KR20090131660A - 마이크로파 플라즈마 처리 장치 및 마이크로파의 급전 방법 - Google Patents
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Abstract
(과제) 승온 후에 있어서도 마이크로파의 전송로를 적정한 상태로 유지한다.
(해결 수단) 마이크로파 플라즈마 처리 장치(10)는, 레이디얼 라인 슬롯 안테나의 슬롯판(205b)으로부터 방출된 마이크로파의 전계 에너지에 의해 가스를 여기(excitation)시켜, 기판을 플라즈마 처리한다. 마이크로파 플라즈마 처리 장치(10)는, 내부에서 플라즈마 처리가 행해지는 처리 용기(100)와, 마이크로파를 출력하는 마이크로파원(335)과, 마이크로파원으로부터 출력된 마이크로파를 전송하는 직사각형 도파관(305)과, 직사각형 도파관으로 전송된 마이크로파의 모드를 변환하는 동축변환기(310)와, 동축 변환기에서 모드가 변환된 마이크로파를 전송하는 동축 도파관과, 슬롯판(205b)에 대해 비(非)접촉의 상태에서 동축 도파관의 내부 도체(315)에 부착된 테이퍼 커넥터(320)와, 테이퍼 커넥터와 슬롯판을 전기적으로 접속하는 탄성체(330)를 갖는다.
마이크로파, 플라즈마, 테이퍼 커넥터, 슬롯판
Description
본 발명은, 마이크로파 플라즈마 처리 장치 및 마이크로파의 급전 방법에 관한 것이다. 특히, 레이디얼 라인 슬롯 안테나로부터 방출된 마이크로파의 전계 에너지에 의해 가스를 여기(excitation)시켜, 피(被)처리체를 플라즈마 처리하는 마이크로파 플라즈마 처리 장치 및 그 장치를 이용한 마이크로파의 급전 방법에 관한 것이다.
마이크로파 플라즈마는, 마이크로파를 감압 상태의 처리 용기 내로 도입하고, 도입된 마이크로파의 전계 에너지에 의해 가스를 여기시킴으로써 발생된다. 마이크로파 플라즈마 처리 장치에서는, 플라즈마의 전자(electron) 밀도가 컷 오프(cut off) 밀도보다도 높은 경우, 마이크로파는 플라즈마 내로 들어갈 수 없어, 유전체판과 플라즈마와의 사이를 전파(propagation)하고, 그 일부가 플라즈마에 흡수되어, 플라즈마의 유지에 사용된다.
상기 플라즈마 생성의 원리에 의해, 마이크로파 플라즈마는, 용량 결합형이나 유도 결합형의 마이크로파 플라즈마 처리 장치에서 생성되는 플라즈마와 비교하 면, 플라즈마의 전자 밀도(Ne)가 높고, 전자 온도(Te)가 낮기 때문에, 고속이며 대미지(damage)가 적은 플라즈마 처리로 고품질인 제품을 제조할 수 있다.
마이크로파 플라즈마를 생성하는 장치의 하나로서, 레이디얼 라인 슬롯 안테나(RLSA : Radial Line Slot Antenna)를 이용한 마이크로파 플라즈마 처리 장치가 제안되고 있다(예를 들면, 특허문헌 1을 참조). 레이디얼 라인 슬롯 안테나는, 다수의 슬롯이 뚫린 디스크 형상의 슬롯판의 상부에 동일 형상의 지파판(wavelength-shortening plate)을 올려놓은 상태로, 처리 용기의 천정부의 개구에 형성된 유전체창의 상부에 배치되고, 그 중앙부에서 동축 도파관에 접속되어 있다.
이러한 구성에 의해, 마이크로파원으로부터 출력된, 예를 들면, 2.45GHz의 마이크로파는, 동축 도파관을 경유하여 레이디얼 라인 슬롯 안테나의 지파판을 반경 방향으로 방사 형상으로 전달된다. 전송 중, 마이크로파는, 슬롯판의 슬롯으로부터 새어나와서 처리 용기 내로 방사된다.
[특허문헌 1] 일본공개특허공보 평9-63793호
그러나, 프로세스 중, 처리 용기 내가 200℃ 이상의 고온이 되는 것에 수반하여, 도 8에 나타낸 레이디얼 라인 슬롯 안테나(905), 냉각 재킷(210), 동축 도파관의 외부 도체(340), 직사각형 도파관(305)의 각 부재는 열팽창한다. 예를 들면, 프로세스 중, 레이디얼 라인 슬롯 안테나(905)의 주변을 냉각 재킷(210)에 의해 냉각했다고 해도, 레이디얼 라인 슬롯 안테나(905)는 150℃∼165℃, 안테나 상부의 냉각 재킷(210)은 80℃∼100℃, 외부 도체(340)는 40℃∼60℃ 정도 온도가 상승하고, 프로세스에 따라서는 외부 도체(340) 근방에서도 100℃ 이상으로 가열되어 버리는 경우도 있다.
이들 부재 중, 레이디얼 라인 슬롯 안테나(905)의 지파판(905a)은 알루미나(Al2O3) 등의 유전체로 형성되어 있다. 한편, 레이디얼 라인 슬롯 안테나 상부의 냉각 재킷(210), 외부 도체(340), 직사각형 도파관(305)은, 구리(Cu)나 알루미늄(Al) 등의 금속으로 형성되어 있다. 알루미나의 선 팽창 계수는 7.0×10-6(/℃)인 것에 대하여 구리의 선 팽창 계수는 16.7×10-6(/℃), 알루미늄의 선 팽창 계수는 23.5×10-6(/℃)로서, 어느 금속도 알루미나의 2배 이상이다. 이 때문에, 승온(temperature increase) 후, 레이디얼 라인 슬롯 안테나(905), 냉각 재킷(210), 외부 도체(340), 직사각형 도파관(305)이 각각 팽창함으로써, 직사각형 도파 관(305)의 상부의 위치는 승온 전보다 상방으로 변위(變位)한다.
