KR20180112883A - 고효율 제너레이터 소스 임피던스의 제어를 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

제너레이터의 소스 임피던스를 조정하는 시스템들 및 방법들이 개시된다. 예시적인 방법은 제 1 신호를 발생시켜 제 1 신호를 합성기의 제 1 입력에 인가하는 단계, 제 2 신호를 발생시켜 제 2 신호를 합성기의 제 2 입력에 인가하는 단계, 및 합성기의 출력에서 플라즈마 부하로 전달되는 전력을 생성하기 위해 합성기로 제 1 및 제 2 신호들을 합성하는 단계를 포함한다. 제어가능한 가변 임피던스가 합성기의 분리 포트에 제공되며, 제어가능한 가변 임피던스가 제너레이터의 소스 임피던스를 변경하도록 조정된다.

Description

고효율 제너레이터 소스 임피던스의 제어를 위한 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR CONTROL OF HIGH EFFICIENCY GENERATOR SOURCE IMPEDANCE}

35 U.S.C. §119 하의 우선권 주장

본 특허 출원은 "SYSTEM AND METHOD FOR CONTROL OF HIGH EFFICIENCY GENERATOR SOURCE IMPEDANCE" 란 명칭으로 2014년 3월 24일에 출원되어, 본 양수인에게 양도되고 그리고 본원에 명시적으로 참고로 포함되는, 가출원 번호 제 61/969,538호에 대해 우선권을 주장한다.

분야

본 발명은 일반적으로 플라즈마 프로세싱 시스템들, 좀더 구체적으로는, 전력 소스들과 플라즈마들 사이의 상호작용에 관한 것이다.

플라즈마 프로세싱 시스템들은 재료들의 표면 성질들을 수정하기 위해 다양한 산업들에서 널리 사용되고 있다. 예를 들어, 현대의 집적회로들의 제조는 서브마이크로미터 피쳐들의 에칭을 위해, 또는 재료들의 박막들을 원자적으로 퇴적하기 위해 플라즈마들을 이용하는 많은 프로세싱 단계들을 일반적으로 수반한다.

전형적인 플라즈마 프로세싱 시스템은 프로세싱 챔버 및 챔버 내에서 플라즈마를 생성하여 유지하는 전력 전달 시스템을 포함한다. 전기적으로, 플라즈마는 전력 제너레이터에 의해 유도되는 특성 임피던스를 가지는 부하이다. 프로세싱 플라즈마의 임피던스는 일반적으로 일정하지 않으며, 그러나, 프로세스 조건들 또는 다른 변수들에 따라서 변할 수도 있다. 플라즈마 임피던스에서의 변동들은 단지 특정의 부하 임피던스에 대해서만 최적의 전력 전달을 일반적으로 제공하는 제너레이터로부터의 전력 전달에 악영향을 미칠 수도 있다. 이들 변동들은 또한 상이한 전력 레벨들에서의 플라즈마의 물리적인 성질들의 변화들로 인해, 에칭 또는 퇴적 레이트들과 같은, 프로세스 변수들의 원하지 않는 드리프트들 또는 동요들을 초래할 수도 있다. 그 결과, 플라즈마 프로세싱 시스템들에는 종종 플라즈마 임피던스에서의 변화들에 응답하여 플라즈마에의 원하는 레벨들의 전력 전달을 유지하는 임피던스 정합 및 제어 메커니즘들 또는 회로가 탑재된다.

다음은 본원에서 개시되는 하나 이상의 양태들 및/또는 실시형태들에 관련된 간단한 요약을 제시한다. 이와 같이, 다음 요약은 모든 고려된 양태들 및/또는 실시형태들에 관한 광범위한 개관으로 간주되지 않아야 하며, 다음 요약은 모든 고려된 양태들 및/또는 실시형태들에 관한 중요하거나 또는 중대한 엘리먼트들을 식별하거나 또는 임의의 특정의 양태 및/또는 실시형태와 연관되는 범위를 정확하게 서술하는 것으로 간주되지 않아야 한다. 따라서, 다음 요약은 아래에서 제시되는 상세한 설명에 선행하여 본원에서 개시되는 메커니즘에 관련한 하나 이상의 양태들 및/또는 실시형태들에 관한 어떤 컨셉들을 간단한 형태로 제시하는 유일한 목적을 갖는다.

일 양태에 따르면, 제너레이터의 소스 임피던스를 조정하는 방법은 제 1 신호를 발생시켜 제 1 신호를 합성기 (combiner) 의 제 1 입력에 인가하는 단계, 및 제 2 신호를 발생시켜 제 2 신호를 합성기의 제 2 입력에 인가하는 단계를 포함한다. 제 1 및 제 2 신호들은 플라즈마 부하로 전달되는 전력을 생성하기 위해 합성기의 출력에서 합성기로 합성되며, 제어가능한 가변 임피던스가 합성기의 분리 포트에 제공된다. 제어가능한 가변 임피던스는 제너레이터의 소스 임피던스를 변경하도록 조정되었다.

다른 양태에 따르면, 전원 시스템은 입력 및 제 1-증폭기-출력을 포함하는 제 1 전력 증폭기; 및 입력 및 제 2-증폭기-출력을 포함하는 제 2 전력 증폭기를 포함한다. 전원 시스템은 또한 제 1-증폭기-출력으로부터 제 1 신호를 수신하도록 배치된 제 1 입력 포트, 제 2-증폭기-출력으로부터 제 2 신호를 수신하도록 배치된 제 2 입력 포트, 출력 전력을 제공하는 출력 포트, 및 종단 임피던스에 커플링하도록 배치된 분리 포트를 포함하는 4-포트 합성기를 포함한다. 합성기는 제 1 신호와 제 2 신호를 합성하여 전력 신호를 출력 포트에 인가하도록 구성된다. 제어가능한 가변 임피던스 구성요소는 종단 임피던스로서 분리 포트에 커플링되며, 제어기는 전원 시스템의 소스 임피던스를 수정하기 위해 제어가능한 가변 임피던스 구성요소를 조정하도록 구성된다.

도 1 은 플라즈마에 대한 제너레이터 인터페이스를 나타내는 시스템 개략도이다.
도 2 는 고정된 제어 입력과 함께 스미스 차트 상에 플롯된 부하 임피던스의 함수에 따른 전달 전력의 플롯이다.
도 3 은 특정의 비선형 부하에 대해 10 W 내지 1000 W 의 전달 전력의 함수에 따른 부하 임피던스의 플롯이다.
도 4 는 도 3 의 특성들을 가지는 비선형 부하까지 동작하는, 도 2 의 특성에 대응하는 특성들을 가지는 제너레이터에 있어서, 전달 전력 전달 함수에 대한 제어 입력을 도시하는 그래프이다.
도 5 는 전기적 길이를 가지는 추가적인 50 Ω 케이블이 제너레이터와 부하 사이에 45°로 삽입된 상태에서, 도 3 의 플롯에 대응하는 10 W 내지 1000 W 의 전달 전력의 함수에 따른 부하 임피던스의 플롯이다.
도 6 은 도 5 의 특성들을 가지는 비선형 부하까지 동작하는, 도 2 의 동작의 특성에 대응하는 특성들을 가지는 제너레이터에 있어서, 전달 전력 전달 함수에 대한 제어 입력을 도시하는 그래프이다.
도 7 은 제너레이터 및 비선형 부하 감도 벡터들, S_G 및 S_L 를 각각, 예측된 불안정을 초래하는 S_G 에 대한 S_L 의 각도들과 함께, 도시하는 그래프이다.
도 8 은 좀더 상세한 분석을 예시하기 위해 폐쇄 루프 제어 시스템을 도시하는 제어 다이어그램이다.
도 9 는 <S_G, S_L> 의 DC 값이 제로일 때 2 kHz 에서 단위 루프 이득을 가지는 단일 적분기 폐쇄 루프 제어를 가정하여, 내적 <S_G, S_L> 의 DC 값의 함수에 따른 폐쇄 루프 극점 로케이션들을 나타낸다.
도 10 은 <S_G, S_L> 의 DC 값이 제로일 때 2 kHz 에서 단위 루프 이득을 가지는 단일 적분기 폐쇄 루프 제어를 가정하여, 내적 <S_G, S_L> 의 DC 값의 함수에 따른 폐쇄 루프 극점 로케이션들을 나타낸다.
도 11 은 제너레이터와 플라즈마에서의 임피던스 정합 네트워크 사이의 2개의 상이한 케이블 길이들에 대한 플라즈마 임피던스 대 플라즈마 전력의 궤적과 함께, 50 Ω 소스 임피던스 제너레이터의 개방 루프 전력 프로파일이다.
도 12 는 제너레이터와 플라즈마에서의 임피던스 정합 네트워크 사이의 2개의 상이한 케이블 길이들에 대한 플라즈마 임피던스 대 플라즈마 전력의 궤적과 함께, 비-50 Ω 소스 임피던스 제너레이터의 개방 루프 전력 프로파일이다.
도 13 은 스미스 차트 상에 플롯화된 부하 임피던스의 함수에 따른, 전형적인 산업 전력 증폭기의 측정된 전달 전력을 도시한다.
도 14 는 437 volt 및 29 - j114 Ω 의 테브난 등가 소스를 이용하여 스미스 차트 상에 플롯화된 부하 임피던스의 함수에 따른, 도 13 의 전형적인 산업 전력 증폭기의 예측된 전달 전력을 도시한다.
도 15 는 전형적인 전력 증폭기에 있어 50 Ω 부하까지의 전달 전력의 함수에 따른 테브난 등가 소스 임피던스이다.
도 16 은 평형형 증폭기를 도시하는 개략도이다.
도 17a 는 4 포트 합성기의 구현예를 도시하는 개략도이다.
도 17b 는 4 포트 합성기의 다른 구현예를 도시하는 개략도이다.
도 18 은 복합 증폭기를 구성하는 개개의 전력 증폭기들의 소스 임피던스들이 제로인 경우 분리 포트 (또한, 일반적으로 분리된 포트로서 지칭됨) 종단 임피던스의 함수에 따른 복합 증폭기의 소스 임피던스를 나타낸다.
도 19 는 복합 증폭기를 구성하는 개개의 전력 증폭기들의 소스 임피던스들이 j20 Ω 인 경우 분리 포트 종단 임피던스의 함수에 따른 복합 증폭기의 소스 임피던스를 나타낸다.
도 20 은 복합 증폭기를 구성하는 개개의 전력 증폭기들의 소스 임피던스들이 49 Ω 인 경우 분리 포트 종단 임피던스의 함수에 따른 복합 증폭기의 소스 임피던스를 나타낸다.
도 21 은 복합 증폭기를 구성하는 개개의 전력 증폭기들의 소스 임피던스들이 30 - j120 Ω 인 경우 분리 포트 종단 임피던스의 함수에 따른 복합 증폭기의 소스 임피던스를 나타낸다.
도 22 는 플라즈마 프로세싱 시스템을 도시하는 블록도이다;
도 23 은 제너레이터의 예시적인 실시형태를 도시하는 블록도이다;
도 24 는 도 22 및 도 23 의 제어기들을 실현하는데 사용될 수도 있는 물리적인 구성요소들을 도시하는 블록도이다;
도 25 는 본원에서 설명되는 실시형태들과 관련하여 상세히 논의될 수도 있는 예시적인 방법을 도시하는 플로우차트이다.

