KR20030000791A

KR20030000791A - 바람개비형 병렬 공명 안테나

Info

Publication number: KR20030000791A
Application number: KR1020010036917A
Authority: KR
Inventors: 권기청; 변홍식; 이승원; 김홍습; 한순석; 고부진; 김정식
Original assignee: 주성엔지니어링(주)
Priority date: 2001-06-27
Filing date: 2001-06-27
Publication date: 2003-01-06
Also published as: KR100411133B1; CN1393958A; CN1215602C; US20030001792A1; TW569489B; US6653988B2

Abstract

본 발명에 따른 병렬 공명 안테나는, 하나의 중심점을 기준으로 하여 복수개의 안테나 유닛이 2차원적으로 방사형으로 설치되고, 상기 안테나 유닛 각각은 소정 부위에 접지점을 가지며, 상기 접지점 외측부분은 모두 같은 방향으로 각각 절곡되는데, 상기 안테나 유닛들이 모두 동일한 크기와 모양을 가지며 상기 중심점에서의 상기 안테나 유닛들 사이의 사이각이 모두 같은 바람개비형 안테나; 상기 바람개비형 안테나와 수직하도록 상기 중심점에 연결되어 외부로부터 고주파 전력을 인가받는 중심도선; 상기 바람개비형 안테나의 윗부분에 이격되어 설치되되 상기 안테나 유닛들의 끝부분들과는 연결되며, 자신의 가운데에는 상기 중심도선이 자신과 닿지 않고 통과하도록 관통구멍이 형성되어 있는 금속판; 및 상기 중심도선과 상기 금속판 사이에 직렬로 설치되는 가변 공진 커패시터; 를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 기하학적인 구조에 의하여 균일한 플라즈마를 얻을 수 있다. 안테나의 인덕턴스가 작아 초단파 영역에서도 임피던스 매칭이 용이하며, 공명점에서 접지점 내측부분의 안테나 유닛(Z1, Z2, Z3, Z4)의 전위가 낮기 때문에 공정진행 중에 원하지 않게 나타나는 스퍼터링 현상을 줄일 수 있다.

Description

바람개비형 병렬 공명 안테나{Parallel resonance whirl antenna}

본 발명은 병렬 공명 안테나에 관한 것으로서, 특히 초단파(very high freqency;VHF) 영역의 RF 전력을 균일하게 플라즈마에 전달할 수 있는 바람개비형 병렬 공명 안테나(Parallel resonance whirl antenna, Parallel resonance whishler antenna)에 관한 것이다.

반도체소자 제조공정에서는 플라즈마를 이용하는 공정이 종종 수행된다. 건식식각, 화학기상증착 및 스퍼터링 등이 이러한 공정의 예이다. 공정의 효율성을 높이기 위해 최근에는 1×10¹¹∼2×10¹²이온/㎝³가량의 고밀도 플라즈마(High Density Plasma, HDP)를 이용하는 공정이 많이 채택되고 있다. 이러한 고밀도 플라즈마는 유도결합형 플라즈마(Inductively Coupled Plasma, ICP)에 의해서 얻을 수 있음이 이미 알려져 있다.

상술한 고밀도 유도결합형 플라즈마를 얻기 위해서 병렬 공명 안테나를 적용하는 시도가 많이 이루어지고는 있으나, 아직까지로는 밀도가 균일한 플라즈마를 얻기가 쉽지가 않다. 특히, 초단파 영역에서는 더욱 어렵다. 초단파 영역이란 20MHz 내지 300MHz 범위의 주파수 영역을 말한다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 초단파 영역의 RF 전력을 균일하게 플라즈마에 전달할 수 있는 새로운 구조의 병렬 공명 안테나를 제공하는 데 있다.

도 1a는 본 발명에 따른 바람개비형 병렬 공명 안테나를 설명하기 위한 개념도이고, 도 1b는 도 1a의 등가회로도;

도 2a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 바람개비형 병렬 공명 안테나를 설명하기 위한 평면도이고, 도 2b는 도 2a의 A-A' 선에 따른 단면도;

