(19) 대한민국특허청 (KR) (12) 등록특허공보 (B1) (51) 국제특허분류 (Int. Cl.) H01J 37/32 (2006.01) H03H 7/38 (2006.01) H05H 1/46 (2006.01) (52) CPC 특허분류 H01J 37/32183 (2013.01) H01J 37/3299 (2013.01) (21) 출원번호 10-2015-0104214 (22) 출원일자 2015 년 07 월 23 일 심사청구일자 2015 년 07 월 23 일 (65) 공개번호 10-2017-0012730 (43) 공개일자 2017 년 02 월 03 일 (56) 선행기술조사문헌 KR1020150039121 A* JP2015062309 A KR1020140070068 A KR1020140122548A * 는심사관에의하여인용된문헌 (45) 공고일자 2017년04월18일 (11) 등록번호 10-1727106 (24) 등록일자 2017년04월10일 (73) 특허권자 주식회사뉴파워프라즈마 경기도수원시영통구신원로 176 ( 신동 ) (72) 발명자 신동원 경기도화성시병점 1 로 82 103 동 204 호 ( 병점동, 한신아파트 ) 황규상 충청남도천안시서북구한들 2 로 88 107 동 2203 호 ( 백석동, 백석푸르지오아파트 ) 이승열 경기도오산시운암로 90 301 동 2001 호 ( 부산동, 운암주공 3 단지아파트 ) (74) 대리인 김남정 전체청구항수 : 총 6 항심사관 : 임은정 (54) 발명의명칭상전환임피던스매칭방법및이방법을위한전기장치 (57) 요약 상전환임피던스매칭장치는무선주파수발생기 ; 상기무선주파수발생기와연결된전송선 ; 상기전송선과반응챔버사이의매칭네트워크 ; 상기매칭네트워크에접속되는매칭네트워크제어기는상기매칭네트워크와상기무선주파수발생기와의임피던스매칭을이루기위해상기매칭네트워크의임피던스회전각도를정하는상전환알고리즘에따라제어하는수단이포함된다. 대표도 - 도 8-1 -
(52) CPC 특허분류 H03H 7/383 (2013.01) H05H 1/46 (2013.01) H05H 2001/4682 (2013.01) - 2 -
명세서청구범위청구항 1 무선주파수발생기 ; 상기무선주파수발생기와연결된전송선 ; 상기전송선및반응챔버와연결되고, 제 1 커패시터및제 2 커패시터를구비하는매칭네트워크 ; 및상기매칭네트워크에접속되고, 상기매칭네트워크와상기무선주파수발생기와의임피던스매칭을이루기위해, 상전환알고리즘에따라상기매칭네트워크의임피던스회전각도를결정하고, 상기임피던스회전각도를제어하는매칭네트워크제어기를포함하고, 상기매칭네트워크제어기는, 상기제 1 커패시터와임피던스의크기를나타내는매그라인 (Mag. Line) 의증감방향을설정하고, 상기제 2 커패시터와임피던스위상라인인페이즈라인의증감방향을설정하고, 상기매그라인의중심각을상기무선주파수발생기의고유임피던스크기를나타내는라인과일직선이되도록하여, 상기임피던스회전각도를결정하는것을특징으로하는상전환임피던스매칭장치. 청구항 2 제 1 항에있어서, 상기매칭네트워크는적어도하나의가변임피던스소자를포함하는상전환임피던스매칭장치. 청구항 3 제 1 항에있어서, 상기매칭네트워크는인풋센서또는인풋센서및아웃풋센서를포함하는상전환임피던스매칭장치. 청구항 4 제3 항에있어서, 상기인풋센서및아웃풋센서는상기무선주파수발생기로부터전류, 전압및이들의위상차의전기적특성을측정하는센서인상전환임피던스매칭장치. 청구항 5 제1 항에있어서, 상기반응챔버는플라즈마처리챔버로정전척과바이어스쉴드및플라즈마방전전극이구성되어각각상기전송선으로상기무선주파수발생기와연결된것을특징으로하는상전환임피던스매칭장치. - 3 -