제너레이터와 그와 접속되는 비선형 부하의 임피던스 사이의 상호작용들의 결과로서 어떻게 전기적 제너레이터의 출력 전력에서의 불안정이 일어나는 지의 분석에 의해, 본 발명의 여러 실시형태들의 이해가 촉진된다. 플라즈마-제너레이터 상호작용들은 플라즈마 시스템들의 안정성에 중요한 역할을 한다. 이 상호작용은 도 1 을 참조함으로써 이해될 수 있다. 일반적으로, 시스템은 다음 3개의 방정식들로 기술될 수 있다:

여기서, P 는 제너레이터에 의해 전달되는 전력이고, ρ_r 및 ρ_i 는 각각 플라즈마에 의해 정합 및 케이블들을 통해서 제너레이터로 제공되는 부하 반사 계수의 실수 및 허수 부분들이며, C 는 제너레이터 전력 증폭기에 제공되는 제어 입력 (일반적으로는, 구동 신호 진폭, 게이트 바이어스 또는 공급 전압) 이며, t 는 시간이다.

초기 분석은, 플라즈마 시스템으로부터의 임피던스에서의 변화에 응답하여 제너레이터 전력에서의 변화들이 동시적으로 일어나고, 이와 유사하게, 제너레이터에 제공되는 임피던스에서의 변화가 플라즈마까지의 전력이 변경될 때 동시에 일어나는 것으로 가정함으로써, 단순화될 수 있다. 또한, 시스템이 시간 의존적이 아니라고 가정하면, 결국 다음과 같이 된다:

함수들이 미분가능하다고 가정하면, 그리고 단지 제 1 도함수들을 가지는 Taylor 급수 전개를 이용하여, 우리는 동작 지점 부근에서 3개의 방정식들을 선형화하여, 다음을 얻을 수 있다

이것은 제너레이터 전력 증폭기의 전력 출력에 대한 제어 입력이,

에 의해 수정된다는 것을 의미한다.

이 승수의 분모는,

과 같다.

이것은 1 마이너스, 벡터들의 내적

, 및

이다.

제 1 벡터, S_G 는 (반사 계수로서 표현된) 부하 임피던스에서의 변화들에 대한 제너레이터의 감도이고, 제 2 벡터, S_L 는 제너레이터 전력에서의 변화들에 대한 비선형 부하 임피던스의 감도를 기술한다.

내적이 1 에 접근함에 따라서 제어 입력에 대한 제너레이터 전력 증폭기의 이득이 무한대에 접근하기 때문에, 내적에서의 증가는 제너레이터 제어 루프에서의 이득 및 위상 마진들의 침범 (erosion) 으로 인해 제너레이터 제어 시스템 불안정을 초래할 수 있다. 내적이 1 보다 작은 한, 제어 루프 이득에서의 강하는 전력 증폭기의 전력 출력에 대한 제어 입력에서의 증가를 보상할 수 있다. 그러나, 내적이 1 보다 크자마자, 전력 출력에 대한 제어 입력의 부호가 반전되며, 어떤 제어 루프 이득의 변경도 안정성을 복구할 수 없다. 미국 특허 제 7,570,028호에서 개시된 바와 같이, 부하 임피던스에 관한 정보를 또한 이용하는 제어 시스템이 이들 조건들 하에서 안정한 방식으로 동작할 수 있다. 더욱이, 비록, 뒤따르는 좀더 상세한 분석에서 적합한 높은 주파수 응답이 고려되는 상황에서, DC 에서의 이득이 역전될 수도 있더라도, 시스템이 그 루프에서 간단한 적분기를 이용하여 제어가능하고 안정할 수도 있다는 점이 흥미롭다.

특정의 임피던스 및 전력 레벨에서의 제너레이터 감도 벡터 S_G 는, 특정의 전력이 특정의 임피던스까지 발생되도록 제어 입력 C 를 조정하고 그 후 고정된 제어 입력을 가지는 부하 임피던스를 변경하고 부하 임피던스의 함수에 따른 전달 전력을 기록함으로써 발견될 수 있다. 특정의 전력 레벨에서 특정의 부하까지 벡터 S_G 는 그러면 특정의 부하 임피던스에 대응하는 부하 반사 계수에서 부하 반사 계수의 함수에 따른 전달 전력의 이 플롯의 기울기이다. 도 2 는 500 W 에서 50 Ω 까지 S_G 를 찾기 위한 그러한 플롯을 나타낸다. 좀더 구체적으로, 도 2 는 고정된 제어 입력을 가지는, 스미스 차트 상에 (가로좌표 및 세로좌표 축들이 부하 반사 계수의 실수 및 허수 부분들에 각각 대응하도록) 플롯화된 부하 임피던스의 함수에 따른 전달 전력의 플롯이다. 원점에서 평가된 이 플롯의 기울기는 500 W 에서 그리고 50 Ω 까지의 제너레이터 감도 벡터, S_G 이다.

특정의 비선형 부하 (예컨대, 특정의 플라즈마 챔버에서 특정의 가스 혼합물 및 압력에서의 플라즈마 부하) 에 대해, 부하 감도 벡터, S_L 는 제공될 수도 있는 임의의 가변 정합 구성요소들을 고정하고 전달 전력을 변경하고 전달 전력의 함수에 따른 제너레이터에 제공되는 임피던스를 기록함으로써 발견될 수 있다. 도 3 은 (정합 네트워크가 50 Ω 을 제너레이터에 500 W 에서 제공하도록 조정된 상태에서) 500 W 에서 S_L 를 찾기 위한 그러한 플롯을 나타낸다. 좀더 구체적으로, 도 3 은 10 W 내지 1000 W 의 전달 전력의 함수에 따른 부하 임피던스의 플롯이며, 여기서, 특정의 비선형 부하에 대해, o 는 10 W 에 대응하며 x 는 500 W 에 대응한다. 원점에서 그 라인에 대한 접선은 500 W 에서의 부하 감도 벡터 S_L 에 대응한다.

요구된 제어 입력에 대해, 부하 임피던스의 궤적 상의 각각의 지점에서, 부하에 전달되는 전력의 함수에 따른, 규정된 전력을 달성하도록 풀어서, 특정의 제너레이터를 이용하여 특정의 비선형 부하에 대한 제어 입력의 함수에 따른 출력 전력의 플롯이 획득될 수 있다. 내적이 1보다 크면, 기울기, dP/dC 가 음일 것으로 예상될 수 있다. 도 4 는 이것이 실제로 사실인 것을 나타낸다. 특히, 도 4 는 도 3 의 특성들을 가지는 비선형 부하까지 동작하는, 도 2 의 특성들에 대응하는 특성들을 가지는 제너레이터에 있어서, 전달 전력 전달 함수에 대한 제어 입력을 도시하는 그래프이다. 도 2 가 오직 하나의 고정된 제어 입력에서의 제너레이터의 응답을 나타낸다는 점에 유의해야 한다. 이 전달 함수를 구성하기 위해, 연속적인 제어 입력들에서의 응답이 알려져 있어야 한다.

