KR20140126351A - 다기능 동작을 위한 리본 안테나 및 효율적인 ｒｆ 파워 결합 - Google Patents

다기능 동작을 위한 리본 안테나 및 효율적인 ｒｆ 파워 결합 Download PDF

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Abstract

E 및 H 동작 모드들 사이에서 스위칭을 가능하게 하며 또한 플라즈마에 대한 RF 파워의 결합 효율성을 증가시키는 플라즈마 프로세싱 장치 및 방법이 개시된다. 이러한 장치는 주어진 파워 출력에 대하여 약 1.25~1.65배 만큼 플라즈마 밀도를 증가시킬 수 있다. 동시에, 높은 효율성에 기인하여, 안테나를 냉각하여야 할 필요성이 사라질 수 있다. 주어진 체적에 대하여 표면적의 양을 증가시키는 새로운 안테나 기하구조가 RF 전류와 연관된 표피 효과들을 활용하기 위해 사용된다. 일부 실시예들에 있어, 안테나는 근접 효과들을 감소시키기 위해 단일 턴(turn)을 갖는다. 안테나는 또한 추가로 그 성능을 최적화하기 위해 페라이트 재료 내에 내장될 수 있다.

Description

다기능 동작을 위한 리본 안테나 및 효율적인 ＲＦ 파워 결합{RIBBON ANTENNA FOR VERSATILE OPERATION AND EFFICIENT RF POWER COUPLING}
플라즈마 프로세싱 장치는 프로세스 챔버 내에서 플래튼(platen)에 의해 지지되는 작업물을 처리하는데 사용될 수 있는 플라즈마를 챔버 내에 생성한다. 일부 실시예들에 있어, 플라즈마가 생성되는 챔버는 프로스세 챔버이다. 이러한 플라즈마 프로세싱 장치는, 비제한적으로, 도핑 시스템들, 에칭 시스템들, 및 증착 시스템들을 포함할 수 있다. 이온 보조 증착과 같은, 일부 플라즈마 프로세싱 장치에 있어, 플라즈마로부터의 이온들이 추출되고 그 후 작업물을 향해 조향된다. 플라즈마 도핑 장치에 있어, 이온들은 반도체 기판과 같은 작업물의 물리적 구조 내에 특정한 도펀트 깊이 프로파일을 생성하기 위하여 희망되는 에너지로 가속될 수 있다.
일부 주입기들에 있어, 플라즈마는 이온들이 이로부터 추출되는 하나의 챔버에서 생성될 수 있으며, 작업물은 상이한 프로세스 챔버에서 처리된다. 이러한 구성의 일 예는 이온 소스가 유도 결합형 플라즈마(inductively coupled plasma: ICP) 소스를 사용하는 빔 라인 이온 주입기일 수 있다.
도 1을 참조하면, 유도 결합을 사용하는 하나의 예시적인 플라즈마 프로세싱 장치(100)의 블록도가 예시된다. 플라즈마 도핑 장치(100)는 이온들을 생성하는데 사용되는 플라즈마 챔버(101) 및 반도체 웨이퍼들을 주입하는데 사용되는 프로세싱 챔버(104)를 포함한다. 유전체 윈도우(102)(일반적으로 석영, 알루미나 또는 사파이어로 만들어진)가 RF 생성기(151)로부터의 전력을 작업 가스(working gas)에 결합하는데 사용된다. 플라즈마 챔버(101)의 대향 면에서 추출 슬릿(105) 또는 상이한 기하구조들의 추출 슬릿들의 어레이를 갖는 추출 플레이트(103)가 이온들의 추출을 위해 사용된다. 작업 가스는 추출 슬릿(105)에 대하여 대칭적으로 분포된 가스 주입구들(106)을 통해 플라즈마 챔버(101) 내로 도입되며, 이러한 기하구조는 플라즈마 챔버(101) 단면에서의 균일한 가스 흐름(flow)을 보장한다.
RF 생성기(151)로부터의 RF 파워를 팬케이크형 또는 평면 안테나(152)에 결합함으로써 플라즈마가 플라즈마 챔버(101) 내부에서 생성된다. 가변 플라즈마 임피던스가 매칭 네트워크(153)에 의해 50 Ω 생성기 임피던스와 매칭된다.
플라즈마 균일성은, 영구 자석들일 수 있는 자석들(107)로 이루어진 자기 멀티커스프(multicusp) 구성에 의해 개선될 수 있다. 자석들(107)의 자기장 강도는, 플라즈마 챔버(101) 외부의 필드 라인들을 폐쇄(close)하도록 기능하는 강철 요크(yoke)들(108)에 의해 향상된다. 자석들(107)은, 자화 방향이 교번적으로 플라즈마 챔버(101)의 내부 및 외부를 가리키도록 교번하는 패턴으로 배열된다. 이러한 방식으로, 멀티커스프 필드 라인 기하구조는 대전된 입자들이 벽들에서 손실되는 것을 방지하며, 따라서 플라즈마 밀도 및 균일성을 증가시킨다. 벽들의 스퍼터링(sputtering)으로부터 발생할 수 있는 플라즈마 내의 불순물들의 레벨을 감소시키기 위하여 SiC, 석영, 또는 Si 스프레이형 Al(Si sprayed Al)로 만들어진 얇은 라이너(liner)들(109)이 사용될 수 있다.
