KR100318788B1 - 안정성증가를위한rf플라즈마전력공급기결합방법 - Google Patents

안정성증가를위한rf플라즈마전력공급기결합방법 Download PDF

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오. 스팀슨 브래들리
더블유. 럼멜 폴
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테오도르 이. 존슨 주니어
콤델 알에프 파워 시스템스
조셉 제이. 스위니
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Abstract

RF 파워 증폭기는 스플리터, 2개의 브랜치 회로, 및 결합기를 포함한다. 스플리터는 RF 신호를 수신하는 입력라인과, RF 신호로부터 유도된 제 1 출력신호를 반송하는 제 1 출력라인 및, RF 신호로부터 유도된 제 2 출력신호를 반송하는 제 2 출력라인을 갖는다. 제 1 브랜치 회로는 제 1 출력신호를 수신하여 그것으로부터 제 1 유도신호를 발생한다. 제 2 브랜치 회로는 제 2 출력신호를 수신하여 그것으로부터 제 2 유도신호를 발생한다. 제 1 브랜치 회로는 제 1 파워 증폭기 및 위상 이동 부재를 포함한다. 제 2 브랜치 회로는 제 2 파워 증폭기를 포함한다. 제 1 유도신호를 수신하는 제 1 입력과 제 2 유도신호를 수신하는 제 2 입력을 갖는 결합기는 파워 출력신호를 생성하기 위하여 제 1 및 제 2 유도신호를 결합한다. 위상 이동 부재는 제 1 파워 증폭기의 출력라인과 결합기의 제 1 입력 사이에 접속되며 제 2 파워 증폭기에서 결합기로 전송되는 신호에 대하여 제 1 파워 증폭기에서 결합기로 전송되는 신호를 위상 이동 시킨다.

Description

안정성 증가를 위한 RF 플라프마 전력 공급기 결합방법{RF PLASMA POWER SUPPLY COMBINING TECHNIQUE FOR INCREASED STABILITY}
본 발명은 플라즈마 처리 챔버에 사용되는 RF 전력 공급기에 관한 것이다.
RF 여기 플라즈마 챔버는 RF 전력 공급기 및 플라즈마 사이에 발진 현상을 나타낼 수 있다. RF 여기 플라즈마 시스템에 있어서, 플라즈마 임피던스는 빠르게 변화할 수 있다. 플라즈마에 가해진 전력이 변화할 때 임피던스도 변화할 것이다. 유사하게, RF 전력 공급기의 출력전력이 부하 임피던스 변화를 겪는 경우 RF 전력 공급기의 출력 전력은 변화할 것이다. 이 변화들은 빠른 "런-어웨이(run-away)"시나리오나 발진을 발생시킬 수 있다.
RF 신호의 진폭 변조로서 도시될 수 있는 발진은 RF 전력 공급기가 빠른 임피던스(그러므로 빠른 출력 전력) 변화에 응답함에 따라 작동 주파수 보다 낮은 임의의 주파수에서 발생할 수 있다. "런-어웨이" 상태가 전송 전력이나 반사된 보호 제어 루프에 의해 제한되고 억제된다면, 발진은 루프 응답 주파수에서 나타날 것이다. "런-어웨이(run-away)" 상태가 단순히 RF 전력 공급기의 전력 증폭기의 저장 에너지의 일시적 소모를 초래할 경우, 발진은 보다 높은 주파수에서 발생할 수 있다.
RF 전력 공급기에 대한 새로운 구성은 전력 공급기가 빠르게 변화하는 비선형 임피던스와 반응하는 방법을 변화시킨다. 새로운 구성의 전력 공급기는 50 오옴 실저항의 완전한 정합점에 가까운 단위에서 이용가능한 최대 순방향 전력을 형성한다. 이것에 의해 플라즈마 임피던스가 변화하는 경우 전력 공급기가 보다 높은 전력을 전달하는 것이 중지되며, 상호작용 발진이 절대로 발생되지 않는다.
일반적으로, 본 발명의 일 특징은 분할기, 2개의 브랜치 회로 및 결합기 (combiner)를 포함하는 RF 전력 공급기이다. 분할기는 RF신호를 수신하는 입력라인, RF 신호로부터 유도된 제1출력신호를 반송하는 제 1 출력라인 및 RF 신호로부터 유도된 제 2 출력신호를 반송하는 제 2 출력라인을 갖는다. 제 1 브랜치 회로는 제 1 출력신호를 수신하여 그것으로부터 제1 유도신호를 생성한다. 제 2 브랜치 회로는 제 2 출력신호를 수신하여 그것으로부터 제 2 유도신호를 생성한다. 제 1 브랜치 회로는 제 1 전력 증폭기 및 위상 이동부재를 포함한다. 제 2 브랜치 회로는 제 2 전력 증폭기를 포함한다. 제 1 유도신호를 수신하는 제 1 입력과 제 2 유도신호를 수신하는 제 2 입력을 갖는 결합기는 전력 출력신호를 생성하기 위하여 제 1 및 제 2 유도신호를 결합한다. 위상 이동 부재는 제 1 전력 증폭기의 출력라인과 결합기의 제 1 입력 사이에 접속되어 있으며 제 2 전력 증폭기로부터 결합기로 전송되는 신호에 관련하여 제 1 전력증폭기로부터 결합기로 전송되는 신호를 위상 이동시킨다.
일반적으로, 본 발명의 다른 특징은 플라즈마 처리 챔버에 전력을 공급하기 위하여 상술한 전력 공급기를 사용하는 것이다.
