KR102599027B1 - 다중 펄싱을 이용한 플라즈마 균일도 제어 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

다중 펄싱을 이용한 플라즈마 균일도 제어 시스템 및 그 제어 방법 Download PDF

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Abstract

일 실시예에 따른 플라즈마 균일도 제어 시스템은, 펄스 전력을 플라즈마 원료 가스에 인가하여 플라즈마를 생성하는 플라즈마 발생부, 플라즈마 발생부에 연결되어 있고, 플라즈마 발생부에서 생성된 플라즈마를 전달받아 수용하는 이온 공급부, 이온 공급부의 내부 또는 아래에 위치하며, 서로 전기적으로 독립되어 있으며, 개별적으로 전압이 인가되는 복수의 분할 전극들, 그리고 이온 공급부에서 복수의 분할 전극들 각각으로 이동하는 이온의 공급량을 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

다중 펄싱을 이용한 플라즈마 균일도 제어 시스템 및 그 제어 방법{SYSTEM FOR CONTROLLING PLASMA UNIFORMITY USING MULTI-PULSING AND METHOD THEREOF}
다중 펄싱을 이용한 플라즈마 균일도 제어 시스템 및 그 제어 방법이 제공된다.
플라즈마는 기체에 에너지를 가하여 생성된 준중성의 이온화된 가스 혹은 입자들의 집합체를 의미하며, 중성 입자, 전자, 이온, 라디칼 등을 포함한다. 여기서, 전자는 에너지에 따른 입자 수 분포를 가지며, 에너지 준위에 따라 고에너지 전자 또는 저에너지 전자로 분류될 수 있다.
음이온원을 포함한 이온원 기술은, 다양한 기술 분야, 특히 핵융합, 반도체, 항공우주 분야에서 활발히 활용되고 있다. 예를 들어, 핵융합 분야의 핵융합로 시스템용 중성입자빔 입사장치, 반도체 분야의 플라즈마 건식 식각 공정기술, 항공우주 분야의 우주 추진체로서의 이온 추력기 등이 있다.
이온원 기술에서 음이온을 생성하는 기전으로는 일함수가 낮은 물질이 도포된 이온원 장치 표면에서 음이온을 생성하는 표면생성기전(surface production mechanism), 고에너지 전자에 의해 고진동여기분자를 생성한 후 고진동여기분자와 저에너지 전자의 반응으로 음이온을 생성하는 공간생성기전(volume production mechanism) 등이 있다.
이온원 분야에서는, 음이온 생성 효율 제고 등 다양한 목적으로, 플라즈마 펄싱(plasma pulsing) 기술이 활용되고 있다. 또한, 펄싱에 의해 생성된 플라즈마 이온을 연속적으로 공급하고 이온 공급량을 설정에 따라 조절할 수 있는 다중 플라즈마 펄싱 기술이 연구되고 있다.
이온원 분야에서는 다중 플라즈마 펄싱 기술의 활용성을 극대화하기 위하여 대면적 균일도를 제어할 수 있는 기술이 필요하다.
관련 선행문헌으로, 한국등록특허 10-1886755는 다중 펄스 플라즈마를 이용한 음이온 공급의 연속화 시스템 및 방법을 개시하며, 한국등록특허 10-1465542는 강화된 전하 중성화를 구비한 플라즈마 공정 및 공정 제어를 개시하며, 한국등록특허 10-0485034는 플라즈마 처리 시스템 및 방법을 개시하며, 한국등록특허 10-1328800은 다중 주파수의 RF 펄스 파워를 이용한 펄스 플라즈마의 특성 제어 방법을 개시한다.
한국등록특허 10-1886755 한국등록특허 10-1465542 한국등록특허 10-0485034 한국등록특허 10-1328800
일 실시예는 펄스 플라즈마 이온을 연속적으로 공급하면서도 대면적 균일도를 제어하기 위한 것이다.
일 실시예는 시간에 따른 펄스 플라즈마 이온 공급량을 제어하여 시간-이온 공급량 그래프 상에서의 쉐이핑(shaping)을 제시하기 위한 것이다.
일 실시예는 핵융합로 시스템에서 중성입자빔 입사장치, 플라즈마 건식 식각 공정기술, 우주 추진체에서 이온 추력기를 포함하는 다양한 기술에 적용하기 위한 것이다.
상기 과제이외에도 구체적으로 언급되지 않은 다른 과제를 달성하는 데 본 발명에 따른 실시예가 사용될 수 있다.
일 실시예에 따른 플라즈마 균일도 제어 시스템은, 펄스 전력을 플라즈마 원료 가스에 인가하여 플라즈마를 생성하는 플라즈마 발생부, 플라즈마 발생부에 연결되어 있고, 플라즈마 발생부에서 생성된 플라즈마를 전달받아 수용하는 이온 공급부, 이온 공급부의 내부 또는 아래에 위치하며, 서로 전기적으로 독립되어 있으며, 개별적으로 전압이 인가되는 복수의 분할 전극들, 그리고 이온 공급부에서 복수의 분할 전극들 각각으로 이동하는 이온의 공급량을 제어하는 제어부를 포함한다.
일 실시예에 따른 플라즈마 균일도 제어 시스템은, 제1 펄스 전력을 제1 플라즈마 원료 가스에 인가하여 제1 플라즈마를 생성하는 제1 플라즈마 발생부, 제1 펄스 전력과 위상 차이를 갖는 제2 펄스 전력을 제2 플라즈마 원료 가스에 인가하여 제2 플라즈마를 생성하는 제2 플라즈마 발생부, 제1 플라즈마 발생부와 제2 플라즈마 발생부의 사이에 위치하고, 제1 플라즈마 발생부 및 제2 플라즈마 발생부에 연결되어 있고, 제1 플라즈마 및 제2 플라즈마를 전달받아 수용하는 이온 공급부, 제1 전압이 인가되는 제1 분할 전극, 그리고 제2 전압이 인가되고, 제1 분할 전극보다 제1 플라즈마 발생부로부터 더 멀리 위치하고, 제1 분할 전극보다 제2 플라즈마 발생부로부터 더 가까이 위치하는 제2 분할 전극을 포함하고, 제1 플라즈마 발생부의 애프터 글로우에서, 제1 전압은 제2 전압보다 음의 방향으로 전압의 크기가 크면서, 제2 플라즈마 발생부는 액티브 글로우 상태에 있다.
일 실시예에 따른 플라즈마 균일도 제어 방법은, 플라즈마 발생부에서 생성된 플라즈마가 이온 공급부로 전달된 후, 각 분할 전극에 대응되는 이온 공급부 또는 이온 이용부에서 위치별로 임의의 시간에 대해 이온 공급량 또는 이온 공급량의 분포를 측정하는 단계, 전기적으로 독립된 복수의 분할 전극들에 제어부에 의해 개별적으로 전압을 인가하는 단계, 그리고 복수의 분할 전극 전압 변화에 기초하여 이온 공급부 또는 이온 이용부에서 임의의 시간에 대해 위치별 이온 공급량 또는 이온 공급량의 분포가 사용자의 설계에 부합하는지 여부를 판단하는 단계를 포함한다.
일 실시예는, 플라즈마 펄싱으로 생성된 이온을 연속적으로 그리고 대면적에 균일하게 또는 원하는 분포로 공급할 수 있으며, 시간에 따른 이온 공급량을 제어하여 시간-이온 공급량에 대한 쉐이핑이 가능하며, 핵융합로 시스템 중성입자빔 입사장치, 플라즈마 건식 식각 공정, 우주 추진체 이온 추력기를 포함하는 다양한 기술에 적용될 수 있다.
도 1a는 일 실시예에 따른 다중 펄싱을 이용한 플라즈마 균일도 제어 시스템을 개략적으로 나타내는 단면도이고, 도 1b는 도 1a의 시스템에서 복수의 분할 전극들을 나타내는 평면도이고, 도 1c는 일 실시예에 따른 다중 펄싱을 이용한 플라즈마 균일도 제어 시스템을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 2a는 도 1a의 다중 펄싱을 이용한 플라즈마 균일도 제어 시스템에서 복수의 플라즈마 발생부와 분할 전극들에 대하여 각 플라즈마 발생부에 인가되는 펄스 전력 프로파일과 각 전극에 인가되는 시간별 전압 프로파일을 도시한 그래프이다.
