1. 서 론

최근 반도체 소자의 미세화, 3차원화 및 구조의 복잡성 증대로 인하여 반도체 공정 흐름도의 복잡성 또한 증가하고 있다^[1-2]. 이에 따라 상대적 저온 환경에서 공정이 가능한 플라즈마 증착 공정에 관한 수요가 증가하고 있으며, 특히 고밀도 박막 특성이 우수한 초고주파 플라즈마 발생 장치를 활용한 공정에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다^[1]. 초고주파 플라즈마 장비 기반의 증착 공정법은 반도체 소자 내 mobile ion 및 mositure에 관한 barrier 특성이 우수한 질화막 형성 및 고종횡비 식각을 위한 carbon 기반의 hard mask 박막 제조에 주로 적용되고 있다^[2].

초고주파 기반의 플라즈마 화학기상증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Depostion, PECVD) 장비는 낮은 공정 온도 환경과 더불어 고속의 고밀도 박막 형성이 용이, 낮은 비저항 특성을 가지는 thin film 증착 공정이 가능한 장점 등으로 인하여 수소화된 질화 실리콘(SiNxHy) 박막의 성장에 선호되고 있다^[1-2]. 특히, 기존의 저압 화학 기상 증착 LPCVD (Low Pressure CVD) 법을 사용한 공정온도 환경(700~800℃)보다 박막 제조 공정 시 상대적으로 낮은 기판 온도(400℃이하)에서 공정이 가능한 장점을 가진다.

초고주파 기반 PECVD 공정 법은 플라즈마 발생을 통하여 다량의 고반응성 활성종 생성을 가능하게 함으로써, 기존 증착 공정 대비 낮은 공정 온도 환경을 조성하여 기존의 높은 공정 환경에서 발생되던 의도되지 않은 열 문제 및 반도체 공정 설계 시 후속 공정의 높은 온도 환경에 의한 소자 열손상 가능성을 줄여준다^[2].

초고주파 기반의 플라즈마 발생 장비는 1-100GHz 주파수로 구동되며 전자기파 (Electromagnetic wave)의 전파를 기반으로 에너지를 전달하여 전자를 가열시키는 방법으로 플라즈마를 발생 및 유지 시키는 장치를 뜻한다. 초고주파 기반의 고효율 플라즈마 장비는 자기장 유무에 따라 크게 자기장을 이용한 전자 싸이클로트론 공명 플라즈마(Electron Cyclotron Resonance, ECR) 발생 방식과 싸이클로트론 공명을 사용하지 않는 surface wave mode 방식으로 분류된다. 일반적으로 비교적 높은 공정 압력대(100mTorr ~ 1Torr)에서 공정이 진행되는 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 장비를 활용한 Nitride 박막 생성 및 hard mask 제조 공정에서는 주로 surface wave 기반 형태의 장비가 사용되고 있다^[1].

플라즈마의 유전상수(dielectric constant)는 충돌이 적은 환경에서 $\varepsilon_{p}=\varepsilon_{0}[1-(\omega_{pe}^{2}/\omega(\omega -j\nu_{m}))]$ 구동 주파수 및 전자밀도의 값에 의존하여 변화하는 특성을 나타낸다^[1-4]. 플라즈마의 진동수와 초고주파의 구동 주파수가 근접한 환경에서는 전자밀도가 상승함에 따라 플라즈마의 유전상수 값이 1이하로 떨어지며, 특정 밀도(critical density)에서는 0에 수렴하는 특성을 보인다. 특히, 일반적으로 초고주파 플라즈마 발생에 장비에 사용되는 2.45GHz 주파수로 전원이 구동되는 조건에서는 전자밀도 ncr(critical density)= 7.6 x 1016 [1/m3]에서 플라즈마의 유전상수 값이 0으로 수렴하는 현상이 나타난다^[4]. 방전 개시 이후 이온화에 따른 플라즈마 밀도가 상승 도중, 해당 전자밀도(critical density) 영역에서는 구동 전원으로부터 플라즈마 발생 부로의 에너지 전달을 위한 전자기파의 진행 및 전파가 어려운 특성이 나타난다.

