KR100842243B1 - Ｒｆ 플라즈마 공급 장치의 전력 출력 제어 또는 조정 방법 및 ｒｆ 플라즈마 공급 장치 - Google Patents

Ｒｆ 플라즈마 공급 장치의 전력 출력 제어 또는 조정 방법 및 ｒｆ 플라즈마 공급 장치 Download PDF

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크리스토프 게르하르트
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Abstract

a. 적어도 제 1 및 제 2 RF 전력 신호를 각각의 RF 발생기(6, 7)에 의해 생성하는 단계;
b. 적어도 두 개의 RF 전력 신호를 상기 RF 전력 신호의 위상 위치, 레벨 또는 위상 위치와 레벨 모두에 따라 결합된 RF 전력으로 결합하는 단계; 및
c. 상기 결합된 RF 전력을 플라즈마 부하(2)에 공급될 플라즈마 전력과 균등 부하(10)에 공급될 균등 전력 사이에 분배하는 단계
를 포함하고,
미리 정의된 저 전력 한계와 미리 정의된 공칭 전력 사이의 범위인 플라즈마 전력의 경우 상기 결합된 RF 전력의 미소 부분이 상기 균등 전력을 구성하고, 상기 미리 정의된 저 전력 한계 이하의 플라즈마 전력의 경우 상기 결합된 RF 전력의 상당한 부분이 상기 균등 전력을 구성하는 방식으로, 상기 RF 전력 신호의 레벨, 위상 위치 또는 레벨과 위상 위치 모두를 제어 또는 조정하는 것을 특징으로 하는 RF 플라즈마 공급 장치(1)의 전력 출력을 제어 또는 조정하는 방법을 제공한다.
그로 인해 RF 플라즈마 공급 장치의 출력에서 연속적으로 넓은 전력 범위를 포함하는 전력을 생성하는 것이 가능하다.

Description

ＲＦ 플라즈마 공급 장치의 전력 출력 제어 또는 조정 방법 및 ＲＦ 플라즈마 공급 장치{METHOD FOR CONTROLLING OR REGULATING THE POWER OUTPUT OF AN RF PLASMA SUPPLY DEVICE AND RF PLASMA SUPPLY DEVICE}
도 1은 본 발명에 따른 RF 플라즈마 공급 장치의 제 1 구성도.
도 2는 RF 플라즈마 공급 장치의 제 2 구성도.
도 3은 위상-시프트 제어 유닛의 설명을 위한 RF 발생기 도면.
본 발명은 RF 플라즈마 공급 장치의 전력 출력을 제어(control) 또는 조정(regulate)하는 방법에 관한 것으로,
a. 적어도 제 1 및 제 2 RF 전력 신호를 각각의 RF 발생기에 의해 생성하는 단계;
b. 적어도 두 개의 RF 전력 신호를 상기 RF 전력 신호의 위상 위치, 레벨(진폭) 또는 위상 위치와 레벨 모두에 따라 결합된 RF 전력에 결합하는 단계; 및
c. 상기 결합된 RF 전력을 플라즈마 부하에 공급될 플라즈마 전력과 균등 부하에 공급될 균등 전력 사이에 분배하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 한다.
플라즈마 공급 장치, 그 내부에 배열된 RF 발생기 또는 플라즈마 공급 장치와 그 내부에 배열된 RF 발생기 모두에 있어서, 제조업자에 의해 공칭 전력 레벨이 규정되고, 각각의 RF 발생기 공칭 전력 레벨의 합이 플라즈마 공급 장치의 공칭 전력을 이룬다.
RF 발생기와 그에 따른 RF 플라즈마 공급 장치는 이들의 공칭 전력의 일부만으로는 동작이 매우 어려울 수 있다고 알려져 있다. 이는 제어되지 않는 변동을 일으키는 경향이 있으며, 정확한 전력 출력에서만 겨우 제어될 수 있다. 대부분의 경우, RF 발생기의 제조업자에 의해 저전력 한계가 또한 규정되며, 그 이하인 경우에는 RF 발생기가 신뢰성있는 방식 또는 필요한 정밀도 레벨로 동작될 수 없다. 이는 예를 들어 공칭 전력의 10%일 수 있으나, 또한 보다 낮은 값, 예를 들어 1%일 수 있다. RF 발생기들의 저전력 한계의 합은 대략 플라즈마 공급 장치의 저전력 한계를 이룬다.
저전력 한계 이하의 플라즈마 공급 장치를 동작하기 위해서는, 일부 전력을 추가의 저항에 공급하고 나머지 전력을 부하에 공급하여, 이에 따라 그의 저전력 한계 이상으로 RF 발생기를 동작시키는 것이 공지되어 있다. 이를 위해, 저항은 부하에 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다. 저전력 한계 이하의 낮은 전력 레벨에 대해, 이러한 해결 방법은 대부분의 경우 사용 가능한 결과를 제공한다. 부하에 공급되는 전력이 공칭 범위에 가까이 증가하면 이 저항은 단절되어야 한다. 그렇지 않으면 매우 높은 레벨의 전력이 저항에 공급되어, 높은 레벨의 손실 및 높은 레벨의 냉각 복잡성으로 이끌 수 있기 때문이다. 공지된 구성에서는 저항이 조절될 수 없기 때문에 신속하게 단절되어야 하며, 따라서 넓은 범위를 망라하는 전력의 연속적인 조절이 불가능하다.
