KR20230064902A - 플라즈마 전력 공급 시스템 및 이의 전력 공급 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 플라즈마 챔버에 전력을 공급하는 RF 파워 서플라이; 및 플라즈마 챔버의 임피던스 변화에 대응하여 이그니션 임피던스를 조절하는 매처 어셈블리를 포함하되, 매처 어셈블리는, 플라즈마 챔버의 플라즈마 이니션에 사용되는 플라즈마 점화 회로; 플라즈마 점화 회로와 전기적으로 연결되는 제1 임피던스 소자와 제2 임피던스 소자; 제1 임피던스 소자에 연결된 플라즈마 이그니션 스위치; 및 플라즈마 챔버의 상태 전환에 따라 상기 플라즈마 이그니션 스위치의 동작을 제어하는 스위치 제어부를 포함하는 플라즈마 전력 공급 시스템을 개시한다. 본 발명에 따르면, 임피던스 매칭에 앞서 반사파 검출에 따라 플라즈마 시스템의 임피던스가 즉시로 안정화될 수 있다.
Description
본 발명은 플라즈마 전력 공급 시스템 및 이의 전력 공급 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 플라즈마 점화 구간에서 플라즈마 RUN 전환에 따른 급격한 임피던스 변화에 대처할 수 있는 플라즈마 전력 공급 시스템 및 이의 전력 공급 방법에 관한 것이다.
플라즈마(Plasma)는 고체, 액체 또는 기체가 아닌 제 4의 상태로 많은 수의 자유전자, 이온 및 중성의 원자 또는 분자로 구성된 이온화된 기체 상태를 의미한다. 플라즈마는 챔버 내에 중성의 원자나 분자 가스를 넣고, 전자를 가속하여 충돌을 통해 중성의 원자와 분자, 양이온, 전자들이 혼합된 상태로 유지되게 만든 상태이다.
플라즈마의 방전에 필요한 파워의 종류 중에 RF 파워가 있다. RF 파워로서 보통 13.56MHz의 RF 제너레이터(generator)가 사용될 수 있다.
RF 제너레이터는 반도체, LCD 등의 설비에서 플라즈마를 발생시키기 위한 고주파 전력을 공급하는 장치이다.
종단의 방향성 결합장치(Directional Coupled)는 진행파(forward power) 및 반사파(reflected power) 값을 검출하고, 진행파 검출 값을 사용자가 선택한 기준 값과 비교 제어하여 일정한 출력을 공급한다. 그리고 안정적인 전력 전송을 위해 전력 전송로의 임피던스를 제어하는 매칭 네트워크가 필요하다.
즉 RF 파워의 공급을 위해 RF 제너레이터 및 매칭 네트워크가 함께 필요하다.
RF 제너레이터의 출력 임피던스는 50옴으로 조절된다. 50옴이 사용되는 이유는 전력 전송로(동축케이블)/고주파 측정설비 등을 사용할 때 설계 및 상호간 사용 호환을 위한 규격에 의한 것이다.
RF 파워의 사용환경(부하)을 살펴보면 크게 2가지 경우로 나뉠 수 있다. 부하의 종류는 CCP(Capacitive Coupled Plasma) 및 ICP(Inductive Coupled Plasma)가 있다. CCP는 anode 및 cathode의 평행판 전극 사이에 RF 교류 전원을 연결하여, 전극 사이에서 발생하는 전계를 이용하여 자유전자를 가속하는 방식이고, ICP는 챔버를 도전성 코일로 감싸고, 코일에 RF 교류 전원을 연결하고, 자기장이 발생하면, 챔버 내부에 전기장 발생하여, 전기장으로 자유전자를 가속하는 방식이다.
효율적인 파워를 공급하기 위해 전압 및 전류의 위상이 일치해야 한다. 매칭 네트워크가 위상 일치 과정을 처리한다. 자동 매칭 기능을 갖는 RF 제너레이터가 있으나, 스퍼터나 기타 플라즈마 장비의 사용 중에 환경이 바뀌면서 자동 매칭의 범위가 벗어나는 경우가 있다. 이런 경우에는 매칭 장치의 코일이나 커패시터의 용량 조절이 필요하다. 2가지 부하로 매칭이 되지 않고, 저항으로 매칭이 맞는 경우에는 열이 발생하여 시스템에 문제가 발생할 수 있다.
