KR101791706B1

KR101791706B1 - 전력 회로를 위한 ｒｆ 분리

Info

Publication number: KR101791706B1
Application number: KR1020127010167A
Authority: KR
Inventors: 닐 마틴 폴 벤자민
Original assignee: 램 리써치 코포레이션
Priority date: 2009-10-21
Filing date: 2010-10-19
Publication date: 2017-10-30
Also published as: CN102577632A; USRE47276E1; TW201145795A; TWI495249B; WO2011049993A3; JP5726886B2; WO2011049993A2; US8755204B2; CN102577632B; KR20120087925A; US20110090719A1; JP2013509151A

Abstract

제 1 RF 주파수를 갖는 적어도 하나의 제 1 RF 신호를 포함하는 RF 신호들의 세트들에 또한 종속된 컴포넌트에 분리된 전력을 공급하는 시스템 및 방법이 제공된다. DC 전압 신호 제공 및 분리 변압기를 이용한 DC 전압 신호의 분리된 전력 신호로의 변조가 포함된다. 분리된 전력 신호는 60 Hz 보다는 높고 제 1 RF 주파수보다는 낮은 중간 주파수를 갖는다. 일차 권선에 DC 전압 신호를 제공하는 단계 및 이차 권선으로부터 분리된 전력 신호를 획득하는 단계; 그리고 분리된 전력 신호를 이용하여 분리된 전력을 컴포넌트에 전달하는 단계가 포함된다.

Description

전력 회로를 위한 ＲＦ 분리{RF ISOLATION FOR POWER CIRCUITRY}

플라즈마는 기판들 (예를 들어, 웨이퍼들) 을, 집적 회로들과 같은, 반도체 제품들로 프로세싱하도록 오랫동안 이용되어 왔다. 다수의 현대 플라즈마 프로세싱 시스템들에 있어, 기판은 플라즈마 프로세싱 챔버 내의 플라즈마 프로세싱을 위해 RF 척 (chuck) 상에 위치될 수도 있다. RF 척은, 수십에서 수천 볼트 범위의 RF 전압과 수십 KHz 에서 수백 MHz 범위의 RF 주파수를 이용하는, RF 신호로 바이어스될 수도 있다. RF 척이 작업물 홀더 (holder) 로서도 동작하기 때문에, 반복가능한 프로세싱 결과를 보장하기 위해 RF 척 온도의 적절한 제어가 중요한 고려사항이다.

일반적으로 말해서, RF 척의 온도는, RF 척에 집적되거나 RF 척과 커플링될 수도 있는 하나 이상의 전기 히터 (heater) 에 의하여 유지된다. 전기 히터로의 전력은 통상적으로 원하는 온도 범위에 RF 척을 유지하기에 적합한 제어 회로를 통한 라인 AC 전압으로부터 얻어진다. 예로서, 전기 히터는, DC 전력, 라인 주파수 (예를 들어, 50/60 Hz AC) 또는 KHz 범위 AC 전력에 의하여 전력공급될 수도 있다.

이러한 구성에서, DC/저 주파수 전력은, RF 척 어셈블리에 커플링될 필요가 있고, 이는 또한 동시에, 부유 (stray) 커플링 또는 직접 연결에 의한, RF 전력의 실질적인 레벨들에 달려있다. 접지로의 원치 않는 명백한 RF 단락, RF 전력의 손실 및 고 레벨의 신호 간섭, 나아가 전기 히터 전원 및/또는 제어 회로를 통한 손상을 방지하기 위하여, RF 분리가 요구된다.

논의를 용이하게 하기 위하여, 도 1 은, RF 핫 (hot) 또는 "고측 (high side)" 에서, 히터 또는 다른 부하 회로들에 전력공급 하기 위하여 AC 라인 (예를 들어, 50/60 Hz) 전압들 또는 DC 전압들을 이용하는 예시적인 시스템의 관련 부분들을 도시한다. 도 1 을 참조하면, 리드 (lead) 들 (102 및 104) 을 통해 RF 필터 회로 (106) 에 AC 라인 전압들 또는 DC 전압들이 공급된다. RF 필터 회로 (106) 는 단일-채널 (1 히터 존에 전력공급하기 위한 1 전체회로에 대한 2 배선들을 포함), 이중-주파수 필터로서 도시되고, RF 필터 회로 (106) 는 관심 있는 RF 주파수에서 (예를 들어, 2 MHz 및 13.5 MHz) 고 임피던스를 제공하기 위하여 공지된 설계의 L-C 회로들을 포함할 수도 있어서, 리드들 (102 및 104) 을 통한 접지로의 상대적 RF 단락 및 임의의 접속된 회로, 예를 들어, 히터 제어/전력공급 회로가 효과적으로 보호되도록 한다. 예시의 목적으로, 이 RF 주파수들은 도시된 바와 같이 리드 (116) 을 통해 히터 (114) 에 커플링된다. 도 1의 예에서, 114 는 히터 및 고측 제어 회로를 포함하는 부하이다. 한편, 116 은, 예를 들어, 플라즈마로부터 RF 를 허용하거나 히터 부하를 통해 척에 환류하도록 적용된 부유 커패시턴스와 같은 누설 경로를 표현한다. RF 필터 (106) 는 개별 RF 주파수들의 넓은 범위를 다루기 위하여 상이한 설계들 및 다수의 스테이지들을 구비할 수도 있다. 다양한 구현들에서의 RF 필터 (106) 의 작동은 기본적으로 공지된 기술이고 여기서 상술하지는 않을 것이다.

필터 출력들 (110 및 112) 은 부하에, 예를 들어 히터 (114) 에, 전력을 제공한다. 제어 회로 (미도시) 는, 예를 들어, RF 척의 온도를 제어하기 위해 입력 AC 라인 전압 또는 DC 전압을 턴 온/오프 하도록 리드들 (102 및 104) 에 커플링 될 수도 있다. 제어는 비례 온/오프 방식 또는 이진 온/오프 방식으로 수행될 수도 있다. RF 척의 온도 감지는, 예를 들어, 제어 회로로의 피드백 신호로서 이용될 수도 있다.

