KR101881535B1 - 수동소자를 구비한 전력공급장치 및 이를 이용한 플라즈마 점화를 위한 전력제공방법 - Google Patents

수동소자를 구비한 전력공급장치 및 이를 이용한 플라즈마 점화를 위한 전력제공방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 수동소자를 구비한 전력공급장치는 플라즈마 발생기 내로 플라즈마를 점화하기 위한 전력공급장치에 있어서, 정류기와 인버터를 구비하는 스위칭 전원; 일차 권선 및 상기 일차 권선이 권선되는 페라이트 코어를 구비하는 변압기; 및 상기 스위칭 전원과 상기 일차 권선 사이에 연결되며, 상기 일차 권선과 직렬로 연결되는 공진 인덕터 및 상기 일차 권선에 병렬로 연결되며 상기 공진 인덕터와 직렬로 연결되는 공진 캐패시터를 구비하는 공진 네트워크를 포함하고, 상기 공진 네트워크는, 상기 공진 캐패시터와 일단이 직렬로 연결되고, 타단이 접지로 연결되는 수동소자를 포함하고, 상기 수동소자에 의해 상기 인버터의 전압, 전류의 크기를 조절한다.

Description

수동소자를 구비한 전력공급장치 및 이를 이용한 플라즈마 점화를 위한 전력제공방법{POWER SUPPLY APPARATUS HAVING PASSIVE ELEMENT AND POWER SUPPLY METHOD FOR PLASMA IGNITION USING THE SAME}
본 발명은 수동소자를 구비한 전력공급장치 및 이를 이용한 플라즈마 점화 를 위한 전력제공방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 플라즈마 발생기 내의 플라즈마를 점화 및 유지하기 위한 수동소자를 구비한 전력공급장치 및 이를 이용한 플라즈마 점화를 위한 전력제공방법에 관한 것이다.
플라즈마 방전은 가스를 여기하여 이온, 자유 라디칼, 원자 및 분자들을 포함하는 반응 가스를 생성하도록 사용될 수 있다. 반응 가스는 반도체 웨이퍼와 같은 고형 물질, 분말 및 기타 가스들을 처리하는 것을 포함하는 수 많은 산업 및 과학 응용분야에 사용된다. 플라스마 상태는 기체에 높은 에너지를 주었을 때 기체가 이온화되어 있는 상태를 말하며 이러한 플라스마 발생장치는 현대 반도체 제조 공정중 식각, 세정 등에 사용되고 있으며 반도체 시장이 커짐에 따라 그 중요성이 점차 증가하고 있다.
일반적으로 반도체 공정 과정에서 반도체를 만들기 위한 여러 공정을 거치게 되는데, 반도체 공정과정에서 생기는 부산물들은 진공펌프와 스크러버(Scruber)를 통해 배기로 빠져나오는 과정을 거치게 된다. 이때 플라즈마를 이용하여 반도체 공정 시 발생하는 미세 유기오염물 또는 산화물 등을 효과적으로 제거한다.
플라즈마를 공정 챔버 내에서 발생하거나 공정 챔버 외부에서 발생하는 방법이 있는데, 이중에서 공정 챔버 외부에서 플라즈마를 발생하는 방법으로는 리모트 플라즈마 발생기를 이용하는 것이 있다. 리모트 플라즈마 발생기(Remote plasma generator)는 중성 가스(Argon)에 높은 전계를 인가하여 중성 가스의 일부분이 양성자와 전자로 분리되고, 전계의 에너지에 의해 중성 기체와 전자 및 양성자가 혼합된 플라즈마를 발생시키는 장비이다.
리모트 플라즈마 발생기에 대한 플라즈마 공급원은 DC 방전, 고주파(RF) 방전, 및 마이크로웨이브 방전을 포함하는 다양한 방식으로 플라즈마를 생성할 수 있다. DC 방전은 가스 내의 두 개의 전극 사이에 전위를 인가함으로써 달성된다. RF 방전은 전원으로부터 플라즈마 내로 에너지를 정전기 또는 유도 결합시킴으로써 달성된다. 유도 코일은 전류를 플라즈마 내에 유도하도록 통상적으로 사용된다. 마이크로웨이브 방전은 가스를 수용하는 방전 챔버 내에 마이크로웨이브 에너지를 직접 결합시킴으로써 달성된다. 마이크로웨이브 방전은 높게 이온화된 전자 사이클론공명(ECR) 플라즈마를 포함하는 넓은 범위의 방전 조건을 지원하도록 사용될 수 있다.
