KR20200043410A - 플라즈마 시스템을 점화하고 플라즈마 시스템의 건강을 모니터링하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
플라즈마 구속 볼륨 내에서 플라즈마를 점화함으로써 플라즈마 시스템의 건강을 결정하기 위한 장치 및 방법은 점화 회로로 점화 신호를 생성하고, 플라즈마 구속 볼륨 근처의 바이어싱된 영역과 접지된 영역 사이에 점화 신호를 인가한다. 점화 회로에서 파라미터가 감지되고, 감지된 파라미터는 제1 파라미터 임계값과 비교된다. 감지된 파라미터가 제1 전압 임계값과 상이한 경우에 플라즈마 구속 볼륨과 관련된 조건이 결정되고, 정정 액션이 취해질 수 있다.
Description
본 개시는 플라즈마 소스들에 관한 것으로서, 특히 플라즈마 소스들을 점화하고 플라즈마 점화 절차의 모니터링을 이용하여 플라즈마 소스의 실패 진단들을 제공하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
유도 결합 플라즈마(ICP) 소스 또는 변압기 결합 플라즈마(TCP) 소스에서의 플라즈마의 점화는 통상적으로 플라즈마 용기 내에 고전압 펄스를 인가하여 플라즈마를 후속 생성하는 이온화된 상태로의 가스의 초기 방전(breakdown)을 유발하는 것을 포함한다. 고전압 펄스의 지속기간 및 크기는 통상적으로 바람직한 동작 조건들에서 플라즈마 방전을 달성하도록 설계된 일부 미리 결정된 값들로 고정된다. 종래의 점화 방식들은 최고의 실용적인 펄스 전압을 전달하여 가스를 방전시키고 플라즈마를 생성하도록 설계된다. 일부 경우들에서, 이러한 접근법은 전자기기에 불필요한 응력을 인가할 수 있고, 또한 바이어싱된 플라즈마 블록들에 걸쳐 불필요하게 높은 전기장들을 인가한다.
종래의 플라즈마 소스들에서는, 점화를 억제할 수 있는 바람직하지 않은 가스 조건들을 해결하기 위해 더 높은 점화 전압이 선택된다. 이러한 바람직하지 않은 조건들은 예를 들어 높은 가스 압력, 낮은 가스 흐름 또는 중독, 즉 가스 내의 오염물들의 존재 또는 초기 플라즈마 방전을 유발하기에 충분한 전자 밀도의 결여를 포함할 수 있다. 높은 점화 전압은 높은 전기장을 초래하며, 이는 또한 높은 전기장 영역 내의 몇몇 전자가 가스 분자들을 이온화하기에 충분한 에너지를 얻게 하는 가스의 눈사태 방전을 유발하여 높은 전기장 영역 내에 더 많은 전자를 방출함으로써 가스의 눈사태 방전을 유도할 가능성을 증가시킨다. 이러한 종래의 시스템들에서는, 이러한 전압 조정의 구현으로 인해, 바람직한 가스 조건들에서도 고전압이 인가되며, 이는 전자기기를 더 빠르게 마모시킬 수 있고, 플라즈마 용기 내부의 아크 발생의 기회들을 증가시킬 수 있다. 고전압 점화 펄스열은 아크 발생 및 열화를 초래할 수 있으며, 이는 또한 진보된 반도체 처리 응용들에서 고성능 칩들의 수율을 감소시킬 수 있는 미립자 결함들을 유발한다.
제1 양태에 따르면, 플라즈마 구속 볼륨 내에서 플라즈마를 점화함으로써 플라즈마 시스템의 건강을 결정하는 방법이 제공된다. 방법은 점화 회로로 점화 신호를 생성하는 단계, 및 플라즈마 구속 볼륨 근처의 바이어싱된 영역과 접지된 영역 사이에 점화 신호를 인가하는 단계를 포함한다. 점화 회로에서의 파라미터가 감지되고, 감지된 파라미터는 제1 파라미터 임계값과 비교된다. 감지된 파라미터가 제1 전압 임계값과 상이한 경우에 플라즈마 구속 볼륨과 관련된 조건이 결정된다.
일부 예시적인 실시예들에서, 조건은 플라즈마 구속 볼륨 내의 가스들의 오염이다. 일부 예시적인 실시예들에서, 조건은 플라즈마의 점화에 불충분한 자유 전자 밀도이다. 결정된 조건이 보고될 수 있고, 결정된 조건과 관련된 정정 액션이 취해질 수 있다. 일부 예시적인 실시예들에서, 정정 액션은 공급 가스에서 오염물을 검사하고 오염물의 소스를 제거하는 것을 포함한다. 일부 예시적인 실시예들에서, 정정 액션은 플라즈마 구속 볼륨 내의 오염물의 양을 감소시키기 위해 플라즈마 구속 볼륨을 통해 퍼지 가스(purge gas)를 제공하는 것을 포함한다.
일부 예시적인 실시예들에서, 방법은 방전 시간을 결정하는 단계를 더 포함하며, 방전 시간은 점화 신호가 인가되는 시간과 감지된 파라미터가 제2 파라미터 임계값에 대해 변하는 시간 사이의 시간의 양이다. 일부 예시적인 실시예들에서, 방법은 방전 시간이 방전 시간 임계값을 초과하는 경우에 플라즈마 구속 볼륨과 관련된 조건을 결정하는 단계를 더 포함한다. 일부 예시적인 실시예들에서, 조건은 플라즈마 구속 볼륨 내의 가스들의 오염이다. 일부 예시적인 실시예들에서, 조건은 플라즈마의 점화에 불충분한 자유 전자 밀도이다.
일부 예시적인 실시예들에서, 점화 회로에서의 감지된 파라미터는 점화 회로에서의 전압이다. 일부 예시적인 실시예들에서, 점화 회로에서의 감지된 파라미터는 점화 회로에서의 전류이다.
제2 양태에 따르면, 플라즈마 구속 볼륨 내에서 플라즈마를 점화함으로써 플라즈마 시스템의 건강을 결정하기 위한 장치가 제공된다. 점화 회로가 점화 신호를 생성한다. 입력이 바이어싱된 영역과 플라즈마 구속 볼륨 근처의 접지된 영역 사이에 점화 신호를 인가한다. 센서가 점화 회로에서의 파라미터를 감지한다. 처리 유닛이 감지된 파라미터를 제1 파라미터 임계값과 비교하고, 감지된 파라미터가 제1 파라미터 임계값과 상이한 경우에 플라즈마 구속 볼륨과 관련된 조건을 결정한다.
일부 예시적인 실시예들에서, 조건은 플라즈마 구속 볼륨 내의 가스들의 오염이다. 일부 예시적인 실시예들에서, 조건은 플라즈마의 점화에 불충분한 자유 전자 밀도이다. 결정된 조건은 처리 회로에 의해 보고될 수 있고, 처리 회로는 결정된 조건과 관련된 정정 액션을 취할 수 있다. 일부 예시적인 실시예들에서, 정정 액션은 공급 가스에서 오염물을 검사하고 오염물의 소스를 제거하는 것을 포함한다. 일부 예시적인 실시예들에서, 정정 액션은 플라즈마 구속 볼륨 내의 오염물의 양을 감소시키기 위해 플라즈마 구속 볼륨을 통해 퍼지 가스를 제공하는 것을 포함한다.
일부 예시적인 실시예들에서, 처리 회로는 방전 시간을 결정하며, 방전 시간은 점화 신호가 인가되는 시간과 감지된 파라미터가 제2 파라미터 임계값에 대해 변하는 시간 사이의 시간의 양이다. 일부 예시적인 실시예들에서, 처리 회로는 방전 시간이 방전 시간 임계값을 초과하는 경우에 플라즈마 구속 볼륨과 관련된 조건을 결정한다. 일부 예시적인 실시예들에서, 조건은 플라즈마 구속 볼륨 내의 가스들의 오염이다. 일부 예시적인 실시예들에서, 조건은 플라즈마의 점화에 불충분한 자유 전자 밀도이다.
일부 예시적인 실시예들에서, 센서에 의해 감지된 파라미터는 점화 회로에서의 전압이다. 일부 예시적인 실시예들에서, 센서에 의해 감지된 파라미터는 점화 회로에서의 전류이다.
본 개시는 본 개시의 실시예들의 비제한적 예들에 의해 언급된 복수의 도면을 참조하는 다음의 상세한 설명에서 더 설명되며, 도면들의 여러 뷰 전반에서 유사한 참조 번호들은 유사한 부분들을 나타낸다.
도 1은 본 개시와 관련되는 활성화된 가스들을 생성하기 위한 도넛형의 변압기 결합 플라즈마 소스(toroidal transformer-coupled plasma source)의 개략적 기능 블록도를 포함한다.
도 2는 일부 예시적인 실시예들에 따른, 플라즈마가 점화되는 도넛형의 플라즈마 튜브, 블록 또는 플라즈마 구속 영역을 포함하는, 도 1에 도시된 타입의 플라즈마 소스를 포함하는 시스템의 개략적 기능 블록도를 포함한다.
도 3은 일부 예시적인 실시예들에 따른, 스위칭 주파수와 결과적인 점화 전압 VSpark 사이의 관계를 예시하는 그래프이다.
도 4는 일부 예시적인 실시예들에 따른, 정사각형 점화 펄스들을 갖는, 플라즈마의 점화를 위한 파형의 그래프를 포함한다.
도 5는 일부 예시적인 실시예들에 따른, 도 4의 정사각형 점화 시퀀스의 논리 흐름을 예시하는 논리 흐름도를 포함한다.
도 6은 일부 예시적인 실시예들에 따른, 삼각형 또는 경사진 점화 펄스들을 갖는, 플라즈마의 점화를 위한 파형의 그래프를 포함한다.
도 7은 일부 예시적인 실시예들에 따른, 도 6의 삼각형 또는 경사진 점화 시퀀스의 논리 흐름을 예시하는 논리 흐름도를 포함한다.
도 8은 일부 예시적인 실시예들에 따른, 점화 전압 VSpark를 인가하고 플라즈마 블록에서 전압을 모니터링하기 위한 접속들을 갖는, 위에 상세히 설명된 바와 같은 도넛형의 플라즈마 튜브, 플라즈마 블록 또는 플라즈마 구속 영역의 개략도를 포함한다.
도 9는 일부 예시적인 실시예들에 따른, 프로그래밍된 VSpark 점화 파형 VSpark_Program의 시간 경과에 따른 파형도이다.
도 10은 일부 예시적인 실시예들에 따른, 도 9의 타이밍 곡선에서 예시된 플라즈마 점화 동안의 전압 모니터링의 논리 흐름을 예시하는 논리 흐름도를 포함한다.
도 11은 일부 예시적인 실시예들에 따른, 점화 전압 VSpark, 따라서 점화 전류 ISpark를 인가하고 플라즈마 블록에서 전류를 모니터링하기 위한 접속들을 갖는 도넛형의 플라즈마 튜브, 플라즈마 블록 또는 플라즈마 구속 영역의 개략도를 포함한다.
