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KR20230093713A - 임피던스 매칭 회로, 및 이를 포함하는 전력 공급 장치 및 플라즈마 처리 설비 - Google Patents

임피던스 매칭 회로, 및 이를 포함하는 전력 공급 장치 및 플라즈마 처리 설비 Download PDF

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Publication number
KR20230093713A
KR20230093713A KR1020210182568A KR20210182568A KR20230093713A KR 20230093713 A KR20230093713 A KR 20230093713A KR 1020210182568 A KR1020210182568 A KR 1020210182568A KR 20210182568 A KR20210182568 A KR 20210182568A KR 20230093713 A KR20230093713 A KR 20230093713A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
capacitor
parallel
series
mechanical vacuum
matching circuit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
KR1020210182568A
Other languages
English (en)
Inventor
김현진
이정환
갈스티안
위성석
배민근
Original Assignee
세메스 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 세메스 주식회사 filed Critical 세메스 주식회사
Priority to KR1020210182568A priority Critical patent/KR20230093713A/ko
Priority to CN202211483502.5A priority patent/CN116313718A/zh
Priority to JP2022188325A priority patent/JP7522810B2/ja
Priority to US18/080,700 priority patent/US20230197411A1/en
Publication of KR20230093713A publication Critical patent/KR20230093713A/ko
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

본 발명의 실시예는 신속한 임피던스 매칭을 위한 임피던스 매칭 회로, 및 이를 포함하는 전력 공급 장치 및 플라즈마 처리 설비를 제공한다. 본 발명에 따른 임피던스 매칭 회로는, RF(radio frequency) 신호를 생성하는 RF 전원에 병렬로 연결되는 병렬 커패시터 어레이와, 상기 RF 전원에 직렬로 연결되는 직렬 커패시터 어레이를 포함하고, 상기 병렬 커패시터 어레이 또는 상기 직렬 커패시터 어레이는 기계식 진공 가변 커패시터 및 상기 기계식 진공 가변 커패시터에 대하여 병렬로 연결되는 전자식 스위치 커패시터 모듈을 포함한다.

Description

임피던스 매칭 회로, 및 이를 포함하는 전력 공급 장치 및 플라즈마 처리 설비{IMPEDANCE MATCHING CIRCUIT, POWER SUPPLY APPARTUS, AND PLASMA PROCESSING EQUIPMENT INCLUDING THE SAME}
본 발명은 임피던스 매칭 회로, 및 이를 포함하는 전력 공급 장치 및 플라즈마 처리 설비에 관한 것이다.
반도체(또는 디스플레이) 제조 공정은 기판(예: 웨이퍼) 상에 반도체 소자를 제조하기 위한 공정으로서, 예를 들어 노광, 증착, 식각, 이온 주입, 세정 등을 포함한다. 각각의 제조 공정을 수행하기 위하여, 반도체 제조 공장의 클린룸 내에 각 공정을 수행하는 반도체 제조 설비들이 구비되며, 반도체 제조 설비에 투입된 기판에 대한 공정 처리가 수행된다.
반도체 제조 과정에 있어서 플라즈마를 이용한 공정, 예를 들어 식각, 증착 등이 널리 사용되고 있다. 플라즈마 처리 공정을 수행하는 플라즈마 처리 장비는 공정 가스, 온도, 압력, 플라즈마를 생성하기 위한 RF(Radio Frequency) 신호의 주파수, 전력 등 다양한 공정 조건을 변경하면서 공정을 수행할 수 있다.
한편, 3D 낸드플래시와 같은 반도체에서 높은 레벨의 적층 구조가 요구됨에 따라, 플라즈마 처리 공정의 스텝수가 증가하고 있으며 스텝 변경시 플라즈마 상태 변화가 발생한다. 플라즈마 상태 변화는 임피던스 변화를 유발하며 임피던스 변화에 따른 임피던스 미스 매칭(부정합)이 발생할 수 있다. 플라즈마 처리 설비는 이러한 임피던스 미스 매칭에 대응한 임피던스 매칭을 수행하는데, 신속한 매칭을 위한 전력 공급 장치가 요구되고 있다.
따라서, 본 발명의 실시예는 신속한 임피던스 매칭을 위한 임피던스 매칭 회로, 및 이를 포함하는 전력 공급 장치 및 플라즈마 처리 설비를 제공한다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 임피던스 매칭 회로는, RF(radio frequency) 신호를 생성하는 RF 전원에 병렬로 연결되는 병렬 커패시터 어레이와, 상기 RF 전원에 직렬로 연결되는 직렬 커패시터 어레이를 포함하고, 상기 병렬 커패시터 어레이 또는 상기 직렬 커패시터 어레이는 기계식 진공 가변 커패시터 및 상기 기계식 진공 가변 커패시터에 대하여 병렬로 연결되는 전자식 스위치 커패시터 모듈을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 병렬 커패시터 어레이는, 병렬 기계식 진공 가변 커패시터와, 상기 병렬 기계식 진공 가변 커패시터에 병렬로 연결된 복수개의 병렬 전자식 스위치 커패시터 모듈을 포함한다. 상기 병렬 전자식 스위치 커패시터 모듈은, 고정된 커패시턴스를 갖는 병렬 고정 커패시터와, 상기 병렬 고정 커패시터에 직렬로 연결된 병렬 스위치를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 병렬 기계식 진공 가변 커패시터는 상기 병렬 고정 커패시터 보다 큰 커패시턴스를 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 직렬 커패시터 어레이는, 직렬 기계식 진공 가변 커패시터와, 상기 직렬 기계식 진공 가변 커패시터에 병렬로 연결된 복수개의 직렬 전자식 스위치 커패시터 모듈을 포함할 수 있다. 상기 직렬 전자식 스위치 커패시터 모듈은, 고정된 커패시턴스를 갖는 직렬 고정 커패시터와, 상기 직렬 고정 커패시터에 직렬로 연결된 직렬 스위치를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 직렬 기계식 진공 가변 커패시터는 상기 직렬 고정 커패시터 보다 큰 커패시턴스를 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 처리 설비의 전력 공급 장치는, 제1 RF(radio frequency) 신호를 생성하는 제1 RF 전원, 제1 RF 전원에 연결된 제1 매칭 회로, 및 상기 제1 RF 신호를 플라즈마 부하로 전달하는 제1 전력 전달 회로를 포함하는, 제1 전력 공급부와, 제2 RF 신호를 생성하는 제2 RF 전원, 제2 RF 전원에 연결된 제2 매칭 회로, 및 상기 제2 RF 신호를 상기 플라즈마 부하로 전달하는 제2 전력 전달 회로를 포함하는 제2 전력 공급부와, 상기 제1 전력 공급부와 상기 제2 전력 공급부 사이의 간섭을 제거하는 디커플링부를 포함한다.
