KR20010076954A - 고주파 정합장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고주파 정합장치에 관한 것으로, 특히 사용자가 임의로 임피던스 정합을 위한 스캔 범위를 임의로 조절할 수 있도록 구성하여, 예상 정합 임피던스를 포함하는 일부 가변범위 만을 스캔하여 고주파를 정합시키도록한 고주파 정합장치에 관한 것이다.

이를 위해 본 발명의 고주파 정합장치는 RF 발진기의 출력단과 부하측 입력단 사이에 결합되어 임피던스 값을 가변하는 가변 임피던스부와; 이 가변 임피던스부의 초기 임피던스 값을 결정하는 초기 임피던스 설정부와; 가변 임피던스부의 임피던스 값을 설정된 초기값으로부터 가변시키는 임피던스 가변 제어부와; RF 발진기의 출력신호를 센싱하여 반사파의 크기에 따른 검출신호를 출력하는 센싱부와; 가변 임피던스부의 임피던스 값이 가변되는 동안 센싱부에서 출력된 검출신호를 입력받아 반사파가 가장 적은 정합 임피던스를 검출/기억하는 정합 임피던스 검출부를 포함하여 이루어지며, 임피던스 가변 제어부는 정합 임피던스 검출부에서 검출된 정합 임피던스 값에 따라 가변 임피던스부의 임피던스 값을 조절하도록 이루어지며,

이에 따라, 토글 스위치의 조작으로 임피던스 가변범위를 적당히 조절할 수 있어, 고주파 정합에 소요되는 시간을 단축할 수 있으며 또한, 임피던스 부정함에 따른 과도한 반사파의 발생을 억제하는 효과가 있다.

Description

고주파 정합장치{RF Matching Box}

본 발명은 반도체 제조과정의 건식각 이나 기상증착 공정 등의 진행에 있어서, 플라즈마 형성을 위해 챔버에 인가되는 고주파를 정합시키는 고주파 정합장치에 관한것으로, 특히 프리-셋(pre-set)기능을 이용하여 정합 Position을 잡기 위한 임피던스 가변 범위를 좁힘으로써, 정합 과정에서 발생하는 반사파에 의한 RF발진기의 손상을 줄이며 정합 소요시간을 단축할 수 있는 고주파 정합장치에 관한 것이다.

일반적으로, 반도체 웨이퍼 제작에 있어서 식각(etching)을 진행하는 방식에는 건식각(Dry Etching)과 습식각(Wet Etching)이 있으며, 이 중 화학약품을 이용하여 식각을 하는 습식각(Wet Etching)보다는 가스(gas)를 이용하여 식각을 하므로써 가공형상의 제어성이 우수한 건식각(Dry Etching)이 많이 사용되어지고 있다.

여기서, 건식각이란 반응 챔버(chamber) 내에 공기를 강제 배기하여 저압을 형성한 후 에칭용 반응 가스를 주입하고 고주파 전력(RF : Radio Frequency)이나 마이크로 웨이브(micro-wave) 전력 등을 인가하여 여기된 가스가 플라즈마를 형성하고 플라즈마 내의 래디컬(free radical)이나 이온(ion) 등에 의하여 식각하는 방법으로서, 플라즈마 상태에서의 피가공 재료가 노출되어 가스 플라즈마 중의 래디컬과의 반응으로 제거하는 방법(화학적 방법)과 피가공막을 플라즈마 중에서 가속된 이온에 이하여 물리적으로 제거하는 방법(물리적 방법), 그리고 이 두 방법이 동시에 작용하여 제거하는 방법 등이 이용되고 있다.

그리고, 웨이퍼 표면의 필름을 증착하는 방식으로는 화학적 기상증착 방식(CVD)이 주로 이용되고 있으며, 이 CVD(Chemical Vapor Deposition)공정은 기체상태의 화합물을 분해한 후 화학적 반응에 의하여 실리콘 기판 표면에 박막이나 에피층을 형성하는 방식으로 진행된다.

