KR100358902B1 - 마이크로파를이용한플라스마생성장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 마이크로파 플라스마 생성장치는 마이크로파 발생기(1), 및 플라스마 챔버(7)를 에워싸는 도파관 공진기(5)에 대한 커플링 시스템을 구비하며, 공진기(5)의 짧은 단면측은 공진기(5)와 플라스마 챔버(7)의 공통벽에서 축(z)과 평행하게 대향하게 놓여 있고, 마이크로파 전원은 공진기의 짧은 단면측에서 커플링점(6)을 통해 도파관 공진기(5)로부터 플라스마 챔버(7)로 커플링되어 있다. 커플링점은 바람직하게는 공진기(5)와 플라스마 챔버(7)의 공통벽의 방위각으로 정위된 슬롯 커플러로서 형성되며, 도 1 을 참조하면 된다.

Description

마이크로파를 이용한 플라스마 생성장치
각종 플라스마는 다양한 방법을 이용하여 제조되며, 예를 들면 기판을 변형하는데 사용된다. 플라스마 처리는 예를 들면 임플란트 치료를 위한 의학 분야 및 폐가스를 정제시키는 기술분야에서 기판을 코팅하고 세정하여 에칭하는데 이용된다. 처리할 소재의 기하 형태는 편평한 기판, 섬유 다발 또는 웨브 형태의 재료에서부터 다양한 형태의 물품에 이른다. 마이크로파 발생기의 고 효율 및 용이한 이용가능성은 마이크로파 플라스마에 있어서 상당히 중요하다.
다양한 형태의 플라스마 처리장치가 공지되어 있다. 이러한 플라스마 처리장치에 있어서, 마이크로파를 피드 및 임의로 커플러를 통해 플라스마 챔버내로 주입한다. 각종 용도에는 상이한 플라스마를 사용한다. 그 중에서도 특히, 도파관 및 동축 케이블은 마이크로파를 공급하는데 사용되고, 안테나 및 슬롯은 커플링에 사용된다(DE 4235914).
다양한 상이한 형태의 장치는 마이크로파 플라스마를 생성하는데 사용된다. 종래 기술에 따르면, 장치는 플라스마 챔버, 이 플라스마 챔버내에 내장된 컨테이너 또는 작업 영역, 및 종종 주변 도파관 공진기의 형태로 설계된 플라스마 챔버에결합될 수 있는 피딩 도파관을 포함한다. 이들을 공통 회전축 상에 배치하는 것이 유리하다. 입력 커플링을 통해, 마이크로파는 공진기로부터 플라스마 챔버로 발생된다(FR-A2 26 68 676, EP-A1 0 593 931). 그러나, 공지된 형태의 입력 커플링, 예를 들면 회전축에 대하여 평행한 관통 슬롯 및 공진기의 디자인은 유리하지 못한 것으로 밝혀졌다. 이러한 경우에서의 불리한 효과는 커플링점의 배치에 따라 특정 전계 패턴, 예를 들면 TM01n 모드를 여자시킬 수 없다는 것이다. 이 때문에 주요 용도에 사용할 수 없다. 따라서, 가능한 다수의 모드를 균일하게 여자하고/하거나 대규모의 특히 균일한 플라스마를 생성하기 위한, 10-5mbar 내지, 특히 1 bar 이상의 넓은 압력 범위에서 작동하는 장치를 제공할 필요가 있다.
본 발명은 마이크로파를 이용한 플라스마 생성장치에 관한 것이다.
도 1은 x 및 z축이 위치되어 있는 본 발명의 장치에 대한 단면도.
도 2는 본 발명의 장치를 z축 방향으로 도시된 평면도.
도 3은 3개의 공진기(5)를 공통 마이크로파 발생기(1) 및 공통 플라스마 챔버(7)에 커플링한 상태를 도시하는 본 발명의 장치의 단면도.
따라서, 본 발명은 마이크로파 발생기(1), 공진기로의 마이크로파 발생기의 커플링(9), 내부에 컨테이너(8)를 내장하고 있는 플라스마 챔버(1) 및 상기 플라스마 챔버를 에워싸는 하나 이상의 도파관 공진기(5)를 구비하는 마이크로파 플라스마 생성장치에 기초를 두고 있다.
