KR101328520B1

KR101328520B1 - 플라즈마 장비

Info

Publication number: KR101328520B1
Application number: KR1020120052293A
Authority: KR
Inventors: 정진욱; 방진영; 이희진
Original assignee: 한양대학교 산학협력단
Priority date: 2012-05-17
Filing date: 2012-05-17
Publication date: 2013-11-20
Also published as: WO2013172665A1; US20150097480A1; US9437399B2

Abstract

본 발명은, RF 전력을 공급하는 전원부; 플라즈마가 발생되며, 플라즈마에 의해 처리되는 피처리물이 제공되는 챔버; 상기 챔버의 상면에 제공되며, 상기 전원부에 유선으로 직접 연결되어 RF 전력을 전달 받는 안테나 코일; 상기 전원부와 상기 안테나 코일 사이에 제공되는 임피던스 매칭부; 상기 안테나 코일과 전기적으로 절연되거나 단절되도록 상기 안테나 코일과 분리된 상태로 제공되며, 상기 전원부에 직접 유선으로 연결되지 않은 적어도 하나의 공진 코일; 및 상기 공진 코일에 공진을 일으키기 위해 상기 적어도 하나의 공진 코일 각각에 병렬로 연결되는 가변 캐패시터;를 포함하며, 상기 공진 코일이 공진을 일으키면 무선 전력 전송 방식에 의해서 상기 안테나 코일로부터 전자기 에너지 또는 전력을 인가 받은 상기 공진 코일에 전류가 흐르게 되어 상기 챔버 내에 플라즈마를 발생시키거나 플라즈마를 제어하는, 플라즈마 장비를 제공한다. 본 발명은 공진 코일의 설치 위치에 대한 자유도를 높일 수 있으며 플라즈마 밀도 또한 증가시킬 수 있다.

Description

플라즈마 장비 {PLASMA APPARATUS}

본 발명은 플라즈마 장비에 관한 것으로, 보다 상세하게는 무선전력전송 기술을 적용하여 플라즈마를 제어할 수 있는 플라즈마 장비에 관한 것이다.

고체 상태의 물질을 가열하면, 액체, 기체의 순서로 상태 변화가 일어난다. 그리고, 기체 상태에서 가열이나 방전에 의하여 에너지를 더 가해주면, 기체는 더 작은 입자인 원자, 이온 및 전자 등으로 해리되어 이러한 입자들이 혼재하게 되는데, 이러한 상태를 플라즈마라고 한다. 산업적으로 이용되는 플라즈마는 저온 플라즈마와 열 플라즈마로 나눌 수 있는데, 저온 플라즈마(cold plasma)는 반도체 제조공정에서 널리 사용되고 있으며, 열 플라즈마는 절단 및 용사 등에 응용되고 있다.

현재 반도체 제조 공정 및 디스플레이 분야에서 가장 많이 사용되는 플라즈마 발생 방식은 RF(Radio Frequency)를 이용한 것으로 여기에는 유도 결합 플라즈마(inductively coupled plasma, ICP)와 축전 결합 플라즈마(capacitively coupled plasma, CCP) 방식으로 크게 나뉘어 진다. 유도 결합 플라즈마는 구조적으로 코일 형태의 안테나가 있으며 여기에 RF 전력을 인가하면 안테나에 전류가 흐르고 이 전류는 안테나 주변에 유도 자기장을 형성시킨다. 이 때, 안테나 표면에는 RF 주파수로 양전하와 음전하가 교대로 대전이 되는데 이로 인해 안테나 주변에 2차 유도 전류가 흐르게 된다. 일반적으로 유도결합 플라즈마는 아르곤 가스를 플라즈마 가스로 사용하여 수정발진식 고주파발생기로부터 발생된 주파수(13.56MHz) 영역에서 유도코일에 의하여 발생된다.

유도 결합 플라즈마 방식은 유도 결합 플라즈마 발생용 안테나에 RF 전류를 흘려서 자기장을 만들고 이러한 시변 자기장에 의해서 유도 전기장이 생성되어 플라즈마가 발생된다.

