KR101837884B1 - 전력 균일성이 개선된 마이크로파 플라즈마 인가기 - Google Patents

전력 균일성이 개선된 마이크로파 플라즈마 인가기 Download PDF

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Abstract

플라즈마 발생 장치는, 플라즈마 방전관, 및 플라즈마 방전관의 외면 둘레에 나선형으로 권취된 전도성 코일을 포함한다. 도파관은, 플라즈마가 플라즈마 방전관에서 발생하게끔 마이크로파 에너지를 플라즈마 방전관 내로 유도하도록 플라즈마 방전관을 둘러싸는 마이크로파 캐비티에 결합된다. 도파관은, 마이크로파 에너지의 전계가 플라즈마 방전관의 길이방향 축선에 대하여 소정의 각도로 배향되도록 위치한다. 그 결과, 전도성 코일에 유도되는 전류는 플라즈마 방전관에서의 전력 흡수에 영향을 끼치고, 소정의 각도는, 플라즈마 방전관에서의 전력 흡수가 플라즈마 방전관의 길이방향 축선에 대한 소정의 프로파일에 따르도록 선택가능하다.

Description

전력 균일성이 개선된 마이크로파 플라즈마 인가기{MICROWAVE PLASMA APPLICATOR WITH IMPROVED POWER UNIFORMITY}
본 개시 내용은, 마이크로파 플라즈마 시스템에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 처리 응용분야를 위한 반응성 가스 종을 생성하기 위한 유체 냉각 마이크로파 플라즈마 인가기예 관한 것이다.
반응성 가스와 가스 혼합물은, 전자 디바이스와 광학 디바이스를 제조하기 위한 반도체 웨이퍼 등의 재료의 처리를 포함하는 많은 생산 공정에서 사용된다. 반응성 가스는, 예를 들어, 초소형 전자기기 제조시 유전 재료와 반도체 재료 또는 포토레지스트와 폴리이미드 등의 다양한 마스킹 막을 에칭하도록 박막 증착 및 에칭에 사용될 수 있다. 반응성 가스는, 유전 막과 금속 막을 형성하는 데 사용될 수 있으며, 또한, 웨이퍼 처리의 다양한 단계들에서 웨이퍼 표면을 세정하는 데 사용될 수 있다.
가스 분자들의 반응성 종들은, 플라즈마 방전시 가스 분자들을 여기함으로써 생성될 수 있다. 방전은, 에너지를, 가스를 함유하는 챔버 상의 유전체 창(dielectric window) 또는 플라즈마 방전관에 결합함으로써 플라즈마 소스에 의해 생성될 수 있다. 마이크로파 에너지는 플라즈마 방전을 생성 및 유지하는 에너지 소스로서 종종 사용된다. 플라즈마 방전을 생성하는 데 사용되는 통상적인 마이크로파 주파수는, 전원과 시스템 구성요소의 이용가능성 때문에 2.45GHz이다.
매우 깨끗한 상태에서 대량의 다양한 반응성 가스 종들을 생성할 수 있는 플라즈마 소스를 구비하는 것이 바람직하다. 바람직한 종들의 예로는, 다양한 원자 할로겐(불소 원자, 염소 원자, 브롬 원자 등)， 산소 원자, 질소 원자, 및 수소 원자가 있다. 플라즈마 소스에서 대량의 반응성 가스 종들을 생성하기 위해 마이크로파 에너지를 사용하는 데 있어서 한 가지 기술적인 어려움은 플라즈마 방전관 또는 유전체 창을 냉각하는 것이다. 공기 냉각을 플라즈마 방전관을 위해 이용할 수 있지만, 이것은 액체 냉각에 비해 상당히 비효율적이다. 또한, 공기 냉각은 충분한 양의 열을 제거하도록 상당히 크고 고가의 송풍기 또는 압축기를 필요로 한다. 또한, 공기 냉각은 반도체를 제조하는 데 사용되는 현대의 세정실 환경과 양립하지 못할 수 있다.
액체 냉각은 효율적이기 때문에 유리하다. 수냉각은, 물이 높은 열 용량을 갖고 취급이 안전하고 환경적으로 무해하기 때문에, 특히 바람직하다. 또한, 냉수는, 거의 모든 제조, 대학, 및 연구, 및 개발 시설들에서 쉽게 이용가능하다. 마이크로파 플라즈마 방전관을 냉각하기 위한 물을 사용하는 것에 대한 장해물은, 물이 마이크로파 에너지도 쉽게 흡수한다는 점이다. 유사하게, 다른 많은 바람직한 냉각 액체들도 마이크로파 에너지를 쉽게 흡수한다.
실리콘 오일, 일부 클로로플루오로카본, 및 다양한 탄화수소 화합물 등의 일부 유체들은, 마이크로파 에너지를 흡수하지 않으며, 따라서, 플라즈마 방전관의 외부를 냉각하는 데 사용될 수 있다. 그러나, 이러한 유체들은, 종종 환경적으로 바람직하지 않으며, 취급이 위험하고, 고가이며, 또한, 이러한 유체들을 사용하려면 폐쇄 루프 열 교환기를 사용해야 하며, 이는 시스템의 복잡성과 비용을 더욱 증가시킨다.
플라즈마를 발생시키고 활성화된 가스를 생성하도록 많은 기술들을 사용해 왔다. 이러한 기술들은, 용량 결합형 방전, 유도 결합형 방전, 및 마이크로파 방전을 포함한다. 종래의 디바이스들 중 어느 것도, 산업 응용분야에 유용한 유속이 빠르고 오염이 없으며 화학적으로 활성화된 가스를 생성하는 데 적합하지 못했다.
일 양태에 따르면, 플라즈마 발생 장치를 제공한다. 이 장치는, 마이크로파 에너지를 실질적으로 투과시키고 길이방향 축선을 갖는 플라즈마 방전관을 포함한다. 도전성 재료를 포함하는 전도성 코일은 플라즈마 방전관의 외면 둘레에 실질적으로 나선형으로 권취된다. 마이크로파 캐비티는 플라즈마 방전관을 둘러싼다. 도파관은, 플라즈마가 플라즈마 방전관에서 발생하도록 마이크로파 에너지를 플라즈마 방전관 내로 유도하기 위한 마이크로파 캐비티에 결합된다. 도파관은 주 단면 축선(major cross-sectional axis)과 부 단면 축선을 갖고, 주 및 부 단면 축선들은, 마이크로파 에너지의 전계가 플라즈마 방전관의 길이방향 축선에 대하여 소정의 각도로 배향되도록 플라즈마 방전관의 길이방향 축선에 대하여 위치한다. 마이크로파 에너지의 전계는 전도성 코일에 전류를 유도하며, 전류는 플라즈마 방전관에서의 전력 흡수에 영향을 끼치고, 소정의 각도는, 플라즈마 방전관에서의 전력 흡수가 플라즈마 방전관의 길이방향 축선에 대한 소정의 프로파일에 따르도록 선택가능하다.
예시적인 일부 실시예들에서, 소정의 각도는, 전계가 플라즈마 방전관의 길이방향 축선에 실질적으로 수직으로 배향되도록 하는 것이다. 예시적인 일부 실시예들에서, 소정의 각도는, 전계가 플라즈마 방전관의 길이방향 축선에 대하여 30° 내지 90°의 각도로 배향되도록 하는 것이다. 예시적인 일부 실시예들에서, 소정의 각도는, 전계가 플라즈마 방전관의 길이방향 축선에 대하여 45° 내지 90°의 각도로 배향되도록 하는 것이다. 예시적인 일부 실시예들에서, 소정의 각도는, 플라즈마 방전관의 길이방향 축선에 대한 전력 흡수의 균일성을 증가시키도록 선택된다.
예시적인 일부 실시예들에서, 전도성 코일은 플라즈마 방전관 둘레에 복수의 루프를 포함하고, 복수의 루프는 인접하는 루프들 간의 이격 패턴을 정의하고, 이격 패턴은, 플라즈마 방전관에서의 전력 흡수에 대한 전도성 코일에서의 유도 전류의 소정의 원하는 영향에 기초하여 선택가능하다. 예시적인 일부 실시예들에서, 인접하는 루프들 간의 이격 패턴은 플라즈마 방전관의 길이방향 축선에 대한 전력 흡수의 균일성을 증가시키도록 선택된다. 예시적인 일부 실시예들에서, 선택된 인접하는 루프들 간의 이격은, 선택된 인접하는 루프들에 근접해 있는 플라즈마 방전관의 마이크로파 에너지의 전파가 증가하게끔 전도성 코일에 유도되는 전류를 증가시키도록 감소될 수 있다. 예시적인 일부 실시예들에서, 선택된 인접하는 루프들 간의 이격은, 선택된 인접하는 루프들에 근접해 있는 플라즈마 방전관의 마이크로파 에너지의 전파가 감소하게끔 전도성 코일에 유도되는 전류를 감소시키도록 증가될 수 있다.
예시적인 일부 실시예들에서, 전도성 코일은 플라즈마 방전관에 열적으로 결합되고, 전도성 코일은, 냉각 유체가 플라즈마 방전관으로부터 열을 제거하도록 냉각 유체가 흐를 수 있는 채널을 포함한다. 인접하는 루프들 간의 이격은 플라즈마 방전관의 온도를 제어하도록 선택될 수 있다.
예시적인 일부 실시예들에서, 장치는 전도성 코일의 두 개의 단부의 각각에 마이크로파 쵸크를 더 포함하고, 마이크로파 쵸크들은 마이크로파 에너지가 플라즈마 방전관으로부터 누출되는 것을 실질적으로 방지한다.
예시적인 일부 실시예들에서, 전도성 코일은 플라즈마 방전관의 외면 둘레에 나선형으로 권취된다.
예시적인 일부 실시예들에서, 제어기는, 마이크로파 에너지의 전계와 플라즈마 방전관의 길이방향 축선 간의 소정의 각도를 제어한다. 장치는, 플라즈마 방전관에서의 전자기장 강도를 나타내는 제1 신호를 생성하기 위한 전자기장 센서와 플라즈마 방전관에서의 온도를 나타내는 제2 신호를 생성하기 위한 온도 센서 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 제어기는, 제1 및 제2 신호들 중 적어도 하나에 기초하여 소정의 각도를 제어한다. 장치는, 소정의 각도를 조정하도록 플라즈마 방전관에 대하여 도파관을 회전시키기 위한 적어도 하나의 액추에이터를 포함할 수 있고, 제어기는 소정의 각도를 제어하도록 적어도 하나의 액추에이터를 제어할 수 있다.
다른 일 양태에 따르면, 플라즈마 발생 장치를 제공한다. 장치는, 마이크로파 에너지를 실질적으로 투과시키고 길이방향 축선을 갖는 플라즈마 방전관을 포함한다. 도전성 재료를 포함하는 전도성 코일은, 플라즈마 방전관의 외면 둘레에 실질적으로 나선형으로 권취된다. 마이크로파 에너지의 전계는 전도성 코일에 전류를 유도하고, 전류는 플라즈마 방전관에서의 전력 흡수에 영향을 끼친다. 마이크로파 캐비티는 플라즈마 방전관을 둘러싼다. 도파관은, 플라즈마가 플라즈마 방전관에서 발생하게끔 마이크로파 에너지를 플라즈마 방전관 내에 유도하도록 마이크로파 캐비티에 결합된다. 회전 결합 디바이스는, 도파관을 플라즈마 방전관에 결합하고, 플라즈마 방전관의 길이방향 축선과 마이크로파 에너지의 전계 간의 각도를 조정하도록 도파관이 플라즈마 방전관에 대하여 회전될 수 있게 하며, 이때, 플라즈마 방전관에서의 전력 흡수는, 플라즈마 방전관의 길이방향 축선에 대한 소정의 프로파일로 회전 결합 디바이스를 통해 조정가능하다.
예시적인 일부 실시예들에서, 도파관은 주 단면 축선과 부 단면 축선을 포함하고, 회전 결합 디바이스는, 플라즈마 방전관의 길이방향 축선과 마이크로파 에너지의 전계 간의 각도를 조정하도록 주 및 부 단면 축선들이 플라즈마 방전관의 길이방향 축선에 대하여 조정될 수 있게 한다.
