KR101122215B1 - 화학 기상 증착 장치용 전원 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

화학 기상 증착 장치용 전원 장치 및 그 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예는 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition: CVD) 장치용 전원 장치에 관한 것으로, 입력 전원을 절연 변압하여 다단으로 출력하는 절연 변압기; 상기 다단 출력을 각기 단속하는 탭 절환 스위치; 상기 절연 변압기의 2차측 권선의 도트 방향과 다른 도트 방향의 2차측 권선을 갖는 보조 변압기; 상기 보조 변압기의 상기 2차측 권선의 일단에 일단이 연결된 제 1 스위치; 상기 절연 변압기의 상기 2차측 권선의 일단과 상기 제 1 스위치의 타단과의 사이에 연결된 제 2 스위치; 및 상기 제 1 및 제 2 스위치의 공통접속점과 부하들간의 공통 접속점과의 사이에 연결된 제 3 스위치를 포함할 수 있고, 상기 제 1 내지 제 3 스위치 및 상기 탭 절환 스위치의 스위칭을 제어하는 스위칭 제어부를 포함하여, 기존보다 낮은 정격 전압의 탭 절환 초기 스위치를 사용하여도 실리콘 결정 성장을 위한 CVD 공정의 부하 특성을 만족하면서 스위치의 고 신뢰성을 유지할 수 있으며, 이로 인해 전원 장치의 생산 비용은 낮추고 신뢰성은 향상한다.

Description

화학 기상 증착 장치용 전원 장치 및 그 제어 방법{Power Supply Apparatus for Chemical Vapor Deposition Apparatus and Method of controlling the same}
본 개시는 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition: CVD) 장치용 전원 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 실리콘 결정 성장을 위한 CVD 장치에 적합한 전원 장치 및 그것의 스위칭 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 실리콘 결정 성장을 위한 CVD 장치 반응기에서의 부하 특성은 다음과 같다.
실리콘 결정 성장을 위한 CVD 공정은 한 공정이 72시간 정도 진행되며, 처음 텅스텐 선을 반응기에 넣고 전류를 흘려 1000~1200도를 유지하면 염화실란 혹은 삼염화 실란 가스 중의 실리콘 분자가 텅스텐 표면에 달라붙으며 성장한다. 따라서 둥근 막대모양의 실리콘은 시간이 지날수록 직경이 두꺼워져서 최종적으로 실리콘 잉곳을 얻게 된다. 여기서 부하는 순 저항부하로 보이며, 도 1에 도시된 바와 같이, 직경이 증가할 수록 전류는 커지고 전압은 감소하는 부하 특성을 갖게 된다. 즉 시간에 따라 등가 저항이 비교적 크게 변하는 부하로서, 초기에 높은 전압 및 낮은 전류가 필요하고 시간이 지날수록 낮은 전압의 큰 전류를 필요로 하는 부하이다.
도 2는 종래 기술에 따른 CVD 장치용 전원 장치의 블록 구성도로서, 동 도면에 도시된 바와 같이, 입력 전원을 절연 변압하여 다단으로 출력하는 절연 변압기(210), 및 상기 다단 출력을 각기 단속하여 부하(R1~R4)로 전달하는 탭 절환 스위치(220)를 포함한다. 참고로, 도 2는 설명의 중복을 피하기 위해 각상의 구성이 동일한 3상 변압기 중 1상의 구성만을 도시한 것이다.
도 1의 부하 조건을 만족하기 위해, 초기에 제 1 스위치(S221)을 도통시킴으로써 Tap1을 통하여 부하(R1-R4)에 전력을 공급하게 된다. 시간이 지남에 따라 필요 전압이 낮아 지고, 전류는 높아지게 된다. 부하 필요 전압이 Tap2에 도달하게 되면 제 1 스위치(S221)를 정지시키고, 제 2 스위치(S222)를 도통시킴으로써 Tap2를 사용하게 된다. 같은 방식으로 Tap5까지 순차 전환하게 된다.
그러나, 도 2의 장치는 초기에 부하(R1-R4)가 필요로 하는 전압 3500V를 공급하기 위한 제 1 스위치(S221)의 전압 사양이 높아지는 단점을 갖게 된다. 즉, 도 2의 탭 절환 스위치(220)의 각 스위치(S221-S225)는 도 3에 도시된 바와 같이 양방향 SCR 스위치로 구성되고, 각 스위치의 정격 전압은 통상 사용 전압의 2.5배 정도로 선정하게 되는데, 제 1 스위치(S221)를 위하여 약 7000[V]급 이상의 높은 정격 전압을 갖는 양방향 SCR 스위치를 구성하는 것은 쉽지 않다. 따라서, 높은 부하 요구 전압으로 인해 스위치의 절연 신뢰성이 저하되는 등의 문제가 발생할 수 있고, 나아가 전원 장치의 신뢰성에 문제가 있을 수 있다.
