KR101752956B1 - 가변 주파수 모드에서의 동작 및/또는 펄스 모드에서의 동작 동안 파워 발생기의 파워를 측정하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

파워 발생기가 펄스 모드에서 동작할 때, 파워 발생기가 가변 주파수 모드에서 동작할 때, 파워 발생기가 펄스 모드 및 가변 주파수 모드에서 동시에 동작할 때 플라즈마 처리 챔버에 인가되는 파워의 특성을 측정하기 위한 방법 및 장치들이 기재된다.

Description

가변 주파수 모드에서의 동작 및/또는 펄스 모드에서의 동작 동안 파워 발생기의 파워를 측정하기 위한 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR MEASURING THE POWER OF A POWER GENERATOR WHILE OPERATING IN VARIABLE FREQUENCY MODE AND/OR WHILE OPERATING IN PULSING MODE}
본 발명은 일반적으로 발전기에 관한 것이다. 특히, 예시적이지만, 본 발명은 플라즈마 처리 챔버에 인가되는 파워의 전기적 특성을 측정하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
반도체 또는 평판 표시장치의 제조와 같은 플라즈마 처리 응용 분야에 있어서, RF 파워 발생기는 플라즈마 챔버에 있어서의 부하에 전압을 인가할 수 있고 또한 넓은 주파수 범위에 걸쳐 동작할 수 있다. 플라즈마 처리 산업에 있어서의 경험에 따라, 처리 재료(예컨대, 웨이퍼)의 특성들(예컨대, 균일성, 막 두께, 및 오염 레벨들)에 대해 특정 플라즈마 파라미터들(예컨대, 이온 밀도, 전자 밀도, 및 에너지 분포)을 조합하는 것이 가능하게 되고 있다. 또한, 웨이퍼 특성을 전체적 질에 연결하는 대규모의 지식이 존재하고; 그에 따라 플라즈마 파라미터들을 전체 처리의 질에 조합하는 플라즈마 처리 산업에 있어서의 경험이 존재한다.
그러나, (예컨대, 플라즈마 환경의 직접 측정에 의해) 플라즈마 파라미터들에 관한 정보를 얻는 것은 어렵고 또한 성가시다. 반대로, 대량의 이와 같은 정보를 얻기 위해 플라즈마 처리 챔버에 인가되는 파워(특히 RF 파워)의 전기적 특성들(예컨대, 전압, 전류, 위상, 임피던스, 전력, 반사 전력, 등)을 인식하는 것은 비교적 저렴한 방법이다. 전기적 특성을 식별하기 위한 종래 기술들은 매우 느리거나, 또는 매우 부정확해서, 전기적 특성과 플라즈마 파라미터들 사이의 공지되고 반복가능한 조합을 설정하기 위한 충분한 양의 정보를 제공하지 못한다.
전력의 전송을 최대화하기 위해 소스와 부하의 임피던스를 매칭하기 위해 매칭 네트워크들이 일반적으로 사용된다. 다른 것들 중에서도, 파워 발생기가 RF 파워 응용을 위해 사용자에 상기 기능을 제공한다. 이와 같은 동작에 있어서, 반사 파워가 최소화될 수 있도록 매칭 회로를 조정하면서 파워 발생 시스템이 RF 임피던스의 주기적 측정을 행한다.
어떤 발전 시스템들은 매칭 네트워크에서의 파워 및 임피던스를 측정하기 위한 임피던스 프로브를 포함한다. 이와 같은 응용에 있어서, 이들 측정은 연속적 방식으로 행해지며, 이는 파워가 펄스동작 동작 모드에서 방출될 때, 측정들이 펄스 오프 기간동안 수집되는 것을 의미하고, 이는 부정확한 기록을 야기시켜 정합 튜닝 알고리즘의 부정확한 제어를 초래한다. 이들 측정은, 특정 응용에 기초하여 프로그램된 고정 동작 주파수에 대해서도 행해진다.
RF 파워 발생기의 사용자들은 증가하는 추세로 그들의 프로세스에 있어서 펄스동작 RF 에너지를 채용하고 있다. 또한, "주파수 스위핑(frequency sweeping)"으로도 불리는, 파워 발생기의 주파수가 변하는 모드에서의 동작은 (주파수 동조에만 의존하는 고정 매칭 응용들과 사용되는) 매크로(macro) 임피던스 조정은 물론 마이크로 임피던스 조정(자계 외란과 같은 영향으로 인해 고속의, 주기적 임피던스 변화 동안 매칭을 제공하도록 주파수 동조를 사용하는 전통적인 오토 매칭 응용) 모두에 대해 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 주파수 스위핑은 플라즈마의 안정성에 영향을 미치도록 사용될 수도 있다.
이들 많은 응용분야에 있어서, 매칭 네트워크에 대한 파워 발생기의 펄스 온/오프 상태와 동작 주파수를 통신하기 위해 파워 발생기와 매칭 네트워크 사이에 링크를 갖는 것은 실용적이 아니거나 바람직하지 않다. 이와 같은 통신 링크들에 대해 요구되는 배선은 바람직하지도 않고 표준화되지도 않으며, 어떤 제조 환경에서는 달성이 불가능하다, 더욱이, 이와 같은 통신 방법은 매칭 네트워크에 대한 정보를 시간에 맞추어 정확하게 발하는 능력에 영향을 주는 고유 지연을 갖는다. 따라서, 파워 측정 기술을 개선할 필요가 있다.
도면에 도시된 본 발명의 예시적 실시예들은 다음과 같이 요약된다. 이들 및 다른 실시예들은 상세한 설명란에서 보다 완전히 기술된다. 그러나, 본 발명이 발명의 개요 또는 상세한 설명란에 기술된 형태로 제한된다는 뜻은 아님을 이해하여야 할 것이다. 당업자라면 본 청구범위에 나타낸 발명의 정신 및 범주 안에 있는 많은 변형, 균등 및 대체 구성을 인식할 수 있을 것이다.
본 발명은 매칭 네트워크가, (1) 파워 발생기의 펄스 상태가 온(on)인지 또는 오프(off)인지, (2) 파워 발생기의 동작 주파수, 및 (3) 동시에, 파워 발생기의 동작 주파수 및 파워 발생기의 펄스 상태가 온인지 또는 오프인지를 검출할 수 있도록 하는 신규한 방법 및 장치를 기술한다.
전술한 바와 같이, 상기 실시예 및 구체예들은 단지 예시적 목적을 위한 것이다. 수많은 다른 실시예, 구체예, 설명된 기술된 상세 내용은 이하의 상세한 설명, 참고 도면 및 특허청구범위로부터 당업자에게 용이하게 인식될 것이다.
본 발명의 각종 목적과 이점 및 보다 완전한 이해를 위해 첨부 도면을 참조하여 발명의 상세한 설명 및 특허청구범위와 관련하여 이하에 상세히 설명한다.
도1은 본 발명의 몇몇 실시예가 구현되는 플라즈마 처리 환경을 도시한 블록도이다.
도2A는 펄스 모드에서 동작할 때 파워 발생기에 의해 발생되는 신호를 도시한 블록도이다.
도2B는 도2A에 도시된 펄스 모드에서 동작할 때 파워 발생기에 의해 발생되는 신호의 진폭 또는 파워를 도시한 블록도이다.
도3은 플라즈마 부하에 인가되는 펄스 파워 신호의 상태(펄스-온 또는 펄스-오프)를 결정하기 위한 예시적 방법을 도시한 흐름도이다.
도4는 도1을 참조하여 기술된 센서들의 처리부의 예시적 실시예를 도시한 블록도이다.
도5는 플라즈마 부하에 인가되는 파워를 모니터하기 위한 예시적 방법을 도시한 흐름도이다.
도6은 도4에 도시된 변환부의 예시적 실시예를 도시한 블록도이다.
도7은 샘플링된 RF 데이터의 변환을 행하기 위한 예시적 방법을 도시한 흐름도이다.
도8은 파워 발생기가 동작하는 주파수를 결정하는 본 발명의 일부분의 예시적 실시예들을 도시한 블록도이다.
도9는 파워 발생기가 동작하는 주파수를 결정하기 위한 예시적 방법을 도시한 흐름도이다.
도10은, (1) 파워 발생기가 신호를 방출하고 있는지 아닌지의 여부 및 (2) 파워 발생기가 동작하는 주파수를 결정하는 본 발명의 일부분의 예시적 실시예들을 도시한 블록도이다.
