KR100528826B1 - 플라즈마 가공 장치용 임피던스 정합기 검증을 위한임피던스 발생기 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플라즈마 가공 장치용 임피던스 정합기에 결합되어 상기 임피던스 정합기를 검증하기 위한 임피던스 발생방법에 있어서, 미리 설정된 목표 임피던스를 생성하기 위한 최적의 임피던스 값을 산출하는 단계, 상기 산출된 최적의 임피던스 값을 기계적 제어수치로 변환하는 단계, 상기 변환된 기계적 제어수치에 상응하여 가변 소자를 구동하는 단계 및 상기 기계적 제어수치에 상응하는 임피던스를 생성하는 단계를 포함한다.

Description

플라즈마 가공 장치용 임피던스 정합기 검증을 위한 임피던스 발생기 및 그 방법{An Impedance Generator For Verifying Impedance match Used in Plasma Device And Method Thereof}

본 발명은 임피던스 정합기 검증을 위한 임피던스 발생장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다양하고 임의적으로 변화하는 플라즈마 가공용 쳄버에 사용되는 고주파 임피던스 정합기의 기능과 성능을 평가하고 검증하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

도 1은 이러한 종래 고주파 대전류를 필요로 하는 플라즈마 가공장치의 개략적인 구성도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 플라즈마 반도체 가공용 장치인 플라즈마 가공장치는 플라즈마 발생기(100), 임피던스 정합기(200) 및 플라즈마 쳄버(300)를 포함하여 구성된다.

플라즈마 발생기(100)는 출력이 50+j0 Ω 인 RF(Radio Frequency)의 고주파 대전력을 생성하여 임피던스 정합기(200)를 거쳐 임의의 임피던스(실수 및 허수부 모두 변화됨)를 가지는 플라즈마 쳄버(300)로 전달한다.

임피던스 정합기(200)는 플라즈마 쳄버(300)의 임피던스를 검출하여 임피던스의 허수 성분과 반대 위상의 임피던스 허수 성분을 생성함으로써 임피던스가 실수 성분인 순수저항과 동일하도록 함으로써 플라즈마 쳄버(300) 내에 최대 전력을 공급하여 최적의 플라즈마를 발생시키도록 한다.

그런데 플라즈마 쳄버(300)는 각각 임피던스 정합 영역이 다르고, 운용 조건에 따라 임피던스가 변화하므로 임피던스 정합기(200)의 기능과 성능이 매우 다양한 기능과 성능이 목표된 사양에 잘 부합하는지를 용이하게 검증할 필요가 있다.

종래의 플라즈마 가공장치에 사용되는 고주파 임피던스 정합기(200)의 성능과기능을 평가하고 검증하기 위해서는 매우 제한적이거나 상황에 따른 특수 임피던스 발생 장치를 같이 개발하여 검증 기기로 사용하거나, 임의의 임피던스로 변화하는 플라즈마 쳄버(chamber)에 임피던스 정합회로를 연결하여 실제 동작을 재현 하는 방법을 통해 임피던스 정합기를 평가하고 검증 하였다.

그러나, 이와 같이 하는 데는 플라즈마 쳄버가 직접 연결되어야 하기 때문에 임피던스 정합회로를 개발하고 생산하는데 많은 제약이 초래된다. 즉, 플라즈마 쳄버는 수많은 종류의 응용장비마다 각각 임피던스 정합 영역이 다르고, 플라즈마 쳄버의 운용 조건에 따라 임피던스가 변화하므로, 이를 체계적으로 평가하기 위해 다양한 운용 조건을 시험 해야 하고, 다양한 종류와 응용 조건을 생산 현장에서 구현하기는 불가한 문제점을 갖고 있다.

