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KR101881536B1 - 출력전류 제어가 가능한 전력공급장치 및 이를 이용한 전력공급방법 - Google Patents

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KR101881536B1
KR101881536B1 KR1020170024655A KR20170024655A KR101881536B1 KR 101881536 B1 KR101881536 B1 KR 101881536B1 KR 1020170024655 A KR1020170024655 A KR 1020170024655A KR 20170024655 A KR20170024655 A KR 20170024655A KR 101881536 B1 KR101881536 B1 KR 101881536B1
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KR
South Korea
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plasma
power supply
resonant
inverter
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성원용
구근완
이병국
유승희
임창섭
문홍권
Original Assignee
주식회사 뉴파워 프라즈마
성균관대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 출력전류 제어가 가능한 전력공급장치는 플라즈마 발생기 내로 플라즈마를 유지하기 위한 전력공급장치에 있어서, 정류기, 인버터 및 위상 변환기를 구비하는 스위칭 전원; 상기 스위칭 전원과 연결되며 상기 플라즈마 발생기 내부로 플라즈마를 생성하는 플라즈마 소스; 상기 스위칭 전원과 상기 플라즈마 소스 사이에 연결되고, 상기 일차 권선과 직렬로 연결되는 공진 인덕터 및 상기 플라즈마 소스에 병렬로 연결되며 상기 공진 인덕터와 직렬로 연결되는 공진 캐패시터를 구비하는 공진 네트워크; 및 상기 공진 네트워크로 제공되는 전압 전류를 위상천이하기 위하여 상기 스위칭 전원을 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

출력전류 제어가 가능한 전력공급장치 및 이를 이용한 전력공급방법{POWER SUPPLY APPARATUS ABLE TO CONTROL OUTPUT CURRENT AND POWER SUPPLY METHOD USING THE SAME}
본 발명은 출력전류 제어가 가능한 전력공급장치 및 이를 이용한 전력공급방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이온, 자유 라디칼, 원자 및 분자를 포함하는 반응 가스를 생성하는 분야에서 플라즈마 발생기 내의 플라즈마를 유지하도록 전력을 제공하는 출력전류 제어가 가능한 전력공급장치 및 이를 이용한 전력공급방법에 관한 것이다.
플라즈마 방전은 가스를 여기하여 이온, 자유 라디칼, 원자 및 분자들을 포함하는 반응 가스를 생성하도록 사용될 수 있다. 반응 가스는 반도체 웨이퍼와 같은 고형 물질, 분말 및 기타 가스들을 처리하는 것을 포함하는 수 많은 산업 및 과학 응용분야에 사용된다. 플라스마 상태는 기체에 높은 에너지를 주었을 때 기체가 이온화되어 있는 상태를 말하며 이러한 플라스마 발생장치는 현대 반도체 제조 공정중 식각, 세정 등에 사용되고 있으며 반도체 시장이 커짐에 따라 그 중요성이 점차 증가하고 있다.
일반적으로 반도체 공정 과정에서 반도체를 만들기 위한 여러 공정을 거치게 되는데, 반도체 공정과정에서 생기는 부산물들은 진공펌프와 스크러버(Scruber)를 통해 배기로 빠져나오는 과정을 거치게 된다. 이때 플라즈마를 이용하여 반도체 공정 시 발생하는 미세 유기오염물 또는 산화물 등을 효과적으로 제거한다.
플라즈마를 공정 챔버 내에서 발생하거나 공정 챔버 외부에서 발생하는 방법이 있는데, 이중에서 공정 챔버 외부에서 플라즈마를 발생하는 방법으로는 리모트 플라즈마 발생기를 이용하는 것이 있다. 리모트 플라즈마 발생기(Remote plasma generator)는 중성 가스(Argon)에 높은 전계를 인가하여 중성 가스의 일부분이 양성자와 전자로 분리되고, 전계의 에너지에 의해 중성 기체와 전자 및 양성자가 혼합된 플라즈마를 발생시키는 장비이다.
리모트 플라즈마 발생기에 대한 플라즈마 공급원으로 DC 방전, 고주파(RF) 방전, 및 마이크로웨이브 방전을 포함하는 다양한 방식으로 플라즈마를 생성할 수 있다. DC 방전은 가스 내의 두 개의 전극 사이에 전위를 인가함으로써 달성된다. RF 방전은 전원으로부터 플라즈마 내로 에너지를 정전기 또는 유도 결합시킴으로써 달성된다. 유도 코일은 전류를 플라즈마 내에 유도하도록 통상적으로 사용된다. 마이크로웨이브 방전은 가스를 수용하는 방전 챔버 내에 마이크로웨이브 에너지를 직접 결합시킴으로써 달성된다. 마이크로웨이브 방전은 높게 이온화된 전자 사이클론공명(ECR) 플라즈마를 포함하는 넓은 범위의 방전 조건을 지원하도록 사용될 수 있다.
마이크로웨이브 또는 다른 타입의 RF 플라즈마 공급원과 비교하여, 토로이달(toroidal) 형상의 플라즈마 공급원은 낮은 전기장, 낮은 플라즈마 챔버 부식, 소형화, 및 비용 효과 면에서 장점을 갖는다. 토로이달 플라즈마 공급원은 ICP(inductively coupled plasma) 방식으로 플라즈마를 생성한다. 토로이달 플라즈마 발생기는 반도체 웨이퍼, 평판 디스플레이, 및 다양한 물질의 처리를 위해 불소, 산소, 수소, 질소 등을 포함하는 화학적으로 활성 가스를 생성하도록 사용되어 왔다.
