KR20230071358A - 임피던스 매칭 장치 및 이를 포함하는 플라즈마 발생 장치 - Google Patents

임피던스 매칭 장치 및 이를 포함하는 플라즈마 발생 장치 Download PDF

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임은석
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Abstract

본 발명에 따른 플라즈마 발생 장치는, 고주파 전원; 상기 고주파 전원의 공급에 따른 부하의 임피던스 변화에 대응되는 전기적 검출 신호를 검출하여 출력하는 센서; 상기 고주파 전원과 부하 사이에 배치되고, 전자적 스위칭 소자의 스위칭 제어를 통해 상기 부하의 임피던스 변화에 대응되는 임피던스 매칭을 수행하기 위한 임피던스 매처; 및 상기 센서로부터 검출된 전기적 검출 신호에 따라 상기 전자적 스위칭 소자의 스위칭 제어를 수행하는 콘트롤러를 포함한다.

Description

임피던스 매칭 장치 및 이를 포함하는 플라즈마 발생 장치{IMPEDANCE MATCHING APPARATUS AND PLASMA GENERATOR APPARATUS INCLUDING IT}
본 발명은 임피던스 매칭 장치 및 이를 포함하는 플라즈마 발생 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전자식 가변 인덕터와 가변 캐패시터를 이용하여 임피던스 매칭 폭을 확장시킬 수 있는 임피던스 매칭 장치 및 이를 포함하는 플라즈마 발생 장치에 관한 것이다.
플라스마 에칭(plasma etching)은 반도체 제조 공정에서 빈번히 사용된다. 플라스마 에칭에서, 이온은 기판 상에 노출된 표면을 에칭하기 위하여 전계(electric field)에 의해 가속된다. 전계는 고주파 전력 시스템의 고주파 발생기에 의해 발생되는 고주파 신호들에 따라 발생된다. 고주파 발생기에 의해 발생되는 고주파 신호들은 플라스마 에칭을 효율적으로 실행하도록 정밀하게 제어되어야 한다.
고주파 전력 시스템은 고주파 발생기, 임피던스 매처(Impedance matcher), 및 플라스마 챔버를 포함할 수 있다. 고주파 신호는 집적회로(IC)들, 솔라 패널, 콤팩트 디스크(CD), 및/또는 DVD와 같은 다양한 부품들을 제조하기 위하여 부하를 구동하도록 사용된다.
고주파 신호는 임피던스 매처에 수신된다. 임피던스 매처는 임피던스 매처의 입력 임피던스를 고주파 발생기와 임피던스 매처 사이의 전송 라인의 특성 임피던스에 매칭한다. 임피던스 매칭은 플라스마 챔버를 향하여 순방향으로 공진 네트워크에 인가되는 임피던스 매처의 전력량("순방향 전력")을 최대화하는 데에 도움을 주며, 임피던스 매처로부터 고주파 발생기로 반사되는 전력량("역방향 전력")을 최소화하는 데에 도움을 준다. 즉, 임피던스 매처의 입력 임피던스가 전송 라인의 특성 임피던스와 일치할 때 고주파 발생기로부터 플라즈마 챔버로의 순방향 전력 출력을 최대화되고 역방향 전력이 최소화될 수 있다.
그런데 임피던스 매처는 복수의 전기 소자로 구현되는데, 개별 전기 소자는 다양한 용량 범위와 유도 범위에서 변화하면서 임피던스를 매칭시킬 필요가 있다.
공개특허 10-2017-0054284호 플라즈마 프로세싱 시스템들의 매칭 네트워크들에서 가변 커패시터들의 위치 변환들을 수행하고 변환 모델들을 캘리브레이팅하기 위한 시스템들 및 방법들 공개특허 10-2017-0121501호 전자식 가변 임피던스 매칭박스를 구비한 플라즈마 전원 공급 시스템
본 발명은 전자적 스위칭 회로를 사용하여 가변 유도성 소자부와 가변 용량성 소자부를 단속함으로써 속응성 있게 유도 범위와 용량 범위를 가질 수 있는 임피던스 매칭 장치 및 이를 포함하는 플라즈마 발생 장치를 제공함에 목적이 있다.