고 전력, 고 RF 주파수 애플리케이션에서 RF 분리를 제공하기 위해 RF 필터들이 이용될 때, 몇몇 결점들을 조우한다. 고 RF 주파수 (예를 들어, MHz 범위) 는 몇몇 설계들에서, 필터링 회로 부피를 크게 하는, 큰 에어 코어 인덕터들의 사용을 필요하게 한다. 게다가, 목표는 관심 있는 주파수들 모두에 걸쳐 충분히 높은 입력 임피던스 (RF 핫 방향에서 보았을 때) 를 유지하는 것이다. 그러나, 몇몇 플라즈마 프로세싱 시스템들이 프로세싱 중에 RF 주파수 튜닝을 이용한다는 사실로 인해 RF 분리 설계는 복잡해진다. RF 주파수 튜닝은 작동 중에 주파수들의 범위를 이용하므로, 가변 RF 주파수들 (그리고 그에 따른 RF 임피던스들의 넓은 범위) 을 다루기 위한 필요 및 시스템-대-시스템 RF 임피던스와 감쇠 일관성 유지 요구로 인하여, RF 분리 필터 설계를 현저하게 더욱 복잡하고 어렵게 한다. 만약 RF 분리 필터 설계가 작동 주파수들 (기본 주파수들뿐만 아니라 고조파들도) 의 넓은 범위를 다룰 수 있고 RF 분리에 대하여 수용 가능한 시스템-대-시스템 균일성을 제공하도록 신중하게 매칭될 수 있다고 하더라도, 고 전압 방전 또는 아킹 (arcing)/절연파괴 (breakdown) 를 피하기 위하여 여전히 주의를 기울여야하고 과도한 열 발생 또는 전력 소실 (dissipation) 은 여전히 문제가 될 수도 있다. 설계 태스크는, 수천 볼트 범위에 이를 수도 있고 수천 와트 범위에 이를 수도 있는 RF 신호의 크기로 인해 매우 복잡하다.

본 발명은 한정이 아닌 예시로서 첨부도면들의 도들에 예시되며, 도면에서, 동일한 참조부호들은 동일한 엘리먼트들을 지칭한다.
도 1 은 히터 또는 다른 부하 회로들에 전력을 공급하기 위한 AC 라인 (예를 들어, 50/60 Hz) 전압들 또는 DC 전압들을 이용하는 예시적인 종래 기술 시스템의 관련 부분들을 도시한다.
도 2 는, 본 발명의 일 실시형태에 따른, 하나 이상의 고 주파수 RF 신호들에 또한 커플링된 부하에 높은 DC 전력 또는 중간 주파수 AC 전력을 제공하기 위한 분리 변압기 구현의 관련 부분들을 도시한다.
도 3a 내지 3c 는, 본 발명의 실시형태에 따른, 몇몇 예시적 제어 방식들을 도시한다.

본 발명은 이제, 첨부된 그림들에서 도시된 바와 같은 본 발명의 몇몇 실시형태를 참조하여 상세히 설명될 것이다. 이하의 설명에서, 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위하여, 많은 특정 세부사항들이 진술된다. 그러나, 당업자에게 있어, 본 발명이 이러한 특정 세부사항들의 일부 또는 전부가 없이도 실시될 수도 있음은 명백할 것이다. 다른 예에서, 널리 공지된 프로세스 단계들 및/또는 구조들은 불필요하게 본 발명을 모호하게 하지 않기 위하여 설명되지 않았다.

본 발명의 실시형태는 고 전력, 고 주파수 환경에서의 RF 분리에 대한 혁신적인 접근법을 이용한다. 본 발명의 하나 이상의 실시형태에서, AC 소스 전력 신호는 DC 전력 신호로 정류된 후 분리 변압기의 일차 권선에 공급되도록 중간 주파수 전력 신호로 변조된다. 여기에 사용된 용어로서, DC 전력 신호는 트루 (true) DC 전력 신호 (예를 들어, 배터리에 의하여 공급되는 것과 유사하게 주파수를 갖지 않거나 리플 (ripple) 컴포넌트들을 갖지 않는 것) 또는 정류된 DC 전력 신호 (AC 신호들로부터 정류된 DC 신호들에 통상적인 몇몇 리플 컴포넌트들을 갖는 것) 일 수도 있다. 분리 변압기이기 때문에, 분리 변압기의 일차 권선과 이차 권선 사이에 직접적인 전기적 연결은 없다. 대신에, 중간 주파수를 갖는 분리된 전력 신호가 상호 인덕턴스를 통해 분리 변압기의 이차 권선에 걸쳐 발생된다.

AC 라인 주파수들 (예를 들어, 50 Hz 또는 60 Hz) 보다는 높지만 차단될 RF 주파수보다는 통상적으로 낮고, 다중 고 주파수 RF 신호가 포함되면 차단될 RF 주파수들의 가장 낮은 주파수보다 바람직하게는 낮게 의도적으로 선택된 중간 주파수의 이용은, 이차권선-대-코어 용량성 커플링을 감소시키기 위해서뿐만 아니라, 일차권선-대-이차권선 용량성 커플링을 감소시키기 위한 혁신적인 기술들이 이용되면서 분리 변압기의 크기를 감소시키는 것을 가능하게 한다.

