KR101170591B1

KR101170591B1 - 전원 장치 및 이를 이용한 마이크로파 발생 장치

Info

Publication number: KR101170591B1
Application number: KR1020097007607A
Authority: KR
Inventors: 시게루 가사이; 유키 오사다; 유지 오바타
Original assignee: 도쿄엘렉트론가부시키가이샤
Priority date: 2006-10-27
Filing date: 2007-10-12
Publication date: 2012-08-01
Also published as: WO2008050619A1; TW200830946A; CN101529710A; CN101529710B; JP2008113473A; TWI418259B; KR20090055630A; JP5171010B2

Abstract

본 발명은 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 교류/직류 변환부와, 복수의 스위칭 소자를 갖고, 직류 전압이 입력될 때에 상기 각 스위칭 소자에 온·오프 사이클이 생겨서, 이들 각 스위칭 소자의 온·오프의 조합에 기초해서 펄스 형상 전압을 출력하는 스위칭 회로와, 상기 각 스위칭 소자의 온·오프 사이클의 위상을 변화시킴으로써 상기 스위칭 회로로부터 출력되는 펄스 형상 전압의 펄스폭을 제어하는 페이즈 시프트형 PWM 제어를 행하는 제어부를 구비하되, 상기 제어부는 상기 스위칭 소자의 온·오프 사이클에 있어서, 상기 복수의 스위칭 소자가 모두 오프로 되는 타이밍을 삽입하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 전원 장치이다.

Description

전원 장치 및 이를 이용한 마이크로파 발생 장치{POWER SUPPLY AND MICROWAVE GENERATOR USING SAME}

본 발명은 페이즈 시프트형 PWM 제어에 의한 스위칭 동작을 행하는 스위칭 회로를 갖는 전원 장치 및 상기 전원 장치를 이용한 마이크로파 발생 장치에 관한 것이다.

반도체 디바이스나 액정 표시 장치의 제조 공정에서는, 반도체 웨이퍼나 유리 기판 등의 피처리 기판에 에칭 처리나 성막 처리 등의 플라즈마 처리가 실시된다. 이를 위해, 플라즈마 에칭 장치나 플라즈마 CVD 성막 장치 등의 플라즈마 처리 장치가 이용된다.

플라즈마 처리 장치에 있어서의 플라즈마의 발생 방식으로서는, 평행 평판 전극이 배치된 챔버 내에 처리 가스를 공급하고, 평행 평판 전극에 소정의 전력을 공급하여, 평행 평판 전극간의 용량 결합에 의해서 플라즈마를 발생시키는 방식이 많이 이용되어 왔다. 그러나 근래, 높은 플라즈마 밀도와 낮은 전자 온도를 실현할 수 있는 플라즈마로서, 마이크로파를 이용한 방식이 계속 주목받고 있다.

마이크로파를 이용하는 플라즈마원으로서는 마그네트론을 구비한 마이크로파 발생 장치를 이용하는 것이 일반적이다. 마그네트론은 음극(캐소트)으로서의 필라멘트 주위에, 공동공진기를 가진 양극(애노드)을 동축 형상으로 배치해서 구성된다. 이들 양쪽 전극간에 대해서 직류 전계를 인가한 상태에서, 음극이 가열되어, 열전자가 방출된다. 양쪽 전극간에 인가하는 전계(전압)를 조정함으로써, 흐르는 전류가 제어된다. 이와 동시에, 상기 전계에 대해 직교하는 방향으로 인가되는 자계에 의해서, 열전자에 회전 운동이 일어나서 발진한다. 그 결과, 마이크로파가 발생한다.

마그네트론을 마이크로파 발진기에 이용하는 경우에는 대용량의 고전압 전원이 필요하다. 대용량의 직류 전원의 스위칭 회로는 보통, 4개의 트랜지스터를 이용한 풀 브리지 회로로 구성된다. 이 경우, 스위칭 소자를 구성하는 트랜지스터(FET)에 걸리는 전압을 저하시킬 수 있고, 또한 트랜스 권회수에 의해 자유롭게 전압·전류를 설정할 수 있다.

이러한 스위칭 회로를 이용한 전원의 파워 제어는 일반적으로, PWM(Pulse Width Modulation) 제어에 의해 행해지고 있다. 이 제어는 종래, 트랜지스터의 온·오프 시간(듀티 사이클)을 조정하는 것에 의해 행해지고 있었다. 그러나 모든 트랜지스터가 오프로 되는 시간이 길면, 부하인 라인의 전위가 불안정하게 되서, 스위칭 손실이 증가해 버린다.

이러한 좋지 않은 상황을 회피하는 기술로서, 각 트랜지스터의 게이트 신호의 듀티비를 일정하게 해서 위상(페이즈)을 시프트함으로써 각 트랜지스터의 ON 시 간을 제어하는 페이즈 시프트형 PWM 제어가 알려져 있다(예컨대, 트랜지스터 기술 2004년 6월호 228~235페이지(비특허 문헌 1)). 페이즈 시프트형 PWM 제어를 행함으로써, 공진 회로를 용이하게 형성할 수 있기 때문에, 효율이 좋은 스위칭 동작을 행할 수 있다.

이상과 같은 풀 브리지 회로를 이용하는 페이즈 시프트형 PWM 제어를 행하는 경우에는 스위칭 효율이 높은 MOS형 트랜지스터가 많이 이용된다. 그러나, 오프 시간이 길 때, 즉 상기 회로로부터 출력되어 부하에 인가되는 전압 신호의 듀티비가 작을 때에는, 온으로 되어 있던 트랜지스터의 소스·드레인 사이의 기생 용량 부분에 전하가 충분하게 축적되지 않는다. 이 때문에, 이를 오프로 한 후, 이 트랜지스터에 직렬로 접속되어 있는 다른 트랜지스터를 온으로 했을 때, 오프로 된 트랜지스터의 용량 부분을 통해서 온 상태의 트랜지스터에 큰 돌입 전류가 흘러 버려서, 이들 트랜지스터가 발열하여, 큰 손실이 발생해 버린다.

한편, 부하에 인가되는 전압 신호의 듀티비가 큰 경우에는 보다 큰 파워가 요구된다. 그러나 통상의 페이즈 시프트 제어에서는 효율이 저하되어, 파워를 충분하게 얻을 수 없는 경우도 생긴다.

본 발명은 이러한 사정을 감안해서 이루어진 것으로, 스위칭 회로를 페이즈 시프트형 PWM 제어에 의해 동작시키는 한편, 발열 등의 손실의 영향이 작고, 고효율인 전원 장치 및 상기 전원 장치를 이용한 마이크로파 발생 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 스위칭 회로를 페이즈 시프트형 PWM 제어에 의해 동작시키는 한편 고효율과 고파워를 겸비한 전원 장치 및 상기 전원 장치를 이용한 마이크로파 발생 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 이러한 전원 장치의 스위칭 회로를 제어하기 위한 컴퓨터 프로그램을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 교류/직류 변환부와, 복수의 스위칭 소자를 갖고, 직류 전압이 입력될 때에 상기 각 스위칭 소자에 온·오프 사이클이 생겨서, 이들 각 스위칭 소자의 온·오프의 조합에 기초해서 펄스 형상 전압을 출력하는 스위칭 회로와, 상기 각 스위칭 소자의 온·오프 사이클의 위상을 변화시킴으로써 상기 스위칭 회로로부터 출력되는 펄스 형상 전압의 펄스폭을 제어하는 페이즈 시프트형 PWM 제어를 행하는 제어부를 구비하되, 상기 제어부는 상기 스위칭 소자의 온·오프 사이클에 있어서, 상기 복수의 스위칭 소자가 모두 오프로 되는 타이밍을 삽입하게 되어 있는 것을 특징으로 하는 전원 장치이다.

