WO2012015147A2 - Ｒｆ 전력 분배 장치 및 ｒｆ 전력 분배 방법 - Google Patents

Ｒｆ 전력 분배 장치 및 ｒｆ 전력 분배 방법 Download PDF

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김재현
이상원
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    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
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    • H01J37/32082—Radio frequency generated discharge
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    • H—ELECTRICITY
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    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
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    • H05H2242/20—Power circuits
    • H05H2242/26—Matching networks

Definitions

  • the present invention relates to an RF power distribution device, and more particularly, to an RF power distribution device for distributing impedance matched RF power by one matching network to a plurality of electrodes or a plurality of positions of the electrodes.
  • the capacitively coupled RF plasma apparatus includes an upper electrode and a source RF power applied thereto, and a substrate holder for placing the substrate and a bias RF power applied thereto.
  • a source RF power source and the bias RF power source use the same frequency, it is difficult to proceed the stable plasma process by mutual interference.
  • Another type of capacitively coupled RF plasma device applies RF power to only one of the top electrode or the substrate holder in a vacuum vessel, which divides the electrode into multiples for adjustment of uniformity, or powers multiple locations on one electrode. There is no proper power distribution means when applying the power supply.
  • One technical problem to be solved by the present invention is to provide a power distribution device for forming a capacitively coupled plasma simultaneously or sequentially through power distribution.
  • One technical problem to be solved by the present invention is to provide a power distribution method for simultaneously or sequentially forming a capacitively coupled plasma through power distribution.
  • the power distribution device includes an impedance matching network for delivering power of an RF power source, and a power distribution unit for distributing output power of the impedance matching network to at least one electrode for generating a capacitively coupled plasma.
  • the power distribution unit includes a first reactance element connected in series to a first electrode, one end of which is connected to the first reactance element and the first electrode in parallel and the other end of which is grounded, and one end of the variable capacitor and the first end of the variable capacitor.
  • One end of the reactance element is connected to a first node in contact with each other, and the other end includes a second reactance element connected to a second node to which a second electrode and an output end of the impedance matching network are connected.
  • a power distribution method may include a first power, a first voltage, or a first current flowing in a first electrode disposed inside a vacuum container to generate a capacitively coupled plasma, and then inside the vacuum container.
  • Setting a second power, a second voltage, or a second current supplied to a second electrode disposed in the second power supply supplying the first electrode and the second power through an impedance matching network in an RF power supply; Performing matching by operating a matching network, measuring at least one of current, voltage, and power flowing through the first electrode and the second electrode, and using the power divider, the first electrode and the second electrode And controlling the power, voltage, or current set to be supplied.
  • the RF power distribution apparatus can stably distribute RF power to a plurality of electrodes while essentially eliminating mutual interference between RF power sources by using one RF power source and one impedance matching network. . Despite the change in the power divider, the total impedance is relatively constant so that the impedance matching network operates stably.
  • FIGS. 1 and 2 are diagrams illustrating a power distribution apparatus according to one embodiment of the present invention.
  • 3 to 5 are views for explaining the Smith chart of the current distribution device according to an embodiment of the present invention.
  • 6 to 8 are diagrams for describing a current distribution ratio, a real part of the total impedance, and an imaginary part of the total impedance of the power distribution apparatus according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a view for explaining a power distribution unit according to another embodiment of the present invention.
  • FIGS. 14 to 16 are diagrams illustrating a power distribution device according to still another embodiment of the present invention.
  • 17 and 18 are diagrams illustrating a power distribution device according to still another embodiment of the present invention.
  • 19 and 20 are diagrams illustrating power distribution apparatuses according to still another embodiment of the present invention.
  • 21 is a flowchart illustrating a power distribution method according to an embodiment of the present invention.
  • control unit 270 control unit
  • Capacitively coupled plasmas are widely used for deposition of polysilicon for solar cells, etching of oxide films, and the like.
  • the plasma space uniformity or cleaning is a problem.
  • each of the RF power supplies power to a plurality of electrodes, if the frequency of the RF power source is the same, it is difficult to match impedance due to interference with each other. Accordingly, there is a need for a power distribution device that distributes efficient and stable power to the electrodes.
  • the power distribution device may distribute power to a plurality of electrodes or supply power to a single electrode at a plurality of locations.
  • the power distribution device may improve plasma uniformity or process uniformity.
  • the power distribution device may generate plasma by distributing power to a plurality of electrodes from one RF power source.
  • the power distribution device can simplify the configuration of the system by using one impedance matching network.
  • the impedance matching network disposed between the RF power supply and the power distribution unit performs impedance matching.
  • the impedance seen by the power distributor at the output of the impedance matching network is relatively constant regardless of the variable reactance of the power distributor.
  • the impedance of the power distributor at the output of the impedance matching network is less affected by the power distributor. Therefore, stable matching can be performed, and process stability and reliability can be improved.
  • the power distribution unit varies linearly according to the capacity of the variable element, and has a wide power distribution ratio in the variable range of the variable element.
  • FIGS. 1 and 2 are diagrams illustrating a power distribution apparatus according to one embodiment of the present invention.
  • the power distribution device includes an impedance matching network 220 for delivering power of an RF power source 210 and at least one electrode 240 and 250 for generating a capacitively coupled plasma. It includes a power distribution unit 230 for distributing the output power of the 220.
  • the power distribution unit 230 is a first reactance element 234 connected in series to the first electrode 240, one end is connected in parallel to the first reactance element 234 and the first electrode 240, the other end is grounded
  • the variable capacitor 236, and one end thereof are connected to a first node N1 in which one end of the variable capacitor 236 and one end of the first reactance element 234 contact each other, and the other end thereof is the second electrode 250.
  • a second reactance element 232 connected to a second node N2 to which the output terminal 231 of the impedance matching network 220 is connected.
  • the RF power supply 210 outputs a sine wave of a single frequency, and the frequency may be 0.1 MHz to 200 MHz.
  • the impedance matching network 220 may be a means for maximally delivering power to a load.
  • the vacuum container 260 may be a metallic material, and the lid 262 of the vacuum container 260 may be a metal plate.
  • the electrode may include a first electrode 240 and a second electrode 250 disposed to face each other.
  • the second electrode 250 may have a substrate 252 mounted thereon.
  • the first electrode 240 may generate a capacitively coupled plasma.
  • the first electrode 240 may include a gas distribution means.
  • the first electrode 240 may receive power through the power distribution unit 230.
  • the second electrode 250 may generate a capacitively coupled plasma and apply a bias voltage to the substrate 252.
  • the second electrode 250 may be a substrate holder.
  • the substrate 252 may be a semiconductor substrate or a glass substrate.
  • the first measuring unit 272 may measure at least one of power, current, or voltage of the first electrode 240.
  • the second measuring unit 274 may measure at least one of power, current, or voltage of the second electrode 250.
  • the first and second measuring units 272 and 274 may include a pickup coil measuring a current flowing through the first and second electrodes 240 and 250 and a voltage measuring electrode measuring a voltage.
  • the controller 270 receives the outputs of the first measuring unit 272 and the second measuring unit 274 to determine the ratio or current of the power flowing through the first electrode 240 and the second electrode 250.
  • the power distribution unit 230 and the RF power supply 210 may be controlled to control the ratio.
  • the controller 270 calculates the power, voltage, or power flowing through the first electrode 240 and / or the second electrode 250, so that the power divider 230 and / or the RF power supply 210 can be used. Can be controlled.
  • the first electrode 240 and the second electrode 250 may receive the set power, voltage, or current. That is, the controller 270 may provide an absolute value supplied to the first electrode and the second electrode as well as the relative power distributed to the first electrode and the second electrode. Power supplied to the second electrode 250 may determine a DC bias voltage.
  • the switches 276 and 278 may be connected in series to at least one of the first electrode 240 and the second electrode 250.
  • the switches 276 and 278 may switch power provided to the first electrode 240 or the second electrode 250.
  • the switches 276 and 278 may be mechanical relay switches using solenoids or electrical switches using pin diodes.
  • the first reactance element 234 is an inductor, and the second reactance element 232 is a fixed capacitor.
  • An auxiliary capacitor 237 may be additionally disposed between the second electrode 250 and the second node N2.
  • the auxiliary capacitor may be used to adjust a phase between the first electrode and the second electrode.