도 1은 종래 기술에 따른 유도 결합 플라즈마 장비를 도시한 도면이고, 도 2는 종래 기술에 따른 유도 결합 플라즈마 발생에 사용되는 안테나를 도시한 도면이다. 도 2에서 도면부호 "30"은 RF 전원이다.

종래의 유도 결합 플라즈마 장비(10)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 원형 형태의 안테나(21)를 사용하는데 안테나 양 끝단(22,23) 사이에 형성되는 높은 전위차로 인한 용량성 결합(capacitive coupling)으로 인해 전체 전력 시스템의 효율이 저하되고 플라즈마(P)의 공간 불균일이 발생한다는 문제가 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 안테나(21)와 공정 챔버(11)의 벽(12) 사이에 큰 전압이 걸려서 챔버의 벽(12)과 안테나(21) 사이에 강한 용량성 결합(CC)이 발생하여 변위 전류로 인한 손실이 발생하여, 챔버의 벽(12)이 파손되는 문제도 있다.

또한, 전원(30)에 직접 유선으로 연결된 안테나(21)가 유도 결합 플라즈마를 발생시키고 제어하게 되는데, 안테나가 전원에 직접 연결되기 때문에 안테나의 설치 위치가 제한적이기 때문에 플라즈마의 전체적인 밀도가 줄어드는 문제가 있다.

최근에는 유도 결합 플라즈마 장비에 의해서 발생된 플라즈마에 의한 증착 또는 식각 등의 처리가 이루어지는 피처리물 또는 기판의 크기가 점차 대구경화 되고 있는 추세이다. 그러나, 대구경 기판에 대응하여 큰 안테나를 사용하게 되면 스탠딩 웨이브 효과(standing wave effect)가 발생할 수도 있다.

또한, 대구경 기판의 플라즈마 처리 요구가 증대함에 따라 대구경 기판의 표면에 대한 플라즈마의 균일도(uniformity)에 대한 요구도 커지고 있다. 하지만, 단일의 안테나를 사용하면 플라즈마를 균일하게 제어할 수 없고, 전원에 직접 유선으로 연결된 다수의 안테나를 사용하는 경우에는 플라즈마 장비가 복잡해지는 문제가 있다.

본 발명은 전원에 직접 유선으로 연결된 안테나 코일 외에 전원에 직접 유선으로 연결되지 않은 공진 코일을 이용하여 플라즈마를 제어할 수 있는 플라즈마 장비를 제공한다.

본 발명은 전원 또는 안테나 코일과 전기적으로 절연되거나 무선으로 전력을 전달 받는 공진 코일을 이용함으로써 플라즈마를 발생시키거나 제어하는 공진 코일의 설치 위치를 자유롭게 선택할 수 있는 플라즈마 장비를 제공한다.

본 발명은 다수의 공진 코일을 사용하고, 각각의 공진 코일에 흐르는 전류의 크기를 변화시킴으로써 플라즈마의 균일도를 개선할 수 있는 플라즈마 장비를 제공한다.

본 발명은 전원과 전기적으로 절연되고 무선 전력 전송 방식으로 안테나 코일에서 전력을 전달 받는 공진 코일을 이용함으로써 플라즈마의 밀도 감소를 방지할 수 있는 플라즈마 장비를 제공한다.

상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 플라즈마 장비는, RF 전력을 공급하는 전원부; 플라즈마가 발생되며, 플라즈마에 의해 처리되는 피처리물이 제공되는 챔버; 상기 챔버의 상면에 제공되며, 상기 전원부에 유선으로 직접 연결되어 RF 전력을 전달 받는 안테나 코일; 상기 전원부와 상기 안테나 코일 사이에 제공되는 임피던스 매칭부; 상기 안테나 코일과 전기적으로 절연되거나 단절되도록 상기 안테나 코일과 분리된 상태로 제공되며, 상기 전원부에 직접 유선으로 연결되지 않은 적어도 하나의 공진 코일; 및 상기 공진 코일에 공진을 일으키기 위해 상기 적어도 하나의 공진 코일 각각에 병렬로 연결되는 가변 캐패시터;를 포함하며, 상기 공진 코일이 공진을 일으키면 무선 전력 전송 방식에 의해서 상기 안테나 코일로부터 전자기 에너지 또는 전력을 인가 받은 상기 공진 코일에 전류가 흐르게 되어 상기 챔버 내에 플라즈마를 발생시키거나 플라즈마를 제어할 수 있다.

