KR101071092B1 - 내부 안테나 구조체 및 플라즈마 발생 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 내부 안테나 구조체를 제공한다. 상기 내부 안테나 구조체는 RF 전원에 연결되고 플라즈마 챔버에 삽입되는 안테나, 및 안테나의 둘레에 배치되는 절연 자켓을 포함하고, 안테나는 상기 플라즈마 챔버의 내부에 플라즈마를 형성하고, 안테나와 플라즈마는 축전기를 형성하고, 축전기의 단위 길이 당 정전용량은 상기 안테나의 길이 방향에 따라 변한다.
내부 안테나, 정전용량, 정상파 효과, 축전 결합, 유도 결합, 플라즈마

Description

내부 안테나 구조체 및 플라즈마 발생 장치{INTERNAL ANTENNA STRUCTURE AND PLASMA GENERATION APPARATUS}
본 발명은 플라즈마 발생용 내부 안테나 구조체에 관한 것이다. 더 구체적으로, 정상파 효과 및 축전 결합 효과를 상쇄시키는 내부 안테나 구조체에 관한 것이다.
RF 플라즈마는 유도 결합 플라즈마와 축전 결합 플라즈마로 구분될 수 있다. 상기 축전 결합 플라즈마는 상기 유도 결합 플라즈마에 비하여 플라즈마 발생 효율이 작을 수 있다. 유도 결합 플라즈마는 유전체 창문 외부에 배치된 안테나에 의하여 생성된다. 상기 유전체 창문의 크기 및 두께가 증가함에 따라, 압력 충격, 가공, 플라즈마 발생 효율이 감소할 수 있다.
반도체 소자의 제조 공정 뿐만 아니라 대면적의 평판 패널 디스플레이(FPD) 장치의 제조공정에서 대면적에 걸친 균일한 플라즈마의 형성은 매우 중요하다. 플라즈마 공정은 높은 공정 균일도, 높은 공정 속도를 달성하기 위해 대면적에 걸친 높은 플라즈마 균일도, 높은 플라즈마 밀도가 요구되어진다.
통상적인 내부 안테나 유도 결합 플라즈마 시스템에서, 안테나는 플라즈마가 발생되는 챔버 내부에 배치되고, 상기 안테나는 절연체에 둘러싸여 배치되고, 고주파의 전력이 안테나에 인가된다. 이에 따라, 챔버 내에 유도 전기장이 생성되고, 상기 유도 전기장은 플라즈마를 발생시킬 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 균일한 플라즈마 밀도를 제공하는 내부 안테나 구조체를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 균일한 플라즈마 밀도를 제공하는 플라즈마 발생 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 내부 안테나 구조체는 RF 전원에 연결되고 플라즈마 챔버에 삽입되는 안테나, 및 상기 안테나의 둘레에 배치되는 절연 자켓을 포함하고, 상기 안테나는 상기 플라즈마 챔버의 내부에 플라즈마를 형성하고, 상기 안테나와 상기 플라즈마는 축전기를 형성하고, 상기 축전기의 단위 길이 당 정전용량은 상기 안테나의 길이 방향에 따라 변한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 안테나의 외경은 상기 안테나의 길이 방향에 따라 변할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 안테나는 서로 다른 외경을 가진 안테나 링들을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 안테나와 상기 절연 자켓 사이에 개재된 보상 구조체를 더 포함하고, 상기 보상 구조체는 상기 안테나의 길이 방향에 따라 변하는 단위 길이 당 유전율을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 정전용량은 상기 안테나의 전압의 절대 값이 최대인 위치에서 최소일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치는 플라즈마 챔버, 플라즈마를 생성하고 상기 플라즈마 챔버의 내부에 배치되는 안테나, 정현파의 구동 주파수를 가지고 상기 안테나에 전력을 공급하는 RF 전원, 및 상기 안테나의 둘레에 배치되는 절연 자켓을 포함하고, 상기 안테나와 상기 플라즈마는 축전기를 형성하고, 상기 축전기의 단위 길이당 정전용량은 상기 안테나의 길이 방향에 따라 변한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 정전용량은 상기 RF 전원의 구동 주파수의 반 파장을 주기로 하여 주기적으로 변할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 안테나는 서로 다른 외경을 가진 안테나 링들을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 절연 자켓의 외경 및 내경은 일정하고, 상기 안테나의 외경은 상기 안테나의 길이 방향에 따라 변할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 안테나와 상기 절연 자켓 사이에 보상 구조체가 개재되고, 상기 보상 구조체는 상기 안테나의 길이 방향에 따라 단위 길이 당 유전율이 다를 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 절연 자켓은 상기 플라즈마 챔버를 관통하도록 배치되어, 상기 플라즈마 챔버의 내부와 상기 자켓의 내부는 서로 다른 압력을 유지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 안테나는 파이프 형상을 포함하고, 상기 안테나의 내부로 냉각 유체가 흐를 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 안테나는 제1 그룹과 제2 그룹을 포함하고, 상기 제1 그룹과 상기 제2 그룹은 서로 다른 평면에 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 그룹의 하부에 제1 기판이 배치되고, 상기 제2 그룹의 하부에 제2 기판이 배치되어, 다수의 기판이 동시에 처리될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 내부 안테나 구조체는 공간적으로 균일한 플라즈마를 제공할 수 있다. 내부 안테나 구조체는 원하는 분포의 플라즈마 밀도 분포를 제공할 수 있다. 상기 내부 안테나는 플라즈마 챔버의 내부에 플라즈마를 형성하고, 상기 내부 안테나와 상기 플라즈마는 축전기를 형성한다. 상기 축전기의 단위 길이 당 정전용량은 정상파 효과 및 축전 결합 효과에 의한 플라즈마 밀도 불균일성을 보상하도록 상기 안테나의 길이 방향에 따라 변한다.
