KR100882450B1 - 페라이트를 이용한 유도결합 플라즈마 처리장치용 안테나 - Google Patents

페라이트를 이용한 유도결합 플라즈마 처리장치용 안테나 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유도결합 플라즈마 처리장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 페라이트를 이용한 유도결합 플라즈마 처리장치의 안테나에 관한 것이다.
본 발명은 유도결합 플라즈마를 발생시키는 제 1 안테나; 및 페라이트와 상기 페라이트의 둘레에 형성된 도선을 포함하여 이루어지는 제 2 안테나를 구비하는 것을 특징으로 하는 유도결합 플라즈마 처리장치를 제공한다.
따라서, 본 발명에 의하면 페라이트를 사용하여 유도 결합 플라즈마를 안정적으로 발생 및 유지시킬 수 있고, 안테나로써 플라즈마의 발생을 개시하고 페라이트 안테나로써 내부 전기장의 크기를 최대화하여 대면적의 균일한 플라즈마를 발생시킬 수 있으며, 페라이트 안테나에 의하여 형성되는 내부 전기장의 크기를 극대화하여 원형 대칭성을 개선할 수 있다.
ICP, 페라이트

Description

페라이트를 이용한 유도결합 플라즈마 처리장치용 안테나{Antenna for treating device of inductively coupled plasma using ferrite}
도 1은 본 발명에 따른 유도결합 플라즈마 처리장치의 일실시예를 모식적으로 나타낸 도면이고,
도 2는 도 1의 유도결합 플라즈마 처리장치의 안테나 구조를 나타낸 도면이고,
도 3은 도 2의 I-I' 축의 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 제 1 안테나 105 : 제2 안테나
110 : 페라이트 120 : 도선
150 : 튜브 160 : 플라즈마
170 : 반응 챔버
본 발명은 유도결합 플라즈마 처리장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유도결합 플라즈마 처리장치의 안테나에 관한 것이다.
고체 상태의 물질을 가열하면, 액체, 기체의 순서로 상태 변화가 일어난다. 그리고, 기체 상태에서 가열이나 방전에 의하여 에너지를 더 가해주면, 기체는 더 작은 입자인 원자, 이온 및 전자 등으로 해리되어 이러한 입자들이 혼재하게 되는데, 이러한 상태를 플라즈마 상태라고 한다. 플라즈마의 종류는 수없이 많으나, 일상생활에서 볼 수 있는 현상으로는 형광등, 번개, 극지방의 오로라 및 태양 내부 등이 있다. 산업적으로 이용되는 플라즈마는 저온 플라즈마와 열 플라즈마로 나뉘어지는데, 저온 플라즈마는 반도체 제조 공정에서 널리 사용되고 있으며, 열 플라즈마는 절단 및 용사 등에 응용되고 있다.
현재 반도체 제조 공정 및 디스플레이 분야에서 가장 많이 사용되는 플라즈마 발생 방식은 RF를 이용한 것으로 여기에는 유도결합 플라즈마(Inductively coupled plasma, ICP)와 축전결합 플라즈마 (capacitively coupled plasma, CCP) 방식으로 크게 나뉘어진다. 유도결합 플라즈마는 구조적으로 코일 형태의 안테나가 있으며, 여기에 RF 전력을 인가하면 안테나에 전류가 흐르고 이 전류는 안테나 주변에 유도 자기장을 형성시킨다. 이 때, 안테나 표면에는 RF 주파수로 양전하와 음전하가 교대로 대전이 되는데 이는 안테나 주변에 2차 유도 전류가 흐르게 된다. 일반적으로 유도결합 플라즈마는, 아르곤 가스(아르곤 가스 : 액체 아르곤 또는 압축 아르곤 가스로 순도 99.99% 이상의 것)를 플라즈마 가스로 사용하여 수정발진식 고주파발생기로부터 발생된 주파수 (13.56MHz)영역에서 유도코일에 의하여 발생된다.
그러나, 상술한 종래의 유도결합 플라즈마는 다음과 같은 문제점이 있다.
