다쏘시스템사 SIMULIA의 CST Studio Suite을 이용한 Matching Network 해석에 대해 살펴보겠습니다.

 

 

---

 

 

 

"CST Studio Suite을 이용한 Matching Network 해석"

이맥테크 이보람

 

Matching Network는 RF Generator에서 공급하는 RF 전원을 Chamber로 공급하는 장치입니다. 즉, RF Generator에서 최대 효율을 가지고 Chamber로 전력을 공급할 수 있도록 Chamber의 임피던스를 RF Generator의 출력 임피던스 50옴과 같아지도록 실시간으로 Matching하는 역할을 합니다. 따라서 Matching Network의 설계 목적은 반도체 장비에 최대의 RF 전력을 공급하기 위해 임피던스 정합을 맞춰주는 것입니다. 기존의 Circuit 해석 방식으로 임피던스 정합에 대한 결과는 어느 정도 확인이 가능하지만, 효율 관점에서는 구조적인 특성 즉, Parasitic 혹은 mutual 성분 그리고 물성의 loss는 고려하기 어렵기 때문에 정확한 결과를 얻기에 어려움이 있습니다.

이러한 어려움을 CST Studio Suite을 이용해 어떠한 방식으로 해결해 나갈 수 있는지 소개하겠습니다.

그림 1. Matching network

 

먼저 CST Studio Suite은 그림 2와 같이 3D 전자기장 해석 솔루션 패키지로, 하나의 front-end 상에서 지금 보시는 8가지 product을 모두 사용해볼 수 있습니다. Matching Network는 CST DES, CST MWS, CST MPS의 3가지 Product을 사용하여 해석을 진행하였습니다.

그림 2. Matching network 해석을 위해 사용되는 CST tools

 

일반적으로 매칭회로에 대한 회로적 등가화는 어느 정도의 예측 값을 빠르게 도출해 줄 수 있으나 구조적으로 가지고 있는 Parasitic R, L, C 값 및 mutual 성분을 반영하지 못하기 때문에 오차 값을 가지고 있으며 Ideal한 결과 값을 도출해주게 됩니다. 따라서 구조의 물성적 특성 및 형상적 특성에 의한 parasitic 값들을 반영하기 위해서는 Full 3D 전자기장 해석을 진행해야 합니다.

매칭회로에 대한 Full 3D 해석을 위해 구조에 대해서는 직접 모델링을 진행해볼 수도 있지만 CAD data가 있을 경우에는 CST Studio Suite에서 Default 옵션으로 제공되는 CAD Import 기능을 이용하여 별도의 변환 과정 없이 Data를 손쉽게 불러올 수 있습니다. 이렇게 불러온 모델 및 회로에 대한 모델링을 그림 3과 같이 진행하여 해석 진행하였습니다.

그림 3. 3D Matching network model

 

1. S-Parameter Results
2.  

2. Efficiency Results

그림 4. 3D 모델링 및 회로 연계 해석 결과

 

이러한 해석을 진행 시 그림 4와 같이 해석 결과를 도출해 볼 수 있습니다.

RF Generator와 연결되는 Port1은 50옴으로 Chamber와 연결되는 Port2는 2.129-j42.517옴으로 Conjugating한 S-parameter 결과는 그림 4의 a와 같습니다. 이는 13.56MHz에서 Matching되는 결과를 갖음을 알 수 있습니다.

그림 4의 b에서 효율을 확인할 수 있습니다. 값이 약 0.96 정도로 이는 Circuit 해석에서는 고려하지 못한 구조적, 물성적 손실이 포함된 결과입니다.

전자기장 해석을 진행하는 경우 그림5와 같이 눈에 가시화 되지 않는 전자기장의 시각화를 통해 동작에 대한 메커니즘을 이해하는데 많은 도움을 받을 수 있습니다.

1. (a) E-field 결과

2. (b) H-field 결과

 

3. (c) Surface current 결과

그림 5. E, H field, Surface current 결과

 

구조적 손실로 인하여 효율이 저하되었고 그러한 손실로 인해 발열 문제를 일으킬 수 있기 때문에 추가적으로 발열 해석도 진행해보았습니다. 이러한 발열 해석을 진행함으로써 다양한 발열 문제를 완화시키기 위한 대책을 마련할 수 있겠는데요. 발열해석은 CST Mphysics Studio를 통해 진행 가능하며 하나의 GUI를 이용하는 CST Studio Suite의 특성상 데이터 변환 및 셋업 과정 없이 버튼 클릭 한 번으로 발열 연계해석도 진행해 보실 수 있습니다.

 

그림 6. 매칭 회로의 발열해석 결과

그림 6은 10kW의 Power를 인가하여 발열 해석을 진행한 결과입니다. 주변 온도를 20도로 설정한 경우의 결과를 보면 약 30도의 최대 온도를 갖는 것을 확인할 수 있습니다.

 

Conclusion

3D 구조의 Parasitic 및 Mutual 성분 및 물성적 Loss로 인해 여전히 Circuit 회로 결과에 비해 효율이 떨어짐을 확인할 수 있었습니다. Matching Network의 설계 목적은 최대 효율로 전력을 공급함에 있기 때문에 회로 해석만으로는 이러한 효율 결과를 정확하게 분석하는데는 한계가 있을 수 있습니다. 따라서 회로 해석만으로는 고려하기 어려운 구조적, 물성적 Loss를 포함하는 Full 3D EM 해석이 필요합니다. 또한 이러한 Loss로 인하여 발열 문제를 일으킬 수 있기 때문에 필요 시, 발열 연계 해석을 진행하여 발열 문제에 대한 대책을 수립할 수 있습니다. CST Studio Suite을 이용하여 RF 제너레이터에서 공급하는 RF 전원을 챔버로 공급하는 장치인 matching networ에 대한 circuit 해석, circuit + 3D EM 연계 해석 및 발열 해석을 진행하였습니다.

EM + Circuit 및 EM + Thermal 연계해석은 패키지 라이선스로 모든 해석을 진행해보실 수 있고 연계 해석을 위한 데이터 변환 과정 없이 하나의 GUI에서 해석할 수 있기 때문에 사용자께서는 용이하게 연계해석을 진행해볼 수 있습니다. 구조에 대한 직접 모델링도 진행 가능하지만, CAD 구조가 있을 경우 CST Studio Suite에서 기본으로 제공되는 Import/Export 기능을 통해 손쉽게 CAD data를 불러올 수 있습니다. Macro로 제공되는 Impedance calculation 기능은 impedance 계산뿐 아니라 3D 모델링까지 자동 진행되기 때문에 매우 유용하게 사용될 수 있습니다. CST Studio Suite은 하나의 패키지 형태로 제공되어 RLC solver, Frequency Domain Solver, Time Domain Solver 모든 Solver 사용이 가능하기 때문에 사용자께서 편의에 맞는 Solver를 선택적으로 사용할 수 있습니다. 혹은 Cross check의 용도로 2개 이상의 solver를 이용하여 결과를 비교해볼 수 있습니다.

 

관련 자료는 첨부되어 있습니다. 추가로 궁금한 점이 있으시면 언제든지 문의 주시길 바랍니다.

support@emagtech.co.kr