초고주파 구동 환경에서 critical density 이상의 플라즈마 밀도 생성을 위한 방법으로 surface wave mode 구현을 통한 전자기파 전파 방식을 주로 사용한다. surface wave mode는 cut-off 현상이 발생하는 ncr 영역 이상의 전자밀도 생성을 가능하게 하는 방법으로, TM mode 전파를 기반으로 형성된다. 양의 유전상수 값을 가지는 평판형 유전체 ($\varepsilon_{d}>0$) 기판과 플라즈마($\varepsilon_{p}<0$) 발생부 사이 계면을 통하여 전자기파의 진행이 가능한 특성을 보이며, ne = ncr(1+ɛd) 이상의 영역에서 표면파의 진행이 가능한 현상을 나타낸다^[3-4].

Surface wave mode 플라즈마 장치의 경우 공정 동작 압력대가 비교적 높으며, 전자기파가 진행하는 유전체 계면 근처에서는 높은 전자밀도, 전자온도를 가지는 특성으로 플라즈마 발생 효율이 높은 특징을 가진다. 해당 특성으로 인하여 플라즈마 증착시 사용되는 고밀도 라디칼 생성이 용이하며, 또한 substrate 근처에서는 매우 낮은 전자온도가 형성되어 플라즈마에 의한 기판 손상을 최소화할 수 있다. surface wave mode 기판의 초고주파 플라즈마 장치는 우수한 증착 특성을 보이는 반면, 높은 구동 주파수 특성으로 인하여 장비 크기 대비 짧은 파장으로 인하여 장비내 형성되는 전계 불균일도가 높은 한계를 보인다^[2]. 기존의 평판형 플라즈마 장비는 그림 1과 같이 rectangular type의 WR340 직사각형 도파관을 이용하여 전자기파를 전파하며, 해당 도파관 아래쪽에 형성되는 개방된 slot 형태의 안테나를 통하여 유전체 재료 기반의 원통형 공진기로 wave를 방사하는 특징을 지닌다. 해당 유전체 아래쪽에 형성된 진공 챔버에서 방전 개시 후 evanescent wave mode에 의하여 플라즈마가 형성되며 전자기파를 통한 에너지 전달로 electron heating이 지속되어, surface wave mode(SWP) 기반의 고밀도 플라즈마가 형성되는 특징을 나타낸다. 해당 장비의 균일도 향상을 위해서는 slot antenna 설계 최적화가 필수적이며 이는 원통형 공진기 내부의 전계 분포 및 SWP 모드에 따른 전계 분포의 균일도에도 크게 영향을 끼치는 요인으로 작용한다^[5].

그림 1. 사각 도파관 기반의 평판형 마이크로웨이브 장비 개념도

Fig. 1. Schematic diagram of Microwave plasma source based on rectangular wave guide

그림 2. WR340 사각 도파관 내부 (a)전계 분포 (b)자계 분포 (c) 표면 전류 분포 (d) 슬랏 안테나 위치

Fig. 2. WR340 waveguide (a)Electric field (b) Magnetic field (c)surface current (d)slot antenna location

2.45GHz 주파수 특성을 가지는 wave 전파에는 가로 86.36mm, 세로 43.18mm를 가지는 WR340 waveguide 가 주로 사용되며, 해당 도파관에서의 전파는 그림 2와 같은 내부 전계, 자계, 표면 전류 특성을 가진다. slot antenna 설계를 위한 해석 방법으로는 excitation of waveguide에 관한 aperture coupling 해석법 등이 사용되지만 해당 해석법은 매우 작은 slot 설계에서만 유용한 한계를 가진다. 이를 극복하고자 본 연구에서는 3D 전자기 시뮬레이션 tool을 이용하여 surface current 보존성에 기반한 slot antenna 설계 및 최적화 연구를 실시하였다. COMSOL Multiphysics 상용 유한요소 시뮬레이션을 사용하여 3차원 조건에서 전자기 모델링을 수행하였으며, slot antenna 위치 및 형상에 따른 전파 효율을 분석하였다^[6].