토로이달 플라즈마 공급원의 가스 입구를 통해 공급되는 가스는 챔버 내부의 토로이달 플라즈마 채널을 따라 이동하며 플라즈마와 반응함으로써 활성화된 가스를 생성한다. 플라즈마 챔버 내에서의 가스의 흐름은 임피던스로 작용한다.
이렇게 만들어진 플라스마 상태를 유지하기 위해서는 일정 이상의 에너지가 필요하다. ICP방식을 이용한 토로이달 플라즈마 공급원의 경우 기체에 에너지를 공급하기 위해 자기장을 사용하며, 이 자기장을 발생시키기 위해 플라즈마 발생기에 높은 주파수의 전류를 공급해 준다. 이러한 전류의 크기가 줄어드는 경우 기체의 플라스마 상태 유지가 어려워지고, 플라스마 상태를 유지하지 못하는 기체는 부하로 작용하지 못하고 대기와 같은 개방형태의 전기 저항을 나타낸다. 이렇게 기체에 일정 이상의 에너지가 공급되지 못해 플라스마가 유지되지 않는 현상을 드랍아웃(drop-out) 현상이라고 한다. 플라즈마가 점화된 후 전기적인 저항값이 플라즈마 발생기에 인가되는 전류에 반비례하는 특성을 가진다. 이러한 특성은 플라즈마 부하에 공진형 전력공급장치를 사용하게 될 경우 드랍아웃 현상이 야기된다.
드랍아웃(Drop-out) 현상이 발생하는 경우 반도체 제조공정에 식각, 세정등의 공정에 문제가 발생하게 되고, 플라스마 발생장치를 재가동해야 하는 시간적 손실이 존재한다.
도 1은 플라즈마가 점화된 후 전력공급장치의 부하로 플라즈마가 동작할 때의 특성을 나타내는 도면이고, 도 2는 종래의 공진 네트워크 및 플라즈마 발생기의 공진 네트워크를 도시한 회로도이다.
도 1을 참조하면, 플라즈마 점화 이후 플라스마 부하는 전류의 변동에 반비례하는 전기적 저항값을 띄게 된다. 전력공급장치에서 주파수 가변을 통해 전류를 작게 제어하는 경우, 작아진 전류에 따라 플라스마의 전기적 저항값은 증가하게 되고, 따라서 출력전류는 다시 한번 작아지게 된다. 작아진 출력전류에 의해 다시 플라스마 부하의 전기적 저항값은 증가하게 되는 과정을 반복함으로써 결국 플라스마 부하는 플라즈마 점화전과 같은 공기의 형태로 돌아간다. 그러므로 일반적인 주파수 제어로 출력전류를 제어하기에는 어려움이 존재한다.
도 2를 참조하면, 현재 플라스마 발생, 유지용 전력공급장치의 경우 플라즈마 점화 전, 점화 후의 급격한 저항변화 조건에서도 플라스마를 발생, 유지시키며 플라스마에서 요구하는 높은 주파수의 전원을 만들기 위해 정전류를 출력하기에 용이한 공진형 전력공급장치를 사용한다. 이를 위해 LC 병렬 공진형 네트워크(1)를 사용하였다. 공진형 네트워크(1)는 플라즈마 발생기(5)와 직렬로 연결되는 공진 인덕터(3) 및 병렬로 연결되는 공진 캐패시터(4)를 포함한다.
플라즈마 발생, 유지용 전원장치의 경우 플라즈마 점화 전, 점화 후의 급격한 저항변화 조건에서도 플라즈마를 발생, 유지시키며 플라즈마에서 요구하는 높은 주파수의 전원을 만들기 위해 정전류를 출력하기에 용이한 공진형 전력공급장치를 사용한다. 이러한 시스템에서 출력전류를 가변하기 위해서는 주파수 가변이 필요하다.
공진형 전력공급장치에서 일반적인 부하의 경우 전류 증감에 관한 부하의 임피던스 변화가 없고, Q-factor의 변동에 대한 영향이 적으나, 플라즈마 부하의 경우 전류 증감에 대한 임피던스 변동으로 인해 Q-factor의 연쇄적인 변화가 발생하기 때문에 일반적인 주파수 제어로 출력을 얻기는 어렵다. 특히, 종래에는 플라즈마를 점화한 후 플라즈마 발생기를 동작하는데 있어서, 전력공급장치는 드랍아웃 현상을 고려하지 않고 설계되었고, 따라서 주파수 가변을 통한 전류제어만을 수행하였다.
본 발명의 목적은 위상천이 기법을 이용하여 드랍아웃 현상이 발생하지 않도록 플라즈마 발생기의 사양에 맞게 전력공급장치에의 출력전류를 제어할 수 있는 출력전류 제어가 가능한 전력공급장치 및 이를 이용한 전력공급방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시 예에 따른 출력전류 제어가 가능한 전력공급장치는 플라즈마 발생기 내로 플라즈마를 유지하기 위한 전력공급장치에 있어서, 정류기, 인버터 및 위상 변환기를 구비하는 스위칭 전원; 상기 스위칭 전원과 연결되며 상기 플라즈마 발생기 내부로 플라즈마를 생성하는 플라즈마 소스; 상기 스위칭 전원과 상기 플라즈마 소스 사이에 연결되고, 상기 일차 권선과 직렬로 연결되는 공진 인덕터 및 상기 플라즈마 소스에 병렬로 연결되며 상기 공진 인덕터와 직렬로 연결되는 공진 캐패시터를 구비하는 공진 네트워크; 및 상기 공진 네트워크로 제공되는 전압 전류를 위상천이하기 위하여 상기 스위칭 전원을 제어하는 제어부를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 소스는 하나 이상의 가스 입구와 하나 이상의 가스 출구가 구비되며, 내부에 토로이달 형상의 플라즈마 방전 채널을 갖는 토로이달 형상의 플라즈마 챔버; 상기 플라즈마 방전 채널에 쇄교하도록 상기 플라즈마 챔버에 설치되는 페라이트 코어와 상기 페라이트 코어에 권선되는 일차 권선을 포함하는 변압기를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 스위칭 전원은, 하프 브리지 인버터를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 스위칭 전원은, 풀 브리지 인버터를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 하나 이상의 가스 출구는, 기판을 처리하는 공정챔버와 연결된다.
