KR20090068209A - 플라즈마 챔버로 공급되는 파워를 관리하는 시스템 및 방법 - Google Patents

플라즈마 챔버로 공급되는 파워를 관리하는 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

처리 챔버로 전달되는 파워 관리 시스템 및 방법이 기재된다. 일 예에서, 파워는 파워 케이블을 통하여 처리 챔버로 전달되며, 파워 케이블은 에너지를 저장하고 제1 및 제2 전도체를 포함하며, 제1 전도체는 제2 전도체에 상대적인 제1 전압극성을 가진다. 제1 전도체의 전압극성은 제2 전도체에 상대적으로 전환되고, 제1 파워 케이블 극성이 전환될 때 파워 케이블의 저장에너지의 최소 일부는 플라즈마 챔버로 제공된다.

Description

플라즈마 챔버로 공급되는 파워를 관리하는 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR MANAGING POWER SUPPLIED TO A PLASMA CHAMBER}
본 발명은 플라즈마 처리 애플리케이션을 위한 파워 서플라이에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 아크를 제한하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
플라즈마 처리 애플리케이션에 있어서, 전하가 축적된 캐소드 상의 일 지점과 애노드 상의 일 지점 사이에서 방전이 일어날 때 아크가 생성된다. 신속하게 소멸되지 않으면, 아크는 프로세스 및 처리된 필름의 품질에 매우 불리하게 작용된다.
플라즈마 프로세스에서 아크 제어를 위한 종래 접근법은 파워 서플라이에 의해 아크에 공급되는 에너지를 줄이는 것에 초점이 맞추어졌다. 몇몇 파워 서플라이에서는, 아크가 감지되면 턴 오프하여 아크를 소멸시킨다. 이들 종래 접근법의 변형례에서는, 분로 스위치(shunt switch)가 파워 서플라이의 양단에 배치되어, 파워 서플라이 내부에서 인덕터 전류를 순환시키는데 이용되고, 아크가 소멸될 때 분로 스위치는 개방된다. 이런 타입들의 시스템은 어느 정도 유효하나, 현재의 처리 환경에서 자주 요청되는 적절한 아크 완화에는 미치지 못한다.
몇몇 시스템에서, 제2 파워 서플라이가 채용되어, 아크가 발생되는 동안, 플 라즈마 챔버에서 제1 파워 서플라이로부터의 파워를 제거하고, 제1 파워 서플라이의 역극성을 가지는 제2 파워 서플라이로부터의 파워가 플라즈마 챔버로 제공된다. 이러한 시스템들은 상대적으로 신속하게 아크를 소멸시킬 수는 있지만, 제2 파워 서플라이로 인하여 상당한 시스템 추가 비용이 발생되고 고장 위험성이 실질적으로 높아진다.
플라즈마 처리 애플리케이션에 있어 효과적인 것(예컨대, 상대적으로 낮은 파워 및 낮은 전류가 이용되는)으로 입증된 다른 접근법으로는 파워 서플라이 출력에 직렬 접속된 탭(tapped) 인덕터 및 분로 스위치를 이용하는 것이다. 탭 인덕터는 자동 트랜스포머로 기능하여 탭 인덕터 귄수비 함수인 역전압을 제공한다. 탭 인덕터는 더 높은 전류를 취급하고 바람직하게 낮은 누설 인덕턴스를 제공할 수 있으나, 상대적으로 고가이다. 그리고, 충분히 낮은 인덕턴스를 가지는 케이블을 특히 더 높은 전류에서 구현하는 것 역시 고가이다.
프로세스 전류가 증가될수록, 아크에너지를 취급하는 가장 큰 문제점들 중 하나는 출력 케이블에 저장되는 에너지이고, 이것은 케이블에 의해 운반되는 전류 제곱에 비례된다. 문제는, 이러한 저장 에너지는 파워 서플라이에 의해 제어될 수 없고 저장에너지로부터 발생된 전류의 유일한 가능 경로는 아크 방향이다. 결과적으로, 저장에너지로부터의 전류는 실제로 아크 수명을 연장시킬 수 있고 아크로 인한 (예컨대, 워크 피스 및/또는 챔버로의) 손상이 심해질 수 있다. 저장에너지를 최소화하는 케이블 설계 (예컨대, 케이블 인덕턴스 최소화에 의한)는 고비용일 수 있고 길이, 절연성, 와이어 사이즈 및 비용과 같은 제한요인들과 조화될 때 제조하 는 것은 비현실적이다.
기존의 장비들은 많은 애플리케이션에 있어 실용적이나, 많은 구현례에 충분하지 못하거나 만족스럽지 않다. 따라서, 종래 기술의 단점을 해결하고 새로우면서 개량적인 특성을 제공하기 위한 시스템 및 방법이 요구된다.
이하, 도면에 도시된 본 발명의 예시적 실시예들이 요약된다. 이들 및 기타 실시예들은 상세한 설명에서 더욱 충분히 기술된다. 그러나, 본 발명의 요약 또는 상세한 설명에 기재된 형태로 본 발명을 제한하는 것은 아니다. 당해 분야의 기술자들은 청구범위에 표현된 본 발명의 사상 및 범위 내에 속하는 다양한 변경, 균등 및 다른 구성이 가능하다는 것을 이해할 것이다.