상기 제1 매칭 회로 및 상기 제2 매칭 회로는 각각 기계식 진공 가변 커패시터 및 상기 기계식 진공 가변 커패시터에 대하여 병렬로 연결된 복수개의 전자식 스위치 커패시터 모듈을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 디커플링부는, 상기 제1 매칭 회로와 상기 제1 전력 전달 회로 사이에 연결된 제1 디커플링 인덕터와, 상기 제1 매칭 회로와 상기 제1 전력 전달 회로 사이에 연결되고 상기 제1 디커플링 인덕터와 상호 자기 결합되는 제2 디커플링 인덕터와, 상기 제1 매칭 회로 및 상기 제2 매칭 회로에 연결된 디커플링 커패시터를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 제1 매칭 회로는, 상기 제1 RF 전원 및 접지에 결합되며, 서로 병렬로 연결된 복수개의 커패시터들을 포함하는 제1 병렬 커패시터 어레이와, 상기 제1 RF 전원 및 상기 디커플링부에 결합되며, 상기 병렬 커패시터 어레이에 직렬로 연결된 복수개의 커패시터들을 포함하는 제1 직렬 커패시터 어레이를 포함할 수 있다. 상기 제2 매칭 회로는, 상기 제2 RF 전원 및 접지에 연결되며, 서로 병렬로 연결된 복수개의 커패시터들을 포함하는 제2 병렬 커패시터 어레이와, 상기 제2 RF 전원 및 상기 전력 전달 회로에 연결되며, 상기 제2 병렬 커패시터 어레이에 직렬로 연결된 복수개의 커패시터들을 포함하는 제2 직렬 커패시터 어레이를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 제1 병렬 커패시터 어레이는, 병렬 기계식 진공 가변 커패시터와, 상기 병렬 기계식 진공 가변 커패시터에 병렬로 연결된 복수개의 병렬 전자식 스위치 커패시터 모듈을 포함할 수 있다. 상기 제1 직렬 커패시터 어레이는, 직렬 기계식 진공 가변 커패시터와, 상기 직렬 기계식 진공 가변 커패시터에 병렬로 연결된 복수개의 직렬 전자식 스위치 커패시터 모듈을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 병렬 전자식 스위치 커패시터 모듈은, 고정된 커패시턴스를 갖는 병렬 고정 커패시터와, 상기 병렬 고정 커패시터에 직렬로 연결된 병렬 스위치를 포함할 수 있다. 상기 직렬 전자식 스위치 커패시터 모듈은, 고정된 커패시턴스를 갖는 직렬 고정 커패시터와, 상기 직렬 고정 커패시터에 직렬로 연결된 직렬 스위치를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 병렬 기계식 진공 가변 커패시터는 상기 병렬 고정 커패시터 보다 큰 커패시턴스를 가질 수 있다. 상기 직렬 기계식 진공 가변 커패시터는 상기 직렬 고정 커패시터 보다 큰 커패시턴스를 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 제1 매칭 회로는, 상기 제1 RF 전원 및 접지에 결합된 고정 션트 커패시터와, 상기 제1 RF 전원 및 상기 고정 션트 커패시터에 결합되고, 서로 병렬로 연결된 복수개의 커패시터들을 포함하는 제1 직렬 커패시터 어레이와, 상기 고정 션트 커패시터 및 상기 디커플링부에 결합되며, 서로 병렬로 연결된 복수개의 커패시터들을 포함하는 제2 직렬 커패시터 어레이를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 제1 직렬 커패시터는, 제1 기계식 진공 가변 커패시터 및 상기 제1 기계식 진공 가변 커패시터에 병렬로 연결된 복수개의 제1 병렬 전자식 스위치 커패시터 모듈을 포함하고, 상기 제2 직렬 커패시터는, 제2 기계식 진공 가변 커패시터 및 상기 제2 기계식 진공 가변 커패시터에 병렬로 연결된 복수개의 제2 병렬 전자식 스위치 커패시터 모듈을 포함할 수 있다. 상기 제1 병렬 전자식 스위치 커패시터 모듈은 제1 고정 커패시터 및 상기 제1 고정 커패시터에 직렬로 연결된 제1 스위치를 포함하며, 상기 제2 병렬 전자식 스위치 커패시터 모듈은 제2 고정 커패시터 및 상기 제2 고정 커패시터에 직렬로 연결된 제2 스위치를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 플라즈마 처리 설비는, 기판에 대한 공정 처리를 수행하는 공정 처리 챔버와, 상기 공정 처리 챔버에 플라즈마를 형성하기 위한 전력을 공급하는 전력 공급 장치를 포함한다.
상기 전력 공급 장치는, 제1 RF(radio frequency) 신호를 생성하는 제1 RF 전원, 제1 RF 전원에 연결된 제1 매칭 회로, 및 상기 제1 RF 신호를 플라즈마 부하로 전달하는 제1 전력 전달 회로를 포함하는 제1 전력 공급부와, 제2 RF 신호를 생성하는 제2 RF 전원, 제2 RF 전원에 연결된 제2 매칭 회로, 및 상기 제2 RF 신호를 상기 플라즈마 부하로 전달하는 제2 전력 전달 회로를 포함하는 제2 전력 공급부와, 상기 제1 전력 공급부와 상기 제2 전력 공급부 사이의 간섭을 제거하는 디커플링부를 포함한다. 상기 제1 매칭 회로 및 상기 제2 매칭 회로 각각은 기계식 진공 가변 커패시터 및 상기 기계식 진공 가변 커패시터에 대하여 병렬로 연결된 복수개의 전자식 가변 커패시터 모듈을 포함한다. 상기 공정 처리 챔버의 공정 조건이 변경될 때 상기 기계식 진공 가변 커패시터의 커패시턴스가 고정된 상태에서 상기 전자식 가변 커패시터 모듈의 제어를 통해 상기 제1 매칭 회로 및 상기 제2 매칭 회로의 임피던스가 조절된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 제1 매칭 회로는, 서로 병렬로 연결된 복수개의 커패시터들을 포함하는 제1 병렬 커패시터 어레이와, 상기 병렬 커패시터 어레이에 직렬로 연결된 복수개의 커패시터들을 포함하는 제1 직렬 커패시터 어레이를 포함할 수 있다. 상기 제2 매칭 회로는, 서로 병렬로 연결된 복수개의 커패시터들을 포함하는 제2 병렬 커패시터 어레이와, 상기 제2 병렬 커패시터 어레이에 직렬로 연결된 복수개의 커패시터들을 포함하는 제2 직렬 커패시터 어레이를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 제1 병렬 커패시터 어레이는, 병렬 기계식 진공 가변 커패시터와, 상기 병렬 기계식 진공 가변 커패시터에 병렬로 연결된 복수개의 병렬 전자식 스위치 커패시터 모듈을 포함할 수 있다. 상기 제1 직렬 커패시터 어레이는, 직렬 기계식 진공 가변 커패시터와, 상기 직렬 기계식 진공 가변 커패시터에 병렬로 연결된 복수개의 직렬 전자식 스위치 커패시터 모듈을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 병렬 전자식 스위치 커패시터 모듈은, 고정된 커패시턴스를 갖는 병렬 고정 커패시터와, 상기 병렬 고정 커패시터에 직렬로 연결된 병렬 스위치를 포함할 수 있다. 상기 직렬 전자식 스위치 커패시터 모듈은, 고정된 커패시턴스를 갖는 직렬 고정 커패시터와, 상기 직렬 고정 커패시터에 직렬로 연결된 직렬 스위치를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 병렬 기계식 진공 가변 커패시터는 상기 병렬 고정 커패시터 보다 큰 커패시턴스를 가질 수 있다. 상기 직렬 기계식 진공 가변 커패시터는 상기 직렬 고정 커패시터 보다 큰 커패시턴스를 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 병렬 기계식 진공 가변 커패시터 및 상기 직렬 기계식 진공 가변 커패시터의 커패시턴스는 미리 설정된 값으로 조절되고, 상기 미리 설정된 값은 상기 플라즈마 처리 설비의 공정 기체의 종류, 유량, 압력, 또는 공급 전력에 의해 결정될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 공정 처리 챔버의 공정 조건이 변경될 때 상기 병렬 기계식 진공 가변 커패시터 및 상기 직렬 기계식 진공 가변 커패시터의 커패시턴스가 상기 미리 설정된 값으로 고정된 상태에서 상기 병렬 전자식 스위치 커패시터 모듈 및 상기 직렬 전자식 스위치 커패시터 모듈의 스위치 제어를 통해 임피던스가 정합되도록 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 플라즈마 처리 설비에 의해 수행되는 기판 처리 방법은, 상기 제1 매칭 회로 및 상기 제2 매칭 회로의 임피던스를 조절하는 단계와, 상기 임피던스의 조절이 완료되면 상기 기판에 대한 공정 처리를 수행하는 단계를 포함한다. 상기 임피던스를 조절하는 단계는, 상기 기계식 진공 가변 커패시터의 커패시턴스를 미리 설정된 값으로 조절하는 단계와, 상기 입력 임피던스를 측정하는 단계와, 상기 플라즈마 부하로부터의 반사 계수가 기준 반사 계수보다 큰 지 여부를 판단하는 단계와, 상기 반사 계수가 기준 반사 계수보다 큰 경우 상기 플라즈마 부하의 임피던스를 측정하는 단계와, 상기 입력 임피던스와 상기 플라즈마 부하의 임피던스에 기반하여 상기 복수개의 전자식 가변 커패시터 모듈의 스위치 온-오프 제어를 통해 상기 전자식 가변 커패시터 모듈의 커패시턴스를 조절하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 전자식 가변 커패시터 모듈의 커패시턴스를 조절하는 단계는, 상기 입력 임피던스와 상기 플라즈마 부하의 임피던스에 기반하여 임피던스 조절 값을 계산하는 단계와, 상기 임피던스 조절 값에 대응하는 커패시턴스를 갖는 상기 전자식 가변 커패시터 모듈의 스위치를 턴-온 시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 진공 기계식 가변 커패시터와 전자식 스위치 커패시터 모듈이 병렬 연결된 구조의 임피던스 매칭 회로를 적용함으로써, 보다 신속한 매칭을 수행할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 복수개의 전력 공급부와 전력 공급부 사이의 간섭을 제거하는 디커플링부를 구성함으로써 개별 매칭 회로에 요구되는 동작 영역을 낮은 수준으로 유지하며, 그리하여 신속한 임피던스 매칭이 가능할 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 플라즈마 처리 설비의 개략적인 구성을 도시한다.
도 2 내지 도 5는 본 발명에 따른 플라즈마 처리 설비에서 복수개의 독립 전원이 적용된 고속 정합을 위한 전력 공급 장치의 구성을 개략적으로 도시한다.
