KR20050113797A - 임피던스 정합장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에서는 고주파 전원 공급 장치와 공정 챔버사이의 전압 및 전류를 검출하고 상기 전압과 전류의 위상차 및 크기의 비를 검출하여 신호를 출력하는 고주파 감지 센서부와, 상기 고주파 감지센서부에서 출력된 상기 신호로부터 임피던스 부정합에 의한 반사파의 크기를 분석하여 반사파가 최소가 되도록 조절하는 제어부와, 적어도 하나 이상의 인덕터와 상기 인덕터를 이용한 수냉식의 냉각 방식을 갖는 적어도 하나 이상의 커패시터를 포함하는 가변 임피던스부를 구비함을 특징으로 하는 임피던스 정합 장치를 제공한다. 본 발명은, 상기 2차 인덕터 내부로 흐르는 물에 의하여 부하 커패시터가 충분히 냉각되게 하고, 그 결과 상기 부하 커패시터의 가열로 인한 반사파의 변동을 최소화하여 반도체 제조 설비의 다운을 최소화한다.

Description

임피던스 정합장치{Impedance matching system}

본 발명은 임피던스 정합 장치(impedance matching system)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 진공형 커패시터(vacuum type capacitor)와 관 형태로 이루어진 인덕터(inductor)가 구비되어지는 임피던스 정합 장치에 관한 것이다.

일반적으로 고주파 전원 공급 장치(RF generator)에 연결되는 공정 챔버(process chamber)를 포함하는 부하사이에는 고주파 전원 공급 장치와 공정 챔버간의 임피던스 특성을 일치시키도록 하는 임피던스 정합 장치를 따로 두어 고주파 전력의 공정 챔버로의 최대 전력 전달을 도모한다.

임피던스 정합은 고주파 전원 공급 장치의 고주파 전력을 공정 챔버로 최대한 전달하기 위해서 필요하며, 임피던스 정합이 이루어지지 않는 경우에는 공정 챔버에서 반사되어 오는 반사파가 발생하게 되어 고주파 전력의 손실을 초래한다. 또한, 이러한 반사파의 유입으로 인하여 고주파 전원 공급장치의 손상이 초래될 수 있다.

또한, 고주파 전원 공급 장치로부터 고주파 전력이 공정 챔버로 전달되는 과정에서 과부하로 인하여 부하 커패시터에 고열이 발생하여 반사파의 변동을 초래하여, 반도체 제조 설비가 다운(down)되는 현상이 빈번히 발생한다.

따라서, 이러한 문제점들을 해결하기 위하여 임피던스를 제공하는 소자로 모델링되는 임피던스 정합 장치가 필요한 것이다.

이하에서는 종래의 임피던스 정합 장치에 관하여 첨부된 도면들을 참조하여 설명한다.

도 1은 일반적인 임피던스 정합 장치의 사용 상태를 도시한 블록도이다.

도 1을 참조하면, 고주파 전원 공급 장치(1)와 공정 챔버(3)사이에 임피던스 정합 장치(2)가 설치된다.

고주파 전원 공급 장치(1)에서 발생시킨 고주파 전력은, 고주파 전원 공급 장치(1)의 출력 임피던스가 공정 챔버(3)의 입력 임피던스와 정합된 상태에서, 임피던스 정합 장치(2)를 통하여 손실없이 공정 챔버로 전달된다.

즉, 임피던스 정합의 결과, 고주파 전원 공급 장치(1)에서 인가한 고주파 전력이 최대한 공정 챔버(3)로 전달되는 것이다.

도 2는 도 1에서의 임피던스 정합 장치의 구성을 간단히 나타낸 블록도이다.

도 2를 참조하면, 임피던스 정합 장치(2)는 고주파 감지 센서부(9)와 제어부(4), 그리고 가변 임피던스부(10)로 구성된다.

고주파 감지 센서부(9)는 고주파 전원 공급 장치(1)의 출력 신호를 감지하여 반사파의 크기에 따른 검출 신호를 출력하는 역할을 한다.

제어부(4)는 상기 고주파 감지 센서부(9)에서 출력되는 검출 신호를 입력 받아 반사파의 크기가 최소가 되도록, 가변 임피던스부(10)의 임피던스 값을 조절하는 역할을 한다. 가변 임피던스부(10)의 임피던스 값의 조절은 제어부(4)의 제어모터(미도시)에 의해 이루어진다.

