KR101812743B1 - 유도 코일 및 유도 결합 플라즈마 발생 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유도 코일 및 유도 결합 플라즈마 장치를 제공한다. 이 유도 결합 플라즈마 발생 장치는 유도 코일을 포함한다. 상기 유도 코일은 복수의 배치 평면들에 각각 배치된 단위 안테나들을 포함하는 제1 유도 코일; 및 복수의 배치 평면들에 각각 배치된 단위 안테나들을 포함하는 제2 유도 코일;을 포함한다. 상기 제1 유도 코일의 단위 안테나들과 상기 제2 유도 코일의 단위 안테나들은 서로 교번하여 배치되고, 상기 제1 유도 코일의 단위 안테나들은 순차적으로 배치 평면을 변경하기 위하여 제1 층간 연결부에 의하여 서로 직렬 연결되고, 상기 제2 유도 코일의 단위 안테나들은 순차적으로 배치 평면을 변경하기 위하여 제2 층간 연결부에 의하여 서로 직렬 연결된다.

Description

유도 코일 및 유도 결합 플라즈마 발생 장치{ Inductive Coil And Inductively Coupled Plasma Apparatus}

본 발명은 유도 결합 플라즈마 발생용 유도 코일에 관한 것으로, 더 구체적으로 두 개의 안테나를 서로 교번하면서 배치한 유도 코일에 관한 것이다.

플라즈마는 종래에 반도체용 웨이퍼와 같은 기판의 식각 공정 또는 증착 공정에 사용된다. 또한, 플라즈마는 신소재합성, 표면처리, 환경 정화 등에 사용되고 있다. 한편, 대기압 플라즈마는 플라즈마 스크러버, 세정, 살균, 피부 미용 등에 사용되고 있다.

통상적인 유도 결합 플라즈마는 유전체 방전관에 유도 코일을 감아서 사용한다. 그러나, 통상적인 유도 코일 구조는 낮은 방전 안정성 및 낮은 플라즈마 밀도를 가진다.

본 발명은 대기압 또는 수 토르 이상의 고압력에서 안정적으로 유도 결합 플라즈마를 생성할 수 있는 새로운 유도 코일 구조를 제공한다.

본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 축전 결합 성분을 억제하여 방전 안정성 및 효율을 향상시키는 유도 결합 플라즈마 발생용 유도 코일을 제공하는 것이다.

본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 유도 코일의 권선수 증가에 의한 전압 상승을 억제하는 유도 코일 및 플라즈마 발생 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 단위 길이당 권선수를 극대화하고 축전 결합을 억제하는 유도 코일을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 유도 결합 플라즈마 발생 장치는 유도 코일을 포함한다. 상기 유도 코일은 복수의 배치 평면들에 각각 배치된 단위 안테나들을 포함하는 제1 유도 코일; 및 복수의 배치 평면들에 각각 배치된 단위 안테나들을 포함하는 제2 유도 코일;을 포함한다. 상기 제1 유도 코일의 단위 안테나들과 상기 제2 유도 코일의 단위 안테나들은 서로 교번하여 배치되고, 상기 제1 유도 코일의 단위 안테나들은 순차적으로 배치 평면을 변경하기 위하여 제1 층간 연결부에 의하여 서로 직렬 연결되고, 상기 제2 유도 코일의 단위 안테나들은 순차적으로 배치 평면을 변경하기 위하여 제2 층간 연결부에 의하여 서로 직렬 연결된다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 유도 코일의 단위 안테나와 상기 제2 유도 코일의 단위 안테나 각각은 동일 평면에서 복수의 턴을 구비할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 유도 코일과 상기 제2 유도 코일은 동일한 중심축을 가지고, 전기적으로 직렬 연결되고, 상기 제1 유도 코일에 의한 자속의 방향과 상기 제2 유도 코일에 의한 자속의 방향은 동일하고 동 위상일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 유도 코일은 상부층에서 하부층으로 변화함에 일정한 방향으로 감기고, 상기 제2 유도 코일은 상부층에서 하부층으로 변환함에 따라 제1 유도 코일의 감긴 방향과 반대 방향으로 감길 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 유도 코일의 제1 층간 연결부들은 상부층에서 하부층으로 변화함에 따라 시계방향으로 일정한 각도씩 이동하고, 상기 제2 유도 코일의 제2 층간 연결부들은 상부층에서 하부층으로 변화함에 따라 반시계 방향으로 일정한 각도씩 이동할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 단위 안테나는 배치 평면에서 제1 반경을 가지고 방위각 방향으로 한 턴을 제공하는 제1 원호; 상기 제1 반경보다 큰 제2 반경을 가지고 방위각 방향으로 한 턴을 제공하는 제2 원호; 상기 제1 원호의 일단에서 반경 방향으로 연장되는 제1 반경 방향 연장부; 상기 제1 원호의 타단에서 반경 방향으로 연장되는 제2 반경 방향 연장부; 상기 제2 원호의 일단에서 반경 방향으로 연장되는 제3 반경 방향 연장부; 상기 제2 원호의 타단에서 반경 방향으로 연장되는 제4 반경 방향 연장부; 및 상기 제2 반경 방향 연장부와 상기 제3 반경 방향 연장부를 서로 연결하고 상기 제1 반경 방향 연장부를 점핑하여 연결하는 점핑 연결부를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 단위 안테나는 배치 평면에서 제1 반경을 가지고 방위각 방향으로 한 턴을 제공하는 제1 원호; 상기 제1 반경보다 큰 제2 반경을 가지고 방위각 방향으로 한 턴을 제공하는 제2 원호; 상기 제2 반경보다 큰 제3 반경을 가지고 방위각 방향으로 한 턴을 제공하는 제3 원호; 상기 제1 원호의 일단에서 반경 방향으로 연장되는 제1 반경 방향 연장부; 상기 제1 원호의 타단에서 반경 방향으로 연장되는 제2 반경 방향 연장부; 상기 제2 원호의 일단에서 반경 방향으로 연장되는 제3 반경 방향 연장부; 상기 제2 원호의 타단에서 반경 방향으로 연장되는 제4 반경 방향 연장부; 상기 제3 원호의 일단에서 반경 방향으로 연장되는 제5 반경 방향 연장부; 상기 제3 원호의 타단에서 반경 방향으로 연장되는 제6 반경 방향 연장부; 상기 제2 반경 방향 연장부와 상기 제3 반경 방향 연장부를 서로 연결하고 상기 제1 반경 방향 연장부를 점핑하여 연결하는 제1 점핑 연결부; 및 상기 제4 반경 방향 연장부와 상기 제5 반경 방향 연장부를 서로 연결하고 상기 제1 반경 방향 연장부를 점핑하여 연결하는 제2 점핑 연결부를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 유도 코일의 일단은 상기 유도 코일의 하부면을 기준으로 최상위 짝수 층에 배치되고 교류 전원부의 양의 출력단에 연결될 수 있다. 상기 제2 유도 코일의 일단은 상기 유도 코일의 하부면을 기준으로 최상위 홀수 층에 배치되고 상기 교류 전원부의 음의 출력단에 연결될 수 있다. 상기 제1 유도 코일의 타단은 상기 유도 코일의 하부면을 기준으로 최하위 짝수층에 배치될 수 있다. 상기 제2 유도 코일의 타단은 상기 유도 코일의 하부면을 기준으로 최하위 홀수 층에 배치될 수 있다. 상기 제1 유도 코일의 타단은 상기 제2 유도 코일의 타단과 축전기를 통하여 서로 연결될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 절연링을 더 포함할 수 있다. 상기 절연링은 상기 제1 유도 코일의 단위 안테나들과 상기 제2 유도 코일의 단위 안테나들을 서로 절연시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 유도 코일에 의하여 둘러싸인 유전체 방전 튜브를 더 포함할 수 있다. 상기 유전체 방전 튜브는 공정 가스를 제공받고, 상기 공정 가스는 상기 유전체 방전 튜브 내에서 플라즈마를 형성할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 유도 코일에 전력을 공급하는 교류 전원부를 더 포함할 수 있다. 상기 교류 전원부는 양의 출력단과 음의 출력단을 포함하고, 상기 양의 출력단의 전압은 상기 음의 출력단의 전압과 반대 부호일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 교류 전원부의 전력을 상기 유도 코일에 전달하고 1차 변압 코일 및 2 차 변압 코일을 포함하는 변압부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 2차 변압 코일의 일단은 상기 제1 유도 코일의 일단에 연결되고, 상기 2차 변압 코일의 타단은 상기 제2 유도 코일의 일단에 연결될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 변압기의 2차 변압 코일의 일단에 직렬 연결된 제1 보조 축전기; 및 상기 변압기의 2차 변압 코일의 타단에 직렬 연결된 제2 보조 축전기를 더 포함할 수 있다. 상기 제1 보조 축전기는 상기 변압기의 2차 변압 코일의 일단과 상기 제1 유도 코일의 일단에 사이에 연결되고, 상기 제2 보조 축전기는 상기 변압기의 2차 변압 코일의 타단과 상기 제2 유도 코일의 일단에 연결될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 유도 코일의 타단과 상기 제2 유도 코일의 타단을 연결하는 축전기를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 변압부의 1차 변압 코일에 직렬 연결된 보조 인덕터; 및 상기 변압부의 1차 변압 코일에 직렬 연결된 가변 축전기를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 유도 코일의 일단은 교류 전원부의 일단에 연결되고, 상기 제2 유도 코일의 일단은 상기 교류 전원부의 타단에 연결되고, 상기 제1 유도 코일의 일단과 상기 제2 유도 코일의 일단은 서로 인접한 다른 층에 각각 배치되고, 상기 제1 유도 코일의 타단은 상기 교류 전원부의 일단에 연결되고, 상기 제2 유도 코일의 타단은 상기 교류 전원부의 타단에 연결될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 유도 코일의 단위 안테나들 사이에 연결된 제1 전압 분배 보조 축전기; 및 상기 제2 유도 코일의 단위 안테나들 사이에 연결된 제2 전압 분배 보조 축전기를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 유도 코일이 매몰된 절연 냉각 모듈을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 유도 코일과 병렬로 연결되는 보조 유도 코일을 더 포함할 수 있다. 상기 보조 유도 코일은 상기 유도 코일와 동일한 구조이고, 상기 유도 코일의 제1 유도 코일과 상기 제2 유도 코일은 직렬 연결될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 있어서, 유도 결합 플라즈마를 발생용 유도 코일은 복수의 배치 평면에 배치되고 각 배치 평면에 복수의 턴으로 구성된 단위 안테나들을 포함하는 제1 유도 코일; 및 복수의 배치 평면에 배치되고 각 배치 평면에 복수의 턴으로 구성된 단위 안테나들들을 포함하는 제2 유도 코일;을 포함한다. 상기 제1 유도 코일의 단위 안테나들과 상기 제2 유도 코일의 단위 안테나들은 교번하여 배치되고, 상기 제1 유도 코일은 배치 평면을 변경하기 위해 단위 안테나들을 연결하는 제1 층간 연결부를 포함하고, 상기 제2 유도 코일은 배치 평면을 변경하기 위하여 단위 안테나들을 연결하는 제2 층간 연결부를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 유도 결합 플라즈마 발생 장치는 원통 형상의 유전체 방전 튜브; 상기 유전체 방전 튜브를 감싸는 유도 코일을 포함한다. 상기 유도 코일은 플라즈마가 발생하는 상기 유전체 방전 튜브를 감싸고 복수의 턴으로 구성되는 단위 안테나들을 포함하는 제1 유도 코일; 및 상기 유전체 방전 튜브를 감싸고 복수의 턴으로 구성되는 단위 안테나들을 포함하는 제2 유도 코일을 포함한다. 상기 제1 유도 코일의 단위 안테나와 상기 제2 유도 코일의 단위 안테나는 상기 유전체 방전 튜브의 중심축 방향으로 진행하면서 교번하여 배치되고, 상기 제1 유도 코일의 단위 안테나는 배치 평면에서 제1 반경을 가지고 방위각 방향으로 한 턴의 제1 원호와 상기 제1 반경보다 큰 제2 반경을 가지고 방위각 방향으로 한 턴의 제2 원호를 제공하고, 상기 제1 원호와 상기 제2 원호는 배치 평면에서 돌출되는 점핑 연결부에 의하여 연결된다. 상기 제1 유도 안테나의 단위 안테나는 제1 층간 연결부를 통하여 배치 평면을 변경한다. 상기 제2 유도 코일의 단위 안테나는 배치 평면에서 제1 반경을 가지고 방위각 방향으로 한 턴의 제1 원호와 상기 제1 반경보다 큰 제2 반경을 가지고 방위각 방향으로 한 턴의 제2 원호를 제공하고, 상기 제1 원호와 상기 제2 원호는 배치 평면에서 돌출되는 점핌 연결부에 의하여 연결된다. 상기 제2 유도 안테나의 단위 안테나는 제2 층간 연결부를 통하여 배치 평면을 변경한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 유도 결합 플라즈마를 방생시키는 유도 코일은 배치 평면에서 제1 반경을 가지고 방위각 방향으로 한 턴의 제1 원호; 상기 제1 반경보다 큰 제2 반경을 가지고 방위각 방향으로 한 턴의 제2 원호; 상기 제1 원호의 일단에서 반경 방향으로 연장되는 제1 반경 방향 연장부; 상기 제1 원호의 타단에서 반경 방향으로 연장되는 제2 반경 방향 연장부; 상기 제2 원호의 일단에서 반경 방향으로 연장되는 제3 반경 방향 연장부; 상기 제2 원호의 타단에서 반경 방향으로 연장되는 제4 반경 방향 연장부; 및 상기 제2 반경 방향 연장부와 상기 제3 반경 방향 연장부를 서로 연결하고 상기 제1 반경 방향 연장부를 점핑하여 연결하는 점핑 연결부를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 유도 결합 플라즈마를 방생시키는 유도 코일은 배치 평면에서 제1 반경을 가지고 방위각 방향으로 한 턴의 제1 원호; 상기 제1 반경보다 큰 제2 반경을 가지고 방위각 방향으로 한 턴의 제2 원호; 상기 제2 반경보다 큰 제3 반경을 가지고 방위각 방향으로 한 턴의 제3 원호; 상기 제1 원호의 일단에서 반경 방향으로 연장되는 제1 반경 방향 연장부; 상기 제1 원호의 타단에서 반경 방향으로 연장되는 제2 반경 방향 연장부; 상기 제2 원호의 일단에서 반경 방향으로 연장되는 제3 반경 방향 연장부; 상기 제2 원호의 타단에서 반경 방향으로 연장되는 제4 반경 방향 연장부; 상기 제3 원호의 일단에서 반경 방향으로 연장되는 제5 반경 방향 연장부; 상기 제3 원호의 타단에서 반경 방향으로 연장되는 제6 반경 방향 연장부; 상기 제2 방향 연장부와 상기 제3 방향 연장부를 서로 연결하고 상기 제1 방향 연장부를 점핑하여 연결하는 제1 점핑 연결부; 및 제4 반경 방향 연장부와 상기 제5 반경 방향 연장부를 서로 연결하고 상기 제1 반경 방향 연장부를 점핑하여 연결하는 제2 점핑 연결부를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치는 유도 코일의 구조에 의하여 축전 결합을 감소시키고 안정적으로 고 효율의 유도 결합 플라즈마를 제공할 수 있다.