챔버의 기하학적 구조, 로드락(Loadlock) 챔버의 구조, 위치 별 안테나 전압에 인한 축전결합효과 차이, 기체 유동/기체 분압/온도/바이어스(Bias) 전압 불균일도 등에 의한 공정 불균일성을 보상하도록, 상기 안테나의 길이 방향에 따라 단위 길이당 정전 용량은 변한다.
1m x 1m 이상의 대면적의 평판 패널 디스플레이 장치를 위한 공정에는 정상파 효과(standing wave effect)에 의해 유도 결합 플라즈마의 밀도가 균일하지 않을 수 있다. 안테나는 전송선의 기능을 수행할 수 있으므로, 정상파를 형성할 수 있다. 상기 정상파는 상기 RF 전원의 반파장의 길이마다 주기적으로 형성될 수 있다. 상기 정상파 효과는 플라즈마 균일성을 악화시킬 수 있다. 또한, 챔버의 대면적화에 의해 안테나의 길이도 길어질 수 있다. 안테나의 인덕턴스의 증가에 따라, 안테나의 전원단의 인가 전압이 증가하여, 용량성 결합(capacitive coupling)이 증가할 수 있다. 이에 따라, 안테나의 용량성 결합에 의한 전력 손실에 의하여 플라즈마의 균일도는 악화될 수 있다.
통상적인 유도 결합 플라즈마는 안테나와 챔버 사이에 두꺼운 유전체 창문이 사용된다. 따라서, 대면적화에 따라 상기 유전체 창문(dielectric window)의 비용이 증가할 수 있다. 또한, 상기 유전체 창문의 가공이 어려울 수 있다. 플라즈마와 안테나 사이의 거리가 증가함에 따라, 전력 전달 효율(power transfer efficiency)이 감소할 수 있다. 따라서, 대면적 플라즈마 장치는 안테나가 챔버 내부로 삽입될 필요가 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 내부 안테나 구조체는 내부(internal) 안테나와 상기 안테나를 감싸고 있는 절연 자켓을 포함할 수 있다. 상기 내부 안테나는 플라즈마 챔버 내부로 삽입될 수 있다. 상기 내부 안테나와 상기 절연 자켓의 구조는 정상파 효과 및/또는 상기 내부 안테나의 전원 공급단에 형성되는 고 전압에 의한 축전 결합 효과를 억제하도록 구성될 수 있다.
직선형 내부 안테나와 상기 내부 안테나를 감싸는 절연 자켓으로 구성된 내부 안테나 구조체를 이용하여 플라즈마 방전을 하는 경우, 상기 내부 안테나의 파워단 근처에서 플라즈마 밀도가 높거나 낮을 수 있다. 상기 파워단 근처의 플라즈 마 밀도의 증감은 축전 결합 효과에 기인할 수 있다. 이 경우, 상기 안테나의 파워단 근처에서, 축전 결합 효과를 증가 또는 감소시키도록 상기 안테나와 상기 안테나에 의하여 형성된 플라즈마 사이의 단위 길이 당 정전용량은 조절될 수 있다. 상기 안테나의 길이 방향에 따라, 상기 안테나와 상기 플라즈마에 의하여 구성된 축전기의 정전 용량이 다르도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 안테나에 인가되는 RF 전원의 반 파장과 상기 안테나의 길이가 거의 같은 수준인 경우, 상기 안테나는 정상파 효과가 발생할 수 있다. 이 경우, 상기 안테나와 상기 안테나에 의하여 형성된 플라즈마는 축전기를 구성할 수 있다. 상기 축전기의 단위 길이 당 정전용량을 상기 안테나의 길이 방향에 따라 조절하여, 상기 정상파 효과를 억제할 수 있다.
첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 구성요소들은 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 도면들이다. 도 1b는 도 1a의 I-I'선을 따라 자른 단면도이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 플라즈마 발생 장치(100)는 플라즈마 챔버(110), 플라즈마를 생성하고 상기 플라즈마 챔버(110)의 내부에 배치되고 직선 부분(130t)을 가지는 안테나(130), 정현파의 구동 주파수를 가지고 상기 안테나(130)에 전력을 공급하는 RF 전원(150), 및 상기 안테나(130)의 상기 직선 부분(130t)의 둘레에 배치되는 절연 자켓(120)을 포함한다. 상기 안테나(130)와 상기 플라즈마는 축전기를 형성하고, 상기 축전기의 단위 길이 당 정전용량은 상기 안테나(130)의 길이 방향에 따라 변한다.
상기 플라즈마 챔버(110)는 진공 용기일 수 있다. 상기 플라즈마 챔버(110)는 금속, 금속 합금, 유전체 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 플라즈마 챔버(110)의 내부에 기판 홀더(174)가 배치될 수 있다. 상기 기판 홀더(174) 상에 적어도 하나의 기판(172)이 배치될 수 있다.
상기 플라즈마 챔버(110)는 식각, 세정, 증착, 또는 이온 주입 등의 공정이 수행될 수 있다. 상기 플라즈마 챔버(110)는 사각형 챔버일 수 있다. 상기 플라즈마 챔버(110)는 온도 조절부(미도시), 유체 유입부(미도시) 및 배기부(미도시)를 포함할 수 있다. 바이어스 전원(164a,164b)이 상기 기판 홀더(174)에 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 바이어스 전원(164a,164b)은 상기 기판(172)에 DC 바이어스를 인가할 수 있다. 상기 바이어스 전원(164a, 164b)은 서로 다른 주파수를 가질 수 있다. 상기 바이어스 전원들(164a, 164b)과 상기 기판 홀더(174) 사이에 임피던스 정합회로들(162a,162b)이 배치될 수 있다. 상기 플라즈마 챔버는 추가적인 플라즈마 소스를 더 포함할 수 있다.
상기 안테나(130)는 유도 결합 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 상기 안테나(130)는 직선 부분(130t)을 포함할 수 있다. 상기 안테나(130)는 상기 안테 나(130)의 길이 방향에 따라 외경이 변할 수 있다. 상기 안테나(130)는 상기 플라즈마 챔버(110)를 관통하여 배치될 수 있다. 상기 안테나(130)는 복수 개일 수 있다. 상기 안테나들(130)은 서로 나란히 배치될 수 있다. 상기 안테나들(130)의 간격은 일정할 수 있다. 상기 안테나들(130)은 서로 전기적으로 직렬 또는 병렬 연결될 수 있다. 상기 안테나(130)는 전기 전도도가 높은 도체로 제작될 수 있다. 예를들어, 상기 안테나(130)는 구리 파이프에 은 도금될 수 있다. 상기 안테나는 파이프 형상일 수 있다. 상기 안테나의 파이프의 내부로 냉각 유체가 흐를 수 있다.
상기 RF 전원(150)은 상기 안테나들(130)에 전력을 공급할 수 있다. 상기 RF 전원(150)의 주파수는 100 Khz 내지 500 Mhz 일 수 있다. 상기 RF 전원(150)은 펄스 형태로 진폭 변조된 형태일 수 있다. 상기 RF 전원(150)은 다중 주파수의 혼합 형태일 수 있다.
상기 RF 전원(150)은 정현파를 출력할 수 있다. 임피던스 매칭 네트워크(140)는 상기 RF 전원(150)과 상기 안테나(130) 사이에 배치될 수 있다. 상기 임피던스 매칭 네트워크(140)는 상기 RF 전원(150)의 전력을 최대로 상기 안테나(130)를 포함하는 부하에 전달할 수 있다.
상기 절연 자켓(120)은 유전체일 수 있다. 상기 절연 자켓(120)은 상기 플라즈마 챔버(110)를 관통하여 배치될 수 있다. 상기 절연 자켓(120)은 스퍼터링에 강한 물질로 제작될 수 있다. 상기 절연 자켓(120)은 알루미나, 유리, 또는 쿼츠 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 안테나(130) 및 상기 절연 자켓(120)은 상기 정상파 효과를 억제하도록 구성될 수 있다. 상기 절연 자켓(120)의 외부에 형 성된 플라즈마와 상기 안테나(130)는 축전기를 구성할 수 있다. 상기 축전기의 단위 길이 당 정전 용량은 상기 안테나(130)와 상기 플라즈마 사이의 간격 및 상기 간격에 채워진 물질의 유전율에 의존할 수 있다. 상기 정전 용량은 상기 안테나(130)의 진행방향을 따라 서로 다를 수 있다. 상기 정전 용량의 위치에 따른 조절은 정상파비(Standing Wave Ratio: SWR)을 감소시킬 수 있다. 또한, 상기 안테나(130)와 상기 절연 자켓(120)은 안테나(130)의 인덕턴스의 증가에 따른 상기 안테나(130)의 전원단의 인가 전압에 따른 용량성 결합을 억제하도록 구성될 수 있다.
