KR101881537B1 - 가스 분해 효율 향상을 위한 플라즈마 챔버 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가스 분해 효율 향상을 위한 플라즈마 챔버에 관한 것이다. 본 발명의 가스 분해 효율 향상을 위한 플라즈마 챔버는 가스인렛을 포함하는 상부몸체와, 가스아웃렛을 포함하는 하부몸체 및 상기 상부몸체와 상기 하부몸체를 연결하는 연결몸체가 결합되어 내부에 환형의 플라즈마 방전 채널을 형성하는 챔버몸체; 상기 플라즈마 방전 채널과 쇄교하도록 상기 상부몸체 및 상기 하부몸체 중 어느 하나, 또는 상기 상부몸체와 상기 하부몸체 모두에 설치되는 복수 개의 페라이트 코어; 상기 페라이트 코어에 권선되어 전력을 공급받아 구동되는 일차 권선 코일; 상기 플라즈마 방전 채널을 중심으로 서로 다른 극성의 영구자석이 마주하게 상기 챔버몸체에 설치되어 상기 플라즈마 방전 채널 내로 자기장을 형성하는 영구자석모듈; 및 상기 가스인렛과 연결되며 가스 공급원으로부터 공급된 가스를 상기 챔버몸체의 상기 플라즈마 방전 채널로 공급하기 위한 가스 공급로를 갖는 가스공급포트를 포함하며, 상기 복수 개의 페라이트 코어는 상기 가스인렛을 중심으로 근접하게 설치되어 상기 상부몸체에 플라즈마를 형성하거나, 상기 가스아웃렛을 중심으로 근접하게 설치되어 상기 하부몸체에 플라즈마를 형성하여 상기 플라즈마 방전 채널 내로 균일한 플라즈마 분포가 이루어지고, 상기 영구자석모듈에 의해 상기 플라즈마 방전 채널 내의 이온이 회전되며 가스 분해율을 향상시킨다.

Description

가스 분해 효율 향상을 위한 플라즈마 챔버{PLASMA CHAMBER FOR IMPROVED GAS DECOMPOSITION EFFICIENCY}

본 발명은 가스 분해 효율 향상을 위한 플라즈마 챔버에 관한 것으로, 보다 상세하게는 주입된 가스를 플라즈마를 통해 분해하여 활성가스된 가스로 배출하는 가스 분해 효율 향상을 위한 플라즈마 챔버에 관한 것이다.

플라즈마 방전은 가스를 여기시켜 이온, 자유 라디칼, 원자 및 분자를 함유하는 활성화된 가스를 생성하도록 사용될 수 있다. 활성화된 가스는 반도체 웨이퍼와 같은 고형 물질, 파우더, 및 기타 가스를 처리하는 것을 포함하는 다양한 산업 및 과학 분야에서 사용된다. 플라즈마의 변수 및 처리되는 물질에 대한 플라즈마의 노출에 관한 조건은 기술 분야에 따라 넓게 변화한다. 예를 들면, 몇몇 분야에서는 처리되는 물질이 손상되기 쉬우므로 이온을 낮은 운동 에너지(즉, 몇 전자 볼트)로 사용할 것을 필요로 한다. 이방성 에칭 또는 평탄화된 절연체 증착과 같은 다른 분야에서는 높은 운동 에너지로 이온을 사용할 것을 필요로 한다. 반응성 이온 빔 에칭과 같은 또 다른 분야에서는 이온 에너지의 정밀 제어를 필요로 한다.

몇몇 분야에서는 처리되는 물질을 높은 밀도의 플라즈마에 직접 노출시키는 것을 필요로 한다. 이러한 분야 중 하나는 이온-활성화된 화학 반응을 생성하는 것이다. 다른 이러한 분야는 높은 종횡비 구조의 에칭 및 그 안으로의 물질 증착을 포함한다. 다른 분야는, 처리되는 물질이 플라즈마로부터 차폐되는 동안, 물질이 이온에 의해 손상되기 쉽거나 처리 공정이 높은 선택비 요구 조건을 갖기 때문에, 원자 및 활성화된 분자를 함유하는 중성 활성화된 가스를 필요로 한다.

다양한 플라즈마 공급원은 DC 방전, 고주파(RF) 방전, 및 마이크로웨이브 방전을 포함하는 다양한 방식으로 플라즈마를 생성할 수 있다. DC 방전은 가스 내의 두 개의 전극 사이에 전위를 인가함으로써 달성된다. RF 방전은 전원으로부터 플라즈마 내로 에너지를 정전기 또는 유도 결합시킴으로써 달성된다. 평행 판들은 에너지를 플라즈마 내에 유도 결합시키도록 통상적으로 사용된다. 유도 코일은 전류를 플라즈마 내에 유도하도록 통상적으로 사용된다. 마이크로웨이브 방전은 가스를 수용하는 방전 챔버 내에 마이크로웨이브 통과 윈도우를 통해 마이크로웨이브 에너지를 직접 결합시킴으로써 달성된다. 마이크로웨이브 방전은 높게 이온화된 전자 사이클론공명(ECR) 플라즈마를 포함하는 넓은 범위의 방전 조건을 지원하도록 사용될 수 있다.

마이크로웨이브 또는 다른 타입의 RF 플라즈마 공급원과 비교하여, 토로이달(toroidal) 플라즈마 공급원은 낮은 전기장, 낮은 플라즈마 챔버 부식, 소형화, 및 비용 효과 면에서 장점을 갖는다. 토로이달 플라즈마 공급원은 낮은 전계로 동작하며 전류-종료 전극 및 관련 음극 전위 강하를 내재적으로 제거한다. 낮은 플라즈마 챔버 부식은 토로이달 플라즈마 공급원이 다른 방식의 플라즈마 공급원보다 높은 전력 밀도에서 작동하도록 한다. 또한, 고 투과성 페라이트 코어를 사용하여 전자기 에너지를 플라즈마에 효율적으로 결합시킴으로써, 토로이달 플라즈마 챔버이 상대적으로 낮은 RF 주파수에서 작동하도록 하여 전력 공급 비용을 낮추게 된다. 토로이달 플라즈마 챔버는 반도체 웨이퍼, 평판 디스플레이, 및 다양한 물질의 처리를 위해 불소, 산소, 수소, 질소 등을 포함하는 화학적으로 활성 가스를 생성하도록 사용되어 왔다.

토로이달 플라즈마 챔버의 가스 입구를 통해 공급되는 가스는 챔버 내부의 토로이달 플라즈마 채널을 따라 이동하며 플라즈마와 반응함으로써 활성화된 가스를 생성한다. 플라즈마 챔버 내에서의 가스의 흐름은 임피던스로 작용한다. 주입된 가스는 모두 플라즈마와 반응하여 활성화된 가스로 배출되는 것이 바람직하나, 플라즈마와 반응하지 않고 배출되는 가스가 존재하게 된다. 플라즈마와 반응하지 않고 배출된 가스는 웨이퍼 처리 공정 또는 세정공정 등에 영향을 미치게 된다. 반응되지 않은 상태로 공급된 가스는 그대로 배기되기 때문에 불필요한 가스 공급으로 인한 비용증가를 야기할 수 있다. 그러므로 챔버로 공급된 가스가 플라즈마와 반응하여 활성화된 가스로써 배출되는 비율을 높이기 위한 노력이 요구된다.

본 발명의 목적은 플라즈마 챔버의 구조를 개선함으로써 플라즈마 챔버 내로 공급된 가스가 완전하게 분해되어 배출될 수 있도록 하는 가스 분해 효율 향상을 위한 플라즈마 챔버를 제공하는데 있다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일면은 가스 분해 효율 향상을 위한 플라즈마 챔버에 관한 것이다. 본 발명의 가스 분해 효율 향상을 위한 플라즈마 챔버는 가스인렛을 포함하는 상부몸체와, 가스아웃렛을 포함하는 하부몸체 및 상기 상부몸체와 상기 하부몸체를 연결하는 연결몸체가 결합되어 내부에 환형의 플라즈마 방전 채널을 형성하는 챔버몸체; 상기 플라즈마 방전 채널과 쇄교하도록 상기 상부몸체 및 상기 하부몸체 중 어느 하나, 또는 상기 상부몸체와 상기 하부몸체 모두에 설치되는 복수 개의 페라이트 코어; 상기 페라이트 코어에 권선되어 전력을 공급받아 구동되는 일차 권선 코일; 상기 플라즈마 방전 채널을 중심으로 서로 다른 극성의 영구자석이 마주하게 상기 챔버몸체에 설치되어 상기 플라즈마 방전 채널 내로 자기장을 형성하는 영구자석모듈; 및 상기 가스인렛과 연결되며 가스 공급원으로부터 공급된 가스를 상기 챔버몸체의 상기 플라즈마 방전 채널로 공급하기 위한 가스 공급로를 갖는 가스공급포트를 포함하고, 상기 복수 개의 페라이트 코어는 상기 가스인렛을 중심으로 근접하게 설치되어 상기 상부몸체에 플라즈마를 형성하거나, 상기 가스아웃렛을 중심으로 근접하게 설치되어 상기 하부몸체에 플라즈마를 형성하여 상기 플라즈마 방전 채널 내로 균일한 플라즈마 분포가 이루어지고, 상기 영구자석모듈에 의해 상기 플라즈마 방전 채널 내의 이온이 회전되며 가스 분해율을 향상시킨다.