부하 감도 벡터 S_L 는 제너레이터 출력과 부하 사이에 추가적인 길이의 송신 라인을 삽입함으로써 용이하게 회전될 수 있다. 안정한 동작을 달성하기 위해 부하 감도 벡터를 회전시키는데 케이블들의 사용은 표준 관행이다. 예를 들어, 도 5 는 제너레이터와 부하 사이에 45°로 삽입된 전기적 길이를 가지는 50 Ω 케이블의 추가적인 길이를 가지는 도 3 의 부하에 대응하는, 전달 전력의 함수에 따른 제너레이터에 제공되는 부하를 나타낸다. 좀더 구체적으로, 도 5 는 제너레이터와 부하 사이에 45°로 삽입된 전기적 길이를 가지는 추가적인 50 Ω 케이블을 가지는 도 3 의 플롯에 대응하는, 10 W 내지 1000 W 의 전달 전력의 함수에 따른 부하 임피던스의 플롯이며, 여기서, o 는 10 W 에 대응하고 x 는 500 W 에 대응한다. 대응하는 전달 전력 출력 전달 함수에 대한 제어 입력이 도 6 에 도시되며, 도 6 은 도 5 의 특성들을 가지는 비선형 부하까지 동작하는, 도 2 의 특성들에 대응하는 특성들을 가지는 제너레이터에 있어서, 전달 전력 전달 함수에 대한 제어 입력을 도시하는 그래프이다.

상기 간단한 이론에 기초하여, 부하 감도 벡터, S_L 에 대한 불안정한 방향은 제너레이터 감도 벡터, S_G 와 더 많이 또는 더 적게 정렬될 경우, 큰 양의 내적을 발생하는 것이 나타날 것이다. S_G 와 S_L 사이의 각도 θ 에 따라, 따라서, 시스템이

이면, 안정할 것으로 예상한다.

여기서, M 은 이득 마진의 침범을 통해 불안정한 제어 시스템을 초래하는, 전달 전력 출력에 대한 제어 입력의 이득에서의 증가이다. 무한 이득 마진의 제한적인 사례에서,

는 전달 전력에 대한 제어 입력 기울기의 반전을 방지하기 위해 요구된다. 벡터 S_L 의 안정한 및 불안정한 회전들이 도 7 에 도식적으로 예시된다. 특히, 도 7 은 단순화된 이론에 의해 예측되는 불안정을 초래하는 S_G 에 대한 S_L 의 각도들과 함께, 제너레이터 및 비선형 부하 감도 벡터들, S_G 및 S_L 을 각각 도시하는 그래프이다.

도함수들에 의한 단순화된 분석은 제너레이터 및 플라즈마 서브시스템들 양쪽에 대한 입력들에서의 변화와 연관되는 시간에 걸친 응답이 존재한다는 사실을 무시한다. 예를 들어, 도함수 ∂f/∂C 는 부하 임피던스가 고정된 채로 유지한다고 가정하면, 제너레이터로부터의 전달 전력 출력에 대한 제어 입력 (구동 레벨, 게이트 바이어스, 레일 전압 등) 의 작은 신호 전달 함수이다. 분명히, (단순화된 분석에 의해 가정되는 편평한 주파수 응답과는 반대로) 이 전달 함수와 연관되는 주파수 응답이 존재한다. 이와 유사하게, 제너레이터와 플라즈마 서브시스템들 사이의 상호작용이 존재할 때 전달 전력 응답에 대한 제어를 수정하는 항에 나타나는 다른 도함수들의 각각과 연관되는 주파수 응답이 존재한다.

주파수 도메인에서 제어 입력으로부터 제너레이터 전력 증폭기의 전달 전력 출력까지의, 전체 선형화된 전달 함수는 따라서 다음에 의해 더 잘 기술된다:

여기서, PdR 은 제너레이터 전력 증폭기에 있어서 부하 저항에서의 변화로부터 전달 전력에서의 변화까지의, 선형화된 작은 신호 전달 함수이며, RdP 는 플라즈마 서브시스템에 있어서 전달 전력에서의 변화로부터 제너레이터에 제공되는 저항에서의 변화까지의, 선형화된 작은 신호 전달 함수이며, PdX 는 제너레이터 전력 증폭기에 있어서 부하 리액턴스에서의 변화로부터 전달 전력에서의 변화까지의, 선형화된 작은 신호 전달 함수이며, XdP 는 플라즈마 서브시스템에 있어서 전달 전력에서의 변화로부터 제너레이터에 제공되는 리액턴스에서의 변화까지의, 선형화된 작은 신호 전달 함수이며, PdC 는 제너레이터 전력 증폭기에 있어서 제어 입력에서의 변화로부터 전달 전력에서의 변화까지의, 선형화된 작은 신호 전달 함수이며, 여기서, PdR, RdP, PdX, XdP, 및 PdC 는 저항, 리액턴스, 전달 전력, 전달 전력 및 제어 입력을 각각 제외한 모든 변수들이 일정하게 유지한다고 가정한, 선형화된 전달 함수들이다.

좀더 완전한 분석의 효과를 예시하기 위해, 라플라스 도메인에서 제너레이터의 전달 전력 출력에 대한 제어 입력이,

이라고 가정하며,

여기서, PdC(s) 는 제너레이터 전력 증폭기에 있어서 라플라스 도메인에서 제어 입력에서의 변화로부터 전달 전력에서의 변화까지의, 선형화된 작은 신호 전달 함수이며, k 는 DC 에서의 내적 <S_G, S_L> 이며

는 제너레이터와 비선형 부하 사이의 상호작용의 동적 응답을 나타낸다. 분석을 더 단순화하기 위해, PdC(s) = 1 이라고 가정하고, 세트포인트의 폐쇄 루프 극점들을, 도 8 에 나타낸 바와 같이 전력 증폭기가 그 루프에서의 단일 적분기와 함께 폐쇄 루프 제어 시스템에서 사용되고 그리고 k = 0 일 때 단위 루프 이득이 2 kHz 에 있을 경우, 전달된 전력 전달 함수로서 간주한다.

도 8 로부터, 폐쇄 루프 전달 함수가

이라는 것은 명백하다.

k 가 정확히 제로이면, 전달 함수는

이 되며,

여기서, -4π x 10³ 에서 단일 극점을 가지며, 그렇지 않으면, 폐쇄 루프 전달 함수의 극점들은

의 제로들이다.

k 가 0 에 접근함에 따라, 고주파수 극점들의 레지듀들 (residues) 이 제로에 접근하고 따라서 고 주파수 극점들이 lkl 가 작고 모든 극점들이 복소 평면의 좌측 절반에 있으면 폐쇄 루프 응답에 급격히 영향을 미치지 않는다는 점에 유의해야 한다.

특정의 전력 증폭기에 대해, 변조된 부하 임피던스에 대한 증폭기 전달 전력의 응답이 대략 20 kHz 에서 단일 극점에 의해 근사화되며 (b = 2π x 20 x 10³

125 x 10³), 변조된 전력 레벨에 대한 플라즈마 응답이 -20 x 10³ ± 125 x 10³j 에서 복소 극점 쌍에 의해 근사화된다 (a = 20 x 10³

125 x 10³j) 고 가정하여, k, 즉, 내적 <S_G, S_L> 의 DC 값의 함수에 따른 폐쇄 루프 극점들의 로케이션이 도 9 에 도시되며, 도 9 는 <S_G, S_L> 의 DC 값이 제로일 때 2 kHz 에서 단위 루프 이득을 가지는 단일 적분기 폐쇄 루프 제어를 가정하여, 내적 <S_G, S_L> 의 DC 값의 함수에 따른 폐쇄 루프 극점 로케이션들을 도시한다. 여기서, 제너레이터-플라즈마 상호작용의 동적 응답은 -125x10³ 에서 극점, 그리고 -20x10³ ± 125x10³j 에서 복소 극점 쌍을 갖는 것으로 가정된다.

도 9 에서의 폐쇄 루프 극점들의 거동은 내적 <S_G, S_L> 의 DC 값의 함수로서 다음과 같이 요약될 수 있다:

상기 분석에서 대략 20 kHz 인 것으로 가정된 극점이 800 Hz 의 저주파수로 변경되면, 더 큰 범위의 내적 값들에 걸쳐서 안정성이 유지된다.

도 10 은 b = 5000 이고 모든 다른 파라미터들이 도 9 에서 고려된 파라미터들과 동일하다고 가정하여 내적 <S_G, S_L> 의 DC 값의 함수에 따른 폐쇄 루프 극점 로케이션들을 나타낸다.

도 10 에서의 폐쇄 루프 극점들의 거동은 내적 <S_G, S_L> 의 DC 값의 함수로서 다음과 같이 요약될 수 있다:

내적 <S_G, S_L> 의 DC 값이 DC 에서의 전달 전력 출력에 대한 부호 제어 입력에서의 변화를 초래하는 1 보다 더 크더라도, 시스템이 안정하게 유지된다는 직관에 반대되는 결과에 유의한다. 일단 내적이 3.5 를 초과하면 시스템은 결국 불안정해진다.

