KR101257003B1 - 마이크로파 플라즈마 전력 공급 장치 및 그의 자동 주파수 선택 방법 - Google Patents

마이크로파 플라즈마 전력 공급 장치 및 그의 자동 주파수 선택 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마이크로파 플라즈마 전력 공급 장치에서 반사파로부터 전력증폭기를 보호하고, 단순화된 구조의 회로로 정확한 주파수 재조정이 가능하도록 한 마이크로파 플라즈마 전력 공급 장치 및 그의 자동 주파수 선택 방법에 관한 것으로, 플라즈마를 생성하기 위한 에너지를 갖도록 증폭된 마이크로파를 공급하는 전력 공급 장치;상기 전력 공급 장치와 마이크로파에 의해 대기압에서 플라즈마를 생성하는 마이크로파 플라즈마 발생장치 사이에 구성되어 방향성 전력을 구분하고 상기 전력 공급 장치를 보호하는 서큐레이터;상기 마이크로파 플라즈마 발생장치에서 반사되는 반사전력을 상기 서큐레이터를 통하여 피드백 받아 마이크로파의 발진주파수를 플라즈마가 발생하면서 변경된 반사계수에 적합한 주파수로 조절하기 위한 주파수 선택신호(Fs)를 설정된 문턱 전압(Vt)을 기준으로 상기 전력 공급 장치로 출력하는 자동 주파수 조정 장치;를 포함한다.

Description

마이크로파 플라즈마 전력 공급 장치 및 그의 자동 주파수 선택 방법{POWER MODULE FOR MICROWAVE EXCITED MICROPLASMAS AND METHOD FOR SELECTING AUTOMATICALLY FREQUENCY THE SAME}
본 발명은 마이크로파 플라즈마 전력 공급 장치에 관한 것으로, 구체적으로 반사파로부터 전력증폭기를 보호하고, 단순화된 구조의 회로로 정확한 주파수 재조정이 가능하도록 한 마이크로파 플라즈마 전력 공급 장치 및 그의 자동 주파수 선택 방법에 관한 것이다.
최근 플라즈마를 이용한 지혈 및 상처소독, 살균, 치아 미백, 암 치료 등 생의학 분야에의 다양한 응용에 대한 관심이 증가하고 있다.
이와 같이 플라즈마를 다양한 생의학 분야에 응용하여 사용하기 위해서는, 반도체 공정 등에서 이용되는 플라즈마처럼 진공 챔버(Vacuum chamber)에서 구현될 수 있는 낮은 기압 조건(low pressure)에서 생성하기 보다는 대기압하에서 동작하여 플라즈마를 생성할 수 있는 플라즈마 발생장치의 개발이 요청되었다.
일반적으로 대기압하에서 플라즈마를 생성하기 위해 요구되는 전력은 진공 챔버 내부에서의 낮은 기압 조건에서와는 달리 상대적으로 큰 전력이 요구된다.
이와 같은 종래 기술의 대기압 플라즈마 발생장치를 이용하여 대기압 조건에서 플라즈마를 생성하기 위해서는 큰 전력이 필요하였기 때문에 전력 공급 장치의 부피도 크고 무거웠으므로 휴대하기 어려운 문제점이 있었다.
통상적으로 마이크로파 플라즈마 발생장치는 반사 계수(Reflection Coefficient)가 가장 작은 값을 갖는 주파수 영역에서 최적화되도록 설계되는데, 최적화되어 있는 마이크로파 플라즈마 발생장치를 이용하여 대기압하에서 플라즈마를 발생시킨 후에는 반사 계수가 달라진다.
이와 같이 마이크로파 플라즈마 발생장치에서 플라즈마를 발생시킨 후 최초에 설계된 임피던스 정합이 달라지는 이유는 일반적으로 플라즈마가 발생하면서 존재하게 되는 이온(ion), 전자(election) 등 극성을 띠는 입자들(charged particles)에 의한 전기장의 영향과, 이로 인하여 플라즈마 장치가 갖는 커패시턴스가 최초의 설계 값과 달라지기 때문이다.
따라서, 마이크로파 플라즈마 발생장치에 최초에 설계된 마이크로파의 주파수를 계속 공급할 경우, 동작 주파수의 감소에 따라 반사되는 전력이 증가함에도 이를 조절할 수 없어 불필요한 전력의 소모로 인한 전력의 이용 효율이 감소하는 문제가 있다.
이와 같은 문제를 해결하기 위하여, 도 1에서와 같이, 플라즈마 생성 후에 플라즈마 발생장치에서 반사되는 전력을 모니터링 한 후 반사전력의 변화에 따라 주파수를 보정하여 플라즈마 발생장치에서 반사되는 전력을 최소화할 수 있도록 구성한다.(공개 특허 10-2010-0094245)
도 1에서와 같은 종래 기술의 마이크로파 플라즈마 생성 장치는, 플라즈마를 생성하기 위한 에너지를 갖도록 증폭된 마이크로파를 공급하기 위해 발진기가 구비되고 출력단이 마이크로파 플라즈마 발생장치(10)에 연결되는 전력공급장치(11)와, 상기 마이크로파 플라즈마 발생장치(10)에서 반사되는 반사전력을 피드백 받아 마이크로파의 발진주파수를 플라즈마가 발생하면서 변경된 반사계수에 적합한 주파수로 조절하기 위한 스위칭 제어신호를 생성하여 상기 전력 공급 장치에 공급하도록 일단이 상기 마이크로파 플라즈마 발생장치(10)에 연결되고 타단이 상기 전력공급장치(11)에 연결되는 반사전력 피드백부(12)를 포함한다.