본 발명과 관련된 기술로서, 대한민국 등록 특허 공보에 개시된, 전자식 가변 임피던스 매칭박스를 구비한 플라즈마 전원 공급 시스템은, 가변 인덕터를 포함하는 임피던스 매칭회로를 개시한다. 이 관련 기술은, 커패시턴스를 고정시키고 인덕턴스 성분을 전자식으로 가변하는 임피던스 매칭에 관한 것이고, 본 발명은, 플라즈마 상태 전환에 의한 임피던스 값의 급격한 변화에 대응하여 시스템을 안정화하기 위한 임피던스 제어에 관한 것이라는 점에서 양 발명의 구성 및 효과는 서로 구별된다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 과제는, 플라즈마 상태 전환에 따른 급격한 임피던스 변화로부터 시스템을 보호하는 플라즈마 전력 공급 시스템 및 이의 전력 공급 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 과제는, 고속의 스위칭과 가변주파수 방식을 융합하여 임피던스를 제어함으로써 플라즈마 시스템을 안정화시킬 수 있는 플라즈마 전력 공급 시스템 및 이의 전력 공급 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 과제는, 특정 임피던스를 스위칭함으로써, 이그니션의 실패 확률을 줄이고, 안정적이고 간편한 방법으로 방전을 유도할 수 있는 플라즈마 전력 공급 시스템 및 이의 전력 공급 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 플라즈마 전력 공급 시스템은, 플라즈마 챔버에 전력을 공급하는 RF 파워 서플라이; 및 플라즈마 챔버의 임피던스 변화에 대응하여 이그니션 임피던스를 조절하는 매처 어셈블리를 포함하되, 매처 어셈블리는, 플라즈마 챔버의 플라즈마 이그니션에 사용되는 플라즈마 점화(ignition) 회로; 플라즈마 점화 회로와 전기적으로 연결되는 제1 임피던스 소자와 제2 임피던스 소자; 제1 임피던스 소자에 연결된 플라즈마 이그니션 스위치; 및 플라즈마 챔버의 상태 전환에 따라 상기 플라즈마 이그니션 스위치의 동작을 제어하는 스위치 제어부를 포함하도록 구성될 수 있다.
또한, 플라즈마 이그니션 스위치는 상기 제1 임피던스 소자에 직렬로 연결되고, 제2 임피던스 소자는 상기 플라즈마 이그니션 스위치 및 상기 제2 임피던스 소자와 병렬로 연결되도록 구성될 수 있다.
또한, 매처 어셈블리는, RF 파워 서플라이에 연결되는 RF 입력단 및 플라즈마 챔버에 연결되는 RF 출력단을 포함하도록 구성될 수 있다.
또한, 플라즈마 점화 회로는 하나의 커패시터 및 적어도 하나 이상의 인덕터를 포함하고, 제1 임피던스 소자, 제2 임피던스 소자 및 상기 플라즈마 점화 회로는 상기 RF 파워 서플라이 및 상기 플라즈마 챔버 사이에서 L형 회로를 형성하도록 배치될 수 있다.
또한, 플라즈마 점화 회로는 하나의 커패시터를 포함하고, 제1 임피던스 소자, 제2 임피던스 소자 및 상기 플라즈마 점화 회로는 상기 RF 파워 서플라이 및 상기 플라즈마 챔버 사이에서 L형 회로를 형성하도록 배치될 수 있다.
또한, 플라즈마 점화 회로는 하나의 커패시터 및 하나의 인덕터를 포함하고, 제1 임피던스 소자, 제2 임피던스 소자 및 상기 플라즈마 점화 회로는 상기 RF 파워 서플라이 및 상기 플라즈마 챔버 사이에서 T형 회로를 형성하도록 배치될 수 있다.
또한, 플라즈마 점화 회로는 하나의 커패시터 및 적어도 하나 이상의 인덕터를 포함하고, 제1 임피던스 소자, 제2 임피던스 소자 및 상기 플라즈마 점화 회로는 상기 RF 파워 서플라이 및 상기 플라즈마 챔버 사이에서 π형 회로를 형성하도록 배치될 수 있다.
또한, 스위치 제어부는, 플라즈마 챔버에서 반사파 값의 검출을 기반으로 측정된 플라즈마 발생(plasma run) 시점에서 상기 플라즈마 이그니션 스위치의 스위칭 상태 전환을 제어하도록 구성될 수 있다.
또한, 스위치 제어부는, 제1 임피던스 소자 및 제2 임피던스 소자를 구성하는 리액턴스의 종류에 따라 상기 플라즈마 이그니션 스위치의 스위칭을 통해 플라즈마 점화(plasma ignition) 단계에서 플라즈마 발생(plasma run) 단계로의 전환에 따른 상기 플라즈마 챔버의 임피던스 감소를 보상함으로써 시스템이 정격을 유지하게 제어하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 플라즈마 전력 공급 방법은, RF 파워 서플라이와 연결되는 RF 입력단 및 플라즈마 챔버와 연결되는 RF 출력단을 포함하는 매처 어셈블리를 통해 상기 플라즈마 챔버에 전력을 공급하기 시작하는 단계; 플라즈마 챔버로부터 플라즈마의 반사파 값 검출을 기반으로 매처 어셈블리에 포함된 플라즈마 이그니션 스위치의 스위칭 타이밍을 설정하는 단계; 및 플라즈마 챔버가 플라즈마 점화(plasma ignition)에서 플라즈마 발생(plasma run)으로 전환함에 따라 상기 플라즈마 이그니션 스위치의 스위칭을 제어하는 단계를 포함하되, 플라즈마 이그니션의 스위치의 스위칭을 제어하는 단계는, 병렬 관계의 제1 임피더스 소자 및 제2 임피던스 소자를 구성하는 리액턴스의 종류에 따라 상기 제1 임피던스 소자에 직렬로 연결된 상기 플라즈마 이그니션 스위치의 스위칭을 통해, 플라즈마 점화(plasma ignition) 단계에서 플라즈마 발생(plasma run) 단계로의 전환에 따른 상기 플라즈마 챔버의 임피던스 감소를 보상함으로써 시스템이 정격을 유지하게 제어하는 단계를 포함하도록 구성될 수 있다.
기타 실시 예의 구체적인 사항은 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 및 첨부 "도면"에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 각종 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다.
