KR102175238B1 - 플라즈마 처리 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유도 결합 플라즈마 처리 장치를 제공한다. 이 장치는 진공 용기의 유전체 상판 상에 배치되고 일정한 반경을 가지는 내측 안테나; 전기적으로 병렬 연결되고 상기 진공 용기의 상기 유전체 상판 상에 배치되고 상기 내측 안테나의 외곽에 배치된 복수의 외측 안테나; 상기 내측 안테나와 상기 외측 안테나들에 전력을 각각 분배하는 전력 분배부; 및 상기 전력 분배부를 통하여 상기 내측 안테나와 상기 외측 안테나들에 전력을 제공하는 RF 전원을 포함한다. 상기 전력 분배부는 서로 병렬 연결된 상기 내측 안테나와 상기 외측 안테나들 사이에 전력을 분배한다. 상기 외측 안테나들은 상기 내측 안테나의 중심축에서 일정한 반경의 원주 상에 일정한 간격으로 배치된다. 상기 외측 안테나들 각각은 복층 구조의 원주형 섹션(annular section) 형상을 가진다.

Description

플라즈마 처리 장치{Plasma Processing Apparatus}
본 발명은 유도 결합 플라즈마 처리 장치에 관한 것으로, 내측 안테나와 외측 안테나를 가지는 대면적 플라라즈마 소스에 관한 것이다.
한국공개특허 10-2013-0043795는 내측 안테나와 외측 안테나를 가지는 플라즈마 처리 장치를 개시하고 있다. 이 공개 특허의 외측 안테나는 복층 구조이고, 국부적인 위치에서 플라즈마 밀도를 조절하기 어렵다.
한국공개특허 10-2012-0040335는 내측 안테나와 외측 안테나를 가지는 플라즈마 처리 장치를 개시하고 있다. 이 공개 특허의 외측 안테나는 서로 중첩된 하프 턴의 안테나로 구성되어, 국부적인 위치에서 플라즈마 밀도를 조절하기 어렵다.
대면적 유도 결합 플라즈마는 회전 방향(원통 좌표계의 방위각 방향)의 균일도를 증가시키기 위하여 복수의 턴을 복층 구조를 사용하였다. 그럼에도 불구하고, 이러한 유도 결합 플라즈마는 가스 공급 방향 또는 배기부의 가스 펌핑 방향 등에 기인하여 국부적으로 비균일한 플라즈마를 생성한다. 따라서, 국부적인 플라즈마 비균일성을 향상하기 위한 안테나 구조가 요구된다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 대면적 플라즈마 처리 장치에서 국부적인 플라즈마 불균일성을 제어하기 위한 안테나 구조를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치는 진공 용기의 유전체 상판 상에 배치되고 일정한 반경을 가지는 내측 안테나; 전기적으로 병렬 연결되고 상기 진공 용기의 상기 유전체 상판 상에 배치되고 상기 내측 안테나의 외곽에 배치된 복수의 외측 안테나; 상기 내측 안테나와 상기 외측 안테나들에 전력을 각각 분배하는 전력 분배부; 및 상기 전력 분배부를 통하여 상기 내측 안테나와 상기 외측 안테나들에 전력을 제공하는 RF 전원을 포함한다. 상기 전력 분배부는 서로 병렬 연결된 상기 내측 안테나와 상기 외측 안테나들 사이에 전력을 분배한다. 상기 외측 안테나들은 상기 내측 안테나의 중심축에서 일정한 반경의 원주 상에 일정한 간격으로 배치된다. 상기 외측 안테나들 각각은 복층 구조의 원주형 섹션(annular section) 형상을 가진다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 외측 안테나들 각각은: 제1 곡률 반경을 가지는 외측 상부 곡선부; 상기 외측 상부 곡선부에 연속적으로 연결되고 배치 평면을 상부면에 하부면으로 변경하는 제1 플러그; 상기 제1 플러그에 연속적으로 연결되고 제1 곡률 반경보다 작은 제2 곡률 반경을 가지는 내측 하부 곡선부; 상기 내측 하부 곡선부에 연속적으로 연결되고 상기 제1 곡률 반경을 가지는 외측 하부 곡선부; 상기 외측 하부 곡선부에 연속적으로 연결되고 배치 평면을 하부에서 상부면에서 상부면으로 변경하는 제2 플러그; 및 상기 제2 플러그에 연속적으로 연결되고 상기 제2 곡율 반경을 가지는 내측 상부 곡선부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 외측 상부 곡선부, 상기 내측 하부 곡선부, 상기 외측 하부 곡선부, 및 내측 상부 곡선부의 끝은 곡률 반경을 변경하기 위하여 반경 방향으로 구부러질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 적어도 하나의 상기 외측 안테나와 접지 사이에 연결된 외측 안테나 가변 축전기를 더 포함할 수 있다. 상기 외측 안테나 가변 축전기는 국부적으로 비균일한 플라즈마를 균일하게 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 외측 안테나 가변 축전기가 연결된 상기 외측 안테나에 흐르는 전류를 감지하는 전류 측정부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 원주형 섹션(annular section) 형상은 원호 부위와 직선 부위를 포함할 수 있다. 상기 외측 안테나의 전력 입력단과 출력단은 상기 원주형 섹션(annular section) 형상의 상기 직선 부위에 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 일단은 상기 외측 안테나를 고정하고 상기 외측 안테나가 배치되는 배치 평면에서 수직으로 연장되는 수직 지지부; 및 상기 수직 지지부의 타단을 고정하고 접지되는 도전성 고정판;을 더 포함할 수 있다. 