필름(film)을 형성하는 과정은 실리콘 웨이퍼에 있는 물질을 이용하지 않고 주로외부로부터 튜브 내로 주입된 가스에 의하여 이루어지기 때문에, CVD 공정은 산화(OXIDATION) 공정과는 많은 차이점이 있다.

반응 가스를 분해하는 데에는 열에너지(Thermal Energy), RF 전력에 의한 플라즈마 에너지(Plasma Energy), 레이저 또는 자외선의 광에너지가 이용되며, 실리콘 기판의 가열에 의해 분해된 원자나 분자의 반응을 촉진하거나 형성된 막의 물리적 성질을 조절하기도 한다.

이와 같이, 식각이나 증착 공정에서는 고주파 전력을 챔버 내로 인가하게 되는데, 이 때 RF 전력을 발진기에서 부하로 최대한 전달하기 위해서는 임피던스 정합(Impedance Matching)이 필요하며 임피던스가 정합되지 않은 경우에는 반사파가 발생하게되어 RF 전력 인가에 손실이 발생하며 반사파 유입으로 인해 RF 발진기의 손상을 초래할 수도 있다.

따라서, 효율적인 고주파 인가를 위해서 RF발진기의 출력 임피던스와 부하의 입력 임피던스를 등화시켜 임피던스를 정합시키는 고주파 정합장치(RF Matching Box)를 이용하고 있다.

도1은 이와 같은 고주파 정합장치의 사용상태를 도시한 블록도이다.

여기서, RF 발진기(10)의 출력 임피던스는 부하(고주파 정합장치+챔버)의 입력 임피던스와 정합된 상태로, RF 발진기(10)로부터 발생시킨 RF 전력은 고주파 정합장치(20)를 통하여 손실 없이 반응 챔버(30)의 전극판(31)으로 인가된다. 이 때, 공급된 진행파는 챔버(30) 측에서는 반사가 일부 일어나고 있지만 이 반사파는 고주파 정합장치(20) 측에서 재 반사되어 챔버 방향으로 되돌아가게 되어, 결과적으로RF 발진기(10)에서 인가한 RF 전력은 전량 챔버(30) 측으로 인가된다.

도2는 고주파 정합장치의 구성 및 동작 원리를 설명하기 위해 도시한 회로도이다.

고주파 정합장치는 RF 발진기(10)의 출력단과 부하측(31)의 입력단 즉, 챔버 내에 위치한 전극판(31) 사이에 결합되어 제어신호에 따라 임피던스 값을 가변하는 가변 임피던스부(21)와; RF 발진기(10)의 출력신호를 센싱하여 반사파의 크기에 따른 검출신호를 출력하는 센싱부(23)와; 이 센싱부(23)에서 발생시킨 검출신호를 입력받아 반사파의 크기가 최소가 되도록 가변 임피던스부(21)의 임피던스값을 조절하는 제어부(24)로 이루어진다.

RF 발진기(10)에서 출력된 고주파는, 일반적으로, 50Ω가량의 동축 케이블로 이루어진 전송선로를 통하여 전극판(31)으로 인가된다. 이 전송선로의 중간에 가변 임피던스부(21)가 결합된다.

이 가변 임피던스부(21)는 전송선로에 직렬 또는 병렬로 결합된 가변 임피던스 소자부(22)와 이 가변 임피던스 소자부(22)의 임피던스 값을 조절하는 제어모터(M1, M2)로 이루어진다.

통상적으로, 가변 임피던스 소자부(22)는 가변 콘덴서나 가변 인덕터(VL1, VL2) 등으로 이루어지고, 제어부(24)에서 발생시킨 제어신호에 의해 구동되는 다수의 제어모터(M1, M2)에 의해 가변 콘덴서나 가변 인덕터 각각의 임피던스 값이 조절되도록 동작한다.

그리고, 센싱부(23)는 RF 발진기(10)의 출력측 전송선로로부터 고주파 트랜스(도시 생략)등을 이용하여 전압 및 전류를 유도하고 이 유도된 전압 및 전류를 이용하여,RF 발진기(10) 출력측의 전압과 전류의 위상차 및 전압과 전류의 크기의 비 등을 검출하여 제어부(24)로 출력한다.

