KR20070094886A

KR20070094886A - 플라즈마 부하로의 ｒｆ전력 전달의 안정성을 개선하는장치 및 방법

Info

Publication number: KR20070094886A
Application number: KR1020077008641A
Authority: KR
Inventors: 아서 엠 하워드; 안드라스 쿠티; 앤드류 디 3세 베일리
Original assignee: 램 리써치 코포레이션
Priority date: 2004-10-15
Filing date: 2005-10-12
Publication date: 2007-09-27
Also published as: TWI403220B; JP5290579B2; WO2006044722A2; WO2006044722A3; US20060005928A1; TW200628636A; US7480571B2; KR101116587B1; CN101073085B; JP2008517429A; CN101073085A

Abstract

플라즈마 부하로의 RF 전력 전달의 안정성을 개선하는 방법이 설명된다 (806). 방법은 RF 전력 시스템에서의 특정 위치 중 하나에 RF 임피던스 저항 및 또는 RF 전력 감쇠기를 부가하여 임피던스 도함수를 낮추고, RF 전송 라인 임피던스로 튜닝중인 임피던스 매칭 회로를 유지하는 단계를 포함한다.

전력 전달, 매칭 회로

Description

플라즈마 부하로의 ＲＦ전력 전달의 안정성을 개선하는 장치 및 방법 {APPARATUS AND METHODS FOR IMPROVING THE STABILITY OF RF POWER DELIVERY TO A PLASMA LOAD}

발명의 배경

본 발명은 플라즈마 처리 시스템에서 플라즈마 부하로의 RF 전력 전달의 안정성을 개선하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

플라즈마 처리 시스템은 상당한 시간 동안 존재해왔다. 수년에 걸쳐, 유도 결합 플라즈마 소스, 전자 사이클로트론 공진 (ECR) 소스, 용량성 소스 등을 사용하는 플라즈마 처리 시스템이 반도체 기판 및 유리 패널을 처리하기 위해 다양한 정도로 도입되고 사용되어 왔다.

처리 동안, 복수의 증착 및/또는 에칭 단계가 통상적으로 사용된다. 증착 동안, 재료가 기판 표면 (유리 패널 또는 웨이퍼의 표면) 에 증착된다. 예를 들어, 다양한 형태의 실리콘, 실리콘 이산화물, 실리콘 질화물, 금속 등을 포함하는 증착층이 기판의 표면에 형성될 수도 있다. 반대로, 에칭은 기판 표면의 소정의 영역으로부터 금속을 선택적으로 제거하기 위해 사용될 수도 있다. 예를 들어, 바이어스, 컨택트, 또는 트랜치와 같은 에칭 형상이 기판의 층에 형성될 수도 있다. 몇몇 에칭 공정은 플라즈마 직면 표면상에 필름을 동시에 에칭하고 증착하는 화학 작용 및/또는 파라미터를 사용할 수도 있다.

플라즈마는 유도 결합, ECR, 마이크로웨이브 및 용량 결합 플라즈마 방법을 포함하는 다양한 플라즈마 생성 방법을 사용하여 생성 및/또는 유지될 수 있다. 유도 결합 플라즈마 처리 챔버에서, 예를 들어, 유도성 소스가 사용되어 플라즈마를 생성한다. 논의를 용이하게 하기 위해, 도 1 은 이 예에서 에칭용으로 구성된 종래 기술 유도성 플라즈마 처리 챔버 (100) 를 도시한다. 플라즈마 처리 챔버 (100) 는 실질적 원통형 챔버 벽 부분 (102) 및 유전체 윈도우 (106) 위에 배치된 안테나 또는 유도성 코일 (104) 을 실질적으로 포함한다. 통상적으로, 안테나 (104) 는 도시된 바와 같이, RF 생성기 (110) 및 RF 매칭 네트워크 (112) 를 포함할 수도 있는 제 1 무선 주파수 (RF) 전력원 (108) 에 동작적으로 결합된다. RF 생성기 (110) 는 예를 들어, 4MHz 주파수에서 동작할 수도 있다. 일반적으로 말하자면, RF 생성기로부터의 RF 신호는 사인파적, 펄스적, 또는 비사인파적일 수도 있다. 유전체 윈도우 (106) 는 높은 저항성 실리콘 카바이드 (SiC) 와 같은 높은 저항성 유전체 재료로 통상적으로 형성된다.

플라즈마 처리 챔버 (100) 내에서, 입구 가스 포트 세트 (미도시) 가 통상적으로 제공되어, 에칭 소스 가스와 같은 가스원 재료를 유전체 윈도우 (106) 와 기판 (114) 사이의 RF 유도 플라즈마 영역으로 도입하기 용이하게 한다. 기판 (114) 이 챔버 (100) 로 안내되고, 척 (116) 에 배치된다. 척 (116) 은 일반적으로 전극으로서 작동하고, 도시된 바와 같이, RF 생성기 (120) 및 RF 매칭 네트워크 (122) 를 포함할 수도 있는 RF 전력원 (118) 에 동작적으로 결합된다. RF 생성기 (120) 는 예를 들어, 13.56MHz 주파수로 동작할 수도 있다. 전술된 바 와 같이, RF 생성기로부터의 다른 RF 신호와 같이, RF 생성기 (120) 으로부터의 RF 신호는, 사인파적, 펄스적, 또는 비사인파적일 수도 있다.

플라즈마를 생성하기 위해, 프로세스 자원 가스는 전술한 주입 가스 포트 세트를 통해 챔버 (100) 로 입력된다. 그 후, 전력은 RF 전력원 (108) 을 사용하여 유도 코일 (104) 로 공급되고, RF 전력원 (118) 을 사용하여 척 (116) 으로 공급된다. 유전체 윈도우 (106) 를 통해 결합된 RF 전력원 (108) 으로부터 공급된 RF 에너지는 프로세스 소스를 여기시키고, 이에 의해 플라즈마 (124) 가 생성된다.

특정 제조자 및/또는 특정 프로세스의 요구사항에 의존하여, 상이한 부품이 또한 챔버 (100) 에 제공될 수도 있다. 예를 들어, 포커스 링, 플라즈마 스크린, 마그넷, 압력 제어 링, 핫 에지 링, 다양한 가스 주입기 노즐, 프로브, 챔버 라이너 등이 또한 제공될 수도 있다. 설명을 간단하게 하기 위해, 이들 공지된 부품은 도 1 에서 생략된다.

일반적으로 말하자면, 만족스러운 에칭 결과를 획득하기 위해, 에칭 프로세스의 타이트한 제어를 유지하는 것이 중요하다. 그 결과, 안테나 RF 전압, 안테나 RF 전력, 바이어스 RF 전압, 바이어스 RF 전력, 플라즈마 밀도, 챔버내의 불순물량 등의 파라미터는 조심스럽게 제어되어야 한다. 또한, 가능한 넓은 프로세스 윈도우에 걸쳐 에칭 프로세스의 타이트한 제어를 유지하는 것이 중요하다. 이러한 관점에서, 플라즈마 부하로의 RF 전력 전달의 안정성은 특히 중요한 문제이다. 소정의 프로세스 레시피에서, 신뢰할만한 프로세스 결과를 획득하기 위 해, RF 전력 전달이 전체적으로 안정한 프로세스를 유지하는 것이 중요하다.

이 발명은 플라즈마 처리 챔버에서 플라즈마로의 RF 전력 전달의 안정성을 개선하는 장치 및 방법과, 소정의 파라미터 설정에서 플라즈마로의 RF 전력 전달의 안정성에 기여하는 파라미터를 정량화하는 방법을 취급한다.

발명의 요약

본 발명은 일 실시형태에서, 플라즈마 처리 시스템을 구성하는 방법에 관한 것이다. 플라즈마 처리 시스템은 반도체 기판을 처리하도록 구성된다. 이 방법은 RF 생성기 출력을 갖는 RF 생성기, 동작 동안 RF 생성기 출력으로부터 RF 전류를 수신하도록 결합되고, 특성 임피던스를 갖는 제 1 RF 전송 라인, 제 1 RF 전송 라인의 특성 임피던스와 실질적으로 동일한 입력 임피던스를 갖으며, 제 1 RF 전송 라인을 통해 RF 생성기로부터 RF 전류를 수신하도록 구성된 매칭 네트워크를 포함하는 RF 전력 설비를 제공하는 단계를 포함한다. 이 방법은 RF 생성기와 매칭 네트워크 사이의 전류 경로에 RF 전력 감쇠기를 결합하는 단계를 포함한다.

또 다른 실시형태에서, 본 발명은 RF 생성기 출력을 갖는 RF 생성기를 포함하는 플라즈마 처리 시스템에 관한 것이다. RF 생성기 출력으로부터 RF 전류를 수신하도록 결합되고, 특성 임피던스를 갖는 제 1 RF 전송 라인이 포함된다. 제 1 RF 전송 라인의 특성 임피던스와 실질적으로 동일한 입력 임피던스를 갖으며, 제 1 RF 전송 라인을 통해 RF 생성기로부터 RF 전류를 수신하도록 구성된 매칭 네트워트가 부가적으로 포함된다. RF 생성기와 매칭 네트워크 사이의 전류 경로에 결합된 RF 전력 감쇠기가 더 포함된다.

또 다른 실시형태에서, 본 발명은 RF 생성기 출력을 갖는 RF 생성기를 포함하는 반도체 기판을 처리하는 플라즈마 처리 시스템에 관한 것이다. RF 생성기 출력에 결합되고 특성 임피던스를 갖는 RF 전송 라인이 포함된다. RF 전송 라인에 결합되고, 제 1 저항 및 복수의 임피던스 디바이스를 갖는 매칭 네트워크를 가진 매칭 회로가 더 포함되고, 제 1 저항은 복수의 임피던스 디바이스 중 하나의 하나 이상의 단자에 결합되며, 매칭 회로의 입력 임피던스는 RF 전송 라인의 특성 임피던스에 실질적으로 동일하다.

또 다른 실시형태에서, 본 발명은 RF 생성기 출력을 가진 RF 생성기를 포함하는 플라즈마 처리 시스템에 관한 것이다. RF 생성기 출력으로부터 RF 전류를 수신하도록 결합되고, 특성 임피던스를 갖는 RF 전송 라인이 포함된다. RF 전송 라인의 특성 임피던스와 실질적으로 동일한 입력 임피던스를 갖으며, RF 전송 라인을 통해 RF 생성기로부터 RF 전류를 수신하도록 구성된 매칭 네트워크가 더 포함되며, 매칭 네트워크의 입력 임피던스와 RF 전송 라인의 특성 임피던스 모두 소정의 값과 실질적으로 동일하고, 소정의 값은 50 오옴보다 낮게 설계되며, RF 생성기는 소정의 값을 가진 부하로 RF 전력을 전달하도록 구성된다.

또 다른 실시형태에서, 본 발명은 플라즈마 처리 시스템을 구성하는 방법에 관한 것이고, 플라즈마 처리 시스템은 반도체 기판을 처리하도록 구성된다. 본 방법은 RF 생성기 출력을 갖는 RF 생성기를 제공하는 단계를 포함한다. 본 방법은 RF 생성기 출력으로부터 RF 전류를 수신하기 위해 RF 전송 라인을 구성하고, RF 전송 라인은 특성 임피던스를 가진다. 본 방법은 RF 전송 라인의 특성 임피 던스에 실질적으로 동일한 입력 임피던스를 갖으며, RF 전송 라인을 통해 RF 생성기로부터 RF 전류를 수신하도록 구성된 매칭 네트워크를 제공하는 단계를 포함하고, 매칭 임피던스의 입력 임피던스와 RF 전송 라인의 특성 임피던스 모두 소정의 값과 실질적으로 동일하며, 소정의 값은 50 오옴보다 낮게 설계되고, RF 생성기는 소정의 값을 가진 부하로 RF 전력을 전달하도록 구성된다.