상기 도전성 고정판은 중심에 관통홀을 포함하고, 상기 전력 분배부는 상기 관통홀을 통하여 연장되도록 배치되고, 방사형으로 분기될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 외측 안테나에 대하여 수직으로 이격되어 배치된 영구 자석을 더 포함할 수 있다. 상기 영구 자석은 상기 외측 안테나에 대응하여 각각 배치되고, 상기 영구 자석의 형상은 상기 외측 안테나 또는 상기 외측 안테나의 형상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전력 분배부는 상기 내측 안테나에 전력을 분배하는 내측 전력 분배부와 상기 외측 안테나에 전력을 분배하는 외측 전력 분배부를 포함할 수 있다. 상기 내측 전력 분배부는 원통 형상의 내측 전력 분배 몸체부 및 상기 내측 전력 분배 몸체부에서 방사형으로 분기하는 내측 전력 분배 분기부를 포함할 수 있다. 상기 외측 전력 분배부는 원통 형상의 외측 전력 분배 몸체부 및 상기 외측 전력 분배 몸체부에서 방사형으로 분기하는 외측 전력 분배 분기부를 포함할 수 있다. 상기 외측 전력 분배 몸체부는 상기 내측 전력 분배 몸체부를 감싸도록 동축 구조일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전력 분배부는: 상기 내측 안테나와 상기 외측 안테나에 흐르는 전류를 제어하도록 상기 내측 안테나와 직렬 연결된 전력 분배 가변 축전기; 및 병렬 연결된 상기 외측 안테나들에 직렬 연결된 고정 인덕터를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 외측 안테나는 사분면에 각각 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 내측 안테나는 동일한 구조의 제1 내측 안테나 및 제2 내측 안테나를 포함할 수 있다. 상기 제1 내측 안테나 및 제2 내측 안테나는 동일한 형상이고 서로 대칭적으로 배치되고 중첩된 복층 구조를 제공할 수 있다. 상기 제1 내측 안테나는: 45도 원호를 가지고 안테나의 상부면에 배치되는 제1 45도 상부 브랜치; 상기 제1 45도 상부 브랜치에 연속적으로 연결되고 배치 평면을 상부면에서 하부면을 변경하는 제1 플러그; 상기 제1 플러그에 연속적으로 연결되고 180도 원호를 가지고 안테나의 하부면에 배치되는 180도 하부 브랜치; 상기 180도 하부 브랜치에 연속적으로 연결되고 배치 평면을 하부면에서 상부면으로 변경하는 제2 플러그; 및 상기 제2 플러그에 연속적으로 연결되고 상기 45도 원호를 가지고 안테나의 상부면에 배치되는 제2 45도 상부 브랜치를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 내측 안테나는 원주형 섹션(annular section)의 외곽선을 제공하도록, 제3 곡률 반경을 가지는 내측 곡선부 및 제3 곡률 반경보다 큰 제4 곡률 반경을 가지는 외측 곡선부를 포함할 수 있다. 상기 내측 안테나들은 동일한 형상의 제1 내지 제4 내측 안테나들을 포함할 수 있다. 상기 제1 내지 제4 내측 안테나들은 중첩되지 않고 각각 폐루프를 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 외측 안테나들이 공간적으로 중첩되지 않도록 배치하고, 적어도 하나의 외측 안테나에 가변 축전기를 연결하여 국부적인 플라즈마 밀도 분포를 제어할 수 있다. 이에 따라, 공간적으로 균일한 플라즈마 밀도 분포가 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 결합 플라즈마 장치를 설명하는 개념도이다.
도 2는 도 1의 유도 결합 플라즈마 장치의 전기적 연결을 나타내는 회로도이다.
도 3은 도 1의 유도 결합 플라즈마 장치를 설명하는 사시도이다.
도 4는 도 1의 유도 결합 플라즈마 장치를 설명하는 사시도이다.
도 5는 도 4의 A-A' 선을 따라 자른 단면도이다.
도 6은 도 4의 B-B'선을 따라 자른 단면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치를 설명하는 회로도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치를 설명하는 개념도이다.
도 9는 도 8의 플라즈마 처리 장치를 설명하는 회로도이다.
통상적인 유도 결합 플라즈마는 원통 좌표계에서 방위각 방향의 플라즈마 균일도를 제공하기 위하여, 병렬 연결된 복수의 안테나가 복층 구조로 설계된다. 그러나, 이러한 구조의 안테나는 국부적으로 RF 전력을 제어할 수 없어 국부적인 플라즈마 밀도 제어가 어렵다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 장치는 복수의 외측 안테나를 서로 중첩하지 않도록 서로 공간적으로 분리하여 배치하고, 상기 외측 안테나들 중에서 하나 또는 복수의 외측 안테나에 제공되는 RF 전력은 제어될 수 있다. 이에 따라, 플라즈마 밀도 분포가 국부적으로 제어될 수 있다. 따라서, 배기부의 펌핑 방향 또는 가스 흐름 방향 등에 기인한 국부적인 플라즈마 비균일성 또는 공정 비균일성이 개선될 수 있다.
이하, 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, 구성요소는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 결합 플라즈마 장치를 설명하는 개념도이다.
도 2는 도 1의 유도 결합 플라즈마 장치의 전기적 연결을 나타내는 회로도이다.
도 3은 도 1의 유도 결합 플라즈마 장치를 설명하는 사시도이다.
도 4는 도 1의 유도 결합 플라즈마 장치를 설명하는 사시도이다.
도 5는 도 4의 A-A' 선을 따라 자른 단면도이다.