희망되는 도펀트 종(전형적으로 n-형 도펀트에 대해 P, p-형 도펀트에 대해 B이지만, As, Ge, Ga, In, 등의 다른 종이 또한 사용될 수 있음)에 의존하여, 도펀트 원자들을 함유하는 상이한 공급원료(feedstock) 가스들이 가스 매니폴드(111)에 의해 가변 흐름 레이트(rate)들로 플라즈마 챔버(101) 내로 공급될 수 있다. 가스 매니폴드는 가스 용기들(112), 밸브들(113), 및 질량 흐름(mass flow) 제어기들(114)로 구성된다. 진공 펌핑이 회전 펌프(116)에 의해 후원을 받는(backed) 터보분자 펌프(115)에 의해 추출 슬릿(105)을 통해 수행된다. 플라즈마 챔버(101) 내의 압력 및 흐름 레이트의 독립적인 제어가 요망되는 다른 실시예들에 있어, 플라즈마 챔버(101)에 대한 별개의 펌핑 라인이 사용될 수 있다. 웨이퍼 상에 존재하는 포토레지스트(photoresist)가 주입 프로세스 동안 많은 양의 수소를 방출하기 때문에, 터보분자 펌프(115) 및 회전 펌프(116)에 더하여, 크라이오 펌프(cryo pump)가 수소를 펌핑 아웃(pump out)하는 그것의 높은 효율성에 기인하여 프로세싱 챔버(104)를 펌핑하는데 사용될 수 있다. 플라즈마 챔버(101) 및 프로세싱 챔버(104) 내의 압력이 각기 바라트론 게이지(Baratron gauge)(118) 및 베이아드-알퍼트 게이지(Bayard-Alpert gauge)(119)에 의해 모니터링된다.
양 이온들을 추출하기 위하여, 플라즈마 챔버(101)가 추출 전원 공급장치(121)에 의해 양 전위로 유지되며 반면 프로세싱 챔버(104)는 접지 전위에 있을 수 있다. 고 전압 부싱(bushing)(122)이 플라즈마 챔버(101)와 프로세싱 챔버(104) 사이의 전기 절연을 보장한다.
이온 빔(130)은, 세라믹 고 전압 절연기들(133)에 의해 서로 전기적으로 전연된 페이스 플레이트(face plate)(103), 억제 전극(131) 및 접지 전극(132)으로 구성된 3극관(triode)(3 전극 정전 렌즈)에 의해 플라즈마 소스로부터 추출된다. 다른 실시예들에 있어, 4극관(tetrode)(4 전극 렌즈) 또는 5극관(pentode)(5 전극 렌즈)가 이온 빔 추출을 위해 사용될 수 있다. 플라즈마 챔버(101)가 양 전위에 있기 때문에, 양 이온들이 접지 전극(132)에 의해 챔버(101)로부터 끌어 내진다. 추출된 이온들의 대부분은 접지 전극(132)의 슬릿(134)을 통과할 것이지만, 일부는 접지 전극(132)에 충돌한다. 이러한 이벤트가 발생할 때, 2차 전자들이 생성된다. 2차 전자들이 다시 소스를 향해 흐르는 것을 방지하기 위해, 추출 전극(103)과 접지 전극(132) 사이에 개재된 억제 전극(131)이 억제 전원 공급장치(135)에 의해 음 전위로 극성화된다. 억제 전원 공급장치(135)와 억제 전극(132)의 연결은 고 전압 피드스루(feedthrough)(136)를 통해 달성된다.
추출된 이온 빔(130)은 접지될 수 있는 플래튼(142) 상에 배치된 웨이퍼(143)를 향해 조향된다. 플래튼(142)은 전체 웨이퍼 표면을 이온 빔(130)에 노출시키기 위해 전후로 움직일 수 있도록 적응될 수 있다.
이온 소스 측 상에 있기 때문에, 전체 RF 시스템은 추출 전위로 플로팅(float)한다. 안테나(152)는 매칭 네트워크(153) 출력에 연결된 하나의 다리(leg) 및 상승된(elevated) 접지에서의 다른 다리를 갖는다. 일부 실시예들에 있어, 고 전압 커패시터(미도시)가 안테나(152) 길이에 걸쳐 고른 전압 분포를 만들기 위해 접지 다리 내에 삽입된다. 일단 RF 파워가 인가되면, RF 전류가 안테나(152)를 통해 흐르기 시작한다. RF 전류는, 맥스웰의 제 3 전기역학(electrodynamics) 법칙에 따라 안테나(152) 부근에서 전기장을 유도하는 시변 자기장을 생성한다. 플라즈마 챔버(101) 내의 더 낮은 압력에 기인하는 긴 평균 자유 경로 때문에, 전기장이 가스 입자(원자, 분자)와의 충돌이 이온화 프로세스를 야기할 것인 이러한 에너지까지 자유 전자들을 가속할 수 있다. 증착을 위한 RF 파워의 대부분 및, 암시적으로 이온화 프로세스들이 수 디바이 거리(Debye length)의 표피층 내에서 유전체 윈도우(102)의 부근에서 발생한다.
