KR101727106B1 - 상전환 임피던스 매칭 방법 및 이 방법을 위한 전기장치 - Google Patents

Abstract

상전환 임피던스 매칭장치는 무선주파수 발생기; 상기 무선주파수 발생기와 연결된 전송선; 상기 전송선과 반응챔버 사이의 매칭 네트워크; 상기 매칭 네트워크에 접속되는 매칭 네트워크 제어기는 상기 매칭 네트워크와 상기 무선주파수 발생기와의 임피던스 매칭을 이루기 위해 상기 매칭 네트워크의 임피던스 회전 각도를 정하는 상전환 알고리즘에 따라 제어하는 수단이 포함된다.

Description

상전환 임피던스 매칭 방법 및 이 방법을 위한 전기장치{Phase change impedance matching method and the electric device for this method}

본 발명은 위상 매칭에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 플라즈마 시스템, 핵자기 공명 시스템, 통신 시스템 및 송전선 등의 전기 시스템에서 사용될 수 있는 위상 매칭 방법 및 이러한 위상 매칭을 구현하는 시스템에 관한 것이다.

전원 및 부하(load) 사이의 임피던스가 매칭되지 않으면, 부하로 공급되는 전력은 최대화되지 않을 뿐 아니라, 부하로 전달되는 전력을 정밀하게 제어하기 어렵다. 이에 따라 플라즈마 시스템과 같은 전기시스템은 이러한 임피던스의 미스매칭을 해결하기 위해 전원과 부하 사이에 배치되는 임피던스 매칭 네트워크를 구비한다. 매칭 네트워크의 역할은 무선주파수 발생기(RF generator)의 전력을 플라즈마 챔버에 손실없이 전달하는 것이다. 예를 들어 무선주파수 발생기의 고유저항이 50Ω이라면 플라즈마 챔버와 매칭네트워크의 저항 합도 50Ω이 된다.

도 1을 참조하면, 일반적인 임피던스 매칭은 케이블의 전기적 특성을 측정(S100)하고, 측정된 전기적 특성으로부터 매칭 네트워크를 제어하기 위한 제어 파라미터를 추출(S200)한 후, 추출된 제어 파라미터를 이용하여 매칭 네트워크를 제어(S300)하는 단계를 포함한다.

종래 기술에 따르면, 매칭 네트워크는 VVC(variable vacuum capacitance)의 제어 모터의 동작을 통해 캐퍼시턴스가 제어되는 하나 이상의 커패시터가 구성된다. 구성되는 방법은 크게 세 가지가 있는데, L타입, T타입, Pi타입이 있다. L 타입은 형상이 글자 L과 같이 로드(load) 커패시터와 튠(tune) 커패시터가 병렬로 연결되어 있으며 가장 간단하면서도 내부손실이 가장 낮기 때문에 널리 사용된다. 다음으로, T 타입은 로드(load) 커패시터와 튠(tune) 커패시터가 직렬로 연결되고 각각의 커패시터 사이에 병렬로 인덕턴스가 연결된 형태이다. 모양이나 특성이 L 타입과 유사하나 특정 임피던스 범위에 주로 사용된다. 마지막으로 Pi 타입의 매칭 네트워크 회로는 인덕턴스를 중심으로 양쪽 노드에 가변 로드(load) 커패시터와 튠(tune) 커패시터가 각각 연결된 형태이다. 광대역 임피던스 범위에 주로 사용되지만, 제어가 어렵다는 단점이 있다. 상술한 바와 같은 로드(load) 커패시터와 튠(tune) 커패시터는 각각 모터로 동작하는 가변 커패시터이다.