그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 각 실시 예의 구성만으로 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로도 구현될 수도 있으며, 단지 본 명세서에서 개시한 각각의 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구범위의 각 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐임을 알아야 한다.
본 발명에 의하면, 최소한의 임피던스 소자 및 스위치 소자를 이용하여 플라즈마 시스템의 임피던스가 정격 범위 내로 제어될 수 있다.
또한, 복잡한 알고리즘 없이 단일 소자 스위칭을 통해 플라즈마 시스템의 임피던스가 안정적으로 제어될 수 있다.
또한, 불필요한 매칭구간을 거치지 않고 스위칭을 통해 RF 임피던스 소자가 보호될 수 있다.
또한, 종래의 RF 소자를 사용하는 방식에 비해 임피던스 매칭이 고속으로 동작될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 플라즈마 전력 공급 시스템의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 플라즈마 전력 공급 방법의 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 매처 어셈블리의 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 플라즈마 점화 회로가 포함된 매처 어셈블리의 등가회로도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 플라즈마 점화 회로가 포함된 매처 어셈블리의 등가회로도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 플라즈마 점화 회로가 포함된 매처 어셈블리의 등가회로도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 플라즈마 점화 회로가 포함된 매처 어셈블리의 등가회로도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 플라즈마 점화 회로가 포함된 매처 어셈블리의 등가회로도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 플라즈마 점화 회로가 포함된 매처 어셈블리의 등가회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 플라즈마 전력 공급 방법의 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 매처 어셈블리의 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 플라즈마 점화 회로가 포함된 매처 어셈블리의 등가회로도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 플라즈마 점화 회로가 포함된 매처 어셈블리의 등가회로도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 플라즈마 점화 회로가 포함된 매처 어셈블리의 등가회로도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 플라즈마 점화 회로가 포함된 매처 어셈블리의 등가회로도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 플라즈마 점화 회로가 포함된 매처 어셈블리의 등가회로도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 플라즈마 점화 회로가 포함된 매처 어셈블리의 등가회로도이다.
본 발명을 상세하게 설명하기 전에, 본 명세서에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 무조건 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 발명자가 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해서 각종 용어의 개념을 적절하게 정의하여 사용할 수 있고, 더 나아가 이들 용어나 단어는 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 알아야 한다.
즉, 본 명세서에서 사용된 용어는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하기 위해서 사용되는 것일 뿐이고, 본 발명의 내용을 구체적으로 한정하려는 의도로 사용된 것이 아니며, 이들 용어는 본 발명의 여러 가지 가능성을 고려하여 정의된 용어임을 알아야 한다.
또한, 본 명세서에서, 단수의 표현은 문맥상 명확하게 다른 의미로 지시하지 않는 이상, 복수의 표현을 포함할 수 있으며, 유사하게 복수로 표현되어 있다고 하더라도 단수의 의미를 포함할 수 있음을 알아야 한다.
본 명세서의 전체에 걸쳐서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소를 "포함"한다고 기재하는 경우에는, 특별히 반대되는 의미의 기재가 없는 한 임의의 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 임의의 다른 구성 요소를 더 포함할 수도 있다는 것을 의미할 수 있다.
더 나아가서, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 "내부에 존재하거나, 연결되어 설치된다"라고 기재한 경우에는, 이 구성 요소가 다른 구성 요소와 직접적으로 연결되어 있거나 접촉하여 설치되어 있을 수 있고, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있을 수도 있으며, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있는 경우에 대해서는 해당 구성 요소를 다른 구성 요소에 고정 내지 연결하기 위한 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재할 수 있으며, 이 제 3의 구성 요소 또는 수단에 대한 설명은 생략될 수도 있음을 알아야 한다.
반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결"되어 있다거나, 또는 "직접 접속"되어 있다고 기재되는 경우에는, 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재하지 않는 것으로 이해하여야 한다.
마찬가지로, 각 구성 요소 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 " ~ 사이에"와 "바로 ~ 사이에", 또는 " ~ 에 이웃하는"과 " ~ 에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지의 취지를 가지고 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서에서 "일면", "타면", "일측", "타측", "제 1", "제 2" 등의 용어는, 사용된다면, 하나의 구성 요소에 대해서 이 하나의 구성 요소가 다른 구성 요소로부터 명확하게 구별될 수 있도록 하기 위해서 사용되며, 이와 같은 용어에 의해서 해당 구성 요소의 의미가 제한적으로 사용되는 것은 아님을 알아야 한다.
또한, 본 명세서에서 "상", "하", "좌", "우" 등의 위치와 관련된 용어는, 사용된다면, 해당 구성 요소에 대해서 해당 도면에서의 상대적인 위치를 나타내고 있는 것으로 이해하여야 하며, 이들의 위치에 대해서 절대적인 위치를 특정하지 않는 이상은, 이들 위치 관련 용어가 절대적인 위치를 언급하고 있는 것으로 이해하여서는 아니된다.
또한, 본 명세서에서는 각 도면의 각 구성 요소에 대해서 그 도면 부호를 명기함에 있어서, 동일한 구성 요소에 대해서는 이 구성 요소가 비록 다른 도면에 표시되더라도 동일한 도면 부호를 가지고 있도록, 즉 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 지시하고 있다.