본 발명은 상기 형태의 마이크로파 플라스마의 생성장치에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 공진기(5)의 짧은 단면측은 장치 축과 평행하거나 플라스마 챔버(7)의 축과 평행하게 놓이고, 마이크로파 전원은 도파관 공진기(5)로부터 플라스마 챔버(7)로 연결된다. 공진기(5)는 플라스마 챔버(7)를 에워싸고, 플라스마 챔버와의 공통벽을 가지며, 공진기는 바람직하게는 원통형 플라스마 챔버를 링 형태로 부분적으로 또는 완전히 에워싸는 것이 바람직하다. 또한 공진기(5)를 정합 말단부를 갖는 도파관의 형태로 설계할 수도 있다.
공통축(z)에 대하여 공진기(5), 플라스마 챔버(7) 및 컨테이너(8)의 대칭적인 배치형태가 유리하며, 이러한 디자인은 반드시 회전 대칭성을 필요로 하지 않는다. 경우에 따라, 가장 단순한 대칭적인 디자인에서 벗어날 수 있다. 공진기는 링 공진기인 것이 바람직하고, 타원형 또는 대략 직사각형, 또는 원형 형상을 지닐 수 있다. 기본구조는 공진기(5)의 긴 단면 디자인 및 공진기(5)의 가장 좁은 단면측으로서 플라스마 챔버(7)와의 공통벽의 디자인을 들 수 있다. 공진기(5)가 플라스마 챔버(7)와 대향하고 이것과의 공통벽으로서 설계된 좁고 짧은 직사각형 측면을 지닌 직사각형 단면 링을 형성하는 것이 매우 바람직하다.
그러나, 또한 예를 들면 기본적으로 원형 단면을 갖는 플라스마 챔버 벽을 에워싸는 도파관으로서 공진기(5)를 설계할 수도 있다.
공통 또는 분리형 마이크로파 발생기를 갖춘 다수의 공진기(5)를 구비할 수 있고, 이러한 공진기에 의해 큰 치수를 갖는 플라스마 챔버(7)를 가질 수 있다. 커플링점은 안테나, 루프 또는 접합부가 커플링점을 형성할 수 있지만, 슬롯이 바람직하고, 그 중에서 좁은 슬롯이 매우 바람직하다. 커플링점이 좁거나 가장 좁은 측면에 형성되는 경우에는, 커플링은 z축을 중심으로 하거나 이에 평행하게 공진기(5)와 플라스마 챔버(7)의 공통벽의 임의 지점에 위치할 수 있다. 본 발명에 의하면, 증가된 에너지 밀도를 이용한 단순화된 입력 커플링은 플라스마 챔버에서 일어난다. 이때문에, 대형 소재의 코팅을 향상시킬 수 있고, 예를 들면 폐가스 정제를 위한 화학반응인 경우에 용량을 증가시킬 수 있다.
공진기(5)의 형상이 직사각형 단면, 또는 임의로 원형인 경우에도 유리하고 바람직하다. 또한 도파관 공진기(5)의 디자인이 토로이덜(toroidal) 또는 대체로 환상인 것도 바람직하다.
청구항 2에 따르면, 커플링점(6)은 방위각에 의해 방향이 정해진 슬롯 커플러로서 형성, 즉 z축에 수직으로 형성되는 것이 매우 바람직하다. 그 결과, 긴 측면 방향으로, 슬롯은 z축을 중심으로 또는 이에 대하여 수직을 이루게 원 위에 정확히 또는 대략적으로 위치한다. 또한 슬롯이 병렬 원 위에, 또는 예를 들면 이에 대하여 45°의 각도로 위치할 수 있다.
본 발명에 따르면, 링 공진기(5)가 직사각형 단면을 갖는 경우에는, 짧은 단면측은 공진기의 방사상 방향과 수직을 이루고 플라스마 챔버(7)의 회전축과 평행한다. 공진기(5)의 짧은 직사각형 측면을 통해 마이크로파를 커플링 하면, 커플링 슬롯을 공진기(5)와 플라스마 챔버(7) 사이의 벽에 사용한 결과를 나타내므로, 플라스마 챔버의 회전축(z)에 평행하게 연장시킬 필요가 없다. 방위각 슬롯이 공진기(5)와 플라스마 챔버(7) 사이의 벽에 사용되는 경우에, 링 공진기는 평행 애드미턴스(admittance)를 갖는다.