RF 플라즈마 공급 장치는 넓은 전력 범위에 걸쳐 매우 정확한 방법으로 조절될 수 있어야 한다. 이 전력 범위를 통해 연속적으로 진행되는 것이 가능하여야 한다.
그러므로 본 발명의 목적은 이 점에 관하여 해결될 수 있는 수단에 의한 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
미리 정의된 저 전력 한계와 미리 정의된 공칭 전력 사이의 범위인 플라즈마 전력의 경우 결합된 RF 전력의 미소 부분이 균등 전력을 구성하고, 미리 정의된 저 전력 한계 이하의 플라즈마 전력의 경우 결합된 RF 전력의 상당한 부분이 상기 균등 전력을 구성하는 방식으로 RF 전력 신호의 레벨, 위상 위치 또는 레벨과 위상 위치 모두를 제어 또는 조정함으로써, 상기 언급된 유형의 방법으로 상기의 목적을 달성할 수 있다. 이 방법을 사용함으로써, 넓은 전력 범위에 걸쳐, 특히 저 전력 한계 이하의 동작 시에도, 안정적인 방법으로 플라즈마 공급 장치를 동작할 수 있다. 넓은 전력 범위가 용이하게 커버되고, 이를 통해 충분히 연속적인 방법으로 진행될 수 있다. 바람직하게는 RF 전력 발생기들이 모두 대략 동일한 RF 전력을 출력하도록 제어된다.
플라즈마 부하는 예를 들어, 플라즈마 수단이나 그 내부에서 수행되는 플라즈마 처리, 또는 가스 레이저의 레이저 여기에 의해 기판을 코팅, 에칭, 또는 처리하기 위한, 진공 플라즈마 공정 챔버일 수 있다.
본 발명에 관련하여, RF 주파수는 1 내지 30MHz 범위의 주파수로 이해되어야 한다. 플라즈마 부하에 대한 바람직한 주파수로는 13MHz 및 27MHz이다.
미리 정의된 저 전력 한계와 미리 정의된 공칭 전력 레벨 사이 범위의 플라즈마 전력의 경우, 미리 정의된 저 전력 한계 이하의 플라즈마 전력의 경우보다 더 낮은 균등 전력이 설정되는 것이 바람직하다. 저 전력 한계는 예를 들어, 공칭 전력 레벨에 따라 미리 정의될 수 있다. 예를 들어, 저 전력 한계로서 전력 레벨을 공칭 전력의 0.1 내지 20%의 범위로 미리 정의할 수 있다. 바람직하게, 저 전력 한계는 공칭 전력의 약 10% 정도로 미리 정의된다.
다른 방법으로 특히 바람직하게는, RF 전력 신호의 레벨, 위상 또는 레벨과 위상 모두가, 특히 RF 플라즈마 공급 장치가 공칭 전력 범위에서 동작될 때, RF 전력 발생기의 직류 전류 공급, 직류 전압 공급 또는 직류 전류와 직류 전압 공급 모두를 제어 또는 조정함으로써 조절된다. 이 방법으로, 특히 저 전력 한계 이상의 전력 범위의 경우 특히 단순한 방법으로 플라즈마 전력이 조절될 수 있다. 가장 단순한 예로, 정확하게 두 개의 RF 발생기와, RF 전력 신호들을 합하는 결합 부재가 제공된다. 각 RF 발생기의 공칭 전력은, 예를 들어 1.5kW이고, 둘 다, 예를 들어 13.56MHz에서 동작한다. RF 플라즈마 공급 장치가 그의 공칭 전력의 10%보다 큰 범위에서 동작하면, 가능하다면 결합된 RF 전력 모두가 플라즈마 부하에 공급되는 방식으로, 두 RF 발생기의 위상 위치 및 레벨이 조절된다. 이는 공칭 전력에서 3kW에 달한다. 전력 레벨은 예를 들어, RF 발생기의 직류 전류 또는 직류 전압 공급을 제어함으로써, 제어된다. RF 플라즈마 공급 장치가 그의 공칭 전력의 10%보다 작은 범위, 즉 300W 플라즈마 전력보다 작은 범위에서 동작하면, 플라즈마 전력은 더 이상 반드시 RF 발생기의 RF 전력 신호의 레벨을 제어함으로써(예를 들어, 직류 전압 또는 직류 전류 공급을 제어함으로써) 제어되는 것이 바람직하지 않고, 대신 우선적으로 서로에 대하여 두 개의 RF 발생기의 위상 위치를 조정함으로써 제어되는 것이 바람직하다.