마이크로웨이브 또는 다른 타입의 RF 플라즈마 공급원과 비교하여, 토로이달(toroidal) 형상의 플라즈마 공급원은 낮은 전기장, 낮은 플라즈마 챔버 부식, 소형화, 및 비용 효과 면에서 장점을 갖는다. 토로이달 플라즈마 공급원은 낮은 전계로 동작하며 전류-종료 전극 및 관련 음극 전위 강하를 내재적으로 제거한다. 낮은 플라즈마 챔버 부식은 토로이달 플라즈마 공급원이 다른 방식의 플라즈마 공급원보다 높은 전력 밀도에서 작동하도록 한다. 또한, 고 투과성 페라이트 코어를 사용하여 전자기 에너지를 플라즈마에 효율적으로 결합시킴으로써, 토로이달 플라즈마 공급원은 상대적으로 낮은 RF 주파수에서 작동하도록 하여 전력 공급 비용을 낮추게 된다. 토로이달 플라즈마 챔버는 반도체 웨이퍼, 평판 디스플레이, 및 다양한 물질의 처리를 위해 불소, 산소, 수소, 질소 등을 포함하는 화학적으로 활성 가스를 생성하도록 사용되어 왔다.
토로이달 플라즈마 공급원의 가스 입구를 통해 공급되는 가스는 챔버 내부의 토로이달 플라즈마 채널을 따라 이동하며 플라즈마와 반응함으로써 활성화된 가스를 생성한다. 플라즈마 챔버 내에서의 가스의 흐름은 임피던스로 작용한다.
플라즈마를 발생시키는 일반적인 방법으로는 Medium Frequency 대역의 (300kHz ∼ 3MHz) 고주파 전원을 인가하여 자기장을 발생시키고 변환된 전기장을 통해 플라즈마를 생성한다. 이러한 토로이달 플라즈마 공급원의 구동과 산화물들을 더욱 세밀하게 분해하기 위한 고전압, 고주파 인버터의 사용이 요구된다.
도 1은 종래의 전력공급장치에서 플라즈마가 부하로 동작할때의 특성을 나타낸 그래프이다.
도 1을 참조하면, 종래의 전력공급장치는 플라즈마가 전력공급장치의 부하로 동작할때의 특성을 나타낸다. 플라즈마 점화 전에는 대기중의 공기저항과 유사한 무한대의 저항값을 가진다. 그러나 플라즈마 점화 후에는 급격한 저항값 감소와 함께 플라즈마가 부하로 동작하게 된다. 플라즈마 발생기의 동작중에는 임피던스 변화가 작게 된다.
플라스마 부하의 최적 사용을 위해 전력공급장치의 설계 및 운전방법의 중요성이 강조된다. 이때, 플라스마의 점화 전 동작에 있어서 전력공급장치의 인버터부 전압, 전류의 위상차이 및 인버터부의 전류의 크기는 시스템 설계에 있어 중요한 요소이다. 특히나 작은 인버터부의 전류 크기 및 큰 인버터 전압, 전류의 위상차이 그리고 인버터부의 동작 주파수는 시스템 설계시 시스템의 안전성과 전력공급장치의 부품 선정에 있어 그 중요성이 강조된다.
도 2는 종래의 공진 네트워크 및 플라즈마 발생기의 공진 네트워크를 도시한 회로도이다.
도 2를 참조하면, 현재 플라스마 발생, 유지용 전력공급장치의 경우 플라즈마 점화 전, 점화 후의 급격한 저항변화 조건에서도 플라스마를 발생, 유지시키며 플라스마에서 요구하는 높은 주파수의 전원을 만들기 위해 정전류를 출력하기에 용이한 공진형 전력공급장치를 사용한다. 이를 위해 LC 병렬 공진형 네트워크(1)를 사용하였다. 공진형 네트워크(1)는 플라즈마 발생기(5)와 직렬로 연결되는 공진 인덕터(3) 및 병렬로 연결되는 공진 캐패시터(4)를 포함한다. 이러한 방법으로는 공진점 부근에서 부하 저항이 클 때 발생하는 높은 전류이득을 피하기 위해 플라스마 점화시 공진주파수의 1.5배 정도의 스위칭 주파수에서 인버터를 동작시키게 된다.
이러한 방법은 플라즈마 점화 전 동작시 높은 주파수를 사용함으로 큰 스위칭 손실이 발생할 수 있고 또한 플라즈마 점화 전 플라스마의 높은 저항값에 의한 전력공급장치의 인버터에 과도한 전류가 흐르는 문제를 가지고 있다. 또한 소프트 스위칭을 위한 인버터의 전압, 전류의 위상차이를 확보하는데 어려움이 있다.
