positioning the antenna outside is less efficient than the antenna located inside the plasma because power is delivered in only one direction of the antenna, and it is cumbersome to install a structure to prevent RF leakage.

안테나를 플라즈마 내부에 위치시키면서 플라즈마와 절연시켜주기 위한 방법으로는, 도 3의 우측 (b) 도면에 도시한 바와 같이, 구리나 스테인레스 스틸과 같은 금속관으로 된 안테나 표면에 법랑 층을 입혀주거나 석영, 알루미나 등의 절연층을 형성시켜주는 방법이 있으나, 제조공법상 아노다이징이나 스프레이법으로 완벽히 절연되면서 충분히 낮은 축전값을 가지기 위해 필요한 두께의 절연층을 형성시켜주는데 어려움이 있다.As a method for insulated from the plasma while positioning the antenna inside the plasma, as shown in the right (b) of FIG. 3, an enamel layer is coated on the surface of an antenna made of a metal tube such as copper or stainless steel, or quartz, Although there is a method of forming an insulating layer such as alumina, it is difficult to form an insulating layer having a thickness necessary to have a sufficiently low power storage value while being completely insulated by anodizing or spraying method in manufacturing process.

유도결합을 최대화해서 플라즈마 밀도를 높이고 대면적 코일의 축전결합을 줄여서 스퍼터링에 의한 윈도우의 부식을 줄일 수 있는 수동소자로는 RF 안테나와 유전체 윈도우 사이에 설치하는 파라데이 차폐막이 있다. A passive device that can maximize the inductive coupling to increase the plasma density and reduce the large-area coil's capacitive coupling to reduce the corrosion of the sputtered window is a Faraday shield that is placed between the RF antenna and the dielectric window.

예를 들어, 윈도우에 나선형의 안테나가 놓여져 있는 TCP나 ICP의 경우, 각각 도 2a와 도 2b에 도시한 바와 같은 형태로 홈(slot)이 난 금속 파라데이 차폐막을 사용하게 되면, 차폐막에 수직한 방향의 자기장은 통과하지만 수직한 방향의 전기장은 통과할 수 없다. 유도 자기장에 의해 안테나에 평행한 방향의 유도 전기장이 형성되어 플라즈마 밀도를 높이는 데는 아무 문제가 없지만, 축전결합성분의 전기장은 차폐된다.For example, in the case of TCP or ICP where a helical antenna is placed in a window, a slotted metal Faraday shield is used as shown in Figs. 2A and 2B, respectively. The magnetic field in the direction passes, but the electric field in the vertical direction cannot. The induced magnetic field is formed in the direction parallel to the antenna, so there is no problem in increasing the plasma density, but the electric field of the capacitive coupling component is shielded.

상기 차폐막에 홈이 없는 경우, 금속 차폐막에 맴돌이 전류(eddy current)가 발생하여 플라즈마로의 결합이 약해지게 되지만 차폐막에 홈을 만들어주면, 맴돌이전류를 효과적으로 줄여준다. If there is no groove in the shielding film, an eddy current is generated in the metal shielding film to weaken the coupling to the plasma, but when the groove is formed in the shielding film, the eddy current is effectively reduced.

파라데이 차폐막에 의해 더 순수한 유도결합이 일어나기는 하지만, 축전결합은 휠씬 줄어들어서 플라즈마의 초기 방전개시는 힘들어진다. 홈의 수가 증가할수록 파라데이 차폐막에 흐르는 맴돌이 전류가 줄어들고, 방전개시는 쉬워지지만, 축전결합의 제거에는 비효율적이 된다. 실질적으로 축전결합이 일으키는 실질적인 문제는 매우 미미하며, 오히려 ICP방전의 개시에 도움을 주므로, 차폐막은 거의 사용하지 않는다.Although pureer inductive coupling occurs by Faraday's shield, the capacitive coupling decreases even further, making it difficult to initiate initial discharge of the plasma. As the number of grooves increases, the eddy current flowing through the Faraday shielding film decreases, and the discharge starts easily, but becomes inefficient for removing the capacitive coupling. Practically, the practical problem caused by the capacitive coupling is very small and, rather, helps to initiate the ICP discharge, so the shielding film is rarely used.