상기 정전용량은 챔버 구조에 의한 플라즈마 확산 및 기체 흐름(Flow)에 의한 기하학적인 불균일 효과, 관측 장비 및 로드락(Loadlock) 등 챔버 구조의 비대칭성에 의한 불균일 효과, 챔버 내 온도 분포 차이에 의한 공정 불균일 효과, 챔버 벽과 안테나 사이에 형성되는 전자기장에 의한 불균일 효과 등의 불균일 효과를 보정하기 위해 챔버 위치 별 단위 길이 당 정전용량이 설정될 수 있다.
상기 불균일도 제어 방법은 본 특허에 기재하지 않은 전원단의 전압을 강하하기 위한 수단 및 불균일도를 제어하기 위한 다른 수단과 상호 보완적으로 사용될 수 있다. 상기 단위 길이 당 정전 용량의 위치에 따른 조절은, 챔버 구조/온도/가스(Gas)에 의한 불균일도를 감소시킬 수 있다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 일 실시예에 따른 내부 안테나 구조체를 설명하는 도면들이다. 도 2b 내지 도 2d는 도 2a를 설명하는 회로도들이다.
도 2a 내지 도 2d를 참조하면, 상기 내부 안테나 구조체(10)는 RF 전원(150) 에 연결되고 플라즈마 챔버(미도시)에 삽입되는 직선 부분(130t)을 포함하는 안테나(130), 및 상기 안테나(130)의 상기 직선 부분(130t)의 둘레에 배치되는 절연 자켓(120)을 포함한다. 상기 안테나(130)는 상기 플라즈마 챔버의 내부에 플라즈마를 형성하고, 상기 안테나(130)와 상기 플라즈마는 축전기를 형성하고, 상기 축전기의 단위 길이 당 정전용량은 상기 안테나(130)의 길이 방향에 따라 변한다.
상기 안테나(130)는 도전성 물질일 수 있다. 상기 안테나(130)는 직선 부분을 포함할 수 있다. 상기 안테나(130)는 직선형 안테나에 한정되지 않고, 곡선 부분을 포함할 수 있다. 상기 안테나(130)의 외경은 상기 안테나(130)의 길이 방향에 따라 변할 수 있다. 상기 안테나(130)는 서로 다른 외경을 가진 안테나 링들(131)을 포함할 수 있다. 상기 안테나 링들(131)의 내경(din)은 일정할 수 있다. 상기 안테나(130)의 내부에 냉각 유체가 흐를 수 있다. 상기 안테나 링들(131)은 동일한 길이일 수 있다. 상기 안테나 링들(131)은 서로 기계적 및 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 안테나 링들(131)의 결합은 나사 결합일 수 있다. 상기 안테나 링들(131)의 외경은 상기 안테나(130)의 길이 방향으로 계단 형상으로 변할 수 있다. 상기 안테나 링들(131)은 제1 내지 제3 안테나 링들(131a,131b,131c)을 포함할 수 있다. 상기 제1 안테나 링(131a)의 외경(d1)은 상기 절연 자켓(120)의 내경(Di)과 실질적으로 동일할 수 있다. 상기 제2 안테나 링(131b) 및 제3 안테나 링(131c)의 외경(d2,d3)은 점진적은 감소할 수 있다. 상기 안테나 링들(131)은 주기적으로 배치될 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에 따른 상기 안테나 링들(131)은 서로 다른 종류의 단위 링들로 구성될 수 있다. 상기 단위 링의 내경은 종류 별로 동일하나 외경이 점진적으로 변화하는 구성일 수 있다.
상기 안테나(130) 둘레에 상기 절연 자켓(120)이 배치될 수 있다. 상기 절연 자켓(120)은 일정한 외경(Do) 및 내경(Di)을 가질 수 있다. 상기 절연 자켓(120)은 알루미나, 세라믹, 및 쿼츠 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 절연 자켓(120)은 원통형 관의 형상일 수 있다. 상기 안테나(130)는 상기 절연 자켓 내부에 삽일될 수 있다. 상기 절연 자켓(120)은 길이 방향으로 직선 혹은 곡선을 그릴 수 있다.
보상 구조체(132)는 상기 안테나(130)와 상기 절연 자켓(120) 사이에 개재될 수 있다. 상기 보상 구조체(132)는 상기 안테나(130)와 절연 자켓(120) 사이 발생하는 강한 전기장에 의한 아킹(arcing) 혹은 기체 방전(gas discharge)을 방지할 수 있다.
