KR20030085932A - 유도안테나를 구비한 플라즈마 발생용 안테나 구조 및유도안테나를 이용한 플라즈마발생장치 - Google Patents

유도안테나를 구비한 플라즈마 발생용 안테나 구조 및유도안테나를 이용한 플라즈마발생장치 Download PDF

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Abstract

진공챔버 내에 고주파를 제공하여 플라즈마를 발생시키기 위한 안테나장치는 진공챔버의 외부에 인접하게 설치되어 RF 전력에 의해 고주파를 발생하는 각진 나선구조의 코일 안테나, 코일 안테나의 일부분을 감싸도록 설치되어 무선으로 고주파를 유도하는 유도안테나, 및 코일 안테나와 유도안테나 사이에 충진되어 코일 안테나와 유도안테나를 서로 이격시키는 유전체를 포함한다. 코일 안테나의 외측에는 또한 코일 안테나와 소정 거리만큼 이격된 상태로 평행하게 배치되는 보상 안테나가 더 포함될 수 있으며, 보상 안테나에는 유도안테나로 유도된 RF 전력이 인가된다.

Description

유도안테나를 구비한 플라즈마 발생용 안테나 구조 및 유도안테나를 이용한 플라즈마발생장치{ANTENNA STRUCTURE HAVING INDUCTIVE ANTENNA FOR EXCITATION OF PLASMA AND APPARATUS FOR GENERATING PLASMA USING INDUCTIVE ANTENNA}
본 발명은 플라즈마 발생장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유도안테나를 구비한 플라즈마 발생용 안테나 구조 및 이를 이용한 플라즈마 발생장치에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 웨이퍼 또는 평판표시장치 등과 같은 미세패턴을 요구하는 기술분야에서는 플라즈마 식각(Plasma Etching), 화학기상증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), 스퍼터링(Sputtering) 등 각종 표면처리 공정을 수행하기 위해 플라즈마를 사용한다. 플라즈마는 109~1010/cm3의 밀도를 갖는 저온 글로우 방전 플라즈마와 1013~1014/cm3의 밀도를 갖는 초고온 핵융합 플라즈마로 크게 구별될 수 있는데, 이중 공업적으로는 저온 글로우 방전 플라즈마가 폭넓게 이용된다.
이러한 플라즈마를 제조하기 위해서는 일반적으로 이온화 가스에 RF를 공급하는 방식을 사용하는데, 지금까지 플라즈마 제조공정에서 이온화 가스를 플라즈마로 만들기 위해 RF를 공급하는 방식은 다양한 형태로 구현되어 왔다.
도 1에는 일반적인 플라즈마 발생장치의 한 예를 도시하고 있다. 도 1을 참조하면, 플라즈마 장치는 진공챔버(20) 위에 RF 공급용 안테나(30)가 설치된 구조를 가진다. 진공챔버(20)에는 플라즈마 생성에 사용되는 이온화 가스를 공급하기 위한 가스 라인(22)이 진공챔버(20)의 중심으로 연결되며, 또한 가스 교환을 위한 가스 출입부(24)가 일측에 형성된다. 또한, 진공챔버(20)에는 열교환을 위한 열 출입부(26)도 형성되는데, 열 출입부(26)를 통해서 진공챔버(20) 내의 온도를 원하는 수준으로 유지하게 된다.
진공챔버(20) 위에 설치된 안테나(30)는 일반적으로 각진 나선구조를 가지며, 그 단부는 접지된 형태를 취한다. 이 안테나(30)는 외부의 RF 발생기(10) 및 RF 매칭기(12) 등과 연결되어 RF 전력을 인가받아 고주파를 발생시키며, 이와 같이 발생된 고주파는 진공챔버(20) 내로 공급되어 이온화 가스를 플라즈마(28)로 변환시킨다.
이러한 종래의 플라즈마 발생장치에서 안테나(30)의 나선구조는 일반적으로 도 2에 도시된 형태를 갖는다. 도면에서 참조번호 29는 안테나(30)를 올려놓기 위한 안착부이며, 안테나(30)는 이 안착부(30) 위에 평면상으로 놓여진다.
