CN1953636A

CN1953636A - 等离子体加速器

Info

Publication number: CN1953636A
Application number: CNA2006101593071A
Authority: CN
Inventors: 朴源泽; 瓦西里·帕什科夫斯基; 尤里·托尔马切夫
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2005-09-27
Filing date: 2006-09-27
Publication date: 2007-04-25
Anticipated expiration: 2026-09-27
Also published as: JP4519115B2; US20070068457A1; US7355357B2; CN1953636B; KR101094919B1; JP2007095678A; KR20070035351A

Abstract

一种等离子体加速器。该等离子体加速器包括一具有一封闭顶部、一开放底部和一侧表面的腔；包括互相串联连接，和在相反方向围绕着该腔的侧表面缠绕的多个线圈的第一线圈部分；和包括在相反方向，在第一线圈部分的线圈之间，围绕着该腔的侧表面缠绕的多个线圈的第二线圈部分。因此可以使线圈之间的互感小，可以精确地调节要加在线圈上的电流的电平和相位差，还可简化驱动电路。

Description

等离子体加速器

技术领域

本发明涉及等离子体加速器；更具体地说，涉及在相反方向上缠绕驱动线圈，并使该驱动线圈互相连接，从而减小驱动线圈之间的互感和精确地调节加在该驱动线圈上的电流的电平和相位差，并简化驱动电路的等离子体加速器。

背景技术

等离子体加速器利用电能和磁能，加速在一个特定空间中产生或存在的等离子体通量，因此称为“电磁加速器”(EMA)。

已经开发了航天的火箭发动机的等离子体加速器，并且近来其用在制造半导体过程中的晶片蚀刻中。

图1为表示通常的等离子体加速器的横截面图。

如图1所示，通常的等离子体加速器为圆柱体形状，具有缠绕在入口周围的一个顶部线圈T。该入口为该等离子体加速器的上面部分。第一线圈S1、第二线圈S2、第三线圈S3、第四线圈S4和第五线圈S5依次从该入口缠绕至出口。线圈T、S1、S2、S3、S4和S5不相互连接，而是独立缠绕的。

因此，单个的电流加在线圈T、S1、S2、S3、S4和S5上。在该等离子体加速器中，通过将RF电流加在线圈T、S1、S2、S3、S4和S5上产生等离子体。通过线圈T、S1、S2、S3、S4和S5流动的电流在该等离子体加速器中产生的磁场。

根据Maxwell感应方程式，由流过线圈T、S1、S2、S3、S4和S5的电流在该等离子体加速器中产生的磁场感应出第二电流，并且该第二电流将在该等离子体加速器中的气体转换为等离子体。

根据该通常的等离子体加速器的等离子体加速方法，40A的电流加在第一线圈S1、第三线圈S3和第五线圈S5上；而具有相位差90°的电流加在顶部线圈T、第二线圈S2和第四线圈S4上(A为安培)。磁场由电流产生，并向着出口加速等离子体。

图2为表示在图1所示的等离子体加速器中，产生的磁场大小的图形。

在图2中，水平轴表示从该等离子体加速器的入口至出口的垂直距离，垂直轴表示在特定时间中，在该等离子体加速器中产生的磁场大小。

圆圈表示由在该等离子体加速器中产生的磁场感应出的第二电流，箭头表示加速等离子体的方向。

磁压分布为B²/2μ。这里，B表示磁通密度，μ表示导磁率。首先，将最大的AC(交流电流)的40A电流加在该顶部线圈T、第二线圈S2和第四线圈S4上；并将相位差为90°的电流加在第一线圈S1和第三线圈S3上。即0A的电流加在第一线圈S1和第三线圈S3上。然后，在该等离子体加速器中分配磁压。

