KR100766162B1

KR100766162B1 - 부하 부정합 신뢰성 및 안정성을 갖는 ｖｈｆ 플라즈마처리 방법 및 장치

Info

Publication number: KR100766162B1
Application number: KR1020047018698A
Authority: KR
Inventors: 리오니드 이. 레이젤만; 존 이. 소토르
Original assignee: 이엔아이 테크놀로지, 인코포레이티드
Priority date: 2002-05-20
Filing date: 2003-04-14
Publication date: 2007-10-10
Anticipated expiration: 2023-04-14
Also published as: JP2005527078A; EP1506564A2; AU2003226071A1; JP2010182683A; CN1656593A; US6703080B2; AU2003226071A8; CN100530508C; US20030215373A1; KR20050029122A; WO2003101160A2; WO2003101160A3

Abstract

비선형 부하 부정합 상태들에 견디는 플라즈마 처리 시스템용 무선 주파수(RF) 발생기 장치가 제공된다. 이 장치는 RF 신호를 발생하도록 구성된 RF 발진기, RF 신호에 응답하여 플라즈마 챔버 부하를 구동시키기에 충분한 전력을 갖는 VHF RF 신호를 발생시키는 RF 증폭기, 및 RF 증폭기에 결합되어 RF 증폭기로부터 플라즈마 챔버 부하의 비선형성을 분리시키도록 구성된 VHF 대역 서큘레이터를 포함한다.

플라즈마 처리 시스템, 플라즈마 챔버 부하, RF 발생기, RF 증폭기, VHF 대역 서큘레이터, VHF RF 신호

Description

부하 부정합 신뢰성 및 안정성을 갖는 ＶＨＦ 플라즈마 처리 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR VHF PLASMA PROCESSING WITH LOAD MISMATCH RELIABILITY AND STABILITY}

본 발명은 고전력 플라즈마 처리 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 심한 비선형 부하 부정합 상태 하에서 플라즈마 처리 시스템에 VHF 고전력 무선 주파수 에너지를 공급하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

플라즈마 처리 시스템은, 반도체 산업 분야에서 박막 제조에 있어서 반도체 웨이퍼 상에서 원하는 패턴을 작성하는데 널리 사용된다.

저압의 불활성 가스로 채워진 유리 상자인 플라즈마 챔버 내부를 고-에너지 환경으로 만들기 위해서는, RF 발생기에 의해 생성되어 정밀하게 조절되는 무선 주파수(RF) 전력을 사용한다. 이런 환경에서는, 실리콘 층들을 에칭에 의해 제거시키고, 원하는 조성이 얻어질 때까지 미세한 정밀도로 스퍼터링법 및 화학 기상법에 의해 다른 화학적 층들을 피착시킬 수 있다.

플라즈마 처리 중에 실리콘 웨이퍼 등의 미가공 재료의 전기적 특성을 변화시킴으로써, 마이크로프로세서, 랜덤 액세스 메모리 등의 집적 회로(IC) 또는 콤팩 트 디스크를 제조한다.

차세대 IC를 설계하는 칩 제작자들은 플라즈마 처리 적용시에 기술적인 면에서 상당한 도전들에 직면하게 된다. 이들 도전에는 막 두께, 웨이퍼 온도, 가스압 및 유압, 및 챔버 내부의 오염 분포에 대한 보다 엄격한 제어 및 정밀 측정 등이 포함되지만, 이들에만 국한되는 것은 아니다. 반면, 칩 제조 환경에서는, 전체 웨이퍼 폐물(scrap)의 절반은 플라즈마 에칭 프로세스 단독에 의한 것이다. 그러므로, 폐물이 되는 웨이퍼를 감소시켜 최종적으로 IC의 비용을 감소시킴에 있어서의 플라즈마 도구 성능을 결정하는 중요한 요소는 신뢰성 및 안정성이다. 이러한 도전들은, 플라즈마 장비 제작자들이 현재 300㎜ 웨이퍼 상에 0.1㎛ 이하의 디바이스들을 제조할 수 있는 시스템을 구현 중인 것을 고려하면 더욱 더 심각해 진다.

칩 제조 시에 사용되는 전형적인 처리 장치는 일반적으로 주요 장비로서, RF 전력 케이블에 의해 시스템에 결합되는 RF 전력 발생기, 임피던스 정합 회로망, 및 플라즈마 챔버를 포함한다.

고도로 자동화된 플라즈마 처리 장치는 시스템 제어기에 의해 제어된다. 다수의 플라즈마 처리 시스템에서는, RF 스펙트럼의 LF(250㎑-400㎑), MF(2㎒, 4㎒) 및 HF(13.56㎒, 27.12㎒) 범위에서 무선 주파수(RF) 에너지를 사용한다. VHF(본원에서 사용된 40-300㎒) 고전력 발생기들은 보다 복잡하지만, 웨이퍼 전체에 걸쳐 보다 양호한 균일성의 이온 및 방사 플럭스를 제공하고, 웨이퍼들 간에서의 또한 각 웨이퍼 내에서의 에칭 속도 변화를 감소시키며, 보다 높은 칩 생산성 및 재현성을 제공함으로써, 수율을 높이고 비용이 감소된다. 이와 같이, VHF 플라즈마 처리 시스템은 시스템 설계자들과 칩 제작자들에게는 매력적인 것이다.

플라즈마 에칭 리액터는 일반적으로 탈기된 챔버 내에 배치되는 두 개의 큰 평행 전극을 포함한다. 이 챔버는 정밀한 유속과 유압으로 혼합된 소량의 에칭 가스로 채워지며, 처리 대상의 실리콘 웨이퍼는 두 전극 중 하부 전극 상에 설치된다. 이들 전극들 간에 고전력 RF 신호를 인가하여, 에칭 가스를 이온화된 원자들과 분자들의 하전된 집합체인 고 에너지의 플라즈마로 변환시킨다. 플라즈마의 장점 중 하나는 비교적 저온에서 고도의 반응성을 갖는 입자-이온들을 생성할 수 있는 능력이다. 모든 플라즈마 기술에서는, 두 전극에서 발생되는 대량의 전자들은 두 전극들 간의 저압 가스에 충돌하게 된다. 집합체들은 분자들을 이온과 라디칼로 분리시킨다. 플라즈마 에칭 시에는, 이들 활성화된 종(species)들이 웨이퍼에 충돌하여 그 표면을 제거시킨다. 이러한 정해진 순서의 동작들을 거친 후에, 전기적 컴포넌트들이 만들어진다.

플라즈마 시스템의 에칭 속도 및 최종 에칭된 패턴의 일관성은, 플라즈마 챔버의 전극 플레이트에 대한 RF 발생기로부터의 RF 전력의 효율적이고 일관성있는 결합에 상당히 좌우된다. RF 발생기로부터 부하(플레이트 전극)로의 효율적인 전력 결합은 플레이트 전극의 부하 임피던스가 RF 발생기의 출력 특성 임피던스의 복소 공액과 동일한 값을 가질 때 나타난다.

고전력 RF 발생기들은 통상적으로 그들의 출력 임피던스가 저항이 50Ω이며 리액턴스가 0Ω이 되도록 설계된다. 리액터의 입력 임피던스는 외부 조건들인 RF 발생기로부터 정합 회로망에 의해 전달되는 전력량과, 다수의 내부 조건에 의해 결 정된다. 이들 내부 조건에는 가스 혼합 유형, 유속 및 유압, 미처리 가스의 온도가 포함되지만, 이들에만 국한되는 것은 아니다. 사전-점화 단계에서, 챔버 내의 가스는 이온화되지 않아 도전성을 갖지 않는다. 그러므로, 플레이트 전극의 부하 임피던스는 매우 높아 RF 발생기의 출력 임피던스와는 전혀 정합되지 않는다. 점화 시에, 리액터 내의 미처리 가스는 RF 전력 공급 장치로부터의 전력 하에 이온화되기 시작하여 플라즈마로 변환되어, 챔버의 부하 임피던스는 급격하게 강하된다. 이러한 과도 상태 동안, 플라즈마 부하 임피던스의 상당한 편차로 인해, RF 발생기는 리액터로부터 반사된 전력을 수신하게 될 것이다. 낮은 부하 임피던스로 인해 RF 순방향 전력이 조금이라도 증가하게 되면, 발생된 전력의 100%가 RF 발생기로 도로 반사될 수 있다. 이로 인해, RF 발생기의 전력 증폭기(PA) 모듈 내의 트랜지스터에서 전류 및 전력 소모와, 전압 과대 응력이 초래된다.

플라즈마-유지 기간 중에라도, 플라즈마 밀도는 수 크기 정도 변화할 수 있어, 사실상 임피던스 부정합이 발생하게 된다. 따라서, 플라즈마 처리 환경에서, 플라즈마는 매우 동적인 비선형 부하로서 반응한다는 것이 일반적인 견해이다. 또한, 플라즈마 처리의 재현성 및 안정성은 플라즈마의 재현성 및 안정성에 전적으로 달려 있다는 것이 일반적인 견해라 할 수 있다. 이처럼, CVD 프로세스에서 막 두께의 불량한 균일성 및 재현성 뿐 아니라, 에칭 프로세스에서의 과도한 에칭과 에칭 부족은 플라즈마의 불량한 재생 결과라는 것이 여러 번 입증되었다.

