고주파 전원 장치 document_id A220623039812

본 발명은, 예를 들면 플라즈마 에칭과 플라즈마 CVD를 수행하는 플라즈마 처리장치와 같은 부하에 전력을 공급하는 고주파 전원 장치에 관한 것이다. 고주파 전력을 사용하여 발생하는 플라즈마를 이용하여 웨이퍼(wafer), 액정기판 또는 이와 유사한 것과 같은 처리될 대상을 처리하는(플라즈마 에칭, 플라즈마 CVD 등) 플라즈마 처리시스템으로서, 도 6에 도시된 것처럼 상이한 주파수의 고주파 전력을 사용하는 플라즈마 처리 시스템이 알려져 있다. 도 6은 상이한 주파수의 고주파 전력을 사용하는 플라즈마 처리시스템의 연결관계를 보여주는 블록도이다. 도 6에서, 통상의 제1 고주파 전원 장치(50)는 송신선(2), 제1 정합기(3) 및 접속부(4)를 통하여 부하(5)에 제1 고주파 전력(이하 제1 고주파라 한다)을 공급하는 전원장치이다. 제1 고주파 전원 장치(50)의 출력 주파수는 제1 주파수(f1)로, 제1 주파수의 주기는 t1으로 나타낸다. 나아가 제2 고주파 전원 장치(6)는 송신선(7), 제2 정합기(8) 및 접속부(9)를 통하여 부하(5)에 제2 고주파 전력(이하 제2 고주파라 한다)을 공급하는 전원장치이다. 제2 고주파 전원장치(6)의 출력 주파수는 제2 주파수(f2)로, 제2 주파수의 주기는 t2로 나타낸다. 제1 주파수는 제2 주파수보다 더 높다. 예를 들면, 제1 주파수의 경우에 13.56 MHz, 27.12 MHz, 40.68 MHz등과 같은 주파수가 사용된다. 나아가 제2 주파수의 경우에는 400 KHz, 2 MHz 등이 사용된다. 이와 같이 상기한 종류의 고주파 전원 장치는 일반적으로 몇백 KHz보다 높은 주파수의 고주파 전력을 출력한다. 제1 고주파 전원 장치(50)로부터 출력되는 제1 고주파는 주로 부하(5)에서 플라즈마를 발생시키는데 이용된다. 또한 제2 고주파 전원 장치(6)로부터 출력되는 제2 고주파는 부하(5)에서 일련의 공정(플라즈마 에칭, 플라즈마 CVD 등)을 효율적으로 수행하기 위한 바이어스(bias)로 사용된다. 2개의 고주파 전원 장치로부터 출력되는 2가지 종류의 고주파들은 중첩되고, 중첩된 고주파들은 부하(5)내 전극에 인가된다. 고주파 전원장치의 출력을 제어하기 위해서, 출력되는 진행파 전력을 소정 레벨로 각각 제어하는 방법 또는 진행파 전력으로부터 반사파 전력 차감에 의해 얻어지는 부하측 전력을 소정 레벨로 제어하는 방법이 사용된다. 이제부터 고주파 전원 장치(50), 정합기(3), 부하(5)를 주로 설명하겠다. 정합기(3)는 정합기(3)의 입력단(301)으로부터 송신선(2)을 경유하여 고주파 전원 장치(50)를 바라볼 때의 전원측 임피던스 Zo(통상, 50Ω)와 정합기(3)의 입력단으로부터 부하(5)측을 바라볼 때의 부하측 임피던스 ZL(정합기(3), 부하(5)에 대한 접속부(4) 및 부하(5)의 임피던스)을 일치시킴으로써 고주파 전원 장치와 부하(5)간의 임피던스를 맞추기 위해 사용되는 장치이다. 정합기(3)는 도면에 도시되지 않은 가변 임피던스 소자(예를 들면 가변콘덴서, 가변인덕터 등)를 그 내부에 포함하며, 고주파 전원 장치(50)와 부하(5)간의 임피던스를 맞추기 위해 가변 임피던스 소자의 임피던스를 변화시키는 기능을 갖는다. 