도 6은 도 4의 B-B'선을 따라 자른 단면도이다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 유도 결합 플라즈마 처리 장치(100)는 진공 용기(101)의 유전체 상판(102) 상에 배치되고 일정한 반경을 가지는 내측 안테나(110); 전기적으로 병렬 연결되고 상기 진공 용기(101)의 상기 유전체 상판(102) 상에 배치되고 상기 내측 안테나(110)의 외곽에 배치된 복수의 외측 안테나(120); 상기 내측 안테나(110)와 상기 외측 안테나들(120)에 전력을 각각 분배하는 전력 분배부(140); 및 상기 전력 분배부(140)를 통하여 상기 내측 안테나와 상기 외측 안테나들에 전력을 제공하는 RF 전원(184)을 포함한다. 상기 전력 분배부(140)는 서로 병렬 연결된 상기 내측 안테나(110)와 상기 외측 안테나들(120) 사이에 전력을 분배한다. 상기 외측 안테나들(120)은 상기 내측 안테나의 중심축에서 일정한 반경의 원주 상에 일정한 간격으로 배치된다. 상기 외측 안테나들(120) 각각은 복층 구조의 원주형 섹션(annular section) 형상을 가진다.
상기 진공 용기(101)는 금속 재질의 원통 챔버일 수 있다. 상기 유전체 상판(102)은 상기 진공 용기(101)의 뚜껑일 수 있다. 상기 진공 용기(101)는 플라즈마 식각 공정, 플라즈마 증착 공정, 또는 플라즈마 표면 처리 공정을 수행할 수 있다. 상기 유전체 상판(102)은 원판 형태의 쿼츠, 알루미나, 또는 세라믹일 수 있다.
기판 홀더(103)는 상기 진공 용기(101)의 내부에 배치될 수 있다. 상기 기판 홀더(103) 상에 기판(104)이 배치될 수 있다. 상기 기판(104)은 반도체 기판일 수 있다. 상기 기판 홀더(103)는 정전척 또는 기계척을 통하여 상기 기판(104)을 고정할 수 있다. 상기 기판 홀더(103)는 RF 바이어스(RF bias)를 상기 기판(104)에 인가하기 위하여 별도의 RF 전원(미도시)에 연결될 수 있다. 상기 기판 홀더(103)는 온도를 제어하기 위하여 온도 조절부(미도시)를 포함할 수 있다.
펌핑 포트(108)는 상기 진공 용기(101) 내부를 배기도록 배치될 수 있다. 상기 펌핑 포트는 진공 펌프와 연결될 수 있다. 상기 펌핑 포트(108)는 상기 진공 용기(101)의 하부면 또는 상기 진공 용기(101)의 측면에 배치될 수 있다. 상기 펌핑 포트(101)의 배치에 따라, 유체의 흐름이 발생되어, 유도 결합 플라즈마가 발생되는 영역에서 국부적인 플라즈마 불균일성이 발생될 수 있다. 국부적인 플라즈마 불균일성은 국부적인 온도 차이, 가스 흐름의 방향 등 다양한 원인에 기인할 수 있다.
가스 공급부(109)는 상기 유전체 상판(102)의 중심에 배치되어, 대칭적으로 공정 가스를 분사할 수 있다. 예를 들어, 식각 공정인 경우, 공정 가스는 염소 함유 가스, 불소 함유 가스, 또는 산소 함유 가스일 수 있다.
RF 전원(184)은 수백 kHz 내지 수백 MHz의 주파수를 가지고 RF 전력을 발생시킬 수 있다. 상기 RF 전원(184)은 동축 케이블을 통하여 임피던스 매칭부(182)에 제공될 수 있다. 상기 임피던스 매칭부(182)는 통상적으로 2개의 가변 리액티브 소자를 이용하여 임피던스 매칭을 수행할 수 있다. 상기 임피던스 매칭부(182)의 출력은 전력 분배부(140)에 전달될 수 있다. 상기 임피던스 매칭부를 사용하지 않는 경우, 상기 RF 전원(184)은 구동 주파수를 변경하여 임피던스 매칭을 수행하고, RF 전력은 직접적으로 상기 전력 분배부(140)에 제공될 수 있다.
상기 전력 분배부(140)는 제공된 RF 전력을 내측 안테나(110)와 외측 안테나(120)로 분배할 수 있다. 이를 위하여, 상기 전력 분배부(140)는 상기 내측 안테나의 임피던스 또는 상기 외측 안테나의 임피던스를 변경할 수 있는 전력 분배 가변 축전기(141)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 전력 분배부(140)의 입력단은 2 갈래로 분기되고, 하나의 브랜치는 상기 전력 분배 가변 축전기(141)를 통하여 상기 내측 안테나(110)에 연결될 수 있다. 다른 브랜치는 인덕터(142)를 통하여 상기 외측 안테나(120)에 연결될 수 있다.
상기 전력 분배부(140)는 상기 내측 안테나(110)에 전력을 분배하는 내측 전력 분배부(143)와 상기 외측 안테나(120)에 전력을 분배하는 외측 전력 분배부(144)를 포함할 수 있다. 상기 내측 전력 분배부(143)는 원통 형상의 내측 전력 분배 몸체부(143b) 및 상기 내측 전력 분배 몸체부(143a)에서 방사형으로 분기하는 내측 전력 분배 분기부(143a)를 포함할 수 있다. 상기 외측 전력 분배부(144)는 원통 형상의 외측 전력 분배 몸체부(144b) 및 상기 외측 전력 분배 몸체부에서 방사형으로 분기하는 외측 전력 분배 분기부(144a)를 포함할 수 있다. 상기 외측 전력 분배 몸체부(144b)는 상기 내측 전력 분배 몸체부(143b)를 감싸도록 동축 구조일 수 있다. 상기 외측 전력 분배 분기부(144a)는 상기 외측 전력 분배 몸체부(144b)에서 방사형으로 분기하여 각각의 외측 안테나에 RF 전력을 공급할 수 있다. 또한, 상기 내측 전력 분배 분기부(143a)는 상기 내측 전력 분배 몸체부(143b)에서 방사형으로 분기하여 각각의 내측 안테나(110)에 RF 전력을 공급할 수 있다.
