KR102478203B1 - 알에프 파워 전달 시스템 및 이에 있어서 파워 보정 방법 - Google Patents

Abstract

RF 파워 전달 시스템 및 이에 있어서 파워 보정 방법이 개시된다. 상기 RF 파워 전달 시스템은 RF 전력을 발생시켜 부하로 제공하는 RF 발생기, 상기 RF 발생기와 상기 부하 사이의 임피던스를 조절하는 매칭기 및 상기 RF 발생기의 전력을 보정하는 제어부를 포함한다. 여기서, 상기 제어부는 상기 전력을 보정하기 위한 보정 함수 및 상기 함수를 위한 계수를 저장하며, 상기 RF 발생기의 출력을 상기 함수에 적용하여 상기 전력을 보정하기 위한 보정치를 구한다.

Description

알에프 파워 전달 시스템 및 이에 있어서 파워 보정 방법{RF POWER DELIVERY SYSTEM AND POWER CALIBRATION METHOD IN THE SAME}

본 발명은 RF 파워 전달 시스템 및 이에 있어서 파워 보정 방법에 관한 것이다.

종래의 RF 파워 전달 시스템은 RF 발생기의 파워 및 매칭기를 제어하기 위하여 DSP(Digital Signal Processor)를 사용하였으며, 캘리브레이션은 각 변수에 따른 보정치를 미리 계측/저장하여 입력이 들어올때마다 가장 가까운 근사 보정치를 사용하였다.

따라서, 수많은 데이터를 상기 DSP에 저장하여야 해서 플래쉬 메모리를 사용하였고, 상기 플래시 메모리를 사용함에 따라 상기 입력을 통하여 보정치를 호출할 때마다 몇단계의 과정을 거쳐야 했다. 결과적으로, 상기 RF 파워 보정을 위한 시간이 오래걸리고 효율이 떨어질 수밖에 없다.

KR 10-2194201 B

본 발명은 RF 파워 전달 시스템 및 이에 있어서 파워 보정 방법을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 RF 파워 전달 시스템은 RF 전력을 발생시켜 부하로 제공하는 RF 발생기; 상기 RF 발생기와 상기 부하 사이의 임피던스를 조절하는 매칭기; 및 상기 RF 발생기의 전력을 보정하는 제어부를 포함한다. 여기서, 상기 제어부는 상기 전력을 보정하기 위한 보정 함수 및 상기 함수를 위한 계수를 저장하며, 상기 RF 발생기의 출력을 상기 함수에 적용하여 상기 전력을 보정하기 위한 보정치를 구한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 RF 파워 전달 시스템에서 파워 보정 방법은 RF 발생기의 출력단을 단락시킨 후 임피던스를 측정하고, 상기 RF 발생기의 출력단을 오픈시킨 후 임피던스를 측정하며, 상기 RF 발생기의 출력단에 특정 임피던스를 연결시킨 후 임피던스를 측정하는 단계; 상기 RF 발생기의 파워 보정을 위한 보정 계수의 함수를 설정하는 단계; 상기 측정된 임피던스들에 기초하여 상기 함수의 계수를 결정하는 단계; 상기 함수 및 상기 계수를 저장하는 단계; 상기 RF 발생기의 입력을 상기 함수에 적용하여 상기 보정 계수를 구하는 단계; 및 상기 구해진 보정 계수로 상기 RF 발생기의 파워를 보정하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따른 RF 파워 전달 시스템 및 이에 있어서 파워 보정 방법은 함수 및 계수만을 저장한 후 입력에 따라 보정치를 계산하여 파워를 보정하므로, 메모리 공간이 작아도 되고 파워 보정을 위한 시간이 상당히 감소할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 RF 파워 전달 시스템을 도시한 도면이다
도 2는 도 1의 보정치의 오류 확률 그래프를 도시한 도면이다.

본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

본 발명은 RF 파워 전달 시스템 및 이에 있어서 파워 보정 방법에 관한 것으로서, 파워 보정을 위한 함수를 생성하고 상기 함수 및 상기 함수의 계수만을 저장하며, 그런 후 입력을 상기 함수에 적용하여 파워 보정치를 계산할 수 있다.

