KR20160068252A - 플라즈마 발생모듈 및 이를 포함하는 플라즈마 처리장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 안테나 및 안테나와 직렬로 연결되어 임피던스를 가변시켜 안테나의 출력을 제어할 수 있도록 구성되는 공진커패시터를 포함하여 구성되며, 각각 병렬로 연결되는 복수의 안테나부, 복수의 안테나부에 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원, 안테나부와 병렬로 연결되며, 임피던스를 가변시켜 안테나부의 출력을 변화시킬 수 있도록, 적어도 하나 이상의 가변 소자를 포함하여 구성되는 복수의 공진전류제어부, 안테나부와 병렬로 연결되며, 적어도 하나 이상 구비되는 보상 회로, 전원부로부터 RF전력이 인가되고, 복수의 안테나부와 연결되어 RF전력을 전달하며, 적어도 하나 이상의 폐루프가 형성되는 도체부재로 구성되는 커먼부를 포함하여 구성되는 플라즈마 발생모듈 및 플라즈마 발생장치를 제공한다.
본 발명에 의할 경우, 각각의 안테나에 공진전류제어부가 구비되어 각각의 안테나를 정밀하게 제어할 수 있다.
또한, 안테나에 별도의 보상 회로가 구비되어 안테나의 개별 제어에 따라 인접한 안테나에 미치는 영향을 최소화 할 수 있다.
추가적으로 커먼부가 구비되어, 각 안테나부의 개별제어시 안정적으로 제어할 수 있고, 복수의 안테나 각각에 분배되는 RF파워를 균일하게 인가할 수 있는 효과가 있다.

Description

플라즈마 발생모듈 및 이를 포함하는 플라즈마 처리장치{AN PLASMA GENERATING MODULE AND PLASMA PROCESSING　APPARATUS COMPRISING THE SAME}

본 발명은 플라즈마 발생모듈 및 이를 포함하는 플라즈마 발생장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단위 구역별로 분할 배치되는 복수개의 안테나 유닛을 구비하는 플라즈마 발생모듈 및 플라즈마 발생장치에 관한 것이다.

플라즈마 처리장치는 플라즈마를 이용하여 기판을 처리하는 장치를 의미하며, 증착, 식각 또는 이온 주입 등 다양한 방식이 기판 처리 공정에 이용될 수 있다.

이러한 플라즈마 처리장치는 플라즈마를 생성하는 방식에 따라 용량 결합형 플라즈마 생성 방식, 유도 결합형 플라즈마 생성 방식 등으로 구별될 수 있다.

또한, 플라즈마 처리장치는 플라즈마를 생성하는 방식에 따라 용량 결합형 플라즈마 생성 방식, 유도 결합형 플라즈마 생성 방식, ECR 플라즈마 생성 방식 및 마이크로파 플라즈마 생성 방식 등 다양한 방식이 적용될 수 있다.

이 중에서도 유도 결합형 플라즈마 생성 방식은 고주파 안테나에 고주파 전력을 인가하여 유도 자기장에 의해 플라즈마를 발생시키는 방식으로, 한국 공개특허공보 10-2012-0070358호에서도 유사하게 개시되어 있다. 이러한 유도 결합형 플라즈마 생성 방식은 대면적 기판을 처리하는데 널리 적용되고 있으며, 최근에는 대면적 기판의 위치에 따라 균일하게 플라즈마를 발생시킬 수 있도록 분할된 복수개의 안테나를 이용하는 기술이 적용되고 있다.

다만, 종래의 경우 복수의 안테나에 RF전원이 인가되는 경로상의 임피던스 차이등을 고려하지 않아 균일한 RF파워를 인가하지 못하고, 복수의 안테나를 개별적으로 제어함에 있어, 각각의 안테나에 인가되는 전류를 정밀하게 제어하지 못하는 문제점이 있었다.

또한, 어느 하나의 안테나에 인가되는 전류를 변화시킴에 따라 인접한 다른 안테나의 인가되는 전류에 영향을 미치고 결국, 안테나의 출력에 영향을 미치게 되어 각 구역에 형성되는 유도 자기장의 정밀한 제어가 어려운 문제점이 있었다.

한국 공개특허공보 10-2012-0070358호 (2012. 6. 29 자 공개)

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 복수의 안테나에 균일한 RF파워를 인가하고, 복수의 안테나 중 어느 하나의 안테나의 출력 변화가 인접한 위치의 다른 안테나의 출력에 미치는 영향을 최소화할 수 있는 플라즈마 발생모듈을 제공하기 위함이다.

또한, 복수의 안테나를 제어할 때, 안테나에 인가되는 전류를 정밀하게 제어하지 못하는 문제점을 해결하는 플라즈마 발생모듈 및 이를 포함하는 플라즈마 발생장치를 제공함에 있다.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 각각 병렬로 연결되는 복수의 안테나, 복수의 안테나에 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원, 안테나와 각각 연결되며, 임피던스를 가변시켜 안테나의 출력을 제어하는 복수의 공진커패시터, 안테나와 각각 병렬로 연결되며, 임피던스를 가변시켜 안테나의 출력을 조절할 수 있도록 적어도 하나 이상의 가변소자를 포함하여 구성되는 복수의 공진출력제어부, 안테나에 인가되는 전류의 일부를 드레인하는 경로를 형성하며, 적어도 하나 이상의 가변소자를 포함하여 구성되어, 안테나와 병렬로 연결되는 드레인회로, 안테나의 출력단의 파워를 안테나의 입력단으로 궤환시키는 궤환증폭회로, 고주파 전원으로부터 고주파전력이 인가되고, 복수의 안테나와 연결되어 고주파 전력을 전달하며, 적어도 하나 이상의 폐루프가 형성되는 도체부재로 구성되는 커먼부를 포함하여 구성되는 플라즈마 발생모듈이 제공된다.

한편, 공진커패시터는 가변 커패시터로 구성될 수 있으며, 안테나의 전단에 직렬로 연결될 수 있다. 또한, 안테나와 병렬로 연결되며, 공진출력제어부와 직렬로 연결되는 가변커패시터를 더 포함하여 구성될 수 있다.

