KR102005921B1 - 전자 가변 캐패시터 및 이를 구비하는 정합장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 매칭 타임을 수십 ms 이하로 단축할 수 있는 전자가변 캐패시터 및 이를 구비하는 임피던스 정합장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 전자가변 캐패시터는, 동일한 도선 길이에 의하여 병렬 연결되며, 동일하거나 상이한 용량값을 가지는 다수개의 고정 캐패시터들; 상기 다수개의 고정 캐패시터에 각각 연결되어 설치되며, 각 고정 캐패시터에 대한 전기적 연결을 단속하는 스위치 소자; 요청되는 용량값과 동일하거나 근사한 출력 용량값을 위해 상기 다수개의 고정 캐패시터를 조합하여 상기 스위치를 개폐하는 제어부;를 포함한다.

Description

전자 가변 캐패시터 및 이를 구비하는 정합장치{A CAPACITOR HAVING ELECTRONIC SWITCH AND THE MATHCER THEREOF}
본 발명은 전자가변 캐패시터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 매칭 타임을 수십 ms 이하로 단축할 수 있는 전자가변 캐패시터 및 이를 구비하는 임피던스 정합장치에 관한 것이다.
반도체 디바이스 제조, 액정 표시 장치(LCD) 제조, 태양광 모듈 제조 등 정밀소자 제조 분야에서는 고집적화된 정밀한 공정 처리를 위하여 플라즈마를 이용한 공정을 활용하는 것이 보편화되어 있다.
플라즈마를 이용하는 각 제조용 장비는 공통적으로 공정 처리를 위한 밀폐된 용기(chamber)와 반응성 가스 공급 장치, 고주파 발생을 위한 고주파 전원 장치 등으로 구성되며, 상기 밀폐된 용기(chamber) 내에 반응성 가스를 주입하고 고주파를 인가하여 플라즈마를 방전시킨다. 플라즈마가 발생하면 상기 챔버는 플라즈마를 포함한 동적 부하가 되고, 이 동적 부하에 기인하여 상기 고주파 발생 장치와 챔버 사이에 동적부하로부터 반사되는 반사파가 발생하게 된다.
상기 반사파는 고주파 발생 장치에서 발생한 전력이 챔버로 전달되지 못하고 되돌아 오는 전력으로, 플라즈마의 품질을 평가하는 기준이 되기도 한다. 따라서 좋은 품질의 플라즈마를 얻기 위해서는 짧은 시간 내에 반사파를 최소화하여 최대의 전력을 상기의 부하에 공급할 수 있도록 신속한 임피던스 정합이 필요하다.
임피던스 정합 방법으로는 통상적으로 상기의 챔버와 고주파 전원 장치 사이에 가변소자(가변 코일 또는 가변 정전 용량)을 포함한 별도의 임피던스 정합장치를 설치하는 방법과 고주파 전원장치의 주파수를 변경하여 임피던스 정합을 수행하는 방법이 있다. 한편 상기 부하가 시간에 따라 변화하는 동적 부하이므로 이러한 부하의 움직임에 추종하는 임피던스 정합을 하여야 한다.
가변소자를 이용한 자동 임피던스 정합 장치는 부하의 특성에 따라 각기 다른 매칭 네트워크를 가지며, 네트워크에는 적어도 2개 이상의 가변 소자가 사용된다. 상기 가변소자를 이용한 네트워크 구성에 따라 매우 넓은 범위의 부하 임피던스에 대하여 임피던스 정합을 수행할 수 있으므로, 플라즈마의 상태가 심하게 변화되는 경우에도 뛰어난 임피던스 정합 특성을 보이며, 반사파를 "0"에 가깝게 구현할 수 있다. 상기 가변 소자로는 통상적으로 가변 콘덴서 또는 가변 인덕턴스를 사용하며, 이러한 가편 소자에서는 모터를 이용하여 전극판을 기계적으로 이동시키는 방식으로 가변소자를 제어하고 반사파의 검출회로를 통하여 동적 부하에 자동으로 추종하도록 제어된다.
따라서 이러한 종래의 가변 소자에서는, 가변소자를 움직이는 모터의 구동 속도에 의하여 수백 밀리 초(mili-sec)에서 수초 정도의 정합 시간이 필연적으로 발생한다.
최근 반도체 제조 공정 전반에 걸쳐서 생산성 향상을 위하여 플라즈마의 효율 증대를 요구하고 있고, 이것은 짧은 임피던스 정합 시간을 요구하고 있다. 특히 원자층 증착(Atomic Layer Deposition : ALD) 공정은 매우 짧은 시간의 플라즈마 제어를 반복하여야 한다. 또한, 최근의 식각 공정 및 증착 공정에서는 증착과 식각을 반복하거나 하나의 레시피 내에서 고주파 전력을 유지하면서 고주파 전력을 변경하여 플라즈마 효율을 제어하고 있다.