도11은, (1) 파워 발생기가 신호를 방출하고 있는지 아닌지의 여부 및 (2) 파워 발생기가 동작하는 주파수를 결정하기 위한 예시적 방법을 도시한 흐름도이다.
도면에 있어서 유사한 부재에 대해서는 몇몇의 도면에 걸쳐 동일한 부호로 표시했으며, 특히, 도1을 참조하면, 본 발명의 몇몇 실시예가 구현되는 플라즈마 처리 환경(또는 시스템)(100)을 도시한 블록도가 제시된다. 도시된 바와 같이, 파워 발생기(102)는 임피던스 매칭 네트워크(106)를 통해 플라즈마 챔버(104)에 결합된다. 상기 시스템(100)의 어떤 변형예에 있어서, 하나 이상의 파워 발생기(102)로 될 수 있음을 유의해야 한다. 부가적으로, 파워 발생기(102)는, 무선 주파수(RF) 파워를 방출하도록 구성되는 형태로 될 수 있다. 상기 시스템(100)의 분석부(108)는 파워 발생기(102)의 출력에 결합되는 제1 센서(110)로부터의 입력을 수신하도록 배치된다. 상기 분석부(108)는 또한, 플라즈마 챔버(104)의 입력에 결합되는 제2 센서(112)로부터의 입력을 수신하도록 배치된다. 도시된 바와 같이, 상기 분석부(108)는 또한, 맨-머신 인터페이스(114)에 결합되며, 상기 맨-머신 인터페이스(114)는 키보드, 디스플레이 및 포인팅 디바이스(예컨대, 마우스)를 포함할 수 있다.
이들 구성요소들의 도시된 구성은 기능적으로 실제 하드웨어 도면을 의미하지는 않는다: 이에 따라, 이들 구성요소들은 실제 구현에 있어서는 결합되거나 또는 더 분리될 수 있다. 예컨대, 센서들(110, 112)의 하나 또는 모두의 기능은 매칭 네트워크(106) 내에 구현될 수도 있고 또는 분석부(108)의 구성요소들과 함께 구성될 수도 있다. 또는, 제1 센서(110)는 파워 발생기(102)의 하우징 내에 전체적으로 내장될 수도 있다. 당업자는, 도1에 도시된 기능들의 할당을 위해 수많은 다른 가능성이 존재함을 용이하게 이해할 것이다. 더욱이, 도1에 포함된 구성요소들은 예시적 구현을 나타내며, 다른 실시예들에 있어서, 후술되는 바와 같이, 어떤 구성요소들의 제거 및/또는 다른 구성요소들이 시스템(100)에 부가될 수도 있음을 유의해야 한다.
파워 발생기(102)는 일반적으로 플라즈마 처리를 위해 챔버(104)의 플라즈마를 점화 또는 유지하도록 제공된다. 통상적으로, 이와 같은 파워는 RF 파워이다. 비록 반드시 필요하지는 않지만, 많은 실시예에 있어서, 파워 발생기(102)는 하나 이상의 파워 발생기(102)의 집합에 의해 실현되고, 파워 발생기들(102)의 각각은 상이한 주파수로 파워를 제공한다. 비록 반드시 필요하지는 않지만, 파워 발생기(102)는 미국 콜로라도 포트콜린스에 소재한 어드밴스드 에너지 인코포레이티드로부터 구입가능한 하나 이상의 RF 파워 발생기에 의해 실현될 수 있다.
이 실시예에서의 매칭 네트워크(106)는 일반적으로 챔버 임피던스를 변환하도록 구성되며, 상기 챔버 임피던스는 파워 발생기(102)의 이상적 부하에 대해, 상기 인가된 전압의 주파수, 챔버 압력, 기체 조성 및 타겟 또는 기판 재료에 따라 가변될 수 있다. 당업자는 이 목적을 위해 다양한 다른 매칭 네트워크가 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 상기 매칭 네트워크(106)는 미국 콜로라도 포트콜린스에 소재한 어드밴스드 에너지 인코포레이티드로부터 구입가능한 NAVIGATOR 모델 디지털 임피던스 매칭 네트워크에 의해 실현될 수 있으나, 다른 임피던스 매칭 네트워크가 채용될 수도 있다.
이 실시예에서의 제1 센서(110)는 일반적으로, 파워 발생기(102)가 소망 레벨의 출력 파워(예컨대, 일정한 출력 파워)를 유지할 수 있도록 파워 발생기(102)에 피드백을 제공하도록 구성된다. 예컨대, 1 실시예에서, 제1 센서(110)는, 발생기에 의해 인가되는 전기적 특성들(예컨대, 반사 전력, 반사 계수, 등)의 파라미터를 측정하고 그 측정된 파라미터와 소정의 설정 포인트 사이의 차에 기초하여 파워 발생기(102)에 피드백을 제공한다.
도1에 도시된 실시예에서의 제2 센서(112)는 일반적으로 플라즈마 챔버(104)에 플라즈마의 특성을 제공하도록 구성된다. 예컨대, 제2 센서(112)에 의해 행해지는 측정들은, 이온 에너지 분포, 전자 밀도, 에너지 분포, 이와 같은 파라미터들 또는 다른 파라미터들의 조합을 추정하기 사용될 수 있으며, 이들 파라미터는 플라즈마의 안정성 및 플라즈마 챔버(104)에 있어서의 처리 결과들에 영향을 미치거나 지시한다.
다른 예에 따른 많은 실시예들에 있어서, 플라즈마 챔버(104)에 대해 입력(111)에서 측정된 전기적 특성들(예컨대, 전압, 전류, 임피던스, 위상)은 조합된 플라즈마 파라미터들의 값들을 예측하기 위해 사용될 수 있고, 그 측정된 전기적 특성들은 말단 포인트의 검출을 위해 사용될 수 있다. 예컨대, 제2 센서(112)로부터의 측정들은 공지의 정보(예컨대, 특정 전압으로부터의 편차가 하나 이상의 플라즈마 파라미터(들)에 어떻게 영향을 미치는지 또는 영향을 미치지 않는지를 나타내는 정보)와 관련하여 사용될 수 있다. 비록 도1에는 도시되지 않으나, 센서들(11, 112)은 하나 이상의 트랜스듀서, 전자장치 및 처리 로직(예컨대, 소프트웨어, 하드웨어, 펌웨어 또는 이들의 조합에 내장된 명령들)을 포함할 수 있다.
분석부(108)는 일반적으로, 센서들(11, 112)로부터 정보(예컨대, 전기적 특성들의 파라미터들에 관한 정보)를 수신하고, 적용가능한 경우 그 정보를 처리하고, 맨-머신 인터페이스(114)를 통해 사용자에 그 정보를 전달하도록 구성된다. 상기 분석부(108)는 소프트웨어, 또는 전용의 하드웨어 및/또는 펌웨어와 관련하여 범용 컴퓨터에 의해 실현될 수 있다.
비록 도1에는 특정 구조 및 동작의 상세 내용이 도시되지 않으나, 이와 같은 구성 및 상세 내용은 단지 예시적인 것으로 그 변화 및 변경은 본 발명의 정신 및 범위로부터 벗어남이 없이 당업자에 의해 용이하게 행해질 수 있음이 이해될 것이다.
상기 방법들 및 장치들은, 매칭 네트워크(106)가 더욱 정확히 조정들을 결정할 수 있도록 매칭 네트워크(106)에 정보를 제공하여 시스템(100)의 허용가능한 성능을 달성하도록 한다. 상기 기술은 (예컨대, 제1 센서 110에 있어서의) 매칭 네트워크(106)의 입력 측, (예컨대, 제2 센서 112에 있어서의) 매칭 네트워크(106)의 출력 측 또는 시스템(100)(예컨대, 본 발명에 기술된 기능은 시스템 100 주위에 분포된 구성요소들로 실현될 수 있다)의 다른 부분에서 동작할 수 있다.
본 발명에 기재된 기술의 실시예들은, 펄스(pulsing) 동작 모드, 가변 주파수 동작 모드, 및 펄스 및 가변 주파수 모드들이 동시에 동작하는 동작 모드를 포함하는 각종 동작 모드들로 동작할 수 있다.
본 발명의 제1 부분은, 파워 발생기(102)가 플라즈마 챔버(104)로 파워 신호를 방출하고 있는지의 여부를, 연속적으로, 자동적으로 또는 자체적으로 결정하기 위한 방법에 관한 것이다.
