[논문]마그네트론 스퍼터용 20kW급 플라즈마 전원장치 개발

서광덕; 김상훈

문제 정의

본 논문은 최근 다양한 어플리케이션에 이용되고 있는 플라즈마 공정용 전원장치 개발에 관한 것이다. 플라즈마를 이용한 여러 종류의 박막처리 및 증착공정이 있으며 이에 따른 전원장치의 사양과 출력제어 특성도 다양하다.
여기서는 마그네트론 스퍼터용으로 사용되는 직류 전원장치를 위해 수하특성이 우수한 L-C 직렬공진 컨버터를 개발하였다. 출력리플을 최소화하기 위한 고주파 직, 병렬 제어기술을 적용하였으며, 대용량화를 위해 Unit 간의 병렬운전 제어기법에 대한 연구를 수행하였다.

제안 방법

본 논문에서 제안된 직류 전원장치는 정격출력은 20kW 이고 출력 전압/전류 용량은 800V/25A, 400V/50A이며, 아크 에너지는 0.5mJ/kW이하로 극히 낮게 제어가 가능하도록 개발되 었다.
각각의 DCZDC 컨버터는 그림 3과 같이 L-C 직렬공진 방식의 단상 고주파 인버터, 고주파 절연변압기와 정류부로 구성된다! 2, 3]. 인버터의 스위칭 소자로는 MOSFET 을 사용하였고 L-C직렬공진 회로를 이용한 소프트 스위칭 기법을 적용하여 최대 200kHz까지 동작하도록 하였다.
수하특성을 갖는 부하에 최적의 안정된 출력을 공급하기 위해 변압기 자체의 누설 인덕턴스 성분을 이용하여 공진회로를 구현하였다. 이로 인하여 외부의 공진용 인덕터가 제거되어 인버터 스택의 크기와 무게를 최소화 하였다.
제안된 단상 공진형 인버터는 100~200kH診의제어주파수로 PFM(Pulse Frequency Modulation) 과 PWM(Pulse Width Modulation) 제어방식을 병행하여 동작시킨다. 이들 인버터는 제어 한주기 내에서 4개의 제어 위상각으로 나누어 제어하는 방식을 사용하였는데, 이를 통해 제어주파수의 8 배가 되는 최종 출력리플을 얻도록 하였다.
동작시킨다. 이들 인버터는 제어 한주기 내에서 4개의 제어 위상각으로 나누어 제어하는 방식을 사용하였는데, 이를 통해 제어주파수의 8 배가 되는 최종 출력리플을 얻도록 하였다. 그리고 각 상의 전류를 센서를 통해 검출하고 그 위상들을 제어함으로써 컨버터의 불평 형(Unbalance)을 방지하였다.
이들 인버터는 제어 한주기 내에서 4개의 제어 위상각으로 나누어 제어하는 방식을 사용하였는데, 이를 통해 제어주파수의 8 배가 되는 최종 출력리플을 얻도록 하였다. 그리고 각 상의 전류를 센서를 통해 검출하고 그 위상들을 제어함으로써 컨버터의 불평 형(Unbalance)을 방지하였다.
T%과 Yc 전압 벡터의 합과 PVM에 의한 인버터 출력 전압 벡터 VINV 의 합에 의해 변압기 입력전압 V 了가 형성되므로 본 논문에서는 PWM과 PFM을 혼합한 인버터 제어방식을 사용하여 전원 장치의 수하특성과 고속정밀 제어를 구현하였다 .
각 제어모드별로 제어 기준신호와 실제 검출된 전압 및 전류 신호를 가지고 주 제어성분에 대해 기본적으로 PKproportion and integral) 제어를 수행한다. 4개의 인버터 PWM 출력은 Phase Shift 기법에 의한 제어를 한다.
4개의 인버터 PWM 출력은 Phase Shift 기법에 의한 제어를 한다. 또한 출력리플을 줄이기 위한 피드포워드 방식의 보상제어를 수행하며 병렬운전 제어가 가능한 부하공유 제어기술을 적용하였다. 그밖에 스위칭 효율 향상을 위해 제어통유율이 65%~85% 사이에서 정상상태 동작을 갖도록 하기위한 주파수 제어부분이 포함되어있다.
따라서 제어기는 부하의 아크발생시 검지신호를 입력받아 고속의 아크 제어기를 통해 차단, 재기동하는 루틴을 수행한다. 아크 발생은 출력 전압, 전류 및 dv/dt를 이용하여 감지하며 고속의 아크 제어성능을 구현하였으며, L-C 직렬공진회로에 의한 수하특성을 이용하여 부하로 전달되는 아크 에너지를 극소하였다.
아크는 출력 쇼트와 같은 경우에 발생하는데 전원 장치는 아크를 가능한 빨리 검지하여 출력을 차단함으로써 아크에너지를 극소화시킬 필요가 있다. 개발한 장치에서는 발생된 아크를 출력 전압, 전류 및 전압변화율 dv/dt를 이용하여 고속으로 감지하도록 하였다.
컨버터를 개발하였다. 출력리플을 최소화하기 위한 고주파 직, 병렬 제어기술을 적용하였으며, 대용량화를 위해 Unit 간의 병렬운전 제어기법에 대한 연구를 수행하였다. 또한, 아크 에너지를 최소화 하기위한 아크제어기법을 개발하였다.
출력리플을 최소화하기 위한 고주파 직, 병렬 제어기술을 적용하였으며, 대용량화를 위해 Unit 간의 병렬운전 제어기법에 대한 연구를 수행하였다. 또한, 아크 에너지를 최소화 하기위한 아크제어기법을 개발하였다.

대상 데이터

본 논문에서 개발된 201沛급 직류 전원장치는 5kW급의 DC/DC 컨버터 4개를 직, 병렬로 연결하는 전력회로로 구성되었다. 각각의 DCZDC 컨버터는 그림 3과 같이 L-C 직렬공진 방식의 단상 고주파 인버터, 고주파 절연변압기와 정류부로 구성된다! 2, 3].
이로 인하여 외부의 공진용 인덕터가 제거되어 인버터 스택의 크기와 무게를 최소화 하였다. 개발된 직류 전원 장치의 제어를 위해 32bit floating point DSP인 TKTexas Instrument) 사의 TMS320C₃₁ 을 주 CPU로 사용한 디지털 제어기를 사용하였다.
개발된 전원장치는 그림 7과 같이 19” 표준 Rack Typ供의 높이 3U, 깊이 (Depth) 6(X)mm의 Size로 제작되었으며 10kW 모듈(Module)을 2개 병렬로 구성하였다.

성능/효과

그림 10(a)는 기존의 아크 제어시 출력전압 및 전류이며, 그림 10(b)는 제안된 고속 아크 제어기법을 적용한 새로 개발한 장치의 아크 제어성능을 보인다. 제안된 아크에너지 저감 기법을 적용한 장치에서는 전류가 매우 빠르게 리셋되고 있으며 아크 에너지는 0.5mJ/kW이하로 미]우 적게 나타남을 알 수 있다.
개발된 전원장치를 실제 플라즈마 박막코팅 공정에 적용하여 고속의 아크제어 성능과 각 모드에 따른 출력 제어 특성, 그리고 형성된 박막의 품질비교를 통해 본 제품의 우수성을 확인하였다.

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