예시적인 일부 실시예들에서, 장치는, 플라즈마 방전관의 길이방향 축선과 마이크로파 에너지의 전계 간의 각도를 조정하도록 제어기를 더 포함한다. 장치는, 플라즈마 방전관에서의 전자기장 강도를 나타내는 제1 신호를 발생시키는 전자기장 센서와 플라즈마 방전관에서의 온도를 나타내는 제2 신호를 발생시키는 온도 센서 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 제어기는, 제1 및 제2 신호들 중 적어도 하나에 기초하여 마이크로파 에너지의 전계와 플라즈마 방전관의 길이방향 축선 간의 각도를 제어한다. 장치는, 마이크로파 에너지의 전계와 플라즈마 방전관의 길이방향 축선 간의 각도를 조정하도록 플라즈마 방전관에 대하여 도파관을 회전시키기 위한 적어도 하나의 액추에이터를 포함하고, 제어기는, 마이크로파 에너지의 전계와 플라즈마 방전관의 길이방향 축선 간의 각도를 제어하도록 그 적어도 하나의 액추에이터를 제어한다.
예시적인 일부 실시예들에서, 마이크로파 에너지의 전계와 플라즈마 방전관의 길이방향 축선 간의 각도는, 30° 내지 90°로 조정가능하다. 예시적인 일부 실시예들에서, 마이크로파 에너지의 전계와 플라즈마 방전관의 길이방향 축선 간의 각도는, 45° 내지 90°로 조정가능하다. 예시적인 일부 실시예들에서, 마이크로파 에너지의 전계와 플라즈마 방전관의 길이방향 축선 간의 각도는, 플라즈마 방전관의 길이방향 축선에 대한 전력 흡수의 균일성을 증가시키도록 조정된다.
예시적인 일부 실시예들에서, 장치는 플라즈마 방전관에서의 플라즈마의 축선 방향 균일성을 감시하기 위한 센서를 더 포함한다.
예시적인 일부 실시예들에서, 전도성 코일은 플라즈마 방전관 둘레에 복수의 루프를 포함하고, 복수의 루프는 인접하는 루프들 간의 이격 패턴을 정의하고, 이격 패턴은, 플라즈마 방전관에서의 전력 흡수에 대한 전도성 코일에서의 유도 전류의 소정의 원하는 영향에 기초하여 선택가능하다. 예시적인 일부 실시예들에서, 인접하는 루프들 간의 이격 패턴은, 플라즈마 방전관의 길이방향 축선에 대한 전력 흡수의 균일성을 증가시키도록 선택된다. 예시적인 일부 실시예들에서, 선택된 인접하는 루프들 간의 이격은 전도성 코일에 유도되는 전류를 증가시키도록 감소될 수 있고, 이때, 선택된 인접하는 루프들에 근접해 있는 플라즈마 방전관에서의 마이크로파 에너지의 전파가 증가한다. 예시적인 일부 실시예들에서, 선택된 인접하는 루프들 간의 이격은 전도성 코일에 유도되는 전류를 감소시키도록 증가될 수 있고, 이때, 선택된 인접하는 루프들에 근접해 있는 플라즈마 방전관에서의 마이크로파 에너지의 전파가 감소된다.
예시적인 일부 실시예들에서, 전도성 코일은 플라즈마 방전관에 열적으로 결합되고, 전도성 코일은, 냉각 유체가 플라즈마 방전관으로부터 열을 제거하도록 냉각 유체가 흐를 수 있는 채널을 포함한다. 인접하는 루프들 간의 이격은, 마이크로파계의 전파를 확실히 하면서 플라즈마 방전관의 온도를 최소화하도록 선택될 수 있다.
예시적인 일부 실시예들에서, 장치는 전도성 코일의 두 개의 단부의 각각에 마이크로파 쵸크를 더 포함하고, 마이크로파 쵸크들은 마이크로파 에너지가 플라즈마 방전관으로부터 누출되는 것을 실질적으로 방지한다.
예시적인 일부 실시예들에서, 전도성 코일은 플라즈마 방전관의 외면 둘레에 나선형으로 권취된다.
또 다른 일 양태에 따르면, 플라즈마 발생 디바이스를 위한 플라즈마 방전관 조립체를 제공한다. 조립체는, 마이크로파 에너지를 실질적으로 투과시키고 길이방향 축선을 갖는 플라즈마 방전관을 포함한다. 도전성 재료를 포함하는 전도성 코일은 플라즈마 방전관의 외면 둘레에 실질적으로 나선형으로 권취된다. 마이크로파 에너지의 전계는 전도성 코일에 전류를 유도하고, 전류는 플라즈마 방전관에서의 전력 흡수에 영향을 끼친다. 복수의 마이크로파 쵸크가 전도성 코일의 두 개의 단부의 각각에 배치되고, 마이크로파 쵸크들은 마이크로파 에너지가 플라즈마 방전관으로부터 누출되는 것을 실질적으로 방지한다.
예시적인 일부 실시예들에서, 전도성 코일은 플라즈마 방전관의 둘레에 복수의 루프를 포함하고, 복수의 루프는 인접하는 루프들 간의 이격 패턴을 정의하고, 이격 패턴은, 플라즈마 방전관에서의 전력 흡수에 대한 전도성 코일에서의 유도 전류의 소정의 원하는 영향에 기초하여 선택가능하다. 예시적인 일부 실시예들에서, 인접하는 루프들 간의 이격 패턴은 플라즈마 방전관의 길이방향 축선에 대한 전력 흡수의 균일성을 증가시키도록 선택된다. 예시적인 일부 실시예들에서, 선택된 인접하는 루프들 간의 이격은 전도성 코일에 유도되는 전류를 증가시키도록 감소될 수 있고, 이때, 선택된 인접하는 루프들에 근접해 있는 플라즈마 방전관에서의 마이크로파 에너지의 전파가 증가한다. 예시적인 일부 실시예들에서, 선택된 인접하는 루프들 간의 이격은 전도성 코일에 유도되는 전류를 감소시키도록 증가될 수 있고, 이때, 선택된 인접하는 루프들에 근접해 있는 플라즈마 방전관에서의 마이크로파 에너지의 전파가 감소된다. 예시적인 일부 실시예들에서, 인접하는 루프들 간의 이격은 0.2cm 내지 1cm이다.
예시적인 일부 실시예들에서, 전도성 코일은 플라즈마 방전관에 열적으로 결합되고, 전도성 코일은, 냉각 유체가 플라즈마 방전관으로부터 열을 제거하도록 냉각 유체가 흐를 수 있는 채널을 포함한다.
전술한 특징부와 장점, 및 기타 특징부와 장점은, 유사한 참조 문자들이 서로 다른 도들에 걸쳐 동일한 부분을 가리키는 첨부 도면에 예시한 바와 같이 바람직한 실시예들의 더욱 구체적인 설명으로부터 명백할 것이다. 도면은 반드시 일정한 비율로 된 것은 아니며, 대신에, 본 개념의 원리를 예시하도록 강조되어 있다.
도 1은 유체 냉각형 마이크로파 플라즈마 인가기의 개략적 단면도.
도 2는 마이크로파 흡수 유체를 사용할 수 있는 유체 냉각형 마이크로파 플라즈마 인가기의 개략적 단면도.
도 3은 도 2에 도시한 냉각 자켓의 일 실시예의 개략적 단면도.
도 4a와 도 4b는 도 2에 도시한 플라즈마 인가기(2)에 대한 전력 흡수 프로파일의 개략도.
도 5a 내지 도 5d는 예시적인 일부 실시예들에 따라 플라즈마 인가기를 도시하는 개략도.
도 6은, 예시적인 일부 실시예들에 따라 플라즈마 인가기에서의 전계 분포를 도시하는, 도 5a 내지 도 5d의 플라즈마 인가기의 개략적 단면도.
도 7a와 도 7b는, 예시적인 일부 실시예들에 따라 플라즈마 인가기에서의 시뮬레이션된 전력 흡수를 도시하는, 도 5a 내지 도 5d의 플라즈마 인가기의 개략적 단면도.
도 8a와 도 8b는, 도 2에 도시한 플라즈마 인가기 등의 종래의 플라즈마 인가기, 및 예시적인 일부 실시예들에 따른 도 5a 내지 도 5d에 도시한 플라즈마 인가기 등의 예시적인 실시예들의 플라즈마 인가기에 대한 플라즈마 방전관 온도 압력 곡선을 포함하는 도.
도 9는, 예시적인 일부 실시예들에 따라, 플라즈마 인가기의 플라즈마 방전관에 대한 다수의 길이방향 또는 축선 방향 동작가능 온도 프로파일들을 도시하는 온도 대 축선 방향 위치의 그래프.
도 10은 예시적인 일부 실시예들에 따른 플라즈마 인가기의 개략적 사시도.
도 11a와 도 11b는 예시적인 일부 실시예들에 따라 도 10에 도시한 플라즈마 인가기에 대한 동작가능 전력 흡수 프로파일의 개략도.
도 12a 내지 도 12d는 예시적인 일부 실시예들에 따른 다른 플라즈마 인가기의 개략적 사시도.
도 13은, 예시적인 일부 실시예들에 따라 도파관 회전이 제어가능한 또 다른 플라즈마 인가기의 개략적 기능 블록도와 사시도.
전문이 본원에 참고로 원용되는 미국 특허 제5,625,259호(이하, '259 특허')는, 특정한 방향으로 배향된 마이크로파 전계가, 소정의 경로로 플라즈마 방전관을 둘러싸는 마이크로파 흡수 냉각 액체를 함유하는 채널을 갖는 마이크로파 플라즈마 방전관에 효율적으로 결합될 수 있는 것을 개시한다. 예를 들어, 플라즈마 방전관의 중심을 통해 연장되는 길이방향 축선에 평행하게 배향된 마이크로파 전계는, 나선형 경로로 플라즈마 방전관을 둘러싸는 냉각 채널을 갖는 플라즈마 방전관에 효율적으로 결합한다.
게다가, 특정한 방향으로 배향된 마이크로파 전계는, 유전체 창과 접촉하는 하나 이상의 채널을 갖고 마이크로파 흡수 냉각 액체를 함유하는 유전체 창에 효율적으로 결합될 수 있다. 예를 들어, 유전체 창의 표면에 평행하게 배향된 마이크로파 전계는, 나선형 경로로 플라즈마 방전관을 둘러싸는 하나 이상의 냉각 채널을 갖는 플라즈마 방전관에 효과적으로 결합한다.
'259 특허는, 마이크로파 에너지를 실질적으로 투과시키는 재료로, 예컨대, 석영, 사파이어, 또는 알루미나로 형성된 플라즈마 방전관을 포함하는, 마이크로파 흡수 유체를 위한 유체 냉각 플라즈마 인가기를 개시한다. 사파이어로 형성된 플라즈마 방전관은 불소계 가스를 사용하는 응용분야에 바람직하다. 냉각 부재는, 플라즈마 방전관을 둘러싸며, 냉각 부재의 내면을 따라 형성되는 채널을 정의하며, 플라즈마 방전관의 외면을 둘러싼다. 냉각 부재의 외면은 플라즈마 방전관에 열적으로 결합될 수 있다. 채널은, 플라즈마 방전관의 외면에 걸쳐 마이크로파 흡수 냉각 유체를 이송하기 위한 도관을 제공한다. 채널에 인접한 매체는, 마이크로파 전계가 플라즈마 방전관에 진입할 수 있게 하며, 이에 따라 유체가 채널을 통해 흐르고 있는 동안 플라즈마 방전관 내에 플라즈마를 생성 및 유지할 수 있게 한다. 매체는 공기일 수 있다.
채널은 플라즈마 방전관의 외면을 나선형 경로로 둘러싼다. 플라즈마 방전관의 중심을 통해 연장되는 길이방향 축선에 평행하게 배향된 마이크로파 전계는, 유체에 의해 별로 감쇠되지 않고 플라즈마 방전관에 진입하며, 이에 따라 플라즈마가 형성되어 유지될 수 있게 한다. 냉각 부재는, 화학적으로 불활성이고 마이크로파를 투과시키는 폴리테트라플루오로에틸렌으로, 또는 마이크로파에 대한 투과형 또는 반사형일 수 있는 고 열 전도성 재료로 형성될 수 있다. 냉각 부재 내의 채널은, 유체를 플라즈마 방전관의 외면에 걸쳐 이동시키는 펌프에 연결가능하다. 유체는, 높은 열 전도성을 가지면서 사용하기 편리한 물일 수 있다.
