KR102499709B1 - RF 플라즈마 반응기용 플라즈마 시스(sheath) 제어 - Google Patents

RF 플라즈마 반응기용 플라즈마 시스(sheath) 제어 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시의 예는 20 kHz보다 큰 주파수와 1kV보다 높은 피크(peak) 전압을 가진 사인(sinusoidal)파형을 생성하는 RF 전원 및 상기 RF 전원과 전기적으로 결합되는 플라즈마 챔버를 포함하는 플라즈마 시스(sheath) 제어 시스템을 포함한다. 상기 플라즈마 챔버는 약 1 kV보다 많은 에너지로 배치된 표면으로 가속되는 복수의 이온들을 가진다. 상기 플라즈마 챔버는 상기 사인파형으로부터 상기 플라즈마 챔버 내에서 플라즈마 시스를 생성한다. 상기 플라즈마 시스 제어 시스템은 상기 RF 전원과 상기 플라즈마 챔버 사이에 전기적으로 연결되는 차단 다이오드; 및 상기 RF 전원, 상기 플라즈마 챔버 및 상기 차단 다이오드와 전기적으로 결합되는 용량성 방전 회로를 포함한다. 상기 용량성 방전 회로는 상기 플라즈마 챔버 내에서 1kV보다 높은 피크 전압과 250 나노초(nano 秒)보다 작은 방전 시간으로 용량성 전하들을 방전한다.

Description

RF 플라즈마 반응기용 플라즈마 시스(sheath) 제어
본 발명은 플라즈마 시스(sheath) 제어 시스템에 관한 것이다.
박막 제조 기술에서 RF-여기 기체 방전의 적용이 표준이 되었다. 가장 일반적으로 사용되는 가장 단순한 기하학적 구조는 전압이 적용되는 두 개의 평면 전극의 형상이다. 그러한 평면 RF 플라즈마 반응기의 개략적 표현은 도 1에 도시된다. 플라즈마는 플라즈마 시스(sheath)에 의해 각 전극과 분리된다.
플라즈마 체적에서 생성된 양이온은 플라즈마 시스에 걸쳐 가속되고 시스, 가스 압력, 반응기의 물리적 기하학적 구조, 및/또는 기타 인자들에 걸쳐 시간 의존 전위차의 크기와 파형에 의해 결정되는 이온 에너지 분포 함수(IEDF)를 통해 전극에 도달한다. 이 이온 충격 에너지 분포는 이온 충격으로 인한 표면 손상 등의 박막 식각량에서 이방성의 정도를 결정할 수 있다.
일부 실시의 예는 20 kHz보다 큰 주파수와 1kV보다 높은 피크(peak) 전압을 가진 RF 사인(sinusoidal)파형을 생성하는 RF 전원 및 상기 RF 전원과 전기적으로 결합되는 플라즈마 챔버를 포함하는 플라즈마 시스(sheath) 제어 시스템을 포함한다. 상기 플라즈마 챔버는 약 1 kV보다 많은 에너지로 배치된 표면으로 가속되는 복수의 이온들을 가진다. 상기 플라즈마 챔버는 상기 RF 사인파형으로부터 상기 플라즈마 챔버 내에서 플라즈마 시스를 생성한다. 상기 플라즈마 시스 제어 시스템은 상기 RF 전원과 상기 플라즈마 챔버 사이에 전기적으로 연결되는 차단 다이오드; 및 상기 RF 전원, 상기 플라즈마 챔버 및 상기 차단 다이오드와 전기적으로 결합되는 용량성 방전 회로를 포함한다. 상기 용량성 방전 회로는 상기 플라즈마 챔버 내에서 1kV보다 높은 피크 전압과 250 나노초(nano 秒)보다 작은 방전 시간으로 용량성 전하들을 방전한다.
일부 실시의 예에서, 상기 용량성 방전 회로는 저항기 및 직렬로 배열된 인덕터(inductor)를 포함하는 저항 출력단을 포함하며, 상기 저항 출력단은 상기 차단 다이오드와 상기 플라즈마 챔버 사이의 상기 플라즈마 시스 제어 시스템의 포인트와 그라운드 사이에 배치된다.
일부 실시의 예에서, 상기 용량성 방전 회로는 다이오드와 직렬로 배열된 인덕터를 포함하는 에너지 회수 회로를 포함하며, 상기 에너지 회수 회로는 상기 차단 다이오드, 상기 플라즈마 챔버 및 상기 RF 전원 사이에 배치된다.
일부 실시의 예에서, 상기 플라즈마 시스 제어 시스템은 상기 차단 다이오드와 상기 플라즈마 챔버 사이에 직렬로 배치된 바이어스 커패시터(bias capacitor)를 포함할 수 있다. 일부 실시의 예에서, 상기 플라즈마 시스 제어 시스템은 DC 전원, 저항기, 다이오드 및 고전압 스위치를 포함하는 바이어스 보상 회로를 포함할 수 있으며, 상기 바이어스 보상 회로는 상기 차단 다이오드와 상기 RF 전원 사이의 상기 플라즈마 시스 제어 시스템의 포인트 사이에 배치된다.
일부 실시의 예에서, 상기 플라즈마 시스 제어 시스템은 상기 플라즈마 챔버 내의 플라즈마 부하의 반응성 임피던스를 상기 RF 전원의 출력 임피던스와 매치되는 상기 플라즈마 챔버와 전기적으로 결합되는 매칭 네트워크(matching network)를 포함할 수 있다.
일부 실시의 예에서, 상기 차단 다이오드는 사인파형을 정류하여 각 구간의 적어도 25% 동안 실질적으로 평평한 부분을 가지는 사인파형을 생성한다.
일부 실시의 예는 플라즈마 시스 제어 시스템을 포함한다. 상기 플라즈마 시스 제어 시스템은 200V 보다 높은 DC전압을 생성하는 고전압 DC 전원을 포함할 수 있다. 상기 플라즈마 시스 제어 시스템은 교대로 스위치 온/오프하여 20 kHz보다 높은 주파수와 1 kV보다 높은 피크 전압을 가지는 사인파형을 생성하는 공진 부하와 결합하는 복수의 고전압 스위치를 포함하는 공진 회로 드라이버를 포함할 수 있다. 상기 플라즈마 시스 제어 시스템은 상기 공진 회로 드라이버와 전기적으로 결합되는 플라즈마 챔버를 포함할 수 있다. 상기 플라즈마 챔버는 약 1kV보다 큰 에너지를 가지는 플라즈마 챔버 내에 배치되는 표면으로 가속되는 복수의 이온을 가진다. 상기 플라즈마 챔버는 상기 사인파형으로부터 상기 플라즈마 챔버 내에 플라즈마 시스를 생성한다. 상기 플라즈마 시스 제어 시스템은 상기 공진 회로 드라이버와 상기 사인파형을 정류하는 상기 플라즈마 챔버 사이에서 전기적으로 연결되는 차단 다이오드를 포함할 수 있다.
일부 실시의 예에서, 상기 차단 다이오드는 상기 사인파형을 정류하여 각 구간의 적어도 25% 동안 실질적으로 평평한 부분을 가지는 파형을 생성한다.
일부 실시의 예에서, 상기 플라즈마 시스 제어 시스템은 저항기 및 직렬로 배열된 인덕터(inductor)를 포함하는 저항 출력단을 포함하며, 상기 저항 출력단은 상기 차단 다이오드와 상기 플라즈마 챔버 사이의 상기 플라즈마 시스 제어 시스템의 포인트와 그라운드 사이에 배치된다.
일부 실시의 예에서, 상기 플라즈마 시스 제어 시스템은 다이오드와 직렬로 배열된 인덕터를 포함하는 에너지 회수 회로를 포함하며, 상기 에너지 회수 회로는 상기 차단 다이오드, 상기 플라즈마 챔버 및 상기 고전압 DC 전원 사이에 배치된다.
일부 실시의 예에서, 상기 복수의 스위치는 제1 스위치, 제2 스위치, 제3 스위치, 및 제4 스위치를 포함한다. 일부 실시의 예에서, 상기 제1 스위치 및 상기 제4 스위치는 제1 시간 구간 동안 폐쇄되어 전류가 제1 방향으로 흐르게 하고; 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치는 2 시간 구간 동안 폐쇄되어 전류가 상기 제1 방향과 반대인 제2 방향으로 흐르게 한다.
일부 실시의 예에서, 상기 복수의 스위치는 제1 스위치 및 제2 스위치를 포함한다. 일부 실시의 예에서, 상기 제1 스위치는 제1 시간 구간 동안 폐쇄되어 전류가 제1 방향으로 흐르게 하고; 상기 제2 스위치는 제2 시간 구간 동안 폐쇄되어 전류가 상기 제1 방향과 반대인 제2 방향으로 흐르게 한다.
일부 실시의 예에서, 상기 복수의 스위치는
Figure 112021028282986-pct00001
에 따른 주파수에서 스위칭되고, f는 10 kHz보다 크고, L은 상기 플라즈마 챔버 내에서의 부하의 인덕턴스를 나타내고, C는 상기 공진 회로 드라이버 내에서의 커패시터(capacitor)의 정전용량을 나타낸다.
일부 실시의 예에서, 상기 복수의 스위치는
Figure 112021028282986-pct00002
에 따른 주파수에서 스위칭되고, f는 10 kHz보다 크고, L은 상기 공진 회로 드라이버 내에서의 인덕터의 인덕턴스를 나타내고, C는 상기 플라즈마 챔버가 있는 부하의 정전용량을 나타낸다.
일부 실시의 예에서, 상기 복수의 스위치는
Figure 112021028282986-pct00003
에 따른 주파수에서 스위칭되고, f는 10 kHz보다 크고, L은 상기 공진 회로 드라이버 내에서의 인덕터의 인덕턴스를 나타내고, C는 상기 공진 회로 드라이버 내에서의 커패시터의 정전용량을 나타낸다.
일부 실시의 예에서, 상기 공진 회로 드라이버가 상기 사인파형을 생성하는 동안 상기 플라즈마 시스 제어 시스템은 약 1 kV보다 큰 플라즈마 시스 양단의 전압을 생성한다.
일부 실시의 예에서, 상기 플라즈마 시스 제어 시스템은 약 1ms 보다 적은 시간의 척도에서 상기 공진 회로에 의해 생성된 사인파형의 주파수 또는 전력 둘 중 하나 또는 모두를 조절하는 제어기를 포함할 수 있다.
일부 실시의 예에서, 상기 플라즈마 시스 제어 시스템은 상기 플라즈마 챔버 이전 지점에서 상기 사인파형의 주파수가 공진 주파수와 일치하지 않는 경우 상기 플라즈마 챔버 이전 지점에서 사인파형의 주파수를 측정하고 상기 공진 회로 드라이버에 의해 생성된 상기 사인파형의 주파수를 조절하는 제어기를 포함할 수 있다.
일부 실시의 예에서, 상기 플라즈마 시스 제어 시스템은 상기 플라즈마 챔버 이전 지점에서 상기 사인파형의 전력이 필요한 전력과 일치하지 않는 경우 상기 플라즈마 챔버 이전 지점에서 사인파형의 전력을 측정하고 상기 공진 회로 드라이버에 의해 생성된 상기 사인파형의 전력을 조절하는 제어기를 포함할 수 있다.
일부 실시의 예에서, 고전압 및 고주파수 사인파형을 생성하는 RF 전원; 저항기 및 인덕터를 포함하는 저항 출력단; 및 상기 RF 전원과 상기 저항 출력단 사이에 배치되는 차단 다이오드를 포함하는 플라즈마 시스 제어 시스템을 포함한다. 일부 실시의 예에서, 예를 들어 가스 공급 시스템, 제어 시스템, 플라즈마 생성 시스템, 진공 펌핑(pumping), 웨이퍼 전송 시스템 등을 포함할 수 있는 플라즈마 반응기가 포함될 수 있다. 일부 실시의 예에서, 상기 저항 출력단은 약 200 pF보다 작은 정전용량을 가진다. 일부 실시의 예에서, 상기 플라즈마 시스 제어 시스템은 웨이퍼 증착 장치와 결합하도록 구성되는 출력부를 더 포함한다. 일부 실시의 예에서, 상기 플라즈마 시스 제어 시스템은 2 kV보다 큰 진폭과 1 kHz보다 높은 주파수를 가지는 고전압 사인파형을 출력하도록 구성된 출력부를 더 포함한다.
