KR20230135149A - 스위칭 가능한 매치 및 주파수 튜닝을 갖는 rf 전력 전달 아키텍처 - Google Patents

스위칭 가능한 매치 및 주파수 튜닝을 갖는 rf 전력 전달 아키텍처 Download PDF

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유리 트라추크
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Abstract

전력 공급 회로는 스위칭 가능한 매치 ― 이 스위칭 가능한 매치는: 부하가 버스들 사이에서 직렬이 되도록 부하에 연결될 수 있는 고전압 버스 및 저전압 버스, 고전압 버스와 저전압 버스 사이에 연결될 수 있는 고정 커패시턴스를 갖는 적어도 2 개의 커패시터들, 및 고전압 버스와 저전압 버스 사이에 연결될 수 있는 고정 커패시턴스를 갖는 커패시터들의 개수와 동일한 개수의 복수의 솔리드 스테이트 스위치들을 포함하고, 각각의 스위치는 고전압 버스와 저전압 버스 사이의 커패시터들 중 하나를 고전압 버스와 저전압 버스 사이의 전기 통신으로 연결하거나 또는 분리하도록 구성되고 배열됨 ―, 및 고전압 출력 연결부를 포함하는 가변 주파수 전력 공급기를 포함하고, 고전압 연결부는 고전압 버스에 연결된다.

Description

스위칭 가능한 매치 및 주파수 튜닝을 갖는 RF 전력 전달 아키텍처
[0001] 본 발명의 실시예들은 일반적으로 교류 전력 소스(source), 예를 들어 RF 주파수 전력 소스와 반도체 또는 다른 프로세싱 챔버(processing chamber)와 같은 부하 사이에 로케이팅(locate)된 매치(match) 회로에 관한 것이다. 여기에는 부하가 AC 전원 요소(powered element) 또는 챔버 내의 플라즈마(plasma)에 결합된 AC 전원 요소를 포함하는 프로세싱 챔버가 포함된다. 보다 구체적으로, 본 명세서의 실시예들은 부하와 전력 공급기 사이에 매치를 제공하는 방법들 및 장치들에 관한 것으로서, 여기서 부하의 특성들은 동적으로 변화하고, 매치는 부하에 전력이 공급되는 동안 매치 회로 요소들 간에 효과적으로 스위칭(switch)될 수 있으며, 교류 전력 신호의 주파수도 마찬가지로 동적으로 변화 가능하여, 이에 대한 전력 인가 하에 부하 특성이 변화함에 따라 부하로부터의 전력 반사를 최소화할 수 있다.
[0002] 매치 기술 업계에는 가변 커패시터(capacitor)들을 채용하는 매치들이 알려져 있고, 여기서 커패시터는 커패시턴스(capacitance) 값들의 범위를 가지며, 예를 들어 가변 커패시터에 연결된 샤프트(shaft)에 모터 토크(motor torque)를 가함으로써, 커패시터의 특성들을 물리적으로 변화시켜 상이한 커패시턴스 값들이 선택되어, 그 커패시턴스 값을 변화시킨다. 이러한 전동 커패시터들은 제한된 수명을 가지며, 매치에서 커패시턴스 값의 변화를 필요로 하는 부하 특성들의 변화들에 상대적으로 느리게 반응한다. 추가적으로, 전력 공급기와 부하 사이에 고정된 값의 매치 컴포넌트(component)들이 배치되는 경우, 가변 주파수 전력 공급기를 사용하는 것으로 알려져 있고, 여기서 전력 공급기와 부하의 매칭에 영향을 미치는 부하 특성들의 미세한 변화들은 매치에 대한 전력 신호의 주파수를 변화시킴으로써 해결될 수 있다. 그러나, 출력 주파수의 변동 범위가 제한되어 있고, 부하 특성들이 변화하여 부하가 전력을 반사하기 시작하거나, 또는 전력 공급기에 의해 전달되는 순방향 전력 대비 반사 전력의 양이 크게 증가하는 경우 발생하는 문제들을 완전히 해결할 수는 없다.
[0003] 본 명세서에는 매치를 포함하는 전력 공급 회로가 제공된다. 일 양태에서, 전력 공급 회로는 스위칭 가능한 매치(switchable match)를 포함하고, 이 스위칭 가능한 매치는, 부하에 연결될 수 있는 고전압 버스(bus), 부하가 고전압 버스와 저전압 버스 사이에서 직렬이 되도록 부하에 연결될 수 있는 저전압 버스, 고전압 버스와 저전압 버스 사이에 선택적으로 연결될 수 있는 고정된 커패시턴스 값을 갖는 적어도 2 개의 커패시터들, 및 고전압 버스와 저전압 버스 사이에 연결될 수 있는 고정된 커패시턴스 값을 갖는 커패시터들의 개수와 동일한 개수의 복수의 솔리드 스테이트 스위치(solid state switch)들을 포함하고, 각각의 스위치는 고전압 버스와 저전압 버스 사이에 선택적으로 연결될 수 있는 고정된 커패시턴스 값을 갖는 커패시터들 중 하나를 고전압 버스와 저전압 버스 사이의 전기 통신으로 선택적으로 연결하거나 또는 분리하도록 구성되고 배열되며, 이 전력 공급 회로는 고전압 출력 연결부를 포함하는 가변 주파수 전력 공급기를 포함하고, 고전압 연결부는 고전압 버스에 연결된다.
[0004] 다른 양태에서, 본 명세서에는 부하의 전기적 특성들이 동적으로 변화될 수 있는, 부하와 가변 주파수 전력 공급기 사이에 연결될 수 있는 매치가 제공되고, 이 매치는 부하에 연결될 수 있는 고전압 버스, 부하가 고전압 버스와 저전압 버스 사이에서 직렬이 되도록 부하에 연결될 수 있는 저전압 버스, 고전압 버스와 저전압 버스 사이에 선택적으로 연결될 수 있는 고정된 커패시턴스 값을 갖는 적어도 2 개의 커패시터들, 및 고전압 버스와 저전압 버스 사이에 연결될 수 있는 고정된 커패시턴스 값을 갖는 커패시터들의 개수와 동일한 개수의 복수의 솔리드 스테이트 스위치들을 포함하며, 각각의 스위치는 고전압 버스와 저전압 버스 사이에 선택적으로 연결될 수 있는 고정된 커패시턴스 값을 갖는 커패시터들 중 하나를 고전압 버스와 저전압 버스 사이의 전기 통신으로 선택적으로 연결하거나 또는 분리하도록 구성되고 배열된다.
[0005] 또한, 전력 공급기를 부하에 매칭(match)시키는 방법이 제공되고, 여기서 전력 공급기는 가변 주파수 전력 공급기이며, 이 방법은 전력 공급 회로를 제공하는 단계 ― 전력 공급 회로는 스위칭 가능한 매치를 포함하고, 스위칭 가능한 매치는 스위칭 가능한 매치가 연결되는 부하의 변화들에 대한 응답으로 전기적 특성들을 변화시키도록 구성되고, 이 매치는 부하에 연결될 수 있는 고전압 버스, 부하가 고전압 버스와 저전압 버스 사이에서 직렬이 되도록 부하에 연결될 수 있는 저전압 버스, 고전압 버스와 저전압 버스 사이에 선택적으로 연결될 수 있는 고정된 커패시턴스 값을 갖는 적어도 2 개의 커패시터들, 및 고전압 버스와 저전압 버스 사이에 연결될 수 있는 고정된 커패시턴스 값을 갖는 커패시터들의 개수와 동일한 개수의 복수의 솔리드 스테이트 스위치들을 포함하며, 각각의 스위치는 고전압 버스와 저전압 버스 사이에 선택적으로 연결될 수 있는 고정된 커패시턴스 값을 갖는 커패시터들 중 하나를 고전압 버스와 저전압 버스 사이의 전기 통신으로 선택적으로 연결하거나 또는 분리하도록 구성되고 배열됨 ―; 및 고전압 출력 연결부를 포함하는 가변 주파수 전력 공급기를 제공하는 단계를 포함하며, 고전압 연결부가 고전압 버스에 연결된다.
[0006] 본 개시내용의 위에 인용된 특징들이 상세히 이해될 수 있도록, 위에서 간략하게 요약된 본 개시내용의 보다 구체적인 설명이 실시예들을 참조하여 이루어질 수 있으며, 이 실시예들 중 일부가 첨부된 도면들에 예시되어 있다. 그러나, 첨부된 도면들은 단지 예시적인 실시예들을 예시하는 것이므로 그 범위를 제한하는 것으로 간주되지 않아야 하고, 다른 균등하게 유효한 실시예들을 허용할 수 있다는 점에 유의해야 한다.
[0007] 도 1은 프로세스 챔버의 변화하는 전기적 특성들에 매칭되는 RF 전력 신호를 공급하기 위해, 스위칭 가능한 매치, DC-AC 컨버터, 및 RF 증폭기를 포함하는 플라즈마 전력 공급 회로의 평면도로서, 이 스위칭 가능한 매치는 DC-AC 컨버터 및 RF 증폭기와 상이한 박스 쉘(box shell)에 포함된다.
[0008] 도 2는 프로세스 챔버의 변화하는 전기적 특성들에 매칭되는 RF 전력 신호를 공급하기 위해, 스위칭 가능한 매치, DC 전력 공급기, DC-AC 컨버터, 및 RF 증폭기를 포함하는 플라즈마 전력 회로의 평면도로서, 이 스위칭 가능한 매치는 DC 전력 공급기 및 DC-AC 컨버터와 별도의 박스 쉘인, RF 증폭기와 공유되는 박스 쉘에 배치되어 있다.
[0009] 도 3은 프로세스 챔버의 변화하는 전기적 특성들에 매칭되는 RF 전력 신호를 공급하기 위해, 스위칭 가능한 매치, DC 전력 공급기, DC-AC 컨버터, 및 RF 증폭기를 포함하는 플라즈마 전력 회로의 평면도로서, 이 스위칭 가능한 매치는 DC 전력 공급기, DC-AC 컨버터, 및 RF 증폭기와 상이한 박스 쉘에 있다.
[0010] 도 4는 프로세스 챔버의 변화하는 전기적 특성들에 매칭되는 RF 전력 신호를 공급하기 위해, 스위칭 가능한 매치, DC 전력 공급기, DC-AC 컨버터, 및 RF 증폭기를 포함하는 플라즈마 전력 회로의 평면도로서, 이 스위칭 가능한 매치는 DC 전력 공급기 및 DC-AC 컨버터와 별도의 박스 쉘인, RF 증폭기와 공유되는 박스 쉘에 배치된다.
[0011] 도 5는 프로세스 챔버의 변화하는 전기적 특성들에 매칭되는 RF 전력 신호를 공급하기 위해, RF 전력 공급기 및 RF 케이블(cable)과 직렬로 로케이팅된 스위칭 가능한 매치를 포함하는 플라즈마 전력 회로의 평면도이다.
[0012] 도 6은 프로세스 챔버의 변화하는 전기적 특성들에 매칭되는 RF 전력 신호를 공급하기 위해, RF 전력 공급기 및 RF 케이블과 직렬로 로케이팅된 스위칭 가능한 매치를 포함하는 플라즈마 전력 회로의 평면도이다.
[0013] 도 7은 다수의 개별 세트들의 DC-AC 컨버터들, RF 증폭기들, 및 매치 회로들에 전력을 공급하도록 구성된 단일 DC 전력 공급기를 도시하는 개략적인 회로도로서, 각각의 세트의 DC-AC 컨버터, RF 증폭기, 및 매치 회로는 이에 대한 전용 부하에 결합된다.
[0014] 도 8은 다수의 개별 세트들의 DC-AC 컨버터들, RF 증폭기들, 및 매치 회로들에 전력을 공급하도록 구성된 단일 DC 전력 공급기를 도시하는 개략적인 회로도로서, 각각의 세트의 DC-AC 컨버터, RF 증폭기, 및 매치 회로는 이에 대한 전용 부하에 결합된다.
[0015] 도 9는 본 발명에 따른 스위칭 가능한 매치의 전기적 응답의 그래픽 표현이다.
