KR20100010640A - 고전력 플라즈마 발생 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고전력 플라즈마 발생 장치를 제공한다. 이 장치는 전력을 공급하는 전원부, 전원부와 직렬연결되는 정합회로부, 플라즈마를 감금하는 챔버부, 챔버부의 외부에 배치되는 유도 코일부, 챔버부의 내부에 배치되는 전극부, 및 유도코일부 또는 전극부와 직렬연결되는 가변 소자부를 포함한다. 유도코일부 및 전극부는 상호 병렬연결되어 정합회로부에 연결되고, 가변소자부는 유도 코일부와 전극부의 병렬 공명주파수를 전원부의 구동 주파수와 일치시킨다.
축전결합플라즈마, 유도결합플라즈마, 공명

Description

고전력 플라즈마 발생 장치{ HIGH POWER PLASMA GENERATION APPARATUS}
본 발명은 플라즈마 발생 장치에 관한 것으로, 더 구체적으로 고밀도 플라즈마 발생 장치에 관한 것이다.
반도체, 플라즈마 디스플레이 패널(Plasma Display Pannel,PDP), 액정 디스플레이(Liquid Crystal Display, LCD), 태양전지(solar cell) 등의 제조공정에 플라즈마는 널리 이용되고 있다. 대표적인 플라즈마 공정으로는 건식각(Dry Etching), 플라즈마 도움 화학기상 증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition,PECVD), 스퍼터링(Sputtering), 에싱(Ashing) 등이 있다. 통상적으로 축전 결합 플라즈마(Capacitive Coupled Plasma: CCP), 유도결합플라즈마(Inductively Coupled Plasma:ICP), 헬리콘 플라즈마(Helicon Plasma), 초고주파 플라즈마(Microwave Plasma) 등이 사용되고 있다.
플라즈마 공정은 플라즈마 변수(전자밀도, 전자온도, 이온 선속, 이온에너지)에 직접적인 연관이 있다고 알려져 있다. 특히, 전자밀도는 생산량( throughput)과 밀접한 관계가 있다고 밝혀졌다. 이에 따라, 높은 전자밀도를 가지는 플라즈마원(plasma source)의 개발이 활발하게 이루어졌다. 대표적인 고밀도 플 라즈마원(plasma source)은 헬리콘 플라즈마(Helicon Plasma), 전자 사이크로트론 공명 플라즈마(electron Cyclotron Resonance Plasma) 등이 있다. 이 플라즈마원은 저압에서 고밀도 플라즈마를 발생하는 것으로 알려져 있다. 그러나 이 플라즈마원은 모두 자기장을 사용해야 하므로, 플라즈마의 불안정성(Plsma Instability)에 의해, 공정 재현성이 제어되지 못한다. 또한, 장치가 비싸고 거대해지며, 자기장이 기판에 전사되어 공정의 균일도에 악영향을 줄 수 있다. 따라서, 산업에서 활발한 응용이 이루어지지 않는 상태이다.
한편, ICP 와 CCP가 통상적으로 많이 이용되고 있다. 두 플라즈마원은 구조적으로 간단하고 공정을 선형적으로 제어 가능하다. 플라즈마 불안정성(Plasma Instability)이 적어, 공정의 신뢰성 확보가 비교적 쉬워 산업에서 많이 사용되고 있다.
RF 전원을 사용하는 플라즈마에서는 정합회로부의 실저항과 플라즈마의 실저항이 비슷해짐에 따라 플라즈마 발생 효율이 급격하게 떨어진다. 멀티칩 패키지(Multi-Chip Package: MCP)에서, 기판은 관통 홀을 가질 수 있으며, 상기 관통 홀에 도전성 물질을 채워서 적층된 기판 사이의 배선이 수행될 수 있다. 이 경우, 상기 기판은 수십 마이크로 미터(μm)의 두께를 가질 수 있어, 빠른 식각 속도를 요한다. 따라서, 구조가 간단하고, 빠른 식각 속도를 낼 수 있는 새로운 구조를 가지는 고밀도 플라즈마원의 개발이 필요하다.