이러한 새로운 공정 조건을 수행하기 위해서는 매우 빠른 임피던스 정합 시간이 요구되고 있다. 또한 신뢰성 있는 공정 결과를 위하여 플라즈마 발생에 필요한 고주파의 주파수를 일정하게 유지할 필요가 있으며, 복수의 공정 조건을 수행하기 위하여 넓은 임피던스 정합 범위를 요구하고 있다.
따라서 상기의 짧은 정합 시간과 넓은 정합 범위라는 새로운 요구 조건을 만족하기 위하여는 새로운 가변 소자 및 이를 구비하는 임피던스 정합장치의 개발이 절실하게 요구되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 매칭 타임을 수십 밀리초 이하로 단축할 수 있는 전자가변 캐패시터 및 이를 구비하는 임피던스 정합장치를 제공하는 것이다. 또한 빠른 매칭타임 실현으로 RF 전원에서의 주파수 가변을 사용하지 않음으로 인하여 주파수에 따른 공정불량을 해소하는 것이다.
전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 전자가변 캐패시터는, 입력단과 각각 동일한 길이의 도선들에 의하여 병렬 연결되며, 동일하거나 상이한 용량값을 가지는 다수개의 고정 캐패시터들; 상기 다수개의 고정 캐패시터에 각각 동일한 길이의 도선들에 의하여 연결되어 설치되며, 각 고정 캐패시터에 대한 전기적 연결을 단속하는 스위치 소자들; 요청되는 용량값과 동일하거나 근사한 출력 용량값을 위해 상기 다수개의 고정 캐패시터를 조합하여 상기 스위치를 개폐하는 제어부;를 포함한다.
그리고 본 발명에서 상기 다수개의 고정 캐패시터들은, 가장 작은 용량값을 가지는 해상도 결정 캐패시터, 상기 해상도 결정 캐패시터 용량값의 n배 용량값을 가지는 다수개의 조합 캐패시터 및 가변 용량의 전체 범위를 한정하는 하나 이상의 범위 한정 캐패시터를 포함하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 따른 전자 가변 캐패시터에는, 가변 용량의 하한값을 정하는 하한값 결정 캐패시터가 더 구비되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 다수개의 고정 캐패시터들은, 동일한 각간격을 가지도록 설치 판넬 상에 방사상으로 배열되고, 상기 설치 판넬 중 방사상으로 배치된 상기 다수개의 고정 캐패시터가 이루는 원의 중심에 입력단이 설치되고 상기 입력단과 각 고정 캐패시터들은 동일한 도선 길이를 가지는 도선에 의하여 연결되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 스위치 소자는 다이오드로 이루어지는 것이 바람직하다.
한편 본 발명은 전술한 전자 가변 캐패시터를 구비하는 임피던스 정합 장치도 제공한다.
본 발명의 전자 가변 캐패시터 및 이를 구비하는 임피던스 정합장치에 의하면 기계적인 구동이 아니라 전자적인 구동에 의하므로 매칭 타임을 수밀리초 내지는 수십 밀리초 내에서 대폭 단축할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 정합장치의 구성을 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 가변 캐패시터의 구성을 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 가변 캐패시터에서 캐패시터 용량값들의 예시이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하세 설명한다.
본 실시예에 따른 전자 가변 캐패시터(1)는 도 1, 2에 도시된 바와 같이, 다수개의 고정 캐패시터(10), 스위치 소자(20) 및 제어부(130)를 포함하여 구성될 수 있다.
먼저 상기 다수개의 고정 캐패시터들(10)은 전체적으로 병렬 연결되고 각 캐패시터들의 용량값은 고정된 상태를 유지하며, 그 고정된 개별 용량값은 서로 동일하거나 상이할 수 있으며 가변 용량의 범위와 해상도에 따라 다양하게 변화될 수 있다.
예를 들어 상기 다수개의 고정 캐패시터들(10)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 가장 작은 용량값을 가지는 해상도 결정 캐패시터(11), 상기 해상도 결정 캐패시터(11) 용량값의 n배 용량값을 가지는 다수개의 조합 캐패시터(12 ~ 16) 및 가변 용량의 전체 범위를 한정하는 하나 이상의 범위 한정 캐패시터(17)를 포함하는 용량값 구성을 가질 수 있다.
여기에서 상기 해상도 결정 캐패시터(11)는 수pF 이하의 용량값을 가져서 가변 용량값의 최소값이 되며, 다른 어떤 고정 캐패시터와의 조합을 통하여 일정한 해상도로 가변된다. 한편 상기 다수개의 조합 캐패시터들(12 ~ 16)은 해상도 결정 캐패시터(11) 용량값의 n배되는 용량값을 가질 수도 있지만, 다른 방식으로 결정되는 용량값을 가질 수도 있다. 또한 상기 범위 한정 값은 모든 캐패시터(11 ~ 17)들의 합산 용량값으로 임피던스 매칭시 가변 캐패시터의 최대값을 결정한다. 가변 캐패시터의 최대 용량값과 해상도에 따라 다수개의 고정 캐패시터로 구성될 수 있다.
