KR101457450B1 - 플라즈마 처리에 있어서의 불안정성 검출 및 방지 - Google Patents

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Abstract

플라즈마 기반 처리 시스템에 있어서의 불안정성을 감소시키기 위한 방법이 기술된다. 예시적 방법은, 전력 증폭기로 플라즈마에 파워를 인가하고; 플라즈마에 있어서 저주파 불안정성 발진이 존재하는지 또는 고주파 불안정성 발진이 존재하는지를 결정하고; 고주파 또는 저주파 불안정성 발진이 존재하는지에 따라, 전력 증폭기에 의해 경험되는 부하의 임피던스를 변경하는 것을 포함하며, 상기 전력 증폭기에 의해 경험되는 부하는 적어도 플라즈마의 임피던스를 포함한다.

Description

플라즈마 처리에 있어서의 불안정성 검출 및 방지{DETECTION AND PREVENTING INSTABILITIES IN PLASMA PROCESSES}
본 발명은 일반적으로 플라즈마 처리 시스템에 관한 것으로, 특히 플라즈마와 전력 전달 시스템 간의 상호작용을 안정화시키기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
플라즈마 처리 시스템은 물질들의 표면 특성을 개질하기 위해 다양한 산업에 광범위하게 사용되고 있다. 예컨대, 현대의 집적 회로의 제조는 일반적으로, 서브마이크로미터 특성의 에칭 및/또는 재료의 박막층을 자동적으로 증착하기 위해 플라즈마를 사용하는 많은 처리 공정들을 수반한다.
전형적인 플라즈마 처리 시스템은, 처리 챔버 및 이 챔버 내측에 플라즈마를 생성하고 유지하는 전력 전달 시스템을 포함한다. 전기적으로, 플라즈마는 전력 발생기에 의해 영향을 받는 특성 임피던스를 갖는 부하이다. 또한, 처리 챔버의 임피던스는 처리 조건이나 다른 변수에 따라 변동할 수도 있다. 플라즈마 임피던스의 변동들은, 특정 부하 임피던스에 대해서만 최적의 전력 전달을 제공하는 상기 발생기로부터의 전력 전달에 악영향을 미칠 수 있다. 이들 변동은, 상이한 파워 레벨들에서의 플라즈마의 물리적 특성의 변화로 인해, 에칭 또는 증착률과 같은 공정 변수들에 있어서 바람직하지 않은 드리프트 또는 외란으로 귀결될 수도 있다. 그 결과, 플라즈마 처리 시스템에는 종종, 플라즈마 임피던스의 변화에 응답하고 플라즈마에 대한 전력 전달의 바람직한 레벨을 유지하는 임피던스 매칭 및 제어 기구 또는 회로가 구비된다.
막 두께 및 특징적 사이즈는 연속적으로 수축하기 때문에, 플라즈마 소스 및 처리 또한 새로운 차세대 장치 및 코팅에 필요한 제어 및 정밀하게 방출하도록 진화되어야 한다. 전력 전달은 추세가 보다 낮은 압력, 보다 낮은 파워 및 보다 큰 전극 면적을 향해 감에 따라 RF 구동 시스템에 있어서 더욱 중요하게 되고 있다. 특히 에칭 및 증착 공정에 있어서, 통상적으로 음전기의 종을 사용하는 것은, 낮은 압력, 낮은 파워 밀도 및 음전기의 결합된 효과들이 종종 플라즈마 불안정성의 위험을 증가시키게 된다.
도면에 나타낸 본 발명의 예시적인 실시예들은 이하와 같이 요약된다. 이들 및 다른 실시예들은 상세한 설명 란에서 보다 완전히 기술된다. 그러나, 본 발명이 발명의 개요 또는 상세한 설명란에 기술된 형태로 제한된다는 뜻은 아님을 이해하여야 할 것이다. 당업자라면 본 청구범위에 나타낸 발명의 사상 및 범주안에 있는 많은 변형, 균등 및 대체 구성을 인식할 수 있을 것이다.
1 실시예에 따르면, 본 발명은 플라즈마 기반 처리 시스템에 있어서의 불안정성을 감소시키기 위한 방법으로 특정될 수도 있다. 이 실시예의 상기 방법은, 전력 증폭기로 플라즈마에 파워를 인가하고; 플라즈마에 있어서 저주파 불안정성 발진이 존재하는지 또는 고주파 불안정성 발진이 존재하는지를 결정하고; 고주파 또는 저주파 불안정성 발진이 존재하는지에 따라, 전력 증폭기에 의해 경험되는 부하의 임피던스를 변경하는 것을 포함하며, 상기 전력 증폭기에 의해 경험되는 부하는 적어도 플라즈마의 임피던스를 포함한다.
다른 실시예에 있어서, 본 발명은 플라즈마 기반 처리 시스템에 있어서의 불안정성을 감소시키기 위한 시스템으로 특정될 수도 있으며, 상기 시스템은, 플라즈마를 점화하고 유지하기 위해 플라즈마 처리 챔버에 파워를 인가하도록 구성되는 전력 증폭기; 상기 전력 증폭기로부터 출력되는 파워의 적어도 하나의 특성을 감지하도록 구성되는 센서; 파워의 적어도 하나의 특성에 기초하여, 플라즈마에 있어서 저주파 불안정성 발진이 존재하는지 또는 고주파 불안정성 발진이 존재하는지를 결정하도록 구성되는 안정성 제어기를 포함하고, 플라즈마에 있어서 저주파 불안정성 발진이 존재하는지 또는 고주파 불안정성 발진이 존재하는지의 결정에 응답하여, 상기 안정성 제어기는 전력 증폭기에 의해 경험되는 부하 임피던스를 제어한다.
