KR101840295B1

KR101840295B1 - 제1 안테나 및 제2 안테나를 포함하는 플라즈마 장치

Info

Publication number: KR101840295B1
Application number: KR1020160156541A
Authority: KR
Inventors: 서기원
Original assignee: (주)얼라이드 테크 파인더즈; 서기원
Priority date: 2016-11-23
Filing date: 2016-11-23
Publication date: 2018-03-20

Abstract

본 발명의 플라즈마 장치는, 플라즈마 가공되는 가공물이 수용되는 챔버; 상기 챔버의 일측에 배치되고, 고주파 전력의 인가에 의해 상기 챔버 내에 플라즈마를 여기시키는 제1 안테나 및 제2 안테나; 를 포함할 수 있고, 상기 제1 안테나는 상기 챔버에 대해 회전될 수 있고, 상기 제2 안테나는 상기 제1 안테나 또는 상기 챔버에 대해 회전 가능하게 상기 챔버에 결합될 수 있다.

Description

제1 안테나 및 제2 안테나를 포함하는 플라즈마 장치{PLASMA DEVICE}

본 발명은 기판 등의 가공물을 플라즈마 처리하는 장치에 관한 것이다.

반도체에 사용되는 웨이퍼(wafer)나 LCD에 사용되는 유리 기판 등의 표면에 미세 패턴을 형성하는 표면 처리 기술에 있어서 플라즈마(Plasma)의 생성 기술은, 반도체에서는 미세 회로 선폭에 따라서, 유리기판을 사용하는 LCD분야에서는 크기에 따라서, 플라즈마 생성원의 발전을 이루어왔다.

반도체용 wafer 처리 기술에 사용되는 플라즈마 소오스의 대표적인 방법으로는 평행 평판형 형태의 플라즈마 방식인 용량 결합 플라즈마 (capacitive coupling Plasma, CCP)와 안테나에 의해 유도되는 유도 결합 플라즈마(Inductive coupling Plasma, ICP)방식으로 발전되어 왔다. 전자는 일본의 TEL(Tokyo electron)사와 미국의 LRC(Lam Research)사 등에 의해서 발전되어 왔으며, 후자는 미국의 AMT(Applied Materials)사와 LRC사에 의해 발전, 적용되고 있는 상황이다.

플라즈마 처리 대상이 되는 가공물은 고르게 플라즈마 처리되는 것이 좋다.

한국등록특허공보 제0324792호에는 저주파 전력에 의한 변조를 고주파 전력에 가하는 기술이 개시되고 있으나, 가공물을 고르게 플라즈마 처리하는 기술은 개시되지 않고 있다.

한국등록특허공보 제0324792호

본 발명은 가공 환경에 맞춰 가공물을 균일하게 플라즈마 처리, 즉 증착이나 식각을 할 수 있는 플라즈마 장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 플라즈마 장치는, 플라즈마 가공되는 가공물이 수용되는 챔버; 상기 챔버의 일측에 배치되고, 고주파 전력의 인가에 의해 상기 챔버 내에 플라즈마를 여기시키는 제1 안테나 및 제2 안테나;를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 제1 안테나는 상기 챔버에 대해 회전될 수 있고, 상기 제2 안테나는 상기 제1 안테나 또는 상기 챔버에 대해 회전 가능하게 상기 챔버에 결합될 수 있다.

본 발명의 플라즈마 장치에는 챔버 내에 플라즈마를 여기시키는 전자기장을 생성하는 복수의 안테나가 마련될 수 있다. 이때, 각 안테나에는 동일한 혹은 서로 다른 고주파 전력이 공급될 수 있다.

각 안테나에 주파수, 전압, 전류 등이 다른 고주파 전력이 인가되므로, 각 안테나에 의해 생성된 전자기장의 세기 등이 달라질 수 있다. 전자기장의 변화에 의해 챔버 내부에 여기된 플라즈마의 밀도, 전자 온도 등과 같은 특성 및 가공물에 접촉되는 플라즈마의 이온 농도가 달라지므로, 웨이퍼(wafer)와 같은 가공물의 플라즈마 가공 상태는 각 안테나의 위치마다 달라질 수 있다.

따라서, 사용자는 챔버 내부에 수용된 가공물의 박막의 증착이나 식각이 균일하게 이루어지도록 각 안테나로 공급되는 고주파 전력을 조절할 수 있다.

일 예로, 테스트 결과 웨이퍼 같은 원형의 가공물의 중심부가 가장자리보다 덜 가공된 경우, 가공물의 바깥쪽에 배치된 안테나와 비교해서 가공물의 중심에 배치된 안테나의 고주파 전력을 조절할 수 있다. 결과적으로, 가공물 중심부의 플라즈마 밀도, 전자 온도 특성이 가공물 가장자리와 비교하여 다르게 되고, 이와 같은 특성을 이용해서 가공물을 균일하게 증착 또는 식각할 수 있다.

또한, 본 발명의 플라즈마 장치에 따르면, 각 안테나는 척의 중심을 가로지르는 가상축을 중심으로 회전할 수 있다. 이에 따르면, 안테나의 회전 방향 'θ' 상으로 균일한 가공이 이루어지므로, 각 안테나는 반경 방향으로 서로 다른 위치에 배치될 수 있다.

즉, 본 발명은 안테나를 회전시키므로 가공물의 원주 방향으로는 전자기장의 강도나 플라즈마 밀도를 자유롭게 제어할 수 있다. 가공물의 원주 방향을 따른 가공 상태가 충분히 균일할 수 있다.

