KR20090121301A - 션트 스위치를 사용한 플라즈마 챔버 파워 서플라이에 대한 과전압 없는 아크 회복 - Google Patents

션트 스위치를 사용한 플라즈마 챔버 파워 서플라이에 대한 과전압 없는 아크 회복 Download PDF

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Abstract

과전압 보호를 위한 시스템 및 방법이 기술된다. 1 실시예에 있어서, 장치는 플라즈마를 점화시키기 위해 플라즈마 챔버에 전원을 방출하도록 구성되는 출력 포트를 포함한다. 상기 장치는 또한, 플라즈마에 있어서 아크의 인디케이터를 받도록 구성된 프로세서 및 상기 출력 포트와 병렬로 션트 스위치를 포함한다. 상기 프로세서는 전류를 아크로부터 멀리 벗어나게 하기 위한 시간 주기 동안 션트 스위치를 단락하도록 구성된다. 상기 프로세서는 또한, 아크와 연관된 증가 전압 상태의 전압을 제한하기 위해 션트 스위치의 펄스를 트리거하도록 구성된다.

Description

션트 스위치를 사용한 플라즈마 챔버 파워 서플라이에 대한 과전압 없는 아크 회복{ARC RECOVERY WITHOUT OVER-VOLTAGE FOR PLASMA CHAMBER POWER SUPPLIES USING A SHUNT SWITCH}
본 발명은 플라즈마 챔버 파워 서플라이에 관한 것이다. 특히, 본 발명은, 이에 한정되는 것은 아니나, 플라즈마 챔버 파워 서플라이에 대한 과전압 보호에 관한 것이다.
플라즈마 챔버 용의 많은 파워 서플라이들은 인덕터 및 커패시터와 같은 에너지 저장 부품들로 구성되는 출력 필터 단을 포함한다. 이들 출력단은 종종, 예컨대 파워 서플라이의 출력 전압의 리플을 감소시키기 위해 사용된다. 이 형태의 파워 서플라이로부터 전력을 받고 있는 플라즈마 챔버 내에 플라즈마가 발생하면, 플라즈마 아크를 소멸시키기 위해 션트 스위치를 사용한 시간 주기 동안 파워 서플라이의 에너지 저장 부품 내에 에너지가 순환될 수 있다. 그러나, 플라즈마가 소멸된 후, 파워 서플라이 내에 순환되는 에너지는 예컨대, 에너지가 플라즈마 챔버에 방출되는 경우 파워 서플라이 및/또는 플라즈마 챔버를 훼손시킬 수 있는 과전압 상태를 야기할 수 있다.
플라즈마 아크가 소멸된 후 과전압 상태로부터 파워 서플라이 및/또는 플라 즈마 챔버를 보호하기 위해 많은 형태의 과전압 보호 회로들이 파워 서플라이에 사용되고 있다. 어떤 간단한 과전압 보호 회로 설계는 RC 스너버 회로, 과도 전압 억제 회로, 또는 에너지를 분산시키기 위해 사용되는 금속 산화물 바리스터와 같은 수동 소자 부품을 포함하고 있다. 그러나 이들 부품의 대다수는 야기될 수 있는 다량의 플라즈마 아크를 처리하기 위해 대용량이어야 하며, 하나 이상의 플라즈마 아크와 연관된 에너지는 파워 서플라이에 의해 사용되지 않고 흩어진다. 비록 어떤 회로들은 파워 서플라이의 입력 버스에 에너지를 되돌려 전송함으로써 플라즈마 아크와 연관된 에너지를 사용하도록 설계될 수 있으나, 이들 설계는 종종 매우 복잡하고 고가이다. 요컨대, 많은 기존의 파워 서플라이들은 기능적일 뿐 매우 복잡하고, 고가 및/또는 비효율적이다. 따라서, 현재 기술의 문제를 해소하고 다른 새롭고 혁신적인 특징들을 제공하기 위한 방법 및 장치가 필요하다. 따라서, 개선된 플라즈마 챔버 파워 서플라이의 과전압 보호 방법 및 장치가 요망되고 있다.
도시된 본 발명의 예시적 실시예는 하기와 같이 요약된다. 이들 및 다른 실시예는 실시예에 보다 상세히 기재되어 있다. 그러나, 이들 발명의 상세한 설명이나 실시예에 기술된 형태로 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 당업자들은 특허청구범위에 표현된 발명의 정신 및 관점 내에 들어가는 수많은 개조, 등가물 및 다른 구성이 있다는 것을 인식할 수 있을 것이다.
본 발명은 플라즈마 챔버 파워 서플라이의 과전압 보호를 위한 시스템 및 방법을 제공할 수 있다. 본 발명의 1 실시예에 있어서, 장치는 플라즈마를 점화시키기 위해 플라즈마 챔버에 전원을 공급하도록 구성되는 출력 포트를 포함한다. 상기 장치는 또한, 플라즈마에 있어서 아크의 인디케이터를 받도록 구성된 프로세서 및 상기 출력 포트와 병렬로 션트 스위치를 포함한다. 상기 프로세서는 전류를 아크로부터 멀리 벗어나게 하기 위한 시간 주기 동안 션트 스위치를 단락(close)하도록 구성된다. 상기 프로세서는 또한, 아크와 연관된 증가 전압 상태의 전압을 제한하기 위해 션트 스위치의 펄스를 트리거하도록 구성된다.
본 발명의 다른 실시예는 플라즈마 챔버에 있어서 전류를 아크로부터 멀리 벗어나게 하도록 구성된 션트 스위치를 포함하는 장치이다. 상기 션트 스위치는 펄스 파라미터 값에 따른 펄스로 구성된다. 션트 스위치의 펄스는 아크와 연관된 증가 전압 상태의 전압을 제한한다. 상기 장치는 또한, 플라즈마 시스템 파라미터 값을 받도록 구성되는 프로세서를 포함한다. 상기 션트 스위치 및 프로세서는 전원 정치와 조합된다. 상기 플라즈마 시스템 파라미터 값은 상기 전원 장치와 조합되고, 상기 프로세서는 상기 플라즈마 시스템 파라미터 값에 기초하여 펄스 파라미터를 계산하도록 구성된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 한 방법은 플라즈마를 점화 및 유지 (sustain)하고 플라즈마에 있어서 아크를 검출하기 위한 플라즈마 챔버에 대해 전원 장치로부터 전원을 공급하는 것을 포함한다. 아크와 연관된 전류는 전원 장치 내에 션트 스위치를 시간 주기 동안 제1 시간에 단락함으로써 아크의 개시를 실질적으로 플라즈마로부터 떨어져 우회시킨다. 상기 션트 스위치는 상기 시간 주기의 말미의 제2 시간에 개방(open)되고 션트 스위치의 개방 시 증가 전압 상태가 트리거된다. 제2 시간에 션트 스위치가 개방된 후, 증가 전압 상태의 전압을 제한하기 위해 션트 스위치는 펄스동작(pulsed)된다.