상기 보상 구조체(132)는 상기 안테나(130)의 일부의 둘레에만 배치될 수 있다. 상기 보상 구조체(132)는 절연성 물질일 수 있다. 상기 보상 구조체(132)는 플라스틱, 세라믹, 고무, 폴리머 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 보상 구조체(132)는 링 형상을 가질 수 있다. 상기 보상 구조체(132)는 제1 보상 링(132a) 및 제2 보상 링(132b)을 포함할 수 있다. 상기 제1 보상 링(132a)은 상기 제3 안테나 링(131c) 둘레에 배치될 수 있다. 상기 제2 보상 링(132b)은 상기 제2 안테나 링(131b) 둘레에 배치될 수 있다. 상기 보상 구조체(132)의 외경은 일정할 수 있다. 상기 보상 구조체(132)의 내경은 위치에 따라 서로 다를 수 있다. 상기 보상 구조체(132)는 위치에 따라 서로 다른 두께를 가질 수 있다. 상기 보상 구조체(132)는 상기 안테나(130)와 상기 플라즈마 사이의 단위 길이 당 정전 용량을 변화시킬 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에 따른 상기 보상 구조체(132)는 절연 자켓(120)이나 안테나(130) 혹은 안테나 링과 일체형으로 제작될 수 있다.
상기 안테나(130)와 상기 RF 전원(150)이 연결되는 지점은 제1 노드(N1)일 수 있다. 상기 안테나(130)가 접지되는 지점은 제2 노드(N2)일 수 있다. 상기 안테나(130)는 플라즈마를 형성할 수 있다. 상기 안테나(130)와 상기 플라즈마는 축전기를 구성할 수 있다. 상기 축전기의 단위 길이 당 정전용량은 상기 안테나(130)의 길이 방향에 따라 다를 수 있다. 상기 안테나(130)의 정상파 효과의 주기는 상기 RF 전원의 반파장(half wavelength)일 수 있다. 상기 내부 안테나 구조체(10)는 상기 정상파 효과를 상쇄시키도록 구성될 수 있다. 상기 정전 용량은 상기 안테나의 길이 방향으로 상기 RF 전원의 반파장(half wavelength)을 주기로 주기적일 수 있다.
구체적으로, 상기 내부 안테나 구조체가 안테나의 길이 방향으로 일정한 정전 용량을 가지는 경우, 상기 내부 안테나 구조체에 의하여 형성된 플라즈마는 전류의 절대값이 최대인 위치에서 유도 결합(inductive coupling) 플라즈마 발생 효율에 의하여 최대의 플라즈마 밀도를 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 내부 안테나 구조체가 안테나의 길이 방향으로 일정한 정전 용량을 가지는 경우, 상기 플라즈마 밀도는 정상파 효과에 의하여 주기적으로 불균일할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 내부 안테나 구조체(10)의 단위 길이 당 상기 정전용량은 상기 안테나(130)의 전압의 절대값이 최대인 위치에서 최대가 되도록 구성될 수 있다. 상기 전압의 절대값이 최대인 위치에서 상기 정전 용량의 증가는 축전 결합 플라즈마 발생 효율을 증가시킬 수 있다. 또한, 전압의 절대값이 최대인 위치에서 상기 정전 용량의 증가는 플라즈마와 안테나 사이의 거리를 감소시키어 유도 결합 플라즈마 발생 효율을 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 안테나는 상기 안테나의 길이 방향으로 균일한 플라즈마를 제공할 수 있다.
상기 안테나와 상기 플라즈마는 도파로(waveguide)로 모텔화될 수 있다. 상기 도파로는 복수의 단위 영역들(U1,U2,U3)로 분리될 수 있다. 상기 단위 영역(U1)은 직렬 연결된 단위 인턱턴스(Li)와 병렬 연결된 단위 정전 용량(Ci)으로 근사화될 수 있다. 상기 단위 정전 용량(Ci)과 단위 인덕턴스(Li)는 위치에 따라 다를 수 있다. 상기 단위 정전 용량(Ci)을 위치에 따라 변경하여 상기 정상파 효과를 상쇄시킬 수 있다.
정상파 효과가 발생한 경우, 상기 전압의 절대값의 최대 지점과 상기 전류의 절대값의 최소 지점은 같을 수 있다. 상기 정상파의 주기는 상기 RF 전원의 구동 주파수의 반 파장과 같을 수 있다. 상기 전압의 절대값이 최대인 지점에서 상기 단위 정전 용량(Ci)은 최대일 수 있다. 상기 전류의 절대값이 최소인 지점에서, 유도 결합 플라즈마 발생 효율은 작을 수 있다. 상기 전류의 절대값이 최소인 지점에서 정전 용량을 증가시키어 축전 결합 효율을 증가시킬 수 있다. 즉, 상기 전류의 절대값이 최소인 지점에서, 상기 정전 용량의 증가는 축전 결합 플라즈마 효율을 증 가시키어 플라즈마 밀도를 증가시킬 수 있다. 따라서, 상기 안테나의 길이 방향으로 균일한 플라즈마를 제공할 수 있다.
