KR20140125121A - 플라즈마의 밀도를 조절할 수 있는 내부 삽입형 선형 안테나, 안테나 조립체 및 이를 이용한 플라즈마 장치 - Google Patents

플라즈마의 밀도를 조절할 수 있는 내부 삽입형 선형 안테나, 안테나 조립체 및 이를 이용한 플라즈마 장치 Download PDF

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Abstract

두께 조절이 가능한 내부 삽입형 안테나 및 이를 이용한 플라즈마 발생 장치가 개시된다. 상기 내부 삽입형 안테나는 전극을 포함하는 안테나 튜브의 외주면을 감싸는 원통형의 절연체를 포함하며, 상기 플라즈마 발생 장치는 반응 챔버의 내측 상단부에 서로 평행하게 배치되는 상기 내부 삽입형 안테나를 포함하여 구성된다. 또한, 상기 내부 삽입형 안테나는 상기 안테나 튜브의 길이 방향에 따라 두께를 달리하여 생성되는 플라즈마의 밀도를 조절할 수 있다.

Description

플라즈마의 밀도를 조절할 수 있는 내부 삽입형 선형 안테나, 안테나 조립체 및 이를 이용한 플라즈마 장치{INNER-TYPE LINEAR ANTENNA, ANTENNA ASSEMBLY TO ADJUST PLASMA DENSITY AND PLASMA APPARATUS USING THEREOF}
본 발명은 내부 삽입형 선형 안테나, 안테나 조립체 및 이를 이용한 플라즈마 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 플라즈마의 밀도를 선택적으로 조절하기 위한 내부 삽입형 선형 안테나 및 이를 이용한 플라즈마 장치에 관한 것이다.
플라즈마 발생 소스로 사용되는 일반적인 ICP(Inductively Coupled Plasma) 소스는 저압에서 방전이 가능하고 높은 플라즈마 밀도를 가지기 때문에 저압 고밀도 플라즈마 소스로 많이 사용되고 있다.
피처리 기판의 대면적화 추세에 따라 플라즈마 장비가 대형화되고 ICP 플라즈마 소스로 널리 사용되는 나선형 안테나 역시 장비의 크기에 지수적으로 안테나의 길이가 길어져, 정상파 효과(Standing Wave Effect)에 의하여 불균일한 플라즈마가 발생할 수 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 나선형 안테나를 사용하는 대신에 선형 안테나를 이용하여 대면적 장비에 적용하고 있다. 하지만, 안테나의 위치에 따라 용량성 결합(Capacitive Coupling)이 달라지는 문제가 발생하고, 이를 해결하기 위한 수단으로써 각 위치에 두께가 다른 절연 물질을 부착함으로써 용량성 결합을 맞추어 플라즈마의 균일도를 향상시키고 있다.
본 출원인의 선행 등록특허 제10-1021480호에는 위와 같이 별도의 절연 물질을 이용하여 플라즈마의 균일도를 향상시키는 발명이 개시되어있다.
그러나, 절연 물질을 부착하여 사용하는 경우, 안테나에 연결되는 절연 물질이 커짐에 따라 무게가 증가하게 되며 안테나가 밑으로 휘어져 다시 용량성 결합이 바뀌거나, 안테나 및 절연 물질이 파손될 수도 있는 위험이 발생하게 되었다.
또한, 절연 물질이 커짐에 따라 추가적인 비용이 발생하게 되며, 위와 같은 문제를 해결하기 위해 내부에 또 다른 지지 보정물을 추가로 설치하여야 하는 단점이 발생하게 되었다.
균일한 밀도의 플라즈마를 생성하는 것과 마찬가지로, 피처리물의 특성에 맞게 플라즈마의 생성 영역에 따라 다른 밀도의 플라즈마를 생성하는 것 또한 중요하다. 따라서, 상기와 같은 종래 기술의 문제점은 보완하면서 원하는 영역에서 원하는 밀도의 플라즈마를 생성할 수 있는 플라즈마 소스 제어방법이 필요하다.