전술한 바와 같이, 상기 실시예 및 구체예들은 예시적 목적을 위한 것이다. 본 발명의 수많은 다른 실시예, 구체예 및 상세한 것은 이하의 설명 및 특허청구범위로부터 당업자에 의해 용이하게 인지된다.
본 발명의 각종 목적과 이점 및 보다 완전한 이해를 위해 첨부 도면을 참조하여 발명의 상세한 설명 및 특허청구범위와 관련하여 이하에 상세히 설명한다.
도1은 본 발명의 1 실시예에 따른 전원 장치를 도시한다.
도2A는 본 발명의 1 실시예에 따른 플라즈마 챔버 내의 플라즈마 전압을 나타내는 개략 그래프이다.
도2B는 본 발명의 1 실시예에 따른 플라즈마 챔버 내의 플라즈마 전류를 나타내는 개략 그래프이다.
도2C는 본 발명의 1 실시예에 따른, 플라즈마 챔버에 전원을 공급하도록 사용되는 전원 장치 내의 션트 스위치의 스위치 상태를 나타내는 개략 그래프이다.
도3은 본 발명의 1 실시예에 따른 션트 스위치를 펄스동작(pulsing)시키기 위한 방법을 나타내는 플로우챠트이다.
도4는 본 발명의 1 실시예에 따른, 플라즈마 챔버에 전원을 공급하고 그에 있어서 아크를 소멸시키도록 구성된 다중 전원 장치를 도시한 개략도이다.
도5A는 본 발명의 1 실시예에 따른 플라즈마 챔버 내의 플라즈마 전압을 나 타내는 개략 그래프이다
도5B는 본 발명의 1 실시예에 따른 전원 장치의 션트 스위치의 스위치 상태를 나타내는 개략 그래프이다.
도5C는 본 발명의 1 실시예에 따른 전원 장치의 션트 스위치의 스위치 상태를 나타내는 개략 그래프이다.
도면을 참조하면, 여러 도면에 걸쳐 유사한 부재들이 동일한 참조 부호로 표시되어 있고, 도1은 본 발명의 1 실시예에 따른 전원 장치(150)를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 상기 전원 장치(150) 내의 직류(DC) 파워 서플라이(110)가, 플라즈마 챔버(180)에 있어서 플라즈마를 점화 및/또는 유지하도록 케이블(120)를 통해 또한 출력(140)(출력 포트라고도 지칭함)을 통해 전력을 공급하도록 구성된다. 어떤 실시예에서, 상기 플라즈마 챔버(180)는 예컨대, 반도체 공정 단계 동안 실리콘 반도체 기판 상에 박막을 증착하기 위해 사용된다.
전원 장치(150)의 프로세서(120)는, 플라즈마 챔버(180) 내의 마이크로 아크가 션트 스위치(106)를 사용하여 소실된 후 과전압의 가능성을 완화시키기 위해 션트 스위치(106)의 하나 이상의 펄스 사이클을 트리거(예컨대, 토글)하도록 구성된다. 각각의 펄스 사이클은 하나 이상의 펄스 파라미터 값(예컨대, 특정 시간(들)에, 특정 기간 또는 온(on) 타임 동안, 특정 오프(off) 타임으로, 특정 간격으로)에 따라 트리거된다. 션트 스위치(106)의 하나 이상의 펄스는 예컨대, 인덕터(102) 및/또는 커패시터(104)에 저장된 마이크로 아크로부터 에너지의 방출로 귀결될 수 있는 전압의 증가를 감소시킨다. 션트 스위치(106)의 펄스가 행해진 후, 전원 장치(150)는 다른 마이크로 아크가 야기될 때까지 정상 동작으로 되돌아간다.
마이크로 아크(아크 또는 음극 아크로 지칭될 수도 있음)는, (예컨대, 전하가 축적된 인슐레이터 상의 한 지점과 플라즈마 소스/캐소드 상의 한 지점 간에서) 플라즈마 챔버(180)에서 방전이 일어날 때 플라즈마 챔버(180) 내의 정상 동작 동안 전개될 수 있다. 마이크로 아크가 충분히 짧은 시간 주기에 소멸되지 않을 경우, 마이크로 아크는 캐스케이딩 효과를 통해 하드 아크로 발전될 수 있다. 하드 아크의 파워 밀도는 마이크로 아크의 그것보다 크지만, 두 형태의 아크 모두 예컨대, 플라즈마 챔버 (100) 및/또는 플라즈마 챔버(100) 내의 물체(예컨대, 반도체 기판)에 해로운 영향을 줄 수 있다.
이 실시예에서, 전원 장치(150)는 DC 파워 서플라이(110) 내의 인덕터(102)와 커패시터(104)로 구성된다. 이 실시예에서, 전원 장치(150)에 있어서의 높은 반응(high compliance)은 당업자에 알려진 기술에 따라 출력(140)과 직렬로 인덕턴스(102)를 사용하여 달성된다. 어떤 실시예에서, 케이블(120)의 인덕턴스는 DC 파워 서플라이(110)의 인덕터(104) 대신 사용된다. 커패시터(104)(출력 커패시터 104로도 지칭)는 DC 파워 서플라이(110)와 병렬로 접속되고 또한 전원 장치(150)에 대한 적절한 필터링을 계속 제공하면서 비교적 소량의 에너지를 저장하도록 설계된다. 어떤 구체예에서, 커패시터(104)는, 마이크로 아크가 하드 아크로 전개될 가능성을 감소시키도록 마이크로 아크가 야기될 때 전원 장치(150)의 출력 전류에 있어서의 상승을 제한하기 위해 충분히 작게 설계된다.