[0016] 도 10은 본 발명에 따른 스위칭 가능한 매치의 전기적 응답의 추가적인 그래픽 표현이다.
[0017] 도 11은 본 발명에 따른 스위칭 가능한 매치의 전기적 응답의 추가적인 그래픽 표현이다.
[0018] 도 12는 본 발명에 따른 전력 공급 회로들을 위한 제어 회로의 개략도이다.
[0019] 도 13은 DC 전력 공급기 및 RF 스테이지(stage)를 통합하는 전력 공급 회로의 개략도이다.
[0020] 이해를 용이하게 하기 위해, 도면들에 대해 공통인 동일한 엘리먼트들을 지정하기 위해 가능한 경우 동일한 참조 번호들이 사용되었다. 일 실시예의 엘리먼트들 및 특징들은 추가의 언급 없이 다른 실시예들에 유익하게 통합될 수 있는 것으로 간주된다.
[0021] 본 명세서에는, 그에 결합된 부하의 전기적 특성들의 변화들에도 불구하고, 일정한 속도로 플라즈마 챔버에 전력을 제공하기 위한 스위칭 가능한 매치 및 주파수 튜닝을 모두 포함하는, 교류, 예를 들어, AC 또는 RF 전력 전달 아키텍처(architecture)가 제공된다. 여기서, 예를 들어, 스위칭 가능한 매치의 전기적 특성들은 전력 공급기가 결합된 챔버 컴포넌트의 전기 리액턴스 및 저항, 또는 이의 플라즈마 및 리턴(return) 또는 접지 배스(bath)의 변화들, 또는 컴포넌트, 플라즈마, 및 접지 또는 리턴 경로의 직렬 연결부의 전기적 특성들의 변화들을 해결하기 위해 변화된다. 스위칭 가능한 매치의 개별 컴포넌트들을 그 활성 매치 회로에 적절히 연결함으로써, 스위칭 가능한 매치의 전기적 특성들은 그 업스트림 회로 컴포넌트들의 전기적 특성들을 그 다운스트림 컴포넌트들, 즉 이것이 결합된 챔버 컴포넌트들, 챔버 내의 플라즈마, 또는 둘 모두로 구성된 부하의 리액턴스에 더 가깝게 매칭시키도록 변화될 수 있다. 매치 컴포넌트들을 매치 회로에 선택적으로 연결하면 다운스트림 부하 리액턴스가 매칭되거나, 또는 거의 매칭되게 된다. 매치에 도달하는 RF 신호의 주파수를 추가적으로 조정함으로써, 매칭 리액턴스, 또는 매칭에 매우 가까운 리액턴스를 달성함으로써, 그 다운스트림 리액턴스를 달성할 수 있다.
[0022] 여기서, 매치 회로에 선택적으로 포함되는 개별 컴포넌트들은 즉 "션트(shunt)" 커패시터들로 제공되는, 매치의 전력 라인과 접지 라인 또는 버스들 사이에 로케이팅된 개별 커패시터들이고, 이러한 커패시터들 중 하나 이상은 이에 전용된 솔리드 스테이트 스위치를 사용하여 매치 회로에 선택적으로 통합될 수 있고, 매치의 전력 버스와 리턴 또는 접지 버스 사이에 각각의 커패시터와 직렬로 로케이팅될 수 있다. 여기에서는, 스위칭 가능한 L 구성 매치 및 스위칭 가능한 π 구성 매치에 대한 설명이 설명되어 있다. 이러한 각각의 스위칭 가능한 매치는 RF 발생기 및 적절한 전력 공급기 및 리턴 경로 케이블링과 프로세스 챔버 또는 그 컴포넌트 사이에, 또는 DC 전력 공급기, DC-AC 컨버터와 RF 증폭기 및 프로세스 챔버 또는 그 컴포넌트 사이에 직렬로 로케이팅되도록 구성될 수 있다. 추가적으로, 도 1 내지 도 4와 관련하여, RF 전력은 개별 패키징(packaging)들 또는 쉘 박스들 내의 개별 컴포넌트들에 의해 공급되는데, 여기서는 AC 전력 소스, 예를 들어 200 내지 480 V의 팹(fab) 또는 팩토리(factory) AC 소스에 연결된 DC 전력 공급기(110)에 의해 공급되고, DC 전력 공급기(110), DC-AC (RF) 컨버터(112), 및 RF 증폭기(114)에 충분한 와트가 공급되는 반면, 도 5 및 도 6에서는 통합된 RF 발생기에 의해 RF 전력이 공급된다. 도 1 내지 도 4의 구성들에서, 도 7 및 도 8에 개략적으로 도시된 바와 같이, 단일 DC 전력 공급기는 각각의 챔버 전용의 스위칭 가능한 매치(102 또는 102')를 통해 다수의 프로세스 챔버들(122)에 연결될 수 있다. 추가적으로, DC 전력 공급기, 및 DC-AC 컨버터(112)(발진기) 및 RF 또는 AC 증폭기(114)는 본 명세서의 도 12에 개략적으로 도시된 바와 같이, 단일 인클로저(enclosure) 또는 쉘 박스 내에 구성될 수 있다. 도 1에 도시된 본 발명의 양태에서는, L 스타일 스위칭 가능한 매치 회로(102)를 포함하는 전력 공급 회로(100)가 도시되어 있다. 도 2에서, 전력 공급 회로(100)는 도 1과 동일하지만, RF 증폭기 및 스위칭 가능한 매치는 동일한 쉘 박스에 제공된다. 도 3에 도시된 본 발명의 양태에서는, π형 스위칭 가능한 매치(102')를 포함하는 전력 공급 회로(100)가 도시되어 있다. 도 4에서, 전력 공급 회로(100)는 도 3과 동일하지만, RF 증폭기(114) 및 스위칭 가능한 매치(102')가 동일한 쉘 박스 내에 제공된다.
[0023] 먼저 도 1을 참조하면, 그에 연결된 부하의 전기적 특성들의 변화들에도 불구하고, 플라즈마 챔버에 일정한 속도로 전력을 제공할 수 있는 스위칭 가능한 매치(102) 및 주파수 튜닝을 포함하는 전력 공급 회로(100)를 포함하는 RF 전력 전달 아키텍처 디바이스가 묘사되어 있다. 여기서, 부하는 전력이 공급되는 동안 전기적 특성들이 변화하는 프로세스 챔버(122) 컴포넌트, 또는 프로세스 챔버(122) 컴포넌트 및 이에 전기적으로 결합되고 접지 또는 리턴 경로에 전기적으로 결합되어 전력이 공급되는 동안 전기적 특성이 변화하는 플라즈마, 또는 이들의 조합을 의미한다. 여기서, 전력 공급 회로(100)는 하나 이상의 스위칭 가능한 매치들(102)의 연결부가 이에 연결될 수 있도록 구성된다. 예를 들어, 전력이 공급되는 동안 매치 회로 내외로 스위칭 가능한 매치(102) 컴포넌트들의 액티브 솔리드 스테이트 스위칭을 사용함으로써, 그리고 필요한 경우, RF 신호의 주파수를 조정함으로써, 전력 공급 회로(100)는 스위칭 가능한 매치(102)에 연결된 프로세스 챔버(122) 또는 컴포넌트 또는 플라즈마의 리액턴스의 변화들에도 불구하고, 반사 전력을 최소화하면서, 프로세스 챔버(122) 또는 컴포넌트 또는 플라즈마에 높은 RF 전력을 제공하는 데 사용될 수 있다.
[0024] 도 1에 도시된 바와 같이, 전력 공급 회로(100)는 직렬 박스 쉘들(116a-116e)을 포함하며, 각각의 쉘은 강철 또는 다른 금속 프레임(frame)(70)을 포함하고, 각각 프레임(70)에 나사산 패스너(fastener)들 또는 다른 고정 요소들에 의해 연결된 스킨(skin)들(72)에 의해 한정되는 직사각형 프리즘(prism)으로 구성되어 요소를 유지하여 전력 공급 회로가 별도의 모듈들로서 그 안에 존재하도록 한다. 각각의 박스 쉘(116a-116e)은 적어도 2 개의 커넥터들(117)(도 1의 여러 개의 박스 쉘들(116)의 커넥터들(117a-117p))을 포함하는데, 이 커넥터들은 쉘(116) 내의 전기 컴포넌트(들)를 그 외부에 있는 컴포넌트, 또는 플라즈마 챔버 내의 또는 플라즈마 챔버 상의 컴포넌트에 연결할 수 있도록 스킨들(72)을 통해 연장된다. 연결 케이블들(120), 예를 들어 RF 차폐 케이블들은 각각의 커넥터(117)에 연결되어, 각각의 쉘(116) 내의 전기 컴포넌트를 그 커넥터(117)를 통해 다른 쉘(116) 내의 다른 컴포넌트에 또는 프로세스 챔버(122) 컴포넌트에 연결한다.
[0025] 도 1 내지 도 4의 본 실시예들에서, 전력 공급 회로(100)가 박스 쉘들(116) 내의 모듈 요소들로 구성된 경우, 박스 쉘(116a)에 둘러싸인 DC 전력 공급기(110)는 전력 공급 회로(100)에 직류 전력을 공급한다. DC 전력 공급기(110)는 2 개의 연결 케이블들(120a 및 120b)에 의해 전력 공급 회로(100)에 연결된다. 연결 케이블(120a)은 커넥터(117a)에서 DC 전력 공급기(110)의 dc + 또는 DC 고전압 측에 연결되고, 연결 케이블(120b)은 커넥터(117d)에서 DC 전력 공급기(110)의 - 또는 접지 측에 연결된다.
[0026] 연결 케이블들(120a, 120b)은 각각 DC 전력 공급기(110)를 커버하고 있는 박스 쉘(116a)의 커넥터들(117a, 117b)로부터, DC-AC 컨버터(112)를 커버하고 있는 박스 쉘(116b)의 스킨들(72)로부터 연장되는 2 개의 입력 커넥터들(117c, 117d)로 연장된다. DC-AC 컨버터(112)는 연결 케이블들(120a, 120b)을 통해 수신된 직류 전기 신호(전력)를 솔리드 스테이트 발진 회로를 사용하여 교류로 변환한다. 여기서, DC-AC 컨버터(112)의 AC 출력은 RF 주파수, 즉 13.56 또는 그 배수들, 또는 다른 AC 주파수일 수 있다. DC-AC 컨버터(112)의 출력은 연결 케이블들(120c, 120d)을 통해 RF (또는 AC) 증폭기(114)에 연결된다. 연결 케이블(120c)은 DC-AC 컨버터(112)의 출력 커넥터(117e)와 DC-AC 컨버터(112)의 고전압 RF 출력 측에 있는 RF 증폭기의 입력 커넥터(117g) 사이에서 연장되고, 연결 케이블(120d)은 DC-AC 컨버터의 리턴 또는 접지 커넥터(117f)와 RF 증폭기(114)의 리턴 또는 접지 커넥터(117h) 사이에서 연장된다. RF 증폭기(114)는 솔리드 스테이트 증폭기로서, 220 V 또는 44 V 외부 전기 연결부(도시되지 않음)와 같은 전력 소스에 연결되어, DC-AC 컨버터에 의해 출력되는 교류 신호의 피크-피크 전압을, AC 신호의 최종 애플리케이션에 유용한 값으로 증가시키는데, 예를 들어 챔버 내의 플라즈마 회로의 일부로서 플라즈마 프로세싱 챔버 내의 또는 그 위의 전극 또는 코일(coil)을 구동시키거나, 또는 플라즈마 회로의 직접적인 일부가 아닌 챔버 내의 다른 컴포넌트를 구동시키기 위한 값으로 증가시킨다. 예를 들어, 출력 rms 전압은 대략 1000 V일 수 있으며, 더 일반적으로는 100 내지 200 V이다.
[0027] 스위칭 가능한 매치(102)의 출력 측에서, 고전압 버스(132)의 커넥터(117m)는 플라즈마 챔버(122)의 고전압 입력 커넥터(117o)에 연결되어 연결 케이블(1206)을 통해 플라즈마 챔버(122)의 컴포넌트와 연결되고, 커넥터(117n)는 연결 케이블(1208)을 통해 리턴 경로 또는 접지 버스(134)를 프로세스 챔버(122)의 리턴 또는 접지 측 커넥터(117p)에 연결한다.