본 발명의 하나 이상의 실시형태에서, 분리 변압기의 일차 권선에 공급되는 전력 신호의 중간 주파수는 약 500 Hz 에서 약 2 MHz 의 범위 내에 있고, 더 바람직하게는 약 5 KHz 에서 약 200 KHz 의 범위 내에 있고, 그리고 바람직한 실시형태에 있어서는 약 10 KHz 에서 약 50 KHz 의 범위 내에 있다. 더 낮은 작동 주파수는 바람직하지 않게 큰 분리 변압기를 초래하는 경향이 있고, 더 높은 작동 주파수들에서 구동 회로와 자기 코어 재료가 덜 효과적이게 되는 경향이 있는 반면 더 높은 주파수는 자기 컴포넌트들 (예를 들어, 분리 변압기) 의 크기에 있어서의 감소를 가능하게 하는 경향이 있기 때문에, 적합한 중간 주파수의 선택은 대단히 중요하다.

본 발명의 하나 이상의 실시형태들에서, 분리 변압기는, 관심 있는 모든 RF 주파수들에서 고 주파수 신호들에 고 임피던스를 제시하면서, 크기를 줄이고 앞서 언급된 중간 주파수 범위에서 효과적으로 작동하도록 특별히 설계된다. 언급된 바와 같이, 하나 이상의 실시형태에 있어서, 이차 권선은 용량성 커플링을 감소시키기 위하여 일차 권선으로부터 물리적으로 이격된다. 바람직한 실시형태에서, 이 용량성 커플링을 최소화하기 위하여 이차 권선은 일차 권선으로부터 가능한 멀리 이격된다. 하나 이상의 실시형태들에서, 이차 권선은 큰 직경으로 권취되어, 이차 권선과 자기 코어 사이에 에어 갭 (air gap) 을 생성함으로써, 이차 권선과 코어 사이의 용량성 커플링을 감소시킨다. 하나 이상의 실시형태에서, 이차 권선은 일차 권선 상에 권취되나, 더 큰 직경으로 권취되어, 이차 권선과 코일 사이의 용량성 커플링을 감소시킬 뿐만 아니라, 일차 권선과 이차 권선 사이의 용량성 커플링을 감소시킨다. 원한다면, 용량성 커플링을 제어하기 위하여 이차 권선과 일차 권선 사이, 이차 권선과 코어 사이, 및/또는 일차 권선과 코어 사이에 하나 이상의 차폐 (shield) 가 놓일 수도 있고, 그러한 차폐들은 차폐 내에 와류들 (eddy current) 의 유도를 최소화하기 위하여 패러데이 (Faraday) 차폐로 알려진 방식으로 끼워진다.

본 발명의 실시형태들의 특징 및 장점들은 이하의 도면들 및 논의들을 참조로 하여 더 양호하게 이해될 수도 있다. 도 2 는, 본 발명의 일 실시형태에 따른, 하나 이상의 고 주파수 RF 신호들에 또한 커플링된 부하에 높은 DC 또는 AC 라인 전력을 공급하기 위한 분리 변압기 구현의 관련 부분들을 도시한다. 다른 부하들 또한 본 발명의 실시형태로부터 이익을 얻을 수도 있지만, 도 2 의 예에서, 부하는 플라즈마 프로세싱 챔버 내의 RF 커플링된 척에 대한 히터이다.

도 2 에서, AC 라인 전압들 및 주파수들 (예를 들어, 50 Hz 또는 60 Hz) 의 형태로 소스 전력 신호가 리드들 (202 및 204) 을 통해 정류기/필터 회로 (206) 에 공급된다. 브리지 정류기로 구현될 수도 있거나/있고 트라이악 (triac), SSR, 또는 사이리스터 (thyristor) 제어들을 이용할 수도 있는 정류기 회로 (206) 는 AC 라인 입력 전력 신호를, 원한다면 평활한 DC 로 후속하여 필터링될 수도 있는 준-DC 전력 신호로 변환한다. 도 2 의 예에서, 리드들 (202/204) 상의 AC 소스 전력 신호는 원하는 바에 따라 단상 신호 또는 3상 신호일 수도 있고, 정류기 회로 (206) 는 그에 따라서 단상 또는 3상 정류기이다. 만약 DC 전력 신호가 입력 전력으로서 이용가능하다면, 정류는 필요하지 않을 것이다. AC 라인으로부터 입력 필터로 인출된 고 전류가 역률 정정 회로를 필요로 할 수도 있음이 주목되어야 한다.

그 후, 정류기 회로 (206) 에 의해 출력된 DC 전력 신호는, 리드들 (210 및 212) 상에서 수신되는 DC 전력 신호를 중간 주파수를 갖는 중간 신호로 변환하는 구동 회로 (208) 에 공급된다. 중간 주파수는, 약 10 KHz 에서 약 1 MHz 범위, 더 바람직하게는 10 KHz 에서 수백 KHz 범위에 있고, 일 실시형태에서는 약 10 KHz 에서 약 200 KHz 범위에 있다. 예를 들어, 중간 주파수는 의도적으로는 50 - 60 Hz 의 AC 라인 주파수들보다는 높으나 바람직하게는 차단될 RF 주파수 (다중의 MHz 범위 내에 있는 경향이 있음) 보다는 낮다. AC 라인 주파수보다 높기 때문에, 중간 주파수는 더 작은 분리 변압기 (220) 를 사용가능하게 한다. 하나 이상의 실시형태들에서, 구동 회로 (208) 는, 수신된 DC 전력 신호를 원하는 중간 주파수로 펄스-폭 변조하는 스위치-모드 전력 공급기이다. 하나 이상의 실시형태에서, 펄스-폭 변조 후의 듀티 사이클은 0을 약간 초과하여 약 50% 까지 변할 수도 있다. 원한다면, 적합한 구동 회로 (208) 는 수신된 DC 전력 신호를 중간 주파수를 갖는 AC 사인 (sine) 신호로 변조할 수도 있다. 이러한 방식으로 고조파 콘텐츠를 감소시키는 것은 간섭 및 잡음 문제를 방지할 수 있고 임의의 필터링 요건들을 간략화할 수 있다. 제로 크로싱 및 온/오프 제어를 포함하는 대안적인 전력 변조 방식들이 또한 단독으로 또는 조합으로 구현될 수도 있다.

