多重电压控制方法及多重电压控制方式的高频电源装置

技术领域

本发明涉及在点火(Ignition)步骤或者匹配动作开始之后将不稳定匹配现象(mismatching aspect)最小化并且解决因为反射波而停止工艺或者主要构件受损的问题的用于消除不稳定匹配现象的多重电压控制方法及多重电压控制方式的高频电源装置。

背景技术

等离子放电用于激发气体，以生成包含离子、自由基、原子和分子的活性气体。活性气体广泛用于各种领域，并且通常用于大屏幕显示器制造工艺或半导体制造工艺等中，例如，在诸如蚀刻(Etching)、CVD(Chemical Vapor Deposition，化学气相沉积)、灰化(Ashing)等的工艺中使用。

图1是示例常规的等离子供电系统的框图。参照图1，用于产生等离子的设备大致由供应电力的等离子电源10、用于供应最大电力的阻抗匹配盒20、等离子负载30构成。等离子电源10由高频振荡的RF振荡器(RF Generator)构成；阻抗匹配盒20匹配等离子电源10的输出端阻抗和等离子负载30(例如，诸如处理腔室，因为工艺种类或者内部环境变化导致阻抗不固定而是发生变化的负载)的阻抗，以向处理腔室内施加所需的高频电源。

通常，等离子电源10的输出端阻抗大致固定在50欧姆(ohm)，然而与此相反等离子负载30的阻抗可发生多样的变化。阻抗匹配盒20根据负载的阻抗变化改变阻抗，以匹配等离子电源10和处理腔室之间的阻抗，进而从等离子负载30减少反射波，防止RF发射器受损，可在处理腔室内没有损失地完全使用高频的RF功率。

根据等离子负载30的阻抗变化向等离子电源10侧反射的反射波是必然存在的，尤其是在等离子点火时形成非常高的反射波。但是，大部分的高频电源装置为了稳定点火(Ignition)执行急剧提高输出电压的电源冲击(Power Striking)动作，忽略点火动作时的反射波。

韩国授权专利第10-1124789号的“真空装置用异常放电抑制装置”具有：功率控制部，基于功率指令值和功率反馈值的偏差控制高频电源；断电控制部，基于等离子反应室内异常放电的检测切断从高频电源向等离子反应室供电。然而，在该现有文献的权利要求9记载了断电控制禁止部，在点火模式区间禁止检测电弧直到等离子点火。

即，上述的现有文献的目的在于，即使在点火动作中检测到反射波(即，检测到电弧)，也强制保持电源冲击动作，进而执行稳定的点火动作，但是出现如下的问题。

如上所述的强制性电源冲击动作为因为在点火步骤中的匹配不稳定现象发生反射波，该反射波反向进入电源装置侧，可破坏作为功率放大器的重要元件的FET等半导体切换元件。

为了防止该问题需调整传输的功率量，然而基于功率指令值和反馈值的偏差的控制方式是在发生反射波之后调节功率的结构，因此存在在调节传输功率之前因为反射波导致重要元件受损的问题。

更进一步地，在上述的现有文献中为了防止诸如FET的重要构件受损需停止点火动作，但是这存在引起诸如工艺中断的经济损失的问题。

(现有技术文献)

(专利文献)

韩国授权专利第10-1124789号

发明内容

(要解决的问题)

本发明的目的在于提供一种多重电压控制方法及多重电压控制方式的高频电源装置，与从等离子负载反射的反射波的量或者驻波比(VSWR)计算值相对应来多重控制在电源冲击动作中提供于功率放大器的直流电压，进而消除在点火步骤或者匹配动作开始之后的阻抗不匹配(Mismatching)现象，并且可解决因为反射波导致主要构件受损或者工艺中断的问题。

(解决问题的手段)