또한, 본 발명은 전자적 스위칭 회로의 듀티비를 제어함으로써 가변 유도성 소자부에서의 넓은 범위를 갖는 합성 인덕턴스를 가질 수 있는 임피던스 매칭 장치 및 이를 포함하는 플라즈마 발생 장치를 제공함에 다른 목적이 있다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 플라즈마 발생 장치는, 고주파 전원; 상기 고주파 전원의 공급에 따른 부하의 임피던스 변화에 대응되는 전기적 검출 신호를 검출하여 출력하는 센서; 상기 고주파 전원과 부하 사이에 배치되고, 전자적 스위칭 소자의 스위칭 제어를 통해 상기 부하의 임피던스 변화에 대응되는 임피던스 매칭을 수행하기 위한 임피던스 매처; 및 상기 센서로부터 검출된 전기적 검출 신호에 따라 상기 전자적 스위칭 소자의 스위칭 제어를 수행하는 콘트롤러를 포함한다.
바람직하게는, 상기 임피던스 매처는, 상기 부하의 리액턴스 성분 중 캐패시턴스 성분이 변화할 때 동축 상에 배치되는 복수 개의 코일 간 자기 유도 결합을 통해 인덕턴스를 가감하도록 구성된 인덕턴스 성분 조정부를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 부하의 리액턴스 성분 중 인덕턴스 성분이 변화할 때 캐패시턴스 성분을 조정하도록 구성된 캐패시턴스 성분 조정부; 및 상기 부하의 저항 성분을 50오옴에 기반하여 임피던스 조정을 수행보다 작을 때에 임피던스 조정을 수행하도록 구성된 저항 성분 조정부를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 인덕턴스 성분 조정부는, 상기 고주파 전원으로부터 상기 부하 사이에 직렬로 배치되는 1차 코일; 상기 1차 코일과 동축상에 자기 유도되어 결합되도록 배치되는 2차 코일; 및 상기 2차 코일에 흐르는 전류의 방향을 상기 1차 코일과 순방향 또는 역방향으로 결합하기 위한 스위칭부를 포함한다.
바람직하게는, 상기 스위칭부는 브릿지 회로로 형성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일은, 동축상에 공심 또는 철심을 매개로 결합될 수 있다.
바람직하게는, 상기 인덕턴스 성분 조정부는, 직렬연결되는 복수의 1차 코일을 가지고, 합성 인덕턴스값을 0 내지 2NL(여기서, N는 1차 코일의 수, L은 1차 코일의 인덕턴스 값) 범위로 조정할 수 있다.
바람직하게는, 상기 인덕턴스 성분 조정부는, 상기 1차 코일의 인덕턴스 값과 상기 2차 코일의 인덕턴스 값이 같거나 다를 수 있다.
바람직하게는, 상기 캐패시턴스 성분 조정부는, 병렬 연결된 적어도 2 이상의 캐패시터를 포함하고, 상기 병렬 연결된 적어도 2 이상의 캐패시터는 캐패시턴스 성분 조정 스위칭 소자에 의해 단속되도록 구성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 저항 성분 조정부는, 병렬 연결된 적어도 2 이상의 캐패시터를 포함하고, 상기 병렬 연결된 적어도 2 이상의 캐패시터는 저항 성분 조정 스위칭 소자에 의해 단속되도록 구성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 고주파 전원은, 3상 전압을 정류 전압으로 정류하여 출력하는 정류기; 상기 정류 전압을 펄스 상 가변 직류 전압으로 변환하는 DC/DC 컨버터; 상기 가변 직류 전압을 증폭하여 펄스 상의 고주파 전력 신호를 생성하는 제1 및 제2 고주파 전력 증폭기; 상기 제1 및 제2 고주파 전력 증폭기로부터 출력되는 펄스 상의 고주파 전력 신호를 2차측에 유도하는 결합용 변압기; 상기 결합용 변압기의 2차측에 유도된 고주파 전력 신호로부터 소정의 공진 주파수를 가진 제1 및 제2 공진 신호를 출력하는 공진 필터; 및 상기 제1 및 제2 공진 신호를 결합하는 컴바이너를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 센서는, 상기 컴바이너와 상기 임피던스 매처 사이 또는 상기 임피던스 매처와 상기 부하 사이 중 적어도 하나의 지점 이상에 배치될 수 있다.
바람직하게는, 상기 부하는 용량성 부하 또는 유도성 부하일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 임피던스 매칭 장치는, 전자적 스위칭 소자의 스위칭 제어를 통해 부하의 임피던스 변화에 대응되는 임피던스 매칭을 수행하는 임피던스 매칭 장치에 있어서, 상기 부하의 리액턴스 성분 중 캐패시턴스 성분이 변화할 때 동축 상에 배치되는 복수 개의 코일 간 자기 유도 결합을 통해 인덕턴스를 가감하도록 구성된 인덕턴스 성분 조정부; 상기 부하의 리액턴스 성분 중 인덕턴스 성분이 변화할 때 캐패시턴스 성분을 조정하도록 구성된 캐패시턴스 성분 조정부; 및 상기 부하의 저항 성분을 50오옴에 기반하여 임피던스 조정을 수행하도록 구성된 저항 성분 조정부를 포함한다.