바람직한 실시예는 다음과 같은 특징을 포함한다. 플라즈마에 전력을 공급할 때 제 1 증폭기의 출력에서의 위상 이동은 RF 전력 공급기의 발진 불안정도를 충분히 방지한다. 좀더 상술하면, 위상 이동은 약 90°+n(180°)이며, 여기서 n은 정수이고, 0°결합기가 사용된다. 제 1 브랜치 회로는 분할기의 제 1출력과 제 1 전력 증폭기 사이에 결합된 제 2 위상 이동 부재를 더 포함한다. 제 2 위상 이동 부재는 상기 제 1 위상 이동 부재의 위상 이동에 부가될 때 제 1 유도신호가 제 2 유도신호에 대하여 예정된 위상관계를 갖도록 하는 제 2위상 이동을 일으킨다. 예정된 위상관계는 결합기의 요건에 의해 결정된다. 0°전력 결합기 및 분할기를 사용하는 경우, 제 1 위상 이동 및 제 2 위상 이동에 의해 제 1 유도신호가 제 2 유도신호와 위상이 동일하게 된다. 예를들면, 제 1 위상 이동은 약 90°+n(180°)+m(360°)이며, 여기서 n과 m은 정수이고, 제2 위상 이동은 약 270°+n(180°)+k(360°)이며, 여기서 k는 정수이다. 180°전력 결합기 및 0°분할기를 사용하는 경우, 제 1 위상 이동 및 제 2 위상 이동에 의해 제 1 유도신호가 제 2유도신호와 180°위상차가 난다. 예를들면, 제 1 위상 이동은 약 90°+n(180°)+m(360°)이며, 여기서 n과 m은 정수이고, 제 2 위상 이동은 약 90°+n(180°)+k(360°)이고, 여기서 k는 정수이다.
또한, 바람직한 실시예에 있어서, 위상 이동 부재는 소정길이를 가진 케이블의 세그먼트이다. 일반적으로, 본 발명의 또 다른 특징을 RF 신호를 증폭하는 방법이다. 상기 방법은 RF신호를 제 1 출력신호와 제 2 출력신호로 분출하는 단계와, 제 1 증폭신호를 생성하기 위하여 제 1출력신호를 전력 증폭하는 단계와, 제 2 증폭신호를 생성하기 위하여 제 2 출력신호를 전력 증폭하는 단계와, 위상 이동 신호를 생성하기 위하여 제 1 증폭신호에 대하여 제 2 증폭신호를 위상 이동하는 단계 및, 전력출력신호를 생성하기 위하여 제 1 증폭신호와 위상 이동 신호를 결합하는단계를 포함한다.
본 발명은 실행하기가 간단하며, 특히 플라즈마 챔버내의 플라즈마에 전력을 공급하는 RF 전력 공급기에 종종 발생하는 발진 문제를 해결한다.
본 발명의 다른 이점 및 특징들은 청구범위 및 바람직한 실시예의 상세한 설명으로부터 명백해 질 것이다.
제 1도를 참조하여, 반도체 장치를 조립하는데 사용될 수 있는 것과 같은 전형적인 RF 플라즈마 처리 시스템의 기본 부재는 RF 전력 공급기(2), 플라즈마 챔버(4) 및, RF 정합회로(6)를 포함한다. RF 전력 공급기는 RF 전력신호를 동축 케이블(8)을 통해 플라즈마 챔버(4)에 전달하여 플라즈마를 생성한다. 상기 케이블은 플라즈마 발생 부재에 가까운 챔버상의 우측에 바람직하게 설치되어 있는 정합회로를 통해 플라즈마 챔버내 플라즈마 발생부재(예를들면, 코일 또는 전극)에 접속된다. 정합회로는 전형적으로 50 오옴인 동축 케이블의 임피던스와 RF 전력 공급기의 출력 임피던스에 플라즈마 챔버의 임피던스를 정합한다. 최대 전력을 챔버내의 플라즈마에 전달하는 것은 전력 공급기의 출력에 의해 나타난 임피던스가 50 오옴 실저항(즉, 순저항)일 때 발생한다. 동축 케이블을 통해 전력 공급기에 의해 나타난 임피던스가 시스템의 특성 임피던스 예를들면 50 오옴이 아닐 경우에는, 부정합이 나타나고, 챔버에 보내진 전력의 일부는 전력 공급기로 되반사될 것이다.
종래 설계된 정합회로는 바람직한 정합상태를 달성하도록 조절될 수 있는 가변 반응부재를 포함한다. 정합회로를 포함하는 유니트내에 위치되어 있는 검출회로(10)는 정합회로가 최적 정합상태를 달성할 수 있는지의 여부를 결정하기위하여 정합회로의 전압 및 전류를 감시한다. 전형적으로, 정합회로의 입력전류 및 입력전압을 샘플링함으로써 입력 임피던스를 결정한다. 정합이 최적화 되지 않은 것을 검출회로가 감지하는 경우, 최적 정합 상태쪽으로 회로를 이동시키기 위하여 정합회로 내에서 반응부재들을 변화시키는 신호가 발생된다.