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 바람개비형 병렬 공명 안테나를 설명하기 단면도이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 병렬 공명 안테나는, 하나의 중심점을 기준으로 하여 복수개의 안테나 유닛이 2차원적으로 방사형으로 설치되고, 상기 안테나 유닛 각각은 소정 부위에 접지점을 가지며, 상기 접지점 외측부분은 모두 같은 방향으로 각각 절곡되는데, 상기 안테나 유닛들이 모두 동일한 크기와 모양을 가지며 상기 중심점에서의 상기 안테나 유닛들 사이의 사이각이 모두 같은 바람개비형 안테나; 상기 바람개비형 안테나와 수직하도록 상기 중심점에 연결되어 외부로부터 고주파 전력을 인가받는 중심도선; 상기 바람개비형 안테나의 윗부분에 이격되어 설치되되 상기 안테나 유닛들의 끝부분들과는 연결되며, 자신의 가운데에는 상기 중심도선이 자신과 닿지 않고 통과하도록 관통구멍이 형성되어 있는 금속판; 및 상기 중심도선과 상기 금속판 사이에 직렬로 설치되는 가변 공진 커패시터; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 안테나 유닛들은 구리로 이루어질 수 있다. 그리고, 상기 안테나 유닛들의 절곡된 부분은 상기 중심점을 중심으로 하는 원호모양을 하고, 상기 접지점 내측부분은 상기 절곡 방향으로 볼록한 모양을 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 중심도선을 통하여 공급되는 냉각수가 상기 안테나 유닛 및 상기 금속판을 순차적으로 거쳐 외부로 배출되도록, 상기 중심도선, 안테나 유닛들, 및 금속판은 모두 속이 비어 있을 뿐만 아니라 내부공간이 연통되도록 서로 연결되며, 냉각수 배출구가 상기 금속판의 관통구멍 근처에 마련되는 것이 바람직하다.

상기 접지점 내측부분의 안테나 유닛은 외측부분의 안테나 유닛보다 길이가 더 길거나 같은 것이 바람직하다.

상기 금속판은 상기 안테나 유닛들과 직접 연결되어 위로 볼록한 형태를 가질 수 있다. 또한, 외측도선이 상기 각 안테나 유닛의 끝단에 상기 바람개비형 안테나에 수직하게 각각 설치되어 있고 상기 금속판은 상기 외측도선에 연결 지지되어 평평한 모양을 할 수도 있다. 후자의 경우는 상기 중심도선을 통하여 공급되는 냉각수가 상기 안테나 유닛들, 상기 외측도선들, 및 상기 금속판을 순차적으로 거쳐 외부로 배출되도록, 상기 중심도선, 안테나 유닛들, 외측도선들, 및 금속판이 모두 속이 비어 있을 뿐만 아니라 내부공간이 연통되도록 서로 연결되며, 냉각수 배출구가 상기 금속판의 관통구멍 근처에 마련되는 것이 바람직하다.

이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1a는 본 발명에 따른 바람개비형 병렬 공명 안테나를 설명하기 위한 개념도이고, 도 1b는 도 1a의 등가회로도이다.

도 1a 및 도 1b를 참고하면, 복수개의 안테나 유닛은 점 O (이하 '중심점)를 중심으로 2차원적으로 방사형으로 설치된다. 각 안테나 유닛은 모두 같은 위치에 접지점(e, f, g, h)을 가지며, 접지점(e, f, g, h)의 외측부분은 모두 같은 방향으로 절곡된다. 따라서, 전체적으로 바람개비 모양을 하게 된다. 참조부호 Z1 내지 Z8은 해당부분을 가르킬 뿐만 아니라 그 부분의 임피던스값을 나타내는 부호이기도 하다.

RF 전원(110)은 중심점 O와 안테나 유닛들의 끝단(a, b, c, d)에 각각 연결된다. RF 전원(110)과 안테나 유닛들의 끝단(a, b, c, d) 사이에는 각 안테나 유닛에 공통되는 가변 공명 커패시터(C3)가 하나 설치된다. RF 전력과 병렬 공명 안테나 사이에는 임피던스 정합을 위하여 임피던스 정합장치(impedance matching box, IMB, 120)가 설치된다.

RF 전원(110)에서 공급되는 RF 전력은 한편으로는 중심점 O를 통하여 접지점 내측부분(Z1, Z2, Z3, Z4)에 병렬로 공급되고, 다른 한편으로는 가변 공명 커패시터(C3)를 거쳐 접지점 외측부분(Z5, Z6, Z7, Z8)에 병렬로 공급된다.

균일한 플라즈마 밀도를 얻기 위해서는, Z1=Z2=Z3=Z4, Z5=Z6=Z7=Z8 이 되도록 안테나 유닛들이 모두 동일한 크기와 모양을 가지도록 하는 것이 바람직하며, 또한 안테나 유닛이 기하학적으로 대칭이 되도록 중심점 O에서의 안테나 유닛들 사이의 사이각이 모두 같도록 하는 것이 바람직하다.