일 실시예에 있어서, 상기 상부몸체와 상기 연결몸체, 상기 하부몸체와 상기 연결몸체가 결합되는 단부가 빗각으로 형성된 빗각 결합부를 더 포함한다.

일 실시예에 있어서, 상기 챔버몸체는, 상기 가스인렛과 상기 플라즈마 방전 채널을 연결하는 다른 가스 공급로를 포함한다.

일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 챔버는, 상기 다른 가스 공급로를 중심으로 서로 다른 극성의 영구자석이 마주하도록 설치되는 다른 영구자석모듈을 더 포함한다.

일 실시예에 있어서, 상기 가스 공급로와 상기 다른 가스 공급로는 일직선으로 연결되지 않는다.

일 실시예에 있어서, 상기 가스아웃렛은, 배출되는 가스의 흐름 방향으로 직경이 점점 커진다.

일 실시예에 있어서, 상기 연결몸체의 단면적은, 상기 상부몸체의 단면적 또는 상기 하부몸체의 단면적보다 작다.

일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 챔버는, 상기 연결챔버와 상기 상부챔버 또는 상기 연결챔버와 상기 하부챔버 사이에 발생되는 전위차에 의해 초기점화를 유도한다.

일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 챔버는, 상기 연결몸체로 공급되는 전류를 제어하기 위한 고정 캐패시터 또는 가변 캐패시터를 더 포함한다.

일 실시예에 있어서, 상기 가스인렛은, 복수개의 홀로 형성된다.

일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 챔버는, 상기 플라즈마 챔버의 과열을 방지하기 위한 냉각채널을 더 포함한다.

일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 챔버는, 상기 냉각채널 내로 공급되는 냉각수의 양을 조절하기 위한 유량 조절부를 더 포함한다.

본 발명의 가스 분해 효율 향상을 위한 플라즈마 챔버는 페라이트 설치 위치를 개선함으로써 플라즈마 챔버 내로 공급된 가스가 플라즈마 방전 채널 내로 균일하게 분포될 수 있다. 또한 영구자석을 이용하여 플라즈마 챔버 내에 자기장을 형성하여 플라즈마 챔버 내에 제공된 가스 이온의 체류시간을 늘림으로써 플라즈마 챔버 내로 공급된 가스가 활성화되어 배출되는 비율을 높일 수 있다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 바람직한 플라즈마 챔버가 프로세스 챔버에 설치되는 다양한 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 플라즈마 챔버의 전체를 도시한 사시도이다.
도 4는 플라즈마 챔버의 상부평면을 도시한 도면이다.
도 5 및 도 6은 플라즈마 챔버의 측단면을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 플라즈마 챔버의 전체를 도시한 사시도이다.
도 8은 플라즈마 챔버의 상부평면을 도시한 도면이다.
도 9 및 도 10은 플라즈마 챔버의 측단면을 도시한 도면이다.
도 11은 플라즈마 챔버의 냉각채널을 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명에서의 연결몸체를 이용한 점화장치를 도시한 도면이다.
도 13은 연결몸체에 퓨즈 및 캐패시터가 연결된 상태를 도시한 도면이다.
도 14 및 도 15는 전압 인가 코일이 추가 권선된 플라즈마 챔버 구성을 도시한 도면이다.
도 16은 연결몸체에 퓨즈 및 캐패시터가 연결된 상태를 도시한 도면이다.
도 17은 일차 권선 코일이 페라이트 코어에 권선되는 다양한 변형 실시예를 도시한 도면이다.
도 18은 다양한 실시예의 가스인렛을 도시한 도면이다.
도 19는 유량 조절부가 구비된 플라즈마 챔버를 간략하게 도시한 구성도이다.
도 20은 유량 조절부의 구성을 간략하게 도시한 도면이다.
도 21은 유량 조절부를 이용한 냉각수 순환 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
도 22는 플라즈마 챔버에서 냉각채널의 다양한 실시예를 도시한 도면이다.

본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공 되어지는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 구성은 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 바람직한 플라즈마 챔버가 프로세스 챔버에 설치되는 다양한 실시예를 설명하기 위한 도면이다.

도 1 및 도 2를 참조하면,플라즈마 처리 시스템은 내부에 서셉터(20)가 구비되는 공정챔버(10)와 플라즈마 공급원으로써 공정챔버(10)로 활성화된 가스를 공급하기 위한 플라즈마 챔버(100)로 구성된다. 플라즈마 챔버(100)의 하나 또는 그 이상의 측면이 공정챔버(10)에 노출되어, 플라즈마에 의해 생성되는 대전된 입자가 처리될 물질과 직접 접촉하도록 한다. 선택적으로, 플라즈마 챔버(100)는 공정챔버(10)로부터 일정 거리에 위치되어, 활성화된 가스가 공정챔버(10) 내로 유동하도록 한다. 플라즈마 챔버(100)에는 복수 개의 영구자석이 포함된 영구자석모듈(160)이 구비된다.

플라즈마 챔버(100)는 내부에 토로이달 형상의 플라즈마 방전 채널(112)을 포함하는 챔버몸체(110) 및 전자기 에너지를 플라즈마 방전 채널(112) 내에 형성하여 플라즈마로 결합시키는 변압기를 포함한다. 변압기는 페라이트 코어(130), 일차권선(132)을 포함한다. 일차권선(134)은 전원 공급원(30)과 연결되고, 전원 공급원(30)으로부터 무선 주파수를 제공받아 구동된다.

시스템 제어부(60)는 시스템 전반을 제어하기 위한 구성으로, 전원 공급원(30)과 연결되어 플라즈마 챔버(100)로 공급되는 전력을 제어한다. 구체적으로 도시하지는 않았으나 전원 공급원(30)에는 비정상적인 동작 환경에 의해 발생될 수 있는 전기적 손상을 방지하기 위한 보호회로가 구비된다. 전원 공급원(30)은 플라즈마 챔버의 동작 상태 정보를 시스템 제어부(60)로 제공한다. 시스템 제어부(60)는 플라즈마 처리 시스템의 동작 과정 전반을 제어하기 위한 제어 신호를 발생하여 플라즈마 챔버(100)와 공정 챔버(10)의 동작을 제어한다.

구체적으로 도시하지는 않았으나, 플라즈마 챔버(100)에는 플라즈마 상태를 측정하기 위한 측정센서가 구비되고, 시스템 제어부(60)는 측정된 값과 정상 동작에 기준한 기준값과 비교하면 전원 공급원(30)을 제어하여 무선 주파수의 전압 및 전류를 제어한다.

공정챔버(10)는 내부에 피처리 기판(25)을 지지하기 위한 서셉터(20)를 포함한다. 서셉터(20)는 임피던스 정합기(74)를 통하여 하나 이상의 바이어스 전원 공급원(70, 72)에 전기적으로 연결될 수 있다. 플라즈마 챔버(100)의 가스아웃렛(106)은 어댑터(48)를 통해 연결되어 플라즈마 챔버(100)로부터 활성화 가스가 어댑터(48)을 통해 공정챔버(10)로 공급된다. 어댑터(48)는 전기적 절연을 위한 절연 구간을 구비할 수 있으며, 과열을 방지하기 위한 냉각 채널을 구비할 수 있다.

공정 챔버(10)는 내부에 서셉터(20)와 플라즈마 챔버(100)의 가스아웃렛(106)과 연결되는 공정챔버(10)의 가스입구 사이에 플라즈마 가스 분배를 위한 배플(46)을 구비한다. 배플(46)은 활성화된 가스가 균일하게 분배되어 피처리 기판(25)으로 확산되게 한다. 피처리 기판(25)은 예를 들어, 반도체 장치를 제조하기 위한 실리콘 웨이퍼 기판 또는 액정디스플레이나 플라즈마 디스플레이 등의 제조를 위한 유리 기판이다.