상기와 같이 구성함으로써, 안테나 코일과 전기적으로 절연되어 있는 공진 코일의 공진을 이용하여 플라즈마를 발생시키거나 제어할 수 있다. 즉, 안테나 코일과 공진 코일 사이의 무선 전력 전송을 이용하여 플라즈마를 제어할 수 있다.

상기 공진 코일은 상기 챔버의 상면에 적어도 2개 제공되며, 상기 안테나 코일은 상기 공진 코일과 분리된 상태로 상기 공진 코일의 사이에 위치할 수 있다.
상기 챔버의 상면에는 보조 코일이 제공되고, 상기 공진 코일은 상기 챔버의 상면과 이격되도록 상기 안테나 코일의 상부에 제공되되 상기 보조 코일의 위쪽에 제공될 수 있다.

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상기 보조 코일은 상기 공진 코일과 동일한 모양으로 형성되어 상기 공진 코일에 흐르는 전류를 균일하게 형성할 수 있다.

상기 적어도 하나의 공진 코일 각각에는 복수개의 가변 캐패시터가 연결되되 상기 적어도 하나의 공진 코일 각각에 대해서 동일한 개수의 가변 캐패시터가 연결될 수 있다.

상기 복수개의 가변 캐패시터는 동일한 간격으로 배치될 수 있다.

상기 공진 코일에 흐르는 전류는 상기 가변 캐패시터의 캐패시턴스 값에 따라 가변될 수 있다.

상기 공진 코일은 상기 가변 캐패시터와 전체로서 폐곡선 모양으로 형성될 수 있다.

상기 적어도 하나의 공진 코일 각각에 연결된 상기 가변 캐패시터는 상기 챔버의 상면 중심에 대해서 동일 반경 상에 위치할 수 있다.

상기 공진 코일의 주파수가 변하거나 큐 팩터가 증가되도록 상기 공진 코일은 페라이트 재질을 포함하거나 페라이트 재질로 형성될 수 있다.
상기 공진 코일의 주파수에 따라 상기 전원부의 주파수를 바꾸면서 플라즈마를 제어할 수 있다.
상기 가변 캐패시터는 상기 공진 코일의 인덕턴스 값에 대해서 공진을 일으키는 캐패시턴스 값을 가질 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 플라즈마 장비는 전원에 직접 유선으로 연결된 안테나 코일 외에 전원에 직접 유선으로 연결되지 않은 공진 코일을 이용하여 플라즈마를 제어할 수 있다.

본 발명에 따른 플라즈마 장비는 전원 또는 안테나 코일과 전기적으로 절연되거나 무선으로 전력을 전달 받는 공진 코일을 이용함으로써 플라즈마를 발생시키거나 제어하는 공진 코일의 설치 위치에 대한 자유도를 높일 수 있고, 플라즈마의 밀도 또한 증가시킬 수 있다.

본 발명에 따른 플라즈마 장비는 다수의 공진 코일을 사용하고, 각각의 공진 코일에 흐르는 전류의 크기를 변화시킴으로써 플라즈마의 균일도를 개선할 수 있다.

본 발명에 따른 플라즈마 장비는 챔버의 크기가 커지면 이에 대응하여 다수개의 공진 코일을 사용할 수 있기 때문에 스탠딩 웨이브 효과의 영향을 줄일 수 있다.

