플라즈마 방전 장치, RF 케이블 발열 문제에 대한 생각

 진공 증착 장비, 에칭 장비 등등에서 박막 제조를 위해 사용하는 플라즈마.

 그리고, 플라즈마를 발생시키기 위해 사용하는 많은 파워 중에서 가장 보편화 되어 있는 13.56MHz의 RF파워.

 우리는 반도체, 디스플레이 등등의 꽤 많은 분야에서 RF 파워 플라즈마 장치를 응용하고 있습니다.

 일반 DC 플라즈마 장치보다는 RF 파워 플라즈마 장치가 구성이 다소 복잡하고, 매칭네트워크 등이 필요해서 다소 복잡한 면도 있습니다. 그러나, 절연체에서도 사용이 가능하고, 박막의 표면 특성이 개선되는 것이 많아서 RF를 사용하는 경우가 많이 있습니다.

 이런 RF 방전 플라즈마 장치는 여러 가지 고려 할 점이 많이 있지만, 오늘은 RF 케이블에서 발생하는 발열 문제에 대해서 적어 보려고 합니다.

 RF 플라즈마 방전 장치는 RF 파워 서플라이, 전력을 부하에 효과적으로 전달하기 위한 임피던스 정합기(매칭 네트워크), 방전 부하 장치로 구성 됩니다.

 RF 파워에서는 임피던스에 대한 이해가 필요하다. 임피던스는 전압과 전류의 상관 관계를 규정하는 양이며, DC에서는 저항이 임피던스가 된다. 교류 파워 에서는 복잡해지는데, 이런 저런 복잡한 이해는 차지 하고 보면, 실제 저항과 허수 저항이라는 것이 존재한다. 

 플라즈마 입장에서 보면, 실저항은 공급된 전력을 흡수하는 양(플라즈마의 밀도, 질)과 관련 되어 있으며, 허수 저항은 전력 소모와는 무관한 양(소모되지 못하고 반사되는 양), 공급된 에너지를 저장하는 역할을 한다고 보면 된다. 이렇게 저장되는 역할은 복잡한 설명은 뒤로하고, 열로 발생하는 경우가 대부분이며 우리가는 발열되는 선로를 인지하게 된다. 대부분 문제가 발생하는 것이다.

 결국, RF 파워는 이러한 발열 문제를 줄이기 위해 임피던스 매칭이 필요한 것이다. 발열이 된다는 것은 매칭에 문제가 있는 것이며, 전력 전송이 부하에 효율적으로 되지 않는 다는 것(전력 손실)을 의미한다.

 전력 손실을 줄이기 위해서는 플라즈마의 밀도, 질을 좋게 해야 한다. 이것은 방전 특성을 고려하여 다양한 공정 조건을 확인해 보아야 한다. 다음으로는 선로의 실저항을 감소 시키는 방법이다. 도선의 각 체결부를 최소화 하고, 표면 산화 방지를 위해 코팅이나 은도금을 해주는 것이 좋다. 그리고, 선의 굵기를 고려해야 한다. 선의 굵기를 해결하기 어려운 경우 병렬로 여러선이 가는것도 하나의 방법이 될 수 있다. 마지막으로 유효 실저항을 높이는 방법이 있는데, 이것은 전압이 증가하면서 전류가 감소하여 발열이 억제 될 수 있다. 그러나, 균형이 맞지 않으면 역효과가 발생하게 되고, 아크등의 추가적인 문제도 고려해야 한다.

 기생용량에 의한 문제가 발생하는 경우도 있는데, 이것은 매칭이 흔들리거나 노이즈의 형태로 발생하면서 발열을 유도하게 된다. 공진 회로가 구성되지 않도록 시스템을 구성하는 기술이 필요하다.

 RF 파워의 전달에서 지속적으로 발열이 해결되지 않는다면, 전류를 분배하여 공급하는 것을 고려해야 한다. 통상 병렬로 전송 선로를 구성하여 전류를 감소 시키는 것이 하나의 해결 방법이 될 것이다.

 ICP 같은 경우에는 전류를 분배하기 위해 안테나를 병렬로 구성하는 경우도 있다.

참고 자료

RF 플라즈마 전력 전송 기술