도 2를 참조하면, 플라즈마 챔버(100)는 활성화된 가스를 공정챔버(10)로 공급한다. 플라즈마 챔버(100)로부터 공급된 활성화 가스는 공정챔버(10) 내부를 세정하기 위한 세정용으로 사용되거나 서셉터(20)에 안착되는 피처리 기판(25)을 처리하기 위한 공정용으로 사용될 수 있다. 플라즈마 챔버(100)는 활성화된 가스를 배출하기 위하여 유도 결합 플라즈마 , 용량 결합 플라즈마 또는 변압기 플라즈마 를 사용할 수 있다. 이중에서 본 발명에서의 플라즈마 챔버는 변압기 플라즈마를 사용한다.

또는 플라즈마 챔버(100)는 공정챔버(10)와 배기펌프(50) 사이에 설치될 수 있다. 플라즈마 챔버(100)는 공정챔버(10) 내에서 발생되어 배출되는 유해가스(과불화탄소)를 공급받아 무해한 가스로 분해하여 배출한다. 플라즈마 챔버(100)에 의해 환경오염물질인 유해가스를 분해하여 배출할 수 있을 뿐만아니라 배기펌프(50)의 손상을 방지할 수 있다. 이때 별도의 플라즈마 공급원(15)이 구비될 수 있다.

도 3은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 플라즈마 챔버의 전체를 도시한 사시도이고, 도 4는 플라즈마 챔버의 상부평면을 도시한 도면이고, 도 5 및 도 6은 플라즈마 챔버의 측단면을 도시한 도면이다.

도 3 내지 6을 참조하면, 플라즈마 챔버(100)는 챔버몸체(110)와 변압기를 포함한다. 챔버몸체(110)는 세로축 방향에 비하여 가로축 방향이 더 길게 제작되며, 내부에 플라즈마가 발생하기 위한 방전 공간으로써 토로이달 형상의 플라즈마 방전 채널(112)을 포함한다. 챔버몸체(110)는 가스인렛(104)이 구비되며 플라즈마 방전 채널(112)의 상부가 포함되는 상부몸체(114), 가스아웃렛(106)이 구비되며 플라즈마 방전 채널(112)의 하부가 포함되는 하부몸체(116) 및 상부몸체(114)와 하부몸체(116)를 연결하는 두 개의 연결몸체(118)로 구성된다. 여기서, 상부몸체(114)와 하부몸체(116)는 하나의 몸체로 형성될 수도 있고, 제1, 2 상부몸체(114a, 114b)와 제1, 2 하부몸체(116a, 116b)로 분리되어 형성될 수 있다. 상부몸체(114a, 114b)와 하부몸체(116a, 116b) 및 두 개의 연결몸체(118a, 118b)를 결합할 때에는 각각의 챔버몸체 사이에 진공을 위한 오링(미도시)을 구비할 수 있다.

오링은 두 개의 부재로 구성될 수 있다. 그 하나는 탄성 부재이고 다른 하나는 비탄성 부재(예를 들어, 세라믹 재질)이다. 탄성 부재는 실질적인 진공 절연을 위해 사용되며 챔버몸체의 외부 영역에 가깝게 설치되며, 비탄성 부재는 반응기 몸체의 내부 플라즈마 방전 영역에 가깝게 설치된다. 그럼으로 탄성 부재가 고열의 플라즈마 가스에 의해서 열화되는 것을 방지할 수 있다.

상부몸체(114)에는 챔버몸체(110) 내부로 가스를 제공하기 위한 가스인렛(104)이 구비되고, 하부몸체(116)에는 챔버몸체(110) 외부로 활성화된 가스를 배출하기 위한 가스아웃렛(106)이 구비된다. 특히, 가스인렛(104)은 제2 상부몸체(114b)의 중앙에 형성되며 가스인렛(104)을 중심으로 공급된 가스가 플라즈마 방전 채널(112)의 양쪽으로 분기되어 제공되는 구조를 갖는다.

가스아웃렛(106)은 제2 하부몸체(116b)의 하부 중앙에 형성되며 챔버몸체(110) 내부에서 활성화된 가스를 외부로 배출한다. 가스인렛(104)을 통해 공급된 가스는 상부몸체(114)에서 양측으로 분기된 플라즈마 방전 채널(112)을 따라 분기되어 이동되고, 연결몸체(118a, 118b)를 따라 양쪽에서 이동된 후 다시 하부몸체(116)에서 모여 가스아웃렛(106)으로 배출된다(화살표(119)로 표시됨).

가스아웃렛(106)은 가스가 통과될 수 있도록 관통 형성된 배출관(180)과 연결될 수도 있다. 배출관(180)은 제2 하부몸체(116b)와 일체로 형성될 수도 있다. 배출관(180)은 가스가 배출되는 방향으로 관통홀의 직경이 점차적으로 커지도록 형성된다. 그러므로 플라즈마 챔버(100)에서 배출되는 이온이 배출관(180)에 의해 간섭을 받아 다시 결합되는 현상을 방지할 수 있다. 제2 하부몸체(116b)와 배출관(180)은 일체로 형성될 수도 있다. 가스인렛(104)을 통해 챔버몸체(110) 내로 공급된 가스는 토로이달 형상의 플라즈마 방전 채널을 통과하며 방전된 플라즈마에 의해 활성화되어 가스아웃렛(106)을 통해 외부로 배출된다.

플라즈마 챔버(100)는 가스 공급원(90)(도1에 도시됨)과 연결되는 가스공급포트(170)를 포함한다. 가스공급포트(170)는 가스 공급원(90)과 연결되는 가스입구(172)와 제2 가스 공급로(174)를 포함한다. 제2 가스 공급로(174)는 가스인렛(104)과 플라즈마 방전 채널(112)을 연결하는 제1 가스 공급로(105)와 연결된다. 제2 가스 공급로(174)와 제1 가스 공급로(105)는 일직선으로 연결되지 않고, 일정각도로 연결된다. 여기서, 제2 가스 공급로(174)와 제1 가스 공급로(105)는 직각으로 연결되는 것이 바람직하다. 가스 공급원(90)으로부터 공급되는 가스는 매우 높은 압력으로 공급된다. 높은 압력의 가스가 가스인렛(104)을 통해 공급되면, 분사되는 가스에 의해 플라즈마 방전 채널(112) 내부가 손상되어 파티클 요소로 기인할 수 있다. 본 발명에서는 제1 및 제 가스 공급로(105, 174)를 통해 가스가 공급되기 때문에 높은 압력으로 공급되는 가스의 유속 및 압력을 줄일 수 있다. 그러므로 파티클이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

또한 제1 및 2 가스 공급로(105, 174)는 동일한 직경으로 형성될 수도 있다. 또는 제1 및 2 가스 공급로(105, 174)는 서로 다른 직경으로 형성되어 공급되는 가스의 유속을 조절할 수 있다. 예를 들어, 제1 가스 공급로(105)의 직경보다 제2 가스 공급로(174)의 직경을 두 배 정도 더 크게 형성할 수 있다. 그러므로 제2 가스 공급로(174)를 통해 강한 압력으로 공급된 가스는 직경이 작은 제1 가스 공급로(105)를 통과하면서 유속이 조절되어 플라즈마 방전 채널(112)로 공급된다. 그러므로 강한 압력으로 공급되는 가스에 의해 챔버몸체(110)가 손상되어 파티클(Particle)이 발생되는 것을 방지할 수 있다.

추가적으로 제2 상부몸체(114b)에는 복수 개의 영구자석(164)으로 구성된 영구자석모듈이 다른 극성끼리 마주하도록 제1 가스 공급로(105)를 사이에 두고 매설된다. 서로 다른 극성의 영구자석(164)으로 인해, 제1 가스 공급로(105) 내에 자기장이 형성되어 제1 가스 공급로(105)를 통과하는 가스 이온을 회전시켜 가스 이온의 체류 시간을 늘릴 수 있다. 이로써 공급되는 가스의 유속이 조절될 수 있다. 또한 가스아웃렛(106)의 주변에도 영구자석모듈(165)이 더 구비되어 배출되는 가스 이온에 대한 분해율을 높일 수 있다.

플라즈마 챔버(100)에서 토로이달 형상의 플라즈마 방전 채널(112)은 거의 균일하게 단면적이 형성될 수 있다. 플라즈마 챔버(110) 내의 모든 부분들의 직경은 동일하거나 서로 다르게 형성될 수 있다. 예를 들어, 상부몸체(114) 및 하부몸체(116)는 동일한 직경의 플라즈마 방전 채널(112)이 형성될 수 있고, 연결몸체(118)의 직경은 상부 또는 하부몸체(114, 116)의 플라즈마 방전 채널(112) 직경보다 더 작게 형성될 수 있다.