따라서, 본 발명의 목적은 안테나 곁에 효과적인 절연층을 형성시켜줌으로써, 축전결합의 효과를 줄이고, 이에 의한 안테나 구성물질의 체임버 내 스퍼터링에 의한 오염을 줄일 수 있는 유도결합 플라즈마의 내장형 절연안테나를 제공하는데 있다.
Accordingly, it is an object of the present invention to provide an insulated insulating antenna of inductively coupled plasma which can reduce the effect of capacitive coupling and thereby reduce contamination by sputtering of antenna components by forming an effective insulating layer near the antenna. have.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 유도결합 플라즈마 장치용 안테나는 절연 재질의 관에 안테나용 도체로 편복선(braided cable)을 삽입하여 형성하는 것을 특징으로 한다.An antenna for an inductively coupled plasma apparatus according to the present invention for achieving the above object is formed by inserting a braided cable into the antenna conductor in a tube of insulating material.

그리고, 상기 절연 재질의 관 내부에 편복선 주변으로 냉각을 위한 압축공기가 흐르도록 하여, 상기 편복선으로 된 도체층, 상기 냉각용 공기로 된 공기층, 그리고 그 겉의 상기 절연 재질 관으로 된 절연층으로 구성되는 단면 구조를 형성하 는 것을 특징으로 한다.Then, the compressed air for cooling flows around the braided wire inside the insulated pipe, and the insulation layer is made of the braided conductor layer, the air layer of the cooling air, and the insulated pipe. It is characterized by forming a cross-sectional structure consisting of a layer.

바람직하게는, 상기 절연 재질은 석영, 테플론, 세라믹 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 안테나와 접지 사이에 축전지가 설치된다.Preferably, the insulating material is characterized in that any one of quartz, Teflon, ceramic. In addition, a storage battery is installed between the antenna and the ground.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

기존의 유도결합 플라즈마는 안테나 코일에서 플라즈마로의 축전결합 때문에 안테나 코일근처의 유전물질의 스퍼터링이 문제가 되었다. 축전결합에 의한 변위전류는 다음 수학식1과 같이 E의 시간변화에 비례한다.In the conventional inductively coupled plasma, sputtering of dielectric materials near the antenna coil has become a problem because of the capacitive coupling from the antenna coil to the plasma. The displacement current due to capacitive coupling is proportional to the time change of E as shown in Equation 1 below.

Figure 112004062676735-pat00002
Figure 112004062676735-pat00002

큰 값의 수직방향 전기장 E나

Figure 112004062676735-pat00003
는 큰
Figure 112004062676735-pat00004
값을 가지게 되므로 부식을 유발한다. Large vertical electric field E or
Figure 112004062676735-pat00003
Is big
Figure 112004062676735-pat00004
It will have a value, causing corrosion.

도 5는 일반적인 ICP에서 사용되는 RF 발생 장치와 매칭 장치, 및 안테나의 연결 회로도이다. 이 경우 안테나의 한단을 접지시키지 않고 다른 한단은

Figure 112004062676735-pat00005
로 진동하게 된다. 5 is a circuit diagram illustrating an RF generator, a matching device, and an antenna used in a general ICP. In this case, one end of the antenna is not grounded,
Figure 112004062676735-pat00005
Will vibrate.

도 6은 본 발명에 따른 것으로, 안테나의 한단을 접지시키지 않고, 접지단과의 사이에 적당한 값의 축전지를 삽입함으로써 안테나 한쪽은

Figure 112004062676735-pat00006
로 다른 한쪽은
Figure 112004062676735-pat00007
로 전압을 대칭적으로 배분시키면 플라즈마에 대한 안테나 전압을 절반으로 줄여 주는 셈이므로 전압의 변화폭이 반으로 줄어들어 축전결합성분 도 줄어들게 되고, 자기 바이어스 전압도 반으로 줄어들어 부식을 줄일 수 있다. 또는, 수학식 1에서 변위전류는
Figure 112004062676735-pat00008
에 비례하므로, RF 전류의 13.56MHz의 주파수를 1MHz로 낮춰주면 윈도우의 부식을 줄일 수 있다.6 is in accordance with the present invention, one side of the antenna is inserted by inserting a battery having a proper value between the ground terminal without grounding one end of the antenna
Figure 112004062676735-pat00006
As the other one
Figure 112004062676735-pat00007
By symmetrically distributing the furnace voltage, the antenna voltage to the plasma is halved, so the change in voltage is halved, reducing the capacitive coupling component, and reducing the self bias voltage in half, thereby reducing corrosion. Alternatively, in Equation 1, the displacement current is
Figure 112004062676735-pat00008
In proportion to, lowering the 13.56MHz frequency of the RF current to 1MHz reduces window corrosion.