2. 시뮬레이션 구성 및 방법

그림 3 시뮬레이션 모델에 사용된 슬랏 안테나 전파 효율 해석을 위한 장치 개략도 및 설정된 메시(Mesh) 형상을 나타낸다. 장치는 사각 도파관을 기반으로 가로 86.36mm, 높이 43.18mm로 가정하였으며, 3차원 모델로 설정 하였다. 슬랏 안테나의 전파 효율 해석을 위하여 상부 및 하부에 동일한 형상의 사각 도파관을 위치 시켰으며, 상부는 길이 345.44mm, 하부는 길이 431.8mm로 설정하였다. slot에서 전파되는 전자기파의 크기를 최대로 하기 위하여 상부 도파관에는 standing wave가 형성되도록 하였으며 반사면은 PEC(Perfect Electric Conductor) 조건으로 설정하였다. 두 개의 사각 도파관 사이에는 slot antenna를 위치 시켰으며 슬랏은 3개의 위치로 각각 형성하였다. 전자기파는 상부의 port1(입력) 면을 통하여 인가하였으며, slot 형상에 따른 반사 및 투과 효율을 계산하기 위하여 하부의 양면은 port2, port3 으로 출력 전파 조건을 설정하였다.

그림 3. 슬랏 안테나 전파 효율 해석을 위한 사각 도파관 기반 마이크로파 장치 개략도 및 메시 형상

Fig. 3. Schematic diagram and meshes of rectangular waveguide and slot antenna system

그림 4 는 사각 도파관 기반 마이크로웨이브 슬랏 안테나 구조 최적화를 위해 사용된 형상을 나타낸다. 그림 4(a)는 가로 방향 슬랏을 나타내며, 그림 4(b)는 세로방향의 슬랏을 나타낸다. 각각의 슬랏은 그림 2의 surface current 분포를 기반으로 transverse 방향의 표면 전류밀도 최대 지점 3개를 지정하여 위치 시켰다. 그림 4(c)는 상부 사각 도파관을 90ᐤ 회전시킨 형태로 세로방향의 슬랏을 위치시켰으며 그림 4(d)는 가로(transverse type) 및 세로(longitudinal type)을 혼합한 형태로 구성하였다. 슬랏의 크기는 장축 a, 단축 b, 두께 t로 설정하였다. 슬랏의 두께는 t = 5mm로 고정하였으며, 장축의 길이 a는 5~60mm로 5mm 간격으로 변화시켰으며, 단축의 길이 b는 2~10mm로 2mm 간격에 따른 변화를 관찰하였다. 가로 방향 슬랏의 위치는 도파관 내에 형성되는 wave length를 고려하여 반파장 길이 간격(λw /2=43.18mm)으로 설정하였다. 상부 도파관에서 인가된 전자기파가 슬랏을 통하여 하부 도파관으로 전파될 때 suface current 보존성을 고려하여 동일 위치에서 전파가 형성 되도록 상부와 하부단의 도파관은 x 축방향으로 동일한 위치에 있도록 설정하였다. 그림 4 (a), (b), (c)의 슬랏은 총 3개로 장축 및 단축의 길이 변화에 따른 전파 특성을 관찰하였다. 그림 4(d)의 슬랏 안테나는 혼합형으로 설정하여 총 9개의 슬랏을 장축 및 단축의 길이 변화에 따른 특성을 관찰하였다.

