KR101915646B1 - 부하의 마이크로웨이브 처리 설비 - Google Patents

부하의 마이크로웨이브 처리 설비 Download PDF

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Abstract

본 발명은 부하의 마이크로웨이브 처리 설비(1)에 관한 것으로서, 하나 이상의 인가 기구(30); 전자기파를 가이드하는 수단(5)에 의하여 하나 이상의 인가 기구(30)에 연결된, 마이크로웨이브 영역의 하나 이상의 고상 발생기(4); 대응되는 발생기(4)에 의하여 생성된 상기 전자기파의 주파수(f(i))를 조정하도록 설계된 하나 이상의 주파수 조정 시스템(40); 인가 기구(30)에 의하여 반사된 출력(PR(i))을 측정하도록 설계된, 상기 인가 기구(30) 또는 각각의 인가 기구(30)를 위한 측정 시스템(31); 그리고 각각의 주파수 조정 시스템(40) 및 각각의 측정 시스템(31)에 연결되어, 반사 출력(PR(i)) 및/또는 전송 출력(PT(i))을 조정하도록, 반사 출력에 따라 전자기파의 주파수(f(i))의 조정을 제어하는 자동화 제어 수단(6)을 포함한다.

Description

부하의 마이크로웨이브 처리 설비{FACILITY FOR MICROWAVE TREATMENT OF A LOAD}
본 발명은 부하의 마이크로웨이브 처리 설비, 및 연관된 마이크로웨이브 처리 방법에 관한 것이다.
본 발명의 주제는 마이크로웨이브 처리의 분야에 속하고, 이는 마이크로웨이브를 흡수하는 부하에 마이크로웨이브 범위의 전자기파를 인가함으로써 처리하는 과정을 포함하는데, 이러한 부하는 파동의 전부 또는 일부를 흡수할 수 있는 유전 특성을 가진 액체, 고체 또는 기체 산물, 예를 들면 수성 현탁액, 농식품 또는 화학적 산물, 플라즈마 형성 가스, 등으로서, 처리 챔버 내에 담을 수 있는 이러한 부하를 포함할 수 있다.
제1 응용예는, 다양한 응용예를 위해 마이크로웨이브 방사선에 의하여 여기된 플라즈마를 처리 챔버에서 생성함으로써 마이크로웨이브 처리를 하는 설비에 관한 것인데, 다양한 응용예는 예를 들면, 에칭이나 재료층 증착, 특히 다이아몬드, 화학적 또는 열화학적 처리, 분무(spraying), 오염 제거, 멸균, 세척, 질화 처리, 이온 주입, 살균, 등과 같은 표면 처리 응용예가 있지만, 이에 제한되지 않는다.
제2 응용예는, 특히 화학, 의학 및 농식품 분야에서 마이크로웨이브 방사선을 흡수하는 부하의 가열을 이용하는 마이크로웨이브 처리 설비에 관련된다.
더욱 상세하게는, 본 발명은 부하의 마이크로웨이브 처리 설비에 관한 것으로서, 아래를 포함한다:
- 마이크로웨이브 범위의 전자기파를 인가하기 위한 하나 이상의 인가 기구;
- 가이드 수단을 사용하여 전자기파를 인가하는 하나 이상의 인가 기구에 연결되는 마이크로웨이브 범위의 하나 이상의 전자기파 발생기.
본 발명의 제1 응용예는, 상기 또는 각 인가 기구에서 반사되는 출력을 모니터링할 수 있도록 하여, 바람직하게는, 상기 또는 각 인가 기구에서 반사되는 출력을 상쇄하거나 최소화함으로써, 상기 또는 각 인가 기구에 임피던스 매칭을 확보할 수 있도록 하는 것이다.
본 발명의 제2 응용예는 상기 또는 각 인가 기구에 의하여 전송되는 출력의 모니터링이 가능하도록 하여, 바람직하게는 전송 출력을 다양한 인가 기구 사이에서 균등하게 배분함으로써, 주어진 처리 면적에서, 일례로 처리 챔버의 벽으로부터 특정한 거리에서 실질적으로 균일한 출력 밀도를 얻도록 하는 것이다. 플라즈마를 생성하여 작동하는 마이크로웨이브 처리 설비의 경우에, 실질적으로 균일한 출력 밀도를 가지는 실질적으로 균일한 플라즈마를 얻는 것은 관심을 끄는 일이다.
전자 사이클로트론 공명(ECR; electron cyclotron resonance) 플라즈마의 생성을 이용하는 마이크로웨이브 처리 설비의 경우에, 본 발명의 제3 응용예는, 상기 또는 각 인가 기구의 부근에서 공명 표면을 모니터링 할 수 있도록 하고, 따라서, 플라즈마라는 특정한 경우에, 관련된 인가 기구의 부근에서 플라즈마의 생성 표면을 모니터링 할 수 있도록 하는 것이다.
도 1 및 도 2는 플라즈마를 생성함으로써 처리를 행하는 전통적인 마이크로웨이브 처리 설비를 나타내는데, 특히 WO 01/20710 A1 문서에서 알려진 것으로서, 아래를 포함한다:
- 플라즈마가 생성되는 부피를 형성하는 처리 챔버(90)(또는 플라즈마 챔버)를 가지는 반응기(99);
- 마이크로웨이브 범위의 전자기파를 인가하기 위한 처리 챔버(90) 내의 인가 기구(92)를 각각 포함하는 다수의 단위 플라즈마 소스(elementary plasma source)(91); 및
- 전자기파를 가이드하는 가이드 수단(94)에 의하여 인가 기구(92)에 연결되는 마이크로웨이브 범위의 전자기파 발생기(93).
동작하는 동안, 발생기(93)는, 전통적으로 마그네트론 타입으로, 마이크로웨이브 범위의 고정된 주파수로 전자기파를 생성한다. 예를 들어, 마그네트론(93)는 2.45 GHz의 고정된 주파수로 0 내지 2 kW의 가변 마이크로웨이브 출력을 제공하는 것이 가능하다.
마그네트론(93)에 의하여 전달되는 전자기파는 일반적으로 2, 4, 8, 10, 12, 등의 인가 기구(92)의 수(k)만큼 마이크로웨이브 출력을 분할하도록 설계된 출력 분할기(95)로 보내진다. 도 2의 예에서, 인가 기구(92)의 수(k)는 12이다.
출력 분할기(95)는 일반적으로 직사각형 웨이브가이드로 구성되어 k개의 안테나가 내장되며, 각 안테나는 마그네트론(93)에 의해 전달되는 총 출력의 1/k을 인출한다. 이러한 구조의 출력 분할기(95)에서, 안테나는 정재파(stationary wave)가 형성되는 가이드 내에서 전자기장의 안티노드(antinode)에 위치한다. 각 단위 플라즈마 소스(91)가 매칭된 임피던스로 작동하는 한, 달리 말하면, 각 인가 기구(92)에서 반사되는 출력이 실질적으로 0(영)이 되어 각 단위 소스(91)가 인출된 출력 전부를 대응되는 안테나를 통해 손실 없이 보내는 한, 이 기술은 효과적이다.
이후, 각 안테나에 의하여 인출된 출력은, 보통 동축 케이블 타입인 독립적인 가이드 수단(94)에 의하여, 출력 분할기(95)의 출력측에 위치된 적당한 물 부하(water load)를 갖춘 써큘레이터(96)를 통해 인가 기구(92) 중 하나로 전송된다. 이 써큘레이터(96)는 각 안테나에 의하여 인출된 출력이 출력 분할기로부터 인가 기구(92) 쪽으로 가는 것을 허용하나, 반사 출력을 부하(이 경우엔 물 부하)상으로 방향을 돌리게 함으로써, 반사 출력이 인가 기구(92)로부터 안테나로 가는 것은 방지한다.
동축 케이블(94)은, 대응되는 인가기(92) 바로 앞에 위치한 임피던스 매칭 기구(97) 또는 튜너(tuner)를 통하여, 전통적으로 인가기(applicator)라 불리는 인가 기구(92)로 출력을 전송한다. 각 단위 플라즈마 소스(91)와 처리 챔버(90)에 갖힌 플라즈마 사이의 임피던스 조정은, 각 관련된 라인의 임피던스 매칭 기구(97)를 수동으로 조작하여 이루어짐으로써, 각 인가기(92)에서 반사되는 출력을 최소화 할 수 있도록 한다.
도 3은, 각 동축 인가기(92)에 대하여 임피던스 매칭 기구(97)를 가지는 동축 인가기 타입의 인가 기구(92)를 사용하는, 플라즈마 생성 설비용 반응기(99a)의 제1 실시예를 도시한다. 동축 인가기(92)는 처리 챔버(90)에서 반응기(99a)의 원통형 벽에 나타난다. 이 제1 반응기(99a)는 증착/저압 에칭 반응기로서, 각 단위 플라즈마 소스(91)는, 주어진 주파수의 전자기파에 커플링되어 전자 사이클로트론 공명(ECR) 플라즈마를 생성할 수 있는, 자기장을 생성하도록 설계된 자기 구조물(magnetic structure)(98)을 더 포함한다.
그 경우에, 단위 플라즈마 소스(91)는 ECR 커플링의 단위 소스 또는 쌍극 소스로 불려진다. 자기 구조물은 전통적으로 영구 자석(98)의 형태이고, 일례로 원통형 자석(자기 쌍극자)의 형태를 가지고 동축 인가기(92)의 단부에 위치된다.
이 타입의 반응기(99a)는, 통상 ECR이라 불리는 전자 사이클로트론 공명 플라즈마를 여기시키는 기술을 구현하는 것으로, 처리 챔버(90)에서 반응기(99a)의 2개의 마주하는 평행한 벽에 위치한, 편극될 수 있는 기판 홀더(PS)와 편극될 수 있는 타겟 홀더(PC)를 사용함으로써, 물리 기상 증착(PVD) 또는 플라즈마 에칭에서의 응용에 특히 적당하다. 이 타입의 반응기(99a)는 플라즈마 화학 기상 증착(PACVD), PVD와 PACVD를 결합한 하이브리드 방법, 그리고 반응성 분무(reactive spraying)에도 적당하다. 이 타입의 반응기(99a)는 통상적으로 1 파스칼(Pa) 이하의 압력에서 동작하지만, 응용예에 따라서는 수천 파스칼까지 올라길 수 있다.
도 4는, 각 동축 인가기(92)에 대하여 임피던스 매칭 기구(97)를 가지는 동축 인가기 타입의 인가 기구(92)를 사용하는, 플라즈마 생성 설비용 반응기(99b)의 제2 실시예를 도시한다. 동축 인가기(92)는 처리 챔버(90)에서 반응기(99b)의 동일한 벽에 나타난다. 이 제2 반응기(99b)에서, 단위 플라즈마 소스(91)는 여하한 자기 구조물을 포함하지 않는다.
이 타입의 반응기(99b)는, 처리 챔버(90)에서 반응기(99b)의 동축 인가기(92) 건너편 벽에 위치한, 편극될 수 있는 기판 홀더(PS)를 사용함으로써, 일례로 PACVD(플라즈마 화학 기상 증착) 또는 플라즈마 에칭과 같은 증착/중압력(medium pressure) 에칭에서의 응용에 특히 적당하다. 이 타입의 반응기(99b)로, 화학적 증착 방법은 중간적인 압력 범위에서 100 파스칼(Pa) 부근에서 매우 잘 작동하여, 높은 증착 속도를 얻을 수 있지만, 응용예에 따라서 수 파스칼에서 수만 파스칼까지 더욱 정확하게 작동할 수 있다.
그럼에도 불구하고, 마이크로웨이브-여기 플라즈마를 생성하기 위한 이러한 전통적인 설비는 많은 단점을 가지는데, 이러한 단점은 화학에 적용되는 마이크로웨이브 처리 설비에서, 반응기 타입, 농식품의 처리 챔버에서, 가열 동공(heating cavity) 타입의 처리 챔버, 등에서도 마주치게 된다.
첫번째 단점은, 각 인가 기구상의 임피던스를 매칭하기 위한 임피던스 매칭 기구(97)에 내재된 한계와 관련되는데, 이러한 임피던스 매칭 기구는 화학, 의학(예를 들어, 종양과 같은 신체의 일부의 마이크로웨이브 방사선에 의한 치료), 또는 농식품(예를 들어, 마이크로웨이브 방사선에 의한 식품의 가열이나 멸균)에 적용되는 마이크로웨이브 처리 설비에서도 사용된다.
알려진 바와 같이, 임피던스 매칭은, 송신기(이 경우에, 전자기파 발생기)와 부하(즉, 처리 챔버에 갇힌 플라즈마)라 칭하는 전기적 수신기 사이에서, 출력이나 전자기 에너지(본 사례의 경우 마이크로웨이브 출력 또는 에너지)의 전달을 최적화하는 것을 가능하게 하는 기술이다.
즉, 위에서 설명한 바와 같이, 마이크로웨이브 처리 설비에서는, 성능을 최적화하기 위하여, 인가 기구와 전자기파 발생기 사이에 위치된 하나 이상 임피던스 매칭 기구를 전통적으로 사용하고 있다. 플라즈마에 의하여 반사된 출력이 0(영)이거나 적어도 가능한 낮은 경우에 임피던스 매칭은 최적이 된다.
그러나, 플라즈마, 화학적 또는 기체 반응성 혼합물, 고체 산물, 등과 같은 여하한 부하의 임피던스는, 일례로 벽으로 사용된 재질, 벽의 제원, 벽의 기하학적 구조, 벽의 표면 상태, 등과 같은 처리 챔버의 특성에 의존할 뿐만 아니라, 일례로 처리 챔버 내의 압력, 처리 챔버 내의 온도, 플라즈마를 생성하기 위하여 처리 챔버에 도입되는 가스의 성질, 그러한 가스의 비율, 부하에 전송되는 출력, 부하에 전송되는 전자기 에너지의 성질, 등, 구현되는 작동 조건의 함수로 시간에 따라 변화한다.
따라서, 설치된 인가 기구가 많을 수록, 특히 각 인가 기구가 자체의 수동 임피던스 매칭 기구를 가진다면, 임피던스 매칭은 더욱 복잡해지고 제한적으로 되고, 매칭은 각 인가 기구에 대하여, 선택적으로 각 작동 조건에 대하여 이루어져야 한다. 임피던스 매칭 기구는 많은 형태를 가질 수 있고, 인가기에 통합될 수도 있다.
도 2 내지 도 4를 참조로, 유전체를 가지는 동축 임피던스 매칭 기구(97)는 일반적으로 동축 코어(core)에 동심인 2개의 링(970)을 가지고, 이 동심 링(970)은 임피던스 매칭 기구(97)의 입력측에서 임피던스를 변화시키도록 동축 케이블(94)의 축을 따라 운동할 수 있다. 동심 링(970)은, 이동하는 경우 반사 계수를 조정할 수 있는 유전체 불연속을 구성한다. 이와 같이, 동심 링(970)을 움직임으로써, 매칭 기구의 입력 측에서는, 연관된 인가기에 의하여 반사된 파동과는 위상은 반대이나 동일한 진폭을 가지는 반사파가 생성되고, 따라서 결과적인 반사 출력은 0(영)이 되고 시스템은 매칭된다.