이때, 슬롯판(905b)이, 동축 도파관의 내부 도체(315)에 부착된 테이퍼 형상의 커넥터부(이하, 테이퍼 커넥터라고도 호칭한다. 테이퍼 형상의 커넥터부에 상당)에 나사 고정되어 있으면, 직사각형 도파관(305)의 위치가 처리 용기(100)의 외측을 향하여 변위하는 것에 수반하여, 일체로 형성된 동축(coaxial) 변환기(310), 내부 도체(315) 및, 테이퍼 커넥터도 처리 용기(100)의 외측 연직 상방을 향하여 인상된다.
특히, 동축 변환기(310) 및 내부 도체(315)는, 내부 도체(315)의 내부에서 이중으로 배관된 냉매 배관(360)의 내측으로부터 외측으로 냉매를 통과시킴으로써, 프로세스 중에도 냉각된다. 이 때문에, 프로세스 중, 동축 변환기(310)나 내부 도체(315)의 온도는, 외부 도체(340), 직사각형 도파관(305)의 온도보다 낮아진다. 따라서, 프로세스 중의 동축 변환기(310) 및 내부 도체(315)는, 외부 도체(340), 직사각형 도파관(305)보다 팽창하지 않는다. 이에 따라, 도 9의 윗 도면에 나타낸 이상(ideal) 상태에 대하여, 실제의 승온 후에는, 그 아래 도면에 나타낸 바와 같이 내부 도체(315)에 연결된 테이퍼 커넥터(320)의 하면은, 지파판(905a)의 하면보다 상방으로 들어 올려지고, 이에 수반하여 공극(Ra)이 변동한다. 공극(Ra)은 마이크로파의 전송로의 일부가 되기 때문에, 공극(Ra)을 일정하게 유지하는 것은, 마이크로파의 모드를 안정시키기 위해 중요하며, 공극(Ra)이 변동하면 마이크로파의 모드가 불안정해져, 플라즈마의 불균일을 초래한다.
또한, 승온되어 테이퍼 커넥터(320)가 지파판(905a)보다 상방으로 들어 올려 지면, 테이퍼 커넥터(320)의 하면에 나사 고정되어 있던 슬롯판(905b)도 상방으로 인상되어 일그러진다. 이에 의해서도, 마이크로파의 전송로가 변동하여, 균일한 플라즈마를 생성하는 데에 방해가 된다.
그래서, 상기 과제에 대처하기 위해, 본 발명은, 레이디얼 라인 슬롯 안테나를 이용하여 마이크로파를 처리 용기 내로 급전할 때, 실제의 승온시의 마이크로파의 전파 영역이 설계상 설정된 승온시의 마이크로파의 전파 영역으로부터 변동하는 것을 억제하여, 플라즈마의 교란(disturbance)을 방지하는 마이크로파 플라즈마 처리 장치 및 그 장치를 이용한 마이크로파의 급전 방법을 제공한다.
즉, 상기 과제를 해결하기 위해, 본 별명의 일 형태에 의하면, 레이디얼 라인 슬롯 안테나의 슬롯판으로부터 방출된 마이크로파를 이용하여 생성된 플라즈마에 의해 피처리체를 플라즈마 처리하는 마이크로파 플라즈마 처리 장치로서, 내부에서 플라즈마 처리가 행해지는 처리 용기와, 마이크로파를 출력하는 마이크로파원과, 상기 마이크로파원으로부터 출력된 마이크로파를 전송하는 직사각형 도파관과, 상기 직사각형 도파관으로 전송된 마이크로파의 모드를 변환하는 동축 변환기와, 상기 동축 변환기에서 모드가 변환된 마이크로파를 전송하는 동축 도파관과, 상기 슬롯판에 대하여 비(非)접촉의 상태로 상기 동축 도파관의 내부 도체에 부착된 테이퍼 형상의 커넥터부와, 상기 테이퍼 형상의 커넥터부와 상기 슬롯판을 전기적으로 접속하는 탄성체를 구비한 마이크로파 플라즈마 처리 장치가 제공된다.
이에 따르면, 탄성체는, 테이퍼 형상의 커넥터부와 그 커넥터부에 비접촉으 로 형성된 슬롯판을 전기적으로 접속한다. 이에 따라, 도 4의 하부에 나타낸 바와 같이, 탄성체(330)는, 열팽창에 의한 테이퍼 커넥터(320)의 상방으로의 변위를 흡수하면서, 테이퍼 형상의 커넥터부 및 슬롯판 사이의 전기적 접속을 유지할 수 있다. 이 때문에, 승온 후에 있어서 테이퍼 커넥터(320)의 하면(Sb)과 지파판(205a)의 하면(Sa)과는 동일면 내에 위치되어, 공극(Ra)이 변동하지 않는다. 이에 따라, 마이크로파의 모드를 안정시켜, 플라즈마를 균일하게 생성할 수 있다.
또한, 이에 따르면, 슬롯판(205b)은, 테이퍼 커넥터(320)의 하면에서 나사 고정되어 있지 않기 때문에, 슬롯판(205b)이 상방으로 끌어 들여지는 일이 없다. 이에 의해서도 마이크로파의 모드를 안정시켜, 플라즈마를 균일하게 생성할 수 있다.
또한, 상기 탄성체는 선재(wire material)의 금속 실드 부재라도 좋다.
