KR102616759B1

KR102616759B1 - 전력 공급 도파로 내의 조리개들에 의한 마이크로파 회전 및 임피던스 쉬프팅을 위한 일반화된 원통형 공동 시스템

Info

Publication number: KR102616759B1
Application number: KR1020177027477A
Authority: KR
Inventors: 사또루 고바야시; 히데오 스가이; 토안 트란; 수남 박; 드미트리 루보미르스키
Original assignee: 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드
Priority date: 2015-10-29
Filing date: 2016-10-19
Publication date: 2023-12-26
Also published as: WO2017074764A1; TW202040629A; TW202215488A; TWI698903B; US20190326099A1; TW201727691A; JP2023052210A; JP6877353B2; JP7208296B2; CN110556282A; KR20180062973A; TW202349450A; US11972930B2; JP2018532221A; CN107430978A; US20220093364A1; US20170125219A1; CN107430978B; KR20240005111A; JP2021122012A

Abstract

공동의 임의의 공진 모드

또는

에 대해 회전 마이크로파가 확립되며, 여기서 사용자는 모드 인덱스들 m, n 및 l의 값들을 자유롭게 선택한다. 동작 마이크로파 진동수와 동일한 회전 진동수를 갖는 고속 회전은 2개의 마이크로파 입력 포트 P 및 Q 사이의 시간적 위상 차

및 방위각

를 m, n 및 l의 함수로서 설정함으로써 달성된다. 진동수

(전형적으로, 1-1000Hz)의 저속 회전은 직교 입력 시스템에서의 이중 필드 입력들

및

를 2개의 마이크로파 포트 P 및 Q 사이의 각도

에 의해 정의되는 사교 시스템으로 변환함으로써 확립된다.

Description

전력 공급 도파로 내의 조리개들에 의한 마이크로파 회전 및 임피던스 쉬프팅을 위한 일반화된 원통형 공동 시스템

본 개시내용은 플라즈마 반응기 챔버 내에서의 회전 마이크로파들의 생성에 관한 것이다.

플라즈마 반응기 챔버 내에서 회전 마이크로파들을 발생시키기 위한 하나의 접근법에서, 마이크로파는 공간적으로 90도 분리된 2개의 포트로부터 원통형 공동 내로 복사된다(radiated). 2개의 포트로부터의 마이크로파들 사이의 시간적 위상 차(temporal phase difference)를 90도로 설정하는 것에 의해, 원통형 공동 내의 TE₁₁₁ 모드는 2개의 모니터링 안테나에 의한 피드백 제어를 이용하여 원형으로 회전되어, 높은 균일성의 플라즈마 프로파일을 제공한다.

회전 마이크로파들을 발생시키기 위한 다른 접근법에서, 2개의 포트로부터 복사되는 2개의 마이크로파 사이의 시간 위상들은 동일 위상으로(in phase) 유지된다. 회전을 생성하기 위해, 하나의 포트로부터의 마이크로파들의 진폭은

의 형태로 변조되는 한편, 다른 포트로부터의 마이크로파들의 진폭은

의 형태로 변조된다. 여기에서, Ω는 1-1000Hz 정도의 각 진동수(angular frequency)이고, 이것은 1GHz를 초과하는 정도의 마이크로파 캐리어 진동수의 각 진동수보다 훨씬 더 작다. 이러한 이중 주입(dual injection)은 국소화된 플라즈마를 느리게 교란(agitate)시키기 위해 느린 진동수 Ω에서 TE₁₁₁ 모드를 회전시키고, 그에 의해 플라즈마를 더 넓은 영역 내로 확산시켜, 특히 높은 압력들에서 플라즈마 분포의 균일성을 더 증가시킨다.

그러나, 고속 회전 및 저속 회전은 TE₁₁₁ 모드를 위해서만 제공되었다. 그러한 회전을 TE₁₁₁ 모드뿐만 아니라 임의의 모드에 대해 제공할 필요가 있다.

워크피스 처리 챔버 위에 놓인 원통형 마이크로파 공동, 및 상기 원통형 마이크로파 공동의 측벽 내에서 오프셋 각도

만큼 이격된 제1 및 제2 마이크로파 입력 포트 P 및 Q를 포함하는 플라즈마 반응기에서, 상기 원통형 마이크로파 공동 내에서 모드

또는

의 회전 마이크로파들을 발생시키는 방법이 제공되고, 여기서 m, n 및 l은 TE 또는 TM 모드의 사용자 선택 값들(user-selected values)이다. 방법은 시간적 위상 차

만큼 분리된 각각의 마이크로파 신호들을, 제1 및 제2 결합 애퍼쳐(coupling apertures) 중의 각각의 결합 애퍼쳐를 통해 원통형 마이크로파 공동 내로 도입하는 단계; 및 원통형 마이크로파 공동 내에서 모드

또는

의 회전 마이크로파들을 생성하기 위해, 오프셋 각도

및 시간적 위상 차

의 값들을 사용자 선택 TE 또는 TM 모드 인덱스들 m, n 및 l 중 적어도 2개의 함수인 값들로 조절하는 단계를 포함한다.

일 실시예에서, 함수는,

로서 정의된다.

일 실시예에서, 회전 마이크로파들은 동작 마이크로파 진동수(operational microwave frequency)와 동일한 회전 진동수를 갖고서 시계 방향으로 회전한다.

일 실시예에서, 시계 방향 회전의 에너지 전달 효율을 최대화하기 위해, 함수는,

로서 정의된다.

일 실시예에서, 함수는,

로서 정의된다.