일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 챔버는, 상기 플라즈마 방전 채널로 상기 플라즈마를 점화하기 위한 점화전극을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 공진 네트워크는 상기 공진 캐패시터와 일단이 직렬로 연결되고, 타단이 접지로 연결되는 수동소자를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 수동소자는, 저항, 인덕터, 캐패시터, 트랜스 또는 릴레이 중 적어도 하나 이상을 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 출력전류 제어가 가능한 전력공급장치를 이용한 전력공급방법은 플라즈마 발생기 내로 플라즈마를 유지하기 위한 전력을 제공하는 방법에 있어서, 정류기, 인버터 및 위상 변환기를 구비하는 스위칭 전원과 플라즈마 발생기 내부로 플라즈마를 생성하는 플라즈마 소스 및 상기 스위칭 전원과 상기 플라즈마 소스 사이에 연결되고, 상기 일차 권선과 직렬로 연결되는 공진 인덕터 및 상기 플라즈마 소스에 병렬로 연결되며 상기 공진 인덕터와 직렬로 연결되는 공진 캐패시터를 구비하는 공진 네트워크를 구비하는 단계; 제어부를 통해 상기 공진 네트워크에서 최대 출력전류가 출력될 수 있는 상기 공진 인덕터와 상기 공진 캐패시터 값을 확인하는 단계; 상기 제어부를 통해 상기 공진 네트워크에서 최소 출력전류가 출력될수 있는 최대 위상천이 각도를 확인하는 단계; 상기 최대 위상천이 각도에서 영전압 스위칭(ZVS:Zero Voltage Switching)이 가능한 상기 인버터의 전압, 전류의 위상을 확인하는 단계; 및 상기 제어부를 이용하여 상기 인버터의 출력 전류를 제어하는 단계를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 공진 네트워크는 상기 공진 캐패시터와 일단이 직렬로 연결되고, 타단이 접지로 연결되는 수동소자를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 저항, 인덕터, 캐패시터, 트랜스 또는 릴레이 중 적어도 하나 이상을 포함한다.
본 발명에 따른 출력전류 제어가 가능한 전력공급장치 및 이를 이용한 전력공급방법의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 위상천이를 이용하여 전력공급장치의 출력전류를 제어할 수 있어 플라즈마 점화 후의 드랍아웃 현상을 피할 수 있다. 또한 다양한 플라즈마 조건에 대해 출력 전류를 가변할 수 있어 효과적인 반도체 공정을 수행할 수 있다.
도 1은 플라즈마가 점화된 후 전력공급장치의 부하로 플라즈마가 동작할 때의 특성을 나타내는 도면이다.
도 2는 종래의 공진 네트워크 및 플라즈마 발생기의 공진 네트워크를 도시한 회로도이다.
도 3은 본 발명의 전력공급장치, 플라즈마 발생기 및 공정챔버의 연결구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 공진 네트워크 및 플라즈마 발생기를 도시한 회로도이다.
도 5는 위상천이 방식을 적용한 경우의 공진 네트워크 및 플라즈마 발생기를 도시한 회로도이다.
도 6은 위상천이 각에 따른 인버터 전압(Vo) 파형을 도시한 도면이다.
도 7은 위상천이 각에 따른 전류, 전압 파형을 도시한 그래프이다.
8은 인버터의 전압, 전류의 위상차이와 출력전류를 나타낸 그래프이다.
도 9는 위상천이 각에 따른 전력공급장치에서의 출력전류 변화를 나타낸 그래프이다.
도 10은 공진 네트워크의 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 11은 종래 및 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전력공급장치의 인버터 전압, 전류의 위상 및 전류의 크기를 비교한 그래프이다
도 12는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 공진 네트워크 및 플라즈마 발생기 도시한 회로도이다.
도 13은 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따른 공진 네트워크 및 플라즈마 발생기를 도시한 회로도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대해 상세히 설명하기로 한다. 본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
도 3은 본 발명의 전력공급장치, 플라즈마 발생기 및 공정챔버의 연결구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 플라즈마 발생 시스템은 전력공급장치(10), 플라즈마 발생기(20) 및 공정챔버(30)를 포함한다. 전력공급장치(10)는 플라즈마 발생기(20) 내로 플라즈마를 점화시키 위하여 플라즈마 발생기 내로 에너지를 전달하기 위한 구성이다. 전력공급장치(10)는 스위칭 전원(50)과 공진 네트워크(60)로 구성된다. 전력공급장치(10)는 플라즈마 발생기(20)로 에너지를 전달하여 플라즈마 발생기 내로 플라즈마를 점화 또는 발생시킨다.
플라즈마 발생기(20)는 플라즈마 소스로 플라즈마(예를 들면 Ar+)로 변환가능한 가스(예를 들면 Ar)를 수용하기 위한 몸체(24)를 구비한다. 몸체(24)는 하나 또는 그 이상의 측면이 공정챔버(30)에 노출되어, 플라즈마에 의해 생성되는 대전된 입자가 처리될 물질과 직접 접촉하도록 한다. 선택적으로, 플라즈마 발생기(20)는 공정챔버(30)로부터 일정 거리에 위치되어, 활성화된 가스가 공정챔버(30) 내로 유동하도록 한다.