도 12는 일부 예시적인 실시예들에 따른, 도 9의 타이밍 곡선에서 예시된 플라즈마 점화 동안의 전류 모니터링의 논리 흐름을 예시하는 논리 흐름도를 포함한다.
도 13a 내지 13c는 일부 예시적인 실시예들에 따른, 상이한 점화 조건들 하에서의 프로그래밍된 VSpark 점화 파형 및 결과적인 감지된 VSpark_Readback 신호의 시간 경과에 따른 2개의 파형도를 포함한다.
도 14a 및 14b는 일부 예시적인 실시예들에 따른, 콜드 스타트 점화 시나리오(cold start ignition scenario) 및 정상 점화 시나리오 각각 하에서의 프로그래밍된 VSpark 점화 파형 VSpark_Program, 결과적인 감지된 VSpark_Readback 신호 및 VLoop 신호의 시간 경과에 따른 2개의 파형도를 포함한다.
도 15a 및 15b는 일부 예시적인 실시예들에 따른, 장기간 점화 시나리오 및 점화 실패 시나리오(failed ignition scenario) 각각의 경우에서의 독(poison)(오염) 점화 조건들 하에서의 프로그래밍된 VSpark 점화 파형 VSpark_Program, 결과적인 감지된 VSpark_Readback 신호 및 VLoop 신호의 시간 경과에 따른 2개의 파형도를 포함한다.
도 16은 일부 예시적인 실시예들에 따른 플라즈마 점화 절차의 개략적인 논리 흐름도를 포함한다.
도 17은 일부 예시적인 실시예들에 따른 다른 플라즈마 점화 절차의 개략적인 논리 흐름도를 포함한다.
도 18은 일부 예시적인 실시예들에 따른 다른 플라즈마 점화 절차의 개략적인 논리 흐름도를 포함한다.
도 19는 일부 예시적인 실시예들에 따른, 플라즈마 소스의 건강 및 상태를 모니터링하기 위해 플라즈마 점화 파라미터들을 사용하는 방법의 논리 흐름을 예시하는 논리 흐름도를 포함한다.
도 1은 본 개시와 관련되는 활성화된 가스들을 생성하기 위한 도넛형의 변압기 결합 플라즈마 소스(toroidal transformer-coupled plasma source)의 개략적 기능 블록도를 포함한다.
도 2는 일부 예시적인 실시예들에 따른, 플라즈마가 점화되는 도넛형의 플라즈마 튜브, 블록 또는 플라즈마 구속 영역을 포함하는, 도 1에 도시된 타입의 플라즈마 소스를 포함하는 시스템의 개략적 기능 블록도를 포함한다.
도 3은 일부 예시적인 실시예들에 따른, 스위칭 주파수와 결과적인 점화 전압 VSpark 사이의 관계를 예시하는 그래프이다.
도 4는 일부 예시적인 실시예들에 따른, 정사각형 점화 펄스들을 갖는, 플라즈마의 점화를 위한 파형의 그래프를 포함한다.
도 5는 일부 예시적인 실시예들에 따른, 도 4의 정사각형 점화 시퀀스의 논리 흐름을 예시하는 논리 흐름도를 포함한다.
도 6은 일부 예시적인 실시예들에 따른, 삼각형 또는 경사진 점화 펄스들을 갖는, 플라즈마의 점화를 위한 파형의 그래프를 포함한다.
도 7은 일부 예시적인 실시예들에 따른, 도 6의 삼각형 또는 경사진 점화 시퀀스의 논리 흐름을 예시하는 논리 흐름도를 포함한다.
도 8은 일부 예시적인 실시예들에 따른, 점화 전압 VSpark를 인가하고 플라즈마 블록에서 전압을 모니터링하기 위한 접속들을 갖는, 위에 상세히 설명된 바와 같은 도넛형의 플라즈마 튜브, 플라즈마 블록 또는 플라즈마 구속 영역의 개략도를 포함한다.
도 9는 일부 예시적인 실시예들에 따른, 프로그래밍된 VSpark 점화 파형 VSpark_Program의 시간 경과에 따른 파형도이다.
도 10은 일부 예시적인 실시예들에 따른, 도 9의 타이밍 곡선에서 예시된 플라즈마 점화 동안의 전압 모니터링의 논리 흐름을 예시하는 논리 흐름도를 포함한다.
도 11은 일부 예시적인 실시예들에 따른, 점화 전압 VSpark, 따라서 점화 전류 ISpark를 인가하고 플라즈마 블록에서 전류를 모니터링하기 위한 접속들을 갖는 도넛형의 플라즈마 튜브, 플라즈마 블록 또는 플라즈마 구속 영역의 개략도를 포함한다.
도 12는 일부 예시적인 실시예들에 따른, 도 9의 타이밍 곡선에서 예시된 플라즈마 점화 동안의 전류 모니터링의 논리 흐름을 예시하는 논리 흐름도를 포함한다.
도 13a 내지 13c는 일부 예시적인 실시예들에 따른, 상이한 점화 조건들 하에서의 프로그래밍된 VSpark 점화 파형 및 결과적인 감지된 VSpark_Readback 신호의 시간 경과에 따른 2개의 파형도를 포함한다.
도 14a 및 14b는 일부 예시적인 실시예들에 따른, 콜드 스타트 점화 시나리오(cold start ignition scenario) 및 정상 점화 시나리오 각각 하에서의 프로그래밍된 VSpark 점화 파형 VSpark_Program, 결과적인 감지된 VSpark_Readback 신호 및 VLoop 신호의 시간 경과에 따른 2개의 파형도를 포함한다.
도 15a 및 15b는 일부 예시적인 실시예들에 따른, 장기간 점화 시나리오 및 점화 실패 시나리오(failed ignition scenario) 각각의 경우에서의 독(poison)(오염) 점화 조건들 하에서의 프로그래밍된 VSpark 점화 파형 VSpark_Program, 결과적인 감지된 VSpark_Readback 신호 및 VLoop 신호의 시간 경과에 따른 2개의 파형도를 포함한다.
도 16은 일부 예시적인 실시예들에 따른 플라즈마 점화 절차의 개략적인 논리 흐름도를 포함한다.
도 17은 일부 예시적인 실시예들에 따른 다른 플라즈마 점화 절차의 개략적인 논리 흐름도를 포함한다.
도 18은 일부 예시적인 실시예들에 따른 다른 플라즈마 점화 절차의 개략적인 논리 흐름도를 포함한다.
도 19는 일부 예시적인 실시예들에 따른, 플라즈마 소스의 건강 및 상태를 모니터링하기 위해 플라즈마 점화 파라미터들을 사용하는 방법의 논리 흐름을 예시하는 논리 흐름도를 포함한다.
본 개시는 플라즈마 소스에서의 플라즈마의 점화에 대한 접근법에 관한 것이다. 본 명세서에 설명된 바와 같은 예시적인 실시예들에서, 플라즈마 소스는 도넛형 플라즈마 소스이다. 본 개시는 다른 플라즈마 소스 구성들에도 적용가능하다는 것이 이해될 것이다. 본 개시의 플라즈마 소스는 미국 특허 제6,872,909호 및 제9,275,839호에 설명된 타입이고, 이들 특허의 내용들은 그 전체가 본 명세서에 참고로 통합된다.
도 1은 본 개시와 관련되는 활성화된 가스들을 생성하기 위한 도넛형 플라즈마 소스(10)의 개략적 기능 블록도를 포함한다. 소스(10)는 전자기 에너지를 플라즈마(14) 내로 결합하는 전력 변압기(12)를 포함한다. 전력 변압기(12)는 고투자율 자기 코어(16), 1차 코일(18) 및 플라즈마 챔버(20)를 포함한다. 플라즈마 챔버(20)는 플라즈마(14)가 변압기(12)의 2차 코일을 형성하는 것을 가능하게 한다. 전력 변압기(12)는 추가의 자기 코어들 및 추가의 1차 또는 2차 코일들을 형성하는 도체 코일들(도시되지 않음)을 포함할 수 있다.
플라즈마 챔버(20)는 알루미늄 또는 내화성 금속, 코팅된 금속, 예를 들어 양극 산화된 알루미늄과 같은 금속성 재료로 형성될 수 있거나, 석영, 사파이어, 가압된 알루미나 또는 다른 유전체들과 같은 유전성 재료로 형성될 수 있다. 플라즈마 챔버(20)의 하나 이상의 측면들은 플라즈마(14)에 의해 생성되는 반응성 입자들(라디칼들)이 처리될 재료 또는 표면들(도시되지 않음)과 직접 접촉하는 것을 가능하게 하기 위해 프로세스 챔버(22)에 노출될 수 있다. 대안적으로, 플라즈마 챔버(20)는 프로세스 챔버(22)로부터 떨어져 위치될 수 있어, 하전 입자들이 가스 이송 동안에 재결합하는 동안, 활성화된 라디칼들이 프로세스 챔버(22)로 흐르는 것을 가능하게 할 수 있다. 처리될 재료를 지지하기 위해 샘플 홀더(23)가 프로세스 챔버(22) 내에 위치될 수 있다. 처리될 재료는 플라즈마의 전위에 대해 바이어싱될 수 있다. 대안적으로, 플라즈마 소스에서 생성된 반응성 입자들은 프로세스 챔버 내의 임의의 원하지 않는 퇴적물들을 제거하기 위해 프로세스 챔버를 포함하는 재료들과 반응하는 데 사용될 수 있다. 반응성 입자들은 또한 (플라즈마 챔버 내의) 플라즈마 소스의 하류에 도입된 다른 가스들과의 반응들을 통해 다른 분자들을 생성하는 데 이용될 수 있다. 다른 경우들에서, 플라즈마 소스에서 생성된 반응성 입자들은 시간 경과에 따라 원하지 않는 퇴적물들을 축적할 수 있는 가스 전달 라인, 펌프 전방 라인(pump foreline), 밸브 등과 같은, 처리 챔버 외의 다른 컴포넌트들에서 원하지 않는 퇴적물들과 반응하고 이들을 제거하는 데 사용될 수 있다.
플라즈마 소스(10)는 또한 RF 전원(50)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 스위칭 전원(50)은 스위칭 반도체 디바이스(27)를 포함하는 스위칭 회로(26)에 직접 결합된 전원(24)을 포함한다. 전원(24)은 라인 전원 또는 버스 전원일 수 있다. 스위칭 반도체 디바이스(27)는 스위칭 트랜지스터들의 세트일 수 있다. 스위칭 회로(26)는 고체 상태 스위칭 회로일 수 있다. 회로(26)의 출력(28)은 변압기(12)의 1차 권선(18)에 직접 결합될 수 있다.
