KR101500278B1

KR101500278B1 - 플라즈마 전원장치

Info

Publication number: KR101500278B1
Application number: KR20140113031A
Authority: KR
Inventors: 고재준; 김영권
Original assignee: 주식회사 에프티랩
Priority date: 2014-08-28
Filing date: 2014-08-28
Publication date: 2015-03-06

Abstract

본 발명의 실시예들은 반도체 공정에 사용되는 될 수 있는 LC 공진형 이단 점화기를 결합한 플라즈마 전원 장치에 관한 것으로서, 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 전원장치는, 플라즈마 전원장치에 있어서, LC 공진 현상을 이용하여 고주파의 고전압을 발생시켜 진공챔버 내에 1차 기체방전을 발생시킨 후 이를 전기적으로 2차 증폭하여 초기플라즈마를 생성하는 LC 공진 이단점화부를 포함하며 상기 초기플라즈마 발생 직후에 단극성 구형파를 생성, 초기플라즈마에 인가하여 안정된 플라즈마 상태로 유도하는 유지 펄스 발생부를 포함할 수 있으며, 또한 상기 이단 점화부와 접속되며, 순간 최대전류를 측정하여 전류 측정값을 생성하는 제1 전류 측정부와, 상기 유지 펄스 발생부로 인가되는 실효전류를 측정하여 실효전류 측정값을 생성하는 제2 전류 측정부와, 정전압 및 정전류 제어 기능을 수행하는 주전원부와, 상기 제1 전류 측정부의 전류 측정값 및 상기 제2 전류 측정부의 실효전류 측정값이 각각 미리 설정된 설정 값과 동일해지도록, 상기 이단 점화부 및 유지 펄스 발생부의 동작을 제어하는 중앙처리부 및 상기 이단 점화부와 상기 중앙처리부에 전원을 공급하는 보조 전원부를 더 포함할 수 있다.

Description

플라즈마 전원장치{PLASMA POWER SUPPLY}

본 발명의 실시예들은 플라즈마 전원장치에 관한 것으로서, 예컨대, 반도체 공정에 사용되는 될 수 있는 LC 공진형 이단 점화기를 결합한 플라즈마 전원 장치에 관한 것이다.

일반적인 반도체 공정에는 반도체 웨이퍼상의 표면을 물리 화학적 방법으로 식각(etching) 및 증착(deposition)하는 공정이 포함되며, 식각 공정에는 주로 습식 식각(wet etching) 및 건식 식각(dry etching)이 사용된다. 건식 식각으로 널리 사용되는 플라즈마 식각(plasma etching) 방식은 반도체 공정 챔버(chamber) 내의 주입된 기체를 고전압의 플라즈마 전원장치(high voltage power supply)를 통해 방전(discharge)시켜 높은 에너지의 기체 이온입자를 생성시키고, 이를 반도체 웨이퍼에 충돌시켜 식각을 수행하는 방식이다.

그리고 건식 식각용 플라즈마 전원 장치는 여러 가지 종류가 있지만, 그 대표적인 예로써 RF 제너레이터(RF-Generator)가 있고, 이러한 RF 제너레이터는 13.56㎒의 진동 주기를 갖는다. 또한 RF 제너레이터는 내부 출력회로가 공진방식 내지는 push-pull 방식으로 작동되므로 출력 파형이 사인파(sin wave) 형태인 양극성(bipolar) 전원에 해당된다. 또한 RF 제너레이터는 mTorr 정도의 낮은 압력에서 주로 사용되므로 방전개시가 용이하여 특별한 점화장치(igniter) 없이 단지 전원장치와 공정챔버 내 플라즈마 발생용 전극 사이의 임피던스(impedance)를 맞춰주는 매칭 박스(matching box)가 필요할 뿐이다.

한편, 최근 반도체 공정의 추세가 20㎚ 이하의 초미세 선폭으로 진행되고 있고, 또한 V-NAND로 대변되는 적층형 수직 구조 반도체는 깊은 골짜기 형태의 식각 기술이 요구된다. 이와 더불어, 증착(deposition) 공정에서는 웨이퍼 및 공정 챔버 내부의 다른 부품으로 증착이 계속되면서 오염물 또는 산화막의 퇴적 현상이 지속적으로 진행되고, 이에 따라 웨이퍼 또는 챔버의 오염 현상이 발생되므로, 이러한 퇴적 부분의 제거를 위해 증착 공정의 중간 중간에 정기적으로 세정을 하는 기술이 요구된다.

