KR20060080683A - 증착 시스템의 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 증착 시스템의 제어방법에 관한 것으로, 증착 장치의 전달함수의 계수를 보다 간단하고 정확하게 측정함으로써 증착률을 보다 정확히 제어할 수 있는 증착 시스템의 제어방법에 관한 발명이다.

본 발명은 PID 제어기를 포함하는 제어 장치 및 증착 장치를 구비하는 증착 시스템의 제어방법 있어서, (a) 개루프 제어 방식을 통하여 상기 증착 장치의 이득을 구하는 단계, (b) 폐루프 제어 방식 중 P 제어 상태에서 상기 증착 장치의 시간 지연과 시상수를 구하는 단계, 및 (c) 상기 구하여진 이득, 시간 지연 및 시상수를 상기 제어 장치에 반영하는 단계를 포함하는 증착시스템의 제어방법을 제공한다. 바람직하게, 상기 (b) 단계 이후에, (d) 상기 (b) 단계를 적어도 1회 더 수행하여 평균을 이용하여 시간 지연과 시상수를 구하는 단계를 추가적으로 포함한다.

본 발명에 따른 증착 시스템의 제어방법은 증착 장치의 전달 함수의 계수들을 구하는 시간을 줄이고, 구하여진 계수들의 정확도를 높일 수 있다는 장점이 있다.

Description

증착 시스템의 제어방법 {METHOD FOR CONTROLLING DEPOSITION SYSTEM}

도 1은 일반적인 증착 시스템을 개략적으로 표현한 도면이다.

도 2는 도 1의 증착 시스템을 전달 함수 중심의 블록도로 표현한 도면이다.

도 3은 종래기술에 의한 증착 시스템의 제어방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 증착 시스템의 제어방법의 개념을 설명하기 위한 도면이다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 증착시스템 제어방법의 상태도를 나타내는 도면이다.

본 발명은 증착 시스템의 제어방법에 관한 것으로, 증착 장치의 전달함수의 계수를 보다 간단하고 정확하게 측정함으로써 증착률을 보다 정확히 제어할 수 있는 증착 시스템의 제어방법에 관한 발명이다.

도 1은 일반적인 증착 시스템을 개략적으로 표현한 도면이다.

도 1을 참조하면 일반적인 증착 시스템은 증착 장치(110) 및 제어 장치(120)를 포함한다.

증착 장치(110)로는 기상 증착기(evaporator) 및 스퍼터(sputter) 등의 증착 장치가 사용될 수 있으며, 본 도면은 기상 증착기가 사용된 일례이다. 증착 장치(110)는 내부를 진공으로 유지하는 진공 챔버(111), 제어 장치(120)에서 공급되는 전력에 따라 증착률이 제어되는 증착원(112), 및 증착률을 측정하는 측착률 센서(118)를 포함한다. 증착원(112)은 고온에서 기화하는 증착 재료(113), 상기 증착 재료(113)를 담고 있는 보트(114) 및 상기 보트(114)에 열을 가하며 제어 장치(120)와 연결된 코일(115)을 구비한다. 증착률 센서(118)로는 크리스탈 센서가 사용될 수 있다. 크리스탈 센서는 주파수가 질량에 반비례하는 관계를 이용하여 증착률을 측정한다. 즉 증착에 의하여 크리스탈의 질량이 증가하면 주파수가 감소하게 되므로, 감소되는 주파수로부터 질량의 증가률 즉 증착률을 측정할 수 있다. 증착 장치(110)는 기판(116)이 배치되거나, 기판(116) 및 마스크(117)가 배치된 상태에서 동작하여, 기판(116)에 원하는 두께의 증착 재료(113)를 증착한다.

제어 장치(120)는 증착 장치(110)으로부터 측정된 증착률(Rsensor)을 입력받고, 이에 대응하여 제어된 전력(P)을 증착 장치(110)에 공급하는 기능을 수행한다. 제어 장치(120)는 측정된 증착률(Rsensor)에서 목표 증착률(Rtarget)을 뺀 오차 증착률(Rerror)를 출력하는 감산기(121), 및 오차 증착률(Rerror)로부터 PID(Proportional, Integral and Derivative) 제어되는 전력(P)을 구하는 PID제어기(122)를 포함한다. 제어 장치(120)는 감산기(121) 및 PID 제어기(122)로 구분되 어 있으나, 이는 논리적으로 구분된 것을 의미하는 것으로, 반드시 물리적으로 구분된 것을 의미하는 것은 아니다. 따라서, 감산기(121) 및 PID 제어기(122)는 하나의 연산장치(processor)에 의하여 프로그램적으로 수행될 수 있다. PID 제어기(122)는 수학식 1과 같은 전달함수(G_c(s))를 가지며, 전달 함수의 계수를 조절함으로써 증착 시스템의 최대 오버슈트, 상승 시간, 대역폭, 이득여유, 위상여유 등을 제어할 수 있다.

