KR101689508B1 - 고주파 전원장치 및 플라즈마 착화방법 - Google Patents

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Abstract

고주파 전원장치는 플라즈마 착화하는 펄스 전력을 공급하는 플라즈마 착화 공정과, 발생된 플라즈마를 유지하는 구동 전력을 공급하는 구동 전력 공급공정을 구비한다. 플라즈마 착화 공정에 있어서, 착화펄스 출력 동작에서 인가하는 착화펄스를, 착화를 촉진하는 메인 펄스와, 메인 펄스의 앞 단계에서 인가되어, 메인 펄스보다 저전력의 프리 펄스에 의하여 구성된다. 착화펄스를 메인 펄스와 프리 펄스로 구성함으로써, 반사파 전력으로부터 고주파 전원을 보호함과 함께 플라즈마의 확실한 착화를 행한다.

Description

고주파 전원장치 및 플라즈마 착화방법{HIGH-FREQUENCY POWER SUPPLY DEVICE, AND PLASMA IGNITION METHOD}
본원발명은, 플라즈마 등의 부하에 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원장치, 및 고주파 전력공급에 의해 플라즈마를 착화하는 플라즈마 착화방법에 관한 것이다.
반도체 제조장치나 전자 디바이스 제조장치 등의 플라즈마 처리장치, CO2 레이저 가공기 등의 플라즈마 발생장치에서는 고주파(RF)에 의해 생성한 플라즈마를 이용하는 것이 알려져 있다. 플라즈마 생성은 고주파 전원(RF전원)을 CW 구동(Continuous wave: 무변조 연속파) 혹은 펄스 구동에 의하여 행하는 것이 알려져 있다.
도 24는 고주파 전원(RF전원)에 의한 플라즈마 부하의 구동을 설명하기 위한 개략도이다. 도 24에 있어서, 고주파 전원(RF전원)(100)으로부터 출력된 펄스 출력은, 정합기(101)를 사이에 두고 플라즈마 처리장치나 CO2 레이저 가공기 등의 부하(102)로 공급되어 플라즈마를 생성한다.
고주파 전원(RF전원)의 펄스 구동에 의한 플라즈마 생성에서는, 플라즈마 부하에 대하여 펄스 출력의 진행파 전압을 단속적으로 공급하기 때문에, 플라즈마 부하에 있어서 플라즈마는 점등과 소등을 반복하게 된다.
고주파 전원의 펄스 구동에 의한 펄스 출력은, 오프 상태와 온 상태를 수 Hz∼수 백 kHz로 반복하는 고주파(RF) 출력이다. 고주파(RF) 출력이 온 상태에서 오프 상태, 또는 오프 상태에서 온 상태로 전환될 때는, 플라즈마의 펄스 구동 상태가 정상이더라도 과도적으로 반사파가 발생한다. 반사파의 발생 요인으로서 예컨대, 정합기의 고유 진동이나 플라즈마의 착화 동작 등이 있고, 고주파(RF) 출력이 오프 상태에서 온 상태로 전환되는 시점으로부터 플라즈마가 착화할 때까지의 동안에 반사계수(Γ)가 거의 1이 되어(Γ≒1) 부정합 상태가 발생하여, 일시적으로 전반사 상태가 된다. 이때, 플라즈마 부하로부터 고주파 전원을 향하여 반사파가 발생한다. 플라즈마 부하측의 프로세스의 상승시에 있어서, 플라즈마가 착화하고 있지 않은 상태에서는 반사파 전력이 일반적으로 커지는 경향이 있다. 또, 온 상태에서 오프 상태로 전환되는 시점은, 온 상태 시점에서 공급된 RF의 에너지가 소멸할 때까지, 잔류 반사가 잔존한다.
반사파가 플라즈마 부하로부터 고주파 전원으로 되돌아오면, 출력 케이블 길이에 의하여 정해지는 정재파의 발생에 의하여 반사파의 고전압이나 반사파의 대전류에 의하여 고주파 전원이 구비하는 RF 전력 증폭소자가 소자 파손하는 경우가 있다.
이러한 반사파 전력에 의한 소자 파손을 막기 위해서, 반사파의 검출에 기초하여 고주파 전원의 출력(진행파 전력)을 수하(垂下), 혹은 저하시키는 것이 알려져 있다. 반사파 전력으로부터 고주파 전원을 보호하기 위해서 진행파 전력을 저하시키면, 부하에의 인가 전압이 낮아지기 때문에, 기압이나 가스 종류를 한정하는 레시피 조건에 따라서는, 플라즈마의 착화 실패에 의하여 펄스 구동할 수 없게 된다고 하는 문제가 있다.
플라즈마를 착화시키는 구성으로서, 예컨대, 이하의 선행기술이 알려져 있다.
(a) 정상 상태에 있어서 플라즈마에 구동 전력을 공급하는 전원에 더하여, 방전 전압을 발생시키는 이그나이터(Igniter) 장치를 플라즈마 착화용 전원으로서 마련하는 구성이 알려져 있다. 이그나이터 장치를 구비하는 고주파 전원은, 소프트 스타트 기능에 의하여, 전반사 전력으로부터 전력소자를 보호하기 위한 보호 기능을 필요로 하지 않을 수 있다.(특허문헌 1)
또, 플라즈마의 착화에 관한 선행기술로서 이하의 기술이 알려져 있다.
(b) 저파워에서도 착화하기 쉽게, 부분적으로 전극 간의 거리를 좁히는 기술.(특허문헌 2)
(c) 고주파 전원과 부하와의 사이에 정합기(매칭 박스)를 접속하고, 정합기의 프리셋 기능에 의하여, 오프 상태에서 온 상태로 전이하는 플라즈마 착화시에 있어서 정합기의 매칭 포인트를 온 상태에 있어서의 전력 안정공급시의 매칭 포인트로부터 옮겨, 착화 전압(이그니션 전압)의 발생을 촉진하는 기술.(특허문헌 3)
(d) 플라즈마 발생장치 내의 압력을 착화하기 쉬운 압력으로 조정하는 기술.(특허문헌 4)
(e) 진행파 전력의 듀티비를 영에서 100%까지 차례로 증가시킴으로써 평균 진행파 전력을 증가시키는 동안에 플라즈마를 착화시키는 기술.(특허문헌 5)
일본 공개특허공보 2006-185876호(단락 [0004], 단락 [0037], 단락 [0046]) 일본 공개특허공보 2011-134636호(단락 [0008], 단락 [0009]) 일본 공개특허공보 2011-119268호(단락 [0034], 단락 [0049], 단락 [0050]) 일본 공개특허공보 2005-129666호(단락 [0029]) 국제 공개공보 2011/016266호(단락 [0247])
상기한 플라즈마 착화에 관한 선행기술에는 이하의 문제가 있다.
(a) 이그나이터 전원을 이용하는 경우에는, 정상 상태에서 전력공급을 행하는 전원에 더하여 이그나이터 전원을 별도 준비할 필요가 있기 때문에 비용이 증가한다고 하는 문제가 있는 것 외에, 펄스 구동을 행할 때의 펄스 신호의 주파수가 높아지면, 이그나이터 전원은 고주파에 대응할 수 없게 되기 때문에 다른 착화 기능이 필요하다고 하는 문제가 있다.
(b) 전극 간의 거리를 부분적으로 좁히는 기술에서는, 전극의 전계 강도를 부분적으로 높게 하여 방전되기 쉬운 전극 형상이 필요하고, 전극 형상의 개발에 비용이 든다고 하는 문제 외에, 부분적으로 좁힌 전극 간에 전계가 집중되기 때문에 파괴 전계를 고려해야 한다고 하는 문제가 있다.
(c) 정합기에 있어서, 매칭 포인트로부터 벗어난 임피던스 조건으로 정합처리를 행하는 경우에는, 임피던스 정합에 필요로 하는 시간이 길어지기 때문에, 프로세스가 짧은 플라즈마 처리나 펄스 구동에는 적합하지 않다고 하는 문제 외에, 착화 전의 플라즈마 임피던스가 착화시의 값과 큰 폭으로 다른 경우는 착화할 수 없다고 하는 문제가 있다.
(d) 플라즈마 발생장치 내의 압력 조정에는 시간이 걸리는 것 외에, 플라즈마 처리에 지장이 생길 우려가 있다고 하는 문제가 있다.
한편, (e)의 평균 진행파 전력의 억제는, 정합 회로의 불필요한 정합 동작을 필요로 하지 않고, 플라즈마 부하를 안정화 시키는 것을 목적으로 하는 것으로서(특허문헌 5, 단락 [0015]), 듀티비의 증가에 의하여 반사파도 증가하는 플라즈마 부하를 대상으로 하는 것은 아니기 때문에, 플라즈마 착화에 있어서의 고주파 전원의 보호를 목적으로 하는 것은 아니다.
상기한 바와 같이, 플라즈마 착화에서는, 반사파 전력으로부터 고주파 전원을 보호하기 위해서 진행파 전력을 저하시키면 플라즈마의 착화가 어려워진다고 하는 문제가 있고, 이 플라즈마 착화의 곤란성에 대하여 종래 제안되고 있는 기술은, 펄스 구동에 의한 플라즈마 착화에 적절하지 않다고 하는 문제가 있다.
그래서, 본원발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하여, 펄스 구동에 의한 플라즈마 착화에 있어서, 반사파 전력으로부터 고주파 전원을 보호하기 위해서 진행파 전력을 저하시키면 플라즈마의 착화가 어려워진다고 하는 문제점을 해결하고, 반사파 전력으로부터 고주파 전원을 보호함과 함께 플라즈마의 확실한 착화를 도모하는 것을 목적으로 한다.
본원발명은, 상기 과제를 감안하여, 고주파 전원장치로부터 고주파 전력을 인가하여 플라즈마를 착화시키는 플라즈마 착화에 있어서, 고주파 전원장치는 플라즈마 착화하는 펄스 전력을 공급하는 플라즈마 착화 공정과, 발생된 플라즈마를 유지하는 구동 전력을 공급하는 구동 전력 공급공정을 구비하고, 플라즈마 착화의 동작에 있어서 본원발명이 특징적으로 구비하는 착화펄스 출력 동작에 의하여 과제를 해결하여, 반사파 전력으로부터 고주파 전원을 보호함과 함께 플라즈마의 확실한 착화를 행한다.
본원발명의 플라즈마 착화 공정은, 착화펄스 출력 동작에 있어서, 미착화시에 발생하는 평균 반사파 전력이, 반사파 전력에 대한 고주파 전원장치의 허용손실을 초과하지 않게 억제한다. 이 평균 반사파 전력의 허용손실 내의 억제는, 착화펄스 출력 동작으로 인가하는 착화펄스를, 착화를 촉진하는 메인 펄스(Main pulse)와, 메인 펄스의 앞 단계에서 인가되어, 메인 펄스보다 저전력의 프리 펄스(Pre-pulse)에 의하여 구성함으로써 행한다.
프리 펄스의 평균 전력은, 프리 펄스를 구성하는 펄스 출력의 듀티비에 의하여 조정할 수 있다. 듀티비에 의한 평균 전력의 조정은, 프리 펄스에 의하여 생성되는 반사파 전력이, 착화펄스 출력 동작 중에 허용되는 전력소자의 평균 허용손실을 초과하지 않는 정도가 되도록 행한다. 착화 동작시의 부정합 상태에 있어서의 평균 반사파 전력을 억제함으로써, 반사파 전력으로부터 고주파 전원을 보호한다.
또, 본원발명은, 착화펄스 출력 동작에 있어서, 메인 펄스에 의한 착화 동작의 앞 단계에서 메인 펄스보다 저전력의 프리 펄스를 인가함으로써, 부하에 공급하는 전력을 저감시켜 평균 반사파 전력을 억제함과 함께, 플라즈마가 착화하기 쉬운 분위기를 형성하여, 플라즈마 착화의 확실성을 향상시킨다.
[고주파 전원장치의 플라즈마 착화방법]
본원발명의 고주파 전원장치의 플라즈마 착화방법은, 고주파 전원장치로부터 고주파 전력의 펄스 출력을 인가하여 플라즈마를 착화시키는 플라즈마 착화방법이며, 플라즈마 착화 공정에 있어서, 시간적으로 단속 출력하는 펄스 출력에 의하여 플라즈마를 착화하고, 이 플라즈마 착화 공정에 의해 플라즈마 착화한 후, 플라즈마 구동 전력 공급공정에 있어서, 착화한 플라즈마를 유지하는 구동 전력을 공급하여, 플라즈마 유지를 행한다.