일 실시예에서, 회전 마이크로파들은 동작 마이크로파 진동수와 동일한 회전 진동수를 갖고서 반시계 방향으로 회전한다.

일 실시예에서, 반시계 방향 회전의 에너지 전달 효율을 최대화하기 위해, 함수는,

로서 정의된다.

일 실시예에서, 각각의 마이크로파 신호들 중 제1 마이크로파 신호는,

의 형태이고, 여기서 ω는 각각의 마이크로파 신호들의 각 진동수이고, t는 시간이며,

또는

이다.

일 실시예에서, 각각의 마이크로파 신호들 중 제2 마이크로파 신호는,

의 형태이고, 여기서 ω는 마이크로파 신호들의 각 진동수이고, t는 시간이며,

또는

이다.

워크피스 처리 챔버 위에 놓인 원통형 마이크로파 공동, 및 상기 원통형 마이크로파 공동의 측벽 내에서 일반 각도만큼 이격된 제1 및 제2 입력 포트를 포함하는 플라즈마 반응기에서, 상기 원통형 마이크로파 공동 내에서 회전 진동수

를 갖는 회전 마이크로파들을 발생시키는 방법이 제공되고, 방법은

이하의 수학식

을 만족시키도록 상기 일반 각도를 설정하는 단계;

에 의해 각각 표현되는 마이크로파 필드들을 입력 포트들 P 및 Q에 입력하는 단계

를 포함하고, 여기서 r 및 s는 이하의 수학식

로 정의하고, "r"의 부호

는 회전이 반시계 방향인지 시계 방향인지를 결정한다.

다른 양태에 따르면, 플라즈마 반응기는 워크피스 처리 챔버 위에 놓인 원통형 마이크로파 공동, 및 원통형 마이크로파 공동의 측벽 내에서 방위각(azimuthal angle)만큼 이격된 제1 및 제2 입력 포트 P 및 Q; 마이크로파 진동수를 갖고 마이크로파 소스 출력들의 쌍을 갖는 마이크로파 소스; 각각의 도파로들의 쌍 - 각각의 도파로들 각각은 마이크로파 소스 출력들 중의 각각의 마이크로파 소스 출력에 결합된 마이크로파 입력단, 및 제1 및 제2 입력 포트들 중의 각각의 입력 포트에 결합된 마이크로파 출력단; 출력단에 있는 결합 애퍼쳐 플레이트, 및 결합 애퍼쳐 플레이트 내의 직사각형 결합 애퍼쳐; 결합 애퍼쳐 플레이트와 마이크로파 입력단 사이의 조리개 플레이트(iris plate), 및 조리개 플레이트 내의 직사각형 조리개 개구를 포함한다.

일 실시예에서, 직사각형 결합 애퍼쳐 및 직사각형 조리개 개구는 결합 애퍼쳐 및 조리개 개구 각각의 긴 치수를 따라 각각의 평행 축들을 갖고, 각각의 평행 축들은 원통형 마이크로파 공동의 대칭 축에 평행하다.

일 실시예에서, 도파로들 각각은 마이크로파 입력단과 마이크로파 출력단 사이의 마이크로파 전파 방향을 갖고, 마이크로파 전파 방향은 원통형 마이크로파 공동의 대칭 축을 향해 연장된다.

일 실시예에서, 직사각형 결합 애퍼쳐는 사용자 선택 임피던스(user-selected impedance)에 각각 대응하는 긴 치수 및 짧은 치수 e 및 f를 갖는다.

일 실시예에서, 직사각형 조리개 개구는 사용자 선택 공진(user-selected resonance)에 각각 대응하는 긴 치수 및 짧은 치수 c 및 d를 갖는다.

일 실시예에서, 직사각형 조리개는 용량성 조리개(capacitive iris)이고, 원통형 마이크로파 공동의 대칭 축에 평행한 긴 치수를 갖는다.

일 실시예에서, 직사각형 조리개는 유도성 조리개(inductive iris)이고, 원통형 마이크로파 공동의 대칭 축에 평행한 짧은 치수를 갖는다.

본 발명의 예시적인 실시예들이 달성되는 방식이 상세하게 이해될 수 있도록, 위에 간략하게 요약된 본 발명의 실시예들의 더 구체적인 설명은 실시예들을 참조할 수 있으며, 그들은 첨부 도면들에 도시되어 있다. 본 발명을 모호하게 하지 않게 하기 위해, 특정한 공지된 프로세스들은 본 명세서에 논의되지 않는다는 점을 알아야 한다.
도 1a는 실시예들을 수행하는 데에 이용될 수 있는 플라즈마 반응기의 정면 단면도이다.
도 1b는 도 1a에 대응하는 평면도이다.
도 1c는 관련된 반응기의 평면도이다.
도 2는 도 1a의 반응기를 포함하는 시스템의 개략도이다.
도 3은 도 1a의 반응기를 포함하는 다른 시스템의 개략도이다.
도 3a는 도 3의 시스템을 동작시키는 방법을 도시하는 블록도이다.
도 4 및 도 5는 상세한 설명에서 언급되는 좌표계들을 도시한다.
도 6은 임피던스 쉬프팅 조리개들을 갖는 전력 피드 도파로들의 쌍을 포함하는 시스템의 도면이다.
도 6a는 도 6에 대응하는 평면도이다.
도 7, 도 8, 및 도 9는 도 6의 각각의 도파로에서 이용하기 위한 상이한 조리개들을 도시한다.
이해를 용이하게 하기 위해, 가능한 경우에는, 도면들에 공통인 동일한 구성요소들을 나타내기 위해 동일한 참조번호들이 이용되었다. 일 실시예의 구성요소들 및 특징들은 추가의 언급 없이도 다른 실시예들에서 유리하게 포함될 수 있음이 예상된다. 그러나, 본 발명은 동등한 효과의 다른 실시예들을 허용할 수 있으므로, 첨부 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예들을 도시할 뿐이고, 따라서 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다는 점에 주목해야 한다.