도 2는 도 1의 증착 시스템을 전달 함수 중심의 블록도로 표현한 도면이다.

도 2를 참조하면, 증착 시스템은 감산기(121), PID 제어기(122) 및 증착 장치(110)를 구비한다.

감산기(121)는 피드백된 측정된 증착률(Rsensor)에서 목표 증착률(Rtarget)을 빼서 오차 증착률(Rerror)을 구하는 기능을 수행한다.

PID 제어기(122)는 입력인 오차 증착률(Rsensor)을 PID 제어하여 증착 장치(110)를 제어하는 전력(P)을 출력하는 기능을 수행한다. 증착 시스템의 주파수 응답 특성 및 시간 응답 특성은 수학식 1과 같은 전달함수를 가지는 PID 제어기(122) 의 계수 즉 K_c, T_i, T_d에 의하여 결정된다.

증착 장치(110)은 근사적으로 수학식 2와 같은 전달 함수(G_p(s))를 가진다.

수학식 2에서, K_p는 증착 장치(110)에 입력되는 전력(P)과, 출력되는 측정된 증착률(Rsensor) 사이의 이득(gain)을 의미하고, L은 시간 지연(delay time)이고, T₁은 시상수(time constant)를 의미한다.

증착 장치(110)의 전달함수(G_p(s))의 계수(K_p, L, T₁)는 각 증착 장치마다 다를 수 있고, 또한, 같은 증착 장치라도 증착원이 교체되면 변경될 수 있다. 그리고, 증착 시스템이 원하는 주파수 응답 특성 및 시간 응답 특성을 가지기 위해서는 먼저 증착 장치(110)의 전달함수(G_p(s))의 계수(K_p, L, T₁)가 정확히 측정된 후에 상기 계수(K_p, L, T₁)에 따라 PID 제어기(122)의 전달함수(Gc(s))의 계수(K_c , T_i, T_d)가 조절되어져야 한다. 따라서, 증착 장치(110)의 전달함수(G_p(s))의 계수(K_p , L, T₁)의 정확한 측정은 증착 시스템의 제어에 있어서 매우 중요한 부분이라 할 것 이다.

도 3은 종래기술에 의한 증착 시스템의 제어방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 3은 증착 장치를 장기간 끈 상태에서 시간이 0초일 때 소정의 전력(P)을 입력한 경우의 측정된 증착률(Rsensor)의 시간 응답을 나타내는 도면이다. 즉, 입력 전력(P)을 계단 함수(step function)로 주었을 경우의 측정된 증착률(Rsensor)의 시간 응답을 나타내는 도면이다.

도 3에서, 그래프의 가로축은 시간을 의미하고, 세로축은 입력과 출력의 비 즉 (Rsensor/P)을 의미하고, 도면부호 G1은 측정된 증착률의 시간응답을 나타내는 곡선 의미한다. 증착 장치의 전달함수의 계수 중 이득(K_p)은 정상 상태(steady state)에서 입력 전력과 측정된 증착률의 비로부터 구할 수 있다. 그리고, 시간 지연(L)은 증착률 곡선(G1)의 최대 기울기를 가지는 시간(t_0.632)에서의 접선(G2)의 시간축 절편을 의미한다. 그리고, 시상수(T₁)는 증착률 곡선(G1)의 기울기가 최대인 시간(t_0.632)에서 시간 지연(L)을 뺌으로써 구할 수 있다.

그러나, 이러한 종래기술에 의한 증착 시스템의 제어방법은 증착 장치의 전달함수의 계수의 측정에 많은 시간이 소요된다는 문제점이 있다. 즉, 증착 장치에 전력을 공급하더라도 증착률이 정상 상태(steady state)에 이르기까지는 상당한 시간이 소요되므로, 전달함수의 계수의 측정에는 많은 시간이 소요된다. 또한, 계수 의 정확한 측정을 위해서는 전달함수의 계수를 여러번 측정한 후 이를 평균하여 사용하여야 하는데, 이를 위해서는 증착 장치에 전력을 공급한 후 정상 상태에 이르기까지 기다린 후 다시 증착 장치에 전력 공급을 중단한 후 정상 상태에 이르기까지 기다리는 과정을 수회 반복하여야 한다. 따라서, 정확한 측정을 위해서는 매우 긴 측정 시간을 요구하게 된다.

