KR20000069545A

KR20000069545A - 전원에 부하를 정합시키는 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20000069545A
Application number: KR1019997005479A
Authority: KR
Inventors: 윌리암스노만; 러셀 에프. 쥬니어 쥬에트
Original assignee: 리차드 에이치. 로브그렌; 램 리서치 코포레이션
Priority date: 1996-12-19
Filing date: 1997-12-19
Publication date: 2000-11-25
Also published as: DE69711691T2; KR100490033B1; US5889252A; WO1998027646A1; EP0947047A1; AU5617198A; TW355865B; ATE215755T1; EP0947047B1; JP2001507181A; DE69711691D1

Abstract

진공 플라즈마 처리챔버용 r.f. 전원등의 전원과 부하를 정합시키는 배열 및 방법은 상기 전원과 부하사이에 결합되는 정합 네트워크를 포함한다. 이 정합 네트워크는 적어도 2개의 제어가능한 가변 전기적 특성을 가진다. 부하의 적어도 2개의 파라미터들을 감지하는 센서가 구비되어 있다. 구동 제어기는 부하의 감지된 파라미터들에 응답하여, 부하의 파라미터중의 한 파라미터만의 함수로서 정합 네트워크의 전기적 특성중의 제1 특성 변화와, 부하의 파라미터중의 또다른 파라미터의 함수로서 정합 네트워크의 전기적 특성중의 제2 특성 변화를 독립적으로 제어한다. 이는 전원과 부하가 정합 상태로 될 때까지 실행된다.

부하 파라미터와 거의 일대일 대응을 확정하기 위한 정합 변수의 분리는 정합 변수들의 독립된 조정을 가능하게 하여, 빠르고도 명확하게 정합 상태에 도달할 수 있다 .

Description

전원에 부하를 정합시키는 방법 및 장치 {Method of and Apparatus for matching a load to a source}

진공 플라즈마 처리 챔버는 통상 유리, 반도체 또는 금속 기판등의 가공품을 처리하는 데에 이용되므로, 가공품을 에칭시키고(에칭시키거나), 그 위에 물질들이 증착되도록 한다. 챔버안에서 가스내의 이온들을 플라즈마로 여기시키고, 상기 플라즈마를 방전상태에서 유지시키기 위해서는 유효량의 r.f. 전력이 진공 플라즈마 처리 챔버에 공급되어야 한다. 플라즈마 방전 및 여기 회로 소자(일반적으로 코일 또는 한 개이상의 전극)를 포함하는 진공 플라즈마 처리챔버의 부하의 임피던스는 예기치 못하게 비-선형적으로 변화한다. 예를 들면, 플라즈마의 이그니션(ignition)전에 여기 코일의 큐 팩터(Q)는 통상적으로 약 100-400으로 꽤 높다. 이그니션후, 코일 및 그 플라즈마 부하의 큐 팩터는 약 10-20으로 하강한다. 또한, 플라즈마의 특성은 전력 정합된 상태에 가까워져 도달될 때 정합 네트워크 내로 보여지는 리액티브 임피던스를 감소시킨다. 저항 임피던스는 대부분은 플라즈마내의 대전된 캐리어로 인하여 발생된다. 그러므로, 플라즈마에의 정합은 진공플라즈마 처리챔버의 플라즈마와 여기 회로 소자(excitation circuit element)를 구동하는 정합 네트워크내로 보여지는 부하의 저항(실수부) 및 리액티브(허수부) 임피던스 성분에서의 상기 변동으로 인한 특별한 문제를 야기한다.

정합 네트워크는 1) 효율성을 위해, 부하에 공급되는 전력을 최대화하고, 2) 전원 손상을 방지하고 효율성을 위해 부하로부터 비교적 높은 전력 r.f. 여기 전원으로 반사되는 전력을 최소화하기 위한 것이다. 상기 정합 네트워크는 여기 회로 소자들과 소오스에 의해 구동되는 비교적 긴 케이블(즉, 10피트 이상)의 출력 단자사이에 접속되어 있다. 소오스는 저항 50 오옴 및 리액티브 0오옴등의 특정 출력 임피던스를 가진다. 소오스 출력 임피던스는 케이블 특성 임피던스와 같다. 정합 네트워크는 소오스 저항 임피던스와 같도록 소오스에 의해 보여지는 임피던스를 조정함으로써 부하의 임피던스를 소오스의 임피던스에 정합시키도록 되어 있다.

통상적으로, 정합 네트워크는 2개의 변수 리액턴스를 포함하는데, 하나는 정합 네트워크내로 보여지는 저항 임피던스 성분(｜Z｜)을 주로 제어하며, 두번째 것은 정합 네트워크내에 영향을 미치는 리액티브 임피던스 성분(ψ)을 주로 제어한다. 한 종래 기술의 배열에서는 반사되는 전력을 최소화하는 시도로서 가변 리액턴스를 동시에 자동 조정한다. 가변 리액턴스들의 값을 제어하는 기술 중에서 가장 흔히 사용되는 기술은 정합 네트워크의 입력단자내로 보여지는 임피던스의 위상 및 크기를 검출하는 것을 포함한다. 그런데, 종래 기술에 따른 동시 자동 조정은 아래 설명하는 이유로 인해, 정합 상태를 얻는 데에 있어 부정확하며 비교적 느리다. 일반적으로, 정합 네트워크 변수들의 공간에서 (｜Z｜)와 ψ의 제어면들은 복잡하므로, ｜Z｜와 ψ와 상기 2개의 정합 변수들사이에 일대일 대응이 존재하지 않는다. 즉, 정합 네트워크 변수중의 하나를 변화시키는 것, 예를 들면 (｜Z｜)를 50 오옴과 같도록 하는 것은 ψ의 값에도 영향을 미칠 것이다. (｜Z｜) 및 ψ와 2개의 정합 변수들사이에 일대일 대응이 없으므로, ψ가 0°가 되도록 정합 네트워크 변수를 변화시키는 때에도 마찬가지이다. 그러므로, 한 정합 변수의 변화는 나머지 정합 변수에 영향을 미치기 때문에 종래 기술에서는 두 개의 정합 변수를 동시에 조정하는 것이 어렵다. 이러한 대응성의 결핍으로 인해서 (｜Z｜)와 ψ의 표면 형태의 엠비규어티에 의한 정합의 속도 저하, 정합 장해 등이 야기된다.