보다 구체적으로는, 고주파 전원 장치(50)의 출력단(501)로부터 고주파 전원 장치(50)를 바라볼 때의 임피던스(출력 임피던스)를 예를 들어 50Ω이라 가정하고, 고주파 전원 장치가 50Ω의 특성 임피던스를 가지는 송신선(2)으로 임피던스 정합기(3)의 입력단자에 접속된다고 가정하면, 임피던스 정합기(3)는 임피던스 정합기(3)의 입력단자(301)로부터 부하(5)쪽으로 바라볼 때의 부하측 임피던스(ZL)를 50Ω으로 변환하도록 가변 임피던스 소자의 임피던스를 변화시킨다. 부하(5)는 일반적으로 플라즈마 처리장치라고 칭하고, 챔버(chamber)로 이송될 웨이퍼 또는 액정기판과 같이 처리될 대상을 처리 또는 작업(에칭, CVD 이와 유사한 것)하기 위하여 그 내부에 전극을 구비하는 챔버를 가진 장치이다. 부하(5)는 처리될 대상을 처리 또는 작업하기 위하여 플라즈마 방전 가스를 챔버내에 도입하고, 2개의 고주파 전원 장치로부터 공급된 고주파 전력(전압)을 그 내부의 전극에 인가하여, 전극사이에 고주파 전계를 생성하고, 플라즈마 방전 가스를 방출하고, 플라즈마 상태를 만든다. 다음으로 이 플라즈마는 처리될 대상을 처리하기 위하여 채용된다. 지금부터는 고주파 전원 장치(50)의 구조에 대해서 이하 설명된다. 도 7은 일반적인 고주파 전원 장치의 구조적 예를 나타내는 블록도이다. 증폭부(52)는 직류 전원부(51)로부터 공급되는 직류 전력을 이용하여, 발진부(59)로부터 출력된 발진신호(Vin)를 증폭하고 무선주파수 대역의 출력주파수를 갖는 고주파 전력을 출력한다. 증폭부(52)에서 증폭되는 고주파 전력은 주로 높은 고조파(harmonic wave)를 제거하기 위한 필터부(53)와 방향성 결합기(54)를 통해 부하(5)에 공급된다. 또한, 진행파 전력값(Pf)은 방향성결합기(54)에서 감지되는 진행파 전압에 따라 진행파전력연산부(55)에서 계산된다. 출력전력제어부(58)는 출력전력 설정부(57)에서 설정된 고주파 전력의 출력 전력 설정값(Pset)과 두 값이 서로 동일하도록, 진행파전력연산부에서 연산된 진행파전력값(Pf)을 비교하여 발진부의 발진신호(Vin)의 출력 레벨을 제어한다. 즉, 출력전력제어부는 발진부의 발진신호(Vin)의 출력레벨을 제어하여 고주파전력의 출력이 상수가 되도록 제어한다. 고주파 전력장치는 반사파전력값(Pr)이 방향성결합기(54)에서 검출되는 반사파전압으로부터 연산되고, 연산된 진행파 전력값(Pf)에서 반사파 전력값(Pr)을 차감함으로써 얻어지는 연산된 부하측 전력값은 상수가 되도록 제어되는 방식으로 구성된다. 이러한 고주파 전원 장치는 JP-A-2003-143861에서 개시되어 있다. 도 8은 플라즈마가 부하(5)의 챔버내에서 생성될 때의 이미지 도이다. 도 8에서 볼 수 있듯이, 고주파 전력(전압)이 플라즈마를 생성하기 위해 2개의 고주파 전원 장치들로부터 챔버내의 전극에 인가될 때, 도전성 플라즈마와 절연 시스(sheath)가 전극사이에 형성된다. 도 8에서, 플라즈마의 주변을 둘러싸고 있는 직사각형의 형태는 접지측 전극으로서 표현되어 있다. 