본 개시는 상술된 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 기존보다 낮은 정격 전압의 탭 절환 스위치를 사용하여도 실리콘 결정 성장을 위한 CVD 공정의 부하 특성을 만족하면서 스위치의 신뢰성을 유지할 수 있도록 하는 화학 기상 증착 장치용 전원 장치 및 그것의 스위칭 제어 방법을 제공하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따른 화학 기상 증착 장치용 전원 장치는, 입력 전원을 절연 변압하여 다단으로 출력하는 절연 변압기; 상기 다단 출력을 각기 단속하는 탭 절환 스위치; 상기 절연 변압기의 2차측 권선의 도트 방향과 다른 도트 방향의 2차측 권선을 갖는 보조 변압기; 상기 보조 변압기의 상기 2차측 권선의 일단에 일단이 연결된 제 1 스위치; 상기 절연 변압기의 상기 2차측 권선의 일단과 상기 제 1 스위치의 타단과의 사이에 연결된 제 2 스위치; 및 상기 제 1 및 제 2 스위치의 공통접속점과 부하들간의 공통 접속점과의 사이에 연결된 제 3 스위치를 포함할 수 있고, 상기 제 1 내지 제 3 스위치 및 상기 탭 절환 스위치의 스위칭을 제어하는 스위칭 제어부를 포함할 수 있다.
상기 제 1 스위치, 상기 제 2 스위치, 및 상기 탭 절환 스위치는 양방향 SCR(Silicon-C0ntrolled Rectifier Thyristor)로 구성될 수 있고, 상기 제 3 스위치는 기계적 스위치로 구성될 수 있으며, 상기 부하들은 상기 보조 변압기의 상기 2차측 권선의 타단과 상기 절연 변압기의 2차측 권선의 타단과의 사이에 연결될 수 있다.
전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 다른 측면에 따른 화학 기상 증착 장치용 전원 장치의 스위칭 제어 방법은, 상술된 바와 같이 구성된 화학 기상 증착 장치용 전원 장치에서, 상기 스위치들의 스위칭을 제어하는 방법에 있어서, 상기 제 1 내지 제 3 스위치를 턴-온하고 나머지 스위치는 턴-오프하는 제 1 스위칭 단계; 및 상기 탭 절환 스위치 중 최상위 출력을 단속하는 스위치부터 최하위 출력을단속하는 스위치까지 순차적으로 턴-온하고 나머지 스위치는 턴-오프하는 제 2 스위칭 단계를 포함할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 다양한 측면에 따르면, 기존보다 낮은 정격 전압의 탭 절환 스위치를 사용하여도 실리콘 결정 성장을 위한 CVD 공정의 부하 특성을 만족하면서 스위치의 고 신뢰성을 유지할 수 있으며, 이로 인해 전원 장치의 생산 비용은 낮추고 신뢰성은 향상하는 효과가 창출된다.
도 1은 CVD 장치 반응기에서의 부하 특성을 나타내는 도면,
도 2는 종래 기술에 따른 CVD 장치용 전원 장치의 구성도,
도 3는 도 2의 탭 절환 스위치의 각 스위치의 구성도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 CVD 장치용 전원 장치의 구성도,
도 5 내지 도 9는 도 4의 각 스위치의 스위칭 제어에 따른 등가 회로도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 CVD 장치용 전원 장치의 구성도로서, 동도면에 도시된 바와 같이, 절연 변압기(410), 탭 절환 스위치(420), 보조 변압기(430), 제 1 내지 제 3 스위치(440,450,460), 부하(470), 및 스위칭 제어부(480)를 포함한다.
상기 절연 변압기(410)는 1차측의 입력 전원을 절연 변압하여 2차측에서 다단으로 출력하는 것으로, 예를 들어 2차측에 구성된 다단의 출력 탭은 1750V/557A의 출력 탭(Tap2), 870V/1307A의 출력 탭(Tap3), 480V/2297A의 출력 탭(Tap4), 및 270V/3047A의 출력 탭(Tap5)을 포함한다.
상기 탭 절환 스위치(420)는 상기 절연 변압기(410)의 2차측의 다단 출력을 각기 단속하기 위한 것으로, 예를 들어 첫 번째 출력 탭(Tap2)의 출력을 단속하는 스위치(S4), 두 번째 출력 탭(Tap3)의 출력을 단속하는 스위치(S5), 세 번째 출력 탭(Tap4)의 출력을 단속하는 스위치(S6), 및 네 번째 출력 탭(Tap5)의 출력을 단속하는 스위치(S7)를 포함하며, 이 스위치들(S4~S7)은 양방향 SCR로 구성될 수 있다.