도 6은 병렬 전력 공급 장치를 모델링한 등가 회로를 도시한다.
도 7은 본 발명에 따른 디커플링부가 적용된 병렬 전력 공급 장치를 모델링한 등가 회로를 도시한다.
도 8a 및 도 8b는 이중 전력 공급 장치의 등가 회로 및 이중 전력 공급 장치의 전달 계수를 도시한다.
도 9a 및 도 9b는 디커플링부를 포함하는 이중 전력 공급 장치의 등가 회로 및 디커플링부를 포함하는 이중 전력 공급 장치의 전달 계수를 도시한다.
도 10a는 단일 전력 공급 장치에서 각 공정 스텝별 플라즈마 부하 임피던스의 분포, 도 10b 및 도 10c는 병렬 전력 공급 장치에서 각 공정 스텝별 플라즈마 부하 임피던스의 분포를 도시한다.
도 11은 본 발명에 따른 고속 매칭을 위한 전력 공급 장치에서 매칭 회로의 구조를 도시한다.
도 12는 전력 공급 장치에서 매칭 시스템의 구성을 도시한다.
도 13은 본 발명에 따른 고속 매칭을 위한 전력 공급 장치에서 임피던스 매칭 절차를 도시한다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 매칭 회로가 적용된 전력 공급 장치를 도시한다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 여러 실시예들에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적인 실시예에서만 설명하고, 그 외의 다른 실시예에서는 대표적인 실시예와 다른 구성에 대해서만 설명하기로 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(또는 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결(또는 결합)"되어 있는 경우뿐만 아니라, 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결(또는 결합)"된 것도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 플라즈마 처리 설비(1)의 개략적인 구성을 도시한다. 플라즈마 처리 설비(1)는 플라즈마를 형성하기 위한 전력을 공급하는 전력 공급 장치(2)와, 전력 공급 장치(2)에 의해 형성된 플라즈마를 사용하여 기판에 대한 공정 처리를 수행하는 공정 처리 챔버(3)를 포함한다. 공정 처리 챔버(3)은 플라즈마를 형성하여 기판(예: 웨이퍼)에 대한 공정 처리를 수행하며, 전력 공급 장치는 플라즈마를 형성하기 위하여 공정 처리 챔버(3)으로 전력을 제공한다.
공정 처리 챔버(3)에서 공정 조건에 따라 공정 가스, 온도, 압력 등을 변경하면서 공정이 수행되는데, 최근 높은 레벨의 적층 구조가 요구됨에 따라 각각의 공정 단계 마다 플라즈마 상태 변화가 발생한다. 플라즈마 상태 변화는 플라즈마 부하의 임피던스 변화를 유발하며 임피던스 변화에 따른 임피던스 미스 매칭(부정합)이 발생할 수 있다. 따라서, 전력 공급 장치(2)는 이러한 임피던스 미스 매칭을 최소화하기 위한 임피던스 매칭을 수행하는데, 특히 공정 효율을 증대시키기 위하여 신속한 임피던스 매칭이 요구된다.
따라서, 본 발명의 실시예는 높은 전력 레벨의 동작 영역을 가지는 고속 매칭 방법을 제공한다.
도 2 내지 도 5는 본 발명에 따른 플라즈마 처리 설비(1)에서 고속 정합을 위한 전력 공급 장치(2)의 구성을 개략적으로 도시한다.
도 2 및 도 3을 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 처리 설비(1)에서 고속 매칭을 위한 전력 공급 장치(2)는, 제1 RF 신호를 플라즈마 부하(40)로 전달하는 제1 전력 공급부(10)와, 제2 RF 신호를 플라즈마 부하(40)로 전달하는 제2 전력 공급부(20)와, 제1 전력 공급부(10)와 제2 전력 공급부(20) 사이의 간섭을 제거하는 디커플링부(30)를 포함한다. 본 발명에 따르면 하나의 플라즈마 부하(40)에 대하여 독립적으로 동작하는 제1 전력 공급부(10) 및 제2 전력 공급부(20)가 병렬로 연결된다. 이를 통해 개별 전력 공급부에서 정합 회로에 요구되는 동작 영역을 낮은 수준으로 유지할 수 있다.
한편, 하나의 플라즈마 부하(40)에 대하여 독립적으로 동작하는 전력 공급부는 도 4에 도시된 것과 같이 N개(N은 자연수)만큼 구성될 수 있다. 다만, 본 문서에서는 설명의 편의를 위하여 2개의 전력 공급부를 통해 플라즈마 부하(40)에 전력을 공급하는 예를 중심으로 설명하도록 한다. 다만, 본 발명의 범위가 2개의 전력 공급부를 사용하는 실시예에 제한되는 것이 아니며, 실질적으로 동일한 개념이 3개 이상의 전력 공급부를 사용하는 실시예에 적용될 수 있다.
도 3 및 도 5를 참고하면, 제1 전력 공급부(10)는, 제1 RF 신호를 생성하는 제1 RF 전원(110-1), 제1 RF 전원(110-1)과 디커플링부(30) 사이에 연결된 제1 매칭 회로(120-1), 디커플링부(30)와 연결되고 플라즈마 부하(40)로 제1 RF 신호를 전달하는 제1 전력 전달 회로(130-1)를 포함한다. 마찬가지로, 제2 전력 공급부(20)는, 제2 RF 신호를 생성하는 제2 RF 전원(110-2), 제2 RF 전원(110-2)과 디커플링부(30) 사이에 연결된 제2 매칭 회로(120-2), 디커플링부(30)와 연결되고 플라즈마 부하(40)로 제2 RF 신호를 전달하는 제2 전력 전달 회로(130-2)를 포함한다. 한편, 디커플링부(30)는 제1 전력 공급부(10)에 직렬로 연결된 제1 디커플링 인덕터(L1), 제2 전력 공급부(20)에 직렬로 연결되며 제1 디커플링 인덕터(L1)와 상호 자기 결합되는 제2 디커플링 인덕터(L2), 제1 전력 공급부(10) 및 제2 전력 공급부(20)에 연결된 디커플링 커패시터(C3)를 포함한다.
디커플링부(30)는 제1 매칭 회로(122-1) 또는 제2 매칭 회로(124-1)의 일부로 구성되거나, 또는 별도의 구분된 모듈로 구성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 제1 RF 신호와 제2 RF 신호는 동일하거나 기준 범위 이내(예: 5%)의 주파수를 가질 수 있다.
본 발명에 따르면, 디커플링부(30)는 제1 전력 공급부(10)(제1 전력 전달 회로(130-1)) 및 제2 전력 공급부(20)(제2 전력 전달 회로(130-2)) 사이의 결합 계수 및 제1 전력 공급부(10)의 리액턴스 및 제2 전력 공급부(20)의 리액턴스에 의해 발생하는 크로스톡(Cross-Talk)을 상쇄하도록 설계된다. 디커플링부(30)는 제1 전력 공급부(10)와 제2 전력 공급부(20) 사이의 간섭을 최소화하는 N-포트 네트워크를 제1 전력 공급부(10) 및 제2 전력 공급부(20)에 연결한다.
디커플링부(30)에 의한 N-포트 네트워크의 디커플링 원리는 도 6 및 도 7을 참고하여 설명할 수 있다.
도 6은 병렬 전력 공급 장치를 모델링한 등가 회로를 도시한다. 도 6의 좌측 회로는 제1 전력 공급부(10)의 등가 회로, 도 7의 우측 회로는 제2 전력 공급부(20)의 등가 회로이다.
도 6의 개별 독립 전원의 리액티브 소자 간 전자기적 결합에 의해 제1 전력 공급부(10)의 등가 회로의 부하에 인가되는 전력(P1)은 아래의 수학식 1과 같다.
Figure pat00001
이때, 도 7과 같이 디커플링부(30)에 의해 발생하는 리액티브 소자를 각각의 회로에 추가하면, 기존의 제1 전력 공급부(10)의 등가 회로의 부하와 디커플링 리액티브 소자 전체에 인가되는 전력(P1)은 아래의 수학식 2와 같다.
Figure pat00002
여기서, 추가되는 디커플링부의 디커플링 리액티브 소자는 아래의 수학식 3과 같은 조건을 만족하도록 설계된다.