상기 슬롯판은 상기 테이퍼 형상의 커넥터부의 선단의 면보다 큰 개구를 갖고, 상기 테이퍼 형상의 커넥터부는, 상기 슬롯판의 개구를 관통하여 상기 탄성체를 배치하는 설치대와 연결되어 있어도 좋다.
상기 설치대는 외주에 날밑부(flange part)를 갖고, 상기 탄성체는 상기 날밑부와 상기 슬롯판과의 사이에 형성되어도 좋다.
상기 설치대의 날밑부는 단차(段差)를 갖고, 상기 탄성체는 상기 날밑부에 형성된 가장 내측의 단차보다 외측에 형성되어도 좋다.
상기 설치대의 날밑부와 상기 슬롯판과의 간격은, 상기 탄성체가, 팽창에 의한 테이퍼 형상의 커넥터부의 변위를 흡수하면서 상기 테이퍼 형상의 커넥터부와 상기 슬롯판을 전기적으로 접속하는 정도로 떨어져 있어도 좋다.
또한, 날밑부의 단차는, 그 모서리가 둥글게 형성되어 있어도 좋다. 이에 따르면, 마이크로파의 전계 에너지가 모서리에 집중하여 이상(abnormal) 방전을 발생시키는 것을 방지할 수 있다.
상기 지파판 및 상기 레이디얼 라인 슬롯 안테나의 상부에 형성된 냉각 재킷의 적어도 어느 하나의 표면을 절연재로 코팅해도 좋다.
이에 따르면, 절연재를 지파판이나 냉각 재킷에 코팅함으로써, 냉각 재킷과 슬롯판과의 사이의 전위차를 저하시켜, 이상 방전의 발생을 억제할 수 있다. 또한, 절연재로서는, PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌), PFA(테트라플루오로에틸렌·퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체), 알루미나(알루마이트 처리, 용사(溶射)) 등을 이용할 수 있다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 다른 형태에 의하면, 레이디얼 라인 슬롯 안테나의 슬롯판으로부터 방출된 마이크로파를 이용하여 생성된 플라즈마에 의해 피처리체를 플라즈마 처리하는 마이크로파 플라즈마 처리 장치로 마이크로파를 급전하는 방법으로서, 마이크로파원으로부터 마이크로파를 출력하고, 상기 출력된 마이크로파를 직사각형 도파관에 전송하고, 상기 전송된 마이크로파의 모드를 동축 변환기에서 변환하여, 상기 슬롯판에 대하여 비접촉의 상태로 동축 도파관의 내부 도체에 부착된 테이퍼 형상의 커넥터부와 상기 슬롯판을 탄성체에 의해 전기적으로 접속하는 마이크로파의 급전 방법이 제공된다.
이에 따르면, 테이퍼 형상의 커넥터부는, 슬롯판에 대하여 비접촉의 상태로 내부 도체에 부착된다. 탄성체는, 열팽창에 의한 커넥터부의 상방으로의 변위를 흡수하면서, 테이퍼 형상의 커넥터부와 슬롯판을 전기적으로 접속한다. 이에 따라, 승온 후, 테이퍼 형상의 커넥터부의 하면과 지파판의 하면을 동일면 내에 위치시킬 수 있다. 이 결과, 공극(Ra)이 변동하지 않고, 마이크로파의 모드를 안정시켜, 플라즈마를 균일하게 생성할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 레이디얼 라인 슬롯 안테나를 이용하여 마이크로파를 처리 용기 내로 급전할 때, 실제의 승온시의 마이크로파의 전송로가 설계상 설정된 승온시의 마이크로파의 전송로로부터 변동하는 것을 억제하여, 플라즈마의 교란을 방지하는 마이크로파 플라즈마 처리 장치 및 그 장치를 이용한 마이크로파의 급전 방법을 제공할 수 있다.
(발명을 실시하기 위한 최량의 형태)
이하에 첨부 도면을 참조하면서, 본 발명의 일 실시 형태에 대해 상세히 설명한다. 또한, 이하의 설명 및 첨부 도면에 있어서, 동일한 구성 및 기능을 갖는 구성 요소에 대해서는 동일 부호를 붙임으로써, 중복 설명을 생략한다.
(마이크로파 플라즈마 처리 장치의 전체 구성)
우선, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 마이크로파 플라즈마 처리 장치(10)에 대해, 그 종단면을 나타낸 도 1을 참조하면서 설명한다. 본 실시 형태에 따른 마이크로파 플라즈마 처리 장치(10)는, 처리 용기(100), 덮개체(200), 전송로(300), 냉각 기구(400) 및, 가스 공급 기구(500)를 갖고 있다.
처리 용기(100)는 천정이 개구된 원통 형상의 용기로서, 예를 들면, 알루미늄 등의 금속으로 형성되어 있다. 처리 용기(100)의 천정의 개구에는, 천판(top plate; 105)(유전체창에 상당)이 끼워 넣어져 있다. 천판(105)은 유전체로 형성되어 있다. 천판(105)의 하면은, 그 중앙이 튀어나와 있음과 함께 중간부도 둘레 방향으로 튀어나와 있다. 처리 용기(100)와 천판(105)과의 접촉면에는 O링(110)이 배치되어 있고, 이에 따라, 처리실(U)은 밀폐된다.