도입 :

본 설명에서, 원통형 공동 내에서의

및

의 일반적인 경우에 대해, 마이크로파 필드 회전이 제공되고, 여기서 m, n 및 l은 사용자에 의해 선택된 적절한 정수들이다. 우리의 최근 실험 작업은

모드가 일부 조건들 하에서 플라즈마 분포의 더 큰 균일성을 만든다는 것을 확인해준다.

추가로, 전력 공급 도파로(power-supplying waveguide) 내에 설치된 조리개들(irises)을 이용함으로써 챔버 임피던스를 변화시키기 위한 방법이 개시된다. 일반적으로, 원통형 공동은 공동으로부터의 마이크로파 에너지를 플라즈마에 전달하기 위해 복사 슬롯들이 컷아웃되는 최하부 플레이트를 갖는다. 주어진 설계의 복사 슬롯들에 대해, 챔버 임피던스는 고정된다. 챔버 임피던스가 스텁 튜너(stub tuner)에 의해 제어되는 영역 내에 있는 경우, 스텁 튜너는 임피던스 정합을 쉽게 이룰 것이다. 그렇지 않다면, 튜닝은 예측불가능하거나 불안정하여, 튜닝 위치의 진동(oscillation)을 만든다. 반대로, 챔버 임피던스가 제어되는 경우, 챔버 임피던스는 튜너 선호 영역들(tuner-preferred regions)로 이동될 수 있고, 이는 또한 스텁들의 개수의 감소를 더 야기하여, 비용 감소를 야기한다. 본 명세서에서 제안되는 방법은 단순하고, 챔버 임피던스를 우리의 최근 실험들에서 입증된 것과 같이 스미드 차트(Smith chart) 내의 넓은 범위들로 이동시킨다. 이러한 방법의 채택은 안정적인 플라즈마 튜닝, 및 챔버-대-챔버 에칭/플라즈마 정합을 제공할 것이다.

마이크로파 캐리어 진동수를 갖는 원통형 공동 내에서의

및

모드의 고속 회전 :

본 설명에서, 고속 회전은 동작 마이크로파 진동수(operational microwave frequency)와 동일한 회전 진동수를 갖는 필드 회전(field rotation)으로서 정의된다. 도 1a는 벽(111)에 의해 둘러싸이며 진공 압력 하에서 가스를 담고 있는 처리 챔버(110), 및 워크피스(114)를 지지하기 위한 워크피스 지지체(112)를 포함하는 플라즈마 반응기(100)의 단순화된 측면도이다. 처리 챔버(110) 위에 놓인 원통형 공동(120)은 측벽(121a), 천장(121b), 및 도 1b에 도시된 슬롯들(124)을 갖는 저부(122)에 의해 둘러싸인다. 벽들(121a 및 111)은 응용에 따라 금속 구조물들에 의해 연결될 수 있다. 유전체 플레이트(130)는 저부(122) 아래에 진공 밀봉을 제공한다. 유전체 플레이트(130)는 바람직하게는 마이크로파 복사에 투명한 재료로 형성된다. 도 1c는 저부(122)가 개구(810)를 가지며 보조 점화 전극(auxiliary ignition electrode)(820)이 진공 밀봉(도시되지 않음)과 함께 개구(810) 내에 배치되는 실시예를 도시한다. 보조 점화 전극(820)은 100Hz-10MHz 범위 내의 RF 진동수의 RF 소스(830)에 의해 구동된다. RF 소스(830)는 임피던스 정합(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 처리 챔버(110)의 저부(122) 및/또는 벽(111)은 보조 점화 전극(820)에 대한 접지 평면의 기능을 할 수 있다. 대안적으로, 보조 점화 전극은 추가의 개구 및 진공 밀봉을 제공함으로써 벽(111) 상에 위치될 수 있다. 전극(820) 및 접지 평면은 개구(810)에 의해서만 분리된다. 요약하면, 보조 점화 전극(820)은 접지 평면[즉, 챔버(110)의 저부(122) 및/또는 벽(111)]과 함께 용량 결합성 RF 점화 회로를 형성하여, 궁극적으로는 마이크로파 전력에 의해 유지되는 플라즈마의 점화를 돕는다.

도 2는 측벽(121a) 내의 제1 및 제2 마이크로파 입력 포트 P 및 Q가 서로에 대해 비-직교 각도(non-orthogonal angle)로 이격되는 방위각 위치들에 위치되는 실시예를 도시한다. 도 2에서, 2개의 동일한 마이크로파 모듈 Set-1 및 Set-2는 각각 입력 포트 P(여기서,