본 발명의 이들 및 다른 특징은 다음 도면을 참조하여 본 발명의 상세한 설명에서 상세히 설명될 것이다.

도면의 간단한 설명

본 발명은 첨부된 도면의 특징에서, 제한의 방법이 아닌, 예시적인 방법으로 설명되고, 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 칭한다.

설명을 용이하게 하기 위해, 도 1 은 에칭용으로 구성된 종래 기술인 유도성 플라즈마 처리 챔버를 도시한다.

도 2 는 예시적인 유도 결합 플라즈마 처리 챔버에서 플라즈마로 RF 전력을 전달하는데 포함된 예시적인 RF 전력 전달 설비의 다양한 전기적 부품을 도시하는 블록도이다.

도 3 은 도 2 의 소스 RF 전력 시스템을 더욱 상세히 도시한다.

도 4a 는 소정의 소스 RF 전달 전력 설정 포인트에서 소스 RF 전력 전달 안정성을 경험한 프로세스를 도시하는 예시적인 그래프이다.

도 4b 는 소스 RF 전달 전력이 불안정하게 된 경우, 플라즈마의 관측된 광 방출을 도시한다.

매칭 네트워크 입력 임피던스 Z_M, 부하 임피던스 Z_T, 및 생성기 출력 전력 P_G 사이의 관계가 도 5 에 심볼적으로 도시된다.

P_G 에 대한 Z_T 의 상호의존과 Z_T 에 대한 P_G 의 상호의존이 도 6 에 개략적으로 도시되고, P_G 는 실수이고 Z_T 는 복소수이다.

도 7a 는 출력 임피던스 Z_OUT 및 부하 임피던스 Z_LOAD 를 갖는 RF 전압원을 가진 RF 생성기를 모델링하고, 이 경우에 생성기 부하 임피던스의 변화는 생성기 피드백 제어 대역폭보다 더 빠른 타임 스케일로 발생한다.

도 7b 는 부하 임피던스 Z_LOAD 의 변화가 생성기 피드백 회로 응답 시간보다 더 빠른 타임 스케일로 발생하는 경우의 예시적인 RF 전력 출력 컨투어를 가상 RF 생성기에 대한 부하 임피던스 Z_LOAD 의 함수로서 도시한다.

도 8a, 8b, 8c, 8d 및 8e 는 임피던스 도함수를 감소시키고 플라즈마 안정성을 개선하기 위해 여분 저항을 사용하는 본 발명의 다양한 실시형태를 도시하는 예시적인 회로도이다.

도 9 는 의도적으로 R_Y 와 같은 여분 저항에 의해 임피던스 도함수가 감소되어 임피던스 도함수를 감소시키고 플라즈마 안정성을 개선하는 또 다른 실시형태를 도시한다.

도 10a 는 임피던스 도함수가 RF 전력 감쇠기를 사용함으로써 감소되는 또 다른 실시형태를 도시한다.

도 10b 는 예시적인

형 RF 전력 감쇠기의 구성을 도시한다.

도 11 은 더 낮은 특성 임피던스 R₀ 를 갖도록 RF 전송 라인을 설계함으로써 임피던스 도함수가 감소되는 볼 발명의 또 다른 실시형태를 도시한다.

본 발명의 비자명성을 더 설명하기 위해, 도 12 는 RF 전력 전달 안정성을 개선하는 이익을 제공하지 않고 부가적인 저항에서 전력을 단지 소산시키는 구현을 도시한다.

도 13a 및 13b 는 임피던스 도함수의 감소가 RF 전력 전달 안정성에 미치는 효과를 도시한다.

도 14 는

의 계산을 용이하게 하는 L 매칭 네트워크의 성분 임피던스를 도시한다.

도 15 는

의 계산을 용이하게 하는 T 매칭 네트워크의 성분 임피던스를 도시한다.

도 16 은 본 발명의 일 실시형태에 따라, 불안정한 플라즈마를 더욱 안정하게 하기 위해 부가된 저항 (예를 들어, 도 8a 의 R_X) 값을 확인하는 기술을 나타낸다.

도 17a 는 x 축을 따라 플로팅된

의 실수부 및 y 축을 따라 플로팅 된

의 허수부로, 플라즈마를 플롯으로 나타낸다.

도 17b 는 예시적인 RF 생성기에 대해, RF 생성기 안정 동작 영역을 도시한다.

도 17c 는 예시적인 RF 생성기에 대해,

의 위상에 관계없이 항상 안정한 생성기 출력과 플라즈마 임피던스 도함수의 곱의 값을 도시한다.

도 17d 는 예시적인 RF 생성기에 대해, 안정하지만,

의 위상의 변화에 대해 불안정할 수 있는, 생성기 출력과 플라즈마 임피던스 도함수의 곱의 값을 도시한다.

도 17e 는 예시적인 RF 생성기에 대해,

의 위상에 관계없이,

가 안정한 동작을 유발하는 영역의 플롯을 도시한다.

바람직한 실시형태의 상세한 설명

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 바와 같이, 몇몇 바람직한 실시형태를 참조하여 상세히 설명될 것이다. 다음의 상세한 설명에서, 다수의 특정 세부사항이 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해 주어진다. 그러나 본 발명은 이들 특정 세부사항의 전부 또는 일부가 없이도 실시될 수도 있음이 당업자에게 명백할 것이다. 다른 예에서, 공지된 프로세스 단계 및/또는 구조는 본 발명을 불필요하게 모호하게 하지 않기 위해 상세히 설명되진 않았다.

전달 RF 전력에 관한 전기적 부하 임피던스의 도함수가 RF 전력 안정성에 미치는 효과를 논의하기 위해, RF 전력 전달 설비의 간단한 리뷰가 유용할 수도 있다. 도 2 는 예시적인 유도 결합 플라즈마 처리 챔버내의 플라즈마로 RF 전력을 전달하는 것에 관련된 예시적인 RF 전력 전달 설비의 다양한 전기적 부품을 도시하는 블록도이다. 유도 결합 플라즈마 처리 시스템이 논의를 용이하게 하기 위해 임의로 선택되었지만, 본 발명은 용량 결합 플라즈마 처리 시스템뿐만 아니라, 다른 방법을 사용하여 그들의 플라즈마를 생성 및/또는 유지하는 다른 플라즈마 처리 시스템에 동일하게 잘 적용된다.

도 2 에서, 제어 컴퓨터 (204) 및 소스 RF 안테나 (206) 에 결합된 소스 RF 전력 시스템 (202) 이 도시된다. 제어 컴퓨터 (204) 는 센서 (208 및 210) 및/또는 소스 RF 생성기 (212) 로부터의 피드백을 사용하여 소스 RF 생성기 (212) 및 임피던스 매칭 네트워크 (214) 를 제어하는 피드백 제어 루프의 일부이다. 센서 (208) 는 소스 RF 생성기 (212) 의 성능을 나타내는 파라미터를 모니터링하는 센서를 포함한다. 그 결과, RF 전류 및 전압의 크기 및/또는 위상, 소스 RF 생성기로부터 임피던스 매칭 네트워크로의 순방향 RF 전력, 임피던스 매칭 네트워크로부터 소스 RF 생성기로의 반사 RF 전력 등의 파라미터가 센서 (208) 에 의해 측정될 수도 있다. 센서에 의해 획득된 정보는 제어 컴퓨터 (204) 및 소스 RF 생성기 (212) 에 의해 사용되어 처리 동안 소스 RF 생성기 (212) 로부터의 RF 전력 전달을 조정한다.

센서 (210) 는 임피던스 매칭 네트워크 (214) 의 성능을 나타내는 파라미터 를 모니터링하는 센서를 포함한다. 따라서, RF 전류 및 전압의 크기 및/또는 위상, 소스 RF 생성기로부터 임피던스 매칭 네트워크로의 순방향 RF 전력, 임피던스 매칭 네트워크로부터 소스 RF 생성기로의 반사 RF 전력 등의 파라미터가 센서 (210) 에 의해 측정될 수도 있다. 동작 동안, 소스 RF 생성기는 도시된 바와 같이 소스 RF 전송 라인 (216) 및 임피던스 매칭 네트워크 (214) 를 통해 소스 RF 안테나 (206) 로 전달되는 RF 전력을 생성한다.

도 2 에서, 또한, 제어 컴퓨터 (204) 및 바이어스 RF 전극 (226) 에 결합된 바이어스 RF 전력 시스템 (222) 이 도시된다. 제어 컴퓨터 (204) 는 바이어스 RF 전력 시스템 (222) 에서 유사한 역할을 수행한다. 즉, 제어 컴퓨터 (204) 는 센서 (228 및 230) 및/또는 바이어스 RF 생성기 (232) 로부터의 피드백을 사용하여 바이어스 RF 생성기 (232) 및 임피던스 매칭 네트워크 (234) 를 제어하는 피드백 제어 루프의 일부이다. 센서 (228 및 230) 는 소스 RF 전력 시스템 (202) 에서의 센서 (208 및 210) 에 의해 수행된 기능과 유사한 기능을 수행한다. 동작 동안, 도시된 바와 같이, 바이어스 RF 생성기 (232) 는 바이어스 RF 전송 라인 (236) 및 임피던스 매쳉 네트워크 (234) 를 통해 바이어스 RF 전극 (226) 에 전달되는 RF 전력을 생성한다.

도 3 은 시스템의 다양한 포인트에서의 다양한 전기적 파라미터에 대해 부호를 붙여서 도 2 의 소스 RF 전력 시스템 (202) 를 더욱 상세히 도시한다. 도 2 에서, 논의를 용이하게 하기 위해, 임피던스 매칭 네트워크는 T 형 매칭 네트워크로 임의로 선택되었다. 그러나, 본 발명은 또한 L 형 또는 π 형 매칭 네트워 크와 같은 다른 매칭 네트워크 유형에 적용된다.

도 3 을 참조하는 경우, 플라즈마의 복소 임피던스를 나타내는 플라즈마 임피던스 Z_P 를 갖는 플라즈마가 도시된다.

이고 여기서, R_P 및 L_P 는 각각 플라즈마 저항 및 인덕턴스이고,

이고,

이다 (f 는 Hz 단위인, RF 주파수임).

이러한 유도성 플라즈마 소스의 예에 대해, 플라즈마는 RF 안테나가 제 1 루프인 변압기의 제 2 루프로서 모델링될 수 있다. 이 모델에서, 플라즈마 임피던스 Z_P 는 안테나와 직렬인 실효 임피던스 Z_S 로 변형된다.

이고 R_S 및 X_S (리액턴스) 는 다음과 같다.

여기서 M 은 인덕터 L_A 와 L_P 사이의 상호 인덕턴스이다.

이러한 도출은 예를 들어, 여기에 참조로서 포함된 J. Vac. Sci, Technol. A15,2615 (1997) 의 Albert Lamm 저 "Observations Of Standing Waves On An Inducticve Plasma Cell Modeled As A Uniform Transmission Line" 에 개시된다.

소스 RF 안테나 인덕턴스 L_A (헨리 단위) 는 도 2 의 소스 RF 안테나 (206) 에 기인한다.

는 소스 RF 안테나의 오옴 단위인 유도성 리액턴스이다.