[0028] 도 1에서, 매치는 "L" 매치로서 구성되며, 여기서 최대 4 개의 커패시터들(150a-150d)로 구성된 제1 가변 커패시턴스가 고전압 버스(132)와 리턴 또는 접지 버스(134) 사이에 로케이팅되며, 고정 커패시턴스 커패시터(118) 형태의 제2 커패시턴스, 및 인덕터(119)가 고전압 버스(132)에 직렬로, 이것과 가변 커패시턴스와의 연결부와 커넥터(117m) 사이에 로케이팅된다.
[0029] 여기서, 션트 커패시턴스, 즉 고전압 버스(132)와 리턴 또는 접지 버스(134) 사이의 "L" 회로 내의 커패시턴스는, 이 실시예에서, 각각 고정된 커패시턴스 값을 갖는 4 개의 커패시터들(150a-150d)에 의해 구성 가능한 가변 커패시턴스이고, 각각은 커패시터(150)와 고전압 버스(132) 사이에 연결된 스위치들(152a-152d) 중 하나의 스위치의 선택적 동작에 의해 고전압 버스(132)와 리턴 또는 접지 버스(134) 사이에 또는 이들에 걸쳐 선택적으로 연결될 수 있다. 더 적은 수의 션트 커패시터들(150), 그러나 적어도 2 개의 션트 커패시터들, 또는 더 많은 수의 션트 커패시터들이 사용될 수 있으며, 이는 매치 설계자가, 션트 커패시터들을 매치 회로 내외로 스위칭함으로써, 전력이 반사되는 최소 범위들의 부하 전기 조건들로 매치를 생성할 수 있게 한다. 부하의 넓은 범위의 저항 및 리액턴스에 걸쳐 매칭을 가능하게 하기 위해, 커패시터들(150a-150d) 중 하나 이상이 매치 회로 내외로 스위칭될 수 있는데, 즉, 고전압 버스(132)와 리턴 또는 접지 버스(134) 사이에 또는 이들에 걸쳐 연결될 수 있다. 커패시터들(150a-150d) 각각은, 매치 회로에 연결될 때, 고전압 버스(132)와 리턴 또는 접지 버스(134) 사이에 또는 이들에 걸쳐 서로 전기적으로 평행하게 된다. 추가적으로, 매치 설계자는 커패시터들(150a-150d) 중 어느 것도 고전압 버스(132)와 리턴 또는 접지 버스(134) 사이에 또는 이들에 걸쳐 연결될 필요가 없게 할 수 있다. 고전압 버스(132)와 리턴 또는 접지 버스(134) 사이에 또는 이들에 걸쳐 커패시터들(150a-150d) 중 임의의 커패시터의 연결은 커패시터(150a-150d)와 고전압 버스(132) 사이에 존재하는 스위치들(152a-152d) 중 대응하는 스위치들을 폐쇄함으로써 생성된다. 마찬가지로, 커패시터들(150a-150d) 중 임의의 커패시터는 커패시터(150a-150d)와 고전압 버스(132) 사이에 존재하는 스위치들(152a-152d) 중 대응하는 스위치들을 개방함으로써 고전압 버스(132)와 리턴 또는 접지 버스(134) 사이에 또는 이들에 걸쳐 있는 것으로서 단절될 수 있다. 여기서, 스위치들(152a-152d)은 솔리드 스테이트 스위치들, 예를 들어 핀 다이오드들인데, 이들은 즉, 전력이 스위칭 가능한 매치(102)를 통해 프로세스 챔버(122) 또는 그의 컴포넌트로 전달되는 동안, 그에 연결된 커패시터를 매치 회로로 또는 매치 회로로부터 연결하거나 또는 분리하기 위해 전력 하에서 스위칭될 수 있다.
[0030] 도 1의 스위칭 가능한 매치(102)에서, 고전압 버스(132)와 리턴 또는 접지 버스(134) 사이의 또는 이들에 걸친 커패시턴스는 고전압 버스(132)와 리턴 또는 접지 버스(134) 사이에 또는 이들에 걸쳐 연결된 커패시터들(150a-150d)의 커패시턴스들의 합이다. 고전압 버스(132)와 접지 또는 리턴 버스(134) 사이에 또는 이들에 걸쳐 전기적으로 연결되도록 매치 회로로 스위칭된 커패시터들(150a-150d)의 개별 커패시턴스 값들의 합인 션트 커패시턴스의 값은, 부하의 상대 저항 및 리액턴스가 변화되는 경우에도, 프로세스 챔버 컴포넌트 또는 이에 결합된 플라즈마로의, 즉 부하로의 전력 전달을 최대화하도록 조정된다. 도 9를 참조하면, 최대 2 개의 션트 커패시터들, 예를 들어, 커패시터들(150a, 150b)을 매치 회로 내외로 스위칭할 때, 이 방법론을 사용한 매칭에 대한 효과가 표시된다.
[0031] 도 9에서, 션트 커패시턴스 값, 부하의 저항 및 리액턴스와 비교하여, 부하에 대한 유효 전력 커플링 또는 전달은 2 개의 커패시턴스들(C)의 예를 통해 도시된다. 여기서, 션트 커패시턴스는 고정 커패시턴스 커패시터들, 여기서 예를 들어 션트 커패시터들로서 매치 회로 내로 스위칭된 커패시터들(150a, 150b)의 커패시턴스들의 합을 기반으로 한다. 여기서 고정이라 함은, 한 세트의 조건들, 예를 들어 20 ℃ 및 대기압에서 커패시터의 커패시턴스의 정격 또는 실제 값을 의미하며, 이러한 커패시터의 커패시턴스는 작동 조건들 및 그 수명에 따라 약간 드리프트될 수 있음을 이해해야 한다. 그러나, 커패시터가 그의 커패시턴스를 제어 가능하게 변화시키기 위해(이는 가변 커패시터들에 의해 수행됨) 의도적으로 조작될 수 없다는 의미에서, 커패시턴스는 고정되어 있다. 도 9에서 Y-축은 부하 리액턴스를 나타내고, X-축은 부하 저항을 나타낸다. 프로세스 챔버에서 프로세싱하는 동안, 부하의 리액턴스 및 저항이 모두 변화될 수 있으며, 이는 실제로 부하(예를 들어, 프로세스 챔버 컴포넌트 또는 챔버의 플라즈마에 전기적으로 결합된 프로세스 챔버 컴포넌트)로 전달되거나 또는 이를 통과하는 RF 증폭기를 떠나는 전력의 비율 또는 양에 영향을 줄 수 있다. 라인(line)(154)은 부하의 저항 및 리액턴스 범위의 구역(region)을 둘러싸고 있는데, 여기서 단일 커패시터(C1), 예를 들어 커패시터(150a)만이 고전압 버스(132)와 리턴 또는 접지 버스(134) 사이에서 또는 이들에 걸쳐 매치 회로 내로 스위칭되는 경우, 부하에 의해 전력(또는 최소한의 양의 전력)이 반사되지 않을 것이다. 즉, 지점들(150a-150d)에 의해 한정되는 부하의 리액턴스(X) 및 저항(R) 값들 내에서, 커패시터(150a)가 고전압 버스(132)와 리턴 또는 접지 버스(134) 사이에서 또는 이들에 걸쳐 매치 회로 내로 스위칭된 유일한 커패시터인 경우, RF 증폭기를 떠나는 전력의 100 %(또는 가능한 최대치)가 부하에 도달할 것이다. 추가적으로, 부하의 리액턴스 및 저항은 부하(예를 들어, 플라즈마 회로에서의 플라즈마 및 전극으로서의 부하)의 사용 중에 동적으로 변화될 수 있으므로, 저항(R) 및 리액턴스(X)의 값들이 라인(154)에 의해 둘러싸인 영역을 벗어나면, 더 큰 전력이 부하에 의해 반사되기 시작할 것이다. 예를 들어, 라인(156)은 부하 저항(R) 및 리액턴스(X)의 일련의 값들을 나타내며, 여기서 커패시터(150a)만이 매치 회로 내로 스위칭되는 경우 전력의 10 %가 부하에 의해 반사될 것이다. 즉, RF 증폭기(114)를 떠나는 전력의 90 %가 부하로 전달된다. 마찬가지로, 라인(158)은 저항(R) 및 리액턴스(X)의 일련의 값들을 나타내며, 여기서 커패시터(150a)만이 매치 회로 내로 스위칭되는 경우 부하에 의해 전력의 20 %가 반사될 것이다. 즉, RF 증폭기(114)를 떠나는 전력의 80 %가 부하로 전달된다. 도시되지는 않았지만, 부하의 저항(R) 및 리액턴스(X) 값들이 라인(154)에 의해 둘러싸인 영역을 멀리 벗어날수록, 커패시터(150a)만이 매치 회로 내로 스위칭되어, 반사 전력 비율이 더 높아지고, RF 증폭기를 떠나는 전력이 부하에 도달하는 비율은 낮아진다.
[0032] 프로세스 챔버가 사용되는 동안에는 부하의 저항 및 리액턴스의 드리프트를 직접 제어할 수 없기 때문에, 고전압 버스(132)와 리턴 또는 접지 버스(134) 사이에서 또는 이들에 걸쳐 하나의 고정 커패시턴스 커패시터만이 매치 회로 내로 스위칭될 수 있다면, 부하로 전달되는 전력의 비율이 상당히 저하될 수 있다. 그러나, 여기서, 제2 고정 커패시턴스 커패시터, 예를 들어 커패시터(150b)가 고전압 버스(132)와 리턴 또는 접지 버스(134) 사이에서 또는 이들에 걸쳐 매치 회로 내로 추가적으로 스위칭될 수 있다. 커패시터(150b)는 커패시터(150a)에 추가하여 매치 회로 내로 스위칭될 수 있거나, 또는 커패시터(150a)가 매치 회로 외부로 스위칭되는 동안에 매치 회로 내로 스위칭될 수 있다. 이러한 경우, 매치 회로는 부하의 저항(R)과 리액턴스(X)의 상이한 범위의 값들과 매칭될 것이다. 그러나, 커패시터(150a)만을 사용함으로써 부하에 100 % 또는 가능한 최대 전력 투과를 허용하고 매칭된 저항(R) 및 리액턴스(X)의 범위들, 및 커패시터들(150a, 150b) 둘 모두를 사용하여 부하에 100 % 또는 가능한 최대 전력 투과를 허용하고 매칭된 범위들이 중첩될 수 있도록 커패시터들(150a, 150b)의 값들을 선택하는 것도 가능하다. 마찬가지로, 커패시턴스들은, 커패시터(150a)만을 사용하거나 또는 커패시터(150b)만을 사용함으로써 부하에 100 % 또는 가능한 최대 전력 투과를 허용하고 매칭된 저항(R) 및 리액턴스(X)의 범위들이 중첩되도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 도 9에서, 곡선(162)은 커패시터(150)와 커패시터(150b)가 모두 고전압 버스(132)와 리턴 또는 접지 버스(134) 사이에서 또는 이들에 걸쳐 매치 회로 내로 스위칭될 때 RF 증폭기를 떠나는 전력의 100 %(또는 가능한 최대량)가 부하로 전달되는 저항 및 리액턴스 값들을 둘러싸고 있다. 라인(164)은 저항(R) 및 리액턴스(X)의 일련의 값들을 나타내고, 여기서 커패시터(150a)와 커패시터(150b) 둘 모두가 매치 회로 내로 스위칭되는 경우 부하에 의해 전력의 10 %가 반사될 것이다. 즉, RF 증폭기(114)를 떠나는 전력의 90 %가 부하로 전달된다. 마찬가지로, 라인(166)은 저항(R) 및 리액턴스(X)의 일련의 값들을 나타내며, 여기서 커패시터(150a) 및 커패시터(150b) 둘 모두가 매치 회로 내로 스위칭되는 경우 부하에 의해 전력의 20 %가 반사될 것이다. 즉, RF 증폭기(114)를 떠나는 전력의 80 %가 부하로 전달된다. 여기서, 커패시터(150a)만이, 또는 커패시터(150a)와 커패시터(150b) 둘 모두가 매치 회로 내로 스위칭될 때 부하에 도달하는 전력의 비율이 동일한 백분위수 범위에 있는 중첩 구역들이 있음을 알 수 있다.