본 발명의 목적은 수동소자를 전력공급장치에 추가함으로써 동일 주파수에서 인버터 전류의 크기를 조절하여 낮은 인버터 전류를 얻을 수 있는 수동소자를 구비한 전력공급장치 및 이를 이용한 플라즈마 점화를 위한 전력제공방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 소프트 스위칭을 위한 인버터부의 전압, 전류의 위상차를 확보하기 용이하여 낮은 스위칭 주파수에서도 플라즈마 점화가 가능한 수동소자를 구비한 전력공급장치 및 이를 이용한 플라즈마 점화를 위한 전력제공방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 수동소자를 구비한 전력공급장치는 플라즈마 발생기 내로 플라즈마를 점화하기 위한 전력공급장치에 있어서, 정류기와 인버터를 구비하는 스위칭 전원; 일차 권선 및 상기 일차 권선이 권선되는 페라이트 코어를 구비하는 변압기; 및 상기 스위칭 전원과 상기 일차 권선 사이에 연결되며, 상기 일차 권선과 직렬로 연결되는 공진 인덕터 및 상기 일차 권선에 병렬로 연결되며 상기 공진 인덕터와 직렬로 연결되는 공진 캐패시터를 구비하는 공진 네트워크를 포함하고, 상기 공진 네트워크는, 상기 공진 캐패시터와 일단이 직렬로 연결되고, 타단이 접지로 연결되는 수동소자를 포함하고, 상기 수동소자에 의해 상기 인버터의 전압, 전류의 크기를 조절한다.
일 실시예에 있어서, 상기 수동소자는, 저항, 인덕터, 캐패시터, 트랜스 또는 릴레이 중 적어도 하나 이상을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 발생기는, 하나 이상의 가스 입구와 하나 이상의 가스 출구가 구비되며, 내부에 토로이달 형상의 플라즈마 방전 채널을 갖는 토로이달 형상의 플라즈마 챔버를 포함하고, 상기 변압기의 상기 페라이트 코어는 상기 플라즈마 방전 채널에 쇄교하도록 상기 플라즈마 챔버에 설치된다.
일 실시예에 있어서, 상기 스위칭 전원은, 하프 브리지 인버터를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 스위칭 전원은, 풀 브리지 인버터를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 하나 이상의 가스 출구는, 기판을 처리하는 공정챔버와 연결된다.
일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 챔버는, 상기 플라즈마 방전 채널로 상기 플라즈마를 점화하기 위한 점화전극을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수동소자를 구비한 전력공급장치를 이용한 플라즈마 점화를 위한 전력제공방법은 플라즈마 발생기 내로 플라즈마를 점화하기 위한 전력을 제공하는 방법에 있어서, 정류기와 인버터를 구비하는 스위칭 전원과 변압기의 일차 권선 사이에 연결되고, 상기 일차 권선과 직렬로 연결되는 공진 인덕터 및 상기 일차 권선에 병렬로 연결되며 상기 공진 인덕터와 직렬로 연결되는 공진 캐패시터 및 수동소자를 갖는 공진 네트워크를 구비하는 단계; 및 상기 공진 네트워크로부터 공진된 전압을 상기 일차 권선의 양단에 제공하여 상기 일차 권선에 공진 전류를 유도하여 플라즈마를 생성하는 단계를 포함하고, 상기 공진 네트워크는, 상기 공진 캐패시터와 일단이 직렬로 연결되고, 타단이 접지로 연결되는 수동소자를 포함하고, 상기 수동소자에 의해 상기 인버터의 전압, 전류의 크기를 조절한다.
일 실시예에 있어서, 상기 수동소자는, 저항, 인덕터, 캐패시터, 트랜스 또는 릴레이 중 적어도 하나 이상을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마를 생성하기 전 단계에서 상기 수동소자를 이용하여 상기 인버터의 전압, 전류의 위상차 및 상기 플라즈마 점화 전 전류의 크기를 확인한다.
본 발명에 따른 수동소자를 구비한 전력공급장치 및 이를 이용한 플라즈마 점화를 위한 전력제공방법의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 플라즈마 점화 전 동작시 기존에 대비하여 동일한 주파수에서 인버터 전류의 크기를 조절이 가능하여 낮은 인버터 전류를 얻을 수 있다. 그러므로 인버터부의 전압, 전류의 위상차를 확보하기가 용이하여 낮은 스위칭 주파수에서도 플라즈마 점화가 가능하게 된다. 또한 저항이 무한대에 가까운 플라즈마 점화 전의 상황에서 인버터 전류의 크기를 줄일 수 있다. 특히, 공진 주파수에 대비하여 스위칭 주파수를 무한정 올릴 수 없는 현재 시스템에 적용하여 동일한 주파수에서 인버터 전류의 크기를 조절할 수 있다.
도 1은 종래의 전력공급장치에서 플라즈마가 부하로 동작할때의 특성을 나타낸 그래프이다.
도 2는 종래의 공진 네트워크 및 플라즈마 발생기의 공진 네트워크를 도시한 회로도이다.
도 3은 본 발명의 전력공급장치, 플라즈마 발생기 및 공정챔버의 연결구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 공진 네트워크 및 플라즈마 발생기를 도시한 회로도이다.
도 5는 종래 및 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전력공급장치의 인버터 전압, 전류의 위상 및 전류의 크기를 비교한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 공진 네트워크 및 플라즈마 발생기를 도시한 회로도이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따른 공진 네트워크 및 플라즈마 발생기를 도시한 회로도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
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.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대해 상세히 설명하기로 한다. 본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공 되어지는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 구성은 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.