도 9는 플라즈마가 챔버내에서 생성될 때의 부하(5)의 전기적 등가 회로를 나타내고 있다. 상술한 것처럼, 플라즈마가 도전성이고 시스가 절연특성이 있기 때문에, 도 9에서 도시된 것처럼 플라즈마의 손실부는 저항으로서 표현될 수 있고 외장은 콘덴서로 표현될 수 있다. 이제, 상이한 출력주파수를 갖는 고주파 전원 장치(50와 6)중 복수개(예를 들면 2개)가 도 9에서 도시된 전기적 등가 회로를 사용함으로써 일 부하(5)에게 고주파 전력을 공급할 경우 상황이 설명될 것이다. 일반적으로, 2개의 고주파 전원장치가 사용되는 경우, 바이어스를 위한 제2 고주파(제2 주파수)는 제1 고주파(제1 주파수)보다 낮다. 이러한 경우, 2개의 고주파 전원 장치의 출력 주파수간의 큰 차이가 있을 때, 제2 고주파는 제1 고주파 전원 장치(50)의 측에서 생성될 아주 큰 반사파를 생성되도록 한다. 특히, 도 9의 등가회로에서 나타나듯이, 시스가 콘덴서라고 가정하면, 콘덴서에 걸린 전압은 고주파 전원장치(50과 6) 둘다로부터 출력된 고주파의 영향으로 인하여 변화한다. 그러나 제1 주파수가 제2 주파수보다 높기 때문에, 콘덴서에 걸리는 전압은 마치 전압이 제2 주파수에 의해 조정되는 것처럼 변화한다. 결과적으로 시스의 두께는 제2 주파수와 같은 주기에 의해 변화한다. 이러한 현상이 도 9에서 보여지는 등가회로에서 생긴다고 할 때, 그 현상은 콘덴서의 전극사이의 간극의 변화에 대응한다. 따라서 콘덴서의 용량(커패시티)은 변한다. 게다가, 플라즈마 상태는 시스의 상태의 변화에 따라 함께 바뀌기 때문에, 부하(5)의 임피던스는 마치 임피던스가 제2 주파수에 의해 조정되는 것처럼 변화한다. 따라서 제1 고주파 전원 장치(50)로부터 출력된 진행파의 일부는 제2 주파수의 것과 동일한 주기를 가지게 되는 변조의 영향으로 반사되기 때문에, 반사파가 발생한다. 이 경우, 제1 정합기(3)는 제2 주파수의 조정에 따라 임피던스를 적절히 일치시킬 것이다. 그러나 상술한 것처럼, 제1 정합기(3)가 임피던스를 일치시키기 위하여, 가변 임피던스 소자(예를 들면, 가변 컨덴서나 가변 인덕터 등)를 구동하므로, 제1 정합기는 제2 주파수의 변조와 같은 빠른 변화에 따라갈 수 없다. 그러므로 반사파는 감소될 수 없다. 따라서, 발생된 반사파는 제1차 고주파 전원 장치(50)측으로 돌아간다. 게다가, 제1 고주파가 제2 고주파에 의해 변조되는 현상 같은 현상으로 인해 반사파가 발생하기 때문에, 반사파의 주파수 성분은 제1 주파수를 주성분으로 제2 주파수를 그위에 올려진 스퓨리어스(spurious) 성분으로 포함한다. 따라서 반사파의 주파수 성분의 대부분은 제1 주파수와 제1 주파수 인근의 주파수가 차지한다. 도 10은 상이한 출력 주파수를 가지는 두개의 고주파 전원장치가 일 부하(5)에 고주파 전력을 공급할 때, 더 높은 출력 주파수를 가지는 제1 고주파 전원 장치(50)의 출력단에서 검출되는 진행파와 반사파의 모의실험의 한 예를 보여준다. 제1 고주파 전원 장치(50)로부터 출력되는 진행파 전력의 설정값은 3000[W]이다. 