  • the auxiliary capacitor may be a variable capacitor to which a motor is connected, and the auxiliary capacitor may serve to adjust a phase between the first electrode and the second electrode within a predetermined range.
  • the variable capacitor 236 may be a vacuum capacitor.
  • the vacuum capacitor may be connected to the motor 239 to change the capacitance.
  • the motor 239 may be controlled by the controller 270.
  • the first measuring unit 272 may be disposed between the first electrode 240 and the first reactance element 234.
  • the first measuring unit 272 may measure at least one of power, voltage, and current of the first electrode 240.
  • the second measuring unit 274 may be disposed between the second electrode 250 and the second node N2.
  • the second measurement unit 274 may measure at least one of power, voltage, and current of the second electrode 250.
  • the controller 270 calculates the power of the first electrode 240 and / or the power of the second electrode 250 to operate the motor 239 to apply the power set to the first electrode 240. It is possible to control the variable capacitor 236 through.
  • the controller 270 may control the power distribution unit 230 and the RF power supply 210 to apply the power, voltage, or current set to the second electrode 250.
  • the first switch 276 may be disposed between the first electrode 240 and the first reactance element 234.
  • the first switch 276 may be connected in series with the first measurement unit 272.
  • the second switch 278 may be disposed between the second electrode 250 and the second node N2.
  • the second switch 278 may be connected in series with the second measurement unit 274.
  • the second switch 278 may be connected in series with the second measurement unit 274.
  • the controller 270 may control the first switch 276 to open and close an electrical connection between the power distribution unit 230 and the first electrode 240.
  • the controller 270 may control the second switch 278 to open and close an electrical connection between the power distribution unit 240 and the second electrode 250.
  • the effective impedance Z eff R + jX viewed from the second node N2 as viewed from the first electrode 240 is given as follows.
  • the first reactive element The impedance of 234 is represented by jX S1
  • the impedance of the second reactive element 232 is represented by jX S2
  • the impedance of the variable capacitor 236 is represented by jX P.
  • R is the real part of the effective impedance Zeff
  • X is the imaginary part of the effective impedance Zeff.
  • 3 to 5 are Smith charts illustrating a change in impedance by a power distribution device according to an embodiment of the present invention.
  • the actual resistance of the plasma load has a small value of 0.1 ohm to 1 ohm, which may cause excessive current flow.
  • the voltage applied to the matching circuit is increased, thereby reducing the stability of the impedance matching network and equipment. Therefore, the first reactive element 234 is preferably selected as an inductor so that the actual resistance of the overall impedance is increased.
  • the impedance change caused by the variable capacitor 236 is equal to the conductance circle ( rotate clockwise in the constant conductance circule. Therefore, the real resistance of the impedance is further reduced, there is a fear that the stable operation of the equipment is impaired.
  • an inductor may be used for the first reactive element 234 so that the imaginary part of the impedance sum of the first reactive element 234 and the first electrode 240 has a positive sign.
  • the impedance change by the variable capacitor 236 increases the real resistance, so that the impedance matching network or the like can operate stably.
  • the total impedance Z 12 seen at the output of the impedance matching network 220 is a parallel connection of Z 2 and Z eff .
  • this parallel connection if the imaginary impedances of Z 2 and Z eff are opposite in sign, parallel resonance may occur. In this case, the impedance matching network 220 may not perform impedance matching.
  • the second electrode 250 is adjusted. Since the imaginary part of the impedance of has a negative sign, parallel resonance may appear.
  • the second reactive element 232 should be determined as a capacitor having a capacitance in which the imaginary part of Z eff has a negative sign.
  • the power distribution ratio varies depending on the values of the first reactive element 234 and the second reactive element 232, the device value is selected in consideration of this.
  • Z eff is greater than Z 2
  • the total impedance Z 12 converges to Z 2 with a small impedance.
  • the total impedance Z 12 is relatively constant.
  • the power divider 230 is designed so that Z eff is much larger than Z 2 . Therefore, when the power distribution unit 230 does not distribute power, it is preferable not to supply power to the first electrode 240.
  • the power distribution unit 230 according to the capacitance of the first reactive element 234, the second reactive element 232, the variable capacitor 236, the linearity of the current distribution ratio (I2 / I1). Can provide.
  • the first current I 1 flowing through the first electrode 240 and the second current I 2 flowing through the second electrode 250 are given as follows.
  • P is the incident power supplied through the impedance matching network.
  • the power distributor 230 may provide power only to the second electrode 250 or may simultaneously distribute power to the first electrode 240 and the second electrode 250.
  • the power distribution ratio or current distribution ratio I2 / I1 may be adjusted over time.
  • 6 to 8 are diagrams for describing a current distribution ratio, a real part of the total impedance, and an imaginary part of the total impedance of the power distribution apparatus according to the embodiment of the present invention.
  • the frequency of the RF power is 13.56 MHz
  • the impedance of the first electrode 240 is 10 ⁇ j100 ohms
  • the impedance of the second electrode 250 is 10 ⁇ j100 ohms
  • the current distribution ratio according to the capacitance of the variable capacitor 236 and The real and imaginary parts of the total impedance Z12 viewed from the impedance matching network output are displayed.
  • the capacitance of the variable capacitor 236 changed from 300 pF to 1000 pF
  • the current ratio I2 / I1 changed in the range of 0.6 to 3.5.
  • the real part of the total impedance Z12 was relatively constant near 8 ohms.
  • the imaginary part of the total impedance Z12 was relatively constant near 70 ohms.
  • the first RF power supply may apply power to the first electrode through a separate impedance matching network
  • the second RF power supply may apply power to the second electrode through a separate impedance matching network.
  • the change of the first RF power supply affects the second RF power supply, and the second RF power supply cannot perform impedance matching in a short time. Therefore, process stability becomes low.
  • the impedance matching is maintained even in a process condition in which power is not applied to the first electrode 240 or changes with time. Stable operation is possible.
  • the power distribution unit can be extended to three or more loads connected in parallel with each other.
  • FIG. 9 is a view for explaining a power distribution unit according to another embodiment of the present invention. Descriptions overlapping with those described in FIG. 2 will be omitted.
  • the power distributor 230 may include a first reactance element 234 connected in series with the first electrode 240, and one end of the first reactance element 234a and the first electrode 240.
  • a variable capacitor 236 connected in parallel to the other end and grounded, and one end thereof is connected to a first node N1 in which one end of the variable capacitor 236 and one end of the first reactance element 234a are in contact with each other,
  • the other end includes a second reactance element 232a connected to the second node N2 to which the second electrode 250 and the output terminal 331 of the impedance matching network are connected.
  • the first reactance element 234a may be a fixed capacitor
  • the second reactance element 232a may be an inductor.
  • the impedance change caused by the variable capacitor 236 has a small real part. You lose. This increases the current at the output of the impedance matching network, which can compromise the stability of the equipment.
  • the real part of the plasma impedance is large enough to be 5 ohm to 50 ohm, it can be used without fear of increasing the current.
  • the power distribution device includes an impedance matching network 220 for delivering power of an RF power source 210 and at least one electrode 240 and 250 for generating a capacitively coupled plasma. It includes a power distribution unit 230 for distributing the output power of the 220.
  • the power distribution unit 230 is a first reactance element 234 connected in series to the first electrode 240, one end is connected in parallel to the first reactance element 234 and the first electrode 240, the other end is grounded
  • the variable capacitor 236, and one end thereof are connected to a first node N1 at which one end of the variable capacitor 236 and one end of the first reactance element 236 contact each other, and the other end thereof is the second electrode 250.
  • a second reactance element 232 connected to a second node N2 to which the output terminal 231 of the impedance matching network 220 is connected.
  • the first reactance element 234 may be an inductor
  • the second reactance element 232 may be a fixed capacitor.
  • the power distribution unit 230 may supply power at a plurality of positions of the first electrode 240 and the second electrode 250 electrically connected to each other.
  • the first electrode 240 and the second electrode 250 may be electrically and physically connected to each other.
  • the electric field intensity of the electrode may generate a standing wave effect. That is, when power is supplied to the center of the electrode, the phase and magnitude of the electric field at the center and the electric field at the edge may be different. Accordingly, in order to cancel the standing wave effect, the electrode needs to be supplied with power at a plurality of positions. Simple supply of power at multiple locations is limited in canceling the standing wave effect. Thus, the supply of different power depending on the position at the plurality of positions can spatially improve the plasma uniformity or the process uniformity.