플라즈마 착화 공정은, 플라즈마를 착화시키기 위한 착화펄스를 출력하는 착화펄스 출력 동작을 가진다. 착화펄스 출력 동작으로 출력하는 각 착화펄스는, 메인 펄스보다 작은 전력으로서 메인 펄스의 앞 단계에서 출력하는 임의의 개수의 프리 펄스와, 프리 펄스 후에 출력하는 최초의 메인 펄스를 가진다. 착화펄스 동작에 부가하여, 착화펄스 및 구동펄스를 소정시간 동안만 출력하지 않는 출력 정지 동작을 가지는 구성으로 해도 좋다. 착화펄스 출력 동작과 출력 정지 동작을 가지는 경우에는, 1회째의 착화펄스 출력 동작 후, 플라즈마 미착화시에 출력 정지 동작과 착화펄스 출력 동작을 반복한다.
프리 펄스는, 착화펄스 출력 동작에 있어서, 메인 펄스의 앞 단계에서 프리 펄스를 인가함으로써, 플라즈마가 착화하기 쉬운 분위기를 형성하여 플라즈마 착화의 확실성을 향상시킨다. 또, 프리 펄스의 전력은 메인 펄스보다 저전력이며, 부하에 공급하는 전력을 저감시켜 평균 반사파 전력을 억제한다.
프리 펄스의 전력은 듀티비에 의하여 조정할 수 있다. 프리 펄스의 듀티비는, 프리 펄스의 펄스 출력에 의하여 발생하는 전반사파 전력의 착화펄스 출력 동작당 평균 반사파 전력을, 고주파 전원장치를 구성하는 전력소자의 착화펄스 출력 동작당 평균 허용손실 이내 또는 평균 허용손실 미만으로 하는 범위에 들어가도록 설정한다.
착화펄스 출력 동작을 행하는 기간 내에 있어서, 프리 펄스의 출력 간격은 임의로 설정할 수 있다. 착화펄스 출력 동작 내에 있어서, 프리 펄스에 이어 1회의 메인 펄스의 펄스 출력을 출력한다. 메인 펄스의 펄스 출력은, 이 메인 펄스에 의하여 발생하는 전반사파 전력의 1착화펄스 출력 동작당 평균 반사파 전력이, 고주파 전원장치를 구성하는 전력소자의 착화펄스 출력 동작당 평균 허용손실 이내 또는 평균 허용손실 미만으로 설정함으로써, 전력소자를 반사파 전력으로부터 보호할 수 있다.
플라즈마 착화 공정에 의해 플라즈마가 착화한 후, 착화한 플라즈마를 유지하는 구동 전력을 공급하는 플라즈마 구동 전력 공급공정으로 이행한다.
플라즈마 구동 전력 공급공정에 있어서, 플라즈마가 착화된 상태에 있어서 플라즈마 부하에 대하여, 구동펄스 또는 연속출력에 의하여 플라즈마를 유지하는 구동 전력을 공급한다. 구동펄스의 펄스 출력의 듀티비는 임의로 선정할 수 있지만, 일반적으로는, 착화펄스 출력 동작 중에 출력하는 착화펄스의 듀티비의 평균보다 큰 듀티비를 선정한다. 또, 연속출력은, 듀티비를 100%로 하여 연속 구동함으로써 행한다.
고주파 전원장치는, 착화펄스 출력 동작을 포함하는 펄스착화 공정, 및 플라즈마 구동 전력 공급공정의 각 공정을 실행하여 플라즈마의 착화 및 유지를 행한다.
펄스착화 공정은, 착화펄스를 출력하는 착화펄스 동작에 부가하여, 착화펄스 및 구동펄스를 출력하지 않는 출력 정지 동작(차단 동작)을 구비할 수 있다. 착화 판정시에 있어서, 착화펄스 출력 동작에 의한 착화 상태에 있어서 플라즈마가 미착화 상태라고 판정했을 때에는, 출력 정지 동작과 착화펄스 출력 동작을 반복한다. 반복 처리의 회수는, 설정동작회수(N)에 의하여 설정된다.
착화펄스 출력 동작과 출력 정지 동작과의 반복에 있어서, 착화펄스 출력 동작을 실행하는 회수를 설정동작회수(N)로 제한하고, 착화펄스 출력 동작을 설정동작회수 N회분 만큼 실행한 후, 플라즈마가 미착화일 때에는 착화 이상이라고 한다. 착화펄스 출력 동작을 설정동작회수 N회 반복하기 전에, 플라즈마가 착화 상태가 된 경우에는, 착화 이상을 판정하지 않고 구동 전력을 공급하여, 플라즈마를 유지한다.
출력 정지 동작의 시간 폭은 착화펄스 출력 동작의 시간 폭과 같은 폭으로 한정하지 않고, 임의로 설정할 수 있다. 플라즈마 착화 공정에 있어서, 착화펄스 출력 동작 동안에만 착화펄스를 형성하고, 출력 정지 동작 동안은 펄스 출력을 정지한다.
출력 정지 동작 동안에서의 펄스 출력의 정지는, 착화펄스 및 구동펄스의 형성을 정지함으로써 행하는 것 외에, 착화펄스 출력 동작 및 출력 정지 동작 동안, 착화펄스 및 구동펄스의 형성을 계속하여 행하고, 출력 정지 동작 동안은, 이전에 형성한 착화펄스 및 구동펄스의 출력을 차단함으로써 행할 수 있다.
[고주파 전원장치]
본원발명의 고주파 전원장치는, 고주파 전력을 인가하여 플라즈마를 착화시키는 고주파 전원장치이며, 고주파 출력의 펄스 출력을 출력하는 펄스 출력부를 구비한다.
펄스 출력부는, 시간적으로 단속 출력하는 펄스 출력에 의하여 플라즈마를 착화하는 착화펄스를 형성하는 착화펄스 형성부와, 착화펄스에 의해 플라즈마 착화한 후, 착화된 플라즈마를 유지하는 구동 전력을 공급하는 구동펄스를 형성하는 구동펄스 형성부를 구비한다.
착화펄스 형성부가 형성하는 각 착화펄스는, 메인 펄스보다 작은 전력으로서 메인 펄스의 앞 단계에서 출력하는 임의의 개수의 프리 펄스와, 프리 펄스 후에 출력되는 최초의 메인 펄스를 가지고, 프리 펄스를 인가함으로써 플라즈마가 형성되기 쉬운 분위기로 한 후, 메인 펄스를 인가함으로써 플라즈마 착화를 행한다.
또, 프리 펄스의 전력은 메인 펄스보다 저전력으로 하고, 부하에 공급하는 전력을 저감시켜 평균 반사파 전력을 억제한다. 착화펄스 형성부는, 프리 펄스의 펄스 출력의 전력에 있어서, 이 펄스 출력에 의해 발생하는 반사전력의 평균 반사전력을, 고주파 전원을 구성하는 전력소자의 허용손실 이하 또는 미만으로 한다.
또, 메인 펄스는, 착화펄스 출력 동작 내에 있어서 프리 펄스에 이어 1회의 펄스 출력을 출력한다. 메인 펄스의 펄스 출력은, 이 메인 펄스에 의하여 발생하는 전반사파 전력의 1착화펄스 출력 동작당 평균 반사파 전력이, 고주파 전원장치를 구성하는 전력소자의 착화펄스 출력 동작당 평균 허용손실 이내 또는 평균 허용손실 미만으로 한다.
프리 펄스 및 미착화 상태의 메인 펄스의 전력을 저전력화함으로써, 전력소자를 반사파 전력으로부터 보호할 수 있다.
펄스 출력부는, 착화펄스 및 구동펄스의 출력을 소정시간 동안만 정지하는 출력정지부를 구비하는 구성으로 해도 좋다. 출력정지부는, 착화펄스 형성부에서 형성된 착화펄스를 인가한 후, 플라즈마 착화에 실패한 경우에 소정의 시간만 착화펄스의 출력을 정지한다.
펄스 출력부가 출력정지부를 구비하는 구성에서는, 착화펄스 형성부와 출력정지부는, 착화펄스 형성부에서 형성된 1회째의 착화펄스의 출력 후, 플라즈마 미착화시에, 출력정지부에 의한 착화펄스 및 구동펄스의 출력정지와, 착화펄스 형성부에서 형성된 착화펄스의 출력을 반복하고, 펄스 착화 동작을 여러 차례 행하여 플라즈마를 착화시킨다.
구동펄스 형성부는, 착화펄스에 의해 플라즈마가 착화된 후, 착화된 플라즈마를 유지하는 구동 전력을 공급한다.
착화펄스 형성부와 출력정지부는, 착화펄스 출력과 출력정지의 동작의 반복에 있어서, 착화펄스 출력의 동작 회수를 설정동작회수로 제한하고, 설정동작회수 분의 착화펄스 출력 동작을 실행한 후, 플라즈마가 착화되지 않을 때에는 착화 동작을 정지한다.
착화펄스 형성부는, 착화펄스의 형성에 있어서, 프리 펄스의 출력 간격을 임의로 설정할 수 있다.
출력정지부는, 출력을 정지하는 시간 폭을 임의로 설정할 수 있다. 착화펄스 형성부는, 착화펄스 출력 동작 동안에만 착화펄스를 형성하고, 출력정지부의 지령에 의하여 출력정지의 시간 폭의 사이는 착화펄스 및 구동펄스의 형성을 정지함으로써 착화펄스 및 구동펄스의 출력을 정지한다.
출력정지부는 다른 형태에 의하여 착화펄스 및 구동펄스의 출력을 정지할 수 있다. 출력정지부는, 출력정지에 있어서, 출력을 정지하는 시간 폭을 착화펄스가 형성되는 시간 폭에 대하여 임의로 설정할 수 있고, 착화펄스 형성부는, 착화펄스 형성부가 착화펄스를 형성하는 동안, 및 출력정지부가 출력을 정지하는 동안 중 어느 한 동안에 있어서도 착화펄스 및 구동펄스의 형성을 계속하여 행하고, 출력을 정지하는 동안은 그 동안에 형성된 착화펄스 및 구동펄스의 출력을 차단함으로써 착화펄스 및 구동펄스의 출력을 정지한다.
본원발명에 의하면, 고주파 전원장치는, 착화펄스 출력 동작에 있어서, 메인 펄스에 의한 착화 동작의 앞 단계에서 메인 펄스보다 저전력의 프리 펄스를 인가함으로써, 부하에 공급하는 전력을 저감시켜 평균 반사파 전력을 억제하고, 반사파 전력으로부터 고주파 전원을 보호하는 기능을 구비함과 함께, 플라즈마가 착화하기 쉬운 분위기를 형성하여 플라즈마 착화의 확실성을 향상시켜, 이그나이터 전원장치를 필요로 하지 않고 착화를 행할 수 있다.
플라즈마 착화 동작에서 공급하는 펄스 전력의 듀티비를 조정하여, 착화펄스기간 내에 출력되는 펄스 출력의 펄스수를 설정 펄스수로 규정함으로써, 착화펄스기간에서 발생하는 반사파 전력의 착화 동작 기간당 평균 반사파 전력을 허용손실 내로 억제하고, 반사파 전력으로부터 고주파 전원을 보호하는 기능을 구비하여, 이그나이터 전원장치를 필요로 하지 않고 착화를 행할 수 있다.
착화 전의 플라즈마 부하에 저전력의 착화펄스를 공급함으로써, 착화펄스기간에 있어서, 플라즈마 미착화에 의하여 발생하는 반사전력을 플라즈마 전원장치의 반사파 전력에 대한 허용손실을 초과하지 않는 상태로 인가함으로써 플라즈마 착화의 분위기를 형성하고, 그 후에 메인 펄스에 의하여 플라즈마를 착화시켜, 플라즈마가 착화된 후, 구동 전력공급동작으로 이행한다.
플라즈마 착화 동작에 있어서, 착화를 행하지 않는 경우는, 착화 동작의 공정을 반복함으로써 착화를 촉진한다.
본원발명에 의한 고주파 전원장치의 동작은, 운전개시시뿐만 아니라, 운전중에 플라즈마 부하의 이상 등으로 전원차단이 발생된 후의 재기동에 있어서도 적용할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본원발명의 고주파 전원장치의 플라즈마 착화방법, 및 고주파 전원장치에 의하면, 반사파 전력으로부터 고주파 전원을 보호함과 함께 플라즈마의 확실한 착화를 도모할 수 있다.