본 발명에 의하면, 상기 스위칭 소자의 온·오프 사이클에 있어서, 복수의 스위칭 소자가 모두 오프로 되는 타이밍이 삽입됨으로써, 동작 도중에 예컨대 스위칭 트랜지스터의 기생 용량을 충분히 충전할 수 있다. 이로써, 예컨대 스위칭 트랜지스터에 있어서, 충전 전하가 적은 것에 기인하는 돌입 전류의 발생을 방지할 수 있다. 이 때문에, 돌입 전류에 의한 손실 및 트랜지스터의 발열 등을 억제할 수 있다.

또한, 본 발명은 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 교류/직류 변환부와, 복수의 스위칭 소자를 갖고, 직류 전압이 입력될 때에 상기 각 스위칭 소자에 온·오프 사이클이 생기고, 이들 각 스위칭 소자의 온·오프의 조합에 기초해서 펄스 형상 전압을 출력하는 스위칭 회로와, 상기 각 스위칭 소자의 온·오프 사이클의 위상을 변화시킴으로써 상기 스위칭 회로로부터 출력되는 펄스 형상 전압의 펄스폭을 제어하는 페이즈 시프트형 PWM 제어를 행하는 제어부를 구비하되, 상기 제어부는 상기 스위칭 회로로부터 출력되는 펄스 형상 전압의 듀티비가 소정치보다 작은 경우에는, 상기 스위칭 소자의 온·오프 사이클에 있어서, 상기 복수의 스위칭 소자가 모두 오프로 되는 타이밍을 삽입하게 되어 있고, 한편 상기 듀티비가 상기 소정치 이상인 경우에는 상기 복수의 스위칭 소자가 모두 오프로 되는 타이밍을 삽입하지 않게 되어 있는 것을 특징으로 하는 전원 장치이다.

본 발명에 의하면, 스위칭 회로로부터 출력되는 펄스 형상 전압의 듀티비가 소정치보다 작은 경우에는, 상기 스위칭 소자의 온·오프 사이클에 있어서, 복수의 스위칭 소자가 모두 오프로 되는 타이밍이 삽입됨으로써, 동작 도중에 예컨대 스위칭 트랜지스터의 기생 용량을 충분히 충전할 수 있다. 한편, 듀티비가 상기 소정치 이상인 경우에는 복수의 스위칭 소자가 모두 오프로 되는 타이밍은 삽입되지 않는다. 이로써, 고 듀티비 영역에서의 스위칭 손실이 저감되어, 보다 효율이 높은 제어를 행할 수 있다.

또한, 본 발명은 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 교류/직류 변환부와, 복수의 스위칭 소자를 갖고, 직류 전압이 입력될 때에 상기 각 스위칭 소자에 온·오프 사이클이 생겨서, 이들 각 스위칭 소자의 온·오프의 조합에 기초해서 펄스 형상 전압을 출력하는 스위칭 회로와, 상기 각 스위칭 소자의 온·오프 사이클의 위상을 변화시킴으로써 상기 스위칭 회로로부터 출력되는 펄스 형상 전압의 펄스폭을 제어하는 페이즈 시프트형 PWM 제어를 행하는 제어부를 구비하되, 상기 제어부는 상기 스위칭 회로로부터 출력되는 펄스 형상 전압의 듀티비가 소정치보다 작은 경우에는 상기 각 스위칭 소자의 온·오프 사이클의 주파수를 상대적으로 높게 하게 되어 있고, 한편 상기 듀티비가 상기 소정치 이상인 경우에는 상기 온·오프 사이클의 주파수를 상대적으로 낮게 하게 되어 있는 것을 특징으로 하는 전원 장치이다.

본 발명에 의하면, 스위칭 회로로부터 출력되는 펄스 형상 전압의 듀티비가 소정치보다 작은 경우에는 상기 각 스위칭 소자의 온·오프 사이클의 주파수가 상대적으로 높게 되고, 상기 듀티비가 상기 소정치 이상인 경우에는 상기 온·오프 사이클의 주파수가 상대적으로 낮게 된다. 이로써, 저파워 모드에서는 양호한 파워 제어 성능이 달성되고, 또한 고파워 모드에서는 고효율을 얻을 수 있다.

이 경우, 상기 제어부는 상기 듀티비가 상기 소정치 이상인 경우에는 상기 듀티비가 보다 크면, 상기 온·오프 사이클의 주파수가 보다 낮게 되도록 제어하게 되어 있어도 된다. 나아가서는, 상기 제어부는 상기 듀티비가 소정치보다 작은 경우에도, 상기 듀티비가 보다 크면 상기 온·오프 사이클의 주파수가 보다 낮게 되도록 제어하게 되어 있어도 된다.

또한, 본 발명은 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 교류/직류 변환부와, 복수의 스위칭 소자를 갖고, 직류 전압이 입력될 때에 상기 각 스위칭 소자에 온·오프 사이클이 생겨서, 이들 각 스위칭 소자의 온·오프의 조합에 기초해서 펄스 형상 전압을 출력하는 스위칭 회로와, 상기 각 스위칭 소자의 온·오프 사이클의 위상을 변화시킴으로써 상기 스위칭 회로로부터 출력되는 펄스 형상 전압의 펄스폭을 제어하는 페이즈 시프트형 PWM 제어를 행하는 제어부를 구비하되, 상기 제어부는 상기 스위칭 회로로부터 출력되는 펄스 형상 전압의 듀티비가 소정치보다 작은 경우에는, 상기 스위칭 소자의 온·오프 사이클에 있어서 상기 복수의 스위칭 소자가 모두 오프로 되는 타이밍을 삽입하게 되어 있고, 한편 상기 듀티비가 상기 소정치 이상인 경우에는 상기 복수의 스위칭 소자가 모두 오프로 되는 타이밍을 삽입하지 않으며, 또한 상기 온·오프 사이클의 주파수를 상기 듀티비가 상기 소정치보다 작은 경우의 주파수보다 낮게 하게 되어 있는 것을 특징으로 하는 전원 장치이다.

본 발명에 의하면, 보다 세밀한 제어를 행할 수 있어, 효율과 파워 제어성을 높은 레벨로 양립시킬 수 있다.

이 경우, 상기 제어부는 상기 듀티비가 상기 소정치 이상인 경우에는, 상기 듀티비가 보다 크면 상기 온·오프 사이클의 주파수가 보다 낮게 되도록 제어하게 되어 있어도 된다. 더욱이는, 상기 제어부는 상기 듀티비가 소정치보다 작은 경우에도, 상기 듀티비가 보다 크면 상기 온·오프 사이클의 주파수가 보다 낮게 되도록 제어하게 되어 있어도 된다.

또한, 본 발명은 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 교류/직류 변환부와, 복수의 스위칭 소자를 갖고, 직류 전압이 입력될 때에 상기 각 스위칭 소자에 온·오프 사이클이 생겨서, 이들 각 스위칭 소자의 온·오프의 조합에 기초해서 펄스 형상 전압을 출력하는 스위칭 회로와, 상기 각 스위칭 소자의 온·오프 사이클의 위상을 변화시킴으로써 상기 스위칭 회로로부터 출력되는 펄스 형상 전압의 펄스폭을 제어하는 페이즈 시프트형 PWM 제어를 행하는 제어부를 구비하되, 상기 제어부는 상기 스위칭 회로로부터 출력되는 펄스 형상 전압의 듀티비가 제 1 값보다 작은 경우에는, 상기 스위칭 소자의 온·오프 사이클에 있어서, 상기 복수의 스위칭 소자가 모두 오프로 되는 타이밍을 삽입하게 되어 있고, 한편 상기 듀티비가 상기 제 1 값 이상이고 상기 제 1 값보다 큰 제 2 값보다 작은 경우에는, 상기 복수의 스위칭 소자가 모두 오프로 되는 타이밍을 삽입하지 않게 되어 있으며, 상기 듀티비가 상기 제 2 값 이상인 경우에는 상기 온·오프 사이클의 주파수를 상기 듀티비가 상기 제 2 값보다 작은 경우의 주파수보다 낮게 하게 되어 있는 것을 특징으로 하는 전원 장치이다.