그리고, 공진전류제어부의 가변소자는 가변저항을 포함하여 구성되며, 가변저항의 저항 값이 증가할수록 안테나에서 증폭되는 전류의 양이 감소하도록 구성될 수 있다.

나아가, 궤환증폭회로는 직렬로 연결된 궤환저항 및 궤환커패시터를 포함하여 구성되며, 궤환되는 전류를 조절할 수 있도록, 궤환저항 및 궤한커패시터는 가변으로 구성될 수 있다.

드레인회로는, 안테나 및 공진출력제어부에 전력을 분배하는 제1 분기점과 접지부에 연결되며, 드레인저항을 포함하여 구성될 수 있고, 드레인저항은 가변저항으로 구성될 수 있다.

한편, 커먼부는 격자구조로 구성될 수 있으며, 안테나와 연결되는 연결부 및 전원부로부터 전달되는 고주파 전력을 연결부로 전달하는 경로를 형성하는 경로부를 포함하여 구성될 수 있다.

추가적으로, 내부에 공정공간이 형성되는 챔버, 챔버의 내부에 구비되어 기판이 안착되는 공간을 형성하는 스테이지, 스테이지의 상측에 배치되고, 공정 공간에 플라즈마를 발생시키기 위한 전술한 플라즈마 발생모듈을 포함한 플라즈마 처리장치가 제공된다.

본 발명에 의할 경우, 각각의 안테나에 공진전류제어부가 구비되어 각각의 안테나를 정밀하게 제어할 수 있다.

또한, 안테나에 별도의 보상 회로가 구비되어 안테나의 개별 제어에 따라 인접한 안테나에 미치는 영향을 최소화 할 수 있다.

나아가, 커먼부가 구비되어, 각 안테나부의 개별제어시 안정적으로 제어할 수 있고, 복수의 안테나 각각에 분배되는 RF파워를 균일하게 인가할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 처리장치의 단면을 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1에서 안테나 설치부의 저면을 도시한 도면이다.
도 3은 플라즈마 발생모듈의 제1 실시예의 회로도이다.
도 4는 안테나에서 증폭되는 전류를 나타낸 그래프이다.
도 5는 안테나에서 증폭되는 전류 및 안테나의 허용전류를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 커먼부 및 안테나가 나타난 사시도이다.
도 7은 본 발명에 따른 플라즈마 발생모듈의 다른 실시예의 회로도이다.
도 8은 본 발명의 안테나 모듈의 변형예를 도시한 회로도이다.
도 9는 본 발명에 따른 안테나 모듈의 다른 변형예이다.
도 10은 본 발명에 따른 안테나 모듈의 또 다른 변형예이다.

이하에서는 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 처리장치에 대해 구체적으로 설명하도록 한다. 아래의 설명에서 각 구성요소의 위치관계는 원칙적으로 도면을 기준으로 설명한다. 그리고 도면은 설명의 편의를 위해 발명의 구조를 단순화하거나 필요할 경우 과장하여 표시될 수 있다. 따라서 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 이 이외에도 각종 장치를 부가하거나, 변경 또는 생략하여 실시할 수 있음은 물론이다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마 처리장치의 단면을 도시한 단면도이다. 여기서, 플라즈마 처리장치라 함은 공정 가스를 이용하여 플라즈마를 발생시켜 기판을 처리하는 공정에 적용하는 장치를 의미하며, 기판 증착 장치, 기판 식각 장치, 이온 주입 장치 등 다양한 장치일 수 있다.

그리고, 도 1에서는 클러스터 타입에 적용되는 구조의 플라즈마 처리장치를 도시하고 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 인라인 타입에 적용되는 플라즈마 처리장치에도 적용할 수 있음을 앞서 밝혀둔다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 플라즈마 처리장치는 챔버(10), 스테이지(40), 안테나 설치부(20) 및 플라즈마 발생모듈(100)을 포함하여 구성될 수 있다.

우선, 챔버(10)는 다수의 벽면으로 둘러싸인 밀폐 구조로 형성되며, 플라즈마 처리장치의 몸체를 구성한다. 챔버(10)의 내부는 크게 기판이 수용되어 기판 처리 공정이 수행되는 공정 공간(30) 및 후술할 플라즈마 발생모듈(100)이 설치되는 안테나 설치부(20)로 구성될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 안테나 설치부(20)는 챔버(10) 내부의 상측에 배치되며, 안테나 설치부(20)의 하측에 공정 공간(30)이 위치할 수 있다.

그리고 도 1에서는 도시되지 않았으나, 챔버(10)의 일측에는 기판이 출입하기 위한 게이트 밸브(미도시)가 형성될 수 있으며, 기판 처리 공정에 사용되는 공정 가스를 챔버 내부의 공정 공간(30)으로 공급하고 외부로 배기하기 위한 가스 공급부(미도시) 및 가스 배기부(미도시)가 구비될 수 있다.

한편, 공정 공간(30)의 내측에는 스테이지(40)가 구비된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 스테이지(40)는 기판(S)을 지지하도록 구성되며, 기판(S)은 스테이지(40)에 안착된 상태에서 처리가 이루어질 수 있다. 스테이지(40)에는 공정 공간(30) 상에 형성되는 플라즈마의 분포를 조절하기 위해 외부의 RF고주파 전원(60)과 연결되어 설치되는 바이어스 전극(50)이 형성될 수 있다. 또한, 도 1에 구체적으로 도시되어 있지는 않으나 스테이지(40)의 내부에는 히터(미도시)와 같은 온도 조절 부재가 구비되어 기판 처리 공정 중 기판의 온도를 조절하도록 구성될 수 있다.

전술한 바와 같이, 안테나 설치부(20)는 스테이지(40)의 상측에 구비되며, 플라즈마 발생모듈(100)이 설치되는 공간을 형성한다. 안테나 설치부(20)는 적어도 하나의 윈도우에 의해 공정 공간(30)으로부터 구획된 공간을 형성한다. 윈도우(21)는 챔버 벽면에 설치된 지지 부재(22)에 의해 지지될 수 있다. 이러한 윈도우(21)는 금속 재질을 이용하여 구성될 수 있고 금속 재질 이외의 유전체 물질을 이용하여 구성되는 것도 가능하다.