그러나, 안테나의 회전 속도가 동일하여도 반경 방향으로는 중심부와 외주부에서 선속도가 다르며, 단위 시간에 안테나가 지나가는 영역의 면적도 반경 방향으로 다를 수 있다. 따라서, 반경 방향 가공 균일성은 안테나의 회전 이외에 부가적인 기술 수단이 필요하다. 본 발명은 반경 방향으로 서로 다른 위치에서 회전하는 제1 안테나와 제2 안테나를 설치하고, 각각의 회전 속도를 달리하거나, 가공물로부터의 높이인 Z축 높이를 제1 안테나와 제2 안테나 각각에 대하여 조절할 수 있다. 따라서, 가공물을 원주 방향은 물론 반경 방향으로 균일하게 가공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 플라즈마 장치를 나타낸 개략도이다.
도 2는 챔버 내부에 여기된 플라즈마의 확산 범위에 해당하는 플라즈마 볼륨(plasma volume)을 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 발명의 제1 안테나 및 제2 안테나를 나타낸 개략도이다.
도 4는 본 발명의 제2 안테나를 나타낸 개략도이다.
도 5는 본 발명의 플라즈마 장치를 구성하는 전원부를 나타낸 개략도이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.

도 1은 본 발명의 플라즈마 장치를 나타낸 개략도이다. 도 1에는 플라즈마 장치의 개략적인 측단면도가 개시된다.

도 1에 도시된 플라즈마 장치는 챔버(190), 제1 안테나(110), 제2 안테나(120) 및 제1 조절부(210)를 포함할 수 있다. 안테나 유니트는 제1 안테나(110) 및 제2 안테나(120)를 포함할 수 있다.

챔버(190)에는 플라즈마 가공되는 가공물(10)이 수용될 수 있다. 가공물(10)은 챔버(190) 내에서 이루어지는 플라즈마 공정에 의해 가공되는 웨이퍼, 기판 등의 각종 물건을 포함할 수 있다. 플라즈마 가공은 가공물(10)의 표면을 식각하는 식각(etching) 공정, 가공물(10)의 표면을 세척(193)하는 세척(193)(cleaning) 공정, 가공물(10)의 표면을 증착하는 증착(deposition) 공정 등을 포함할 수 있다. 가공물(10)의 식각, 세척(193), 증착은 가공물(10)에 접촉하거나, 식각시 가공물(10)을 타격하는 플라즈마의 이온의 양과 속도가 증가할수록 보다 강하게 이루어질 수 있다. 가공물(10)을 타격하는 플라즈마의 양 또는 속도가 설정값을 만족하도록, 안테나로 입력되는 고주파 전력의 주파수, 전압, 전류 등이 설정될 수 있다.

챔버(190)에는 가공물(10)이 수용되는 수용 공간(199)이 마련되며, 해당 수용 공간(199)은 플라즈마 공정시 외부로부터 폐쇄될 수 있다.

제1 안테나(110) 및 제2 안테나(120)는 가공물(10)에 인가되는 플라즈마를 각각 독립적으로 생성할 수 있다. 따라서, 가공물(10)의 반경 방향으로 전자기장의 세기를 달리하거나 플라즈마의 강도를 달리할 수 있다. 가공물(10)은 제1 안테나(110) 및 제2 안테나(120)의 회전에 의하여 가공물(10)의 원주 방향 가공 상태가 균일해질 수 있고, 제1 안테나(110) 및 제2 안테나(120)의 독립 제어에 의하여 가공물(10)의 반경 방향 가공 상태가 균일해질 수 있다.

즉, 반도체 수율 향상을 위하여 가공물(10)의 가공 상태를 센터 및 에지 측에서 모두 균일하게 하는 것이 매우 중요하다. 가공물(10)의 균일한 가공을 위하여 챔버(190)의 센터 및 에지 측에서 전자기장 및 플라즈마 밀도를 원하는 대로 제어할 수 있어야 한다. 본 발명에 따르면 전자기장 및 플라즈마 밀도의 제어 자유도로서, 원통 좌표계 중 안테나 유니트의 반경 방향 자유도, 안테나 유니트의 원주 방향 자유도, 및 안테나 유니트의 높이 방향 자유도 중 적어도 2개 이상의 자유도를 확보할 수 있다. 따라서, 가공물(10)의 반경 방향 가공 상태 및 원주 방향 가공 상태를 균일하게 제어할 수 있다.

이때, 제1 안테나(110) 및 제2 안테나(120)의 독립 제어라 함은, 각 안테나에 인가되는 고주파 전력의 상태, 접지 상태, 각 안테나의 회전 각속도, 각 안테나의 회전 방향, 각 안테나의 가공물(10)에 대한 회전 높이인 Z축 높이, 각 안테나의 회전 궤적의 형상, 각 안테나의 회전 궤적의 Z축 위치, 각 안테나의 회전 궤적의 반경 방향 위치 중 적어도 하나가 다른 상태로 정의할 수 있다.

예를 들면, 제1 안테나(110)의 회전에 의하여 형성되는 제1 안테나 궤적 및 제2 안테나(120)의 회전에 의하여 형성되는 제2 안테나 궤적은 챔버(190)의 상부를 밀폐하는 덮개(191)의 상측에 형성될 수 있다. 덮개(191)에 대하여 제1 안테나 궤적이 이격된 거리인 제1 안테나 궤적 높이와, 덮개(191)에 대하여 제2 안테나 궤적이 이격된 거리인 제2 안테나 궤적 높이가 서로 다를 수 있다. 따라서, 반경 방향 또는 높이 방향으로 가공물(10)의 가공 상태를 균일하게 제어할 수 있다.

제1 안테나(110) 또는 제2 안테나(120)는 가공물(10)에 대하여 회전하면서 승강될 수 있고, 가공물(10)의 내주쪽의 플라즈마 강도가 외주쪽보다 세게하거나 경우에 따라서는 더 약하게 인가할 수 있다. 이에 따라 반경 방향 또는 원주 방향으로 가공물(10)의 가공 상태를 균일하게 제어할 수 있다.

제1 안테나(110) 및 제2 안테나(120)의 회전 각속도나 회전 방향을 다르게 제어함으로써, 가공물(10)의 반경 방향 또는 원주 방향 가공 상태를 균일하게 제어할 수도 있다.

아르곤(Ar) 가스와 같이 플라즈마를 활성화시키는데 적당한 반응 가스가 가스 채널 또는 가스판을 통하여 챔버(190) 내에 공급될 수 있다.