그림 4. 슬랏 안테나 형상 (a)가로방향 슬랏 (b)세로방향 슬랏 (c) 도파관 회전, 세로방향 슬랏 (d) 혼합형 슬랏

Fig. 4. Slot antenna structure (a)transverse type slot (b)longitudinal type slot (c) longitudinal type slot with waveguide rotation (d) hybrid type slot

Microwave 구동주파수는 2.45 GHz를 사용하였으며 파워는 100W로 고정하여 port1로 인가하였다. 메시 형상은 웨이브 전송을 위한 도파관 부와 슬랏 안테나 영역을 조밀하게 형성하여 약 1,152,007개 요소(Element)와 43,512개의 경계 영역(Boundary)으로 구성하였다. 초고주파 전자기 시뮬레이션 해석을 위해 Comsol Multiphysics tool을 사용하였다. 슬랏 안테나 형상에 따른 전파 효율 해석을 위하여 Electromagnetic wave에 의한 계산을 위하여 wave equation 사용하였다. 주파수 영역(frequency domain)에서 사각 도파관을 진행하는 wave equation은 다음과 같이 정의하였다^[6].

해당 식에서 $\mu_{0}$는 진공 투자율, $\mu_{r}$은 상대 투자율, $\epsilon_{0}$는 진공 유전율, $\epsilon_{r}$은 상대 유전율, $\omega$는 각 주파수(Angular frequency, 2π x 2.45 GHz), $\vec{E}$는 전계 (electric field), $k_{0}$는 자유공간에서 wave number($k_{0}=w\sqrt[]{\mu_{0}\epsilon_{0}}$), $\sigma$는 전기 전도도를 나타낸다. 사각 도파관을 따라 진행하는 웨이브에서 slot 안테나를 통해 전계가 방사되고, slot에 따른 전파 효율은 port에 따른 S-parameter 계산을 통하여 분석하였다^[5-8].

3. 시뮬레이션 결과 및 고찰

3.1 슬랏 안테나 위치에 전자계 분포 특성

그림 5, 6, 7은 각각 슬랏 안테나 위치에 따른 표면 전류 밀도, 전계 분포, 자계 분포 변화를 나타낸다. 초고주파 플라즈마 장비에서 슬랏 안테나를 사용하는 목적은 효율적인 전자기파 전파와 동시에 전자기에너지를 공간상 균일하게 전파하는데 있다. 이를 위해서는 small aperture 이상의 크기로 반사파보다 큰 크기의 투과파를 전파함과 동시에 하부 도파관(혹은 하부 유전체 공진기)에 공간적으로 균일한 파의 전달이 필수적으로 요구된다. 슬랏 안테나의 크기가 너무 작은 경우에는 전자기파의 투과가 어려우며, 크기가 너무 큰 경우에는 상부 도파관에 형성된 전파 모드 및 전계 분포의 변화로 인하여 공간적으로 균일한 파의 전달이 어려운 한계가 있다. 이를 위해서는 전자기 시뮬레이션 기반의 최적화 설계가 필수적이며, 슬랏 내부에서의 전파 현상을 분석하기 위해서는 슬랏 표면에 형성된 표면 전류 밀도 기반의 해석이 요구된다.

(2)

$\vec{J}_{s}=\vec{n}\times\vec{H}_{t}$

$\vec{J}_{s}$ 는 surface current density, $\vec{n}$ 은 벽면에 대한 단위 법선 벡터, $\vec{H}_{t}$ 는 벽면 자계의 접선 성분을 나타낸다. 이때 $\vec{J}_{s}$와 $\vec{H}_{t}$ 의 크기 값은 같으나 $\vec{J}_{s}$ 의 방향은 $\vec{H}_{t}$ 방향에 대해 오른손 법칙을 따라 수직으로 형성된다^[3]. standing wave 형성시 WR340 상부 사각 도파관에서 표면 전류 밀도가 높게 형성되는 위치는 그림 2(c) 와 같이 magnetic field 세기가 큰 곳이며, 표면 전류밀도는 자계 방향에 수직한 형태로 형성된다. 이에 따라 슬랏의 위치는 가로 및 세로방향으로 구분하여 형성시킬 수 있다. 추가로, 세로방향 위치의 경우는 상부 도파관을 90도 회전 한 형태로도 적용이 가능하다. 그림 5와 같이 상부 하단 면의 표면 전류 밀도가 높게 형성된 지점을 따라 슬랏 안테나를 위치 시키면 슬랏의 벽면을 따라 전류 path가 형성된다. 해당 슬랏의 벽면을 따라 형성된 전류는 하부 도파관의 상단 면으로 보존되며 전자기파의 투과 현상이 보존적으로 발생함을 보인다.

