KR100547833B1 - 단위 플라즈마 소스 및 이를 이용한 플라즈마 발생 장치 - Google Patents

단위 플라즈마 소스 및 이를 이용한 플라즈마 발생 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 플라즈마 형성을 위한 단위 플라즈마 소스는, 중공 실린더 형상의 제1 자석과; 상기 제1 자석을 둘러싸며, 상기 제1 자석과의 사이에 자기 트랩을 형성하는 중공 실린더 형상의 제2 자석과; 상기 제1 및 제2 자석의 사이로 전자파를 제공하는 가이드를 포함한다.
플라즈마, 전자 사이클로트론 공명, 영구 자석, 가이드

Description

단위 플라즈마 소스 및 이를 이용한 플라즈마 발생 장치{ELEMENTARY PLASMA SOURCE AND PLASMA GENERATION APPARATUS USING THE SAME}
도 1은 중공 실린더 형상의 영구 자석을 나타내는 도면,
도 2a는 도 1에 도시된 영구 자석의 자기력선을 나타내는 도면,
도 2b는 도 1에 도시된 영구 자석의 등자력선을 나타내는 도면,
도 3은 본 발명에 따른 자기 트랩의 형성 원리를 설명하기 위한 도면,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단위 플라즈마 소스의 구성을 나타내는 도면,
도 5는 두 단위 플라즈마 소스들로 구현되는 플라즈마 발생 장치를 나타낸 도면,
도 6은 8개의 단위 플라즈마 소스들(300)로 구현되는 플라즈마 발생 장치를 나타낸 도면.
본 발명은 플라즈마 발생 장치에 관한 것으로서, 특히 전자 싸이클로트론 공명(Electron Cyclotron Resonance: ECR)을 이용한 플라즈마 발생 장치에 관한 것이다.
최근에, 전자 싸이클로트론 공명을 이용한 플라즈마 발생 장치의 다양한 형태들이 제안되고 있다. 그 중에는, 스트립-바 안테나(strip bar antenna)를 이용한 플라즈마 발생 장치도 있으며, 복수의 환형 안테나(multiple annular antenna)를 이용한 플라즈마 발생 장치도 있다.
현재, 광범위한 영역에 걸쳐 플라즈마를 발생시키고, 이러한 영역 내의 플라즈마 분포를 임의적으로 조절할 수 있는 플라즈마 발생 장치에 대해서는 알려진 바가 없다. 이를 위해서는, 서로 간의 간섭이 없이 복수 배열이 가능한 단위 플라즈마 소스(elementary plasma source)가 필요하지만, 종래의 플라즈마 발생 장치들로는 이러한 단위 플라즈마 소스를 구현하기 어렵다는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 서로 간의 간섭이 없이 복수 배열이 가능한 단위 플라즈마 소스를 제공하고, 이러한 단위 플라즈마 소스를 이용하여 광범위한 영역에 걸쳐 플라즈마를 발생시키고, 또한 플라즈마 분포를 임의적으로 조절할 수 있는 플라즈마 발생 장치를 제공함에 있다.
상기한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 플라즈마 형성을 위한 단 위 플라즈마 소스는, 중공 실린더 형상의 제1 자석과; 상기 제1 자석을 둘러싸며, 상기 제1 자석과의 사이에 자기 트랩을 형성하는 중공 실린더 형상의 제2 자석과; 상기 제1 및 제2 자석의 사이로 전자파를 제공하는 가이드를 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 플라즈마 형성을 위한 플라즈마 발생 장치는, 각각 중공 실린더 형상의 제1 자석과, 상기 제1 자석을 둘러싸며 상기 제1 자석과의 사이에 자기 트랩을 형성하는 중공 실린더 형상의 제2 자석과, 상기 제1 및 제2 자석의 사이로 전자파를 제공하는 가이드를 포함하는 복수의 단위 플라즈마 소스와; 그 입력단에 인가된 전자파를 파워 분할하여 그 출력단들로 출력하는 하나 이상의 파워 분할기를 포함하며, 상기 파워 분할기에서 출력된 전자파들은 상기 복수의 단위 프라즈마 소스에 분배된다.