마이크로웨이브 처리 방법 도중에, 작동 조건은 때때로 바뀌게 되고, 사용자는 일반적으로 평균적인 조정을 수행하고 임피던스 매칭 기구를 세팅한다. 이와 같은 방법으로는, 임피던스 매칭은 방법 도중에 사용되는 다양한 작동 조건에 대해 수용가능할 수는 있으나, 이들 작동 조건이 바뀔 때마다 사용자가 수동으로 다시 매칭을 하지 않는다면 각 작동 조건에 최적화되지는 않을 것이다.
기계적인 엘리먼트의 운동을 제어하는 전자 제어 기구가 통합된 자동적 임피던스 매칭 기구도 플라즈마 생성 분야에서 알려져 있다. 그러나, 이들 자동적 임피던스 매칭 기구는 전자 제어 기구 때문에 특히 복잡하고 비싸고, 다수의 위치 사이에서 기계적인 엘리먼트를 제어할 필요가 있어서 반응성이 좋지 않다.
두번째 단점은, 각 인가 기구에 대하여 전송된 출력을 제어 또는 통제하거나, 또는 서로 다른 인가 기구 사이에서 전송된 출력을 균등하게 배분하는 어려움; 일례로 농식품 제품 또는 화학적인 조성이나 혼합물의 균질한 가열을 돕고, 특히, 화학 반응기 내에서 부피 지향 반응에 유익하거나, 또는 처리 챔버 내에서 그 벽으로부터 주어진 거리에서, 부피 또는 표면의 측면에 있어서균일한 플라즈마의 생성을 이롭게 하는 우수한 분포에 관련된다.
사실, 이 어려움은, 그 중에서도, 충분히 만족스럽지 못한 출력 분할기(power divider)에 의하여 생긴다. 마그네트론 발생기의 경우에, 가장 큰 문제는 출력 분할에 있다. 사실, 출력 분할기는 2.45 GHz 마이크로웨이브 출력을 다수의 안테나 사이에서 균등하게 분할하도록 설계된다. 그러나, 마그네트론 발생기에서 방출되는 파동의 주파수는 출력에 따라 변화하고, 따라서, 분할은 제한된 출력 범위에 대하여만 균등하고, 발생기마다 달라질 수 있다.
이 어려움은 또한 인가 기구에서도 비롯되는데, 인가 기구마다 반사 출력이 달라질 수 있다. 어떠한 경우에는, 동일한 발생기에 의하여 출력 공급되는 다수의 인가 기구를 이용함으로써, 서로 다른 인가 기구용 출력 공급 라인이 충분히 분리되지 않은 경우 한 인가 기구의 임피던스가 다른 인가 기구에 미치는 영향을 확인할 수 있다. 인가 기구에 의하여 전송된 출력 사이에 불균형은 이와 같이 관찰될 수 있고, 이는 처리 챔버에서 가열 또는 플라즈마의 균일성에 악영향을 끼친다.
서로 다른 인가 기구에 의하여 부하에 전송되는 출력이 균등하게 분포되는 것은, 인가 기구로부터 적어도 특정한 거리에 이르기까지 처리 챔버 내에서 균질의 가열이나 균일한 플라즈마의 생성에 도움을 주는 것이나, 그 것만으로는 그러한 균일성을 얻을 수 있는 것을 보장하지는 못한다는 점에 주목하여야 한다. 그 균일성이라는 것은, 처리 챔버 내의 가열 또는 플라즈마의 확산에 의존하고, 이는 다시 직접적으로 또는 간접적으로, 작동 조건(압력, 전송 출력, 부하, 처리되는 제품 또는 혼합물의 특성, 등) 및 처리 챔버의 제원과 형상에 의존하기 때문이다.
도 1 및 도 4에 도시된 제1 실시예 설비에서, 인가 기구는, 소스 평면이라 불리는 동일한 평면에서, 일례로 정사각형이나 6각형 같이 주어진 메시(mesh) 구조로 분산되어 있다. 전송된 출력을 이들 인가 기구 사이에서 균등하게 배분함으로써, 각 인가기의 단부에서 국부적인 플라즈마가 얻어지고, 확산에 의하여, 소스 평면으로부터 특정한 거리에서 플라즈마 밀도 측면에서 실질적으로 균일한 플라즈마가 얻어진다. 그러나, 소스 평면으로부터 멀어지게 되면, 플라즈마의 밀도 변화가 관찰될 수 있다. 이 시나리오에서, 소스 평면에 평행한 평면에서 플라즈마의 균일성에 대응하는 것으로 플라즈마의 표면 균일성이라 한다.
도 3에 도시된 제2 실시예 설비에서, 인가 기구는 원통형 반응기의 원통형 벽에서 크라운(crown) 형태로 분산되어 있다. 전송된 출력을 이들 인가 기구 사이에서 균등하게 배분함으로써, 원통형 벽으로부터 특정한 거리에서 플라즈마 밀도 측면에서 실질적으로 균일한 플라즈마를 얻을 수 있다. 따라서, 큰 부피의 처리 챔버에 걸쳐 균일성을 이루는 것이 가능한데, 이를 플라즈마의 부피 균일성이라 한다. 이 타입의 설비는 일반적으로 매우 낮은 압력에서 작동하고, 낮은 압력은 종(species)의 확산에 도움을 주기 때문이다.
세번째 단점은 전자 사이클로트론 공명 플라즈마 여기 기술을 사용하는 설비의 특정한 경우에 공명 표면을 모니터링하는 것이 어렵다는 점과 관련된다.
균일한 자기장(B) 하에서, 전자의 궤적은 자기장선 둘레로 감긴 헬릭스가 된다. 전자는 아래의 수학식을 만족하는 각속도(ω)를 가진다:
ω = 2π·f=e·B/m,
여기서, m과 e는 각각 전자의 질량과 전하량에 대응된다.
교류 펄스형 균일한 전기장(ωP)이 자기장(B)에 중첩되면, 전자는, 헬리컬 운동에 더하여, 주파수 fP = ωP/2π로 힘을 받게 된다.
ECR 기술에서, 정적 또는 준-정적 자기장에서 전자의 선회 주파수가 인가된 가속 전기장의 주파수와 같을 때 공명(resonance)이 얻어진다. 달리 말하면, ω = ωP에서, 전자 사이클로트론 공명 조건이 얻어지고, 자기장(B)에 직각인 전자의 속도 성분은 증가하여, 전자는 헬리컬 스파이어럴(spiral) 궤적(자기장선(B)에 직각인 궤적이 스파이어럴이 됨)을 가지게 된다. 이에 따라, 상당한 양의 에너지가 전자로 전송되어, 가스의 중성족(neutral species)을 충돌 중에 쉽게 이온화 할 수 있게 된다. 이 타입의 플라즈마는 약 10-3 mbar(0.1 Pa)의 압력 범위에서 동작하는데, 이는 전자가 2개의 충돌 사이에서 충분한 에너지를 얻을 수 있는 충분히 낮은 압력에 해당하지만, 플라즈마를 유지하기 위해 충분한 이온화 충돌이 있도록 지나치게 낮지는 않다.
따라서, 여기종(excited species)의 생성 면적은, 자기장(B) 및 방출된 파동의 주파수(f)에 의존한다. 그러나, 생성 영역의 위치를 모니터링 하는 것, 달리 말하면, 공명 표면을 모니터링 하는 것은, 그러한 모니터링이 플라즈마의 밀도를 조절하고 따라서 설비의 성능을 최적화할 수 있게 되는 많은 장점을 가질 수 있다는 것을 알면서도, 현재로서는, 이러한 모니터링은 힘들다.
최신 기술로는, 특허 출원 EP 1,643,641 A2의 내용을 참고할 수 있는데, 여기에서는, 플라즈마를 생성하고 플라즈마를 여기시키기 위해 고상 발생기(solid-state generator)를 이용하며, 파동의 전송 라인 상에서 증폭기를 이용하는 마이크로웨이브 처리 설비를 설명하고 있다. 이 특허 출원은, 앞서 말한 단점에도 불구하고, 전통적인 "매칭 유닛" 매칭 기구만을 제어함으로써 임피던스 매칭을 자동적으로 수행하는 가능성을 설명하고 있다.
본 발명은 이들 단점의 전부 또는 일부를 해결하고자 하는 것으로서, 상기 또는 각 인가 기구에서 반사되는 출력을 모니터링하여 임피던스 매칭을 수행할 수 있고, 상기 또는 각 인가 기구에 의하여 전송되는 출력을 모니터링하여 특히 서로 다른 인가 기구 사이에서 전송된 출력을 균등하게 배분함과 아울러, 선택적으로는 처리 챔버 내에서 그 벽으로부터 주어진 거리에서 부피 또는 표면에 있어서 실질적으로 균일한 가열 또는 플라즈마를 얻을 수 있으며, 전자 사이클로트론 공명 플라즈마 여기 기술을 이용한 설비라는 특정한 경우에 공명 표면을 모니터링 할 수 있는 마이크로웨이브 처리 설비를 제안한다.
이를 위하여, 부하의 마이크로웨이브 처리 설비는,
- 마이크로웨이브 범위의 전자기파를 인가하기 위한 하나 이상의 인가 기구;
- 상기 전자기파를 가이드하는 수단에 의하여 하나 이상의 인가 기구에 연결된, 고상 발생기 타입으로서 마이크로웨이브 범위의 하나 이상의 전자기파 발생기;
- 대응되는 발생기에 의하여 생성된 상기 전자기파의 주파수(f(i))를 조정하도록 설계된, 상기 또는 각 발생기를 위한 주파수 조정 시스템;
- 대응되는 인가 기구에 의하여 반사된 출력(PR(i))을 측정하도록 설계된, 상기 또는 각 인가 기구를 위한 측정 시스템; 및
- 각 주파수 조정 시스템에 연결되어 상기 또는 각 주파수 조정 시스템에 의하여 상기 전자기파의 상기 주파수(f(i))의 조정을 제어하도록 설계되고, 다른 한편으로는 상기 또는 각 측정 시스템에 연결되는 자동화 제어 수단;을 포함하되,
상기 자동화 제어 수단은,
e1) 상기 또는 각 측정 시스템으로부터 상기 반사 출력 측정(PR(i))을 입력으로서 실시간으로 수신하고; 및
e2) 아래의 조건 a) 및 b) 중 하나 이상이 만족될 때까지 상기 또는 각 발생기에 의하여 생성된 상기 전자기파의 상기 주파수(f(i))를 변화시키도록 상기 또는 각 주파수 조정 시스템에 명령하는; 것을 특징으로 한다:
조건 a) 상기 또는 각 측정 시스템에 의하여 측정되는 상기 반사 출력(PR(i))이 제1 기준값(VR(i))에 실질적으로 도달하는 조건; 또는
조건 b) 상기 또는 각 인가 기구에 의하여 전송된 출력(PT(i))이 제2 기준값(VT(i))에 실질적으로 도달하는 조건, 단, 여기서 상기 전송 출력(PT (i))은 대응되는 인가 기구에 전송되는 입사 출력(PIN (i))과 그 동일한 인가 기구에서 측정된 반사 출력(PR (i))과의 차이값에 대응(또는 PT (i) = PIN (i) - PR (i)의 관계가 성립).
마이크로웨이브 범위에 머무르도록 하면서 상기 또는 각 고상 발생기에 의하여 생성된 상기 전자기파의 주파수의 조정을 가능하게 함으로써, 본 발명은 최신 기술에서 제기되는 다양한 문제를 단순하고 효과적으로 해결할 수 있도록 한다. 사실, 주파수는, 반사 출력, 따라서 임피던스 매칭, 전송 출력, 따라서 플라즈마의 균일성에 직접적으로 영향을 미치고, 상기 전자 사이클론 공명 플라즈마 여기 기술을 구현하는 설비의 경우 공명 표면에도 영향을 미친다.
본 발명은 대응되는 고상 발생기에 의하여 발생된 전자기파의 주파수를 변화시킬 수 있는 하나 이상 주파수 조정 시스템(이 경우에는 하나의 발생기) 및 하나 이상 고상 발생기를 이용하는 것으로 구성된다.
전자기파 트랜지스터 발생기라고도 불리는 상기 고상 발생기는, 상기 파동의 주파수를 각 인가 기구에 대하여 자동적으로(일례로, 컴퓨터 상에 전산화된 모니터링 프로그램으로 또는 로봇으로) 변화시키는데 적합하다.
상기 출력의 정의라는 측면에서: PT(i)는 상기 인가 기구(i)에 의하여 부하에 전송된 출력에 대응되고, PR(i)는 상기 인가 기구(i)에 의하여 반사된 출력에 대응되며, PIN(i)는 상기 연관된 발생기에 의하여 상기 인가 기구(i)에 전송되는 입사 출력에 대응되고; 이 입사 출력(PIN(i))은, 발생기가 하나의 그리고 동일한 인가 기구에 출력을 제공한다면, 관련된 발생기에 의하여 제공되는 출력에 피드 손실(feed loss) 이내에서 동일하다.
이러한 본 발명에서, 3개의 바람직한 용도가 고려될 수 있는데, 이는 제한적인 것은 아니다.
본 발명의 제1 용도는 상기 또는 각 발생기에 의하여 생성된 파동의 주파수를 변화시켜, 상기 또는 각 인가 기구(i)에서의 반사 출력(PR(i))을 제어하는 것이다. 이와 같은 방법으로, 상기 또는 각 인가 기구(i)에서의 반사 출력(PR(i))을, 잠재적으로는 상쇄되는 정도까지 최소화할 수 있게 되어, 이로써 임피던스 매칭을 수행할 수 있게 된다.
상기 임피던스 매칭에서는, 여러 현상이 고려되어야 한다: 그 중 하나는, 일례로 플라즈마나 특정한 반응성 화학 산물의 경우에, 부하 자체의 임피던스가 국부적으로 변한다는 점이며, 이는 그 임피던스가 특히 상기 부하에 전송되는 상기 출력에 의존하고, 따라서 임피던스 매칭에 의존하며, 따라서 임피던스 매칭에 영향을 미치는 주파수에 의존하기 때문이다.
이 제1 용도에서, 본 발명은, 특정한 경우에는 상기 임피던스 매칭 기구가 필요없도록 할 수 있지만, 다른 경우에는, 상기 임피던스 매칭 기구를 완전히 없애는 것은 아니라도 부가적인 정도의 임피던스 매칭의 조정을 제공할 수 있다. 따라서, 임피던스 조정이 방법의 초기에는 만족스러우나(임피던스 매칭 기구를 사용하든 사용하지 않든) 상기 부하가 (일례로 작동 조건이 변화되는 동안) 매칭되지 않는 경우, 본 발명은, 상기 발생기에 대하여 또는 각 개별적인 발생기에 대하여 전자기파의 주파수(f(i))를 변화시킴으로써, 임피던스를 다시 매칭할 수 있게 한다.