[0033] 커패시터들의 값들을 적절히 선택함으로써, 반사 전력이 프로세스 챔버에서 발생하는 애플리케이션에 허용 가능한 최대 원하는 Pr 값에 도달할 수 있는 매치를 생성하는 것이 가능하다. 예를 들어, 커패시터(150a) 및 커패시터(150b)의 커패시턴스들의 값을 도 9에 도시된 결과들에 대한 값보다 약간 작게 감소시킴으로써, 곡선(162)에 의해 둘러싸인 영역이 왼쪽 및 아래쪽으로, 즉, 더 낮은 X 및 R 값들로 시프트되어, 매치가 커패시터(150a 또는 150b)를 단독으로 사용하거나 또는 커패시터들(150a 및 150b)을 함께 사용하여 부하로 전력의 100 %(또는 가능한 최대량)를 전달하는 저항(R) 및 리액턴스(X)의 범위들이 존재할 것이다. 마찬가지로, 커패시터들(150a 및 150b)의 커패시턴스들의 합이 도 9에 표시된 값보다 큰 경우, 라인들(154 및 162)에 의해 둘러싸인 100 %의 (또는 가능한 최대량의) 전력 전달 구역들은 더 멀리 떨어져 있을 것이고, 그 사이에는 더 낮은 전력 전달 구역들, 즉 더 큰 반사율의 구역들이 존재할 것이다. 추가적으로, 100 % 투과율 및 100 % (또는 가능한 최대 전력 전달) 구역을 둘러싸는 그에 상응하는 낮은 투과율들의 구역이 존재하고, 이는 곡선(162)보다 더 높은 X 및 R 값들을 가지며, 이는 도 10의 곡선(170)에 도시된 바와 같이 커패시터(150c)와 같은 제3 커패시턴스를 매치 회로 내로 스위칭함으로써 생성된다. 마찬가지로, 100 % (또는 가능한 최대 전력 전달) 및 100 % 구역을 둘러싸는 그에 상응하는 더 낮은 투과율들의 구역이 존재하고, 이는 곡선(162)보다 더 높은 X 및 R 값들을 가지며, 이는 도 10의 곡선(172)에 도시된 바와 같이 커패시터(150c)와 같은 제4 커패시턴스를 매치 회로 내로 스위칭함으로써 생성된다.
[0034] 커패시터들(150a-150d)을 선택적으로 매치 회로 내외로 스위칭함으로써 제공되는 션트 커패시턴스는 최대 16 개의 상이한 션트 커패시턴스들이 매치 회로에 존재할 수 있도록 허용한다. 커패시터들(150a-150d)의 커패시턴스 값들이 각각 A, B, C 및 D라고 가정하면, 다음과 같은 총 션트 커패시턴스 값들, 즉 고전압 버스(132)와 접지 또는 리턴 버스(134) 사이의 또는 이들에 걸친 커패시턴스는 다음과 같이 가능하다: 0(커패시터들(150a-150d) 중 어느 것도 회로 내로 스위칭되지 않음), A, B, C, D, A+B, A+B+C, A+B+C+D, A+C, A+C+D, A+B+D, A+D, B+C, B+C+D, B+D, C+D. 고전압 버스(132)와 접지 또는 리턴 버스(134) 사이에 존재할 수 있는 상이한 커패시턴스 값들의 총 개수는 2C이며, 여기서 C는 고전압 버스(132)와 리턴 또는 접지 버스(134) 사이의 매치 회로 내외로 스위칭될 수 있는 커패시터들의 총 개수이다. 따라서, 2 개의 커패시터들(152a, 152b)만이 존재하면, 4 개의 이러한 커패시턴스들이 달성될 수 있다. 3 개의 커패시터들(152a, 152c)이 존재하면, 8 개의 커패시턴스들이 표현될 수 있다. 커패시터들의 개수, 및 이들의 값들은 높은 투과율을 위해 매칭되는 X 및 R 값들의 원하는 범위, 및 확립될 수 있는 각각의 커패시턴스의 100 %, 90 %, 80 % 등의 투과율 구역들의 원하는 중첩에 따라, 매치 설계자가 설계를 선택할 수 있는 사항이다. 커패시터들(152a-152d)의 커패시턴스 값들은 서로 상이할 수 있고, 예를 들어, A가 B보다 작고, B가 C보다 작고, C가 D보다 작은 경우, 각각의 커패시터(150a-150d)의 커패시턴스 값들은 동일할 수 있다. 커패시터들(150a-150d) 중 일부는 동일한 커패시턴스 값을 가질 수 있는 반면, 다른 커패시터들은 상이한 커패시턴스 값들을 가질 수 있다. 커패시턴스 값들은 부하의 가능한 또는 계산 가능한 특성들에 따라, 스위칭 가능한 매치가 부하에 가장 많은 양의 순방향 전력을 전달할 수 있도록 가능한 가장 가까운 매치를 제공하도록 선택된다.
[0035] 도 10 및 도 11을 참조하면, 4 개의 상이한 총 션트 커패시턴스들에 의해 매칭되는 저항(R) 및 리액턴스(X)의 부하 특성들의 구역들이 도시되어 있다. 각각의 구역은 매치 회로 내로 스위칭된 커패시터들(150a-150d) 중 단일 커패시터 또는 이들의 상이한 4 개의 조합들 중 하나에 대해 부하로의 순방향 전력의 100 % 투과율 (또는 가능한 최대 투과율)이 되는 부하의 저항(R) 및 X의 값들을 나타낼 수 있다. 도 10에서는, 도 9에 도시된 것과 동일한 값의 커패시터(150a)만이 매치 회로에 존재하는 것을 나타내는 라인(154)에 의해 둘러싸인 리액턴스(X) 및 저항(R) 값들의 쌍들의 구역들, 및 매치 회로에서 도 9와 동일한 값의 커패시터(150a 및 150b) 둘 모두를 나타내는 라인(154)에 의해 둘러싸인 리액턴스(X) 및 저항(R) 값들의 쌍들의 구역들이 도시되어 있다. 추가적인 곡선들, 예를 들어, 커패시터들(150a-150d) 중 3 개 또는 이들의 상이한 조합(예를 들어, 제1 및 제3 커패시터들(150a, 150c)이 매치 회로 내로 스위칭됨)을 사용하여 부하로의 100 % 투과율이 발생하는 리액턴스(X) 및 저항(R) 값들의 쌍들의 구역을 둘러싸는 제3 곡선(170), 및 매치 회로 내로 스위칭된 4 개의 커패시터들(150a-150d)의 상이한 조합들을 사용하여 부하로의 100 % 투과율이 발생하는 리액턴스(X) 및 저항(R) 값들의 쌍들의 구역을 둘러싸는 제4 곡선(172)이 도시되어 있다. 도 10에서, 100 % (또는 가능한 최대) 투과율이 발생하는 X 및 R 값들의 쌍들의 구역들은 서로 간격을 두고 있으므로, 매치 회로에서 커패시터들(150a-150d)의 이러한 4 개의 조합들을 스위칭하면 부하의 R 및 X 값들이 곡선들(154, 162, 170 및 172) 중 하나에 의해 둘러싸인 구역 내에 있지 않은 부하에 의해 전력 (또는 가능한 최소값보다 더 큰 양)이 반사되는 매치의 작동이 발생한다. 이는 부하 리액턴스 및 저항 값들이 라인들(154, 162, 170 및 172)에 의해 둘러싸인 구역들의 외부에 있을 때, 예를 들어 이들 사이의 구역들(174, 176 및 178)에 있을 때 발생할 것이다. 따라서, 전기적 특성 부하 값들이 변화함에 따라, 프로세스 챔버(122) 또는 그 컴포넌트에 공급되는 전력의 일부 또는 가능한 최소량 초과가 반사될 것이고, 그 값은 곡선들 또는 라인들(154, 162, 170 및 172)에 의해 둘러싸인 구역들이 얼마나 서로 가까운지에 따라 RF 증폭기(114)로부터의 순방향 전력의 백분율로서 이루어진다. 그 사이의 거리가 클수록, 이러한 구역들에서 작동할 때 부하로부터 반사되는 전력의 백분율은 더 커진다. 그러나, 이는 특정 애플리케이션들에 대해 허용 가능한 작동일 수 있다.
[0036] 대안적으로, 커패시터들(150a-150d)의 값들 또는 이들의 조합들은, 이들의 조합들이 부하로의 100 % 투과율이 발생하는 리액턴스(X) 및 저항(R) 값들의 쌍들의 중첩되는 구역들을 생성할 수 있도록 수정될 수 있다. 여기서, 결과 곡선들(162', 170' 및 172')은 도 10의 매치에 조합된 커패시터들(150b-150d)의 커패시턴스 값들을 더 낮은 값들로 감소시킴으로써 이루어지고, 100 % 매치의 결과 구역들이 더 낮은 저항(R) 및 리액턴스(X) 값들로 이동하여, 100 % 투과 구역들의 경계들이 R 값 방향에서, 중첩되지는 않더라도, 적어도 공존하게 된다. 결과적으로, 연속적이며 반사 구역들이 없으며, 부하로의 100 % 투과율이 발생하는 리액턴스(X) 및 저항(R) 값들의 쌍들의 넓은 구역이 존재한다.
[0037] 편의상, 도 10 및 도 11은 도 1의 고전압 버스(132)와 리턴 또는 접지 버스(134) 사이에서 또는 이들에 걸쳐 커패시터들(150a-150d) 중 하나 이상을 매치 회로 내로 스위칭하는 조합들에 의해 가능한 션트 커패시턴스의 4 개의 값들에 대해 부하로의 100 % 투과율이 발생하는 리액턴스(X) 및 저항(R) 값들의 쌍들의 구역들을 도시한다. 그러나, 앞서 논의한 바와 같이, 션트 커패시턴스 값들의 개수, 및 따라서 부하로의 100 % (또는 매치에 대해 가능한 최대) 투과율이 발생하는 리액턴스(X) 및 저항(R) 값들의 쌍들의 구역들의 개수는 2C이며, 여기서 C는 고전압 버스(132)와 리턴 또는 접지 버스(134) 사이에서 또는 이들에 걸쳐 매치 회로 내로 스위칭될 수 있는 커패시터들의 개수이다. 따라서, 매치 설계자는 전력 구동 회로를 부하와 매칭시키기 위해, 다수의 범위들의 100 % (또는 가능한 최소) 반사 전력을 갖는 매치를 설계할 수 있는 높은 자유도를 갖는다.
[0038] 고전압 버스(132)와 리턴 또는 접지 버스(134) 사이에서 또는 이들에 걸쳐 커패시터들(150a-150d) 중 해당 커패시터를 매치 회로 내로 통합하거나 또는 스위칭하도록 각각 구성된 스위치들(152a-152d)은 솔리드 스테이트 PIN 다이오드들로 구성된다. 이는, 스위치들(152a-152d)이 부하 상태에서, 즉 전력이 적어도 고전압 버스(132)를 통해 구동되는 동안 스위칭될 수 있게 하고, 커패시터들(152a-152d) 중 적어도 하나가 매치 회로 내로, 스위칭 가능한 매치 회로(102)의 나머지 부분을 통해 그리고 부하로 스위칭되어, 부하로, 즉 프로세스 챔버(122) 또는 그 컴포넌트로 연속적인 중단 없는 전력 공급을 허용한다.