도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 결합 플라즈마 장치를 설명하는 도면이다.
도 1b는 도 1a의 유도 결합 플라즈마 장치를 설명하는 평면도이다.
도 1c는 도 1a의 유도 결합 플라즈마 장치의 유도 코일의 사시도이다.
도 1d는 도 1a의 유도 결합 플라즈마 장치를 설명하는 정면도이다.
도 1e는 도 1a의 유도 결합 플라즈마 장치를 설명하는 사시도이다.
도 1f는 도 1a의 유도 결합 플라즈마 장치의 단위 안테나를 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 개념도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 개념도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 개념도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 개념도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 개념도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 개념도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 개념도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 단면도이다.
도 10은 도 9의 플라즈마 발생 장치의 단위 안테나를 설명하는 도면이다.

유도 결합 플라즈마 장치는 반도체 공정 장치, 유도 결합 분광 분석 장치, 이온빔 생성 장치, 증착 챔버 내의 세정 장치, 증착 챔버의 배기구 세정 장치, 반도체 공정 장치의 폐가스 제거를 위한 플라즈마 스크러버, 화학 기상 증착 장치의 공정 챔버를 세정하는 세정 장치 등에 사용될 수 있다.

반도체 공정이나 LCD 공정 등에서 배출되는 배기 가스는 유독성, 폭발성 및 부식성이 강하기 때문에 인체에 유해할 뿐만 아니라 그대로 대기중으로 방출될 경우에는 환경 오염을 유발하는 원인이 되기도 한다.

특히 건식 식각공정 혹은 세정공정에 사용되는 CF4, CHF3, SF6, NF3, ClF3 등 다량의 불소계 혹은 염소계 가스들을 효과적으로 분해하기 위해서 플라즈마 스크러버가 사용된다. 상기 플라즈마 스크러버는 폐가스 분자들을 분해한다. 상기 분해된 폐가스 분자에 반응가스를 첨가시켜 폐가스 속의 오염물질을 산화시키고 처리하기 쉬운 부산물 가스로 재결합시킨다. 상기 부산물 가스들을 통상의 습식 스크러버 또는 건식 스크러버로 유입시키는 과정으로 이루어진다.

고온 플라즈마 처리 기술은 처리 유량이 많은 경우 처리 효율이 감소하고, 에너지 소모가 많다. 저온 플라즈마 기술은 폐가스 처리 효율이 낮다. 따라서, 많은 처리 유량을 효율적으로 처리할 수 있는 저온 플라즈마 처리 기술이 요구된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 유도 결합 플라즈마 발생 장치는 배기 펌프의 후단 또는 전단에 배치되어 폐가스를 효율적으로 분해할 수 있다. 분해된 폐가스는 습식 스크러버에 제공되어 완전히 제거될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치가 스크러버용으로 사용된 경우, 대유량을 대기압에서 처리할 수 있다. 상기 플라즈마 발생 장치는 대용량을 처리하면서도 좁은 공간에 직선형으로 설치되어 공간을 절약할 수 있다.

CH4-CO2 개질(reforming)은 석유 자원의 연속적인 감소 및 온실 가실 감소에 대한 규제 환경에 따라 관심이 집중되고 있다. 플라즈마 기술은 CH4-CO2 개질의 가장 가능성 있는 방식의 하나로 고려 되고 있다. 플라즈마 개질 핵심 기술은 높은 전환 효율(high conversion efficiency)과 높은 공급 가스 유량(high feed-gas flow rate)을 요구한다. 이러한, 목적을 달성하기 위하여, 전자 밀도, 플라즈마 온도, 및 반응기 구조의 주요 요소가 강조된다. 플라즈마 CH4-CO2 개질의 현재 상태를 고려하면, 에너지 전환 효율(energy conversion efficiency) 및 처리 용량(treatment capacity)을 반응기 구조 및 플라즈마 형태를 변경하여 증가시킬 필요성이 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 유도 결합 플라즈마 발생 장치는 CH4-CO2 플라즈마 개질(plasma reforming) 반응을 통하여 합성 가스(syngas)를 생산할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 유도 결합 플라즈마 발생 장치는 반도체 공정 챔버에 연결된 배기관의 세정, 챔버의 세정 등에 사용될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 유도 결합 플라즈마 발생 장치는 반도체 공정 챔버를 세정하기 위한 원격 플라즈마 소스로 사용될 수 있다.

유도 결합 플라즈마를 발생시키는 유도 코일과 플라즈마는 변압기 회로로 모델링될 수 있다. 이에 따라, 유도 결합 플라즈마는 변압기 결합 플라즈마(Transformer Coupled plasma )로 불린다. 유도 코일은 변압기 회로의 1차 코일로 동작하고, 플라즈마는 변압기 회로의 2차 코일로 동작할 수 있다. 유도 코일과 플라즈마 사이의 자기 결합을 증가시키기 위하여 자성체와 같은 자속 구속 물질을 사용할 수 있다. 그러나, 자속 구속 물질은 원통형 구조의 유전체 방전 용기에는 적용하기 힘들다. 유도 코일과 플라즈마 상의 자기 결합 증가시키는 다른 방법은 유도 코일은 인덕턴스 또는 권선수를 증가시키는 것이다. 그러나, 유도 코일의 인덕턴스의 증가는 임피던스를 증가시키어 효율적인 전력 전달을 어렵게 한다. 또한, 유도 코일의 인덕턴스의 증가는 유도 코일에 인가되는 전압을 증가시키어 기생 아크 방전을 유발할 수 있다. 또한, 유도 코일에 인가되는 높은 전압은 축전 결합 방전을 유발하고 유전체 방전 용기의 이온 충격에 의한 손상 및 열 손상을 유발한다.

특히, 대기압 또는 수 토르 이상에서 고밀도의 유도 결합 플라즈마를 형성하기 위하여, 높은 인덕턴스 및 높은 유도 전기장을 생성할 수 있는 유도 코일의 구조가 요구된다. 또한, 수 MHz 이하의 구동 주파수에서, 변압기가 임피던스 매칭 회로로써 사용할 수 있다. 또한, 상기 변압기의 1차 변압 코일과 2차 변압 코일의 권선수 비(turn ratio) 또는 리액티브 소자를 부가하여 임피던스를 제어할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 유도 코일은 차례로 적층된 단위 유도 코일을 포함한다. 최상위층을 기준으로 홀수층에 배치된 단위 유도 코일은 서로 직렬 연결되어 제1 유도 코일을 구성한다. 또한, 최상위층을 기준으로 짝수층에 배치된 단위 유도 코일은 서로 직렬 연결되어 제2 유도 코일을 구성한다. 상기 제1 유도 코일과 상기 제2 유도 코일은 교번하면서 서로 다른 층에 배치된다. 상기 유도 코일은 상기 제1 유도 코일과 상기 제2 유도 코일을 포하맣고, 상기 제1 유도 코일과 상기 제2 유도 코일은 서로 직렬 연결된다. 또한, 상기 제1 유도 코일과 상기 제2 유도 코일의 인덕턴스를 증가시키기 위하여, 상기 제1 유도 코일과 상기 제2 유도 코일은 시변 자기장이 보강 간섭하도록 배치된다. 이 경우, 높은 인덕턴스에 의한 양의 고전압과 음의 고전압이 상기 유도 코일의 양단에 각각 인가된다. 제1 유도 코일의 전압과 상기 제2 유도 코일의 전압은 이웃한 평면에서 서로 반대 부호를 가지도록 연결될 수 있다. 이러한, 전압 배치는 전기 쌍극자(electric dipole)로 모델링될 수 있다. 전기 쌍극자는 근접한 위치에서 전기장을 발생시키나 거리가 증가함에 따라 급속도로 전기장의 세기가 감소하여 스크리닝 효과(screening effect)를 제공할 수 있다. 따라서, 이러한 유도 코일의 구조는 정전기장에 의한 축전 결합 플라즈마 발생을 억제하고 유도 결합 플라즈마 효율을 증가시킬 수 있다. 축전 결합 플라즈마에 의하여 생성된 이온은 상기 유전체 방전 튜브를 충격하여 손상시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 유도 코일에 인가되는 전압을 감소시키기 위하여, 상기 유도 코일은 축전기를 사용하여 전압 분배될 수 있다. 구체적으로, 상기 유도 코일의 양단에 전압 분배 축전기가 각각 배치될 수 있다. 이에 따라, 스크리닝 효과(screening effect)에 의한 정전기장이 감소하고, 전압 분배 모델에 의하여, 상기 유도 코일에 인가되는 전압이 감소될 수 있다. 또한, 임피던스 매칭을 위한 변압기의 2차측은 유도 코일, 및 전압 분배 축전기를 포함할 수 있다. 상기 유도 코일 및 전압 분배 축전기는 공진 회로를 구성하고, 상기 공진 회로의 공진 주파수는 교류 전원의 구동 주파수와 동일할 수 있다. 이에 따라, 상기 유도 코일에 낮은 전압이 인가된 상태에서, 안정적인 임피던스 매칭이 수행될 수 있다.

