KR101507738B1 - 플라즈마 점화와 전력 제어를 위한 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 플라즈마 점화와 전력 제어를 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명의 플라즈마 점화 및 전력 제어 방법은 고주파 펄싱에 의한 초기 플라즈마 점화 단계를 제공한다. 초기 플라즈마 점화가 이루어지지 않는 경우에는 반복된 고주파 펄싱에 의해 플라즈마 점화를 재유도 한다. 고주파 펄싱에 의한 플라즈마 점화가 이루어지면 이어 AC 스위칭 전원에 대한 능동적인 출력 제어가 진행된다. 즉, 부하의 변동이나 AC 스위칭 전원의 소비 전력의 변화에 따라 AC 스위칭 전원의 출력 전력을 능동적으로 가변시킨다. 플라즈마 반응기는 고주파 펄싱에 의한 안정적인 초기 플라즈마 점화를 얻을 수 있으며 플라즈마 점화 이후 전력 공급에 있어서 부하의 변동이나 AC 스위칭 전원의 소비 전력의 변화에 따라 능동적으로 출력 전력을 가변시켜서 AC 스위칭 전원의 손상을 방지할 수 있어서 보다 향상된 플라즈마 점화와 전력 제어가 가능하게 된다.
플라즈마, 점화, 고주파 펄싱, 임피던스

Description

플라즈마 점화와 전력 제어를 위한 방법 및 장치{APPARATUS AND METHOD FOR PLASMA IGNITION AND POWER CONTROL}
본 발명은 플라즈마 점화와 전력 제어를 위한 방법 및 장치에 관한 것으로, 구체적으로는 고주파 펄싱에 의한 안정적인 초기 플라즈마 점화를 얻을 수 있으며 플라즈마 점화 이후 전력 공급에 있어서 부하의 변동이나 AC 스위칭 전원의 소비 전력의 변화에 따라 능동적으로 출력 전력을 가변시켜서 AC 스위칭 전원의 손상을 방지할 수 있는 보다 향상된 플라즈마 점화와 전력 제어를 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
플라즈마 방전은 이온, 자유 래디컬, 원자, 분자를 포함하는 활성 가스를 발생하기 위한 가스 여기에 사용되고 있다. 플라즈마를 발생하기 위한 플라즈마 소스는 여러 가지가 있는데 무선 주파수(radio frequency)를 사용하는 용량 결합 플라즈마 소스와 유도 결합 플라즈마 소스 등이 있다. 유도 결합 플라즈마 소스는 유도 안테나를 사용하는 방식과 변압기를 사용하는 방식이 있다. 활성 가스는 다양한 분야에서 널리 사용되고 있으며 대표적으로 반도체 제조 공정 예들 들어, 식각, 증착, 세정, 에싱 등 다양하게 사용되고 있다. 최근, 반도체 장치의 제조를 위한 웨이퍼나 LCD 글라스 기판은 더욱 대형화 되어 가고 있다. 그럼으로 플라즈마 이온 에너지에 대한 제어 능력이 높고 대면적의 처리 능력을 갖는 확장성이 용이한 플라즈마 소스가 요구되고 있다.
플라즈마의 안정적인 초기 점화는 생산성과 직결되는 매우 중요한 문제이다. 어떠한 원인에서 플라즈마 점화에 실패하는 경우 공정 진행이 중단되기 때문에 생산성이 저하된다. 즉, 플라즈마 점화 단계 이전까지 진행된 단계들이 다시 진행되어야 할 수 있는데 이러한 경우 해당 공정은 실패하게 되고 다시 초기화하여 공정을 다시 시작하여야 한다. 웨이퍼나 LCD 글라스 기판은 더욱 대형화 되어 가고 있어서 한 번의 공정 실패에 따른 손실률은 더욱 높아지게 된다.