도넛형 플라즈마 소스(10)는 플라즈마 챔버(20)에서 플라즈마를 점화하는 초기 방전 이벤트를 제공하는 자유 전하들을 가속하기 위한 수단을 포함할 수 있다. 초기 이온화 이벤트는 플라즈마 챔버(20)에 인가되는 짧은 고전압 펄스일 수 있다. 펄스는 약 500-50,000 볼트의 전압을 가질 수 있고, 약 0.1 마이크로초 내지 1000 밀리초의 지속기간을 가질 수 있다. 500-10,000 볼트의 연속적인 RF 전압이 또한 초기 이온화 이벤트를 유발하는 데 사용될 수 있고, 전압은 가스 방전 후에 분리된다. 아르곤, 네온 또는 제논과 같은 낮은 이온화 전위를 갖는 가스가 플라즈마 챔버(20) 내로 도입되어 플라즈마를 점화하는 데 필요한 전압을 감소시킬 수 있다. 자외 복사선이 또한 플라즈마 챔버(20)에서 플라즈마를 점화하는 초기 이온화 이벤트를 제공하는 플라즈마 챔버(20) 내의 자유 전하들의 생성을 돕는 데 사용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 고전압 펄스는 플라즈마 챔버(20) 내에 위치된 전극(30)에 인가된다. 전극은 반드시 플라즈마 챔버 내부에 있을 필요는 없다는 점에 유의한다. 오히려, 전극은 에너지(고전압)를 플라즈마 챔버 내의 가스 내로 결합하기만 하면 된다. 예를 들어, 에너지는 사파이어와 같은 재료로 이루어진 윈도우를 통해 가스 내로 결합될 수 있다. 일부 실시예들에서, 단기간 고전압 펄스는 유전체를 통해 플라즈마 챔버(20)에 용량적으로 결합되는 전극(32)에 인가된다. 다른 실시예들에서, 플라즈마 챔버(20)는 플라즈마 챔버(20)에 광학적으로 결합되는 자외선 광원 또는 레이저(34)와 같은 소스로부터 방출되는 고에너지 복사선에 노출된다. 복사선은 플라즈마를 점화하는 초기 이온화 이벤트를 유발한다. 또 다른 실시예에서, 고전압 펄스는 플라즈마 챔버의 전기적으로 격리된 부분에 인가될 수 있고, 전기적으로 바이어싱된 영역은 인접한 접지된 영역들로부터 둘을 분리하는 갭 또는 유전성 절연을 통해 격리된다.
도넛형의 낮은 전기장의 플라즈마 소스(10)는 1차 권선(18)의 전기 파라미터들을 측정하기 위한 회로(36)를 또한 포함할 수 있다. 1차 권선(18)의 전기 파라미터들은 1차 권선(18)을 구동하는 전류, 1차 권선(18) 양단의 전압, 전원(24)에 의해 생성되는 버스 또는 라인 전원, 1차 권선(18)의 임피던스, 1차 권선(18)에서의 평균 전력 및 1차 권선(18)에서의 피크 전력을 포함한다.
또한, 플라즈마 소스(10)는 플라즈마(14)의 관련 전기 파라미터들을 측정하기 위한 수단을 포함할 수 있다. 플라즈마(14)의 관련 전기 파라미터들은 플라즈마 전류, 루프 전압, 임피던스 및/또는 전력을 포함한다. 예를 들어, 소스(10)는 변압기(12)의 2차 코일에 흐르는 플라즈마 전류를 측정하기 위해 플라즈마 챔버(20) 주위에 위치된 전류 프로브(38)를 포함할 수 있다. 플라즈마 소스(10)는 플라즈마(14)로부터의 광학적 방출을 측정하기 위한 광학 검출기(40)를 또한 포함할 수 있다. 또한, 플라즈마 소스(10)는 전류 프로브(38), 전력 검출기(40) 및 회로(26) 중 하나 이상으로부터 데이터를 수신한 후에 1차 권선(18)에서 전류를 조정함으로써 플라즈마 내의 전력을 조정하는 전력 제어 회로(42)를 포함할 수 있다.
동작 시에, 실질적으로 1 밀리토르 내지 100 토르 사이의 압력에 도달될 때까지 가스가 플라즈마 챔버(20) 내로 흐른다. 가스는 불활성 가스, 반응성 가스 또는 적어도 하나의 불활성 가스와 적어도 하나의 반응성 가스의 혼합물을 포함할 수 있다. 스위칭 반도체 디바이스들을 포함하는 회로(26)는 플라즈마 챔버(20) 내부에 전위를 유도하는 전류를 1차 권선(18)에 공급한다. 유도되는 전위의 크기는 패러데이의 유도 법칙 및 스위칭 반도체 디바이스들이 동작하는 주파수에 따라 코어에 의해 생성되는 자기장에 의존한다. 플라즈마를 형성하는 이온화 캐스케이드 이벤트가 챔버에서 개시될 수 있다. 이온화 이벤트는 챔버(20) 내의 전극(30)에 대한 또는 플라즈마 챔버(20)에 용량적으로 결합된 전극(32)에 대한 전압 펄스의 인가일 수 있다. 대안적으로, 이온화 이벤트는 챔버(20)를 고에너지 복사선에 노출하는 것일 수 있다.
도 2는 본 개시에 따른, 플라즈마가 점화되는, 본 명세서에서 플라즈마 구속 영역(120)으로도 지칭되는 도넛형 플라즈마 튜브 또는 블록(120)을 포함하는, 도 1에 예시된 타입의 플라즈마 소스(121)를 포함하는 시스템(100)의 개략적 기능 블록도를 포함한다. 전체 블록 루프(136) 주위에서의 총 전위 강하는 본 명세서에서 VLoop로 지칭된다. VLoop는 1차 코일 양단의 전압의 함수이다. 통상적인 도넛형 플라즈마 소스에서, 플라즈마의 임피던스가 상이한 동작 조건들에 따라 변할 것이므로, 루프 전압은 가스 동작 압력에 따라 변하도록 허용될 수 있다. 루프 전위는 또한 주어진 가스, 흐름 및 압력 조건에 대한 플라즈마 전류 설정 포인트를 변경함으로써 원하는 대로 변경될 수 있다. 플라즈마 구속 영역(120)은 플라즈마 루프 주위에 하나 이상의, 예를 들어 4개의 유전성 브레이크(134A, 134B, 134C, 134D)을 포함한다. 루프에서 플라즈마를 점화하기 위해, 본 명세서에서 VSpark로 지칭되는 점화 전압, 예를 들어 펄스 또는 펄스들의 시리즈가 유전성 브레이크들(134A, 134B, 134C, 134D) 중 하나 이상의 유전성 브레이크 양단에 인가된다. 성공적인 플라즈마 점화에서, 점화 전압의 인가 후 언젠가, 방전이 발생하고, 플라즈마가 점화되고, 전체 루프(136)를 채운다.
도 2는 또한 예시적인 실시예들에 따른, VSpark 점화 전압을 생성하기 위해 사용되는 점화 시스템을 예시한다. 점화 시스템은 인버터 회로, 즉 스위칭 전원(122)을 포함하고, 이는 VSpark를 생성하기 위해 사용되는 초기 파형을 생성한다. 대안적으로, VSpark는 상이한 주파수에서 상이한 회로로부터 생성될 수 있다. 인버터 회로(122)에 의해 생성된 신호는 인덕터들(L1 및 L2) 및 커패시터(C1)를 포함하는 공진 회로(124)에 인가된다. 공진 회로(124)는 원하는 플라즈마 여기 전압 VSpark 스위칭 주파수에서 공진 주파수를 갖도록 튜닝된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 커패시터 C1은 플라즈마 부하와 병렬이다. 회로(124)의 신호는 변압기(126)의 1차 권선(128)에 인가된다. 이러한 특정 공진 회로는 예시적인 회로로서 설명된다는 점에 유의해야 한다. 튜닝 가능한 공진 회로들의 다른 타입들 및 구성들이 사용될 수 있다.
변압기(126)의 제1 이차 권선(130)은 제2 회로(138)에 인가되고, 이는 플라즈마 점화 전압 VSpark(통상적으로 1차 루프 전압보다 높음)를 전달한다. 플라즈마의 점화를 개시하기 위해, 회로(138)로부터의 출력 전압은 바이어싱된 블록들(139, 140) 중 하나 이상에 인가되는 반면, 인접 블록들(141, 142)은 접지된다. 블록들(139, 140, 141, 142)은 예를 들어 알루미늄 또는 다른 그러한 도전성 재료로 이루어진 전기 도전성 블록들이다. 예를 들어, 알루미늄 산화물 또는 다른 유사한 절연성 유전성 재료와 같은 유전성 재료로 도전성 블록들(139, 140, 141, 142)을 코팅함으로써, 예를 들어 블록들 사이에 도시된 바와 같이, 유전성 브레이크들(134A, 134B, 134C, 134D)이 형성될 수 있다. 도 2의 특정한 예시적인 예시에서, 회로(138)로부터의 출력 신호, 즉 VSpark는 바이어싱된 블록들(139 및 140)에 인가된다. 이것은 바이어싱된 블록(139)과 접지된 블록들(142 및 141) 각각 사이의 전압 차이로 인해 유전성 브레이크들(134A 및 134C)에 걸쳐 전기장을 생성한다. 유사하게, 바이어싱된 블록(140)과 접지된 블록들(142 및 141) 각각 사이의 전압 차이로 인해 유전성 브레이크들(134B 및 134D)에 걸쳐 전기장이 생성된다. 이러한 전기장들은 블록들(139, 140, 141, 142)의 내부 내의 플라즈마 구속 볼륨에서의 플라즈마의 점화를 개시한다. 플라즈마 루프는 플라즈마 루프 형성이 완료된 후에 변압기(126)의 제2 이차 권선(132)으로서 작용한다. 도 2는 변압기 코어에 인접한 변압기(126)의 제2 이차 권선(132)을 도시하지만, 이것은 실제로는 변압기(126)의 제2 이차 권선(132)의 역할을 하는 플라즈마 구속 볼륨 내에 형성되는 플라즈마 자체라는 점에 유의해야 한다. 따라서, 도 2는 VSpark 및 VLoop가 변압기(126)로부터 동일한 1차 코일(128)로부터 떨어지게 구동되는 것을 가능하게 하는 2개의 2차 루프를 보여주는, 본 개시에 따른 블록 점화를 개략적으로 예시한다.