이러한 문제를 해결하기 위한 수단으로 원격 플라즈마(remote plasma) 방식이 사용되고 있다. 원격 플라즈마 방식은 플라즈마 발생원으로부터 직접적인 하전입자를 공급받아 반도체 웨이퍼를 식각하는 방식이 아닌 부식성 가스를 플라즈마로 다량 통과시켜 활성 가스분자(radical)화 시키고 이를 이용하여 세정 및 식각하는, 다시 말해 간접적으로 플라즈마를 적용하는 방식이다. 일 예로써, 반도체 LCD 공정에 세정용으로 쓰이는 PFC 계열의 유해 잔류가스를 플라즈마로 세정하는 기술이 있다.

이러한 원격 플라즈마 방식에서는 기존의 반도체 식각 공정을 위한 플라즈마 발생 조건들과는 다른 양상을 띠게 된다. 예로써, 공정챔버 내 압력이 기존의 mTorr 압력에서 수십 Torr 압력까지도 확대되는 점, 플라즈마의 방전 모드(discharge mode)를 부식성 가스분자 활성화에 적합하도록 변형하기 위하여 플라즈마 발생용 방전 전극(discharge electrode)을 기존의 평판전극(planar electrode)에서 탈피하여 속빈 음극형(hollow cathode type), 동심원 전극형(coaxial electrode type), 비대칭 전극형(asymmetrical electrode type) 및 절연체 막 전극형(dielectric barrier electrode type) 등의 형태로 시도한 점 등을 들 수 있다.

이러한 전극 형태들에서는 기존의 전원장치인 양극성 사인파 출력 형태의 RF 제너레이터만으로는 원하는 결과를 얻기가 어려웠다. 즉, 공정챔버 내 압력이 mTorr에서 수십 Torr까지 증가함에 따라 기체방전(gas discharge) 개시전압(breakdown voltage)이 비약적으로 상승하고, 이로 인하여 특별한 점화장치가 전원장치에 추가될 필요성이 생겼다. 또한 출력 파형 면에서 볼 때, 플라즈마 발생용 전극들이 속빈 음극(hollow cathode), 동심원 전극(coaxial electrode), 비대칭 전극(asymmetrical electrode) 등과 같이 음극과 양극의 형태가 서로 다르거나 비대칭 형태이므로 이의 구동에는 기존 13.56㎒ 주파수의 RF-Generator의 대칭형 양극성(bipolar) 사인파 출력 파형은 적합하지 않다.

따라서 적합한 방전모드를 제공하기 위해 비대칭 단극성(unipolar)의 출력 파형과 동시에 기존 13.56㎒보다 낮은 수십㎑∼수백㎑의 주파수를 지원해주는 전원장치가 요구된다.

또한 일반적인 건식 식각공정에서 중요한 공정변수인 시간당 식각율(etching rate)은 플라즈마의 전류, 전위(potential), 투입전력 등 상태 조건과 밀접한 관련이 있는데, 기존의 RF-Generator 사용시에는 직접적으로 RF 전력을 제어함으로써 이의 제어를 가능하게 하였다. 이에 비하여, 부식성 활성화 가스를 발생시키는 형태인 간접적 방식의 원격 플라즈마를 사용하는 플라즈마 전원 장치에서는 원격 플라즈마를 사용하기 때문에 플라즈마의 투입 전력이나 플라즈마 전위보다 플라즈마의 유지 전류가 활성화 가스 발생에 더욱 밀접하게 작용한다. 따라서 플라즈마 유지 전류를 정밀하게 제어할 수 있는 플라즈마 전원장치에 관한 기술 개발이 필요하다.

KR

1005397080000

B

KR

1011376920000

B

본 발명의 실시예는 통상적인 반도체 공정 압력보다 높은 0.1Torr 이상 100Torr 이하 범위의 압력 조건에서도 방전(discharge) 개시를 수행할 수 있는 플라즈마 전원장치를 제공한다.

또한, 본 발명의 실시예는 대칭형 평판 전극(planar electrode) 구조의 플라즈마 발생용 방전 전극뿐만 아니라 양극과 음극이 서로 다른 비대칭 전극(asymmetrical electrode) 구조의 플라즈마 발생용 방전 전극에서도 플라즈마를 안정되게 유지하는 기능을 수행할 수 있는 플라즈마 전원장치를 제공한다.