도 3은 본 발명의 전력공급장치, 플라즈마 발생기 및 공정챔버의 연결구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 플라즈마 발생 시스템은 전력공급장치(10), 플라즈마 발생기(20) 및 공정챔버(30)를 포함한다. 전력공급장치(10)는 플라즈마 발생기(20) 내로 플라즈마를 점화시키 위하여 플라즈마 발생기 내로 에너지를 전달하기 위한 구성이다. 전력공급장치(10)는 스위칭 전원(50)과 공진 네트워크(60)로 구성된다. 전력공급장치(10)는 플라즈마 발생기(20)로 에너지를 전달하여 플라즈마 발생기 내로 플라즈마를 점화 또는 발생시킨다.
플라즈마 발생기(20)는 플라즈마(예를 들면 Ar+)로 변환가능한 가스(예를 들면 Ar)를 수용하기 위한 몸체(24)를 구비한다. 몸체(24)는 하나 또는 그 이상의 측면이 공정챔버(30)에 노출되어, 플라즈마에 의해 생성되는 대전된 입자가 처리될 물질과 직접 접촉하도록 한다. 선택적으로, 플라즈마 발생기(20)는 공정챔버(30)로부터 일정 거리에 위치되어, 활성화된 가스가 공정챔버(30) 내로 유동하도록 한다.
플라즈마 발생기(20)는 내부에 토로이달 형상의 플라즈마 방전 채널(22)을 포함하는 몸체(24) 및 전자기 에너지를 플라즈마 방전 채널(22) 내에 형성하여 플라즈마로 결합시키는 변압기(40)를 포함한다. 변압기는 페라이트 코어(44), 일차권선(42)을 포함한다. 페라이트 코어(44)는 플라즈마 방전 채널(22)에 쇄교하며 몸체(24)의 일부를 감싸도록 설치된다. 페라이트 코어(44)의 일부에는 일차권선(42)이 권선된다. 변압기(40)의 일차측은 일차권선(42)을 포함하고, 변압기(40)의 이차측은 플라즈마 방전 채널(22)에 형성되는 플라즈마를 포함한다. 일차권선(42)은 전력공급장치(10)와 연결되고, 전력공급장치(10)로부터 전력을 제공받아 구동된다. 전력공급장치(10)로부터의 에너지는 플라즈마 발생기(20)를 통과하는 가스와 변압기(40)를 통해 유도 연결되는 플라즈마를 점화 또는 생성한다. 플라즈마 발생기(20) 내에서 점화된 플라즈마는 변압기(40)의 이차측으로서 기능한다.
전력공급장치(10)는 높은 여기 전압을 변압기(40)의 일차 권선(42)에 인가한다. 이러한 여기 전압은 일차 권선(42) 내에 고전압 전류를 유도함으로써, 페라이트 코어(44)를 통해 교류 자기장을 생성한다. 그 결과, 전류는 플라즈마 발생기(20) 내의 가스로 유도되어 플라즈마의 점화를 유발한다. 플라즈마가 일단 생성되고 나면, 플라즈마는 다른 소스 가스를 여기하도록 사용되어, 원하는 반응가스를 생성한다.
플라스마가 전력공급장치(10)의 부하로 동작할 때, 플라즈마 점화전에는 대기중의 공기저항과 유사한 무한대의 저항값을 가진다. 그러나 플라즈마 점화 후에는 급격한 저항값 감소와 함께 플라즈마가 전력공급장치(10)의 부하로 동작하게 된다. 또한 플라즈마 발생기(20)가 동작중에는 임피던스 변화가 작다.
공정챔버(30)는 내부에 피처리 기판(34)을 지지하기 위한 서셉터(32)를 포함한다. 서셉터(32)는 임피던스 정합기(미도시)를 통하여 하나 이상의 바이어스 전원 공급원에 전기적으로 연결될 수 있다. 플라즈마 발생기(20)의 가스 배출구(23)는 어댑터(29)를 통해 연결되어 플라즈마 발생기(20)로부터 활성화 가스가 어댑터(29)을 통해 공정챔버(30)로 공급된다. 어댑터(29)는 전기적 절연을 위한 절연 구간을 구비할 수 있으며, 과열을 방지하기 위한 냉각 채널을 구비할 수 있다(미도시). 피처리 기판(34)은 예를 들어, 반도체 장치를 제조하기 위한 실리콘 웨이퍼 기판 또는 액정디스플레이나 플라즈마 디스플레이 등의 제조를 위한 유리 기판이다.
플라즈마 발생기(20)는 활성화된 가스를 공정챔버(30)로 공급한다. 플라즈마 발생기(20)로부터 공급된 활성화 가스는 공정챔버(30) 내부를 세정하기 위한 세정용으로 사용되거나 서셉터(32)에 안착되는 피처리 기판(34)을 처리하기 위한 공정용으로 사용될 수 있다. 플라즈마 발생기(20)는 활성화된 가스를 배출하기 위한 플라즈마 소스로써 유도 결합 플라즈마 , 용량 결합 플라즈마 또는 변압기 플라즈마를 사용할 수 있다. 이중에서 본 발명에서의 플라즈마 발생기(20)는 변압기 플라즈마를 사용한다.