이러한, 종래의 매칭 네트워크는 데드존(Dead Zone)이 형성되는 여러 경우가 있어왔다. 도 2에 도시된 바와 같이, 생산라인에서 필터 특히 LPF(Low Pass Filter)의 사양을 변경할 시에 발생하는 미스매칭 현상이 있다. 타겟 포지션(target position)이 동일한 상황에서 필터의 유무에 따라 전체적인 위상이 변화하기 때문이다. 또한 도 3에 도시된 바와 같은 타켓 임피던스(target impedence) 변화에 따른 데드존 형성이다. 공정조건에 변화가 있으면 간헐적인 미스매칭의 원인이 되는데, 이로 인해 데드존이 출현할 수 있다. 공정에서 간헐적인 데드존의 생성은 임피던스의 크기를 나타내는 매그 라인(Mag. Line) 변화에 의한 영향이 크다. 도 4는 상회전(phase rotation)에 따른 데드존을 도시한 것이다. 상회전에 의해 데드존의 크기가 임의로 조절된다. 따라서 필터의 변화나 공정조건의 변화 또는 상회전에 의해 형성되는 데드존을 제어하는 것이 시급한 매칭네트워크 시스템의 문제이다.

본 발명은 상술한 바와 같이 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 간단한 연산 수식의 추가만으로 손쉽게 구현이 가능하며, 기존 양산된 디지털 매처에 즉시 적용이 가능한 데드존을 효과적으로 제어할 수 있는 매칭네트워크 시스템을 제공한다.

상전환 임피던스 매칭장치는 무선주파수 발생기; 상기 무선주파수 발생기와 연결된 전송선; 상기 전송선과 반응챔버 사이의 매칭 네트워크; 상기 매칭 네트워크에 접속되는 매칭 네트워크 제어기는 상기 매칭 네트워크와 상기 무선주파수 발생기와의 임피던스 매칭을 이루기 위해 상기 매칭 네트워크의 임피던스 회전 각도를 정하는 상전환 알고리즘에 따라 제어하는 수단이 포함된 것을 특징으로 한다.

상기 매칭 네트워크는 적어도 하나의 가변 임피던스 소자를 포함한다. 상기 매칭 네트워크시스템은 인풋센서 또는 인풋센서 및 아웃풋센서를 포함한다.

상기 인풋센서 및 아웃풋센서는 상기 무선주파수 발생기로부터 전류, 전압 및 이들의 위상차의 전기적 특성을 측정하는 센서이다.

상기 반응챔버는 플라즈마 처리챔버로 정전척과 바이어스 쉴드 및 플라즈마 방전전극이 구성되어 각각 상기 전송선으로 상기 무선주파수 발생기와 연결된 것을 특징으로 한다.

상전환 임피던스 매칭방법은 무선주파수 발생기의 전류, 전압 및 이들의 위상차의 전기적 특성을 측정하는 단계; 상기 무선주파수 발생기의 상기 전기적 특성으로부터 매칭 네트워크시스템의 임피던스 매칭을 위한 상전환 각도를 정하는 단계; 및 상기 매칭네트워크시스템과 연결된 반응챔버의 임피던스를 측정하는 단계를 포함한다.

상기 상전환 각도를 정하는 단계는, 상기 제 1 커패시터와 임피던스 크기의 증감 방향을 설정하는 단계; 제 2 커패시터와 임피던스 위상의 증감 방향을 설정하는 단계;및 임피던스 매그라인 중심각을 회전시켜 임피던스 크기라인에 일직선으로 맞추는 단계를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 매칭네트워크 시스템은 전송 선로의 임피던스 방정식을 이용하여 회전각도를 세팅하여 데드존 문제를 극복할 수 있다. 또한, 플라즈마 공정상에서 제 1 커패시터인 튠 커패시터의 변화를 억제할 수 있다.

도 1은 일반적인 임피던스 매칭의 순서를 도시한 도면이다.
도 2는 인풋 필터 유무에 따른 데드존의 변화를 도시한 도면이다.
도 3은 타겟 임피던스 변화에 따른 데드존의 변화를 도시한 도면이다.
도 4는 상회전에 따른 데드존의 변화를 도시한 도면이다.
도 5는 상전환 매칭 알고리즘을 나타내는 기본원리를 도시한 도면이다.
도 6은 상전환 알고리즘의 전환각도를 세팅하는 방법을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 상전환 알고리즘의 전환각도를 세팅하는 방법에 따른 바람직한 실시예를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 상전환 알고리즘으로 구성된 매칭내트워크시스템이 무선주파수 발생기와 플라즈마 챔버와 연결된 회로도를 도시한 도면이다.
도 9 내지 도 11은 역 L 타입 매처를 적용한 본 발명의 변형된 실시예를 도시한 도면이다.
도 12 내지 도 14는 T 타입 매처를 적용한 본 발명의 변형된 실시예를 도시한 도면이다.