한편, 플라즈마 반응기는 무선 주파수 전력을 제공하기 위한 전원 공급원을 구비한다. 일반적으로 전원 공급원은 부하측에서 발생되는 단락이나 단선과 같은 비정상 상태에 따른 손상을 방지하기 위한 보호 회로를 구비한다. 그런데 정전압 또는 정전류 출력을 제공하는 전원 공급원의 경우, 부하가 단락 또는 단락에 가까운 낮은 임피던스 상태 일 때 정전류에 의한 통제만이 가능하다. 이러한 상태에서 규정된 정전류를 출력하게 되면 전원 공급원은 증폭부가 갖는 허용 손실을 초과하여 전원 공급원이 손상될 수 있다. 또한, 정전력 출력을 제공하는 전원 공급원의 경우, 부하가 단락 또는 단선 상태에서 이를 통제하기 위한 것으로 반사파에 의한 최대 허용 설정치 또는 설정 전류 제한치 이내에 대해서만 보호 기능을 수행하고 있다. 그럼으로 반사파에 의한 허용치를 극히 줄여서 설정한 경우를 제외하고, 통상적으로 전원 공급원의 정격 출력의 10~20%를 반사파 전력 허용치로 설정하고 있어서 전원 공급원의 증폭부의 전력 손실 한계를 초과하는 경우 전원 공급원은 손상을 받게 된다.
특히, 임피던스 정합기를 구비하지 않고 출력 전력의 제어를 수행하는 AC 스위칭 전원을 사용하는 플라즈마 반응기의 경우 보다 효과적인 초기 플라즈마 점화와 플라즈마 점화 이후 안정적인 전력 공급을 위해 보다 능동적인 전력 제어가 요구되고 있다.
본 발명의 목적은 고주파 펄싱에 의한 안정적인 초기 플라즈마 점화를 얻을 수 있으며, 플라즈마 점화 이후 전력 공급에 있어서 부하의 변동이나 AC 스위칭 전원의 소비 전력의 변화에 따라 능동적으로 출력 전력을 가변시켜서 AC 스위칭 전원의 손상을 방지할 수 있는 보다 향상된 플라즈마 점화와 전력 제어를 위한 방법 및 장치를 제공하는데 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일면은 플라즈마 점화 및 전 력 제어 방법에 관한 것이다. 본 발명의 플라즈마 점화 및 전력 제어 방법은: 방전 가스를 포함하는 플라즈마 챔버를 제공하는 단계; 상기 플라즈마 챔버의 내부로 플라즈마 방전을 위한 유도 기전력을 공급하는 플라즈마 발생기를 제공하는 단계; 상기 플라즈마 발생기로 고주파 전력을 공급하는 AC 스위칭 전원을 제공하는 단계; 및 상기 AC 스위칭 전원으로부터 발생된 고주파 펄스를 상기 플라즈마 발생기로 제공하여 플라즈마 점화를 유도하는 단계를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 챔버의 내부에 플라즈마 점화가 이루어지지 않은 경우, 상기 AC 스위칭 전원으로부터 다시 발생된 고주파 펄스를 상기 플라즈마 발생기로 제공하여 플라즈마 점화를 재유도하는 단계를 더 포함한다.
일 실시예에 있어서, 플라즈마 점화 이후, 상기 AC 스위칭 전원의 출력 전력을 부하의 임피던스에 상관시켜 가변적으로 제어하는 단계를 더 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 부하의 임피던스에 상관시켜 상기 AC 스위칭 전원의 출력 전력을 가변적으로 제어하는 단계는 부하의 임피던스 값을 검출하는 단계; 검출된 임피던스 값을 기준 값과 비교하여 부하의 임피던스 상태를 판별하는 단계; 부하 상태가 고 임피던스 상태로 판별되는 경우 부하의 고 임피던스 값에 기초하여 상기 AC 스위칭 전원의 출력을 전력 허용 기준치 이내에서 상향 조정하는 단계; 및 부하 상태가 저 임피던스 상태로 판별되는 경우 부하의 저 임피던스 값에 기초하여 상기 AC 스위칭 전원의 출력을 전력 허용 기준치 이내에서 하향 조정하는 단계를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 플라즈마 점화 이후, 상기 AC 스위칭 전원의 출력 전력 을 상기 AC 스위칭 전원의 소비 전력에 상관시켜 가변적으로 제어하는 단계를 더 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 AC 스위칭 전원의 출력 전력을 상기 AC 스위칭 전원의 소비 전력에 상관시켜 가변적으로 제어하는 단계는 상기 AC 스위칭 전원의 입력 전력 및 출력 전력을 각각 검출하는 단계; 검출된 입력 전력 및 출력 전력에 기초하여 상기 AC 스위칭 전원의 소비 전력을 측정하는 단계; 측정된 소비 전력이 상기 AC 스위칭 전원의 소비 전력 기준값을 초과하는 경우 상기 AC 스위칭 전원의 출력을 제한한다.