청구항 6 무선주파수발생기의전류, 전압및이들의위상차의전기적특성을측정하는단계 ; 상기무선주파수발생기의상기전기적특성으로부터매칭네트워크의임피던스매칭을위한상전환각도를상전환알고리즘에따라결정하는단계 ; 및상기매칭네트워크와연결된반응챔버의임피던스를측정하는단계를포함하고, 상기매칭네트워크는, 제 1 커패시터및제 2 커패시터를구비하고, 상기상전환각도를결정하는단계는, 상기제 1 커패시터와임피던스의크기를나타내는매그라인 (Mag. Line) 의증감방향을설정하고는단계 ; 상기제 2 커패시터와임피던스위상라인인페이즈라인의증감방향을설정하는단계 ; 상기매그라인의중심각을상기무선주파수발생기의고유임피던스크기를나타내는라인과일직선이되도록하는단계 ; 및상기임피던스회전각도를결정하는단계를포함하는상전환임피던스매칭방법. 청구항 7 삭제 발명의설명 [0001] 기술분야본발명은위상매칭에관한것으로, 보다구체적으로는플라즈마시스템, 핵자기공명시스템, 통신시스템및송전선등의전기시스템에서사용될수있는위상매칭방법및이러한위상매칭을구현하는시스템에관한것이다. [0002] [0003] [0004] [0005] 배경기술전원및부하 (load) 사이의임피던스가매칭되지않으면, 부하로공급되는전력은최대화되지않을뿐아니라, 부하로전달되는전력을정밀하게제어하기어렵다. 이에따라플라즈마시스템과같은전기시스템은이러한임피던스의미스매칭을해결하기위해전원과부하사이에배치되는임피던스매칭네트워크를구비한다. 매칭네트워크의역할은무선주파수발생기 (RF generator) 의전력을플라즈마챔버에손실없이전달하는것이다. 예를들어무선주파수발생기의고유저항이 50Ω이라면플라즈마챔버와매칭네트워크의저항합도 50Ω이된다. 도 1을참조하면, 일반적인임피던스매칭은케이블의전기적특성을측정 (S100) 하고, 측정된전기적특성으로부터매칭네트워크를제어하기위한제어파라미터를추출 (S200) 한후, 추출된제어파라미터를이용하여매칭네트워크를제어 (S300) 하는단계를포함한다. 종래기술에따르면, 매칭네트워크는 VVC(variable vacuum capacitance) 의제어모터의동작을통해캐퍼시턴스가제어되는하나이상의커패시터가구성된다. 구성되는방법은크게세가지가있는데, L타입, T타입, Pi타입이있다. L 타입은형상이글자 L과같이로드 (load) 커패시터와튠 (tune) 커패시터가병렬로연결되어있으며가장간단하면서도내부손실이가장낮기때문에널리사용된다. 다음으로, T 타입은로드 (load) 커패시터와튠 (tune) 커패시터가직렬로연결되고각각의커패시터사이에병렬로인덕턴스가연결된형태이다. 모양이나특성이 L 타입과유사하나특정임피던스범위에주로사용된다. 마지막으로 Pi 타입의매칭네트워크회로는인덕턴스를중심으로양쪽노드에가변로드 (load) 커패시터와튠 (tune) 커패시터가각각연결된형태이다. 광대역임피던스범위에주로사용되지만, 제어가어렵다는단점이있다. 상술한바와같은로드 (load) 커패시터와튠 (tune) 커패시터는각각모터로동작하는가변커패시터이다. 이러한, 종래의매칭네트워크는데드존 (Dead Zone) 이형성되는여러경우가있어왔다. 도 2에도시된바와같 - 4 -