전원 장치(150)의 프로세서(120)는 플라즈마 챔버(180)의 플라즈마 내의 마이크로 아크(또는 하드 아크)의 개시를 검출하도록 구성되고 또한 션트 스위치 (106)를 사용하여 마이크로 아크를 소멸시키도록 전류가 일시적으로 마이크로 아크로부터 멀리 벗어나도록 구성된다. 마이크로 아크를 통해 제로(예컨대, 실질적으로 제로) 또는 어떤 소정의 낮은 문턱치로 전류를 감소시킴으로써 마이크로 아크가 소멸될 수 있기 때문에 전류를 우회시킨다. 우회된 전류는 전원 장치(150)의 션트 스위치(106) 및 DC 파워 서플라이(110)의 인덕터(102) 내에 순환된다.
전원 장치(150)의 프로세서(120)는 DC 파워 서플라이(110)로 또한 플라즈마로부터 멀리 전류를 우회시키기 위해 션트 스위치(106)의 단락을 먼저 트리거함으로써 전류를 우회시키도록 구성된다. 션트 스위치(106)가 시간 주기 동안 단락된 후, 션트 스위치(106)는 후에 플라즈마 챔버(180) 내의 플라즈마로 전류를 재공급하기 위해 개방된다. 검출 후 마이크로 아크를 소멸시키기 위한 이 초기 단락 및 플라즈마 챔버(180)로 전류를 재공급하기 위한 개방은 소멸 사이클로 지칭될 수 있다.
아크가 소멸되고 션트 스위치(106)가 개방된 후, 인덕터 및/또는 커패시터(104)에 저장된 에너지는 플라즈마로 방출된다. 이 에너지의 방출은 짧은 시간 주기에 걸쳐 매우 높은 전류의 변화로서 출력(140)에 매우 높은 출력 전압을 발생할 수 있다. 이 짧은 시간 주기에 걸친 매우 높은 전류의 변화는 과전압 상태로 되어 전원 장치(150) 및/또는 플라즈마 챔버(180)에 충격을 줄 수 있다.
소멸 사이클이 수행된 후, 프로세서(120)는, 파워 서플라이의 출력 전압을 제한함으로써 과전압 상태의 가능성을 방지 또는 감소시키도록 션트 스위치(106)의 펄스들(예컨대, 개방 및 단락)을 트리거하도록 구성된다. 특히, 션트 스위치(106)를 사용하여 트리거되는 펄스들(예컨대, 펄스 사이클들)은, 션트 스위치(106)가 소멸 사이클의 말미에서 단락된 후 인덕터(102)에 저장된 에너지가 방출되었을 때 출력(140)의 출력 전압을 감소시킨다. 션트 스위치(106)의 펄스들이 규정된 펄스 파라미터 값에 따라 행해진 후, 전원 장치(150)는 션트 스위치(15)가 개방 상태인 채로 정상 동작 모드로 리턴한다. 어떤 실시예에서, 션트 스위치(106)는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT), 전계 효과 트랜지스터(FET) 또는 다른 적절한 스위치로 된다. 소멸 사이클의 특정 예 및 션트 스위치의 펄스동작을 도2A 내지 2C, 및 도5A 내지 5C에 도시했다.
이 실시예에는 나타내지 않았지만, 전원 장치(150)는 과전압 상태 시에 전원 장치(150) 및/또는 플라즈마 챔버(180)의 보호를 제공하기 위해 사용될 수 있는 과전압 보호 회로를 포함하도록 구성될 수도 있다. 어떤 구쳬예에서, 프로세서(120)는 션트 스위치(106)를 직접 개폐시키기 위해 구성되고, 다른 구쳬예에서, 프로세서(120)는 션트 스위치(106)를 개폐시키기 위한 별도의 부품(도시되지 않음)에 의해 사용되는 트리거 신호를 전송하도록 구성된다.
도1에 나타낸 실시예에 있어서, 전원 장치(150)는 하나 이상의 소멸 사이클 및/또는 하나 이상의 펄스 사이클을 트리거하기 위해 프로세서(120)에 의해 사용되는 정보를 저장하도록 구성되는 메모리(130)를 포함한다. 메모리(130)는 소멸 사이클을 트리거하고 한정하기 위해 사용되는 리미트(limit) 및/또는 파라미터를 포함 한다. 예컨대, 메모리(130)는 소멸 사이클을 트리거하기 위해 사용되는 문턱 조건들(예컨대, 전압 레벨, 지속 기간) 및 소멸 사이클의 지속 기간을 한정하기 위해 사용되는 파라미터 값들을 포함할 수 있다. 메모리(130)는 또한, 션트 스위치(106)의 펄스들을 트리거 및 한정하기 위해 사용되는 문턱 리미트 및/또는 펄스 파라미터 값들을 포함한다. 펄스 파라미터 값들은, 예컨대, 펄스폭(예컨대, 온 타임), 펄스 주기, 펄스의 수 및/또는 오프 타임을 포함한다.
펄스 파라미터 값들은, 예컨대, 전원 장치(150)의 출력 인덕턴스, 전원 장치(150)의 출력 커패시턴스, 전원 장치(150)의 출력 전압, 또는 전원 장치(150)의 출력 전류와 같은 플라즈마 시스템 파라미터 값들에 기초히여 한정될 수 있다. 예컨대, 좁은 펄스에 대한 펄스 파라미터 값들이 한정될 수 있으며, 전원 장치(150)가 높은 출력 전류를 갖거나 및/또는 DC 파워 서플라이(110)의 출력 커패시턴스가 적을 때 과전압 상태의 가능성을 감소시키거나 과전압을 제거하기 위해 사용될 수 있다. 반대로, 넓은 펄스에 대한 펄스 파라미터 값들이 한정될 수 있으며, 전원 장치(150)가 낮은 출력 전류를 갖거나 및/또는 DC 파워 서플라이(110)의 출력 커패시턴스가 높을 때 과전압 상태의 가능성을 감소시키거나 과전압을 제거하기 위해 사용될 수 있다. 어떤 구체예에서, 전압 상승 레이트는 예컨대, 전원 장치(150)의 출력 전류 및/또는 예컨대, 전원 장치(150)의 출력 커패시턴스의 세기에 기초하여 예측/계산될 수 있다. 어떤 구체예에서, 펄스 파라미터 값들은 전압 상승 레이트의 계산/예측에 기초하여 한정된다.