챔버몸체(110)는 알루미늄과 같은 금속성 물질로 제작될 수 있다. 챔버몸체(110)를 금속성 물질로 제작하는 경우, 양극 산화처리(anodized)된 알루미늄과 같은 피복된 금속을 사용하는 것이 바람직하다. 또는 석영과 같은 절연 물질로 제작될 수 있다. 또는 챔버몸체를 금속성 물질로 제작하는 경우 복합소재 예를 들어, 탄소나노튜브와 공유결합된 알루미늄으로 구성되는 복합소재를 사용하는 것이 매우 유용할 수 있다. 이러한 복합 소재는 기존의 알루미늄 보다 강도가 대략 3배 이상이며 강도 대비하여 중량은 경량인 특징을 갖는다.

챔버몸체(110)를 금속성 물질로 제작하는 경우, 유도된 전류가 챔버몸체(110)에 흐르는 것을 방지하기 위하여 하나 이상의 전기적 절연 영역인 절연 브레이크(111)를 갖는다. 플라즈마 챔버(110)는 절연 브레이크(111)가 형성된 연결몸체(118a, 118b)를 기준으로 상부, 하부로 구분된다. 상부몸체(114)와 연결몸체(118) 및 하부몸체(116) 사이에 절연브레이크(111)가 구비된다. 상,하부몸체(114, 116)와 두 개의 연결몸체(118)가 결합됨으로써 토로이달 형상의 플라즈마 방전 채널(112)이 형성된다. 상부몸체(114)는 중앙에 위치한 가스인렛(104)을 중심으로 좌,우로 분기되는 구조를 이룬다.

본 발명에 따른 플라즈마 챔버(100)는 복수 개의 영구자석(162)으로 구성된 영구자석모듈(160)이 구비된다. 영구자석모듈(160)은 복수 개의 영구자석(162)을 트레이 내에 선형으로 배치하여 형성한다. 영구자석모듈(160)은 플라즈마 방전 채널(112)이 사이에 위치하도록 마주되게 챔버몸체(110)에 설치된다. 영구자석모듈(160)은 챔버몸체(110) 내에 매설될 수 있다. 복수 개의 영구자석모듈(160)은 플라즈마 방전 채널(110)의 전체 길이를 따라 설치될 수도 있고, 플라즈마 방전 채널(110)의 일부분에만 설치될 수 있다. 특히, 가스인렛(104)과 가스아웃렛(106)에 인접하도록 영구자석모듈(160)을 위치하여 제공되는 가스 및 배출되는 가스의 이온을 회전시킬 수 있다.

예를 들어, 하나의 영구자석모듈(160)에는 N극의 영구자석(162)을 선형으로 배치하고, 다른 영구자석모듈(160)에는 S극의 영구자석(162)을 선형으로 배치할 수 있다. 또는 N극과 S극의 영구자석(162)을 교대로 배치하여 영구자석모듈(160)을 형성하는 경우, 서로 다른 극성의 영구자석(162)이 마주할 수 있도록 두 개의 영구자석모듈(160)을 설치한다. 두 개의 영구자석모듈(160)은 플라즈마 방전 채널(112)이 사이에 위치하도록 제1 상부몸체(114a)와 제2 상부몸체(114b)에 각각 마주하게 설치된다. 플라즈마 방전 채널(112)에는 변압기에 의해 토로이달 형상의 전기장이 유도되는데, 유도된 전기장은 영구자석모듈(160)에 의해 발생되는 자기장과 상이한 방향을 갖는다. 그러므로 플라즈마 방전 채널(112) 내의 전자는 회전운동한다. 전자가 회전 운동함으로써 전자의 운동 궤적이 증가하고, 플라즈마 방전 채널(112) 내에서의 잔류 시간이 늘어나게 되어 가스 분해 효율이 높아진다. 본 발명에서는 상부몸체(114)에 한 쌍의 영구자석모듈(160)을 마주하게 설치한 것으로 도시하여 설명하였으나, 복수의 영구자석모듈(160) 쌍을 마주하게 설치할 수도 있다.

플라즈마 챔버(100)와 전원 공급원(30)은 물리적으로 분리된 구조를 갖는다. 즉, 플라즈마 챔버(100)와 전원 공급원(30)은 무선 주파수 공급 케이블에 의해서 상호 전기적으로 연결된다. 이러한 플라즈마 챔버와 전원 공급원(30)의 분리 구조는 유지 보수와 설치의 용이성을 제공한다. 그러나 플라즈마 챔버(100)와 전원 공급원(30)이 일체형 구조로 제공될 수도 있다.

도 1 및 도 3을 참조하면, 플라즈마 챔버(100)는 전자기 에너지를 플라즈마 방전 채널(112) 내에 형성되는 플라즈마로 결합시키는 변압기를 포함한다. 변압기는 페라이트 코어(132), 일차 권선 코일(134)을 포함한다. 페라이트 코어(132)는 플라즈마 방전 채널(112)과 쇄교하도록 챔버몸체(110)에 설치된다. 페라이트 코어(132)에는 전원 공급원(30)과 연결되는 일차 권선 코일(134)이 권선된다. 일차 권선 코일(134)은 전원 공급원(30)으로부터 무선 주파수를 공급받아 되고, 토로이달 형상의 플라즈마 채널(112) 내의 플라즈마가 변압기의 이차 회로를 형성한다.

페라이트 코어(132)는 상부몸체(114) 또는 하부몸체(116) 중 어느 하나에 설치될 수도 있고(미도시), 상부몸체(114)와 하부몸체(116) 모두에 설치될 수 있다. 특히, 페라이트 코어(132)는 좌, 우로 분기된 플라즈마 방전 채널(112)의 양쪽 또는 한쪽(미도시)에 설치될 수 있다. 특히, 가스인렛(104)과 가스아웃렛(106)을 중심으로 양쪽으로 근접하게 페라이트 코어(132)를 설치함으로써, 상부챔버몸체(114) 및 하부챔버몸체(116)에 플라즈마(112a, 112b)가 발생된다. 가스인렛(104)의 양쪽으로 설치되는 페라이트 코어(132)는 통합적으로 플라즈마(112a)가 형성될 수 있도록 근접하게 설치되는 것이 바람직하다. 가스아웃렛(106)의 양쪽으로 설치되는 페라이트 코어(132) 또한 동일하다.

가스인렛(104)으로 제공된 가스는 플라즈마 방전 채널(112) 내로 분기되고, 상부몸체(114)에 설치된 페라이트 코어(132)에 의해 방전되어 플라즈마(112a)가 발생한다. 발생된 플라즈마(112a)는 균일하게 양쪽으로 분기되어 두 개의 연결몸체(118a, 118b)제공되고, 다시 모여 가스아웃렛(106)을 통해 외부로 배출된다. 플라즈마 방전 채널(112)을 이동하며 재결합되거나, 분해되지 않은 가스는 배출되기 전에, 하부몸체(116)내에 발생된 플라즈마(112b)에 의해 한번 더 활성화된 가스로 분해될 수 있다.

종래에 페라이트 코어(132)가 연결몸체(118a, 118b)에 설치되는 경우, 가스는 연결몸체(118a, 118b)를 빠르게 통과하여 이동하게 된다. 그러므로 가스의 연결몸체(118) 내 체류시간이 짧아 플라즈마와의 반응 시간 또한 짧아진다. 또한 연결몸체(118a, 118b)에 각각 페라이트 코어(132)를 설치하여 각각의 페라이트 코어(132)에 의해 유도되는 전기장의 세기 및 압력이 균일하지 않게 된다. 그러므로 연결몸체(118a, 118b)로 이동되는 가스가 한쪽으로만 몰리게 되어 균일하게 가스가 활성화되지 못한다. 또한 플라즈마가 몰린 부분에서는 활성화된 가스로의 분해율이 낮아져 공급된 가스가 모두 활성화되지 못하고 그대로 배출될 수도 있다.

반면에, 도면에 도시한 바와 같이 페라이트 코어(132)를 상부몸체(114)와 하부몸체(116)에 설치하면, 가스인렛(104)에 인접하여 플라즈마(112a)가 형성되어 두 개의 연결몸체(118a, 118b)로 균일하게 플라즈마가 제공된다. 그러므로 두 개의 연결몸체(118a, 118b)에서의 가스 분해율이 향상될 수 있다. 주입된 가스는 챔버 상부에서 한번, 챔버 하부에서 다시 한번 더 에너지를 공급받기 때문에 여러 번 플라즈마와 반응하여 가스의 활성화 비율이 높아진다. 또한 챔버몸체(110)를 가로측 방향으로 길게 형성함으로써 챔버몸체(110) 내로 공급된 가스가 압력 차이에 의해 한쪽으로만 쏠리는 것을 방지할 수 있다.