본 발명에 의해서도, 보다 섬세한 제어를 행할 수 있어, 효율과 파워 제어성을 높은 레벨로 양립시킬 수 있다.

이 경우, 상기 제어부는 상기 듀티비가 상기 제 2 값 이상인 경우에, 상기 듀티비가 보다 크면 상기 온·오프 사이클의 주파수가 보다 낮게 되도록 제어하게 되어 있어도 된다. 나아가서, 상기 제어부는 상기 듀티비가 상기 제 1 값 이상이고 상기 제 2 값보다 작은 경우에도, 상기 듀티비가 보다 크면 상기 온·오프 사이클의 주파수가 보다 낮게 되도록 제어하게 되어 있어도 된다. 더 나아가, 상기 제어부는 상기 듀티비가 상기 제 1 값보다 작은 경우에도, 상기 듀티비가 보다 크면 상기 온·오프 사이클의 주파수가 보다 낮게 되도록 제어하게 되어 있어도 된다.

이상의 각 발명에 있어서, 적절하게는 상기 스위칭 회로는 4개의 스위칭 소자를 갖고 있고, 이들은 풀 브리지 회로를 구성하고 있다. 그리고, 바람직하게는 상기 4개의 스위칭 소자의 온·오프 사이클의 듀티비는 동일하다.

또한, 예컨대, 상기 스위칭 소자는 MOS FET 또는 IGBT 이다. 또한, 상기 스위칭 회로로부터 출력되는 전압을 승압시키는 승압 트랜스가 더 마련되어 있을 수 있다.

또한, 본 발명은 이상 증 어느 하나의 특징을 갖는 전원 장치와, 상기 전원 장치로부터 급전되어 마이크로파를 발진시키는 마이크로파 발진부를 구비한 것을 특징으로 하는 마이크로파 발생 장치이다.

바람직하게는, 상기 마이크로파 발진부는 내부가 진공으로 유지되는 챔버와, 상기 챔버내에 배치되어, 열전자를 방출시키는 음극으로서 기능하는 필라멘트와, 상기 챔버내에 상기 필라멘트와 대향해서 배치되고, 상기 전원 장치로부터 급전되어 상기 필라멘트와의 사이에 전계를 형성하는 양극과, 상기 챔버의 외측에 상기 전계에 직교하는 자장을 형성하는 자장 발생 수단을 갖는 마그네트론을 구비한다.

또한, 본 발명은 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 교류/직류 변환부와, 복수의 스위칭 소자를 갖고, 직류 전압이 입력될 때에 상기 각 스위칭 소자에 온·오프 사이클이 생겨서, 이들 각 스위칭 소자의 온·오프의 조합에 기초해서 펄스 형상 전압을 출력하는 스위칭 회로를 구비한 전원 장치를 제어하도록 컴퓨터를 기능시키는 컴퓨터 프로그램으로서, 상기 각 스위칭 소자의 온·오프 사이클의 위상을 변화시킴으로써 상기 스위칭 회로로부터 출력되는 펄스 형상 전압의 펄스폭을 제어하는 페이즈 시프트형 PWM 제어를 행하는 기능과, 상기 스위칭 소자의 온·오프 사이클에 있어서, 상기 복수의 스위칭 소자가 모두 오프로 되는 타이밍을 삽입하는 기능을 컴퓨터에 실현시키는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 프로그램이다.

또한, 본 발명은 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 교류/직류 변환부와, 복수의 스위칭 소자를 갖고, 직류 전압이 입력될 때에 상기 각 스위칭 소자에 온·오프 사이클이 생겨서, 이들 각 스위칭 소자의 온·오프의 조합에 기초해서 펄스 형상 전압을 출력하는 스위칭 회로를 구비한 전원 장치를 제어하도록 컴퓨터를 기능시키는 컴퓨터 프로그램으로서, 상기 각 스위칭 소자의 온·오프 사이클의 위상을 변화시킴으로써 상기 스위칭 회로로부터 출력되는 펄스 형상 전압의 펄스폭을 제어하는 페이즈 시프트형 PWM 제어를 행하는 기능과, 상기 스위칭 회로로부터 출력되는 펄스 형상 전압의 듀티비가 소정치보다 작은 경우에는, 상기 스위칭 소자의 온·오프 사이클에 있어서, 상기 복수의 스위칭 소자가 모두 오프로 되는 타이밍을 삽입하고, 한편 상기 듀티비가 상기 소정치 이상인 경우에는 상기 복수의 스위칭 소자가 모두 오프로 되는 타이밍을 삽입하지 않는 기능을 컴퓨터에 실현시키는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 프로그램이다.

또한, 본 발명은 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 교류/직류 변환부와, 복수의 스위칭 소자를 갖고, 직류 전압이 입력될 때에 상기 각 스위칭 소자에 온·오프 사이클이 생겨서, 이들 각 스위칭 소자의 온·오프의 조합에 기초해서 펄스 형상 전압을 출력하는 스위칭 회로를 구비한 전원 장치를 제어하도록 컴퓨터를 기능시키는 컴퓨터 프로그램으로서, 상기 각 스위칭 소자의 온·오프 사이클의 위상을 변화시킴으로써 상기 스위칭 회로로부터 출력되는 펄스 형상 전압의 펄스폭을 제어하는 페이즈 시프트형 PWM 제어를 행하는 기능과, 상기 스위칭 회로로부터 출력되는 펄스 형상 전압의 듀티비가 소정치보다 작은 경우에는 상기 각 스위칭 소자의 온·오프 사이클의 주파수를 상대적으로 높게 하고, 상기 듀티비가 상기 소정치 이상인 경우에는, 상기 온·오프 사이클의 주파수를 상대적으로 낮게 하는 기능을 컴퓨터에 실현시키는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 프로그램이다.

또한, 본 발명은 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 교류/직류 변환부와, 복수의 스위칭 소자를 갖고, 직류 전압이 입력될 때에 상기 각 스위칭 소자에 온·오프 사이클이 생겨서, 이들 각 스위칭 소자의 온·오프의 조합에 기초해서 펄스 형상 전압을 출력하는 스위칭 회로를 구비한 전원 장치를 제어하도록 컴퓨터를 기능시키는 컴퓨터 프로그램으로서, 상기 각 스위칭 소자의 온·오프 사이클의 위상을 변화시킴으로써 상기 스위칭 회로로부터 출력되는 펄스 형상 전압의 펄스폭을 제어하는 페이즈 시프트형 PWM 제어를 행하는 기능과, 상기 스위칭 회로로부터 출력되는 펄스 형상 전압의 듀티비가 제 1 값보다 작은 경우에는, 상기 스위칭 소자의 온·오프 사이클에 있어서, 상기 복수의 스위칭 소자가 모두 오프로 되는 타이밍을 삽입하고, 상기 듀티비가 제 1 값 이상이고 상기 제 1 값보다 큰 제 2 값보다 작은 경우에는 상기 복수의 스위칭 소자가 모두 오프로 되는 타이밍을 삽입하지 않으며, 상기 듀티비가 상기 제 2 값 이상인 경우에는 상기 온·오프 사이클의 주파수를 상기 듀티비가 상기 제 2 값보다 작은 경우의 주파수보다 낮게 하는 기능을 컴퓨터에 실현시키는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 프로그램이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고 전압 전원을 탑재한 마이크로파 발생 장치를 포함하는 마이크로파 플라즈마 처리 장치를 나타내는 블록도,

도 2는 도 1의 마이크로파 플라즈마 처리 장치의 내부 구성을 설명하기 위한 개략도,

도 3(a) 및 도 3(b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 고 전압 전원을 구체적으로 나타내는 회로도,