플라즈마 처리 시스템은 챔버 및 플라즈마 처리 유형, 가스 유형 및 가스압, 온도, 및 기타 변수에 따라 광범위한 크기 및 위상을 갖는 동적 비선형 부하로서 작용한다. 부정합된 부하와 반사 전력으로 인해, 플라즈마 처리 시스템에 전력을 공급하는 RF 발생기의 전력 증폭기(PA) 내의 트랜지스터의 성능이 변화함으로써, 일부 부하에서는 RF 전류 및 전력 소모 응력이 발생하고, 다른 부하에서는 과대 전압 응력이 발생하게 된다. 일부 예의 경우, RF 발생기의 출력 전력 및 부하에 의해 나타나는 과도 부정합의 중대도에 따라, PA 내의 트랜지스터 양단 간의 전압(V_ds)은 그 동작 DC 공급 전압의 9배를 초과할 수 있으며, 또한 트랜지스터 항복 전압 V_dss의 150%를 초과할 수 있다. 이러한 응력은 플라즈마 처리 시스템 전체의 신뢰성을 상당히 떨어뜨린다.

과거 수 년 동 안, RF 전력 증폭기 설계자들 사이에서는 저전압 RF MOSFET 또는 바이폴라 트랜지스터를 대신하여 고전압 스위치-모드 MOSFET 트랜지스터를 사용하려는 경향이 있었다. 이에 대해서는, 예를 들어, 미국 특허 제5,726,603호에 개시되어 있으며, 이 문헌의 전체 내용은 참조로써 본원 명세서에 포함되는 것으로 한다.

고전압 스위치-모드 MOSFET 트랜지스터를 이용하는 RF 전력 증폭기는 동작 DC 전압(예컨대, 100V와 175V 사이의 B+ 드레인 전압 V_ds)을 가지며, 표준 TO-247 패키지에서 항복 전압 V_dss가 최대 1000V인 고전압 스위치-모드 MOSFET를 사용하였다. 연관된 RF 항복 전압의 큰 마진으로 인해, RF 플라즈마 처리 부하의 엄격한 요건에 의해 요구될 수 있는 개방 부하 부정합 근방에서의 유지 동작이 허용된다. 그러나, 불행하게도, 이들 트랜지스터의 내부 캐패시턴스 C_ISS, C_RSS, 및 C_OSS는 모두 높아 전체 소스 및 부하 임피던스와 고주파수에서의 성능에 영향을 미치므로, VHF 발생기에 이들 트랜지스터를 사용할 수 없다. 따라서, 공지된 VHF 발생기에서는 여전히 50V에 근사한 낮은 동작 전압과 150V 미만의 항복 전압을 갖는 통상의 RF 디바이스를 이용한다. 비교적으로 낮은(3분의 1) 항복 전압 마진으로 인해, VHF 발생기는 VSWR 과도 현상으로부터의 과전압 응력에 매우 민감하다. 그러므로, 플라즈마 처리 시스템에 채용되는 VHF 발생기의 안정성 및 신뢰성을 보장하기 위한 특별한 조치가 필요하게 된다.

RF 발생기에 부하 부정합 보호 루프를 내장시켜 컴포넌트의 응력을 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 부하 VSWR 식별에 따라 최대 전력 소모, 최대 DC 및/또는 AC 전류, 출력 트랜지스터 양단 간의 최대 전압, 최대 순방향 출력 전력 등을 제어하기 위해 루프를 사용할 수 있다. 그러나, 이들 루프의 속도는 플라즈마 챔버에서의 아크 등의 과도 부정합으로 인한 고장을 방지하기에 충분하지 않을 수 있는데, 이는 복잡한 요건 및/또는 알고리즘을 갖는 다수의 보호 루프를 필요로 하기 때문이다. 또한, 컴포넌트들의 응력이 전체 시스템의 보전성에 위험을 미치게 되는 일부 부하 위상에 대해 부하 VSWR에 따라 발생기의 출력 전력을 제한시키는 것이 발생기를 보호할 수는 있지만, 이러한 보호는 실제로 다른 모든 위상에서 발생기의 출력 전력 능력을 감소시키게 된다. 따라서, 시스템 전체의 점화, 유지 및 플라즈마 처리 능력이 감소된다. 게다가, 이들 보호 루프를 내장함으로써 비용이 상승되 고, 추가된 부품 및 복잡성으로 인해 신뢰성이 떨어질 수 있다. 부하 부정합 전력 반사율이 증가함에 따라 순방향 전력 출력 및 효율성은 모두 떨어지므로, 트랜지스터 전력 소모 및 다이 온도가 증가된다. 따라서, 다음의 표 1에 따라 부정합된 플라즈마 부하들의 최악 위상의 경우에 대해 RF 발생기의 정격 출력 전력을 경감시키는 것이 표준 절차가 되었다. 도 1에서 전형적인 경감에 대한 플롯을 도시하고 있다.

최악 위상의 순방향 전력 출력 대 부하 부정합 정도

부하 부정합 정도		최악 위상의 순방향 전력
VSWR	전력 반사율	전력 출력, W
1.0	0.0%	2500
1.5	4.0%	2250
2.0	11.1%	1800
3.0	25.0%	1350
5.0	44.4%	1250
10.0	66.9%	1000
30.0	87.5%	750
∞	100%	500

일부 플라즈마 처리 시스템의 경우, RF 발생기와 비선형 플라즈마 챔버 부하 간에서의 원치않는 상호 작용을 감소시키기 위해서는 미리 선택된 케이블 길이를 사용해야 하므로, 케이블 감도 문제가 초래된다. 미리 선택된 케이블 길이를 사용하지 않고도, 플라즈마 처리 시스템은 일부 플라즈마 부하에 대해서는 최대 전류 또는 전력 한계치에 도달할 수 있거나, 다른 부하에 대해서는 필요한 출력 전력을 발생시킬 수 없을 수 있다. 두 경우 모두, RF 발생기는 과대 응력을 받게 되어, 그 신뢰성 및 수명은 악영향을 받게 될 것이다.

RF 발생기와 부하의 상당히 다른 임피던스를 정합시킴에 의해 RF 발생기로부터 플라즈마 챔버의 부하로 RF 전력을 신뢰성을 가지고 효율적으로 전달하기 위해서는, 플라즈마 부하에서의 변동에 응답하여 플라즈마 부하 상태 및 조정에 대한 모니터링을 계속적으로 행할 필요가 있다. 반사없이 최적의 전력을 전달하기 위해서는, RF 발생기의 출력 임피던스(Z_gen), 정합 회로망의 입력 및 출력 임피던스(Z_{match in}, Z_{match out}), 및 챔버의 입력 임피던스(Z_cham)는 다음의 조건들을 만족시켜야 하는데, 즉 Z_gen=Z_{match in}; Z_{match out}=Z_cham이다. 이들 조건들을 만족시키기 위해 RF 발생기와 부정합 플라즈마 부하 간에 가변 정합 회로망을 직렬로 배치시킬 수 있다.

공지의 정합 회로망은 통상 L, Pi 또는 T-회로망으로 구성된 적어도 두 가변 리액티브 성분을 포함한다. 일정 주파수 및 적정한 조정값에서, 정합 회로망은 RF 발생기에 50Ω의 부하를 제공하며 플라즈마 부하에 공액 정합된 임피던스를 제공한다. 이와 같이, 정합 회로망은 사실상 발생기로부터의 모든 전력을 부하에 전달한다. 정합 회로망은 단지 리액티브 성분을 사용하므로, 정합 회로망에서의 전력 소모는 매우 적다. 그러나, 이런 기법은 플라즈마 정합의 정밀성, 응답성, 및 재현성에 나쁜 영향을 주는 여러 문제점들을 수반하게 되는데, 이들에는 모터 등과 같은 가동부 및 가변 캐패시터를 갖는 전자 기계 장치에 대해서는 일반적으로 신뢰성이 낮으며, 동조점에 도달함에 있어 긴 지연을 가지며, 동조 소자들이 동조점을 찾지 못하거나 동조점으로부터 떨어져 구동되는 "상실" 상태, 및 고전력 손실 등이 포함되지만, 이것에만 국한되는 것은 아니다.

기생 발진을 일으킬 수 있는 플라즈마 처리 시스템의 스테이지들 간에서의 원치않는 상호 작용을 방지시키는 다른 기법이 사용되어 왔다. 이들에는 정합된 L-C 섹션, 고조파 및 저조파 필터, 듀플렉서 등의 사용이 포함된다. 그러나, 이들 기술들은 부하의 심한 비선형성 및 리액티브 성분의 과도 응력으르 인해 성공을 보장할 수는 없다.

