KR20050106409A

KR20050106409A - 플라즈마 챔버에서 이온 폭격 에너지를 최소화하는메커니즘

Info

Publication number: KR20050106409A
Application number: KR1020057014170A
Authority: KR
Inventors: 후안 호세 곤잘레즈; 앤드류 사바린; 페르난도 구스타보 토마셀
Original assignee: 어드밴스드 에너지 인더스트리즈 인코포레이티드
Priority date: 2003-01-31
Filing date: 2004-01-28
Publication date: 2005-11-09
Also published as: WO2004070742A2; WO2004070742A3; TW200420199A; JP2006516805A; US6724148B1

Abstract

일 실시예를 따른 장치가 서술된다. 이 장치는 2개 이상의 유전체 브레이크(breaks)를 지닌 금속 진공 챔버를 포함한다. 이는 또한, 챔버에서 총 유도된 전압을 상기 유전체 브레이크 중에 분포시키기 위하여 위치된 다수의 여기 트랜스포머(excitation transformers)를 포함한다. 브레이크들 중에 총 유도된 전압을 분포시키면 벽 손상을 낮추어 결국 플라즈마 챔버의 수명을 길게한다.

Description

플라즈마 챔버에서 이온 폭격 에너지를 최소화하는 메커니즘{MECHANISM FOR MINIMIZING ION BOMBARDMENT ENERGY IN A PLASMA CHAMBER}

본 발명은 원격 플라즈마 소스의 분야에 관한 것이며, 특히, 본 발명은 트랜스포머 결합된 플라즈마 소스에 관한 것이다.

트랜스포머 결합된 플라즈마는 재료 처리, 활성 가스 제조, 오염물 경감, 및 이외 다른 많은 것들을 포함한 많은 다양한 애플리케이션들에 통상적으로 사용된다. 이와 같은 장치들에서, 여기 트랜스포머(excitation transformer)의 자기 코일은 진공 챔버 근처에, 주위에 또는 그 내에 배치된다. 이 트랜스포머의 1차 권선이 무선 주파(RF)로 여기될 때, 이 코어 주위에 유도된 전자계는 진공 장치 내의 가스 플라즈마 방전을 유지시킨다.

진공 챔버는 종종 자신을 통한 폐 전류 루프의 생성을 피하기 위하여 유전체 갭을 포함하는 금속 용기이다. 금속성 챔버가 매우 높은 도전성이기 때문에, 이 챔버를 따라서 유도된 전압 대부분은 이 갭 양단에서 강하된다. 종종, 이 강하는 충분히 높게되어 유전체 갭 양단에 용량성 방전을 발생시킨다.

용량성 방전은 아크를 플라즈마 및 챔버 벽 간에 발생시켜, 벽 코팅을 손상시킬 수 있다. 게다가, 플라즈마 동작 동안, 플라즈마로부터의 이온은 챔버 벽을 폭격하여, 또한 활성 이온들 및 벽 재료간의 화학적 반응 및 스퍼터링으로 인해 벽을 손상시킨다. 그러므로, 플라즈마 챔버의 벽의 이온 폭격 및 용량성 방전을 최소화하는 메커니즘이 바람직하다.

도1은 RF 전력 발생기에 결합되는 전형적인 플라즈마 소스의 전기적 표현을도시한 도면.

도2는 챔버 구성의 일 예를 도시한 도면.

도3은 챔버 구성의 제2 예를 도시한 도면.

도4는 챔버 구성의 일 실시예를 도시한 도면.

도5는 챔버 구성의 또 다른 실시예를 도시한 도면.

도6은 플라즈마 소스의 일 실시예의 전기적 표현을 도시한 도면.

일 실시예를 따른 장치가 서술된다. 이 장치는 2개 이상의 유전체 브레이크(dielectric breaks)를 지닌 금속 진공 챔버를 포함한다. 이는 또한, 챔버에서 총 유도된 전압을 상기 유전체 브레이크 중에 분포시키기 위하여 위치된 다수의 여기 트랜스포머(excitation transformers)를 포함한다. 브레이크들 중에 총 유도된 전압을 분포시키면 벽 손상을 낮추어 결국 플라즈마 챔버의 수명을 길게한다.