본 발명은 r.f.전달 시스템의 분야에 관한 것으로, 특히 r.f. 전력 전달 시스템의 네트워크를 정합시키는 복수 변수 네트워크 제어시스템의 분야에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따라 구성된 정합 네트워크의 개략도,

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 부하 정합 방법의 흐름도,

도 3은 도 1의 정합 네트워크의 제어 시스템의 개략도,

도 4는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 부하 정합방법의 흐름도,

도 5는 본 발명의 또다른 실시예에 따라 구성된 정합 네트워크의 개략도,

도 6은 도 5의 정합 네트워크에 대한 (｜Z｜)와 ψ의 곡선을 도시한 도면,

도 7은 정합 구역에서의 도 6의 확대도,

도 8은 본 발명의 실시예들에 따라 발생된 도 5의 정합 네트워크에 대한 근사 직교 함수들의 도면,

도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 부하 정합 방법을 도시한 흐름도이다.

본 발명의 요약

가변 부하의 정확하고도 빠른 정합을 이루기 위해서 정합 네트워크의 정합 변수들을 독립적으로 조정하기 위한 방법 및 장치에 대한 필요성이 요구된다.

이러한 필요성은 전원에 부하를 정합시키는 배열을 제공하는 본 발명의 실시예들에 의해 만족된다. 배열은 전원과 부하사이에 결합되는 정합 네트워크를 포함하며, 이 정합 네트워크는 제어가능한 적어도 2개의 가변 전기적 특성을 가진다. 부하의 적어도 2개의 파라미터를 감지하는 센서가 구비되어 있다. 구동 제어기는 부하의 감지된 파라미터에 응답하여, 전원과 부하가 정합될 때까지 부하의 한 파라미터의 함수로서 정합 네트워크의 전기적 특성중의 제1 특성 변화와, 부하의 파라미터중의 또다른 파라미터의 함수로서 정합 네트워크의 전기적 특성중의 제2 특성 변화를 독립적으로 제어한다.

구동 제어기는 제1 및 제2 부하 파라미터의 각각의 함수로서 제1 및 제2 전기적 특성의 변화를 독립적으로 제어하기 때문에, 빠르고 정확한 정합을 얻을 수 있다. 이는 정합 네트워크의 정합 변수들(가변 전기적 특성)이 부하 파라미터와 일대일 대응을 가지고 있지 않으므로 정합이 비교적 느리고 명료하지 않은 종래 기술에 비하여 유리한 점이다.

또한, 상술한 필요성은 본 발명의 또다른 실시예에 의해 만족되는데, 이 실시예는 제1 회로 및 제2 회로를 가진 정합 네트워크를 구비하여 전원에 부하를 정합시키는 방법을 제공한다. 이러한 방법은 상기 제1회로 내에 공진 조건을 확정하고 상기 부하의 적어도 2개의 파라미터를 측정하는 단계들로 이루어져 있다. 제어 변수는 상기 2개의 파라미터중의 적어도 하나로부터 계산된다. 다음에, 제1 부하 파라미터가 제어 변수의 값에 기초하여 제1 특정값과 같은지를 결정한다. 정합 네트워크의 제1 정합 변수가 조정됨으로써, 제1부하 파라미터가 상기 제1특정값과 같게 되도록 제어 변수가 변화된다. 다음에, 부하 파라미터중의 제2부하 파라미터가 제2특정값과 같은지 결정된다. 정합 네트워크의 제2 정합 변수가 조정되어, 제2 부하 파라미터가 제2 특정값과 같게 되도록 정합 변수를 구동시키며, 이에 제1 정합 변수는 제1 부하 파라미터와 일대일 대응을 가지며, 제2 정합 변수는 제2 부하 파라미터와 일대일 대응을 가진다.

또한, 상술한 필요성은 제1회로 및 제2회로를 가지는 정합 네트워크를 구비하여 전원에 부하를 정합시키는 방법을 제공하는 본 발명의 또다른 실시예에 의해 만족되며, 상기 방법은 부하의 적어도 2개의 파라미터를 측정하는 단계와, 상기 부하의 2개의 파라미터를 제1 및 제2 직교함수로 변환시키는 단계와, 상기 제1함수의 값을 상기 제1 특정값과 같도록 만드는 정합 네트워크의 제1 정합 변수와, 상기 제2함수의 값을 상기 제2 특정값과 같도록 만드는 정합 네트워크의 제2 정합 변수를 동시에 독립적으로 조정하는 단계를 구비한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 상세한 설명으로부터 본 발명의 상술한 특징 및 이외의 특징, 태양, 이점들은 더욱 분명해질 것이다.