본 발명은 해결하고자 하는 과제는 정합회로부의 열 손실을 최소화하면서, 고밀도 플라즈를 생성하는 고전력 플라즈마 발생장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 고전력 플라즈마 발생 장치는 전력을 공급하는 전원부, 상기 전원부와 직렬연결되는 정합회로부, 플라즈마를 감금하는 챔버부, 상기 챔버부의 외부에 배치되는 유도 코일부, 상기 챔버부의 내부에 배치되는 전극부, 및 상기 유도코일부 또는 상기 전극부와 직렬연결되는 가변 소자부를 포함한다. 상기 유도코일부 및 상기 전극부는 상호 병렬연결되어 상기 정합회로부에 연결되고, 상기 가변소자부는 상기 유도 코일부와 상기 전극부의 병렬 공명주파수를 상기 전원부의 구동 주파수와 일치시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 유도코일부에 흐르는 전류의 위상은 상기 전극부에 흐르는 전류의 위상과 180도 차이가 있을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 유도 코일부의 일단은 상기 가변 소자부와 연결되고, 상기 유도 코일부의 타단은 접지될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 유도 코일부의 일단은 상기 가변 소자부와 연결되고, 상기 유도 코일부의 타단은 상기 정합회로부와 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 가변소자부는 가변 축전기를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 챔버부는 챔버 몸체와 챔버 상판을 포함하되, 상기 유도 코일부는 상기 챔버 상판 상에 배치되고, 상기 전극부는 상기 챔버 상판의 아래에 배치되고, 상기 챔버 상판은 유전체일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 챔버부는 챔버 상부 몸체, 챔버 하부 몸체, 및 챔버 상판을 포함하되, 상기 챔버 상부 몸체는 유전체이고, 상기 유도 코일부는 상기 챔버 상부 몸체의 외부 측면에 배치되고, 상기 전극부는 상기 챔버 상판의 하부에 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 챔버 상판은 도전체일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 유도 코일부는 제1 안테나, 제2 안테나, 및 리액티브 가변 축전기를 포함하되, 상기 제1 안테나와 상기 제2 안테나는 상호 병렬연결되고, 상기 리액티브 가변 축전기는 상기 제1 안테나와 직렬연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 챔버부는 챔버 상부 몸체, 챔버 하부 몸체, 및 챔버 상판을 포함하되, 상기 챔버 상부 몸체 및 상기 챔버 상판은 유전체를 포함하고, 상기 제1 안테나는 상기 챔버 상부 몸체의 외부 측면에 배치되고, 상기 제2 안테나는 상기 챔버 상판 상에 배치되고, 상기 전극부는 상기 챔버 상판의 아래에 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 챔버부는 챔버 몸통와 상기 챔버 몸통 상에 배치되는 챔버 상판을 포함하되, 상기 챔버 몸통은 유전체이고, 상기 유도 코일부는 상기 챔버 상판 상에 배치되고, 상기 전극부는 상기 챔버 몸통의 내벽에 인 접하여 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 파라데이 쉴드부를 더 포함하되, 상기 챔버부는 상기 챔버부는 챔버 몸통와 상기 챔버 몸통 상에 배치되는 챔버 상판을 포함하되, 상기 챔버 상판은 유전체이고, 상기 유도 코일부는 상기 챔버 상판 상에 배치되고, 상기 파라데이 쉴드부는 상기 유도 코일부와 상기 챔버 상판 사이에 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전극부는 상기 챔버 상판의 하부에 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 변압기를 더 포함하되, 상기 변압기의 1차 코일의 일단은 상기 정합회로부에 연결되고 상기 변압기의 1차 코일의 타단은 접지되고, 상기 변압기의 2차 코일의 일단은 상기 유도 코일부에 전기적으로 연결되고, 상기 변압기의 2차 코일의 타단은 상기 전극부에 전기적으로 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 챔버부는 챔버 몸통와 상기 챔버 몸통 상에 배치되는 챔버 상판을 포함하되, 상기 챔버 상판은 유전체이고, 상기 유도 코일부는 상기 챔버 상판 상에 배치되고, 상기 전극부는 상기 챔버 상판 아래에 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 유도 코일부의 일단은 상기 변압기의 1차 코일과 연결되고, 상기 유도 코일부의 타단은 상기 가변 소자부의 일단과 연결되고, 상기 가변소자부의 타단은 접지될 수 있다.
본 발명에 따른 실시예들에 따른 고전력 플라즈마 발생 장치는 CCP와 ICP의 상호 공명현상을 이용하여 저압에서 고밀도의 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 본 발명에 따른 플라즈마 발생 장치는 식각, 증착, 스퍼터링 등의 플라즈마 발생 장치로 사용될 수 있다. 특히, 고전력을 이용하는 플라즈마 발생 장치는 정합회로부(impdance matching network)에서 많은 전력을 소모할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 플라즈마 발생 장치는 상기 정합회로부의 소모 전력을 현저히 감소시키어 안정적인 플라즈마 발생이 가능하다. 구체적으로, 본 발명에 따른 플라즈마 발생 장치는 축전결합플라즈마(capacitivley coupled plasma: CCP) 및 유도결합 플라즈마(inductively coupled plasma:ICP)의 상호 병렬 공명을 이용할 수 있다. 이에 따라, CCP 와 ICP는 서로 공명하여 많은 전류가 흐르고, 상기 정합회로부에 흐르는 전류는 최소화될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 발생장치는 높은 플라즈마 발생효율을 가질 수 있다. 상기 병렬 공명에 기인한 CCP의 전극에 인가되는 이온에너지를 극대화할 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자가 본 발명의 기술적 사상을 용이실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고전력 플라즈마 발생 장치를 설명하는 개념도이다.