연속적인 동작이 웨이퍼(143) 상의 특징부들에 대한 파멸적인 손상이 뒤따르게 되는 웨이퍼 전하 축적(build-up)을 야기할 수 있다. 따라서, 일부 실시예들에 있어, 이온 빔(130)이 펄싱된다(pulsed). 펄스 변조기(161)는 추출 전원 공급장치(121) 및 억제 전원 공급장치(135) 둘 모두를 동시에 구동(drive)할 수 있으며, 그럼으로써 펄스 주파수 및 듀티 사이클을 변화시키는 것을 가능하게 한다.
일부 실시예들에 있어, 평면 안테나(152)는 도 2a에 도시된 바와 같은 나선-유사 형상 또는 도 2b에 도시된 바와 같은 뱀-유사 형상을 가질 수 있다. 모든 경우들에 있어, 안테나(152)는 알루미늄, 구리 또는 은도금 구리와 같은 전기 전도성 재료로 만들어지며, 바람직하게 수냉(water cooling)을 가능하게 하는 튜브 형상일 수 있다. 다른 실시예들에 있어, 전체 안테나(152)가 유전체 수지 내에 침지되며(immersed), 따라서 안테나(152)와 유전체 윈도우(102) 사이의 직접 접촉을 가능하게 한다.
유도 결합형 플라즈마 소스 동작은 RF 파워 생성기(151)로부터 플라즈마 전자들로의 안테나(152)를 통한 에너지 전달에 기초한다. 그러나, 방전의 초기 단계에서, RF 파워는 용량적으로 결합되며(E 모드 동작), 따라서 안테나(152)가 커패시터 판으로서 역할한다. 이러한 경우들에서, 전자들은 안테나(152)를 포함하는 평면에 대해 수직인 방향의 전기장으로부터 오믹 가열 또는 통계(stochastic) 가열을 통해 에너지를 획득한다. 더 큰 플레이트 면적은 더 양호한 용량성 결합 및 암시적으로 더 용이한 가스 브레이크다운(gas breakdown)을 생성한다. 일단 플라즈마가 점화되면, RF 결합은 유도 결합형 모드(H 모드 동작)를 향해 진전되지만, 일부 용량성 결합이 여전히 남아 있는다. 안테나(152) 및 매칭 회로(153)의 고유한 손실들이 존재하기 때문에. 안테나(152)의 결합 효율성(
Figure pct00001
)은 일반적으로 0.6 내지 0.8 사이의 범위이다. 더 높은 결합 효율성은 더 양호한 전자 가열, 더 많은 수의 이온화 이벤트들, 실제로는, 더 높은 플라즈마 밀도 및 암시적으로 더 높은 추출된 이온 빔 전류를 의미한다. 완전한 RF 매칭(즉, 0 반사 파워) 및 매칭 커패시터들에서의 무시할 수 있는 손실들을 가정하면, 안테나 효율성은 생성기에 의해 전달된 파워(PG)의 총량에 대한 플라즈마에 전송된 파워(Pp)의 양의 비율에 의해 주어진다. 이는 안테나에서의 파워 손실(Ploss)과 연관될 수 있다.
Figure pct00002
수학식 1로부터, 파워 손실들(Ploss)의 양을 감소시킴으로써 파워 결합 효율성을 증가시킬 수 있는 하나의 방법이 확인될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, H 모드 동작은 높은 플라즈마 밀도(>5x1010 - 1x1012 cm-3), 낮은 플라즈마 전위, 및 낮은 전자 온도(<3 eV)에 의해 특징지어지며, 반면 E 모드 동작은 낮은 플라즈마 밀도(<1x1010 cm-3), 높은 플라즈마 전위 및 높은 전자 온도에 의해 특징지어진다. 도 3의 삼각형은 플라즈마 전위(전자 온도를 비례적으로 스케일링하는)를 나타낸다. 플라즈마 전위의 값은 오른쪽 척도계 상에서 판독될 수 있다. 도 3의 원들은 플라즈마 밀도를 나타내며, 이의 값들은 왼쪽 척도계 상에서 판독될 수 있다. 특정 애플리케이션들에 대하여, 일부 프로세스들이 H 모드에서 실행되고 다른 것들이 E 모드에서 실행되는 것이 바람직하다.
따라서, 현장에서 H 모드로부터 E 모드로의 스위칭 및 이의 역을 가능하게 할 시스템이 존재하는 경우 유익할 것이다. 또한, H 모드로 실행될 때, 결합 효율성을 증가시키고 그에 따라 플라즈마 밀도를 증폭하는 시스템 및 방법을 갖는 것이 유익할 것이다. 이러한 시스템은 또한 바람직하게 안테나에 대한 냉각 요구조건들을 감소시킨다.