도2A를 참조하면, 파워 발생기(102)에 의해 발생되는 펄스 신호(pulsing signal)(200) 및 그 신호의 전압 또는 전력의 예시적 일례를 도시한다. 일반적으로, 항상 그렇지는 않지만, 파워 발생기(102)에 의해 발생되는 파워 신호는 펄스 신호(200)의 부분들(204 및 208)로 도시된 바와 같이 사인파 신호이고, 파워 발생기(102)의 펄스 온 상태에 대응한다. 초기에, 파워 발생기(102)는 아이들 상태(부분 202에 대응)에 있고, 이는 파워 발생기(102)가 신호를 발생하고 있지 않음을 나타낸다. 파워 발생기(102)가 펄스 모드에서 동작하도록 구성될 때, 파워 발생기(102)는, 제1 시간 주기 동안 플라즈마 챔버(104)에 파워 신호(204)를 방출한다. 다음, 펄스 신호(200)의 부분(206)에 대응하는 시간 주기 동안 플라즈마 챔버(104)에 대한 파워 신호(204)의 방출을 중지한다. 다음, 파워 발생기(102)는, 펄스 신호(200)의 부분(208)에 대응하는 다른 시간 주기 동안 플라즈마 챔버에 파워 신호의 방출을 재개한다. 펄스 모드에서 동작할 때, 시스템(100)은 이 상태로 동작을 계속한다. 따라서, 파워 발생기(102)가 펄스 모드로 동작할 때, 파워 발생기(102)에 의해 방출되는 파워 신호(200)의 진폭(amplitude:크기)은 (펄스-온 상태 204, 208에 대응하는) 하이(high)와 다음의 (펄스-오프 상태 202, 206, 210에 대응하는) 로우(low) 사이에서 교번한다.
종종, 항상 그렇지는 않지만, 펄스-온 상태(204, 208) 및 펄스-오프 상태 (202, 206, 210) 동안의 시간 주기들은 일정하다. 그러나, 펄스-온(204, 208) 및 펄스-오프(202, 206, 210)의 지속 기간들은 플라즈마로부터 소망 결과를 얻기 위해, 시간에 따라 또한 서로에 대해 변할 수 있다. 따라서, 파워 발생기(102)가 펄스 모드에서 동작할 때, 파워 발생기(102)의 상태(예컨대, 펄스-온 상태 204, 208 또는 펄스-오프 202, 206, 210 상태)를 연속적으로 모니터할 필요가 있다.
파워 발생기(102)가 펄스-온(204, 208) 또는 펄스-오프(202, 206, 210) 상태에 있는지를 검출하기 위한 상기 방법 및 장치들은, 파워 발생기(102)에 의해 발생되는 펄스 신호(200)의 진폭 또는 파워의 측정들(연속 또는 실질적으로 연속 측정들)을 행하는 것을 포함한다.
도2B를 참조하면, 펄스 신호(200)의 측정된 진폭 또는 파워를 반영한 신호(201)를 도시한다. 많은 구체예들에 있어서, 펄스 신호(200)의 진폭 또는 파워의 연속적 측정들은 하나 이상의 기술들(상세히 후술되는 것들 중 하나)에 따라 행해질 수 있다. 1 실시예에서, 펄스 신호(200)의 진폭 또는 파워는 적절한 샘플링 레이트로 디지털로 샘플링된다. 다른 실시예에서, 펄스 신호(200)의 진폭 또는 파워는, 파워 발생기(102)에 의해 발생되는 펄스 신호(200)의 진폭 또는 파워의 연속 측정들을 행하도록 아날로그 회로로 측정된다.
보다 구체적으로, 파워 발생기(102)에 의해 파워가 발생되지 않는 경우, 측정된 신호(201)의 부분(212)은 펄스 신호(200)의 부분(202)에 대응한다. 이와 유사하게, 측정된 신호(201)의 부분들(214, 216, 218 및 220)은 각각, 펄스 신호(200)의 부분들(204, 206, 208 및 210)에 대응한다.
도2A 및 2B를 참조시, 유사한 참조 부호를 도3에 대해 도시하며, 도3은, 파워 발생기(102)가 펄스-온 상태(204, 208)에 있는지 또는 파워 발생기(102)가 펄스-오프 상태(206, 210)에 있는지를 결정하기 위한 예시적 방법을 도시한 흐름도이다. 그러나, 도3에 도시된 방법은 도시된 특정 실시예에 한정되지 않음을 인식해야 한다.
도3에 도시된 바와 같이, 블록 300 및 302에서, 파워 발생기(102)에 의해 발생되는 파워 신호(200)는 파워 신호(200)의 진폭 또는 파워를 얻기 위해 (예컨대, 하나 또는 두 개의 센서 110, 112에 의해) 측정된다.
블록 304에서, 파워 발생기(102)가 플라즈마 챔버(104)에 파워 신호를 현재 방출하고 있는지 또는 아닌지를 결정하기 위해 소정 임계치(222)가 사용된다. 1 실시예에서, 상기 임계치(222)는 프로그램 가능하다. 이와 같은 결정을 행하기 위해 측정된 신호(201)가 소정 임계치(222) 위에 있는지 또는 아래에 있는지에 대해 하나의 평가가 이루어진다. 측정된 신호(201)가 소정 임계치(222)보다 큰 경우, (시스템 100에 있어서 노이즈 또는 지연과 같은 혼입 요인들을 배제하고) 파워 발생기(102)는 펄스-온 상태(204, 208)에 있게 되고; 측정된 신호(201)가 소정 임계치(222)보다 작은 경우, (다시, 시스템 100에 있어서 노이지 또는 지연과 같은 혼입 요인들을 배제하고) 파워 발생기(102)는 펄스-오프 상태(202, 206, 210)에 있게 된다.
상기 기재된 기술은 또한, 펄스 신호(200)가 펄스-온 상태(204, 208)와 펄스-오프 상태(202, 206, 210) 사이에 천이할 때 지연 및 신호 노이즈를 고려한다. 특히, 임계치(222)보다 큰 소정의 (또한 프로그램 가능한) 다수의 연속적 측정들이 (예컨대, 분석부 108에 있어서의 처리 구성요소들에 의해) 발견될 수 있다. 상기 방법(300)은 특정 상태의 종료시에 하나 이상의 측정들을 무시하기 위한 선택에 특징이 있고, 상태들 간의 천이 동안 발생되는 노이즈로 인해, 또한 한 상태로부터 다른 상태로의 천이에 대한 측정의 불확실성으로 인해, 이와 같은 측정들이 잘못된 판독으로 될 수 있는 것을 인식한다(블록 306).
특히, 펄스-온 상태(204, 208)의 끝에서, 실제로 파워 발생기(102)가 플라즈마 챔버(104)에 대한 파워 방출을 이미 중지했을 때, 노이즈가 발생될 가능성이 있으며 이는 오 판독의 야기 가능성을 높인다. 또한, 펄스-온 상태(204, 208)로부터 펄스-오프 상태(202, 206, 210)로 펄스의 하강 시간 동안 부분적 측정이 기록될 위험이 있다. 따라서, 상기 방법은 소정 임계치(222) 위에 있는 (프로그램 가능할 수 있는) 어떤 수의 연속적 샘플들을 찾은 다음, 천이 점들에서 발생하는 노이즈로 인해 또는 이와 같은 천이 점들에서 발생할 수 있는 측정 에러들로 인해, 잠재적인 높은 잘못된 측정을 고려하기 위해 (다시, 프로그램 가능할 수 있는) 어떤 다수의 가장 최신의 측정들을 무시한다(블록 306).
측정들에 있어서의 노이즈 및 지연을 고려하기 위한 상기 수단의 하나의 예시적 예는 다음과 같이 구현된다: 측정들은 m(n), m(n+1), m(n+2) 등으로 표시된다. 지연 측정들 역시 저장되며, 이들은 m(n-1), m(n-2) 등으로 표시된다. 각각의 시간간격에 대해, m(n-D2)부터 m(n+D1)까지의 모든 샘플들이 소정 임계치(222) 위에 있는 경우 측정 m(n)은 유효인 것으로 고려된다. m(n+D1) 샘플이 수취될 때까지 m(n)에 대한 결정은 행해질 수 없으며 이는 D1 지연 측정 및 D1+D2 임계치 지시들이 저장된 것을 의미한다. 이 알고리즘으로부터의 결과는 측정들이 다음의 세 조건들을 만족할 경우에만 유효하다: (1) 측정이 소정 임계치 위에 있고; (2) 측정 후의 D1 샘플들이 임계치 위에 있고; (3) 측정 전의 D2 샘플들이 임계치 위에 있다. 각 측정 전 및 후에 샘플들을 체크함으로써, 펄스-온 상태(204, 208)와 펄스-오프 상태(206, 210) 사이의 천이에 가깝게 행해진 측정들은 임계치 검출의 정확도를 향상시키기 위해 무시될 수 있다(블록 306, 308, 310, 312, 314 및 316).