실제 플라즈마 공정 시는, 상기 정상파에 의해 전류가 최대가 되는 지점과 전압이 최소가 되는 지점이 다를 수 있다. 상기 정상파 외의 다른 불균일 효과의 중첩, 및 축전 결합 전자기장에 의한 플라즈마 발생/손실효과 및 플라즈마 전압 차이에 의한 플라즈마 모임 효과에 의해 이상적인 상기 방법으로 불균일도를 제어할 수 없는 경우가 있다. 따라서, 상기 플라즈마 챔버의 공정 특성에 따라 단위 길이 당 정전 용량을 제어하여 균일한 공정을 제공할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 내부 안테나 구조체를 설명하는 도면들이다.
도 3을 참조하면, 상기 내부 안테나 구조체(10a)는 RF 전원(150)에 연결되고 플라즈마 챔버에 삽입되는 직선 부분(230t)을 포함하는 안테나(230), 및 상기 안테나(230)의 상기 직선 부분(230t)의 둘레에 배치되는 절연 자켓(220)을 포함한다. 상기 안테나(230)는 상기 플라즈마 챔버의 내부에 플라즈마를 형성하고, 상기 안테나(230)와 상기 플라즈마(미도시)는 축전기를 형성하고, 상기 축전기의 단위 길이 당 정전용량은 상기 안테나(230)의 길이 방향에 따라 변한다.
상기 안테나(230)는 도전성 물질일 수 있다. 상기 안테나(230)의 외경 및 내경은 일정할 수 있다. 상기 안테나(230)의 내부에 냉각 유체가 흐를 수 있다.
상기 안테나(230) 둘레에 상기 절연 자켓(220)이 배치될 수 있다. 상기 절연 자켓(220)은 일정한 외경 및 내경을 가질 수 있다. 상기 절연 자켓(220)은 알루 미나, 세라믹, 및 쿼츠 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 절연 자켓(220)은 원통형 관의 형상일 수 있다. 상기 안테나(230)는 상기 절연 자켓(220)의 내부에 삽일될 수 있다.
보상 구조체(232)는 상기 안테나(230)와 상기 절연 자켓(220) 사이에 개재될 수 있다. 상기 보상 구조체(232)는 절연성 물질일 수 있다. 상기 보상 구조체(232)는 테프론, 플라스틱, 세라믹, 고무, 폴리머 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 보상 구조체(232)는 링 형상을 가질 수 있다. 상기 보상 구조체(232)의 외경 및 내경은 일정할 수 있다. 상기 보상 구조체(232)는 위치에 따라 서로 다른 유전율을 가질 수 있다. 상기 보상 구조체(232)는 제1 내지 제3 보상 링(232a,232b,232c)을 포함할 수 있다.
상기 안테나(230)는 상기 절연 자켓(220)의 외부에 플라즈마를 형성할 수 있다. 상기 안테나(230)와 상기 플라즈마는 축전기를 구성할 수 있다. 상기 축전기의 단위 길이 당 정전용량은 상기 안테나(230)의 길이 방향에 따라 다를 수 있다. 상기 안테나(230)의 정상파 효과의 주기는 상기 RF 전원의 반파장(half wavelength)일 수 있다. 상기 내부 안테나 구조체(10a)는 상기 정상파 효과를 상쇄시키도록 구성될 수 있다. 상기 정전 용량은 상기 안테나의 길이 방향으로 상기 RF 전원의 반파장(half wavelength)을 주기로 주기적일 수 있다. 단위 길이 당 상기 정전용량은 상기 안테나(230)의 전압의 절대값이 최대인 위치에서 최소일 수 있다. 상기 정전 용량은 상기 보상 구조체(232)의 유전율로 조절될 수 있다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 도면들이다.
도 4a를 참조하면, 플라즈마 발생 장치(100a)는 플라즈마 챔버(110), 플라즈마를 생성하고 상기 플라즈마 챔버(110)의 내부에 배치되고 직선 부분을 가지는 안테나(130a~h), 정현파의 구동 주파수를 가지고 상기 안테나(130a~h)에 전력을 공급하는 RF 전원(150), 및 상기 안테나(130a~h)의 상기 직선 부분의 둘레에 배치되는 절연 자켓(120a~h)을 포함한다. 상기 안테나(130a~h)와 상기 플라즈마는 축전기를 형성하고, 상기 축전기의 단위 길이 당 정전용량은 상기 안테나(130a~h)의 길이 방향에 따라 변한다.
상기 플라즈마 챔버(110)는 진공 용기일 수 있다. 상기 플라즈마 챔버(110)는 금속, 금속 합금, 유전체 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 플라즈마 챔버(110)의 내부에 기판 홀더(174)가 배치될 수 있다. 상기 기판 홀더(174) 상에 기판(미도시)이 배치될 수 있다. 상기 플라즈마 챔버(110)는 사각형 챔버일 수 있다. 바이어스 전원(164a,164b)이 상기 기판 홀더(174)에 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 바이어스 전원(164a,164b)은 상기 기판에 DC 바이어스를 인가할 수 있다. 상기 바이어스 전원들(164a, 164b)은 서로 다른 주파수를 가질 수 있다. 상기 바이어스 전원들(164a, 164b)과 상기 기판 홀더(174) 사이에 임피던스 정합회로들(162a,162b)이 배치될 수 있다.