처리 용기(100)의 저부(bottom)에는, 웨이퍼(W)를 올려놓는 서셉터(재치대(holding stage);115)가 절연체(120)를 통하여 설치되어 있다. 서셉터(115)에는, 정합기(125a)를 통하여 고주파 전원(125b)이 접속되어 있고, 고주파 전원(125b)으로부터 출력된 고주파 전력에 의해 처리 용기(100)의 내부에 소정의 바이어스 전력을 인가한다. 또한, 서셉터(115)에는, 코일(130a)을 통하여 고압 직류 전원(130b)이 접속되어 있고, 고압 직류 전원(130b)으로부터 출력된 직류 전압에 의해 웨이퍼(W)를 정전 흡착한다. 처리 용기(100)에는 진공 펌프(도시하지 않음)가 부착되어 있어, 가스 배출관(135)을 통하여 처리 용기(100) 내의 가스를 배출함으로써, 처리실(U)을 소망하는 진공도까지 감압한다.
덮개체(200)는 레이디얼 라인 슬롯 안테나(205)(이하, 단순하게 안테나(205)라고도 칭한다) 및 냉각 재킷(210)을 갖고 있다. 안테나(205)는 천판(105)의 바로 위에 올려놓여져 있다. 안테나(205)의 상부에는 냉각 재킷(210)이 설치되어 있다. 냉각 재킷(210)은 알루미늄으로 형성되고, 냉각 재킷(210)에 형성된 유로에 냉매를 순환시킴으로써, 안테나(205)의 근방을 온도 조절한다. 냉각 재킷(210)은 접지(ground)되어 있다.
레이디얼 라인 슬롯 안테나(205)는, 디스크 형상의 한 장의 평판으로서, 도 2에 안테나(205)의 좌측 종단면에서 확대된 지파판(205a) 및 슬롯판(205b)으로 형성되어 있다.
슬롯판(205b)은, 금속의 시트재로 형성되고, 천정부에 형성된 천판(105)(유전체창)과 지파판(205a)과의 사이에 끼워지는 형태로 올려놓여져 있다. 테이퍼 커넥터의 근방을 더욱 확대한 도 3을 참조하면, 슬롯판(205b)에는, 그 중앙에 테이퍼 커넥터(320)의 하면보다 큰 원형의 개구(205b1)가 형성되어 있다. 테이퍼 커넥터(320)의 하면에는 설치대(플랜지;325)가 나사 고정되어 있고, 설치대(325)는 슬롯판 중앙의 개구(205b1)를 관통하고 있다. 슬롯판(205b)에는, 마이크로파를 방사하는 도시하지 않은 슬롯이 복수 형성되어 있다. 슬롯판(205b)은, 그 외주에서 도 2에 나타낸 나사(215)에 의해 냉각 재킷(210)에 고정되어 있다.
지파판(205a)은, 알루미나 등의 유전체에 의해 형성되어, 마이크로파를 슬롯에 전달한다. 차폐 부재(220, 225, 230, 235)는, 슬롯으로부터 새어나온 마이크로파의 일부가, 냉각 재킷(210)측의 틈이나 덮개체(200)와 처리 용기(100)와의 틈으로부터 리크(leak)하는 것을 막는다.
전송로(300)는 주로, 직사각형 도파관(305), 동축 변환기(310), 내부 도체(315), 외부 도체(340), 테이퍼 커넥터(320), 레이디얼 라인 슬롯 안테나(205)로 형성되어 있다. 마이크로파는, 전송로(300)에 의해 획정(define)되는 공간(이하, 마이크로파의 전송로(R)라고도 칭한다)으로 전송된다. 이때, 마이크로파는, 지파판(205a)의 내부를 전파하여 지파판(205a)의 단면(端面)에서 반사되고, 도시하지 않은 튜너에 의해 방전 부하와 전송로의 임피던스의 정합을 취하면서, 진행파와 반사파와의 간섭에 의해 전송로의 공간에 정재파(standing wave)가 발생한다.
마이크로파의 전류는, 상기 마이크로파의 전송로(R)를 획정하는 부재의 금속 표면을 흐른다. 마이크로파는 지파판(205a)의 내부를 전파하고, 그때, 지파판에 인접한 슬롯판(205b)의 슬롯으로부터 처리 용기 내로 방출된다.
장치의 제조시, 가공 정밀도상, 각 부재 사이에는 공극이 발생해 버린다. 예를 들면, 지파판(205a)과 냉각 재킷(210), 지파판(205a)과 테이퍼 커넥터(320)와의 사이에도, 가공 정밀도상, 공극(Ra)이 발생한다. 공극(Ra)은 마이크로파의 전송로의 일부가 되기 때문에, 공극(Ra)을 일정하게 유지하는 것은, 마이크로파의 모드를 안정시키기 위해 중요하다.
직사각형 도파관(305)은 마이크로파원(335)에 접속되어 있다. 동축 변환기(310)는 콘(cone) 형상으로 형성되고, 마이크로파의 모드를 TE 모드로부터 TE 모드와 TM 모드의 혼재 모드로 변환한다. 모드가 변환된 마이크로파는, 동축 도파관(내부 도체(315) 및 외부 도체(340))로 전달된다. 내부 도체(315) 및 외부 도체(340)는 은 도금한 구리로 형성되어 있다.
테이퍼 커넥터(320)의 확대도인 도 3에 나타낸 바와 같이, 테이퍼 커넥터(320)는 테이퍼 형상으로서, 내부 도체(315)의 하면에서 내부 도체(315)에 나사 고정되어 있다.
설치대(325)는 플랜지로서, 테이퍼 커넥터(320)의 하면에서 복수 개소에서 테이퍼 커넥터(320)에 나사 고정되어 있다. 테이퍼 커넥터(320) 및 설치대(325)는 금 도금한 구리로 형성되어 있다. 설치대(325)는 외주에 날밑부(flange part; 325a)를 갖고 있다. 날밑부(325a)에는 단차가 형성되어 있다.