본 명세서에 첨부된 도면에서 본 발명을 구성하는 각 구성 요소의 크기, 위치, 결합 관계 등은 본 발명의 사상을 충분히 명확하게 전달할 수 있도록 하기 위해서 또는 설명의 편의를 위해서 일부 과장 또는 축소되거나 생략되어 기술되어 있을 수 있고, 따라서 그 비례나 축척은 엄밀하지 않을 수 있다.
또한, 이하에서, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 구성, 예를 들어, 종래 기술을 포함하는 공지 기술에 대해 상세한 설명은 생략될 수도 있다.
이하, 본 발명의 실시 예에 대해 관련 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 플라즈마 전력 공급 시스템의 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 플라즈마 전력 공급 시스템(100)은 RF 파워 서플라이(110), 플라즈마 챔버(120)를 포함하고, RF 파워 서플라이(110)와 플라즈마 챔버(120)를 전기적으로 연결하는 매처 어셈블리(130)를 포함하도록 구성될 수 있다. 그리고 매처 어셈블리(130)는 제1 임피던스 소자(131), 제2 임피던스 소자(132), 플라즈마 이그니션 스위치(133) 및 스위치 제어부(134)를 포함하도록 구성될 수 있다.
매처 어셈블리(130)는 플라즈마 챔버(120)의 임피던스 조절을 위해 RF 파워 서플라이(110)와 플라즈마 챔버(120) 사이에 전기적으로 연결될 수 있다. 스위치 제어부(134)는 RF 파워 서플라이(110)의 동작을 제어하도록 RF 파워 서플라이(110)와 전기적으로 연결되어 제어 명령을 송신할 수 있다. 스위치 제어부(134)는 매처 어셈블리(130)의 플라즈마 이그니션 스위치(133)의 동작을 제어하도록 플라즈마 이그니션 스위치(133)와 전기적으로 연결되어 제어 명령을 송신할 수 있다. 스위치 제어부(134)는 방향성 결합 장치(150)에서 송신되는 신호 또는 데이터를 수신하도록 방향성 결합 장치(150)와 전기적으로 연결될 수 있다. 방향성 결합 장치(150)는 플라즈마 챔버(120)의 상태를 모니터링 하기 위한 신호 또는 데이터를 수신하기 위해 플라즈마 챔버(120)에 전기적으로 연결될 수 있다.
스위치 제어부(134)는 플라즈마 챔버(120)에서 방향성 결합 장치(150)를 통한 반사파 값 검출에 기반하여 플라즈마 챔버(120) 내에서 일어나는 임피던스 변화에 대응하여 플라즈마 챔버(120)의 임피던스를 보상하는 기능을 한다. 스위치 제어부(134)는 매처 어셈블리(130)의 동작 타이밍을 제어할 수 있다.
RF 파워 서플라이(110)는, 플라즈마 챔버(120)에 RF 파워를 공급하는 기능을 한다. RF 파워 서플라이(110)로서 13.56MHz의 RF 제너레이터가 이용될 수 있다. RF 파워 서플라이(110)는 반도체, LCD 등의 설비에서 플라즈마를 방전시키기 위한 고주파 전력 공급 장치이다.
매처 어셈블리(130)는 플라즈마 챔버(120)의 임피던스 변화에 대응하여 전력 플라즈마 챔버(120)의 임피던스를 조절하는 기능을 한다.
플라즈마 챔버(120)는 RF 파워 서플라이(110)에 의해 공급된 전력을 이용하여 플라즈마를 생성하고, 이를 방전하는 기능을 한다. 플라즈마 챔버(120)는 대기압 플라즈마, 진공 플라즈마 방식 및 기타 방식 중에서 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있다.
방향성 결합 장치(directional coupled)는 플라즈마 챔버(120)에서 발생하는 반사파 값을 검출하는 기능을 한다. 즉 방향성 결합 장치는 진행파(forward power) 값 및 반사파(reflected power) 값을 검출하는 기능을 한다. 플라즈마 시스템의 플라즈마 챔버(120)의 구성에 따라 반사파 값의 변화가 측정될 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 매처 어셈블리(130)에 포함된 스위치 제어부(134)는, 플라즈마 점화 광정에서 플라즈마 발생 과정으로 전환하는 시점, 즉 시스템에 따라 고유하게 설정된 시간 값에서 플라즈마 이그니션 스위치(133)를 동작하게 구성될 수 있다.
RF 파워 서플라이(110)에 의해 플라즈마 챔버(120)에 전원이 공급되면, 플라즈마 챔버(120)는 플라즈마 점화(plasma ignition) 과정을 거쳐, 플라즈마 발생(plasma run) 단계에 들어간다. 이 때 플라즈마 챔버(120)의 임피던스 변화로 인해 플라즈마 챔버(120)에 연결된 전체 전력 전송로의 임피던스가 급격하게 변화한다.
