KR20190104080A - 고밀도 선형 유도 결합형 플라즈마 소스 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플라즈마 소스에 관한 것이다. 본 발명에 따른 고밀도 플라즈마 소스는 전자빔 및 이온빔 중 어느 하나를 외부로 제공하는 플라즈마 챔버; 및 상기 플라즈마 챔버와 연통되어, 상기 플라즈마 챔버 내부로 다수 개의 전자들을 공급하는 하나 또는 둘 이상의 전자 발생기;를 구비하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 고밀도 플라즈마 소스는 전자 발생기를 이용하여 플라즈마 챔버 내에 형성된 플라즈마에 다수 개의 전자들을 공급함으로써, 플라즈마의 밀도를 높일 수 있게 된다. 본 발명에 따른 안테나 구조는, 우측 영역에서 시계 방향으로 수회 회전한 후 좌측 영역에서 반시계 방향으로 수회 회전하는 제1 안테나; 및 좌측 영역에서 반시계 방향으로 수회 회전한 후 우측 영역에서 시계 방향으로 수회 회전하는 제2 안테나;를 구비한다. 상기 제1 안테나와 제2 안테나는 이중 나선 구조로 이루어지되 시계 방향 회전 영역과 반시계 방향 회전 영역이 좌우 대칭되도록 구성됨으로써, 전체적으로 균일한 에너지 분포를 이루게 되고, 이런 안테나 조합의 기본형이 좌우 확장한 linear형 안테나, 상하좌우 확장한 대면적형 안테나에 의해 생성된 플라즈마는 전체적으로 균일한 분포를 갖게 된다.

Description

고밀도 선형 유도 결합형 플라즈마 소스와 유도 결합형 플라즈마 소스용 안테나 구조{High Density Linear ICP Source and antenna structure for ICP source}

본 발명은 고밀도 플라즈마 소스에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 플라즈마 챔버와 연결되어 상기 플라즈마 챔버 내로 전자들을 공급하는 전자 공급 장치를 구비함으로써, 대면적에 고밀도 플라즈마를 발생시킬 수 있는 고밀도 플라즈마 소스 및 균일한 플라즈마 생성을 제공할 수 있는 유도 결합형 플라즈마 소스용 안테나 구조에 관한 것이다.

플라즈마(Plasma)란 전기적인 방전으로 인해 생기는 전하를 띈 양이온 및 전자들의 집단으로, 짝짓지 않은 전자를 갖는 원자단인 라디칼을 포함한다. 플라즈마 내부에는 활발하게 움직이는 전자, 이온 및 라디칼(radical)이 존재하므로 다른 물질을 여기 또는 전리시키는 화학적 반응을 일으킬 수 있다. 또한, 플라즈마 외부에 전계를 걸어줌으로써, 전자 및 이온의 운동 속도를 조절하여 다른 물질과 충돌을 유발하는 물리적 반응을 일으킬 수 있다. 상기 플라즈마에 의한 화학적 반응 및 물리적 반응은 물질을 증착하는 공정에 적용할 수 있을 뿐만 아니라 물질을 식각하는 공정에도 적용할 수도 있다.

일반적으로 플라즈마를 이용한 처리장치로는 박막 증착을 위한 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vaper Deposition) 장치, 증착된 박막을 식각하여 패터닝하는 식각장치, 스퍼터(Sputter), 애싱(Ashing) 장치, 이온빔 소스, 전자빔 소스 등이 있다.

또한, 이러한 플라즈마 발생장치는 RF 전력의 인가방식에 따라 용량결합형(Capacitively Coupled Plasma; 이하 CCP)와, 유도결합형(Inductively Coupled Plasma; 이하, ICP) 장치로 구분된다.

상기 용량결합형은 서로 대향되는 평행형판 전극에 RF 전렬을 인가하여 전극 사이에 수직으로 형성되는 RF 전력을 인가하여 전극 사이에 수직으로 형성되는 RF 전기장을 이용하여 플라즈마를 발생시키는 방식인 반면, 상기 유도결합형은 진공으로 유지 가능한 플라즈마 처리를 실시하기 위하여 플라즈마 챔버의 외부에 고주파 안테나가 설치되고, 상기 고주파 안테나와 플라즈마 처리실 사이의 벽(window)은 유전체로 구성된다. 상기 고주파 안테나는 고주파 전력이 공급되어 플라즈마 챔버 내부에 유도전기장이 형성되고, 상기 유도전기장에 의해 상기 플라즈마 챔버에 도입된 처리 가스가 플라즈마화 되어 기판의 플라즈마 처리가 실시되는 방식이다. 상기 유도결합형은 상기 고주파 안테나의 모양과 외부자기장에 따라 ICP(Inductively Coupled Plasma), TCP(Transformer Coupled Plasma), 헬리칼 플라즈마(Helical Plasma), 헬리콘 플라즈마(Helicon Plasma), ECR 등으로 구분된다.

그런데, LCD나 PDP와 같은 플라즈마 처리를 통해 생산되는 제품들이 점점 대형화가 되어가면서, 피처리 기판인 유리 기판의 사이즈도 점점 커지게 되고, 이를 플라즈마 처리하기 위한 장치들 또한 대형화가 불가피한 추세이다.

한편, 플라즈마는 낮은 진공압인 고진공 상태에서는 낮은 전압으로도 쉽게 방전이 일어나지만, 진공압이 높아지게 되면 더 큰 전압을 인가하여야 방전이 일어나기 때문에, 높은 진공압에서는 플라즈마가 형성되기가 어렵다. 따라서, 플라즈마 챔버는 낮은 진공압으로 유지하여 플라즈마를 형성하고, 파워 소스의 주변은 대기압 상태로 유지시켜 플라즈마가 형성되지 않도록 하는 것이 이상적이다. 그러나, 전술한 바와 같이 플라즈마 처리장치가 대형화될수록 외부의 대기압과 플라즈마 챔버 내외의 큰 압력 차이를 견디기 위해서 상기 고주파 안테나와 플라즈마 챔버 사이의 윈도우(window)는 그 두께는 두꺼워질 수 밖에 없다.

하지만, 상기와 같이 윈도우의 폭을 두껍게 할 경우 고주파 안테나와 플라즈마 영역과의 거리가 멀어지기 때문에 에너지 효율이 저하되어 플라즈마 밀도가 저하되는 문제점이 있다. 또한, 유전체로 이루어지는 윈도우의 두께가 두꺼워질수록, 플라즈마 처리 장치의 제조 비용이 높아지는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 한국공개특허 제10-2010-0053255호의 "이단 진공 챔버를 가지는 유도결합 플라즈마 장치"는 도 1의 유도결합 플라즈마 장치에 도시된 바와 같이, 챔버(530)를 고주파 안테나가 배치되는 안테나실(510)과 플라즈마 처리가 실시되는 기판처리실(520)로 나누고, 배기부(550)를 이용하여 상기 안테나실(510)과 기판처리실(520)을 모두 진공상태를 가지도록 하고 있다.

그러나, 상기 안테나실(510)과 기판처리실(520)이 하나의 배기부(550)를 이용하여 모두 진공상태로 유지되는 경우, 상기 안테나실(510)과 기판처리실(520)은 플라즈마가 쉽게 일어날 수 있는 동일한 진공압을 갖게 되어 상기 안테나실(510)에 오히려 플라즈마 영역이 형성되는 문제점이 발생할 수 있다.

한편, 최근 반도체 기판의 직경이 8 인치를 초과하는 대구경 웨이퍼 사용이 증가함에 따라, 플라즈마 처리장치 내에서 플라즈마 밀도를 균일하게 형성하는 것에 대한 요구도 커지고 있다. 즉, 상기 플라즈마 처리 장치 내로 반응가스가 유입되는 부분과 다른 부분에서 상기 반응가스의 밀도가 불균일하여, 상기 기판의 플라즈마 표면처리 결과가 불균일하게 나타난다. 이러한 표면처리 결과의 불균일은 상기 기판의 크기가 커질수록, 상기 프로세스 챔버의 크기가 커질수록 더욱 심화된다.