E 및 H 동작 모드들 사이에서 스위칭을 가능하게 하며 또한 플라즈마에 대한 RF 파워의 결합 효율성을 크게 증가시키는 플라즈마 프로세싱 장치 및 방법이 개시된다. 이러한 장치는 주어진 파워 출력에 대하여 약 1.25~1.65의 인자만큼 플라즈마 밀도를 증가시킬 수 있다. 동시에, 높은 효율성에 기인하여, 안테나를 냉각하여야 할 필요성이 사라질 수 있다. 주어진 체적에 대하여 표면적의 양을 증가시키는 새로운 안테나 기하구조가 RF 전류와 연관된 표피 효과들을 활용하기 위해 사용된다. 일부 실시예들에 있어, 안테나는 근접 효과들을 감소시키기 위해 단일 턴(turn)을 갖는다. 안테나는 또한 추가로 그 성능을 최적화하기 위해 페라이트 재료 내에 내장될 수 있다.
본 발명의 더 양호한 이해를 위해 첨부된 도면들에 대한 참조가 이루어지며, 도면들 내에서 동일한 구성요소들은 동일한 번호들로 언급된다.
도 1은 종래 기술의 플라즈마 도핑 장치의 블록도이다.
도 2a는 종래 기술의 나선형 평면 안테나를 예시한다.
도 2b는 종래 기술의 뱀형 평면 안테나를 예시한다.
도 3은 E 및 H 모드들에서 파워의 함수로서 플라즈마 밀도 및 플라즈마 전위를 예시한다.
도 4a 내지 도 4b는 2개의 상이한 안테나들의 구성들이다.
도 5a 내지 도 5c는 도 4a 내지 도 4b의 안테나들에 의해 생성된 자기장들을 예시한다.
도 6a 내지 도 6b는 도 4a 내지 도 4b의 안테나들에 의해 생성된 자기장 세기의 2차원 등고선 맴들로서, 숫자들은 자기장의 가우스 강도를 나타낸다.
도 7은 플라즈마의 자기장을 향상시키기 위하여 페라이트를 사용하는 리본 안테나의 다른 실시예이다.
도 8a 내지 도 8b는 안테나가 선택적으로 H 또는 E 모드로 동작할 수 있는 일 실시예를 도시한다.
이상에서 설명된 바와 같이, 전통적인 ICP 이온 소스들은 전형적으로 안테나를 통한 RF 파워 생성기로부터 작업 가스로의 에너지 전달에 기초하여 플라즈마를 생성한다. 안테나로부터 플라즈마로의 파워 전송 메커니즘은 맥스웰의 제 3 전기역학 법칙에 기초한다:
Figure pct00003
플라즈마 내에 유도된 전기장(
Figure pct00004
)은 안테나에 의해 생성된 자기장(
Figure pct00005
)의 순간적인 변화에 비례하며, 이는 결국, 안테나를 통해 흐르는 전류에 비례한다. 따라서, 안테나가 매우 낮은 저항을 갖게 하는 것이 바람직할 수 있으며, 이는 전체 안테나 저항이 작아질 것이기 때문이다. 일반적으로, RF 안테나들은 구리 튜빙(tubing)으로 구성된다. 구리는 매우 양호한 전기 및 열 전도성을 갖는다. 또한, 튜빙의 사용은 수냉의 가능성을 허용한다. 튜빙 벽은 혼합(blend)을 가능하게 하고 전기 저항을 감소시키기 위해 수 mm 두께이다. 그러나, DC와 달리, RF 주파수 범위에서 전류가 도체의 전체 단면을 통해 흐르는 것이 아니라 다음의 수학식 3과 같은 깊이의 표피층을 통해 흐른다는 것이 종종 잊혀 진다.
Figure pct00006
여기서 ρ, f, 및 μ는 각기 고유저항, RF 주파수, 및 투자율을 나타낸다. 13.56 MHz에 대하여, 구리에서의 표피 깊이는 ~18 μm이다. 그러면 넓은 표면적을 갖는 형상의 도체는 넓은 단면적을 갖지만 더 작은 표면적을 갖는 도체보다 더 낮은 전기 저항을 가질 것이라는 결론이 나온다. 다시 말해서, 얇은 안테나가 더 두꺼운 안테나보다 우월한 특성들을 가질 것이다.
일 실시예에 있어, 안테나는 얇은 리본의 형상으로 구성되며, 이는 대략 1 인치의 폭 곱하기 1/8 인치의 두께(즉, 1˝ x 1/8˝)일 수 있다. 리본 안테나는, 도 4a 내지 도 4b에 도시된 바와 같이, 반-원형 단부들과 함께 2개의 실질적으로 평행한 부분들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 있어, 도 8b에서 가장 잘 확인될 수 있는 바와 같이, 반-원형 단부들 중 하나가 불연속부를 가질 수 있으며, 그럼으로써 안테나의 2개의 다리들을 형성한다. 안테나는 구리 또는 은도금 구리와 같은 전도성 재료로 구성될 수 있다. 넓은 리본 형상은 유전체 윈도우(400)를 넓은 표면적에 노출시키며, 이는 전체 체적의 상당한 부분이다. 이러한 형상은 더 낮은 안테나 저항을 가능하게 하며, 이는 결국, 더 높은 전류 및 더 낮은 방산(dissipate)되는 파워(낮은 열)를 의미한다. 도 4a 내지 도 4b에 도시된 2개의 안테나들에 대하여 오페라(OPERA)에서 시뮬레이션이 수행되었다. 각각의 안테나는 단일 턴(turn), 동일한 외부 표면적을 포함하며, 동일한 양의 전류를 운반한다. 도 5a의 리본 안테나(410)는 얇은 평면 프로파일을 가지며, 반면 도 5b의 정사각형 안테나(420)는 정사각형 프로파일을 갖는다. 각각의 안테나(410, 420)는 유전체 윈도우(400)에 붙여(against) 배치된다. 둘 모두의 시뮬레이들에서, 20 μm의 동일한 RF 표피 깊이가 고려되었다.