반응 가스 제어부는 챔버(190) 내에 유입되는 반응 가스의 분사 위치 또는 분사량을 제1 안테나(110)의 반경 방향을 따라 제어하거나 제1 안테나(110)의 원주 방향으로 제어할 수 있다. 따라서, 가공물(10)의 반경 방향 또는 원주 방향 가공 상태를 균일하게 제어할 수 있다.

한편, 각 안테나는 챔버(190)의 일측에 형성되며, 챔버(190) 내로 유입된 반응 가스를 플라즈마 상태로 여기시킬 수 있다. 해당 반응 가스를 플라즈마 상태로 여기시키기 위해 각 안테나는 독립적으로 전자기장을 형성할 수 있다. 전자기장이 생성되도록 안테나에는 고주파 전력이 인가될 수 있다.

제1 안테나(110) 및 제2 안테나(120)는 챔버(190)의 일측, 예를 들어 챔버(190)의 상부에 마련될 수 있다. 챔버(190)의 수용 공간(199)에 연결된 펌프(PUMP)에 의해 챔버(190) 내부는 진공 상태가 될 수 있다.

챔버(190)의 일측에는 제1 안테나(110) 및 제2 안테나(120)에서 생성된 전자기장이 투과하는 덮개(191)가 마련될 수 있다. 챔버(190)의 상부는 덮개(191)로 덮혀 외부로부터 밀봉 또는 폐쇄될 수 있으며, 덮개(191)와 챔버(190)의 사이에는 오링(192)이 개재될 수 있다.

유도 결합 플라즈마(Inductive coupling Plasma, ICP)방식의 경우, 제1 안테나(110) 및 제2 안테나(120)는 덮개(191)에 대면하게 챔버(190)의 외부에 배치될 수 있다. 덮개(191)는 석영 유리판과 같은 절연물을 포함하는 것이 바람직하며, 제1 안테나(110)와 챔버(190)의 수용 공간(199)의 사이 또는 제2 안테나(120)와 챔버(190)의 수용 공간(199)의 사이에 위치할 수 있다.

용량 결합 플라즈마 (capacitive coupling Plasma, CCP) 방식의 경우, 제1 안테나(110) 및 제2 안테나(120)는 챔버(190)의 내부 공간에 배치될 수 있다.

챔버(190)의 수용 공간(199)에서 가공물(10)을 지지하기 위해 척(193)이 마련될 수 있다. 척(193)은 챔버(190) 내에 마련되는 것으로, 챔버(190) 내부의 수용 공간(199)에 수납된 가공물(10)을 지지할 수 있다. 척(193)에 지지된 가공 대상물이 플라즈마 처리되도록 척(193)은 안테나에 대면하는 편에 설치되는 것이 좋다. 일 예로, 제1 안테나(110) 및 제2 안테나(120)가 챔버(190)의 상부에 마련될 때, 척(193)은 챔버(190) 내부의 하부에 마련될 수 있다. 각 안테나와 함께 챔버(190) 수용 공간(199)에 대면한 척(193)은 정전 척(electrostatic chuck)을 포함할 수 있다. 가공물(10)이 지지되는 척(193)의 지지면은 평평하게 형성될 수 있다.

본 발명에 플라즈마를 여기시키는 안테나로 제1 안테나(110)와 제2 안테나(120)를 마련한 것은 잔자기장 또는 플라즈마 밀도를 원통 좌표계의 반경 방향, 원주 방향, 높이 방향 중 적어도 2 방향을 따라 제어 자유도를 갖게 함으로써, 챔버(190) 및 가공물(10)의 상황에 따라 전자기장 또는 플라즈마 밀도를 다 자유도로 조절하여, 가공물(10)을 균일하게 가공하기 위한 것이다.

비교 실시예로서, 하나의 안테나가 챔버(190)의 상부에 기하학적으로 고르게 분포 배치될 수 있다. 그러나, 현실적으로 하나의 안테나를 고르게 배치한다 하더라도, 안테나 주변에 생성되는 전자기파의 분포가 균일하지 않으므로, 불균일한 전자기파 방사로 인한 플라즈마의 특성은 균일하지 않다. 왜냐하면, 고주파 전류가 흐르는 안테나의 저항, 즉 임피던스가 안테나의 위치별로 다르기 때문이다. 또한, 안테나의 구조 변경 등을 통해 플라즈마를 고르게 분포시킨다 하더라도, 척(193)에 배치된 가공물(10)의 배치 상태, 챔버(190) 내부의 상태(형상, 크기) 등에 따라 플라즈마가 영향을 받기 때문에 가공물(10)이 고르게 가공되지 못할 수 있다.

결과적으로, 하나의 고정된 안테나만을 이용하는 경우 가공물(10)의 크기나, 챔버의 상태에 따라 기판(10)의 가공 상태가 고르지 않은 문제가 발생한다.

제1 안테나(110)에는 제1 고주파 전력이 공급되고, 제2 안테나(120)에는 제2 고주파 전력이 공급될 수 있다. 이때, 제1 고주파 전력과 제2 고주파 전력은 주파수, 전압, 전류 중 적어도 하나가 서로 다를 수 있다.

제1 조절부(210)는 제1 고주파 전력 및 제2 고주파 전력 중 적어도 하나를 조절할 수 있다. 제1 조절부(210)는 자동 또는 수동에 의해 제1 고주파 전력을 조절하거나, 제2 고주파 전력을 조절할 수 있다.

제1 안테나(110), 제2 안테나(120) 및 제1 조절부(210)에 따르면, 가공물(10)은 위치와 상관없이 고르게 가공될 수 있다.

도 2는 챔버(190) 내부에 여기된 플라즈마의 확산 범위에 해당하는 플라즈마 볼륨(plasma volume)을 나타낸 개략도이다.

일 예로, 제1 안테나(110)에만 제1 고주파 전력을 공급해서 가공물(10)을 플라즈마 처리한 결과, 도 2의 (a)와 같이 가공물(10)의 중심보다 가공물(10)의 가장자리에서 플라즈마 처리가 많이 이루어질 수 있다. 이에 따르면, 밑면의 가운데가 함몰된 형상의 플라즈마 볼륨 V가 형성되고, 가공물(10)의 가운데가 가장자리보다 더 약한 플라즈마 강도를 가지게 제어될 수 있다. 따라서, 가공물(10)의 센터 및 에지 가공 상태에 따라 플라즈마 밀도를 다 자유도로 제어할 수 있고, 결과적으로 균일한 가공 상태를 얻을 수 있다.