도 1은 용량 부하를 정합시키도록 본 발명의 실시예들에서 이용되는 정합 네트워크를 구비한 전력 전달 시스템의 개략도이다. 그런데, 다른 실시예들에서는 도 1에 도시한 것과는 다른 시스템이 본 발명에 따라 제어된다. 도 1의 예시적 시스템에서는 r.f.발생기(102)가 교류 전류 및 전압을 발생하며, 제1회로(104), 정합 네트워크(100), 제2회로(120)를 거쳐 부하(130)로 상기 전압 및 전류를 전달한다. 예를 들면, 부하(130)는 진공처리챔버일 수 있다.

제1회로(104)는 변성기(112)의 일차측으로 작용하는 rf 발생기(102), 커패시턴스 C₁(106), 저항 R₁(108), 인덕턴스 L₁(110)을 포함한다. 상기 커패시턴스 C₁(106), 저항 R₁(108)과 인덕턴스 L₁(110)는 측정가능한 양이다. 변압기(112)는 제어가능한 상호 인덕턴스 M(114)과 제어가능한 제2 인덕턴스 L₂(122)를 가진다. 상기 제어가능한 제2 인덕턴스 L₂(122)는 제2회로(120)의 일부이며, 제2회로(120)에 연결된 진공 플라즈마처리챔버의 부하 임피던스(Z_L)와 제2 커패시턴스C₂(124)에 직렬 접속되어 있다.

도1의 배치에 의해 정합 네트워크(100) 및 부하(130)에 공급되는 복소 전력은 비율 Z_in과 위상각 _in에서의 전압 및 전류를 포함한다. 위상/크기 센서(후술함)는 Z_in과 _in를 측정한다. 임피던스 Z_in및 위상 _in는 부하(130) 특성, 제1커패시턴스 C₁(106), 제1고유저항 R₁(108), 제1인덕턴스 L₁(110), 주파수(W), 제2커패시턴스 C₂(124), 상호 인덕턴스 M(114), 제2인덕턴스 L₂(122)에 의해 결정된다. 상호 인덕턴스 M(114) 및 제2인덕턴스 L₂(122)는 실시간으로 조정가능하므로 회로의 다른 값들은 전체 시간에 걸쳐 일정한 상태로 하면서 Z_in및 _in를 변화시킨다. 개략도 도1의 소자들의 보기값은 L₁= 1.27 μH; C₁=160 pF; R₁=0.4 Ω 이다.

L₂=1.8-2.8 μH; C₂=75 pF; R₂=0.8 Ω; 0 〈 X_L〈 100Ω 이다. 상호인덕턴스 M 및 가변 인덕턴스 L₂는 인덕턴스를 변화시키는 구동 모터를 이용하여 조정된다. 모터는 크기 오류신호 (50오옴으로부터의 ｜Z_in｜의 편차) 및 위상 오류신호(0˚로부터의 ψ의 편차)에 따라 구동된다. 종래기술에서는 상기 오류신호 둘다가 M 및 L₂와 같은 정합 변수 둘다에 의존한다. 그러므로, ｜Z_in｜의 변화는 보정되기 위해서 M 및 L₂둘다의 변화를 필요로 했다. 이러한 직교성의 결여는 정합된 상태를 얻는 데에 있어서 M 및 L₂의 광범위한 검색을 야기했으며, 필요한 정합시간을 수초까지 연장시킬 수도 있다.

본 발명은 상술한 바와 같이 상기 측정된 오류신호가 정합 변수들과 거의 일대일 대응을 갖도록 만듦으로써 이러한 문제를 보완시킨다. ｜Z_in｜또는 ψ의 변화는 각각의 정합 변수들중에서 오직 하나의 조정에 의한 보상을 필요로 하므로, 정확하고도 빠른 정합을 얻을 수 있다.

제1실시예는 정합 변수들(M 및 L₂)을 제어하여 ｜Z_in｜를 50오옴으로 만들고, ψ_in을 0˚로 만드는 방법을 제공한다. 이 실시예에서 제1단계는 아래에 설명한 바와 같이 방정식 세트의 축소이다.

수학식 1 및 2는 부하에 연결된 정합의 입력 임피던스 (Z_L=R_T+jX_L)의 실수부 및 허수부를 나타내며, 여기에서 R_T는 부하 임피던스 R_L과 잔류 정합 저항 R₂의 합이다.

여기에서,

위상/크기 검출기에 의해 측정된 입력 임피던스의 위상은 다음과 같다.

입력 임피던스의 크기는:

이들 방정식은 여러 상수 (R₁,ω,L₁,C₁,C₂) 및 4개의 변수(M,R_T,L₂,X_L)에 의존하는 중간 변수 α 및 입력 임피던스의 두 성분(Z_in실수부 및 허수부 또는 ｜Z_in｜및 ψ_in)를 정의한다.

따라서, 본 발명의 실시예의 제1단계에서는 수학식 1 및 2가 4개의 미지수(M,L₂,R_T,α)로 된 한 조의 2개 방정식으로 축소된다. α는 L₂와 X_L의 함수이므로, 수학식 1 및 2는 4개의 변수(M,L₂,R_T,X_L)로 된 한 조의 2개의 방정식으로 축소될 수 있다. 그런데, 축소된 방정식으로부터 분명히 나타난 바와 같이, 값 {｜Z_in｜- 50 오옴} 및 {ψ_in- 0˚}는 정합변수 M및 L₂에 직교하지 않는다. 즉, ｜Z_in｜또는 ψ_in만을 변화시키더라도, M 및 L₂둘다의 조정을 필요로 할 것이다.