유도 결합 플라즈마는 통상적으로 수백 밀리토르(mTorr)의 압력에서 수 MHz의 구동 주파수를 사용하여 형성된다. 그러나, 이러한 유도 결합 플라즈마는 유도 전기장의 세기가 작아 대기압 방전 또는 수 토르 이상에서 방전을 수행하기 어렵다. 따라서, 충분한 유도 전기장의 세기가 요구되고 초기 방전을 위한 별도의 수단이 요구된다.

유전체 튜브를 감싸는 유도 코일에 RF 전력을 인가하여 유도 결합 플라즈마 방전을 수행하는 경우, 유도 결합 플라즈마는 상기 유전체 튜브를 가열하고, 상기 유전체 튜브는 가열되어 파손된다. 따라서, 수십 kWatt 이상 고출력의 유도 결합 플라즈마는 구조적 한계가 있다.

상기 유도 결합 플라즈마와 상기 유전체 튜브 사이의 열 전달을 최소화하고, 플라즈마의 안정성을 유지하기 위하여, 선회 유동(swirl)이 제공될 수 있다. 원통 좌표계에서, 상기 선회 유동은 가스 또는 유체에 방위각 방향의 각 운동량(angular momentum)을 제공하여, 반경 방향에 따른 밀도 분포를 제공할 수 있다. 이에 따라, 상기 유도 결합 플라즈마는 상기 유전체 튜브의 중심 영역에 국지적으로 제한된다. 따라서, 상기 유도 결합 플라즈마와 상기 유전체 튜브 사이의 열 전달이 최소화될 수 있다.

상기 유도 결합 플라즈마와 상기 유전체 튜브 사이 플라즈마의 안정성을 유지하기 위하여, 상기 유도 코일은 절연 냉각 블록에 매몰되고, 상기 절연 냉각 블록은 상기 유전체 튜브와 열적으로 접촉하고, 유도 코일에 흐르는 냉매는 상기 절연 냉각 블록을 냉각하고, 냉각된 절연 냉각 블록은 상기 유전체 튜브를 냉각할 수 있다.

이러한 플라즈마 장치는 다양한 용도로 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 대기압 플라즈마 장치는 나노 입자의 합성(synthesis of nano-powders), 단일벽 카본 튜브(single-walled carbon tubes)의 합성, 플로렌(fullerenes)의 합성, 다이아몬드 필름(diamond film)의 합성, 광학 투명 필름의 합성, 세정, 표면 처리, 가스의 분해, 석탄의 가스화, 합성 가스의 생성, 유해가스 처리, 가스의 개질 등에 사용될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 수 토르 이상의 고압에서 플라즈마를 안정적으로 분당 수십 리터 이상의 대용량의 유량을 처리할 수 있는 장치 및 방법이 소개된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 종래의 유도 결합 플라즈마의 효율 또는 안정성을 향상시키기 위하여, 1) 유도 전기장의 세기를 증가시키는 적층 구조의 안테나(코일 구조), 2) 유도 코일의 임피던스 감소를 위한 축전기 연결 구조, 3) 임피던스 매칭을 위한 변압기 구조, 4) 유도 코일의 플라즈마 안정성을 향상시키기 위한 교류 전원부 등이 적용된다. 이에 따라, 종래의 유도 결합 플라즈마 장치가 수행할 수 없었던 분당 수 십 내지 ~ 수 백 리터(liter)의 유량을 수 토르 이상의 고압에서 안정적으로 처리할 수 있다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 구성요소는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

원통형 유도 결합 플라즈마에서, 유도 전기장이 유전체 방전 튜브에 수직 입사하지 않아, 이온 충격에 의한 손상이 적다. 원통형 유도 결합 플라즈마는 원통 형상의 유전체 방전 튜브의 중심축 방향의 전기장을 생성한다.

원통형 유도 결합 플라즈마에서, 수 MHz 이하의 낮은 주파수의 수십 kWatt 이상의 고전력을 통상적인 유도 코일에 인가하는 경우, 방전에 필요한 강한 유도 전기장을 형성 할 수 없다. 강한 유도 전기장을 발생시키기 위하여, 새로운 유도 코일 구조가 제안된다.

유도 코일과 안테나는 동일한 의미로 이하에서 혼용하여 사용된다. 유도 결합 플라즈마(inductively coupled plasma; ICP) 안테나의 경우, 플라즈마에 전달되는 유도 전기장의 세기는 유도 코일의 전류 및 주파수에 비례하며, 감긴 수(권선 수)의 제곱에 비례한다. 따라서 유도 코일(또는 안테나)의 감은 수를 늘릴수록 플라즈마에 높은 전기장을 인가 할 수 있다. 그러나, 솔레노이드 코일의 권선 수가 증가함에 따라, 공간적인 제약에 의하여 유전체 방전 튜브의 길이 방향으로 에너지가 분산된다. 또한, 유도 코일의 높은 인덕턴스(임피던스)는 RF 전원(RF generator)로 부터 유도 코일(안테나)로의 전력전달을 어렵게 한다. 플라즈마 주변에 형성되는 전기장의 밀도를 높여야 되므로 상기 유전체 방전 튜브의 길이 방향에 대하여 단위 길이 당 권선 수를 최대화해야 한다. 유도 코일에 높은 전압이 인가된 경우, 유도 코일은 축전 결합 플라즈마를 형성하여 방전 안정성을 감소시킨다.

도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 결합 플라즈마 장치를 설명하는 도면이다.

도 1b는 도 1a의 유도 결합 플라즈마 장치를 설명하는 평면도이다.

도 1c는 도 1a의 유도 결합 플라즈마 장치의 유도 코일의 사시도이다.

도 1d는 도 1a의 유도 결합 플라즈마 장치를 설명하는 정면도이다.

도 1e는 도 1a의 유도 결합 플라즈마 장치를 설명하는 사시도이다.

도 1f는 도 1a의 유도 결합 플라즈마 장치의 단위 안테나를 설명하는 도면이다.

도 1a 내지 도 1f를 참조하면, 유도 결합 플라즈마 발생 장치(100)는 유도 코일(102), 및 유전체 방전 튜브(130)를 포함한다. 상기 유도 코일(102)은 복수의 배치 평면들에 각각 배치된 단위 안테나들(112a~112d)을 포함하는 제1 유도 코일(112); 및 복수의 배치 평면들에 각각 배치된 단위 안테나들(122a~122d)을 포함하는 제2 유도 코일(122);을 포함한다. 상기 제1 유도 코일(112)의 단위 안테나들과 상기 제2 유도 코일(122)의 단위 안테나들은 서로 교번하여 배치된다. 상기 제1 유도 코일의 단위 안테나들(112a~112d)은 순차적으로 배치 평면을 변경하기 위하여 제1 층간 연결부(113)에 의하여 서로 직렬 연결된다. 상기 제2 유도 코일의 단위 안테나들(122a~122d)은 순차적으로 배치 평면을 변경하기 위하여 제2 층간 연결부(123)에 의하여 서로 직렬 연결된다.

상기 제1 유도 코일의 단위 안테나(112a~112)와 상기 제2 유도 코일의 단위 안테나(122a~122d) 각각은 동일 평면에서 복수의 턴을 구비한다. 상기 제1 유도 코일(112)과 상기 제2 유도 코일(122)은 동일한 중심축을 가지고, 전기적으로 직렬 연결되고, 상기 제1 유도 코일(112)에 의한 자속의 방향과 상기 제2 유도 코일(122)에 의한 자속의 방향은 동일하고 동 위상일 수 있다.

상기 유전체 방전 튜브(130)는 원통형 튜브일 수 있다. 상기 유전체 방전 튜브(130)의 재질은 쿼츠, 세라믹, 알루미나, 또는 사파이어일 수 있다. 상기 유전체 방전 튜브(130)는 공정 가스를 제공받을 수 있다. 공정 가스는 NF3, Ar일 수 있다. 상기 유전체 방전 튜브(130)의 일단은 플렌지(Flange)를 공정 챔버에 연결될 수 있다. 상기 유전체 방전 튜브(130)의 타단은 플렌지를 통하여 가스 공급부에 연결될 수 있다. 상기 유전체 방전 튜브(130)의 압력은 수 토르 내지 대기압이고, 상기 유전체 방전 튜브를 흐르는 유량은 분당 수 리터 내지 수십 리터일 수 있다. 이에 따라, 대용량의 공정 가스를 플라즈마 처리할 수 있다. 분해된 가스는 상기 공정 챔버의 세정을 위하여 사용될 수 있다.

본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 유전체 방전 튜브(130)가 공정 챔버의 배기단에 연결된 경우, 상기 공정 가스는 폐가스이고 유해하지 않은 가스로 분해될 수 있다.

상기 유도 코일(102)은 상기 유전체 방전 튜브(130)를 감싸도록 동일한 형상의 단위 안테나들(112a~112d,122a~122d)을 포함한다. 상기 단위 안테나들은 차례로 적층될 수 있다. 최상위층을 기준으로, 홀수층에 배치된 상기 단위 안테나들(112a~112d)은 제1 층간 연결부(113)를 통하여 서로 직렬 연결되어 제1 유도 코일(112)을 구성한다. 또한, 최상위층을 기준으로, 짝수층에 배치된 상기 단위 안테나들(122a~122d)은 제2 층간 연결부(123)를 통하여 서로 직렬 연결되어 제2 유도 코일(122)을 구성한다. 이에 따라, 제1 유도 코일(112)과 제2 유도 코일(122)은 서로 배치 평면을 차례로 반경하면서 교번하여 배치된다. 상기 제1 유도 코일(112)과 상기 제2 유도 코일(122)은 서로 직렬 연결되고, 상기 유도 코일(102)은 교류 전력을 공급하는 교류 전원부(140)에 연결된다. 상기 교류 전원부(140)는 양의 출력단과 음의 출력단을 포함하고, 상기 양의 출력단의 전압은 상기 음의 출력단의 전압과 반대 부호일 수 있다.

이러한 구조와 전기적 연결은 제1 유도 코일(112)에 양의 고전압이 인가되는 부위와 제2 유도 코일(122)에 음의 고전압이 인가되는 부위가 서로 인접하게 배치되게 할 수 있다. 이에 따라, 양의 고전압과 음의 고전압은 서로 인접하게 배치되어 전기 쌍극자로서 동작하고, 상기 전기 쌍극자에 의하여 발생한 전기장은 위치에 따라 빨리 감소한다. 이에 따라, 고전압에 의한 축전 결합 전기장 성분은 억제되고, 축전 결합 플라즈마가 최소화될 수 있다.

