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KR20230071350A - Plasma power apparatus using double phase control and its control method - Google Patents

Plasma power apparatus using double phase control and its control method Download PDF

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KR20230071350A
KR20230071350A KR1020210157453A KR20210157453A KR20230071350A KR 20230071350 A KR20230071350 A KR 20230071350A KR 1020210157453 A KR1020210157453 A KR 1020210157453A KR 20210157453 A KR20210157453 A KR 20210157453A KR 20230071350 A KR20230071350 A KR 20230071350A
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KR
South Korea
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phase control
output
power
leg
module
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김민재
임은석
최대규
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주식회사 뉴파워 프라즈마
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Abstract

The present invention relates to a plasma power apparatus using double phase control to change output at high speed and a control method thereof. According to the present invention, the plasma power apparatus using double phase control comprises: a radio frequency (RF) power amplification unit generating first and second radio-frequency power signals of a pulse waveform and selectively or overlappingly performing leg phase control and module phase control in response to non-linearity of output power; an RF sensor detecting an electrical signal according to a change in impedance of an RF load to output an electrical detection signal; and a controller using a forward power command value applied from the outside and a forward power detection value and reverse power detection value output from the RF sensor to output a leg face control signal and/or module face control signal for controlling the RF power amplification unit.

Description

이중 페이스 제어를 이용한 플라즈마 파워 장치 및 그의 제어 방법{PLASMA POWER APPARATUS USING DOUBLE PHASE CONTROL AND ITS CONTROL METHOD}Plasma power device using double phase control and its control method

본 발명은 레그 페이스 제어와 모듈 페이스 제어를 중첩함으로써 레그 제어의 비선형성을 배제할 수 있는 이중 페이스 제어를 이용한 플라즈마 파워 장치 및 그의 제어 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a plasma power device using dual phase control capable of eliminating nonlinearity of leg control by overlapping leg phase control and module phase control, and a control method thereof.

플라스마 에칭(plasma etching)은 반도체 제조 공정에서 빈번히 사용된다. 플라스마 에칭에서, 이온은 기판 상에 노출된 표면을 에칭하기 위하여 전계(electric field)에 의해 가속된다. 전계는 고주파 전력 시스템의 고주파 발생기에 의해 발생되는 고주파 전력 신호들에 따라 발생된다. 고주파 발생기에 의해 발생되는 고주파 전력 신호들은 플라스마 에칭을 효율적으로 실행하도록 정밀하게 제어된다.Plasma etching is frequently used in semiconductor manufacturing processes. In plasma etching, ions are accelerated by an electric field to etch an exposed surface on a substrate. The electric field is generated according to the high frequency power signals generated by the high frequency generator of the high frequency power system. The high frequency power signals generated by the high frequency generator are precisely controlled to efficiently perform plasma etching.

고주파 전력 시스템은 고주파 발생기, 매칭 네트워크(matching network), 및 플라스마 챔버와 같은 부하를 포함할 수 있다. 고주파 전력 신호는 집적회로(IC)들, 솔라 패널, 콤팩트 디스크(CD), 및/또는 DVD와 같은 다양한 부품들을 제조하기 위하여 부하를 구동하도록 사용된다. 부하는 광대역 미스매치 부하(broadband mismatched loads, 예를 들면, 미스매치 저항기 종단), 협대역 미스매치 부하(예를 들면, 2-소자 매칭 네트워크), 및 공진기 (resonator) 부하를 갖는 케이블들을 포함할 수 있다.A high frequency power system may include a load such as a high frequency generator, a matching network, and a plasma chamber. A high frequency power signal is used to drive a load to manufacture various components such as integrated circuits (ICs), solar panels, compact discs (CDs), and/or DVDs. Loads may include cables with broadband mismatched loads (eg, mismatched resistor terminations), narrowband mismatched loads (eg, two-element matched networks), and resonator loads. can

고주파 전력 신호는 공진 네트워크에 수신된다. 공진 네트워크는 공진 네트워크의 입력 임피던스를 고주파 발생기와 공진 네트워크 사이의 전송 라인의 특성 임피던스에 매칭한다. 임피던스 매칭은 플라스마 챔버를 향하여 순방향으로 공진 네트워크에 인가되는 공진 네트워크의 전력량("순방향 전력")을 최소화하는 데에 도움을 주며, 공진 네트워크로부터 고주파 발생기로 반사되는 전력량("역방향 전력")을 최소화하는 데에 도움을 준다. 임피던스 매칭은 공진 네트워크로부터 플라즈마 챔버로의 순방향 전력 출력을 최대화하는 데에 도움을 준다.A high frequency power signal is received in the resonant network. The resonant network matches the input impedance of the resonant network to the characteristic impedance of the transmission line between the high frequency generator and the resonant network. Impedance matching helps minimize the amount of power from the resonant network applied to the resonant network in the forward direction towards the plasma chamber ("forward power") and minimizes the amount of power reflected from the resonant network to the high frequency generator ("reverse power"). help to do Impedance matching helps maximize the forward power output from the resonant network to the plasma chamber.

고주파 신호를 부하에 인가하는 데에는 다양한 방법이 있다. 일례에 따르면, 연속파(continuous wave) 신호를 부하에 적용하는 것이다. 연속파 신호는 일반적으로 고주파 전원장치에 의해 부하로 연속적으로 출력되는 정현파(sinusoidal wave)이다. 연속파 접근법에서, 고주파 신호는 정현파 출력을 추정하고, 정현파의 진폭 및/또는 주파수는 부하에 적용되는 출력 전력을 변경하기 위하여 다양할 수 있다. 또 다른 접근법은, 서로 다른 전위를 갖는 전압을 중첩함으로써 고주파 신호를 부하에 인가할 수 있다.There are various methods for applying a high-frequency signal to a load. According to one example, a continuous wave signal is applied to the load. The continuous wave signal is generally a sinusoidal wave continuously output to a load by a high frequency power supply. In the continuous wave approach, the high frequency signal assumes a sinusoidal output, and the amplitude and/or frequency of the sinusoidal wave can be varied to change the output power applied to the load. Another approach is to apply a high-frequency signal to a load by superimposing voltages having different potentials.

그런데, 연속파 접근법이나 전압 중첩법은 부하에 인가되는 전압 레벨을 제어하여 고주파 신호를 생성하므로 플라즈마 처리 챔버 내에서 연속적으로 다양하게 발생하는 부하 변동에 속응성 있게 대응하지 못한다는 단점이 있다. However, since the continuous wave approach or the voltage superposition method generates a high-frequency signal by controlling the voltage level applied to the load, there is a disadvantage in that it cannot promptly respond to load variations continuously and variously occurring in the plasma processing chamber.

이에 출원인은 특허출원 10-2018-0135556호(부하 변동에 속응성을 가진 플라즈마 파워 장치 및 그의 제어 방법)를 통해 전압 레벨 제어와 위상차 제어를 연속적이고도 교번적으로 수행함으로써 부하 변동에 빠르게 응답할 수 있는 플라즈마 파워 장치 및 그의 제어 방법을 제시한 바 있다.Accordingly, the applicant can respond quickly to load fluctuations by continuously and alternately performing voltage level control and phase difference control through Patent Application No. 10-2018-0135556 (Plasma Power Device Responsive to Load Fluctuation and Control Method thereof) Plasma power device and its control method have been proposed.

한국등록특허 10-1287598호 RF 전력발생기 및 그 작동방법Korea Patent Registration No. 10-1287598 RF power generator and its operation method 한국특허등록 10-2143178호 부하 변동에 속응성을 가진 플라즈마 파워 장치 및 그의 제어 방법Korea Patent Registration No. 10-2143178 Plasma power device with rapid response to load change and its control method

본 발명은 레그 페이스 제어와 모듈 페이스 제어를 동시적으로 또는 선택적으로 이용하여 고속으로 출력을 변경할 수 있고, 넓은 범위에서 출력을 제어할 수 있는 이중 페이스 제어를 이용한 플라즈마 파워 장치 및 그의 제어 방법을 제공함에 목적이 있다.The present invention provides a plasma power device using dual phase control capable of changing output at high speed and controlling output in a wide range by using leg phase control and module phase control simultaneously or selectively, and a control method thereof. has a purpose

또한, 본 발명은 레그 페이스(Leg Phase) 제어에 따른 출력 전력이 비선형인 구간에서는 모듈 페이스(Module Phase) 제어를 수행하고, 모듈 페이스 제어에 따른 출력 전력이 비선형인 구간에서는 레그 페이스 제어를 수행하며, 레그 페이스 제어와 모듈 페이스 제어에 의한 출력 전력이 동시에 선형적으로 변하는 구간에서는 레그 페이스 제어와 모듈 페이스 제어를 동시에 수행함으로써 레그 페이스 제어와 모듈 페이스 제어의 비선형성을 배제할 수 있는 이중 페이스 제어를 이용한 플라즈마 파워 장치 및 그의 제어 방법을 제공함에 다른 목적이 있다.In addition, the present invention performs module phase control in a section where the output power according to the leg phase control is nonlinear, and performs leg phase control in a section where the output power according to the module phase control is nonlinear, , in the section where the output power by leg-phase control and module-phase control changes linearly at the same time, leg-phase control and module-phase control are performed simultaneously to eliminate the non-linearity of leg-phase control and module-phase control. Another object is to provide a plasma power device and a control method thereof.