이, 생산라인에서필터특히 LPF(Low Pass Filter) 의사양을변경할시에발생하는미스매칭현상이있다. 타겟포지션 (target position) 이동일한상황에서필터의유무에따라전체적인위상이변화하기때문이다. 또한도 3에도시된바와같은타켓임피던스 (target impedence) 변화에따른데드존형성이다. 공정조건에변화가있으면간헐적인미스매칭의원인이되는데, 이로인해데드존이출현할수있다. 공정에서간헐적인데드존의생성은임피던스의크기를나타내는매그라인 (Mag. Line) 변화에의한영향이크다. 도 4는상회전 (phase rotation) 에따른데드존을도시한것이다. 상회전에의해데드존의크기가임의로조절된다. 따라서필터의변화나공정조건의변화또는상회전에의해형성되는데드존을제어하는것이시급한매칭네트워크시스템의문제이다. 발명의내용 [0006] 해결하려는과제본발명은상술한바와같이종래기술의문제점을해결하기위한것으로, 간단한연산수식의추가만으로손쉽게구현이가능하며, 기존양산된디지털매처에즉시적용이가능한데드존을효과적으로제어할수있는매칭네트워크시스템을제공한다. [0007] [0008] [0009] [0010] [0011] [0012] 과제의해결수단상전환임피던스매칭장치는무선주파수발생기 ; 상기무선주파수발생기와연결된전송선 ; 상기전송선과반응챔버사이의매칭네트워크 ; 상기매칭네트워크에접속되는매칭네트워크제어기는상기매칭네트워크와상기무선주파수발생기와의임피던스매칭을이루기위해상기매칭네트워크의임피던스회전각도를정하는상전환알고리즘에따라제어하는수단이포함된것을특징으로한다. 상기매칭네트워크는적어도하나의가변임피던스소자를포함한다. 상기매칭네트워크시스템은인풋센서또는인풋센서및아웃풋센서를포함한다. 상기인풋센서및아웃풋센서는상기무선주파수발생기로부터전류, 전압및이들의위상차의전기적특성을측정하는센서이다. 상기반응챔버는플라즈마처리챔버로정전척과바이어스쉴드및플라즈마방전전극이구성되어각각상기전송선으로상기무선주파수발생기와연결된것을특징으로한다. 상전환임피던스매칭방법은무선주파수발생기의전류, 전압및이들의위상차의전기적특성을측정하는단계 ; 상기무선주파수발생기의상기전기적특성으로부터매칭네트워크시스템의임피던스매칭을위한상전환각도를정하는단계 ; 및상기매칭네트워크시스템과연결된반응챔버의임피던스를측정하는단계를포함한다. 상기상전환각도를정하는단계는, 상기제 1 커패시터와임피던스크기의증감방향을설정하는단계 ; 제 2 커패시터와임피던스위상의증감방향을설정하는단계 ; 및임피던스매그라인중심각을회전시켜임피던스크기라인에일직선으로맞추는단계를포함한다. [0013] 발명의효과본발명의일실시예에따르면, 매칭네트워크시스템은전송선로의임피던스방정식을이용하여회전각도를세팅하여데드존문제를극복할수있다. 또한, 플라즈마공정상에서제 1 커패시터인튠커패시터의변화를억제할수있다. [0014] 도면의간단한설명 도 1 은일반적인임피던스매칭의순서를도시한도면이다. 도 2는인풋필터유무에따른데드존의변화를도시한도면이다. 도 3은타겟임피던스변화에따른데드존의변화를도시한도면이다. 도 4는상회전에따른데드존의변화를도시한도면이다. 도 5는상전환매칭알고리즘을나타내는기본원리를도시한도면이다. - 5 -
도 6은상전환알고리즘의전환각도를세팅하는방법을도시한도면이다. 도 7은본발명의상전환알고리즘의전환각도를세팅하는방법에따른바람직한실시예를도시한도면이다. 도 8은본발명의상전환알고리즘으로구성된매칭내트워크시스템이무선주파수발생기와플라즈마챔버와연결된회로도를도시한도면이다. 도 9 내지도 11은역 L 타입매처를적용한본발명의변형된실시예를도시한도면이다. 도 12 내지도 14는 T 타입매처를적용한본발명의변형된실시예를도시한도면이다. [0015] [0016] [0017] [0018] 발명을실시하기위한구체적인내용본발명을충분히이해하기위해서본발명의바람직한실시예를첨부도면을참조하여설명한다. 본발명의실시예는여러가지형태로변형될수있으며, 본발명의범위가아래에서상세히설명하는실시예로한정되는것으로해석되어서는안된다. 본실시예는당업계에서평균적인지식을가진자에게본발명을보다완전하게설명하기위해서제공되어지는것이다. 따라서도면에서의요소의형상등은보다명확한설명을강조하기위해서과장되어표현될수있다. 