유리하게는, RF 발생기의 스위칭 소자를 구동함으로써 RF 전력 신호가 생성된다. 스위칭 모드로 동작하는 RF 발생기는 특히 낮은 레벨의 손실을 갖고, 따라서 상대적으로 높은 전력 레벨에 바람직하게 사용된다. 스위칭 모드로 동작하는 RF 발생기는, 예를 들어 클래스 D(풀 브릿지 또는 하프 브릿지) 또는 클래스 E,F 증폭기 또는 이들의 조합 형태로 알려져 있다. 이 유형의 RF 발생기는 하나 또는 그 이상의 스위칭 소자 및 출력 회로를 포함한다. 스위칭 소자는 스위칭 주파수의 스위칭 신호로 스위치 온 및 오프된다.
출력 회로는 실질적으로 두 가지 기능을 갖는다. 첫째로, 실질적으로 스위칭 주파수만 출력에 도달하도록 RF 전력 신호를 필터링한다. 둘째로, 스위칭 소자가 손실이 감소되는 방법으로 연결될 수 있도록 의도된다. 각 RF 발생기의 전력 출력은 예를 들어, 직류 전압 또는 직류 전류 공급에 의해 제어될 수 있다. 스위칭 모드로 동작하는 RF 발생기는 1MHz 이상의 주파수에서 동작하며, 일반적으로 스위칭 소자로는 MOSFETs가 사용된다. 이 MOSFETs은 드레인과 소스 연결 사이 MOSFET의 출력에서 전압에 대해 비선형 방식에 따른 출력 커패시턴스 Coss를 갖는다. 높은 출력 전압(예를 들어, 100V보다 높은)에 대해 커패시턴스는 전압이 증가할 때 약간만 감소하는 반면에, 낮은 출력 전압에서(예를 들어, 40V보다 낮은) 커패시턴스는 전압이 감소할 때 매우 현저하게 증가하고, 높은 전압에서의 값보다 인수(예를 들어, 100, 1000의 인수)에 의해 더 커질 수 있다. 이는 특히 그들이 실제로 높은 전압에서 동작하도록 고안될 때, 커패시턴스는 스위칭 모드로 동작하는 RF 발생기의 출력 회로에 대해 항상 작용하므로, 낮은 전압에서 스위칭 모드로 동작하는 RF 발생기의 동작을 복잡하게 한다. 그러나, 회로에서 임의 소자의 값을 상당히 변경하면, 이는 출력 회로의 동작을 변화시키고, 더 이상 그의 두 기능을 전혀 수행할 수 없거나 올바르게 수행할 수 없다. 따라서 공칭 전력에 대하여 낮은 전력 출력에서 전력의 조절은 매우 복잡해지게 된다. 그러나, 진공 플라즈마 공정의 많은 응용에 있어서, 매우 넓은 범위에 걸쳐서, 특히 RF 플라즈마 공급 장치의 공칭 전력보다 매우 낮은 전력 레벨에 대해, 매우 정확한 전력 조절이 요구된다. 부가적인 문제점은 dC/dV 변화가 낮은 전력에서 매우 크다는 것이다. 이는 출력 회로의 동작에서 비선형성의 발생을 야기한다.
이로 인해 저 전력 한계의 값을 일반적으로 엄밀하게 공칭 전력의 10%가 아니라, 대신에 원하는 공칭 전력 및 조절될 최저 원하는 전력에 따라 공칭 전력의 0.1 내지 20% 범위 내에서 변경할 수 있음은 명백하다. 스위칭 모드로 동작하는 RF 전력 발생기에서 중요한 것은 스위칭 소자, 주파수, 전력 레벨 등에서 출력 커패시턴스의 비선형성 및 또한 최대 전력에 따른 회로의 오차 허용도이다.
스위칭 소자를 위상-시프트(phase-shift) 방법으로 구동함으로써, RF 전력 신호의 레벨, 위상 또는 레벨과 위상 모두는 특히 단순한 방법으로 조절될 수 있다. 예를 들어, RF 발생기는 각각 두 개의 상호 스위칭 소자를 포함하는 두 개의 하프 브릿지를 포함할 수 있다. 스위칭 소자를 제어함으로써, 하프 브릿지의 위상 위치와, 이에 따른 RF 발생기의 출력에서의 전력이 조절된다. 이러한 원리의 전력 조정을 사용해도, 충분히 정확한 방법으로 매우 낮은 전력 레벨을 조절하는 것은 여전히 가능하지 않다. 따라서 이러한 방법으로 RF 전력 신호를 생성할 때, 전체의 RF 플라즈마 공급 장치를 신뢰성있는 방법으로 동작할 수 있기 위해, 균등 부하에 공급될 전력의 제어 또는 조정이 또한 유리하다.
RF 발생기의 직류 전류 공급, 직류 전압 공급 또는 직류 전류와 직류 전압 공급 모두를 제어 또는 조정함으로써 결합된 RF 전력의 코스(coarse) 조절이 수행되고, RF 발생기의 위상-시프트 제어 동작을 수행함으로써 결합된 RF 전력의 미세(fine) 조절이 수행되는 것이 특히 바람직하다. 이에 따라, RF 플라즈마 공급 장치를 저 전력 한계 이하 및 이상 둘 다로 동작하는 데 있어서, 플라즈마 전력 레벨을 매우 높은 레벨의 정확도로 조절하는 것이 가능하다. 또한, 개개의 RF 발생기를 스위치 오프하고, 남은 RF 발생기를 그 자체의 저 전력 한계 이상으로 동작하는 것이 가능하다. 특히, 저 전력 한계 이하에서 동작할 때 전력 분배 수단에 의해서만 RF 플라즈마 공급 장치의 전력 출력을 조절하는 것이 가능하다.