설령 여기서 제공되는 분석이 크게 단순화되더라도, 상호작용들의 동적 거동을 포함하는 분석의 확장판은 플라즈마 시스템들 상의 RF 제너레이터들의 관찰된 거동에 더 잘 대응한다. 구체적으로 설명하면, S_G 에 대한 S_L 의 안정한 각도들은, S_L 및 S_G 이 정렬될 때, 그리고 S_G 와 S_L 사이의 각도가 대략 180° 일 때 모두 다 불안정한 거동을 가지는 대략 -90° 및 +90° 에서 관찰된다. 더욱이, S_G 및 S_L 가 정렬될 때의 낮은 주파수 진동과 S_G 및 S_L 이 대향하고 있을 때의 높은 진동 주파수 사이에서 주파수의 시프트가 명확히 관찰된다. 변조된 부하 임피던스에 대한 전형적인 제너레이터들의 응답에서 높은 주파수 극점의 존재가 회로 분석을 통해서 확인되었으며, 플라즈마 시스템들의 응답에서 복소 극점 쌍의 존재가, 선형 제너레이터를 이용할 때의 전력에서의 단계적 변화를 이용하여 그리고 플라즈마 임피던스의 저감쇠 응답을 관측함으로써 확인되었다.

관찰된 거동. 위에서 제시된 분석으로부터, 다음 3개의 조건들 중 하나를 만족시키는 것이 안정성을 보장하기에 충분한 것으로 결론지을 수 있다:

1. 제너레이터 감도 벡터의 크기, |S_G| 가 작다

2. 플라즈마 감도 벡터의 크기, |S_L| 가 작다

3. S_G 가 S_L 에 대략 수직한다.

위에서 언급된 3개의 조건들 중에서, 단지 작은 |S_G| 만이 완전히 제너레이터 설계자의 제어 하에 있다. 대부분의 플라즈마 시스템들에서, 플라즈마에 가깝게 위치된 임피던스 정합 네트워크는 플라즈마 임피던스를, 임피던스 정합 네트워크를 제너레이터에 접속하는 케이블 또는 송신 라인의 특성 임피던스에 정합된 임피던스, 보통 50 Ω 으로 변환한다. 논의의 나머지에 있어서, 이 임피던스는, 50 Ω이 지배적인 선택이기 때문에, 50 Ω 이라고 가정한다.

50 Ω 과 동일한 소스 임피던스를 가지는 제너레이터에 있어, |S_G| 는 사실은 50 Ω 부하에 대해 제로이다. 50 Ω 소스 임피던스를 가지는 제너레이터들을 설계하는 다수의 기법들이 존재한다. 클래스 A/B 제너레이터들은 일반적으로 효율을 대가로 50 Ω 소스 임피던스를 갖도록 설계될 수 있다. 평형형 증폭기들은 고효율 (보통, 클래스 D 또는 E) 증폭기들을 결합하는 방법을 제공하며, 부하 임피던스가 50 Ω 에서 벗어날 때 평형형 증폭기를 구성하는 2개의 증폭기들 사이의 전력 공유를 댓가로 여전히 50 Ω 소스 임피던스를 갖는다.

정합 네트워크가 플라즈마 임피던스를 50 Ω 에 정합한다고 가정하면 안정성이 보장되어야 하기 때문에, 50 Ω 소스 임피던스를 가지는 제너레이터가 플라즈마 시스템 상에서 사용할 최상의 제너레이터의 유형인 것으로 가정될 수도 있으며 오랫동안 그렇게 믿어져 왔다. 그러나, 실험 결과들은 플라즈마 임피던스가 50 Ω 에 정합되더라도, 플라즈마 임피던스 대 전력 궤적과 적절히 정렬되는 부정합 소스 임피던스를 가지는 제너레이터가 50 Ω 소스 임피던스를 가지는 제너레이터보다 더 안정하다는 것을 나타낸다. 이 관측을 이해하기 위해, 도 11 을 참조하며, 도 11 은 동일한 플라즈마에 대한 임피던스 정합 네트워크와 제너레이터 사이의 2개의 상이한 케이블 길이들에 대한 플라즈마 시스템의 임피던스 대 전력 궤적과 함께, 50 Ω 소스 임피던스 제너레이터의 개방 루프 전력 프로파일을 나타낸다. 플라즈마 임피던스가 50 Ω 에 도달하자마자, |S_G| 는 제로이며, 그러나 플라즈마 임피던스의 궤적이 개방 루프 전력 프로파일 윤곽선 라인들과 교차하기 때문에, 다른 어느 곳에도 내적 <S_G, S_L> 이 제로가 아니라는 점에 유의한다. 이것이 의미하는 것은, 일단 시스템이 50 Ω 에서 안정한 방식으로 동작하면 불안정하게 될 가능성이 거의 없지만, 시스템이 교란되면 시스템이 큰 신호 불안정에 진입할 수 있다는 것이다. 더욱이, 플라즈마에서 제너레이터와 정합 네트워크 사이에 삽입된 케이블 길이에서의 어떤 변화도, 전력 프로파일이 원형이기 때문에, <S_G, S_L> 를 플라즈마 전력의 함수로서 변화시킬 수 있다. 실제로, 케이블 길이가 변경됨에 따라서 이미 언급된 상호작용의 동적 성질을 포함하는 2차 효과들이 거동에서의 변화들을 초래할 수 있다는 점에 유의해야 한다.

다음으로, 도 12 를 참조하면, 도 12 는 플라즈마에서 임피던스 정합 네트워크와 제너레이터 사이의 2개의 상이한 케이블 길이들에 대한 플라즈마 임피던스 대 플라즈마 전력의 궤적과 함께, 비-50 Ω (20 - j20 Ω) 소스 임피던스 제너레이터의 개방 루프 전력 프로파일을 도시하는 스미스 차트들을 포함한다. 비-50 Ω 소스 임피던스 제너레이터 및 플라즈마에서 정합 네트워크와 제너레이터 사이의 적합한 케이블 길이를 이용함으로써, 50 Ω 에서 <S_G, S_L>

0 를 얻은 것이 가능하다는 점에 유의한다. 그러나, 50 Ω 소스 임피던스 제너레이터와는 달리, 플라즈마 임피던스 궤적을 제너레이터의 개방 루프 전력 프로파일의 윤곽선 라인들과 대략 정렬하는 것이 또한 가능하다. 이것은 이 시스템을 교란들에 덜 민감하게 만들며 그 결과 더욱 안정한 시스템을 초래한다. 이와 같은 시스템의 단점은, 상이한 플라즈마들 (예컨대, 상이한 가스 혼합물들 및 상이한 압력들) 을 유도하는데 동일한 제너레이터, 케이블, 및 정합 네트워크가 종종 사용되며 고정된 케이블 길이로는 모든 플라즈마들에 대해 안정한 시스템을 얻기가 어렵다는 점이다.

간단한 솔루션은 튜너를 50 Ω 과는 상이한 임피던스로 간단히 동조시키는 것이다. 이 접근법에 따른 문제는, 많은 고객들이 다른 임피던스에 동조시키는 것에 기인하는 바와 같은, 제너레이터에 의해 측정되는 임의의 반사된 전력을 확인하기를 원하지 않고 그리고 제너레이터가 필수 전력을 전달하거나 또는 요구된 전달 전력 정확도를 비-50 Ω 부하까지 유지할 수 없을 수도 있다는 점이다. 다른 문제는, 많은 고효율 제너레이터들 (예컨대, 클래스 D 또는 E) 이 시스템이 구동해야 하는 모든 플라즈마들에 대해 시스템을 안정화시키기에 올바른 케이블 길이를 발견하는 것을 매우 어렵게 만드는 큰 |S_G| 를 초래하는, 50 Ω 에 크게 부정합되는 소스 임피던스들을 갖는다는 점이다.

요구되는 것은 제너레이터 소스 임피던스에 걸친 제어, 및 제너레이터 개방 루프 전력 프로파일 윤곽선들과 정렬하기 위해 플라즈마 임피던스 궤적을 용이하게 회전시키는 방법이다. 양쪽은 제너레이터 소스 임피던스에 걸쳐서 임의의 (arbitrary) 제어를 가지면 달성될 수 있다. 임의의 제어를 거의 달성하는 방법이 아래에 개시된다. 다른 옵션은 제너레이터 소스 임피던스를 편리한 양 만큼 의도적으로 오프셋하고 제너레이터에 의해 인식되는 바와 같은 플라즈마 임피던스 대 전력 궤적을 전자적으로 회전시키는 것이다.

플라즈마 점화.

제너레이터의 소스 임피던스가 플라즈마 시스템에 의해 제너레이터에 제공되는 임피던스에 정합되면, 최대 전력이 정합된 상태로 전달된다. 점화 이전에 제너레이터에 주어지는 임피던스는 일단 플라즈마가 발화되면 제너레이터에 제공되는 임피던스와 상이하다. 정합된 소스 임피던스의 경우, 이것은 제너레이터가 플라즈마 점화를 방해할 수도 있는 발화된 (lit) 플라즈마로보다는 비발화된 플라즈마로 더 적은 전력을 전달할 수 있다는 것을 의미한다.

제너레이터 소스 임피던스를 고의로 오프셋하는 것은 제너레이터로 하여금 점화 동안 더 많은 전력을 전달가능하게 할 수 있다. 이 오프셋 소스 임피던스는 플라즈마 시스템의 안정성을 위한 원하는 소스 임피던스가 아닐 수도 있으며 따라서 일단 플라즈마가 발화되면 상이한 소스 임피던스로 스위칭하는 것이 바람직할 수도 있다. 이것은 소스 임피던스를 연속적인 방식으로 변경하거나 또는 상이한 미리 설정된 소스 임피던스들 사이에 스위칭하는 것과 관련될 수 있다.