[0039] 여기서, DC-AC 컨버터는 가변 주파수 출력이 가능한데, 즉, 그 출력 주파수를 제어 가능하게 변화시킬 수 있다. 결과적으로, 전력이 부하에 공급되고, 부하에 의해 반사되는 전력의 값을 최소화하기 위해 스위칭 가능한 매치(102)가 작동하는 경우, 전력 신호의 주파수, 즉 전력 출력의 AC 주파수 값은 전력 반사 값을 감소시키거나 또는 변화시키도록 수정될 수 있다. 도 9 및 도 10에 도시된 고전압 버스(132)와 리턴 또는 접지 버스(134) 사이의 또는 이들에 걸친 션트 커패시턴스의 예들에서, 부하로부터 전력 반사가 발생하게 될 부하 저항(R) 및 부하 리액턴스(X)의 쌍들의 값들이 존재한다. 여기서, 공급되는 전력의 주파수를 조정하여, 반사가 최소한으로 발생하거나 또는 전혀 발생하지 않는 부하 저항(R) 및 부하 리액턴스(X)를 변화시킴으로써, 반사 전력 값을 더 낮은 값 또는 0으로 만들 수 있다. 도 10에 도시된 바와 같이, 부하 특성들이 변화함에 따라, 특정 순간에 공급되는 전력의 시간 주파수에서, 부하 저항(R)과 부하 리액턴스(X)의 시간적 값들은 매치가 공급되는 전력의 100 %를 부하에 전달하는 스위칭 가능한 커패시턴스 값들 사이의 값들이다. 이는 라인들(154, 162)에 의해 둘러싸인 100 % 투과율 영역들 사이에 존재하는 지점(180)에 의해 표시된다. 그러나, DC-AC 컨버터에 의해 출력되는 AC 전력 신호의 주파수를 더 큰 또는 더 작은 값으로 조정함으로써, 부하의 저항(R) 및 리액턴스(X) 값들의 결과적인 쌍의 로케이션(location)이 곡선들(154, 162, 170 또는 172)에 의해 둘러싸인 구역들에 대해 변화되어, 100 % 투과율 구역들 내의 지점(180') 또는 지점(180")에 있게 된다. 임의의 매치의 성능은 주파수에 따라 달라지므로, 주파수를 변화시키면 부하의 저항(R) 및 리액턴스(X) 값들이 이동하고, 곡선들(154, 162, 170 또는 172)에 의해 둘러싸인 구역들이 X 및 R 방향들에서 또는 둘 모두에서 시프트되는 것으로 간주될 수 있다. 따라서, 스위칭 가능한 매치(102)가, 가변 주파수 전력 공급기(여기서는 DC 전력 공급기(110), DC-AC 컨버터(112) 및 RF 증폭기(114)로 구성됨)와 조합될 때, 매치는 부하에 공급되는 전력의 100 % (또는 가능한 최대) 투과율의 발생을 유지하도록 작동될 수 있다. 이는 도 10에 도시된 바와 같이, 스위칭 가능한 매치(102)가 전력이 반사되는 주어진 전력 주파수에서 반사 전력이 발생하는 부하 저항(R) 및 인덕턴스(X)의 고유한 쌍들의 값들을 갖는 경우에도 가능하다. 그러나, 스위칭 가능한 매치에 도달하는 전력 신호의 주파수를 변화시킴으로써, 부하의 저항 및 리액턴스 값들의 쌍들의 구역들 중 하나를 R 및 X 방향들에서 조정하거나, 또는 저항(R) 및 리액턴스(X)의 부하 값들을 변화하여, 부하로의 100 % (또는 가능한 최소) 투과율이 발생하도록 할 수 있다.
[0040] 도 2를 참조하면, 전력 공급기의 모듈성은 도 1의 모듈성과 비교하여 약간 수정된다. 여기서, RF 증폭기(114)는 스위칭 가능한 매치(102)와 동일한 박스 쉘(116x)에 포함되어 있다. 다른 모든 측면에서, 전력 공급 시스템은 도 1과 관련하여 도시되고 설명된 것과 동일하며 동일한 작동을 갖는다.
[0041] 이제 도 3을 참조하면, 수정된 스위칭 가능한 매치(102')를 채용하는 전력 공급 회로(100)의 추가적인 양태가 도시되어 있다. 여기서, 수정된 스위칭 가능한 매치(102')는 파이(π) 스위칭 가능한 매치 회로(102')로 구성되며, 2 개의 세트들의 커패시터들(150a-150d 및 152e-152h), 및 고전압 버스(132)와 리턴 또는 접지 버스(134) 사이에 또는 이들에 걸쳐 전기적으로 직렬로 연결된 커패시터(150a-150h)를 선택적으로 연결하도록 구성된 상응하는 스위치들(152a-152d 및 152e-152h)로 구성되어 있다. 여기서, 인덕터(119)와 커패시터(118)는 고전압 버스(132)에서 스위치들(152a-152d)에 의해 커패시터들(150a-150d)이 연결될 수 있는 고전압 버스(132)의 영역과, 인덕터(119)와 커패시터(118)와 프로세스 챔버(122) 사이의 고전압 버스(132)의 영역 사이에 직렬로 삽입되고, 여기서 커패시터들(150e-150h)은 스위치들(152e-152h)에 의해 고전압 버스(132)에 연결될 수 있다. 여기서, 파이(π) 매치(102')의 각각의 레그(leg), 즉 인덕터(119)의 양 측면들에 대한 그 부분들은 4 개의 고정 커패시턴스 커패시터들(150a-150d 또는 150e-150h)을 포함하며, 각각은 스위칭 가능한 파이(π) 매치(102')의 고전압 버스(132)와 리턴 또는 접지 버스(134) 사이에서 또는 이들에 걸쳐 선택적으로 연결될 수 있거나 또는 연결되지 않을 수 있다. 더 적은 개수이지만, 그러나 적어도 2 개의 이러한 커패시터들(150) 및 이들을 매치 회로 내외로 스위칭하기 위한 대응하는 스위치들(152)이 스위칭 가능한 파이(π) 매치(102')의 적어도 하나의 레그에 존재한다. 도 3의 전력 공급 회로(100')의 모듈식 구조는 도 1의 전력 공급 회로(100)와 구조상 대응되지만, 그러나 도 1의 전력 공급 회로의 L 스타일 매칭 구성을 스위칭 가능한 파이(π) 매치(102')로 대체한다. 마찬가지로, 도 4의 전력 공급 회로(100')의 모듈성은 구조상 도 2의 전력 공급 회로(100)에 대응되지만, 그러나 도 2의 전력 공급 회로(100)의 L 스타일 매칭 구성을 스위칭 가능한 파이(π) 매치(102')로 대체한다.
[0042] 도 3 및 도 4의 전력 공급 회로(100')의 파이(π) 스위칭 가능한 매치 회로(102')는 매칭 측면에서 도 1의 전력 공급 회로의 L 스타일 매치 구성과 유사한 동작 특성들을 갖는다. 여기서, 커패시터들(150e-150h) 중 어느 것도 션트 커패시터들로서 매치 회로 내로 스위칭되지 않는 경우, 도 3의 전력 공급 회로(100)는 도 1의 전력 공급 회로와 구조가 대응된다. 파이(π) 매치(102')의 커패시터들(150e-150h) 중 어느 것도 고전압 버스(132)와 리턴 또는 접지 버스(134) 사이에서 또는 이들에 걸쳐 션트 커패시턴스로 스위칭되지 않는 경우, 매치(102')는 도 1 및 도 2의 L 스타일 스위칭 가능한 매치(102)와 동일한 성능 특성들을 가지며, 고정 커패시터들(125a-125d)의 커패시턴스는 도 1 및 도 2의 그 값들과 동일하다. 유사하게, 커패시터들(150e-150h) 중 하나 이상을 매치 회로 내로 그리고 고전압 버스(132)와 리턴 또는 접지 버스(134) 사이에서 또는 이들에 걸쳐 스위칭하면서 커패시터들(150a-150d)을 매치 회로로부터 분리하면, 도 1 및 도 2의 스위칭 가능한 매치와 유사한 성능 특성들을 발생시키게 될 것이며, 고정 커패시터들(125a-125d)의 커패시턴스는 도 1 및 도 2의 그 값들과 동일하다. 인덕터(119)의 다른 측에 있는 고정 커패시터들(150e-150f)의 그룹으로부터의 커패시터들을 스위칭 가능한 파이(π) 매치(102')의 매치 회로 내로, 따라서 고전압 버스(132)와 리턴 또는 접지 버스(134) 사이에서 또는 이들에 걸쳐 스위칭하는 것 외에도, 인덕터(119)의 일 측에 있는 고정 커패시터들(150a-150d)의 그룹으로부터의 커패시터들을 스위칭 가능한 파이(π) 매치(102')의 매치 회로 내로, 따라서 고전압 버스(132)와 리턴 또는 접지 버스(134) 사이에서 또는 이들에 걸쳐 스위칭하게 되면, 도 9 내지 도 11에 도시되고 설명된 것과 유사한 2 개의 세트들의 병렬 션트 커패시터들의 조합된 효과가 발생한다. 이는, DC-RF 컨버터의 출력 주파수를 변화하는 것을 추가함으로써, 매치 설계자가 매치가 전력 공급 회로(100)로 공급되는 전력을 부하로 100 % 투과시키지 않는 최소 쌍들의 부하 저항(r) 및 리액턴스(X)를 갖는 매치를 설계할 수 있게 한다. 예를 들어, 부하의 시간적, 즉 시간에 따른 전류, DC-AC 컨버터(112)의 출력 주파수에서 부하가 해당 주파수에서 전력의 반사를 방지하기 위해 완전히 매칭되지 않는 저항(R) 및 리액턴스(X) 값들을 나타내는 경우, DC-AC 컨버터는 그의 주파수를 상향 또는 하향으로 변화시켜, 부하에 의한 전력 반사가 없거나 또는 최소화되도록 매치 및 부하의 특성들을 조정할 수 있다. 추가적으로, 여기서, 스위치들(152a-152h) 각각은 바람직하게는 핫 스위칭, 즉 부하 또는 최대 전력 애플리케이션 하에서 스위칭이 가능한 솔리드 스테이트 PIN 다이오드들로 구성되는, 도 1 및 도 2의 스위치들(152a-152d)과 동일하거나 유사한 구성들을 갖는다. 결과적으로, 도 1 및 도 2의 전력 공급 회로(100)와 마찬가지로, 스위칭 가능한 파이(π) 매치(102')를 통합하는 전력 공급 회로(100')에서, 커패시터들(152) 각각 및 임의의 커패시터는 RF 증폭기 또는 부하로부터 스위칭 가능한 파이(π) 매치(102')를 분리할 필요 없이 최대 전력 하에서, 고전압 버스(132)와 리턴 또는 접지 버스(134) 사이에서 또는 이들에 걸쳐, 매치 회로 내외로 스위칭될 수 있고, 따라서 부하 저항(R) 및 리액턴스(X) 특성들이 변화하더라도, 부하의 연속적인 매칭이 수용된다. 결과적으로, 션트 커패시턴스(고전압 버스(132)와 리턴 또는 접지 버스(134) 사이의 커패시턴스) 내외로 커패시터들(150a-150h) 중 하나들을 선택적으로 스위칭함으로써 최대 순방향 전력, 즉 최소 반사 전력이 수용되고, 동시에, 필요에 따라, DC-AC 컨버터의 출력 주파수를 조정하여, 부하, 여기서는 그의 컴포넌트 또는 그 내부에서 플라즈마에 전기적으로 결합된 그의 컴포넌트를 포함하는 프로세스 챔버로의 최대 순방향 전력 투과를 유지할 수 있다.
[0043] 도 7 및 도 8을 참조하면, 본 명세서의 도 1 내지 도 4의 전력 공급 회로들(100, 100')의 사용은 모듈식으로 사용될 수 있는데, 즉, 단일 DC-AC 컨버터는 다수의 스위칭 가능한 매치들(102, 102')을 통해 다수의 프로세스 챔버들(122)에 결합될 수 있고, 각각의 스위칭 가능한 매치(102 또는 102')는 단일의 이러한 프로세스 챔버 또는 그 내부의 컴포넌트에 매칭되도록 구성될 수 있다.