전술한 임계치 검출에 있어서의 개선에 더해, 측정의 정확도를 향상시키기 위해 천이 상태들 부근의 샘플들을 무시하는 것이 바람직하다. 측정 정확도의 향상의 관점에서, M(i)로 표시되는 개별 측정들의 그룹들로서의 샘플들을 거론하는 것이 가장 적절하며, 이때 M(i)는 측정 결과를 계산하기 위해 사용되는 개별 샘플들 m(1) ... m(n)의 집합을 나타낸다. 펄스-온 또는 펄스-오프 상태 부근에, 측정된 신호들 m(n)의 진폭의 변화량은 그룹 M(i)의 부정확을 야기할 수 있다. 이들 진폭 변화량은 플라즈마 부하 또는 램프(ramp)의 동역학 및/또는 파워 발생기의 감쇠율의 결과로 될 수 있다. (예컨대, 소정 임계치에 대한 측정들의 비교에 의해) 펄스-온 상태의 검출 후 무시된 샘플들의 그룹들의 수는 E1으로 표시되고 펄스-오프 상태의 검출에 앞서 무시된 샘플들의 그룹들의 수는 E2로 표시된다. 1 실시예에서, E1 및 E2는 측정될 신호의 동역학의 이전 지식에 기초하여 프로그램될 수 있다. 이 예에서, 샘플들의 그룹들은, 이들이 M(ON+E1)과 M(OFF-E2) 사이에 들어갈 경우 유효인 것으로 고려되며, 이때 M(ON)은 펄스-온의 검출 후 샘플들의 제1 유효 그룹을 나타내고 M(OFF)는 펄스-오프의 검출에 앞서 샘플들의 마지막 유효 그룹을 나타낸다. 다른 실시예에서, E1 및 E2는 변화량(V1, V2, ...)을 계산하고 펄스-오프(예컨대, 소정 임계치 아래에 있는 측정)에 있거나 또는 높은 변화량(예컨대, 소정 임계치 위의 Vn)을 갖는 측정 그룹들을 무시함으로써 동적으로 결정될 수 있다. 상기 변화량을 계산하기 위한 방법으로 다양한 알고리즘을 사용할 수 있으며, 하나의 가능한 방법으로 표준 편차가 있다.
나머지(무시되지 않은) 측정들은 시스템(100) 내의 파워 발생기(102)의 현재 동작 상태의 매칭 네트워크(106)를 통지하기 위해 사용되는 것들이다. 파워 발생기(102)가 펄스-온 상태(204, 208)에 있는지 또는 펄스-오프 상태(202, 206, 210)에 있는지를 아는 것에 의해, 반사 파워를 최소화하고 그에 의해 파워 전송을 최대화하기 위해, 매칭 네트워크(106)는 플라즈마 챔버(104)의 부하의 임피던스를 파워 발생기(102)와 정확히 매칭하도록 그의 회로를 조정할 수 있다.
1 실시예에 있어서, 연속 파워 측정들을 행하기 위한 방법은, 2009년 7월 2일자로 브룩크 등에 의해 출원된 미국 특허출원 공개 번호 2009/0167290(발명의 명칭: System, Method, and Apparatus for Monitoring Characteristics of RF Power)에 기재된 기술을 사용하며, 상기 기술은 본 명세서에 참고로 채용되어 있다. 이들 측정은 주파수 선택적이며, 이들은 최단 허용 펄스 온 타임 동안 다중 측정들을 가능케 하는 비율로 실 시간으로 야기된다.
도4를 참조하면, 처리부(400)의 예시적 실시예가 도시되어 있고, 이는 도1을 참조하여 기술된 센서부(110, 112) 및/또는 분석부(108)의 일부로서 구현될 수 있다. 도시된 바와 같이, 이 실시예의 처리부(400)는 제1 처리 체인(402) 및 제2 처리 체인(404)을 포함하며, 처리 체인(402, 404)의 각각은 아날로그 프론트 엔드(406), 아날로그 대 디지털(A/D) 컨버터(408), 변환부(410), 및 정정부(412)를 포함한다.
도4에 도시된 구성요소들은 논리적으로 실제 하드웨어 도면을 의미하지는 않는다; 이에 따라, 구성요소들은 실제 구현에 있어서는 결합되거나 더 분리될 수 있다. 예컨대, A/D 컨버터(408)는 두 개의 별도의 A/D 컨버터들(예컨대, 14비트 컨버터들)에 의해 실현될 수 있고, 변환부(410)는 하드웨어, 펌웨어 및/또는 소프트웨어 구성요소들의 집합에 의해 실현될 수 있다. 예컨대, 하나의 특정 실시예에서, 변환부(410) 및 정정부(412)는 필드 프로그램가능 게이트 어레이(FPGA)에 의해 실현된다.
도4에 도시된 예시적 실시예에서, 제1 및 제2 처리 체인(402, 404)은 (예컨대, 순방향 및 반사파 센서로 지칭될 수도 있는 방향성 커플러로부터) 각각의 순방향 전압 및 역방향 전압 아날로그 RF 신호들을 수신하도록 구성된다. 다른 실시예에서, 상기 제1 및 제2 처리 체인(402, 404)은 전압 및 전류 아날로그 RF 신호들을 수신할 수 있다. 설명의 편의를 위해, 처리부(400)의 동작은 단일의 처리 체인을 참조하여 기술되나, 이는 하나 이상의 처리 체인들에 있어서의 대응하는 기능들이 실행되는 것을 인식하여야 한다.
도4를 참조하면서, 유사한 참조 부호를 도5에 대해 도시하며, 도5는 플라즈마 부하에 인가되는 파워의 전기적 특성들을 모니터하기 위한 예시적 방법을 도시한 흐름도이다. 그러나, 도5에 도시된 방법은 도4에 도시된 특정 방법에 한정되지 않음을 인식해야 한다. 도5에 도시된 바와 같이, 파워 발생기(예컨대, 파워 발생기 102)에 의해 발생되는 파워는 샘플링되어, 주파수 범위 내에 들어가는 복수의 특정 주파수들로 전기적 특성들을 나타내는 정보를 포함하는 신호들을 얻는다(블록 502, 504).
예컨대, 주파수 범위는 400 kHz 내지 60 MHz의 주파수 범위를 포함할 수 있으나, 이 범위는, 예컨대, 시스템(100)에 파워를 제공하는 파워 발생기(들)(102)의 주파수에 따라 임의로 가변될 수 있다. 복수의 특정 주파수는 특정한 관심 주파수로 될 수 있으며, 이들 주파수는 다시 설명되는 바와 같이, 처리 챔버(예컨대, 처리 챔버 104)에 인가되는 파워의 주파수에 따라 가변될 수도 있다. 예컨대, 특정 주파수는, 각 주파수들의 기본 주파수; 제2 및 제3 고조파; 및 이와 같은 주파수들의 상호변조 곱들로 될 수 있다.
도4를 참조하여 기술된 바와 같이, 제1 처리 체인(402)의 아날로그 프론트 엔드(406)는 트랜스듀서(도시되지 않음)로부터 순방향 전압 아날로그 RF 신호를 수신하고 디지털 변환을 위해 아날로그 RF 신호를 준비하도록 구성된다. 예컨대, 아날로그 프론트 엔드(406)는 전압 분배기 또는 프리 필터를 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 일단 아날로그 RF 신호가 아날로그 프론트 엔드(406)에 의해 처리되면, 이는 A/D 컨버터(408)에 의해 디지털화되어, 복수의 특정 주파수로 전기적 특성들을 나타내는 정보를 포함하는 디지털 RF 신호들의 스트림을 생성한다(블록 506). 예컨대, 어떤 실시예에서, 6천4백만개 샘플들이 14비트 정확도로 초당 아날로그 RF 신호를 실행한다.
도시된 바와 같이, 일단 샘플링된 RF 신호들이 디지털화되면, (디지털 형태로) 전기적 특성들을 나타내는 정보가, 복수의 특정 주파수들의 각각에 대해, 시간 영역으로부터 주파수 영역으로 연속적으로 변환된다(블록 508). 1 실시예로서, 도4에 도시된 변환부(410)는 디지털 RF 신호들의 스트림들(414, 416)을 수신하고 디지털 스트림들(414, 416)의 각각에 있어서의 정보를 시간 영역으로부터 주파수 영역으로 연속적으로 변환하고, 순방향 전압 스트림 및 반사 전압 스트림 모두에 대해 동상과 직각 위상 정보를 모두 제공한다.