상기 제1 유도 코일(112)은 상부층에서 하부층으로 변화함에 일정한 방향으로 감기고, 상기 제2 유도 코일(122)은 상부층에서 하부층으로 변환함에 따라 제1 유도 코일의 감긴 방향과 반대 방향으로 감길 수 있다. 그러나, 상기 제1 유도 코일(112)에 흐르는 전류의 방향과 상기 제2 유도 코일(122)에 흐르는 전류의 방향은 서로 동일할 수 있다. 이에 따라, 유도 코일(102)의 총 인덕턴스는 증가하고, 양의 고전압과 음의 고전압은 서로 인접한 측에 배치된다.

예를 들어, 상기 제1 유도 코일(112)은 제1 내지 제4 단위 안테나(112a~112d)를 포함하고, 상기 제2 유도 코일(122)은 제1 내지 제4 단위 안테나(122a~122d)를 포함할 수 있다.

한편, 공간적으로, 상기 제1 유도 코일(112)의 제1 층간 연결부(113)가 상기 유전체 방전 튜브의 중심축 방향으로 정렬된 경우, 상기 제1 유도 코일에 형성된 유도 전기장은 방위각 대칭성을 가지지 않을 수 있다. 이에 따라, 유도 결합 플라즈마는 방위각 대칭성을 유지할 수 없다. 방위각 대칭성이 깨진 플라즈마는 국부적으로 플라즈마 밀도를 증가시키어 방전 안정성을 손상시킬 수 있다. 따라서, 유도 전기장의 방위각 대칭성을 유지하지하도록, 상기 제1 층간 연결부들(113)는 방위각 방향을 따라 순차적으로 배치될 수 있다.

상기 제1 유도 코일(112)의 제1 층간 연결부들(113)은 상부층에서 하부층으로 변화함에 따라 시계방향으로 일정한 각도씩 이동하고, 상기 제2 유도 코일(122)의 제2 층간 연결부들(123)은 상부층에서 하부층으로 변화함에 따라 반시계 방향으로 일정한 각도씩 이동할 수 있다.

또는, 상기 제1 유도 코일(112)의 제1 층간 연결부들(113)은 상부층에서 하부층으로 변화함에 따라 시계방향으로 일정한 각도씩 이동하고, 상기 제2 유도 코일(122)의 제2 층간 연결부들(123)은 하부층에서 상부층으로 변화함에 따라 시계 방향으로 일정한 각도씩 이동할 수 있다.

상기 제1 유도 코일(112)의 최하부층의 제4 단위 안테나(112d)는 상기 제2 유도 코일의 최상부층의 단위 안테나(122a)와 상기 유전체 방전 튜브의 중심축을 기준으로 서로 마주볼 수 있다. 또한, 상기 제1 유도 코일의 최상부층의 단위 안테나(112a)는 상기 제2 유도 코일의 최하부층의 단위 안테나(122d)와 상기 유전체 방전 튜브의 중심축을 기준으로 서로 마주볼 수 있다.

상기 단위 안테나(12)는 배치 평면에서 제1 반경을 가지고 방위각 방향으로 한 턴을 제공하는 제1 원호(12a); 상기 제1 반경보다 큰 제2 반경을 가지고 방위각 방향으로 한 턴을 제공하는 제2 원호(12b); 상기 제1 원호의 일단에서 반경 방향으로 연장되는 제1 반경 방향 연장부(12c); 상기 제1 원호의 타단에서 반경 방향으로 연장되는 제2 반경 방향 연장부(12d); 상기 제2 원호의 일단에서 반경 방향으로 연장되는 제3 반경 방향 연장부(12e); 상기 제2 원호의 타단에서 반경 방향으로 연장되는 제4 반경 방향 연장부(12f); 및 상기 제2 반경 방향 연장부(12d)와 상기 제3 반경 방향 연장(12e)부를 서로 연결하고 상기 제1 반경 방향 연장부(12c)를 점핑하여 연결하는 점핑 연결부(12g)를 포함한다. 제1 반경 방향 연장부(12c)와 제4 반경 방향 연장부(12f)는 다른 단위 안테나 또는 교류 전원부에 연결될 수 있다.

상기 유도 코일(130)은 제1 유도 코일(112)과 제2 유도 코일(122)을 포함할 수 있다, 상기 제1 유도 코일(112)과 제2 유도 코일(122)은 동일한 형상과 구조를 가질 수 있다. 제1 유도 코일(112)의 단위 안테나와 제2 유도 코일(122)의 단위 안테나는 서로 교번하여 배치 평면을 변경할 수 있다. 제2 유도 코일(122)은 상기 제1 유도 코일(112)을 상기 유전체 방전 튜브의 중심축을 기준으로 180도 회전하여 배치된 형상일 수 있다.

상기 단위 안테나(12)는 동일한 평면에 제1 원호(12a)과 제2 원호(12b)를 구비하는 2 턴 안테나일 수 있다. 상기 제1 유도 코일(112)의 단위 안테나들은 최상부층을 기준으로 홀수층에 각각 배치될 수 있다. 상기 제1 유도 코일(112)의 단위 안테나는 실질적으로 2 회전 후 배치 평면을 변경하기 위해 적어도 하나의 제1 층간 연결부(113)를 포함한다. 상부층에서 하부층으로 배치 평면이 변경됨에 따라, 상기 단위 안테나의 접속 부위는 평면도 상에서 시계 방향으로 일정한 각도씩 변경될 수 있다. 바람직하게는, 상기 단위 안테나(12)는 제1 반경 방향 연장부(12c)와 제4 반경 방향 연장부(12f)를 구비하고, 제1 반경 방향 연장부(12c)와 제4 반경 방향 연장부(12f)는 일정한 방위각 차이를 가지고 반경 방향으로 연장될 수 있다. 서로 이웃한 다른 홀수 층에 배치된 상기 단위 안테나의 제4 반경 방향 연장부(12f)와 제1 반경 방향 연장부(12c)는 수직으로 연장되는 제1 층간 연결부에 의하여 전기적으로 연결될 수 있다.

예를 들어, 제1 유도 코일(112)은 제1 내지 제4 단위 안테나(112a~112d)를 포함할 수 있다. 상기 제1 내지 제4 단위 안테나(112a~112d)는 순차적으로 홀수 층에 배치되고 동일한 방향으로 회전하도록 감길 수 있다. 서로 이웃한 단위 안테나(112a,112b)는 제1 층간 연결부(113)를 통하여 서로 수직으로 연결될 수 있다. 상기 제1 내지 제4 단위 안테나(112a~112d) 각각은 제1 반경을 가진 제1 원호, 및 제1 반경보다 큰 제2 반경을 가진 제2 원호를 구비한 형태이고, 실질적으로 폐루프(closed loop)를 형성하도록 감긴다.

상기 단위 안테나(12)는 제1 반경을 가지고 324도 내지 360도 범위에서 1회전하는 제1 원호(12a) 및 제1 반경보다 큰 제2 반경을 가지고 한 후 324도 내지 360도 범위에서 1회전하는 제2 원호(12b)를 포함할 수 있다. 제1 원호의 절단 부위와 제2 원호의 절단 부위는 서로 정렬하고, 일정한 방위각 방향으로 회전하도록 서로 점핑 연결부(12g)를 통하여 연결될 수 있다. 상기 제1 원호의 양단은 반경 방향으로 연장되는 한 쌍의 반경 방향 연장부에 연결되고, 상기 제2 원호의 양단은 반경 방향으로 연장되는 한 쌍의 반경 방향 연장부에 연결될 수 있다. 상기 제1 원호의 반경 방향 연장부는 상기 제2 원호의 반경 방향 연장부와 배치 평면을 점핑하은 점핑 연결부(12g)에 의하여 연결되어, 2회전 루프를 제공할 수 있다. 상기 점핑 연결부(12g)는 제1 원호와 제2 원호에 의하여 루프를 이루는 영역에서 점핑하지 않고 반경 방향으로 연장된 후 점핑한다. 이에 따라, 유도 코일은 충분히 촘촘히 감기어 인덕턴스를 증가시킬 수 있다.

또한, 상기 제1 층간 연결부(113)는 배치 평면이 순차적으로 변경됨에 따라 일정한 방향으로 회전하도록 배치될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 유도 코일(112)에 흐르는 전류의 방위각 대칭성이 깨지는 영역이 공간적으로 분배되어 플라즈마 균일성을 향상시킬 수 있다. 제1 내지 제4 단위 안테나(112a~112d) 각각은 도전 파이프로 형성되고, 냉매에 의하여 냉각될 수 있다.

제1 층간 연결부(113)는 동일한 형태의 한 쌍의 평판을 포함하고, 각 평판에는 파이프 형태의 반경 방향 연결부가 삽입될 수 있는 홈을 포함할 수 있다. 상기 한 쌍의 평판은 서로 결합하여 서로 다른 홀수 층에 배치된 반경 방향 연결부를 고정할 수 있다.

제2 층간 연결부(123)는 동일한 형태의 한 쌍의 평판을 포함하고, 각 평판에는 파이프 형태의 연결부가 삽입될 수 있는 홈을 포함할 수 있다. 상기 한 쌍의 평판은 서로 결합하여 상기 반경 방향 연결부를 고정할 수 있다.

제1 유도 코일(112)의 최상부 홀수 층의 단위 안테나(112a)의 반경 방향 연결부(112aa)는 직접 또는 변압기를 통하여 교류 전원부(140)의 일단(양의 출력 단자)에 연결될 수 있다. 또한, 제2 유도 코일(122)의 최상부 짝수층의 단위 안테나(122a)의 반경 방향 연결부(122aa)는 직접 또는 변압기를 통하여 상기 교류 전원부(140)의 타단(음의 출력 단자)에 연결될 수 있다.

상기 교류 전원부(140)는 양의 전압을 출력하는 제1 단자와 음의 전압을 출력하는 제2 단자를 포함할 수 있다. 상기 제1 단자의 전압은 상기 제2 단자의 전압과 180도 위상차를 가질 수 있다.

상기 제1 유도 코일(112)의 최상부 홀수층에 양의 제1 전압이 인가된 경우, 상기 제2 유도 코일(122)의 최상부 짝수층에 음의 제1 전압이 인가된다. 이에 따라, 상기 제1 유도 코일의 최상부 홀수 층과 제2 유도 코일의 최상부 짝수 층은 전기 쌍극자로 동작할 수 있다. 이에 따라, 전기 쌍극자에 의한 전기장은 거리에 따라 급격히 감소하여 축전 결합 효과를 감소시킬 수 있다. 따라서, 상기 유도 코일(102)은 축전 결합에 의한 방전을 억제하고 유도 결합 효율을 증가시킬 수 있다.

상기 제1 유도 코일(112)과 상기 제2 유도 코일(122)은 동일한 중심축을 가지고, 서로 중첩되어 배치되고, 전기적으로 직렬 연결될 수 있다. 상기 제1 유도 코일(112)에 의한 자속(Φ1)의 방향과 상기 제2 유도 코일에 의한 자속(Φ2)의 방향은 동일하고 동 위상일 수 있다. 이러한 유도 코일의 구조는 인덕턴스를 증가시키고 유도 전기장의 세기를 증가시킬 수 있다. 따라서, 높은 압력에서도 효율적인 유도 결합 플라즈마를 생성할 수 있다. 특히, 이러한 유도 결합 코일은 수 토르 수준에서 방전이 어려운 NF3 가스를 방전시킬 수 있다.

평면도에서, 상기 제1 유도 코일(112)은 상부층에서 하부층으로 변화함에 따라 시계 방향( 방위각 방향)으로 감길 수 있다. 상기 제2 유도 코일(122)은 상부층에서 하부층으로 변환함에 따라 반시계 방향(방위각 방향의 반대 방향)으로 감길 수 있다.