특히, TFT-LCD를 비롯한 PDP, FED와 같은 여러 가지 형태의 평판 디스플레이 장치의 경우 반도체 웨이퍼에 비하여 대면적의 기판이 사용되고 있을 뿐만 아니라, 평판 디스플레이 장치용 기판은 원형에 한정되지 않고, 사각형 및 다각형 형태를 가진다. 따라서, 점차 기판의 대형화와 다양한 형태의 기판에 유연하게 대응하기 위해서는 기판의 중앙 부분뿐만 아니라 에지(edge) 부분까지 플라즈마의 밀도를 균일하게 발생시키는 것이 중요하다.

또한, 기존의 플라즈마 처리 장치는 기판의 표면처리를 위해 프로세스 챔버 내로 유입되는 반응가스의 상당량이 플라즈마로 변화되지 못하므로, 반응가스의 소비량이 크고, 신속하게 반응가스와 플라즈마의 공급이 어렵다. 그리고, 이로 인해 상기 기판에 대한 표면처리 속도가 저하되는 문제점이 있었다.

한국특허공개공보 제10-2010-0053255호

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 플라즈마 챔버와 연결되어 상기 플라즈마 챔버 내로 전자들을 공급하는 전자 공급 장치를 구비하고, 대면적에 고밀도 플라즈마를 균일하게 발생시킬 수 있는 고밀도 플라즈마 소스를 제공하고자 하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 대면적에 걸쳐 플라즈마를 균일하게 생성시킬 수 있도록 하는 유도 결합형 플라즈마용 안테나 구조를 제공하는 것이다.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 제1 특징에 따른 고밀도 플라즈마 소스는, 전자빔 및 이온빔 중 어느 하나를 외부로 제공하는 플라즈마 챔버; 및 상기 플라즈마 챔버와 연통되어, 상기 플라즈마 챔버 내부로 다수 개의 전자들을 공급하는 하나 또는 둘 이상의 전자 발생기;를 구비하고,

상기 전자 발생기는 텅스텐 필라멘트(W filament), ICP형 안테나, CCP형 전극판, 할로우캐소드(Hollow cathode) 중 어느 하나를 이용하여 플라즈마를 생성하고, 상기 플라즈마를 통해 상기 플라즈마 챔버 내부로 다수 개의 전자들을 공급하는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.

전술한 제1 특징을 갖는 고밀도 플라즈마 소스에 있어서, 상기 고밀도 플라즈마 소스는 상기 전자 발생기 내부로 제1 공정가스를 공급하는 제1 가스공급부;를 더 구비하는 것이 바람직하다.

전술한 제1 특징을 갖는 고밀도 플라즈마 소스에 있어서, 상기 전자 발생기는 플라즈마를 사용하지 않는 경우, 텅스텐 필라멘트(W filament)를 가열하여 생성되는 다수 개의 전자들을 상기 플라즈마 챔버 내부로 공급하는 것이 바람직하다.

전술한 제1 특징을 갖는 고밀도 플라즈마 소스에 있어서, 상기 플라즈마 챔버는 제1 면에 외부로 전자빔 또는 이온빔을 방출하는 그리드부를 포함하며, 제1 진공압을 유지하는 플라즈마 처리실; 제2 진공압을 유지하며, 파워 소스(power source)가 배치되어 상기 플라즈마 처리실로 파워를 제공하는 파워공급실; 및 상기 플라즈마 처리실과 파워공급실의 사이에 배치되는 윈도우(Window);를 구비하고, 상기 제2 진공압은 대기압보다 작고, 제1 진공압보다 크며, 상기 전자 발생기는 상기 윈도우가 배치되지 않은 상기 플라즈마 처리실의 제2 면에 형성된 관통홀을 통해 상기 플라즈마 처리실과 연통되는 것이 바람직하다.

전술한 제1 특징을 갖는 고밀도 플라즈마 소스에 있어서, 상기 플라즈마 챔버는 원통형(Cylindrical type)으로 형성되며, 상기 파워공급실은 원통형의 플라즈마 처리실을 둘러싸도록 배치되는 것이 바람직하다.

전술한 제1 특징을 갖는 고밀도 플라즈마 소스에 있어서, 상기 관통홀은 상기 전자발생기와 연결된 부분의 제1 직경보다 상기 플라즈마 처리실과 연결된 부분의 제2 직경가 더 큰 것이 바람직하다.

전술한 제1 특징을 갖는 고밀도 플라즈마 소스에 있어서, 상기 플라즈마 처리실의 제2 면은 적어도 상기 전자 발생기로부터 공급되는 다수 개의 전자들에 노출되는 영역이 세라믹 재질로 형성되는 것이 바람직하다.

전술한 제1 특징을 갖는 고밀도 플라즈마 소스에 있어서, 상기 고밀도 플라즈마 소스는 상기 플라즈마 챔버에 제1 전원을 공급하는 제1 전원공급장치; 및 상기 하나 또는 둘 이상의 전자발생기에 제2 전원을 공급하는 하나 또는 둘 이상의 제2 전원공급장치;를 더 구비하는 것이 바람직하다.

전술한 제1 특징을 갖는 고밀도 플라즈마 소스에 있어서, 상기 전자발생기는 둘 이상으로 이루어지는 경우, 한 쌍의 전자 발생기를 제1 그룹으로 하여, 하나 또는 둘 이상의 제1 그룹으로 이루어지며, 상기 제2 전원공급장치는 하나당 상기 제1 그룹 또는 짝수 개의 제1 그룹과 연결되어, 동일한 제2 전원을 공급하는 것이 바람직하다.

전술한 제1 특징을 갖는 고밀도 플라즈마 소스에 있어서, 상기 제1 그룹은 상기 전자발생기가 ICP형 안테나를 이용하여 플라즈마를 생성하는 경우, 상기 한 쌍의 전자발생기의 ICP형 안테나를 하나로 연결하는 제1 안테나를 구비하고, 상기 제1 안테나는 각각의 전자발생기에 배치되는 ICP형 안테나의 권선수 및 길이가 동일하도록 연결하는 것이 바람직하다.

전술한 제1 특징을 갖는 고밀도 플라즈마 소스에 있어서, 상기 제1 그룹은 상기 제1 안테나와 좌우대칭으로 형성되는 제2 안테나를 더 구비하고, 상기 제2 전원공급장치는 상기 제1 안테나 및 제2 안테나를 통해 제2 전원을 상기 제1 그룹으로 공급하는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.

전술한 제1 특징을 갖는 고밀도 플라즈마 소스에 있어서, 상기 제1 전원 및 제2 전원은 고주파(Radio Frequency) 전원이며, 서로 다른 주파수를 갖는 것이 바람직하다.

전술한 제1 특징을 갖는 고밀도 플라즈마 소스에 있어서, 상기 플라즈마 챔버는 상기 플라즈마 처리실로 제1 공정가스를 공급하는 제2 가스공급부; 상기 파워공급실로 제2 공정가스를 공급하는 제3 가스공급부; 상기 플라즈마 처리실 내부를 배기하고 제1 진공압 상태를 유지하는 제1 배기부; 및 상기 파워공급실 내부를 배기하고 제2 진공압 상태를 유지하는 제2 배기부;를 더 구비하는 것이 바람직하다.

전술한 제1 특징을 갖는 고밀도 플라즈마 소스에 있어서, 상기 플라즈마 챔버는 상기 파워공급실 내부로 제1 공정가스를 공급하는 제3 가스공급부; 상기 파워공급실의 제1 공정가스가 상기 플라즈마 처리실로 유입되도록 상기 파워공급실과 플라즈마 처리실을 연결하는 가스연결부; 상기 플라즈마 처리실 내부를 배기하고 제1 진공압 상태를 유지하는 제1 배기부; 및 상기 파워공급실 내부를 배기하고 제2 진공압 상태를 유지하는 제2 배기부;를 더 구비하는 것이 바람직하다.

