[논문]13.56 MHz 임피던스 자동 정합 시스템을 위한 임피던스 에러율 향상 알고리즘

장광호; 박수연; 최진주; 이동헌

doi:10.5515/kjkiees.2018.29.7.484

13.56 MHz 임피던스 자동 정합 시스템을 위한 임피던스 에러율 향상 알고리즘
Error Rate Enhancement Algorithm for 13.56 MHz Impedance Automatic Matching System 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.29 no.7, 2018년, pp.484 - 490

장광호 (광운대학교 전파공학과) , 박수연 (광운대학교 전파공학과) , 최진주 (광운대학교 전파공학과) , 이동헌

초록
AI-Helper

본 논문은 13.56 MHz 임피던스 자동 정합 시스템 내의 VI 센서를 이용하여 전압 신호와 전류 신호를 측정하고, 부하임피던스를 계산하는 새로운 알고리즘에 대해서 기술하였다. 기존의 $50{\Omega}$ 교정 부하로 하던 방식에서 벗어나 임의의 복소수 교정 부하를 사용하여 에러율이 향상되는 알고리즘을 제안한다. 에러율은 $R_{IN}$ 평균 1 % 이하, $X_{IN}$은 평균 20 %이하 목표로 한다. 일차적으로 믹서를 사용하여 IF 주파수를 계산하여 에러율을 줄였고, 두 번째로 임의의 복소수 부하를 교정 부하로 사용하였을 때 에러율이 $R_{IN}$은 평균 2.7 %에서 평균 0.3 %로 감소하였고, $X_{IN}$은 평균 102 %에서 평균 18.3%까지 감소하였습니다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper describes an algorithm for calculating load impedance by measuring voltage and current components using a VI sensor in a 13.56 MHz impedance automatic matching system. We propose an algorithm that improves the error rate by using an arbitrary complex calibration load instead of the conventional $50{\Omega}$ calibration load. The error rate is targeted to attain average values of $R_{IN}$ and $X_{IN}$ at 1% and 20% or less, respectively. First, the IF frequency is calculated using a mixer to reduce the error rate. Second, when the arbitrary complex load is used as the calibration load, the error rate $R_{IN}$ decreased from 4.7 % to 0.3 % on average, and $X_{IN}$ decreased from 102 % to 18.3 % on average.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 자동 정합 시스템을 위한 입력 임피던스 유도에 대한 알고리즘을 정리하고 새로운 알고리즘에 대해서 기술하였다. 임피던스 유도는 VI 감지기를 통해서 측정되는 전압 신호와 전류 신호에 교정 부하를 이용하여 실제 전압과 전류 신호 크기와 위상으로 교정 후 실제 입력 임피던스를 계산하게 된다.
본 논문에서는 하드웨어적인 문제의 향상보다는 알고리즘적인 문제 해결에 주안점을 두고 있다. 기존의 50 Ω 교정부하를 이용하여 정합을 하는 것보다 플라즈마 임피던스 주변의 값을 이용하여 교정하여 좀 더 임피던스 정합 에러율을 낮추려고 하였다.
기존의 50 Ω 교정부하를 이용하여 정합을 하는 것보다 플라즈마 임피던스 주변의 값을 이용하여 교정하여 좀 더 임피던스 정합 에러율을 낮추려고 하였다. 이에 우리는 일반적으로 적용되는 반도체 공정의 플라즈마 임피던스인 높은 실수부와 커페시티브를 갖는 낮은 허수부의 측정 오차를 고려하여 R_IN 평균 1 % 이하, X_IN 평균 20 % 이하의 특성을 만족하는 교정을 서술하였다. 그러기 위해서 복소수 교정 부하를 일반화시킨 수식을 유도하였고, 이를 검증하기 위해서 실제로 복소수 교정 부하를 측정하여 복소수 교정 부하를 이용하여 에러율이 개선되는 내용을 기술하였다.

