KR102820371B1 - Capacitively coupled plasma generator and inductively coupled plasma generator for increasing plasma generation efficiency - Google Patents
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Abstract
일 실시예에 따른 무선 편향 전극을 이용한 플라즈마 발생 장치는 플라즈마가 발생되는 플라즈마 발생 챔버, 상기 플라즈마 발생 챔버로 전력을 공급하는 전원, 상기 전원이 제공하는 전력을 송신하는 송신 코일, 상기 송신 코일로부터 전력을 수신하는 수신 코일, 상기 플라즈마 발생 챔버의 내부에 배치되며, 상기 수신 코일과 전기적으로 연결되어 있는 편향 전극 및 상기 편향 전극과 이격되어 배치되어 전기적으로 페루프를 형성시키는 보조 전극을 포함할 수 있다.A plasma generation device using a wireless deflection electrode according to one embodiment may include a plasma generation chamber in which plasma is generated, a power source that supplies power to the plasma generation chamber, a transmitting coil that transmits power provided by the power source, a receiving coil that receives power from the transmitting coil, a deflection electrode that is arranged inside the plasma generation chamber and is electrically connected to the receiving coil, and an auxiliary electrode that is arranged spaced apart from the deflection electrode and electrically forms a closed loop.
Description
본 발명은 무선 편향 전극을 이용한 플라즈마 발생 장치에 관한 발명으로서, 보다 구체적으로는 리액턴스 소자를 이용하여 플라즈마 영역의 저항 성분을 증가시키는 방법을 통해, 플라즈마 발생 장치의 플라즈마 발생 효율을 높이는 기술에 관한 발명이다. The present invention relates to a plasma generating device using a wireless biasing electrode, and more specifically, to a technology for increasing the plasma generating efficiency of a plasma generating device through a method of increasing the resistance component of a plasma region using a reactance element.
플라즈마란 이온화된 기체로, 양이온, 음이온, 전자, 여기된 원자, 분자 및 화학적으로 매우 활성이 강한 라디칼(radical) 등으로 구성되며, 전기적 및 열적으로 보통 기체와는 매우 다른 성질을 갖기 때문에 물질의 제4상태라고도 칭한다. 이러한 플라즈마는 이온화된 기체를 포함하고 있어, 전기장 또는 자기장을 이용해 가속시키거나, 화학 반응을 일으켜 웨이퍼 혹은 기판을 세정하거나, 식각하거나 혹은 증착하는 등 반도체의 제조공정에 매우 유용하게 활용되고 있다. Plasma is an ionized gas composed of positive ions, negative ions, electrons, excited atoms, molecules, and chemically highly active radicals. It has electrical and thermal properties that are very different from those of ordinary gases, so it is also called the fourth state of matter. Since this plasma contains ionized gas, it is very useful in the semiconductor manufacturing process, such as accelerating it using electric or magnetic fields, or causing a chemical reaction to clean, etch, or deposit wafers or substrates.
최근에 반도체 제조공정에서는 고밀도 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생 장치를 사용하고 있으며, 플라즈마를 발생하기 위한 플라즈마 모듈은 여러 가지가 있는데 무선 주파수(radio frequency)를 사용한 용량 결합형 플라즈마(CCP, capacitive coupled plasma)와 유도 결합형 플라즈마(ICP, inductive coupled plasma)가 그 대표적인 예이다.Recently, plasma generation devices that generate high-density plasma are being used in semiconductor manufacturing processes, and there are various plasma modules for generating plasma. Representative examples include capacitively coupled plasma (CCP) and inductively coupled plasma (ICP) using radio frequency.
구체적으로 용량 결합형 플라즈마 발생 장치는 정확한 용량 결합 조절과 이온 조절 능력이 높아서 타 플라즈마 모듈에 비하여 공정 생산력이 높다는 장점을 가지고 있다. 반면, 무선 주파수 전원의 에너지가 거의 배타적으로 용량 결합을 통하여 플라즈마에 연결되기 때문에 플라즈마 이온 밀도는 용량 결합된 무선 주파수 전력의 증가 또는 감소에 의해서만 증가 또는 감소될 수 있다. 그러나 무선 주파수 전력의 증가는 이온 충격 에너지를 증가시킨다. 결과적으로 이온 충격에 의한 손상을 방지하기 위해서는 무선 주파수 전력의 한계성을 갖게 된다.Specifically, the capacitively coupled plasma generator has the advantage of higher process productivity than other plasma modules due to its high ion control capability and precise capacitive coupling control. On the other hand, since the energy of the radio frequency power source is almost exclusively connected to the plasma through capacitive coupling, the plasma ion density can only be increased or decreased by increasing or decreasing the capacitively coupled radio frequency power. However, an increase in the radio frequency power increases the ion impact energy. As a result, there is a limit to the radio frequency power in order to prevent damage by ion impact.
한편, 유도 결합 플라즈마 발생 장치는 무선 주파수 전원의 증가에 따라 이온 밀도를 쉽게 증가시킬 수 있으며 이에 따른 이온 충격은 상대적으로 낮아서 고밀도 플라즈마를 얻기에 적합한 장점이 존재한다. 따라서, 유도 결합 플라즈마 발생 장치는 고밀도의 플라즈마를 얻기 위한 경우에 많이 사용되고 있다. 유도 결합 플라즈마 발생 장치는 무선 주파수 안테나(RF antenna)를 이용하는 방식과 변압기를 이용한 방식(변압기 결합 플라즈마(transformer coupled plasma)라고도 함)으로 기술 개발이 이루어지고 있다. Meanwhile, the inductively coupled plasma generator can easily increase the ion density as the radio frequency power increases, and the resulting ion impact is relatively low, so it has the advantage of being suitable for obtaining high-density plasma. Therefore, the inductively coupled plasma generator is widely used in cases where high-density plasma is obtained. The inductively coupled plasma generator is being developed in a way that uses a radio frequency antenna (RF antenna) and a way that uses a transformer (also called a transformer coupled plasma).
최근 반도체 제조 산업에서는 반도체 소자의 초미세화, 반도체 회로를 제조하기 위한 실리콘 웨이퍼 기판의 대형화 등과 같은 여러 요인으로 인해 고밀도의 플라즈마를 발생시키는 기술이 요구되고 있는데, 종래 기술에 따른 플라즈마 발생장치는 전력을 공급하는 전원과 유선으로 연결되어 있다 보니, 플라즈마 발생장치를 이루는 구성 요소들에 대한 배치에 많은 제약이 있는 실정이다. Recently, in the semiconductor manufacturing industry, technology for generating high-density plasma is in demand due to various factors such as the miniaturization of semiconductor elements and the enlargement of silicon wafer substrates for manufacturing semiconductor circuits. However, since plasma generating devices according to conventional technology are connected to a power source that supplies electricity by wires, there are many restrictions on the arrangement of components that make up the plasma generating device.
일 예로, 챔버 하부에 위치하는 편향 전극(bias electrode)의 배치는 챔버 내부에서 발생되는 플라즈마의 밀도에 많은 영향을 미치는데, 편향 전극 또한 전선으로 전원과 연결되어 있다 보니, 전극의 움직임에 많은 제약이 있어, 챔버 내부에서 발생되는 플라즈마의 밀도가 균일하지 못하거나, 목적에 맞지 않게 발생되는 문제점이 존재하였다. For example, the arrangement of the bias electrode located at the bottom of the chamber has a significant effect on the density of plasma generated inside the chamber. However, since the bias electrode is also connected to the power supply by a wire, there are many restrictions on the movement of the electrode, and there is a problem in that the density of plasma generated inside the chamber is not uniform or is generated in a manner that is not suitable for the purpose.
따라서, 일 실시예에 따른 무선 편향 전극을 이용한 플라즈마 발생 장치는 상기 설명한 문제점을 해결하기 위해 고안된 발명으로서, 챔버 내부의 편향 전극을 자유롭게 이동시킬 수 있도록 하여 챔버 내부에서 발생하는 플라즈마의 밀도를 보다 쉽게 균일하게 할 수 있는 플라즈마 발생 장치를 제공하는데 목적이 존재한다.Therefore, a plasma generating device using a wireless deflection electrode according to one embodiment is an invention designed to solve the above-described problem, and its purpose is to provide a plasma generating device that can more easily make the density of plasma generated inside a chamber uniform by allowing the deflection electrode inside a chamber to move freely.