RF 여기 플라즈마 챔버내의 플라즈마와 RF 전력 소스 사이에서 발생하는 발진현상은 아직 완전히 이해되지는 않았으나, RF 전력 공급기의 순방향 전력을 변조하는 비선형 플라즈마 임피던스에 의해 부분적으로 야기되는 것을 알았다. 상술한 바와 같이, RF 여기 플라즈마 시스템에 있어서, 플라즈마에 전력이 공급되면 플라즈마의 임피던스는 빠르게 변화할 수 있다. 전력 공급기의 부하 임피던스의 변화에 의해 RF 전력 공급기의 출력전력이 변화한다. 전력 함수로서 플라즈마 임피던스 비선형성의 경사도가 전력 공급기에 대하여 적당한 지배내에 있으면, 플라즈마 임피던스의 변화에 의해 빠른 "런-어웨이" 시나리오를 초래할 수도 있는 전력 공급기의 출력전력이 그에 상응하게 증가된다. 이 상태에서의 유일한 제어는 순방향 전력 제어 루프나 또는 전력 공급기 출력상에 되돌리고자 루프 시간 상수에 따라 응답하는 전형적인 RF 전력 공급기의 부정합 보호 회로이다. 플라즈마 임피던스는 시작점으로 되돌아와서 공정이 다시 시작되고 전력/임피던스 발진이 유지된다. 또한, 발진은 전력 공급기 부재내에 저장된 에너지량에 의해 결정된 주파수에서 발생할 수 있으며, 상기 저장량은 "런-어웨이" 상태를 유지할 수 있는 순간 에너지량을 제한한다.
전력 공급기에서 본 바와 같이 플라즈마 비선형 경사도와 위상이 주요 인자이기 때문에, 발진의 존재는 플라즈마와 전력 공급기 사이의 동축 케이블 길이(즉, 전기적 길이)의 함수이다. 이것은 실험에서 반복하며 나타나고 여기서 챔버에 대한 RF 시스템은 특수 케이블 길이에서만 안정된다. 바람직하지 않게, 안정된 RF 동작에 요구되는 케이블 길이는 RF 정합 네트워크, 플라즈마 임피던스의 특성 및 전력 공급기의 특성의 함수이다. 그러므로, 최적 길이는 시스템마다 일정하지 않다. 이것은 제작 환경에 있어서 문제를 초래할 수 있다.
상술한 발진 문제를 해결하는 전력 공급기 디자인의 내부구조를 기술하기 전에, 먼저 본 발명이 해소 하고자 하는 불안정성을 야기시키는 것이 무엇인지를 좀 더 완전히 이해하는 것이 좋다. 이것 때문에, RF 전력 공급기(20)의 기본 구조를 나타내는 제 2 도를 참조한다. 전력 공급기(20)는 RF 신호를 발생하는 RF 신호원(22)과 챔버내에 플라즈마를 생성하는데 필요한 레벨까지 RF 신호를 증폭하는 전력 증폭기(24)를 포함한다. 이 도면 및 나머지 도면에 있어서, 플라즈마 챔버내의 플라즈마는 부하(ZL)로 나타낸다. 가장 간단한 형태에 있어서, 전력 증폭기(24)는 단일 스테이지 RF 트랜지스터 전력 증폭기 일 수도 있다. 순방향 전력(PFWD)은 부하(ZL)에 입사되는 전력으로서 정의된다. 이와같은 시스템에 대하여, 순방향 전력 대 ZL의 전형적인 특성이 제 3a도에 도시한 스미스 차트에 나타나 있다.
스미스 차트는 RF 전송라인 회로를 분석하기 위하여 당해업자에 의해 폭넓게 사용되는 편리한 수단이다. 간단히 말하면, 스미스 차트는 반사계수 평면(즉,-평면)에서 공칭 저항 및 리액턴스 함수의 그래픽 도면이다. 반사계수()는 ZO의 특성 임피던스를 갖는 무손실 전송라인의 끝부분 부하(ZL)에서 반사전압과 입사전압의 합성 진폭비로서 규정된다. 수학적으로 다음과 같이 표현된다:
여기서 j=(-1)1/2이다.
제 3b도에 도시된 예처럼 스미스 차트는-공간 도면으로서 횡축은 r로 표시되고 종축은 j로 표시된다. 공칭 부하 ZL/ZO로서 참조되는 다른 사용량은 다음과 같다.
ZL= ZL/ZO= r + jx
스미스 차트에서 도시될 때 r의 편차값은 그 중심이=1.0∠0° 를 모두 통과하며 r축을 따라 위치되어 있는 서로 다른 반경의 원 그룹으로서 나타난다. 스미스 차트로 도시되는 경우, X의 편차값을 그 중심이=1.0을 모두 통과하며 r=1 라인을 따라 위치되어 있는 서로 다른 반경의 다른 원 그룹으로 나타난다. 그러므로, 스미스 차트는 부하 임피던스를 반사계수에 맵핑하기가 아주 쉽고, 또한 그 역의 기능도 가능하다. 또한, 곧 명백해질 수 있는 바와같이, 지연라인이나 위상 이동기가 전력 증폭기에 의해 나타나는 임피던스를 갖는 효과를 신속히 결정하는 것이 아주 쉽다.
제 3a도에 도시된 전력곡선을 참조하여, 스미스 차트의 중심은 전송라인 특성 임피던스 및 전력 공급기 출력 임피던스(ZO)와 같으며, 이 경우 50 오옴 실저항이다.-평면(Z평면이라 불림)에 수직인 종축은 PFWD축이다. 부하 임피던스(ZL)의 함수로서 순방향 전력(PFWD)의 도시는 도면에 도시된 바와 같이 일반적으로 경사진 비교적 평평한 표면(50)이다. ZL=ZO인 정합점에서, 전력 증폭기에 의해 전달된 순방향 전력은 52로 표시된 점, 즉 전력 곡선(50)을 교차하는 PFWD축으로 나타난다. 도시된 바와같이, 정합점은 최대 순방향 전력점이 아니다. 실제를, 순방향 전력은 ZL이 50 오옴 실제 임피던스값으로부터 임의의 방향으로 변화하는 경우에 상당히 증가할 수 있다. 이특성은 전술한 불안정한 상태를 유도할 수 있다.