평면도에서, 상기 제1 유도 코일의 제1 층간 연결부들(113)은 상부층에서 하부층으로 변화함에 따라 시계방향으로 일정한 각도씩 이동할 수 있다. 상기 제2 유도 코일의 제2 층간 연결부들(123)은 상부층에서 하부층으로 변화함에 따라 반시계 방향으로 일정한 각도씩 이동할 수 있다. 상기 제2 유도 코일(122)은 상기 제1 유도 코일(112)을 그 중심축 기준으로 180도 회전하여 배치된 구조일 수 있다.

또한, 절연링(152)은 상기 제1 원호와 제2 원호의 상부면과 하부면에 각각 배치되어, 단위 안테나들 사이의 공간을 일정하게 유지하고 아크 방전을 억제할 수 있다. 상기 절연링(152)은 상기 제1 유도 코일(112)의 홀수층과 상기 제2 유도 코일(122)의 짝수층 사이에 배치될 수 있다. 상기 절연링(152)은 이웃한 층에 배치된 제1 유도 코일의 일부와 제2 유도 코일의 일부를 서로 절연시킬 수 있다. 상기 절연링(152)은 와셔(washer) 형태이고, 재질은 쿼츠, 세라믹, 또는 내열성을 가진 플라스틱 재질일 수 있다. 상기 절연링(152)은 상기 제1 유도 코일과 상기 제2 유코 코일 사이의 아크 방전을 억제하고 일정한 간격을 유지시킬 수 있다.

교류 전원부(140)는 수 백 kHz 내지 수 MHz 의 전력을 공급할 수 있다. 전류 파형은 정현파이고, 전압의 파형은 사각파일 수 있다. 상기 교류 전원부(140)는 반파 브릿지 인버터 또는 전파 브릿지 인버터를 포함할 수 있다. 상기 교류 전원부(140)는 양의 전압과 음의 전압을 교대로 출력할 수 있다. 상기 교류 전원부(140)는 구동 주파수를 변경하여 임피던스 매칭을 수행하거나, 변압기를 통하여 임피던스 매칭을 수행할 수 있다. 상기 교류 전원부(140)는 상기 유도 코일(112,122)에 전력을 공급할 수 있다. 상기 교류 전원부는 양의 출력단과 음의 출력단을 포함하고, 상기 양의 출력단의 전압은 상기 음의 출력단의 전압과 반대 부호일 수 있다.

상기 교류 전원부(140)의 출력은 임피던스 매칭을 위한 변압기(142)에 연결될 수 있다. 상기 변압기(140)는 1차 코일(142a)과 2차 코일(142b)을 포함할 수 있다. 상기 교류 전원부(140)의 출력은 상기 변압기(142)의 1차 코일에 연결될 수 있다. 상기 변압기(140)는 1차 코일에 연결된 보조 인덕터(142c)와 축전기(142d)를 포함할 수 있다. 상기 1차 코일(142a), 상기 보조 인덕터(142c), 및 상기 축전기(142d)는 서로 직렬 연결되고 폐루프를 형성할 수 있다. 상기 축전기(142d)는 가변 축전기일 수 있다. 상기 변압기의 2차 코일(142b)에 유도 코일(112,122)이 연결될 수 있다.

상기 보조 변압기 인덕터(142c)는 상기 변압부의 1차 변압 코일과 상기 교류 전원부의 양의 출력단 사이에 배치될 수 있다. 또한, 가변 변압기 축전기(142d)는 상기 변압부의 1차 변압 코일과 상기 교류 전원부의 음의 출력단 사이에 연결될 수 있다. 상기 보조 변압기 인덕터(142c)와 상기 가변 변압기 축전기(142d)는 임피던스 매칭을 위하여 사용될 수 있다.

상기 제1 유도 코일(112)과 상기 제2 유도 코일(122)은 서로 직렬로 연결될 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 유도 코일(112)의 최하 홀수 층에 배치된 단위 안테나(112d)와 상기 제2 유도 코일(122)의 최하 짝수 층에 배치된 단위 안테나(122d)는 서로 연결될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 유도 코일(112)에 의한 자속과 상기 제2 유도 코일의 자속은 서로 보강 간섭할 수 있다. 또한, 고전압이 인가되는 부위는 서로 이웃한 층에서 마주 보고 있어, 상기 유전체 방전 튜브 내에 축전 결합 효과를 억제할 수 있고, 상기 유도 안테나의 인덕턴스가 증가하여 유도 전기장의 세기를 증가시킬 수 있다.

상기 제1 유도 코일(112)은 교류 전원부(140)의 출력부의 일단(또는 변압기의 양의 출력단)에 연결되는 일단을 포함하고, 상기 제2 유도 코일(122)은 상기 교류 전원부(140)의 출력부의 타단(또는 변압기의 음의 출력단)에 연결되는 일단을 포함할 수 있다. 상기 제1 유도 코일(112)의 일단은 최상위 홀수 층에 배치되고, 상기 제2 유도 코일(122)의 일단은 최상 짝수 층에 배치될 수 있다. 상기 제1 유도 코일(112)의 일단과 상기 제2 유도 코일(122)의 일단은 서로 인접한 다른 층에 각각 배치될 수 있다. 상기 제1 유도 코일(112)의 최하 홀수층에 배치된 타단과 상기 제2 유도 코일(122)의 최하 짝수층에 배치된 타단은 축전기(134)를 통하여 서로 연결될 수 있다.

상기 축전기(134)는 상기 유도 코일(102)에 의한 리액턴스 성분을 상쇄하도록 설정될 수 있다. 이에 따라, 상기 축전기(134)를 포함한 유도 코일(112,122)은 저항 성분만으로 모델링될 수 있다. 또한, 상기 교류 전원부(140)의 구동 주파수는 주파수를 변경하여 직렬 연결된 축전기(134)와 유도 코일(112,122)의 직렬 공진 주파수 근처에서 동작할 수 있다. 이에 따라, 교류 전원부(140)는 최대의 전력을 부하에 전달할 수 있다.

또한, 상기 제1 유도 코일(112)은 제1 보조 축전기(136a)를 통하여 변압기의 2차 코일(142b)의 일단에 연결되고, 상기 제2 유도 코일(112)은 제2 보조 축전기(136b)를 통하여 상기 변압기의 2차 코일(142b)의 타단에 연결될 수 있다. 상기 제1 보조 축전기(136a) 및 제2 보조 축전기(136b)는 전압 분배 모델을 통하여 상기 제1 유도 코일(112)에 인가되는 전압 및 상기 제2 유도 코일(122)에 인가되는 전압을 변경할 수 있다. 상기 제1 보조 축전기(136a) 및 제2 보조 축전기(136b)는 상기 유도 코일(102)의 고전압에 의한 대기중에서 아크 방전을 감소시킬 수 있다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 개념도이다.

도 2를 참조하면, 플라즈마 발생 장치(200)는 유전체 방전 튜브(130) 및 상기 유전체 방전 튜브를 감싸는 유도 코일(202)을 포함하고, 상기 유도 코일(202)은 유도 결합 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 상기 유도 코일(202)은 솔레노이드 형태로 홀수 층에 감긴 제1 유도 코일(212); 상기 제1 유도 코일에 교번하여 솔레노이드 형태로 짝수 층에 감긴 제2 유도 코일(222)을 포함할 수 있다. 상기 제1 유도 코일(212)은 배치 평면을 변경하기 위해 적어도 하나의 제1 층간 연결부(213)를 포함할 수 있다. 상기 제2 유도 코일(222)은 배치 평면을 변경하기 위하여 적어도 하나의 제2 층간 연결부(213)를 포함할 수 있다.

상기 제1 유도 코일(212)과 제2 유도 코일(222)은 서로 직렬 연결될 수 있다. 상기 제1 유도 코일(212)과 제2 유도 코일(222)은 원통 좌표계의 중심축에 대하여 방위각 방향으로 감기면서 서로 중첩되어 배치되고, 서로 동일한 방위각 방향으로 전류가 흐르도록 연결될 수 있다. 상기 제1 유도 코일(212)과 상기 제2 유도 코일(222)은 서로 교차하지 않도록 제1 층간 연결부(213)와 제2 층간 연결부(223)를 포함할 수 있다. 상기 제1 층간 연결부(213)는 홀수 층에 배치된 제1 유도 코일을 수직 연결할 수 있고, 제2 층간 연결부(223)는 짝수 층에 배치된 제2 유도 코일을 수직 연결할 수 있다. 상기 제1 층간 연결부들(213)은 서로 동일한 방위각에 배치되지 않도록 배치 평면이 바뀜에 따라 순차적으로 방위각이 증가 또는 감소될 수 있다. 상기 제2 층간 연결부들(223)은 서로 동일한 방위각에 배치되지 않도록 배치 평면이 바꿈에 따라 순차적으로 방위각이 증가 또는 감소될 수 있다. 상기 제1 층간 연결부(213)와 상기 제2 층간 연결부(223)는 상기 원통 좌표계의 중심축을 기준으로 서로 마주보도록 배치될 수 있다.

도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 개념도이다.

도 3을 참조하면, 플라즈마 발생 장치(300)는 유전체 방전 튜브(130) 및 상기 유전체 방전 튜브를 감싸는 유도 코일(202)을 포함하고, 상기 유도 코일(202)은 유도 결합 플라즈마를 발생시킬 수 있다.

상기 유도 코일(202)은 복수의 배치 평면들에 각각 배치된 단위 안테나들을 포함하는 제1 유도 코일(212); 및 복수의 배치 평면들에 각각 배치된 단위 안테나들을 포함하는 제2 유도 코일(222)을 포함한다. 상기 제1 유도 코일의 단위 안테나들과 상기 제2 유도 코일의 단위 안테나들은 서로 교번하여 배치되고, 상기 제1 유도 코일의 단위 안테나들은 순차적으로 배치 평면을 변경하기 위하여 제1 층간 연결부(213)에 의하여 서로 직렬 연결되고, 상기 제2 유도 코일의 단위 안테나들은 순차적으로 배치 평면을 변경하기 위하여 제2 층간 연결부(223)에 의하여 서로 직렬 연결된다.

상기 제1 유도 코일(212)과 상기 제2 유도 코일(222)은 서로 축전기(134)를 통하여 직렬 연결될 수 있다. 또한, 상기 제1 유도 코일(212)은 제1 보조 축전기(136a)를 통하여 변압기의 2차 코일(142b)의 일단에 연결되고, 상기 제2 유도 코일(212)은 제2 보조 축전기(222)를 통하여 상기 변압기의 2차 코일(142b)의 타단에 연결될 수 있다. 상기 제1 보조 축전기(136a) 및 제2 보조 축전기(136)는 상기 전압 분배 모델을 통하여 상기 제1 유도 코일(212)에 인가되는 전압 및 상기 제2 유도 코일(222)에 인가되는 전압을 변경할 수 있다. 상기 제1 보조 축전기(136a) 및 제2 보조 축전기(136b)는 상기 유도 코일(202)의 고전압에 의한 대기중에서 아크 방전을 감소시킬 수 있다.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 개념도이다.

도 4를 참조하면, 플라즈마 발생 장치(400)는 유전체 방전 튜브(130) 및 상기 유전체 방전 튜브를 감싸는 유도 코일(202)을 포함하고, 상기 유도 코일(202)은 유도 결합 플라즈마를 발생시킬 수 있다.

상기 유도 코일(202)은 복수의 배치 평면들에 각각 배치된 단위 안테나들을 포함하는 제1 유도 코일(212); 및 복수의 배치 평면들에 각각 배치된 단위 안테나들을 포함하는 제2 유도 코일(222)을 포함한다. 상기 제1 유도 코일의 단위 안테나들과 상기 제2 유도 코일의 단위 안테나들은 서로 교번하여 배치되고, 상기 제1 유도 코일의 단위 안테나들은 순차적으로 배치 평면을 변경하기 위하여 제1 층간 연결부(213)에 의하여 서로 직렬 연결되고, 상기 제2 유도 코일의 단위 안테나들은 순차적으로 배치 평면을 변경하기 위하여 제2 층간 연결부(223)에 의하여 서로 직렬 연결된다.