도 5a는 이러한 시뮬레이션의 결과들을 도시한다. 이러한 도면은 안테나로부터의 거리(z 방향으로의)의 함수로서 자기장의 크기를 도시한다. 이러한 도 5a에서, 안테나들이 z=0(즉, 도 4a 내지 도 4b의 유전체 윈도우(400)에 붙여)에 위치된 것으로 가정되며, 플라즈마 소스 내로 움직이는 자기장이 측정된다. 라인(430)은 리본 빔 안테나(410)에 대한 자기장을 도시하며, 반면 라인(431)은 정사각형 안테나(420)에 대한 자기장을 도시한다. 도 5a의 시뮬레이션은, 안테나로부터 z 방향으로 대략 1.5˝ ~ 2˝(이는 플라즈마 표피 깊이에 대응함에 따라 파워 침적(power deposition)의 대부분이 발생하는 위치이다)에서, 평면 안테나(410)에 의해 생성된 자기장 유도의 값은 정사각형 프로파일 안테나(420)에 의해 생성된 필드의 대응하는 값보다 거의 2배이다.
도 5b 내지 도 5c는 안테나로부터의 상이한 거리들에 대한 자기장 강도 분포(Y 축을 따른)를 도시한다. 점선들은 사각형 안테나(420)에 대응하는 자기장들을 나타내다. 실선들은 리본 안테나(410)에 의해 생성된 자기장들을 나타낸다. 명료함을 위하여, 도 5b는 리본 안테나(410)에 의해 생성된 자기장들만을 도시한다. 라인(440)은 0 인치의 z 거리에서의 자기장이며, 반면 라인(441)은 리본 안테나로부터 1 인치에서의 자기장을 나타내고 및 라인(442)은 리본 안테나로부터 2 인치에서의 자기장을 나타낸다. 리본 안테나(410)의 위치가 또한 도시되며, 이는 자기장이 리본 안테나(410)의 루프(loop) 내에서 가장 강하며, 안테나로부터 멀어질수록 감소한다는 것을 나타낸다. 라인(442)에 따르면, 2 인치의 z 거리에서 안테나의 중심(즉, Y=0)의 자기장이 5 가우스라는 것을 주목해야 한다. 도 5c는 사각형 안테나(420)에 의해 생성된 자기장 강도만을 도시한다. 비교의 명료성을 위하여, 축척의 크기가 도 5b에 도시된 것과 동일하다. 라인(443)은 0 인치의 z 거리에서의 자기장이며, 반면 라인(444)은 정사각형 안테나로부터 1 인치에서의 자기장을 나타내고 및 라인(445)은 정사각형 안테나로부터 2 인치에서의 자기장을 나타낸다. 정사각형 안테나(420)의 위치가 또한 도시되며, 이는 자기장이 정사각형 안테나(420)의 루프 내에서 가장 강하며, 안테나로부터 멀어지면서 감소한다는 것을 나타낸다. 라인(445)에 따르면, 2 인치의 z 거리에서 안테나의 중심(즉, Y=0)의 자기장이 약 2.5 가우스라는 것을 주목해야 한다. 다시 말해서, 리본 안테나(410)가 동일한 RF 파워 값들 및 공간적 위치들에 대하여 정사각형 안테나(420)보다 대략 2배의 자기장 강도를 제공한다.
도 6a 내지 도 6b는 각기 정사각형 리본 안테나(420) 및 리본 안테나(410)에 의해 생성된 자기장들의 2-차원 등고선 맵들이다. 등고선들에는 숫자가 붙여지며, 여기에서 숫자들은 자기장의 가우스 강도를 나타낸다. 도 6b는 도 6a에 비하여 안테나의 루프 내에 포함된 영역에서 훨씬 큰 필드 강도를 도시한다. 동일한 파워가 안테나 둘 모두에 인가되었으며 이는 더 큰 효율성 및 결합이 도 6b에서 달성되었음을 나타낸다는 것을 주목해야 한다.