도 1을 참조하면, 상기 고전력 플라즈마 발생 장치는 전력을 공급하는 전원 부(150), 상기 전원부(150)와 직렬 연결되는 정합회로부(140), 플라즈마를 감금하는 챔버부(100), 상기 챔버부(100)의 외부에 배치되는 유도 코일부(130), 상기 챔버부(100)의 내부에 배치되는 전극부(120), 및 상기 유도코일부(130) 또는 상기 전극부(120)와 직렬 연결되는 가변 소자부(160)를 포함한다. 상기 유도코일부(130) 및 상기 전극부(120)는 상호 병렬연결되어 상기 정합회로부(140)에 연결된다. 상기 가변 소자부(160)는 상기 유도 코일부(130)와 상기 전극부(120)의 공명 주파수를 상기 전원부(150)의 구동 주파수와 일치시킬 수 있다.
상기 전원부(150)는 라디오 주파수(radio frequency: RF) 전원일 수 있다. 상기 라디오 주파수는 수백 KHz 내지 수백 MHz의 범위일 수 있다. 상기 전원부(150)의 출력 임피던스는 50 오옴(ohm)일 수 있다. 상기 전원부(150)의 파워는 수 킬로 와트(kW)에서 수백 킬로 와트(kW)일 수 있다.
상기 정합회로부(140)는 부하(10)와 전원부(140)의 임피던스를 일치시킬 수 있다. 즉, 상기 정합회로부(140)는 상기 부하(10)에서 반사되는 반사파를 제거하여, 최대의 전력을 상기 부하(10)에 전달할 수 있다. 상기 부하(10)는 상기 유도코일부(130), 상기 전극부(120), 상기 가변 소자부(160), 및 플라즈마를 포함할 수 있다. 상기 정합회로부(140)는 적어도 두 개의 가변소자를 포함할 수 있다. 상기 정합회로부(140)는 상술한 형태에 한하지 않고 다양하게 변형될 수 있다. 상기 정합회로부(140)는 두 개의 가변 축전기(variable capacitor)를 포함할 수 있다.
상기 챔버부(100)의 내부는 대기압 미만일 수 있다. 상기 챔버부(100)의 내 부에 플라즈마가 발생할 수 있다. 상기 플라즈마는 상기 유도 코일부(130) 및 상기 전극부(120)에 의하여 생성될 수 있다. 상기 챔버부(100)는 공정 가스를 공급되는 가스 유입구, 공정 가스를 배출하기 가스 배기구를 포함할 수 있다. 상기 가스 배기구는 진공펌프와 연결될 수 있다. 상기 챔버부(100)는 기판이 놓이는 서셉터를 포함할 수 있다. 상기 서셉터는 직류 전원 및/또는 RF 전원이 연결될 수 있다. 상기 서셉터는 가열 수단 및/또는 냉각 수단을 포함할 수 있다. 상기 챔버부(100)는 플라즈마를 생성하는 플라즈마 챔버와 공정을 수행하는 공정 챔버로 분리될 수 있다. 상기 챔버부(100)는 원통형의 챔버 몸체(110)와 챔버 상판(112)을 포함할 수 있다. 상기 챔버 상판(112)은 유전체일 수 있다. 상기 챔버 몸체(110)는 도전성 물질일 수 있다. 상기 챔버 몸체(120)의 내벽은 유전체로 코팅될 수 있다. 상기 챔버 상판(112)은 중심에 관통홀(113)을 포함할 수 있다. 상기 챔버 상판(112)과 상기 챔버 몸체(110)는 챔버 영역을 형성할 수 있다. 상기 챔버 몸체(110)는 접지될 수 있다.
상기 유도 코일부(130)는 ICP를 생성하는 에너지 인가 수단일 수 있다. 상기 유도 코일부(130)는 적어도 하나의 안테나 또는 코일을 포함할 수 있다. 상기 안테나 또는 코일에 흐르는 전류는 유도 기전력(electromotive force)을 발생시킬 수 있다. 상기 유도 기전력이 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 상기 챔버 상판(112)이 유전체인 경우, 상기 유도 기전력은 상기 챔버 상판(112)을 통과하여 상기 챔버 상판(112)의 하부의 상기 챔버 영역에 플라즈마를 생성할 수 있다. 상기 유도 코일부(130)는 원턴(one turn) 안테나일 수 있다. 상기 유도 코일부(130)의 일단은 상기 가변소자부(160)와 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 유도 코일부(130)의 타단은 접지될 수 있다. 상기 유도 코일부(130)는 유체에 의하여 냉각될 수 있다. 상기 유도 코일부(130)는 다양하게 변형될 수 있다.