도 2b는 도 1a의 다중 펄싱을 이용한 플라즈마 균일도 제어 시스템에서 복수의 플라즈마 발생부와 분할 전극들에 대하여 각 플라즈마 발생부에 인가되는 펄스 전력 프로파일과 각 전극에 인가되는 시간별 전압 프로파일을 도시한 그래프이다.
도 3a은 도 1a의 시스템에서 도 2a의 설정된 펄스 전력 및 전극 전압 인가에 따라 나타나는 위치(A-E)별 시간-음이온 공급량을 나타내는 그래프이다.
도 3b는 도 1a의 시스템에서 도2a의 펄스 전력 인가에 따라 나타나는 이온 공급부 내 위치(a-e)별 시간-음이온 밀도를 나타내는 그래프이다.
도 4a은 도 1a의 시스템에서 도 2b의 설정된 펄스 전력 및 전극 전압 인가에 따라 나타나는 위치(A-E)별 시간-양이온 공급량을 나타내는 그래프이다.
도 4b는 도 1a의 시스템에서 도2b의 펄스 전력 인가에 따라 나타나는 이온 공급부 내 위치(a-e)별 시간-양이온 밀도를 나타내는 그래프이다.
도 5a는 일 실시예에 따른 다중 펄싱을 이용한 플라즈마 균일도 제어 시스템을 개략적으로 나타내는 단면도이고, 도 5b는 도 5a의 시스템에서 복수의 분할 전극들을 나타내는 평면도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 다중 펄싱 이용 플라즈마 균일도 제어 시스템에서의 복수의 분할 전극들을 나타내는 평면도이다.
도 7은 일 실시예에 따른 복수의 분할 전극들을 나타내는 사시도이다.
도 8은 이온 공급부 내 전극 또는 기판 상에서 혹은 이온 이용부 내에서 사용자가 원하는 시간별 이온(빔) 공급량 및 분포를 형성시키고자 할 때, 제어부에서 각 분할 전극에 인가되는 시간별 전극 전압 프로파일을 설정하는 방법을 나타낸 순서도이다.
도 9는 다중 플라즈마 펄싱 기술을 활용한 시간-음이온 공급량 쉐이핑의 다양한 예를 나타내는 그래프이다.
도 10은 다중 펄싱을 이용한 플라즈마 균일도 제어 시스템의 제어도를 나타내는 순서도이다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호가 사용되었다. 또한 널리 알려져 있는 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
명세서 전체에서, 이온 공급량은 이온 밀도, 또는 이온 플럭스(flux)를 모두 포함하는 것을 의미한다.
명세서 및 도면 전체에서, A 지점 내지 E 지점, a 지점 내지 e 지점은 대상물의 표면 또는 해당 지점의 공간을 의미한다.
명세서 및 도면 전체에서, 일 실시예에 따른 플라즈마 균일도 제어 시스템은, 필요에 따라, 한국등록특허 10-1886755에 기재되어 있는 시스템의 각 구성 요소들이 추가될 수 있다.
그러면, 일 실시예에 따른 다중 펄싱을 이용한 플라즈마 균일도 제어 시스템 및 그 제어 방법에 대하여 설명한다.
도 1a는 일 실시예에 따른 다중 펄싱을 이용한 플라즈마 균일도 제어 시스템을 개략적으로 나타내는 단면도이고, 도 1b는 도 1a의 시스템에서 복수의 분할 전극들을 나타내는 평면도이며, 도 1c는 일 실시예에 따른 다중 펄싱을 이용한 플라즈마 균일도 제어 시스템을 개략적으로 나타내는 단면도이다. 도 2a는 도 1a의 다중 펄싱을 이용한 플라즈마 균일도 제어 시스템에서 복수의 플라즈마 발생부와 분할 전극들에 대하여 각 플라즈마 발생부에 인가되는 펄스 전력 프로파일과 각 전극에 인가되는 전압의 시간별 전압 프로파일을 도시한 그래프이다. 일례로, 여기서 시간별 전압 프로파일은 전극 또는 기판 상 A-E 위치에 도 3a 균일 분포 하의 목표 음이온 공급량 X' 또는 X'에 대응되는 도 3b의 균일 분포 하의 목표 음이온 밀도 X를 제공하기 위해 설정한 프로파일이다. 도 3a는 도 1a의 시스템에서 도 2a에서 설정된 펄스 전력 및 전극 전압 인가에 따라 나타나는 위치(A-E)별 시간-음이온 공급량을 나타내는 그래프이다. 위치(A-E)별 목표 음이온 공급량이 X'로 같기에 목표 음이온 공급량 분포는 균일 분포이다. 도 3b는 복수의 분할 전극들에 의한 이온 플럭스 제어가 없거나, 또는 복수의 분할 전극들에 동일한 전압이 인가되는 경우의 위치(a-e)별 시간-음이온 밀도를 나타내는 그래프이다. 여기서 X는 전극 또는 기판 상 A-E 위치에서 이온 공급량(또는 플럭스)을 X'만큼 동일하게 제공하고자 할 때, 대응되는 a-e 위치에서의 목표 음이온 밀도이다.
도 1a 및 도 1b를 참고하면, 다중 펄싱을 이용한 플라즈마 균일도 제어 시스템(1)은 플라즈마 발생부(110), 이온 공급부(120), 복수의 분할 전극들(160), 그리고 제어부(130)를 포함한다.
플라즈마 균일도 제어 시스템(1)은 제어부(130)에 의해 복수의 분할 전극들(160)에 개별적으로 인가되는 전압들을 조절하여 대면적의 다양한 위치에서의 이온 공급량의 균일도를 제어할 수 있다. 예를 들어, A 내지 E 지점에서의 이온 공급량이 실질적으로 동일할 수 있으며, 또는 A 내지 E 지점에서의 이온 공급량 분포가 전체적으로 종 형상, 뿔 형상, 슬로프 형상 등 다양한 형상을 가질 수도 있다.
플라즈마 발생부(110)는 복수의 플라즈마 발생부들(110a, 110b)을 포함하며, 제어부(130)에 의해 제어될 수 있다. 플라즈마 발생부(110)는 플라즈마 발생에 필요한 임피던스 정합기, 전원공급장치, 안테나 등의 추가 구성을 필요에 따라 포함할 수 있다. 또한, 플라즈마 발생부(110)는 가스공급장치에 의해 가스를 공급받을 수 있다. 플라즈마 발생부(110)는 필요에 따라 2 개 이상의 플라즈마 발생부들을 포함할 수 있다. 도 2a를 참고하면, 복수의 플라즈마 발생부들(110a, 110b) 각각은 위상 차이를 가지고 펄스 전력을 플라즈마 원료 가스(plasma source gas)에 인가해 플라즈마를 생성한다. 이로써, 도1 (a)의 이온 공급부(120) 내 특정 위치의 경우, 특정 밀도의 이온이 시간의 변화에 무관하게 연속적으로 공급될 수 있다. 시스템(1)에서의 다중 플라즈마 펄싱으로 펄스 플라즈마 이온의 공급은 연속화되며, 상시 또는 연속적으로 이온 공급 및 활용이 필요한 장치에 시스템(1)이 제공될 수 있다.
예를 들어, 플라즈마 원료 가스는 플라즈마 상태에서 음이온을 만들 수 있는 음전성 가스(electronegative gas)를 포함할 수 있다. 플라즈마 원료 가스에 음전성 가스가 포함되는 경우, 생성된 플라즈마는 음이온, 음이온 전구체인 고진동여기분자(highly vibrationally excited molecule), 고에너지 전자, 저에너지 전자를 포함할 수 있다.