Figure pat00003
수학식 1 내지 수학식 3에서, R1, X1은 제1 전력 공급부(10)의 등가 회로에서 임피던스 성분(저항, 리액턴스), R2, X2는 제2 전력 공급부(20)의 등가 회로에서 임피던스 성분(저항, 리액턴스), k는 전력 전달 회로(안테나) 사이의 결합에 의해 발생하는 제1 전력 공급부(10)의 등가 회로와 제2 전력 공급부(20)의 등가 회로 사이의 결합 계수, k'은 디커플링부(30)에서 유도성 리액티브 소자(제1 디커플링 인덕터(L1) 및 제2 디커플링 인덕터(L2)) 사이의 결합에 의해 발생하는 제1 전력 공급부(10)의 등가 회로에서 디커플링부(30)에 의해 부가된 리액턴스와 제2 전력 공급부(20)의 등가 회로에서 디커플링부(30)에 의해 부가된 리액턴스 사이의 결합 계수, X1D는 제1 전력 공급부(10)의 등가 회로에서 디커플링부(30)에 의해 부가된 리액턴스, X2D는 제2 전력 공급부(20)의 등가 회로에서 디커플링부(30)에 의해 부가된 리액턴스를 나타낸다.
도 8a 및 도 8b는 이중 전력 공급 시스템의 등가 회로 및 이중 전력 공급 시스템의 전달 계수를 도시한다. 도 8a에 도시된 것과 같이 제1 전력 전달 회로(130-1)는 제1 전력 전달 인덕터(L3)와 제1 전력 전달 커패시터(C4)로 모델링 될 수 있으며, 제2 전력 전달 회로(130-2)는 제2 전력 전달 인덕터(L4)와 제1 전력 전달 커패시터(C5)로 모델링 될 수 있다. 플라즈마 부하(40)는 부하 인덕터(LP)와 부하 저항(RP)으로 모델링될 수 있다.
도 8b는 도 8a와 같은 이중 전력 공급 시스템에서 바라보는 전달 계수(S21)의 변화를 도시한다. 디커플링부가 구비되지 않는 경우, 각 전력 전달 회로 사이의 결합 및 플라즈마 부하(40)의 영향에 의해, 사용 주파수(13.56MHz)에서 높은 전달 계수가 달성된다. 그러나, 이러한 높은 전달 계수는 반대측 정합 회로에 영향을 미쳐 비정상적인 동작을 유발하며, 반대측의 전력 공급 시스템에서 높은 수준의 반사 전력 레벨이 유발된다.
도 9a 및 도 9b는 디커플링부(30)를 포함하는 이중 전력 공급 시스템의 등가 회로 및 디커플링부를 포함하는 이중 전력 공급 시스템의 전달 계수를 도시한다. 도 9a에 도시된 것과 같이 제1 전력 전달 회로(130-1)는 제1 전력 전달 인덕터(L3)와 제1 전력 전달 커패시터(C4)로 모델링 될 수 있으며, 제2 전력 전달 회로(130-2)는 제2 전력 전달 인덕터(L4)와 제1 전력 전달 커패시터(C5)로 모델링 될 수 있다. 플라즈마 부하(40)는 부하 인덕터(LP)와 부하 저항(RP)으로 모델링될 수 있다. 디커플링부(30)는 제1 전력 전달 회로(130-1)에 연결된 제1 디커플링 인덕터(L1), 제2 전력 전달 회로(130-2)에 연결된 제2 디커플링 인덕터(L2), 제1 전력 전달 회로(130-1) 및 제2 전력 전달 회로(130-2)에 연결된 디커플링 커패시터(C3)로 모델링된다.
도 9a와 같은 리액티브 소자로 구성된 디커플링부(30)가 추가되면, 도 9b의 그래프에서 확인할 수 있듯이 사용 주파수(f0)의 영역에서 낮은 결합 계수가 나타나는 것으로 확인되었다. 사용 주파수(f0)와 동일하거나 5% 범위 이내의 근접 주파수에서 일정 수준 이하의 결합 계수가 도출되는 것으로 확인되었다.
본 발명과 같이 병렬적인 독립 전력 공급 시스템을 구성함으로써, 플라즈마 부하(40)에 전체 파워를 분산하여 공급하기 때문에 각 정합 회로(120-1, 120-2)의 전압 및 전류 동작 영역을 낮출 수 있고 정합 회로(120-1, 120-2)의 임피던스 변화를 최소화할 수 있다. 동작 영역과 임피던스 변화를 낮춤으로써 보다 고속의 임피던스 매칭이 가능할 것이다.
도 10a는 단일 전력 공급 시스템에서 각 공정 스텝별 플라즈마 부하 임피던스의 분포, 도 10b 및 도 10c는 병렬 전력 공급 시스템에서 각 공정 스텝별 플라즈마 부하 임피던스의 분포를 도시한다. 도 10a는 하나의 RF 전원과 매칭 회로, 그리고 스플리터 회로를 통해 전력을 공급하는 시스템에서의 플라즈마 조건 변화에 따른 부하 임피던스의 변화를 나타내는 스미스 차트, 도 10b 및 도 10c는 본 발명에 따른 전력 공급 시스템에서 제1 전력 공급부(10)의 제1 매칭 회로(120-1)의 부하 임피던스 변화를 나타내는 스미스 차트 및 제2 전력 공급부(20)의 제2 매칭 회로(120-2)의 부하 임피던스 변화를 나타내는 스미스 차트이다.
도 10a와 같은 단일 전력 공급 시스템의 경우, 플라즈마 공정 조건의 변화, 예를 들어 각 공정 단계별 공정 가스의 종류, 유량, 압력, 전력량 등의 차이로 인하여 매칭 회로에서 바라본 공정 단계별 플라즈마 부하의 분포 범위가 상대적으로 넓은 것이 확인된다. 이는 3D 낸드 플래시와 같은 반도체 적층 구조의 연속적인 식각 과정과 이에 따른 공정 단계의 진행에 따라 매칭 회로 내 가변 리액티브 소자의 급격한 변화를 유도한다. 가변 리액티브 소자의 급격한 변화는 기계식 진공 가변 커패시터의 수명 단축을 유발하고, 또한 긴 재정합 시간으로 인해 반사 전력의 발생 시간을 증가시키므로 전원의 수명을 단축시킬 수 있다.
반면, 본 발명과 같이 병렬식 이중 전력 공급 시스템의 경우, 도 10b 및 도 10c에 도시된 것과 같이 각 공정 단계별 플라즈마 부하(40)의 임피던스 분포가 좁은 것을 확인할 수 있다. 병렬식 이중 전력 공급 시스템을 구성함으로써, 개별 매칭 회로가 담당해야 할 플라즈마 부하(40)의 리액턴스 변화를 분산시킬 수 있고, 각각의 매칭 회로는 빠르게 임피던스 매칭을 수행할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예로서, 높은 전력 레벨의 동작 영역을 갖는 전력 공급 장치(2)는 도 11에 도시된 것과 같이 기계식 진공 가변 커패시터(VVC: Vacuum Variable Capacitor)와 전자식 가변 커패시터(EVC: Electrical Variable Capacitor)가 병렬로 구성된 임피던스 매칭 회로를 포함할 수 있다. 이하, 본 발명에 따른 임피던스 매칭 회로의 세부 구성에 대해 설명하며, 대표적으로 제1 전력 공급부(10)에 구성된 제1 매칭 회로(120-1)의 구성을 설명한다. 다만, 동일하거나 유사한 구조가 제2 매칭 회로(120-2)에 적용될 수 있다.
본 발명에 따른 임피던스 매칭 회로는, RF 신호를 생성하는 RF 전원(110-1)에 병렬로 연결되는 병렬 커패시터 어레이(122-1)와, RF 전원(110-1)에 직렬로 연결되는 직렬 커패시터 어레이(124-1)를 포함한다. 병렬 커패시터 어레이(122-1) 또는 직렬 커패시터 어레이(124-1)는 기계식 진공 가변 커패시터(C1 또는 C2) 및 기계식 진공 가변 커패시터(C1 또는 C2)에 대하여 병렬로 연결되는 전자식 스위치 커패시터 모듈(1220-1, 1220-2......, 1220-N 또는 1240-1, 1240-2......, 1240-N)을 포함한다.