[0044] 도 7은 분산 전력 공급 시스템을 개략적으로 도시한 것으로서, 여기서 단일 DC 전력 공급기(110)의 출력이 다수의 DC-AC 컨버터들(112)의 입력에 연결되고, 단일의 DC 전력 공급기(110)를 사용하여 전력을 공급받는 각각의 프로세스 챔버에 대해 하나의 이러한 DC-AC 컨버터(112)가 제공된다. 여기서, 4 개의 프로세스 챔버들(122a-122d)은 궁극적으로 단일의 DC 전력 공급기(110)에 연결되지만, 그러나 더 큰 또는 더 적은 수의 프로세스 챔버들(122)이 단일의 DC 전력 공급기(110)에 의해 전력이 공급될 수 있다. 각각의 프로세스 챔버(122a-122d)는 스위칭 가능한 매치(102 또는 102')에 결합되고, 각각의 스위칭 가능한 매치(102 또는 102')는 전용 RF 증폭기(114)에 결합되고, 각각의 RF 증폭기는 전용 DC-AC 컨버터(112)에 결합된다. 여기서 RF (AC) 증폭기(114) 및 DC-AC 컨버터(112)는 별도의 컴포넌트들로 도시되어 있지만, 이들은 도 12에 도시된 바와 같이 DC 소스, 즉 DC 전력 공급기(110)에 결합된 단일 RF 스테이지로 조합될 수 있다. 다시 말하지만, DC 소스(110)를 채용하는 본 명세서의 각각의 실시예에서와 같이, DC 소스(110)는 AC 전력 소스, 예를 들어 200 내지 480 V에서 50 내지 60 Hz 주파수에서, 예를 들어 전력을 공급하는 팹 또는 팩토리 전력 메인에 의해 전력이 공급된다. 대안적으로, DC 전력 공급기(110)에 대한 전력 소스는 프로세스 시스템, 예를 들어, 하나 이상의 프로세스 구역들을 채용하는 프로세스 시스템의 다수의 컴포넌트들에 전력을 공급하도록 구성된 AC 랙(rack)일 수 있고, AC 랙은 매칭되지 않는 AC 전력을 필요로 하는 시스템의 컴포넌트들 모두에 연결되도록 구성될 뿐만 아니라, AC 전력 입력을 DC 전력 출력― 이는 그런 다음 원하는 AC 주파수 및 전력 레벨로 변환됨 ―으로 변환하는 DC 전력 공급기에도 연결되도록 구성될 수 있다. 여기서, DC 전력 공급기의 출력은 4 개의 전용 DC-AC 컨버터들(112) 각각에 연결되고, RF 증폭기들(114) 및 스위칭 가능한 매치 회로들(102 또는 102')을 통해 전력을 공급하고, 궁극적으로 챔버들(122a, 122d)에 전력을 공급한다. 여기서, DC 전력 공급기(110), DC-AC 컨버터들(112), RF 증폭기들(114) 및 스위칭 가능한 매치들(102 또는 102') 각각은 자체 전용 박스 셸(116)에 수용되어(도 1 내지 도 4), 컴포넌트들이 전력 공급 회로(100, 100')에서 쉽게 스위칭 아웃되거나 또는 교체될 수 있다. 다시 말하지만, 여기서 DC-AC 컨버터(112)는 가변 주파수 출력을 공급하여, 스위칭 가능한 매치 회로(102, 102')의 션트 커패시턴스 내외로커패시터들을 스위칭하는 것과 함께, 반사 전력이 최소한으로 발생하거나 또는 전혀 발생하지 않는 높은 전력 전달이 발생하는 저항(R) 및 리액턴스(X) 값들의 광범위한 부하 조합들을 가능하게 한다.
도 8을 참조하면, 전력 전달 컴포넌트들은 본 명세서의 도 2 및 도 4에 도시된 것들과 같이 구성되며, 여기서 RF 증폭기(114) 및 스위칭 가능한 매치(102 또는 102')는 본 명세서의 도 2 및 도 4에서와 같이 단일 박스 셸(116) 내에 조합된다. 그렇지 않으면, 도 8의 전력 공급 회로들(100 또는 100')은 도 7의 것들과 동일하다.
[0045] 이제 도 5를 참조하면, 전력 전달 아키텍처 디바이스가 결합된 프로세스 챔버 컴포넌트 또는 환경의 저항(R) 및 리액턴스(X)의 변화들에도 불구하고, 프로세싱 챔버, 예를 들어 플라즈마 프로세싱 챔버에 전력을 일관된 값으로 제공하기 위한 스위칭 가능한 매치 및 주파수 튜닝 능력을 갖는 추가적인 RF 전력 전달 아키텍처 디바이스가 묘사되어 있다. 여기서, 전력 공급 회로(100)는 하나 이상의 스위칭 가능한 매치들(102 또는 102')의 연결부가 여기에 연결될 수 있도록 구성된다. 예를 들어, 결과적인 전력 공급 회로(100")는 스위칭 가능한 매치(102)가 연결된 부하(예를 들어, 프로세스 챔버(122) 또는 프로세스 챔버 컴포넌트)의 저항(R) 및 리액턴스(X)의 변화들의 발생에도 불구하고, 프로세스 챔버(105)에 높은 레벨의 RF 전력을 제공하는 데 사용될 수 있다.
[0046] 여기서, 전력 공급 회로(100")는, 도 1과 관련하여 앞서 설명한 바와 같이, 케이블링[케이블들(221, 222)]을 통해 스위칭 가능한 매치(102)에 연결되는, 원하는 진폭(RMS 전압) 및 주파수들에서 RF 전력을 전달할 수 있는 RF 발생기(220)를 포함한다. 이 실시예에서, RF 발생기는 박스 쉘(116a)에 포함된 표준 50-Ω 발생기(220)로서, 고전압 커넥터(117a) 및 그의 동일한 측벽으로부터 연장되는 리턴 또는 접지 커넥터(117b)를 갖는다. 제1 50-Ω 케이블(221)은 커넥터(117a)로부터 스위칭 가능한 매치(102)의 고전압 버스(132)로 연장되고, 제2 50-Ω 케이블(222)은 커넥터(117b)로부터 스위칭 가능한 매치의 리턴 또는 접지 버스(134)로 연장된다. 여기서, 스위칭 가능한 매치(102)는 본 명세서의 도 1 및 도 2의 스위칭 가능한 매치와 동일하게 구성되고 동일한 방식으로 동작한다. 스위칭 가능한 매치(102)의 리턴 또는 접지 버스(134)는 매치를 통해 연장되어 프로세스 챔버(122)의 리턴 또는 접지 연결부에 연결되고, 고전압 버스(132)는 4 개의 스위치 연결 로케이션들에 걸쳐 그리고 이와 직렬로 연결된 인라인 커패시터(119) 및 인덕터(119)로 연장되어, 프로세스 챔버(122)의 고전압 측으로 연결된다.
[0047] 이 실시예에서, 단일 RF 발생기(220)는 단일 프로세스 챔버(122)에 전용된다. 본 명세서의 도 1 및 도 2의 실시예들과 마찬가지로, 스위칭 가능한 매치(102)는 고전압 버스(132)와 리턴 또는 접지 버스(134) 사이에서 또는 이들에 걸쳐 션트 커패시턴스 내로 고정 커패시턴스 커패시터들(152a-152d) 중 하나 이상을 선택적으로 스위칭하여, 프로세스 챔버(122) 또는 프로세스 챔버 컴포넌트 또는 컴포넌트 및 플라즈마 저항(R) 및 리액턴스(X) 값들의 쌍들의 다수의 개별 범위들을 수용하도록 스위칭 가능한 매치(102)의 매칭 특성들을 수정할 수 있도록 동작 가능하다. 결과적으로, 광범위한 범위의 프로세스 챔버(122) 또는 프로세스 챔버 컴포넌트 저항(R) 및 리액턴스(X) 값들에 걸쳐, 스위칭 가능한 매치(102)는 프로세스 챔버에서 반사 전력을 낮게 제공하거나 전혀 제공하지 않는데, 즉, RF 발생기의 전력 출력의 100 %, 또는 거의 100 %를 부하(프로세스 챔버 또는 프로세스 챔버 컴포넌트)로 전송하기 위해, 완전한, 또는 거의 완전한 매치를 제공할 것이다. 추가로, 스위칭 가능한 매치(102)가 가능한 최고 투과율(최소 반사율)을 제공하지 않는 프로세스 챔버(122) 또는 프로세스 챔버 컴포넌트 또는 컴포넌트 및 플라즈마 저항(R) 및 리액턴스(X) 값들의 범위들에서, RF 발생기(220)는, 그 전력 신호의 출력 주파수를 조정하여 스위칭 가능한 매치(102)가 부하에 더 근접하게 하고 결과적으로 부하에 최대 전력 투과율(예를 들어, 100 % 전력 전달)을 얻을 수 있도록, 가변 주파수 RF 발생기(220)로 구성될 수 있다.
[0048] 도 6을 참조하면, 부하의 리액턴스 및 저항의 리액턴스 변화들에도 불구하고, 플라즈마 챔버에 일관된 속도로 전력을 제공할 수 있는 스위칭 가능한 매치 및 주파수 튜닝이 가능한 또 다른 RF 전력 전달 아키텍처 디바이스가 도시되어 있다. 도 6에서는, RF 발생기(220) 및 RF 케이블링(221, 222)이 채용되지만, 그러나 도 5의 L 아키텍처 스위칭 가능한 매치 대신에 파이 아키텍처 스위칭 가능한 매치 회로(102')가 대체된다. 다른 모든 측면들에서, 전력 전달 회로는 동일하다.
[0049] 본 발명의 시스템은 반사 전력 및 전력 신호 주파수를 고려하여, 션트 커패시턴스로 스위칭될 고정 커패시터들(150a-150d 또는 150a-150h) 중 적절한 하나를 선택하기 위한 제어기를 포함한다. 여기서, RF 주파수와 같은 AC 주파수를 공급하는 회로 요소는, 순방향 전력 분석기(200)라고도 하는 주파수 발생 회로 요소에 의해 출력되는 전력, 및 또한 반사 전력 분석기(202)를 사용하여 주파수 발생 회로 요소의 출력 단자들에 다시 도달하는 반사 전력을 측정하는 회로부를 내부에 포함하며, 각각 DC-AC 컨버터(112)와 RF 증폭기(114) 사이의 고전압 연결부에 전기적으로 삽입되거나, 또는 이들 컴포넌트들 중 하나에 또는 도 5 및 도 6의 RF 발생기 내에 통합될 수도 있다. 여기서, 주파수 발생 회로는 도 1 내지 도 4의 DC-AC 컨버터(112) 또는 도 5 및 도 6의 RF 발생기(220) 중 하나이다. RF 발생기(220)를 예로서 사용하면, 이 발생기는 반사 전력의 양들을 순방향 전력의 백분율 또는 순방향 전력 대비 부하에 도달하는 전력(순방향 전력에서 반사 전력을 뺀 전력)의 비율로 비교하는 비교기 회로, 및 가능한 가장 높은 비율의 백분율을 얻기 위해 RF 발생기(220)의 출력 주파수를 변화시키도록 구성된 로직 제어기를 포함한다. 이는 또한, 부하로의 순방향 전력의 100 % 투과율을 달성하는 것은 불가능할 수 있지만, 그러나 순방향 전력에 대한 부하에 도달하는 전력의 가장 높은 비율 또는 백분율로 표현되는 최대 투과율이 RF 발생기(220)의 주파수 튜닝의 바람직한 결과라는 점을 고려할 수 있다. 상대 백분율들 또는 비율에 기초하여, 발생기는 로직 제어기의 제어하에 그 출력 주파수를 변화시켜, 부하에 대한 순방향 전력의 최저 반사율 및 최고 투과율을 나타내는 최적의 시간적 (해당 즉각적인 시간의 순간에서의) 백분율 또는 비율을 결정한다. RF 발생기는 회로에 대한 임의의 다른 제어 요소와 독립적으로, 즉 자율적으로 주파수를 튜닝할 수 있다.