本发明的一实施例的多重电压控制方法包括如下步骤：(a)开始对等离子负载供应高频电源；(b)执行持续高频电源的输出而提高该输出的电源冲击动作；(c)检测从所述等离子负载向高频电源侧反射的反射波，判断与所述反射波的量相对应的对应反射波损失量是否大于第一设定值；(d)在满足所述步骤(c)的情况下，将供应于所述高频电源的RF功率放大器的直流电压的VDD大小限制在第一极限；(e)在所述步骤(d)之后，判断所述对应反射波损失量是否小于第二设定值，所述第二设定值小于所述第一设定值；及(f)若满足所述步骤(e)，则再次执行所述步骤(b)的电源冲击动作。

本发明的一实施例的多重电压控制方式的高频电源装置为对等离子负载供应高频电源的高频电源装置，包括：高频电力发生装置，生成所述高频电源；检测模块，设置在所述高频电力发生装置的输出端，并且检测朝向所述等离子负载的行波成分和从所述等离子负载反射的反射波成分；比较模块，从所述检测模块的检测值比较所述行波成分和所述反射波成分，提取与所述反射波成分的量相对应的对应反射波损失量；计算模块，将所述对应反射波损失量分别与提前设定的第一设定值及小于所述第一设定值的第二设定值对比来进行计算；多重控制模块，根据所述计算模块的输出在电源冲击模式和第一VDD限制模式之间进行转换控制，所述电源冲击模式为持续提高所述高频电力发生装置的输出，所述第一VDD限制模式将供应于所述高频电力发生装置的直流电压的VDD的大小限制在提前设定的第一极限；DC模块，根据所述多重控制模块的控制，控制输入于RF功率放大器的直流电压的VDD的大小。

(发明的效果)

根据本发明的多重电压控制方法及多重电压控制方式的高频电源装置，检测从等离子负载反射的反射波，根据与反射波的量相对应的对应反射波损失量转换电源冲击模式及VDD限制模式来进行多重控制，所述VDD限制模式为控制供应于功率放大器的直流电压，进而具有消除点火步骤或者匹配动作开始之后的阻抗不匹配(Mismatching)现象，并且可解决因为反射波导致主要构件受损或者工艺中断的问题的效果。

附图说明

图1是示例常规的等离子电源供应系统的框图；

图2是示例本发明的高频电源装置的框图；

图3是根据本发明示出功率放大器的直流电压控制结构的框图；

图4是示例本发明的电压控制方法的流程图；及

图5是示例本发明的电压控制方法的曲线图。

(附图标记说明)

100：高频电力发生装置 102：RF功率放大器

110：检测模块 120：比较模块

130：计算模块 140：多重控制模块

150：DC模块 152：整流器

154：DC-DC转换器 156：DC-DC控制器

200：匹配装置 300：等离子负载

具体实施方式

参照以下的说明及附图，可更加明确理解本发明的附加目的、特征及优点。

在详细说明本发明之前，本发明可谋求各种改变，并且可具有各种实施例，在以下说明并且在附图示出的示例并不是要将本发明限定于特定的实施形态，而是应该理解为包括在本发明的思想及技术范围内包括的所有改变、同等物乃至代替物。

在说明某一构件“连接”或者“接触”于另一构件时，可以是直接连接或者接触于其另一构件，但是也应该理解为中间也可存在其他构件。相反，在说明某一构件“直接连接”或者“直接接触”于另一构件时，应该理解为中间不存在其他构件。

在本说明书中使用的用语只是为了说明特定的实施例而使用的，并没有要限定本发明的意图。针对单数的表述，除非在文章中有明确定义，否则包括复数的表述。在本说明书中，针对“包括”或者“具有”等的用语，应该理解为只是要指定在说明书上记载的特征、数字、步骤、动作、构件、零部件或者这些的组合的存在，并不提前排出一个或者一个以上的其他特征、数字、步骤、动作、构件、零部件或者这些的组合的存在或者附加可能性。

另外，在说明书记载的“…部”、“…单元”、“…模块”等的用语是指处理至少一个功能或者动作的单位，这可通过硬件、软件或者硬件和软件的组合实现。

另外，在参照附图的说明中，不论附图标记，针对相同的构件赋予相同的参照附图标记，据此省略重复的说明。在对本发明的说明中，若判断针对相关公知技术的说明使本发明不清楚的情况下，将省略其详细说明。