또한, 본 발명의 실시예는 반도체 공정에 사용되는 기체 종류 및 온도 등 공정 조건들에 관계없이, 플라즈마의 유지 전류를 정밀하게 제어할 수 있는 플라즈마 전원장치를 제공한다.

본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 전원장치는, 플라즈마 전원장치에 있어서, LC 공진 현상을 이용하여 고주파의 고전압을 발생시켜 진공챔버 내에 1차 기체방전을 발생시킨 후 이를 전기적으로 2차 증폭하여 초기플라즈마를 생성하는 LC 공진 이단점화부를 포함하며 상기 초기플라즈마 발생 직후에 단극성 구형파를 생성, 초기플라즈마에 인가하여 안정된 플라즈마 상태로 유도하는 유지 펄스 발생부를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 전원장치는, 상기 이단 점화부와 접속되며, 순간 최대전류를 측정하여 전류 측정값을 생성하는 제1 전류 측정부와, 상기 유지 펄스 발생부로 인가되는 실효전류를 측정하여 실효전류 측정값을 생성하는 제2 전류 측정부와, 정전압 및 정전류 제어 기능을 수행하는 주전원부와, 상기 제1 전류 측정부의 전류 측정값 및 상기 제2 전류 측정부의 실효전류 측정값이 각각 미리 설정된 설정 값과 동일해지도록, 상기 이단 점화부 및 유지 펄스 발생부의 동작을 제어하는 중앙처리부 및 상기 이단 점화부와 상기 중앙처리부에 전원을 공급하는 보조 전원부를 더 포함할 수 있다.

또한 상기 중앙처리부는 상기 유지 펄스 발생부의 출력 전류 값이 미리 설정된 설정 값과 동일해지도록 PWM 방식으로 제어하는 것일 수 있다.

또한 상기 유지 펄스 발생부는 상기 구형파 펄스를 20kHz 이상 200kHz 이하의 주파수 범위에서 생성하는 것일 수 있다.

또한 상기 이단 점화부는 전압 승압부에 구비된 플라이백(flyback) 변압기에서 출력되는 전압을 정류부에 구비된 축전기(capacitor bank)에 저장하였다가 트리거 스위치부를 통해 LC공진 승압부로 순간적으로 인가하여 큰 에너지의 고전압 방전을 생성하는 것일 수 있다.

또한 상기 이단 점화부는 상기 보조 전원부로부터 전원을 공급받고, 상기 중앙처리부에서 생성된 제어 신호를 공급받아 스위칭 신호를 생성하는 전원 공급 및 제어부와, 상기 전원 공급 및 제어부로부터 상기 스위칭 신호를 입력받아 플라이백(flyback) 방식으로 전압을 승압하는 전압 승압부와, 상기 전압 승압부에서 승압된 전압을 DC(Direct Current)로 정류하는 정류부와, 트리거 스위치부로부터 공급받은 전원을 대상으로 LC 공진을 이용하여 전압을 승압하는 LC 공진 승압부 및 상기 전원 공급 및 제어부의 제어에 따라 상기 정류부와 LC 공진 승압부 사이에 전원을 순간적으로 연결하는 상기 트리거 스위치부를 포함할 수 있다.

또한 상기 LC 공진 승압부는 1MHz 이상 2MHz 이하의 주파수 범위로 상기 LC 공진을 하는 것일 수 있다.

또한 상기 LC 공진 승압부는 1차 및 2차 권선으로 이루어진 코일을 구비하며, 상기 코일의 권선비는 1대 10 내지 1대 50의 범위에서 정해지는 것일 수 있다.

또한 상기 LC 공진 승압부는 토로이달(toroidal) 형태를 가지는 것일 수 있다.

그리고 본 발명의 다른 실시 예에 따른 플라즈마 전원장치는, 플라즈마 전원장치에 있어서, 보조 전원부로부터 전원을 공급받고, 중앙처리부에서 생성된 제어 신호를 공급받아 스위칭 신호를 생성하는 전원 공급 및 제어부와, 상기 전원 공급 및 제어부로부터 상기 스위칭 신호를 입력받아 플라이백(flyback) 방식으로 전압을 승압하는 전압 승압부와, 상기 전압 승압부에서 승압된 전압을 DC(Direct Current)로 정류하는 정류부와, 트리거 스위치부로부터 공급받은 전원을 대상으로 LC 공진을 이용하여 전압을 승압하는 LC 공진 승압부 및 상기 전원 공급 및 제어부의 제어에 따라 상기 정류부와 LC 공진 승압부 사이에 전원을 순간적으로 연결하는 상기 트리거 스위치부로 구성된 이단 점화부를 포함할 수 있다.