어떤 실시예에서, 메모리(130)는 하나 이상의 펄스 파라미터 값의 세트에 기 초하여 한정되는 하나 이상의 펄스들을 트리거 하기 위해 사용되는 문턱 조건들(예컨대, 시간 주기)을 포함한다. 어떤 변형예에서, 리미트들, 소멸 사이클과 연관된 파라미터 값들, 플라즈마 시스템 파라미터 값들, 및/또는 펄스 파라미터 값들은 예컨대, 프로세서(120)에 의해 검색되고 처리될 수 있는 테이블 또는 텍스트 파일로서 메모리(130)에 저장된다.
어떤 실시예에서, 프로세서(120)에 의해 행해지는 기능들은, 전원 장치(150)에 포함되는 다수의 프로세서 및/또는 하드웨어 및/또는 소프트웨어 모듈의 조합으로 행해질 수 있다. 어떤 실시예에서, 메모리(130)는 예컨대 스몰 캐시로서 프로세서(120)에 내장되고 다른 실시예에서는 랜덤 액세스 메모리(RAM) 또는 제거가능한 기억 장치와 같은 별도의 메모리 장치이다.
도2A 내지 2C는 본 발명의 1 실시예에 따른, 아크(예컨대 마이크로 아크)의 소멸 및 도1에 나타낸 바와 같은 전원 장치를 사용하여 과전압 상태의 방지를 도시한 개략 그래프이다. 특히, 도2A는, 플라즈마 챔버 내의 플라즈마 전압을 나타내는 개략 그래프이고, 도2B는 본 발명의 1 실시예에 따른 플라즈마 챔버 내의 플라즈마 전류를 나타내는 개략 그래프이다. 도2C는 본 발명의 1 실시예에 다른, 플라즈마로 파워를 공급하기 위해 사용되는 전원 장치 내의 션트 스위치의 스위치 상태를 나타내는 개략 그래프이다. 시간은 각 그래프의 x축상의 우측으로 증가한다.
도2A는 시간 t0에서 시작하는, 플라즈마 챔버 내의 아크의 형성에 응답하여 플라즈마 전압이 X의 전압치로부터 제로 가까이 떨어지는 것을 나타낸다. 전압치 X 는 전원 장치의 출력 전압 설정치이다. 이 전압 강하는 또한 시간 t0에서 시작하는 도2B에도 도시한 플라즈마 전류의 증가에 대응한다. 시간 t1에서, 아크는 예컨대, 문턱 플라즈마 전압 리미트를 초과하는 플라즈마 전류의 측정치에 기초하여 또는 문턱 플라즈마 전압 리미트 아래로 떨어지는 플라즈마 전압의 측정치에 기초하여 전원 장치에 의해 검출된다. 어떤 실시예에서, 아크의 검출에 있어서의 지연은 플라즈마 챔버를 전원 장치에 연결하는 케이블의 인덕턴스에 의해 야기된다.
도2B는, 아크의 자연스런 링 아웃(ring-out)이 도1에 나타낸 바와 같이 플라즈마 챔버 및 인덕터(예컨대, 전원 장치와 플라즈마 챔버를 연결하는 케이블의 인덕턴스)와 병렬로 전원 장치의 커패시터를 사용하여 일어나는 것을 도시한다. 시간 주기(250)는 링 아웃 시간 주기로 지칭될 수 있다. 링 아웃 시간 주기 동안, 플라즈마 전류는 출럭 젼압 설정 점 X(도2A에 도시)에서 전원 장치에 의해 발생된 플라즈마 전류 Y(도2B에 도시)로부터, 아크 커브(212)로 나타낸 바와 같이 간단히 증가한다. 아크의 링 아웃에 관한 보다 상세한 내용은 공유 및 양도된 미국 특허 제 6,943,317호, "Apparatus and Method for Fast Arc Extiction with Early shunting of Arc Current in Plasma,"에 기술되어 있으며, 이는 본원에 전체적으로 참고로 언급되어 있다.
검출되는 아크에 응답하여, 전원 장치는 시간 t2에서 시작하는 아크 소멸 사이클(222)을 개시한다. 시간 t2와 시간 t3 간의 아크 소멸 사이클(222) 동안, 플라즈마 챔버 내의 아크는, 전원 장치의 션트 스위치를 사용하여 전류를 아크로부터 멀리 우회시킴으로써 실질적으로 또는 전체적으로 소멸된다. 도2B에 나타낸 바와 같이, 아크 소멸 사이클(222) 동안 온(예컨대, 닫락, 결합)되는 션트 스위치에 응답하여 플라즈마 전류가 시간 t2와 시간 t3 간에서 강하한다. 어떤 실시예에서, 소멸 사이클(222)의 온 타임의 지속 기간은 예컨대, 특정 레벨의 전류로 특정 형태의 아크를 소멸 또는 실질적으로 소멸시키기 위해 한정된다.
도2A에 나타낸 바와 같이, 플라즈마 챔버 내의 전압은, 도2C에 나타낸 바와 같이 아크 소멸 사이클(222)의 말미에서 션트 스위치가 오프(즉, 개방)되었을 때 시간 t3에서 극적으로 증가한다. 이 전압의 극적인 증가는 증가 전압 상태로 지칭될 수 있다. 플라즈마 챔버 내의 전압의 증가는 예컨대, 소멸 사이클(222) 동안 에너지를 저장하는 전원 장치 내의 인덕터로부터 시간 t3(도2B에 도시)에서 플라즈마 챔버로 방출되는 전류의 결과이다.
도2C에 나타낸 바와 같이, 션트 스위치는, 플라즈마 챔버의 상승 전압을 감소시키기 위해 두 개의 펄스들, 펄스 224 및 226에 대해 온 된다. 제1 펄스(224)는 시간 t4에서 시작하여 시간 t5에서 끝나고 제2 펄스(226)는 시간 t6에서 시작하여 시간 t7에서 끝난다. 플라즈마 챔버 내의 전압은 도2A에 도시한 바와 같이, 각각 펄스 224와 226 동안 시간 t4와 t5 사이는 물론 시간 t6와 t7 사이에 감소한다. 시간 t5와 t6 사이와 같이 펄스들간에 션트 스위치가 오프될 때, 플라즈마 챔버의 전압은 증가한다. 또한, 도2B에 나타낸 바와 같이, 플라즈마 전류는 각각 펄스 224 및 226 의 온 타임 동안 214 및 216과 같이 감소한다.