유도결합 플라즈마는 안테나에 RF(radio frequency) 전류를 흘려서 자기장을 만들고, 이러한 시변 자기장에 의하여 유도 전기장이 생성된다. 그리고, 상술한 유도 전기장에 의하여 전자가 가속되어 플라즈마가 생성되고 유지된다. 여기서, 통상의 유도결합 플라즈마 소스의 단점을 보완하기 위하여, 강자성체를 사용하기도 한다. 그런데, 강자성체를 사용하면 방전 개시 장치가 필요하며, 플라즈마의 발생이 쉽지 않다. 따라서, 높은 압력에서는 불안정한 플라즈마가 발생하기도 한다. 또한, 페라이트를 사용하여 안테나를 형성하려는 시도가 있으나, 페라이트의 배치만으로는 대면적의 균일한 플라즈마를 발생시키기 어렵다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 페라이트를 사용하여 안정적이고, 고효율로 유도결합 플라즈마를 발생 및 유지시키고자 하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 안테나로써 플라즈마의 발생을 개시하고, 페라이트 안테나로써 내부 전기장의 크기를 최대화하여 대면적의 균일한 플라즈마를 발생시키고자 하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 페라이트 안테나에 의하여 형성되는 내부 전기장의 크기를 극대화하여 플라즈마의 효율을 개선하고자 하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 유도결합 플라즈마를 발생시키는 제 1 안테나 및 페라이트와 상기 페라이트의 둘레에 형성된 도선을 포함하여 이루 어지는 제 2 안테나를 구비하는 것을 특징으로 하는 유도결합 플라즈마 처리장치를 제공한다.
여기서, 제 1 안테나는 중심에 구비되고, 상기 제 2 안테나는 상기 제 1 안테나의 둘레에 구비될 수 있다.
그리고, 제 1 안테나의 주변에 적어도 2개의 튜브가 구비되고, 제 2 안테나는, 상기 튜브 표면에 페라이트가 형성되고 상기 페라이트 표면에 도선이 감겨서 형성될 수 있다.
그리고, 하나의 페라이트에는 상기 도선이 2회 이상 동일 방향으로 감길 수 있다.
또한, 상술한 유도결합 플라즈마 처리장치는 튜브내에 구비된 플라즈마를 더 포함하고, 상기 제 1 안테나에 전원이 인가되면 ICP (Inductively coupled plasma)가 발생될 수 있다.
여기서, 각각의 튜브는, 서로 동일한 크기 및/또는 모양일 수 있다.
그리고, 각각의 페라이트는 서로 동일한 크기 및/또는 모양을 가질 수 있다.
그리고, 튜브는 상기 제 1 안테나를 중심으로 하여 원형으로 구비되고, 또한 상기 제 1 안테나를 중심으로 하여 정다각형으로 구비되고, 상기 페라이트는 상기 정다각형의 꼭지점에 구비되어 대칭 구조를 이룰 수 있다.
그리고, 유도결합 플라즈마를 발생시키는 반응 챔버(chamber); 및 상기 반응 챔버의 하부에 구비되어, 플라즈마 처리공정을 수행하는 스테이지를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
그리고, 제 1 안테나와 제 2 안테나에는 각각 독립적으로 전원이 인가될 수 있다.
또한, 하나의 전원으로부터 상기 제 1 안테나와 제 2 안테나에 전압을 인가할 수 있으며, 이 때 직렬로 또는 병렬로 전원을 인가할 수 있다.
이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
종래와 동일한 구성 요소는 설명의 편의상 동일 명칭 및 동일 부호를 부여하며 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
본 발명에 따른 유도결합 플라즈마 처리장치는, 안테나와 페라이트 안테나를 구비한 것을 특징으로 한다. 여기서, 통상의 안테나는 유도결합 플라즈마의 개시에 큰 역할을 하고, 페라이트 안테나는 내부 전기장의 발생을 극대화하여 회전 대칭성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 유도결합 플라즈마 처리장치의 일실시예를 모식적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1의 유도결합 플라즈마 처리장치의 안테나 구조를 나타낸 도면이다. 이하에서, 도 1 및 2를 참조하여 본 발명에 따른 유도결합 플라즈마 처리장치의 일실시예를 설명한다.