그러나 이와 같은 종래 기술의 마이크로파 플라즈마 생성 장치는 다음과 같은 문제가 있다.
첫째, 마이크로파는 임피던스 매칭이 되지 않을 때 반사파가 생기게 되는데, 이러한 반사파는 실시간으로 정상 방향으로 진행하는 파와 겹쳐져서 실제 파형이 형성되기 때문에 구분을 해내기가 어려운데, 공개 특허 10-2010-0094245호의 기술에서는 이와 같은 반사파만을 구분하기 위한 구성으로 방향성 커플러를 사용하고 있다.
그러나 이와 같은 방향성 커플러를 사용하는 경우에는 전력증폭부의 출력을 반사파로부터 보호하지 못한다.
즉, 전력증폭부의 출력에 연결되는 디바이스의 매칭 조건(matching condition)이 나빠지면 반대방향으로 진행하는 반사파가 발생한다.
이 반사파는 최종 출력을 발생시키는 전력 증폭부(power amplifier)측으로 진행하는데, 이 경우 전력 증폭부의 출력단에는 전력 증폭부 자체가 만드는 신호와 반사파 신호가 중첩되어 파형이 형성된다.
이 상태에서 중첩된 파가 전력 증폭부가 낼 수 있는 최대 출력보다 커지는 상황이 발생하면 전력 증폭부가 파손된다.
따라서, 최대한 반사파를 억제하기 위해 전력 증폭부의 출력에 연결되는 디바이스의 매칭에 노력을 기울이는데, 방향성 커플러는 순방향과 역방향의 전달에 있어 손실이 없기 때문에 반사파를 그대로 전력 증폭부 측으로 전달하기 때문에 전력 증폭부를 보호하지 못한다.
둘째, 공개 특허 10-2010-0094245호와 같은 종래 기술에서는 반사파의 크기를 디지털신호로 변환하기 위해 변환도 연산부를 구비하여 특정 비트(bit)수 만큼으로 양자화시키고, 디지털 필터 및 코드 업데이트에서 디지털 값을 받아서 PLL의 주파수를 결정하는데, 이와 같이 멀티 비트의 디지털 코드를 사용하는 것에 의해 회로 구성의 복잡도가 증가한다.
즉, 종래 기술에서 사용하는 코드업데이트 및 디지털 필터는 일종의 마이크로프로세서인데, 이는 디지털회로 만을 이용하여 각종 디지털 연산처리를 하는 것으로 코드업데이트의 입출력은 모두 디지털 값으로 되어야 한다.
따라서, 많은 수의 전압비교기로 구성되는 변환도 연산부 및 출력단에서 디지털로 주파수를 조정하기 위한 프랙셔널(fractional) PLL이 필요하고, 많은 수의 트랜지스터를 구비하는 일종의 마이크로프로세서를 필요로 하여 회로의 복잡도가 매우 증가한다.
셋째, 이와 같은 복잡한 회로를 이용한 주파수 재조정을 수행하므로 주파수 재조정 알고리즘이 복잡하다.