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 구성은 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 상전환 매칭방법 및 이 방법을 위한 전기장치에 대해 설명한다.

도 5는 상전환 매칭 알고리즘을 나타내는 기본원리를 도시한 도면이다.

상전환(phase rotation)을 하게 되면 도시된 바와 같이 임피던스의 각도 변화에 따라 페이즈 라인(Phase line)과 크기의 변화에 따른 매그 라인(Mag line)은 변화없이 동시에 움직이고 스미스 차트(Smith chart)가 전체적으로 회전하게 되므로 임피던스 영역 자체에 대한 왜곡현상은 생기지 않게 된다. 따라서 데드존 없는 정확한 매칭을 위하여 상전환 알고리즘은 전환 각도를 세팅하는 것이 중요하다. 전송선로의 입력 임피던스 방정식을 이용하여, 상전환된 위치에서의 임피던스를 구하면 다음과 같다.

또한 임피던스는 저항, 커패시턴스, 인덕턴스의 조합으로 구성되는데, 그 식은 다음과 같다.

그런데, 상술한 바와 같이 무선주파수 발생기의 고유저항이 50Ω이므로

이다. 따라서 상전환된 임피던스는 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.

수학식 1을

로 간단하게 풀어보면 다음과 같다.

따라서, 간단한 연산수식의 추가만으로 손쉽게 상전환을 통한 임피던스를 측정하는 것이 가능하며, 기존 양산된 디지털 매처에 적용함에 있어서도 제약이 없다.

도 6은 상전환 알고리즘의 전환각도를 세팅하는 방법을 도시한 도면이다.

먼저, 회전에 대한 각도변수와 제 1 커패시터와 제 2 커패시터의 방향 부호를 확인하고 이를 이용하여 각도를 세팅한다. 다음으로 각도는 임피던스 크기라인 즉, 매그 라인(Mag line)의 중심축이 매그(Mag) 50Ω 라인과 일직선이 되도록 한다. 마지막으로 제 1 커패시터는 매그라인과, 제 2 커패시터는 임피던스 위상라인인 페이즈 라인과 증감 방향을 비교하여 정방향, 역방향을 정해준다. 예를 들면, 매그라인이 50Ω보다 큰 쪽에 있을 때, 매칭 지점이 제 1 커패시터가 증가하는 방향에 있다면 정방향(+)이다. 따라서 이러한 3가지 요인만으로 간단한 전환각도 세팅이 가능하다.

도 7은 본 발명의 상전환 알고리즘의 전환각도를 세팅하는 방법에 따른 바람직한 실시예를 도시한 도면이다.

도시된 바와 같이 매그라인 중심각을 매그라인쪽으로 회전시켜서 즉 상전환시켜 매그라인에 일직선이 되도록 한다. 도 6에서 상술한 바와 같이, 매그 또는 페이즈 증감 방향에 맞추어 방향성을 결정한다. 보다 자세히 설명하면, 도시된 바와 같이 +147도로 매그라인 중심각을 움직여 매그라인에 일치시킨 상전환은 매그 값이 50Ω보다 클 때에, 제 1 커패시터는 커지는 방향으로 움직여야 한다. 매그라인 안쪽에서 페이즈 값이 0보다 클 때에, 제 2 커패시터는 작아지는 방향으로 움직여야 한다. 다음으로 -33도 매그라인 중심각을 움직여 매그라인에 일치시킨 상전환은 매그 값이 50Ω보다 클 때에, 제 1 커패시터는 작아지는 방향으로 움직여야 한다. 매그 라인 안쪽에서 페이즈 값이 0보다 작으면 제 2 커패시터는 작아지는 방향으로 움직여야 한다.

도 8은 본 발명의 상전환 알고리즘으로 구성된 매칭 네트워크시스템이 무선주파수 발생기와 플라즈마 챔버와 연결된 회로도를 도시한 도면이다.