플라즈마 발생모듈(100)은 공정 공간(30) 내측으로 유도 전계를 발생시켜, 공정 공간(30) 내의 공정 가스로부터 플라즈마를 발생시키기 위한 구성이다. 이러한 플라즈마 발생모듈(100)은 고주파 전원(110), 복수의 안테나(130), 복수의 공진출력제어부(150), 드레인회로(160), 궤환증폭회로(170), 커먼부(180)를 포함하여 구성된다. 이때, 고주파 전원(110) 및 정합부(120)는 챔버의 외측에 설치될 수 있으며, 안테나(130), 공진출력제어부(150), 커먼부(180)는 안테나 설치부(20) 내측에 수용되도록 설치될 수 있다.

각각의 안테나(130)는 공정 공간(30)의 상측(안테나 설치부의 내측)에 고르게 분산되어 배치될 수 있다. 따라서 기판 처리 공정 중 공정 공간(30) 내측에 발생되는 플라즈마의 분포를 균일하게 제어하거나, 구역별로 정밀하게 제어할 수 있다.

도 2는 도 1에서 안테나 설치부의 저면을 도시한 도면이다. 본 실시예에서는 공정 공간(30)의 내부 공간이 수평면을 기준으로 복수개의 단위 구역으로 분할될 수 있고, 일 예로 도시된 바와 같이, 설치부(20)의 저면을 9개의 직사각형 단위 구역으로 분할한 구조를 개시하고 있다. 따라서, 안테나 설치부(20)의 지지 부재(22)는 격자 형상의 구조로 구성되며, 분할된 각각의 단위 구역에 대응되도록 9개의 윈도우(21)가 설치될 수 있다. 그리고, 복수개의 안테나(130)는 안테나 설치부(20) 내측에 각각의 윈도우(21)에 대응되는 위치에 설치되어 각각의 단위 구역에 고르게 배치됨으로서, 단위 구역별로 정밀하게 제어를 하는 것이 가능하다.

다만, 본 실시예에서는 하나의 단위 구역에 하나의 안테나(130)가 배치되도록 구성하고 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 하나의 단위 구역에 복수개의 안테나(130)가 배치되도록 구성하는 것도 가능하다. 또한, 도 2에서 9개의 단위 구역으로 분할된 구조는 일 예에 불과하며, 이 외에도 다양한 패턴으로 단위 구역을 분할하고 이에 대응되는 안테나(130)를 배치하여 구성하는 것도 가능하다.

이하에서는 도 3 내지 도 6을 참조하여 본 실시예에 따른 플라즈마 발생모듈(100)을 구체적으로 설명하도록 한다.

도 3은 도 1의 플라즈마 발생모듈(100)의 구성을 도시한 회로도이다.

전술한 바와 같이, 플라즈마 발생모듈(100)은 고주파 전원(110), 정합부(120), 안테나(130), 공진출력제어부(150), 드레인회로(160), 궤환증폭회로(170), 커먼부(180)를 포함하여 구성된다.

여기서, 고주파 전원(110)은 고주파(radiofrequency) 전력을 발생시켜 복수의 안테나(130)로 제공한다. 또한, 정합부(120)는 고주파 전원(110)과 안테나(130) 사이에 구비될 수 있으며, 고주파 전원(110) 측과 안테나(130) 사이에서 임피던스 정합을 수행할 수 있다. 이러한 정합부(120)는 가변 콘덴서 또는 가변 인덕터를 포함하는 회로로 구성되며, 가변 콘덴서 또는 가변 인덕터를 제어하는 방식으로 임피던스 정합을 수행한다. 다만, 이러한 고주파 전원(110) 및 정합부(120)의 구성은 널리 적용되고 있는 구성이므로 구체적인 설명은 생략한다.

안테나(130)는 복수로 구성되어 각각 병렬로 연결되며, 각 안테나(130)의 전단은 커먼부(180)에 의해 커먼되며, 각 안테나(130)에는 공진전류제어부(150) 및 공진커패시터(140)가 연결된다. 또한, 궤환증폭회로(170)는 안테나(130), 공진커패시터(140), 공진전류제어부(150), 드레인회로(160)를 포함하여 구성된 회로와 병렬로 연결된다.

안테나(130)는 복수로 구성되며, 고주파 전원(110)으로부터 RF전력을 인가받아 챔버의 공정 공간(20)에 유도전계를 형성한다. 유도 전계의 출력은 안테나(130)으로 제공되는 전력의 크기에 따라 제어될 수 있다. 그리고 각각의 안테나(130)는 부하 특성을 갖는 소자들을 이용하여 구성되며, 안테나 설치부(20)의 분할된 단위 구역에 각각 배치된다. 안테나(130)의 일단은 고주파 전원(110)측과 연결되고, 타단은 안테나 설치부(20) 측벽에 접지되거나, 출력단을 통해 외부의 접지 전원에 연결될 수 있다. 한편 안테나(130)의 형상은 나선형, 동심축 원형, 직선형 등 다양하게 구성될 수 있고, RF전원을 인가받아 유도전계를 형성하는 구성이라면, 그 형상과 명칭에 무관하게 본 발명에서 설명하는 안테나(130)로 볼 수 있다.

공진커패시터(140)는 전술한 바와 같이, 안테나(130)와 상호작용으로 안테나(130)에서 전류를 증폭시킬 수 있는 구성이다. 전류가 증폭되는 조건을 살펴보면, RF파워의 주파수가 w이고 인덕터의 인턱턴스 값을 L, 커패시터의 값을 C라 할 때,

의 조건을 만족할 때, 전류의 증폭이 일어나게 된다. 전술한 식을 만족하는 주파수를 공진주파수라고 하며, L과 C의 관계가 공진주파수와 유사한 값을 갖는 경우에도 전류가 증폭될 수 있다. 특히, 인덕터와 커패시터가 직렬로 연결된 경우 임피던스 값이 최소가 되어 전류가 증폭될 수 있다. 또한 인덕터와 커패시터가 병렬로 연결된 경우, 둘의 조합으로 임피던스 값이 최대가 되어 루프에 인가되는 전류가 작다 하더라도 루프 내부에서 전류가 증폭될 수 있다. 이와 같이, 공진현상을 이용하면 증폭된 전류를 이용할 수 있으므로, 적은 RF파워를 인가하더라도 높은 출력을 얻을 수 있게 된다.