도 2를 참조하면, 고주파 발생을 위한 종래의 안테나(30)는 각진 나선형태를 가지며, 각 부분이 서로 일정한 간격으로 이격되어 있다. 이러한 안테나(30)에는 RF 전원이 공급되어 주변으로 동심원 형상의 RF 필드를 형성한다. 안테나(30)는모든 부분을 통해서 생성한 동심원 형상의 RF 필드는 진공챔버(20) 내로 공급된다. 이와 같은 종래기술에 따른 안테나(30)의 각 부분을 통해 생성된 RF 필드의 한 예가 도 3에 도시된다.
그러나, 종래의 안테나(30)는 나선구조를 이루는 각 부분이 서로 일정한 간격으로 이격되어 있어, 방출되는 RF 필드는 중심부가 강하고 주변부로 갈수록 약해진다. 그에 따라서, 도면에 도시되는 것처럼, RF 필드에 의해 생성되는 플라즈마 또한 중심부의 기하학적 밀도가 높고 주변부의 기하학적 밀도가 낮은 불균일한 상태가 된다.
이러한 단점을 극복하기 위해서, 미국특허번호 제6,028,395호에는 "주변부에 부가적인 전도 세그먼트가 형성된 코일을 구비한 진공 플라즈마 가공장치(Vacuum Plasma Processor Having Coil With Added Conducting Segments To Its Peripheral Part)"가 제시되어 있다. 이 문헌에 개시된 진공 플라즈마 가공장치는 작업물이 놓인 진공실 위에 플라즈마 여기 코일(Plasma Excitation Coil)을 설치하여 진공실 내에 유입된 가스에 RF 필드(RF Field)를 공급하는 일반적인 구성을 가진다. 또한, 이 플라즈마 여기 코일은 각진 나선으로 이루어지는데, 이때 여기 코일의 주변부에는 부가적인 전도 세그먼트를 형성하여 주변부의 RF 필드를 증가시키고 있다. 그러나, 상술한 진공 플라즈마 가공장치는 전도 세그먼트에 의해서 주변부, 특히 여기 코일의 모서리 부분의 RF 필드를 증가시키기는 하였으나, 실질적으로 전체적인 RF 필드를 완전히 균일하게 만들지는 못한다. 특히, 전체적인 RF 필드를 보다 균일하게 만들기 위해서는 여기 코일의 각 부분에 다수의 전도 세그먼트를 더욱 복잡하게 구성하여야 하는데, 이는 제조비용의 상승 및 잦은 고장의 원인이 되기도 한다. 일반적으로, 여기 코일에서 방출되는 RF 필드는 일반적으로 동심원 방향의 파장을 가지고, 이는 전체적인 RF 필드가 불균일한 원인이 된다. 그러나, 상기와 같은 종래의 플라즈마 가공장치는 전도 세그먼트를 여기 코일에 단순히 병렬로 연결한 것에 불과하기 때문에, 전도 세그먼트에서 방출되는 RF 필드도 또한 여기 코일과 동일한 동심원의 파장을 가지게 된다. 따라서, 상술한 종래의 플라즈마 가공장치는 전체적인 RF 필드를 실질적으로 평준화시키지는 못한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 플라즈마를 발생시키기 위해 진공챔버 내에 고주파를 공급하는 각진 나선구조의 코일 안테나에 무선으로 고주파를 유도하는 유도안테나를 서로 이격되도록 설치함으로써 전체적으로 균일한 RF 필드를 제공할 수 있는 유도안테나를 구비한 플라즈마 발생용 안테나 구조를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기와 같은 안테나 구조를 이용한 플라즈마 발생장치를 제공하는데 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 일반적인 플라즈마 발생장치를 도시하는 개략도.
도 2는 종래의 플라즈마 발생장치에 사용된 나선형 코일 안테나를 도시하는 도면.
도 3은 도 2의 코일 안테나에 의해 발생하는 플라즈마의 기하학적 밀도분포를 나타내는 도면.
도 4는 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치에 사용된 안테나장치를 도시하는 도면.
도 5는 도 4의 안테나장치를 개략적으로 도시하는 단면도.
도 6은 본 발명의 안테나장치에 의해 발생하는 플라즈마의 기하학적 밀도분포를 나타내는 도면.
도 7은 본 발명에 따른 안테나장치의 다른 변형예를 도시하는 도면.
도 8은 본 발명에 따른 안테나장치의 또 다른 변형예를 도시하는 도면.