날밑부(325a)와 슬롯판(205b)과의 사이에는, 탄성체(330)가 배치되어 있다. 탄성체(330)는 테이퍼 커넥터(320)와 슬롯판(205b)을 전기적으로 접속한다.
도 2에 나타낸 외부 도체(340)는, 상부에서 직사각형 도파관(305)에 나사 고정되고, 하부에서 냉각 재킷(210)에 나사 고정되어 있다. 냉각 재킷(210)과 지파판(205a), 테이퍼 커넥터(320)와 지파판(205a)의 사이에는, 가공 정밀도상 공극(Ra)이 발생한다.
직사각형 도파관(305)의 개구에 동축 변환기(310)를 삽입하여, 직사각형 도파관(305)과 동축 변환기(310)를 조립할 때, 직사각형 도파관(305)과 동축 변환기(310)와의 대향측면에 발생하는 갭(G)에는, 마이크로파의 리크를 방지하기 위한 스파이럴 실드(spiral shield; 370)가 형성된다.
도 1의 내부 도체(315)의 내부에는, 냉매 배관(360)이 삽입되어 있다. 냉매 배관(360)은 이중 배관으로 되어 있다. 냉각 기구(400)에서는, 냉매 공급원(405)과 냉매 배관(360)이 접속됨과 아울러 냉매 공급원(405)과 냉각 재킷(210)이 접속되어 있다. 냉매 공급원(405)으로부터 공급된 냉매는, 냉매 배관(360)의 내측으로부터 외측으로 통과되고, 이에 따라, 내부 도체(315)는 온도 조절된다. 마찬가지로, 냉매 공급원(405)으로부터 공급된 냉매는, 냉각 재킷(210) 내의 유로를 순환하 고, 이에 따라, 냉각 재킷 근방이 온도 조절된다.
가스 공급 기구(500)에서는, 가스 공급원(505)과 상부 가스 공급 라인(510)이 연결됨과 아울러 가스 공급원(505)과 샤워 플레이트(515)가 연결되어 있다. 샤워 플레이트(515)는, 복수의 가스 공급 구멍이 아래를 향하여 균등하게 형성되어 있다. 가스 공급원(505)으로부터 공급된 플라즈마 여기 가스는, 처리 용기(100)의 측벽을 관통한 복수의 상부 가스 공급 라인(510)의 관통 구멍으로부터 처리실(U)의 내부를 향하여 옆 방향으로 공급된다. 가스 공급원(505)으로부터 공급된 처리 가스는, 격자 형상의 샤워 플레이트(515)에 형성된 복수의 가스 공급 구멍으로부터 아래 방향으로 공급된다.
(테이퍼 커넥터 주변)
다음으로, 테이퍼 커넥터(320)의 주변에 대해, 도 3 및 도 4를 참조하면서 상세하게 설명한다. 본 실시 형태에서는, 슬롯판(205b)을 테이퍼 커넥터(320)에 고정시키지 않고, 비(非)접촉으로 하여, 슬롯판(205b)과 테이퍼 커넥터(320)를 탄성체(330)에 의해 전기적으로 접속시키는 구성으로 했다. 그 이유에 대해, 슬롯판을 테이퍼 커넥터에 고정한 일반적인 마이크로파 플라즈마 처리 장치와 비교하면서 설명한다.
도 8 및 도 9에 나타낸 바와 같이, 레이디얼 라인 슬롯 안테나(905)를 이용한 일반적인 마이크로파 플라즈마 처리 장치에서는, 슬롯판(905b)이, 그 외주부에서 나사(910)에 의해 냉각 재킷(210)에 고정됨과 아울러, 그 중앙부에서 테이퍼 커넥터(320)와 고정용 플레이트(915)와의 사이에 끼워진 상태로 나사 고정된다.
상기 마이크로파 플라즈마 처리 장치를 구성하는 각 부재의 소재나, 프로세스 중의 처리 용기의 온도에 의해 각 부재의 팽창량은 다르다. 특히, 내부 도체(315) 및 동축 변환기(310)는, 전술한 바와 같이 프로세스 중에도 냉각되기 때문에, 외부 도체(340), 직사각형 도파관(305)의 온도보다 낮아진다. 따라서, 프로세스 중의 내부 도체(315) 및 동축 변환기(310)는, 외부 도체(340), 직사각형 도파관(305)보다 열팽창하지 않는다. 이들 이유로부터, 승온 후, 예를 들면, 테이퍼 커넥터(320)의 하면(Sb)과 지파판(905a)의 하면(Sa)을, 도 9의 윗 도면에 나타낸 동일면 내에 위치시키는 것은 어려워, 실제로는, 도 9의 아래 도면에 나타낸 바와 같이, 테이퍼 커넥터(320)의 하면(Sb)이 지파판(905a)의 하면(Sa)보다 위에 위치하고, 이에 따라 공극(Ra)이 변동하고, 마이크로파의 모드가 불안정해져, 생성되는 플라즈마가 불균일해지는 경우가 있었다.
또한, 테이퍼 커넥터(320)가 지파판(905a)보다 상방으로 들어 올려지면, 이와 함께 테이퍼 커넥터(320)의 하면(Sb)에서 나사 고정된 슬롯판(905b)도 상방으로 인상되어 일그러진다. 이에 의해서도, 마이크로파의 전송로가 변동하여, 균일한 플라즈마를 생성하는 데에 방해가 된다.
이상에 설명한 마이크로파의 전송로의 변동은, 프로세스 중의 마이크로파 플라즈마 처리 장치의 안정성 및 신뢰성에 영향을 준다. 그래서, 도 3에 나타낸 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 마이크로파 플라즈마 처리 장치(10)에서는, 슬롯판(205b)의 중앙에 테이퍼 커넥터(320)의 하면(Sb)의 면적보다 큰 개구(205b1)를 형성한다.