각도면에서동일한구성은동일한참조부호로도시한경우가있음을유의하여야한다. 본발명의요지를불필요하게흐릴수있다고판단되는공지기능및구성에대한상세한기술은생략된다. 이하첨부된도면들을참조하여상전환매칭방법및이방법을위한전기장치에대해설명한다. 도 5는상전환매칭알고리즘을나타내는기본원리를도시한도면이다. 상전환 (phase rotation) 을하게되면도시된바와같이임피던스의각도변화에따라페이즈라인 (Phase line) 과크기의변화에따른매그라인 (Mag line) 은변화없이동시에움직이고스미스차트 (Smith chart) 가전체적으로회전하게되므로임피던스영역자체에대한왜곡현상은생기지않게된다. 따라서데드존없는정확한매칭을위하여상전환알고리즘은전환각도를세팅하는것이중요하다. 전송선로의입력임피던스방정식을이용하여, 상전환된위치에서의임피던스를구하면다음과같다. 수학식 1 [0019] [0020] 또한임피던스는저항, 커패시턴스, 인덕턴스의조합으로구성되는데, 그식은다음과같다. 수학식 2 [0021] [0022] 그런데, 상술한바와같이무선주파수발생기의고유저항이 50Ω 이므로 스는다음과같은식으로나타낼수있다. 이다. 따라서상전환된임피던 수학식 3 [0023] - 6 -
[0024] 수학식 1 을로간단하게풀어보면다음과같다. 수학식 4 [0025] [0026] [0027] [0028] [0029] [0030] [0031] [0032] [0033] [0034] 따라서, 간단한연산수식의추가만으로손쉽게상전환을통한임피던스를측정하는것이가능하며, 기존양산된디지털매처에적용함에있어서도제약이없다. 도 6은상전환알고리즘의전환각도를세팅하는방법을도시한도면이다. 먼저, 회전에대한각도변수와제 1 커패시터와제 2 커패시터의방향부호를확인하고이를이용하여각도를세팅한다. 다음으로각도는임피던스크기라인즉, 매그라인 (Mag line) 의중심축이매그 (Mag) 50Ω 라인과일직선이되도록한다. 마지막으로제 1 커패시터는매그라인과, 제 2 커패시터는임피던스위상라인인페이즈라인과증감방향을비교하여정방향, 역방향을정해준다. 예를들면, 매그라인이 50Ω보다큰쪽에있을때, 매칭지점이제 1 커패시터가증가하는방향에있다면정방향 (+) 이다. 따라서이러한 3가지요인만으로간단한전환각도세팅이가능하다. 도 7은본발명의상전환알고리즘의전환각도를세팅하는방법에따른바람직한실시예를도시한도면이다. 도시된바와같이매그라인중심각을매그라인쪽으로회전시켜서즉상전환시켜매그라인에일직선이되도록한다. 도 6에서상술한바와같이, 매그또는페이즈증감방향에맞추어방향성을결정한다. 보다자세히설명하면, 도시된바와같이 +147도로매그라인중심각을움직여매그라인에일치시킨상전환은매그값이 50Ω보다클때에, 제 1 커패시터는커지는방향으로움직여야한다. 매그라인안쪽에서페이즈값이 0보다클때에, 제 2 커패시터는작아지는방향으로움직여야한다. 다음으로 -33도매그라인중심각을움직여매그라인에일치시킨상전환은매그값이 50Ω보다클때에, 제 1 커패시터는작아지는방향으로움직여야한다. 매그라인안쪽에서페이즈값이 0보다작으면제 2 커패시터는작아지는방향으로움직여야한다. 도 8은본발명의상전환알고리즘으로구성된매칭네트워크시스템이무선주파수발생기와플라즈마챔버와연결된회로도를도시한도면이다. 도시된바와같은 L타입의매칭시스템에따르면, 제 1 커패시터 (12) 는무선주파수발생기 (10) 와연결된전송선의소정의위치 (16) 에연결되고, 제 2 커패시터는반응챔버와연결된부하와상기소정의위치 (16) 사이에배치된다. 제 1 및제 2 커패시터 (12,14) 는가변커패시터인에어바리콘이사용된다. 전송선과소정의위치사이에무선주파수발생기의임피던스크기와위상을측정하는매처상태를나타내는인풋센서가위치한다. 