보다 구체적으로는, 편향 전극이 전원부에 유선으로 연결되는 구조가 아닌, 복수의 코일을 이용해 자기공명 무선전력방식으로 전력을 공급받을 수 있도록 하여, 챔버 내부에서 편향 전극이 자유롭게 이동하거나 회전할 수 있는 플라즈마 발생 장치를 제공하는데 목적이 있다. More specifically, the purpose is to provide a plasma generating device in which the biasing electrode can freely move or rotate inside the chamber by supplying power using a magnetic resonance wireless power method using multiple coils rather than having a structure in which the biasing electrode is connected to the power supply by wires.
일 실시예에 따른 무선 편향 전극을 이용한 플라즈마 발생 장치는 플라즈마가 발생되는 플라즈마 발생 챔버, 상기 플라즈마 발생 챔버로 전력을 공급하는 전원, 상기 전원이 제공하는 전력을 송신하는 송신 코일, 상기 송신 코일로부터 전력을 수신하는 수신 코일, 상기 플라즈마 발생 챔버의 내부에 배치되며, 상기 수신 코일과 전기적으로 연결되어 있는 편향 전극 및 상기 편향 전극과 이격되어 배치되어 전기적으로 페루프를 형성시키는 보조 전극을 포함할 수 있다.A plasma generation device using a wireless deflection electrode according to one embodiment may include a plasma generation chamber in which plasma is generated, a power source that supplies power to the plasma generation chamber, a transmitting coil that transmits power provided by the power source, a receiving coil that receives power from the transmitting coil, a deflection electrode that is arranged inside the plasma generation chamber and is electrically connected to the receiving coil, and an auxiliary electrode that is arranged spaced apart from the deflection electrode and electrically forms a closed loop.
상기 무선 편향 전극을 이용한 플라즈마 발생 장치는 상기 수신 코일과 상기 편향 전극 사이에 배치되어, 공진 주파수를 제어하는 임피던스 조절부를 더 포함할 수 있다.The plasma generating device using the above wireless deflection electrode may further include an impedance control unit that controls the resonance frequency and is placed between the receiving coil and the deflection electrode.
상기 무선 편향 전극을 이용한 플라즈마 발생 장치는 상기 전원과 상기 송신 코일의 임피던스를 매칭하는 임피던스 매칭부를 더 포함할 수 있다. The plasma generating device using the wireless biasing electrode may further include an impedance matching unit that matches the impedance of the power source and the transmitting coil.
상기 무선 편향 전극을 이용한 플라즈마 발생 장치는 상기 편향 전극의 수평이동, 수직이동, 회전 및 틸팅(Tilting) 중 적어도 하나를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.The plasma generating device using the above wireless deflection electrode may further include a control unit that controls at least one of horizontal movement, vertical movement, rotation, and tilting of the deflection electrode.
상기 편향 전극과 상기 보조 전극은, 각각 복수 개의 병렬 전극으로 구성될 수 있다.The above-mentioned deflection electrode and the above-mentioned auxiliary electrode may each be composed of a plurality of parallel electrodes.
상기 편향 전극과 상기 보조 전극은 전도성 물질이며, 상기 플라즈마 발생 챔버는 커패시터로 모델링 될 수 있다.The above deflection electrode and the auxiliary electrode are made of conductive materials, and the plasma generation chamber can be modeled as a capacitor.
상기 송신 코일과 상기 수신 코일은, 자기공명 무선전력전송 방식(MRWPT)으로 전력을 전달할 수 있다.The above-mentioned transmitting coil and the above-mentioned receiving coil can transmit power using a magnetic resonance wireless power transfer (MRWPT) method.
상기 제어부는, 상기 플라즈마 발생 챔버 내부의 플라즈마 밀도가 균일하지 못하다고 판단된 경우, 상기 편향 전극을 위 또는 아래로 이동시킬 수 있다.The above control unit can move the deflection electrode up or down when it is determined that the plasma density inside the plasma generation chamber is not uniform.
상기 제어부는, 상기 편향 전극의 면적과 상기 보조 전극의 면적의 비를 기초로 상기 편향 전극과 상기 보조 전극에 인가되는 전압의 크기를 제어할 수 있다.The above control unit can control the magnitude of the voltage applied to the deflection electrode and the auxiliary electrode based on the ratio of the area of the deflection electrode and the area of the auxiliary electrode.
일 실시예에 따른 무선 편향 전극을 이용한 플라즈마 발생 장치는, 플라즈마가 발생되는 플라즈마 발생 챔버, 상기 플라즈마 발생 챔버로 전력을 공급하는 전원, 상기 전원이 제공하는 전력을 송신하는 송신 코일, 상기 송신 코일로부터 전력을 수신하는 수신 코일, 상기 플라즈마 발생 챔버의 내부에 배치되며, 상기 수신 코일과 전기적으로 연결되어 있는 편향 전극, 상기 편향 전극과 이격되어 배치되어 전기적으로 페루프를 형성시키는 보조 전극, 상기 수신 코일과 상기 편향 전극 사이에 배치되어, 공진 주파수를 제어하는 임피던스 조절부 및 상기 편향 전극의 수평이동, 수직이동, 회전 및 틸팅(Tilting) 중 적어도 하나를 제어하고, 상기 임피던스 조절부의 임피던스를 조절하며, 상기 플라즈마 발생 챔버의 외부에 위치하는 제어부를 포함할 수 있다.A plasma generation device using a wireless deflection electrode according to one embodiment may include a plasma generation chamber in which plasma is generated, a power source for supplying power to the plasma generation chamber, a transmitting coil for transmitting power provided by the power source, a receiving coil for receiving power from the transmitting coil, a deflection electrode disposed inside the plasma generation chamber and electrically connected to the receiving coil, an auxiliary electrode disposed spaced apart from the deflection electrode and electrically forming a closed loop, an impedance control unit disposed between the receiving coil and the deflection electrode and controlling a resonance frequency, and a control unit located outside the plasma generation chamber for controlling at least one of horizontal movement, vertical movement, rotation, and tilting of the deflection electrode and for controlling impedance of the impedance control unit.
다른 실시예에 따른 무선 편향 전극을 이용한 플라즈마 발생 장치는 라즈마가 발생되는 플라즈마 발생 챔버, 상기 플라즈마 발생 챔버로 전력을 공급하는 전원, 상기 전원이 제공하는 전력을 송신하는 송신 코일, 상기 송신 코일로부터 전력을 수신하는 수신 코일, 상기 송신 코일과 상기 수신 사이에 위치하는 중간 코일, 상기 플라즈마 발생 챔버의 내부에 배치되며, 상기 수신 코일과 전기적으로 연결되어 있는 편향 전극 및 상기 편향 전극과 이격되어 배치되어 전기적으로 페루프를 형성시키는 보조 전극을 포함할 수 있다.A plasma generation device using a wireless deflection electrode according to another embodiment may include a plasma generation chamber in which a plasma is generated, a power source for supplying power to the plasma generation chamber, a transmitting coil for transmitting power provided by the power source, a receiving coil for receiving power from the transmitting coil, an intermediate coil positioned between the transmitting coil and the receiving coil, a deflection electrode disposed inside the plasma generation chamber and electrically connected to the receiving coil, and an auxiliary electrode disposed spaced apart from the deflection electrode to electrically form a closed loop.
상기 무선 편향 전극을 이용한 플라즈마 발생 장치는 상기 수신 코일과 상기 편향 전극 사이에 배치되어, 공진 주파수를 제어하는 임피던스 조절부를 더 포함할 수 있다.The plasma generating device using the above wireless deflection electrode may further include an impedance control unit that controls the resonance frequency and is placed between the receiving coil and the deflection electrode.