본 발명의 제1실시예는 제1회로(104)를 공진하게 함으로써 이러한 문제를 해결한다. 보통, 공진회로소자들은 전류를 급격히 증가시켜 회로소자들에 잠재적으로 손상을 주는 방식으로 전력을 저장하고 복귀하기 때문에 제1회로의 공진이 회피된다. 그런데, 현대의 r.f.발생기는 과전류 상태를 검출할 수 있고 고감도의 회로 소자의 손상을 방지할 수 있어서 공진은 더이상 심각한 손실을 입히지 않는다. 본 발명의 실시예들에서처럼, 도 1의 회로에서 C₁(106)이 160 pF로부터 108.5 pF로 변하면, 도시한 회로에서 공진 조건이 이루어진다. 그런데, 회로 소자들의 다른 값들도 공진 상태를 생성하므로 이는 단지 일예를 든 것이다. 위상각 ψin 의 탄젠트는 수학식 (1),(2) 및 (4)를 조합함으로써 주어진다.

수학식 6에서 명백히 나타나는 바와 같이, tan ψ = 0 곡선은 α를 통해 정합 변수 M 및 L₂둘다에 의존한다. 따라서, 본 발명에 따르면, 제1회로는 공진하도록 되어 있다. 결과적으로,

이기 때문에 tan ψ= 0은 M 및 L₂에 무관하다. 따라서, 정합 변수 M은 ｜Z_in｜ = 50오옴의 조건하에서만 결정된다. 이는 수학식 1로부터 다음과 같은 조건으로 된다.

제1회로 공진을 만듦으로써, ψ=0 곡선은 정합변수 M에 무관하게 된다. 따라서, ψ=0 이 되도록 L₂만을 변화시킨 후, ｜Z_in｜ = 50 오옴이 되도록 M만을 변화시킴으로써 정합 조건이 이루어질 수 있다. 정합 변수 M 및 L2는 둘다 ψ 및 ｜Z_in｜과 일대일 대응을 가지므로 매우 신속하고도 신뢰성있게 정합이 이루어진다.

상기 방정식들에 따른 본 발명의 정합 네트워크를 조정하는 방법의 일실시예를 도 2에 도시한다. 단계 200에서, 정합 네트워크의 제1회로의 공진 조건이 확정된다. 이 단계는 공진 조건을 확정하는 값들을 가진 소자들을 제공하는 것을 포함한다. 제1회로에서 공진조건이 확정되면, 정합 변수들을 조정시켜 출력으로서 입력의 저항 및 리액티브 임피던스들을 정합시킨다. 먼저, 단계 202에서, α의 값이 결정된다. 단계 204에서 결정되는 바와 같이, ψ가 0이 되도록 하는 값을 α가 가지고 있지 않으면, L₂(제2인덕턴스)가 조정되어 ψ를 0이 되도록 한다(단계 206). 상기 내용은 실시예들에서 L₂를 조정하는 모터를 구동시킴으로써 행해진다. 일단 L₂가 조정되면, 단계 208에서는 ｜Z_in｜=50 오옴인지 여부가 결정된다. 아닌 것으로 결정된 경우에는 단계 210에서 상호 인덕턴스 M이 조정되어 ｜Z_in｜를 50오옴으로 만든다(예를 들면 또다른 모터를 구동하여 조정된다) . ｜Z_in｜= 50 오옴일 때, 정합 조건이 얻어진다. 제어과정은 정합된 조건을 유지하기 위해서 단계 202로 다시 돌아가서 반복된다.

정합 네트워크 및 제어 시스템의 한 일실시예를 도 3에 도시한다. 도 1에 이미 도시한 소자들에 부가하여, 제어 시스템은 센서(310)와 구동 임피던스 제어기(320)를 포함한다. 위상/크기 센서(310)는 저항 임피던스 및 리액티브 임피던스의 값 ｜Z_in｜및 ψ를 결정한다. 이들 값은 구동 임피던스 제어기(320)에 공급되며, 이는 모터를 구동시켜 상호 인덕턴스 M 및 제2인덕턴스 L₂를 조정하므로, ｜Z_in｜는 50 오옴과 같게 되고, ψ는 0과 같게 된다.

또한, 본 발명의 또다른 실시예는 도 3의 물리적 구성을 이용하여 저항 및 리액티브 임피던스를 조정하여 정합시킨다. 그런데, 이 실시예에서는 1차가 도2의 실시예에서와 같이 공진하지 않는다. 대신에, 측정된 위상 및 크기값들은 정합 변수들과 일대일 대응을 가지는 양으로의 변성에 의해 변환된다. 이 실시예의 이점은 아래에서 더욱 자세히 설명하겠지만, 2개의 정합 변수들이 동시에 변화되어 정합 조건에 도달할 수 있는 것이다. 이는 하나의 정합 변수가 조정된 후에만 나머지 하나의 정합 변수가 조정되는 도 2의 제1실시예와 대비되는 것이다. 그러므로, 이 실시예에서는 정합 변수가 둘다 동시에 조정되기 때문에 훨씬 빠른 정합이 얻어진다.

도4에 도시한 방법의 실시예에서는 측정값 ｜Z_in｜ 및 ψ와 정합 네트워크의 다른 고정된 특성들이 2개의 직교 함수를 생성하는데에 이용되며, 상기 함수들은 다음과 같이 M 및 L₂의 공간에서 도시될 수 있다.

수학식 1 및 2는 다음과 같이 표시된다.

여기에서,

그러므로, 값 β및 γ는 측정값이다.