) 및 입력 포트 Q(여기서,

)에서 원통형 공동(120)에 연결된다. 모듈들 Set-1 및 Set-2의 다른 단부들은 마이크로파 신호들을 모듈들 Set-1 및 Set-2에 공급하는 이중 디지털 시드(위상 및 진폭) 발생기(340)의 각각의 출력 신호들 A₁ 및 A₂에 연결된다. 각각의 모듈에서, 시드 신호는 고체 상태 증폭기(350)에 의해 증폭되고, 고체 상태 증폭기는 반사를 감소시키기 위해 신호를 서큘레이터(352), 및 전형적으로 3극 스텁 튜너인 튜너(354)에 전송한다. 최종적으로, 마이크로파는 복사 애퍼쳐를 갖는 도파로(360)를 통해 원통형 공동(120) 내로 도입되고, 원통형 공동(120) 내에서 고유 모드들(eigen modes)(공진)을 여기시킨다. 일반적으로, 전송 라인들은 증폭기(350)의 출력으로부터 스텁 튜너(354)까지 사용된다. 이러한 예에서, 복사 애퍼쳐는 도파로(360)의 첨단에 배치된다. 동축-대-도파로 변환기(coaxial-to-waveguide transformer)(358)는 튜너(354)와 도파로(360) 사이에 삽입된다. 그러나, 극 또는 루프 안테나가 채택되는 경우, 변환기(358)가 제거될 수 있다. 추가로, 증폭기(350)를 보호하기 위해, 더미 로드(dummy load)(362)가 서큘레이터(352)의 한 단부에 연결된다.

모니터링 안테나들(200a 및 200b)은 마이크로파 신호들을 수신하기 위해 직교로 배치된다. 모니터링 안테나들(200a 및 200b) 각각에 의해 수신되는 신호는 신호 피드백 제어기(340-1)에 의해 처리된다. 피드백 제어기(340-1)에서, 마이크로파 진동수로 수신된 신호의 위상 및 진폭을 측정하기 위해, 동일 및 직교 위상 복조(IQ 복조)가 수행된다. 이러한 위상 및 진폭 검출이 모듈들 Set1 및 Set2 둘 다에 대해 수행될 때, 제어기(340-1)는 디지털 신호 처리를 이용하여 상호 시간 위상 차(mutual temporal phase difference)

및 출력 신호들 A₁ 및 A₂의 진폭을 계산한다. 마이크로파 캐리어 진동수를 갖는 원통형 공동 내에서의

및

모드의 원형 고속 회전(circularly fast rotation)은

및 A₁=A₂를 필요로 하므로, 제어기(340-1)는 요구되는 관계가 만족될 때까지 피드백 루프 제어를 수행한다. 이러한 피드백은 스텁 튜닝 작업들(stub tuning works)로부터 독립적으로 동작된다. 그러므로, FPGA 및 마이크로제어기와 같은 고속 제어기들이 이용되는 한, 요구되는 조건에 대한 즉각적인 전환은 1 밀리초 미만에 달성된다.

공진 공동(resonant cavity)에서의

의 전자기장들의 표현 :

도 2에서, 입력 포트들 P 및 Q의 기울어진(비-직교) 배향은 원형 고속 회전을 만들기 위해, Q의 시간 위상 지연

에 대해 P의 시간 위상 지연과는 다른 새로운 조건을 요구한다. 이미 언급된 바와 같이, 피드백 모니터링 시스템은 완전한 원형 고속 회전을 만들기 위해 제어에 주의할 수 있다. 그러나, 피드백 제어 시간이 최소화되도록

의 최상의 초기값을 설정하는 것이 바람직하다. 이제,

및

에 대해

가 도출된다. 아래에서, h는 원통형 공동의 높이이고, R은 원통형 공동의 반경이다.

에 대해, 필드들은 주어진 단일 정수 'm'에 대해 가우스 단위로 표현된다:

[수학식 1]

공동 내의 전기장의 접선 성분들(tangential components)이 반드시 소멸해야 한다는 경계 조건은 아래의 관계식들을 야기한다:

[수학식 2]

여기서,

이다.

그러면, 필드들은 다음과 같이 된다:

[수학식 3]

시간 항

와 함께 2개의 축퇴(degenerate) 'n' 및 '-n'을 고찰하면, 자기장을 다음과 같이 쓸 수 있다:

[수학식 4]

여기서, a 및 b는 상수이다.

고정된 (r, z)에서의 모든 자기장 성분은 새롭게 정규화된 상수 a 및 b와 함께 다음과 같은 형태로 쓸 수 있다:

[수학식 5]

여기서,

또는

이다.

구체적으로, 수학식 5에서, "a" 및 "b"는 각각 반시계 방향 및 시계 방향 회전의 진폭 계수들이다.

공진 공동 내에서의

의 전기장들의 표현 :

[수학식 6]

과 마찬가지로, 공동 내의 전기장들의 접선 성분들이 소멸되어야 한다는 경계 조건은 약간의 변화와 함께 아래의 관계식들을 야기한다:

[수학식 7]

여기서,

이다.

[수학식 8]

시간 항

와 함께 n 및 -n 둘 다를 고려할 때, 자기장들을 다음과 같이 쓸 수 있다:

[수학식 9]

[수학식 10]

여기서,

또는

이다. 수학식 10은 수학식 5와 동일한 형태이므로, 이하의 논의는

및

둘 다에 적용될 수 있다. 간단히 하기 위해, 수학식 5 및 수학식 10의 항

은 이하의 논의에서 빠질 것이다:

및

를 위한 단일 및 이중 주입 :

포트 P로부터의 파동 여기를 고려할 때, 반시계 방향 및 시계 방향 회전들은 제1 근사와 동일한 확률들로 여기된다. 다음으로, 여기된 파동은 수학식 2의 계수들 a 및 b를 1(unity)로서 재정규화함으로써 쓰여질 수 있다:

[수학식 11]