도시된 바와 같은 L타입의 매칭 시스템에 따르면, 제 1 커패시터(12)는 무선주파수 발생기(10)와 연결된 전송선의 소정의 위치(16)에 연결되고, 제 2 커패시터는 반응 챔버와 연결된 부하와 상기 소정의 위치(16) 사이에 배치된다. 제 1 및 제 2 커패시터(12,14)는 가변커패시터인 에어바리콘이 사용된다. 전송선과 소정의 위치 사이에 무선주파수 발생기의 임피던스 크기와 위상을 측정하는 매처상태를 나타내는 인풋센서가 위치한다. 다음으로 반응 챔버와 제 2 커패시터의 사이에는 반응챔버의 상태를 알 수 있는 아웃풋 센서가 위치한다. 자세히 도시하지는 않았으나,매칭 네트워크시스템은 무선주파수 발생기(10), 전송선, 이러한 전송선과 반응챔버 사이의 매칭 네트워크를 포함하는데, 상기 매칭 네트워크에 접속되는 매칭 네트워크 제어기가 더욱 포함된다. 매칭 네트워크 제어기는 상기 매칭 네트워크와 상기 무선주파수 발생기와의 임피던스 매칭을 이루기 위해 상기 매칭 네트워크의 임피던스 회전 각도를 정하는 상전환 알고리즘에 따라 제어하는 수단을 포함한다.

도 9 내지 도11은 역 L 타입 매처를 적용한 본 발명의 변형된 실시예를 도시한 도면이다. 상전환 없이 무선주파수 발생기의 고유저항(50Ω)이 도 9에 도시된 바와 같은 역 L 타입의 매칭네트워크회로를 통과하게 되면 도 10에 도시된 바와 같이 데드존이 형성된다. 그러나 +70도의 상전환을 상전환 알고리즘을 통해 하게 되면 데드존이 사라지게 된다. 또한 매그 페이즈 방식은 제 1 커패시터가 움직일 때, 제 2 커패시터가 같이 움직이게 된다. 그런데 두 개퍼시터가 동시에 움직이게 되면 매칭하는 시간이나 정확도가 떨어지게 되므로 최대한 하나만 영향받도록 맞춰주는 역할이 필요하다. 도 11에 도시된 바와 같이, +70도의 상전환상태에서 제 1 커패시터가 10~90% 까지 변화하더라도 데드존이 형성되지 않은 것을 확인할 수 있다. 따라서, 간단한 연산수식으로 손십게 상전환을 통한 임피던스를 측정하는 것이 가능할 뿐 아니라, 매칭의 속도나 정확성을 높일 수 있게 된다.

도 12 내지 도 14는 T 타입 매처를 적용한 본 발명의 변형된 실시예를 도시한 도면이다. 도 12는 T 타입 매처를 적용한 본 발명의 변형된 실시예로서 매칭네트워크 회로를 도시한 도면이다. 상전환 없이 무선주파수 발생기의 고유저항(50Ω)이 T 타입의 매칭네트워크회로를 통과하게 되면 도 13에 도시된 바와 같은 데드존이 형성된다. 그러나 +90도의 상전환을 상전환 알고리즘을 통해 하게 되면 데드존이 사라지게 된다. 또한 매그, 페이즈 방식은 제 1 커패시터가 움직일 때, 제 2 커패시터가 같이 움직이게 된다. 그런데 두 개퍼시터가 동시에 움직이게 되면 매칭하는 시간이나 정확도가 떨어지게 되므로 최대한 하나만 영향받도록 맞춰주는 역할이 필요하다. 이것은 도 14에 도시된 바와 같이, +90도의 상전환상태에서는 제 1 커패시터가 10~90% 까지 변화하더라도 데드존이 형성되지 않은 것을 확인할 수 있다. 따라서, 간단한 연산수식으로 손쉽게 상전환을 통한 임피던스를 측정하는 것이 가능할 뿐 아니라, 매칭의 속도나 정확성을 높일 수 있게 된다. 상술한 바와 같은 종래 매처의 가장 큰 난제 중 하나인 데드존 문제를 극복하면서 알고리즘 세팅방식이 간단해질 뿐 아니라 제 1 커패시터의 변화에 대해 데드존 억제의 효과를 보여주는 본 발명은 새로운 상전환 알고리즘 전기장치로서 그간 데드존 문제로 인해 제대로 활용되지 못했던 상호영향(cross dependence)를 통해 매칭 속도 향상도 기대할 수 있다.