또한, 상기 제1 유도 코일(212)의 일단은 제1 보조 축전기(136a)를 통하여 변압기의 2차 코일(142b)의 일단에 연결되고, 상기 제2 유도 코일(222)의 일단은 제2 보조 축전기(136b)를 통하여 상기 변압기의 2차 코일(142b)의 타단에 연결될 수 있다. 상기 제1 보조 축전기 및 제2 보조 축전기는 상기 전압 분배 모델을 통하여 상기 제1 유도 코일에 인가되는 전압 및 상기 제2 유도 코일에 인가되는 전압을 변경할 수 있다. 상기 제1 보조 축전기 및 제2 보조 축전기는 상기 유도 코일의 고전압에 의한 대기중에서 아크 방전을 감소시킬 수 있다.

상기 제1 유도 코일(212)의 타단은 제1 축전기(134a)를 통하여 접지에 연결될 수 있다. 상기 제2 유도 코일(222)의 타단은 제2 축전기를 통하여 접지에 연결될 수 있다. 상기 제1 축전기(134a)의 정전 용량은 상기 제2 축전기(134b)의 정전 용량과 동일할 수 있다.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 개념도이다.

도 5를 참조하면, 플라즈마 발생 장치(500)는 유전체 방전 튜브(130) 및 상기 유전체 방전 튜브를 감싸는 유도 코일(202)을 포함하고, 상기 유도 코일(202)은 유도 결합 플라즈마를 발생시킬 수 있다.

상기 유도 코일(202)은 복수의 배치 평면들에 각각 배치된 단위 안테나들을 포함하는 제1 유도 코일(212); 및 복수의 배치 평면들에 각각 배치된 단위 안테나들을 포함하는 제2 유도 코일(222)을 포함한다. 상기 제1 유도 코일의 단위 안테나들과 상기 제2 유도 코일의 단위 안테나들은 서로 교번하여 배치되고, 상기 제1 유도 코일의 단위 안테나들은 순차적으로 배치 평면을 변경하기 위하여 제1 층간 연결부(213)에 의하여 서로 직렬 연결되고, 상기 제2 유도 코일의 단위 안테나들은 순차적으로 배치 평면을 변경하기 위하여 제2 층간 연결부(223)에 의하여 서로 직렬 연결된다.

상기 제1 유도 코일(212)의 일단은 제1 보조 축전기(136a)를 통하여 변압기의 2차 코일의 일단에 연결되고, 상기 제2 유도 코일(222)의 일단은 제2 보조 축전기(136b)를 통하여 상기 변압기의 2차 코일의 타단에 연결될 수 있다. 상기 제1 보조 축전기 및 제2 보조 축전기는 상기 전압 분배 모델을 통하여 상기 제1 유도 코일에 인가되는 전압 및 상기 제2 유도 코일에 인가되는 전압을 변경할 수 있다. 상기 제1 보조 축전기 및 제2 보조 축전기는 상기 유도 코일의 고전압에 의한 대기 중에서 아크 방전을 감소시킬 수 있다.

제1 전압 분배 보조 축전기(137)는 상기 제1 유도 코일(212)의 인접한 홀수 층 사이의 단위 안테나들 사이에 연결될 수 있다. 제2 전압 분배 보조 축전기(138)는 상기 제2 유도 코일의 인접한 짝수 층 사이의 단위 안테나들 사이에 연결될 수 있다. 제1 전압 분배 보조 축전기 및 제2 전압 분배 전압 보조 축전기는 유도 코일의 위치 별로 인가되는 전압을 제어할 수 있다.

상기 제1 유도 코일의 타단과 제2 유도 코일의 타단은 축전기(134)를 통하여 직렬 연결될 수 있다.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 개념도이다.

도 6을 참조하면, 플라즈마 발생 장치(600)는 유전체 방전 튜브(130) 및 상기 유전체 방전 튜브를 감싸는 유도 코일(202)을 포함하고, 상기 유도 코일(202)은 유도 결합 플라즈마를 발생시킬 수 있다.

상기 유도 코일(202)은 복수의 배치 평면들에 각각 배치된 단위 안테나들을 포함하는 제1 유도 코일(212); 및 복수의 배치 평면들에 각각 배치된 단위 안테나들을 포함하는 제2 유도 코일(222)을 포함한다. 상기 제1 유도 코일의 단위 안테나들과 상기 제2 유도 코일의 단위 안테나들은 서로 교번하여 배치되고, 상기 제1 유도 코일의 단위 안테나들은 순차적으로 배치 평면을 변경하기 위하여 제1 층간 연결부(213)에 의하여 서로 직렬 연결되고, 상기 제2 유도 코일의 단위 안테나들은 순차적으로 배치 평면을 변경하기 위하여 제2 층간 연결부(223)에 의하여 서로 직렬 연결된다.

제1 유도 코일(212)과 제2 유도 코일(222)은 동일한 형상이고 중첩하여 배치되고, 서로 180도 회전하여 배치될 수 있다. 상기 제1 유도 코일(212)의 최상부 홀수층에 배치된 일단은 변압기의 양의 출력단에 연결되고, 상기 제1 유도 코일(212)의 최하부 홀수층에 배치된 타단은 상기 변압기(142)의 음의 출력단에 연결될 수 있다.

또한, 상기 제2 유도 코일(222)의 최상부 짝수층에 배치된 일단은 상기 변압기(142)의 음의 출력단에 연결되고, 상기 제2 유도 코일(222)의 최하부 짝수층에 배치된 타단은 상기 변압기(142)의 양의 출력단에 연결될 수 있다.

즉, 상기 유도 코일(202)의 상하를 뒤집은 경우에도, 동일한 전기적 연결을 가지도록, 상기 제1 유도 코일(212)과 상기 제2 유도 코일(222)은 상기 변압기(142)의 출력에 교차 병렬 연결될 수 있다.

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 개념도이다.

도 7을 참조하면, 플라즈마 발생 장치(700)는 유전체 방전 튜브(130) 및 상기 유전체 방전 튜브를 감싸는 유도 코일(202)을 포함하고, 상기 유도 코일(202)은 유도 결합 플라즈마를 발생시킬 수 있다.

상기 유도 코일(202)은 복수의 배치 평면들에 각각 배치된 단위 안테나들을 포함하는 제1 유도 코일(212); 및 복수의 배치 평면들에 각각 배치된 단위 안테나들을 포함하는 제2 유도 코일(222)을 포함한다. 상기 제1 유도 코일의 단위 안테나들과 상기 제2 유도 코일의 단위 안테나들은 서로 교번하여 배치되고, 상기 제1 유도 코일의 단위 안테나들은 순차적으로 배치 평면을 변경하기 위하여 제1 층간 연결부(213)에 의하여 서로 직렬 연결되고, 상기 제2 유도 코일의 단위 안테나들은 순차적으로 배치 평면을 변경하기 위하여 제2 층간 연결부(223)에 의하여 서로 직렬 연결된다.

보조 유도 코일(702)은 상기 유도 코일(202)과 병렬로 연결될 수 있다. 상기 보조 유도 코일(702)은 상기 유도 코일과 동일한 형상과 구조를 가질 수 있다. 보조 유도 코일(702)은 상기 유도 코일과 상기 유전체 튜브의 중심축 방향으로 이격되어 상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치될 수 있다.

상기 보조 유도 코일(702)은 복수의 배치 평면들에 각각 배치된 단위 안테나들을 포함하는 제1 보조 유도 코일(712); 및 복수의 배치 평면들에 각각 배치된 단위 안테나들을 포함하는 제2 보조 유도 코일(722)을 포함한다. 상기 제1 보조 유도 코일의 단위 안테나들과 상기 제2 보조 유도 코일의 단위 안테나들은 서로 교번하여 배치되고, 상기 제1 보조 유도 코일의 단위 안테나들은 순차적으로 배치 평면을 변경하기 위하여 제1 보조 층간 연결부(713)에 의하여 서로 직렬 연결되고, 상기 제2 보조 유도 코일의 단위 안테나들은 순차적으로 배치 평면을 변경하기 위하여 제2 보조 층간 연결부(723)에 의하여 서로 직렬 연결된다.

상기 변압기의 양의 출력단은 상기 제1 유도 코일(212)의 일단과 상기 제1 보조 유도 코일(712)의 일단에 연결될 수 있다. 상기 제1 유도 코일(212)의 타단은 상기 제2 유도 코일(222)의 타단에 연결될 수 있다. 상기 제1 보조 유도 코일(712)의 타단은 상기 제2 보조 유도 코일(722)의 타단에 연결될 수 있다.

또한, 상기 변압기의 음의 출력단은 상기 제2 유도 코일(222)의 일단과 상기 제2 보조 유도 코일(822)의 일단에 연결될 수 있다.

이러한 병렬 연결은 안테나 그룹이 서로 떨어져 배치되어, 스트레이 정전 용량(stray capacitance)이 최소화될 수 있다.

도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 개념도이다.

도 8을 참조하면, 플라즈마 발생 장치(800)는 유전체 방전 튜브(130) 및 상기 유전체 방전 튜브를 감싸는 유도 코일(102)을 포함하고, 상기 유도 코일(202)은 유도 결합 플라즈마를 발생시킬 수 있다.

상기 유도 코일(102)은 복수의 배치 평면들에 각각 배치된 단위 안테나들을 포함하는 제1 유도 코일(112); 및 복수의 배치 평면들에 각각 배치된 단위 안테나들을 포함하는 제2 유도 코일(122)을 포함한다. 상기 제1 유도 코일의 단위 안테나들과 상기 제2 유도 코일의 단위 안테나들은 서로 교번하여 배치되고, 상기 제1 유도 코일의 단위 안테나들은 순차적으로 배치 평면을 변경하기 위하여 제1 층간 연결부(113)에 의하여 서로 직렬 연결되고, 상기 제2 유도 코일의 단위 안테나들은 순차적으로 배치 평면을 변경하기 위하여 제2 층간 연결부(123)에 의하여 서로 직렬 연결된다.

절연 냉각 모듈(154)은 상기 유도 코일(102)이 매몰된 원통 형상일 수 있다. 상기 절연 냉각 모듈(154)은 세라믹 재질을 몰딩하여 형성될 수 있다. 상기 유도 코일(102)에 흐르는 냉매는 상기 절연 냉각 모듈(152)을 냉각하고, 상기 절연 냉각 모듈(152)은 상기 유전체 방전 튜브(130)와 열적으로 접촉하여 상기 유전체 방전 튜브(130)를 냉각할 수 있다. 즉, 상기 절연 냉각 모듈(152)은 상기 플라즈마에 의한 국부적인 가열에 의한 상기 유전체 방전 튜브(130)의 파손을 방지할 수 있다.

상기 절연 냉각 모듈과 상기 유전체 방전 튜브 사이의 공간은 열접촉을 위하여 세라믹 페이스트에 의하여 채워질 수 있다.

상기 제1 유도 코일(112)의 타단과 제2 유도 코일(122)의 타단은 축전기(134)를 통하여 직렬 연결될 수 있다.

도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 단면도이다.

도 10은 도 9의 플라즈마 발생 장치의 단위 안테나를 설명하는 도면이다.

도 9 및 도 10을 참조하면, 플라즈마 발생 장치(900)는 유전체 방전 튜브(130) 및 상기 유전체 방전 튜브를 감싸는 유도 코일(802)을 포함하고, 상기 유도 코일(202)은 유도 결합 플라즈마를 발생시킬 수 있다.