종래 기술에 따르면 임피던스의 급격한 변화에 대응하여 임피던스 매칭 네트워크, 일명 임피던스 매칭박스가 RF 파워 서플라이 및 플라즈마 챔버 간의 임피던스 매칭이 수행 되었다. 임피던스 매칭의 방법은, 기계식 방식과 전자식 방식이 존재한다. 기계식 방식은 모터 구동을 통해 물리적인 임피던스 가변 소자를 이용하여 RF 파워 서플라이의 출력단에서 플라즈마 챔버 쪽을 바라본 임피던스 값, 즉 테브난, 노톤 등가회로(Thevenin, Norton Equivalent Circuit)의 임피던스를 조절하는 방식이다. 전자식 방식은 임피던스 소자의 스위칭을 통해 여러 소자를 이용하여 임피던스 조합을 생성하여 임피던스를 조절하는 방식이다. 전자식 방식에는 임피던스 소자의 값을 조절하는 방식과, 주파수를 조절하는 방식이 있다. 임피던스를 구성하는 리액턴스가 커패시턴스인 경우의 예를 들면, 임피던스 값(1/jwC)을 구성하는 파라미터 중에서 C(커패시턴스) 또는 w(주파수) 값을 조절함으로써 임피던스 매칭이 수행될 수 있다.
그런데 종래 기술에 따른 임피던스 매칭 방법에서, 기계식과 전자식 방법은 완전한 것이 아니어서 장점과 단점이 동시에 존재하였다. 기계식 방식의 경우 임피던스 매칭이 플라즈마 챔버의 로드 변화를 빠르게 추종하지 못하는 단점이 있었으며, 전자식 임피던스 소자 조절 방식은, 다수의 임피던스 소자 및 스위치 소자가 필요하므로 경제성이 낮고, 임피던스 조합 알고리즘이 복잡한 것이 단점이었다. 전자식 주파수 조절 방식은, 플라즈마 출력을 위해 정격 주파수 범위에서 제어가 가능하므로 제어 범위에 한계가 존재하였다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 플라즈마 전력 공급 시스템 및 이의 전력 공급 방법은, 임피던스 매칭에 앞서, 하이브리드(hybrid) 방식을 이용하여 플라즈마 챔버의 임피던스 변화에 대응하여 매처 어셈블리(130)의 임피던스 보상을 통해 시스템을 안정화 시키는 것을 특징으로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 플라즈마 전력 공급 방법의 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 플라즈마 전력 공급 방법(S100)은, 전력 전송로를 통해 플라즈마 챔버에 전력을 공급하기 시작하는 단계(S110), 플라즈마 상태 전환을 기반으로 이그니션 스위치(133)의 스위칭 타이밍을 설정하는 단계(S120) 및 플라즈마 상태 전환에 따라 플라즈마 이그니션 스위치(133)를 제어하는 단계(S130)를 포함하도록 구성될 수 있다. 여기서 플라즈마 이그니션 스위치(133)를 제어하는 단계는, 플라즈마 점화 회로(135)에 연결된 제1 임피던스 소자(131)의 스위칭을 통해 임피던스를 보상하는 단계를 포함하도록 구성될 수 있다.
매처 어셈블리(130)는 제1 임피던스 소자(131), 이와 병렬로 연결된 제2 임피던스 소자(132) 및 제1 임피던스 소자(131)와 직렬로 연결된 플라즈마 이그니션 스위치(133)를 포함하도록 구성될 수 있다.
매처 어셈블리(130)를 제어하는 단계는, 플라즈마 발생(plasma run) 시점 이후에 플라즈마 이그니션 스위치(133)의 스위칭 상태 전환을 제어하는 단계를 포함할 수 있다. 여기서, 스위치 상태 전환의 제어란, 회로의 구성에 따라 ON 상태의 플라즈마 이그니션 스위치(133)를 OFF으로 전환하거나, OFF 상태의 플라즈마 이그니션 스위치(133)를 ON으로 전환하는 것을 뜻한다.
플라즈마 상태가, 플라즈마 이그니션에서 프라즈마 발생으로 전환함에 따라 임피던스 매칭 이전에 변화된 임피더스 값이 보상될 필요가 있다. 플라즈마 챔버(120)를 포함하는 전력 전송로의 등가회로의 임피던스 값을 순간적으로 증가시키기 위해 병렬 관계의 커패시터 소자들에서 제1 임피던스 소자(커패시터)에 연결된 플라즈마 이그니션 스위치(133)는 ON에서 OFF으로 전환될 수 있다. 같은 방법으로 병렬 관계의 인덕터 소자들에서 제1 임피던스 소자(인덕터)에 연결된 플라즈마 이그니션 스위치(133)는 ON에서 OFF으로 전환되도록 제어될 수 있다. 스위치 전환 동작에 따라 전체 임피던스 값이 증가하므로, 플라즈마 상태 전환 시 시스템에 순간적으로 높은 전류가 흐르는 것이 방지될 수 있다.
스위치의 전환의 시점은 플라즈마의 반사 값에 기초하여 판단되며, 플라즈마 챔버의 부하 구성이 정해진 시스템에 대해서는 처음 반사 값이 측정되는 시점의 시간 값을 이용하여, 스위치 전환의 시점이 판단될 수 있다. 즉 플라즈마 전력 공급 시스템(100)에서 플라즈마의 반사 값이 검출된 시점이 판단되면, 해당 플라즈마 전력 공급 시스템(100)은, 반사 값이 검출된 시간에 기반하여 매처 어셈블리(130)가 제어되도록 구성될 수 있다.
제1 임피던스 소자(131) 및 제2 임피던스 소자(132)는 복잡한 구성을 피하기 위해 서로 같은 종류의 리액턴스 성분의 소자를 포함할 수 있다. 예를 들어 매처 어셈블리(130)의 임피던스 소자는, 커패시터로만 또는 인덕터로만 구성될 수 있다.