상기 보조 변압기(430)는 상기 절연 변압기(410)의 2차측 권선의 도트 방향과 다른 도트 방향의 2차측 권선을 가지며, 그 2차측 권선은 1750V/557A의 출력 탭(Tap1)을 포함한다.
상기 제 1 스위치(S1, 440)는 일단(예컨대, 입력단)이 상기 보조 변압기(430)의 상기 2차측 권선의 출력 탭(Tap1)의 일단에 연결되고 타단(예컨대, 출력단)은 상기 제 2 스위치(S2, 450)의 출력단에 연결되며, 예를 들어 양방향 SCR로 구성될 수 있다.
상기 제 2 스위치(S2, 450)는 일단(예컨대, 입력단)이 상기 절연 변압기(410)의 2차측 권선의 출력 탭(Tap2)의 일단에 연결되고 타단(예컨대, 출력단)은 상기 제 1 스위치(S1, 440)의 출력단에 연결되어 있으며, 예를 들어 양방향 SCR로 구성될 수 있다.
상기 제 3 스위치(S3, 460)는, 일단이 상기 제 1 스위치(S1, 440)와 상기 제 2 스위치(S2, 450)의 공통 출력단에 연결되고, 타단은 부하들(R1~R4, 470)간의 공통 접속점(즉, R2와 R3간의 접속점)에 연결되며, 예를 들어 VCB(Vacuum Circuit Break)와 같은 기계적 스위치로 구성될 수 있다.
상기 부하(470)는, 예를 들어, 상기 보조 변압기(430)의 2차측 권선의 타단과 상기 절연 변압기(410)의 2차측 권선의 타단과의 사이에 연결되고, 서로 직렬 연결된 R1~R4의 4개의 부하를 포함할 수 있으며, 본 실시예에서 상기 각 부하(R1~R4)는 실리콘 기둥이 될 수 있다.
상기 스위칭 제어부(480)는 상기 제 1 스위치(S1,440), 상기 제 2 스위치(S2,450), 상기 제 3 스위치(S3, 460) 및 상기 탭 절환 스위치(420, S4~S7)의 스위칭을 제어한다.
이어, 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기상 증착 장치용 전원 장치의 스위칭 제어 방법에 대해 설명하되, 도 5 내지 도 9를 참조하여 도 4의 전원 장치의 동작과 병행하여 설명한다.
도 5 내지 도 9는 도 4의 각 스위치의 스위칭 제어에 따른 등가 회로도이다.
도 1의 step1과 같은 초기에는, 스위칭 제어부(480)의 제어에 따라 S1, S2 및 S3의 스위치를 턴-온하고 나머지 스위치를 턴-오프하면, 도 5에 도시된 바와 같이 R1R2의 양단에 Tap1의 출력전압인 1750V가 인가되고, R3R4의 양단에 Tap2의 출력전압인 1750V가 인가되며, 결과적으로 부하(R1R2R3R4)의 양단에 3500V가 인가된다.
이어 도 1의 step2의 시점에서, 스위칭 제어부(480)의 제어에 따라 탭 절환 스위치(420) 중 최상위 출력을 단속하는 S4의 스위치만 턴-온하고 나머지 스위치를 턴-오프하면, 도 6에 도시된 바와 같이 부하(R1R2R3R4)의 양단에 Tap2의 출력 전압인 1750V가 인가된다.
이어 도 1의 step3의 시점에서, 스위칭 제어부(480)의 제어에 따라 탭 절환 스위치(420) 중 차상위 출력을 단속하는 S5의 스위치만 턴-온하고 나머지 스위치를 턴-오프하면, 도 7에 도시된 바와 같이 부하(R1R2R3R4)의 양단에 Tap3의 출력 전압인 870V가 인가된다.
이어 도 1의 step4의 시점에서, 스위칭 제어부(480)의 제어에 따라 탭 절환 스위치(420) 중 차차상위 출력을 단속하는 S6의 스위치만 턴-온하고 나머지 스위치를 턴-오프하면, 도 8에 도시된 바와 같이 부하(R1R2R3R4)의 양단에 Tap4의 출력 전압인 480V가 인가된다.
마지막으로 도 1의 step5의 시점에서, 스위칭 제어부(480)의 제어에 따라 탭 절환 스위치(420) 중 최하위 출력을 단속하는 S7의 스위치만 턴-온하고 나머지 스위치를 턴-오프하면, 도 9에 도시된 바와 같이 부하(R1R2R3R4)의 양단에 Tap5의 출력 전압인 270V가 인가된다.