바람직하게는, 상기 인덕턴스 성분 조정부는, 상기 고주파 전원으로부터 상기 부하 사이에 직렬로 배치되는 제1 코일; 상기 제1 코일과 동축상에 자기 유도되어 결합되도록 배치되는 제2 코일; 및 상기 제2 코일에 흐르는 전류의 방향을 상기 제1 코일과 순방향 또는 역방향으로 결합하기 위한 스위칭부를 포함한다.
바람직하게는, 상기 스위칭부는 브릿지 회로로 형성될 수 있다.
본 발명의 플라즈마 발생 장치에 따르면, 가변 유도성 소자부와 가변 용량성 소자부를 전자적 스위칭 회로를 사용함으로써 속응성 있는 유도 범위와 용량 범위를 가질 수 있고, 전자적 스위칭 회로의 듀티비를 제어함으로써 가변 유도성 소자부에서의 넓은 범위를 갖는 합성 인덕턴스를 가질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 발생 장치의 전체 회로도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 발생 장치의 구체 회로도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 합성 인덕턴스가 0인 경우의 전류 파형도,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 합성 인덕턴스가 2L인 경우의 전류 파형도,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 합성 인덕턴스가 0인 경우의 전압, 전류 위상 관계도,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 합성 인덕턴스가 2L인 경우의 전압, 전류 위상 관계도, 및
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치의 구체 회로도이다.
본 발명의 추가적인 목적들, 특징들 및 장점들은 다음의 상세한 설명 및 첨부도면으로부터 보다 명료하게 이해될 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 본 발명은 다양한 변경을 도모할 수 있고, 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 아래에서 설명되고 도면에 도시된 예시들은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 명세서에 기재된 "...부", "...유닛", "...모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 발생 장치의 전체 회로도이다.
본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 발생 장치는, 고주파 전원(110), 저항 성분 조정부(120), 임피던스 매처(190), 콘트롤러(150), 입력 센서(170), 및 출력 센서(180)를 포함한다. 도 1에 도시된 바에 따르면, 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 발생 장치는 저항과 인덕턴스 성분을 포함하는 유도성 부하와 연결되어 있다. 또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치는 저항과 캐패시턴스 성분을 포함하는 용량성 부하와 연결될 수 있다. 한편, 본 발명의 일실시예에 따른 임피던스 매처(190)는 인덕턴스 성분 조정부(130)와 캐패시턴스 성분 조정부(140) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 임피던스 매처(190) 내 저항 성분 조정부(120), 인덕턴스 성분 조정부(130) 및 캐패시턴스 성분 조정부(140)는 “L”자형 구조를 형성하여 “L” 타입으로 구성할 수 있다. 즉, 인덕턴스 성분 조정부(130)와 캐패시턴스 성분 조정부(140)는 직렬 연결되고, 저항 성분 조정부(120)는 인덕턴스 성분 조정부(130)와 병렬로 연결될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 임피던스 매처(190) 내 저항 성분 조정부(120), 인덕턴스 성분 조정부(130) 및 캐패시턴스 성분 조정부(140)는 “T” 타입 또는 “
Figure pat00001
” 타입으로 구성할 수 있다. “T” 타입의 경우에는 저항 성분 조정부(120)와 캐패시턴스 성분 조정부(140)가 직렬 연결되고, 저항 성분 조정부(120)와 캐패시턴스 성분 조정부(140) 사이에 병렬로 인덕턴스 성분 조정부(130)가 연결되어 구성될 수 있다. “
Figure pat00002
” 타입의 경우에는 인덕턴스 성분 조정부(130)를 중심으로 양쪽 노드에 저항 성분 조정부(120)와 캐패시턴스 성분 조정부(140) 각각이 병렬로 연결되어 구성될 수 있다.
고주파 전원(110)은 RF 신호를 생성할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 고주파 전원(110)은 기설정된 주파수를 갖는 정현파를 생성할 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 고주파 전원(110)은 톱니파, 삼각파 등 다양한 파형의 RF 신호를 생성할 수 있다.
임피던스 매처(190)는 고주파 전원(110)과 부하 사이에 배치되고, 전자적 스위칭 소자의 스위칭 제어를 통해 부하의 임피던스 변화에 대응되는 임피던스 매칭을 수행할 수 있다.
저항 성분 조정부(120)는 고주파 전원과 접지 사이에 배치되고, 부하의 저항 성분을 50오옴에 기반하여 임피던스 조정을 수행하도록 구성된다.