제안 방법

신호 발생기는 2대를 사용하여 하나는 감지기를 통해 부하로 전달해 주는 용도로 사용하였고, 다른한 대는 믹서에 LO 신호를 넣는 용도로 사용하였다. LO 주 파수는 13.52 MHz로 하여 감지기에서 나오는 신호와 LO를 믹서에 넣어서 40 kHz의 IF 신호가 나오도록 하였다. 그리고 마지막에는 저역 필터를 통과하여 40 kHz 신호만 오실로스코프에 인가되도록 구성하였다.
은 네트워크 분석기를 이용하여 측정한 실제 임피던스를 나타낸다. 각각 실수부와 허수부를 나누어서 에러율을 계산하였다.
이에 우리는 일반적으로 적용되는 반도체 공정의 플라즈마 임피던스인 높은 실수부와 커페시티브를 갖는 낮은 허수부의 측정 오차를 고려하여 R_IN 평균 1 % 이하, X_IN 평균 20 % 이하의 특성을 만족하는 교정을 서술하였다. 그러기 위해서 복소수 교정 부하를 일반화시킨 수식을 유도하였고, 이를 검증하기 위해서 실제로 복소수 교정 부하를 측정하여 복소수 교정 부하를 이용하여 에러율이 개선되는 내용을 기술하였다.
임피던스 유도는 VI 감지기를 통해서 측정되는 전압 신호와 전류 신호에 교정 부하를 이용하여 실제 전압과 전류 신호 크기와 위상으로 교정 후 실제 입력 임피던스를 계산하게 된다. 그리고 좀 더 높은 정확성을 가지기 위해서 13.56 MHz의 신호를 그래도 측정하는 것이 아니라 믹서를 통해서 40 kHz의 IF 주파수를 사용한다. 긴 파장의 신호를 분석함으로써 데이터의 정확성을 향상시켰다.
기존의 50 Ω 교정부하를 이용하여 정합을 하는 것보다 플라즈마 임피던스 주변의 값을 이용하여 교정하여 좀 더 임피던스 정합 에러율을 낮추려고 하였다.
56 MHz의 신호를 그래도 측정하는 것이 아니라 믹서를 통해서 40 kHz의 IF 주파수를 사용한다. 긴 파장의 신호를 분석함으로써 데이터의 정확성을 향상시켰다. 그리고 일반적으로 50 Ω(측정: 50.
우리는 13.56 MHz의 신호를 바로 측정하지 않고 믹서를 이용하여 40 kHz로 주파수를 다운시켜서 파형을 측정 하였다. 이는 파형을 분석할 때 위상의 차이를 좀 더 정확 하게 측정하기 위해서 긴 파장을 이용하여 실험을 진행 하였다.
56 MHz의 신호를 바로 측정하지 않고 믹서를 이용하여 40 kHz로 주파수를 다운시켜서 파형을 측정 하였다. 이는 파형을 분석할 때 위상의 차이를 좀 더 정확 하게 측정하기 위해서 긴 파장을 이용하여 실험을 진행 하였다. 위상의 작은 차이가 에러율에 큰 영향을 주기 때 문이다.
우리는 두 가지 방법으로 계산을 해보려고 한다. 일반적인 방법인 50 Ω을 교정 부하로 사용한 경우와 복소수 교정 부하를 교정 변수로 사용한 경우 두 가지를 비교할 것이다.
그렇기 때문에 가변하는 플라즈마 부하에서 발생하는 반사파를 줄여줄 자동 정합 회로 및 시스템을 필요로 하게 된다. 입력 감지기를 통해서 얻어진 부하 조건에 의한 전류와 전압 파형을 감지하여 부하 임피던스를 예측한다. 이를 통해서 정합을 실시간으로 하는 것이 플라즈마 임피던스 자동 정합 시스템이다^[1],[2].
그림 5는 실제로 비교를 위해서 측정한 임의의 부하이다. 총 3개의 임의의 부하를 사용하였고, 이를 통해서 임피던스 계산이 얼마나 정확한지를 확인하였다. 처음에는 50 Ω 부하의 교정 변수를 사용하였고, 이후 특정 복소수 부하 2개를 이용하여 임피던스 에러율이 얼마나 향상됐는 지를 확인하였다.

대상 데이터

왜냐하면 이상적인 소자 값과 실 제 소자 값은 다를 수 있기 때문이다. 측정은 네트워크 분석기 중에 하나인 Agilent E5071B ENA를 이용하여 측정 하였다. 실제로 50Ω 부하를 교정 부하로 사용하였을 때의 에러율과 특정 복소수 부하를 교정 부하를 사용하였을 때의 에러율 차이를 표 1을 보면 확인할 수 있다.

성능/효과

RIN의 경우에는 기존 50 Ω(측정: 50.3+ j1.44 [Ω]) 교정부하 방법으로는 평균 2.7 %의 에러율이 나왔지만 새로운 복소수 교정부하를 사용하였을 때는 평 균 0.3 %까지 감소한 것을 확인할 수 있고, XIN은 50 Ω (측정: 50.3+j1.44 [Ω]) 교정 부하에서는 102 %의 에러율이 나왔지만 새로운 복소수 교정 부하에서는 18.3 %까지 감소하는 것을 확인하였다.
44 [Ω]) 교정 부하를 이용하여 임피던스를 계산하지만 새롭게 제안한 복소수 교정 부하를 사용하여 에러율이 향상되는 것을 실험을 통해서 확인하였다. 에러율 변화는 R_IN은 평균 2.7 %에서 0.3 %까지 감소하는 것을 확인하였고, X_IN은 평균 102 %에서 18.3 %까지 감소하는 것을 확인하였다. 이는 목표로 하는 R_IN 평균 1 % 이하, X_IN 평균 20 % 이하의 특성을 만족하는 것을 확인하였다.
여기서 평균 에러율은 계산된 부하들의 에러율을 평균치를 나타낸 것이다. 이 측정 및 계산을 통해서 새로운 방식인 복소수 교정 부하 사용이 에러율 향상에 많은 도움을 주는 것을 실험을 통해서 확인할 수 있었다.
3 %까지 감소하는 것을 확인하였다. 이는 목표로 하는 R_IN 평균 1 % 이하, X_IN 평균 20 % 이하의 특성을 만족하는 것을 확인하였다. 이를 통해서 자동 정합 시스템에서 새로운 복소수 교정 부하를 사용한 알 고리즘의 선택에 의해서 좀 더 높은 에러율 개선을 기대할 것으로 본다.
이는 일반적으로 플라즈마에서 나타나는 임피던스 영역이 기 때문이다. 표에서 볼 수 있듯이 새로운 특정 부하를 사용하여 계산한 경우는 모두 대폭 에러율이 향상되는 것을 확인할 수 있다. R_IN의 경우에는 기존 50 Ω(측정: 50.