도면에서는 도시하지 않았으나, 플라즈마 발생기(20)는 공정챔버(30)와 배기펌프(36) 사이에 설치될 수 있다. 배기펌프(36)는 공정챔버(30)의 배기구(35)에 연결된다. 플라즈마 발생기(20)는 공정챔버(30) 내에서 발생되어 배출되는 유해가스(과불화탄소)를 공급받아 무해한 가스로 분해하여 배출한다. 플라즈마 발생기(20)에 의해 환경오염물질인 유해가스를 분해하여 배출할 수 있을 뿐만아니라 배기펌프(36)의 손상을 방지할 수 있다. 이때 별도의 플라즈마 공급원이 구비될 수 있다.
제어부(70)는 시스템 전반을 제어하기 위한 구성으로, 전력공급장치(10)와 연결되어 플라즈마 발생기(20)로 공급되는 전력을 제어한다. 구체적으로 도시하지는 않았으나 전력공급장치(10)에는 비정상적인 동작 환경에 의해 발생될 수 있는 전기적 손상을 방지하기 위한 보호회로가 구비된다. 제어부(70)는 플라즈마 처리 시스템의 동작 과정 전반을 제어하기 위한 제어 신호를 발생하여 플라즈마 발생기(20)와 공정 챔버(30)의 동작을 제어한다. 플라즈마 발생기(20)에는 플라즈마 상태를 측정하기 위한 측정센서(미도시)가 구비되고, 제어부(70)는 측정된 값과 정상 동작에 기준한 기준값과 비교하면 전력공급장치(10)를 제어하여 무선 주파수의 전압 및 전류를 제어한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 공진 네트워크 및 플라즈마 발생기를 도시한 회로도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 전력공급장치(10)는 스위칭 전원(50)과 공진 네트워크(60)를 포함한다. 스위칭 전원(50)은 정류기(52)와 인버터(54)를 포함한다. 스위칭 전원(50)은 하프 브리지 인버터 또는 풀 브리지 인버터 중 하나일 수 있다. 정류기(52)에 의해 얻어지는 직류를 인버터(54)에 의해 변환하여 공진 네트워크(60)에 제공한다. 공진 네트워크(60)는 일차 권선(42)의 공진 인덕터로서 사용되며 스위칭 전원(50) 및 일차 권선(42) 사이에 연결된다. 공진 네트워크(60)의 공진 주파수 또는 그 근처의 주파수를 갖는 스위칭 전원으로부터 여기 전압에 응답하여 공진 전압 또는 실질적인 공진 전압은 고 전압을 유도하는 변압기(40)의 일차 권선(42) 양단에 인가된다. 일차 권선(42) 내의 공진 전류는 플라즈마 발생기(20) 내부로 플라즈마 점화를 유발한다.
공진 네트워크(60)는 스위칭 전원(50)에 의해 구동된다. 공진 네트워크(60)는 공진 캐패시터(64)와 직렬 연결되는 공진 인덕터(62)를 갖는 LC회로를 포함한다. 공진 캐패시터(64)는 일차 권선(42)과 병렬 연결되고, 공진 인덕터(62)는 일차 권선(42)과 직렬로 연결된다. 공진 인덕터(62) 및 공진 캐패시터(64)는 저역 통과 필터 네트워크를 형성한다. 여기 전압이 공진 네트워크(60) 양단에 인가됨으로써, 공진 네트워크(60)가 일차 권선(42) 양단에 실질적인 공진 AC전압을 제공하며, 일차 권선(42)에 실질적인 공진 전류를 유도하여 플라즈마 발생기(20) 내로 플라즈마를 점화한다.
생성된 플라즈마는 변압기(40)의 이차측으로서 역할을 수행한다. 플라즈마 는 인덕턴스(L) 및 리액턴스(R)를 갖는 등가회로로 표시될 수 있다. 인덕터(L2, L3)의 경우는 플라스마 발생기(20)에 의해 발생하는 부분이다. 인덕터(L2)에서의 iplasma는 인버터 출력전압에 따라 임피던스 값에 따라 계산되는 출력 부하(R : Zplasma)로의 전류이다. .한편, 플라즈마 발생기(20)의 몸체(24)는 토로이달 형태로 제조되거나, 가스의 환상 유동을 제공하는 다른 형상으로 제조될 수 있다.