본 발명의 일부 실시의 예는 RF 전원; 바이어스 커패시터; 및 상기 차단 다이오드에 걸쳐 결합된 고전압 스위치를 포함하는 플라즈마 시스 제어 시스템을 포함한다. 상기 고전압 스위치는 고전압 스위칭 전원이 턴온되는 경우 오프되고, 상기 고전압 스위치는 상기 고전압 스위칭 전원이 펄싱(pulsing)하지 않는 경우 온 된다. 일부 실시의 예에서, 상기 플라즈마 시스 제어 시스템은 웨이퍼 증착 장치와 결합하도록 구성된 출력부를 더 포함한다. 일부 실시의 예에서, 상기 플라즈마 시스 제어 시스템은 2 kV보다 큰 진폭과 1 kHz보다 높은 주파수를 가지는 고전압 사인파형을 출력하도록 구성된 출력부를 더 포함한다.
본 발명의 일부 실시의 예는 플라즈마 시스 제어 시스템이 턴온되는 경우 및 플라즈마 시스 제어 시스템이 턴오프되는 경우 상기 웨이퍼와 척(chuck)사이의 전압 전위가 약 2 kV가 되도록 웨이퍼 증착 챔버 내에서 플라즈마를 생성하는 출력을 생성하는 플라즈마 시스 제어 시스템을 포함한다.
일부 실시의 예에서, 상기 저항 출력단은 수동 구성 요소들의 직렬 또는 병렬 네트워크를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 저항 출력단은 일련의 저항기, 커패시터 및 인덕터를 포함할 수 있다. 다른 예로서, 상기 저항 출력단은 인덕터와 평행한 커패시터 및 저항기와 직렬인 커패시터-인덕터 조합을 포함할 수 있다. 상기 배열과 무관하게, 구성 요소의 값들은 RF 전원의 RF주파수와 일치하도록 선택될 수 있다.
이러한 예시적인 실시의 예들은 본 개시를 한정하려고 언급되는 것이 아니라, 본 발명의 이해를 돕고자 예들을 제시하기 위하여 언급되는 것이다. 추가적인 실시의 예들은 상세한 설명에서 설명되고, 추가 설명이 제공된다. 하나 이상의 다양한 실시의 예들이 제공하는 이점은 본 명세서를 검토하거나 제시되는 하나 이상의 실시의 예들을 실시함으로써 보다 더 이해될 것이다.
본 개시의 이들 그리고 다른 특징, 측면 및 이점들은 첨부된 도면들을 참조하여 다음의 상세한 설명을 읽음으로써 보다 잘 이해될 것이다.
도 1은 일부 실시의 예에 따른 RF 플라즈마 반응기의 개략도이다.
도 2는 일부 실시의 예에 따른 RF 플라즈마 챔버용 RF 드라이버의 개략도이다.
도 3은 플라즈마 챔버의 양단의 전압 Vr의 파형 및 기판 전극 및 대상(target) 전극의 동일한 영역에 대한 플라즈마 전위 Vp의 파형을 도시한다.
도 4는 플라즈마 챔버 내의 상기 대상 전극에 인접한 플라즈마 시스(sheath)의 양단 전위 VST의 파형 및 상기 기판 전극 양단의 전위 Vss의 파형을 도시한다.
도 5는 일부 실시의 예에 따른 RF챔버에 대한 플라즈마 시스 제어 시스템의 개략도이다.
도 6은 시스(예를 들어, C3)에 걸친 파형 및 척(chuck, 예를 들어, C2)에서의 파형을 도시한다.
도 7은 일부 실시의 예에 따라 저항 출력단을 가지는 RF챔버에 대한 플라즈마 시스 제어 시스템의 다른 개략도이다.
도 8은 도 7에 도시된 회로로부터의 시스(예를 들어, C3)에 걸친 파형 및 척(예를 들어, C2)에서의 파형을 도시한다.
도 9는 도 8에 도시된 파형의 세 개의 사이클을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 10은 도 7에 도시된 회로로부터의 시스(예를 들어, C3)에 걸친 파형 및 척(예를 들어, C2)에서의 파형을 도시한다.
도 11은 도 7에 도시된 회로로부터의 시스(예를 들어, C3)에 걸친 파형 및 척(예를 들어, C2)에서의 파형을 도시한다.
도 12는 본 발명의 일부 실시의 예에 따른 저항 출력단 및 고전압 스위치 바이어스 보상단을 가지는 RF챔버에 대한 플라즈마 시스 제어 시스템의 다른 개략도이다.
도 13은 도 12에 도시된 회로로부터의 시스(예를 들어, C3)에 걸친 파형 및 척(예를 들어, C2)에서의 파형을 도시한다.
도 14는 도 12에 도시된 파형의 세 개의 사이클을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 15는 척에서의 전압이 0으로 돌아가는 버스트(burst) 파형의 끝을 도시한다.
도 16은 일부 실시의 예에 따른 공진 풀-브리지(full-bridge) 드라이버를 가지는 RF 챔버에 대한 플라즈마 시스 제어 시스템의 개략도이다.
도 17은 일부 실시의 예에 따른 에너지 회수 회로를 가지는 플라즈마 시스 제어 시스템의 회로도이다.
도 18은 일부 실시의 예에 따른 절연 전력을 가지는 고전압 스위치의 블록도이다.
도 19는 일부 실시의 예에 따른 하프 브리지(half bridge) 공진 회로를 가지는 플라즈마 시스 제어 시스템의 회로도이다.
다이오드와 용량성 방전 회로(예를 들어, 저항 출력단 또는 에너지 회수 회로)의 둘 중 하나 또는 둘 다 및/또는 차단 다이오드를 가지는 고전압 스위치를 포함하는 플라즈마 시스(sheath) 제어 시스템이 개시된다. 일부 실시 예에서, 플라즈마 시스 제어 회로는 반도체 또는 유사한 장치를 제조하기 위해 플라즈마 챔버를 가지는 RF 바이어스 전원을 포함할 수 있다. 일부 실시 예에서, 플라즈마 시스 제어 회로는 반도체 제조 장치 내에 플라즈마를 생성하는 출력을 생성할 수 있다. 예를 들어, 보다 제어 가능하고 일정한 플라즈마 시스 전위가 플라즈마와 대상(target) 전극 또는 웨이퍼 사이에 생성될 수 있도록 한다. 강화된 제어는 예를 들어 에칭, 박막 증착, 이온 증착, 태양 전지 패널 및/또는 디스플레이 패널 제조 등과 같은 더 높은 애플리케이션 성능을 가져올 수 있는, 플라즈마로부터 충돌 이온의 정점(peaked) 및/또는 조정 가능한 이온 에너지 분포를 허용할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 웨이퍼와 척(chuck) 사이의 대략 일정한 전압 전위는 플라즈마 시스 제어 회로가 켜져 있을 때와 꺼져 있는 동안 약 2kV로 유지될 수 있다. 일부 실시 예에서, RF 전원 공급 시스템은 약 1kV 내지 10kV보다 큰 최대 진폭(peak amplitude)을 가지는 사인파형을 생성할 수 있다.
도 2는 반응기 및 RF 플라즈마 전원의 RF 드라이버의 개략도이다. 여기서 VRF는 정합된 RF 전원으로부터 적용된 사인파형의 전압이다. VT와 VP는 각각 대상 전극과 플라즈마의 전위이다. 또한 VSS = VP 및 VST = VT-VP는 각각 기판 또는 챔버 벽 플라즈마 시스와 대상(target) 플라즈마 시스 양단의 전압이다. 차단 커패시터(capacitor)는 CB로 표시된다. CST와 IT는 각각 대상 전극에 인접한 시스의 정전용량과 전도 전류를 나타내고, Css와 IS는 기판 전극에 인접한 시스에 대한 해당 값들을 나타낸다.
플라즈마의 전기 저항은 본 논의에서 고려되는 플라즈마 전자 밀도 및 전압 주파수 범위에 대한 시스(sheath) 저항에 대해 작다. 그러나 플라즈마 저항을 포함한다고 해서 회로 모델이 복잡해지지는 않는다.
도 3은 플라즈마 챔버의 양단의 전압 Vr의 파형 및 기판 전극 및 대상(target) 전극의 동일한 영역에 대한 플라즈마 전위 Vp의 파형을 도시한다.
도 4는 상기 대상 전극에 인접한 플라즈마 시스의 양단 전위 VST의 파형 및 AT/AS = 0.2에 대한 상기 기판 전극 양단의 전위 Vss의 파형을 도시한다. 도 4는 0 V에서 450 V로 가는 시스 전위의 반(半) 사인파(sine wave)를 보여준다.
도 5는 일부 실시의 예에 따른 RF 챔버에 대한 플라즈마 시스 제어 시스템(500)의 개략도이다. 플라즈마 시스 제어 시스템(500)은 웨이퍼 상에서 개발된 웨이퍼 플라즈마 시스(505)를 나타내는 회로 및 플라즈마 챔버의 벽에 있는 벽 플라즈마 시스(510)를 나타내는 회로를 포함한다. 커패시터(C3)는 플라즈마와 웨이퍼 사이의 시스 정전용량을 나타내며, 이는 시스 전체에 걸친 물리적 기하학 및 플라즈마 매개 변수의 함수일 수 있다. 커패시터(C9)는 플라스마와 플라스마 챔버 벽 사이의 시스 정전용량을 나타내며, 이는 시스 전체에 걸친 물리적 기하학 및 플라즈마 매개 변수의 함수일 수 있다. RF 전원(V5)은 고전압 사인파형을 제공하는 RF 전압 공급 장치이다. 스위치(S2)는 RF 전원(V5)을 켜고 끄는 데 사용할 수 있으며, 이는 RF 전원(V5)의 켜기 및 끄기를 모델링하는 소자일 수 있다. 다양한 다른 구성 요소는 표유 정전용량(漂遊 靜電容量), 인덕턴스 및/또는 저항을 나타낸다.
일부 실시 예에서, 유도(lead)단(誘導端)(103)는 RF 발생기(515)와 DC 바이어스 회로(104) 사이의 리드(lead) 또는 트레이스(trace) 중 하나 또는 둘 모두를 나타낼 수 있다. 인덕터(L2) 또는 인덕터(L6) 중 하나 또는 둘 모두는 리드 또는 트레이스 중 하나 또는 둘 모두로 인덕턴스를 나타낼 수 있다.
이 예에서, DC 바이어스 회로(104)는 어떠한 바이어스 보상도 포함하지 않는다. DC 바이어스 회로(104)는 예를 들어 출력 전압을 양 또는 음으로 편향(bias)되게 할 수 있는 오프셋 공급 전압(V1)을 포함한다. 일부 실시 예에서, 오프셋 공급 전압(V1)은 웨이퍼 전압과 척 전압 사이의 오프셋을 변경하도록 조정될 수 있다. 일부 실시 예에서, 오프셋 공급 전압(V1)은 약 ± 5 kV, ± 4 kV, ± 3 kV, ± 2 kV, ± 1 kV 등의 전압을 가질 수 있다.
일부 실시 예에서, 바이어스 커패시터(C12)는 저항 출력단 또는 다른 회로 소자 중 하나 또는 둘 모두로부터 DC 바이어스 전압을 절연(또는 분리)할 수 있다. 예를 들어, 바이어스 커패시터(C12)는 회로의 한 부분에서 다른 부분으로 전위 이동을 허용할 수 있다. 일부 실시 예에서, 이러한 전위 이동은 웨이퍼를 척에 고정하는 정전기력이 전압 임계값 아래로 유지되도록 보장할 수 있다. 저항기(R2)는 RF 발생기(515)로부터 출력된 고전압 사인파형으로부터 DC 바이어스 전원을 절연시킬 수 있다.