즉, 소스측 임피던스(RS)와 부하측 임피던스(RL)가 정합(Matching)된 상태의 경우, 센싱부(23)에서 검출되는 전압과 전류의 위상차는 "0(zero)"가 되며, 임피던스가 부정합된 경우는 전류와 전압의 크기 비가 정합시와 달라지게된다.

따라서, 제어부(24)는 센싱부(23)에서 출력된 이 검출신호로부터 임피던스 부정합에 의한 반사파의 크기를 유추하여 반사파가 최소가 되도록 즉, 부하측의 임피던스(RL)가 소스측 임피던스(RS)와 정합되도록 제어모터(M1, M2)를 구동시키게된다.

이하, 종래의 고주파 정합장치의 구체적인 임피던스 정합동작의 과정을 설명한다.

먼저, RF 발진기(10)는 정격 고주파 전력을 인가한다. 그러나 반응 챔버 내에는 공정 진행중에 잔류한 가스나 내벽 및 극판등에 증착된 불순물 등에 의해 그 임피던스 값이 조금씩 변화하게된다.

따라서, 식각이나 증착 등의 매 공정을 진행할 때마다 소스측의 고정된 임피던스(RS)와 부하측의 변화된 임피던스(RL)를 정합 시켜야만 한다.

제어부(24)는 가변 임피던스 소자부(22)의 임피던스 값을 가변 범위의 최대값에서부터 최소값까지 순차적으로 가변시키도록 구동신호를 제어모터(M1, M2)에 인가한다. 이 때, 센싱부(23)는 RF 발진기(10)의 출력신호를 센싱하여 반사파의 크기에 따른 검출신호를 출력하고, 제어부(24)는 이 검출신호를 체크하여 반사파가 최소가 되는 정합 임피던스(Matching Position)를 기억한다.

이와 같이, 가변 임피던스부(21)의 임피던스 값을 차츰 변화시켜가며 반사파가 최소가 되는 정합 임피던스를 찾아내는 일련의 과정을 이하 "스캔(scan) 과정" 이라 한다.

다음으로, 종래의 고주파 정합장치의 제어부(24)는 스캔 과정을 통해 알아낸 정합 임피던스 값이 되도록 제어모터(M1, M2)를 구동시켜 가변 임피던스 소자부(22)의 임피던스 값을 조절하여 소스측 임피던스(RS)와 부하측 임피던스(RL)를 정합시킨다.

이하, 상술한 "스캔 과정" 에서의 제어부(24)의 동작을 첨부한 도3 및 도4를 참조하여 설명한다.

도3은 종래 기술의 제어부(24) 내부에 구비된, 가변 임피던스부(21)의 초기 임피던스 값을 결정하는, 제어신호 발생회로를 도시한 회로도이다.

도4는 가변 임피던스부(21)의 임피던스값 변화에 따른 반사파의 크기를 도시한 그래프이다.

종래의 고주파 정합장치는 먼저, 가변 임피던스부(21)의 임피던스 값을 가변 범위의 최대값인 X5의 값에서부터 최소 임피던스 값(X1)까지 가변시킨다. 그리고, 이 동안의 반사파(Pr)의 크기를 체크하여 반사파(Pr)가 최소인 정합위치(MP)를 찾아 이 때의 임피던스 값을 기억한다.

마지막으로, 가변 임피던스부(21)의 임피던스 값이 기억된 MP 값이 되도록 제어모터(M1, M2)를 구동시켜 최종적으로 임피던스를 정합한다.

이 때, 임피던스 가변범위의 최대값 즉, 초기 임피던스 값은 도3에 도시한점퍼(JUMPER : W5, W4, W3, W2)를 선택적으로 단락시켜 조절할 수 있다.

그러나, 실질적으로 이러한 점퍼(JUMPER)들은 회로 내부에 구비되어 사용자가 필요에 따라 수시로 변경하기에 불편하며, 또한 정확한 정합위치를 찾기 위해서는 스캔(scan)범위가 넓어야하므로 통상 최대 범위를 풀-스캔(full-scan)하도록 고정 세팅되어 있다. 즉, W5 점퍼만 연결된 상태로, 이는 가변 임피던스부(21)의 임피던스 값을 도4의 그래프에서 X5 지점의 임피던스 값으로부터 X1 지점의 임피던스 값으로 가변하여 전 가변범위를 풀-스캔 하게된다.