다음으로반응챔버와제 2 커패시터의사이에는반응챔버의상태를알수있는아웃풋센서가위치한다. 자세히도시하지는않았으나, 매칭네트워크시스템은무선주파수발생기 (10), 전송선, 이러한전송선과반응챔버사이의매칭네트워크를포함하는데, 상기매칭네트워크에접속되는매칭네트워크제어기가더욱포함된다. 매칭네트워크제어기는상기매칭네트워크와상기무선주파수발생기와의임피던스매칭을이루기위해상기매칭네트워크의임피던스회전각도를정하는상전환알고리즘에따라제어하는수단을포함한다. 도 9 내지도11은역 L 타입매처를적용한본발명의변형된실시예를도시한도면이다. 상전환없이무선주파수발생기의고유저항 (50Ω) 이도 9에도시된바와같은역 L 타입의매칭네트워크회로를통과하게되면도 10 에도시된바와같이데드존이형성된다. 그러나 +70도의상전환을상전환알고리즘을통해하게되면데드존이사라지게된다. 또한매그페이즈방식은제 1 커패시터가움직일때, 제 2 커패시터가같이움직이게된다. 그런데두개퍼시터가동시에움직이게되면매칭하는시간이나정확도가떨어지게되므로최대한하나만영향받도록맞춰주는역할이필요하다. 도 11에도시된바와같이, +70도의상전환상태에서제 1 커패시터가 10~90% 까지변화하더라도데드존이형성되지않은것을확인할수있다. 따라서, 간단한연산수식으로손십게상전환 - 7 -
을통한임피던스를측정하는것이가능할뿐아니라, 매칭의속도나정확성을높일수있게된다. [0035] [0036] 도 12 내지도 14는 T 타입매처를적용한본발명의변형된실시예를도시한도면이다. 도 12는 T 타입매처를적용한본발명의변형된실시예로서매칭네트워크회로를도시한도면이다. 상전환없이무선주파수발생기의고유저항 (50Ω) 이 T 타입의매칭네트워크회로를통과하게되면도 13에도시된바와같은데드존이형성된다. 그러나 +90도의상전환을상전환알고리즘을통해하게되면데드존이사라지게된다. 또한매그, 페이즈방식은제 1 커패시터가움직일때, 제 2 커패시터가같이움직이게된다. 그런데두개퍼시터가동시에움직이게되면매칭하는시간이나정확도가떨어지게되므로최대한하나만영향받도록맞춰주는역할이필요하다. 이것은도 14에도시된바와같이, +90도의상전환상태에서는제 1 커패시터가 10~90% 까지변화하더라도데드존이형성되지않은것을확인할수있다. 따라서, 간단한연산수식으로손쉽게상전환을통한임피던스를측정하는것이가능할뿐아니라, 매칭의속도나정확성을높일수있게된다. 상술한바와같은종래매처의가장큰난제중하나인데드존문제를극복하면서알고리즘세팅방식이간단해질뿐아니라제 1 커패시터의변화에대해데드존억제의효과를보여주는본발명은새로운상전환알고리즘전기장치로서그간데드존문제로인해제대로활용되지못했던상호영향 (cross dependence) 를통해매칭속도향상도기대할수있다. 이상에서설명된본발명의실시예는예시적인것에불과하며, 본발명이속한기술분야의통상의지식을가진자라면이로부터다양한변형및균등한타실시예가가능하다는점을잘알수있을것이다. 그럼으로본발명은상기의상세한설명에서언급되는형태로만한정되는것은아님을잘이해할수있을것이다. 따라서본발명의진정한기술적보호범위는첨부된특청구범위의기술적사상에의해정해져야할것이다. 또한, 본발명은첨부된청구범위에의해정의되는본발명의정신과그범위내에있는모든변형물과균등물및대체물을포함하는것으로이해되어야한다. [0037] 부호의설명 10 : 무선주파수발생기 12 : 제 1 커패시터 14 : 제 2 커패시터 16 : 전송선의소정의위치 도면 도면 1-8 -
도면 2 도면 3 도면 4 도면 5-9 -
도면 6 도면 7 도면 8-10 -
도면 9 도면 10 도면 11 도면 12-11 -
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