기존 RF 파워 전달 시스템에서는 각 변수에 따른 보정치를 미리 계측/저장한 후 입력이 들어올때마다 가장 가까운 근사치를 사용한다. 예를 들어, 50, 100, 150, 200, 250, 300W 를 측정하여 보정치를 계산하여 저장해 놓는다. 이어서, 인가하기를 원하는 파워가 50, 100, 150, 200, 250, 300W이면 저장된 보정치를 그대로 사용하고, 그 외의 값이면 근사치 또는 중간값을 사용한다. 예를 들어, 인가하기를 원하는 파워가 75W라면, 50W 또는 100W의 보정치를 사용하던지 그 중간값을 사용하게 된다. 따라서, 정밀한 보정치 계산을 위해서는 많은 수의 측정이 필요하고, 측정이 되더라도 모든 지점의 측정이 불가능하므로 보정치가 정확하지 않을 수 있고 오류가 계속하여 남게 된다.

특히, RF 제너레이터와 플라즈마 장치 사이에 매처가 존재하므로, RF 제너레이터에 따른 파워와 주파수뿐만 아니라 매처의 매처의 L, C도 변수에 포함되어야 한다. 즉, 저장해야할 보정치가 기하급수적으로 늘어서서 많은 메모리가 필요하여 비효율적이다.

반면에, 본 발명의 RF 파워 전달 시스템은 함수 및 함수의 계수만을 저장한 후 입력에 따라 보정치를 구하므로, 저장 공간이 작아도 되며, 측정할 데이터 포인트가 감소할 수 있다.

이하, 본 발명의 다양한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상술하겠다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 RF 파워 전달 시스템을 도시한 도면이고, 도 2는 도 1의 보정치의 오류 확률 그래프를 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 실시예의 RF 파워 전달 시스템은 RF 발생기, 매칭기(Matcher), 플라즈마 부하(예를 들어 플라즈마 챔버) 및 제어부를 포함할 수 있다.

상기 RF 발생기는 RF 신호를 생성하여 상기 플라즈마 부하로 제공할 수 있다. 즉, 상기 RF 발생기는 상기 RF 신호를 통하여 고주파 전력을 상기 플라즈마 부하로 제공할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 RF 신호는 펄스 파형을 가질 수 있으나 이로 한정되지는 않는다. 즉, 상기 RF 신호는 정현파, 톱니파, 삼각파 등 다양한 파형을 가질 수 있다.

상기 매칭기는 상기 RF 발생기와 상기 플라즈마 부하 사이의 임피던스를 매칭시키는 역할을 수행할 수 있다. 구체적으로는, 상기 RF 발생기의 출력 임피던스는 일반적으로 50Ω이지만, 상기 플라즈마 부하의 입력 임피던스는 일반적으로 실수부 임피던스와 허수부 임피던스를 가지며 50Ω이 아니다. 따라서, 상기 RF 발생기와 상기 플라즈마 부하 사이의 임피던스 미스매칭(mismatching)이 초래하는 문제를 방지하기 위하여, 상기 RF 발생기와 상기 플라즈마 부하 사이에 상기 매칭기가 커플링되어 있다.

상기 플라즈마 부하는 상기 RF 발생기로부터 제공된 RF 신호를 이용하여 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 플라즈마 부하는 상기 RF 신호를 통하여 전달되는 고주파 전력을 이용하여 상기 플라즈마 부하로 유입되는 기체를 플라즈마 상태로 변화시킬 수 있다. 결과적으로, 상기 플라즈마 부하 내에서 반도체 공정 등이 수행될 수 있다.

상기 제어부는 DSP를 사용하는 종래 기술과 달리 빠른 속도로 보정치를 연산할 수 있는 FPGA(Field Programmable Gate Array)일 수 있으며, 상기 RF 발생기로부터 출력된 전압 및 전류를 감지하고, 상기 감지된 전압 및 전류에 기초하여 하기 수학식 1의 보정 매트릭스 전달 함수(Calibration matrix transfer function)에서의 보정 계수들을 산출하며, 상기 산출된 보정 계수를 적용하여 상기 RF 발생기의 파워를 보정할 수 있다.

여기서, A는 전압-전압 보정 계수이고, B는 전류-전압 보정 계수이며, C는 전압-전류 보정 계수이고, D는 전류-전류 보정 계수일 수 있으며, V_FPGA는 상기 FPGA에 의해 측정된 상기 RF 발생기의 출력 전압을 나타내고, I_FPGA는 상기 FPGA에 의해 측정된 상기 RF 발생기의 출력 전류를 나타낸다.