인덕턴스 성분 조정부(130)는 부하의 리액턴스 성분 중 캐패시턴스 성분이 변화할 때 인덕턴스 성분을 조정하여 부하의 캐패시턴스 성분을 제거하도록 구성된다.
캐패시턴스 성분 조정부(140)는 부하의 리액턴스 성분 중 인덕턴스 성분이 변화할 때 캐패시턴스 성분을 조정하여 부하의 인덕턴스 성분을 제거하도록 구성된다. 본 발명에 따르면, 인덕턴스 성분 조정부(130)과 캐패시턴스 성분 조정부(140)는 상호 간의 위치가 뒤바뀔 수 있음은 당연하다.
콘트롤러(150)는 입력측 전기적 검출 신호와 출력측 전기적 검출 신호를 이용하여 저항 성분 조정 스위칭 신호(S_R), 인덕턴스 성분 조정 스위칭 신호(S_L), 및 캐패시턴스 성분 조정 스위칭 신호(S_C)를 출력한다.
입력 센서(170)는 고주파 전원(110)과 임피던스 매처(190) 사이에 배치되고, 고주파 전원(110)으로부터 출력되는 전기적 신호를 검출하여 입력측 전기적 검출 신호를 출력한다. 여기서, 전기적 검출 신호라 함은 전류, 전압, 전력 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
출력 센서(180)는 임피던스 매처(190)와 부하 사이에 배치되고, 임피던스 매처(190)로부터 부하로 출력되는 순방향 전기적 신호와 부하로부터 임피던스 매처(190)로 출력되는 역방향 전기적 신호를 검출하여 출력측 전기적 검출 신호를 출력한다. 여기서, 전기적 검출 신호라 함은 전류, 전압, 전력 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
본 발명에 따르면, 입력 센서(170)와 출력 센서(180) 중 적어도 어느 하나가 설치될 수 있다. 즉, 입력 센서(170)와 출력 센서(180)는 플라즈마 발생 장치의 적용 방식에 따라 하나 이상의 설치 위치에 적용할 수 있다
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 발생 장치의 구체 회로도이다.
본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 발생 장치는, 고주파 전원(110), 임피던스 매처(190), 콘트롤러(150), 입력 센서(170), 및 출력 센서(180)를 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따른 저항 성분 조정부(120)는 병렬 연결된 다수의 캐패시터(C1, C11, C12, C13)를 포함하고, 병렬 연결된 다수의 캐패시터 중 적어도 하나 이상(C11, C12, C13)은 저항 성분 조정 스위칭 소자(S11, S12, S13)에 의해 단속된다. 예컨대, 제1 저항 성분 조정 스위칭 소자(S11)는 제1 저항 성분 조정 스위칭 신호(S_R11)에 의해 스위칭되고, 제2 저항 성분 조정 스위칭 소자(S12)는 제2 저항 성분 조정 스위칭 신호(S_R12)에 의해 스위칭되고, 제3 저항 성분 조정 스위칭 소자(S13)는 제3 저항 성분 조정 스위칭 신호(S_R13)에 의해 스위칭된다. 그리고, 본 발명의 일실시예에 따르면, 병렬 연결된 다수의 캐패시터는 제1 내지 제3 저항 성분 조정 스위칭 신호(S_R11, S_R12, S_R13)에 따라 선택적으로 스위칭되어 다양한 캐패시턴스를 제공할 수 있다. 예컨대, 제11 캐패시터(C11) 내지 제13 캐패시터(C13)는 고정 캐패시터로서, 제11 캐패시터(C11)는 1pF, 제12 캐패시터(C12)는 2pF, 제13 캐패시터(C13)는 4pF이고, 표 1과 같이, 제1 내지 제3 스위치(SW1, SW2, SW3)의 스위칭을 통해 1pF 내지 8pF까지 변화시킬 수 있다.
Total Value S11 S12 S13
1 OFF OFF OFF
2 OFF OFF ON
3 OFF ON OFF
4 OFF ON ON
5 ON OFF OFF
6 ON OFF ON
7 ON ON OFF
8 ON ON ON
본 발명의 일실시예에 따른 임피던스 매처(190)는 저항 성분 조정부(120), 인덕턴스 성분 조정부(130), 및 캐패시턴스 성분 조정부(140)를 포함한다.