그 후, 구동 회로 (208) 에 의해 출력된 중간 신호는 분리 변압기 (220) 의 일차 권선 (222) 에 공급된다. 일차 권선 (222) 은 코어 (224) 의 일 세그먼트 둘레에 권취된 것으로 도시된다. 코어 (224) 는 자화 아연 또는 니켈 아연 또는 다른 적합한 높은 투자율 물질 (예를 들어, 2000 범위의 뮤 (mu)) 로 형성될 수도 있다. 대안적으로, 전력공급된 철 (10 에서 40 뮤), 보통 MPP로 알려진 코어 재료들, 센더스트 (Sendust) (50 에서 300 뮤), NiZn 및 MnZn 페라이트들 (100 에서 5000 뮤), 등이 이용될 수도 있다. 일반적으로, 높은 뮤를 갖는 물질들은 낮은 주파수 작동에 이용될 수도 있고 그 반대도 같다. 20 KHz 와 2 MHz 사이의 전력 애플리케이션에 대해, 일 실시형태에서, 약 200 에서 약 30000 사이의 뮤 값을 갖는 물질이 적합할 수도 있다. 일 실시형태에서, 약 10 에서 약 5000 사이의 뮤 범위 값을 갖는 물질들이 이용될 수도 있다. 일 실시형태에서, 약 100 에서 약 2000 사이의 뮤 범위 값을 갖는 물질들이 이용될 수도 있다. 일 실시형태에서, 약 200 에서 약 1000 사이의 뮤 범위 값을 갖는 물질들이 이용될 수도 있다.

하나 이상의 실시형태들에서, 분리 변압기 (220) 의 온도 의존성을 잠재적으로 감소시킬 뿐만 아니라 포화를 방지하고 자기 특성들을 선형화하기 위하여 에어 갭 (230) (도 2 에 도시된 위치는 오로지 예시이다) 이 코어 (224) 내에 제공될 수도 있다. 에어 갭 (230) 이 존재하면, 1차 권선 (222) 은 권선 내의 소실을 감소시키도록 에어 갭 (230) 상 대신에 바람직하게는 에어 갭 (230) 의 측면에 권취된다.

전도에 의하여 일차 권선 (222) 에 직접 커플링되지 않는 이차 권선 (236) 은 또한 코어 (224) 둘레에 권취된다. 하나 이상의 실시형태에서, 일차 권선 (222) 과 이차 권선 (236) 사이의 용량성 커플링을 감소시키기 위하여, 일차 권선-대-이차 권선 용량성 커플링을 감소시키고, 특히 높은 주파수 RF 신호들에 대해, 높은 분리도를 획득하기 위해 이차 권선 (236) 은 일차 권선 (222) 으로부터 떨어져서 위치된다. 예를 들어, 이차 권선 (236) 은 도시된 바와 같이 일차 권선 (222) 반대편에 코어 (224) 주위에 위치될 수도 있다. 이러한 권선들의 분리가 상당한 누설 인덕턴스를 초래할 수도 있긴 하지만, 적합한 설계들이 손쉽게 이 문제를 수용할 수 있다.

일반적으로 말해서, 코어 물질이 유전체일 경우 RF 커플링이 대부분 부유 커패시턴스에 의하는 것이 바람직하다. 페라이트 물질들은 높은 저항을 갖는 산화 금속이고, 통상적인 다른 세라믹들의 유전상수들 (예를 들어 10-100) 이 수 피코패럿의 일차와 이차 측들 사이의 커패시턴스를 달성하기 위하여 이용될 수도 있다. 그러나 일반적 MnZn 물질들과 같은 특정 페라이트들은 더 높은 차수 크기의 유전상수를 가질 수도 있어 부유 커패시턴스를 제어하기 위하여 테플론 (Teflon) 라이너 (liner) 들 상의 에어 갭들과 같은 이차적인 절연이 필요할 수도 있다. 예를 들어, 하나 이상의 실시형태에서, 용량성 커플링은 바람직하게는 한자리 수의 피코패럿 범위 (예를 들어, 1 pF 에서 약 20 pF) 로 제한된다.

하나 이상의 실시형태들에서, 코어 물질의 선택과 코어의 설계는 트레이드오프를 포함하는데, 실수 및 허수 엡실론 (epsilon) 이 통상적으로 페이라이트들에 대한 주파수 증가에 따라 다소 감소하여, 부유 커패시턴스를 낮추는 반면, 몇몇 특정 주파수에서 손실 탄젠트 (tangent) 는 여전히 최대로 나타나며, 과도한 코어 손실을 피하기 위해 전력 송신이 이 주파수 이하에서도 잘 작동되도록 하는 것이 바람직하다. 부유 커패시턴스는 주파수에 다소 무관한 경향이 있으나, 주파수가 증가함에 따라 낮아져서 높은 주파수들에서 분리가 개선되므로, 이용되는 RF 의 상세 값들은 고 주파수 RF 신호가 공통 모드 (코어 내에 넷 플럭스 (net flux) 가 없음) 에서 적용되는 한 중요치 않은 경향이 있다. 그러므로 이 접근법은 모든 주파수 범위들에 대해 잠재적으로 범용 솔루션을 제공하고 현재 이용되는 필터들보다 훨씬 작은 광대역 부하를 생성한다. RF 차단이 범용이며 광대역임이 일반적 진실이지만, 특정 주파수들에서 임피던스를 수용불가하게 낮추는 공진 안테나 회로들의 우발적인 도입을 방지하기 위하여 코일들과 변압기의 설계에 주의를 기울여야만 한다. 이 주파수들이 만약이라도 적용되는 RF 주파수들에 일치하지 않도록 더 배열되어야 한다.