일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 발생기는 상기 AC 스위칭 전원에 전기적으로 연결되는 일차 권선과 상기 일차 권선이 감겨진 마그네틱 코어를 포함하는 변압기 결합 플라즈마 소스로 구성된다.
일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 발생기는 상기 AC 스위칭 전원에 전기적으로 연결되는 무선 주파수 안테나를 포함하는 유도 결합 플라즈마 소스로 구성된다.
일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 발생기는 상기 AC 스위칭 전원에 전기적으로 연결되는 용량 결합 전극을 포함하는 용량 결합 플라즈마 소스로 구성된다.
일 실시예에 있어서, 상기 고주파 펄스에 응답하여 상기 플라즈마 챔버의 내부로 플라즈마 점화를 위한 자유 전하를 발생하는 점화 전극을 더 포함한다.
본 발명의 다른 일면은 플라즈마 점화와 전력 제어를 위한 장치에 관한 것이다. 본 발명이 일면에 따른 플라즈마 반응기는: 방전 가스를 포함하는 플라즈마 챔버; 상기 플라즈마 챔버의 내부로 플라즈마 방전을 유도하기 위한 유도 기전력을 공급하는 플라즈마 발생기; 상기 플라즈마 발생기로 고주파 전력을 공급하는 AC 스위칭 전원; 및 상기 AC 스위칭 전원을 제어하여 플라즈마 점화를 위한 고주파 펄스를 발생시켜 상기 플라즈마 발생기로 공급되도록 제어하는 제어부를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 AC 스위칭 전원의 부하 임피던스를 검출하기 위한 부하 임피던스 검출 수단을 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 부하 임피던스 검출 수단으로부터 검출된 부하 임피던스 값에 기초하여 상기 AC 스위칭 전원의 출력을 제한한다.
일 실시예에 있어서, 상기 AC 스위칭 전원의 소비 전력을 측정하기 위한 소비 전력 측정 수단을 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 소비 전력 측정 수단을 통하여 측정된 상기 AC 스위칭 전원의 소비 전력값에 기초하여 상기 AC 스위칭 전원의 출력을 제한한다.
본 발명의 플라즈마 점화와 전력 제어를 위한 방법 및 장치 에 의하면, 고주파 펄싱에 의한 안정적인 초기 플라즈마 점화를 얻을 수 있으며 플라즈마 점화 이후 전력 공급에 있어서 부하의 변동이나 AC 스위칭 전원의 소비 전력의 변화에 따라 능동적으로 출력 전력을 가변시켜서 AC 스위칭 전원의 손상을 방지할 수 있어서 보다 향상된 플라즈마 점화와 전력 제어가 가능하게 된다.
본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공 되어지는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 부재는 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 반응기의 주요 구성을 보여주는 블록도이다.
도 1을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 반응기(10)는 플라즈마 방전 공간을 형성하는 플라즈마 챔버(30)와 플라즈마 챔버(30)의 내부로 플라즈마 방전을 위한 유도 기전력을 공급하기 위한 플라즈마 발생기(20)를 구비한다. 플라즈마 발생기(20)는 AC 스위칭 전원(60)으로부터 고주파 전력을 공급받아 구동되는데 특히, 초기 플라즈마 점화 단계에서 AC 스위칭 전원(60)은 제어부(80)의 제어를 받아서 고주파 펄스를 발생하여 플라즈마 발생기(20)로 공급함으로서 플라즈마 챔버(30)의 내부에 플라즈마 점화가 이루어진다. 구체적인 설명은 후술되 겠지만, 플라즈마 점화 이후 AC 스위칭 전원(60)은 부하의 임피던스 변화 또는 자신의 소비 전력의 변화에 기초하여 출력 전력의 제어가 능동적으로 이루어진다.