인덕턴스 성분 조정부(130)는 고주파 전원으로부터 부하 사이에 직렬로 배치되는 1차 코일(L1)과, 제1 코일(L1)과 동축상에 중첩되어 배치되는 제2 코일(L2)을 포함하고, 제2 코일(L2)에 흐르는 전류의 방향을 순방향 또는 역방향으로 변경시키는 브릿지(bridge) 회로를 구성하는 스위칭부를 포함한다. 스위칭부는 제1 내지 제4 인덕턴스 성분 조정 스위칭 소자(SL1~SL4)를 포함한다. 제1 코일(L1)과 제2 코일(L2)은 동축상에 공심 또는 철심을 매개로 자기 유도 결합된다. 도 2 및 도 7의 경우에는 철심을 매개로 제1 코일(L1)과 제2 코일(L2)이 자기적으로 유도 결합되는 예를 나타낸다.
여기서, 브릿지 회로는 사각형의 각 변에 스위칭 소자를 접속하고, 사각형의 대각선에 대해 서로 마주보는 스위칭 소자가 동기되어 개폐됨에 따라 사각형의 대각선에서 서로 마주보는 스위칭 소자와 제2 코일(L2)을 연결하는 회로를 구성하는 것을 의미한다. 도 2를 참조하면, 제1 및 제2 인덕턴스 성분 조정 스위칭 소자(SL1, SL2), 제3 및 제4 인덕턴스 성분 조정 스위칭 소자(SL3, SL4)은 사각형의 대각선에 대해 서로 마주보게 배치되며, 서로 동기되어 개폐된다.
제1 코일(L1)과 제2 코일(L2)가 동일 크기의 인덕턴스를 가지고, 동일 방향으로 감긴 상태를 예로 들어 설명하기로 한다. 스위칭부에 제1 인덕턴스 성분 조정 스위칭 신호(S_L1)와 제2 인덕턴스 성분 조정 스위칭 신호(S_L2)가 인가되어 제1 인덕턴스 성분 조정 스위칭 소자(SL1)와 제2 인덕턴스 성분 조정 스위칭 소자(SL2)가 턴온 되면 제1 코일(L1)과 제2 코일(L2)의 합성 인덕턴스는 이상적인 경우 2L이 된다. 그리고 스위칭부에 제3 인덕턴스 성분 조정 스위칭 신호(S_L3)와 제4 인덕턴스 성분 조정 스위칭 신호(S_L4)가 인가되어 제3 인덕턴스 성분 조정 스위칭 소자(SL3)와 제4 인덕턴스 성분 조정 스위칭 소자(SL4)가 턴온 되면 제1 코일(L1)과 제2 코일(L2)의 합성 인덕턴스는 이상적인 경우 0이 된다. 마지막으로, 스위칭부에 여하의 인덕턴스 성분 조정 스위칭 신호가 인가되지 않아 제1 내지 제4 인덕턴스 성분 조정 스위칭 소자(SL1, SL2, SL3, SL4)가 턴오프 되면 1차 코일(L1)만이 합성 인덕턴스에 영향을 미치므로 합성 인덕턴스는 L이 된다. 따라서, 스위칭부 내 스위칭 소자의 듀티비를 제어함으로써 합성 인덕턴스를 0 내지 2L 범위로 조절할 수 있다.
캐패시턴스 성분 조정부(140)는 병렬 연결된 다수의 캐패시터(C2, C21, C22, C23)를 포함하고, 병렬 연결된 다수의 캐패시터 중 적어도 하나 이상(C21, C22, C23)은 캐패시턴스 성분 조정 스위칭 소자(S21, S22, S23)에 의해 단속된다. 예컨대, 제1 캐패시턴스 성분 조정 스위칭 소자(S21)는 제1 캐패시턴스 성분 조정 스위칭 신호(S_C21)에 의해 스위칭되고, 제2 캐패시턴스 성분 조정 스위칭 소자(S22)는 제2 캐패시턴스 성분 조정 스위칭 신호(S_C22)에 의해 스위칭되고, 제3 캐패시턴스 성분 조정 스위칭 소자(S23)는 제3 캐패시턴스 성분 조정 스위칭 신호(S_C23)에 의해 스위칭된다. 그리고, 본 발명의 일실시예에 따르면, 병렬 연결된 다수의 캐패시터는 제1 내지 제3 캐패시턴스 성분 조정 스위칭 신호(S_C21, S_C22, S_C23)에 따라 선택적으로 스위칭되어 다양한 캐패시턴스를 제공할 수 있다. 