또한 상기 LC 공진 승압부는 1MHz 이상 2MHz 이하의 주파수의 범위로 상기 LC 공진을 하는 것일 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 통상적인 반도체 공정 압력보다 높은 0.1Torr 이상 내지 100Torr 이하 범위의 압력 조건에서도 방전(discharge) 개시할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 대칭형 평판 전극 구조뿐만 아니라 비대칭 전극 구조의 플라즈마 발생용 방전 전극에서도 플라즈마를 안정되게 유지할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 플라즈마의 유지 전류를 정밀하게 제어할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 전원장치의 구성을 도시한 블록도
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 플라즈마 전원장치에서 이단 점화부의 구성을 도시한 블록도
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 LC 공진형 이단 점화부의 동작 시퀀스(sequence)를 도시한 예시도
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 LC 공진형 이단 점화부의 LC 공진에 따른 출력 전압 파형을 도시한 예시도
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 LC 공진형 이단 점화부 동작시 플라즈마 채널 형성 후 전류 흐름을 도시한 예시도
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 LC 공진형 이단 점화부 C1에 의한 방전전류 변화를 도시한 예시도

이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명에 따른 예시적 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명이 예시적 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부재를 나타낸다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.

본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 전원장치는 LC 공진형 이단 점화부와 PWM 제어 방식으로 제어되는 단극성 펄스 전원 장치가 결합된 장치이다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 전원장치는 반도체 공정용 플라즈마 발생 용기의 압력이 최대 100Torr에 달해도 정상적인 동작을 수행할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 전원장치는 비대칭 전극(asymmetrical electrode) 구조의 플라즈마 발생용 전극 구조에서도 플라즈마를 안정되게 발생, 유지 및 조절할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 전원장치는 플라즈마 유지 전류를 정밀하게 제어할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 전원장치의 구성을 도시하는 블록도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 전원장치는(100)는 반도체 공정용 플라즈마 발생에 사용되는 고전압 펄스 전원 장치이다.

본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 전원장치(100)는 LC 공진형 이단점화부(110), 제1 전류 측정부(120), 유지 펄스(unipolar sustain pulse) 발생부(130), 제2 전류 측정부(140), 주전원부(150), 중앙처리부(160) 및 보조 전원부(170)를 포함할 수 있다.

이단 점화부(110)는 LC 공진 현상을 이용하여 고주파의 고전압을 발생시킬 수 있다.

또한, 이단 점화부(110)는 발생된 고주파의 고전압을 통해 진공 챔버 내 미약한 기체방전을 일으킬 수 있다.

또한, 이단 점화부(110)는 기체방전을 전기적으로 증폭하여 안정된 초기플라즈마를 형성할 수 있다.

제1 전류 측정부(120)는 이단 점화부(110)와 접속되어 순간 최대전류를 측정할 수 있다. 즉, 제1 전류 측정부(120)는 순간 최대전류를 측정하는 고속측정용이며, 이러한 제1 전류 측정부는 측정된 전류 측정값을 중앙처리부(160)로 전달할 수 있다.

유지 펄스 발생부(130)는 제1 전류 측정부(120)와 접속되어 20kHz 이상 200kHz이하의 주파수 범위를 갖는 구형파 펄스를 발생시킬 수 있다.

또한, 유지 펄스 발생부(130)는 구형파 펄스를 이단 점화기부(110)를 통하여 플라즈마에 인가하여 플라즈마 상태를 안정되게 유지시킬 수 있다.

제2 전류 측정부(140)는 주전원부(150)로부터 유지펄스 발생부(30)로 인가되는 실효전류(RMS current)를 측정할 수 있다.

또한, 제2 전류 측정부(140)는 실효전류를 저속 측정하고, 측정된 실효전류 측정값을 중앙처리부(160)로 전달할 수 있다.

주전원부(150)는 정전압 및 정전류 제어 기능을 수행할 수 있다.