그러나, 이상과 같은 종래의 고주파 정합장치는 매 공정을 진행할 때마다 임피던스 가변범위를 풀-스캔하기 때문에 정합위치를 찾는데 소비되는 시간이 길어져 공정전체의 생산효율을 저하시키는 단점이 있으며, 또한 정합 임피던스 값과 상대적으로 차이가 큰 임피던스 값까지 가변함에 따라 이 때 발생되는 큰 전력의 반사파가 RF 발진기로 유입되어 RF 발진기를 손상시키는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 외부에서 사용자가 임의로 스캔범위를 조절할 수 있도록 구성하여, 처음 1회는 전 가변범위를 풀-스캔하여 정합 임피던스를 검출하여 고주파를 정합시키고, 이 후 부터는 1회에서 검출한 정합 임피던스를 포함하는 일부 가변범위 만을 스캔하여 고주파를 정합시키도록 하므로써, 고주파 정합에 소요되는 시간을 단축시키며 동시에 과도한 반사파 유입으로 인한 RF 발진기의 손상을 방지할 수 있는 고주파 정합장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 RF 발진기의 출력단과 부하측 입력단 사이에 결합되어 임피던스 가변 제어부의 제어에 따라 임피던스 값을 가변하는 가변 임피던스부와; 이 가변 임피던스부의 초기 임피던스 값을 결정하는 초기 임피던스 설정부와; RF 발진기의 출력신호를 센싱하여 반사파의 크기에 따른 검출신호를 출력하는 센싱부와; 가변 임피던스부의 임피던스 값이 가변되는 동안 상기 센싱부에서 출력된 검출신호를 입력받아 반사파가 가장 적은 정합 임피던스를 검출/기억하는 정합 임피던스 검출부와; 가변 임피던스부의 임피던스 값을 설정된 초기값으로부터 가변시킴과 아울러 정합 임피던스 검출부에서 검출된 정합 임피던스 값에 따라 가변 임피던스부의 임피던스 값을 조절하는 임피던스 가변 제어부를 포함하여 이루어진다.

도 1 은 고주파 정합장치의 사용상태를 도시한 블록도.

도 2 는 종래 고주파 정합장치를 도시한 회로도.

도 3 은 종래 기술의 제어부에 구비된 제어신호 발생회로를 도시한 회로도.

도 4 는 가변 임피던스부의 임피던스 값에 따른 반사파의 크기를 도시한 그래프.

도 5 는 본 발명에 따른 고주파 정합장치를 도시한 블록도.

도 6 은 본 발명의 초기 임피던스 설정부를 도시한 회로도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 가변 임피던스부 2 : 초기 임피던스 설정부

3 : 임피던스 가변 제어부 4 : 센싱부

5 : 정합 임피던스 검출부 6 : RF 발진기

7 : 부하

이하, 첨부한 도4 내지 도6을 참조하여 본 발명의 기술적 구성 및 동작을 설명한다.

도5는 본 발명에 따른 고주파 정합장치의 구성을 도시한 블록도이다.

본 발명의 고주파 정합장치는 RF 발진기(6)의 출력단과 부하측 입력단 사이에 결합되어 임피던스 값을 가변하는 가변 임피던스부(1)와; 이 가변 임피던스부(1)의 초기 임피던스 값을 결정하는 초기 임피던스 설정부(2)와; 가변 임피던스부(1)의 임피던스 값을 설정된 초기값으로부터 가변시키는 임피던스 가변 제어부(3)와; RF 발진기(6)의 출력신호를 센싱하여 반사파의 크기에 따른 검출신호를 출력하는 센싱부(4)와; 가변 임피던스부(1)의 임피던스 값이 가변되는 동안 센싱부(4)에서출력된 검출신호를 입력받아 반사파가 가장 적은 정합 임피던스를 검출/기억하는 정합 임피던스 검출부(5)를 포함하여 이루어지며, 임피던스 가변 제어부(3)는 정합 임피던스 검출부(4)에서 검출된 정합 임피던스 값에 따라 가변 임피던스부(1)의 임피던스 값을 조절하도록 이루어진다.