또다른 유리한 방법으로, RF 전력 신호가 90° 하이브리드(hybrid), 특히 3dB 커플러에 연결되도록 제공될 수 있다. 이 커플러를 사용함으로써, 플라즈마 부하와 잘못된 매칭의 경우 다수의 반사를 방지하는 것이 가능하다. 이는 90° 하이브리드의 업스트림(upstream)으로 연결된 발생기를 효과적인 방법으로 보호할 수 있음을 의미한다. 또한, 90° 하이브리드는 낮은 전력 레벨에서 전력이 조정될 수 있게 한다. 예를 들어, 90° 하이브리드와 같은, 일부 전력 커플러에서, RF 전력 (입력) 신호들의 결합은 RF 전력 신호들의 합을 포함하여, 결합된 RF 전력으로서 합쳐진 RF 전력을 형성한다. 그 다음, 합쳐진 RF 전력은 RF 전력 신호의 레벨, 위상 위치 또는 레벨과 위상 위치 모두에 따라 두 개의 RF 전력 (출력) 신호로 분배된다.
둘 이상의 RF 전력 신호가 생성된다면 보다 큰 플라즈마 전력이 생성될 수 있고, 두 개의 RF 전력 신호는 각각 결합된 RF 전력 신호에 결합된다. 결합 부재에서 RF 전력 신호의 결합 또는 합이 바람직하게 수행됨으로써, 다수개의 균등 부하 및 이에 준하는 다수개의 균등 전력 레벨이 또한 유리하게 제공된다. 두 개의 RF 전력 신호는 각각 결합 부재에서 바람직하게 결합된다. 다수개의 결합 부재는 직렬 방식으로 배열될 수 있고, 이로써 직렬의 끝단에서 플라즈마 부하에 공급될 플라즈마 전력을 구성하는 RF 전력 신호가 생성된다.
유리하게는, RF 전력을 나타내는 적어도 하나의 변수가 측정된다. 적어도 하나의 RF 발생기의 출력에서 그들을 나타내는 RF 전력 신호 또는 변수를 측정할 수 있다. 대안으로 또는 추가적으로, 플라즈마 전력, 균등 전력 또는 플라즈마 전력과 균등 전력 모두를 나타내는 변수가 결정될 수 있다. RF 전력을 나타내는 변수로서, 그 자체의 전력이나 전압, 전류 또는 전압과 전류 모두 중 어느 하나를 결정하는 것이 가능하다.
또다른 방법으로, RF 전력을 나타내는 변수가 측정된 RF 전력 또는 다른 RF 전력을 조정하는 데 사용되도록 제공될 수 있다. 따라서, 예를 들어, RF 발생기에서 측정된 변수를 이 발생기에 의해 공급되는 RF 전력을 조정하기 위해 사용할 수 있다. 또한, 플라즈마 전력이 하나 또는 그 이상의 RF 발생기의 RF 전력을 조정하기 위해 사용되도록 결정할 수 있다. RF 전력을 나타내는 측정된 변수는 제어 또는 조정 장치에 바람직하게 공급된다.
본 발명의 하나의 구성으로, 임피던스 매칭 동작이 수행되도록 제공될 수 있다. 임피던스 매칭은 플라즈마 부하와 플라즈마 공급 장치 사이에서 바람직하게 수행된다.
또한 본 발명의 범위 내 플라즈마 부하에 플라즈마 전력을 공급하는 RF 플라즈마 공급 장치로서, 제 1 및 제 2 RF 전력 신호를 생성하는 적어도 두 개의 RF 발생기 및 두 개의 RF 전력 신호로부터 결합된 RF 전력이 생성되는 적어도 하나의 결합 부재를 포함하고, 상기 플라즈마 부하와 균등 부하는 상기 적어도 하나의 결합 부재에 연결되거나 연결될 수 있고, 상기 RF 발생기를 제어 또는 조정하는 제어 또는 조정 장치를 포함하고, 상기 제어 또는 조정 장치는 상기 설명된 방법 또는 이의 변형된 방법을 수행하도록 구성된다. 이러한 유형의 장치를 사용하여 상기 설명된 이점을 얻는다.
삭제
상기 방법은 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어 또는 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어 모두로 구현되는 것이 특히 바람직하다. 하드웨어로 구현되는 이점으로는 신속하고 단계없는 방법으로 전력을 조정하는 것이 가능하다. 펌웨어 또는 소프트웨어로 구현시, 제어 또는 조정을 신속하게 구성할 수 있고, 유지에 관련하여 최소한으로 복잡하게 신뢰성있고 비용 효율적인 방법으로 조절할 수 있다.