또한, 종래기술에 의한 증착 시스템의 제어방법은 정확도가 떨어진다는 문제점이 있다. 즉, 전달함수의 계수 중에서 시간 지연(L)과 시상수(T₁)는 1회의 측정으로 정확한 값을 측정하기 어렵고, 또한 이들은 근사적인 방법에 의하여 구해진 값이므로 정확한 값이라고 보기 어렵다. 따라서, 이러한 정확하지 아니한 계수를 사용하여 증착 시스템을 제어하는 경우 정확한 증착률을 얻기 어렵다.

따라서, 본 발명의 목적은 증착 장치의 전달함수의 계수를 효과적으로 즉, 짧은 시간에 정확히 측정함으로써, 측정률을 정확하고 효율적으로 제어할 수 있는 증착 시스템을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 기술적 수단으로써, 본 발명의 제 1측면은 PID 제어기를 포함하는 제어 장치 및 증착 장치를 구비하는 증착 시스템의 제어방법 있 어서, (a) 개루프 제어 방식을 통하여 상기 증착 장치의 이득을 구하는 단계, (b) 폐루프 제어 방식 중 P 제어 상태에서 상기 증착 장치의 시간 지연과 시상수를 구하는 단계, 및 (c) 상기 구하여진 이득, 시간 지연 및 시상수를 상기 제어 장치에 반영하는 단계를 포함하는 증착시스템의 제어방법을 제공한다. 바람직하게, 상기 (b) 단계 이후에, (d) 상기 (b) 단계를 적어도 1회 더 수행하여 평균을 이용하여 시간 지연과 시상수를 구하는 단계를 추가적으로 포함한다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시 예를 첨부된 도 4 내지 도 5를 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 증착 시스템의 제어방법의 개념을 설명하기 위한 도면이다. 본 발명의 일실시예에 의한 증착 시스템의 제어방법에 있어서 증착장치의 이득(G_p)은 종래기술과 동일하게 개루프(open loop) 제어 방식을 통해 전력 변화에 따른 증착률 변화를 측정함으로써 구하여질 수 있으므로, 도 4는 증착장치의 전달함수의 계수 중 지연(L) 및 시상수(T₁)를 구하는 방법에 관한 도면이다.

도 4에서, 그래프의 가로축은 시간을 의미하고, 세로축은 전력과 증착률을 나타낸다. 그리고, 도면부호 G3는 폐루프(close loop) 제어방식 중 P 제어 즉, PID 제어기에서 T_i는 무한대이고, T_d는 0이여서 PID 제어기의 전달함수(G_c(s))가 K_c인 경 우의 증착 장치로 입력되는 전력을 의미하고, 도면부호 G4는 폐루프 제어방식 중 P 제어인 경우의 증착 장치로부터 출력되는 증착률을 의미한다. 이와 같은 그래프에서 시간 지연(L)은 증착률 곡선(G4)이 최대 기울기를 가지는 시간(t3)에서의 접선(G5)과 증착률 곡선(G4)이 교차하는 시간(t2)으로부터 전력 곡선(G3)이 급격히 증가하기 시작하는 시간(t1)을 뺀 시간으로부터 구할 수 있다. 또한, 시상수(T₁)은 증착률 곡선(G4)의 기울기가 최대인 시간(t3)으로부터 접선(G5)과 증착률 곡선(G4)이 교차하는 시간(t2)을 뺀 시간으로부터 구할 수 있다.

이와 같은 방법으로 시간 지연(L)과 시상수(T₁)을 구할 경우, 전력 곡선(G3)과 증착률 곡선(G4)이 상승과 하강을 반복하므로 상기 계수들(L, T₁)을 수회 측정하여 그 평균을 이용함으로써 보다 정확한 측정을 가능케 한다. 또한, 종래기술처럼 계단 함수를 인가한 후 정상 상태가 되길 기다리는 과정을 수회 반복하지 아니하여도 되므로 보다 짧은 시간에 상기 계수들(L, T₁)을 측정할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 증착시스템 제어방법의 상태도를 나타내는 도면이다.