전술한 제1 특징을 갖는 고밀도 플라즈마 소스에 있어서, 상기 플라즈마 챔버는 상기 플라즈마 처리실 내부로 제1 공정가스를 공급하는 제2 가스공급부;를 더 구비하는 것이 바람직하다.

전술한 제1 특징을 갖는 고밀도 플라즈마 소스에 있어서, 상기 고밀도 플라즈마 소스는 상기 전자 발생기 내부로 제1 공정가스를 공급하는 제1 가스공급부;를 더 구비하는 것이 바람직하다.

본 발명의 제2 특징에 따른 유도 결합형 플라즈마 소스의 안테나 구조는, 우측 영역에 위치한 시작점에서 시계 방향으로 수회 회전한 후 좌측 영역에서 반시계 방향으로 수회 회전하도록 배치된 제1 안테나; 및 좌측 영역에 위치한 시작점에서 반시계 방향으로 수회 회전한 후 우측 영역에서 시계 방향으로 수회 회전하도록 배치된 제2 안테나;를 구비하고, 상기 제1 안테나와 제2 안테나는 이중 나선 구조로 이루어지고, 상기 제1 안테나와 제2 안테나의 시계 방향 회전 영역과 반시계 방향 회전 영역은 좌우 대칭되도록 구성된다.

전술한 제2 특징에 따른 유도 결합형 플라즈마 소스의 안테나 구조에 있어서, 상기 제1 안테나의 시작점 및 제2 안테나의 시작점에는 RF 전원을 인가하되, 상기 제1 안테나와 제2 안테나의 각각에 별도의 RF 전원을 연결시키거나 제1 및 제2 안테나를 단일의 RF 전원의 양단에 연결시키는 것을 특징으로 하며, 상기 제1 안테나와 제2 안테나의 끝점은 접지(ground)된 것을 특징으로 한다.

전술한 제2 특징에 따른 유도 결합형 플라즈마 소스의 안테나 구조에 있어서, 상기 유도 결합형 플라즈마 소스의 안테나 구조는 이중 나선 구조로 이루어지는 상기 제1 안테나와 제2 안테나가 기본 구조이며, 다수 개의 기본 구조를 측면을 따라 다중 배치시켜 대형 Linear 플라즈마 소스의 안테나 구조로 사용하는 것을 특징으로 한다.

전술한 제2 특징에 따른 유도 결합형 플라즈마 소스의 안테나 구조에 있어서, 상기 유도 결합형 플라즈마 소스의 안테나 구조는 이중 나선 구조로 이루어지는 상기 제1 안테나와 제2 안테나가 기본 구조이며, 2개의 기본 구조를 상하로 배치시키고 단일의 RF 전원을 서로 공유하도록 구성하여 확장 구조를 형성하고, 다수 개의 확장 구조를 측면을 따라 다중 배치시켜 대면적 플라즈마 소스의 안테나 구조로 사용하는 것을 특징으로 한다.

전술한 제2 특징에 따른 유도 결합형 플라즈마 소스의 안테나 구조에 있어서, 상기 유도 결합형 플라즈마 소스의 안테나 구조는 이중 나선 구조로 이루어지는 상기 제1 안테나와 제2 안테나가 기본 구조이며, 안테나의 적용은 도 5 에서와 같이 튜브를 감싸고 있는 관상형 플라즈마 (ICP)와 도 6, 도 7, 도 8에서와 같은 평판형 ICP (TCP) 의 형태를 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 고밀도 플라즈마 소스는 플라즈마 챔버를 플라즈마 처리실과 파워공급실로 형성하고, 파워공급실의 진공압을 대기압보다는 작고 플라즈마 처리실의 진공압보다는 크게 함으로써, 플라즈마 처리실과 파워공급실을 나누는 윈도우의 두께를 얇게 할 수 있어 파워소스의 파워를 효과적으로 플라즈마 처리실로 전달할 수 있을 뿐만 아니라, 제조 비용을 낮출 수 있다는 장점을 갖는다. 또한, 파워공급실의 진공압이 플라즈마 처리가 일어나는 플라즈마 처리실의 진공압보다 크기 때문에, 파워공급실의 파워 소스 주변에서 원치 않는 플라즈마가 형성되는 것을 막을 수 있어, 더욱 효과적으로 플라즈마 처리실에서 고밀도의 플라즈마를 형성할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 따른 고밀도 플라즈마 소스는 전자 발생기를 이용하여 플라즈마 챔버 내에 형성된 플라즈마에 다수 개의 전자들을 공급함으로써, 플라즈마의 밀도를 높일 수 있게 된다. 고주파 전원을 사용하는 ICP형 플라즈마 챔버의 경우, 플라즈마를 발생시킬 때 플라즈마의 밀도는 공정가스, 진공도, 고주파 전원 등의 몇가지 변수에 의하여 영향을 받지만, 일반적으로 저압 10E-4 Torr 압력 대에서의 플라즈마 밀도는 한정되어 있다. 전자빔 또는 이온빔을 외부로 제공하는 플라즈마 소스의 경우, 플라즈마에서 전자 또는 이온을 빔(beam) 형태로 추출하여 조사하는 형태이므로, 플라즈마의 밀도를 직접적으로 높임으로써, 플라즈마 소스의 이온빔 또는 전자빔 플럭스(flux)를 높일 수 있게 된다.

다시 말해, 플라즈마의 밀도가 높아지면 플라즈마 내에 존재하는 이온 또는 전자의 양도 같이 증가하기 때문이다. 따라서, 본 발명에 따른 고밀도 플라즈마 소스는 상기 플라즈마 챔버에 연통되는 전자발생기를 통해 플라즈마 챔버 내부로 전자들을 공급함으로써, 플라즈마가 발생할 확률을 높여주어 플라즈마 챔버 내에 고밀도 플라즈마를 형성하고, 이를 통해, 고밀도의 이온빔 또는 전자빔을 제공할 수 있는 플라즈마 소스를 구현할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 따른 고밀도 플라즈마 소스는 전자 발생기들을 한 쌍의 제1 그룹으로 하는 다수 개의 제1 그룹들로 형성하고, 상기 제1 그룹 또는 제1 그룹의 짝수배에 하나의 제2 전원공급장치를 이용하여 동일한 제2 전원을 공급함으로써, 제2 전원을 공급해야 하는 제2 전원공급장치의 수를 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 각 전자발생기에 동일하게 제2 전원을 공급하게 되어 균일한 전자의 발생을 유도하여 결론적으로 균일한 고밀도 플라즈마 소스를 구현할 수 있게 된다.

도 1은 종래의 플라즈마 처리 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고밀도 플라즈마 소스를 개략적으로 도시한 구조도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고밀도 플라즈마 소스에 있어서, 상기 전자발생기와 플라즈마 처리실을 연통하는 관통홀을 확대한 그림이다.
도 4는 본 발명에 따른 고밀도 플라즈마 소스를 대형화로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 고밀도 플라즈마 소스에 있어서, 상기 제1 그룹에 제2 전원을 공급하는 방법을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 ICP형 안테나에 대한 기본 구조를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명에 따른 ICP용 안테나의 기본 구조를 측면으로 다중 연결하여 구성한 대형 Linear 플라즈마 소스의 안테나를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명에 따른 ICP용 안테나의 기본 구조를 상하로 연결하여 확장시킨 확장 구조를 측면으로 다중 연결하여 구성한 대면적 플라즈마 소스의 안테나를 도시한 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고밀도 플라즈마 소스의 구조 및 동작 원리에 대하여 구체적으로 설명한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고밀도 플라즈마 소스를 개략적으로 도시한 구조도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고밀도 플라즈마 소스(30)는 전자빔 및 이온빔 중 어느 하나를 외부로 제공하는 플라즈마 챔버(100) 및 상기 플라즈마 챔버와 연통되어, 상기 플라즈마 챔버 내부로 다수 개의 전자(electron)들을 공급하는 하나 또는 둘 이상의 전자 발생기(300)을 구비한다. 도 2에서는 본 발명에 따른 고밀도 플라즈마 소스(30)이 하나의 전자 발생기(300)를 구비하는 것을 예시로 도시하고, 그 동작 원리에 대하여 설명하기로 한다.