상기 무선 편향 전극을 이용한 플라즈마 발생 장치는 상기 편향 전극의 수평이동, 수직이동, 회전 및 틸팅(Tilting) 중 적어도 하나를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다. The plasma generating device using the above wireless deflection electrode may further include a control unit that controls at least one of horizontal movement, vertical movement, rotation, and tilting of the deflection electrode.
상기 제어부는, 상기 플라즈마 발생 챔버 내부의 플라즈마 밀도가 균일하지 못하다고 판단된 경우, 상기 편향 전극을 위 또는 아래로 이동시킬 수 있다.The above control unit can move the deflection electrode up or down when it is determined that the plasma density inside the plasma generation chamber is not uniform.
상기 송신 코일, 상기 중간 코일 및 상기 수신 코일은, 자기공명 무선전력전송 방식(MRWPT)으로 전력을 전달할 수 있다.The above-mentioned transmitting coil, the intermediate coil, and the above-mentioned receiving coil can transmit power using a magnetic resonance wireless power transfer (MRWPT) method.
일 실시예에 따른 무선 편향 전극을 이용한 플라즈마 발생 장치는 챔버 내부의 편향 전극이 전원부에 유선으로 연결되는 구조가 아닌, 복수의 코일을 이용해 자기공명 무선전력방식으로 전력을 공급받는 무선 연결 구조를 취하고 있기 때문에, 챔버 내부에서 편향 전극이 자유롭게 이동하거나 회전할 수 있는 장점이 존재한다.A plasma generating device using a wireless biasing electrode according to one embodiment has a wireless connection structure in which power is supplied through a magnetic resonance wireless power method using a plurality of coils, rather than a structure in which the biasing electrode inside the chamber is connected to a power source by wires, and therefore has the advantage of allowing the biasing electrode to move or rotate freely inside the chamber.
이에 따라, 챔버 내부에서 편향 전극이 자유롭게 이동될 수 있기 때문에, 챔버 내부에서 발생하는 플라즈마의 밀도를 종래 기술보다 쉽게 제어할 수 있고 면밀하게 제어할 수 있는 장점이 존재한다. Accordingly, since the biasing electrode can move freely inside the chamber, there is an advantage in that the density of plasma generated inside the chamber can be controlled more easily and more closely than with conventional technologies.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재들로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects of the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치의 구성 요소들을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 송신부와 전력 수신부의 구성을 구체적으로 도시한 도면이다.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 편향 전극의 다양한 형태를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치의 구성 요소들을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치의 자기 선속 밀도 및 포텐셜 전압에 관한 실험 결과를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치에서, 전극 위치 변경에 따른 플라즈마 밀도 및 전자 온도 변화를 도시한 그래프이다
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 조절부의 캐패시턴스 변화율에 따른 정규화된 이온 선속 및 플라즈마 밀도를 도시한 도면이다. In order to more fully understand the drawings cited in the detailed description of the present invention, a brief description of each drawing is provided.
FIG. 1 is a drawing schematically illustrating components of a plasma generating device according to one embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a drawing specifically illustrating the configuration of a power transmitter and a power receiver according to one embodiment of the present invention.
FIGS. 3 and 4 are drawings illustrating various shapes of a deflection electrode according to the present invention.
FIG. 5 is a drawing schematically illustrating components of a plasma generating device according to another embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram illustrating experimental results regarding the magnetic flux density and potential voltage of a plasma generating device according to one embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a graph showing changes in plasma density and electron temperature according to changes in electrode positions in a plasma generating device according to one embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram illustrating normalized ion flux and plasma density according to the capacitance change rate of an impedance control unit according to one embodiment of the present invention.
이하, 본 발명에 따른 실시 예들은 첨부된 도면들을 참조하여 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 실시 예들을 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있다.Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described with reference to the attached drawings. When adding reference signs to components in each drawing, it should be noted that the same components are given the same signs as much as possible even if they are shown in different drawings. In addition, when describing embodiments of the present invention, if it is determined that a specific description of a related known configuration or function hinders the understanding of the embodiments of the present invention, a detailed description thereof will be omitted. In addition, although embodiments of the present invention will be described below, the technical idea of the present invention is not limited or restricted thereto and may be modified and implemented in various ways by those skilled in the art.
또한, 본 명세서에서 사용한 용어는 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 개시된 발명을 제한 및/또는 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. In addition, the terminology used in this specification is used for the purpose of describing embodiments, and is not intended to limit and/or restrict the disclosed invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly indicates otherwise.
본 명세서에서, "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는다.In this specification, terms such as “include,” “comprising,” or “having” are intended to specify the presence of a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, but do not exclude in advance the possibility of the presence or addition of one or more other features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함하며, 본 명세서에서 사용한 "제 1", "제 2" 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. Also, throughout the specification, when a part is said to be "connected" to another part, this includes not only the case where it is "directly connected" but also the case where it is "indirectly connected" with another element in between, and terms that include ordinal numbers such as "first", "second", etc. used in this specification may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms.
아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략한다. Below, with reference to the attached drawings, embodiments of the present invention are described in detail so that those with ordinary skill in the art can easily practice the present invention. In addition, in order to clearly explain the present invention in the drawings, parts that are not related to the description are omitted.
한편, 본 명세서에서 발명의 명칭은 '무선 편향 전극을 이용한 플라즈마 발생 장치'로 기재하였으나, 이하 명세서에서는 설명의 편의를 위해 '무선 편향 전극을 이용한 플라즈마 발생 장치'는 '플라즈마 발생 장치'로 축약 지칭하여 설명하도록 한다.Meanwhile, the title of the invention in this specification is described as 'plasma generation device using a wireless deflection electrode', but in the following specification, for convenience of explanation, 'plasma generation device using a wireless deflection electrode' will be abbreviated as 'plasma generation device'.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치의 구성 요소들을 개략적으로 도시한 도면이고, 도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 송신부와 전력 수신부의 구성을 구체적으로 도시한 도면이고, 도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 편향 전극의 다양한 형태를 도시한 도면이다. FIG. 1 is a drawing schematically illustrating components of a plasma generating device according to one embodiment of the present invention, FIG. 2 is a drawing specifically illustrating the configuration of a power transmitter and a power receiver according to one embodiment of the present invention, and FIGS. 3 and 4 are drawings illustrating various forms of a deflection electrode according to the present invention.
도 1을 참조하면, 플라즈마 발생 장치(10)는 전력 송신측(100)과 전력 수신측(200)을 포함할 수 있으며, 구체적으로 전력 송신측(100)은 전력을 공급하는 전원(110)과, 전원(110)이 제공하는 전력을 송신하는 송신 코일(120)을 포함할 수 있으며, 전력 수신측(200)은 송신 코일(120)과 공진(resonate)하여 전력을 전송 받는 수신 코일(210)과, 수신 코일(210)이 전송 받은 전력이 제공되는 플라즈마 생성 챔버(220)와, 전력 송신측(100)과 공진하도록 공진 주파수를 제어하는 임피던스 조절부(230)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, the plasma generating device (10) may include a power transmitting side (100) and a power receiving side (200). Specifically, the power transmitting side (100) may include a power source (110) that supplies power and a transmitting coil (120) that transmits power provided by the power source (110). The power receiving side (200) may include a receiving coil (210) that receives power by resonating with the transmitting coil (120), a plasma generating chamber (220) in which the power received by the receiving coil (210) is provided, and an impedance adjusting unit (230) that controls a resonant frequency so as to resonate with the power transmitting side (100).
전력 송신측(100)은 플라즈마를 생성하기 위한 전력을 제공하는 전원(110)을 포함할 수 있다. 일 실시예로 전원(110)은 제1 주파수를 가지는 전압 및/또는 전류를 제공하며, 전원(110)이 제공하는 전력은 송신 코일(120)과 수신 코일(210)을 거쳐 플라즈마 생성 챔버(220)에 제공된다. 일 예로, 제1 주파수는 RF 대역의 주파수일 수 있다.The power transmission side (100) may include a power source (110) that provides power for generating plasma. In one embodiment, the power source (110) provides a voltage and/or current having a first frequency, and the power provided by the power source (110) is provided to the plasma generation chamber (220) through the transmitting coil (120) and the receiving coil (210). In one example, the first frequency may be a frequency of the RF band.