바이어스 커패시터(C12)는 예를 들어 100 pF, 10 pF, 1 pF, 100 μF, 10 μF, 1 μF 등이다. 예를 들어 저항기(R2)는 예를 들어 대략 1 kOhm, 10 kOhm, 100 kOhm, 1 MOhm, 10 MOhm, 100 MOhm 등의 저항과 같은 높은 저항을 가질 수 있다.
제2 유도단(105)은 RF 전력 회로와 부하단(106) 사이의 회로 소자를 나타낸다. 예를 들어, 저항기(R13)는 고전압 전력 시스템의 출력에서 전극(예를 들어, 부하단(106))으로 연결되는 유도 또는 전송 라인의 표유(漂遊) 저항을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 커패시터(C1)는 유도 또는 전송 라인의 표유 정전용량을 나타낼 수 있다.
일부 실시 예에서, 부하단(106)은 예를 들어 플라즈마 증착 시스템, 반도체 제조 시스템, 플라즈마 스퍼터링 시스템 등과 같은 반도체 프로세싱 챔버에 대한 이상화되거나 효과적인 회로를 나타낼 수 있다. 정전용량(C2)은 예를 들어 웨이퍼가 놓일 수 있는 척의 정전용량을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 척은 유전물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 커패시터(C1)는 작은 정전용량 (예를 들어, 약 10 pF, 100 pF, 500 pF, 1 nF, 10 nF, 100 nF 등)을 가질 수 있다.
예를 들어, 커패시터(C3)는 플라즈마와 웨이퍼 사이의 시스 정전용량을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 저항기(R6)는 플라즈마와 웨이퍼 사이의 시스 저항을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 인덕터(L2)는 플라즈마와 웨이퍼 사이의 시스 인덕턴스를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 전류 원(電流源)(I2)은 시스를 통과하는 이온 전류를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 커패시터(C1) 또는 커패시터(C3)는 작은 정전용량(예를 들어, 약 10 pF, 100 pF, 500 pF, 1 nF, 10 nF, 100 nF 등)을 가질 수 있다.
예를 들어, 커패시터(C9)는 챔버 벽과 플라즈마 사이의 플라즈마 내의 정전용량을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 저항기(R7)는 챔버 벽과 웨이퍼의 상부 표면 사이의 플라즈마 내의 저항을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 전류원(I1)은 플라즈마의 이온 전류를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 커패시터(C1) 또는 커패시터(C9)는 작은 정전용량(예를 들어, 10 pF, 100 pF, 500 pF, 1 nF, 10 nF, 100 nF 등)을 가질 수 있다.
이 문서에서 사용된 대로 플라즈마 전압은 접지에서 회로 지점(123)까지 측정된 전압이다. 웨이퍼 전압은 접지에서 회로 지점(122)까지 측정된 전압이며 웨이퍼 표면에서의 전압을 나타낼 수 있다. 척킹(chucking) 전압은 접지에서 회로 지점(121), 지점(122)까지 측정된 전압이다. 전극 전압은 접지에서 회로 지점(121) 및 접지까지 측정된 전압이다. 입력 전압은 접지에서 회로 지점(125)까지 측정된 전압이다.
도 6은 회로 지점(122)과 회로 지점(123) 사이, 그리고 회로 지점(121)인 척(이를테면, 커패시터(C2)에 걸친)에서의 시스(이를테면, 커패시터(C3)에 걸친)을 가로 지르는 파형을 도시한다. 파형(605)은 플라즈마 시스(예를 들어, 웨이퍼 플라즈마 시스(505) 및/또는 벽 플라즈마 시스(510))에 걸친 전압을 나타낸다. 파형(605)은 플라즈마 효과의 일부인 다이오드(D3)로 인해 영(0)에서 약간 클리핑되는(clipped) 순수한 사인파이다. 파형(610)은 전극에서(또는 척 양단의) 전압을 보여준다. 일부 실시 예에서, 척킹 전압과 웨이퍼 전압 사이의 차이(예를 들어, 파형 사이의 차이)는 약 2 kV 또는 약간 그 이하로 유지될 수 있다. 꺼지는 경우, 이 차이는 -2 kV로 돌아간다. 약 2 kV의 차이는 웨이퍼를 척에 정전기적으로 결합하기에 충분할 수 있으며, 2 kV보다 큰 차이는 웨이퍼를 파괴하면서 그럴 수 있다.
도 7은 일부 실시 예에 따른 저항 출력단(705)을 가지는 RF 플라즈마 반응기의 플라즈마 시스 제어 시스템(700)의 다른 개략도이다. 이 예에서, 플라즈마 시스 제어 시스템(700)은 차단 다이오드(D7)를 포함한다. 차단 다이오드(D7)는 예를 들어 도9에 도시된 바와 같이 각각의 사인파형에 평평한 상부를 생성할 수 있는 사인파형을 정류할 수 있다. 예를 들어, 차단 다이오드(D7)는 사인파형을 정류하여 각 구간의 적어도 10 %, 15 %, 20 %, 25 %, 30 % 등 동안 실질적으로 평평한 부분을 가지는 사인파형을 생성할 수 있다.
저항 출력단(705)은 하나 이상의 인덕터(L1) 및 하나 이상의 저항기(R1)를 포함할 수 있다. 저항 출력단(705)은 예를 들어 모든 목적을 위한 출원의 모든 내용이 참조로서 본 발명에 포함되는 "고전압 저항 출력단 회로"라는 명칭의 미국 특허 출원 15/941,731에 설명된 저항 출력단과 같은 임의의 유형의 저항 출력단을 포함할 수 있다.
일부 실시 예에서, 저항기(R1)는 약 500 ohm, 200 ohm, 100 ohm 등 미만의 저항을 가질 수 있다.
일부 실시 예에서, 저항 출력단(705)은 부하단(106)(예를 들어, 플라즈마 챔버) 및 고전압 스위칭 전원과 병렬로 전기적으로 결합될 수 있다. 일부 실시 예에서, 저항 출력단은 부하(예를 들어, 웨이퍼 플라즈마 시스 또는 벽 플라즈마 시스(510)로부터)를 방전하는 적어도 하나의 저항기(예를 들어, R1)를 포함할 수 있다. 일부 실시 예에서, 저항 출력단은 각 사인파형 사이클 동안 약 1 kW의 평균 전력 및/또는 각 사인파형 사이클에서 주울(joule) 또는 그 이하의 에너지를 방전하도록 구성될 수 있다. 일부 실시 예에서, 저항 출력단에서 저항기(R1)의 저항은 200 ohm 보다 작을 수 있다. 일부 실시 예에서, 저항기(R1)은 약 200 pF(예를 들어, C11) 보다 작은 결합 정전용량을 가지는 직렬 또는 병렬로 배열된 복수의 저항기를 포함할 수 있다.
일부 실시 예에서, 저항 출력단(705)은 부하상의 전압 파형의 형상을 제어하는 데 사용될 수 있는 회로 소자들의 모음을 포함할 수 있다. 일부 실시 예에서, 저항 출력단(705)은 수동 소자(예를 들어, 저항기, 커패시터, 인덕터 등)만을 포함할 수 있다. 일부 실시 예에서, 저항 출력단(705)은 수동 회로 소자뿐만 아니라 능동 회로 소자(예를 들어, 스위치)를 포함할 수 있다. 일부 실시 예에서, 저항 출력단(705)은 예를 들어 파형의 전압 상승 시간 및/또는 파형의 전압 하강 시간을 제어하는 데 사용될 수 있다.
일부 실시 예에서, 저항 출력단(705)은 용량성 부하(예를 들어, 웨이퍼 플라즈마 시스(505) 및/또는 벽 플라즈마 시스(510)로부터의 용량성 전하)를 방전할 수 있다. 예를 들어, 이러한 용량성 부하는 작은 정전용량(예를 들어, 약 10 pF, 100 pF, 500 pF, 1 nF, 10 nF, 100 nF 등)을 가질 수 있다.
일부 실시 예에서, 저항 출력단은 높은 피크(peak) 전압(예를 들어, 1 kV, 10 kV, 20 kV, 50 kV, 100 kV 보다 큰 전압 등) 및/또는 고주파수(예를 들어, 1 kHz, 10 kHz, 100 kHz, 200 kHz, 500 kHz, 1 MHz 보다 큰 주파수 등)를 가지는 사인파형을 가지는 회로에서 사용될 수 있다.
일부 실시 예에서, 저항 출력단(705)은 높은 평균 전력, 높은 피크 전력, 빠른 상승 시간 및/또는 빠른 하강 시간을 처리하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 평균 전력 등급은 약 0.5 kW, 1.0 kW, 10 kW, 25 kW 등 보다 클 수 있고/있거나 피크 전력 등급은 약 1 kW, 10 kW, 100 kW, 1 MW등 보다 클 수 있다.
일부 실시 예에서, 저항 출력단(705)은 수동 구성 요소들의 직렬 또는 병렬 네트워크를 포함할 수 있다. 예를 들어, 저항 출력단(705)은 일련의 저항기(R5), 커패시터(C11) 및 인덕터(L7)를 포함할 수 있다. 다른 예로서, 저항 출력단(705)은 인덕터와 병렬인 커패시터 및 저항기와 직렬인 커패시터-인덕터 조합을 포함할 수 있다. 배열과 관계없이, 구성 요소 값은 RF전원의 RF 주파수와 일치하도록 선택될 수 있다. 차단 다이오드(D7)는 RF 발생기(515)의 출력을 정류할 수 있다. 예를 들어, 차단 다이오드(D7)는 사인파형을 정류하여 각 구간의 적어도 10 %, 15 %, 20 %, 25 %, 30 % 등 동안 실질적으로 평평한 부분을 가지는 사인파형을 생성할 수 있다.
일부 실시 예에서, 저항 출력단(705)은 빠른 방전 시간으로 부하단(106)에서 고전압 용량성 부하(예를 들어, 웨이퍼 플라즈마 시스(505) 및/또는 벽 플라즈마 시스(510)로부터의 용량성 전하)를 빠르게 방전할 수 있다. 고전압 부하는 약 1 kV, 10 kV, 20 kV, 50 kV, 100 kV 등 보다 큰 전압을 가지는 부하일 수 있다. 빠른 방전 시간은 약 1 ns, 10 ns, 50 ns, 100 ns, 250 ns, 500 ns, 1,000 ns 등 보다 작은 시간일 수 있다.
플라즈마 시스 제어 시스템(700)은 RF 발생기(515), 저항 출력단(705), 유도단(103), DC 바이어스 회로(104) 및 제2 유도단(105)을 포함할 수 있다. 플라즈마 시스 제어 시스템은 플라즈마 챔버를 포함할 수 있는 플라즈마 시스 제어 회로 및 부하단(106)을 포함할 수 있다.
도 8은 회로 지점(122)과 회로 지점(123) 사이에 있는 시스에 걸친(예를 들어, 커패시터(C3)에 걸친)파형과 회로 지점(121)인 척에서의(예를 들어, 커패시터(C2)에 걸친) 파형을 도시한다. 도 9는 도 8에 도시된 파형의 세 개의 사이클을 확대하여 나타낸 도면이다. 파형(805)은 시스 양단의 전압(예를 들어, 웨이퍼 플라즈마 시스(505) 및/또는 벽 플라즈마 시스(510)으로부터의 용량성 전하)을 도시한다. 파형(805)는 플라즈마 효과의 일부인 다이오드(D3)로 인해 영(0)에서 약간 클리핑되는(clipped) 순수한 사인파이다. 파형(810)은 극에서의(또는 척 양단의) 전압을 보여준다.
RF 전원(V5)이 계속 켜져 있을 때, 평탄도는 차단 다이오드(D7) 및/또는 회로에서의 플라즈마 시스 정전용량을 포함하는 모든 관련 정전용량들의 값들의 결과일 수 있다. 저항 출력단(705)은 RF 사인 곡선의 절반 구간 동안 시스 커패시터를 리셋할 수 있다. 파형(805)은 약 -2.5 kV에서 훨씬 더 평평하다. 파형(805)의 평탄도는 예를 들어 식각 중에 이온을 일정한 전위로 유지하는 데 더 좋을 수 있다. 저항 출력단(705) 및/또는 차단 다이오드(D7)는 예를 들어 이러한 평탄도를 야기할 수 있다. 구성 요소 값은 출력 파형 일부분의 상승 시간, 하강 시간 및/또는 평탄도를 변경하도록 조정될 수 있다.