그림 6은 각각의 슬랏 위치에 따라 슬랏 안테나 내부에 형성된 전계 분포를 나타낸다. 전계의 방향은 절단면의 장축에 수직한 방향으로 형성되며 중앙부의 전계 세기가 큰 특성을 나타낸다. 그림 7은 슬랏 안테나의 위치에 따른 자계 분포를 나타낸다. 자계의 방향은 전계 및 표면 전류 밀도 방향에 수직한 방향으로 형성되며 자계 세기는 중앙부보다 측면부에서 높은 크기를 나타낸다^[3,7-8].

그림 5. 슬랏 안테나 위치에 따른 표면 전류 밀도 분포 (a)가로방향 슬랏 (b)세로방향 슬랏 (c)도파관 회전, 세로방향 슬랏

Fig. 5. Surface current density profile along the slot structures (a)transverse type slot (b)longitudinal type slot (c) longitudinal type slot with waveguide rotation

그림 6. 슬랏 안테나 위치에 따른 전계 분포 (a)가로방향 슬랏 (b)세로방향 슬랏(c)상부 도파관 회전, 세로방향 슬랏

Fig. 6. Electric field profile along the slot location (a)transverse type slot (b)longitudinal type slot (c) longitudinal type slot with waveguide rotation

그림 7. 슬랏 안테나 위치에 따른 자계 분포 (a)가로방향 슬랏 (b)세로방향 슬랏 (c)상부 도파관 회전, 세로방향 슬랏

Fig. 7. Magnetic field profile along the slot location (a)transverse type slot (b)longitudinal type slot (c) longitudinal type slot with upper waveguide rotation

3.2 슬랏 안테나 형상에 전파 특성 및 균일도 변화

그림 8~11은 각각 가로방향, 세로방향, 상부 도파관 회전에 따른 세로방향 및 혼합형 구조에서 슬랏의 크기에 따른 S11 parameter [dB] 특성 변화를 나타낸다. 표 1~4는 단축의 길이가 6mm로 고정된 상황에서 그림 8~11과 동일한 조건으로 슬랏의 구조와 위치에 따른 각 슬랏 별로 투과되는 전파 전력 크기의 비율을 나타내었다.

그림 8은 그림 4(a)와 같이 전자기파의 진행 방향에 수직한 형태로, transverse 유형의 3개 슬랏으로 구성된 조건으로 두께는 5mm로 고정한 채, 장축(a)과 단축(b)의 길이를 각각 5~60mm, 2~10mm 로 변화시키면서 port 1 입력 대비 반사되는 전력의 비율 값(S11 parameter)을 측정하였다. 상부 도파관에서 전파되어 하부 도파관 port2 와 port 3으로 투과하는 파는 각각 동일한 값을 가진다. 그림 8에서 장축의 길이가 30mm 이하인 경우 단축의 크기와 관계 없이 대부분의 전자기파는 슬랏을 통하여 하부 도파관으로 전파되지 못하며 반사되는 특성을 보인다. 장축의 길이가 35mm 이상인 조건에서는 단축의 길이가 커짐에 따라 port1 로 반사되는 전력의 크기가 줄어들고 하부 도파관으로 전파되는 전력의 크기가 커지는 현상이 나타난다. 장축의 길이가 60mm로 설계된 경우에는 단축의 길이가 비교적 작은 2mm, 4mm 조건에서 반사파가 급격히 줄어드는 현상이 나타난다. 슬랏을 통한 전파에서 전자기파의 전파는 단축 길이의 변화보다는 장축 길이의 변화에 의존하는 경향을 보인다.