또한 다양한 기능과 성능을 일일이 현장에서 시험하고 검증을 하기에는 개발과 생산 검사에 소요되는 비용과 시간이 과다하게 필요한 단점을 갖고 있을 뿐 아니라, 운용 중에 있을 수 있는 문제점을 현장 설치 시험 전에 인지되지 못한 체 현장 설치 시험 중에 문제점이 발견되는 경우, 운용자에게 많은 부담을 초례하며 또한 기기의 신뢰성을 저하 시키는 주요 원인이 된다.

따라서, 이러한 종래의 플라즈마 가공장치에 사용되는 임피던스 정합기의 성능을 실제 쳄버를 이용하지 않고 검증할 수 있는 검증 장치에 대한 요구가 높아지고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 다양하고 임의적으로 변화하는 플라즈마 가공용 쳄버에 사용되는 고주파 임피던스 정합기에 있어서, 임피던스 정합기의 임의의 임피던스 정합 영역에서 임피던스 정합기의 동작 상태를 검증하거나 제품 개발이나 생산이 완료된 임피던스 정합회로의 기능과 성능이 목표된 규정에 부합하는지를 용이하게 검증할 수 있는 임피던스 발생장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 측면에 따르면, 플라즈마 가공 장치용 임피던스 정합기에 결합되어 상기 임피던스 정합기를 검증하기 위한 임피던스 발생방법에 있어서, 미리 설정된 목표 임피던스를 생성하기 위한 최적의 임피던스 값을 산출하는 단계, 상기 산출된 최적의 임피던스 값을 기계적 제어수치로 변환하는 단계, 상기 변환된 기계적 제어수치에 상응하여 가변 소자를 구동하는 단계 및 상기 기계적 제어수치에 상응하는 임피던스를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 가공 장치용 임피던스 정합기 검증을 위한 임피던스 발생방법이 제공될 수 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 2 측면에 따르면, 플라즈마 가공 장치용 임피던스 정합기에 결합되어 상기 임피던스 정합기를 검증하기 위한 임피던스 발생기에 있어서, 설정된 임피던스를 발생시키기 위한 구동 제어신호를 생성하고, 생성된 임피던스의 오차를 분석하여 보정 제어신호를 생성하는 제어부, 제어부의 제어신호에 기초하여 모터를 구동하는 구동부 및 상기 구동부로부터의 구동 신호에 상응하는 임피던스를 생성하는 가변 LC회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 가공 장치용 임피던스 정합기 검증을 위한 임피던스 발생기가 제공될 수 있다.

이하에서는 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 임피던스 정합기의 검증을 위한 시스템의 개략적인 구성도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 임피던스 정합기의 검증을 위한 시스템은 플라즈마 발생기(10), 임피던스 정합기(20), 임피던스 발생기(30) 및 제어기(40)를 포함하여 구성된다.

플라즈마 발생기(10) 및 임피던스 정합기(20)는 도 1에서 설명한 바와 동일한 기능을 수행한다.

임피던스 발생기(30)는 제어기(40)로부터 일정 영역 내의 임피던스를 발생하도록 하기 위한 제어신호를 수신하면 그에 기초하여 해당 임피던스를 발생시키는 장치로서, 이에 대해서는 도 4 내지 도 6에서 상세히 설명하기로 한다.

제어기(40)는 미리 설정된 일정 영역의 임피던스를 발생시키기 위한 제어신호를 생성하는 장치이다. 상기일정 영역은 플라즈마 쳄버의 임피던스가 변할 수 있는 영역을 의미하는 것으로서 플라즈마 쳄버의 사용 용도에 따라서 임피던스의 변화 영역은 달라질 수 있다. 일단 임피던스의 변화 영역이 정해지면 제어기(40)는 난수의 발생에 의해 상기 임피던스 변화 영역 내의 임피던스 값을 임의로 정하여 이를 발생하도록 하는 제어신호를 생성하여 임피던스 발생기(30)로 전송한다. 임피던스 발생방법에 대해서는 도 7에서 상세히 설명하기로 한다.