도 1은, 본원발명의 고주파 전원장치에 의한 플라즈마 착화의 개략을 설명하기 위한 구성도이다.
도 2는, 본원발명의 고주파 전원장치에 의한 플라즈마 착화의 개략을 설명하기 위한 신호도이다.
도 3은, 본원발명의 고주파 전원장치의 개략 구성을 설명하기 위한 신호도이다.
도 4는, 본원발명의 고주파 전원장치의 개략 구성을 설명하기 위한 구성도이다.
도 5는, 본원발명의 고주파 전원장치가 구비하는 전력 제어부의 개략 구성을 설명하기 위한 구성도이다.
도 6은, 본원발명의 고주파 전원장치에 의한 플라즈마 착화의 제1의 동작예를 설명하기 위한 플로 차트이다.
도 7은, 본원발명의 고주파 전원장치에 의한 플라즈마 착화의 제1의 동작예를 설명하기 위한 구성도이다.
도 8은, 본원발명의 고주파 전원장치에 의한 플라즈마 착화의 제1의 동작예를 설명하기 위한 신호도이다.
도 9는, 본원발명의 고주파 전원장치에 의한 플라즈마 착화의 제1의 동작예를 설명하기 위한 신호도이다.
도 10은, 본원발명의 고주파 전원장치에 의한 플라즈마 착화의 제1의 동작예를 설명하기 위한 신호도이다.
도 11은, 본원발명의 고주파 전원장치에 의한 플라즈마 착화의 제1의 동작예를 설명하기 위한 신호도이다.
도 12는, 본원발명의 고주파 전원장치에 의한 플라즈마 착화의 제1의 동작예를 설명하기 위한 신호도이다.
도 13은, 본원발명의 고주파 전원장치에 의한 플라즈마 착화의 제1의 동작예를 설명하기 위한 신호도이다.
도 14는, 본원발명의 고주파 전원장치에 의한 플라즈마 착화의 제1의 동작예를 설명하기 위한 신호도이다.
도 15는, 본원발명의 고주파 전원장치에 의한 플라즈마 착화의 제2의 동작예를 설명하기 위한 플로 차트이다.
도 16은, 본원발명의 고주파 전원장치에 의한 플라즈마 착화의 제2의 동작예를 설명하기 위한 신호도이다.
도 17은, 본원발명의 고주파 전원장치에 의한 플라즈마 착화의 제2의 동작예를 설명하기 위한 신호도이다.
도 18은, 본원발명의 고주파 전원장치에 의한 플라즈마 착화의 제2의 동작예를 설명하기 위한 신호도이다.
도 19는, 착화 동작기간에 있어서 소프트 스타트를 적응한 경우를 설명하기 위한 신호도이다.
도 20은, 본원발명의 착화 상태 판정의 개략 구성을 나타내는 도면이다.
도 21은, 착화 상태에 있어서의 저주파 모드와 고주파 모드를 설명하기 위한 신호도이다.
도 22는, 미착화 상태에 있어서의 저주파 모드와 고주파 모드를 설명하기 위한 신호도이다.
도 23은, 본원발명의 착화 상태 판정의 개략 공정을 설명하기 위한 플로 차트이다.
도 24는, 고주파 전원(RF전원)에 의한 플라즈마 부하의 구동을 설명하기 위한 개략도이다.
이하, 본원발명의 실시형태에 대하여, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다.
이하에서는, 본원발명의 고주파 전원장치에 의한 플라즈마 착화에 대하여, 도 1∼도 3을 이용하여 개략 동작을 설명하고, 도 4를 이용하여 고주파 전원장치의 개략 구성을 설명하며, 도 5를 이용하여 고주파 전원장치가 구비하는 전력 제어부의 개략 구성을 설명한다. 도 6∼도 18은 본원발명의 고주파 전원장치에 의한 플라즈마 착화의 2개의 동작예를 설명하기 위한 플로 차트 및 신호도이다. 도 6∼도 14는 착화 동작기간의 종료시에 착화 상태를 판정하고, 설정착화 동작회수의 착화 동작기간의 동작을 반복하는 예를 나타내며, 도 15∼도 18은 착화 동작기간 내에 있어서 착화 상태를 판정하고, 설정착화 동작회수의 착화 동작기간의 동작을 반복하는 예를 나타내고 있다. 도 19는 착화 동작기간에 있어서 소프트 스타트를 적응한 경우를 설명하기 위한 도면이고, 도 20∼23은 착화 상태를 판정하는 하나의 구성예를 설명하기 위한 도면이다.
본원발명의 고주파 전원장치에 의한 플라즈마 생성의 동작에 있어서, 고주파 전원장치가 출력하는 펄스 출력으로서, 착화펄스 출력 공정에 있어서 플라즈마를 착화시키는 펄스 출력의 착화펄스, 및 플라즈마 구동 전력 공급공정에 있어서 플라즈마 착화 후의 정상적인 플라즈마 생성을 행하는 구동펄스를 구비한다. 착화펄스의 펄스 출력은, 메인 펄스와 메인 펄스의 앞 단계에서 출력되는 프리 펄스를 포함한다.
[고주파 전원장치의 플라즈마 착화의 개략 동작]
반도체 제조장치나 전자 디바이스 제조장치 등의 플라즈마 처리장치, 혹은 CO2 레이저 가공기 등의 플라즈마 발생장치의 플라즈마 부하에 대하여, 고주파 전원(RF전원)장치로부터 고주파 출력(RF출력)을 펄스 구동에 의해 공급한다. 펄스 구동은 소정 주기의 펄스 신호에 의하여 온/오프하는 제어신호에 의하여 제어하고, 온 시간 내에 고주파 전력을 부하에 공급하며, 오프 시간 내에 고주파 전력의 공급을 정지하고, 온/오프의 듀티비(시간비율)에 의하여 부하에 공급하는 전력을 제어한다. 펄스 구동의 제어는, 전력 제어부에 의하여 행해진다. 펄스 구동의 펄스 신호의 주기는, 플라즈마 부하에 공급하는 고주파 출력(RF출력)의 주파수에 따라 설정할 수 있다.
고주파 전원(RF전원)장치에 의한 플라즈마 부하의 펄스 구동에 있어서, 플라즈마 부하의 플라즈마의 착화 상태의 판정은, 고주파 전원(RF전원)과 플라즈마 부하의 사이에 파워 센서를 접속하고, 이 파워 센서에 의하여, 고주파 전원(RF전원)장치로부터 플라즈마 부하를 향하는 진행파 전력의 전압(진행파 전압(Vf))과 플라즈마 부하로부터 고주파 전원(RF전원)장치로 되돌아오는 반사파 전력의 전압(반사파 전압(Vr))을 검출함으로써 행할 수 있다.
고주파 전원장치의 전력 제어부는, 파워 센서로 검출한 진행파 전압(Vf)과 반사파 전압(Vr)에 기초하여 펄스 구동을 제어한다. 예컨대, 플라즈마가 정상적인 착화 상태인 경우에는, 파워 센서로 검출한 진행파 전압(Vf)에 기초하여 진행파 전압(Vf)이 소정 전압이 되도록 듀티비를 제어한다. 한편, 플라즈마가 이상 상태인 경우에는, 전력 제어부는 고주파 출력을 수하시키는 제어를 행하는 것 외에, 출력을 일시 정지시키는 제어를 행함으로써, 고주파 전원장치를 반사파 전력에 의한 손상으로부터 방지할 수 있다.
도 1∼도 3은, 고주파 전원장치로부터 고주파 전력을 인가하여 플라즈마를 착화시킬 때의 동작을 나타내는 도면이다. 또한, (SA)∼(SC), (SA1a), (SA1b), (SA2), (SA3) 등의 부호는 도 1∼도 3에 나타내는 각 동작을 나타내고 있다. 도 2(a)는 착화펄스기간 및 출력정지기간의 동작 상태에 있어서의 펄스 출력의 듀티비를 나타내고, 도 2(b)는 펄스 출력을 나타내며, 도 2(c)는 반사파를 나타내고, 도 2(d)는 착화판정을 나타내고 있다.
또한, 도 2는 미착화 상태 후에 착화 상태가 된 경우를 나타내고, 도 3은 착화펄스 출력 동작공정을 N회 반복한 후에 플라즈마 착화하지 않고 미착화 상태가 되어, 미착화 상태의 판정에 기초하여 이상 상태로서 검출하는 경우를 나타내고 있다.
본원발명의 고주파 전원장치는, 플라즈마 부하에 대한 전력공급에 있어서, 플라즈마 착화 공정(SA)에 의하여 플라즈마의 착화를 행하고, 플라즈마 구동 전력 공급공정(SB)에 의하여 착화된 플라즈마에 구동 전력을 공급하여 플라즈마를 유지한다. 착화 이상시에는 착화이상 처리공정(SC)에 의하여 전력의 공급 정지나 이상 표시를 행한다. 플라즈마 착화이상 처리공정(SC)은, 플라즈마 착화 공정(SA)으로 한정하지 않고 플라즈마 구동 전력 공급공정(SB)의 공정에 있어서도 적용할 수 있다.
플라즈마 착화 공정(SA)은, 펄스착화 공정(SA1)과 착화판정공정(SA2)과 동작회수 판정공정(SA3)을 포함한다. 펄스착화 공정(SA1)은, 고주파 전력을 시간적으로 단속 출력시킨 펄스 출력을, 플라즈마를 착화하는 착화펄스로서 인가하는 펄스착화출력 동작(SA1a), 및 착화펄스의 출력을 정지하는 출력 정지 동작(SA1b)을 구비한다. 착화펄스 출력 동작(SA1a)은 착화펄스기간에 있어서 착화펄스를 출력하고, 출력정지공정(SA1b)은 출력정지기간에 있어서 착화펄스 및 구동펄스의 출력을 정지하며, 부하에 대하여 펄스 출력을 행하지 않는다(도 2(b)). 다만, 도 2(b)에 나타내는 펄스 출력에 있어서, 착화펄스 출력 동작(SA1a) 중의 메인 펄스의 펄스 폭은 구동펄스의 펄스 폭보다도 작다. 도면 중에서는, 메인 펄스를 실선으로 나타내고, 구동펄스에 상당하는 펄스를 파선으로 나타내고 있다. 또, 마찬가지로 도 2(b)에 있어서, 출력 정지 동작(차단 동작)(SA1b) 중 파선으로 나타내는 펄스는, 출력이 정지된 상태의 구동펄스를 나타내고 있다. 이하, 도 8∼14, 16, 18∼19에 있어서도, 착화펄스 출력 동작 및 출력 정지 동작(차단 동작) 중의 실선 및 파선은, 도 2(b)와 마찬가지로, 메인 펄스 및 구동펄스를 나타내고 있다.
플라즈마 착화 공정(SA)에 있어서, 착화펄스 출력 동작(SA1a)이 착화펄스기간 내에서 출력하는 착화펄스는, 소정의 듀티비로 단속 출력하는 고주파 전력을 1개의 펄스 출력으로 하고, 프리 펄스 및 메인 펄스를 구비한다. 프리 펄스는 메인 펄스보다 저전력이며, 메인 펄스 앞 단계에서 출력된다. 프리 펄스 및 메인 펄스의 전력은, 펄스 출력의 듀티비(도 2(a))에 의하여 조정할 수 있다.
프리 펄스는, 착화펄스기간 내에서 미리 정해진 설정 펄스수(n)의 펄스 출력으로 구성할 수 있다. 설정 펄스수(n)는 임의로 설정할 수 있고, 각 프리 펄스의 출력 주기도 임의로 설정할 수 있다.
프리 펄스의 설정 펄스수(n)는 0 이상으로 할 수 있다. 설정 펄스수(n)로서 "0"을 설정한 경우에는, 착화펄스기간 내에서 출력되는 착화펄스는 1개의 메인 펄스만으로 된다. 메인 펄스는, 플라즈마 구동 전력 공급공정(SB)에서 출력되는 구동펄스와 같은 전력으로 하는 것 외에, 반사파 전력이 전력소자를 손상하지 않는 범위 내이면, 구동펄스보다 큰 전력으로 할 수도 있다. 메인 펄스 및 구동펄스의 전력은, 프리 펄스와 마찬가지로, 펄스 출력의 듀티비에 의하여 조정할 수 있다.