공진커패시터(140)는 안테나(130)과 연결되어 상호작용으로 공진현상을 일으켜 전류를 증폭시킬 수 있도록 구성되며, 복수로 구성되어 안테나(130)와 직렬 및 병렬로 연결되어, 공진현상을 일으킬 수 있도록 구성될 수 있다. 또한, 공진커패시터(140)는 임피던스 값을 변화시켜 안테나에서 증폭되는 전류의 증폭량을 제어할 수 있도록 가변 커패시터로 구성된다. 한편 안테나(130)도 저항이 될 수 있으므로 이를 반영하여 출력을 제어할 수 있게 된다.

한편, 각각의 안테나(130)는 설치 위치에 대응하는 공정 공간(30)에서의 공정 가스의 분포, 플라즈마의 밀도 또는 공정 공간(30)의 형상에 따라 서로 상이한 출력을 갖도록 제어할 필요가 있다. 따라서 전술한 공진현상을 이용하여 안테나(130)에서 전류가 원하는 크기로 증폭될 수 있도록, 공진커패시터(140)가 가변 커패시터로 구성되어, 원하는 구역의 유도전계의 출력을 조절할 수 있다. 이러한 전류의 제어는 이하에서 기술할 공진출력제어부(150)의 기능과 함께 상세히 설명하기로 한다.

공진출력제어부(150)는 안테나(130)와 동일한 수로 구성되어 각각의 안테나(130)와 병렬로 연결되고, 적어도 하나 이상의 가변소자를 포함하여 구성되며, 가변소자의 임피던스 값을 변화시켜 각 안테나(130)에서 증폭되는 전류를 개별적으로 변화시킬 수 있도록 구성된다.

이하에서는 도 4 내지 도 5를 참조하여 공진출력제어부(150)의 기능에 대하여 상세히 설명한다. 참고로, 이하에서 '안테나 모듈'이란 설명의 편의를 위하여 도 2에 도시된 하나의 영역에 플라즈마를 발생시키기 위한 단위 모듈을 말하며, 안테나(130), 공진출력제어부(150)를 포함하여 구성된 단위이며, 드레인회로(160)를 포함하여 구성될 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 제 1실시예에서 공진커패시터(140)의 커패시턴스 값(C)에 따라 안테나(130)에서 증폭되는 전류를 나타낸 그래프이다. 여기서 Cr이란, 전술한

로부터 유도되는

를 만족하는 경우의 커패시턴스 값을 의미한다. 공진커패시터(140)의 커패시턴스 값(C)이 Cr주변의 값을 갖는 경우, 안테나(130)에서 공진에 의해 전류의 증폭이 일어나며, 특히 커패시턴스 값(C)이 Cr인 경우 전류가 최대로 증폭된다. 이러한 공진현상을 이용하기 위하여, 공진커패시터(140)의 커패시턴스 제어범위는 Cr을 포함하여 C1에서 C2사이가 되도록 설정하여 일정수준 이상의 증폭된 전류를 이용할 수 있다. 다만, 이러한 C1 및 C2의 값은 안테나(130)의 인덕턴스 값 및 RF전원 등과 밀접하게 관련되어 있으며, 수 pF 일 수 있고, 다양한 값으로 적용될 수 있으므로, 본 실시예에서는 특정한 값을 적용한 예에 대하여는 생략하기로 한다.

안테나(130)는 유도전계를 발생시키는 인덕터(inductor)로 볼 수 있으며, 안테나(130)의 인덕턴스 값(L)은 일반적으로 구조적인 특징에 따라 고정된다. 한편, 일반적으로 고주파 전원(110)은 특정 주파수를 갖는 RF전력이 인가되며, 특정 주파수는 발생시키고자 하는 플라즈마에 따라서 결정된다. 따라서 안테나(130)에서 증폭되는 전류는 공진커패시터(140), 공진출력제어부(150)의 가변소자의 특성 값을 변화시킴으로써 제어될 수 있다.

도 4(a)를 살펴보면, 공진출력제어부(150)에 가변저항이 구비되며, 가변저항 값이 R1 < R2 < R3 로 각각 다른 3가지 경우에 C값의 변화에 따른 전류의 크기가 나타나 있다. 공진출력제어부(150)의 가변저항 값이 증가됨에 따라서 C값의 증가에 따른 전류의 변화량이 점차 감소하는 경향이 나타나 있다.

한편, 일반적인 가변커패시터(140)에는 온도, 주변의 전자기장 등의 영향을 받아 크게는 10%이상의 오차가 발생할 수 있다. 작동오차에 의하여 증폭된 전류 값이 달라질 수 있는데, 특히 Cr부근에서 C값의 미세한 차이에도 증폭되는 전류의 양은 큰 차이가 있다. 이러한 오차에 의하여 달라지는 증폭된 전류의 크기는 수 배 이상 차이가 발생할 수 있다.

그러나 이때, 공진출력제어부(150)가 구비되어 가변저항의 저항 값을 증가시키면, 도시된 것처럼 C값의 변화에 따른 증폭되는 전류의 양의 변화량이 감소하게 되므로, C값에 오차가 있더라도 그에 따른 증폭되는 전류양의 오차는 감소될 수 있다.

이와 같이, 공진출력제어부(150)에 구비된 가변저항의 저항 값에 따라 전류의 오차범위가 달라지므로, 가변커패시터(140)의 제어범위(C1 내지 C2) 내에서 적절한 전류오차범위 내에서 제어되도록 적절한 가변저항의 저항 값을 갖도록 설정하는 것이 바람직하다.