테이퍼 커넥터(320)와 설치대(325)는, 슬롯판(205b)의 개구(205b1)를 관통한 상태에서, 슬롯판(205b)에 대하여 비접촉으로 연결된다. 설치대(325)의 외주에는 날밑부(325a)가 형성된다. 탄성체(330)는, 날밑부(325a)와 슬롯판(205b)과의 사이에 배치되어, 테이퍼 커넥터(320)와 슬롯판(205b)을 전기적으로 접속한다.
탄성체(330)는 선재의 금속 실드 부재로 형성되어 있다. 금속 실드 부재는 스파이럴 실드에 비해 반력(reaction)이 작기 때문에, 슬롯판(205b)이나 설치대(325)에 과도한 하중(load)을 걸지 않고 이들 부재간의 전기적 접속을 양호하게 한다.
탄성체(330)는, 날밑부(325a)에 형성된 가장 내측의 단차보다 외측에 형성된다. 또한, 날밑부(325a)의 단차는 그 모서리가 둥글게 형성되어 있다. 이에 따르면, 마이크로파의 전계 에너지가 날밑부(325a)의 내측이나 모서리에 집중하여 이상(abnormal) 방전이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
설치대(325)의 날밑부(325a)와 슬롯판(205b)과의 간격은, 탄성체(330)가, 팽창에 의한 테이퍼 커넥터(320)의 변위를 흡수하면서 테이퍼 커넥터(320)와 슬롯판(205b)을 전기적으로 접속할 수 있을 정도로 떨어져 있다.
이러한 구성에 의하면, 탄성체(330)를 형성함으로써, 테이퍼 커넥터(320)와 테이퍼 커넥터(320)에 비접촉으로 형성된 슬롯판(205b)을 전기적으로 접속한다. 이에 따라, 도 4의 하부에 나타낸 바와 같이, 탄성체(330)는, 열팽창에 의한 테이퍼 커넥터(320)의 상방으로의 변위를 흡수하면서, 테이퍼 커넥터(320) 및 슬롯판(205b) 사이에 마이크로파를 전달한다. 이 때문에, 승온 후에 있어서 테이퍼 커 넥터(320)의 하면(Sb)과 지파판(205a)의 하면(Sa)은 동일면 내에 위치된다. 이 결과, 공극(Ra)이 변동하지 않아, 마이크로파의 모드가 안정되어, 플라즈마를 균일하게 생성할 수 있다.
또한, 이에 따르면, 슬롯판(205b)은, 테이퍼 커넥터(320)의 하면에서 나사 고정되어 있지 않기 때문에, 슬롯판(205b)이 상방으로 인상되는 일이 없다. 이에 의해서도 마이크로파의 전송로(R)를 변동시키지 않고, 마이크로파의 모드를 안정시켜, 플라즈마를 균일하게 생성할 수 있다.
또한, 설치대(325)와 탄성체(330)는, 일체로서 형성되어 있어도 좋다. 이 경우, 재치대(325)의 날밑부(325a)의 상면에 돌기(예를 들면 고리 형상의 돌기)를 형성하고, 그 돌기 부분을 탄성체(330)와 동일한 기능을 갖는 소재로 형성한다. 이에 의해서도, 탄성체(330)를 대신하는 돌기 부분이, 팽창에 의한 테이퍼 커넥터(320)의 변위를 흡수하면서 테이퍼 커넥터(320)와 슬롯판(205b)을 전기적으로 접속할 수 있다.
(갭(G))
도 5에 나타낸 바와 같이, 직사각형 도파관(305)의 개구에 동축 변환기(310)를 삽입함으로써, 직사각형 도파관(305)으로 전송된 마이크로파의 모드를 변환하여 전송하는 경로를 조립할 때, 공차(tolerance)에 의해, 직사각형 도파관(305)의 측부 벽면과 대향하는 동축 변환기(310)의 측부 벽면 사이에 갭(G)이 발생한다.
이 갭(G)은, 마이크로파의 모드를 TE 모드로부터 TE 모드와 TM 모드의 혼재 모드로 변환하는 위치에 존재한다. 또한, 갭(G)의 근방에서는, 직사각형 도파 관(305)의 반사단(305a)에서 마이크로파가 반사되기 때문에, 마이크로파의 전계가 교란되기 쉽다.
실제로, 직사각형 도파관(305)의 반사단(305a) 및 갭(G)의 위치에 마이크로파의 마디(node)가 오도록 반사단(305a)에서 갭(G)까지의 거리를 λg/2로 설계했지만, 이상 방전은 억제되지 않았다. 그래서, 직사각형 도파관(305)의 반사단(305a)에서 갭(G)까지의 거리를 관리하는 것에 더하여, 직사각형 도파관과 동축 변환기에 끼워 맞춤 구조를 형성함으로써 갭(G)을 균일하게 관리하는 것으로 했다.
(갭의 관리)
처음에, 끼워 맞춤 구조(F) 및 갭(G)의 적정 범위를 구체적으로 결정하기 위해, 갭(G) 근방의 마이크로파의 전계 강도 분포를 시뮬레이션에 의해 구했다.
도 6(a)에 나타낸 위치(P1∼P4)의 전계 강도를 시뮬레이션에 의해 계산했다. 그 결과를 도 6(b)에 나타낸다. 이 결과로부터, 위치 P1, P3에서 마이크로파의 전계 강도가 강하고, P2, P4에서는, 그 강도가 약해지고 있음을 알 수 있다. 또한, 갭(리크 패스 두께)이 커지면 커질수록 전계 강도는 커지지만, 갭이 균일하면, 갭의 크기가 0.1mm 변화해도 극단으로 전계 강도가 커지는 것은 아님을 알 수 있다.