설정 펄스수(n)로서 "1"을 설정한 경우에는, 착화펄스로서 1개의 프리 펄스와 1개의 메인 펄스가 출력된다. 설정 펄스수(n)로서 2 이상의 펄스수를 설정한 경우에는, 착화펄스로서 복수의 프리 펄스와 1개의 메인 펄스가 출력된다.
착화펄스를 구성하는 프리 펄스 및 메인 펄스의 듀티비는, 설정 펄스수(n)의 펄스 출력에 의하여 발생하는 전반사파 전력의 착화펄스기간당 평균 반사파 전력이, 고주파 전원장치를 구성하는 전력소자가 착화펄스기간당 평균 허용손실 이내 또는 평균 허용손실 미만이 되도록 설정하고, 이것에 의하여 반사파 전력에 의한 전력소자의 손상을 방지함과 함께, 플라즈마 착화를 용이하게 할 수 있다.
평균 반사파 전력은, 착화펄스기간 내에 출력되는 펄스 출력에 의하여 발생하는 반사파 전력의 착화펄스기간 내에서의 평균이다. 평균 반사파 전력과 듀티비의 증감은 정의 관계에 있으며, 듀티비가 커지면 평균 반사파 전력은 커지고, 듀티비가 작아지면 평균 반사파 전력은 작아진다.
평균손실은, 착화펄스기간 내에 출력되는 펄스 출력에 의하여 생기는 고주파 전원장치가 구비하는 고주파 전력소자의 손실분의 착화펄스기간 내에 있어서의 손실의 평균이며, 평균 허용손실은, 고주파 전력소자가 허용할 수 있는 평균손실이다.
평균 반사파 전력이 평균 허용손실을 초과하는 경우에는, 고주파 전원장치는 반사파 전력에 의하여 파손할 우려가 있다. 듀티비에 의하여 평균 반사파 전력이 평균 허용손실 이내 또는 평균 허용손실 미만이 되도록 설정함으로써, 착화펄스기간의 착화펄스 출력 동작에 있어서, 미착화 상태에서 생기는 반사파 전력에 의하여 고주파 전원장치의 전력소자가 손상하는 것을 방지할 수 있다.
본원발명은, 착화펄스기간의 착화펄스 출력 동작의 결과, 플라즈마가 미착화 상태인 것을 판정한 경우에는, 착화펄스기간에 계속되는 출력정지기간(차단기간)에 있어서 착화펄스 및 구동펄스의 출력을 정지한다. 이 착화펄스기간에 이어 출력정지기간(차단기간)을 마련함으로써, 착화펄스기간을 단위로 하여 착화 동작을 행할 수 있기 때문에, 펄스 출력을 연속하여 출력한 경우에 반사파 전력이 누적하여 허용손실을 초과함으로써 고주파 전원장치의 전력소자가 파손한다고 하는 과제를 회피할 수 있다.
출력 정지 동작(차단 동작)(SA1b)을 행하는 출력정지기간(차단기간)은, 착화펄스기간과 같은 시간 폭으로 하는 것 외에, 임의의 시간 폭으로 할 수 있다. 차단 동작은, 차단기간에 있어서도 착화펄스기간과 마찬가지로 프리 펄스 및 메인 펄스를 형성해 두고, 형성된 프리 펄스 및 메인 펄스의 출력을 차단함과 함께, 이전에 형성된 구동펄스의 출력을 차단하는 동작, 혹은, 차단기간 동안 프리 펄스, 메인 펄스, 및 구동펄스의 형성을 정지하는 동작이며, 이것에 의하여 부하에 착화펄스의 인가를 정지한다.
착화펄스 출력 동작에 의한 착화의 유무는, 예컨대, 펄스에 의한 반사파로 판정할 수 있다. 플라즈마가 착화 상태인 것을 판정했을 때(SA2)(도 2(d))의 착화판정 2번째의 판정시에는, 플라즈마 착화 공정(SA)으로부터 플라즈마 구동 전력 공급공정(SB)으로 이행하고, 플라즈마 부하에 대하여 구동펄스를 출력하여, 플라즈마를 유지하는 플라즈마 구동 전력을 공급한다. 플라즈마 구동 전력 공급공정(SB)에서는, 플라즈마 부하로부터 고주파 전원장치 측으로 되돌아오는 반사파 전압에 기초하여 듀티비제어를 행함으로써 플라즈마 구동 전력을 제어한다.
착화판정에 있어서, 착화펄스 출력 동작(SA1a)에서 플라즈마가 미착화 상태인 것을 판정했을 때(SA2)(도 2(d))의 미착화 상태에서는, 출력 정지 동작에 의하여 착화펄스 및 구동펄스의 출력을 차단하고(SA1b), 그 후, 착화펄스 출력 동작(SA1a)을 재차 행한다. 착화판정은, 재차 행한 착화 펄스 중 메인 펄스에 의한 반사파(도 2(c))의 전력에 기초하여 행할 수 있다.
착화펄스 출력 동작(SA1a)과 출력 정지 동작(SA1b)을 반복하여 실행하고, 착화펄스 출력 동작의 회수를 최대로 설정동작회수(N)만큼 행한다(SA2)(도 3(b), (c)). 설정동작회수(N)의 착화 동작의 결과가 연속하여 미착화 상태라고 판정했을 때에는(도 3(b)), 플라즈마 착화 공정(SA)을 종료하고, 플라즈마 착화 이상을 출력한다(SC)(도 3(c)).
플라즈마 구동 전력 공급공정(SB)에 있어서, 플라즈마를 유지하는 구동 전력의 공급은, 착화펄스기간 내의 착화펄스 듀티비의 평균보다 큰 듀티비의 펄스 출력을 구동펄스로서 출력하는 펄스 구동, 혹은 100%의 듀티비에 상당하는 연속출력을 출력하는 연속구동으로 할 수 있고, 플라즈마의 착화 상태의 판정 결과에 기초하여, 플라즈마 착화된 플라즈마 부하에 대하여, 플라즈마를 유지하는 구동 전력을 구동펄스 또는 연속출력을 인가한다.
이하의 표는, 상기한 플라즈마 착화의 개략 동작에 있어서의 착화 동작, 착화판정, 및 구동 전력 공급 동작의 관계를 개략적으로 나타내고 있다.
착화동작 착화판정 구동전력 공급동작
프리 펄스(n회)
(n≥0)
…………………
메인 펄스(1회)
 착화 구동펄스 공급


미착화
 착화동작 N회 미만:
출력정지(공급차단)
재점화
착화동작 N회:
이상 검출
상기 표에 있어서, 프리 펄스의 설정 펄스수(n)가 "0"인 경우는 1개의 메인 펄스를 착화펄스로서 출력하고, 설정 펄스수(n)가 "1 이상"인 경우는 n개의 프리 펄스와 1개의 메인 펄스를 착화펄스로서 출력한다. 착화펄스에 의한 착화판정에 있어서 플라즈마가 착화 상태인 것을 판정한 경우에는, 구동펄스를 출력하여 구동 전력을 공급한다. 한편, 착화펄스에 의한 착화판정에 있어서 플라즈마가 미착화 상태인 것을 판정한 경우에는, 출력정지와 재착화를 반복하고, 설정동작회수(N)의 착화 동작에 의해서도 플라즈마가 착화하지 않을 때에는, 재착화를 행하지 않고 이상 처리를 행한다.
[고주파 전원장치의 개략 구성]
도 4는 본원발명의 고주파 전원장치 중 하나의 구성의 개략을 설명한다. 고주파 전원장치(1)는, 펄스 출력의 고주파 출력을 출력하는 고주파 출력부(2)를 구비하며, 임피던스를 정합하는 정합기(101)를 사이에 두고 부하(102)로 고주파 출력을 출력한다. 부하(102)는, 예컨대, 챔버 내에서 생성되는 플라즈마 부하로 할 수 있다.
고주파 출력부(2)는 펄스 출력부(20)를 구비하고, 고주파 출력(RF출력)을 펄스 구동에 의해 공급한다. 펄스 구동은 소정 주기의 펄스 신호에 의하여 온/오프하는 제어신호에 의하여 제어하고, 온 시간 내에 고주파 전력을 부하에 공급하며, 오프 시간 내에 고주파 전력의 공급을 정지하고, 온/오프의 듀티비(시간 비율)에 의하여 부하에 공급하는 전력을 제어한다. 펄스 구동의 제어는, 전력 제어부(3)에 의하여 행해진다.
고주파 출력은, 직류전력을 펄스 변조함으로써 생성할 수 있다. 직류전력은, 직류전원으로부터 얻는 것 외에, 교류 전력을 AC/DC 변환하여 얻을 수 있다. 고주파 출력부(2)와 부하(102)와의 사이의 전력의 이동은 쌍방향으로 행해지고, 고주파 출력부(2)로부터 부하(102)를 향하여 진행파 전력이 공급되며, 부하(102)로부터 고주파 출력부(2)를 향하여 반사파 전력이 되돌려진다. 이 진행파 전력과 반사파 전력의 차감에 의하여, 고주파 출력부(2)로부터 부하(102)를 향하여 부하전력이 공급된다.
고주파 전원장치(1)는, 고주파를 생성하는 통상의 구성으로서, 고주파 출력부(2)의 고주파 출력을 제어하는 전력 제어부(3), 및 전력 제어부(3)가 행하는 듀티 제어의 듀티비를 제어하는 듀티 제어부(4)를 구비한다. 또, 고주파 전원장치(1)는, 상기 구성 외에, 진행파 전력을 검출하는 진행파 전력검출부(6)와, 반사파 전력을 검출하는 반사파 전력검출부(7)와, 진행파 전력과 반사파 전력을 분리하여 꺼내는 방향성 결합기(5)를 구비한다.
방향성 결합기(5)는 진행파 전력과 반사파 전력을 분리하여, 진행파 전력을 진행파 전력검출부(6)에 입력하고, 반사파 전력을 반사파 전력검출부(7)에 입력한다. 듀티 제어부(4)는 반사파 전력검출부(7)로부터 입력된 반사파 전력에 기초하여 듀티비를 제어한다. 전력 제어부(3)는 진행파 전력검출부(6)로부터 입력된 진행파 전력, 및 듀티 제어부(4)로부터 입력된 제어신호에 기초하여 고주파 출력부(2)를 듀티 제어한다.
본원의 고주파 전원장치(1)는, 플라즈마 착화의 착화 상태를 판정하는 구성으로서 착화판정부(10)를 구비하고, 듀티 제어부(4)는 착화판정부(10)에서 판정한 판정 결과에 기초하여 듀티 제어를 행하며, 플라즈마 착화 동작의 계속 혹은 플라즈마 착화 동작으로부터 플라즈마 구동전력 공급동작으로의 이행을 행한다. 또, 펄스 출력부(20)는, 착화판정부(10)에서 판정한 착화 혹은 미착화의 판정 결과에 기초하여, 펄스 착화 동작으로부터 처리정지동작 혹은 플라즈마 구동전력 공급공정에의 동작 전환을 행한다.
도 5는, 본원발명의 고주파 전원장치(1)가 구비하는 전력 제어부의 하나의 구성예를 설명하기 위한 개략도이다. 전력 제어부(3)는, 평균진행파 전력 제어부(3a), 피크 진행파 전력 제어부(3b), 및 평균처리부(3c)를 구비하는 구성으로 할 수 있다.
평균처리부(3c)는, 진행파 전력검출부(6)에서 검출한 피크 진행파 전력으로부터 평균 진행파 전력을 구하고, 구한 평균 진행파 전력을 평균진행파 전력 제어부(3a)로 피드백한다.
진행파 전력검출부(6)는 검출한 피크 진행파 전력 값을 피크 진행파 전력 제어부(3b)로 보냄과 함께, 검출한 피크 진행파 전력 값을 평균처리부(3c)로 보낸다. 평균처리부(3c)는 구한 평균 진행파 전력을 평균진행파 전력 제어부(3a)로 보낸다.
반사파 전력검출부(7)는 검출한 피크 반사파 전력 값을 듀티 제어부(4)로 보내고, 듀티 제어부(4)는, 반사파 전력의 변동에 따라 평균진행파 전력 제어부(3a)에서 행하는 듀티 제어의 듀티비를 변경한다.
평균진행파 전력 제어부(3a)는, 평균처리부(3c)로부터의 평균 진행파 전력 값을 피드백 값으로 하여 평균 진행파 전력 지령값과 비교하여, 평균 진행파 전력 값이 평균 진행파 전력 지령값이 되도록 듀티 제어를 행한다.