<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100..안테나 장치 110..코일 안테나 120..유도안테나
122..유전체 130..보상 안테나 132..배선
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따라서 진공챔버 내에 고주파를 제공하여 플라즈마를 발생시키기 위한 안테나 구조는 진공챔버의 외부에 인접하게 설치되어 RF 전력에 의해 고주파를 발생하는 각진 나선구조의 코일 안테나, 코일 안테나의 일부분을 감싸도록 설치되어 무선으로 고주파를 유도하는 유도안테나, 및 코일 안테나와 유도안테나 사이에 충진되어 코일 안테나와 유도안테나를 서로 이격시키는 유전체를 포함한다.
바람직하게, 상기 플라즈마 안테나 구조는 코일 안테나의 외측에 코일 안테나와 소정 거리만큼 이격된 상태로 평행하게 배치되는 보상 안테나를 더 포함하고, 보상 안테나에는 유도안테나에 의해 유도된 RF 전력이 인가된다.
또한, 상기 유도안테나는 코일 안테나의 해당 영역의 전체 길이에 대해 대략 1/3의 길이를 갖는 것이 바람직하다.
상기 코일 안테나는 적어도 일부가 병렬구조로 이루어지는 것이 또한 바람직하다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상술한 안테나 구조가 적용된 플라즈마 발생장치가 제공된다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
먼저, 본 발명에 따른 안테나 구조는 도 1에 도시된 플라즈마 발생장치에 적용될 수 있으며, 본 발명이 적용되는 플라즈마 발생장치의 구성에 대해서는 특별히 설명하지 않으며, 특별한 예로 한정되지 않는다. 다만, 본 발명에서 플라즈마 발생장치는 진공챔버와 안테나장치를 구비하고, 안테나장치에는 별도의 RF 전원(RF 발생기 및 RF 매칭기를 포함할 수 있음)이 연결된다. 진공챔버는 가스 라인이 연결되어 내부에 이온화 가스를 공급할 수 있도록 구성되며, 안테나장치는 진공챔버의 외부에 인접하게 설치되어 RF 전력에 의해서 고주파를 발생시켜 진공챔버 내로 공급함으로서 진공챔버 내의 이온화 가스를 여기(Exciting)시켜 플라즈마를 만든다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 안테나장치를 도시한다. 본 발명에 따른 안테나장치(100)는 도 1에 도시된 코일 안테나와 유사하거나 동일한 코일 안테나(110)를 구비하며, 코일 안테나(110)는 안착부(29) 위에 놓여진다. 이 코일 안테나(110)는 각진 나선구조로 이루어져 있으며, 수평과 수직으로 이루어진 다수의 부분이 서로 연결되어 있다. 또한, 이 나선형 코일 안테나(110)의 단부에는 전선(102)이 연결되어 접지된다.
이와 같은 코일 안테나(110)는 외부의 RF 전원에 연결되어 RF 전력을 인가받으며, 그 RF 전력에 의해 고주파를 발생시킨다. 이 고주파는 진공챔버로 공급되어 이온화 기체를 플라즈마로 만들게 된다.
이때, 코일 안테나(110)의 특정부분에는 별도의 유도안테나(120)가 설치된다. 도 4에서 유도안테나(120)는 코일 안테나(110)의 외측에 위치한 수평부분에설치된 것으로 도시되었다. 이 유도안테나(120)는 코일 안테나(110)의 특정 부분을 감싸도록 배치되며, 코일 안테나(110)와의 사이에 유전체(122, 도 5 참조)가 충진되어 서로 이격된 상태를 유지한다. 따라서, 유도안테나(120)와 코일 안테나(110)는 서로 직접적으로 접촉하지 않으며, 유도안테나(120)로의 직접적인 RF 전원공급은 불가능하다. 그러나, 코일 안테나(110)에 RF 전원을 인가할 경우, 코일 안테나(110)의 주위에는 RF 필드가 형성되고, 유도안테나(120)는 그 RF 필드의 영향력 범위 내에 있으므로, 코일 안테나(110)에서 방출된 고주파는 무선으로 유도안테나(120)에 유도된다. 따라서, 코일 안테나(110)에 RF 전원이 인가될 때, 코일 안테나(110)와 더불어 유도안테나(120)에서도 미량의 고주파가 생성된다.
한편, 코일 안테나(110)와 유도안테나(120) 사이에 충진된 유전체(122)는 해당 부위의 코일 안테나(110)에서 발산되는 고주파의 양을 감쇄시키게 된다. 그러나, 실질적으로 유전체(122)에 의해서 감쇄되는 고주파의 양은 심각한 정도는 아니며, 대략 5%의 추가적인 RF 전원을 공급함으로서 상쇄될 수 있는 정도이다.