플라즈마 발생기(20)는 내부에 토로이달 형상의 플라즈마 방전 채널(22)을 포함하는 몸체(24) 및 전자기 에너지를 플라즈마 방전 채널(22) 내에 형성하여 플라즈마로 결합시키는 변압기(40)를 포함한다. 변압기는 페라이트 코어(44), 일차권선(42)을 포함한다. 페라이트 코어(44)는 플라즈마 방전 채널(22)에 쇄교하며 몸체(24)의 일부를 감싸도록 설치된다. 페라이트 코어(44)의 일부에는 일차권선(42)이 권선된다. 변압기(40)의 일차측은 일차권선(42)을 포함하고, 변압기(40)의 이차측은 플라즈마 방전 채널(22)에 형성되는 플라즈마를 포함한다. 일차권선(42)은 전력공급장치(10)와 연결되고, 전력공급장치(10)로부터 전력을 제공받아 구동된다. 전력공급장치(10)로부터의 에너지는 플라즈마 발생기(20)를 통과하는 가스와 변압기(40)를 통해 유도 연결되는 플라즈마를 점화 또는 생성한다. 플라즈마 발생기(20) 내에서 점화된 플라즈마는 변압기(40)의 이차측으로서 기능한다.
전력공급장치(10)는 높은 여기 전압을 변압기(40)의 일차 권선(42)에 인가한다. 이러한 여기 전압은 일차 권선(42) 내에 고전압 전류를 유도함으로써, 페라이트 코어(44)를 통해 교류 자기장을 생성한다. 그 결과, 전류는 플라즈마 발생기(20) 내의 가스로 유도되어 플라즈마의 점화를 유발한다. 플라즈마가 일단 생성되고 나면, 플라즈마는 다른 소스 가스를 여기하도록 사용되어, 원하는 반응가스를 생성한다.
플라스마가 전력공급장치(10)의 부하로 동작할 때, 플라즈마 점화전에는 대기중의 공기저항과 유사한 무한대의 저항값을 가진다. 그러나 플라즈마 점화 후에는 급격한 저항값 감소와 함께 플라즈마가 전력공급장치(10)의 부하로 동작하게 된다. 또한 플라즈마 발생기(20)가 동작중에는 임피던스 변화가 작다.
공정챔버(30)는 내부에 피처리 기판(34)을 지지하기 위한 서셉터(32)를 포함한다. 서셉터(32)는 임피던스 정합기(미도시)를 통하여 하나 이상의 바이어스 전원 공급원에 전기적으로 연결될 수 있다. 플라즈마 발생기(20)의 가스 배출구(23)는 어댑터(29)를 통해 연결되어 플라즈마 발생기(20)로부터 활성화 가스가 어댑터(29)을 통해 공정챔버(30)로 공급된다. 어댑터(29)는 전기적 절연을 위한 절연 구간을 구비할 수 있으며, 과열을 방지하기 위한 냉각 채널을 구비할 수 있다(미도시). 피처리 기판(34)은 예를 들어, 반도체 장치를 제조하기 위한 실리콘 웨이퍼 기판 또는 액정디스플레이나 플라즈마 디스플레이 등의 제조를 위한 유리 기판이다.
플라즈마 발생기(20)는 활성화된 가스를 공정챔버(30)로 공급한다. 플라즈마 발생기(20)로부터 공급된 활성화 가스는 공정챔버(30) 내부를 세정하기 위한 세정용으로 사용되거나 서셉터(32)에 안착되는 피처리 기판(34)을 처리하기 위한 공정용으로 사용될 수 있다. 플라즈마 발생기(20)는 활성화된 가스를 배출하기 위한 플라즈마 소스로써 유도 결합 플라즈마 , 용량 결합 플라즈마 또는 변압기 플라즈마를 사용할 수 있다. 이중에서 본 발명에서의 플라즈마 발생기(20)는 변압기 플라즈마를 사용한다.
도면에서는 도시하지 않았으나, 플라즈마 발생기(20)는 공정챔버(30)와 배기펌프(36) 사이에 설치될 수 있다. 배기펌프(36)는 공정챔버(30)의 배기구(35)에 연결된다. 플라즈마 발생기(20)는 공정챔버(30) 내에서 발생되어 배출되는 유해가스(과불화탄소)를 공급받아 무해한 가스로 분해하여 배출한다. 플라즈마 발생기(20)에 의해 환경오염물질인 유해가스를 분해하여 배출할 수 있을 뿐만아니라 배기펌프(36)의 손상을 방지할 수 있다. 이때 별도의 플라즈마 공급원이 구비될 수 있다.
제어부(70)는 시스템 전반을 제어하기 위한 구성으로, 전력공급장치(10)와 연결되어 플라즈마 발생기(20)로 공급되는 전력을 제어한다. 구체적으로 도시하지는 않았으나 전력공급장치(10)에는 비정상적인 동작 환경에 의해 발생될 수 있는 전기적 손상을 방지하기 위한 보호회로가 구비된다. 제어부(70)는 플라즈마 처리 시스템의 동작 과정 전반을 제어하기 위한 제어 신호를 발생하여 플라즈마 발생기(20)와 공정 챔버(30)의 동작을 제어한다. 플라즈마 발생기(20)에는 플라즈마 상태를 측정하기 위한 측정센서(미도시)가 구비되고, 제어부(70)는 측정된 값과 정상 동작에 기준한 기준값과 비교하면 전력공급장치(10)를 제어하여 인버터의 전압 및 전류를 제어한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 공진 네트워크 및 플라즈마 발생기를 도시한 회로도이고, 도 5는 위상천이 방식을 적용한 경우의 공진 네트워크 및 플라즈마 발생기를 도시한 회로도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 전력공급장치(10)는 스위칭 전원(50)과 공진 네트워크(60)를 포함한다. 스위칭 전원(50)은 정류기(52), 인버터(54) 및 위상 변환기(56)를 포함한다. 스위칭 전원(50)은 하프 브리지 인버터 또는 풀 브리지 인버터 중 하나일 수 있다. 정류기(52)에 의해 얻어지는 직류를 인버터(54)에 의해 변환하여 위상 변환기(56)로 제공한다. 위상 변환기(56)에서는 인버터(54)에서 출력되는 전류, 전압을 위상 천이(phase shift)시킨다.