평균진행파 전력 제어부(3a)는, 통상 상태에서는, 듀티비(ON 듀티(Don))를 100%로 하여 연속출력제어를 행하고, 듀티 제어부(4)로부터 보내진 제어신호에 의하여 듀티 제어를 조정하며, 연속출력제어와 펄스 출력제어를 전환한다. 여기서, 연속출력제어는, 듀티 제어에 있어서 듀티비(ON 듀티(Don))를 100%로 하는 제어 형태이며, 펄스 출력제어는, 듀티 제어에 있어서 듀티비(ON 듀티(Don))를 100%보다 작은 값으로 행하는 제어 형태이다.
이 듀티 제어의 조정은, 예컨대, 피크 반사파 전력이 증가한 경우에, 듀티비(ON 듀티(Don))를 100%에서 100%보다 작은 소정치로 전환함으로써 연속출력제어에서 펄스 출력제어로 전환함으로써, 평균 반사파 전력을 억제하여 전원을 보호한다. 이 듀티 제어의 조정에 있어서, 피크 진행파 전력은 일정하게 제어되기 때문에, 정합기(101)의 정합 동작은 안정하게 되며, 챔버에의 전력 주입은 안정된다.
이하, 고주파 전원장치의 착화 동작의 동작예에 대하여, 플라즈마의 착화 상태의 판정시기를 다르게 하는 제1의 동작예와 제2의 동작예에 대하여 설명한다.
제1의 동작예는 플라즈마의 착화판정을 메인 펄스에 의한 반사파에서 행하는 예이고, 메인 펄스에 의한 반사파에 의하여 플라즈마가 착화 상태에 있는 것을 판정한 경우에는 플라즈마 구동 전력 공급공정으로 이행하여 구동펄스를 출력하고, 플라즈마가 미착화 상태에 있는 것을 판정한 경우에는 출력 정지 동작으로 이행하며, 그 후 재차 펄스착화 공정을 행하고, 착화펄스 출력 동작의 실행 회수가 미리 정해진 설정동작회수(N)에 이르렀을 때에는 이상 처리를 행한다.
제2의 동작예는 플라즈마의 착화판정을 프리 펄스 및 메인 펄스에 의한 반사파에서 행하는 예이고, 프리 펄스에 의한 반사파에 의하여 플라즈마가 착화 상태에 있는 것을 판정한 경우에는, 메인 펄스의 출력을 기다리지 않고, 플라즈마 구동 전력 공급공정으로 이행하여 구동펄스를 출력하고, 플라즈마가 미착화 상태에 있는 것을 판정한 경우에는 출력 정지 동작으로 이행하며, 그 후 재차 펄스착화 공정을 행하고, 착화펄스 출력 동작의 실행 회수가 미리 정해진 설정동작회수(N)에 이르렀을 때에는 이상 처리를 행한다. 다만, 이하는, 고주파(RF) 출력이 개시된 후의 동작을 나타내고 있다.
[고주파 전원장치의 착화 동작의 제1의 동작예]
제1의 동작예는 플라즈마의 착화판정을 메인 펄스에 의한 반사파에서 행하는 예이다. 고주파 전원장치의 착화 동작의 제1의 동작예를, 도 6의 플로 차트, 도 7의 구성도, 및 도 8∼도 14의 신호도를 이용하여 설명한다. 도 7은 프리 펄스 및 메인 펄스를 형성하는 구성예를 설명하기 위한 구성도이고, 도 8∼도 10은 n개의 프리 펄스를 출력하는 경우를 설명하기 위한 신호도이며, 도 11∼도 13은 프리 펄스를 출력하지 않는 경우를 설명하기 위한 신호도이다. 도 14는 프리 펄스의 출력 동작을 설명하기 위한 신호도이다.
도 6의 플로 차트에 있어서, 고주파(RF) 출력이 개시된 후, 플라즈마 착화 공정(SA)에 의하여 플라즈마의 착화 동작을 행하고, 플라즈마가 착화한 후는 플라즈마 구동 전력 공급공정(SB)에 의하여 생성된 플라즈마를 유지하며, 설정회의 펄스 착화 동작 후에 플라즈마 착화가 실패한 경우에는 플라즈마 착화이상처리(SC)를 행한다.
플라즈마 착화 공정(SA)에 있어서, 펄스착화 공정을 개시하고(S1), 착화펄스 출력 동작(SA1a)을 개시한다(S2). 착화펄스 신호동작에서는, 미리 정해진 시간 폭의 착화펄스기간 내에서 소정의 설정 펄스수의 프리 펄스와 1개의 메인 펄스를 출력한다. 착화펄스의 펄스 출력은, 고주파의 출력을 미리 정해진 소정의 듀티비로 온/오프함으로써 형성된다. 프리 펄스의 펄스 출력의 듀티비는, 설정 펄스수의 펄스 출력에 의하여 발생하는 전반사파 전력의 착화펄스기간당 평균 반사파 전력이, 고주파 전원장치를 구성하는 전력소자가 착화펄스기간당 평균 허용손실 이내 또는 평균 허용손실 미만이 되도록 설정하고, 또, 메인 펄스의 펄스 출력의 듀티비에 대해서도, 메인 펄스의 펄스 출력에 의하여 발생하는 전반사파 전력의 착화펄스기간당 평균 반사파 전력이, 고주파 전원장치를 구성하는 전력소자가 착화펄스기간당 평균 허용손실 이내 또는 평균 허용손실 미만이 되도록 설정함으로써, 전력소자의 반사파 전력에 의한 손상을 방지할수 있다.
프리 펄스의 설정 펄스수(n)로서 "0"이 설정된 경우에는(S3), 프리 펄스를 출력하지 않고 메인 펄스에 의하여 착화 동작을 행한다. 메인 펄스의 듀티비는, 플라즈마 구동 전력공급동작에 있어서의 구동펄스와 같은 듀티비로 한정되지 않고, 프리 펄스의 듀티비보다 크면 임의로 설정할 수 있다(S6).
프리 펄스의 설정 펄스수(n)로서 1 이상의 개수가 설정된 경우에는, 설정된 회수의 프리 펄스를 출력한다(S4).
설정 펄스수의 프리 펄스를 출력하고, 착화펄스기간의 마지막 시점에서 메인 펄스를 출력하여(S6), 플라즈마의 착화 상태를 판정한다. 착화판정공정(SA2)에 의한 플라즈마의 착화 상태의 판정은, 예컨대, 반사파 전압에 기초하여 행할 수 있다(S7).
착화판정공정(SA2)에 있어서, 플라즈마가 착화 상태에 있는 것을 판정했을 때에는, 플라즈마 구동 전력 공급공정(SB)에 의하여 플라즈마 상태의 부하에 구동펄스를 인가하여 플라즈마 구동 전력을 공급한다. 한편, 플라즈마가 착화 상태에 없는 것을 판정한 경우에는, 펄스착화 공정(SA)을 반복한다(S8).
펄스착화 공정(SA)을 반복하여 행할 때, 착화펄스 출력 동작은, 최대로 미리 정해진 설정동작회수(N)분을 반복한다(S8). 동작회수 판정공정(SA3)에 있어서, 착화펄스 출력 동작의 실행 회수가 미리 정해진 설정동작회수(N)에 이르렀을 경우에는, 플라즈마 착화가 실패했다고 하여 플라즈마 착화 이상시의 처리(SC)를 행한다.
착화펄스 출력 동작의 실행 회수가 미리 정해진 설정동작회수(N)에 못 미친 경우에는(S8), 착화펄스 및 구동펄스 출력의 형성, 혹은 형성된 펄스의 출력을 정지하는 출력 정지 동작(차단 동작)을 행하고(S9), 미리 정해진 출력정지기간(차단기간)이 경과된 후(S10), S1∼S8의 동작을 재차 행한다.
플라즈마 구동 전력 공급공정(SB)에 있어서, 구동펄스를 계속 출력하여 플라즈마 부하에 플라즈마 구동 전력을 공급한다(S11). 구동펄스의 계속 출력 중에 있어서, 플라즈마가 미착화 상태가 된 경우에는(S12), 구동펄스의 출력을 정지한다(S13). 그 후, 재착화를 행하는 경우에는(S14), 플라즈마 착화 공정(SA)으로 되돌아가 플라즈마의 재착화를 행한다.
플라즈마 착화이상 처리공정(SC)에서는, 플라즈마 착화 공정(SA)을 정지하고(S21), 착화 이상을 표시한다(S22).
도 7은, 프리 펄스와 메인 펄스의 착화펄스, 및 구동펄스를 형성하는 펄스 출력부(20)의 구성예를 설명하기 위한 구성도이다. 도 7에서는 3개의 구성예를 나타내고 있다.
도 7(a)에 나타내는 펄스 출력부(20A)는, 착화펄스 형성부(22)에서 형성한 착화펄스를 게이트 신호에 기초하여 출력하는 구성이다. 착화펄스 형성부(22)는, 프리 펄스 형성수단(22a)과 메인 펄스 형성수단(22b)을 구비한다. 프리 펄스는, 프리 펄스 형성수단(22a)에서 형성한 프리 펄스 출력을, 프리 펄스 트리거 형성수단(21a)의 트리거 신호에 기초하여 펄스 게이트 수단(23a)에서 출력 제어됨으로써 출력된다. 또, 메인 펄스는, 메인 펄스 형성수단(22b)에서 형성한 메인 펄스 출력을, 메인 펄스 트리거 형성수단(21b)의 트리거 신호에 기초하여 펄스 게이트 수단(23b)에서 출력 제어됨으로써 출력된다. 프리 펄스, 메인 펄스 및 구동펄스의 출력 정지 동작은, 출력정지수단(차단수단)(24)으로부터의 제어신호에 기초하여 행할 수 있다. 구동펄스는, 구동펄스 형성수단(22c)에서 형성한 구동펄스 출력을, 플라즈마 착화의 판정 결과에 기초하여 펄스 게이트 수단(23c)에서 출력 제어함으로써 출력된다.
도 7(b)에 나타내는 펄스 출력부(20B)는, 착화펄스 형성부(22)에 의하여 착화펄스 및 구동펄스를 형성하는 구성이다. 착화펄스 형성부(22)는, 프리 펄스 형성수단(22a)과 메인 펄스 구동 펄스 형성수단(22d)을 구비한다. 프리 펄스는, 프리 펄스 형성수단(22a)에서 형성한 프리 펄스 출력을, 프리 펄스 트리거 형성수단(21a)의 트리거 신호에 기초하여 펄스 게이트 수단(23a)에서 출력 제어함으로써 출력된다.
메인 펄스 및 구동펄스는, 메인 펄스 구동 펄스 형성수단(22d)에서 형성된다. 메인 펄스는, 메인 펄스 구동 펄스 형성수단(22d)에서 형성된 메인 펄스를, 메인 펄스 트리거 형성수단(21b)의 트리거 신호에 기초하여 펄스 게이트 수단(23b)에서 출력 제어함으로써 출력된다. 또, 구동펄스는, 메인 펄스 구동 펄스 형성수단(22d)에서 형성된 구동펄스를, 플라즈마의 착화판정에 기초하여 펄스 게이트 수단(23b)에서 출력 제어함으로써 출력된다. 프리 펄스, 메인 펄스, 및 구동펄스의 출력 정지 동작은, 출력정지수단(차단수단)(24)에서의 제어신호에 기초하여 행할 수 있다.
도 7(c)에 나타내는 펄스 출력부(20C)는, 펄스 형성수단(25)에 의하여 착화펄스, 메인 펄스, 및 구동펄스를 형성하는 구성이다. 펄스 형성수단(25)은, 프리 펄스 출력, 메인 펄스 출력, 및 구동펄스 출력을 형성하고, 형성한 각 펄스 출력을 펄스 트리거 형성수단(21)에서 형성한 트리거 신호에 기초하여 제어한다.
프리 펄스, 메인 펄스, 및 구동펄스의 출력 정지 동작은, 출력정지수단(차단수단)(24)에서의 제어신호에 기초하여 행하고, 구동펄스는, 플라즈마의 착화판정에 기초하여 펄스 형성수단(25)의 펄스형성처리를 제어함으로써 출력된다.