이하에서는 첨부도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능이나 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
도 1 내지 도 2b는 본 발명의 이해를 돕기 위한 도면들이다. 도 1은 중공 실린더 형상의 영구 자석(permanent magnet, 110)을 나타내며, 도 2a는 도 1에 도시된 영구 자석(110)의 자기력선(magnetic field)을 나타내며, 도 2b는 도 1에 도시된 영구 자석(110)의 등자력선(isogam)을 나타낸다. 상기 영구 자석(110)은 자화축(magnetization axis)을 중심으로 회전 대칭성을 가지며 중심에 홀(120)이 있는 중공 실린더 형상을 갖는다. 도 2a는 도 1에 도시된 영구 자석(110)의 자기력선을 나타내며, 도 2b는 도 1에 도시된 영구 자석(110)의 등자력선을 나타낸다. 전자파 주파수가 2.45㎓인 경우에, ECR 조건에 필요한 자기장 세기는 875×10-4 T로 계산된다. 이 때, 상기 영구 자석(110)으로는 길이 30㎜, 외경 20㎜ 및 내경 6㎜의 자석을 사용한다. 도 2b를 참조하면, ECR 결합 영역에 해당하는 875 G의 등자력선은 상기 영구 자석(110)에 가장 가까운 등자력선이다. 이러한 구조에서, 상기 영구 자석(120)의 홀(120)을 통해 인가된 전자파 전기장에 의해 ECR 결합 영역(ECR coupling region)에서 가속된 전자들에 의한 플라즈마가 생성된다. 이러한 빠른 전자들은 두 자력선들과 상기 영구 자석(110)의 양극 앞의 두 대칭점들(mirror points) 내에서 진동하고, 마치 삼차원 마그네트론(tri-dimensional magnetron)과 같이 상기 영구 자석(110)의 둘레를 회전하게 된다. 이러한 영역에서, 전자 에너지 분포 함수(eletron energy distribution function: EEDF)는 맥스웰 분포 함수들(Maxwellian distibution functions)을 갖는 두 전자 밀도들(열전자(hot electron) 및 냉전자(cold electron))의 합으로 간주될 수 있다. 열전자 밀도의 온도는 17 eV보다 높을 수 있다. 결과적으로, 이러한 전자 밀도의 상당한 부분은 이러한 값의 두 배보다 훨씬 많은 에너지를 갖는 전자들을 포함한다. 플라즈마는 이러한 전자들의 비탄성 충돌들에 의해 생성된 후, 상기 영구 자석(110)으로부터 멀리 확산된다. 빠른 전자들은 자력선 내에 갇힌 상태로 남고, 오직 냉전자들이 밀도 기울기들(density gradients) 및 생성된 공간 전하 전기장(space electric field) 의 영향 하에서 자기장으로부터 멀리 확산된다.
본 발명에 따른 단위 플라즈마 소스에서 생성된 ECR 플라즈마는 자기 트랩(magnetic trap) 내에 유지되는 것이 바람직하고, 이 때 자기 트랩의 경계에 근접한 자기장의 세기는 공명 값을 갖는다.
도 3은 본 발명에 따른 자기 트랩의 형성 원리를 설명하기 위한 도면이다. 도 3에는 금속 평판(230) 상에 서로 다른 극성들이 아래를 향하도록 배열된 제1 및 제2 영구 자석들(210,220)이 도시되어 있다. 상기 제1 및 제2 영구 자석들(210,220)은 각각 자화축을 중심으로 회전 대칭성을 갖는 중공 실린더 형상을 갖는다. 자기 트랩은 상기 제1 및 제2 영구 자석들(210,220)의 사이에 위치한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단위 플라즈마 소스의 구성을 나타내는 도면이다. 상기 단위 플라즈마 소스는 하우징(housing, 310)과, 제1 및 제2 챔버들(chambers, 320,350)과, 가이드(guide, 500)와, 제1 및 제2 영구 자석(430,470)을 포함한다.