일 실시예에서, 전력 송신측(100)은 도면에 도시된 바와 같이 전력을 공급하는 전원(110)의 출력단의 임피던스(Zin1)와 송신 코일을 바라보는 임피던스(Zin2)를 매칭하는 임피던스 매칭부(IMB, 130)를 더 포함하도록 구성될 수 있다. In one embodiment, the power transmission side (100) may be configured to further include an impedance matching unit (IMB, 130) that matches the impedance (Zin1) of the output terminal of the power source (110) that supplies power and the impedance (Zin2) facing the transmission coil, as illustrated in the drawing.
임피던스 매칭부(130)는 전원(110)이 제공하는 전력 보다 높은 효율로 전력을 송신 코일(120)에 전달되도록 할 수 있다. 따라서, 송신 코일(120)은 전원(110)이 제공한 전력을 제공받고, 이를 전자기파의 형태로 변환한 후 전송할 수 있다.The impedance matching unit (130) can transmit power to the transmission coil (120) with a higher efficiency than the power provided by the power source (110). Accordingly, the transmission coil (120) can receive the power provided by the power source (110), convert it into the form of an electromagnetic wave, and then transmit it.
전력 수신측(200)은 전력 송신측(100)이 제공하는 전력을 제공받는 수신 코일(210)을 포함할 수 있다. 수신 코일(210)은 송신 코일(120)과 공진하거나 후술할 바와 같이 중간 코일(intermediate coil, 300, 도 3 참조)과 공진하여 전력을 제공받고 플라즈마 생성 챔버(220)에 제공할 수 있다. The power receiving side (200) may include a receiving coil (210) that receives power provided by the power transmitting side (100). The receiving coil (210) may receive power by resonating with the transmitting coil (120) or by resonating with an intermediate coil (300, see FIG. 3) as described below, and provide the power to the plasma generation chamber (220).
임피던스 조절부(230)는 커패시턴스(capapcitance)를 변화할 수 있는 가변 커패시터(Cx) 및 인덕턴스를 변화할 수 있는 가변 인덕터(Lx) 중 적어도 어느 하나를 포함하여 구성될 수 있으며, 수신 코일(210)의 양 끝단 중 어느 한곳에 배치될 수 있다.The impedance adjustment unit (230) may be configured to include at least one of a variable capacitor (Cx) capable of changing capacitance and a variable inductor (Lx) capable of changing inductance, and may be placed at either end of the receiving coil (210).
일 예로, 도 1에 도시된 바와 같이 임피던스 조절부(230)는 커패시터를 조절할 수 있는 가변 커패시터(Cx)와 인덕턴스를 조절할 수 있는 가변 인덕터(Lx)를 포함할 수 있다. 임피던스 조절부(230)는 가변 커패시터(Cx)와 가변 인덕터(Lx)의 인덕턴스를 제어하여 전원(110)이 제공하는 전압 및/또는 전류의 주파수에 공진하도록 공진 주파수를 제어할 수 있으며, 이러한 경우 하나 이상의 중간 코일(300)이 송신 코일(12)과 수신 코일(210) 사이에 위치하여도 공진 주파수는 변화하지 않아 전력 송수신 효율을 유지할 수 있는 장점이 존재한다. 따라서, 사용자는 임피던스 조절부(230)를 이용하여 편향 전극(240)을 교체하지 않고도 다양한 범위의 구동 주파수에 따른 전력을 사용할 수 있으며, 동시에 전력 수신측(200)이 여러 개의 송신 전력 중 특정 전력 만을 전송 받도록 할 수 있다.For example, as illustrated in FIG. 1, the impedance control unit (230) may include a variable capacitor (Cx) capable of controlling a capacitor and a variable inductor (Lx) capable of controlling an inductance. The impedance control unit (230) may control the inductance of the variable capacitor (Cx) and the variable inductor (Lx) to control the resonance frequency so as to resonate with the frequency of the voltage and/or current provided by the power source (110). In this case, even if one or more intermediate coils (300) are positioned between the transmitting coil (12) and the receiving coil (210), the resonance frequency does not change, so there is an advantage in that power transmission and reception efficiency can be maintained. Therefore, a user can use power according to a variety of driving frequencies without replacing the deflection electrode (240) by utilizing the impedance control unit (230), and at the same time, the power receiving side (200) can receive only specific power among multiple transmission powers.
플라즈마 생성 챔버(220)는 플라즈마(plasma)가 생성되는 공간으로서, 플라즈마 생성 챔버(220)의 하부에는 전도성 재질의 금속판인 편향 전극(240)과 편향 전극(240)에 대응되어 폐회로를 구성하게 되는 보조 전극(250)이 배치될 수 있다. The plasma generation chamber (220) is a space where plasma is generated. A deflection electrode (240), which is a metal plate made of a conductive material, and an auxiliary electrode (250) that forms a closed circuit corresponding to the deflection electrode (240) may be placed at the bottom of the plasma generation chamber (220).
편향 전극(bias electrode, 240)은 플라즈마 발생 챔버(220) 내부에서, 챔버 내부의 전압을 특정 방향으로 조절할 수 있다. 따라서, 사용자는 편향 전극(240)을 제어하여 플라즈마의 각종 변수들(플라즈마 밀도, 전자온도, 이온에너지, 쉬스전압 등)을 목적에 따라 제어할 수 있다. The bias electrode (240) can control the voltage inside the plasma generation chamber (220) in a specific direction. Accordingly, the user can control various variables of the plasma (plasma density, electron temperature, ion energy, sheath voltage, etc.) according to the purpose by controlling the bias electrode (240).
일 예로, 반도체 공정 장비에서 원통형 챔버 상부에 용량 결합 플라즈마(Capacitively coupled plasma, CCP)을 위한 접지 또는 전원 전극(ground/powered electrode)이 위치하거나 유도 결합 플라즈마(Inductively coupled plasma, ICP)를 위한 안테나 코일이 위치할 때, 편향 전극(240)은 플라즈마 발생 챔버(220)의 하부에 위치하여, 플라즈마 공정의 컨트롤 노브(control knob) 역할을 할 수 있다. For example, when a ground/powered electrode for capacitively coupled plasma (CCP) is positioned at the top of a cylindrical chamber in semiconductor processing equipment or an antenna coil for inductively coupled plasma (ICP) is positioned, the deflection electrode (240) may be positioned at the bottom of the plasma generation chamber (220) and may serve as a control knob for the plasma process.
그러나, 종래 기술에 따른 플라즈마 발생 장치에서 편향 전극은 전원과 유선으로 연결되어 있기 때문에 플라즈마 발생 챔버 내부에서 움직임에 한계가 존재한다. 더구나, 최근에는 전극의 크기가 커지거나 구동 주파수의 증가로 인해 전극내 필드 분포의 불균형 및 정상파 효과(standing wave)효과 등이 발생하여 플라즈마의 공정 결과가 예측과 다르게 변경되거나, 플라즈마 공정의 난이도가 높아짐에 따라 소량의 공간 불균일도가 생산 수율과 공정 결과에 미치는 영향이 커지고 있기 때문에, 편향 전극을 정밀하게 제어 할 수 필요가 있음에도 불구하고, 종래 기술에 의할 경우 편향 전극이 유선으로 연결되어 있어 이를 해결하지 못하는 문제점이 존재하였다.However, in the plasma generation device according to the prior art, since the deflection electrode is connected to the power source by a wire, there is a limit to its movement inside the plasma generation chamber. Furthermore, recently, due to the increase in the size of the electrode or the increase in the driving frequency, an imbalance in the field distribution within the electrode and a standing wave effect occur, which causes the plasma process result to change differently from the prediction, or as the difficulty of the plasma process increases, the influence of a small amount of spatial non-uniformity on the production yield and the process result increases. Therefore, although it is necessary to precisely control the deflection electrode, there has been a problem in that this cannot be resolved in the case of the prior art because the deflection electrode is connected by a wire.