논의의 목적을 위해 도 3 에서 T 형 매칭 네트워크로서 임의로 선택된 도 2 의 임피던스 매칭 네트워크는 3 개의 예시적인 캐패시터 C_a, C_b, C_c 에 의해 나타내고, C_a 및 C_c 는 튜닝가능하다. 도 3 에서, 임피던스 매칭 네트워크는 인덕턴스 또는 캐패시터와 인덕턴스의 조합이 잘 사용될 수도 있지만, 캐패시터에 의해 구현된다. 또한, 종단 캐패시터 C_d 는 소스 RF 안테나 인덕턴스 L_A 와 함께 직렬로 도시된다.

는 캐패시터 C_a, C_b 및 C_c 의 오옴 단위인 용량성 리액턴스이다.

는 종단 캐패시터 C_d 의 오옴단위인 용량성 리액턴스이다.

Z_M 은 실효 직렬 플라즈마 임피던스 Z_S, 소스 RF 안테나 임피던스 L_A, 매칭 네트워크 부품 C_a, C_b 및 C_c 의 임피던스 및 임의의 종단 캐패시터 C_d 의 임피던스를 포함하는 임피던스 매칭 네트워크의 입력 임피던스이다.

여기서,

임피던스 매칭 네트워크의 정상 동작에서, 캐패시터 C_a 및 C_c 는 일반적으로

및

이 되도록 조정되고, 여기서 R₀ 는 소스 RF 전송 라인의 특성 저항이다.

임피던스 매칭 네트워크의 입력 임피던스 Z_M 은 소스 RF 전송 라인에 의해 다음과 같은 변형된 값 Z_T 로 변형된다.

수학식 1

여기서 R₀ 는 RF 전송 라인의 특성 저항이고, L 은 RF 케이블의 길이이며, λ 는 전송 라인의 RF 파의 파장이다 (무손실 케이블을 가정함). (예를 들어, D. Fink 및 D. Christiansen 편집, Electronics Engineers' 핸드북 제 3 판 McGraw-Hill 출판사 NY, 1989, 9-3 페이지 참조)

정상적인 튜닝된 동작에서,

이고

이다.

P_G 는 와트 단위로 생성기 출력 전력을 나타내고, 여기서 P_P 는 플라즈마에 실질적으로 전달된 전력을 나타낸다. P_G 는 P_P 와 생성기로 역으로 반사되거나 매칭 회로 소자에서 소산된 임의의 전력의 합과 동일하다.

전술한 바와 같이, RF 전력 전달의 안정성은 만족스러운 프로세스 결과를 획 득하는데 매우 중요하다. 도 4a 는 특정 소스 RF 전달 전력 설정 포인트에서 소스 RF 전력 전달 안정성을 경험하는 프로세스를 도시하는 예시적인 그래프이다. 예시적인 도 4a 에서, 소스 RF 전달 전력 설정 포인트가 370 와트 위인 경우, 프로세스는 안정하다. 370 와트 아래인 경우, 플라즈마로 전달된 소스 RF 전력은 더 이상 안정하지 않고 반사 RF 전력 (예를 들어, 도 2 의 센서 (208) 에 의해 측정됨) 은 높게 된다.

도 4b 는 소스 RF 전달 전력이 불안정하게 되는 경우, 플라즈마의 관측된 광 방출을 도시한다. 보이는 바와 같이, 광대역 광 방출 밀도는 광범위하게 변동하여, 불안정한 주기 동안 크기가 25% 를 초과하여 스윙한다. 당업자에게 알려진 바와 같이, 이러한 변동은 프로세스 결과를 심각하게 악화시켜서, 수정될 필요가 있다.

과거에는, RF 전력 전달 안정성 문제는, 안정한 RF 전력 전달이 선택된 프로세스 레시피에 대해 획득될 때까지, 상이한 RF 생성기/송신 케이블 길이 조합을 시도함으로써 해결하였다. 예시적인 유도 결합 소스 RF 전력 시스템을 전기 용어 관점에서 표현하는 경우, 임의의 RF 전력 시스템에 대한 RF 전력 안정성 문제는 도 2 및 도 3 에 관해 이루어진 표현의 관점에서 논의될 수도 있다.

일반적으로, 부하 임피던스 Z_L (매칭 네트워크에 의해 보여지는 바와 같음) 는 플라즈마로 전달된 전력인 P_P 에 종속하는 Z_S 를 포함한다. 매칭 네트워크는 부하 임피던스 Z_L 을 매칭 네트워크 입력 임피던스 Z_M 으로 변환한다. 그 결과, 매칭 네트워크 입력 임피던스 Z_M 은 플라즈마로 전달된 전력 P_P 의 함수이다. 또는

매칭 네트워크가 튜닝되는 경우, Z_M 은 통상적으로

오옴이다.

RF 생성기 시스템은 통상적으로 생성기 순방향 (즉, 출력) 전력 또는 전달 전력 (즉, 반사 전력을 차감한 순방향 전력) 을 일부 소정의 값으로 동일하게 유지시키는 활성 피드백 루프를 포함한다. 타임 스케일이 피드백 회로의 응답 시간에 비해 느린 경우 발생하는 부하 임피던스 Z_T 의 변화에 대해, 생성기 순방향 (또는 전달된) 전력은 피드백 회로의 동작으로 인해 일정하게 유지될 것이다.

그러나, 생성기 출력 전력 P_G 는 타임 스케일이 피드백 회로의 응답 시간과 비교할만 하거나 보다 빠른 경우 발생하는 부하 임피던스 Z_T 의 변화에 따라 변한다. 그 결과, 타임 스케일이 피드백 회로의 응답 시간보다 빠르거나 비교할만한 경우, 생성기 출력 전력 P_G 는 부하 임피던스 Z_T 의 함수이다. 또는

전술한 바와 같이, (매칭 네트워크측에서 본) 부하 임피던스 Z_L 은 플라즈마로 전달된 전력인 P_P 에 종속한다. 타임 스케일이 임피던스 매칭 네트워크의 응답 시간보다 느린 경우 발생하는 플라즈마 임피던스 Z_S 의 변화에 대해, 매칭 네 트워크 입력 임피던스는

이고, 매칭 네트워크 입력 임피던스 Z_M 및 부하 임피던스 Z_T 는 플라즈마에 전달된 전력 P_P 또는 생성기 출력 전력 P_G 에 종속하지 않는다.

그러나, 타임 스케일이 임피던스 매칭 네트워크의 응답 시간보다 빠르거나 동일한 경우 발생하는 플라즈마 임피던스 Z_S 의 변화는

를 유발하고, 부하 임피던스 Z_T 는 플라즈마로 전달된 전력 P_P 의 함수이거나,

이다. P_G 와 P_P 의 관계가 알려진 경우, 부하 임피던스는 다음과 같이 P_G 의 함수로서 표현될 수 있다.

매칭 네트워크 입력 임피던스 Z_M, 부하 임피던스 Z_T, 및 생성기 출력 전력 P_G 사이의 관계는 도 5 에 심볼적으로 나타난다.

RF 전력 전달 안정성은 생성기 부하 임피던스 Z_T 와 생성기 출력 전력 P_G 사이의 피드백 루프의 루프 이득에 의존한다. 더욱 상세하게는, 부하 임피던스 Z_T 와 생성기 출력 전력 P_G 사이의 상호종속의 루프의 전체 이득은 RF 전력 전달 안정성에 실질적으로 기여한다.

Z_T 의 값이 약 R₀ 의 값인 경우, 부하 임피던스 Z_T 의 작은 변화에 대해, 생 성기 출력 전력 P_G 에 대한 Z_T 의 종속은 도함수

과 같이 표현될 수 있고, 이것은 복소수이다.

부하 임피던스 Z_T 에 대한 생성기 출력 전력 P_G 의 종속은 그래디언트

와 같이 표현될 수 있고, 이 또한 복소수이다.

Z_T 에 대한 P_G 및 P_G 에 대한 Z_T 의 상호종속은 도 6 에 개략적으로 도시되고, 여기서 P_G 는 실수이고 Z_T 는 복소수이다. RF 전력 전달 시스템이 안정 또는 불안정해지는 경향은

에 의존하고, 여기서

은 내적이다.

또한,

의 값이 감소하는 경우, 플라즈마로의 RF 전력 전달은 더욱 안정해 지는 경향이 있다는 것이 가정된다. 본 발명의 일 양태에 따라,

의 감소는 RF 생성기 출력 전력 P_G 의 일부를 "낭비" 하는 기술에 의해 획득되며, 이에 의해, 프라즈마로 전달된 동일한 전력 P_P 를 유지하기 위해 P_G 의 증가를 요구한다. 그러나, RF 생성기 출력 전력 P_G 의 증가는

를 감소하는 것의 이익을 무효로 할 수도 있는,

의 해로운 변화를 유발하지 않음을 확인할 필요가 있다. 도 7a 및 7b 는 이것이 그 케이스가 아님을 도시한다.

생성기 부하 임피던스의 변화가 타임 스케일이 생성기 피드백 제어 대역폭보다 빠른 때 발생하는 경우, RF 생성기는 출력 임피던스 Z_OUT 및 부하 임피던스 Z_LOAD 와 함께 RF 전압원으로서 모델링될 수도 있다. 이 모델은 도 7a 에 도시된다.

이러한 모델에 대해, 생성기 특성에 의해 결정되고, 출력 전력에 독립적인 일반 형상 G (Z_LOAD) 를 가진 정규화된 출력 전력 컨투어가 존재하는 것이 관측된다. 도 7b 는 부하 임피던스 Z_LOAD 의 변화가 타임 스케일이 생성기 피드백 회로 응답 시간보다 빠른 경우 발생할 때, 가정적인 RF 생성기에 대해 예시적인 RF 전력 출력 컨투어를 부하 임피던스 Z_LOAD 의 함수로서 도시한다. 도 7b 에서, 생성기 출력 임피던스 Z_OUT 은 (5+0j) 오옴이 되도록 임의로 선택되고, RF 생성기는 50 오옴 부하로 100% 의 공칭 출력 전력을 가진다. 출력 전력은 40 오옴 부하로 120% 이고, 60 오옴 부하로 86% 이다. 높은 레벨의 효율을 유지하기 위해, 실제로는 생성기의 출력 임피던스의 허수부는 0 이지만, 생성기의 출력 임피던스의 실수부는 통상적으로 몇 오옴 정도로 낮을지라도, 가정적인 생성기는 통상적인 RF 생성기를 합리적으로 모델링할 수 있다. 0 이 아닌 허수부를 포함하는 것이 전력 컨투어의 형상을 다소 변화시킬 것이지만, 이들 전력 컨투어가 존재한다는 전제는 변화시키지 않는다.

생성기 피드백 회로 응답 시간보다 훨씬 느리게 발생하는 부하 임피던스 Z_LOAD 의 변화에 대해, 생성기 피드백 회로는 출력 전력을 대략 일정하게 유지하는 경향이 있다. 또한, 생성기 피드백 회로 응답 시간과 대략 동일한 타임 스케일에서 발생하는 부하 임피던스 Z_LOAD 의 변화에 대해, 출력 전력은 피드백 회로의 세부사항에 의존하고, 전력 컨투어는 도 7b 에 도시된 것들보다 더욱 복잡한 형상을 가질 수도 있다.

부하 임피던스 Z_LOAD 의 변화가 생성기 피드백 회로 응답 시간보다 빠른 경우에, RF 전력 컨투어는 개별적인 생성기의 특정 특성에 의해 결정되는 것으로 보이며, 출력 전력에 독립적인 일반적인 형상 G(Z_LOAD) 을 가진다. 부하 임피던스 R₀ 에 대해 생성기 출력 전력을 P_G(R₀) 로 가정하는 경우, 임의의 다른 임피던스 Z_LOAD 에 대한 생성기 출력 전력은 다음과 같다.

이러한 가정 하에서, RF 전력 전달의 안정성은 다음에 의해 결정된다.