일반적으로 코일 안테나(110)에서 생성된 고주파는 그 주위로 동심원상의 RF 파장을 만들어 전체적인 RF 파장을 불균일하게 만드는 원인이 된다. 그러나, 유도안테나(120)에 의해서 공급되는 RF 파장은 미약하기는 하나 보다 넓은 폭을 가지므로 전체적인 RF 파장을 보다 균일하게 만드는 효과를 발휘한다. 또한, 유전체(122)에 의해서 코일 안테나(110)로부터 생성되는 고주파를 감쇄하기 때문에, 이러한 RF 파장의 균일성은 보다 뛰어나게 된다.
유도안테나(120)는 또한 코일 안테나(110)의 해당되는 부분(수평 또는 수직부분)의 전체 길이에 대해 대략 1/3 정도의 길이를 갖는 것이 바람직하다. 유도안테나(120)의 길이가 너무 길면, 충진되는 유전체(122)의 양이 많아져 코일 안테나(110)로부터의 고주파 감쇠율이 커지게 되어 전체적인 효율이 낮아지며, 유도안테나(120)의 길이가 짧아지면 코일 안테나(110)로부터의 고주파 감쇠율이 너무 낮아져 전체적인 RF 필드의 균일화를 달성할 수 없게 된다.
다시 도 4를 참조하면, 코일 안테나(110)의 외측에는 코일 안테나(110)와 평행한 보상 안테나(130)가 추가로 배치될 수 있다. 상기 보상 안테나(130)는 코일 안테나(110)의 최외측 부분과 소정 거리만큼 이격된 상태로 배치되며, 바람직하게는 코일 안테나(110)의 각 부분사이의 간격보다 작은 간격을 두고 배치된다. 또한, 보상 안테나(130)는 인접한 유도안테나(120)와 서로 배선(132)에 의해 전기적으로 연결되어 유도안테나(120)에 무선으로 유도된 미량의 RF 전원을 인가받아 미량의 고주파를 발생시킨다.
일반적으로 코일 안테나(110)는 외곽부분의 RF 필드가 약하여 플라즈마 생성시 플라즈마의 기하학적 밀도가 매우 낮은 경향이 있었다. 그러나, 상술한 바와 같이 코일 안테나(110)의 외측에 보상 안테나(130)를 배치하게 되면, 보상 안테나(130)에 의한 고주파에 의해서 외곽부분의 약한 RF 필드를 보상하게 된다. 특히, 보상 안테나(130)에 의해 공급되는 고주파는 그 양이 크지 않기 때문에, 전체적인 RF 필드의 균일성을 크게 해치지 않는다.
이와 같이 구성된 본 실시예의 따른 안테나 장치(100)는 종래에 비해 전체적으로 보다 균일한 RF 파장을 제공하게 되며, 그에 따라 생성되는 플라즈마의 기하학적 밀도도 보다 균일하게 이루어진다. 본 실시예에 의한 플라즈마의 기하학적 밀도는 도 6에 도시되어 있으며, 이는 종래의 것(도 3 참조)과 비교할 때 전체적인 균일도가 매우 향상된 것임을 알 수 있다.
본 실시예에서는 두 개의 유도안테나가 사용된 것으로 설명하였으나, 유도안테나의 개수는 다양하게 변형될 수 있다. 한 예로서 도 7에 도시된 것처럼, 4개의 유도안테나(120)를 사용할 수 있다. 도 7에 도시된 실시예에서 유도안테나(120)는 코일 안테나(110)의 중심을 기준으로 네 방위에 설치되어 있으며, 각각 두 개의 유도안테나(120)가 하나의 보상 안테나(130)에 직접적으로 연결되어 유도된 RF 전원을 인가한다. 즉, 본 실시예에서 유도안테나(120)와 보상 안테나(130)를 연결하는 배선(132)은 두 개의 유도안테나(120)를 먼저 경유해서 하나의 보상 안테나(130)로 연결된다. 본 실시예에서는 그러나, 유도안테나(120)의 개수 및 배치 그리고 그에 따른 RF 파장의 변화가 있을 뿐, 유도안테나(120)와 보상 안테나(130)의 역할 및 기능은 앞선 실시예와 동일하다.