본 발명을 특정 실시예로 제한하는 것이 아니라 단지 설명 및 이해를 위한 본 발명의 각종 실시예들의 이하의 설명 및 첨부 도면으로부터 본 발명을 더욱 완전하게 이해할 수 있을 것이다.

일 실시예를 따른, 트랜스포머 결합된 플라즈마 챔버에서 이온 폭격을 최화하는 메커니즘이 서술된다. 많은 상세사항들이 이하의 설명에서 서술되어 있다. 그러나, 본 발명이 이들 특정 상세사항 없이도 실시될 수 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 다른 예들에서, 널리-공지된 구조들 및 장치들은 본 발명을 모호하게 하는 것을 피하도록 하기 위하여 상세하게 도시되지 않고 블록도 형태로 도시되어 있다.

본 명세서에서 "일 실시예" 또는 "실시예"는 이 실시예와 관련하여 서술된 특정한 특징, 구조 또는 특성이 본 발명의 적어도 일 실시예에 포함되었다는 것을 의미한다. 명세서 내의 각종 장소들에서 구(phrase) "일 실시예에서"는 모두 동일한 실시예와 관계되는 것은 아니다.

도1은 전형적인 TCP 장치의 전기적 표현을 도시한 것이다. 이 장치는 RF 전원(110), 트랜스포머(130), 및 플라즈마 챔버(150)를 포함한다. 트랜스포머의 1차 권선(160)은 RF 전원에 결합된다. 저항(Rp)을 따른 2차 권선(170)은 플라즈마 부하를 표시한다.

도2는 도1에 도시된 TCP 장치의 전형적인 하나의 갭, 하나의-트랜스포머 플라즈마 소스 챔버 구성을 도시한 것이다. 챔버는 1차 및 2차 권선, 유전체 브레이크 및 플라즈마 루프를 지닌 트랜스포머를 포함한다. 챔버 동작 동안, 트랜스포머의 1차 권선에 대한 RF 여기는 트랜스포머 코어 주위에 유도된 전계를 발생시킨다.

패러데이의 유도 법칙에 의해, 어떤 폐 경로에 대해서, 이 유도된 전계와 관련된 총 전압 강하는 경로에 의해 둘러싸인 순 자속에 비례한다. 진공 챔버 내에서, 유도된 전계는 폐 루프에서 방전 전류(Ip)를 구동시킨다. 챔버 내에서 유도된 전계와 관련된 총 전압 강하(Vp)는 플라즈마 루프를 따라서 균일하게 분포된다.

챔버 주변 및 유전체 브레이크 양단의 폐 경로에 대해서, 둘러싸여진 총 자속은 플라즈마 루프에 의해 둘러싸여진 총 자속과 동일하고 같게 됨으로써, 총 전압 강하의 값은 두 경우에서 Vp와 동일하게 되도록 한다. 그러나, 매우 높은 도전성 금속이 전기를 금속성 벽에서 제로가 되도록 하기 때문에, 총 전압 강하(Vp)는 유전체 브레이크 양단에 나타난다.

유전체 갭 양단에 나타나는 전압은 아크를 플라즈마 및 챔벽 벽간에서 발생시켜, 벽 표면을 손상시킬 수 있다. 게다가, 플라즈마 동작 동안, 플라즈마로부터의 이온은 이 전위 강하로 인해 가속되어, 챔버 벽을 폭격하여 활성 이온들 및 벽 재료간의 향상된 화학적 반응 및 스퍼터링을 통해서 벽 손상을 증가시킨다. 이 손상은 갭에서의 전압이 증가함에 따라서 증가한다. 결국, 플라즈마 구동 전압을 불변인채로 유지시키면서 갭 내의 전압을 감소시키는 것이 바람직하다.

챔버 벽 주변을 따르고 챔버가 가질 수 있는 유전체 브레이크 양단의 전압이 플라즈마 전압(Vp)과 같기 때문에, 하나 이상의 유전체 갭의 발생이 갭 당 전압 강하를 감소시키는 수단이 될 수 있다. 그러나, 후술된 바와 같이, 이 방식의 성공은 여기 트랜스포머들에 대한 갭들의 위치 및 플라즈마 챔버의 접지(grounding)에 좌우된다.