'259 특허는, 또한, 마이크로파 에너지의 소스, 마이크로파 에너지를 실질적으로 투과시키고 마이크로파 에너지의 소스에 결합된 플라즈마 방전관, 및 플라즈마 방전관에 대하여 원주 방향으로 위치하며 마이크로파 에너지를 실질적으로 투과시키는 냉각 자켓을 포함하는 마이크로파 또는 플라즈마 시스템을 개시한다. 자켓은, 플라즈마 방전관의 외면에 걸쳐 물 등의 유체를 이송하기 위한 나선형 경로로 자켓의 내면을 따라 형성되는 채널을 정의한다. 채널에 인접하는 매체는, 플라즈마 방전관의 중심을 통해 연장되는 길이방향 축선에 평행하게 배향된 마이크로파 전계가 플라즈마 방전관에 진입할 수 있게 하여 물이 채널을 통해 흐르는 동안 플라즈마를 유지할 수 있게 한다. 시스템은, 또한, 채널을 통해 물을 재순환시키는 채널 및 물의 소스에 연결된 펌프를 포함한다.
'259 특허는, 또한, 마이크로파 플라즈마 시스템에서 사용하기 위한 유체 냉각형 유전체 창을 개시한다. 냉각 부재는 유전체 창의 외면과 접촉한다. 유전체 창은, 마이크로파 에너지를 실질적으로 투과시키는 재료로, 예컨대, 석영, 사파이어, 또는 알루미나로 형성된다. 냉각 부재는, 창의 외면에 걸쳐 물 등의 마이크로파 흡수 냉각 유체를 이송하기 위한 채널 및 채널에 인접하는 매체를 정의한다. 공기일 수 있는 매체는, 마이크로파 전계가 창을 통해 진입할 수 있게 하여 유체가 채널을 통해 흐르는 동안 챔버 내의 플라즈마를 유지할 수 있게 한다.
채널은 창의 외면에 걸쳐 나선형 경로를 형성할 수 있다. 창의 표면에 평행하게 배향된 전계는, 유체에 의해 별로 감쇠되지 않고 창에 진입하며 이에 따라 플라즈마가 형성 및 유지될 수 있게 한다. 냉각 부재는, 화학적으로 불활성이며 마이크로파를 투과시키는 폴리테트라플루오로에틸렌으로 또는 마이크로파를 투과시키거나 마이크로파를 반사하는 고 열 전도성 재료로 형성될 수 있다. 냉각 부재 내의 채널은, 유체를 플라즈마 방전관의 외면에 걸쳐 흐르게 하는 펌프에 연결가능하다.
도 1은 종래 기술의 액체 냉각형 마이크로파 플라즈마 인가기(1)의 개략적 단면도이다. 인가기(1)는 유전형 플라즈마 방전관(10)을 포함한다. 플라즈마 방전관(10)은, 마이크로파 에너지를 실질적으로 투과시키고 플라즈마 처리를 위한 적절한 기계적 특성, 열적 특성, 및 화학적 특성을 갖는 재료로 제조된다. 통상적인 재료는 석영, 사파이어, 및 알루미나를 포함한다. 플라즈마 방전관(10)의 최상부(14)에 위치하는 가스 유입구(12)는 공정 가스들이 플라즈마 방전관(10) 내로 도입될 수 있게 한다. 플라즈마 방전관(10)의 최하부(16)는 진공 챔버(18)에 결합된다. 진공 펌프(19)는 챔버(18)를 배기하는 데 사용된다. 처리 동안, 플라즈마 방전관(10)에서 발생하는 반응성 가스 종들은 챔버(18) 내를 향하여 하류측으로 흐른다.
마그네트론(20)은, 플라즈마 방전관(10) 내에 플라즈마를 생성 및 유지하는 데 필요한 마이크로파 에너지를 발생시킨다. 마그네트론(20)의 출력(22)은 순환기(24)에 결합되고, 순환기는, 마이크로파 에너지를 플라즈마 방전관(10)에 이송하도록 플라즈마 방전관(10)에 결합된 도파관(26)에 그 마이크로파 에너지를 방해 없이 전달할 수 있다. 순환기(24)는, 마그네트론(20)을 손상시키지 않도록 플라즈마 방전관(10)에 의해 반사되는 마이크로파 에너지를 더미 로드(dummy load; 28)로 향하게 한다. 튜너(30)는, 도파관(26)의 전자기장을 교란함으로써 반사 에너지를 최소화한다.
유입구(34)와 유출구(36)가 있는 냉각 자켓(32)은 플라즈마 방전관(10)을 둘러싼다. 자켓(32)에 결합된 펌프(38)는, 냉각 액체를, 유입구(34) 내로, 자켓(32)을 통해, 유출구(36)를 통해, 펌프(38)로 다시 향하게 한다. 액체는 플라즈마 방전관(10)의 외면 전체와 직접 접촉한다. 따라서, 도파관(26)의 마이크로파 에너지는 플라즈마 방전관(10)에 도달하도록 액체를 통해 이동해야 한다. 액체가 마이크로파 에너지를 상당히 흡수하면, 도파관(26)의 마이크로파 에너지는 플라즈마를 형성 및 유지하도록 플라즈마 방전관(10)에 충분히 결합하지 않는다.
따라서, 이러한 구성에서는, 마이크로파 에너지를 별로 흡수하지 않는 액체들만을 액체 냉각형 마이크로파 플라즈마 인가기(1)에 사용한다. 이러한 액체의 예로는, 실리콘 오일, 일부 클로로플루오로카본, 및 다양한 탄화수소 화합물이 있다. 그러나, 이러한 유체들은 환경적으로 바람직하지 못하며 또한 고가이다. 이러한 많은 유체들은, 또한, 작업자에게 유해하며, 복합한 취급 절차를 필요로 한다. 또한, 이러한 액체들 대부분은, 시스템 비용과 복잡성을 상당히 증가시키는 폐쇄 루프형 열 교환기를 사용해야 한다. 게다가, 플라즈마 방전관(10)이 파열되면, 이러한 유체들이 처리 장비를 오염시킨다.
도 2는 마이크로 흡수 유체를 사용할 수 있는 종래 기술의 액체 냉각형 마이크로파 플라즈마 인가기(2)의 개략적 단면도이다. 도 2의 인가기(2)는, 마이크로파 에너지를 실질적으로 투과시키고 플라즈마 처리를 위한 적절한 기계적 특성, 열적 특성, 및 화학적 특성을 갖는 재료로 제조될 수 있는 유전형 플라즈마 방전관(50)을 포함한다. 이러한 재료는, 석영, 사파이어, 및 알루미나를 포함한다. 플라즈마 방전관(50)의 최상부(54)에 위치하는 가스 유입구(52)는 공정 가스들이 플라즈마 방전관(50) 내로 도입될 수 있게 한다. 플라즈마 방전관(50)의 최하부(56)는 진공 챔버(58)에 결합된다. 플라즈마 방전관(50)에서 발생하는 반응성 가스 종들은 진공 챔버(58) 내부를 향하여 하류측으로 흐른다.
유입구(62)와 유출구(64)가 있는 냉각 자켓(60)은 플라즈마 방전관(50)의 외면(66)을 둘러싼다. 자켓(60)은, 마이크로파 에너지를 실질적으로 투과시키는 재료로 형성되며, 예컨대, 폴리테트라플루오로에틸렌으로 형성된다. 자켓(60)은, 플라즈마 방전관(50)의 외면을 둘러싸는 자켓(60)의 내면(70)을 따라 형성되는 채널(68)을 포함한다. 채널(68)은, 마이크로파 흡수 냉각 유체를 플라즈마 방전관(50)의 외면에 걸쳐 직접 이송하기 위한 도관을 제공한다. 유체는 물일 수 있다.
채널(68)은, 냉각 유체가 플라즈마 방전관(50)의 외면 둘레의 특정한 경로를 따르게 한다. 이 경로는 냉각 유체에 노출되는 플라즈마 방전관(50)의 면적을 최대화하도록 선택된다. 그러나, 이 경로는, 소정의 배향을 갖는 마이크로파 전계가 플라즈마 방전관에 진입하여 플라즈마 방전을 형성 및 유지할 수 있도록 충분한 공간을 남겨 둔다. 예시적인 일부 실시예들에서, 채널은, 경로의 루프들 간에 작은 분리부를 남겨 두는 나선형 경로에 있어서 플라즈마 방전관(50)의 외면을 둘러싼다.
도파관(72)은, 마그네트론(도 2에 도시하지 않음)으로부터 플라즈마 방전관(50) 내에 플라즈마를 생성 및 유지하는 데 필요한 마이크로파 에너지를 플라즈마 방전관(50)으로 반송한다. 구체적인 일부 예시적 실시예들에서, 마이크로파 전계는, 플라즈마 방전관(50)의 중심(76)을 통해 연장되는 길이방향 축선(74)에 평행하게 배향된다. 이러한 배향은, 마이크로파 에너지가 유체에 의해 별로 감쇠되지 않고 나선형 채널(68)의 루프들 사이에서 플라즈마 방전관(50)을 용이하게 관통할 수 있게 하며, 따라서, 플라즈마가 형성 및 유지될 수 있게 한다.
마이크로파 에너지는 플라즈마 방전을 생성하기 위한 소스로서 특정되지만, 본 개시 내용은 무선 주파수(RF) 에너지 소스를 사용하는 것에 적용된다는 점에 주목한다. 또한, 마이크로파 흡수 냉각 액체를 특정하고 있지만, 본 발명을 통합하는 시스템은 비흡수성 냉각 액체를 이용할 수 있다는 점에 주목한다.
도 3은 도 2에 예시한 냉각 자켓의 예시적인 일 실시예의 개략적 단면도이다. 도 3을 참조해 보면, 유입구(82)와 유출구(84)가 있는 냉각관(80)은 플라즈마 방전관(86) 둘레에 권취된다. 냉각관(80)은, 바람직하게, 경로의 루프들 사이에 작은 분리부(88)를 남겨 두는 나선형 경로로 있어서 플라즈마 방전관(86)의 외면을 둘러싸며, 구체적인 일부 예시적인 실시예들에서, 마이크로파 전계는 플라즈마 방전관(86)의 중심(92)을 통해 연장되는 길이방향 축선(90)에 평행하게 배향된다. 이러한 배향은, 마이크로파 에너지가 유체에 의해 별로 감쇠되지 않고 나선형 채널의 루프들 사이에서 플라즈마 방전관(86)을 용이하게 관통할 수 있게 하며, 이에 따라, 플라즈마가 형성 및 유지될 수 있게 한다. 냉각관(80)은, 금속 또는 비금속일 수 있고, 플라즈마 방전관(86)의 외면에 열적으로 결합될 수 있다.
도 1 내지 도 3과 관련하여 전술한 바와 같은 플라즈마 인가기가 산업적 응용분야를 위해 고 유속이고 오염이 없으며 화학적으로 활성화된 가스들을 적절하게 생성하는 것이 바람직하다. 전술한 바와 같이, 도 2에 도시한 마이크로파 플라즈마 인가기(2)는 나선형 냉각 코일(80)을 갖는 유전형 플라즈마 방전관(50) 및 마이크로파 캐비티를 포함한다. 도파관(72)에서의 마이크로파 전계의 방향은 플라즈마 방전관(50)의 길이방향 축선(74)에 평행하게 배향된다. 나선형 냉각 코일(80)의 루프들은 플라즈마 방전관의 길이방향 축선(50)에 거의 수직이기 때문에, 전계 배향은 마이크로파 에너지가 나선형 코일(80)의 루프들 또는 턴들(turns) 사이에서 플라즈마 방전관(50) 내로 용이하게 관통할 수 있게 한다.
도 2의 디바이스에서, 마이크로파 전력 흡수는 상당히 국지화된다. 도 4a와 도 4b는 도 2에 도시한 플라즈마 인가기(2)에 대한 개략적인 전력 흡수 프로파일을 도시한다. 구체적으로, 도 4a는 도파관(72)에 수직인 방향으로 볼 때 도 2의 플라즈마 인가기(2)에 대한 전력 흡수 프로파일을 도시한다. 도 4b는 도파관(72)을 따른 방향으로 불 때 도 2의 플라즈마 인가기(2)에 대한 전력 흡수 프로파일을 도시한다. 도 4a와 도 4b에서 알 수 있듯이, 플라즈마 방전관(50)에서의 전력 흡수 프로파일은 플라즈마 방전관(50)에 대한 마이크로파 유입구에 대면하는 영역에 집중된다. 높은 피크 전력 밀도는 반응성 가스와 플라즈마에 의한 플라즈마 채널의 과도한 부식을 야기한다. 또한, 도파관 유입구 근처의 피크 열 플럭스는 높고, 이는 유전형 플라즈마 방전관(50)을 파괴할 수 있는 강력한 열적-기계적 응력을 생성한다. 그 결과, 이러한 유형의 플라즈마 인가기(2)의 최대 동작 전력은 약 3kW로 한정된다.