도 4는 도 1의 마이크로파 플라즈마 처리 장치에 있어서의 마이크로파 발진부의 주구성부인 마그네트론을 나타내는 단면도,

도 5는 통상의 페이즈 시프트형 PWM 제어에 있어서의 각 스위칭 트랜지스터의 게이트 신호와 트랜스 1차측 전압 파형의 관계의 일례를 나타내는 도면,

도 6은 도 5의 경우에 있어서의, 1 사이클의 스위칭 동작을 모식적으로 나타내는 도면,

도 7은 실제 페이즈 시프트형 PWM 제어에 있어서, 트랜스 1차측 전압의 듀티비를 변화시킨 경우의, 듀티비 20%, 50%, 90%의 실제 파형을 나타내는 도면,

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 고 전압 전원의 스위칭 회로에서의, 1 사이클의 스위칭 동작을 모식적으로 나타내는 도면,

도 9는 본 발명의 다른 실시예의 스위칭 회로의 동작 상태를 나타내는 모식 도,

도 10은 높은 주파수에 있어서, 게이트 신호의 듀티비가 작은 경우이고 또한 트랜지스터가 OFF일 때, 복수차(고차)의 공진이 일어났을 때에 있어서의, 게이트 전압, 트랜스 1차측 전류, 트랜스 2차측 전류의 파형을 나타내는 도면,

도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 있어서의 스위칭 회로의 동작 상태의 예를 나타내는 모식도,

도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 있어서의 스위칭 회로의 동작 상태의 다른 예를 나타내는 모식도,

도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 있어서의 스위칭 회로의 동작 상태의 또 다른 예를 나타내는 모식도,

도 14(a) 및 도 14(b)는 본 발명의 다른 실시예에 있어서의 스위칭 회로의 동작 상태를 나타내는 모식도,

도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 있어서의 스위칭 회로의 동작 상태를 나타내는 모식도이다.

이하, 첨부 도면을 참조하면서, 본 발명의 일 실시예에 대해서 상세하게 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고 전압 전원(전원 장치)을 탑재한 마이크로파 발생 장치를 포함하는 마이크로파 플라즈마 처리 장치를 나타내는 블록도이다. 도 2는 그 내부 구성을 설명하기 위한 개략도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 마이크로파 플라즈마 처리 장치(100)는 마이크로파 발생 장치(1)와, 마이크로파 전송부(2)와, 플라즈마 처리부(3)와, 이들 각부를 제어하는 상위의 제어부인 전체 제어부(4)를 구비하고 있다.

마이크로파 발생 장치(1)는 고 전압 전원(11)과 마이크로파 발진부(12)를 구비하고 있다. 고 전압 전원(11)은, 도 2에 도시한 바와 같이, 3상 200V의 교류 전압을 직류 전압으로 변환하고, 승압해서, 소정의 직류 전압을 마이크로파 발진부(12)에 공급하기 위한 것으로, 안전 회로(13)와, AC/DC 변환부(14)와, 스위칭 회로(15)와, 고내압 승압 트랜스(16)와, 정류 회로(17)와, 주로 스위칭 회로(15)를 제어하는 고 전압 전원 컨트롤러(18)를 갖고 있다. AC/DC 변환부(14)는 정류 회로(21)와 평활 회로(22)를 갖고 있다. 그리고, AC/DC 변환부(14)에서 변환된 280V의 직류 전압이, 고 전압 전원 컨트롤러(18)로부터의 지령에 기초해서, 스위칭 회로(15)에 의해서 스위칭된다(온·오프된다). 그리고, 상기 직류 전압은 고내압 승압 트랜스(16)로 원하는 전압으로 승압되어, 정류 회로(17)를 통해서 마이크로파 발진부(12)에 공급된다. 마이크로파 발진부(12)에 공급되는 고압 직류의 전압·전류는 전압·전류 모니터(20)에서 모니터되고, 그 정보는 고 전압 전원 컨트롤러(18)에 보내진다.

마이크로파 발진부(12)는 도 2에 도시한 바와 같이, 마이크로파를 발진시키는 마그네트론(23)과, 마그네트론(23)의 필라멘트에 전압을 공급하는 필라멘트 전원(24)과, 마이크로파 발진부 컨트롤러(25)를 갖고 있다.

마그네트론(23)은 진공으로 유지되는 용기 내에, 음극(캐소트)으로서의 필라 멘트(26)와 양극(애노드)(27)을 갖고 있다. 필라멘트(26)에 전압이 인가되면, 열전자가 방출된다. 양쪽 전극 사이에 고 전압 전원(11)으로부터 소정의 전압을 인가함으로써, 흐르는 전류가 제어된다. 또한, 이 때에 생기는 전계에 대해 직교하는 방향으로 자계를 인가함으로써, 열전자에 회전 운동이 생겨서 발진한다. 그 결과, 마그네트론(23)은 예컨대 2.45GHz의 마이크로파를 발생한다.

필라멘트 전원(24)은 200V의 3상 교류로부터 취출되는 200V의 교류를 하압(降壓)하는 고내압 하압 트랜스(28)와, AC/DC 변환 회로(29)와, 스위칭 회로(30)를 갖고 있다. 고내압 하압 트랜스(28)와 AC/DC 변환 회로(29)로 형성된 7V의 직류 전압이, 마이크로파 발진부 컨트롤러(25)로부터의 지령에 기초해서 스위칭 회로(30)로 제어되어, 0~7V의 범위의 소정의 전압이 되어 마그네트론(23)의 필라멘트(26)에 인가된다. 한편, 필라멘트(26)에 공급되는 직류의 전압·전류는 전압·전류 모니터(31)에서 모니터되어, 그 정보는 마이크로파 발진부 컨트롤러(25)에 보내여진다.

마이크로파 전송부(2)는 마이크로파 발생 장치(1)에서 발생된 마이크로파를 플라즈마 처리부(3)로 유도하기 위한 것으로, 마이크로파 발생 장치(1)에서 발생된 마이크로파(μ파)를 유도하는 도파관(32)과, 반사 마이크로파를 분리하기 위한 아이솔레이터(33)와, 마이크로파의 파워를 검출하는 파워 센서(34)와, 임피던스 조정을 행하는 튜너(35)와, 전송된 마이크로파를 플라즈마 처리부(3)에 방사하기 위한 안테나(36)와, 마이크로파 전송부(2)의 각 구성부를 제어하는 전송부 컨트롤러(37)를 갖고 있다. 안테나(36)에는 마이크로파를 방사하기 위한 슬롯이 형성되어 있 다. 파워 센서(34)에서 검출되는 마이크로파의 파워는 파워 모니터(38)에 의해 모니터되고, 그 신호는 고 전압 전원 컨트롤러(18)에 송신된다.

플라즈마 처리부(3)는 기밀하게 구성된 챔버(39)와, 챔버(39) 내에서 플라즈마 처리가 실시되는 피처리 기판(S)을 탑재하는 탑재대(40)와, 안테나(36)로부터 방사되는 마이크로파를 챔버(39)내에 투과시키기 위한 유전체 재료로 이루어지는 천정판(41)과, 챔버(39)내에 처리 가스를 공급하는 가스 공급부(42)와, 가스 공급부(42)로부터의 가스를 챔버(39)내에 도입하는 가스 도입 부재(43)와, 챔버(39)의 바닥부에 마련된 배기구(44)와, 배기구(44)를 통해서 챔버(39)내를 배기하는 배기부(45)와, 플라즈마 처리부(3)의 각 구성부를 제어하는 처리부 컨트롤러(46)를 갖고 있다. 챔버(39)의 피처리 기판(S)의 윗쪽 공간에 마이크로파가 방사됨으로써, 그 공간에 처리 가스의 플라즈마가 형성된다. 이 플라즈마에 의해, 피처리 기판(S)에 산화 처리나 에칭 등의 소정의 플라즈마 처리가 실시된다.