이때, 제1 안테나(110)와 동축 상에 배치되고 제1 안테나(110)보다 짧은 길이의 제2 안테나(120)가 제1 안테나(110)의 상측 또는 하측에 배치될 수 있다. 이후, 플라즈마 볼륨 V의 함몰 부분을 메울 수 있을 정도의 제2 고주파 전력이 제2 안테나(120)에 공급되면, 도 2의 (b)와 같이 플라즈마 볼륨 V의 밑면은 평평한 형상을 추종할 수 있다. 경우에 따라서는 밑면이 평평한 플라즈마 볼륨 V을 형성하여 가공물(10)은 위치에 상관없이 고르게 가공될 수 있다.

다른 예로, 제1 안테나(110)에서 생성된 플라즈마 볼륨 V의 밑면이 도 2의 (b)와 같이 평평하더라도, 가공물(10)의 플라즈마 처리 상태가 달라질 수 있다. 플라즈마 볼륨 V의 밑면이 평평하더라도, 도 1과 같이 챔버(190)의 측벽에 가까운 가공물(10)의 가장자리는 가공물(10)의 중심과 다르게 플라즈마 처리될 수 있다. 실험 결과, 가공물(10)에 플라즈마가 고르게 인가되더라도 가공물(10)의 가장자리와 가공물(10)의 중심에 대한 플라즈마 처리가 실험 조건에 따라 상대적으로 다르게 이루어지는 것으로 나타났다. 이 경우는 플라즈마 볼륨 V를 상대적으로 다르게 형성하는 것이 오히려 가공물(10)의 가공 상태가 더욱 균일해 질 수 있다.

또한, 미지의 현상에 의해 가공물(10)의 플라즈마 처리 상태가 달라질 수 있다.

따라서, 가공물(10)을 고르게 플라즈마 처리하기 위해 복수의 가공물(10) 중 일부에 해당하는 시료를 플라즈마 처리한 후, 시료의 가공 상태에 따라 시료의 부위별로 적절한 플라즈마가 인가되도록 제어할 수 있어야 한다. 적절한 플라즈마가 인가되는 환경이 마련되면 복수의 가공물(10)을 균일하게 처리할 수 있다.

그런데, 하나의 안테나만 적용된 경우에는 가공물(10)의 부위에 따라 서로 다른 특성을 가진 플라즈마를 발생시키기 어려우므로, 사후적 보정이 불가능하다. 따라서, 하나의 안테나만 이용해서 플라즈마를 발생시키고 웨이퍼와 같은 가공물(10)을 식각 또는 증착하는 경우, 설계치를 만족하는 반도체 칩(chip)과 불량인 반도체 칩이 하나의 가공물(10)에서 동시 생산되는 수율 저하가 발생할 수 있다. 이는 수율, 한 웨이퍼 매수당 생산되는 칩의 개수, 곧 생산성에 직접적인 영향을 미치게 된다.

본 발명에 따르면, 제1 안테나(110) 및 제2 안테나(120)는 척(193)의 중심 O로부터 방사 방향을 따라 서로 다른 위치에 회전 가능하게 배치될 수 있다. 본 명세서에서는 제1 안테나(110)와 제2 안테나(120)만 나타내었으나, 제3 안테나, 제4 안테나 등이 추가되어도 무방하다.

일 예로, 제1 안테나(110)는 척(193)의 중앙에 배치되며, 제2 안테나(120)는 척(193)의 가장자리에 대면될 수 있다.

척(193)의 가장자리에 배치된 제2 안테나(120)는 척(193)에 지지된 가공물(10)의 가장자리에 대면할 수 있다. 이때, 제1 조절부(210)에 의해 제2 고주파 전력이 적절하게 제2 안테나(120)로 공급되면, 가공물(10)의 가장자리는 가공물(10)의 중심부와 거의 균일하게 가공될 수 있다. 따라서, 반도체 칩 수율이 개선될 수 있다.

만약, 하나의 안테나에 의해 고르게 플라즈마가 인가되더라도 가공물(10)의 가장자리가 중심과 다르게 가공되는 것은 가공물(10)의 가장자리에 인접한 챔버(190)의 내측면(198)이 원인일 수 있다. 이때, 가공물(10)의 가장자리가 중심부와 동일하게 가공되기 위해 제2 고주파 전력이 공급되는 제2 안테나(120)의 배치 위치가 중요할 수 있다. 제2 안테나(120)의 배치 위치가 잘못되면, 제1 고주파 전력과 구분되는 제2 고주파 전력이 제2 안테나(120)에 인가되더라도, 가공물(10) 전체가 고르게 가공되지 못할 수 있다.

실험 결과, 제2 안테나(120)는 척(193)의 중심으로부터 방사 방향을 따라 척(193) 상의 제1 위치 X1으로부터 척(193)과 챔버(190)의 내측면(198) 사이의 제2 위치 X2까지 연장된 경우, 불균형 현상 없이 가공물(10)의 가장자리가 고르게 가공되는 것이 확인되었다. 가공물(10)의 가장자리의 가공 정도, 예를 들어 박막의 증착 두께 또는 식각의 깊이는 제1 조절부(210)에 의해 조절되는 제2 고주파 전력의 주파수, 전압, 전류 중 적어도 하나에 의해 결정될 수 있다.

이상에서 살펴본 본 발명의 플라즈마 장치는 제1 안테나(110), 제2 안테나(120) 및 제1 조절부(210)에 의해 척(193)의 원주 방향 또는 반경 방향으로 균일한 가공이 이루어질 수 있다.

원통 좌표계로서, 가공물(10)의 원주 방향을 'θ' 방향, 가공물(10)의 반경 방향을 'r' 방향, 가공물(10)의 높이 방향을 'z' 방향으로 정의한다. 안테나 유니트의 중심을 회전축으로 하는 회전은 도면 상에서 z축을 중심으로 회전하는 것일 수 있다.