내측 안테나(110)가 2개의 안테나가 중첩된 복층 구조인 경우, 전력이 공급되는 지점이 2 개일 수 있다. 이 경우, 상기 내측 전력 분배 분기부(143a)는 180 도 차이를 두고 분기될 수 있다. 상기 외측 안테나(120)가 4 개인 경우, 상기 외측 전력 분배 분기부(144a)는 90도 차이를 두고 십자형태로 분기될 수 있다.
상기 전력 분배부(140)는 상기 내측 안테나(110)와 상기 외측 안테나(120)에 흐르는 전류를 제어하도록 상기 내측 안테나(110)와 직렬 연결된 전력 분배 가변 축전기(141) 및 병렬 연결된 상기 외측 안테나에 직렬 연결된 인덕터(142)를 포함할 수 있다. 상기 인덕터(142)는 안정적인 임피던스 매칭을 위하여 사용될 수 있다. 상기 내측 안테나(110)와 상기 전력 분배 가변 축전기(141)가 직렬 공진 회로를 구성함에 따라, 내측 안테나 방향의 임피던스가 변경될 수 있다. 이에 따라, 내측 안테나 방향의 전력과 외측 안테나 방향의 전력은 분배되도록 제어될 수 있다.
상기 내측 안테나(110)는 상기 전력 분배 가변 축전기(141)와 접지 사이에 배치될 수 있다. 상기 내측 안테나(110)는 2 개의 안테나가 중첩된 복층 구조일 수 있다. 상기 내측 안테나(110)는 제1 내측 안테나(110a) 및 제2 내측 안테나(110b)를 포함할 수 있다. 상기 제1 내측 안테나(110a)와 상기 제2 내측 안테나(110b)는 동일한 구조를 가지고 서로 180도 회전하여 대칭적으로 배치되고, 서로 병렬 연결될 수 있다. 상기 내측 안테나(110)는 내측 전력 공급 플러그(116), 제1 45도 상부 브랜치(111), 제1 플러그(112), 180도 하부 브랜치(113), 제2 플러그(114), 제2 45도 상부 브랜치(115), 및 내측 접지 기둥(117)을 포함할 수 있다. 상기 내측 안테나(110)는 반시계 방향 또는 시계 방향으로 연장되도록 배치될 수 있다. 상기 내측 안테나(110)는 냉매가 흐르는 파이프 형상이 아닌 띠 형태일 수 있다.
상기 내측 전력 공급 플러그(116)는 상기 내측 전력 분배 분기부(143a)에서 수직으로 연장되고 상기 내측 안테나(110)의 일단에 연결될 수 있다. 제1 45도 상부 브랜치(111)는 45도 원호를 가지고 안테나의 상부면에 배치될 수 있다. 제1 플러그(112)는 상부면에서 배치 평면을 하강시키어 하부면으로 변경할 수 있다. 상기 180도 하부 브랜치(113)는 180도 원호를 가지고 하부면에서 연장될 수 있다. 제2 플러그(114)는 배치 평면을 하부면에서 상부면으로 변경할 수 있다. 상기 제2 45도 브랜치(115)는 상부면에 배치되고 45도 원호를 가질 수 있다. 상기 내측 접지 기둥(117)은 수직 하게 연장되어 도전성 고정판(130) 또는 접지 부재에 연결될 수 있다. 상기 브랜치들의 연결 부위는 안테나들이 서로 겹치지 않도록 반경이 증가하는 방향 또는 반경이 감소하는 방향으로 구부러질 수 있다.
상기 외측 안테나들(120) 각각은 상부면 및 하부면에 배치된 복층 구조일 수 있다. RF 전력이 인가되는 부위는 상부면에서 배치되고, 또한, 접지에 연결되는 부위는 상부면에 배치될 수 있다. 이에 따라, RF 전력이 인가되는 부위는 고전압에 의한 축전 결합 효과가 억제될 수 있다.
상기 외측 안테나들(120) 각각은 제1 곡률 반경을 가지는 외측 상부 곡선부(121); 상기 외측 상부 곡선부(121)에 연속적으로 연결되고 배치 평면을 상부면에 하부면으로 변경하는 제1 외측 플러그(122); 상기 제1 외측 플러그(122)에 연속적으로 연결되고 제1 곡률 반경보다 작은 제2 곡률 반경을 가지는 내측 하부 곡선부(123); 상기 내측 하부 곡선부(123)에 연속적으로 연결되고 상기 제1 곡률 반경을 가지는 외측 하부 곡선부(124); 상기 외측 하부 곡선부(124)에 연속적으로 연결되고 배치 평면을 하부에서 상부면에서 상부면으로 변경하는 제2 외측 플러그(125); 및 상기 제2 외측 플러그(125)에 연속적으로 연결되고 상기 제2 곡율 반경을 가지는 내측 상부 곡선부(126)를 포함할 수 있다.
상기 외측 전력 공급 플러그(127)는 상기 외측 전력 분배 분기부(144a)에 수직으로 연결될 수 있다. 상기 외측 전력 공급 플러그(127)는 외측 상부 곡선부(121)에 연결될 수 있다. 상기 내측 상부 곡선부(126)는 상기 외측 접지 기둥에 연결될 수 있다.