따라서, 리본 안테나 설계는 생성되는 자기장의 강도를 크게 증가시킨다. 이상에서 설명된 바와 같이, 이는, 표피 깊이 내에서만 전류가 안테나에 의해 운반되기 때문이다. 따라서 표피 깊이를 넘는 추가적인 두께는 유익하지 않다. 이에 더하여, RF 유전체 윈도우(400)에 접하는, 전류를 운반하는 재료의 양을 최적화하는 것이 중요할 수 있다. 예를 들어, 구리 튜브는 전류를 운반하는 내부 직경을 갖지만, 유전체 윈도우와 접촉하지 않는다. 더욱이, 튜브 형상은 또한 외부 다이어그램(outer diagram)이 실제 유전체 윈도우와 거의 접촉하지 않는다는 것을 의미한다. 리본 형상을 사용함으로써, 유전체 윈도우와 실제 접촉하는 안테나의 양이 최대화된다. 또한, 리본을 그 폭이 그 두께보다 훨씬 크도록 구성함으로써, 전류를 운반하는 재료의 퍼센트가 최적화된다. 리본의 두께는 표피 깊이에 의존하는 재료의 전기 고유저항 및 주파수에 의해 설정된다. 2MHz 구동 주파수 및 구리에 대하여, 표피 깊이는 약 46 마이크로미터이며, 더 높은 주파수들에 대해서는 더 작을 것이다. 90% 감쇠를 위하여 그리고 2x(표피 깊이)를 취하면, 약 200 마이크로미터의 두께가 야기될 것이다. 그러나 이러한 얇은 구조가 유전체 포팅(potting) 내에 내장되지 않으면 넓은 안테나를 유지하기에 충분한 기계적 강도를 가지지 못할 수 있다. 따라서, 기계적 강도의 필요성이 주어지면, 표피 깊이/리본 두께 비율에 대한 최적 값은 약 0.05 ~ 0.1일 수 있다.
일 실시예에 있어, 리본 안테나는 안테나 두께를 최소화함으로써 전류 운반 성능을 최적화하면서 유전체 윈도우에 인접하기 위한 넓은 평면 표면을 제공할 수 있다.
이상에서 언급된 바와 같이, 중요한 고려사항은 유전체 윈도우에 인접한 안테나에 의해 운반되는 전류이다. 따라서, 안테나의 아주 작은 부분만이 실제로 유전체 윈도우에 인접하기 때문에, 큰 직경의 튜브형 안테나가 비효율적일 수 있다. 따라서, 파워 전송을 최대화하기 위하여, 안테나의 총 단면에 대한 유효 전류-운반 단면(윈도우에 수직한 평면의)의 비율을 최대화하는 것이 바람직할 수 있다. 다르게 표현하면, 유효 전류-운반 단면은, 표피 깊이로 곱해진, 유전체 윈도우와 접촉하는 안테나의 폭으로서 정의될 수 있다. 이러한 비율로부터 확인될 수 있는 바와 같이, 원형 단면을 갖는 안테나들은 매우 낮은 비율을 달성하며, 반면 평면 안테나들이 훨씬 더 높은 비율들을 달성한다. 이상적으로, 최상의 파워 전송은 총 단면에 대한 유효 전류-운반 단면의 비율이 1에 접근할 때 달성된다. 그러나, 대략 46 마이크로 미터의 표피 깊이들로는, 이것이 불가능하다. 따라서, 일 실시예에 있어 약 0.001을 넘는 비율들이 사용되며, 다른 실시예에 있어 약 0.01을 넘는 비율들이 사용되고, 다른 실시예에 있어 약 0.05를 넘는 비율들이 사용된다. 안테나가 포팅 재료 내에 내장되는 경우에 있어, 안테나 구조를 유지하기 위한 기계적인 강도가 필요하지 않을 수 있다. 따라서, 리본 두께는 대략 2~3 표피 깊이들만큼 낮을 수 있으며, 이는 약 0.3~0.5의 표피 깊이/리본 두께 비율을 의미한다.
플라즈마 챔버 단면의 넓은 부분을 커버하기 위해 그리고 그에 따라 균일한 파워 침적 및 그 결과 비교적 균일한 플라즈마 밀도 및 균일한 추출된 이온 빔 전류를 가능하게 하기 위하여, 도 2a에 도시된 바와 같이 통상적으로 2~3 턴들을 갖는 안테나들이 사용된다. 도 2a에 있어, 복수의 턴들(201a, 201b, 및 201c)이 존재한다는 것을 주목해야 한다. 복수의 턴들이 균일성을 증가시키지만, 2 이상의 턴들은 또한 소위 "근접" 효과를 일으킨다. 201b와 같은 인접한 브랜치에서 동일한 방향으로 흐르는 전류에 의한, 201a와 같은 안테나 브랜치에서 유도된 와상 전류는 다른 브랜치를 접하는 면 상에서 흐르는 총 전류를 감소시키며 대향 면(유도 브랜치와 접하지 않는 면) 상의 전류를 증가시킨다. 저항과 관련하여, 이러한 효과는 도체 단면의 감소로서 그리고 암시적으로 더 높은 안테나 저항으로서 보여진다.
턴들의 수(N)를 감소시키는 것이 품질 계수, Q를 감소시키는데 또한 도움을 줄 수 있다. 인덕턴스가 N2으로 크기가 조정되고(scale) 저항이 N으로 크기가 조정되기 때문에, 전체 Q가 더 작아질 것이며, 이는 안테나 튜닝 성능들의 더 넓은 범위를 가능하게 한다. 이는, 넓은 범위의 파워들, 압력들, 및 가스 종에 걸쳐 플라즈마 매칭이 필요할 때 특히 유용하다.