전체 제어부(4)는 고 전압 전원 컨트롤러(18), 마이크로파 발진부 컨트롤러(25), 전송부 컨트롤러(37), 처리부 컨트롤러(46)를 제어하는 마이크로세서(컴퓨터)로 이루어지는 상위 컨트롤러(47)와, 제어에 필요한 각종 프로그램이나 처리 조건 이른바 레시피 등이 저장된 기억부(48)와, 고 전압 전원의 파워 등의 각종 설정을 행하는 설정부나 스테이터스 및 경보 등을 표시하는 표시부 등을 갖는 외부 인터페이스(49)를 갖고 있다. 상기 레시피는 예컨대, CD-ROM, 하드디스크, 플렉서블 디스크, 비휘발성 메모리 등의 판독 가능한 기억 매체에 저장될 수 있다. 전체 제어부(4), 고 전압 전원 컨트롤러(18), 마이크로파 발진부 컨트롤러(25), 전송부 컨 트롤러(37), 처리부 컨트롤러(46)로, 제어부가 구성되어 있다.

다음으로 고 전압 전원(11)에 대해서 상세하게 설명한다.

도 3(a) 및 도 3(b)는 고 전압 전원(11)을 상세하게 나타내는 회로도이다. 도 3(a)에 도시한 바와 같이, 200V의 3상교류가, 우선 안전 회로(13)를 지나서 AC/DC 변환부(14)에 도달한다. 안전 회로(13)는 브레이커(50)와, 노이즈 필터(51)와, 마그네틱 컨택터(52)를 갖고 있다. 이것을 거친 교류 전류는 정류 회로(21)에 의해 직류로 변환되고, 그 직류 전류가 콘덴서(22a)를 갖는 평활 회로(22)에 의해서 평활화되어, 280V의 직류로 된다.

도 3(b)에 도시한 바와 같이, 스위칭 회로(15)에서는 4개의 스위칭 트랜지스터(Q1, Q2, Q3, Q4)가 풀 브리지 회로(H 브리지라고도 한다)를 구성하고 있고, 고 전압 전원 컨트롤러(18)에 의해서 페이즈 시프트형 PWM 제어를 실시하게 되어 있다. 스위칭 트랜지스터(Q1, Q2, Q3, Q4)에는 고 전압 전원 컨트롤러(18)로부터, 각각 위상(페이즈)가 제어된 듀티비 50%의 게이트 드라이브 신호(Vg1, Vg2, Vg3, Vg4)가 입력되게 되어 있다. 이들이 합성되어, 펄스 형상 전압이 스위칭 회로(15)로부터 출력된다. 이 펄스 형상 전압이, 트랜스 1차측 전압으로서 취출된다.

스위칭 트랜지스터(Q1~Q4) 중, 트랜지스터(Q1, Q4)가 양(正)출력이며, 트랜지스터(Q2, Q3)가 음(負)출력이다. 스위칭 트랜지스터로서는, 효율의 관점에서 전계 효과형 트랜지스터를 이용할 수 있으며, MOS형인 것이 바람직하고, 파워 MOSFET가 적합하다. 또한, MOS FET에 비해서 고내압이며 고파워용에 적합한 IGBT(절연 게이트형 바이폴라 트랜지스터)를 이용할 수도 있다.

또한, 스위칭 회로(15)의 부하인 승압 트랜스(16)는 직렬로 접속된 트랜지스터(Q1와 Q2)의 사이 및 트랜지스터(Q3와 Q4)의 사이로부터 각각 연장되는 배선에 접속되어 있다. 또한, 각 스위칭 트랜지스터(Q1~Q4)와 병렬로 공진 콘덴서(Cr/2)가 삽입되고, 트랜지스터(Q1와 Q2)의 사이에서 승압 트랜스(16)에 이르는 배선에 공진 인덕터(Lr)가 삽입되어 있다. 여기서, 공진 콘덴서(Cr/2)는 트랜지스터의 기생 용량과 트랜지스터에 병렬로 접속되는 추가 콘덴서와의 합성 용량이며, 공진 인덕터(Lr)는 트랜스(16)의 누설 인덕턴스와 트랜스에 직렬로 접속되는 추가 인덕터의 합성 인덕턴스이다. 승압 트랜스(16)에서는 280V가 -8000V까지 승압된다. 즉, 0~-8000V 사이의 전압의 직류 전류가, 정류 회로(17)로 정류되어 마그네트론(23)에 공급되게 되어 있다.

다음으로 마이크로파 발진부(12)의 주구성부인 마그네트론(23)에 대해서, 도 4를 참조해서 설명한다.

이 마그네트론(23)에서는, 진공으로 유지된 예컨대 금속제의 케이스(61)내에, 음극으로서의 필라멘트(26)와, 이에 대향하도록 배치된 양극(27)이 배치되어 있다. 실제로는 필라멘트(26)는 원통 형상으로 성형되고, 그 주위를 둘러싸도록 해서 양극(27)이 동축 원통 형상으로 성형되어 있지만, 도 4에서는 마그네트론(23)의 구조가 모식적으로 기재되어 있다. 양극(27)의 필라멘트(26)에 대향하는 면에, 복수의 공동공진기(62)가 마련되어 있다.

케이스(61)의 측면(도면 중 상하면)(66)은 비자성 재료로 형성되고, 그 외측에 영구 자석(67)이 배치되어 있다. 이로써, 음극으로서의 필라멘트(26)와 양 극(27)의 사이의 공간에, 이들 양쪽 전극의 대향 방향과 직교하도록 강력한 자계를 형성할 수 있다. 또한, 필라멘트(26)에는 필라멘트 전원(24)으로부터 전압이 인가되고, 이로써 열전자가 방출된다. 또한, 음극으로서 기능하는 필라멘트(26)와 양극(27)의 사이에는 고 전압 전원(11)으로부터 소정의 전압이 인가되고, 이로써 전류가 제어된다. 이 때에 생기는 전계에 대해서, 상기 자계가 상기 전계와 직교하는 방향으로 작용하기 때문에, 이 직교 전자계에 의해서, 필라멘트(26)로부터 방출되는 열전자에 회전 운동이 생기고, 열전자가 공동공진기(62)를 통과할 때에 발진이 생겨서, 결과적으로 예컨대 2.45GHz의 마이크로파가 발생된다.

양극(27)에는 절연재(63)를 통해서 케이스(61)를 관통하는 안테나 리드(64)가 접속된다. 이 안테나 리드(64)의 선단부에는 안테나(65)가 접속되어, 발생된 마이크로파는 이 안테나(65)로부터 도파관(32)내로 전파되게 되어 있다.

다음으로 이상과 같이 구성되는 마이크로파 플라즈마 처리 장치에 있어서의 처리 동작에 대해서 설명한다.

우선, 외부 인터페이스(49)의 설정부에서, 고 전압 전원의 파워 등의 각종 설정이 행해진다. 그리고, 플라즈마 처리부(3)의 챔버(39)내에, 도시하지 않은 반입반출구로부터, 피처리 기판(S)이 반입된다. 그리고, 가스 공급부(42)로부터 가스도입 부재(43)를 통해서 소정의 처리 가스가 챔버(39) 내로 도입되고, 마이크로파 발생 장치(1)에 의해서 마이크로파가 발생되어, 마이크로파 전송부(2)를 거쳐서 챔버(39)내에 마이크로파가 방사된다. 이로써, 챔버(39) 내에서 처리 가스가 플라즈마화되고, 이 마이크로파 플라즈마에 의해 소정의 플라즈마 처리가 실행된다.