그러나, 본 발명에 따른 편향 전극(240)은 도면에 도시된 바와 같이 유선으로 전원과 연결되어 있는 것이 아니라, 무선으로 전력으로 공급 받을 수 있는 형태로 구현되었기 때문에, 플라즈마 발생 챔버(220) 내부에서 편향 전극(240)이 비교적 자유롭게 이동하거나 회전할 수 있다. 따라서, 사용자는 이러한 특성을 이용하여 플라즈마 발생 챔버(220) 내부에서 플라즈마의 발생 밀도를 정밀하게 제어할 수 있는 장점이 존재한다However, since the deflection electrode (240) according to the present invention is implemented in a form that can be supplied with power wirelessly rather than being connected to a power source by wire as shown in the drawing, the deflection electrode (240) can move or rotate relatively freely inside the plasma generation chamber (220). Therefore, the user has the advantage of being able to precisely control the generation density of plasma inside the plasma generation chamber (220) by utilizing this characteristic.
따라서, 본 발명은 이러한 목적을 달성하기 위해 편향 전극(240)과 보조 전극(250)을 제어할 수 있는 제어부(260)를 더 포함할 수 있다. Accordingly, the present invention may further include a control unit (260) capable of controlling the deflection electrode (240) and the auxiliary electrode (250) to achieve this purpose.
구체적으로, 제어부(260)는 편향 전극(240)과 보조 전극(250) 중 적어도 하나의 전극을 수평 이동, 수직 이동 및 회전 이동시킬 수 있으며, 더 나아가 틸팅(tilting) 제어도 할 수 있다. 일 예로, 도 3에 도시된 바와 같이 제어부(260)는 보조 전극(250)은 이동시키지 않은 채, 편향 전극(240)은 수직으로 이동시킬 수 있으며, 도 4에 도시된 바와 같이 보조 전극(250)은 이동시키지 않은 채, 편향 전극(240)은 일정한 각도만큼 틸딩 되게 제어할 수 도 있다. Specifically, the control unit (260) can horizontally move, vertically move, and rotate at least one of the deflection electrode (240) and the auxiliary electrode (250), and further can perform tilting control. For example, as illustrated in FIG. 3, the control unit (260) can vertically move the deflection electrode (240) without moving the auxiliary electrode (250), and as illustrated in FIG. 4, the control unit (260) can control the deflection electrode (240) to be tilted by a certain angle without moving the auxiliary electrode (250).
한편, 도면에는 도시하지 않았지만, 제어부(260)는 편향 전극(240)은 이동시키지 않은 채, 보조 전극(250)만 상하 또는 좌우로 이동시키거나 회전시킬 수 있다. Meanwhile, although not shown in the drawing, the control unit (260) can move or rotate only the auxiliary electrode (250) up and down or left and right without moving the deflection electrode (240).
또한, 도면에서는 제어부(260)가 플라즈마 발생 챔버(220) 내부에 배치되는 것으로 도시하였으나, 본 발명의 실시예가 이로 한정되는 것은 아니고, 제어부(260)는 플라즈마 발생 챔버(220)와 전기적으로 연결되면서, 플라즈마 발생 챔버(220) 외부에 배치될 수 도 있다. 이러한 형태로 제어부(260)가 배치되는 경우, 제어부(260)와 플라즈마 발생 챔버(220)가 연결되는 선을 통해 임피던스 조절부(230) 또한 연결될 수 있다. 따라서, 이러한 경우 플라즈마 발생 챔버(220) 외부에서 임피던스를 조절할 수 있으며, 수냉식 물관이 플라즈마 발생 챔버(220)와 연결될 수 도 있다.In addition, although the drawing illustrates that the control unit (260) is disposed inside the plasma generation chamber (220), the embodiment of the present invention is not limited thereto, and the control unit (260) may be disposed outside the plasma generation chamber (220) while being electrically connected to the plasma generation chamber (220). When the control unit (260) is disposed in this manner, the impedance adjustment unit (230) may also be connected via a line connecting the control unit (260) and the plasma generation chamber (220). Therefore, in this case, the impedance can be adjusted outside the plasma generation chamber (220), and a water-cooling water pipe may be connected to the plasma generation chamber (220).
한편, 편향 전극(240)과 보조 전극(250)은 원통형으로 구현될 수 있으며, 도 1에 도시된 바와 같이 보조 전극(250)은 편향 전극(240)보다 더 큰 직경을 가지는 원통으로 편향 전극(240)과 일정한 이격 거리를 가진 채로 플라즈마 생성 챔버(220)의 내부에 배치될 수 있다. 또한, 편향 전극(240)과 보조 전극(250)은 하나의 전극으로 구현되거나, 각각 복수개의 전극이 병렬적으로 연결된 형태로 구현될 수 도 있다. Meanwhile, the deflection electrode (240) and the auxiliary electrode (250) may be implemented in a cylindrical shape, and as illustrated in FIG. 1, the auxiliary electrode (250) may be positioned inside the plasma generation chamber (220) as a cylinder having a larger diameter than the deflection electrode (240) and having a predetermined distance from the deflection electrode (240). In addition, the deflection electrode (240) and the auxiliary electrode (250) may be implemented as one electrode, or may be implemented as a form in which multiple electrodes are connected in parallel.
한편, 편향 전극(240)에는 자기바이어스(self-bias) 효과를 발생시키기 위한 블로킹 캐패시터(blocking capacitor)가 접지 연결되어 있을 수 있다. 이 때, 편향 전극(240)의 총 면적(A1)과 보조 전극(250)의 총 면적(A2)이 서로 같은 경우(A1=A2) 편향 전극(240)과 보조 전극(250)에 인가되는 전압도 같게 되지만, 편향 전극(240)의 총 면적(A1)과 보조 전극(250)의 총 면적(A2)이 다를 경우에는 편향 전극의 전압(V1)과 보조 전극의 전압(V2)의 비는 V1/V2=(A2/A1)^4 이 된다.Meanwhile, a blocking capacitor may be connected to the ground in the deflection electrode (240) to generate a self-bias effect. At this time, when the total area (A1) of the deflection electrode (240) and the total area (A2) of the auxiliary electrode (250) are the same (A1=A2), the voltages applied to the deflection electrode (240) and the auxiliary electrode (250) are the same, but when the total area (A1) of the deflection electrode (240) and the total area (A2) of the auxiliary electrode (250) are different, the ratio of the voltage (V1) of the deflection electrode and the voltage (V2) of the auxiliary electrode becomes V1/V2=(A2/A1)^4.
즉, 편향 전극(240)의 면적이 상대적으로 보조 전극(250)의 면적보다 작을수록 편향 전극(240)에는 상대적으로 높은 전압이 걸리게 된다. 따라서, 플라즈마 발생 챔버(220) 내부에 접지 면적과 전극의 접지 위치를 고려하여 전압이 결정될 수 있다. That is, the smaller the area of the deflection electrode (240) is than the area of the auxiliary electrode (250), the higher the voltage is applied to the deflection electrode (240). Accordingly, the voltage can be determined by considering the grounding area and the grounding position of the electrode inside the plasma generation chamber (220).
플라즈마 생성 챔버(220)는 플라즈마를 형성하기 위한 가스 유입구(I)를 더 포함할 수 있다. 가스 유입구(I)를 통하여 플라즈마 생성 챔버(220)의 내부에 가스가 제공되며, 제공되는 가스는 아르곤(Ar), 산소(O2), 질소(N2), 헬륨(He), 제논(Xe), CF 계열의 가스 중 어느 하나 이상일 수 있다.The plasma generation chamber (220) may further include a gas inlet (I) for forming plasma. Gas is provided into the interior of the plasma generation chamber (220) through the gas inlet (I), and the provided gas may be at least one of argon (Ar), oxygen (O2), nitrogen (N2), helium (He), xenon (Xe), and CF series gases.
또한, 플라즈마 생성 챔버(220)는 챔버 내부를 진공에 가까운 압력으로 유지하기 위하여 진공 펌프(vacuum pump)와 연결하기 위한 유출구(O)를 더 포함할 수 있다. 진공 펌프는 유출구(O)와 연결되어 플라즈마 생성 챔버(220) 내부의 압력을 수 mTorr ~ 수십 mTorr로 유지할 수 있다.In addition, the plasma generation chamber (220) may further include an outlet (O) for connecting to a vacuum pump to maintain the inside of the chamber at a pressure close to vacuum. The vacuum pump is connected to the outlet (O) and can maintain the pressure inside the plasma generation chamber (220) at several mTorr to several tens of mTorr.
