[논문]고전압 용량성 결합 플라즈마 시스템의 개선된 전압 파형 출력을 위한 펄스 전류 발생장치 회로

채범석; 민주화; 서용석; 김현배; 김혜진

고전압 용량성 결합 플라즈마 시스템의 개선된 전압 파형 출력을 위한 펄스 전류 발생장치 회로
Current Source Type Pulse Generator with Improved Output Voltage Waveform for High Voltage Capacitively Coupled Plasma System 원문보기

채범석 (전북대학교 공과대학 전기공학과) , 민주화 (전북대학교 공과대학 전기공학과) , 서용석 (전북대학교 공과대학 전기공학과) , 김현배 (삼성전자 생산기술연구소) , 김혜진 (삼성전자 생산기술연구소)

본 논문은 용량성 결합 플라즈마 응용 시스템을 위한 전류형 토폴로지 기반의 전력 변환장치 구조를 제안한다. 제안된 시스템은 독립적으로 제어된 두 개의 고 정밀 펄스 전류를 부하로 출력하는 병렬 연결된 전류형 전력 변환장치로 구성된다. 전체 회로 토폴로지는 네 가지 세부 부분; 바이어스 전류 발생기, 바이어스 전류 모듈레이터, 슬롭 전류 발생기, 슬롭 전류 모듈레이터로 구성되어 있다. 제안된 시스템은 빠른 과도 특성을 위해 1200V/90A급 SiC MOSFET 스위치를 사용하였다. 제안된 전력 변환장치는 4.5kV의 출력전압, 40A급 출력전류와 100ns급 전류 상승/하강 특성을 충족시키도록 설계되었다. 본 연구는 펄스 전류형 전력 변환회로를 제안함으로써 전압형 전력 변환장치에 비해 전압 스파이크 및 전압 파형 왜곡을 줄여 보다 정확한 출력 전압을 발생시킴으로써 용량성 결합 플라즈마 시스템의 안정도 및 정밀도를 향상시킬 수 있다.

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문제 정의

본 논문에서는 용량성 결합 플라즈마 응용 시스템을 위한 새로운 전력 변환장치 솔루션을 제안하였다. 제안된 컨버터 시스템은 4.
본 논문에서는 출력 전압 4.5kVpp, 출력 전류 40A, 상승/하강 시간 100ns 미만의 전력 변환기 회로를 제안한다. 제안된 회로는 전류형 컨버터 기반의 회로가 병렬 연결된 구조를 이용하여 고정밀 출력 사양을 충족시킨다.
이 경우 그림 2와 같이 짧은 상승/하강 기울기를 가지는 펄스 파형의 부하 전압 및 부하전류를 얻기가 어려워진다. 이러한 한계를 해결하기 위해 본 논문에서는 전류형 펄스 전원장치를 제안하고자 한다.

제안 방법

Bias Current Generator는 플라즈마 부하의 전압 변화 조건에서도 DC 전류를 일정하게 제어하기 위해 NPC 타입 컨버터를 선정하였다. Bias Current Modulator는 풀브릿지 전류형 컨버터 회로로 설계하였다. 일정한 DC 전류를 입력받아 양방향 펄스 형태의 전류를 부하측으로 전달한다.
그림 10은 700Vpp, 7A (200V/div, 5A/div)를 목표로 실험을 수행하였고, 그림 11은 1kVpp, 9A (350V/div, 5A/div)를 목표로 실험을 수행하였다. 실험을 통해 얻은 전압 및 전류 파형은 그림 2의 목표 부하 전압 및 부하 전류 파형과 유사한 패턴을 보임을 확인하였다.
이 구조는 그림 2에서 보여지는 부하 전압과 부하 전류의 특성을 충족시키기 위해 설계되었다. 기본적으로 제안된 회로는 Bias Current Generator, Bias Current Modulator, Slope Current Generator, Slope Current Modulator 로 구성되어 있다.
5kVpp, 출력 전류 40A, 상승/하강 시간 100ns 미만의 전력 변환기 회로를 제안한다. 제안된 회로는 전류형 컨버터 기반의 회로가 병렬 연결된 구조를 이용하여 고정밀 출력 사양을 충족시킨다. 전체 시스템은 Bias Current Generator, Bias Current Modulator, Slope Current Generator, Slope Current Modulator 이렇게 총 4개의 회로로 구성되어 있다.