유도 결합형 및 용량 결합형 플라즈마 디바이스들은, 활성화된 가스를 발생시키는 데 사용될 수 있지만, 심각한 한계 사항도 겪는다. 용량 결합형 플라즈마는 반응성 가스를 발생시키는 데 불충분한 에너지이다. 전류가 방전 전극에서 종단되기 때문에, 전극에서 상당 부분의 에너지가 손실되고, 이에 따라 가스 여기를 위해 이용가능한 에너지가 감소된다. 또한, 고 에너지 전자들과 이온들이 전극 표면에서 발생하여, 플라즈마 소스 표면의 부식이 증가한다. 이에 따라 화학적 오염 및 입자 오염이 커지고 제품 수명이 감소된다.
유도 결합형 플라즈마는, 용량 결합형 방전에 비해 높은 에너지 효율을 가질 수 있다. 그러나, 유도 결합형 플라즈마 디바이스에서 용량 결합을 완전히 제거하는 것은 어렵다. 고 자기 결합 효율을 달성하도록, 예를 들어, 미국 특허 제6,150,628호에 개시된 유형의 토로이달 플라즈마 발생기 등의 유도형 플라즈마 디바이스에서 자기 코어를 사용할 수 있으며, 이러한 문헌의 전문은 본원에 참고로 원용된다. 토로이달 구조를 사용함으로써, 플라즈마 챔버를 형성하는 데 사용될 수 있는 재료의 선택이 한정된다. 금속, 코팅된 금속 또는 세라믹, 예컨대, 알루미늄, 양극화된 알루미늄 또는 알루미나 세라믹을 사용하여 토로이달 플라즈마 챔버를 형성한다. 그러나, 사파이어 등의 단결정 재료를 사용하여 플라즈마 챔버를 형성하는 것은 어렵다. 이는, 유도 플라즈마 소스 사용을 화학적 오염과 입자 오염이 덜 필요한 응용분야로 한정하였다.
예시적인 일부 실시예들에 따르면, 종래의 마이크로파 플라즈마 인가기에 비해 개선된 전력 퇴적 균일성, 더욱 높은 전력 능력, 및 더욱 낮은 오염을 갖는 마이크로파 플라즈마 인가기를 제공한다. 예시적인 실시예들의 인가기는, 도전성 냉각 코일에 의해 둘러싸인 유전형 플라즈마 방전관 및 마이크로파 캐비티를 포함한다. 구체적인 일부 예시적 실시예들에서, 도전성 냉각 코일은 플라즈마 방전관의 외부 상에 나선형으로 권취될 수 있다. 도파관에서의 마이크로파 전계 방향은, 플라즈마 방전관의 길이방향 축선에 대하여 30° 내지 90°로 경사지고, 바람직하게는, 45° 내지 90°로 경사진다. 전계 성분을 전도성 코일의 루프들과 평행하게 함으로써, 전류가 도전성 냉각 코일에 유도된다. 전류는 도전성 냉각 코일을 따라 흐르고, 이는 마이크로파 에너지가 유전형 플라즈마 방전관 둘레에 길이방향으로 및 방위각으로 전파되게 하며, 이에 따라 마이크로파 전력이 플라즈마에서 더욱 균일하게 흡수된다.
도 5a 내지 도 5d는, 예시적인 일부 실시예들에 따른 플라즈마 인가기(100)를 도시하는 개략도이다. 구체적으로, 도 5a는 예시적인 실시예들에 따른 플라즈마 인가기(100)의 개략적 사시도이면서 부분적 단면도이고, 도 5b는 예시적인 실시예들에 따른 플라즈마 인가기(100)의 개략적 측면도이고, 도 5c는 예시적인 실시예들에 따라 도 5b의 A-A 선을 따라 절취한 플라즈마 인가기(100)의 개략적 단면도이다. 도 5d는 예시적인 실시예들에 따라 나선형 도전성 냉각 코일이 둘러싸고 있는 플라즈마 방전관의 상세한 개략적 단면도이다.
도 5a 내지 도 5c에 도시한 플라즈마 인가기(100)의 실시예에서, 도파관(172)은, 전계의 방향이 유전형 플라즈마 방전관(150)의 길이방향 축선으로부터 90°이도록 배향된다. 예시적인 일부 실시예들에서, 도파관(172)은, 직사각형 단면을 갖고, 이러한 직사각형의 넓은 변은 도파관(172)의 주 단면 축선(170)을 정의하고 좁은 변은 도파관(172)의 부 단면 축선(171)을 정의한다. 도파관(172)은, 도파관(172)의 주 단면 축선(170)이 플라즈마 방전관(150)의 길이방향 축선(151)과 평행하도록 배향된다. 도파관의 기본 모드에 있어서, 도파관(172)의 마이크로파 전계는 주로 도파관(172)의 부 단면 축선(171)과 평행하다(도 12b 참조). 마이크로파 에너지는 도파관(172)을 통해 캐비티(152)에 결합되거나 유도된다. 도전성 냉각 코일(160)에 의해 둘러싸인 유전형 플라즈마 방전관(150)은 캐비티(152)의 중심에 위치한다. 도전성 냉각 코일(160)은 플라즈마 방전관(150)으로부터 열을 제거하도록 플라즈마 방전관(150)에 열적 결합된다. 예시적인 일부 실시예들에서, 도전성 냉각 코일은, 도 5a 내지 도 5d의 예시적인 실시예에 도시한 바와 같이, 플라즈마 방전관(150)의 외부 둘레에 나선형으로 권취될 수 있다. 인접하는 루프들 간의 이격은 플라즈마 방전관의 온도를 제어하도록 선택될 수 있다. 인접하는 루프들 간의 이격은, 마이크로파 전계의 전파를 확실히 하면서 플라즈마 방전관의 온도를 최소화하도록 선택될 수 있다.
일부 실시예들에서, 도전성 냉각 코일의 인접하는 루프들 간의 이격은, 마이크로파 전력의 레벨 및/또는 플라즈마 임피던스에 따라 조정될 수 있도록 플라즈마 방전관에 대하여 조정가능하다. 이를 위해, 일부 실시예들에서, 도전성 냉각 코일은 유연한 금속 튜빙으로 제조될 수 있다. 인접하는 루프들 간의 이격을 설정하도록 유전형 폼 또는 스페이서가 도전성 냉각 코일 상에 배치될 수 있다. 유연한 튜빙은, 구리 등의 연금속으로 제조될 수 있고, 또는, 벨로우와 유사한 탄성 구조를 가질 수 있고, 또는 구스넥 튜빙(gooseneck tubing)에서 사용되는 기구와 유사한 유연한 기구를 가질 수 있다. 이격은, 예를 들어, 플라즈마 방전관에서의 전력 퇴적의 균일성을 개선하도록 조정될 수 있다. 일반적으로, 일부 실시예들에서, 도전성 냉각 코일의 인접하는 루프들 간의 이격은, 플라즈마 방전관에서의 임의의 원하는 전력 프로파일을 취득하도록 조정될 수 있다.
도전성 냉각 코일(160)의 나선형 턴 또는 루프가 도파관(172)의 전계와 거의 평행함으로써, 전류가 도전성 냉각 코일(160)에 유도된다. 전류는, 나선형의 도전성 냉각 코일(160)을 따라 흘러, 플라즈마 방전관(150)의 길이방향 축선(151)을 따라 마이크로파 에너지를 전파하는 데 일조한다. 예시적인 실시예들에 따르면, 다른 도파관 형상, 예를 들어, 원형 또는 타원형 도파관도 사용할 수 있다.
예시적인 일 실시예에서, 도전성 냉각 코일(160)은, 냉각 유체가 구리 관 내에 흐르는 구리 관으로 제조될 수 있다. 정사각형 또는 직사각형 단면의 냉각관을 사용하는 것은, 유전형 플라즈마 방전관(150)과 냉각 코일(160) 간의 더욱 넓은 접촉 면적을 제공하는 데 있어서 유리하고, 이에 따라 유전형 플라즈마 방전관(150)으로부터 냉각 코일(160)로의 열 전도성을 개선한다. 냉각 유체는 전술한 냉각 유체들 중 임의의 것일 수 있다. 예시적인 일부 실시예들에서, 냉각 유체는 물이다. 예시적인 일부 실시예들에서, 도 5d에서 154A, 154B, 154C, 154D로 특정하게 표기된 마이크로파 쵸크들(154)은, 마이크로파 에너지가 마이크로파 캐비티(152)로부터 누출되는 것을 방지하도록 냉각 구조의 단부들에 위치한다. 냉각 구조는, 냉각 유체, 예를 들어, 물이 냉각 코일(160)에 진입하는 유체 유입구(156), 및 냉각 유체가 냉각 코일(160)로부터 벗어나는 유체 유출구(158)를 포함할 수 있다. 가스는 가스 유입구(159)를 통해 유전형 플라즈마 방전관(150)에 진입한다. 예시적인 일부 실시예들에 따르면, 온도 센서(157)는 플라즈마 방전관(150)의 외부의 온도 프로파일을 감시하는 데 사용된다. 온도 센서(157)는, 플라즈마 방전관(150)의 외부의 온도 프로파일과 온도를 감시하도록 길이방향 축선(151)을 따라 마이크로파 캐비티(152) 상에 위치하는 적외선 열 센서들의 어레이일 수 있다. 온도 신호는, 제어 시스템에 송신되며, 플라즈마 방전관(150)의 보호 및 공정들의 최적화에 사용된다. 광 센서(164)는 플라즈마로부터의 발광을 감시하도록 마이크로파 캐비티(152) 상에 설치될 수 있다. 광 센서는 유전형 플라즈마 방전관(150)에 플라즈마가 점화될 때 기동된다. 신호는, 마이크로파 전력 턴온 후의 플라즈마 형성을 나타내며, 후속 공정 파라미터들을 제어하는 데 사용될 수 있다. 선택 사항으로, 압력 센서(도시하지 않음)를 유전형 플라즈마 방전관(150)에 유체적으로 연결하여 공정 동안 유전형 플라즈마 방전관에서의 가스 압력을 감시할 수 있다.
도 6은, 플라즈마 인가기(100)에서의 전계 분포를 도시하는 플라즈마 인가기(100)의 개략적 단면도이다. 도 6에서 캐비티(152)의 좌측에 있는 것으로 도시된 도파관(172)의 후벽(174)은, 나선형의 도전성 냉각 코일(160)의 외경으로부터 파장의 대략 절반(λ/2)으로 되도록 선택되어, 플라즈마 방전관(150)의 두 개의 측면에 대하여 대칭되는 전계의 강도를 유지하면서 나선형의 도전성 냉각 코일(160)에 최대 전류를 유도한다. 예시적인 일부 실시예들에 따르면, 유전형 플라즈마 방전관(150)의 직경은 1cm 내지 10cm일 수 있고, 플라즈마 방전관(150)의 길이는 10cm 내지 100cm일 수 있다.
도 7a와 도 7b는, 예시적인 일부 실시예들에 따라 플라즈마 인가기(100)에서 시뮬레이션된 전력 흡수 프로파일을 도시하는 플라즈마 인가기(100)의 개략적 단면도이다. 도 7a는 도파관(172)에 수직인 방향으로 배향된 도이고, 도 7b는 도파관(172)을 따른 방향으로 배향된 도이다. 도 7a와 도 7b의 시뮬레이션된 전력 흡수 프로파일은 노 6에 도시한 전계에 대응한다. 도 7a와 도 7b는, 예시적인 일부 실시예들에 따라, 마이크로파의 유한 파장으로 인해 일부 파 구조를 갖는 플라즈마 방전관(150)의 전체 길이에 걸져 마이크로파 전력이 흡수되는 것을 도시한다.
도 7a와 도 7b에 도시한 전력 흡수 프로파일은, 마이크로파 전력의 흡수가 플라즈마 방전관(150)의 전체 길이로 연장되는 것을 도시한다. 나선형의 도전성 냉각 코일(160)에 흐르는 마이크로파 전류와 플라즈마 간의 전력 결합은 비교적 약하다. 마이크로파 에너지는, 플라즈마 방전관(150)의 길이방향으로 50cm 내지 100cm까지 전파될 수 있다. 전력 흡수는, 마이크로파의 유한 파장으로 인해 플라즈마 방전관의 길이방향 축선(150)을 따라 파 구조(wavy structure)를 갖는다. 마이크로파 에너지는 유전형 플라즈마 방전관(150)의 외부로부터 결합되므로, 전력 흡수도 플라즈마 컬럼의 외경에서 발생한다. 도 7a와 도 7b의 전력 흡수 프로파일은 도 2, 도 4a, 및 도 4b의 플라즈마 인가기(2)의 전력 흡수 프로파일에 비해 상당히 더 균일하다.