본 발명에서는 금속 안테나와 플라즈마 사이에 절연층(103)을 삽입하여 안테나와 플라즈마 사이에 축전지를 형성시켜줌으로써, 도 4b에서와 같이 금속 안테나(101)와 플라즈마 사이의 전위차(VRF)에 의한 전압강하가 안테나 주변의 RF 쉬스(105)가 이루는 축전지 성분(CRFsh)과 안테나의 절연층(103)에 의한 축전지 성분(Cant)으로 전압분배가 일어나므로 Vsh에 의해 안테나 물질이 스퍼터링되는 것을 줄여주는 이점을 갖는다. In the present invention, by inserting the insulating layer 103 between the metal antenna and the plasma to form a battery between the antenna and the plasma, the voltage due to the potential difference (V RF ) between the metal antenna 101 and the plasma as shown in Figure 4b The drop is caused by the voltage distribution between the battery component C RFsh formed by the RF sheath 105 around the antenna and the battery component C ant by the insulating layer 103 of the antenna, so that the antenna material is sputtered by V sh . It has the advantage of reducing it.

예컨대, RF 안테나 주변에 본 발명에 따라 적당한 절연층(103)을 형성시켜줌으로써, 안테나의 축전값이 쉬스 축전값의 1/10정도로 줄어 든다면, 인가된 RF 전압의 1/10만이 RF 쉬스에서 전압강하가 일어나므로, 안테나 물질의 스퍼터링이 현저히 줄어든다. 안테나 전도체 주변에 낮은 값의 축전지를 형성시켜주기 위해서는 가능한 낮은 유전율을 가진 물질로 가능한 두꺼운 절연층을 형성시켜주는 것이 바람직하다.For example, by forming a suitable insulating layer 103 in accordance with the present invention around the RF antenna, if the power storage value of the antenna is reduced to about one tenth of the sheath power storage value, only one tenth of the applied RF voltage is applied to the RF sheath. As the voltage drop occurs, the sputtering of the antenna material is significantly reduced. In order to form a low value battery around the antenna conductor, it is desirable to form as thick an insulating layer as possible with a material having the lowest dielectric constant.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 유도결합 플라즈마의 내장형 절연 안테나를 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, a built-in insulated antenna of inductively coupled plasma according to an embodiment of the present invention will be described in detail.

도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도결합 플라즈마의 내장형 절연 안테나를 나타내는 도면이고, 도 4b는 상기 안테나의 축전 성분을 등가회로로 나타낸 도면이다.4A is a diagram illustrating an insulated antenna of inductively coupled plasma according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4B is an equivalent circuit diagram of a storage component of the antenna.

도 4b에 도시한 바와 같이, 안테나 주변에 형성되는 RF 쉬스의 축전값

Figure 112004062676735-pat00009
은 수학식2와 같이 나타낼 수 있다.As shown in Fig. 4B, the power storage value of the RF sheath formed around the antenna
Figure 112004062676735-pat00009
May be represented as in Equation 2.

Figure 112004062676735-pat00010
Figure 112004062676735-pat00010

안테나의 축전값

Figure 112004062676735-pat00011
Figure 112004062676735-pat00012
은 직렬로 연결되어 있으므로, 안테나 전위와 플라즈마 전위의 차를
Figure 112004062676735-pat00013
라 할때, 상기
Figure 112004062676735-pat00014
의 전압강하는
Figure 112004062676735-pat00015
Figure 112004062676735-pat00016
에 각각 수학식들과 같이
Figure 112004062676735-pat00017
Figure 112004062676735-pat00018
로 배분된다.Storage value of antenna
Figure 112004062676735-pat00011
Wow
Figure 112004062676735-pat00012
Are connected in series, so the difference between the antenna potential and the plasma potential
Figure 112004062676735-pat00013
When you say
Figure 112004062676735-pat00014
Voltage drop
Figure 112004062676735-pat00015
Wow
Figure 112004062676735-pat00016
Each of the equations
Figure 112004062676735-pat00017
Wow
Figure 112004062676735-pat00018
Is distributed to

