KR100290158B1 - 대면적 평면 안테나를 이용한 플라즈마 가공장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대면적 평면 안테나를 이용한 플라즈마 가공장치에 관한 것으로, 본 발명의 플라즈마 가공장치는 입력단자를 통하여 전기 에너지를 전달받아 그곳에 연결된 전자기장 방사 구조물을 통하여 기체에 균일한 고 밀도의 전자기장을 유도하는 안테나를 진공용기 내부에 직접 집어넣어 높은 전력효율을 가지고 플라즈마를 발생시키도록 한 것으로, 본 발명의 안테나는 네 개의 방사구조물을 포함하고 있다. 이 각 방사구조물은 도체가 사등분된 원형 혹은 사각형의 형태로 권선 되어 있다. 그리고 방사구조물은 입력단자에 한 끝이 연결되어 있고, 출력단자는 방사구조물의 끝에 연결되어 있다. 또한 입력단자는 첫째, 둘째, 셋째와 넷째 방사구조물의 출력단자로부터 같은 거리만큼 떨어져 있다. 이와 같은 안테나를 사용하여 진공용기에 기체를 집어넣고 플라즈마가 균일한 밀도를 가지도록 전자기장을 걸어 줌으로써 플라즈마를 통한 소자를 제조한다.

Description

대면적 평면 안테나를 이용한 플라즈마 가공장치

본 발명은 플라즈마 식각 장치와 같은 플라즈마 가공장치에 관한 것이다. 더 상세하게는 반도체, 평판화면(flat paneldis play), 인쇄회로기판 및 다른 박막 가공 공정에 사용되는 플라즈마 식각과 물리적 또는 화학적 증기 증착법, 포토리지스트 스프리핑(photo-resist stripping) 및 기타 공정 분야에 적용되는 플라즈마 가공장치에 관한 것이다.

플라즈마 가공장치는 플라즈마 식각, 물리적 또는 화학적 증기 증착법, 포토리지스트 스트리핑 및 기타 표면 처리를 통한 다양한 박막 제조를 위하여 넓은 영역에 균일한 플라즈마를 발생시킬 수 있는 플라즈마 원(plasma source)을 필요로 한다. 따라서 실리콘과 복합 화합물 반도체의 제조, 액티브 매트릭스(active matrix) 액정 화면, 플라즈마 화면, 필드 미션(field mission) 화면 등을 포함하는 평판 화면의 제조 등이 플라즈마 원을 필요한 분야의 예이다.

일반적으로 평면형 안테나를 이용한 플라즈마 원은 라디오 주파수 영역의 평면 안테나와 유전체로 된 평면판과 밀폐된 용기 안의 기체 등으로 구성되어 있다. 임피던스가 매칭이 된 전력원으로 부터 안테나에 전력이 부가되면 유전판을 통하여전장이 기체에 유기된다. 플라즈마 식각에서 사용되는 플라즈마는 시간에 따라 변하는 전자기파에 의하여 유도되는 전장(inductive electric field)과 정전장이 기체에 부가되어 자유전자에 에너지를 전달하고 다시 이 자유전자가 중성기체와 충돌하며 형성이 된다. 그리고 시간에 따라 변하는 전자기파에 의하여 유도되는 전장(inductive electric field)이 정전장보다 밀도가 더 높은 플라즈마를 형성하는 것으로 알려져 있다.

평면 안테나를 사용하는 인덕티브 형 플라즈마 원은 사용하기 간단하여 플라즈마 식각 공정용으로 많이 사용되고 있다. 이와 같은 경우 안테나로부터의 전자기장이 균일하게 플라즈마에 커플링 되어야 하며 높은 밀도를 가진 플라즈마를 필요로 한다. 하지만 종래의 평판 안테나는 단순히 감겨 있는 상태이므로 전력이 공급되는 중심 부분의 전자기파 밀도가 높아서 그 균일도가 나쁘며, 따라서 고밀도의 플라즈마를 좁은 영역에서만 발생시킬 수 있었다. 이 안테나를 넓은 영역으로 확장하는 데에는 안테나의 자체공명(self-resonance)에 의해 한계가 있다. 자체공명 현상은 안테나 인덕턴스와 캐피스턴스에 의하여 일어나며 안테나가 더 이상 유도 전장을 유기하지 않게 되는 현상을 말한다.

본 발명의 목적은 하나의 입력단자와 복수개의 출력단자로 이루어지는 하나 이상의 방사구조물로 된 안테나를 이용하여 진공용기 내부에 고밀도의 플라즈마를 균일하게 생성할 수 있는 대면적 평면 안테나를 이용한 플라즈마 가공장치를 제공함에 있다.

제1도는 본 발명의 대면적 평면 안테나에 의한 플라즈마 가공장치의 개략도이다.

제2도는 본 발명에 따른 사각 모양의 대면적 평면 안테나의 형태를 도시한 도면이다.