본 발명은 이와 같은 종래 기술의 마이크로파 플라즈마 생성 장치 및 전력 공급 장치의 문제를 해결하기 위한 것으로, 반사파로부터 전력증폭기를 보호하고, 단순화된 구조의 회로로 정확한 주파수 재조정이 가능하도록 한 마이크로파 플라즈마 전력 공급 장치 및 그의 자동 주파수 선택 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 임피던스 매칭이 되지 않을 때 반사파가 발생하는 마이크로파의 진행방향으로 입력과 출력 그리고 반사파의 출력의 3 터미널을 갖는 서큐레이터를 구비하여 이러한 반사파를 정확하게 구분하고, 고가의 전력증폭부를 보호할 수 있도록 한 마이크로파 플라즈마 전력 공급 장치 및 그의 자동 주파수 선택 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 단일 비트를 사용하여 주파수 재조정을 위한 결정을 하여 회로 구성을 단순화할 수 있도록 한 마이크로파 플라즈마 전력 공급 장치 및 그의 자동 주파수 선택 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 복잡한 구성의 변환도 연산부를 사용하지 않고 하나의 전압비교기를 사용하여 문턱 전압과의 비교 결과를 출력하고, 주파수 선택을 위한 구성을 복잡한 프로세서가 아니고 현재 주파수 정보만 저장하고 문턱 전압과의 비교 결과에 따라 토글링을 하는 레지스터를 사용하는 것에 의해 간단한 회로로 정확한 주파수 재조정이 가능하도록 한 마이크로파 플라즈마 전력 공급 장치 및 그의 자동 주파수 선택 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 복잡한 연산이 아닌 단순화된 회로 구성 및 주파수 재조정을 위한 알고리즘을 사용하여 단순한 연산으로 정확한 주파수 재조정이 가능하도록 한 마이크로파 플라즈마 전력 공급 장치 및 그의 자동 주파수 선택 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 마이크로파 플라즈마 전력 공급 장치는 플라즈마를 생성하기 위한 에너지를 갖도록 증폭된 마이크로파를 공급하는 전력 공급 장치;상기 전력 공급 장치와 마이크로파에 의해 대기압에서 플라즈마를 생성하는 마이크로파 플라즈마 발생장치 사이에 구성되어 방향성 전력을 구분하고 상기 전력 공급 장치를 보호하는 서큐레이터;상기 마이크로파 플라즈마 발생장치에서 반사되는 반사전력을 상기 서큐레이터를 통하여 피드백 받아 마이크로파의 발진주파수를 플라즈마가 발생하면서 변경된 반사계수에 적합한 주파수로 조절하기 위한 주파수 선택신호(Fs)를 설정된 문턱 전압(Vt)을 기준으로 상기 전력 공급 장치로 출력하는 자동 주파수 조정 장치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 자동 주파수 조정 장치는, 상기 서큐레이터를 통하여 반사파를 걸러내어 해당 전압(VR))의 크기를 측정하여 특정 DC 전압으로 모니터링하여 출력하는 전력 감지기와,설정된 문턱전압(Vt)과 전력 감지기의 출력 전압을 비교하여 현재 주파수에서 마이크로파 플라즈마 발생장치에서의 플라즈마 생성 여부를 판단하여 단일 비트 신호(1 bit)로 처리되도록 하는 전압 비교기와,현재 주파수 정보를 저장하고 상기 전압 비교기의 출력 신호를 기준으로 전력 공급 장치의 출력 주파수를 결정하기 위한 주파수 선택신호(Fs)를 출력하는 주파수 선택기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 주파수 선택기는, 현재 주파수 정보만 저장하고 문턱 전압과의 비교 결과에 따라 토글링을 하는 플립플롭으로 구성하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 자동 주파수 조정 장치에서 주파수 선택신호(Fs)를 출력하기 위하여 사용되는 문턱 전압(Vt)을 설정하기 위한 문턱 전압 설정부를 더 포함하고,상기 문턱 전압 설정부는 플라즈마가 켜지기 전의 공진 주파수(f1)이 존재하는 제 1 파형과 플라즈마가 켜지고 난 이후에 좌측으로 시프트되어 가장 반사파가 낮은 주파수(f2)가 존재하는 제 2 파형 사이에서 변화되는 전압 포인트들을 기준으로 문턱 전압을 설정하는 것을 특징으로 한다.
다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 마이크로파 플라즈마 전력 공급 장치의 자동 주파수 선택 방법은 마이크로파 플라즈마 생성을 위한 전력 공급 장치의 주파수 조정을 위한 제어에 있어서, 마이크로파 공진 주파수(f1), 플라즈마가 생성된 후의 최적의 주파수(f2)를 확인하는 단계;플라즈마가 켜지기 전후의 주파수 파형 변화에 따른 전압 포인트들을 기준으로 문턱 전압(Vt)을 설정하는 단계;마이크로파 공진 주파수(f1), 플라즈마가 생성된 후의 최적의 주파수(f2)의 크기에 따라 주파수 재조정을 위한 주파수 선택기의 초기값을 설정하는 단계;마이크로파 플라즈마 발생 장치가 on되면 초기값이 설정된 주파수 선택기의 출력(Fs)에 따라 PLL에서 주파수를 출력하는 단계;전압 비교기에서의 플라즈마 발생 여부 판단에 따라 주파수를 재조정하여 출력하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 문턱 전압(Vt)을 설정하는 단계에서, 플라즈마가 켜지기 전의 공진 주파수(f1)이 존재하는 파형을 제 1 파형이라 하고, 플라즈마가 켜지고 난 이후에는 시프트 되어 가장 반사파가 낮은 주파수(f2)가 존재하는 주파수 파형을 제 2 파형이라 하면, 플라즈마가 켜지기 전의 공진 주파수(f1)에 해당하는 제 1 파형의 제 1 전압(V1) 포인트, 플라즈마가 켜지고 난 이후의 가장 반사파가 낮은 주파수(f2)에 해당하는 제 2 파형의 제 2 전압(V2) 포인트, 플라즈마가 켜지기 전의 공진 주파수(f1)에 해당하는 제 1 파형의 제 1 전압(V1)과 일치하는 지점의 제 2 파형의 전압이 제 1A 전압(V1') 포인트, 플라즈마가 켜지고 난 이후의 가장 반사파가 낮은 주파수(f2)에 해당하는 제 2 파형의 제 2 전압(V2)과 일치하는 지점의 제 1 파형의 전압이 제 2A 전압(V2') 포인트를 기준으로 문턱 전압(Vt)을 설정하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 문턱 전압(Vt)은, 제 1A 전압(V1'),제 2A 전압(V2') 중에서 작은 값과 제 2 전압(V2) 사이의 영역에서 중간값을 문턱 전압으로 설정하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 전압 비교기에서의 플라즈마 발생 여부 판단은, 서큐레이터를 통하여 반사파를 걸러내어 해당 전압(VR))의 크기를 측정하여 특정 DC 전압으로 모니터링하여 출력하는 전력 감지기의 출력 신호와 상기 문턱 전압(Vt)을 비교하여 플라즈마 발생 여부를 판단하는 것을 특징으로 한다.