먼저, 플라즈마 챔버(100)에 대하여 설명하기로 한다.

상기 플라즈마 챔버(100)는 제1 면에 외부로 전자빔 또는 이온빔을 방출하는 그리드부(118)를 포함하며, 제1 진공압을 유지하는 플라즈마 처리실(110) 및 제2 진공압을 유지하며, 파워소스(135)가 배치되어 상기 플라즈마 처리실(110)로 파워를 제공하는 파워공급실(130) 및 상기 플라즈마 처리실(110)과 파워공급실(130)의 사이에 배치되는 윈도우(120)를 구비하고, 제2 진공압은 대기압보다 작고, 제1 진공압보다 크며, 상기 전자발생기(300)는 상기 윈도우(120)가 배치되지 않은 상기 플라즈마 처리실(110)의 제2 면에 형성된 관통홀(150)을 통해 상기 플라즈마 처리실(110)과 연통되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 고밀도 플라즈마 소스의 플라즈마 챔버(100)는 파워공급실(130)에 중진공 상태를 유지함으로써, 종래에 윈도우에 가해지는 대기압과 플라즈마 처리실의 진공압 차이에 비해 그 압력 차이를 현격하게 줄일 수 있어, 윈도우(120)의 두께를 얇게 할 수 있다. 또한, 파워 소스(135) 주변이 플라즈마 처리실(110)의 제1 진공압보다 큰 제2 진공압을 갖게 함으로써, 플라즈마 처리실이 아닌 파워 소스 주변에 원치않는 플라즈마가 형성되는 것을 막을 수 있다.

본 발명에 따른 고밀도 플라즈마 소스의 플라즈마 챔버(100)는 형태가 원통형(Cylindrical type)인 것이 바람직하다. 원통형인 경우, 상기 파워공급실(130)은 원통형의 플라즈마 처리실(110)을 둘러싸도록 배치된다.

상기 플라즈마 처리실(110)은 제1 면에 그리드(grid)부를 포함한다. 상기 그리드부(118)는 상기 플라즈마 처리실 내에 생성된 플라즈마의 기준 준위를 제공하는 1차 그리드 및 상기 플라즈마 내의 전자 또는 이온을 제어하여 상기 플라즈마 처리실로부터 외부로 방출되도록 제어하는 2차 그리드를 포함하며, 외부로 방출된 전자 또는 이온이 2차 그리드 주변으로 진입하지 못하도록 차폐하는 3차 그리드를 더 포함할 수 있다. 여기서, 본 발명의 고밀도 플라즈마 소스에서 이온을 제공하는 경우에는 상기 1차 그리드는 양의 전압, 상기 2차 그리드는 음의 전압, 상기 3차 그리드는 Ground가 인가되며, 고밀도 플라즈마 소스에서 전자를 제공하는 경우에는 전술한 것과 반대로 상기 1차 그리드는 음의 전압, 상기 2차 그리드는 양의 전압, 상기 3차 그리드는 Ground가 인가되는 것이 바람직하다.

상기 윈도우(120)는 플라즈마 처리가 진행되는 플라즈마 처리실(110) 및 파워 소스(135)가 배치되는 파워공급실(130)의 사이에 배치된다. 도 3에서와 같이, 상기 윈도우(120)는 동심원 형태의 플라즈마 처리실(110)과 파워공급실(130)의 사이에 배치된다. 상기 윈도우(120)는 상기 파워소스(135)로부터 형성되는 파워를 상기 플라즈마 처리실(110)로 효과적으로 전달하기 위하여 유전체로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 파워소스(135)는 상기 파워공급실(130) 내부에 배치되되, 상기 윈도우(120)의 정면에 배치되고, 상기 플라즈마 처리실(110)로 파워를 형성하여 전달한다. 상기 파워 소스(135)는 전자기 파워(Electro magnetic power)를 형성하여 전달하는 고주파 안테나(RF Antenna)인 것이 바람직하다.

상기 파워소스(135)가 고주파 안테나인 경우, 상기 고주파 안테나는 그 형태에 따라 ICP(Indective Coupled Plasma)형, TCP(Transformer Coupled Plasma)형, 헬리콘파(Helicon Wave)형, 헬리칼(Helical Wave)형, 사다리형 등과 같은 다양한 종류로 구분될 수 있다. 상기 고주파 안테나(135)의 형태에 따라 상기 플라즈마챔버의 형태가 달라지는데, ICP형인 경우, 공정챔버는 원통형(Cylindrical type)으로 형성되는 것이 바람직하며, TCP형인 경우, 공정챔버는 평면형(Planner type)으로 형성되는 것이 바람직하다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예는 원통형의 챔버의 외벽을 따라서 감는 ICP(Indective Coupled Plasma)형 안테나를 사용한다.

한편, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고밀도 플라즈마 소스(30)의 플라즈마 챔버(130)는 상기 윈도우(120)로 나눠진 플라즈마 처리실(110)과 파워공급실(130)에 가스 공급 및 배기하는 구성을 각각 구비하는 것을 특징으로 한다. 즉, 플라즈마 처리가 일어나는 플라즈마 처리실(110)에는 상기 제2 가스공급부(도시하지 않음)를 통해 제1 공정가스가 공급되고, 상기 제1 배기부(도시하지 않음)를 통해 배기하여 제1 진공압 상태로 유지한다. 또한, 파워소스(135)가 배치되는 파워공급실(130)에는 상기 제3 가스공급부(도시하지않음)를 통해 제3 공정가스가 공급되고, 상기 제2 배기부(도시하지 않음)를 통해 배기하여 제2 진공압 상태로 유지한다. 상기 제1 배기부 및 제2 배기부는 제2 및 제3 가스공급부로부터 가스가 공급되기 전 파워공급실(130) 및 플라즈마 처리실(110)의 내부가 진공이 되도록 하고, 처리 반응이 완료되면 상기 제1 및 제2 공정가스를 각각 외부로 배출하는 진공펌프 등을 포함한다.

전술한 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고밀도 플라즈마 소스의 플라즈마 챔버는 플라즈마 처리실(110)과 파워공급실(130)의 진공압을 각각 제1 진공압 및 제2 진공압으로 개별적으로 조절할 수 있으며, 이에 따라 플라즈마 처리가 일어나는 플라즈마 처리실(130)은 10^-2~10^-3 Torr와 같은 제1 진공압을 갖는 고진공 상태로 유지할 수 있으며, 파워공급실(140)은 상기 플라즈마 처리실(130)의 진공압보다는 높되, 대기압(760 Torr)보다는 작은 제2 진공압을 갖는 중진공 상태로 유지할 수 있게 된다. 바람직하게는 파워공급실의 진공압은 10 Torr 보다 크고, 760 Torr 보다 작도록 설정한다.

여기서, 상기 전자발생기(300)는 상기 플라즈마 처리실(110)의 제2 면에 형성된 관통홀을 통해 연통되므로, 상기 플라즈마 처리실(110)의 제1 진공압과 동일한 상태로 유지되는 것이 가능하며, 추가적인 제1 공정가스의 공급을 위하여 상기 고밀도 플라즈마 소스(30)는 제1 가스공급부를 더 구비할 수 있다.

한편, 플라즈마는 낮은 진공압인 고진공 상태에서는 낮은 전압으로도 쉽게 방전이 일어나지만, 진공압이 높아지게 되면 더 큰 전압을 인가하여야 방전이 일어나기 때문에, 높은 진공압에서는 플라즈마가 형성되기가 어렵다. 따라서, 파워 소스의 주변은 대기압 상태로 유지시켜 플라즈마가 형성되지 않도록 하는 것이 이상적이나, 전술한 바와 같이 플라즈마 처리장치가 대형화될수록 플라즈마 처리실과 대기압의 진공압차를 견디기 위하여 윈도우의 두께가 두꺼워질 수밖에 없게 되어, 제조비용을 높일 뿐만 아니라, 파워 소스로부터 형성된 파워가 플라즈마 처리실로 효과적으로 전달될 수 없게 된다. 본 발명에 따른 플라즈마 챔버는 파워 소스가 배치되는 파워공급실을 따로 구비하고, 상기 파워공급실(130)의 진공압을 대기압보다는 작지만, 플라즈마 처리실보다는 크게 함으로써, 상기 플라즈마 처리실과의 진공압차를 대기압과의 차이보다는 작게 할 수 있어 상기 윈도우(120)의 두께를 얇게 할 수 있으며, 원치 않는 곳에 플라즈마가 형성되는 것을 막아 플라즈마 처리실에 고밀도의 플라즈마를 형성할 수 있게 된다.