유리한 구성으로, 제어 또는 조정 장치는 결합된 RF 전력을 저 전력 한계 이상으로 전력 분배를 제어하는 제 1 제어 유닛 및 결합된 RF 전력을 저 전력 한계 이하로 전력 분배를 제어하는 제 2 제어 유닛을 포함한다. 제 1 제어 유닛은 특히 RF 발생기, 위상-전위 제어 유닛 또는 RF 발생기와 위상-전위 제어 유닛 모두의 직류 전류 공급을 제어하는 데 사용될 수 있고, 제 2 제어 유닛은 RF 발생기의 위상 위치를 제어하는 데 사용될 수 있다.
제 2 제어 유닛은 결합된 RF 전력의 상당한 부분을, 특히 결합된 RF 전력의 10% 이상, 바람직하게는 20% 이상을, 균등 부하에 분배하도록 제공될 수 있다.
결합 부재는 90° 하이브리드, 특히 3dB 커플러로 구성되는 것이 특히 바람직하다. 이 유형의 결합 부재를 사용함으로써, 도입부에서 설명된 저항의 접속 및 단절을 생략하는 것이 가능하다. 또한, 90° 하이브리드는 RF 발생기에 부정적인 영향을 미치는 다수의 반사를 피할 수 있게 한다.
둘 이상의 RF 발생기 및 특히 직렬 방식으로 배열된 적어도 두 개의 결합 부재가 제공된다면, 보다 큰 전력 범위를 커버할 수 있고, 보다 높은 공칭 전력 레벨을 달성할 수 있다. 또한, 플라즈마 부하와 잘못된 매칭의 경우, 90° 하이브리드의 각 직렬 배열에 비례하여 간섭 억제가 증가된다.
RF 전력을 나타내는 변수를 측정하기 위해 적어도 하나의 측정 장치가 제공된다면, 미리 정의된 전력 값을 사용하여 전력을 제어(control)할 뿐 아니라, 피드백이 가능하므로 그를 조정(regulate)하는 것이 가능하다. 따라서 상기 측정 장치는 제어 또는 조정 장치에 바람직하게 연결된다.
본 발명의 또다른 바람직한 구성으로, RF 발생기에 대해, 제어 또는 조정 장치에 의해 제어 또는 조정되는 적어도 하나의 DC 전원을 제공할 수 있다. 이에 따라, RF 전력 신호의 레벨은 특히 단순한 방법으로 조절될 수 있다. 다수개의 RF 발생기에 대해 DC 전원을 제공하거나, 각각의 RF 발생기마다 개개의 DC 전원을 제공할 수 있다.
본 발명의 주요 특징을 도시한 도면을 참조하여, 하기 본 발명에 따른 실시예의 설명 및 청구범위로부터 본 발명의 특징 및 효과를 인지할 수 있을 것이다. 개개의 특징이 개별적으로, 또는 본 발명의 변형에 따른 어떠한 조합으로 함께 구현될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예를 도면에 개략적으로 도시하고, 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 플라즈마 부하(2)에 공급하기 위해 플라즈마 전력 레벨을 생성하는 RF 플라즈마 공급 장치(1)를 도시한다. 도시된 RF 플라즈마 공급 장치(1)는 네트워크 연결(3) 수단에 의해 단상 또는 다상일 수 있는 전원 네트워크에 연결된다. 네트워크 연결(3)은 플러그인 접속(plug-in contact)으로서 구성될 수 있다. 네트워크 연결(3)은 DC 전원(4,5)에 연결된다. 이들은 각각 RF 발생기(6,7)에 연결되고, 이를 각각 직류 전류 또는 직류 전압으로 공급한다. 대안으로, 또한 둘 다의 RF 발생기(6,7)에 대해 공동 직류 전류 공급을 제공하는 것이 가능하다. 각각의 RF 발생기(6,7)는 90° 하이브리드로 구성된 결합 부재(8)에 공급되는 RF 전력 신호를 생성한다. RF 전력 신호는 결합 부재(8)에서 결합된 RF 전력 레벨로 결합된다. 결합 부재(8)는 결합된 RF 전력을 출력(9,11)으로 분배한다. 플라즈마 부하(2)에 공급될 플라즈마 전력이 출력(9)에서 생성되고, 균등 부하(10)에 공급될 균등 전력이 출력(11)에서 생성된다. RF 전력 신호의 위상 위치에 따라, 결합된 RF 전력은 출력(9,11)으로 다르게 분배된다. RF 발생기(6,7)의 RF 전력 신호가 직각 위상이라면, 결합된 RF 전력은 거의 완전히 출력(9)으로 전송된다.