따라서, 일부 실시예에 있어, 리본 안테나는 오로지 1개의 턴만을 포함한다. 파워가 공급되는(powered) 다리 및 접지된 다리가 동일한 공간적 위치에 위치되기 때문에, 이는 X 방향을 따른 대칭적인 전압 강하를 가능하게 할 것이다. 또한, 이는 해로운 "근접" 효과들의 상당한 감소를 가능하게 한다.
이러한 안테나의 추정된 저항은 0.05 Ω 아래일 수 있다. 이러한 낮은 저항에 대하여, 심지어 4~5 kW보다 큰 것과 같은 높은 파워 동작 레벨들에서도, 안테나는 작은 양의 열(약 5~10 W)을 방산할 것이다. 따라서, 일부 실시예들에 있어, 안테나가 능동적인 냉각을 필요로 하지 않을 것이다. 그러나, > 10 kW와 같은, 극도로 높은 파워 레벨들과 같은, 다른 실시예들에 있어, 리본 안테나에 냉각 브래킷(bracket)을 부착하는 것이 초과 열을 제거하기 위해 수행될 수 있다.
다른 실시예에 있어, 리본 안테나(410)는 도 7에 도시된 바와 같이 페라이트 재료(480) 내에 내장될 수 있다. 유전체 윈도우(400) 상의 리본 안테나(410)는 포팅 재료(470)로 둘러싸일 수 있다. 포팅 재료(470)는 안테나(410)를 페라이트 재료(480)로부터 절연하도록 역할한다. 이러한 구성에 있어, 그러지 않았으면 손실(loss)됐을 것인 플라즈마에 대향하여 배향된 자기장 라인들(471)이 페라이트 재료(480)에 의해 캡쳐될 것이며, 그리고 플라즈마로 향해 다시 보내질 것이고, 그럼으로써 더 높은 파워 침적 효율성을 가능하게 한다. 페라이트 재료(480)는, 10-4 아래의 손실 계수 및 적어도 20의 비 투자율(relative magnetic permeability)을 갖는, M61 또는 M67과 같은 재료일 수 있다. 페라이트 재료(480)는 안테나 형상을 따라야만 하며 유전체 윈도우(400) 상에 피팅(fit)되어야만 한다. 포팅 재료(470)는 3-6751 다우 케미컬(Dow Chemical) 방열 접착제(thermal adhesive)와 같은 재료일 수 있으며, 높은 유전 강도(>10 kV/mm), 낮은 유전 손실(<1x10-4) 및 기포 없는 경화(bubble free hardening)를 가질 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 플라즈마 챔버는 가상(상승된) 전기 접지에 있으며, 이는 추출 전원 공급장치(121)에 의해 생성된 출력 전위이다. RF 생성기(151)로부터 RF 파워를 인가함에 의해 안테나(152) 상에서 전개되는 RF 전압은 이러한 전위 위이다. 따라서, 이온 소스로서 동작시키기 위하여, 플라즈마 챔버(101), 가스 매니폴드(111), 및 안테나(152)가 어스(earth) 접지(GND)로부터 전기적으로 절연되어야만 한다.
일부 실시예들에 있어, 안테나(152)가 E 모드 또는 H 모드 중 하나로 동작하는 것을 가능하게 하는 것이 유익할 수 있다. 도 8a에 도시된 바와 같이, H 모드로 작동하는 것이 희망될 때, 안테나(152)의 하나의 다리(154)가 매칭 네트워크(153)의 핫 와이어(hot wire)(도 8a에서 RF에 의해 표시된 두꺼운 선)로부터 공급받으며, 반면 다른 다리(155)는 가상 접지(VGND에 의해 표시된 얇은 선으로서, 이는 추출 전원 공급장치(121)의 출력 DC 전위이다)에 있다. 원격 제어될 수 있는 스위치(156)가 다른 다리(155)를 가상 접지(추출 전원 공급장치(121) 전위)에 연결하거나 또는 이로부터 분리할 수 있다. 다리(155)가 가상 접지에 있을 때, 안테나(152)는 도 8a에 도시된 바와 같이 ICP 모드로 작동한다. 다른 모드에서, 도 8b에 도시된 바와 같이 다리(155)가 파워가 공급되는 다리(154)에 대해 전기적으로 단락될 때, 시스템은 용량 결합형 플라즈마(capacitively coupled plasma: CCP) 모드로 작동한다. 이러한 경우에 있어, 원격 제어되는 스위치(156)는 추출 전원 공급장치(121)로부터 "접지된" 다리(155)를 분리하고 이를 다른 다리(154)에 전기적으로 연결한다. 이러한 방식으로, 안테나(152)가 파워가 공급되는 전극으로서 동작하며, 챔버 벽들이 접지 전극으로서 동작한다.