일 실시예에 따르면, 보정 계수 산출을 위한 변수가 미리 정해지며, 입력, 즉 상기 RF 발생기로부터 출력된 전압 및 전류에 따라 보정치(보정 계수)가 실시간으로 계산될 수 있다. 즉, 상기 제어부는 모든 입력을 고려한 변수들을 저장하지 않으며, 단지 함수 및 몇개의 계수(예를 들어 a, b)만을 저장하고, 입력시마다 상기 입력을 상기 함수에 적용하여 보정 계수를 산출할 수 있다. 결과적으로, 상기 저장부 또는 상기 저장부와 연결된 메모리의 저장 공간이 작아도 되고 보정을 위한 시간이 상당히 단축될 수 있다.

구체적으로는, 각 보정 계수는 1차 함수를 가질 수 있으며, 예를 들어 A는 하기 수학식 2와 같을 수 있다. 따라서, 입력을 알면 보정 계수가 간단하게 산출될 수 있다.

[수학식 2]

A=a*x+b

여기서, a 및 b는 기설정된 계수이며, x는 변수로서 입력(RF 발생기로부터 출력된 전압/전류)을 의미한다.

위에서는 A만을 예로 하였으나, B, C 및 D도 동일 또는 유사한 방법으로 간단하게 산출될 수 있다.

상기 제어부가 함수 및 이의 계수만을 저장하므로, 플래쉬 메모리를 사용할 필요가 없이 캐쉬 메모리를 사용할 수 있으며, 예를 들어 S램 메모리를 사용하여도 충분하다. 플래쉬 메모리의 경우에는 저장값을 호출하는데 몇 단계를 거치기 때문에 시간이 오래걸리나, 캐쉬 메모리는 저장값을 빠르게 호출할 수 있으므로, 상기 제어부는 상기 보정 계수를 신속하게 구하여 파워 보정을 수행할 수 있다. 즉, calibration 과정이 신속하게 이루어질 수 있다.

한편, 계수(a, b)는 상기 RF 파워 전달 시스템 초기 설정시 정해지는 값으로, 하기 과정을 통하여 결정될 수 있다.

상기 제어부는 상기 RF 발생기의 출력단을 단락시킨 후 상기 RF 발생기가 RF 전력을 출력시킨 상태에서 임피던스를 측정하고, 상기 RF 발생기의 출력단을 오픈시킨 후 상기 RF 발생기가 RF 전력을 출력시킨 상태에서 임피던스를 측정하며, 50Ω 부하를 상기 RF 발생기의 출력단에 연결시킨 후 상기 RF 발생기가 RF 전력을 출력시킨 상태에서 임피던스를 측정할 수 있다. 이러한 3가지 측정을 통하여 측정된 임피던스들에 기초하여 상기 RF 파워 전달 시스템 설계시 a 및 b를 결정할 수 있다. 즉, 각 보정 계수들을 위한 계수들이 위의 방법을 통하여 초기 세팅시 결정될 수 있다.

위에서는, 단락, 오픈, 50Ω 연결을 통하여 임피던스를 측정하였으나, a 및 b를 결정할 수 있는 한 측정 방법은 다양하게 변형될 수 있다.

정리하면, 본 실시예의 RF 파워 전달 시스템은 보정 계수를 위한 함수 및 상기 함수이 계수만을 저장하고, 추후 입력을 상기 함수에 적용하여 보정치를 구할 수 있다. 따라서, 수많은 보정치들을 미리 저장해놓는 종래 기술과 달리, 적은 저장 공간만이 필요하고 처리 속도가 상당히 빠를 수 있다.

오류 확률을 살펴보면, 종래 기술은 저장해놓은 입력 외의 다른 입력이 들어오면 오류가 발생할 수밖에 없으며, 본 발명의 RF 파워 전달 시스템도 함수를 이용하는 것이므로 도 2에 도시된 바와 같이 오류가 발생할 수 있다.

선형 회귀법을 사용하여 평균 오류 확률을 살펴보면, 종래 기술과 본 발명의 RF 파워 전달 시스템에서의 평균 오류 확률이 유사함을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명의 RF 파워 전달 시스템은 보정 계수를 위한 함수 및 소수의 변수만을 저장해 놓은 상태로 입력시마다 보정치를 계산하는 방식을 사용하여 종래 기술과 유사한 평균 오류 확률을 가지면서도 처리 속도를 상당히 향상시킬 수 있다.

이하, 보정치를 산출하는 과정을 살펴보겠다.

우선, 보정 계수를 위한 함수로 수학식 2와 같은 1차 함수를 결정할 수 있다.