또한 본 실시예에 따른 전자 가변 캐패시터(1)에는, 하한값 결정 캐패시터(도면에 미도시)가 더 구비될 수도 있다. 상기 하한값 결정 캐패시터는 가변 용량의 하한값을 정하는 캐패시터로서, 예를 들어 도 3에 도시된 캐패시터들의 용량값에서 그 하한값은 여러 캐패시터 중 최소값의 캐패시터(11)의 용량값인 4pF이고, 해상도 또한 4pF의 조합이다. 그리고 도 3에서의 최대 용량값은 모든 캐패시터를 조합함으로서 1020pF로 정해진다. 따라서 도 3에 도시된 전자식 가변 캐패시터의 범위 한정 값은 4pF ~ 1020pF 이며, 4pF의 해상도를 가진다.
만약 더 높은 용량값에서의 가변 범위가 필요한 경우 특정한 캐패시터를 추가할 수 있다. 예를 들어 특정한 캐패시터의 용량값을 1000pF로 정하면 그 하한값 결정 캐패시터에 의하여 가장 낮은 조합 용량값은 1000pF이 되며, 다수개의 조합 캐패시터들(11 ~ 17)과의 조합으로 최소 1000pF에서 최대 2020pF의 가변 범위를 가진 전자식 가변 캐패시터를 구성할 수 있다. 이때 해상도는 4pF로 정해진다.
만약 해상도를 변경하고자 할 경우에는, 최소값의 캐패시터 용량값과 일정한 변화를 위한 수량을 조합하여 연결할 수 있다. 예를 들어 도 3의 가변범위(4pF ~ 1020pF, 해상도 4pF)에서 해상도를 1pF로 변경하고자 할 경우 도 3의 캐패시터 중 최소값인 11번 캐패시터의 용량값을 1pF로 변경하고 일정한 가변을 위하여 11번 캐패시터의 수량을 4개로 함으로서 가변범위 1 ~ 1020pF, 해상도 1pF의 전자식 가변 캐패시터를 구성할 수 있다.
그리고 상기 다수개의 고정 캐패시터들(10)은 동일한 도선 길이에 의하여 입력단(40) 및 스위치 소자(20)와 연결되는 것이 정밀한 제어를 위하여 바람직하다. 고주파 전원을 취급하는 소자에서는 도선도 일정한 코일 역할을 하므로 그 길이에 따라 상이한 리액턴스 값을 가질 수 있기 때문이다.
이렇게 다수개의 고정 캐패시터들(10)이 동일한 도선 길이에 의하여 연결되는 방법으로는 도 3에 도시된 바와 같이, 다수개의 고정 캐패시터들(10)이 방사상으로 배치되는 것이 바람직하다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 다수개의 고정 캐패시터들(10)은 동일한 각간격을 가지도록 설치 판넬(30) 상에 방사상으로 배열되고, 상기 설치 판넬(30) 중 방사상으로 배치된 상기 다수개의 고정 캐패시터(10)가 이루는 원의 중심에 입력단(40)이 설치되고 상기 입력단(40)과 각 고정 캐패시터들(10)은 동일한 도선 길이를 가지는 도선에 의하여 연결되는 것이다.
다음으로 상기 스위치 소자(20)는 도 2, 3에 도시된 바와 같이, 상기 다수개의 고정 캐패시터(10)에 각각 연결되어 설치되며, 각 고정 캐패시터에 대한 전기적 연결을 단속하는 구성요소이다. 즉 상기 스위치 소자(20)는 전기적 신호의 변화에 의하여 각 고정 캐패시터(10)에 대한 전기적 연결을 단속하므로 기계적인 방법에 의한 종래의 가변 소자에 비하여 획기적으로 빠른 속도 즉, 수십 또는 수 밀리초의 속도로 대응할 수 있다. 이러한 스위치 소자(20)로는 다이오드가 채용될 수 있다.
이처럼 획기적으로 빠른 매칭 속도는 기존 RF 전원 장치에서 가진 주파수 가변을 통한 임피던스 매칭속도와 동일하거나 그보다 빠르므로, 매칭속도를 위한 주파수 가변을 요구되지 않는다. 따라서 공정 중 동일한 주파수를 사용하므로 주파수 특성에 따른 공정 차이를 배제할 수 있으며, 보다 저렴한 RF 전원장치를 사용하여 빠른 임피던스 매칭과 일정한 품질의 공정 결과를 실현할 수 있다.