그리고 주파수 선택 신호(Fs)를 출력하는 단계는, 플립 플롭을 사용하여 주파수 선택기를 구성하여 현재 주파수 정보를 저장하고 전압 비교기의 비교 결과에 따라 저장된 주파수 정보들 중에서 다른 것으로 전환(toggling)하여 주파수를 선택하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 전압 비교기는 플라즈마 생성 여부를 판단하여 단일 비트 신호(1 bit)로 주파수 재조정을 위한 주파수 선택이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 한다.
그리고 플라즈마가 켜지면 마이크로파 공진 주파수(f1)에서 플라즈마가 생성된 후의 최적의 주파수(f2)로 자동으로 변환되고, 플라즈마가 꺼지면 최적의 주파수(f2)에서 마이크로파 공진 주파수(f1)로 자동으로 복귀하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 마이크로파 플라즈마 전력 공급 장치 및 그의 자동 주파수 선택 방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, 반사파로부터 전력증폭기를 보호하여 회로의 안정성 및 수명을 증대시킬 수 있다.
둘째, 반사파를 정확하게 구분하고, 고가의 전력증폭부를 보호할 수 있어 경제적인 측면 및 제품 경쟁력 측면에서 유리하다.
셋째, 단일 비트를 사용하여 주파수 재조정을 위한 결정을 하여 회로 구성을 단순화할 수 있다.
넷째, 복잡한 구성의 변환도 연산부를 사용하지 않고 하나의 전압비교기를 사용하여 문턱 전압과의 비교 결과를 출력하고 이를 기준으로 정확한 주파수 재조정이 가능하여 회로 구성을 단순화할 수 있다.
다섯째, 복잡한 연산이 아닌 단순화된 회로 구성 및 주파수 재조정을 위한 알고리즘을 사용하여 단순한 연산으로 정확한 주파수 재조정이 가능하다.
도 1은 종래 기술의 마이크로파 플라즈마 발생 장치의 구성 블록도
도 2는 본 발명에 따른 마이크로파 플라즈마 전력 공급 장치의 구성 블록도
도 3은 본 발명에 따른 마이크로파 플라즈마 전력 공급 장치의 주파수 조정 장치의 구성 블록도
도 4는 본 발명에 따른 마이크로파 플라즈마 전력 공급 장치의 상세 회로 구성도
도 5a내지 도 5d는 본 발명에 따른 주파수 조정 장치의 주파수 재조정을 위한 문턱 전압 설정을 위한 파형도
도 6은 본 발명에 따른 마이크로파 플라즈마 전력 공급 장치의 자동 주파수 선택 방법을 나타낸 플로우 차트
이하, 본 발명에 따른 마이크로파 플라즈마 전력 공급 장치 및 그의 자동 주파수 선택 방법의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 마이크로파 플라즈마 전력 공급 장치 및 그의 자동 주파수 선택 방법의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 마이크로파 플라즈마 전력 공급 장치의 구성 블록도이고, 도 3은 본 발명에 따른 마이크로파 플라즈마 전력 공급 장치의 주파수 조정 장치의 구성 블록도이다.
그리고 도 4는 본 발명에 따른 마이크로파 플라즈마 전력 공급 장치의 상세 회로 구성도이다.
본 발명은 반사파로부터 전력증폭기를 보호하고, 단순화된 구조의 회로로 정확한 주파수 재조정이 가능하도록 한 것으로 전체 구성은 다음과 같다.
본 발명에 따른 마이크로파 플라즈마 전력 공급 장치는 도 2에서와 같이, 입력되는 마이크로파에 의해 대기압에서 저전력으로 플라즈마를 생성하는 마이크로파 플라즈마 발생장치(23)와, 플라즈마를 생성하기 위한 에너지를 갖도록 증폭된 마이크로파를 공급하는 전력 공급 장치(21)와, 전력 공급 장치(21)와 마이크로파 플라즈마 발생장치(23)의 사이에 구성되어 방향성 전력을 구분하고 전력 공급 장치(21)를 보호하는 서큐레이터(22) 및 마이크로파 플라즈마 발생장치(23)에서 반사되는 반사전력을 서큐레이터(22)를 통하여 피드백 받아 마이크로파의 발진주파수를 플라즈마가 발생하면서 변경된 반사계수에 적합한 주파수로 조절하기 위한 주파수 선택신호(Fs)를 생성하여 상기 전력 공급 장치(21)에 공급하는 자동 주파수 조정 장치(24)를 포함한다.