RF 플라즈마 공급 장치(1)의 주요 구성은 DC 전원(4,5) 및 RF 발생기(6,7) 둘 다를 조정 또는 제어하는 제어 또는 조정 장치(12)이다. 이러한 제어 또는 조정은, RF 플라즈마 공급 장치가 저 전력 한계와 미리 정의된 공칭 전력 사이의 범위인 플라즈마 전력으로 동작될 때, 결합된 RF 전력의 대부분이 출력(9)과, 이에 따라 플라즈마 부하(2)에 공급되고, 결합된 RF 전력의 미소 부분만 균등 부하(10)에 공급되는 방식으로 수행된다. 이 동작 범위에서, RF 발생기(6,7)는 또한 저 전력 한계와 그의 공칭 전력 사이에서 동작된다. 이를 위해, DC 전원(4,5)을 제어 또는 조정함으로써, RF 발생기(6,7)의 출력에서의 신호 레벨이 조절될 수 있다. 대안으로 또는 추가적으로, 스위칭 모드로 동작하는 RF 발생기로 구성된 RF 발생기(6,7)는 RF 전력 신호의 레벨에 영향을 미치기 위한 위상-시프트 방법의 수단에 의해 제어될 수 있다.
RF 플라즈마 공급 장치(1)가 저 전력 한계 이하의 전력 범위에서 동작되는 경우, RF 발생기(6,7)는 RF 전력 신호가 결합된 RF 전력의 대부분이 균등 부하(10)에 공급되고 결합된 RF 전력의 적은 부분만이 플라즈마 부하(2)에 공급되는 위상 위치를 갖는 방식으로, 제어 또는 조정 장치(12)에 의해 제어될 수 있다.
도시된 실시예에서, RF 전력을 나타내는 변수를 결정하는 측정 장치(13, 14, 15)가 제공되고, 상기 변수를 제어 또는 조정 장치(12)에 전송함으로써, 하나 이상의 RF 전력 레벨을 조정하는 것이 가능하다. 본 실시예에서, 제어 또는 조정 장치(12)는 저 전력 한계와 공칭 전력 사이의 전력 범위에서 플라즈마 전력 및 균등 전력을 제어하기 위해 사용되는 제 1 제어 유닛(16)과, 저 전력 범위에서 전력 조정을 위해 사용되는 제 2 제어 유닛(17)을 포함한다. 임피던스 매칭 유닛(18)이 출력(9)과 플라즈마 부하(2) 사이에 배열된다.
도 2의 RF 플라즈마 공급 장치(21)에서, DC 전원(22)이 네트워크 연결(23)에 연결된다. DC 전원(22)은 세 개의 RF 발생기(24, 25, 26)에 직류 전류, 직류 전압 또는 직류 전류와 직류 전압 모두를 공급한다. RF 발생기(24, 25)에서 생성된 RF 전력 신호는 제 1 결합 부재(27)에서 제 1 결합된 RF 전력에 결합된다. 상기 결합된 RF 전력의 일부는 제 2 결합 부재(28)에 전송되고, 상기 결합된 RF 전력의 나머지는 제 1 균등 부하(29)에 공급된다. 상기 결합된 RF 전력의 분배는 RF 발생기(24, 25)에 의해 생성된 RF 전력 신호의 위상 위치에 좌우된다. 제 2 결합 부재(28)에서, 전력 출력 또는 제 1 결합 부재(27)의 출력에서 전송된 RF 전력 신호는 RF 발생기(26)에서 생성된 RF 전력 또는 이에 따른 출력인 RF 전력 신호와 결합되어, 제 2 결합된 RF 전력이 생성된다. 제 1 결합 부재(27)에 의해 전송된 RF 전력 신호 및 RF 발생기(26)에 의해 전송된 RF 전력 신호의 위상 위치에 따라, 제 2 결합된 RF 전력은 제 2 결합 부재(28)의 출력(30)을 통해 플라즈마 부하(2)에 공급되는 플라즈마 전력과, 출력(31)을 통해 제 2 균등 부하(32)에 공급되는 균등 전력으로 분배된다.
제어 또는 조정 장치(12)는 DC 전원(22) 및 RF 발생기(24, 25, 26)를 제어하거나(개방 루프 제어), 또는 이 경우 (폐쇄 루프 제어) 조정한다. 도 2에서 명료화의 이유로 측정 장치는 도시되지 않는다. 도시된 실시예에서, 결합 부재(28)는 결합 부재(27)의 다운스트림(downstream)으로 배치된다. 그 결과, 결합 부재(27, 28)는 직렬 방식으로 배열된다.
도 3은 RF 발생기(6)를 상세하게 도시한다. RF 발생기(6)는 풀 브릿지(full bridge) 회로에 따라 배열된 두 개의 구성부(40, 41)를 포함한다. 도 3에 따른 회로는 두 개의 구성부(40, 41)로 공급되는 스위칭 신호 간의 위상을 변경함으로써, 출력(42)에서의 전력이 조절될 수 있게 한다. 제 1 구성부는 신호 소스(45)에 의해 전송되는 한 쌍의 스위칭 신호를 수신하는 한 쌍의 스위칭 소자(43, 44)를 포함한다. 스위칭 소자(43, 44)는 DC 전원(22)의 음 단자 및 양 단자 사이에 직렬로 연결된다. 스위칭 소자(43, 44)의 출력은 출력 발진 회로의 일부인 인덕터(46)에 연결된다. 출력 발진 회로는 인덕터(46) 및 커패시터(47)에 의해 형성된다. 제 1 구성부(40)의 출력은 트랜스포머(48)의 제 1 탭에 연결된다.