한편 상기 스위치 소자(20)들도 도 2에 도시된 바와 같이, 최소한의 면적을 차지하면서도 동일한 길이를 가지도록 방사상 형태로 배치되는 것이 바람직하다.
다음으로 상기 제어부(130)는 요청되는 용량값과 동일하거나 근사한 출력 용량값을 출력하기 위해 상기 다수개의 고정 캐패시터(10)를 조합하여 상기 스위치 소자(20)를 개폐하는 구성요소이다.
이하에서는 이러한 구성을 가지는 전자 가변 캐패시터(1)를 구비하는 임피던스 정합 장치(100)를 도 1을 참조하여 설명한다.
본 실시예에 따른 초고속 임피던스 정합 장치(100)는 도 1에 도시된 바와 같이, RF 전원(110), 매칭 박스(120) 및 제어부(130)를 포함하여 구성될 수 있다.
먼저 상기 RF 전원(110)은 RF 전원을 생성하여 부하 즉, 챔버(101)에 제공하는 구성요소로서, 필요한 고주파 전력을 일정한 주파수로 공급한다. 따라서 상기 RF 전원(110)은 일반적으로 주파수 변경이 필요없는 상대적으로 저렴한 상용품을 채용할 수 있다.
다음으로 상기 매칭 박스(120)는 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 RF 전원(110)과 부하 즉, 챔버(101) 사이에 설치되며, 상기 RF 전원(110)으로부터 출력을 제공받아 챔버(101)에 전달하는 구성요소이다. 특히, 본 실시예에서 상기 매칭 박스(120)는 상기 RF 전원(110)의 출력에 대응하여 상기 부하에서 반사되어 전달되는 반사파를 센싱하고 가변 네트워크를 이용하여 상기 반사파가 "0" 이 되도록 자동으로 임피던스 매칭 기능을 수행할 수 있는 구조를 가진다. 상기 매칭 박스(120) 내에 상기 전자 가변 캐패시터(1)가 설치되는 것이다.
다음으로 상기 제어부(130)는 도 1, 2에 도시된 바와 같이, 상기 RF 전원(110)과 매칭 박스(120) 사이에 설치되며, 상기 전자 가변 캐패시터(1)를 이용한 임피던스 정합 기술을 융합하여 넓은 임피던스 범위의 동적 부하를 수십 msec 내의 짧은 시간 내에 정합하고 반사파가 최저인 상태로 임피던스 정합을 수행하는 구성요소이다.
특히, 상기 제어부(130)는 빠른 임피던스 정합을 위하여 상기 전자 가변 캐패시터(1)에서 필요한 조합 용량값의 출력을 위하여 다수개의 고정 캐패시터들(10)을 선정하고 해당 고정 캐패시터들(10)에 대응되는 스위치 소자(20)를 단속하여 수십 밀리초 내의 짧은 정합 시간 내에 용량값을 가변할 수 있다.
1 : 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 가변 캐패시터
10 : 고정 캐패시터 20 : 스위치 소자
100 : 가변 RF 전원 120 : 매칭 박스
130 : 제어부

Claims (6)

  1. 입력단과 각각 동일한 길이의 도선들에 의하여 병렬 연결되며, 동일하거나 상이한 용량값을 가지는 다수개의 고정 캐패시터들;
    상기 다수개의 고정 캐패시터에 각각 동일한 길이의 도선들에 의하여 연결되어 설치되며, 각 고정 캐패시터에 대한 전기적 연결을 단속하는 스위치 소자들;
    요청되는 용량값과 동일하거나 근사한 출력 용량값을 위해 상기 다수개의 고정 캐패시터들을 조합하여 상기 스위치를 개폐하는 제어부;를 포함하는 전자 가변 캐패시터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 다수개의 고정 캐패시터들은,
    가장 작은 용량값을 가지는 해상도 결정 캐패시터, 상기 해상도 결정 캐패시터 용량값의 n배 용량값을 가지는 다수개의 조합 캐패시터 및 가변 용량의 전체 범위를 한정하는 하나 이상의 범위 한정 캐패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 가변 캐패시터.
  3. 제2항에 있어서,
    가변 용량의 하한값을 정하는 하한값 결정 캐패시터가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 전자 가변 캐패시터.
  4. 제1항에 있어서, 상기 다수개의 고정 캐패시터들은,
    동일한 각간격을 가지도록 설치 판넬 상에 방사상으로 배열되고, 상기 설치 판넬 중 방사상으로 배치된 상기 다수개의 고정 캐패시터가 이루는 원의 중심에 입력단이 설치되고 상기 입력단과 각 고정 캐패시터들은 동일한 도선 길이를 가지는 도선에 의하여 연결되는 것을 특징으로 하는 전자 가변 캐패시터.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 스위치 소자는 다이오드로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전자 가변 캐패시터.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 전자 가변 캐패시터를 구비하는 임피던스 정합 장치.
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