따라서, 본 발명에 의하면, (방법의 초기 또는 진행 중에) 상기 임피던스 불일치의 원인이 무엇이든지, 인가 기구의 타입에 무관하게 전자기파의 주파수를 변화시킴으로써 반사 출력이 최소화되거나 혹은 상쇄될 수도 있다. 사실, 본 발명은, 상기 동축 인가기 타입(자기 구조물(magnetic structure)이 있든 없든), 방전 튜브(설파트론(surfatron), 이븐슨 동공(Evenson cavity), 하류 소스(downstream source), 반금속 플라즈마 토치(semi-metallic plasma torch), 등), 안테나, 유전 창(dielectric window)을 가지는 웨이브가이드, 등 인가 기구의 특정한 구조에 한정되지 않는다.
이 기술개발은, 일례로 화학 반응기에서의 가열 또는 마이크로웨이브 방사선 응용 방법, 플라즈마 방법(에칭, 재료층 증착, 화학적 또는 열화학적 처리, 분무(spraying), 오염 제거, 멸균, 세척, 질화 처리, 이온 주입, 살균, 등), 마이크로웨이브 방사선을 이용한 의학적 처리 방법, 등과 같은 모든 마이크로웨이브 처리 응용예에 유익하며, 이는 이들 모든 응용예들은 이온 밀도, 반응 족(active species) 밀도, 여기종(excited species) 밀도, 종의 부분 온도, 등의 측 면에서 성능을 최적화하기 위하여 임피던스 매칭이 필요하기 때문이다.
본 발명의 제2 용도는, 상기 또는 각 발생기에 의하여 생성된 파동의 주파수(f(i))를 변화시킴으로써, 상기 또는 각 인가 기구(i)에 의하여 부하에 전송된 출력(PT(i))을 모니터링 하는 것이다. 이와 같은 방법으로, 서로 다른 인가 기구(i) 사이에서 전송된 출력(PT(i))을 균등하게 배분하는 것이 가능하고, 달리 말하면, 상기 처리 챔버 내에서 그 벽으로부터 주어진 거리에서, 부피나 표면 측면에 있어서, 각 인가 기구에 대하여 실질적으로 동일한 전송 출력(PT(i)), 선택적으로는 균일한 가열 또는 플라즈마를 얻는 것이 가능하다.
각 인가 기구(i)에서 전송되는 출력을 모니터링 함으로써, 인가 기구(i) 모두가 동일한 출력(PT(i))을 전송하지 않도록 하여 국부적인 불균형을 만들 수 있는데, 이로써, 일례로 가장자리 효과(벽 근처에서 플라즈마 밀도의 손실에 기인할 수 있음)를 보상하여 균일한 증착을 돕거나, 또는 반대로, 플라즈마의 밀도 구배(gradient)를 생성하여 프로그레시브 증착, 불균일 증착, 또는 증착 속도가 제어되는 증착을 구현할 수 있다.
위의 두 용도에서, 임피던스 매칭라는 관심을 벗어나 반사 출력(PR(i))을 최소화하기 위해서든지 또는 전송 출력(PT(i))이 설정된 값을 갖도록 하기 위해서 든지, 본 발명은, 상기 또는 각 인가 기구(i)에 대한 주파수(f(i))를 변화시킴으로써, 각 인가 기구(i)에서의 반사 출력(PR(i)) 또는 전송 출력(PT(i))을 모니터링 하는 것을 가능하게 한다.
사실, 각 인가 기구(i)에 대하여(i는 1 내지 N 의 정수, N은 인가 기구의 개수), 전송 출력(PT(i))은 대응되는 인가 기구에 전송되는 입사 출력(PIN(i))(발생기가 하나의 인가 기구에 출력을 공급하는 경우에 입사 출력은 연관된 발생기에 의하여 제공되는 출력에 피드 손실의 범위 내에서 동일함)과 동일한 인가 기구에서의 반사 출력(PR (i)) 사이의 차이값에 대응된다. 즉, PT (i) = PIN (i) - PR (i)의 관계가 있다.
따라서, 주파수(f(i))를 변화시킴으로써 반사 출력(PR(i))을 모니터링하는 것은 전송 출력(PT(i))을 모니터링하는 결과를 낳고, 반대의 경우도 마찬가지이다. 연관된 발생기에 의하여 제공되는 출력을 활용함으로써 입사 출력(PIN(i))을 활용할 수 있으므로, 상기 주파수(f(i))에 더하여, 전송 출력(PT(i))을 통제하기 위하여 입사 출력(PIN(i))을 활용하는 것을 고려할 수 있음은 물론이다.
본 발명의 제3 용도는, 전자 사이클로트론 공명(ECR) 플라즈마 기술을 구현하는 설비에 관련되는데, 상기 또는 하나 이상의 발생기에 의하여 생성된 파동의 주파수를 변화시킴으로써, 상기 또는 각 인가 기구에서의 공명 표면, 따라서 문제의 인가 기구에 가까운 처리 챔버의 면적에서 플라즈마의 출력 밀도를 모니터링하는 것이다.
한 특성에 따르면, 상기 또는 각 주파수 조정 시스템은, 마이크로웨이브 범위에서 선택되는 주파수 범위에서, 일례로 약 2400 내지 2500 MHz, 또는 일례로 약 5725 내지 5875 MHz의 주파수 범위에서, 또는 마이크로웨이브 범위에 속하도록 이와 달리 미리설정된 주파수 범위에서, 상기 전자기파의 주파수를 조정하도록 설계된다.
예를 들어, 2400 내지 2500 MHz의 가변적인 주파수 범위의 경우에, 상기 발생기는, 2450 MHz의 중앙 주파수를 가지는 전자기파로서, 중앙 주파수 주위로 플러스/마이너스 50 MHz의 편차를 가져 결국 마이크로웨이브 범위에 머무르는 전자기파를 전달한다; 이 100 MHz의 전체 범위에 걸친 편차는 2450 MHz 부근의 임피던스 매칭 측면에서 마주치는 문제의 대부분에 대응할 수 있게 한다.
물론, 본 발명은, 이 특정한 주파수 범위, 또는 주어진 중앙 사용 주파수에 한정되지 않는다. 본 발명은 마이크로웨이브 범위에서 유효하고, 주파수 범위의 선택은, 적용되는 표준 및/또는 규제뿐만 아니라, 상기 설비에 사용된 고상 발생기 기술에 실질적으로 의존할 것이다.
본 발명의 한 가능성에 따르면, 상기 설비는 2개 이상의 인가 기구와 상기 주파수 조정 시스템에 각각 연관된 2개 이상의 발생기를 포함하고, 각 발생기는 하나 이상의 인가 기구에 연결된다.
이러한 구성에서, 각 발생기는 그 전자기파를 하나 이상의 인가 기구에 전달한다. 다수의 발생기를 사용함으로써, 인가 기구 사이에서의 상호작용을 제한하면서, 반사 출력, 전송 출력 및/또는 공명 표면을 인가 기구 별로 개별적으로 조절할 수 있는 가능성이 향상된다.
부연하자면, 발생기가 다수의 인가 기구(i)와 연관된다면, 그러한 인가 기구(i)에 대한 주파수(f(i))는 이들 각각에 대하여 동일하고, 그 공유된 발생기에 의하여 발생된 파동의 주파수에 대응된다.
상기 또는 각 고상 발생기는 주어진 출력에서의 하나의 동일한 발생기, 또는 다수의 서브발생기(sub-generator)로 형성될 수 있다. 예를 들어, 200 W 출력을 전달하는 고상 발생기의 경우, 200 W 출력의 하나의 동일한 고상 발생기를 가지거나, 또는 각각 100 W 출력을 갖는 2개의 고상 서브발생기를 가질 수 있다. 물론, 서브발생기는 위상이 같아야 하고, 따라서 주파수 조정 시스템을 공유하여야 한다.
본 발명의 다른 가능성에 따르면, 상기 설비는 N개의 인가 기구 및 각각이 주파수 조정 시스템과 연관된 N개의 발생기를 포함하는데, 여기서 N은 2보다 큰 정수이고, 각 발생기는 하나의 인가 기구에 연결된다.
이 구성은, 각 인가 기구(i)가 하나의 동일한 발생기에 의하여 마이크로웨이브 출력 또는 에너지를 공급받고, 반대로, 각 발생기는 하나의 동일한 인가 기구에 공급하므로, 특히 유리하다. 따라서, 출력 분할기가 필요 없으며, 각 인가 기구에서 반사되는 출력의 조정은 대응되는 발생기의 주파수를 인가 기구 사이에서 독립적으로 조정함으로써 이루어지고, 인가 기구와 전자기파 분할 기구의 상호작용의 문제를 제한할 수 있다.
더욱이, 상기 또는 각 발생기에 대한 주파수(f(i))는 일례로 상기 로봇, 프로세서 또는 컴퓨터 타입의 자동화 제어 수단의 자동화된 명령에 따라서 조절할 수 있다는 점을 주목해야 한다.
자동화 제어 수단의 상기 장점으로 인하여, 임피던스 매칭, 인가 기구(i) 상의 상기 전송 출력(PT(i))의 모니터링 및 상기 공명 표면의 모니터링을 위하여, 일례로 인가 기구(i) 상에서 반사 출력(PR(i))이 최소화될 때까지, 각 발생기에 대한 자동적 주파수 조정이 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 실시예는, 임피던스 매칭을 허용하는 반사 출력(PR(i)) 모니터링(조건 a), 및 특히 균일한 플라즈마를 얻을 수 있도록 하는 전송 출력(PT(i))의 통제(조건 b)에 특히 적당하다. 다시 말하지만, 주파수를 변화시킴으로써 반사 출력(PR(i))을 모니터링하는 것은 전송 출력(PT(i))을 모니터링하는 결과를 낳고, 반대의 경우도 마찬가지이다. 달리 말하면, 2개의 조건 a) 및 b)는 실질적으로 동등하다.
각 인가 기구(i)는 상기 반사 출력(PR(i))에 대응하는 제1 기준값(VR(i)) 및 상기 전송 출력(PT(i))에 대응하는 제2 기준값(VP(i))을 가진다. 달리 말하면, 상기 기준값(VR(i) 및 VP(i))은 인가 기구(i)마다 동일할 필요가 없다.
더 구체적으로, 작동 조건에서 변화가 생기면, 상기 자동화 제어 수단은, 상기 측정 시스템으로부터 측정값을 수신한 후, 하나 이상의 인가 기구(i)에서 상기 반사 출력(PR(i))의 변화(조건 a) 또는 하나 이상의 인가 기구(i)에 의한 상기 전송 출력(PT(i))의 변화(조건 b)를 실시간으로 통지받고, 단순한 피드백 루프에 의하여, 상기 자동화 제어 수단은, 상기 반사 출력(PR(i))을 통제하거나 특히 이를 최소화할 것이고(조건 a), 또는 상기 전송 출력(PT(i))을 통제하여, 특히 상기 인가 기구(i)에 대한 상기 전자기파의 주파수(f(i))를 변화시킴으로써 각 인가 기구에서 동일하게 될 것이다(조건 b). 따라서, 일례로 가열 또는 플라즈마의 균일성을 얻기 위하여, 임피던스 매칭(조건 a) 또는 전송 출력의 통제(조건 b)는 자동적으로 이루어진다.
더욱 일반적으로, 반사된 출력(PR(i)) 또는 전송된 출력(PT(i))은, 전자기파의 주파수(f(i))를 변화시킴으로써, 인가 기구(i)의 타입에 무관하게, 피드백 루프에 따라 상기 제어 수단에 의하여 자동적으로 통제될 수 있다. 아래에서 더욱 상세히 설명되는 바와 같이, 전송 출력(PT(i))을 통제하기 위하여, 주파수(f(i))에 더하여 입사 출력(PIN(i))을 활용하는 것을 고려할 수 있음은 물론이다.
하나의 특정한 실시예에서, 상기 제1 기준값(VR(i))은, 상기 또는 각 인가 기구(i)에 대하여, 상기 또는 각 인가 기구(i) 상에 임피던스 매칭을 수행하기 위하여 측정되는 상기 반사 출력(PR(i))의 최소값에 대응되고; 이 최소값은 선택적으로 0(영)과 같거나 근사하다. 이 반사 출력 최소값은, 와트(watts)로 표현되는 임계 출력의 측면에서 또는 입사 출력에 대한 반사 출력의 비율의 백분율 측면에서, 프로그램에서 또는 사용자에 의하여 디폴트(default)로 정해진, 미리설정된 임계 반사 출력에 대응될 수 있음은 물론이다.
따라서 이 실시예에서 임피던스 매칭이 이루어지고, 상기 반사 출력(PR(i))이 각 인가 기구(i)에서 피드백 루프를 따라 도달하게 되는 상기 제1 기준값은 실질적으로 0(영) 또는 적어도 최소의 접근 가능 값으로 설정되며, 이는 자동적으로, 상기 전자기파의 주파수(f(i))를 변화시킴으로써 각 인가 기구(i)에서 상기 반사 출력(PR(i))을 최소화하는 것으로 귀결된다. 달리 말하면, 임피던스 매칭을 위하여, 상기 자동화 제어 수단은 반사 출력(PR(i))의 최소값을 찾을 때까지 주파수(f(i))를 변화시킬 것이다.
상기 설비가 다수의 인가 기구(i)를 포함하는 한 이로운 실시예에 따르면, 각 인가 기구(i)에 대하여, 상기 부하에 전송되는 상기 출력을 실질적으로 균등하게 배분함으로써, 상기 처리 챔버 내에서, 처리 챔버의 경계를 이루는 벽으로부터 주어진 거리에서, 부피 또는 표면에 있어서 균일한 가열 또는 플라즈마를 얻는 것을 돕기 위하여, 상기 제2 기준값(VT(i))은 각각의 상기 인가 기구(i)에 대하여 동일한 미리설정된 지정점(VCT)에 대응된다.
따라서 이 실시예에서 각각의 상기 인가 기구(i)에서 전송 출력(PT(i))의 통제를 이룰 수 있고, 각 인가 기구(i)에서 전송 출력(PT(i))에 대한 이러한 자동적 통제는 각 인가 기구(i)에서 동일한 전송 출력(PT(i))을 얻는 것을 의도하는 것으로서, 이는 상당한 균일성을 요구하는 플라즈마 방법에서 특히 관심을 끄는 것이다. 달리 말하면, 목표는 이제 더 이상 (임피던스 매칭을 위하여) 각 인가 기구(i)에서 반사 출력(PR(i))을 체계적으로 최소화하는 것이 아니고, 각 인가 기구(i)에서 동일한 전송 출력(PT(i))을 가지는 것이다.
따라서, 인가 기구(i)에 전송된 출력(PT(i))을 통제하기 위하여, 인가 기구에 전송된 출력(PT (i) = PIN (i) - PR (i))이 그 동일한 인가 기구에 대하여 필요한 지정점과 동일하도록, 상기 자동화 제어 수단은 주파수(f(i))를 변화시키고, 선택적으로 상기 입사 출력(PIN(i))을 더 변화시킨다; PT(i) 및 PR(i)는 주파수(f(i)) 및 입사 출력(PIN(i))의 함수이다.