본 발명에 따른 플라즈마 장비는 공진 코일에 흐르는 전류를 균일하게 하는 보조 코일을 공진 코일의 하부에 설치함으로써 회전 방향의 플라즈마 균일도를 개선할 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 유도 결합 플라즈마 장비를 도시한 도면이다.
도 2는 종래 기술에 따른 유도 결합 플라즈마 발생에 사용되는 안테나를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 장비를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 도 3에 따른 플라즈마 장비의 등가 회로도이다.
도 5는 도 3에 따른 플라즈마 장비의 전원부와 안테나 코일, 공진 코일 및 가변 캐패시터를 연결 상태를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 플라즈마 장비를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 플라즈마 장비를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8 내지 도 10은 본 발명에 따른 플라즈마 장비를 사용한 시험 데이터를 도시한 그래프이다.

이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 장비를 개략적으로 도시한 도면, 도 4는 도 3에 따른 플라즈마 장비의 등가 회로도, 도 5는 도 3에 따른 플라즈마 장비의 전원부와 안테나 코일, 공진 코일 및 가변 캐패시터를 연결 상태를 도시한 도면, 도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 플라즈마 장비를 개략적으로 도시한 도면, 도 7은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 플라즈마 장비를 개략적으로 도시한 도면, 도 8 내지 도 10은 본 발명에 따른 플라즈마 장비를 사용한 시험 데이터를 도시한 그래프이다.

도 3 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 장비(100)는 RF 전력을 공급하는 전원부(110), 플라즈마가 발생되며 발생된 플라즈마에 의해 처리되는 피처리물(190)이 제공되는 챔버(180), 챔버(180)의 상면에 제공되며 전원부(110)에 연결되어 RF 전력을 전달 받는 안테나 코일(130) 및 안테나 코일(130)과 전기적으로 절연되도록 제공되는 공진 코일(140)을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 장비(100)는 무선 전력 전송 기술을 이용하여 플라즈마를 발생시키고 발생된 플라즈마의 특성을 제어할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 장비(100)의 안테나 코일(130)은 전원부(110)에 직접 연결되며, 안테나 코일(130)의 일단과 전원부(110) 사이에는 임피던스 매칭부(120)가 제공될 수 있다. 즉, 임피던스 매칭부(120)를 지난 전원부(110)의 RF 전력이 안테나 코일(130)에 인가될 수 있다. 안테나 코일(130)은 전원부(110) 또는 임피던스 매칭부(120)에 직접 유선으로 전기적으로 연결되어 있다. 안테나 코일(130)은 챔버(180)의 상부 외면에 접촉되도록 형성된다.

한편, 공진 코일(140)은 안테나 코일(130)의 내측 또는 외측에 형성될 수 있다. 여기서, 안테나 코일(130) 또는 공진 코일(140)의 형태에 제한은 없으나, 원형 또는 링모양 등과 같이 폐곡선 모양으로 형성되는 것이 바람직하다. 안테나 코일(130) 또는 공진 코일(140)의 모양에는 제한이 없음을 밝혀둔다.

안테나 코일(130)과 달리 공진 코일(140)은 전원부(110) 또는 임피던스 매칭부(120)에 직접 유선으로 연결되거나 전기적으로 연결되어 있지 않다. 즉, 공진 코일(140)은 전원부(110)와 전기적으로 절연 또는 전기적으로 단절되어 있다. 이와 같이, 공진 코일(140)이 전원부(110)와 전기적으로 절연 또는 단절되어 있기 때문에 공진 코일(140)은 안테나 코일(130)과의 관계에 있어서 무선 전력 전송 방식에 의해서 전력을 전달 받게 된다.

공진 코일(140)은 무선 전력 전송 방식에 의해서 안테나 코일(130)로부터 전자기 에너지를 인가 받아 전류가 흐르게 되고, 챔버(180) 내에 플라즈마를 생성할 수 있다.

상기와 같이 구성함으로써, 안테나 코일(130)과 전기적으로 절연되거나 단절되어 있는 공진 코일(140)의 공진을 이용하여 플라즈마를 발생시키거나 제어할 수 있다. 즉, 안테나 코일(130)과 공진 코일(140) 사이의 무선 전력 전송을 이용하여 플라즈마를 제어할 수 있다.