또한, 본 발명은 정재파비를 비용하여 검출되는 역방향 전력이 커질수록 순방향 전력 기준치를 줄임으로써 고주파 전력 증폭부 내 스위칭소자를 보호할 수 있는 이중 페이스 제어를 이용한 플라즈마 파워 장치 및 그의 제어 방법을 제공함에 또 다른 목적이 있다.In addition, the present invention provides a plasma power device using double phase control and a control method thereof capable of protecting a switching element in a high frequency power amplification unit by reducing a forward power reference value as the reverse power detected at the cost of a standing wave ratio increases. It has another purpose.

본 발명의 해결과제는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problems of the present invention are not limited to those mentioned above, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.

본 발명에 따른 이중 페이스 제어를 이용한 플라즈마 파워 장치는, 펄스 파형의 제1 및 제2 고주파 전력 신호를 생성하되, 출력 전력의 비선형성에 대응하여 레그 페이스(leg phase) 제어와 모듈 페이스(module phase) 제어를 선택적 또는 중첩적으로 수행하는 고주파 전력 증폭부; RF 부하의 임피던스 변화에 따른 전기적 신호를 검출하여 전기적 검출 신호를 출력하는 RF 센서; 및 외부로부터 인가되는 순방향 전력 지령치와 상기 RF 센서로부터 출력되는 순방향 전력 검출치 및 역방향 전력 검출치를 이용하여 상기 고주파 전력 증폭부의 제어를 위한 레그 페이스 제어 신호 및/또는 모듈 페이스 제어 신호를 출력하는 컨트롤러를 포함한다.Plasma power device using double phase control according to the present invention generates first and second high frequency power signals of pulse waveforms, and includes leg phase control and module phase control in response to nonlinearity of output power. a high-frequency power amplifying unit selectively or overlappingly controlling; An RF sensor that detects an electrical signal according to a change in impedance of an RF load and outputs an electrical detection signal; And a controller outputting a leg phase control signal and/or a module phase control signal for controlling the high frequency power amplification unit using a forward power command value applied from the outside and a forward power detection value and a reverse power detection value output from the RF sensor. include

바람직하게는, 상기 컨트롤러는, 상기 순방향 전력 지령치와, 상기 순방향 전력 검출치 및 역방향 전력 검출치를 이용하여 순방향 전력 기준치를 출력하는 정재파비 리미터; 상기 순방향 전력 기준치와 상기 순방향 전력 검출치를 이용하여 레그 페이스 제어 신호를 출력하는 레그 페이스 제어부; 및 상기 순방향 전력 기준치와 상기 순방향 전력 검출치를 이용하여 모듈 페이스 제어 신호를 출력하는 모듈 페이스 제어부를 포함한다.Preferably, the controller includes: a standing wave ratio limiter outputting a forward power reference value using the forward power command value, the forward power detection value, and the reverse power detection value; a leg face controller outputting a leg face control signal using the forward power reference value and the forward power detection value; and a module phase controller outputting a module phase control signal using the forward power reference value and the forward power detection value.

바람직하게는, 상기 레그 페이스 제어부는, 상기 순방향 전력 기준치의 상한치와 하한치를 제한하는 제1 리미터; 상기 순방향 전력 검출치의 상한치와 하한치를 제한하는 제2 리미터; 상기 제1 리미터의 출력과 상기 제2 리미터의 출력의 편차를 출력하는 제1 감산기; 상기 제1 감산기의 출력을 비례 적분하여 출력하는 제1 비례적분기; 상기 순방향 전력 기준치를 피드포워딩하는 제1 피드포워드기; 상기 제1 비례적분기의 출력과 상기 제1 피드포워드기의 출력을 가산하는 제1 가산기; 및 상기 제1 가산기의 출력의 상한치와 하한치를 제한하여 레그 페이스 제어 신호를 출력하는 제3 리미터를 포함한다.Preferably, the leg face controller may include: a first limiter limiting upper and lower limits of the forward power reference value; a second limiter limiting upper and lower limits of the forward power detection value; a first subtractor outputting a difference between an output of the first limiter and an output of the second limiter; a first proportional integrator that proportionally integrates and outputs the output of the first subtractor; a first feed forwarder that feed forwards the forward power reference value; a first adder for adding an output of the first proportional integrator and an output of the first feed forwarder; and a third limiter outputting a leg phase control signal by limiting the upper and lower limits of the output of the first adder.

바람직하게는, 상기 모듈 페이스 제어부는, 상기 순방향 전력 기준치의 상한치와 하한치를 제한하는 제4 리미터; 상기 순방향 전력 검출치의 상한치와 하한치를 제한하는 제5 리미터; 상기 제4 리미터의 출력과 상기 제5 리미터의 출력의 편차를 출력하는 제2 감산기; 상기 제2 감산기의 출력을 비례 적분하여 출력하는 제2 비례적분기; 상기 순방향 전력 기준치를 피드포워딩하는 제2 피드포워드기; 상기 제2 비례적분기의 출력과 상기 제2 피드포워드기의 출력을 가산하는 제2 가산기; 및 상기 제2 가산기의 출력의 상한치와 하한치를 제한하여 레그 페이스 제어 신호를 출력하는 제6 리미터를 포함한다.Preferably, the module phase controller includes: a fourth limiter limiting upper and lower limits of the forward power reference value; a fifth limiter limiting upper and lower limits of the forward power detection value; a second subtractor outputting a difference between an output of the fourth limiter and an output of the fifth limiter; a second proportional integrator that proportionally integrates and outputs the output of the second subtractor; a second feed forwarder that feed forwards the forward power reference value; a second adder for adding an output of the second proportional integrator and an output of the second feed forwarder; and a sixth limiter configured to output a leg phase control signal by limiting an upper limit value and a lower limit value of an output of the second adder.

바람직하게는, 상기 컨트롤러는, 상기 레그 페이스 제어에 따른 출력 전력이 비선형적인 구간에서, 상기 모듈 페이스 제어를 수행할 수 있다.Preferably, the controller may perform the module phase control in a period in which output power according to the leg phase control is nonlinear.

바람직하게는, 상기 컨트롤러는, 상기 레그 페이스 제어에 따라 출력 전력이 선형적으로 증가하고, 상기 모듈 페이스 제어에 따라 출력 전력이 선형적으로 증가하는 구간에서 상기 레그 페이스 제어와 상기 모듈 페이스 제어를 중첩하여 수행할 수 있다. Preferably, the controller overlaps the leg phase control and the module phase control in a section in which output power linearly increases according to the leg phase control and output power linearly increases according to the module phase control. can be done by

바람직하게는, 상기 컨트롤러는, 상기 모듈 페이스 제어에 따른 출력 전력이 비선형적인 구간에서, 상기 레그 페이스 제어를 수행할 수 있다.Preferably, the controller may perform the leg phase control in a period in which output power according to the module phase control is nonlinear.

바람직하게는, 상기 정재파비 리미터는, 상기 순방향 전력 검출치 및 역방향 전력 검출치를 이용하여 정재파비를 계산하고, 상기 정재파비가 상기 순방향 전력 기준치를 줄일 수 있다.Preferably, the standing wave ratio limiter calculates a standing wave ratio using the forward power detection value and the reverse power detection value, and reduces the standing wave ratio to the forward power reference value.