등록특허 제10-1021480호, 페라이트 구조체를 구비하는 플라즈마 소스 및 이를 채택하는 플라즈마 발생장치
상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 안테나에 추가적인 절연 물질을 부착하지 않으면서 플라즈마의 밀도를 조절하고 균일도를 향상시키는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 절연 물질 내부에 삽입되는 안테나 튜브의 두께를 조절하여 플라즈마의 밀도를 조절하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 생성되는 플라즈마 영역에 대응하는 각각의 안테나 튜브의 두께를 조절하여 플라즈마의 밀도를 조절하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 내부 삽입형 안테나에 있어서 원통형의 절연체 및 상기 절연체 내부에 위치하는 안테나 튜브를 포함하며, 상기 안테나 튜브는 일부 영역의 두께가 나머지 영역의 두께보다 두꺼운 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 안테나 튜브는 상기 원통형 절연체를 관통하는 소정 두께의 안테나 코어 및 상기 안테나 코어 보다 길이가 짧고 안테나 코어의 외주면에 끼워지는 안테나 링을 포함한다.
또한, 상기 안테나 코어에는 복수 개의 안테나 링이 상기 안테나 코어의 길이 방향을 따라 서로 이격되거나 또는 연속되게 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 안테나 링은 직경이 서로 다른 복수 개의 링이 중첩되어 형성된다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 형태는, 플라즈마 발생장치 내에 삽입되는 내부 삽입형 안테나 조립체에 있어서, 서로 이격되어 위치하는 복수 개의 안테나 및 상기 복수 개의 안테나 각각은 원통형 절연체 및 상기 절연체 내부에 위치하는 안테나 튜브를 포함하여 이루어지며, 상기 복수 개의 안테나 중 하나 이상의 안테나는 일부 영역의 안테나 튜브의 두께가 나머지 영역의 안테나 튜브의 두께보다 두꺼운 것을 특징으로 한다.
또한, 안테나 튜브는 상기 원통형 절연체를 관통하는 소정 두께의 안테나 코어 및 상기 안테나 코어의 외주면에 끼워지며 상기 안테나 코어보다 길이가 짧은 안테나 링을 포함한다.
또한, 상기 안테나 코어에는 복수 개의 안테나 링이 안테나 코어의 길이 방향을 따라 서로 이격되거나 또는 연속되게 배치된다.
또한, 상기 안테나 링은 직경이 서로 다른 복수 개의 링이 중첩되어 형성된다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 플라즈마 발생장치는, 생성되는 플라즈마의 밀도를 조절할 수 있도록 복수 개의 내부 삽입형 안테나로 구성되는 상기 내부 삽입형 안테나 조립체를 포함한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 플라즈마 소스는 내부 삽입형 안테나의 외주면을 감싸는 절연 물질을 구비하고, 내부에 삽입되는 안테나 튜브의 두께를 조절함으로써, 절연 물질의 두께를 조절할 필요없이 전체적인 용량성 결합을 동일하게 맞추어 플라즈마 방전시 생성되는 플라즈마의 균일도를 향상시키는 효과를 갖는다.
또한, 절연 물질의 두께에 변경을 가하지 않고 플라즈마의 밀도를 조절할 수 있게 함으로써, 추가적인 비용 및 지지물의 설치 없이 공정의 안정성을 높이는 효과를 갖는다.
그리고, 안테나의 두께를 모든 길이 방향에서 동일하게 변경하는 것이 아닌, 필요에 따라 길이 방향에서 각각 두께를 다르게 조절하고, 안테나를 교체할 필요없이 안테나의 두께를 조절 가능하게 함으로서, 보다 정밀한 플라즈마 밀도의 조절이 가능하며 공정시간 손실을 줄이는 효과를 갖는다.
도 1은 일반적인 유도 결합형 플라즈마 생성 장치의 개략적인 단면도이다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 길이 방향에 따라 두께를 다르게 조절한 내부 삽입형 안테나의 개략도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 내부 삽입형 안테나의 개략도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 내부 삽입형 안테나의 개략도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 내부 삽입형 안테나 조립체의 개략적인 횡단면도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 내부 삽입형 안테나 조립체를 이용하는 플라즈마 발생장치의 개략도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 형태에 관한 플라즈마 발생 장치에 대해 상세히 설명하도록 한다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시 예에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 수 있다.
또한, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본 발명을 가장 적절하게 표현할 수 있도록 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
도 1은 일반적인 유도 결합형 플라즈마 발생 장치의 개략적인 단면도이다. 도 1을 참조하면, 상기 유도 결합형 플라즈마 발생 장치는 플라즈마가 생성되는 공간이 구비되는 반응 챔버(10), 상기 반응 챔버(10)의 하단부에 위치하며 기판이 안착되는 서셉터, 상기 반응 챔버(10)의 내측 상단부에 구비되며 유도 자기장을 발생시키는 플라즈마 소스 또는 안테나(30)를 포함하여 구성된다.