가변 임피던스부(10)는 고주파 전원 공급장치(1)의 출력부에 연결된 고주파 감지 센서부(9)와 공정 챔버(3)의 입력부 사이에 결합되어 있으며, 제어신호에 따라 임피던스 값을 가변하는 역할을 한다.

상기 고주파 전원 공급 장치(1)에서 출력된 고주파는 일반적으로 50Ω의 임피던스를 가진 동축 케이블로 이루어진 전송 선로(transmission line)를 통하여 공정 챔버(3)로 인가된다. 이 전송 선로의 중간에 가변 임피던스부(10)가 결합된다.

상기 고주파 감지센서부(9)는 고주파 전원 공급 장치(1)의 출력부 전송 선로로부터 고주파 트랜스(transformer)등을 이용하여 전압 및 전류를 유도하고 이 유도된 전압 및 전류를 이용하여, 고주파 전원 공급 장치(1)의 출력부 전압과 전류의 위상차 및 전압과 전류의 크기의 비 등을 검출하여 상기 제어부(4)로 출력한다.

상기 제어부(4)는 고주파 감지센서부(9)에서 출력된 이 검출 신호로부터 임피던스 부정합에 의한 반사파의 크기를 증폭하여 유추함으로 반사파가 최소가 되도록 하는 기능을 한다.

도 3은 종래의 임피던스 정합 장치를 포함하는 반도체 제조 설비를 등가 모델링된 소자들을 사용하여 나타낸 회로도이다.

도 3을 참조하면, 상기 가변 임피던스부(10)는 부하측에 부하 커패시터(C11)와 가변 커패시터(C12)가 있고, 상기 가변 커패시터(C12)와 공정 챔버(3)사이에 인덕터(L11)가 연결되어져 있다.

상기 부하 커패시터(C11)는 대기형 커패시터인데, 상기 가변 커패시터(C12)는 진공형 커패시터로 이루어져 있다.

상기 인덕터(L11)는 나선형이고 물이 흐를 수 있는 관 형태로 구성되어져 있으며, 이는 가변 임피던스부(10)에 유도성 임피던스를 제공하는 역할을 한다.

이와 같이 부하 커패시터를 대기형 커패시터로 사용하는 종래의 기술에 의하면, 상기 부하 커패시터가 가열되어 충분히 냉각되지 못하므로 인하여 상기 제어부의 제어모터에 대하여 데미지(damage)를 증가시키고, 상기 부하 커패시터의 수명(life cycle)도 단축되는 문제점이 있다.

또한, 대기형 커패시터로 이루어진 상기 부하 커패시터에, 상기 부하 커패시터의 냉각을 위한 물이 흐를 수 있는 관 구조로 구성된 인덕터를 부가할 경우에 아킹(arcing)이나 외부 충격에 의한 단락(short)현상이 발생하게 되어 고주파 전력의 손실과 부하 커패시터의 파손을 초래할 우려가 있다. 따라서, 상기 부하 커패시터의 냉각은 대기 상태에서의 냉각에 의존할 수 밖에 없었다.

그 결과, 고주파 전원 공급 장치로부터 고주파 전력이 공정 챔버로 전달되는 과정에서 과부하로 인하여 부하 커패시터에 고열이 발생하는 경우, 부하 커패시터가 충분히 냉각되지 못하게 되고, 부하 커패시터의 가열로 인한 반사파의 변동이 초래되고, 반도체 제조 설비가 빈번히 다운되는 문제가 발생된다.