펄스 형태 제어.

펄스형 전력이 전형적인 플라즈마 부하에 인가되면, 제너레이터에 제공되는 임피던스가 시간의 함수로서 변한다. 제너레이터 소스 임피던스가 50 Ω 이면, (50Ω 방향성 커플러에 의해 측정되는 것처럼) 50 Ω 에 대해 측정된 순방향 전력은 부하 임피던스에 독립적이며, 이 경우, 순방향 전력은, 심지어 부하 임피던스가 (제너레이터 제어 시스템에 의한 어떤 변조도 없다고 가정하면) 시간에 걸쳐서 변함에 따라서, 펄스의 지속기간에 걸쳐서 일정하게 유지한다. 이 펄스 형태는 시각적으로 나타나며 종종 우수한 것으로 간주되며, 그러나 일반적으로 펄스의 초기에 전달 전력이 낮고, 부하 임피던스가 일반적으로 50 Ω 에 정합되는 펄스의 끝 방향으로 증가한다는 것을 일반적으로 의미한다. 펄스의 초기에 이러한 낮은 전달 전력은 일부 경우 문제가 있을 수 있다. 제너레이터 소스 임피던스를 50 Ω 으로부터 멀리 변경하는 것은 펄스의 초기에 정사각형 순방향 전력 펄스 형태를 대가로 전력 전달을 향상시킬 수 있으며 유익할 수도 있다. 제너레이터 소스 임피던스에 걸친 제어는 따라서 펄스형 전력 시스템들에 대한 펄스 형태를 제어하는, 제한되지만 유용한 수단을 제공한다.

소스 임피던스 고효율 제너레이터들을 제어하는 방법.

일부 전력 레벨들에서는, 하나 보다 많은 제어 입력으로 전력 증폭기를 조정하여 상이한 개방 루프 전력 프로파일들을 가지는 동일한 전력을 발생시키는 것이 가능하다. 이것은 S_G 에 상당한 제어를 제공하며 실제로 매우 효과적일 수 있다. 이러한 방법은 US 8,258,874 에 개시되어 있다.

본원에서 개시된 것은 다양한 전력 레벨들에서 사용될 수 있는 제너레이터의 소스 임피던스를 제어하는, 상이한 방법들이다.

먼저, 고효율 증폭기들의 개방 루프 성능이 테브난 등가 소스의 간단한 조건들에서 설명될 수 있다는 것은 불분명하다는 점에 유의해야 한다. 실험 결과들은 이것이 도 13 내지 도 15 에 예시된 바와 같이 실제로 사실이라는 것을 나타낸다. 도 13 은 예를 들어, 스미스 차트 상에 플롯화된 부하 임피던스의 함수에 따른 전형적인 산업 전력 증폭기의 측정된 전달 전력을 도시하며, 도 14 는 437 volt 및 29 - j114 Ω 의 테브난 등가 소스를 이용하여 스미스 차트 상에 플롯화된 부하 임피던스의 함수에 따른, 도 13 의 전형적인 산업 전력 증폭기의 예측된 전달 전력을, 나타낸다. 도 15 는 전형적인 전력 증폭기에 있어 50 Ω 부하까지의 전달 전력의 함수에 따른 테브난 등가 소스 임피던스이다.

도 16 에 도시된 평형형 증폭기는 직교 스플리터와 합성기 사이에 배치된 2개의 동일한 전력 증폭기들을 이용하여, 정합된 (대개는 50 Ω) 소스 임피던스를 가지는 복합 증폭기를 구성하는 하나의 방법이다. 이러한 평형형 증폭기가 50 Ω 부하까지 동작할 때 (평형형 증폭기가 50 Ω 까지 동작하도록 설계된다고 가정하면), 어떤 전력도 직교 합성기 (quadrature combiner) 의 분리 저항기에서 소실되지 않는다. 분리 저항기는 일반적으로, 공진 회로가 손실들을 극적으로 증가시키는 것을 대개 초래할 것이기 때문에, 회로에서 완전히 제거될 수 없으며, 그러나 언급된 공진이 회피되는 한 상이한 임피던스로 대체될 수 있다. 평형형 증폭기가 50 Ω 까지 동작할 때 어떤 전력도 저항기에서 소실되지 않기 때문에, 그것을 상이한 임피던스로 대체하는 것은 50 Ω 까지의 동작에 어떤 영향도 주지 않는다.

도 17a 및 도 17b 는 평형형 증폭기의 구성에 사용될 수 있는 4 포트 합성기들의 2개의 예들을 나타낸다. 도 17a 의 합성기는 동위상 (in phase) 합성기다. 90 도 위상 시프터들과 함께 동위상 합성기들이 도 16 에 도시된 바와 같은 평형형 증폭기의 구성에 사용될 수 있다. 도 17a 에서, 포트 전압 v1 및 포트 전류 i1 과 연관된 포트는 입력 포트, v2 및 i2 와 연관된 포트는 다른 입력 포트, v3 및 i3 와 연관된 포트는 출력 포트, 그리고 v4 및 i4 와 연관된 포트는 분리 포트일 수 있다.

도 17b 의 평형형 증폭기는 직교 합성기이다. 도 17b 에서, v1 및 i1 과 연관된 포트는 입력 포트, v2 및 i2 와 연관된 포트는 다른 입력 포트, v3 및 i3 와 연관된 포트는 출력 포트, 그리고 v4 및 i4 와 연관된 포트는 분리 포트일 수 있다. 도 17b 의 합성기 포트들이 이러한 방법으로 사용될 때 전압 v1 은 전압 v2 보다 90 도 만큼 리드 (lead)한다. 대칭 때문에, v2 가 v1 보다 리드해야 하면, 분리 및 출력 포트들의 역할들이 상호변경된다는 점에 유의한다. 정상 조건들 하에서, 2개의 입력 포트들에서 합성기에 전달되는 전체 전력의 거의 모두가 출력 포트로 전달되고 거의 어떤 전력도 분리 포트로 지향되지 않는다.

개개의 증폭기들이 (고효율 증폭기들에 대한 경우와 같이) 부정합되면, 분리 저항기를 상이한 임피던스로 대체하는 것은 결합된 증폭기의 유효 소스 임피던스를 변경시킨다. 실제로, 개개의 증폭기들이 제로 소스 임피던스들 (전압 소스들) 또는 무한한 소스 임피던스들 (전류 소스들) 을 가지면, (도 16 에서 분리 저항기를 대체하는) 분리 포트 종단의 임피던스가 복합 증폭기의 소스 임피던스가 되며; 개개의 증폭기들이 순수 반응 소스 임피던스들을 가지면, 덤프 (dump) 포트 종단에 대응하는 반사 계수는 복합 증폭기의 소스 임피던스에 대응하는 반사 계수의 회전이다.

개개의 증폭기들의 소스 임피던스가 시스템 임피던스 (대개는 50 Ω) 에 정합되면, 어떤 전력도 합성기의 분리 포트로 지향되지 않으며, 분리 포트 종단 임피던스를 변경하는 것이 시스템 임피던스와 동일할 복합 증폭기의 소스 임피던스에 어떤 영향도 주지 않는다.

일부 실시형태들에서, 합성기들은, 플라즈마 부하가 합성기의 설계된 부하 임피던스에 정합되고 분리 포트가 종단되는 임피던스가 설계된 종단 임피던스와 동일하고 개개의 증폭기들로부터의 제 1 및 제 2 신호들이 설계된 진폭과 위상 관계를 가질 때, 제 1 및 제 2 신호들에 의해 합성기에 공급되는 전체 전력의 80% 이상이 합성기의 출력에 접속된 정합된 부하로 전달되고 제 1 및 제 2 신호들에 의해 공급되는 전체 전력의 20% 미만이 분리 포트 종단으로 전달되며; 그리고, 입력 신호들 중 하나의 위상이 나머지 모두는 변경되지 않은 채 180 도 만큼 시프트될 때, 제 1 및 제 2 신호들에 의해 합성기에 공급되는 전체 전력의 80% 이상이 분리 포트 종단 및 제 1 및 제 2 신호들에 의해 합성기에 공급되는 전체 전력의 20% 미만이 출력에 접속된 정합된 부하로 전달된다는 성질을 가진다.

개개의 증폭기들의 소스 임피던스가 시스템 임피던스에 부분적으로 부정합되는 실제 고효율 증폭기들에 있어, 분리 포트 종단 임피던스를 변경하는 것을 통해 복합 증폭기의 소스 임피던스의 어떤 제어가 가능하다. 물론 통상의 평형형 증폭기에 대한 경우와 같이 소스 임피던스를 시스템 임피던스와 동일하게 하는 것이 가능하지만, 또한 소스 임피던스가 어떤 한계들 내에서 변경될 수 있다.