도 5d, 도 6, 도 7a, 및 도 7b에 도시하고 상세히 전술한 바와 같이, 예시적인 실시예들에 따르면, 구체적으로, 도 5d에서 154A, 154B, 154C, 154D로 표기된 마이크로파 쵸크들(154)은, 마이크로파 에너지가 마이크로파 캐비티(152)로부터 누출되는 것을 방지하도록 냉각 구조의 단부들에 위치한다. 쵸크는 대략 1/4 파장 길이의 단락 회로 스터브 라인이다. 쵸크(154)의 개구는 플라즈마 방전관에 대면한다. 각 쵸크(154)의 단락 회로 단부에서, 전계는 최소인 한편 전류가 최대이다. 1/4 파장 떨어진 곳에서, 전계는 최대이고 전류가 최소이다. 플라즈마 방전관에 대면하는 쵸크 개구에서 고 임피던스가 발생하여, 플라즈마 방전관을 따른 마이크로파 에너지의 추가 전파를 방지한다. 예시적인 실시예들에 따르면, "이중 쵸크" 구조에서는, 플라즈마 방전관의 각 단부에 두 개의 쵸크가 배치된다. 예시적인 실시예들에 따른 이중 쵸크 구조를 사용함으로써, 전계가 한 자릿수만큼 감소될 수 있는 단일 쵸크 구조와는 대조적으로, 마이크로파 전계를 약 두 자릿수만큼(전력에 있어서는 네 자릿수만큼) 감소시킨다. 이러한 플라즈마 방전관의 단부에서의 마이크로파 전계와 전력의 감소는, 플라즈마 방전관의 단부에서 탈출하는 마이크로파 전계와 전력의 양을 차단하거나 상당히 감소시킨다. 그 결과, 플라즈마 방전관 내에서 훨씬 높은 전력을 이용할 수 있으며, 도 6, 도 7a, 및 도 7b에 도시한 쵸크들(154)은 직선형 쵸크들인 한편, 도 5d에 도시한 쵸크들(154A, 154B, 154C, 154D)은 접힘형 쵸크들이라는 점에 주목해야 한다. 이러한 쵸크들의 전기적 길이가 같은 한, 직선형 쵸크와 접힘형 쵸크는 동일한 동작 특징을 갖는다. 본 개시 내용은 직선형 쵸크와 접힘형 쵸크 모두에 적용가능하다.
예시적인 실시예들에 따르면, 디바이스의 최대 전력 능력이 피크 열 부하에 의해 종종 한정되므로, 균일한 전력 흡수는 고 전력 플라즈마 소스를 위한 이점이다. 전력 균일성을 개선함으로써, 피크 열 플럭스와 표면 온도를 감소시켜, 플라즈마 방전관에 대한 열적-기계적 응력을 줄인다. 플라즈마 인가기 캐비티(152)의 단부들에 위치하는 마이크로파 쵸크들(154)은 플라즈마 인가기 캐비티(152) 내에서 마이크로파 에너지를 반사하고 한정한다. 그 결과, 플라즈마 인가기(100)의 길이 선택을 위한 넓은 범위를 이용할 수 있다. 따라서, 예시적인 실시예들의 플라즈마 인가기(100)는, 다양한 전력 요건들과 가스 반응들을 수용하도록 확대축소가능하다. 도 5a 내지 도 5d의 플라즈마 인가기(100)의 구체적인 예시적 실시예들에서는, 2.54GHz인 마이크로파 주파수를 사용할 수 있다. 본 개시 내용은 800MHz 내지 30GHz 범위의 마이크로파 주파수에 적용가능하다는 점을 이해하도록 한다.
도 8a와 도 8b는, 도 3에 도시한 플라즈마 인가기(2) 등의 종래 기술의 플라즈마 인가기 및 도 5a 내지 도 5d에 도시한 플라즈마 인가기(100) 등의 예시적인 실시예들의 플라즈마 인가기 등의 플라즈마 방전관 온도 압력 곡선들을 도시한다. 도 8a와 도 8b의 그래프에서, 점선 곡선은 종래 기술의 인가기(2)에 대한 것이고, 실선 곡선은 예시적인 실시예들의 인가기(100)에 대한 것이다. 두 개의 쌍의 곡선들이 기초하고 있는 동작 환경의 각각에 대하여, 테스트받는 두 개의 플라즈마 인가기는, 동일한 크기와 동일한 냉각 구조를 가졌고, 동일한 가스 조건으로 동작하였다. 도 8a의 곡선에서는 양측 인가기들이 1.5kW 전력에서 동작하였으며, 도 8b의 곡선에서는 양측 인가기들이 3kW 전력에서 동작하였다. 도 8a와 도 8b에 도시한 바와 같이, 전계 배향이 종래 기술의 플라즈마 인가기(2)의 전계 배향에 대하여 90° 회전된 예시적인 실시예들의 플라즈마 인가기(100)는, 종래 기술의 플라즈마 인가기(2)보다 40% 내지 50% 더 냉각되어 있다.
도 9는, 예시적인 일부 실시예들에 따라, 플라즈마 인가기(100)의 플라즈마 방전관(150)에 대한 다수의 길이방향 또는 축선 방향 동작 온도 프로파일들을 도시하는, 온도 대 축선 방향 위치의 그래프이다. 도 9의 다수의 곡선들은, 다양한 가스 흐름과 전력 조건 하에서의 다양한 온도 프로파일들을 도시한다. 플라즈마 인가기(100)는 최대 6kW의 마이크로파 전력에서 동작하며, 이는 종래 기술의 플라즈마 인가기(2)의 최대 동작 전력의 두 배인 한편, 플라즈마 방전관(100)의 피크 온도는 종래 기술의 플라즈마 인가기(2)의 피크 온도 미만이다. 플라즈마 인가기(100)의 길이는 확대축소가능하므로, 필요시 전력 능력을 증가시킬 수 있다.
예시적인 일부 실시예들에 따르면, 플라즈마에서의 전력 퇴적의 균일성을 더욱 개선하도록, 나선형의 도전성 냉각 코일(160)의 피치 각도는 플라즈마 방전관의 길이방향 축선(150)을 따라 가변될 수 있다. 즉, 나선형의 도전성 냉각 코일(150)의 루프들 간의 이격은, 전력 흡수 프로파일의 균일성을 개선하고 및/또는 원하는 전력 흡수 프로파일을 취득하도록 가변될 수 있다.
플라즈마 방전관(150) 상의 나선형의 도전성 냉각 코일(160)은, 다수의 기능을 행하는데, 즉, 마이크로파 에너지를 플라즈마에 전파하여 결합하고 유전형 플라즈마 방전관(150)에 냉각을 제공하는 기능들을 행한다. 마이크로파 전력이 증가함에 따라, 플라즈마 방전관(150)에 대한 열적-기계적 응력이 증가한다. 전술한 바와 같이, 예시적인 실시예들에서, 플라즈마 방전관(150)의 전력 능력을 최대화하도록, 나선형의 도전성 냉각 코일(160)은 튜빙으로 제조될 수 있고, 냉각 유체는 플라즈마 방전관(150)으로부터 열을 제거하도록 나선형의 도전성 냉각 코일(160) 내에서 흐를 수 있다. 열 전도성이 있는 등각 열적 결합 재료, 예를 들어, 열적 실리콘 화합물을 사용하여 나선형의 도전성 냉각 코일(160)을 유전형 플라즈마 방전관(150)에 결합할 수 있다. 예시적인 일부 실시예들에 따르면, 나선형의 도전성 냉각 코일(160)의 인접하는 루프들 간의 이격은, 마이크로파 전파/결합 및 열 전도성 요건의 최적화에 기초하여 선택될 수 있다. 이격이 좁아지면, 인접하는 루프들 간의 전계가 증가하며, 이는 나선형의 도전성 냉각 코일(160)에 유도되는 전류를 증가시킬 수 있고, 따라서, 플라즈마 방전관(150)에 대한 마이크로파 에너지의 결합 및 플라즈마 방전관의 길이방향 축선(150)을 따른 마이크로파 에너지의 전파를 증가시킬 수 있다. 그러나, 이격이 좁아지면, 나선형의 도전성 냉각 코일(160)에 전기 아크가 발생할 수도 있다. 이러한 가능성을 완화하도록, 유전 재료를 퇴적하여 인접하는 루프들 간의 이격을 채워 아크 임계값을 상승시킬 수 있다. 대조적으로, 루프들 간의 이격이 넓어지면, 유전형 플라즈마 방전관(150)으로부터 나선형의 도전성 냉각 코일(160) 내에 흐르는 냉각 유체로의 열 전도성이 감소되며, 이에 따라 유전형 플라즈마 방전관(150)에 더욱 큰 열적-기계적 응력이 발생할 수 있으며 때로는 더욱 큰 플라즈마 부식도 발생할 수 있다. 예시적인 일부 실시예들에서, 1kW 내지 10kW의 전력에서 동작하는 마이크로파 플라즈마 방전관(150)에 대한 나선형의 도전성 냉각 코일(160)의 루프들 간의 바람직한 이격 범위는 0.2cm 내지 1cm일 수 있다.
도 10은 예시적인 다른 일 실시예에 따른 플라즈마 인가기(200)의 개략적 사시도이다. 도 10의 플라즈마 인가기(200)는, 도 10의 플라즈마 인가기(200)에 있어서, 도파관(272)의 부 단면 축선(271)과 이에 따른 마이크로파 전계가 플라즈마 방전관(250)의 길이방향 축선(251)에 대하여 소정의 각도를 형성하도록 화살표 273으로 나타낸 바와 같이 도파관(272)이 플라즈마 방전관(250)에 대하여 도파관의 길이방향 축선을 중심으로 회전된다는 주요 차이점을 제외하고는, 도 5a 내지 도 5d의 플라즈마 인가기(100)와 동일하다. 달리 언급되는 부분을 제외하고는, 도 5a 내지 도 5d의 플라즈마 인가기(100)에 대한 설명이 도 10의 플라즈마 인가기(200)에 적용된다.
도 10을 참조해 보면, 이러한 구체적인 예시적 실시예에서, 도파관(272)의 부 단면 축선(271)과 플라즈마 방전관(250)의 길이방향 축선(251) 간의 소정의 각도는, 도 5a 내지 도 5d의 플라즈마 인가기(100)에서의 각도 90° 대신에 60°로 도시되어 있다. 마이크로파 전계와 플라즈마 방전관(250)의 길이방향 축선(251) 간의 예각을 사용하는 것은, 비교적 짧은 플라즈마 방전관(250)에서 마이크로파 전력을 균일하게 퇴적하는 데 특히 유용하다. 또한, 플라즈마 인가기(100)처럼, 도 10의 플라즈마 인가기(200)에서, 나선형의 도전성 냉각 코일(도시하지 않음)의 루프들은 플라즈마 방전관의 길이방향 축선(250)에 대하여 거의 수직이다. 전계 방향이 나선형의 도전성 냉각 코일의 루프들로부터 경사짐에 따라, 나선형의 도전성 냉각 코일의 루프들에 대한 전계의 수직 성분과 평행 성분 모두가 존재한다. 수직 전계 E⊥는 나선형의 도전성 냉각 코일을 비교적 쉽게 관통할 수 있으며 국부적으로 흡수될 수 있다. 평행 전계 E∥는, 나선형의 도전성 냉각 코일에 전류를 유도하고, 플라즈마 방전관의 길이방향 축선(250)을 따라 마이크로파 에너지를 전파하는 데 일조한다. 마이크로파 전계와 나선형의 도전성 냉각 코일 간의 각도를 조정함으로써, E⊥와 E∥의 상대 세기를 변경하고, 이에 따라 플라즈마 방전관(250)에서의 전력 흡수의 최적화가 가능해진다.
도 11a와 도 11b는 도 10에 도시한 플라즈마 인가기(200)에 대한 동작 전력 흡수 프로파일의 개략도이다. 구체적으로, 도 11a는 도파관(272)의 방향에 수직인 방향으로 본 마이크로파 전력 흡수 프로파일의 개략적 단면도이고, 도 11b는 도파관(272)을 따른 방향으로 본 마이크로파 전력 흡수 프로파일의 개략적 단면도이다. 이러한 예시적 실시예에서, 도파관(272)의 부 단면 축선(271)과 플라즈마 방전관(250)의 길이방향 축선(251) 간의 각도는 60°이다. 이 각도에서, 도 11a와 도 11b에 도시한 바와 같이, 직경이 3.8cm이고 길이가 20cm인 유전형 플라즈마 방전관에 대하여 마이크로파 전력 흡수의 균일성이 최적화된다.