상기 하우징(310)은 그 상부에 위치한 제1 서브 하우징(subhousing, 320)과, 그 하부에 위치한 제2 서브 하우징(350)을 포함한다. 상기 제1 서브 하우징(320)은 제1 홀을 갖는 중공 실린더 형상의 본체(body, 330)와, 상기 제1 홀과 소통되도록 상기 본체(330)의 측벽으로부터 연장된 가이드관(340)을 포함한다. 상기 본체(330)의 상단에는 개구(opening)가 형성되어 있고, 그 하단은 개방되어 있다. 상기 본체(330)의 하단은 상기 제2 서브 하우징(350)과의 연결을 위해 지름방향으로 연 장되어 있다. 상기 제2 서브 하우징(350)은 제2 홀을 갖는 중공 실린더 형상을 취하며, 그 상단에 형성된 개구는 상기 제1 홀과 연결되고, 그 하단은 개방되어 있다. 상기 제2 서브 하우징(350)의 상단은 상기 제1 서브 하우징(320)과의 연결을 위해 지름방향으로 연장되어 있고, 상기 제1 서브 하우징(320)의 하단과 상기 제2 서브 하우징(350)의 상단은 볼트-너트 쌍들(360)을 이용해 고정된다. 제2 서브 하우징(350)의 하단은 상기 제2 챔버(460)와의 연결을 위해 지름방향으로 연장되어 있다. 상기 제2 서브 하우징(350)의 하단에는 그 연장된 부분을 관통하는 급수구(370)와 배수구(380)가 형성되어 있다.
상기 제1 챔버(400)는 상기 하우징(310)을 관통하도록 상기 하우징(310)의 제1 및 제2 홀에 삽입되며, 그 상부에 위치한 튜브(410)와 그 하부에 위치한 중공 실린더(420)를 포함한다. 상기 튜브(410)는 상기 하우징(310)의 상단에 일부 돌출되도록 고정되며, 그 상단에는 급수구와 배수구가 형성되어 있고, 그 하단은 개방되어 있다. 상기 튜브(410)는 그 하부가 그 상부에 비하여 두꺼우며, 그 절곡 부분에 고리 형상의 홈이 형성되어 있다. 상기 실린더(420)는 그 상단이 개방되어 있고, 그 하단은 막혀져 있다. 상기 실린더(420)의 개방된 상단은 상기 튜브(410)의 하부에 끼워져서 고정된다. 상기 튜브(410) 외주면의 절곡된 부분과 상기 실린더(420)의 상단 사이에 고무 링을 삽입하여 밀폐성을 향상시킨다.
상기 제1 영구 자석(430)은 상기 실린더(420)의 룸에 실장되며, 그 중심에 홀이 형성된 중공 실린더 형상을 갖는다. 급수 라인(432)은 상기 제1 영구 자석(430)을 관통하도록 상기 제1 챔버(400)의 상측으로부터 상기 제1 영구 자석(430)의 하측까지 연장되며, 그 상단을 통해 냉각수가 공급된다. 상기 제1 영구 자석(430)의 상단과 상기 튜브(410)의 하단 사이에는 제1 윈도우(window, 440)가 개재되며, 상기 제1 영구 자석(431)의 하단과 상기 실린더(420)의 내측 바닥면 사이에는 제2 윈도우(450)가 개재된다. 상기 제1 및 제2 윈도우(440,450)는 각각 상기 급수 라인(432)의 둘레에 배치되도록 고리 형상을 가지며, 그 내측단 및 상단(또는 하단) 각각에 복수의 구멍들을 갖고 있다. 상기 급수 라인(432)의 상단에 공급되는 냉각수는 그 하단으로 유출되며, 유출된 냉각수는 상기 제2 윈도우(450)의 내측단 및 상단을 통과하여 상기 실린더(420)의 내측벽과 상기 제1 영구 자석(431)의 외주면 사이의 공간을 따라 상향으로 유동한다. 이후, 상기 냉각수는 상기 제1 윈도우(440)의 하단, 내측단 그리고 중심 홀을 차례로 통과하여 상기 튜브(410)의 내측벽과 상기 동축 라인(432)의 외주면 사이의 공간을 따라 상향으로 유동한다. 상기 튜브(410)의 상단으로 유동하는 냉각수는 상기 튜브(410) 상단의 배수구를 통해 배수 라인(550)으로 유출된다.