또 다른 실시예에 있어서, 본 발명은 플라즈마 기반 처리 시스템에 있어서의 불안정성을 감소시키기 위한 장치로 특정될 수도 있으며, 상기 장치는, 전력 증폭기에 의해 출력되는 파워의 측정을 제공하도록 구성되는 측정 부재; 상기 측정들의 대표예를 수신하고 플라즈마에 있어서 저주파 불안정성 발진이 존재하는지 또는 고주파 불안정성 발진이 존재하는지를 나타내는 신호를 제공하도록 구성되는 불안정성 검출 부재; 상기 불안정성 검출 부재와 통신하는 주파수 제어기를 포함하고, 상기 주파수 제어기는, 임의의 불안정성의 주파수에 기초하여, 플라즈마 기반 처리 시스템에 있어서의 불안정성을 감소시키기 위해 전력 증폭기에 의해 출력되는 파워의 주파수가 전력 증폭기에 의해 경험되는 부하 임피던스를 변경하도록 증폭기의 출력 주파수를 제어하는 주파수제어 신호를 발생하도록 구성된다.
본 발명의 여러가지 목적과 이점 및 보다 완벽한 이해는 이하 첨부 도면을 참조하여 상세한 설명과 청구범위에 의해 보다 명백하고 쉽게 이해될 수 있다. 전체 도면에 걸쳐 유사한 요소들은 동일한 참조 부호로 기재된다.
도1은 본 발명의 한 구체예에 따른 플라즈마 처리 시스템의 블록도이다.
도2는 고출력 유도성 결합 플라즈마 모드와 저출력 용량성 결합 플라즈마 모드 간에 초래될 수 있는 불안정 영역을 도시한 그래프이다.
도3A 및 도3B는 각각, 약 1.85 kHz와 132 kHz의 발진 주파수를 갖는 플라즈마 불안정성의 존재 시 포착되는 순방향 및 반사 전력을 나타내는 그래프들이다.
도4A 및 도4B는 각각, 저주파 불안정성 및 고주파 불안정성의 임피던스 궤적을 나타내는 스미드 차트(Smith chart)들이다.
도5A 및 도5B는 각각, 설정 포인트로부터의 편이의 관점에서, 폐루프(액티브 파워 레귤레이션 모드)에서 동작하는 발생기 및 (레귤레이션 없이) 개루프에서 동작하는 발생기에 대한 출력 파워를 나타내는 스미드 차트들이다.
도6A 및 도6B는 각각, 발생기 게인 및 플라즈마 게인을 나타내는 스미드 차트들이다.
도7은 φPlasma와 φGen 각도들 간의 차인 각 θ에 기여하는 부재들을 나타낸 블록도이다.
도8은 유도적으로 결합된, 낮은 압력의, 음전기의 플라즈마에 대한 전형적인 케이블 길이 안정성 프로파일을 나타낸 그래프이다.
도9는 낮은 압력의, 음전기의 유도성 방전에 있어서의 부분적인 φLoad 회전을 통한 최소 안정 파워를 나타낸 그래프이다.
도10은 플라즈마 불안정성을 처리하기 위해 증폭기의 주파수를 제어하기 위한 콘트롤 루프를 1 실시예의 부재로 나타낸 블록도이다.
도11은 도10에 도시된 불안정성 검출 부재의 예시적 부재들을 나타낸 블록도이다.
도12A 및 도12B는 각각, 최소 안정 파워 대 케이블 회전 각 및 감마(Gamma) 대 파워를 나타낸 그래프들이다.
도13A 및 도13B는 각각, 13.56 MHz에서의 불안정한 유도성 방전과 주파수가 13.74 MHz로 조정된 후 회복되는 안정한 방출의 존재 시 포착되는 순방향 및 반사 전력을 나타내는 그래프들이다.
도1을 참조하면, 본 발명의 예시적 실시예를 나타낸 블록도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 하나 이상의 파워 특성의 지시를 포함하는 출력(108)을 안정성 제어기(110)에 제공하기 위해, 센서(102)가 전력 증폭기(106)(예컨대, 스위칭 모드 전력 증폭기)의 출력(104)에 배치되어 있다. 센서 출력(108)에 기초하여, 안정성 제어기(110)는 일반적으로 증폭기(106)의 주파수를 제어하는 전력 증폭기(106)에 주파수 제어 신호(112)를 제공하도록 구성되어 플라즈마 부하(114)에 있어서의 불안정성을 방지 또는 제거하도록 한다. 다른 실시예에 있어서, 안정성 제어기(110)는, 센서(102)의 출력(108)에 응답하여, (안정성 제어기 110을 케이블 길이에 연결하는 점선으로 나타낸 바와 같이) 케이블 길이를 제어하도록 구성되어 플라즈마 부하(114)로부터의 불안정성을 방지 또는 제거하도록 한다. 또 다른 실시예에서, 안정성 제어기(110)는, 플라즈마 부하(114)로부터의 불안정성을 방지 또는 제거하기 위해 (안정성 제어기를 케이블 길이에 연결하는 점선으로 나타낸 바와 같이) 매칭부(116)를 제어하도록 구성된다.