도 2의 임피던스 정합기의 검증을 위한 시스템의 동작을 설명하면, 제어기(40)가 연속적으로 임의의 임피던스 발생을 위한 제어신호를 임피던스 발생기(30)로 전송하면, 임피던스 발생기(30)는 제어신호에 상응하는 임피던스를 연속적으로 발생시킨다. 임피던스 정합기(20)는 임피던스 발생기(30)에서 발생된 임피던스를 플라즈마 쳄버의 임피던스 값으로 인식하여 발생된 임피던스의 허수 성분과 반대 위상의 임피던스를 만들어내어 플라즈마 발생기(10)에서 들여다본 임피던스의 허수 성분이 "0"이 되도록 한다. 따라서, 플라즈마 발생기(10)에서 공급되는 전력은 반사되는 값이 거의 없게 되어 최대 전력의 공급이 가능해진다.

도 3은 본 발명에 따른 임피던스 발생장치를 검증하기 위한 시스템의 개략적인 구성도이다.

임피던스 정합기(20)의 검증과 마찬가지로 임피던스 발생기(30)가 제대로 동작하는지 여부를 검증할 필요가 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 임피던스 발생기(30)에 50 Ω의 표준 저항이 연결되어 있으며, 임피던스 발생기(30)내에 저항을 구비하도록 하는 것도 가능하다. 제어기(40)에서 일정 변화 영역의 임피던스를 발생시키기 위한 제어신호를 임피던스 발생기(30)로 전송하면 임피던스 발생기(30)는 제어신호에 기초하여 상응하는 임피던스를 발생시킨다.

표준 계측기(50)는 임피던스 발생기(30)에서 발생한 임피던스를 측정하여 임피던스 발생기(30)가 제대로 동작하는지 여부를 판단한다.

도 4는 본 발명에 따른 임피던스 발생기(30)의 내부 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 임피던스 발생기(30)는 제어부(31), 구동부(33) 및 가변 LC회로(35)로 구성된다.

제어부(31)는 제어기(40)로부터 수신된 제어신호에 기초하여 발생시킬 임피던스 값을 인식하여 해당 임피던스를 발생시키기 위한 구동 제어신호를 생성하여 구동부(33)로 전송한다. 또한, 제어부(31)는 생성된 임피던스의 값을 보정하여 설정된 임피던스를 발생하도록 한다. 제어부(31)의 상세한 구성에 대해서는 도 5에서 설명하기로 한다.

구동부(33)는 제어부(31)의 구동 제어신호에 따라 가변 LC회로(35)의 인덕턴스 또는 커패시턴스를 변화시키는 것으로서, 구동부(33)의 구성은 가변 대상이 코일인지 커패시터인지에 따라서 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 본 실시예에서는 가변 커패시터를 이용하고 구동부(33)는 커패시터의 축전용량을 가변시키기 위한 스텝 모터를 이용하였다.

가변 LC회로(35)는 코일 및 커패시터의 조합으로 이루어진 전자회로로서, 고정 코일과 가변 커패시터가 결합되는 방식 및 가변 코일과 가변 커패시터가 결합되는 방식이 있다. 본 실시예에서는 상술한 바와 같이 고정 코일과 가변 커패시터를 결합하는 방식을 이용하였다. 따라서, 구동부(33)가 가변 커패시터의 커패시턴스를 가변하여 원하는 임피던스가 발생된다. 가변 LC회로(35)의 구체적 일례가 이하의 도 6에서 설명될 것이다.

도 5는 도 4의 제어부(31)의 세부 구성 블록도이다.

제어부(31)는 도 5에 도시된 바와 같이 하드웨어적으로 구현될 수도 있고, 소프트웨어적으로 구현될 수도 있다. 소프트웨어적으로 구현될 경우에는 도 5의 각 구성과 동일한 기능을 수행하기 위한 프로그램과 상기 프로그램을 저장하기 위한 메모리 및 상기 프로그램을 실행하기 위한 프로세서가 요구된다.