일부 공지된 설계에서, 드라이버 스테이지와 PA 스테이지 간에서와 같은, 스테이지들 사이에서의 부정합을 의도적으로 증가시켜, 협대역 주파수 범위에서 기생 발진을 감소시킬 수 있다. 통상적으로, 이런 매우 비효율적 방법은 최후의 수단으로서 사용된다. 사용할 수 있는 다른 기술로서는 PA 스테이지에서의 부궤환을 증가시키며/또는 이들의 전력 이득을 감소시키는 것이 포함된다. 그러나, 이들 다른 기술은 대역폭을 감소시키고, 드라이버 스테이지에서의 전력 출력을 증가시키고, 궤환 회로망에서 추가의 손실을 발생시키고, 시스템 전체의 효율성 및 신뢰성을 감소시킬 수 있다. 제시된 문제들이 결코 하찮은 것이 아닌데도, 공지된 종래 기술의 VHF 플라즈마 처리 시스템에서는 이러한 문제들을 다루기 위한 기술들이 제시되어 있지 않다.

본 발명의 한 양상에 따르면, 비선형 부하 부정합 상태에 견디는 플라즈마 처리 시스템용 무선 주파수(RF) 발생기 장치가 제공된다. 이 장치는 RF 신호를 발생시키도록 구성된 RF 발진기, RF 신호에 응답하여 플라즈마 챔버의 부하를 구동시키기에 충분한 전력을 갖는 VHF RF 신호를 발생시키는 증폭기, 및 이 증폭기에 결합되어 이 증폭기로부터 플라즈마 챔버 부하의 비선형성을 분리시키도록 구성된 VHF 대역의 서큘레이터를 포함한다.

다른 양상에 따르면, 플라즈마 챔버 및 이 플라즈마 챔버에 동작가능하게 결합되어 그 챔버에 VHF 주파수의 RF 전력을 공급하는 무선 주파수(RF) 발생기 장치를 포함한 플라즈마 처리 시스템이 제공된다. RF 발생기 장치는 RF 발생기에 공급되는 RF 전력을 발생시키도록 구성된 증폭기와, 플라즈마 챔버에 RF 전력을 공급하도록 구성되며 이 증폭기로부터 플라즈마 챔버의 비선형성을 분리시키도록 구성된 출력을 갖는 VHF 대역 서큘레이터를 포함한다.

또 다른 양상에 따르면, 비선형 플라즈마 챔버 부하에 VHF 주파수의 RF 전력을 공급하기 위한 방법이 제공된다. 이 방법은 RF 발생기의 출력 스테이지에서 VHF RF 전력을 발생시키는 단계와, 이 VHF RF 전력을 VHF 대역 서큘레이터에 통과시키는 단계와, VHF 대역 서큘레이터를 통과한 VHF RF 전력을 플라즈마 챔버의 부하에 인가하는 단계를 포함한다.

본 발명의 구성에 따르면, 상당한 부하 부정합이 발생하더라도, 안정성과 신뢰성을 증가시킨 고전력 RF VHF 발생기 및 플라즈마 처리 시스템을 제공할 수 있다.

본 발명의 또 다른 응용 분야는 이하의 상세한 기술로부터 명백해 질 것이다. 이하의 상세한 기술 및 특정 실시예들은 본 발명의 바람직한 실시예들을 나타내지만, 본 발명의 사상 및 범주를 제한시킬 목적으로 의도된 것은 아니다.

본 발명은 이하의 상세한 설명 및 첨부된 도면으로부터 보다 완전하게 이해 할 수 있을 것이다.

도 1은 무선 주파수(RF) 발생기의 전력 증폭기(PA)의 트랜지스터의 온도에 의한 RF 발생기의 순방향 전력 출력의 전형적인 경감의 플롯 도면.

도 2는 플라즈마 처리 시스템의 블럭도.

도 3은 비선형 부하 부정합 상태들에 견디는 플라즈마 처리 시스템용 RF 발생기 장치의 일 실시예의 블럭도.

도 4는 정합 종단을 갖는 서큘레이터의 입력 VSWR의 플롯 도면.

도 5는 정합 종단을 갖는 서큘레이터의 귀환 손실에 대한 다른 플롯 도면.

도 6은 서큘레이터를 포함하지 않는 플라즈마 처리 시스템에서의 고조파 및 스퓨리어스 산물을 도시한 플롯 도면.

도 7은 서큘레이터를 포함하는 플라즈마 처리 시스템에서의 고조파 및 스퓨리어스 산물을 도시한 플롯 도면.

도 8은 VHF, AB급의 푸쉬풀 증폭기에 대한 개략 다이어그램.

도 9는 상호 연결된 두 섀시에 하우징된 도 3의 실시예를 도시한 도면.

도 10은 상호 연결된 전력 공급 섀시와 RF 섀시의 일 구성에 대한 전방 패널을 도시한 도면.

도 11은 상호 연결된 전력 공급 섀시와 RF 섀시의 일 구성에 대한 후방 패널을 도시한 도면.

도 12는 90°하이브리드를 포함하지 않는 플라즈마 처리 시스템에서의 대역 내 및 대역 외 스퓨리어스 산물을 도시한 플롯 도면.

도 13은 90°하이브리드를 포함하는 플라즈마 처리 시스템에서의 대역 내 및 대역 외 스퓨리어스 산물을 도시한 플롯 도면.

바람직한 실시예(들)에 대한 다음의 설명은 단지 예시적인 것이며 본 발명 및 그 응용 또는 사용을 제한하는 것이 아니다.

일 구성예 및 도 2를 참조하면, VHF 플라즈마 처리 시스템은 VHF 에너지를 제공하여 플라즈마를 생성 및 유지하는 RF 발생기(10), RF 발생기와 플라즈마 리액터의 임터턴스를 정합함으로써 최소의 손실로 RF 전력을 발생기로부터 플라즈마 리액터로 전송하는 정합 회로망(60), (일 구성예에서, 칩 제조를 위한 고 에너지 환경이 생성되는 불활성 가스로 충전된 유리 상자인) 플라즈마 챔버(16), 및 플라즈마 파라미터의 정밀 조정을 제공하고 상이한 센서들로부터의 데이터를 분석함으로써 제조 프로세스를 자동화하도록 구성된 시스템 제어부(156)를 포함한다. RF 전력 케이블(157)은 상술한 컴포넌트들간의 커플링으로서 사용되며, 버스(158)는 그들간의 통신을 제공한다. 일 구성예에서, VHF 플라즈마 처리 시스템은 또한 진공 펌프(159)와 관련된 진공 콘딧(conduit), 압력 제어 기구(160), 호스트 컴퓨터(161) 등의 보조 기기를 포함한다.

일 구성예 및 도 3을 참조하면, 일 구성예의 무선 주파수(RF) 발생기 장치(10)는 제어 및 증폭기 부분(12) 및 아이솔레이션 부분(14)을 포함한다. RF 발생기 장치(10)는 플라즈마 부하(16)에 RF 전력을 제공한다. 제어 및 증폭기 부분(12)은 저레벨 RF 신호(20)를 발생시키도록 구성된 제어 기판(18)을 포함한다. 예를 들어, 제어 기판(18)은 약 1mW의 저레벨 VHF 신호(20)를 발생시키는 직접 디지털 합성 회로(도시하지 않음)를 포함한다.

드라이버 스테이지(22)에서, 가변 레벨 입력 RF 신호(20)가 제어 기판(18)으로부터 +/-10% 대역폭을 갖는 대역 통과 필터(BPF; 162)를 통해 공급된다. 따라서, BPF(162)는 고조파 및 저조파를 감소시키거나 제거하여 고조파 왜곡을 최소화한다. BPF(162)는 고정/가변 감쇠기(163)의 직렬 조합에 결합된다. 감쇠기(163)는 선형 증폭기(164)의 입력 임피던스 및 BPF(162)의 출력 임피던스간의 정합을 제공한다. 감쇠기(163)는 또한 선형 증폭기(164)로의 RF 신호의 진폭을 변경함으로써 드라이버(22)의 이득을 조절하여, 증폭기(164)의 출력 레벨을 조정한다.

일 구성예에서, 선형 증폭기(164)는 35 dB의 이득 및 1.6 W의 최대 출력 전력을 갖는 CA2832 광대역 "A"급 하이브리드 증폭기이다. 하이브리드 증폭기(164)는, 후단에 "AB"급 푸쉬풀 전치 증폭기(166)가 설치된 "A"급 동작을 위해 구성된 싱글 엔디드 RF 증폭기 회로(165)에 결합된다. 전치 증폭기(166)는 전력 증폭기(PA) 스테이지(26)를 구동하기에 충분한 약 125 W의 VHF 드라이브 신호(24)를 생성한다. 중간 레벨 신호(24)는 또한 PA 스테이지(26)에 의해 증폭되어 예를 들어 약 3,000 W의 전력의 RF 전력 출력(28)을 생성한다. 따라서, 드라이버 스테이지(22)와 증폭기 스테이지(26)는 함께 플라즈마 챔버 부하(16)를 구동하기에 충분한 전력을 갖는 RF 전력 출력(28)을 제공하는 RF 증폭기(30)를 형성한다.