공진 코일(140)이 전원부(110) 또는 임피던스 매칭부(120)와 직접 유선으로 연결되지 않고 전기적으로 절연 또는 단절되어 있기 때문에 챔버(180)의 상부 외면에 공진 코일(140)을 설치함에 있어서, 공진 코일(140)의 설치 위치를 자유롭게 선택할 수 있다. 이와 같이, 플라즈마를 제어하고 싶은 위치에 공진 코일(140)을 설치할 수 있기 때문에 플라즈마를 보다 정밀하게 제어할 수 있다.

공진 코일(140)이 공진을 일으킬 때, 공진 코일(140)의 바깥쪽에 있는 안테나 코일(130)의 전자기 에너지(E)가 공진 코일(140)에 인가되어, 공진 코일(140)에 전류가 흐르게 된다. 이 때, 바깥쪽에 있는 안테나 코일(130)의 전자기 에너지(E)가 공진 코일(140)에 인가되는 원리는 무선 전력 전송의 원리와 동일하거나 유사하다고 할 수 있다.

공진 코일(140)이 공진을 일으키기 위해서 공진 코일(140)에는 가변 캐패시터(150)가 연결될 수 있다. 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 가변 캐패시터(150, variable capacitor)는 공진 코일(140)에 병렬로 연결된다. 도 5를 참조하면, 공진 코일(140)은 그 자체로 폐곡선 모양을 형성할 수도 있고, 병렬로 연결된 가변 캐패시터(150)와 전체로서 폐곡선 모양을 형성할 수도 있다. 또한, 공진 코일(140)은 한 바퀴 이상 권선되는 형태를 가질 수도 있다.

안테나 코일(130)로부터 무선으로 전력을 전달 받아 공진함으로써 공진 코일(140)에 흐르는 전류는 가변 캐패시터(150)의 크기를 조절함으로써 가변될 수 있다. 즉, 가변 캐패시터(150)의 크기를 조절함으로써 챔버(180) 내부에 발생한 플라즈마를 제어할 수 있다.

도 3에서 도면부호 "190"은 발생된 플라즈마에 의해 증착 또는 식각 등의 플라즈마 처리가 수행되는 피처리물(190)이며, 피처리물(190)은 주로 기판이 될 수 있다.

한편, 공진 코일(240)은 챔버(280)의 상면에 적어도 2개 제공되며, 안테나 코일(230)은 공진 코일(240)의 사이에 위치할 수 있다. 도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 플라즈마 장비(200)는 챔버(280)의 상부 외면에 설치된 다수개의 공진 코일(240)을 포함할 수 있다.

공진 코일(240)은 챔버(280)의 상부 외면에 접촉하도록 형성된 제1 내지 제3 공진 코일(241,242,243)을 포함할 수 있다. 제1 내지 제3 공진 코일(241,242,243)은 동일한 중심을 가지는 링 형상으로 형성되는 것이 바람직하다. 이 때, 공진 코일(240)의 개수는 챔버(280)의 내부에 생성되는 플라즈마의 균일도가 어느 정도 요구되는지에 따라서 결정될 수 있다.

임피던스 매칭부(220)를 지난 전원부(210)의 RF 전력이 안테나 코일(230)에 인가될 수 있다. 안테나 코일(230)은 전원부(210) 또는 임피던스 매칭부(220)에 직접 유선으로 전기적으로 연결되어 있다.

공진 코일(240)이 공진을 일으킬 때, 공진 코일(240) 사이에 있는 안테나 코일(230)의 전자기 에너지(E)가 공진 코일(240)에 인가되어, 공진 코일(240)에 전류가 흐르게 된다. 이 때, 안테나 코일(230)의 전자기 에너지(E)가 공진 코일(240)에 인가되는 원리는 무선 전력 전송의 원리와 동일하거나 유사하다고 할 수 있다.

공진 코일(240)이 공진을 일으킬 수 있도록 공진 코일(240) 각각에 대해서 가변 캐패시터(250)가 병렬로 연결될 수 있다. 즉, 제1 내지 제3 공진 코일(241,242,243)에 제1 내지 제3 가변 캐패시터(251,252,253)가 각각 병렬로 연결될 수 있다. 각각의 공진 코일(241,242,243)의 가변 캐패시터(251,252,253)를 이용하여 각각의 공진 코일(241,242,243)에 흐르는 전류의 크기를 변화시킴으로써 플라즈마를 제어할 수 있다.