다음으로, 포트 Q로부터의 파동을 동일한 전력 및 진동수로, 그러나 시간 위상 지연

으로 여기시킬 때, 여기된 파동은 다음과 같이 표현될 수 있다:

[수학식 12]

여기서,

는 포트 P에 대한 포트 Q의 위치에서의 각도 오프셋이고,

는 마이크로파 출력들 A₁ 및 A₂ 사이의 시간 위상 차이다. 입력 포트들 P 및 Q 둘 다로부터 공동(120)을 동시에 여기시킬 때, 여기된 파동은 수학식 11 및 수학식 12의 합산으로서 주어질 수 있다:

또는, 반시계 방향

및 시계 방향

성분들을 인수분해하면 다음과 같다:

[수학식 13]

여기서,

[수학식 14]

[수학식 15]

및

를 위한 시계 방향 회전에 대한 조건 :

수학식 14의 마지막 항이 널(null)인 경우에만 반시계 방향 항이 소멸될 것이다:

[수학식 16]

k = 정수

수학식 16의 조건뿐만 아니라 이하의 조건이 동시에 만족되는 경우:

[수학식 17]

p = 정수

반시계 방향 파동 또는 시계 방향 파동 중 어느 것도 여기되지 않는다. 이러한 동시 조건은 다음에 의해 제공될 수 있다:

반대로,

또는

을 위한 시계 방향 회전만을 여기시키기 위한 필요충분 조건(necessary and sufficient condition)은 다음과 같이 요약될 수 있다:

[수학식 18]

시계 방향 회전의 에너지 전달 효율을 최대화하기 위해, 수학식 16과 동시에, 수학식 15의 마지막 항은 ±1이어야 하는데, 즉 다음과 같다:

이것은 다음과 같이 축소될 수 있다:

[수학식 19]

수학식 19는 수학식 18의 특수한 경우로서 포함된다. 그러나, 수학식 19는 수학식 19의 최대 효율 때문에 바람직하다. 추가의 단순화는 k=p로 설정함으로써 주어진다.

[수학식 20]

최대 효율로 순수한 시계 방향 회전을 여기시키기 위한 마이크로파 이중 주입들은 다음과 같이 요약된다:

TE ₁₁₁ 의 경우 :

포트 P로부터

만큼 분리된 포트 Q

[수학식 21]

시간적 위상 지연:

[즉, 위상 전진(phase advanced)]

TE ₁₂₁ 의 경우 :

포트 P로부터

또는

만큼 분리된 포트 Q

[수학식 22]

시간적 위상 지연:

(즉, 위상 전진)

및

을 위한 반시계 방향 회전에 대한 조건:

동일한 방식으로,

또는

을 위한 반시계 방향 회전만을 여기시키기 위한 필요충분 조건은 다음과 같이 요약될 수 있다:

[수학식 23]

수학식 23은

및

를 모드들

또는

의 사용자 선택 인덱스들(user-selected indices) m, n 및 l의 함수로서 정의한다. 반시계 방향 회전의 에너지 효율을 최대화하기 위해, 수학식 15와 동시에, 수학식 16의 마지막 항은 ±1이어야 하는데, 즉 다음과 같다:

[수학식 24]

이것은 다음과 같이 축소될 수 있다:

[수학식 25]

또는 k=p로 설정하는 것에 의한 단순화는 다음을 제공한다:

[수학식 26]

TE ₁₁₁ 의 경우 :

포트 P로부터

만큼 분리된 포트 Q

[수학식 27]

시간적 위상 지연 =

TE ₁₂₁ 의 경우 :

포트 P로부터

또는

만큼 분리된 포트 Q

[수학식 28]

시간적 위상 지연 =

수학식 18-20 및 수학식 23-26 각각은

및

를 모드들

또는

의 사용자 선택 인덱스들 m, n 및 l의 함수로서 정의한다.

요약하면, 공동(120) 내에서, 회전 마이크로파는 공동의 임의의 공진 모드

또는

에 대해 확립되고, 여기서 사용자는 모드 인덱스들 n, m, 및 l의 값들을 자유롭게 선택한다. 이것은 포트들 P 및 Q 사이의 시간 위상 차

및 방위각

를 수학식 18-20 및 수학식 23-26 중 적용가능한 것에서 정의되는 m, n 및 l의 함수로서 설정함으로써 달성된다. 상술한 것은 도 3a의 블록도에서 방법으로서 도시된다. 도 3a에서, 워크피스 처리 챔버 위에 놓인 원통형 마이크로파 공동을 포함하는 플라즈마 반응기가 도 3에서와 같이 제공된다. 제1 및 제2 입력 포트들 P 및 Q는 원통형 마이크로파 공동의 측벽 내에서 오프셋 각도

만큼 이격되어 제공된다[도 3a의 블록(600)]. 다음 단계는 원통형 마이크로파 공동 내에서 모드

또는

의 회전 마이크로파들을 발생시키는 것이고, 여기서 m, n 및 l 중 적어도 2개는 TE 또는 TM 모드의 사용자 선택 값들이다[블록(602)]. 이것은 시간적 위상 차

만큼 분리된 각각의 마이크로파 신호들을, 제1 및 제2 결합 애퍼쳐 중의 각각의 결합 애퍼쳐를 통해 원통형 마이크로파 공동 내로 도입함으로써 행해진다[도 3a의 블록(604)]. 방법은 원통형 마이크로파 공동 내에서 모드

또는

의 회전 마이크로파들을 생성하기 위해, 오프셋 각도

및 시간적 위상 차

의 값들을 사용자 선택 TE 또는 TM 모드 인덱스들 m, n 및 l 중 적어도 2개의 함수인 값들로 조절하는 것을 포함한다[도 3a의 블록(606)].