본 발명에서의 공진 네트워크(60)는 수동소자(passive element)를 포함한다. 수동소자는 전기회로에서 전기적 에너지를 전달 또는 흡수할 뿐 증폭, 전기 에너지의 변환 등 능동적 기능을 가지지 않는 소자를 일컫는다. 수동소자는 공진 캐패시터(64)와 직렬로 연결되는데, 보다 상세하게는 일단은 공진 캐패시터(64)와 직렬로 연결되고, 타단은 접지(-)로 연결된다. 수동소자는 저항, 인덕터, 캐패시터, 트랜스 또는 릴레이 중 적어도 하나 이상을 선택할 수 있으며, 공진 캐패시터(64)와 직렬로 연결된다. 한편, 상기에서 설명된 수동소자의 리액턴스 값은 고정되거나 가변될 수 있다.
본 발명에서는 수동소자 중 인덕터(66)를 공진 캐패시터(64)와 연결하였다. 종래의 공진 네트워크에서는 공진 인덕터(62) 및 공진 캐패시터(64)에 의한 공진을 통해 부하(플라즈마)로 가는 전류의 크기를 결정할 수 있었다. 반면에, 본 발명에 따른 공진 네트워크(60)에서는 수동소자인 인덕터(66)의 크기를 바꿈으로써 공진 주파수 부근에서의 인버터(54) 전류 크기를 조절할 수 있다. 도면에서는 도시하지 않았으나, 다른 실시예로 인덕터(66)는 스위칭 회로를 통해 연결되어 가변될 수 있다.
인덕터(66)에 의해 저항이 무한대에 가까웠던 플라즈마 점화 전 상황에서 인버터(54)의 전류 크기를 줄일 수 있다. 그러므로 동일 주파수에서 낮은 인버터(54) 전류를 얻을 수 있어 인버터(54)의 전압, 전류의 위상차를 확보하기 용이하다. 이를 통해, 종래에 비하여 낮은 스위칭 주파수에서도 플라즈마 점화가 가능할 수 있다. 특히, 공진 주파수 대비 스위칭 주파수를 무한정 올릴 수 없는 현재의 전력 공급 시스템에서는 더욱 효과적이다.
플라즈마가 점화하면, 단락 전류는 스위칭 전원(50)으로 흐르지 않는다. 대신, 플라즈마가 점화한 후 변압기(40)의 일차 권선(42)의 인덕턴스가 감소되더라도 공진 네트워크(60)의 공진 인덕터(62)는 스위칭 전원(50)으로의 복귀를 위한 안전 작동 수준에 대한 일차 권선(42)을 통한 저역 통과 필터 제한 전류로서 기능을 계속 수행한다. 따라서, 고전류로 인한 스위칭 전원(50) 내의 구성 요소들에 대한 손상은 거의 방지된다.
하기에서는 수학식을 이용하여 인버터 전류의 크기에 반비례하는 입력 임피던스를 계산하는 것을 설명한다.
Figure 112017019237307-pat00001
Figure 112017019237307-pat00002
Zin : 공진네트워크 단자에서 부하측을 바라본 임피던스
ω : 2*pi*f (pi : 3.141592…, f : 공진네트워크 입력의 기본파 주파수)
임피던스를 단순화 하기 위해 R이 ∞인 플라즈마 점화 전 상황을 가정함.
[수학식 1]은 종래의 인버터측 이하의 임피던스를 나타내고, [수학식 2]는 종래의 인버터측 이하에서 본 전체 임피던스에서 플라즈마의 특성을 고려한 플라즈마 점화 전의 임피던스를 나타낸다.
인버터(54) 측의 임피던스는 공진 네트워크(60), 플라즈마 발생기(20)와 플라즈마의 저항 등가값에 의해 표현이 가능하며, 이 임피던스 값의 실수, 허수 값을 통해 인버터(54)의 전압, 전류의 위상차를 알수 있고, 추가로 인버터의 전류 값을 알 수 있다.
[수학식 1]은 공진 인덕터(3)와 공진 캐패시터(4)(도면 2에서 C1)는 플라스마의 점화 후의 전력공급장치의 동작을 위해 적용되며, 인덕터(L2, L3)의 경우는 플라스마 발생기(20)에 의해 발생하는 부분으로 전체 동작을 위해 값을 변경하는 것에는 한계가 있다. 종래의 방법으로는 플라즈마를 점화한 후 전력공급장치의 동작에 초점을 맞추어 공진 네트워크를 설계하고, 플라즈마 점화 전의 동작을 위해 전력공급장치의 동작 주파수를 높여 플라즈마 발생기를 동작시켜야 했다.
Figure 112017019237307-pat00003
[수학식 3]은 본 발명의 인버터에서 본 전체 임피던스를 나타낸다.
Figure 112017019237307-pat00004
[수학식 4]는 본 발명의 인버터에서 본 전체 임피던스에서 플라즈마의 특성을 고려한 임피던스를 나타낸다.
임피던스를 구하는 과정에서 실수부는 R이 ∞인 상황에서 0이 되기 때문에 생략 하였고, 허수부에 관한 부분에 관해서만 나타내었다. R이 ∞인 상황에서 인버터 전류에 영향을 주는 수식은 Zin(단자측에서 부하를 바라본 임피던스)에서 허수부에 의해서만 결정되고 이때, 수동소자(L4)의 영향에 의해 같은 주파수에서 기존대비 낮은 인버터 전류를 얻을 수 있다.