대구경 또는 대면적 기판을 플라즈마 처리하기 위해서 크기가 큰 챔버(280)를 사용하는 경우 플라즈마의 균일도를 높이기 위해서는 도 6에 도시된 바와 같이 다수개의 공진 코일(240)을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 챔버(280)의 크기가 커짐에 따라 다수의 공진 코일(240)을 사용함으로써 스탠딩 웨이브 효과(Standing wave effect)의 영향을 줄일 수 있다.

도 6을 참조하면, 제1 내지 제3 공진 코일(241,242,243)에 병렬로 연결된 제1 내지 제3 가변 캐패시터(251,252,253)가 챔버(280)의 상면 중심에 대해서 동일한 반경 상에 위치하는 것으로 도시되어 있으나, 다수개의 가변 캐패시터(251,252,253)가 반드시 동일 선상에 위치해야 하는 것은 아니다. 또한, 가변 캐패시터(250)가 각각의 공진 코일(240)에 1개씩만 연결되어야 하는 것은 아니며, 복수개 연결될 수도 있다. 각각의 공진 코일(240)에 복수개의 가변 캐패시터(250)가 연결되는 경우 각각의 공진 코일(240)에 동일한 개수의 가변 캐패시터(250)가 연결되는 것이 바람직하며, 복수개의 가변 캐패시터(250)는 동일한 간격으로 배치되는 것이 효과적이다.

한편, 도 7에 도시된 바와 같이, 공진 코일(350)은 챔버(380)의 상면과 이격되 도 록 안테나 코일(330)의 상부에 제공되며, 챔버(380)의 상면에는 보조 코일(rim, 360)이 제공될 수 있다. 도 7에 도시된 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 장비(300)는 챔버(380)의 상부 외면에 접촉하는 안테나 코일(330) 및 보조 코일(360)을 구비하며, 공진 코일(340)은 챔버(380)의 상부 외면과 이격하는 위치에 제공된다. 즉, 공진 코일(340)은 보조 코일(360)의 위쪽에 제공될 수 있다.

공진 코일(340)에는 공진을 일으킬 수 있도록 가변 캐패시터(350)가 병렬로 연결되지만, 보조 코일(360)에는 가변 캐패시터가 연결되지 않는다. 안테나 코일(330)은 양단이 이격된 비폐곡선 모양이지만, 공진 코일(340) 및 보조 코일(360)은 폐곡선 모양을 가진다. 공진 코일(340) 및 보조 코일(360)은 링(ring) 또는 림(rim) 형태를 가지는 것이 바람직하다.

여기서, 보조 코일(360)은 공진 코일(340)에 흐르는 전류를 균일하게 형성할 수 있다. 즉, 공진 코일(340)에 균일한 전류가 흐르게 하기 위해서 보조 코일(360)을 사용한다. 공진 코일(340)을 닫힌 루프(close loop) 위에 위치시켜 닫힌 루프에 흐르는 전류를 균일하게 할 수 있다. 이러한 방법으로 회전방향의 플라즈마 균일도를 개선할 수 있다.

도 7을 참조하면, 임피던스 매칭부(320)를 지난 전원부(310)의 RF 전력이 안테나 코일(330)에 인가될 수 있다. 안테나 코일(330)은 전원부(310) 또는 임피던스 매칭부(320)에 직접 유선으로 전기적으로 연결되어 있다.

공진 코일(340)이 공진을 일으킬 때, 공진 코일(340) 하부에 있는 안테나 코일(330)의 전자기 에너지(E)가 공진 코일(340)에 인가되어, 공진 코일(340)에 전류가 흐르게 된다. 이 때, 안테나 코일(330)의 전자기 에너지(E)가 공진 코일(340)에 인가되는 원리는 무선 전력 전송의 원리와 동일하거나 유사하다고 할 수 있다.