  • first power supply lines 245a may be disposed at the corners of the first electrode 240, and a second power supply line 243a may be disposed at the center of the second electrode 250.
  • the power supplied through the second power supply line 243a may be greater than the power supplied through the first power supply line 245a.
  • the power distribution device includes an impedance matching network 220 for delivering power of an RF power source 210 and at least one electrode for generating a capacitively coupled plasma.
  • the power distribution unit 230 for distributing the output power of the.
  • the power distribution unit 230 is a first reactance element 234 connected in series to the first electrode 240, one end is connected in parallel to the first reactance element 234 and the first electrode 240, the other end is grounded
  • the variable capacitor 236, and one end thereof are connected to a first node N1 in which one end of the variable capacitor 236 and one end of the first reactance element 234 contact each other, and the other end thereof is the second electrode 250.
  • a second reactance element 232 connected to a second node N2 to which the output terminal 231 of the impedance matching network 220 is connected.
  • the first electrode 240 and the second electrode 250 are disposed adjacent to each other in the same plane, and the first electrode 240 and / or the second electrode 250 are respectively referred to as sub-electrodes 242 and 252. Can be separated.
  • the power distributor 230 distributes power to the first electrode 240 and the second electrode 250.
  • the sub electrodes 242 constituting the first electrode 240 may be connected in parallel with each other.
  • the sub electrodes 252 constituting the second electrode 250 may be connected in parallel with each other.
  • the first electrode 240 may be disposed at a corner portion, and the second electrode 250 may be arranged in a cross shape.
  • the first electrode 240 may include first to fourth sub electrodes 242.
  • the second electrode 250 may include first to fifth sub-electrodes 252.
  • the sub electrodes may be filled by an insulator.
  • the plasma density uniformity and the process uniformity may be improved according to the power distributed to the first electrode 240 and the second electrode 250.
  • the first electrode 240 and / or the second electrode 250 may further include a gas distributor.
  • the first electrode 240 and / or the second electrode 250 may include hollow cathode discharge holes (not shown) and / or trenches (not shown) to increase plasma density.
  • FIG. 14 is a view for explaining a power distribution device according to another embodiment of the present invention.
  • the power distribution apparatus outputs the impedance matching network 220 to deliver the power of the RF power supply 210, and the output power of the impedance matching network 220 to at least one electrode generating the capacitively coupled plasma. It includes a power distribution unit 230 for distributing.
  • the power distribution unit 230 is a first reactance element 234 connected in series to the first electrode 240, one end is connected in parallel to the first reactance element 234 and the first electrode 240, the other end is grounded
  • the variable capacitor 236, and one end thereof are connected to a first node N1 at which one end of the variable capacitor 236 and one end of the first reactance element 236 contact each other, and the other end thereof is the second electrode 350.
  • a second reactance element 232 connected to a second node N2 to which the output terminal of the impedance matching network 220 is connected.
  • the second electrode 350 is disposed on an inner wall of the vacuum container 260, and the power distribution unit 230 may distribute power to the first electrode 240 and the second electrode 350. have.
  • the first electrode 240 may be disposed to face the substrate holder 255 on which the substrate 252 is mounted.
  • the second electrode 350 may be disposed adjacent to an inner wall of the vacuum container 260.
  • the second electrode 350 may be used to improve plasma uniformity when the plasma process is performed.
  • the second electrode 350 may be used during the cleaning process of the vacuum container 260.
  • 15 is a view for explaining a power distribution device according to another embodiment of the present invention.
  • the power distribution device may further include a third electrode 250b and an auxiliary power distribution unit 230b for distributing power to the third electrode 250b.
  • the auxiliary power distributor 230b may draw power from the first node N1 of the power distributor 230.
  • the auxiliary power divider 230b may have the same structure as the power divider 230.
  • 16 is a view for explaining a power distribution device according to another embodiment of the present invention.
  • the power distribution device may further include a third electrode 250c and an auxiliary power distribution unit 230c for distributing power to the third electrode 250c.
  • the auxiliary power distributor 230c may draw power from the second node N2 of the power distributor 230.
  • the auxiliary power distribution unit 230c may have the same structure as the power distribution unit 230.
  • 17 and 18 are diagrams illustrating a power distribution device according to still another embodiment of the present invention.
  • the power distribution device matches the impedance to a dual frequency impedance matching network 220a that delivers the power of the RF power supplies 210a and 210b, and at least one electrode to generate a capacitively coupled plasma. And a power distributor 230 for distributing the output power of the network 220a.
  • the power distribution unit 230 is a first reactance element 234 connected in series to the first electrode 240, one end is connected in parallel to the first reactance element 234 and the first electrode 240, the other end is grounded
  • the variable capacitor 236, and one end thereof are connected to a first node N1 in which one end of the variable capacitor 236 and one end of the first reactance element 234 contact each other, and the other end thereof is the second electrode 250.
  • a second reactance element 232 connected to the second node N2 to which the output terminal of the impedance matching network 220a is connected.
  • the RF power supplies 210a and 210b may include a low frequency RF power source 220a for outputting a low frequency and a high frequency RF power source 220b for outputting a high frequency.
  • the outputs of the low frequency RF power source 220a and the high frequency RF power source 220b are supplied to the impedance matching network 220a.
  • Multiple RF power sources of different frequencies can adjust the DC bias voltage while improving plasma density.
  • the first electrode 240 and the second electrode 250 are disposed to face each other.
  • the second electrode 250 may have a substrate 252 mounted thereon.
  • the power distribution unit 230 may distribute power to the first electrode 240 and the second electrode 250.
  • the power distribution ratio of the first RF power source 210a and the power distribution ratio of the second RF power source 210b of the variable capacitor 236 of the power distribution unit 230 may be different from each other.
  • FIG. 19 is a view for explaining a power distribution device according to another embodiment of the present invention. Description overlapping with FIG. 18 is omitted.
  • the power distribution unit 230 supplies power at a plurality of positions of the first electrode 240 and the second electrode 340 electrically connected to each other.
  • the ratio of the power supplied to the first electrode and the power supplied to the second electrode may be different depending on the frequency.
  • the substrate holder 250c may mount the substrate 252.
  • FIG. 20 is a view for explaining a power distribution device according to another embodiment of the present invention. Description overlapping with FIG. 18 is omitted.
  • the first electrode 240 and the second electrode 250 are disposed adjacent to each other in the same plane.
  • the first electrode 240 or the second electrode 250 may be separated into sub-electrodes.
  • the power distribution unit 220 distributes power to the first electrode 240 and the second electrode 250.
  • 21 is a flowchart illustrating a power distribution method according to an embodiment of the present invention.
  • the power distribution method includes a first power, a first voltage, or a first current flowing in a first electrode 240 disposed inside the vacuum container 260 to generate a capacitively coupled plasma. And setting a second power, a second voltage, or a second current supplied to the second electrode 250 disposed in the vacuum container 260 (S110), and impedance at the RF power supply 210. Supplying power to the first electrode 240 and the second electrode 250 through the matching network 220 (S120), and operating the impedance matching network 220 to perform matching (S130).
  • the controlling of supplying power, voltage, or current set to the first electrode and the second electrode (S200) may include comparing the power flowing through the first electrode 240 with a first power (S210). Adjusting a power distribution unit (S220), comparing the power flowing in the second electrode (S250) with a second power (S230), and changing the output power of the RF power (S240).
  • the RF power source may be a plurality of RF power sources having different frequencies.

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Abstract

본 발명은 RF 전력 분배 장치 및 RF 전력 분배 방법을 제공한다. 이 장치는 RF 전원의 전력을 전달하는 임피던스 매칭 네트워크, 및 축전 결합 플라즈마를 생성하는 적어도 하나의 전극에 임피던스 매칭 네트워크의 출력 전력을 분배하는 전력 분배부를 포함한다. 전력 분배부는 제1 전극에 직렬 연결된 제1 리액턴스 소자, 일단은 제1 리액턴스 소자 및 제1 전극에 병렬 연결되고 타단은 접지되는 가변 축전기, 및 일단은 가변 축전기의 일단과 제1 리액턴스 소자의 일단이 서로 접촉하는 제1 노드에 연결되고, 타단은 제2 전극 및 임피던스 매칭 네트워크의 출력단이 연결되는 제2 노드에 연결되는 제2 리액턴스 소자를 포함한다.