여기서, 저항 성분 조정부(120)와 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 합성 인덕턴스가 0인 경우의 전류 파형도로서, 스위칭부에 제3 인덕턴스 성분 조정 스위칭 신호(S_L3)와 제4 인덕턴스 성분 조정 스위칭 신호(S_L4)가 인가되어 제3 인덕턴스 성분 조정 스위칭 소자(SL3)와 제4 인덕턴스 성분 조정 스위칭 소자(SL4)가 턴온 되는 동안, 제1 코일(L1)에 흐르는 전류인 제1 코일 전류(IL1)와 제2 코일(L2)에 흐르는 전류인 제2 코일 전류(IL2)가 상호 역방향으로 흐른다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 합성 인덕턴스가 2L인 경우의 전류 파형도로서, 스위칭부에 제1 인덕턴스 성분 조정 스위칭 신호(S_L1)와 제2 인덕턴스 성분 조정 스위칭 신호(S_L2)가 인가되어 제1 인덕턴스 성분 조정 스위칭 소자(SL1)와 제2 인덕턴스 성분 조정 스위칭 소자(SL2)가 턴온 되는 동안, 제1 코일(L1)에 흐르는 전류인 제1 코일 전류(IL1)와 제2 코일(L2)에 흐르는 전류인 제2 코일 전류(IL2)가 동일 방향으로 흐른다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 합성 인덕턴스가 0인 경우의 전압, 전류 위상 관계도로서, 스위칭부에 제3 인덕턴스 성분 조정 스위칭 신호(S_L3)와 제4 인덕턴스 성분 조정 스위칭 신호(S_L4)가 인가되어 제3 인덕턴스 성분 조정 스위칭 소자(SL3)와 제4 인덕턴스 성분 조정 스위칭 소자(SL4)가 턴온 되는 동안, 제1 코일(L1)에 흐르는 전류인 제1 코일 전류(IL1)와 제2 코일(L2)에 흐르는 전류인 제2 코일 전류(IL2)의 합성 전류(Io)와 입력 전압(Vin)의 위상이 동상이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 합성 인덕턴스가 2L인 경우의 전압, 전류 위상 관계도로서, 스위칭부에 제1 인덕턴스 성분 조정 스위칭 신호(S_L1)와 제2 인덕턴스 성분 조정 스위칭 신호(S_L2)가 인가되어 제1 인덕턴스 성분 조정 스위칭 소자(SL1)와 제2 인덕턴스 성분 조정 스위칭 소자(SL2)가 턴온 되는 동안, 제1 코일(L1)에 흐르는 전류인 제1 코일 전류(IL1)와 제2 코일(L2)에 흐르는 전류인 제2 코일 전류(IL2)의 합성 전류(Io)가 입력 전압(Vin)의 위상보다 소정 각도 지연되어 흐르는 것을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치의 구체 회로도로서, 도 2에 도시된 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 발생 장치와 대부분의 구성이 동일하고, 다만 인덕턴스 성분 조정부(130) 대신 제1 인덕턴스 성분 조정부(330)에 직렬로 제2 인덕턴스 성분 조정부(340)가 추가로 배치되는 데에 차이가 있다.
이에 따라 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치는, 스위칭부의 듀티비를 제어함으로써 합성 인덕턴스를 0 내지 4L 범위로 조절할 수 있다.
도시되지는 않았으나, 본 발명에 따르면, 인덕턴스 성분 조정부를 N개 만큼 추가로 배치하는 경우, 합성 인덕턴스를 0 내지 2NL 범위로 조절할 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 인덕턴스 성분 조정부(130), 제1 인덕턴스 성분 조정부(330), 및 제2 인덕턴스 조정부(340) 내 1차 코일의 인덕턴스 값과 1차 코일에 자기적으로 결합되는 2차 코일의 인덕턴스 값이 상이하게 구현될 수 있다. 이에 따라 도 2 또는 도 7에 도시된 실시예에서보다도 더 넓은 범위의 합성 임피던스로 조절할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치의 전체 블록도이다.
본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 발생 장치에서 고주파 전원(110)은 정류기(111), DC/DC 컨버터(112), 제1 및 제2 고주파 전력 증폭기(113, 114), 결합용 변압기(115, 116), 공진 필터(117), 및 컴바이너(118)를 포함한다.
정류기(111)는 3상 전압을 정류 전압으로 정류하여 출력한다.
DC/DC 컨버터(112)는 정류기(111)로부터 출력되는 정류 전압을 반도체 공정(예: ALD 공정)에서 요구되는 펄스 형태의 가변 직류 전압으로 변환하여 출력한다.