도 5를 참조하면, 증착시스템의 제어방법은 K_p 측정 단계(S10), L 및 T₁ 측정 단계(S20), 상기 L 및 T₁ 측정 단계를 반복하여 평균을 구하는 단계(S30) 및 측정된 K_p, L, T₁을 제어 장치에 반영하는 단계(S40)을 포함한다.

K_p 측정 단계(S10)에서 개루프 제어 방식을 통해 전력 변화에 따른 증착률 변화를 측정한다. 바람직하게, 증착 장치에 계단 함수의 전력을 인가한 후 증착률이 정상 상태 가까와지면, 전력과 증착률의 비로부터 이득(K_p)을 구한다.

L 및 T₁ 측정 단계(S20)에서, 폐루프 제어방식 중 P 제어 상태에서 시간 지연(L)과 시상수(T₁)을 구한다. 즉, PID 제어기의 전달함수(G_c(s))를 K_c로 설정하고, 증착장치와 제어장치를 상호 연결한 상태에서, 전력과 증착률로부터 시간 지연(L)과 시상수(T₁)를 구한다.

상기 L 및 T₁ 측정 단계를 반복하여 평균을 구하는 단계(S30)에서, L 및 T₁ 측정 단계(S20)를 수회 반복하여 시간 지연(L)과 시상수(T₁)의 평균값을 구한다. 이 단계는 보다 정확한 시간 지연(L)과 시상수(T₁)를 구하기 위한 단계로써, 필요에 따라 생략될 수도 있다.

측정된 K_p, L, T₁을 제어 장치에 반영하는 단계(S40)에서, 상기 측정된 증착 장치의 이득(K_p), 시간 지연(L) 및 시상수(T₁)을 제어장치에 반영한다. 즉, 제어장치의 PID 제어기의 전달함수의 계수들(K_c, T_i, T_d)를 측정된 증착장치의 계수들(K_p, L, T₁)에 적합하게 설정함으로써, 측정 시스템의 원하는 시간 응답 특성 또는 주파수 응답 특성을 얻을 수 있다.

상기 발명의 상세한 설명과 도면은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 따라서, 이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정하여 져야만 할 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 증착 시스템의 제어방법은 증착 장치의 전달 함수의 계수들을 구하는 시간을 줄이고, 구하여진 계수들의 정확도를 높일 수 있다는 장점이 있다.

Claims (6)

1. PID 제어기를 포함하는 제어 장치 및 증착 장치를 구비하는 증착 시스템의 제어방법 있어서,

   (a) 개루프 제어 방식을 통하여 상기 증착 장치의 이득을 구하는 단계;

   (b) 폐루프 제어 방식 중 P 제어 상태에서 상기 증착 장치의 시간 지연과 시상수를 구하는 단계; 및

   (c) 상기 구하여진 이득, 시간 지연 및 시상수를 상기 제어 장치에 반영하는 단계를 포함하는 증착시스템의 제어방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 (b) 단계 이후에,

   (d) 상기 (b) 단계를 적어도 1회 더 수행하여 평균을 이용하여 시간 지연과 시상수를 구하는 단계를 추가적으로 포함하는 증착시스템의 제어방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 (a) 단계에서,

   상기 증착 장치에 계단 함수의 전력을 인가한 후 증착률이 정상 상태 가까와지면, 전력과 증착률의 비로부터 상기 이득을 구하는 증착시스템의 제어방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 (b) 단계에서,

   상기 PID 제어기의 전달함수를 소정의 상수로 설정하고 상기 증착장치와 상기 제어장치를 상호 연결한 상태에서, 상기 증착장치로 입력되는 전력과 상기 증착장치로부터 측정된 증착률로부터 상기 시간 지연과 상기 시상수를 구하는 증착시스템의 제어방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 시간 지연은 측정된 증착률 곡선이 최대 기울기를 가지는 시간에서의 접선과 증착률 곡선과의 교점의 시간으로부터 전력 곡선이 급격히 증가하기 시작하는 시간을 뺀 시간이고,

   시상수는 상기 측정된 증착률 곡선의 기울기가 최대인 시간으로부터 상기 접선과 상기 증착률 곡선과의 교점의 시간을 뺀 시간인 증착시스템의 제어방법.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 (c) 단계에서,

   상기 PID 제어기의 전달함수의 계수들을 상기 구하여진 이득, 시간 지연 및 시상수에 따라 설정하는 증착시스템의 제어방법.

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