본 실시예에서, 플라즈마 처리 장치는 제 1 안테나(100)와 제 2 안테나(페라이트 안테나)를 포함하여 이루어진다. 제 1 안테나(100)는 통상의 안테나이고, 제 2 안테나(105)는 페라이트 안테나로서 페라이트에 도선이 감겨진 구조이다.
제 1 안테나(100)는 선형 안테나일 수 있고, 나선형으로 수 회 감겨진 안테 나일 수도 있다. 제 1 안테나(100)는 후술할 반응 챔버 내에 삽입되어 있고, 반응 챔버 내에서 안테나 보호관 등에 삽입될 수 있다. 그리고, 안테나 보호관은 내성이 강한 쿼츠 파이버 등으로 이루어지고, 선형 안테나는 은, 구리, 스테인레스 스틸 등으로 이루어진다. 그리고, 도시된 바와 같이 선형 안테나의 한 쪽 끝은 접지되어 있고, 다른 쪽 끝은 유도 방전을 위하여 RF 전력부와 연결되어 있다.
그리고, 제 1 안테나(100)는 완전히 원형일 수는 없으나, 원형에 가까운 구조를 이룰 수 있다. 이 때, 원형에 가까운 구조를 이루기 위하여 다음의 구조를 나타낼 수 있다. 즉, 안테나는 적어도 두 부분으로 나뉘어져 있고, 각각의 부분의 연결부는 선형 도선과 상기 선형 도선을 감싸는 도선으로 이루어질 수 있다. 여기서, 연결부는 두 부분이 단락된 것, 즉 물리적으로 접합된 것을 의미하지는 않고, 서로 이격되어 있으나 전류가 끊어지지 않고 흐르게 되는 것을 의미한다. 구체적으로, 연결부에서 두 부분은 적어도 5 밀리미터 이격되면 단락되지는 않은 것이다. 그리고, 상기 선형 도선을 감싸는 부분은 <형 또는 ㄷ형 또는 ⊂형 등으로써 상기 선형 구조를 감싸면 충분하다. 단, 여기서, 연결부의 선형 도선과 감싸는 도선은 단락되지 않아야 한다. 그리고, 상술한 구조의 안테나는 그 지름을 달리하여 복수 개가 형성될 수도 있다.
그리고, 본 실시예에서 중심 부분에는 제 1 안테나(100)가 구비되고, 외곽에는 제 2 안테나(105)가 구비된다. 제 2 안테나(105)의 구조를 도 2를 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 제 1 안테나(100)를 중심으로 하여 튜브(150)가 구비되어 있다. 여기 서, 튜브(150)의 내부에는 플라즈마가 채우져 있음은 당연하다. 그리고, 튜브(150)는 선형 구조로 도시되어 있으나, 원호를 따라 곡선 구조를 이룰 수도 있다. 그리고, 도 2에서 튜브(150)는 4개가 구비되어 있으며 원호를 따라서 4개가 구비되어 있다. 그러나, 튜브(150)를 포함한 선이 원호가 아닌 다각형일 수도 있다. 이 때, 정다각형을 이룰 수도 있고, 튜브(150)는 정다각형의 꼭지점 또는 각각의 변에 구비되어, 전체적으로 대칭을 이루도록 형성되는 것이 바람직하다. 그리고, 대칭을 이루기 위하여 각각의 튜브(150)는 동일한 모양과 크기를 갖는 것이 바람직하다.
그리고, 튜브(150)에는 페라이트(110)가 감겨 있다. 페라이트(150)는 900℃ 이하에서 안정한 체심입방결정(體心立方結晶)의 철에 합금원소 또는 불순물이 녹아서 된 고용체(固溶體)이다. 도 2에서 페라이트(110)는 상기 튜브(150)의 표면에 각각 2개씩 감겨 있으나, 반드시 2개가 아니어도 무방하다. 단, 페라이트(110)의 감긴 횟수가 증가할수록 후술할 효과의 증대를 기대할 수 있다. 그리고, 각각의 페라이트는 동일한 모양과 크기를 가질 때, 전체적으로 전기장의 대칭을 이룰 수 있다.