펄스 전력은 펄스형 플라즈마 발생 전력을 의미하는 것으로, 전력이 인가되는 ON 상태와 인가되지 않은 OFF 상태 모두를 포함한다. 전력이 인가되는 ON 상태 또는 그 시간 영역은 액티브 글로우(active-glow), 그리고 전력이 인가되지 않는 OFF 상태 또는 그 시간 영역은 애프터 글로우(after-glow)다. 예를 들어, 도 3b를 참고하면, 제1 플라즈마 발생부(110a)에서, 액티브 글로우는 t1-t2 시간 구간 및 t3-t4 시간 구간이며, 애프터 글로우는 t2-t3 시간 구간이다. 제2 플라즈마 발생부(110b)에서, 액티브 글로우는 t5-t6 시간 구간이며, 애프터 글로우는 t6-t7 시간 구간이다.
액티브 글로우의 경우, ON 상태의 전력에 의해 음이온 소멸 반응 및 고진동여기분자 생성에 관여하는 고에너지 전자가 많기 때문에, 고진동여기분자의 밀도는 높게 형성되지만, 음이온 밀도는 애프터 글로우에서의 음이온 밀도보다 낮게 형성된다. 애프터 글로우의 경우, 음이온 소멸 반응에 관여하는 고에너지 전자가 매우 적으며, 고진동여기분자와 저에너지 전자의 밀도는 음이온 생성 반응에 필요한 정도로 유지되기 때문에, 음이온 밀도는 액티브 글로우에서의 음이온 밀도보다 높게 형성되며, 이 후, 음이온 생성 반응에 의한 저에너지 전자와 고진동여기분자의 소모 등의 이유로 음이온 밀도는 점점 감소한다. 이에 따라, 이온 공급부(120)에 복수의 플라즈마 발생부들(110a, 110b)을 연결하고, 하나의 플라즈마 발생부(110)가 액티브 글로우에서 음이온 공급량이 적을 때, 다른 플라즈마 발생부(110)를 애프터 글로우로 만들어 음이온 공급량을 보상함으로써, 특정 위치에서 복수의 플라즈마 발생부들(110a, 110b)로부터 이온 공급부(120)로 공급되는 시간에 따른 총 음이온의 양이 일정하게 유지될 수 있다. 예를 들어, 애프터 글로우에서 음이온들이 높은 밀도로 생성되기 때문에, 제1 플라즈마 발생부(110a)의 액티브 글로우(도 3b의 c지점 t3-t4 구간)에서 감소되는 음이온의 공급량은 제2 플라즈마 발생부(110b)의 애프터 글로우(도 3b의 c지점 같은 시간 구간)에서 생성된 음이온을 공급함으로써 보상할 수 있다.
복수의 플라즈마 발생부들(110a, 110b) 각각은, 유도 결합형 플라즈마 장치(Inductively Coupled Plasma, ICP), 전자 사이클로트론 공명(Electron Cyclotron Resonance Plasma, ECR) 플라즈마 장치, 전자파(microwave) 플라즈마 장치, 필라멘트 방전 플라즈마 장치, 라디오 주파수 플라즈마 장치, 헬리콘(helicon) 플라즈마 장치, 용량 결합형 플라즈마 장치(Capacitvely Coupled Plasma, CCP) 등을 포함할 수 있다. 복수의 플라즈마 발생부들(110a, 110b)은 서로 동일하거나 다를 수 있으며, 다양한 조합의 플라즈마 장치들로 구성될 수 있다.
복수의 플라즈마 발생부들(110a, 110b) 각각에서 생성된 플라즈마는 복수의 플라즈마 발생부들(110a, 110b)에 연결되어 있는 이온 공급부(120)로 전달된다. 예를 들어, 이온 공급부(120)는 플라즈마 발생부(110)에서 생성된 음이온을 전달받아 수용할 수 있다. 또한, 이온 공급부(120)는 플라즈마 발생부(110)에서 전달받은 음이온 전구체와 저에너지 전자가 반응하여 음이온이 생성되는 공간을 포함할 수 있다.
이온 공급부(120)의 내부 하단에 복수의 분할 전극들(160)이 위치할 수 있다. 예를 들어, 대면적 기판이 사용되는 반도체 공정에서, 복수의 분할 전극들(160)이 사용될 수 있으며, 이에 따라, 원하는 이온 공급량, 이온 분포, 이온 에너지 등을 적절하게 제어하면서, 기판에 이온이 공급될 수 있다. 복수의 분할 전극들(160)은 전기적으로 독립되어 있으며, 다양한 개수로 구성될 수 있으며, 다양한 형상을 가질 수 있다.
복수의 분할 전극들(160)은 실질적으로 동일한 평면 또는 곡면 상에 위치할 수 있다. 제어부(130)에 의해, 복수의 분할 전극들(160) 각각에 시간에 따라 다양하게 변하는 전압이 개별적으로 인가될 수 있으며, 복수의 분할 전극들(160) 각각의 전위가 서로 다를 수 있다. 이러한 복수의 분할 전극들(160) 각각의 전위와 근처 이온 공급부(120) 내부 플라즈마 공간 전위들과의 차이들을 서로 다르게 설정함으로써, 이온 공급부(120) 내부 공간에서 복수의 분할 전극들(160) 각각으로 이동하는 이온의 플럭스가 제어될 수 있다. 이온 공급부(120) 내부 위치들(a-e)에 대한 이온 밀도 분포는 위치별로 복수의 플라즈마 발생부들(110a, 110b) 각각으로부터의 거리가 서로 다르기 때문에 위치, 시간에 따라 변하는 이온 공급량의 불균일성(도 3b 참고)이 발생한다. 이 불균일성은 분할 전극들(160) 상의 이온 플럭스 분포 불균일성으로 이어질 수도 있는데, 이온 플럭스 제어를 통하여 이온 플럭스 분포 불균일성을 완화시키거나, 또는 사용자의 설계에 의해 임의의 시간에서 특정한 형상의 분포를 가지도록 조절할 수 있다.
음이온에 대한 균일 분포 제어 관련한 일례로 도 2a를 참고하면, 제1 플라즈마 발생부(110a)의 애프터 글로우 특정 시점, (t2+t3)/2에서, 복수의 분할 전극들(160)은 제1 플라즈마 발생부(110a)에 가까울수록, 그 전위가 음(-)의 방향으로 더 큰 값을 가지도록 제어될 수 있다. 예를 들어, ε 분할 전극, δ 분할 전극, γ 분할 전극, β 분할 전극, 그리고 α 분할 전극의 순서로 그 전위가 음(-)의 방향으로 더 큰 값을 가지도록 제어될 수 있다. 또한, 제2 플라즈마 발생부(110b)의 애프터 글로우 특정 시점, (t6+t7)/2에서, 복수의 분할 전극들(160)은 제2 플라즈마 발생부(110b)에 가까울수록, 그 전위가 음(-)의 방향으로 더 큰 값을 가지도록 제어될 수 있다. 예를 들어, α 분할 전극, β 분할 전극, γ 분할 전극, δ 분할 전극, 그리고 ε 분할 전극의 순서로 그 전위가 음(-)의 방향으로 더 큰 값을 가지도록 제어될 수 있다.