일 구성예에서, 아이솔레이션 부분(14)은, 증폭기(30)에 결합되고 RF 증폭기(30)로부터 플라즈마 챔버 부하(16)의 비선형성을 분리하도록 구성된 VHF 대역 서 큘레이터(32)를 포함한다. 일 구성예에서, 서큘레이터(32)는 하나의 포트(34)로부터 인접 포트(36)로 RF 에너지를 전송하면서 다른 포트로부터 역방향으로의 에너지를 디커플링(decoupling)하는 수동 비가역(일방향) 페라이트 장치이다. 서큘레이터(32)의 제3 포트(38)는 종단 저항기(40)를 통해 접지된다.

상술한 바와 같이, 플라즈마 처리 시스템의 안정성 및 신뢰성은 플라즈마의 안정성 및 신뢰성에 전적으로 의존한다고 볼 수 있다. 플라즈마의 안정성은 발생기의 안정성 및 신뢰성에 크게 의존하고, 발생기의 안정성 및 신뢰성은 플라즈마 부하의 VSWR에 의존한다. 서큘레이터(32)는 부하의 입력 VSWR를 크게 감소시킨다. 플라즈마 부하(16) 및 서큘레이터(32)의 제한된 입력 VSWR은 부하(16)의 VSWR, 서큘레이터(32)의 아이솔레이션 및 서큘레이터(32)의 VSWR을 포함하는 몇개의 인자에 의존한다. 서큘레이터(32)의 아이솔레이션(또는 귀환 손실)은 종단 포트(38)의 정합 VSWR에 의존한다. 2500 W의 비교적 높은 시스템 출력 전력 때문에, 2개의 RFP-800 와트 플랜지(flange) 저항기가 종단 저항(40)으로서 일 구성예에서 사용된다. 플라즈마 처리 시스템의 안정성을 확보하기 위하여, 서큘레이터의 잘 정합된 종단이 일 구성예에서 제공된다. 그러나, VHF 적용 때문에, 일 구성예에서는 직렬 인덕터를 각각의 저항기 리드에 부가하여 플랜지 저항기당 약 18 pF의 비교적 높은 기생 분배 션트(shunt) 캐패시턴스를 제거한다.

개방 부하로의 (정합된 종단(40)을 갖는) 서큘레이터(32)의 입력 VSWR 및 귀환 손실은 도 4 및 5에 각각 도시되어 있다. 이 상황은 사전-점화 단계에서 플라즈마 부하(16)의 매우 높은 임피던스를 나타낸다. 서큘레이터(32)는 통과 대역 및 충분한 광대역 이상의 적용에서 낮은 1.13 VSWR(또는 24 dB의 귀환 손실보다 나은)을 제공하여 본 발명의 플라즈마 처리 시스템의 안정성을 크게 개선한다. 개선된 안정성은 도 6 및 7에 도시된 플롯으로 표시된다. 도 6은 방향성 커플러(46)의 순방향 포트로부터 얻어진 상술한 플라즈마 시스템의 고조파 및 스퓨리어스 산물의 플롯이지만, 이 시스템 내에 순환 커플러(32)는 없다. RF 발생기(10)는 4' RF 케이블 RG-393를 통해 정합 회로망(60)이 직접 접속되었고, 정합 회로망은 2.3-j47 Ω 부하에 동조되었다. 정합 회로망(60)가 150 MHz의 기본 주파수에서 50 Ω 부하를 발생기(10)에 제공하여 다른 주파수를 필터링하는 기능을 해야 하는 경우에도, 스퓨리어스 신호가 발생기(10)의 출력에서 검출되었다. 많은 경우, 스퓨리어스 신호가 저역 통과 필터(52) 및 전력 센서(42)를 통과하였고, 드라이버(22), PA(26) 또는 제어 기판(18)에 도달하여 간섭 및 일치하지 않는 동조, 비정상 출력 및/또는 반사 전력 및 빈약한 웨이퍼 재현성을 일으킨다. 불안정성이 상당한 경우에는, 시스템의 많은 스테이지에서 트랜지스터 불량이 발생한다.

도 7은 PA(26)와 방향성 커플러(42) 사이에 설치된 CX1R3 서큘레이터(32)에서 동일한 지점에서 취해진 동일한 시스템의 플롯이다. 발생기(10)와 정합 회로망(60) 사이의 케이블의 길이는 1인치씩 증가하여 스미스 차트(Smith Chart)에 12개의 테스트 지점을 생성한다. 각각의 케이블 길이에 대하여, 고조파/스퓨리어스 산물은 도 7에 도시된 것과 실질상 유사한 것으로 판명되었다. 이 구성에서, 고조파의 레벨은 -60 dBc 보다 작고, 이것은 출력 전력의 0.0001%보다도 작다. 이것에 의해 서큘레이터(32)를 사용하는 플라즈마 처리 시스템이 안정하고 스퓨리어스 신호가 상당히 감소하거나 제거되며 케이블 길이 변화에 민감하지 않다는 것이 확인된다.

적절한 고전력 서큘레이터(32)는 Sonoma Scientific, Inc.로부터 이용가능한 타입 CX1R3이다. CX1R3은, 고전력 페라이트 재료 및 공진 스트립 전송 라인 정합 회로망을 사용하여 소형 패키지에서 비선형 효과없이 낮은 삽입 손실을 제공하는 Y-접합(Y-junction) 서큘레이터이다. 이 서큘레이터는 22 dB의 최소 아이솔레이션을 제공하면서 약 145 내지 155 MHz의 주파수 범위 내에서 3 kW보다 큰 출력 전력을 처리할 수 있다. 최대 삽입 손실은 0.3 dB이고 최대 입력 VSWR은 1.18:1이다.

서큘레이터의 출력 포트가 개방 또는 단락되면, 대부분의 입력 전력은 반사되고 종단 저항기(40)에서 열로 소모된다. 그러므로, 정격 역방향 전력 레벨이 발생기의 보호 회로에 의해 제한되지 않으면, 저항기(40)의 전력 정격은 시스템의 최대 정격 순방향 전력과 적어도 동일해야 한다. CX1R3 서큘레이터에 대한 정격 역방향 전력 한계치는 1분동안 3 kW CW의 전체 전력 또는 1 kW CW이다. 따라서, 수냉식 히트 싱크(water-cooled heat sink) 상에 배치된 2개의 800 W 저항기는 신뢰성있는 종단을 제공한다. 이들 정격은, 정상 플라즈마 처리동안 부하 VSWR 불안정성으로부터 발생기를 보호하고 예기치 않은 2500 W 전체의 반사 전력의 경우에 제어 보호가 수행되기에 충분한 시간을 제공하기에 충분하다. XC1R3 서큘레이터는 12.7 cm×13.46 cm ×3.05 cm (5 in×5.3 in×1.2 in)이고, 소형 섀시에 장착하기에 충분히 소형이다.

일 구성예에서, 듀얼 방향성 커플러(42)는 서큘레이터(32)와 저역 통과 필터(52) 사이에 삽입되어 주 신호에 최소한의 왜곡을 도입하면서 RF 에너지 흐름의 정밀한 모니터링을 허용한다. 커플러(42)는 센서(46)를 포함하고, 센서는 높은 지향성 및 낮은 통과 손실로 순방향 및 역방향 전력에 각각 샘플(48, 150)을 제공한다. RF 신호(36)는 입력 포트(44)에 인가된 후, 커플링 인자에 따라, 주 라인 출력 포트(50)와 순방향 포트(48) 사이에 동일하지 않게 분할된다.

방향성 커플러(42)는 0.03 dB 이하의 삽입 손실, 43 dB 순방향 커플링, 40 dB 이상의 지향성으로 5 kW의 VHF 전력을 처리하도록 구성된다. 일 구성예에서, 순방향 샘플(48)과 역방향 샘플(150)의 샘플 커플링은 고조파의 25 dB 이상의 제거, +/-10% 대역폭, +/-0.02 dB 리플(ripple)을 갖는 내장 대역 통과 필터(BPF) 회로망(도 3에는 도시되지 않음)을 포함한다. 이들 BPF는 플라즈마 부하의 비선형성에 의해 생성된 대역외의 고조파 및 저조파가 제어 기판(18)에 도달하는 것을 방지함으로써 전체 전력 안정성과 신뢰성을 개선한다. 순방향 샘플(48)과 역방향 샘플(150)은 플라즈마 부하 VSWR을 나타내고 제어 기판(18)에 공급되어 RF 소스의 주파수 및 이득을 조정한다. 이 방식으로, 요구된 출력 전력 레벨이 유지되고 감지된 부하 VSWR은 최소화된다.

플라즈마 리액터가 큰 비선형 부하를 부과하기 때문에, 입력 전력의 사인파형은 왜곡되고 고조파 및 저조파의 형태의 대역외 에너지를 생성한다. 일 구성예에서, 저역 통과 필터(LPF; 52)와 고역 통과 필터(HPF; 58)를 포함하는 고조파 회로망이 방향성 커플러(42)와 정합 회로망(60) 사이에 삽입되어 플라즈마 부하의 비선형성에 의해 발생된 대역외 신호를 처리한다. 방향성 커플러(42)의 출력(50)은 LPF(52)의 입력(54)에 결합되고, 출력(56)은 HPF(58)의 입력(151)에 접속된다.