본 발명에 따라 공진 네트워크(60)에 수동소자(L4)를 추가하면, [수학식 1]은 [수학식 3]과 같이 변경될 수 있고, 추가적인 수동소자(L4)를 통해 플라즈마 점화 전의 인버터(54) 전압, 전류의 위상차를 계산하여 위상차를 개선할 수 있다. 또한 [수학식 4]에는 수동소자(L4)가 추가됨으로써, 인버터(54) 전압, 전류의 크기를 계산하여 전압, 전류의 크기를 조절할 수 있다.
결과적으로, 본 발명에 의하면, 플라즈마 점화 전 동작시 기존에 대비하여 동일한 주파수에서 인버터 전류의 크기를 조절이 가능하여 낮은 인버터 전류를 얻을 수 있다. 그러므로 인버터의 전압, 전류의 위상차를 확보하기가 용이하여 낮은 스위칭 주파수에서도 플라즈마 점화가 가능하게 된다. 또한 저항이 무한대에 가까운 플라즈마 점화 전의 상황에서 인버터 전류의 크기를 줄일 수 있다. 특히, 공진 주파수에 대비하여 스위칭 주파수를 무한정 올릴 수 없는 현재 시스템에 적용하여 동일한 주파수에서 인버터 전류의 크기를 조절할 수 있다.
도 5는 종래 및 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전력공급장치의 인버터 전압, 전류의 위상 및 전류의 크기를 비교한 그래프이다.
도 5(a)를 참조하면, 종래의 플라즈마 전력공급장치에서 인버터 이하의 전기적 등가모델에서 화살표로 표시된 구간은 영전압 스위칭(ZVS:Zero Voltage Switching)이 불가능한 구간을 나타낸다. 도 5(b)를 참조하면, 본 발명의 플라즈마 전력공급장치에서 인버터 이하의 전기적 등가모델에서 화살표로 표시된 구간은 영전압 스위칭(ZVS:Zero Voltage Switching)이 불가능한 구간을 나타낸다. 그러므로 도 5(a)와 도 5(b)를 비교하면, 본 발명의 전력공급장치는 추가적인 수동소자(L4)를 활용하여 영전압 스위칭(ZVS:Zero Voltage Switching)이 가능한 구간을 확보할 수 있다. 또한 추가적인 수동소자(L4)를 이용하여 인버터 전류의 크기도 조절이 가능하다.
도 6은 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 공진 네트워크 및 플라즈마 발생기 도시한 회로도이다.
도 6을 참조하면, 공진 네트워크(60a)는 수동소자로써 가변 인덕터(67)가 연결될 수도 있다. 가변 인덕터(67)는 공진 캐패시터(64)와 직렬로 연결되는데, 보다 상세하게는 일단은 공진 캐패시터(64)와 직렬로 연결되고, 타단은 접지(-)로 연결된다. 가변 인덕터(67)를 이용하여 인덕턴스 값을 조절하여 인버터의 전압, 전류의 크기를 제어할 수 있다. 가변 인덕터(67)를 제외한 나머지 구성은 상기에 설명한 실시예와 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
도 7은 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따른 공진 네트워크 및 플라즈마 발생기를 도시한 회로도이다.
도 7을 참조하면, 공진 네트워크(60b)는 가변 인덕터(67)의 일 실시예로써 멀티탭(67b)을 이용하여 인덕턴스 값을 조절할 수 있다. 가변 인덕터(67)는 스위칭 회로(67a)를 통해 멀티탭(67b)에 연결됨으로써 가변 인덕터(67)의 권선수를 조절하여 인덕턴스 값을 조절한다. 가변 인덕터(67)는 공진 캐패시터(64)와 직렬로 연결되는데, 보다 상세하게는 일단은 공진 캐패시터(64)와 직렬로 연결되고, 타단은 접지(-)로 연결된다. 가변 인덕터(67)를 이용하여 인덕턴스 값을 조절하여 인버터의 전압, 전류의 크기를 제어할 수 있다. 가변 인덕터(67)를 제외한 나머지 구성은 상기에 설명한 실시예와 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
도면에 도시하지 않았으나, 플라즈마 발생기(20)는 플라즈마 점화를 위한 점화전극을 더 포함할 수 있다. 점화전극은 전력공급장치(10)에 연결되어 구동될 수 있다. 점화전극은 토로이달 형상의 플라즈마 방전 채널(22) 내의 플라즈마를 점화하는 초기 이온화 이벤트를 제공하는 자유 전하를 생성한다. 초기 이온화 이벤트는 플라즈마 발생기(20)에 인가되는 짧고 높은 전압 펄스일 수 있다. 연속적인 높은 RF 전압은 또한 초기 이온화 이벤트를 생성하도록 사용될 수 있다. 자외선 복사는 또한, 플라즈마 방전 채널(22) 내의 플라즈마를 점화하는 초기 이온화 이벤트를 제공하는, 플라즈마 방전 채널(22) 내의 자유 전하를 생성하도록 사용될 수 있다. 또는, 플라즈마 발생기(20)는 몸체(24)에 광학 결합하는 자외선 광원(미도시)으로부터 나오는 자외선 복사에 노출되어 플라즈마를 점화하는 초기 이온화 이벤트를 유발할 수 있다.