또 다른 예로서, 도 8과 같이 코일 안테나(110)의 일부를 병렬구조로 변형한 상태에서 유도안테나(120) 및 보상 안테나(130)를 설치할 수도 있다. 바람직하게는, RF 필드가 약한 코일 안테나(110)의 최외측이 병렬구조로 변형된다. 이때, 코일 안테나(110)에서 병렬구조로 변형된 부분(112)은 국부적으로 RF 필드를 상승시키는 효과를 발휘한다. 또한, 이러한 병렬구조는 본 발명의 유도안테나(120) 및 보상 안테나(130)와 함께 사용되어 복합적으로 작용함으로써 전체적인 RF 필드를 보다 균일하게 만들 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 플라즈마 발생용 안테나장치는 기본적인 코일 안테나 외에 코일 안테나의 RF 전력이 무선으로 유도되는 유도안테나를 추가적으로 구비함으로서 코일 안테에 의한 불균일한 RF 필드를 균일하게 만들 수 있게 된다.
또한, 코일 안테나의 외측에는 별도의 보상 안테나를 설치하고 유도안테나로 유도된 RF 전력을 이 보상 안테나로 인가하여 고주파를 발생시킴으로서, 코일 안테나 외측의 약한 RF 필드를 보상하고, 그에 따라 생성되는 플라즈마의 기하학적 밀도분포를 균일하게 만들게 된다.

Claims (8)

  1. 진공챔버 내에 고주파를 제공하여 플라즈마를 발생시키기 위한 안테나 구조에 있어서,
    상기 진공챔버의 외부에 인접하게 설치되어 RF 전력에 의해 고주파를 발생하는 각진 나선구조의 코일 안테나;
    상기 코일 안테나의 일부분을 감싸도록 설치되어 무선으로 고주파를 유도하는 유도안테나; 및
    상기 코일 안테나와 유도안테나 사이에 충진되어 상기 코일 안테나와 상기 유도안테나를 서로 이격시키는 유전체를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도안테나를 구비한 플라즈마 발생용 안테나 구조.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 코일 안테나의 외측에는 상기 코일 안테나와 소정 거리만큼 이격된 상태로 평행하게 배치되는 보상 안테나가 더 포함되고,
    상기 보상 안테나에는 상기 유도안테나에 의해 유도된 RF 전력이 인가되는 것을 특징으로 하는 유도안테나를 구비한 플라즈마 발생용 안테나 구조.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 유도안테나는 상기 코일 안테나의 해당 영역의 전체 길이에 대해 대략1/3의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 유도안테나를 구비한 플라즈마 발생용 안테나 구조.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 코일 안테나는 적어도 일부가 병렬구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유도안테나를 구비한 플라즈마 발생용 안테나 구조.
  5. 가스가 유입되는 진공실; 및
    상기 가스를 여기(Exciting)시켜 플라즈마로 변환시키기 위해 상기 진공실 내에 고주파를 제공하는 안테나장치를 포함하고,
    상기 안테나장치는,
    상기 진공챔버의 외부에 인접하게 설치되어 RF 전력에 의해 고주파를 발생하는 각진 나선구조의 코일 안테나;
    상기 코일 안테나의 일부분을 감싸도록 설치되어 무선으로 고주파를 유도하는 유도안테나; 및
    상기 코일 안테나와 유도안테나 사이에 충진되어 상기 코일 안테나와 상기 유도안테나를 서로 이격시키는 유전체를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도안테나를 이용한 플라즈마 발생장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 코일 안테나의 외측에는 상기 코일 안테나와 소정 거리만큼 이격된 상태로 평행하게 배치되는 보상 안테나가 더 포함되고,
    상기 보상 안테나에는 상기 유도안테나에 의해 유도된 RF 전력이 인가되는 것을 특징으로 하는 유도안테나를 이용한 플라즈마 발생장치.
  7. 제 5항 또는 제 6항에 있어서,
    상기 유도안테나는 상기 코일 안테나의 해당 영역의 전체 길이에 대해 대략 1/3의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 유도안테나를 이용한 플라즈마 발생장치.
  8. 제 5항 또는 제 6항에 있어서,
    상기 코일 안테나는 적어도 일부가 병렬구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유도안테나를 이용한 플라즈마 발생장치.
KR10-2002-0024239A 2002-05-02 2002-05-02 유도안테나를 구비한 플라즈마 발생용 안테나 구조 및유도안테나를 이용한 플라즈마발생장치 KR100479718B1 (ko)

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