Description

ＲＦ 전력 분배 장치 및 ＲＦ 전력 분배 방법
본 발명은 RF 전력 분배 장치에 관한 것으로, 더 구체적으로는 하나의 매칭 네트워크에 의하여 임피던스 정합된 RF 전력을 복수 개의 전극 또는 전극의 다수의 위치에 분배하는 RF 전력 분배 장치에 관한 것이다.
축전결합형 RF 플라즈마 장치는 진공 용기 내에 상부 전극과 그에 인가되는 소스 RF 전원, 그리고 기판을 안치하는 기판 홀더와 그에 인가하는 바이어스 RF 전원을 포함한다. 그러나, 소스 RF 전원과 바이어스 RF 전원이 서로 동일한 주파수를 사용하는 경우, 상호 간섭에 의하여 안정적인 플라즈마 공정의 진행에 어려움이 있다. 또 다른 형태의 축전결합형 RF 플라즈마 장치는 진공 용기 내에 상부 전극 또는 기판 홀더 중 하나에만 RF 전원을 인가하는데, 균일도의 조정을 위해 전극을 여러 개로 분할하거나, 또는 하나의 전극에 다수의 위치에서 전력을 인가하고자 할 때 적절한 전력 분배 수단이 없다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 전력분배를 통하여 축전 결합 플라즈마를 동시에 또는 순차적으로 형성하는 전력 분배 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 전력분배를 통하여 축전 결합 플라즈마를 동시에 또는 순차적으로 형성하는 전력 분배 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전력 분배 장치는 RF 전원의 전력을 전달하는 임피던스 매칭 네트워크, 및 축전 결합 플라즈마를 생성하는 적어도 하나의 전극에 상기 임피던스 매칭 네트워크의 출력 전력을 분배하는 전력 분배부를 포함한다. 상기 전력 분배부는 제1 전극에 직렬 연결된 제1 리액턴스 소자, 일단은 상기 제1 리액턴스 소자 및 상기 제1 전극에 병렬 연결되고 타단은 접지되는 가변 축전기, 및 일단은 상기 가변 축전기의 일단과 상기 제1 리액턴스 소자의 일단이 서로 접촉하는 제1 노드에 연결되고, 타단은 제2 전극 및 상기 임피던스 매칭 네트워크의 출력단이 연결되는 제2 노드에 연결되는 제2 리액턴스 소자를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전력 분배 방법은 진공 용기의 내부에 배치되어 축전 결합 플라즈마를 생성하는 제1 전극에 흐르는 제1 전력, 제1 전압, 또는 제1 전류를 설정하고 상기 진공 용기의 내부에 배치된 제2 전극에 공급되는 제2 전력, 제2 전압, 또는 제2 전류를 설정하는 단계, RF 전원에서 임피던스 매칭 네트워크를 통하여 상기 제1 전극 및 상기 제2 전력을 공급하는 단계, 상기 임피던스 매칭 네트워크를 동작시켜 매칭을 수행하는 단계, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 통하여 흐르는 전류, 전압, 전력 중에서 적어도 하나를 측정하는 단계, 및 전력 분배부를 사용하여 상기 제1 전극 및 제2 전극에 설정된 전력, 전압, 또는 전류가 공급되도록 제어하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 RF 전력 분배 장치는 하나의 RF 전원 및 하나의 임피던스 매칭 네트워크를 사용함으로써 RF 전원 간의 상호 간섭을 원천적으로 배제하면서도 복수의 전극들에 RF 전력을 안정적으로 분배할 수 있다. 전력 분배부의 변화에 불구하고, 총 임피던스가 비교적 일정하여 임피던스 매칭 네트워크는 안정적으로 동작한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예들에 따른 전력 분배 장치를 설명하는 도면들이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 분배 장치의 스미스 차트를 설명하는 도면들이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 분배 장치의 전류 분배비, 총 임피던스의 실수부, 및 총 임피던스의 허수부를 설명하는 도면들이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 분배부를 설명하는 도면이다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 분배 장치를 설명하는 도면이다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력 분배 장치를 설명하는 도면이다.
도 14 내지 16은 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 전력 분배 장치를 설명하는 도면들이다.
도 17 및 도 18은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력 분배 장치를 설명하는 도면들이다.
도 19 및 도 20은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력 분배 장치들을 설명하는 도면들이다.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 분배 방법을 설명하는 흐름도이다.
210: RF 전원
220: 임피던스 매칭 네트워크
230: 전력분배부
260: 진공용기
270: 제어부
272: 측정부
276: 스위치
축전 결합 플라즈마는 태양 전지용 폴리 실리콘의 증착, 산화막의 식각 등에 널리 사용되고 있다. 그러나, 기판의 면적이 대면적화됨에 따라, 플라즈마 공간 균일도 또는 세정 등이 문제된다. 복수의 전극들에 각각의 RF 전원들이 전력을 공급하는 경우, RF 전원들의 주파수가 동일하면 서로 간섭에 의하여 임피던스 매칭에 어려움이 있다. 따라서, 전극들에 효율적이고 안정적인 전력을 분배하는 전력 분배 장치가 요구된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전력 분배 장치는 복수의 전극들에 전력을 분배하거나, 하나의 전극에 다수의 위치에서 전력을 공급할 수 있다. 상기 전극들이 같은 평면에 배치된 경우에는 상기 전력 분배 장치는 플라즈마 균일도 또는 공정 균일도를 향상시킬 수 있다. 한편, 상기 전극들이 서로 다른 평면에 배치된 경우에는, 상기 전력 분배 장치는 하나의 RF 전원으로부터 복수의 전극들에 전력을 분배하여 플라즈마를 생성할 수 있다. 상기 전력 분배 장치는 하나의 임피던스 매칭 네트워크를 사용함으로써 시스템의 구성을 간단히 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전력 분배 장치에서, RF 전원과 전력 분배부 사이에 배치된 임피던스 매칭 네트워크는 임피던스 매칭을 수행한다. 이 경우, 임피던스 매칭 네트워크의 출력단에서 상기 전력 분배부를 바라본 임피던스는 전력 분배부의 가변 리액턴스에 상관없이 비교적 일정하다. 즉, 임피던스 매칭 네트워크의 출력단에 상기 전력 분배부를 바라본 임피던스는 상기 전력 분배부의 영향을 적게 받는다. 따라서 안정적인 매칭을 수행을 할 수 있어, 공정 안정성 및 신뢰성이 향상될 수 있다. 또한, 상기 전력 분배부는 가변 소자의 용량 따라 선형적으로 변화하고, 가변 소자의 가변 범위에서 넓은 전력 분배 비율을 가진다.
이하에서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 동일한 구성 요소들은 동일한 참조 번호를 이용하여 인용될 것이다. 유사한 구성 요소들은 유사한 참조 번호들을 이용하여 인용될 것이다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예들에 따른 전력 분배 장치를 설명하는 도면들이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 전력 분배 장치는 RF 전원(210)의 전력을 전달하는 임피던스 매칭 네트워크(220), 및 축전 결합 플라즈마를 생성하는 적어도 하나의 전극(240,250)에 상기 임피던스 매칭 네트워크(220)의 출력 전력을 분배하는 전력 분배부(230)를 포함한다.
상기 전력 분배부(230)는 제1 전극(240)에 직렬 연결된 제1 리액턴스 소자(234), 일단은 상기 제1 리액턴스 소자(234) 및 상기 제1 전극(240)에 병렬 연결되고 타단은 접지되는 가변 축전기(236), 및 일단은 상기 가변 축전기(236)의 일단과 상기 제1 리액턴스 소자(234)의 일단이 서로 접촉하는 제1 노드(N1)에 연결되고, 타단은 제2 전극(250) 및 상기 임피던스 매칭 네트워크(220)의 출력단(231)이 연결되는 제2 노드(N2)에 연결되는 제2 리액턴스 소자(232)를 포함한다.
상기 RF 전원(210)은 단일 주파수의 정현파를 출력하고, 주파수는 0.1 MHz 내지 200 MHz일 수 있다. 상기 임피던스 매칭 네트워크(220)는 부하에 전력을 최대로 전달하는 수단일 수 있다.
상기 진공 용기(260)는 금속성 물질일 수 있고, 상기 진공 용기(260)의 뚜껑(262)은 금속판일 수 있다.