공진 네트워크(60)는 일차 권선(42)의 공진 인덕터로서 사용되며 스위칭 전원(50) 및 일차 권선(42) 사이에 연결된다. 공진 네트워크(60)의 공진 주파수 또는 그 근처의 주파수를 갖는 스위칭 전원으로부터 여기 전압에 응답하여 공진 전압 또는 실질적인 공진 전압은 고 전압을 유도하는 변압기(40)의 일차 권선(42) 양단에 인가된다. 일차 권선(42) 내의 공진 전류는 플라즈마 발생기(20) 내부로 플라즈마 점화를 유발한다.
공진 네트워크(60)는 스위칭 전원(50)에 의해 구동된다. 공진 네트워크(60)는 공진 캐패시터(64)와 직렬 연결되는 공진 인덕터(62)를 갖는 LC회로를 포함한다. 공진 캐패시터(64)는 일차 권선(42)과 병렬 연결되고, 공진 인덕터(42)는 일차 권선(42)과 직렬로 연결된다. 공진 인덕터(62) 및 공진 캐패시터(64)는 저역 통과 필터 네트워크를 형성한다. 여기 전압이 공진 네트워크(60) 양단에 인가됨으로써, 공진 네트워크(60)가 일차 권선(42) 양단에 실질적인 공진 AC전압을 제공하며, 일차 권선(42)에 실질적인 공진 전류를 유도하여 플라즈마 발생기(20) 내로 플라즈마를 점화한다.
생성된 플라즈마는 변압기(40)의 이차측으로서 역할을 수행한다. 플라즈마 는 인덕턴스(L) 및 리액턴스(Z)를 갖는 등가회로로 표시될 수 있다. 인덕터에서의 iplasma는 인버터 출력전압에 따라 임피던스 값에 따라 계산되는 출력 부하(Zplasma)로의 전류이다. .한편, 플라즈마 발생기(20)의 몸체(24)는 토로이달 형태로 제조되거나, 가스의 환상 유동을 제공하는 다른 형상으로 제조될 수 있다.
본 발명에서의 위상천이 제어 방식은 스위치에서 발생하는 전압, 전류의 손실을 저감하기 위한 방안으로 주로 높은 스위칭 주파수를 요구하는 시스템에서 사용된다. 일반적인 시스템의 경우 스위치의 온 오프에 따라 전압, 전류가 교차하는 부분에서 Won, Woff와 같은 손실이 발생하게 되는데, 이러한 점을 개선하기 위해 스위치의 온, 오프되는 시점에 공진을 일으켜 스위치가 온 오프되는 순간의 전압 혹은 전류의 모양을 ‘성형’하여 전압 혹은 전류가 0이하가 되도록 설정해 스위치의 온 오프에서 발생하는 손실을 저감하게 된다(ZVS : zero voltage switching).
종래에는 임피던스 변화를 위해 스위칭 주파수를 가변하여 출력전류를 제어하게 되지만 본 발명에서는 위상천이 방식을 이용하여 기본파의 크기를 제어하게 된다.
도 6은 위상천이 각에 따른 인버터 전압(Vo) 파형을 도시한 도면이고. 도 7은 위상천이 각에 따른 전류, 전압 파형을 도시한 그래프이다.
도 6(a)는 위상천이 각이 없을 때 인버터 전압(Vo)의 파형을 도시한 그래프이고, 도 6(b)는 위상천이 각이 있을 때 인버터 전압(Vo)의 파형을 도시한 그래프이다.
도6 을 참조하면, 스위치를 켜주는 것에 착안하여 스위치가 켜지고 꺼지는 시간은 동일 하더라도 스위치가 켜지는 시점의 위상차이를 준다면 VDC로 표현되는 인버터 전압의 크기가 변하게 되고 그 변화하는 인버터 전압만큼 인버터 전압의 위상차이 또한 변화하게 된다.
도 7을 참조하면, 시뮬레이션 파형의 경우 위상천이 정도에 따른 출력전류의 크기의 변화를 나타낸다. 붉은색 파형의 경우 인버터의 출력전압이 되고, 파란색 파형은 인버터의 출력전류, 보라색 파형은 부하측 전류(iplasma)를 나타낸다. 위상천이 되어 붉은 색 파형의 면적이 점점 작아짐에 따라 그에 해당하는 기본파의 크기 또한 작아지게 되고 작아진 기본파에 의해 iplasma의 크기가 줄어들게 된다. 그러므로 위상천이 방식을 이용함으로써 기본파의 크기를 제어할 수 있다.
본 발명인 위상천이 방식을 이용하여 플라즈마를 유지하기 위한 방법을 설명하면 다음과 같다.
전력공급장치(10)는 플라즈마 상태를 유지하기 위해 일반적으로 400KHZ의 주파수를 제공한다. 따라서, 공진된 주파수는 400KHZ 이하의 영역에서 선정되며, 최대 출력전류 사양과 최소 출력전류 사양을 만족하기 위한 공진 네트워크 설정이 요구된다. 공진 네트워크 설정을 위해서는 먼저 제어부(70)에서 공진 네트워크(60)에서 최대 출력전류가 출력될 수 잇는 공진 인덕터(62)와 공진 캐패시터(64) 값을 확인한다. 그리고 공진 네트워크(60)에서 최소 출력전류가 출력될 수 있는 최대 위상천이 각을 제어부(70)를 통해 계산한다. 위상천이 각은 아래 [수학식 1] 및 [수학식 2]를 통해 구할 수 있다.