其次，将30A的电流加在顶部线圈T、第二线圈S2和第四线圈S4上，并将相位差为90°的电流加在第一线圈S1和第三线圈S3上。然后，磁压进一步向着出口运动。

其次，将10A的电流加在顶部线圈T、第二线圈S2和第四线圈S4上；并将相位差为90°的电流加在第一线圈S1和第三线圈S3上。然后，磁压进一步向着出口运动。

其次，将0A的电流加在顶部线圈T、第二线圈S2和第四线圈S4上；并将相位差为90°的电流加在第一线圈S1和第三线圈S3上。然后，磁压向着出口运动。

如上所述，当时间经过时，磁压分布逐渐地向着出口改变。由于磁压分布的改变，等离子体向着出口运动。为了利用磁压运动，等离子体必需在磁压脉冲的前面。这是因为磁压的梯度形成磁压的力，和具有向着出口的等离子体流动。

如果磁压的力弱，使等离子体缓慢，则等离子体不跟随磁压分布的改变。因此，等离子体加速器不能加速等离子体。在这种情况下，减小线圈之间的间隙和降低驱动电流的频率可使磁压分布的运动缓慢。

下述表1为表示在行和列中线圈的自感和互感的矩阵。由于电感值的分布是沿对角线对称的，因此省略重复的电感。电感值用μH(微亨)表示。

表1

	T	S1	S2	S3	S4	S5
	T	S1	S2	S3	S4	S5	T	0.393	0.092	0.023	0.007	0.001	0.000
S1		1.060	0.219	0.060	0.019	0.004	T	0.393	0.092	0.023	0.007	0.001	0.000
S1		1.060	0.219	0.060	0.019	0.004	S2			1.060	0.219	0.060	0.019
S3				1.060	0.219	0.060	S2			1.060	0.219	0.060	0.019
S3				1.060	0.219	0.060	S4					1.060	0.219
S5						1.060	S4					1.060	0.219

从6个分开的RF发生器产生的各个电流加在总共6个线圈T、S1、S2、S3、S4、S5上。

存贮在线圈中的磁能W根据下式(1)计算

W = \frac{L_{1} I_{1}^{2}}{2} + \frac{L_{2} I_{2}^{2}}{2} + M_{12} I_{1} I_{2} \dots \dots (1)

式中I₁-流过第一线圈的电流，

I₂-流过第二线圈的电流，

L₁-第一线圈的自感，

L₂-第二线圈的自感；和

M₁₂-互感。

如果将电流I₁设定为0，电流I₂设定为1，因此可以计算磁能量W，和可以得至L₁、L₂和M₁₂。因此，可以计算表1的矩阵的每一个元素。

然而，线圈T、S1、S2、S3、S5和S5的互感大小相当大。由于互感的作用，电流可能不稳定地加在线圈上。不稳定的电流电平和不稳定的相位差使等离子体加速器的工作不稳定。

发明内容

本发明的另外方面，特点和/或优点部分地在以下的说明中提出，部分地可从该说明了解，或可从本发明的实践学习。

本发明提供了通过在相反方向缠绕驱动线圈，和使驱动线圈互相连接，以减小驱动线圈之间的互感，精确地调节要加在线圈上的电流电平和相位差，并简化驱动电路的一种等离子体加速器。

本发明的一个方面提供了一种等离子体加速器，它包括：具有一个封闭顶部、一个开放底部和侧表面的一个腔；包括互相串联连接，和在相反方向围绕着该腔的侧表面缠绕的多个线圈的第一线圈部分；和包括在相反方向，在第一线圈部分的线圈之间，围绕着该腔的侧表面缠绕的多个线圈的第二线圈部分。

该腔可以为圆柱形腔。

该腔可由介电物质制成。

在本发明的另一个方面中，该第一线圈部分可以包括：在一个方向上，在该腔的顶部上，围绕着该腔的中心轴线缠绕逐渐远离中心轴线的一个顶部线圈；在与该顶部线圈缠绕方向相反的方向，围绕着该腔的侧表面缠绕的第一线圈；和在与第一线圈缠绕方向相反的方向，离开该第一线圈一个预先确定的距离，围绕着该腔的侧表面缠绕的第二线圈。

在本发明的另一个方面中，该顶部线圈的一个末端可以为第一个输入终端，该顶部线圈的另一端与该第一线圈的一个末端连接，该第一线圈的另一端与第二线圈的一个末端连接，第二线圈的另一端为第一个输出终端。