따라서, 본 발명은 상기 문제점들을 감안한 것으로서, 본 발명의 목적은 부하 커패시터의 불충분한 냉각으로 인한 제어모터에의 데미지 문제와 부하 커패시터의 수명 단축 문제를 해결할 수 있는, 반도체 제조 설비의 임피던스 정합 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은, 고주파 전원 공급 장치로부터 고주파 전력이 공정 챔버로 전달되는 과정에서 과부하로 인하여 부하 커패시터에 고열이 발생하는 경우, 부하 커패시터가 충분히 냉각되지 못하게 되고 이로 인한 반사파의 변동으로 반도체 제조 설비가 다운되는 문제를 해결할 수 있는, 반도체 제조 설비의 임피던스 정합 장치를 제공함에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 반도체 제조 설비에서 고주파 전력을 발생시키는 고주파 전원 공급 장치와 반도체 웨이퍼 공정이 진행되는 공정 챔버사이의 최대 전력 전달을 위한 임피던스 정합 장치에 있어서, 상기 고주파 전원 공급 장치와 상기 공정 챔버사이의 전압 및 전류를 검출하고 상기 전압과 전류의 위상차 및 크기의 비를 검출하여 신호를 출력하는 고주파 감지 센서부와, 상기 고주파 감지센서부에서 출력된 상기 신호로부터 임피던스 부정합에 의한 반사파의 크기를 분석하여 반사파가 최소가 되도록 조절하는 제어부와, 적어도 하나 이상의 인덕터와 상기 인덕터를 이용한 수냉식의 냉각 방식을 갖는 적어도 하나 이상의 커패시터를 포함하는 가변 임피던스부를 구비함을 특징으로 하는 임피던스 정합 장치를 제공한다.

나아가, 상기 가변 임피던스부는 상기 고주파 감지 센서부와 임피던스부 노드사이에 배치되어지는 1차 인덕터와, 상기 공정 챔버의 입력단과 상기 임피던스부 노드사이에 배치되어지는 가변 커패시터와, 상기 임피던스부 노드와 접지단자 사이에 배치되어지는 부하 커패시터와, 상기 임피던스부 노드와 상기 가변 커패시터사이에 배치되어지고 나선형으로 이루어지며 상기 부하 커패시터의 냉각을 위한 물의 출입이 가능한 관 형태로 이루어지는 2차 인덕터를 구비함이 바람직하다.

또한, 이 경우, 상기 부하 커패시터는 진공형 커패시터로 이루어지는 것이 바람직하다.

이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다. 다양한 실시예에서의 설명들은 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가지는 자에게 본 발명의 보다 철저한 이해를 돕기 위한 의도 이외에는 다른 의도없이 예를 들어 도시되고 한정된 것에 불과하므로, 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 사용되어서는 아니될 것이다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 임피던스 정합 장치를 포함하는 반도체 제조 설비를 등가 회로로 모델링하여 도시하였다.

도 4를 참조하면, 상기 임피던스 정합장치(102)는 고주파 감지 센서부(109), 제어부(104), 가변 임피던스부(100)로 구성된다.

상기 고주파 감지센서부(109)는 고주파 전원 공급 장치(101)와 1차 인덕터(L1)사이에 배치되어지고, 상기 고주파 전원 공급 장치(101)의 출력부 전송 선로로부터 고주파 트랜스등을 이용하여 전압 및 전류를 유도한다. 그리고, 이 유도된 전압 및 전류를 이용하여 고주파 전원 공급 장치(101)의 출력부 전압과 전류의 위상차 및 전압과 전류의 크기의 비 등을 검출하여 상기 제어부(104)로 출력한다.

상기 제어부(104)는 상기 고주파 감지 센서부(109)와 상기 가변 임피던스부(100)사이에 연결되어 있으며, 상기 고주파 감지센서부(109)에서 출력된 이 검출 신호로부터 임피던스 부정합에 의한 반사파의 크기를 증폭하여 유추함으로 반사파가 최소가 되도록 하는 기능을 한다.

상기 가변 임피던스부(100)는 1차 인덕터(L1), 2차 인덕터(L2), 부하 커패시터(C1), 가변 커패시터(C2)를 포함한다.

상기 1차 인덕터(L1)는 상기 고주파 감지 센서부(109)와 임피던스부 노드(N)사이에 배치되어진다. 상기 1차 인덕터(L1)는 나선형이고, 물이 출입할 수 있도록 하기 위한 관 구조로 이루어져 있다. 상기 1차 인덕터(L1)는 상기 임피던스 정합 장치(102)에 있어서 임피던스 정합을 위한 유도성 임피던스를 제공하는 기능과, 물의 출입을 위한 경로를 제공하는 기능을 수행한다.