도2C에 나타낸 펄스들(224,226)의 온 타임 및 오프 타임의 지속 기간은, 특히 플라즈마 전압(도2A에 도시) 및 플라즈마 전류(도2B에 도시)에 영향을 미치도록 한정될 수 있다. 예컨대, 펄스들(224,226)의 하나 이상의 온 타임들의 증가는 펄스 224 및 226의 어느 하나가 트리거되었을 때 플라즈마 전압의 큰 감소를 초래하도록 한정될 수 있다. 온 타임(들)의 증가는 플라즈마 챔버 내에 사용될 수 있는 플라즈마 전류의 감소를 초래할 수 있다. 어떤 실시예에서, 도2C에 나타낸 펄스들(224,226)은 플라즈마 전압이 도2A에 나타낸 바와 같이 Z의 전압치에서 전압 리미트(270)를 초과하지 않도록 한정될 수 있다. 어떤 구체예에서, 펄스 224 및/또는 226의 온 타임은 수 마이크로 초이고 펄스 224 및 226의 오프 타임은 수 마이크로 초이다.
도2A 내지 2C에는 두 개의 펄스를 도시했으나, 어떤 실시예에서, 다른 수의 펄스들이 트리거된다. 예컨대, 어떤 실시예에서, 3개 이상의 펄스들 또는 한개의 펄스가 트리거된다. 어떤 구체예에서, 펄스들의 수 및/또는 펄스 파라미터 값의 세트는 소멸 사이클(예컨대, 소멸 사이클 222)의 지속 기간, 소멸되는 아크의 레벨(예컨대, 전류의 레벨), 아크가 소멸된 후 전압 증가 레이트 등에 기초하여 결정된다. 어떤 구체예에서, 펄스 파라미터 값의 세트는 하나 이상의 한정된 조건에 기초하여 메모리(예컨대, 메모리 130)에 저장된 펄스 파라미터 값들의 라이브러리로부터 선택 및/또는 탐색된다.
시간 t7에서, 전원 장치는 도2C에 나타낸 바와 같이 오프되는 션트 스위치로 정상 동작 모드로 리턴한다. 도2A에 나타낸 바와 같이, 시간 t7에서 시작하는 플라즈마 전압은, 출력 전압이 설정 점 X에 달할 때까지 전원 장치에 의해 제어된다. 출력 전압 설정 점이 도2A에 나타낸 바와 같이 도달되면, 전원 장치에 의해 생성된 플라즈마 전류는 도2B에 나타낸 바와 같이 Y이다. 어떤 실시예에서, 전원 장치는 최종 펄스(예컨대 펄스 226) 후 소정 기간 후 정상 동작 모드로 복귀된다.
도3은 본 발명의 1 실시예에 따라, 플라즈마 챔버(예컨대, 플라즈마 챔버 180) 내의 아크가 소멸된 후 과전압 상태의 가능성을 제거 및/또는 감소시키기 위해 션트 스위치(예컨대 션트 스위치 106)를 펄스동작시키기 위한 방법을 도시한 플로우챠트이다.
도3에 나타낸 바와 같이, 플라즈마 챔버 내의 플라즈마를 점화 및/또는 유지하기 위해 전원 장치(예컨대, 전원 장치 150) 내의 파워 서플라이(예컨대, 파워 서플라이 110)로부터 플라즈마 챔버로 전력이 공급된다(블록 310). 어떤 실시예에서, 전원 장치는 플라즈마 챔버의 전력, 전류 또는 전압 레벨을 제어하도록 구성된다.
도3에 나타낸 바와 같이, 아크가 플라즈마 챔버에서 검출시(블록 320), 전류는, 소정 시간 주기 동안 션트 스위치를 온(예컨대, 결합)함으로써 플라즈마 챔버 내의 플라즈마로부터 떨어져 우회된다(블록 330). 어떤 실시예에서, 아크는, 전하가 축적되는 인슐레이터의 한 점과 플라즈마 챔버 내의 캐소드 상의 한 점 간에 방전이 일어날 때 플라즈마 챔버에서 전개되는 마이크로 아크이다. 어떤 구체예에서 상기 아크는 전원 장치의 프로세서와 연결된 전류 및/또는 전압 센서를 사용하여 검출된다.
도2A-2C를 참조하여 기술된 바와 같이, 아크에 대한 전류가 초기 우회되는 시간 주기는 아크 소멸 사이클(예컨대, 아크 소멸 사이클 222)로 지칭될 수 있다. 어떤 실시예에서, 전류는 플라즈마로부터 멀리 벗어나는 반면, 전류는 전원 장치의 DC 파워 서플라이 내에 순환된다.
아크 소멸 사이클의 말미에, 션트 스위치는 오프(예컨대, 해제)되고 플라즈마 챔버 내의 전압은 증가한다(블록 340)(예컨대, 아크 소멸 사이클 동안 저장된 에너지가 플라즈마 챔버로 전류로서 방출됨에 따라). 아크 소멸 사이클의 말미에서 션트 스위치가 개방된 후 전압의 증가는 증가 전압 상태로 지칭될 수 있다. 션트 스위치는 증가 전압 상태의 전압의 증가를 제한하도록 펄스동작된다(블록 350). 증가 전압 상태의 전압은 과전압 상태의 전개 가능성의 감소 및/또는 방지를 위해 제한된다.
아크가 소멸되면(블록 360), 전원 장치는 정상 동작 모드로 회복된다(블록 380). 정상 동작 모드에 있어서, 션트 스위치는 다른 아크가 검출될 때까지 오프(예컨대 개방) 된다.