Figure 112004062676735-pat00019
,
Figure 112004062676735-pat00019
,

Figure 112004062676735-pat00020
,
Figure 112004062676735-pat00020
,

Figure 112004062676735-pat00021
Figure 112004062676735-pat00021

즉, 쉬스에서의 전압강하,

Figure 112004062676735-pat00022
가 인가된 전압
Figure 112004062676735-pat00023
에 비해 매우 작 으려면
Figure 112004062676735-pat00024
값이 작아야 한다.That is, the voltage drop in the sheath
Figure 112004062676735-pat00022
Applied voltage
Figure 112004062676735-pat00023
Very small compared to
Figure 112004062676735-pat00024
The value should be small.

한편, 내부 도체의 외경을 a, 외부도체의 외경을 b라 하고, 두 도체사이를 유전율

Figure 112004062676735-pat00025
인 물질이 채우고 있을때, 동축형 축전기의 경우, 축전값 C는 다음의 수학식 6과 같다.On the other hand, the outer diameter of the inner conductor is a, the outer diameter of the outer conductor is b, and the dielectric constant between the two conductors is
Figure 112004062676735-pat00025
When phosphorus material is filled, in the case of a coaxial capacitor, the power storage value C is expressed by the following equation (6).

Figure 112004062676735-pat00026
Figure 112004062676735-pat00026

상기 수학식 6과 같이, 유전율이 작을수록, b/a의 비율이 클수록 축전값이 낮아지게 된다. 안테나의 굵기 또는 RF 쉬스의 크기에는 한계가 있으므로, b값이 일정하게 정해지는 경우, a의 값이 작을수록 유전율값이 작을수록, C값이 작아진다.As shown in Equation 6, the smaller the dielectric constant, the larger the ratio b / a, the lower the power storage value. Since there is a limit to the thickness of the antenna or the size of the RF sheath, when the value of b is fixed, the smaller the value of a, the smaller the dielectric constant value, and the smaller the C value.

이에 따라, 도 4a와 같이 유전율이 다른 두 물질이 층을 이루고 있는 경우, 두개의 축전지가 직렬로 연결되어 있는 셈이므로, 축전값은 아래 수학식들과 같이 계산된다. Accordingly, when two materials having different dielectric constants form a layer as shown in FIG. 4A, since two storage batteries are connected in series, the storage value is calculated as in the following equations.

즉, 공기층에 의한 축전값

Figure 112004062676735-pat00027
와 석영관의 축전값
Figure 112004062676735-pat00028
은 각각That is, power storage value by the air layer
Figure 112004062676735-pat00027
Storage value of glass and quartz tube
Figure 112004062676735-pat00028
Are each

Figure 112004062676735-pat00029
Figure 112004062676735-pat00030
,
Figure 112004062676735-pat00029
Figure 112004062676735-pat00030
,

이에 따라, 안테나의 전체 축전값

Figure 112004062676735-pat00031
는 다음 수학식8과 같이 나타난 다.Accordingly, the total power storage value of the antenna
Figure 112004062676735-pat00031
Is represented by Equation 8 below.

Figure 112004062676735-pat00032
Figure 112004062676735-pat00033
Figure 112004062676735-pat00032
Figure 112004062676735-pat00033

안테나의 전체 축전값을 작게 설계하려면, 유전율 εair

Figure 112004062676735-pat00034
εo은 일정하므로 가능한 작은 값의 εdiel을 가지는 물질을 사용하며, 안테나의 크기
Figure 112004062676735-pat00035
의 값이 제한되어 있다고 할때,
Figure 112004062676735-pat00036
/
Figure 112004062676735-pat00037
의 값이 가능한 큰 것이 유리하다. 예컨대, 석영의 경우
Figure 112004062676735-pat00038
/
Figure 112004062676735-pat00039
는 3.75정도이므로, 본 발명에 따른 상기 절연 재료(또는 유전체: 103)로는 석영이 사용될 수 있다.To design a small total capacitance of the antenna, the dielectric constant ε air
Figure 112004062676735-pat00034
Since ε o is constant, use a material with the smallest possible value of ε diel , and the size of the antenna
Figure 112004062676735-pat00035
If the value of is limited,
Figure 112004062676735-pat00036
Of
Figure 112004062676735-pat00037
It is advantageous that the value of is as large as possible. For example, quartz
Figure 112004062676735-pat00038
Of
Figure 112004062676735-pat00039
Since about 3.75, quartz may be used as the insulating material (or dielectric) 103 according to the present invention.