많은 실시예에서, 센서(102)의 출력에 기초하여, 안정성 제어기(110)는, 플라즈마(114)에 존재하는 불안정의 형태를 결정하고, 특정 형태의 플라즈마 불안정성을 방지 또는 제거하도록 적용된 출력(112)을 제공하도록 구성된다. 예컨대 많은 구체예에서, 안정성 제어기는 일반적으로 증폭기(106)와 플라즈마(114)의 임피던스 궤적을 바람직하게 정렬시킴으로써 플라즈마 발진을 안정화시키도록 동작한다. 어떤 실시예에서는 예컨대, 안정성 제어기(110)는 플라즈마(114)에 존재하는 불안정성의 형태를 결정하고, 그에 따라 증폭기(106)의 주파수를 제어하여 증폭기(106)와 플라즈마(114)의 임피던스 궤적을 정합시키도록 한다. 다른 실시예에서, 케이블 길이가 제어되어 증폭기(106)와 플라즈마(114)의 임피던스 궤적을 정합시키도록 한다. 또 다른 실시예에서, 매칭부(116)를 제어하여 증폭기(106)와 플라즈마(114)의 임피던스 궤적을 정합시키도록 한다. 증폭기(1060에 의해 출력되는 일정 파워의 윤곽과 플라즈마(114)의 임피던스 궤적을 정합시키는 것에 관한 부가적 상세 설명 및 플라즈마(114)의 임피던스 궤적의 각도를 변경하도록 매칭부를 조정하는 것에 관한 상세 설명은 브룩크 등에 2007년 1월 2일자 허여된 미국 특허 제7,157,857호에서 발견돠며, 상기 공보는 본 출원에 참고로 채용된다.
도2를 참조하면, 불안정성이, 안정한 저밀도(용량성)와 안정한 고밀도 (유도성) 모드들 간의 유도성 결합 시스템에서 일어나는 것이 발견된다. 이들 거동은 일반적으로 5 - 100 mTorr의 압력 범위 및 일반적으로 약 1.5 watt/cm2(전극 면적) 미만의 파워에서 일어난다. 이 영역 내에서 입자 밀도, 광학 방출 및 코일 전압에 있어서의 발진이 관찰된다. 불안정성은 또한, 유사한 발진 거동을 야기하도록 음전기 종(electronegative species)에 대한 전자 부착이 발견되는 용량적으로 결합된 플라즈마에서도 일어난다.
많은 인자들에 따라, 불안정성의 본질은 극적으로 변할 수 있다. 심한 불안정성은 플라즈마 강도에 있어서 현저한 플리커를 야기할 수 있으나 덜 심한 경우에는 무시될 수도 있다. 발진은 수백 헤르츠로부터 100 khz 이상까지의 범위에 걸친 주파수들로 플라즈마 임피던스의 갑작스럽고 신속한 변화를 드라이브할 수 있다. 도3A 및 도3B를 참조하면, 각각, 순방향(Ch1) 및 반사 전력(Ch2) 모두에서 포착된 1.85 kHz 및 132 kHz의 플라즈마 발진 불안정성이 도시되어 있다. 도4A 및 도4B는 각각, 저주파 불안정성 및 고주파 불안정성의 임피던스 궤적의 예를 나타내는 스미드 차트(Smith chart)들이다. 저주파 불안정성은 종종, (도4A에 도시된 바와 같이) 큰 히스테리시스를 갖는 임피던스에 있어서 극적인 요동(swing)으로 귀결되고, 반면에 고주파 궤적들은 종종, (도4B에 도시된 바와 같이) 진폭이 작고 특성이 스무드한 경향이 있다.
일반적으로, 플라즈마(114)에 대한 전력 전달은 증요한 역할을 하는 데 그 이유는 동적 부하 감도가 불안정성에 민감한 증폭기들(106)에 영향을 줄 수 있기 때문이다. 많은 현대 파워 토폴리지들은 개선된 능률, 컴팩트한 크기 및 저렴한 비용을 포함하는 많은 이점을 제공하나, 플라즈마 불안정성의 위험을 증가시킬 수 있는 문제가 있다. 특히 고능률에 대한, 스위칭 모드 증폭기, 발생기-플라즈마 상호작용은 형성을 촉진시키고 극심한 플라즈마 불안정을 증가시킬 수 있다.
발생기-플라즈마 상호작용
도5A 및 도5B는 각각, 설정 포인트로부터의 편이의 측면에서, 폐 루프(액티브 파워 레귤레이션 모드)에서 동작하는 발생기 및 (레귤레이션 없이) 개 루프에서 동작하는 발생기에 대한 출력 파워를 나타내는 스미드 차트들이다. 도5A에 나타낸 데이터는 액티브 파워 레귤레이션 하에 수집되었고 50Ω의 부하 임피던스에 중심을 둔 출력 프로파일을 나타낸다. 도5B에 나타낸 데이터는 비 액티브 파워 레귤레이션(개 루프) 하에 수집되었고 50Ω으로부터 제거된 프로파일의 중심을 나타낸다. 도5A에 있어서의 중심 프로파일은 정상 플라즈마 상태에서 용이하게 달성되며, 전형적으로 발생기의 콘트롤 루프에 의해 느린 임피던스 변화가 고려된다. 도5B는 콘트롤 루프의 대역폭 외측에 있는 (불안정성과 관련된 것들과 같은) 임피던스에 있어서의 신속한 변화를 경험 시 발생기로부터의 순시 출력을 잘 나타낸다.
발생기의 출력(발생기 게인)의 동적 응답은 플라즈마 불안정성을 포함한 임피던스 교란에 대한 그의 고유 감도를 나타내며, 복소 임피던스 평면에 있어서 벡터로서 표현될 수 있다. 플라즈마와의 상호작용에 대해 중요한, 발생기 게인 즉 GGen은 방향 성분 및 크기 성분 모두를 갖는 복소수 또는 벡터이다(예컨대, 도6a 참조). 즉, 인가된 파워에 있어서의 변화에 대한 플라즈마의 임피던스의 감도는, 매칭부 및 전송 케이블을 통해 변환되는 플라즈마 게인 Gplasma를 나타내는 도6B에 도시된 임피던스 스페이스에 있어서의 크기 및 방향을 갖는 플라즈마 게인(Gplasma)으로서 유사하게 표시될 수 있다.