또한 영구자석모듈(160)에 의해 형성되는 자기장에 의해 가스는 플라즈마 방전 채널(112) 내에서 체류하는 시간을 길어지고, 이와 비례하여 플라즈마의 반응 시간이 길어져 가스분해율이 향상되어 배출되는 가스의 활성화 비율이 높아지게 된다.

챔버몸체(110)는 내부에서 발생되는 고온의 플라즈마에 의해 챔버몸체(110)가 과열되어 손상되는 것을 방지하기 위한 냉각채널(101)을 포함한다. 냉각채널(101)은 챔버몸체(110) 내에서 냉각수가 순환되는 냉각수 패스일 수도 있고, 챔버몸체(110)를 덮는 별도의 냉각 커버일 수도 있다. 마그네틱 코어(132)와 일차 권선 코일(134) 등과 같은 전기적 부품의 과열 방지하기 위해서도 별도의 냉각 수단이 구비될 수 있다. 본 발명에서의 냉각채널(101)은 냉각수가 순환되는 구조로, 플라즈마 방전 채널(112)의 주변으로 챔버몸체(110) 내에 형성된다. 이때, 냉각채널은 상부챔버(114), 하부챔버(116) 및 연결챔버(118a, 118b)와 연결되는 하나의 순환구조를 갖는다.

상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서의 플라즈마 챔버(100)는 가스공급포트(170)를 통해 플라즈마 방전 채널(112)로 공급되는 가스의 유속을 조절하여 플라즈마 챔버 내로 균일하게 가스가 분포될 수 있도록 한다. 또한 영구자석모듈(160)에 의해서 플라즈마 방전 채널(112) 내의 전자들이 회전하며 체류시간이 증대되고, 이는 활성화 가스로 유지되는 비율을 향상시킬 수 있다. 또한 가스인렛(104)과 가스아웃렛(106)이 형성된 상부몸체(114)와 하부몸체(116)에 페라이트 코어(132)가 설치됨으로써 플라즈마 방전 채널(112) 내에서의 가스 분해율을 향상시킨다.

도 7은 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 플라즈마 챔버의 전체를 도시한 사시도이고, 도 8은 플라즈마 챔버의 상부평면을 도시한 도면이고, 도 9 및 도 10은 플라즈마 챔버의 측단면을 도시한 도면이다.

도 7 내지 도 10을 참조하면, 플라즈마 챔버(200)는 상부몸체(214)와 하부몸체(216) 및 연결몸체(218a, 218b)로 구성된다. 상부몸체(214)에는 가스입구(272)를 갖는 가스공급포트(270)와 연결되는 가스인렛(204)이 구비되고, 하부몸체(216)에는 활성화된 가스가 배출되는 가스아웃렛(206)이 구비된다. 가스아웃렛(206)에는 활성화된 가스가 통과될 수 있는 관통홀이 형성된 배출관(280)이 연결될 수 있다.

플라즈마 챔버(200)는 가스인렛(204)과 가스아웃렛(206)을 중심으로 인접하게 페라이트 코어(232)가 설치됨으로써 상부몸체(214) 및 하부몸체(216)에 플라즈마(212a, 212b)가 형성된다. 가스인렛(204)을 통해 공급된 가스는 상부몸체(214) 및 하부몸체(216)에 형성된 플라즈마(212a, 212b)에 활성화된 가스로 분해되어 가스아웃렛(206)으로 배출된다(화살표(219)로 표시됨).

상부몸체(214)와 하부몸체(216) 및 연결몸체(218a, 218b)는 양단이 소정의 각도(빗각)를 갖도록 형성된 빗각 결합부(211)를 포함한다. 빗각 결합부(211)에는 상부몸체(214)와 하부몸체(216) 및 연결몸체(218a, 218b) 사이의 전기적 절연을 위한 절연 브레이크로써 오링(미도시)이 설치된다. 오링은 두 개의 부재로 구성될 수 있다. 그 하나는 탄성 부재이고 다른 하나는 비탄성 부재(예를 들어, 세라믹 재질)이다. 탄성 부재는 실질적인 진공 절연을 위해 사용되며 챔버몸체의 외부 영역에 가깝게 설치되며, 비탄성 부재는 반응기 몸체의 내부 플라즈마 방전 영역에 가깝게 설치된다. 그럼으로 탄성 부재가 고열의 플라즈마 가스에 의해서 열화되는 것을 방지할 수 있다.

상부몸체(214) 및 하부몸체(216)는 플라즈마 방전 채널(212)을 형성하기 위하여 빗각 결합부를 갖는 일단에서부터 타단을 향하여 내부를 깍아 가공한다. 또한 두 개의 연결몸체(218a, 218b)도 플라즈마 방전 채널(212)을 형성하기 위하여 빗각 결합부를 갖는 일단에서부터 타단을 향하여 내부를 깍아 가공한다. 그러므로 네 번의 가공에 의해 네 개의 챔버몸체(상부몸체(214)와 하부몸체(216) 및 연결몸체(218a, 218b))를 형성하고, 이를 결합함으로써 토로이달 형상의 플라즈마 방전 채널(212)을 형성할 수 있다. 그러므로 빗각 결합부(211)를 갖는 플라즈마 챔버(200)는 네 개의 챔버몸체만을 가공하므로 가공비용을 매우 절감할 수 있다. 또한 빗각 결합부의 대면 면적이 넓어 연결몸체(218a, 218b)를 이용한 초기 방전이 용이하다.

페라이트 코어(232)는 "ㄷ"자 형상으로 형성되며, 챔버몸체(210)를 사이에 두고 두 개의 페라이트 코어(232)가 연결되도록 챔버몸체(210)에 설치된다. 두 개의 페라이트 코어(232)는 챔버몸체에서 분리되지 않도록 페라이트 코어의 외부에 고정 조인트(290)를 설치한다. 페라이트 코어(232)의 외부에 고정 조인트(290)를 설치하여 페라이트 코어(232)를 고정할 수 있다.

플라즈마 챔버(200)는 가스공급을 위한 가스공급포트(270)를 포함한다. 가스공급포트(270)는 제2 가스 공급로(274)를 포함하고, 상부몸체(214)에 형성된 제1 가스 공급로(264)와 연결된다. 가스공급포트(270)와 연결되는 구조 및 작용은 상기에 설명한 바와 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.

플라즈마 챔버(200)는 도면에서는 도시하지 않았으나, 제1 실시예에서의 플라즈마 챔버(100)와 같이, 이온의 회전을 위한 영구자석모듈(미도시)을 포함할 수 있다. 영구자석모듈(미도시)에 의해 플라즈마 방전 채널(212) 내의 이온이 회전하여 체류 시간이 증대됨으로써 이온 분해율이 향상된다.

도 11은 플라즈마 챔버의 냉각채널을 도시한 도면이다.

도 11을 참조하면, 플라즈마 챔버(200)는 챔버몸체(210)의 냉각을 위한 냉각채널(250)이 구비된다. 냉각채널(250)은 상부몸체(214), 하부몸체(216) 및 연결몸체(218a, 218b)에 형성된 플라즈마 방전 채널(212)을 따라 형성된다. 하부몸체(216)의 양측에 형성된 냉각수 주입구(252)를 통해 냉각수가 공급되면, 하부몸체(216)와 두 개의 연결몸체(218a, 218b) 내의 냉각채널을 따라 냉각수가 이동되고, 두 개의 연결몸체(218a, 218b)를 냉각시킨 냉각수는 상부몸체(214) 내의 냉각수 채널로 공급되어 냉각수 배출구(254)를 통해 배출된다.

도 12는 본 발명에서의 연결몸체를 이용한 점화장치를 도시한 도면이고, 도 13은 연결몸체에 퓨즈 및 캐패시터가 연결된 상태를 도시한 도면이고, 도 14 및 도 15는 유도 코일이 추가 권선된 플라즈마 챔버 구성을 도시한 도면이다.

도 12를 참조하면, 플라즈마 챔버(100a)는 토로이달 형상의 플라즈마 채널(112) 내의 플라즈마를 점화하는 초기 이온화 이벤트를 제공하는 자유 전하를 생성하기 위한 점화장치를 포함할 수 있다. 초기 이온화 이벤트는 플라즈마 챔버(100)에 인가되는 짧고 높은 전압 펄스일 수 있다. 연속적인 높은 RF 전압은 또한 초기 이온화 이벤트를 생성하도록 사용될 수 있다. 자외선 복사는 또한, 플라즈마 채널(112) 내의 플라즈마를 점화하는 초기 이온화 이벤트를 제공하는, 플라즈마 채널(112) 내의 자유 전하를 생성하도록 사용될 수 있다. 점화전력은 플라즈마 챔버(100a)에 위치되는 점화전극에 인가될 수도 있고, 일차권선(132)에 직접 인가되어 초기 이온화 이벤트를 제공할 수 있다. 또는, 플라즈마 챔버(100a)는 챔버몸체(110)에 광학 결합하는 자외선 광원(미도시)으로부터 나오는 자외선 복사에 노출되어 플라즈마를 점화하는 초기 이온화 이벤트를 유발할 수 있다.