원통형 공동 내에서의

및

모드의 저속 회전을 위한 일반화된 진폭 변조:

도 3은 원통형 공동 내에서의

및

모드의 저속 회전을 위한 진폭 변조를 위한 도 2의 실시예의 수정을 도시한다. 이것은 모니터링 안테나의 부재, 및 신호 피드백 제어기의 부재를 제외하면, 도 2와 동일하다.

포트들 P 및 Q로부터 복사된 진폭 변조들 :

포트들 P 및 Q로부터 복사된 마이크로파 필드들 - 여기서, P 및 Q는 공간적으로 90도만큼 분리됨 - 은 1-1000Hz 정도의 진동수

의 저속 회전을 만들기 위해 아래의 형태의 진폭 변조를 가져야만 한다.

[수학식 29]

[수학식 30]

여기서,

는 임의의 상수이고,

는 회전의 각 진동수이고, t는 시간이며,

는 임의의 초기 위상이고, 수학식 30의 플러스 및 마이너스 기호는 각각 반시계 방향 및 시계 방향 회전에 대응한다. 다음으로, 원통형 공동 내의 여기된 파동은 방위각

를 이용하여 표현될 수 있다:

[수학식 31]

수학식 29-30을 x-y 좌표계로 다시 쓰면, 아래와 같이 기술될 수 있다: 벡터 입력

[수학식 32]

은

[수학식 33]

의 벡터 파동(vector wave)을 여기시키며, 여기서

및

는 각각 x 및 y 방향에서의 단위 기저 벡터들(unit base vectors)이다.

도 3에서, 포트들 P 및 Q가 반드시 90도 간격으로 위치되는 것은 아니다. 그러나, 여기된 파동이 수학식 33의 형태를 가져야하는 것은 필수적이다. 이러한 문제는 도 4에 도시된 것과 같이 직교 x-y 시스템으로부터 사교(oblique) a-b 시스템으로의 좌표 변환으로 전환될 수 있다.

도 4에서, 일반 벡터

는 아래와 같이 정의된다:

[수학식 34]

a-b 시스템 내의 기저 벡터들은 다음과 같이 정의된다:

[수학식 35]

[수학식 36]

그러므로, 포트들 P 및 Q가 90도만큼 분리될 때, 수학식 33은 다음과 같이 표현될 수 있다:

[수학식 36-2]

여기서, 공통의 시간 항

은 스킵되었다.

따라서, 수학식 34의 p 및 q는 다음과 같이 정의된다:

[수학식 36-3]

[수학식 36-4]

사교 시스템에서의 표현을 구하기 위해, 역기저(reciprocal bases)

및

를 기저

및

에 대응하는 것으로 한다:

[수학식 36-5]

[수학식 36-6]

여기서,

및

는 다음과 같이 정의된다:

[수학식 36-7]

[수학식 36-8]

수학식 34의 2번째 항 및 3번째 항에서 수학식 36-5 및 36-6을 곱하면, 좌표 변환이 구해진다:

[수학식 37]

[수학식 38]

여기서,

[수학식 39]

이다.

수학식 32 및 33에서의 x-y 시스템의 좌표들은 이제 다음과 같이 a-b 시스템의 좌표들로 변환된다:

수학식 36-3 및 36-4를 수학식 37, 38에 삽입하면, 명시적 형태가 구해진다:

[수학식 40]

[수학식 41]

요약하면, 포트들 P 및 Q가 도 3 또는 도 5에 도시된 바와 같이 수학식들 36-7 및 36-8에 의해 정의된 일반각으로 이격될 때,

의 회전 진동수의 저속 회전 마이크로파 필드는 다음에 의해 표현되는 포트들 P 및 Q로부터의 마이크로파 필드 입력들에 의해 여기될 수 있다:

[수학식 42-1]

[수학식 42-2]

여기서, r 및 s는 수학식 40 및 41에서 정의되고, 수학식 41의 플러스 및 마이너스 부호는 각각 반시계 방향 및 시계 방향 회전들에 대응한다. 수학식 42-1 및 42-2의 형태는 r 및 s의 시변 함수들(time varying functions)을 이용한 진폭 변조의 형태이다.

수학식 22 및 28과 관련하여, 도 5에 도시된 바와 같이 포트 Q가 포트 P로부터

만큼 분리되어 TE₁₂₁의 저속 회전을 만드는 경우를 설명할 것이다:

[수학식 43]

[수학식 44]

수학식 43 및 44를 수학식 39-41 내로 치환하면 다음과 같이 된다:

[수학식 45]

[수학식 46]

이것은 도 5의 기하학적 구성에 대해, 포트들 P 및 Q로부터 수학식 45 및 46 형태의 마이크로파 전력을 각각 공급할 때, 여기된 파동이 수학식 33의 것과 동일할 것임을 보여준다. 이것은 수학식 43 - 46을 수학식 34 내로 치환하는 것이 수학식 36-2를 야기하고, 이는 수학식 32를 야기하고, 결국은 수학식 33을 야기한다는 사실에 의해 검증된다. 포트들 P 및 Q의 다른 구성들에 대해, 통상의 기술자는 위와 동일한 방식으로 각각의 포트의 공급 전력들을 도출할 수 있다.