상기 전극부(120)는 상기 챔버부(100)의 내부에 배치될 수 있다. 상기 전극부(120)는 방전판을 포함할 수 있다. 상기 방전판은 도전체일 수 있다. 상기 전극부(120)의 일부는 유전체 또는 접지된 도체에 둘러싸일 수 있다. 상기 전극부(120)의 표면은 유전체로 코딩될 수 있다. 상기 전극부(120)는 가스 분사 기능을 포함할 수 있다. 상기 전극부(120)는 CCP를 생성할 수 있다. 상기 전극부(120)는 상기 전원부(150)의 전력을 상기 챔버 상판(112)의 상기 관통홀(113)을 통하여 공급받을 수 있다. 상기 유도 코일부(130)의 하부에 도체가 있는 경우, 상기 유도 코일부(130)에 의한 유도 기전력은 상기 도체를 통과하기 어려울 수 있다. 따라서, 상기 유도 코일부(130) 하부에 상기 전극부(120)가 배치되는 경우, 상기 유도 코일부(130)의 반경은 상기 전극부(120)의 반경보다 큰 것이 바람직하다.
상기 전극부(120)와 상기 유도 코일부(130)는 서로 병렬연결될 수 있다. 이에 따라, 상기 전극부(120)와 상기 유도 코일부(130)는 병렬 공명회로를 형성할 수 있다. 상기 가변 소자부(160)는 상기 유도 코일부(130) 또는 상기 전극부(120)와 직렬연결되어, 상기 병렬 공명회로의 공명 주파수를 바꿀 수 있다.
상기 전원부(150)의 구동 주파수가 공명 주파수와 일치하는 공명조건에서, 상기 전극부(120)는 효율적인 축전 결합 플라즈마를 형성할 수 있다. 상기 병렬 공명 회로에 공명 조건이 충족된 경우, 상기 유도 코일부(130) 및 상기 전극부(120) 에 흐르는 전류는 최대값이 될 수 있다. 상기 정합회로부(140)에 흐르는 전류는 최소값이 될 수 있다. 이에 따라, 고밀도 고효율의 플라즈마가 발생할 수 있고, 상기 정합회로부(140)에서 소모되는 전력을 최소화될 수 있다. 따라서, 상기 정합회로부(140)의 냉각 및 안정성 문제는 개선될 수 있다.
상기 가변 소자부(160)는 가변 축전기를 포함할 수 있다. 상기 가변 축전기는 진공 가변 축전기일 수 있다. 상기 가변 축전기의 정전용량은 공명 주파수를 변경할 수 있다. 상기 병렬 공명 회로에서 구동주파수가 상기 공명 주파수보다 작은 경우, 전류는 주로 상기 유도 코일부(130)를 통하여 흐를 수 있다. 즉, ICP 모드로 플라즈마가 형성될 수 있다. 한편, 상기 구동주파수가 상기 공명 주파수보다 큰 경우, 전류는 주로 상기 전극부(120)을 통하여 흐를 수 있다. 즉, CCP 모드로 플라즈마가 형성될 수 있다. 구동 주파수과 공명 주파수가 일치하여 병렬 조건이 충족되는 경우, 상기 유도 코일부(130)와 상기 전극부(120)에 흐르는 전류의 크기는 실질적으로 같고, 위상은 180도 차이가 날 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 유도 코일부(130)의 일단은 상기 정합회로부(160)에 연결될 수 있고, 상기 유도 코일부(130)의 타단의 상기 가변 소자부(160)의 일단에 연결될 수 있다. 상기 가변 소자부(160)의 타단은 접지될 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 도 1의 고전력 플라즈마 발생장치의 가변 소자부의 정전용량에 따른 유도 코일부, 전극부, 및 정합회로부에 흐르는 전류의 세기와 위상의 전산모사(computer simulation)의 예를 나타낸다. 다만, 이 경우, 전원부(150)가 공 급하는 전류는 1 암페어(Ampare)로 고정되었다.
도 1, 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 가변 소자부(160)의 정전용량이 변경됨에 따라, 상기 유도 코일부(130) 및 상기 전극부(120)에 흐르는 전류의 크기 및 위상이 바뀔 수 있다. 상기 정전용량이 0.62 nF 에서 공명 조건이 충족한 경우, 상기 정합회로부(140)에 흐르는 전류는 1 암페어이고, 상기 유도 코일부(130) 및 상기 전극부(120)에 흐르는 전류는 100 암페어 정도가 흐를 수 있다. 상기 유도 코일부(130) 및 상기 전극부(120)에 흐르는 전류의 위상은 180도 차이가 있을 수 있다.
도 3는 도 1의 고전력 플라즈마 발생장치의 가변 소자부의 정전용량에 따른 플라즈마의 흡수 파워와 정합회로부의 흡수 파워를 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 3를 참조하면, 공명 조건에서 플라즈마의 흡수 파워는 정합회로부(140)의 흡수 파워의 106 배 정도 높을 수 있다. 통상의 RF 플라즈마의 흡수파워는 정합회로부의 흡수 파워와 같은 차수(order)일 수 있다. 따라서, 본 발명에 일 실시예에 따른 플라즈마 발생장치에 의하면, 공명조건에서 상기 정합회로부(140)에서 손실되는 파워는 현저히 감소할 수 있다. 또한, 공명 조건에서, 상기 유도 코일부(130)와 상기 전극부(120)에 흐르는 많은 전류가 흘러, 고밀도 플라즈마를 발생시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 고전력 플라즈마 발생장치를 설명하는 도면이다.