본 발명은 처리 챔버에 전달되는 파워를 관리하기 위한 시스템 및 방법을 제공한다. 일 실시예에서, 에너지를 저장하고, 제1 및 제2 전도체를 포함하는 파워 케이블을 통하여 파워가 처리 챔버로 전달되고, 제1 전도체는 제2 전도체에 상대적인 제1 전압 극성을 가진다. 이 실시예에서, 제2 전도체에 상대적인 제1 전도체의 전압 극성은 전환되며, 제1 파워 케이블 극성이 전환되면서, 파워 케이블의 저장에너지의 적어도 일부는 플라즈마 챔버로 제공된다.
상기한 바와 같이, 상기 실시예들 및 구현례들은 예시만을 위한 것이다. 하기 상세한 설명 및 청구범위들로부터 당해 분야의 기술자들은 다양한 기타 예들, 구현 및 상세한 설명들을 용이하게 인식할 것이다.
첨부 도면들과 함께 발명의 상세한 설명 및 청구범위를 참조할 때 본 발명의 다양한 목적들 및 장점들 및 더욱 완전한 이해가 명백하여 질 것이다.
도 1은 본 발명의 예시적 실시예를 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 다른 예시적 실시예를 도시한 블록도이다.
도 3은 도 1 및 2의 아크 관리 모듈의 일 실시예를 도시한 블록도이다.
도 4는 도 1 및 2의 아크 관리 모듈의 다른 실시예를 도시한 블록도이다.
도 5A 내지 도 5H는 도 3 및 4의 전압 전환 모듈의 예시적 실시예를 도시한 개략도이다.
도 6은 많은 예들에 의한 방법을 도시한 흐름도이다.
여러 도면들을 통하여 동일 또는 유사 요소들은 동일 참조부호로 표기된 도면을 참조할 때, 특히 도 1을 참조하면 블록도(100)는 본 발명의 일 실시예를 도시한다. 파워 서플라이 유닛(102)은 서플라이 케이블(106)을 통하여 플라즈마 챔버(104)에 접속된다. 도시된 바와 같이, 파워 서플라이 유닛(102)은 파워 모듈(108)을 포함하며, 이것은 아크 관리 모듈(110)과 접속되고, 아크 관리 모듈(110)은 서플라이 케이블(106)의 제1 전도체(112) 및 제2 전도체(114)와 접속된다. 또한 제어모듈(122)이 도시되며, 이것은 파워 모듈(108) 및 아크 관리 모듈(110) 양자와 접속된다.
많은 실시예들에서, 파워 모듈(108)은 플라즈마 챔버(104) 내 플라즈마를 점화시키고 유지하기에 충분한 수준의 DC 전압을 제공하는 스위칭 파워 서플라이이 다. 일반적으로 플라즈마는, 도시되지는 않지만 당해 분야 기술자에게 공지된 워크 피스(work piece)를 처리하기 위하여 사용된다. 일 실시예에서, 파워 모듈(108)은 벅 토폴로지(buck topology)에 따라 형성되나 필수적인 것은 아니며 기타 예에서 파워 모듈(108)은 임의의 기타 실행 가능한 파워 서플라이 토폴로지를 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 파워 모듈(108)은 제1 라인(118)을 통하여 아크 관리 모듈(110)로 부전압을 제공하며, 제2 라인(120)을 통하여 아크 관리 모듈(110)로 정전압을 제공한다. 제1 동작 모드에서, 아크 관리 모듈(110)은 파워 서플라이(102)의 제1 출력단(111)으로 부전압을 제공하며 제2 출력단(121)으로 정전압을 제공한다.
단순성을 위하여 케이블(106)은 한 쌍의 전도체(112, 114)로 도시되나, 많은 예들에서 케이블(106)은 파워 서플라이 유닛(102)을 플라즈마 챔버(104)로 접속시키는 두 전도체 동축 케이블들의 묶음(collection)으로 구현된다. 다른 예에서, 케이블(106)은 하나 이상의 꼬임 쌍선 케이블(twisted-pair cable)로 구현된다. 또 다른 예에서, 케이블(106)은 단순 전도체 훅업(hookup) 및 쿼드러폴(quadrapole) 접속을 포함한 임의의 케이블 네트워크로 구현될 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. 도시된 바와 같이, 케이블(106)은 편의상 단일 인덕터(116)로 도시된 인덕턴스를 포함하며, 결과적으로, 플라즈마로 전류를 운반하는 전도체(112, 114)에 의해 케이블(106)은 에너지를 저장할 수 있다.
통상, 실시예에서의 아크 관리 모듈(110)은 케이블 인덕턴스(116)에 의해 저장된 에너지를 이용하여 챔버(104)에 인가되는 전압을 전환시켜, 정전압이 제1 단 자(111)에 인가되고, 부전압이 제2 단자(121)에 인가된다. 이러한 방식으로, 아크 관리 모듈(110)은 아크 발생을 방지하고 및/또는 플라즈마 챔버에서 파워를 단순히 제거하는 시스템보다 더욱 신속하게 아크를 소멸시킨다.