도3은 전형적인 2개의 갭, 2개의 트랜스포머 플라즈마 소스 챔버 구성을 도시한 것이다. 단일 갭의 경우와 비교하기 위하여, 각 트랜스포머는 플라즈마 루프를 따른 Vp/2와 동일한 전압 강하를 유도하여, 총 루프 전압이 또한 Vp가 되도록 한다. 그러나, 챔버에 대한 접지 요건은 2개의 갭들 간에 총 전압(Vp)을 균일하게 분포시키지 않도록 한다.

전형적으로, 챔버는 가스 공급 라인의 존재로 인해 최상부에서 그리고 펌핑 라인으로 인해 최하부에서 접지된다. 2 부분들에서 접지하고 유전체 갭들중 한 갭에 인접한 2개의 트랜스포머를 가지면 나머지 갭 양단에서 단락 회로를 발생시키고 트랜스포머 코어에 근접한 갭 양단에서 전체 전압 강하(Vp)가 나타나게 된다.

이 결론은 우측상의 유전체 브레이크의 한 에지에서 시작하여 챔버가 상부 접지 커넥션으로 따르도록 하고, 하부 접지 커넥션에 의해 복귀되고 시작부로 다시 진행하는 폐 경로를 따름으로써 쉽게 입증된다. 이와 같은 경로는 2개의 트랜스포머의 총 자속을 둘러쌓음으로써, 유전체 브레이크 양단의 전압 강하가 총 전압 강하와 동일하게 되도록 한다. 결국, 이 구성이 2개의 갭을 특징으로 하지만, 유전체 브레이크 간에서 전압을 분할하지 않는다. 이온 폭격 및 벽 손상에 대해서, 이 구성은 근본적으로 도2에 제공된 구성과 동일하다.

일 실시예를 따르면, 본 발명은 2개 이상의 유전체 브레이크 간에서 전압 강하를 분포시켜 이온 폭격 및 갭에 인접한 챔버 벽의 손상을 감소시키는 메커니즘을 서술한다. 도4는 플라즈마 소스 챔버(510)의 일 실시예를 도시한 것이다.

도4를 참조하면, 챔버(410)는 유전체 브레이크(420 및 460), 플라즈마 루프(430) 및 트랜스포머(440 및 450)를 포함한다. 트랜스포머(440)는 유전체 브레이크(420) 옆의 챔버(410) 영역 상에 위치되는 반면에, 트랜스포머(450)는 유전체 브레이크(460) 옆에 위치된다. 트랜스포머는 자신의 코어 내의 자속이 도면에 도시된 바와 같이 지향되도록 위치된다. 코어의 단면 내부에 도시된 크로스 및 도트는 페이지(page)에 들어가고 나가는 자기 흐름을 각각 나타낸다.

동작 동안, 강도(Ip)의 폐 전류 루프(430)는 챔버 내에 설정된다. 일단 또 다시 그리고 단일 갭의 경우와 비교하면, 각 트랜스포머는 Vp/2와 동일한 폐루프 전압을 유도하여, 2개의 트랜스포머의 결합 작용으로 인한 플라즈마 내의 총 전압 강하가 Vp와 동일하게 되도록 한다.

도3에 도시된 경우와 대조적으로, 도4에 도시된 배치는 챔버의 2 부분이 접지될 때 조차도 Vp/2와 동일한 각 갭 상에서 전압을 강하시킨다. 이 결론은 우측상의 유전체 브레이크의 한 에지에서 시작하여 챔버가 상부 접지 커넥션으로 따르도록 하고, 하부 접지 커넥션에 의해 복귀되고 시작부로 다시 진행하는 폐 경로를 따름으로써 쉽게 입증된다. 이와 같은 경로는 단지 하나의 트랜스포머의 자속을 둘러쌓음으로써, 유전체 브레이크 양단의 전압 강하가 총 전압 강하의 1/2과 동일하게 되도록 한다.