도 18 은 복합 증폭기를 구성하는 개개의 전력 증폭기들의 소스 임피던스들이 제로인 경우, 분리 포트 종단 임피던스의 함수에 따른 복합 증폭기의 소스 임피던스를 나타낸다. 소스 임피던스의 실수 부분은 좌측 상에 있으며, 허수 부분은 우측 상에 있다. 각각의 그래프 상에서 원점은 중심에 있으며, 가로좌표는 50 Ω 의 분리 포트 종단 임피던스에 대한 반사 계수의 실수 부분이고, 세로좌표는 허수 부분이다. 윤곽선 맵들이 스미스 차트 상의 표시된 임피던스들에 정확히 일치한다는 사실은 이 경우에 분리 포트 종단 임피던스가 복합 증폭기의 소스 임피던스가 된다는 것을 의미한다.

도 19 는 복합 증폭기를 구성하는 개개의 전력 증폭기들의 소스 임피던스들이 j20 Ω (여기서, j =

) 인 경우, 분리 포트 종단 임피던스의 함수에 따른, 복합 증폭기의 소스 임피던스를 나타낸다. 소스 임피던스의 실수 부분은 좌측 상에 있고, 허수 부분은 우측 상에 있다. 각각의 그래프 상에서 원점은 중심에 있으며, 가로좌표는 50 Ω 의 분리 포트 종단 임피던스에 대한 반사 계수의 실수 부분이고, 세로좌표는 허수 부분이다. 이 경우, 복합 증폭기의 소스 임피던스에 대응하는 반사 계수는 분리 포트 종단 임피던스에 대응하는 반사 계수의 회전이다. 복합 증폭기를 구성하는 개개의 전력 증폭기들의 소스 임피던스들이 j50 Ω 또는 -j50 Ω 이면, 이 회전은 복합 증폭기의 소스 임피던스가 2500 만큼 스케일링된 분리 포트 종단의 어드미턴스가 되도록, 180° 이다.

도 20 은 복합 증폭기를 구성하는 개개의 전력 증폭기들의 소스 임피던스들이 49 Ω 인 경우, 분리 포트 종단 임피던스의 함수에 따른, 복합 증폭기의 소스 임피던스를 나타낸다. 소스 임피던스의 실수 부분은 좌측 상에 있으며, 허수 부분은 우측 상에 있다. 각각의 그래프 상에서 원점은 중심에 있으며, 가로좌표는 50 Ω 의 분리 포트 종단 임피던스에 대한 반사 계수의 실수 부분이고, 세로좌표는 허수 부분이다. 이 경우, 분리 포트 종단 임피던스는 복합 증폭기의 소스 임피던스에 어떤 영향도 거의 주지 않는다. 복합 증폭기를 구성하는 개개의 전력 증폭기들의 소스 임피던스들이 정확히 50 Ω 이면, 분리 포트 종단 임피던스가 복합 증폭기의 소스 임피던스에 어떤 영향도 주지 않는다.

도 21 은 복합 증폭기를 구성하는 개개의 전력 증폭기들의 소스 임피던스들이 30- j120 Ω 인 경우, 분리 포트 종단 임피던스의 함수에 따른 복합 증폭기의 소스 임피던스를 나타낸다. 소스 임피던스의 실수 부분은 좌측 상에 있고, 허수 부분은 우측 상에 있다. 각각의 그래프 상에서 원점은 중심에 있으며, 가로좌표는 50 Ω 의 분리 포트 종단 임피던스에 대한 반사 계수의 실수 부분이고, 세로좌표는 허수 부분이다. 30 - j120 의 소스 임피던스는 전형적인 산업 증폭기를 나타낸다. 복합 증폭기의 소스 임피던스에 걸쳐서 상당한 제어가 가능하다는 점이 명확하다.

다음으로, 도 22 를 참조하면, 도시된 것은 전력을 플라즈마 부하 (2200) 에 제공하는 예시적인 시스템을 도시하는 블록도이다. 도시된 바와 같이, 시스템은 입력 (2204) 및 제 1-증폭기-출력 (2206) 을 포함하는 제 1 전력 증폭기 (2202) 를 포함하는 전원 시스템 (2201) (또한, 제너레이터 (2201) 로도 지칭됨) 을 포함한다. 또한, 도시된 것은 입력 (2210) 및 제 2-증폭기-출력 (2212) 을 포함하는 제 2 전력 증폭기 (2208) 이다. 전원 시스템 (2201) 은 또한 제 1-증폭기-출력 (2206) 으로부터 제 1 신호를 수신하도록 배치된 제 1 입력 포트 (2216), 제 2-증폭기-출력 (2212) 로부터 제 2 신호를 수신하도록 배치된 제 2 입력 포트 (2220), 출력 전력을 제공하는 출력 포트 (2224), 및 종단 임피던스에 커플링되도록 배치된 분리 포트 (2226) 를 포함하는 4-포트 합성기 (2214) 를 포함한다. 일반적으로, 합성기 (2214) 는 제 1-증폭기-출력 (2206) 으로부터의 제 1 신호와 제 2-증폭기-출력 (2212) 으로부터의 제 2 신호를 합성하여 전력 신호 (2228) 를 출력 포트 (2224) 에 인가하도록 구성된다. 일부 실시형태들에서, 제 2 신호는 제 1 신호에 대해 60 도와 120 도 사이에서 위상 시프트되며, 예시적인 실시형태에서, 제 2 신호는 제 1 신호에 대해 90 도 위상 시프트된다.

나타낸 바와 같이, 제어가능한 가변 임피던스 구성요소 (2230) 는 분리 포트 (2226) 에 종단 임피던스로서 커플링되며, 소스 임피던스 제어기 (2232) 는 제어가능한 가변 임피던스 구성요소 (2230) 에 커플링된다. 소스 임피던스 제어기 (2232) 는 일반적으로 전원 시스템 (2201) 의 소스 임피던스를 수정하기 위해 제어가능한-가변 임피던스 구성요소 (2230) 를 조정하도록 동작한다. 나타낸 바와 같이, 합성기 (2214) 로부터의 전력 (2228) 은 플라즈마 부하에 직접 또는 옵션적인 임피던스 정합 네트워크를 통해서 인가될 수도 있다.

본원에서 추가로 설명되는 바와 같이, 여러 이점들 중에서, 전원 시스템 (2201) 의 소스 임피던스를 조정하는 것은 전원 시스템 (2201) 의 출력 전력에서의 임의의 불안정을 감소시킬 수 있도록 할 수도 있다. 위에서 설명한 바와 같이, 불안정은 전원 시스템 (2201) 과 플라즈마 부하 (2200) 의 비선형 임피던스 사이의 상호작용들의 결과로서 일어날 수도 있다. 게다가, 많은 애플리케이션들에 있어, 펄스형 RF 전력을 플라즈마 부하 (2200) 에 인가하는 것이 바람직하며, 소스 임피던스의 조정이 원하는 형태의 적용된 펄스들을 얻는 것을 돕는다. 특히, 인가된 전력이 펄스화될 때, 플라즈마 부하 (2200) 의 임피던스가 펄스 자체의 인가에 응답하여 펄스의 지속기간에 걸쳐서 변하며, 전원 시스템 (2201) 의 소스 임피던스의 조정은 펄스들 동안 순방향 및 반사된 전력을 본원에서 추가로 설명되는 바와 같이 수정가능하게 한다.

다음으로, 도 23 을 참조하면, 제너레이터의 예시적인 실시형태 (예컨대, 전원 시스템 (2201) 의 예시적인 실시형태) 의 구성요소들을 도시하는 블록도이다. 나타낸 바와 같이, 제너레이터는 무선 주파수 (RF) 전력 증폭기 (2304) 및 제어기 (2306) 를 급전하기 위해 AC 전력을 수신하고 DC 전력을 발생시키는 하나 이상의 DC 전원들 (2302) 을 포함한다. 일반적으로, 전력 증폭기 (2304) 는 신호 제너레이터 (2342) 의 출력을 증폭하여, 출력 전력 (2318) 을 특정의 주파수에서 발생시킨다.

제어기 (2306) 는, 이 실시형태에서, 센서 (2316) 로부터의 출력 신호 (2314) 에 응답하여, 임피던스 제어 신호 (2310) 를 제어가능한 가변 임피던스 (2330) 에 제공하는 가변 임피던스 제어기 (2332) 를 포함한다. 센서 (2316) 는 예를 들어, 방향성 커플러 또는 VI 센서에 의해 실현될 수도 있으며, 센서 (2316) 는 제너레이터와 플라즈마 부하 (2200) 사이의 상호작용을 나타내는 하나 이상의 파라미터들; 플라즈마 점화를 나타내는 파라미터; 및 펄스형 전력 인가에서 펄스 형태를 나타내는 파라미터를 모니터링할 수도 있다. 예를 들어, 출력 신호 (2314) 는 전력 증폭기 (2304) 에 제공되는 임피던스, 제너레이터에 의해 발생되는 전압, 전류, 및 전력 중 하나 이상을 나타낼 수도 있다. 이에 응답하여, 제어가능한 가변 임피던스 (2330) 는 하나 이상의 목적들을 달성하는 소스 임피던스를 달성하기 위해 임피던스 제어 신호 (2310) 에 기초하여 조정된다.