도 11을 참고하면, 임피던스 매칭 회로는, RF 신호를 생성하는 RF 전원(110-1)과 접지 사이에 연결되며, 병렬 기계식 진공 가변 커패시터(C1) 및 병렬 기계식 진공 가변 커패시터(C1)에 병렬로 연결된 복수개의 병렬 전자식 스위치 커패시터 모듈들(1220-1, 1220-2......, 1220-N)을 포함하는 병렬 커패시터 어레이(122-1)와, RF 전원(110-1)과 플라즈마 부하(40) 측 사이에 연결되며, 직렬 기계식 진공 가변 커패시터(C2) 및 상기 직렬 기계식 진공 가변 커패시터(C2)에 연결된 복수개의 직렬 전자식 스위치 커패시터 모듈들(1240-1, 1240-2......, 1240-N)을 포함하는 직렬 커패시터 어레이(124-1)를 포함한다. 도 11에서는 병렬 커패시터 어레이(122-1)와 직렬 커패시터 어레이(124-1)가 모두 기계식 진공 가변 커패시터와 전자식 스위치 커패시터 모듈의 병렬 연결로 구성된 구조가 도시되나, 병렬 커패시터 어레이(122-1) 또는 직렬 커패시터 어레이(124-1) 중 하나는 기계식 진공 가변 커패시터와 전자식 스위치 커패시터 모듈의 병렬 연결로 구성되고, 나머지 하나는 기계식 진공 가변 커패시터에 의해 구성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 병렬 전자식 스위치 커패시터 모듈(1240-1, 1240-2......, 1240-N)은, 고정된 커패시턴스를 갖는 병렬 고정 커패시터(CP1, CP2......, CPn)와, 병렬 고정 커패시터(CP1, CP2......, CPn)에 직렬로 연결된 병렬 스위치(SP1, SP2......, SPn)를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 병렬 기계식 진공 가변 커패시터(C1)는 병렬 고정 커패시터(CP1, CP2......, CPn) 보다 큰 커패시턴스를 가질 수 있다. 상대적으로 기계식 진공 가변 커패시터는 전자식 가변 커패시터에 비하여 커패시턴스 조절시 긴 시간이 소요되므로, 기계식 진공 가변 커패시터의 값을 고정시킨 상태에서 상대적으로 작은 커패시턴스를 갖는 전자식 가변 커패시터의 스위치를 제어함으로써 보다 신속하게 커패시턴스를 조절할 수 있다.
본 발명에 따르면, 직렬 전자식 스위치 커패시터 모듈(1240-1,1240-2......,1240-N)은, 고정된 커패시턴스를 갖는 직렬 고정 커패시터(CS1, CS2......, CSn)와, 직렬 고정 커패시터(CS1, CS2......, CSn)에 직렬로 연결된 직렬 스위치(SS1, SS2......, SSn)를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 직렬 기계식 진공 가변 커패시터(C2)는 직렬 고정 커패시터(CS1, CS2......, CSn) 보다 큰 커패시턴스를 가질 수 있다.
한편, 앞서 설명한 임피던스 매칭 회로는 플라즈마 처리 설비(1)의 전력 공급 장치(2)의 제1 매칭 회로(120-1) 및 제2 매칭 회로(120-2)에 적용될 수 있다.
본 발명에 따르면, 제1 매칭 회로(120-1)는, 제1 RF 전원(110-1) 및 접지에 결합되며 서로 병렬로 연결된 복수개의 커패시터들(C1, CP1, CP2......, CPn)을 포함하는 병렬 커패시터 어레이(122-1)와, 제1 RF 전원(110-1) 및 디커플링부(30)에 결합되며 병렬 커패시터 어레이(122-1)에 직렬로 연결된 복수개의 커패시터들(C2, CS1, CS2......, CSn)을 포함하는 직렬 커패시터 어레이(124-1)를 포함한다. 마찬가지로, 제2 매칭 회로(120-2)는, 제2 RF 전원(110-2) 및 접지에 결합되며 서로 병렬로 연결된 복수개의 커패시터들을 포함하는 제2 병렬 커패시터 어레이(122-1)와, 제2 RF 전원(110-2) 및 디커플링부(30)에 결합되며 제2 병렬 커패시터 어레이(122-1)에 직렬로 연결된 복수개의 커패시터들을 포함하는 제2 직렬 커패시터 어레이(124-1)를 포함할 수 있다.
제1 병렬 커패시터 어레이(122-1)는, 병렬 기계식 진공 가변 커패시터(C1)와, 병렬 기계식 진공 가변 커패시터(C1)에 병렬로 연결된 복수개의 병렬 전자식 스위치 커패시터 모듈(1220-1, 1220-2......,1220-N)을 포함한다. 제1 직렬 커패시터 어레이(124-1)는, 직렬 기계식 진공 가변 커패시터(C2)와, 직렬 기계식 진공 가변 커패시터(C2)에 병렬로 연결된 복수개의 직렬 전자식 스위치 커패시터 모듈(1240-1,1240-2......,1240-N)을 포함한다.
병렬 전자식 스위치 커패시터 모듈(1220-1,1220-2......,1220-N)은, 고정된 커패시턴스를 갖는 병렬 고정 커패시터(CP1, CP2......, CPn)와, 병렬 고정 커패시터(CP1, CP2......, CPn)에 직렬로 연결된 병렬 스위치(SP1, SP2......, SPn)를 포함한다. 직렬 전자식 스위치 커패시터 모듈(1240-1,1240-2......,1240-N)은, 고정된 커패시턴스를 갖는 직렬 고정 커패시터(CS1, CS2......, CSn)와, 직렬 고정 커패시터(CS1, CS2......, CSn)에 직렬로 연결된 직렬 스위치(SS1, SS2......, SSn)를 포함한다.
병렬 기계식 진공 가변 커패시터(C1)는 병렬 고정 커패시터(CP1, CP2......, CPn) 보다 큰 커패시턴스를 갖는다. 직렬 기계식 진공 가변 커패시터(C2)는 직렬 고정 커패시터(CS1, CS2......, CSn) 보다 큰 커패시턴스를 갖는다.
제1 RF 전원(110-1)과 연결된 제1 병렬 커패시터 어레이(122-1)의 총 커패시턴스(Ctot)는 아래의 수학식 4와 같다.
Figure pat00004
제1 병렬 커패시터 어레이(122-1)의 각 소자들의 양단에 걸리는 전압이 동일하기 때문에, 전체 소자를 통과하는 전류량은 하기 수학식 5와 같으며, 전자 제어 가능한 병렬 스위치(SP1, SP2......, SPn)와 연결되는 병렬 고정 커패시터(CP1, CP2......, CPn)가 병렬 기계식 진공 가변 커패시터(C1)에 비해 작은 경우 대부분의 RF 전류는 병렬 기계식 진공 가변 커패시터(C1)를 통해 흐르게 된다.
Figure pat00005
제1 직렬 커패시터 어레이(124-1) 또한 동일한 원리로 총 커패시턴스 및 전류량이 결정된다.
도 11과 같이 제1 매칭 회로(120-1)를 구성함으로써, 개별 스위치를 통과하는 RF 전류가 감소되고, 역으로 제1 매칭 회로(120-1) 전체의 허용 전류 량은 증가될 수 있다. 개별 스위치로 흐르는 RF 전류의 감소는 전자식 스위치의 내부 저항에 의한 전력의 열손실을 저감시키고 및 이로 인한 발열 문제를 개선할 수 있으며, 전반적인 제1 매칭 회로(120-1)의 동작 안정성 확보가 달성될 수 있다. 제2 매칭 회로(120-2) 또한 동일한 원리가 적용된다.
한편, 본 발명에 따른 임피던스 매칭 회로는 다양하게 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 14에 도시된 것과 같은 T자형 임피던스 매칭 회로에 본 발명에 따른 커패시터 어레이 구조가 적용될 수 있다. 도 14를 참고하면, 제1 매칭 회로(120-1)는, 제1 RF 전원(110-1) 및 접지에 결합된 고정 션트 커패시터(CS)와, 제1 RF 전원(110-1) 및 고정 션트 커패시터(CS)에 결합되고, 서로 병렬로 연결된 복수개의 커패시터들을 포함하는 제1 직렬 커패시터 어레이(122-1)와, 고정 션트 커패시터(CS) 및 디커플링부(30)에 결합되며, 서로 병렬로 연결된 복수개의 커패시터들을 포함하는 제2 직렬 커패시터 어레이(124-1)를 포함할 수 있다.
제1 직렬 커패시터 어레이(122-1)는 제1 기계식 진공 가변 커패시터(C1)와, 제1 기계식 진공 가변 커패시터에 병렬로 연결된 복수개의 제1 병렬 전자식 스위치 커패시터 모듈을 포함하고, 제2 직렬 커패시터 어레이(124-1)는, 제2 기계식 진공 가변 커패시터(C2)와, 제2 기계식 진공 가변 커패시터(C2)에 병렬로 연결된 복수개의 제2 병렬 전자식 스위치 커패시터 모듈을 포함한다. 제1 병렬 전자식 스위치 커패시터 모듈은 제1 고정 커패시터(C11, C12......, C1N) 및 제1 고정 커패시터(C11, C12......, C1N)에 직렬로 연결된 제1 스위치(S11, S12......, S1N)를 포함한다. 제2 병렬 전자식 스위치 커패시터 모듈은 제2 고정 커패시터(C12, C22......, C2N) 및 제2 고정 커패시터(C21, C22......, C2N)에 직렬로 연결된 제2 스위치(S21, S22......, S2N)를 포함한다.