상기 제2 챔버(460)는 상기 제1 챔버(400)의 둘레에 배치되며, 고리 형상의 룸을 포함한다. 상기 제2 챔버(460)의 상단은 상기 제2 서브 하우징(350)과의 연결을 위해 상기 제2 서브 하우징(350)의 연장 부분과 대응되도록 상향으로 연장되어 있다. 상기 제2 챔버(460)와 상기 제2 서브 하우징(350)의 서로 대응되는 연장 부분들은 볼트-너트 쌍들(360)을 이용하여 고정되고, 상기 룸의 상단은 개방되어 있다. 상기 제2 챔버(460)의 연장 부분과 상기 제2 서브 하우징(350)의 하단 사이에 고무 링을 삽입하고, 상기 제2 챔버(460)의 상단에 내측 측벽으로부터 연장된 수용 부(465)를 마련하고, 상기 수용부(465)에 고무 링을 삽입함으로써 밀폐성을 향상시킨다.
상기 중공 실린더 형상의 제2 영구 자석(470)은 상기 제2 챔버(460) 내에 실장되고, 상기 제1 자석(431)의 극과 다른 극이 아래를 향하도록 배치된다. 상기 제2 영구 자석(470)의 상단과 상기 제2 서브 하우징(350)의 하단 사이에는 제1 윈도우(480)가 개재되며, 상기 제2 영구 자석(470)의 하단과 상기 제2 챔버(460)의 내측 바닥면 사이에는 제2 윈도우(490)가 개재된다. 상기 제1 윈도우(480)는 원판 중심부에 원형의 홀이 형성되어 있으며, 상기 개구 둘레로 원형의 턱이 형성되어 있는 형태를 취한다. 상기 원판에서 상기 턱의 내측 및 외측에는 각각 복수의 홀들을 형성되어 있다. 상기 턱의 상단에는 홈이 형성되어 있고, 그 아래쪽 상기 원판의 하단에도 홈이 형성되어 있다. 상기 홈들에는 고무 링이 삽입되어 밀폐성을 향상시킨다. 상기 제2 윈도우(490)는 속이 빈 고리 형상을 가지며, 그 상단의 내측 및 외측 가장 자리들에 구멍들을 갖고 있다. 상기 제2 서브 하우징(350)의 급수구(370)는 상기 제1 윈도우(480)의 내측 홀과 연결되고, 상기 제2 서브 하우징(350)의 배수구(380)는 상기 제1 윈도우(480)의 외측 홀과 연결된다. 상기 제2 서브 하우징(350)의 급수구(370)를 통해 유입된 냉각수는 상기 제2 자석(470)의 내측면과 상기 제2 챔버(460)의 내측 측벽 사이로 유동하며, 상기 제2 윈도우(490)는 내측 홀을 통해 유입된 냉각수를 외측 홀을 통해 유출한다. 상기 제2 윈도우(490)에서 유출된 냉각수는 상기 제2 자석(470)의 외측면과 상기 제2 챔버(460)의 외측 측벽 사이로 유동하며, 상기 제1 윈도우(480)는 외측 홀을 통해 유 입된 냉각수는 상기 제2 서브 하우징(350)의 배수구로 유출된다.