접지점(a, b, c, d)은 뾰족한 것보다 부드럽게 구부러진 곡면 형태를 하도록 하는 것이 바람직하다. 이는 뾰족한 점에서 전기장이 국부적으로 강하게 되어 플라즈마 균일도에 영향을 줄 수 있기 때문이다.

참조부호 A로 표시한 바와 같이 접지점 근처에서의 전류의 흐름이 거의 같은 방향이기 때문에 이 부분에서의 유도 자기장은 서로 상쇄되지 않고 보강간섭을 일으키게 된다. 따라서, 밀도가 균일한 플라즈마를 형성시킬 수 있게 된다.

[실시예 1]

도 2a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 바람개비형 병렬 공명 안테나를 설명하기 위한 평면도이고, 도 2b는 도 2a의 A-A' 선에 따른 단면도이다. 도면에 있어서, 도 1a와 동일한 참조번호는 동일 기능을 수행하는 구성요소를 나타내며 반복적인 설명은 생략한다.

도 2a 및 도 2b를 참조하면, 중심점 O에는 바람개비형 안테나와 수직하도록중심도선(140)이 설치된다. 금속판(130)은 바람개비형 안테나의 윗부분에 이격되어 설치되되 안테나 유닛들의 끝단들(a, b, c, d)과는 서로 연결되어 볼록한 형태를 가지며, 가운데에는 중심도선(140)이 자신과 닿지 않고 통과하도록 관통구멍(h)이 형성되어 있다. 도시되지는 않았지만 가변 공명 커패시터(도 1의 C3)는 중심도선(140)과 금속판(130) 사이에 직렬 연결되도록 설치된다. .

고주파전원(도 1의 110)을 통하여 중심도선(140)에 고주파 전력이 인가되면, 일부는 접지점의 내측부분(Z1, Z2, Z3, Z4)을 거쳐 접지점(e, f, g, h)으로 흐르고, 나머지 일부는 가변 공명 커패시터, 금속판(130), 및 접지점 외측부분(Z5, Z6, Z7, Z8)을 순차적으로 거쳐 접지점(e, f, g, h)으로 흐르게 된다.

공명주파수는 (LC)^-1/2로 쓸 수 있다. 여기서, 인덕턴스 L은 안테나의 기하학적 구조에 의해 결정이 되어 고정된 값을 가지므로 20MHz 내지 300MHz 범위의 초단파 영역에서는 커패시턴스값이 작아야 공명이 이루어진다. 따라서, 진공 가변 커패시터(vacuum variable capacitor)를 가변 공명 커패시터(C3)로 사용할 수도 있지만, 1 ~ 5pF 정도의 작은 커패시턴스를 확보할 수 있을 뿐만 아니라 커패시턴스 값을 미세하게 조절할 수 있는 동축 커패시터를 가변 공명 커패시터(C3)로 사용하는 것이 더욱 바람직하다.

안테나 유닛의 재질로는 전도성을 갖는 물질을 사용할 수 있는데, 주로 구리를 많이 사용한다. 각 안테나 유닛은 모두 같은 위치에 접지점(e, f, g, h)을 가지며, 접지점(e, f, g, h)의 외측부분은 모두 같은 방향으로 절곡된다. 접지점 외측부분 즉, 절곡부분(Z5, Z6, Z7, Z7)은 중심점 O를 중심으로 하는 원호모양을 하고, 접지점 내측부분(Z1, Z2, Z3, Z4)은 절곡 방향으로 볼록한 모양을 하여 전체적으로 바람개비 모양을 한다. 안테나 유닛의 접지점 내측부분(Z1, Z2, Z3, Z4)은 외측부분(Z5, Z6, Z7, Z8)보다 길이가 더 길거나 같은 것이 바람직하다. 접지점 내측부분(Z1, Z2, Z3, Z4)은 여러개의 원호로 구부러진 모양을 가질 수도 있다.

중심도선(140), 안테나 유닛들, 금속판(130)은 모두 속이 비어있고 서로 내부공간이 연통되도록 연결된다. 그리고, 금속판(130)의 관통구멍(h) 부근에는 냉각수 배출구(130a)가 마련된다. 따라서, 중심도선(140)을 통하여 냉각수를 공급하면 냉각수는 중심도선(140), 안테나 유닛들, 및 금속판(130)을 순차적으로 거쳐 냉각수 배출구(130a)를 통하여 외부로 배출된다.