전력 공급 도파로 내의 조리개들에 의한 임피던스 쉬프팅 :

도 6에 도시된 바와 같이, 도 2의 실시예 또는 도 3의 실시예의 2개의 도파로(360) 각각은 포트들 P 및 Q 중의 각각의 포트를 통해 원통형 공동(120)의 내부 내로 개방되는 복사 또는 결합 애퍼쳐(405)를 갖는다. 도 6에 도시된 실시예에서, 도파로(360)는 측벽들(410, 411)의 쌍, 저부(412), 및 천장(413)을 포함하여, 직사각형 단면을 형성하는 4개의 전도체 벽을 갖는 직사각형이다. 도파로(360)의 입력 개구(415)는 마이크로파들을 수신하기 위해 개방된다. 대향 단부(416)는 벽(418)에 의해 커버된다. 위에 언급된 결합 애퍼쳐(405)는 벽(418) 내에 형성되고, 포트들 P 및 Q 중 대응하는 포트와 정렬된다. 각각의 포트 P 및 Q는 공동(120)의 측벽 내의 개구이고, 결합 애퍼쳐(405)의 치수들과 일치할 수 있다.

도파로(360)는 조리개(420)와 같은 하나 이상의 조리개를 포함할 수 있다. 조리개(420)는 직사각형 벽(422) 내의 직사각형 창으로서 형성된다. 도파로(360)의 행동은 직사각형 입력 개구(415)의 치수들 a×b, 직사각형 조리개(420)의 치수들 c×d, 직사각형 결합 애퍼쳐(405)의 치수들 e×f, 조리개(420)와 입력 단부(415) 사이의 거리 g, 및 조리개(420)와 결합 애퍼쳐(405) 사이의 거리 h에 의해 결정된다. 다른 적절한 형상들 및 치수들이 선택될 수 있다. 챔버 임피던스를 튜닝하기 위해, 결합 애퍼쳐 크기 e×f가 먼저 조절된다. 일례에서, 공진 "1"의 최상 스펙트럼은 e×f = 60mm×2mm에 대해 구해졌다. 설명을 간단히 하기 위해, 이하에서는 공진 "1"만이 고찰될 것이다.

다음으로, 결합 애퍼쳐들(405)로부터 조리개(420)의 임의의 거리 h가 선택된다. 도 7에서, 용량성 조리개(capacitive iris)가 선택되고, 치수 d의 값이 조절된다. d의 크기가 변화됨에 따라, 3개의 공진의 임피던스들이 이동한다. 또한, 스미드 차트 내의 공진 원(resonant circle)의 크기에 의해 표현되는 품질 인자 Q도 또한 변화한다. 도 8은 유도성 조리개(inductive iris)를 도시하며, 이것을 이용하여 상이한 임피던스 쉬프트들이 구해질 수 있다. 도 9에 도시된 공진 조리개는 목표 진동수의 챔버 임피던스가 스미드 차트의 중심에 위치되는 임계 결합(critical coupling)을 만들 수 있다. 이러한 구성에서, 도 2 및 도 3의 스텁 튜너들이 제거될 수 있고, 이는 단순화되고 비용 효율적인 챔버 설계를 야기한다. 그러나, 임계 결합은 높은 Q 값을 가지므로, 이러한 설정은 일반적으로 튜닝의 반복가능성을 열화시킬 것이다.

점선에 나타난 바와 같이, 제2 조리개 플레이트(500)는 바람직한 챔버 임피던스를 구하기 위해 도파로(360) 내에 배치될 수 있다. 제3 조리개 플레이트도 물론 추가될 수 있다.

이점들 :

도 1 - 도 5의 실시예의 주된 이점은, 플라즈마 처리를 위한 회전 마이크로파가, 2개의 상이한 방위각 위치에서의 마이크로파 여기들 사이의 공간적 및 시간적 분리의 적절한 조절에 의해, 모드들

및

의 사용자 선택 모드 인덱스들 m, n 및 l의 임의의 적절한 조합에 대해 생성될 수 있다는 것이다. 도 6 - 9의 실시예의 주된 이점은 임피던스 쉬프팅 조리개들을 공동에 결합되는 전력 피드 도파로들 내로 도입함으로써 챔버를 변경하지 않고서 마이크로파 챔버 임피던스가 조절될 수 있다는 것이다.

상술한 것은 본 발명의 실시예들에 관한 것이지만, 본 발명의 다른 실시예들 및 추가의 실시예들은 본 발명의 기본 범위로부터 벗어나지 않고서 만들어질 수 있고, 그것의 범위는 이하의 청구항들에 의해 결정된다.

Claims

워크피스 처리 챔버 위에 놓인 원통형 마이크로파 공동, 및 상기 원통형 마이크로파 공동의 측벽 내에서 오프셋 각도
만큼 이격된 제1 및 제2 입력 포트 P 및 Q를 포함하는 플라즈마 반응기에서, 상기 원통형 마이크로파 공동 내에서 모드
또는
의 회전 마이크로파들을 발생시키는 방법으로서,
m, n 및 l은 TE 또는 TM 모드의 사용자 선택 값들(user-selected values)이고, 상기 방법은,
시간적 위상 차(temporal phase difference)
만큼 분리된 각각의 마이크로파 신호들을, 제1 및 제2 결합 애퍼쳐(coupling apertures) 중의 각각의 결합 애퍼쳐를 통해 상기 원통형 마이크로파 공동 내로 도입하는 단계; 및
상기 원통형 마이크로파 공동 내에서 모드
또는
의 회전 마이크로파들을 생성하기 위해, 상기 오프셋 각도
및 상기 시간적 위상 차
의 값들을 상기 사용자 선택 TE 또는 TM 모드 인덱스들 m, n 및 l 중 적어도 2개의 함수인 값들로 조절하는 단계
를 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 함수는,