따라서, 전압은 챔버(410)의 양측 상에서 트랜스포머를 이용함으로써 유전체 브레이크(420 및 460) 간을 균일하게 분할시킨다. 유전체 브레이크(420 및 460) 간의 전압을 분할함으로써, 폭격되는 이온 에너지는 감소되어, 챔버 벽 표면의 손상을 완화시키고 챔버의 수명을 연장시킨다.

도5는 플라즈마 소스 챔버의 또 다른 실시예를 도시한 것이다. 이 실시예에서, 플라즈마 소스(130)는 챔버(510)를 포함한다. 챔버(510)는 유전체 브레이크(520, 525, 560, 및 565), 플라즈마 루프(530) 및 트랜스포머(540 및 550)를 포함한다. 트랜스포머(540)는 유전체 브레이크(520 및 525) 간의 챔버(510) 영역 상에 위치되는 반면에, 트랜스포머(550)는 유전체 브레이크(560 및 565) 간에 위치된다. 각 트랜스포머는 Vp/2와 동일한 폐루프 전압을 유도함으로써, 2개의 트랜스포머의 결합 작용으로 인해 플라즈마 내의 총 전압 강하가 Vp와 동일하게 되도록 한다. 챔버(510)는 최상부 및 최하부에서 접지된다.

챔버(410)와 비교될 때, 챔버(510)의 구성은 총 플라즈마 전압(Vp)를 더욱 분할하여, 각 유전체 브레이크에서 전압이 Vp/4가 되도록 한다. 이 결론은 우측상의 상부 유전체 브레이크의 한 에지에서 시작하여 챔버가 상부 접지 커넥션으로 따르도록 하고, 하부 접지 커넥션에 의해 복귀되고 시작부로 다시 진행하는 폐 경로를 따름으로써, 챔버의 우측 상의 2개의 갭을 크로스한다는 것이 손쉽게 입증된다. 이와 같은 경로가 단지 하나의 트랜스포머의 자속을 둘러싸고 2개의 갭을 가로지르기 때문에 그리고 가장 근접한 갭에 대한 각 트랜스포머의 대칭 구성이 제공되면, 각 유전체 브레이크 양단의 전압 강하가 총 전압 강하의 1/4과 동일하게 되도록 한다.

유전체 브레이크(520, 525, 560 및 565) 간에서 전압을 분할함으로써, 폭격되는 이온 에너지는 훨씬 더 감소되어, 챔버 벽 표면의 손상을 감소시킨다. 2개의 트랜스포머 및 2개와 4개의 갭 챔버의 경우가 예시되었지만, 본원에 서술된 원리는 이 보다 많은 수의 트랜스포머 및 갭의 경우에도 용이하게 확장될 수 있다는 것이 명백하다.

도6은 챔버(610)의 원격 플라즈마 소스 구성의 일 실시예의 전기적 표현을 도시한 것이다. RF 발생기(110)는 트랜스포머(640 및 650)의 1차 권선에 결합된다. 일 실시예를 따르면, 트랜스포머(640 및 650)는 병렬로 결합되어 접지에 접속된다. 트랜스포머의 2차 권선 및 저항은 플라즈마 부하를 표시한다. 직렬의 2개의 저항은 현재 플라즈마의 총 저항을 표시한다. 각 저항은 전체 루프 플라즈마 저항의 1/2이다.

부가적인 실시예를 따르면, 도6에 도시된 트랜스포머 구성은 임의의 소정 유리수와 동일한 권선비(TR)를 구하도록 구현된다. 통상적인 플라즈마 소스에서, TR은 TCP를 위한 1회 감겨진 2차 권선의 요건으로 인해 정수값으로 제한된다.

그러나, 병렬의 1차 권선 및 직렬의 2차 권선을 가짐으로써, 1차 권선의 권선수가 적절하게 선택되면, 본 발명은 임의의 유리수와 동일한 TR을 구하는 방식을 제공한다. 예를 들어, 도6에 도시된 경우에서, TR 및 권선수(N1 및 N2)는 TR=(1/N1+1/N2)^-1의 관계를 충촉하여야만 한다.