공진에 의한 무선 전력 전송은 안테나 코일(330)과 공진 코일(340) 사이에서 발생하고, 안테나 코일(330)과 보조 코일(360) 사이 또는 공진 코일(340)과 보조 코일(360) 사이에는 공진에 의한 무선 전력 전송이 일어나지 않는다. 보조 코일(360)은 공진 코일(340)의 전류를 균일하게 하기 위한 것이다. 이와 같이, 공진 코일(340)의 하부에 위치하는 안테나 코일(330) 및 보조 코일(360)을 이용하여 챔버(380) 내의 피처리물(390)에 증착 또는 식각 등의 플라즈마 처리가 되는 플라즈마의 밀도를 높일 수 있다.

본 발명에 따른 플라즈마 장비(100,200,300)는 공진 코일(140,240,340)이 공진을 일으키면 안테나 코일(130,230,330)의 전자기 에너지를 인가 받아 공진 코일(140,240,340)에 전류가 흐를 수 있다.

공진 코일(140,240,340)에 흐르는 전류는 가변 캐패시터(150,250,350)의 크기에 따라 가변될 수 있다. 안테나 코일(130,230,330)의 일단과 전원부(110,210,310) 사이에는 임피던스 매칭부(120,220,320)가 제공되고 안테나 코일(130,230,330)의 타단은 접지될 수 있다.

본 발명에 따른 플라즈마 장비(100,200,300)는 공진 코일(140,240,340)을 공진 주파수로 설정해 놓고, 전원부(110,210,310)의 주파수를 바꾸면서 플라즈마를 제어할 수 있다.

한편, 공진 코일(140,240,340)의 주파수를 변화시키고 큐 팩터(Q-factor)를 증가시키기 위해 페라이트 등의 재료가 공진 코일(140,240,340)에 사용될 수도 있다. 즉, 공진 코일(140,240,340)은 페라이트 재질을 포함하거나 페라이트 재질로 형성될 수 있다.

도 8 내지 도 10에는 본 발명에 따른 플라즈마 장비(100,200,300)의 성능을 시험하기 위한 시험 데이터 그래프가 도시되어 있다.

도 8에는 도 4에 따른 등가회로에 대해서, 가변 캐패시터(150)의 크기와 전류비(│I₁│/│I₂│), 전압비(│V₁│/│V₂│)의 관계가 도시되어 있다. 가변 캐패시터(150)가 인덕턴스(L₁,L₂)의 크기에 대해서 공진을 일으키는 크기를 가질 때 전류비 및 전압비가 가장 큰 것을 알 수 있다.

도 9 및 도 10에는 다른 값을 가지는 가변 캐패시터를 적용한 경우, 챔버의 상면 중심에서부터의 거리에 따른 플라즈마 밀도를 나타내는 그래프가 도시되어 있다. 우선 도 9에 의하면, 가변 캐패시터의 크기가 가변됨에 따라 플라즈마의 밀도가 달라지고, 가변 캐패시터의 크기가 30pF일 때 동일 거리에서의 플라즈마 밀도가 가장 큰 것을 볼 수 있다. 여기서, 가변 캐패시터가 공진 코일의 공진을 일으키는 크기를 가질 때 플라즈마의 밀도가 가장 크다고 할 수 있다. 또한, 중심에서 멀어질수록 플라즈마의 밀도가 낮아짐을 알 수 있다.

도 10에는 도 9의 경우와 달리 플라즈마의 밀도 뿐만 아니라 균일도(Uniformity)도 표시되어 있다. 도 10은 압력이 20 mTorr일 때의 실험 데이터이다. 도 10에 의하면, 가변 캐패시터의 크기가 170pF일 때 플라즈마 균일도와 밀도가 상대적으로 양호함을 알 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 따른 플라즈마 장비는 가변 캐패시터의 크기에 따라 안테나 코일에 의한 플라즈마 내의 전자장 분포가 변경될 수 있고, 플라즈마의 밀도가 변경될 수 있다. 또한, 다수의 공진 코일을 사용함으로써 플라즈마 균일도를 개선할 수 있으며, 대면적 플라즈마의 경우에도 균일도가 저하되는 것을 방지할 수 있고, 공진 코일의 설치 위치를 비교적 자유롭게 선택할 수 있다.