도 4(b)에는 도 4(a) 보다 더 급격한 전류의 변화가 도시되어 있다. 이와 같은 경우는 공진회로를 구성하는 L값이 도 4(a)보다 큰 경우에 나타나는 경향이다. 즉, 안테나(130)의 L값이 클수록, 공진커패시터의 커패시턴스 값(C)에 따라 증폭되는 전류는 Cr 주변에서 급격하게 변화되는 경향이 더욱 뚜렷해진다. 이러한 경향은 기판의 대형화에 따른 안테나(130)의 대형화에 수반되는 특징이다. 따라서 공진커패시터(140)의 제어 오차로 인해, 발생되는 전류의 오차가 더욱 커지게 되는 문 제점을 수반한다.

이러한 경우에도 공진출력제어부(150)의 가변저항의 저항 값을 조절하여 공진커패시터(140)의 커패시턴스 값(C)의 변화에 따른 안테나(130)에서 증폭되는 전류의 변화량을 감소시킬 수 있게 되므로, 안테나(130)에서 증폭되는 전류를 오차를 줄이면서 안정적으로 제어할 수 있게 된다.

또한, 안테나(130)에서 증폭되는 전류는, 공진커패시터(140)의 커패시턴스 값(C)과 공진출력제어부(150)의 가변저항의 저항 값을 변화시켜 미세하게 제어될 수 있다. 구체적으로, 먼저 공진커패시터(140)를 원하는 전류량으로 증폭시킬 수 있는 C값으로 설정하고, 그 다음 공진출력제어부(150)의 가변저항을 적절히 조절하여 원하는 크기의 전류가 인가되도록 제어할 수 있다.

도 5는 본 발명의 공진커패시터(140)의 커패시턴스 값(C)에 따라 안테나(130)에서 증폭되는 전류의 변화 및 안테나(130)의 허용전류(Ia)를 나타낸 도면이다.

추가적으로 공진출력제어부(150)는 공진커패시터(140)의 커패시턴스 값(C)이 고주파 전력의 주파수(공진주파수)에 대응하는 Cr이 될 때, 증폭되는 전류의 최대 값이 안테나(130)의 허용전류(Ia)를 초과하지 않도록, 일정 크기를 갖는 저항을 더 포함하여 구성될 수 있다. 공진출력제어부(150)의 저항 값이 증가할수록 증폭되는 전류의 양이 감소하게 되므로, 안테나(130)의 허용전류(Ia)이하로만 전류를 증폭시키기 위한 구성이다.

이는 전술한 바와 같이, 공진현상을 이용하여 안테나(130)에서 증폭되는 전류는 C값의 오차에 의하여 수 배 이상으로 쉽게 증폭될 수 있으므로, 안테나(130)에서 증폭되는 전류의 오차가 발생하더라도 허용전류(Ia) 이상으로 증폭되어 안테나(130)등의 소자가 파손되는 것을 방지하기 위함이다.

한편, 공진출력제어부(150)는 가변저항의 저항 값을 변화시켜, 플라즈마 발생모듈(100)의 임피던스 총합의 위상 또한 변화될 수 있다. 따라서 공진커패시터(140)의 커패시턴스 값(C)에 따른 전류증폭량의 경향(trend)를 변화시킬 수 있어 전류를 제어할 수 있는 폭이 넓어지게 된다. 이러한 경우 정합부(120)에서 임피던스 매칭을 재수행할 수 있다.

다시 도 3을 살펴보면, 드레인회로(160)는 안테나에 인가되는 전류의 일부를 드레인하는 경로를 형성한다. 또한, 복수의 안테나(130)가 구비되고 공정 또는 사용자의 필요에 따라 각 안테나(130)별로 전류를 다르게 인가해야 할 경우, 예를 들면, 각 부분의 식각율(etching rate)을 각각 다르게 적용하여 공정을 진행해야 하는 경우에 순간적으로 남는 전류를 드레인하여 다른 안테나(130)에 미치는 영향을 최소화하도록 구성될 수 있다.

드레인회로(160)는 적어도 하나 이상의 가변소자가 포함되어 구성될 수 있으며, 본 실시예에서는 드레인가변저항 및 드레인커패시터가 직렬로 연결된 구성이 나타나 있다. 드레인회로(160)의 일측은 접지부와 연결 되며 안테나(130)에 인가되는 전류의 일부를 드레인할 수 있으며, 이러한 구성은 안테나(130)에서 증폭되는 전류를 변화시키는 경우에, 하나의 안테나 모듈에 인가되는 전류의 양을 일정한 수준으로 유지하기 위하여 작동된다. 즉, 드레인회로(160)는 안테나(130)에서 증폭되는 전류의 총합이 작아지면 드레인가변저항의 값을 줄여 드레인되는 전류양을 증가시키고, 반대로 안테나(130)에서 증폭되는 전류의 총합이 커지면 드레인가변저항의 값을 크게하여 드레인되는 전류량을 줄이도록 제어된다. 따라서, 안테나(130) 모듈에 인가되는 전류의 총합을 일정한 수준으로 유지되도록 제어될 수 있다. 결국 각각의 안테나(130)의 출력을 개별제어 하더라도 전체 전류량을 일정하게 유지할 수 있고, 다른 안테나(130)에 인가되는 전류의 변화를 최소화 할 수 있게 되므로, 각 안테나(130)를 개별제어 하는 것이 용이해진다. 드레인회로(160)는 드레인가변저항과 직렬로 연결되는 드레인커패시터를 더 포함하여 구성될 수 있고, 안테나(130)를 통과한 전류를 드레인커패시터에서 임피던스를 조절하여 안테나(130)의 전단에 인가하는 피드백 보상회로의 기능을 수행할 수 있어, 전력효율을 높일 수 있는 효과를 가질 수 있다. 한편 본 실시예에서는 하나의 드레인회로(160)만이 구비되어 있으나, 복수로 구성되어 안테나 모듈에 각각 구비될 수 있다.

또한, 하나의 안테나(130)에서 공진에 의해 급격한 전류의 증가로 다른 안테나(130)에 인가되는 전류에 영향을 미칠 수 있는데, 이때 과부하된 전류를 드레인회로(160)를 통하여 접지시켜 안테나(130)를 보호할 수 있다.