바람직하게는, 본 발명의 일실시예에 따른 이중 페이스 제어를 이용한 플라즈마 파워 장치는, 3상 전압을 정류하여 정류 전압을 출력하는 정류부; 상기 정류 전압을 평활 전압으로 평활화하여 상기 고주파 전력 증폭부에 제공하는 평활부; 상기 제1 및 제2 고주파 전력 신호를 2차측에 유도하는 결합용 변압부; 상기 결합용 변압부의 2차측에 유도된 제1 및 제2 고주파 전력 신호를 소정 공진 주파수를 가진 제1 및 제2 공진 신호로 필터링하는 공진 필터; 및 상기 제1 및 제2 공진 신호를 결합하여 결합된 고주파 전력 신호를 출력하는 컴바이너를 더 포함할 수 있다.Preferably, a plasma power device using double phase control according to an embodiment of the present invention includes: a rectifier for outputting a rectified voltage by rectifying a three-phase voltage; a smoothing unit for smoothing the rectified voltage into a smoothing voltage and providing the smoothed voltage to the high frequency power amplifying unit; a coupling transformer for inducing the first and second high frequency power signals to a secondary side; a resonance filter filtering the first and second high frequency power signals induced in the secondary side of the coupling transformer into first and second resonance signals having a predetermined resonance frequency; and a combiner configured to combine the first and second resonant signals and output a combined high frequency power signal.

또한, 본 발명에 따른 이중 페이스 제어를 이용한 플라즈마 파워 장치의 제어 방법은, 펄스 파형의 제1 및 제2 고주파 전력 신호를 생성하는 단계; 상기 제1 및 제2 고주파 전력 신호를 결합하여 RF부하에 인가하는 단계; 및 외부로부터 인가되는 순방향 전력 지령치와 상기 RF 센서로부터 출력되는 순방향 전력 검출치 및 역방향 전력 검출치를 이용하여 레그 페이스 제어 신호 및/또는 모듈 페이스 제어 신호를 출력하는 출력 단계를 포함한다.In addition, a control method of a plasma power device using double phase control according to the present invention includes generating first and second high frequency power signals of pulse waveforms; applying a combination of the first and second high frequency power signals to an RF load; and an output step of outputting a leg phase control signal and/or a module phase control signal using a forward power command value applied from the outside and a forward power detection value and a reverse power detection value output from the RF sensor.

바람직하게는, 본 발명에 따른 이중 페이스 제어를 이용한 플라즈마 파워 장치의 제어 방법에 따르면, 상기 레그 페이스 제어에 따른 출력 전력이 비선형적인 경우, 상기 모듈 페이스 제어를 수행할 수 있다.Preferably, according to the control method of a plasma power device using double phase control according to the present invention, when the output power according to the leg phase control is nonlinear, the module phase control may be performed.

바람직하게는, 본 발명에 따른 이중 페이스 제어를 이용한 플라즈마 파워 장치의 제어 방법에 따르면, 상기 레그 페이스 제어에 따라 출력 전력이 선형적으로 증가하고, 상기 모듈 페이스 제어에 따라 출력 전력이 선형적으로 증가하는 구간에서 상기 레그 페이스 제어와 상기 모듈 페이스 제어를 중첩하여 수행할 수 있다.Preferably, according to the control method of a plasma power device using double phase control according to the present invention, the output power increases linearly according to the leg phase control and the output power increases linearly according to the module phase control. In the section, the leg face control and the module face control may be overlapped.

바람직하게는, 상기 모듈 페이스 제어에 따른 출력 전력이 비선형적인 구간에서, 상기 레그 페이스 제어를 수행할 수 있다.Preferably, the leg phase control may be performed in a period in which the output power according to the module phase control is nonlinear.

본 발명의 이중 페이스 제어를 이용한 플라즈마 파워 장치 및 그의 제어 방법에 따르면, 레그 페이스 제어와 모듈 페이스 제어를 동시적으로 또는 선택적으로 이용하여 고속으로 출력을 변경할 수 있고, 넓은 범위에서 출력을 제어할 수 있으며, 레그 페이스의 출력이 비선형적인 구간에서는 모듈 페이스를 제어하고, 모듈 페이스의 출력이 비선형적인 구간에서는 레그 페이스를 제어하며, 레그 페이스 출력과 모듈 페이스 출력이 동시에 변하는 구간에서는 양 페이스를 동시에 제어함으로써 레그 페이스 제어와 모듈 페이스 제어의 비선형성을 배제할 수 있고, 정재파비를 비용하여 검출되는 역방향 전력이 커질수록 순방향 전력 기준치를 줄임으로써 고주파 전력 증폭부 내 스위칭소자를 보호할 수 있는 효과가 있다.According to the plasma power device using dual phase control and its control method of the present invention, the output can be changed at high speed and the output can be controlled in a wide range by using leg phase control and module phase control simultaneously or selectively. In the section where the output of the leg face is nonlinear, the module face is controlled, in the section where the output of the module face is nonlinear, the leg face is controlled, and in the section where the output of the leg face and the module face change simultaneously, both faces are controlled simultaneously. Non-linearity between leg phase control and module phase control can be excluded, and the switching element in the high frequency power amplifier can be protected by reducing the forward power reference value as the reverse power detected at the expense of the standing wave ratio increases.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 파워 장치의 전체 블록도,
도 2는 종래기술에 따른 병렬 고주파 전력 증폭부에서의 모듈 페이스 이득 예시도,
도 3은 종래기술에 따른 고주파 전력 증폭기 내 레그 페이스 이득 예시도,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 파워 장치의 제어 블록도,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 파워 장치의 시스템 특성도,
도 6a는 본 발명의 일실시예에 따른 스위칭 파형도,
도 6b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 스위칭 파형도, 및
도 6c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스위칭 파형도이다.
1 is an overall block diagram of a plasma power device according to an embodiment of the present invention;
2 is an example of a module face gain in a parallel high frequency power amplifier according to the prior art;
3 is an example of a leg phase gain in a high frequency power amplifier according to the prior art;
4 is a control block diagram of a plasma power device according to an embodiment of the present invention;
5 is a system characteristic diagram of a plasma power device according to an embodiment of the present invention;
6A is a switching waveform diagram according to an embodiment of the present invention;
6B is a switching waveform diagram according to another embodiment of the present invention, and
6C is a switching waveform diagram according to another embodiment of the present invention.

본 발명의 추가적인 목적들, 특징들 및 장점들은 다음의 상세한 설명 및 첨부도면으로부터 보다 명료하게 이해될 수 있다. Additional objects, features and advantages of the present invention may be more clearly understood from the following detailed description and accompanying drawings.

본 발명의 상세한 설명에 앞서, 본 발명은 다양한 변경을 도모할 수 있고, 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 아래에서 설명되고 도면에 도시된 예시들은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Prior to the detailed description of the present invention, the present invention may make various changes and may have various embodiments, and the examples described below and shown in the drawings are not intended to limit the present invention to specific embodiments. No, it should be understood to include all changes, equivalents or substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

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.It is understood that when an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, but other elements may exist in the middle. It should be. On the other hand, when an element is referred to as “directly connected” or “directly connected” to another element, it should be understood that no other element exists in the middle.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 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.Terms used in this specification are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as "include" or "have" are intended to indicate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, but one or more other features It should be understood that the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof is not precluded.

또한, 명세서에 기재된 "...부", "...유닛", "...모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.In addition, terms such as "...unit", "...unit", and "...module" described in the specification mean a unit that processes at least one function or operation, which is hardware, software, or hardware and It can be implemented as a combination of software.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.In addition, in the description with reference to the accompanying drawings, the same reference numerals are given to the same components regardless of reference numerals, and overlapping descriptions thereof will be omitted. In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of related known technologies may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description will be omitted.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 파워 장치의 전체 블록도이다.1 is an overall block diagram of a plasma power device according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 파워 장치는, EMI 필터(110), 정류부(115), 평활부(117), 고주파 전력 증폭부(120, 125), 결합용 변압부(130, 135), 공진 필터(140, 145), 컴바이너(150), RF 센서(155), RF 부하(160), 및 컨트롤러(165)를 포함한다.A plasma power device according to an embodiment of the present invention includes an EMI filter 110, a rectifying unit 115, a smoothing unit 117, a high-frequency power amplifier 120 and 125, a transformer for coupling 130 and 135, It includes resonance filters 140 and 145, combiner 150, RF sensor 155, RF load 160, and controller 165.

EMI 필터(110)는 입력되는 3상 상용 전원에 포함된 전자기파의 노이즈를 차폐하는 기능을 담당한다.The EMI filter 110 serves to shield noise of electromagnetic waves included in the input three-phase commercial power supply.