상기 외측 전력 공급 플러그(127) 및 상기 외측 접지 기둥(128)이 배치되는 부위에서, 안테나 사이의 간격을 유지하기 위하여 안테나는 수직으로 정렬되지 않고 곡선 처리될 수 있다. 또한, 배치 평면이 변경되는 제1 외측 플러그(122)와 제2 외측 플러그(125)가 배치된 부위에서, 안테나 사이의 간격을 유지하기 위하여 안테나는 수직으로 정렬되지 않고 곡선 처리될 수 있다.
상기 외측 상부 곡선부(121), 상기 내측 하부 곡선부(123), 상기 외측 하부 곡선부(124), 및 내측 상부 곡선부(126)의 끝은 곡률 반경을 변경하기 위하여 반경 방향으로 구부러질 수 있다.
상기 외측 안테나(120)는 상기 내측 안테나(110)의 외측에서 배치되고, 사분면에 각각 배치될 수 있다. 상기 외측 안테나(120)는 원주형 섹션(annular section)의 형상을 가지고, 복층 구조의 외곽선을 제공할 수 있다. 상기 원주형 섹션(annular section) 형상은 원호 부위와 직선 부위를 포함할 수 있다. 상기 외측 안테나의 전력 입력단(또는 외측 전력 공급 플러그와 접촉하는 부위)과 출력단 (외측 접지 기둥과 접촉하는 부위)은 상기 원주형 섹션(annular section) 형상의 상기 직선 부위에 배치될 수 있다.
기판(104)의 반경은 상기 외측 하부 곡선부(124)의 곡률 반경보다 작도록 설정됨에 따라, 상기 외측 하부 곡선부(124)는 기판의 외곽에 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 기판의 반경이 150 mm 인 경우, 상기 외측 하부 곡선부(124)의 곡률 반경은 170 mm 이상으로 설정되고, 상기 내측 하부 곡선부(123)의 곡률 반경은 150 mm 미만으로 설정될 수 있다.
상기 외측 안테나(120)의 전력 공급 부위와 접지 부위는 원주형 섹션의 직선 부위에 배치될 수 있다. 이러한 구조는 수직 지지부(162)에 의하여 외측 안테나를 용이하게 고정할 수 있다. 상기 외측 안테나(120)는 냉매가 흐르는 파이프 형상이 아닌 띠 형태일 수 있다.
상기 외측 안테나(120)는 동일한 구조이고, 사분면에 각각 배치될 수 있다. 상기 외측 전력 분배 분기부(144a)는 십자형으로 분기되고, 수직으로 연장되는 외측 전력 공급 플러그(127)를 통하여 외측 안테나(120)에 연결될 수 있다. 상기 외측 안테나(120)는 수직으로 연장되는 외측 접지 기둥(128)을 통하여 도전성 고정판(130) 또는 접지 부재에 연결될 수 있다. 상기 외측 접지 기둥(128)과 상기 외측 전력 공급 플러그(127)는 서로 나란히 수직 방향으로 연장될 수 있다.
외측 안테나 가변 축전기(170)는 상기 외측 안테나들(120) 중에서 적어도 하나와 접지 사이에 연결될 수 있다. 이에 따라, 상기 외측 안테나 가변 축전기(170)와 이에 연결된 외측 안테나를 통하여 흐르는 전력은 상기 외측 안테나 가변 축전기와 이에 연결되지 않은 외측 안테나를 통하여 흐르는 전력과 다를 수 있다. 따라서, 상기 외측 안테나 가변 축전기(170)는 국부적으로 비균일한 플라즈마를 균일하게 제어할 수 있다.
상기 외측 안테나 가변 축전기(170)를 제어하기 위하여, 전류 측정부(149)는 상기 외측 안테나 가변 축전기(170)가 연결된 상기 외측 안테나(120)에 흐르는 전류를 감지할 수 있다. 또한, 전류 측정부(149)는 상기 외측 안테나 가변 축전기(170)가 연결되지 않은 외측 안테나에 흐르는 전류를 감지할 수 있다. 이에 따라, 상기 외측 안테나 가변 축전기(170)의 정전 용량을 조절하여, 외측 안테나들 사이의 전력이 제어될 수 있다. 한편, 상기 외측 안테나들은 서로 공간적으로 중첩되어 배치되어 있지 않으므로, 국부적인 유도 기전력을 제어할 수 있다.
수직 지지부(162)의 일단은 상기 외측 안테나(120) 및/또는 상기 내측 안테나(110)를 고정하고 상기 외측 안테나(120)가 배치되는 배치 평면에서 수직으로 연장될 수 있다. 상기 수직 지지부(120)는 외부 안테나의 상부층과 하부층을 함께 고정할 수 있다. 상기 수직 지지부(162)는 외측 안테나가 배치되도록 상부면 및 하부면에 각각 형성된 홈을 포함하고, 상기 홈에 삽입된 외측 안테나는 덮개를 통하여 고정될 수 있다. 상기 수직 지지부(162)는 상기 외측 안테나(120) 및/또는 상기 내측 안테나를 상기 유전체 상판(102)과 공간적으로 분리하고 특정한 위치에 고정할 수 있다. 상기 수직 지지부(162)는 절연체로 형성되고, 그 재질은 세라믹일 수 있다.