도 12a 내지 도 12d는, 예시적인 일부 실시예들에 따라, 도파관의 부 단면 축선, 즉, "E"로 표기한 화살표 또는 벡터에 의해 도시된 마이크로파 전계와 플라즈마 방전관의 길이방향 축선 간의 각도가 실시간으로 조정될 수 있는 또 다른 플라즈마 인가기(200A)의 개략적 사시도이다. 도 12a를 참조해 보면, 플라즈마 인가기(200A)는, 도파관(272A)이 마이크로 캐비티(252A)와 플라즈마 방전관(250A)에 결합되게 하는 유연한 또는 회전 조인트(275, 276)를 플라즈마 인가기(200A)가 포함한다는 점을 제외하고는 도 10의 플라즈마 인가기(200)와 동일하다. 유연한 또는 회전 조인트(275, 276)는, 화살표 273A로 표시한 바와 같이, 플라즈마 방전관(250A)에 대한 도파관(272A)의 회전을 허용하며, 이때, 예를 들어, 특정한 플라즈마 부하와 일치되도록 플라즈마 방전관(250A)에 대한 마이크로파 전계의 각도가 실시간으로 조정될 수 있다.
도 12b 내지 도 12d는 도 12a에 도시한 회전 조인트(275, 276)의 예시적인 일 실시예를 도시한다. 각 회전 조인트는, 두 개의 회전 플랜지를 포함하는데, 한 개는 마이크로파 캐비티(252A) 상에 고정되고, 나머지 한 개는 도파관(272A) 상에 고정된다. 도파관에서의 최저 차수 마이크로파 전계의 방향은, 도 12b와 도 12d에 "E"로 표기한 화살표 또는 벡터에 의해 도시한 바와 같이, 주로, 부 단면 축선과 평행하다. 마이크로파 캐비티(252A)와 마이크로파 캐비티의 정면측과 후면측에 대면하는 도파관들 간의 각도는, 마이크로파 캐비티에 대하여 도파관 섹션들을 회전시킴으로써 조정될 수 있다. 일단 원하는 각도를 취득하게 되면, 플랜지(262A, 262B)(또는 263A와 263B)를 클램핑하고 잠글 수 있다. 일부 실시예들에서, 계면 플랜지들의 표면들은 마이크로파가 조인트로부터 누출되는 것을 방지하도록 전기적으로 접촉한다. 다른 일부 실시예들에서, 도 12c에 도시한 바와 같이, 마이크로파 쵸크(264)는 도파관 플랜지(263A 또는 263B)에 조립된다. 마이크로파 쵸크(264)를 사용함으로써, 도파관 플랜지들이 전기적으로 접촉하지 않을 때 마이크로파가 회전 조인트로부터 누출되는 것을 방지한다. 이는, 회전 조인트들의 상대 각도를 조정하는 것을 더욱 편리하게 한다.
예시적인 일부 실시예들에서, 플라즈마 방전관에 대한 도파관의 회전은, 플라즈마 방전관에 대한 마이크로파 전계의 각도가 실시간으로 조정될 수 있도록 정확하게 제어될 수 있다. 그 결과, 플라즈마 방전관 내의 마이크로파 전력 흡수 프로파일 및/또는 전자기장 분포 및/또는 온도 분포의 실시간 조정이 실현된다. 도 13은 예시적인 일부 실시예들에 따라 도파관 회전이 제어가능한 플라즈마 인가기의 개략적 사시도이다. 도 13을 참조해 보면, 플라즈마 방전관(250A)에 대한 도파관(372)의 회전은, 프로세서/제어기(314), 하나 이상의 기동 제어기(318A, 318B) 및 하나 이상의 액추에이터(320A, 320B)에 의한 피드백 루프를 통해 제어될 수 있다.
도 13에 도시한 바와 같이, 플라즈마 방전관(250A)은, 하나 이상의 전자기장 센서(310) 및/또는 하나 이상의 온도 센서(312)와 함께 구성될 수 있다. 예시적 실시예들에 따라 전자기장 센서와 온도 센서가 없는 경우를 비롯한 임의의 개수의 전자기장 센서(310) 및 임의의 개수의 온도 센서(312)가 채택될 수 있고, 예시적 실시예들에 따라 센서들이 플라즈마 방전관(250) 내에서 및/또는 플라즈마 방전관 근처에서 다양한 위치에 물리적으로 위치할 수 있음을 이해할 것이다. 임의의 모든 위치에 있는 임의의 모든 전자기장 센서들이 총괄적으로 도시되어 있으며 도 13에서 참조번호 310으로 참조된다. 유사하게, 임의의 모든 위치에 있는 임의의 모든 온도 센서들이 총괄적으로 도시되어 있으며 도 13에서 참조번호 312로 참조된다.
전자기장 센서들(310)은, 플라즈마 방전관(250A) 내의 및/또는 플라즈마 방전관 근처의 전자기장 강도와 균일성을 나타내는 신호들을 프로세서/제어기(314)에 제공할 수 있다. 온도 센서들(312)은, 플라즈마 방전관(250A) 내의 및/또는 플라즈마 방전관 근처의 온도와 균일성을 나타내는 신호들을 프로세서/제어기(314)에 제공할 수 있다. 프로세서/제어기(314)는, 수신된 신호들을 처리하여, 원하는 전자기장 및/또는 전력 흡수 및/또는 온도 프로파일이 달성되는지 여부를 결정한다. 이어서, 프로세서/제어기(314)는, 기동 제어 신호들을 발생시켜 한 개 또는 모두의 액추에이터 제어기들(318A, 318B)에 포워딩하며, 이러한 액추에이터 제어기들은, 예를 들어, 액추에이터 암들(320A, 320B)의 길이방향 변위 등의 이동을 각각 제어한다. 액추에이터 암(320A)은 회전 조인트(276)를 중심으로 하는 도파관(372)의 전방 또는 하측 섹션(372A)의 회전을 제어하고, 액추에이터 암(320B)은 회전 조인트(275)를 중심으로 하는 도파관(372)의 후방 또는 상측 섹션(372B)의 회전을 제어한다. 따라서, 예시적인 일부 실시예들에서, 전자기장 센서(310) 및/또는 온도 센서(312)에 의해 제공되는 피드백을 사용하여, 프로세서/제어기(314)는, 플라즈마 방전관(250A) 내에서의 원하는 전자기장, 전력 흡수 및/또는 온도 프로파일을 달성하도록 플라즈마 방전관(250A)에 대한 도파관(372)의 회전을 제어한다.
예시적인 일부 실시예들에서, 섹션들(372A, 372B) 모두를 플라즈마 방전관(250A)에 대하여 동일한 각도로 회전시키는 것이 허용될 수 있거나 바람직할 수 있다. 이러한 실시예들에서는, 기동 액추에이터들(318A, 318B) 중 하나만이 필요하며, 기동 액추에이터들(318A, 318B) 중 하나를 생략할 수 있다. 이 경우, 선택적 강성 부착 부재(378)를 사용하여 도파관 섹션들(372A, 372B)을 부착할 수 있으며, 이때, 이러한 도파관 섹션들 중 하나가 기동되어 회전하게 되면, 나머지 하나는 강성 부착 부재(378)에 의해 제공되는 강성 부착을 통해 동일한 회전으로 반송된다.
예시적인 일부 실시예들에서는, 플라즈마 방전관(250A)에 대한 도파관(372)의 제어를 수동으로 제어하도록 사용자에 의해 사용자 입력을 또한 제공할 수 있다. 이러한 사용자 입력은, 전자기장 센서(310) 및/또는 온도 센서(312)에 의해 용이해진 폐쇄 루프 제어에 더해질 수 있다. 또한, 사용자 입력은 폐쇄 루프 제어를 대신할 수 있으며, 즉, 사용자 입력은 센서(310) 및/또는 센서(312)로부터의 피드백을 대신할 수 있다. 즉, 일부 실시예들에서는, 선택적 사용자 입력을 통해 플라즈마 방전관(250A)에 대한 도파관(372)의 개방 루프 제어를 실시할 수 있다.
본 개시 내용은, 재료 처리를 위한 반응성 가스들을 발생시키도록 개선된 마이크로파 플라즈마 인가기를 제공한다. 본 개시 내용의 방안은 플라즈마에서의 전력 흡수의 고 균일성을 제공하며, 이에 따라, 플라즈마 챔버 벽에 대한 피크 전력 플럭스를 감소시키고 표면 부식을 감소시킨다. 또한, 본 개시 내용의 방안은 플라즈마 챔버에 대한 열적-기계적 응력을 감소시키고 플라즈마 인가기의 전력 능력을 증가시킨다. 챔버 벽들의 감소된 표면 부식 및 플라즈마 챔버에 대한 감소된 열적-기계적 응력에 의해 인가기 수명이 증가된다. 예를 들어, 원형, 타원형, 또는 직사각형 단면을 갖는 직선형 유전 관이 플라즈마 챔버로서 사용될 수 있도록 플라즈마 토폴로지를 사용한다. 이는, 플라즈마 챔버를 형성하고 다양한 플라즈마 반응을 취급하도록 단결정 또는 세라믹의 형태로 된 Al2O3, Y2O3, YAG, MgO, 및/또는 SiO2 등의 플라즈마 방전 챔버를 위한 유전 재료의 더욱 넓은 선택을 가능하게 한다. 본 개시 내용의 플라즈마 인가기는, 가스 유속의 변화에 대한 빠른 반응과 함께, 수소, 산소, 질소, 불소, 염소, 및 이러한 가스들의 혼합물 등의 고 반응성 가스로 동작할 수 있다. 가스들의 예로는, H2, O2, N2, NF3, Cl2, HCl, NH3, CF4, C2F6, C3F8, C4F8, Cl3F, N2O, 및 H2O가 있다. 본 개시 내용의 플라즈마 인가기는, 0.1 내지 100slm의 가스 유속, 0.001 내지 1000torr의 가스 압력 범위, 1 내지 20kW의 마이크로파 전력으로 동작가능하다. 본 개시 내용에 따라 전력 능력이 높아짐으로써 공정 처리량이 증가하게 되고, 플라즈마 챔버 표면의 부식 및 연관된 화학적 오염 및 입자 오염이 최소화된다. 반응성 가스 출력을 증가시키도록 원자 H, N, O, F, Cl, Br 등의 여기된 원자 및 분자 가스들의 표면 재조합 또는 비활성화가 감소된다. 본 개시 내용에 따라 반도체 제조 시스템 내에 용이하게 통합될 수 있는 에너지 효율이 높은 플라즈마 인가기를 제공한다. 본 개시 내용의 플라즈마 인가기를 적용할 수 있는 공정들은, 포토레지스트, 스트립핑, 이방성 에칭, 화학 기상 증착, 원자층 증착 또는 에칭, 표면 산화 및/또는 질화, 및 표면 세정을 포함한다.
예시적인 실시예들을 본원에서 구체적으로 도시하고 설명하였지만, 다음에 따르는 청구범위의 사상과 범위로부터 벗어나지 않고 형태와 상세에 있어서 다양한 변경을 행할 수 있음을 통상의 기술자라면 이해할 것이다.