한편, 전력측정부(미도시)가 구비되며, 안테나(130)와 연결되어 안테나(130)에 흐르는 전류를 모니터링하면서, 전류에 따라 드레인회로(160)가 제어되도록 구성될 수 있다. 또한, 안테나(130)의 온도를 측정하는 온도측정부(미도시)가 구비될 수 있으며, 안테나(130)의 온도가 일정온도 이상으로 상승된 경우에, 드레인회로(160)가 제어되어 안테나(130)에 인가되는 전류량을 감소시키도록 구성될 수 있다. 한편 이와같은 전류측정부(미도시) 또는 온도측정부(미도시)가 구비된 경우, 측정된 정보를 이용하여 드레인회로(160)를 제어하는 제어부(미도시)가 추가로 구비될 수 있다.

궤환증폭회로(170)는 각 안테나(130)를 통과한 전류를 증폭시켜 재사용하기위한 구성이며, 안테나의 출력단의 파워를 안테나의 입력단으로 궤환시키며, 회로제어범위에 있는 마진율을 조절하여 위상 변화(Phase shitf)를 통해 안테나(130)에서 증폭되는 출력을 조절할 수 있다. 궤환증폭회로(170)는 안테나(130), 공진커패시터(140), 공진출력제어부(150), 드레인회로(160)을 포함한 구성과 병렬로 연결된다. 궤환증폭회로(170)는 궤환저항 및 궤환커패시터를 포함하여 구성되며, 궤환저항 및 궤환커패시터는 가변소자로 구성된다. 이는 플라즈마 발생모듈(100)의 출력에 따라 가변소자를 제어하여 전력소비효율을 높일 수 있는 구성이 된다.

이하에서는 커먼부(180)에 대하여 도 6을 참조하여 설명한다.

커먼부(180)는 각각의 안테나를 연결하며, 인접한 안테나(130)의 공진으로 인해 다른 안테나(130)의 출력에 영향 미치는 것을 최소화시킬 수 있도록 구성된다.

도 6은 본 발명의 커먼부(180) 및 안테나(130)가 나타난 사시도이다. 본 도면에서는 커먼부(180)의 구조 및 기능을 설명하기 위하여 도시되었으며, 공진출력제어부(150) 및 드레인회로(160) 등은 생략되어 있다.

커먼부(180)는 고주파 전원(110)으로부터 RF전력이 인가되고, 복수의 안테나(130)와 연결되어 RF전력을 전달하도록 구성된다. 커먼부(180)는 전술한 안테나(130)의 배열에 대응하는 형상의 도체부재로 구성될 수 있다.

커먼부(180)는 각각의 안테나(130)와 모두 직접 연결되는 커먼라인(common line)을 형성하고, 각 안테나(130)를 개별제어하는 경우 각 안테나(130)가 다른 안테나(130)에 미치는 영향을 최소할 수 있도록 구성된다. 또한, 고주파 전원(110)으로부터 각 안테나(130)까지의 경로가 동일하게 연결될 수 있으므로, RF전력의 편차를 줄일 수 있으며, 모든 안테나(130)와 병렬로 연결되어 고주파 전원(110)으로부터 안테나(130)까지의 경로 상에서 소비되는 전력의 편차를 최소화 할 수 있도록 구성될 수 있다.

커먼부(180)는 적어도 한 개 이상의 폐루프가 형성된 도체부재로 구성될 수 있다. 폐루프상에서 각각의 안테나(130)와 모두 연결되어 각 안테나(130)에 인가되는 RF전력의 편차를 최소화 할 수 있다. 커먼부(180)는 경로부(182)와 연결부(181)를 포함하여 구성될 수 있다. 경로부(182)와 연결부(181)는 격자형으로 구성될 수 있으며, 격자의 모양은 정사각형 또는 직사각형 등으로 구성될 수 있다. 한편 경로부(182)와 연결부(181)는 각각 다른 크기의 격자로 구성될 수 있다.

경로부(182)는 고주파 전원(110)으로부터 RF전력을 연결부(181)로 전달하는 경로를 형성하며, 연결부(181)는 RF전력을 안테나(130)에 전달할 수 있도록 안테나(130)와 연결된다. 또한, 경로부(182)는 중앙에 위치한 격자점(격자의 모서리, 분기점 등의 총칭)에 RF전력이 인가되도록 구성될 수 있다. 경로부(182)가 복수로 구비된 경우 복수의 중앙 격자점에 RF전력이 인가되도록 고주파 전원(110)과 연결될 수 있다. 구체적으로, 본 실시예와 같이 4개의 경로부(182)가 구비된 경우에는 각각의 경로부(182)의 중앙 격자점에 RF전력이 인가될 수 있다.

연결부(181)는 안테나(130)와 대응되는 위치에 배치되어 안테나(130)와 연결될 수 있다. 다시 도 6을 참조하면, 9개의 안테나(130)가 3x3 형태로 배열되어 있고, 그 상측에 9개의 연결부(181)가 배치되어 있으며, 각 안테나(130)와 연결되어 있는 모습이 도시되어 있다. 연결부(181)는 안테나(130)를 구성하는 도체의 개수에 따라 안테나(130)와 연결되는 지점이 달라질 수 있다. 예를 들어, 안테나(130)가 단일 권선으로 이루어진 경우, 연결부(181)의 중앙 격자점과 연결될 수 있으며, 안테나(130)가 복수개의 권선으로 이루어진 경우, 복수의 격자점과 연결될 수 있다. 구체적으로, 안테나(130)가 4개의 권선으로 이루어진 경우, 연결부(181)의 외각에 위치한 격자점과 각 권선이 연결되도록 구성될 수 있다.

또한, 커먼부(180)는 경로부(182)와 연결부(181)가 다양한 크기와 개수로 조합되어 구성될 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 연결부(181)가 9개로 구성된 안테나(130)와 대응되는 위치에 배치된 경우, 인접하는 4개의 연결부(181)의 모서리와 경로부(182)의 4개의 모서리가 각각 연결될 수 있다. 이때 경로부(182)의 격자는 연결부(181)의 격자보다 크게 구성될 수 있다. 즉 격자배열로 배치된 연결부(181)의 사이에 경로부(182)가 격자배열로 배치되는 구성이 될 수 있다.

