RF 플라즈마 공정의 빠른 임피던스 정합기를 위한 전력변환기 기반 가변 커패시터 시스템 :Power converter based variable capacitor system for fast impedance matchers in RF plasma pocess

민주화

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자료유형: 학위논문

저자정보: 민주화 (전북대학교, 전북대학교 일반대학원)

지도교수: 서용석

발행연도: 2022

저작권: 전북대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (5)

2022

RF 플라즈마 공정의 빠른 임피던스 정합기를 위한 전력변환기 기반 가변 커패시터 시스템

민주화 전기공학(전기공학) 2022.01 학위논문

2020

RF 임피던스 정합기의 커패시턴스 가변 시간이 개선된 하이브리드 가변 커패시터 방식

민주화 , 서용석 전력전자학회 학술대회 논문집 2020.08 학술대회자료

2019

대칭적인 스위치 구조 기반 RF 플라즈마 시스템 적용 전기적 가변 커패시터

민주화 , 채범석 , 김현배 외 1명 전력전자학회논문지 2019.06 학술저널

RF 플라즈마 시스템에서 전기적 가변 커패시터의 대칭적인 스위치 구조를 활용한 전압 스트레스 저감 방법

민주화 2019.01 학위논문

2018

양방향 스위치 기반 RF플라즈마 시스템 적용 전기적 가변 커패시터

민주화 , 채범석 , 서용석 외 2명 전력전자학회 학술대회 논문집 2018.07 학술대회자료

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본 학위논문은 13.56MHz/50W RF 플라즈마 에칭 공정에서 사용되는 임피던스 매처용 가변 커패시터를 설계하는 새로운 방법을 소개한다. 전력전자 기술을 응용한 가변 커패시터는 기존의 느린 진공 가변 커패시터를 (VVC) 대체하기 위해서 제안됩니다. 전력전자 기술을 사용하기 때문에 전력용 반도체가 사용되며 전기적으로 커패시턴스를 가변하기 때문에 전기적 가변 커패시터라고(EVC) 명명합니다. EVC는 빠른 커패시턴스 가변 시간을 기본으로 고전압 저전류 RF 플라즈마 공정에 적용하기 위해 적은 소자수와 낮은 전압 스트레스를 요구합니다. 또한 RF 임피던스 매처의 경우 스위치가 단순한 스위치의 동작을 수행하는 것이 아닌 하나의 커패시터로 보일 수 있습니다. 스위치의 높은 출력 커패시턴스 값을 해결하기 위해 낮은 접합 커패시턴스를 갖는 다이오드를 직렬연결하는 방식이 이용됩니다. 따라서 다이오드를 켜고 끄는 기술을 필요로 하며 다양한 기법이 존재합니다.
기존의 EVC 단점인 다이오드를 끄기 위한 외부전원이 있는 타입의 경우 부피가 크고 비용이 비싸며, 비대칭적인 스위치 구조의 EVC는 스위치에 높은 전압 스트레스가 인가됩니다. 본 학위논문에서는 최신의 EVC를 분석하여 단점을 파악하여 단점을 보완하는 새로운 가변 커패시터를 제안합니다. 첫 번째 제안된 EVC의 경우 다이오드의 동작을 위한 대칭적인 스위치 구조를 사용하여 전압의 충전 및 방전을 동일하게 유지합니다. 동일한 전압의 충전 및 방전으로 인해 스위치에 높은 전압스트레스를 해소합니다. 또한 제어하고자 하는 커패시터의 전압 스트레스를 해소하여 고전압 RF 시스템의 적용을 용이하게 만들 수 있습니다. 두 번째 제안된 EVC의 경우 자동 바이어스 전압 및 전류를 사용합니다. 다이오드의 동작을 위해 바이어스 전압 및 전류를 사용합니다. 바이어스 전압은 스위치의 출력 커패시턴스가 충전하여 다이오드에 역 전압을 인가합니다. 바이어스 전류는 다이오드에 역전압이 걸리는 것을 방지하여 항상 다이오드가 켜져있는 상태를 유지하게 합니다. 마지막으로 제안된 가변 커패시터는 하이브리드 가변 커패시터(HVC)로 EVC와 VVC를 결합하여 만들어집니다. VVC의 장점인 선형성과 EVC의 장점인 빠른 동작으로 인해 HVC는 선형적인 커패시턴스 값을 갖는 기존보다 빠른 동작을 수행할 수 있습니다.
제안된 가변 커패시터들의 동작특성은 시뮬레이션과 실험 그리고 부록에서 소개됩니다. 시뮬레이션과 실험에서 소개된 전압 파형은 거의 일치하는 것을 확인할 수 있습니다. 임피던스 매칭 시간은 VVC는 15초, EVC는 수밀리초이며 HVC는 약 5초가 소모되었습니다. 커패시턴스 가변 시간은 EVC의 경우 15마이크로초 이내에 가변 동작이 이뤄집니다. 또한 EVC에 사용되는 다이오드의 변경에 따른 실험결과에서 PIN다이오드가 Ultrafast recovery 다이오드에 비해 느린 결과를 보여줍니다. 마지막으로 입력 전력에 따른 실험결과에서 전력이 높아질수록 가변 시간이 빨리지는 경향이 있음을 확인했습니다. 본 학위논문에서 제안된 가변 커패시터들의 동작특성 및 RF 시스템의 검증을 통해 13.56MHz 고전압 플라즈마 에칭 공정에 적용 가능한 것을 확인하였습니다.