Claims (61)

  1. 플라즈마 발생 장치로서,
    마이크로파 에너지를 투과시키고, 길이방향 축선을 갖는 플라즈마 방전관;
    상기 플라즈마 방전관의 외면 둘레에 권취되고, 도전성 재료를 포함하는 전도성 코일;
    상기 플라즈마 방전관을 둘러싸는 마이크로파 캐비티; 및
    상기 플라즈마가 상기 플라즈마 방전관에서 발생하게끔 상기 마이크로파 에너지를 상기 플라즈마 방전관 내로 유도하도록 상기 마이크로파 캐비티에 결합된 도파관을포 함하고,
    상기 도파관은, 넓은 변과 좁은 변으로 정의되는 직사각형 단면을 가지고, 상기 직사각형 단면의 상기 넓은 변에 평행한 상기 직사각형 단면의 제1 단면 축선(first cross-sectional axis)과 상기 직사각형 단면의 상기 좁은 변에 평행한 상기 직사각형 단면의 제2 단면 축선(second cross-sectional axis)을 갖고, 상기 제2 단면 축선은, 상기 플라즈마 방전관의 길이방향 축선에 대하여 기설정의 각도로 위치하고, 상기 마이크로파 에너지의 전계는 상기 전도성 코일에 전류를 유도하고, 상기 전류는 상기 플라즈마 방전관에서의 전력 흡수에 영향을 끼치고, 상기 기설정의 각도는, 상기 플라즈마 방전관에서의 전력 흡수가 상기 플라즈마 방전관의 길이방향 축선에 대한 기설정의 프로파일에 따른 것이도록 선택가능하며,
    상기 기설정의 각도를 제어하기 위한 액추에이터를 더 포함한, 플라즈마 발생 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기설정의 각도는, 상기 제2 단면 축선이 상기 플라즈마 방전관의 길이방향 축선에 수직으로 배향되게 하는, 플라즈마 발생 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 기설정의 각도는, 상기 제2 단면 축선이 상기 플라즈마 방전관의 길이방향 축선에 대하여 30° 내지 90°의 각도로 배향되게 하는, 플라즈마 발생 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 기설정의 각도는, 상기 제2 단면 축선이 상기 플라즈마 방전관의 길이방향 축선에 대하여 45° 내지 90°의 각도로 배향되게 하는, 플라즈마 발생 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 기설정의 각도는, 상기 플라즈마 방전관의 길이방향 축선에 대한 전력 흡수의 균일성을 증가시키도록 선택되는, 플라즈마 발생 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 전도성 코일은 상기 플라즈마 방전관 둘레에 복수의 루프를 포함하고, 상기 복수의 루프는 인접하는 루프들 간의 이격 패턴을 정의하고, 상기 이격 패턴은, 상기 전도성 코일에서의 유도 전류에 의한 상기 플라즈마 방전관에서의 전력 흡수에 대한 기설정된 프로파일이 취득되도록 하는 영향에 기초하여 선택가능한, 플라즈마 발생 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 인접하는 루프들 간의 이격 패턴은 상기 플라즈마 방전관의 길이방향 축선에 대한 전력 흡수의 균일성을 증가시키도록 선택되는, 플라즈마 발생 장치.
  8. 제6항에 있어서, 선택된 상기 인접하는 루프들 간의 이격은, 상기 선택된 인접하는 루프들에 근접해 있는 상기 플라즈마 방전관에서의 마이크로파 에너지의 전파가 증가하게끔 상기 전도성 코일에 유도되는 전류를 증가시키도록 감소될 수 있는, 플라즈마 발생 장치.
  9. 제6항에 있어서, 선택된 상기 인접하는 루프들 간의 이격은, 상기 선택된 인접하는 루프들에 근접해 있는 상기 플라즈마 방전관에서의 마이크로파 에너지의 전파가 감소하게끔 상기 전도성 코일에 유도되는 전류를 감소시키도록 증가될 수 있는, 플라즈마 발생 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 전도성 코일은 상기 플라즈마 방전관에 열적으로 결합되고, 상기 전도성 코일은, 냉각 유체가 상기 플라즈마 방전관으로부터 열을 제거하게끔 상기 냉각 유체가 흐를 수 있는 채널을 포함하는, 플라즈마 발생 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 전도성 코일의 두 개의 단부의 각각에 마이크로파 쵸크(microwave choke)를 더 포함하고, 상기 마이크로파 쵸크들은 상기 마이크로파 에너지가 상기 플라즈마 방전관으로부터 누출되는 것을 방지하는, 플라즈마 발생 장치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 전도성 코일은 상기 플라즈마 방전관의 외면 둘레에 나선형으로 권취되는, 플라즈마 발생 장치.
  13. 삭제
  14. 제1항에 있어서, 상기 플라즈마 방전관에서의 전자기장 강도를 나타내는 제1 신호를 발생시키기 위한 전자기장 센서 또는 상기 플라즈마 방전관에서의 온도를 나타내는 제2 신호를 발생시키기 위한 온도 센서 중 적어도 하나를 더 포함하고, 상기 액추에이터는 상기 제1 및 제2 신호들 중 적어도 하나에 기초하여 상기 기설정의 각도를 제어하는, 플라즈마 발생 장치.
  15. 제1항에 있어서, 상기 액추에이터는, 상기 기설정의 각도를 조정하도록 상기 플라즈마 방전관에 대하여 상기 도파관을 회전시키고, 제어기는 상기 액추에이터를 제어하여 상기 기설정의 각도를 제어하는, 플라즈마 발생 장치.
  16. 플라즈마 발생 장치로서,
    마이크로파 에너지를 투과시키고, 길이방향 축선을 갖는 플라즈마 방전관;
    상기 플라즈마 방전관의 외면 둘레에 권취되고, 도전성 재료를 포함하는 전도성 코일로서, 상기 마이크로파 에너지의 전계는 상기 전도성 코일에 전류를 유도하고, 상기 전류는 상기 플라즈마 방전관에서의 전력 흡수에 영향을 끼치는, 상기 전도성 코일;
    상기 플라즈마 방전관을 둘러싸는 마이크로파 캐비티;
    상기 플라즈마가 상기 플라즈마 방전관에서 발생하게끔 상기 마이크로파 에너지를 상기 플라즈마 방전관 내로 유도하도록 상기 마이크로파 캐비티에 결합된 도파관; 및
    상기 도파관을 상기 플라즈마 방전관에 결합하기 위한 회전 결합 디바이스를 포함하고,
    상기 도파관은, 넓은 변과 좁은 변으로 정의되는 직사각형 단면을 가지고, 상기 직사각형 단면의 상기 넓은 변에 평행한 상기 직사각형 단면의 제1 단면 축선(first cross-sectional axis)과 상기 직사각형 단면의 상기 좁은 변에 평행한 상기 직사각형 단면의 제2 단면 축선(second cross-sectional axis)을 갖고,
    상기 회전 결합 디바이스는, 상기 도파관의 제2 단면 축선과 상기 플라즈마 방전관의 길이방향 축선 간의 각도를 조정하도록 상기 도파관이 상기 도파관의 길이방향 축선에 평행한 축선에 대한 상기 플라즈마 방전관에 대하여 회전할 수 있게 하고, 이때, 상기 플라즈마 방전관에서의 전력 흡수는 상기 회전 결합 디바이스를 통해 상기 플라즈마 방전관의 길이방향 축선에 대한 기설정의 프로파일로 조정가능하며,
    상기 플라즈마 방전관의 상기 길이방향 축선과 상기 제2 단면 축선 간의 상기 각도를 조정하는 신호를 받는 액추에이터를 더 포함한, 플라즈마 발생 장치.
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 제16항에 있어서, 상기 플라즈마 방전관에서의 전자기장 강도를 나타내는 제1 신호를 발생시키기 위한 전자기장 센서 또는 상기 플라즈마 방전관에서의 온도를 나타내는 제2 신호를 발생시키기 위한 온도 센서 중 적어도 하나를 더 포함하고, 상기 액추에이터는 상기 제1 및 제2 신호들 중 적어도 하나에 기초하여 상기 제2 단면 축선과 상기 플라즈마 방전관의 길이방향 축선 간의 각도를 제어하는, 플라즈마 발생 장치.
  20. 제16항에 있어서, 상기 액추에이터는, 상기 제2 단면 축선과 상기 플라즈마 방전관의 길이방향 축선 간의 각도를 조정하도록 상기 플라즈마 방전관에 대하여 상기 도파관을 회전시키고, 제어기는 상기 액추에이터를 제어하여 상기 제2 단면 축선과 상기 플라즈마 방전관의 길이방향 축선 간의 각도를 제어하는, 플라즈마 발생 장치.
  21. 제16항에 있어서, 상기 제2 단면 축선과 상기 플라즈마 방전관의 길이방향 축선 간의 각도는 30°내지 90°로 조정가능한, 플라즈마 발생 장치.
  22. 제16항에 있어서, 상기 제2 단면 축선과 상기 플라즈마 방전관의 길이방향 축선 간의 각도는 45°내지 90°로 조정가능한, 플라즈마 발생 장치.
  23. 제16항에 있어서, 상기 제2 단면 축선과 상기 플라즈마 방전관의 길이방향 축선 간의 각도는, 상기 플라즈마 방전관의 길이방향 축선에 대한 전력 흡수의 균일성을 증가시키도록 조정되는, 플라즈마 발생 장치.
  24. 제16항에 있어서, 상기 플라즈마 방전관에서의 플라즈마의 축선 방향 균일성을 감시하기 위한 센서를 더 포함하는, 플라즈마 발생 장치.
  25. 제16항에 있어서, 상기 전도성 코일은 상기 플라즈마 방전관 둘레에 복수의 루프를 포함하고, 상기 복수의 루프는 인접하는 루프들 간의 이격 패턴을 정의하고, 상기 이격 패턴은, 상기 전도성 코일에서의 유도 전류에 의한 상기 플라즈마 방전관에서의 전력 흡수에 대한 기설정된 프로파일이 취득되도록 하는 영향에 기초하여 선택가능한, 플라즈마 발생 장치.
  26. 제25항에 있어서, 상기 인접하는 루프들 간의 이격 패턴은 상기 플라즈마 방전관의 길이방향 축선에 대한 전력 흡수의 균일성을 증가시키도록 선택되는, 플라즈마 발생 장치.
  27. 제25항에 있어서, 선택된 상기 인접하는 루프들 간의 이격은, 상기 선택된 인접하는 루프들에 근접해 있는 상기 플라즈마 방전관에서의 마이크로파 에너지의 전파가 증가하게끔 상기 전도성 코일에 유도되는 전류를 증가시키도록 감소될 수 있는, 플라즈마 발생 장치.
  28. 제25항에 있어서, 선택된 상기 인접하는 루프들 간의 이격은, 상기 선택된 인접하는 루프들에 근접해 있는 상기 플라즈마 방전관에서의 마이크로파 에너지의 전파가 감소하게끔 상기 전도성 코일에 유도되는 전류를 감소시키도록 증가될 수 있는, 플라즈마 발생 장치.
  29. 제16항에 있어서, 상기 전도성 코일은 상기 플라즈마 방전관에 열적으로 결합되고, 상기 전도성 코일은, 냉각 유체가 상기 플라즈마 방전관으로부터 열을 제거하게끔 상기 냉각 유체가 흐를 수 있는 채널을 포함하는, 플라즈마 발생 장치.
  30. 제16항에 있어서, 상기 전도성 코일의 두 개의 단부의 각각에 마이크로파 쵸크를 더 포함하고, 상기 마이크로파 쵸크들은 상기 마이크로파 에너지가 상기 플라즈마 방전관으로부터 누출되는 것을 방지하는, 플라즈마 발생 장치.
  31. 제16항에 있어서, 상기 전도성 코일은 상기 플라즈마 방전관의 외면 둘레에 나선형으로 권취되는, 플라즈마 발생 장치.
  32. 플라즈마 발생 디바이스를 위한 플라즈마 방전관 조립체로서,
    마이크로파 에너지를 투과시키고, 길이방향 축선을 갖는 플라즈마 방전관;
    상기 플라즈마 방전관의 외면 둘레에 권취되고, 도전성 재료를 포함하는 전도성 코일로서, 상기 마이크로파 에너지의 전계는 상기 전도성 코일에 전류를 유도하고, 상기 전류는 상기 플라즈마 방전관에서의 전력 흡수에 영향을 끼치는, 상기 전도성 코일;
    상기 플라즈마 방전관을 둘러싸는 마이크로파 캐비티;
    상기 플라즈마가 상기 플라즈마 방전관에서 발생하게끔 상기 마이크로파 에너지를 상기 플라즈마 방전관 내로 유도하도록 상기 마이크로파 캐비티에 결합된 도파관; 및
    상기 전도성 코일의 두 개의 단부의 각각에 복수의 마이크로파 쵸크를 포함하고,
    상기 마이크로파 쵸크들은 상기 마이크로파 에너지가 상기 플라즈마 방전관으로부터 누출되는 것을 방지하고,
    상기 도파관은, 넓은 변과 좁은 변으로 정의되는 직사각형 단면을 가지고, 상기 직사각형 단면의 상기 넓은 변에 평행한 상기 직사각형 단면의 제1 단면 축선(first cross-sectional axis)과 상기 직사각형 단면의 상기 좁은 변에 평행한 상기 직사각형 단면의 제2 단면 축선(second cross-sectional axis)을 갖고,
    상기 제2 단면 축선은, 상기 플라즈마 방전관의 길이방향 축선에 대하여 기설정의 각도로 위치하고, 상기 마이크로파 에너지의 전계는 상기 전도성 코일에 전류를 유도하고, 상기 전류는 상기 플라즈마 방전관에서의 전력 흡수에 영향을 끼치고, 상기 기설정의 각도는, 상기 플라즈마 방전관에서의 전력 흡수가 상기 플라즈마 방전관의 길이방향 축선에 대한 기설정의 프로파일에 따른 것이도록 선택가능하며,
    상기 기설정의 각도를 제어하기 위한 액추에이터를 더 포함하는, 플라즈마 방전관 조립체.