수직 지지부(162)는 상기 외측 안테나를 지지하는 외측 안테나 지지부(162a), 상기 내측 안테나를 지지하는 내측 안테나 지지부(162b), 상기 외측 안테나 지지부와 상기 외측 안테나 지지부를 연결하는 연결부(162c), 및 상기 연결부에서 수직으로 연장되어 도전성 고정판에 장착되는 지지 기둥(162d)을 포함할 수 있다. 상기 내측 안테나 지지부는 직육면체 블록의 상부면과 하부면에 형성된 홈을 포함하고, 상기 내부 안테나는 상기 홈에 삽입되고 덮개로 고정될 수 있다. 상기 지지 기둥은 상기 외측 안테나 및/또는 상기 내측 안테나를 상기 도전성 고정판에 고정한다.
상기 도전성 고정판(130)은 상기 수직 지지부(162)를 고정하고 접지될 수 있다. 상기 도전성 고정판(130)은 중심에 관통홀을 포함하고, 상기 전력 분배부(140)는 상기 관통홀을 통하여 연장되도록 배치되고, 방사형으로 분기될 수 있다. 상기 도전성 고정판(130)은 상기 진공 용기(101)의 유전체 상판에서 소정의 간격으로 이격되어 서로 나란히 배치될 수 있다. 상기 도전성 고정판(130)은 원판 형태이고 도전성 물질로 제작될 수 있다. 상기 도전성 고정판(130)은 상기 내부 안테나 및 외부 안테나를 밀폐하고, 접지될 수 있다.
차폐 케이스(105)는 상기 내측 안테나(110), 상기 외측 안테나(120), 및 상기 전력 분배부(140)를 감싸도록 배치되고 원통 형상일 수 있다. 상기 차폐 케이스(105)는 상기 진공 용기(101)에 장착되고 도전성 재질로 형성될 수 있다.
상기 도전성 고정판(130)은 상기 차폐 케이스(105) 내부에 배치될 수 있다. 상기 도전성 고정판(130)과 상기 차폐 케이스(105)의 상부면(106) 사이의 간격을 조절하여, 안테나와 상기 유전체 상판 사이의 거리가 조절될 수 있다.
영구 자석 고정판(132)은 상기 도전성 고정판(130) 상에 배치될 수 있다. 상기 영구 자석 고정판(132) 내부에 영구 자석(133)이 배치될 수 있다. 상기 영구 자석(132)의 형상은 안테나의 형상과 유사하고, 서로 대응되도록 배치될 수 있다. 상기 영구 자석은 수직 방향으로 자화되어, 상기 영구 자석은 유도 결합 플라즈마가 생성되는 영역에 자기장을 제공할 수 있다. 상기 외측 안테나에 대응하는 영구 자석(133)은 원주형 섹션(annular section)의 외곽선을 제공하는 형상일 수 있다. 상기 내측 안테나(110)에 대응하는 영구 자석(134)은 링 형상일 수 있다. 상기 영구 자석의 형상은 상기 외측 안테나 또는 상기 외측 안테나의 형상일 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 외측 안테나의 개수는 3개, 5 개 , 6 개 등으로 변경될 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치를 설명하는 회로도이다.
도 7을 참조하면, 유도 결합 플라즈마 처리 장치(100a)는 진공 용기(101)의 유전체 상판(102) 상에 배치되고 일정한 반경을 가지는 내측 안테나(110); 전기적으로 병렬 연결되고 상기 진공 용기의 상기 유전체 상판 상에 배치되고 상기 내측 안테나의 외곽에 배치된 복수의 외측 안테나(120); 상기 내측 안테나와 상기 외측 안테나들에 전력을 각각 분배하는 전력 분배부(140); 및 상기 전력 분배부를 통하여 상기 내측 안테나와 상기 외측 안테나들에 전력을 제공하는 RF 전원(184)을 포함한다. 상기 전력 분배부(140)는 서로 병렬 연결된 상기 내측 안테나와 상기 외측 안테나들 사이에 전력을 분배한다. 상기 외측 안테나들은 상기 내측 안테나의 중심축에서 일정한 반경의 원주 상에 일정한 간격으로 배치된다. 상기 외측 안테나들 각각은 복층 구조의 원주형 섹션(annular section) 형상을 가진다.
외측 안테나 가변 축전기(170)는 각각의 외측 안테나(120a, 120b,120c,102d)에 장착될 수 있다. 또한, 외측 안테나 가변 축전기가 연결된 외측 안테나(120)는 흐르는 전류를 측정하는 전류 측정기(149)가 배치될 수 있다. 상기 전류 측정기(149)는 흐르는 전류를 측정하여, 상기 외측 안테나 가변 축전기(170)의 정전 용량을 제거하도록 사용될 수 있다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치를 설명하는 개념도이다.
도 9는 도 8의 플라즈마 처리 장치를 설명하는 회로도이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 유도 결합 플라즈마 처리 장치(300)는 진공 용기(101)의 유전체 상판(102) 상에 배치되고 일정한 반경을 가지는 내측 안테나(310); 전기적으로 병렬 연결되고 상기 진공 용기의 상기 유전체 상판 상에 배치되고 상기 내측 안테나의 외곽에 배치된 복수의 외측 안테나(120); 상기 내측 안테나와 상기 외측 안테나들에 전력을 각각 분배하는 전력 분배부(340); 및 상기 전력 분배부를 통하여 상기 내측 안테나와 상기 외측 안테나들에 전력을 제공하는 RF 전원(184)을 포함한다. 상기 전력 분배부(340)는 서로 병렬 연결된 상기 내측 안테나와 상기 외측 안테나들 사이에 전력을 분배한다. 상기 외측 안테나들은 상기 내측 안테나의 중심축에서 일정한 반경의 원주 상에 일정한 간격으로 배치된다. 상기 외측 안테나들 각각은 복층 구조의 원주형 섹션(annular section) 형상을 가진다.