Figure 112017019238926-pat00001
Figure 112017019238926-pat00002
VDC : 인버터 DC link 전압(입력전압.)
n : 차수
Vo. Inv 의 경우 위상천이에 의한 기본파 및 고조파의 크기의 변화정도를 나타내는 수식임.(퓨리에 변환에서의 기본파, 고조파와 같은 용어임)
Iplasma : 인버터 출력전압에 따라 임피던스 값에 따라 계산되는 출력 부하(R : Zplasma)로의 전류이다. 수식을 간단히 표현하고자 병렬 임피던스 계산의 경우 A, B의 병렬임피던스 A//B로 표현하였다.
S : 주파수 도메인에서의 변수를 나타낸다. (s = jw)
[수학식 1]은 위상천이 되었을 때 인버터의 출력전압(Vo.inv)을 확인할 수 있다. [수학식 2]는 인버터 출력전압에 대한 부하 전류를 나타낸다. 두 수학식으로부터 최소 출력전류 사양을 만족하는 최대 위상천이 각을 확인할 수 있다. 확인된 최대 위상천이 각에서 영전압 스위칭(ZVS:Zero Voltage Switching)이 가능한 인버터(54)의 전압, 전류의 위상을 확인할 수 있다.
예를 들어, 설명한 방식으로 최대 위상천이 각에서 영전압 스위칭(ZVS:Zero Voltage Switching)이 가능하며 최소 출력전류 30A을 만족하고, 위상천이 각을 구이 0°에서 최대 출력전류 40A를 얻을 수 있는 공진 인덕터(62)와 공진 캐패시터(64)를 선정함으로써 최종 공진 네트워크를 선정한다.
상기에 설명한 바와 같은 방식으로 선정된 공진 네트워크(60)는 동작주파수 400kHz에서 θ’이 0˚일 때 최대 전류 40A를 가지며 θ’이 85˚일 때 최소 전류 30A를 가지도록 설계된다.
도 8은 인버터의 전압, 전류의 위상차이와 출력전류를 나타낸 그래프이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 공진 네트워크(60)는 최대 위상천이 각에서 영전압 스위칭(ZVS:Zero Voltage Switching)이 가능하며, 드랍아웃(drop-out) 현상 없이 전력공급장치(10)에서 플라즈마 발생기(20)로 제공되는 출력을 제어할 수 있다.
도 9는 위상천이 각에 따른 전력공급장치에서의 출력전류 변화를 나타낸 그래프이다.
도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 전력공급장치(10)는 위상 변환기(56)를 통한 위상천이가 이루어지고, 위상천이 각에 따라 출력 전류가 제어됨으로써, 종래와 같이 주파수 제어를 하지 않고, 위상천이 방식을 통해 출력전류를 제어할 수 있다. 또한 플라스의 점화 후 특성인 드랍아웃을 전력공급장치에서 전류를 제공할 때 고려한다. 출력전류를 제어하는 방식에서 본 발명에서는 인버터의 위상천이 기법을 설명하였으나, 듀티 가변 기법 또는 DC link 전압제어 기법을 이용할 수 있다.
도 10은 공진 네트워크의 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 10을 참조하면, 본 발명에서의 공진 네트워크(60)는 수동소자(passive element)를 포함한다. 수동소자는 전기회로에서 전기적 에너지를 전달 또는 흡수할 뿐 증폭, 전기 에너지의 변환 등 능동적 기능을 가지지 않는 소자를 일컫는다. 수동소자는 공진 캐패시터(64)와 직렬로 연결되는데, 보다 상세하게는 일단은 공진 캐패시터(64)와 직렬로 연결되고, 타단은 접지(-)로 연결된다. 수동소자는 저항, 인덕터, 캐패시터, 트랜스 또는 릴레이 중 적어도 하나 이상을 선택할 수 있으며, 공진 캐패시터(64)와 직렬로 연결된다. 한편, 상기에서 설명된 수동소자의 리액턴스 값은 고정되거나 가변될 수 있다.
본 발명에서는 수동소자 중 인덕터(66)를 공진 캐패시터(64)와 연결하였다. 종래의 공진 네트워크에서는 공진 인덕터(62) 및 공진 캐패시터(64)에 의한 공진을 통해 부하(플라즈마)로 가는 전류의 크기를 결정할 수 있었다. 반면에, 본 발명에 따른 공진 네트워크(60)에서는 수동소자인 인덕터(66)의 크기를 바꿈으로써 공진 주파수 부근에서의 인버터(54) 전류 크기를 조절할 수 있다. 도면에서는 도시하지 않았으나, 다른 실시예로 인덕터(66)는 스위칭 회로를 통해 연결되어 가변될 수 있다.
인덕터(66)에 의해 저항이 무한대에 가까웠던 플라즈마 점화 전 상황에서 인버터(54)의 전류 크기를 줄일 수 있다. 그러므로 동일 주파수에서 낮은 인버터 (54) 전류를 얻을 수 있어 인버터(54)의 전압, 전류의 위상차를 확보하기 용이하다. 이를 통해, 종래에 비하여 낮은 스위칭 주파수에서도 플라즈마 점화가 가능할 수 있다. 특히, 공진 주파수 대비 스위칭 주파수를 무한정 올릴 수 없는 현재의 전력 공급 시스템에서는 더욱 효과적이다.