이하, n개의 프리 펄스를 출력하는 경우에 대하여 도 8∼도 10을 이용하여 설명한다. 도 8은 플라즈마 미착화 상태를 나타내고, 도 9는 플라즈마 착화 상태를 나타내며, 도 10은 이상 검출 상태를 나타내고 있다.
도 8은, 착화펄스 출력 동작을 행한 결과, 플라즈마가 미착화 상태가 된 경우의 동작예를 나타내고 있다. 도 8(a)은 펄스 출력의 듀티비를 나타내고, 도 8(b)는 펄스 출력을 나타내며, 도 8(c)는 반사파를 나타내고, 도 8(d)는 착화판정을 나타내고 있다.
도 8은 착화펄스가 복수의 프리 펄스와 1개의 메인 펄스로 구성되는 예를 나타내고 있다. 착화펄스를 구성하는 복수의 프리 펄스의 펄스 출력의 듀티비는, 착화펄스기간 내에서 출력되는 설정 펄스수의 펄스 출력에 의하여 발생하는 전반사파 전력에 대하여, 착화펄스기간당 평균 반사파 전력이, 고주파 전원장치를 구성하는 전력소자가 착화펄스기간당 평균 허용손실 이내 또는 평균 허용손실 미만이 되도록 설정한다.
또, 프리 펄스 후에 출력하는 메인 펄스의 펄스 출력의 듀티비는, 프리 펄스의 펄스 출력의 듀티비보다 크게 설정된다. 예컨대, 구동펄스와 동일한 정도의 듀티비로 할 수 있다. 메인 펄스의 펄스 출력의 듀티비는, 펄스 출력에 의하여 발생하는 전반사파 전력에 대하여, 착화펄스기간당 평균 반사파 전력이, 고주파 전원장치를 구성하는 전력소자가 착화펄스기간당 평균 허용손실 이내 또는 평균 허용손실 미만이 되도록 설정한다.
또한, 프리 펄스와 메인 펄스의 듀티비는, 착화펄스기간 내에서 프리 펄스와 메인 펄스의 양 펄스 출력에 의하여 발생하는 전반사파 전력에 대하여, 착화펄스기간당 평균 반사파 전력이, 고주파 전원장치를 구성하는 전력소자가 착화펄스기간당 평균 허용손실 이내 또는 평균 허용손실 미만이 되도록 설정해도 좋다.
착화펄스기간 중에 출력하는 펄스 출력에 있어서, 착화펄스기간 중 펄스 출력에 의한 반사파(도 8(c))에 기초하여 착화 상태를 판정한다(도 8(d)). 착화판정으로부터 플라즈마가 미착화 상태에 있는 것을 판정한 경우에는, 착화펄스기간을 종료하고 출력 정지 동작(차단 동작)으로 이행하여, 착화펄스 및 구동펄스의 펄스 출력의 출력을 정지한다. 출력정지기간(차단기간)이 경과한 후, 다음의 착화펄스기간에 의하여 플라즈마 착화 동작을 재개한다.
도 9는, 착화펄스 출력 동작을 행한 결과, 플라즈마가 착화 상태가 된 경우의 동작예를 나타내고 있다. 도 9(a)는 펄스 출력의 듀티비를 나타내고, 도 9(b)는 펄스 출력을 나타내며, 도 9(c)는 반사파를 나타내고, 도 9(d)는 착화판정을 나타내고 있다.
착화펄스기간 중에 출력하는 착화펄스에 있어서, 착화펄스기간 중 펄스 출력에 의한 반사파(도 9(c))에 기초하여 착화 상태를 판정한다(도 9(d)). 플라즈마가 착화 상태에 있는 것을 판정한 경우에는, 착화펄스 출력 동작을 종료하고 플라즈마 구동 전력 공급공정으로 이행하여, 플라즈마 부하에 구동 전력을 공급한다.
도 10은, 착화펄스 출력 동작을 N회 행하고, N번째의 메인 펄스를 출력한 결과, 프리 펄스가 여전히 미착화 상태에 있는 경우의 동작예를 나타내고 있다. 도 10(a)는 펄스 출력의 듀티비를 나타내고, 도 10(b)는 펄스 출력을 나타내며, 도 10(c)는 반사파를 나타내고, 도 10(d)은 착화판정을 나타내며, 도 10(e)는 이상 검출 신호를 나타내고 있다.
착화펄스 출력 동작과 신호정지동작을 반복하여, 설정동작회수인 N번째의 착화펄스 출력 동작에 있어서 메인 펄스에 의한 반사파에 의하여 플라즈마가 미착화 상태에 있다고 판정한 경우에는, 플라즈마 발생에 있어서 어떠한 이상이 있는 것으로 판정하여 이상 검출 신호를 출력한다.
도 8∼도 10은 착화펄스가 프리 펄스와 1개의 메인 펄스로 구성되는 예인 것에 대하여, 도 11∼도 13은 착화펄스가 1개의 메인 펄스로 구성되는 예이다.
도 11은 플라즈마 미착화 상태를 나타내고, 도 12는 플라즈마 착화 상태를 나타내며, 도 13은 이상 검출 상태를 나타내고 있다.
도 11(a)는 펄스 출력의 듀티비를 나타내고, 도 11(b)는 펄스 출력을 나타내며, 도 11(c)는 반사파를 나타내고, 도 11(d)은 착화판정을 나타내고 있다.
착화펄스는 착화펄스기간 내에 1개의 메인 펄스를 가지고, 듀티비는 예컨대, 구동펄스의 듀티비와 동일한 정도로 할 수 있다.
1개의 메인 펄스의 착화펄스에 의한 착화 동작의 결과, 플라즈마가 미착화 상태에 있는 것을 판정한 경우에는, 도 8의 예와 마찬가지로 출력정지기간(차단기간)을 거친 후에 메인 펄스를 재차 출력한다. 출력정지기간(차단기간)은 임의의 시간 폭으로 할 수 있고, 착화펄스기간과 동기간으로 하는 것 외에, 착화펄스기간보다 긴 시간 폭으로 해도 좋다.
도 12는, 착화펄스 출력 동작을 행한 결과, 플라즈마가 착화 상태가 된 경우의 동작예를 나타내고 있다. 도 12(a)는 펄스 출력의 듀티비를 나타내고, 도 12(b)는 펄스 출력을 나타내며, 도 12(c)는 반사파를 나타내고, 도 12(d)는 착화판정을 나타내고 있다.
착화펄스기간 중에 출력하는 착화펄스에 있어서, 착화펄스기간 중의 펄스에 의한 반사파(도 12(c))에 기초하여 착화 상태를 판정한다(도 12(d)). 플라즈마가 착화 상태에 있는 것을 판정한 경우에는, 착화펄스 출력 동작을 종료하고 플라즈마 구동 전력 공급공정으로 이행하여, 플라즈마 부하에 구동 전력을 공급한다.
도 13은, 착화펄스 출력 동작을 N회 행하고, N번째의 메인 펄스를 출력한 결과, 플라즈마가 여전히 미착화 상태에 있는 경우의 동작예를 나타내고 있다. 도 13(a)는 펄스 출력의 듀티비를 나타내고, 도 13(b)은 펄스 출력을 나타내며, 도 13(c)는 반사파를 나타내고, 도 13(d)은 착화판정을 나타내며, 도 13(e)는 이상 검출 신호를 나타내고 있다.
착화펄스 출력 동작과 신호정지동작을 반복하여, 설정동작회수인 N번째의 착화펄스 출력 동작에 있어서 메인 펄스에 의한 반사파에 의하여 플라즈마가 미착화 상태에 있다고 판정한 경우에는, 플라즈마 발생에 있어서 어떠한 이상이 있는 것으로 판정하여 이상 검출 신호를 출력한다.
도 14는, 프리 펄스의 출력 동작예를 나타내고 있다. 도 14(a)∼(c)는 복수의 프리 펄스를 출력하는 경우를 나타내고, 도 14(d)∼(f)는 프리 펄스를 출력하지 않는 경우를 나타내며, 도 14(g)∼(i)는 프리 펄스의 펄스 간격을 임의로 설정하는 경우를 나타내고 있다.
도 14(a)∼(c)에 나타내는 동작예에서는, 착화펄스기간에 있어서, 프리 펄스 트리거(도 14(b))에 기초하여 프리 펄스를 형성하여 출력하고, 메인 펄스 트리거(도 14(c))에 기초하여 메인 펄스를 형성하여 출력한다. 한편, 출력정지기간에서는, 프리 펄스 트리거 및 메인 펄스 트리거를 출력하지 않음으로써 프리 펄스 및 메인 펄스의 출력을 정지한다. 또, 출력정지기간에서는, 구동펄스에 대해서도 출력을 정지한다. 도 14(a)에서는, 각 펄스의 출력정지상태를 파선으로 나타내고 있다.
도 14(d)∼(f)에 나타내는 동작예에서는, 착화펄스기간에 있어서, 프리 펄스 트리거(도 14(e))를 출력하지 않음으로써 프리 펄스를 출력하지 않고, 메인 펄스 트리거(도 14(f))에 기초하여 메인 펄스를 형성하여 출력한다. 한편, 출력정지기간에서는, 프리 펄스 트리거 및 메인 펄스 트리거를 출력하지 않음으로써 프리 펄스 및 메인 펄스의 출력을 정지한다. 또, 출력정지기간에서는, 구동펄스에 대해서도 출력을 정지한다. 도 14(d)에서는, 각 펄스의 출력정지상태를 파선으로 나타내고 있다.
도 14(g)∼(i)에 나타내는 동작예에서는, 착화펄스기간에 있어서, 프리 펄스 트리거(도 14(h))를 임의로 설정함으로써, 임의의 주기 혹은 임의의 시간 간격의 프리 펄스를 출력하고, 메인 펄스 트리거(도 14(i))에 기초하여 메인 펄스를 형성하여 출력한다. 한편, 출력정지기간에서는, 프리 펄스 트리거 및 메인 펄스 트리거를 출력하지 않음으로써 프리 펄스 및 메인 펄스의 출력을 정지한다. 또, 출력정지기간에서는, 구동펄스에 대해서도 출력을 정지한다. 도 14(g)에서는, 각 펄스의 출력정지상태를 파선으로 나타내고 있다.
[고주파 전원장치의 착화 동작의 제2의 동작예]
제2의 동작예는 플라즈마의 착화 상태의 판정을 착화펄스기간 내의 메인 펄스 출력시 및 프리 펄스 출력시에서 행하는 예이다. 고주파 전원장치의 착화 동작의 제2의 동작예를, 도 15의 플로 차트, 및 도 16∼도 18의 신호도를 이용하여 설명한다. 도 16∼도 18은 착화펄스가 복수의 프리 펄스를 포함하는 예를 나타내고 있다. 또한, 제2의 동작예에서는, 플라즈마 착화 상태의 판정을 판정 트리거에 기초하여 행하는 예를 나타내고 있다.
고주파(RF) 출력이 개시된 후, 플라즈마 착화 공정(SA)에 의하여 플라즈마의 착화 동작을 행하고, 플라즈마 착화 후는 플라즈마 구동 전력 공급공정(SB)에 의하여 생성된 플라즈마를 유지하며, 설정 회수의 플라즈마 착화 동작 후에 플라즈마 착화가 실패한 경우에는 플라즈마 착화 이상시의 처리(SC)를 행한다.
플라즈마 착화 공정(SA)에 있어서, 플라즈마 착화 동작을 개시한 후(S1), 착화펄스의 출력을 개시한다(S2).
착화펄스는, 미리 정해진 시간 폭의 착화펄스기간 내에 있어서, 소정의 설정 펄스수의 프리 펄스와 1개의 메인 펄스의 펄스 출력을 출력한다(S3). 펄스 출력은, 고주파의 출력을 미리 정해진 소정의 듀티비로 온/오프함으로써 형성된다. 프리 펄스는, 이 펄스 출력을 착화펄스기간 내에서 소정의 설정 펄스수만큼 출력한다. 펄스 출력의 듀티비는, 설정 펄스수의 펄스 출력에 의하여 발생하는 전반사파 전력의 착화펄스기간당 평균 반사파 전력이, 고주파 전원장치를 구성하는 전력소자의 착화펄스기간당 평균 허용손실 이내 또는 평균 허용손실 미만이 되도록 설정한다.
메인 펄스의 펄스 출력의 듀티비는, 펄스 출력에 의하여 발생하는 전반사파 전력에 대하여, 착화펄스기간당 평균 반사파 전력이, 고주파 전원장치를 구성하는 전력소자가 착화펄스기간당 평균 허용손실 이내 또는 평균 허용손실 미만이 되도록 설정한다.