예를 들어, 제너레이터의 소스 임피던스는, 제너레이터의 소스 임피던스와 플라즈마 부하의 임피던스 사이의 부정합을 획득하고 그 후 플라즈마 부하의 임피던스 궤적을 전원의 개방 루프 프로파일의 윤곽선들과 정렬시킴으로써, 플라즈마 불안정을 감소시키도록 조정될 수도 있다. 도 23 에 도시된 실시형태에서, 예를 들어, 제어기 (2306) 의 주파수 동조 부분 (2340) 은 플라즈마 부하 (2200) 의 궤적을 제너레이터의 개방 루프 프로파일의 윤곽선들과 정렬시키기 위해 RF 신호 제너레이터 (2342) 의 주파수를 조정하는데 사용될 수도 있다. 당업자는 또한, 제너레이터와 플라즈마 부하 (2200) 사이의 정합 (예컨대, 옵션적인 정합 (2204)) 또는 케이블 길이가 플라즈마 부하의 궤적을 제너레이터의 개방 루프 프로파일의 윤곽선들과 정렬시키기 위해 조정될 수도 있음을 알 수 있을 것이다.

소스 임피던스 제어기 (2232, 2332) (및 일반적으로는, 제어기 (2306)) 는 범용 프로세서, 디지털 신호 프로세서 (DSP), 주문형 집적회로 (ASIC), 필드 프로그래밍가능 게이트 어레이 (FPGA) 또는 다른 프로그래밍가능 로직 디바이스, 이산 게이트 또는 트랜지스터 로직, 이산 하드웨어 구성요소들, 또는 본원에서 설명되는 기능들을 수행하도록 설계된 이들의 임의의 조합으로 부분적으로 구현되거나 또는 수행될 수도 있다. 범용 프로세서는 마이크로프로세서일 수도 있으며, 그러나 대안적으로는, 프로세서는 임의의 종래의 프로세서, 제어기, 마이크로제어기 또는 상태 머신일 수도 있다. 프로세서는 또한 컴퓨팅 디바이스들의 조합, 예컨대, DSP 와 마이크로프로세서의 조합, 복수의 마이크로프로세서들, DSP 코어와 결합된 하나 이상의 마이크로프로세서들, 또는 임의의 다른 이러한 구성으로서 구현될 수도 있다.

본원에서 개시된 실시형태들과 관련하여 설명되는 방법들은 하드웨어로 직접, 비일시성 프로세서 판독가능 매체에 인코딩된 프로세서 실행가능한 명령들로, 또는 이 둘의 조합으로 구현될 수도 있다. 예를 들어, 도 24 를 참조하면, 도시된 것은 예시적인 실시형태에 따른, 소스 임피던스 제어기 (2232, 2332) (그리고, 일반적으로, 제어기 (2306)) 를 실현하는데 이용될 수도 있는 물리적인 구성요소들을 도시하는 블록도이다. 나타낸 바와 같이, 이 실시형태에서, 디스플레이 부분 (2412) 및 비휘발성 메모리 (2420) 는 랜덤 액세스 메모리 ("RAM") (2424), (N 개의 프로세싱 구성요소들을 포함하는) 프로세싱 부분 (2426), 필드 프로그래밍가능 게이트 어레이 (FPGA) (2427), 및 N 개의 송수신기들을 포함하는 송수신기 구성요소 (2428) 에 또한 커플링되는 버스 (2422) 에 커플링된다. 도 24 에 도시된 구성요소들은 물리적인 구성요소들을 나타내지만, 도 24 는 상세한 하드웨어 다이어그램으로 의도되지 않으며; 따라서 도 24 에 도시된 다수의 구성요소들은 공통 구성물들로 실현되거나 또는 추가적인 물리적인 구성요소들 간에 분산될 수도 있다. 더욱이, 다른 기존 및 아직 개발되지 않은 물리적인 구성요소들 및 아키텍쳐들이 도 24 를 참조하여 설명된 기능적 구성요소들을 구현하는데 이용될 수도 있는 것으로 예상된다.

이 디스플레이 부분 (2412) 은 일반적으로 사용자에게 사용자 인터페이스를 제공하도록 동작하며, 여러 구현예들에서, 디스플레이는 터치스크린 디스플레이에 의해 달성된다. 일반적으로, 비휘발성 메모리 (2420) 는 데이터 및 (본원에서 설명되는 방법들을 실시하는 것과 연관되는 실행가능 코드를 포함한) 프로세서 실행가능 코드를 저장하도록 (예컨대, 영구적으로 저장하도록) 기능하는 비일시성 메모리이다. 예를 들어, 일부 실시형태들에서, 비휘발성 메모리 (2420) 는 본원에서 추가로 설명되는 도 25 를 참조하여 설명되는 방법의 실행을 촉진하기 위해 부트로더 코드, 운영 시스템 코드, 파일 시스템 코드, 및 비일시성 프로세서-실행가능 코드를 포함한다.

많은 구현예들에서, 비휘발성 메모리 (2420) 는 플래시 메모리 (예컨대, NAND 또는 ONENAND 메모리) 에 의해 실현되지만, 다른 메모리 유형들이 또한 이용될 수도 있는 것으로 예상된다. 비휘발성 메모리 (2420) 로부터의 코드를 실행하는 것이 가능할 수도 있지만, 비휘발성 메모리에서의 실행가능 코드는 일반적으로 RAM (2424) 로 로드되어 프로세싱 부분 (2426) 에서 N 개의 프로세싱 구성요소들 중 하나 이상에 의해 실행된다.

RAM (2424) 과 함께, N 개의 프로세싱 구성요소들은 일반적으로 하나 이상의 목적들을 달성하도록 제너레이터의 소스 임피던스가 수정될 수 있게 하기 위해, 비휘발성 메모리 (2420) 에 저장된 명령들을 실행하도록 동작한다. 예를 들어, 도 25 를 참조하여 설명된 방법들을 실행하도록 하는 비일시성 프로세서-실행가능한 명령들은 비휘발성 메모리 (2420) 에 영구적으로 저장되고 RAM (2424) 과 관련하여 N 개의 프로세싱 구성요소들에 의해 실행될 수도 있다. 당업자들이 주지하고 있는 바와 같이, 프로세싱 부분 (2426) 은 비디오 프로세서, 디지털 신호 프로세서 (DSP), 그래픽 프로세싱 유닛 (GPU), 및 다른 프로세싱 구성요소들을 포함할 수도 있다.

추가적으로, 또는 대안적으로, FPGA (2427) 는 본원에서 설명되는 방법론들 (예컨대, 도 25 를 참조하여 설명된 방법) 의 하나 이상의 양태들을 실행하도록 구성될 수도 있다. 예를 들어, 비일시성 FPGA-구성-명령들은 비휘발성 메모리 (2420) 에 영구적으로 저장되고, FPGA (2427) 를 소스 임피던스 제어기들 (2232, 2332) 의 기능들을 실행하도록 구성하기 위해 (예컨대, 부트 업 (boot up) 동안) FPGA (2427) 에 의해 액세스될 수도 있다.

입력 구성요소는 출력 전력 (2318) 및/또는 플라즈마 부하 (2200) 의 하나 이상의 양태들을 나타내는 신호들 (예컨대, 센서 (2316) 로부터의 출력 신호 (2314)) 을 수신하도록 동작한다. 입력 구성요소에서 수신된 신호들은 예를 들어, 전압, 전류, 순방향 전력, 반사된 전력 및 플라즈마 부하 임피던스를 포함할 수도 있다. 출력 구성요소는 일반적으로 제너레이터의 동작 양태를 실행하는 하나 이상의 아날로그 또는 디지털 신호들을 제공하도록 동작한다. 예를 들어, 출력 부분은 도 23 을 참조하여 설명된 임피던스 제어 신호 (2310) 를 제공할 수도 있다. 예를 들어, 제어가능한 가변 임피던스 (2330) 가 불연속적으로 스위칭되는 커패시터들의 컬렉션에 의해 실현될 때, 임피던스 제어 신호 (2310) 는 특정의 임피던스를 선택하기 위해 특정의 별개의 커패시터들의 어드레스 (예컨대, 2진 어드레스) 로 인코딩된 디지털 신호일 수도 있다. 그리고, 제어가능한 가변 임피던스 (2330) 가 연속적으로 변하는 커패시터에 의해 실현되면, 임피던스 제어 신호 (2310) 는 연속적으로 변하는 커패시터의 특정의 위치에 기초하여 크기가 변하는 아날로그 신호일 수도 있다.

도시된 송수신기 구성요소 (2428) 는 무선 또는 유선 네트워크들을 통해서 외부 디바이스들과 통신하기 위해 사용될 수도 있는 N 개의 송수신기 체인들을 포함한다. N 개의 송수신기 체인들의 각각은 특정의 통신 방식 (예컨대, WiFi, 이더넷, Profibus, 등) 과 연관된 송수신기를 나타낼 수도 있다.

다음으로, 도 25 를 참조하면, 본원에서 개시된 실시형태들 중 몇 개와 관련하여 상세히 설명될 수도 있는, 제너레이터의 소스 임피던스를 조정하는 방법을 도시하는 플로우차트이다. 나타낸 바와 같이, (예컨대, 제 1 전력 증폭기 (2202) 에 의해 출력되는) 제 1 신호가 발생되어 합성기의 제 1 입력 (예컨대, 합성기 (2214) 의 제 1 입력 포트 (2216)) 에 인가되며 (블록 2502), 그리고 (예컨대, 제 2 전력 증폭기 (2208) 에 의해 출력되는) 제 2 신호가 합성기의 제 2 입력 (예컨대, 합성기 (2214) 의 제 2 입력 포트 (2220)) 에 인가된다 (블록 2504).