공진기(5)에서, 커플링점(6)은 바람직하게는 정재파의 전계 최대점에 위치한다. 커플링점의 길이 및 분리가 균일해야 하더라도, 정확한 균일성을 요하지 않는다는 점에서 이점이 있다.
커플링점이 정재파의 동일상(in-phase) E 전계 최대점에 위치하는 것이 바람직하다.
커플링점, 바람직하게는 슬롯의 길이는 E 전계 반파장의 전체 길이에 일치할 수 있다.
순환기, 동조유닛, 피드 및 입력 마이크로파 커플러, 바람직하게는 H 접합부 및 E 접합부, 루프, 안테나 등을 이용하여 커플링할 수 있다. 1∼5의 마이크로파 커플링은, 예를 들면 스리핀(three-pin) 동조기, 매직 T 피스, 단자 디스크 또는 기타 동조 소자에 의해 공진기(5)로부터의 입력 마이크로파 커플링의 반대측에도 동조될 수 있다.
플라스마 챔버(7), 따라서 그 주변의 도파관 공진기(5)는 예를 들면 특정 모드의 여자용 링 공진기로서 설계되고, 따라서 특히 원형 단면을 갖는 실린더의 형태, 또는 불규칙한 형상을 지니더라도 입방체, 정사각형 또는 직사각형 컬럼 등의 형태로 설계될 수 있다. 토로이덜 직사각형 도파관 공진기(5)는 또한 다수의 마이크로파 발생기에 의해 공급될 수 있다.
플라스마 챔버(7)는 TM010 모드의 여자를 위해 필요한 직경 및 높이, 또는 TM01n(n=1, 2, 3...)의 여자를 위한 치수를 사용하여 설계될 수 있다. 예를 들면, 컨테이너(8)의 유전성 특성때문에, 전계 분포는 평정한 상태의 공진기(5)의 이상(ideal) TM01n (n=0, 1, 2...) 전계 분포와 다를 수 있다.
추가된 전기 코일 또는 영구자석(10)을 통해, 플라스마 챔버(7) 내에 자계를 발생시킬 수 있고, 이것에 의해 약 10-2hPa의 저 컨테이너 압력에서 고 이온밀도생성을 위해 전자 사이클로트론 공명을 달성할 수 있다.
플라스마 챔버에 사용되는, 예를 들면 석영 글래스로 제조된 컨테이너(8)의 디자인에 따라, 예를 들면 슬롯 안테나 또는 로드 안테나의 형태, 또는 플라스마 챔버가 유사하게 특정 치수로 되어 있으면, 적용예로 요구된 공진기 모드, 예를 들면 실린더 공진기의 경우, TM01n(n=0, 1, 2...)의 입력 커플링점의 근접 전계가 플라스마 생성에 사용될 수 있다. 실린더 공진기의 TM010 모드의 경우에는, z축을 따라 확장된 플라스마가 생성된다. n>0인 TM01n의 경우에는, 직경은 공진기의 길이의 함수로서 선택될 수 있고, 큰 플라스마 용적이 얻어질 수 있다.
마이크로파 발생기는 예를 들면 주파수가 2.45 ㎓인 마그네트론 진공관을 갖고 있다.
플라스마 챔버의 마이크로파 모드, 예를 들면 n=0,1,2...인 실린더 모드 TM01n을 여자하는 경우에는, 슬롯은 링 공진기 모드의 동일상 최대값 앞에 배열되도록 선택되어야 한다. 그러나, 슬롯 커플러의 근접 전계가 플라스마를 생성하는데 사용되는 경우에는, 또한 슬롯을 모든 최대값에 배치할 수도 있다. 커플링 슬롯의 길이는 동일상 영역을 넘어서지 않아야 하며, 최대 입력 전원 커플링을 위해서는 길이는 반파장을 정확히 커버해야 한다.