또한, 프리 펄스와 메인 펄스의 듀티비는, 착화펄스기간 내에 있어서 프리 펄스와 메인 펄스의 양 펄스 출력에 의하여 발생하는 전반사파 전력에 대하여, 착화펄스기간당 평균 반사파 전력이, 고주파 전원장치를 구성하는 전력소자가 착화펄스기간당 평균 허용손실 이내 또는 평균 허용손실 미만이 되도록 설정해도 좋다.
프리 펄스의 설정 펄스수(n)가 "0"의 경우에는 메인 펄스를 출력하고(S3, S6a), 플라즈마 착화 상태를 판정한다(S7a). 플라즈마가 착화 상태인 것을 판정한 경우에는, 플라즈마 구동 전력 공급공정(SB)으로 이행한다. 플라즈마가 미착화 상태인 것을 판정한 경우에는, 착화펄스 공정의 실행 회수가 설정동작회수(N)가 될 때까지(S8), 출력 정지 동작에 의하여 착화펄스 및 구동펄스의 출력을 정지하고(S9), 출력정지기간이 경과한 후에 펄스착화 공정(S1)으로 되돌아간다.
프리 펄스의 설정 펄스수(n)가 "1 이상"의 경우에는 프리 펄스를 출력한다(S4). 프리 펄스의 출력 회수가 설정 펄스수(n) 미만일 때(S5)는, 각 프리 펄스에 의한 반사파로 플라즈마의 착화를 판정한다. 플라즈마의 착화판정은, 예컨대, 반사파 전압에 기초하여 행할 수 있다(S7b). 이때 플라즈마가 착화 상태인 것을 판정한 경우에는, 플라즈마 구동 전력 공급공정(SB)으로 이행하고, 플라즈마가 미착화 상태인 것을 판정한 경우에는, 나머지의 프리 펄스를 출력한다(S4).
(S5)의 프리 펄스에 의한 착화 상태의 판정에 있어서, 프리 펄스의 출력 회수가 설정 펄스수(n)에 이르렀을 때(S5)에는, 메인 펄스를 출력하고(S6b), 메인 펄스에 의한 반사파로 플라즈마의 착화를 판정한다(S7c). 이때 플라즈마가 착화 상태인 것을 판정한 경우에는, 플라즈마 구동 전력 공급공정(SB)으로 이행하고, 플라즈마 미착화 상태인 것을 판정한 경우에는, 착화펄스 공정의 실행 회수가 설정동작회수(N)가 될 때까지(S8), 출력 정지 동작에 의하여 착화펄스 및 구동펄스의 출력을 정지하며(S9), 출력정지기간이 경과한 후에 펄스착화 공정(S1)으로 되돌아가, 플라즈마의 착화 동작을 재차 행한다.
플라즈마 착화 동작을 미리 정해진 설정동작회수(N)만큼 반복하고(S8), 실행 회수가 미리 정해진 설정동작회수(N)에 이르렀을 경우에는, 플라즈마 착화가 실패했다고 하여 플라즈마 착화 이상시의 처리(SC)를 행한다.
플라즈마 구동 전력 공급공정(SB)에 있어서, 구동펄스를 계속 출력하여 플라즈마에 플라즈마 구동 전력을 공급한다(S11). 구동펄스의 계속 출력 중에서, 플라즈마가 미착화 상태가 된 경우에는(S12), 구동펄스의 출력을 정지한다(S13). 그 후, 재착화를 행하는 경우에는(S14), 펄스착화 공정(S1)으로 되돌아가 플라즈마의 재착화를 행한다.
플라즈마 착화 이상시의 처리(SC)에 있어서, 플라즈마 착화 공정(SA)을 정지하고(S21), 착화 이상을 표시한다(S22).
이하, n개의 프리 펄스를 출력하는 경우에 대하여 도 16∼도 18을 이용하여 설명한다. 도 16은 플라즈마 미착화 상태를 나타내고, 도 17은 플라즈마 착화 상태를 나타내며, 도 18은 이상 검출 상태를 나타내고 있다.
도 16은, 착화 동작의 결과, 미착화 상태가 된 경우의 동작예를 나타내고 있다. 도 16(a)는 펄스 출력의 듀티비를 나타내고, 도 16(b)은 펄스 출력을 나타내며, 도 16(c)는 반사파를 나타내고, 도 16(d)는 착화판정을 나타내며, 도 16(e)는 착화판정을 행하는 판정 트리거를 나타내고 있다.
착화펄스기간 중에 출력하는 펄스 출력에 있어서, 프리 펄스 및 메인 펄스의 펄스 출력을 출력하는 시점에서 판정 트리거를 출력하고(도 16(e)), 각 시점의 반사파(도 16(c))에 기초하여 착화 상태를 판정한다(도 16(d)). 플라즈마가 미착화 상태에 있는 것을 판정한 경우에는, 착화펄스 출력 동작을 종료하고 출력 정지 동작(차단 동작)으로 이행하여, 펄스 출력의 출력을 정지한다. 출력정지기간(차단기간)이 경과한 후, 다음의 착화펄스기간에 있어서 플라즈마 착화 동작을 재개한다.
도 17은, 착화 동작의 결과, 착화 상태가 된 경우의 동작예를 나타내고 있다. 도 17(a)는 펄스 출력의 듀티비를 나타내고, 도 17(b)는 펄스 출력을 나타내며, 도 17(c)는 반사파를 나타내고, 도 17(d)는 착화판정을 나타내며, 도 17(e)은 착화판정을 행하는 판정 트리거를 나타내고 있다.
착화펄스기간 중에 출력하는 펄스 출력에 있어서, 각 펄스 출력을 출력하는 시점에서 판정 트리거를 출력하고(도 17(e)), 각 시점의 반사파(도 17(c))에 기초하여 착화 상태를 판정한다(도 17(d)). 플라즈마가 착화 상태에 있는 것을 판정한 경우에는, 착화펄스기간을 종료하고 플라즈마 구동 전력공급 동작으로 이행하여, 플라즈마 부하에 구동 전력을 공급한다.
도 18은, 착화펄스 출력 동작을 N회 행하고, N번째의 메인 펄스를 출력한 시점에서, 플라즈마가 여전히 미착화 상태에 있는 경우의 동작예를 나타내고 있다. 도 18(a)는 펄스 출력의 듀티비를 나타내고, 도 18(b)는 펄스 출력을 나타내며, 도 18(c)는 반사파를 나타내고, 도 18(d)는 착화판정을 나타내며, 도 18(e)는 착화판정을 행하는 판정 트리거를 나타내고, 도 18(f)는 이상 검출 신호를 나타내고 있다.
착화펄스 출력 동작과 신호정지동작을 반복하여, 설정동작회수인 N번째의 착화펄스 출력 동작에 있어서 메인 펄스를 출력한 시점에서도 플라즈마가 미착화 상태에 있는 경우에는, 플라즈마 발생에 있어서 어떠한 이상이 있는 것으로 판정하여 이상 검출 신호를 출력한다.
도 19는 각 착화펄스기간의 착화펄스에 있어서, 펄스 출력의 듀티비를 점차 증가시키는 예를 나타내고 있다. 도 19에 나타내는 예는, 도 8에서 나타내는 예에 있어서 펄스 출력의 듀티비를 점차 증가시킨 것이다.
이 듀티비를 점차 증가시키는 경우에 있어서도, 프리 펄스의 펄스 출력의 듀티비는, 설정 펄스수의 펄스 출력에 의하여 발생하는 전반사파 전력의 착화펄스기간당 평균 반사파 전력이, 고주파 전원장치를 구성하는 전력소자의 착화펄스기간당 평균 허용손실 이내 또는 평균 허용손실 미만이 되도록 설정하고, 착화펄스기간의 마지막 시점에서 출력하는 메인 펄스의 펄스 출력의 듀티비를 프리 펄스의 듀티비보다 크게 설정한다. 메인 펄스의 듀티비는, 플라즈마 구동 전력공급 기간에서 출력하는 구동펄스의 듀티비가 되도록 설정할 수 있다. 착화펄스기간 내에 있어서, 프리 펄스의 펄스 출력의 듀티비를 점차 증가시킴으로써, 착화를 하기 쉽게 할 수 있다.
[본원발명의 플라즈마의 착화판정의 개략 구성]
본원발명의 플라즈마의 착화판정에 대하여, 도 20∼도 22를 이용하여 개략 구성을 설명하고, 도 23의 플로 차트를 이용하여 개략 공정을 설명한다.
본 발명의 플라즈마 착화판정은, 플라즈마 부하로부터 고주파 전원을 향하는 반사파 전압(Vr)으로부터 얻어지는 반사파의 발생 상태에 기초하여 플라즈마 부하의 플라즈마의 착화 상태, 미착화 상태를 판정한다.
도 20은 본원발명의 미착화판정의 개략 구성을 나타내고 있다. 착화판정부(10)는, 반사파 전압(Vr)의 파고값 및 변동 상태에 기초하여, 고주파 전원의 RF 전력 증폭소자에 인가되는 열량에 대응하는 환산량을 구하는 환산수단(11)과, 환산수단(11)에서 구한 환산량과 RF 전력 증폭소자의 허용 열량에 대응하는 임계치를 비교하는 비교수단(12)을 구비한다.
환산수단(11)은, 제1 환산수단(11A)과 제2 환산수단(11B)과 제3 환산수단(11C)을 구비한다.
제1 환산수단(11A)은, 파워 센서에서 검출한 반사파 전압(Vr)(도 23의 S1)을 입력하고, 반사파 전압(Vr) 및 반사파 전압(Vr)의 계속 시간에 기초하여, 고주파 전원의 RF 전력 증폭소자에 부가되는 열량에 대응하는 제1 환산치(가열환산치)를 구한다(도 23의 S2).
제2 환산수단(11B)은, 펄스 구동의 각 주기에 있어서, 반사파 전압(Vr)의 파고값이 영이 되고 나서부터의 경과시간, 또는 펄스 출력의 인가 개시로부터의 경과시간에 기초하여, 고주파 전원의 RF 전력 증폭소자로부터 방출되는 방열량에 대응하는 제2 환산치를 구한다.
반사파 전압(Vr)의 파고값이 영이 되고 나서부터의 경과시간에 기초하여 제2 환산치를 구하는 형태에서는, RF 전력 증폭소자로부터의 방열량은, RF 전력 증폭소자에의 반사파의 인가가 정지한 상태에서의 방열이 대부분이며, RF 전력 증폭소자에 반사파가 인가되고 있는 동안의 방열량은 약간이라고 하여 환산하고 있다.
한편, 펄스 출력의 인가 개시로부터의 경과시간에 기초하여 제2 환산치를 구하는 형태에서는, RF 전력 증폭소자에 반사파가 인가되고 있는 동안의 방열량도 고려하여 환산하고 있다(도 23의 S3).
제3 환산수단(11C)은, 제1 환산치와 제2 환산치와의 차분에 기초하여, 고주파 전원의 RF 전력 증폭소자에 축열되는 축열량에 대응하는 제3 환산치(축열 환산량)를 구한다(도 23의 S4).
비교수단(12)은, 제3 환산수단(11C)에서 구한 제3 환산치와 RF 전력 증폭소자의 허용 열량에 대응하는 임계치를 비교한다. 임계치는 RF 전력 증폭소자를 보호하는 디바이스 보호검지레벨에 상당하고, 제3 환산치가 임계치를 초과했을 때에는, RF 전력 증폭소자에 축적되는 열량이 RF 전력 증폭소자의 디바이스 보호검지레벨을 초과했다고 판단하며(도 23의 S5), 플라즈마가 미착화 상태인 것을 판정한다(도 23의 S6).
플라즈마가 미착화 상태인 것을 판정한 경우에는, 전력 제어부에 의하여 고주파 출력(RF출력)을 수하 혹은 정지하는 제어를 행하여 보호 동작을 행한다(도 23의 S7).
펄스 구동의 일주기 내에 있어서, 인가된 가열량이 방열된 결과, 주기의 종료시점에서 축열량이 잔류하고 있는지 아닌지에 기초하여, 고주파 전원으로부터의 펄스 구동에 의한 전력공급은 저주파 펄스 모드와 고주파 펄스 모드의 2개의 펄스 모드로 설명할 수 있다.