상기 안테나(30)는 전류가 흐르는 전극을 구비하고 있으며, 상기 전극을 통하여 전원을 인가하게 되면 반대 방향의 전류가 교대로 흐르게 되고, 이로 인해 발생하는 유도 전기장에 의하여 자기장이 형성되어 상기 반응 챔버(10) 내부에 플라즈마를 발생시키게 된다.
바람직한 플라즈마의 밀도는 기판 상부의 모든 영역에 걸쳐서 균일하게 형성되는 것이나, 통상적으로 생성되는 플라즈마의 밀도는 기판의 가장자리 부분에서 기판의 중심부보다 떨어지는 경우가 많다.
위와 같은 내부 삽입형 직선형 안테나를 이용하는 것은 나선형 안테나를 이용하는 경우에 발생하는 상술한 문제점을 해결하기 위함이다. 직선형 안테나를 사용하여 플라즈마를 생성하는 경우에는 나선형 안테나를 사용하는 방법에 비하여 대면적 기판을 처리하기에 용이한 면이 있으나, 안테나의 위치와 내부의 상태에 따라 용량성 결합이 달라지는 문제가 있어 안테나의 각 위치에 두께가 다른 절연 물질을 안테나에 부착함으로써 용량성 결합을 맞추어 균일도를 향상시켰다.
여기서 용량성 결합이란, 전자회로의 노드 사이의 정전용량에 의한 전계 내에서의 에너지의 이동으로 정의된다. 피처리 기판의 대면적화에 따라 안테나의 길이도 길어질 수 있으며, 안테나의 길이 증가로 인한 인덕턴스의 증가에 따라, 안테나의 전원단의 인가 전압이 증가하여 용량성 결합이 증가할 수 있다. 이에 따라, 안테나의 용량성 결합에 의한 전력 손실에 의하여 플라즈마의 균일도가 악화될 수 있다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 길이 방향에 따라 두께를 다르게 조절한 내부 삽입형 안테나(30)의 개략도이다.
도 2a 및 2b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 내부 삽입형 안테나(30)는 원통형의 절연체(50)와 상기 절연체 내부에 삽입되는 안테나 튜브(40)를 포함한다. 상기 내부 삽입형 안테나(30)는 상기 반응 챔버(10)의 내측 상단부에 복수개가 평행한 방향으로 설치되며, 각각의 안테나에서 발생되는 유도 자기장을 이용하여 상기 반응 챔버(10) 내부에 플라즈마를 생성하게 된다.
상기 원통형의 절연체(50)는 내부가 비어있는 형태로, 상기 절연체(50)의 두께는 바꾸지 않으면서 내부에 삽입되는 안테나 튜브(40)의 두께를 조절하는 것이 가능하다.
도 2a를 참조하면, 상기 절연체(50) 내부에 삽입되는 안테나 튜브(40)의 두께를 길이 방향에 따라 다르게 조절하여 플라즈마의 밀도를 조절하게 되며, 전체적인 플라즈마의 균일도를 향상시키거나 특정 부분에서의 밀도를 조절하는 것 또한 가능하다.
본 발명은 플라즈마의 균일도를 향상시키는 것은 물론, 피처리 기판의 특성에 따라 플라즈마를 원하는 밀도로 조절하는 것을 목적으로 하는바, 도 2b와 같이 안테나의 두께를 일정하게 하는 것뿐만 아니라, 그 길이 방향에서 두께를 다르게 조절하는 것이 중요하다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 내부 삽입형 안테나의 개략도이다.
도 3을 참조하면, 상기 내부 삽입형 안테나(30)는 원통형의 절연체(50)와 상기 절연체(50) 내부에 구비되는 안테나 튜브(40)를 포함하여 구성된다. 또한, 상기 안테나 튜브(40)는 상기 절연체(50)를 관통하는 소정 두께의 안테나 코어(41) 및 상기 안테나 코어(41)의 외주면에 끼워지며, 상기 안테나 코어 보다 길이가 짧은 안테나 링(42,43)을 포함하여 이루어진다.
내부 삽입형 안테나(30)의 절연체의 길이를 L 이라 하면, 각각의 안테나 링(42,43)의 길이 l1, l2는 L보다 짧게 구성된다. 또한, 상기 안테나 링(42,43)의 지름 d1, d2는 상기 안테나 코어(41)의 지름보다 긴 것을 특징으로 하며, 각각의 지름 d1, d2 및 길이 l1, l2 는 서로 다르게 구성된다.