전형적으로 플라즈마 처리 챔버에 사용되는 고출력 레벨을 달성하기 위해서는 병렬로 RF 증폭기의 멀티 스테이지의 결합을 필요로 한다. 2개의 스테이지를 포함하는 종래의 병렬구성의 일예가 제 4도에 설명되어 있다. 도시된 바와같이, 2개의 동일한 전력 증폭기(60a,60b)는 전력 분할기(62)와 전력 결합기(64)를 사용하여 서로 연결되어 있다(전력 결합기 및 전력 분할기의 설계 및 작동의 설명을 위하여 표준 텍스트북이 도시된다. 예를들면 단일 측파대 시스템 및 회로, 에드. 위리암 이. 사빈 앤드 에드가 오. 숀케, 맥그로우-힐 북 컴패니, 페이지425-447).
전력 분할기(62)는 RF소스로부터 RF 신호(RIN)을 수신하여 그것으로부터 동일 전력의 2개의 동일 신호를 생성한다. 각각의 전력 증폭기(60a, 60b)들은 전력 분할기(62)에서 나오는 신호들중 각각 상응하는 신호를 증폭한다. 이어서, 증폭기들의 출력은 양쪽 전력 증폭기(60a,60b)의 출력전력의 합계와 동일한 전력을 가지는 출력신호를 생성하기 위하여 전력 결합기(64)에서 결합된다.
전술한 실시예에 있어서, 전력 결합기(64)는 역으로 동작되는 것을 제외하고는 전력 분할기(62)와 동일한 형태의 장치이다. 즉, 전력 결합기의 입력라인은 전력 분할기의 출력라인이 되며, 전력 결합기의 출력라인은 전력 분할기의 입력라인이 된다. 또한, 이 장치들은 제3포트에 접속된 전력 저항기(R1)을 포함한다. 전력 결합기는 전력 저항기(R1)에 흡수되는 위상 불균형이나 임의의 진폭을 똑같이 가지는 2개의 입력신호를 결합한다. 제 4도에 있어서, 전력 분할기(62) 및 전력 결합기(64)는 0°장치이다. 즉, 2개 라인상에 나타나는 신호들은 서로 동일한 위상이다. 또한, 180°장치가 상업적으로 이용가능하다. 그러나, 어떤 형태가 사용되든 간에, 전력 증폭기(60a)의 출력에 의해 나타나는 임피던스는 전력 증폭기(60b)의 출력에 의해 나타나는 임피던스와 동일하다. 그러므로, 0°장치나 180°장치를 사용할 경우에 전력 증폭기(60a,60b)에 대한 순방향 전력 대 ZL특성은 제 3도에 도시한 단일 스테이지 경우와 동일하다. 따라서, 플라즈마 임피던스의 변화에 의해 한 증폭기의 전력 출력이 증가하면, 다른 증폭기에서도 그 전력 출력이 증가한다.
이러한 방법으로 RF 증폭기를 결합함으로써 상술한 RF 전력 공급기-플라즈마 상호간 발진이 야기되는 것을 알 수 있다. 플라즈마 임피던스가 임의의 방향으로 변화할 경우에 순방향 전력이 양 브랜치에서 증가할 수 있기 때문에, 발진이 시작될 수 있다.
불안정에 대한 잠재성은 제5도의 회로에서 도시한 변형에 의해 완전히 해소된다. 변형된 회로는 전력 증폭기(60a)의 앞뒤에 위상 이동 부재(72,74)를 부가하는 것을 제외하고는 제 4도의 회로와 동일하다. 좀 더 상세하게는, 기술한 실시예에 있어서, 270°+n(180°)+m(360°) 위상 이동 부재(72)는 전력 증폭기(60a) 앞에 부가되고 90°+n(180°)+k(360°) 위상 이동 부재(74)는 전력 증폭기(60a) 뒤에 부가되며, 여기서 n,m 및 k는 어떤 양수값이나 제로값을 가질 수 있는 정수이다. 위상 이동 부재(74)는 전력 증폭기(60b)에 의해 나타난 임피던스에 관련하여 전력 증폭기(60a)에 의해 나타난 임피던스를 회전시킨다. 위상 이동 부재(72)는 상부 브랜치의 신호에 충분한 위상 이동을 부가하여 전력 결합기(64)의 입력에 하부 브랜치 에서의 입력신호와 위상이 동일한 신호를 생성한다(즉, 두 입력 사이의 위상차는 360°의 정수 배이다).
위상 이동 부재가 선택적으로 전력 증폭기(60b)앞에 삽입될수있다는 것을 주의해야 한다. 그 경우, 전력 결합기(64)의 입력에서 위상 요건들을 충족하기 위하여 90°+n(180°)+m(360°)의 위상 이동을 도입할 필요가 있다.
위상 이동 부재(60a,60b)는 적당한 길이를 갖는 케이블의 섹션을 사용함으로써 간단히 실행될 수 있다(즉, 대략 30" 의 길이를 갖는 케이블은 13.56㎒ 신호에 대하여 90" 위상 이동을 일으킨다).
제 5도의 구성에 있어서, ZL이 정확히 50 오옴 실저항이면, 양쪽 전력 증폭기(60a,60b)는 50 오옴 실저항의 부하 임피던스를 나타낼 것이다. 그러나, ZL이 50 오옴 실저항이 아닐 경우(즉, 시스템이 완전한 정합 조건에서 멀리 이동했을 경우), 전력 증폭기(60a)는 전력 증폭기(60b)에 의해 나타난 임피던스와 1/4 파장(즉, 90°) 위상이 다른 임피던스를 나타낼 것이다. 좀 더 상술하면, 전력 증폭기 (60a)의 전력 곡선은 전력 증폭기(60b)의 전력곡선에 대하여 위상이 1/4 파장 다르다. 즉, 전력 증폭기(60b)에 대한 전력 곡선이 제 3a도에 도시한 것과 같다고 가정하면, 전력 증폭기(60a)에 대한 전력 곡선은 전력 축 둘레로 180°회전될 것이다(즉, 90°2배). 정합상태로부터 벗어나는 임피던스의 변화에 의해 양쪽 전력 증폭기의 전력 출력이 증가되지는 않을 것이다. 플라즈마 임피던스의 변화에 의해 전력 증폭기(60b)의 출력전력이 증가되면, 전력 증폭기(60a)의 출력전력이 감소될 것이다. 이것은 출력 증폭기 출력이 증폭기의 전력 공급기의 전류 또는 전압용량에 의해 한정되지 않는 한 모든 보통 클라스 A,B 및 C 전력 증폭기들의 특성이다. 즉, 하나의 전력 증폭기는 다른 전력 증폭기의 잠재적 불안정 응답을 보상할 것이다.