플라즈마 점화는 기본적으로 플라즈마 발생기(20)로 공급되는 고주파 펄싱에 의해서 이루지지만, 플라즈마 챔버(30)의 내부로 플라즈마 점화를 위한 자유 전하를 발생하는 점화 전극(40)이 구비될 수 있다. 점화 전극(40)은 고주파 펄스에 응답하여 상기 플라즈마 챔버(30)의 내부로 플라즈마 점화를 위한 자유전하를 발생한다. 예를 들어, 플라즈마 발생기(20)가 변압기 결합 플라즈마 소스(도 4 또는 도 5 참조)로 구성되는 경우 점화 전극(40)은 마그네틱 코어(22)에 권선된 또 다른 점화 코일(미도시)에 연결되고 일차 권선(24)에 인가되는 고주파 펄스에 응답하여 플라즈마 챔버(30)의 내부로 플라즈마 점화를 위한 자유 전하를 발생한다.
도 2는 고주파 펄싱에 의한 플라즈마 점화 단계를 설명하기 위한 파형도이고, 도 3은 플라즈마 점화 프로세스의 흐름도이다.
도 2 및 도 3을 참조하여, 플라즈마 반응기(10)의 초기 플라즈마 점화를 제어하기 위하여 제어부(80)는 단계 S10에서 점화 프로세스가 개시되면, 점화 시도 횟수를 카운팅하기 위한 변수 n을 n=1로 초기화한다. 이어 단계 S20에서 AC 스위칭 전원(60)을 제어하여 플라즈마 발생기(20)로 첫 번째 고주파 펄스가 공급되도록 한다(t1). 단계 S30에서는 고주파 펄싱에 의하여 플라즈마 챔버(30)의 내부에 플라즈마가 점화 되었는가를 판단한다. 플라즈마의 점화 여부에 대한 감지는 예를 들어, 플라즈마 센서(50)를 이용하여 감지하거나 출력단(64)에 연결된 부하 임피던 스 검출부(70)를 통하여 이루어질 수 있다.
플라즈마 점화가 이루어지지 않은 경우 제어는 단계 S40으로 진행하여 변수 n을 n=n+1로 증가하고 단계 S20으로 반복 진행하여 플라즈마 점화를 위한 고주파 펄스를 다시 발생(t2, t3)하여 플라즈마 점화를 다시 시도한다. 이와 같은 플라즈마 점화 재시도는 최대 반복 횟수 m 회까지 반복 수행될 수 있다. 최대 반복 횟수 m은 가변 가능하다. 최대 반복 횟수까지 플라즈마 점화를 재시도하여도 플라즈마 점화가 이루어지지 않는 경우에는 단계 S50으로 진행하여 플라즈마 점화 실패를 시스템 제어부(미도시)나 운영자에게 통지한다. 플라즈마 점화가 이루어진 경우(t4) 제어는 단계 S60으로 진행하여 점화 프로세스를 종료하고 단계 S70에서 전력 제어 프로세스를 개시(t5)한다.
AC 스위칭 전원(60)은 플라즈마 점화가 이루어질 때까지 제어부(80)의 제어를 받아서 반복된 고주파 펄싱 동작을 수행한다. 도 2에는 3회에 걸쳐서 고주파 펄싱이 이루어지고 제3 회째에서 플라즈마 점화가 이루어진 경우를 보여준다. AC스위칭 전원(60)의 고주파 펄싱 동작은 점화 클럭(Ignition CLK)에 동기 되어 이루어지며 점화 클럭(Ignition CLK)의 작동비(duty ratio)에 따라서 고주파 펄스의 에너지 레벨이 결정된다. 점화가 이루어지지 않는 경우 부하의 임피던스는 매우 높은 상태에 있으며 고주파 펄싱의 반복된 진행에 의하여 부하의 에너지 축적과 진행파와 반사파의 중첩에 의한 고전압이 부하측에 유도되어 플라즈마 점화 확률을 높이게 된다. 플라즈마 점화가 이루어지면(t4) 부하는 고 임피던스 상태에서 과도기(t4~t5)를 거처 낮은 임피던스 상태로 안정화된다.
도 4 내지 도 7은 다양한 종류의 플라즈마 발생기를 구비한 플라즈마 반응기를 보여주는 도면이다.
