안녕하십니까, 플라즈마응용연구실의 석사과정생 노현준이라고 합니다. 질문에 대한 대답은 다음과 같습니다.

일반적으로 전원공급기는 고유의 임피던스(일반적으로 50Ohm)를 가지며, 플라즈마도 임피던스(Impedance)를 가지기 때문에 전원공급기에서 전달하는 전력이 플라즈마에 모두 전달되지는 않고, 일부가 반사되어 돌아옵니다. 플라즈마로 전력을 최대로 전달하고 반사되는 전력을 줄이기 위해서는 전원공급기 이후의 회로(부하)의 총 임피던스의 리액턴스(Reactance) 성분은 0, 저항성분은 50Ohm이 되어야 합니다. 이 조건을 맞춰주기 위해 플라즈마와 전원공급기 사이에 설치되는 회로가 매칭회로(정합회로)이며, 2개 이상의 소자를 통해 정합을 하게 됩니다. 가장 기본적인 타입은 2개의 소자로 임피던스 정합을 하는 L형 정합회로 이며, 3개의 소자를 사용하는 Pi형, T형 정합회로도 있습니다. L형 정합회로를 사용하기에 적절한 임피던스 영역은 리액턴스가 -100~100Ohm, 실수저항의 경우 1~50Ohm 사이 값을 가지는 영역입니다. Pi형의 경우 실수저항성분이 50Ohm보다 큰 경우와 리액턴스 성분이 높은 경우에 적용가능하며, T형의 경우 LCD장비와 같이 대면적 CCP에 주로 사용된다고 알려져 있습니다.

 대표적인 ICP(13.56MHz)의 경우 Standard L-type의 정합회로를 사용하게 됩니다. 보통 두 개의 축전기를 이용해서 정합회로를 구성하고, 하나의 축전기는 안테나와 직렬로, 다른 하나는 병렬로 연결합니다. 안테나와 직렬로 연결된 축전기를 tune capacitor, 병렬로 연결된 축전기를 load capacitor라고 부릅니다. Tune capacitor는 직렬로 연결되어 있으므로 플라즈마의 리액턴스 성분을 조정하고, load capacitor는 플라즈마와 병렬로 연결되어있기 때문에 저항성분을 조정할 수 있게 됩니다. 그리고 각 축전기가 가변축전기로 구성되는데 그 이유는 다음과 같습니다. 플라즈마의 임피던스는 전자밀도와 전자온도의 함수인데, 인가전력이나 운전압력에 따라 전자밀도와 전자온도가 달라지기 때문에 각 조건에 따라 정합이 되는 축전용량이 달라지기 때문입니다.

정합을 조정하는 방법은 스미스 차트를 이용하는 방법이 대표적입니다. 스미스 차트에서 오른쪽부터 시작되는 원의 직경은 실수부를 의미하고, 오른쪽 끝에서 사방으로 퍼져나가는 모양의 곡선은 허수부를 의미합니다. 복소 부하 임피던스는 스미스 차트 상에서 어느 한 점으로 표시되는데, 임피던스 정합을 수행할 때, 표시되는 점이 스미스 차트상의 원의 중심으로 향하도록 두 개의 축전기 값을 조정하면 됩니다.

더 자세한 정보는 다음의 참고문헌에 자세히 나와 있습니다.

-       이상원, " 전기적 특성을 고려한 ICP Source 설계", 한국진공학회지 제18권 제3호 2009.5, pp. 176~185(10pages)