전력 결합기(64)는 다음과 같은 방법으로 전력 공급기를 불안정시키는데 추가로 도움을 줄 것이다. 2개의 전력 증폭기(60a,60b)가 동일 위상이고 동일 진폭을 가지며 동일한 순방향 전력을 갖는 신호를 생성할 경우, 전력 결합기(64)는 두 개의 전력 증폭기의 순방향 전력의 합인 전체 순방향 전력을 갖는 출력신호를 생성하기 위하여 2개의 신호를 결합한다. 전력 결합기(64)에 대한 2개의 입력신호가 동일 위상이고 동일 진폭이기 때문에, 전력 저항기(R1)는 전력을 손실하지 않는다. 그러나, 두 개의 전력 증폭기가 균형을 이루지 않는 신호들을 생성할 경우, 진폭 불균형은 전력 저항기(R1)에 흡수될 것이다.
위상 이동 부재(74)와 전력 결합기(64)의 효과는 제6도에 도시한 바와 같이 나타나는 순방향전력 대 ZL특성을 형성한다. 그 결과, 전력 공급기에 대한 전력 곡선은 최적 정합점이나 그 근방에서 최대 80을 나타낸다. 그러나, 사용된 전력 증폭기의 특수한 특성에 따라서, 최대값은 실제로 정합점에 위치되어 있지 않을 수도 있다는 것을 주지해야 한다. 그럼에도 불구하고, 그 결과로 생긴 전력 곡선은 최적 정합상태에서 벗어나는 어떤 이동에 의해 전력 공급기의 전력 출력이 상당히 증가되도록(즉, 전술한 형태의 불안정성을 초래하기에 충분히 증가하지 않는) 최적 정합점 부근에서 형상을 가질 것이다. 실제로, 이 기술은 전술한 전력 공급기-플라즈마 상호간 발진 문제를 완전히 해결하는 것을 증명한다.
제 5도의 구성은 이러한 목적을 달성하는 유일한 구성만이 아니다. 중요한 점은 하나의 전력 증폭기의 출력에서 충분한 위상 이동을 부가하는 것이다. 2개의 전력 증폭기 스테이지의 출력에 의해 나타난 임피던스의 위상이 충분히 다른 한, 이 기술은 전술한 형태의 불안정성을 해소하는 작용을 한다. 즉, 전력 증폭기(60b)의 출력에서의 위상 이동은 90°일 필요는 없다. 그것은 상기 전력 증폭기에 의해 다른 전력 증폭기의 잠재적 불안정 응답을 보상하는 어떤 양 일수 있다. 상기 양은 사용된 특수 전력 증폭기 및 특수 구성에 대한 실험으로 결정될 수 있다. 위상 이동 부재(72)에 의해 제공된 제 2 위상 이동은 0°결합기의 입력에 존재하는 요건들을 간단히 충족한다. 즉, 서로 동일 위상을 갖는다.
또한, 이 기술은 2개 이상의 스테이지를 갖는 전력 공급기에 사용될 수도 있다. 2개 이상의 전력 증폭기가 사용될 경우, 증폭기들은 2개 그룹으로 분할될 수 있으며 각 그룹은 전술한 것과 같은 2개 스테이지 구성의 단일 전력 증폭기로서 처리될 수 있다. 또한, 전력 증폭기는 개별적으로 처리될 수 있다. 예를들면, 제 7도에 도시한 것과 같은 4개 전력 증폭기가 있는 경우, 45°, 90°및 135°의 위상 이동 부재는 3개의 전력 증폭기의 출력에서 사용될 수 있다. 위상 이동 부재는 이웃하는 전력 증폭기와 관련하여 90°까지 전력 곡선을 회전하도록 동작한다.
일반적으로, X스테이지가 사용되는 경우(여기서 X는 짝수), 하나의 방법은 r(180°/X)의 위상 이동 부재를 사용하는 것이며, 여기서 r은 스테이지를 식별하며 r=1,2···X 이다.
제 8도에 도시한 다른 실시예에는 180°전력 결합기가 사용된다. 그 경우, 90°+n(180°)+m(360°) 위상 이동 부재는 전술한 270°+n(180°)+k(360°) 위상 이동 부재 대신에 전력 증폭기(60a) 앞에 사용된다. 이것은 180°전력 결합기의 입력에 도달하는 신호의 위상이 180°다르기 때문에 필요하다.
또한, 다른 증폭기의 전력 곡선을 보상하는 전력곡선을 각각 갖는 다른 설계의 2개의 전력 증폭기를 사용할 수도 있다.
기술한 실시예에 사용되는 전형적인 전력 레벨은 13.56㎒에서 1kW이다. 그러나, 이 기술은 플라즈마 챔버에 사용될 수 있는 전력 레벨과 임의의 주파수(예들들면 R.F)를 위하여 작용한다.