먼저, 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 플라즈마 반응기(10)에 탑재되는 플라즈마 발생기(20a)는 환형의 플라즈마 챔버(30a)의 일부를 감싸는 마그네틱 코어(22)와 이에 감겨진 일차 권선(24)을 포함하는 변압기 결합 플라즈마 소스(transformer coupled plasma source)로 구성될 수 있다. 환형의 플라즈마 챔버(30a)를 따라서 플라즈마(P)가 유도된다. 또는, 도 5에 도시된 바와 같이, 플라즈마 발생기(20b)는 중공형의 플라즈마 챔버(30b)의 내부에 내장되는 마그네틱 코어(22)와 이에 감겨진 일차 권선(24)으로 구성될 수 있다. 마그네틱 코어(22)와 일차 권선(24)은 코어 커버(26)에 의해 감싸져 보호된다. 플라즈마 챔버(30b)의 내부에는 코어 커버(26)를 감싸도록 플라즈마(P)가 유도된다. 또 다른 예로서, 도 6에 도시된 바와 같이, 플라즈마 반응기(10)는 유도 결합 플라즈마 소소(inductively coupled plasma source)를 구성하는 무선 주파수 안테나를 갖는 플라즈마 발생기(20c)로 구성될 수 있다. 또는, 도 7에 도시된 바와 같이, 플라즈마 발생기(20d)는 중공의 플라즈마 챔버(30d)에 장착되는 용량 결합 전극(23, 25)을 포함하는 용량 결합 플라즈마 소스(capacitively coupled plasma source)로 구성될 수도 있다.
도 8 및 도 9는 부하의 임피던스 변동에 따라 출력 전력을 제어하기 위한 능 동 제어 회로의 블록도 및 그 제어 방법의 흐름도이다.
도 8을 참조하여, 본 발명의 플라즈마 반응기(10)는 상술한 바와 같은 고주파 펄싱에 의한 플라즈마 점화 이후 부하의 임피던스 변동과 상관하여 AC 스위칭 전원(60)의 출력을 제한하기 위하여 부하 임피던스 검출부(70)와 임피던스 비교 회로(90)를 포함하는 능동 제어 회로를 구비한다.
AC 스위칭 전원(60)은 입력단(62)을 통하여 입력된 전력을 변환하여 출력단(64)을 통하여 변환된 전력을 부하(플라즈마 발생기(20))로 출력한다. 부하 임피던스 검출부(70)는 AC 스위칭 전원(60)과 출력단(64) 사이에 구성되며, 출력단(64)에 연결된 부하의 임피던스를 검출한다. 임피던스 비교 회로(90)는 부하 임피던스 검출부(70)로부터 검출된 부하 임피던스 값과 기준 임피던스 값을 비교하여 그 결과를 제어부(80)로 제공한다. 임피던스 비교 회로(90)는 부하의 고 임피던스 상태를 검출하기 위한 제1 임피던스 비교 회로(94)와 부하의 저 임피던스 상태를 검출하기 위한 제2 임피던스 비교 회로(96)를 포함한다.
제1 임피던스 비교 회로(94)는 제1 기준값 설정부(95)에 설정된 고 임피던스 기준값과 부하 임피던스 검출부(70)로부터 제공되는 임피던스 검출값을 비교하여 부하의 전기적 상태가 고 임피던스 상태인가를 판별한다. 제2 임피던스 비교 회로(96)는 제2 기준값 설정부(97)에 설정된 저 임피던스 기준값과 부하 임피던스 검출부(70)로부터 제공되는 임피던스 검출값을 비교하여 부하의 전기적 상태가 저 임피던스 상태인가를 판별한다.
제어부(80)는 임피던스 비교부(70)로부터 비교된 결과 값에 기초하여 AC 스 위칭 전원(60)의 출력을 전력 허용 기준치 이내에서 상향 또는 하향 조정 되도록 AC 스위칭 전원(60)을 제어한다. AC 스위칭 전원(60)의 제어는 예를 들어, 내부 출력 증폭기(미도시)의 출력을 전력 허용 기준치 이내에서 상향 또는 하향 조정하는 것이다.
도 9를 참조하여, 플라즈마 점화가 정상적으로 이루지고 나면, 제어부(80)는 단계 S80에서 전력 제어 프로세스를 개시한다. 단계 S81에서 부하 임피던스 검출부(70)는 출력단(64)에 연결된 부하의 임피던스 값을 검출하고, 검출된 임피던스 값은 임피던스 비교 회로(90)로 제공된다. 임피던스 비교 회로(90)는 검출된 임피던스 값을 기준 값과 비교하여 부하의 임피던스 상태를 판별하고, 그 결과 값을 제어부(80)로 제공한다.