이상 설명한 바와 같이, 도 1의 step1과 같은 초기 시점에는 부하(R1R2R3R4)에 3500V의 고전압을 제공하여야 하는데, 도 2의 종래 전원 장치에 따르면 초기 스위치 S221에 최상위 전압 3500V가 모두 걸리는 반면, 도 4의 본 발명의 전원 장치에 따르면 초기 스위치 S1,S2에 최상위 전압의 절반인 1750V만이 걸리므로 기존과 비교하여 제공 전압은 동일하게 하면서도 스위치 사양은 낮출 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 측면에 따른 화학 기상 증착 장치용 전원 장치 및 그것의 스위칭 제어 방법은 실리콘 결정 성장을 위한 CVD 장치에 적용되어, 기존보다 낮은 정격 전압의 초기 스위치를 사용하여도 실리콘 결정 성장을 위한 CVD 공정의 부하 특성을 만족하면서 스위치의 고 신뢰성을 유지할 수 있으며, 이로 인해 전원 장치의 생산 비용은 낮추고 신뢰성은 향상하는 효과가 발생하는 매우 유용한 발명이다.
이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 그 모든 구성 요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성 요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수 개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 그 컴퓨터 프로그램을 구성하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 본 발명의 기술 분야의 당업자에 의해 용이하게 추론될 수 있을 것이다. 이러한 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 저장매체(Computer Readable Media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시예를 구현할 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 저장매체로서는 자기 기록매체, 광 기록매체, 캐리어 웨이브 매체 등이 포함될 수 있다.
또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
410: 절연 변압기 420, S4~S7: 탭 절환 스위치
430: 보조 변압기 440, S1: 제 1 스위치
450, S2: 제 2 스위치 460, S3: 제 3 스위치
470, R1~R4: 부하 480: 스위칭 제어부

Claims (6)

  1. 입력 전원을 절연 변압하여 다단으로 출력하는 절연 변압기;
    상기 다단 출력을 각기 단속하는 탭 절환 스위치;
    상기 절연 변압기의 2차측 권선의 도트 방향과 다른 도트 방향의 2차측 권선을 갖는 보조 변압기;
    상기 보조 변압기의 상기 2차측 권선의 일단에 일단이 연결된 제 1 스위치;
    상기 절연 변압기의 상기 2차측 권선의 일단과 상기 제 1 스위치의 타단과의 사이에 연결된 제 2 스위치;
    상기 제 1 및 제 2 스위치의 공통접속점과 부하들간의 공통 접속점과의 사이에 연결된 제 3 스위치; 및
    상기 제 1 내지 제 3 스위치 및 상기 탭 절환 스위치의 스위칭을 제어하되, 상기 제 1 내지 제 3 스위치를 턴-온하고 나머지 스위치는 턴-오프하고, 상기 탭 절환 스위치 중 최상위 출력을 단속하는 스위치부터 최하위 출력을 단속하는 스위치까지 순차적으로 턴-온하고 나머지 스위치는 턴-오프하는 스위칭 제어부
    를 포함하는 화학 기상 증착 장치용 전원 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 스위치, 상기 제 2 스위치, 및 상기 탭 절환 스위치는 양방향 SCR(Silicon-C0ntrolled Rectifier Thyristor)로 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치용 전원 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 3 스위치는 기계적 스위치로 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치용 전원 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 부하들은 상기 보조 변압기의 상기 2차측 권선의 타단과 상기 절연 변압기의 상기 2차측 권선의 타단과의 사이에 연결된 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치용 전원 장치.
  5. 삭제
  6. 입력 전원을 절연 변압하여 다단으로 출력하는 절연 변압기; 상기 다단 출력을 각기 단속하는 탭 절환 스위치; 상기 절연 변압기의 2차측 권선의 도트 방향과 다른 도트 방향의 2차측 권선을 갖는 보조 변압기; 상기 보조 변압기의 상기 2차측 권선의 일단에 일단이 연결된 제 1 스위치; 상기 절연 변압기의 상기 2차측 권선의 일단과 상기 제 1 스위치의 타단과의 사이에 연결된 제 2 스위치; 및 상기 제 1 및 제 2 스위치의 공통접속점과 부하들간의 공통 접속점과의 사이에 연결된 제 3 스위치를 포함하는 화학 기상 증착 장치용 전원 장치에서, 상기 스위치들의 스위칭을 제어하는 방법에 있어서,
    상기 제 1 내지 제 3 스위치를 턴-온하고 나머지 스위치는 턴-오프하는 제 1 스위칭 단계; 및
    상기 탭 절환 스위치 중 최상위 출력을 단속하는 스위치부터 최하위 출력을단속하는 스위치까지 순차적으로 턴-온하고 나머지 스위치는 턴-오프하는 제 2 스위칭 단계
    를 포함하는 화학 기상 증착 장치용 전원 장치의 스위칭 제어 방법.
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