발생기-플라즈마 상호작용의 효과들은 게인 인자 및 벡터 각 φ의 크기들의 함수이다. φGen에 대한 φPlasma의 방향은 전체 시스템 게인 GSys에 강하게 영향을 준다:
GSys = ｜GGen｜* ｜GPlasma｜* cosθ 식 1
이때, θ는 φPlasma와 φGen 각도들 간의 차다. 주어진 발생기에 대해 GGen은 반드시 일정하다. 그러나, GPlasma는 후술되는 바와 같이 프로세스 조건 및 외부 성분에 의해 영향을 받는다. Gsys가 단일성(unity)을 초과할 때, 시스템은 불안정하게 되는 위험에 있다.
모든 원인제공을 적절히 고려하기 위해, 발생기로부터 기준되었을 때 φPlasma가, RF 전달 경로에 있는 전형적인 부품들인, 매칭 네트워크 및 전송 케이블을 통해 변환(translate)되기 때문에, 플라즈마 임피던스의 궤적 각은 φLoad(및 GLoad로서 GPlasma)로 표시될 수도 있다. 전달 경로에 있는 각 요소들은 각도 φLoad에 기여하며, 도7에 도시된 바와 같이, θ로 귀결된다. 이 점은 임팩트 전송 케이블 길이가 θ 상에 갖고 이는 시스템 게인 및 궁극적으로는 플라즈마 안정성에 영향을 미친다.
상기한 바와 같이, 전송 라인 길이를 조정하는 것은 플라즈마 불안정성을 피하기 위한 하나의 기술이다. 실제로, 케이블 길이는 φLoad의 변화 또는 궤적 회전으로 변환하는 전송 지연에 영향을 준다. 이는 식 1에서 cosθ 항에 대해 직접 영향을 주기 때문에 플라즈마 안정성을 개선시키기 위한 접근책이다. 케이블 길이의 적절한 조정은 θ에 바람직하게 영향을 줄 수 있어 감소된 시스템 게인으로 귀결된다. 유감스럽게도, 동작 조건들은 GLoad의 각도 및 크기 모두에 영향을 줄 수 있어 하나의 프로세스에 대한 이상적인 케이블 길이는 다른 세트의 조건들에 대해 최선으로 되지 않을 수도 있다. 케이블 최적화는 개선을 제공하는 반면, 프로세스 및 시스템들이 더욱 복잡하게 됨에 따라, 그 기술은 연속적 시스템 안정성을 보장하기 위해 전혀 효과적이지 못하다.
케이블 길이를 통한 부하 궤적(φLoad)의 회전은 발생기-플라즈마 상호작용으로 이해하게 하는 가치있는 특징적 기술로 될 수도 있다. RF 케이블 길이는, 안정성 마진의 가치를 허용하는 제어된 방식으로 φLoad를 회전시키도록 사용될 수 있다. 이를 달성하기 위한 실제 방법은 각 증가된 길이에 대한 최소 안정 파워를 유지하면서 전달 경로 내로 전송 케이블의 부분들을 증가하여 부가하는 것이다. 도8은 예컨대, 유도적으로 결합된, 낮은 압력의, 음전기의 플라즈마에 대한 전형적인 케이블 길이 안정성 프로파일을 도시한다. (예컨대, 13.56MHz에서의 표준 케이블의 25ft와 같은) φLoad에 있어서의 360°회전에 동등한 전체 부가가 삽입되면, 안정성 프로파일은 완료된다. 이 그림은 부가적 케이블 길이들이 삽입됨에 따라 자체 반복한다.
케이블 길이 안정성 프로파일의 주된 특징은 360도 φLoad 회전 내에 안정한 영역 및 불안정한 영역이 존재하는 것이다. 어떤 시스템은 단일의 불안정한 영역을 나타내나 이는 두 개의 안정한 영역 및 두 개의 불안정한 영역들이 나타나는 것에대해서는 흔한 것이 아니다. 식 1에서 항 cosθ가 90°와 270°의 θ값에서 제로에 접근할 때 두 개의 안정한 영역들이 발생한다. 두 개의 불안정한 영역들은, 이들 바람직한 θ각들의 어느 측 상에 경험되는 시스템 피드백의 결과로서 일어난다.
도8에 도시된 바와 같이, 안정한 영역들 내에 전송 케이블 길이를 선택함으써 안정하고 낮은 파워의 플라즈마 성능이 달성될 수 있다. 상기한 바와 같이, 이 접근법은 일련의 좁은 조건에 대한 안정성을 어드레스하기 위해 효과적이나, 다수의 화학 성질 및 동작 조건을 갖는 프로세스들에 대해, 단일의 최적 케이블 길이를 발견하는 것은 문제로 될 수 있음이 알려져 있다.
RF 주파수는 케이블 길이의 전기적 등가치에 직접 영향을 미치며, 안정성을 확립하고 유지하기 위한 실제 구현에 대해, 주파수는, 물리적 케이블 길이를 변경하는 것에 비해 안정성을 어드레스하기 위한 보다 편리한 방법이다. 고정 케이블에 따라, RF 주파수는 물리적 케이블 길이를 변경하는 것과 유사한 방식으로 플라즈마 안정성에 영향을 미치도록 φLoad 를 회전시키기 위해 사용될 수 있으나, RF 조정은 실 시간 피드백 및 콘트롤 시스템으로 용이하게 구현되는 파라미터를 사용하여 달성될 수도 있다.