도3에 나타낸 바와 같이, 아크가 검출되면, 션트 스위치가 일정 시간 주기 동안 온 되거나 또는 션트 스위치가 하나 이상의 회수로 펄스동작된다(블록 370). 어떤 실시예에서, 아크가 검출되면 아크 소멸 사이클이 개시된다. 어떤 구체예에서, 션트 스위치는 과전압 상태가 더 이상 검출되지 않을 때까지 연속적으로 펄스 동작되나, 다른 실시예에서, 션트 스위치는 블록 360에서 증가 전압 상태가 검출되는지의 여부로 펄스동작된다. 어떤 실시예에서, 션트 스위치의 펄스(들)의 온 타임 및/또는 오프 타임의 지속 기간(들)은 증가 상태의 전압 레벨에 기초하여 한정된다.
도4는 본 발명의 1 실시예에 따라 플라즈마 챔버(400)에 전력을 공급하고 아크 처리를 제공하도록 구성된 전원 장치 420 및 430을 나타내는 개략도이다. 전원 장치(420,430)는 플라즈마 챔버(400)에 전력을 공급하기 위해 병렬로 접속된다. 전원 장치(420)는 DC 파워 서플라이(422), 프로세서(424), 메모리(426) 및 션트 스위치(428)를 포함한다. 유사하게, 전원 장치(430)는 DC 파워 서플라이(432), 프로세서(434), 메모리(436) 및 션트 스위치(438)를 포함한다. 어떤 실시예에서, 전원 장치(420,430)는 상이한 전원 장치로 된다. 예컨대, 전원 장치(420)는 25 킬로와트 전원 장치로 될 수 있고 전원 장치(430)는 50킬로와트 전원 장치로 될 수 있다.
전원 장치(420,430)의 각각은, 아크가, 아크 소멸 사이클에 있어서 각각 션트 스위치 428 및 438을 사용하여 플라즈마 챔버(400)에서 검출되었을 때 아크를 소멸시키도록 구성된다. 전원 장치(420,430)는 또한 아크가 소멸된 후 그들의 각각의 션트 스위치 428 및 438을 펄스동작시킴으로써 플라즈마 챔버(400)와 연관된 증가 전압 상태를 제한하도록 구성된다.
어떤 실시예에서, 전원 장치(420,430)와 연관된 아크 소멸 사이클 및/또는 펄스 사이클은 공동작용된다. 예컨대, 전원 장치(420,430)의 각각의 아크 소멸 사이클은 동시에 실시되거나 또는 상이한 시간에서 시작할 수 있다. 어떤 실시예에 서, 전원 장치(420)는, 슬레이브 전원 장치로서의 전원 장치(430)의 아크 소멸 사이클 및/또는 펄스 사이클을 직접 제어 및/또는 트리거하는 마스터 전원 장치이다.
어떤 구체예에서, 전원 장치(430)는, 전원 장치(420)와 연관된 파워 출력 능력, 아크 소멸 능력, 및/또는 과전압 방지 능력과 같은 플라즈마 시스템 파라미터 값들을 검출하도록 구성되는 마스터 전원 장치이다. 전원 장치(430)는 전원 장치(420) 및/또는 전원 장치(430)의 아크 소멸 사이클(들) 및/또는 펄스 사이클(들)(예컨대, 펄스 파라미터 값들)을 직접 제어 및/또는 트리거를 한정하기 위해 이들 플라즈마 시스템 파라미터 값들을 사용할 수 있다.
하나 이상의 아크 소멸 사이클들 및/또는 하나 이상의 펄스 사이클들의 한정(들)(예컨대, 지속 기간 및/또는 타이밍)은 일련의 법칙에 기초하거나 및/또는 전원 장치(420) 및/또는 전원 장치(430)와 연관된 알고리즘에 기초하여 계산된다. 예컨대, 마스터 전원 장치로서의 전원 장치(420)는, 전원 장치(430)와 연관된 플라즈마 시스템 파라미터 값들(예컨대, 전원 장치 430의 파워 정격 및/또는 구성품)에 기초하여 전원 장치(430)에 의해 실시된 펄스의 펄스 파라미터 값들(예컨대, 타이밍 및 지속 기간)을 계산할 수 있다. 상기 펄스 파라미터 값들의 한정에 기초하여, 전원 장치(420)는 플라즈마 챔버(400)의 증가 전압 상태와 연관된 전압을 감소시키기 위해 펄스동작하도록 전원 장치(430)의 션트 스위치(438)를 트리거할 수 있다.
어떤 실시예에서, 전원 장치(420) 및/또는 전원 장치(430)와 연관된 하나 이상의 아크 소멸 사이클들 및/또는 하나 이상의 펄스 사이클들의 한정(들)(예컨대, 지속 기간 및/또는 타이밍)은 전원 장치(430)의 메모리(436)에의 저장 및/또는 그 로부터 액세스된다. 어떤 변형예에서, 전원 장치(430)는, 전원 장치(430) 및/또는 전원 장치(420)와 직렬 또는 병렬로 부가된 전원 장치(도시되지 않음)와 연관된 플라즈마 시스템 파라미터 값들(예컨대, 파워 출력 능력, 아크 소멸 능력, 및/또는 과전압 방지 능력)을 검출하도록 구성된다.
도5A 내지 5C는 본 발명의 1 실시예에 따라, 도4에 나타낸 전원 장치(420,430)를 사용한 과전압 상태의 방지 및 아크(예컨대, 마이크로 아크)의 소멸을 나타낸 개략 그래프이다. 특히, 도5A는 본 발명의 1 실시예에 따라, 플라즈마 챔버(400) 내의 플라즈마 전압(500)을 나타낸 개략 그래프이다. 본 발명의 1 실시예에 따라, 도5B는 전원 장치(420)의 션트 스위치(428)의 스위치 상태를 나타내는 개략 그래프이고 도5C는 전원 장치(430)의 션트 스위치(438)의 스위치 상태를 나타내는 개략 그래프이다. 시간은 각 그래프의 x축상의 우측으로 증가한다.
도5A는, 시간 t0에서 시작하는, 전압 P가 전원 장치의 출력 전압 설정 점인 플라즈마 내의 아크의 형성에 응답하여 플라즈마 전압이 전압 P로부터 거의 제로로 떨어지는 것을 나타낸다. 시간 t1에서, 아크는 예컨대, 문턱 플라즈마 전압 리미트를 초과하는 플라즈마 전류의 측정치에 기초하여 또는 문턱 플라즈마 전압 리미트 아래로 떨어지는 플라즈마 전압의 측정치에 기초하여 전원 장치(420)에 의해 검출된다.