예컨대 일 예에서, 아크 관리 모듈(110)은 챔버(104) 내부의 아크를 감지하고 감지된 아크에 응답하여 케이블(106)로부터 에너지를 수용하고, 역극성을 생성시키고, 역극성을 챔버(104)로 제공하여 감지된 아크를 소멸시킨다. 다른 예에서, 아크 관리 모듈(110)은 주기적으로 파워 서플라이(102) 출력에서 제공되는 극성을 전환시켜 아크 발생 억제에 조력할 수 있다.
이 실시예에서 제어 모듈(122)은 파워 모듈(108) 및 아크 관리 모듈(110) 양자의 하나 또는 그 이상의 특성들을 제어한다. 예컨대, 제1 동작 모드에서, 제어 모듈(122)은 파워 모듈(108)이 제1 극성(예컨대, 제1 출력단자(111)에서 부전압 및 제2 출력단자(121)에서 정전압)으로 파워가 전달되도록 제어한다. 제2 동작 모드로 전환될 때(예컨대 아크 감지에 응답하거나 주기적인 클럭 신호에 응답하여), 이 실시예에서 제어 모듈(122)은 파워 모듈(108)을 임시로 비활성화시키고 아크 관리 모듈(110)이 케이블(106) 및/또는 챔버로부터의 전류경로에 있는 기타 유도성 소자들로부터 에너지를 수용하고, 에너지를 이용하여 역극성 전압 (예컨대 제1 출력단자(111)에서 정전압 및 제2 출력단자(121)에서 부전압)이 되도록 한다.
유리하게는, 플라즈마에 역전압을 제공하기 위하여 제2 전원을 구현하는 종래 기술과는 달리, 본 실시예는 역전압을 생성시키기 위하여 서플라이 케이블(116)로부터 현존 에너지를 이용한다. 따라서 재료 비용을 줄일 수 있고 신뢰성을 높일 수 있다. 또한, 더욱 기재될 몇몇 변형례들에서, 아크 관리 모듈(110)은 전형적인 파워 서플라이에 이미 내재되어 이용 가능한 하나 이상의 보호소자들을 이용함으로써, 아크 관리 모듈(110)을 구현하는 것은 기존의 파워 서플라이 설계에 거의 비용을 추가시키지 않는다.
또한, 본 발명의 실시예들은 종래 기술의 심각한 문제점, 예를 들어, 출력 케이블 및 챔버로 또는 챔버로부터의 전류 경로에 있는 기타 유도성 소자들에 저장된 에너지를 실제로 이용한다. 몇몇 처리 애플리케이션에 있어서, 챔버로 제공되는 전류는 1000암페어 가까이 또는 이상일 수 있고, 유도성 요소들에 저장되는 에너지는 전류 제곱에 비례하므로, 이러한 고전류 애플리케이션에서 저장에너지는, 적절히 취급되지 않으면, 워크 피스 및/또는 챔버에 손상을 일으킬 수 있다. 유리하게는, 본 발명의 많은 예들은 현실적으로 저장에너지를 이용하여 역극성을 생성시키고, 챔버에 인가되므로 실질적으로 아크 소멸 속도를 줄일 수 있다. 출력 케이블에 저장된 에너지는 더 이상 유해하지 아니하므로, 사용되는 출력 케이블 타입은 중요하지 않다. 예컨대, 상술한 탭 인덕터 접근법과는 달리, 출력 케이블 인덕턴스는 최소화될 필요가 없고; 따라서 설계상 선택이 더욱 넓어지게 하여, 탭 인덕터 접근법에 비해 실질적인 비용 절감이 가능하다.
도 1에 도시된 바와 같이, 많은 예들에서 아크 관리 모듈(110)은 파워 서플라이(102)의 요소로 일체화되지만, 필수적인 것은 아니고, 도 2에 도시된 바와 같이, 다른 예들에서 아크 관리 모듈(200)은 기존 파워 서플라이(202)에 부속품 (201)(예컨대, 개장품으로) 일부로 추가될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 부 속품(201)의 인덕터(204)가 파워 서플라이(202)의 제1 출력(218)과 직렬로 배치되어 파워 서플라이(202)와 아크 관리 모듈(200)간의 상호운용성(interoperability)을 향상시킨다.
예컨대 파워 서플라이(202) 관점에서, 인덕터(204)는 파워 서플라이(202)로 하여금 아크 관리 모듈(200)이 파워 서플라이(202)를 차단시킬 수 있는 아크로서 간주하지 않도록 조력한다. 더욱 논의되는 바와 같이, 예컨대, 여러 예들에서 아크 관리 모듈(200)은 노드(219) 및 파워 서플라이(202) 제2 출력(220) 사이에 배치되는 분로 스위치를 포함한다. 이들 예에서, 인덕터(204)는, 분로 스위치가 닫힐 때, 파워 서플라이(202)가 단락되지 않도록 조력한다. 아크 관리 모듈(200) 관점에서, 인덕터(240)는, 아크 관리 모듈(200)이 챔버((104))에 역극성 전압을 제공할 때, 아크 관리 모듈(200)이 파워 서플라이(202)로부터 수용하는 전류량을 제한하도록 조력하는 임피던스를 제공한다. 또한, 인덕터(204) 및 도 1에 도시된 인덕터(130)는, 전압감지수단에 의해 아크 관리 모듈(110, 200) 내에서 신속한 아크 감지를 가능하게 하는, 각각의 유도 전압 분압기의 일부이다.