예시적인 실시예들에 따르면, 점화 및 결과적인 플라즈마 방전 동안의 전압은 인버터 회로(122), 탱크 회로들(124 및 138) 및 변압기(126)를 포함하는 공진 스위칭 전원 회로에서의 전원의 스위칭 주파수에 의해 영향을 받으며, 변압기(126)의 1차 코일들 주위의 전압은 동작 주파수에 의해 제어된다. 도 3은 예시적인 실시예들에 따른, 스위칭 주파수와 결과적인 점화 전압 VSpark 사이의 관계를 예시하는 그래프이다. VSpark 및 스위칭 주파수에 대한 값들은 단지 예시적임에 유의해야 한다. 도 2 및 3을 참조하면, 점화 VSpark를 위해 인가되는 전압은 물론, 플라즈마 루프 전압 VLoop는 변압기(126)의 각각의 2차 코일(130, 132) 상의 코일들의 권선비에 따른 1차 코일 전압의 배수들이다. 인버터의 동작 주파수가 예를 들어 회로의 자연 공진 주파수(=1/sqrt(LC))를 향해 게이트 드라이버를 통해 변경됨에 따라, 1차 코일(128) 양단의 전압은 최대치를 향해 증가하고, 따라서 그에 대응하여 (권선비*1차 코일 전압에 비례하는) 스파크 및 루프 전압들 VSpark 및 VLoop를 제어하는 2차 코일들(130, 132) 상의 전압들을 증가시킨다. 플라즈마 루프 및 점화 회로들 상의 전압이 증가함에 따라, 플라즈마를 생성하는 가스의 방전을 생성할 확률이 더 높다. 따라서, 주어진 가스 흐름 및 압력에 대해 플라즈마를 생성하는 데 필요한 전압은 플라즈마 블록에서의 전자들의 재결합 손실들을 나타내고, 따라서 플라즈마 블록들의 표면 조건을 측정하기 위한 가치있는 진단의 역할을 할 수 있다.
일부 예시적인 실시예들에서, VSpark는 점화 회로의 공진 주파수를 변경하기 위해 점화 회로에서 커패시터들을 제거함으로써 튜닝될 수 있다. 일 실시예에서, 용량을 제거하고 공진 주파수를 변경하기 위해 가변 VSpark 릴레이가 점화 회로에서 사용될 수 있다. 다른 방법에서, RF 매칭 네트워크들에 사용되는 것들과 유사한 조정 가능한 커패시터들이 동일한 결과를 달성하는 데 사용될 수 있다.
따라서, 본 개시에 따르면, 플라즈마의 점화에 영향을 미치는 파라미터들에 대해 다양한 조정들 및 수정이 이루어질 수 있다. 이러한 조정들 및 수정들은 예를 들어, 콜드 스타트 상황 또는 독, 즉 오염 상황과 같은 특정 점화 시나리오의 조건들에 기초하여 이루어질 수 있다. 이러한 조정들은, 예를 들어 전원, 즉 인버터 회로의 스위칭 주파수를 변경하는 것; 전원, 즉 인버터 회로의 펄스 폭을 변경하는 것; 회로의 용량을 수정하고/하거나 플라즈마에 결합하는 데 사용되는 인덕터의 특성들을 수정함으로써 플라즈마 방전 전자기기의 공진 주파수를 변경하는 것; 및 대안 회로들을 통해 상이한 전압 레벨들에서 스위칭하는 것 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
도 4는 플라즈마를 점화하는 데 사용되는 양의 피크 전압을 나타내는 그래프를 포함한다. 레벨들은 예시적인 실시예들에 따라 소정 기간들 동안 인가되는 스파크 전압의 피크 (양의) 값을 나타낸다. 스파크 전압은 RF 주파수에서 스위칭하는 양의 피크 값으로부터 음의 피크 값으로 스위칭하는 정사각형 교대 펄스들로서 인가될 수 있다는 점에 유의하는 것이 중요하다. 이러한 펄스들의 열은 주어진 시간 동안 인가되어 해당 기간 내에 플라즈마 점화를 가능하게 할 수 있다. 구체적으로, 도 4는 전압 펄스 포락선의 양의 절반만을 보여주는, 정규화된 VSpark로 지칭되는 VSpark 전압 펄스열들의 시리즈의 초 단위의 타이밍을 예시한다. 도 4에 예시된 바와 같이, 점화 시퀀스가 진행됨에 따라, 일부 예시적인 실시예들에서, 유전성 브레이크(134) 양단의 전압이 증가한다. 도 4에 예시된 특정한 예시적인 시퀀스에서, 플라즈마 방전 펄스열들의 연속적인 쌍들에서, 플라즈마 루프 양단의 전압이 증가된다. 그러나, 각각의 펄스열 동안, 피크 전압 레벨은 일정하다. 펄스열들의 3개의 연속적인 쌍 후에, 전압은 후속 펄스열들에 대해 일정한 레벨을 취한다.
일부 예시적인 실시예들에서, VSpark 신호는 도 4에서 펄스열 포락선에 의해 예시된 양의 피크 값과 음의 피크 값 사이에서 스윙하는 진폭을 갖는 사인 파형을 따른다. 각각의 펄스열에서의 사인 펄스들의 반복 레이트는 약 100 내지 1000kHz이고, 통상적으로 400 내지 700kHz일 수 있다. 전술한 바와 같이, 도 4는 주어진 기간에 걸친 사인 펄스들의 양의 피크 전압만을 예시한다. 예시된 바와 같이, 양의 피크 전압의 전압 값은 연속적인 펄스열들 사이에서 변경/제어된다.
도 5는 일부 예시적인 실시예들에 따른, 도 4의 정사각형 점화 시퀀스의 논리 흐름을 예시하는 논리 흐름도를 포함한다. 도 5를 참조하면, 플라즈마 점화 커맨드가 단계 S202에서 생성되고 전송된다. 다음으로, 단계 S204에서 제1 펄스열에 대해 피크 전압 레벨 VSpark가 선택된다. 점화 펄스들에 대한 전압들은 특정 플라즈마 생성 응용에 관련된 다양한 파라미터들에 기초하여 탐색표에 저장될 수 있다. 다음으로, 점화 펄스열이 단계 S206에서 생성된다. 이 단계 동안, 인버터 회로(122)가 인에이블되고, 펄스 타이머가 시작된다. 다음으로, 단계 S208에서 플라즈마가 점화되었고 생성되고 있는지를 결정하기 위해 검사가 수행된다. 그러한 경우, 흐름은 예 분기 S209를 통해 단계 S210에서 플라즈마-온 모드로 계속된다. 그렇지 않은 경우, 단계 S212에서, 아니오 분기 S213을 통해 규정된 펄스 지속기간에 도달되었는지를 결정하기 위해 검사가 수행된다. 펄스 지속기간에 도달되지 않은 경우, 아니오 분기(S211)를 따라 단계 S208에서 플라즈마가 검사된다. 펄스 지속기간이 만료될 때까지 플라즈마를 검사하는 이 루프는 아니오 분기 S211 및 S213을 통해 규정된 펄스 지속기간에 도달할 때까지 계속되고, 예 분기 S215를 통해 단계 S214에서 펄스 번호가 증가된다. 다음으로, 단계 S216에서 최대 펄스 번호에 도달했는지, 즉 VSpark 시퀀스의 최종 펄스가 완료되었는지를 결정하기 위해 검사가 수행된다. 그렇지 않은 경우, 흐름은 아니오 분기 S217을 따라 단계 S204로 복귀하고, 여기서 VSpark 파형 내의 다음 펄스에 대한 전압이 선택된다. 한편, 단계 S216에서 마지막 펄스에 도달한 것으로 결정되면, 흐름은 예 분기 S219를 따라 단계 S218로 이동하고, 여기서 점화 실패가 발생했다고 결론짓는다.
도 6은 예시적인 실시예들에 따른, 삼각형 또는 경사진 점화 펄스열들을 갖는, 플라즈마의 점화를 위한 파형의 그래프를 포함한다. 구체적으로, 도 6은 정규화된 VSpark로 지칭되는 VSpark 전압 펄스열들의 시리즈의 초 단위의 타이밍을 예시한다. 도 6의 도면은 도 4의 도면과 완전히 유사하고, 2개의 펄스열 포락선 사이의 차이는 도 4의 펄스열 포락선이 "정사각형" 점화 펄스열 포락선이고, 도 6의 펄스열 포락선이 "삼각형" 점화 펄스열 포락선이라는 것이다. 도 6에 예시된 바와 같이, 점화 시퀀스가 진행됨에 따라, 일부 예시적인 실시예들에서, 유전성 브레이크(134) 양단의 전압이 증가한다. 도 6에 예시된 특정한 예시적인 시퀀스에서, 연속적인 플라즈마 방전 펄스들에서, 플라즈마 루프 양단의 전압이 증가된다. 또한, 도 4 및 5에 도시된 정사각형 점화 시퀀스와 대조적으로, 도 6의 삼각형 점화 시퀀스에서는, 심지어 각각의 펄스열 동안, 전압 레벨이 연속적인 펄스들에 대해 증가한다. 도 6에 도시된 특정한 예시적인 실시예에서, 6개의 연속적인 펄스열 후에, 전압은 후속 펄스열들에 대해 일정한 레벨을 취한다. 도 6에 예시된 바와 같이, 펄스열 동안의 피크 전압은 일정할 필요는 없다. 예를 들어, 펄스열 동안, 피크 전압은 펄스열 내에서 시간 경과에 따라 단계적 방식으로 변할 수 있다.
도 7은 일부 예시적인 실시예들에 따른, 도 6의 삼각형 또는 경사진 점화 시퀀스의 논리 흐름을 예시하는 논리 흐름도를 포함한다. 도 7을 참조하면, 플라즈마 점화 커맨드가 단계 S222에서 생성되고 전송된다. 다음으로, 단계 S224에서 제1 펄스에 대한 전압 레벨 VSpark가 선택된다. 제1 점화 펄스에 대한 전압들은 특정 플라즈마 생성 응용에 관련된 다양한 파라미터들에 기초하는 미리 설정된 값일 수 있다. 후속 펄스들은 이전 펄스의 종료 전압 레벨과 동일한 시작 전압 레벨을 가질 수 있다. 다음으로, 점화 펄스가 단계 S226에서 생성된다. 이 단계 동안, 인버터 회로(122)가 인에이블되고, 펄스 타이머가 시작된다. 다음으로, 단계 S228에서 플라즈마가 점화되었고 생성되고 있는지를 결정하기 위해 검사가 수행된다. 그러한 경우, 흐름은 예 분기 S229를 통해 단계 S230에서 플라즈마-온 모드로 계속된다. 그렇지 않은 경우, 아니오 분기 S233을 통해 단계 S232에서 규정된 펄스 지속기간에 도달되었는지를 결정하기 위해 검사가 수행된다. 펄스 지속기간에 도달하지 않은 경우, 흐름은 아니오 분기 S231을 따라 단계 S240로 이동하고, 여기서 펄스의 전압 레벨이 증가된다. 다시, 단계 S228에서 플라즈마에 대한 검사가 이루어진다. 펄스 지속기간이 만료될 때까지 플라즈마를 검사하고 펄스 전압을 증가시키는 이 루프는 규정된 펄스 지속기간에 도달할 때까지 아니오 분기 S231 및 S233을 통해 계속되고, 펄스 번호는 예 분기 S235를 통해 단계 S234에서 증가된다. 다음으로, 단계 S236에서 최대 펄스 번호에 도달했는지, 즉 VSpark 시퀀스의 최종 펄스가 완료되었는지를 결정하기 위해 검사가 수행된다. 그렇지 않은 경우, 흐름은 아니오 분기 S237을 따라 단계 S224로 되돌아가고, 여기서 VSpark 파형 내의 다음 펄스에 대한 전압이 선택된다. 한편, 단계 S236에서 최종 펄스에 도달한 것으로 결정되면, 흐름은 예 분기 S239를 따라 단계 S238로 이동하고, 여기서 점화 실패가 발생했다고 결론짓는다.