이상에서 설명된 본 발명의 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 특청구범위의 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.

10 : 무선주파수 발생기
12 : 제 1 커패시터
14 : 제 2 커패시터
16 : 전송선의 소정의 위치

Claims (7)

1. 무선주파수 발생기;
   상기 무선주파수 발생기와 연결된 전송선;
   상기 전송선 및 반응챔버와 연결되고, 제 1 커패시터 및 제 2 커패시터를 구비하는 매칭 네트워크; 및
   상기 매칭 네트워크에 접속되고, 상기 매칭 네트워크와 상기 무선주파수 발생기와의 임피던스 매칭을 이루기 위해, 상전환 알고리즘에 따라 상기 매칭 네트워크의 임피던스 회전 각도를 결정하고, 상기 임피던스 회전 각도를 제어하는 매칭 네트워크 제어기를 포함하고,
   상기 매칭 네트워크 제어기는,
   상기 제 1 커패시터와 임피던스의 크기를 나타내는 매그 라인(Mag. Line)의 증감 방향을 설정하고,
   상기 제 2 커패시터와 임피던스 위상라인인 페이즈 라인의 증감 방향을 설정하고,
   상기 매그 라인의 중심각을 상기 무선주파수 발생기의 고유 임피던스 크기를 나타내는 라인과 일직선이 되도록 하여,
   상기 임피던스 회전 각도를 결정하는 것을 특징으로 하는 상전환 임피던스 매칭장치.
   
2. 제1 항에 있어서,
   상기 매칭 네트워크는 적어도 하나의 가변 임피던스 소자를 포함하는 상전환 임피던스 매칭장치.
   
3. 제1 항에 있어서,
   상기 매칭 네트워크는 인풋센서 또는 인풋센서 및 아웃풋센서를 포함하는 상전환 임피던스 매칭장치.
   
4. 제3 항에 있어서,
   상기 인풋센서 및 아웃풋센서는 상기 무선주파수 발생기로부터 전류, 전압 및 이들의 위상차의 전기적 특성을 측정하는 센서인 상전환 임피던스 매칭장치.
   
5. 제1 항에 있어서,
   상기 반응챔버는 플라즈마 처리챔버로 정전척과 바이어스 쉴드 및 플라즈마 방전전극이 구성되어 각각 상기 전송선으로 상기 무선주파수 발생기와 연결된 것을 특징으로 하는 상전환 임피던스 매칭장치.
   
6. 무선주파수 발생기의 전류, 전압 및 이들의 위상차의 전기적 특성을 측정하는 단계;
   상기 무선주파수 발생기의 상기 전기적 특성으로부터 매칭 네트워크의 임피던스 매칭을 위한 상전환 각도를 상전환 알고리즘에 따라 결정하는 단계; 및
   상기 매칭 네트워크와 연결된 반응챔버의 임피던스를 측정하는 단계를 포함하고,
   상기 매칭 네트워크는,
   제 1 커패시터 및 제 2 커패시터를 구비하고,
   상기 상전환 각도를 결정하는 단계는,
   상기 제 1 커패시터와 임피던스의 크기를 나타내는 매그 라인(Mag. Line)의 증감 방향을 설정하고는 단계;
   상기 제 2 커패시터와 임피던스 위상라인인 페이즈 라인의 증감 방향을 설정하는 단계;
   상기 매그 라인의 중심각을 상기 무선주파수 발생기의 고유 임피던스 크기를 나타내는 라인과 일직선이 되도록 하는 단계; 및
   상기 임피던스 회전 각도를 결정하는 단계를 포함하는 상전환 임피던스 매칭방법.
   
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