상기 유도 코일(802)은 복수의 배치 평면들에 각각 배치된 단위 안테나들을 포함하는 제1 유도 코일(812); 및 복수의 배치 평면들에 각각 배치된 단위 안테나들을 포함하는 제2 유도 코일(822)을 포함한다. 상기 제1 유도 코일의 단위 안테나들과 상기 제2 유도 코일의 단위 안테나들은 서로 교번하여 배치되고, 상기 제1 유도 코일의 단위 안테나들은 순차적으로 배치 평면을 변경하기 위하여 제1 층간 연결부(813)에 의하여 서로 직렬 연결되고, 상기 제2 유도 코일의 단위 안테나들은 순차적으로 배치 평면을 변경하기 위하여 제2 층간 연결부(823)에 의하여 서로 직렬 연결된다.

단위 안테나(20)는 배치 평면에서 제1 반경을 가지고 방위각 방향으로 한 턴의 제1 원호(21a); 상기 제1 반경보다 큰 제2 반경을 가지고 방위각 방향으로 한 턴의 제2 원호(21b); 상기 제2 반경보다 큰 제3 반경을 가지고 방위각 방향으로 한 턴의 제3 원호(21c); 상기 제1 원호의 일단에서 반경 방향으로 연장되는 제1 반경 방향 연장부(22a); 상기 제1 원호의 타단에서 반경 방향으로 연장되는 제2 반경 방향 연장부(22b); 상기 제2 원호의 일단에서 반경 방향으로 연장되는 제3 반경 방향 연장부(22c); 상기 제2 원호의 타단에서 반경 방향으로 연장되는 제4 반경 방향 연장부(22d); 상기 제3 원호의 일단에서 반경 방향으로 연장되는 제5 반경 방향 연장부(22e); 상기 제3 원호의 타단에서 반경 방향으로 연장되는 제6 반경 방향 연장부(22f); 상기 제2 방향 연장부와 상기 제3 방향 연장부를 서로 연결하고 상기 제1 방향 연장부를 점핑하여 연결하는 제1 점핑 연결부(23a); 및 제4 반경 방향 연장부와 상기 제5 반경 방향 연장부를 서로 연결하고 상기 제1 반경 방향 연장부를 점핑하여 연결하는 제2 점핑 연결부(23b)를 포함한다.

요약 하면, 상기 유도 코일은 상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치되어, 상기 유전체 방전 튜브 내부에 안정적인 유도 결합 플라즈마를 생성할 수 있다. 안정적인 유도 결합 플라즈마 방전을 위하여, 상기 유도 코일은 적절한 임피던스를 유지하고, 상기 유도 코일에 낮은 전압이 인가되고, 강한 유도 전기장을 발생시키는 높은 전류가 흐를 수 있다. 이러한 조건을 충족하기 위하여, 제1 유도 코일과 제2 유도 코일이 서로 교번하면서 배치된 구조가 제안된다. 또한, 제1 유도 코일과 제2 코일의 서로 인접한 위치에서, 축전 결합에 의한 방전 효율 저하를 억제하기 위하여 양의 전압과 반대 부호의 음 전압은 서로 다른 층에서 서로 마주보도록 설계될 수 있다.

구체적으로, 제1 유도 코일의 전력 입력단은 최상위 평면에 배치되고, 제2 유도 코일의 전력 입력단은 상기 최상위 평면의 바로 아래에 배치된다. 제1 유도 코일의 전력 입력단에 양의 전압이 인가되고, 상기 제2 유도 코일의 전력 입력단에 음의 전압이 인가되는 경우, 인접하게 배치된 양의 전압과 음의 전압은 전기 쌍극자로 동작하여 정전기장을 스크린닝 (screening) 하는 것으로 해석된다. 이에 따라, 축전 결합에 의한 스트리머의 발생이 억제되고, 유도 결합 효율이 증가될 수 있다. 또한, 기생 축전 결합 플라즈마 발생이 억제되어, 방전 안정성이 향상될 수 있다.

한편, 제1 유도 코일과 제2 유도 코일이 생성한 자기장이 보강 간섭하도록, 상기 제1 유도 코일의 감기는 회전 방향과 상기 제2 유도 코일의 감기는 회전 방향은 서로 반대일 수 있다. 제1 유도 코일의 단위 안테나과 제2 유도 코일의 단위 안테나는 교번하면서 상기 유전체 방전 튜브의 중심축 방향으로 배치된다. 상기 유도 코일은 구리 파이프로 형성되고, 냉매에 의하여 냉각될 수 있다.

상기 유도 코일은 높은 인덕턴스를 가지면서, 축전 결합 효과를 억제하면서, 상기 유도 코일이 생성하는 시변 자기장을 효율적으로 사용하는 것이 바람직하다. 인덕턴스를 증가시키기 위하여 제1 유도 코일과 제2 유도 코일은 서로 전기적으로 직렬 연결될 수 있다. 또는 임피던스 매칭 또는 임피던스 증가에 의한 고전압 인가를 회피하기 위하여 상기 제1 유도 코일과 제2 유도 코일 사이에 축전기가 배치될 수 있다. 즉, 상기 제1 유도 코일과 상기 제2 유도 코일은 축전기를 통하여 전기적으로 연결될 수 있다.

본 발명과 같이, 단위 안테나를 가지고 교번하여 배치하면, 플라즈마 발생 효율을 유지하면서, 양의 고전압 부위와 음의 고전압 부위가 서로 인접하게 배치되어, 스크리닝 효과에 의하여 축전 결합 플라즈마 발생 또는 플라즈마 스트리머 발생을 억제할 수 있다. 전기 쌍극자는 근접한 위치에서 전기장을 발생시키나 거리가 증가함에 따라 급속도로 전기장의 세기가 감소하여 스크리닝 효과(screening effect)를 제공할 수 있다. 따라서, 이러한 유도 코일의 구조는 정전기장에 의한 축전 결합 플라즈마 발생을 억제하고 인덕턴스를 증가시키어 유도 결합 플라즈마 효율을 증가시킬 수 있다. 축전 결합 플라즈마에 의하여 생성된 이온은 상기 유전체 방전 튜브를 충격하여 손상시킬 수 있다.

한편, 상기 제1 유도 코일과 제2 유도 코일 사이의 절연 파괴를 방지하고, 단위 길이당 권선수를 증가시킬 필요가 있다. 이를 위하여, 절연체로 형성된 절연링이 상기 제1 유도 코일의 단위 안테나와 상기 제2 유도 코일의 단위 안테나 사이에 배치될 수 있다. 상기 절연링은 절연 파괴 전압이 높은 세라믹 재질 또는 플라스틱 재질일 수 있다.

상기 유도 코일은 상기 교류 전원부로부터 직접 전력을 공급받거나 임피던스 매칭을 위하여 임피던스 매칭회로 또는 변압기를 통하여 전력을 공급받을 수 있다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.

102: 유도 코일
112: 제1 유도 코일
122: 제2 유도 코일
130: 유전체 방전 튜브
140: 교류 전원부
142: 변압기

Claims (24)