균일한 가열 또는 플라즈마를 얻는 것을 돕기 위하여, 적어도 인가 기구로부터 특정한 거리에서, 입사 출력(PIN(i))은 인가 기구(i)마다 변화할 수 있지만, 서로 다른 인가 기구(i)의 전송 출력(PT(i))은 모두 같도록, 각 인가 기구(i)는 전송 출력(PT(i))에 대한 동일한 지정점(VCT)을 수신한다.
예를 들어, 인가 기구(1)은 150 W의 입사 출력(즉, PIN(1) = 150 W) 및 10 W의 반사 출력(즉, PR(i) = 10 W)을 가지고, 인가 기구(2)는 142 W의 입사 출력(즉, PIN(2) = 142 W) 및 2 W의 반사 출력(즉, PR(2) = 2 W)을 가진다. 따라서, 인가 기구(1) 및 인가 기구(2)는 전송 출력(PT(1) = PT(2) = 140 W)을 플라즈마에 각각 전송한다. 이 상황은, 한편으로는 인가 기구(1)에서 전자기파의 주파수(f(1))를 활용하고 다른 한편으로는 인가 기구(2)에서 전자기파의 주파수(f(2))를 활용함으로써, 인가 기구(1)에 대한 반사 출력(PR(1))은 10 W의 값을 가지게 하고 인가 기구(2)에 대한 반사 출력(PR(2))은 2 W의 값을 가지게 하는 것에 대응된다. 적용가능한 경우에는, 인가 기구(i)에 연관된 발생기에 작용함으로써 각각의 인가 기구(i)에서의 입사 출력(PIN(1))을 활용할 수도 있다.
대안으로서, 그러나 조건 b) 및 전송 출력(PT(i))의 통제의 맥락에서, 전송 출력(PT(i))이 인가 기구(i)마다 변화하도록, 자동화 제어 수단이 상기 주파수(f(i))를 변화시키고, 선택적으로 상기 입사 출력(PIN(i))을 더 변화시키는 것 또한 고려할 수 있다. 이 경우에, 일례로 처리 챔버 내의 가열 또는 플라즈마의 제어된 불균형을 얻기 위하여, 상기 제2 기준값(VT(i))은 모두 동일하지는 않는다.
특히 가장자리 효과를 보상하거나 인가 기구의 라인을 따라 전송된 출력 구배(gradient)를 생성하여, 일례로, 프로그레시브 증착을 수행하거나, 가변 세기 표면 처리를 얻거나, 또는 연속적인 방법 중에 상기 처리의 프로그레시브 모니터링을 수행하거나 하기 위하여, 상기 인가 기구 상에 불균형을 원한다면 이 대안은 유용하다.
상기 설비가 다수의 인가 기구(i)를 포함하는 본 발명의 한 가능성에 따르면, 상기 자동화 제어 수단은 상기 또는 각 발생기에 연결되어, 각 인가 기구(i)에 연관된 입사 출력(PIN(i))의 값을 입력으로 수신하고, 상기 제어 수단은, 모니터링 단계 e2) 중에 아래의 세부 단계를 수행함으로써 조건 b)를 만족하도록 설계된다:
e3) 각 인가 기구(i)에 대하여, 상기 제2 기준값(VT(i))과 같은, 상기 인가 기구(i)에 의하여 전송된 출력(PT(i))에 대응되는 상기 반사 출력(PR(i))의 지정점(VCR (i))을 계산하는 단계(즉, VCR (i) = PIN (i) - VT (i));
e4) 각 인가 기구(i)에 대하여, 상기 연관된 발생기에 의하여 생성된 상기 전자기파의 주파수(f(i))를 변화시켜, 반사 출력(PR(i))이 상기 지정점(VCR(i))에 따르도록, 문제의 주파수 조정 시스템을 모니터링하는 단계.
이와 같은 방법으로, 각 인가 기구(i)에 대하여, 조건 b)를 만족하도록, 따라서 전송 출력(PT(i))을 통제하도록, 반사 출력(PR(i))에 피드백 루프가 생성된다.
본 발명의 다른 가능성에 따르면, 상기 제어 수단은 상기 또는 각 발생기를 출력 측면에서 제어하여, 상기 또는 각 발생기는 주어진 입사 출력(PIN(i))을 전달하고, 상기 제어 수단은, 단계 e2)를 수행하고, 상기 또는 각 주파수 조정 시스템을 모니터링하여 연관된 주파수(f(i))를 변화시키고, 상기 또는 각 발생기를 모니터링하여 연관된 입사 출력(PIN(i))을 변화시킴으로써, 조건 a) 및/또는 조건 b)를 만족하도록 설계된다.
이와 같은 방법으로, 상기 제어 수단은, 상기 또는 각 인가 기구에 대하여, 상기 주파수와 상기 입사 출력 모두를 활용하여 조건 a) 및/또는 조건 b)를 만족하도록 한다. 이에 더하여, 상기 입사 출력을 활용하는 것은, 상기 반사 출력 및 상기 전송 출력 자체는 상기 주파수과 상기 입사 출력 모두에 의존하므로, 상기 반사 출력 및/또는 상기 전송 출력을 통제하는 것을 개선할 수 있게 한다.
주파수 및 입사 출력의 이중의 제어의 맥락에서, 상기 제어 수단은, 세부 단계 e4) 중에, 상기 또는 각 인가 기구(i)에 대하여, 아래의 양자 모두를 모니터링 하도록 설계된다는 점에서 유리하다.
- 주어진 지정점(VCIN(i))에서 선택적으로 가변적인 입사 출력(PIN(i))을 전달하도록 관련된 발생기를 모니터링; 및
- 연관된 발생기에 의하여 생성된 전자기파의 주파수(f(i))를 변화시켜, 상기 반사 출력(PR (i))이 상기 지정점(VCR (i))을 따르도록 하여, 관계(VCR (i) = VCIN (i) - VT(i))를 만족하도록, 관련된 주파수 조정 시스템을 모니터링.
이 기술은, 조건 b)를 만족하고, 따라서 전송 출력(PT(i))을 통제하기 위하여, 주파수(f(i)) 및 입사 출력(PIN(i)) 모두를 활용할 수 있게 한다는 점에서 유리하다. 궁극적으로 전송 출력(PT(i))을 가장 잘 통제하기 위하여, 조정 중에 입사 출력(PIN(i))의 지정점(VCIN(i))을 변화시키는 것이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것임은 물론이다.
상기 설비가 다수의 인가 기구를 포함하는 하나의 유리한 실시예에서, 상기 제어 수단은 상기 또는 각 발생기에 연결되어, 각 인가 기구에 연관된 입사 출력(PIN(i))의 값을 입력으로 수신하고, 상기 또는 각 발생기를 출력 측면에서 제어하여, 상기 또는 각 발생기는 주어진 입사 출력(PIN(i))을 전달하게 되고, 상기 제어 수단은 모니터링 단계 e2) 중에 아래의 세부 단계를 수행함으로써 조건 a) 및 b)를 만족하도록 설계된다:
e5) 각 반사 출력(PR(i))이 대응되는 제1 기준값(VR(i))과 같아지도록, 조건 a)가 만족될 때까지, 관련된 발생기에 의하여 생성된 상기 전자기파의 주파수(f(i))를 변화시키기 위하여, 각 주파수 조정 시스템을 모니터링하는 단계;
e6) 각 인가 기구에 대하여, 상기 제2 기준값(VT(i))과 같은, 상기 인가 기구에 의하여 전송된 출력(PT(i))에 대응되는 상기 입사 출력(PIN(i))의 지정점(VCIN(i))을 계산하는 단계(즉, VCIN(i) = VR(i) + VT(i));
e7) 조건 b)를 만족하도록 지정점(VCIN(i))에서의 입사 출력(PIN(i))을 전달하도록 상기 또는 각 발생기를 제어하는 단계.
이 실시예는, 첫째로, 조건 a)를 만족하기 위하여 주파수(f(i))를 활용하는 것(따라서, 특히 임피던스 매칭에 대한 염려 없이 상기 반사 출력(PR(i))의 통제를 확보하는 것), 및 다음으로, 조건 b)를 만족하기 위하여 입사 출력(PIN(i))을 활용하는 것(따라서, 특히 가열 또는 플라즈마의 균일성에 대한 염려 없이 전송 출력(PT(i))의 통제를 확보하는 것)을 가능하게 하는 점에서 유리하다.
물론, 입사 출력(PIN(i))의 조정(단계 e7)) 중에, 반사 출력(PR(i))의 값은 변화할 수 있고, 따라서 입사 출력(PIN(i))은, 그 지정점(VCIN(i))이 도달할 때까지, 상기 반사 출력(PR(i))의 실제값을 항상 염두에 두고 효과적으로 변화하여야 한다. 따라서, 모니터링 단계 e2)는, 반사 출력(PR(i)) 및 입사 출력(PIN(i))의 변화에 지속적으로 적응하는 것을 반복하는, 실시간에서 동적이거나 연속적인 단계이다.
상기 제어 수단은, 상기 제2 기준값(VT(i))에 근사하거나 실질적으로 같은 값으로 입사 출력(PIN(i))을 전달하도록 상기 또는 각 발생기를 제어하는 것을 포함하는 세부 단계 e8)를, 모니터링 단계 e2) 중에, 상기 세부 단계 e5)에 앞서 수행하도록 설계된다는 점에서 유리하다.
이 세부 단계 e8)는, 세부 단계 e5) 중에 주파수(f(i))를 활용하기에 앞서, 입사 출력(PIN(i))이 그 최종값, 즉, 지정점(VCIN(i))에 근사해지도록 할 수 있다. 따라서, 아래의 세부 단계가 순차적으로 수행된다:
e8) 먼저, 상기 제어 수단은 상기 또는 각 발생기를 모니터링하여 상기 또는 각 입사 출력(PIN(i))을 상기 제2 기준값(VT(i))에 근사하거나 같은 값으로 조정한다;
e5) 상기 또는 각 반사 출력(PR(i))을 통제하기 위해, 조건 a)를 만족하도록 상기 또는 각 주파수(f(i))를 조정하는 단계;
e6) 및 e7) 일단 상기 또는 각 반사 출력(PR(i))이 통제되면, 상기 또는 각 입사 출력(PIN(i))이 그 지정점(VCIN(i))에 도달하기까지 추가될 수 와트만이 남게 될 것이다.
하나의 특정한 실시예에서, 상기 설비는, 전자기파와 조합되어 전자 사이클로트론 공명 플라즈마를 생성할 수 있게 하는 공명 자기장을 생성하도록 설계된 하나 이상의 자기 구조물을 더 포함하고, 상기 제어 수단은 아래를 행하도록 설계된다:
f1) 상기 또는 각 주파수 조정 시스템에 대하여, 상기 또는 각 인가 기구에 대하여 전자 사이클로트론 공명 표면의 미리설정된 값에 대응되는 타겟 주파수(Cf(i))를 계산하고;
f2) 각 인가 기구에 대하여, 상기 또는 각 발생기에 의하여 생성된 전자기파의 주파수(f(i))가 대응되는 지정점(Cf(i))을 따르도록 하여, 상기 또는 각 인가 기구의 전자 사이클로트론 공명 표면이 대응되는 미리설정된 값에 도달하도록 하기 위하여, 문제의 상기 주파수 조정 시스템을 모니터링한다.
전자 사이클로트론 공명(ECR) 플라즈마 여기 기술의 특정한 경우에, 본 발명은, 인가 기구에 대한 파동의 주파수를 변화시킴으로써, 따라서 플라즈마의 생성 영역의 기하구조를 모니터링함으로써, 전자 사이클로트론 공명 표면의 값을 변화시킬 수 있게 한다. 이 공명 표면은 영향 플라즈마의 특성과 성능에 영향을 미치는 파라미터이기 때문에, 공명 표면을 변화시키는 것은 주파수를 변화시키는 부가적인 장점이다.
하나의 특정한 실시예에서, 상기 또는 각 인가 기구는 자기 구조물을 포함하고, 대안적으로는, 상기 자기 구조물은 인가 기구가 아닌 처리 챔버에 통합된다.
이 PCR 기술의 경우에, 각 주파수는, 상기 인가 기구에 통합되거나 또는 통합되지 않은 상기 자기 구조물에 따라 특정한 공명 표면에 대응된다. 따라서, 공명 표면은 주파수의 함수로 변화하므로, 플라즈마의 밀도는 처리 챔버의 부피의 한 지점에서, 동일한 전송 출력에 대하여 2개의 서로 다른 주파수에서 달라질 수 있다.
예를 들어, 위에서 설명한 상기 인가기의 일반적으로 단부에 위치되는 영구 자석을 사용하는 동축 인가기에 대하여, 상기 주파수가 감소된다면(상기 인가 기구로부터 멀어짐에 따라 자기장이 감소되므로), 상기 공명 영역은 상기 플라즈마 인가 기구로부터 멀어지게 되고, 따라서 상기 활성 생성 표면(여기종, 이온화종, 라디칼, 등)을 증가시킬 수 있다. 반대로, 생성 표면은 주파수를 증가시킴으로써 감소될 수 있고, 따라서 상기 인가 기구에 가깝게 생성 면적을 집중화할 수 있게 되고, 따라서, 단위 소스에서의 손실도 증가시키지만 플라즈마의 밀도를 국부적으로 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 부하의 마이크로웨이브 처리 방법에 관한 것이며, 아래의 단계를 포함한다:
- 하나 이상의 고상 발생기를 사용하여 마이크로웨이브 범위의 하나 이상의 전자기파를 발생시키는 단계;
- 상기 또는 각 전자기파를 상기 전자기파의 하나 이상의 인가 기구로 가이드하는 단계;
- 상기 또는 각 인가 기구에 의하여 상기 또는 각 전자기파를 상기 부하에 인가하는 단계;
상기 방법은, 상기 또는 각 인가 기구에서의 반사 출력(PR(i))을 통제 및/또는 상기 또는 각 인가 기구에 의한 전송 출력(PT(i))을 통제하도록, 상기 또는 각 전자기파의 주파수의 자동화된 조정을 수행하는 단계를 더 포함하며, 아래의 단계를 가진다:
p1) 상기 또는 각 인가 기구에 대하여, 대응되는 인가 기구에 의한 반사 출력(PR(i))을 측정하는 단계; 및
p2) 아래의 조건 중 하나 이상이 만족될 때까지, 상기 또는 각 발생기에 의하여 생성된 상기 전자기파의 상기 주파수(f(i))를 모니터링하는 단계;
조건 a) 상기 또는 각 인가 기구에서 측정된 반사 출력(PR (i))이 제1 기준값(VR(i))에 실질적으로 도달하는 조건; 또는
조건 b) 상기 또는 각 인가 기구에 의한 전송 출력(PT(i))이 제2 기준값(VT (i))에 실질적으로 도달하는 조건, 여기서, 상기 전송 출력(PT (i))은 대응되는 인가 기구에 전송되는 입사 출력(PIN (t))과 동일한 인가 기구에서 측정되는 반사 출력(PR (i)) 사이의 차이값에 대응(즉, PT (i) = PIN (i) - PR (i) 의 관계가 있다).