在本发明的另一个方面中，第二线圈部分可以包括：在与该顶部线圈缠绕方向相同的方向，在该顶部线圈和该第一线圈之间，围绕着该腔的侧表面缠绕的第三线圈；在与第三线圈的缠绕方向相反的方向，在该第一线圈和第二线圈之间，围绕着该腔的侧表面缠绕的第四线圈；和在与第四线圈缠绕方向相反的方向，在该第二线圈下面一个预先确定的距离处，围绕着该腔的侧表面缠绕的第五线圈。

在本发明的另一个方面中，第三线圈的一个末端可以为第二个输入终端，第三线圈的另一端可以与第四线圈的一个末端连接，第四线圈的另一端可以与第五线圈的一个末端连接，第五线圈的另一端可以为第二个输出终端。

在本发明的另一个方面中，加在第一线圈部分和第二线圈部分上的电流可以有90°的相位差。

本发明的另一个方面提供了一种利用等离子体加速器蚀刻半导体晶片的晶片蚀刻装置，该等离子体加速器包括：具有一个封闭顶部、一个开放底部和侧表面的一个腔；包括互相串联连接，和在相反方向围绕着该腔的侧表面缠绕的多个线圈的第一线圈部分；和包括在相反方向，在第一线圈部分的线圈之间，围绕着该腔的侧表面缠绕的多个线圈的第二线圈部分。

在另一个方面中，本发明提供了一种等离子体加速器，它包括：包括互相串联连接，并在相反方向缠绕的多个线圈的第一线圈部分；和包括互相串联连接，和放置在该第一线圈部分的线圈之间和该第一线圈部分的一个末端后面的另外的多个线圈的第二线圈部分。

在本发明的另一个方面中，该等离子体加速器还可包括具有一个封闭端，一个开放端和侧表面的一个腔；其特征还在于，该第一线圈部分的多个线圈中的一个围绕该腔的封闭端缠绕。

在本发明的另一个方面中，该第一线圈部分的多个线圈的其他线圈围绕着该腔的侧表面缠绕。

在本发明的另一个方面中，该第二线圈部分的线圈围绕着该腔的侧表面缠绕。

在本发明的另一个方面中，加在第一线圈部分和第二线圈部分上的电流有90°的相位差。

附图说明

从下面结合附图对示例性实施例的说明中，可以了解本发明的这些和/或其他方面，特点与优点。其中：

图1为表示通常的等离子体加速器的横截面图；

图2为表示在图1的等离子体加速器中磁场大小的图形；

图3为表示根据本发明的一个示例性实施例的等离子体加速器和线圈的连接结构的横截面的图；

图4为表示根据本发明的一个示例性实施例的等离子体加速器的尺寸的横截面图；

图5A为表示当电流加在图3的第一个线圈部分100上时产生的磁场B₁的图；

图5B为表示当电流加在图3的第二个线圈部分200上时产生的磁场B₂的图；

图5C为表示当电流加在图3的第一个线圈部分100和第二个线圈部分200上时产生的磁场B的图；

图6为表示图3的等离子体加速器的横截面图。

具体实施方式

现在详细说明本发明的示例性实施例，其例子表示在附图中，通篇中相同的代号表示相同的零件。下面通过参考附图说明本发明的示例性实施例。

图3表示根据本发明的一个示例性实施例的等离子体加速器和线圈的连接结构的横截面。

参见图3可看出，根据本发明的一个示例性实施例的等离子体加速器包括第一线圈部分100、第二线圈部分200和一个腔300。第一线圈部分100包括一个顶部线圈110、第一线圈120和第二线圈130。第二线圈部分200包括第三线圈210，第四线圈220和第五线圈230。线圈在箭头方向缠绕。虽然在这个例子中说明了6个线圈(顶部线圈～第五线圈)，但与示例性实施例的原理和精神一致，每一个线圈部分可以加入另外的线圈。