제3도는 본 발명에 따른 원형 모양의 대면적 평면 안테나의 형태를 도시한 도면이다.

제4도는 본 발명에 따른 안테나에서의 전장 방향과 전류 흐름 방향을 설명하기 위한 도면이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 플라즈마 가공장치 11 : 가변 캐패시터

12 : 진공용기 14 : 진공펌프

17 : 기판홀더 20 : 안테나

36,38,40,42 : 방사 구조물 34 : 입력단자

44 : 출력단자

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 플라즈마 가공장치의 안테나는 밀폐된 진공용기 안의 기체에 균일한 자기장을 높은 에너지 밀도를 가지고 유도할 수 있도록 설계되어 있으며 전력이 공급되는 입력단자와 그곳을 연결하는 전자기장을 방사시키는 구조물로 구성되어 있다.

그리고 본 발명의 안테나는 네 개의 전자장을 방사하는 부분으로 구성되어 있으며 각 부분은 사각이나 사등분된 원형태로 감겨 있는 도체로 이루어져 있다. 따라서 전력이 공급되는 입력단자는 첫째, 둘째, 셋째와 넷째의 전자기장 방사 구조물의 출력단자와 동일거리를 유지하고 있다.

또한, 종래의 평면 안테나와는 달리 유전판을 통하여 기체에 전장을 유도하지 않고, 진공용기 안에 직접 넣음으로써 더욱 강한 전장을 유기할 수 있으며 안테나의 출력단자와 접지사이에 위치한 캐패시터 값을 조절함으로 안테나에서 발생하는 정전장의 강도를 조절할 수 있다.

또한, 본 발명은 진공용기와 진공용기 안에 채워진 기체와 전력공급 회로를 포함하고 있다. 전력회로는 무선주파수의 전력원과 스위치 그리고 임피던스 매치 회로망으로 구성되어 있다. 임피던스 매치 회로망은 무선주파수의 전력원을 효율적으로 안테나에 공급하는 일을 한다.

따라서 본 발명의 안테나를 진공용기 안에 장착하고, 기체를 진공용기 안에 채운 후 안테나를 통하여 균일하게 기체에 전장을 유도하는 방법을 사용하여 플라즈마 가공에 의한 소자를 제조하는 것이다.

이하에서는 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.

지금부터는 발명 요소들을 일정 방법으로 조합하여 사용한 특정 예를 들어 설명하지만 본 발명은 이하의 실시예에 한정되는 것은 아니라는 점을 이해하여야 할 필요가 있다. 따라서 관련 기술에 익숙하거나 관련 기술을 이해할 수 있는 사람들은 본 발명에서 파생된 변형이나 응용 혹은 본 발명이 중요하게 사용되고 있는 다른 분야들을 판별할 수 있다.

제1도는 본 발명에 따른 대면적 평면 안테나를 포함하는 플라즈마 가공장치이다. 도시된 본 발명의 플라즈마 가공장치(10)는 진공용기(12)와 이 진공용기(12) 내부를 진공화 하는 진공펌프(14)로 구성되어 있다. 그리고 진공용기(12) 내부에는 기판홀더(16; substrate holder)가 설치되고, 이 기판홀더(16)에는 가공을 위한 기판(17)이 설치되어 있다.

그리고 본 발명의 안테나(20)는 진공용기(12) 안에 장착되어 있으며, 플라즈마 가공장치의 일측에는 스위치(32)와 임피던스 매치 회로망(24)을 통하여 안테나(20)에 에너지를 공급하기 위한 무선 주파수(radio frequency) 전력원(30)이 구비된다.

임피던스 매치 회로망(24)은 접지와 인덕턴스(26) 사이에 연결된 첫 번째와 두 번째의 가변 캐패시터(27)(28)로 나타나있다. 본 분야에 해당기술을 이해할 수 있는 사람은 임피던스 매치 회로망(24)에 여러 가지 형태와 요소가 더하여 질 수 있다는 것을 알 수 있다.

그리고 안테나(20)에 의하여 공급되는 전자기파가 플라즈마(18)를 진공용기(12) 안에 형성할 수 있도록 아르곤이나 산소혹은 다른 적당한 기체들을 공급하는 도시되지 않은 파이프가 설치된다.

제2도와 제3도는 본 발명에 따른 안테나(20)를 도시한 것이다. 이에 도시된 바와 같이, 안테나(20)는 전원(30)으로부터 4개의 전자파 방사 구조물(36)(38)(40)(42)에 전력 공급단자(34)를 통하여 전원을 공급한다. 각 전자파 방사 구조물은 구리나 다른 적당한 도체로 만들어진다. 따라서 전류가 안테나(20)의 가장자리를 통하여 각 방사 구조에 흘려지게 된다. 이방사 구조물은 직사각형이나 원형에 사등분된 모양을 가지고 있으며 각각의 방사구조물에서 발생하는 전자기력이 동일한 방향으로 발생하도록 첫 번째(36)와 두 번째(38) 방사구조는 각자의 거울상(mirror image)이며 세 번째(40)와 네 번째(42) 또한 각자의 거울상으로 마련된다.