플라즈마가 점화하면, 단락 전류는 스위칭 전원(50)으로 흐르지 않는다. 대신, 플라즈마가 점화한 후 변압기(40)의 일차 권선(42)의 인덕턴스가 감소되더라도 공진 네트워크(60)의 공진 인덕터(62)는 스위칭 전원(50)으로의 복귀를 위한 안전 작동 수준에 대한 일차 권선(42)을 통한 저역 통과 필터 제한 전류로서 기능을 계속 수행한다. 따라서, 고전류로 인한 스위칭 전원(50) 내의 구성 요소들에 대한 손상은 거의 방지된다.
하기에서는 수학식을 이용하여 인버터 전류의 크기에 반비례하는 입력 임피던스를 계산하는 것을 설명한다.
Figure 112017019238926-pat00003
Figure 112017019238926-pat00004
Zin : 공진네트워크 단자에서 부하측을 바라본 임피던스
ω : 2*pi*f (pi : 3.141592…, f : 공진네트워크 입력의 기본파 주파수)
임피던스를 단순화 하기 위해 R이 ∞인 플라즈마 점화 전 상황을 가정함.
[수학식 3]은 종래의 인버터측 이하의 임피던스를 나타내고, [수학식4]는 종래의 인버터측 이하에서 본 전체 임피던스에서 플라즈마의 특성을 고려한 플라즈마 점화 전의 임피던스를 나타낸다.
인버터(54) 측의 임피던스는 공진 네트워크(60), 플라즈마 발생기(20)와 플라즈마의 저항 등가값에 의해 표현이 가능하며, 이 임피던스 값의 실수, 허수 값을 통해 인버터(54)의 전압, 전류의 위상차를 알수 있고, 추가로 인버터의 전류 값을 알 수 있다.
[수학식 3]은 공진 인덕터(3)와 공진 캐패시터(4)(도면 2에서 C1)는 플라스마의 점화 후의 전력공급장치의 동작을 위해 적용되며, 인덕터(L2, L3)의 경우는 플라스마 발생기(20)에 의해 발생하는 부분으로 전체 동작을 위해 값을 변경하는 것에는 한계가 있다. 종래의 방법으로는 플라즈마를 점화한 후 전력공급장치의 동작에 초점을 맞추어 공진 네트워크를 설계하고, 플라즈마 점화 전의 동작을 위해 전력공급장치의 동작 주파수를 높여 플라즈마 발생기를 동작시켜야 했다.
Figure 112017019238926-pat00005
[수학식 5]은 본 발명의 인버터에서 본 전체 임피던스를 나타낸다.
Figure 112017019238926-pat00006
[수학식 6]은 본 발명의 인버터에서 본 전체 임피던스에서 플라즈마의 특성을 고려한 임피던스를 나타낸다.
임피던스를 구하는 과정에서 실수부는 R이 ∞인 상황에서 0이 되기 때문에 생략 하였고, 허수부에 관한 부분에 관해서만 나타내었다. R이 ∞인 상황에서 인버터 전류에 영향을 주는 수식은 Zin(단자측에서 부하를 바라본 임피던스)에서 허수부에 의해서만 결정되고 이때, 수동소자(L4)의 영향에 의해 같은 주파수에서 기존대비 낮은 인버터 전류를 얻을 수 있다.
본 발명에 따라 공진 네트워크(60)에 수동소자(L4)를 추가하면, [수학식 3]은 [수학식 5]과 같이 변경될 수 있고, 추가적인 수동소자(L4)를 통해 플라즈마 점화 전의 인버터(54) 전압, 전류의 위상차를 계산하여 위상차를 개선할 수 있다. 또한 [수학식 6]에는 수동소자(L4)가 추가됨으로써, 인버터(54) 전압, 전류의 크기를 계산하여 전압, 전류의 크기를 조절할 수 있다.
결과적으로, 본 발명에 의하면, 플라즈마 점화 전 동작시 기존에 대비하여 동일한 주파수에서 인버터 전류의 크기를 조절이 가능하여 낮은 인버터 전류를 얻을 수 있다. 그러므로 인버터의 전압, 전류의 위상차를 확보하기가 용이하여 낮은 스위칭 주파수에서도 플라즈마 점화가 가능하게 된다. 또한 저항이 무한대에 가까운 플라즈마 점화 전의 상황에서 인버터 전류의 크기를 줄일 수 있다. 특히, 공진 주파수에 대비하여 스위칭 주파수를 무한정 올릴 수 없는 현재 시스템에 적용하여 동일한 주파수에서 인버터 전류의 크기를 조절할 수 있다.
도 11은 종래 및 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전력공급장치의 인버터 전압, 전류의 위상 및 전류의 크기를 비교한 그래프이다.
도 11(a)를 참조하면, 종래의 플라즈마 전력공급장치에서 인버터 이하의 전기적 등가모델에서 화살표로 표시된 구간은 영전압 스위칭(ZVS:Zero Voltage Switching)이 불가능한 구간을 나타낸다. 도 11(b)를 참조하면, 본 발명의 플라즈마 전력공급장치에서 인버터 이하의 전기적 등가모델에서 화살표로 표시된 구간은 영전압 스위칭(ZVS:Zero Voltage Switching)이 불가능한 구간을 나타낸다. 그러므로 도 11(a)와 도 11(b)를 비교하면, 본 발명의 전력공급장치는 추가적인 수동소자(L4)를 활용하여 영전압 스위칭(ZVS:Zero Voltage Switching)이 가능한 구간을 확보할 수 있다. 또한 추가적인 수동소자(L4)를 이용하여 인버터 전류의 크기도 조절이 가능하다.
도 12는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 공진 네트워크 및 플라즈마 발생기 도시한 회로도이다.