상기 전극은 서로 대향하여 배치된 제1 전극(240) 및 제2 전극(250)을 포함할 수 있다. 상기 제2 전극(250)은 상부에 기판(252)을 장착할 수 있다. 상기 제1 전극(240)은 축전 결합 플라즈마를 생성할 수 있다. 상기 제1 전극(240)은 가스 분배 수단을 포함할 수 있다. 상기 제1 전극(240)은 상기 전력 분배부(230)를 통하여 전력을 공급받을 수 있다.
상기 제2 전극(250)은 축전 결합 플라즈마를 생성하고 상기 기판(252)에 바이어스 전압을 인가할 수 있다. 상기 제2 전극(250)은 기판 홀더일 수 있다. 상기 기판(252)은 반도체 기판, 또는 유리 기판일 수 있다.
제1 측정부(272)는 상기 제1 전극(240)의 전력, 전류, 또는 전압 중에서 적어도 하나를 측정할 수 있다. 상기 제2 측정부(274)는 상기 제2 전극(250)의 전력, 전류, 또는 전압 중에서 적어도 하나를 측정할 수 있다. 상기 제1 및 제2 측정부(272,274)는 상기 제1 및 제2 전극(240,250)에 흐르는 전류를 측정하는 픽업 코일 및 전압을 측정하는 전압 측정 전극을 포함할 수 있다.
제어부(270)는 상기 제1 측정부(272) 및 상기 제2 측정부(274)의 출력을 입력받아 상기 제1 전극(240) 및 상기 제2 전극(250)에 흐르는 전력의 비 또는 전류의 비를 제어하도록 상기 전력 분배부(230) 및 상기 RF 전원(210)을 제어할 수 있다. 상기 제어부(270)는 상기 제1 전극(240) 또는/및 상기 제2 전극(250)에 흐르는 전력, 전압, 또는 전력을 산출하여 상기 전력 분배부(230) 및/또는 상기 RF 전원(210)을 제어할 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 전극(240) 및 제2 전극(250)은 설정된 전력, 전압, 또는 전류를 공급받을 수 있다. 즉, 상기 제어부(270)는 상기 제1 전극과 제2 전극에 분배되는 상대적인 전력 뿐만아니라, 상기 제1 전극 및 제2 전극에 공급되는 절대값을 제공할 수 있다. 상기 제2 전극(250)에 공급되는 전력은 DC 바이어스 전압을 결정할 수 있다.
스위치(276,278)는 상기 제1 전극(240) 및 상기 제2 전극(250) 중에서 적어도 하나에 직렬 연결될 수 있다. 상기 스위치(276,278)는 상기 제1 전극(240) 또는 상기 제2 전극(250)에 제공되는 전력을 스위칭할 수 있다. 상기 스위치(276,278)는 솔레노이드를 사용하는 기계적 릴레이 스위치이거나 핀 다이오드(PIN DIODE)를 이용한 전기적 스위치일 수 있다.
상기 제1 리액턴스 소자(234)는 인턱터이고, 상기 제2 리액턴스 소자(232)는 고정 축전기이다. 상기 제2 전극(250)와 상기 제2 노드(N2) 사이에 보조 축전기(237)가 추가적으로 배치될 수 있다. 상기 보조 축전기는 제1 전극과 제2 전극 사이의 위상을 조절하는 용도로 사용될 수 있다. 상기 보조 축전기는 모터가 연결된 가변 축전기일 수 있으며, 상기 보조 축전기는 일정한 범위 내에서 제1 전극과 제2 전극 사이의 위상을 조정하는 역할을 할 수 있다.
상기 가변 축전기(236)는 진공 축전기일 수 있다. 상기 진공 축전기는 모터(239)와 연결되어 정전 용량을 변경할 수 있다. 상기 모터(239)는 상기 제어부(270)에 의하여 제어될 수 있다.
제1 측정부(272)는 상기 제1 전극(240)과 상기 제1 리액턴스 소자(234) 사이에 배치될 수 있다. 상기 제1 측정부(272)는 제1 전극(240)의 전력, 전압, 및 전류 중에서 적어도 하나를 측정할 수 있다. 상기 제2 측정부(274)는 상기 제2 전극(250)과 제2 노드(N2) 사이에 배치될 수 있다. 제2 측정부(274)는 제2 전극(250)의 전력, 전압, 및 전류 중에서 적어도 하나를 측정할 수 있다. 상기 제어부(270)는 상기 제1 전극(240)의 전력 및/또는 상기 제2 전극(250)의 전력을 산출하여, 상기 제1 전극(240)에 설정된 전력이 인가되도록 상기 모터(239)를 통하여 상기 가변 축전기(236)를 제어할 수 있다. 또한, 상기 제어부(270)는 상기 제2 전극(250)에 설정된 전력, 전압, 또는 전류가 인가되도록 상기 전력 분배부(230) 및 상기 RF 전원(210)을 제어할 수 있다.
한편, 제1 스위치(276)는 상기 제1 전극(240)과 상기 제1 리액턴스 소자(234) 사이에 배치될 수 있다. 상기 제1 스위치(276)는 상기 제1 측정부(272)와 직렬로 연결될 수 있다. 제2 스위치(278)는 상기 제2 전극(250)과 상기 제2 노드(N2) 사이에 배치될 수 있다. 상기 제2 스위치(278)는 상기 제2 측정부(274)와 직렬로 연결될 수 있다. 상기 제2 스위치(278)는 상기 제2 측정부(274)와 직렬로 연결될 수 있다.
상기 제어부(270)는 상기 제1 스위치(276)를 제어하여 상기 전력 분배부(230)와 상기 제1 전극(240) 사이의 전기적 연결을 개폐할 수 있다. 또한, 상기 제어부(270)는 상기 제2 스위치(278)를 제어하여 상기 전력 분배부(240)와 상기 제2 전극(250) 사이의 전기적 연결을 개폐할 수 있다.
상기 제2 노드(N2)에서 제1 전극(240)를 바라본 유효 임피던스(Zeff=R+jX)는 다음과 같이 주어진다.
수학식 1
Figure PCTKR2011002951-appb-M000001
여기서, 제1 전극(240)의 임피던스는 Z1=R1+jX1으로 표시되고, 제2 전극(250)의 임피던스는 Z2=R2+jX2로 표시되고, 제1 리액티브 소자(234)의 임피던스는 jXS1로 표시되고, 제2 리액티브 소자(232)의 임피던스는 jXS2로 표시되고, 가변 축전기(236)의 임피던스는 jXP으로 표시된다. R은 유효 임피던스(Zeff)의 실수부이고, X는 유효 임피던스(Zeff)의 허수부이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 분배 장치에 의한 임피던스 변화를 설명하는 스미스(Smith) 차트들이다.
대면적 전극의 경우 플라즈마 부하의 실저항이 0.1 오옴 내지 1 오옴의 작은 값을 갖고 이로 인해 과도하게 전류가 흐를 수 있다. 이에 따라, 매칭 회로에 인가되는 전압이 높아져서, 임피던스 매칭 네트워크 및 장비의 안정성이 떨어지는 문제가 있다. 따라서 전체 임피던스의 실저항이 증가하도록 제1 리액티브 소자(234)는 인덕터로 선택되는 것이 바람직하다.
도 3을 참조하면, 상기 제1 전극(240)과 상기 제1 리액티브 소자(234)의 임피던스 합의 허수부가 음의 부호를 갖는 경우에 상기 가변 축전기(236)에 의한 임피던스 변화는 동일 컨덕턴스 원(constant conductance circule)에서 시계방향으로 회전시킨다. 따라서 임피던스의 실저항은 더욱 작아지게 되어 장비의 안정적 동작이 저해될 우려가 있다.
도 4를 참조하면, 상기 제1 리액티브 소자 (234)와 상기 제1 전극 (240)의 임피던스 합의 허수부가 양의 부호를 갖도록 상기 제1 리액티브 소자(234)는 인덕터를 사용할 수 있다. 이 경우, 상기 가변 축전기 (236)에 의한 임피던스 변화는 실저항을 증가시키게 되어, 임피던스 매칭 네트워크 등은 안정적으로 동작할 수 있다.