该腔300具有一个封闭的顶部，一个开放的底部和侧表面。该腔可以为圆柱体形状，并可由具有预先确定厚度的介电物质制成。

第一线圈部分100包括多个线圈110、120、130。线圈110、120、130互相串联连接，并在相反方向围绕该腔300的侧表面缠绕。

第二线圈部分200包括多个线圈210、220、230。线圈110、120、130和线圈210、220、230交替地排列。线圈210、220、230互相串联连接，并在相反方向围绕该腔300的侧表面缠绕。

顶部线圈110通过在反时针或顺时针方向围绕该腔的中心轴线缠绕，画出一个直径从中心轴线逐渐增加的圆，而缠绕在该腔300的顶部上。该顶部线圈110以一个输入终端开始和以一个输出终端结束。

第一线圈120在与顶部线圈110缠绕的方向相反的方向，围绕该腔300的侧表面缠绕。该第一线圈120的输入终端与顶部线圈110的输出终端连接。第一线圈120以一个输出终端结束。

第二线圈130在与第一线圈120缠绕的方向相反的方向，围绕该腔300的侧表面缠绕。第二线圈130的输入终端与第一线圈120的输出终端连接，并以一个输出终端结束。

第三线圈210在与顶部线圈110缠绕的方向相同的方向，在顶部线圈110和第一线圈120之间，围绕该腔300的侧表面缠绕。第三线圈210以一个输入终端开始和以一个输出终端结束。

第四线圈220在与第三线圈210缠绕的方向相反的方向，在第一线圈120和第二线圈130之间，围绕该腔300的侧表面缠绕。第四线圈220的输入终端与第三线圈210的输出终端连接，并以一个输出终端结束。

第五线圈230在与第四线圈220缠绕的方向相反的方向，在第四线圈220的下面，围绕该腔300的侧表面缠绕。第五线圈230的输入终端与第四线圈220的输出终端连接，并以一个输出终端结束。

图4为表示根据本发明的一个示例性实施例的等离子体加速器的尺寸的例子的图。

如图4所示，等离子体加速器的圆柱体400的厚度为6mm，直径为72mm(半径36mm)，高度为260mm。该线圈为具有8mm的相等的边的方形线圈，并且该线圈隔开3mm。该圆柱体的厚度直径和高度只是示例性的，可以使用其他厚度、直径和高度实现本发明。另外，线圈的厚度或其他尺寸和线圈之间的距离只是示例性的，可以使用线圈的其他厚度或尺寸和线圈之间的其他距离实现本发明。因此，使用上述的量度作为一个例子，传递示例性实施例的一些原理和精神。

图5A为表示当电流加在第一线圈部分100上时产生的磁场B₁的图，图5B为表示当电流加在第二线圈部分200上时产生的磁场B₂的图，和图5C表示当电流加在第一线圈部分100和第二线圈部分200上时产生的磁场B的图。

如图5A～5C所示，如果将电流加在第一线圈部分100上，则产生磁场B₁；如果将相对于加在第一线圈部分100上的电流有90°相位差的电流加在第二线圈部分200上，则产生磁场B₂。结果，产生B₁和B₂的合成磁场B。

接着，磁通为弱连接并且二个线圈之间的互感小。线圈的对称排列和电流的交替改变使二个线圈之间的互感小。

图6为图3的等离子体加速器的横截面图。

如图6所示，根据本发明的一个示例性实施例的等离子体加速器包括第一线圈部分100和第二线圈部分200。第一电流I₁加在第一线圈部分100上和相对于第一电流I₁有90°相位差的第二电流I₂加在第二线圈部分200上。

第一电流I₁通过顶部线圈110的输入终端流入，通过第一线圈120和第二线圈130，最后流至地。

第二电流I₂通过第三线圈210的输入终端流入，通过第四线圈220和第五线圈230，最后流至地。

第一线圈部分100的自感L₁计算为2.34μH，第二线圈部分200的自感计算为2.94μH。

第一线圈部分100和第二线圈部分200之间的互感M₁₂计算为0.082μH，它相应于第一电流I₁和第二电流I₂之间的3％的耦合。该耦合程度太小不足以影响等离子体加速器的驱动电路。即：根据本发明的等离子体加速器使互感小。因此，根据本发明的一个示例性实施例的等离子体加速器便于半导体晶片的蚀刻处理。