일부 실시 예에서, 차단 다이오드(D7)는 예를 들어 고전압 스위치와 같은 스위치로 대체될 수 있다. 고전압 스위치는 도 18에 도시된 고전압 스위치(1800)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 고전압 스위치는 순방향 전도 동안(예를 들어, RF 발생기(515) 출력이 전압 임계 값보다 높을 때) 폐쇄되고 역 바이어스 동안(예를 들어, RF 발생기(515) 출력이 전압 임계 값보다 낮을 때) 개방될 수 있다.
척킹 전압은 버스트(burst) 동안 약 500 V이고 오프 시에 약 2 kV일 수 있으며, 이는 허용될 수 있다. RF 출력 전압을 약 4 kV로 증가시키면 도 10에 도시된 바와 같이, 온 및 오프 구간 모두에서 차이가 약 2 kV 일 수 있다. RF 출력 전압을 약 6 kV로 증가시키면 도 11에 도시된 바와 같이, 온 시간 동안의 차이는 허용되지 않을 수 있는 약 3kV 이상이고 오프 시간 동안에는 약 2 kV 일 수 있다. 3 kV 차이로 웨이퍼 손상이 발생할 수 있다.
도 12는 일부 실시 예에 따른 저항 출력단(705) 및 DC 바이어스 회로(1204)를 가지는 RF 플라즈마 반응기의 플라즈마 시스 제어 시스템(1200)의 다른 개략도이다.
DC 바이어스 회로(1204)는 DC 바이어스 회로(104)에 도시된 구성 요소를 포함할 수 있다. DC 바이어스 회로(1204)는 또한 고전압 스위치(S1) 및/또는 차단 다이오드(D2)를 포함할 수 있다. 일부 실시 예에서, 고전압 스위치(S1)는 고전압을 집합적으로 개폐하기 위해 직렬로 배열된 복수의 스위치를 포함할 수 있다. 고전압 스위치(S1)는 예를 들어 도 18에 도시된 고전압 스위치(1800)와 같은 고전압 스위치를 포함할 수 있다.
일부 실시 예에서, 고전압 스위치(S1)는 RF 전원(V5) 전압 파형이 양의 파형인 동안 개방될 수 있고 음의 파형인 경우 폐쇄될 수 있다. 폐쇄되어 있는 동안, 고전압 스위치(S1)는 예를 들어 차단 다이오드(D2)의 단락 전류일 수 있다. 이 전류를 단락시키면 웨이퍼와 척 사이의 바이어스가 약 2 kV로 유지될 수 있으며, 이는 허용 가능한 공차 내에 있을 수 있고/있거나 DC 바이어스 공급 전압(V1)을 변경하여 조정될 수 있다.
도 13은 도 12에 도시된 회로로부터의 시스(예를 들어, C3)에 걸친 파형 및 척(예를 들어, C2)에서의 파형을 도시한다. 도시된 바와 같이, 웨이퍼와 척킹 전압의 사이의 차이는 RF 전원이 켜져 있든 꺼져 있든 관계없이 - 2kV에 매우 가깝다.
도 14는 도 12에 도시된 파형의 세 개의 사이클을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 15는 척에서의 전압이 0으로 돌아가는 버스트(burst) 파형의 끝을 도시한다.
도 16은 일부 실시 예에 따른 플라즈마 시스 제어 시스템(1600)의 회로도이다. 이 예에서, 플라즈마 시스 제어 시스템(1600)은 풀-브리지(full-bridge) 드라이버(1605)를 포함할 수 있다. 풀-브리지 드라이버(1605)는 DC 전압원(電壓源)(예를 들어, 용량성 소스, AC-DC 컨버터 등)일 수 있는 입력 전압원(V1)를 포함할 수 있다. 일부 실시 예에서, 풀-브리지 드라이버(1605)는 4 개의 스위치를 포함할 수 있다. 일부 실시 예에서, 드라이버는 직렬 또는 병렬로 복수의 스위치를 포함할 수 있다. 예를 들어, 이러한 스위치들은 예를 들어IGBT, MOSFET, SiC MOSFET, SiC 접합 트랜지스터, FET, SiC 스위치, GaN 스위치, 광 전도성 스위치 등과 같은 임의의 유형의 솔리드-스테이트(solid-state) 스위치를 포함할 수 있다. 이러한 스위치들은 고주파수에서 스위칭되고/되거나 고전압 사인파형을 생성할 수 있다. 예를 들어, 이러한 주파수들은 약 400 kHz, 0.5 MHz, 2.0 MHz, 4.0 MHz, 13.56 MHz, 27.12 MHz, 40.68 MHz, 50 MHz 등의 주파수들을 포함할 수 있다.
일부 실시 예에서, 풀-브리지 드라이버는 공진 회로(1610)와 결합된다. 공진 회로(1610)는 공진 인덕터(L5) 및/또는 변압기(T1)와 결합된 공진 커패시터(C2)를 포함할 수 있다. 일부 실시 예에서, 변압기(T1)는 제거될 수 있다. 공진 회로는 또한 예를 들어 풀-브리지 드라이버와 공진 회로(1610) 및/또는 공진 회로(1610)내의 예를 들어 변압기(T1), 커패시터(C2), 인덕터(L5) 및 저항기(R5)와 같은 임의의 구성 요소 사이의 임의의 리드(lead)의 저항을 포함할 수 있는 표유 저항(R5)을 포함할 수 있다.
다른 회로 소자의 인덕턴스 및/또는 정전용량이 구동 주파수에 영향을 미칠 수 있지만, 구동 주파수는 주로 공진 인덕터(L5) 및/또는 공진 커패시터(C2)를 선택하여 설정할 수 있다. 적절한 주행 주파수를 생성하기 위해 추가 개선 및/또는 조정(tuning)이 필요할 수 있다. 또한 다음을 조건으로 하여 변압기(T1)에서의 상승 시간은 인덕터(L5)의 인덕턴스 및/또는 커패시터(C2)의 정전용량을 변경하여 조정할 수 있다.
Figure 112021028282986-pct00004
.
예를 들어, 시간이 지남에 따라 다른 소자가 변경될 때 주파수가 일정하도록 장치 값을 조정하거나 수정할 수 있도록 커패시터(C2), 저항기(R5) 또는 인덕터(L5)가 조정될 수 있다.
일부 실시 예에서, 인덕터(L5)에 대한 큰 인덕턴스 값들은 더 느리거나 더 짧은 상승 시간을 초래할 수 있다. 이러한 값들은 버스트 포락선(envelope)에도 영향을 미칠 수 있다. 각 버스트에는 과도(過渡) 및 정상 상태 사인파형이 포함될 수 있다. 각 버스트 내의 과도 사인파형은 정상 상태 사인파형 동안 전전압(全電壓)에 도달할 때까지 시스템의 L5 및/또는 Q에 의해 설정된다.
드라이버 회로의 스위치가 공진 주파수 fresonant에서 전환되면, 변압기에서의 출력 전압이 증폭된다. 일부 실시 예에서, 공진 주파수는 약 20 Hz, 50 Hz, 100 Hz, 250 Hz, 400 kHz, 0.5 MHz, 2.0 MHz, 4.0 MHz, 13.56 MHz, 27.12 MHz, 40.68 MHz, 50 MHz, 100 MHz등일 수 있다.
일부 실시 예에서, 공진 커패시터(C2)는 변압기(T1) 및/또는 물리적 커패시터의 표유 정전용량을 포함할 수 있다. 일부 실시 예에서, 공진 커패시터(C2)는 약 10
Figure 112021028282986-pct00005
F, 1
Figure 112021028282986-pct00006
F, 100 nF, 10 nF 등의 정전용량을 가질 수 있다. 일부 실시 예에서, 공진 인덕터(L5)는 변압기(T1) 및/또는 물리적 인덕터의 표유 인덕턴스를 포함할 수 있다. 일부 실시 예에서, 공진 인덕터(L5)는 약 50 nH, 100 nH, 150 nH, 500 nH, 1,000 nH등의 인덕턴스를 가질 수 있다. 일부 실시 예에서, 공진 저항기(R5)는 약 10 ohms, 25 ohms, 50 ohms, 100 ohms, 150 ohms, 500 ohms 등의 저항을 가질 수 있다.
일부 실시 예에서, 플라즈마 챔버 내의 플라즈마 부하는 시변(時變) 부하일 수 있다. 이 시간 변동은 공진 회로의 인덕턴스 또는 정전용량 중 하나 또는 둘 모두에 영향을 미칠 수 있으며, 이로 인해 공진 주파수 fresonant가 이동될 수 있다. 일부 실시 예에서, 플라즈마 시스 제어 시스템은 제어기(예를 들어, 마이크로 제어기, FPGA 또는 임의의 제어 장치)를 포함할 수 있다. 일부 실시 예에서, 이 제어기는 예를 들어 포인트(121)에서 플라즈마 시스 제어 시스템의 출력 전압 및/또는 전류를 측정할 수 있다. 일부 실시 예에서, 이 전압 또는 전류 측정은 플라즈마 시스 제어 시스템이 공진 주파수에서 작동하는지를 판단하는데 사용될 수 있다. 일부 실시 예에서, 시스템이 공진 주파수에서 작동하지 않는 경우, 제어기는 예를 들어 공진 회로(1610)에서의 인덕턴스 또는 정전용량 값을 조정하여 공진 주파수와 일치하도록 플라즈마 시스 제어 시스템의 작동 주파수를 변경할 수 있다.
일부 실시 예에서, 예를 들어 포인트(121, 122, 124, 125)에서 또는 회로의 임의의 포인트에서 플라즈마 시스 제어 시스템에 의해 생성된 전류 또는 전압 파형의 진폭은 제어기에 의해 측정될 수 있다. 일부 실시 예에서, 측정된 또는 전류 및/또는 전압은 플라즈마 시스 제어 시스템의 출력 전력을 결정하는 데에 사용될 수 있다. 일부 실시 예에서, 제어기는 이 측정에 응답하여 동작 주파수, 전압 또는 듀티 사이클(duty cycle)을 변경하여 원하는 출력 전압, 전류 또는 전력 레벨을 달성할 수 있다.
일부 실시 예에서, 플라즈마 시스 제어 시스템의 작동 주파수 및 출력 전력 중 하나 또는 둘 모두는 제어기에 의해 제어될 수 있다. 일부 실시 예에서, 제어기는 출력 파형의 변화를 감지하고 빠른 시간 비율, 예를 들어, 약 100 ms 미만, 약 1 ms 미만, 약 10 μs 미만, 약 500 ns 미만 등으로 작동 주파수 및/또는 전력 레벨을 조정할 수 있다.
일부 실시 예에서, 저항기(R5)는 물리적 회로 내의 와이어, 트레이스 및/또는 변압기 권선의 표유 저항을 나타낼 수 있다. 일부 실시 예에서, 저항기(R5)는 약 10 mohms, 50 mohms, 100 mohms, 200 mohms, 500 mohms 등의 저항을 가질 수 있다.
일부 실시 예에서, 변압기(T1)는 모든 목적을 위해 본 문서에 통합되는 "고전압 변압기"라는 명칭의 미국 특허 출원 제 15/365,094에 개시된 변압기를 포함할 수 있다.
일부 실시 예에서, 공진 회로(1610)의 출력 전압은 스위치(S1, S2, S3 및/또는 S4)의 듀티 사이클(예를 들어, 스위치 "온"시간 또는 스위치가 전도되는 시간)을 변경함으로써 변경될 수 있다. 예를 들어, 듀티 사이클이 길수록 출력 전압이 높아진다. 듀티 사이클이 짧을수록 출력 전압이 짧아진다. 일부 실시 예에서, 공진 회로(1610)의 출력 전압은 풀-브리지 드라이버에서 스위칭의 듀티 사이클을 조정함으로써 변경되거나 조정(tuned)될 수 있다. 예를 들어, 스위치(S1, S2, S3 및 S4)를 개방하고 폐쇄하는 신호, 예를 들어 Sig1 및 Sig2의 듀티 사이클을 조정하여 드라이버의 출력 전압을 조정할 수 있다.