본 발명에서의 플라즈마 챔버(100)는 연결몸체(118a, 118b)와 상부몸체(114), 연결몸체(118a, 118b)와 하부몸체(116) 사이에서 초기 이온화 이벤트를 유발한다. 플라즈마 챔버(100a)는 연결몸체(118a, 118b)을 점화장치로 이용하여 토로이달 형상의 플라즈마 채널(112) 내의 플라즈마를 점화하는 초기 이온화 이벤트를 제공하는 자유 전하를 생성할 수 있다. 전원 공급원(102)은 승압 트랜스(150)를 통해 두 개의 연결몸체(118a, 118b)에 연결된다. 플라즈마 점화를 위해서는 전원 공급원(30)으로부터 제공된 전력은 승압 트랜스(150)를 통해 연결몸체(118a, 118b)로 공급된다. 그러면 연결몸체(118a, 118b)와 상부몸체(114) 및 하부몸체(116) 사이의 전위차에 의해 플라즈마를 점화하는 초기 점화가 이루어진다. 연결몸체(118a, 118b)를 이용한 초기점화 방법은 상기에 설명된 제1 및 제2 실시예에 모두 적용된다.

그러므로 플라즈마 챔버(100a)는 챔버몸체를 이용한 플라즈마 점화가 가능하기 때문에 별도의 점화장치(예를 들어, 점화전극)를 구비하지 않아도 된다. 별도의 점화장치가 불필요하므로 점화장치에 의해 파티클이 발생되는 것을 방지할 수 있다. 또한 낮은 전압을 인가하여도 플라즈마 점화가 가능하여 플라즈마 점화 성공률이 향상된다. 별도의 점화장치를 추가로 설치하여 보조적 점화장치로 사용할 수도 있다. 전원 공급원(30)은 하나 또는 그 이상일 수 있다. 승압 트랜스(150)는 스위치 회로(152)를 통해 연결되며, 플라즈마 점화시에는 스위치 회로(152)를 온(on)하고, 플라즈마 점화 성공시에는 스위치 회로(152)를 오프(off)할 수 있다. 다른 실시예로써, 플라즈마 점화를 완료한 후에도 스위치 회로(152)를 온(on)하여 플라즈마 상태가 지속될 수 있도록 할 수 있다.

도 13(a)를 참조하면, 플라즈마 챔버(100a-1)의 연결몸체(118a, 118b)에는 전류 조절을 위한 캐패시터(154)와 퓨즈(153)가 직렬로 연결될 수 있다. 캐패시터(154)는 전원 공급원(30)으로부터 공급되는 전력이 연결몸체(118a, 118b)에 과잉공급되지 않도록 전류를 제어하는 기능을 수행한다. 퓨즈(153)는 과전류가 연결몸체(118a, 118b)에 공급되지 않도록 제어한다. 캐패시터(154)는 스위치 회로(152)를 통해 플라즈마의 초기 이온화 이벤트를 수행하는 경우에만 연결될 수도 있고, 계속 연결될 수도 있다. 캐패시터(154)는 두 개의 연결몸체(118a, 118b) 중 어느 하나에만 연결(미도시)될 수도 있고, 모두에 연결될 수도 있다.

도 13(b)를 참조하면, 플라즈마 챔버(100a-2)의 연결몸체(118a, 118b)에는 전류 조절을 위한 가변 캐패시터(156)가 설치될 수 있다. 연결몸체(118a, 118b)는 지속적으로 플라즈마 점화 기능을 수행하면서 내부 코팅막(예를 들어 아노다이징 코팅막)의 두께가 얇아지게 된다. 그러면 연결몸체(118a, 118b)의 캐패시턴스 값이 변화하게 된다. 플라즈마 방전이 지속적으로 균일하게 일어나기 위해서는 전체 캐패시턴스 값이 일정해야 한다. 그러나 연결몸체(118a, 118b)의 내부 코팅막에 의한 캐패시턴스 값이 변화하면, 일정한 캐패시턴스 값을 유지하기 어려워진다. 그러므로 가변 캐패시터(156)를 이용하여 캐패시턴스 값을 조절함으로써 일정한 캐패시턴스 값을 유지할 수 있어 균일한 플라즈마 점화가 가능하다.

도 14 및 도 15를 참조하면, 플라즈마 챔버(100b, 100c)는 페라이트 코어(130)에 추가로 권선되는 유도 코일(136)을 포함한다. 추가로 권선된 유도 코일(136)은 페라이트 코어(132)에 권선되며, 권선된 유도 코일(136)은 일단이 두 개의 연결몸체(118a, 118b)에 연결된다. 일차 권선 코일(132)로 공급되는 전류는 추가 권선된 유도 코일(136)에 유도되어 연결몸체(118a, 118b)로 공급된다. 두 개의 연결몸체(118a, 118b)는 스위치 회로(152)를 통해 연결되며, 동전위의 전류가 공급되고, 도 15를 참조하면, 두 개의 연결몸체(118a, 118b)에는 역전위의 전류가 공급된다.

도 16은 연결몸체에 퓨즈 및 캐패시터가 연결된 상태를 도시한 도면이다.

도 16을 참조하면, 플라즈마 챔버(100c-1, 100c-2)는 전류 제어를 위한 캐패시터(154) 또는 가변 캐패시터(156), 및 퓨즈(153)가 직렬로 연결될 수 있다. 캐패시터(154), 가변 캐패시터(156) 및 퓨즈(153)의 기능은 도 13에서의 설명과 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.

도 17은 일차 권선 코일이 페라이트 코어에 권선되는 다양한 변형 실시예를 도시한 도면이다.

도 17을 참조하면, 플라즈마 챔버(100)는 다양한 방식으로 다수 개의 페라이트 코어(132)에 일차 권선 코일(134)이 권선될 수 있다. 일차 권선 코일(134)은 전원 공급원(30)과 연결되어 상부몸체(114) 및 하부몸체(116)에 설치되는 제1, 2, 3, 4 페라이트 코어(132a, 132b, 132c, 132d)에 함께 권선될 수 있다. 또한 일차 권선 코일(134)은 전원 공급원(30)과 연결되어 제1, 2 페라이트 코어(132a, 132b)에 권선된 후 제3, 4 페라이트 코어(132c, 132d)에 권선될 수 있다. 또한 일차 권선 코일(134)은 제1, 2, 3, 4 페라이트 코어(132a, 132b, 132c, 132d) 각각에 순차적으로 권선될 수 있다. 또한 일차 권선 코일(134)은 분기되어 제1, 2 페라이트 코어(132a, 132b) 및 제3, 4 페라이트 코어(132c, 132d)에 권선될 수 있다.

도 18은 다양한 실시예의 가스인렛을 도시한 도면이다.

도 18을 참조하면, 가스인렛(104)은 하나의 홀로 형성(도 18a에 도시됨)될 수 있고, 다수개의 홀(104a)(도 18b에 도시됨)이 선형으로 배치되어 형성될 수 있다. 또는 다수개의 홀이 원형으로 군집(104b)(도 18c에 도시됨)을 이루어서 형성될 수 있다. 가스인렛(104)이 다수개의 홀로 형성되는 경우에는 플라즈마 방전 채널(112) 내로 가스분사가 나누어져 분사될 수 있어, 하나의 홀을 통해 가스가 분사되는 구조에 비하여 가스가 균일하게 분사될 수 있다. 아울러, 도면에는 도시하지 않았으나, 가스인렛(104)은 공급되는 가스가 나선형으로 회전하며 분사될 수 있도록 소정의 각도로 기울어져 형성될 수 있다. 또한 가스인렛(104)의 다양한 실시예는 제1 및 제2 실시예의 플라즈마 챔버(100, 200)에 모두 적용이 가능하다.

도 19는 유량 조절부가 구비된 플라즈마 챔버를 간략하게 도시한 구성도이고, 도 20은 유량 조절부의 구성을 간략하게 도시한 도면이다.