다음 도 3을 참조하면, 도 1 및 2에 도시된 아크 관리 모듈(110, 200)의 일 예의 블록도(300)가 도시된다. 도시된 바와 같이, 이 실시예에서 아크 관리 모듈(300)은 제1 입력(304)과 제2 입력(306) 사이에 접속된 분로 스위치(302) 및 제1 입력단자(304)와 제1 출력단자(307) 사이에 직렬 접속된 전압 전환 모듈(308)을 포함한다. 도시된 바와 같이, 이 실시예에서 제1 입력(304)은, 예시적 목적으로, 제2 입력(306)에 상대적으로 부전압을 포함하며, 제2 입력(306)은 또한 제2 출력(310) 에 접속된다. 전압 전환 모듈(308)은 아크 관리 모듈(300)의 부가지(negative leg)(즉, 제1 입력(304)과 제1 출력(307) 사이의 경로)를 따라 배치되는 것으로 도시되지만, 필수적인 것은 아니며, 다른 예에서 전압 전환 모듈(308)은 아크 관리 모듈의 정가지(positive leg)(즉, 제2 입력(306)과 제2 출력(310) 사이의 경로)에서 동작될 수 있다.
또한 도 3에서는 분로 스위치(302) 및 전압 전환 모듈(308)과 연결된 제어 모듈(312)이 도시된다. 도시된 이들 소자의 배열은 논리적인 것이며 실제 하드웨어 다이어그램을 의미하지 않는다. 예컨대, 몇몇 예에서 제어 모듈(312) 소자들을 분배되며, 일 실시예에서 제어모듈(312)은, 일부로써 또는 전체로써, 도 1에 기재된 제어 모듈(122)로 구현된다.
이 실시예에서 분로 스위치(302)는, 닫히는 경우, 제1 및 제2 입력(304, 306)을 단락시켜 전압 전환 모듈(308)을 출력단들(307, 310) 양단에 배치되도록 함으로써 파워 모듈(108) 또는 파워 서플라이(202)로부터 추가적인 전류가 챔버 (104)로 흐르는 것을 제한하거나 방지한다. 몇몇 예에서 분로 스위치(302)는 절연게이트바이폴라 트랜지스터(IGBT; insulated gate bipolar transistor)로 구현되고, 다른 예에서는 전계효과트랜지스터(FET; field effect transistor)로 구현된다. 또 다른 예에서 분로 스위치(302)는 통합게이트정류사이리스터(IGCT; Integrated Gate Commutated Thysitor), 금속산화물 반도체 제어 사이리스터(MCT; metal-oxide semiconductor-controlled thyristor), 바이폴라 스위치 또는 실리콘제어 정류기로 구현될 수 있다.
본원에서 기재된 여러 실시예들은 인덕터 전류 (예컨대, 파워 모듈(108)의 인덕턴스(130)로부터)를 관리하기 위하여 분로 스위치를 포함하지만, 인덕터 전류 효과를 완화시키거나 인덕터 전류가 챔버에 도달되지 않도록 하기 위하여 기타 소자들이 구현될 수도 있다.
포괄적으로, 전압 전환 모듈(308)은 제1 동작 모드에서는 제1 극성의 전압 (예컨대, 제2 출력단(310)에 상대적인 제1 출력단(307)에서의 부전압)을, 제2 동작 모드에서는 역전압(예컨대, 제2 출력단(310)에 상대적인 제1 출력단(307)에서 정전압)을 제공한다. 더욱 상세하게는, 제1 동작 모드에서, 제1 극성의 플라즈마 유지 전압은 제1 및 제2 출력단(307, 310) 양단에 걸려 있고, 전압 전환 모듈(308)은 챔버 (104)로부터의 리턴 경로에서 제1 출력단(307)을 통하여 제1 입력단(304)으로 전류를 운반한다. 제2 동작 모드에서, 전압 전환 모듈(308)은 서플라이 케이블(106)로부터 저장에너지를 수용하고, 저장에너지를 이용하여 역전압을 발생시켜 출력단들 (307, 310) 양단에 인가시켜 챔버(104) 내부에서 아크를 방지 및/또는 소멸에 조력한다.
이 실시예에서 제어모듈(312)은 일반적으로 분로 스위치(302) 및 전압 전환 모듈(308)을 제어하여, 아크 관리 모듈(300)은, 제1 동작모드에서는 제1 극성의 전압을 서플라이 케이블(106)로 제공하며, 제2 동작 모드에서는 역전압을 서플라이 케이블(106)로 제공한다. 예컨대 도 1에 기재된 실시예에서, 제1 동작모드 동안, 파워 모듈(108)로부터의 파워는 제1 극성으로 챔버(104)에 제공되며, 도 2에 기재된 실시예에서, 파워 서플라이(202)로부터의 파워는 제1 극성으로 챔버(104)에 제 공된다.