일부 실시 예에서, 공진 회로(예를 들어, S1, S2, S3 및/또는 S4)의 각 스위치는 독립적으로 또는 하나 이상의 다른 스위치와 함께 스위칭될 수 있다.
일부 실시 예에서, 공진 회로(1610)는 반파 정류기(1615) 및/또는 차단 다이오드(D7)와 결합될 수 있다. 일부 실시 예에서, 차단 다이오드(D7)는 예를 들어 고전압 스위치와 같은 스위치로 대체될 수 있다. 고전압 스위치는 도 18에 도시된 고전압 스위치(1800)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 고전압 스위치는 순방향 전도 동안(예를 들어, RF 발생기(515) 출력이 전압 임계 값보다 높을 때) 폐쇄되고 역 바이어스 동안(예를 들어, RF 발생기(515) 출력이 전압 임계 값보다 낮을 때) 개방될 수 있다.
일부 실시 예에서, 차단 다이오드(D7)는 풀-브리지 드라이버(1605)로부터의 사인파형을 정류할 수 있다. 예를 들어, 차단 다이오드(D7)는 사인파형을 정류하여 각 구간의 적어도 10 %, 15 %, 20 %, 25 %, 30 % 등 동안 실질적으로 평평한 부분을 가지는 정류된 사인파형을 생성할 수 있다.
일부 실시 예에서, 반파 정류기(1615) 또는 차단 다이오드(D7)는 저항 출력단(1620)과 결합될 수 있다. 저항 출력단(1620)은 당업계에 알려진 임의의 저항 출력단을 포함할 수 있다. 예를 들어, 저항 출력단(1620)은 모든 목적을 위한 출원의 모든 내용이 본 개시에 통합되는 "고전압 저항 출력단 회로"라는 명칭의 미국 특허 출원 16/178,538에 설명된 임의의 저항 출력단을 포함할 수 있다. 예를 들어, 저항 출력단(1620)은 저항 출력단(705)의 소자들을 포함할 수 있다.
일부 실시 예에서, 저항 출력단은 부하(예를 들어, 플라즈마 시스 정전용량)를 방전하는 적어도 하나의 저항기(예를 들어, R1)를 포함할 수 있다. 일부 실시 예에서, 저항 출력단은 각 사인파형 사이클 동안 약 1 kW의 평균 전력 및/또는 각 사인파형 사이클에서 주울(joule) 또는 그 이하의 에너지를 방전하도록 구성될 수 있다. 일부 실시 예에서, 저항 출력단에서 저항기(R1)의 저항은 200 ohm 보다 작을 수 있다. 일부 실시 예에서, 저항기(R1)은 약 200 pF(예를 들어, C11) 보다 작은 결합 정전용량을 가지는 직렬 또는 병렬로 배열된 복수의 저항기를 포함할 수 있다.
일부 실시 예에서, 저항 출력단(1620)은 부하상의 전압 파형의 형상을 제어하는 데 사용될 수 있는 회로 소자들의 모음을 포함할 수 있다. 일부 실시 예에서, 저항 출력단(1620)은 수동 소자(예를 들어, 저항기, 커패시터, 인덕터 등)만을 포함할 수 있다. 일부 실시 예에서, 저항 출력단(1620)은 수동 회로 소자뿐만 아니라 능동 회로 소자(예를 들어, 스위치)를 포함할 수 있다. 일부 실시 예에서, 저항 출력단(1620)은 예를 들어 파형의 전압 상승 시간 및/또는 파형의 전압 하강 시간을 제어하는 데 사용될 수 있다.
일부 실시 예에서, 저항 출력단(1620)은 용량성 부하(예를 들어, 웨이퍼 플라즈마 시스(505) 및/또는 벽 플라즈마 시스(510)로부터의 용량성 전하)를 방전할 수 있다. 예를 들어, 이러한 용량성 부하는 작은 정전용량(예를 들어, 약 10 pF, 100 pF, 500 pF, 1 nF, 10 nF, 100 nF 등)을 가질 수 있다.
일부 실시 예에서, 저항 출력단(1620)은 높은 피크 전압(예를 들어, 1 kV, 10 kV, 20 kV, 50 kV, 100 kV 보다 큰 전압 등) 및/또는 고주파수(예를 들어, 1 kHz, 10 kHz, 100 kHz, 200 kHz, 500 kHz, 1 MHz 보다 큰 주파수 등) 및/또는 약 400 kHz, 0.5 MHz, 2.0 MHz, 4.0 MHz, 13.56 MHz, 27.12 MHz, 40.68 MHz, 50 MHz 등의 주파수들을 가지는 사인파형을 가지는 회로에서 사용될 수 있다.
일부 실시 예에서, 저항 출력단(1620)은 높은 평균 전력, 높은 피크 전력, 빠른 상승 시간 및/또는 빠른 하강 시간을 처리하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 평균 전력 등급은 약 0.5 kW, 1.0 kW, 10 kW, 25 kW 등 보다 클 수 있고/있거나 피크 전력 등급은 약 1 kW, 10 kW, 100 kW, 1 MW등 보다 클 수 있다.
일부 실시 예에서, 저항 출력단(1620)은 수동 구성 요소들의 직렬 또는 병렬 네트워크를 포함할 수 있다. 예를 들어, 저항 출력단(1620)은 일련의 저항기, 커패시터 및 인덕터를 포함할 수 있다. 다른 예로서, 저항 출력단(1620)은 인덕터와 병렬인 커패시터 및 저항기와 직렬인 커패시터-인덕터 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, L11은 충분히 크게 선택될 수 있어서, 정류기로부터 전압이 나오는 경우 저항 출력단에 상당한 에너지가 주입되지 않는다. R3 및 R1의 값들은 L/R 시간이 RF 주파수보다 빠르게 부하에서 적절한 커패시터를 비울 수 있도록 선택될 수 있다.
일부 실시 예에서, 저항 출력단(1620)은 바이어스 보상 회로(1625)와 결합될 수 있다.
바이어스 보상 회로(1625)는 당업계에 알려진 임의의 바이어스 및/또는 바이어스 보상 회로를 포함할 수 있다. 예를 들어, 바이어스 보상 회로(1625)는 모든 목적을 위한 출원의 모든 내용이 본 개시에 통합되는 "나노 초(Nanosecond) 펄스 바이어스 보상"이라는 명칭의 미국 특허 출원 162/711,406에 설명된 임의의 바이어스 및/또는 바이어스 보상 회로를 포함할 수 있다.
일부 실시 예에서, 바이어스 보상 회로(1625)는 바이어스 커패시터(C7), 차단 커패시터(C12), 차단 다이오드(D8), 스위치(S8)(예를 들어, 고전압 스위치), 오프셋 공급 전압(V1), 저항(R2) 및/또는 저항(R4)을 포함할 수 있다. 일부 실시 예에서, 스위치(S8)는 예를 들어 도 18에 도시된 고전압 스위치(1800)와 같은 고전압 스위치를 포함한다.
일부 실시 예에서, 오프셋 공급 전압(V5)은 출력 전압을 양 또는 음으로 편향(bias)되게 할 수 있는 DC 전압원을 포함할 수 있다. 일부 실시 예에서, 커패시터(C12)는 저항 출력단(1620) 및/또는 다른 회로 소자로부터 오프셋 공급 전압(V5)을 절연/분리할 수 있다. 일부 실시 예에서, 바이어스 보상 회로(1625)는 회로의 한 부분에서 다른 부분으로 전위 이동을 허용할 수 있다. 일부 실시 예에서, 바이어스 보상 회로(1625)는 고전압 사인파형이 챔버 내에서 활성화되기 때문에 웨이퍼를 제자리에 고정하는 데 사용될 수 있다. 저항(R2)은 브리지 드라이버로부터 DC 바이어스 전원을 보호/절연할 수 있다.
일부 실시 예에서, 스위치(S8)는 풀-브리지 드라이버(1605)가 펄싱하는 동안 개방될 수 있고 풀-브리지 드라이버(1605)가 펄싱하지 않는 경우 폐쇄될 수 있다. 폐쇄되는 동안, 스위치(S8)는 예를 들어 차단 다이오드(D8)의 단락 전류일 수 있다. 이 전류를 단락시키면 웨이퍼와 척 사이의 바이어스가 2 kV 보다 작을 수 있으며, 이는 허용 가능한 공차 내에 있을 수 있다.
일부 실시 예에서, 플라즈마 시스 제어 시스템(1600)은 예를 들어, 50 ohm 매칭 네트워크 또는 외부 매칭 네트워크 또는 독립형 매칭 네트워크와 같은 전통적인 매칭 네트워크를 포함하거나 포함하지 않을 수 있다. 본 문서 내에서 설명된 실시 예는 웨이퍼 챔버에 적용되는 스위칭 전력을 조정하기 위해 50 ohm 매칭 네트워크를 필요로 할 수도 있고 필요하지 않을 수도 있다. 일반적으로 매칭 네트워크 조정(tuning)에는 적어도 100 μs 내지200 μs가 소요될 수 있다. 일부 실시 예에서, 전력 변화는 1 개 또는 2 개의 RF 사이클 내에서, 예를 들어 400 kHz에서 2.5 μs 내지 5.0 μs 발생할 수 있다.
도 17은 일부 실시 예에 따른 플라즈마 시스 제어 시스템(1700)의 회로도이다. 플라즈마 시스 제어 시스템(1700)은 예를 들어 플라즈마 챔버를 구동하기 위해 고전압 및 고주파 사인파형을 생성하는 파형 발생기(1745)를 포함한다. 일부 실시 예에서, 파형 발생기(1745)는 1 kV, 10 kV, 20 kV, 50 kV, 100 kV 등 보다 큰 피크 전압 및 1 kHz, 10 kHz, 100 kHz, 200 kHz, 500 kHz, 1 MHz 보다 큰 고주파수를 가지는 사인파형을 생성하는 임의의 장치를 포함할 수 있다.
일부 실시 예에서, 파형 발생기(1745)는 RF 발생기(515), 풀-브리지 드라이버(1605) 또는 하프-브리지(half-bridge) 드라이버(1905)를 포함할 수 있다. 일부 실시 예에서, 파형 발생기(1745)는 변압기를 포함하거나 포함하지 않을 수 있다.
일부 실시 예에서, 파형 발생기(1745)는 에너지 회수 회로(1705)와 결합될 수 있다. 파형 발생기(1745)가 변압기를 포함하면, 에너지 회수 회로(1705)는 변압기(T1)의 제2 측에 위치하거나 전기적으로 결합될 수 있다.
예를 들어, 에너지 회수 회로(1705)는 변압기(T1)의 제2 측을 가로 질러 다이오드(1730)(예를 들어, 크로바(crowbar) 다이오드)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 에너지 회수 회로(1705)는 다이오드(1710) 및 인덕터(1715)(직렬로 배열됨)를 포함할 수 있으며, 이는 부하단(106)(예를 들어, 용량성 부하)의 방전으로부터 전류를 흐르게 하여 전원(C7)을 충전할 수 있다. 다이오드(1710) 및 인덕터(1715)는 부하단(106) 및 전원(C7)과 전기적으로 연결될 수 있다.
일부 실시 예에서, 에너지 회수 회로(1705)는 차단 다이오드(1735)를 포함할 수 있다. 차단 다이오드(1735)는 차단 다이오드(D7)와 유사할 수 있거나 차단 다이오드(D7)와 유사한 방식으로 동작할 수 있다. 예를 들어, 차단 다이오드(1735)는 (예를 들어 도9에 도시된 바와 같이) 각각의 사인파형에 평평한 상부를 생성할 수 있는 사인파형을 정류할 수 있다. 예를 들어, 차단 다이오드(1735)는 사인파형을 정류하여 각 구간의 적어도 10 %, 15 %, 20 %, 25 %, 30 % 등 동안 실질적으로 평평한 부분을 가지는 사인파형을 생성할 수 있다.