[0050] 추가적으로, 제어기(250)가 제공되며, 핀 다이오드 스위치들(152)의 동작 설정들을 제어하고, 매치 회로의 션트 커패시턴스에 커패시터를 선택적으로 포함하도록 구성된다. 제어기(250)는 스위칭 가능한 매치(102 또는 102')의 동작 범위들의 특성들이 프로그래밍되거나 또는 설정되는 로직 디바이스, 예를 들어, 필드 프로그래머블 어레이(field programmable array), 마이크로컴퓨터 등을 포함한다. 예를 들어, 제어기는 레시피(recipe), 즉 플라즈마 전극 또는 챔버의 다른 컴포넌트에 전달되는 일련의 RF 또는 AC 전력들 및 주파수들뿐만 아니라, 기판 지지 온도, 전극과 기판 사이의 간격, 챔버 환경 내의 가스 혼합물, 및 제어되거나 또는 선택될 수 있는 다른 프로세스 변수들도 선택하는 데 사용되는 레시피 제어기일 수 있다. 구체적으로, 주어진 프로세스 챔버에 대해, 매치 설계자는, 매치가 연결될 부하(예를 들어, 프로세스 챔버 컴포넌트 또는 프로세스 챔버 컴포넌트와 여기에 전기적으로 연결된 플라즈마)의 가능한 범위들 또는 저항 및 리액턴스에 대한 지식을 바탕으로, 부하로의 높은 전력 투과율, 및 따라서 부하로부터의 낮은 반사율이 발생하는 원하는 개별 션트 커패시턴스 값들이 세트를 결정한다. 추가적으로, 설계자는, 스위치들(152a-152d 또는 152a-152h) 중에서, 이에 연결된 커패시터가 스위칭 가능한 매치(102 또는 102')의 션트 커패시턴스의 일부가 되게 하기 위해 폐쇄된 포지션(position)에 있을 필요가 있는 스위치들을 선택하도록 제어기(250)를 프로그래밍한다. 전체적으로, 션트 커패시턴스는 스위칭 가능한 매치(102 또는 102')의 고전압 버스(132)와 리턴 또는 접지 버스(134) 사이의 또는 이들에 걸친 총 커패시턴스 값이다. 이 값은 스위칭 가능한 매치(102 또는 102')의 고전압 버스(132)와 리턴 또는 접지 버스(134) 사이에 또는 이들에 걸쳐 연결된 모든 커패시터들(150)의 고정 커패시턴스의 합이다. 그런 다음 설계자는 부하를 작동시키는데, 즉, 여기서는 정상적인 작동 환경 또는 조건들에서 챔버(122)를 작동시켜, 이로부터의 실제 반사 전력 및 높은 투과율(낮은 반사율) 및 상대적으로 더 낮은 투과율(높은 전력 반사율)이 발생하는 부하의 저항(R) 및 리액턴스(X) 값들의 결과적 쌍들을 결정할 수 있다. 이 정보를 사용하여, 설계자는 션트 커패시턴스 내로 잠재적으로 스위칭되는 고정 커패시턴스 커패시터들(150)의 커패시턴스 값들을 수정할 수 있다. 그런 다음 설계자 또는 사용자는 각각의 잠재적 또는 실제 션트 커패시턴스에 대해 전력 공급 회로와 부하 사이에 가장 높은 투과율(가장 낮은 반사율)이 존재하는 저항(R) 및 리액턴스(X)의 값들의 쌍들의 구역들을 매핑(map)하여, RF 발생기(220) 또는 DC-AC 컨버터(112) 공칭 출력 주파수, 예를 들어, 13.56 KHz의 0이 아닌 정수 배수, 예를 들어 27.12 MHz에 대해, 그리고 출력 주파수에 대한 발생기 또는 컨버터의 이러한 주파수들의 최대 및 최소 변동에 대해, 도 9 내지 도 11에 도시된 결과들을 산출할 수 있다. 결과적으로, 설계자는, RF 발생기(220) 또는 DC-AC 컨버터(112)의 잠재적 출력 주파수 값들과 함께, 커패시터들(150a-150d 또는 150a-150h)(도 6) 중 하나 이상을 션트 커패시턴스 내로 선택적으로 스위칭함으로써 달성 가능한 션트 커패시턴스 값들의 범위 내에서, 매치가 그의 의도된 목적을 위해 적절히 수행되는지 여부를 포함하여, 부하에 결합될 때, 전력 공급 회로(100, 100' 또는 100")의 매칭 특성들을 결정할 수 있다. 이것은 가능한 최대 전송 가능한 전력보다 적은 전력이 부하에 도달하는 작동 지점들을 포함할 수 있거나, 또는 이것이 발생하는 작동 지점들을 포함하지 않을 수 있다.
[0051] 그런 다음, 부하 저항(R) 및 리액턴스(X) 값들에 대한 전력 투과율의 범위들이 제어기(250)에 프로그래밍되고, 제어기(250)는 매치 회로 내로 스위칭된 고정 커패시턴스 커패시터들(150a-150d 또는 150a-150h)의 아이덴티티(identity) 및 따라서 매치의 작동 상태를 모니터링한다. 일 양태에서, 반사 전력 대 순방향 전력의 비율이 증가하기 시작하거나, 또는 순방향 전력 대 반사 전력의 비율이 감소하기 시작하면, RF 발생기(220) 또는 DC-AC 컨버터(112)는 전력 신호의 출력 주파수를 자동으로 변화시켜, 부하에 도달하는 최대 순방향 전력, 즉 가능한 최고 전력 투과율을 다시 얻도록 한다. 제어기(250)는 RF 발생기 또는 DC-AC 컨버터(112) 출력 주파수를 모니터링한다. 이러한 주파수 변화가 여전히 부하로의 전력의 가능한 또는 바람직한 투과율보다 적은 경우(초과 반사율), RF 발생기(220) 또는 DC-AC 컨버터(112) 출력 주파수, 및 스위치들(152)의 알려진 설정에 기초하여, 따라서 현재 션트 커패시턴스에 있는 고정 커패시턴스 커패시터들(150)의 아이덴티티에 기초하여, 제어기(250)는 RF 발생기(220) 또는 DC-AC 컨버터(112)에 의해 부하로 전력이 공급되는 동안 스위치들(152) 중 하나 이상에 신호를 보내서 그들의 동작 설정들을 변화시키고, 따라서 부하 조건들을 포함하는 현재 동작 조건들에 대해, 더 높은 전력 투과율 및 바람직하게는 가능한 최고 투과율을 발생시키는 값으로 션트 커패시턴스를 변화시킨다. 제어기는 순방향 전력, 반사 전력, 및 RF 발생기(220) 또는 DC-AC 컨버터(112) 출력 주파수를 지속적으로 모니터링하여, 스위치들(152)을 제어하고, 따라서 가능한 최고 전력 투과율로 이어지는 션트 커패시턴스 값을 확립한다.
[0052] 다른 양태에서, 제어기는 챔버 또는 프로세스 환경에서 실행되는 프로세스 레시피에 기초하여, 고정 커패시턴스 커패시터들(150a-150d 또는 150a-150h) 중 하나 이상을 매치 회로의 션트 커패시턴스에 포함하도록 스위치들(152a-152d 또는 152a-152h)이 폐쇄되도록 선택하도록 프로그래밍될 수 있다. 여기서, 시스템 설계자는, 예측 또는 실제 데이터에 기초하여, 각각의 프로세스 단계 동안 부하의 리액턴스 및 저항 값들을 결정하고, 션트 커패시턴스 내로 선택적으로 스위칭되는 커패시터들(150a-150d 또는 150a-150h)을 결정하고, 반사 전력 또는 둘 모두를 측정하여, 각각의 프로세스 단계에서 반사율을 최소화하기 위해 션트 커패시턴스 내로 스위칭될 고정 커패시턴스 커패시터들(150a-150d 또는 150a-150h)의 적절한 커패시턴스를 결정한다. 여기서, 전력 공급기의 주파수는 전력 공급기 자체에 의해서만 제어된다.
[0053] 도 13은 DC 전력 공급기(110) 및 RF 스테이지(254)를 통합하는 전력 공급 회로의 개략도를 도시한 것으로서, 여기서 RF 스테이지는 도 1 내지 도 4의 DC-AC 컨버터(112) 및 AC 또는 RF 증폭기(114)를 단일 유닛으로 조합한다. 여기서, 200 내지 480 V AC 범위의 AC 전력이 DC 전력 공급기(110)에 공급되고, 이 DC 전력 공급기는 AC 입력을 RF 스테이지(254)에 피드(feed)되는 DC 출력으로 변환한다. RF 스테이지는 DC-AC (RF) 컨버터, 및 적어도 하나의 AC (RF) 증폭기를 솔리드 스테이트 컴포넌트들로서 포함한다. RF 스테이지로부터 원하는 전력 출력을 얻기 위해, 하나 초과의 증폭기가 RF 스테이지의 DC-AC 컨버터의 출력에 연결될 수 있고, 이들의 출력들은 컴바이너(combiner)(도시되지 않음)에서 조합될 수 있다. RF 스테이지(254)의 AC 또는 RF 출력은 측정 유닛(256)을 통과하는데, 여기서 부하(260), 예를 들어 프로세스 챔버 컴포넌트로부터 반사된 반사 전력(Pr 및 Pi)의 값이 측정되고, 이로부터 전력 공급 제어기(258)로 전송된다. 전력 공급 제어기(258)는 제어 신호들을 DC 전력 공급기(110)로 전송하여 이로부터 출력되는 DC 전력의 값을 변화시키고, RF 스테이지(254)로 전송하여 그 출력 주파수를 변화시키도록 구성된다. 전력 공급 제어기(258)는 RF 스테이지의 출력 주파수 대비 반사 전력의 변화들을 측정하여, 부하(260)의 반사 전력을 최소화하는 값으로 주파수가 설정되게 하는 로직을 포함한다. 결과적으로, 전력의 주파수는, 예를 들어 션트 커패시턴스 값들이 부하가 노출되거나 또는 그 일부를 형성하는 프로세스 환경에서 수행되는 프로세스 레시피에 기초하여 부하의 예상 리액턴스 및 저항 값들에 기초하는 경우, 스위칭 가능한 매치(102) 내의 션트 저항의 값과 독립적으로 변화될 수 있다.
[0054] 여기서, 본 명세서에는, 부하에 의한 순방향 전력의 반사를 최소화하면서 넓은 범위의 부하 저항 및 리액턴스 값들이 수용되게 할 수 있는 AC 또는 RF 전력의 가변 주파수 소스와 함께, 즉 션트 커패시턴스 내외로 고정 커패시턴스 커패시터들의 핫 스위칭을 포함하는, 부하 상태 하에서 작동 가능한 스위칭 가능한 매치가 설명되어 있다.

Claims (19)

  1. 전력 공급 회로로서,
    스위칭 가능한 매치(switchable match) ― 상기 스위칭 가능한 매치는 상기 스위칭 가능한 매치가 연결되는 부하의 변화들에 대한 응답으로 상기 스위칭 가능한 매치의 전기적 특성들을 변화시키도록 구성되고,
    상기 매치는:
    부하에 연결될 수 있는 고전압 버스(bus);
    저전압 버스 ― 상기 저전압 버스는 상기 부하가 상기 고전압 버스와 저전압 버스 사이에서 직렬이 되도록 상기 부하에 연결될 수 있음 ―;
    상기 고전압 버스와 상기 저전압 버스 사이에 선택적으로 연결될 수 있는 고정된 커패시턴스(capacitance) 값을 갖는 적어도 2 개의 커패시터(capacitor)들; 및
    상기 고전압 버스와 상기 저전압 버스 사이에 연결될 수 있는 고정된 커패시턴스 값을 갖는 커패시터들의 개수와 동일한 개수의 복수의 솔리드 스테이트 스위치(solid state switch)들을 포함하며,
    각각의 스위치는 상기 고전압 버스와 상기 저전압 버스 사이에 선택적으로 연결될 수 있는 고정된 커패시턴스 값을 갖는 커패시터들 중 하나를 상기 고전압 버스와 상기 저전압 버스 사이의 전기 통신으로 선택적으로 연결하거나 또는 분리하도록 구성되고 배열됨 ―; 및
    고전압 출력 연결부를 포함하는 가변 주파수 전력 공급기를 포함하며,
    상기 고전압 출력 연결부는 상기 고전압 버스에 연결되는,
    전력 공급 회로.