도 5를 참조하면, 제어부(31)는 목표 임피던스 설정부(31-1), 최적용량 계산부(31-2), 제어스텝 변환부(31-3), 오차 분석부(31-4) 및 보정부(31-5)를 포함하여 구성된다.

목표 임피던스 설정부(31-1)는 발생시키고자 하는 임피던스 값을 설정하는 것으로서, 일정 임피던스 변화 영역 내의 임피던스 값을 임의적으로 만들 수 있다. 만일 임피던스 발생기(30)가 목표 임피던스를 직접 설정하지 않고 외부 제어기(40)로부터 설정된 목표 임피던스 값을 수신하는 경우에는 목표 임피던스 설정부(31-3)는 필요하지 않을 수도 있다.

최적용량 계산부(31-2)는 목표 임피던스 설정부(31-3)에 의해 설정된 임피던스를 발생하기 위한 가변 소자의 임피던스를 계산하기 위한 것이다. 본 실시예에서는 가변 소자로서 가변 커패시터를 이용하였으므로 설정된 임피던스를 발생하기 위한 용량(커패시턴스)을 계산한다.

제어스텝 변환부(31-3)는 최적용량 계산부(31-2)에서 계산된 최적용량을 발생시키기 위해 가변소자를 기계적으로 조작하기 위해 구동부(33) 즉, 모터를 구동하며, 모터를 구동하기 위한 제어값 변환의 일례로 스텝 모터의 스텝 수 일수 있으며, 또한 서보 모터를 적용하여 서보 위치제어 혹은 서보 각도와 같은 각종 제어값을 얻을 수 있다.

오차 분석부(31-4)는 구동부(33)가 가변 소자를 기계적으로 조작하여 발생한 임피던스를 검출하여 미리 설정된 목표 임피던스와 비교하여 오차를 분석한다.

보정부(31-5)는 오차 분석부(31-4)에 의해 분석된 오차가 미리 설정된 값보다 큰 경우 보정값을 산출하여 제어스텝 변환부(31-3)로 전송하여 오차만큼 스텝 수를 변환시켜 목표 임피던스를 발생할 수 있도록 한다.

도 6은 도 4의 가변 LC회로(35)의 일례를 도시한 회로도이다.

도 6에 도시된 바와 같이 본 실시예에서 사용되는 가변 LC회로(35)는 직렬로 연결된 제 1 코일(L1)과 제 1 커패시터(C1) 및 직렬로 연결된 제 2 코일(L2)과 제 2 커패시터(C2)가 병렬로 연결되어 있다. 또한, 출력단에는 표준저항(R)이 연결되어 있는데 이는 전력 소모를 위한 것이다.

도 4에서 C1, C2가 가변 소자로 가정하고, 목표 임피던스를 a+jb라고 하면

이고, 수학식 1에서 실수부와 허수부를 분리하여 다시 쓰면 다음과 같다.

그리고, 최적용량 C1, C2는 하기와 같이 산출된다.

따라서, a 및 b값을 수학식 2에 대입하면 Z₁과 Z₂가 계산되고, 이를 수학식 3에 대입하면 원하는 최적용량이 산출된다.

도 7은 본 발명에 따른 임피던스 정합기 검증을 위한 임피던스 발생방법이 수행되는 과정을 도시한 흐름도이다.

도 7을 참조하면, 우선, 제어기(40)로부터 목표 임피던스 값이 입력된다(S700). 상술한 바와 같이, 제어기(40)는 일정 임피던스 변화 영역내의 임피던스 값을 난수를 통해 임의로 설정하여 설정된 임피던스 값을 임피던스 발생기(30)로 전송한다. 본 발명의 다른 일 실시예에 따르면 제어부(31)가 5에 도시된 바와 같은 목표 임피던스 설정부(31-1)를 구비하여 직접 목표 임피던스 값을 설정할 수도 있다.