안테나 코어(41)의 외주면에 끼워지는 안테나 링(42,43)은 도 3에 도시된 바와 같이 서로 이격되어 배치되거나 도 4에 도시된 바와 같이 연속적으로 배치될 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 내부 삽입형 안테나(30)는 도 3에 도시된 구성과 달리 동일한 지름을 가진 복수 개의 안테나 링을 연속적으로 배치하여 구성할 수 있다. 또한, 도 3 및 도 4에 도시된 구성을 변경하여 지름의 길이가 다른 복수 개의 안테나 링을 연속적으로 배치하는 것도 가능하다.
또한, 도 4에 도시된 상기 내부 삽입형 안테나(30)는 동일한 두께와 길이를 가진 단위 링으로 구성되어 있는바, 복수 개의 단위 링을 구비하여 사용자가 원하는 길이의 안테나 튜브(40)를 구성할 수 있어, 길이가 긴 별도의 안테나 튜브를 사용하지 않아도 효율적인 조절이 가능하다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 내부 삽입형 안테나의 개략도이다.
도 5를 참조하면, 상기 내부 삽입형 안테나(30)는 도 3 및 도 4에 도시된 내부 삽입형 안테나와 달리, 두께 및 길이가 서로 다른 복수 개의 안테나 링(42,43)이 중첩되는 형태로 구성된다.
도 5에 도시된 형태의 구성을 이용하면, 상기 안테나 링(42,43)의 위치를 보다 세밀하게 조절할 수 있기 때문에, 다양한 형상의 안테나 튜브(40)를 구성하기에 용이하다.
또한, 도 5에 도시된 상기 복수 개의 안테나 링(42,43)의 길이를 동일하게 하여 중첩되는 형태로 구성하는 것도 가능하며, 동일한 길이의 상이한 두께를 가진 안테나 링을 추가하거나 줄이는 방법을 통하여 두께를 조절할 수 있으므로, 상기 절연체(50) 내부의 안테나 튜브(40)의 두께를 길이 방향에서 동일하게 하되 플라즈마의 밀도를 조절하기 위하여 상이한 두께의 안테나 튜브를 반복 교체하는 손실을 줄일 수 있다.
한편, 도 6을 참조하면, 상기 내부 삽입형 안테나(30)는 도 5에 도시된 형태로 중첩되어 배치되는 안테나 링(42,43)과 이격되어 배치되는 안테나 링(42)을 이용하는 구성을 나타낸다.
이러한 구성 역시, 플라즈마의 밀도 조절을 보다 세밀하게 하기에 효과적이다. 한편, 도 3 내지 도 6에 도시된 상기 내부 삽입형 안테나(30)의 구성은 본 발명을 설명하기 위한 몇 가지 예시적인 방법이며, 상기 내부 삽입형 안테나(30)를 사용하는 사용자 또는 공정상의 필요에 따라 길이 및 두께가 다른 복수 개의 안테나 링을 이용하여 생성되는 플라즈마에 대응하는 위치에 있는 안테나 튜브의 두께를 조절할 수 있다.
종래에는 안테나의 외부를 감싸는 절연 물질의 두께를 달리하여 플라즈마의 균일도를 조절하였다면, 도 3 내지 도 6에 도시된 본 발명에 따른 몇 가지 실시예에서는, 절연체(50)의 두께는 고정시킨 상태에서 상기 절연체(50)의 내부에 삽입되는 안테나 튜브(40)의 두께를 달리하여 플라즈마의 밀도를 조절하므로, 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결할 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 내부 삽입형 안테나 조립체(60)의 개략적인 횡단면도이다.
상기 내부 삽입형 안테나 조립체(60)는 서로 이격되어 위치하는 복수 개의 내부 삽입형 안테나(30)를 구비하며, 상기 복수 개의 안테나 각각은 원통형의 절연체(50) 및 상기 절연체(50)에 위치하는 안테나 튜브(40)를 포함한다. 또한, 상기 안테나 튜브(40)는 도 3 내지 도 6에 도시된 내부 삽입형 안테나(30)와 마찬가지로, 상기 안테나 코어(미도시) 및 상기 안테나 링(미도시)을 포함하여 구성되며, 상기 안테나 튜브(40)의 두께는 길이 및 두께가 다른 복수 개의 안테나 링의 배치 및 결합을 통하여 조절할 수 있다.
따라서, 공정상의 필요에 따라 상기 안테나 튜브(40)의 두께를 조절하여 사용하는 것이 가능하므로, 밀도 조절이 필요한 플라즈마 영역에 대응하는 안테나의 안테나 튜브(40)의 두께를 조절하여 생성되는 플라즈마의 밀도를 조절할 수 있다.