상기 가이드(500)는 상기 하우징(310)의 내벽과 상기 제1 챔버(320) 사이에 배치되어 상기 제1 및 제2 영구 자석(430,470)의 사이로 전자파를 제공한다. 즉, 상기 가이드(500)는 상기 하우징(310)의 제1 및 제2 홀과 상기 가이드관(340) 내에 배치된다. 상기 가이드(500)는 밀폐성을 향상시키기 위해 상기 하우징(310)의 제2 홀 내의 빈 공간을 차지하며, 상기 홈에 고무 링을 삽입하여 밀폐성을 향상시킨다. 또한, 상기 제2 서브 하우징(350)의 절곡된 내벽 상에는 고리 형상의 홈이 형성되어 있고, 상기 홈에 고무 링을 삽입하여 밀폐성을 향상시킨다.
써큘레이터(circulator, 510)는 반사되는 전자파를 차단하기 위해 상기 가이드(500)와 연결되며, 더미 로드(dummy load, 520)에 인가된 전자파 파워를 상기 가이드(500)에 전달한다.
도 4에는 상기 단위 플라즈마 소스(300)에 의해 형성된 ECR 결합 영역(530)과, 상기 제1 및 제2 영구 자석(430,470) 사이에 위치하는 자기 트랩에 의해 갇힌 플라즈마(540)가 도시되어 있다. 상기 가이드(500)로 인하여 전자파 파워는 손실없이 자기 트랩에 제공되며, 플라즈마(540)는 상기 가이드(500)에 의해 제공되는 전자파에 의해 유지된다. 전자파가 ECR 결합 영역(530)에 도착하기 전에 플라즈마에 흡수되거나, 인접한 다른 단위 플라즈마 소스로 복사되는 일은 발생하지 않는다. 결과적으로, 단위 플라즈마 소스들간의 간섭은 발생하지 않는다.
도 4에 도시된 바와 같은 단위 플라즈마 소스들(300)은 필요에 따라 다양한 형태로 배열되어 장치를 구성할 수 있다. 이러한 장치에서 각각의 자기 트랩은 하 나의 단위 플라즈마 소스(300)에 의해서만 제한되므로, 각 플라즈마 발생 장치(300)는 독립적으로 동작할 수 있다. 이러한 장치를 사용함으로써, 광범위한 영역에 걸쳐 플라즈마 분포를 제어하는 것이 용이하게 된다. 또한, 이러한 장치에서는 단위 플라즈마 소스들(300) 간의 거리를 고려할 필요가 없다는 이점이 있다.
전자파를 발생시키는 전자파 발생기(microwave generator, 미도시)와 상기 가이드(500)의 하단까지의 거리는 상기 가이드(500)의 유전 상수(dielectric constant)를 고려하여 전자파 파장의 4배에 해당하도록 설계되고, 상기 가이드(500)의 하단과 플라즈마(540)까지의 거리는 대략 3/4 파장에 해당하도록 설계될 수 있다.
이하, 복수의 단위 플라즈마 소스들(300)로 구현되는 다양한 장치들을 도 5 및 도 6을 참조하여 기술하기로 하며, 각 단위 플라즈마 소스(300)에 대한 설명은 중복되므로 생략하기로 한다.
도 5는 두 단위 플라즈마 소스들(300)로 구현되는 플라즈마 발생 장치를 나타낸 도면이다. 두 단위 플라즈마 소스들(300)에 전자파 파워를 제공하기 위해 T형 파워 분할기(power splitter, 600)가 사용되며, 상기 T형 파워 분할기(600)는 그 입력단으로 전자파 파워가 인가되면, 이를 분할하여 상기 두 단위 플라즈마 소스들(300)과 연결된 두 출력단으로 출력하게 된다.