주파수 기반 플라즈마 안정성
도9는 낮은 압력, 음전기의 유도 방전에 있어서의 부분 φLoad 회전을 통한 최소 안정 파워를 나타낸다. (고정된 주파수를 유지하면서) 케이블 길이를 조정하는 것과 (고정된 케이블 길이를 유지하면서) 주파수를 조정하는 것의 효과가 도시된다. (사용된 발생기의 주파수 범위에 의해 한정된) 테스트 범위에 걸쳐, 주파수 조정 효과들과 물리적 케이블 길이 조정 효과들 간에 매우 밀접한 합의가 있다. 안정성 트렌드에 있어서의 이 밀접한 합의는 각도 φLoad의 전기적 회전을 통해 플라즈마의 안정성을 제어하기 위한 "노브(knob)"로서 주파수의 사용을 확인한다.
주파수 튜닝은 안정성 제어를 위한 가변 수단을 제공하며, 많은 실시예에서, 증폭기(예컨대, 증폭기 106)에 의해 인가된 파워의 측정은 콘트롤 루프에 대한 피드백 및 검출을 위해 행해진다. 전술한 바와 같이, 불안정성의 감지는 도전적일 수 있다. 발진 주파수는 수백 Hz로부터 100kHz에 걸쳐 변할 수 있다. 오실로스코프에 제공하는 외부의 방향성 커플러는 입증된 검출 방법이나 일반적으로 숍-플로어(shop-floor) 구현에 대해서는 실제적이지 않다. 1 실시예에서, 도1에 도시된 바와 같이, 증폭기(106)의 출력에서 파워의 특성을 측정하기 위해 센서가 채용될 수 있고, 추가로 기술된 바와 같이, 측정들 내의 특정 데이터가 선택 및 처리되어 기존 및/또는 임박한 불안정성을 검출하도록 이용된다.
임피던스는 종종 불안정성의 기간 동안 빠르게 변하기 때문에, 반사 계수(반사 전력/순방향 전력, 또는 Γ)에 있어서의 단기간 변화의 모니터링은 안정성을 평가하기 위한 유효한 방법이다. 표준 편차(σΓ)는 감마(Gamma)의 샘플링으로부터 주기적으로 계산될 수 있다. σΓ의 크기는 불안정성의 존재를 검출하고 그의 존재 시 그의 강도를 정량화하기 위해 사용될 수 있다. 프로세스 및 콘트롤 시스템의 요구사항은 필요한 샘플링 레이트를 지시한다. 상기한 자동 검출 및 보정 접근법은 충분히 빠른 Γ 샘플링이 유효한 것을 요구한다. 어떤 구체예에서, 순방향 및 반사 전력은 대략 마이크로 초마다 샘플링되고 (σΓ)는 수 밀리초마다 갱신된다.
도10을 참조하면, 플라즈마 불안정성을 처리하기 위해 증폭기의 주파수를 제어하기 위한 1 실시예의 (도1에 도시된 센서 102, 전력 증폭기 106, 및 안정성 제어기 110을 실현하기 위해 사용될 수도 있는) 부재들이 도시되어 있다. 일반적으로, 도시된 부재들은, 전력 증폭기에 의해 인가되는 파워에 존재하는 주파수 발진(있을 경우)의 형태(저주파 또는 고주파 발진의 하나)를 식별하고 (파워 회로라고도 지칭되는) 증폭기의 주파수를 변조하여 주파수 발진의 검출된 형태와 관련된 불안정성을 방지하도록 기능한다. 전술한 바와 같이, 다른 실시예에 있어서, 케이블 길이 또는 매칭부(에컨대, 매칭부의 리액티브 요소들)를 제어하기 위해 콘트롤 루프가 적합할 수 있으나, 주파수는 플라즈마 및 전력 증폭기의 임피던스 궤적을 정렬시키기 위해 편리한 접근법을 제공한다.
측정 부재(1004), 복소 Γ 부재(1006), 불안정성 검출기(1008), 펌웨어(1010), 및 DDS(1012) 부재들은 도1에 도시된 불안정성 제어기(110)의 1 실시예의 예시적 부재들을 나타낸다. 이들 부재의 도시는 단순히 논리적인 것으로 하드웨어를 의미하지 않으며; 이에 따라, 도시된 부재들은 조합되거나 또는 더욱 분리될 수도 있다. 더욱이, 펌웨어(1010)는 반드시 요구되지는 않으며, 일반적으로 그 부재들은 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어 또는 이들의 조합으로 실현될 수도 있다.
많은 실시예에서 도10에 도시된 센서(1002)는 (예컨대, 증폭기와 동일한 하우징 내의) 발생기의 일부이고, 파워를 나타내는 순방향(FWD) 및 반사된(RFL) RF 신호를 검출하기 위해 사용된다. 센서(1002)는 방향성 커플러 및 VI 센서를 포함하는 다양한 부품에 의해 실현될 수 있다. 이 실시예의 측정 부재(1004)는 일반적으로 센서(1002)의 출력을 받고 순방향 및 반사된 파워에 대한 동상 및 직각위상 측정들을 제공하도록 구성된다. 이들 측정은 1μs와 같은 주기적인 간격으로 갱신된다. 예시적 센서 및 센서로부터의 데이터를 처리하기 위한 기술들은 2008년 5월 7일자 미국 출원 제12/116,375호(발명의 명칭: 파워를 모니터링하기 위한 시스템, 방법 및 장치)에 기술되어 있으며, 이는 본 출원에 참고로 언급되어 있다.