플라즈마 생성 챔버(220)는 가스 유입구(I)로 가스를 주입하고, 수신 코일(210)로부터 전력을 제공받고 방전하여 플라즈마를 생성할 수 있다. 따라서, 도 1에 도시된 바와 같이 편향 전극(240)과 보조 전극(250)은 이격되어 배치되므로 전기적으로 커패시터(capacitor)로 모델링 될 수 있다. The plasma generation chamber (220) can generate plasma by injecting gas into the gas inlet (I), receiving power from the receiving coil (210), and discharging. Accordingly, as shown in Fig. 1, the deflection electrode (240) and the auxiliary electrode (250) are spaced apart from each other and can be electrically modeled as a capacitor.
커패시터로 모델 가능한 플라즈마 생성 챔버(220)에서 생성되는 플라즈마는 용량 결합성 플라즈마로 분류될 수 있다. 일 예로, 용량 결합성 플라즈마는 반도체, 디스플레이 장치의 식각, 증착 등의 제조 설비와 살균, 소독 등의 의료 분야에 유용하게 활용될 수 있다.The plasma generated in the plasma generation chamber (220) that can be modeled as a capacitor can be classified as a capacitively coupled plasma. For example, the capacitively coupled plasma can be usefully utilized in manufacturing facilities for etching and deposition of semiconductors and display devices, and in the medical field for sterilization and disinfection.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치의 구성 요소들을 개략적으로 도시한 도면이다. FIG. 5 is a drawing schematically illustrating components of a plasma generating device according to another embodiment of the present invention.
도 5를 참조하면, 도 5에 따른 플라즈마 발생 장치의 기본적인 구성은 도 1 내지 도 4를 통해 설명하였던 구성과 대부분과 동일하나, 송신 코일(120)과 수신 코일(210) 사이에 중간 코일(intermediate coil, 300)이 위치하는 것에 특징이 존재한다. 도 5에서 중간 코일(300)의 비이상적인 특성에 의한 등가 저항과 등가 커패시터는 각각 도면에 Req와 Ceq로 도시하여 표시하였다. Referring to FIG. 5, the basic configuration of the plasma generating device according to FIG. 5 is mostly the same as the configuration described through FIGS. 1 to 4, but is characterized in that an intermediate coil (300) is positioned between the transmitting coil (120) and the receiving coil (210). In FIG. 5, the equivalent resistance and equivalent capacitor due to the non-ideal characteristics of the intermediate coil (300) are indicated as Req and Ceq in the drawing, respectively.
자기 공명 방식 전력 전송 방식에 있어서 송신 코일(120)과 수신 코일(210)이 접촉하지 않고 50cm 이하의 미드 레인지(mid-range)로 이격되어도 전력 송수신이 가능하다. 그러나, 송신 코일(120)과 수신 코일(210)이 전력 송수신이 가능한 범위를 넘어서 이격되어 배치되면 전력 송수신의 효율이 감소하는 문제점이 존재한다.In the magnetic resonance power transmission method, power transmission and reception are possible even if the transmitting coil (120) and the receiving coil (210) do not contact each other and are separated by a mid-range of 50 cm or less. However, if the transmitting coil (120) and the receiving coil (210) are separated by a distance exceeding the range in which power transmission and reception are possible, there is a problem in that the efficiency of power transmission and reception decreases.
그러나, 도 5에 도시된 바와 같이 중간 코일(300)이 송신 코일(120)과 수신 코일(210) 사이에 위치하는 경우, 이격된 거리에 따른 전력 송수신의 효율을 보상할 수 있는 장점이 존재한다. 중간 코일(300)이 배치됨에 따라 중간 코일(300) 없이 송신 코일(120)과 수신 코일(210) 사이의 전력 송수신 가능한 거리를 두 배 이상 확장할 수 있는 효과가 존재한다.However, when the intermediate coil (300) is positioned between the transmitting coil (120) and the receiving coil (210) as shown in Fig. 5, there is an advantage in that the efficiency of power transmission and reception according to the distance separated can be compensated. As the intermediate coil (300) is positioned, there is an effect in that the distance that power can be transmitted and received between the transmitting coil (120) and the receiving coil (210) without the intermediate coil (300) can be expanded by more than two times.
또한, 하나 이상의 중간 코일(300)들을 송신 코일(120)과 수신 코일(210) 사이에 배치할 수 있는데, 이러한 경우에는 배치된 중간 코일(300)들의 개수에 따라 전력 전송 가능한 거리를 확장할 수 있다.Additionally, one or more intermediate coils (300) can be placed between the transmitting coil (120) and the receiving coil (210), in which case the distance over which power can be transmitted can be expanded depending on the number of intermediate coils (300) placed.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치의 자기 선속 밀도 및 포텐셜 전압에 관한 실험 결과를 도시한 도면으로서, 구체적으로 고정된 상부 전력에서 전극 위치가 상부 쿼츠에서부터 플라즈마 발생 챔버의 길이가 4 cm부터 8 cm까지 증가할 때, 플라즈마 발생 챔버 내부의 자기 선속 밀도와 전압의 포텐셜 분포를 시뮬레이션 한 결과이다. FIG. 6 is a diagram illustrating experimental results regarding magnetic flux density and potential voltage of a plasma generating device according to one embodiment of the present invention. Specifically, it is a result of simulating the potential distribution of magnetic flux density and voltage inside a plasma generating chamber when the electrode position increases from the upper quartz to the length of the plasma generating chamber from 4 cm to 8 cm at a fixed upper power.
도 6을 참조하면, 플라즈마 발생 챔버(220)의 중심(그림의 좌측 끝)부터 챔버 내벽(그림의 우측 끝)까지의 자기 선속 밀도와 포텐셜은 이차원 분포를 보여주고 있으며, 그래프에 표현된 바와 같이 전극의 위치를 변경해 주면 자기 선속 밀도 및 포텐셜 분포가 변경되며 전극의 바로 위 웨이퍼 레벨에서 분포가 변함을 알 수 있다. 즉, 본 발명에 따라 편향 전극(240)의 위치를 변경하는 경우 이에 따라 플라즈마의 발생 밀도가 실제로 변경되었음을 알 수 있다. Referring to FIG. 6, the magnetic flux density and potential from the center of the plasma generation chamber (220) (the left end of the figure) to the inner wall of the chamber (the right end of the figure) show a two-dimensional distribution, and as expressed in the graph, when the position of the electrode is changed, the magnetic flux density and potential distribution are changed, and it can be seen that the distribution changes at the wafer level right above the electrode. That is, it can be seen that when the position of the deflection electrode (240) is changed according to the present invention, the generation density of the plasma is actually changed accordingly.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치에서, 전극 위치 변경에 따른 플라즈마 밀도 및 전자 온도 변화를 도시한 그래프이다.FIG. 7 is a graph showing changes in plasma density and electron temperature according to changes in electrode positions in a plasma generating device according to one embodiment of the present invention.
도 7의 (a)를 참조하면, 도 7의 (a)와 같은 조건에서 전극의 위치가 변경된 경우, 플라즈마 밀도 및 전자 온도가 변화되는 것을 알 수 있다. 구체적으로, 전극의 위치가 제일 멀 때(8cm)는 플라즈마의 밀도는 챔버의 중심에서 가장 높고 외각(edge)에서 가장 낮은 분포를 가지게 된다. 하지만 편향 전극을 점점 상승시킬수록 챔버의 중심에서의 밀도는 낮아지고, 외각 쪽의 플라즈마의 밀도는 증가됨을 알 수 있다. Referring to Fig. 7 (a), it can be seen that when the position of the electrode is changed under the same conditions as Fig. 7 (a), the plasma density and electron temperature change. Specifically, when the position of the electrode is the furthest (8 cm), the plasma density has the highest distribution at the center of the chamber and the lowest distribution at the edge. However, as the deflection electrode is gradually raised, the density at the center of the chamber decreases and the plasma density at the edge increases.