비록 반드시 필요한 것은 아니지만, 어떤 실시예의 변환부(410)는 필드 프로그램가능 게이트 어레이(FPGA)에 의해 실현되며, 이는, 시간에 있어서의 제1 순간에서, 한 주파수로 푸리에 변환(예컨대, 단일 주파수 푸리에 계수 계산)을 행하도록 프로그램된 다음, 시간에 있어서의 후의 순간에서, 다른 주파수로 푸리에 변환을 행하여 푸리에 변환들이 한번에 한 주파수로 연속적으로 행해지게 된다. 바람직하게는, 이 접근법은 종래 해법에 있어서와 같이 전체 주파수 범위(예컨대, 400 kHz 내지 60 MHz)에 걸쳐 푸리에 변환을 행하도록 하는 것보다 더 빠르고 더 정확하다.
도4에 도시된 실시예에 있어서, 디지털 RF 신호들의 연속 변환이 행해지는 특정 주파수들(f1 -N)이, 변환부(410)에 의해 접근가능한 테이블(418)에 저장된다. 이 실시예의 변형예에서, 사용자는 (예컨대, 맨-머신 인터페이스 114 또는 다른 입력 수단을 사용하여) 특정 주파수들(f1 -N)을 입력할 수 있다. 입력된 상기 특정 주파수들(f1 -N)은 예컨대, 주파수들이 하나 이상의 플라즈마 파라미터들에 영향을 미치기 때문에 관심 주파수로 될 수 있다. 일례로서, (두 개의 파워 발생기들을 이용하여) 플라즈마 챔버(104)에 두 주파수들이 인가되면, 8개의 관심 주파수: 두 개의 기본 주파수; 주파수의 각각의 제2 및 제 3 고조파; 두 주파수들의 두 개의 상호변조 곱들이 있을 수 있다.
어떤 실시예에서, 푸리에 변환을 생성하기 위해 디지털 스트림(414, 416)의 각각의 256개 샘플들이 사용되며, 많은 실시예에서, 디지털 스트림(414, 416)의 데이터 레이트는 초당 64 메가비트이다. 그러나, 샘플들의 수는 (예컨대, 정확도를 향상시키기 위해) 증가될 수도 있고 또는 (예컨대, 스트림들에 있어서의 정보가 변환되는 속도를 향상시키기 위해) 감소될 수도 있는 것이 고려된다. 바람직하게는, 변환부(410)의 많은 구체예에 있어서, 디지털 스트림(414, 416)은, 특정 주파수들(예컨대, 주파수들 f1 -N)의 각각에서의 변환이 (예컨대, 마이크로 초마다) 빠르게 행해지도록 (예컨대, 데이터의 버퍼링이 없는) 연속 데이터 스트림들이다.
도4에 도시된 실시예에 도시된 바와 같이, 변환부(410)는 디지털 순방향 및 반사 전압 스트림(414, 416)의 각각에 대해 두 개의 출력((예컨대, 동상 정보(I) 및 직각위상 정보(Q))를 제공하며, 4개 값들의 각각은 정정부(412)에 의해 정정된다. 도4에 도시된 바와 같이, 어떤 실시예에서, 변환부(410)로부터의 변환 정보를 정정하기 위해 정정 매트릭스들(420)이 사용된다. 예컨대, 변환부(410)에 의해 제공되는 4개 값들의 각각은 메모리(예컨대, 비휘발성 메모리)에 저장되는 정정 매트릭스에 의해 곱해진다.
많은 실시예에서, 매트릭스들(420)은, 공지의 신호들이 측정되고 정정 팩터들이 생성되어 센서의 부정확을 정정하기 위한 교정 절차의 결과물이다. 1 실시예에서, 상기 메모리는 125 MHz의 각각에 대해 하나의 매트릭스를 포함하고, 매트릭스들의 각각은 2-바이-4 매트릭스이다. 다른 실시예에 있어서, 임피던스 및 파워의 각각에 대해 별도의 매트릭스가 사용되고; 그에 따라 어떤 실시예에서는 이백 오십(250)개의 2-바이-4 매트릭스들이 사용된다.
도시된 바와 같이, 정정부(412)에 의한 정정 후, 순방향 및 반사 전압을 나타내는 정정된 동상 및 직각위상을 나타내는 4개의 출력들이 출력으로서 제공된다.
어떤 실시예에서, 변환부(410)에 있어서의 푸리에 변환을 행하기 위해 (예컨대, 사인 및 코사인 함수들의) 룩업 테이블이 사용된다. 비록 이 방법을 사용하여 비교적 신속히 행하기 위해 푸리에 변환들이 사용될 수 있지만, 비교적 높은 정확도가 요망될 때 저장된 데이터의 양은 제어되기가 어렵게 될 수도 있다.
다른 실시예에서, 데이터의 변환과 관련하여 직접 디지털 합성(DDS)이 사용된다. 예컨대, 도6을 참조하면, 도4에 도시된 변환부(410)의 예시적 실시예를 도시한 블록도이다. 도6을 참조하면서, 유사한 참조 부호를 도7에 대해 도시하며, 도7은 샘플링된 RF 데이터의 변환을 행하기 위한 예시적 방법을 도시한 흐름도이다. 도시된 바와 같이, 도6에 도시된 예시적 실시예에 있어서, 도시된 바와 같이, 특정 주파수가 선택되고(예컨대, 도4를 참조하여 기술된 특정 주파수들 f1 -N의 하나)(블록 700, 702), 직접 디지털 합성부(602)는 상기 주파수에 대한 사인 함수를 합성한다(블록 704). 예컨대, 도6에 도시된 실시예에서, 사인 및 코사인 함수 모두 합성된다.
도시된 바와 같이, RF 파워 파라미터를 나타내는 샘플이 얻어진다(블록 706). 도6에 도시된 예시적 실시예에서, 순방향 및 반사 전압 모두의 디지털 샘플들(614, 616)이 얻어지나, 다른 실시예에서, 다른 파라미터들이 얻어진다(예컨대, 전압 및 전류). 도7에 도시된 바와 같이, 각각의 선택된 주파수에 대해, RF 데이터의 다수의 샘플들과 선택된 주파수에서의 사인 함수의 곱들이 생성된다(블록 708). 예컨대, 도6에 도시된 실시예에서, (예컨대, A/D 컨버터로부터 얻어진) 디지털 RF 샘플들(614, 616)에 대해 윈도우 함수(604)가 실행된 후, DDS(602)에 의해 생성된 사인 및 코사인 함수들이 단일 주파수 푸리에 계수 계산(SFFC)부(606)에서 곱셈기에 의해 각 샘플들로 곱해진다.
도시된 바와 같이, 사인 함수와 샘플들의 곱들은 (예컨대, SFFC 606에서의 누산기들에 의해) 필터링되고(블록 710), 일단 소망의 다수의 디지털 RF 샘플들이 이용되면(블록 712), 필터링된 곱들의 정규화 값이 제공된다(블록 715). 어떤 실시예에서, 64개 샘플들이 이용되고 다른 실시예에서는 256개 샘플들이 이용되지만, 이는 반드시 필요한 것은 아니며, 당업자는 샘플들의 수가 소망 대역폭 및 필터의 응답에 기초하여 선택될 수 있음을 이해할 것이다. 또 다른 실시예에서, 특정 주파수에서 파라미터(예컨대, 순방향 또는 반사 전압)의 값을 얻기 위해 다른 수의 디지털 RF 샘플들이 이용된다.
도7에 도시된 바와 같이, 각 특정 주파수(예컨대, 테이블 718에서 N개 주파수들의 각각)에 대해, 블록 702-714는, 샘플링된 RF 데이터의 변환들이 각 관심 주파수의 각각에 대해 연속적으로 행해지도록 실행된다. 1 실시예에서, DDS부(602), 윈도우부(604) 및 SFFCC부(606)는 FPGA에 의해 실현된다. 그러나, 이는 반드시 필요한 것은 아니고, 다른 실시예에서, DDS부(602)는 예컨대, 전용 칩((또는, 예컨대, ASIC(application-specific integrated circuit))에 의해 실현되고, 윈도우부(604) 및 SFFCC부(606)는 (예컨대, FPGA 또는 ASIC에 의해) 별도로 구현된다.
본 발명의 제2 부분은, 파워 발생기(102)가 임의의 주어진 시간에서 동작하는 주파수를 (예컨대, 연속적으로, 자동으로, 또한 자체적으로) 결정하기 위한 방법에 관한 것이다.