도 4을 참조하면, 상기 고전력 플라즈마 발생 장치는 전력을 공급하는 전원부(150), 상기 전원부(150)와 직렬 연결되는 정합회로부(140), 플라즈마를 감금하는 챔버부(100), 상기 챔버부(100)의 외부에 배치되는 유도 코일부(130), 상기 챔버부(100)의 내부에 배치되는 전극부(120), 및 상기 유도코일부(130) 또는 상기 전극부(120)와 직렬 연결되는 가변소자부(160)를 포함한다. 상기 유도코일부(130) 및 상기 전극부(120)는 상호 병렬 연결되어 상기 정합회로부(140)에 연결될 수 있다. 상기 가변소자부(160)는 상기 유도 코일부(130)와 상기 전극부(120)의 공명 주파수를 상기 전원부(150)의 구동 주파수와 일치시킬 수 있다.
상기 챔버부(100)는 챔버 상부 몸체(114), 챔버 하부 몸체(116), 상기 챔버 상부 몸체(114) 상에 배치된 챔버 상판(112)을 포함할 수 있다. 상기 챔버 하부 몸체(116) 상에 상기 챔버 상부 몸체(114)가 배치될 수 있다. 상기 챔버 상부 몸체(114)는 원통 모양일 수 있다. 상기 챔버 상부 몸체(114)는 유전체일 수 있다. 상기 챔버 하부 몸체(116)는 도전성 물질일 수 있다. 상기 챔버 하부 몸체(116)의 내벽은 유전체로 코팅될 수 있다. 상기 챔버 상판(112)은 중심에 관통홀(113)을 포함할 수 있다. 상기 챔버 상판(112)은 도전체일 수 있다. 상기 챔버 상판(112), 상기 챔버 하부 몸체(116), 및 상기 챔버 상부 몸체(114)는 챔버 영역을 형성할 수 있다.
상기 유도 코일부(130)는 ICP를 생성하는 에너지 인가 수단일 수 있다. 상기 유도 코일부(130)는 적어도 하나의 안테나 또는 코일을 포함할 수 있다. 상기 안테나 또는 코일에 흐르는 전류는 유도 기전력을 발생하고, 상기 유도 기전력이 플라 즈마를 발생시킬 수 있다. 상기 유도 코일부(130)는 상기 챔버 상부 몸체(114)의 외측 측면에 배치될 수 있다. 상기 챔버 상부 몸체(114)가 유전체인 경우, 상기 유도 기전력은 상기 챔버 상부 몸체를 통과하여 상기 챔버 영역에 플라즈마를 생성할 수 있다. 상기 유도 코일부(130)는 원턴(one turn) 안테나일 수 있다. 상기 유도 코일부(130)의 일단은 직접 또는 간접적으로 상기 정합회로부(140)와 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 유도 코일부(130)의 타단은 접지될 수 있다. 상기 유도 코일부(130)는 유체에 의하여 냉각될 수 있다. 상기 유도 코일부(130)의 형태는 다양하게 변형될 수 있다. 상기 챔버 하부 몸체(116) 및 상기 챔버 상판(112)은 접지될 수 있다.
상기 전극부(120)는 상기 챔버부(100) 내부에 배치될 수 있다. 상기 챔버 상판(112)은 중심에 관통홀(113)을 포함할 수 있다. 상기 전극부(120)는 상기 챔버 상판(112)의 하부에 배치될 수 있다. 상기 전극부(120)는 상기 관통홀(113)을 통하여 상기 전원부(150)와 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 전극부(120)는 방전판을 포함할 수 있다. 상기 방전판의 일부는 유전체 또는 도체에 둘러싸일 수 있다. 상기 방전판의 표면은 유전체로 코딩될 수 있다. 상기 전극부(120)는 가스 분사 기능을 포함할 수 있다. 상기 전극부(120)는 축전결합 플라즈마를 생성할 수 있다. 상기 전원부(150)의 구동 주파수가 공명 주파수와 일치하는 공명조건에서, 상기 전극부(120)는 효율적인 축전 결합 플라즈마를 형성할 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생장치를 설명하는 도면이다.
상기 챔버부(100)는 챔버 상부 몸체(114), 챔버 하부 몸체(116), 상기 챔버 상부 몸체(114) 상에 배치된 챔버 상판(112)을 포함할 수 있다. 상기 챔버 하부 몸체(116) 상에 상기 챔버 상부 몸체(114)가 배치될 수 있다. 상기 챔버 상부 몸체(114)는 원통 모양일 수 있다. 상기 챔버 상부 몸체(114)는 유전체일 수 있다. 상기 챔버 하부 몸체(116)는 도전성 물질일 수 있다. 상기 챔버 하부 몸체(116)의 내벽은 유전체로 코팅될 수 있다. 상기 챔버 상판(112)은 중심에 관통홀(113)을 포함할 수 있다. 상기 챔버 상판(112)은 유전체일 수 있다. 상기 챔버 상판(112), 상기 챔버 하부 몸체(116), 및 상기 챔버 상부 몸체(114)는 챔버 영역을 형성할 수 있다.