1. 유도 코일을 포함하는 유도 결합 플라즈마 발생 장치에 있어서,
   상기 유도 코일은:
   복수의 배치 평면들에 각각 배치된 단위 안테나들을 포함하는 제1 유도 코일; 및
   복수의 배치 평면들에 각각 배치된 단위 안테나들을 포함하는 제2 유도 코일;을 포함하고,
   상기 제1 유도 코일의 단위 안테나들과 상기 제2 유도 코일의 단위 안테나들은 서로 교번하여 배치되고,
   상기 제1 유도 코일의 단위 안테나들은 순차적으로 배치 평면을 변경하기 위하여 제1 층간 연결부에 의하여 서로 직렬 연결되고,
   상기 제2 유도 코일의 단위 안테나들은 순차적으로 배치 평면을 변경하기 위하여 제2 층간 연결부에 의하여 서로 직렬 연결되고,
   상기 제1 유도 코일의 단위 안테나와 상기 제2 유도 코일의 단위 안테나 각각은 동일 평면에서 복수의 턴을 구비하고,
   상기 제1 유도 코일과 상기 제2 유도 코일은 전기적으로 직렬 연결되고,
   상기 제1 유도 코일에 의한 자속의 방향과 상기 제2 유도 코일에 의한 자속의 방향은 동일하고 동 위상이고,
   상기 제1 유도 코일의 일단은 교류 전원부의 양의 출력단에 연결되고,
   상기 제2 유도 코일의 일단은 상기 교류 전원부의 음의 출력단에 연결되고,
   상기 양의 출력단의 전압은 상기 음의 출력단의 전압과 반대 부호인 것을 특징으로 하는 유도 결합 플라즈마 발생 장치.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 유도 코일의 단위 안테나와 상기 제2 유도 코일의 단위 안테나 각각은 동일 평면에서 복수의 턴을 구비하고,
   상기 단위 안테나를 구성하는 각 턴은 동일한 반경을 가지는 것을 특징으로 하는 유도 결합 플라즈마 발생 장치.
3. 삭제
4. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 유도 코일은 상부층에서 하부층으로 변화함에 일정한 방향으로 감기고,
   상기 제2 유도 코일은 상부층에서 하부층으로 변환함에 따라 제1 유도 코일의 감긴 방향과 반대 방향으로 감기는 것을 특징으로 하는 유도 결합 플라즈마 발생 장치.
5. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 유도 코일의 제1 층간 연결부들은 상부층에서 하부층으로 변화함에 따라 시계방향으로 일정한 각도씩 이동하고,
   상기 제2 유도 코일의 제2 층간 연결부들은 상부층에서 하부층으로 변화함에 따라 반시계 방향으로 일정한 각도씩 이동하는 것을 특징으로 하는 유도 결합 플라즈마 발생장치.
6. 제1 항에 있어서,
   상기 단위 안테나는:
   배치 평면에서 제1 반경을 가지고 방위각 방향으로 한 턴을 제공하는 제1 원호;
   상기 제1 반경보다 큰 제2 반경을 가지고 방위각 방향으로 한 턴을 제공하는 제2 원호;
   상기 제1 원호의 일단에서 반경 방향으로 연장되는 제1 반경 방향 연장부;
   상기 제1 원호의 타단에서 반경 방향으로 연장되는 제2 반경 방향 연장부;
   상기 제2 원호의 일단에서 반경 방향으로 연장되는 제3 반경 방향 연장부;
   상기 제2 원호의 타단에서 반경 방향으로 연장되는 제4 반경 방향 연장부; 및
   상기 제2 반경 방향 연장부와 상기 제3 반경 방향 연장부를 서로 연결하고 상기 제1 반경 방향 연장부를 점핑하여 연결하는 점핑 연결부를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 결합 플라즈마 발생장치.
7. 제1 항에 있어서,
   상기 단위 안테나는:
   배치 평면에서 제1 반경을 가지고 방위각 방향으로 한 턴을 제공하는 제1 원호;
   상기 제1 반경보다 큰 제2 반경을 가지고 방위각 방향으로 한 턴을 제공하는 제2 원호;
   상기 제2 반경보다 큰 제3 반경을 가지고 방위각 방향으로 한 턴을 제공하는 제3 원호;
   상기 제1 원호의 일단에서 반경 방향으로 연장되는 제1 반경 방향 연장부;
   상기 제1 원호의 타단에서 반경 방향으로 연장되는 제2 반경 방향 연장부;
   상기 제2 원호의 일단에서 반경 방향으로 연장되는 제3 반경 방향 연장부;
   상기 제2 원호의 타단에서 반경 방향으로 연장되는 제4 반경 방향 연장부;
   상기 제3 원호의 일단에서 반경 방향으로 연장되는 제5 반경 방향 연장부;
   상기 제3 원호의 타단에서 반경 방향으로 연장되는 제6 반경 방향 연장부;
   상기 제2 반경 방향 연장부와 상기 제3 반경 방향 연장부를 서로 연결하고 상기 제1 반경 방향 연장부를 점핑하여 연결하는 제1 점핑 연결부; 및
   상기 제4 반경 방향 연장부와 상기 제5 반경 방향 연장부를 서로 연결하고 상기 제1 반경 방향 연장부를 점핑하여 연결하는 제2 점핑 연결부를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 결합 플라즈마 발생장치.
8. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 유도 코일의 일단은 상기 유도 코일의 하부면을 기준으로 최상위 짝수 층에 배치되고 교류 전원부의 양의 출력단에 연결되고,
   상기 제2 유도 코일의 일단은 상기 유도 코일의 하부면을 기준으로 최상위 홀수 층에 배치되고 상기 교류 전원부의 음의 출력단에 연결되고,
   상기 제1 유도 코일의 타단은 상기 유도 코일의 하부면을 기준으로 최하위 짝수층에 배치되고,
   상기 제2 유도 코일의 타단은 상기 유도 코일의 하부면을 기준으로 최하위 홀수 층에 배치되고,
   상기 제1 유도 코일의 타단은 상기 제2 유도 코일의 타단과 축전기를 통하여 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 유도 결합 플라즈마 발생장치.
9. 제1 항에 있어서,
   절연링을 더 포함하고,
   상기 절연링은 상기 제1 유도 코일의 단위 안테나들과 상기 제2 유도 코일의 단위 안테나들을 서로 절연시키는 것을 특징으로 하는 유도 결합 플라즈마 발생장치.
10. 제1 항에 있어서,
    상기 유도 코일에 의하여 둘러싸인 유전체 방전 튜브를 더 포함하고,
    상기 유전체 방전 튜브는 공정 가스를 제공받고,
    상기 공정 가스는 상기 유전체 방전 튜브 내에서 플라즈마를 형성하는 것을 특징으로 하는 유도 결합 플라즈마 발생 장치.
11. 삭제
12. 제1 항에 있어서,
    상기 교류 전원부의 전력을 상기 유도 코일에 전달하고 1차 변압 코일 및 2 차 변압 코일을 포함하는 변압부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 결합 플라즈마 발생 장치.
13. 제 12 항에 있어서,
    상기 2차 변압 코일의 일단은 상기 제1 유도 코일의 일단에 연결되고,
    상기 2차 변압 코일의 타단은 상기 제2 유도 코일의 일단에 연결되는 것을 특징으로 하는 유도 결합 플라즈마 발생 장치.
14. 제 12 항에 있어서,
    상기 변압부의 2차 변압 코일의 일단에 직렬 연결된 제1 보조 축전기; 및
    상기 변압부의 2차 변압 코일의 타단에 직렬 연결된 제2 보조 축전기를 더 포함하고,
    상기 제1 보조 축전기는 상기 변압부의 2차 변압 코일의 일단과 상기 제1 유도 코일의 일단에 사이에 연결되고,
    상기 제2 보조 축전기는 상기 변압부의 2차 변압 코일의 타단과 상기 제2 유도 코일의 일단에 연결되는 것을 특징으로 하는 유도 결합 플라즈마 발생 장치.
15. 제12 항에 있어서,
    상기 제1 유도 코일의 타단과 상기 제2 유도 코일의 타단을 연결하는 축전기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 결합 플라즈마 발생 장치.
16. 제12 항에 있어서,
    상기 변압부의 1차 변압 코일에 직렬 연결된 보조 인덕터; 및
    상기 변압부의 1차 변압 코일에 직렬 연결된 가변 축전기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 결합 플라즈마 발생 장치.
17. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 유도 코일의 일단은 교류 전원부의 일단에 연결되고,
    상기 제2 유도 코일의 일단은 상기 교류 전원부의 타단에 연결되고,
    상기 제1 유도 코일의 일단과 상기 제2 유도 코일의 일단은 서로 인접한 다른 층에 각각 배치되고,
    상기 제1 유도 코일의 타단은 상기 교류 전원부의 일단에 연결되고,
    상기 제2 유도 코일의 타단은 상기 교류 전원부의 타단에 연결되는 것을 특징으로 하는 유도 결합 플라즈마 발생장치.
18. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 유도 코일의 단위 안테나들 사이에 연결된 제1 전압 분배 보조 축전기; 및
    상기 제2 유도 코일의 단위 안테나들 사이에 연결된 제2 전압 분배 보조 축전기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 결합 플라즈마 발생 장치.
19. 제1 항에 있어서,
    상기 유도 코일이 매몰된 절연 냉각 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 결합 플라즈마 발생 장치.
20. 제1 항에 있어서,
    상기 유도 코일과 병렬로 연결되는 보조 유도 코일을 더 포함하고,
    상기 보조 유도 코일은 상기 유도 코일와 동일한 구조이고,
    상기 유도 코일의 제1 유도 코일과 상기 제2 유도 코일은 직렬 연결되는 것을 특징으로 하는 유도 결합 플라즈마 발생 장치.
21. 유도 결합 플라즈마를 발생용 유도 코일에 있어서,
    상기 유도 코일은:
    복수의 배치 평면에 배치되고 각 배치 평면에 복수의 턴으로 구성된 단위 안테나들을 포함하는 제1 유도 코일; 및
    복수의 배치 평면에 배치되고 각 배치 평면에 복수의 턴으로 구성된 단위 안테나들들을 포함하는 제2 유도 코일;을 포함하고,
    상기 제1 유도 코일의 단위 안테나들과 상기 제2 유도 코일의 단위 안테나들은 교번하여 배치되고,
    상기 제1 유도 코일은 배치 평면을 변경하기 위해 단위 안테나들을 연결하는 제1 층간 연결부를 포함하고,
    상기 제2 유도 코일은 배치 평면을 변경하기 위하여 단위 안테나들을 연결하는 제2 층간 연결부를 포함하고,
    상기 제1 유도 코일의 단위 안테나와 상기 제2 유도 코일의 단위 안테나 각각은 동일 평면에서 복수의 턴을 구비하고,
    상기 제1 유도 코일과 상기 제2 유도 코일은 전기적으로 직렬 연결되고,
    상기 제1 유도 코일에 의한 자속의 방향과 상기 제2 유도 코일에 의한 자속의 방향은 동일하고 동 위상이고,
    상기 제1 유도 코일의 일단은 교류 전원부의 양의 출력단에 연결되고,
    상기 제2 유도 코일의 일단은 상기 교류 전원부의 음의 출력단에 연결되고,
    상기 양의 출력단의 전압은 상기 음의 출력단의 전압과 반대 부호인 것을 특징으로 하는 유도 결합 플라즈마를 발생용 유도 코일.
22. 원통 형상의 유전체 방전 튜브;
    상기 유전체 방전 튜브를 감싸는 유도 코일을 포함하고,
    상기 유도 코일은:
    플라즈마가 발생하는 상기 유전체 방전 튜브를 감싸고 복수의 턴으로 구성되는 단위 안테나들을 포함하는 제1 유도 코일; 및
    상기 유전체 방전 튜브를 감싸고 복수의 턴으로 구성되는 단위 안테나들을 포함하는 제2 유도 코일을 포함하고,
    상기 제1 유도 코일의 단위 안테나와 상기 제2 유도 코일의 단위 안테나는 상기 유전체 방전 튜브의 중심축 방향으로 진행하면서 교번하여 배치되고,
    상기 제1 유도 코일의 단위 안테나는 배치 평면에서 제1 반경을 가지고 방위각 방향으로 한 턴의 제1 원호와 상기 제1 반경보다 큰 제2 반경을 가지고 방위각 방향으로 한 턴의 제2 원호를 제공하고, 상기 제1 원호와 상기 제2 원호는 배치 평면에서 돌출되는 점핑 연결부에 의하여 연결되고,
    상기 제1유도 코일의 단위 안테나는 제1 층간 연결부를 통하여 배치 평면을 변경하고,
    상기 제2 유도 코일의 단위 안테나는 배치 평면에서 제1 반경을 가지고 방위각 방향으로 한 턴의 제1 원호와 상기 제1 반경보다 큰 제2 반경을 가지고 방위각 방향으로 한 턴의 제2 원호를 제공하고, 상기 제1 원호와 상기 제2 원호는 배치 평면에서 돌출되는 점핌 연결부에 의하여 연결되고,
    상기 제2 유도 코일의 단위 안테나는 제2 층간 연결부를 통하여 배치 평면을 변경하고,
    상기 제1 유도 코일의 단위 안테나와 상기 제2 유도 코일의 단위 안테나 각각은 동일 평면에서 복수의 턴을 구비하고,
    상기 제1 유도 코일과 상기 제2 유도 코일은 전기적으로 직렬 연결되고,
    상기 제1 유도 코일에 의한 자속의 방향과 상기 제2 유도 코일에 의한 자속의 방향은 동일하고 동 위상이고,
    상기 제1 유도 코일의 일단은 교류 전원부의 양의 출력단에 연결되고,
    상기 제2 유도 코일의 일단은 상기 교류 전원부의 음의 출력단에 연결되고,
    상기 양의 출력단의 전압은 상기 음의 출력단의 전압과 반대 부호인 것을 특징으로 하는 유도 결합 플라즈마 발생 장치.
23. 유도 결합 플라즈마를 발생하는 유도 코일에 있어서,
    상기 유도 코일은:
    배치 평면에서 제1 반경을 가지고 방위각 방향으로 한 턴의 제1 원호;
    상기 제1 반경보다 큰 제2 반경을 가지고 방위각 방향으로 한 턴의 제2 원호;
    상기 제1 원호의 일단에서 반경 방향으로 연장되는 제1 반경 방향 연장부;
    상기 제1 원호의 타단에서 반경 방향으로 연장되는 제2 반경 방향 연장부;
    상기 제2 원호의 일단에서 반경 방향으로 연장되는 제3 반경 방향 연장부;
    상기 제2 원호의 타단에서 반경 방향으로 연장되는 제4 반경 방향 연장부; 및
    상기 제2 반경 방향 연장부와 상기 제3 반경 방향 연장부를 서로 연결하고 상기 제1 반경 방향 연장부를 점핑하여 연결하는 점핑 연결부를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 코일.
24. 유도 결합 플라즈마를 발생하는 유도 코일에 있어서,
    상기 유도 코일은:
    배치 평면에서 제1 반경을 가지고 방위각 방향으로 한 턴의 제1 원호;
    상기 제1 반경보다 큰 제2 반경을 가지고 방위각 방향으로 한 턴의 제2 원호;
    상기 제2 반경보다 큰 제3 반경을 가지고 방위각 방향으로 한 턴의 제3 원호;
    상기 제1 원호의 일단에서 반경 방향으로 연장되는 제1 반경 방향 연장부;
    상기 제1 원호의 타단에서 반경 방향으로 연장되는 제2 반경 방향 연장부;
    상기 제2 원호의 일단에서 반경 방향으로 연장되는 제3 반경 방향 연장부;
    상기 제2 원호의 타단에서 반경 방향으로 연장되는 제4 반경 방향 연장부;
    상기 제3 원호의 일단에서 반경 방향으로 연장되는 제5 반경 방향 연장부;
    상기 제3 원호의 타단에서 반경 방향으로 연장되는 제6 반경 방향 연장부;
    상기 제2 반경 방향 연장부와 상기 제3 반경 방향 연장부를 서로 연결하고 상기 제1 반경 방향 연장부를 점핑하여 연결하는 제1 점핑 연결부; 및
    상기 제4 반경 방향 연장부와 상기 제5 반경 방향 연장부를 서로 연결하고 상기 제1 반경 방향 연장부를 점핑하여 연결하는 제2 점핑 연결부를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 코일.

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