다음, 도8을 참조하면, 파워 발생기(102)가 동작하는 주파수를 결정하도록 구현될 수 있는 처리부의 예시적 실시예들을 도시한다. 도8에 도시된 구성요소들은 논리적(예컨대, 기능적)으로 실제 하드웨어 도면을 의미하지는 않는다. 그 구성요소들은 실제 구현에 있어서는 조합, 할당 또는 더 분리될 수도 있다. 더욱이, 도8에 도시된 기능은 (예컨대, ASIC 또는 FPGA에 있어서) 하드웨어로, (예컨대, 마이크로콘트롤러 또는 디지털 신호 처리기에서 동작하는) 펌웨어로, 또는 (예컨대, 도1에 도시된 바와 같이 분석부 108에서 동작하는) 소프트웨어로 구현될 수 있다.
도8을 참조하면서, 유사한 참조 부호를 도9에 대해 도시하며, 도9는 파워 발생기(102)가 임의의 주어진 시간에서 동작하는 주파수를 결정하기 위한 예시적 방법을 도시한 흐름도이다. 그러나, 도9에 도시된 방법은 도8에 도시된 특정 방법에 한정되지 않음을 인식해야 한다.
도8 및 도9에 도시된 바와 같이, 파워 발생기(102)에 의해 생성되는 파워 신호(종종 RF 파워 신호)는, 파워 발생기(102)의 동작 주파수를 나타내는 정보를 포함하는 파워 신호의 일련의 샘플들(802)을 얻기 위해 샘플링된다. 시스템(100)은, 시스템(100)에 사용되는 특정 애플리케이션 및 재료에 기초한 공지된 범위의 동작 주파수들을 갖기 때문에, 특정 모드의 동작에 관련된 공지의 소정의 최소 및 최대 주파수가 있다. 이 최소 및 최대 주파수들은 관심 주파수들의 범위를 규정한다. 알고리즘은 주파수들의 관련 범위를 취하고 그 범위를 검출의 목적을 위해 세그먼트들로 분할한다(블록 902).
다음, 버퍼(804)는 처리를 위한 준비로 샘플들(802)을 저장한다(블록 904). 버퍼(804)는, 데이터의 충분한 가용성의 상태(814)를 제공하고, 이산 푸리에 변환(DFT) 시퀀서로부터 제어 신호(812)를 수신하도록 구성되며, 상기 제어 신호 (812)는, 디지털 시퀀서(806)가 버퍼(804)에 새로운 데이터를 허용할 준비가 되어 있지 않은 경우를 지시한다.
DFT 시퀀서(806)는, 최고 레벨의 파워가 신호에 포함되어 있는 주파수를 결정하도록 샘플들(802)에 대한 변환들(DFT들)의 시퀀스를 행한다. 그 주파수는 파워 발생기(102)가 동작하고 있는 주파수인 것으로 고려된다(블록 906, 908). 1 실시예에서, 상기 변환들의 시퀀스는, 최소 인터벌과 최대 인터벌 사이의 균일한 인터벌로 주파수들을 검출하도록 선택될 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 시퀀스는, 거친 인터벌로 시작하고 최고 파워를 갖는 주파수 범위가 좁아짐에 따라 미세한 인터벌로 진행한다.
상기 DFT 시퀀서의 결과들은 변환들이 행해지는 주파수에 의존하기 때문에 실제 동작 주파수로 되지 않을 수 있다. 따라서, 결과상의 에러 및 노이즈의 충격을 감소시키기 위해 필터 부재(808)가 사용된다. 1 실시예에서, 필터 부재(808)는, 기재된 기술의 일부가 반복적으로 동작할 때 주파수에서 주파수로의 천이를 평활하게 하기 위해, 현재 동작 주파수와 검출된 동작 주파수 사이의 스텝의 일부를 취한다(블록 910). 다른 실시예에서, 필터(808)는 단순히 최고의 파워 부재들을 갖는 두 개의 인접한 샘플 포인트들에 대응하는 주파수들 간의 중간점을 취한다.
필터(808)는, 파워 발생기(102)의 실제 동작 주파수에 근접한 결과(810)를 방출하며, 또한 노이즈를 회피한다.
도시된 바와 같이, 필터링 결과(810)는 시스템(100)의 특성들을 정확히 결정하는데 일조하기 위해 매칭 네트워크(106)에 의해 사용되도록 매칭 네트워크(106)에 전달된다(블록 912). 특히, 상기 결과(810)는, 매칭 네트워크에 있어서의 전압, 전류 및 위상의 정확한 측정을 행하도록 사용되는데, 그 이유는 정확한 측정을 행하기 위해 파워 발생기(102)의 동작 주파수가 공지되어야 하기 때문이다.
일단 완료되면, 프로세스는 시스템을 갱신하도록 반복한다(블록 914). 바람직하게, 프로세스의 한 사이클을 완료하기 위한 시간이 특성 및 동작 주파수를 각각 변경하도록 플라즈마 챔버(104) 및 파워 발생기(102)에 걸리는 시간보다 실질적으로 빠르도록, 도9에 도시된 프로세스가 구현된다. 이와 같이, (예컨대, FPGA 또는 ASIC으로) 하드웨어로의 구현들은, 이와 같은 구현들이 다른 구현 수단보다 비교적 빠르기 때문에 바람직하다.
본 발명의 제3 부분은, 파워 발생기(102)가 펄스 모드에서 동작할 때 파워 발생기(102)가 동작하는 주파수를 (예컨대, 연속적으로, 자동으로, 또한 자체적으로) 결정하기 위한 방법에 관한 것이다.
다음, 도10을 참조하면, 파워 발생기(102)가 펄스 모드에서 동작할 때 파워 발생기(102)가 동작하는 주파수를 결정하도록 구현될 수 있는 처리부(1000)의 예시적 실시예들을 도시한다. 도10에 도시된 구성요소들은 논리적으로, 실제 하드웨어 도면을 의미하지는 않는다. 그 구성요소들은 실제 구현에 있어서는 조합, 할당 또는 더 분리될 수도 있다. 더욱이, 도10에 도시된 기능은 (예컨대, ASIC 또는 FPGA에 있어서) 하드웨어로, (예컨대, 마이크로콘트롤러 또는 디지털 신호 처리기의 내장 메모리로 동작하는) 펌웨어로, 또는 (예컨대, 도1에 도시된 바와 같이 분석부 108에서 동작하는) 소프트웨어로 구현될 수 있다.
도10을 참조하면서, 유사한 참조 부호를 도11에 대해 도시하며, 도11은 파워 발생기(102)가 또한 펄스 모드에서 동작할 때 파워 발생기(102)가 임의의 주어진 시간에서 동작하는 주파수를 결정하기 위한 예시적 방법을 도시한 흐름도(1100)이다. 그러나, 도11에 도시된 방법은 도10에 도시된 특정 실시예에 한정되지 않음을 인식해야 한다.
도10 및 도11에 도시된 바와 같이, 파워 발생기(102)에 의해 생성되는 파워 신호(종종 RF 파워 신호)는 파워 검출기(1014) 및 버퍼(1004)에 전송된다. 상기 파워 검출기(1014)는, 파워 신호가 플라즈마 챔버(104)에 파워를 전달하고 있는지 아닌지의 여부를 검출한다. 상기 파워 검출기(1014)는, ((파워 발생기(102)가 파워 신호를 플라즈마 챔버(104)에 전달하고 있는지 또는 파워 발생기(102)가 파워 신호를 플라즈마 챔버(104)에 전달하지 않는지를 결정하기 위한 방법에 관련된, 본 발명의 제1 부분에 관해)) 본 명세서에 기재된 바와 같이 구현될 수 있으며, 또는, 예컨대, 그의 입력에서 파워를 검출한 경우 제어 신호를 보내도록 구성되는 단순한 회로의 구현과 같은 기본 감지 능력을 포함하는 다른 수단을 통해 실현될 수도 있다. 파워의 검출 시, 파워 검출기(1014)는 그의 제어(또는 래치) 신호를 버퍼(1004)에 전송하여 버퍼(1004)가 데이터 저장을 개시(및 중지)해야 할 때를 지시하도록 한다.