이 때, 발생되는 마이크로파의 제어는 마이크로파 발생 장치(1)의 고 전압 전원(11)의 스위칭 회로(15)를 이용해서, 고 전압 전원 컨트롤러(18)에 의해서 행해진다. 구체적으로는 고 전압 전원 컨트롤러(18)는 외부 인터페이스(49)로부터의 설정 신호에 기초해서, 스위칭 회로(15)의 각 스위칭 트랜지스터의 스위칭 주파수 및 위상(페이즈) 등을 제어하여, 상술한 바와 같이, 페이즈 시프트형 PWM 제어에 따라 스위칭 동작을 행하게 한다. 이 때, 전류·전압 모니터(20)로부터의 전류 및 전압의 신호 및 파워 모니터(38)에 의해 모니터되는 마이크로파 전송부(2)의 파워 센서(34)에 의해 검출되는 파워의 신호가 피드백되어, 설정된 그대로의 파워가 공급되도록, 스위칭 회로(15)의 각 스위칭 트랜지스터가 제어된다.

통상의 페이즈 시프트형 PWM 제어에 의한 스위칭 동작에서는, 스위칭 트랜지스터(Q1, Q2, Q3, Q4)의 게이트 신호가, 예컨대 듀티비 50%로 고정되고, 이들 위상(페이즈)이 시프트된다. 그리고, 적절한 데드타임이 삽입됨으로써, 승압 트랜스(16) 1차측의 전압 파형이 소망으로 제어된다. 즉, 트랜스(16)의 1차측에 인가되는 전압 파형에 있어서의 듀티비가 작으면, 출력이 작아지고, 상기 듀티비가 크면, 출력이 커진다. 각 스위칭 트랜지스터의 게이트 신호와 트랜스 1차측 전압 파형의 예를, 도 5에 모식적으로 도시한다. 또한, 도 5의 경우의 1 사이클의 스위칭 동작을, 도 6에 모식적으로 도시한다. (도 6에서는 간략화를 위해, 스위칭 트랜지스터(Q1~Q4)가 단순한 개폐 스위치로서 도시되고, 트랜스가 사각형으로 도시되어 있다) 도 5의 (1)~(8) 부분이, 도 6의 (1)~(8)의 상태에 각각 대응하고 있다. 여기서, 데드 타임이란, 도 5에 있어서의 (2), (4), (6), (8)의 상태이다. 페이즈 시프트형 PWM 제어에서는 이들을 생략할 수도 있다. 그러나, 이들을 생략한 경우, 예컨대 도 6의 (1)부터 (3)에, 트랜지스터가 달라지게 된다. 이 경우, 트랜지스터는 ON될 때보다 OFF될 때가 시간이 더 걸린다. 이 때문에, 순간적으로 Q3와 Q4를 통해서 단락 전류가 흐를 가능성이 있다. 따라서, 데드 타임를 마련하는 것이 바람직하다.

또한, 실제로 각 스위칭 트랜지스터(Q1~Q4)를 페이즈 시프트시켜서 트랜스 1차측 전압의 듀티비를 변화시킨 경우의 실제 파형에 대해서 도 7에 도시한다. 도 7에는 듀티비 20%, 50%, 90%의 실제 파형이 도시되어 있다. 도 7에 있어서, Q1과 Q4가 함께 ON하고 있는 시간 및 Q2와 Q3가 모두 ON하고 있는 시간이, 사선부로 도시되어 있다.

이러한 페이즈 시프트형 PWM 제어에 있어서, 스위칭 트랜지스터로서 MOS형 트랜지스터를 이용하면, 오프 시간이 길 때, 즉, 이 회로로부터 출력되어 트랜스(16)에 인가되는 전압(출력 전압)의 듀티비가 작을 때, 온으로 되어 있던 트랜지스터의 소스·드레인 사이의 기생 용량 부분에 전하가 충분하게 축적되지 않는다. 예컨대, 도 6의 경우, 상태 (1)~(3)에서 스위칭 트랜지스터(Q2)가 온 상태이지만, 듀티비가 작을 때, Q2의 기생 용량 부분에는 거의 전하가 축적되지 않는다. 이것을 오프로 한 후, 상기 스위칭 트랜지스터(Q2)에 직렬로 접속되어 있는 스위칭 트랜지스터(Q1)를 온으로 했을 때(상태 (5)), 오프로 한 트랜지스터(Q2)의 용량 부분을 통해서 트랜지스터(Q1)에 큰 돌입 전류가 흘러 버려서, 이 트랜지스터가 발열해서 큰 손실이 생겨 버린다. 동일한 것이, 상태 (1)일 때도 발생한다. 이 경우에 는 오프로 한 트랜지스터(Q1)의 용량 부분을 통해서 트랜지스터(Q2)에 큰 돌입 전류가 흘러 버려서, 큰 손실이 생겨 버린다. 즉, 스위칭 회로(15)로부터의 출력 전압의 듀티비가 작은 경우에는 스위칭 트랜지스터(Q1 및 Q2)에 큰 전류가 흘러 열이 발생해서 큰 손실이 발생한다.

그래서, 본 실시예에서는 도 8에 도시한 바와 같이, 상태 (4)와 (8)에 있어서, 모든 스위칭 트랜지스터가 오프로 되는 올 오프 타임이 마련되어 있다. 이와 같은 상태가 마련되도록, 고 전압 전원 컨트롤러(18)에 의해서 스위칭 회로가 제어된다. 즉, 상태 (4)에서, 스위칭 트랜지스터(Q2, Q4)를 일시적으로 오프로 해서, 모든 스위칭 트랜지스터를 오프로 함으로써, 스위칭 트랜지스터(Q2)의 기생 용량에 전하가 모인다. 따라서, 상태 (5)에서, 트랜지스터(Q1)로의 돌입 전류가 흐르지 않는다. 또한, 상태 (8)에서, 스위칭 트랜지스터(Q1, Q3)를 일시적으로 오프로 해서, 모든 스위칭 트랜지스터를 오프로 함으로써, 스위칭 트랜지스터(Q1)의 기생 용량에 전하가 모인다. 따라서, 상태 (1)에서, 트랜지스터(Q2)로의 돌입 전류가 흐르지 않는다. 이상으로부터, 스위칭 트랜지스터(Q1, Q2)에서의 돌입 전류에 의한 손실을 해소할 수 있다. 한편, 도 8에 있어서는 도 6의 (4), (8)에 상당하는 기간을 생략해서, 트랜지스터의 스위칭의 횟수를 줄이고 있다. 트랜지스터가 스위칭하면, 반드시 트랜지스터, 스위칭 회로에서 손실이 발생하기 때문에, 1 사이클(도 8의 (1)~(8)에 상당) 중에 있어서의 스위칭 횟수는 극력 적게 하는 것이 바람직하다. 이 관점에서, 모든 트랜지스터가 OFF로 되는 기간은 부하에 전류를 흘리는 기간 (1), (5) 직전에 마련되는 것이 바람직하다.

여기서, 올 오프 타임이 없는 도 6의 경우와, 올 오프 타임이 마련되는 도 8의 경우에 대해서, 실제로 트랜지스터를 동작시켜서 비교 실험을 행했다. 실험으로서는 스위칭 회로(15)로부터의 출력 전압의 듀티비가 변화되었다. 또한, 히트 싱크에 부착된 트랜지스터의 금속 케이스의 온도가 측정되고, 온도가 100℃를 초과하면 트랜지스터가 고장나기 때문에, 상기 온도의 부근에서 실험은 종료되었다. 결과를, 이하의 표 1에 나타낸다.

표 1에 나타낸 바와 같이, 올 오프 타임이 마련됨으로써 스위칭에 따른 트랜지스터의 발열이 억제되는 것이 확인되었다.

다음으로 다른 실시예에 대해서 설명한다.

상기 실시예에 있어서는 모든 스위칭 트랜지스터를 모두 오프로 하는 올 오프 타임이 마련되었다. 이 경우, 1 사이클당 스위칭 동작이 2회 증가하게 된다. 따라서, 출력 전압의 듀티비를 크게 해서, 큰 전력을 공급하는 경우에는 스위칭 손실에 의해, 오히려 전체 손실이 커질 가능성이 있다.