제2 동작 모드를 개시하기 위하여 (예컨대, 아크 감지에 응답하거나 클럭 신호에 응답하여), 제어모듈(312)은 분로 스위치(302)를 폐쇄시킨다. 분로 스위치(302) 폐쇄와 동시에 또는 연이어, 제어모듈(312)은 전압 전환 모듈(308)로 하여금 서플라이 케이블(106)로부터 에너지를 수용하고 출력단들(307, 310) 양단에 인가되는 제1 극성과 반대 극성의 전압으로 충전되도록 한다. 다른 예에서, 전압 전환 모듈(308)은 분로 스위치 개방에 앞서 서플라이 케이블(106)로부터 에너지를 수용한다.
몇몇 예들에서 제어모듈(312)은 메모리에 저장된 프로세서 판독가능 명령들 및 명령을 수행하는 프로세서의 조합으로 구현되나, 필수적인 것은 아니며 다른 예들에서 제어모듈(312)은 하드웨어로 구현된다. 변형 예에서, 제어모듈(312)은 또한 아크 감지 소자들(미도시)을 포함하며, 이것은 관련 제어 로직뿐 아니라 전류 변환기 및/또는 전압 변환기를 포함할 수 있다.
다른 예들에서, 제어모듈(312)은 주파수 발생 소자들을 포함하여, 제1 및 제2 동작 모드 사이에서 분로 스위치(302) 및 전압 전환 모듈(308)을 전환(switching)시킬 수 있는 주기적 클럭 신호들을 보낼 수 있다. 예컨대 몇몇 예들에서, 제어모듈(312)은 분로 스위치(302) 및 전압 전환 모듈(308)에 예컨대 특정의 애플리케이션에 따라 약 500Hz 내지 500kHz의 스위칭 펄스를 제공할 수 있다.
또 다른 예에서 제어모듈(312)은 아크 감지에 응답하면서 분로 스위치(302) 및 전압 전환 모듈(308)에 스위칭 펄스를 제공할 수 있다. 이러한 예들에서, 전압 전환 모듈(308)은 아크를 방지하면서 아크가 발생될 때 아크에 응답하도록 작동된다.
전압 전환 모듈(308)은 역전압을 발생시키기 위하여 서플라이 케이블(106)로부터의 에너지를 이용하는 것으로 일반적으로 기재되지만, 몇몇 예에서 (예컨대, 고전류 구현), 상당한 양의 에너지는, 서플라이 케이블(106), 플라즈마 챔버(104) 및 전압 전환 모듈(308)을 포함한, 분로 스위치의 정 및 부 단자들 사이에 형성되는 루프의 인덕턴스에도 저장된다. 또한, 플라즈마 챔버로 또는 챔버부터의 전류 흐름 결과로 저장되는 에너지를 이용하는 다른 구현예들을 고려할 수 있다.
예컨대 도 4를 참조하면, 도 1 및 2에 도시된 아크 관리 모듈(110, 200)의 다른 예의 블록도(400)가 도시된다. 도시된 바와 같이, 이 실시예에서 아크 관리 모듈(400)은, 전압 전환 모듈(308)과 제1 출력단(307) 사이에 배치된 인덕터(402)를 제외하면 도 3에 도시된 아크 관리 모듈과 동일하게 형성된다.
작동에 있어서, 전류가 챔버(104)로부터 전압 전환 모듈(308)을 통하여 제1 입력(304)으로 되돌아 흐를 때인 제1 동작 모드에서 인덕터(402)는 에너지를 저장한다. 제2 동작 모드에서, 전압 전환 모듈(308)은 인덕터(402 및 116)로부터의 저장에너지를 이용하여 역전압을 발생시키고, 이것은 출력단들(307, 310) 양단에 인가되어 챔버(104) 내부에서의 아크 억제 및/또는 소멸에 조력한다.
이 실시예의 일 변형례에서, 인덕터(402)에 저장된 에너지가 케이블(106)에 저장된 에너지보다 실질적으로 더 크도록 인덕터(402) 용량을 가지고, 이 결과, 서플라이 케이블(106)로부터는 역전압 발생을 위한 상대적으로 적은 에너지가 유래된 다.
다음 도 5A 내지 도 5H를 참조하면 도 3 및 4의 전압 전환 모듈들의 예시적 실시예들의 개략도가 도시된다. 도 5A에 도시된 예에서, 직렬 스위치 S2는 캐패시터 C1 및 다이오드 D1의 직렬 조합과 병렬로 도시된다. 또한, 직렬 스위치 S2는 제1 저항 R1, 제2 저항 R2 및 제2 다이오드 D2의 직렬 조합과 병렬로 배치된다. 도시된 바와 같이, 제1 저항 R1 및 제2 다이오드 D2의 직렬 조합은 제1 다이오드 양단에 걸리도록 배치된다.
몇몇 예에서, 직렬 스위치 S2는 절연게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)로 구현되며, 다른 예에서 전계효과트랜지스터(FET)로 실시된다. 또 다른 예에서 직렬 스위치 S2는 통합게이트 정류사이리스터(IGCT), 금속산화물 반도체제어 사이리스터(MCT), 바이폴라 스위치 또는 실리콘제어 정류기로 구현될 수 있다. 실시예에서 다이오드 D1 및 D2는 고속 리커버리 다이오드이다.