일 구성예에서, 전체 동적 범위에 걸쳐 -50 dBc 이하의 고조파 성분을 유지하기 위하여, LPF(52)는 5차 0.01 dB 통과 대역폭 리플 체비셰프(Chebychev) 응답을 제공하도록 구성된다. 고조파 소모 종단은 LPF(52)의 출력(56)에 접속된 HPF(58)에 의해 제공된다. 이 구성에서, 플라즈마 부하(16)에 의해 발생된 고조파는 주 VHF 신호에서 감지되지 않고 HPF(58)의 종단(152)에 의해 흡수된다. 일 구성예에서, HPF(58)는 5차 0.01 dB 통과 대역폭 리플 체비셰프 응답을 갖는다.

LPF(52)와 HPF(58)의 조합은 다이플렉서(diplexer)를 형성하고, 이 다이플렉서는 고조파 왜곡을 최소화하고 고조파 소모 종단을 생성한다. 일 구성예의 다이플렉서의 총 삽입 손실은 0.12 dB보다 작다. 150 MHz에서의 입력 및 출력 임피던스는 1.1:1 이하의 VSWR를 갖는 50 Ω이다. 따라서, 제2 및 제3 고조파에 대한 출력 VSWR은 1.5:1 및 3:1보다 작다.

LPF(52)와 HPF(58)를 포함하는 다이플렉서의 사용은 플라즈마 부하(16)로부터 정합 회로망(60)를 통해 RF 발생기(10)로 되돌아오는 역방향 신호의 진폭을 크게 감소시킨다. 또한, 플라즈마 부하(16)에 의해 생성되어 발생기(10)를 향하여 되돌아온 고조파는 HPF(58)의 종단 저항기(152)에서 흡수되어 정합 회로망(60)로 되반사되지 않고, 따라서, 플라즈마 부하(16)와 간섭하지 않는다. 따라서, 플라즈마 시스템 성능은 RF 발생기(10)와 정합 회로망(60) 사이의 케이블 길이와 무관하다. 이 케이블 길이에 대한 독립성은 부정합된 부하 VSWR의 넓은 범위에 걸쳐 전체 시스템의 안정성 및 신뢰성을 개선한다. 또한, 상술한 다이플렉서(LPF(52)와 HPF(58))의 구성 및 전력 센서(42) 후의 RF 신호 경로의 그 배치는 고조파가 전력 센서(42)에 도달하는 것을 막고, 따라서, 반사된 전력 측정의 정확도를 확보한다.

일 구성예에서, LPF(52)의 출력(56)은 정합 회로망(60)의 입력(62)에 결합된다. 정합 회로망(60)의 출력(64)은 플라즈마 부하(16)에 접속된다. 정합 회로망(60)은 부하(16)의 임피던스를 변환시켜 발생기(10)의 50 Ω 임피던스를 정합함으로써 RF 발생기(10)로부터 플라즈마 부하(16)로 VHF의 최대 전력 전송을 허용한다. 자동 주파수 동조(AFT)의 신뢰성 이점 때문에, 고정 정합 회로망(60) 토폴로지는 플라즈마 처리 시스템의 일 구성예에서 이 임피던스 변환을 달성하기 위해 사용된다. 이 토폴로지는 하나의 션트 캐패시터(153)와, 인덕터(154) 및 캐패시터(155)의 직렬 조합을 갖는 기본 "L" 구성이다. AFT는 플라즈마 부하가 최소 반사 전력에 동조되는 최적의 주파수에 도달할 때까지 발생기의 주파수를 변경한다. 이 구성에서 기계 부품의 이동은 없고, 따라서 동조는 신뢰성있고 신속하다.

"부하"부로 지칭되는 션트 캐패시터(153)는 플라즈마 부하(16)의 유도성 성분을 감소시킨다. 동시에, "동조"부로서 지칭되는 인덕터(154)는 부하(16)의 용량성 성분을 공진시킨다. AFT 및 고정 정합 회로망 구성하에서, 발생기(10)의 주파수는 플라즈마 시스템이 동조되는 주파수, 즉, 정합 회로망(60)의 입력 임피던스(62)가 발생기(10)의 출력 임피던스, 일반적으로 50 Ω에 정합하는 주파수에 도달할 때까지 자동적으로 동조된다. 동시에, 정합 회로망(60)의 출력 임피던스(64)는 선택된 동조 알고리즘에 따라 플라즈마 부하(16)의 임피던스와 가능한한 가깝게 정합한다. 최적 동조 지점이 도달되는 때를 결정하는 것은 참고로 여기에 포함된 미국 특허 제6,020,794호에 기재된, 예를 들어, 반사 및 순방향 전력의 비, 반사 계수(반사된 전력과 인가된 전력의 비의 제곱근), VSWR, 또는 다른 적절한 측정치에 기초할 수 있다.

일 구성예에서, 서큘레이터(32), 방향성 커플러(42), 저역 통과 필터(52) 및 정합 회로망(60)에서의 손실을 고려하면, 150 MHz의 공칭 주파수의 적어도 2.5 킬로와트의 RF 전력이 부하(16)에 제공된다. 특히, 일 구성예에서, 적어도 2.5 킬로와트의 출력 전력은 방향성 커플러(42)에 의해 표시된 순시 VSWR에 따라 142 및 158 MHz 사이의 최적의 주파수로 제공된다. 이러한 양의 전력을 발생시키기 위하여, 전력 증폭기 스테이지(26)는 300 와트 더블 확산 MOSFET 트랜지스터를 이용하는 8개의 푸쉬풀, AB급 증폭기(66, 68, 70, 72, 74, 76, 78, 80)를 포함한다. 이 애플리케이션에 적합한 트랜지스터는 STMicroelectronics, N.V. Carrollton, Texas로부터 이용가능한 SD2933 N 채널 MOS 전계 효과 RF 전력 트랜지스터를 포함한다. SD2933 트랜지스터는 125 V의 최대 드레인-소스 및 드레인-게이트 정격, 40 A의 최대 드레인 전류 및 648 W의 최대 전력 소모를 갖는다.

각각의 푸쉬풀 증폭기(66, 68, 70, 72, 74, 76, 78, 80)에 사용되기에 적합한 푸쉬풀 증폭기의 일 구성예는 도 8에 개략적으로 표시된다. 이 증폭기는, 푸쉬풀 구성(즉, 위상으로부터 180도)으로 접속되고 동작의 AB급 모드로 바이어싱된 한쌍의 MOSFET(Q1, Q2)를 사용한다. 각각의 푸쉬풀(PP) 트랜지스터(Q1, Q2)는 1 dB 이하의 압축과 9 dB 전력 이득으로 135 내지 165 MHz 주파수 범위에 걸쳐 약 50 V의 드레인-소스 전압에서 동작한다. 위상적으로(topologically), 도 8에 표시된 증폭기 구성은 트랜스포머를 사용하여 입력 신호를 트랜지스터(Q1, Q2)에 공급하고 결과적인 출력 신호들을 결합한다. "RF In" 입력 드라이브 신호는 발룬 트랜스포머(balun transformer; T1)의 50 Ω 입력 포트에 인가된다. 발룬 트랜스포머(T1)는 50 Ω의 특성 임피던스를 가지며 입력 드라이브 신호를 순방향 및 역방향 위상으로 동일하게 분할한다. T1의 발룬 권선은 상호 결합되고, 각각은 접지에 대해 25 Ω의 출력 임피던스를 갖는다. 발룬 트랜스포머(T1)의 출력은 밸런스 트랜스포머(T2)에 밸런스된 9:1 스텝다운(step-down)을 공급하고, 그 밸런스 트랜스포머의 낮은 5.5 Ω 임피던스는 트랜지스터(Q1, Q2)의 게이트에 접속된다.

도 8의 PP 증폭기의 출력측에서, 순방향 및 역방향 위상 파형이 밸런스 트랜스포머(T3)에 밸런스된 출력 1:9 스텝업을 통해 결합된다. 트랜스포머(T3)는 접지에 대해 2.78 Ω의 2개의 밸런스된 낮은 임피던스 입력을 갖고, 2개의 입력 중 하나는 Q1의 드레인에 접속되고 다른 하나는 Q2의 드레인이 접속되고, 이들은 180도 분리된다. 트랜스포머(T3)의 출력 포트는 발룬 트랜스포머(T4)의 밸런스 입력에 결합되고, 이 발룬 트랜스포머(T4)는 50 Ω의 특성 임피던스를 가지며 출력 전력의 또다른 조합을 위하여 밸런스되지 않은 50 Ω 출력 포트를 제공한다.

일 구성예에서, 트랜스포머(T1, T2, T3, T4)는 평면 유전체 기판 상에 인쇄된 전기적 단락 도체를 사용하는 페라이트 코어가 없는 전송형이다. Q1 및 Q2 트랜지스터는 게이트 및 소스 사이에 개별 입력 RF 종단(각각, R3, C5 및 R4, C6)을 갖는다. 각각의 종단은 DC 블록으로서 동작하는 캐패시터를 갖는 직렬 저항기-캐패시터 조합으로서 구성된다. 일 구성예에서, 저항기(R3, R4)는 50 Ω으로, 각각 전력 이득을 절충하지 않고 안정한 RF 동작을 높은 VSWR 부하로 제공한다. 캐패시터(C5, C6)는 0.01 ㎌ DC 블록킹 캡이다. 이 값은 게이팅 상승 및 하강 시간이 영향을 받지 않도록 선택되었다.