중앙처리부(160)는 사용자로부터 입력되어 미리 저장된 설정 값들과 전류 측정부들(제1 전류 측정부(120), 제2 전류 측정부(140))로부터 각각 전달받은 전류 측정값 및 실효전류 측정값과 각각 상호 비교하여, 이단 점화부(110) 및 유지 펄스 발생부(130)의 동작을 제어할 수 있다. 예컨대, 사용자로부터 입력되어 중앙처리부(160)에 구비된 저장부(미도시)에 미리 저장된 설정 값들은 전류 설정 값 및 실효전류 설정 값을 포함할 수 있다. 중앙처리부(160)는 미리 저장된 설정 값들과 전류 측정부들을 통해 측정된 전류 측정값 및 실효전류 측정값을 각각 상호 비교하고, 각각의 편차를 줄여 최종적으로 설정 값들과 동일해지도록 이단 점화부(110) 및 유지 펄스 발생부(130)의 동작을 제어할 수 있다.

또한, 중앙처리부(160)는 PWM 방식으로 유지 펄스 발생부(130)의 동작을 정밀하게 제어하여, 유지 펄스 발생부(130)의 출력 전류 값이 사용자로부터 설정된 값과 동일하게 유지되도록 제어할 수 있다. 예컨대, 중앙처리부(160)는 PWM 방식으로 유지 펄스 발생부(130)의 동작을 정밀하게 제어하여 유지 펄스 발생부(130)의 출력 전류 값이 사용자로부터 설정된 값과 동일하게 유지되도록 제어하고, 최종 플라즈마 전류 값이 사용자로부터 설정된 값과 동일하도록 제어할 수 있다.

보조 전원부(170)는 이단 점화부(110)와 중앙처리부(160)의 동작에 필요한 전원을 공급할 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이단 점화부의 구성을 도시하는 블록도이다. 먼저, 일반적인 내연 기관용의 점화기는 12V 내지는 24V의 낮은 전압을 플라이백(flyback)변압기로 승압하여 스파크 플러그에 직접 인가하여 불꽃 방전을 일으킨다. 내연 기관용 점화기는 휘발유 등의 발화성 연료를 점화시키는 데는 적합하지만 반도체 공정용 플라즈마 발생 점화기로는 적합하지 못하다. 그 이유는 내연 기관 점화기는 작동 시 내연 기관 내에 미리 주입된 발화성 연료가 불꽃 방전을 통해 점화되고 이것이 연쇄 작용을 일으키는데 반해서 반도체 공정용 챔버 내에는 순수한 기체들만 있으므로 단순한 점화만으로는 플라즈마를 형성하기에 충분한 밀도 있는 초기 방전 상태가 얻어지지 않는다.

도 2에 예시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 이단 점화부(110)는 전원 공급 및 제어부(111), 전압 승압부(112), 정류부(113), 트리거 스위치부(114) 및 LC 공진 승압부(115)를 포함할 수 있다.

전원 공급 및 제어부(111)는 보조 전원부(170)로부터 전원을 공급받고, 중앙처리부(160)에서 생성된 제어 신호를 공급받을 수 있다.

또한, 전원 공급 및 제어부(111)는 중앙처리부(160)로부터 공급받은 제어 신호로부터 스위칭 신호를 생성할 수 있다.

전압 승압부(12)는 전원 공급 및 제어부(111)로부터 스위칭 신호를 입력받아 플라이백(flyback) 방식으로 전압을 400V 펄스로 승압할 수 있다.

정류부(113)는 승압된 전압을 DC(Direct Current)로 정류할 수 있다.

트리거 스위치부(114)는 전원 공급 및 제어부(111)의 제어에 따라 정류부(113)와 LC 공진 승압부(115)사이에 전원을 순간적으로 연결할 수 있다.

LC 공진 승압부(115)는 LC 공진을 이용하여 전압을 승압할 수 있다.

도 1 및 도 2에 예시된 본 발명의 실시예에 따른 이단 점화부(110)는 전압 승압부(12)에 구비된 플라이백(flyback) 변압기인 L1에서 출력되는 전압을 바로 점화기 출력으로 사용하지 않고, 전압 승압부(12)에 구비된 플라이백 변압기 L1에서 출력되는 전압을 정류부(113)에 구비된 축전기(capacitor bank) C1에 저장하였다가 LC공진 승압부(115)로 순간적으로 인가하여 큰 에너지의 고전압 방전을 얻을 수 있다. 예컨대, 전원 공급 및 제어부(111)가 전압 승압부(112)에 구비된 플라이백 변압기인 L1에 12V 전원을 인가하고, FET 스위치 S1을 20kHz 이상 내지 50kHz 이하 주파수로 제어하여 L1의 2차측에서 약 400V의 전압 펄스를 생성시킬 수 있다. 전압 승압부(112)에 구비된 플라이백 변압기인 L1의 2차측에서 생성된 약 400V의 전압 펄스는 정류부(113)에 구비된 다이오드 D1을 통하여 축전기 C1에 DC 형태의 전기 에너지로 저장될 수 있다.