다음, 파워 발생기(102)의 동작 주파수를 나타내는 정보를 포함하는 파워 신호의 한 세트의 샘플들을 얻기 위해, 파워 발생기(102)에 의해 발생되는 (주파수 및 RF 파워 정보를 포함하는) 파워 신호가 샘플링된다. 시스템(100)은 공지된 범위의 동작 주파수들을 가지며, 이는 시스템(100)에 사용되는 특정 애플리케이션 및 재료에 기초하며, 특정 모드의 동작에 관련된 공지의 소정의 최소 및 최대 주파수가 알려져 있다. 이 최소 및 최대 주파수들은 관심 주파수들의 범위를 규정한다. 많은 구체예들에 있어서, 주파수들의 관련 범위는 검출의 목적을 위해 세그먼트들로 분할된다(블록 1104).
다음, 버퍼(1004)는 처리를 위한 준비로 샘플들을 저장한다(블록 1106). 버퍼(1004)는, 파워 검출기(1014)로부터 제어 신호(1018)를 수신하도록 구성된다. 상기 파워 검출기(1014)는 데이터의 충분한 가용성의 상태(814)를 제공하고, 이산 푸리에 변환(DFT) 시퀀서(1006)로부터 제어 신호(1016)를 수신한다. 상기 제어 신호(1012)는, DFT 시퀀서(1006)가 버퍼(1004)로부터 다음 세트의 샘플들을 수신할 준비가 되어 있는 때를 지시한다.
DFT 시퀀서(1006)는, 최고 레벨의 파워가 신호에 포함되어 있는 주파수를 결정하도록 샘플들(1002)에 대한 변환들(DFT들)의 시퀀스를 행한다. 그 주파수는 파워 발생기(102)가 동작하고 있는 주파수인 것으로 고려된다(블록 1108, 1110). 1 실시예에서, 상기 변환들의 시퀀스는, 최소 인터벌과 최대 인터벌 사이의 균일한 인터벌로 주파수들을 검출하도록 선택될 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 시퀀스는, 거친 인터벌로 시작하고 최고 파워를 갖는 주파수 범위가 좁아짐에 따라 미세한 인터벌들로 진행한다.
상기 DFT 시퀀서(1006)로부터의 결과들은 변환들이 행해지는 주파수에 의존하기 때문에 실제 동작 주파수로 되지 않을 수 있다. 따라서, 결과상의 에러 및 노이즈의 충격을 감소시키기 위해 필터 부재(1008)가 사용된다. 1 실시예에서, 필터 부재(1008)는, 기재된 기술의 일부가 반복적으로 동작할 때 주파수에서 주파수로의 천이를 평활하게 하기 위해, 현재 동작 주파수와 검출된 동작 주파수 사이의 스텝의 일부를 취한다(블록 1112). 다른 실시예에서, 필터(1008)는 최고의 파워 부재들을 갖는 두 개의 인접한 샘플 포인트들에 대응하는 주파수들 간의 중간점을 간단히 취한다. 필터(1008)는, 파워 발생기(102)의 실제 동작 주파수에 근접한 결과(1010)를 발하며, 또한 노이즈를 회피한다(블록 1112).
끝으로, 필터링 결과(1010)는 플라즈마 처리 시스템(100)의 특성들을 정확히 결정하는데 일조하도록 매칭 네트워크(106)에 의해 사용되도록 매칭 네트워크(106)에 전달된다(블록 1114). 특히, 상기 결과(1010)는, 매칭 네트워크에 있어서의 전압, 전류 및 위상의 정확한 측정을 행하도록 사용되는데, 그 이유는 정확한 측정을 행하기 위해 파워 발생기(102)의 동작 주파수가 공지되어야 하기 때문이다.
일단 완료되면, 프로세스는 시스템을 갱신하도록 반복된다(블록 1116). 바람직하게, 프로세스의 한 사이클을 완료하기 위한 시간이, 특성 및 동작 주파수를 각각 변경하도록 플라즈마 챔버(104) 및 파워 발생기(102)에 걸리는 시간보다 실질적으로 빠르도록, 도11에 도시된 프로세스가 구현된다. 이와 같이, (예컨대, FPGA 또는 ASIC으로) 하드웨어의 구현들은, 이와 같은 구현들이 다른 구현 수단보다 비교적 빠르기 때문에 바람직하다.
결론적으로, 상기 기재된 발명은, 무엇보다도, 파워 발생기가 펄스 모드에서 동작할 때, 파워 발생기가 가변 주파수 모드에서 동작할 때, 및 파워 발생기가 펄스 모드 및 가변 주파수 모드에서 동시에 동작할 때, 플라즈마 처리 챔버에 인가되는 파워의 전기적 특성들을 측정하기 위한 방법 및 장치를 제공한다.
당업자는, 상기한 실시예들에 의해 달성된 동일한 결과들을 실질적으로 이루기 위해 그의 사용 및 그의 구성에 있어서 수많은 변형 및 대체물이 본 발명에서 이루어질 수 있음을 인식할 것이다. 따라서, 본 발명은 상기 실시예 형태들에 한정되지 않는다. 많은 변형예, 개조 및 대안적 구성이 첨부된 특허청구범위에 기재된 바와 같은 발명의 관점 및 정신 내에 들어가는 것이다.

Claims (18)

  1. 플라즈마 처리 챔버에 인가되는 파워의 특성을 측정하기 위한 시스템으로서,
    파워 신호를 발생하도록 구성되며, 펄스(pulsing) 모드에서 동작하도록 구성가능하고, 가변 주파수 모드에서 동작하도록 구성가능하고, 또한, 상기 펄스 모드와 가변 주파수 모드에서 동시에(concurrently) 동작하도록 구성가능한, 파워 발생기;
    상기 파워 발생기에 결합되는 플라즈마 처리 챔버;
    상기 파워 발생기에 결합됨과 아울러 상기 플라즈마 처리 챔버에 결합되는 매칭 네트워크로서, 상기 매칭 네트워크는 상기 파워 신호의 전기적 특성들의 변화에 응답하여 그의 임피던스를 조정하는, 상기 매칭 네트워크;
    센서를 포함하고 상기 매칭 네트워크 내에 위치하는 펄스 상태 검출기로서, 상기 파워 발생기에 의해 발생된 상기 파워 신호를 측정하고,
    상기 파워 신호의 진폭 또는 파워를 연속적으로 측정하고,
    상기 진폭 또는 상기 파워의 특정 측정값이 프로그램 가능한 소정 임계치 위에 있는지 또는 아래에 있는지를 결정하고,
    상기 특정 측정값의 전 및 후의 다른 측정값들이 상기 프로그램 가능한 소정 임계치 위에 있는지 또는 아래에 있는지를 결정하고,
    상기 특정 측정값 후의 상기 다른 측정값들 중 하나를 검출함에 있어서 지연을 고려하며, 그리고
    상기 특정 측정값 및 상기 다른 측정값들이 모두 상기 임계치 위에 있는지에 기초하여, 상기 파워 발생기로부터의 통신 배선 없이 펄스-온 및 펄스-오프의 공표된 상태를 발생시킴으로써, 분석부를 통해 상기 파워 발생기가 펄스-온 또는 펄스-오프 상태에 있는지를 식별하는, 상기 펄스 상태 검출기; 및
    상기 센서를 포함하고 상기 매칭 네트워크 내에 위치하는 주파수 검출기로서, 상기 파워 발생기에 의해 발생된 상기 파워 신호를 측정하고, 상기 주파수 검출기에 의한 측정에 기초하여 상기 분석부를 통해 상기 파워 신호의 일차 동작 주파수를 식별하는, 상기 주파수 검출기를 포함하고,
    상기 펄스 상태 검출기에 의해 발생된 상기 펄스-온 또는 펄스-오프의 공표된 상태 및 상기 주파수 검출기로부터의 데이터 양자는 상기 분석부로부터 상기 매칭 네트워크로 동시에 전송되나, 상기 파워 발생기로는 전송되지 않고, 상기 매칭 네트워크에 의해 상기 매칭 네트워크를 조정하기 위해서 이용되나, 상기 파워 발생기를 조정하기 위해서 이용되는 것은 아닌, 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 펄스 상태 검출기는,
    파워 발생기가 펄스 모드에서 동작할 때 파워 발생기의 상태를 검출하도록 구성되는 파워 검출기; 및
    진폭 검출기에 의해 검출된 파워 신호 진폭의 부분들을 무시하도록 구성되는 필터를 포함하고, 상기 무시되는 부분들은 혼입 요인에 의해 영향을 받는, 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 혼입 요인은, 노이즈, 하나의 펄스 상태로부터 다른 펄스 상태로의 천이 시의 간섭, 및 지연을 포함하는, 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 주파수 검출기는,
    파워 발생기에 결합되고, 파워 신호를 수신하도록 구성되고 소정의 시간 주기 동안 상기 수신된 파워 신호를 저장하도록 구성되는 버퍼;
    상기 버퍼에 결합되는 주파수 성분 시퀀서로서, 상기 주파수 성분 시퀀서가 상기 저장된 파워 신호를 수신하고 처리할 준비가 되어 있는 것을 지시하는 버퍼에 상기 주파수 성분 시퀀서가 제어 신호를 방출할 때 상기 버퍼로부터 상기 저장된 파워 신호를 수신하도록 구성되는 주파수 성분 시퀀서; 및
    상기 주파수 성분 시퀀서에 결합되고, 주파수 검출 에러의 충격을 감소시키도록 구성되는 필터를 포함하는, 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 파워 발생기와 버퍼 사이에 결합된 디지털 샘플러를 더 포함하는, 시스템.