하나 이상의 실시형태에서, 일차 권선 (222) 이 코어 (224) 주위에 권취된 방식에 비해서 이차 권선 (236) 은 더 큰 직경 (238) 으로 코어 (224) 주위에 권취된다. 더 큰 직경 (238) 은 이차 권선-대-코어 용량성 커플링을 감소시키도록 돕는다. 하나 이상의 실시형태들에서 (도 2 에 미도시), 이차 권선-대-코어 용량성 커플링을 감소시키기 위해서뿐만 아니라 이차 권선-대 일차 권선 용량성 커플링을 감소시키기 위해 더 큰 직경이지만, 이차 권선 (236) 은 일차 권선 (222) 상에 권취된다. 이 용량성 커플링들의 감소는 주파수 의존도를 감소시키고 본 발명의 몇몇 실시형태들의 중요한 양태이다.

반면에, 일차 권선 (222) 은 누설 인덕턴스를 감소시키도록 돕기 위하여 코어 (224) 에 더 가깝게 권취되는 경향이 있다. 권취-대-권취 또는 권취-대-코어 (몇몇 경우에서, 자가-공진에 기여할 수도 있는) 커패시턴스를 감소시키기 위하여, 작은 갭 및/또는 절연 레이어가 일차 권선 (222) 과 코어 (224) 사이에 개재될 수도 있다.

이차 권선 (236) 은 일차 권선 (222) 과 1:1 비율을 가질 수도 있거나 전압을 증가시키거나 감소시키기 위해 일차 권선 (222) 과 n:1 권선 관계를 가질 수도 있다. 고 전압, 저 전류 전력 신호들은 송신 목적용으로 더 효과적인 경향이 있으며 몇몇 경우들에서 요구될 수도 있다. 바람직한 실시형태에서, 208 볼트 AC 는 작동적 이용을 위해 300 볼트 이상의 DC 로 정류될 수도 있다. 상호 인덕턴스를 통해, 중간 주파수를 갖는 분리된 전력 신호가 이차 권선 (236) 에 걸쳐 생성된다. 분리 변압기 (220) 에 의한 출력인, 중간 주파수를 갖는 분리된 전력 신호는 부하를 구동하기 위해 이용될 수도 있거나, 부하를 구동하기 위해 분리된 DC 전력 신호로 변환될 수도 있다. 원한다면, 분리된 전력 신호로 부하를 구동하기 전에 출력 필터링이 수행될 수도 있다.

하나 이상의 실시형태들에서, 용량성 커플링을 더 감소시키기 위해 차폐가 제공된다. 예를 들어, 일차 권선-대-이차 권선 용량성 커플링을 감소시키기 위하여 일차 권선 (222) 과 이차 권선 (236) 사이에 차폐가 제공될 수도 있다. 다른 예와 같이, 이차 권선-대-코어 용량성 커플링을 감소시키기 위하여 이차 권선 (236) 과 코어 (224) 사이에 차폐가 대안적으로 또는 추가적으로 제공될 수도 있다. 또 다른 예와 같이, 이차 권선-대-코어 용량성 커플링을 감소시키기 위하여 일차 권선 (222) 과 코어 (224) 사이에 차폐가 대안적으로 또는 추가적으로 제공될 수도 있다. 하나 이상의 실시형태들에서, 차폐 상에 전개되는 임의의 전류를 접지로 전도하기 위해 차폐는 접지될 수도 있다. 그러나, 선택된 상세한 설계 및 기하구조가 이차 권선 대 접지 커패시턴스를 명백히 증가시키는 것을 피하기 위해 주의를 기울여야만 한다. 하나 이상의 실시형태들에서, 와류를 감소시키고 차폐가 단락된 권선처럼 동작하는 것을 방지하기 위하여 하나 이상의 슬릿 (slit) 들이 (예를 들어, 원환면의 (toroidal) 권취 방향으로) 차폐에 제공된다. 차폐의 존재는 일차 권선 및 이차 권선의 자가-공진 (예를 들어, 안테나 효과) 을 감소시키는 것으로 알려져 있어, 임피던스 특성들을 평활화하고 설계의 주파수-비의존 특성에 기여한다.

하나 이상의 실시형태에서, 고 주파수 RF 신호 (예를 들어, 차단될 RF 신호) 가 공통 모드 신호로서 분리 변압기 (220) 에 제시되도록 하는 것을 허용하기 위하여, 필터들이 이용될 수도 있다. 도 2 의 예에서, 고 주파수 RF 신호를 분리 변압기 (220) 에 공통 모드 신호로서 제시하는 목적을 달성하기 위해 커패시터 (245) 는 각각 리드들 (244 및 246) 에 커플링된다. 당업자에게 잘 알려진 다른 설계들의 필터들이 또한 이용될 수도 있다. (240 및 242 에 의해 표시된) 부유 커패시턴스들 있을 수도 있는 반면, 출력 신호 RF 커플링이 공통 모드 신호이도록 보장하는 목적을 위해, 이 부유 커패시턴스들은 커패시터 (245) 에 의해 지배될 수도 있다. 커패시터 (245) 는 임계 주파수들에서 공진하는 것을 피하기 위해 적절한 크기가 (너무 크지 않게) 되어야 한다.

일단 전력이 RF 분리 (변압기) 너머로 전송되면, 스위칭 주파수에서 AC 로서, 또는 정류되어 깊게 변조된 DC 나 필터링되어 다시 평활화된 DC 로서, 히터와 같은 수동 회로에 직접적으로 전력을 공급하는데 이용될 수 있다. 원한다면 또한 전력은 고측 (high side) 에서 정류되거나 제어될 수도 있다.