여기서, 전력 공급 장치(21)는 도 4에서와 같이 플라즈마를 생성하기 위한 동력원인 마이크로파를 생성하는 발진회로가 내장되어 PLL의 입력이 되는 발진신호를 출력하는 크리스탈 오실레이터와, 발진회로에서 생성된 주파수 신호를 입력받아 마이크로파 플라즈마 발생장치에서 필요로 하는 에너지를 갖는 주파수를 갖는 신호로 발생시켜 출력하는 프랙셔널 PLL과, 1차 증폭단이 되는 구동 증폭기와, 2차 증폭단이 되는 전력 증폭기를 포함한다.
그리고 자동 주파수 조정 장치(24)는 도 3에서와 같이, 서큐레이터(22)를 통하여 반사파를 걸러내어 해당 전압(VR))의 크기를 측정하여 특정 DC 전압으로 모니터링하여 출력하는 전력 감지기(33)와, 설정된 문턱전압(Vt)과 전력 감지기(33)의 출력 전압을 비교하여 현재 주파수에서 마이크로파 플라즈마 발생장치(23)에서의 플라즈마 생성 여부를 판단하여 단일 비트 신호(1 bit)로 처리되도록 하는 전압 비교기(32)와, 현재 주파수 정보를 저장하고 상기 전압 비교기(32)의 출력 신호를 기준으로 전력 공급 장치(21)의 출력 주파수를 결정하기 위한 주파수 선택신호(Fs)를 출력하는 주파수 선택기(31)를 포함한다.
이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 마이크로파 플라즈마 전력 공급 장치의 상세 회로 구성은 도 4에서와 같다.
본 발명에 따른 마이크로파 플라즈마 전력 공급 장치는 단순화된 회로 구성 및 주파수 재조정을 위한 알고리즘을 사용하여 단순한 연산으로 정확한 주파수 재조정이 가능하도록 하기 위하여 문턱전압 설정부(40)를 포함한다.
문턱전압 설정부(40)는 플라즈마가 켜지기 전의 공진 주파수(f1)이 존재하는 제 1 파형과 플라즈마가 켜지고 난 이후에 좌측 또는 우측으로 시프트되어 주파수(f2)가 존재하는 제 2 파형 사이에서 변화되는 전압 포인트들을 기준으로 문턱전압을 설정한다.
본 발명에 따른 마이크로파 플라즈마 전력 공급 장치는 임피던스 매칭이 되지 않을 때 반사파가 발생하는 마이크로파의 진행방향으로 입력과 출력 그리고 반사파의 출력의 3 터미널을 갖는 서큐레이터(22)를 구비하여 이러한 반사파를 정확하게 구분하고, 고가의 전력증폭부를 보호할 수 있다.
또한, 복잡한 구성의 변환도 연산부를 사용하지 않고 하나의 전압비교기를 사용하여 문턱 전압과의 비교 결과를 출력하고, 주파수 선택을 위한 구성을 복잡한 프로세서가 아니고 현재 주파수 정보만 저장하고 문턱 전압과의 비교 결과에 따라 토글링을 하는 레지스터를 사용하는 것에 의해 간단한 회로로 정확한 주파수 재조정이 가능하다.
즉, 본 발명은 주파수 선택기(31)를 현재 주파수 정보만 저장하고 문턱 전압과의 비교 결과에 따라 토글링을 하는 레지스터의 일종인 플립플롭으로 구성한다.
이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 마이크로파 플라즈마 전력 공급 장치의 자동 주파수 선택 방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명에 따른 주파수 조정 장치의 주파수 재조정을 위한 문턱 전압 설정을 위한 파형도이고, 도 6은 본 발명에 따른 마이크로파 플라즈마 전력 공급 장치의 자동 주파수 선택 방법을 나타낸 플로우 차트이다.
본 발명은 복잡한 연산이 아닌 단순화된 회로 구성 및 주파수 재조정을 위한 알고리즘을 사용하여 단순한 연산으로 정확한 주파수 재조정이 가능하도록 한 것이다.
본 발명은 1 비트만으로 주파수 재조정을 위한 주파수 선택을 하기 위하여, 마이크로파 공진 주파수(f1)를 확인하고, 플라즈마가 생성된 후의 최적의 주파수(f2)를 확인한다.
전력공급장치(21)의 PLL은 이 두 개의 주파수(f1)(f2)에서 하나의 주파수(f0)를 출력하는데, 이를 위하여 자동 주파수 조정장치(24)에서 주파수 선택신호(Fs)를 출력한다.
주파수 선택신호(Fs)를 출력하기 위한 문턱전압(Vt)의 설정은 도 5a내지 도 5d의 파형 그래프에서와 같이 이루어진다.
즉, 도 5a내지 도 5d의 그래프에서 전압 특성을 나타낸 파형은 공진기의 주파수에 대한 반사파(전압)의 특성을 나타낸 것이다.