도 7에서 내부 삽입형 안테나 조립체(60)는 설명의 편의를 위하여 3개의 내부 삽입형 안테나(30)를 도시하였으나, 실제 플라즈마 발생장치 내에 삽입되어 사용될 때에는 피처리 기판의 면적에 대응하여 그 개수를 늘리거나 줄여서 사용할 수 있음은 본 발명의 출원시 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 자명할 것이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 내부 삽입형 안테나 조립체(60)를 포함하는 플라즈마 발생장치의 개략도이다.
도 8을 참조하면, 상기 플라즈마 발생장치(100) 내부에 삽입되는 내부 삽입형 안테나 조립체(60)를 구성하는 각각의 내부 삽입형 안테나(30)의 안테나 튜브(40)의 두께는 공정상의 필요에 의해 각각 다르게 조절할 수 있다.
상기 안테나 튜브(40)의 두께를 조절하는 방법 또한, 도 3 내지 도 6에 대한 상기 설명과 동일하며, 각각의 안테나(30)에 대응하는 플라즈마 생성영역의 용량성 연결에 대응하여 조절된다. 즉, 각각의 안테나(30)를 구성하는 안테나 튜브(40)의 두께를 조절하여 안테나로부터 생성되는 전기장의 크기를 조절하고, 그에 따라 변경하고자 하는 위치에서의 플라즈마의 밀도를 조절할 수 있다.
100 : 플라즈마 발생장치 10 : 반응 챔버
30 : 내부 삽입형 안테나 40 : 안테나 튜브
41 : 안테나 코어 42,43 : 안테나 링
50 : 절연체 60 : 내부 삽입형 안테나 조립체

Claims (11)

  1. 플라즈마 발생장치 내에 삽입되는 내부 삽입형 안테나로서,
    원통형의 절연체; 및
    상기 절연체 내부에 위치하는 안테나 튜브;
    를 포함하여 이루어지며, 상기 안테나 튜브는 일부 영역의 두께가 나머지 영역의 두께보다 두꺼운 것을 특징으로 하는 내부 삽입형 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 안테나 튜브는
    상기 원통형 절연체를 관통하는 소정 두께의 안테나 코어; 및
    상기 안테나 코어의 외주면에 끼워지며, 상기 안테나 코어 보다 길이가 짧은 안테나 링;
    을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 내부 삽입형 안테나.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 안테나 코어에는 복수 개의 상기 안테나 링이 상기 안테나 코어의 길이방향을 따라 서로 이격되거나 또는 연속되게 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 내부 삽입형 안테나.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 안테나 링은 직경이 서로 다른 복수 개의 링이 중첩되어 형성되는 것을 특징으로 하는 내부 삽입형 안테나.
  5. 플라즈마 발생장치 내에 삽입되는 내부 삽입형 안테나 조립체로서,
    서로 이격되어 위치하는 복수 개의 안테나를 구비하고,
    상기 복수 개의 안테나 각각은 원통형 절연체 및 상기 절연체 내부에 위치하는 안테나 튜브를 포함하여 이루어지며,
    상기 복수 개의 안테나 중 하나 이상의 안테나는 일부 영역의 안테나 튜브의 두께가 나머지 영역의 안테나 튜브의 두께보다 두꺼운 것을 특징으로 하는 내부 삽입형 안테나 조립체.
  6. 제5항에 있어서,
    튜브의 두께가 불균일한 안테나의 안테나 튜브는
    상기 원통형 절연체를 관통하는 소정 두께의 안테나 코어; 및
    상기 안테나 코어의 외주면에 끼워지며, 상기 안테나 코어보다 길이가 짧은 안테나 링;
    을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 내부 삽입형 안테나 조립체.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 안테나 코어에는 복수 개의 상기 안테나 링이 상기 안테나 코어의 길이 방향을 따라 서로 이격되거나 또는 연속되게 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 내부 삽입형 안테나 조립체.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 안테나 링은 직경이 서로 다른 복수 개의 링이 중첩되어 형성되는 것을 특징으로 하는 내부 삽입형 안테나 조립체.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 안테나 링은 직경이 서로 다른 복수 개의 링이 중첩되어 형성되는 것을 특징으로 하는 내부 삽입형 안테나 조립체.
  10. 제5항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 내부 삽입형 안테나 조립체를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 내부 삽입형 안테나 조립체를 구성하는 복수 개의 안테나 두께는 각각의 안테나에 대응하는 플라즈마 생성영역의 용량성 결합에 따라 조정되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
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