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KR20190048234A - Impedance Matching Method of RF Power - Google Patents

Impedance Matching Method of RF Power Download PDF

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Publication number
KR20190048234A
KR20190048234A KR1020170143006A KR20170143006A KR20190048234A KR 20190048234 A KR20190048234 A KR 20190048234A KR 1020170143006 A KR1020170143006 A KR 1020170143006A KR 20170143006 A KR20170143006 A KR 20170143006A KR 20190048234 A KR20190048234 A KR 20190048234A
Authority
KR
South Korea
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load
variable
reactance element
frequency
capacitance
Prior art date
Application number
KR1020170143006A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
허승회
Original Assignee
주식회사 에스엘이노베이션
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 주식회사 에스엘이노베이션 filed Critical 주식회사 에스엘이노베이션
Priority to KR1020170143006A priority Critical patent/KR20190048234A/en
Publication of KR20190048234A publication Critical patent/KR20190048234A/en

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    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H7/00Multiple-port networks comprising only passive electrical elements as network components
    • H03H7/38Impedance-matching networks
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32Gas-filled discharge tubes
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    • H01J37/32082Radio frequency generated discharge
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    • H01J37/32183Matching circuits

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Abstract

An impedance matching method of RF power according to an embodiment of the present invention comprises: a step of providing variable frequency RF power to a load through an impedance matching network; a step of measuring reflected power while sweeping a driving frequency of the variable frequency RF power; a step of extracting a minimum reflected wave driving frequency at which the reflected residual power is minimized; a step of fitting a reflectance, which is the ratio of the incident power and reflected power, to the difference between the driving frequency and the minimum reflected wave driving frequency with a quadratic function around the minimum reflected wave driving frequency and extracting the actual resistance of the load and the capacitance component of the load; a step of calculating a value of a first capacitance of a first variable reactance element and a value of a second capacitance of a second variable reactance element constituting the impedance matching network at a target driving frequency by using the actual resistance of the load, the capacitance component of the load, and the previously determined inductance component of the load; and a step of adjusting the first variable reactance element with the calculated value of the first capacitance of the first variable reactance element and adjusting the second variable reactance element with the calculated value of the second capacitance of the second variable reactance element, and changing the driving frequency of the variable frequency RF power to the target driving frequency.

Description

RF 전력의 임피던스 매칭 방법{Impedance Matching Method of RF Power}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to an impedance matching method for RF power,

본 발명은 RF 전원과 임피던스 매칭 네트워크에 관한 것으로, 더 구체적으로 시변 부하인 플라즈마의 임피던스 매칭 방법에 관한 것이다.Field of the Invention [0002] The present invention relates to an RF power source and an impedance matching network, and more particularly, to a method of impedance matching of a plasma that is a time-varying load.

종래의 기술은 RF 임피던스 매칭 네크워크 내부에 RF 센서를 가지고 RF 반사계수에 해당하는 값을 얻어, 상기 RF 임피던스 매칭 네크워크 내부에 구현된 계산 알고리즘을 통해서 RF 임피던스 매칭 네크워크의 가변 소자들을 구동하여 임피던스 매칭을 수행한다.Conventionally, a value corresponding to an RF reflection coefficient is obtained with an RF sensor in an RF impedance matching network, and variable elements of an RF impedance matching network are driven through a calculation algorithm implemented in the RF impedance matching network to perform impedance matching .

종래의 임피던스 매칭 네트워크는 시변 부하인 플라즈마의 점화와 유지 단계에서 임피던스 매칭을 수행한다. 종래의 임피던스 매칭 네트워크는 RF 전력를 시간적으로 균일하게 공급하는데 중점을 두고 있다. 사이클 시간이 수 십초로 긴 경우에 플라즈마 점화 단계의 시간은 1초 미만이고, 유지 시간은 수 십초 이므로 유지 시간 동안에 반사계수를 일정값 이하로 유지하는 것이 관건이었다. 또한 구동 주파수가 고정되어 있으므로, 고정된 구동 주파수에서 정확하게 반사계수를 측정하는 RF 센서 기술이 중요하다.Conventional impedance matching networks perform impedance matching in the ignition and sustain phase of plasma, which is a time-varying load. Conventional impedance matching networks are focused on uniformly supplying RF power in terms of time. When the cycle time is several tens of seconds, the duration of the plasma ignition step is less than 1 second and the retention time is several tens of seconds, so it is important to keep the reflection coefficient below a certain value during the holding time. Also, since the drive frequency is fixed, it is important to have an RF sensor technology that accurately measures the reflection coefficient at a fixed drive frequency.