도 3b를 참고하면, 제1 플라즈마 발생부(110a)의 애프터 글로우 특정 시점((t2+t3)/2)에서 a 지점은 c 지점보다 음이온 및 음이온 전구체가 대량 생성된 제1 플라즈마 발생부(110a)와 더 가깝기 때문에 a 지점에 도달하는 이온의 양(플럭스)이 c 지점의 이온의 양(플럭스)보다 더 많다. 그리고 이에 따라, 만약 복수의 분할 전극들(160)에 의한 이온 플럭스의 제어가 없거나 복수의 분할 전극들(160)에 동일한 전압이 인가되는 경우, A 지점에 도달하는 이온의 양(플럭스) 역시 C 지점에 도달하는 이온의 양(플럭스)보다 더 많게 된다. 이에 따라, 애프터 글로우 특정 시점((t2+t3)/2)에서 α 분할 전극 전위를 γ 분할 전극 전위보다 음의 방향으로 크게 증가시키면, 해당 지점 전기장 분포에 따라 a 지점에서 A 지점으로 이동하는 음이온의 플럭스 변화량은 c 지점에서 C 지점으로 이동하는 음이온의 플럭스 변화량보다 줄어들게 된다. a 지점 음이온 밀도가 c 지점 음이온 밀도보다 높기 때문에, 결과적으로, 도 3a에 도시된 것처럼, A 지점 및 C 지점 음이온 플럭스는 X'로 동일하도록 제어 가능하다. 이와는 반대로, 제1 플라즈마 발생부(110a)의 애프터 글로우 특정 시점((t2+t3)/2)에서 e 지점은 c 지점보다 제1 플라즈마 발생부(110a)로부터의 거리가 더 멀기 때문에, 제1 플라즈마 발생부(110a)로부터 e 지점에 도달하는 이온의 양(플럭스)이 c 지점에 도달하는 이온의 양(플럭스)보다 더 적다. 만약 복수의 분할 전극들(160)에 의한 이온 플럭스의 제어가 없거나, 복수의 분할 전극들(160)에 동일한 전압이 인가되는 경우, E 지점 음이온 플럭스 역시 C 지점 음이온 플럭스보다 작을 것이다. 이에 따라, 애프터 글로우 특정 시점((t2+t3)/2)에서 ε 분할 전극에 인가되는 전위를 γ 분할 전극 전위보다 양의 방향으로 크게 증가시킴으로써, e 지점에서 E 지점으로 이동하는 음이온 플럭스 변화량을 c 지점에서 C 지점으로 이동하는 음이온 플럭스 변화량보다 크게 만들 수 있다. e 지점 음이온 밀도가 c 지점 음이온 밀도보다 낮기 때문에, 결과적으로, 제1 플라즈마 발생부(110a)로부터 E 지점에 도달하는 이온 공급량은 C 지점과 실질적으로 X'와 동일하도록 제어될 수 있다. 이러한 방식으로 β 및 δ 분할 전극 전위들을 조절하여, B 및 D 지점의 이온 공급량 역시 각각 제어 가능하다. 또한, 이와 비슷한 방식으로, 제2 플라즈마 발생부(110b)의 애프터 글로우 특정 시점, (t6+t7)/2에서 분할 전극들에 인가되는 전압을 제어함으로써, A-E 지점에 도달하는 이온 공급량을, 도 3a에 도시한 것처럼, 실질적으로 X'와 동일하도록 제어할 수 있다.
양이온에 대한 균일 분포 제어 관련한 일례를 도 2b, 도 4a및 도 4b를 참고하여 설명하면 다음과 같다.
도 2b는 도 1a의 다중 펄싱을 이용한 플라즈마 균일도 제어 시스템에서 복수의 플라즈마 발생부와 분할 전극들에 대하여, 도 2a의 설정과는 다른, 각 플라즈마 발생부 인가 펄스 전력 프로파일과 각 전극 인가 시간별 전압 프로파일을 도시한 그래프이다. 일례로, 여기서 시간별 전압 프로파일은 전극 또는 기판 상 A-E 위치에 도 4a 균일 분포 하의 목표 양이온 공급량 Y' 또는 Y'에 대응되는 아래 도 4b 균일 분포 하의 목표 양이온 밀도 Y를 제공하기 위해 설정한 프로파일이다. 도 4a은 도 1a의 시스템에서 도 2b의 설정된 펄스 전력 및 전극 전압 인가에 따라 나타나는 위치(A-E)별 시간-양이온 공급량을 나타내는 그래프이다. 여기서, 위치(A-E)별 목표 양이온 공급량이 Y'로 같기에 목표 양이온 공급량 분포는 균일 분포이다. 도 4b는 도2b의 펄스 전력 프로파일을 도 1a의 시스템에 적용하고, 복수의 분할 전극들에 의한 이온 플럭스 제어가 없거나 또는 복수의 분할 전극들에 동일한 전압이 인가되는 경우의 이온 공급부 내 위치(a-e)별 시간-양이온 밀도를 나타내는 그래프이다. 여기서 Y는 전극 또는 기판 상 A-E 위치에서 이온 공급량(또는 플럭스)을 Y'만큼 동일하게 제공하고자 할 때, 대응되는 a-e 위치에서의 목표 양이온 밀도이다.
제1 플라즈마 발생부(110a)의 액티브 글로우 특정 시점 tA에서 (도 2b참조), 복수의 분할 전극들(160)은 제1 플라즈마 발생부(110a)에 가까울수록, 그 전위가 양(+)의 방향으로 더 큰 값을 가지도록 제어될 수 있다. 예를 들어, ε 분할 전극, δ 분할 전극, γ 분할 전극, β 분할 전극, 그리고 α 분할 전극의 순서로 그 전위가 양(+)의 방향으로 더 큰 값을 가지도록 제어될 수 있다. 또한, 제2 플라즈마 발생부(110b) 액티브 글로우 특정 시점 tB에서, 복수의 분할 전극들(160)은 제2 플라즈마 발생부(110b)에 가까울수록, 그 전위가 양(+)의 방향으로 더 큰 값을 가지도록 제어될 수 있다. 예를 들어, α 분할 전극, β 분할 전극, γ 분할 전극, δ 분할 전극, 그리고 ε 분할 전극의 순서로 그 전위가 양(+)의 방향으로 더 큰 값을 가지도록 제어될 수 있다.
도 4b를 참고하면, 제1 플라즈마 발생부(110a)의 액티브 글로우 특정 시점 tA에서 a 지점은 c 지점보다 양이온이 대량 생성된 제1 플라즈마 발생부(110a)와 더 가깝기 때문에 a 지점에 도달하는 이온의 양(플럭스)이 c 지점의 이온의 양(플럭스)보다 더 많다. 그리고 이에 따라, 만약 복수의 분할 전극들(160)에 의한 이온 플럭스의 제어가 없거나 복수의 분할 전극들(160)에 동일한 전압이 인가되는 경우, A 지점에 도달하는 이온의 양(플럭스) 역시 C 지점에 도달하는 이온의 양(플럭스)보다 더 많게 된다. 이에 따라, 액티브 글로우 특정 시점 tA에서 α 분할 전극 전위를 γ 분할 전극 전위보다 양의 방향으로 크게 증가시키면, 해당 지점 전기장 분포에 따라 a 지점에서 A 지점으로 이동하는 양이온 플럭스 변화량은 c 지점에서 C 지점으로 이동하는 양이온 플럭스 변화량보다 줄어들게 된다. a 지점 양이온 밀도가 c 지점 양이온 밀도보다 높기 때문에 결과적으로, 도 4a에 도시된 것처럼, A 지점 및 C 지점 양이온 플럭스는 Y'로 동일하도록 제어 가능하다. 이와는 반대로, 제1 플라즈마 발생부(110a)의 액티브 글로우 특정 시점 tA에서 e 지점은 c 지점보다 제1 플라즈마 발생부(110a)로부터의 거리가 더 멀기 때문에, 제1 플라즈마 발생부(110a)로부터 e 지점에 도달하는 이온의 양(플럭스) 이 c 지점에 도달하는 이온의 양(플럭스) 보다 더 적다. 만약 복수의 분할 전극들(160)에 의한 이온 플럭스의 제어가 없거나, 복수의 분할 전극들(160)에 동일한 전압이 인가되는 경우, E 지점 양이온 플럭스 역시 C 지점 양이온 플럭스보다 작을 것이다. 액티브 글로우 특정 시점 tA에서 ε 분할 전극에 인가되는 전위를 γ 분할 전극 전위보다 음의 방향으로 더 크게 증가시킴으로써, e 지점에서 E 지점으로 이동하는 양이온 플럭스 변화량은 c 지점에서 C 지점으로 이동하는 양이온 플럭스 변화량보다 크게 만들 수 있다. e 지점 양이온 밀도가 c 지점 양이온 밀도보다 낮기 때문에, 결과적으로, 제1 플라즈마 발생부(110a)로부터 E 지점에 도달하는 이온 공급량은 C 지점과 실질적으로 Y'와 동일하도록 제어될 수 있다. 이러한 방식으로 β 및 δ 분할 전극 전위들을 조절하여, B 및 D 지점 각각에 대한 이온 공급량 제어가 가능하다. 또한, 이와 비슷한 방식으로, 제2 플라즈마 발생부(110b)의 액티브 글로우 특정 시점 tB에서 분할 전극들에 인가되는 전압을 제어함으로써, A-E 지점에 도달하는 이온 공급량을, 도 4a에 도시한 것처럼, 실질적으로 Y'와 동일하도록 제어할 수 있다.