상기 내측 안테나(310)는 원주형 섹션(annular section)의 외곽선을 제공하도록, 제3 곡률 반경을 가지는 내측 곡선부(313) 및 제3 곡률 반경보다 큰 제4 곡률 반경을 가지는 외측 곡선부(312)를 포함할 수 있다. 상기 내측 안테나(310)는 중첩되지 않고 각각 폐루프를 형성할 수 있다.
상기 내측 안테나(310)는 동일한 형상의 제1 내지 제4 내측 안테나(310a~310d)를 포함하고, 사분면에 각각 배치될 수 있다. 상기 제1 내지 제4 내측 안테나들(310a~310d)은 중첩되지 않고 각각 폐루프를 형성할 수 있다. 적어도 하나의 상기 내측 안테나는 내측 안테나 가변 축전기(171)를 통하여 접지될 수 있다. 상기 내측 안테나 가변 축전기(171)의 정전 용량을 변경하여, 상기 내측 안테나 가변 축전기(171)에 연결된 상기 내측 안테나에 흐르는 전력은 상기 내측 안테나 가변 축전기에 연결되지 않은 내측 안테나에 비하여 변경될 수 있다. 이에 따라, 국부적 위치에서 플라즈마 균일도가 변경될 수 있다.
상기 전력 분배부(340)는 제공된 RF 전력을 내측 안테나(310)와 외측 안테나(120)로 분배할 수 있다. 이를 위하여, 상기 전력 분배부(340)는 상기 내측 안테나의 임피던스 또는 상기 외측 안테나의 임피던스를 변경할 수 있는 전력 분배 가변 축전기(141)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 전력 분배부(340)의 입력단은 2 갈래로 분기되고, 하나의 브랜치는 상기 전력 분배 가변 축전기(141)를 통하여 상기 내측 안테나(310)에 연결될 수 있다. 다른 브랜치는 인덕터(142)를 통하여 상기 외측 안테나(120)에 연결될 수 있다.
상기 전력 분배부(340)는 상기 내측 안테나(310)에 전력을 분배하는 내측 전력 분배부(343)와 상기 외측 안테나(120)에 전력을 분배하는 외측 전력 분배부(344)를 포함할 수 있다. 상기 내측 전력 분배부(343)는 원통 형상의 내측 전력 분배 몸체부(343b) 및 상기 내측 전력 분배 몸체부(343a)에서 방사형으로 분기하는 내측 전력 분배 분기부(343a)를 포함할 수 있다. 상기 외측 전력 분배부(344)는 원통 형상의 외측 전력 분배 몸체부(344b) 및 상기 외측 전력 분배 몸체부에서 방사형으로 분기하는 외측 전력 분배 분기부(344a)를 포함할 수 있다. 상기 외측 전력 분배 몸체부(344b)는 상기 내측 전력 분배 몸체부(343b)를 감싸도록 동축 구조일 수 있다. 상기 외측 전력 분배 분기부(344a)는 상기 외측 전력 분배 몸체부(344b)에서 방사형으로 분기하여 각각의 외측 안테나에 RF 전력을 공급할 수 있다. 또한, 상기 내측 전력 분배 분기부(343a)는 상기 내측 전력 분배 몸체부(343b)에서 방사형으로 분기하여 각각의 내측 안테나(310)에 RF 전력을 공급할 수 있다.
상기 내측 안테나(310)는 동일한 구조이고, 사분면에 각각 배치될 수 있다. 상기 내측 전력 분배 분기부(343a)는 십자형으로 분기되고, 수직으로 연장되는 내측 전력 공급 플러그(311)를 통하여 내측 안테나(310)의 외측 곡선부(312)의 중심 영역에 연결될 수 있다. 상기 내측 접지 기둥(314)은 내측 안테나(310)의 외측 곡선부(312)의 중심 영역에 연결될 수 있다. 상기 내측 안테나(310)는 수직으로 연장되는 내측 접지 기둥(314)을 통하여 도전성 고정판(130) 또는 접지 부재에 연결될 수 있다. 상기 내측 접지 기둥(314)과 상기 내측 전력 공급 플러그(311)는 서로 나란히 수직 방향으로 연장될 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.