상기한 바와 같은 본 발명에 따른 플라즈마 장비는 유도 결합 플라즈마(inductively coupled plasma, ICP) 방식과 축전 결합 플라즈마(capacitively coupled plasma, CCP) 방식에 모두 적용될 수 있다.

이상과 같이 본 발명의 일 실시예에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

100,200,300: 플라즈마 장비
110,210,310: 전원부
120,220,320: 임피던스 매칭부
130,230,330: 안테나 코일
140,240,340: 공진 코일
150,250,350: 가변 캐패시터
180,280,380: 챔버
360: 보조 코일

Claims

RF 전력을 공급하는 전원부;
플라즈마가 발생되며, 플라즈마에 의해 처리되는 피처리물이 제공되는 챔버;
상기 챔버의 상면에 제공되며, 상기 전원부에 유선으로 직접 연결되어 RF 전력을 전달 받는 안테나 코일;
상기 전원부와 상기 안테나 코일 사이에 제공되는 임피던스 매칭부;
상기 안테나 코일과 전기적으로 절연되거나 단절되도록 상기 안테나 코일과 분리된 상태로 제공되며, 상기 전원부에 직접 유선으로 연결되지 않은 적어도 하나의 공진 코일; 및
상기 공진 코일에 공진을 일으키기 위해 상기 적어도 하나의 공진 코일 각각에 병렬로 연결되는 가변 캐패시터;를 포함하며,
상기 공진 코일이 공진을 일으키면 무선 전력 전송 방식에 의해서 상기 안테나 코일로부터 전자기 에너지 또는 전력을 인가 받은 상기 공진 코일에 전류가 흐르게 되어 상기 챔버 내에 플라즈마를 발생시키거나 플라즈마를 제어하는, 플라즈마 장비.
제1항에 있어서,
상기 공진 코일은 상기 챔버의 상면에 적어도 2개 제공되며, 상기 안테나 코일은 상기 공진 코일과 분리된 상태로 상기 공진 코일의 사이에 위치하는, 플라즈마 장비.
제1항에 있어서,
상기 챔버의 상면에는 보조 코일이 제공되고,
상기 공진 코일은 상기 챔버의 상면과 이격되도록 상기 안테나 코일의 상부에 제공되되 상기 보조 코일의 위쪽에 제공되는, 플라즈마 장비.
제3항에 있어서,
상기 보조 코일은 상기 공진 코일과 동일한 모양으로 형성되어 상기 공진 코일에 흐르는 전류를 균일하게 형성하는, 플라즈마 장비.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 공진 코일 각각에는 복수개의 가변 캐패시터가 연결되되 상기 적어도 하나의 공진 코일 각각에 대해서 동일한 개수의 가변 캐패시터가 연결되는, 플라즈마 장비.
제5항에 있어서,
상기 복수개의 가변 캐패시터는 동일한 간격으로 배치되는, 플라즈마 장비.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공진 코일에 흐르는 전류는 상기 가변 캐패시터의 캐패시턴스 값에 따라 가변되는, 플라즈마 장비.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공진 코일은 상기 가변 캐패시터와 전체로서 폐곡선 모양으로 형성되는, 플라즈마 장비.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 공진 코일 각각에 연결된 상기 가변 캐패시터는 상기 챔버의 상면 중심에 대해서 동일 반경 상에 위치하는, 플라즈마 장비.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공진 코일의 주파수가 변하거나 큐 팩터가 증가되도록 상기 공진 코일은 페라이트 재질을 포함하거나 페라이트 재질로 형성되는, 플라즈마 장비.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공진 코일의 주파수에 따라 상기 전원부의 주파수를 바꾸면서 플라즈마를 제어하는, 플라즈마 장비.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가변 캐패시터는 상기 공진 코일의 인덕턴스 값에 대해서 공진을 일으키는 캐패시턴스 값을 가지는, 플라즈마 장비.