상술한 실시예에 있어서 전력 분할기의 출력과 전력 증폭기의 입력사이 또는 전력 증폭기의 출력과 결합기의 입력사이의 어떤 접속이 전형적으로 신호에서 위상 이동을 유도할 것이라는 것을 이해하여야 한다. 유도된 위상 이동의 양은 회로 길이에 따라 크거나 작을 것이다. 그러므로, 구성에 있어서의 중요한 점은 모든 브랜치 들에 있어서 모든 증폭기들의 입력과 출력에 위상 이동 부재가 있다는 것이다. 그러나 이들은 중요한 위상 이동에 있어서의 상대적 차이를 강조하고 설명을 간단히 하기 위하여 도시되어 있지 않다.
제 1도는 RF 플라즈마 시스템의 블록도.
제 2도는 전형적인 단일 스테이지 RF 트랜지스터 전력 증폭기 및 부하를 도시한 도면.
제 3a도는 전형적인 RF 트랜지스터 증폭기의 순방향 전력 출력 대 부하 임피던스 도.
제 3b도는 스미스 차트를 도시한 도면.
제 4도는 전형적인 고출력 RF전력 공급기의 구성도.
제 5도는 본 발명에 따라 구성된 RF전력 공급기를 도시한 도면.
제 6도는 제 4도의 전력 공급기에 대한 순방향 전력출력 윤곽도.
제 7도는 4개의 전력 증폭기를 사용하는 본 발명의 실시예를 도시한 도면.
제 8도는 180°전력 결합기를 사용하는 다른 실시예를 도시한 도면.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
2 : 전력 공급기 4 : 플라즈마 챔버
6 : RF 정합 회로 8 : 동축 케이블
10 : 검출 회로

Claims (39)

  1. RF 전력을 플라즈마에 전달하기 위한 RF 전력 공급기에 있어서,
    rRF의 주파수를 가지는 RF 신호를 발생시키는 RF 신호 발생기와,
    상기 RF 신호를 수신하는 입력라인과, 상기 RF 신호로부터 유도된 제 1 출력신호를 반송하는 제 1 출력라인 및, 상기 RF 신호로부터 유도된 제 2 출력신호를 반송하는 제 2 출력라인을 갖는 분할기와,
    상기 제 1 출력신호를 수신하여 상기 제 1 출력신호로부터 제 1 유도신호를 발생키고, 출력라인을 갖는 제 1 전력 증폭기와 위상 이동 부재를 포함하는 제 1 브랜치 회로와,
    상기 제 2 출력신호를 수신하여 상기 제 2 출력신호로부터 제 2 유도신호를 발생시키고, 출력라인을 갖는 제 2 전력 증폭기를 포함하는 제 2 브랜치 회로 및,
    상기 제 1 유도신호를 수신하는 제 1 입력과 상기 제 2 유도신호를 수신하는 제 2 입력을 가지며, 상기 두 개의 입력으로부터 전력 출력 신호를 생성하기 위하여 상기 제 1 및 제 2 유도신호를 결합하는 결합기를 포함하며,
    상기 위상 이동 부재는 제 1 전력 증폭기의 출력라인과 결합기의 제 1 입력사이에 접속되고 제 2 전력증폭기에서 결합기로 전송되는 신호와 관련하여 제 1 전력증폭기에서 결합기로 전송되는 신호를 제 1 위상 이동시키고, 상기 제 1 및 제 2 브랜치 회로는 주파수(rRF)에서 s(360°)+360°및 s(360°)+180°의 값중 하나와 동일하게 제 2 유도 신호와 관련하여 제 1 유도 신호를 전체적으로 위상 이동시키고, 상기 s는 임의의 양의 값 또는 제로를 가질 수 있는 정수인 것을 특징으로 하는 RF 전력 공급기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 위상 이동은 플라즈마에 전력을 공급할 경우 RF 전력 증폭기의 발진 불안정성을 방지하기에 충분한 것을 특징으로 하는 RF 전력 공급기.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 위상 이동은 약 45°+ n(180°)이며, 여기서 n은 정수인 것을 특징으로 하는 RF 전력 공급기.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 위상 이동은 약 90°+n(180°)이며, 여기서 n은 정수인 것을 특징으로 하는 RF전력 공급기.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 브랜치 회로는 분할기의 제 1 출력과 제 1 전력 증폭기 사이에 접속된 제 2위상 이동 부재를 더 포함하며, 상기 제 2 위상 이동 부재는 제 1 위상 이동 부재의 위상 이동에 부가될 때 제 1 유도신호가 제 2 유도신호에 대하여 예정된 위상관계를 갖도록 하는 제 2 위상 이동을 일으키며, 상기 예정된 위상관계는 결합기의 요건에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 RF 전력 공급기.
  6. 제 5항에 있어서,
    제 1 위상 이동 및 제 2 위상 이동은 제 1 유도신호가 제 2 유도신호와 관련하여 s(360°)+360°위상 관계를 가지도록 하는 것을 특징으로 하는 RF 전력 공급기.
  7. 제 6항에 있어서,
    제 1 위상 이동은 약 90°+ n(180°)+ m(360°) 이고, 여기서 n 과 m은 정수이며, 제 2 위상 이동은 약 270°+ n(180°)+ m(360°)이고, 여기서 k는 정수인 것을 특징으로 하는 RF 전력 공급기.
  8. 제 5항에 있어서,
    제 1 위상 이동과 제 2 위상 이동은 제 1 유도신호가 제 2 유도신호와 관련하여 180°+s(360°) 위상 관계를 가지도록 하는 것을 특징으로 하는 RF 전력 공급기.