상기 유도 코일부(130)는 ICP를 생성하는 에너지 인가 수단일 수 있다. 상기 유도 코일부(130)는 제1 안테나(132), 제2 안테나(134), 및 리액티브 가변 축전기(170)를 포함할 수 있다. 상기 제1 안테나(132)와 상기 리액티브 가변 축전기(170)는 직렬연결되어, 상기 제2 안테나(134)와 병렬연결될 수 있다. 상기 리액티브 가변 축전기(170)는 상기 제1 안테나(132)와 상기 제2 안테나(134)에 흐르는 전류를 제어할 수 있다. 상기 제1 안테나(132)는 상기 챔버 상부 몸체(114)의 외측 측면에 배치될 수 있다. 상기 제2 안테나(134)는 상기 챔버 상판(112) 상에 배치될 수 있다. 상기 제1 안테나(132) 및 상기 제2 안테나(134)는 각각 원턴 안테나일 수 있다. 상기 제1 안테나(132) 및 상기 제2 안테나(134)의 일단은 전원부와 직접 또는 간접적으로 전기적으로 연결될 수 있고, 상기 제1 안테나(132) 및 상기 제2 안테나(134)의 타단은 접지될 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 제1 안테나(132)는 상기 챔버 상판(112)에 배치될 수 있고, 상기 제2 안테나(134)는 상기 챔버 상부 몸체(114)의 외측에 배치될 수 있다.
상기 전극부(120)는 상기 챔버부(100) 내부에 배치될 수 있다. 상기 챔버 상판(112)은 중심에 관통홀(113)을 포함할 수 있다. 상기 전극부(120)는 상기 챔버 상판(112)의 하부에 배치될 수 있다. 상기 전극부(120)는 상기 관통홀(113)을 통하여 상기 전원부(150)와 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 전극부(120)는 방전판을 포함할 수 있다. 상기 제2 안테나(134)의 반경은 상기 전극부(120)의 반경보다 클 수 있다. 상기 전극부(120)와 상기 유도 코일부(130)는 병렬연결되어 병렬 공명회로를 구성할 수 있다. 상기 가변 소자부(160)에 의하여, 상기 전원부(150)의 구동 주파수가 공명 주파수와 일치하는 공명조건에서, 상기 전극부(120)는 효율적인 축전 결합 플라즈마를 형성할 수 있다.
도 6는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생장치를 설명하는 도면이다.
상기 챔버부(100)는 챔버 몸체(110), 상기 챔버 상부 몸체(110) 상에 배치된 챔버 상판(112)을 포함할 수 있다. 상기 챔버 몸체(110)는 도전체일 수 있다. 상기 챔버 상판(112)은 유전체 판일 수 있다. 상기 챔버 몸체(110)의 측벽에 관통홀(111)이 배치될 수 있다.
상기 유도 코일부(130)는 ICP를 생성하는 에너지 인가 수단일 수 있다. 상기 유도 코일부(130)는 상기 챔버 상판(112) 상에 배치될 수 있다. 상기 전극부(120) 는 상기 챔버부(100) 내부에 배치될 수 있다. 상기 전극부(120)는 상기 챔버 몸체(110)의 내부 측면에 배치될 수 있다. 상기 전극부(120)는 상기 관통홀(111)을 통하여 상기 전원부(150)와 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 전극부(120)는 원통형일 수 있다. 상기 전극부(120)와 상기 유도 코일부(130)는 병렬연결되어 병렬 공명회로를 구성할 수 있다. 상기 가변 소자부(160)에 의하여, 상기 전원부(150)의 구동 주파수가 공명 주파수와 일치하는 공명조건에서, 상기 전극부(120)는 효율적인 축전 결합 플라즈마를 형성할 수 있다.
도 7는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생장치를 설명하는 도면이다.
상기 챔버부(100)는 챔버 몸체(110), 상기 챔버 몸체(110) 상에 배치된 챔버 상판(112)을 포함할 수 있다. 상기 챔버 몸체(110)는 도전체일 수 있다. 상기 챔버 상판(112)은 유전체 판일 수 있다. 상기 챔버 상판(112)의 중심에 관통홀(113)이 배치될 수 있다.
상기 유도 코일부(130)는 ICP를 생성하는 에너지 인가 수단일 수 있다. 상기 유도 코일부(130)는 상기 챔버 상판(112) 상에 배치될 수 있다. 상기 전극부(120)는 상기 챔버부(100) 내부에 배치될 수 있다. 상기 전극부(120)는 상기 챔버 상판(112)의 하부에 배치될 수 있다. 상기 전극부(120)는 상기 관통홀(113)을 통하여 상기 전원부(150)와 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 전극부(120)는 원판형일 수 있다.