각 측정 간격에 대해, 복소 Γ 부재(1006)는 복소수의 나눗셈인 VRFL/VFWD로서 Γ을 계산한다(I는 벡터의 실수부이고 Q는 벡터의 허수부이다). 복소 나눗셈은 종종 FPGA 리소스로 구현하기가 어렵다. Γ는 또한 FWD의 위상에 -1을 곱한 위상으로 RFL을 회전시킨 다음, ｜FWD｜로 나눔으로써 계산될 수 있다. FPGA 구현을 위해 효과적인 하나의 예시적 기술이 생성되었고 다음과 같이 구현되었다:
1. FPGA 승수를 사용하여 FWDQ2 + FWDI2를 계산하며, 이때 유효 비트들의 최대 이용에 필요한 시프트를 한다.
2. FPGA 룩업 테이블을 사용하여 K = 1/(FWDQ2 + FWDI2)를 계산하며, 이때 유효 비트들의 최대 이용에 필요한 시프트를 한다.
3. 정확도를 최대화하기 위해 필요한 시프트를 사용하여, K*IFWD*IRFL + K*QFWD*QRFL로서 Re(Γ)를 계산하고, K*IFWD*QRFL - K*QFWD*IRFL로서 Im(Γ)를 계산한다. 이는 VRFL의 복소적(complex product) 및 VFWD의 공액(conjugate)에 K곱을 한 것으로부터 유도된다. 두 개의 복소 벡터를 곱했을 때, 결과적 위상은 가산적이다. 공액을 곱했을 때, 결과적 위상은 감산적이다.
도11을 참조하면, 도10에 도시된 불안정성 검출 부재(1008)의 예시적 부재들을 나타낸 블록도를 나타낸다. 일반적으로, 불안정성 검출 부재(1008)는 파워에 있어서의 불안정성 존재의 형태의 지시(불안정성 신호 1009로서 표시)(및 플라즈마의 불안정성의 지시) 및 발진의 크기를 제공한다. 이 특정 실시예에서, 불안정성 검출 부재(1008)는 고주파 모드와 저주파 모드 간을 구별하기 위해 사용되는 Γ발진의 주파수를 나타내는 출력 및 Γ발진의 크기를 제공한다.
임의의 DC 성분을 제거하기 위해, 고역 통과 필터가 Re(Γ) 및 Im(Γ) 모두에 적용되며, 이때 출력은 Γ의 발진 형태( 및 불안정성의 형태)에 대응한다. 일례로서, 고역 통과 필터는, y(n) = 1024*x(n) - x(n-1)- ... - x(n-1024)로서 구현될 수 있다.
하나의 구체 예에서, EPGA를 구하기 위해, 필터링된 Re(Γ) 및 Im(Γ) 값들은 둘 사이의 최대 절대값을 선택함으로써 결합된다. 다른 구체 예에서, 각 파라미터에 대한 주파수/크기 검출을 분리한 설계가 사용될 수도 있다. 일반적으로, 최대값 함수 다음의 결과는 전파 정류된 사인파로 된다. 이들 계산들은 신호에 적용된다:
1. 0.5*abs(x(n)-x(n-1))의 가산. y(n) = x(n) - x(n-1) 연산은 주파수에 다소 선형적인 응답을 갖는 고역통과 필터이다. 이 필터의 응답은 이하에 나타낸다.
2. x(n)의 가산. 이 연산은 신호에 있어서 전체적인 에너지의 지시를 제공하고 주파수 지시를 정규화하기 위해 사용된다. 샘플러의 수로 나눌 때, 이는 또한 크기 출력을 위해 사용된다.
3. 1의 가산. 이 누산기로부터의 결과는 샘플들의 수이다.
도10에 도시된 실시예를 다시 참조하면, 주파수 제어기(1011)는 일반적으로, 플라즈마에 존재하는 임의의 불안정성의 주파수에 기초하여 주파수 제어 신호(1013)를 발생하도록 구성된다. 도시된 바와 같이, 주파수 제어기(1011)는, 임의의 불안정성의 주파수 및 크기를 주기적으로 체크하고 그에 따라 주파수를 업데이트하는 (펌웨어와 관련하여 명령들로서 구현될 수도 있는) 제어부(1010)를 포함한다. (예컨대, 크기가 문턱치를 초과했을 때) 임의의 불안정성의 주파수에 기초하여, DDS(1012)는 파워 회로(1014)에 있어서 증폭기에 의해 출력되는 주파수를 변경하는 주파수 제어 신호(1013)를 발생한다. 많은 구체 예에서, 플라즈마의 안정성을 다루기 위해, (파워 회로 1014의 일부인) 증폭기의 주파수는 상기한 Γ 측정을 사용하여 실시간 궤적 회전을 제공하도록 액티브하게 제어된다.
자동 불안정성 검출의 그래프가 도12A에 도시된다. 상기한 바와 같이, 유도성의, 음전기 방전에 대해, 최소 안정 파워가 각 케이블 길이에 대해 존재한다. 이 파워 이상-- 강조된 케이블 길이(도12A)에서 대략 700 와트-- σΓ는 제로 부근으로 낮다(도12B). 이 문턱치 아래로, σΓ는 신속히 증가하여 불안정성의 존재를 지시하고, σΓ는 플라즈마의 유도성 모드가 (부적절한 파워 커플링으로 인해) 소실되고 방전이 저밀도 용량 상태로 천이할 때까지 잔존한다. 낮은 파워(200W 미만)에서, 플라즈마는 일단 다시 안정하게 된다.