  8. 제6항에 있어서, 상기 주파수 성분 시퀀서는 이산 푸리에 변환 처리기를 포함하는, 시스템.
  9. 파워 발생기에 의해 발생되고 플라즈마 처리 챔버에 인가되는 파워 신호의 특성들을 자체적으로 측정하기 위한 방법으로서,
    매칭 네트워크 내에 위치한 센서를 통해, 상기 파워 발생기에 결합된 상기 매칭 네트워크를 측정하고, 상기 파워 발생기의 외부에 있는 분석부를 통해,
    상기 파워 신호의 진폭 또는 파워를 연속적으로 측정하고,
    상기 진폭 또는 상기 파워의 특정 측정값이 프로그램 가능한 소정 임계치 위에 있는지 또는 아래에 있는지를 결정하고,
    상기 특정 측정값의 전 및 후의 다른 측정값들이 상기 프로그램 가능한 소정 임계치 위에 있는지 또는 아래에 있는지를 결정하고,
    상기 특정 측정값 후의 상기 다른 측정값들 중 하나를 검출함에 있어서 지연을 고려하며, 그리고
    상기 특정 측정값 및 상기 다른 측정값들이 모두 상기 임계치 위에 있는지에 기초하여, 상기 파워 발생기로부터의 통신 배선 없이 펄스-온 및 펄스-오프의 공표된 상태를 발생시킴으로써, 상기 파워 발생기가 동작의 펄스-온 상태 또는 펄스-오프 상태에 있는지를 식별하는 단계;
    상기 파워 발생기 외부에 있는 상기 분석부를 통해, 상기 파워 발생기의 일차 동작 주파수를 식별하는 단계로서, 상기 일차 동작 주파수는 상기 파워 신호의 모든 다른 주파수들보다 큰 진폭을 갖는, 상기 일차 동작 주파수를 식별하는 단계;
    상기 파워 발생기가 펄스-온 상태에 있음을 나타내는 정보를, 상기 분석부로부터, 상기 파워 발생기로가 아니라 상기 매칭 네트워크로 전송하는 단계;
    상기 파워 발생기의 상기 일차 동작 주파수를, 상기 분석부로부터, 상기 파워 발생기로가 아니라 상기 매칭 네트워크로 전송하는 단계;
    상기 일차 동작 주파수를 이용하여, 상기 파워의 복수의 전기적 특성들을, 상기 분석부를 통해 결정하는 단계; 및
    상기 파워의 결정된 복수의 전기적 특성들에 응답하여, 상기 분석부를 통해, 상기 파워 발생기가 아니라 상기 매칭 네트워크를 조정하는 단계를 포함하는, 방법.
  10. 제9항에 있어서, 노이즈 및 샘플링 에러를 고려하기 위해 방출된 파워 신호의 식별된 일차 동작 주파수를 필터링하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  11. 제9항에 있어서, 파워 신호가 상기 파워 발생기의 동작의 펄스-온 상태에 대응하여 플라즈마 챔버에 방출되는 때를 검출하는 단계는,
    상기 매칭 네트워크에서, 방출된 파워 신호의 진폭을 측정하는 단계;
    측정된 신호가 펄스-온 상태와 펄스-오프 상태 사이의 천이 중에 있는지를 결정하는 단계;
    상기 측정이 천이 상태인 것으로 결정된 경우 그 측정을 무시하고 상태 변경을 천명하거나, 또는 상기 측정이 천이 상태가 아닌 것으로 결정된 경우 상기 측정을 파워 신호의 정확한 지시로서 사용하는 단계를 포함하는, 방법.
  12. 제11항에 있어서, 측정된 신호가 펄스-온 상태와 펄스-오프 상태 사이의 천이 중에 있는지를 결정하는 단계는, 현재 측정 및 소정의 그리고 프로그램 가능한 수의 이전 측정들과 소정의 그리고 프로그램 가능한 수의 후속 측정들을 비교하는 단계를 포함하는, 방법.
  13. 제9항에 있어서,
    파워 신호의 샘플들을 얻는 단계;
    측정 그룹들의 각각이 복수의 개별 샘플들을 포함하도록 상기 샘플들을 복수의 측정 그룹들로 그룹화하는 단계;
    펄스-온 상태의 검출이 이어지는 하나 이상의 측정 그룹들을 무시하는 단계;
    펄스-온 상태 시 파워 신호의 특성을 측정하기 위해 무시되지 않은 측정 그룹들을 사용하는 단계를 포함하는, 방법.
  14. 제13항에 있어서, 무시된 측정 그룹들의 양은 파워 신호의 이전 지식에 기초하여 미리 프로그램되는, 방법.
  15. 제13항에 있어서, 무시된 측정 그룹들의 양은, 측정 그룹들의 특정한 것들이 계산된 변화량의 범위 밖에 있는 지에 기초하여 결정되는, 방법.
  16. 제9항에 있어서, 방출된 파워 신호의 일차 동작 주파수를 식별하는 단계는,
    상기 방출된 파워 신호의 복수의 샘플들을 수집하고 저장하는 단계;
    소정 범위의 주파수 내에 각종 주파수 성분들에 대한 상기 방출된 파워 신호의 수집 및 저장된 샘플들을 처리하는 단계;
    샘플링된 파워 신호 내에 최고 레벨의 파워가 존재하는 주파수 성분을 식별하는 단계; 및
    노이즈 및 샘플링 에러를 고려하기 위해 상기 식별된 주파수 성분과 연관된 저장된 샘플들을 필터링하는 단계를 포함하는, 방법.
  17. 파워 발생기가 펄스 모드에서 동작할 때 파워 발생기가 동작하는 주파수를 결정하기 위한 방법으로서, 상기 방법은,
    매칭 네트워크 내에 위치하는 센서에서, 파워 발생기의 동작의 펄스-온 상태에 대응하여, 상기 파워 발생기로부터의 통신 배선 없이 파워 신호가 플라즈마 챔버에 방출되는 때를 검출하는 단계로서,
    상기 매칭 네트워크 내에 위치하는 센서를 통해, 방출된 파워 신호의 진폭을 측정하는 단계;
    상기 매칭 네트워크 내에 위치한 센서를 통해, 측정된 진폭이 프로그램 가능한 소정 임계치보다 큰지 또는 작은지를 결정하는 단계;
    측정된 신호가 펄스-온 상태와 펄스-오프 상태 사이의 천이 중에 있는지를 결정하는 단계;
    상기 측정이 천이 상태에 있는 것으로 결정된 경우 그 측정을 무시하고 상태 변경을 천명하는 단계; 및
    상기 측정이 천이 상태가 아닌 것으로 결정된 경우 상기 측정을 파워 신호의 정확한 지시로서 사용하는 단계를 포함하는, 상기 검출하는 단계;
    방출된 파워 신호의 일차 동작 주파수를 식별하는 단계로서,
    방출된 파워 신호의 복수의 샘플들을 수집하고 저장하는 단계;
    소정 범위의 주파수들 내에 각종 주파수 성분들에 대해 상기 방출된 파워 신호의 수집 및 저장된 샘플들을 처리하는 단계;
    샘플링된 파워 신호 내에 최고 레벨의 파워가 존재하는 주파수 성분을 식별하는 단계; 및
    노이즈 및 샘플링 에러를 고려하기 위해 상기 식별된 주파수 성분을 필터링하는 단계를 포함하는, 상기 일차 동작 주파수를 식별하는 단계;
    상기 파워의 복수의 전기적 특성들을 결정하는 단계; 및
    상기 파워의 결정된 복수의 전기적 특성들에 응답하여, 상기 파워 발생기가 아니라 상기 매칭 네트워크를 조정하는 단계를 포함하는, 방법.
  18. 제9항에 있어서, 상기 분석부는 상기 매칭 네트워크 내에 있는, 방법.
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