제1 임피던스 소자(131)는 단일의 임피던스 소자로 구성될 수 있다. 예를 들어 제1 임피던스 소자(131)는 한 개의 커패시터 또는 한 개의 인덕터로 구성될 수 있다.
제2 임피던스 소자(132)는 적어도 하나 이상의 임피던스 소자로 구성될 수 있다. 예를 들어 제2 임피던스 소자(132)는 한 개의 커패시터 또는 한 개의 인덕터로 구성되거나, 복수의 커패시터 또는 복수의 인덕터 또는 적어도 하나 이상의 커패시터와 인덕터의 조합으로 구성될 수 있다. 따라서 최소 2개의 임피던스 소자, 예를 들어 한 개의 제1 커패시터 및 한 개의 제2 커패시터를 이용하여 임피던스 보상이 이루어질 수 있다.
제1 임피던스 소자(131) 및 제2 임피던스 소자(132)의 파라미터 값은, 플라즈마 이그니션 단계 및 플라즈마 발생 단계 간의 전력 전송로의 임피던스 차이, 즉 RF 파워 서플라이의 출력단에서 플라즈마 챔버 쪽을 바라본 테브난, 노턴 등가 회로의 임피던스 차이 및, 플라즈마 시스템의 정격 범위를 고려하여 선택될 수 있다. 즉 플라즈마 전력 공급 시스템(100)의 특성에 맞게 제1 임피더스 소자 및 제2 임피던스 소자의 파라미터가 설계될 수 있다.
플라즈마 이그니션 스위치(133)는 각종 반도체 스위치를 통해 구현될 수 있다. 예를 들어 각종 트렌지스터, 즉 IGBT 또는 SiC MOSFET를 이용하여 플라즈마 이그니션 스위치(133)가 구현될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 매처 어셈블리의 회로도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 매처 어셈블리(130)는 제1 임피던스 소자(131), 제1 임피던스 소자(131)와 병렬로 연결된 제2 임피던스 소자(132) 및 제1 임피던스 소자(131)와 직렬로 연결된 플라즈마 이그니션 스위치(133)를 포함하도록 구성될 수 있다. 제1 임피던스 소자(131) 및 제2 임피던스 소자(132)는 같은 종류의 소자일 수 있다. 제1 임피던스 소자(131) 및 제2 임피던스 소자(132)는 커패시터 또는 인덕터 소자일 수 있다.
이하 여러 등가회로에 적용될 수 있는 매처 어셈블리(130)에 대해 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 매처 어셈블리가 포함된 전력 전송로의 등가회로도이다.
도 4를 참조하면, L형 등가회로에 적용될 수 있는 매처 어셈블리(130)가 묘사되어 있다. 매처 어셈블리(130)는 2개의 커패시터(C1, C2) 및 플라즈마 이그니션 스위치(133)를 포함하도록 구성될 수 있다.
매처 어셈블리(130)는 RF 입력단(input) 및 접지단 간에, 더 정확하게는 일 단자는, RF 출력단에 연결된 타 임피더스(C3, L) 소자와 함께 RF 입력단에 연결되고, 타 단자는 접지단에 연결되도록 배치될 수 있다. 이하 본 발명의 실시 예에서 RF 입력단(input)은 RF 파워 서플라이(110)에 연결되고, RF 출력단(output)은 플라즈마 챔버(120)에 연결될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 매처 어셈블리가 포함된 전력 전송로의 등가회로도이다.
도 5를 참조하면, L형 등가회로에 적용될 수 있는 매처 어셈블리(234)가 묘사되어 있다. 매처 어셈블리(234)는 2개의 커패시터(C1, C2) 및 플라즈마 이그니션 스위치(133)를 포함하도록 구성될 수 있다.
매처 어셈블리(234)는 RF 입력단(input) 및 접지단 간에 인덕터와 함께, 더 정확하게는 일 단자는, RF 출력단에 연결된 타 임피더스 소자(C3, L1)와 함께 RF 입력단에 연결되고, 타 단자는 인덕터(L2)를 거쳐 접지단에 연결되도록 배치될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 매처 어셈블리가 포함된 전력 전송로의 등가회로도이다.
도 6을 참조하면, L형 등가회로에 적용될 수 있는 매처 어셈블리(334)가 묘사되어 있다. 매처 어셈블리(334)는 2개의 커패시터(C1, C2) 및 플라즈마 이그니션 스위치(133)를 포함하도록 구성될 수 있다.
매처 어셈블리(334)는 RF 입력단(input) 및 RF 출력단 간에, 더 정확하게는 일 단자는 RF 입력단에 연결되고, 타 단자는 접지단에 연결된 커패시터(C3)와 함께 RF 출력단에 연결되도록 배치될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 매처 어셈블리가 포함된 전력 전송로의 등가회로도이다.
도 7을 참조하면, T형 등가회로에 적용될 수 있는 매처 어셈블리(434)가 묘사되어 있다. 매처 어셈블리(434)는 2개의 커패시터(C1, C2) 및 플라즈마 이그니션 스위치(133)를 포함하도록 구성될 수 있다.