목표 임피던스 값이 제어기(40)로부터 입력되거나 임피던스 설정부(31-1)에 의해 목표 임피던스 값이 설정되면 최적 용량 계산부(31-2)는 목표 임피던스 값을 발생시키기 위한 가변 커패시터의 용량을 계산한다(S710).

제어스텝 변환부(31-3)는 최적용량 계산부(31-2)에서 계산된 최적용량을 발생시키기 위해 가변 커패시터를 구동하기 위한 스텝 모터의 스텝 수를 산출한다(S720). 상술한 바와 같이, 본 발명의 다른 일 실시예에 따르면 구동부(33)로서 서보 모터를 적용하여 서보 위치제어 혹은 서보 각도와 같은 각종 제어값을 얻도록 하는 것도 가능하다.

최종적으로, 구동부(33)는 가변 커패시터를 구동하여 원하는 임피던스를 발생시킨다(S730, S740).

도 8은 도 7에서 생성된 임피던스를 보정하는 과정을 도시한 흐름도이다.

도 8을 참조하면, 우선, 오차 분석부(31-4)가 구동부(33)의 조작에 의해 발생된 임피던스를 검출하여 미리 설정된 목표 임피던스와 비교하여 오차를 분석한다(S800).

보정부(31-5)는 오차 분석부(31-4)에 의해 분석된 오차가 미리 설정된 값보다 큰 경우 오차에 상응하는 보정값을 산출하여 제어스텝 변환부(31-3)로 전송하고(S810), 제어스텝 변환부(31-3)는 산출된 보정값에 상응하는 만큼의 스텝 수를 변환시킨다(S820).

스텝 수가 산출되면, 구동부(33)는 가변 커패시터를 구동하여 보정된 임피던스를 발생시킨다(S730, S740).

제어부(31)는 보정된 임피던스 값으로부터 오차를 분석하여 원하는 오차 범위를 만족할 때까지 반복적으로 상기 단계들을 반복하게 된다.

비록 본 실시예에서 플라즈마 가공장치에 사용되는 임피던스 정합기를 검증하기 위한 임피던스 발생기에 한정하여 예시하고 설명하였으나 본 발명은 이에 국한되지 않고 임피던스 정합이 요구되는 다양한 전기, 전자 장치에 사용 가능함은 물론이다.

본 발명에 따른 고주파 임피던스가 수시로 변화는 플라즈마 가공용 쳄버의 임피던스 정합기의 검증 방법 및 장치에 있어서의 임피던스 정합회로의 특성 검증은, 임피던스 정합회로의 임의의 임피던스 정합 영역에서 임피던스 정합회로의 동작 상태를 검증하거나 조립이 완료된 임피던스 정합회로의 기능과 성능이 규정에 부합하는지를 용이하게 검증할 수 있게 할 뿐만 아니라, 임피던스 정합회로를 개발할 때, 이미 제작된 시료의 임피던스 정합회로의 기능과 성능이 목표치에 적합한지 여부를 판단할 때 기능 및 성능을 모두 계량화하여 측정하고 분석할 수 있게 한다.

따라서, 본 발명에 따른 임피던스 정합회로의 임피던스 검증은 사용현장에서 생길 수 있는 문제와 추후 문제의 원인을 추적하고 해결 방법을 찾기 위한 정확한 정보를 제공할 수 있어서 임피던스 정합회로의 개발 및 제작의 획기적인 개선과 임피던스 정합회로의 품질을 향상시키는 효과를 갖는다.

비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

도 1은 종래 고주파 대전류를 필요로 하는 플라즈마 가공장치의 개략적인 구성도이다.

도 2는 본 발명에 따른 임피던스 정합기 검증을 위한 시스템의 개략적인 구성도이다.

도 3은 본 발명에 따른 임피던스 발생기를 검증하기 위한 시스템의 개략적인 구성도이다.

도 4는 본 발명에 따른 임피던스 발생기의 내부 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.