수학식 2

여기서 항

은 생성기 특성에 의존하고, 일반적으로 생성기 출력 전력 P_G 에 독립적이다. 항

는 플라즈마의 특성 (가스 혼합, 압력, 전달 전력 P_P 등에 의해 규정됨), 임피던스 매칭 네트워크, 및 RF 전송 라인의 길이에 의존한다. 또한, RF 전송 라인의 길이는 방향에 영향을 미치지만, 임피던스 도함수의 크기에는 영향을 미치지 않는다 (부록 A 참조).

소정의 RF 생성기에 대해, 낮은 값의

을 가지는 플라즈마 (가스 혼합, 압력, 전달 전력 P_P 등에 의해 규정됨) 는 높은 값의

을 가지는 플라즈마보다 RF 전송 라인의 광범위한 길이에 걸쳐 안정하다는 것이 관측된다.

이들 관측과 추출으로부터, 플라즈마 부하로의 RF 전력 전달 안정성은 2 개의 메카니즘에 의해 개선될 수도 있다.

Z_T=R₀ 에서 평가된,

의 크기를 감소시키기 위해 임피던스 매칭 네트워크를 변화시킨다. 이 개선은 현존하는 또는 미래의 RF 생성기로 수행될 수 있다. 그리고,

의 크기를 감소시키기 위해 생성기 출력 특성을 변화시킨다.

일 실시형태에서,

의 값은, 매칭 네트워크의 입력과 직렬인 및/또는 매칭 네트워크의 임피던스 디바이스의 단자 중 하나에 결합된 부가적인 저항을 의도적으로 도입하여, 입력 단자로 흐르는 전류가 부가적인 저항으로 흐름으로써 감소될 수도 있다 (예를 들어, 도 8b 및 도 8d 에 도시된 경우는, 여기서 후에 논 의된다).

그 용어가 여기서 사용되는 바와 같이, 매칭 네트워크는 입력 단자 및 출력 단자를 가진다. 매칭 네트워크의 입력 단자는 RF 생성기를 향해 배치된 단자를 나타내고, 매칭 네트워크의 출력 단자는 부하 (예를 들어, RF 안테나) 를 향해 배치된 단자를 나타낸다.

현존하는 매칭 네트워크 및 부가적인 저항을 포함하는 매칭 회로는 튜닝된 채로 유지되고, 즉 이 실시형태에서는 잘못 튜닝된 채로 유지된다. 그 용어가 여기서 사용되는 바와 같이, 매칭 회로의 입력 임피던스가 RF 전송 라인의 특성 임피던스와 실질적으로 동일한 경우, 즉, 이들 2 개의 값은 현실에서는 완전히 매칭하는 것이 언제나 불가능하거나 실현되지 않기 때문에, 산업상 허용할 수 있는 범위 내에서 동일한 것으로 간주하는 경우, 매칭 회로는 튜닝되어 있거나 튜닝중인 것으로 간주된다.

도 8a 는 이 실시형태를 도시하는 하나의 예시적인 회로도이다. 도 8a 에서, 전력 저항 R_X 는 T 매칭 네트워크 (802) 의 입력과 직렬로 삽입된다. 용이한 논의를 위해, R_X 는 25 오옴을 가진것으로 가정한다. 비록 매칭 네트워크 (802) 자체가 단지 25 오옴 (즉,

오옴) 으로 튜닝할지라도, 매칭 네트워크 (802) 의 입력과 직렬로 고 전력 25 오옴 RF 저항의 부가는 R_X 를 포함하는 변경된 매칭 네트워크가 50 오옴 (즉,

오옴) 으로 튜닝되는 것을 허용한 다. 매칭 네트워크 (802) 를

오옴으로 튜닝하는 것은 R_M 의 값을 반으로 효과적으로 감소시키고, 부록 C 의 수학식 C6 에 따라, 도함수

의 값을 반으로 감소시킨다.

매칭 네트워크는 Z_S 를

오옴으로 변환하고, 프로세스에서 임피던스 도함수를

의 비율로 확대한다. 그러나,

(25 오옴 부분은 플라즈마로 전달된 전력 P_P 에 의존하지 않음) 이기 때문에,

이며, 이것은 변경되지 않은 매칭 네트워크의 값

의 크기의 단지 반이다.

불안정성의 원인인 총 루프 이득은 다음과 같다.

R_X=25 오옴인 이 예에서, P_G 는 R_X=0 인 경우에 비해 2 배의 크기이고,

은 크기 =1 을 가지며,

는

인 경우에 비해 절반의 크기를 가지고,

이며,

및

은 동일하여, 순수 효과는 루프 이득의 크기를 2X 팩터만큼 감소시킨다.

매칭 네트워크 (802) 및 저항 R_X 를 포함하는 매칭 회로 (806) 은 RF 전송 라인의 특성 임피던스에 튜닝된 채로 유지된다. RF 전력은 매칭 네트워크로부터 반사되지 않을 것이다. 생성기 전력의 대략 반은 25 오옴 저항 R_X 에서 소산되어, 생성기 출력 P_G 는 플라즈마로 전달된 동일한 전력 P_P 를 얻기 위해 2 배가 되어야 한다. 또한, 저항 R_X 는 많은 전력 소산량을 취급할 필요가 있고, 대략적으로 선택 및/또는 설계되어야 한다. 예를 들어, 일부 경우에, 액체 냉각 고 전력 저항 설비가 사용될 수도 있다.

도 8a 에서, 저항은 가변 캐패시터 C_a 를 통해 흐르는 전류 경로를 따라 매칭 네트워크의 가변 캐패시터 C_a 의 좌측에 배치된 것으로 도시되지만 (즉, 저항은 RF 전송 라인과 매칭 네트워크의 입력 단자 사이에 배치됨), 저항은 또한 가변 캐패시터 C_a 와 매칭 네트워크의 단자 (804) (도 8a 에서 T 연결) 사이에 배치될 수도 있다. 또 다른 실시형태에서, 매칭 네트워크 (802) 의 가변 캐패시터 C_b 와 종단 캐패시터 C_d 는 접지되기 전에 함께 결합된다. 이것은 도 8b 에 도시된다. 이러한 경우에, 저항 R_X 는 캐패시터 C_b 및 C_d 에 의해 병렬로 형성된 등가 임피던스 및 접지를 통해 흐르는 전류 경로를 따라 배치될 수도 있다.

또한, 도 8a 에서, T 매칭 네트워크는, 유사한 결과가 L 매칭 및 π 매칭 네 트워크 (부록 B 및 C 참조) 에 대해 획득될 수도 있지만, 예로서 사용된다. L 매칭에서, 부가적인 저항은 도 8c 에 도시된 바와 같이, 예를 들어, RF 전송 라인과 L 매칭의 입력 단자 사이에 제공될 수도 있고, 임피던스 소자 Z_L1 및 Z_L2 에 의해 병렬로 형성된 등가 임피던스와 접지 사이에 직렬로 제공될 수도 있다 (도 8d 에 도시된 바와 같음). 이들 경우에 (예를 들어, 도 8c 또는 8d), 부가적인 저항은 매칭 네트워크의 입력과 직렬인 것으로 간주된다.

도 8c 의 L 매칭에서 (도 8d 에서도 유사함), 부가적인 저항은 또한 위치 (840 또는 842) 에 제공될 수도 있다. 부가적인 저항이 위치 (840 또는 842) 에 위치하는 경우 매칭 네트워크의 입력과 직렬일 것으로 간주되지 않을지라도, 이들 위치에 부가적인 저항의 제공도 또한 임피던스 도함수를 감소시키고 플라즈마 안정성을 개선한다.

도 8e 에 도시된 바와 같은 π 매칭 경우에, 부가적인 저항은 예를 들어 참조 번호 (850) 에 의해 표시된 위치인, 입력 단자 (862) 와 π 매칭의 라인 측 T 연결 (860) 사이에 제공될 수도 있다. 또한, 부가적인 저항은 예를 들어, 참조 번호 (858) 에 의해 표시된 위치인, π 매칭의 라인 측 T 연결 (860) 과 캐패시터 Z_π2 사이에 제공될 수도 있다. 또한, 부가적인 저항은 예를 들어, 참조 번호 (856) 에 의해 표시된 위치인, π 매칭의 전극 측 T 연결 (864) 과 캐패시터 Z_π3 사이에 제공될 수도 있다. 또한, 부가적인 저항은 예를 들어, 참조 번호 (852) 에 의해 표시된 위치인, π 매칭의 라인 측 T 연결 (860) 과 π 매칭의 캐패시터 Z_π2 의 전극 측 T 연결 (864) 사이에 결합될 수도 있다. 요점은, 낮은값으로 튜닝된 매칭 네트워크와 접속하여, 부가적인 저항은 조합하여 RF 전송 라인의 특성 임피던스와 실질적으로 동일한 입력 임피던스를 갖는 매칭 회로를 제공한다는 것이다.

부가적인 저항이 예를 들어, 위치 (852, 856 또는 858) 에서 구현되는 경우, 임피던스 도함수를 특정 퍼센티지 포인트만큼 감소시키는데 필요한 부가적인 저항의 값은, 부가적인 저항 R_X 가 예를 들어, 위치 (850) 에서 매칭 네트워크의 입력 임피던스와 직렬로 구현되는 경우, 임피던스 도함수를 동일한 퍼센티지 포인트만큼 감소시키는데 필요한 부가적인 저항 R_X 의 값과 상이할 수도 있다.

또한, 매칭 네트워크 (T 매칭 (802), 또는 L 매칭 또는 π 매칭) 의 가변 임피던스 소자는 인덕터 또는 대신에 인덕터/캐패시터의 조합을 사용하여 구현될 수도 있다. 저항 R_X 는 매칭 네트워크의 임피던스 소자용으로 인덕터 또는 인덕터/캐패시터의 조합을 사용하는 RF 전력 시스템에서 전술한 방법과 유사하게 위치될 수 있다.

또한, 논의를 용이하게 하기 위해, 25 오옴이 R_X 의 값으로 선택되었지만, R_X 는 임의의 원하는 값을 가질 수 있다. 일 실시형태에서, 부가적인 저항의 값은 매칭 회로 (예를 들어, 도 8a 의 (806)) 의 총 입력 임피던스의 10% 내지 90% 사이이다. 또 다른 실시형태에서, 부가적인 저항의 값은 매칭 회로의 총 입력 임피던스의 20% 내지 80% 사이이다. 그 결과, 현존하는 RF 전력 시스템에서의 동일한 전류 경로를 따르는 통상적인 고유 저항보다 큰 부가적인 저항 R_X 의 저항 값은, 소정의 프로세스에 대해 원하는 플라즈마 안정성을 제공하며 전력 "낭비" 를 감소시키도록 가변될 수도 있다.

또한, 부가적인 저항 R_X 는 가변이거나 스위칭 저항일 수도 있다. 즉, 부가적인 저항 R_X 는 상이한 프로세스를 해결하기 위해 저항성에 있어서 가변일 수도 있고, 필요하지 않은 경우 스위칭 오프될 수도 있다. 예를 들어, 일부 프로세스는 저항 R_X 의 사용을 요구하지 않고 안정화될 수도 있다. 이러한 경우에, 저항 R_X 는 턴 오프될 수도 있고, 또 다른 프로세스 레시피가 그것의 여분의 플라즈마 안정성 효과를 요구하는 경우에만 턴 온 될 수도 있다. 더 큰 저항은 더 큰 전력을 "낭비" 하기 때문에, 가변 저항이 사용되어 소정의 프로세스에 원하는 플라즈마 안정성 효과를 제공하기에 충분한, 적당히 사이즈된 저항값이 사용될 수 있게 하는 것이 바람직할 수도 있다.