이때, 상기 제1 공정가스와 제2 공정가스는 동일한 플라즈마 반응가스를 사용할 수 있으며, 상기 제1 공정가스와 제2 공정가스는 각각 플라즈마 반응가스와 플라즈마 비반응가스로 구분하여 사용할 수 있다. 후자의 경우, 상기 파워공급실에 플라즈마가 잘 형성되지 않는 플라즈마 비반응가스를 공급함으로써, 플라즈마 처리실보다는 높지만 대기압보다는 낮은 진공압을 갖는 파워공급실에 플라즈마가 형성되는 것을 더욱 효과적으로 막을 수 있게 된다. 상기 플라즈마 반응가스는 아르곤(Ar)과 같은 일반적인 비활성 기체이며, 상기 플라즈마 비반응가스는 질소(N₂) 등이 사용될 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시형태에 따른 고밀도 플라즈마 소스의 플라즈마 챔버는 제3 가스공급부, 가스 연결부, 배기부를 구비하며, 제2 가스공급부를 더 구비할 수 있다. 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 고밀도 플라즈마 소스의 플라즈마 챔버는 가스연결부를 구비하여 하나의 제3 가스공급부 및 배기부만으로도 파워공급실과 플라즈마 처리실의 진공압차를 유지할 수 있다. 본 발명의 다른 실시형태는 구성요소가 가스 연결부를 제외하고, 바람직한 실시예의 그것과 동일하다.

본 발명의 다른 실시형태에 따른 고밀도 플라즈마 소스의 플라즈마 챔버는 상기 윈도우로 나눠진 플라즈마 처리실과 파워공급실을 유량 조절이 가능한 가스 연결부를 구비하여, 하나의 배기부를 통해 상기 플라즈마 처리실과 파워공급실의 진공압을 서로 다르게 유지할 수 있다. 즉, 제2 가스공급부는 상기 파워공급실에 제1 공정가스를 공급하고, 상기 가스 연결부는 상기 플라즈마 처리실과 파워공급실을 연결하여 상기 파워공급실의 제1 공정가스가 상기 플라즈마 처리실로 유입되도록 한다. 이때, 상기 제2 가스공급부 및 가스 연결부는 제1 공정가스의 유량을 조절함으로써, 플라즈마 처리실과 연결된 배기부를 통해 플라즈마 처리실 및 파워공급실이 동시에 배기가 되더라도 진공압은 차이를 갖게 된다. 다시 말해, 상기 파워공급실에는 제1 공정가스가 상기 플라즈마 처리실에 비해 더 많은 양이 유입되도록 하여 진공압을 더 크게 유지할 수 있게 되는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 실시형태에 따른 고밀도 플라즈마 소스의 플라즈마 챔버는 상기 플라즈마 처리실 내부로 제1 공정가스를 공급하는 제2 가스공급부를 더 구비하여, 상기 가스연결부를 통해 공급되는 제1 공정가스가 부족할 경우 더 보충하여 진공상태를 더욱 효과적으로 유지할 수 있다.

마찬가지로, 상기 전자발생기(300)는 상기 플라즈마 처리실(110)의 제2 면에 형성된 관통홀을 통해 연통되므로, 상기 플라즈마 처리실(110)의 제1 진공압과 동일한 상태로 유지되는 것이 가능하며, 추가적인 제1 공정가스의 공급을 위하여 상기 고밀도 플라즈마 소스(30)는 제1 가스공급부를 더 구비할 수 있다.

다음, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고밀도 플라즈마 소스의 전자 발생기(300)에 대하여 구체적으로 설명한다.

상기 전자 발생기(300)는 플라즈마를 이용하는 방법 또는 플라즈마를 이용하지 않는 방법을 통해 전자를 생성하여 공급할 수 있다.

플라즈마를 이용하는 경우, 상기 전자 발생기(300)는 텅스텐 필라멘트(W filament), ICP형 안테나, CCP형 전극판, 할로우 캐소드(Hollow Cathod) 중 어느 하나를 이용하여 플라즈마를 생성하고, 상기 플라즈마를 통해 상기 플라즈마 챔버 내부, 즉, 플라즈마 처리실 내부로 다수 개의 전자들을 공급하게 된다. 이때, 플라즈마를 형성하기 위해서, 상기 전자 발생기(300) 내부에 제1 공정가스를 주입하여야 한다. 전술한 바와 같이, 상기 고밀도 플라즈마 소스는 상기 플라즈마 처리실(110)로 제1 공정가스를 공급하는 제2 가스공급부만을 이용하여 연통된 상기 전자 발생기로 제1 공정가스를 공급할 수 있으며, 따로 상기 전자발생기로 제1 공정가스를 공급하는 제1 가스공급부를 더 구비할 수 있다.

한편, 플라즈마를 이용하지 않는 경우, 상기 전자 발생기(300)는 텅스텐 필라멘트(W filament)를 가열하여 생성되는 다수 개의 전자들을 상기 플라즈마 챔버 내부로 공급할 수 있다.

전술한 구성을 갖는 본 발명에 따른 고밀도 플라즈마 소스에 있어서, 플라즈마 챔버(100) 및 전자 발생기(300)는 플라즈마 처리실(110)의 제2 면에 형성된 관통홀(150)을 통해 연통된다. 상기 관통홀(150)은 플라즈마 처리실(110)을 이루는 외벽에 있어서, 상기 윈도우(120)가 형성되지 않은 제2 면에 형성되며, 특히, 도 2에 도시된 바와 같이, 이온 또는 전자가 방출되는 제1 면의 그리드부(118)에 대향되는 제2 면에 관통홀이 형성되는 것이 바람직하다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고밀도 플라즈마 소스에 있어서, 상기 전자발생기와 플라즈마 처리실을 연통하는 관통홀을 확대한 그림이다. 도 3을 참조하면, 상기 관통홀(150)은 상기 전자 발생기와 연결된 부분의 제1 직경(d1) 및 상기 플라즈마 처리실과 연결된 부분의 제2 직경(d2)로 이루어진다. 상기 제1 직경(d1)은 상기 제2 직경(d2)보다 작게 형성되며, 그 크기는 수학식 1에 의해 결정된다.

여기서, d1은 상기 관통홀의 제1 직경이며, t는 플라즈마 처리실의 외벽, 자세히는 제2 면의 두께이다. 상기 제1 직경의 크기에 제한을 두는 이유는 상기 관통홀이 너무 커지면 상기 전자발생기와 상기 플라즈마 처리실의 플라즈마가 연결되는 브릿지(bridge)가 생기기 때문이다. 따라서, 상기 제1 직경은 전자들은 빠져나갈 수 있되, 플라즈마는 지나갈 수 없는 크기로 형성되는 것이 바람직하다.