도 6은 8개의 단위 플라즈마 소스들(300)로 구현되는 플라즈마 발생 장치를 나타낸 도면이다. 8개의 단위 플라즈마 소스들(300)에 전자파 파워를 제공하기 위해 복수의 T형 파워 분할기들(600)이 사용되며, 이러한 T형 파워 분할기들(600)은 트리 구조(tree structure)로 연결된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 단위 플라즈마 소스는 독립적으로 자기 트랩을 생성함으로써 서로 간의 간섭이 없이 복수 배열이 가능하며, 이러한 이점으로 인해 복수의 단위 플라즈마 소스들을 이용하여 광범위한 영역에 걸쳐 플라즈마를 발생시키고, 또한 플라즈마 분포를 임의적으로 조절할 수 있다는 이점이 있다.

Claims (8)

  1. 플라즈마 형성을 위한 단위 플라즈마 소스에 있어서,
    중공 실린더 형상의 제1 자석과;
    상기 제1 자석을 둘러싸며, 상기 제1 자석과의 사이에 자기 트랩을 형성하는 중공 실린더 형상의 제2 자석과;
    상기 제1 및 제2 자석의 사이로 전자파를 제공하는 가이드를 포함함을 특징으로 하는 단위 플라즈마 소스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 자석 각각의 홀을 통해 냉각수가 공급됨을 특징으로 하는 단위 플라즈마 소스.
  3. 플라즈마 형성을 위한 단위 플라즈마 소스에 있어서,
    그 상단 및 하단에 개구들을 갖는 하우징과;
    상기 하우징을 관통하는 제1 챔버와;
    상기 제1 챔버에 실장되는 중공 실린더 형상의 제1 자석과;
    상기 제2 챔버를 둘러싸는 제2 챔버와;
    상기 제2 챔버에 실장되며 상기 제1 자석과의 사이에 자기 트랩을 형성하는 중공 실린더 형상의 제2 자석과;
    상기 하우징의 내벽과 상기 제1 챔버 사이에 배치되어 상기 제1 및 제2 자석의 사이로 전자파를 제공하는 가이드를 포함함을 특징으로 하는 단위 플라즈마 소스.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 자석을 관통하도록 상기 제1 챔버의 상측으로부터 상기 제1 자석의 하측까지 연장되며, 그 상단을 통해 냉각수가 공급되는 급수 라인을 더 포함함을 특징으로 하는 단위 플라즈마 소스.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제2 챔버의 내벽 및 상기 제2 자석의 사이에 냉각수가 공급됨을 특징으로 하는 단위 플라즈마 소스.
  6. 제3항에 있어서,
    반사되는 전자파를 차단하기 위해 상기 가이드와 연결되며, 인가된 전자파 파워를 상기 가이드에 전달하는 써큘레이터를 더 포함함을 특징으로 하는 단위 플라즈마 소스.
  7. 플라즈마 형성을 위한 플라즈마 발생 장치에 있어서,
    각각 중공 실린더 형상의 제1 자석과, 상기 제1 자석을 둘러싸며 상기 제1 자석과의 사이에 자기 트랩을 형성하는 중공 실린더 형상의 제2 자석과, 상기 제1 및 제2 자석의 사이로 전자파를 제공하는 가이드를 포함하는 복수의 단위 플라즈마 소스와;
    그 입력단에 인가된 전자파를 파워 분할하여 그 출력단들로 출력하는 하나 이상의 파워 분할기를 포함하며,
    상기 파워 분할기에서 출력된 전자파들은 상기 복수의 단위 프라즈마 소스들에 분배됨을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 플라즈마 발생 장치는 복수의 파워 분할기들을 포함하며, 상기 파워 분할기들은 트리 구조로 연결됨으로써 최상측 입력단에 인가된 전자파를 순차적으로 파워 분할하여 상기 단위 플라즈마 소스들에 연결된 최하측 출력단들로 출력함을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
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