저항 R_X 는 반드시 디스크리트 저항이 아닐 수도 있다. 예를 들어, (일부 매칭 임피던스 네트워크에서 사용된 것들과 같음) 고정 인덕터, RF 전송 라인과 매칭 네트워크의 입력 사이의 컨덕터 또는 스트랩, 또는 매칭 네트워크 소자와 관련 전류경로를 따른 매칭 네트워크 내의 단자 사이 (예를 들어, 도 8a 의 예에서, 캐패시터 Ca 와 단자 (804) 사이) 의 컨덕터 또는 스트랩등의 컨넥터 등의 부품에 낮은 컨덕턴스 (예를 들어, 더 높은 저항성) 재료를 의도적으로 사용하는 것이 가능할 수도 있다. 낮은 컨덕턴스 재료는 통상적인 컨덕터 (구리, 은 도금 구리, 알루미늄, 또는 이들의 합금과 같은) 와 관련된 저항성보다 더 높은 저항성을 가진 재료를 나타내고, 예를 들어, 316 스테인리스 스틸, 니크롬, 크롬, 흑연, SiC 등을 포함할 수도 있다. 요점은, 저항 R_X 는 통상적인 컨덕터의 고유 저항보다 통상적으로 더 크고, 다양한 방법으로 구현될 수도 있다는 것이다.

도 9 는 저항 R_Y 를 일련의 실효 플라즈마 임피던스 Z_S 와 직렬로 의도적으로 부가함으로써 임피던스 도함수가 감소되는 또 다른 실시형태를 도시한다. 부록 C 의 수학식 C6 를 참조하여, 도 9 의 예시적인 회로의 구현은 임피던스

를 새로운 임피던스

로 필수적으로 교체한다. 따라서, 부록 C 에 대해 변경된 수학식 C6 은 다음과 같다.

이 경우에, R_Y 는 고정값 저항이므로, 그 값은 플라즈마로 전달된 전력 P_P 에 의존하지 않고,

이다.

직렬의 플라즈마 임피던스 Z_S 에 대한 매칭 네트워크 입력 임피던스 Z_M 의 변화의 크기

는 R_Y 가 제공되지 않은 경우보다

의 팩터만큼 더 낮다.

이 예에서, 생성기 출력 전력 PG 의 일부분

은 저항 R_Y 에서 소산되어, 생성기 출력 전력은 플라즈마로 전달된 전력 P_P 가 동일하게 유지되도록 팩터

만큼 증가되어야 한다.

불안정성의 원인인 총 루프 이득은 다음과 같다.

저항 R_Y 를 부가하는 것은 P_G 가 부가된 저항 R_Y 가 없는 경우에 비해 팩터

만큼 증가하는 것을 요구한다.

는 크기 1 을 가지고,

는 팩터

만큼 더 작은 크기를 가지며,

은

만큼 더 작고,

및

는 동일하여, 순수 효과는 루프 이득의 크기를 팩터

만큼 감소시키는 것이다.

매칭 네트워크 (902) 및 부가적인 저항 R_Y 를 포함하는 매칭 회로는 여전히 예를 들어, 50 오옴인, RF 전송 라인의 특성 임피던스로 바람직하게 튜닝된다. 부가적인 저항 R_Y 를 부가함으로써 현존하는 매칭 회로가 개선되는 경우에, 예를 들어, 부가적인 저항 R_Y 가 부가된 후, 매칭 네트워크의 임피던스 소자가 튜닝될 수도 있어, 매칭 회로의 입력 임피던스는 RF 전송 라인의 특성 임피던스와 실질적으로 동일하게 튜닝된다.

이 예에서,

인 경우, 안정성의 루프 이득의 크기는 R_Y 가 제공되지 않은 경우의 크기의 단지 반이다.

인 예에 대해, 생성기의 전력의 대략 반이 저항 R_Y 에 소산되어, 생성기 출력 P_G 는 플라즈마로 전달된 동일한 전력 P_P 를 얻기 위해 적어도 2 배 크기가 되어야 한다. 도 8a 의 예에서와 같이, 저항 R_Y 는 더 큰 전력 소산량을 취급할 필요가 있고, 이에 따라 설계되어야 한다. 또한, 도 9 의 경우에, R_Y 는 실질적으로 25 오옴보다 낮을 수도 있는 R_S 와 동일한다. 도 9 의 캐패시터 C_b, C_c 및 L_A 에 의해 형성된 LC 공진 회로에 걸친 전압은 높을 수도 있다. 이들 팩터는 저항 R_Y 를 선택하는 경우, 고려될 필요가 있다.

도 9 에서, 저항 R_Y 는 유도성 코일 (안테나 인덕턴스 L_A 에 의해 표현됨) 을 통해 흐르는 전류 경로를 따라 매칭 네트워크의 가변 캐패시터 C_c 사이에 배치된 것으로 도시되지만, 저항 R_Y 는 전류 루프에 따라 다른 위치에 배치될 수도 있다. 예를 들어, 저항 R_Y 는 도 9 에서 임의의 다른 위치 (910, 914, 918, 920 또는 922) 에 배치될 수도 있다.

또한, 도 9 에서, T 매칭 네트워크가 예로서 사용되지만, L 매칭 및 π 매칭 네트워크에서 또한 유사한 결과가 획득된다 (부록 B 및 C 참조). L 매칭 케이스에서, 도 9 의 캐패시터 C_c 및 C_b 는 L 매칭의 2 개의 캐패시터 (캐패시터 C_a 는 도면으로부터 부재되고, 캐패시터 C_b 는 가변임) 로서 생각될 수도 있다. 이 경우에, 저항 R_Y 는 예를 들어, T 매칭 케이스와 관련해 논의된 동일한 위치에 결합될 수도 있다. π 매칭 케이스는 유사하다.

또한, 매칭 네트워크 (T 매칭, 또는 L 매칭, 또는 π 매칭) 의 임피던스 소자는 대신 인덕터를 사용하여 구현될 수도 있다. 저항 R_Y 는 매칭 네트워크의 임피던스 소자용으로 인덕터를 사용하는 RF 전력 시스템에서 전술한 방법과 유사하게 위치될 수 있다.

논의를 간단하게 하기 위해, R_Y 는 R_S (즉, 직렬 등가 플라즈마 부하 저항) 의 값을 갖도록 선택되었지만, R_Y 는 (물론, 안정성 개선의 정도뿐만 아니라 이에 의해 소산된 전력량을 변화시키는) 임의의 원하는 값을 가질 수 있다. 일 실시형태에서, 부가적인 저항의 저항 값은 저항

의 10% 내지 90% 사이이다. 또 다른 실시형태에서, 저항의 저항 값은 저항

의 20% 내지 80% 사이이다. 그 결과, 현재 RF 전력 시스템의 동일한 전류 경로를 따라 통상적인 고유 저항보다 더 큰 부가적인 저항 R_Y 의 저항 값은 변경될 수도 있어, 소정의 프로세스에 대한 원하는 플라즈마 안정성 품질을 제공하며 전력 "낭비" 를 감소시킨다.

또한, 부가적인 저항 R_Y 은 가변 또는 스위칭 저항일 수도 있다. 즉, 부가적인 저항 R_Y 는 상이한 프로세스를 해결하기 위해 저항성에 있어서 가변적일 수도 있고, 필요치 않은 경우 스위칭 오프될 수도 있다. 예를 들어, 일부 프로세스는 저항 R_Y 을 사용을 요구하지 않고 안정할 수도 있다. 이러한 경우에, 저항 R_Y 는 턴 오프될 수도 있고, 또 다른 프로세스 레시피가 그것의 여분의 플라즈마 안정성 효과를 요구하는 경우에만 턴 온 될 수도 있다. 더 큰 저항은 더 큰 전력량을 "낭비" 하기 때문에, 가변 저항을 사용하여, 소정의 프로세스에 대해 원하는 플라즈마 안정성 효과를 제공하는데 충분하게 적당히 사이즈된 저항값이 사용될 수 있다.

저항 R_y 는 반드시 디스크리트 저항이 아닐 수도 있다. 예를 들어, (일부 매칭 임피던스 네트워크에서 사용된 것들과 같은) 고정 인덕터, 매칭 네트워크의 소자와 관련 전류 경로 (예를 들어, 가변 캐패시터 C_b 및 C_c, Z_S, L_A 및 인덕터 C_d 를 통한 전류 경로) 를 따른 매칭 네트워크 내의 단자 사이의 컨덕터 또는 스트랩과 같은 컨넥터, 또는 관련 전류 경로를 따른 부품 사이의 컨넥터 등의 부품에 낮은 컨덕턴스 재료를 의도적으로 사용하는 것이 가능할 수도 있다. 낮은 컨덕 턴스 재료는 (구리, 은 도금 구리, 알루미늄, 또는 이들의 합금 등의) 통상적인 RF 컨덕터와 관련된 저항보다 더 높은 저항을 가지는 재료를 나타내고, 예를 들어, 316 스테인리스 스틸, 니크롬, 크롬, 흑연, SiC 등을 포함할 수도 있다. 요점은 저항 R_Y 는 통상적인 컨덕터의 고유 저항보다 통상적으로 더 크며, 다양한 방법으로 구현될 수도 있다는 것이다.

도 10a 는 RF 전력 감쇠기를 사용함으로써 임피던스 도함수가 감소되는 또 다른 실시형태를 도시한다. 도 10a 에서, 감쇠기는 T 네트워크에 배열된 3 개의 저항으로 구성되지만, 동일한 결과가 또한 π 네트워크 (도 10b), L 네트워크, 브리지 T 네트워크 등을 포함하여, 다수의 상이한 감쇠기 구성 중 임의의 것에 대해 획득될 수도 있다.

도 10a 에서 도시된 바와 같이, RF 전력 감쇠기 (1002) 및 RF 전송 라인 (1004) 는 RF 전송 라인 (1006) 과 매칭 네트워크 (1008) 사이에 직렬로 삽입된다. 도 10a 의 예에서, 매칭 네트워크 (1008) 은 여전히 50 오옴으로 튜닝된다. RF 생성기 (1010) 의 출력에 50 오옴인 부하 저항이 존재한다. RF 전력 감쇠기 (1002) 는 RF 생성기 출력에서의 부하 임피던스를 50 오옴으로 변환한다. 즉, 임피던스에 관한한, RF 전력 감쇠기 (1002) 는 본질적으로 효과가 없다. 그러나, RF 전력 감쇠기 (1002) 는 다른 단부의 임피던스를 출력하기 전에 소정 비율로 하나의 단부의 임피던스 변화의 크기를 증대시킴으로써 임피던스 변화에 영향을 미친다.

저항 R₁, R₂ 및 R₃ 의 값은 임피던스의 변화에 응답하여 원하는 전력 감쇠를 획득하기 위해 필요에 따라 변경될 수도 있다.

오옴이고 R2=141.9 오옴인 경우, RF 전력 감쇠기는 전력의 50% 를 전송하고 전력의 50% 를 소산한다.

그러나, 감쇠기는 아래에 설명되는 바와 같이,

의 크기를 0.5 로 감소시킨다. 도 10a 를 참조하면, Z_M 은 매칭 네트워크의 입력 임피던스이고, Z₄ 는 RF 전송 라인 (1004) 에 의해 변화된 매칭 네트워크의 임피던스이며, Z₅ 는 감쇠기의 입력 임피던스이고, Z_T 는 RF 전송 라인 (1006) 에 의해 변화된 감쇠기의 입력 임피던스이다.

및

의 크기는 부록 A 에 도시된 바와 같이 1.0 과 동일하다. 감쇠기 (1002) 는 다음과 같은 입력 임피던스 Z₅ 를 가진다.