그 후, 정류부(113)에 구비된 축전기 C1에 저장되어 있던 DC 형태의 전기 에너지는 트리거 스위치부(114)에 구비된 SCR 트리거 스위치 S3의 동작에 따라 순간적으로 LC 공진 승압부(115)를 통하여 수kV의 고전압으로 승압될 수 있다. 트리거 스위치부(114)에 구비된 SCR 트리거 스위치 S3의 동작은 전원 공급 및 제어부(111)로부터 받은 트리거 신호에 따라 제어될 수 있다. 여기서 LC 공진 승압부(115)는 코일(coil, 이하 L), 커패시터(capacitor, 이하 C), 다이오드(Diode, 이하 D) 및 저항(Resistance, 이하 R)을 포함하여 구성될 수 있다.

또한, LC 공진 승압부(115)의 코일(L)은 1, 2차 권선으로 이루어져 있으며 그 권선비는 1:10 이상 내지 1:50 이하의 범위를 가질 수 있다.

또한, LC 공진 승압부(115)는 토로이달(toroidal) 형태로 형성될 수 있다.

또한, LC 공진 승압부(115)는 페라이트 재질로 형성될 수 있다.

또한, LC 공진 승압부(115)의 LC 공진의 주파수는 1MHz 이상 내지 2MHz 이하의 범위를 가질 수 있다. LC 공진형 이단 점화기부의 LC 공진에 대해서는 하기 도 4의 상세한 설명에서 하기로 한다.

명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

한편, 플라즈마 발생용 전원장치(100)의 각각의 구성요소들은 기능 및 논리적으로 분리될 수 있음을 나타나기 위해 별도로 도면에 표시한 것이며, 물리적으로 반드시 별도의 구성요소이거나 별도의 코드로 구현되는 것을 의미하는 것은 아니다.

그리고 본 명세서에서 각 기능부라 함은, 본 발명의 기술적 사상을 수행하기 위한 하드웨어 및 상기 하드웨어를 구동하기 위한 소프트웨어의 기능적, 구조적 결합을 의미할 수 있다. 예컨대, 상기 각 기능부는 소정의 코드와 상기 소정의 코드가 수행되기 위한 하드웨어 리소스의 논리적인 단위를 의미할 수 있으며, 반드시 물리적으로 연결된 코드를 의미하거나, 한 종류의 하드웨어를 의미하는 것은 아님은 본 발명의 기술분야의 평균적 전문가에게는 용이하게 추론될 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이단 점화부 동작 시퀀스(sequence)를 도시하는 예시도이며, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 이단 점화부의 LC 공진에 따른 출력 전압 파형을 도시하는 예시도이다. 도 3 및 도 4에 예시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 이단 점화부의 동작 시퀀스(sequence)는 트리거 신호(trigger signal)(310), 이네이블 신호(enabling signal)(320) 및 C1의 충전 전압 신호(C1 charging voltage)(330) 및 단극성 유지 펄스 신호를 포함할 수 있다.

중앙처리부(160)는 단극성 유지 펄스 신호(340), 이네이블 신호(320) 및 트리거 신호(310)를 생성하고, 생성된 이네이블 신호(320) 및 트리거 신호(310)를 이단 점화부(110)의 입력 신호로 그리고 단극성 유지 펄스 신호(340)는 유지펄스 발생부(130)의 입력신호로 출력할 수 있다.

이네이블 신호(320)는 이단 점화부(110)의 동작을 제어하는 신호이다.

트리거 신호(310)는 이단 점화부(110)에 구비된 트리거 스위치부(114)의 SCR 트리거 스위치 S3의 동작을 제어하는 신호이다.

이단 점화부(110)는 중앙처리부(60)로부터 생성된 이네이블 신호(320) 및 트리거 신호(310)를 입력 받을 수 있다.

또한, 이단 점화부(110)는 보조 전원부(170)로부터 +12V의 전원을 공급 받을 수 있다.