한편, 가변 주파수 매칭을 수행할 경우에는 RF 센서의 값이 틀어질 가능성이 있다. 또한 점화 단계에서 빠른 시간에 정확한 변수 변화를 통한 안정적인 점화 알고리즘이 중요하다. 가변 주파수 매칭을 수행할 경우에는 임피던스 매칭 네트워크의 소자의 리액턴스 값에 대해 정밀한 측정이 요구되지 않는다. 따라서 부하인 플라즈마의 특성 변화에 대한 이력관리가 어렵다.On the other hand, when variable frequency matching is performed, the value of the RF sensor may be changed. In addition, stable ignition algorithms through precise variable changes are important in the ignition phase. In performing variable frequency matching, precise measurement of the reactance value of the elements of the impedance matching network is not required. Therefore, it is difficult to manage the history of changes in characteristics of plasma, which is a load.

본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 부하의 특성 변화를 모니터링하면서 임피던스 매칭을 동시에 수행할 수 있는 임피던스 매칭 방법을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide an impedance matching method capable of simultaneously performing impedance matching while monitoring changes in load characteristics.

본 발명의 일 실시예에 따른 RF 전력의 임피던스 매칭 방법은, 가변 주파수 RF 전원을 임피던스 매칭 네트워크를 통하여 부하에 RF 전력을 제공하는 단계; 상기 가변 주파수 RF 전원의 구동 주파수를 스윕하면서 반사 전력을 측정하는 단계; 상기 반사 잔력이 최소가 되는 최소 반사파 구동 주파수를 추출하는 단계; 상기 최소 반사파 구동 주파수를 중심으로 입사 전력과 반사 전력의 비율인 반사율을 구동 주파수와 상기 최소 반사파 구동 주파수의 차이에 대하여 2차 함수로 피팅하여, 상기 부하의 실저항과 상기 부하의캐페시턴스 성분을 추출하는 단계; 상기 부하의 실저항, 상기 부하의캐페시턴스 성분, 및 상기 부하의 이미 결정된 인덕턴스 성분을 이용하여 목표 구동 주파수에서 임피던스 매칭 네트워크를 구성하는 제1 가변 리액턴스 소자의 제1 캐페시턴스의 값과 제2 가변 리액턴스 소자의 제2 캐페시턴스의 값을 계산하는 단계; 및 상기 제1 가변 리액턴스 소자의 제1 캐페시턴스의 산출 값으로 상기 제1 가변 리액턴스 소자를 조절하고 상기 제2 가변 리액턴스 소자의 제2 캐페시턴스의 산출 값으로 상기 제2 가변 리액턴스 소자를 조절하고, 상기 가변 주파수 RF 전원의 구동 주파수를 상기 목표 구동 주파수로 변경하는 단계를 포함한다.A method of impedance matching RF power according to an embodiment of the present invention includes: providing RF power to a load through a variable frequency RF power source through an impedance matching network; Measuring reflected power while sweeping a driving frequency of the variable frequency RF power supply; Extracting a minimum reflected wave driving frequency at which the residual reflection power becomes minimum; A reflection coefficient, which is a ratio of incident power to reflected power, is fitted to the difference between the driving frequency and the minimum reflected wave driving frequency with a quadratic function around the minimum reflected wave driving frequency, and the capacitance of the load ; The value of the first capacitance of the first variable reactance element constituting the impedance matching network at the target drive frequency and the value of the second capacitance of the first variable reactance element constituting the impedance matching network at the target drive frequency are calculated using the actual resistance of the load, the capacitance of the load, and the already determined inductance component of the load. Calculating a value of a second capacitance of the two-variable reactance element; And adjusting the first variable reactance element with the calculated value of the first capacitance of the first variable reactance element and adjusting the second variable reactance element with the calculated value of the second capacitance of the second variable reactance element And changing the driving frequency of the variable frequency RF power supply to the target driving frequency.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 가변 리액턴스 소자의 제1 캐페시턴스의 산출 값으로 상기 제1 가변 리액턴스 소자를 조절하고 상기 제2 가변 리액턴스 소자의 제2 캐페시턴스의 산출 값으로 상기 제2 가변 리액턴스 소자를 조절하고, 상기 가변 주파수 RF 전원의 구동 주파수를 상기 목표 구동 주파수로 변경하는 단계는, 상기 가변 주파수 RF 전원이 제거된 상태에서 수행될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the first variable reactance element is adjusted by the calculated value of the first capacitance of the first variable reactance element and the calculated value of the second capacitance of the second variable reactance element The step of adjusting the second variable reactance element and changing the driving frequency of the variable frequency RF power supply to the target driving frequency may be performed with the variable frequency RF power removed.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 부하는 축전결합 플라즈마를 생성하고, 주기적으로 축전 결합 플라즈마를 발생시킬 수 있다.In one embodiment of the present invention, the load may generate a capacitively coupled plasma and periodically generate a capacitively coupled plasma.