한편, 경로부(182)의 중앙격자점에 RF전력이 인가되는 경우, RF전원으로부터 각안테나(130)까지 RF전력이 인가되는 경로, 즉, 고주파 전원(110)으로부터 각 안테나(130)까지의 경로의 거리가 모두 동일하게 구성될 수 있다. 구체적으로 경로부(182)의 중앙 격자점부터 각 모서리까지의 거리는 모두 동일하고, 연결부(181) 또한 모서리로부터 중앙 격자점까지의 거리가 동일하게 된다. 따라서 고주파 전원(110)으로부터 안테나(130)까지 각 경로의 길이에 의한 차이를 최소화할 수 있고, RF전력을 인가한 경우, 각 경로 상에서 소비되는 전력 또한 균일하게 할 수 있으므로, 각 안테나(130)에 균일한 RF전력을 공급할 수 있게 된다.

다시 도 6을 살펴보면, 커먼부(180)는 평판도체부재로 구성된 모습이 도시되어 있다. 이와 같은 구성은 협소한 안테나 설치부에 설치가 가능하며, 장치의 유지 및 보수에 있어 사용자의 접근성을 확보될 수 있다. 다만 도시된 예는 일 예일 뿐, 커먼부(180)는 다양한 형상의 단면을 가진 부재로 구성될 수 있다.

커먼부(180)가 이와 같이 구성된 경우, 각 안테나(130)는 다른 안테나(130)와 모두 병렬로 연결이 되는 공통부(common line)가 형성이 되며, 각각의 안테나(130)에 인가되는 RF전력의 전압 또는 전력의 편차가 최소화 될 수 있는 기능을 갖는다. 또한, 안테나(130)를 개별제어하여 커패시터 값을 변화시키는 경우, 전체 안테나(130)에 인가되는 전류의 양이 급변할 수 있으나, 커먼부(180)에 의하여 모든 안테나(130)가 커먼(common)되어 있어, 전류의 급변량이 모든 안테나(130)에 고르게 배분되어 적용될 수 있으므로, 안테나(130)의 안정적으로 개별제어 할 수 있는 기능을 갖는다.

이하에서는 도 7 내지 도 10을 참조하여 본 발명의 변형예에 대하여 설명한다.

도 7은 본 발명에 따른 플라즈마 발생모듈(100)의 다른 실시예의 회로도이다. 본 실시예에서 포함하고 있는 구성요소중 제1 실시예와 동일한 구성요소에 대하여는 중복 기재를 피하기 위하여 상세한 설명을 생략한다.

도시된 바와 같이, 공진커패시터(140)는 안테나(130) 및 공진출력제어부(150)와 직렬로 연결되어, 안테나(130)와 직렬 공진현상을 일으킬 수 있도록 구성될 수 있다. 직렬 공진의 경우, 위상 변화(Phase shift)에 대한 제어가 보다 용이하므로, 안테나(130) 출력에 대한 개별제어가 수월해지는 효과를 갖는다. 이때, 공진출력제어부(150)는 가변저항으로 구성되어 각각의 안테나(130)와 병렬로 연결되며, 임피던스를 가변시켜 각각의 안테나(130)의 출력을 조절할 수 있도록 구성된다.

도 8은 본 발명의 안테나 모듈의 변형예를 도시한 회로도이다.

도시된 바와 같이, 공진출력제어부(150)는 가변소자를 포함하여 구성될 수 있으며, 도 8(a)와 같이, 가변저항으로 구성될 수 있으며, 도 8(b)에 도시된 바와 같이, 가변 인턱터로 구성될 수 있어, 안테나 모듈의 전기적 특성을 변화시켜, 증폭되는 출력을 변화시킬 수 있게 된다. 또한 도 8(c)와 같이, 가변저항 및 가변 인덕터를 포함하여 구성될 수 있다. 이와같이 공진출력제어부(150)의 임피던스를 변화시켜 안테나(130)의 출력을 조절할 수 있다.

한편, 공진커패시터(140)가 안테나(130) 및 공진출력제어부(150)의 전단에 직렬로 연결되도록 구성될 수 있으며, 안테나 모듈의 전단에 각각 구비되어 각 안테나 모듈에 인가되는 파워를 균일하게 배분할 수 있다.

도 9는 본 발명에 따른 안테나 모듈의 다른 변형예이다.

도시된 바와 같이 본 변형예에서는 도 8에 도시된 변형예와 달리, 직렬로 연결된 공진커패시터(140)가 안테나(130)와 접지부 사이에 구비된 모습이 도시되어 있다. 인가되는 전류의 위상 변화 제어가 용이하며, 안테나에서 증폭되는 출력을 정밀하게 조절가능한 구성이다. 한편, 이러한 경우에도 공진출력제어부(150)는 도 8에서 설명한 바와 같이 다양하게 변형되어 적용될 수 있다.

도 10은 본 발명에 따른 안테나 모듈의 또 다른 변형예이다.

도시된 바와 같이, 안테나 모듈은 공진커패시터(140)가 직렬로 연결된 하나의 가변커패시터로 구성될 수 있으며, 직렬 공진으로 증폭된 출력을 공진출력제어부(150)를 제어하여 안테나(130)의 출력을 정밀하게 조절할 수 있다.

이상에서는 복수개의 안테나(130)를 구비하는 플라즈마 처리장치에 있어서, 각각의 안테나(130)를 미세하게 제어할 수 있는 공진출력제어부(150), 안테나(130)에 특정 전류이상이 인가되지 않도록 구성되는 드레인회로(160), 전체 파워를 피드백하여 사용하는 궤환증폭회로(170), 각 안테나(130)의 개별제어시 주변 안테나(130)에 미치는 영향을 최소화할 수 있는 커먼부(180)가 구비되는 플라즈마 발생모듈(100)에 대해서 설명하였다.