도 10에서, 도 10a는 제1 고주파 전원장치(50)의 출력단에서의 진행파 전압을 도시한다. 도 10b는 제1 고주파 전원장치(50)의 출력단에서의 반사파 전압을 도시한다. 도 10c는 도 10a에서 도시된 진행파 전압의 주파수 성분의 제1 주파수의 부근의 주파수 성분을 도시해준다. 도 10d는 도 10b에서 도시된 반사파 전압의 주파수 성분의 제1 주파수의 부근의 주파수 성분을 도시한다. 상술한 것처럼, 상이한 출력 주파수를 가지는 복수개의 고주파 전원 장치가 도시된 하나의 부하(5)에 고주파 전력을 공급할 때, 예를 들면, 도 10b에서 도시된 반사파 전압이 높은 출력 주파수를 가지는 고주파 전원장치 측에서 발생한다. 이 경우 반사파 전력은 어떤 모델의 경우 약 950[W]이다. 이것은 출력 전력의 약 30%정도나 되는 상당히 많은 비율이다. 게다가, 이 경우 그러한 영향이 진행파에 의해서 도 10a에서 도시된 것과 같은 진행파 전압이 얻어진다. 게다가, 그러한 경우 진행파 전압과 반사파 전압의 제1차 주파수의 근처에 있는 주파수 성분은 각각 도 10c와 도 10d에서 도시된다. 즉, 도 10의 예의 경우, 제1 주파수가 진행파 전압의 주파수 성분을 실질적으로 점유하는 것으로 이해된다. 한편으로는, 상술한 것처럼 반사파 전압의 주파수 성분은 주성분인 제1 주파수 및 그 위에 올려진 스퓨리어스 성분인 제2 주파수를 포함하고 있다고 이해된다. 그 결과, 도 10b에 도시된 것처럼, 반사된 전압은 제2차 주파수의 주기(t2)내에서 변화한다. 고주파 전원장치에서, 필터부(53)는 보통 도 7에 도시된 것과 같이 출력 측에 제공된다. 그러나, 필터부(53)는 주성분인 제1 주파수에 대한 더 높은 고조파 성분을 제거하기 위한 로우 패스 필터이기 때문에, 필터부(53)는 제1 주파수 인근에 있는 주파수 성분을 제거할 수 없다. 따라서, 필터부는 주성분인 제1 주파수의 스퓨리어스 성분인 제2차 주파수의 성분을 제거할 수 없다. 결과적으로, 발생된 반사파가 제1 고주파 전원 장치(50)의 필터를 지나 고주파 전원장치(50)로 들어감으로써, 고주파 전원장치 내의 증폭소자에 악영향을 주게 된다. 게다가, 발생된 반사파 전력은 상술된 출력의 약 30%에 달하게 되기 때문에, 반사파는 큰 영향을 주게 되고, 때때로 고주파 전원 장치내 증폭소자를 파손하기도 한다. 다른 한편, 제2 고주파 전원장치(6) 측에서 볼 때, 제1 주파수의 주파수 성분을 가지는 반사파가 고주파 전원장치 측으로 돌아간다. 그러나 고주파 전원장치에서 제공되는 필터가 주성분인 제2 주파수에 대한 더 높은 고조파를 제거시키는 로우패스필터이기 때문에, 필터는 제1 주파수의 주파수 성분을 제거할 수 있다. 따라서, 제2 고주파 전원 장치(6)측은 제1 고주파 전원 장치(50)로부터 출력된 제1 주파수의 영향을 거의 받지 않는다. 위에 기술된 바와 같이, 상이한 출력 주파수를 가지는 복수개의 고주파 전원 장치가 하나의 부하(5)에 고주파 전력을 공급하는 경우에, 높은 출력 주파수를 가지는 고주파전원 장치가 낮은 출력 주파수를 가지는 고주파 전원 장치의 영향에 의한 반사파 때문에 그 내부의 증폭 소자에 대해 악영향을 받게 되는 문제가 발생하게 된다.