이상의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
10: 전력공급장치 20: 플라즈마 발생기
21: 가스 주입구 22: 플라즈마 방전 채널
23: 가스 배출구 24: 몸체
29: 어댑터 30: 공정챔버
32: 서셉터 34: 피처리 기판
35: 배기구 36: 배기펌프
40: 변압기 42: 일차 권선
44: 페라이트 코어 50: 스위칭 전원
52: 정류기 54: 인버터
60: 공진 네트워크 62: 공진 인덕터
64: 공진 캐패시터 66: 인덕터

Claims (10)

  1. 플라즈마 발생기 내로 플라즈마를 점화하기 위한 전력공급장치에 있어서,
    정류기와 인버터를 구비하는 스위칭 전원;
    일차 권선 및 상기 일차 권선이 권선되는 페라이트 코어를 구비하는 변압기; 및
    상기 스위칭 전원과 상기 일차 권선 사이에 연결되며, 상기 일차 권선과 직렬로 연결되는 공진 인덕터 및 상기 일차 권선에 병렬로 연결되며 상기 공진 인덕터와 직렬로 연결되는 공진 캐패시터를 구비하는 공진 네트워크를 포함하고,
    상기 공진 네트워크는,
    상기 공진 캐패시터와 일단이 직렬로 연결되고, 타단이 접지로 연결되는 수동소자를 포함하고,
    상기 수동소자에 의해 상기 인버터의 전압 및 전류의 크기가 조절되며, 상기 조절된 인버터의 전압 및 전류의 크기에 따라 스위칭 주파수 대역이 조정되고,
    상기 수동소자는,
    저항, 인덕터, 캐패시터, 트랜스 또는 릴레이 중 적어도 하나 이상을 포함하는, 수동소자를 구비한 전력공급장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 발생기는,
    하나 이상의 가스 입구와 하나 이상의 가스 출구가 구비되며, 내부에 토로이달 형상의 플라즈마 방전 채널을 갖는 토로이달 형상의 플라즈마 챔버를 포함하고,
    상기 변압기의 상기 페라이트 코어는 상기 플라즈마 방전 채널에 쇄교하도록 상기 플라즈마 챔버에 설치되는 수동소자를 구비한 전력공급장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 전원은,
    하프 브리지 인버터를 포함하는 수동소자를 구비한 전력공급장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 전원은,
    풀 브리지 인버터를 포함하는 수동소자를 구비한 전력공급장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 하나 이상의 가스 출구는,
    기판을 처리하는 공정챔버와 연결되는 수동소자를 구비한 전력공급장치.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 플라즈마 챔버는,
    상기 플라즈마 방전 채널로 상기 플라즈마를 점화하기 위한 점화전극을 포함하는 수동소자를 구비한 전력공급장치.
  8. 플라즈마 발생기 내로 플라즈마를 점화하기 위한 전력을 제공하는 방법에 있어서,
    정류기와 인버터를 구비하는 스위칭 전원과 변압기의 일차 권선 사이에 연결되고, 상기 일차 권선과 직렬로 연결되는 공진 인덕터 및 상기 일차 권선에 병렬로 연결되며 상기 공진 인덕터와 직렬로 연결되는 공진 캐패시터 및 수동소자를 갖는 공진 네트워크를 구비하는 단계; 및
    상기 공진 네트워크로부터 공진된 전압을 상기 일차 권선의 양단에 제공하여 상기 일차 권선에 공진 전류를 유도하여 플라즈마를 생성하는 단계를 포함하고,
    상기 공진 네트워크는,
    상기 공진 캐패시터와 일단이 직렬로 연결되고, 타단이 접지로 연결되는 수동소자를 포함하고,
    상기 수동소자에 의해 상기 인버터의 전압 및 전류의 크기가 조절되며, 상기 조절된 인버터의 전압 및 전류의 크기에 따라 스위칭 주파수 대역이 조정되고,
    상기 수동소자는,
    저항, 인덕터, 캐피시터, 트랜스 또는 릴레이 중 적어도 하나 이상을 포함하는. 수동소자를 구비한 전력공급장치를 이용한 플라즈마 점화를 위한 전력제공방법.
  9. 삭제
  10. 제8항에 있어서,
    상기 플라즈마를 생성하기 전 단계에서 상기 수동소자를 이용하여 상기 인버터의 전압, 전류의 위상차 및 상기 플라즈마 점화 전 전류의 크기를 확인하는 수동소자를 구비한 전력공급장치를 이용한 플라즈마 점화를 위한 전력제공방법.
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