또한, 본 발명의 실시예는 높은 전력 레벨의 동작 영역을 갖는 고속 정합을 위한 매칭 회로의 제어 방법을 제공한다.
도 12는 전력 공급 장치(2)에서 매칭 시스템의 구성을 도시한다. 도 12를 참고하면, 제1 RF 전원(110-1)이 동작하면 제1 매칭 회로(120-1)에 구비된 입력 센서는 입력 임피던스(ZIN)와 대응하는 반사 계수(Γ)를 측정한다. 이때 반사 계수(Γ)가 기준치 보다 높은 경우 제어기를 사용하여 플라즈마 부하(40)의 임피던스를 계산하여 제1 매칭 회로(120-1) 내의 임피던스(커패시턴스)를 조절한다. 임피던스 조절 후 반사 계수(Γ)가 기준치보다 낮은 경우 별도의 임피던스 조절 없이 공정을 수행한다. 공정 수행 중에도 입력 임피던스(ZIN)와 제1 RF 전원(110-1)의 출력이 정합되는지 여부를 모니터링하고, 반사 계수(Γ)가 기준치 보다 높은 경우 다시 임피던스를 조절하는 과정이 반복된다.
기계식 진공 가변 커패시터의 커패시턴스를 조절하는 방법의 경우, 기계식 조작에 의존하기 때문에 매칭 시간이 지연될 가능성이 높다. 따라서, 본 발명의 실시예는 공정 처리 챔버(3)의 공정 조건이 변경될 때 기계식 가변 커패시터의 커패시턴스는 미리 설정된 값으로 고정시킨 상태에서 전자식 스위치의 제어를 통해 신속한 매칭을 달성하는 방법을 제공한다.
즉, 본 발명에 따른 플라즈마 처리 설비(1)는 기판에 대한 공정 처리를 수행하는 공정 처리 챔버(3)와, 공정 처리 챔버(3)에 플라즈마를 형성하기 위한 전력을 공급하는 전력 공급 장치(2)를 포함한다. 전력 공급 장치(2)는, 제1 RF 신호를 생성하는 제1 RF 전원(110-1), 제1 RF 전원(110-1)에 연결된 제1 매칭 회로(120-1), 및 제1 RF 신호를 플라즈마 부하(40)로 전달하는 제1 전력 전달 회로(130-1)를 포함하는 제1 전력 공급부(10)와, 제2 RF 신호를 생성하는 제2 RF 전원(110-2), 제2 RF 전원(110-2)에 연결된 제2 매칭 회로(120-2), 및 제2 RF 신호를 플라즈마 부하(40)로 전달하는 제2 전력 전달 회로(130-2)를 포함하는 제2 전력 공급부(20)와, 제1 전력 공급부(10)와 제2 전력 공급부(20) 사이의 간섭을 제거하는 디커플링부(30)를 포함한다. 제1 매칭 회로(120-1) 및 제2 매칭 회로(120-2) 각각은 기계식 진공 가변 커패시터(C1 또는 C2) 및 기계식 진공 가변 커패시터(C1 또는 C2)에 대하여 병렬로 연결된 복수개의 전자식 스위치 커패시터 모듈(1220-1, 1220-2......, 1220-N 또는 1240-1, 1240-2......, 1240-N)을 포함하며, 공정 처리 챔버(3)의 공정 조건이 변경될 때 기계식 진공 가변 커패시터(C1 또는 C2)의 커패시턴스가 고정된 상태에서 전자식 스위치 커패시터 모듈(1220-1, 1220-2......, 1220-N 또는 1240-1, 1240-2......, 1240-N)의 제어를 통해 제1 매칭 회로(120-1) 및 제2 매칭 회로(120-2)의 임피던스가 조절된다.
본 발명에 따르면, 제1 매칭 회로(120-1)는, 제1 RF 전원(110-1) 및 접지에 결합되며 서로 병렬로 연결된 복수개의 커패시터들(C1, CP1, CP2......, CPn)을 포함하는 병렬 커패시터 어레이(122-1)와, 제1 RF 전원(110-1) 및 디커플링부(30)에 결합되며 병렬 커패시터 어레이(122-1)에 직렬로 연결된 복수개의 커패시터들(C2, CS1, CS2......, CSn)을 포함하는 직렬 커패시터 어레이(124-1)를 포함한다. 마찬가지로, 제2 매칭 회로(120-2)는, 제2 RF 전원(110-2) 및 접지에 결합되며 서로 병렬로 연결된 복수개의 커패시터들을 포함하는 제2 병렬 커패시터 어레이(122-1)와, 제2 RF 전원(110-2) 및 디커플링부(30)에 결합되며 제2 병렬 커패시터 어레이(122-1)에 직렬로 연결된 복수개의 커패시터들을 포함하는 제2 직렬 커패시터 어레이(124-1)를 포함할 수 있다.
제1 병렬 커패시터 어레이(122-1)는, 병렬 기계식 진공 가변 커패시터(C1)와, 병렬 기계식 진공 가변 커패시터(C1)에 병렬로 연결된 복수개의 병렬 전자식 스위치 커패시터 모듈(1220-1, 1220-2......,1220-N)을 포함한다. 제1 직렬 커패시터 어레이(124-1)는, 직렬 기계식 진공 가변 커패시터(C2)와, 직렬 기계식 진공 가변 커패시터(C2)에 병렬로 연결된 복수개의 직렬 전자식 스위치 커패시터 모듈(1240-1,1240-2......,1240-N)을 포함한다.
병렬 전자식 스위치 커패시터 모듈(1220-1,1220-2......,1220-N)은, 고정된 커패시턴스를 갖는 병렬 고정 커패시터(CP1, CP2......, CPn)와, 병렬 고정 커패시터(CP1, CP2......, CPn)에 직렬로 연결된 병렬 스위치(SP1, SP2......, SPn)를 포함한다. 직렬 전자식 스위치 커패시터 모듈(1240-1,1240-2......,1240-N)은, 고정된 커패시턴스를 갖는 직렬 고정 커패시터(CS1, CS2......, CSn)와, 직렬 고정 커패시터(CS1, CS2......, CSn)에 직렬로 연결된 직렬 스위치(SS1, SS2......, SSn)를 포함한다.
병렬 기계식 진공 가변 커패시터(C1)는 병렬 고정 커패시터(CP1, CP2......, CPn) 보다 큰 커패시턴스를 갖는다. 직렬 기계식 진공 가변 커패시터(C2)는 직렬 고정 커패시터(CS1, CS2......, CSn) 보다 큰 커패시턴스를 갖는다.
본 발명에 따르면, 병렬 기계식 진공 가변 커패시터(C1) 및 상기 직렬 기계식 진공 가변 커패시터(C2)의 커패시턴스는 미리 설정된 값으로 조절된다. 병렬 기계식 진공 가변 커패시터(C1) 및 상기 직렬 기계식 진공 가변 커패시터(C2)의 커패시턴스로 미리 설정된 값은 플라즈마 처리 설비(1)의 공정 기체의 종류, 유량, 압력, 또는 공급 전력에 의해 결정된다.
도 13a는 본 발명에 따른 플라즈마 처리 설비에 의해 수행되는 기판 처리 방법을 나타내는 흐름도이고, 도 13b는 본 발명에 따른 임피던스의 조절하는 과정을 나타내는 흐름도이다.
도 13a를 참고하면, 임피던스 매칭 회로(제1 매칭 회로(122-1) 및 제2 매칭 회로(122-2))의 임피던스를 조절하는 단계(S1301)와, 임피던스의 조절이 완료되면 기판에 대한 공정 처리를 수행하는 단계(S1302)를 포함한다.
도 13b을 참고하면, 임피던스 매칭 회로의 임피던스를 조절하는 단계(S1301)는, 기계식 진공 가변 커패시터(C1 및 C2)의 커패시턴스를 미리 설정된 값으로 조절하는 단계(S1310)와, 제1 매칭 회로(122-1) 및 제2 매칭 회로(122-2)입력 임피던스(ZIN)를 측정하는 단계(S1320)와, 플라즈마 부하(40)로부터의 반사 계수(Γ)가 기준 반사 계수보다 큰 지 여부를 판단하는 단계(S1330)와, 상기 반사 계수(Γ)가 기준 반사 계수보다 큰 경우 플라즈마 부하(40)의 임피던스(ZP)를 측정하는 단계(S1340)와, 플라즈마 부하(40)의 임피던스에 기반하여 복수개의 전자식 가변 커패시터 모듈(1220-1,1220-2......,1220-N 및 1240-1,1240-2......,1240-N)의 스위치 온-오프 제어를 통해 전자식 가변 커패시터 모듈(1220-1,1220-2......,1220-N 및 1240-1,1240-2......,1240-N)의 커패시턴스를 조절하는 단계(S1350)를 포함한다.