본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 매칭 방법은, 부하의 실저항 성분과 상기 부하의캐페시턴스 성분을 추출하므로, 부하의 특성 변화를 모니터링할 수 있다.The impedance matching method according to an embodiment of the present invention can detect a characteristic change of a load by extracting a real resistance component of a load and a capacitance component of the load.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 매칭 네트워크를 나타내는 회로도이다.
도 2는 도 1의 임피던스 매칭 네트워크의 직렬 가변 소자와 부하를 하나의 요소로 표시한 회로도이다.
도 3은 도 2의 회로를 어드미턴스(Admittance)로 표시한 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 매칭 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 매칭 방법을 설명하는 타이밍도이다.
1 is a circuit diagram illustrating an impedance matching network according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a circuit diagram showing a serial variable element and a load of the impedance matching network of FIG. 1 as one element.
Fig. 3 is a circuit diagram showing the circuit of Fig. 2 in terms of admittance.
4 is a flowchart illustrating an impedance matching method according to an embodiment of the present invention.
5 is a timing diagram illustrating an impedance matching method according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 매칭 방법은 주파수 변조를 통하여 빠른 매칭을 달성할 수 있다. 반사율은 구동 주파수와 최소 반사 구동 주파수의 차이의 2차 함수로 피팅된다. 이에 따라, 부하의 실저항 성분과 캐페시턴스 성분이 추출된다. 부하의 임피던스를 추출한 경우, 임피던스 매칭 네트워크의 가변 리액턴스는 목표 구동 주파수에서 해석식을 통하여 산출된다. 이에 따라, 플라즈마 프로세스에 직접 연관되는 부하의 실저항 성분과 캐페시턴스 성분은 플라즈마 장비의 이력관리에 사용할 수 있다.The impedance matching method according to an embodiment of the present invention can achieve fast matching through frequency modulation. The reflectance is fitted as a quadratic function of the difference between the driving frequency and the minimum reflective driving frequency. Thus, the real resistance component and the capacitance component of the load are extracted. When the impedance of the load is extracted, the variable reactance of the impedance matching network is calculated through the analytical equation at the target driving frequency. Accordingly, the real resistance component and the capacitance component of the load directly related to the plasma process can be used for the history management of the plasma equipment.

본 발명은 주파수 변조와 파워 반사율을 측정하여, 임피던스 매칭 네트워크의 가변 리액턴스를 조절하고, 구동 주파수를 목표 구동 주파수로 설정하는 것에 관한 것이다. 주파수를 변조하여 파워 반사율이 최소가 되는 최소 반사 구동 주파수를 찾을 수 있고, 이때, 최소 반사 구동 주파수를 기준으로 파워 반사율은 구동 주파수 차이의 2차함수(포물선)로 피팅된다. 이 피팅 함수의 계수를 이용하여, 부하의 실저항과 부하의 캐페시턴스 성분을 추출한다. 부하의 임피던스가 완전히 알려진 경우, 해석식을 통하여 목표 구동 주파수에서, 임피던스 매칭 네트워크를 구성하는 가변 리액턴스 소자의 리액턴스들을 결정한다. 이에 따라, 가변 리액턴스 소자의 리액턴스들을 조절하면, 목표 구동 주파수에서 임피던스 매칭이 완료된다.The present invention relates to measuring frequency modulation and power reflectivity, adjusting the variable reactance of an impedance matching network, and setting the driving frequency to a target driving frequency. The frequency can be modulated to find the minimum reflective drive frequency at which the power reflectance is minimum, where the power reflectance is fitted to a quadratic function (parabola) of the drive frequency difference based on the minimum reflective drive frequency. Using the coefficients of this fitting function, the real resistance of the load and the capacitance component of the load are extracted. When the impedance of the load is fully known, the reactances of the variable reactance elements constituting the impedance matching network at the target driving frequency are determined through an interpolation equation. Thus, by adjusting the reactances of the variable reactance elements, the impedance matching is completed at the target drive frequency.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술 되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention and the manner of achieving them will become apparent with reference to the embodiments described in detail below with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein but may be embodied in different forms. Rather, the embodiments disclosed herein are provided so that the disclosure can be thorough and complete, and will fully convey the concept of the invention to those skilled in the art, and the invention is only defined by the scope of the claims.

명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 따라서, 동일한 참조 부호 또는 유사한 참조 부호들은 해당 도면에서 언급 또는 설명되지 않았더라도, 다른 도면을 참조하여 설명될 수 있다. 또한, 참조 부호가 표시되지 않았더라도, 다른 도면들을 참조하여 설명될 수 있다.Like reference numerals refer to like elements throughout the specification. Accordingly, although the same reference numerals or similar reference numerals are not mentioned or described in the drawings, they may be described with reference to other drawings. Further, even if the reference numerals are not shown, they can be described with reference to other drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 매칭 네트워크를 나타내는 회로도이다.1 is a circuit diagram illustrating an impedance matching network according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 가변 주파수 RF 전원(110)은 임피던스 매칭 네트워크를 통하여 부하(130)에 RF 전력을 공급한다. 임피던스 매칭 네트워크(120) 및 상기 가변 주파수 RF 전원(110)은 구동 주파수(f)와 가변 리액턴스 소자들(122,124)를 가변하여 임피던스 매칭을 수행한다. 상기 가변 주파수 RF 전원(110)은 반사파 또는 반사전력을 측정한다.Referring to FIG. 1, a variable frequency RF power source 110 supplies RF power to a load 130 through an impedance matching network. The impedance matching network 120 and the variable frequency RF power source 110 vary the driving frequency f and the variable reactance elements 122 and 124 to perform impedance matching. The variable frequency RF power source 110 measures reflected waves or reflected power.