매처 어셈블리(434)의 일단은 RF 입력단(input)의 윙측에, 더 정확하게는 일 단자는 RF 입력단에 연결되고, 타 단자는 RF 출력단에 연결된 커패시터(C3) 및 접지단에 연결된 인덕터(L)에 연결되도록 배치될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 매처 어셈블리가 포함된 전력 전송로의 등가회로도이다.
도 8을 참조하면, π형 등가회로에 적용될 수 있는 매처 어셈블리(534)가 묘사되어 있다. 매처 어셈블리(534)는 2개의 커패시터(C1, C2) 및 플라즈마 이그니션 스위치(133)를 포함하도록 구성될 수 있다.
매처 어셈블리(534)의 일단은 RF 입력단(input) 및 접지단 간에, 더 정확하게는 일 단자는 RF 입력단에 연결되고, 타 단자는 RF 출력단에 연결된 인덕터(L) 및 접지단에 연결된 커패시터(C3)에 공통으로 연결되도록 배치될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 매처 어셈블리가 포함된 전력 전송로의 등가회로도이다.
도 9을 참조하면, π형 등가회로에 적용될 수 있는 매처 어셈블리(634)가 묘사되어 있다. 매처 어셈블리(634)는 2개의 커패시터(C1, C2) 및 플라즈마 이그니션 스위치(133)를 포함하도록 구성될 수 있다.
매처 어셈블리(634)는 RF 입력단(input) 및 접지단 간에, 더 정확하게는 일 단자는, RF 입력단 및 RF 출력단에 연결된 인덕터(L1)에 공통으로 연결되고, 타 단자는 인덕터(L2)를 거쳐 접지단에 연결되도록 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 스위치 제어부(134) 및 매처 어셈블리(130)를 이용하여 시스템의 임피던스의 보상이 이루어지고, 시스템이 안정된 상태에서 임피던스 매칭이 수행될 수 있다. 임피던스 매칭은 전자식 주파수 제어방식에 의해 수행될 수 있다. 스위치 제어부(134)는 RF 파워 서플라이(110)가 생성하는 전력의 주파수를 가변하여 플라즈마 챔버(120)의 임피던스의 매칭을 수행할 수 있다.
RF 파워 서플라이(110)는 희망 주파수의 전력을 생성하는 컨버터를 포함하도록 구성될 수 있으면, 스위치 제어부(134)는 RF 파워 서플라이(110)의 컨버터를 조정함으로서 출력 전력의 주파수를 제어할 수 있다. 출력 전력의 주파수 제어에 따라 RF 파워 서플라이(110)와 플라즈마 챔버(120) 간의 임피던스 매칭이 이루어진다.
이와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 임피던스 매칭에 앞서 반사파 검출에 따라 플라즈마 시스템의 임피던스가 즉시로 안정화될 수 있다.
또한, 최소한의 임피던스 소자 및 스위치 소자를 이용하여 플라즈마 시스템의 임피던스가 정격 범위 내로 제어될 수 있다.
또한, 복잡한 알고리즘 없이 단일 소자 스위칭을 통해 플라즈마 시스템의 임피던스가 안정적으로 제어될 수 있다.
이상, 일부 예를 들어서 본 발명의 바람직한 여러 가지 실시 예에 대해서 설명하였지만, 본 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 항목에 기재된 여러 가지 다양한 실시 예에 관한 설명은 예시적인 것에 불과한 것이며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이상의 설명으로부터 본 발명을 다양하게 변형하여 실시하거나 본 발명과 균등한 실시를 행할 수 있다는 점을 잘 이해하고 있을 것이다.
또한, 본 발명은 다른 다양한 형태로 구현될 수 있기 때문에 본 발명은 상술한 설명에 의해서 한정되는 것이 아니며, 이상의 설명은 본 발명의 개시 내용이 완전해지도록 하기 위한 것으로 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐이며, 본 발명은 청구범위의 각 청구항에 의해서 정의될 뿐임을 알아야 한다.
