KR100458080B1 - 강력한마이크로파플라스마생성장치 - Google Patents

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Abstract

강력한 마이크로파 플라스마 생성장치에 있어서, 공진기는 내부 및 외부 도체를 갖는 동축 공진기로서 설계된다. 마이크로파는 동축 공진기의 경계선을 통해 플라스마 챔버로 결합된다.

Description

강력한 마이크로파 플라스마 생성장치
마이크로파 플라스마는 예를 들면 가스 분해, 물질 합성 또는 물질 세정에 있어서 코팅시에, 마이크로 일렉트로닉스에 있어서 부품의 제조 또는 가공처리 등의 기술분야에 이용된다.
각종 장치에 있어서, 마이크로파는 마이크로파 발생장치로부터 임의로 피드(feed)를 통해 플라스마 챔버 주변의 도파관 공진기(waveguide resonator)로의 범위를 포함하는 작업영역과 함께 커플링 포인트에 의해 플라스마 챔버로 공급된다. 특히 링 공진기, 즉 링으로서 설계되고 공진기 링의 상대적으로 큰 단면 직경과 비교하여 축을 따라 짧은 길이를 갖는 도파관 공진기를 사용하는 것이 통상적이다. 예를 들면 튜브로서 설계된 경우에는 링 공진기의 축 및 플라스마 챔버의 축이 동일하거나 공통 z축을 갖는 것이 일반적이다.
DE 196 00 223.0 - 33의 공보에 의하면, 공진기 링은 직사각형 단면을 가지며, 커플링 포인트는 예를 들면 짧은 단면측에 슬롯의 형태로 되어 있다. 이러한 형태의 마이크로파 플라스마 생성장치는 고 효율을 갖고 있다. 그러나, 훨씬 더 균일하고 훨씬 더 강력한 플라스마 챔버와 더욱 단순하게 구성된 장치가 필요하다.
도 1에서 도 1a는 z축을 따라 도시한 장치의 단면도이고, 도 1b는 이와 관련된 평면도,
도 2는 도 1과 유사한 장치를 도시한는 도면,
도 3은 완전히 도시되어 있지 않지만 외부 플라스마 챔버를 갖는 장치의 상세도,
도 4에서 도 4a는 내부 플라스마 챔버 및 외부 플라스마 챔버를 갖는 장치에 대한 단면도이고, 도 4b는 마이크로파가 실린더 공진기로 직접 연결되는 장치에 대한 단면도이며, 도 4c는 예를 들면 외부 도체 및 와이어로서 형성된 유사하게 코일된 내부 도체를 갖는 나선형으로 코일된 동축 공진기가 원통형 챔버내에 위치하는 장치에 대한 단면도이다.
본 발명은 마이크로파 플라스마 생성장치에 관한 것으로, 공진기는 내부 및 외부 도체와 함께 동축 공진기로서 설계된다. 도체가 완전히 또는 부분적으로 공진기의 내외측 경계선을 형성하는 한, 공진기의 형상 및 도체의 형상은 임의 형태를 갖는다. 2개의 도체가 유사하거나 동일한 형태로 된 축방향을 갖거나 공통 z축을 갖는 것이 바람직하다. 의외로, 장치의 작동시에 진공 상태를 반드시 필요로 하지 않는다.
내측에 서로 동축 도체로서 배열되고 각각의 단부에서 폐쇄되거나 개방될 수 있는 긴 형태의 중공부, 예를 들면 압연부(rolled section)로 제조한다. 각진 베이스면을 포함하여 임의의 형태를 갖고서 서로 내측에 배열되어 있는 2개의 튜브 또는 실린더는 형성하기가 용이한 실례를 나타낸다. 커플링이 외부 도체를 통해서만 일어나는 경우에는 내부 도체로서 와이어 또는 고체 실린더를 갖는 것이 바람직하다.
공진기는 실질적으로 플라스마 챔버와 동일한 z 방향의 축을 가질 수 있고, z 방향을 따라, 공진기 및 플라스마 챔버는 동일한 길이 또는 상이한 길이로 설계될 수 있다.
또한 본 발명의 장치가 여러가지 모든 구성성분을 포함할 수 있다.
그리하여 본 발명은 단면이 상이한 정밀하게 설계된 공진기 링과 다르며, 이는 링이 핸드의 핑거 주변에 조립되기 때문에 예를 들면 공진기로서 설계된 플라스마 챔버 주변에 조립된다. 그 대신에, 본 발명에 따르면 동축 공진기는 길고, 예를 들면 핸드의 핑거 주변의 글로브의 핑거의 공간과 유사하게 실질적으로 z축 방향으로 전체 길이에 걸친 슬리브로서 설계될 수 있다. 본 발명에 의하면, 플라스마 챔버 및 공진기는 공동의 특정 형태에 한정되어 있지 않다. 동축 공진기의 내부 및 외부 도체가 z축으로서 언급되는 대체로 길거나 가장 긴 축에 대하여 실질적으로 동일한 방향을 갖는 것이 매우 바람직하다. 바람직하게는, 챔버 및 동축 공진기의 축의 대응 방향은 두 성분의 축 사이에 작은 각도 또는 90。까지 경사각도를 가질 수도 있지만, 공통축 또는 평행축이다.
예를 들면 코일상 스트립 또는 인터로킹 링의 형태로 가요성 금속튜브로 된 동축 도체를 가질 수 있으며, 공진기는 서로 내측에 배치된 2개의 튜브에 의해 형성되거나, 또는 예를 들면 도체 중의 하나로서 관형 또는 난형(ovoid) 챔버 주변에 감겨진 하나의 튜브에 의해 형성된다. 플라스마 챔버의 벽은 도체 중의 하나로 구성될 수 있고, 플라스마 챔버의 형상은 임의의 형태를 취하나, 튜브 형태로 설계될 수 있고, 구형상 또는 실린더 형상이 대개 바람직하다.
모든 경우에 있어서, 챔버 및 공진기는 동일하거나 상이한 길이로 이루어질 수 있고, 예를 들면 우선방향과 수직인 방향으로 하나 또는 심지어 여러개의 챔버, 하나 이상의 동축 공진기 또는 분할된 공진기 또는 동축 공진기를 형성할 수 있다.
예를 들면 안테나 형태 또는 바람직하게는 슬롯 또는 갭 형태의 커플링 포인트는 각각 선택된 플라스마 모드에 요구되는 갯수, 기하학적인 형태 및 배열형태로 동축 공진기의 벽, 즉 챔버와의 공통벽 상에 임의의 갯수로 배열될 수 있다.
작은 치수를 갖는 커플링 포인트는 동축 공진기내에서 공명을 사실상 교란시키지 않는다. 이러한 형태의 커플링 포인트 및 비교적 다수의 커플링 포인트에 의해 플라스마 챔버내에 종종 바람직하게는 플라스마가 균일하게 형성되고 적절한 치수를 갖는 경우에 챔버 내에 공명을 일으킨다.