그리고, 페라이트(110)의 표면에는 도선(120)이 감겨서 제 2 안테나를 이룬다. 여기서, 동일한 페라이트(110)에 감겨진 도선(120)은 동일한 방향으로 감겨질 수 있다. 그리고, 도선(120)이 페라이트(110)에 감겨진 횟수가 증가하면, 전기장의 크기와 플라즈마의 발생 효과를 증가시킬 수 있다. 이 때, 도선(120)은 구리, 은, 알루미늄 및 스테인레스 스틸 등으로 이루어질 수 있다. 그리고, 도선(120)의 한 쪽 끝은 도시된 바와 같이 접지되어 있다. 여기서, 제 1 안테나와 제 2 안테나에는 각각 전원을 독립적으로 연결하여 전압을 인가할 수 있다. 이 때, 각각의 안테나에 공급되는 전압을 달리하여, 플라즈마의 개시과정과 전기장의 크기를 극대화하는 과정에서의 공급 전압을 달리할 수도 있다.
그리고, 제 1 안테나(100)와 제 2 안테나(105)에 공통의 전원을 연결할 수도 있는데, 이 때 제 1 안테나(100)와 제 2 안테나(105)에 직렬 또는 병렬로 전압을 공급할 수 있다. 직렬로 연결할 때는 제 1 안테나(100)와 제 2 안테나(105)에 선형으로 전원이 연결되어 각각에 차례로 전원이 공급된다. 그리고, 병렬로 연결하 때는, 전원이 분기점에서 각각 제 1 안테나(100)와 제 2 안테나(105)로 나뉘어져서 공급된다.
그리고, 본 실시예에서 유도결합 플라즈마 처리장치는 반응 챔버와 스테이지 및 상술한 안테나를 포함하여 이루어진다. 여기서, 반응 챔버는 유도결합 플라즈마를 처리하는 영역으로서, 상술한 제 1,2 안테나가 구비되어 있다. 그리고, 스테이지는 상기 반응 챔버의 하부에 구비되어 플라즈마의 식각 및 증착 등의 처리공정을 수행하는데, 구체적으로는 스테이지에 구비된 기판 상에서 수행된다. 여기서, 안테나는 스테인레스 스틸, 알루미늄 등 통상의 재료로 이루어진다. 그리고, 유도결합 안테나와 페라이트 안테나 모두 RF 제너레이터(generator)를 사용할 수 있다.
상술한 구조의 유도결합 플라즈마 처리장치에서는, 방전시에 생성되는 전자가 고주파 전류가 유도코일을 흐를 때 발생하는 자기장에 의하여 가속되고, 이 때주위의 아르곤 가스와 충돌하여 이온화되고 새로운 전자와 아르곤 이온을 생성한다. 상술한 공정으로 생성된 전자는 다시 아르곤 가스를 전리하여 전자의 증식작용을 함으로써, 전자밀도가 대단히 큰 플라즈마 상태를 유지하게 된다. 상술한 유도 결합 플라즈마의 구조는 중심에 저온, 저전자 밀도의 영역이 형성되어 도너츠 형태로 된다.
도 3은 도 2의 I-I' 축의 단면도이다. 페라이트(110)에 감겨진 도선(도시되지 않음)에 전류가 흐르면, 튜브(150) 내의 플라즈마(160)에 전기장이 형성된다. 그리고, 페라이트에 감겨진 도선이 조밀하고, 도선에 흐르는 전류의 크기가 셀수록 전기장은 더욱 강하다. 이 때, 기존의 유도결합 안테나에서는 플라즈마의 개시와 균일도 향상에 기여하며, 페라이트 안테나에서는 전기장의 극대화와 원형 대칭성에 기여할 수 있다. 그리고, 반응 챔버(160)에서 유도결합 플라즈마의 발생 반응이 일어나며, 도면에는 도시되지 않았으나 반응 챔버(160)는 스테이지 상에 구비됨은 당연하다.
상술한 유도결합 플라즈마 처리장치에 구비된 안테나는, ICP의 발생 뿐만 아니라 통상적인 안테나 즉, 무선통신에서 통신의 목적을 달성하기 위해 공간에 효율적으로 전파를 방사하거나, 또는 전파에 의해 효율적으로 기전력을 유기시키기 위하여 사용될 수도 있을 것이다.