100: 플라즈마 전력 공급 시스템
110: RF 파워 서플라이
120: 플라즈마 챔버
130: 매처 어셈블리
131: 제1 임피던스 소자
132: 제2 임피던스 소자
133: 플라즈마 이그니션 스위치
134: 스위치 제어부
135: 플라즈마 점화 회로
110: RF 파워 서플라이
120: 플라즈마 챔버
130: 매처 어셈블리
131: 제1 임피던스 소자
132: 제2 임피던스 소자
133: 플라즈마 이그니션 스위치
134: 스위치 제어부
135: 플라즈마 점화 회로
Claims (10)
- 플라즈마 챔버에 전력을 공급하는 RF 파워 서플라이; 및
상기 플라즈마 챔버의 임피던스 변화에 대응하여 이그니션 임피던스를 조절하는 매처 어셈블리를 포함하되,
상기 매처 어셈블리는,
상기 플라즈마 챔버의 플라즈마 이니션에 사용되는 플라즈마 점화 회로(ignition circuit);
상기 플라즈마 점화 회로와 전기적으로 연결되는 제1 임피던스 소자와 제2 임피던스 소자;
상기 제1 임피던스 소자에 연결된 플라즈마 이그니션 스위치; 및
상기 플라즈마 챔버의 상태 전환에 따라 상기 플라즈마 이그니션 스위치의 동작을 제어하는 스위치 제어부를 포함하도록 구성되는,
플라즈마 전력 공급 시스템. - 청구항 1에 있어서,
상기 플라즈마 이그니션 스위치는 상기 제1 임피던스 소자에 직렬로 연결되고,
상기 제2 임피던스 소자는 상기 플라즈마 이그니션 스위치 및 상기 제2 임피던스 소자와 병렬로 연결되도록 구성되는,
플라즈마 전력 공급 시스템. - 청구항 1에 있어서,
상기 매처 어셈블리는,
상기 RF 파워 서플라이에 연결되는 RF 입력단 및 상기 플라즈마 챔버에 연결되는 RF 출력단을 포함하도록 구성되는,
플라즈마 전력 공급 시스템. - 청구항 1에 있어서,
상기 플라즈마 점화 회로는 하나의 커패시터 및 적어도 하나 이상의 인덕터를 포함하고,
상기 제1 임피던스 소자, 제2 임피던스 소자 및 상기 플라즈마 점화 회로는 상기 RF 파워 서플라이 및 상기 플라즈마 챔버 사이에서 L형 회로를 형성하도록 배치되는,
플라즈마 전력 공급 시스템. - 청구항 1에 있어서,
상기 플라즈마 점화 회로는 하나의 커패시터를 포함하고,
상기 제1 임피던스 소자, 제2 임피던스 소자 및 상기 플라즈마 점화 회로는 상기 RF 파워 서플라이 및 상기 플라즈마 챔버 사이에서 L형 회로를 형성하도록 배치되는,
플라즈마 전력 공급 시스템. - 청구항 1에 있어서,
상기 플라즈마 점화 회로는 하나의 커패시터 및 하나의 인덕터를 포함하고,
상기 제1 임피던스 소자, 제2 임피던스 소자 및 상기 플라즈마 점화 회로는 상기 RF 파워 서플라이 및 상기 플라즈마 챔버 사이에서 T형 회로를 형성하도록 배치되는,
플라즈마 전력 공급 시스템. - 청구항 1에 있어서,
상기 플라즈마 점화 회로는 하나의 커패시터 및 적어도 하나 이상의 인덕터를 포함하고,
상기 제1 임피던스 소자, 제2 임피던스 소자 및 상기 플라즈마 점화 회로는 상기 RF 파워 서플라이 및 상기 플라즈마 챔버 사이에서 π형 회로를 형성하도록 배치되는,
플라즈마 전력 공급 시스템. - 청구항 1에 있어서,
상기 스위치 제어부는,
상기 플라즈마 챔버에서 반사파 값의 검출을 기반으로 측정된 플라즈마 발생(plasma run) 시점에서 상기 플라즈마 이그니션 스위치의 스위칭 상태 전환을 제어하도록 구성되는,
플라즈마 전력 공급 시스템. - 청구항 1에 있어서,
상기 스위치 제어부는,
상기 제1 임피던스 소자 및 제2 임피던스 소자를 구성하는 리액턴스의 종류에 따라 상기 플라즈마 이그니션 스위치의 스위칭을 통해 플라즈마 점화(plasma ignition) 단계에서 플라즈마 발생(plasma run) 단계로의 전환에 따른 상기 플라즈마 챔버의 임피던스 감소를 보상함으로써 시스템이 정격을 유지하게 제어하도록 구성되는,
플라즈마 전력 공급 시스템. - RF 파워 서플라이와 연결되는 RF 입력단 및 플라즈마 챔버와 연결되는 RF 출력단을 포함하는 매처 어셈블리를 통해 상기 플라즈마 챔버에 전력을 공급하기 시작하는 단계;
상기 플라즈마 챔버로부터 플라즈마의 반사파 값 검출을 기반으로 상기 매처 어셈블리에 포함된 플라즈마 이그니션 스위치의 스위칭 타이밍을 설정하는 단계; 및
상기 플라즈마 챔버가 플라즈마 점화(plasma ignition)에서 플라즈마 발생(plasma run)으로 전환함에 따라 상기 플라즈마 이그니션 스위치의 스위칭을 제어하는 단계를 포함하되,
상기 플라즈마 이그니션의 스위치의 스위칭을 제어하는 단계는,
병렬 관계의 제1 임피더스 소자 및 제2 임피던스 소자를 구성하는 리액턴스의 종류에 따라 상기 제1 임피던스 소자에 직렬로 연결된 상기 플라즈마 이그니션 스위치의 스위칭을 통해, 플라즈마 점화(plasma ignition) 단계에서 플라즈마 발생(plasma run) 단계로의 전환에 따른 상기 플라즈마 챔버의 임피던스 감소를 보상함으로써 시스템이 정격을 유지하게 제어하는 단계를 포함하도록 구성되는,
플라즈마 전력 공급 방법.
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| KR1020210150503A KR20230064902A (ko) | 2021-11-04 | 2021-11-04 | 플라즈마 전력 공급 시스템 및 이의 전력 공급 방법 |
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| KR1020210150503A KR20230064902A (ko) | 2021-11-04 | 2021-11-04 | 플라즈마 전력 공급 시스템 및 이의 전력 공급 방법 |
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| KR102194601B1 (ko) | 2016-04-25 | 2020-12-23 | 주식회사 뉴파워 프라즈마 | 전자식 가변 임피던스 매칭박스를 구비한 플라즈마 전원 공급 시스템 |
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E902 | Notification of reason for refusal |