각각의 MOSFET(Q1, Q2)는 또한 게이트 및 소스 사이에 접속된 자신의 DC 종단 저항기(R1, R2)를 각각 갖는다. 일 구성예에서, 저항기(R1, R2)는 각각 게이팅 입력이 접속되지 않은채로 있거나 종단되지 않은 경우 DC 안정성을 확보하기 위하여 약 1 ㏀이다. 고출력 VSWR 부하로의 광대역 RF 안정성 및 입출력 정합은 DC를 블록킹하는 캐패시터와 함께, 직렬 저항기-캐패시터 조합(R5, C7 및 R6, C8)을 포함하는 드레인-게이트 RF 궤환 회로망을 사용하여 달성된다. 일 구성예에서, 저항기(R5, R6)는, 각각 전력 이득 및 출력 전력 성능에 크게 영향을 주지 않으면서, 개방 및 단락을 포함하는 모든 위상 조건으로의 출력 안정성을 제공하기 위한 50 Ω 50 W 플랜지 장착 저항기이다.

일 구성예에서, 35-50 V의 드레인 공급 전압은 인덕터(L3)와 캐패시터(C13, C14)를 포함하는 DC 공급 회로를 통해 각각의 트랜지스터의 드레인에 접속되어, PP로부터의 RF 에너지가 전력 공급부에 들어가는 것을 방지하고 전력 공급부로부터의 스위치-모드 잡음이 PP에 도달하는 것을 방지한다. 이것은 큰 직렬 인덕터, 즉, 초크(L3) 및 병렬 캐패시터 쌍(C13, C14)으로 달성된다. 캐패시터(C13)는 RF 바이패스 캐패시터이고 전해 캐패시터(C14)는 저주파수 바이패스 캡이다. 급전 회로는 또한 감지 저항기(R7, R8)를 포함하여 트랜지스터(Q1, Q2) 전류, 리버스(reversing) 트랜스포머(T5) 및 바이패스 캐패시터(C9, C10)를 모니터링한다. 캐패시터(C11, C12)는 DC 블록킹 캐패시터로서 동작한다. 트랜지스터(Q1, Q2)의 게이트의 각각은 각각 인덕터(L1, L2)를 통해 게이트 바이어스의 소스(도시하지 않음)에 결합된다. 캐패시터(C1, C2)는 RF 바이패스 캐패시터로서 동작한다. 그들의 값은 게이팅 상승 및 하강 시간에 영향을 주지 않도록 선택된다.

도 8에 표시된 PP 회로 구성은, 임의의 조정을 요구하지 않으면서, 원하는 VHF 주파수 범위에 걸쳐 출력 전력, 드레인 효율, 압축, 전력 이득에 대하여 최적화된다. 도 8에 표시된 PP 회로는 135-165 MHz에서의 500 W RF 전력을 약 55% 드레인 효율로 제공한다. 트랜지스터당 전력 소모는 대략 205 W이고, 결과적으로, 다이 온도가 히트 싱크보다 높은 약 85℃로 상승한다.

모든 푸쉬풀 트랜지스터(Q1, Q2)는 일반적으로 냉각 판이라 지칭되는 수냉식 히트 싱크 상에 장착되고, 냉각 판은 디지털적으로 제어되어 온도가 55 ℃를 초과하지 않도록 한다. 비교적 높은 전력 소모를 확보하기 위하여, SD 2933 트랜지스터가 사용된다. 이 트랜지스터는 200 ℃의 최대 동작 접합 온도 및 0.27 ℃/W의 열저항을 갖는 열적 향상 넌-페디스털(non-pedestal) 패키지를 갖는다. 일 구성예에서, 출력 전력 및 부하의 VSWR에 의존하여, 제어 기판(18)은 신속한 레일 알고리즘(agile rail algorithm)을 사용하여 35-50 V 드레인 전압을 최적화하여 디바이스의 접합 온도가 140 ℃를 넘지 않도록 한다. 이것은 40% 이상의 마진과 플라즈마 시스템의 신뢰성있는 동작을 위해 충분한 정도 이상을 제공한다.

도 3을 다시 참조하면, 전력 증폭기 스테이지(26)는 전력 증폭기(26)의 중간 증폭기(IMA; 84)로부터 드라이버 스테이지(22)를 분리하기 위하여 양방항성 스플리터로서 구성된 제1 90°하이브리드(82)를 사용한다.

드라이버(22)로부터의 125 W 출력 신호(24)는 90°하이브리드(82)에 의해 2개의 신호로 분할되어 IMA(84)의 스테이지(96, 98)를 구동시킨다. IMA 스테이지(96, 98)는, 도 8에 표시되고 PA(26)에 사용된 상술한 PP(66, 68, 70, 72, 74, 76, 78, 80)의 구성과 동일하다. 따라서, 플라즈마 시스템의 설계, 생성, 및 테스팅을 간략화하고 그 신뢰성을 개선하는 동일한 회로 설계가 다른 애플리케이션에 사용된다. IMA(84)는 충분한 3 dB 전력 마진을 제공하여 PA(26)을 구동시킬 수 있다.

90°하이브리드(82)는, 다른 출력의 위상에 대하여 90도 시프트된 위상을 출력중 하나에 부가하면서 25 dB 아이솔레이션으로 입력 신호를 2개의 동일한 출력 신호로 분할하는 4개의 포트 50 Ω 회로망이다. 각각의 출력 포트의 절대 위상 값은 주파수에 따라 변화하지만, 회로망은 특정 주파수 범위에 걸쳐 출력들간에 일정한 90도 위상차를 유지한다.

IMA 스테이지(96, 98)의 직각 위상 출력 신호는 각각의 동위상(in-phase) 4방향 스플리터(86, 88)에 결합된다. 일 구성예에서, 각각의 스플리터(86, 88)는 4개의 동상 50 Ω 출력을 제공하며, 이 출력은 25 dB 이상의 아이솔레이션으로 분리되고 4개의 푸쉬풀의 2세트를 구동하기 위하여 공급된다. 제1 세트는 푸쉬풀(66, 68, 70, 72)을 포함하고, 제2 세트는 푸쉬풀(74, 76, 78, 80)을 포함한다.

PP(66, 68, 70, 72, 74, 76, 78, 80)의 출력은 2개의 4방향 동상 결합기(90, 92)의 각각의 50 Ω 입력에 인가된다. 일 구성예에서, 결합기(90, 92)는 23 dB보다 나은 입력 포트-대-포트 아이솔레이션을 제공한다. 결합기(90, 92)의 각각의 출력 포트는 출력 벡터간의 90도 위상 시프트를 유지하면서 4개의 입력 신호의 벡터 합을 생성한다. 각각 약 1600 W의 결합기(90, 92)의 직각 위상 출력 신호는 제2 90°하이브리드(94)를 통해 50 Ω 임피던스 포트(28)에서 VHF 에너지의 약 3 kW를 제공하는 출력에 재결합된다.

동상 스플리터(86, 88) 및 동상 결합기(90, 92)는 PP(66, 68, 70, 72, 74, 76, 78, 80)의 트랜스포머에 대하여 상술한 것과 유사한 평면 유전체 기판 상에 인쇄된 전기적 단락 도체를 사용하는 전송형 트랜스포머를 사용한다. 제2 하이브리드(94)는 전력 증폭기 스테이지(26)의 2개의 4방향 결합기(90, 92)로부터의 출력을 결합하기 위하여 양방항성 결합기로서 구성된 고전력 VHF 광대역 90°하이브리드이다. 하이브리드(82) 및 하이브리드(94)로 사용될 수 있는 상용가능한 하이브리드 모델은 Anaren Microwave, Inc.로부터 이용가능한 타입 4418이다. 이 하이브리드에는 130 및 170 MHz 사이의 주파수의 3 kW CW의 출력 전력이 인가된다. 최소 아이솔레이션은 0.2 dB의 최대 삽입 손실에서 25 dB이다. 하이브리드의 최대 VSWR은 1.15:1이다. ±0.2 dB의 진폭 밸런스 및 ±1.5도의 위상 밸런스가 또한 제공된다.

일 구성예에서, 발생기 장치(10)의 RF 출력 주파수를 조정하기 위하여, 전압 제어 발진기를 사용하는 고주파수 위상 동기 루프(PLL) 합성기가 직접 디지털 합성기 대신에 제어 기판(18) 상에 설치된다. 주파수 합성기는 안정한 기준, 일반적으로 수정 발진기에 대하여 자유 실행 발진기의 주파수를 안정화시키는 회로망이고, 그 결과를 사용하여 동조를 제어한다.