여기서, 가변 임피던스부(1)는 RF 발진기(6)의 출력단과 부하측(7) 입력단에 연결된 전송선로에 직렬 또는 병렬로 연결된 다수의 가변 임피던스 소자(도시 생략)와; 이 다수의 가변 임피던스 소자 각각의 임피던스 값을 가변시키는 다수의 제어모터(도시 생략)로 이루어진다.

이하, 본 발명의 구성요소 중에서 가변 임피던스부(1)와 센싱부(4) 등의 구성과 동작원리는 종래 기술과 유사하며 단, 초기 임피던스 설정부(2)는, 도6에 도시한 바와 같이, 서로 다른 전압 레벨을 인가하는 다수의 토글 스위치(A1, A2, A3)와; 이 다수의 토글 스위치(A1, A2, A3)로부터 인가 받은 서로 다른 전압 레벨에 따라 가변 임피던스부(1)의 제어모터를 구동시켜 가변 임피던스 소자의 임피던스 값을 서로 다른 임피던스 값으로 설정하는 OP 앰프(Amp)로 이루어진다.

이는 도3에 도시한 회로에서 점퍼(W2, W3, W4)에 토글 스위치(A1, A2, A3)를 연결하여, 외부에서 사용자가 손쉽게 점퍼(W2, W3, W4)를 선택적으로 단락시킬 수 있는 구성으로 이루어진다.

이하, 본 발명에 따른 고주파 정합장치의 동작을 설명한다.

먼저, RF 발진기(6)는 정격 고주파 전력을 인가한다.

이 때, 초기 임피던스 설정부(2)는, 종래 기술에서와 동일하게 W5 점퍼만 연결되어있고 나머지 토글 스위치들(W2, W3, W4)은 모두 단선된 상태로, 이를 통하여 인가되는 전압에 의하여 OP 앰프(Amp)는 제어모터를 구동하여 가변 임피던스부(1)의 임피던스 값은 도4의 그래프에서 X5 지점에 해당하는 임피던스 값을 갖도록 설정된다.

이후, 임피던스 가변 제어부(3)는 제어모터를 구동하여, 가변 임피던스부(1)의 임피던스 값이 X5에서 X1이 되도록 동작시킨다. 이 동안, 센싱부(4)는 RF 발진기(6)의 출력신호를 센싱하여 반사파에 크기에 따른 검출신호를 정합 임피던스 검출부(5)로 출력한다.

이와 같이, 가변 임피던스부(1)의 임피던스 값이 전 가변범위에 걸쳐 가변되는 동안 센싱부(4)에서 출력된 검출신호를 입력받은 정합 임피던스 검출부(5)는 이 구간(X5~X1) 내에서 반사파가 가장 적은 정합 임피던스(MP)를 검출/기억하게 된다.

그리고, 임피던스 가변 제어부(3)는 이와 같이 정합 임피던스 검출부(5)에서 검출된 정합 임피던스값에 따라 가변 임피던스부(1)의 임피던스 값을 조절하도록 제어모터를 구동한다.

이상과 같이, 1회의 고주파 정합이 이루어져, 만일 정합 임피던스 값이 도4의 MP 인 경우라면 이후 본 발명은 다음과 같이 동작시킬 수 있다.

사용자는 앞서의 정합에서 알아낸 정합 임피던스 값을 확인하여 이 MP 값을 포함하는 최소의 임피던스 가변영역을 설정한다. 즉, 이 경우 A2 토글 스위치를 눌러 W3 점퍼를 단락시킨다.

이후 정합 과정은 다음과 같이 진행된다.

W3 점퍼를 통하여 인가되는 전압을 인가 받은 OP 앰프(Amp)는 제어모터를 구동하여, 가변 임피던스부(1)의 임피던스 값은 X3 지점에 해당하는 임피던스 값을 갖도록 설정된다.