도5B 및 5C에 나타낸 바와 같이, 전원 장치(420) 및 전원 장치(430)의 아크 소멸 사이클 510 및 520은 각각, 아크의 검출시 시간 t1에서 동시에 시작되고 시간 t2에서 동시에 끝난다. 다른 실시예에서, 전원 장치(420,430)의 아크 소멸 사이클(510,520)은 다른 시간에서 시작하고, 다른 지속 기간을 갖고 및/또는 다른 시간에서 끝난다.
도5B 및 5C에 나타낸 바와 같이, 전원 장치(420)와 연관된 펄스(512,514) 및 전원 장치(430)와 연관된 펄스(522,524)는 스태거된다. 예컨대, 펄스(512)는 시간 t3에서 시작되고 펄스(522)는 펄스(512)가 시간 t4에서 끝난 후 시간 t5에서 시작된다. 또한, 펄스(512,514)는 펄스(522,524)와 다른 온 타임을 갖는다. 시간 t2와 t10 간의 도5A에 도시한 플라즈마 전압(500)의 감소는 각각, 전원 장치(420,430)의 션트 스위치(428,438)의 각각의 스위치 상태(예컨대, 펄스들)에 대응한다.
어떤 실시예에서, 전원 장치(420,430)의 각각에 연관된 하나 이상의 펄스들은 동일한 시간에 트리거 될 수 있고 및/또는 중첩 온 타임을 가질 수 있다. 또한, 어떤 구체예에서, 예컨대, 전원 장치(420) 및 전원 장치(430)에 대한 각 펄스 사이클온 타임 및/또는 오프 타임은 상이하다.
본 발명의 어떤 실시예는 각종 컴퓨터 실행 동작을 행하기 위한 명령 또는 컴퓨터 코드를 갖는 컴퓨터 판독가능한 매체를 갖는 컴퓨터 저장 제품에 관한 것이다. 상기 매체 및 컴퓨터 코드는 특정 목적 또는 목적들을 위해 특별히 설계되고 구성되는 것들일 수도 있다. 컴퓨터 판독가능한 매체의 예로는, 이들에 한정되지는 않지만, 하드 디스크, 플로피 디스크, 및 자기 테이프와 같은 자기 저장 매체; Compact Disk/Digital Video Disk(CD/DVD), Compact Disk-Read-Only Memory(CD- ROM), 및 홀로그래픽 디바이스와 같은 광학 저장 매체; 및 플롭티컬 디스크와 같은 자기광학 저장 매체; 반송파 신호; 및 ASIC(Application-Specific Integrated Circuit), PLD(Programmable Logic Device), FPGA(Field Programming Gate Array) 및 ROM과 RAM 디바이스와 같은 프로그램 코드를 저장 및 실행하도록 특별히 구성된 하드웨어 디바이스를 포함한다.
컴퓨터 코드의 예로는, 이들에 한정되지는 않으나, 컴파일러에 의해 작성되는, 마이크로 코드 또는 마이크로 명령, 기계 명령, 및 인터프리터를 사용하여 컴퓨터에 의해 실행되는 하이 레벨 명령들을 포함하는 파일들을 포함한다. 예컨대, 본 발명의 1 실시예는, Java, C++ 또는 다른 객체지향 프로그래밍 언어 및 디벨롭먼트 툴 (development tool)을 사용하여 실시될 수도 있다. 컴퓨터 코드의 다른 예로는 이들에 한정되지는 않지만 콘트롤 신호, 암호화 코드 및 압축 코드를 포함한다.
결론적으로, 본 발명은 무엇보다도, 플라즈마로 전력을 공급하는파워 서플라이의 출력에 걸쳐 션트 스위치를 갖는파워 서플라이의 과전압 보호를 위한 시스템 및 방법을 제공한다. 당업자들은 본 발명에 있어서 여러가지 변형 예 및 대체 예가 이루어질 수 있음을 용이하게 인식할 것이며, 상기 예를 실질적으로 달성하기 위한 사용 및 그의 구성은 본 명세서에서 기술된 실시예들에 의해 성취된다. 따라서, 본 발명은 기술된 예시적 형태들에 한정되지 않으며, 많은 변형예, 개조 및 대안적 구성은 특허청구범위에 기재된 발명의 관점 및 정신 내에 들어가는 것이다.

Claims (24)

  1. 플라즈마를 점화시키기 위해 플라즈마 챔버에 전원을 공급하도록 구성되는 출력 포트;
    상기 출력 포트와 병렬의 션트 스위치; 및
    플라즈마에 있어서 아크의 인디케이터를 받도록 구성된 프로세서를 포함하며, 상기 프로세서는 전류를 아크로부터 멀리 벗어나게 하기 위한 시간 주기 동안 션트 스위치를 단락하도록 구성되고, 상기 프로세서는 또한, 아크와 연관된 증가 전압 상태의 전압을 제한하기 위해 션트 스위치의 펄스를 트리거하도록 구성되는, 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 증가 전압 상태는 아크와 연관된 아크 회복 시간 주기 동안 일어나는, 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 증가 전압 상태는, 션트 스위치가 상기 시간 주기 동안 단락된 후 개방될 때 트리거되고, 상기 션트 스위치는 아크가 시작될 때 실질적으로 단락되는. 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 션트 스위치의 펄스는 펄스 파라미터 값에 기초하고, 상기 펄스 파라미터 값은 펄스 폭, 펄스 주기, 펄스들의 수 또는 오프 타임 중 적 어도 하나를 포함하는, 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 션트 스위치의 펄스는 펄스 파라미터 값에 기초하고, 상기 프로세서는 플라즈마 시스템 파라미터 값에 기초하여 펄스 파라미터 값을 계산하도록 구성되고, 상기 플라즈마 시스템 파라미터 값은, 전원 장치의 출력 인덕턴스, 전원 장치의 출력 커패시턴스, 전원 장치의 출력 전류, 또는 전원 장치의 출력 전압 중 적어도 하나를 포함하는, 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 펄스와 연관된 펄스 파라미터 값을 저장하도록 구성된 메모리를 더 포함하는, 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 출력 포트, 션트 스위치 및 프로세서는 전원 장치에 포함되는, 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 증가 전압 상태는, 마이크로 아크 타이머의 시간만료 후 션트 스위치의 개방시 트리거되는, 장치.