도 8은 일부 예시적인 실시예들에 따른, 점화 전압 VSpark를 인가하고 플라즈마 블록(120)에서 전압을 모니터링하기 위한 접속들을 갖는, 위에 상세히 설명된 바와 같은 도넛형 플라즈마 튜브, 플라즈마 블록 또는 플라즈마 구속 영역(120)의 개략도를 포함한다. 도 8을 참조하면, 플라즈마 블록(120)에서 모니터링된 전압은 본 명세서에서 변수 VSpark_Readback에 의해 식별된다. 전압 VSpark_Readback은 도시된 바와 같이 플라즈마 블록(120)의 양단에서 또는 플라즈마 블록(120) 상의 많은 다른 가능한 위치 중 임의의 위치에서 감지된다. 접지를 기준으로 하는 점화 전압 VSpark는 플라즈마 블록(120) 양단에 인가되는 것으로 도시된다. 접지 기준은 플라즈마 블록(120)의 바디에 도시된다.
도 9는 일부 예시적인 실시예들에 따른, 250으로 식별되는 프로그래밍된 VSpark 점화 펄스열 포락선 파형 VSpark_Program의 시간 경과에 따른 파형도이다. VSpark_Program 펄스열 포락선 파형(250)은 도 4 및 6에 예시된 펄스열 포락선 파형들과 유사하다. 도 9에 도시된 바와 같이, VSpark_Program(250)의 각각의 펄스열은 비교적 짧은 지속기간의 초기 VSpark_Program 전압 램프(ramp)(254)를 포함한다. 각각의 펄스열의 지속기간은 시간 축을 따라 펄스열 지속기간 화살표(256)에 의해 표시된다.
도 10은 일부 예시적인 실시예들에 따른, 도 9의 타이밍 곡선에 예시된 플라즈마 점화 동안의 전압 모니터링의 논리 흐름을 예시하는 논리 흐름도를 포함한다. 도 8-10을 참조하면, 단계 S260에서 점화 커맨드가 전송된다. 다음으로, 단계 S262에서, 예를 들어 탐색표로부터 VSpark_Program이 결정되고, VSpark_Program에 기초하여 점화 전압 VSpark가 플라즈마 블록(120)에 인가되어 점화 절차가 개시된다. 또한, 단계 S272에서 VSpark_Readback이 감지된다. 다음으로, VSpark_Program VP가 단계 S264에서 VSpark_Readback VR과 비교된다. VP<VR이면, 단계 S266에서 시스템 에러가 선언된다. VP=VR이면, 단계 S268에서, 어떠한 용량성 플라즈마 방전도 발생하지 않은 것으로 결론짓는데, 이는 점화에 불충분한 자유 전자들이 플라즈마 블록(120)에 존재하거나 플라즈마 블록(120)에 높은 레벨의 오염이 존재하는, 즉 "독" 조건이 존재하는 "콜드 스타트"에 기인할 수 있다. VP>VR이면, 단계 S270에서, 용량성 플라즈마 방전이 어느 정도 발생하였고, 중간 정도의 독 조건이 플라즈마 블록(120)에 존재하는 것으로 결론짓는다.
도 11은 일부 예시적인 실시예들에 따른, 점화 전압 VSpark, 따라서 점화 전류 ISpark를 인가하기 위한 접속들을 갖는, 위에 상세히 설명된 바와 같은 도넛형 플라즈마 튜브, 플라즈마 블록 또는 플라즈마 구속 영역(120)의 개략도를 포함한다. 접지를 기준으로 하는 점화 전압 VSpark는 플라즈마 블록(120) 양단에 인가되는 것으로 도시된다. 접지 기준은 플라즈마 블록(120)의 바디에 도시된다. 도 11을 참조하면, 전류 ISpark_Readback은 N:1의 권선비를 갖는 변압기(163)를 포함하는 센서 또는 감지 회로(161)에 의해 감지된다. 감지 전압 Vs가 감지 저항 Rs 양단에서 감지될 수 있고, 감지 전류 Is는 Rs를 통과하여 감지 전압 Vs를 유발한다.
Is = ISparkReadback ÷ N; 및
Vs = Is x Rs; 따라서
ISpark_Readback = N x Is = N x Vs/Rs
도 12는 일부 예시적인 실시예들에 따른, 도 9의 타이밍 곡선에 예시된 플라즈마 점화 동안의 전류 모니터링의 논리 흐름을 예시하는 논리 흐름도를 포함한다. 도 9, 11 및 12를 참조하면, 단계 S280에서 점화 커맨드가 전송된다. 다음으로, 단계 S282에서, 의도된 점화 전류 ISpark_Program이 예를 들어 탐색표로부터 결정되고, ISpark_Program에 기초하여 점화 전압 VSpark가 플라즈마 블록(120)에 인가되어 점화 절차가 개시된다. 또한, ISpark_Readback이 단계 S292에서 감지된다. 다음으로, 단계 S284에서 ISpark_Program IP가 ISpark_Readback IR과 비교된다. IP>IR이면, 단계 S286에서 시스템 에러가 선언된다. VP=VR이면, 단계 S288에서, 어떠한 용량성 플라즈마 방전도 발생하지 않은 것으로 결론짓는데, 이는 점화에 불충분한 자유 전자들이 플라즈마 블록(120)에 존재하거나 플라즈마 블록(120)에 높은 레벨의 오염이 존재하는, 즉 "독" 조건이 존재하는 "콜드 스타트"에 기인할 수 있다. IP<IR이면, 단계 S290에서, 용량성 플라즈마 방전이 어느 정도 발생하였고, 중간 정도의 독 조건이 플라즈마 블록(120)에 존재하는 것으로 결론짓는다.
도 13a 내지 13c는 일부 예시적인 실시예들에 따른, 상이한 점화 조건들 하에서의 프로그래밍된 VSpark 점화 파형 및 결과적인 감지된 VSpark_Readback 신호의 시간 경과에 따른 파형도들을 포함한다. 도 13a 내지 3c의 3개의 예시된 시나리오에서, 이러한 특정 예에서 오염물로서 N2 가스를 사용하는 오염 레벨은 상이한 점화 결과들을 생성하도록 변경된다. 즉, 독 레벨은 상이한 타입들의 점화 및 점화 실패를 예시하기 위해 변경된다. 도 13a 내지 13c의 모든 시나리오들은 2.0 표준 리터/분(slm)의 아르곤 흐름 레이트에서 2 토르의 압력에서 구현된다. 도 13a에서, N2 가스는 500 표준 입방 센티미터/분(sccm)의 흐름 레이트로 오염물로서 도입된다. 도 13b에서, N2 가스는 200 sccm의 흐름 레이트로 오염물로서 도입된다. 도 13c에서는, 오염이 도입되지 않는다.
3개의 오염 레벨 중 가장 높은 오염 레벨을 갖는 도 13a를 참조하면, 어떠한 방전도 발생하지 않으며, 따라서 점화에 실패한다. 도 13a의 열악한 점화 조건들에서는, 높은 전압이 많은 양의 시간 동안 인가되며, 플라즈마가 생성되지 않거나 방전이 국지화된다. 따라서, 중간 블록들 상에 그리고 플라즈마 루프 상에 인가되는 전압은 점화 회로의 공진 회로에 의해 결정되는 높은 값으로 유지된다.
다소 더 낮은 레벨의 오염을 갖는 도 13b를 참조하면, 국지화된 방전만이 발생한다. 즉, 풀 루프 방전이 발생하지 않는다. 이 경우에, 독(오염물) 레벨은 전자들이 전체 플라즈마 루프 주위에서 가속되는 것을 방지하며, 이는 플라즈마 루프의 점화에 실패한다는 것을 의미한다. 오염이 없는 도 13c의 경우에는, 고전압이 플라즈마 블록에 인가된 후, 바이어싱된 블록들 근처의 높은 전기장 영역들에서의 국지화된 방전이 생성된다. 국지화된 방전은 접지에 대한 저항성 경로로서 작용하고, 따라서 커패시터 상의 전하가 (도 12에 예시된 바와 같이) 저항기를 통해 아래로 흐름에 따라 점화 전압을 감소시킨다. 플라즈마 루프가 완료되면, 그것은 플라즈마에서의 매우 낮은 저항성 임피던스로 인해 변압기 상의 2차 루프를 분기시키고, 따라서 1차 코일들 상에 유지될 수 있는 전압을 효과적으로 강하시킨다. 따라서, VSpark 및 VLoop가 실질적으로 감소하고, 국지화된 방전이 발생한다. 국지화된 방전은 전체 플라즈마 루프 주위에서 캐스케이딩(cascading)되어, 완전한 루프 방전 및 완전한 성공적인 플라즈마 점화를 유발한다.
도 14a 및 14b는 일부 예시적인 실시예들에 따른, 콜드 스타트 점화 시나리오 및 정상 점화 시나리오 각각에서의 프로그래밍된 VSpark 점화 파형 VSpark_Program, 결과적인 감지된 VSpark_Readback 신호 및 VLoop 신호의 시간 경과에 따른 2개의 파형도를 포함한다. 도 14a를 참조하면, 제1 점화 시도에서, 더 긴 총 점화 시간, 즉 VLoop 방전까지의 더 긴 시간은 콜드 스타트 조건들로 인한 초기 방전까지의 더 긴 시간, 즉 플라즈마 블록 내의 자유 전자들의 부족에 의해 유발된다. 제1 점화 시도에서, 점화, 즉 총 VLoop 방전까지의 시간은 약 100 ms이었다. 즉, 초기 방전까지의 시간은 VSpark_Readback=VSpark_Program일 때 약 100 ms이었고, 그 후 즉석 루프 방전이 이어지는데, 즉 VSpark_Readback<<VSpark_Program이 된다. 도 14b에 도시된 제2 (정상) 점화에서, 초기 방전 및 루프 방전 둘 다는 거의 즉시 발생했다.