상술된 바와 같이, 다수의 유전체 브레이크에서 다수의 트랜스포머의 구현방식은 유전체 브레이크 중에서 플라즈마 전압을 분포시켜, 임의의 특정 유전체 브레이크에서 전압 강하를 최소화한다. 결국, 각 유전체 브레이크에서 이온 폭격은 감소되어 챔버 벽에 대한 손상은 감소된다. 게다가, 임의의 소정 유리수와 동일한 권선비가 적절한 권선수와 1차 권선의 병렬 와이어링을 지닌 다수의 트랜스포머의 1차 권선을 선택하므로써 성취될 수 있다.

상술된 설명으로부터 당업자는 본 발명의 많은 변경들 및 수정들을 행할 수 있지만, 예시를 위하여 도시되고 설명된 어떤 특정 실시예로 본 발명이 제한되지 않는다는 것을 이해할 것이다. 그러므로, 각종 실시예의 상세한 참조사항이 본 발명에 필수적인 것으로 간주되는 특징들만을 적시한 청구범위의 영역을 제한하지 않는다.

따라서, 플라즈마 챔버 벽에 대한 이온 에너지 폭격을 최소화하는 메커니즘이 서술되었다.

Claims

금속 진공 챔버;

상기 챔버에서 제1 브레이크를 형성하는 제1 유전체 요소;

상기 챔버에서 상기 제1 브레이크에 인접한 챔버에 결합되어 상기 진공 챔버 내에서 전자계를 유도하는 제1 전기 트랜스포머;

상기 챔버에서 제2 브레이크를 형성하는 제2 유전체 요소;및,

상기 제2 브레이크에 인접한 챔버에 결합되어 상기 진공 챔버 내에서 전자계를 유도하는 제2 트랜스포머를 포함하는데,

상기 제1 및 제2 트랜스포머는 상기 진공 챔버에 인가되는 전압이 상기 챔버 내의 제1 및 제2 브레이크 간에서 분할되도록 구성되는 장치.
제1항에 있어서, 상기 진공 챔버에 인가되는 전압은 상기 챔버 내의 상기 제1 및 제2 브레이크 간에서 동일하게 분할되는 장치.
제1항에 있어서, 상기 챔버는 플라즈마 루프를 포함하는 장치.
제3항에 있어서, 상기 챔버에서 상기 제1 및 제2 브레이크 간의 전압을 분할하여 상기 챔버 내에서 발생된 이온 에너지를 감소시키는 장치.
제1항에 있어서, 상기 진공 챔버에 전력을 공급하기 위하여 상기 트랜스포머의 1차 권선에 결합되는 전원을 더 포함하는 장치.
제5항에 있어서, 상기 트랜스포머의 임피던스 범위를 AC 전원의 출력 임피던스 범위에 정합시키기 위하여 상기 AC 전원 및 상기 트랜스포머의 1차 권선 간에 결합되는 임피던스 정합 회로를 더 포함하는 장치.
금속 진공 챔버;

상기 챔버에서 제1 브레이크를 형성하는 제1 유전체 요소;

상기 챔버에서 제2 브레이크를 형성하는 제2 유전체 요소;

상기 챔버 내의 상기 제1 및 제2 브레이크에 인접한 챔버에 결합되어 상기 진공 챔버 내에서 전자계를 유도하는 제1 전기 트랜스포머;

상기 챔버에서 제3 브레이크를 형성하는 제3 유전체 요소;