This thesis introduces a new method to design a variable capacitor for impedance matcher used in 13.56MHz/50W RF plasma etching process. Variable capacitor using power electronics technology is proposed to replace the existing slow vacuum variable capacitor (VVC). Because power electronics technology is used, power semiconductors are used and they are called electrically variable capacitors (EVCs) because they change capacitance electrically. EVC requires low device count and low voltage stress to apply to high voltage, low current RF plasma process based on fast capacitance change time. Also, for RF impedance matchers, the switch can be seen as a single capacitor rather than performing the action of a simple switch. To solve the high output capacitance value of the switch, a method of connecting diodes with low junction capacitance in series is used. Therefore, it requires a technique to turn the diode on and off, and various techniques exist.
A type with an external power supply to turn off the diode, which is a disadvantage of the existing EVC, is bulky and expensive, and the EVC with an asymmetrical switch architecture applies high voltage stress to the switch. This dissertation analyze the latest EVC, identify the shortcomings, and propose a new variable capacitor that compensates for the shortcomings. The first proposed EVC use a symmetrical switch structure for the operation of the diode to keep the charging and discharging of the voltage the same. Relieves high voltage stress on the switch due to charging and discharging of the same voltage. In addition, it can ease the application of high voltage RF system by relieving the voltage stress of the capacitor to be controlled. The second proposed EVC use an auto-bias voltage and current. A bias voltage and current are used for the operation of the diode. The bias voltage charges the output capacitance of the switch, applying a reverse voltage to the diode. The bias current prevents reverse voltage across the diode, keeping the diode on at all times. Finally, the proposed variable capacitor is a hybrid variable capacitor (HVC), which is made by combining EVC and VVC. Due to the linearity of VVC and fast motion of EVC, HVC can perform faster than conventional with linear capacitance value.
The operating characteristics of the proposed variable capacitors are introduced in simulations, experiments and the appendix. It can be seen that the voltage waveforms introduced in the simulation and experiment are almost identical. Impedance matching times are 15 seconds for VVC, a few milliseconds for EVC, and about 5 seconds for HVC. Capacitance variable time is variable operation within 15 microseconds for EVC. In addition, in the experimental results according to the change of the diode used in EVC, the PIN diode shows a slower result than the ultrafast recovery diode. Finally, from the experimental results according to the input power, it is confirmed that the variable time tends to be faster as the power increases. Through the verification of the operating characteristics and RF system of the variable capacitors proposed in this dissertation, it is confirmed that they can be applied to the 13.56MHz high voltage plasma etching process.

#Capacitance variable time #Electrical Variable Capacitor #Etching process #RF plasma system #Impedance matching #Maximum power transfer

1. Introduction 1
2. Variable Capacitor and Impedance Matching in RF Plasma Systems 5
2.1 RF Plasma Systems 5
2.2 VVC (Vacuum Variable Capacitor) in Impedance Metcher 9
3.Electrical Variable Capacitor for Impedance Matcher 14
4. Proposed Variable Capacitor and Circuit Analysis 22
4.1 Symmetrical Switch Architecture EVC 22
4.2 Auto bias EVC 34
4.3 HVC 41
5. Simulation Verification Results 51
6. Experiment Verification Results 68
7. Conclusion and Future Work 87
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