제1 안테나(110)와 제2 안테나(120)가 반경 방향을 따라 서로 다른 위치에 배치되면, 반경 방향으로 가공물(10)이 균일하게 가공될 수 있다. θ 방향 또는 반경 방향으로 가공물(10)이 고르게 가공되도록, 복수의 안테나가 θ 방향 또는 반경 방향을 따라 서로 다른 위치에 배치될 수 있다.

본 발명에 따르면, θ 방향 또는 반경 방향을 따라 서로 구분되는 고주파 전력이 인가되는 복수의 안테나가 배치되며, 다양한 고주파 전력원이 마련될 수 있다. 제1 안테나(110) 및 제2 안테나(120)는 챔버(190)에 대해서 회전축과 함께 회전할 수 있다. 회전축과 함께 회전하도록 제1 안테나(110) 및 제2 안테나(120)는 회전축에 기구적으로 연결될 수 있다.

x, y, z축이 서로 직교하는 3차원 공간에서 판 형상의 가공물(10)이 xy 평면 상에 놓여진 경우, 안테나의 회전축은 가공물(10)의 가공면에 기울어질 수 있다. 바람직하게 회전축은 가공물(10)의 가공면에 직교할 수 있다. 다시 말해 회전축은 z축과 동축이며, 척(193)의 중심을 관통할 수 있다.

안테나가 고정되고 척(193)이 회전하여도 무방하고, 안테나와 척(193)이 다른 속도로 회전해도 무방하다. 즉, 안테나와 척(193)은 상대 회전할 수 있다.

제2 안테나(120)는 반경 방향을 따라 척(193)보다 길게 연장되므로, 제2 안테나(120)의 회전 반경은 척(193)에 거치된 가공물(10)의 반지름보다 클 수 있다. 제1 안테나(110)의 연장 길이 및 회전 반경은 가공물(10)의 반지름 이하일 수 있다.

제1 안테나(110) 및 제2 안테나(120)가 척(193)에 대해서 회전하면, θ 방향을 따라 플라즈마 밀도의 제어가 가능하고 가공물(10)에 고르게 가공될 수 있다. 따라서, 가공물(10)은 반경 방향뿐만 아니라 θ 방향을 따라 균일하게 가공될 수 있다.

도 3은 본 발명의 제1 안테나(110) 및 제2 안테나(120)를 나타낸 개략도이고, 도 4는 본 발명의 제2 안테나(120)를 나타낸 개략도이다.

제1 안테나(110)는 회전 중심이 되는 제1 회전축(130)에 병렬 연결된 복수의 브랜치 코일(111)을 포함할 수 있다. 브랜치 코일(111)은 제1 회전축(130)에 연결되는 제1 시작 부분(118)과 전원부(250)의 접지부(254)에 연결되는 제1 종단 부분(119)이 실질적으로 동축 상에 위치할 수 있다. 이를 위해 브랜치 코일(111)은 'U'자형 또는 'C'자형 등의 일측이 개구된 폐곡선 형상으로 형성될 수 있다. 브랜치 코일(111)은 가공물(10) 또는 척(193)의 지지면에 평행하게 연장될 수 있다.

브랜치 코일(111) 및 제1 회전축(130)의 조립을 위하여 둘 사이에 커넥터가 개재될 수 있다.

제1 회전축(130)의 단부에는 제1 슬립 링(181) 등을 통해 제1 고주파 전력을 제공하는 전원부(250)가 전기적으로 연결될 수 있다. 전원부(250)는 제1 고주파 전력과 제2 고주파 전력을 구분해서 생성할 수 있으며, 제1 조절부(210)에 의해 제어될 수 있다.

브랜치 코일(111)은 가운데가 구부러지고 양단이 회전축을 향해 연장되는 고리 형상으로 형성될 수 있다.

제2 안테나(120)는 회전 중심이 되는 제2 회전축(140)에 연결된 원주 또는 고리 형상의 에지 코일(edge coil)을 포함할 수 있다. 에지 코일의 가운데에는 제1 코일이 배치되는 구멍이 마련될 수 있다. 에지 코일은 제2 회전축(140)에 연결되는 제2 시작 부분(128)과 전원 접지부(254)에 연결되는 제2 종단 부분(129)이 실질적으로 동축 상에 위치할 수 있다. 제2 시작 부분(128)과 제2 종단 부분(129)이 실질적으로 동축 상에 배치되도록, 제2 시작 부분(128)과 제2 종단 부분(129)은 원주 형상의 에지 코일 몸체로부터 원주의 중심을 향해 연장될 수 있다. 브랜치 코일(111)은 가공물(10) 또는 척(193)의 지지면에 평행하게 연장될 수 있다.

제2 고주파 전력을 이용해서 가공물(10)의 가장자리가 플라즈마 처리되도록, 제2 안테나(120)는 상이한 형상, 즉 임피던스 저항이 다르게 형성될 수 있다.

일 예로, 에지 코일은 평면상으로 도 3의 (a), (c)와 같이 하나의 선분의 2개로 분기되서 가운데에 장공(121)이 마련되게 형성되거나, 도 3의 (b)와 같이 울퉁불퉁하게 구부러지게 형성될 수 있다.

제2 회전축(140)의 단부에는 제2 슬립 링(182) 등을 통해 제2 고주파 전력을 제공하는 전원부(250)가 전기적으로 연결될 수 있다.

전원부(250)에는 제1 고주파 전력을 생성하는 제1 RF 제너레이터(251), 제2 고주파 전력을 생성하는 제2 RF 제너레이터(252)가 마련될 수 있다. 각 고주파 전력이 각 회전축 및 각 안테나에 원활하게 공급되도록, 전원부(250)에는 전체 임피던스 저항을 일정하게 자동 조정하는 매처(MATCHER)가 마련될 수 있다.

일 예로, 제1 RF 제너레이터(251)와 제1 회전축(130)의 사이에는 제1 매처(255)가 개재되고, 제2 RF 제너레이터(252)와 제2 회전축(140)의 사이에는 제2 매처(256)가 개재될 수 있다.