제어부(130)는 전술한 복수의 플라즈마 발생부들(110a, 110b)을 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부(130)는 플라즈마 발생부(110)에 공급되는 펄스 전력의 크기, 인가 시점, 반복 주파수, 펄스 폭, 듀티 사이클, 복수의 전력 펄스들 사이의 위상 차이 등을 적절히 제어할 수 있다. 또한, 제어부(130)는 전술한 복수의 분할 전극들(160)에 대한 전압 특성을 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부(130)는 복수의 분할 전극들(160) 각각에 공급되는 전압의 크기를 시간의 변화에 따라 개별적으로 제어할 수 있다.
다중 펄싱을 이용한 플라즈마 균일도 제어 시스템(1)은 선택적으로 자기장 필터(150)를 포함할 수 있다.
자기장 필터(150)는 플라즈마 발생부(110)와 이온 공급부(120) 사이에 설치되어, 자기장을 형성하도록 구성된다. 자기장 필터(150)는 플라즈마 발생부(110)가 이온 공급부(120)에 연결되는 연결부(151a, 151b)에 설치될 수 있다. 이외에도, 자기장 필터(150)는 플라즈마 발생부(110) 또는 이온 공급부(120)의 주변에 설치될 수 있다. 자기장 필터(150)는 자기장을 형성하여 액티브 글로우 상태의 플라즈마 발생부(110)에서 생성된 고에너지 전자가 이온 공급부(120)로 이동하는 것을 제한하도록 구성될 수 있으며, 이에 따라, 이온 공급부(120) 내의 음이온의 밀도를 높게 유지하고, 음이온 공급의 연속성을 높일 수 있다.
자기장 필터(150)는 복수의 자기장 필터들(150a, 150b)을 포함할 수 있으며, 전자석 자기장 필터, 영구자석 자기장 필터 등일 수 있다. 복수의 자기장 필터들(150a, 150b) 각각은 다양한 조합의 자기장 필터들로 구성될 수 있다. 여기서, 전자석 자기장 필터는 전자석용 전원공급장치와 전자석을 포함할 수 있으며, 제어부(130)에 의해 펄스 전력의 위상차와 연계 (또는 동기화)되어, 플라즈마 발생부(110)의 작동 상태에 따라 자기장의 크기를 조절할 수 있다. 예를 들어, 전자석 자기장 필터는 플라즈마 발생부(110)의 액티브 글로우에서 자기장을 형성하여 플라즈마 발생부(110) 내에서 생성된 고에너지 전자가 이온 공급부로 이동하는 것을 제한할 수 있다. 또한, 전자석 자기장 필터는 시간에 따른 변화 없이 일정 자기장을 형성하거나 특정 시간에 대하여 지연하여 작동할 수도 있다.
영구자석 자기장 필터의 경우, 그 설치가 간단하고, 전자석 자기장 필터보다 경제적으로 고에너지 전자의 이동을 제한할 수 있다.
자기장 필터(150)를 설치하는 대신, 플라즈마 발생부(110) 또는 이온 공급부(120)의 부피 또는 형상을 조절하거나, 플라즈마 발생부(110)와 이온 공급부(120) 사이 연결부(151a, 151b)의 크기나 형상을 조절함으로써, 전자 온도를 제어한 채, 이온 및 이온 전구체들을 이온 공급부(120)로 확산 또는 수송시킬 수 있다.
도 1c를 참고하면, a-e 지점과 A-E 지점 사이의 전기장을 국부적으로 조절하기 위하여, 복수의 분할 전극들(160)은 이원화 또는 다원화하여 활용 가능하다. 도 1c에서 상부에 위치한 전극(160)과 하부에 위치한 전극(190)은 이온 공급부(120) 내 웨이퍼(미도시) 등과 같은 이온 조사 대상을 사이에 두고 위치할 수 있다. 상부 전극(160)과 하부 전극(190)은 한 쪽만 복수의 분할 전극들로 구성하거나 또는 양쪽 모두 복수의 분할 전극들로 구성할 수 있다. 예를 들어, 도 6 또는 도7과 같은 분할 방식을 양쪽 모두 동일하게 적용하거나 상이하게 적용할 수 있다. 예를 들어, 이온 조사 대상 또는 기판은 이온 공급부(120) 하부에 위치하는 단일 전극(190) 위에 놓일 수 있으며, 그 위로 복수의 분할 전극들(160)이 이온 공급부(120) 내 상부에 위치할 수 있다. 이와 같은 도 1c의 다중 펄싱을 이용한 플라즈마 균일도 제어 시스템(1)은, 도 1a의 서로 다른 전압이 인가되는 복수의 분할 전극들(160) 위에 이온 조사 대상이 놓이기 어려운 상황을 극복하기 위해 효과적으로 이용될 수 있다. 예를 들어, 금속 도체의 이온 조사 대상을 처리하기 위해, 분할 전극 위에 놓고 서로 다른 전압을 걸고 시스템을 작동시키는 경우, 금속 도체는 전기가 통하기에 분할 전극 위에서 전극 간 단락(short)을 일으킬 수 있다. 이에 따라 시스템이 고장나거나, 전압공급장치가 고장날 수 있다. 그러나, 기판 그 자체를 이온 공급부 하부에 두거나 혹은 하부 단일 전극 위에 기판을 놓고, 상부 분할 전극을 이용하는 경우, 단락, 고장 등이 일어나지 않을 수 있다.
활용 목적에 따라서는 도 1c의 이온 공급부(120) 하부에 위치하는 단일 전극(16Ob) 대신 단순히 기판(미도시)을 위치시킬 수도 있다. 이 경우, 복수의 분할 전극들(160)은, 이원화 또는 다원화되지 않고, 이온 공급부(120) 상부에만 위치하며 a-e 지점과 기판 상의 A-E 지점 사이의 전기장을 국부적으로 조절하게 된다.
도 1c의 다중 펄싱을 이용한 플라즈마 균일도 제어 시스템(1)의 구성들 중에서, 도 1a 및 도 1b의 다중 펄싱을 이용한 플라즈마 균일도 제어 시스템(1)과 중복되는 구성들에 대해서는 전술한 도 1a 및 도 1b의 다중 펄싱을 이용한 플라즈마 균일도 제어 시스템(1)에 대한 원리가 적용될 수 있다. 또한, 도 1c의 다중 펄싱을 이용한 플라즈마 균일도 제어 시스템(1)은, 전술한 도 2a 및 도 2b의, 음이온 및 양이온 공급량 분포 제어를 위한, 복수의 플라즈마 발생부와 분할 전극에 인가되는 펄스 전력 프로파일과 각 전극에 인가되는 시간별 전압 프로파일을 도시한 그래프, 도 3a의 설정된 펄스 전력 및 전극 전압 인가에 따라 나타나는 위치별 시간-음이온 공급량을 나타내는 그래프, 도 3b의 펄스 전력 인가에 따라 나타나는 이온 공급부 내 위치별 시간-음이온 밀도를 나타내는 그래프, 도 4a의 설정된 펄스 전력 및 전극 전압 인가에 따라 나타나는 위치별 시간-양이온 공급량을 나타내는 그래프, 그리고 도 4b의 펄스 전력 인가에 따라 나타나는 이온 공급부 내 위치별 시간-양이온 밀도를 나타내는 그래프에 대한 설명이 일부 적용될 수 있다. 적용 시 고려할 본 기술의 원리는 a-e 지점과 A-E 지점 사이의 시간별 전기장 크기를 국부적으로 제어하여 A-E 지점 이온 공급량을 조절한다는 것이다.