  9. 플라즈마 챔버에 있어서 아크로부터 전류를 멀리 우회시키도록 구성되고, 또한, 펄스 파라미터 값에 따라 펄스동작하도록 구성되는 션트 스위치로서, 션트 스위치의 펄스는 아크와 연관된 증가 정압 상태의 전압을 제한하는, 션트 스위치; 및
    플라즈마 시스템 파라미터 값을 받도록 구성되는 프로세서를 포함하며, 상기 션트 스위치와 프로세서는 전원 장치와 조합되고, 상기 플라즈마 시스템 파라미터 값은 상기 전원 장치와 연관되고, 상기 프로세서는 플라즈마 시스템 파라미터 값에 기초하여 펄스 파라미터 값을 계산하도록 구성되는, 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 션트 스위치는 제1 션트 스위치이고, 상기 전원 장치는 제1 전원 장치이고, 상기 프로세서는 제2 전원 장치와 연관된 제2 션트 스위치의 펄스를 트리거하도록 구성되고, 상기 제2 션트 스위치는 상기 제1 션트 스위치와 직렬 또는 실질적 병렬의 적어도 하나인, 장치.
  11. 제9항에 있어서, 상기 전원 장치는 제1 전원 장치이고, 상기 플라즈마 시스템 파라미터 값은 상기 제1 전원 장치와 연관되고, 상기 프로세서는 제2 전원 장치를 검출하도록 구성되고, 상기 프로세서는 또한, 상기 제2 전원 장치와 연관된 플라즈마 시스템 파라미터 값에 기초하여 상기 펄스 파라미터 값을 계산하도록 구성되는, 장치.
  12. 제9항에 있어서, 상기 플라즈마 시스템 파라미터 값은 펄스 폭이고, 상기 플라즈마 시스템 파라미터 값은, 전원 장치의 파워 레벨인, 장치.
  13. 제9항에 있어서, 상기 션트 스위치는 제1 션트 스위치이고, 상기 프로세서는 제2 션트 스위치에 대한 펄스 파라미터 값을 계산하도록 구성되고, 상기 제2 션트 스위치는 제1 션트 스위치와 병렬인, 장치.
  14. 제9항에 있어서, 상기 션트 스위치는 제1 션트 스위치이고, 상기 프로세서는 제2 션트 스위치의 펄스를 트리거하도록 구성되고, 상기 제2 션트 스위치는 제1 션트 스위치와 병렬이고, 상기 제1 션트 스위치의 펄스의 적어도 일부와 상기 제2 션트 스위치의 펄스의 적어도 일부는 위상이 다른, 장치.
  15. 제9항에 있어서, 상기 전원 장치는 제1 전원 장치이고, 상기 프로세서는 제2 전원 장치와 연관된 플라즈마 시스템 파라미터 값을 받도록 구성된, 장치.
  16. 제9항에 있어서, 상기 전원 장치는 제1 전원 장치이고, 상기 펄스 파라미터 값은 제1 펄스 파라미터 값이고, 상기 프로세서는 제2 펄스 파라미터 값을 제2 전원 장치에 보내도록 구성된, 장치.
  17. 플라즈마를 점화 및 유지시키기 위해 전원 장치로부터 플라즈마 챔버에 전원을 공급하고;
    플라즈마에 있어서 아크를 검출하고;
    전원 장치 내의 션트 스위치를 일정 시간 주기 동안 제1 시간에서 단락함으로써 실질적으로 아크의 초기에 플라즈마로부터 떨어져 아크와 연관된 전류를 우회 시키고, 상기 션트 스위치는 상기 시간 주기의 말미에서 제2 시간에 개방되고. 션트 스위치의 개방시 증가 전압 상태가 트리거되고;
    상기 션트 스위치가 제2 시간에 개방된 후, 증가 전압 상태의 전압을 제한하기 위해 션트 스위치를 펄스동작시키는, 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 아크는 마이크로 아크인, 방법.
  19. 제17항에 있어서, 상기 펄스동작은 펄스 파라미터 값에 따른 펄스동작이고, 상기 펄스 파라미터 값은 펄스 폭, 펄스 주기, 펄스들의 수, 또는 오프 타임 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
  20. 제17항에 있어서, 상기 펄스동작은 펄스 파라미터 값에 따른 펄스동작이고, 상기 방법은 플라즈마 시스템 파라미터 값에 기초하여 펄스 파라미터 값을 계산하는 것을 더 포함하는, 방법.
  21. 제17항에 있어서, 상기 전원 장치는 제1 전원 장치이고, 상기 션트 스위치는 제1 션트 스위치이며,
    상기 방법은, 제2 전원 장치로부터 플라즈마 시스템 파라미터 값을 받는 것을 더 포함하고, 상기 플라즈마 시스템 파라미터 값은 제1 션트 스위치에 대한 펄스 파라미터 값 또는 제2 션트 스위치에 대한 펄스 파라미터 값 중 적어도 하나를 계산하도록 사용되는. 방법.
  22. 제17항에 있어서, 상기 션트 스위치는 제1 션트 스위치이고, 상기 펄스동작은 제2 션트 스위치의 펄스의 적어도 일부와 위상이 다른 펄스동작을 포함하는, 방법.
  23. 제17항에 있어서, 상기 션트 스위치의 펄스는 펄스 파라미터 값에 기초하고, 상기 프로세서는 상기 플라즈마 시스템 파라미터 값에 기초하여 펄스 파라미터 값을 계산하도록 구성되고, 상기 플라즈마 시스템 파라미터 값은, 전원 장치의 출력 인덕턴스, 전원 장치의 출력 커패시턴스, 전원 장치의 출력 전류, 또는 전원 장치의 출력 전압 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
  24. 제17항에 있어서,
    아크가 소멸되었는지를 제3 시간에서 검출하되, 제2 시간은 펄스동작 내의 적어도 하나의 펄스 후이고,
    아크가 소멸되었을 때 제4 시간에서 션트 스위치를 단락하되, 상기 제3 시간은 상기 제2 시간 후인 것을 더 포함하는, 방법.
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