기계식 진공 가변 커패시터의 커패시턴스를 미리 설정된 값으로 조절하는 단계(S1310)에서, 병렬 기계식 진공 가변 커패시터(C1) 및 상기 직렬 기계식 진공 가변 커패시터(C2)의 커패시턴스가 미리 설정된 값으로 조절된다. 병렬 기계식 진공 가변 커패시터(C1) 및 상기 직렬 기계식 진공 가변 커패시터(C2)의 커패시턴스로 미리 설정된 값은 플라즈마 처리 설비(1)의 공정 기체의 종류, 유량, 압력, 또는 공급 전력에 의해 결정된다.
이후, 입력 임피던스(ZIN)를 측정하는 단계(S1320)가 수행된다. 여기서, 제1 매칭 회로(120-1)에 구비된 입력 센서가 입력 임피던스(ZIN)와 대응하는 반사 계수(Γ)가 측정된다.
입력 임피던스(ZIN)와 대응하는 반사 계수(Γ)를 측정한 후, 반사 계수(Γ)가 기준치보다 작은지 여부를 확인하는 단계(S1330)가 수행된다. 반사 계수(Γ)가 기준치보다 작은 경우, 공정 처리를 수행하면서 입력 임피던스(ZIN)를 측정하는 단계(S1320)가 반복될 수 있다.
반사 계수(Γ)가 기준치보다 크거나 같은 경우, 부하 임피던스(ZP)를 측정하는 단계(S1340) 및 입력 임피던스(ZIN)와 플라즈마 부하(40)의 임피던스(ZP)에 기반하여 복수개의 전자식 가변 커패시터 모듈(1220-1,1220-2......,1220-N 및 1240-1,1240-2......,1240-N)의 스위치 온-오프 제어를 통해 전자식 가변 커패시터 모듈(1220-1,1220-2......,1220-N 및 1240-1,1240-2......,1240-N)의 커패시턴스를 조절하는 단계(S1350)가 수행된다.
전자식 가변 커패시터 모듈(1220-1,1220-2......,1220-N 및 1240-1,1240-2......,1240-N)의 커패시턴스를 조절하는 단계(S1350)는, 플라즈마 부하(40)의 임피던스(ZP)에 기반하여 임피던스 조절 값을 계산하는 단계와, 임피던스 조절 값에 대응하는 커패시턴스를 갖는 전자식 가변 커패시터 모듈(1220-1,1220-2......,1220-N 및 1240-1,1240-2......,1240-N)의 스위치(SP1, SP2......, SPn 및 CS1, CS2......, CSn)를 턴-온 시키는 단계를 포함할 수 있다.
전자식 가변 커패시터 모듈(1220-1,1220-2......,1220-N 및 1240-1,1240-2......,1240-N)의 커패시턴스를 조절하는 방법으로서, 하나 또는 그 이상의 스위치를 온(On)시키고 나머지 스위치를 오프(Off) 시킬 수 있다. 스위치가 온(On)된 커패시터의 커패시턴스가 임피던스 매칭 회로의 임피던스에 합산되어 전체적인 매칭 회로의 임피던스가 조절된다.
즉, 병렬 기계식 진공 가변 커패시터(C1) 및 직렬 기계식 진공 가변 커패시터(C2)의 커패시턴스가 미리 설정된 값으로 고정된 상태에서 병렬 전자식 스위치 커패시터 모듈(1220-1,1220-2......,1220-N) 및 직렬 전자식 스위치 커패시터 모듈(1240-1,1240-2......,1240-N)의 스위치 제어를 통해 임피던스를 정합 시키도록 구성된다. 임피던스 정합이 완료되면, 공정 처리를 수행하면서 입력 임피던스(ZIN)를 측정하는 단계(S1320)가 반복된다.
본 실시예 및 본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
1: 플라즈마 처리 설비
2: 전력 공급 장치
3: 공정 처리 챔버
10: 제1 전력 공급부
20: 제2 전력 공급부
30: 디커플링부
40: 플라즈마 부하

Claims (20)

  1. RF(radio frequency) 신호를 생성하는 RF 전원에 병렬로 연결되는 병렬 커패시터 어레이; 및
    상기 RF 전원에 직렬로 연결되는 직렬 커패시터 어레이를 포함하고,
    상기 병렬 커패시터 어레이 또는 상기 직렬 커패시터 어레이는 기계식 진공 가변 커패시터 및 상기 기계식 진공 가변 커패시터에 대하여 병렬로 연결되는 전자식 스위치 커패시터 모듈을 포함하는, 임피던스 매칭 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 병렬 커패시터 어레이는,
    병렬 기계식 진공 가변 커패시터; 및
    상기 병렬 기계식 진공 가변 커패시터에 병렬로 연결된 복수개의 병렬 전자식 스위치 커패시터 모듈을 포함하고,
    상기 병렬 전자식 스위치 커패시터 모듈은,
    고정된 커패시턴스를 갖는 병렬 고정 커패시터; 및
    상기 병렬 고정 커패시터에 직렬로 연결된 병렬 스위치를 포함하는, 임피던스 매칭 회로.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 병렬 기계식 진공 가변 커패시터는 상기 병렬 고정 커패시터 보다 큰 커패시턴스를 갖는, 임피던스 매칭 회로.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 직렬 커패시터 어레이는,
    직렬 기계식 진공 가변 커패시터; 및
    상기 직렬 기계식 진공 가변 커패시터에 병렬로 연결된 복수개의 직렬 전자식 스위치 커패시터 모듈을 포함하고,
    상기 직렬 전자식 스위치 커패시터 모듈은,
    고정된 커패시턴스를 갖는 직렬 고정 커패시터; 및
    상기 직렬 고정 커패시터에 직렬로 연결된 직렬 스위치를 포함하는, 임피던스 매칭 회로.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 직렬 기계식 진공 가변 커패시터는 상기 직렬 고정 커패시터 보다 큰 커패시턴스를 갖는, 임피던스 매칭 회로.
  6. 제1 RF(radio frequency) 신호를 생성하는 제1 RF 전원, 제1 RF 전원에 연결된 제1 매칭 회로, 및 상기 제1 RF 신호를 플라즈마 부하로 전달하는 제1 전력 전달 회로를 포함하는, 제1 전력 공급부;
    제2 RF 신호를 생성하는 제2 RF 전원, 제2 RF 전원에 연결된 제2 매칭 회로, 및 상기 제2 RF 신호를 상기 플라즈마 부하로 전달하는 제2 전력 전달 회로를 포함하는 제2 전력 공급부; 및
    상기 제1 전력 공급부와 상기 제2 전력 공급부 사이의 간섭을 제거하는 디커플링부를 포함하고,
    상기 제1 매칭 회로 및 상기 제2 매칭 회로는 각각 기계식 진공 가변 커패시터 및 상기 기계식 진공 가변 커패시터에 대하여 병렬로 연결된 복수개의 전자식 스위치 커패시터 모듈을 포함하는, 플라즈마 처리 설비의 전력 공급 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 디커플링부는,
    상기 제1 매칭 회로와 상기 제1 전력 전달 회로 사이에 연결된 제1 디커플링 인덕터;
    상기 제1 매칭 회로와 상기 제1 전력 전달 회로 사이에 연결되고 상기 제1 디커플링 인덕터와 상호 자기 결합되는 제2 디커플링 인덕터; 및
    상기 제1 매칭 회로 및 상기 제2 매칭 회로에 연결된 디커플링 커패시터를 포함하는, 전력 공급 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제1 매칭 회로는,
    상기 제1 RF 전원 및 접지에 결합되며, 서로 병렬로 연결된 복수개의 커패시터들을 포함하는 제1 병렬 커패시터 어레이; 및
    상기 제1 RF 전원 및 상기 디커플링부에 결합되며, 상기 병렬 커패시터 어레이에 직렬로 연결된 복수개의 커패시터들을 포함하는 제1 직렬 커패시터 어레이를 포함하고,
    상기 제2 매칭 회로는,
    상기 제2 RF 전원 및 접지에 연결되며, 서로 병렬로 연결된 복수개의 커패시터들을 포함하는 제2 병렬 커패시터 어레이; 및
    상기 제2 RF 전원 및 상기 전력 전달 회로에 연결되며, 상기 제2 병렬 커패시터 어레이에 직렬로 연결된 복수개의 커패시터들을 포함하는 제2 직렬 커패시터 어레이를 포함하는, 전력 공급 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 병렬 커패시터 어레이는,
    병렬 기계식 진공 가변 커패시터; 및
    상기 병렬 기계식 진공 가변 커패시터에 병렬로 연결된 복수개의 병렬 전자식 스위치 커패시터 모듈을 포함하고,
    상기 제1 직렬 커패시터 어레이는,
    직렬 기계식 진공 가변 커패시터; 및
    상기 직렬 기계식 진공 가변 커패시터에 병렬로 연결된 복수개의 직렬 전자식 스위치 커패시터 모듈을 포함하는, 전력 공급 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 병렬 전자식 스위치 커패시터 모듈은,
    고정된 커패시턴스를 갖는 병렬 고정 커패시터; 및
    상기 병렬 고정 커패시터에 직렬로 연결된 병렬 스위치를 포함하고,
    상기 직렬 전자식 스위치 커패시터 모듈은,
    고정된 커패시턴스를 갖는 직렬 고정 커패시터; 및
    상기 직렬 고정 커패시터에 직렬로 연결된 직렬 스위치를 포함하는, 전력 공급 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 병렬 기계식 진공 가변 커패시터는 상기 병렬 고정 커패시터 보다 큰 커패시턴스를 갖고,
    상기 직렬 기계식 진공 가변 커패시터는 상기 직렬 고정 커패시터 보다 큰 커패시턴스를 갖는, 전력 공급 장치.