파센(Paschen)의 법칙에 의하면, V=f(pd)의 식에 나타내는 바와 같이, 평행한 전극 사이에서의 방전 개시 전압(V)은, 가스 압력(p) 및 전극 사이의 거리(d)의 곱의 함수로 나타난다. 갭(G)의 위치나 균일한 리크 패스 두께의 변화에 대한 전계 강도의 변화량은 작기 때문에, 좁아진 부위에서의 전계 집중에 의한 영향 쪽이 크다고 생각된다. 따라서, 갭(G)의 간격을 소정의 기준 간격 kmm(k≥0.3)에 대하 여 (k±n)(n≤0.1)mm의 범위 내로 함으로써, 전계 강도에 치우침이 발생하기 어렵고, 방전이 일어나기 어려운 상태로 갭(G)을 관리함으로써, 이상 방전의 발생을 막을 수 있다.
그래서, 고리 형상으로 형성된 갭(G)이 어느 대향 위치에 있어서도 소정의 범위 내의 간격이 되도록, 갭(G)으로부터 외주측에서 직사각형 도파관(305)과 동축 변환기(310)에 고도의 끼워 맞춤 구조(F)(도 5, 도 7 참조)를 형성했다. 구체적으로는, 갭(G)의 기준 간격(k)을 0.3mm로 정하고, 고리 형상의 갭(G)의 어느 대향 위치에 있어서도 갭(G)이 (k±n)mm(n≤0.1)의 범위 내로 관리되도록 끼워 맞춤 구조(F)를 형성했다. 조립시에 발생하는 공차를 고려하여, 끼워 맞춤 구조(F)로 갭(G)에서 허용되는 간극보다 충분히 작은 간극(예를 들면, 갭(G)의 간격차의 최대치의 약 20% 이내)을 허용함으로써, 어떤 작업원이 조립해도 갭(G)을 설계상 허용되고 있는 간극차 이내로 관리할 수 있다. 이 결과, 직사각형 도파관(305)과 동축 변환기(310)와의 사이의 갭(G)에서 이상 방전이 발생하는 것을 회피할 수 있다.
(절연재로 코팅)
갭(G) 주변의 직사각형 도파관(305) 및 동축 변환기(310)는, 절연재로 코팅되어 있다. 절연재로서는, PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌), PFA(테트라플루오로에틸렌·퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체), 알루미나(알루마이트 처리, 용사) 등을 들 수 있다. 이에 따라, 갭 사이의 전위차를 저하시킬 수 있어, 이상 방전의 발생을 더욱 억제할 수 있다.
이상에 설명한 바와 같이, 본 실시 형태의 마이크로파 플라즈마 처리 장 치(10)에 의하면, 승온시의 공극(Ra)이 변동하지 않는다. 이에 따라, 마이크로파의 모드를 안정시켜, 플라즈마를 균일하게 생성할 수 있다. 이 결과, 마이크로파 플라즈마 처리 장치(10)의 안정성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 지파판(205a) 및 냉각 재킷(210)의 적어도 어느 하나의 표면에도 절연재가 코팅되어 있는 편이 좋다. 이에 따르면, 절연재를 지파판(205a)이나 냉각 재킷(210)에 코팅함으로써, 냉각 재킷(210)과 슬롯판(205b)과의 사이의 공극에 발생하는 전위차를 저하시켜, 이상 방전의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 지파판(205a)이나 냉각 재킷(210) 주변에 코팅하는 절연재로서는, PTFE, PFA 등, 마찰 계수가 낮고, 미끄러짐 운동에 의해 먼지가 발생하지 않는 소재가 바람직하다.
상기 실시 형태에 있어서, 각 부의 동작은 서로 관련되어 있으며, 서로의 관련을 고려하면서, 일련의 동작으로서 치환할 수 있다. 그리고, 이와 같이 치환함으로써, 상기 마이크로파 플라즈마 처리 장치의 실시 형태를 상기 마이크로파 플라즈마 처리 장치를 이용한 마이크로파의 급전 방법의 실시 형태로 할 수 있다.
이상, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 매우 적합한 실시 형태에 대해 설명했지만, 본 발명은 이러한 예에 한정되지 않는 것은 말할 필요도 없다. 당업자라면, 특허청구의 범위에 기재된 범주 내에 있어서, 각종의 변경예 또는 수정예에 생각이 미칠 수 있는 것은 분명하며, 그들에 대해서도 당연히 본 발명의 기술적 범위에 속하는 것이라고 이해된다.
예를 들면, 끼워 맞춤 구조(F)는, 본 발명의 마이크로파 플라즈마 처리 장 치(10)에 구비되어 있는 편이 바람직하지만, 본 발명에 필수의 구성은 아니다.
또한, 설치대(325)의 날밑부(325a)의 단부(stepped part)는 2단 이상이면 좋다. 그러나, 어느 경우에도, 이상 방전을 방지하기 위해, 탄성체(330)는 가장 내측의 단부에는 배설되지 않는다.
또한, 가스는, 상부 가스 공급 라인(510)으로부터만 공급되어도 좋고, 샤워 플레이트(515)으로부터만 공급되어도 좋다. 또한, 이들 가스 공급 기구(500)를 대신하여, 또는, 이들 가스 공급 기구(500)에 더하여, 천판(105)에 가스 경로를 형성하여 천판(105)을 샤워 플레이트로서 이용해도 좋다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 마이크로파 플라즈마 처리 장치의 종단면도이다.