크기 및 위상의 측정으로부터,

값 R₁및 X_p는 실험적으로 결정될 수 있는 네트워크 상수이다. 그러므로, 방정식 (10) 및 (11)의 좌변의 값들은 정합 과정동안에 알고 있는 값이며, 우변들은 3개의 미지수 M,α,R_T를 포함하는 것으로 나타난다. 그런데, 이러한 특별한 경우,

수학식 17 및 18은 2개의 미지수 p 및 q로 된 2개의 동시 방정식으로 처리될 수 있으며, 이들은 정합 변수 M 및 L₂에 독립적으로 관련되어 있다. 따라서,측정된 크기 및 위상으로부터, 정합 변수 M 및 L₂를 독립적으로 제어하는 데에 상기 변환된 제어 변수 p 및 q가 이용될 수 있다. p 및 q에 대한 수학식 17 및 18을 풀면 다음과 같다.

측정값 β 및 γ로부터 제어 변수 p 및 q를 구성함으로써 임의의 주어진 부하에 대해서 M 및 α를 독립적으로 제어할 수 있다.

시스템이 정합된 상태에 있으면, 이들 2개의 해 수학식 19, 20은 네트워크의 소자값들에 의존하는 명확한 수치를 가진다. 특히, 위와 같이 정합되는 때에,

그러므로,

수학식 23 및 24의 수치값은 정합이 이루어진 때에 함수들의 제로값을 산출하기 위해 수학식 19 및 20으로부터 임의로 뺄셈 계산될 수 있다. 따라서, 새로운 직교 함수들은 다음과 같이 주어진다.

따라서, 이 실시예에서 도3의 제어기(320)는 상기 교정된 위상/크기 검출기 신호 ｜Z_in｜및 ψ및 정합상수 R₁및 X_p로부터 F 및 G값을 산출하도록 이용된다.

F 및 G값은 정합 변수들중의 하나(M 또는 L₂)에만 의존하므로, F의 제로값은 M만을 변화시켜 도달될 수 있고, G의 제로값은 L₂만을 변화시켜 도달될 수 있으며, F 및 G가 모두 0일때에 정합 조건이 도달된다.

이 실시예에서 입력 R₁, X_p,｜Z_in｜및 ψ는 보정되어야만 한다. 상기 잔류 제1저항 R1은 종래의 네트워크 분석기를 이용하여 13.56 MHz에서 Xp와 함께 측정될 수 있으며, ｜Z_in｜및 ψ는 종래 기술에서처럼 보정된다.

도4의 방법 실시예에서는 단계 250에서 입력값 R₁, X_p,｜Z_in｜및 ψ가 보정된다. 단계 252에서, ｜Z_in｜및 ψ값은 센서(310)에 의해 측정되며, 구동기 제어기(320)로 공급된다. 측정값 ｜Z_in｜및 ψ은 단계 254에서 구동기 제어기(320)에 의해 2개의 직교함수 F 및 G로 변환된다. 다음에, 단계 256, 258에서 이들 함수 둘다의 값은 측정값｜Z_in｜및 ψ와 알고 있는 회로소자들의 상수값에 기초하여 특정값들에 비교된다. 바람직한 실시예들에서 도 4에 도시한 바와 같이 특정값은 F 및 G 둘다에 대해 제로값이다.

F 또는 G의 값이 제로값(또는 다른 특정값)에서부터 벗어난 때에, 구동 제어기(320)는 단계 260, 262에서 모터를 구동시켜 정합 변수 M과 L₂둘다 또는 그 하나를 조정한다. F 및 G는 둘다 하나의 정합 변수 (M 또는 L₂)만에 의존하므로, 정합 변수 M, L₂는 동시에 변화되어 정합 조건에 도달할 수 있다. F 및 G 의 값이 둘다 0 (또는 다른 특정값)일 때, 정합 조건은 도달되며, 과정은 단계 252로 복귀하여 ｜Z_in｜및 ψ값을 모니터한다.

또한, 도 4에 표시한 본 발명의 실시예는 다른 정합 변수들을 이용하는 기타의 정합 네트워크에 적용될 수 있다. 예를 들면, 또다른 정합 네트워크에서는 정합 변수가 M, L₂대신에 M, C₂이다. 그런데, L₂및 C₂는 변수 α에 둘다 포함되어 있으므로, 본질적으로 변환은 위에서 설명한 바와 같다. 그러므로, 변수 분리가 발생되고, 알고 있는 측정된 값으로부터 직교 제어 함수 F 및 G가 형성된다.

또다른 실시예의 정합 네트워크를 도 5에 도시하였으며, 이 네트워크는 인덕티브 부하들을 정합시키는 데에 이용된다. 도 1과 비교하면, 저항-인덕터-커패시터(RLC) 배열이 4개의 커패시터(C₁- C₄)로 교체되어 있다. 이 실시예에서는 커패시터 C₁및 C₃가 가변 커패시터이다. 커패시턴스는 구동 제어기(320)로부터의 신호에 응답하여 구동 모터에 의해 변화된다. 도 5의 실시예에서, C₁및 C₃는 20 내지 200 pF의 커패시턴스로 변화될 수 있으며, C₂는 200 pF의 값을 가지며, C₄는 151 pF의 값을 가진다.

또한, 도 3의 실시예에 대해 설명한 변수의 변화는 도 5의 정합 네트워크의 실시예에서도 행해질 수 있다. 그런데, 이 경우 3개의 미지의 값들의 2개로의 축소는 정합의 입력 임피던스에 대한 방정식의 구성으로 인해서 발생하지 않는다. 결과는 3개의 미지의 값을 포함하는 입력 임피던스의 실수부 및 허수부에 대해 2개의 방정식이 발생하는 것이다.