  12. 제6항에 있어서,
    상기 제1 매칭 회로는,
    상기 제1 RF 전원 및 접지에 결합된 고정 션트 커패시터;
    상기 제1 RF 전원 및 상기 고정 션트 커패시터에 결합되고, 서로 병렬로 연결된 복수개의 커패시터들을 포함하는 제1 직렬 커패시터 어레이; 및
    상기 고정 션트 커패시터 및 상기 디커플링부에 결합되며, 서로 병렬로 연결된 복수개의 커패시터들을 포함하는 제2 직렬 커패시터 어레이를 포함하는, 전력 공급 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 직렬 커패시터는, 제1 기계식 진공 가변 커패시터 및 상기 제1 기계식 진공 가변 커패시터에 병렬로 연결된 복수개의 제1 병렬 전자식 스위치 커패시터 모듈을 포함하고,
    상기 제2 직렬 커패시터는, 제2 기계식 진공 가변 커패시터 및 상기 제2 기계식 진공 가변 커패시터에 병렬로 연결된 복수개의 제2 병렬 전자식 스위치 커패시터 모듈을 포함하고,
    상기 제1 병렬 전자식 스위치 커패시터 모듈은 제1 고정 커패시터 및 상기 제1 고정 커패시터에 직렬로 연결된 제1 스위치를 포함하며,
    상기 제2 병렬 전자식 스위치 커패시터 모듈은 제2 고정 커패시터 및 상기 제2 고정 커패시터에 직렬로 연결된 제2 스위치를 포함하는, 전력 공급 장치.
  14. 기판에 대한 공정 처리를 수행하는 공정 처리 챔버; 및
    상기 공정 처리 챔버에 플라즈마를 형성하기 위한 전력을 공급하는 전력 공급 장치를 포함하고,
    상기 전력 공급 장치는,
    제1 RF(radio frequency) 신호를 생성하는 제1 RF 전원, 제1 RF 전원에 연결된 제1 매칭 회로, 및 상기 제1 RF 신호를 플라즈마 부하로 전달하는 제1 전력 전달 회로를 포함하는, 제1 전력 공급부;
    제2 RF 신호를 생성하는 제2 RF 전원, 제2 RF 전원에 연결된 제2 매칭 회로, 및 상기 제2 RF 신호를 상기 플라즈마 부하로 전달하는 제2 전력 전달 회로를 포함하는, 제2 전력 공급부; 및
    상기 제1 전력 공급부와 상기 제2 전력 공급부 사이의 간섭을 제거하는 디커플링부를 포함하고,
    상기 제1 매칭 회로 및 상기 제2 매칭 회로 각각은 기계식 진공 가변 커패시터 및 상기 기계식 진공 가변 커패시터에 대하여 병렬로 연결된 복수개의 전자식 가변 커패시터 모듈을 포함하고,
    상기 공정 처리 챔버의 공정 조건이 변경될 때 상기 기계식 진공 가변 커패시터의 커패시턴스가 고정된 상태에서 상기 전자식 가변 커패시터 모듈의 제어를 통해 상기 제1 매칭 회로 및 상기 제2 매칭 회로의 임피던스가 조절되는 플라즈마 처리 설비.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1 매칭 회로는,
    서로 병렬로 연결된 복수개의 커패시터들을 포함하는 제1 병렬 커패시터 어레이; 및
    상기 병렬 커패시터 어레이에 직렬로 연결된 복수개의 커패시터들을 포함하는 제1 직렬 커패시터 어레이를 포함하고,
    상기 제2 매칭 회로는,
    서로 병렬로 연결된 복수개의 커패시터들을 포함하는 제2 병렬 커패시터 어레이; 및
    상기 제2 병렬 커패시터 어레이에 직렬로 연결된 복수개의 커패시터들을 포함하는 제2 직렬 커패시터 어레이를 포함하는 플라즈마 처리 설비.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 병렬 커패시터 어레이는,
    병렬 기계식 진공 가변 커패시터; 및
    상기 병렬 기계식 진공 가변 커패시터에 병렬로 연결된 복수개의 병렬 전자식 스위치 커패시터 모듈을 포함하고,
    상기 제1 직렬 커패시터 어레이는,
    직렬 기계식 진공 가변 커패시터; 및
    상기 직렬 기계식 진공 가변 커패시터에 병렬로 연결된 복수개의 직렬 전자식 스위치 커패시터 모듈을 포함하는 플라즈마 처리 설비.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 병렬 전자식 스위치 커패시터 모듈은,
    고정된 커패시턴스를 갖는 병렬 고정 커패시터; 및
    상기 병렬 고정 커패시터에 직렬로 연결된 병렬 스위치를 포함하고,
    상기 직렬 전자식 스위치 커패시터 모듈은,
    고정된 커패시턴스를 갖는 직렬 고정 커패시터; 및
    상기 직렬 고정 커패시터에 직렬로 연결된 직렬 스위치를 포함하고,
    상기 병렬 기계식 진공 가변 커패시터는 상기 병렬 고정 커패시터 보다 큰 커패시턴스를 갖고,
    상기 직렬 기계식 진공 가변 커패시터는 상기 직렬 고정 커패시터 보다 큰 커패시턴스를 갖는 플라즈마 처리 설비.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 병렬 기계식 진공 가변 커패시터 및 상기 직렬 기계식 진공 가변 커패시터의 커패시턴스는 미리 설정된 값으로 조절되고,
    상기 미리 설정된 값은 상기 플라즈마 처리 설비의 공정 기체의 종류, 유량, 압력, 또는 공급 전력에 의해 결정되고,
    상기 공정 처리 챔버의 공정 조건이 변경될 때 상기 병렬 기계식 진공 가변 커패시터 및 상기 직렬 기계식 진공 가변 커패시터의 커패시턴스가 상기 미리 설정된 값으로 고정된 상태에서 상기 병렬 전자식 스위치 커패시터 모듈 및 상기 직렬 전자식 스위치 커패시터 모듈의 스위치 제어를 통해 임피던스가 정합되도록 구성되는 플라즈마 처리 설비.
  19. 제14항에 따른 플라즈마 처리 설비에 의해 수행되는 기판 처리 방법에 있어서,
    상기 제1 매칭 회로 및 상기 제2 매칭 회로의 임피던스를 조절하는 단계; 및
    상기 임피던스의 조절이 완료되면 상기 기판에 대한 공정 처리를 수행하는 단계를 포함하고,
    상기 임피던스를 조절하는 단계는,
    상기 기계식 진공 가변 커패시터의 커패시턴스를 미리 설정된 값으로 조절하는 단계;
    상기 제1 매칭 회로 및 상기 제2 매칭 회로의 입력 임피던스를 측정하는 단계;
    상기 플라즈마 부하로부터의 반사 계수가 기준 반사 계수보다 큰 지 여부를 판단하는 단계;
    상기 반사 계수가 기준 반사 계수보다 큰 경우 상기 플라즈마 부하의 임피던스를 측정하는 단계; 및
    상기 플라즈마 부하의 임피던스에 기반하여 상기 복수개의 전자식 가변 커패시터 모듈의 스위치 온-오프 제어를 통해 상기 전자식 가변 커패시터 모듈의 커패시턴스를 조절하는 단계를 포함하는, 기판 처리 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 전자식 가변 커패시터 모듈의 커패시턴스를 조절하는 단계는,
    상기 플라즈마 부하의 임피던스에 기반하여 임피던스 조절 값을 계산하는 단계; 및
    상기 임피던스 조절 값에 대응하는 커패시턴스를 갖는 상기 전자식 가변 커패시터 모듈의 스위치를 턴-온 시키는 단계를 포함하는, 기판 처리 방법.
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