상기 가변 커패시터(C2)는 임피던스부 노드(N)와 공정 챔버(103)사이에 배치되어진다. 상기 가변 커패시터(C2)는 종래의 진공형 커패시터가 그대로 사용되어지고, 상기 임피던스 정합 장치(100)에 있어서 용량성 임피던스를 제공하고, 제어부에 의하여 용량을 조절할 수 있는 형태로 되어 있다.

상기 2차 인덕터(L2)는 상기 임피던스부 노드(N)와 상기 가변 커패시터(C2)사이에 배치되어진다. 상기 2차 인덕터(L2)는 나선형 구조를 가지며, 물이 출입할 수 있는 관 구조로 되어 있어, 고주파 전원 공급 장치(101)의 고주파 전력이 공정 챔버(103)로 전달되는 과정에서, 과부하로 인하여 부하 커패시터(C1)에 고열이 발생하는 경우, 부하 커패시터(C1)를 충분히 냉각시켜 줄 수 있도록 하는 기능을 한다. 상기 2차 인덕터(L2)는 상기 부하 커패시터(C1)에 인접하여 지나가도록 구성되어져야 하고, 상기 부하 커패시터(C1)를 인접하여 지나가되, 다양한 형태로 구성되어질 수 있다.

예를 들면, 상기 부하 커패시터(C1) 주위를 1회전 이상을 나선 형태로 회전하면서 지나갈 수도 있고, 그 이하의 나선 형태의 회전을 하면서 지나갈 수도 있는 등, 상기 임피던스 정합 회로에 유도성 임피던스를 제공할 수 있기만 하다면, 다양한 형태로 변형이 가능하다.

부하 커패시터(C1)는 진공형 커패시터가 사용되어지고, 1차 인덕터(L1)에서 분기하여 접지로 연결된다. 상기 부하 커패시터(C1)가 진공형 커패시터로 사용되어짐으로 인하여, 2차 인덕터(L2)의 배치가 가능하게 되었다. 이는 상기 가변 커패시터(C2)와 함께 상기 임피던스 정합 장치(100)에 있어서 용량성 임피던스를 제공하고, 상기 제어부(104)에 의하여 용량을 조절할 수 있는 형태로 되어 있다.

도 4를 참조하면, 반도체 제조 설비에서의 임피던스 정합 장치의 동작과정이 다음과 같이 설명된다.

먼저, 고주파 전원 공급장치(101)에 정격 고주파 전력이 인가되면, 고주파 전력이 임피던스 정합 장치를 거쳐, 공정 챔버(103)로 전달되는 과정으로 공정이 진행된다.

여기서, 상기 공정 챔버(103)의 입력 임피던스 값은 상기 공정 챔버(103)내에서의 공정 진행 중 잔류한 가스나 내벽 및 극판 등에 증착된 불순물등에 의해 조금씩 변화하게 된다.

따라서, 식각이나 증착등의 매 공정을 진행할 때마다 상기 고주파 전원 공급 장치(101)와 상기 공정 챔버(103)의 변화된 임피던스를 정합시켜야만 한다.

상기 고주파 감지 센서부(109)가 전압 및 전류검출 회로를 통해 전압 및 전류를 검출하고 이 검출된 전압 및 전류를 이용하여, 임피던스 자동검출기에서 상기 고주파 전원 공급기(101) 출력부의 전압과 전류의 위상차 및 전압과 전류의 크기의 비등을 검출하여 제어부(104)로 출력한다.

이 때, 상기 고주파 전원 공급 장치(101)와 상기 공정 챔버(103)간의 임피던스가 정합된 상태인 경우, 상기 고주파 감지 센서부(109)에서 검출되는 전압과 전류의 위상차는 영이 되며, 임피던스가 부정합되는 경우는 전압과 전류의 크기 비가 정합시와는 다르게 된다.

따라서, 상기 제어부(104)는 상기 고주파 감지센서부(109)에서 출력된 상기 검출신호로부터 임피던스 부정합에 의한 반사파의 크기를 분석하여 반사파가 최소가 되도록 조절한다. 상기 제어부(104)의 조절은 제어 모터에 의하여 이루어진다. 상기 제어부(104)는 가변 커패시터의 임피던스 값을 가변 범위의 최소값부터 최대값까지 순차적으로 가변시킨다. 이 때, 상기 고주파 감지센서부(109)는 상기 고주파 전원 공급기(101)의 출력신호를 센싱하여 반사파의 크기에 따른 검출신호를 출력하고 상기 제어부(104)는 이 검출신호를 체크하여 반사파가 최소가 되는 정합 임피던스를 기억한다.

