Chamber Impedance 안녕하세요. ICP 플라즈마의 임피던스를 측정하는 방법에 대해서 문의를 드립니다.
2017.01.26 17:22
안녕하세요.
우선 이런 홈페이지가 있는 줄은 몰랐습니다. 많은 글들이 올라와 있고 질문과 답변이 활발한 것 같습니다. 앞으로 많은 참고가 될 홈페이지인 것 같습니다. 이런 홈페이지를 만들고 관리하고 계셔서 감사드립니다.
저는 광주과학기술원의 물리 광과학과에서 공부하고 있는 박사과정생 장동규 라고 합니다. 저희 연구실에서 최근 13.56 MHz RF power 에서 작동하는 Solenoid 형 ICP (Inductively Coupled Plasma) 를 만들어서 연구를 수행하고 있습니다. 최근에 ICP 의 임피던스를 측정해볼 필요성이 생겼습니다만, 저희 연구실이 원래 이쪽을 하던 곳이 아니라서 딱히 물어볼 곳이 없었는 데 이렇게 질문을 할 수 있는 공간을 찾게 되어 다행이라고 생각합니다.
처음에는 단순하게 생각했습니다. 오실로스코프와 연결해서 쓰는, 흔한 voltage probe 와 current transformer 를 Impedance matcher 의 출력단 (가능하다면 ICP coil 에 직접 연결해서 측정을 하고 싶지만 ICP 가 비교적 뜨거울 것이고 강한 전자기파도 발생하고 있을 것이기 때문에 위험하지 않을 까 싶어 matcher 의 출력단을 측정 장소로 정했습니다) 에 물려서 voltage 와 current 의 파형을 얻고 voltage 와 current 의 amplitude 그리고 서로간의 phase 차이를 구하여 ICP 의 임피던스를 구하려고 했습니다 (물론 정확히 말하면, ICP coil + plasma 의 임피던스를 측정하는 것입니다). 그런데 제가 RF generator 회사의 엔지니어 분께 이런 방법이 가능한지에 대하여 문의를 드렸을때, 이런 방법으로 하면 voltage probe 의 capacitance 가 ICP 에 일부 영향도 주고 RF generator 에서 나오는 power 의 일부가 voltage probe 로 넘어가기 때문에 위험할 수 있다는 답변을 들었습니다. ICP 가 high voltage device 도 아니기 때문에 안전할 거라고 생각했는 데 제가 잘못 생각했는지 모르겠습니다. 그 분께서는 VI probe 라는 걸 이용하면 ICP 임피던스의 측정이 가능하다고 말씀하셨는 데, 이 부분에 대해서는 제가 공부가 좀 더 필요한 것 같습니다. 만일 이 장비가 비싸면 저희 연구실에서 사용하기 어려울 수도 있다는 생각도 듭니다.
ICP 의 임피던스를 측정하는 일반적인 방법들에는 어떤 것이 있는 지 알려주실 수 있으시겠는지요. 대략적이나마 알려주시면 그걸 바탕으로 공부를 할 수 있을 것 같습니다.
설 잘 보내시고 새해 복 많이 받으시기를 바랍니다.
댓글 3
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김곤호
2017.01.31 11:39
추천:1 댓글
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장동규
2017.01.31 16:30
교수님.
답변을 해 주셔서 진심으로 감사드립니다.
정리를 하면, (1) 고전압 Probe + CT (Current Transformer) 를 이용하여 ICP 안테나에 걸리는 전압과 전류 파형을 측정하여 ICP 안테나의 임피던스를 도출하는 방법, (2) VI probe 를 구하거나 제작하여 ICP 안테나의 임피던스를 구하는 방법, 이렇게 두 가지 방법을 말씀해주신 것 같습니다.
우선, 저희 연구실이 이미 고전압 probe 와 CT 를 갖고 있는 만큼 첫번째 방법을 바로 시도해볼 수도 있을 것 같습니다. 다만 이 방법의 경우, 고전압 Probe 가 ICP 안테나에 닿으면서 임피던스 매처가 바라보는 Load 임피던스가 변화될 수 있다는 점을 교수님께서 지적을 하신 것 같습니다. 제가 제대로 이해한 것이 맞는지요? 만약, 고전압 Probe 의 임피던스가 ICP 안테나 임피던스 (물론 플라즈마가 켜져 있을 때의 임피던스) 보다 훨씬 크다면 매쳐가 바라보는 Load 임피던스의 변화가 미미할 것 같습니다만 (왜냐하면 안테나와 HV 는 병렬로 연결될테니) 혹시 제 생각이 틀렸는지요?
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정소율
2017.03.14 09:06
실시간으로 플라즈마의 임피던스를 측정하기 위해서 플라즈마 챔버에서의 V-I 특성을 측정할 수 있으나
ICP와 같이 측정 포인트가 고전압일 경우 간섭이 상당히 커서 정확한 전류량 및 전류 위상을 측정하는 것이 쉽지 않습니다.
일반적으로 매쳐 업체에서는 매쳐 자체의 임피던스 특성을 미리 파악하여 매칭 포지션에 따른 임피던스를 추정합니다.
(이 방식으로 측정하려면 NA 및 적절한 Jig가 필요합니다.)
매쳐의 입력단을 50옴 처리하고 출력단에서 NA로 S1:1으로 측정하면서 각 매칭 포지션에서의 임피던스를 수집합니다.
Conjugation 하면 플라즈마 임피던스 입니다.
ICP 안테나에서 측정되는 임피던스값은 안테나 전류/ 전압과 위상 신호를 해석해서 얻습니다. 플라즈마가 없을 경우는 전력원에서 안테나 부하에 걸린 저항 값을 의미할 것이고, 플라즈마가 생성된 경우라면 인가 전력과 플라즈마 전류/전압이 transformer type의 coupling 된 부하 특징을 설명하는 값일 것입니다. 안테나에서 측정되는 신호는 모두 RF 신호이므로, 전류는 loop 형 probe를 이용해서 측정하는 방법 (transformer 방식으로 주파수 특성이 있으니 spec 에 맞는 센서 선택 가능하며, 이는 Pearsonelectrornics 홈페이지 참조)가 있겠고, 전압은 고주파에 안테나 인덕턴스가 있으니 고전압 probe로 직접 측정하는 방법이 있으나, 이보다는 capacitively coupled voltage를 측정하는 것이 진단에 따른 Load impedance 교란을 막을 수 있겠습니다. 이를 기초해서 다양하고 특화된 방법들이 RF 전원회사나 auto-matcher 제작사에서 기술을 갖고 있습니다. 따라서 matcher에서는 당연히 이 값들을 모니터링해야 하기 때문에 만일 matcher를 구입한 경우라면 제작사에서 I/V 신호 축출 단자를 추가해서 측정 가능한지를 확인해 보는 것도 좋습니다. 아울러 우리 연구실에서 자체 제작해서 사용한 iIV probe는 JKPS 49, S726-731 (2006) 에 VIMP (voltage-current monitoring probe)로 소개가 되어 있으며, 취득 신호를 해석하는 방법에 대해서도 소개가 되어 있으니 참고해서 도전해 보세요.