이외에도 전원부(250)는 다양하게 형성될 수 있다.

도 5는 본 발명의 플라즈마 장치를 구성하는 전원부(250)를 나타낸 개략도이다.

전원부(250)에는 고주파 전력을 생성하는 제3 RF 제너레이터(253)가 마련될 수 있다. 제3 RF제너레이터에서 생성된 고주파 전력은 제3 RF 제너레이터(253)의 출력단에 배치된 스플리터(259)(splitor)에 의해 제1 고주파 전력과 제2 고주파 전력으로 분기될 수 있다. 스플리터(259)는 제3 RF 제너레이터(253)에서 생성된 고주파 전력의 주파수는 그대로 둔 채로 전력값을 조절할 수 있다. 스플리터(259)에 의해 전력값이 조절된 고주파 전력이 제1 고주파 전력 또는 제2 고주파 전력이 될 수 있다.

제1 회전축(130)과 제1 안테나(110)의 전체 저항이 제2 회전축(140)과 제2 안테나(120)의 전체 저항이 동일한 경우 도 5의 (a)와 같이 제3 RF 제너레이터(253)와 스플리터(259)의 사이 또는 스플리터(259)의 출력단에 하나의 제3 매처(257)가 배치될 수 있다. 제3 매처(257)는 제1 고주파 전력과 제2 고주파 전력이 반사되어 RF 제너레이터로 되돌아오는 것을 방지할 수 있다.

제1 회전축(130)과 제1 안테나(110)의 전체 저항이 제2 회전축(140)과 제2 안테나(120)의 전체 저항이 서로 다른 경우 도 5의 (b)와 같이 스플리터(259)와 제1 안테나(110) 사이에 제1 매처(255)가 개재되고, 스플리터(259)와 제2 안테나(120) 사이에 제2 매처(256)가 개재될 수 있다.

이상에서 살펴본 전원부(250)에 따르면, 서로 다른 주파수를 사용할 경우에 있어서 전력의 조절이 필요한 경우 2개의 RF 제너레이터가 마련되고, 동일한 주파수를 사용할 경우에 있어서 전력의 조절만 필요한 경우 1개의 RF 제너레이터와 스플리터(259)가 마련될 수 있다.

다시 도 1로 돌아가서, 챔버(190)의 일측에 마련된 제1 회전축(130)과 제2 회전축(140)은 함께 회전하거나 각각 독립적으로 회전할 수 있다. 이때, 본 발명의 플라즈마 장치는 제1 회전축(130)의 제1 회전 속도 및 제2 회전축(140)의 제2 회전 속도 중 적어도 하나를 조절하는 제2 조절부(220)를 포함할 수 있다.

도 1에 도시된 제1 안테나(110)는 챔버(190)에 대해서 제1 회전축(130)과 함께 회전할 수 있다. 제1 고주파 전력은 제1 회전축(130)을 거쳐 제1 안테나(110)로 공급될 수 있다.

제2 안테나(120)는 챔버(190)에 대해서 제2 회전축(140)과 함께 회전할 수 있다. 제2 고주파 전력은 제2 회전축(140)을 거쳐 제2 안테나(120)로 공급될 수 있다.

제1 회전축(130)과 제2 회전축(140)은 동축 상에 배치되는 것이 좋다.

일 예로, 제2 회전축(140)은 중공 파이프 형상으로 형성될 수 있다. 이때, 제1 회전축(130)은 제2 회전축(140)의 중공에 삽입될 수 있다. 본 실시예에 따르면, 제1 회전축(130)과 제2 회전축(140)이 가깝게 배치되므로, 스파크 등이 발생될 수 있다. 스파크의 발생을 방지하기 위해 제1 회전축(130)의 외면과 제2 회전축(140)의 내면 사이에는 제1 절연재(161)가 개재될 수 있다.

본 발명의 플라즈마 장치에는 제2 회전축(140)이 삽입되는 중공을 갖는 파이프 형상의 회전부(150)가 마련될 수 있다. 제1 회전축(130)과 제2 회전축(140) 사이에는 제1 절연재(161)가 개재되고, 제2 회전축(140)과 회전부(150) 사이에는 제2 절연재(162)가 개재될 수 있다.

제1 회전축(130), 제2 회전축(140) 및 회전부(150)는 함께 회전할 수 있다. 일 예로, 제1 회전축(130), 제2 회전축(140), 회전부(150) 중 하나를 회전시키면 제1 절연재(161), 제2 절연재(162)에 의해 서로 연결된 제1 회전축(130), 제2 회전축(140), 회전부(150)는 함께 회전할 수 있다. 도 1에는 모터(171), 모터(171)의 축에 연결된 풀리(173), 풀리(173)와 회전부(150)에 감기는 벨트(175)가 마련되고 있다. 모터(171)가 회전하면 벨트(175)에 의해 회전부(150)가 회전할 수 있다. 회전부(150)의 회전에 의해 제2 회전축(140)이 회전하며, 제2 회전축(140)의 회전에 의해 제1 회전축(130)이 회전할 수 있다.

회전부(150)에는 제1 안테나(110)의 접지단과 제2 안테나(120)의 접지단이 함께 연결될 수 있다. 제1 안테나(110)의 접지단은 제1 안테나(110)의 제1 종단 부분(119)에 해당하고, 제2 안테나(120)의 접지단은 제2 안테나(120)의 제2 종단 부분(129)에 해당할 수 있다. 회전부(150)는 제3 슬립 링(183) 등을 통해 전원부(250)의 접지부(254)에 전기적으로 연결될 수 있다.

챔버(190)의 상측에는 도 1과 같이 제1 안테나(110), 제2 안테나(120)가 설치된 도킹부(180)가 마련될 수 있다. 도킹부(180)는 챔버(190)를 폐쇄시키는 덮개(191)에 대면하게 배치될 수 있다.