상기 안테나(130a~h)는 복수개일 수 있다. 상기 안테나들(130a~h)은 전기적으로 병렬 연결될 수 있다. 내부 안테나 구조체는 상기 안테나, 상기 절열 자켓, 및 보상 구조체를 포함할 수 있다. 위에서 설명한 다양한 형태의 상기 내부 안테나 구조체는 상기 플라즈마 발생 장치(100a)에 적용될 수 있다.
도 4b를 참조하면, 상기 안테나들(130a~h)은 전기적으로 직렬 연결될 수 있다.
도 4c를 참조하면, 상기 안테나들(130a~h)은 제1 그룹(130a,130c,130e,130g)과 제2 그룹(130b,130d,130f,130h)을 포함할 수 있다. 상기 제1 그룹(130a,130c,130e,130g))은 제1 정합회로(140a)를 통하여 제1 RF 전원(150a)에 병렬 연결될 수 있다. 상기 제2 그룹(130b,130d,130f,130h)은 제2 정합회로(140b)를 통하여 제2 RF 전원(150b)에 병렬 연결될 수 있다. 상기 제1 그룹(130a,130c,130e,130g)의 안테나와 상기 제2 그룹(130b,130d,130f,130h)의 안테나는 서로 교번하면서 같은 평면에 나란히 배치될 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 도면들이다.
도 5을 참조하면, 플라즈마 발생 장치(100b)는 플라즈마 챔버(110), 플라즈마를 생성하고 상기 플라즈마 챔버(110)의 내부에 배치되고 직선 부분을 가지는 안테나(130x, 130y), 정현파의 구동 주파수를 가지고 상기 안테나(130x, 130y)에 전력을 공급하는 RF 전원(150), 및 상기 안테나(130x, 130y)의 상기 직선 부분의 둘레에 배치되는 절연 자켓(120x,120y)을 포함한다. 상기 안테나(130x, 130y)와 상기 플라즈마는 축전기를 형성하고, 상기 축전기의 단위 길이 당 정전용량은 상기 안테나(130x, 130y)의 길이 방향에 따라 변한다.
상기 안테나들(130x,130y)은 제1 그룹(130x)과 제2 그룹(130x)을 포함할 수 있다. 상기 제1 그룹(130x)과 상기 제2 그룹(130x)은 서로 다른 평면에서 서로 가로지르도록 배치될 수 있다. 제 1 안테나 그룹(130x)은 제1 정합회로(140a)를 통하여 제1 RF 전원(150a)에 병렬 연결될 수 있다. 제2 안테나 그룹(130y)은 제2 정합회로(140b)를 통하여 제2 RF 전원(150b)에 병렬 연결될 수 있다.
상기 제1 그룹(130x)의 안테나들의 하부에 제1 기판(미도시)이 배치될 수 있다. 또한, 상기 제2 그룹(130x)의 안테나들의 하부에 제2 기판(미도시)이 배치될 수 있다. 본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 제1 그룹(130x)과 상기 제2 그룹(130x)은 서로 다른 평면에서 서로 평행하게 배치될 수 있다. 이에 따라, 상기 플라즈마 발생 장치는 복수의 기판들을 동시에 처리할 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 도면들이다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 일 실시예에 따른 내부 안테나 구조체를 설명하는 도면들이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 내부 안테나 구조체를 설명하는 도면들이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 도면들이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 도면들이다.

Claims (14)

  1. RF 전원에 연결되고 플라즈마 챔버에 삽입되는 직선형의 안테나;
    상기 안테나의 둘레에 배치되는 절연 자켓; 및
    상기 안테나와 상기 절연 자켓 사이에 개재된 보상 구조체를 포함하고,
    상기 안테나는 상기 플라즈마 챔버의 내부에 플라즈마를 형성하고, 상기 안테나와 상기 플라즈마는 축전기를 형성하고, 상기 축전기의 단위 길이 당 정전용량은 상기 안테나의 길이 방향에 따라 변하고,
    상기 안테나는 서로 다른 외경을 가진 안테나 링들을 포함하고,
    상기 안테나 링들은 서로 나사 결합하고, 상기 안테나의 외경은 상기 안테나의 길이 방향에 따라 계단 형상으로 변하고,
    상기 보상 구조체는 복수의 보상 링들을 포함하고, 상기 보상 링들의 외경은 일정하고, 상기 보상 링들의 내경은 위치에 따라 다르고, 상기 보상 구조체는 절연성 물질인 것을 특징으로 하는 내부 안테나 구조체.