정류부(115)는 EMI 필터(110)로부터 3상 전압을 정류 전압으로 정류하여 출력한다.The rectifying unit 115 rectifies the 3-phase voltage from the EMI filter 110 into a rectified voltage and outputs the rectified voltage.

평활부(117)는 정류부(115)로부터 출력되는 평활 전압을 평활화한다.The smoothing unit 117 smooths the smoothing voltage output from the rectifying unit 115 .

고주파 전력 증폭부(120, 125)는 평활부(117)로부터 출력되는 소정 레벨의 평활 전압을 증폭하여 펄스 파형의 고주파 전력 신호를 생성한다. 고주파 전력 증폭부(120, 125)는 다양한 부하 조건에 따른 전압 및 주파수를 생성하기 위하여 2개 이상의 전력 증폭 모듈을 병렬 운전한다. 제1 고주파 전력 증폭 모듈(120)과 제2 고주파 전력 증폭 모듈(125)은 각각 컨트롤러(170)로부터 출력되는 제1 증폭 제어 신호(Pcon1)와 제2 증폭 제어 신호(Pcon2)에 제어되고, 제1 고주파 전력 신호(v1)와 제2 고주파 전력 신호(v2)를 출력한다. 여기서, 제1 증폭 제어 신호(Pcon1)는 제1 내지 제4 스위칭 소자에 인가되는 제1 내지 제4 스위칭 제어 신호(S1, S2, S3, S4)를 의미하고, 제2 증폭 제어 신호(Pcon2)는 제5 내지 제8 스위칭 소자에 인가되는 제5 내지 제8 스위칭 제어 신호(S5, S6, S7, S8)를 의미한다.The high frequency power amplifiers 120 and 125 amplify the smoothing voltage of a predetermined level output from the smoothing unit 117 to generate a pulse wave high frequency power signal. The high-frequency power amplification units 120 and 125 operate two or more power amplification modules in parallel to generate voltages and frequencies according to various load conditions. The first high frequency power amplification module 120 and the second high frequency power amplification module 125 are controlled by the first amplification control signal Pcon1 and the second amplification control signal Pcon2 output from the controller 170, respectively. 1 high frequency power signal v1 and a second high frequency power signal v2 are output. Here, the first amplification control signal Pcon1 means the first to fourth switching control signals S1, S2, S3, and S4 applied to the first to fourth switching elements, and the second amplification control signal Pcon2 denotes the fifth to eighth switching control signals S5, S6, S7, and S8 applied to the fifth to eighth switching elements.

결합용 변압부(130, 135)는 고주파 전력 증폭부(120, 125)로부터 출력되는 펄스 파형의 고주파 전력 신호를 2차측에 유도하며, 1차측과 2차측을 전기적으로 절연함으로써 사용자가 RF 부하에 포함된 플라즈마 챔버를 접촉하는 경우 감전사고를 예방할 수 있다.The coupling transformers 130 and 135 induce the high-frequency power signal of the pulse waveform output from the high-frequency power amplifiers 120 and 125 to the secondary side, and electrically insulate the primary side and the secondary side so that the user can be connected to the RF load. An electric shock accident can be prevented when contacting the included plasma chamber.

공진 필터(140, 145)는 직병렬로 결합된 인덕터와 캐패시터를 구비하고, 결합용 변압부(130, 135)의 2차측에 유도된 고주파 전력 신호로부터 소정의 공진 주파수를 가진 사인파형의 공진 신호를 출력한다. 여기서, 제1 공진 필터(140)는 제1 공진 신호(vR1)를 출력하고, 제2 공진 필터(145)는 제2 공진 신호(vR2)를 출력한다. The resonance filters 140 and 145 include an inductor and a capacitor coupled in series and parallel, and a sinusoidal resonance signal having a predetermined resonance frequency from a high frequency power signal induced in the secondary side of the coupling transformer 130 and 135. outputs Here, the first resonance filter 140 outputs the first resonance signal vR1, and the second resonance filter 145 outputs the second resonance signal vR2.

컴바이너(150)는 3dB 커플러로 구성될 수 있다. 제1 공진 신호(vR1)를 제1 터미널(T1)에, 제2 공진 신호(vR2)를 제2 터미널(T2)에 각각 입력받고, 부하측 터미널(T3)과 종단 터미널(T4)을 출력측에 결합하며, 종단 터미널(T4)에는 종단 임피던스(Z)가 결합될 수 있다. 컴바이너(150)는 제1 공진 신호(vR1)와 제2 공진 신호(vR2)를 결합하여 결합된 고주파 전력 신호를 출력한다. 제1 공진 신호(vR1)의 위상이 제2 공진 신호(vR2)의 위상보다 90도 앞서면, 결합된 고주파 전력 신호는 부하측 터미널(T3)로 거의 대부분 출력될 수 있다. 제1 공진 신호(vR1)의 위상이 제2 공진 신호(vR2)의 위상보다 90도 뒤지면, 결합된 고주파 전력 신호는 종단 터미널(T4)로 거의 대부분 출력될 수 있다. 그리고 제1 공진 신호(vR1)의 위상과 제2 공진 신호(vR2)의 위상이 동일하면, 결합된 고주파 전력 신호는 부하측 터미널(T3)과 종단 터미널(T4)로 절반씩 출력될 수 있다. 한편, 종단 임피던스(Z)는 소정의 저항값을 갖는 저항일 수 있고, 종단 터미널(T4)을 통해 인가되는 고주파 전력 신호에 의해 종단 저항에 발생하는 열은 팬(미도시)을 이용하여 방출할 수 있다.The combiner 150 may be configured as a 3dB coupler. The first resonant signal vR1 is input to the first terminal T1 and the second resonant signal vR2 is input to the second terminal T2, respectively, and the load side terminal T3 and the terminating terminal T4 are coupled to the output side. And, the terminating impedance (Z) may be coupled to the terminating terminal (T4). The combiner 150 combines the first resonance signal vR1 and the second resonance signal vR2 and outputs a combined high frequency power signal. When the phase of the first resonance signal vR1 is ahead of the phase of the second resonance signal vR2 by 90 degrees, most of the combined high frequency power signal can be output to the load-side terminal T3. When the phase of the first resonance signal vR1 lags behind the phase of the second resonance signal vR2 by 90 degrees, most of the combined high frequency power signal can be output to the terminating terminal T4. Also, when the phase of the first resonance signal vR1 and the phase of the second resonance signal vR2 are the same, the combined high frequency power signal may be output to the load-side terminal T3 and the terminating terminal T4 in half. Meanwhile, the terminating impedance Z may be a resistor having a predetermined resistance value, and heat generated in the terminating resistor by the high frequency power signal applied through the terminating terminal T4 is dissipated using a fan (not shown). can

RF 센서(155)는 컴바이너(150)와 RF 부하(160) 사이에 배치되고, 전기적 신호를 검출하여 전기적 검출 신호를 출력한다. 여기서, 전기적 검출 신호는 검출전류값(Is), 검출전압값(Vs), 컴바이너(150)로부터 RF 부하(160)로 공급되는 순방향 전력(PF: Forward Power), 및 RF 부하(160)로부터 컴바이너(150)로 반사되는 역방향 전력(PR:Reverse Power) 중 적어도 어느 하나 이상일 수 있다. The RF sensor 155 is disposed between the combiner 150 and the RF load 160 and detects an electrical signal and outputs an electrical detection signal. Here, the electrical detection signal is a detection current value (Is), a detection voltage value (Vs), forward power (PF: Forward Power) supplied from the combiner 150 to the RF load 160, and the RF load 160 It may be at least one or more of reverse power (PR) reflected from the combiner 150.

컨트롤러(165)는 외부에서 인가되는 포워드 전력 지령치(PF_CMD)와, RF 센서(155)로부터 출력되는 전기적 검출 신호를 이용하여 전압 제어 신호(Vcon), 제1 증폭 제어 신호(Pcon1) 및 제2 증폭 제어 신호(Pcon2)를 생성한다.The controller 165 uses the forward power command value PF_CMD applied from the outside and the electrical detection signal output from the RF sensor 155 to generate the voltage control signal Vcon, the first amplification control signal Pcon1, and the second amplification signal. A control signal Pcon2 is generated.