이후, 임피던스 가변 제어부(3)는 제어모터를 구동하여, 가변 임피던스부(1)의 임피던스 값이 X3에서 X1이 되도록 동작시킨다. 이 동안, 센싱부(4)는 RF 발진기(6)의 출력신호를 센싱하여 반사파에 크기에 따른 검출신호를 정합 임피던스 검출부(5)로 출력한다.

이와 같이, 가변 임피던스부(1)의 임피던스 값이 일부의 가변범위(X3~X1)에 걸쳐 가변되는 동안 센싱부(4)에서 출력된 검출신호를 입력받은 정합 임피던스 검출부(5)는 이 구간(X3~X1) 내에서 반사파가 가장 적은 정합 임피던스를 검출/기억하게 된다.

그리고, 임피던스 가변 제어부(3)는 이와 같이 정합 임피던스 검출부(5)에서 검출된 정합 임피던스 값에 따라 가변 임피던스부(1)의 임피던스 값을 조절하도록 제어모터를 구동하여 고주파를 정합시킨다.

이상과 같이, 본 발명은 처음 1회의 정합과정에서 풀-스캔 과정을 통하여 정합 임피던스를 찾아 고주파를 정합시키고, 이후부터는 앞서의 정합 과정에서 알아낸 정합 임피던스를 참고하여 상대적으로 확률이 높은 협소한 가변영역에서만 스캔을 수행하여 고주파를 정합시키도록 동작한다.

이와 같은 방식의 정합은 식각이나 증착을 위해 반응 챔버 내에 고주파를 인가하는 경우 챔버 내 임피던스의 변화 폭은 매 공정마다 그리 크지 않기 때문에 정합 효율을 종래 만큼 유지할 수 있으며 사용자의 토글 스위치 조작으로 언제라도 설정 변경이 가능하다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 고주파 정합장치는 토글 스위치의 조작으로 임피던스 가변범위를 적당히 조절할 수 있도록 하므로써, 고주파 정합을 위한 임피던스 가변범위를 효율적으로 줄일 수 있어, 고주파 정합에 소요되는 시간을 단축하므로써 전체 공정 시간을 단축시켜 생산 효율을 높일 수 있으며, 임피던스 부정함에 따른 과도한 반사파의 발생을 억제할 수 있어 RF 발진기 등의 주변 장비의 손상을 줄여 전체 장비들의 사용 수명을 연장하는 기여할 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. RF 발진기의 출력단과 부하측 입력단 사이에 결합되어 임피던스 가변 제어부의 제어에 따라 임피던스 값을 가변하는 가변 임피던스부와;

   상기 가변 임피던스부의 초기 임피던스 값을 결정하는 초기 임피던스 설정부와;

   상기 RF 발진기의 출력신호를 센싱하여 반사파의 크기에 따른 검출신호를 출력하는 센싱부와;

   상기 가변 임피던스부의 임피던스 값이 가변되는 동안 상기 센싱부에서 출력된 검출신호를 입력받아 반사파가 가장 적은 정합 임피던스를 검출/기억하는 정합 임피던스 검출부와;

   상기 가변 임피던스부의 임피던스 값을 설정된 초기값으로부터 가변시킴과 아울러 상기 정합 임피던스 검출부에서 검출된 정합 임피던스 값에 따라 상기 가변 임피던스부의 임피던스 값을 조절하는 임피던스 가변 제어부를 포함하여 이루어진 것이 특징인 고주파 정합장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 초기 임피던스 설정부는 서로 다른 전압 레벨을 인가하는 다수의 토글 스위치와;

   상기 다수의 토글 스위치로부터 인가 받은 서로 다른 전압 레벨에 따라 다수의 가변 임피던스 소자 각각의 임피던스 값을 가변시키는 다수의 제어모터를 구동시켜상기 가변 임피던스부의 임피던스 값을 서로 다른 임피던스 값으로 설정하는 OP 앰프로 이루어진 것이 특징인 고주파 정합장치.