본 발명에 따른 플라즈마 발생모듈(100)을 실시하는 경우, 공진출력제어부(150)가 구비되어, 플라즈마를 정밀하게 제어 가능하므로, 결국 기판을 정밀하게 처리할 수 있는 효과가 있으며, 허용전류 이상의 전류가 안테나(130)에 인가되는 것을 방지하여 장치의 파손을 방지할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.

또한, 안테나(130)에 드레인회로(160)가 구비되어 안테나(130)의 개별 제어에 따라 인접한 안테나(130)에 미치는 영향을 최소화 할 수 있으며, 전체 파워를 궤환증폭하는 궤환증폭회로(170)가 구비되어 전력소비효율을 높일 수 있는 효과가 있다.

추가적으로, 모든 안테나(130)와 커먼부(180)의 폐루프에 의하여 모든 안테나(130)가 커먼(common)되므로, 각 안테나(130)에 인가되는 RF파워의 크기나 위상 등의 편차를 최소화 할 수 있다. 따라서 모든 안테나(130)에 균일한 RF파워를 전달할 수 있어, 균일한 플라즈마를 생성시킬 수 있으며, 안테나(130)를 개별제어 할 때에도 안정적으로 운영할 수 있는 효과가 있게 된다.

이상, 본 발명의 일 실시예에 대해 상세하게 기술하였으나, 본 발명이 상기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명이 속하는 기술 분야에 대해 통상의 지식을 가진 사람이면, 첨부된 청구범위에 정의된 본 발명의 기술적 특징의 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형 또는 변경하여 실시할 수 있음은 밝혀둔다.

100: 플라즈마 발생모듈
110: 고주파 전원 120: 정합부
130: 안테나 140: 공진커패시터
150: 공진출력제어부
160: 드레인회로
170: 궤환증폭회로
180: 커먼부 181: 연결부 182: 경로부

Claims (12)

1. 각각 병렬로 연결되는 복수의 안테나;
   상기 복수의 안테나에 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원;
   상기 안테나와 각각 연결되며, 임피던스를 가변시켜 상기 안테나 출력을 제어하는 복수의 공진커패시터;
   상기 안테나와 각각 병렬로 연결되며, 임피던스를 가변시켜 상기 안테나의 출력을 조절할 수 있도록 적어도 하나 이상의 가변소자를 포함하는 복수의 공진출력제어부;
   상기 안테나에 인가되는 전류의 일부를 드레인하는 경로를 형성하며, 적어도 하나 이상의 가변소자를 포함하여 구성되어 상기 안테나와 병렬로 연결되는 드레인회로;
   상기 안테나의 출력단의 파워를 상기 안테나의 입력단으로 궤환시키는 궤환증폭회로; 및
   상기 고주파 전원으로부터 상기 고주파전력이 인가되고, 상기 복수의 안테나와 연결되어 상기 고주파 전력을 전달하며, 적어도 하나 이상의 폐루프가 형성되는 도체부재로 구성되는 커먼부를 포함하여 구성되는 플라즈마 발생모듈.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 공진커패시터는 가변 커패시터로 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생모듈.
3. 제2 항에 있어서,
   상기 공진커패시터는 상기 안테나의 전단에 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생모듈.
4. 제3 항에 있어서,
   상기 공진커패시터는,
   상기 안테나와 병렬연결되며, 상기 공진출력제어부와 직렬연결되는 가변커패시터를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생모듈.
5. 제2 항에 있어서,
   상기 공진전류제어부의 상기 가변소자는,
   가변저항을 포함하여 구성되며,
   상기 가변저항의 저항 값이 증가할수록 상기 안테나에서 증폭되는 전류의 양이 감소하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생모듈.
6. 제2 항에 있어서,
   상기 궤환증폭회로는,
   직렬로 연결된 궤환저항 및 궤환커패시터를 포함하여 구성되며,
   궤환되는 전류를 조절할 수 있도록, 상기 궤환저항 및 상기 궤한커패시터는 가변으로 구성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생모듈.
7. 제2 항에 있어서,
   상기 드레인회로는,
   상기 안테나 및 상기 공진출력제어부에 전력을 분배하는 제1 분기점과 접지부에 연결되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생모듈
8. 제7 항에 있어서,
   상기 드레인회로는 드레인저항을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생모듈.
9. 제6 항에 있어서,
   상기 드레인저항은 가변저항으로 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생모듈.
10. 제1 항에 있어서,
    상기 커먼부는 격자구조로 구성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생모듈.
11. 제 1항에 있어서,
    상기 커먼부는,
    상기 안테나와 연결되는 연결부, 및
    상기 전원부로부터 전달되는 상기 고주파 전력을 상기 연결부로 전달하는 경로를 형성하는 경로부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생모듈.
12. 내부에 공정공간이 형성되는 챔버;
    상기 챔버의 내부에 구비되어 기판이 안착되는 공간을 형성하는 스테이지; 및
    상기 스테이지의 상측에 배치되고, 상기 공정 공간에 플라즈마를 발생시키기 위한 플라즈마 발생모듈을 포함하며,
    상기 플라즈마 발생모듈은, 각각 병렬로 연결되는 복수의 안테나, 상기 복수의 안테나에 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원, 임피던스를 가변시켜 상기 안테나 출력을 제어하며 상기 안테나와 각각 연결되는 복수의 공진커패시터, 상기 안테나와 각각 병렬로 연결되며, 임피던스를 가변시켜 상기 안테나의 출력을 조절할 수 있도록 적어도 하나 이상의 가변소자를 포함하여 구성되는 복수의 공진출력제어부, 상기 안테나에 인가되는 전류의 일부를 드레인하는 경로를 형성하며, 적어도 하나 이상의 가변소자를 포함하여 구성되어, 상기 안테나와 병렬로 연결되는 적어도 하나 이상의 드레인회로, 및 상기 고주파 전원으로부터 상기 고주파 전력이 인가되고, 상기 복수의 안테나와 연결되어 상기 고주파 전력을 전달하며, 적어도 하나 이상의 폐루프가 형성되는 도체부재로 구성되는 커먼부를 포함하여 구성되는 플라즈마 발생장치.
    
    

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