도 2는 종래기술에 따른 병렬 고주파 전력 증폭부에서의 모듈 페이스 이득 예시도로서, 모듈 A와 모듈 B의 위상차와 출력 전력의 관계를 나타낸다.2 is an exemplary diagram of a module phase gain in a parallel high frequency power amplifier according to the prior art, showing a relationship between a phase difference and output power between modules A and B.

모듈 phase가 -90도이면 모듈 A의 위상이 모듈 B의 위상보다 90도 뒤진 상태이고, 0도이면 모듈 A의 위상과 모듈 B의 위상이 동상이고, 90도이면 모듈 A의 위상이 모듈 B의 위상보다 90도 앞선 상태를 의미한다.If the module phase is -90 degrees, the phase of module A is 90 degrees behind the phase of module B, if the phase is 0 degrees, the phase of module A and module B are in phase, and if the phase is 90 degrees, the phase of module A is that of module B. This means that it is 90 degrees ahead of the phase.

도 3은 종래기술에 따른 고주파 전력 증폭기 내 레그 페이스 이득 예시도로서, 모듈 내에서 스위칭 신호 S1 및 S4와 스위칭 신호 S2 및 S3의 위상차와 출력 전력의 관계를 나타낸다. 모듈 내에서 스위칭 신호 S1 및 S4와 스위칭 신호 S2 및 S3의 위상차가 대략 65도 범위까지는 비선형적으로 출력 전력이 증가하여 출력 전력을 제어하기가 어렵다. 이를 해결하기 위해 종래에는 비선형 구간에서의 출력 전력을 소정 레벨로 고정시켜 제어한다.3 is an exemplary diagram of a leg phase gain in a high frequency power amplifier according to the prior art, showing a relationship between a phase difference between switching signals S1 and S4 and switching signals S2 and S3 and output power in the module. In the module, the output power increases nonlinearly until the phase difference between the switching signals S1 and S4 and the switching signals S2 and S3 is approximately 65 degrees, making it difficult to control the output power. In order to solve this problem, conventionally, the output power in the nonlinear section is fixed to a predetermined level and controlled.

이에 본 발명에서는 도 4에 도시된 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 파워 장치의 제어 블록도를 이용하여, 레그 페이스(Leg Phase) 제어와 모듈 페이스(Module Phase) 제어를 선택적 또는 중첩적으로 수행한다. Therefore, in the present invention, using the control block diagram of the plasma power device according to an embodiment of the present invention shown in FIG. 4, leg phase control and module phase control are selectively or overlapped. do.

구체적으로 레그 페이스(Leg Phase) 제어에 따른 출력 전력의 비선형성을 극복하기 위하여 레그 페이스 제어에 따른 출력 전력을 일정하게 제어하는 구간에서는 모듈 페이스(Module Phase) 제어를 수행하고, 레그 페이스 제어와 모듈 페이스 제어에 의한 출력 전력이 동시에 선형적으로 변하는 구간에서는 레그 페이스 제어와 모듈 페이스 제어를 동시에 중첩하여 수행하고, 모듈 페이스 제어에 따른 출력 전력의 비선형성을 극복하기 위하여 모듈 페이스 제어에 따른 출력 전력을 일정하게 제어하는 구간에서는 레그 페이스 제어를 수행한다.Specifically, in order to overcome non-linearity of output power according to leg phase control, module phase control is performed in a section where output power according to leg phase control is constantly controlled, and leg phase control and module phase control are performed. In the section where the output power by phase control changes linearly at the same time, leg phase control and module phase control are overlapped at the same time, and the output power according to module phase control is Leg pace control is performed in the section that is constantly controlled.

이에 따라 레그 페이스 제어와 모듈 페이스 제어의 비선형성을 배제함과 아울러 고속으로 출력을 변경할 수 있고, 넓은 범위에서 출력을 제어할 수 있다.Accordingly, non-linearity between the leg phase control and the module phase control can be eliminated, the output can be changed at high speed, and the output can be controlled in a wide range.

본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 파워 장치의 컨트롤러(165)는, 외부로부터 인가되는 순방향 전력 지령치(PF_CMD)와, RF 센서(155)로부터 출력되는 순방향 전력 검출치(PF) 및 역방향 전력 검출치(PR)를 이용하여 순방향 전력 기준치(PF_ref)를 계산하여 출력하는 VSWR 리미터(405), 순방향 전력 기준치(PF_ref)와 순방향 전력 검출치(PF)를 이용하여 레그 페이스 제어 신호를 출력하는 레그 페이스 제어부(410, 415, 420, 425, 430, 435, 440)와, 순방향 전력 기준치(PF_ref)와 순방향 전력 검출치(PF)를 이용하여 모듈 페이스 제어 신호를 출력하는 모듈 페이스 제어부(450, 455, 460, 465, 470, 475, 480)를 포함한다. 여기서, 순방향 전력 지령치(PF_CMD)는 사용자에 의해 설정된 값으로서, 부하측으로 공급하는 출력 전력값에 해당된다.The controller 165 of the plasma power device according to an embodiment of the present invention includes a forward power command value PF_CMD applied from the outside, a forward power detection value PF and a reverse power detection value output from the RF sensor 155 A VSWR limiter 405 that calculates and outputs a forward power reference value (PF_ref) using (PR), and a leg face control unit that outputs a leg face control signal using the forward power reference value (PF_ref) and the forward power detection value (PF). Module face controllers 450, 455, 460 that output module face control signals using (410, 415, 420, 425, 430, 435, 440), the forward power reference value (PF_ref), and the forward power detection value (PF) , 465, 470, 475, 480). Here, the forward power command value PF_CMD is a value set by the user and corresponds to an output power value supplied to the load side.

본 발명의 일실시예에 따른 VSWR 리미터(405)는 외부로부터 인가되는 순방향 전력 지령치(PF_CMD)와, RF 센서(155)로부터 출력되는 순방향 전력 검출치(PF) 및 역방향 전력 검출치(PR)를 이용하여 순방향 전력 기준치(PF_ref)를 계산하여 출력한다. 구체적으로, VSWR 리미터(405)는 순방향 전력 검출치(PF)와 역방향 전력 검출치(PR)를 이용하여 정재파비(Voltage Standing Wave Ratio, VSWR)를 계산한 후, 정재파비(VSWR)가 1.5:1 이상이면 순방향 전력 기준치(PF_ref)를 제한하는 기능을 담당한다. VSWR 리미터(450)는 고주파 전력 증폭부(120, 125)의 보호 목적으로 적용된다. 정재파비는 부하로부터 반사파 영향 즉, 역방향 전력 검출치가 크게 되면 커진다. 이 경우 고주파 전력 증폭부(120, 125)가 순방향과 역방향 양방향에서 큰 전력이 가해지면 파손될 우려가 있기 때문에, 순방향 전력 지령치(PF_CMD) 보다 낮게 순방향 전력 기준치(PF_ref)를 제한하게 되어 결과적으로 고주파 전력 증폭부(120, 125)에 가해지는 전력이 제한될 수 있게 된다.The VSWR limiter 405 according to an embodiment of the present invention uses a forward power command value PF_CMD applied from the outside and a forward power detection value PF and a reverse power detection value PR output from the RF sensor 155. The forward power reference value (PF_ref) is calculated and output using Specifically, the VSWR limiter 405 calculates the Voltage Standing Wave Ratio (VSWR) using the forward power detection value (PF) and the reverse power detection value (PR), and then the standing wave ratio (VSWR) is 1.5: If it is greater than 1, it serves to limit the forward power reference value (PF_ref). The VSWR limiter 450 is applied for the purpose of protecting the high frequency power amplifiers 120 and 125. The standing wave ratio increases as the reflected wave influence from the load, that is, the reverse power detection value increases. In this case, since the high frequency power amplifiers 120 and 125 may be damaged when large power is applied in both the forward and reverse directions, the forward power reference value PF_ref is limited to be lower than the forward power command value PF_CMD, resulting in high frequency power Power applied to the amplifiers 120 and 125 can be limited.