상기 챔버에서 제4 브레이크를 형성하는 제4 유전체 요소; 및,

상기 챔버 내의 상기 제3 및 제4 브레이크에 인접한 챔버에 결합되어 상기 진공 챔버 내에서 전자계를 유도하는 제2 트랜스포머를 포함하는데,

상기 제1 및 제2 트랜스포머는 상기 진공 챔버에 인가되는 전압이 상기 챔버 내의 제1, 제2 , 제3 및 제4 브레이크 간에서 분할되도록 구성되는 장치.
제7항에 있어서, 상기 진공 챔버에 인가되는 전압은 상기 챔버 내의 제1, 제2, 제3 및 제4 브레이크 간에서 동일하게 분할되는 장치.
제7항에 있어서, 상기 챔버는 플라즈마 루프를 포함하는 장치.
제9항에 있어서, 상기 챔버 내의 상기 제1 및 제2 브레이크 간에서 전압을 분할하여 상기 챔버 내에서 이온 에너지를 분할하는 장치.
제7항에 있어서, 상기 진공 챔버에 전력을 공급하기 위하여 상기 트랜스포머의 1차 권선에 결합되는 전원을 더 포함하는 장치.
제11항에 있어서, 상기 트랜스포머의 임피던스 범위를 AC 전원의 출력 임피던스 범위에 정합시키기 위하여 상기 AC 전원 및 상기 트랜스포머의 1차 권선 간에 결합되는 임피던스 정합 회로를 더 포함하는 장치.제11항에 있어서, 상기 전류 측정 회로는:
플라즈마 챔버로서,

플라즈마 소스;

제1 트랜스포머에 인접한 상기 챔버에서 제1 브레이크를 형성하는 제1 유전체 요소;

제2 트랜스포머에 인접한 상기 챔버에서 제2 브레이크를 형성하는 제2 유전체 요소를 포함하는데,

상기 제1 및 제2 트랜스포머에 의해 상기 챔버에 인가되는 전압은 상기 챔버 내의 제1 및 제2 브레이크 간에서 분할되는 플라즈마 챔버.
제13항에 있어서, 상기 챔버 내의 제1 및 제2 브레이크 간에 전압을 분할하여 벽을 폭격하는 이온 에너지를 감소시키는 플라즈마 챔버.
제13항에 있어서, 상기 플라즈마 챔버에 인가되는 전압은 상기 챔버 내의 상기 제1 및 제2 브레이크 간에서 동일하게 분할되는 플라즈마 챔버.
플라즈마 챔버로서,

플라즈마 소스;

제1 트랜스포머에 인접한 상기 챔버에서 제1 브레이크를 형성하는 제1 유전체 요소;

상기 제1 트랜스포머에 인접한 상기 챔버에서 제2 브레이크를 형성하는 제2 유전체 요소;

제2 트랜스포머에 인접한 상기 챔버에서 제3 브레이크를 형성하는 제3 유전체 요소; 및,

상기 제2 트랜스포머에 인접한 상기 챔버에서 제4 브레이크를 형성하는 제4 유전체 요소를 포함하는데,

상기 제1 및 제2 트랜스포머에 의해 상기 챔버에 인가되는 전압은 상기 챔버 내의 제1, 제2, 제3 및 제4 브레이크 간에서 분할되는 플라즈마 챔버.
제16항에 있어서, 상기 챔버에 인가되는 전압은 상기 챔버 내의 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 브레이크 간에서 동일하게 분할되는 플라즈마 챔버.
제16항에 있어서, 상기 챔버 내의 제1 및 제2 브레이크 간에서 전압을 분할하여 이온 에너지를 감소시키는 플라즈마 챔버.
진공 챔버;

상기 챔버에 결합되어 상기 진공 챔버 내에서 전자계를 유도시키는 제1 전기 트랜스포머; 및,

제2 브레이크에 인접한 상기 챔버에 결합되어 상기 진공 챔버 내에서 전자계를 유도시키는 제2 전기 트랜스포머를 포함하는데,

상기 제1 및 제2 전기 트랜스포머 각각은:

1차 권선; 및

2차 권선으로서 수행되는 상기 챔버 내의 플라즈마 루프를 가지며,

상기 제1 및 제2 트랜스포머의 1차 권선은 병렬로 결합되며, 상기 제1 및 제2 트랜스포머의 2차 권선은 직렬로 결합되는 장치.
제19항에 있어서,

상기 챔버에서 제1 브레이크를 형성하는 제1 유전체 요소; 및,

상기 챔버에서 제2 브레이크를 형성하는 제2 유전체 요소를 더 포함하는데,

상기 제1 및 제2 트랜스포머는 상기 진공 챔버에 인가되는 전압이 상기 챔버 내의 상기 제1 및 제2 브레이크 간에서 분할되도록 구성되는 장치.
제20항에 있어서, 상기 진공 챔버에 인가되는 전압은 상기 챔버에서 상기 제1 및 제2 브레이크 간에서 동일하게 분할되는 장치.