일부 실시 예에서, 차단 다이오드(1735)는 예를 들어 고전압 스위치와 같은 스위치로 대체될 수 있다. 고전압 스위치는 도 18에 도시된 고전압 스위치(1800)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 고전압 스위치는 순방향 전도 동안(예를 들어, RF 발생기(515) 출력이 전압 임계 값보다 높을 때) 폐쇄되고 역 바이어스 동안(예를 들어, RF 발생기(515) 출력이 전압 임계 값보다 낮을 때) 개방될 수 있다.
일부 실시 예에서, 에너지 회수 회로(1705)는 부하단(106)와 전기적으로 결합될 수 있는 인덕터(1740)를 포함할 수 있다. 인덕터(1740)는 파형 발생기(1745) 내의 변압기의 표유 인덕턴스를 나타낼 수 있고/있거나 파형 발생기(1745) 및 에너지 회수 회로(1705)(예를 들어, 인덕턴스 변압기(T1)) 사이의 표유 인덕턴스를 포함할 수 있다.
파형 발생기(1745)가 턴 온 되는 경우, 전류는 부하단(106)를 충전할 수 있다(예를 들어, 커패시터(C3), 커패시터(C2) 또는 커패시터(C9)를 충전). 예를 들어 변압기(T1)의 제2 측 전압이 전원(C7)의 충전 전압 이상으로 상승하면 일부 전류가 인덕터(1715)를 통해 흐를 수 있다. 파형 발생기(1745)가 턴 오프 되는 경우, 인덕터(1715)를 통해 부하단(106) 내의 커패시터로부터 전류가 흘러 인덕터(1715) 양단의 전압이 0이 될 때까지 전원(C7)을 충전할 수 있다. 다이오드(1730)는 부하단(106) 내의 커패시터가 부하단(106) 또는 DC 바이어스 회로(104)의 인덕턴스로 울리는 것을 방지할 수 있다.
예를 들어, 다이오드(1710)는 전원(C7)으로부터 부하단(106) 내의 커패시터로 전하가 흐르는 것을 방지할 수 있다.
인덕터(1715)의 값은 현재 하강 시간을 제어하기 위해 선택될 수 있다. 일부 실시 예에서, 인덕터(1715)는 1 μH 내지 500 μH 사이의 인덕턴스 값을 가질 수 있다.
일부 실시 예에서, 에너지 회수 회로(1705)는 인덕터(1715)를 통한 전류의 흐름을 제어하는 데 사용될 수 있는 스위치를 포함할 수 있다. 스위치는 예를 들어 인덕터(1715)와 직렬로 배치될 수 있다. 일부 실시 예에서, 상기 스위치는 스위치(S1)가 개방되는 경우 및/또는 더 이상 펄싱하지 않아서 전류가 부하단(106)로부터 고전압 부하(C7)로 다시 흐르도록 하는 경우 폐쇄될 수 있다. 예를 들어, 스위치는 고전압 스위치(1800)와 같은 고전압 스위치를 포함할 수 있다.
에너지 회수 회로(1705)는 플라즈마 시스 제어 시스템(500), 플라즈마 시스 제어 시스템(700), 플라즈마 시스 제어 시스템(1200), 플라즈마 시스 제어 시스템(1600) 또는 플라즈마 시스 제어 시스템(1900)에 추가될 수 있다. 일부 실시 예에서 에너지 회수 회로(1705)는 예를 들어, 저항 출력단(705) 또는 저항 출력단(1620)과 같은 저항 출력단을 대체할 수 있다.
DC 바이어스 회로(1704)는 DC 바이어스 회로(1704), 바이어스 보상 회로(1625), DC 바이어스 회로(1204), 또는 DC 바이어스 회로(104)를 포함할 수 있다.
제2 유도단(105)은 파형 발생기(1745)와 부하단(106) 사이의 회로 소자들을 나타낼 수 있다.
이 예에서, 플라즈마 시스 제어 시스템(1700)은 부하단(106)과 결합될 수 있고 부하단(106)에 사인파형을 제공할 수 있는데, 이는 예를 들어 부하단(106)의 임의의 소자 또는 소자들을 포함할 수 있다.
도 18은 일부 실시의 예에 따른 절연 전력을 가지는 고전압 스위치(1800)의 블록도이다. 고전압 스위치(1800)는 빠른 상승 시간 및/또는 높은 주파수 및/또는 가변 구간으로 고전압원(1860)로부터 전압을 스위칭할 수 있는 복수의 스위치 모듈(1805)(집합적으로 또는 개별적으로 1805 및 개별적으로 1805A, 1805B, 1805C 및 1805D)을 포함할 수 있다. 각각의 스위치 모듈(1805)은 예를 들어 솔리드 스테이트(solid state) 스위치와 같은 스위치(1810)를 포함할 수 있다.
일부 실시 예에서, 스위치(1810)는 전원(1840)(예를 들어, 1840A, 1840B, 1840C, 또는 1840D) 및/또는 절연된 섬유 트리거(1845)(예를 들어, 1845A, 1845B, 1845C, 또는 1845D) (게이트 트리거 또는 스위치 트리거라고도 함)를 포함할 수 있는 게이트 드라이버 회로(1830)와 전기적으로 결합될 수 있다. 예를 들어, 스위치(1810)는 콜렉터, 이미터 및 게이트(또는 드레인, 소스 및 게이트)를 포함할 수 있고, 전원(1840)은 게이트 드라이버 회로(1830)를 통해 스위치(1810)의 게이트를 구동할 수 있다. 게이트 드라이버 회로(1830)는 예를 들어 고전압 스위치(1800)의 다른 구성 요소들로부터 격리될 수 있다.
일부 실시 예에서, 전원(1840)은 예를 들어 절연 변압기를 사용하여 절연될 수 있다. 절연 변압기는 낮은 정전용량 변압기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 절연 변압기의 낮은 정전용량은 전원(1840)이 상당한 전류를 요구하지 않고 빠른 시간 척도로 충전하도록 할 수 있다. 절연 변압기는 예를 들어 약 100 pF 보다 작은 정전용량을 가질 수 있다. 다른 예로서, 절연 변압기는 약 30 내지 100 pF 보다 작은 정전용량을 가질 수 있다. 일부 실시 예에서, 절연 변압기는 최대 1 kV, 5 kV, 10 kV, 25 kV, 50 kV 등의 전압 절연을 제공할 수 있다.
일부 실시 예에서, 절연 변압기는 낮은 표유 정전용량을 가질 수 있다. 예를 들어, 절연 변압기는 약 1,000 pF, 100 pF, 10 pF 등 보다 작은 표유 정전용량을 가질 수 있다. 일부 실시 예에서, 낮은 정전용량은 저전압 구성 요소(예를 들어, 입력 제어 전원)에 대한 전기적 결합을 최소화할 수 있고/있거나 EMI 생성(예를 들어, 전기 노이즈 생성)을 줄일 수 있다. 일부 실시 예에서, 절연 변압기의 변압기 표유 정전용량은 1차 권선과 2차 권선 사이에서 측정된 정전용량을 포함할 수 있다.
일부 실시 예에서, 절연 변압기는 DC-DC 변환기 또는 AC-DC 변압기일 수 있다. 일부 실시 예에서, 변압기는 예를 들어 110 V AC 변압기를 포함할 수 있다. 무관하게, 절연 변압기는 고전압 스위치(1800)의 다른 구성 요소로부터 절연 전력을 제공할 수 있다. 일부 실시 예에서, 상기 절연은 화학 작용 기전(galvanic)일 수 있으므로 절연 변압기의 제1 측에 있는 전도체는 절연 변압기의 제2 측의 임의의 전도체를 통과하거나 접촉하지 않는다.
일부 실시 예에서, 변압기는 변압기 코어 주위에 단단히 감기거나 감싸질 수 있는 1차 권선을 포함할 수 있다. 일부 실시 예에서, 1차 권선은 변압기 코어 주위에 감싸지는 전도성 시트를 포함할 수 있다. 일부 실시 예에서, 1차 권선은 하나 이상의 권선을 포함할 수 있다.
일부 실시 예에서, 2차 권선은 코어로부터 가능한 한 멀리 코어 주위에 감길 수 있다. 예를 들어, 2차 권선을 포함하는 권선 다발은 변압기 코어의 구멍 중앙을 통해 감길 수 있다. 일부 실시 예에서, 2차 권선은 하나 이상의 권선을 포함할 수 있다. 일부 실시 예에서, 2차 권선을 포함하는 와이어 다발은 원형 또는 정사각형인 단면을 포함하여 예를 들어 표유 정전용량을 최소화할 수 있다. 일부 실시 예에서, 절연체(예를 들어, 기름 또는 공기)는 1차 권선, 2차 권선 또는 변압기 코어 사이에 배치될 수 있다.
일부 실시 예에서, 2차 권선을 변압기 코어에서 멀리 유지하는 것은 몇 가지 이점을 가질 수 있다. 예를 들어, 절연 변압기의 제1 측과 절연 변압기의 제2 측 사이의 표유 정전용량을 줄일 수 있다. 다른 예로서, 작동 중에 코로나 및/또는 고장이 형성되지 않도록, 절연 변압기의 제1 측과 절연 변압기의 제2 측 사이에 고전압 스탠드 오프(standoff)를 허용할 수 있다.
일부 실시 예에서, 절연 변압기의 제1 측(예를 들어, 1차 권선)과 절연 변압기의 제2 측(예를 들어, 2차 권선) 사이의 간격은 약 0.1", 0.5", 1", 5", 또는 10" 일 수 있다. 일부 실시 예에서, 절연 변압기의 코어와 절연 변압기의 제2 측(예를 들어, 2차 권선) 사이의 일반적인 간격은 0.1", 0.5", 1", 5", 또는 10" 일 수 있다. 일부 실시 예에서, 권선들 사이의 간극은 예를 들어 진공, 공기, 임의의 절연 가스 또는 액체, 또는 비유전율 (比誘電率)이 3 보다 작은 고체 물질과 같은 가능한 가장 낮은 유전 물질로 채워질 수 있다.
일부 실시 예에서, 전원(1840)은 고전압 스탠드 오프(절연)를 제공할 수 있거나 낮은 정전용량(예를 들어, 약 1,000 pF, 100 pF, 10 pF 등 보다 작은)을 가질 수 있는 임의의 유형의 전원을 포함할 수 있다. 일부 실시 예에서, 제어 전압 전원은 60 Hz에서 1820 V AC 또는 240 V AC를 공급할 수 있다.
일부 실시 예에서, 각각의 전원(1840)은 단일 제어 전압 전원과 유도 전기적으로 결합될 수 있다. 예를 들어, 전원(1840A)은 제1 변압기를 통해 전원과 전기적으로 결합될 수 있다. 전원(1840B)은 제2 변압기를 통해 전원과 전기적으로 결합될 수 있다. 전원(1840C)은 제3 변압기를 통해 전원과 전기적으로 결합될 수 있다. 전원(1840D)는 제4 변압기를 통해 전원과 전기적으로 결합될 수 있다. 예를 들어, 다양한 전원들 간에 전압 절연을 제공할 수 있는 임의의 유형의 변압기를 사용할 수 있다.
일부 실시 예에서, 제1 변압기, 제2 변압기, 제3 변압기 및 제4 변압기는 단일 변압기의 코어 주위에 상이한 2차 권선을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 변압기는 제1의 2차 권선을 포함할 수 있고, 제2 변압기는 제2의 2차 권선을 포함할 수 있고, 제3 변압기는 제3의 2차 권선을 포함할 수 있고, 제4 변압기는 제4의 2차 권선을 포함할 수 있다. 이러한 2차 권선 각각은 단일 변압기의 코어에 감길 수 있다. 일부 실시 예에서, 제1의 2차 권선, 제2의 2차 권선, 제3의 2차 권선, 제4의 2차 권선, 또는 1차 권선은 변압기 코어 주위에 감긴 단일 권선 또는 복수의 권선을 포함할 수 있다.