도 15a 및 15b는 일부 예시적인 실시예들에 따른, 장기간 점화 시나리오 및 점화 실패 시나리오 각각의 경우에서의 독(오염) 점화 조건들 하에서의 프로그래밍된 VSpark 점화 파형 VSpark_Program, 결과적인 감지된 VSpark_Readback 신호 및 VLoop_Readback 신호의 시간 경과에 따른 2개의 파형도를 포함한다. 도 15a 및 15b를 참조하면, 중독 점화 조건들 하에서의 5000번의 점화 시도 동안, VSpark_Readback 및 VLoop가 기록되었다. 국지화된 방전 후에, VSpark_Readback은 진폭이 떨어지고, Vloop는 여전히 최대 전압으로 계속 램핑(ramping)한다(플라즈마 루프가 완전히 폐쇄되지 않기 때문에, 변압기에서의 플라즈마를 나타내는 2차 루프는 개방되고 더 높은 루프 전압을 유지할 수 있다). 이 Vloop는 플라즈마 루프가 형성될 때 붕괴되고(더 낮은 진폭으로 감소되고), 플라즈마 전류 x 플라즈마 임피던스에 비례하게 된다. 도 15b에 도시된 신호 내의 딥(dip)에 의해 표시된 바와 같이, VSpark_Readback의 변동들은 플라즈마 블록에서의 아크 발생 또는 불안정한 플라즈마 루프를 나타내어 점화 실패에 기여하는 것으로 결론지어질 수 있다. 1,000번의 점화 후에, 입구 플라즈마 블록은 플라즈마에 의해 심하게 손상되었다는 점에 유의한다. 도 15a 및 15b에 도시된 바와 같이, 초기 방전 그러나 불완전한 플라즈마 루프 형성이 존재하는 총 지속기간은 플라즈마 블록 수명과 관련되는데, 그 이유는 바이어싱된 플라즈마 블록들의 부근에 형성되는 이온들이 플라즈마 블록 표면들 내로 다시 가속되어 보호 유전성 코팅들에 대한 손상을 유발하여 블록들의 유효 수명을 낮출 수 있고, 본 개시에 따르면, 블록 교체 및/또는 프로세스 연동을 위한 트리거로서 사용될 수 있기 때문이다.
예시적인 실시예들에 따르면, 더 낮은 점화 전압에서 시작함으로써, 시스템은 더 낮은 전압에서 유리한 가스 조건들 하에서 점화할 수 있고, 이는 플라즈마 블록 내의 전기장들을 감소시키고(E=V/두께), 따라서 높은 전기장 영역에서의 유전체의 파국적 방전의 가능성을 감소시키며, 이는 입자들을 유발하는 코팅의 제거를 유발할 수 있다.
본 개시의 접근법은 가장 양호한 점화를 가능하게 한다. 또한, 본 개시에 따르면, 점화 전압의 변경을 통한 프로세스 및 RPS 건강 모니터링은 장기 동작에 걸쳐 수행될 수 있다. 블록 코팅 무결성, 즉 유전체 강도 및 그 안의 변화는 이 전압으로부터 결정될 수 있다. 본 개시에 따르면, 방전 전압은 또한 블록 및 상이한 공급 가스들에 대한 품질 제어 메트릭의 역할을 할 수 있다.
플라즈마를 점화하기 위한 블록들에 고전압이 인가될 때, 코팅이 임의의 위치에서 손상되고 정전기장을 유지할 수 없는 경우, 기생 아크 발생 이벤트가 존재할 수 있다. 이것은 국지적 유전체 방전 강도가 인가된 전기장보다 더 약할 때 발생할 수 있고, 바이어싱된 전극 근처의 다른 접지된 영역들에 아크를 유발할 수 있다. 이것은 코팅이 전기적 방전 동안 유도되는 아크 발생 손상으로 인해 이 영역에서 부식되게 할 수 있다. 블록 코팅들에 대한 이러한 부식 및 손상은 본 명세서에서 제공된 스마트 점화 방식에 의해 최소화될 수 있으며, 이러한 스마트 점화 방식에서는 가장 낮은 가능한 전위에서 그리고 주어진 프로세스 조건에 대한 이전에 학습된 전위를 인가하여 다음 기판을 처리하기 위한 플라즈마를 발생시킬 수 있는 스마트 학습을 통해 플라즈마 발생을 가능하게 하도록 전압이 램핑될 수 있다.
본 개시는 또한 플라즈마 점화 조건들에 대한 진단 모니터링을 제공한다. 예시적인 실시예들에 따르면, 점화에 필요한 전압은 또한 시스템의 건강 검사를 위한 수단을 제공하고, 더 긴 기간에 걸쳐 프로세스 조건들의 드리프트를 모니터링하는 데 사용될 수 있다. 이것은 또한 기판들이 플라즈마 또는 블록 조건들의 부주의한 드리프팅으로 인해 잘못 처리되는 것을 방지하기 위한 수단일 수 있으며, 특히 할로겐, O 또는 H 함유 가스들을 갖는 고도의 반응성의 플라즈마 환경들에 대한 블록/코팅 표면들의 노출에 인해 또는 프로세서 챔버들로부터의 응축 가능한 프리커서들의 후방 스트리밍으로 인한 또는 원격 플라즈마 소스들, 예를 들어 C 또는 S 또는 Al 등을 함유하는 프리커서들에서 사용되는 가스들로 인한 블록 표면들 상의 다른 종들의 퇴적으로 인해 블록의 부식이 존재하는 경우에 플라즈마 블록 건강을 모니터링하기 위한 수단의 역할을 더 할 수 있다. 대안적으로, 이것은 원격 플라즈마 소스의 플라즈마 대향 표면들의 화학적 수정을 포함할 수 있다. 이것은 점화에 필요한 시간 또는 전압의 변화들을 유발할 수 있다. 이러한 변화들은 다른 프로세스 또는 유지보수 활동들을 위한 트리거를 통합하여 플라즈마 조건들을 제어 한계들 내로 재설정하기 위해 이러한 원격 플라즈마 소스들을 이용하는 시스템에 대한 유용한 진단들을 제공할 수 있다. 이러한 진단들은 라디칼 출력의 사소한 변화가 최종 사용자에게 상당한 수율 손실을 유발할 수 있는 "온-웨이퍼" 처리 응용들을 위해 사용될 수 있다. 플라즈마 소스에서 라디칼 재결합을 모니터링하기 위해 효과적으로 이용될 수 있는 진단을 갖는 것은 고도의 프로세스 제어를 수행하는 응용들에서 유용하다.
본 개시는 또한 플라즈마 소스들에 대한 "스마트", 즉 자기 학습 점화 방식을 제공한다. 본 개시에 따른 플라즈마 소스에 대한 자기 학습 점화 방식은 동일한 프로세스들로 다수의 기판을 처리할 때 플라즈마 점화 시간을 최소화하기 위해 사용될 수 있다. 이 접근법은 처음 소수의 기판(학습 기판)으로부터 프로세스 레시피 시퀀스에서의 상이한 스테이지들에 대한 플라즈마 발생 조건들을 기록하고, 이어서 나머지 기판들을 처리하기 위해 "학습된" 값들을 사용하는 것을 포함한다. 이것은 프로세스 반복성을 보장하고, 최종 사용자들에게 매우 비용이 들 수 있는 스크랩 이벤트들을 최소화/방지한다. 통상적인 반도체 디바이스 기판들은 수만 달러의 가치가 있으며, 이는 통상적으로 원격 플라즈마 유닛 자체의 비용보다 더 가치있다. 본 개시의 스마트(자기-학습) 접근법은 또한 블록 코팅이 높은 전기장들에 노출되는 시간을 최소화하여 블록들의 부식을 최소화할 뿐만 아니라 플라즈마를 점화하는 데 필요한 전기장의 크기를 최소화함으로써 우수한 결함 성능을 가능하게 하는데, 예를 들어 결함들의 생성을 최소화하며, 이는 디바이스 수율들이 프로세스 동안 생성되는 막들 내의 결함들과 직접 상관되는 임의의 온-웨이퍼 프로세스들에 중요하다.
따라서, 본 개시의 플라즈마 점화 접근법에 따르면, 플라즈마 점화가 콜드 스타트 또는 독 조건들에서 발생하고 있는지 또는 점화가 정상인지를 결정하고 보고하기 위해 플라즈마 블록에서의 VSpark_Readback/VSpark_Program의 비율로부터 VSpark_Ratio 신호가 생성된다. 이것은 상황에 적용되는 임의의 교정 기술들을 안내한다.
또한, 본 개시에 따르면, 블록 건강의 근사화를 제공하기 위해 VSpark_Ratio = VSpark_Readback/VSpark_Program과 함께 타이머가 사용된다. 일반적으로, 국지화된 방전을 갖고 루프 방전을 갖지 않는 시간이 길수록, 더 많은 손상이 플라즈마 블록들에 대해 유발된다.
또한, 본 개시에 따르면, 플라즈마 챔버 조건들은 점화까지의 지속기간 및/또는 성공적인 점화에 필요한 VSpark_Program의 값을 사용하여 점화 동안 결정될 수 있다.
또한, 본 개시에 따르면, VSpark_Ratio = VSpark_Readback/VSpark_Program 신호 상의 잡음을 사용하여 아크 검출이 생성될 수 있다. 도 16b에 도시된 바와 같이, VSpark_Readback 신호는 성공하지 못한 점화 동안 불규칙한 거동을 보인다. 구체적으로, VSpark_Readback의 값은 VSpark_Program의 값으로부터 떨어지지만, 아크 발생 또는 불안정한 플라즈마 형성 조건들을 나타내는 저주파 잡음을 나타낸다. 따라서, 이러한 잡음의 검출은 아크 발생 또는 불안정한 플라즈마 형성 조건의 발생을 진단하는 데 사용될 수 있다.
또한, 본 개시에 따르면, 본 개시의 모든 요소들은 플라즈마 블록들에 VSpark 바이어스를 제공하는 측정된 전류 신호를 사용하여 동일하게 적용 가능하다는 점에 유의해야 한다.