Z₄=50 오옴이고 R₁, R₂ 및 R₃ 이 상기 소정의 값인 경우, Z₅=50 오옴이다.

Z₄ 의 변화에 대한 Z₅ 의 변화를 제공하기 위해 Z₅ 에 대한 수학식은 다음과 같이 미분될 수 있다.

Z₄=50 오옴으로 평가된 경우,

이러한 경우와 같이, 생성기에 의해 보인 바와 같은 부하 임피던스 도함수는 감소되고, 플라즈마 안정성은 개선된다.

도 10a 의 경우에, 매칭 네트워크는 튜닝되어 있고, 즉 잘못 튜닝되어 있지 않다. 도 10a 의 예에서, 생성기의 전력의 대략 반이 RF 전력 감쇠기에서 소산될 것이어서, 플라즈마로 전달된 동일한 전력 P_P 를 얻기 위해 생성기 출력 P_G 은 크기가 2 배가 되어야 한다. 도 10a 의 구현을 논의하기 위해, T 형 감쇠기 설비가 사용되었지만, 다른 유형의 감쇠기가 또한 사용될 수도 있다. 또한, 예를 들어, R₁=R₃=292.4 오옴; R₂=17.6 오옴 을 가진 π 형 RF 전력 감쇠기로 50% 감쇠가 획득될 수 있다. 도 10b 는 이러한 π 형 RF 전력 감쇠기의 구성을 도시한다. 임의의 RF 전력 감쇠기 구성에서, 임피던스의 변화에 응답하여 원하는 전력 감쇠를 얻기 위해 일정한 저항값은 필요에 따라 변경될 수도 있다.

불안정성의 원인이 되는 총 루프 이득은 다음과 같다.

감쇠기가 RF 전력의 1/2 은 소산하는 이 예에서, 플라즈마로 전달되는 전력이 감쇠기가 없는 경우와 동일하게 되도록, P_G 는 크기가 2 배가 되어야 한다.

및

는 크기 1 을 가지고,

는 크기 0.5 를 가지며,

이며,

및

는 동일하여, 순수 효과는 2X 의 팩터만큼 루프 이득의 크기를 감소시킨다.

도 8a 및 9 의 경우와 같이, 매칭 네트워크는 다른 구성 (예를 들어, L 매칭, π 매칭, 변압기 등) 을 가질 수도 있다. 또한, 매칭 네트워크의 임피던스 디바이스는 인덕터를 사용하거나, 대신에 인덕터 및 캐패시터의 조합을 사용하여 구현될 수도 있다.

도 10a 는 RF 전송 라인 (1004 및 1006) 을 도시하지만, 반드시 양 RF 전송 라인을 가질 필요는 없다. 예를 들어, 도 10a 의 RF 전력 시스템은 RF 전송 라인 (1004) 만으로, 또는 RF 전송 라인 (1006) 만으로 구현될 수도 있다. RF 생성기에 의해 보인 바와 같이 임피던스 도함수의 위상을 결정하는 것은 (1004 및 1006) 의 결합 길이이며, 이 결합 길이는 하나 이상의 RF 전송 라인에 의해 구현될 수도 있다.

도 11 은 RF 전송 라인을 더 낮은 특성 임피던스 R₀ 를 갖도록 설계함으로써, 임피던스 도함수가 감소되는 또 다른 실시형태를 도시한다. 도 11 의 예에서, RF 전송 라인 (1102) 는 널리 쓰이는 50 오옴 대신에 25 오옴의 특성 임피던스 R₀ 를 가진다. 예를 들어, 25 오옴의 특성 임피던스 R₀ 를 갖는 RF 전송 라인을 제공하기 위해, 병렬인 2 개의 50 오옴의 RF 송신라인이 사용될 수도 있다. 이러한 경우에, 임피던스 매칭 네트워크 (1104) 는 널리 쓰이는 50 오옴 대신에 정규값 25 오옴으로 튜닝되고, RF 생성기 (1106) 는 널리 쓰이는 50 오옴 대신에 25 오옴 부하로 동작하도록 설계된다.

매칭 네트워크는 Z_S 를 Z_M=25 오옴으로 변환하고, 프로세스에서 플라즈마 전달 전력 P_P 에 관련된 임피던스 도함수를

만큼 확대한다. 따라서,

의 크기는 Z_M=50 오옴인 경우의 크기의 1/2 이다.

이 경우에, 매칭 네트워크는 또한 튜닝되어 있고, 즉 잘못 튜닝되어 있지 않다. 도 8a 내지 도 8e, 도 9 및 도 10a 및 도 10b 의 상황과는 달리, 개선된 안정성을 획득하기 위해 생성기 전력의 일부가 매칭 회로에서 소산되지 않는다. 또한, 논의를 용이하게 하기 위해 RF 전송 라인의 특성 임피던스의 값을 25 오옴으로 선택하였지만, RF 전송 라인의 특성 임피던스 R₀ 는 임의의 원하는 값만큼 감소될 수 있다 (물론 임피던스 도함수가 감소되게 하는 값을 변화시킴).

전력 전달 효율 자체의 감소가 아닌, 임피던스 도함수 크기의 감소가 RF 전력 전달 안정성을 개선한다는 것이 중요하다. 이 요점은 자명하지 않고 강조될 필요가 있다. 이 요점은 RF 전력 전달 안정성을 개선하기 위해 전력을 반드시 소산시킬 필요는 없는 도 11 의 구현에 의해 증명된다. 본 발명의 비자명성을 더욱 설명하기 위해, 도 12 는 RF 전력 전달 안정성을 개선의 이점을 제공하지 않고 부가적인 저항에 전력을 단지 소산하는 구현을 설명한다. 도 12 에서, 부가된 저항 R_Z 는 RF 생성기 (1202) 와 이 예에서, 50 오옴의 특성 임피던스를 가지는 RF 생성기 라인 (1204) 사이에 직렬로 부가된다.

부가된 저항 R_Z 는 논의를 간단히 하기 위해 또한 50 오옴으로 주어진다. 전력 전달의 감소에도 불구하고 임피던스 도함수의 변화가 없다는 증명은 다음과 같다.

그 결과,

이고, 이것은 변화가 없다.

즉, 50 오옴인 부가적인 저항 R_Z 에 대해, 생성기 출력 전력 P_G 의 반이

의 변화없이 소산된다. 도 12 의 구현에서, 생성기 (1202) (50 오옴 부하에 대해 설계됨) 는 50 오옴인 R_Z 에 대해 100 오옴까지인 총 부하 임피던스와 매칭하지 않는다. 또한, 도 12 의 경우에, RF 전력 전달 안정성은 플라즈마 임피던스의 변화에 응답하여, 매칭하지 않는 정도의 변화에 따라 영향을 받을 수 있다. 마찬가지로, 또한, RF 전력 전달 안정성은 RF 생성기가

가 평가되는 값을 변화시키는 상이한 부하로 일체가 되는 경우, 영향받을 수 있다.

도 13a 및 도 13b 는 임피던스 도함수의 감소가 RF 전력 전달 안정성에 미치는 효과를 도시한다. 도 13a 에 관하여, 플라즈마 전력 (P_P) 와 RF 케이블 길이의 다양한 조합에 대해 실험적으로 결정된 2 개의 불안정성 영역 (1302 및 1304) 가 도시된다. 도 13 에서, 임피던스 도함수는 RF 전력 감쇠기 (도 10 에 도시된 바와 같음) 를 사용함으로써 감소되고, 도 13b 의 불안정성 영역 (1306) 은 도 13a 의 안정성 영역보다 실질적으로 더 작다.

모든 플라즈마 프로세스가

의 소정 값을 가지는 경우이다. 이것은

의 크기 및 위상

을 가진 복소수이다. 플라즈마 안정성을 개선하기 위해, 일 실시형태에서, 본 발명은, 불안정한 플라즈마에 대한

의 값을 안정한 플라즈마에 대한

값과 동일하거나 및/또는 더욱 근접하게 접근시키기 위해, 현존하는 RF 전력 시스템에 부가될 수 있는 저항값을 확인하는 단계를 포함한다.

도 16 은 본 발명의 일 실시형태에 따라, 불안정한 플라즈마를 더욱 안정하게 하기 위해 부가된 저항 (예를 들어, 도 8a 의 R_X) 의 값을 확인하는 기술을 나타낸다. 시작 포인트로서, 하나는 불안정한 플라즈마에 대한 것이고, 하나는 안정한 플라즈마에 대한 것인,

의 2 개의 값이 우선 확인된다 (단계 1602 및 단계 1604).

안정한 플라즈마에 대한

의 값은 측정된 값일 수 있거나, 안정한 프라즈마에 대응하는 알려진 값의 범위 내에서 선택된 값일 수 있다. 발명자는 안정한 플라즈마에 대한

의 값은, 임의의 적당한 파라미터 설정에서 임의의 가스를 사용하는, 임의의 적당한 프로세스에 대해 획득될 수 있다고 믿는다. 플라즈마 처리 시스템에서 하나 이상의 안정한 플라즈마에 대한 목표값

이 획득된 경우, 해당 프로세스에 대한

의 값은 발견된 목표값으로 감소될 수 있고, 이에 의해 해당 프로세스에 대한 안정한 플라즈마를 유발한다.

불안정한 플라즈마에 대한

의 값은 측정될 값일 수 있거나, 예를 들어, 측정이 불안정한 플라즈마에 대해 어려운 경우, 추정값일 수 있다. 예를 들어,

의 측정은 플라즈마가 안정한 것으로 알려진 파라미터 설정에서 이루어질 수도 있고, 이들 측정은 그 후, 추정되어 해당 파라미터 설정에서

의 추정값을 획득한다.

생성기 출력 전력 P_G 는 생성기의 알려진 출력 전력이다. 일 실시형태에서,

의 값은 매칭 네트워크를 생성기 출력 전력과 정규값에서 튜닝함으로써 측정된다. 매칭 네트워크가 이렇게 튜닝된 경우, 매칭 네트워크 튜닝 소자값은 고정되고, 생성기 출력 전력 P_G 는 그 후, 변경된다.

도 2 의 센서 (208) 와 같은 적당한 센서를 사용하여, P_G 의 함수로서 부하 임피던스 Z_T 는 측정될 수도 있고, 따라서

을 획득한다. 또 다른 실시형태에서,

의 값은 매칭 네트워크를 생성기 출력 전력과 정규값에서 튜닝함으로써 측정된다. 매칭 네트워크가 이렇게 튜닝된 경우, 매칭 네트워크 튜닝 소자값은 고정되고, 생성기 출력 전력 P_G 는 변경된다. 도 2 의 센서 (210) 과 같은 적 당한 센서를 사용하여, 임피던스 매칭 네트워크의 입력 임피던스 Z_M 은 측정되고, 따라서

을 획득한다.

및

는 수학식 A4 에 따라 관련되기 때문에, 수학식 A4 는

을

으로 변환하기 위해 사용될 수도 있다.

의 값이 불안정한 플라즈마 및 목표 안정한 플라즈마에 대해 결정된 경우, 불안정한 플라즈마에 대한 매칭 네트워크 튜닝 입력 임피던스 Z_M 은 안정한 플라즈마에 대한

에 대한 불안정한 플라즈마에 대한

의 비율에 의해 감소될 수도 있다 (수학식 A6 또는 B5 참조).