상기 가변 주파수 RF 전원(110)에 병렬 연결된 제1 가변 리액턴스 소자(122)의 임피던스는 a1(f)로 표시된다. 부하(130)에 직렬연결된 제2 가변 리액턴스 소자(124)의 임피던스는 ia2(f)로 표시된다. 또한, 부하의 임피던스는 r(f)+ ic(f)로 표시된다. r(f)는 구동 주파수(f)에서 부하의 실저항이고, c(f)는 구동 주파수(f)에서 부하의 리액턴스이다.The impedance of the first variable reactance element 122 connected in parallel to the variable frequency RF power supply 110 is represented by a 1 (f). The impedance of the second variable-reactance element 124 connected in series with the load 130 is represented by ia 2 (f). Further, the impedance of the load is expressed by r (f) + ic (f). r (f) is the actual resistance of the load at the driving frequency f, and c (f) is the reactance of the load at the driving frequency f.

처리부(140)는 상기 가변 주파수 RF 전원(110)에서 주파수에 따른 반사율 또는 반사전력을 수신하고, 목표 구동 주파수(fT)에서 임피던스 매칭 네트워크를 구성하는 제1 가변 리액턴스 소자의 제1 캐페시턴스의 값(C1_cal)과 제2 가변 리액턴스 소자의 제2 캐페시턴스의 값(C2_cal)을 제1 가변 리액턴스 소자 및 제2 가변 리액턴스 소자에 각각 제공한다. 상기 제1 가변 리액턴스 소자는 제1 캐페시턴스의 값(C1_cal)으로 변경하고, 상기 제2 가변 리액턴스 소자는 제2 캐페시턴스의 값(C2_cal)으로 변경한다.The processing unit 140 receives the reflectance or the reflected power according to the frequency in the variable frequency RF power source 110 and calculates the first capacitance of the first variable reactance element constituting the impedance matching network at the target driving frequency f T And the value (C2_cal) of the second capacitance of the second variable reactance element to the first variable reactance element and the second variable reactance element, respectively. The first variable reactance element is changed to the first capacitance value C1_cal and the second variable reactance element is changed to the second capacitance value C2_cal.

도 2는 도 1의 임피던스 매칭 네트워크의 직렬 가변 소자와 부하를 하나의 요소로 표시한 회로도이다.FIG. 2 is a circuit diagram showing a serial variable element and a load of the impedance matching network of FIG. 1 as one element.

도 2를 참조하면, 제1 가변 리액턴스 소자(122)의 임피던스는 a1(f)이고, 제2 가변 리액턴스 소자와 부하의 전체 임피던스(230)는 r(f)+ib(f)로 표시된다. b= a2+c이다.2, the impedance of the first variable-reactance element 122 is a 1 (f), and the total impedance 230 of the second variable-reactance element and the load is represented by r (f) + ib (f) . b = a + c is 2.

도 3은 도 2의 회로를 어드미턴스(Admittance)로 표시한 회로도이다.Fig. 3 is a circuit diagram showing the circuit of Fig. 2 in terms of admittance.

도 3을 참조하면, A=1/a이고, G= r/(r2+b2), B= b/(r2+b2)이다.Referring to FIG. 3, A = 1 / a, G = r / (r 2 + b 2 ), and B = b / (r 2 + b 2 ).

반사 계수(Γ)는 다음과 같이 주어진다. The reflection coefficient (Γ) is given by

[수학식1][Equation 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

여기서, Z는 가변 주파수 RF 전원(110)의 출력단에서 부하를 바라본 총 임피던스이다. Z0는 전송선의 특성 임피던스이다. 통상적으로, Z0는 50 오옴이다. z는 특성 임피던스(Z0)로 규격화된 총 임피던스이다. g는 규격화된 총 어드미턴스이다. Here, Z is the total impedance viewed from the output of the variable frequency RF power supply 110 to the load. Z 0 is the characteristic impedance of the transmission line. Typically, Z 0 is 50 ohms. z is the total impedance normalized to the characteristic impedance (Z 0 ). g is the normalized total admittance.

반사율(|Γ|2)은 다음과 같이 주어진다. The reflectance (| Γ | 2 ) is given by

[수학식2]&Quot; (2) "

Figure pat00002
Figure pat00002

임피던스 매칭을 수행하기 위하여, 시변 부하(130)에 대하여 제1 가변 리액턴스 소자(122)의 제1 리액턴스(a1)와 제2 가변 리액턴스 소자(124)의 제2 리액턴스(a2)와 구동 주파수(f)를 반사전력이 최소화되도록 조절한다. 또한, 구동 주파수는 이미 설정된 목표 구동 주파수(fT)에 근접하게 제어한다.In order to perform the impedance matching, the second reactance (a 2) and the driving frequency of the first reactance (a 1) and a second variable reactance element 124, a first variable reactance element 122 with respect to the time-varying load 130 (f) is adjusted so that the reflected power is minimized. Further, the drive frequency is controlled to be close to the target drive frequency f T already set.