본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 첨부된 청구범위에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명이 속한 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 변형이 가능해도 이러한 변형은 본 발명의 범위에 속한다.
상기에서 설명한 본 발명에 따른 안테나 및 유도결합 플라즈마 처리장치의 효과를 설명하면 다음과 같다.
첫째, 페라이트를 사용하여 높은 압력에서 안정적으로 유도결합 플라즈마를 발생시킬 수 있다.
둘째, 안테나로써 플라즈마의 발생을 개시하고, 페라이트 안테나로써 내부 전기장의 크기를 최대화하여 대면적의 균일한 플라즈마를 발생시킬 수 있다.
셋째, 페라이트 안테나에 의하여 형성되는 내부 전기장의 크기를 극대화하여 원형 대칭성을 개선할 수 있다.

Claims (16)

  1. 제 1 안테나; 및 상기 제 1 안테나와 동심을 갖고 상기 제 1 안테나의 외곽에 구비된 제 2 안테나를 포함하여 이루어지고,
    여기서, 상기 제 1 안테나는 유도결합 플라즈마를 발생시키고, 안테나의 중심부에 구비되고, 적어도 두 부분으로 나뉘어지며, 상기 적어도 두 부분의 연결부는 선형 도선 및 상기 선형 도선을 감싸며 상기 선형 도선과 단락되지 않은 도선을 포함하여 이루어지고,
    상기 제 2 안테나는 상기 제 1 안테나를 중심으로 하여 원형으로 구비된 적어도 2개의 튜브와, 상기 튜브의 둘레에 감긴 페라이트 및 상기 페라이트에 적어도 2회 이상 동일 방향으로 감긴 도선을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 유도결합 플라즈마 처리장치용 안테나.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 각각의 튜브 내에 구비된 플라즈마를 더 포함하고, 상기 제 1 안테나에 전원이 인가되면 ICP (Inductively coupled plasma)가 발생되는 것을 특징으로 하는 유도결합 플라즈마 처리장치용 안테나.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 각각의 튜브는,
    서로 크기와 모양 중 적어도 하나가 동일한 것을 특징으로 하는 유도결합 플라즈마 처리장치용 안테나.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 튜브 표면에 형성된 페라이트들은, 서로 크기와 모양 중 적어도 하나가 동일한 것을 특징으로 하는 유도결합 플라즈마 처리장치용 안테나.
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 튜브는 상기 제 1 안테나를 중심으로 하여 정다각형으로 구비되고, 상기 페라이트는 상기 정다각형의 꼭지점에 구비되어 대칭 구조를 이루는 것을 특징으로 하는 유도결합 플라즈마 처리장치용 안테나.
  10. 삭제
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 안테나와 제 2 안테나에는 각각 독립적으로 전원이 인가되는 것을 특징으로 하는 유도결합 플라즈마 처리장치용 안테나.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 안테나와 제 2 안테나에는 직렬로 전원이 인가되는 것을 특징으로 하는 유도결합 플라즈마 처리장치용 안테나.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 안테나와 제 2 안테나에는 병렬로 전원이 인가되는 것을 특징으로 하는 유도결합 플라즈마 처리장치용 안테나.
  14. 삭제
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 선형 도선과 상기 선형 도선을 감싸는 도선은, 5 밀리미터 이상 이격되어 서로 단락되지 않는 것을 특징으로 하는 유도결합 플라즈마 처리장치용 안테나.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 선형 도선을 감싸는 도선의 끝단은, <형 또는 ㄷ형 또는 ⊂형의 형상인 것을 특징으로 하는 유도결합 플라즈마 처리장치용 안테나.
KR1020070055961A 2007-06-08 2007-06-08 페라이트를 이용한 유도결합 플라즈마 처리장치용 안테나 KR100882450B1 (ko)

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KR20050035708A (ko) * 2003-10-14 2005-04-19 주식회사 뉴파워 프라즈마 다중 방전관 브리지를 구비한 유도 플라즈마 챔버

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20050035708A (ko) * 2003-10-14 2005-04-19 주식회사 뉴파워 프라즈마 다중 방전관 브리지를 구비한 유도 플라즈마 챔버

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