도 19 및 도 20을 참조하면, 플라즈마 챔버(100)는 냉각채널(101)로 공급되는 냉각수를 조절하기 위한 유량 조절부(80)를 내부에 포함한다. 유량 조절부(80)는 챔버몸체(110) 내부에 구비되고, 냉각채널(101)과 연결되어 냉각채널 내로 냉각수를 공급하거나 제한하기 위한 수단을 일컫는다. 예를 들어, 유량 조절부(80)는 밸브 또는 개폐를 위한 스위치일 수 있다.

냉각수를 순환시키는 경우, 유량 조절부(80)를 이용하여 냉각채널(101)로 냉각수가 순환될 수 있도록 한다. 또한 냉각수의 순환을 정지시키는 경우, 유량 조절부(80)를 이용하여 냉각채널(101)로 냉각수가 순환되지 않도록 한다. 플라즈마 챔버(100)는 챔버몸체(110)의 상태를 측정하기 위한 센서(113)가 구비된다.

센서(113)는 챔버몸체(110)의 온도, 냉각채널 내를 순환하는 냉각수의 유량 및 냉각채널 내를 순환하는 냉각수의 압력 등을 측정한다. 센서(113)는 챔버몸체(110) 내부에 형성되는 플라즈마의 상태 정보를 이용할 수도 있다. 센서(113)에서 측정된 챔버몸체(110)의 상태 정보는 시스템 제어부(60)로 공급된다.

유량 조절부(80)는 시스템 제어부(60)의 신호에 의해 제어되어 냉각채널(101)로 공급되는 냉각수의 양을 조절한다. 유량 조절부(80)는 냉각채널(101)을 차단하거나 개방하여 냉각채널(101)을 순환하는 냉각수의 양을 조절할 수 있다. 또는 냉각수 공급원(70) 및 유량 조절부(80)를 함께 제어하여 냉각채널(101)로 공급되는 냉각수의 양을 조절할 수도 있다.

플라즈마 챔버(100)의 구동 유무에 관계없이 냉각채널(101)에 계속 냉각수를 공급하면, 플라즈마 챔버(100)의 온도가 너무 낮아져서 플라즈마 초기방전 실패가 나타날 수 있다. 그러므로 유량 조절부(80)를 이용하여 플라즈마 챔버(100)가 구동되어 챔버몸체(110)가 플라즈마에 의해 과열되는 경우에만 냉각수를 공급하기 때문에 플라즈마 초기방전 성공률을 향상시킬 수 있다. 여기서, 챔버몸체(110)의 온도는 챔버몸체(110) 전체 온도를 의미할 수도 있고, 플라즈마가 발생되는 플라즈마 방전 채널(112) 내부 온도일 수도 있다. 또는 챔버몸체(110)의 특정부분, 특히 온도가 높은 가스아웃렛(106) 부분의 온도를 측정할 수도 있다.

유량 조절부(80)는 구동부(82)와 개폐바(84) 및 탄성부재(86)로 구성된다. 구동부(82)는 개폐바(84)를 상,하 또는 좌, 우로 이동시키기 위한 구성으로 시스템 제어부(60)로부터 전달되는 제어신호에 의해 구동된다. 개폐바(84)는 냉각채널(101)을 개폐하기 위한 수단으로 기능하며, 상,하 또는 좌, 우로 이동될 수 있도록 챔버몸체(110) 내부에 삽입되며, 개폐바(84)의 일부에 의해 냉각채널(101)이 차단된다. 개폐바(84)는 냉각채널(101)을 차단하기 위한 헤드(84a) 및 해당 헤드(84a)에서 연결되는 몸체(84b)로 구성된다. 개폐바(84)는 챔버몸체(110)에 형성된 홀에 삽입되며, 개폐바(84)가 위로 이동시 챔버몸체(110)와의 마찰되는 것을 방지하거나 또는 진공유지를 위하여 홀 내부에 오링(85)이 구비된다.

예를 들어, 개폐바(84)가 위로 이동되면, 냉각채널(101)이 개방되어 냉각수 공급원(70)으로부터 공급된 냉각수가 냉각채널(101)을 따라 순환하게 된다. 또한 개폐바(84)가 아래로 이동되면, 개폐바(84)의 헤드(84a)에 의해 냉각채널(101)이 차단되어 냉각수 공급원(70)으로부터 공급된 냉각수가 냉각채널(101)로 공급되지 않는다. 개폐바(84)의 이동 정도에 따라 냉각채널(101)이 개방되는 정도를 조절할 수 있으므로 냉각채널(101) 내로 공급되는 냉각수의 양을 조절할 수 있다. 챔버몸체(110)의 온도가 높은 경우 냉각수 공급량을 증가시키고, 챔버몸체(110)의 온도가 낮아진 경우 냉각수 공급량을 감소시킴으로써 챔버몸체(110)의 온도에 따른 냉각수의 양을 조절한다. 구동부(82)와 개폐바(84) 사이에는 탄성부재(86)가 포함된다.

도 21은 유량 조절부를 이용한 냉각수 순환 제어 방법을 도시한 흐름도이다.

도 21을 참조하면, 챔버몸체(110)의 과열을 방지하기 위한 냉각수 조절 방법을 설명하면 다음과 같다.

플라즈마를 발생시키기 위하여 전원 공급원(30)으로부터 무선 주파수를 공급받아 플라즈마 챔버(100)가 구동된다(S110). 플라즈마 챔버(100)는 플라즈마 방전 채널(112) 내에서 플라즈마가 발생되며, 챔버몸체(110)가 고온의 플라즈마에 의해 과열된다. 여기서, 센서(113)를 이용하여 플라즈마 챔버(100)의 상태를 측정한다(S120). 플라즈마 챔버(100)의 상태란 상기에서 설명된 바와 같이, 챔버몸체(110)의 온도, 냉각수 유량, 냉각수 압력 또는 플라즈마 방전 채널(112) 내의 온도 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 측정된 상태 정보는 시스템 제어부(60)로 전송된다(S130). 시스템 제어부(60)에서는 측정된 상태 정보를 이용하여 플라즈마 챔버(100)의 상태, 예를 들어 챔버몸체(110)의 온도를 확인한다. 시스템 제어부(60)는 측정된 상태 정보와 기준값을 비교하여 냉각수를 공급할지 여부를 판단한다. 여기서, 기준값이란 플라즈마가 정상적으로 발생될 수 있도록 설정된 온도 , 냉각수 유량 또는 유압 등과 같은 정보로 사용자에 의해 설정된다. 측정된 정보가 기준값과 같거나 크면, 챔버몸체(110)가 과열된 상태로 판단되어 온도를 낮추기 위하여 냉각수를 공급해야 한다. 시스템 제어부(60)는 유량 조절부(80)로 제어신호를 전달한다(S140).

여기서, 제어신호는 냉각수의 양을 조절하기 위한 개폐바(84)의 이동정도를 제어하는 신호이다. 제어신호에 의해 유량 조절부(80)의 개폐바(84)는 냉각채널(101)이 개방되도록 이동하여 냉각채널(101)을 따라 냉각수가 순환된다(S150). 시스템 제어부(60)는 플라즈마 챔버(100)가 계속 구동되고 있는지, 플라즈마 챔버(100)가 오프된 상태인지를 확인하고(S160), 플라즈마 챔버(100)의 구동이 오프되면 냉각채널(101)로 냉각수가 공급되는 것을 차단하기 위한 제어신호를 유량 조절부(80)로 전달한다(S170). 제어신호에 의해 유량 조절부(80)의 개폐바(84)는 냉각채널(101)이 차단되도록 이동하여 냉각수의 공급을 차단한다(S180). 시스템 제어부(60)는 플라즈마 챔버(100)의 구동이 오프되면 곧바로 냉각수의 공급을 차단할 수도 있고, 챔버몸체(110)의 상태에 따라 소정의 시간이 지난 후에 냉각수의 공급 차단할 수도 있다.

본 발명에서는 센서(113)를 이용하여 플라즈마 챔버(100)의 상태를 측정하며 냉각수 공급을 제어하는 방법을 설명하였으나, 플라즈마 챔버(100)가 구동되면 냉각수가 공급되고, 플라즈마 챔버(100)가 구동을 멈추면 냉각수의 공급이 차단되도록 제어될 수 있다.

본 발명에서의 유량 조절부(80)는 챔버몸체(110) 전체를 순환하는 냉각수의 흐름을 조절하는 것을 설명하였으나, 챔버몸체(110)의 일부분으로만 냉각수가 순환될 수 있도록 제어할 수 있다. 유량 조절부(80)는 제1 및 제2 실시예의 플라즈마 챔버(100, 200)에 모두 적용이 가능하다.

도 22는 플라즈마 챔버에서 냉각채널의 다양한 실시예를 도시한 도면이다.