일 구성예 및 도 9를 참조하면, RF 발생기 장치는 2개의 개별 섀시(102, 104)에 하우징된다. 섀시(102)는 10 kW 스위치-모드 전력 공급부(106)를 포함하고, 스위치-모드 전력 공급부(106)는 RF 드라이버 스테이지(22)와 전력 증폭기 스테이지(26)에 모든 DC 전압을 제공한다. 제어 기판(18) 및 전방 패널(200)은 또한 섀시(102)에 하우징된다. 섀시(104)는 모든 RF부, 특히 드라이버 스테이지(22), 및 8개의 푸쉬풀 전력 증폭기(66, 68, 70, 72, 74, 76, 78, 80)와 하이브리드 커플러(82, 94)와 도 9에 별도로 도시되지 않은 다른 보조 컴포넌트를 포함하는 전력 증폭기 스테이지(26)를 하우징한다. 이들 푸쉬풀 전력 증폭기는 수냉식 히트싱크(도시하지 않음)의 일측에 장착된다. 히트 싱크의 타측은 드라이버(22), 스플리터(86, 88), 결합기(90, 92), 90°하이브리드 커플러(82, 94), 서큘레이터(32), 방향성 커플러(42), 및 필터(52, 58)에 사용된다.

도 10 및 11은 각각 기재된 2개의 결합 섀시 구성의 프론트 및 후방 패널 어셈블리의 도면이다. 전력 공급 섀시(102)의 전방 패널은 다음의 제어부(도 10)를 포함한다:

20문자의 2 라인을 갖는 디스플레이(180),

온/오프 및 메뉴 버튼(181),

메뉴 옵션의 소정 값을 선택하기 위한 디지타이저 놉(digitizer knob; 182), 및

차단기(183).

RF 섀시(104)의 전방 패널은 AC 및 RF 온/오프 및 결함 상태 표시기(184).

섀시(102, 104)는 브래킷(178)을 사용하여 핸들(179)에 접속되어 발생기를 표준 19" 랙에 설치한다.

전력 공급 섀시(102)의 후방 패널은 다음의 컴포넌트를 포함한다(도 11):

AC 입력 접속기(185),

발생기의 상태를 제어하고 모니터링하기 위한 디지털 및 아날로그 인터페이스 접속기(186),

냉각 팬(187), 및

전력 공급 섀시(102)로부터 RF 섀시(104)로의 DC 및 RF 라인 접속기(188).

RF 섀시(104)의 후방 패널은 다음의 컴포넌트를 포함한다(도 11):

RF 섀시(104)로부터 전력 공급 섀시(102)로의 DC 및 RF 라인 접속기(189),

수냉식 히트싱크 접속기(190),

RF 출력 접속기(191),

냉각 팬(192), 및

솔레노이드 밸브(193).

2-섀시 구성은 1-섀시 구성과 비교하여 많은 이점을 갖는다. 출력 전력, 효율, 주파수 범위 등의 시스템의 요건에 의존하여, 모든 필요한 변형이 RF 섀시에서 구현되는 동안 개별 섀시의 전력 공급이 임의의 특정 시스템에 용이하게 도입될 수 있다. 제조를 위해서는, 하나의 공통 전력 공급 섀시를 갖는 것이 편리하며, 이 공통 전력 공급 섀시는 개별적으로 어셈블링하고 테스트하기 용이하여 많은 RF 시스템에 사용될 수 있다.

전력 증폭기(26)의 출력단과 플라즈마 부하(16) 사이에 서큘레이터(32)를 삽입함으로써, 고전력 RF 발생기 장치에 의해 반도체 산업에서 사용되는 것과 같은 고전력 VHF 플라즈마 시스템에 전력이 공급된다. 서큘레이터(32)는 발생기/플라즈마 부하 시스템 전체의 안정성과 신뢰성을 저하시킬 수 있는 상호작용 플라즈마 임피던스에 의해 발생된 반사 전력의 억제 및 아이솔레이션을 제공한다. 또한, 서큘레이터(32)는 RF 발생기 장치(10)가 플라즈마 부하의 조건, RF 발생기 장치(10)와 부하(16)간의 케이블 길이, 또는 임의의 부하 부정합에 관계없이 성능 파라미터에 어떠한 변화도 없이 만족스럽게 동작하도록 한다. 따라서, RF 발생기 장치는 개방 및 단락 부하를 포함하는 상당한 부하 부정합으로 동작할 수 있다. 결과적으로, 안정성 및 신뢰성에 있어서의 상당한 향상이 달성된다.

신뢰성 향상은 모든 IMA(84) 및 PA(26) 푸쉬풀 스테이지 및 동상 스플리터(86, 88) 및 동상 결합기(90, 92)에 상술한 저손실 트랜스포머를 병합함으로써 제공된다. 다른 이점 중에서, 이들 페라이트가 없는 트랜스포머는 0.1-0.15 dB의 매우 낮은 삽입 손실을 제공하는데, 그 이유는 도체들이 물리적으로 유사하고, 서로 둘러싸지 않고, 차별된 가열을 경험하지 않기 때문이다. 동시에, 도체간의 바람직하지 않은 위상 지연없이 RF 변환을 확보하는데, 이것은 동축 케이블 도체와 달리, 실질상 동일한 치수를 갖기 때문이다.

모든 트랜스포머는 평면 유전체 기판 상에 인쇄된 전기적 단락 도체를 사용하는 전송형으로서 설계된다. 각각의 트랜스포머 구성의 구조 및 재현성은 간략화되는데, 그 이유는, 참고로 여기에 기재된 대응 미국 출원 번호 10/080,252(2002. 2. 21 출원)에 상세히 기재된 바와 같이, 이들은 복수의 전기 컨택트를 갖는 다른 평면 RF 회로 기판의 표면에 수직으로 장착된 인쇄 회로로서 용이하게 복제될 수 있기 때문이다.

열향상 고전력 트랜지스터와 함께 전력 증폭기 스테이지(26)의 저손실 트랜스포머의 사용은 각각의 푸쉬풀 증폭기(66, 68, 70, 72, 74, 76, 78, 80)가 VHF 주파수에서 500 W의 주파수를 생성하도록 한다. 낮은 열저항은 트랜지스터의 안전한 동작 영역을 증가시킨다. 따라서, 이전의 설계에서 필요했던 16개가 아니라 8개의 전력 증폭기 푸쉬풀 증폭기가 RF 전력 출력의 요구량을 발생시키기에 충분하다. 컴포넌트의 수의 감소는 또한 신뢰성 및 안정성을 향상시키는데 기여한다.

위상 스플리터/결합기가 설계 및 구현에 있어서 보다 싸고 용이하다 하여도, 플라즈마 처리 시스템의 안정성 및 신뢰성을 개선하기 위한 90°하이브리드 및 동상 스플리터/결합기의 조합을 사용하는 것이 이점이 많다. 이러한 하나의 이점은, 동상 양방항성 결합기와 달리, 출력 90°하이브리드(94)는 동일한 위상 및 동등하게 분할된 진폭에서 출력 합계 포트(28)에서의 부하 부정합을 모든 입력 포트로 되돌려 전달하지 않는다는 것이다. 이 때문에, 반사된 부하 부정합은 90°만큼 시프트된 부하를 상부 PA(26) 부(PP(66, 68, 70, 72)) 및 하부 PA(26) 부(PP(74, 76, 78, 80))에 제공할 것이다. 그 결과, 각각의 부분에는 상이한 부정합이 나타나고, 따라서 시스템 발진에 대한 가능성을 매우 감소시킨다. 반면, 출력 90°하이브리드(94)의 출력 포트(28)로 되돌아온 부정합 부하 VSWR에 의해 발생된 반사 전력은 그 입력에서 분할되어 부분적으로 되반사되고, 따라서, 출력 포트(28)에서 제거되고 종단 저항기(110)에 부가된다. 그 결과, 결합된 PA 출력(28)은 정합된 소스 임피던스를 갖는 것처럼 행동하여 시스템 안정성을 상당히 개선시킨다.

또한, 입력 90도 스플리터(82)는, 동상 양방항성 스플리터와 달리, IMA 스테이지(96, 98)의 부정합을 드라이버(22)로 되반사시키지 않는다. 하이브리드(82)가 스테이지(96, 98)의 유사한 부정합에 결합되면, 드라이버(22)로부터 나온 반사된 전력을 종단 포트(100)로 향하게 라우팅하여, 드라이버(22)를 VSWR 리플과 불안정성으로부터 분리시킨다. 이것은 시스템의 IMA 스테이지(96, 98)에서의 부정합에 관계없이 드라이버(22)에 50 Ω 임피던스를 제공하여 전체 시스템의 안정성 및 신뢰성을 증가시킨다.

따라서, 동위상 및 90도 스플리터의 상술한 조합 및 결합기를 포함하는 구성은 플라즈마 처리 시스템의 신뢰성 및 안정성을 상당히 향상시킨다. 90°하이브리드를 사용하여 얻어진 향상된 안정성은 도 12 및 13에 그래프로 표시되어 있다. 도 12는 동상 스플리터 및 결합기만을 포함하는 RF 발생기(10) 구성이 6' 케이블을 통해 1.8-j63 Ω 부하에 동조된 정합 회로망(60)에 접속되었을 때 방향성 커플러(46)의 순방향 포트로부터 취해진 시스템의 대역내 및 대역외 스퓨리어스 산물의 플롯이다. 시스템 주파수 대역폭의 하단에, 시스템을 불안정하게 하고 잠재적인 컴포넌트 불량을 일으키는 주 주파수 보다 낮은 44 dB의 스퓨리어스 산물의 험프(hump)가 있다. 유사한 동상 회로망 대신 90도 스플리터(82) 및 90도 결합기(94)가 사용된 다른 구성에서, 출력 신호는 도 13에 도시된 바와 같이 주 주파수보다 낮은 70 dB 이상의 스퓨리어스 산물을 가져 완전히 무결하다.