즉, VSWR 리미터(405)는 정재파비(VSWR)가 1.5:1 미만이면 순방향 전력 지령치(PF_CMD)의 100%를 순방향 전력 기준치(PF_ref)로 출력하지만, 그 이상의 비율이면 순방향 전력 기준치(PF_ref)를 제한한다. 예컨대, 정재파비(VSWR)가 1.5:1 이상 2.0:1 미만이면 순방향 전력 지령치(PF_CMD)의 90%를 순방향 전력 기준치(PF_ref)로 출력한다. 그리고, 정재파비(VSWR)가 2.0:1 이상 3.0:1 미만이면 순방향 전력 지령치(PF_CMD)의 60%를 순방향 전력 기준치(PF_ref)로 출력한다. 마지막으로, 정재파비(VSWR)가 3.0:1 이상이면 순방향 전력 지령치(PF_CMD)의 20%를 순방향 전력 기준치(PF_ref)로 출력한다. 이에 따라 검출되는 역방향 전력이 커질수록 순방향 전력 기준치를 줄임으로써 고주파 전력 증폭부 내 스위칭소자를 보호할 수 있다.That is, the VSWR limiter 405 outputs 100% of the forward power reference value PF_CMD as the forward power reference value PF_ref if the standing wave ratio (VSWR) is less than 1.5:1. limit For example, when the standing wave ratio (VSWR) is greater than or equal to 1.5:1 and less than 2.0:1, 90% of the forward power command value PF_CMD is output as the forward power reference value PF_ref. And, if the standing wave ratio (VSWR) is 2.0:1 or more and less than 3.0:1, 60% of the forward power command value PF_CMD is output as the forward power reference value PF_ref. Finally, if the standing wave ratio (VSWR) is 3.0:1 or more, 20% of the forward power command value (PF_CMD) is output as the forward power reference value (PF_ref). Accordingly, as the detected reverse power increases, the forward power reference value is reduced, thereby protecting the switching element in the high frequency power amplifying unit.

VSWRVSWR PF_refPF_ref ~ 1.5 ~1.5 PF_CMD*100%PF_CMD*100% 1.5 ~ 2.01.5 to 2.0 PF_CMD*90%PF_CMD*90% 2.0 ~ 3.02.0 to 3.0 PF_CMD*60%PF_CMD*60% 3.0 ~ 3.0 ~ PF_CMD*20%PF_CMD*20%

한편, 정재파비(VSWR) 리미터(405)가 정재파비(VSWR)를 계산하는 수식은 다음의 수학식 1에 따른다.Meanwhile, the standing wave ratio (VSWR) limiter 405 calculates the standing wave ratio (VSWR) according to Equation 1 below.

Figure pat00001
Figure pat00001

여기서, 반사계수(

Figure pat00002
)는
Figure pat00003
임.Here, the reflection coefficient (
Figure pat00002
)Is
Figure pat00003
lim.

예컨대, 3kW의 순방향 전력 지령치(PF_CMD)를 지령한 상태에서 부하 가변에 의해 정재파비(VSWR)가 3.0:1인 경우 순방향 전력 기준치를 1.8kW로 변경하여 출력하다가 정재파비(VSWR)가 1.5:1 이하가 되면 순방향 전력 기준치를 다시 3kW로 정상화시킨다.For example, when the standing wave ratio (VSWR) is 3.0:1 due to load variation in the state where the forward power command value (PF_CMD) of 3kW is commanded, the forward power reference value is changed to 1.8kW and output, and the standing wave ratio (VSWR) is 1.5:1 If it is below, the forward power reference value is normalized again to 3 kW.

본 발명의 일실시예에 따른 레그 페이스 제어부는 순방향 전력 기준치(PF_ref)의 상한치와 하한치를 제한하는 제1 리미터(410), RF 센서(155)로부터 출력되는 순방향 전력 검출치(PF)의 상한치와 하한치를 제한하는 제2 리미터(415), 제1 리미터(410)의 출력과 제2 리미터(415)의 출력의 편차를 출력하는 제1 감산기(420), 제1 감산기(420)의 출력을 비례 적분하여 출력하는 제1 비례적분기(425), 순방향 전력 기준치(PF_ref)를 피드포워딩하는 제1 피드포워드기(430), 제1 비례적분기(425)의 출력과 제1 피드포워드기의 출력을 가산하는 제1 가산기(435), 제1 가산기(435)의 출력의 상한치와 하한치를 제한하여 레그 페이스 제어 신호를 출력하는 제3 리미터(440)를 포함한다.The leg face controller according to an embodiment of the present invention includes a first limiter 410 that limits the upper and lower limits of the forward power reference value PF_ref, the upper limit value of the forward power detection value PF output from the RF sensor 155, and The second limiter 415 for limiting the lower limit value, the first subtractor 420 for outputting the difference between the output of the first limiter 410 and the output of the second limiter 415, and the output of the first subtractor 420 proportional to The first proportional integrator 425 for integrating and outputting, the first feed forwarder 430 for feedforwarding the forward power reference value PF_ref, and the output of the first proportional integrator 425 and the output of the first feedforward are added. and a third limiter 440 for outputting a leg phase control signal by limiting the upper limit value and the lower limit value of the output of the first adder 435.

한편, 제1 피드포워드기(430)는 다음과 같이 일차함수로 구현될 수 있다.Meanwhile, the first feed forwarder 430 may be implemented as a linear function as follows.

FFDout = A*(순방향 전력 기준치) + B, FFDout = A*(forward power reference value) + B,

A, B: constantA, B: constant

본 발명의 일실시예에 따른 모듈 페이스 제어부는 순방향 전력 기준치(PF_ref)의 상한치와 하한치를 제한하는 제4 리미터(450), RF 센서(155)로부터 출력되는 순방향 전력 검출치(PF)의 상한치와 하한치를 제한하는 제5 리미터(455), 제4 리미터(450)의 출력과 제5 리미터(455)의 출력의 편차를 출력하는 제2 감산기(460), 제2 감산기(460)의 출력을 비례 적분하여 출력하는 제2 비례적분기(465), 순방향 전력 기준치(PF_ref)를 피드포워딩하는 제2 피드포워드기(470), 제2 비례적분기(465)의 출력과 제2 피드포워드기의 출력을 가산하는 제2 가산기(475), 제2 가산기(475)의 출력의 상한치와 하한치를 제한하여 모듈 페이스 제어 신호를 출력하는 제3 리미터(440)를 포함한다.The module face controller according to an embodiment of the present invention includes a fourth limiter 450 that limits the upper and lower limits of the forward power reference value PF_ref, the upper limit value of the forward power detection value PF output from the RF sensor 155, and The fifth limiter 455 for limiting the lower limit value, the second subtractor 460 for outputting the difference between the output of the fourth limiter 450 and the output of the fifth limiter 455, and the output of the second subtractor 460 are proportional to each other. The second proportional integrator 465 for integrating and outputting, the second feed forwarder 470 for feedforwarding the forward power reference value PF_ref, and the output of the second proportional integrator 465 and the output of the second feedforward are added. and a third limiter 440 for outputting a module phase control signal by limiting the upper and lower limits of the output of the second adder 475.

여기서, 모듈 페이스 제어 신호가 -90도이면 모듈 A의 위상이 모듈 B의 위상보다 90도 뒤진 상태이고, 0도이면 모듈 A의 위상과 모듈 B의 위상이 동상이고, 90도이면 모듈 A의 위상이 모듈 B의 위상보다 90도 앞선 상태를 의미한다.Here, if the module phase control signal is -90 degrees, the phase of module A is 90 degrees behind the phase of module B, if it is 0 degrees, the phase of module A and module B are in phase, and if it is 90 degrees, the phase of module A This means that it is 90 degrees ahead of the phase of module B.