상기 자동적 단계 p1) 및 p2)는, 임피던스 매칭을 허용하는 반사 출력(PR(i))을 모니터링하고(조건 a), 전송 출력(PT(i))을 통제하여 특히 균일한 가열 또는 플라즈마를 얻는 것을 가능하게 하는(조건 b) 데에 특히 적당하다.
본 발명의 한 가능성에 따르면, 상기 발생시키는 단계는 2개 이상의 발생기를 사용하여 2개 이상의 전자기파를 발생시키는 단계를 포함하고, 가이드하는 단계는 하나 이상의 인가 기구를 위해 의도된 각 전자기파를 가이드하는 단계를 포함하고, 그리고 상기 조정 단계는 각 전자기파의 주파수를 서로 독립적으로 조정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 가능성에 따르면, 상기 발생시키는 단계는 N개의 발생기를 사용하여 N개의 전자기파를 발생시키는 단계를 포함하고, 상기 가이드하는 단계는 N개의 인가 기구를 위해 의도된 N개의 전자기파를 가이드하는 단계를 포함하며, 여기서 N은 2보다 큰 정수이고, 상기 조정하는 단계는 각 전자기파의 주파수를 서로 독립적으로 통제하는 단계를 포함한다.
하나의 특정한 실시예에서, 상기 제1 기준값(VR(i))은, 상기 또는 각 인가 기구(i)에 대하여, 상기 또는 각 인가 기구(i) 상에 임피던스 매칭을 수행하도록 측정되는 상기 반사 출력(PR(i))의 최소값에 대응된다; 이 최소값은 선택적으로 0(영)과 같거나 근사하고, 다시 말하지만, 주어진 임계 출력 값으로 또는 상기 입사 출력에 대한 상기 반사 출력의 비율의 주어진 백분율로 설정될 수 있다.
따라서, 이 실시예에서, 상기 방법은 임피던스 매칭을 수행하기 위하여 각 인가 기구(i)에서 반사 출력(PR(i))을 최소화하는 것을 목표로 한다.
상기 설비가 다수의 인가 기구(i)를 포함하는 다른 실시예에 따르면, 각 인가 기구(i)에 대하여, 상기 부하에 전송되는 출력을 상기 인가 기구 사이에서 실질적으로 균등하게 배분함으로써, 처리 챔버 내에서 상기 처리 챔버의 경계를 이루는 벽으로부터 주어진 거리에서, 부피 또는 표면 있어서 균질의 가열 또는 균일한 플라즈마를 얻는 것을 돕기 위하여, 상기 제2 기준값(VT(i))은, 각각의 상기 인가 기구(i)에 대하여 동일한 미리설정된 지정점(VCT)에 대응된다.
따라서, 인가 기구(i)에 대한 전송 출력(PT(i))을 통제하기 위하여, 상기 방법은, 상기 인가 기구에 전송되는 출력(PT (i) = PIN (i) - PR (i))이 그 동일한 인가 기구에 대하여 필요한 지정점(VCT)과 동일하도록, 상기 주파수(f(i))를 변화시키고, 선택적으로 상기 입사 출력(PIN(i))을 더 변화시키는 단계를 포함한다; PT(i) 및 PR(i)는 주파수(f(i)) 및 입사 출력(PIN(i))의 함수이다. 궁극적으로, 각 인가 기구는 각 인가 기구(i)에 연관된 지정점(VCT)과 같은 동일한 출력을 전송한다. 이와 같은 방법으로, 상기 부하는 각 인가 기구로부터 동일한 출력을 수신한다.
대안으로서, 그러나 조건 b) 및 전송 출력(PT(i))의 통제의 맥락에서, 전송 출력(PT(i))이 인가 기구(i)마다 변화하도록, 상기 방법이 상기 주파수(f(i))를 변화시키고, 선택적으로 상기 입사 출력(PIN(i))을 더 변화시키는 것 또한 고려할 수 있다. 그 경우에, 제2 기준값(VT(i))은 모두 동일하지는 않는다.
상기 설비가 다수의 인가 기구(i)를 포함하는 경우에, 상기 방법은, 각 인가 기구에 연관된 입사 출력(PIN(i))을 설정하거나 측정하는 단계를 포함할 수 있다;
그리고 모니터링 단계 p2)는 아래의 세부 단계를 수행함으로써 조건 b)를 만족한다:
p3) 각 인가 기구(i)에 대하여, 상기 제2 기준값(VT(i))과 같은, 상기 인가 기구에 의한 전송 출력(PT(i))에 대응되는 상기 반사 출력(PR(i))의 지정점(VCR(i))을 계산하는 단계(즉, VCR (i) = PIN (i) - VT (i));
p4) 각 인가 기구(i)에 대하여, 상기 반사 출력(PR(i))이 상기 지정점(VCR(i))을 따르도록 하기 위하여, 연관된 발생기에 의하여 생성된 상기 전자기파의 주파수(f(i))를 모니터링하는 단계.
이와 같은 방법으로, 대응되는 주파수(f(i))를 변화시킴으로써, 조건 b)를 만족하도록 하고, 따라서 전송 출력(PT(i))를 통제함으로써, 각 인가 기구(i)에 대하여 피드백 루프가 상기 반사 출력(PR(i))에 생성된다.
모니터링 단계 p2)는, 각 인가 기구에 대하여, 연관된 발생기에 의하여 생성된 전자기파의 주파수(f(i)) 및 그 동일한 발생기에 의하여 전달되는 입사 출력(PIN(i)) 모두를 모니터링함으로써, 조건 a) 및/또는 조건 b)를 만족하는 점에서 유리하다.
이와 같은 방법으로, 주파수 및 입사 출력에 의존하는 반사 출력 및/또는 전송 출력을 통제하기 위하여, 주파수 및 입사 출력 모두를 활용한다.
본 발명의 한 가능성에 따르면, 상기 세부 단계 p4)는, 각 인가 기구(i)에 대하여, 아래의 모니터링을 포함한다:
- 주어진 지정점(VIN(i))에서 관련된 발생기에 의하여 전달된, 가변적일 수 있는 입사 출력(PIN(i))의 모니터링; 및
- 상기 반사 출력(PR (i))이 지정점(VCR (i))을 따르도록 하여 관계(VCR (i) = VCIN(i) - VT (i))를 만족하도록, 상기 연관된 발생기에 의하여 생성된 상기 전자기파의 주파수(f(i))의 모니터링.
이 기술은, 조건 b)를 만족하고, 따라서 전송 출력(PT(i))을 통제하기 위하여, 주파수(f(i)) 및 입사 출력(PIN(i)) 모두를 활용할 수 있게 한다는 점에서 유리하다. 궁극적으로 전송 출력(PT(i))을 가장 잘 통제하기 위하여, 조정 중에 입사 출력(PIN(i))의 지정점(VCIN(i))을 변화시키는 것이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것임은 물론이다.
상기 설비가 다수의 인가 기구를 포함하는 하나의 유리한 실시예에서, 모니터링 단계 p2)는 아래의 세부 단계를 수행함으로써 조건 a) 및 b) 모두를 만족한다:
p5) 각 반사 출력(PR(i))이 대응되는 제1 기준값(VR(i))과 같아지도록, 조건 a)가 만족될 때까지, 관련된 발생기에 의하여 생성된 상기 전자기파의 주파수(f(i))를 모니터링하는 단계;
p6) 각 인가 기구에 대하여, 상기 제2 기준값(VT(i))과 같은, 상기 인가 기구에 의한 전송 출력(PT(i))에 대응되는 상기 입사 출력(PIN(i))의 지정점(VCIN(i))을 계산하는 단계(즉, VCIN(i) = VR(i) + VT(i));
p7) 조건 b)를 만족하도록, 관련된 발생기에 의하여 전달된 입사 출력(PIN(i))을 지정점(VCIN(i))으로 조정하는 단계.
이 실시예는, 첫째로, 조건 a)를 만족하기 위하여 주파수(f(i))를 활용하는 것(따라서, 특히 임피던스 매칭에 대한 염려 없이 상기 반사 출력(PR(i))의 통제를 확보하는 것), 및 다음으로, 조건 b)를 만족하기 위하여 입사 출력(PIN(i))을 활용하는 것(따라서, 특히 가열 또는 플라즈마의 균질성에 대한 염려 없이 전송 출력(PT(i))의 통제를 확보하는 것)을 가능하게 하는 점에서 유리하다.
물론, 입사 출력(PIN(i))의 조정(단계 p7)) 중에, 반사 출력(PR(i))의 값은 변화할 수 있고, 따라서 입사 출력(PIN(i))은, 그 지정점(VCIN(i))에 도달할 때까지, 상기 반사 출력(PR(i))의 실제값을 항상 염두에 두고 효과적으로 변화하여야 한다. 따라서, 모니터링 단계 p2)는, 반사 출력(PR(i)) 및 입사 출력(PIN(i))의 변화에 지속적으로 적응하는 것을 반복하는, 실시간에서 동적이거나 연속적인 단계이다.
모니터링 단계 p2)는, 관련된 발생기에 의하여 전달된 입사 출력(PIN(i))을 상기 제2 기준값(VT(i))에 근사하거나 실질적으로 같은 값으로 조정하는 세부 단계 p8)를, 상기 세부 단계 p5)전에 더 포함하는 것이 유리하다.
이 세부 단계 p8)는, 세부 단계 p5) 중에 주파수(f(i))를 활용하기에 앞서, 입사 출력(PIN(i))이 그 최종값, 즉, 지정점(VCIN(i))에 근사해지도록 할 수 있다.
전자 사이클로트론 공명(ECR) 플라즈마 여기 기술의 특정한 경우에, 상기 방법은, 전자기파와 조합되어 전자 사이클로트론 공명 플라즈마를 생성할 수 있게 하는 공명 자기장을 발생하는 단계를 포함하고, 상기 방법은 아래의 단계를 더 포함한다:
r1) 상기 또는 각 인가 기구에 대하여 전자 사이클로트론 공명 표면의 미리설정된 값에 대응되는 타겟 주파수(Cf(i))를 계산하는 단계;
r2) 상기 또는 각 인가 기구의 상기 전자 사이클로트론 공명 표면이 대응되는 미리설정된 값에 도달하도록 하기 위하여, 상기 또는 각 발생기에 의하여 생성된 전자기파의 주파수(f(i))가 대응되는 지정점(Cf(i))을 따르도록 하는 단계.
본 발명의 특징과 장점은 첨부된 도면을 참조로 다수의 비한정적인 실시예에 관한 아래의 상세한 설명으로부터 이해될 것이다.
도 1은, 이미 설명한 바와 같이, 플라즈마 생성에 의한 공지의 마이크로웨이브 처리 설비의 반응기의 사시도 및 부분 단면도이다.
도 2는, 이미 설명한 바와 같이, 플라즈마 생성에 의한 공지의 마이크로웨이브 처리 설비의 부분 개요도이다.
도 3은, 이미 설명한 바와 같이, 플라즈마 생성에 의한 다른 공지의 마이크로웨이브 처리 설비의 부분 개요도이다.
도 4은, 이미 설명한 바와 같이, 플라즈마 생성에 의한 다른 공지의 마이크로웨이브 처리 설비의 부분 개요도이다.
도 5는 본 발명에 따른 제1 마이크로웨이브 처리 설비의 개요도이다.
도 6은 본 발명에 따른 제2 마이크로웨이브 처리 설비의 개요도이다.
도 7은 본 발명에 따른 제3 마이크로웨이브 처리 설비의 개요도이다.
도 8은 본 발명에 따른 제4 마이크로웨이브 처리 설비의 개요도이다.
도 9는 본 발명에 따른 제5 마이크로웨이브 처리 설비의 개요도이다.
도 10은 본 발명에 따른 제6 마이크로웨이브 처리 설비의 개요도이다.
도 11은 본 발명에 따른 제7 마이크로웨이브 처리 설비의 개요도이다.
도 12는 본 발명에 따른 제8 마이크로웨이브 처리 설비의 개요도이다.
아래의 설명은 플라즈마-타입 부하를 처리하는 마이크로웨이브 처리 설비(1), 달리 말하면, 처리 챔버에서 플라즈마를 생성하는 설비에 관한 것이다. 다른 응용예, 일례로 마이크로웨이브로 처리할 고체, 액체 및/또는 기체 산물을 담는 화학 반응기 타입의 처리 챔버를 갖는 응용예를 위해서, 또는 치료할 인체의 일부에 마이크로웨이브 방사선을 인가함으로써 이루어지는 의학적 처리의 맥락에서 설비(1)를 사용하는 것도 고려될 수 있음은 물론이다.
도 5에 도시된 본 발명의 제1실시예에서, 플라즈마 생성 설비(1)는:
- 플라즈마가 생성되는 부피를 형성하는 처리 챔버(20)를 가지는 반응기(2);
- 인가 기구(30)에 의하여 반사된 출력을 측정하는 측정 시스템(31)과 아울러 처리 챔버(20)의 내부에 마이크로웨이브 범위의 전자기파를 인가하는 인가 기구(30)를 포함하는 단위 플라즈마 소스(3);
- 마이크로웨이브 범위에서 고상(solid-state) 타입으로서, 전자기 에너지를 가이드하는 수단(5)에 의하여 인가 기구(30)에 연결되고, 2400 내지 2500 MHz, 또는 이와 달리 미리설정된 주파수 범위에서 파동의 주파수를 조정하도록 설계된 주파수 조정 시스템(40)을 포함하는 전자기파 발생기(4); 및
- 입력측은 측정 시스템(31)에 연결되고 출력측은 주파수 조정 시스템(40)에 연결되는 컨트롤러(6);를 포함한다.
설명의 나머지 부분 및 다른 실시예에서:
- 상기 또는 각 인가 기구(30)는 동축 인가기 타입이나, 본 발명은 그러한 동축 인가기에 한정되지 아니하고, 마이크로웨이브 출력을 인가하기 위한 다른 타입의 기구도 고려될 수 있으며, 방전 튜브(설파트론(surfatron), 이븐슨 동공(Evenson cavity), 하류 소스(downstream source), 반금속 플라즈마 토치(semi-metallic plasma torch), 유전 튜브(dielectric tube), 등), 안테나, 유전 창(dielectric window)을 가지는 웨이브가이드, 등을 예로 들 수 있다
- 상기 또는 각 발생기(4)는 트랜지스터 발생기라고도 불리는 고상(solid-state) 전자기파 발생기 타입으로서, (마그네트론과 달리) 그 동작 주파수 범위에서 전자기파의 주파수를 수동으로 또는 자동으로 모니터링 할 수 있게 하는 장점이 있다;
- 상기 또는 각 가이드 수단(5)은 고상 발생기(4)에 직접 연결되기에 특히 적당한 동축 케이블의 형태로 만들어지는데, 다른 형태의 가이드 수단, 예를 들면 웨이브가이드도 고려될 수 있다.