이와 같이, 가변 임피던스부의 임피던스 값을 차츰 변화시켜가며 반사파가 최소가 되는 정합 임피던스를 찾아내어 정합시키게 된다.

이와 같이 본 발명에 의하면, 진공형의 부하 커패시터와 나선형이면서 물이 흐를 수 있는 관 형태인 2차 인덕터를 제공하는 특징이 있다.

본 발명의 실시예에 따른 반도체 제조 설비의 임피던스 정합 장치는 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기본 원리를 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 설계되고, 응용될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자에게는 자명한 사실이라 할 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 부하 커패시터를 진공형 커패시터로 교체함으로써, 제어부의 제어모터에 대한 데미지를 감소시키고, 상기 부하 커패시터의 수명도 증가되는 효과가 있다.

또한 본 발명은, 유선형이고 관 구조로 된 2차 인덕터를 제공하여 물의 근접 흐름을 가능하게 함으로써, 고주파 전원 공급 장치로부터 고주파 전력이 공정 챔버로 전달되는 과정에서 과부하로 인하여 부하 커패시터에 고열이 발생하는 경우, 상기 2차 인덕터에 흐르는 믈에 의하여 부하 커패시터가 충분히 냉각되게 되는 효과가 있다. 그리하여, 상기 부하 커패시터의 가열로 인한 반사파의 변동을 최소화하여 반도체 제조 설비의 다운을 최소화하는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 임피던스 정합장치의 사용 상태를 나타내는 블록도이다.

도 2는 일반적인 임피던스 정합장치의 구성을 나타내는 블록도이다.

도 3은 종래의 임피던스 정합 장치를 포함하는 반도체 제조 설비를 나타낸 회로도이다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 임피던스 정합 장치를 포함하는 반도체 제조 설비를 나타낸 회로도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 가변 임피던스부 101 : 고주파 전원 공급장치

102 : 임피던스 정합 장치 103 : 공정 챔버

104 : 제어부 109 : 고주파 감지 센서부

C1 : 부하 커패시터 C2 : 가변 커패시터

L1 : 1차 인덕터 L2 : 2차 인덕터

N : 임피던스부 노드

Claims (3)

1. 반도체 제조 설비에서 고주파 전력을 발생시키는 고주파 전원 공급 장치와 반도체 웨이퍼 공정이 진행되는 공정 챔버사이의, 최대 전력 전달을 위한 임피던스 정합 장치에 있어서:

   상기 고주파 전원 공급 장치와 상기 공정 챔버사이의 전압 및 전류를 검출하고, 상기 전압과 전류의 위상차 및 크기의 비를 검출하여 신호를 출력하는 고주파 감지 센서부와;

   상기 고주파 감지센서부에서 출력된 상기 신호로부터 임피던스 부정합에 의한 반사파의 크기를 분석하여 반사파가 최소가 되도록 조절하는 제어부와;

   적어도 하나 이상의 인덕터와, 상기 인덕터를 이용한 수냉식의 냉각 방식을 갖는 적어도 하나 이상의 커패시터를 포함하는 가변 임피던스부를 구비함을 특징으로 하는 임피던스 정합 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 가변 임피던스부는, 상기 고주파 감지 센서부와 임피던스부 노드사이에 배치되어지는 1차 인덕터와;

   상기 공정 챔버의 입력단과 상기 임피던스부 노드사이에 배치되어지는 가변 커패시터와;

   상기 임피던스부 노드와 접지단자 사이에 배치되어지는 부하 커패시터와;

   상기 임피던스부 노드와 상기 가변 커패시터사이에 배치되어지고, 나선형으로 이루어지며, 상기 부하 커패시터의 냉각을 위한 물의 출입이 가능한 관 형태로 이루어지는 2차 인덕터를 구비함을 특징으로 하는 임피던스 정합 장치.
3. 제2항에 있어서,

   상기 부하 커패시터는 진공형 커패시터로 이루어짐을 특징으로 하는 임피던스 정합 장치.