도 5의 정합 네트워크 실시예에서는 정합 변수중 하나가 측정되어야 한다. 실시예들에서, 이러한 측정은 어떤 형태의 인코더와 커패시턴스 보정을 이용하여 이루어진다. 커패시터 C₁및 C₃는 크기 및 위상 오류 신호에 의해 제어되는 동조 소자 및 부하이다. 도시한 소자값들을 이용한 정합 범위 능력은 약 1 내지 10 오옴(실수) 및 200 내지 500 오옴(인덕티브)이다.

다음에서 알 수 있듯이, C₁또는 C₃를 측정할 필요성이 있음에도 불구하고, 측정된 변수들을 변환시킴으로써 상당한 간소화를 이끌어낼 수 있다. 부하 임피던스 R = 5 + j240 오옴에 대해 통상적인 정합 응답 곡선들을 도 6 및 도 7에 도시한다. 여기에서, 크기 오류 및 위상 오류 신호는 각각 C₁및 C₃를 제어한다. 응답 표면은 복잡하며(특히 크기에 대해), 또한 이중값이다. 정합은 정합 조건이 발생하는 C₃의 낮은 값에서보다는 오히려 높은 값들에서 50 오옴 곡선을 찾을 수 있었다. 도 7은 명확성를 위해 확대한 도 6의 정합 영역의 도면이다. 도 7에서의 50오옴 라인은 제도 알고리듬의 특성으로 인해 도 6에서는 나타나지 않는다. 도 6의 복잡함은 변환이후의 응답 곡선들을 도시한 도 8의 단순성과 비교될 수 있으며, 같은 부하에 해당한다. 정합된 조건에서 C1 및 C3의 좌표는 도 6내지 도 8에서 동일하다. (C₁= 97.8 pF, C₃= 96.6 pF)

도 5의 실시예에 대한 정합 네트워크 및 부하의 입력 임피던스는 다음과 같다.

여기에서,

4개의 커패시터 C₁내지 C₄에 대해

수학식 (27)은 C₁에 의존하지 않으며, 부하 및 C₃에만(α를 통해) 의존한다. 따라서, 하나의 제어신호로서 ｜Z_in｜보다 Re(Z_in)을 이용하는 것은 C₁,C₃공간에서 선형화로 이어질 것이다. 그런데, C₃에 대한 해는 수학식 (27)의 2차적 특성때문에 또다시 이중값이 되어 탐색 이상으로 될 것이다. 수학식 (27) 및 (28)은 수학식(28)의 항 -(x₁+x₂)에 대해서만을 제외하고는 다시 동시에 처리될 수 있다. x₂값이 고정값이고 알고 있는 값이지만, 보통, 정합 변수 x₁는 알고 있지 않은 값이다. 이 항은 2개의 변수들로 축소되는 것을 방지하며, 실시예 도 3의 간단함을 얻을 수 없게 된다. 그런데, 도 5의 실시예에서는 인코더(350)에 의해 C₁의 독립된 측정이 이루어진다. 이로인해 -(x₁+x₂)항은 Im(Z_in)의 측정값과 통합될 수 있고, 방정식이 풀어진다.

그러면,

이로부터,

수학식(35) 및 (36)은 새로운 제어변수들의 기초를 이루지만, 정합이 얻어져 상기 곡선들에 0값을 부여한 때에 먼저 그 값들에 대해 교정되어야 한다. 정합이 된 때에 RZ는 50 오옴과 같으며, Im(Z_in)는 제로값과 같으므로, IZ은 x₁+x₂과 같다. 따라서, 새로운 제어변수들은 다음처럼 정의될 수 있다.

그러므로, x₁(즉, C₁)의 추가 측정을 함으로써 수학식 (37) 및 (38)의 우측의 모든 값을 알 수 있으며, F 및 G는 제어 변수로서 계산될 수 있다. 도 8은 정합 변수 C₁및 C₃의 공간에서 F 및 G의 곡선을 도시한다. x₁(C₁) 의존을 도입하는 함수의 제로화로 인해 G곡선은 C₁축에 평행하지 않다. 그런데, 선형화는 도 6에 비해서 많이 향상되어 있다. 이러한 공식화에서 제어 함수의 이중값들은 제거되었고 어떤 엠비규어티도 남아있지 않다. 마지막으로, 부하의 실수 및 허수 성분의 변화는 각각 F 및 G의 곡선의 변화로 이어지는데, 둘다의 변화는 아니다. 예를 들면, R_T가 증가함에 따라 F의 곡선들은 오른쪽으로 이동하며, G의 곡선들은 변화하지 않은 채로 남아있다. 유사하게, X_L이 변화함에 따라 G의 곡선만이 변화된다. 이러한 변수 분리로 인해 단순하고도 명료한 정합과정을 얻을 수 있다.

도 5의 네트워크에 대해 정합시키는 방법의 일실시예가 도 9에 도시되어 있다. 단계 270에서, 예를 들면 인코더를 이용하여 C₁값의 독립적인 측정이 행해진다. ｜Z_in｜및 ψ값들은 단계 272에서 센서(310)에 의해 측정되어 구동기 제어기(320)에 공급된다. 이러한 측정값 C₁에 기초하여, 구동 제어기(320)에 의해 단계 274에서 근-직교 함수(nearly orthogonal funtion)로서 한 쌍의 제어변수 (F, G)가 산출된다.