도 5a는 일 실시예에 따른, 이온빔을 이용하려 할 때 또는 이온 및 이온빔을 이온공급부와는 다른 공간에서 이용하고자 할 때 활용 가능한, 다중 펄싱을 이용한 플라즈마 균일도 제어 시스템을 개략적으로 나타내는 단면도이고, 도 5b는 도 5a의 시스템에서 복수의 분할 전극들을 나타내는 평면도이다.
도 5a 및 도 5b를 참고하면, 다중 펄싱을 이용한 플라즈마 균일도 제어 시스템(1)은 이온 이용부(170)를 포함할 수 있다. 이온 이용부(170)는 복수의 분할 전극들(160)을 통해 균일도가 제어된 이온 빔을 인출하여 이용할 수 있는 공간이다. 또한, 복수의 분할 전극들(160)은 각각 복수의 홀들이 형성되어 있을 수 있으며, 이러한 복수의 홀들을 통하여 균일도가 제어된 이온 빔이 이온 공급부(120)에서 이온 이용부(170)로 인출될 수 있다. 복수의 홀들은 그 모양, 크기, 개수, 위치, 그리고 배열 각각에 대하여 다양하게 구성할 수 있다. 또한, 복수의 분할 전극들(160)은 그 내부에 냉각수가 흐르는 공간을 포함할 수 있으며, 이에 따라 복수의 분할 전극들(160)의 냉각 효율이 증대될 수 있다.
도 5a 및 도 5b의 다중 펄싱을 이용한 플라즈마 균일도 제어 시스템(1)의 구성들 중에서, 도 1a 및 도 1b의 다중 펄싱을 이용한 플라즈마 균일도 제어 시스템(1)과 중복되는 구성들에 대해서는 전술한 도 1a 및 도 1b의 다중 펄싱을 이용한 플라즈마 균일도 제어 시스템(1)에 대한 설명이 적용될 수 있다. 또한, 도 5a 및 도 5b의 다중 펄싱을 이용한 플라즈마 균일도 제어 시스템(1)은, 전술한 도 2a 및 도 2b의, 음이온(빔) 및 양이온(빔) 공급량 분포 제어를 위한, 복수의 플라즈마 발생부와 분할 전극에 인가되는 펄스 전력 프로파일과 각 전극에 인가되는 시간별 전압 프로파일을 도시한 그래프, 도 3a의 설정된 펄스 전력 및 전극 전압 인가에 따라 나타나는 위치별 시간-음이온(빔) 공급량을 나타내는 그래프, 도 3b의 펄스 전력 인가에 따라 나타나는 이온 공급부 내 위치별 시간-음이온 밀도를 나타내는 그래프, 도 4a의 설정된 펄스 전력 및 전극 전압 인가에 따라 나타나는 위치별 시간-양이온(빔) 공급량을 나타내는 그래프, 그리고 도 4b의 펄스 전력 인가에 따라 나타나는 이온 공급부 내 위치별 시간-양이온 밀도를 나타내는 그래프에 대한 설명이 적용될 수 있다. A-E 지점에서 이온은 빔 형태로 공급될 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른, 반경 및 원주 방향 이온(빔) 공급량 분포를 조절하고자 할 때 활용 가능한, 다중 펄싱을 이용한 플라즈마 균일도 제어 시스템의 복수의 분할 전극들을 나타내는 평면도이다.
도 6을 참고하면, 복수의 분할 전극들(160)은 18 개의 분할 전극들(a1-a6, b1-b6, c1-c6)을 포함한다. 복수의 플라즈마 발생부들(미도시)은 복수의 분할 전극들(160)을 둘러싸고 있는 형태로 2 개 내지 6개가 배치될 수 있으며, 위상 차이를 갖는 펄스 전력에 의해 교대로 펄스 플라즈마가 발생할 수 있다. 제어부(130)에 의해, 펄스 전력의 위상차와 연계된 채, 복수의 분할 전극들(a1-a6, b1-b6, c1-c6)은 개별적으로 특정 시간별 전압 프로파일의 전압이 인가되며, 이를 통해 다양한 위치에서의 이온(빔) 공급량을 조절, 그 분포를 제어할 수 있다. 예를 들어, 음이온(빔) 공급량에 대한 균일한 분포 제어를 위해, c1 분할 전극의 외측에 위치한 플라즈마 발생부가 애프터 글로우가 되고, c4 분할 전극의 외측에 위치한 플라즈마 발생부가 액티브 글로우가 될 때, 복수의 분할 전극들(160)에 각각 인가되는 c4 분할 전극, b4 분할 전극, a4 분할 전극, a1 분할 전극, b1 분할 전극, 그리고 c1 분할 전극의 전위는 도 2a에서처럼 순서대로 음(-)의 방향으로 더 큰 값을 갖도록 설정할 수 있다. 이와는 반대로, c4 분할 전극의 외측에 위치한 플라즈마 발생부가 애프터 글로우가 되고 c1 분할 전극의 외측에 위치한 플라즈마 발생부가 액티브 글로우가 될 때, 복수의 분할 전극들(160)에 각각 인가되는 전압은 c1 분할 전극, b1 분할 전극, a1 분할 전극, a4 분할 전극, b4 분할 전극, 그리고 c4 분할 전극의 전위는 순서대로 음(-)의 방향으로 더 큰 값을 갖도록 설정할 수 있다. 마찬가지로, a2, b2, c2 분할 전극, a3, b3, c3 분할 전극, a5, b5, c5 분할 전극, 그리고 a6, b6, c6 분할 전극도, c2-3, c5-6 외측에 위치할 수 있는 복수의 플라즈마 발생부들의 상태에 따라, 각각의 시간별 전압 크기를 조정 가능하며, 이를 통해 사용자는 원하는 이온(빔) 공급량 분포를 얻을 수 있다.
도 7은 일 실시예에 따른 다중 펄싱을 이용한 플라즈마 균일도 제어 시스템에서 다중 구조 전극을 적용하고자 할 때, 복수의 분할 전극들을 나타내는 사시도이다.
도 7을 참고하면, 제1 층의 복수의 분할 전극들(161)과 제2 층의 복수의 분할 전극들(162)이 상하 방향으로 간격을 두고 위치한다. 이온빔 인출 및 가속 측면에서 이러한 구조는 단층의 복수의 분할 전극들에 비해 보다 유연한 제어가 가능할 수 있다. 제1층의 복수의 분할 전극들(161)과 제2층의 복수의 분할 전극들(162) 각각은 개별적으로 형상을 결정하여 구성할 수 있으며, 사이 간격, 전압 등을 설정할 수 있다. 이외에도, 복수의 분할 전극들(160)은 3 중 이상으로 다중 층 형태로 구성될 수 있다.
또한, 복수의 분할 전극들(160)에 자기장 발생 및 제어 장치를 추가하여, 전자(빔), 이온(빔) 등의 거동을 조절할 수 있다. 예를 들어, 복수의 분할 전극들(160)의 둘레에 전자석 또는 영구자석을 포함하거나, 복수의 분할 전극들(160)에 전류를 흘려 자기장을 형성시킴으로써, 전자(빔), 이온(빔) 플럭스 등을 조절할 수 있다.
도 8은 이온 공급부(120) 혹은 이온 이용부(170)에서 사용자가 원하는 시간별 이온(빔) 공급량 및 분포를 얻고자 할 때, 제어부에서 복수의 분할 전극들 각각에 적용되는 시간별 전극 전압 프로파일을 설정하는 방법을 나타낸 순서도이다. 전술한 도 1 내지 도 7의 다중 펄싱을 이용한 플라즈마 균일도 제어 시스템(1)은 도 8의 순서도에 적용될 수 있다.