  9. 제 8항에 있어서,
    제 1 위상 이동은 약 90°+n(180°)+m( 360°)이고 여기서 n 과 m은 정수이며, 제2위상 이동은 90°+n(180°)+m(360°)이고 여기서 k는 정수인 것을 특징으로 하는 RF 전력 공급기.
  10. 제 5항에 있어서,
    제 1 위상 이동 부재는 소정 길이를 갖는 케이블의 세그먼트인 것을 특징으로 하는 RF 전력 공급기.
  11. 제 10항에 있어서,
    제 2 위상 이동 부재는 소정 길이를 갖는 케이블의 세그먼트인 것을 특징으로 하는 RF 전력 공급기.
  12. 제 5항에 있어서,
    결합기는 0°결합기인 것을 특징으로 하는 RF 전력 공급기.
  13. 제 5항에 있어서,
    결합기는 180°결합기인 것을 특징으로 하는 RF 전력 공급기.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 브랜치 회로는 분할기의 제 2 출력과 제 2 전력 증폭기 사이에 접속된 제 2위상 이동 부재를 더 포함하며, 상기 제 2 위상 이동 부재는 제 2 유도신호가 제 1 유도신호에 관련하여 예정된 위상관계를 갖도록 하는 제 2 위상 이동을 일으키며, 상기 예정된 위상관계는 결합기의 요건에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 RF 전력 공급기.
  15. RF 플라프마 시스템에 있어서,
    동작 동안 RF 신호를 생성하는 RF 신호 발생기와,
    상기 RF 신호로부터 유도된 RF를 수신하는 입력라인과, 상기 RF 신호로부터 유도된 제 2출력신호를 반송하는 제 2출력라인을 갖는 분할기와,
    제 1 출력신호를 수신하여 상기 제 1 출력신호로부터 제 1 유도신호를 발생하며 제 1 전력 증폭기를 포함하는 제 1 브랜치 회로와,
    상기 제 2 출력신호를 수신하여 상기 제 2 출력신호로부터 제 2 유도신호를 발생하며, 출력라인을 갖는 제 2 전력 증폭기를 포함하는 제 2 브랜치 회로와,
    상기 제 1 유도신호를 수신하는 제 1 입력과, 상기 제 2 유도신호를 수신하는 제 2 입력 및 출력을 가지며, 상기 입력으로부터 전력 출력신호를 생성하기 위해 상기 제 1 및 제 2 유도신호를 결합하는 결합기와,
    챔버에 존재하는 플라즈마를 이용하며, 제 1 전력 증폭기는 제 1 순방향 전력 곡선 표면을 특징으로 하고, 제 2 전력 증폭기는 제 2 순방향 전력 곡선 표면을 특징으로 하고, 상기 제 1 및 제 2 곡선 표면은 제 1 전력 증폭기에 대한 순방향 전력 레벨의 증가를 일으키는 부하의 변화에 의해 제 2 전력 증폭기에 대한 순방향 전력 레벨이 감소되고, 그 반대 작용도 이루어지도록 서로 대향하고 있는 것을 특징으로 하는 RF 플라즈마 시스템.
  16. 플라즈마 처리 장치에 있어서,
    플라즈마 처리 챔버와,
    상기 플라즈마 처리 챔버에 전력을 공급하는 RF 전력 증폭기와,
    상기 RF 전력 증폭기에 접속되고 주파수(rRF)를 가지는 RF 신호를 공급하는 RF 신호 발생기를 포함하며,
    상기 RF 전력 증폭기는,
    RF 신호를 수신하는 입력라인과, 상기 RF 신호로부터 유도된 제 1 출력신호를 반송하는 제 1 출력라인 및, 상기 RF 신호로부터 유도된 제 2 출력신호를 반송하는 제 2 출력라인을 갖는 분할기와
    상기 제 1 출력신호를 수신하여 상기 제 1 출력신호로부터 제 1 유도신호를 발생시키며, 출력라인을 갖는 제 1 전력 증폭기 및 위상이동부재를 포함하는 제 1 브랜치 회로와,
    상기 제 2 출력신호를 수신하여 상기 제 2 출력신호로부터 제 2 유도신호를 발생시키며, 출력라인을 갖는 제 2 전력 증폭기를 포함하는 제 2 브랜치 회로와,
    상기 제 1 유도신호를 수신하는 제 1 입력과 상기 제 2 유도신호를 수신하는 제 2 입력을 가지며, 상기 입력으로부터 전력 출력신호를 생성하기 위하여 상기 제 1 및 제 2 유도 신호를 결합하는 결합기를 포함하며,
    상기 위상 이동 부재는 제 1 전력 증폭기의 출력라인과 결합기의 제 1 입력 사이에 접속되어 있으며, 제 2 전력 증폭기에서 결합기로 전송되는 신호와 관련하여 제 1 전력 증폭기에서 결합기로 전송되는 신호를 제 1 위상 이동시키고, 상기 제 1 및 제 2 브랜치 회로는 주파수(rRF)에서 s(360°) 및 s(360°)+180°중 하나의 값과 동일하게 제 2 유도 신호와 관련하여 제 1 유도 신호를 전체적으로 위상 이동시키고, 여기서 s는 정수인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 제 1 위상 이동은 약 45°+ n(180°)이며, 여기서 n은 정수인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  18. 제 16항에 있어서,
    상기 제 1 위상 이동은 약 90°+ n(180°)이며, 여기서 n은 정수인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  19. 제 16항에 있어서,
    상기 제 1 브랜치 회로는 분할기의 제 1 출력과 제 1 전력 증폭기 사이에 접속된 제 2 위상 이동 부재를 더 포함하며, 상기 제 2 위상 이동 부재는 제 1 위상 이동 부재의 위상 이동에 부가될 때 제 1 유도신호가 제 2 유도신호와 관련하여 예정된 위상관계를 갖도록 하는 제 2 위상 이동을 일으키며, 상기 예정된 위상관계는 결합기의 요건에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  20. 제 19항에 있어서,
    제 1 위상 이동 및 제 2 위상 이동은 제 1 유도신호가 제 2 유도신호와 관련하여 s(360°)+360°위상 관계를 가지도록 하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  21. 제 20항에 있어서,