또한, 도 7의 (b)를 참조하면, 편향 전극(240)이 챔버 내부에서 상승함에 따라 웨이퍼 수준에서 낮음을 알 수 있지만, 편향 전극(240)이 점점 상승할수록 상부 안테나 코일의 위치로 인해 웨이퍼의 외각 부분의 전자 온도가 상승하게 되는 것을 알 수 있다. Also, referring to (b) of FIG. 7, it can be seen that the temperature at the wafer level is low as the deflection electrode (240) rises inside the chamber, but as the deflection electrode (240) rises further, the electron temperature at the outer portion of the wafer increases due to the position of the upper antenna coil.
또한, 안테나는 전압 인가부와 접지부가 존재하기 때문에 안테나 상에 전압 강하가 발생하게 되고, 이는 전극이 상승했을 때 웨이퍼 수준에서 매우 다른 플라즈마 및 전기적 특성 분포를 보일 수 있다. 따라서, 이를 해결하기 위해 본 발명에서처럼 편향 전극(240)을 이동시키거나 회전시키면 챔버 내부에서 매우 균일한 웨이퍼 수준에서 전체 플라즈마의 평균된 특성을 이용할 수 있는 장점이 존재한다. In addition, since the antenna has a voltage application portion and a ground portion, a voltage drop occurs on the antenna, which may result in a very different plasma and electrical characteristic distribution at the wafer level when the electrode is raised. Therefore, to solve this problem, as in the present invention, by moving or rotating the deflection electrode (240), there is an advantage in that the average characteristics of the entire plasma can be utilized at the wafer level, which is very uniform, inside the chamber.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 조절부의 캐패시턴스 변화율에 따른 정규화된 이온 선속 및 플라즈마 밀도를 도시한 도면으로서 구체적으로, 임피던스 조절부의 캐패시턴스 변화율에 따른 정규화된 이온 선속 및 플라즈마 밀도를 챔버의 중심에서 측정한 결과이다. FIG. 8 is a diagram illustrating normalized ion flux and plasma density according to the capacitance change rate of an impedance control unit according to one embodiment of the present invention. Specifically, it is a result of measuring normalized ion flux and plasma density according to the capacitance change rate of the impedance control unit at the center of the chamber.
도 8을 참조하면, 캐패시턴스가 변화함에 따라 플라즈마 밀도가 상당히 많이 변하며 정규화된 이온 선속 또한 플라즈마 밀도와 매우 비슷한 경향을 가지는 것을 알 수 있다. 이 결과들을 통해 공정 중 편향 전극의 위치를 실시간으로 제어 할 수 있다면, 같은 전력이 인가된 플라즈마 방전이라고 해도 전혀 다른 공정 결과를 보일 수 있다는 것을 알 수 있다.Referring to Fig. 8, it can be seen that the plasma density changes significantly as the capacitance changes, and that the normalized ion flux also has a very similar trend to the plasma density. These results show that if the position of the bias electrode can be controlled in real time during the process, even if the plasma discharge is applied with the same power, completely different process results can be shown.
지금까지 도면을 통해 일 실시예에 따른 무선 편향 전극을 이용한 플라즈마 발생 장치에 대해 자세히 알아보았다. So far, we have looked in detail at a plasma generating device using a wireless biasing electrode according to one embodiment through drawings.
일 실시예에 따른 무선 편향 전극을 이용한 플라즈마 발생 장치는 챔버 내부의 편향 전극이 전원부에 유선으로 연결되는 구조가 아닌, 복수의 코일을 이용해 자기공명 무선전력방식으로 전력을 공급받는 무선 연결 구조를 취하고 있기 때문에, 챔버 내부에서 편향 전극이 자유롭게 이동하거나 회전할 수 있는 장점이 존재한다.A plasma generating device using a wireless biasing electrode according to one embodiment has a wireless connection structure in which power is supplied through a magnetic resonance wireless power method using a plurality of coils, rather than a structure in which the biasing electrode inside the chamber is connected to a power source by wires, and therefore has the advantage of allowing the biasing electrode to move or rotate freely inside the chamber.
이에 따라, 챔버 내부에서 편향 전극이 자유롭게 이동될 수 있기 때문에, 챔버 내부에서 발생하는 플라즈마의 밀도를 종래 기술보다 쉽게 제어할 수 있고 면밀하게 제어할 수 있는 장점이 존재한다. Accordingly, since the biasing electrode can move freely inside the chamber, there is an advantage in that the density of plasma generated inside the chamber can be controlled more easily and more closely than with conventional technologies.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 컨트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 컨트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.The devices described above may be implemented as hardware components, software components, and/or a combination of hardware components and software components. For example, the devices and components described in the embodiments may be implemented using one or more general-purpose computers or special-purpose computers, such as, for example, a processor, a controller, an arithmetic logic unit (ALU), a digital signal processor, a microcomputer, a field programmable array (FPA), a programmable logic unit (PLU), a microprocessor, or any other device capable of executing instructions and responding to them. The processing device may execute an operating system (OS) and one or more software applications running on the operating system. In addition, the processing device may access, store, manipulate, process, and generate data in response to the execution of the software. For ease of understanding, the processing device is sometimes described as being used alone, but those skilled in the art will appreciate that the processing device may include multiple processing elements and/or multiple types of processing elements. For example, the processing device may include multiple processors, or one processor and one controller. Additionally, other processing configurations, such as parallel processors, are also possible.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치에 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.The software may include a computer program, code, instructions, or a combination of one or more of these, which may configure a processing device to perform a desired operation or may independently or collectively command the processing device. The software and/or data may be embodied in any type of machine, component, physical device, virtual equipment, computer storage medium, or device for interpretation by the processing device or for providing instructions or data to the processing device. The software may be distributed over network-connected computer systems and stored or executed in a distributed manner. The software and data may be stored on one or more computer-readable recording media.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다.. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.The method according to the embodiment may be implemented in the form of program commands that can be executed through various computer means and recorded on a computer-readable medium. Examples of the computer-readable recording medium include magnetic media such as hard disks, floppy disks, and magnetic tapes, optical media such as CD-ROMs and DVDs, magneto-optical media such as floptical disks, and hardware devices specifically configured to store and execute program commands, such as ROMs, RAMs, flash memories, and the like. Examples of program commands include not only machine language codes generated by a compiler, but also high-level language codes that can be executed by a computer using an interpreter, etc.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. 그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속할 수 있다. Although the embodiments have been described above by way of limited examples and drawings, those skilled in the art can make various modifications and variations from the above description. For example, appropriate results can be achieved even if the described techniques are performed in a different order from the described method, and/or components of the described system, structure, device, circuit, etc. are combined or combined in a different form from the described method, or are replaced or substituted by other components or equivalents. Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims may also fall within the scope of the following claims.
10: 플라즈마 발생 장치
100 : 전력 수신부
110: 전원
120: 송신 코일
200: 전력 수신부
210: 수신 코일
220 : 플라즈마 생성 챔버
230: 임피던스 조절부
240: 편향 전극
250: 보조 전극10: Plasma generator
100 : Power receiver
110: Power
120: Transmitter coil
200: Power receiver
210: Receiver coil
220: Plasma generation chamber
230: Impedance control unit
240: Biasing Electrode
250: Auxiliary electrode
Claims (15)
상기 플라즈마 발생 챔버로 전력을 공급하는 전원;
상기 전원이 제공하는 전력을 송신하는 송신 코일;
상기 송신 코일로부터 전력을 수신하는 수신 코일;
상기 플라즈마 발생 챔버의 내부에 배치되며, 상기 수신 코일과 전기적으로 연결되어 있는 편향 전극;
상기 편향 전극과 이격되어 배치되어 전기적으로 페루프를 형성시키는 보조 전극; 및
상기 편향 전극의 수평이동, 수직이동, 회전 및 틸팅(Tilting) 중 적어도 하나를 제어하는 제어부;를 포함하고,
상기 제어부는,
상기 플라즈마 발생 챔버 내부의 플라즈마가 균일하지 못하다고 판단된 경우, 상기 편향 전극을 위 또는 아래로 이동을 포함하는 것을 특징으로 하는,
무선 편향 전극을 이용한 플라즈마 발생 장치.A plasma generation chamber where plasma is generated;
A power source for supplying power to the plasma generation chamber;
A transmitting coil for transmitting power provided by the above power source;
A receiving coil that receives power from the transmitting coil;
A deflection electrode positioned inside the plasma generation chamber and electrically connected to the receiving coil;
An auxiliary electrode arranged spaced apart from the above deflection electrode to form an electrical perovskite; and
A control unit for controlling at least one of horizontal movement, vertical movement, rotation, and tilting of the above-mentioned deflection electrode;
The above control unit,
If it is determined that the plasma inside the plasma generation chamber is not uniform, characterized in that it includes moving the deflection electrode up or down.