파라데이 쉴드판(180)이 상기 유도코일부(130)와 상기 챔버 상판(112) 사이 에 배치될 수 있다. 상기 파라데이 쉴드판(180)은 상기 유도코일부(130)에 정전계에 플라즈마 방전을 감소시킬 수 있다. 상기 유도 코일부(130)에 의한 유도 기전력은 상기 파라데이 쉴드판(180)을 통과하여 상기 챔버부(100) 내부에 도달할 수 있다. 상기 파라데이 쉴드판(180)은 상기 유도 코일부(130)에 의하여 유도전류가 흐르지 못하도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 파라데이 쉴드판(180)은 방사형을 복수의 실릿(slit)을 포함할 수 있다. 상기 파라데이 쉴드판(180)의 형태는 다양하게 변형될 수 있다. 상기 파라데이 쉴드판(180)은 접지되거나 플로팅될 수 있다.
상기 전극부(120)와 상기 유도 코일부(130)는 병렬연결되어 병렬 공명회로를 구성할 수 있다. 상기 가변 소자부(160)에 의하여, 상기 전원부(150)의 구동 주파수가 공명 주파수와 일치하는 공명조건에서, 상기 전극부(120)는 효율적인 축전 결합 플라즈마를 형성할 수 있다.
도 8는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생장치를 설명하는 도면이다.
상기 챔버부(100)는 챔버 몸체(110), 상기 챔버 몸체(110) 상에 배치된 챔버 상판(112)을 포함할 수 있다. 상기 챔버 몸체(110)는 도전체일 수 있다. 상기 챔버 상판(112)은 유전체 판일 수 있다. 상기 챔버 상판(112)의 중심에 관통홀(113)이 배치될 수 있다.
상기 유도 코일부(130)는 ICP를 생성하는 에너지 인가 수단일 수 있다. 상기 유도 코일부(130)는 상기 챔버 상판(112) 상에 배치될 수 있다. 상기 전극부(120)는 상기 챔버부(100)의 내부에 배치될 수 있다. 상기 전극부(120)는 상기 챔버 상 판(112)의 하부에 배치될 수 있다. 상기 전극부(120)는 상기 관통홀(113)을 통하여 상기 전원부(150)와 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 전극부(120)는 원판형일 수 있다.
변압기(transformer,190)가 상기 정합회로부(140)와 상기 유도코일부(130) 및 전극부(120) 사이에 배치될 수 있다. 상기 변압기(190)는 1차 코일(192)과 2차코일(194)을 포함할 수 있다. 상기 1차 코일(192)의 일단은 상기 정합회로부(140)에 연결될 수 있다. 상기 1차 코일(192)의 타단은 접지될 수 있다. 상기 2차 코일(194)의 일단은 상기 유도 코일부(130)의 일단에 연결될 수 있다. 상기 2차 코일(130)의 타단은 상기 전극부(120)에 연결될 수 있다. 상기 가변 소자부(130)의 일단은 상기 유도 코일부(130)의 타단과 연결되고, 상기 가변 소자부(160)의 타단은 접지될 수 있다. 상기 변압기의 권선비는 다양하게 변형될 수 있다. 상기 변압기(190)는 상기 유도 코일부(130)의 인가되는 전압을 감소시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 유도 코일부(130)에 기인한 정전계를 감소시킬 수 있다. 상기 정전계의 감소는 상기 유도 코일부(130)에 형성된 ICP의 균일성을 향상시킬 수 있다.
상기 전극부(120)와 상기 유도 코일부(130)는 병렬연결되어 병렬 공명회로를 구성할 수 있다. 상기 가변 소자부(160)에 의하여, 상기 전원부(150)의 구동 주파수가 공명 주파수와 일치하는 공명조건에서, 상기 전극부(120)는 효율적인 축전 결합 플라즈마를 형성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고전력 플라즈마 발생 장치를 설명하는 개념도이다.
도 2a 및 도 2b는 도 1의 고전력 플라즈마 발생장치의 가변 소자부의 정전용량에 따른 유도 코일부, 전극부, 및 정합회로부에 흐르는 전류의 세기와 위상을 나타낸다.
도 3는 도 1의 고전력 플라즈마 발생장치의 가변 소자부의 정전용량에 따른 플라즈마의 흡수 파워와 정합회로부의 흡수 파워를 나타내는 도면이다.
도 4 내지 도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 고전력 플라즈마 발생장치를 설명하는 도면들이다.