즉, 임피던스 매칭의 최종 목표는 반사 전력 또는 반사율을 최소화시키는 것이다. 구체적으로, 목표 구동 주파수(fT)에서 G(fT)=1 이고, 목표 구동 주파수(fT)에서 A(fT)는 B(fT) 일치하면, 반사 전력은 최소화된다. 즉, 이러한 조건은 다음과 같이 표시된다.That is, the ultimate goal of impedance matching is to minimize reflected power or reflectivity. Specifically, the target drive frequency (f T) and G (f T) = 1, A (f T) from the target drive frequency (f T) is B (f T) if they match, the reflected power is minimized. That is, these conditions are expressed as follows.

[수학식3]&Quot; (3) "

Figure pat00003
Figure pat00003

반사파 또는 반사율이 최소가 되는 최소 반사파 구동 주파수(f0)에서 부하(130)의 실저항(r(f0))과 부하(130)의 리액턴스(c(f0))를 추출하고, 목표 구동 주파수(fT)에서 더 나은 매칭을 위한 제1 가변 리액턴스 소자의 제1 리액턴스(a1)과 제2 가변 리액턴스 소자의 제2 리액턴스(a2)를 추출한다.(R (f 0 )) of the load 130 and the reactance c (f 0 ) of the load 130 at the minimum reflected wave driving frequency f 0 at which the reflected wave or reflectance is minimum, The first reactance (a 1 ) of the first variable reactance element and the second reactance (a 2 ) of the second variable reactance element for better matching at the frequency (f T ) are extracted.

구체적으로, 부하의 실저항(r)이 1보다 충분히 작은 조건(r<<1)인 경우, G와 B는 다음과 같이 표시된다. 통상적으로, 부하(130)가 플라즈마인 경우, 실저항은 1 오옴 미만이다. 실저항이 1옴 이하이므로 r로 표시되는 정규화 실저항은 0.02 미만이 된다(r < 0.02 << 1 )Specifically, when the actual resistance (r) of the load is sufficiently smaller than 1 (r << 1), G and B are expressed as follows. Typically, when the load 130 is a plasma, the field resistance is less than 1 ohm. Since the room resistance is less than 1 ohm, the normalization room resistance represented by r is less than 0.02 (r < 0.02 < 1)

[수학식4]&Quot; (4) &quot;

Figure pat00004
Figure pat00004

또한, 임피던스 매칭이 거의 된 조건에서, (1+G)2 >> (A-B)2 조건을 만족하므로, 반사율(|Γ|2)은 다음과 같이 표시된다.Further, the condition (1 + G) 2 &quot; (AB) 2 is satisfied under the condition that the impedance matching is almost made, and therefore, the reflectance (|? | 2 ) is expressed as follows.

[수학식5]&Quot; (5) &quot;

Figure pat00005
Figure pat00005

A=B인 조건을 만족하는 경우, 현재 구동 주파수(f0)에서 로컬 최소값은 다음과 같이 표시된다.When the condition A = B is satisfied, the local minimum value at the current driving frequency (f 0 ) is expressed as follows.

[수학식6]&Quot; (6) &quot;

Figure pat00006
Figure pat00006

최소 반사파 구동 주파수(f0) 주위에서 테일러 전개(Taylor Expansion)를 수행하면, 다음과 같이 표시된다.When Taylor Expansion is performed around the minimum reflected wave driving frequency (f 0 ), it is expressed as follows.

[수학식7]&Quot; (7) &quot;

Figure pat00007
Figure pat00007

여기서, Δf, m, 그리고 K는 다음과 같이 정의된다.Here, Δ f, m, and K is defined as:

[수학식8]&Quot; (8) &quot;

Figure pat00008
Figure pat00008

f <<1 인 경우, G(f)=G0= 상수로 근사하면, 다음과 같이 표시된다.m? f << 1, if G (f) = G 0 = approximate to a constant, it is expressed as follows.

[수학식9]&Quot; (9) &quot;

Figure pat00009
Figure pat00009

따라서, 반사율(|Γ|2)은 f=f0에서 최소를 가지는 Δf 의 이차함수이다. Therefore, the reflectance (| Γ | 2) is a Δ with a minimum at f = f 0 f Is a quadratic function of.