이 실시예에서 캐패시터 C1 용량은 충분히 커서 케이블(106)로부터 에너지를 저장하고, 직렬 스위치 S2 양단에 위험전압을 유발시키지 않고 출력단들(307, 310) 양단에 전압 전환을 일으킨다. 또한, 캐패시터 C1은 캐패시터 C1 및 서플라이 케이블(106)의 인덕턴스(116) 사이의 공진주파수가 케이블 전류를 제로로 링 아웃 하도록 조력할 수 있는 용량이다. 포괄적으로, 캐패시터 C1 양단에 더 높은 전압 상승이 허용될수록, 아크는 더 신속하게 소멸되고 아크에너지는 더욱 낮아진다.
캐패시터 C1 값과 관련되어, 최소값은
Figure 112009015250499-PCT00001
에 의해 계산되며, 여기서, VClmax는 최대 소망 역전압이고 Imax는 출력 케이블(106)을 통과하는 최대 출력 전류이다. 케이블 전류가 제로 암페어에 이르는 시간은, 케이블 인덕턴스(116)가 루프 인덕턴스를 좌우한다고 가정하면, 대략
Figure 112009015250499-PCT00002
Tring 는 링 아웃 시간이고 L_cable 는 서플라이 케이블(106)의 인덕턴스이다. 결과적으로, C1은 역 스퍼터링(sputtering)을 방지하기 위하여 챔버에 유효한 역전압이 인가되도록 설정될 수 있는 VClmax를 포함한 여러 인자들에 기초하여 용량이 결정될 수 있다. 예컨대 몇몇 예에서, VClmax는 약 150V 이하 전압으로 제한된다. C1, Imax 및 VClmax에 대한 소정 값들은 제한적이지는 않지만 특정 애플리케이션, 사용 케이블 종류 및 챔버 종류를 포함하는 여려 인자들에 따라 변할 수 있고, 일 실시예에서 Imax는 1000A이고 VClmax는 150V 이하이면서, C1은 13 마이크로 패럿 캐패시터로 구현될 수 있다.
작동에 있어서, 분로 스위치(302) (도 3 및 4에 도시)가 닫히면, 캐패시터 C1 은 출력단(307, 310) 양단에 배치되므로 직렬스위치 S2 가 개방될 때 서플라이 케이블(106)로부터의 에너지는 D1을 통하여 캐패시터 C1을 충전시킨다. 다른 예에서 분로 스위치(302)가 폐쇄된 직후 직렬스위치 S2가 개방되고 다른 예에서는 분로 스위치(302) 닫힘과 동시에 직렬스위치 S2가 개방된다. 또 다른 예에서, 분로 스위치(302)가 닫히기 바로 직전에 직렬스위치 S2가 개방된다.
캐패시터 C1가 충전되면, 출력단들(307, 310) 양단에 역전압 (예컨대, 제2 출력단(310)에 상대적인 제1 출력단(307)에서의 정전압)이 걸리고, 역전압은 서플라이 케이블(106)을 통하여 챔버 (104)에 인가된다. 따라서 챔버에 공급되는 전류를 단순히 제한하는 시스템에 비하여 더욱 신속하게 챔버 전류를 감소시킨다. 이 실시예에서 직렬스위치 S2 는 여전히 개방되어 있으면서도 제1 저항 R1 은 서플라이 케이블(106)에 저장된 에너지를 방출시키기 시작하고, 직렬스위치 S2가 폐쇄되면 제2 저항은 캐패시터 C1을 방전시킨다.
다음 도 5B를 참조하면, 다른 예의 전압 전환 모듈이 도시되며, 실질적으로 아크에너지에 영향을 주지 않으면서 출력단들(307, 308)에서 전압 전환을 제한하는 블로킹 다이오드 D3를 포함한다. 필수적이지는 않지만, 다른 예에서 블로킹 다이오드 D3은 도 5C 내지 도 5H에 도시된 전압 전환 모듈에 부가될 수 있다. 블로킹 다이오드를 부가하면, 더 높은 VClmax가 챔버에 인가될 수 있고, 이를 통하여 아크에너지를 낮추고 Tring를 줄일 수 있다; 따라서 챔버의 애노드 상에서의 역 스퍼터링 방지에 조력할 수 있다.
도 5C에 도시된 바와 같이, 일 실시예에서 전압 전환 모듈은 도 5A에서 기재된 제2 저항 R2 및 제2 다이오드 D2 없이 구현된다. 결과적으로, 이 실시예에서, 캐패시터 C1은 R1을 통하여 방전된다.
도 5D를 참조하면, 도 5A에서 기재된 제1 저항 R1이 제거된 전압 전환 모듈이 도시되며, 캐패시터 C1 은 제2 저항 및 제2 다이오드를 통하여 방전된다.
도 5E 에서는, 저항 R1에 직렬 접속된 제너 다이오드 D4를 포함한 전압 전환 모듈이 도시되며, 캐패시터 C1 양단 전압이 실질적으로 고정된 전압으로 유지되고, 몇몇 실시예에서는 피크 전압으로 유지된다.
도 5F를 참조하면, 직렬스위치 S2와 병렬로 배열된 캐패시터 C1 및 다이오드 D1의 직렬 조합만을 포함하는 전압 전환 모듈이 도시된다.