로서 정의되는, 방법.
제2항에 있어서, 상기 회전 마이크로파들은 동작 마이크로파 진동수(operational microwave frequency)와 동일한 회전 진동수를 갖고서 시계 방향으로 회전하는, 방법.
제1항에 있어서, 상기 함수는,

로서 정의되는, 방법.
제1항에 있어서, 상기 함수는,

로서 정의되는, 방법.
제5항에 있어서, 상기 회전 마이크로파들은 동작 마이크로파 진동수와 동일한 회전 진동수를 갖고서 반시계 방향으로 회전하는, 방법.
제1항에 있어서, 상기 함수는,

로서 정의되는, 방법.
제1항에 있어서, 상기 각각의 마이크로파 신호들 중 제1 마이크로파 신호는,

의 형태이고, 여기서 ω는 상기 각각의 마이크로파 신호들의 각 진동수이고, t는 시간이며,
또는
인, 방법.
제8항에 있어서, 상기 각각의 마이크로파 신호들 중 제2 마이크로파 신호는,

의 형태이고, 여기서 ω는 상기 마이크로파 신호들의 각 진동수이고, t는 시간이며,
또는
인, 방법.
워크피스 처리 챔버 위에 놓인 원통형 마이크로파 공동, 및 상기 원통형 마이크로파 공동의 측벽 내에서 일반 각도만큼 이격된 제1 및 제2 입력 포트를 포함하는 플라즈마 반응기에서, 상기 원통형 마이크로파 공동 내에서 회전 진동수
를 갖는 회전 마이크로파들을 발생시키는 방법으로서,
이하의 수학식

을 만족시키기 위해 상기 일반 각도를 설정하는 단계; 및

에 의해 각각 표현되는 마이크로파 필드들을 입력 포트들 P 및 Q에 입력하는 단계
를 포함하고, r 및 s는 이하의 수학식

으로 정의되고, "r"의 부호
는 회전이 반시계 방향인지 시계 방향인지를 결정하는, 방법.
플라즈마 반응기로서,
워크피스를 제1 평면에 지지하기 위한 워크피스 지지체를 포함하는 워크피스 처리 챔버;
상기 워크피스 처리 챔버 위에 놓인 원통형 마이크로파 공동, 및 상기 워크피스 지지체보다 큰 직경을 갖는 상기 원통형 마이크로파 공동의 측벽의 부분 내에서 방위각(azimuthal angle)만큼 이격된 제1 및 제2 입력 포트 P 및 Q - 상기 원통형 마이크로파 공동은 저부(floor)를 포함하고, 상기 저부는 상기 제1 평면에 평행하고, 상기 원통형 마이크로파 공동을 상기 워크피스 처리 챔버로부터 분리하고, 마이크로파 에너지가 상기 워크피스 처리 챔버, 천장 및 측벽으로 통과하기 위한 복수의 애퍼쳐를 포함함 -;
마이크로파 진동수를 갖고 마이크로파 소스 출력들의 쌍을 갖는 마이크로파 소스;
각각의 도파로들의 쌍 - 상기 각각의 도파로들 각각은 상기 마이크로파 소스 출력들 중의 각각의 마이크로파 소스 출력에 결합된 마이크로파 입력단, 및 상기 제1 및 제2 입력 포트들 중의 각각의 입력 포트에 결합된 마이크로파 출력단을 가짐 - ;
상기 출력단에 있는 결합 애퍼쳐 플레이트, 및 상기 결합 애퍼쳐 플레이트 내의 직사각형 결합 애퍼쳐; 및
상기 결합 애퍼쳐 플레이트와 상기 마이크로파 입력단 사이의 조리개 플레이트, 및 상기 조리개 플레이트 내의 직사각형 조리개 개구
를 포함하는 플라즈마 반응기.
제11항에 있어서, 상기 직사각형 결합 애퍼쳐 및 상기 직사각형 조리개 개구는 상기 결합 애퍼쳐 및 상기 조리개 개구 각각의 긴 치수를 따라 각각의 평행 축들을 갖고, 상기 각각의 평행 축들은 상기 원통형 마이크로파 공동의 대칭 축에 평행한, 플라즈마 반응기.
제11항에 있어서, 상기 도파로들 각각은 상기 마이크로파 입력단과 상기 마이크로파 출력단 사이의 마이크로파 전파 방향을 갖고, 상기 마이크로파 전파 방향은 상기 원통형 마이크로파 공동의 대칭 축을 향해 연장되는, 플라즈마 반응기.
제11항에 있어서, 상기 직사각형 결합 애퍼쳐는 사용자 선택 임피던스(user-selected impedance)에 각각 대응하는 긴 치수 e 및 짧은 치수 f를 갖는, 플라즈마 반응기.
제14항에 있어서, 상기 직사각형 조리개 개구는 사용자 선택 공진(user-selected resonance)에 각각 대응하는 긴 치수 c 및 짧은 치수 d를 갖는, 플라즈마 반응기.
제15항에 있어서, 상기 직사각형 조리개는 용량성 조리개(capacitive iris)이고, 상기 원통형 마이크로파 공동의 대칭 축에 평행한 긴 치수를 갖는, 플라즈마 반응기.
제15항에 있어서, 상기 직사각형 조리개는 유도성 조리개(inductive iris)이고, 상기 원통형 마이크로파 공동의 대칭 축에 평행한 짧은 치수를 갖는, 플라즈마 반응기.