PWM for Plasma

"공부다"
틀린 내용이 있을 수 있으니 개념만 참고하시고 틀린 부분을 지적해 주시면 감사합니다.

 

구글 AI에게 PWM에 대해 물어보았다. 아래와 같이 정리해 주었다. 

PWM(Pulse Width Modulation, 펄스폭 변조)은 디지털 신호의 '켜짐' 시간(펄스폭)을 조절하여 평균 전압을 바꾸는 기술로, LED 밝기, 모터 속도, 전력 제어 등에 사용되며, 디지털 신호를 아날로그처럼 제어하는 효과를 냅니다. 일정한 주기의 펄스 파형에서 'On'과 'Off' 비율(듀티 사이클)을 변경하여 전력을 제어하는 방식입니다. 

펄스폭

• 조절: 디지털 신호(HIGH/LOW)를 빠르게 반복하면서, HIGH 상태가 유지되는 시간(펄스폭)을 조절합니다.
• 듀티 사이클: 펄스 주기 대비 ON 상태인 시간의 비율을 '듀티 사이클'이라고 하며, 이 비율을 0%에서 100%까지 변경합니다.
• 평균 전압: 듀티 사이클이 높을수록 평균 전압이 높아지고, 낮을수록 평균 전압이 낮아집니다. 우리 눈이나 기기는 이 펄스들을 평균값으로 인식합니다. 

주요 활용 분야

• 모터 제어: 펄스폭을 조절해 모터의 회전 속도를 부드럽게 제어합니다.
• LED 밝기 조절: 펄스폭을 조절해 LED의 밝기를 조절합니다 (아두이노 등에서 analogWrite() 함수로 구현).
• 전력 제어: 전력 변환 장치(SMPS)에서 전력 효율을 높이는 데 사용됩니다.

 

"PWM을 사용하는 이유는?"

PWM(Pulse Width Modulation, 펄스 폭 변조)을 사용하는 가장 핵심적인 이유는 디지털 신호로 아날로그 장치를 매우 효율적이고 정밀하게 제어할 수 있기 때문입니다. 

 

---

 

위의 PWM을 잘 설명한 페이지를 소개한다. 
https://m.blog.naver.com/emperonics/221725399383

그럼 우리 업계 설비에서는 이것이 어떻게 사용되는가를 알아보자

RF Plasma를 공정에 사용하는 설비의 고질적 약점이 있다. 그것은 바로 Arcing(아킹)이다. 프라즈마 에너지가 원하는 곳에서 처리되지 못하고 의도치 않는 공간에 프라즈마가 생성되거나 순간 방전되는 arcing이 발생한다. RF Plasma설비에서 이러한 arcing을 제대로 제어하지 못하면 모두가 알듯이....  
https://hivac.tistory.com/29

따라서 의도치 않은 arcing을 제어하기 위하여 RF 출력과 PWM을 묶어 사용한다. 그럼 PWM은 RF Generator(arcing)에 어떻게 사용되어지는가?

일반적인 경우 보통의 Digital signal을 사용하여 On(24V)하면 설정된 출력이 나가게 된다. 당연히 Off(0V)는 generator는 끄게 됩니다. Generator를 On 하고 일정 시간 시간 후 Off(Time etch)하는 방식과  EPD에서 end 신호를 받으면 generator를 off 하는 방식으로 공정을 진행하게 됩니다. 

즉 PWM 신호를 RF Generator에 바로 사용하는 것이 아닌 출력을 위한 매개로 사용하는 것이다. 아래는 그러한 개념을 이미지로 표현한 것이다. 참고만 하시라.

Continuous wave(일반파형)

 

PULSED WAVE

 

공정시간(Etching time) 동안 RF Generator를 계속 켜 두는 것이 아니라 pulse generator에 출력을 받아 이 신호를 기준으로 RF 출력을 pulse 형태로 변환하게 된다. 당시에는 97% 정도를 사용하였으며 공정에 영향을 미치지 않을 정도의 효율의 off시간을 넣어 arcing이 발생할 환경을 최소화한다. PWM은 여기 pulse generator에서 사용하며 여기에서 발생된 신호를 generator에 전달하고 제네레이터는 이 신호를 기준으로 출력을 pulsed mode로 제어하게 된다.

아래 이미지는 출력에 관련된 내용을 이미지로 표현한 것이다. 왼쪽은 연속으로 출력이 발생하는 이미지이고 우측은 pulsed wave의 출력 이미지를 표현한 것이다. 왼쪽 이미지가 출력의 총합이 100이라면 우측 이미지는 출력 60에 순간 Off를 40을 표현한 것이다. (이를 Duty cycle 60%라고 표현한다.)

 

이미지 출처 : 성균관대학교산학협력단, “펄스 플라즈마의 dc 파워 인가에 따른 동기화 제어 방법”   PCT/KR2011/001400, Jul. 1, 2011.

 

당시에는 제어 엔지니어로 필요한 기능을 구현하는 게 목적 이어서 자세한 내용을 알기보다는 기능 구현에 충실했던 것 같다. 찾아보니 이러한 기능을 Pulsed plasma라고 하며 이에 대한 효과는 공정 개선과 charge 감소등이 있다, 우리는 여기서 charge 감소를 목적으로 하였으며 효과가 상당했다. CS의 리포트에 의하면 모니터링 기간 동안 arcing 발생 빈도가 상당히 감소하었다고 한다. 당시 arcing이 잇슈화 되어 심각 단계로 넘기 전에 상당한 개선이 보여 큰 산 하나를 넘은듯한 분위기에...

구조는 아래와 같이 기존 On/Off 신호와 별개로 Pulse generator(Generator maker제공)를 추가 설치하고 RF를 켜기 전 여기에 필요한 신호(Duty cycle, Frequency)를 미리 설정한 후에 Generator를 켜면 된다. Generator에는 미리 pulse mode를 사용한다는 설정이 되어 있어야 한다.

 

---

 

설명을 위한 자료를 찾아보니 2019년 세미콘 코리라에서 이를 주제로 한 세미나가 있었다. 여기에 링크를 참고하시라.
https://blog.naver.com/lam-r-korea/221490906107

플라스마 식각은 고선택비(high selectivity), 비등방성 에치(anisotropic etch), 더 엄격한 CD(Critical Dimension) 제어를 요구하고 있다. Pulsed RF (Radio Frequency) plasma는 기존의 CW(Continuous Wave) RF plasma에 비해 이러한 제어에 있어 큰 이점을 가지고 있다. 그렇기에 최근에는 식각 과정에서 굉장히 광범위하게 사용되고 있다.

[출처] 램리서치 이동수 박사가 알려주는 Pulsed RF Plasma 이야기  |  작성자 램리서치코리아