후속연구

이는 목표로 하는 R_IN 평균 1 % 이하, X_IN 평균 20 % 이하의 특성을 만족하는 것을 확인하였다. 이를 통해서 자동 정합 시스템에서 새로운 복소수 교정 부하를 사용한 알 고리즘의 선택에 의해서 좀 더 높은 에러율 개선을 기대할 것으로 본다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	플라즈마는 주로 어디에 사용되는가?	이러한 플라즈마는 에칭, 확산, 후처리 등에 주로 사용 되고 있으며, 그 수요 또한 급속신장하고 있으나, 국내 반도체 업체들은 미국이나 일본의 장비 업체로부터 전량 수입, 사용하여 반도체 장비 관련 사업의 선진 기술 확보에 어려움이 큰바 고정 주파수 13.56 MHz RF 전원장치 및 자동 정합 시스템의 필요성을 실감하게 되었다[3].
	플라즈마의 일반적인 특성은 무엇인가?	56 MHz RF 전원장치 및 자동 정합 시스템은 반도체 제조 및 건식 코팅 시 전원으로서 챔버 내에 플라즈마를 생성한다. 일반적으로 플라즈마는 고정된 부하와 다르게 상태에 따라서 가변하는 부하의 특성을 갖는다. 그렇기 때문에 가변하는 플라즈마 부하에서 발생 하는 반사파를 줄여줄 자동 정합 회로 및 시스템을 필요로 하게 된다.
	플라 즈마 임피던스 자동 정합 시스템이 필요한 이유는 무엇인가?	56 MHz RF 전원장치 및 자동 정합 시스템은 반도체 제조 및 건식 코팅 시 전원으로서 챔버 내에 플라즈마를 생성한다. 일반적으로 플라즈마는 고정된 부하와 다르게 상태에 따라서 가변하는 부하의 특성을 갖는다. 그렇기 때문에 가변하는 플라즈마 부하에서 발생 하는 반사파를 줄여줄 자동 정합 회로 및 시스템을 필요로 하게 된다. 입력 감지기를 통해서 얻어진 부하 조건에 의한 전류와 전압 파형을 감지하여 부하 임피던스를 예측한다.

참고문헌 (9)

L. E. Frenzel, RF Power for Industrial Applications, Pearson Prentice Hall, 2004.
장광호, "13.56 MHz 플라즈마 자동 임피던스 정합 회로구현에 관한 연구," 광운대학교 석사학위논문, 2014년.
최대규, 장우진, "플라즈마 발생 전원장치와 자동정합회로," 한국조명.전기설비학회 추계학술발표회논문집, 1995년 11월, pp. 60-63.
최대규, 완충연, "플라즈마 발생용 자동정합회로," 전력전자학회지, 7(1), pp. 16-20, 2002년 2월.

원문보기 상세보기
Advanced Energy, "Impedance matching," ENG-WHITE 18-270-02, 2006.
J. de Mingo, A. Valdovinos, A. Crespo. D. Navarro, and P. Garcia, "An RF electronically controlled impedance tuning network matching system," IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 52, no. 2, pp. 489-497, Feb. 2004.

상세보기
J. de Mingo, A. Valdovinos, A. Crespo, D. Navarro, and P. Garcia, "An RF electronically controlled impedance tuning network design and its application to an antenna input impedance automatic matching system," IEEE Transactinos on Microwave Theory and Techniques, vol. 52, no. 2, pp. 489-497, 2004.

상세보기
Q. Gu, J. R. De Luis, A. S. Morris, and J. Hilbert, "An analytical algorithm for Pi-network impedance tuners," IEEE Transactions on Circuits and Systems I, Regular Papers, vol. 58, no. 12, pp. 2894-2905, Dec. 2011.

상세보기
최진주, 초고주파 공학, Infinity Books, 2007.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증