110: 내측 안테나
120: 외측 안테나
140: 전력 분배부
184: 전원

Claims (13)

  1. 진공 용기의 유전체 상판 상에 배치되고 일정한 반경을 가지는 내측 안테나;
    전기적으로 병렬 연결되고 상기 진공 용기의 상기 유전체 상판 상에 배치되고 상기 내측 안테나의 외곽에 배치된 복수의 외측 안테나;
    상기 내측 안테나와 상기 외측 안테나들에 전력을 각각 분배하는 전력 분배부; 및
    상기 전력 분배부를 통하여 상기 내측 안테나와 상기 외측 안테나들에 전력을 제공하는 RF 전원을 포함하고,
    상기 전력 분배부는 서로 병렬 연결된 상기 내측 안테나와 상기 외측 안테나들 사이에 전력을 분배하고,
    상기 외측 안테나들은 상기 내측 안테나의 중심축에서 일정한 반경의 원주 상에 서로 중첩되지 않고 일정한 간격으로 배치되고,
    상기 외측 안테나들 각각은 복층 구조의 원주형 섹션(annular section) 형상을 가지고,
    상기 외측 안테나들은 서로 중첩되지 않고 각각 폐루프를 형성하는 것을 특징으로 하는 유도 결합 플라즈마 처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 외측 안테나들 각각은:
    제1 곡률 반경을 가지는 외측 상부 곡선부;
    상기 외측 상부 곡선부에 연속적으로 연결되고 배치 평면을 상부면에 하부면으로 변경하는 제1 플러그;
    상기 제1 플러그에 연속적으로 연결되고 제1 곡률 반경보다 작은 제2 곡률 반경을 가지는 내측 하부 곡선부;
    상기 내측 하부 곡선부에 연속적으로 연결되고 상기 제1 곡률 반경을 가지는 외측 하부 곡선부;
    상기 외측 하부 곡선부에 연속적으로 연결되고 배치 평면을 하부에서 상부면에서 상부면으로 변경하는 제2 플러그; 및
    상기 제2 플러그에 연속적으로 연결되고 상기 제2 곡률 반경을 가지는 내측 상부 곡선부를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 결합 플라즈마 처리 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 외측 상부 곡선부, 상기 내측 하부 곡선부, 상기 외측 하부 곡선부, 및 내측 상부 곡선부의 끝은 곡률 반경을 변경하기 위하여 반경 방향으로 구부러진 것을 특징으로 하는 유도 결합 플라즈마 처리 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 외측 안테나와 접지 사이에 연결된 외측 안테나 가변 축전기를 더 포함하고,
    상기 외측 안테나 가변 축전기는 국부적으로 비균일한 플라즈마를 균일하게 제어하는 것을 특징으로 하는 유도 결합 플라즈마 처리 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 외측 안테나 가변 축전기가 연결된 상기 외측 안테나에 흐르는 전류를 감지하는 전류 측정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 결합 플라즈마 처리 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 원주형 섹션(annular section) 형상은 원호 부위와 직선 부위를 포함하고,
    상기 외측 안테나의 전력 입력단과 출력단은 상기 원주형 섹션(annular section) 형상의 상기 직선 부위에 배치되는 것을 특징으로 하는 유도 결합 플라즈마 처리 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    일단은 상기 외측 안테나를 고정하고 상기 외측 안테나가 배치되는 배치 평면에서 수직으로 연장되는 수직 지지부; 및
    상기 수직 지지부의 타단을 고정하고 접지되는 도전성 고정판;을 더 포함하고,
    상기 도전성 고정판은 중심에 관통홀을 포함하고,
    상기 전력 분배부는 상기 관통홀을 통하여 연장되도록 배치되고, 방사형으로 분기되는 것을 특징으로 하는 유도 결합 플라즈마 처리 장치.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 외측 안테나에 대하여 수직으로 이격되어 배치된 영구 자석을 더 포함하고,
    상기 영구 자석은 상기 외측 안테나에 대응하여 각각 배치되고,
    상기 영구 자석의 형상은 상기 외측 안테나 또는 상기 외측 안테나의 형상인 것을 특징으로 하는 유도 결합 플라즈마 처리 장치.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 전력 분배부는 상기 내측 안테나에 전력을 분배하는 내측 전력 분배부와 상기 외측 안테나에 전력을 분배하는 외측 전력 분배부를 포함하고,
    상기 내측 전력 분배부는 원통 형상의 내측 전력 분배 몸체부 및 상기 내측 전력 분배 몸체부에서 방사형으로 분기하는 내측 전력 분배 분기부를 포함하고,
    상기 외측 전력 분배부는 원통 형상의 외측 전력 분배 몸체부 및 상기 외측 전력 분배 몸체부에서 방사형으로 분기하는 외측 전력 분배 분기부를 포함하고,
    상기 외측 전력 분배 몸체부는 상기 내측 전력 분배 몸체부를 감싸도록 동축 구조인 것을 특징으로 하는 유도 결합 플라즈마 처리 장치.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 전력 분배부는:
    상기 내측 안테나와 상기 외측 안테나에 흐르는 전류를 제어하도록 상기 내측 안테나와 직렬 연결된 전력 분배 가변 축전기; 및
    병렬 연결된 상기 외측 안테나들에 직렬 연결된 고정 인덕터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 결합 플라즈마 처리 장치.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 외측 안테나는 사분면에 각각 배치되는 것을 특징으로 하는 유도 결합 플라즈마 처리 장치.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 내측 안테나는 동일한 구조의 제1 내측 안테나 및 제2 내측 안테나를 포함하고,
    상기 제1 내측 안테나 및 제2 내측 안테나는 동일한 형상이고 서로 대칭적으로 배치되고 중첩된 복층 구조를 제공하고,
    상기 제1 내측 안테나는:
    45도 원호를 가지고 안테나의 상부면에 배치되는 제1 45도 상부 브랜치;
    상기 제1 45도 상부 브랜치에 연속적으로 연결되고 배치 평면을 상부면에서 하부면을 변경하는 제1 플러그;
    상기 제1 플러그에 연속적으로 연결되고 180도 원호를 가지고 안테나의 하부면에 배치되는 180도 하부 브랜치;
    상기 180도 하부 브랜치에 연속적으로 연결되고 배치 평면을 하부면에서 상부면으로 변경하는 제2 플러그; 및
    상기 제2 플러그에 연속적으로 연결되고 상기 45도 원호를 가지고 안테나의 상부면에 배치되는 제2 45도 상부 브랜치를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 결합 플라즈마 처리 장치.
  13. 제1 항에 있어서,
    상기 내측 안테나는 원주형 섹션(annular section)의 외곽선을 제공하도록, 제3 곡률 반경을 가지는 내측 곡선부 및 제3 곡률 반경보다 큰 제4 곡률 반경을 가지는 외측 곡선부를 포함하고,
    상기 내측 안테나들은 동일한 형상의 제1 내지 제4 내측 안테나들을 포함하고,
    상기 제1 내지 제4 내측 안테나들은 중첩되지 않고 각각 폐루프를 형성하는 것을 특징으로 하는 유도 결합 플라즈마 처리 장치.
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