이하의 설명에서 플라즈마가 켜지기 전의 공진 주파수(f1)이 존재하는 파형을 제 1 파형이라 하고, 플라즈마가 켜지고 난 이후에는 좌측 또는 우측으로 시프트되어 주파수(f2)가 존재하는 주파수 파형을 제 2 파형이라 한다.
공진기의 주파수에 대한 반사파(전압)의 특성은 마이크로파 플라즈마 발생기의 형태나 가해지는 마이크로파 파워의 크기에 따라 제 2 파형이 형성된다.
플라즈마가 켜지기 전의 공진 주파수가 f1이라 하면, 플라즈마가 켜지고 난 이후에는 주파수 파형이 좌측 또는 우측으로 시프트 되는데, 이와 같이 주파수 파형이 좌측 또는 우측으로 시프트 되는 이유는 플라즈마가 기생 콘덴서 역할을 하기 때문이다.
이와 같이 주파수 파형이 시프트 된 상태의 제 2 파형에서도 가장 반사파가 낮은 주파수(f2)가 존재한다.
예를 들어, 도 5a 내지 도 5d의 그래프에서와 같이, 주파수(f1)을 갖는 제 1 파형에서 주파수(f2)를 갖는 제 2 파형으로 시프트 되면, 반사되는 전압 포인트 A,B,C,D가 존재한다.
D 포인트는 플라즈마가 켜지기 전의 공진 주파수(f1)에 해당하는 제 1 파형의 제 1 전압(V1)이고, C 포인트는 플라즈마가 켜지고 난 이후의 가장 반사파가 낮은 주파수(f2)에 해당하는 제 2 파형의 제 2 전압(V2)이다.
그리고 B 포인트는 플라즈마가 켜지기 전의 공진 주파수(f1)에 해당하는 제 1 파형의 제 1 전압(V1)과 일치하는 지점의 제 2 파형의 전압이 제 1A 전압(V1')이고, 플라즈마가 켜지고 난 이후의 가장 반사파가 낮은 주파수(f2)에 해당하는 제 2 파형의 제 2 전압(V2)과 일치하는 지점의 제 1 파형의 전압이 제 2A 전압(V2')이다.
점화 전의 플라즈마 발생기의 매칭이 가장 좋게 설계가 되었다고 가정했을 때, 점화 후의 V2는 V1보다 작아질 수 없는데, 가해지는 파워의 크기에 따라서 f2는 f1보다 작아지거나 커질 수 있고, 점화 후의 대역폭(bandwidth)에 따라 V2'의 경우 V1'보다 작아지거나 커질 수 있다.
도 5a는 f1 > f2, V1' < V2'인 경우를 나타낸 것이고, 도 5b는 f1 < f2, V1' < V2'인 경우를 나타낸 것이고, 도 5c는 f1 > f2, V1' > V2'인 경우를 나타낸 것이고, 도 5d는 f1 < f2, V1' > V2'인 경우를 나타낸 것이다.
본 발명에 따른 문턱전압 설정부(40)는 제 1A 전압(V1')과 제 2A 전압(V2') 중에서 작은 값과 제 2 전압(V2) 사이의 영역에서 중간값을 문턱 전압으로 설정한다.
즉, 문턱 전압(Vt) = (V1' + V2)/2, (V1' < V2'인 경우)이거나, 문턱 전압(Vt) = (V2' + V2)/2, (V1' > V2'인 경우)이다.
이와 같이 문턱 전압(Vt)을 설정한 상태에서 주파수 재조정을 위하여 전압 비교기(32)에서는 전력 감지기(33)에서 입력되는 전압의 크기와 문턱 전압(Vt)을 비교하면 현재 주파수에서 플라즈마가 켜졌는지 아닌지를 판단할 수 있다.
이를 위하여 본 발명에 따른 마이크로파 플라즈마 전력 공급 장치는 플립 플롭을 사용하여 주파수 선택기(31)를 구성하여 주파수 정보를 저장하고 전압 비교기(32)의 비교 결과에 따라 저장된 두 개의 정보 중에서 다른 것으로 전환(toggling)하여 주파수를 선택하는 것이다.
이와 같은 본 발명에 따른 마이크로파 플라즈마 전력 공급 장치는 전원을 켜고 플라즈마가 점화되고 나면 자동으로 최적의 주파수로 변환될 뿐만 아니라(f1→f2), 외부 요인 등으로 플라즈마가 꺼졌을 때에 자동으로 주파수가 복귀된다.(f2→f1)
구체적으로 본 발명에 따른 마이크로파 플라즈마 전력 공급 장치의 자동 주파수 선택 방법은 도 6에서와 같이, 먼저 마이크로파 플라즈마 발생기의 공진주파수(f1)를 확인한다.(S601)
그리고 마이크로파 플라즈마 발생기의 최적의 입력 주파수(f2)를 확인한다.(S602)
이어, 문턱 전압 설정부(40)에서 특정 전압 영역에서 중간값을 문턱 전압(Vt)으로 설정한다.(S603)
문턱 전압(Vt)의 설정은 도 5a 내지 도 5d의 그래프에서와 같이 플라즈마가 켜지기 전의 공진 주파수(f1)이 존재하는 제 1 파형과 플라즈마가 켜지고 난 이후에 좌측 또는 우측으로 시프트되어 가장 반사파가 낮은 주파수(f2)가 존재하는 제 2 파형 사이에서 변화되는 전압 포인트들을 기준으로 문턱 전압을 설정한다.