그래서, 본 실시예에 있어서는 미리 스위칭 트랜지스터(Q1, Q2)의 스위칭 동작의 효율 특성이 검토된다. 그리고, 부하의 상황 등에 따라, 고 전압 전원 컨트롤러(18)에 의해, 도 9에 도시한 바와 같이, 2 패턴의 페이즈 시프트형 제어가 전환된다. 즉, 출력 전압의 듀티비가 작은 영역에서는 상술한 바와 같이, 모든 스위칭 트랜지스터를 오프로 하는 타이밍을 형성하는 모드의 페이즈 시프트형 PWM 제어가 행해지고, 소정의 듀티비에 이르면, 통상의 페이즈 시프트형 PWM 제어(도 6)가 행해진다. 이러한 전환 제어에 의해, 보다 손실이 적은 전원 제어를 행할 수 있다.

다음으로 또 다른 실시예에 대해서 설명한다.

상기 스위칭 회로(15)에 있어서는 극력 높은 효율을 유지하도록, 상술한 바와 같이, 공진 콘덴서(Cr/2)와 공진 인덕터(Lr)를 삽입해서 공진 회로가 구성되어 있다. 그리고, 트랜스의 구리 손실을 저하시켜 전체 손실을 줄일 목적으로, 각 스위칭 트랜지스터의 스위칭 주파수(게이트 신호의 주파수)는 예컨대 10~500kHz로 설정된다. 그러나 이와 같이 높은 주파수에 있어서는 스위칭 회로(15)로부터의 출력 전압의 듀티비가 작을 경우, 트랜지스터의 OFF시에, 복수차(고차)의 공진이 일어나는 경우가 있다. 도 10은 그 때의 모양을 도시한 것이다. 도 10에 나타내는 경우, 게이트 전압은 정상이여도, 트랜지스터의 OFF시에 트랜스 1차측에 공진 전류가 흘러 버리고 있다. 이 때문에, 트랜스 2차측에서도 전압이 출력되어, 정상인 페이즈 시프트형 PWM 제어가 행해지지 않는다. 이러한 파워 제어성의 악화를 방지하기 위해서, 공진 주파수를 낮게 설정해야 한다. 공진 주파수 fr은 fr=1/(2π(LrCr)1/2)이기 때문에, Lr, Cr을 크게 설정할 필요가 있다. 그러나, Cr을 크게하면, 이미 설명한 바와 같이, 이것이 충전되어 있지 않을 때에 이것과 직렬로 접속되어 있는 트랜지스터에 큰 돌입 전류가 흘러서, 발열을 일으키기 때문에 바람직하지 못하다. 한편, Lr을 크게 하면, 스위칭 회로(15)로부터의 출력 전압의 듀티비가 큰 전력 모드(고파워 모드)에서, 트랜스(16)에 직렬로 접속된 공진 인덕터의 영향에 의해, 충분한 파워를 얻을 수 없을 가능성이 있다.

이러한 큰 전력 모드의 경우에는 스위칭 주파수를 저하시킴으로써 얻어지는 파워를 상승시킬 수 있다. 즉, 주파수에 의해서 임피던스가 변화되므로, 주파수를 저하시키면 공진 인덕터의 영향을 잘 받지 않게 되어서, 보다 큰 파워를 얻을 수 있다.

그래서, 본 실시예에 있어서는 효율을 중시할 필요가 있는 저 듀티비, 예컨대 50%미만의 저파워 모드인 경우에는 주파수를 높은, 예컨대 50~100kHz 정도로 하는 한편, 파워를 중시할 필요가 있는 고 듀티비, 예컨대 50%이상의 고파워 모드의 경우에는 주파수를 낮은, 예컨대 1~50kHz 정도로 하도록 제어가 행해진다. 이로써, 파워 제어성이 문제가 되는 저파워 모드에서도, 공진이 일어나지 않고 동작할 수 있어, 파워가 중시되는 고파워 모드에 있어서는 공진 인덕터의 인덕턴스를 작게 함으로써 고효율을 얻을 수 있다. 이 경우에, 도 11에 도시한 바와 같이, 어떤 듀티비 이상, 예컨대 50% 이상에서, 주파수를 일정값으로 저하시키거나, 도 12에 도시한 바와 같이, 파워가 작은 저 듀티비에서는 높은 주파수에서 고정으로 하고, 어떤 듀티비 이상, 예컨대 50% 이상의 고파워 모드에서는 듀티비가 상승함에 따라서 주파수를 저하시키거나, 도 13에 도시한 바와 같이, 소정의 듀티비보다 작은 영역에서도, 듀티비가 커짐에 따라서 주파수를 저하시키거나 할 수있다. 이러한 상태에 의해, 극력 효율을 저하시키지 않고 큰 파워를 얻을 수 있다.

다음으로 다른 실시예에 대해서 설명한다.

본 실시예는 지금까지의 실시예를 조합한 것으로, 예컨대, 도 14(a) 및 도 14(b)에 도시한 바와 같이, 듀티비가 소정치보다 작은 저 듀티비에서는, 상술한 바와 같이 모든 스위칭 트랜지스터를 오프로 하는 타이밍을 마련하는 제어가 행해지고, 소정의 듀티비 이상에서는 통상의 페이즈 시프트형 제어로 전환되고 또한, 주파수가 저하된다. 구체적으로는 도 14(a)에 도시한 바와 같이, 듀티비가 소정치 이상인 경우에, 주파수를 일정치로 저하시켜도 되고, 도 14(b)에 도시한 바와 같이, 듀티비가 소정치 이상인 경우에 있어서, 듀티비에 따라 주파수를 변화시켜도 된다. 또한, 듀티비가 소정치보다 작을 때에도, 듀티비에 따라 주파수를 변화시켜도 된다.

다음으로 또 다른 실시예에 대해서 설명한다.

본 실시예에서는 도 15에 도시한 바와 같이, 제 1 듀티비 A보다 작은 저 듀티비에서, 스위칭 트랜지스터를 오프로 하는 타이밍을 마련하는 제어가 행해지고, 제 1 듀티비 A 이상이고 제 2 듀티비 B 보다 작은 중간 듀티비에서, 통상의 페이즈 시프트 제어가 행해지며, 제 2 듀티비 B 이상인 고 듀티비에서는 중간 듀티비일 때보다 주파수를 작게 하는 제어가 행해진다. 이로써, 보다 더 세밀한 제어를 행할 수 있다. 본 실시예에 있어서의, 제 2 듀티비 이상의 영역에서의 주파수의 변화는 도 15의 경우에서는 듀티비에 따라 주파수를 변화시키고 있지만, 주파수를 일정치로 저하시켜도 된다. 또한, 제 1 듀티비 이상이고 제 2 듀티비보다 작은 영역에서, 제 1 듀티비보다 작은 영역에서의 주파수보다 작은 주파수로 제어할 수도 있다. 또한, 제 1 듀티비 이상이고 제 2 듀티비보다 작은 영역에서, 듀티비가 커짐에 따라서 주파수를 저하시켜도 된다. 이 경우, 제 1 듀티비보다 작은 영역에서도, 듀티비가 커짐에 따라서 주파수를 저하시켜도 된다.

한편, 본 발명은 상기 각 실시예에 한정되지 않고, 여러가지 변형 가능하다. 예컨대, 상기 각 실시예에 있어서는 본 발명을 마이크로파 발생 장치에 이용했지만, 이에 한하지 않고, 고 전압이 필요한 다른 용도의 전원에도 적용 가능하다. 또한, 상기 각 실시예에서는 스위칭 회로로서 4개의 스위칭 트랜지스터를 탑재한 풀 브리지 회로를 이용했지만, 이에 한하지 않고, 예컨대 하프 브리지 회로가 이용되어도 된다.