제어부(40)는 단계 S82에서 부하의 전기적 상태가 고 임피던스 상태로 판별되는 경우 단계 S83으로 진행하여 부하의 고 임피던스 값에 기초하여 AC 스위칭 전원(60)의 출력 증폭기의 출력을 전력 허용 기준치 이내에서 상향 조정한다. 또는 단계 S82에서 부하의 전기적 상태가 저 임피던스 상태로 판별되는 경우 단계 S84로 진행하여 검출된 부하의 저 임피던스 값에 기초하여 AC 스위칭 전원(60)의 출력 증폭기의 출력을 전력 허용 기준치 이내에서 하향 조정한다.
도 10 및 도 11은 AC 스위칭 전원의 소비 전력 변동에 따라 출력 전력을 제어하기 위한 능동 제어 회로의 블록도 및 그 제어 방법 흐름도이다.
도 10을 참조하여, 다른 예로서 본 발명의 플라즈마 반응기(10)는 AC 스위칭 전원(60)의 출력 전력의 제어를 AC 스위칭 전원(60)의 소비 전력에 상관하여 제어할 수도 있다. 이를 위하여 입력 전력 검출부(100)와 출력 전력 검출부(102)를 구비한다.
AC 스위칭 전원(60)은 입력단(62)을 통하여 입력 전력을 변환하여 출력단(64)을 통하여 변환된 전력을 부하로 출력한다. 입력 전력 검출부(100)는 입력단(62)과 AC 스위칭 전원(60) 사이에 구성되어 입력단(62)을 통하여 AC 스위칭 전원(60)으로 입력되는 전력값을 검출한다. 출력 전력 검출부(102)는 출력단(64)과 AC 스위칭 전원(60) 사이에 구성되어 출력단(16)을 통하여 출력되는 전력값을 검출한다. 입력 전력 검출부(100)와 출력 전력 검출부(102)에서 검출된 입력 전력 값과 출력 전력 값은 각기 제어부(80)로 제공된다.
제어부(40)는 입력 전력 검출부(50)와 출력 전력 검출부(52)를 통하여 검출된 AC 스위칭 전원(60)의 입력 전력 값과 출력 전력 값을 받아들여 AC 스위칭 전원(60)의 소비 전력을 측정한다. 그리고 측정된 소비 전력에 기초하여 필요한 경우 AC 스위칭 전원(60)을 제어하여 출력 전력을 제한한다. AC 스위칭 전원(60)의 제어는 예를 들어, AC 스위칭 전원(60)의 출력 증폭기의 출력을 전력 허용 기준치 이내에서 상향 또는 하향 조정되도록 하는 것이다.
도 11을 참조하여, 플라즈마 점화가 정상적으로 이루지고 나면, 제어부(80)는 단계 S90에서 전력 제어 프로세스를 개시한다. 단계 S91에서 입력 전력 검출부(100)와 출력 전력 검출부(102)에 의해서 검출된 AC 스위칭 전원(60)의 입력 전 력 값과 출력 전력 값은 제어부(80)로 제공된다. 단계 S92에서 제어부(80)는 입력 전력 검출부(100)와 출력 전력 검출부(102)로부터 제공된 입력 전력 값 및 출력 전력 값에 기초하여 AC 스위칭 전원(60)의 소비 전력을 측정한다. 이어 단계 S93에서 제어부(80)는 측정된 소비 전력이 AC 스위칭 전원(60)의 기 설정된 소비 전력 기준값을 초과하는가를 판단한다. 만약 측정된 소비 전력 값이 기 설정된 소비 전력 기준값을 초과하는 경우 단계 S94에서 AC 스위칭 전원(60)의 출력을 제한한다.
이상과 같이, 능동 보호 회로를 구비한 플라즈마 반응기(10)는 부하의 임피던스 변동에 따라 부하의 부정합 상태가 발생되는 경우 AC 스위칭 전원(60)의 출력 증폭기의 출력을 전력 허용 기준치 이내에서 능동적으로 상향 또는 하향 조정함으로서 AC 스위칭 전원(60)이 안전하게 동작될 수 있다. 또는 AC 스위칭 전원(60)의 소비 전력 변화에 따라 AC 스위칭 전원(60)의 출력 증폭기의 출력 제한 기준치를 전력 허용 기준치 이내에서 능동적으로 상향 또는 하향 조정함으로서 AC 스위칭 전원(60)이 안전하게 동작될 수 있다.