한편, 상기 플라즈마 처리실(110)의 외벽, 특히 제2 면(115)은 적어도 상기 전자발생기(300)로부터 공급되는 다수 개의 전자들에 의해 노출되는 영역이 세라믹 재질로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 제2 면(115)이 금속으로 이루어지는 경우, 상기 제2 면은 그 금속의 포텐셜(potential)이 어느 것이든지, 다시 말해, 양의 전압, 음의 전압, 그라운드(ground), 플로팅(floating) 중 어느 것이든지 간에 상기 전자발생기(300)로부터 방출되는 전자들에 의해 생긴 이온들이 충돌하여 식각(etching)된다. 이렇게 식각된 물질은 플라즈마 챔버 내부에서 오염물질로 작동되므로, 이를 방지하기 위하여 제2 면의 적어도 전자들에 의해 노출되는 영역은 세라믹 재질로 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고밀도 플라즈마 소스는 플라즈마 챔버를 플라즈마 처리실과 파워공급실로 형성하고, 파워공급실의 진공압을 대기압보다는 작고 플라즈마 처리실의 진공압보다는 크게 함으로써, 플라즈마 처리실과 파워공급실을 나누는 윈도우의 두께를 얇게 할 수 있어 파워소스의 파워를 효과적으로 플라즈마 처리실로 전달할 수 있을 뿐만 아니라, 제조 비용을 낮출 수 있다는 장점을 갖는다. 또한, 파워공급실의 진공압이 플라즈마 처리가 일어나는 플라즈마 처리실의 진공압보다 크기 때문에, 파워공급실의 파워 소스 주변에서 원치 않는 플라즈마가 형성되는 것을 막을 수 있어, 더욱 효과적으로 플라즈마 처리실에서 고밀도의 플라즈마를 형성할 수 있게 된다.

또한, 상기 플라즈마 챔버(100)와 전자 발생기(300)로 이루어지는 본 발명에 따른 고밀도 플라즈마 소스(30)는 상기 전자 발생기(300)를 이용하여 상기 플라즈마 챔버(100) 내에 형성된 플라즈마에 다수 개의 전자들을 공급함으로써, 플라즈마의 밀도를 높일 수 있게 된다. 고주파 전원을 사용하는 ICP형 플라즈마 챔버의 경우, 플라즈마를 발생시킬 때 플라즈마의 밀도는 공정가스, 진공도, 고주파 전원 등의 몇가지 변수에 의하여 영향을 받지만, 일반적으로 저압 10E-4 Torr 압력 대에서의 플라즈마 밀도는 한정되어 있다. 전자빔 또는 이온빔을 외부로 제공하는 플라즈마 소스의 경우, 플라즈마에서 전자 또는 이온을 빔(beam) 형태로 추출하여 조사하는 형태이므로, 플라즈마의 밀도를 직접적으로 높임으로써, 플라즈마 소스의 이온빔 또는 전자빔 플럭스(flux)를 높일 수 있게 된다.

다시 말해, 플라즈마의 밀도가 높아지면 플라즈마 내에 존재하는 이온 또는 전자의 양도 같이 증가하기 때문이다. 따라서, 본 발명에 따른 고밀도 플라즈마 소스는 상기 플라즈마 챔버에 연통되는 전자발생기를 통해 플라즈마 챔버 내부로 전자들을 공급함으로써, 플라즈마가 발생할 확률을 높여주어 플라즈마 챔버 내에 고밀도 플라즈마를 형성하고, 이를 통해, 고밀도의 이온빔 또는 전자빔을 제공할 수 있는 플라즈마 소스를 구현할 수 있게 된다.

도 4는 본 발명에 따른 고밀도 플라즈마 소스를 대형화로 나타낸 도면이다. 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 고밀도 플라즈마 소스는 둘 이상의 전자발생기를 구비하며, 대면적에 이온빔 또는 전자빔을 제공할 수 있게 된다.

상기 고밀도 플라즈마 소스(50)는 상기 플라즈마 챔버(100)에 제1 전원을 공급하는 제1 전원공급장치(도시하지 않음) 및 상기 하나 또는 둘 이상의 전자 발생기(300)에 제2 전원을 공급하는 하나 또는 둘 이상의 제2 전원공급장치를 더 구비할 수 있다. 도 5에서는 둘 이상의 전자 발생기를 구비하는 대형화된 고밀도 플라즈마 소스를 예로 든다.

도 4에서와 같이, 상기 전자발생기는 대형화된 플라즈마 챔버에 전자들을 균일하게 공급하기 위하여 둘 이상이 대칭적으로 상기 플라즈마 챔버의 제2 면에 배치되는 것이 바람직하다. 이때, 상기 전자 발생기(300)는 둘 이상으로 이루어지는 경우, 한 쌍의 전자 발생기를 제1 그룹으로 하여, 하나 또는 둘 이상의 제1 그룹으로 이루어진다. 도 4에서는 총 12개의 전자발생기(300)가 배치되는 것을 예로 들었으며, 이러한 12개의 전자 발생기를 한 쌍의 전자 발생기들로 이루어지는 제1 그룹으로 나누면, 총 6개의 제1 그룹으로 이루어짐을 알 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 고밀도 플라즈마 소스에 있어서, 상기 제1 그룹에 제2 전원을 공급하는 방법을 나타낸 도면이다. 도 5의 (a)를 참조하면, 상기 제1 그룹은 상기 전자 발생기가 ICP형 안테나를 이용하여 플라즈마를 생성하는 경우, 상기 한 쌍의 전자발생기(300)의 ICP형 안테나를 하나로 연결하는 제1 안테나(302)를 구비하게 된다. 이때, 상기 제1 안테나(302)의 왼쪽 단자에는 고주파(RF) 전원이 인가되며, 오른쪽 단자는 접지(ground)와 연결되거나 capacitor를 통하여 접지와 연결된다. 도 5의 (b)는 상기 제1 안테나(302)와 좌우대칭으로 형성되는 제2 안테나(304)를 도시하였다. 상기 제2 안테나(304)는 상기 제1 안테와 반대로 왼쪽 단자는 접지(ground)와 연결되거나 capacitor를 통하여 접지와 연결되고, 오른쪽 단자에 고주파 전원이 인가된다.

도 5의 (c) 및 (d)를 참조하면, 본 발명에서는 상기 제1 그룹의 상기 제1 안테나와 제2 안테나 모두를 사용하여 대칭으로 고주파 안테나를 한 쌍의 전자발생기로 제공하는 것을 특징으로 한다. 이때, ICP형 안테나인 제1 안테나 및 제2 안테나의 권선수 및 길이가 동일하도록 형성하며, 하나의 제2 전원공급장치를 통해 균형있게 상기 제1 그룹으로 고주파 전원을 제공하게 된다.

또한, 제2 전원공급장치는 이러한 제1 그룹을 하나의 기본단위로 하여 짝수개의 제1 그룹을 연결하여 동일한 제2 전원을 공급할 수 있다. 도 5의 (e)를 참조하면, 상기 고주파 플라즈마 소스는 상기 제1 그룹의 2개를 연결하고, 하나의 제2 전원공급장치를 통해 동일한 제2 전원을 공급할 수 있으며, 하나의 제2 전원공급장치로 공급할 수 있는 제1 그룹의 수는 짝수배의 갯수로 형성되는 것이 바람직하다. 도 5의 (f)는 총 12개의 전자발생기 즉, 총 6개의 제1 그룹에 3개의 제2 전원공급장치를 이용하여 균일하게 제2 전원을 공급하는 방법을 도시하였다. 이와 같이, 2개, 4개, 8개 등의 전자발생기에 하나의 제2 전원공급장치를 이용하여 제2 전원을 공급함으로써, 각 전자발생기에 동일한 제2 전원을 공급할 수 있고, 대형의 플라즈마 챔버에도 균일한 전자를 공급할 수 있게 된다.

이때, 제1 전원 및 제2 전원은 고주파(Radio Frequency) 전원이며, 상기 제1 전원의 고주파와 제2 전원의 고주파끼리 충돌할 수 있으므로, 상기 제1 전원의 고주파와 제2 전원의 고주파를 서로 다르게 하여 공급할 수 있다.

전술한 구성을 갖는 본 발명에 따른 고밀도 플라즈마 소스는 전자 발생기들을 한 쌍의 제1 그룹으로 하는 다수 개의 제1 그룹들로 형성하고, 상기 제1 그룹 또는 제1 그룹의 짝수배에 하나의 제2 전원공급장치를 이용하여 동일한 제2 전원을 공급함으로써, 제2 전원을 공급해야 하는 제2 전원공급장치의 수를 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 각 전자발생기에 동일하게 제2 전원을 공급하게 되어 균일한 전자의 발생을 유도하여 결론적으로 균일한 고밀도 플라즈마 소스를 구현할 수 있게 된다.