제1 가변 리액턴스 소자(122)가 고정된 제1 인턱턴스(L1)를 가지는 제1 인덕터와 제1 캐페시턴스(C1)를 가지는 제1 가변 축전기를 포함할 수 있다. 제2 가변 리액턴스 소자(124)가 고정된 제2 인덕턴스(L2)를 가지는 제2 인덕터와 제2 캐페시턴스(C2)를 가지는 제2 가변 축전기를 포함할 수 있다. 또한, 부하(130)의 리액턴스는 인턱턴스 성분(Lf)과 캐패시터스 성분(Cr)을 포함할 수 있다. 부하(130)의 인턱턴스 성분(Lf)은 전력 공급 라인에서 기인할 수 있다. 또한, 부하(130)의 캐패시터스 성분(Cr)은 축전 결합 플라즈마 전극의 쉬스에 기인할 수 있다. 상기 부하(130)의 인턱턴스 성분(Lf)은 고정된 값으로 측정 또는 계산에 의하여 결정될 수 있다. 이 경우, 임피던스의 리액턴스 성분(a,b)은 다음과 같이 표시될 수 있다. 여기서, ω는 구동 각주파수이다.The first variable reactance element 122 may include a first inductor having a fixed first inductance L 1 and a first variable capacitor having a first capacitance C 1 . The second variable reactance element 124 may include a second inductor having a fixed second inductance L 2 and a second variable capacitor having a second capacitance C 2 . In addition, the reactance of the load 130 may include an inductance component L f and a capacitance component C r . The inductance component L f of the load 130 may be due to the power supply line. Also, the capacitor component C r of the load 130 may be caused by the sheath of the capacitor-coupled plasma electrode. The inductance component L f of the load 130 may be determined by measurement or calculation with a fixed value. In this case, the reactance components (a, b) of the impedance can be expressed as follows. Here,? Is the driving angular frequency.

[수학식10]&Quot; (10) &quot;

Figure pat00010
Figure pat00010

Figure pat00011
Figure pat00011

구동 주파수(f)에 대한 임피던스의 리액턴스 성분(a,b)의 미분은 다음과 같이 주어진다.The derivative of the reactance component (a, b) of the impedance with respect to the driving frequency f is given as follows.

[수학식11]&Quot; (11) &quot;

Figure pat00012
Figure pat00012

Figure pat00013
Figure pat00013

따라서, 반사율(|Γ|2)은 다음과 같이 표시된다.Therefore, the reflectance (|? | 2 ) is expressed as follows.

[수학식12]&Quot; (12) &quot;

Figure pat00014
Figure pat00014

여기서, x, Q, M은 다음과 같이 정의된다.Here, x, Q, and M are defined as follows.

[수학식13]&Quot; (13) &quot;

Figure pat00015
Figure pat00015

Figure pat00016
Figure pat00016

Figure pat00017
Figure pat00017

즉, 반사율(|Γ|2)을 x(=(f-f0)/f0)대해서 피팅(fitting)하여 Q 값을 얻을 수 있다. 최소 반사파 구동 주파수(f0)에서 a0 = b0 조건에서 부하(130)의 캐패시터스 성분(Cr)을 얻을 수 있다. 또한, Q 값에서 부하(130)의 실저항(r)을 얻을 수 있다.That is, the reflectance (| Γ | 2) to x (= (ff 0) / f 0) fitting (fitting) can be obtained with respect to the Q value. The capacitance component (C r ) of the load 130 can be obtained under the condition of a 0 = b 0 at the minimum reflected wave driving frequency (f 0 ). In addition, the actual resistance r of the load 130 can be obtained from the Q value.

즉, 상기 부하(130)의 실저항(r)이 추출되고, 상기 부하(130)의캐페시턴스 성분(Cr)이 추출된 경우, 상기 부하(130)의 임피던스는 결정된다. 즉, 부하(130)의 인턱턴스 성분(Lf)은 이미 측정되거나 계산에 의하여 주어진다. That is, when the actual resistance r of the load 130 is extracted and the capacitance component C r of the load 130 is extracted, the impedance of the load 130 is determined. That is, the inductance component L f of the load 130 is already measured or given by calculation.

부하(130)의 임피던스가 결정된 경우, 목표 구동 주파수(fT)에서 임피던스 매칭 네트워크 회로의 제1 가변 리액턴스(C1)와 제2 가변 리액턴스(C2)는 해답이 존재하는 해석적 문제이다. 해석 해는 “Microwave Engineering”, David M. Pozar, 페이지 282에 개시되어 있다.When the impedance of the load 130 is determined, the first variable reactance (C 1 ) and the second variable reactance (C 2 ) of the impedance matching network circuit at the target driving frequency (f T ) are analytical problems in which a solution exists. The interpretation solution is disclosed in "Microwave Engineering", David M. Pozar, page 282.

따라서, 결정된 제1 가변 리액턴스(C1_cal)를 가지도록 제1 가변 리액턴스 소자는 조절되고, 결정된 제2 가변 리액턴스(C2_cal)를 가지도록 제2 가변 리액턴스 소자는 조절된다. 이에 따라, 목표 구동 주파수(fT)에서 임피던스 매칭이 완료된다.Thus, the first variable reactance element is adjusted so as to have the determined first variable reactance C1_cal , and the second variable reactance element is adjusted to have the determined second variable reactance C2_cal . Thus, the impedance matching is completed at the target drive frequency f T.