제1 및 제2 고주파 전력 증폭기(113, 114)는 DC/DC 컨버터(112)로부터 출력되는 소정 레벨의 직류 전압을 증폭하여 펄스 상의 고주파 전력 신호를 생성한다. 제1 및 제2 고주파 증폭기(113, 114)는 각각 컨트롤러(150)로부터 출력되는 제1 증폭 제어 신호(Pcon1)와 제2 증폭 제어 신호(Pcon2)에 제어되어 제1 고주파 전력 신호(v1)와 제2 고주파 전력 신호(v2)를 출력한다. 이때 제1 증폭 제어 신호(Pcon1)와 제2 증폭 제어 신호(Pcon2)에 따라 제1 및 제2 고주파 전력 증폭기(113, 114)의 시비율과 위상을 변화시킬 수 있다.
결합용 변압기(115, 116)는 제1 및 제2 고주파 전력 증폭기(113, 114)로부터 출력되는 펄스 상의 고주파 전력 신호를 2차측에 유도하며, 1차측과 2차측을 전기적으로 절연함으로써 사용자가 RF 부하에 포함된 플라즈마 챔버를 접촉하는 경우 감전사고를 예방할 수 있다.
공진 필터(117)는 직병렬로 결합된 인덕터와 캐패시터를 구비하고, 결합용 변압기(115, 116)의 2차측에 유도된 고주파 전력 신호로부터 소정의 공진 주파수를 가진 사인파형의 제1 및 제2 공진 신호(vR1, vR2)를 출력한다.
컴바이너(118)는 3dB 커플러로 구성될 수 있다. 제1 공진 신호(vR1)를 제1 터미널(T1)에, 제2 공진 신호(vR2)를 제2 터미널(T2)에 각각 입력받고, 부하측 터미널(T3)과 종단 터미널(T4)을 출력측에 결합하며, 종단 터미널(T4)에는 종단 임피던스(Z)가 결합될 수 있다. 컴바이너(118)는 결합 제어 신호(Scomb)에 제어되어 제1 공진 신호(vR1)와 제2 공진 신호(vR2)를 결합하여 결합된 고주파 전력 신호를 출력한다. 제1 공진 신호(vR1)의 위상이 제2 공진 신호(vR2)의 위상보다 90도 앞서면, 결합된 고주파 전력 신호는 부하측 터미널(T3)로 거의 대부분 출력될 수 있다. 제1 공진 신호(vR1)의 위상이 제2 공진 신호(vR2)의 위상보다 90도 뒤지면, 결합된 고주파 전력 신호는 종단 터미널(T4)로 거의 대부분 출력될 수 있다. 그리고 제1 공진 신호(vR1)의 위상과 제2 공진 신호(vR2)의 위상이 동일하면, 결합된 고주파 전력 신호는 부하측 터미널(T3)과 종단 터미널(T4)로 절반씩 출력될 수 있다. 한편, 종단 임피던스(Z)는 소정의 저항값을 갖는 저항일 수 있고, 종단 터미널(T4)을 통해 인가되는 고주파 전력 신호에 의해 종단 저항에 발생하는 열은 팬(미도시)을 이용하여 방출할 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 콘트롤러(150), 입력 센서(170), 임피던스 매처(190), 출력 센서(180)에 대한 설명은 중복되므로 자세한 설명을 생략하기로 한다.
본 명세서에서 설명되는 실시 예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시 예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시 예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110: 고주파 전원
120: 저항 성분 조정부
130: 인덕턴스 성분 조정부
140: 캐패시턴스 성분 조정부
150: 콘트롤러
160: 부하
170: 입력 센서
180: 출력 센서
190: 임피던스 매처

Claims (16)

  1. 고주파 전원;
    상기 고주파 전원의 공급에 따른 부하의 임피던스 변화에 대응되는 전기적 검출 신호를 검출하여 출력하는 센서;
    상기 고주파 전원과 부하 사이에 배치되고, 전자적 스위칭 소자의 스위칭 제어를 통해 상기 부하의 임피던스 변화에 대응되는 임피던스 매칭을 수행하기 위한 임피던스 매처; 및
    상기 센서로부터 검출된 전기적 검출 신호에 따라 상기 전자적 스위칭 소자의 스위칭 제어를 수행하는 콘트롤러
    를 포함하는 플라즈마 발생 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 임피던스 매처는,
    상기 부하의 리액턴스 성분 중 캐패시턴스 성분이 변화할 때 동축 상에 배치되는 복수 개의 코일 간 자기 유도 결합을 통해 인덕턴스를 가감하도록 구성된 인덕턴스 성분 조정부
    를 포함하는 플라즈마 발생 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 부하의 리액턴스 성분 중 인덕턴스 성분이 변화할 때 캐패시턴스 성분을 조정하도록 구성된 캐패시턴스 성분 조정부; 및
    상기 부하의 저항 성분을 50오옴에 기반하여 임피던스 조정을 수행보다 작을 때에 임피던스 조정을 수행하도록 구성된 저항 성분 조정부
    를 더 포함하는 플라즈마 발생 장치.