도 5G에 도시된 바와 같이, 일 실시예에서 방전 모듈이 캐패시터 C1 양단에 접속되어 C1에 저장된 에너지를 파워 서플라이(예컨대, 파워 서플라이(202))의 출력으로 방전시킨다.
다음, 도 5H를 참조하면, 도 5A에 기재된 전압 전환 모듈과 유사하지만, 제너 다이오드가 C1 및 R1과 병렬로 배열되어 C1 양단 전압을 제한하는 예가 도시된다. 일 변형례에서, 예컨대, C1 양단 전압은 150V 이하의 전압으로 제한된다.
다음, 도 6을 참조하면, 파워를 플라즈마 챔버로 전달하기 위한 방법의 단계들을 나타내는 흐름도가 도시된다. 도 6을 참조하면, 예시적 목적을 위하여 도 1 내지 도 5에서 기재된 예들이 동시에 참조되지만 도 6에서 보이는 방법은 상기 특징 예들로 제한되는 것은 아니다. 도 6에 도시된 바와 같이, 파워는 제1극성을 가지고 서플라이 케이블(예컨대, 서플라이 케이블(106))을 통하여 플라즈마 챔버 (예컨대, 플라즈마 챔버 (104))로 전달되며(블록 602), 만일 아크 완화 또는 아크 방지가 요망되면(블록 604), 챔버로 전달되는 제1극성의 전류는 제한된다(블록 606).
일 실시예에서, 아크가 감지되면 바람직한 아크 완화로 이어지며, 이 결과, 이 실시예에서 아크가 감지될 때 제1극성의 챔버 전달 전류는 제한된다. 다른 예에서, 아크 형성을 방지하기 위하여, 제1극성의 챔버 전달 전류가 주기적으로 제한되는 것이 바람직하다. 이러한 다른 예들에서, 블록들 606 내지 610은 초당 여러 번 실행될 수 있다(예컨대 500Hz 내지 500KHz 사이).
플라즈마 챔버로의 전류를 제한하는 것에 더하여, 서플라이 케이블로부터의 에너지는, 최소한 임시적으로, 플라즈마 챔버에서 역극성 전압을 발생시키도록 이용되며(블록 608), 전압은 역극성을 가지고 플라즈마 챔버에 인가된다(블록 610). 도시된 바와 같이, 역극성을 가지고 전류가 챔버로 전달된 후(블록 610), 파워는 다시 제1극성으로 챔버로 전달된다(블록 602).
결론적으로, 본 발명은, 무엇보다도, 플라즈마 처리 챔버로 제공되는 파워를 관리하기 위한 시스템 및 방법을 제공한다. 당해 분야의 기술자들은 본 발명에서 다양한 변형 및 대체들이 가능하며, 본원에서 기재된 실시예들에 의해 달성되는 것과 실질적으로 동일한 결과를 달성하기 위한 적용 및 구성들을 용이하게 인식할 것이다. 따라서, 개시된 예시적 형태로 본 발명이 제한되는 것은 아니다. 많은 변형, 변경 및 다른 구성들은 청구범위로 표현된 개시 발명의 범위 및 사상에 속한다.

Claims (17)

  1. 에너지를 저장하고 제1 및 제2 전도체를 포함하는 파워 케이블을 통하여 파워를 처리 챔버로 전달하는 단계로서, 상기 제1 전도체는 상기 제2 전도체에 상대적인 제1 전압극성을 가지는 단계; 및 상기 제2 전도체에 상대적인 제1 전도체의 전압극성을 전환시키고, 상기 제1 전도체의 극성이 전환된 상태로 파워 케이블 저장 에너지의 적어도 일부를 플라즈마 챔버로 제공하는 단계를 포함하는, 처리 챔버로 전달되는 파워 관리 방법.
  2. 제1항에 있어서, 플라즈마 챔버 내부 아크를 감지하는 단계를 포함하며,
    전환시키는 단계는 아크 감지에 응답하여 개시되는, 처리 챔버로 전달되는 파워 관리 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제2 전도체에 상대적인 제1 전도체의 전압극성을 주기적으로 전환시키는 단계를 포함하는, 처리 챔버로 전달되는 파워 관리 방법.
  4. 제1항에 있어서, 전환시키는 단계는, 상기 제2 전도체에 상대적인 제1 전도체 전압극성을 전환시키기 위하여 파워 케이블의 저장에너지를 이용하는 단계를 포함하는, 처리 챔버로 전달되는 파워 관리 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제1 전도체에 직렬로 배치되는 제1 스위치를 개방하는 단계를 포함하며, 상기 제1 스위치가 개방될 때, 저장 에너지의 적어도 일부가 충전되며, 충전은 제1 극성으로부터 전환된 극성인, 처리 챔버로 전달되는 파워 관리 방법.