도킹부(180)는 슬립 링, 베어링 등을 이용해 제1 안테나(110), 제2 안테나(120) 및 회전부(150)를 회전 가능하게 지지할 수 있다. 도킹부(180)를 통해 제1 안테나(110)와 제2 안테나(120)를 냉각시키는 냉각수(coolant)가 공급될 수 있다. 제1 안테나(110)와 제2 안테나(120)의 내부에는 냉각수가 흐르는 유로가 형성될 수 있으며, 도킹부(180)를 통해 공급된 냉각수는 각 안테나의 내부를 따라 흐르며, 각 안테나의 회전시 함께 회전할 수 있다.

도킹부(180)는 챔버(190)와 일체로 형성되어도 무방하다.

다른 실시예에 따르면, 도 1과 다르게 제1 회전축(130)과 제2 회전축(140)은 서로 다른 회전 속도로 회전하게 구성될 수 있다.

일 예로, 제1 회전축(130)을 회전시키는 제1 구동부(미도시)와 제2 회전축(140)을 회전시키는 제2 구동부(미도시)가 별도로 마련될 수 있다. 제1 구동부와 제2 구동부에는 모터(171), 모터 축(172)에 연결되는 풀리(173), 풀리(173)와 각 회전축에 감기는 벨트(175) 등이 마련될 수 있다.

제1 회전축(130)과 제2 회전축(140) 사이에는 제1 회전축(130)과 제2 회전축(140) 간의 상대 회전을 허용하는 제1 베어링부(미도시)가 마련될 수 있다. 제1 베어링부는 제1 회전축(130)과 제2 회전축(140)을 서로 회전 가능하게 지지할 수 있다.

제2 회전축(140)과 회전부(150) 사이에는 상대 회전을 허용하는 제2 베어링부(미도시)가 마련될 수 있다.

회전부(150)에는 제1 안테나(110)의 접지단과 제2 안테나(120)의 접지단이 연결될 수 있다. 본 실시예의 경우, 회전부(150)는 각 회전축의 회전에 무관하게 고정되거나, 제1 회전축(130) 또는 제2 회전축(140)과 함께 회전하도록 구성될 수 있다.

본 실시예에 따르면, 제1 안테나(110)의 제1 회전 속도와 제2 안테나(120)의 제2 회전 속도가 독립적으로 제어될 수 있다. 한편, 각 안테나의 회전 방향도 서로 같은 방향 또는 서로 역방향으로 회전될 수 있다. 따라서, 가공물(10)이 고르게 가공되도록, 제1 회전 속도 및 제2 회전 속도가 각각 조절될 수 있다.

한편, 고정물에 해당하는 챔버(190) 또는 척(193)이 안테나에 대해 기울어질 수 있다. 이때의 기울어짐은 허용 오차 범위 내에서 이루어질 수 있으나, 미세한 플라즈마 처리에서는 가공물(10)의 플라즈마 처리 상태를 변화시키는 중요한 요인으로 작용할 수 있다. 이러한 문제는 제1 안테나(110) 및 제2 안테나(120)에 대해서도 동일하게 발생될 수 있다.

가공물(10)에 대해 챔버(190) 또는 척(193) 또는 각 안테나가 기울어지면, 가공물(10)의 일측이 타측보다 더 가공될 수 있다. 가공물(10)의 가공 상태가 확인되면, 이후 가공물(10)이 고르게 가공되도록 가공물(10), 척(193), 안테나 중 하나가 기울어지는 것이 바람직하다. 그러나, 기존 플라즈마 장치에서 챔버(190), 척(193), 안테나는 고정된 요소이므로, 가공물(10)을 기울일 수밖에 없는데, 챔버(190) 내에서 가공되는 복수의 가공물(10)을 기울이는 것은 사실상 불가능하다.

본 발명은 가공물(10)을 그대로 둔 상태에서 안테나가 기울어질 수 있다.

일 예로, 본 발명의 플라즈마 장치는 가공물(10)이 지지되는 척(193)의 지지면에 기울어지게 제1 안테나(110) 또는 제2 안테나(120)를 지지하는 틸팅축(미도시), 틸팅축을 기준으로 제1 안테나(110) 또는 제2 안테나(120)를 기울이는 제3 조절부(미도시)를 포함할 수 있다.

제3 조절부에 따르면, 가공물(10)에 대해 플라즈마 처리가 기울어지게 이루어지거나, 가공물(10)의 가공면이 안테나에 대해 기울어지게 형성되더라도 가공물(10)의 가공면에 평행하게 안테나를 조절할 수 있다. 따라서, 가공물(10)은 기울어진 형태 등에 상관없이 균일하게 가공될 수 있다.

이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

10...가공물 110...제1 안테나
111...브랜치 코일 118...제1 시작 부분
119...제2 종단 부분 120...제2 안테나
121...장공 128...제2 시작 부분
129...제2 종단 부분 130...제1 회전축
140...제2 회전축 150...회전부
161...제1 절연재 162...제2 절연재
171...모터 172...모터 축
173...풀리 175...벨트
180...도킹부 181...제1 슬립 링
182...제2 슬립 링 183...제3 슬립 링
190...챔버 191...덮개
192...오링 193...척
198...내측면 199...수용 공간
210...제1 조절부 220...제2 조절부
250...전원부 251...제1 RF 제너레이터
252...제2 RF 제너레이터 253...제3 RF 제너레이터
254...접지부 255...제1 매처
256...제2 매처 257...제3 매처
259...스플리터