상술한 바와 같은 AC 스위칭 전원(60)의 출력을 제한하는 방법은 여러 경우로 실시될 수 있다. 예를 들어, AC 스위칭 전원(60)의 출력 증폭기를 선형 증폭기(linear amplifier)로 사용하는 경우 선형 증폭기의 입력을 제한하여 결과적으로 출력을 제한하는 방법, 또는 선형 증폭기에 공급되는 전원(예를 들어, 직류 전압 등)을 제한하여 출력을 제한하는 방법, 또는 선형 증폭기의 이득을 조절하는 방법 으로 부궤한량을 조절하여 출력을 제한하는 방법들을 사용할 수 있다. 또한, 부하의 임피던스 변동에 상관하여 출력을 제한하는 방법과 AC 스위칭 전원(60)의 소비 전력 변동에 상관하여 출력을 제한하는 방법은 혼합적으로 적용될 수 있다. 즉, 부하의 임피던스 변동과 AC 스위칭 전원(60)의 소비전력의 변동에 각기 기초하여 능동적으로 AC 스위칭 전원(60)의 출력을 제한할 수 있다.
본 발명의 플라즈마 반응기(10)는 AC 스위칭 전원(60)과 플라즈마 발생기(20) 사이에 임피던스 정합을 위한 별도의 임피던스 정합기를 사용하지 않는다. 그럼으로 부하의 임피던스의 변화에 따라 AC 스위칭 전원(60)의 출력을 능동적으로 제한한다. 부하의 임피던스는 초기 플라즈마 점화 이후 낮아지게 되며, 가스 공급량이 증가되는 등의 여러 가지 요인에 의해서 임피던스가 변동될 수 있다. 따라서 부하의 임피던스가 낮아지는 경우 AC 스위칭 전원(60)의 출력을 낮아지게 제한함으로서 자연스럽게 부하의 임피던스가 높아지도록 하여 부정합 상태를 해소할 수 있다. 즉, 저출력에서 부하의 임피던스 상승효과를 얻을 수 있으며, 적절한 매치 포인트를 찾아서 효과적인 전력 공급이 이루어지도록 할 수 있다. 이와 같은 AC 스위칭 전원(60)의 출력 제한은 부하의 임피던스의 상태에 따라 능동적으로 연동되도록 한다.
이상에서 설명된 본 발명의 플라즈마 점화와 전력 제어를 위한 방법 및 장치의 실시예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그럼으로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 반응기의 주요 구성을 보여주는 블록도이다.
도 2는 고주파 펄싱에 의한 플라즈마 점화 단계를 설명하기 위한 파형도이다.
도 3은 플라즈마 점화 프로세스의 흐름도이다.
도 4 내지 도 7은 다양한 종류의 플라즈마 발생기를 구비한 플라즈마 반응기를 보여주는 도면이다.
도 8 및 도 9는 부하의 임피던스 변동에 따라 출력 전력을 제어하기 위한 능동 제어 회로의 블록도 및 그 제어 방법의 흐름도이다.