도 2는 동(同) 실시 형태에 따른 마이크로파 플라즈마 처리 장치를 마이크로파가 전파하는 경로를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 동 실시 형태에 따른 마이크로파 플라즈마 처리 장치의 테이퍼 커넥터 주변을 확대한 도면이다.
도 4는 동 실시 형태에 따른 마이크로파 플라즈마 처리 장치의 설계상의 승온 후 및 실제의 승온 후의 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 직사각형 도파관과 동축 변환기와의 끼워 맞춤 구조를 형성한 동 실시 형태의 변형예에 따른 마이크로파 플라즈마 처리 장치의 종단면도이다.
도 6은 갭 근방의 전계 강도 분포의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 7은 직사각형 도파관과 동축 변환기와의 끼워 맞춤 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 일반적인 마이크로파 플라즈마 처리 장치의 종단면도이다.
도 9는 일반적인 마이크로파 플라즈마 처리 장치의 설계상의 승온 후 및 실제의 승온 후의 상태를 설명하기 위한 도면이다.
(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)
10 : 마이크로파 플라즈마 처리 장치
100 : 처리 용기
105 : 천판
200 : 덮개체
205, 905 : 레이디얼 라인 슬롯 안테나(안테나)
205a, 905a : 지파판
205b, 905b : 슬롯판
210 : 냉각 재킷
215, 910 : 나사
305 : 직사각형 도파관
310 : 동축 변환기
315 : 내부 도체
320 : 테이퍼 커넥터(taper connector)
325 : 설치대
325a : 날밑부
330 : 탄성체
335 : 마이크로파원
340 : 외부 도체
360 : 냉매 배관
370 : 스파이럴 실드(spiral shield)
405 : 냉매 공급원
505 : 가스 공급원
G : 갭
F : 끼워 맞춤 구조
Claims (10)
- 레이디얼 라인 슬롯 안테나의 슬롯판으로부터 방출된 마이크로파를 이용하여 생성된 플라즈마에 의해 피(被)처리체를 플라즈마 처리하는 마이크로파 플라즈마 처리 장치로서,내부에서 플라즈마 처리가 행해지는 처리 용기와,마이크로파를 출력하는 마이크로파원과,상기 마이크로파원으로부터 출력된 마이크로파를 전송하는 직사각형 도파관과,상기 직사각형 도파관으로 전송된 마이크로파의 모드를 변환하는 동축(coaxial) 변환기와,상기 동축 변환기에서 모드가 변환된 마이크로파를 전송하는 동축 도파관과,상기 슬롯판에 대하여 비(非)접촉의 상태로 상기 동축 도파관의 내부 도체에 부착된 테이퍼 형상의 커넥터부와,상기 테이퍼 형상의 커넥터부와 상기 슬롯판을 전기적으로 접속하는 탄성체를 구비한 마이크로파 플라즈마 처리 장치.
- 제1항에 있어서,상기 슬롯판은 상기 테이퍼 형상의 커넥터부의 선단면보다 큰 개구를 갖고,상기 테이퍼 형상의 커넥터부는, 상기 슬롯판의 개구를 관통하여 설치대와 연결되고,상기 설치대에 상기 탄성체가 배치되어 있는 마이크로파 플라즈마 처리 장치.
- 제2항에 있어서,상기 탄성체는 선재(wire material)의 금속 실드 부재인 마이크로파 플라즈마 처리 장치.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,승온 후에 있어서 상기 테이퍼 형상의 커넥터부의 피처리체를 향하는 면과, 상기 슬롯판에 인접하여 형성되는 지파판(wavelength-shortening plate)의 피처리체를 향하는 면이 동일면 내에 위치하는 마이크로파 플라즈마 처리 장치.
- 제2항 또는 제3항에 있어서,상기 설치대는 외주에 날밑부(flange part)를 갖고,상기 탄성체는 상기 날밑부와 상기 슬롯판과의 사이에 형성되는 마이크로파 플라즈마 처리 장치.
- 제5항에 있어서,상기 설치대의 날밑부는 단차를 갖고,상기 탄성체는, 상기 날밑부에 형성된 가장 내측의 단차보다 외측에 형성되는 마이크로파 플라즈마 처리 장치.
- 제6항에 있어서,상기 설치대의 날밑부는, 단차의 모서리가 둥글게 형성되어 있는 마이크로파 플라즈마 처리 장치.
- 제5항에 있어서,상기 설치대의 날밑부와 상기 슬롯판과의 간격은, 상기 탄성체가, 승온에 따른 테이퍼 형상의 커넥터부의 변위를 흡수하면서 상기 테이퍼 형상의 커넥터부와 상기 슬롯판을 전기적으로 접속하는 정도로 떨어져 있는 마이크로파 플라즈마 처리 장치.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,상기 슬롯판에 인접하여 형성되는 지파판 및 상기 지파판에 인접하여 형성되는 냉각 재킷의 적어도 어느 하나의 표면에 절연재를 코팅하는 마이크로파 플라즈마 처리 장치.
- 레이디얼 라인 슬롯 안테나의 슬롯판으로부터 방출된 마이크로파를 이용하여 생성된 플라즈마에 의해 피처리체를 플라즈마 처리하는 마이크로파 플라즈마 처리 장치에 마이크로파를 급전하는 방법으로서,마이크로파원으로부터 마이크로파를 출력하고,상기 출력된 마이크로파를 직사각형 도파관에 전송하고,상기 전송된 마이크로파의 모드를 동축 변환기에서 변환하고,상기 슬롯판에 대하여 비접촉의 상태로 동축 도파관의 내부 도체에 부착된 테이퍼 형상의 커넥터부와 상기 슬롯판을 탄성체에 의해 전기적으로 접속하는 마이크로파의 급전 방법.
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