본 발명의 장치는 또한 모든 구성부품을 포함할 수 있다.
본 발명의 첨부도면에 예시된 실시형태에 설명될 것이다.
도 1에서, 환상 도파관 공진기(5)는 플라스마 챔버(7)의 실린더 벽에 짧은 직사각형 단면측을 갖고, 순환기(2), 동조유닛(3), 예를 들면 3개의 핀으로 구성된 동조기, 피드(4) 및 예를 들면 H 접합부 또는 E 접합부 형태의 입력 마이크로파 커플링점(9)으로 구성되는 커플링 시스템(2, 3, 4, 9)을 통해 마이크로파 발생기(1)로부터 마이크로파가 공급된다. 도면의 화살표는 E 전계의 방향을 나타내고, x 및 z는 축을 나타낸다. 링 공진기(5)의 짧은 직사각형 단면측에는, 돌기부로 나타낸 커플링 슬롯(6)이 상기 공진기와 플라스마 챔버(7)의 공통벽을 통과한다. 이 경우에는, 자석 코일(10)은 전자 사이클로트론 공명 여자를 유도한다.
도 2에서, 도 1에 도시된 공진기(5)의 환상 벽의 슬롯(6)에 의하여, 마이크로파는 컨테이너(8)와 함께 플라스마 챔버(7)로 커플링 된다. 링 공진기(5)에서, E 전계 벡터는 도면의 평면에 대하여 수직을 이룬다.
도 3에서, 이송 공진기(11)를 통과하는 피드를 통해, 플라스마 챔버(7)에 대하여 바람직하게는 세 부분으로 된 토로이덜 직사각형 도파관 공진기(5)가 동일 상에 커플링 되어 있다. 단락 디스크(12)는 이송 공진기를 동조하는데 사용된다. 공진기(5)는 핀 동조기(3)를 사용하여 동조된다. 화살표는 링 공진기의 E 전계 방향을 나타내고, 본 발명에 따르면 z축에 평행하고 마이크로파 커플링 슬롯에 대하여수직을 이룬다.

Claims (7)

  1. 플라스마 챔버 및 공진기를 갖춘 마이크로파 플라스마의 생성장치에 있어서,
    상기 공진기(5)의 짧은 단면측은 상기 공진기(5)와 상기 플라스마 챔버(7) 사이의 벽의 공통축(z)과 대향하게 놓여 있고, 마이크로파 전원은 상기 공진기(5)의 짧은 단면측의 커플링점(6)을 통해 도파관 공진기(5)로부터 플라스마 챔버(7)로 커플링되어 있는 것을 특징으로 하는 마이크로파를 이용한 플라스마 생성장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 커플링점(6)은 상기 공진기(5)와 상기 플라스마 챔버(7)의 공통벽의 방위각에 의해 방향이 정해진 슬롯 커플러로서 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로파를 이용한 플라스마 생성장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 커플링점(6)은 상기 공진기(5)와 상기 플라스마 챔버(7)의 공통벽의 안테나 또는 루프로서 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로파를 이용한 플라스마 생성장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플라스마 챔버(7)는 입방체, 직평행육면체, 정사각형 또는 직사각형 컬럼, 실린더 등의 형태로 된 마이크로파 공진기로서 설계되는 것을 특징으로 하는 마이크로파를 이용한 플라스마 생성장치.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    자계는 부가된 전기 코일(8) 또는 영구 자석(10)에 의해 상기 플라스마 챔버(7) 내에 발생되는 것을 특징으로 하는 마이크로파를 이용한 플라스마 생성장치.
  6. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 공진기(5)는 상기 플라스마 챔버(7)를 에워싸는 것을 특징으로 하는 마이크로파를 이용한 플라스마 생성장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라스마 챔버(7)는 입방체, 직평행육면체, 정사각형 또는 직사각형 컬럼, 실린더 등의 형태로 된 마이크로파 공진기로서 설계되고, 자계는 부가된 전기 코일 또는 영구 자석(10)에 의해 상기 플라스마 챔버(7) 내에 발생되는 것을 특징으로 하는 마이크로파를 이용한 플라스마 생성장치.
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