대상 데이터

전체 시스템은 Bias Current Generator, Bias Current Modulator, Slope Current Generator, Slope Current Modulator 이렇게 총 4개의 회로로 구성되어 있다. 또한 제안된 회로는 빠른 동적 특성을 충족시키기 위해 1200V/90A급 SiC MOSFET 소자를 사용하여 제작되었다. 이렇게 설계된 회로는 전압형 펄스 발생장치와 비교하여 보다 낮은 전압 스파이크 및 낮은 부하 전압 왜곡을 성공적으로 달성하였으며 이를 통해 보다 정밀한 플라즈마 응용 제어가 가능하게 되었다.
실험 환경은 그림 9에 나타난 것과 같이 전류형 펄스 발생장치 하드웨어와 그것을 제어하기 위한 제어보드로 구성하였 다. 그림 10과 11은 각각 두 가지 다른 목표 조건에서 부하 전압 및 전류의 실험 파형을 측정하였다.
제안된 회로는 전류형 컨버터 기반의 회로가 병렬 연결된 구조를 이용하여 고정밀 출력 사양을 충족시킨다. 전체 시스템은 Bias Current Generator, Bias Current Modulator, Slope Current Generator, Slope Current Modulator 이렇게 총 4개의 회로로 구성되어 있다. 또한 제안된 회로는 빠른 동적 특성을 충족시키기 위해 1200V/90A급 SiC MOSFET 소자를 사용하여 제작되었다.
앞서 언급한 전류형 펄스 전원장치의 동작 속도 문제를 해결하기 위해 그림 6에서 전류형 펄스 전원장치 회로를 제안한다. 제안된 전류형 펄스 전원장치는 병렬 연결된 두 개의 전류 소스를 사용한다. 이 구조는 그림 2에서 보여지는 부하 전압과 부하 전류의 특성을 충족시키기 위해 설계되었다.

데이터처리

제안된 펄스 전류 발생장치의 전체 시스템은 PLECS 시뮬레이터를 이용하여 검증하였다. 시뮬레이션 조건은 표 1에 표시 하였다.

성능/효과

최근 소자 기술의 발전으로 인해 고전압, 고속 스위칭 어플리케이션 영역의 한계가 확장됨으로써 그동안 전력전자 기술이 적용되지 않았던 플라즈마 응용 분야에서도 전력전자 기술의 적용이 가능하게 되었다.^[1] 최신 플라즈마 응용 시스템은 고전압, 고전류, 고주파수 및 빠른 동적 성능을 요구한다. 특히 반도체 제조 공정에서 사용하는 플라즈마는 수 kV의 전압과 100ns 미만의 전류 상승/하강 시간을 필요로 한다.
또한 제안된 회로를 통해 얻은 전압 파형은 스파이크 전압 및 전류 리플을 억제하여 출력 파형의 정밀성 확보를 달성하였다. 결과적으로 시뮬레이션 및 실험 검증을 통해 제안된 회로의 우수성을 확인할 수 있었다.
서로 다른 기울기의 부하 전압을 형성하기 위해 설계된 두 전류 발생장치는 정교하게 제어된 전류를 출력하였고 이를 이용하여 목표로 한 전압 파형을 얻을 수 있었다. 또한 제안된 회로를 통해 얻은 전압 파형은 스파이크 전압 및 전류 리플을 억제하여 출력 파형의 정밀성 확보를 달성하였다. 결과적으로 시뮬레이션 및 실험 검증을 통해 제안된 회로의 우수성을 확인할 수 있었다.
그림 8은 시뮬레이션을 통해 얻은 부하던 출력 파형이 다. 부하 전압은 4.5kVpp값을 가짐을 확인하였고 또한 부하 전류는 양방향 45A 펄스 전류와 단방향 1A 펄스 전류를 출력함을 확인하였다.
그림 10은 700Vpp, 7A (200V/div, 5A/div)를 목표로 실험을 수행하였고, 그림 11은 1kVpp, 9A (350V/div, 5A/div)를 목표로 실험을 수행하였다. 실험을 통해 얻은 전압 및 전류 파형은 그림 2의 목표 부하 전압 및 부하 전류 파형과 유사한 패턴을 보임을 확인하였다. 이를 통히 시뮬레이션 및 하드웨어가 용량성 결합 플라즈마 시스템에서 원하는 동작을 수행함을 확인할수 있었다.
실험을 통해 얻은 전압 및 전류 파형은 그림 2의 목표 부하 전압 및 부하 전류 파형과 유사한 패턴을 보임을 확인하였다. 이를 통히 시뮬레이션 및 하드웨어가 용량성 결합 플라즈마 시스템에서 원하는 동작을 수행함을 확인할수 있었다.
본 논문에서는 용량성 결합 플라즈마 응용 시스템을 위한 새로운 전력 변환장치 솔루션을 제안하였다. 제안된 컨버터 시스템은 4.5kV의 출력 전압과 45A의 출력 전류를 100ns 미만의 상승/하간 시간을 충족하기 위해 설계하였으며 목표로 하는 파형을 성공적으로 출력함을 확인하였다. 서로 다른 기울기의 부하 전압을 형성하기 위해 설계된 두 전류 발생장치는 정교하게 제어된 전류를 출력하였고 이를 이용하여 목표로 한 전압 파형을 얻을 수 있었다.

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