그리고, 레그 페이스 제어 신호가 0도이면 모듈 A 내 스위칭 신호 S1 및 S4와 스위칭 신호 S2 및 S3의 위상차가 0도이고, 모듈 B 내 스위칭 신호 S5 및 S8과 스위칭 신호 S6 및 S7의 위상차가 0도임을 의미한다. 또한, 레그 페이스 제어 신호가 90도이면 모듈 A 내 스위칭 신호 S1 및 S4와 스위칭 신호 S2 및 S3의 위상차가 90도이고, 모듈 B 내 스위칭 신호 S5 및 S8과 스위칭 신호 S6 및 S7의 위상차가 90도임을 의미한다.And, if the leg phase control signal is 0 degree, the phase difference between switching signals S1 and S4 and switching signals S2 and S3 in module A is 0 degree, and the phase difference between switching signals S5 and S8 and switching signals S6 and S7 in module B is 0 degree means In addition, if the leg phase control signal is 90 degrees, the phase difference between switching signals S1 and S4 and switching signals S2 and S3 in module A is 90 degrees, and the phase difference between switching signals S5 and S8 and switching signals S6 and S7 in module B is 90 degrees means

본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 파워 장치는 레그 페이스 제어부로부터 출력되는 레그 페이스 제어 신호와, 모듈 페이스 제어부로부터 출력되는 모듈 페이스 제어 신호를 이용하여 도 5에 도시된 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 파워 장치의 시스템 특성도를 갖도록 제어할 수 있다.A plasma power device according to an embodiment of the present invention uses a leg face control signal output from a leg face controller and a module phase control signal output from a module face controller according to an embodiment of the present invention shown in FIG. It can be controlled to have system characteristics of the plasma power device.

i) 레그 페이스 제어시 비선형 구간i) Non-linear section during leg phase control

레그 페이스 제어에 따른 출력 전력이 비선형적으로 증가하는 구간에서는 출력 전력을 제어하기가 곤란하여 일정하게 유지한다. 따라서 이 구간에서 모듈 페이스(Module Phase) 제어를 수행함으로써 출력 전력을 선형적으로 제어할 수 있다. 예컨대, 출력 전력이 0 내지 10% 범위에서 적용할 수 있다(도 5 참조).In a section where the output power according to the leg phase control increases nonlinearly, it is difficult to control the output power, so it is kept constant. Accordingly, output power can be linearly controlled by performing module phase control in this section. For example, the output power may be applied in the range of 0 to 10% (see FIG. 5).

ii) 중첩 제어 구간ii) overlapping control intervals

레그 페이스 제어에 따라 출력 전력이 선형적으로 증가하고, 모듈 페이스 제어에 따라 출력 전력이 선형적으로 증가하는 구간에서 레그 페이스 제어와 모듈 페이스 제어를 중첩하여 수행함으로써 출력 전력을 선형적으로 제어할 수 있다. 예컨대, 출력 전력이 10 내지 20% 범위에서 적용할 수 있다(도 5 참조).Output power can be linearly controlled by overlapping leg-phase control and module-phase control in the section where output power increases linearly according to leg-phase control and output power linearly increases according to module-phase control. there is. For example, the output power can be applied in the range of 10 to 20% (see FIG. 5).

iii) 모듈 페이스 제어시 비선형 구간iii) Non-linear section in module phase control

모듈 페이스 제어에서 모듈 A와 모듈 B의 위상차가 90도에 도달하면 출력 전력이 비선형적이 되므로 이 구간에서는 레그 페이스 제어를 수행함으로써 출력 전력을 선형적으로 제어할 수 있다. 예컨대, 출력 전력이 20 내지 100% 범위에서 적용할 수 있다(도 5 참조).In module phase control, when the phase difference between module A and module B reaches 90 degrees, the output power becomes non-linear, so the output power can be linearly controlled by performing leg phase control in this section. For example, the output power can be applied in the range of 20 to 100% (see FIG. 5).

한편, 본 발명에 따르면, 레그 페이스 제어와 모듈 페이스 제어가 위 세 가지로 구분되어 수행되지만, 레그 페이스 제어에서의 위상차와 모듈 페이스 제어에서의 위상차는 상호 독립적이다. On the other hand, according to the present invention, although the leg phase control and the module phase control are divided into the above three and performed, the phase difference in the leg phase control and the phase difference in the module phase control are independent of each other.

도 6a는 본 발명의 일실시예에 따른 스위칭 파형도로서 레그 페이스 제어 신호가 40도, 모듈 페이스 제어 신호가 -90도인 경우이고, 도 6b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 스위칭 파형도로서 레그 페이스 제어 신호가 100도, 모듈 페이스 제어 신호가 -90도인 경우이며, 도 6c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스위칭 파형도로서 레그 페이스 제어 신호가 100도, 모듈 페이스 제어 신호가 30도인 경우이다. 6A is a switching waveform diagram according to an embodiment of the present invention, when the leg phase control signal is 40 degrees and the module phase control signal is -90 degrees, and FIG. 6B is a switching waveform diagram according to another embodiment of the present invention, which is a leg phase control signal. 6C is a switching waveform diagram according to another embodiment of the present invention when the leg phase control signal is 100 degrees and the module phase control signal is 30 degrees. am.

본 명세서에서 설명되는 실시 예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시 예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시 예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The embodiments described in this specification and the accompanying drawings merely illustrate some of the technical ideas included in the present invention by way of example. Therefore, since the embodiments disclosed in this specification are not intended to limit the technical idea of the present invention but to explain it, it is obvious that the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. All modified examples and specific examples that can be easily inferred by those skilled in the art within the scope of the technical idea included in the specification and drawings of the present invention should be construed as being included in the scope of the present invention.

110: EMI 필터 115: 정류기
117: 평활부 120, 125: 고주파 전력 증폭부
130, 135: 결합용 변압부 140, 145: 공진 필터
150: 컴바이너 155: RF 센서
160: RF 부하 165: 컨트롤러
410: 제1 리미터 415: 제2 리미터
420: 제1 감산기 425: 제1 비례적분기
430: 제1 피드포워드기 435: 제1 가산기
440: 제3 리미터 450: 제1 리미터
455: 제2 리미터 460: 제1 감산기
465: 제1 비례적분기 470: 제1 피드포워드기
475: 제1 가산기 480: 제3 리미터
110: EMI filter 115: rectifier
117: smoothing unit 120, 125: high frequency power amplifying unit
130, 135: coupling transformer 140, 145: resonance filter
150: combiner 155: RF sensor
160: RF load 165: controller
410: first limiter 415: second limiter
420: first subtractor 425: first proportional integrator
430: first feed forward machine 435: first adder
440: third limiter 450: first limiter
455: second limiter 460: first subtractor
465: first proportional integrator 470: first feed forward
475: first adder 480: third limiter

Claims (13)