另外，在本原说明书全文中，在某一步骤在另一步骤“上”或者“之前”时，这不仅是某一步骤和另一步骤具有直接的时间序列关系的情况，还包括在两个步骤的顺序上可颠倒时间序列顺序的间接时间序列的情况(诸如，各个步骤之后的混合的步骤)，并且两者具有相同的权利范围。

图2是示例本发明的高频电源装置的框图。

参照图2，本发明的高频电源装置包括：用于对等离子负载300供应高频电源的高频电力发生装置100、检测模块110、比较模块120、计算模块130、多重控制模块140、DC模块150。

如图2所示，在高频电力发生装置100和等离子负载300之间还可具有匹配装置200，所述匹配装置200根据负载侧的阻抗变化改变电源侧的阻抗以供应高频电源。但是，根据在以下说明的本发明消除高频电源装置和等离子负载300之间的阻抗不匹配现象(mismatching aspect)的装置及方法为，无关于匹配装置200，而是通过多重控制模块140控制高频电力发生装置100的输出达成。

检测模块110为设置在高频电力发生装置100的输出端并且检测朝向等离子负载300的行波成分和从等离子负载反射回来的反射波成分的工具。例如，检测模块110可由定向耦合器(Directional Coupler)构成，并且检测行波及反射波的电压、电流、频率等的成分。或者，也可从检测到成分计算行波功率及反射波功率并输出。

比较模块120为从检测模块110的检测值比较行波成分和反射波成分提取与反射波成分的量相对应的对应反射波损失量的工具。例如，对应反射波损失量为驻波比(VSWR：Voltage Standing Wave Ratio)。或者，对应反射波损失量可以是利用驻波比计算的反射损失。在此，对应反射波损失量当然可被与反射波的量对应的其他任何值代替。

计算模块130为将对应反射波损失量分别与提前设定的第一设定值及小于第一设定值的第二设定值对比进行计算的工具。

第一设定值作为为了防止在点火步骤中因为反射波导致RF功率放大器的重要元件受损而设定的值，可在高频电力发生装置100的设计初期或者投放高频电力发生装置100的工艺初期设定。优选为，第一设定值为在以VSWR为基准时设定为0.2以上的值。为了保障稳定的点火动作，第一设定值可设定的比较高；在相比于点火动作，用于保护RF功率放大器的FET等的目的更强的情况下，可设定的较低。

第二设定值作为小于第一设定值而设定的值，是为了在点火动作或者高频电力发生装置100的过度动作区间稳定地持续进行电源冲击动作而设定的值。第二设定值设定为高频电力发生装置100和等离子负载300可保持稳定的匹配状态的值，这可根据工艺的种类而有所改变。优选为，第二设定值在以VSWR为基准时设定为小于0.2的值，而且设定为第一设定值的一半以下的值。

多重控制模块140为根据计算模块130的输出在电源冲击(Power Striking)模式和第一VDD限制模式之间进行转换控制的工具，其中所述电源冲击模式为持续高频电力发生装置100的输出并提高该输出，所述第一VDD限制模式为将提供于高频电力发生装置100的直流电压的VDD的大小限制在第一极限。

DC模块150为根据多重控制模块140的控制来控制输入于高频电力发生装置100的RF功率放大器102的直流电压、VDD大小的工具。

图3是根据本发明示出功率放大器的直流电压控制结构的框图。

参照图3，高频电力发生装置100还包括：整流器152、DC-DC转换器154、RF功率放大器102、DC-DC控制器156。

整流器152整流由电力供应商储存的交流电源。例如，利用桥式二极管将交流电源整流成直流正电压。已整流的电源供应于构成高频电力发生装置的构件。虽未示出，但是在交流电源的输入端还可设置用于消除电磁噪声的EMI滤波器。

DC-DC转换器154切换整流器的输出以供应用于控制RF功率放大器102动作的直流输入电压。DC-DC控制器156作为控制构成DC-DC转换器154的切换元件的占空比的，控制RF功率放大器102的输入电压的VDD电压。