상기 임피던스 매칭 네트워크(220)의 출력단에서 바라본 총 임피던스(Z12)는 Z2와 Zeff의 병렬 연결이다. 이와 같은 병렬 연결에서 Z2와 Zeff의 허수부 임피던스가 서로 부호가 반대가 되면 병렬 공진이 나타날 수 있다. 이 경우 상기 임피던스 매칭 네트워크(220)는 임피던스 매칭을 수행할 수 없다. 그런데 앞서 설명한 바와 같이 상기 제1 전극 (240), 상기 제1 리액티브 소자(234), 및 상기 가변 축전기 (236)의 임피던스 합의 허수부가 양의 부호를 갖게 조정되면, 상기 제2 전극 (250)의 임피던스의 허수부는 음의 부호를 가지므로 병렬 공진이 나타날 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 병렬 공진을 피하기 위하여, 상기 제2 리액티브 소자(232)는 Zeff의 허수부가 음의 부호를 갖게 되는 용량의 축전기로 결정되어야 한다.
뿐만 아니라 제1 리액티브 소자(234) 및 제2 리액티브 소자 (232)의 값에 따라 전력 분배 비율이 달라지므로 이를 고려하여 소자값을 선택한다. 한편, Zeff가 Z2보다 큰 경우, 총 임피던스(Z12)는 임피던스가 작은 Z2으로 수렴한다. 따라서, 총 임피던스(Z12)는 비교적 일정하게 된다. 따라서, 임피던스 매칭 네트워크(220)는 상기 가변 축전기(236)의 임피던스의 변화에 불구하고 안정적으로 동작할 수 있다. 즉, 상기 전력 분배부(230)는 Zeff를 Z2보다 매우 크도록 설계된다. 따라서, 상기 전력 분배부(230)가 전력 분배를 하지 않는 경우에는 상기 제1 전극(240)에 전력을 공급하지 않는 것이 바람직하다. 한편, 상기 제1 리액티브 소자(234) 및 제2 리액티브 소자(232), 상기 가변 축전기(236)의 정전 용량에 따라 상기 전력 분배부(230)는 전류 분배비(I2/I1)의 선형성을 제공할 수 있다.
상기 제1 전극(240)를 통하여 흐르는 제1 전류(I1)와 상기 제2 전극(250)를 통하여 흐르는 제2 전류(I2)는 다음과 같이 주어진다.
수학식 2
Figure PCTKR2011002951-appb-M000002
여기서, P는 임피던스 매칭 네트워크를 통하여 공급되는 입사전력이다.
상기 전력 분배부(230)는 상기 제2 전극(250)에만 전력을 제공하거나 제1 전극(240) 및 제2 전극(250)에 동시에 전력을 분배할 수 있다. 상기 전력 분배비 또는 전류 분배비(I2/I1)는 시간에 따라 조절될 수 있다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 분배 장치의 전류 분배비, 총 임피던스의 실수부, 및 총 임피던스의 허수부를 설명하는 도면들이다.
도 6 내지 도 8을 참조하면, RF 전력의 주파수가 13.56 MHz이고, 상기 제1 전극(240)의 임피던스가 10 -j100 오옴이고, 상기 제2 전극(250)의 임피던스가 10 -j100 오옴이고, 상기 제1 리액티브 소자(234)의 용량값이 120 오옴이고, 상기 제2 리액티브 소자(232)의 용량값이 -230 오옴인 경우, 상기 가변 축전기(236)의 용량에 따른 전류 분배 비율 및 임피던스 매칭 네트워크 출력단에서 바라본 총 임피던스(Z12)의 실수부와 허수부가 표시된다. 상기 가변 축전기(236)의 정전용량이 300 pF에서 1000 pF으로 변함에 따라, 전류 비(I2/I1)는 0.6 내지 3.5의 범위에서 변경되었다. 상기 가변 축전기(236)의 정전용량이 300 pF에서 1000 pF으로 변함에 따라, 총 임피던스(Z12)의 실수부는 8 오옴 근처에서 비교적 일정하였다. 또한, 상기 가변 축전기(236)의 정전용량이 300 pF에서 1000 pF으로 변함에 따라, 총 임피던스(Z12)의 허수부는 70 오옴 근처에서 비교적 일정하였다.
한편, 제1 RF 전원은 제1 전극에 별도의 임피던스 매칭 네드워크를 통하여 전력을 인가하고, 제2 RF 전원은 제2 전극에 별도의 임피던스 매칭 네트워크를 통하여 전력을 인가할 수 있다. 이 경우, 제1 RF 전원의 변화는 제2 RF 전원에 영향을 주어, 상기 제2 RF 전원은 빠른 시간 안에 임피던스 매칭을 수행할 수 없다. 따라서, 공정 안정성이 낮아진다.
하지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 전력 분배 장치는 총 임피던스(Z12)가 비교적 일정하기 때문에, 시간에 따라 제1 전극(240)에 전력이 인가되지 않거나 변하는 공정 조건에서도 상기 임피던스 매칭이 유지되어 안정적인 동작이 가능하다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 전력 분배부는 서로 병렬 연결된 3개 이상의 부하에 확장될 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 분배부를 설명하는 도면이다. 도 2에서 설명한 것과 중복되는 설명은 생략한다.
도 9를 참조하면, 상기 전력 분배부(230)는 상기 제1 전극(240)에 직렬 연결된 제1 리액턴스 소자(234), 일단은 상기 제1 리액턴스 소자(234a) 및 상기 제1 전극(240)에 병렬 연결되고 타단은 접지되는 가변 축전기(236), 및 일단은 상기 가변 축전기(236)의 일단과 상기 제1 리액턴스 소자(234a)의 일단이 서로 접촉하는 제1 노드(N1)에 연결되고, 타단은 상기 제2 전극(250) 및 상기 임피던스 매칭 네트워크의 출력단(331)이 연결되는 제2 노드(N2)에 연결되는 제2 리액턴스 소자(232a)를 포함한다. 상기 제1 리액턴스 소자(234a)는 고정 축전기이고, 상기 제2 리액턴스 소자(232a)는 인덕터일 수 있다.
다시, 도 3을 참조하면, 이 실시예에서는 상기 제1 전극(240)과 상기 제1 리액턴스 소자(234a)의 임피던스 합의 허수부는 음수이므로, 상기 가변 축전기(236)에 의한 임피던스 변화는 실수부가 작아지게 된다. 이로 인해 임피던스 매칭 네트워크 출력단의 전류가 증가하여 장비의 안정성이 저해될 수 있다. 그러나 통상의 반도체용 축전결합 플라즈마 장비에서는 플라즈마 임피던스의 실수부가 5 오옴 내지 50 오옴으로 충분히 크므로 전류 증가를 염려하지 않고 사용할 수 있다.
한편, Z2와 Zeff의 병렬 공진이 나타나지 않도록 Z2와 Zeff의 허수부 임피던스가 모두 음수가 되도록 상기 제1 리액턴스 소자(234a)와 상기 제2 리액턴스 소자(232a)의 값을 결정한다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 분배 장치를 설명하는 도면이다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 상기 전력 분배 장치는 RF 전원(210)의 전력을 전달하는 임피던스 매칭 네트워크(220), 및 축전 결합 플라즈마를 생성하는 적어도 하나의 전극(240,250)에 상기 임피던스 매칭 네트워크(220)의 출력 전력을 분배하는 전력 분배부(230)를 포함한다.
상기 전력 분배부(230)는 제1 전극(240)에 직렬 연결된 제1 리액턴스 소자(234), 일단은 상기 제1 리액턴스 소자(234) 및 상기 제1 전극(240)에 병렬 연결되고 타단은 접지되는 가변 축전기(236), 및 일단은 상기 가변 축전기(236)의 일단과 상기 제1 리액턴스 소자(236)의 일단이 서로 접촉하는 제1 노드(N1)에 연결되고, 타단은 제2 전극(250) 및 상기 임피던스 매칭 네트워크(220)의 출력단(231)이 연결되는 제2 노드(N2)에 연결되는 제2 리액턴스 소자(232)를 포함한다. 상기 제1 리액턴스 소자(234)는 인덕터일 수 있고, 상기 제2 리액턴스 소자(232)는 고정 축전기일 수 있다.
상기 전력 분배부(230)는 서로 전기적으로 연결된 상기 제1 전극(240) 및 상기 제2 전극(250)의 복수의 위치에서 전력을 공급할 수 있다. 상기 제1 전극(240)과 제2 전극(250)은 서로 전기적으로 물리적으로 연결될 수 있다.