RF 쉬스의 크기는 쉬스에서의 전압강하, 플라즈마의 밀도, 플라즈마의 온도에 따라서도 다르며, 쉬스에서의 전압강하는 안테나에 인가된 전압이 진동함에 따라 역시 진동한다.

Figure 112004062676735-pat00040
가 지나치게 작으면, 방전개시가 힘드므로 적당한 값을 선택해야 한다. 필요한 공정에서의 플라즈마의 밀도와 플라즈마 온도 등을 고려해 적당한 유전체의 값을 결정해야한다.The size of the RF sheath also depends on the voltage drop in the sheath, the density of the plasma, and the temperature of the plasma. The voltage drop in the sheath also vibrates as the voltage applied to the antenna vibrates.
Figure 112004062676735-pat00040
Is too small, it is difficult to start discharging, so an appropriate value should be selected. The proper dielectric value should be determined by considering the plasma density and plasma temperature in the required process.

실제 예로 도 3b의 구조와 도 4a의 구조와의 축전값을 비교해 보기위해 두 구조의 절연체 외경과 도체의 외경을 같다고 두고, 축전값을 비교해보면, 도 3b의 구조에서 절연체를 석영으로 사용하고, 외경을 6mm, 내경을 2.5mm라고 했을 때, 축 전값은 대략 4.28

Figure 112004062676735-pat00041
에 해당하고, 도 4의 구조는 절연체 외경을 6mm, 절연체 내경을 4mm, 도체의 내경을 2.5mm라고 하면, 1.73
Figure 112004062676735-pat00042
이므로, 대략 절반 이하로 줄어든다.As a practical example, in order to compare the storage value between the structure of FIG. 3B and the structure of FIG. 4A, the outer diameter of the insulator and the conductor of the two structures are the same. Assuming that the outer diameter is 6mm and the inner diameter is 2.5mm, the total shaft value is approximately 4.28
Figure 112004062676735-pat00041
4 corresponds to an insulator outer diameter of 6 mm, an insulator inner diameter of 4 mm, and a conductor inner diameter of 2.5 mm.
Figure 112004062676735-pat00042
Therefore, it is reduced to about half or less.

즉, 도 4의 구조의 안테나에서 일어나는 전압강하가 2.5배 가량 크며 축전결합효과를 그 만큼 줄일 수 있다.That is, the voltage drop occurring at the antenna of the structure of FIG. 4 is about 2.5 times larger and the capacitive coupling effect can be reduced by that much.

Figure 112004062676735-pat00043
의 전위차가 수십 V 이하(-50V)일 때 스퍼터링은 거의 일어나지 않으며,
Figure 112004062676735-pat00044
의 값은 전력에 따라 다르지만, 대체로 수백~1kV정도의 범위를 가지므로,
Figure 112004062676735-pat00045
값이 0.1정도가 되도록 설계한다.
Figure 112004062676735-pat00046
Figure 112004062676735-pat00047
는 진동하는 값이지만, 쉬스에서의 진동하는 저압강하를 고려하기 힘드므로, DC값을 가진다고 가정하고, 원하는 플라즈마 온도와 밀도를 알면 쉬스의 두께를 대략 계산할 수 있으므로, 유전체의 두께를 정할 수 있다.
Figure 112004062676735-pat00043
Sputtering hardly occurs when the potential difference of is several tens of V or less (-50V),
Figure 112004062676735-pat00044
The value of depends on the power, but generally ranges from a few hundred to 1 kV,
Figure 112004062676735-pat00045
Design the value to be about 0.1.
Figure 112004062676735-pat00046
Wow
Figure 112004062676735-pat00047
Although is a vibrating value, it is difficult to consider a vibrating low pressure drop in the sheath, and assuming a DC value, and knowing the desired plasma temperature and density, the thickness of the sheath can be roughly calculated, so that the thickness of the dielectric can be determined.