마이크로파 발생장치는 내부 경계선을 포함하여 동축 공진기 상의 임의의 점에 임의로 제어된 피드 또는 추가의 공진기에 의해 직접 배치될 수 있으며, 하나 이상의 플라스마 챔버로 결합될 수 있다. 플라스마 챔버 및 동축 공진기는 완전히 또는 부분적으로 예를 들면 세라믹, 석영유리 또는 테플론 등의 유전재료를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 더 이상 공진기 내부에만 챔버를 배치하지 않아도 된다. 외부 챔버는 물론 내부 도체에 완전히 또는 부분적으로 배치된 내부 챔버를 가질 수 있으며, 임의의 형태로 된 유전체벽을 갖는 컨테이너 또는 각각의 작업영역과 함께 하나 이상의 외부 챔버 및 하나 이상의 내부 챔버를 구비할 수 있다.
이렇게 하여, 본 발명의 동축 공진기에 의해 다양한 형태 및 설계를 가질 수 있다. 플라스마 챔버는 추가의 공진기 또는 이의 일부분일 수 있다. 이 경우에는 플라스마 챔버를 실린더 공진기로서 설계하여, 특수 형태의 연합형태를 지니는 것이 바람직하다. 하나 이상의 동축 공진기에 대하여 다수의 마이크로파 피드를 형성할 수 있다.
본 장치의 특수 기술 및 기하학적인 설계는 각각의 형태의 모드에 특히 적합하다. 비림직한 동축 모드 TEM 또는 TMn1 은 직경이 상이한, 바람직하게는 원통형 도전성 2개의 튜브 사이의 동축 공진기에 최적으로 형성된다. 또한 이들 중에서 TEnm 또는 TMnm 필드 분포를 가질 수 있다. 2개의 관 길이는 사용된 마이크로파의 전파 파장의 2분의 1의 배수와 동일한 것이 바람직하다. 그 때, 튜브의 양단부는 예를 들면 벽, 투기성 그리드 또는 단락 디스크를 사용하는 도전성 말단부를 갖는다.
통상적으로 유전재료로 된 컨테이너는 본 발명에 따라 큰 용적을 지닐 수 있고, 분할하면 각종 용도로 쓰일 수 있다. 외부에 배치된 대형 컨테이너의 경우에는, 반드시 금속 클로저(closure)벽을 갖지 않아도 된다.
예를 들면 각각의 외측 관 또는 금속 외측벽 주변의 헬름홀츠(Helmholz)에 의한 영구자석 또는 코일 배열형태에 의해, 챔버내에 전자 사이클로트론 공명 플라스마 상태를 얻을 수 있다. 마찬가지로 동축 공진기의 내부 도체에 자석을 배열할 수 있다.
도 1에서 도 1a는 z축을 따라 장치를 도시한 단면도이고, 도 1b는 이와 관련된 평면도이다. 본 장치는 내벽(2)과 외벽(3) 사이의 공진기 및 컨테이너(1)에 결합된 마이크로파 발생장치(4)를 갖는 관형 동축 공진기의 내벽(2) 및 외벽(3)으로 도시되어 있다. 도 1에서, 2개의 커플링 슬롯(5)은 내벽(2)의 원주상 슬롯으로서 형성되므로, 이들은 장치의 z축에 대하여 수직을 이룬다. 내측에 위치하고 실린더 공진기로서 설계된 동축 공진기 및 플라스마 챔버는 이러한 실시형태의 z방향으로 동일 길이를 갖고 있다. 참조부호 10은 예를 들면 플라스마 챔버를 2개의 챔버로 분할하는 임의의 금속 그리드이다. 예를 들면 프로세스 가스를 공급하고 배출하는 개구(6)는 플라스마 챔버의 상하부 클로저벽에 배치되어 있다.
도 2는 도 1과 유사한 장치를 도시하나, 이 경우에는 커플링 포인트(5)가 내부 동축 도체의 벽의 종방향 슬롯 형태로 배치되어, 장치의 z축과 평행하게 작용한다. 또한, 도 2는 동축 공진기 및 플라스마 챔버를 동조하기 위한 수개의 가능한 실례를 포함한다. 클로저 디스크(7)는 동축 공진기를 튜닝하는데 사용된다. 튜닝핀 또는 스크류(8)는 동일한 용도로 사용된다. 이러한 형태의 튜닝 엘리먼트의 위치 및 갯수는 필요에 따라 변화될 수 있다. 튜닝핀(9)은 플라스마 챔버를 튜닝하는 수단을 나타낸다. 플라스마 챔버의 길이를 변화시키는 클로저 디스크(도시되지 않음)도 또한 유사한 기능을 갖는다.
도 3은 완전히 도시되어 있지 않지만 외부 플라스마 챔버를 갖는 장치의 상세도이다. 마이크로파 발생장치(4)는 동축 공진기의 내부 도체(2)의 내측에 끼워 맞춰진다. 커플링 포인트(5)는 동축 공진기의 외벽에 3개의 방위각으로 된 부분적으로 원주상 커플링 포인트로서 설계된다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시형태를 나타낸다. 도 4a는 내부 플라스마 챔버(11) 및 외부 플라스마 챔버(12)를 갖는 장치에 대한 단면도를 나타낸다. 경우에 따라, 플라스마 챔버(11, 12)는 컨테이너를 갖출 수 있다.
도 4b는 마이크로파가 실린더 공진기(13)로 직접 연결되는 장치에 대한 단면도이고, 이 공진기는 동축 공진기를 갖는 원주상 방위각 슬롯을 통해 결합된다. 컨테이너(1)와 추가의 실린더 공진기로서 설계된 플라스마 챔버(11)의 결합은 추가의 커플링 슬롯을 통해 이루어진다.
도 4c는 예를 들면 외부 도체(3) 및 와이어로서 형성된 유사하게 코일된 내부 도체(2)를 갖는 나선형으로 코일된 동축 공진기가 원통형 챔버(12)내에 위치하는 장치에 대한 단면도를 도시한다. 마찬가지로, 코일되거나 감겨진 형상으로 된 동축 공진기는 완전히 또는 부분적으로 외부 도체와 함께 챔버를 들러싸는데, 즉 예를 들면 테이프 또는 코드 방식으로 챔버 주변에 감겨진다.
도 4d는 구형상 플라스마 챔버(11)를 갖는 장치에 대한 단면도를 도시한다. 마이크로파 발생장치(4)의 안테나는 동축 공진기의 내부 도체(2)에 직접 연결되어 있다. 외부 도체(3)는 마이크로파 생성장치(4)를 향해 원추형상으로 테이퍼된다. 마이크로파 력은 방위각 커플링 슬롯(5)을 통해 플라스마 챔버에 결합된다.