다음에, 상기 제어 변수의 값은 단계 276, 278에서 둘다 특정값에 비교된다. 바람직한 실시예들에서 특정값은 제로이다.

F 또는 G의 값이 0으로부터 벗어난 때에, 구동 제어기(320)는 단계 280, 282에서 모터를 구동하여 정합 변수 C₁및 C₃중의 하나 또는 둘다를 조정한다. F 및 G는 둘다 하나의 정합 변수(C₁및 C₃)에만 주로 의존하기 때문에, 정합 변수들은 동시에 변화되어 정합 조건에 도달할 수 있다. F 및 G 값은 둘다 제로값인 때에 정합 조건이 이루어져 과정은 단계 270으로 복귀된다.

본 발명의 또다른 실시예는 정합 네트워크와 플라즈마 챔버사이에, 시중의 전력 및 임피던스 센서를 이용한다. 또한 적절한 피드백 제어 루프가 이용된 경우에는 상기 센서는 여러 방식으로 이용되어 정합 과정을 보조할 수 있다. 이러한 방법중의 하나는 센서 및 피드백 루프를 이용하여 정합 과정동안에 플라즈마 부하에 전력을 일정 레벨로 유지한다. 이는 예를 들면 도 8의 계산에서 가정되었던 거의 일정한 레벨의 부하 임피던스를 유지할 것이다. 또다른 실시예는 센서를 이용하여 부하 임피던스의 실수부와 허수부를 계속적으로 모니터하고, 그 값들을 이용함으로써 정합 조건을 얻는 데에 필요한 정합 변수들의 설정을 결정한다. 또한 이들 방법은 상술한 정합 제어 알고리듬의 여러 실시예들을 개선시키는 데에 이용될 수 있다.

이상에서, 정합 네트워크의 여러 실시예이외에도 2개의 제어변수들을 독립 제어하여 상기 네트워크들과의 정합 조건을 얻는 방법에 대해 설명하였다. 당 분야의 전문가에 의해 이해되는 바와 같이, 상술한 실시예들은 예시적인 것이다. 본 발명은 여러 제어 변수들이 공급되는 네트워크와 같은 여러 타입의 정합 네트워크에 적용될 수 있다.

이상과 같이 본 발명을 상세히 설명하였으며, 이는 예시적인 것이며 제한적인 내용이 아님은 물론이며, 본 발명의 취지 및 범위는 첨부한 청구범위에 한해서만 제한된다.

Claims

적어도 2개의 제어가능한 가변 전기적 특성을 가지며, 전원과 부하사이에 결합되는 정합 네트워크와;

상기 부하의 적어도 2개의 파라미터를 감지하는 센서와;

상기 부하의 상기 감지된 파라미터에 응답하여, 상기 전원과 상기 부하가 정합될 때까지 상기 부하의 파라미터중의 한 파라미터의 함수로서 상기 정합 네트워크의 전기적 특성중의 제1 특성 변화와, 상기 부하의 파라미터중의 또다른 파라미터의 함수로서 상기 정합 네트워크의 전기적 특성중의 제2 특성 변화를 독립적으로 제어하는 구동 제어기를 구비하는 전원에 부하를 정합시키는 배열.
제1항에 있어서, 상기 정합 네트워크는 제1회로와 제2회로를 포함하며, 상기 제1회로는 상기 전원의 동작 주파수에서 공진상태에 있는 것을 특징으로 하는 전원에 부하를 정합시키는 배열.
제2항에 있어서, 상기 정합 네트워크는 상기 제1회로의 제1 인덕터와, 상기 제2회로의 제2인덕터를 포함하며, 상기 제어가능한 가변 전기적 특성은 상기 제1 및 제2 인덕터간의 상호 인덕턴스와 상기 제2인덕터의 인덕턴스를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원에 부하를 정합시키는 배열.
제3항에 있어서, 상기 부하의 파라미터들은 크기 및 위상을 포함하며, 상기 구동 제어기는 상기 크기의 함수로서만 상기 상호 인덕턴스의 변화량과, 상기 위상의 함수로서만 상기 제2인덕턴스의 변화량을 결정하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 전원에 부하를 정합시키는 배열.
제1항에 있어서, 상기 정합 네트워크는 제1인덕터를 포함하는 제1회로와, 제2인덕터를 포함하는 제2회로를 포함하며, 상기 제어가능한 가변 전기적 특성은 상기 제1 및 제2인덕터간의 상호 인덕턴스와 상기 제2인덕터의 인덕턴스를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원에 부하를 정합시키는 배열.
제5항에 있어서, 상기 부하의 파라미터들은 크기 및 위상을 포함하며, 상기 구동 제어기는 상기 파라미터들을 제1 및 제2 제어변수로 변환시키는 수단을 포함하며, 상기 제1 제어변수는 상기 상호 인덕턴스와 일대일 대응을 가지며, 상기 제2 제어변수는 상기 제2 인덕터의 인덕턴스와 일대일 대응을 가지는 것을 특징으로 하는 전원에 부하를 정합시키는 배열.
제1항에 있어서, 상기 정합 네트워크는 제1인덕터를 포함하는 제1회로와, 제2인덕터 및 커패시터를 포함하는 제2회로를 포함하고, 상기 제어가능한 가변 전기적 특성은 상기 제1 및 제2 인덕터간의 상호 인덕턴스와 상기 제2커패시터의 커패시턴스를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원에 부하를 정합시키는 배열.
제7항에 있어서, 상기 부하의 파라미터들은 크기 및 위상을 포함하며, 상기 구동 제어기는 상기 파라미터들을 제1 및 제2 제어변수로 변환시키는 수단을 포함하고, 상기 제1 제어변수는 상기 상호 인덕턴스와 일대일 대응을 가지며 상기 제2 제어변수는 상기 제2 커패시터의 커패시턴스와 일대일 대응을 가지는 것을 특징으로 하는 전원에 부하를 정합시키는 배열.
제1항에 있어서, 상기 정합 네트워크는 부하 커패시터와 동조 커패시터를 포함하며, 상기 제어가능한 가변 전기적 특성은 상기 부하 커패시터의 커패시턴스 및 상기 동조 커패시터의 커패시턴스를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원에 부하를 정합시키는 배열.
제9항에 있어서, 상기 배열은 크기 및 위상을 포함하는 상기 부하의 파라미터들을 측정하는 인코더를 포함하고, 상기 구동 제어기는 상기 파라미터들을 제1 및 제2제어변수로 변환하는 수단을 포함하며, 상기 제1 제어변수는 상기 상호 인덕턴스와 거의 일대일 대응을 가지고 상기 제2 제어변수는 상기 제2 커패시터의 커패시턴스와 일대일 대응을 가지는 것을 특징으로 하는 전원에 부하를 정합시키는 배열.
제1 회로 및 제2 회로를 가진 정합 네트워크를 구비하여 전원에 부하를 정합시키는 방법에 있어서,