  33. 제32항에 있어서, 상기 전도성 코일은 상기 플라즈마 방전관 둘레에 복수의 루프를 포함하고, 상기 복수의 루프는 인접하는 루프들 간의 이격 패턴을 정의하고, 상기 이격 패턴은, 상기 전도성 코일에서의 유도 전류에 의한 상기 플라즈마 방전관에서의 전력 흡수에 대한 기설정된 프로파일이 취득되도록 하는 영향에 기초하여 선택가능한, 플라즈마 방전관 조립체.
  34. 제33항에 있어서, 상기 인접하는 루프들 간의 이격 패턴은 상기 플라즈마 방전관의 길이방향 축선에 대한 전력 흡수의 균일성을 증가시키도록 선택되는, 플라즈마 방전관 조립체.
  35. 제33항에 있어서, 선택된 상기 인접하는 루프들 간의 이격은, 상기 선택된 인접하는 루프들에 근접해 있는 상기 플라즈마 방전관에서의 마이크로파 에너지의 전파가 증가하게끔 상기 전도성 코일에 유도되는 전류를 증가시키도록 감소될 수 있는, 플라즈마 방전관 조립체.
  36. 제33항에 있어서, 선택된 상기 인접하는 루프들 간의 이격은, 상기 선택된 인접하는 루프들에 근접해 있는 상기 플라즈마 방전관에서의 마이크로파 에너지의 전파가 감소하게끔 상기 전도성 코일에 유도되는 전류를 감소시키도록 증가될 수 있는, 플라즈마 방전관 조립체.
  37. 제33항에 있어서, 상기 인접하는 루프들 간의 이격은 0.2cm 내지 1cm인, 플라즈마 방전관 조립체.
  38. 제32항에 있어서, 상기 전도성 코일은 상기 플라즈마 방전관에 열적으로 결합되고, 상기 전도성 코일은, 냉각 유체가 상기 플라즈마 방전관으로부터 열을 제거하게끔 상기 냉각 유체가 흐를 수 있는 채널을 포함하는, 플라즈마 방전관 조립체.
  39. 플라즈마 발생 장치로서,
    마이크로파 에너지를 투과시키고, 길이방향 축선을 갖는 플라즈마 방전관;
    상기 플라즈마 방전관의 외면 둘레에 권취되고, 도전성 재료를 포함하는 전도성 코일;
    상기 플라즈마 방전관을 둘러싸는 마이크로파 캐비티; 및
    상기 플라즈마가 상기 플라즈마 방전관에서 발생하게끔 상기 마이크로파 에너지를 상기 플라즈마 방전관 내로 유도하도록 상기 마이크로파 캐비티에 결합된 도파관을 포함하고,
    상기 도파관은, 넓은 변과 좁은 변으로 정의되는 직사각형 단면을 가지고, 상기 직사각형 단면의 상기 넓은 변에 평행한 상기 직사각형 단면의 제1 단면 축선(first cross-sectional axis)과 상기 직사각형 단면의 상기 좁은 변에 평행한 상기 직사각형 단면의 제2 단면 축선(second cross-sectional axis)을 갖고, 상기 제2 단면 축선은, 상기 플라즈마 방전관의 길이방향 축선에 대하여 기설정의 각도로 위치하고, 상기 마이크로파 에너지의 전계는 상기 전도성 코일에 전류를 유도하고, 상기 전류는 상기 플라즈마 방전관에서의 전력 흡수에 영향을 끼치고, 상기 기설정의 각도는, 상기 플라즈마 방전관에서의 전력 흡수가 상기 플라즈마 방전관의 길이방향 축선에 대한 기설정의 프로파일에 따른 것이도록 선택가능하며,
    상기 기설정의 각도는 30도와 90도 사이인 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
  40. 제39항에 있어서, 상기 기설정의 각도는, 상기 제2 단면 축선이 상기 플라즈마 방전관의 길이방향 축선에 수직으로 배향되게 하는, 플라즈마 발생 장치.
  41. 제39항에 있어서, 상기 기설정의 각도는, 상기 제2 단면 축선이 상기 플라즈마 방전관의 길이방향 축선에 대하여 45° 내지 90°의 각도로 배향되게 하는, 플라즈마 발생 장치.
  42. 제39항에 있어서, 상기 기설정의 각도는, 상기 플라즈마 방전관의 길이방향 축선에 대한 전력 흡수의 균일성을 증가시키도록 선택되는, 플라즈마 발생 장치.
  43. 제39항에 있어서, 상기 전도성 코일은 상기 플라즈마 방전관 둘레에 복수의 루프를 포함하고, 상기 복수의 루프는 인접하는 루프들 간의 이격 패턴을 정의하고, 상기 이격 패턴은, 상기 전도성 코일에서의 유도 전류에 의한 상기 플라즈마 방전관에서의 전력 흡수에 대한 기설정된 프로파일이 취득되도록 하는 영향에 기초하여 선택가능한, 플라즈마 발생 장치.
  44. 제43항에 있어서, 상기 인접하는 루프들 간의 이격 패턴은 상기 플라즈마 방전관의 길이방향 축선에 대한 전력 흡수의 균일성을 증가시키도록 선택되는, 플라즈마 발생 장치.
  45. 제43항에 있어서, 선택된 상기 인접하는 루프들 간의 이격은, 상기 선택된 인접하는 루프들에 근접해 있는 상기 플라즈마 방전관에서의 마이크로파 에너지의 전파가 증가하게끔 상기 전도성 코일에 유도되는 전류를 증가시키도록 감소될 수 있는, 플라즈마 발생 장치.
  46. 제43항에 있어서, 선택된 상기 인접하는 루프들 간의 이격은, 상기 선택된 인접하는 루프들에 근접해 있는 상기 플라즈마 방전관에서의 마이크로파 에너지의 전파가 감소하게끔 상기 전도성 코일에 유도되는 전류를 감소시키도록 증가될 수 있는, 플라즈마 발생 장치.
  47. 제39항에 있어서, 상기 전도성 코일은 상기 플라즈마 방전관에 열적으로 결합되고, 상기 전도성 코일은, 냉각 유체가 상기 플라즈마 방전관으로부터 열을 제거하게끔 상기 냉각 유체가 흐를 수 있는 채널을 포함하는, 플라즈마 발생 장치.
  48. 제39항에 있어서, 상기 전도성 코일의 두 개의 단부의 각각에 마이크로파 쵸크(microwave choke)를 더 포함하고, 상기 마이크로파 쵸크들은 상기 마이크로파 에너지가 상기 플라즈마 방전관으로부터 누출되는 것을 방지하는, 플라즈마 발생 장치.
  49. 제39항에 있어서, 상기 전도성 코일은 상기 플라즈마 방전관의 외면 둘레에 나선형으로 권취되는, 플라즈마 발생 장치.
  50. 플라즈마 발생 장치로서,
    마이크로파 에너지를 투과시키고, 길이방향 축선을 갖는 플라즈마 방전관;
    상기 플라즈마 방전관의 외면 둘레에 권취되고, 도전성 재료를 포함하는 전도성 코일로서, 상기 마이크로파 에너지의 전계는 상기 전도성 코일에 전류를 유도하고, 상기 전류는 상기 플라즈마 방전관에서의 전력 흡수에 영향을 끼치는, 상기 전도성 코일;
    상기 플라즈마 방전관을 둘러싸는 마이크로파 캐비티;
    상기 플라즈마가 상기 플라즈마 방전관에서 발생하게끔 상기 마이크로파 에너지를 상기 플라즈마 방전관 내로 유도하도록 상기 마이크로파 캐비티에 결합된 도파관; 및
    상기 도파관을 상기 플라즈마 방전관에 결합하기 위한 회전 결합 디바이스를 포함하고,
    상기 도파관은, 넓은 변과 좁은 변으로 정의되는 직사각형 단면을 가지고, 상기 직사각형 단면의 상기 넓은 변에 평행한 상기 직사각형 단면의 제1 단면 축선(first cross-sectional axis)과 상기 직사각형 단면의 상기 좁은 변에 평행한 상기 직사각형 단면의 제2 단면 축선(second cross-sectional axis)을 갖고,
    상기 회전 결합 디바이스는, 상기 도파관의 제2 단면 축선과 상기 플라즈마 방전관의 길이방향 축선 간의 각도를 조정하도록 상기 도파관이 상기 도파관의 길이방향 축선에 평행한 축선에 대한 상기 플라즈마 방전관에 대하여 회전할 수 있게 하고, 이때, 상기 플라즈마 방전관에서의 전력 흡수는 상기 회전 결합 디바이스를 통해 상기 플라즈마 방전관의 길이방향 축선에 대한 기설정의 프로파일로 조정가능한, 플라즈마 발생 장치.
  51. 제50항에 있어서, 상기 제2 단면 축선과 상기 플라즈마 방전관의 길이방향 축선 간의 각도는 30°내지 90°로 조정가능한, 플라즈마 발생 장치.
  52. 제50항에 있어서, 상기 제2 단면 축선과 상기 플라즈마 방전관의 길이방향 축선 간의 각도는 45°내지 90°로 조정가능한, 플라즈마 발생 장치.
  53. 제50항에 있어서, 상기 제2 단면 축선과 상기 플라즈마 방전관의 길이방향 축선 간의 각도는, 상기 플라즈마 방전관의 길이방향 축선에 대한 전력 흡수의 균일성을 증가시키도록 조정되는, 플라즈마 발생 장치.
  54. 제50항에 있어서, 상기 플라즈마 방전관에서의 플라즈마의 축선 방향 균일성을 감시하기 위한 센서를 더 포함하는, 플라즈마 발생 장치.
  55. 제50항에 있어서, 상기 전도성 코일은 상기 플라즈마 방전관 둘레에 복수의 루프를 포함하고, 상기 복수의 루프는 인접하는 루프들 간의 이격 패턴을 정의하고, 상기 이격 패턴은, 상기 전도성 코일에서의 유도 전류에 의한 상기 플라즈마 방전관에서의 전력 흡수에 대한 기설정된 프로파일이 취득되도록 하는 영향에 기초하여 선택가능한, 플라즈마 발생 장치.
  56. 제55항에 있어서, 상기 인접하는 루프들 간의 이격 패턴은 상기 플라즈마 방전관의 길이방향 축선에 대한 전력 흡수의 균일성을 증가시키도록 선택되는, 플라즈마 발생 장치.
  57. 제55항에 있어서, 선택된 상기 인접하는 루프들 간의 이격은, 상기 선택된 인접하는 루프들에 근접해 있는 상기 플라즈마 방전관에서의 마이크로파 에너지의 전파가 증가하게끔 상기 전도성 코일에 유도되는 전류를 증가시키도록 감소될 수 있는, 플라즈마 발생 장치.
  58. 제55항에 있어서, 선택된 상기 인접하는 루프들 간의 이격은, 상기 선택된 인접하는 루프들에 근접해 있는 상기 플라즈마 방전관에서의 마이크로파 에너지의 전파가 감소하게끔 상기 전도성 코일에 유도되는 전류를 감소시키도록 증가될 수 있는, 플라즈마 발생 장치.
  59. 제50항에 있어서, 상기 전도성 코일은 상기 플라즈마 방전관에 열적으로 결합되고, 상기 전도성 코일은, 냉각 유체가 상기 플라즈마 방전관으로부터 열을 제거하게끔 상기 냉각 유체가 흐를 수 있는 채널을 포함하는, 플라즈마 발생 장치.
  60. 제50항에 있어서, 상기 전도성 코일의 두 개의 단부의 각각에 마이크로파 쵸크를 더 포함하고, 상기 마이크로파 쵸크들은 상기 마이크로파 에너지가 상기 플라즈마 방전관으로부터 누출되는 것을 실질적으로 방지하는, 플라즈마 발생 장치.
  61. 제50항에 있어서, 상기 전도성 코일은 상기 플라즈마 방전관의 외면 둘레에 나선형으로 권취되는, 플라즈마 발생 장치.

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