Claims (8)

  1. 마이크로파 발생장치, 커플링 포인트를 갖는 피딩 공진기, 플라스마 챔버를 갖는 마이크로파 플라스마 생성장치에 있어서, 마이크로파 발생장치에서 발생되는 마이크로파는 피딩 공진기를 통하여 플라즈마 챔버로 도파되며, 상기 피딩 공진기는 동축 공진기로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라스마 생성장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 플라스마 챔버는 상기 피딩 공진기에 의해 둘러싸여지는 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라스마 생성장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 피딩 공진기는 상기 플라스마 챔버에 의해 둘러싸여지는 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라스마 생성장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 하나이상의 상기 플라즈마 챔버가 상기 피딩 공진기의 내부 또는 외부에 배치되는 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라스마 생성장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 동축 공진기 및 상기 플라스마 챔버는 동일한 방향으로 설계되는 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라스마 생성장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 마이크로파를 상기 피딩 공진기의 내부 또는 외부로 커플링하는 커플링 포인트는 상기 피딩 공진기의 벽 내 또는 벽 상에 배치되거나, 또는 상기 플라즈마 챔버 및 상기 피딩 공진기의 공통벽 내 또는 공통벽 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라스마 생성장치.
  7. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 커플링 포인트는 로드 안테나, 루프, 슬롯 및 갭으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라스마 생성장치.
  8. 제 6 항에 있어서, 커플링 포인트는 로드 안테나, 루프, 슬롯 및 갭으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라스마 생성장치.
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