측정 시스템(31)은 써큘레이터(circulator) 및 부하를 조합한 절연체로 이루어질 수 있다. 단위 소스가 반사 출력을 방출하는 경우, 써큘레이터는 그 출력을 부하 쪽으로 편향시킨다. 커플링에 의하여, 그 출력의 일부가 인출되고 측정된다. 인출된 부분(또는 감쇠 계수)를 알면, 이로부터 반사 출력을 구할 수 있다. 측정 시스템은 파라미터 S, 및 특히 S1.1을 측정하는 시스템일 수 있다.
컨트롤러(6)는 6개의 동작 모드로 설계된다.
제1 동작 모드에서, 컨트롤러(6)는:
- 측정 시스템(31)으로부터 반사 출력 측정(PRM)을 입력으로 수신하고;
- 인가 기구에 의하여 측정된 반사 출력(PR)이 제1 기준값(VR)에 실질적으로 도달할 때까지, 발생기(4)에서 생성된 전자기파의 주파수(f)를 모니터링한다(또는 변화시킨다).
달리 말하면, 컨트롤러(6)는 반사 출력(PR)이 제1 기준값(VR)에 동등하게 되는 주파수(f)를 찾는다; 제1 기준값(VR)은, 플라즈마와 단위 소스(3) 사이의 임피던스를 매칭하도록, 실질적으로 0(영) 값으로, 또는 적어도 최소의 접근 가능 값으로 설정될 수 있다.
제2 동작 모드에서, 컨트롤러(6)는:
- 측정 시스템(31)으로부터 반사 출력 측정(PR)을 입력으로 수신하고;
- 소스 상의 입사 출력(PIN)의 값을 입력으로 수신하는데, 여기서, 이 값은 컨트롤러(6)가 연결된 발생기(4)로부터 나오며;
- 제2 기준값(VT)과 동일한 전송 출력(PT)에 대응되는 반사 출력(PR)의 지정점(VCR)을 계산하고(즉, VCR = PIN - VT);
- 인가 기구에 의하여 측정된 반사 출력(PR)이 지정점(VCR)에 실질적으로 도달할 때까지, 발생기(4)에서 생성된 전자기파의 주파수(f)를 모니터링한다(또는 변화시킨다).
따라서, 전송 출력(PT)을 제2 기준값(VT)으로 통제하기 위하여, 반사 출력(PR)은 지정점(VCR)으로 종속시킨다. 달리 말하면, 컨트롤러(6)는 PT = VT 가 되는 주파수(f)를 찾는다.
제3 동작 모드에서, 컨트롤러(6)는:
- 측정 시스템(31)으로부터 반사 출력 측정(PR)을 입력으로 수신하고;
- 소스 상의 입사 출력(PIN)의 값을 입력으로 수신하는데, 여기서, 이 값은 컨트롤러(6)가 연결된 발생기(4)로부터 나오며;
- 인가 기구에 의하여 측정된 반사 출력(PR)이 제1 기준값(VR)에 실질적으로 도달할 때까지, 주파수(f) 및 입사 출력(PIN) 모두를 모니터링한다(또는 변화시킨다).
달리 말하면, 컨트롤러(6)는 반사 출력(PR)이 제1 기준값(VR)에 동등하게 되는 쌍(주파수(f), 입사 출력(PIN))을 찾는다.
예를 들어, 반사 출력(PR)이 실질적으로 0(영)인 제1 기준값(VR)에 도달하도록, 첫째로, 컨트롤러(6)는 반사 출력(PR)이 최소가 되나 0(영)보다는 크게 되는 주파수를 먼저 찾고, 둘째로, 컨트롤러(6)는 반사 출력(PR)이 실질적으로 0(영)과 같게 되는 입사 출력(PIN)을 찾는 것을 고려할 수 있다; 주파수만을 활용함으로써 제1 기준값(VR)에 도달할 수 없다면, 입사 출력(PIN)만 조정된다.
제4 동작 모드에서, 컨트롤러(6)는:
- 측정 시스템(31)으로부터 반사 출력 측정(PR)을 입력으로 수신하고;
- 소스 상의 입사 출력(PIN)의 값을 입력으로 수신하는데, 여기서, 이 값은 컨트롤러(6)가 연결된 발생기(4)로부터 나오며;
- 전송 출력(PT = PIN - PR)이 제2 기준값(VT)과 실질적으로 같을 때까지, 주파수(f) 및 입사 출력(PIN) 모두를 모니터링한다(또는 변화시킨다)
달리 말하면, 컨트롤러(6)는 PT = VT 가 되는 쌍(주파수(f), 입사 출력(PIN))을 찾는다. 예를 들어, 전송 출력(PT)이 제2 기준값(VT)에 도달하도록, 첫째로, 컨트롤러(6)는 전송 출력(PT)이 제2 기준값(VT)에 가장 가까워지는 주파수를 찾고(반사 출력(PR)을 최소화하려 하지 않고), 둘째로, 컨트롤러(6)는 전송 출력(PT)이 제2 기준값(VT)과 같아지게 되는 입사 출력(PIN)을 찾는 것을 고려할 수 있다; 주파수만을 활용함으로써 제2 기준값(VT)에 도달할 수 없다면, 입사 출력(PIN)만 조정된다.
제5 동작 모드에서, 컨트롤러(6)는:
- 측정 시스템(31)으로부터 반사 출력 측정(PRM)을 입력으로 수신하고;
- 소스 상의 입사 출력(PIN)의 값을 입력으로 수신하는데, 여기서, 이 값은 컨트롤러(6)가 연결된 발생기(4)로부터 나오며;
- 반사 출력(PR)이 제1 기준값(VR)에 실질적으로 도달할 때까지, 바람직하게는 반사 출력(PR)이 최소값에 도달할 때까지, 주파수(f)를 모니터링하고(또는 변화시키고);
- 전송 출력(PT = PIN - PR) 이 제2 기준값(VT)과 실질적으로 같을 때까지, 입사 출력(PIN)을 모니터링한다(또는 변화시킨다).
달리 말하면, 컨트롤러(6)는 PR = VR (PR = 접근 가능한 최소값) 및 PT = VT 이 되는 쌍(주파수(f), 입사 출력(PIN))을 찾는다. 주파수의 모니터링 단계에서, 컨트롤러(6)는 초기 주파수로부터 시작하여, 반사 출력(PR)이 최소값이 될 때까지 감소하는 측에서 주파수(f)를 변화시키는 것을 고려할 수 있다.
제6 동작 모드에서, 설비는 전자 사이클로트론 공명(ECR) 플라즈마 생성 설비이다. 그 경우에, 단위 소스(3)는 전자기파와 조합되어 전자 사이클로트론 공명(ECR) 플라즈마를 생성할 수 있게 하는 공명 자기장을 생성하도록 설계된 자기 구조물(도시되지 않음)을 더 포함한다.
이 제6 동작 모드에서, 컨트롤러(6)는:
- 상기 또는 각 주파수 조정 시스템(40)에 대하여, 상기 또는 각 단위 플라즈마 소스(3)의 공명 표면의 미리설정된 값에 대응되는 주파수 명령(Cf(i))을 계산하고; 및
- 각 단위 소스(3)에 대하여, 상기 또는 각 발생기(4)에 의하여 생성된 전자기파의 주파수(f(i))를 대응되는 지정점(Cf(i))에 종속시켜 상기 또는 각 단위 플라즈마 소스(3)의 공명 표면이 대응되는 미리설정된 값에 도달하도록, 문제의 주파수 조정 시스템(40)을 모니터링 한다.
도 6에 도시된 본 발명의 제2실시예에서, 플라즈마 생성 설비(1)는 도 5의 제1 실시예의 것과 동일하지만, 인가기(30)의 상류에 위치된 임피던스 매칭 기구(7)를 더 포함한다는 점에서 차이가 있다.
이 임피던스 매칭 기구(7)는, 특히 위에서 설명한 동작 모드를 구현함으로써, 동작 중에 자동적으로 그리고 실시간으로, 컨트롤러(6)가 제2 미세 임피던스 매칭 및/또는 전송 출력의 통제를 수행하기 전에, 선택적으로는 동작의 조정과 함께, 제1 임피던스 매칭을 수행할 수 있게 한다.
도 7에 도시된 본 발명의 제3실시예에서, 플라즈마 생성 설비(1)는:
- 플라즈마가 생성되는 부피를 형성하는 처리 챔버(20)를 가지는 반응기(2);
- 대응되는 인가 기구(30)에 의하여 반사되는 출력을 측정하는 측정 시스템(31)과 아울러 마이크로웨이브 범위의 전자기파를 인가하는 처리 챔버(20) 내의 인가기(30)를 각각 포함하는 다수의 단위 플라즈마 소스(3);
- 마이크로웨이브 범위에서 고상 타입으로서, 인가기(30)에 동축 케이블(5)로 연결되고, 2400 내지 2500 MHz, 또는 이와 달리 미리설정된 주파수 범위에서 파동의 주파수를 조정하도록 설계된 주파수 조정 시스템(40)를 포함하는 전자기파 발생기(4); 및
- 입력측은 측정 시스템(31)에 연결되고 출력측은 주파수 조정 시스템(40)에 연결되는 컨트롤러(6); 및
- 발생기(4)의 출력측에 위치하고, 발생기(4)에 의하여 발생된 마이크로웨이브 출력을 단위 소스(3)의 개수(k)로 분할하도록 설계되어, 각각 인가기(30)에 동축 케이블(5)로 연결된 k개의 출력측을 가지고, 각 출력측은 발생기(4)에 의하여 인가기(30)로 전달되는 총 출력의 1/k를 인출하는 출력 분할기(8);를 포함한다.
컨트롤러(6)는 위에서 설명한 6개의 동작 모드를 구현하도록 설계되지만, 하나의 발생기(4)는 다수의 단위 소스(3)에 연관된다는 차이가 있다. 따라서, 컨트롤러(6)는:
- 제1 동작 모드에서: 바람직하게는 임피던스 매칭을 위해, 공유된 발생기(4)에 의하여 발생된 파동의 주파수(f)를 활용함으로써, 각 단위 소스(i)에서의 반사 출력(PR(i))을 통제한다;
- 제2 동작 모드에서: 공유된 발생기(4)에 의하여 발생된 파동의 주파수(f)를 활용함으로써, 각 단위 소스(i)에서의 전송 출력(PT(i))을 통제한다;
- 제3 동작 모드에서: 소스(i)에 대한 입사 출력(PIN(i))은 분할기(8)에 의하여 출력 분할이 이루어진 후의 발생기(4)의 출력(PGEN)의 일부에 대응되므로, 공유된 발생기(4)에 의하여 발생된 파동의 주파수(f)와 소스(i)에서의 입사 출력(PIN(i))를 활용함으로써, 각 단위 소스(i)에서의 반사 출력(PR(i))을 통제한다;
- 제4 동작 모드에서: 공유된 발생기(4)에 의하여 발생된 파동의 주파수(f)와 소스(i)에서의 입사 출력(PIN(i))(발생기(4)의 출력(PGEN)의 일부)을 활용함으로써, 각 단위 소스(i)에서의 전송 출력(PT(i))의 통제를 수행한다;
- 제5 동작 모드에서: 각 소스(i)에 대하여, 공유된 발생기(4)에 의하여 발생된 파동의 주파수(f)와 소스(i)에서의 입사 출력(PIN(i))(발생기(4)의 출력(PGEN)의 일부)을 활용함으로써, 반사 출력(PR(i)) 및 전송 출력(PT(i))을 통제한다; 및
- 제6 동작 모드에서: 공유된 발생기(4)에 의하여 발생된 파동의 주파수(f)를 활용함으로써, 단위 소스(i)에 연관된 생성 면적에서, 공명 표면을 모니터링한다.
물론, 이 설비는, 발생기(4)가 다수의 단위 소스(3)에 출력을 제공하게 되므로, 인가기(30) 사이에 편차가 있고 더욱이 단위 소스(3)가 서로 상호작용하므로, 다양한 인가기(30)에서 측정된 반사 출력(PR(i)) 모두가 정확히 동일한 제1 기준값(VR(i))에 도달하지는 않는다는 점에서 한계가 있다. 그럼에도 불구하고 컨트롤러(6)는, 신호 발생기(4)에 의하여 발생된 파동의 주파수(f) 및 선택적으로는 출력(PGEN)을 활용함으로써, 모든 단위 소스(3)에서, 공명 표면과 아울러, 반사 출력 및/또는 전송 출력의 전체적이고 평균적인 통제를 할 수 있다는 것은 여전히 사실이다.
그러나, 이론적으로는, 인가기(30)가 동일하다면, 또는 더욱 정확하게는, 발생기(4)와 각 소스(3) 사이의 마이크로웨이브 라인이 동일하다면, 그리고 분할기(8)에 의하여 이루어지는 출력의 분할이 주파수(f)에 무관하게 균등하다면, 그리고 작동 조건이 각 인가기(30)의 단부에서 동일하다면(달리 말하면, 플라즈마가 인가기(30)의 부근에서 균일하다면), 임피던스 매칭 및/또는 전송 출력 통제 및/또는 공명 표면의 모니터링을 수행하도록 주파수(f)는 각각의 소스(3)에 대해 동일할 수 있다.
도 8에 도시된 본 발명의 제4실시예에서, 플라즈마 생성 설비(1)는 도 7의 제3 실시예의 것과 동일하지만, 발생기(4)와 출력 분할기(8) 사이에 위치한 임피던스 매칭 기구(7)을 더 포함한다는 점에서 차이가 있다.
이 임피던스 매칭 기구(7)는, 동작 중에 자동적으로 그리고 실시간으로, 컨트롤러(6)가 모든 단위 소스(3)에 대한 제2 임피던스 매칭을 수행하기 전에, 선택적으로는 동작에 앞선 조정과 함께, 제1 임피던스 매칭을 수행할 수 있게 한다. 일반적으로, 컨트롤러(6)는 위에서 설명한 6개의 동작 모드를 구현하도록 설계되지만, 모든 소스(3)에 의하여 공유되는 임피던스 매칭은 공유된 임피던스 매칭 기구(7)에 의하여 이루어진다는 차이가 있다.
도 9에 도시된 본 발명의 제5실시예에서, 플라즈마 생성 설비(1)는 도 7의 제3 실시예의 것과 동일하지만, 출력 분할기(8)와 인가기(30) 사이에 위치된, 인가기(30) 당 하나의 임피던스 매칭 기구(7)로서 다수의 임피던스 매칭 기구(7)를 더 포함한다는 점에서 차이가 있다.
이들 임피던스 매칭 기구(7)는, 각 단위 소스(3)에 대하여, 선택적으로는 동작에 앞선 조정과 함께, 제1 임피던스 매칭을 수행할 수 있게 한다. 다음으로, 컨트롤러(6)는, 동작 중에 자동적으로 그리고 실시간으로, 모든 단위 소스(3)에 대하여 제2 임피던스 매칭을 수행할 수 있게 한다. 일반적으로, 컨트롤러(6)는 위에서 설명한 6개의 동작 모드를 구현하도록 설계되지만, 각 소스(3)에 대한 개별의 임피던스 매칭이 소스(3)마다 독립적으로 각 임피던스 매칭 기구(7)에 의하여 이루어진다는 점에서 차이가 있다. 이와 같은 방법으로, 인가기(30) 사이(또는 더욱 정확하게는, 발생기(4)와 각 소스(3) 사이의 마이크로웨이브 라인 사이)의 차이, 분할기(8)에 의하여 이루어진 출력 분할에서의 불균형, 그리고 인가기(30)의 단부에서 플라즈마의 균질성 부족을 보상할 수 있다.