도 16은 일부 예시적인 실시예들에 따른 플라즈마 점화 절차의 개략적인 논리 흐름도를 포함한다. 도 16을 참조하면, 점화 시퀀스는 단계 S402에서 t=0에서 타이머를 시작함으로써 시작한다. 다음으로, 단계 S404에서, 타임아웃에 도달했는지를 결정하기 위해 시간 t가 검사된다. 일부 예시적인 실시예들에서, 타임아웃은 5-15초로 설정될 수 있다. 타임아웃에 도달하면, 흐름은 단계 S404로부터 아니오 분기를 따라 단계 S406으로 이동하고, 여기서 시퀀스는 중단되고, 점화 윈도우 타임아웃 한계 초과로 인해 점화 실패가 보고된다. 이어서, 흐름은 단계 S436으로 이동하고, 여기서 점화 시퀀스가 완료된 것으로 선언되며, 점화까지의 시간 t가 기록되고, 점화 동안에 도달되는 최대 VSpark_Readback이 기록된다. 타임아웃에 도달하지 않으면, 흐름은 단계 S404로부터 예 분기를 따라 단계 S408로 이동하고, 여기서 예를 들어 탐색표로부터 값을 획득함으로써 VSpark_Program의 값이 설정된다. 다음으로, 단계 S410에서, VSpark_Program의 값이 미리 설정된 최대 VSpark 값보다 작은지가 결정된다. 그렇지 않다면, 흐름은 단계 S410으로부터 아니오 분기를 따라 단계 S412로 이동하고, 여기서 시퀀스는 중단되고, VSpark 한계 초과로 인해 점화 실패가 보고된다. 이어서, 흐름은 단계 S436으로 이동하고, 여기서 점화 시퀀스가 완료된 것으로 선언되며, 점화까지의 시간 t가 기록되고, 점화 동안에 도달된 최대 VSpark_Readback이 기록된다. 최대 VSpark 값이 초과되지 않으면, 흐름은 단계 S410로부터 예 분기를 따라 단계 S414로 이동하고, 여기서 VSpark_Readback 신호가 측정된다. 단계 S416에서, VSpark_Ratio signal = VSpark_Readback/VSpark_Program이 계산된다. 단계 S418에서, VSpark_Ratio 신호가 1보다 커서, VSpark_Readback 신호가 VSpark_Program 신호보다 크다는 것을 의미하는 경우, 흐름은 단계 S418로부터 예 분기를 따라 단계 S420으로 이동하고, 여기서 시퀀스가 중단되고, 시스템 에러가 보고된다. 이어서, 흐름은 단계 S436으로 이동하고, 여기서 점화 시퀀스가 완료된 것으로 선언되고, 점화까지의 시간 t가 기록되고, 점화 동안에 도달된 최대 VSpark_Readback이 기록된다. 비율이 1보다 크지 않다면, 흐름은 단계 S418로부터 아니오 분기를 따라 단계 S422로 이동하고, 여기서 비율이 일부 특정한 예시적인 실시예들에서 0.90인 임계값 1로 본 명세서에서 지칭되는 소정의 제1 임계값보다 작은지가 결정된다. 그렇지 않은 경우, 흐름은 단계 S422로부터 아니오 분기를 따라 단계 S424로 이동하고, 여기서 초기 방전이 아직 발생하지 않은 것으로 결론지어지고, 흐름은 단계 S404로 복귀한다. 비율이 임계값 1보다 작은 경우, 흐름은 단계 S422로부터 예 분기를 따라 단계 S426으로 이동하고, 여기서 비율이 일부 특정한 예시적인 실시예들에서 0.10인 임계값 2로 지칭되는 어떤 제2 임계값보다 작은지가 결정된다. 그렇지 않은 경우, 흐름은 단계 S426으로부터 아니오 분기를 따라 단계 S428로 이동하고, 여기서 루프 폐쇄가 아직 발생하지 않았고, 따라서 중독 점화 조건이 존재하는 것으로 결론지어진다. 그 다음, 흐름은 단계 S430으로 이동하고, 여기서 루프 전압이 증가되고, 이어서 단계 S432으로 이동하고, 여기서 새로운 루프 전압이 최대 허용가능 VLoop 값 아래인지가 결정된다. 그렇지 않다면, 흐름은 단계 S432로부터 아니오 분기를 따라 단계 S438로 이동하고, 여기서 점화 중독 조건이 보고되고, 점화의 재시도 전에 시스템의 퍼징(purging)을 요구하는 통지가 발행된다. 이어서, 흐름은 단계 S436으로 이동하고, 여기서 점화 시퀀스가 완료된 것으로 선언되고, 점화까지의 시간 t가 기록되고, 점화 동안에 도달된 최대 VSpark_Readback이 기록된다. 새로운 루프 전압이 최대 허용가능 VLoop 값 아래인 경우, 흐름은 단계 S432로부터 예 분기를 따라 단계 S404로 복귀한다.
도 17은 일부 예시적인 실시예들에 따른 다른 플라즈마 점화 절차의 개략적인 논리 흐름도를 포함한다. 도 17을 참조하면, 점화 시퀀스는 단계 S452에서 t=0에서 타이머를 시작함으로써 시작한다. 다음으로, 단계 S454에서 타임아웃에 도달되었는지를 결정하기 위해 시간 t가 검사된다. 일부 예시적인 실시예들에서, 타임아웃은 5-15초로 설정될 수 있다. 타임아웃에 도달하면, 흐름은 단계 S454에서 아니오 분기를 따라 단계 S456으로 이동하고, 여기서 시퀀스가 중단되고, 점화 윈도우 타임아웃 한계 초과로 인해 점화 실패가 보고된다. 이어서, 흐름은 단계 S480으로 이동하고, 여기서 점화 시퀀스가 완료된 것으로 선언되고, 점화까지의 시간 t가 기록되고, 점화 동안에 도달된 최대 ISpark_Readback이 기록된다. 타임아웃에 도달하지 않으면, 흐름은 단계 S454로부터 예 분기를 따라 단계 S458로 이동하고, 여기서, 예를 들어 탐색표로부터 값을 획득함으로써 VSpark_Program의 값이 설정된다. 다음으로, 단계 S460에서, VSpark_Program의 값이 미리 설정된 최대 VSpark 값보다 작은지가 결정된다. 그렇지 않다면, 흐름은 단계 S460에서 아니오 분기를 따라 단계 S462로 이동하고, 여기서 시퀀스는 중단되고, VSpark 한계 초과로 인해 점화 실패가 보고된다. 이어서, 흐름은 단계 S480로 이동하고, 여기서 점화 시퀀스가 완료된 것으로 선언되고, 점화까지의 시간 t가 기록되고, 점화 동안에 도달된 최대 ISpark_Readback이 기록된다. 최대 VSpark 값에 초과되지 않으면, 흐름은 단계 S460으로부터 예 분기를 따라 단계 S464로 이동하고, 여기서 ISpark_Readback 및 ILoop_Readback 신호들이 측정된다. 단계 S466에서, ISpark_Readback이 아크 발생에 대한 미리 설정된 임계 전류 값 I_Arc_Threshold를 초과하는지가 결정된다. 임계값이 초과되면, 흐름은 단계 S466에서 예 분기를 따라 단계 S468로 이동하며, 여기서 시퀀스는 중단되고, 잠재적 아크 발생이 보고된다. 이어서, 흐름은 단계 S480로 이동하고, 여기서 점화 시퀀스가 완료된 것으로 선언되고, 점화까지의 시간 t가 기록되고, 점화 동안에 도달된 최대 ISpark_Readback이 기록된다. 아크 발생 임계값이 ISpark_Readback에 의해 초과되지 않으면, 흐름은 단계 S466으로부터 아니오 분기를 따라 단계 S470으로 이동하고, 여기서 ISpark_Readback의 현재 값이 제1 점화 전류 임계값 I_Ignitionthreshold1을 초과하는지가 결정된다. 그렇지 않은 경우, 흐름은 단계 S470에서 아니오 분기를 따라 단계 S474로 이동하고, 여기서 초기 방전이 아직 발생하지 않은 것으로 결론지어진다. 이어서, 흐름은 단계 S454로 복귀한다. ISpark_Readback이 I_Ignitionthreshold1을 초과하는 경우, 흐름은 단계 S470에서 예 분기를 따라 단계 S472로 이동하고, 여기서 ISpark_Readback이 제2 점화 전류 임계값 I_Ignitionthreshold2를 초과하는지가 결정된다. 그러한 경우, 흐름은 단계 S472에서 예 분기를 따라 단계 S478로 이동하고, 여기서 성공적인 점화가 달성되었다고 결론지어지고 보고된다. 이어서, 흐름은 단계 S480로 이동하고, 여기서 점화 시퀀스가 완료된 것으로 선언되고, 점화까지의 시간 t가 기록되고, 점화 동안에 도달된 최대 ISpark_Readback이 기록된다. ISpark_Readback이 제2 점화 전류 임계값 I_Ignitionthreshold2를 초과하지 않는 경우, 흐름은 단계 S472에서 아니오 분기를 따라 단계 S476으로 이동하고, 여기서 루프 폐쇄가 발생하지 않았고, 따라서 중독 점화 조건이 존재하는 것으로 결론지어진다. 다음으로, 흐름은 단계 S482로 이동하고, 여기서 루프 전압이 증가되고, 이어서 단계 S484로 이동하고, 여기서 새로운 루프 전압이 최대 허용가능 VLoop 값 아래인지가 결정된다. 그렇지 않다면, 흐름은 단계 S484로부터 아니오 분기를 따라 단계 S486으로 이동하고, 여기서 점화 중독 조건이 보고되고, 점화의 재시도 전에 시스템의 퍼징을 요구하는 통지가 발행된다. 이어서, 흐름은 단계 S480으로 이동하고, 여기서 점화 시퀀스가 완료된 것으로 선언되고, 점화까지의 시간 t가 기록되고, 점화 동안에 도달된 최대 ISpark_Readback이 기록된다. 새로운 루프 전압이 최대 허용가능 VLoop 값 아래인 경우, 흐름은 단계 S484로부터 예 분기를 따라 단계 S454로 복귀한다.