상기 RF 전원(210)의 주파수가 높고, 전극의 크기가 큰 경우, 상기 전극의 전계(electric field intensity)는 정상파 효과(standing wave effect)를 발생시킬 수 있다. 즉, 상기 전극의 중심에 전력이 공급되는 경우, 중심에서의 전계와 가장 자리에서의 전계의 위상 및 크기는 서로 다를 수 있다. 이에 따라, 상기 정상파 효과를 상쇄하기 위하여, 상기 전극은 복수의 위치에서 전력을 공급받을 필요가 있다. 복수의 위치에서의 단순한 전력의 공급은 상기 정상파 효과를 상쇄시키는데 한계가 있다. 따라서, 복수의 위치에서 위치에 따라 서로 다른 전력의 공급은 공간적으로 플라즈마 균일도 또는 공정 균일도를 향상시킬 수 있다.
상기 제 1 전극(240)의 모서리부에 4개의 제1 파워 공급 라인(245a)이 배치되고, 상기 제2 전극(250)의 중심에는 제2 파워 공급라인(243a)이 배치될 수 있다. 상기 제2 파워 공급 라인(243a)을 통하여 공급되는 전력은 상기 제1 파워 공급 라인(245a)을 통하여 공급되는 전력보다 클 수 있다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력 분배 장치를 설명하는 도면이다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 상기 전력 분배 장치는 RF 전원(210)의 전력을 전달하는 임피던스 매칭 네트워크(220), 및 축전 결합 플라즈마를 생성하는 적어도 하나의 전극에 상기 임피던스 매칭 네트워크(220)의 출력 전력을 분배하는 전력 분배부(230)를 포함한다. 상기 전력 분배부(230)는 제1 전극(240)에 직렬 연결된 제1 리액턴스 소자(234), 일단은 상기 제1 리액턴스 소자(234) 및 상기 제1 전극(240)에 병렬 연결되고 타단은 접지되는 가변 축전기(236), 및 일단은 상기 가변 축전기(236)의 일단과 상기 제1 리액턴스 소자(234)의 일단이 서로 접촉하는 제1 노드(N1)에 연결되고, 타단은 제2 전극(250) 및 상기 임피던스 매칭 네트워크(220)의 출력단(231)이 연결되는 제2 노드(N2)에 연결되는 제2 리액턴스 소자(232)를 포함한다.
상기 제1 전극(240) 및 제2 전극(250)은 같은 평면에서 서로 인접하여 배치되고, 상기 제1 전극(240) 및/또는 상기 제2 전극(250)은 각각 서브 전극들(242,252)로 분리될 수 있다. 상기 전력 분배부(230)는 제1 전극(240)과 상기 제2 전극(250)에 전력을 분배한다. 상기 제1 전극(240)을 구성하는 서브 전극들(242)은 서로 병렬 연결될 수 있다. 상기 제2 전극(250)을 구성하는 서브 전극들(252)은 서로 병렬 연결될 수 있다.
예를 들어, 3 X 3으로 배열된 전극 구조에서, 상기 제1 전극(240)은 모서리부에 배치되고, 상기 제2 전극(250)은 십자형으로 배치될 수 있다. 상기 제1 전극(240)은 제1 내지 제4 서브 전극들(242)을 포함할 수 있다. 또한, 제2 전극(250)은 제1 내지 제5 서브 전극(252)을 포함할 수 있다. 상기 서브 전극들 사이는 절연체에 의하여 채워질 수 있다.
상기 제1 전극(240) 및 상기 제2 전극(250)에 분배되는 전력에 따라 플라즈마 밀도 균일성 및 공정 균일성은 향상될 수 있다. 또한, 상기 제1 전극(240) 및/또는 상기 제2 전극(250)은 가스 분배부를 더 포함할 수 있다. 상기 제1 전극(240) 및/또는 상기 제2 전극(250)은 플라즈마 밀도를 증가시키기 위한 할로우 캐소드 방전용 홀들(미도시) 및/또는 트렌치들(미도시)을 포함할 수 있다.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력 분배 장치를 설명하는 도면이다.
도 14를 참조하면, 상기 전력 분배 장치는 RF 전원(210)의 전력을 전달하는 임피던스 매칭 네트워크(220), 및 축전 결합 플라즈마를 생성하는 적어도 하나의 전극에 상기 임피던스 매칭 네트워크(220)의 출력 전력을 분배하는 전력 분배부(230)를 포함한다.
상기 전력 분배부(230)는 제1 전극(240)에 직렬 연결된 제1 리액턴스 소자(234), 일단은 상기 제1 리액턴스 소자(234) 및 상기 제1 전극(240)에 병렬 연결되고 타단은 접지되는 가변 축전기(236), 및 일단은 상기 가변 축전기(236)의 일단과 상기 제1 리액턴스 소자(236)의 일단이 서로 접촉하는 제1 노드(N1)에 연결되고, 타단은 제2 전극(350) 및 상기 임피던스 매칭 네트워크(220)의 출력단이 연결되는 제2 노드(N2)에 연결되는 제2 리액턴스 소자(232)를 포함한다.
상기 제2 전극(350)은 상기 진공 용기(260)의 내측벽에 배치되고, 상기 전력 분배부(230)는 상기 제1 전극(240) 및 상기 제2 전극(350)에 전력을 분배할 수 있다.
상기 제1 전극(240)은 기판(252)을 장착하는 기판 홀더(255)와 대향하여 배치될 수 있다. 상기 제2 전극(350)은 상기 진공 용기(260)의 내측벽에 인접하여 배치될 수 있다. 상기 제2 전극(350)은 플라즈마 공정을 진행하는 경우, 플라즈마 균일도를 향상시키기 위하여 사용될 수 있다. 또한, 상기 제2 전극(350)은 상기 진공 용기(260)의 세정 공정을 진행시 사용될 수 있다.
도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력 분배 장치를 설명하는 도면이다.
도 15를 참조하면, 상기 전력분배 장치는 제3 전극(250b) 및 상기 제3 전극(250b)에 전력을 분배하는 보조 전력 분배부(230b)를 더 포함할 수 있다. 상기 보조 전력 분배부(230b)는 전력 분배부(230)의 제1 노드(N1)에서 전력을 인출할 수 있다. 상기 보조 전력 분배부(230b)의 구조는 상기 전력 분배부(230)와 동일한 구조를 가질 수 있다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력 분배 장치를 설명하는 도면이다.
도 16을 참조하면, 상기 전력분배 장치는 제3 전극(250c) 및 상기 제3 전극(250c)에 전력을 분배하는 보조 전력 분배부(230c)를 더 포함할 수 있다. 상기 보조 전력 분배부(230c)는 전력 분배부(230)의 제2 노드(N2)에서 전력을 인출할 수 있다. 상기 보조 전력 분배부(230c)의 구조는 상기 전력 분배부(230)와 동일한 구조를 가질 수 있다.
도 17 및 도 18은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력 분배 장치를 설명하는 도면들이다.
도 17 및 도 18을 참조하면, 상기 전력 분배 장치는 RF 전원(210a,210b)의 전력을 전달하는 이중 주파수 임피던스 매칭 네트워크(220a), 및 축전 결합 플라즈마를 생성하는 적어도 하나의 전극에 상기 임피던스 매칭 네트워크(220a)의 출력 전력을 분배하는 전력 분배부(230)를 포함한다.
상기 전력 분배부(230)는 제1 전극(240)에 직렬 연결된 제1 리액턴스 소자(234), 일단은 상기 제1 리액턴스 소자(234) 및 상기 제1 전극(240)에 병렬 연결되고 타단은 접지되는 가변 축전기(236), 및 일단은 상기 가변 축전기(236)의 일단과 상기 제1 리액턴스 소자(234)의 일단이 서로 접촉하는 제1 노드(N1)에 연결되고, 타단은 제2 전극(250) 및 상기 임피던스 매칭 네트워크(220a)의 출력단이 연결되는 제2 노드(N2)에 연결되는 제2 리액턴스 소자(232)를 포함한다.
상기 RF 전원(210a,210b)은 저주파를 출력하는 저주파 RF 전원(220a) 및 고주파를 출력하는 고주파 RF 전원(220b)을 포함할 수 있다. 상기 저주파 RF 전원(220a) 및 상기 고주파 RF 전원(220b)의 출력은 상기 임피던스 매칭 네트워크(220a)에 공급된다. 서로 다른 주파수의 복수 개의 RF 전원은 플라즈마 밀도를 향상시키면서 DC 바이어스 전압을 조절할 수 있다.