표 1은 가로방향 유형의 슬랏 구조에서 슬랏의 위치에 따른 전파 비율을 나타낸다. 전자기파가 인가되는 port 1에서 가까운 순서대로 slot1, slot2, slot3을 위치 시켰으며 단축의 길이가 6mm로 고정된 조건에서 해당 슬랏의 위치와 장축의 길이에 따른 전파 비율을 측정하였다. 장축의 길이가 50mm 이하인 경우 각 slot에 따라 전파되는 전력의 비율은 33%로 동일한 경향을 보인다. 55mm의 경우에서 port1에 가까운 slot1로 투과되는 전력의 비율이 증가하며, 중간부에 위치한 slot2로 투과되는 전력의 비율이 감소하는 경향이 나타난다. 장축의 길이가 60mm인 경우 슬랏 위치에 따른 전파 비율의 차이는 심화되며, 특히 slot1로 투과되는 전력의 비율이 상승함을 보인다. 상부 도파관에 형성되는 standing wave 효과로 인하여 slot3으로 투과되는 전력이 비교적 높은 비율로 형성되며 중간에 위치한 slot2를 통한 전력 투과는 낮은 비율로 나타난다. 장축의 길이가 60mm 인 경우 슬랏의 구조는 상부 도파관에서 형성되는 wave mode 보존에 영향을 끼쳐 도파관 내에 형성되는 전계 분포를 왜곡시키며, 이는 slot2 가 surface current density 값이 높은 곳에 제대로 위치하지 못하여 전력 전달의 균일도를 감소시키는 문제를 발생시킨다.

그림 9와 표 2는 그림 4(b)와 같이 상부 도파관의 전자기파 진행 방향에 수평한 형태로, longitudinal 유형의 3개슬랏으로 구성된 조건을 나타낸다. 그림 9에서 슬랏의 두께는 5mm로 고정한 채, 장축(a)과 단축(b)의 길이를 각각 5~60mm, 2~10mm로 변화시키면서 S11 parameter 값을 측정하였다. transverse 방향의 슬랏 유형과 동일하게 장축의 길이가 30mm 이하인 조건에서는 대부분의 전자기파가 슬랏을 통하여 전파되지 못하여 반사되는 특성을 보이며, 장축의 길이가 35mm 이상인 조건에서는 단축의 길이가 커짐에 따라 port1로 반사되는 전력의 크기가 줄어들고 슬랏을 통하여 투과되는 전력의 크기가 커지는 형상이 나타난다. transverse slot 구조에 대비해서 비교적 작은 양의 전력이 투과되며, 장축의 길이가 60mm인 구간에서는 단축의 길이에 무관하게 port1로 반사되는 파의 크기가 급격히 감소하는 경향을 보인다.

표 2는 세로방향의 슬랏 크기 및 위치에 따른 전파 비율을 나타낸다. port1에 가까운 순서대로 slot1, slot2, slot3을 위치 시켰으며 단축의 길이는 6mm로 고정된 조건으로 장축 길이의 변화에 따른 전파 비율을 측정하였다. 표 1과 동일하게 장축의 길이가 55mm 미만인 구간에서는 각 슬랏 별 전파되는 전력의 양이 비교적 균일한 경향을 보인다. 슬랏의 길이가 55mm 이상인 구간에서는 슬랏에 따른 전파 비율 차가 커지는 경향을 보이며, 장축 길이 60mm 조건에서는 slot1에서 44%, slot2에서 19% 비율로 transverse slot 유형보다 비균일도가 증가하는 현상을 보인다.

그림 10과 표 3는 그림 4(c)와 같이 상부 도파관이 90도 회전된 구조에서 슬랏이 전자기파 진행 방향에 수평한 형태로, longitudinal 유형의 3개 슬랏으로 구성된 조건을 나타낸다. 해당 조건에서 슬랏의 크기와 위치에 따른 S11 특성 변화 및 슬랏 위치에 따른 전파 균일도는 이전 조건과 동일한 경향을 나타낸다. 하지만, 가로 및 세로방향의 슬랏 구조에 비하여 비교적 낮은 투과 전력 값을 보이며, port1로 반사되는 반사파의 비율이 높게 측정된다.