[실시예 2]

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 바람개비형 병렬 공명 안테나를 설명하기 단면도이다. 도 2a 및 도 2b와의 차이점은 각 안테나 유닛의 끝단(a, b, c, d)에 바람개비형 안테나에 수직하도록 외측도선(150)이 각각 설치되어 있고, 금속판(130)은 외측도선(150)에 연결 지지되어 평평한 모양을 한다는 것이다.

이 경우에도 냉각수의 흐름을 위하여 외측도선(150)은 속이 빈 것을 사용하고, 외측도선(150)은 금속판(130) 및 각 안테나 유닛의 끝단들(a, b, c, d)과 내부공간이 서로 연통되도록 연결된다. 따라서, 중심도선(140)을 통하여 공급되는 냉각수는 안테나 유닛들, 외측도선들(150), 및 금속판(130)을 순차적으로 거쳐 외부로배출되게 된다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따른 병렬 공명 안테나에 의하면, 그 기하학적인 구조에 의하여 균일한 플라즈마를 얻을 수 있게 된다. 그리고, 안테나의 인덕턴스가 작아 초단파 영역에서도 임피던스 매칭이 용이하며, 공명점에서 접지점 내측부분의 안테나 유닛(Z1, Z2, Z3, Z4)의 전위가 낮기 때문에 공정진행 중에 원하지 않게 나타나는 스퍼터링 현상을 줄일 수 있다.

본 발명은 상기 실시예들에만 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다.

Claims

하나의 중심점을 기준으로 하여 복수개의 안테나 유닛이 2차원적으로 방사형으로 설치되고, 상기 안테나 유닛 각각은 소정 부위에 접지점을 가지며, 상기 접지점 외측부분은 모두 같은 방향으로 각각 절곡되는데, 상기 안테나 유닛들이 모두 동일한 크기와 모양을 가지며 상기 중심점에서의 상기 안테나 유닛들 사이의 사이각이 모두 같은 바람개비형 안테나;

상기 바람개비형 안테나와 수직하도록 상기 중심점에 연결되어 외부로부터 고주파 전력을 인가받는 중심도선;

상기 바람개비형 안테나의 윗부분에 이격되어 설치되되 상기 안테나 유닛들의 끝부분들과는 연결되며, 자신의 가운데에는 상기 중심도선이 자신과 닿지 않고 통과하도록 관통구멍이 형성되어 있는 금속판; 및

상기 중심도선과 상기 금속판 사이에 직렬로 설치되는 가변 공진 커패시터; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 병렬 공명 안테나.
제1항에 있어서, 상기 안테나 유닛들이 구리로 이루어지는 것을 특징으로 하는 병렬 공명 안테나.
제1항에 있어서, 상기 안테나 유닛들의 절곡된 부분은 상기 중심점을 중심으로 하는 원호모양을 하고, 상기 접지점 내측부분은 상기 절곡 방향으로 볼록한 모양을 갖는 것을 특징으로 하는 병렬 공명 안테나.
제1항에 있어서, 상기 중심도선을 통하여 공급되는 냉각수가 상기 안테나 유닛 및 상기 금속판을 순차적으로 거쳐 외부로 배출되도록, 상기 중심도선, 안테나 유닛들, 및 금속판이 모두 속이 비어 있을 뿐만 아니라 내부공간이 연통되도록 서로 연결되며, 냉각수 배출구가 상기 금속판의 관통구멍 근처에 마련되는 것을 특징으로 하는 병렬 공명 안테나.
제1항에 있어서, 상기 접지점 내측부분의 안테나 유닛이 외측부분의 안테나 유닛보다 길이가 더 길거나 같은 것을 특징으로 하는 병렬 공명 안테나.
제1항에 있어서, 상기 금속판이 상기 안테나 유닛들과 직접 연결되어 위로 볼록한 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 병렬 공명 안테나.
제1항에 있어서, 외측도선이 상기 각 안테나 유닛의 끝단에 상기 바람개비형 안테나에 수직하게 각각 설치되어 있고, 상기 금속판은 상기 외측도선에 연결 지지되어 평평한 모양을 하는 것을 특징으로 하는 병렬 공명 안테나.
제7항에 있어서, 상기 중심도선을 통하여 공급되는 냉각수가 상기 안테나 유닛들, 상기 외측도선들, 및 상기 금속판을 순차적으로 거쳐 외부로 배출되도록, 상기 중심도선, 안테나 유닛들, 외측도선들, 및 금속판이 모두 속이 비어 있을 뿐만 아니라 내부공간이 연통되도록 서로 연결되며, 냉각수 배출구가 상기 금속판의 관통구멍 근처에 마련되는 것을 특징으로 하는 병렬 공명 안테나.