이어서, RF 발생기의 출력단을 단락시킨 후 임피던스를 측정하고, 상기 RF 발생기의 출력단을 오픈시킨 후 임피던스를 측정하며, 상기 RF 발생기의 출력단에 50Ω을 연결시킨 후 임피던스를 측정하고, 상기 측정된 임피던스들에 기초하여 보정 계수들을 위한 계수를 결정할 수 있으며, 상기 결정된 계수를 가지는 함수 모델을 생성할 수 있다.

계속하여, 입력(RF 발생기의 출력 전압/전류)시마다 각 보정 계수들을 계산하고, 상기 계산된 보정 계수들을 통하여 상기 RF 발생기의 파워를 보정할 수 있다.

한편, 위에서는 보정 계수를 위한 함수가 1차 함수이었으나 이로 제한하는 것은 아니며, 2차 함수 이상의 함수일 수도 있다. 이 경우에도 계수는 초기 설정시 미리 결정될 수 있다.

한편, 전술된 실시예의 구성 요소는 프로세스적인 관점에서 용이하게 파악될 수 있다. 즉, 각각의 구성 요소는 각각의 프로세스로 파악될 수 있다. 또한 전술된 실시예의 프로세스는 장치의 구성 요소 관점에서 용이하게 파악될 수 있다.

또한 앞서 설명한 기술적 내용들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예들을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 하드웨어 장치는 실시예들의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.

상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

Claims (5)

1. RF 전력을 발생시켜 부하로 제공하는 RF 발생기;
   상기 RF 발생기와 상기 부하 사이의 임피던스를 조절하는 매칭기; 및
   상기 RF 발생기의 전력을 보정하는 제어부를 포함하되,
   상기 제어부는 상기 전력을 보정하기 위한 보정 함수 및 상기 함수를 위한 계수를 저장하고 상기 전력을 보정하기 위한 미리 계산된 보정치를 저장하지는 않으며, 상기 RF 발생기의 출력을 상기 함수에 적용하여 상기 전력을 보정하기 위한 보정치를 구하고, 상기 구해진 보정치로 상기 RF 발생기의 파워가 보정되며 상기 함수로 상기 부하의 출력을 추정하지는 않는 것을 특징으로 하는 RF 파워 전달 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 제어부는 FPGA이고, 상기 부하는 플라즈마 챔버이며, 상기 함수는 1차 함수인 것을 특징으로 하는 RF 파워 전달 시스템.
3. 제1항에 있어서, 하기 보정 계수 전달 함수를 위한 보정 계수(A, B, C 또는 D)는 각기 1차 함수를 가지며, 상기 제어부는 상기 함수 및 상기 보정 계수를 위한 계수만을 미리 저장하며 상기 RF 발생기의 출력을 상기 함수에 적용하여 상기 보정치를 계산하는 것을 특징으로 하는 RF 파워 전달 시스템.
   [보정 계수 전달 함수]
   

   
4. RF 발생기의 출력단을 단락시킨 후 임피던스를 측정하고, 상기 RF　 발생기의 출력단을 오픈시킨 후 임피던스를 측정하며, 상기 RF 발생기의 출력단에 특정 임피던스를 연결시킨 후 임피던스를 측정하는 단계;
   상기 RF 발생기의 파워 보정을 위한 보정 계수의 함수를 설정하는 단계;
   상기 측정된 임피던스들에 기초하여 상기 함수의 계수를 결정하는 단계;
   상기 함수 및 상기 계수를 저장하는 단계, 상기 RF 발생기의 파워 보정을 위한 미리 계산된 보정치를 저장하지는 않음;
   상기 RF 발생기의 입력을 상기 함수에 적용하여 상기 보정 계수를 구하는 단계; 및
   상기 구해진 보정 계수로 상기 RF 발생기의 파워를 보정하는 단계를 포함하되,
   상기 함수로 상기 RF 발생기로부터 발생된 전력이 제공되는 부하의 출력을 추정하지는 않는 것을 특징으로 하는 RF 파워 전달 시스템에서 파워 보정 방법.
5. 제4항에 있어서, FPGA를 통하여 상기 함수의 계수를 결정하고 상기 보정 계수를 구하되,
   상기 함수는 1차 함수이고, 상기 RF 발생기의 출력단에 연결되는 특정 임피던스는 50Ω인 것을 특징으로 하는 RF 파워 전달 시스템에서 파워 보정 방법.
   

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