한편, 부하는 시변 부하이므로, 일정한 주기를 가지고 반복적으로 위의 동작을 반복할 수 있다.On the other hand, since the load is a time-varying load, it is possible to repeat the above operation repeatedly with a constant cycle.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 매칭 방법을 설명하는 흐름도이다.4 is a flowchart illustrating an impedance matching method according to an embodiment of the present invention.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 매칭 방법을 설명하는 타이밍도이다.5 is a timing diagram illustrating an impedance matching method according to an embodiment of the present invention.

도 4 및 도 5를 참조하면, RF 전력의 임피던스 매칭 방법은, 가변 주파수 RF 전원(110)을 임피던스 매칭 네트워크(120)를 통하여 부하에 RF 전력을 제공하는 단계(S10); 상기 가변 주파수 RF 전원(110)의 구동 주파수를 스윕하면서 반사 전력을 측정하는 단계(S11); 상기 반사 전력이 최소가 되는 최소 반사파 구동 주파수를 추출하는 단계(S12); 상기 최소 반사파 구동 주파수를 중심으로 입사 전력과 반사 전력의 비율인 반사율을 구동 주파수와 상기 최소 반사파 구동 주파수의 차이에 대하여 2차 함수로 피팅하여, 상기 부하(130)의 실저항과 상기 부하(130)의캐페시턴스 성분을 추출하는 단계(S13); 상기 부하(130)의 실저항, 상기 부하(130)의캐페시턴스 성분, 및 상기 부하(130)의 이미 결정된 인덕턴스 성분을 이용하여 목표 구동 주파수에서 임피던스 매칭 네트워크(120)를 구성하는 제1 가변 리액턴스 소자(122)의 제1 캐페시턴스의 값과 제2 가변 리액턴스 소자(124)의 제2 캐페시턴스의 값을 계산하는 단계(S14); 및 상기 제1 가변 리액턴스 소자(122)의 제1 캐페시턴스의 산출 값(C1_cal)으로 상기 제1 가변 리액턴스 소자(122)를 조절하고 상기 제2 가변 리액턴스 소자(122)의 제2 캐페시턴스의 산출 값(C2_cal)으로 상기 제2 가변 리액턴스 소자(124)를 조절하고, 상기 가변 주파수 RF 전원(110)의 구동 주파수를 상기 목표 구동 주파수(fT)로 변경하는 단계(S15)를 포함한다.Referring to FIGS. 4 and 5, a method of impedance matching RF power includes: providing a variable frequency RF power source 110 with RF power to a load through an impedance matching network 120; Measuring reflected power while sweeping the driving frequency of the variable frequency RF power supply 110 (S11); Extracting a minimum reflected wave driving frequency at which the reflected power is minimized (S12); The reflectance, which is the ratio of the incident power to the reflected power, is fitted to the difference between the driving frequency and the minimum reflected wave driving frequency with a quadratic function around the minimum reflected wave driving frequency, and the actual resistance of the load 130 and the load 130 A step (S13) of extracting a capacitance component of the received signal; The first variable reactance component constituting the impedance matching network 120 at the target drive frequency using the actual resistance of the load 130, the capacitance component of the load 130, and the previously determined inductance component of the load 130 Calculating (S14) the value of the first capacitance of the element (122) and the value of the second capacitance of the second variable reactance element (124); And the first variable reactance element (122) adjusts the first variable reactance element (122) by a calculated value (C 1_cal ) of the first capacitance of the first variable reactance element (122) ( S15 ) of adjusting the second variable reactance element 124 to a calculated value C 2_cal of the variable frequency RF power source 110 and changing the driving frequency of the variable frequency RF power source 110 to the target driving frequency f T .

상기 제1 가변 리액턴스 소자(122)의 제1 캐페시턴스의 산출 값(C1_cal)으로 상기 제1 가변 리액턴스 소자를 조절하고 상기 제2 가변 리액턴스 소자의 제2 캐페시턴스의 산출 값(C2_cal)으로 상기 제2 가변 리액턴스 소자(124)를 조절하고, 상기 가변 주파수 RF 전원(110)의 구동 주파수를 상기 목표 구동 주파수(fT)로 변경하는 단계는, 상기 가변 주파수 RF 전원(110)이 제거된 상태에서 수행된다.(C 1_cal ) of the first capacitance of the first variable reactance element 122 and the second capacitance C 2_cal of the second variable reactance element of the second variable reactance element 122 And the step of changing the driving frequency of the variable frequency RF power supply 110 to the target driving frequency f T may include the step of controlling the variable frequency RF power supply 110 to adjust the second variable reactance element 124, And is performed in a state where it is removed.