일부 실시 예에서, 전원(1840A), 전원(1840B), 전원(1840C) 및/또는 전원(1840D)은 귀로 기준 접지 또는 국부 접지를 공유하지 않을 수 있다.
절연된 섬유 트리거(1845)는 예를 들어 고전압 스위치(1800)의 다른 구성 요소들로부터 또한 절연될 수 있다. 예를 들어 각 스위치 모듈(1805)의 게이트의 능동적 제어를 허용하면서 각 스위치 모듈(1805)이 다른 스위치 모듈(1805) 및/또는 고전압 스위치(1800)의 다른 구성 요소들에 대해 플로팅(float)할 수 있게 하는 광섬유 수신기를 절연된 섬유 트리거(1845)는 포함할 수 있다.
일부 실시 예에서, 예를 들어, 각각의 스위치 모듈(1805)에 대한 귀로 기준 접지 또는 국부 접지 또는 공통 접지는 예를 들어 절연 변압기를 사용하여 서로 절연될 수 있다.
예를 들어 공통 접지로부터 각각의 스위치 모듈(1805)의 전기적 절연은 누적 고전압 스위칭을 위해 다수의 스위치가 직렬 구성으로 배열되도록 할 수 있다. 일부 실시 예에서, 스위치 모듈 타이밍의 일부 지연이 허용되거나 설계될 수 있다. 예를 들어, 각 스위치 모듈(1805)은 1 kV를 스위칭하도록 구성되거나 또는 정격화될 수 있으며, 각 스위치 모듈은 서로 전기적으로 서로 절연될 수 있고/있거나 각 스위치 모듈(1805)을 닫는 타이밍은 스너버(snubber) 커패시터의 정전용량 및/또는 스위치의 전압 정격으로 정의되는 일정 기간 동안 완벽하게 정렬될 필요가 없다.
일부 실시 예에서, 전기적 절연은 많은 이점을 제공할 수 있다. 예를 들어, 하나의 가능한 이점은 스위치 지터(jitter)로의 전환을 최소화하고/하거나 임의의 스위치 타이밍을 허용하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 각 스위치(1810)는 약 500 ns, 50 ns, 20 ns, 5 ns 등 보다 작은 스위치 전환 지터를 가질 수 있다.
일부 실시 예에서, 두 구성 요소(또는 회로) 사이의 전기적 절연은 두 구성 요소 사이의 매우 높은 저항을 의미할 수 있고/있거나 두 구성 요소 사이의 작은 정전용량을 의미할 수 있다.
각각의 스위치(1810)는 예를 들어 IGBT, MOSFET, SiC MOSFET, SiC 접합 트랜지스터, FET, SiC 스위치, GaN 스위치, 광 전도성 스위치 등과 같은 임의의 유형의 솔리드 스테이트(solid state) 스위칭 장치를 포함할 수 있다. 예를 들어, 고주파(예를 들어, 1 kHz보다 큰)로, 고속(예를 들어, 약 500 kHz보다 큰 반복률)으로 및/또는 빠른 상승 시간(예를 들어, 약 25 ns 보다 작은 상승 시간)으로 고전압(예를 들어, 약 1kV보다 큰 전압)을 스위칭할 수 있다. 일부 실시 예에서, 각 스위치는 1,200 V 내지 1,700 V를 스위칭하도록 개별적으로 정격화될 수 있지만, 조합하여 4,800 V 내지 6,800 V(4개의 스위치에 대해) 이상으로 스위칭할 수 있다. 다양한 다른 전압 정격을 가진 스위치를 사용할 수 있다.
고전압 스위치를 몇 개 사용하는 대신 저전압 스위치를 많이 사용하면 몇 가지 이점이 있을 수 있다. 예를 들어, 저전압 스위치는 일반적으로 더 나은 성능을 제공한다. 저전압 스위치는 더 빠르게 스위칭할 수 있고, 전환 시간이 더 빠를 수 있으며, 및/또는 고전압 스위치보다 효율적으로 스위칭할 수 있다. 그러나 스위치 개수가 많을수록 필요한 타이밍 문제도 커진다.
도 18에 도시된 고전압 스위치(1800)는 4개의 스위치 모듈(1805)을 포함한다. 4개의 스위치 모듈이 도면에 도시되어 있지만, 예를 들어 2, 8, 12, 16, 20, 24 등과 같은 임의의 개수의 스위치 모듈(1805)이 사용될 수 있다. 예를 들어, 각 스위치 모듈(1805)의 각 스위치는 1200 V로 정격화되고 16 개의 스위치가 사용되는 경우, 고전압 스위치는 최대 19.2 kV까지 스위칭할 수 있다. 또 다른 예로서, 각 스위치 모듈(1805)의 각 스위치는 1700 V로 정격화되고 16 개의 스위치가 사용되는 경우, 고전압 스위치는 최대 27.2 kV까지 스위칭할 수 있다.
일부 실시 예에서, 고전압 스위치(1800)는 고속 커패시터(1855)를 포함할 수 있다. 고속 커패시터(1855)는 예를 들어 직렬 및/또는 병렬로 배열된 하나 이상의 커패시터를 포함할 수 있다. 이러한 커패시터는 예를 들어 하나 이상의 폴리프로필렌 커패시터를 포함할 수 있다. 고속 커패시터(1855)는 고전압 소스(1860)로부터 에너지를 저장할 수 있다.
일부 실시 예에서, 고속 커패시터(1855)는 낮은 정전용량을 가질 수 있다. 일부 실시 예에서, 고속 커패시터(1855)는 약 1 μF, 약 5 μF, 약 1 μF 및 약 5 μF 사이, 약 100 nF 및 약 1,000 nF 사이 등의 정전용량 값을 가질 수 있다.
일부 실시 예에서, 고전압 스위치(1800)는 크로바(crowbar) 다이오드(1850)를 포함하거나 포함하지 않을 수 있다. 크로바 다이오드(1850)는 예를 들어 유도성 부하를 구동하는 데 유익할 수 있는 직렬 또는 병렬로 배열된 복수의 다이오드를 포함할 수 있다. 일부 실시 예에서, 크로바 다이오드(1850)는 예를 들어 실리콘 카바이드 Schottky 다이오드와 같은 하나 이상의 Schottky 다이오드를 포함할 수 있다. 크로바 다이오드(1850)는 예를 들어, 고전압 스위치의 스위치로부터의 전압이 특정 임계값 이상인지 여부를 감지할 수 있다. 만약 그렇다면, 크로바 다이오드(1850)는 스위치 모듈로부터 접지로 전력을 단락시킬 수 있다. 예를 들어, 크로바 다이오드는 스위칭 후 유도성 부하에 저장된 에너지를 교류 경로가 소산시키도록 허용할 수 있다. 예를 들어 이는 큰 유도성 전압 스파이크를 방지할 수 있다. 일부 실시 예에서, 크로바 다이오드(1850)는 예를 들어 1 nH, 10 nH, 100 nH 등과 같은 낮은 인덕턴스를 가질 수 있다. 일부 실시 예에서, 크로바 다이오드(1850)는 예를 들어 100 pF, 1 nF, 10 nF, 100 nF 등과 같은 낮은 정전용량을 가질 수 있다.
일부 실시 예에서, 크로바 다이오드(1850)는 예를 들어 부하(1865)가 주로 저항성일 경우 사용되지 않을 수 있다.
일부 실시 예에서, 각 게이트 드라이버 회로(1830)는 약 1000 ns, 100 ns, 10.0 ns, 5.0 ns, 3.0 ns, 1.0 ns 등 보다 낮은 지터를 생성할 수 있다. 일부 실시 예에서, 각각의 스위치(1810)는 최소 스위치 온 시간(예를 들어, 약 10 μs, 1 μs, 500 ns, 100 ns, 50 ns, 10 ns, 5 ns 등) 및 최대 스위치 온 시간(예를 들어, 25 초, 10 초, 5 초, 1 초, 500 ms 등)을 가질 수 있다.
일부 실시 예에서, 작동 중에 각각의 고전압 스위치는 서로 1 ns 이내에 스위치 온 및/또는 오프될 수 있다.
일부 실시 예에서, 각각의 스위치 모듈(1805)은 동일하거나 실질적으로 동일한(±5 %) 표유 인덕턴스를 가질 수 있다. 표유 인덕턴스는 예를 들어 다이오드, 저항기, 스위치(1810), 회로 기판 트레이스 및/또는 리드 등의 인덕턴스와 같은 인덕터와 관련되지 않은 스위치 모듈(1805) 내의 임의의 인덕턴스를 포함할 수 있다. 각 스위치 모듈(1805) 내의 표유 인덕턴스는 예를 들어 약 300 nH, 100 nH, 10 nH, 1 nH 등 보다 작은 인덕턴스와 같은 낮은 인덕턴스를 포함할 수 있다. 각 스위치 모듈(1805) 사이의 표유 인덕턴스는 예를 들어 약 300 nH, 100 nH, 10 nH, 1 nH 등 보다 작은 인덕턴스와 같은 낮은 인덕턴스를 포함할 수 있다.
일부 실시 예에서, 각각의 스위치 모듈(1805)은 동일하거나 실질적으로 동일한(±5 %) 표유 정전용량을 가질 수 있다. 표유 정전용량은 예를 들어 다이오드, 저항기, 스위치(1810), 회로 기판 트레이스 및/또는 리드 등의 정전용량 등과 같은 커패시터와 관련되지 않은 스위치 모듈(1805) 내의 임의의 정전용량을 포함할 수 있다. 각 스위치 모듈(1805) 내의 표유 정전용량은 예를 들어 약 1,000 pF, 100 pF, 10 pF 등 보다 낮은 정전용량을 포함할 수 있다. 각 스위치 모듈(1805) 사이의 표유 정전용량은 예를 들어 약 1,000 pF, 100 pF, 10 pF 등 보다 낮은 정전용량을 포함할 수 있다.
전압 공유의 결함은 예를 들어 수동 스너버 회로(예를 들어, 스너버 다이오드(1815), 스너버 커패시터(1820) 및/또는 환류(freewheeling) 다이오드(1825))로 해결할 수 있다. 예를 들어, 각각의 스위치(1810)가 턴온 또는 턴 오프되는 타이밍의 작은 차이 또는 인덕턴스 또는 정전용량의 차이는 전압 스파이크로 이어질 수 있다. 이러한 스파이크는 다양한 스너버 회로(예를 들어, 스너버 다이오드(1815), 스너버 커패시터(1820) 및/또는 환류 다이오드(1825))에 의해 완화될 수 있다.
예를 들어, 스너버 회로는 스너버 다이오드(1815), 스너버 커패시터(1820), 스너버 저항기(1816), 및/또는 환류 다이오드(1825)를 포함할 수 있다. 일부 실시 예에서, 스너버 회로는 스위치(1810)와 병렬로 함께 배열될 수 있다. 일부 실시 예에서, 스너버 커패시터(1820)는 예를 들어 약 100 pF 보다 작은 정전용량과 같은 낮은 정전용량을 가질 수 있다.
일부 실시 예에서, 고전압 스위치(1800)는 부하(1865)(예를 들어, 저항성 또는 용량성 또는 유도성 부하)와 전기적으로 결합되거나 이를 포함할 수 있다. 예를 들어, 부하(1865)는 50 ohms에서 500 ohms까지의 저항을 가질 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 부하(1865)는 유도성 부하 또는 용량성 부하일 수 있다.
도 19는 일부 실시 예에 따른 플라즈마 시스 제어 시스템(1900)의 회로도이다. 이 예에서, 플라즈마 시스 제어 시스템(1900)은 도 16에 도시된 풀-브리지 드라이버(1605)가 아닌 하프-브리지 드라이버(1905)를 포함할 수 있다. 스위치(S1, S2)는 교대로 개방되어 전류가 제1 기간 동안 부하를 통해 한 방향으로 흐르도록 하고, 전류가 제2 기간 동안 부하를 통해 반대 방향으로 흐르도록 할 수 있다.