도 10에 도시된 본 발명의 제6실시예에서, 플라즈마 생성 설비(1)는:
- 플라즈마가 생성되는 부피를 형성하는 처리 챔버(20)를 가지는 반응기(2);
- 대응되는 인가 기구(30)에 의하여 반사되는 출력을 측정하는 측정 시스템(31)과 아울러 마이크로웨이브 범위의 전자기파를 인가하기 위한 처리 챔버(20) 내의 인가기(30)를 각각 포함하는 다수의 단위 플라즈마 소스(3); 및
- 마이크로웨이브 범위에서 고상 타입으로서, 단위 소스(3) 당 하나씩으로 개별적으로 각각이 인가기(30)에 동축 케이블(5)로 연결되고, 각각이 2400 내지 2500 MHz, 또는 이와 달리 미리설정된 주파수 범위에서 파동의 주파수를 조정하도록 설계된 주파수 조정 시스템(40)을 포함하는 다수의 전자기파 발생기(4); 및
- 입력측이 다른 단위 소스(3)의 측정 시스템(31)에 연결되고 출력측이 다른 발생기(4)의 주파수 조정 시스템(40)에 연결된 컨트롤러(6);를 포함한다.
컨트롤러(6)는 위에서 설명한 6개의 동작 모드를 구현하도록 설계되지만, 각 발생기(4)는 하나의 단위 소스(3)에 연관된다는 차이가 있다. 따라서, 컨트롤러(6)는:
- 제1 동작 모드에서: 바람직하게는 임피던스 매칭을 위해, 연관된 발생기(4)에 의하여 발생된 파동의 주파수(f(i))를 활용함으로써, (소스마다 독립적으로) 각 단위 소스(i) 에서의 반사 출력(PR(i))을 통제하고;
- 제2 동작 모드에서: 연관된 발생기(4)에 의하여 발생된 파동의 주파수(f(i))를 활용함으로써, (소스마다 독립적으로) 각 단위 소스(i) 에서의 전송 출력(PT(i))을 통제하며;
- 제3 동작 모드에서: 소스(i)의 입사 출력(PIN(i))은 연관된 발생기(4)의 출력(PGEN(i))에 피드 손실 내에서 실질적으로 대응되므로(소스(i)에서의 입사 출력(PIN(i))을 활용하는 것은 연관된 발생기(4)의 출력(PGEN(i))을 활용하는 것이 되므로), 연관된 발생기(4)에 의하여 발생된 파동의 주파수(f(i))와 소스(i)에서의 입사 출력(PIN(i)) 을 (소스마다 독립적으로) 활용함으로써, 각 단위 소스(i)에서의 반사 출력(PR(i))을 통제하고;
- 제4 동작 모드에서: 연관된 발생기(4)에 의하여 발생된 파동의 주파수(f(i))와 소스(i)에서의 입사 출력(PIN(i))(따라서 연관된 발생기(4)의 출력(PGEN(i)))을 활용함으로써, (소스마다 독립적으로) 각 단위 소스(i) 에서의 전송 출력(PT(i))을 통제하며;
- 제5 동작 모드에서: 각 소스(i)에 대하여, 연관된 발생기(4)에 의하여 발생된 파동의 주파수(f(i))와 소스(i)에서의 입사 출력(PIN(i))(따라서 연관된 발생기(4)의 출력(PGEN(i)))을 활용함으로써, 반사 출력(PR(i)) 및 전송 출력(PT(i))을 통제하고; 및
- 제6 동작 모드에서: 연관된 발생기에 의하여 발생된 파동의 주파수(f(i))를 활용함으로써, 공명 표면, 및 따라서 각 단위 소스(i)에 연관된 생성 면적을 (소스마다 독립적으로) 모니터링한다.
따라서, 컨트롤러(6)는 (주파수를 모니터링하는) 주파수 조정 시스템(31) 및 (입사 출력을 모니터링하는) 발생기(4)를 서로 독립적으로 모니터한다.
예를 들어, 제1 동작 모드(반사 출력의 통제)에서는, 제1 단위 소스(3)에 대하여, 제1 반사 출력(PR(1))이 측정되고, 컨트롤러(6)는 반사 출력(PR(1))이 일례로 0(영) 또는 적어도 최소값인 제1 기준값(VR(1))에 도달하도록 하는 제1 발생기(4)에 대한 제1 주파수(f(1))를 찾는다. 제1 발생기(4)의 주파수를 변화시킴으로서 반사 출력(PR(1))을 통제하는 것은 제1 단위 소스(3) 및 제1 발생기(4)에만 관련된 제1 피드백 루프를 사용하여 이루어진다.
마찬가지로, 제2 단위 소스(3)에 대하여, 제2 반사 출력(PR(2))이 측정되고, 컨트롤러(6)는 반사 출력(PR(2))이 일례로 0(영) 또는 적어도 최소값인 제2 기준값(VR(2))에 도달하도록 하는 제2 발생기(4)에 대한 제2 주파수(f(2))를 찾는다. 제2 발생기(4)의 주파수를 변화시킴으로써 반사 출력(PR(2))을 통제하는 것은 제2 단위 소스(3) 및 제2 발생기(4) 에만 관련된 제2 피드백 루프를 사용하여 이루어진다.
이 설비는 제3, 제4 및 제5 실시예에 비하여, 출력의 통제(임피던스 적응) 및/또는 전송 출력의 통제 및/또는 공명 표면의 모니터링을 각 단위 소스(3)에 대하여 서로 독립적으로 하는 장점을 가진다. 따라서, 이 설비는, 각 발생기(4)의 주파수를 서로 독립적으로 활용함으로써, 일례로 플라즈마를 균질화해야 하는 염려 없이, 각 단위 소스(3)에 전송된 출력을 서로 독립적으로 모니터링 할 수 있게 한다.
도 11에 도시된 본 발명의 제7실시예에서, 플라즈마 생성 설비(1)는 도 10의 제6 실시예의 것과 동일하지만, 발생기(4)와 인가기(30) 사이에 위치된, 인가기(30) 당 하나의 임피던스 매칭 기구(7)로서 다수의 임피던스 매칭 기구(7)를 더 포함한다는 점에서 차이가 있다.
이들 임피던스 매칭 기구(7)는, 각 단위 소스(3)에 대하여, 선택적으로는 동작에 앞선 조정과 함께, 제1 임피던스 매칭을 수행할 수 있게 한다. 다음으로, 컨트롤러(6)는 위에서 설명한 6개의 동작 모드을 수행할 수 있도록 하고, 일례로, 동작 중에 각 단위 소스에 대하여 자동적으로 그리고 실시간으로, 각 단위 소스(3)에 대한 제2 미세 임피던스 매칭(제1, 제3 및 제5 실시예)를 독립적으로 수행하도록 한다.
도 12에 도시된 본 발명의 제8실시예에서, 플라즈마 생성 설비(1)는 도 7의 제3 실시예에 따른 제1 하부 설비 및 도 7의 제3 실시예에 따른 제2 하부 설비를 포함하고, 여기서 2개의 하부 설비의 인가기(30)는 동일한 반응기(2)의 동일한 처리 챔버(20) 내에 위치한다.
제1 하부 설비는:
- 처리 챔버(20) 내의 인가기(30) 및 대응되는 인가 기구(30)에 의하여 반사되는 출력을 측정하는 측정 시스템(31)을 각각 포함하는 다수의 단위 플라즈마 소스(3);
- 인가기(30)에 동축 케이블(5)로 연결되고, 약 2400 내지 2500 MHz, 또는 이와 달리 미리설정된 주파수 범위에서 파동의 주파수를 조정하도록 설계된 주파수 조정 시스템(40)을 포함하는, 마이크로웨이브 범위의 전자기파 발생기(4); 및
- 발생기(4)의 출력측에 위치하고 각각 인가기(30)에 동축 케이블(5)로 연결된 k개의 출력측을 가지고, 각 출력측은 발생기(4)에 의하여 인가기(30)로 전달되는 총 출력의 1/k를 인출하는 출력 분할기(8);를 포함한다.
제2 하부 설비는:
- 동일한 처리 챔버(20) 내의 인가기(30) 및 대응되는 인가 기구(30)에 의하여 반사되는 출력을 측정하는 측정 시스템(31)를 각각 포함하는 다수의 단위 플라즈마 소스(3);
- 마이크로웨이브 범위에서 고상 타입으로서, 인가기(30)에 동축 케이블(5)로 연결되고, 약 2400 내지 2500 MHz, 또는 이와 달리 미리설정된 주파수 범위에서 파동의 주파수를 조정하도록 설계된 주파수 조정 시스템(40)을 포함하는 전자기파 발생기(4); 및
- 발생기(4)의 출력측에 위치하고, 각각 인가기(30)에 동축 케이블(5)로 연결된 m개의 출력측을 가지고(여기서 m은 k와 같을 필요는 없다), 각 출력측은 발생기(4)에 의하여 인가기(30)로 전달되는 총 출력의 1/m을 인출하는 출력 분할기(8).
더욱이, 설비(1)는 입력측이 모든 단위 소스(3)의 측정 시스템(31)에 연결되고 출력측이 2개의 발생기(4)의 주파수 조정 시스템(40)에 연결된 컨트롤러(6)를 포함한다.
물론, 2개의 하부 설비 중 하나 및/또는 나머지 하나에서, (도 8의 제4 실시예의 경우에서와 같이) 발생기 당 하나의 임피던스 매칭 기구를 제공하거나 또는 (도 8의 제5 실시예의 경우에서와 같이) 인가기 당 하나의 임피던스 매칭 기구를 제공하는 것을 고려할 수 있다.
또한 새로운 서브-어셈블리를 추가하거나, 또는 2개의 서브-어셈블리 중 하나를 새로운 서브-어셈블리로 교체하는 것을 고려할 수 있으며, 이 새로운 서브-어셈블리는 인가기당 하나의 발생기를 가지는 제1, 제2, 제6 또는 제7 실시예 타입이 될 수 있다. 그 경우에, 설비는 다른 측정 시스템(31) 및 다른 주파수 조정 시스템(40)에 연결된 하나의 컨트롤러를 여전히 포함한다.
물론, 위에서 설명한 예시적인 실시예는 제한적이지 않으며, 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 개선 및 세부사항이 본 발명에 따른 설비에 부가될 수 있고, , 여기서는 다른 형태의 인가 기구 및/또는 전자기파를 가이드하는 가이드 수단이 일례로 생성될 수 있다.

Claims (24)

  1. 부하의 마이크로웨이브 처리 설비(1)로서,
    - 마이크로웨이브 범위의 전자기파를 인가하기 위한 하나 이상의 인가 기구(30);
    - 상기 전자기파를 가이드하는 수단(5)에 의하여 하나 이상의 인가 기구(30)에 연결된, 고상 발생기(solid-state generator) 타입으로서 마이크로웨이브 범위의 하나 이상의 전자기파 발생기(4);
    - 대응되는 발생기(4)에 의하여 생성된 상기 전자기파의 주파수(f(i))를 조정하도록 설계된, 상기 발생기(4) 또는 각각의 발생기(4)를 위한 주파수 조정 시스템(40);
    - 대응되는 인가 기구(30)에 의하여 반사된 출력(PR(i))을 측정하도록 설계된, 상기 인가 기구(30) 또는 각각의 인가 기구(30)를 위한 측정 시스템(31); 및
    - 상기 주파수 조정 시스템(40) 또는 각각의 주파수 조정 시스템(40)에 연결되어 상기 주파수 조정 시스템(40) 또는 각각의 주파수 조정 시스템(40)에 의하여 상기 전자기파의 주파수(f(i))의 조정을 제어하도록 설계되고, 다른 한편으로는 상기 측정 시스템(31) 또는 각각의 측정 시스템(31)에 연결되는 자동화 제어 수단(6)을 포함하되, 상기 자동화 제어 수단(6)은,
    e1) 상기 측정 시스템(31) 또는 각각의 측정 시스템(31)으로부터 상기 반사 출력 측정(PR (i))을 입력으로서 실시간으로 수신하고; 및
    e2) 조건 a) 상기 측정 시스템(31) 또는 각각의 측정 시스템(31)에 의하여 측정되는 상기 반사 출력(PR (i))이 제1 기준값(VR(i))에 실질적으로 도달하는 조건; 또는
    조건 b) 상기 인가 기구(30) 또는 각각의 인가 기구(30)에 의하여 전송된 출력(PT(i))이 제2 기준값(VT(i))에 실질적으로 도달하는 조건으로서, 상기 전송 출력(PT(i))은 대응되는 인가 기구(30)에 전송되는 입사 출력(PIN(i))과 그 동일한 인가 기구(30)에서 측정된 반사 출력(PR (i))과의 차이값에 대응하거나, 또는 PT (i) = PIN (i) - PR (i)의 관계가 성립하는 조건
    중 하나 이상이 만족될 때까지 상기 발생기(4) 또는 각각의 발생기(4)에 의하여 생성된 상기 전자기파의 주파수(f(i))를 변화시키도록 상기 주파수 조정 시스템(40) 또는 각각의 주파수 조정 시스템(40)에 명령하는, 부하의 마이크로웨이브 처리 설비(1).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 주파수 조정 시스템(40) 또는 각각의 주파수 조정 시스템(40)은, 2400 내지 2500 MHz 또는 5725 내지 5875 MHz의 주파수 범위에서 상기 전자기파의 주파수를 조정하도록 설계되는, 부하의 마이크로웨이브 처리 설비(1).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    2개 이상의 인가 기구(30) 및 각각이 상기 주파수 조정 시스템(40)과 연관되는 2개 이상의 발생기(4)를 포함하고, 각각의 발생기(4)는 하나 이상의 인가 기구(30)에 연결되는, 부하의 마이크로웨이브 처리 설비(1).
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    주파수 조정 시스템(40)과 각각 연관되는 N개의 발생기(4) 및 N개의 인가 기구(30)를 포함하되, N은 2보다 큰 정수이고, 각각의 발생기(4)는 하나의 인가 기구(30)에 연결되는, 부하의 마이크로웨이브 처리 설비(1)
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 기준값(VR(i))은, 상기 인가 기구(30) 또는 각각의 인가 기구(30)에 대하여, 상기 인가 기구(30) 또는 각각의 인가 기구(30) 상에서 임피던스 매칭을 수행하기 위하여, 측정되는 상기 반사 출력(PR(i))의 최소값에 대응되는, 부하의 마이크로웨이브 처리 설비(1)
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 설비(1)는 다수의 인가 기구(30)를 포함하고, 상기 제2 기준값(VT(i))은, 각각의 인가 기구(30)에 대하여, 각각의 상기 인가 기구(30)에 대하여 동일한 미리설정된 지정점(VCT)에 대응되는, 부하의 마이크로웨이브 처리 설비(1)
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 설비(1)는 상기 제2 기준값(VT(i))이 모두 동일하지는 않은 다수의 인가 기구(30)를 포함하는, 부하의 마이크로웨이브 처리 설비(1).