Claims (16)

  1. 전력을 공급하는 전원부;
    상기 전원부와 직렬연결되는 정합회로부;
    플라즈마를 감금하는 챔버부;
    상기 챔버부의 외부에 배치되는 유도 코일부;
    상기 챔버부의 내부에 배치되는 전극부; 및
    상기 유도코일부 또는 상기 전극부와 직렬연결되는 가변 소자부를 포함하되,
    상기 유도코일부 및 상기 전극부는 상호 병렬연결되어 상기 정합회로부에 연결되고, 상기 가변소자부는 상기 유도 코일부와 상기 전극부의 병렬 공명주파수를 상기 전원부의 구동 주파수와 일치시키는 고전력 플라즈마 발생 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유도코일부에 흐르는 전류의 위상은 상기 전극부에 흐르는 전류의 위상과 180도 차이가 있는 것을 특징으로 하는 고전력 플라즈마 발생 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 유도 코일부의 일단은 상기 가변 소자부와 연결되고, 상기 유도 코일부의 타단은 접지되는 것을 특징으로 하는 고전력 플라즈마 발생 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 유도 코일부의 일단은 상기 가변 소자부와 연결되고, 상기 유도 코일부의 타단은 상기 정합회로부와 연결되는 것을 특징으로 하는 고전력 플라즈마 발생 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 가변소자부는 가변 축전기를 포함하는 것을 특징으로 하는 고전력 플라즈마 발생 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 챔버부는 챔버 몸체와 챔버 상판을 포함하되,
    상기 유도 코일부는 상기 챔버 상판 상에 배치되고, 상기 전극부는 상기 챔버 상판의 아래에 배치되고, 상기 챔버 상판은 유전체인 것을 특징으로 하는 고전력 플라즈마 발생 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 챔버부는 챔버 상부 몸체, 챔버 하부 몸체, 및 챔버 상판을 포함하되,
    상기 챔버 상부 몸체는 유전체이고, 상기 유도 코일부는 상기 챔버 상부 몸체의 외부 측면에 배치되고, 상기 전극부는 상기 챔버 상판의 하부에 배치되는 것을 특징으로 하는 고전력 플라즈마 발생 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 챔버 상판은 도전체인 것을 특징으로 하는 고전력 플라즈마 발생 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 유도 코일부는 제1 안테나, 제2 안테나, 및 리액티브 가변 축전기를 포함하되,
    상기 제1 안테나와 상기 제2 안테나는 상호 병렬연결되고, 상기 리액티브 가변 축전기는 상기 제1 안테나와 직렬연결되는 것을 특징으로 하는 고전력 플라즈마 발생 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 챔버부는 챔버 상부 몸체, 챔버 하부 몸체, 및 챔버 상판을 포함하되,
    상기 챔버 상부 몸체 및 상기 챔버 상판은 유전체를 포함하고,
    상기 제1 안테나는 상기 챔버 상부 몸체의 외부 측면에 배치되고, 상기 제2 안테나는 상기 챔버 상판 상에 배치되고,
    상기 전극부는 상기 챔버 상판의 아래에 배치되는 것을 특징으로 하는 고전력 플라즈마 발생 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 챔버부는 챔버 몸통와 상기 챔버 몸통 상에 배치되는 챔버 상판을 포함하되,
    상기 챔버 몸통은 유전체이고, 상기 유도 코일부는 상기 챔버 상판 상에 배치되고, 상기 전극부는 상기 챔버 몸통의 내벽에 인접하여 배치되는 것을 특징으로 하는 고전력 플라즈마 발생 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    파라데이 쉴드부를 더 포함하되,
    상기 챔버부는 상기 챔버부는 챔버 몸통와 상기 챔버 몸통 상에 배치되는 챔버 상판을 포함하되, 상기 챔버 상판은 유전체이고,
    상기 유도 코일부는 상기 챔버 상판 상에 배치되고, 상기 파라데이 쉴드부는 상기 유도 코일부와 상기 챔버 상판 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 고전력 플라즈마 발생 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극부는 상기 챔버 상판의 하부에 배치되고,
    상기 전극부의 반경은 상기 유도 코일부의 반경보다 작은 것을 특징으로 하는 고전력 플라즈마 발생 장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    변압기를 더 포함하되,
    상기 변압기의 1차 코일의 일단은 상기 정합회로부에 연결되고 상기 변압기의 1차 코일의 타단은 접지되고,
    상기 변압기의 2차 코일의 일단은 상기 유도 코일부에 전기적으로 연결되고, 상기 변압기의 2차 코일의 타단은 상기 전극부에 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 고전력 플라즈마 발생 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 챔버부는
    챔버 몸통와 상기 챔버 몸통 상에 배치되는 챔버 상판을 포함하되, 상기 챔버 상판은 유전체이고,
    상기 유도 코일부는 상기 챔버 상판 상에 배치되고, 상기 전극부는 상기 챔버 상판 아래에 배치되는 것을 특징으로 하는 고전력 플라즈마 발생 장치.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 유도 코일부의 일단은 상기 변압기의 1차 코일과 연결되고, 상기 유도 코일부의 타단은 상기 가변 소자부의 일단과 연결되고, 상기 가변소자부의 타단은 접지되는 것을 특징으로 하는 고전력 플라즈마 발생 장치.
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