제 2 구성부(41)는 스위칭 소자(49, 50)를 포함한다. 신호 소스(51)는 스위칭 소자(49, 50)에 전송된 한 쌍의 스위칭 신호를 전송한다. 신호 소스(45, 51)는 또한 단일 유닛으로 조합될 수 있다.
또한 제 2 구성부(41)는 인덕터(52) 및 커패시터(53)를 갖는 출력 발진 회로를 포함한다. 제 2 구성부(41)는 트랜스포머(48)의 제 2 탭에 연결된다. 트랜스포머(48)는 구성부(40, 41)와 출력(42) 사이의 갈바닉(galvanic) 분리를 형성한다. 구성부(40, 41)는 트랜스포머(48)의 1차 권선(54)에 의해 직렬로 연결된다.
구성부(40, 41)는 직렬로 연결되어, 각 구성부(40, 41)를 제어하는 스위칭 신호 간의 위상을 변경함으로써, 출력(42)에서 전력을 변경한다. 스위칭 소자(43, 49)가 동시에 활성 및 비활성되면, 그들은 동일 위상으로 동작한다. 그러나, 스위칭 소자(49)가 스위치 온일 때 항상 스위칭 소자(43)가 스위치 오프되고, 스위칭 소자(49)가 스위치 오프일 때 항상 스위칭 소자(43)가 스위치 온되면, 스위칭 소자는 동일 위상이 아니거나, 또는 반대 위상이다.
구성부(40, 41) 간의 위상 위치는 위상 제어 유닛(60)에 의해 결정되고, 상기 위상 제어 유닛(60)은 제어 또는 조정 장치(12), 특히 제어 유닛(16)의 일부일 수 있다. 위상 시프트 또는 두 구성부(40, 41) 간의 위상 위치를 조절하기 위해, 위상 제어 유닛(60)은 신호 소스(45, 51)를 제어한다. 구성부(40, 41)가 반대 위상으로 동작되면, 출력(42)에서 최대 전력 레벨 또는 RF 전력 신호의 최대 레벨이 달성될 수 있다. 구성부(40, 41)가 동일 위상으로 동작되면, 최저 전력 출력이 달성될 수 있다. 이러한 경우, 각 구성부(40, 41)는 부하 임피던스에 관계 없이 제로-부하(zero-load) 조건 하에 동작한다. 도 3을 참조하여 설명된 출력(42)에서 전력 조절은 위상-시프트 방법의 전력 조절이다.
본 발명에 따른 RF 플라즈마 공급 장치는 넓은 전력 범위에 걸쳐, 특히 저 전력 한계 이하의 동작 시에도, 안정적인 방법으로 동작될 수 있다.

Claims (19)

  1. RF 플라즈마 공급 장치(1, 21)의 전력 출력을 제어하는 방법으로서,
    a. 각각의 RF 발생기(6, 7, 24-26)에 의해 적어도 두 개의 RF 전력 신호들을 생성하는 단계;
    b. 상기 적어도 두 개의 RF 전력 신호들을 상기 RF 전력 신호들의 위상 위치, 레벨 또는 상기 위상 위치와 상기 레벨 모두에 따라 결합된 RF 전력으로 결합하는 단계; 및
    c. 상기 결합된 RF 전력을 플라즈마 부하(2)에 공급될 플라즈마 전력과 균등 부하(10, 32)에 공급될 균등 전력 사이에 분배하는 단계
    를 포함하고,
    d. 미리 정의된 저 전력 한계와 미리 정의된 공칭 전력 사이의 범위인 플라즈마 전력의 경우 상기 결합된 RF 전력의 10% 이하인 미소(insignificant) 부분이 상기 균등 전력을 구성하고, 상기 미리 정의된 저 전력 한계 이하의 플라즈마 전력의 경우 상기 결합된 RF 전력의 10% 이상인 상당한(significant) 부분이 상기 균등 전력을 구성하는 방식으로, 상기 RF 전력 신호들의 레벨, 위상 위치 또는 상기 레벨과 상기 위상 위치 모두를 제어 또는 조정하는 것을 특징으로 하는 RF 플라즈마 공급 장치의 전력 출력 제어 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 미리 정의된 저 전력 한계와 미리 정의된 공칭 전력 사이 범위의 플라즈마 전력의 경우, 상기 미리 정의된 저 전력 한계 이하의 플라즈마 전력의 경우의 균등 전력보다 더 낮은 균등 전력이 설정되는 것을 특징으로 하는 RF 플라즈마 공급 장치의 전력 출력 제어 방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 RF 전력 신호들의 레벨, 위상 또는 상기 레벨과 상기 위상 모두는 상기 RF 플라즈마 공급 장치(1, 21)가 상기 공칭 전력 범위에서 동작될 때에는 상기 RF 발생기들(6, 7, 24-26)의 직류 전류 공급, 직류 전압 공급 또는 상기 직류 전류와 상기 직류 전압 공급 모두를 제어 또는 조정함으로써 조절되는 것을 특징으로 하는 RF 플라즈마 공급 장치의 전력 출력 제어 방법.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 RF 전력 신호들은 상기 RF 발생기들(6, 7, 24-26)의 스위칭 소자들(43, 44, 49, 50)을 구동함으로써 생성되는 것을 특징으로 하는 RF 플라즈마 공급 장치의 전력 출력 제어 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 RF 전력 신호들의 레벨, 위상 또는 상기 레벨과 상기 위상 모두는 상기 스위칭 소자들(43, 44, 49, 50)을 위상-시프트 방법으로 구동함으로써 조절되는 것을 특징으로 하는 RF 플라즈마 공급 장치의 전력 출력 제어 방법.