분할 전극에 대한 전압 프로파일 설정은 도 8을 참고하여 설명 가능하다. 먼저, 사용자는 각 분할 전극(160)에 대응되는 도1a의 이온 공급부(120) 내 A-E 지점(혹은 A-E에 대응되는 가까운 영역) 혹은 도 5a의 이온 이용부(170) 내 A-E지점(혹은 A-E에 대응되는 가까운 영역)에 시간별 이온(빔) 공급량(밀도, 전류 혹은 플럭스)을 측정할 수 있는 진단계를 설치한다. 첫 번째 절차로 사용자는 초기 설정을 위하여, 각 지점별로 전체 플라즈마 펄싱 주기 시간 동안의 시간별 이온(빔) 공급량을 측정한다(S10). 여기서, 이온(빔) 공급량은 정전 탐침 혹은 소형 패러데이컵 등의 진단 장치를 활용하여 측정할 수 있다. 진단 데이터들을 기반으로 사용자는 시간별로 위치별 이온(빔) 공급량 및 분포 정보를 얻을 수 있다.
다음, 복수의 분할 전극들(160)에 개별적으로 전압을 인가한다(S20). 제어부(130)에 의해 복수의 분할 전극들(160) 각각에 시간에 따라 다양하게 변하는 전압이 개별적으로 인가될 수 있다. 또한, 이에 따라 A-E 지점에서의 시간별 이온(빔) 공급량 및 분포는 변할 수 있다.
다음, 진단을 통하여, 각 전압 변화에 따른 전체 플라즈마 펄싱 주기 시간 동안, 시간에 따른 위치별 이온(빔) 공급량의 변화량 그리고 분포의 변화 정도를 확인한다(S30).
다음, 변화된 위치별 이온(빔) 공급량 및 분포가 사용자 목표에 부합하는지 확인하고, 피드백(feedback) 프로세스로 적합한 각 분할 전극 전압 프로파일을 탐색한다(S40). 시간에 따른 위치별 이온(빔) 공급량 및 분포가 사용자의 설계에 부합하는 경우(YES), S20 단계에서 설정된 각 분할 전극 전압 프로파일이 최종적으로 대응되는 각 분할 전극들(160)에 인가된다. 시간에 따른 위치별 이온(빔) 공급량 및 분포가 사용자의 설계에 부합하지 않는 경우(NO), S20 단계로 되돌아가, S20 단계에서 설정된 각각의 전압 프로파일을 보정한 후, 복수의 분할 전극들(160)에 인가한다.
S10 및 S30 단계에서 각 분할 전극(160)에 대응되는 도1a 혹은 도 5a의 이온 공급부(120) 내 a-e 지점(혹은 a-e에 대응되는 가까운 영역) 에서의 시간별 이온(빔) 공급량 및 분포를 측정할 수 있는 진단계를 추가로 설치하고, a-e 지점에서의 시간별 이온(빔) 공급량 및 분포 그리고 a-e 지점에서 A-E지점으로 이동하는 이온의 시간별 이온(빔) 공급량 정보를 활용한다면 S40 단계의 각 분할 전극 전압 프로파일에 대한 탐색 작업을 보다 효율적으로 수행할 수도 있다.
도 9는 다중 플라즈마 펄싱 기술을 활용한 시간-음이온 공급량(또는 밀도) 쉐이핑의 다양한 예를 나타내는 그래프이다. 전술한 도 1 내지 도 7의 다중 펄싱을 이용한 플라즈마 균일도 제어 시스템(1)은 도 9의 그래프에 적용될 수 있다.
도 9를 참고하면, 한 주기 동안의 플라즈마 펄싱 횟수, 펄스 시퀀스(sequence), 전력 크기, 전력 펄스 길이, 펄스 간 위상차, 펄스 반복 주파수 등을 조절함으로써, 이온 공급부 내에서, 다양한 시간-음이온 공급량 프로파일 쉐이핑이 가능하다.
도 9의 첫 번째 그래프를 참고하면, 펄스 전력을 제1 플라즈마 발생부(110a)와 제2 플라즈마 발생부(110b)에서 1 번씩만 교차로 인가하는 경우, 단일 플라즈마 펄싱으로 얻어지는 이온 공급 시간을 연장시킬 수 있음을 알 수 있다. 전력이 인가되고 난 후의 제1 플라즈마 발생부(110a) 애프터 글로우에서 제1 플라즈마 발생부(110a)에 의해 생성된 음이온는 밀도가 서서히 증가한 후 다시 서서히 감소한다. 이 때, 제1 플라즈마 발생부(110a) 전력 펄스와 동일한 전력 크기, 전력 펄스 길이를 갖는 제2 플라즈마 발생부(110b) 펄스 전력을 일정한 위상 차이로 인가한다. 그러면, 제1 플라즈마 발생부(110a) 애프터 글로우와 마찬가지로, 제2 플라즈마 발생부(110b) 애프터 글로우에서 제2 플라즈마 발생부(110b)에 의해 생성된 음이온의 밀도가 서서히 증가한 후 다시 서서히 감소한다. 제1 및 제2 플라즈마 발생부(110a, 110b)에 의해 생성된 음이온들은 이온 공급부(120)로 공급되기 때문에 이온 공급부(120) 내 시간별 음이온 공급량은 마치 중첩된 것(혹은 단일 플라즈마 발생부에 의한 공급 시간보다 연장된 것)과 같은 프로파일을 지닐 수 있다. 이러한 과정을 제어함으로써 이온 공급부(120) 내 음이온 공급 시간은 사용자가 원하는 만큼 연장될 수 있다.
도 9의 두 번째 그래프를 첫 번째 그래프와 비교하여 참고하면, 제1 및 제2 플라즈마 발생부(110a, 110b)에 인가되는 전력 펄스 간 위상 차이를 늘리면 안장 형태의 시간-음이온 공급량 프로파일이 형성되는 것을 알 수 있다. 나아가, 반대로 제1 및 제2 플라즈마 발생부(110a, 110b)에 전력 펄스 간 위상 차이를 줄이면 위로 볼록한 언덕 형태의 시간-음이온 공급량 프로파일이 형성될 수 있다.
도 9의 세 번째 그래프를 첫 번째 그래프와 비교하여 참고하면, 제1 및 제2 플라즈마 발생부(110a, 110b)에 인가되는 펄스 전력 크기를 서로 다르게 하면, 이온 공급 시간 중간점 기준 비대칭형의 음이온 공급량 프로파일이 형성되는 것을 알 수 있다. 예를 들어, 제2 플라즈마 발생부(110b)에 인가되는 펄스 전력 크기를 제1 플라즈마 발생부(110a) 인가 펄스 전력 크기보다 크게 설정하는 경우, 이온 공급 시작점-중간점 영역의 음이온 공급량보다 중간점-이온 공급 종료점 영역의 음이온 공급량이 더 큰, 안장 형태의 시간-음이온 공급량 프로파일이 형성되는 것을 알 수 있다.
도 9의 네 번째 그래프를 첫 번째 그래프와 비교하여 참고하면, 시간-음이온 공급량 프로파일에서 음이온 공급을 급격히 감소시키기 위한 펄스 전력 인가 방법을 알 수 있다. 예를 들어, 첫 번째 그래프의 제2 플라즈마 발생부(110b) 애프터 글로우에서 음이온 밀도가 서서히 감소하는 시간 구간에서 네 번째 그래프처럼 제2 플라즈마 발생부(110b)에 다시 전력을 인가하면, 제2 플라즈마 발생부(110b)의 상태는 액티브 글로우가 되어 다량의 고에너지 전자가 생성, 음이온을 소멸시킴으로써 음이온 공급량을 급격히 감소시킬 수 있다.
도 10은 다중 펄싱을 이용한 플라즈마 균일도 제어 시스템의 제어도를 나타내는 순서도이다. 전술한 도 1 내지 도 7의 다중 펄싱을 이용한 플라즈마 균일도 제어 시스템(1) 및 도 9의 그래프는 도 10의 순서도에 적용될 수 있다.