  2. RF 전원에 연결되고 플라즈마 챔버에 삽입되는 직선형의 안테나;
    상기 안테나의 둘레에 배치되는 절연 자켓; 및
    상기 안테나와 상기 절연 자켓 사이에 개재된 보상 구조체를 포함하고,
    상기 안테나는 상기 플라즈마 챔버의 내부에 플라즈마를 형성하고, 상기 안테나와 상기 플라즈마는 축전기를 형성하고, 상기 축전기의 단위 길이 당 정전용량은 상기 안테나의 길이 방향에 따라 변하고,
    상기 안테나의 외경은 일정하고,
    상기 보상 구조체는 상기 안테나의 길이 방향에 따라 변하는 단위 길이 당 유전율을 가지고,
    상기 보상 구조체는 복수의 보상 링들을 포함하고, 상기 보상 링들은 일정한 외경 및 내경을 가지고 위치에 따라 다른 유전율을 가지는 것을 특징으로 하는 내부 안테나 구조체.
  3. 제 1항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 안테나의 내부로 냉각수가 흐르는 것을 특징으로 하는 내부 안테나 구조체.
  4. 제 1항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 정전용량은 상기 안테나의 전압의 절대값이 최대인 위치에서 최소인 것을 특징으로 하는 내부 안테나 구조체.
  5. 제 1항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 안테나의 내경은 일정한 것을 특징으로 하는 내부 안테나 구조체.
  6. 플라즈마 챔버;
    RF 전원에 연결되고 플라즈마 챔버에 삽입되는 직선형의 안테나;
    정현파의 구동 주파수를 가지고 상기 안테나에 전력을 공급하는 RF 전원;
    상기 안테나의 둘레에 배치되는 절연 자켓; 및
    상기 안테나와 상기 절연 자켓 사이에 개재된 보상 구조체를 포함하고,
    상기 안테나는 상기 플라즈마 챔버의 내부에 플라즈마를 형성하고, 상기 안테나와 상기 플라즈마는 축전기를 형성하고, 상기 축전기의 단위 길이 당 정전용량은 상기 안테나의 길이 방향에 따라 변하고,
    상기 안테나는 서로 다른 외경을 가진 안테나 링들을 포함하고,
    상기 안테나 링들은 서로 나사 결합하고, 상기 안테나의 외경은 상기 안테나의 길이 방향에 따라 계단 형상으로 변하고,
    상기 보상 구조체는 복수의 보상 링들을 포함하고, 상기 보상 링들의 외경은 일정하고, 상기 보상 링들의 내경은 위치에 따라 다르고, 상기 보상 구조체는 절연성 물질인 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
  7. 플라즈마 챔버;
    RF 전원에 연결되고 플라즈마 챔버에 삽입되는 직선형의 안테나;
    정현파의 구동 주파수를 가지고 상기 안테나에 전력을 공급하는 RF 전원
    상기 안테나의 둘레에 배치되는 절연 자켓; 및
    상기 안테나와 상기 절연 자켓 사이에 개재된 보상 구조체를 포함하고,
    상기 안테나는 상기 플라즈마 챔버의 내부에 플라즈마를 형성하고, 상기 안테나와 상기 플라즈마는 축전기를 형성하고, 상기 축전기의 단위 길이 당 정전용량은 상기 안테나의 길이 방향에 따라 변하고,
    상기 안테나의 외경은 일정하고,
    상기 보상 구조체는 상기 안테나의 길이 방향에 따라 변하는 단위 길이 당 유전율을 가지고,
    상기 보상 구조체는 복수의 보상 링들을 포함하고, 상기 보상 링들은 일정한 외경 및 내경을 가지고 위치에 따라 다른 유전율을 가지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  8. 제6 항 또는 제7항에 있어서,
    상기 정전용량은 상기 RF 전원의 구동 주파수의 반 파장을 주기로 하여 주기적으로 변하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  9. 제6 항 또는 제7항에 있어서,
    상기 안테나의 내부로 냉각수가 흐르는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
  10. 제6 항 또는 제7항에 있어서,
    상기 안테나는 파이프 형상인 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
  11. 제6 항 또는 제7항에 있어서,
    상기 절연 자켓은 상기 플라즈마 챔버를 관통하도록 배치되어, 상기 플라즈마 챔버의 내부와 상기 자켓의 내부는 서로 다른 압력을 유지하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  12. 제6 항 또는 제7항에 있어서,
    상기 보상 구조체는 절연 물질인 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
  13. 제6 항 또는 제7항에 있어서,
    상기 안테나는 제1 그룹과 제2 그룹을 포함하고,
    상기 제1 그룹과 상기 제2 그룹은 서로 다른 평면에 배치된 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 제1 그룹의 하부에 제1 기판이 배치되고,
    상기 제2 그룹의 하부에 제2 기판이 배치되어,
    다수의 기판이 동시에 처리되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
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