도 22를 참조하면, 본 발명의 플라즈마 챔버(300)는 대면적으로 플라즈마 챔버(300)를 냉각하기 위하여 면 방식으로 형성된 냉각채널(330)을 포함한다. 냉각채널(330)은 소정 양의 냉각수가 저장될 수 있도록 챔버 몸체(310)에 홈 형태로 형성된다. 예를 들어, 챔버 몸체(310)는 상부 몸체(312), 하부 몸체(316) 및 연결 몸체(314)의 둘레를 따라 홈 형태의 냉각 채널(330)이 형성된다. 특히, 상부 몸체(312)의 상부 및 하부 몸체(316)의 상부에도 냉각 채널(330)이 구비됨으로써 냉각 효율을 극대화할 수 있다. 챔버 몸체(310)에는 냉각 채널(330)을 위한 홈이 형성되고, 외부에는 홈을 덮을 수 있도록 커버가 구비된다.

상부 몸체(312), 하부 몸체(316) 및 연결 몸체(314)에 형성된 냉각 채널(330)은 모두 연결된다. 냉각수 주입구(311)를 통해 공급된 냉각수는 냉각 채널(330)을 따라 순환된 후 냉각수 배출구(317)를 통해 배출된다.

이상에서 설명된 본 발명의 가스 분해 효율 향상을 위한 플라즈마 챔버의 실시예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다.

그럼으로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

10: 공정챔버 30: 전원 공급원
60: 시스템 제어부 180, 280: 배출관
100, 200: 플라즈마 챔버 104, 204: 가스인렛
105, 264: 제1 가스 공급로 106, 216: 가스아웃렛
110, 210: 챔버몸체 111: 절연 브레이크
112, 212: 플라즈마 방전 채널 114a, 114b: 제1, 2 상부몸체
116a, 116b: 제1, 2 하부몸체 118a, 118b: 연결몸체
132: 페라이트 코어 134: 일차 권선 코일
136: 유도 코일 160: 영구자석모듈
162: 영구자석 170, 270: 가스공급포트
172: 가스입구 174, 274: 제2 가스 공급로

Claims (13)

1. 가스인렛을 포함하는 상부몸체와, 가스아웃렛을 포함하는 하부몸체 및 상기 상부몸체와 상기 하부몸체를 연결하는 연결몸체가 결합되어 내부에 사각 형상의 플라즈마 방전 채널을 형성하는 챔버몸체;
   상기 플라즈마 방전 채널과 쇄교하도록 상기 상부몸체 및 상기 하부몸체 중 어느 하나, 또는 상기 상부몸체와 상기 하부몸체 모두에 설치되는 복수 개의 페라이트 코어;
   상기 페라이트 코어에 권선되어 전력을 공급받아 구동되는 일차 권선 코일;
   상기 플라즈마 방전 채널을 중심으로 서로 다른 극성의 영구자석이 마주하게 상기 챔버몸체에 설치되어 상기 플라즈마 방전 채널 내로 자기장을 형성하는 영구자석모듈; 및
   상기 가스인렛과 연결되며 가스 공급원으로부터 공급된 가스를 상기 챔버몸체의 상기 플라즈마 방전 채널로 공급하기 위한 가스 공급로를 갖는 가스공급포트를 포함하고,
   상기 복수 개의 페라이트 코어는,
   상기 가스인렛을 중심으로 근접하게 설치되어 상기 상부몸체에 플라즈마를 형성하거나, 상기 가스아웃렛을 중심으로 근접하게 설치되어 상기 하부몸체에 플라즈마를 형성하여 상기 플라즈마 방전 채널 내로 균일한 플라즈마 분포가 이루어지고,
   상기 영구자석모듈에 의해 상기 플라즈마 방전 채널 내의 이온이 회전되며 가스 분해율을 향상시키고,
   상기 챔버몸체는,
   상기 상부몸체와 상기 하부몸체가 평행하게 형성되고, 상기 연결몸체는 상기 상부몸체와 상기 하부몸체의 일측과 타측에서 각각 연결되어 전체적으로 사각형상의 챔버를 형성하고,
   상기 복수개의 페라이트 코어는,
   상기 상부몸체에 수직하고 상기 가스인렛의 양측에 한쌍으로 형성되는, 가스 분해 효율 향상을 위한 플라즈마 챔버.
2. 제1항에 있어서,
   상기 상부몸체와 상기 연결몸체, 상기 하부몸체와 상기 연결몸체가 결합되는 단부가 빗각으로 형성된 빗각 결합부를 더 포함하는 가스 분해 효율 향상을 위한 플라즈마 챔버.
3. 제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 챔버몸체는,
   상기 가스인렛과 상기 플라즈마 방전 채널을 연결하는 다른 가스 공급로를 포함하는 하는 가스 분해 효율 향상을 위한 플라즈마 챔버.
4. 제3항에 있어서,
   상기 플라즈마 챔버는,
   상기 다른 가스 공급로를 중심으로 서로 다른 극성의 영구자석이 마주하도록 설치되는 다른 영구자석모듈을 더 포함하는 가스 분해 효율 향상을 위한 플라즈마 챔버.
5. 제3항에 있어서,
   상기 가스 공급로와 상기 다른 가스 공급로는 일직선으로 연결되지 않는 가스 분해 효율 향상을 위한 플라즈마 챔버.
6. 제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 가스아웃렛은,
   배출되는 가스의 흐름 방향으로 직경이 점점 커지는 가스 분해 효율 향상을 위한 플라즈마 챔버.
7. 제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 연결몸체의 단면적은,
   상기 상부몸체의 단면적 또는 상기 하부몸체의 단면적보다 작은 가스 분해 효율 향상을 위한 플라즈마 챔버.
8. 제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 플라즈마 챔버는,
   상기 연결몸체와 상기 상부몸체 또는 상기 연결몸체와 상기 하부몸체 사이에 발생되는 전위차에 의해 초기점화를 유도하는 가스 분해 효율 향상을 위한 플라즈마 챔버.
9. 제8항에 있어서,
   상기 플라즈마 챔버는,
   상기 연결몸체로 공급되는 전류를 제어하기 위한 고정 캐패시터 또는 가변 캐패시터를 더 포함하는 가스 분해 효율 향상을 위한 플라즈마 챔버.
10. 제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스인렛은,
    복수개의 홀로 형성된 가스 분해 효율 향상을 위한 플라즈마 챔버.
11. 제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플라즈마 챔버는,
    상기 플라즈마 챔버의 과열을 방지하기 위한 냉각채널을 더 포함하는 가스 분해 효율 향상을 위한 플라즈마 챔버.
12. 제11항에 있어서,
    상기 플라즈마 챔버는,
    상기 냉각채널 내로 공급되는 냉각수의 양을 조절하기 위한 유량 조절부를 더 포함하는 가스 분해 효율 향상을 위한 플라즈마 챔버.
13. 가스인렛을 포함하는 상부몸체와, 가스아웃렛을 포함하는 하부몸체 및 상기 상부몸체와 상기 하부몸체를 연결하는 연결몸체가 결합되어 내부에 사각 형상의 플라즈마 방전 채널을 형성하는 챔버몸체;
    상기 플라즈마 방전 채널과 쇄교하도록 상기 상부몸체 및 상기 하부몸체 중 어느 하나, 또는 상기 상부몸체와 상기 하부몸체 모두에 설치되는 복수 개의 페라이트 코어;
    상기 페라이트 코어에 권선되어 전력을 공급받아 구동되는 일차 권선 코일; 및
    상기 가스인렛과 연결되며 가스 공급원으로부터 공급된 가스를 상기 챔버몸체의 상기 플라즈마 방전 채널로 공급하기 위한 가스 공급로를 갖는 가스공급포트를 포함하고,
    상기 복수 개의 페라이트 코어는,
    상기 가스인렛을 중심으로 근접하게 설치되어 상기 상부몸체에 플라즈마를 형성하거나, 상기 가스아웃렛을 중심으로 근접하게 설치되어 상기 하부몸체에 플라즈마를 형성하여 상기 플라즈마 방전 채널 내로 균일한 플라즈마 분포가 이루어지고,
    상기 챔버몸체는,
    상기 상부몸체와 상기 하부몸체가 평행하게 형성되고, 상기 연결몸체는 상기 상부몸체와 상기 하부몸체의 일측과 타측에서 각각 연결되어 전체적으로 사각형상의 챔버를 형성하고,
    상기 복수개의 페라이트 코어는,
    상기 상부몸체에 수직하고 상기 가스인렛의 양측에 한쌍으로 형성되는, 가스 분해 효율 향상을 위한 플라즈마 챔버.

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