이네이블 신호(320)가 T1 시각에서 하이(High) 상태로 변환되면, 전압 승압부(12)가 작동을 시작하여 정류부(113)에 구비된 축전기 C1에 충전이 시작된다. 도 3의 C1의 충전 전압 신호(330)의 파형에서 도시되었듯이 C1에 충전되는 전압은 시간이 지남에 따라 0V에서 포화 상태인 400V가 될 때까지 점차 상승할 수 있다.

이네이블 신호(320)가 T2 시각에서 로우(Low) 상태로 바뀌어도 정류부(113)에 구비된 축전기 C1의 충전 전압은 그대로 유지될 수 있다.

트리거 신호(310)는 T3 시각에 중앙처리부(160)로부터 생성되어 전원 공급 및 제어부(111)의 입력 신호로 출력될 수 있다.

전원 공급 및 제어부(111)는 중앙처리부(60)로부터 트리거 신호(310)를 입력 받고, 입력 받은 트리거 신호(310)를 통해 트리거 스위치부(114)의 SCR 트리거 스위치 S3의 동작을 제어할 수 있다.

그 후, LC공진 승압부(115)가 작동되어 도 4에 도시된 봐와 같이 LC공진에 의한 1MHz 이상 내지 2MHz 이하 범위의 고전압(410) 진동에 의한 제 일차 방전이 일어날 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 이단 점화부 동작시 플라즈마 채널 형성 후 전류 흐름을 도시하는 예시도이며, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 이단 점화부 C1에 의한 방전 전류 변화를 도시하는 예시도이다. 도 5 및 도 6을 참조하면, LC 공진 승압부(115)가 실제 플라즈마 발생용 챔버 내 방전 전극에 연결되었을 경우, 상기 도 3에 도시된 T3 시각에서 제1 차 공진형 고전압 방전에 따른 LC 공진 전류의 흐름을 도시화 한 것이다. 여기서 유지 펄스 발생부(130)의 접지 측 스위치인 S2는 닫힌 상태이어야 한다.

이때 실제 플라즈마 발생용 챔버 내 방전 전극 사이의 기체방전이 기존 점화기에서처럼 한 방향이 아닌 1MHz 이상 내지 2MHz 이하 사이의 고주파 공진 형태로 발생될 수 있다.

방전에 의해 발생된 전자들이 기체 분자들과 기존 단방향 점화기를 사용했을 때 보다 많은 유효한 충돌을 일으켜 대량의 이온을 발생시킬 수 있다.

대량의 이온이 발생하게 되면, 방전 전극 사이에 플라즈마 전도성 채널이 형성되면, 도 6에 도시된 바와 같이 정류부(113)에 구비된 축전기 C1의 에너지가 트리거 스위치부(14)에 구비된 S3 및 방전 전극 내 전도성 플라즈마 채널을 따라 방출되는 제2 기체방전이 발생할 수 있다.

그 후, 도 3에 도시된 T4 시각에서 단극성 유지펄스 신호(340)가 중앙처리부(160)로부터 유지펄스발생부(130)로 인가되면 상기 이단점화과정에서 생성된 전도성 플라즈마채널을 따라 플라즈마 전류가 흐르며 안정된 플라즈마 상태를 유지할 수 있다.

따라서 본 발명의 실시예에 따른 이단 점화부를 결합한 플라즈마 전원 장치(100)는 종래의 플라즈마 전원 장치보다 밀도 있고 부피가 큰 초기 플라즈마를 형성할 수 있으며 0.1Torr∼100Torr의 높은 압력에서도 안정적인 플라즈마 발생과 유지를 할 수 있다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시 예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

따라서 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

100: 플라즈마 전원장치
110: 이단 점화부
111: 전원 공급 및 제어부
112: 전압 승압부
113: 정류부
114: 트리거 스위치부
115: LC 공진 승압부
120: 제1 전류 측정부
130: 단극성 유지 펄스
140: 제2 전류 측정부
150: 주전원부
160: 중앙처리부
170: 보조 전원부
310: 트리거 신호
320: 이네이블 신호
330: C1의 충전 전압 신호
340 : 단극성 유지 펄스 신호
410 : LC공진에 의한 고전압 출력 파형