즉, 미리 마이크로파 플라즈마 발생장치의 f1과 f2를 미리 테스트하여 확인하고, V1'과 V2' 역시 미리 테스트하여 둘 중 낮은 전압을 찾아 V2와 비교해서 문턱 전압을 설정한다.
그리고 f1과 f2의 크기에 따라 주파수 선택기(31)를 구성하는 플립플롭의 초기값을 설정한다.(S604)
플립플롭의 초기값은 주파수가 낮은 쪽을 전압이 낮은 쪽으로 할 것인지, 아니면 반대로 주파수가 높은 쪽을 전압이 높은 쪽으로 할 것인지를 결정하여 설정한다.
이 상태에서 마이크로파 플라즈마 발생 장치를 on시키면 초기값이 설정된 주파수 선택기(31)의 출력(Fs)에 따라 PLL에서 주파수를 출력한다.(S605)
그리고 서큐레이터(22)를 통하여 반사파를 걸러내어 해당 전압(VR))의 크기를 측정하여 특정 DC 전압으로 모니터링하여 출력하는 전력 감지기(33)의 출력 신호와 상기 문턱 전압(Vt)을 전압 비교기(32)에서 비교하여 플라즈마 발생 여부를 판단한다.
이어, 주파수 선택기(31)에서 현재 주파수 정보를 확인하고 전압 비교기(32)에서의 비교 결과에 따른 출력 신호에 따라 주파수를 재조정하여 출력한다.(S606)
이와 같은 본 발명에 따른 마이크로파 플라즈마 전력 공급 장치의 자동 주파수 선택 방법은 플립플롭의 초기값 설정을 한번 진행하고 나면, 그 이후에 마이크로파 플라즈마 발생 장치를 다시 사용하는 경우에 사전 작업이 없이 자동으로 주파수가 재조정된다.
이와 같은 본 발명에 따른 마이크로파 플라즈마 전력 공급 장치 및 그의 자동 주파수 선택 방법은 임피던스 매칭이 되지 않을 때 반사파가 발생하는 마이크로파의 진행방향으로 입력과 출력 그리고 반사파의 출력의 3 터미널을 갖는 서큐레이터를 구비하여 이러한 반사파를 정확하게 구분하고, 고가의 전력증폭부를 보호할 수 있도록 한 것이다.
또한, 단일 비트를 사용하여 주파수 재조정을 위한 결정을 하여 회로 구성을 단순화할 수 있고, 복잡한 연산이 아닌 단순화된 회로 구성 및 알고리즘을 사용하여 단순한 연산으로 정확한 주파수 재조정이 가능하도록 한 것이다.
이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
21. 전력 공급 장치 22. 서큐레이터
23. 마이크로파 플라즈마 발생장치 24. 자동 주파수조정장치
31. 주파수 선택기 32. 전압 비교기
33. 전력 감지기 40. 문턱 전압 설정부

Claims (11)

  1. 플라즈마를 생성하기 위한 에너지를 갖도록 증폭된 마이크로파를 공급하는 전력 공급 장치;
    상기 전력 공급 장치와 마이크로파에 의해 대기압에서 플라즈마를 생성하는 마이크로파 플라즈마 발생장치 사이에 구성되어 방향성 전력을 구분하고 상기 전력 공급 장치를 보호하는 서큐레이터;
    상기 마이크로파 플라즈마 발생장치에서 반사되는 반사전력을 상기 서큐레이터를 통하여 피드백 받아 마이크로파의 발진주파수를 플라즈마가 발생하면서 변경된 반사계수를 기준으로 상기 전력 공급 장치의 출력 주파수를 결정하기 위한 주파수 선택신호(Fs)를 상기 전력 공급 장치로 출력하는 자동 주파수 조정 장치;
    상기 자동 주파수 조정 장치에서 주파수 선택신호(Fs)를 출력하기 위하여 사용되는 문턱 전압(Vt)을 설정하기 위하여, 플라즈마가 켜지기 전의 공진 주파수(f1)이 존재하는 제 1 파형과 플라즈마가 켜지고 난 이후에 좌측으로 시프트되어 가장 반사파가 낮은 주파수(f2)가 존재하는 제 2 파형 사이에서 변화되는 전압 포인트들을 기준으로 문턱전압(Vt)을 설정하는 문턱 전압 설정부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라즈마 전력 공급 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 자동 주파수 조정 장치는,
    상기 서큐레이터를 통하여 반사파를 걸러내어 해당 전압(VR))의 크기를 측정하여 특정 DC 전압으로 모니터링하여 출력하는 전력 감지기와,
    설정된 문턱전압(Vt)과 전력 감지기의 출력 전압을 비교하여 현재 주파수에서 마이크로파 플라즈마 발생장치에서의 플라즈마 생성 여부를 판단하여 단일 비트 신호(1 bit)로 처리되도록 하는 전압 비교기와,
    현재 주파수 정보를 저장하고 상기 전압 비교기의 출력 신호를 기준으로 전력 공급 장치의 출력 주파수를 결정하기 위한 주파수 선택신호(Fs)를 출력하는 주파수 선택기를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라즈마 전력 공급 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 주파수 선택기는,
    현재 주파수 정보만 저장하고 문턱 전압과의 비교 결과에 따라 토글링을 하는 플립플롭으로 구성하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라즈마 전력 공급 장치.