如上所述，通过在相反方向缠绕线圈和使线圈互相连接，可以使线圈之间的互感小。因此可以精确地调节要加在线圈上的电流电平和相位差，还可以简化驱动电路。另外，由于对二个线圈只使用二个电源，引出的线路数目减少。

虽然表示和说明了本发明的一些示例性实施例，但本领域的技术人员知道，在不偏离本发明的原理和精神的条件下，可对这些示例性实施例进行改变。本发明的范围由权利要求书及其等价文件确定。

Claims

1.一种等离子体加速器，包括：

一具有一封闭顶部、一开放底部和一侧表面的腔；

包括互相串联连接，和在相反方向围绕着该腔的侧表面缠绕的多个线圈的第一线圈部分；和

包括在相反方向，在第一线圈部分的线圈之间，围绕着该腔的侧表面缠绕的多个线圈的第二线圈部分。

2.如权利要求1所述的等离子体加速器，其特征为，该腔为圆柱体形的腔。

3.如权利要求2所述的等离子体加速器，其特征为，该腔由介电物质制成。

4.如权利要求1所述的等离子体加速器，其特征为，该第一线圈部分包括：

在一个方向上，在该腔的顶部上，围绕着该腔的中心轴线缠绕的一个顶部线圈；

在与该顶部线圈缠绕方向相反的方向，围绕着该腔的侧表面缠绕的第一线圈；和

在与第一线圈缠绕方向相反的方向，离开该第一线圈一个预先确定的距离，围绕着该腔的侧表面缠绕的第二线圈。

5.如权利要求4所述的等离子体加速器，其特征为，该顶部线圈的一个末端为第一个输入终端，该顶部线圈的另一端与该第一线圈的一个末端连接，该第一线圈的另一端与第二线圈的一个末端连接，第二线圈的另一端为第一个输出终端。

6.如权利要求5所述的等离子体加速器，其特征为，该第二线圈部分包括：

在与该顶部线圈缠绕方向相同的方向，在该顶部线圈和该第一线圈之间，围绕着该腔的侧表面缠绕的第三线圈；

在与第三线圈的缠绕方向相反的方向，在该第一线圈和第二线圈之间，围绕着该腔的侧表面缠绕的第四线圈；和

在与第四线圈缠绕方向相反的方向，在该第二线圈下面一个预先确定的距离处，围绕着该腔的侧表面缠绕的第五线圈。

7.如权利要求6所述的等离子体加速器，其特征为，第三线圈的一个末端为第二个输入终端，第三线圈的另一端与第四线圈的一个末端连接，第四线圈的另一端与第五线圈的一个末端连接，第五线圈的另一端为第二个输出终端。

8.如权利要求1所述的等离子体加速器，其特征为，加在第一线圈部分和第二线圈部分上的电流有90°的相位差。

9.一种利用等离子体加速器蚀刻半导体晶片的晶片蚀刻装置，该等离子体加速器包括：

一具有一封闭顶部、一开放底部和一侧表面的腔；

10.一种等离子体加速器，包括：

包括互相串联连接，并在相反方向缠绕的多个线圈的第一线圈部分；和

包括互相串联连接，和放置在该第一线圈部分的线圈之间和该第一线圈部分的一个末端后面的另外的多个线圈的第二线圈部分。

11.如权利要求10所述的等离子体加速器，其特征为，它还包括一具有一封闭端，一开放端和一侧表面的腔；其中该第一线圈部分的多个线圈中的一个围绕该腔的封闭端缠绕。

12.如权利要求11所述的等离子体加速器，其特征为，该第一线圈部分的多个线圈的其他线圈围绕着该腔的侧表面缠绕。

13.如权利要求10所述的等离子体加速器，其特征为，该第二线圈部分的线圈围绕着该腔的侧表面缠绕。

14.如权利要求10所述的等离子体加速器，其特征为，加在第一线圈部分和第二线圈部分上的电流有90°的相位差。