Claims

플라즈마 전원장치에 있어서,
LC 공진 현상을 이용하여 고주파의 고전압을 발생시켜 진공챔버 내에 1차 기체방전을 발생시킨 후 발생된 기체방전을 전기적으로 2차 증폭하여 초기플라즈마를 생성하되, 전압 승압부에 구비된 플라이백(flyback) 변압기에서 출력되는 전압을 정류부에 구비된 축전기(capacitor bank)에 저장하였다가 트리거 스위치부를 통해 LC공진 승압부로 순간적으로 인가하여 큰 에너지의 고전압 방전을 생성하는 LC 공진 이단점화부;
상기 초기플라즈마 발생 직후에 단극성 구형파를 생성, 상기 초기플라즈마에 인가하여 안정된 플라즈마 상태로 유도하되, 상기 구형파 펄스를 20kHz 이상 200kHz 이하의 주파수 범위에서 생성하는 유지 펄스 발생부;
상기 이단 점화부와 접속되며, 순간 최대전류를 측정하여 전류 측정값을 생성하는 제1 전류 측정부;
상기 유지 펄스 발생부로 인가되는 실효전류를 측정하여 실효전류 측정값을 생성하는 제2 전류 측정부;
정전압 및 정전류 제어 기능을 수행하는 주전원부;
상기 제1 전류 측정부의 전류 측정값 및 상기 제2 전류 측정부의 실효전류 측정값이 각각 미리 설정된 설정 값과 동일해지도록, 상기 이단 점화부 및 유지 펄스 발생부의 동작을 제어하되, 상기 유지 펄스 발생부의 출력 전류 값이 미리 설정된 설정 값과 동일해지도록 PWM 방식으로 제어하는 중앙처리부; 및
상기 이단 점화부와 상기 중앙처리부에 전원을 공급하는 보조 전원부를 포함하며,
상기 이단 점화부는,
상기 보조 전원부로부터 전원을 공급받고, 상기 중앙처리부에서 생성된 제어 신호를 공급받아 스위칭 신호를 생성하는 전원 공급 및 제어부;
상기 전원 공급 및 제어부로부터 상기 스위칭 신호를 입력받아 플라이백(flyback) 방식으로 전압을 승압하는 전압 승압부;
상기 전압 승압부에서 승압된 전압을 DC(Direct Current)로 정류하는 정류부;
트리거 스위치부로부터 공급받은 전원을 대상으로 LC 공진을 이용하여 전압을 승압하는 LC 공진 승압부; 및
상기 전원 공급 및 제어부의 제어에 따라 상기 정류부와 LC 공진 승압부 사이에 전원을 순간적으로 연결하는 상기 트리거 스위치부를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 전원장치.
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제 1 항에 있어서,
상기 LC 공진 승압부는 1MHz 이상 2MHz 이하의 주파수 범위로 상기 LC 공진을 하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 전원장치.
제 7 항에 있어서,
상기 LC 공진 승압부는 1차 및 2차 권선으로 이루어진 코일을 구비하며, 상기 코일의 권선비는 1대 10 내지 1대 50의 범위에서 정해지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 전원장치.
제 7 항에 있어서,
상기 LC 공진 승압부는 토로이달(toroidal) 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 전원장치.
플라즈마 전원장치에 있어서,
보조 전원부로부터 전원을 공급받고, 중앙처리부에서 생성된 제어 신호를 공급받아 스위칭 신호를 생성하는 전원 공급 및 제어부;
상기 전원 공급 및 제어부로부터 상기 스위칭 신호를 입력받아 플라이백(flyback) 방식으로 전압을 승압하는 전압 승압부;
상기 전압 승압부에서 승압된 전압을 DC(Direct Current)로 정류하는 정류부;
트리거 스위치부로부터 공급받은 전원을 대상으로 LC 공진을 이용하여 전압을 승압하는 LC 공진 승압부; 및
상기 전원 공급 및 제어부의 제어에 따라 상기 정류부와 LC 공진 승압부 사이에 전원을 순간적으로 연결하는 상기 트리거 스위치부로 구성된 이단 점화부를 포함하는 플라즈마 전원장치.
제 10 항에 있어서,
상기 LC 공진 승압부는 1MHz 이상 2MHz 이하의 주파수의 범위로 상기 LC 공진을 하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 전원장치.
제 11 항에 있어서,
상기 LC 공진 승압부는 1차 및 2차 권선으로 이루어진 코일을 구비하며, 상기 코일의 권선비는 1대 10 내지 1대 50의 범위에서 정해지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 전원장치.