도 18은 일부 예시적인 실시예들에 따른 다른 플라즈마 점화 절차의 개략적인 논리 흐름도를 포함한다. 도 18을 참조하면, 점화 시퀀스는 단계 S552에서 t=0에서 타이머를 시작함으로써 시작한다. 다음으로, 단계 S554에서 타임아웃에 도달했는지를 결정하기 위해 시간 t가 검사된다. 일부 예시적인 실시예들에서, 타임아웃은 5-15초로 설정될 수 있다. 타임아웃에 도달하면, 흐름은 단계 S554에서 아니오 분기를 따라 단계 S556으로 이동하고, 여기서 시퀀스는 중단되고, 점화 윈도우 타임아웃 한계 초과로 인해 점화 실패가 보고된다. 다음으로, 흐름은 단계 S580로 이동하고, 여기서 점화 시퀀스가 완료된 것으로 선언되고, 점화까지의 시간 t가 기록되고, 점화 동안에 도달된 최대 ISpark_Readback이 기록되고, ILoop_Readback의 값이 기록된다. 타임아웃에 도달하지 않은 경우, 흐름은 단계 S554로부터 예 분기를 따라 단계 S558로 이동하며, 여기서 예를 들어 탐색표로부터 값을 획득함으로써 VSpark_Program의 값이 설정된다. 다음으로, 단계 S560에서, VSpark_Program의 값이 미리 설정된 최대 VSpark 값보다 작은지가 결정된다. 그렇지 않은 경우, 흐름은 단계 S560에서 아니오 분기를 따라 단계 S562로 이동하고, 여기서 시퀀스는 중단되고, VSpark 한계 초과로 인해 점화 실패가 보고된다. 다음으로, 흐름은 단계 S580으로 이동하고, 여기서 점화 시퀀스가 완료된 것으로 선언되고, 점화까지의 시간 t가 기록되고, 점화 동안에 도달된 최대 ISpark_Readback이 기록되고, ILoop_Readback의 값이 기록된다. 최대 VSpark 값이 초과되지 않으면, 흐름은 단계 S560에서 예 분기를 따라 단계 S564로 이동하고, 여기서 ISpark_Readback 및 ILoop_Readback 신호들이 측정된다. 단계 S566에서, ISpark_Readback이 아크 발생에 대한 미리 설정된 임계 전류 값 I_Arc_Threshold를 초과하는지가 결정된다. 임계값이 초과되면, 흐름은 단계 S566에서 예 분기를 따라 단계 S568로 이동하며, 여기서 시퀀스는 중단되고, 잠재적 아크 발생이 보고된다. 다음으로, 흐름은 단계 S580으로 이동하고, 여기서 점화 시퀀스가 완료된 것으로 선언되고, 점화까지의 시간 t가 기록되고, 점화 동안에 도달된 최대 ISpark_Readback이 기록되고, ILoop_Readback의 값이 기록된다. 아크 발생 임계값이 ISpark_Readback에 의해 초과되지 않으면, 흐름은 단계 S566으로부터 아니오 분기를 따라 단계 S570으로 이동하고, 여기서 ISpark_Readback의 현재 값이 제1 점화 전류 임계값 I_Ignitionthreshold1을 초과하는지가 결정된다. 그렇지 않은 경우, 흐름은 단계 S570으로부터 아니오 분기를 따라 단계 S574로 이동하고, 여기서 초기 방전이 아직 발생하지 않은 것으로 결론지어진다. 이어서, 흐름은 단계 S554로 복귀한다. ISpark_Readback이 I_Ignitionthreshold1을 초과한다면, 흐름은 단계 S570으로부터 예 분기를 따라 단계 S572로 이동하고, 여기서 ILoop_Readback이 루프 전류 임계값 I_Loop_threshold1을 초과하는지가 결정된다. 그렇다면, 흐름은 단계 S572로부터 예 분기를 따라 단계 S578로 이동하고, 여기서 성공적인 점화가 달성되었다고 결론지어지고 보고된다. 이어서, 흐름은 단계 S580으로 이동하고, 여기서 점화 시퀀스가 완료된 것으로 선언되고, 점화까지의 시간 t가 기록되고, 점화 동안에 도달된 최대 ISpark_Readback이 기록되고, ILoop_Readback의 값이 기록된다. ILoop_Readback이 루프 전류 임계값 I_Loop_threshold1을 초과하지 않는 경우, 흐름은 단계 S572로부터 아니오 분기를 따라 단계 S576으로 이동하고, 여기서 루프 폐쇄가 발생하지 않았고, 따라서 중독 점화 조건이 존재하는 것으로 결론지어진다. 다음으로, 흐름은 단계 S582로 이동하고, 여기서 루프 전압이 증가되고, 이어서 단계 S584로 이동하고, 여기서 새로운 루프 전압이 최대 허용가능 VLoop 값 이하인지가 결정된다. 그렇지 않다면, 흐름은 단계 S584로부터 아니오 분기를 따라 단계 S586으로 이동하고, 여기서 점화 동독 조건이 보고되고, 점화의 재시도 전에 시스템의 퍼징을 요구하는 통지가 발행된다. 다음으로, 흐름은 단계 S580으로 이동하고, 여기서 점화 시퀀스가 완료된 것으로 선언되고, 점화까지의 시간 t가 기록되고, 점화 동안에 도달된 최대 ISpark_Readback이 기록되고, ILoop_Readback의 값이 기록된다. 새로운 루프 전압이 최대 허용가능 VLoop 값 아래인 경우, 흐름은 단계 S584로부터 예 분기를 따라 단계 S554로 복귀한다.
전술한 바와 같이, 본 명세서에서 상세히 설명된 플라즈마 점화 접근법은 전체 시스템의 건강 및 상태를 모니터링하는 데 사용될 수 있다. 도 19는 일부 예시적인 실시예들에 따른, 플라즈마 소스의 건강 및 상태를 모니터링하기 위해 플라즈마 점화 파라미터들을 사용하는 방법의 논리 흐름을 예시하는 논리 흐름도를 포함한다. 도 19를 참조하면, 단계 S502에서, 플라즈마 점화와 관련된 파라미터들이 판독된다. 파라미터들은 시간 t, 최대 VSpark_Readback, ISpark_Readback, ILoop_Readback을 포함한다. 단계 S504에서, 파라미터들은 내부 제어기, 반도체 메모리, 외부 저장 디바이스 또는 데이터 비교기, 시스템 제어기 또는 임의의 그러한 디바이스와 같은 메모리 및/또는 처리 디바이스에 저장된다. 단계 S506에서, 현재 파라미터 값들은 단기 저장 값들 또는 장기 평균 값들일 수 있는 이력 값들과 비교된다. 파라미터들에 대한 목표 값들은 알려진 양호한 조건들로부터 결정된다. 단계 S508에서, 단계 S506에서의 비교들에 기초하여 가능한 정정 액션들이 취해진다. 정정 액션들은 (i) 플라즈마 블록(들)을 세정 및/또는 교체하는 것, (ii) 퍼지 시간들을 증가시키는 것, (iii) RPS 설정들을 조정하여 동일한 프로세스 성능을 목표로 하는 것, (iv) RPS를 교체하는 것, (v) 챔버 또는 RPS 보호 유지보수를 스케줄링하는 것, (vi) MFC들/가스 공급 라인들을 검사 및/또는 미리 배치하는 것 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 개념이 그의 예시적인 실시예들을 참조하여 구체적으로 도시되고 설명되었지만, 이하의 청구항들에 의해 정의되는 바와 같은 본 발명의 개념의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고 형태 및 세부사항들에서의 다양한 변경들이 이루어질 수 있다는 것이 본 기술분야의 통상의 기술자들에 의해 이해될 것이다.
Claims (26)
- 플라즈마 구속 볼륨 내에서 플라즈마를 점화함으로써 플라즈마 시스템의 건강을 결정하는 방법으로서,
점화 회로로 점화 신호를 생성하는 단계;
상기 플라즈마 구속 볼륨 근처의 바이어싱된 영역과 접지된 영역 사이에 상기 점화 신호를 인가하는 단계;
상기 점화 회로에서 파라미터를 감지하는 단계;
상기 감지된 파라미터를 제1 파라미터 임계값과 비교하는 단계; 및
상기 감지된 파라미터가 상기 제1 전압 임계값과 상이한 경우에, 상기 플라즈마 구속 볼륨과 관련된 조건을 결정하는 단계
를 포함하는 방법. - 제1항에 있어서, 상기 조건은 상기 플라즈마 구속 볼륨 내의 가스들의 오염인, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 조건은 플라즈마의 점화에 불충분한 자유 전자 밀도인, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 결정된 조건을 보고하는 단계를 더 포함하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 결정된 조건과 관련된 정정 액션을 취하는 단계를 더 포함하는 방법.
- 제5항에 있어서, 상기 정정 액션은,
공급 가스 내의 오염물을 검사하는 단계; 및
상기 오염물의 소스를 제거하는 단계
를 포함하는, 방법. - 제5항에 있어서, 상기 정정 액션은,
상기 플라즈마 구속 볼륨 내의 오염물의 양을 감소시키기 위해 상기 플라즈마 구속 볼륨을 통해 퍼지 가스를 제공하는 단계
를 포함하는, 방법. - 제1항에 있어서, 방전 시간을 결정하는 단계를 더 포함하고, 상기 방전 시간은 상기 점화 신호가 인가되는 시간과 상기 감지된 파라미터가 제2 파라미터 임계값에 대해 변하는 시간 사이의 시간의 양인, 방법.
- 제8항에 있어서, 상기 방전 시간이 방전 시간 임계값을 초과하는 경우에 상기 플라즈마 구속 볼륨과 관련된 조건을 결정하는 단계를 더 포함하는 방법.
- 제9항에 있어서, 상기 조건은 상기 플라즈마 구속 볼륨 내의 가스들의 오염인, 방법.
- 제9항에 있어서, 상기 조건은 플라즈마의 점화에 불충분한 자유 전자 밀도인, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 점화 회로에서의 상기 감지된 파라미터는 상기 점화 회로에서의 전압인, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 점화 회로에서의 상기 감지된 파라미터는 상기 점화 회로에서의 전류인, 방법.
- 플라즈마 구속 볼륨 내에서 플라즈마를 점화함으로써 플라즈마 시스템의 건강을 결정하기 위한 장치로서,
점화 신호를 생성하기 위한 점화 회로;
상기 플라즈마 구속 볼륨 근처의 바이어싱된 영역과 접지된 영역 사이에 상기 점화 신호를 인가하기 위한 입력;
상기 점화 회로에서 파라미터를 감지하기 위한 센서;
상기 감지된 파라미터를 제1 파라미터 임계값과 비교하고, 상기 감지된 파라미터가 상기 제1 파라미터 임계값과 상이한 경우에, 상기 플라즈마 구속 볼륨과 관련된 조건을 결정하기 위한 처리 유닛
을 포함하는 장치. - 제14항에 있어서, 상기 조건은 상기 플라즈마 구속 볼륨 내의 가스들의 오염인, 장치.
- 제14항에 있어서, 상기 조건은 플라즈마의 점화에 불충분한 자유 전자 밀도인, 장치.
- 제14항에 있어서, 상기 처리 회로는 상기 결정된 조건을 보고하는, 장치.
- 제14항에 있어서, 상기 처리 회로는 상기 결정된 조건과 관련된 정정 액션을 취하는, 장치.
- 제18항에 있어서, 상기 정정 액션은,
공급 가스 내의 오염물을 검사하는 것; 및
상기 오염물의 소스를 제거하는 것
을 포함하는, 장치. - 제18항에 있어서, 상기 정정 액션은,
상기 플라즈마 구속 볼륨 내의 오염물의 양을 감소시키기 위해 상기 플라즈마 구속 볼륨을 통해 퍼지 가스를 제공하는 것
을 포함하는, 장치. - 제14항에 있어서, 상기 처리 회로는 방전 시간을 결정하고, 상기 방전 시간은 상기 점화 전압이 인가되는 시간과 상기 플라즈마 구속 볼륨에서의 상기 감지된 전압이 제2 전압 임계값 아래로 떨어지는 시간 사이의 시간의 양인, 장치.
- 제21항에 있어서, 상기 처리 회로는 상기 방전 시간이 방전 시간 임계값을 초과하는 경우에 상기 플라즈마 구속 볼륨과 관련된 조건을 결정하는, 장치.
- 제22항에 있어서, 상기 조건은 상기 플라즈마 구속 볼륨 내의 가스들의 오염인, 장치.
- 제22항에 있어서, 상기 조건은 플라즈마의 점화에 불충분한 자유 전자 밀도인, 장치.
- 제14항에 있어서, 상기 센서에 의해 감지된 상기 파라미터는 상기 점화 회로에서의 전압인, 장치.
- 제14항에 있어서, 상기 센서에 의해 감지된 상기 파라미터는 상기 점화 회로에서의 전류인, 장치.
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