하나 이상의 실시형태들에서, 예를 들어, 현재 히터들에 대하여 행해지는 대로의 SSR들, 또는 PWM (펄스 폭 변조) 이나 스위칭 회로의 ON/OFF 버스트 (burst) 변조에 의하여 행해지는 SSR들을 이용하여 전력 제어는 저측 (low side) (예를 들어, 일차 권선 (222) 및 도 2의 AC 라인 측 방향의 회로) 에서 적용된다. 제어 방식은 개방 루프 (open loop), 피드 포워드 (feed foward), 또는 피드백 제어를 구현할 수도 있다.

피드백은 저측 전력/전류 인출을 모니터링함으로서 구현될 수 있거나, 전력, 전압, 및/또는 전류 또는 몇몇 다른 감지된 변수의 고측 전기 센서를 이용하여 더욱 정확하게 구현될 수 있다. 히터의 경우, 온도 센서 (예를 들어, 저항 온도 검출기, 플루오르-광학 프로브 (fluoro-optic probe) 또는 열전쌍 (thermocouple)) 가 이용될 수도 있다. 고측 센서가 전기 센서인 경우, 다른 분리 채널 (예를 들어, 옵토 커플러 (opto-coupler) 또는 광섬유 또는 저전류 RF 필터) 이 제공될 수도 있다. 게다가, 고측 제어를 가능하게 하도록 고측에서 AC 또는 DC 분리된 전력 신호 상에서 변조가 수행될 수도 있다.

저측 제어 방식에 있어, 각각의 고측 디바이스 (예를 들어, 히터 엘리먼트) 는 그 고유의 전력 채널을 이용할 수도 있다. 대안적으로, 심지어 더 큰 전력 분리기 (변압기) 일 수 있는 공통 전력 채널을 이용하거나, 병렬로 몇몇의 저전력 채널들을 동작시킴으로써, 전력을 고측으로 분리시키는 것이 가능하다. 이 경우에, 제어는 고측의 활성 회로를 이용하여 구현될 수도 있다. 설정 포인트 (예를 들어, 온도 또는 전력) 에 대응하는 제어 신호는 또한 저측에서 온 것일 수도 있고 (예를 들어, 옵토-커플링을 이용하여) 분리될 수도 있다.

도 3a-3c 는, 본 발명의 실시형태들에 따른, 몇몇 예시적 제어 방식들을 도시한다. 이 회로들에서, 3개의 부하 옵션들이 도시되고 전류는 부하 (도면의 우측 참조) 에 택일적으로 (한번에 1 옵션) 또는 함께 (동시에 2 이상의 옵션들) 전달될 수도 있다. 더구나, 역률 정정 회로 (미도시) 는 도 3a-3c 중 하나 이상으로 이용될 수도 있다. 일반적으로 말해서, 저측 및 고측 (예를 들어, 이차 권선 (236) 및 도 2 의 고 주파수 RF 측을 향한 회로) 제어 방식 가운데 하나 또는 양자 모두가 가능하다. 도 3a 에서, 정류기/필터 회로 (예를 들어, 306), 구동 회로 (예를 들어, 308) 로, 또는 고측 변조 회로 (314) 에 활성 제어가 제공되지 않는다.

그러나, 도 3a-3c 및 다른 구현들에서와 같이, AC 소스 전력 신호의 전송 제어가 가능하다. 예를 들어, 척의 온도를 제어하도록 AC 소스 전력 신호를 턴 온 및 오프하기 위한 소스 전력 신호 제어 회로에 적절하게 분리된 (예를 들어, 옵토-분리를 이용하는) 온도 감지 신호가 제공될 수도 있다. 척 예시에 있어, 열 질량 (thermal mass) 이 꽤 높기 때문에, 심지어 AC 소스 전력 신호의 간단한 턴 온/오프 (비례적인 것에 반하여) 제어도 양호한 성능 생성의 잠재성을 갖는다. 이는 빠르게 AC 소스 전력 신호를 온/오프 할 수 있는 마이크로프로세서를 이용하여 AC 소스 전력 신호가 제어된다면 특히 참이다.

도 3b 에서, 저측 제어가 구현된다. 도 3b 에서, 마이크로프로세서 제어 유닛 (320) 은 DC 출력 신호의 진폭을 조정하기 위하여 정류기/필터 회로 (예를 들어, 정류기/필터 회로 (306)) 를 제어하도록 이용될 수도 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 마이크로프로세서 제어 유닛 (320) 은 스위칭 특성들, 펄스 폭 지속시간, 및/또는 스위치 모드 전력 공급의 작동 주파수 및/또는 구동 회로 (308) 의 다른 특성들을 변경하기 위하여 이용될 수도 있다. 다른 예로서, 프로세서/제어기 유닛 (320) 은 변압기 일차 부분 상의 탭 포인트들 (tap point) 을 변경하여, 효과적으로 분리 변압기 (310) 의 권취 비율을 변경하도록 이용될 수도 있다.

도 3c 에서, 고측 제어가 구현된다. 이 경우에, 고측 온도 센서는 프로세서/제어기 유닛 (330) 에 분리된 센서 신호들 (예를 들어, 옵토-분리 또는 저 전력 필터링) 을 전송할 수도 있고, 후에 프로세서/제어기 유닛은 고측 변조 회로 (354) 를 제어하도록 고측 분리 제어기 (352) 에 지시 (예를 들어, 옵토-분리 또는 저 전력 필터링을 이용하여 또한 분리될 수도 있는) 를 배포한다. 도 3c 의 예에서, 고측 변조 제어기를 위한 하우스-키핑 (house-keeping) 전압 및 전류가 저측으로부터의 분리 전력 신호를 이용하여 공급될 수도 있다.