본 발명의 설명은 단지 예일 뿐이며 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 변형이 본 발명의 범위 내에서 가능하다. 이러한 변형은 본 발명의 사상 및 범위로부터 이탈된 것으로 간주되지 않는다.

Claims

비선형 부하 부정합 상태들에 견디는 플라즈마 처리 시스템용 무선 주파수(RF) 발생기 장치에 있어서,

RF 신호를 발생시키도록 구성된 RF 발진기와,

상기 RF 신호에 응답하여 플라즈마 챔버 부하를 구동시키기에 충분한 전력을 갖는 VHF RF 신호를 발생시키는 RF 증폭기와,

상기 RF 증폭기에 결합되며 상기 RF 증폭기로부터 상기 플라즈마 챔버 부하의 비선형성을 분리시키도록 구성된 VHF 대역 서큘레이터(circulator)

를 포함하는 RF 발생기 장치로서,

상기 RF 신호의 주파수를 조절하도록 구성된 제어 기판, 상기 서큘레이터의 출력에 결합되어 그로부터 RF 전력을 수신하는 입력을 갖는 방향성 커플러, 및 상기 제어 기판에 상기 서큘레이터의 상기 출력에서의 RF 전력량을 나타내는 신호를 공급하도록 구성된 센서를 더 포함하며, 상기 제어 기판은 RF 전력량을 나타내는 상기 신호에 응답하여 상기 RF 신호의 상기 주파수를 조절하는 RF 발생기 장치.
제1항에 있어서,

상기 VHF 대역 서큘레이터는 Y-접합 서큘레이터를 포함하는 RF 발생기 장치.
제1항에 있어서,

상기 RF 증폭기는 드라이버, 전력 증폭기, 제1 90°하이브리드 커플러, 및 제2 90°하이브리드 커플러를 포함하며, 상기 제1 90°하이브리드 커플러는 상기 전력 증폭기에서 상기 드라이버를 분리시키는 양방향성 스플리터로서 구성되고, 상기 전력 증폭기는 두 개의 절반부를 포함하며, 상기 제2 90°하이브리드 커플러는 상기 전력 증폭기의 상기 두 절반부의 출력들을 결합하는 양방향성 결합기로서 구성되는 RF 발생기 장치.
삭제
제1항에 있어서,

입력이 상기 방향성 커플러의 출력에 결합된 저역 통과 필터를 더 포함하는 RF 발생기 장치.
제5항에 있어서,

상기 저역 통과 필터의 출력에 결합되며 상기 플라즈마 챔버 부하에 결합된 신호 내의 RF 고조파를 접지로 분로시키도록 구성된 입력을 갖는 고역 통과 필터를 더 포함하는 RF 발생기 장치.
제6항에 있어서,

상기 저역 통과 필터의 출력에 결합된 입력과 상기 플라즈마 챔버 부하에 전력을 공급하도록 구성된 출력을 갖는 부하 정합 회로망(load match network)을 더 포함하며, 상기 부하 정합 회로망은 한 세트의 동작 조건 하에서 상기 RF 발생기 장치의 출력 임피던스를 상기 플라즈마 챔버 부하와 정합시키도록 구성된 RF 발생기 장치.
제1항에 있어서,

VHF 주파수의 적어도 2.5㎾ RF 전력을 발생하도록 구성된 RF 발생기 장치.
제8항에 있어서,

상기 RF 증폭기는 푸쉬풀 구성의 16개 이하의 출력 트랜지스터를 포함하는 RF 발생기 장치.
제1항에 있어서,

제1 섀시, 상기 제1 섀시 내에 하우징된 전력 공급 장치, 상기 RF 발진기 및 상기 RF 증폭기를 제어하도록 구성된 제어 기판, 상기 제1 섀시와 독립된 제2 섀시, 및 상기 제2 섀시 내에 하우징된 히트 싱크를 포함하고, 상기 제2 섀시에는 상기 RF 증폭기 및 상기 VHF 대역 서큘레이터가 더 하우징되는 RF 발생기 장치.
제1항에 있어서,

상기 VHF 대역 서큘레이터는 집중 회로 소자들(lumped circuit elements)을 포함하는 RF 발생기 장치.
제1항에 있어서,

상기 VHF 대역 서큘레이터는 수동의 비가역적 페라이트 디바이스를 포함하는 RF 발생기 장치.
제1항에 있어서,

상기 RF 발진기는 직접 디지털 합성기를 포함하는 RF 발생기 장치.
제1항에 있어서,

상기 RF 발진기는 위상 동기 루프에서 동작하는 전압 제어 발진기를 포함하는 RF 발생기 장치.
플라즈마 처리 시스템에 있어서,

플라즈마 챔버와,

상기 플라즈마 챔버에 동작가능하게 결합되어 VHF 주파수의 RF 전력을 상기 플라즈마 챔버에 공급하는 무선 주파수(RF) 발생기 장치로서, 상기 RF 발생기 장치는 상기 RF 발생기 장치에 공급되는 상기 RF 전력을 발생하도록 구성된 RF 증폭기와 상기 플라즈마 챔버에 상기 RF 전력을 공급하며 상기 RF 증폭기로부터 상기 플라즈마 챔버의 비선형성을 분리시키도록 구성된 출력을 갖는 VHF 대역 서큘레이터를 포함하는 RF 발생기 장치

를 포함하는 플라즈마 처리 시스템으로서,

상기 RF 증폭기는 드라이버, 전력 증폭기, 제1 90°하이브리드 커플러, 및 제2 90°하이브리드 커플러를 포함하며, 상기 제1 90°하이브리드 커플러는 상기 전력 증폭기로부터 상기 드라이버를 분리시키는 양방향성 스플리터로서 구성되고, 상기 전력 증폭기는 두 개의 절반부를 포함하며, 상기 제2 90°하이브리드 커플러는 상기 전력 증폭기의 상기 두 절반부의 출력들을 결합하는 양방향성 결합기로서 구성되는 플라즈마 처리 시스템.
제15항에 있어서,

상기 VHF 대역 서큘레이터는 Y-접합 서큘레이터를 포함하는 플라즈마 처리 시스템.
삭제
제15항에 있어서,

상기 플라즈마 챔버에 공급되는 상기 RF 전력의 주파수를 조절하도록 구성된 제어 기판, 상기 서큘레이터의 출력에 결합되어 그로부터 RF 전력을 수신하는 입력을 갖는 방향성 커플러, 및 상기 제어 기판에 상기 서큘레이터의 상기 출력에서의 RF 전력량을 나타내는 신호를 공급하도록 구성된 센서를 더 포함하며, 상기 제어 기판은 RF 전력량을 나타내는 상기 신호에 응답하여 상기 RF 전력의 상기 주파수를 조절하는 플라즈마 처리 시스템.
제18항에 있어서,

상기 방향성 커플러와 상기 플라즈마 챔버 사이에서 동작가능하게 결합되어 상기 방향성 커플러를 통과하는 RF 전력에서의 고조파를 감소시키는 저역 통과 필터를 더 포함하는 플라즈마 처리 시스템.
제19항에 있어서,

상기 고조파를 접지로 분로시키도록 구성된 고역 통과 필터를 더 포함하는 플라즈마 처리 시스템.
VHF 주파수의 RF 전력을 비선형 플라즈마 챔버 부하에 공급하기 위한 방법에 있어서,

RF 발생기의 출력 스테이지에서 VHF RF 전력을 발생시키는 단계와,

상기 VHF RF 전력을 VHF 대역 서큘레이터로 통과시키는 단계와,

상기 VHF 대역 서큘레이터를 통과한 상기 VHF RF 전력을 플라즈마 챔버 부하에 인가시키는 단계

를 포함하는 방법으로서,

상기 RF 발생기의 출력 스테이지로부터 출력된 RF 전력량을 방향성 커플러를 이용하여 감지하는 단계와,

상기 RF 전력의 주파수를 상기 감지된 RF 전력량에 따라 조정하는 단계와,

상기 방향성 커플러로부터 나온 상기 RF 전력의 고조파를 상기 플라즈마 챔버 부하와 상기 VHF 대역 서큘레이터/아이솔레이터(isolator) 사이에 동작가능하게 결합된 저역 통과 필터를 이용하여 분리시키는 단계

를 더 포함하는 방법.
삭제
제21항에 있어서,

상기 RF 전력의 고조파를 상기 플라즈마 챔버 부하와 상기 방향성 커플러 사이의 접지로 분로시키는 단계를 더 포함하는 방법.
제21항에 있어서,

상기 RF 전력의 주파수를 상기 감지된 RF 전력량에 따라 조정하는 단계를 더 포함하는 방법.