전술한 바와 같이, 안정한 플라즈마를 획득하기 위해, 차이를 생성하는 부가적인 저항으로, 매칭 네트워크는 임의의 더 낮은 튜닝 포인트로 튜닝될 수도 있다.예를 들어, 일 실시형태에서, 매칭 네트워크 입력 임피던스는 대략 90% 의 "낭비된" (RF 전송 라인에 대해 50 오옴의 특성 임피던스를 가정함) 전력을 유발하는, 약 5 오옴으로 튜닝된다. 또 다른 예에서, 매칭 네트워크 입력 임피던스를 약 45 오옴으로 튜닝하는 것은 대략 10% 의 "낭비된" 전력을 유발한다. 또 다른 예로서, 매칭 네트워크 입력 임피던스를 약 10 오옴으로 튜닝하는 것은 대략 80% 의"낭비된" 전력을 유발하고, 매칭 네트워크 입력 임피던스를 약 40 오옴으로 튜닝하는 것은 대략 20% 의"낭비된" 전력을 유발한다. 프로세스 레시피에 의존하 여, 매칭 네트워크 입력 임피던스는 물론, 안정한 플라즈마를 획득하기 위해, 차이를 생성하는 부가적인 저항으로, 임의의 원하는 값으로 하향 튜닝될 수 있다.

따라서, 충분한 저항 (도 8a 내지 도 8e 또는 도 9 의 R_Y) 를 부가하여, "매칭 네트워크 회로 (현재 부가적인 저항 및 매칭 네트워크를 포함함)" 의 입력 임피던스를 예를 들어 50 오옴인 매칭 네트워크의 원래값으로 되돌린다. 이것은 단계 1608 에 도시된다.

원하는 경우, RF 전송 라인 (도 2 의 216 또는 236) 의 길이는 수학식 A6 에 따라 변경될 수도 있어, 불안정한 플라즈마 (부가된 저항 R_X 를 가짐) 에 대한

의 위상을 안정한 플라즈마에 대한

의 위상에 매칭시킨다 (단계 1610). 일부 케이스에서,

의 크기가 충분히 작은 경우, 시스템은 모든 위상값에 대해 안정할 수도 있고, 이 경우에 RF 케이블 길이의 변화는 불필요할 수도 있다.

특정 RF 생성기에 대해, 복소수 량

은 소정의 플라즈마가 안정할지 불안정할지를 결정한다. 안정하거나 불안정한

의 값의 범위는 생성기의 특성에 의존하여, 특정 생성기에 대해 불안정한

의 값이 상이한 생성기에 대해 안정할 수도 있다.

과거에는, 모든 해당 프로세스에 대해 안정한 플라즈마를 생산하는 RF 생성기를 제조하기 위해 필요한 파라미터 또는 특성에 대해 RF 생성기 제조자와 통신하기가 어려웠다. 이 어려움의 한가지 이유는 플라즈마 안정성의 근본 원인의 이해의 부족에 있다. 사실, 많은 것들이 아직도 플라즈마에 대해 현대 과학으로는 일반적으로 완전히 이해되지 않는다. 또 다른 이유는 해당 프로세스의 플라즈마 안정성에 영향을 미치는 RF 생성기 설계에 관련된 파리미터를 양자화하는데 어렵다를 사실에 관한 것이다.

본 발명의 일 실시형태에 따라, 기술은 RF 생성기 제조자에게 파라미터를 알리고 특정하여, 이들 파라미터가 만족되는 경우, 결과적인 RF 생성기는 해당 프로세스에 대해 안정한 플라즈마를 생성하는 경향이 있다.

고정된 RF 케이블 길이에 대해, 도 17a 에 도시된 바와 같이, 특정 플라즈마는

의 실수부로 소정의 x 축 및

의 허수부로 소정의 y 축으로 플롯상의 포인트로서 나타낼 수 있다. 일 실시형태에 따라, 모든 해당 플라즈마 (즉, 모든 해당 프로세스에 대한 플라즈마) 는 유사하게 플로팅되어, 모든 해당 플라즈마에 대한

의 값을 나타내는 모든 데이터 포인트의 좌표가 획득될 수도 있다.

또한, 소정의 RF 생성기는 안정한 동작 영역을 가지고, 안정한 영역에 대한 플롯은 실험적으로 측정되거나 RF 생성기 제조자로부터 획득될 수도 있다. 예 시적인 RF 생성기에 대해 예시적인 플롯이 도 17b 에 도시된다. 이 생성기에 대해, 음영 영역 내의

의 값을 가진 플라즈마는 안정할 것이다. 음영 영역 외부의

의 값을 가진 플라즈마는 불안정할 것이다. 도 17b 에서, 안정한 영역이 타원형으로 도시되었지만, 실제로는 임의의 형상을 가질 수도 있다. 도 17b 의 케이스에서, RF 생성기 안정한 동작 영역은

의 위상에 관계없이 언제나 안정한 중앙부 (도 17c 의 교차 헷치 (cross-hatched) 영역) 를 가진다. 이 영역 내부의 플라즈마 포인트는 RF 케이블 길이에 관계없이 안정할 것이다. 도 17b 의 생성기 안정한 동작 영역은

의 일부 위상값에 대해 안정하지만, 다른 값에 대해 안정하지 않은 또 다른 부분 (도 17d 의 교차 헷치 영역) 을 가진다. 최종적으로, 생성기는 위상과 관계없이 모든 포인트가 불안정한 영역 (도 17e 의 교차 헷시 영역) 을 가진다. 다른 RF 생성기는 도 17b 내지 도 17e 에 도시된 것들과 형상과 사이즈에서 상이할 수도 있지만, 유사한 영역을 가질 수도 있다.

RF 생성기에 대한 안정한 동작 영역을 나타내는 도 17b 의 플롯과 모든 해당 영역의 플라즈마에 대한

의 값을 나타내는 모든 데이터 포인트의 플롯을 비교함으로써, RF 생성기가 모든 해당 프로세스에 대해 안정한 플라즈마를 생성할지 여부를 예상할 수 있다.

또한, 모든 해당 플라즈마에 대한

의 값을 나타내는 모든 데이터 포인트의 플롯은 생성기에 대한 사양으로서 작용할 수 있다. 이 사양은, 안정한 영역을 가진 생성기는 도 17b 에 도시된 바와 같이, 모든 해당 프로세스에 대한

의 값을 나타내는 모든 데이터 포인트를 포함한다는 것이다. 그 후, 이 정보는 RF 생성기 제조자에 의해 사용되어, 모든 해당 프로세스에 대해 안정한 플라즈마를 생산하는 RF 생성기를 설계한다.

필요한 경우, RF 생성기 제조자는 데이터 포인트의 위상을 특정량만큼 회전시키는 경우 (예를 들어, RF 전송 라인의 길이를 변경함으로써), 제공된 RF 생성기의 안정한 영역이 실제로 모든 해당 플라즈마에 대한

의 값을 나타내는 데이터 포인트 (위상 회전 이후의) 를 포함한다는 것을 나타낼 수도 있다. 위상 회전의 정확한 값은 수학적으로 또는 경험적으로 결정될 수도 있다. 이 정보는 RF 전송 라인에 대한 정확한 길이를 선택하는데 있어, RF 전력 시스템의 설계자에 의해 사용되어, 모든 해당 프로세스에 대해 제공된 RF 생성기로 안정한 플라즈마가 획득될 수도 있다.

부록 A. 임피던스 도함수에 대한 RF 케이블 길이의 효과를 도시하기 위해 RF 케이블에 대한

의 계산.

수학식 1 로부터:

수학식 A1

수학식 A1 은 수학식 A2 로서 재기입될 수도 있다.

여기서

L 은 전송 라인의 길이이고,

은 전송 라인의 RF 파장이다.

수학식 A3

튜닝 포인트에서

이고,

수학식 A4

수학식 A5

수학식 A6

즉, 수학식 A5 에 도시된 바와 같이, 종단 저항 R_M 이 전송 라인 특성 저항 R₀ 와 동일한 경우, 손실없는 전송 라인은 임피던스 도함수의 크기를 변화시키지 않는다. 위상은 케이블의 2 개의 단부 (RF 케이블에 걸친 Z_M 대 Z_T) 에서 변화하지만, 이 변화 (즉, 도함수) 중 크기는 동일하다 (예를 들어, Z_M 에 대한 1 오옴의 변화는 변화 중 크기를 변화시키지 않고 Z_T 에서 1 오옴의 증가 또는 감소를 유발함).

부록 B. L 매칭

의 계산:

도 14 의 L 매칭 네트워크에 대해

수학식 B1

여기서,

은 분로 임피던스이고,

는 직렬 실효 플라즈마 임피던스 Z_S 를 포함하는 수개의 임피던스의 합이다. 미분은 다음과 같다.

수학식 B2

Z_S 는 해당 타임 스케일상에서 변화하는 Z₃ 의 단지 일부이기 때문에,

이다 (즉, 매칭 회로의 응답 시간보다 빠르므로, 따라서, 매칭 캐패시터는 고정된 것으로 가정될 수 있음).

Z_M 이 R_M 과 동일하고, X_M 은 0 와 동일한 상태는 다음과 같다.

수학식 B3

튜닝 포인트에서, + 또는 - 솔루션 중 어느것에 대해

수학식 B4

및

수학식 B5

그 결과, 매칭 네트워크가 플라즈마 임피던스의 실수부 R_S 에 인가한 동일한 크기 팩터는 또한 임피던스 도함수를 동일한 크기 팩터만큼 확대한다. R_S 임의의 퍼센티지의 변화는 임피던스 도함수에서 동일한 퍼센티지의 변화를 유발할 것이다.

그 결과,

를 감소시키기 위해, R_M 을 감소시키거나 R_S 를 증가시킬 수 있다.

부록 C. T 매칭

의 계산 :

도 15 는 T 매칭의 개략도이고, 임피던스 Z₃ 는 캐패시터 C_c 및 C_d, TCP 코일, 및 직렬 등가 플라즈마 부하 임피던스 Z_S 를 포함한다.

수학식 C1

여기서,

및

은 2 개의 매칭 캐패시터이고,

에서, R_S 는 직렬 등가 플라즈마 부하 임피던스의 실수부이다. 우리는 고주파 불안정성 Z₁ 에 관심이 있기 때문에, Z₁ 은 그것의 튜닝 포인트에서 고정된 것으로 간주될 수 있다.

미분은 수학식 C2 와 같다.

Z_S 는 해당 타임 스케일에 따라 변화하는 Z₃ 의 유일한 부분이기 때문에,

이다.

Z_M 은 R_M 과 동일하고, X_M 은 0 과 동일한 상태는 다음과 같다.

수학식 C3

상기 X₃ 의 값을 수학식 C3 에 대입하면, Z_M=R_M 이고 X_M=0 인 경우의 직렬 등가 플라즈마 부하 임피던스에 대한 매칭 입력 임피던스의 도함수를 얻는다.

수학식 C4

수학식 C5

수학식 C6

이것은 수학식 B5 의 L 매칭에서의 결과와 동일하다. 또한, 매칭 네트워크가 플라즈마 임피던스의 실수부 R_S 에 인가하는 확장 팩터는 또한, 동일한 확장 팩터만큼 임피던스 도함수를 확장한다. 또한,

를 감소시키기 위해, R_M 를 감소시키거나, R_S 를 증가시킬 수 있다.

동일한 결과는 또한 π 매칭 네트워크에 대해 획득된다. 간단함의 목적을 위해, 여기서 계산을 반복되지 않는다.

그 결과, 이 발명은 몇몇 바람직한 실시형태의 관점에서 설명되었고, 변형물, 변경물, 및 등가물이 이 발명의 범위에 포함된다. 예를 들어, 매칭 네트워크의 임피던스 소자는 캐패시터로 도시되었지만, 이러한 임피던스 소자는 인덕터 및/또는 인덕터 및 캐패시터 (모두 고정되거나 가변임) 의 조합에 의해 구현될 수도 있다. 또 다른 예로서, 개별 종단 패캐시터 Cd (도 9 에 도시된 바와 같음) 는 모든 챔버 구성에 대해 필요하지 않을 수도 있다.