이들 신속한 σΓ 측정을 사용하여, 많은 실시예에 있어서, 도10 및 도11을 참조한 콘트롤 루프는 주파수 조정을 사용한 안정한 플라즈마 동작을 유지하도록 이용될 수도 있다. 불안정성이 검출되었을 때, σΓ에 기초하여, 제어 시스템은 주파수를 적절히 변경하고; 이에 따라, 보다 바람직한 θ를 달성하고 안정성을 다시 얻기 위해 부하 임피던스 궤적을 회전시킨다.
도13A 및 13B를 참조하면, (도12에 도시한 것과 유사한 고정 케이블 길이로) 13.56 MHz에서 동작하는 유도성의 음전기 방전에 대해 적용되는 기술이 도시되어 있다. 발생기의 출력에서의 방향성 커플러는 (도13A에 도시된 바와 같이) 불안정한 문턱치가 교차되었을 때 파워 발진을 포착한다. 일단 결합되면, 콘트롤 루프는 안정성을 다시 얻기 위해 (13.56 MHz로부터 13.74 MHz로) 증폭기의 RF 출력의 주파수를 조정한다. 도13B는 루프 결합 후 결과적인 파워 트레이스를 도시하고, 이는 안정한 동작으로의 회복을 나타낸다. 이 경우에, 안정성을 위한 기준은 σΓ＜0.04였다. 일단 σΓ가 0.04를 초과하면, 주파수 튜닝이 개시된다. 이 절차를 위해 불안정성은 RF 주파수에 적용된 180kHz 증가에 의해 보정된다.
이 접근법의 중요한 고려 사항은 발생기의 주파수 범위이다. 주파수의 한정된 대역폭은 θ가 영향을 미칠 수 있는 한계를 설정한다. 상기 실시예에서, RF 발생기는 13.56 MHz 부근의 대략 ±5%의 주파수 범위를 가졌다. RG393 동축 전송 케이블을 사용하면, 이 범위는 최대 약 140°의 φLoad 회전을 제공한다. 도8에서, 테스트된 주파수 범위는 13.06 MHz - 14.06 MHz 였고, 유효 회전의 100° 위에 걸쳐 제공한다. 주파수 조정에 있어서의 이 한정 범위는 이 접근법으로부터 이용가능한 안정성 제어의 범위를 규정한다. 그 결과, 소망 안정성 영역들이 주파수 회전의 가용 범위 내에 액세스할 수 있도록 케이블 길이에 있어서의 어떤 최적화가 여전히 필요하다.
RF 주파수에 대한 변경은 주파수 기반 안정화 후 반사 전력을 증가시키게 될 수 있는 임피던스 매칭에 영향을 준다. 파워 서플라이가 방출된 파워를 보상 및 유지하도록 (또한 필요한 여지를 갖도록) 구성될 경우 어떤 반사 량은 처리에 해롭지 않다. 반사된 파워 한계에 도달될 경우 재튜닝이 필요할 수도 있다. 이는 복잡하게 될 수 있는데, 그 이유는, 도7을 참조하면, 재튜닝이 발생기에 의해 나타난 바와 같이 φLoad에 영향을 줄 수 있기 때문이다. 이들 문제들을 피하기 위해, 상기 실시예에 있어서의 안정화 및 튜닝을 위한 콘트롤 루프들은 상충을 방지하도록 동기화되었다. 이 접근법을 사용함으로써, 반사 전력을 최소화하도록 매칭하면서 대부분의 경우에 안정성이 달성될 수 있다.
낮은 압력, 낮은 파워, 음전기성의 플라즈마들은 안정성 문제들을 야기하기 쉬우며, 이들 문제들의 어떤 것은 플라즈마에 고유하고 다른 것들은 플라즈마 임피던스와 전력 전달 시스템 간의 동적 상호작용으로부터 비롯된다. 상기한 바와 같이, 가변 주파수, 방출 파워 레귤레이션 및 고속 임피던스 측정과 같은 진보된 특징들은 플라즈마 불안정성의 존재를 검출함은 물론 그들을 억제하고 회피하도록 사용될 수 있다.
결론적으로. 본 발명은 플라즈마 및 발생기 상호작용을 안정시키기 위한 방법 및 장치를 제공한다. 당업자들은 본 발명에 있어서 여러가지 변형 예 및 대체 예가 이루어질 수 있음을 용이하게 인식할 것이며, 상기 예를 실질적으로 달성하기 위한 사용 및 그의 구성은 본 명세서에서 기술된 실시예들에 의해 성취된다. 따라서, 본 발명은 기술된 예시적 형태들에 한정되지 않으며, 많은 변형예, 개조 및 대안적 구성은 특허청구범위에 기재된 발명의 관점 및 정신 내에 들어가는 것이다.

Claims (14)

  1. 플라즈마 기반 처리 시스템에 있어서의 불안정성을 감소시키기 위한 방법에 있어서, 상기 방법은,
    전력 증폭기에 의해 플라즈마에 파워를 인가하고;
    플라즈마의 임피던스를 나타내는 샘플들을 얻고;
    플라즈마 임피던스에 있어서의 발진 변동들을 식별하기 위해 상기 샘플들을 분석함으로써, 플라즈마-전력 증폭기 상호작용으로부터 비롯되는, 플라즈마에 존재하는 불안정성 발진들의 주파수를 결정하고;
    존재하는 불안정성 발진들의 주파수에 기초하여, 플라즈마에 있어서 임의의 불안정성 발진을 감소시키기 위해 전력 증폭기에 의해 경험되는 부하의 임피던스를 변경하고, 상기 전력 증폭기에 의해 경험되는 부하는 적어도 플라즈마의 임피던스를 포함하고, 상기 부하의 임피던스 변경은, 상기 전력 증폭기에 의해 플라즈마에 인가되는 파워의 주파수를 변경하는 것을 포함하는, 플라즈마 기반 처리 시스템에 있어서의 불안정성을 감소시키기 위한 방법.