상기 제1 전극(240) 및 상기 제2 전극(250)은 서로 대향하여 배치된다. 상기 제2 전극(250)은 상부에 기판(252)을 장착할 수 있다. 상기 전력 분배부(230)는 상기 제1 전극(240) 및 상기 제2 전극(250)에 전력을 분배할 수 있다.
상기 전력 분배부(230)의 상기 가변 축전기(236)에 따른 상기 제1 RF 전원(210a)의 전력 분배비와 상기 제2 RF 전원(210b)의 전력 분배비는 서로 다를 수 있다.
도 19는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력 분배 장치를 설명하는 도면이다. 도 18과 중복되는 설명은 생략한다.
도 19를 참조하면, 전력 분배부(230)는 서로 전기적으로 연결된 상기 제1 전극(240) 및 상기 제2 전극(340)의 복수의 위치에서 전력을 공급한다. 상기 제1 전극에 공급되는 전력과 상기 제2 전극으로 공급되는 전력의 비는 주파수에 따라 서로 다를 수 있다. 기판 홀더(250c)는 기판(252)를 장착할 수 있다.
도 20은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력 분배 장치를 설명하는 도면이다. 도 18과 중복되는 설명은 생략한다.
도 20을 참조하면, 제1 전극(240) 및 제2 전극(250)은 같은 평면에서 서로 인접하여 배치된다. 상기 제1 전극(240) 또는 상기 제2 전극(250)은 서브 전극들로 분리될 수 있다. 상기 전력 분배부(220)는 제1 전극(240)과 상기 제2 전극(250)에 전력을 분배한다.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 분배 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 1 및 도 21을 참조하면, 상기 전력 분배 방법은 진공 용기(260)의 내부에 배치되어 축전 결합 플라즈마를 생성하는 제1 전극(240)에 흐르는 제1 전력, 제1 전압, 또는 제1 전류를 설정하고 상기 진공 용기(260)의 내부에 배치된 제2 전극(250)에 공급되는 제2 전력, 제2 전압, 또는 제2 전류를 설정하는 단계(S110), RF 전원(210)에서 임피던스 매칭 네트워크(220)를 통하여 상기 제1 전극(240) 및 상기 제2 전극(250)에 전력을 공급하는 단계(S120), 상기 임피던스 매칭 네트워크(220)를 동작시켜 매칭을 수행하는 단계(S130), 상기 제1 전극(240) 및 상기 제2 전극(250)을 통하여 흐르는 전류, 전압, 전력 중에서 적어도 하나를 측정하는 단계(S140), 및 전력 분배부(230)를 사용하여 상기 제1 전극(240) 및 제2 전극(250)에 설정된 전력, 전압, 또는 전류가 공급되도록 제어하는 단계(S200)를 포함한다.
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 설정된 전력, 전압, 또는 전류가 공급되도록 제어하는 단계(S200)는 상기 제1 전극(240)에 흐르는 전력을 제1 전력과 비교하는 단계(S210), 상기 전력 분배부를 조절하는 단계(S220), 상기 제2 전극(S250)에 흐르는 전력을 제2 전력과 비교하는 단계(S230), 및 상기 RF 전원의 출력 전력을 변경하는 단계(S240)를 포함한다. 상기 RF 전원은 서로 다른 주파수를 가진 복수의 RF 전원일 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 구체적 예를 통해 그 내용을 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (17)

  1. RF 전원의 전력을 전달하는 임피던스 매칭 네트워크; 및
    축전 결합 플라즈마를 생성하는 적어도 하나의 전극에 상기 임피던스 매칭 네트워크의 출력 전력을 분배하는 전력 분배부를 포함하고,
    상기 전력 분배부는:
    제1 전극에 직렬 연결된 제1 리액턴스 소자;
    일단은 상기 제1 리액턴스 소자 및 상기 제1 전극에 병렬 연결되고 타단은 접지되는 가변 축전기; 및
    일단은 상기 가변 축전기의 일단과 상기 제1 리액턴스 소자의 일단이 서로 접촉하는 제1 노드에 연결되고, 타단은 제2 전극 및 상기 임피던스 매칭 네트워크의 출력단이 연결되는 제2 노드에 연결되는 제2 리액턴스 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 분배 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 전력 분배부는 서로 전기적으로 연결된 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극의 복수의 위치에서 전력을 공급하는 것을 특징으로 하는 전력 분배 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 제2 전극은 서로 대향하여 배치되고,
    상기 제2 전극은 상부에 기판을 장착하고,
    상기 전력 분배부는 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 전력을 분배하는 것을 특징으로 하는 전력 분배 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 제2 전극은 같은 평면에서 서로 인접하여 배치되고, 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극은 서브 전극들로 분리되고,
    상기 전력 분배부는 제1 전극과 상기 제2 전극에 전력을 분배하는 것을 특징으로 하는 전력 분배 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 리액턴스 소자는 인턱터이고,
    상기 제2 리액턴스 소자는 고정 축전기인 것을 특징으로 하는 전력 분배 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    제1 리액턴스 소자는 고정 축전기이고,
    제2 리액턴스 소자는 인덕터인 것을 특징으로 하는 전력 분배 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 전극은 상기 진공 용기의 내측벽에 인접하게 배치되고,
    상기 전력 분배부는 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 전력을 분배하는 것을 특징으로 하는 전력 분배 장치.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 전극 부하의 전력, 전류, 또는 전압 중에서 적어도 하나를 측정하는 측정부; 및
    상기 측정부의 출력을 입력받아 상기 전극에 흐르는 전력의 비 또는 전류의 비를 제어하도록 상기 전력 분배부 및 상기 RF 전원을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 분배 장치.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 전극에 직렬 연결된 스위치를 더 포함하고,
    상기 스위치는 상기 전극에 제공되는 전력을 스위칭하는 것을 특징으로 하는 전력 분배 장치.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 전극은 기판을 장착하는 기판 홀더를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 분배 장치.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 RF 전원은 저주파를 출력하는 저주파 RF 전원 및 고주파를 출력하는 고주파 RF 전원을 포함하고,
    상기 저주파 RF 전원 및 상기 고주파 RF 전원의 출력은 상기 임피던스 매칭 네트워크에 공급되는 것을 특징으로 하는 전력 분배 장치.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 전력 분배부는 서로 전기적으로 연결된 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극의 복수의 위치에서 전력을 공급하는 것을 특징으로 하는 전력 분배 장치.
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 제2 전극은 서로 대향하여 배치되고,
    상기 제2 전극은 상부에 기판을 장착하고,
    상기 전력 분배부는 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 전력을 분배하는 것을 특징으로 하는 전력 분배 장치.
  14. 제11 항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 제2 전극은 같은 평면에서 서로 인접하여 배치되고, 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극은 서브 전극들로 분리되고,
    상기 전력 분배부는 제1 전극과 상기 제2 전극에 전력을 분배하는 것을 특징으로 하는 전력 분배 장치.
  15. 진공 용기의 내부에 배치되어 축전 결합 플라즈마를 생성하는 제1 전극에 흐르는 제1 전력, 제1 전압, 또는 제1 전류을 설정하고 상기 진공 용기의 내부에 배치된 제2 전극에 공급되는 제2 전력, 제2 전압, 또는 제2 전류를 설정하는 단계;
    RF 전원에서 임피던스 매칭 네트워크를 통하여 상기 제1 전극 및 상기 제2 전력을 공급하는 단계;
    상기 임피던스 매칭 네트워크를 동작시켜 매칭을 수행하는 단계;
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 통하여 흐르는 전류, 전압, 전력 중에서 적어도 하나를 측정하는 단계; 및
    전력 분배부를 사용하여 상기 제1 전극 및 제2 전극에 설정된 전력, 전압, 또는 전류가 공급되도록 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 분배 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 설정된 전력, 전압, 또는 전류가 공급되도록 제어하는 단계는:
    상기 제1 전극에 흐르는 전력을 제1 전력과 비교하는 단계;
    상기 전력 분배부를 조절하는 단계;
    상기 제2 전극에 흐르는 전력을 제2 전력과 비교하는 단계; 및
    상기 RF 전원의 출력 전력을 변경하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 분배 방법.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 RF 전원은 서로 다른 주파수를 가진 복수의 RF 전원인 것을 특징으로 하는 전력 분배 방법.
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