도 10 및 도 11은 AC 스위칭 전원의 소비 전력 변환에 따라 출력 전력을 제어하기 위한 능동 제어 회로의 블록도 및 그 제어 방법 흐름도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10: 플라즈마 반응기 20: 플라즈마 발생기
21: 점화 전극 22: 마그네틱 코어
24: 일차 권선 30: 플라즈마 챔버
32: 가스 입구 34: 가스 출구
40: 점화 전극 50: 플라즈마 센서
60: AC 스위칭 전원 62: 입력단
64: 출력단 70: 부하 임피던스 검출부
80: 제어부 90: 임피던스 비교 회로

Claims (13)

  1. 방전 가스를 포함하는 플라즈마 챔버를 제공하는 단계;
    상기 플라즈마 챔버의 내부로 플라즈마 방전을 위한 유도 기전력을 공급하는 플라즈마 발생기를 제공하는 단계;
    상기 플라즈마 발생기로 고주파 전력을 공급하는 AC 스위칭 전원을 제공하는 단계; 및
    상기 AC 스위칭 전원으로부터 발생된 고주파 펄스를 상기 플라즈마 발생기로 제공하여 플라즈마 점화를 유도하는 단계를 포함하되,
    플라즈마 점화 이후, 상기 AC 스위칭 전원의 출력 전력을 상기 AC 스위칭 전원의 소비 전력에 상관시켜 가변적으로 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 점화 및 전력 제어 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 챔버의 내부에 플라즈마 점화가 이루어지지 않은 경우,
    상기 AC 스위칭 전원으로부터 다시 발생된 고주파 펄스를 상기 플라즈마 발생기로 제공하여 플라즈마 점화를 재유도하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 점화 및 전력 제어 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    플라즈마 점화 이후, 상기 AC 스위칭 전원의 출력 전력을 부하의 임피던스에 상관시켜 가변적으로 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 점화 및 전력 제어 방법.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 부하의 임피던스에 상관시켜 상기 AC 스위칭 전원의 출력 전력을 가변적으로 제어하는 단계는
    부하의 임피던스 값을 검출하는 단계;
    검출된 임피던스 값을 기준 값과 비교하여 부하의 임피던스 상태를 판별하는 단계;
    부하 상태가 고 임피던스 상태로 판별되는 경우 부하의 고 임피던스 값에 기초하여 상기 AC 스위칭 전원의 출력을 전력 허용 기준치 이내에서 상향 조정하는 단계; 및
    부하 상태가 저 임피던스 상태로 판별되는 경우 부하의 저 임피던스 값에 기초하여 상기 AC 스위칭 전원의 출력을 전력 허용 기준치 이내에서 하향 조정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 점화 및 전력 제어 방법.
  5. 삭제
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 AC 스위칭 전원의 출력 전력을 상기 AC 스위칭 전원의 소비 전력에 상관시켜 가변적으로 제어하는 단계는
    상기 AC 스위칭 전원의 입력 전력 및 출력 전력을 각각 검출하는 단계;
    검출된 입력 전력 및 출력 전력에 기초하여 상기 AC 스위칭 전원의 소비 전력을 측정하는 단계;
    측정된 소비 전력이 상기 AC 스위칭 전원의 소비 전력 기준값을 초과하는 경우 상기 AC 스위칭 전원의 출력을 제한하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 점화 및 전력 제어 방법.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 발생기는
    상기 AC 스위칭 전원에 전기적으로 연결되는 일차 권선과 상기 일차 권선이 감겨진 마그네틱 코어를 포함하는 변압기 결합 플라즈마 소스로 구성되는 것을 특 징으로 하는 플라즈마 점화 및 전력 제어 방법.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 발생기는
    상기 AC 스위칭 전원에 전기적으로 연결되는 무선 주파수 안테나를 포함하는 유도 결합 플라즈마 소스로 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 점화 및 전력 제어 방법.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 발생기는
    상기 AC 스위칭 전원에 전기적으로 연결되는 용량 결합 전극을 포함하는 용량 결합 플라즈마 소스로 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 점화 및 전력 제어 방법.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 고주파 펄스에 응답하여 상기 플라즈마 챔버의 내부로 플라즈마 점화를 위한 자유 전하를 발생하는 점화 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 점화 및 전력 제어 방법.
  11. 방전 가스를 포함하는 플라즈마 챔버;
    상기 플라즈마 챔버의 내부로 플라즈마 방전을 유도하기 위한 유도 기전력을 공급하는 플라즈마 발생기;
    상기 플라즈마 발생기로 고주파 전력을 공급하는 AC 스위칭 전원; 및
    상기 AC 스위칭 전원을 제어하여 플라즈마 점화를 위한 고주파 펄스를 발생시켜 상기 플라즈마 발생기로 공급되도록 제어하는 제어부를 포함하되,
    상기 AC 스위칭 전원의 소비 전력을 측정하기 위한 소비 전력 측정 수단을 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 소비 전력 측정 수단을 통하여 측정된 상기 AC 스위칭 전원의 소비 전력값에 기초하여 상기 AC 스위칭 전원의 출력을 제한하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 AC 스위칭 전원의 부하 임피던스를 검출하기 위한 부하 임피던스 검출 수단을 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 부하 임피던스 검출 수단으로부터 검출된 부하 임피던스 값에 기초하여 상기 AC 스위칭 전원의 출력을 제한하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
  13. 삭제
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