  6. 제1 및 제2 출력단자들;
    상기 제1 및 제2 출력단자들로 제1 극성의 전압을 제공하며, 제1 및 제2 출력단자들 각각은 플라즈마 챔버 서플라이 케이블의 두 전도체들 중 상응되는 것과 연결되는 파워 모듈; 및
    상기 제1 및 제2 출력단자들과 접속되며, 상기 플라즈마 챔버 서플라이 케이블에 저장된 에너지를 이용하여, 상기 제1 및 제2 출력단자들 양단에 걸리는 제1극성과 반대인 극성을 가지는 역전압을 제공하는 아크 관리 모듈을 포함하는, 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 아크 관리 모듈은, 상기 제1 및 제2 출력단자들로 역전압을 제공하면서, 상기 파워 모듈로부터의 전류를 분로(shunt)하도록 형성되는, 장치.
  8. 제6항에 있어서, 상기 아크 관리 모듈은, 아크 감지 신호 수신에 따라 상기 제1 및 제2 출력단자들로 역전압을 제공하도록 형성되는, 장치.
  9. 제6항에 있어서, 상기 아크 관리 모듈은, 상기 제1 및 제2 출력단자들로 역전압을 주기적으로 제공하도록 형성되는, 장치.
  10. 제6항에 있어서, 상기 아크 관리 모듈은,
    제1 및 제2 출력단자들 사이에 접속되며, 파워 모듈과 병렬로 배치되어 닫히면 파워 모듈로부터 전류를 분로시킬 수 있는 분로 스위치;
    제1 전도체와 직렬 배치되며, 상기 제1 및 제2 출력단자들이 제1 극성을 가지는 동안 직렬 스위치를 통하여 파워 모듈로부터 제1 전도체로 전류를 운반하며, 상기 직렬 스위치가 개방될 때 플라즈마 챔버 서플라이 케이블에 저장된 에너지를 수용하여 역전압을 생성시킬 수 있는 전압 전환 모듈; 및
    상기 분로 스위치를 폐쇄시키고 상기 직렬 스위치를 개방시켜 상기 전압 전환 모듈이 역전압을 생성할 수 있도록 하는 제어모듈을 포함하는, 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 전압 전환 모듈은, 직렬스위치와 병렬 배치되는 캐패시터를 포함하고 플라즈마 챔버 서플라이 케이블에 저장된 에너지 수용에 응답하여 충전되고, 충전에 따라 제1 및 제2 출력단자 양단에 역전압이 인가되도록 형성되는, 장치.
  12. 제11항에 있어서, 캐패시터와 직렬인 다이오드를 포함하며, 상기 직렬 스위치가 개방될 때 상기 다이오드는 캐패시터 충전이 최대에 이르도록 형성되는, 장 치.
  13. 양단에서 제1 극성인 전압을 수용하는 제1 및 제2 입력단자;
    플라즈마 챔버 서플라이 케이블의 제1 전도체와 연결되는 제1 출력단자, 및 제2 입력단자와 접속되고 플라즈마 챔버 서플라이 케이블의 제2 전도체와 연결되는 제2 출력단자;
    닫힐 때 최소한 두 출력단자들로부터 전류를 분로시킬 수 있도록 형성된 분로 스위치;
    상기 제1 입력단자와 제1 출력단자 사이에 접속되며, 제1 동작모드에서 동작될 때 상기 제1 입력단자로부터 제1 출력단자로 전류를 운반하여 제1 및 제2 출력단자 양단에 제1 극성의 전압을 제공하며, 제2 동작모드에서, 상기 분로 스위치가 폐쇄될 때 플라즈마 챔버 서플라이 케이블로부터의 에너지를 이용하여 제1 및 제2 출력단자 양단에 제1 극성과 반대의 극성을 가지는 역전압을 발생시키도록 형성되는 전압 전환 모듈; 및
    상기 분로 스위치를 폐쇄시키고 전압 전환 모듈을 제2 동작 모드에서 작동시켜 상기 전압 전환 모듈이 제1 및 제2 출력단자 양단에 역전압을 발생하도록 형성되는 제어부를 포함하여 구성되는, 장치
  14. 제13항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 분로 스위치를 폐쇄시키고 플라즈마 챔버 서플라이 케이블의 제1 및 제2 전도체 양단에 감지되는 아크에 응답하여 전압 전환 모듈을 제2 동작 모드에서 작동하도록 형성되는, 장치.
  15. 제13항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 분로 스위치를 주기적으로 폐쇄시키고 전압 전환 모듈을 제2 동작 모드에서 작동하도록 형성되는, 장치.
  16. 제13항에 있어서, 상기 전압 전환 모듈은,
    상기 제1 입력단자와 제1 출력단자 사이에 직렬로 배치되며, 제1 동작 모드 동안, 폐쇄되어 제1 입력단자에서 제1 출력단자로 전류를 운반하도록 형성되는 직렬 스위치;
    제2 동작 모드에서 직렬 스위치가 개방될 때 제1 플라즈마 챔버 서플라이 케이블로부터의 에너지를 수용하여 제1 및 제2 출력단자 양단에 역전압이 인가되는 충전이 진행되도록 형성되는 캐패시터를 포함하는, 장치.
  17. 제13항에 있어서, 상기 분로 스위치와 제1 입력단자 사이에 접속되는 인덕터를 포함하며, 상기 인덕터의 인덕턴스는 제1 및 제2 입력단자들로 전압을 제공하는 파워 서플라이를 단락시키지 않고 상기 분로 스위치를 폐쇄시킬 수 있는, 장치.
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