도 5는 도 4의 제어부의 세부 구성 블록도이다.

도 6은 도 4의 가변 LC회로의 일례를 도시한 회로도이다.

도 7은 본 발명에 따른 임피던스 정합기 검증을 위한 임피던스 발생방법이 수행되는 과정을 도시한 흐름도이다.

도 8은 도 7에서 생성된 임피던스를 보정하는 과정을 도시한 흐름도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 설명>

10 : 플라즈마 발생기, 20 : 임피던스 정합기,

30 : 임피던스 발생기, 31 : 제어부,

31-1 : 목표 임피던스 설정부, 31-2 : 최적 용량 계산부,

31-3 : 제어 스텝 변환부, 31-4 : 오차 분석부,

31-5 :보정부, 40 : 제어기.

Claims (7)

1. 플라즈마 가공 장치용 임피던스 정합기에 결합되어 상기 임피던스 정합기를 검증하기 위한 임피던스 발생방법에 있어서,

   미리 설정된 목표 임피던스를 생성하기 위한 최적의 임피던스 값을 산출하는 단계;

   상기 산출된 최적의 임피던스 값을 기계적 제어수치로 변환하는 단계;

   상기 변환된 기계적 제어수치에 상응하여 가변 소자를 구동하는 단계; 및

   상기 기계적 제어수치에 상응하는 임피던스를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 가공 장치용 임피던스 정합기 검증을 위한 임피던스 발생방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 미리 설정된 목표 임피던스는,

   임피던스 변환 영역 내에서의 난수 발생에 의해 임의로 생성되거나 직접 특정 값으로 설정되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 가공 장치용 임피던스 정합기 검증을 위한 임피던스 발생방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 기계적 제어 수치에 상응하는 임피던스를 생성하는 단계 이후에 상기 발생된 임피던스와 미리 설정된 목표 임피던스를 비교하여 오차를 분석하는 단계;

   상기 분석된 오차에 상응하는 보정값을 산출하는 단계;

   상기 산출된 보정값을 그에 상응하는 기계적 제어수치로 변환하는 단계:

   상기 변환된 기계적 제어수치에 상응하여 가변 소자를 구동하는 단계; 및

   상기 기계적 제어수치에 상응하는 보정 임피던스를 생성하는 단계가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 가공 장치용 임피던스 정합기 검증을 위한 임피던스 발생방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 오차 분석은 회귀 분석방법을 사용하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 가공 장치용 임피던스 정합기 검증을 위한 임피던스 발생방법.
5. 플라즈마 가공 장치용 임피던스 정합기에 결합되어 상기 임피던스 정합기를 검증하기 위한 임피던스 발생기에 있어서,

   설정된 임피던스를 발생시키기 위한 구동 제어신호를 생성하고, 생성된 임피던스의 오차를 분석하여 보정 제어신호를 생성하는 제어부;

   제어부의 제어신호에 기초하여 모터를 구동하는 구동부; 및

   상기 구동부로부터의 구동 신호에 상응하는 임피던스를 생성하는 가변 LC회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 가공 장치용 임피던스 정합기 검증을 위한 임피던스 발생기.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 제어부는

   미리 설정된 목표 임피던스를 생성하기 위한 최적의 임피던스 값을 산출하는 최적 용량 계산부;

   상기 산출된 최적의 임피던스 값을 기계적 제어수치로 변환하는 제어스텝 변환부;

   상기 가변 LC회로에 의해 발생된 임피던스와 상기 목표 임피던스를 비교하여 오차를 분석하는 오차 분석부; 및

   상기 분석된 오차에 상응하는 보정값을 산출하는 보정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 가공 장치용 임피던스 정합기 검증을 위한 임피던스 발생기.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 제어부는

   임피던스 변화 영역 내의 임의의 목표 임피던스를 생성하는 목표 임피던스 설정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 가공 장치용 임피던스 정합기 검증을 위한 임피던스 발생기.