이하, 도 6을 참조하여 본 발명에 따른 고밀도 플라즈마 소스에 적용될 수 있는 ICP형 안테나 구조에 대하여 설명한다. 본 발명에 따른 ICP형 안테나 구조는 전술한 고밀도 플라즈마 소스의 전자 발생기로도 사용가능하며 TCP(Transformer Coupled Plasma) 소스의 안테나로도 사용될 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 ICP형 안테나에 대한 기본 구조를 도시한 것이다. 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 ICP형 안테나의 기본 구조(60)는 제1 안테나(61)와 제2 안테나(62)로 구성되며 상기 제1 및 제2 안테나는 이중 나사선 형태의 좌우 대칭 구조로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 제1 안테나(61)는 시작점인 일단이 우측의 임의의 위치에서 시작되어 우측의 시계 방향으로 수회 회전되고 좌측의 임의의 위치로 이동하여 좌측의 반시계 방향으로 수회 회전된 후 끝점인 타단이 접지(ground)와 연결되거나 capacitor를 통하여 접지와 연결되도록 배치된다. 상기 제1 안테나에 있어서, 시계 방향으로 회전되는 제1 안테나의 길이와 반시계 방향으로 회전되는 제1 안테나의 길이는 서로 동일하도록 구성되는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 제2 안테나(62)는 시작점인 일단이 좌측의 임의의 위치에서 시작되어 좌측의 반시계 방향으로 회전된 후 우측의 임의의 위치로 이동하여 우측의 시계 방향으로 회전된 후 끝점인 타단이 접지(ground)와 연결되거나 capacitor를 통하여 접지와 연결되도록 배치된다. 상기 제2 안테나에 있어서, 시계 방향으로 회전되는 제2 안테나의 길이와 반시계 방향으로 회전되는 제2 안테나의 길이는 서로 동일하도록 구성되는 것이 바람직하다.

좌측의 제1 안테나와 제2 안테나는 우측의 제2 안테나와 제1 안테나와 서로 대칭되는 위치에 배치되며, 제1 안테나의 시작점과 제2 안테나의 시작점은 중심을 기준으로 하여 좌우측의 서로 대칭되는 위치에 배치되며, 제1 안테나의 끝점과 제2 안테나의 끝점도 중심을 기준으로 하여 좌우측의 서로 대칭되는 위치에 배치됨으로서, 상기 제1 안테나와 제2 안테나는 좌우 대칭 구조의 이중 나사선 형태로 이루어지게 된다

도 6에 도시된 바와 같이, 상기 제1 안테나(61)의 시작점에는 우측의 RF Power 1이 연결됨으로써, 상기 제1 안테나에 의해, 우측의 RF Power 1은 우측의 제1 안테나에 의해 Power가 시계 방향을 따라 흐른 후, 좌측의 제1 안테나에 의해 Power가 반시계 방향을 따라 흐른 후 좌측의 접지를 통해 최종적으로 power out 된다. 그리고, 상기 제2 안테나(62)의 시작점에는 좌측의 RF Power 2가 연결됨으로써, 상기 제2 안테나에 의해, 좌측의 RF Power 2는 좌측의 제2 안테나에 의해 Power가 반시계 방향을 따라 흐른 후, 우측의 제2 안테나에 의해 Power가 시계 방향을 따라 흐른 후 우측의 접지를 통해 최종적으로 power out 된다.

전술한 본 발명에 따른 안테나 구조에 의해 전체적으로 균일한 에너지 분포를 이루게 됨으로써, 전술한 구조를 갖는 안테나를 적용한 플라즈마 소스에 의해 생성된 플라즈마는 전체적으로 균일한 분포를 갖게 된다.

한편, 단일의 RF Power의 양단에 각각 제1 안테나의 시작점과 제2 안테나의 시작점을 연결시킴으로써, 전술한 안테나는 단일의 RF Power로 작동시킬 수도 있다. 종래의 일반적인 단일 나사선 형태를 갖는 안테나 구조에서는, 단일의 RF Power의 양단에 2개의 안테나를 연결하는 경우, 플라즈마의 분포는 불균일하게 된다. 하지만, 단일의 RF Power의 양단에 각각 전술한 본 발명에 따른 구조를 갖는 제1 및 제2 안테나를 연결하는 경우 플라즈마의 분포가 전체적으로 균일하게 된다.

도 7은 본 발명에 따른 ICP용 안테나의 기본 구조를 측면으로 다중 연결하여 구성한 대형 Linear 플라즈마 소스의 안테나를 도시한 것이다. 도 7을 참조하면, 단일의 RF Power의 양단에 각각 제1 및 제2 안테나를 연결한 ICP용 안테나의 기본 구조들(70, 71, 72)을 측면을 따라 순차적으로 배치시킴으로써, 대형 Linear 플라즈마 소스의 안테나로 사용할 수 있게 된다.

도 8은 본 발명에 따른 ICP용 안테나의 기본 구조를 상하로 확장시킨 확장 구조를 측면으로 다중 연결하여 구성한 대면적 플라즈마 소스의 안테나를 도시한 것이다. 도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 ICP 용 안테나의 기본 구조들(81, 82, 83, 84, 85, 86)를 상하로 배치하고 상하에 배치된 기본 구조들에 단일의 RF Power를 병렬로 연결시켜 RF Power를 공유하도록 하여 확장된 안테나 구조를 형성하고, 이렇게 형성된 확장된 안테나 구조들을 측면을 따라 순차적으로 배치시킴으로써, 대면적 플라즈마 소스의 안테나로 사용할 수 있게 된다.

이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나, 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 그리고, 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

본 발명에 따른 고밀도 플라즈마 소스는 플라즈마를 이용하는 모든 분야에 널리 사용될 수 있다. 특히, LCD 또는 PDP와 같이 점점 대형화 추세에 있는 디스플레이 분야에서 플라즈마를 이용한 식각 공정이나 증착 공정에 이용될 수 있으며, 이온빔 소스 또는 전자빔 소스로 활용될 수 있다.

30, 50 : 고밀도 플라즈마 소스
100 : 플라즈마 챔버
110 : 플라즈마 처리실
115 : 플라즈마 처리실의 제2 면
118 : 그리드부 (플라즈마 처리실의 제1면)
120 : 윈도우
130 : 파워공급실
135 : 파워소스
150 : 관통홀
300 : 전자발생기
302 : 제1 안테나
304 : 제2 안테나
60 : ICP용 안테나

Claims (22)