    제 1 위상 이동은 약 90°+n(180°)+m(360°)이고 여기서 n 과 m은 정수이며, 제 2 위상 이동은 약 270°+n(180°)+k(360°)이고 여기서 k는 정수인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  22. 제 19 항에 있어서,
    제 1 위상 이동 및 제 2 위상 이동은 제 1 유도신호가 제 2 유도신호와 관련하여 180°+ s(360°) 위상 관계를 가지도록 하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  23. 제 22항에 있어서,
    제 1 위상 이동은 약 90°+n(180°)+m(360°)이고 여기서 n 과 m은 정수이며, 제 2 위상 이동은 약 90°+n(180°)+k(360°)이고 여기서 k는 정수인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  24. 제 19항에 있어서,
    상기 제 1 위상 이동 부재는 소정 길이를 갖는 케이블의 세그먼트인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  25. 제 24항에 있어서,
    상기 제 2 위상 이동 부재는 소정 길이를 갖는 케이블의 세그먼트인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  26. 제 19항에 있어서,
    상기 결합기는 0°결합기인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  27. 제 19항에 있어서,
    상기 결합기는 180° 결합기인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  28. 플라즈마 처리 챔버내의 플라즈마에 RF 전력을 공급하는 방법에 있어서,
    RF 신호를 제 1 출력신호 및 제 2 출력신호로 분할 하는 단계와,
    제 1 증폭 신호를 생성하기 위하여 제 1 출력신호를 전력 증폭하는 단계와,
    제 2 증폭 신호를 생성하기 위하여 제 2 출력신호를 전력 증폭하는 단계와,
    위상 이동 신호를 생성하기 위하여 제 1 증폭 신호에 관련하여 제 2 증폭 신호를 위상 이동하는 단계와,
    전력 출력신호를 생성하기 위하여 제 1 증폭신호와 위상 이동 신호를 결합하는 단계와,
    플라즈마 처리 챔버내의 플라프마에 전력 출력 신호를 전달하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 RF 전력 공급 방법.
  29. 제 28항에 있어서,
    상기 위상 이동 단계는 약 45°보다 큰 위상 이동을 일으키는 것을 특징으로 하는 RF 전력 공급 방법.
  30. 제 28항에 있어서,
    상기 위상 이동 단계는 약 90°의 위상 이동을 일으키는 것을 특징으로 하는 RF 전력 공급 방법.
  31. 제 30항에 있어서,
    상기 위상 이동 단계는 약 90°+n(360°)의 위상 이동을 일으키며, 여기서 n은 정수인 것을 특징으로 하는 RF 전력 공급 방법.
  32. 제 28항에 있어서,
    제 2 출력신호를 증폭하기 전에 제 1 출력신호에 관련하여 상기 제 2 출력신호를 위상 이동하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 RF 전력 공급 방법.
  33. 제 32항에 있어서,
    제 2 출력신호 및 제 2 증폭신호를 위상 이동하는 단계는 위상 이동 신호가 제 1 증폭신호와 소정의 위상관계를 갖도록 하며, 상기 소정의 위상 관계는 결합기의 요건에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 RF 전력 공급 방법.
  34. 제 33항에 있어서,
    제 2 출력신호 및 제 2 증폭신호를 위상 이동하는 단계는 위상 이동 신호가 제 1 증폭신호와 관련하여 s(360°)+360°의 위상 관계를 가지도록 하며, 여기서 s는 임의의 양의 값 또는 제로를 가질 수 있는 정수인 것을 특징으로 하는 RF 전력 공급 방법.
  35. 제 34항에 있어서,
    제 2 증폭신호를 위상 이동하는 단계는 약 90°+n(180°)+m(360°)의 위상 이동을 하게 하고 여기서 n과 m은 정수이며, 제 2 출력신호를 위상 이동하는 단계는 약 270°+n(180°)+k(360°)의 위상 이동을 하게 하고 여기서 k는 정수인 것을 특징으로 하는 RF 전력 공급 방법.
  36. 제 33항에 있어서,
    제 2 출력신호 및 제 2 증폭신호를 위상 이동하는 단계는 위상 이동신호가 제 1 증폭신호와 관련하여 180°+ s(360°)의 위상 관계를 가지도록 하며, 여기서 s는 임의의 양의 값 또는 제로를 가질 수 있는 정수인 것을 특징으로 하는 RF 전력 공급 방법.
  37. 제 36항에 있어서,
    제 2 증폭신호를 위상 이동하는 단계는 약 90°+n(180°)+m(360°)의 위상 이동을 하게 하고 여기서 n과 m은 정수이며, 제 2 출력신호를 위상 이동하는 단계는 약 90°+n(180°)+k(360°)의 위상 이동을 하게 하고 여기서 k는 정수인 것을 특징으로 하는 RF 전력 공급 방법.
  38. 제 32항에 있어서,
    제 2 증폭 신호를 위상 이동하는 단계는 상기 위상 이동을 실행하기 위하여 소정길이를 갖는 케이블의 세그먼트를 사용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 RF 전력 공급 방법.
  39. 제 38항에 있어서,
    제 2 출력신호를 위상 이동하는 단계는 상기 위상 이동을 실행하기 위하여제 2의 소정길이를 갖는 케이블의 제 2 세그먼트를 사용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 RF 전력 공급 방법.
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