Claims

플라즈마 가공되는 가공물이 수용되는 챔버;
상기 챔버의 일측에 배치되고, 고주파 전력의 인가에 의해 상기 챔버 내에 플라즈마를 여기시키는 제1 안테나 및 제2 안테나;를 포함하고,
상기 제1 안테나는 상기 챔버에 대해 회전되며,
상기 제2 안테나는 상기 제1 안테나 또는 상기 챔버에 대해 회전 가능하게 상기 챔버에 결합되고,
상기 제1 안테나 및 상기 제2 안테나는,
상기 제1 안테나 또는 상기 제2 안테나의 접지 저항, 상기 제1 안테나 또는 상기 제2 안테나의 회전 각속도, 상기 제1 안테나 또는 상기 제2 안테나의 회전 방향, 상기 제1 안테나 또는 상기 제2 안테나의 상기 가공물에 대한 회전 높이인 Z축 높이, 상기 제1 안테나 또는 상기 제2 안테나의 회전 궤적의 형상, 상기 제1 안테나 또는 상기 제2 안테나의 회전 궤적의 위치 중 적어도 하나가 다른 플라즈마 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 안테나 및 상기 제2 안테나는 상기 챔버에 대해서 360도 이상 회전하는 플라즈마 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 안테나에는 제1 고주파 전력이 공급되며,
상기 제2 안테나에는 제2 고주파 전력이 공급되고,
상기 제1 고주파 전력 및 상기 제2 고주파 전력 중 적어도 하나를 조절하는 제1 조절부가 마련되는 플라즈마 장치.
제1항에 있어서,
상기 챔버의 일측에는 상기 제1 안테나 및 상기 제2 안테나에서 생성된 전자기장이 투과되는 덮개가 마련되고,
상기 챔버는 상기 덮개에 의해 외부로부터 폐쇄되며,
상기 제1 안테나 및 상기 제2 안테나는 상기 덮개에 대면되도록 상기 챔버의 외부에 배치되는 플라즈마 장치.
제1항에 있어서,
상기 챔버의 일측에는 상기 제1 안테나 및 상기 제2 안테나에서 생성된 전자기장이 투과되는 덮개가 마련되고,
상기 제1 안테나는 상기 덮개의 중앙에 배치되며,
상기 제2 안테나는 상기 제1 안테나의 외측에 배치되는 플라즈마 장치.
제1항에 있어서,
상기 챔버의 내부에 배치되고 상기 가공물이 지지되는 척;을 포함하고,
상기 제1 안테나 및 상기 제2 안테나는 상기 척의 중심으로부터 방사 방향을 따라 서로 다른 위치에 배치되는 플라즈마 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 안테나 및 상기 제2 안테나는,
상기 제1 안테나의 접지단과 상기 제2 안테나의 접지단이 함께 연결된 상태에서, 서로 반대 방향으로 회전되는 플라즈마 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 안테나의 제1 회전 속도 및 상기 제2 안테나의 제2 회전 속도 중 적어도 하나를 조절하는 제2 조절부가 설치되며,
상기 제1 안테나 및 상기 제2 안테나는 서로 다른 각속도로 회전되는 플라즈마 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 안테나는 제1 회전축에 연결되고,
상기 제2 안테나는 제2 회전축에 연결되며,
상기 제1 안테나는 상기 챔버에 대해서 상기 제1 회전축과 함께 회전하며,
제1 고주파 전력은 상기 제1 회전축을 거쳐 상기 제1 안테나로 공급되고,
상기 제2 안테나는 상기 챔버에 대해서 상기 제2 회전축과 함께 회전하며,
제2 고주파 전력은 상기 제2 회전축을 거쳐 상기 제2 안테나로 공급되는 플라즈마 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 안테나는 제1 회전축에 연결되고,
상기 제2 안테나는 제2 회전축에 연결되며,
상기 제2 회전축은 중공 파이프 형상으로 형성되고,
상기 제1 회전축은 상기 제2 회전축의 중공에 삽입되며,
상기 제1 회전축의 외면과 상기 제2 회전축의 내면 사이에는 제1 절연재가 개재되는 플라즈마 장치.
제1항에 있어서,
상기 챔버의 일측에 마련된 제1 회전축;
상기 제1 회전축이 삽입되는 중공을 갖는 파이프 형상의 제2 회전축;
상기 제2 회전축이 삽입되는 중공을 갖는 파이프 형상의 회전부;를 포함하고,
상기 제1 안테나는 상기 챔버에 대해서 상기 제1 회전축과 함께 회전하며,
제1 고주파 전력은 상기 제1 회전축을 거쳐 상기 제1 안테나로 공급되고,
상기 제2 안테나는 상기 챔버에 대해서 상기 제2 회전축과 함께 회전하며,
제2 고주파 전력은 상기 제2 회전축을 거쳐 상기 제2 안테나로 공급되고,
상기 제1 회전축, 상기 제2 회전축 및 상기 회전부는 함께 회전하며,
상기 회전부에는 상기 제1 안테나의 접지단과 상기 제2 안테나의 접지단이 함께 연결되는 플라즈마 장치.
제1항에 있어서,
상기 챔버의 일측에는 상기 제1 안테나 및 상기 제2 안테나에서 생성된 전자기장이 투과되는 덮개가 마련되고,
상기 챔버의 내부에 상기 가공물이 지지되는 척이 마련되며,
상기 제1 안테나 및 상기 제2 안테나는 상기 덮개에 대하여 기울어진 상태로 회전되거나 상기 척에 대하여 기울어진 상태로 회전되는 플라즈마 장치.
제1항에 있어서,
상기 챔버의 일측에는 상기 제1 안테나 및 상기 제2 안테나에서 생성된 전자기장이 투과되는 덮개가 마련되고,
상기 제1 안테나의 회전에 의하여 형성되는 제1 안테나 궤적 및 상기 제2 안테나의 회전에 의하여 형성되는 제2 안테나 궤적은 상기 덮개의 상측에 형성되며,
상기 덮개에 대하여 상기 제1 안테나 궤적이 이격된 거리인 제1 안테나 궤적 높이와, 상기 덮개에 대하여 상기 제2 안테나 궤적이 이격된 거리인 제2 안테나 궤적 높이가 서로 다른 플라즈마 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 안테나 및 상기 제2 안테나는 상기 가공물에 대하여 서로 다른 높이에서 회전되거나,
상기 제1 안테나 또는 상기 제2 안테나는 상기 가공물에 대하여 승강되는 플라즈마 장치.
제1항에 있어서,
상기 챔버 내에 유입되는 반응 가스의 분사 위치 또는 분사량을 상기 제1 안테나의 반경 방향을 따라 제어하거나 상기 제1 안테나의 원주 방향을 따라 제어하는 반응 가스 제어부를 구비하는 플라즈마 장치.
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