  4. 삭제
  5. 마이크로파 플라즈마 생성을 위한 전력 공급 장치의 주파수 조정을 위한 제어에 있어서,
    마이크로파 공진 주파수(f1), 플라즈마가 생성된 후의 최적의 주파수(f2)를 확인하는 단계;
    플라즈마가 켜지기 전후의 주파수 파형 변화에 따른 전압 포인트들을 기준으로 문턱 전압(Vt)을 설정하는 단계;
    마이크로파 공진 주파수(f1), 플라즈마가 생성된 후의 최적의 주파수(f2)의 크기에 따라 주파수 재조정을 위한 주파수 선택기의 초기값을 설정하는 단계;
    마이크로파 플라즈마 발생 장치가 on되면 초기값이 설정된 주파수 선택기의 출력(Fs)에 따라 PLL에서 주파수를 출력하는 단계;
    전압 비교기에서의 플라즈마 발생 여부 판단에 따라 주파수를 재조정하여 출력하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라즈마 전력 공급 장치의 자동 주파수 선택 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 문턱 전압(Vt)을 설정하는 단계에서,
    플라즈마가 켜지기 전의 공진 주파수(f1)이 존재하는 파형을 제 1 파형이라 하고, 플라즈마가 켜지고 난 이후에는 시프트 되어 가장 반사파가 낮은 주파수(f2)가 존재하는 주파수 파형을 제 2 파형이라 하면,
    플라즈마가 켜지기 전의 공진 주파수(f1)에 해당하는 제 1 파형의 제 1 전압(V1) 포인트, 플라즈마가 켜지고 난 이후의 가장 반사파가 낮은 주파수(f2)에 해당하는 제 2 파형의 제 2 전압(V2) 포인트, 플라즈마가 켜지기 전의 공진 주파수(f1)에 해당하는 제 1 파형의 제 1 전압(V1)과 일치하는 지점의 제 2 파형의 전압이 제 1A 전압(V1') 포인트, 플라즈마가 켜지고 난 이후의 가장 반사파가 낮은 주파수(f2)에 해당하는 제 2 파형의 제 2 전압(V2)과 일치하는 지점의 제 1 파형의 전압이 제 2A 전압(V2') 포인트를 기준으로 문턱 전압(Vt)을 설정하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라즈마 전력 공급 장치의 자동 주파수 선택 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 문턱 전압(Vt)은,
    제 1A 전압(V1'),제 2A 전압(V2') 중에서 작은 값과 제 2 전압(V2) 사이의 영역에서 중간값을 문턱 전압으로 설정하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라즈마 전력 공급 장치의 자동 주파수 선택 방법.
  8. 제 5 항에 있어서, 상기 전압 비교기에서의 플라즈마 발생 여부 판단은,
    서큐레이터를 통하여 반사파를 걸러내어 해당 전압(VR))의 크기를 측정하여 특정 DC 전압으로 모니터링하여 출력하는 전력 감지기의 출력 신호와 상기 문턱 전압(Vt)을 비교하여 플라즈마 발생 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라즈마 전력 공급 장치의 자동 주파수 선택 방법.
  9. 제 5 항에 있어서, 주파수 선택 신호(Fs)를 출력하는 단계는,
    플립 플롭을 사용하여 주파수 선택기를 구성하여 현재 주파수 정보를 저장하고 전압 비교기의 비교 결과에 따라 저장된 주파수 정보들 중에서 다른 것으로 전환(toggling)하여 주파수를 선택하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라즈마 전력 공급 장치의 자동 주파수 선택 방법.
  10. 제 5 항에 있어서, 상기 전압 비교기는 플라즈마 생성 여부를 판단하여 단일 비트 신호(1 bit)로 주파수 재조정을 위한 주파수 선택이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라즈마 전력 공급 장치의 자동 주파수 선택 방법.
  11. 제 5 항에 있어서, 플라즈마가 켜지면 마이크로파 공진 주파수(f1)에서 플라즈마가 생성된 후의 최적의 주파수(f2)로 자동으로 변환되고,
    플라즈마가 꺼지면 최적의 주파수(f2)에서 마이크로파 공진 주파수(f1)로 자동으로 복귀하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라즈마 전력 공급 장치의 자동 주파수 선택 방법.
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