제 1 및 제 2 신호들은 그 후 플라즈마 부하에 전달되는 전력을 생성하기 위해 합성기의 출력에서 합성기로 합성된다 (블록 2506). 나타낸 바와 같이, 제어가능한 가변 임피던스 (예컨대, 제어가능한 가변 임피던스 (2230, 2330)) 가 합성기의 분리 포트 (예컨대, 분리 포트 (2226)) 에 제공되며 (블록 2508), 제어가능한 가변 임피던스가 제너레이터의 소스 임피던스를 변경하도록 조정된다 (블록 2510).

본원에서 사용될 때, "A, B 및 C 중 적어도 하나" 의 인용은 "A, B, C 또는 A, B 및 C 의 임의의 조합" 을 의미하도록 의도된다. 개시된 실시형태들의 상기 설명은 임의의 당업자가 본 발명을 실시하고 이용할 수 있도록 제공된다. 이들 실시형태들에 대한 여러 변경들은 당업자들에게 명백할 것이며, 본원에서 정의한 일반적인 원리들은 본 발명의 정신 또는 범위로부터 일탈함이 없이 다른 실시형태들에도 적용될 수도 있다. 따라서, 본 발명은 본원에서 나타낸 실시형태들에 한정시키려는 것이 아니라, 본원에서 개시된 원리들 및 신규한 특징들에 부합하는 최광의의 범위를 부여받게 하려는 것이다.

Claims (12)

1. 전력을 플라즈마 부하로 전달하는 제너레이터의 소스 임피던스를, 직접 또는 임피던스 정합 네트워크를 통해서 조정하는 방법으로서,
   제 1 신호를 발생시켜 상기 제 1 신호를 합성기의 제 1 입력에 인가하는 단계;
   제 2 신호를 발생시켜 상기 제 2 신호를 상기 합성기의 제 2 입력에 인가하는 단계;
   상기 플라즈마 부하에 전달되는 전력을 생성하기 위해 상기 합성기의 출력에서 상기 제 1 및 제 2 신호들을 상기 합성기로 합성하는 단계;
   제어가능한 가변 임피던스를 상기 합성기의 분리 포트에 제공하는 단계; 및
   상기 제너레이터의 상기 소스 임피던스를 조정하기 위해 상기 제어가능한 가변 임피던스를 조정하는 단계를 포함하는, 전력을 플라즈마 부하로 전달하는 제너레이터의 소스 임피던스를 조정하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 플라즈마 부하가 상기 합성기의 설계된 부하 임피던스에 정합되고 상기 분리 포트가 종단되는 임피던스가 설계된 종단 임피던스와 동일하며 상기 제 1 및 제 2 신호들이 설계된 진폭 및 위상 관계를 가질 경우, 상기 제 1 및 제 2 신호들에 의해 상기 합성기에 공급되는 전체 전력의 80% 이상이 상기 합성기의 출력에 접속된 정합된 부하로 전달되고 상기 제 1 및 제 2 신호들에 의해 공급되는 상기 전체 전력의 20% 미만이 상기 분리 포트의 종단으로 전달되며;
   입력 신호들 중 하나의 위상이 180 도 만큼 시프트될 경우, 상기 제 1 및 제 2 신호들에 의해 상기 합성기에 공급되는 상기 전체 전력의 80% 이상이 상기 분리 포트의 종단으로 전달되고 상기 제 1 및 제 2 신호들에 의해 상기 합성기에 공급되는 상기 전체 전력의 20% 미만이 상기 출력에 접속된 상기 정합된 부하로 전달되는, 전력을 플라즈마 부하로 전달하는 제너레이터의 소스 임피던스를 조정하는 방법.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 2 신호는 상기 제 1 신호에 대해 60 도와 120 도 사이에서 위상 시프트되는, 전력을 플라즈마 부하로 전달하는 제너레이터의 소스 임피던스를 조정하는 방법.
4. 제 1 항에 있어서,
   전원과 상기 플라즈마 부하 사이의 상호작용을 나타내는 파라미터, 플라즈마 점화를 나타내는 파라미터, 및 펄스형 전력 인가 시 펄스 형태를 나타내는 파라미터 중 적어도 하나가 모니터링되며;
   상기 소스 임피던스를 조정하는 것은 상기 플라즈마 부하의 불안정의 감소, 상기 플라즈마 부하의 점화, 및 상기 플라즈마 부하로 전달되는 펄스형 전력의 향상된 펄스 형태 중 적어도 하나를 증진시키기 위해 상기 제너레이터의 상기 소스 임피던스를 조정하는 것을 포함하는, 전력을 플라즈마 부하로 전달하는 제너레이터의 소스 임피던스를 조정하는 방법.
5. 제 4 항에 있어서,
   조정하는 단계는,
   상기 플라즈마 부하의 임피던스로부터 상기 제너레이터의 상기 소스 임피던스를 부정합하는 단계; 및
   상기 플라즈마 부하의 임피던스 궤적을 상기 전원의 개방 루프 전력 프로파일의 윤곽선들과 정렬하는 단계를 포함하는, 전력을 플라즈마 부하로 전달하는 제너레이터의 소스 임피던스를 조정하는 방법.
6. 제 4 항에 있어서,
   상기 모니터링하는 것은 전압, 전류, 순방향 전력, 반사된 전력 및 플라즈마 부하 임피던스 중 적어도 하나를 모니터링하는 것을 포함하는, 전력을 플라즈마 부하로 전달하는 제너레이터의 소스 임피던스를 조정하는 방법.
7. 제 4 항에 있어서,
   조정하는 단계는,
   불안정을 감소시키는 것, 플라즈마 점화를 향상시키는 것, 및 펄스 형태를 조정하는 것 중 적어도 하나에 기울기 및 비기울기 (gradientless) 최적화 방법론들 중 적어도 하나를 이용하여 상기 소스 임피던스를 조정하는 단계를 포함하는, 전력을 플라즈마 부하로 전달하는 제너레이터의 소스 임피던스를 조정하는 방법.
8. 플라즈마 부하에 전력을 제공하는 전원 시스템으로서,
   입력 및 제 1-증폭기-출력을 포함하는 제 1 전력 증폭기;
   입력 및 제 2-증폭기-출력을 포함하는 제 2 전력 증폭기;
   상기 제 1-증폭기-출력으로부터 제 1 신호를 수신하도록 배치된 제 1 입력 포트, 상기 제 2-증폭기-출력으로부터 제 2 신호를 수신하도록 배치된 제 2 입력 포트, 출력 전력을 제공하는 출력 포트, 및 종단 임피던스에 커플링하도록 배치된 분리 포트를 포함하는 4-포트 합성기로서, 상기 합성기는 상기 제 1 신호와 상기 제 2 신호를 합성하여 전력 신호를 상기 출력 포트에 인가하도록 구성되는, 상기 4-포트 합성기;
   상기 종단 임피던스로서 상기 분리 포트에 커플링된 제어가능한 가변 임피던스 구성요소; 및
   상기 전원 시스템의 소스 임피던스를 수정하기 위해 상기 제어가능한 가변 임피던스 구성요소를 조정하도록 구성된 제어기를 포함하는, 플라즈마 부하에 전력을 제공하는 전원 시스템.
9. 제 8 항에 있어서,
   입력 신호를 발생시키도록 구성된 신호 제너레이터; 및
   상기 입력 신호에 응답하여, 신호를 상기 제 1 전력 증폭기에 제공하고, 그리고 상기 제 1 전력 증폭기에 제공되는 신호에 대해 60 도와 120 도 사이에 위상 시프트된 신호를 제 2 증폭기에 제공하는 직교 스플리터를 포함하는, 플라즈마 부하에 전력을 제공하는 전원 시스템.
10. 제 8 항에 있어서,
    상기 제어가능한 가변 임피던스 구성요소는 불연속적으로 스위칭되는 커패시터들 및 연속적으로 변하는 커패시터의 컬렉션 중 적어도 하나를 포함하는, 플라즈마 부하에 전력을 제공하는 전원 시스템.
11. 제 8 항에 있어서,
    상기 제어기는,
    프로세서; 및
    상기 프로세서에 의해 제어가능한 가변 임피던스를 조정하도록 실행가능한 비일시성 명령들을 포함하는 비일시성 메모리를 포함하며,
    상기 명령들은 상기 전원의 상기 소스 임피던스를 조정하는 명령들을 포함하는, 플라즈마 부하에 전력을 제공하는 전원 시스템.
12. 제 8 항에 있어서,
    상기 제어기는,
    필드 프로그래밍가능 게이트 어레이; 및
    제너레이터의 상기 소스 임피던스를 조정하도록 상기 필드 프로그래밍가능 게이트 어레이를 구성하기 위해 상기 필드 프로그래밍가능 게이트 어레이에 의해 액세스되는 비일시성 명령들을 포함하는 비일시성 메모리를 포함하는, 플라즈마 부하에 전력을 제공하는 전원 시스템.
    

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