도 12를 참조하면, 공진 네트워크(60a)는 수동소자로써 가변 인덕터(67)가 연결될 수도 있다. 가변 인덕터(67)는 공진 캐패시터(64)와 직렬로 연결되는데, 보다 상세하게는 일단은 공진 캐패시터(64)와 직렬로 연결되고, 타단은 접지(-)로 연결된다. 가변 인덕터(67)를 이용하여 인덕턴스 값을 조절하여 인버터의 전압, 전류의 크기를 제어할 수 있다. 가변 인덕터(67)를 제외한 나머지 구성은 상기에 설명한 실시예와 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
도 13은 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따른 공진 네트워크 및 플라즈마 발생기를 도시한 회로도이다.
도 13을 참조하면, 공진 네트워크(60b)는 가변 인덕터(67)의 일 실시예로써 멀티탭(67b)을 이용하여 인덕턴스 값을 조절할 수 있다. 가변 인덕터(67)는 스위칭 회로(67a)를 통해 멀티탭(67b)에 연결됨으로써 가변 인덕터(67)의 권선수를 조절하여 인덕턴스 값을 조절한다. 가변 인덕터(67)는 공진 캐패시터(64)와 직렬로 연결되는데, 보다 상세하게는 일단은 공진 캐패시터(64)와 직렬로 연결되고, 타단은 접지(-)로 연결된다. 가변 인덕터(67)를 이용하여 인덕턴스 값을 조절하여 인버터의 전압, 전류의 크기를 제어할 수 있다. 가변 인덕터(67)를 제외한 나머지 구성은 상기에 설명한 실시예와 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
도면에 도시하지 않았으나, 플라즈마 발생기(20)는 플라즈마 점화를 위한 점화전극을 더 포함할 수 있다. 점화전극은 전력공급장치(10)에 연결되어 구동될 수 있다. 점화전극은 토로이달 형상의 플라즈마 방전 채널(22) 내의 플라즈마를 점화하는 초기 이온화 이벤트를 제공하는 자유 전하를 생성한다. 초기 이온화 이벤트는 플라즈마 발생기(20)에 인가되는 짧고 높은 전압 펄스일 수 있다. 연속적인 높은 RF 전압은 또한 초기 이온화 이벤트를 생성하도록 사용될 수 있다. 자외선 복사는 또한, 플라즈마 방전 채널(22) 내의 플라즈마를 점화하는 초기 이온화 이벤트를 제공하는, 플라즈마 방전 채널(22) 내의 자유 전하를 생성하도록 사용될 수 있다. 또는, 플라즈마 발생기(20)는 몸체(24)에 광학 결합하는 자외선 광원(미도시)으로부터 나오는 자외선 복사에 노출되어 플라즈마를 점화하는 초기 이온화 이벤트를 유발할 수 있다.
이상의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
10: 전력공급장 20: 플라즈마 발생기
21: 가스 주입구 22: 플라즈마 방전 채널
23: 가스 배출구 24: 몸체
29: 어댑터 30: 공정챔버
32: 서셉터 34: 피처리 기판
35: 배기구 36: 배기펌프
40: 변압기 42: 일차 권선
44: 페라이트 코어 50: 스위칭 전원
52: 정류기 54: 인버터
56: 위상 변환기 60: 공진 네트워크
62: 공진 인덕터 64: 공진 캐패시터

Claims (11)

  1. 플라즈마 발생기 내로 플라즈마를 유지하기 위한 전력공급장치에 있어서,
    정류기, 인버터 및 위상 변환기를 구비하는 스위칭 전원;
    상기 플라즈마 발생기에 결합되는 페라이트 코어 및 상기 페라이트 코어에 권선되는 일차 권선을 포함하는 변압기;
    상기 스위칭 전원과 상기 변압기 사이에 연결되고, 상기 일차 권선과 직렬로 연결되는 공진 인덕터 및 상기 일차 권선에 병렬로 연결되며 상기 공진 인덕터와 직렬로 연결되는 공진 캐패시터를 구비하는 공진 네트워크; 및
    상기 공진 네트워크로 제공되는 전압 전류를 위상천이하기 위하여 상기 스위칭 전원을 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 공진 네트워크는 상기 공진 캐패시터와 일단이 직렬로 연결되고 타단이 접지로 연결되어 상기 인버터의 출력을 조절하기 위한 인덕터를 더 포함하는,
    출력전류 제어가 가능한 전력공급장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 공진 캐패시터와 직렬로 연결된 상기 인덕터는 상기 인버터의 전압 및 전류의 크기를 제어할 수 있도록 가변 인덕터로 구성되는, 출력전류 제어가 가능한 전력공급장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 전원은,
    하프 브리지 인버터를 포함하는 출력전류 제어가 가능한 전력공급장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 전원은,
    풀 브리지 인버터를 포함하는 출력전류 제어가 가능한 전력공급장치.
  9. 제1항, 제4항, 제7항 및 제8항 중 어느 한 항에 따른 출력전류 제어가 가능한 전력공급장치를 이용하여 상기 플라즈마 발생기 내로 플라즈마를 유지하기 위한 전력을 제공하는 방법에 있어서,
    상기 제어부를 통해 상기 공진 네트워크에서 최대 출력전류가 출력될 수 있는 상기 공진 인덕터와 상기 공진 캐패시터 값을 확인하는 단계;
    상기 제어부를 통해 상기 공진 네트워크에서 최소 출력전류가 출력될수 있는 최대 위상천이 각도를 확인하는 단계;
    상기 최대 위상천이 각도에서 영전압 스위칭(ZVS:Zero Voltage Switching)이 가능한 상기 인버터의 전압, 전류의 위상을 확인하는 단계; 및
    상기 제어부를 이용하여 상기 인버터의 출력 전류를 제어하는 단계를 포함하는 출력전류 제어가 가능한 전력공급장치를 이용한 전력공급방법.
  10. 삭제
  11. 삭제
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