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 설비(1)는 다수의 인가 기구(30)를 포함하고,
    상기 제어 수단(6)은 상기 발생기(4) 또는 각각의 발생기(4)에 연결되어 각각의 인가 기구(30)에 연관된 입사 출력(PIN(i))의 값을 입력으로 수신하고, 상기 제어 수단(6)은 모니터링 단계 e2) 중에:
    e3) 각각의 인가 기구(30)에 대하여, 상기 제2 기준값(VT(i))과 같은, 상기 인가 기구(30)에 의하여 전송된 출력(PT(i))에 대응되는 상기 반사 출력(PR(i))의 지정점(VCR(i))을 계산하는 세부 단계(즉, VCR(i) = PIN(i) - VT(i)); 및
    e4) 각각의 인가 기구(30)에 대하여, 연관된 발생기(4)에 의하여 생성된 상기 전자기파의 주파수(f(i))를 변화시켜, 반사 출력(PR(i))이 상기 지정점(VCR(i))을 따르도록, 문제의 주파수 조정 시스템(40)을 모니터링하는 세부 단계
    를 수행함으로써 조건 b)를 만족하도록 설계되는, 부하의 마이크로웨이브 처리 설비(1).
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제어 수단(6)은 상기 발생기(4) 또는 각각의 발생기(4)를 출력의 측면에서 제어하여, 상기 발생기(4) 또는 각각의 발생기(4)가 주어진 입사 출력(PIN(i))을 전달하도록 하고, 상기 제어 수단(6)은, 단계 e2)를 수행하고, 상기 주파수 조정 시스템(31) 또는 각각의 주파수 조정 시스템(31)을 모니터링하여 연관된 주파수(f(i))를 변화시키고, 상기 발생기(4) 또는 각각의 발생기(4)를 모니터링하여 연관된 입사 출력(PIN(i))을 변화시킴으로써, 조건 a) 및 조건 b) 중 하나 또는 양자 모두를 만족하도록 설계되는, 부하의 마이크로웨이브 처리 설비(1).
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제어 수단(6)은, 세부 단계 e4) 중에, 상기 인가 기구(30) 또는 각각의 인가 기구(30)에 대하여:
    - 주어진 지정점(VCIN(i))에서 부차적으로 가변적인 입사 출력(PIN(i))을 전달하도록 관련된 발생기를 모니터링하고;
    - 상기 연관된 발생기에 의하여 생성된 전자기파의 주파수(f(i))를 변화시켜, 상기 반사 출력(PR(i))이 상기 지정점(VCR(i))을 따르도록 하여, 관계(VCR(i) = VCIN(i) - VT(i))를 만족하도록, 관련된 주파수 조정 시스템을 모니터링 하도록 설계되는, 부하의 마이크로웨이브 처리 설비(1).
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 설비(1)는 다수의 인가 기구(30)를 포함하고, 상기 제어 수단(6)은 상기 발생기(4) 또는 각각의 발생기(4)에 연결되어 각각의 인가 기구(30)에 연관된 입사 출력(PIN(i))의 값을 입력으로 수신하고, 상기 발생기(4) 또는 각각의 발생기(4)를 출력의 측면에서 제어하여, 상기 발생기(4) 또는 각각의 발생기(4)가 주어진 입사 출력(PIN(i))을 전달하도록 하고, 상기 제어 수단(6)은 모니터링 단계 e2) 중에:
    e5) 각각의 반사 출력(PR(i))이 대응되는 제1 기준값(VR(i))과 같아지도록, 조건 a)가 만족될 때까지, 관련된 발생기(4)에 의하여 생성된 상기 전자기파의 주파수(f(i))를 변화시키기 위하여, 각각의 주파수 조정 시스템(40)을 모니터링하는 세부 단계; 및
    e6) 각각의 인가 기구에 대하여, 상기 제2 기준값(VT(i))과 같은, 상기 인가 기구에 의한 전송 출력(PT(i))에 대응되는 상기 입사 출력(PIN(i))의 지정점(VCIN(i))을 계산하는 세부 단계(즉, VCIN(i) = VR(i) + VT(i)); 및 e7) 조건 b)를 만족하기 위해 지정점(VCIN(i))에서의 입사 출력(PIN(i))을 전달하도록 상기 발생기 또는 각각의 발생기를 제어하는 세부 단계
    를 수행함으로써 조건 a) 및 b)를 만족하도록 설계되는, 부하의 마이크로웨이브 처리 설비(1).
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제어 수단(6)은, 상기 제2 기준값(VT(i))에 근사하거나 실질적으로 같은 값으로 입사 출력(PIN (i))을 전달하도록 상기 발생기 또는 각각의 발생기를 제어하는 것을 포함하는 세부 단계 e8)을, 모니터링 단계 e2) 중에, 상기 세부 단계 e5)에 앞서 수행하도록 설계되는, 부하의 마이크로웨이브 처리 설비(1).
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 설비(1)는, 상기 전자기파와 조합되어, 전자 사이클로트론 공명 플라즈마를 생성할 수 있게 하는 공명 자기장을 생성하도록 설계된 하나 이상의 자기 구조물을 더 포함하고, 상기 제어 수단(6)은:
    f1) 상기 주파수 조정 시스템(40) 또는 각각의 주파수 조정 시스템(40)에 대하여, 상기 인가 기구(30) 또는 각각의 인가 기구(30)에 대하여 전자 사이클로트론 공명 표면의 미리설정된 값에 대응되는 타겟 주파수(Cf(i))를 계산하고;
    f2) 각각의 단위 소스(3)에 대하여, 상기 발생기(4) 또는 각각의 발생기(4)에 의하여 생성된 전자기파의 주파수(f(i))가 대응되는 지정점(Cf(i))을 따르도록 하여, 상기 인가 기구 또는 각각의 인가 기구의 전자 사이클로트론 공명 표면이 대응되는 미리설정된 값에 도달하도록 하기 위하여, 문제의 상기 주파수 조정 시스템(40)을 모니터링하도록 설계되는, 부하의 마이크로웨이브 처리 설비(1).
  14. 부하의 마이크로웨이브 처리 방법으로서,
    - 하나 이상의 고상 발생기(4)를 사용하여 마이크로웨이브 범위의 하나 이상의 전자기파를 발생시키는 단계;
    - 상기 전자기파 또는 각각의 전자기파를 상기 전자기파의 하나 이상의 인가 기구(30)로 가이드하는 단계;
    - 상기 인가 기구(30) 또는 각각의 인가 기구(30)에 의하여 상기 전자기파 또는 각각의 전자기파를 상기 부하에 인가하는 단계를 포함하고,
    상기 방법은, (i) 상기 인가 기구(30) 또는 각각의 인가 기구(30) 상에서의 반사 출력(PR(i))을 통제하는 것 및 (ii) 상기 인가 기구(30) 또는 각각의 인가 기구(30)에 의한 전송 출력(PT(i))을 통제하는 것 중 하나 또는 양자 모두를 하도록, 상기 전자기파 또는 각각의 전자기파의 주파수의 자동화된 조정을 수행하는 단계를 더 포함하며, 상기 방법은:
    p1) 상기 인가 기구(30) 또는 각각의 인가 기구(30)에 대하여, 대응되는 인가 기구(30)에 의한 반사 출력(PR(i))을 측정하는 단계; 및
    p2) 조건 a) 상기 인가 기구(30) 또는 각각의 인가 기구(30)에서 측정된 상기 반사 출력(PR(i))이 제1 기준값(VR(i))에 실질적으로 도달하는 조건; 또는
    조건 b) 상기 인가 기구(30) 또는 각각의 인가 기구(30)에 의한 전송 출력(PT(i))이 제2 기준값(VT(i))에 실질적으로 도달하는 조건으로서, 상기 전송 출력(PT(i))은 대응되는 인가 기구(30)에 전송되는 입사 출력(PIN(t))과 그 동일한 인가 기구(30)에서 측정되는 반사 출력(PR(i)) 사이의 차이값에 대응되는, 즉, PT(i) = PIN(i) - PR(i)의 관계가 성립하는 조건
    중 하나 이상이 만족될 때까지, 상기 발생기(4) 또는 각각의 발생기(4)에 의하여 생성된 상기 전자기파의 주파수(f(i))를 모니터링하는 단계를 포함하는, 부하의 마이크로웨이브 처리 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 발생시키는 단계는 2개 이상의 발생기(4)를 사용하여 2개 이상의 전자기파를 발생시키는 단계를 포함하고, 상기 가이드하는 단계는 하나 이상의 인가 기구(30)를 위해 의도된 각각의 전자기파를 가이드하는 단계를 포함하며, 상기 조정을 수행하는 단계는 각각의 전자기파의 주파수를 서로 독립적으로 조정하는 단계를 포함하는, 부하의 마이크로웨이브 처리 방법.
  16. 제14항 또는 제15항에 있어서,
    상기 발생시키는 단계는 N개의 발생기(4)를 사용하여 N개의 전자기파를 발생시키는 단계를 포함하고, 상기 가이드하는 단계는 N개의 인가 기구(30)를 위해 의도된 N개의 전자기파를 가이드하는 단계를 포함하며, N은 2보다 큰 정수이고, 상기 조정을 수행하는 단계는 각각의 전자기파의 주파수를 서로 독립적으로 통제하는 단계를 포함하는, 부하의 마이크로웨이브 처리 방법.
  17. 제14항 또는 제15항에 있어서,
    상기 제1 기준값(VR(i))은, 상기 인가 기구(30) 또는 각각의 인가 기구(30)에 대하여, 상기 인가 기구(30) 또는 각각의 인가 기구(30) 상에서 임피던스 매칭을 수행하도록, 측정된 반사 출력(PR(i))의 최소값에 대응되는, 부하의 마이크로웨이브 처리 방법.
  18. 제14항 또는 제15항에 있어서,
    다수의 인가 기구(30)를 이용하고, 처리 챔버(20) 내에서 부피 또는 표면에 있어서 균질의 가열 또는 균일한 플라즈마를 얻는 것을 돕기 위하여, 상기 제2 기준값(VT(i))은, 각각의 인가 기구(30)에 대하여, 각각의 단위 소스(3)에 대하여 동일한 미리설정된 지정점(VCT)에 대응되는, 부하의 마이크로웨이브 처리 방법.
  19. 제14항 또는 제15항에 있어서,
    다수의 인가 기구(30)를 이용하고, 상기 방법은 각각의 인가 기구(30)에 연관된 상기 입사 출력(PIN(i))을 설정하거나 측정하는 단계를 더 포함하며;
    모니터링 단계 p2)는:
    p3) 각각의 인가 기구(30)에 대하여, 상기 제2 기준값(VT(i))과 같은, 상기 인가 기구에 의한 전송 출력(PT(i))에 대응되는 상기 반사 출력(PR(i))의 지정점(VCR(i))을 계산하는 세부 단계(즉, VCR(i) = PIN(i) - VT(i)); 및
    p4) 각각의 인가 기구(30)에 대하여, 상기 반사 출력(PR(i))이 상기 지정점(VCR(i))을 따르도록 하기 위하여, 연관된 발생기(4)에 의하여 생성된 전자기파의 주파수(f(i))를 모니터링하는 세부 단계를 수행함으로써 조건 b)를 만족하는, 부하의 마이크로웨이브 처리 방법.
  20. 제14항 또는 제15항에 있어서,
    모니터링 단계 p2)는, 각각의 인가 기구(30)에 대하여, 연관된 발생기(4)에 의하여 생성된 전자기파의 주파수(f(i)) 및 그 동일한 발생기(4)에 의하여 전달되는 입사 출력(PIN(i)) 양자 모두를 모니터링함으로써, 조건 a) 및 조건 b) 중 하나 또는 양자 모두를 만족하는, 부하의 마이크로웨이브 처리 방법.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 세부 단계 p4)는, 각각의 인가 기구(30)에 대하여:
    - 주어진 지정점(VIN(i))에서 관련된 발생기에 의하여 전달된, 가변적일 수 있는 입사 출력(PIN(i))의 모니터링; 및
    - 상기 반사 출력(PR(i))이 지정점(VCR(i))을 따르도록 하여 관계(VCR(i) = VCIN(i) - VT(i))를 만족하도록, 연관된 발생기에 의하여 생성된 상기 전자기파의 주파수(f(i))의 모니터링 양자 모두를 수행하는, 부하의 마이크로웨이브 처리 방법.
  22. 제20항에 있어서,
    다수의 인가 기구(30)를 이용하고, 모니터링 단계 p2)는:
    p5) 각각의 반사 출력(PR (i))이 대응되는 제1 기준값(VR(i))과 같아지도록, 조건 a)가 만족될 때까지, 관련된 발생기에 의하여 생성된 상기 전자기파의 주파수(f(i))를 모니터링하는 세부 단계;
    p6) 각각의 인가 기구에 대하여, 상기 제2 기준값(VT(i))과 같은, 상기 인가 기구에 의한 전송 출력(PT (i))에 대응되는 상기 입사 출력(PIN (i))의 지정점(VCIN (i))을 계산하는 세부 단계(즉, VCIN (i) = VR (i) + VT (i));
    p7) 조건 b)를 만족하도록, 관련된 발생기에 의하여 전달된 입사 출력(PIN(i))을 지정점(VCIN (i))으로 조정하는 세부 단계
    를 수행함으로써 조건 a) 및 b) 양자 모두를 만족하는 , 부하의 마이크로웨이브 처리 방법.
  23. 제22항에 있어서,
    모니터링 단계 p2)는, 관련된 발생기에 의하여 전달된 상기 입사 출력(PIN (i))을 상기 제2 기준값(VT(i))에 근사하거나 실질적으로 같은 값으로 조정하는 세부 단계 p8) 을 상기 세부 단계 p5) 이전에 더 포함하는, 부하의 마이크로웨이브 처리 방법.
  24. 제14항 또는 제15항에 있어서,
    상기 방법은, 상기 전자기파와 조합되어, 전자 사이클로트론 공명 플라즈마를 생성할 수 있게 하는 공명 자기장을 발생하는 단계를 더 포함하고,
    r1) 상기 인가 기구(30) 또는 각각의 인가 기구(30)에 대하여 상기 전자 사이클로트론 공명 표면의 미리설정된 값에 대응되는 타겟 주파수(Cf(i))를 계산하는 단계; 및
    r2) 상기 인가 기구(30) 또는 각각의 인가 기구(30)의 전자 사이클로트론 공명 표면이 대응되는 미리설정된 값에 도달하도록 하기 위하여, 상기 발생기(4) 또는 각각의 발생기(4)에 의하여 생성된 전자기파의 주파수(f(i))가 대응되는 지정점(Cf(i))을 따르도록 하는 단계를 더 포함하는, 부하의 마이크로웨이브 처리 방법.
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