앞서 언급한 것으로부터 예측할 수 있듯이, 본 발명의 실시형태들은 종래 기술의 필터링 접근법에 내재하는 수동 필터 컴포넌트들 매칭의 어려움 뿐만 아니라 종래 기술의 필터링 접근법의 주파수 의존성을 실질적으로 제거한다. 종래 기술의 필터링 접근법과 관련된 공진 문제 또한 실질적으로 제거된다. 분리 변압기에 중간 주파수를 이용함으로써, 분리 변압기의 물리적 크기를 실질적으로 줄이는 것이 가능하다. 관심 있는 모든 고 RF 주파수들에 대해 높은 임피던스를 보이는 동시에 고도 (high dgree) 의 RF 분리를 제공하도록 분리 변압기를 적절하게 설계함으로서, 고 RF 신호에 또한 커플링되는 컴포넌트나 어셈블리에 AC 소스나 DC 소스로부터의 전력을 효과적으로 제공하는 것이 가능하다.

본 발명이 몇몇 바람직한 실시형태의 관점에서 설명되었지만, 본 발명의 범위에 포함된 대체물, 치환물, 및 등가물이 있다. 비록 다양한 예들이 본원에 제공되나, 이들 예들은 본 발명에 관하여 한정이 아닌 예시적인 것으로 의도된다. 또한, 본원에 제목은 편의를 위해 제공된 것이며 본 발명의 범위를 해석하도록 이용되어서는 안 된다. 용어 "설정 (set)" 이 본원에 이용된다면, 그러한 용어는 0, 1 또는 하나 이상의 구성원을 포괄하는 것으로 일반적으로 이해되는 수학적 의미를 갖는 것으로 의도된다. 또한 본 발명의 방법들 및 장치들을 구현하는 많은 대안적 방법들이 있음에 주목하여야 한다.