한편, 도 4a에 도시한 바와 같이, 석영유리관(103)을 절연 재료로서 이용하는 경우, 원하는 형태로 성형할 수 있어 유리하다. 석영외에도 원하는 모양으로의 성형이 가능하다면 본 발명의 절연 재료로서 사용할 수 있다. 예컨대, 테플론이나 세라믹 튜브 등 진공과 플라즈마 환경에서 사용 가능한 모든 유전체가 사용 가능하며, 가능한 유전율이 낮은 재질이 매우 효과적이다. On the other hand, as shown in Fig. 4A, when the quartz glass tube 103 is used as an insulating material, it can be molded into a desired form, which is advantageous. In addition to quartz, if it can be molded into a desired shape, it can be used as the insulating material of the present invention. For example, all dielectrics that can be used in vacuum and plasma environments, such as Teflon and ceramic tubes, can be used, and materials having the lowest possible dielectric constant are very effective.

석영유리관은 열을 가하여 원하는 모양으로 휘고 연결하는 것이 가능하고 알루미나나 세라믹에 비해 낮은 유전율을 가지므로 바람직하다. 석영유리관으로 성형 된 유전체 층 속에 안테나 도체로 편복선(111)을 통과시킨다. 안테나 도체의 재질은 전기전도성이 좋은 임의의 금속이 가능하나 구리가 좋은 전기전도성을 가지면서 저가라 바람직하며 유연한 전선 또는 편복선을 사용할 수 있다.The quartz glass tube is preferable because it can be bent and connected to a desired shape by applying heat and has a lower dielectric constant than alumina or ceramic. The braided wire 111 is passed through the antenna conductor in the dielectric layer formed of the quartz glass tube. The material of the antenna conductor may be any metal having good electrical conductivity, but copper is preferred because of its good electrical conductivity and low cost, and flexible wire or braided wire may be used.

편복선은 유연성이 좋아서 석영유리관과 같은 유전체로 안테나 형상을 성형한 후에, 그 속에 통과시키기가 쉬울 뿐 아니라, 높은 주파수의 RF 전류의 경우, 금속에서 침투거리가 얇으므로, 편복선이 굵기에 비해 표면적이 넓어 RF 전류의 전달에 더 효율적이다.Since the braided wire is flexible, it is easy to pass the antenna shape into a dielectric such as a quartz glass tube, and then pass through it. In the case of a high frequency RF current, the braided wire is thin in metal, so The large surface area makes the RF current more efficient.

한편, 도 7은 금속관을 이용한 기존의 안테나에서 사용되는 RF 피드스루를 이용한 연결 및 냉각수 연결부위를 나타내는 도면이고, 도 8은 본 발명에 따른 절연안테나의 냉각용 압축공기와 RF 단자의 연결부위를 포함한 반응기로의 입력단을 나타내는 도면이다.On the other hand, Figure 7 is a view showing the connection and the cooling water connection portion using the RF feed-through used in the conventional antenna using a metal tube, Figure 8 is a connection portion of the compressed air for cooling the insulation antenna and RF terminal according to the present invention It is a figure which shows the input stage to the included reactor.

본 발명에 따른 석영유리관(103)의 경우, 냉각을 위한 공기, 즉 냉각공기를 상기 석영유리관(103)에 주입할 수 있어 안테나의 냉각에 유리하다. 상기 냉각공기(도 4a에서 도면부호 109)를 공급하는 장치는 도 8과 같이 설계할 수 있다. 석영유리관(103)의 한 끝을 일반적으로 사용되는 원터치 피팅이라 불리우는 T자형 혹은 Y자형 연결부위를 이용하여 피팅(213)의 세 개의 입구는 각각 석영관에 연결, RF 안테나 도선삽입, 안테나 냉각을 위한 압축공기 주입에 사용한다. In the case of the quartz glass tube 103 according to the present invention, air for cooling, that is, cooling air can be injected into the quartz glass tube 103, which is advantageous for cooling the antenna. An apparatus for supplying the cooling air (reference numeral 109 in FIG. 4A) may be designed as shown in FIG. 8. One end of the quartz glass tube 103 is connected to a quartz tube, an RF antenna lead insert, and an antenna cooling by using a T-shaped or Y-shaped connection part called a one-touch fitting commonly used. Used for compressed air injection.