  4. 청구항 2에 있어서, 상기 인덕턴스 성분 조정부는,
    상기 고주파 전원으로부터 상기 부하 사이에 직렬로 배치되는 1차 코일;
    상기 1차 코일과 동축상에 자기 유도되어 결합되도록 배치되는 2차 코일; 및
    상기 2차 코일에 흐르는 전류의 방향을 상기 1차 코일과 순방향 또는 역방향으로 결합하기 위한 스위칭부
    를 포함하는 플라즈마 발생 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 스위칭부는 브릿지 회로로 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 제1 코일 및 상기 제2 코일은,
    동축상에 공심 또는 철심을 매개로 결합되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 인덕턴스 성분 조정부는, 직렬연결되는 복수의 1차 코일을 가지고, 합성 인덕턴스값을 0 내지 2NL(여기서, N는 1차 코일의 수, L은 1차 코일의 인덕턴스 값) 범위로 조정하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
  8. 청구항 4에 있어서,
    상기 인덕턴스 성분 조정부는, 상기 1차 코일의 인덕턴스 값과 상기 2차 코일의 인덕턴스 값이 같거나 다른 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
  9. 청구항 3에 있어서,
    상기 캐패시턴스 성분 조정부는, 병렬 연결된 적어도 2 이상의 캐패시터를 포함하고, 상기 병렬 연결된 적어도 2 이상의 캐패시터는 캐패시턴스 성분 조정 스위칭 소자에 의해 단속되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
  10. 청구항 3에 있어서,
    상기 저항 성분 조정부는, 병렬 연결된 적어도 2 이상의 캐패시터를 포함하고, 상기 병렬 연결된 적어도 2 이상의 캐패시터는 저항 성분 조정 스위칭 소자에 의해 단속되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
  11. 청구항 1에 있어서, 상기 고주파 전원은,
    3상 전압을 정류 전압으로 정류하여 출력하는 정류기;
    상기 정류 전압을 펄스 상 가변 직류 전압으로 변환하는 DC/DC 컨버터;
    상기 가변 직류 전압을 증폭하여 펄스 상의 고주파 전력 신호를 생성하는 제1 및 제2 고주파 전력 증폭기;
    상기 제1 및 제2 고주파 전력 증폭기로부터 출력되는 펄스 상의 고주파 전력 신호를 2차측에 유도하는 결합용 변압기;
    상기 결합용 변압기의 2차측에 유도된 고주파 전력 신호로부터 소정의 공진 주파수를 가진 제1 및 제2 공진 신호를 출력하는 공진 필터; 및
    상기 제1 및 제2 공진 신호를 결합하는 컴바이너
    를 포함하는 플라즈마 발생 장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 센서는,
    상기 컴바이너와 상기 임피던스 매처 사이 또는 상기 임피던스 매처와 상기 부하 사이 중 적어도 하나의 지점 이상에 배치하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 부하는 용량성 부하 또는 유도성 부하인 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
  14. 전자적 스위칭 소자의 스위칭 제어를 통해 부하의 임피던스 변화에 대응되는 임피던스 매칭을 수행하는 임피던스 매칭 장치에 있어서,
    상기 부하의 리액턴스 성분 중 캐패시턴스 성분이 변화할 때 동축 상에 배치되는 복수 개의 코일 간 자기 유도 결합을 통해 인덕턴스를 가감하도록 구성된 인덕턴스 성분 조정부;
    상기 부하의 리액턴스 성분 중 인덕턴스 성분이 변화할 때 캐패시턴스 성분을 조정하도록 구성된 캐패시턴스 성분 조정부; 및
    상기 부하의 저항 성분을 50오옴에 기반하여 임피던스 조정을 수행하도록 구성된 저항 성분 조정부
    를 포함하는 임피던스 매칭 장치.
  15. 청구항 14에 있어서, 상기 인덕턴스 성분 조정부는,
    상기 고주파 전원으로부터 상기 부하 사이에 직렬로 배치되는 제1 코일;
    상기 제1 코일과 동축상에 자기 유도되어 결합되도록 배치되는 제2 코일; 및
    상기 제2 코일에 흐르는 전류의 방향을 상기 제1 코일과 순방향 또는 역방향으로 결합하기 위한 스위칭부
    를 포함하는 임피던스 매칭 장치.
  16. 청구항 14에 있어서,
    상기 스위칭부는 브릿지 회로로 형성되는 것을 특징으로 하는 임피던스 매칭 장치.
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