상기 제1회로내에 공진 조건을 확정하는 단계와;

상기 부하의 적어도 2개의 파라미터를 측정하는 단계와:

상기 2개의 파라미터중의 적어도 하나로부터 제어변수를 계산하는 단계와;

상기 제어변수의 값에 기초하여 상기 부하 파라미터중의 제1 파라미터가 제1 특정값과 같은지를 결정하는 단계와;

상기 정합 네트워크의 제1 정합 변수를 조정하여, 상기 제1부하 파라미터가 상기 제1특정값과 같게 되도록 상기 제어 변수를 구동시키는 단계와;

상기 부하 파라미터중의 제2 파라미터가 제2특정값과 같은지를 결정하는 단계와;

상기 정합 네트워크의 제2 정합 변수를 조정하여, 상기 제2 부하 파라미터가 상기 제2 특정값과 같게 되도록 상기 정합 변수를 구동시키는 단계를 구비하며,

상기 제1 정합 변수는 상기 제1 부하 파라미터와 일대일 대응을 가지며, 상기 제2 정합 변수는 상기 제2 부하 파라미터와 일대일 대응을 가지는 것을 특징으로 하는 전원에 부하를 정합시키는 방법.
제11항에 있어서, 상기 제1 부하 파라미터는 상기 부하의 리액티브 임피던스이고, 상기 제2 부하 파라미터는 상기 부하의 저항 임피던스이며, 상기 제1정합 변수는 상기 정합 네트워크에서의 제2인덕턴스이며, 상기 제2정합 변수는 상기 정합 네트워크내의 상호 인덕턴스인 것을 특징으로 하는 전원에 부하를 정합시키는 방법.
제1회로 및 제2회로를 가지는 정합 네트워크를 구비하여 전원에 부하를 정합시키는 방법에 있어서,

상기 부하의 적어도 2개의 파라미터를 측정하는 단계와,

상기 부하의 2개의 파라미터를 제1 및 제2 직교함수로 변환시키는 단계와,

상기 제1직교함수의 값을 상기 제1 특정값이 되도록 상기 정합 네트워크의 제1 정합 변수를 조정하는 것과, 상기 제2직교함수의 값을 상기 제2 특정값이 되도록 상기 정합 네트워크의 제2 정합 변수를 조정하는 것을 동시에 독립적으로 행하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 전원에 부하를 정합시키는 방법.
제13항에 있어서, 상기 제1 부하 파라미터는 상기 부하의 저항 임피던스이고, 상기 제2 부하 파라미터는 상기 부하의 리액티브 임피던스이며, 상기 제1정합 변수는 상기 정합 네트워크에서의 상호 인덕턴스이며, 상기 제2정합 변수는 상기 정합 네트워크에서의 제2 인덕턴스인 것을 특징으로 하는 전원에 부하를 정합시키는 방법.
제13항에 있어서, 상기 제1 부하 파라미터는 상기 부하의 저항 임피던스이고, 상기 제2 부하 파라미터는 상기 부하의 리액티브 임피던스이며, 상기 제1정합 변수는 상기 정합 네트워크에서의 상호 인덕턴스이며, 상기 제2정합 변수는 상기 정합 네트워크에서의 커패시터의 커패시턴스인 것을 특징으로 하는 전원에 부하를 정합시키는 방법.
제13항에 있어서, 상기 정합 네트워크의 제1커패시터의 값을 측정하는 단계와; 상기 정합 네트워크 내의 상기 제1 커패시터의 상기 측정된 값을 통합시켜 상기 직교 함수중의 제1 함수의 값이 제1특정값과 같은지를 결정하고 상기 직교 함수중의 제2 함수의 값이 제2특정값과 같은지를 결정하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전원에 부하를 정합시키는 방법.
제16항에 있어서, 상기 제1 부하 파라미터는 상기 부하의 저항 임피던스이고, 상기 제2 부하 파라미터는 상기 부하의 리액티브 임피던스이며, 상기 제1 정합 변수는 상기 정합 네트워크에서의 상기 제1 커패시터의 커패시턴스이며, 상기 제2 정합 변수는 상기 정합 네트워크에서의 제2 커패시터의 커패시턴스인 것을 특징으로 하는 전원에 부하를 정합시키는 방법.