이러한 각각의 방사구조는 무선 주파수 출력단자(44)에 연결되어 있으며 가변 캐페시터(11)가 안테나(20)의 정전압 값을 조절할 수 있도록 접지와 출력단자(44)사이에 연결되어 있다.

제4도는 본 발명에 따른 안테나에서의 전장 방향과 전류 흐름 방향을 설명하기 위한 도면이다.

제4(a)도는 전력공급단자(34)에서 동일 거리 만큼 떨어진 출력단자(44)로 전장 방향이 형성되는 것을 나타내며, 제4(b)도는 전력공급단자(34)와 하나의 출력단자(44)로 이루어진 각 방사구조물이 인접하는 경계부에서의 전류 흐름 방향이 일치하는 것을 나타내며 이때 전류에 의해 유기되는 유도 전장의 상쇄는 일어나지 않게 된다.

이와 같이 구성된 본 발명의 플라즈마 가공장치는 진공용기(12)의 일측에 부착된 문(미도시)이 열리고 기판(17)이 진공용기(12)안에 있는 기판홀더(17)위에 놓여지게 된 후 진공용기(12)는 진공펌프(14)에 의하여 진공화된다.

이때 기체가 기체공급원으로부터 파이프(미도시)를 통하여 공급되게 된다. 그리고 스위치(32)가 닫혀지고 무선 주파수 전원(30)이 임피던스 매치 회로망(24)을 통하여 안테나(20)에 공급되게 된다. 안테나(20)에 공급된 전류는 진공용기(12)안에 전자기장을 유기하게 된다. 잘 알려진 바와 같이 시간에 따라 변하는 전자기장이나 정전장이 진공용기(12)안에 발생되게 된다. 유도된 전장은 자유전자에 에너지를 전하여 플라즈마를 발생시키며 플라즈마 식각, 플라즈마 CVD, 물리적 증기증착, 포토 레지스터 제거 등의 가공이 기판에서 진행하게 된다.

이상과 같은 본 발명의 플라즈마 가공장치의 안테나는 전류가 네 개의 방사구조로 갈라짐으로써 인덕턴스가 최소화되고, 자체공명을 피할 수 있으며 재래의 평면 안테나 구조에 비하여 넓은 면적에 균일하게 전자기 에너지를 공급할 수 있다. 또한 안테나의 입력과 출력 단자사이에 큰 전압차를 유기하지 않으므로 높은 전자기장의 밀도를 얻을 수 있다. 또한 이와같은 구조로 인하여 냉각수를 접지부분으로 집어넣고 또한 접지 된 부분으로 빼낼 수 있으므로 냉각수의 절연에 관한 문제를 해결할 수 있다.

또한 안테나가 진공용기 안에 있음으로 유전판 등에 의한 전자기장의 손실이 없이 더욱 강한 전장을 유도할 수 있으며 접지와 안테나 출력단자 사이의 가변 캐페시터 사이의 가변 캐패시터의 값을 조절함으로 안테나의 정전압 값을 조절할 수있는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 전원을 공급하는 전원공급수단, 내부에 기체가 들어있는 진공용기, 상기 진공용기 내부의 기체에 전자기파를 유기하는 안테나를 구비한 플라즈마 가공장치에 있어서, 상기 안테나는, 상기 진공용기 내부에 균일한 전자기장을 유도하도록, 상기 전원공급수단으로부터 인가된 전기에너지를 공급받는 하나의 입력단자와 그 입력단자로부터 각기 다른 나선방향으로 분기되는 도체의 끝단에 접속되며 상기 입력단자로부터 동일한 거리만큼 떨어진 복수개의 출력단자로 이루어진 하나 이상의 방사구조물로 마련되며, 각 방사구조물은 다른 방사구조물에 대하여 미러 이미지를 갖는 것을 특징으로 하는 대면적 평면 안테나를 이용한 플라즈마 가공장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 안테나는 상기 진공용기 내부에 위치한 것을 특징으로 하는 플라즈마 가공장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 방사구조물은 네 개로 마련된 것을 특징으로 하는 플라즈마 가공장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 방사구조물은 부채꼴 나선모양으로 마련된 것을 특징으로 하는 플라즈마 가공장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 방사구조물은 사각형 나선모양으로 마련된 것을 특징으로 하는 플라즈마 가공장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 전원공급수단은 임피던스 매치 회로망, 무선주파수 전력원 그리고 상기 무선 주파수 전력원과 상기 안테나 사이에 설치된 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 가공장치.