도 10을 참고하면, 먼저, 시간에 따라 변화할 수 있는, 복수의 플라즈마 발생부들(110)에 인가되는 펄스 전력들의 특성, 분할 전극 전압, 전자석 전력(또는 전류) 등이 제어부(130)에 의해 조절된다. 예를 들어, 펄스 전력의 특성은 한 주기 동안의 플라즈마 펄싱 횟수, 펄스 시퀀스, 전력 크기, 전력 펄스 길이, 펄스 간 위상차, 펄스 반복 주파수 등이 있다.
다음, 조절된 펄스 전력들이 복수의 플라즈마 발생부들(110)에 인가되어, 사용자 설계에 부합하는 시간-음이온 공급량 프로파일이 형성될 수 있다.
나아가, 플라즈마 발생부(110) 펄스 전력뿐 아니라, 복수의 전자석 자기장 필터들 각각에 인가되는 전력(또는 전류) 그리고 복수의 분할 전극들 각각에 인가되는 전압 특성 등을 선택적으로 조절함으로써, 사용자 설계에 부합하는 시간, 위치별 이온(빔) 공급량 그리고 분포(혹은 균일도)를 가지는 다중 펄싱을 이용한 플라즈마 균일도 제어 시스템(1)을 구현하거나 보다 정밀한 시간-음이온 공급량 프로파일 제어가 가능하다.
도 1 내지 도 10에서 설명한 다중 펄싱을 이용한 플라즈마 균일도 제어 시스템(1)은 핵융합로 시스템에서 중성입자빔 입사장치, 플라즈마 건식 식각 공정기술, 우주 추진체 분야 이온 추력기, 가속기용 이온원을 포함하는 다양한 기술에 적용될 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
1: 다중 펄싱을 이용한 플라즈마 균일도 제어 시스템
110: 플라즈마 발생부 120: 이온 공급부
130: 제어부 150: 자기장 필터
160: 복수의 분할 전극들 170: 이온 이용부

Claims (15)

  1. 펄스 전력을 플라즈마 원료 가스에 인가하여 플라즈마를 생성하는 플라즈마 발생부,
    상기 플라즈마 발생부에 연결되어 있고, 상기 플라즈마 발생부에서 생성된 플라즈마를 전달받아 수용하는 이온 공급부,
    상기 이온 공급부의 내부 또는 아래에 위치하며, 서로 전기적으로 독립되어 있으며, 개별적으로 전압이 인가되는 복수의 분할 전극들, 그리고
    임의의 시간에서 상기 복수의 분할 전극들 각각에 인가되는 전압의 크기를 조절하여, 상기 이온 공급부에서 상기 복수의 분할 전극들 각각으로 이동하는 이온의 공급량을 제어하는 제어부
    를 포함하고,
    상기 복수의 분할 전극들은 제1 분할 전극과 제2 분할 전극을 포함하고, 상기 제1 분할 전극은 상기 제2 분할 전극보다 상기 플라즈마 발생부로부터 더 가까이 위치하고,
    상기 제어부는 상기 제1 분할 전극과 상기 제2 분할 전극 각각에 인가되는 전위를 조절하여 시간에 따른 상기 이온의 공급량을 제어하는 플라즈마 균일도 제어 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에서,
    상기 플라즈마 발생부가 애프터 글로우(after-glow) 상태일 때, 상기 제2 분할 전극에 인가되는 전위가 상기 제1 분할 전극에 인가되는 전위보다 더 높은 플라즈마 균일도 제어 시스템.
  4. 제1항에서,
    상기 플라즈마 발생부가 액티브 글로우(active-glow) 상태일 때, 상기 제2 분할 전극에 인가되는 전위가 상기 제1 분할 전극에 인가되는 전위보다 더 낮은 플라즈마 균일도 제어 시스템.
  5. 제1항에서,
    상기 복수의 분할 전극들 각각은 복수의 홀들을 포함하는 플라즈마 균일도 제어 시스템.
  6. 제1항에서,
    상기 복수의 분할 전극들은 다중 층으로 구성되어 있으며, 제1 층의 복수의 분할 전극들과 제2 층의 복수의 분할 전극들을 포함하는 플라즈마 균일도 제어 시스템.
  7. 제1항에서,
    상기 이온을 인출하는 이온 이용부를 더 포함하는 플라즈마 균일도 제어 시스템.
  8. 제1항에서,
    자기장을 형성하여 액티브 글로우(active-glow) 상태의 상기 플라즈마 발생부에서 생성된 고에너지 전자가 상기 이온 공급부로 이동하는 것을 제한하는 자기장 필터를 더 포함하는 플라즈마 균일도 제어 시스템.
  9. 제1항에서,
    상기 플라즈마 발생부 또는 상기 이온 공급부가 이온의 생성 및 소멸에 관여하는 플라즈마 전자 온도를 위치별로 변하도록 만드는 형상을 갖는 플라즈마 균일도 제어 시스템.
  10. 제1 펄스 전력을 제1 플라즈마 원료 가스에 인가하여 제1 플라즈마를 생성하는 제1 플라즈마 발생부,
    상기 제1 펄스 전력과 위상 차이를 갖는 제2 펄스 전력을 제2 플라즈마 원료 가스에 인가하여 제2 플라즈마를 생성하는 제2 플라즈마 발생부,
    상기 제1 플라즈마 발생부와 상기 제2 플라즈마 발생부의 사이에 위치하고, 상기 제1 플라즈마 발생부 및 상기 제2 플라즈마 발생부에 연결되어 있고, 상기 제1 플라즈마 및 상기 제2 플라즈마를 전달받아 수용하는 이온 공급부,
    제1 전압이 인가되는 제1 분할 전극, 그리고
    제2 전압이 인가되고, 상기 제1 분할 전극보다 상기 제1 플라즈마 발생부로부터 더 멀리 위치하고, 상기 제1 분할 전극보다 상기 제2 플라즈마 발생부로부터 더 가까이 위치하는 제2 분할 전극을 포함하고,
    상기 제1 플라즈마 발생부의 애프터 글로우에서, 상기 제1 전압은 상기 제2 전압보다 음의 방향으로 전압의 크기가 크면서, 상기 제2 플라즈마 발생부는 액티브 글로우 상태에 있는 플라즈마 균일도 제어 시스템.
  11. 제10항에서,
    상기 제2 플라즈마 발생부가 애프터 글로우일 때, 상기 제1 전압은 상기 제2 전압보다 양의 방향으로 그 크기가 크면서, 상기 제1 플라즈마 발생부는 액티브 글로우 상태에 있는 플라즈마 균일도 제어 시스템.
  12. 플라즈마 발생부에서 생성된 플라즈마가 이온 공급부로 전달된 후, 각 분할 전극에 대응되는 상기 이온 공급부 또는 이온 이용부에서 위치별로 임의의 시간에 대해 이온 공급량 또는 이온 공급량의 분포를 측정하는 단계,
    전기적으로 독립된 복수의 분할 전극들에 제어부에 의해 개별적으로 전압을 인가하는 단계, 그리고
    복수의 분할 전극 전압 변화에 기초하여 상기 이온 공급부 또는 상기 이온 이용부에서 임의의 시간에 대해 위치별 이온 공급량 또는 이온 공급량의 분포가 사용자의 설계에 부합하는지 여부를 판단하는 단계
    를 포함하는 플라즈마 균일도 제어 방법.
  13. 제12항에서,
    상기 플라즈마 발생부가 다중 펄싱에 의해 플라즈마를 생성하는 플라즈마 균일도 제어 방법.
  14. 제12항에서,
    상기 복수의 분할 전극들에 개별적으로 전압을 인가하는 단계는, 상기 복수의 분할 전극들 각각에 의해 위치별 이온 공급량이 제어되는 것을 포함하는 플라즈마 균일도 제어 방법.
  15. 제12항에서,
    상기 사용자의 설계에 부합하지 않는 경우, 보정된 전압을 상기 복수의 분할 전극들에 개별적으로 인가하는 플라즈마 균일도 제어 방법.
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