그림 11과 표 4는 그림 4(d)와 같이 transverse 및 longitudinal 방향의 혼합형 슬랏 구조로서, 총 9개 슬랏으로 구성된 조건을 나타낸다. 그림 11은 혼합형 슬랏의 크기에 따른 S11 특성 변화를 보인다. 이전의 슬랏 유형들과 같이 반사파 비율은 슬랏 장축의 길이에 의존하는 경향을 보인다. 슬랏의 길이가 30mm 이하인 조건에서는 대부분의 파가 슬랏을 통하여 투과하지 못하여, 반사되는 경향을 보이며 장축의 길이가 35mm 이상인 조건에서는 길이가 증가함에 따라 반사파의 비율이 줄어드는 경향을 보인다. 혼합형 슬랏 구조에서 반사파 비율은 longitudinal 구조 대비 transverse slot 구조에 의존하는 경향을 보인다. 혼합형 슬랏 구조에서는 9개의 슬랏을 사용했음에도 불구하고 투과파의 비율이 선형적으로 증가하지 않는 한계를 보인다. 표 4는 혼합형 슬랏 구조에서 슬랏 위치에 따른 전파 비율을 나타낸다. port1에서 가까운 순서대로 슬랏을 3개 단위로 분리하여 slot1, slot2, slot3으로 표현하였으며 위치에 따른 전파 균일도를 분석하였다. 다른 구조대비 혼합형 슬랏 구조에서는 장축의 길이 50~60mm 조건에서 위치에 따른 전파 균일도가 비교적 우수한 경향을 보인다.

그림 8. 가로 방향 슬랏의 크기에 따른 S11 특성 변화

Fig. 8. S11 parameter along the transverse slot size

그림 9. 세로 방향 슬랏의 크기에 따른 S11 특성 변화

Fig. 9. S11 parameter along the longitudinal slot size

그림 10. 상부 도파관 회전형 세로 방향 슬랏의 크기에 따른 S11 특성 변화

Fig. 10. S11 parameter along the longitudinal type slot antenna size with upper waveguide rotation

그림 11. 혼합형 슬랏의 크기에 따른 S11 특성 변화

Fig. 11. S11 parameter along the hybrid type slot antenna size

표 1 가로 방향 슬랏의 크기 및 위치에 따른 전파 비율

Table 1 Propagation ratio according to the size and position of transverse slots

ratio length(a)	slot 1	slot 2	slot 3
5	33.49%	33.23%	33.29%
10	33.28%	33.45%	33.27%
15	33.45%	33.21%	33.35%
20	33.35%	33.29%	33.36%
25	33.36%	33.32%	33.32%
30	33.40%	33.30%	33.30%
35	33.44%	33.31%	33.26%
40	33.47%	33.22%	33.31%
45	33.70%	33.18%	33.12%
50	34.03%	33.05%	32.92%
55	36.10%	30.03%	33.87%
60	40.05%	24.88%	35.07%

표 2 세로 방향 슬랏의 크기 및 위치에 따른 전파 비율

Table 2 Propagation ratio according to the size and position of longitudinal slots

ratio length(a)	slot 1	slot 2	slot 3
5	33.80%	33.17%	33.03%
10	33.30%	33.24%	33.47%
15	33.33%	33.28%	33.39%
20	33.34%	33.30%	33.36%
25	33.38%	33.37%	33.25%
30	33.45%	33.21%	33.34%
35	33.59%	33.07%	33.33%
40	33.79%	32.98%	33.23%
45	34.02%	32.73%	33.25%
50	34.66%	32.13%	33.21%
55	36.01%	30.61%	33.39%
60	44.40%	19.47%	36.13%