  6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 RF 발생기들(6, 7, 24-26)의 직류 전류 공급, 직류 전압 공급 또는 상기 직류 전류와 상기 직류 전압 공급 모두를 제어 또는 조정함으로써 상기 결합된 RF 전력의 코스(coarse) 조절을 수행하고, 상기 RF 발생기(6, 7, 24-26)의 위상-시프트 제어 동작을 실시함으로써 상기 결합된 RF 전력의 미세(fine) 조절을 수행하는 것을 특징으로 하는 RF 플라즈마 공급 장치의 전력 출력 제어 방법.
  7. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 RF 전력 신호들은 90° 하이브리드로 결합되는 것을 특징으로 하는 RF 플라즈마 공급 장치의 전력 출력 제어 방법.
  8. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    셋 이상의 수의 RF 전력 신호들이 생성되고, 각 경우 두 개의 RF 전력 신호들이 결합된 RF 전력 신호로 결합되는 것을 특징으로 하는 RF 플라즈마 공급 장치의 전력 출력 제어 방법.
  9. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    복수의 균등 부하들(29, 32)을 위한 복수의 균등 전력 레벨들이 생성되는 것을 특징으로 하는 RF 플라즈마 공급 장치의 전력 출력 제어 방법.
  10. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    결합 부재(8, 27, 28)에서 상기 RF 전력 신호들의 합이 수행되고, 복수의 결합 부재들(27, 28)이 직렬 방식으로 배열되는 것을 특징으로 하는 RF 플라즈마 공급 장치의 전력 출력 제어 방법.
  11. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 RF 전력을 나타내는 변수가 측정되는 것을 특징으로 하는 RF 플라즈마 공급 장치의 전력 출력 제어 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 측정된 RF 전력 또는 다른 RF 전력을 조정하는 데 상기 RF 전력을 나타내는 변수가 사용되는 것을 특징으로 하는 RF 플라즈마 공급 장치의 전력 출력 제어 방법.
  13. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    임피던스 매칭 동작이 수행되는 것을 특징으로 하는 RF 플라즈마 공급 장치의 전력 출력 제어 방법.
  14. 플라즈마 부하(2)에 플라즈마 전력을 공급하는 RF 플라즈마 공급 장치(1, 21)로서,
    적어도 두 개의 RF 전력 신호를 생성하는 적어도 두 개의 RF 발생기들(6, 7, 24-26); 및
    상기 적어도 두 개의 RF 전력 신호들로부터 결합된 RF 전력이 생성되는 적어도 하나의 결합 부재(8, 27, 28)
    를 포함하고,
    상기 플라즈마 부하(2)와 균등 부하(10, 32)는 상기 적어도 하나의 결합 부재(8, 27, 28)에 연결될 수 있고,
    상기 RF 발생기들(6, 7, 24-26)을 제어 또는 조정하는 제어 또는 조정 장치(12)를 포함하고, 상기 제어 또는 조정 장치(12)는 청구항 1에 따른 방법을 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 RF 플라즈마 공급 장치.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 방법은 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어 또는 상기 하드웨어, 상기 펌웨어, 상기 소프트웨어 모두로 구현되는 것을 특징으로 하는 RF 플라즈마 공급 장치.
  16. 청구항 14 또는 청구항 15에 있어서,
    상기 적어도 하나의 결합 부재(8, 27, 28)는 90° 하이브리드로 구현되는 것을 특징으로 하는 RF 플라즈마 공급 장치.
  17. 청구항 14 또는 청구항 15에 있어서,
    셋 이상의 RF 발생기들(6, 7, 24-26)과, 직렬 방식으로 배열되는 적어도 두 개의 결합 부재들(27, 28)이 제공되는 것을 특징으로 하는 RF 플라즈마 공급 장치.
  18. 청구항 14 또는 청구항 15에 있어서,
    상기 RF 전력을 나타내는 변수를 측정하기 위한 적어도 하나의 측정 장치(13-15)가 제공되는 것을 특징으로 하는 RF 플라즈마 공급 장치.
  19. 청구항 14 또는 청구항 15에 있어서,
    상기 RF 발생기들(6, 7, 24-26)에 대해 적어도 하나의 DC 전원(4, 5, 22)이 제공되고, 상기 적어도 하나의 DC 전원은 상기 제어 또는 조정 장치(12)에 의해 제어 또는 조정되는 것을 특징으로 하는 RF 플라즈마 공급 장치.
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