RF功率放大器102将DC-DC转换器154的输出放大生成高频电力。生成的高频电力传输于等离子负载300。RF功率放大器102为可并联运行2个以上的RF功率放大器，以根据各种负载条件生成电压及频率。

根据本发明，多重控制模块140进行如下控制：根据从计算模块130接收的计算结果，使高频电力发生装置100在开始供应电力的时间点以电源冲击模式(为了等离子点火而持续高频电源的输出并提高该输出的模式)执行动作，在对应反射波损失量大于第一设定值的情况下，以第一VDD限制模式执行动作，在以第一VDD限制模式执行动作中对应反射波损失量降低至小于第二设定值的情况下，返回电源冲击模式执行动作。这种控制为由多重控制模块140将电压指令下达于DC-DC控制器156，由DC-DC控制器156达成控制DC-DC转换器154电压。对于具体的控制过程，将参照图4及5在以下进行详细说明。

图4是示例本发明的电压控制方法的流程图；图5是示例本发明的电压控制方法的曲线图。

参照图4，由本发明的高频电力发生装置100开始将高频电源供应于等离子负载300的步骤开始(ST110)。然后，为了等离子点火，执行持续高频电源的输出并提高该输出的电源冲击动作(ST120)。在图5中，参照到t1区间的描述，高频电力发生装置100的输出以线性提高。

在高频电力发生装置100的动作开始的同时检测模块110持续检测行波成分及反射波成分。根据比较模块120及计算模块130的计算结果，多重控制模块140决定是否持续电源冲击模式。

在下一步骤中，判断对应反射波损失量是否大于第一设定值(ST130)。在对应反射波损失量大于第一设定值的情况下，多重控制模块140将供应于RF功率放大器102的直流电压的VDD的大小限制在第一极限(ST140)。参照在图5中的从t1至t2区间的描述，根据将VDD的大小限制在第一极限的第一VDD限制模式动作高频电力发生装置100的输出保持不变不再提高。

如果，直到点火动作结束对应反射波损失量小于第一设定值，则可持续电源冲击动作。

在进行步骤ST140之后判断对应反射波损失量是否小于第二设定值，所述第二设定值小于第一设定值(ST150)。若不满足步骤ST150，则可保持ST140的第一VDD限制模式动作。

如果，满足步骤ST150的条件，则再次执行电源冲击动作，持续提高高频电力发生装置100的输出直到点火(ST160)。参照图5中的从t2至t3区间的描述，输出持续提高。

在执行步骤ST160之后，执行将VDD的大小限制在第二极限的第二VDD限制模式动作(ST170)，其中所述第二极限大于第一极限。第二极限设定为从高频电力发生装置100向等离子负载300供应的电力小于提前定义的设定电力(Set Power)的值。在图5中，如t3之后的曲线所示，在达到设定电力的情况下，为了恒定地限制高频电力发生装置100的输出，以第二VDD限制模式执行动作。例如，在点火动作结束之后，将高频电力发生装置100的输出限定在预定的水准，以谋求工艺的稳定性并且防止输出过度上升及由此引起的电弧等。

如上所述的实施例是通过限定的附图说明的，但是只要是在该技术领域具有常规知识的人员能够以此为基础适用各种技术性修改以及变形。例如，以与说明的方法不同的顺序执行上述说明的技术，及/或者以与上述的方法不同的形式结合或者组合已说明的系统、结构、装置、电路等的构件，或者即使被其他构件或者同等物代替或者替换也可达到适当的效果。

在本说明书中说明的实施例和附图仅是示例说明本发明所包括的技术思想的一部分。据此，在本说明书公开的实施例并不是用于限定本发明的技术思想，而是用于说明的，不得由这种实施例限定本发明的技术思想的范围，并且这是显而易见的。在本发明的说明书及附图中所包括的技术思想的范围内可被本领域技术人员容易推断出的所有变形示例和具体实施例应被解释为全部包括在本发明的权利范围内。