표 3 상부 도파관 회전형 세로 방향 슬랏의 크기 및 위치에 따른 전파 비율

Table 3 Propagation ratio according to the size and position of longitudinal slots with upper waveguide rotation

ratio length	slot 1	slot 2	slot 3
5	33.40%	33.38%	33.23%
10	33.19%	33.37%	33.43%
15	33.36%	33.39%	33.25%
20	33.39%	33.35%	33.25%
25	33.38%	33.30%	33.31%
30	33.52%	33.14%	33.34%
35	33.55%	33.12%	33.32%
40	33.79%	32.97%	33.24%
45	34.01%	32.73%	33.26%
50	34.58%	32.18%	33.24%
55	35.76%	30.70%	33.54%
60	42.07%	22.36%	35.58%

표 4 혼합형 슬랏의 크기 및 위치에 따른 전파 비율

Table 4 Propagation ratio according to the size and position of hybrid type slots

ratio length	slot 1	slot 2	slot 3
5	33.28%	33.50%	33.22%
10	33.34%	33.38%	33.28%
15	33.38%	33.30%	33.31%
20	33.37%	33.30%	33.32%
25	33.41%	33.37%	33.22%
30	33.53%	33.31%	33.16%
35	33.63%	33.30%	33.07%
40	33.76%	33.31%	32.93%
45	33.64%	33.47%	32.88%
50	33.78%	32.95%	33.28%
55	33.34%	32.30%	34.36%
60	38.97%	28.31%	32.72%

4. 결 론

본 논문에서는 상용 유한요소 전자기 시뮬레이션을 이용하여 사각 도파관 기반 마이크로웨이브 플라즈마 슬랏 안테나 구조 최적화 설계에 관한 연구를 실시하였다. 슬랏 안테나 구조 및 위치에 따른 전파 효율을 측정하기 위하여 상부 및 하부에 동일한 구조의 도파관을 형성하고, 도파관 사이에 슬랏 안테나를 위치시켰다. 슬랏 안테나는 위치에 따라 가로방향, 세로방향, 도파관 회전형 세로방향 및 혼합형 슬랏으로 구분하여 설정하였으며 두께는 5mm로 고정하였다. 슬랏이 놓이는 위치, 장축 및 단축의 길이 변화에 따른 전파 특성과 균일도 변화를 관찰하였다. 슬랏 내부에서의 전파 현상을 분석하기 위하여 슬랏 벽면에 형성된 표면 전류밀도 기반의 해석법을 사용하였으며, 초고주파 플라즈마 장비에서 슬랏 안테나 최적화를 위하여 전력 전달 효율과 슬랏에 따른 공간상 균일도 향상 관점에 따라 분석을 실시하였다. 표면 전류밀도 값이 최대가 되는 지점에 슬랏을 위치시킴에 따라 반사파 대비 투과 전력의 비율이 상승하였다. 위의 4가지 슬랏의 위치 유형에 따라 장축과 단축의 길이를 5~60mm, 2~10mm로 변화시키면서 전자기파의 반사 및 투과 비율을 관찰하였다. 슬랏을 통한 전자기파의 전파는 장축의 길이에 의존하는 경향을 보이며 장축의 길이 30mm 이하에서는 슬랏을 통하여 투과되지 못하고 대부분의 파가 반사되는 경향을 보였다. 장축 35mm 이상 55mm 이하에서는 길이가 증가함에 따라 투과파의 비율이 증가하며, 또한 단축의 길이가 증가함에 따라 반사파의 비율이 줄어드는 경향을 보였다. 60mm 이상에서는 단축의 길이에 관계없이 전자기파의 투과가 급격히 증가하는 경향이 나타났다. 슬랏의 위치에 따른 균일도는 50mm이하에서는 비교적 균일한 경향을 보이며 55mm에서 입력 포트 부근의 슬랏을 통한 전파 비율이 상승하기 시작하며 60mm에서는 비균일도가 크게 증가하는 현상을 보였다. 슬랏을 통한 전자기파의 투과율 증가와 개별 슬랏에 따른 전력 전달 균일도는 장축의 길이 값에 의존하며 50~55mm 부근에서 최적화되는 경향을 보였다.