Claims

플라즈마 프로세싱 챔버의 RF 척의 히터에 분리된 전력을 제공하기 위한 방법으로서,
상기 플라즈마 프로세싱 챔버의 상기 RF 척은 RF 신호들의 세트에 또한 종속되고,
상기 RF 신호들의 세트는 제 1 RF 주파수를 갖는 적어도 하나의 제 1 RF 신호를 포함하고,
상기 분리된 전력을 제공하기 위한 방법은,
DC 전압 신호를 제공하는 단계; 및
분리 변압기 (isolation transformer) 를 이용하여 상기 DC 전압 신호를 분리된 전력 신호로 변조하는 단계를 포함하고, 상기 분리된 전력 신호는 60 Hz 보다는 높고 상기 제 1 RF 주파수보다 낮은 중간 주파수를 갖고, 상기 RF 신호들의 세트는 서로 상이한 RF 주파수를 가지는 복수의 RF 신호들을 포함하고, 상기 제1 RF 주파수는 상기 서로 상이한 RF 주파수 중에서 가장 낮은 RF 주파수를 나타내고, 상기 분리 변압기는 이차 권선에 전기적으로 연결되지 않은 일차 권선을 가지고,
상기 DC 전압 신호를 상기 분리된 전력 신호로 변조하는 단계는,
상기 DC 전압 신호를 상기 일차 권선에 공급하는 단계;
상기 이차 권선으로부터 상기 분리된 전력 신호를 상기 RF 척의 상기 히터로 전달하는 단계로서, 상기 분리 변압기는 상기 RF 척으로 제공되는 상기 제1 RF 주파수의 용량성 커플링(capacitive coupling)을 실질적으로 차단하도록 구성된, 상기 이차 권선으로부터 상기 분리된 전력 신호를 상기 RF 척의 상기 히터로 전달하는 단계; 및
상기 분리된 전력 신호를 이용하여 상기 RF 척의 상기 히터에 상기 분리된 전력을 전달하는 단계를 포함하고,
상기 분리 변압기는 상기 분리된 전력 신호를 상기 일차 권선으로부터 상기 이차 권선으로 상호 인덕턴스(mutual inductance)를 통해 변환하는, 분리된 전력을 제공하기 위한 방법.
제 1 항에 있어서,
50 Hz 내지 60 Hz 범위의 주파수를 갖는 AC 라인 신호를 획득하는 단계; 및
상기 DC 전압 신호를 얻기 위하여 상기 AC 라인 신호를 정류하는 단계를 더 포함하는, 분리된 전력을 제공하기 위한 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 이차 권선과 상기 분리 변압기의 코어 사이에 정전기적 차폐 (shield) 를 제공하는 단계를 더 포함하는, 분리된 전력을 제공하기 위한 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 이차 권선과 상기 일차 권선 사이에 정전기적 차폐를 제공하는 단계를 더 포함하는, 분리된 전력을 제공하기 위한 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 이차 권선은 상기 일차 권선 상에 권취된, 분리된 전력을 제공하기 위한 방법.
제 5 항에 있어서,
상기 이차 권선과 상기 일차 권선 사이에 정전기적 차폐를 제공하는 단계를 더 포함하는, 분리된 전력을 제공하기 위한 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 중간 주파수는 500 Hz 와 2 MHz 사이인, 분리된 전력을 제공하기 위한 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 분리 변압기의 코어는 10 과 5000 사이의 뮤 (mu) 값을 갖는 코어 재료로 형성된, 분리된 전력을 제공하기 위한 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 DC 전압 신호의 진폭 및 상기 분리 변압기의 권취 비율 (turn ratio) 중 적어도 하나를 제어하는 저측 (low-side) 제어 회로를 제공하는 단계를 더 포함하는, 분리된 전력을 제공하기 위한 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 분리된 전력 신호를 변조하는 변조 회로를 제공하는 단계를 더 포함하는, 분리된 전력을 제공하기 위한 방법.
제 10 항에 있어서,
상기 변조 회로를 제어하는 고측 (high-side) 제어 회로를 제공하는 단계를 더 포함하는, 분리된 전력을 제공하기 위한 방법.
플라즈마 프로세싱 챔버의 척의 히터 엘리먼트에 분리된 전력을 제공하기 위한 시스템으로서,
상기 척은 RF 신호들의 세트에 또한 종속되고,
상기 RF 신호들의 세트는 제 1 RF 주파수를 갖는 적어도 하나의 제 1 RF 신호를 포함하고,
상기 분리된 전력을 제공하기 위한 시스템은,
DC 전압 신호를 제공하는 제 1 및 제 2 단자들; 및
분리 변압기를 이용하여 상기 DC 전압 신호를 분리된 전력 신호로 변조하기 위한 변조 회로를 포함하고,
상기 분리된 전력 신호는 60 Hz 보다 높고 상기 제 1 RF 주파수 보다 낮은 중간 주파수를 갖고,
상기 RF 신호들의 세트는 서로 상이한 RF 주파수를 갖는 복수의 RF 신호들을 포함하고,
상기 제1 RF 주파수는 서로 상이한 RF 주파수 중에서 가장 낮은 RF 주파수를 나타내고,
상기 분리 변압기는 이차 권선에 전기적으로 연결되지 않은 일차 권선을 구비하고,
상기 DC 전압 신호는 상기 일차 권선에 공급되고 상기 분리된 전력 신호는 상기 이차 권선으로부터 획득되며 상기 히터 엘리먼트로 제공되고,
상기 일차 권선은 상기 히터 엘리먼트를 통해 상기 척으로 제공되는 상기 제1 RF 주파수의 용량성 결합(capacitive coupling)을 실질적으로 차단하는 것이 가능하도록 상기 이차 권선으로부터 물리적으로 분리되고,
상기 분리된 전력은 상기 분리된 전력 신호를 이용하여 상호 인덕턴스(murual inductance)를 통해 상기 히터 엘리먼트에 전달되는, 분리된 전력을 제공하기 위한 시스템.
제 12 항에 있어서,
상기 이차 권선과 상기 일차 권선 사이에 정전기적 차폐를 더 포함하는, 분리된 전력을 제공하기 위한 시스템.
제 12 항에 있어서,
상기 이차 권선과 상기 분리 변압기의 코어 사이에 정전기적 차폐를 더 제공하는, 분리된 전력을 제공하기 위한 시스템.
제 12 항에 있어서,
상기 이차 권선은 상기 일차 권선 상에 권취된, 분리된 전력을 제공하기 위한 시스템.
제 15 항에 있어서,
상기 이차 권선과 상기 일차 권선 사이에 정전기적 차폐를 더 제공하는, 분리된 전력을 제공하기 위한 시스템.
플라즈마 프로세싱 챔버의 척의 부하에 분리된 전력을 제공하기 위한 방법으로서,
상기 척은 복수의 RF 신호들에 또한 종속되고,
상기 복수의 RF 신호들은 제 1 RF 주파수를 갖는 적어도 하나의 제 1 RF 신호를 포함하고,
상기 분리된 전력을 제공하기 위한 방법은,
50 Hz 내지 60 Hz 범위의 주파수를 갖는 AC 라인 신호를 제공하는 단계;
유사 DC 전압 신호를 획득하기 위하여 상기 AC 라인 신호를 정류하는 단계; 및
분리 변압기를 이용하여 상기 유사 DC 전압 신호를 분리된 전력 신호로 변조하는 단계를 포함하고, 상기 분리된 전력 신호는 60 Hz 보다높고 상기 제 1 RF 주파수보다 낮은 중간 주파수를 갖고, 상기 제1 RF 주파수는 상기 복수의 RF 신호들의 모든 RF 주파수들 가운데 가장 낮은 RF 주파수를 나타내고, 상기 분리 변압기는 이차 권선에 전기적으로 연결되지 않은 일차 권선을 구비하고,
상기 유사 DC 전압 신호를 상기 분리된 전력 신호로 변조하는 단계는,
상기 유사 DC 전압 신호를 상기 일차 권선에 공급하는 단계; 및
상기 이차 권선으로부터 상기 척의 상기 부하에 상기 분리된 전력을 전달하는 단계로서, 상기 분리 변압기는 상기 척에 제공되는 상기 제1 RF 주파수의 용량성 결합(capacitive coupling)을 실질적으로 차단하는 것을 가능하게 하도록 구성되는, 상기 척의 상기 부하에 분리된 전력을 전달하는 단계를 포함하고,
상기 분리 변압기는 상기 분리된 전력을 상기 일차 권선으로부터 상기 이차 권선으로 상호 인덕턴스(mutual inductance)를 통해 전달하는, 분리된 전력을 제공하기 위한 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 이차 권선은, 상기 이차 권선과 상기 분리 변압기의 코어 사이의 용량성 커플링을 감소시키 위한 에어 갭이 상기 이차 권선과 상기 코어 사이에 생성되도록 상기 일차 권선이 상기 코어 주위에 권취된 직경보다 더 큰 직경으로 상기 코어 주위에 권취된, 분리된 전력을 제공하기 위한 방법.
제 12 항에 있어서,
상기 이차 권선은, 상기 이차 권선과 상기 분리 변압기의 코어 사이의 용량성 커플링을 감소시키 위한 에어 갭이 상기 이차 권선과 상기 코어 사이에 생성되도록 상기 일차권선이 상기 코어 주위에 권취된 직경보다 더 큰 직경으로 상기 코어 주위에 권취된, 분리된 전력을 제공하기 위한 시스템.
제 17 항에 있어서,
상기 이차 권선은, 상기 이차 권선과 상기 분리 변압기의 코어 사이의 용량성 커플링을 감소시키 위한 에어 갭이 상기 이차 권선과 상기 코어 사이에 생성되도록 상기 일차 권선이 상기 코어 주위에 권취된 직경보다 더 큰 직경으로 상기 코어 주위에 권취된, 분리된 전력을 제공하기 위한 방법.
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