1. 전자빔 및 이온빔 중 어느 하나를 외부로 제공하는 플라즈마 챔버; 및
   상기 플라즈마 챔버와 연통되어, 상기 플라즈마 챔버 내부로 다수 개의 전자들을 공급하는 하나 또는 둘 이상의 전자 발생기;
   를 구비하는 것을 특징으로 하는 고밀도 플라즈마 소스.
2. 제 1항에 있어서, 상기 전자 발생기는
   플라즈마를 생성하고, 상기 플라즈마를 통해 상기 플라즈마 챔버 내부로 다수 개의 전자들을 공급하는 것을 특징으로 하는 고밀도 플라즈마 소스.
3. 제 2항에 있어서, 상기 고밀도 플라즈마 소스는
   상기 전자 발생기 내부로 제1 공정가스를 공급하는 제1 가스공급부;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 고밀도 플라즈마 소스.
4. 제 1항에 있어서, 상기 전자 발생기는
   텅스텐 필라멘트(W filament)를 가열하여 생성되는 다수 개의 전자들을 상기 플라즈마 챔버 내부로 공급하는 것을 특징으로 하는 고밀도 플라즈마 소스.
5. 제 1항에 있어서, 상기 플라즈마 챔버는
   제1 면에 외부로 전자빔 또는 이온빔을 방출하는 그리드부를 포함하며, 제1 진공압을 유지하는 플라즈마 처리실;
   제2 진공압을 유지하며, 파워 소스(power source)가 배치되어 상기 플라즈마 처리실로 파워를 제공하는 파워공급실; 및
   상기 플라즈마 처리실과 파워공급실의 사이에 배치되는 윈도우(Window);
   를 구비하고,
   상기 제2 진공압은 대기압보다 작고, 제1 진공압보다 크며,
   상기 전자 발생기는 상기 윈도우가 배치되지 않은 상기 플라즈마 처리실의 제2 면에 형성된 관통홀을 통해 상기 플라즈마 처리실과 연통되는 것을 특징으로 하는 고밀도 플라즈마 소스.
6. 제 5항에 있어서, 상기 플라즈마 챔버는
   원통형(Cylindrical type)으로 형성되며,
   상기 파워공급실은 원통형의 플라즈마 처리실을 둘러싸도록 배치되는 것을 특징으로 하는 고밀도 플라즈마 소스.
7. 제 5항에 있어서, 상기 관통홀은
   상기 제1 면에 대향되는 제2 면에 형성되며, 상기 전자발생기와 연결된 부분의 제1 직경이 하기 수학식에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 고밀도 플라즈마 소스.
   [수학식]
   d1/t = 0.2 내지 0.3
   여기서, d1은 상기 관통홀의 제1 직경이며, t는 플라즈마 처리실의 제2 면의 두께임.
8. 제 5항에 있어서, 상기 관통홀은
   상기 전자발생기와 연결된 부분의 제1 직경보다 상기 플라즈마 처리실과 연결된 부분의 제2 직경이 더 큰 것을 특징으로 하는 고밀도 플라즈마 소스.
9. 제 7항에 있어서, 상기 플라즈마 처리실의 제2 면은
   적어도 상기 전자 발생기로부터 공급되는 다수 개의 전자들에 노출되는 영역이 세라믹 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 고밀도 플라즈마 소스.
10. 제 1항 및 제 2항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고밀도 플라즈마 소스는
    상기 플라즈마 챔버에 제1 전원을 공급하는 제1 전원공급장치; 및
    상기 하나 또는 둘 이상의 전자발생기에 제2 전원을 공급하는 하나 또는 둘 이상의 제2 전원공급장치;
    를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 고밀도 플라즈마 소스.
11. 제 10항에 있어서, 상기 전자발생기는 둘 이상으로 이루어지는 경우, 한 쌍의 전자 발생기를 제1 그룹으로 하여, 하나 또는 둘 이상의 제1 그룹으로 이루어지며,
    상기 제2 전원공급장치는 하나당 상기 제1 그룹 또는 짝수 개의 제1 그룹과 연결되어, 동일한 제2 전원을 공급하는 것을 특징으로 하는 고밀도 플라즈마 소스.
12. 제 11항에 있어서, 상기 제1 그룹은
    상기 전자발생기가 ICP형 안테나를 이용하여 플라즈마를 생성하는 경우, 상기 한 쌍의 전자발생기의 ICP형 안테나를 하나로 연결하는 제1 안테나를 구비하고,
    상기 제1 안테나는 각각의 전자발생기에 배치되는 ICP형 안테나의 권선수 및 길이가 동일하도록 연결하는 것을 특징으로 하는 고밀도 플라즈마 소스.
13. 제 12항에 있어서, 상기 제1 그룹은
    상기 제1 안테나와 좌우대칭으로 형성되는 제2 안테나를 더 구비하고,
    상기 제2 전원공급장치는 상기 제1 안테나 및 제2 안테나를 통해 제2 전원을 상기 제1 그룹으로 공급하는 것을 특징으로 하는 고밀도 플라즈마 소스.
14. 제 10항에 있어서, 상기 제1 전원 및 제2 전원은
    고주파(Radio Frequency) 전원이며, 서로 다른 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 고밀도 플라즈마 소스.
15. 제 10항에 있어서, 제1전원 공급은 ICP 형 안테나 또는 TCP 형 안테나를 이용한 플라즈마를 형성하는 것을 특징으로 하는 고밀도 플라즈마 소스.
16. 제 5항에 있어서, 상기 플라즈마 챔버는
    상기 플라즈마 처리실로 제1 공정가스를 공급하는 제2 가스공급부;
    상기 파워공급실로 제2 공정가스를 공급하는 제3 가스공급부;
    상기 플라즈마 처리실 내부를 배기하고 제1 진공압 상태를 유지하는 제1 배기부; 및
    상기 파워공급실 내부를 배기하고 제2 진공압 상태를 유지하는 제2 배기부;
    를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 고밀도 플라즈마 소스.
17. 제 5항에 있어서, 상기 플라즈마 챔버는
    상기 파워공급실 내부로 제1 공정가스를 공급하는 제3 가스공급부;
    상기 파워공급실의 제1 공정가스가 상기 플라즈마 처리실로 유입되도록 상기 파워공급실과 플라즈마 처리실을 연결하는 가스연결부;
    상기 플라즈마 처리실 내부를 배기하고 제1 진공압 상태를 유지하는 제1 배기부; 및
    상기 파워공급실 내부를 배기하고 제2 진공압 상태를 유지하는 제2 배기부;
    를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 고밀도 플라즈마 소스.
18. 우측 영역에 위치한 시작점에서 시계 방향으로 수회 회전한 후 좌측 영역에서 반시계 방향으로 수회 회전하도록 배치된 제1 안테나; 및
    좌측 영역에 위치한 시작점에서 반시계 방향으로 수회 회전한 후 우측 영역에서 시계 방향으로 수회 회전하도록 배치된 제2 안테나;
    를 구비하고, 상기 제1 안테나와 제2 안테나는 이중 나선 구조로 이루어지고,
    상기 제1 안테나와 제2 안테나의 시계 방향 회전 영역과 반시계 방향 회전 영역은 좌우 대칭되도록 구성된 것을 특징으로 하는 유도 결합형 플라즈마 소스의 안테나 구조.
19. 제18항에 있어서, 상기 제1 안테나의 시작점 및 제2 안테나의 시작점에는 RF 전원을 인가하되, 상기 제1 안테나와 제2 안테나의 각각에 별도의 RF 전원을 연결시키거나 제1 및 제2 안테나를 단일의 RF 전원의 양단에 연결시키는 것을 특징으로 하며,
    상기 제1 안테나와 제2 안테나의 끝점은 접지(ground)와 연결되거나 capacitor를 통하여 접지(ground)와 연결된 것을 특징으로 하는 유도 결합형 플라즈마 소스의 안테나 구조.
20. 제18항에 있어서, 상기 유도 결합형 플라즈마 소스의 안테나 구조는 이중 나선 구조로 이루어지는 상기 제1 안테나와 제2 안테나가 기본 구조이며,
    다수 개의 기본 구조를 측면을 따라 다중 배치시켜 대형 Linear 플라즈마 소스의 안테나 구조로 사용하는 것을 특징으로 하는 유도 결합형 플라즈마 소스의 안테나 구조.
21. 제18항에 있어서, 상기 유도 결합형 플라즈마 소스의 안테나 구조는 이중 나선 구조로 이루어지는 상기 제1 안테나와 제2 안테나가 기본 구조이며,
    2개의 기본 구조를 상하로 배치시키고 단일의 RF 전원을 서로 공유하도록 구성하여 확장 구조를 형성하고,
    다수 개의 확장 구조를 측면과 상하로 다중 배치시켜 대면적 플라즈마 소스의 안테나 구조로 사용하는 것을 특징으로 하는 유도 결합형 플라즈마 소스의 안테나 구조.
22. 제18항에 있어서, 상기 유도 결합형 플라즈마 소스의 안테나 구조는 이중 나선 구조로 이루어지는 상기 제1 안테나와 제2 안테나가 기본 구조이며,
    상기 안테나 구조는 안테나 튜브를 감싸고 있는 관상형 유도 결합형 플라즈마(ICP) 또는 평판형 유도 결합형 플라즈마(TCP) 소스에 적용되는 것을 특징으로 하는 유도 결합형 플라즈마 소스의 안테나 구조.
    
    

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