  2. 제1항에 있어서, 불안정성 발진들의 주파수를 결정하는 것은, 전력 증폭기의 출력에서 전력 증폭기에 의해 인가되는 파워를 모니터링하는 것을 포함하는, 플라즈마 기반 처리 시스템에 있어서의 불안정성을 감소시키기 위한 방법.
  3. 제1항에 있어서, 플라즈마에 있어서의 불안정성 발진들의 주파수를 결정하기에 앞서 불안정성을 검출하는 것을 포함하는, 플라즈마 기반 처리 시스템에 있어서의 불안정성을 감소시키기 위한 방법.
  4. 제1항에 있어서, 부하의 임피던스를 변경하는 것은, 부하의 벡터 각이 전력 증폭기의 일정한 파워 윤곽의 구배에 직교하여 근접하도록 부하의 임피던스를 변경하는 것을 포함하는, 플라즈마 기반 처리 시스템에 있어서의 불안정성을 감소시키기 위한 방법.
  5. 제1항에 있어서, 부하의 임피던스를 변경하는 것은, 전력 증폭기로부터의 파워를 플라즈마에 결합하는 케이블의 길이를 변경함으로써 부하의 임피던스를 변경하는 것을 포함하는, 플라즈마 기반 처리 시스템에 있어서의 불안정성을 감소시키기 위한 방법.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서, 부하의 임피던스를 변경하는 것은, 전력 증폭기와 플라즈마 사이에 배치된 매칭 네트워크의 임피던스를 변경하는 것을 포함하는, 플라즈마 기반 처리 시스템에 있어서의 불안정성을 감소시키기 위한 방법.
  8. 플라즈마 기반 처리 시스템에 있어서의 불안정성을 감소시키기 위한 시스템에 있어서, 상기 시스템은,
    플라즈마를 점화하고 유지하기 위해 플라즈마 처리 챔버에 파워를 인가하도록 구성되는 전력 증폭기;
    플라즈마의 임피던스를 나타내는 적어도 하나의 특성을 감지하도록 구성되는 센서;
    적어도 하나의 감지된 특성의 샘플들을 얻고 또한 플라즈마 임피던스에 있어서의 발진 변동들을 식별하기 위해 샘플들을 분석함으로써 플라즈마에 존재하는 불안정성 발진들의 주파수를 결정하도록 구성되는 안정성 제어기를 포함하고, 플라즈마에 존재하는 불안정성 발진들의 주파수에 응답하여, 상기 안정성 제어기는, 플라즈마에 있어서의 임의의 불안정성 발진들을 감소시키기 위해 전력 증폭기에 의해 경험되는 부하 임피던스를 제어하도록 전력 증폭기의 동작 주파수를 제어하는, 플라즈마 기반 처리 시스템에 있어서의 불안정성을 감소시키기 위한 시스템.
  9. 삭제
  10. 제8항에 있어서, 상기 안정성 제어기는, 부하 임피던스에 영향을 미치는 매칭 네트워크의 임피던스를 제어하는, 플라즈마 기반 처리 시스템에 있어서의 불안정성을 감소시키기 위한 시스템.
  11. 제8항에 있어서, 상기 안정성 제어기는, 부하 임피던스에 영향을 미치는 케이블 길이가 제어 신호에 기초하여 변경되도록 하는 신호를 제공하는, 플라즈마 기반 처리 시스템에 있어서의 불안정성을 감소시키기 위한 시스템.
  12. 제8항에 있어서, 상기 센서가 방향성 커플러 및 VI 센서로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 센서인, 플라즈마 기반 처리 시스템에 있어서의 불안정성을 감소시키기 위한 시스템.
  13. 플라즈마 기반 처리 시스템에 있어서의 불안정성을 감소시키기 위한 장치로서, 상기 장치는,
    플라즈마의 임피던스를 나타내는 측정을 제공하도록 구성되는 측정 부재;
    상기 측정의 샘플들을 얻고, 상기 샘플들을 분석함으로써 플라즈마 임피던스에 있어서의 불안정성 발진들의 주파수를 결정하고, 플라즈마에 존재하는 임의의 불안정성 발진들의 주파수를 나타내는 신호를 제공하도록 구성되는 불안정성 검출 부재; 및
    상기 불안정성 검출 부재와 통신하는 주파수 제어기를 포함하고, 상기 주파수 제어기는, 임의의 불안정성 발진들의 주파수에 기초하여, 전력 증폭기에 의해 출력되는 파워의 주파수가 플라즈마 기반 처리 시스템에 있어서의 임의의 불안정성을 감소시키기 위해 전력 증폭기에 의해 경험되는 부하의 임피던스를 변경하도록 증폭기의 출력 주파수를 제어하는 주파수 제어 신호를 발생하도록 구성되는, 플라즈마 기반 처리 시스템에 있어서의 불안정성을 감소시키기 위한 장치.
  14. 제13항에 있어서, Γ의 실수 성분 및 허수 성분을 얻기 위해 측정 부재로부터의 파워의 측정으로부터 얻어진 순방향 및 반사 전압의 복소 나눗셈을 행하는 복소 Γ 부재를 포함하고,
    상기 불안정성 검출 부재는 Γ의 실수 성분 및 허수 성분을 수신하고 임의의 불안정성 발진들의 주파수를 나타내는 신호 및 불안정성 발진들의 크기를 나타내는 신호를 발생하는, 플라즈마 기반 처리 시스템에 있어서의 불안정성을 감소시키기 위한 장치.
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