저주파 펄스 모드는, 펄스 구동의 주기 간격이, 인가된 가열량이 방열되기 위한 시간 폭이 충분히 길고, 펄스 구동 주기의 종료시점에 있어서 축열량이 잔류하지 않는 펄스 모드이며, 축열 환산량은 영이다. 저주파 펄스 모드에서 환산되는 축열 환산량은, 펄스 구동의 각 주기에 있어서 초기치가 영으로부터 누계가 개시된다.
한편, 고주파 펄스 모드는, 펄스 구동의 주기 간격이, 인가된 가열량이 모두 방열되기 때문에 시간 폭이 부족하고, 펄스 구동 주기의 종료시점에 있어서 축열량이 잔류하는 펄스 모드이며, 축열 환산량은 잔존하고 있다. 고주파 펄스 모드에서 환산되는 축열 환산량은, 펄스 구동의 각 주기에 있어서 앞 주기의 종료시점에서의 축열 환산치를 초기치로서 누계가 개시된다.
펄스 출력의 듀티비가 동일하고, 반사파의 파고값이 동일한 펄스 구동의 조건하에 있어서는, 펄스 구동의 일주기(T)의 길이가 길고 일주기의 종료시점에서 잔존하는 축적열량이 영인 경우에는 저주파 펄스 모드가 되며, 펄스 구동의 일주기(T)의 길이가 짧아 일주기의 종료시점에서 축열량이 잔존하는 경우에는 고주파 펄스 모드가 된다.
이하, 도 21의 신호도를 이용하여 착화 상태에 있어서의 저주파 모드와 고주파 모드를 설명하고, 도 22의 신호도를 이용하여 미착화 상태에 있어서의 저주파 모드와 고주파 모드를 설명한다.
플라즈마 착화 상태에 있어서, 도 21(a)∼(d)는 저주파 펄스 모드에 있어서의 진행파 전압(Vf), 반사파 전압(Vr), 축열 환산량(Hac), 및 착화판정신호(Vfail)를 나타내고, 도 21(e)∼(h)는 고주파 펄스 모드에 있어서의 진행파 전압(Vf), 반사파 전압(Vr), 축열 환산량(Hac), 및 착화판정신호(Vfail)를 나타내고 있다. 또한, 여기에서는, 착화판정신호(Vfail)는, 플라즈마가 미착화인 것을 판정했을 때에 출력된다.
진행파 전압(Vf)은, 일주기 내에 있어서 시간 폭을 t1으로 하는 RFon 구간에서 소정 주파수의 펄스 출력을 출력한다(도 21(a), 도 21(e)). 플라즈마가 정상적인 착화 상태에 있는 경우에는, 펄스 출력의 상승 및 하강에 있어서의 부정합에 의하여 펄스상의 반사파 전압(Vr)이 발생한다(도 21(b), 도 21(f)).
도 21(c), 도 21(g)에 있어서, 축열 환산량(Hac)은, 반사파 전압(Vr)이 RF 전력 증폭소자에 부가됨으로써 축적되는 열량의 환산치를 나타내고, 일점쇄선은 RF 전력 증폭소자의 열파손에 대한 허용량을 나타내며, RF 전력 증폭소자를 반사파에 의한 파손으로부터 보호하는 디바이스 보호검지레벨을 나타내고 있다.
플라즈마가 착화 상태에 있는 경우에는, 저주파 모드 및 고주파 모드 중 어느 모드에 있어서도, 축열 환산량(Hac)은 구동 모드의 각 일주기 내에 있어서는 디바이스 보호검지레벨에 이르지 않고 영으로 되돌아가기 때문에, 착화판정신호(Vfail)(도 21(d), (h))는 출력되지 않고, 미착화의 판정은 행해지지 않는다.
한편, 플라즈마 미착화 상태에 있어서, 도 22(a)∼(d)는 저주파 펄스 모드에 있어서의 진행파 전압(Vf), 반사파 전압(Vr), 축열 환산량(Hac), 및 착화판정신호(Vfail)를 나타내고, 도 22(e)∼(h)는 고주파 펄스 모드에 있어서의 진행파 전압(Vf), 반사파 전압(Vr), 축열 환산량(Hac), 및 착화판정신호(Vfail)를 나타내고 있다. 또한, 여기에서는, 플라즈마 착화 상태의 판정을 판정 트리거에 기초하여 행하는 예를 나타내고 있다.
진행파 전압(Vf)은, 일주기 내에 있어서 시간 폭을 t1으로 하는 RFon 구간에서 소정 주파수의 펄스 출력을 출력한다(도 22(a), 도 22(e)). 플라즈마가 미착화 상태에 있는 경우에는, 펄스 출력이 출력되어 있는 RFon 구간에서는, 사각형 형상으로 반사파 전압(Vr)이 발생한다(도 22(b), 도 22(f)).
도 22(c), 도 22(g)에 있어서, 축열 환산량(Hac)은, 반사파 전압(Vr)이 RF 전력 증폭소자에 부가됨으로써 축적되는 열량의 환산치를 나타내고, 일점쇄선은 RF 전력 증폭소자의 열파손에 대한 허용량을 나타내며, RF 전력 증폭소자를 반사파에 의한 파손으로부터 보호하는 디바이스 보호검지레벨을 나타내고 있다.
플라즈마가 미착화 상태에 있는 경우에는, 저주파 모드에서는, 축열 환산량(Hac)은 구동 모드의 주기 내에 있어서는 디바이스 보호검지레벨에 이르고(도 22(c)), 착화판정신호(Vfail)를 출력한다(도 22(d)). 또한, 도 22(c)에서는, RFon 구간의 종료시점에서 축열 환산량(Hac)이 디바이스 보호검지레벨에 이르는 상태를 나타내고 있지만, 반사파 전압(Vr)의 파고값이 큰 경우에는, RFon 구간의 종료시점에 이르기 전의 시점에서 축열 환산량(Hac)이 디바이스 보호검지레벨에 이르고, 착화판정신호(Vfail)가 출력된다. 착화판정신호(Vfail)의 출력은 플라즈마가 미착화 상태인 것을 나타내고 있다.
또, 고주파 모드에서는, 복수의 주기에 있어서 축열을 되받아침으로써 축열 환산량(Hac)은 디바이스 보호검지레벨에 이르고(도 22(g)), 착화판정신호(Vfail)를 출력한다(도 22(h)). 또한, 도 22(g)에서는, 5번째의 주기에서 축열 환산량(Hac)이 디바이스 보호검지레벨에 이르는 상태를 나타내고 있지만, 축열 환산량(Hac)이 디바이스 보호검지레벨에 이르는 주기수는 반사파 전압(Vr)의 파고값 및 듀티비에 의존하여 변화한다.
착화판정의 장치 구성은, 하드 회로로 구성하는 것 외에, DSP나 FPGA 등의 디지털 연산처리에 의하여 구성하는 것도 가능하고, 소프트웨어로 행하는 경우에는 CPU나 착화 판정부의 처리를 CPU에 지시하는 프로그램을 격납한 메모리 등으로 구성할 수 있다.
다만, 상기 실시형태 및 변형예에 있어서의 기술은, 본원발명에 관련되는 플라즈마의 착화 상태 판정에 관련되는 동작 및 장치의 일례이며, 본원발명은 각 실시형태로 한정되지 않고, 본원발명의 취지에 기초하여 여러 가지 변형하는 것이 가능하며, 이들을 본원발명의 범위로부터 배제하는 것은 아니다.
산업상의 이용 가능성
본원발명의 고주파 전원장치는, 플라즈마 부하에 대한 전력공급에 적용할 수 있는, 반도체, 액정, 태양광 패널 등의 박막을 제조하는 성막장치, CO2 레이저 가공기 등의 고주파(RF)에 의한 플라즈마 생성에 적용할 수 있다.
1: 고주파 전원장치
2: 고주파 출력부
3: 전력 제어부
3a: 평균진행파 전력 제어부
3b: 피크 진행파 전력 제어부
3c: 평균처리부
4: 듀티 제어부
5: 방향성 결합기
6: 진행파 전력검출부
7: 반사파 전력검출부
10: 착화판정부
11: 환산수단
11A: 제1 환산수단
11B: 제2 환산수단
11C: 제3 환산수단
12: 비교수단
20: 펄스 출력부
20A: 펄스 출력부
20B: 펄스 출력부
20C: 펄스 출력부
21: 펄스 트리거 형성수단
21a: 프리 펄스 트리거 형성수단
21b: 메인 펄스 트리거 형성수단
22: 착화펄스 형성부
22a: 프리 펄스 형성수단
22b: 메인 펄스 형성수단
22c: 구동펄스 형성수단
22d: 메인 펄스 구동 펄스 형성수단
23a: 펄스 게이트 수단
23b: 펄스 게이트 수단
23c: 펄스 게이트 수단
24: 출력정지수단(차단수단)
25: 펄스 형성수단
101: 정합기
102: 부하
Don: 듀티
Hac: 축열 환산량
n: 설정 펄스수
N: 설정동작회수
T: 일주기
Vf: 진행파 전압
Vfail: 착화판정신호
Vr: 반사파 전압
Γ: 반사 계수

Claims (6)

  1. 고주파 전원장치로부터 고주파 전력을 인가하여 플라즈마를 착화시키는 플라즈마 착화방법으로서,
    상기 고주파 전원장치는, 시간적으로 단속 출력하는 펄스 출력에 의하여 플라즈마를 착화하는 플라즈마 착화 공정과, 상기 플라즈마 착화 공정에 의해 플라즈마 착화한 후, 착화된 플라즈마를 유지하는 구동 전력을 공급하는 플라즈마 구동 전력 공급공정을 가지고,
    상기 플라즈마 착화 공정은, 플라즈마를 착화시키기 위한 착화펄스를 출력하는 착화펄스 출력 동작과,
    상기 각 착화펄스는, 메인 펄스(Main pulse)보다 작은 전력으로서 메인 펄스의 앞 단계에서 출력하는 임의의 개수의 프리 펄스(Pre-pulse)와, 프리 펄스 후에 출력되는 최초의 메인 펄스를 가지며,
    상기 플라즈마 착화 공정에 의해 플라즈마가 착화한 후, 착화된 플라즈마를 유지하는 구동 전력을 공급하는 플라즈마 구동 전력 공급공정으로 이행하는 것을 특징으로 하는 고주파 전원장치의 플라즈마 착화방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 착화펄스 출력 동작을 행하는 기간 내에서, 상기 프리 펄스의 출력 간격은 임의로 설정 가능한 것을 특징으로 하는 고주파 전원장치의 플라즈마 착화방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 프리 펄스의 펄스 출력의 전력은, 상기 프리 펄스의 펄스 출력에 의해 발생하는 반사전력의 평균반사전력이 고주파 전원을 구성하는 전력소자의 허용손실 이하 또는 미만인 것을 특징으로 하는 고주파 전원장치의 플라즈마 착화방법.
  4. 고주파 전력을 인가하여 플라즈마를 착화시키는 고주파 전원장치로서,
    고주파 출력의 펄스 출력을 출력하는 펄스 출력부를 구비하고,
    상기 펄스 출력부는,
    시간적으로 단속 출력하는 펄스 출력에 의하여 플라즈마를 착화시키는 착화펄스를 형성하는 착화펄스 형성부와,
    상기 착화펄스에 의해 플라즈마 착화한 후, 착화된 플라즈마를 유지하는 구동 전력을 공급하는 구동펄스를 형성하는 구동펄스 형성부를 구비하며,
    각 착화펄스는, 메인 펄스보다 작은 전력으로서 메인 펄스의 앞 단계에서 출력하는 임의의 개수의 프리 펄스와, 프리 펄스 후에 출력되는 최초의 메인 펄스를 가지고,
    상기 구동펄스 형성부는, 상기 착화펄스에 의해 플라즈마가 착화된 후, 착화된 플라즈마를 유지하는 구동 전력을 공급하는 것을 특징으로 하는 고주파 전원장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 착화펄스 형성부는,
    상기 착화펄스의 형성에서, 상기 프리 펄스의 출력 간격을 임의로 설정 가능한 것을 특징으로 하는 고주파 전원장치.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 착화펄스 형성부는,
    상기 프리 펄스의 펄스 출력의 전력에서, 상기 프리 펄스의 펄스 출력에 의해 발생하는 반사전력의 평균반사전력을 고주파 전원을 구성하는 전력소자의 허용손실 이하 또는 미만으로 하는 것을 특징으로 하는 고주파 전원장치.
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