또 다른 예로서, 예시적인 RF 전력 시스템에서 상부 RF 전극이 RF 전극으로서 논의되었지만, 이 발명은 전극이 바이어스 전극 또는 유도 결합 플라즈마 시스템의 전극과 같은 주요 패캐시터인 경우, 또한 적용된다. 또한, 일부 부품은 옵션적이고 다른 옵션적 및/또는 종래 부품은 도면으로부터 생략될 수도 있다. 부품은 함께 결합된 것으로 도시되고, 나타내고 또는 언급된 바와 같이, 이들 부품은 일부 케이스에서 물리적으로 연결되고, 다른 케이스에서, 중간에 배치된 하나 이상의 부품으로 동일한 전류 경로에서 간단해질 수도 있다.

또한, 여기서 논의된 RF 전력 설비는 RF 전송 라인을 가진 것으로 설명되지만, 이러한 RF 전송 라인은 본 발명을 실시하는데 반드시 필요한 것은 아니다. 예를 들어, 일부 집적 RF 전력 설비는 매칭 네트워크를 RF 생성기에 결합하기 위해 RF 전송 라인의 사용을 요구하지 않을 수도 있다. 또한, 이들 집적 RF 전력 설비는 RF 생성기 출력을 매칭 네트워크에 직접 결합할 수도 있고, 일부 케이스에서, 메칭 네트워크는 RF 부하 (RF 안테나 또는 RF 전극과 같음) 에 직접 연결된다. RF 전송 라인의 존재와 관계없이, 전력과 관련된 부하 임피던스를 감소시키고, 개선된 플라즈마 안정성을 획득하기 위해 부가적인 저항 및/또는 저녁 감쇠기의 사용을 또한 적용한다. 또한, 이러한 집적 RF 전력 설비의 제조자에게 플라즈마 안정성 요구사항을 통지하고, 이 제조자에게 특정 RF 생성기 및/또는 매칭 네트워크가 플라즈마 안정성에 관련된 요구사항을 만족시는지 여부를 결정하는 효과적인 방법을 제공하기 위해 본 발명을 사용하는 것이 가능하다.

본 발명의 방법 및 장치를 구현하는 다수의 대체적인 방법이 존재한다. 따라서, 다음의 첨부된 청구항은 이러한 모든 변경물, 변형물 및 균등물을 포함하며, 본 발명의 진정한 사상 및 범위에 포함되는 것으로 해석된다.

Claims

플라즈마 처리 시스템에서 적어도 플라즈마를 생성하기 위한 사용을 위해 구성된 소정의 무선 주파수 (RF) 생성기를 제조하는 방법으로서,

복수의 데이터 포인트를 수신하는 단계로서, 상기 복수의 데이터 포인트는 상기 플라즈마 처리 시스템과 관련된 소정의 RF 케이블 길이 및 해당 안정 플라즈마 세트에 대한
의 값의 제 1 세트를 나타내고, 상기
의 값의 제 1 세트에서의 항 P_G 는 제 1 RF 생성기의 출력 전력을 나타내며, 상기
의 값의 제 1 세트에서의 항
는 상기 제 1 RF 생성기의 상기 출력 전력에 관련된 부하 임피던스의 도함수를 나타내는, 상기 복수의 데이터 포인트 수신단계;

의 값의 제 2 세트를 획득하는 단계로서, 상기
의 값의 제 2 세트는 상기 소정의 RF 생성기의 안정한 동작 영역에서의
의 값을 나타내고, 상기
의 값의 제 2 세트에서의 항 P_G 는 상기 소정의 RF 생성기의 출력 전력을 나타내며, 상기
의 값의 제 2 세트에서의 항
는 상기 소정의 RF 생성기의 상기 출력 전력에 대한 부하 임피던스의 도함수를 나타내는, 상기
의 값의 제 2 세트를 획득하는 단계; 및

상기
의 값의 제 2 세트가 상기
의 값의 제 1 세트를 실질적으로 포함하도록 상기 소정의 RF 생성기에 대한 설계 파라미터를 변경시키는 단계를 포함하는, 무선 주파수 생성기 제조 방법.
제 1 항에 있어서,

플롯상에
의 값의 제 1 세트를 플로팅하는 단계를 더 포함하고, 상기
의 값의 제 1 세트의 실수부는 상기 플롯의 x 축상에 플로팅되고, 상기
의 값의 제 1 세트의 허수부는 상기 플롯의 y 축상에 플로팅되는, 무선 주파수 생성기 제조 방법.
제 2 항에 있어서,

상기 플롯상에
의 값의 제 2 세트를 플로팅하는 단계를 더 포함하고, 상기
의 값의 제 2 세트의 실수부는 상기 플롯의 x 축상에 플로팅되고, 상기
의 값의 제 2 세트의 허수부는 상기 플롯의 y 축상에 플로팅되는, 무선 주파수 생성기 제조 방법.
제 3 항에 있어서,

상기
의 값의 제 2 세트의 플로팅된 값을 포함하는 상기 플롯상의 제 1 영역이 상기
의 값의 제 1 세트의 플로팅된 값을 포함하는 상기 플롯상의 제 2 영역을 실질적으로 포함하는 경우, 상기
의 값의 제 2 세트는 상기
의 값의 제 1 세트를 실질적으로 포함하는 것으로 간주되는, 무선 주파수 생성기 제조 방법.
제 1 항에 있어서,

상기
의 값의 제 1 세트는 측정된 값의 제 1 세트를 나타내는, 무선 주파수 생성기 제조 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 측정된 값의 세트는 상기 플라즈마 처리 시스템의 매칭 네트워크와 관련된 튜닝 소자 값이 고정되어 있는 동안, 상기 제 1 RF 생성기의 상기 출력 전력을 변경함으로써 획득되는, 무선 주파수 생성기 제조 방법.
제 6 항에 있어서,

상기
의 값의 제 1 세트는 상기 제 1 RF 생성기의 상기 출력 전력이 변경되는 동안, 입력 임피던스 값 Z_M 을 측정하여, 이에 의해
에 대한 값을 획득하고, 상기
에 대한 값을
에 대한 값으로 변환함으로써 획득되는, 무선 주파수 생성기 제조 방법.
제 6 항에 있어서,

상기
에 대한 값을
에 대한 값으로 변환하는 것은 수학식

을 사용하여 수행되고, 여기서
이고, L 은 상기 전송 라인의 길이를 나타내고,
은 상기 전송 라인의 RF 신호의 파장인, 무선 주파수 생성기 제조 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 플라즈마 처리 시스템은 유도 결합 플라즈마 처리 시스템을 나타내는, 무선 주파수 생성기 제조 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 플라즈마 처리 시스템은 용량 결합 플라즈마 처리 시스템을 나타내는, 무선 주파수 생성기 제조 방법.
플라즈마 처리 시스템의 플라즈마 처리 챔버에서 기판을 처리하기 위해 소정의 RF 생성기를 사용하는 경우, 안정한 플라즈마를 획득하는 방법으로서,

상기 소정의 RF 생성기와 상이한 제 1 RF 생성기를 사용하여 복수의 데이터 포인트를 생성하는 단계로서, 상기 복수의 데이터 포인트는 상기 플라즈마 처리 시스템에서 상기 제 1 RF 생성기에 관련된 제 1 RF 케이블 길이 및 해당 안정 플라즈마 세트에 대한
의 값의 제 1 세트를 나타내고,
의 값의 제 1 세트에서의 항 P_G 는 상기 제 1 RF 생성기의 출력 전력을 나타내고,
의 값의 제 1 세트에서의 항
는 상기 제 1 RF 생성기의 상기 출력 전력에 대한 부하 임피던스의 도함수를 나타내는, 상기 복수의 데이터 포인트 생성단계;

의 값의 제 2 세트를 획득하는 단계로서, 상기
의 값의 제 2 세트는 상기 소정의 RF 생성기의 안정한 동작 영역에서의
의 값을 나타내고, 상기
값의 제 2 세트에서의 항 P_G 는 상기 소정의 RF 생성기의 출력 전력을 나타내며, 상기
의 값의 제 2 세트에서의 항
는 상기 소정의 RF 생성기의 상기 출력 전력에 대한 부하 임피던스의 도함수를 나타내는, 상기
의 값의 제 2 세트를 획득하는 단계; 및

상기 소정의 RF 생성기가 상기 플라즈마 처리 시스템과 함께 사용되는 경우, 상기 소정의 RF 생성기로부터의 RF 신호를 컨덕트하기 위해 제 2 RF 케이블 길이를 사용하는 단계로서, 상기 제 2 RF 케이블 길이는 상기
의 값의 제 2 세트가 상기
의 값의 제 1 세트를 실질적으로 포함하도록 선택되는, 상기 제 2 RF 케이블 길이 사용단계를 포함하는, 안정한 플라즈마 획득 방법.
제 11 항에 있어서,

플롯상에 상기
의 값의 제 1 세트를 플로팅하는 단계를 더 포함하 고, 상기
의 값의 제 1 세트의 실수부는 상기 플롯의 x 축상에 플로팅되고, 상기
의 값의 제 1 세트의 허수부는 상기 플롯의 y 축상에 플로팅되는, 안정한 플라즈마 획득 방법.
제 12 항에 있어서,

상기 플롯상에 상기
의 값의 제 2 세트를 플로팅하는 단계를 더 포함하고, 상기
의 값의 제 2 세트의 실수부는 상기 플롯의 x 축상에 플로팅되고, 상기
의 값의 제 2 세트의 허수부는 상기 플롯의 y 축상에 플로팅되는, 안정한 플라즈마 획득 방법.
제 13 항에 있어서,

상기
의 값의 제 2 세트의 플로팅된 값을 포함하는 상기 플롯상의 제 1 영역이 상기
의 값의 제 1 세트의 플로팅된 값을 포함하는 상기 플롯상의 제 2 영역을 실질적으로 포함하는 경우, 상기
의 값의 제 2 세트는 상 기
의 값의 제 1 세트를 실질적으로 포함하는 것으로 간주되는, 안정한 플라즈마 획득 방법.
제 11 항에 있어서,

상기
의 값의 제 1 세트는 측정된 값의 제 1 세트를 나타내는, 안정한 플라즈마 획득 방법.
제 11 항에 있어서,

상기 측정된 값의 세트는 상기 플라즈마 처리 시스템의 매칭 네트워크와 관련된 튜닝 소자값이 고정되어 있는 동안. 상기 제 1 RF 생성기의 상기 출력 전력을 변경함으로써 획득되는, 안정한 플라즈마 획득 방법.
제 16 항에 있어서,

상기
의 값의 제 1 세트는 상기 제 1 RF 생성기의 상기 출력 전력이 변경되는 동안, 입력 임피던스 값 Z_M 을 측정하여, 이에 의해.
에 대한 값을 획득하고, 상기
에 대한 값을
에 대한 값으로 변환함으로써 획득되는, 안 정한 플라즈마 획득 방법.
제 16 항에 있어서,

상기
에 대한 값을
에 대한 값으로 변환하는 것은 수학식

을 사용하여 수행되고, 여기서
이고, L 은 상기 전송 라인의 길이를 나타내고,
은 상기 전송 라인의 RF 신호의 파장인, 안정한 플라즈마 획득 방법.
제 11 항에 있어서,

상기 플라즈마 처리 시스템은 유도 결합 플라즈마 처리 시스템을 나타내는, 안정한 플라즈마 획득 방법.
제 11 항에 있어서,

상기 플라즈마 처리 시스템은 용량 결합 플라즈마 처리 시스템을 나타내는, 안정한 플라즈마 획득 방법.