석영유리관에 냉각공기(109)가 주입되는 경우, 냉각공기(109)는 석영유리관의 나머지 한 끝을 통해 안테나를 순환하여 냉각시키고 대기로 방출된다. 이때, 냉각공기는 응결이 일어나지 않으면서 냉각 효율을 향상시키기 위하여 제습 및 냉각 된 압축공기를 사용하는 것이 바람직하다.When the cooling air 109 is injected into the quartz glass tube, the cooling air 109 circulates and cools the antenna through the other end of the quartz glass tube and is released into the atmosphere. At this time, the cooling air is preferably used to dehumidified and cooled compressed air to improve the cooling efficiency without condensation.

즉, 본 발명의 유도결합 플라즈마의 내장형 절연 안테나는, 석영관 등 절연 재질의 관 내부에 삽입된 편복선 주변으로 냉각을 위한 압축공기가 흐르도록 하여, 상기 편복선으로 된 도체층, 상기 냉각용 공기로 된 공기층, 그리고 그 겉의 상기 절연 재질 관으로 된 절연층으로 구성되는 단면 구조를 형성한다.That is, the built-in insulated antenna of the inductively coupled plasma of the present invention, the compressed air for cooling flows around the braided wire inserted into the tube of the insulating material such as quartz tube, the conductor layer made of the braided wire, the cooling A cross-sectional structure is formed which consists of an air layer made of air and an insulating layer made of the above-described insulating material pipe.

안테나를 진공인 플라즈마 장치 내부로 인입하기 위해서는 일반적으로 RF 피드스루를 사용하지만, 본 발명에서는 안테나 절연을 위해 사용한 석영관이 플라즈마 반응기와 RF 안테나 도체의 전기절연을 제공하므로, 본 발명은 도 7에서와 같은 RF 피드스루(203, 205)가 필요 없으며, 오링 등을 사용하여 진공 실링(301)만을 제공하면 되는 유리한 이점이 있다. PVD 등을 이용한 코팅이 행하여 질 경우, 금속물질이 안테나에 입혀져 플라즈마 반응기와 전기적으로 통하는 것을 방지하기 위하여 코팅 방지막(207)을 만들어 가려준다.RF feedthrough is generally used to introduce the antenna into the plasma apparatus, which is a vacuum, but in the present invention, since the quartz tube used for antenna insulation provides electrical insulation of the plasma reactor and the RF antenna conductor, the present invention is illustrated in FIG. RF feedthroughs 203 and 205 are not required, and there is an advantageous advantage in that only the vacuum seal 301 is provided using an O-ring or the like. When coating using PVD or the like is performed, a coating prevention film 207 is made to prevent the metallic material from being applied to the antenna and electrically communicating with the plasma reactor.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 안테나의 축전값을 쉬스 축전값보다 휠씬 낮게 유지함으로써, 안테나의 축전결합, 즉 쉬스에서의 축전 전기장에 의한 전압강하를 낮추게 되어 안테나 물질의 스퍼터링을 효과적으로 줄여주는 효과가 있다.As described above, according to the present invention, by keeping the power storage value of the antenna much lower than the sheath power storage value, it is possible to lower the voltage drop due to the power storage coupling of the antenna, that is, the electric field in the sheath, thereby effectively reducing the sputtering of the antenna material. Giving effect.

또한, 본 발명에 따르면, 도체 안테나 주변에 절연체관을 둘러 쌈으로서, RF 피드스루의 사용이 필요 없게 되는 효과가 있다.In addition, according to the present invention, by surrounding the insulator tube around the conductor antenna, there is an effect that the use of the RF feedthrough is unnecessary.

Claims (4)

삭제delete 절연 재질의 관에 안테나용 도체로 편복선을 삽입하여 형성한 유도결합 플라즈마의 내장형 안테나에 있어서, In the built-in antenna of the inductively coupled plasma formed by inserting the braided wire into the conductor of the antenna to the tube of insulating material, 상기 절연 재질의 관 내부에 편복선 주변으로 냉각을 위한 압축공기가 흐르도록 하여, 상기 편복선으로 된 도체층, 상기 냉각용 공기로 된 공기층, 그리고 그 겉의 상기 절연 재질 관으로 된 절연층으로 구성되는 단면 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 유도결합 플라즈마의 내장형 안테나. Compressed air for cooling flows around the braided wire inside the insulated pipe, and the braided conductor layer, the air layer made of the cooling air, and the insulated layer made of the insulated material pipe therein. Built-in antenna of the inductively coupled plasma, characterized in that to form a cross-sectional structure consisting. 삭제delete 삭제delete
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