  2. 제1 항에 있어서,
    가변 주파수 전력 공급 회로는 DC 전력 공급기 및 가변 주파수 출력 DC-AC 컨버터(converter)를 포함하는,
    전력 공급 회로.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 가변 주파수 전력 공급 회로는 증폭기를 더 포함하는,
    전력 공급 회로.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 가변 주파수 전력 공급기는 RF 발생기인,
    전력 공급 회로.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 스위칭 가능한 매치는 L 매치로서 구성되는,
    전력 공급 회로.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 스위칭 가능한 매치는 π 매치로서 구성되는,
    전력 공급 회로.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 스위칭 가능한 매치는:
    제1 고정 커패시턴스 ― 상기 제1 고정 커패시턴스는, 상기 고전압 버스와 상기 저전압 버스 사이에 전기적으로 연결된 고정 커패시턴스 커패시터들 중 하나 이상의 커패시터의 커패시턴스들의 합을 포함하고, 상기 제1 고정 커패시턴스는 상기 고전압 버스와 상기 저전압 버스 사이에 전기적으로 연결되고, 상기 스위칭 가능한 매치는, 상기 가변 주파수 전력 공급기에 의해 상기 스위칭 가능한 매치에 전송되는 높은 비율의 전력을 상기 스위칭 가능한 매치에 연결된 부하의 제1 범위의 저항 및 리액턴스(reactance) 값들에 걸쳐 상기 부하에 전송하고 상기 가변 주파수 전력 공급기에 의해 상기 스위칭 가능한 매치에 전송되는 더 적은 비율의 전력을 상기 스위칭 가능한 매치에 연결된 부하의 제2 범위의 저항 및 리액턴스 값들에 걸쳐 상기 부하에 전송하도록 구성됨 ―; 및
    제2 고정 커패시턴스 ― 상기 제2 고정 커패시턴스는, 상기 고전압 버스와 상기 저전압 버스 사이에 전기적으로 연결된, 제1 커패시턴스를 제공하는 커패시터들과 상이한 상기 고정 커패시턴스 커패시터들 중 하나 이상의 커패시터의 커패시턴스들의 합을 포함하고, 상기 제2 고정 커패시턴스는 상기 고전압 버스와 상기 저전압 버스 사이에 전기적으로 연결되고, 상기 스위칭 가능한 매치는, 상기 가변 주파수 전력 공급기에 의해 상기 스위칭 가능한 매치에 전송되는 높은 비율의 전력을 상기 제1 범위와 상이한, 상기 스위칭 가능한 매치에 연결된 부하의 제3 범위의 저항 및 리액턴스 값들에 걸쳐 상기 부하에 전송하고 상기 가변 주파수 전력 공급기에 의해 상기 스위칭 가능한 매치에 전송되는 더 적은 비율의 전력을 상기 스위칭 가능한 매치에 연결된 부하의 제4 범위의 저항 및 리액턴스 값들에 걸쳐 상기 부하에 전송하도록 구성됨 ― 를 포함하도록 구성될 수 있는,
    전력 공급 회로.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제2 범위 및 상기 제4 범위의 상기 부하의 저항 및 리액턴스의 범위들은 중첩되는,
    전력 공급 회로.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 제1 범위 및 상기 제4 범위와, 상기 제2 범위 및 상기 제3 범위 중 하나의 상기 부하의 저항 및 리액턴스의 범위들은 중첩되는,
    전력 공급 회로.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 저전압 버스는 접지 버스인,
    전력 공급 회로.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 솔리드 스테이트 스위치들은 상기 고정 커패시턴스 커패시터들 중 대응하는 고정 커패시턴스 커패시터와 상기 고전압 버스 사이에 전기적으로 삽입되는,
    전력 공급 회로.
  12. 부하의 전기적 특성들이 동적으로 변화될 수 있는, 부하와 가변 주파수 전력 공급기 사이에 연결될 수 있는 매치로서,
    부하에 연결될 수 있는 고전압 버스;
    저전압 버스 ― 상기 저전압 버스는 상기 부하가 상기 고전압 버스와 저전압 버스 사이에서 직렬이 되도록 상기 부하에 연결될 수 있음 ―;
    상기 고전압 버스와 상기 저전압 버스 사이에 선택적으로 연결될 수 있는 고정된 커패시턴스 값을 갖는 적어도 2 개의 커패시터들; 및
    상기 고전압 버스와 상기 저전압 버스 사이에 연결될 수 있는 고정된 커패시턴스 값을 갖는 커패시터들의 개수와 동일한 개수의 복수의 솔리드 스테이트 스위치들을 포함하며,
    각각의 스위치는 상기 고전압 버스와 상기 저전압 버스 사이에 선택적으로 연결될 수 있는 고정된 커패시턴스 값을 갖는 커패시터들 중 하나를 상기 고전압 버스와 상기 저전압 버스 사이의 전기 통신으로 선택적으로 연결하거나 또는 분리하도록 구성되고 배열되는,
    매치.
  13. 제12 항에 있어서,
    스위칭 가능한 매치는 L 매치 및 π 매치 중 하나로서 구성되는,
    매치.
  14. 제12 항에 있어서,
    상기 매치는:
    제1 고정 커패시턴스 ― 상기 제1 고정 커패시턴스는, 상기 고전압 버스와 상기 저전압 버스 사이에 전기적으로 연결된 고정 커패시턴스 커패시터들 중 하나 이상의 커패시터의 커패시턴스들의 합을 포함하고, 상기 제1 고정 커패시턴스는 상기 고전압 버스와 상기 저전압 버스 사이에 전기적으로 연결되고, 스위칭 가능한 매치는, 상기 가변 주파수 전력 공급기에 의해 상기 스위칭 가능한 매치에 전송되는 높은 비율의 전력을 상기 스위칭 가능한 매치에 연결된 부하의 제1 범위의 저항 및 리액턴스 값들에 걸쳐 상기 부하에 전송하고 상기 가변 주파수 전력 공급기에 의해 상기 스위칭 가능한 매치에 전송되는 더 적은 비율의 전력을 상기 스위칭 가능한 매치에 연결된 부하의 제2 범위의 저항 및 리액턴스 값들에 걸쳐 상기 부하에 전송하도록 구성됨 ―; 및
    제2 고정 커패시턴스 ― 상기 제2 고정 커패시턴스는, 상기 고전압 버스와 상기 저전압 버스 사이에 전기적으로 연결된, 제1 커패시턴스를 제공하는 커패시턴스들과 상이한 상기 고정 커패시턴스 커패시터들 중 하나 이상의 커패시터의 커패시턴스들의 합을 포함하고, 상기 제2 고정 커패시턴스는 상기 고전압 버스와 상기 저전압 버스 사이에 전기적으로 연결되고, 상기 스위칭 가능한 매치는, 상기 가변 주파수 전력 공급기에 의해 상기 스위칭 가능한 매치에 전송되는 높은 비율의 전력을 상기 제1 범위와 상이한, 상기 스위칭 가능한 매치에 연결된 부하의 제3 범위의 저항 및 리액턴스 값들에 걸쳐 상기 부하에 전송하고 상기 가변 주파수 전력 공급기에 의해 상기 스위칭 가능한 매치에 전송되는 더 적은 비율의 전력을 상기 스위칭 가능한 매치에 연결된 부하의 제4 범위의 저항 및 리액턴스 값들에 걸쳐 상기 부하에 전송하도록 구성됨 ― 를 포함하도록 구성될 수 있는,
    매치.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 제2 범위 및 상기 제4 범위의 상기 부하의 저항 및 리액턴스의 범위들은 중첩되는,
    매치.
  16. 제14 항에 있어서,
    상기 제1 범위 및 상기 제4 범위와, 상기 제2 범위 및 상기 제3 범위 중 하나의 상기 부하의 저항 및 리액턴스의 범위들은 중첩되는,
    매치.
  17. 제12 항에 있어서,
    상기 솔리드 스테이트 스위치들은 상기 고정 커패시턴스 커패시터들 중 대응하는 고정 커패시턴스 커패시터와 상기 고전압 버스 사이에 전기적으로 삽입되는,
    매치.
  18. 전력 공급기를 부하에 매칭(match)시키는 방법으로서:
    전력 공급 회로를 제공하는 단계 ― 상기 전력 공급 회로는:
    스위칭 가능한 매치를 포함하며, 상기 스위칭 가능한 매치는 상기 스위칭 가능한 매치가 연결되는 상기 부하의 변화들에 대한 응답으로 상기 스위칭 가능한 매치의 전기적 특성들을 변화시키도록 구성되고,
    상기 매치는:
    상기 부하에 연결될 수 있는 고전압 버스;
    저전압 버스 ― 상기 저전압 버스는 상기 부하가 상기 고전압 버스와 저전압 버스 사이에서 직렬이 되도록 상기 부하에 연결될 수 있음 ―;
    상기 고전압 버스와 상기 저전압 버스 사이에 선택적으로 연결될 수 있는 고정된 커패시턴스 값을 갖는 적어도 2 개의 커패시터들; 및
    상기 고전압 버스와 상기 저전압 버스 사이에 연결될 수 있는 고정된 커패시턴스 값을 갖는 커패시터들의 개수와 동일한 개수의 복수의 솔리드 스테이트 스위치들을 포함하며,
    각각의 스위치는 상기 고전압 버스와 상기 저전압 버스 사이에 선택적으로 연결될 수 있는 고정된 커패시턴스 값을 갖는 커패시터들 중 하나를 상기 고전압 버스와 상기 저전압 버스 사이의 전기 통신으로 선택적으로 연결하거나 또는 분리하도록 구성되고 배열됨 ―; 및
    고전압 출력 연결부를 포함하는 가변 주파수 전력 공급기를 제공하는 단계를 포함하며,
    고전압 연결부가 상기 고전압 버스에 연결되는,
    전력 공급기를 부하에 매칭시키는 방법.
  19. 제18 항에 있어서,
    제1 고정 커패시턴스를 제공하는 단계 ― 상기 제1 고정 커패시턴스는, 상기 고전압 버스와 상기 저전압 버스 사이에 전기적으로 연결된 고정 커패시턴스 커패시터들 중 하나 이상의 커패시터의 커패시턴스들의 합을 포함하고, 상기 제1 고정 커패시턴스는 상기 고전압 버스와 상기 저전압 버스 사이에 전기적으로 연결되고, 상기 스위칭 가능한 매치는, 상기 가변 주파수 전력 공급기에 의해 상기 스위칭 가능한 매치에 전송되는 높은 비율의 전력을 상기 스위칭 가능한 매치에 연결된 부하의 제1 범위의 저항 및 리액턴스 값들에 걸쳐 상기 부하에 전송하고 상기 가변 주파수 전력 공급기에 의해 상기 스위칭 가능한 매치에 전송되는 더 적은 비율의 전력을 상기 스위칭 가능한 매치에 연결된 부하의 제2 범위의 저항 및 리액턴스 값들에 걸쳐 상기 부하에 전송하도록 구성됨 ―; 및
    제2 고정 커패시턴스를 제공하는 단계 ― 상기 제2 고정 커패시턴스는, 상기 고전압 버스와 상기 저전압 버스 사이에 전기적으로 연결된, 제1 커패시턴스를 제공하는 커패시턴스들과 상이한 상기 고정 커패시턴스 커패시터들 중 하나 이상의 커패시터의 커패시턴스들의 합을 포함하고, 상기 제2 고정 커패시턴스는 상기 고전압 버스와 상기 저전압 버스 사이에 전기적으로 연결되고, 상기 스위칭 가능한 매치는, 상기 가변 주파수 전력 공급기에 의해 상기 스위칭 가능한 매치에 전송되는 높은 비율의 전력을 상기 제1 범위와 상이한, 상기 스위칭 가능한 매치에 연결된 부하의 제3 범위의 저항 및 리액턴스 값들에 걸쳐 상기 부하에 전송하고 상기 가변 주파수 전력 공급기에 의해 상기 스위칭 가능한 매치에 전송되는 더 적은 비율의 전력을 상기 스위칭 가능한 매치에 연결된 부하의 제4 범위의 저항 및 리액턴스 값들에 걸쳐 상기 부하에 전송하도록 구성됨 ― 를 더 포함하는,
    전력 공급기를 부하에 매칭시키는 방법.
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