A plasma generating device using a wireless biasing electrode.
상기 수신 코일과 상기 편향 전극 사이에 배치되어, 공진 주파수를 제어하는 임피던스 조절부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
무선 편향 전극을 이용한 플라즈마 발생 장치.In paragraph 1,
It is characterized by further including an impedance control unit disposed between the receiving coil and the deflection electrode to control the resonance frequency;
A plasma generating device using a wireless biasing electrode.
상기 전원과 상기 송신 코일의 임피던스를 매칭하는 임피던스 매칭부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
무선 편향 전극을 이용한 플라즈마 발생 장치.In the second paragraph,
It is characterized by further including an impedance matching unit that matches the impedance of the power source and the transmitting coil;
A plasma generating device using a wireless biasing electrode.
상기 편향 전극과 상기 보조 전극은,
각각 복수 개의 병렬 전극으로 구성되는 것을 특징으로 하는,
무선 편향 전극을 이용한 플라즈마 발생 장치.In paragraph 1,
The above deflection electrode and the above auxiliary electrode,
characterized in that each is composed of a plurality of parallel electrodes,
A plasma generating device using a wireless biasing electrode.
상기 편향 전극과 상기 보조 전극은 전도성 물질이며, 상기 플라즈마 발생 챔버는 커패시터로 모델링 되는 것을 특징으로 하는,
무선 편향 전극을 이용한 플라즈마 발생 장치.In paragraph 5,
The above-mentioned deflection electrode and the above-mentioned auxiliary electrode are made of conductive materials, and the plasma generation chamber is characterized by being modeled as a capacitor.
A plasma generating device using a wireless biasing electrode.
상기 송신 코일과 상기 수신 코일은,
자기공명 무선전력전송 방식(MRWPT)으로 전력을 전달하는 것을 특징으로 하는,
무선 편향 전극을 이용한 플라즈마 발생 장치.In paragraph 1,
The above transmitting coil and the above receiving coil,
Characterized in that it transmits power using magnetic resonance wireless power transfer (MRWPT).
A plasma generating device using a wireless biasing electrode.
상기 제어부는,
상기 편향 전극의 면적과 상기 보조 전극의 면적의 비를 기초로 상기 편향 전극과 상기 보조 전극에 인가되는 전압의 크기를 제어하는 것을 특징으로 하는,
무선 편향 전극을 이용한 플라즈마 발생 장치.In paragraph 1,
The above control unit,
Characterized in that the size of the voltage applied to the deflection electrode and the auxiliary electrode is controlled based on the ratio of the area of the deflection electrode and the area of the auxiliary electrode.
A plasma generating device using a wireless biasing electrode.
상기 플라즈마 발생 챔버로 전력을 공급하는 전원;
상기 전원이 제공하는 전력을 송신하는 송신 코일;
상기 송신 코일로부터 전력을 수신하는 수신 코일;
상기 플라즈마 발생 챔버의 내부에 배치되며, 상기 수신 코일과 전기적으로 연결되어 있는 편향 전극;
상기 편향 전극과 이격되어 배치되어 전기적으로 페루프를 형성시키는 보조 전극;
상기 수신 코일과 상기 편향 전극 사이에 배치되어, 공진 주파수를 제어하는 임피던스 조절부; 및
상기 편향 전극의 수평이동, 수직이동, 회전 및 틸팅(Tilting) 중 적어도 하나를 제어하고, 상기 임피던스 조절부의 임피던스를 조절하며, 상기 플라즈마 발생 챔버의 외부에 위치하는 제어부;를 포함하고,
상기 제어부는,
상기 플라즈마 발생 챔버 내부의 플라즈마가 균일하지 못하다고 판단된 경우, 상기 편향 전극을 위 또는 아래로 이동시키는 것을 특징으로 하는,
무선 편향 전극을 이용한 플라즈마 발생 장치.A plasma generation chamber where plasma is generated;
A power source for supplying power to the plasma generation chamber;
A transmitting coil for transmitting power provided by the above power source;
A receiving coil that receives power from the transmitting coil;
A deflection electrode positioned inside the plasma generation chamber and electrically connected to the receiving coil;
An auxiliary electrode arranged spaced apart from the above deflection electrode to form an electrical perovskite;
An impedance control unit disposed between the receiving coil and the deflection electrode to control the resonant frequency; and
A control unit that controls at least one of horizontal movement, vertical movement, rotation and tilting of the above-mentioned deflection electrode, controls the impedance of the above-mentioned impedance control unit, and is located outside the above-mentioned plasma generation chamber;
The above control unit,
If it is determined that the plasma inside the plasma generation chamber is not uniform, characterized in that the deflection electrode is moved up or down.
A plasma generating device using a wireless biasing electrode.
상기 플라즈마 발생 챔버로 전력을 공급하는 전원;
상기 전원이 제공하는 전력을 송신하는 송신 코일;
상기 송신 코일로부터 전력을 수신하는 수신 코일;
상기 송신 코일과 상기 수신 코일 사이에 위치하는 중간 코일;
상기 플라즈마 발생 챔버의 내부에 배치되며, 상기 수신 코일과 전기적으로 연결되어 있는 편향 전극;
상기 편향 전극과 이격되어 배치되어 전기적으로 페루프를 형성시키는 보조 전극; 및
상기 편향 전극의 수평이동, 수직이동, 회전 및 틸팅(Tilting) 중 적어도 하나를 제어하는 제어부;를 포함하고,
상기 제어부는,
상기 플라즈마 발생 챔버 내부의 플라즈마가 균일하지 못하다고 판단된 경우, 상기 편향 전극을 위 또는 아래로 이동시키는 것을 특징으로 하는,
무선 편향 전극을 이용한 플라즈마 발생 장치.A plasma generation chamber where plasma is generated;
A power source for supplying power to the plasma generation chamber;
A transmitting coil for transmitting power provided by the above power source;
A receiving coil that receives power from the transmitting coil;
An intermediate coil positioned between the transmitting coil and the receiving coil;
A deflection electrode positioned inside the plasma generation chamber and electrically connected to the receiving coil;
An auxiliary electrode arranged spaced apart from the above deflection electrode to form an electrical perovskite; and
A control unit for controlling at least one of horizontal movement, vertical movement, rotation, and tilting of the above-mentioned deflection electrode;
The above control unit,
If it is determined that the plasma inside the plasma generation chamber is not uniform, characterized in that the deflection electrode is moved up or down.
A plasma generating device using a wireless biasing electrode.
상기 수신 코일과 상기 편향 전극 사이에 배치되어, 공진 주파수를 제어하는 임피던스 조절부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
무선 편향 전극을 이용한 플라즈마 발생 장치.In Article 11,
It is characterized by further including an impedance control unit disposed between the receiving coil and the deflection electrode to control the resonance frequency;
A plasma generating device using a wireless biasing electrode.
상기 송신 코일, 상기 중간 코일 및 상기 수신 코일은,
자기공명 무선전력전송 방식(MRWPT)으로 전력을 전달하는 것을 특징으로 하는,
무선 편향 전극을 이용한 플라즈마 발생 장치.In Article 11,
The above transmitting coil, the intermediate coil and the receiving coil,
Characterized in that it transmits power using magnetic resonance wireless power transfer (MRWPT).
A plasma generating device using a wireless biasing electrode.
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