상기 부하(130)는 축전결합 플라즈마를 생성하고, 주기적으로 축전 결합 플라즈마를 발생시킨다.The load 130 generates a capacitively coupled plasma and periodically generates a capacitively coupled plasma.

이상, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, It will be understood. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative and non-restrictive in every respect.

110: 가변주파수 RF 전원
120: 임피던스 매칭 네트워크
122: 제1 가변 리액턴스 소자
124: 제2 가변 리액턴스 소자
130: 플라즈마 부하
110: Variable Frequency RF Power
120: Impedance Matching Network
122: first variable reactance element
124: second variable reactance element
130: Plasma load

Claims (3)

가변 주파수 RF 전원을 임피던스 매칭 네트워크를 통하여 부하에 RF 전력을 제공하는 단계;
상기 가변 주파수 RF 전원의 구동 주파수를 스윕하면서 반사전력을 측정하는 단계;
상기 반사전력이 최소가 되는 최소 반사파 구동 주파수를 추출하는 단계;
상기 최소 반사파 구동 주파수를 중심으로 입사 전력과 반사 전력의 비율인 반사율을 구동 주파수와 상기 최소 반사파 구동 주파수의 차이에 대하여 2차 함수로 피팅하여, 상기 부하의 실저항과 상기 부하의 캐페시턴스 성분을 추출하는 단계;
상기 부하의 실저항, 상기 부하의 캐페시턴스 성분, 및 상기 부하의 이미 결정된 인덕턴스 성분을 이용하여 목표 구동 주파수에서 임피던스 매칭 네트워크를 구성하는 제1 가변 리액턴스 소자의 제1 캐페시턴스의 값과 제2 가변 리액턴스 소자의 제2 캐페시턴스의 값을 계산하는 단계; 및
상기 제1 가변 리액턴스 소자의 제1 캐페시턴스의 산출 값으로 상기 제1 가변 리액턴스 소자를 조절하고 상기 제2 가변 리액턴스 소자의 제2 캐페시턴스의 산출 값으로 상기 제2 가변 리액턴스 소자를 조절하고, 상기 가변 주파수 RF 전원의 구동 주파수를 상기 목표 구동 주파수로 변경하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 RF 전력의 임피던스 매칭 방법.
Providing variable frequency RF power to the load through an impedance matching network;
Measuring reflected power while sweeping a driving frequency of the variable frequency RF power supply;
Extracting a minimum reflected wave driving frequency at which the reflected power is minimized;
A reflection coefficient, which is a ratio of incident power to reflected power, is fitted to the difference between the driving frequency and the minimum reflected wave driving frequency with a quadratic function around the minimum reflected wave driving frequency, and the capacitance of the load ;
The value of the first capacitance of the first variable reactance element constituting the impedance matching network at the target drive frequency and the value of the second capacitance of the first variable reactance element constituting the impedance matching network at the target drive frequency are calculated using the actual resistance of the load, the capacitance of the load, and the already determined inductance component of the load. Calculating a value of a second capacitance of the two-variable reactance element; And
The first variable reactance element is adjusted by the calculated value of the first capacitance of the first variable reactance element and the second variable reactance element is adjusted by the calculated value of the second capacitance of the second variable reactance element And changing the driving frequency of the variable frequency RF power supply to the target driving frequency.
제1 항에 있어서,
상기 제1 가변 리액턴스 소자의 제1 캐페시턴스의 산출 값으로 상기 제1 가변 리액턴스 소자를 조절하고 상기 제2 가변 리액턴스 소자의 제2 캐페시턴스의 산출 값으로 상기 제2 가변 리액턴스 소자를 조절하고, 상기 가변 주파수 RF 전원의 구동 주파수를 상기 목표 구동 주파수로 변경하는 단계는, 상기 가변 주파수 RF 전원이 제거된 상태에서 수행되는 것을 특징으로 하는 RF 전력의 임피던스 매칭 방법.
The method according to claim 1,
The first variable reactance element is adjusted by the calculated value of the first capacitance of the first variable reactance element and the second variable reactance element is adjusted by the calculated value of the second capacitance of the second variable reactance element And changing the driving frequency of the variable frequency RF power source to the target driving frequency is performed in a state where the variable frequency RF power source is removed.
제1 항에 있어서,
상기 부하는 축전결합 플라즈마를 생성하고, 주기적으로 축전 결합 플라즈마를 발생시키는 것을 특징으로 하는 RF 전력의 임피던스 매칭 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the load generates a capacitively coupled plasma and periodically generates a capacitively coupled plasma.
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WO2020238426A1 (en) * 2019-05-30 2020-12-03 北京北方华创微电子装备有限公司 Method applied to plasma system and related plasma system
WO2022093753A1 (en) * 2020-10-29 2022-05-05 Advanced Energy Industries, Inc. Systems and methods combining match networks and frequency tuning
WO2023243539A1 (en) * 2022-06-16 2023-12-21 東京エレクトロン株式会社 High-frequency power supply, plasma processing device, and matching method

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