일부 실시 예에서, 예를 들어 플라즈마에 최대 전력을 전달하기 위해 플라즈마 챔버의 임피던스를 RF 발생기의 임피던스에 매칭시키기 위해 사용되는 매칭 네트워크가 포함될 수 있다. 예를 들어 50 ohm 시스템을 사용할 때 유용할 수 있다. 예를 들어, 플라즈마 시스 제어 시스템(500)에서, 플라즈마 시스 제어 시스템(700) 또는 플라즈마 시스 제어 시스템(1200)은 저항기(R13) 근처에 매칭 네트워크를 포함할 수 있다. 다른 예로서, 플라즈마 시스 제어 시스템(1600), 플라즈마 시스 제어 시스템(1700) 또는 플라즈마 시스 제어 시스템(1900)은 인덕터(L2) 이전 매칭 네트워크를 포함할 수 있다.
달리 명시되지 않는 한, "실질적으로"라는 용어는 언급된 값의 5 % 또는 10 % 이내 또는 제조 공차 이내를 의미한다. 달리 명시되지 않는 한, 용어 "약"은 언급된 값의 5 % 또는 10 % 이내 또는 제조 허용 오차 이내를 의미한다.
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청구된 발명의 요지에 대한 철저한 이해를 제공하기 위해 여기에 다수의 특정 세부 사항이 설명되어 있다. 그러나, 당업자는 청구된 발명의 요지가 이러한 특정 세부 사항 없이 실행될 수 있음을 이해할 것이다. 다른 예에서, 청구된 발명의 요지를 모호하게 하지 않도록 당업자에 의해 공지된 방법, 장치 또는 시스템은 상세하게 설명되지 않았다.
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본 발명의 요지가 그의 특정 실시 예와 관련하여 상세하게 설명되었지만, 당업자는 전술한 내용을 이해하면 이러한 실시 예에 대한 변경, 변형 및 균등물을 쉽게 생성할 수 있음을 이해할 것이다. 따라서, 본 개시 내용은 제한이 아닌 예시의 목적으로 제시되었으며, 당업자에게 쉽게 분명할 바와 같이 본 발명의 요지에 대한 이러한 수정, 변경 및/또는 추가의 포함을 배제하지 않는다는 것을 이해해야 한다.

Claims (21)

  1. 0 kHz보다 큰 주파수와 1kV보다 높은 피크(peak) 전압을 가진 사인(sinusoidal)파형을 생성하는 RF 전원;
    상기 RF 전원과 전기적으로 결합되는 플라즈마 챔버로서, 상기 플라즈마 챔버는 1 kV보다 많은 에너지로 플라즈마 챔버 내에 배치된 표면으로 가속되는 복수의 이온들을 가지고, 상기 플라즈마 챔버는 상기 사인파형으로부터 상기 플라즈마 챔버 내에서 플라즈마 시스를 생성하는 플라즈마 챔버;
    상기 RF 전원과 상기 플라즈마 챔버 사이에 전기적으로 연결되는 차단 다이오드로서, 상기 차단 다이오드는 상기 사인파형을 정류하는 차단 다이오드; 및
    상기 RF 전원, 상기 플라즈마 챔버 및 상기 차단 다이오드와 전기적으로 결합되는 용량성 방전 회로로서, 상기 용량성 방전 회로는 상기 플라즈마 챔버 내에서 1kV보다 높은 피크 전압과 250 나노초(nano 秒)보다 작은 방전 시간으로 용량성 전하들을 방전하는 용량성 방전 회로를 포함하는,
    플라즈마 시스(sheath) 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 용량성 방전 회로는 저항기 및 직렬로 배열된 인덕터(inductor)를 포함하는 저항 출력단을 포함하고, 상기 저항 출력단은 상기 차단 다이오드와 상기 플라즈마 챔버 사이의 상기 플라즈마 시스 제어 시스템의 포인트와 그라운드 사이에 배치되는,
    플라즈마 시스 제어 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 용량성 방전 회로는 다이오드와 직렬로 배열된 인덕터를 포함하는 에너지 회수 회로를 포함하며, 상기 에너지 회수 회로는 상기 차단 다이오드, 상기 플라즈마 챔버 및 상기 RF 전원 사이에 배치되는,
    플라즈마 시스 제어 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 차단 다이오드와 상기 플라즈마 챔버 사이에 직렬로 배치된 바이어스 커패시터(bias capacitor)를 더 포함하는,
    플라즈마 시스 제어 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    DC 전원, 저항기, 다이오드 및 고전압 스위치를 포함하는 바이어스 보상 회로를 더 포함하고, 상기 바이어스 보상 회로는 상기 차단 다이오드와 상기 RF 전원 사이의 상기 플라즈마 시스 제어 시스템의 포인트 사이에 배치되는,
    플라즈마 시스 제어 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 챔버 내의 플라즈마 부하의 반응성 임피던스를 상기 RF 전원의 출력 임피던스와 매치되는 상기 플라즈마 챔버와 전기적으로 결합되는 매칭 네트워크(matching network)를 더 포함하는,
    플라즈마 시스 제어 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 차단 다이오드는 사인파형을 정류하여 각 구간의 적어도 25% 동안 실질적으로 평평한 부분을 가지는 사인파형을 생성하는,
    플라즈마 시스 제어 시스템.
  8. 200V 보다 높은 DC전압을 생성하는 고전압 DC 전원;
    교대로 스위치 온/오프하여 20 kHz보다 높은 주파수와 1 kV보다 높은 피크 전압을 가지는 사인파형을 생성하는 복수의 고전압 스위치를 포함하는 공진 회로 드라이버;
    상기 공진 회로 드라이버와 전기적으로 결합되는 플라즈마 챔버로서, 상기 플라즈마 챔버는 1kV보다 큰 에너지를 가지는 플라즈마 챔버 내에 배치되는 표면으로 가속되는 복수의 이온을 가지고, 상기 플라즈마 챔버는 상기 사인파형으로부터 상기 플라즈마 챔버 내에 플라즈마 시스를 생성하는 플라즈마 챔버; 및
    상기 공진 회로 드라이버와 상기 사인파형을 정류하는 상기 플라즈마 챔버 사이에서 전기적으로 연결되는 차단 다이오드를 포함하는,
    플라즈마 시스(sheath) 제어 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 차단 다이오드는 상기 사인파형을 정류하여 각 구간의 적어도 25% 동안 실질적으로 평평한 부분을 생성하는,
    플라즈마 시스 제어 시스템.
  10. 제8항에 있어서,
    저항기 및 직렬로 배열된 인덕터(inductor)를 포함하는 저항 출력단을 더 포함하고, 상기 저항 출력단은 상기 차단 다이오드와 상기 플라즈마 챔버 사이의 상기 플라즈마 시스 제어 시스템의 포인트와 그라운드 사이에 배치되는,
    플라즈마 시스 제어 시스템.
  11. 제8항에 있어서,
    다이오드와 직렬로 배열된 인덕터를 포함하는 에너지 회수 회로를 더 포함하고, 상기 에너지 회수 회로는 상기 차단 다이오드, 상기 플라즈마 챔버 및 상기 고전압 DC 전원 사이에 배치되는,
    플라즈마 시스 제어 시스템.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 스위치는 제1 스위치, 제2 스위치, 제3 스위치, 및 제4 스위치를 포함하고, 상기 제1 스위치 및 상기 제4 스위치는 제1 시간 구간 동안 폐쇄되어 전류가 제1 방향으로 흐르게 하고,
    상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치는 2 시간 구간 동안 폐쇄되어 전류가 상기 제1 방향과 반대인 제2 방향으로 흐르게 하는,
    플라즈마 시스 제어 시스템.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 스위치는 제1 스위치 및 제2 스위치를 포함하고,
    상기 제1 스위치는 제1 시간 구간 동안 폐쇄되어 전류가 제1 방향으로 흐르게 하고, 상기 제2 스위치는 제2 시간 구간 동안 폐쇄되어 전류가 상기 제1 방향과 반대인 제2 방향으로 흐르게 하는,
    플라즈마 시스 제어 시스템.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 스위치는
    Figure 112021028282986-pct00007
    에 따른 주파수에서 스위칭되고, f는 10 kHz보다 크고, L은 상기 플라즈마 챔버 내에서의 부하의 인덕턴스를 나타내고, C는 상기 공진 회로 드라이버 내에서의 커패시터(capacitor)의 정전용량을 나타내는,
    플라즈마 시스 제어 시스템.
  15. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 스위치는
    Figure 112021028282986-pct00008
    에 따른 주파수에서 스위칭되고, f는 10 kHz보다 크고, L은 상기 공진 회로 드라이버 내에서의 인덕터의 인덕턴스를 나타내고, C는 상기 플라즈마 챔버가 있는 부하의 정전용량을 나타내는,
    플라즈마 시스 제어 시스템.
  16. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 스위치는
    Figure 112021028282986-pct00009
    에 따른 주파수에서 스위칭되고, f는 10 kHz보다 크고, L은 상기 공진 회로 드라이버 내에서의 인덕터의 인덕턴스를 나타내고, C는 상기 공진 회로 드라이버 내에서의 커패시터의 정전용량을 나타내는,
    플라즈마 시스 제어 시스템.
  17. 제8항에 있어서,
    상기 공진 회로 드라이버가 상기 사인파형을 생성하는 동안 상기 플라즈마 시스 제어 시스템은 1 kV보다 큰 플라즈마 시스 양단의 전압을 생성하는,
    플라즈마 시스 제어 시스템.
  18. 제8항에 있어서,
    1ms 보다 적은 시간의 척도에서 상기 공진 회로에 의해 생성된 사인파형의 주파수 또는 전력 둘 중 하나 또는 모두를 조절하는 제어기를 더 포함하는,
    플라즈마 시스 제어 시스템.
  19. 제8항에 있어서,
    상기 플라즈마 챔버 이전 지점에서 상기 사인파형의 주파수가 공진 주파수와 일치하지 않는 경우 상기 플라즈마 챔버 이전 지점에서 사인파형의 주파수를 측정하고 상기 공진 회로 드라이버에 의해 생성된 상기 사인파형의 주파수를 조절하는 제어기를 더 포함하는,
    플라즈마 시스 제어 시스템.
  20. 제8항에 있어서,
    상기 플라즈마 챔버 이전 지점에서 상기 사인파형의 전력이 필요한 전력과 일치하지 않는 경우 상기 플라즈마 챔버 이전 지점에서 사인파형의 전력을 측정하고 상기 공진 회로 드라이버에 의해 생성된 상기 사인파형의 전력을 조절하는 제어기를 더 포함하는,
    플라즈마 시스 제어 시스템.
  21. 20 kHz보다 큰 주파수와 1kV보다 높은 피크(peak) 전압을 가진 사인(sinusoidal)파형을 생성하는 RF 전원;
    상기 RF 전원과 전기적으로 결합되는 플라즈마 챔버로서, 상기 플라즈마 챔버는 1 kV보다 많은 에너지로 플라즈마 챔버 내에 배치된 표면으로 가속되는 복수의 이온들을 가지고, 상기 플라즈마 챔버는 상기 사인파형으로부터 상기 플라즈마 챔버 내에서 플라즈마 시스를 생성하는 플라즈마 챔버;
    상기 RF 전원과 상기 플라즈마 챔버 사이에 전기적으로 연결되는 차단 다이오드로서, 상기 차단 다이오드는 상기 사인파형을 정류하는 차단 다이오드; 및
    저항기 및 직렬로 배열된 인덕터(inductor)를 포함하는 저항 출력단으로서, 상기 저항 출력단은 상기 차단 다이오드와 상기 플라즈마 챔버 사이의 상기 플라즈마 시스 제어 시스템의 포인트와 그라운드 사이에 배치되는 저항 출력단을 포함하는,
    플라즈마 시스(sheath) 제어 시스템.

KR1020217007318A 2018-08-10 2019-08-09 RF 플라즈마 반응기용 플라즈마 시스(sheath) 제어 KR102499709B1 (ko)

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