일부 실시예들에 있어, 제어기(미도시)가 스위치(156)를 움직이는데 사용된다. 일부 실시예들에 있어, 제어기가 동작 동안 H 모드로부터 E 모드로 스위칭하거나 또는 이의 역으로 스위칭할 수 있다. 다시 말해서, 플라즈마 생성 모드가 플라즈마가 생성되는 동안 변경될 수 있다. 이러한 인-시츄(in-situ) 변경은, 예를 들어, 하나의 모드가 플라즈마 점화 단계에서 바람직할 수 있고, 반면 다른 모드는 일단 플라즈마가 높은 파워 레벨들로 동작하면 바람직할 수 있는 경우에 사용될 수 있다. 예시적인 예로서 리본 안테나가 사용되어 이상에서 설명되었지만, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않는다. 이상에서 설명된 바와 같이, 하나의 단부가 RF 파워 소스에 전기적으로 연결되고 다른 단부가 적어도 2개의 포지션들을 갖는 스위치에 전기적으로 연결되는 2개의 단부들을 갖는 임의의 안테나가 사용될 수 있다.
본 발명은 본 명세서에서 설명된 특정 실시예들에 의해 그 범위가 제한되지 않는다. 오히려, 본 명세서에서 설명된 실시예들에 더하여 본 발명의 다른 다양한 실시예들 및 본 발명에 대한 수정예들이 이상의 설명 및 첨부된 도면들로부터 당업자들에게 자명해질 것이다. 따라서, 이러한 다른 실시예들 및 수정예들이 본 발명의 범위 내에 속하도록 의도된다. 또한, 본 명세서에서 본 발명이 특정 목적을 위한 특정 환경에서의 특정 구현예의 맥락에서 설명되었더라도, 당업자들은 본 발명의 유용성이 이에 한정되지 않으며 본 발명이 임의의 수의 목적들을 위한 임의의 수의 환경들에서 유익하게 구현될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 따라서 이하에서 기술되는 청구항들은 본 명세서에서 설명된 바와 같은 본 발명의 완전한 폭과 사상의 관점에서 해석되어야만 한다.

Claims (12)

  1. 플라즈마 생성 장치로서,
    유전체 윈도우, 상기 유전체 윈도우에 인접한 안테나를 가지며, 재료로 구성되고, 두께, 폭, 및 상기 폭과 상기 두께의 곱으로서 정의되는 단면 면적을 갖는 챔버; 및
    주파수로 동작하며 상기 안테나와 연통하는 전원 공급장치를 포함하며,
    상기 재료 및 상기 주파수는 상기 안테나 내에서 대부분의 전류가 운반되는 표피 깊이를 결정하고, 상기 표피 깊이와 상기 폭의 곱은 상기 안테나의 상기 단면 면적 곱하기 0.001 보다 더 큰, 플라즈마 생성 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 곱은 상기 안테나의 상기 단면 면적 곱하기 0.01 보다 더 큰, 플라즈마 생성 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 곱은 상기 안테나의 상기 단면 면적 곱하기 0.05 보다 더 큰, 플라즈마 생성 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 안테나를 둘러싸는 페라이트 재료를 더 포함하는, 플라즈마 생성 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 안테나와 상기 페라이트 재료 사이에 배치된 포팅(potting) 재료를 더 포함하는, 플라즈마 생성 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 안테나는 2개의 실질적으로 평행한 부분들 및 2개의 반-원형 단부들을 포함하는, 플라즈마 생성 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 반-원형 단부들 중 하나는 불연속부를 포함하여 상기 안테나의 2개의 다리(leg)들을 생성하는, 플라즈마 생성 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 다리들 중 제 1 다리가 상기 전원 공급장치와 연통하고, 상기 다리들 중 제 2 다리가 스위치와 연통하며, 상기 스위치의 제 1 포지션에서 상기 제 1 다리와 제 2 다리가 전기적으로 연결되고, 상기 스위치의 제 2 포지션에서 상기 제 2 다리가 상기 제 1 다리와 상이한 전위에 전기적으로 연결되는, 플라즈마 생성 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 스위치는 플라즈마가 생성되고 있는 동안 상기 제 1 포지션과 상기 제 2 포지션 사이에서 움직여질 수 있는, 플라즈마 생성 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 안테나는 리본형 안테나를 포함하는, 플라즈마 생성 장치.
  11. 플라즈마 생성 장치로서,
    유전체 윈도우를 갖는 챔버;
    제 1 단부 및 제 2 단부를 갖는 안테나;
    주파수로 동작하며 상기 안테나의 상기 제 1 단부와 연통하는 전원 공급장치; 및
    상기 안테나의 상기 제 2 단부와 연통하는 출력부를 갖는 스위치로서, 상기 스위치는 상기 출력부가 상기 전원 공급장치에 연결되는 제 1 포지션 및 상기 출력부가 상기 전원 공급장치의 접지에 연결되는 제 2 포지션을 갖는, 상기 스위치를 포함하는, 플라즈마 생성 장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 스위치는 플라즈마가 생성되고 있는 동안 상기 제 1 포지션과 상기 제 2 포지션 사이에서 움직여질 수 있는, 플라즈마 생성 장치.
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