본 발명은 마이크로파 플라즈마 처리 장치에 이용되는 마이크로파 발생 장치등, 큰 전력이 요구되는 전원에 적합하다.

Claims

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교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 교류/직류 변환부와,

복수의 스위칭 소자를 갖고, 직류 전압이 입력될 때에 상기 각 스위칭 소자에 온·오프 사이클이 생겨서, 이들 각 스위칭 소자의 온·오프의 조합에 기초해서 펄스 형상 전압을 출력하는 스위칭 회로와,

상기 각 스위칭 소자의 온·오프 사이클의 위상을 변화시킴으로써 상기 스위칭 회로로부터 출력되는 펄스 형상 전압의 펄스폭을 제어하는 페이즈 시프트형 PWM 제어를 행하는 제어부

를 구비하되,

상기 제어부는, 상기 스위칭 회로로부터 출력되는 펄스 형상 전압의 듀티비가 소정치 이상인 경우에는, 상기 각 스위칭 소자의 온·오프 사이클의 주파수를 상기 듀티비가 상기 소정치보다 작은 경우의 주파수보다 낮게 하도록 되어 있고,

상기 제어부는, 또한, 상기 스위칭 회로로부터 출력되는 펄스 형상 전압의 듀티비가 소정치보다 작은 경우에는 상기 스위칭 소자의 온·오프 사이클에 있어서, 상기 복수의 스위칭 소자가 모두 오프로 되는 타이밍을 삽입하도록 되어 있고, 한편, 상기 듀티비가 상기 소정치 이상인 경우에는 상기 복수의 스위칭 소자가 모두 오프로 되는 타이밍을 삽입하지 않도록 되어 있는 것

을 특징으로 하는 전원 장치.
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제 3 항에 있어서,

상기 제어부는, 상기 듀티비가 상기 소정치 이상인 경우에는, 상기 듀티비가 크면 클수록 상기 온·오프 사이클의 주파수가 낮아지도록 제어하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 전원 장치.
제 5 항에 있어서,

상기 제어부는, 상기 듀티비가 상기 소정치보다 작은 경우에도, 상기 듀티비가 크면 클수록 상기 온·오프 사이클의 주파수가 낮아지도록 제어하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 전원 장치.
교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 교류/직류 변환부와,

복수의 스위칭 소자를 갖고, 직류 전압이 입력될 때에 상기 각 스위칭 소자에 온·오프 사이클이 생겨서, 이들 각 스위칭 소자의 온·오프의 조합에 기초해서 펄스 형상 전압을 출력하는 스위칭 회로와,

상기 각 스위칭 소자의 온·오프 사이클의 위상을 변화시킴으로써 상기 스위칭 회로로부터 출력되는 펄스 형상 전압의 펄스폭을 제어하는 페이즈 시프트형 PWM 제어를 행하는 제어부

를 구비하되,

상기 제어부는, 상기 스위칭 회로로부터 출력되는 펄스 형상 전압의 듀티비가 소정치 이상인 경우에는, 상기 각 스위칭 소자의 온·오프 사이클의 주파수를 상기 듀티비가 상기 소정치보다 작은 경우의 주파수보다 낮게 하도록 되어 있고,

상기 제어부는, 또한, 상기 스위칭 회로로부터 출력되는 펄스 형상 전압의 듀티비가 제 1 값보다 작은 경우에는 상기 스위칭 소자의 온·오프 사이클에 있어서, 상기 복수의 스위칭 소자가 모두 오프로 되는 타이밍을 삽입하도록 되어 있고, 한편, 상기 듀티비가 상기 제 1 값 이상이고 상기 제 1 값보다 큰 제 2 값보다 작은 경우에는 상기 복수의 스위칭 소자가 모두 오프로 되는 타이밍을 삽입하지 않도록 되어 있는 것

을 특징으로 하는 전원 장치.
제 7 항에 있어서,

상기 제어부는 상기 듀티비가 상기 제 2 값 이상인 경우에, 상기 듀티비가 크면 클수록 상기 온·오프 사이클의 주파수가 낮아지도록 제어하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 전원 장치.
제 8 항에 있어서,

상기 제어부는 상기 듀티비가 상기 제 1 값 이상이고 상기 제 2 값보다 작은 경우에도, 상기 듀티비가 크면 클수록 상기 온·오프 사이클의 주파수가 낮아지도록 제어하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 전원 장치.
제 9 항에 있어서,

상기 제어부는 상기 듀티비가 상기 제 1 값보다 작은 경우에도, 상기 듀티비가 크면 클수록 상기 온·오프 사이클의 주파수가 낮아지도록 제어하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 전원 장치.
제 3 항, 제 7 항, 제 8 항, 제 9 항, 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 스위칭 회로는 4개의 스위칭 소자를 갖고 있고, 이들은 풀 브리지 회로를 구성하고 있는 것을 특징으로 하는 전원 장치.
제 11 항에 있어서,

상기 4개의 스위칭 소자의 온·오프 사이클의 듀티비는 동일한 것을 특징으 로 하는 전원 장치.
제 3 항, 제 7 항, 제 8 항, 제 9 항, 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 스위칭 소자는 MOS FET 또는 IGBT인 것을 특징으로 하는 전원 장치.
제 3 항, 제 7 항, 제 8 항, 제 9 항, 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 스위칭 회로로부터 출력되는 전압을 승압시키는 승압 트랜스를 더 구비한 것을 특징으로 하는 전원 장치.
청구항 3, 7, 8, 9, 10 중 어느 한 항에 기재된 전원 장치와,

상기 전원 장치로부터 급전되어 마이크로파를 발진시키는 마이크로파 발진부를 구비한 것을 특징으로 하는 마이크로파 발생 장치.
제 15 항에 있어서,

상기 마이크로파 발진부는

내부가 진공으로 유지되는 챔버와,

상기 챔버내에 배치된, 열전자를 방출시키는 음극으로서 기능하는 필라멘트와,

상기 챔버내에 상기 필라멘트와 대향해서 배치된, 상기 전원 장치로부터 급전되어 상기 필라멘트와의 사이에 전계를 형성하는 양극과,

상기 챔버의 외측에 상기 전계에 직교하는 자장을 형성하는 자장 발생 수단

을 갖는 마그네트론을 구비하고 있는 것

을 특징으로 하는 마이크로파 발생 장치.
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교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 교류/직류 변환부와, 복수의 스위칭 소자를 갖고, 직류 전압이 입력될 때에 상기 각 스위칭 소자에 온·오프 사이클이 생겨서, 이들 각 스위칭 소자의 온·오프의 조합에 기초해서 펄스 형상 전압을 출력하는 스위칭 회로를 구비한 전원 장치를 제어하도록 컴퓨터를 기능시키는 컴퓨터 프로그램이 저장된 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체로서,

상기 각 스위칭 소자의 온·오프 사이클의 위상을 변화시킴으로써 상기 스위칭 회로로부터 출력되는 펄스 형상 전압의 펄스폭을 제어하는 페이즈 시프트형 PWM 제어를 행하는 기능과,

상기 스위칭 회로로부터 출력되는 펄스 형상 전압의 듀티비가 소정치 이상인 경우에는, 상기 각 스위칭 소자의 온·오프 사이클의 주파수를 상기 듀티비가 상기 소정치보다 작은 경우의 주파수보다 낮게 하는 기능과,

상기 스위칭 회로로부터 출력되는 펄스 형상 전압의 듀티비가 제 1 값보다 작은 경우에는, 상기 스위칭 소자의 온·오프 사이클에 있어서, 상기 복수의 스위칭 소자가 모두 오프로 되는 타이밍을 삽입하고, 상기 듀티비가 제 1 값 이상이고 상기 제 1 값보다 큰 제 2 값보다 작은 경우에는 상기 복수의 스위칭 소자가 모두 오프로 되는 타이밍을 삽입하지 않는 기능

을 컴퓨터에 실현시키는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 프로그램이 저장된 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체.
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