펄스 파형의 제1 및 제2 고주파 전력 신호를 생성하되, 출력 전력의 비선형성에 대응하여 레그 페이스(leg phase) 제어와 모듈 페이스(module phase) 제어를 선택적 또는 중첩적으로 수행하는 고주파 전력 증폭부;
RF 부하의 임피던스 변화에 따른 전기적 신호를 검출하여 전기적 검출 신호를 출력하는 RF 센서; 및
외부로부터 인가되는 순방향 전력 지령치와 상기 RF 센서로부터 출력되는 순방향 전력 검출치 및 역방향 전력 검출치를 이용하여 상기 고주파 전력 증폭부의 제어를 위한 레그 페이스 제어 신호 및/또는 모듈 페이스 제어 신호를 출력하는 컨트롤러
를 포함하는 이중 페이스 제어를 이용한 플라즈마 파워 장치.
a high-frequency power amplification unit generating first and second high-frequency power signals of pulse waveforms and selectively or overlappingly performing leg phase control and module phase control in response to nonlinearity of output power;
An RF sensor that detects an electrical signal according to a change in impedance of an RF load and outputs an electrical detection signal; and
A controller outputting a leg phase control signal and/or a module phase control signal for controlling the high frequency power amplification unit using a forward power command value applied from the outside and a forward power detection value and a reverse power detection value output from the RF sensor
Plasma power device using double phase control comprising a.
청구항 1에 있어서, 상기 컨트롤러는,
상기 순방향 전력 지령치와, 상기 순방향 전력 검출치 및 역방향 전력 검출치를 이용하여 순방향 전력 기준치를 출력하는 정재파비 리미터;
상기 순방향 전력 기준치와 상기 순방향 전력 검출치를 이용하여 레그 페이스 제어 신호를 출력하는 레그 페이스 제어부; 및
상기 순방향 전력 기준치와 상기 순방향 전력 검출치를 이용하여 모듈 페이스 제어 신호를 출력하는 모듈 페이스 제어부
를 포함하는 이중 페이스 제어를 이용한 플라즈마 파워 장치.
The method according to claim 1, wherein the controller,
a standing wave ratio limiter outputting a forward power reference value using the forward power command value, the forward power detection value, and the reverse power detection value;
a leg face controller outputting a leg face control signal using the forward power reference value and the forward power detection value; and
Module face controller outputting a module phase control signal using the forward power reference value and the forward power detection value
Plasma power device using double phase control comprising a.
청구항 2에 있어서, 상기 레그 페이스 제어부는,
상기 순방향 전력 기준치의 상한치와 하한치를 제한하는 제1 리미터;
상기 순방향 전력 검출치의 상한치와 하한치를 제한하는 제2 리미터;
상기 제1 리미터의 출력과 상기 제2 리미터의 출력의 편차를 출력하는 제1 감산기;
상기 제1 감산기의 출력을 비례 적분하여 출력하는 제1 비례적분기;
상기 순방향 전력 기준치를 피드포워딩하는 제1 피드포워드기;
상기 제1 비례적분기의 출력과 상기 제1 피드포워드기의 출력을 가산하는 제1 가산기; 및
상기 제1 가산기의 출력의 상한치와 하한치를 제한하여 레그 페이스 제어 신호를 출력하는 제3 리미터
를 포함하는 이중 페이스 제어를 이용한 플라즈마 파워 장치.
The method according to claim 2, wherein the leg face control unit,
a first limiter limiting upper and lower limits of the forward power reference value;
a second limiter limiting upper and lower limits of the forward power detection value;
a first subtractor outputting a difference between an output of the first limiter and an output of the second limiter;
a first proportional integrator that proportionally integrates and outputs the output of the first subtractor;
a first feed forwarder that feed forwards the forward power reference value;
a first adder for adding an output of the first proportional integrator and an output of the first feed forwarder; and
A third limiter for outputting a leg phase control signal by limiting the upper and lower limits of the output of the first adder
Plasma power device using double phase control comprising a.
청구항 2에 있어서, 상기 모듈 페이스 제어부는,
상기 순방향 전력 기준치의 상한치와 하한치를 제한하는 제4 리미터;
상기 순방향 전력 검출치의 상한치와 하한치를 제한하는 제5 리미터;
상기 제4 리미터의 출력과 상기 제5 리미터의 출력의 편차를 출력하는 제2 감산기;
상기 제2 감산기의 출력을 비례 적분하여 출력하는 제2 비례적분기;
상기 순방향 전력 기준치를 피드포워딩하는 제2 피드포워드기;
상기 제2 비례적분기의 출력과 상기 제2 피드포워드기의 출력을 가산하는 제2 가산기; 및
상기 제2 가산기의 출력의 상한치와 하한치를 제한하여 레그 페이스 제어 신호를 출력하는 제6 리미터
를 포함하는 이중 페이스 제어를 이용한 플라즈마 파워 장치.
The method according to claim 2, wherein the module face control unit,
a fourth limiter limiting upper and lower limits of the forward power reference value;
a fifth limiter limiting upper and lower limits of the forward power detection value;
a second subtractor outputting a difference between an output of the fourth limiter and an output of the fifth limiter;
a second proportional integrator that proportionally integrates and outputs the output of the second subtractor;
a second feed forwarder that feed forwards the forward power reference value;
a second adder for adding an output of the second proportional integrator and an output of the second feed forwarder; and
A sixth limiter for outputting a leg phase control signal by limiting the upper and lower limits of the output of the second adder
Plasma power device using double phase control comprising a.
청구항 2에 있어서, 상기 컨트롤러는,
상기 레그 페이스 제어에 따른 출력 전력이 비선형적인 구간에서, 상기 모듈 페이스 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는
이중 페이스 제어를 이용한 플라즈마 파워 장치.
The method according to claim 2, wherein the controller,
Characterized in that the module phase control is performed in a section in which the output power according to the leg phase control is nonlinear
Plasma power device using dual phase control.
청구항 2에 있어서, 상기 컨트롤러는,
상기 레그 페이스 제어에 따라 출력 전력이 선형적으로 증가하고, 상기 모듈 페이스 제어에 따라 출력 전력이 선형적으로 증가하는 구간에서 상기 레그 페이스 제어와 상기 모듈 페이스 제어를 중첩하여 수행하는 것을 특징으로 하는
이중 페이스 제어를 이용한 플라즈마 파워 장치.
The method according to claim 2, wherein the controller,
Characterized in that the leg phase control and the module phase control are overlapped in a section in which the output power linearly increases according to the leg phase control and the output power linearly increases according to the module phase control.
Plasma power device using dual phase control.
청구항 2에 있어서, 상기 컨트롤러는,
상기 모듈 페이스 제어에 따른 출력 전력이 비선형적인 구간에서, 상기 레그 페이스 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는
이중 페이스 제어를 이용한 플라즈마 파워 장치.
The method according to claim 2, wherein the controller,
Characterized in that the leg phase control is performed in a section in which the output power according to the module phase control is nonlinear
Plasma power device using dual phase control.
청구항 2에 있어서, 상기 정재파비 리미터는,
상기 순방향 전력 검출치 및 역방향 전력 검출치를 이용하여 정재파비를 계산하고, 상기 정재파비가 상기 순방향 전력 기준치를 줄이는 것을 특징으로 하는
이중 페이스 제어를 이용한 플라즈마 파워 장치.
The method according to claim 2, wherein the standing wave ratio limiter,
Characterized in that the standing wave ratio is calculated using the forward power detection value and the reverse power detection value, and the standing wave ratio is reduced by the forward power reference value
Plasma power device using dual phase control.
청구항 1에 있어서,
3상 전압을 정류하여 정류 전압을 출력하는 정류부;
상기 정류 전압을 평활 전압으로 평활화하여 상기 고주파 전력 증폭부에 제공하는 평활부;
상기 제1 및 제2 고주파 전력 신호를 2차측에 유도하는 결합용 변압부;
상기 결합용 변압부의 2차측에 유도된 제1 및 제2 고주파 전력 신호를 소정 공진 주파수를 가진 제1 및 제2 공진 신호로 필터링하는 공진 필터; 및
상기 제1 및 제2 공진 신호를 결합하여 결합된 고주파 전력 신호를 출력하는 컴바이너;
를 더 포함하는 이중 페이스 제어를 이용한 플라즈마 파워 장치.
The method of claim 1,
a rectifying unit outputting a rectified voltage by rectifying the three-phase voltage;
a smoothing unit for smoothing the rectified voltage into a smoothing voltage and providing the smoothed voltage to the high frequency power amplifying unit;
a coupling transformer for inducing the first and second high frequency power signals to a secondary side;
a resonance filter filtering the first and second high frequency power signals induced in the secondary side of the coupling transformer into first and second resonance signals having a predetermined resonance frequency; and
a combiner combining the first and second resonant signals to output a combined high-frequency power signal;
Plasma power device using double phase control further comprising a.
펄스 파형의 제1 및 제2 고주파 전력 신호를 생성하는 단계;
상기 제1 및 제2 고주파 전력 신호를 결합하여 RF부하에 인가하는 단계; 및
외부로부터 인가되는 순방향 전력 지령치와 상기 RF 센서로부터 출력되는 순방향 전력 검출치 및 역방향 전력 검출치를 이용하여 레그 페이스 제어 신호 및/또는 모듈 페이스 제어 신호를 출력하는 출력 단계
를 포함하는 이중 페이스 제어를 이용한 플라즈마 파워 장치의 제어 방법.
generating first and second high frequency power signals of pulse waveforms;
applying a combination of the first and second high frequency power signals to an RF load; and
An output step of outputting a leg phase control signal and/or a module phase control signal using a forward power command value applied from the outside and a forward power detection value and a reverse power detection value output from the RF sensor
Control method of a plasma power device using double phase control comprising a.
청구항 10에 있어서,
상기 레그 페이스 제어에 따른 출력 전력이 비선형적인 경우, 상기 모듈 페이스 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는
이중 페이스 제어를 이용한 플라즈마 파워 장치의 제어 방법.
The method of claim 10,
Characterized in that performing the module phase control when the output power according to the leg phase control is nonlinear
Control method of plasma power device using double phase control.
청구항 10에 있어서,
상기 레그 페이스 제어에 따라 출력 전력이 선형적으로 증가하고, 상기 모듈 페이스 제어에 따라 출력 전력이 선형적으로 증가하는 구간에서 상기 레그 페이스 제어와 상기 모듈 페이스 제어를 중첩하여 수행하는 것을 특징으로 하는
이중 페이스 제어를 이용한 플라즈마 파워 장치의 제어 방법.
The method of claim 10,
Characterized in that the leg phase control and the module phase control are overlapped in a section in which the output power linearly increases according to the leg phase control and the output power linearly increases according to the module phase control.
Control method of plasma power device using double phase control.
청구항 10에 있어서,
상기 모듈 페이스 제어에 따른 출력 전력이 비선형적인 구간에서, 상기 레그 페이스 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는
이중 페이스 제어를 이용한 플라즈마 파워 장치의 제어 방법.
The method of claim 10,
Characterized in that the leg phase control is performed in a section in which the output power according to the module phase control is nonlinear
Control method of plasma power device using double phase control.
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