KR102378924B1 - 결합 전기장을 이용한 소형 마이크로파 플라즈마 어플리케이터 - Google Patents

결합 전기장을 이용한 소형 마이크로파 플라즈마 어플리케이터 Download PDF

Info

Publication number
KR102378924B1
KR102378924B1 KR1020187033238A KR20187033238A KR102378924B1 KR 102378924 B1 KR102378924 B1 KR 102378924B1 KR 1020187033238 A KR1020187033238 A KR 1020187033238A KR 20187033238 A KR20187033238 A KR 20187033238A KR 102378924 B1 KR102378924 B1 KR 102378924B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
plasma
microwave
plasma discharge
microwave energy
applicator
Prior art date
Application number
KR1020187033238A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20190002529A (ko
Inventor
무함마드 카마레히
차오린 후
올리비아 케일러
Original Assignee
엠케이에스 인스트루먼츠, 인코포레이티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 엠케이에스 인스트루먼츠, 인코포레이티드 filed Critical 엠케이에스 인스트루먼츠, 인코포레이티드
Publication of KR20190002529A publication Critical patent/KR20190002529A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102378924B1 publication Critical patent/KR102378924B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32192—Microwave generated discharge
    • H01J37/32211—Means for coupling power to the plasma
    • H01J37/32229—Waveguides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32192—Microwave generated discharge
    • H01J37/32211—Means for coupling power to the plasma
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32192—Microwave generated discharge
    • H01J37/32211—Means for coupling power to the plasma
    • H01J37/32247—Resonators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32192—Microwave generated discharge
    • H01J37/32211—Means for coupling power to the plasma
    • H01J37/32247—Resonators
    • H01J37/32256—Tuning means
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32192—Microwave generated discharge
    • H01J37/32266—Means for controlling power transmitted to the plasma
    • H01J37/32284—Means for controlling or selecting resonance mode
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32357—Generation remote from the workpiece, e.g. down-stream
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32431—Constructional details of the reactor
    • H01J37/32458—Vessel
    • H01J37/32467—Material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32917—Plasma diagnostics
    • H01J37/3299—Feedback systems
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/46—Generating plasma using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Plasma Technology (AREA)
  • Drying Of Semiconductors (AREA)
  • Tires In General (AREA)

Abstract

플라즈마 어플리케이터는 플라즈마 방전관 및 플라즈마 방전관의 일부분을 적어도 부분적으로 둘러싸는 마이크로파 공동을 포함하고 있다. 마이크로파 에너지는 커플링 아이리스를 통해 마이크로파 공동에 결합된다. 마이크로파 공동의 적어도 2개의 직교 치수는 마이크로파 공동 내의 마이크로파 에너지가 횡 전기(TE) 모드로 전파하도록 선택된다. 마이크로파 에너지로부터 발생된 1차 전기장은 커플링 아이리스로부터 발생된 소산 전기장과 결합하며, 따라서 마이크로파 공동 내의 결합된 전기장은 플라즈마 방전관의 길이 방향 축을 따라 실질적으로 균일하다. 복수의 반경 방향 마이크로파 초크가 플라즈마 방전관의 외부에 걸쳐 배치된다. 마이크로파 초크들의 위치는 TE 모드 및 횡 전기 자기(TEM) 모드에서 전파하는 마이크로파 에너지가 감쇠되도록 한다.

Description

결합 전기장을 이용한 소형 마이크로파 플라즈마 어플리케이터
본 발명은 플라즈마 어플리케이터에 관한 것으로서, 특히 결합 전기장을 이용한 소형 마이크로파 플라즈마 어플리케이터에 관한 것이다.
반도체 공정에서, 플라즈마 발생기는 종종 공정 챔버의 상류에서 사용된다. 플라즈마 발생기에서, 에너지는 통상적으로 마이크로파 공동 내에 위치된 플라즈마 방전관을 통해 흐르는 가스에 결합되고, 플라즈마는 마이크로파 에너지에 의해 가스 내에서 여기된다. 플라즈마 생성물은 플라즈마 방전관을 통해 하류로 흐르고, 공정 챔버 내로 유입되며, 반도체 웨이퍼와 같은 가공물에 나쁜 영향을 미친다.
플라즈마 발생 시스템에서, 에너지 효율 및 비용은 중요한 고려 사항이다. 일반적인 고-에너지, 예를 들어 5kW 이상의 마이크로파 전력의 플라즈마 발생기에서, 플라즈마 방전관은 극히 높은 온도에 도달할 수 있다. 고온의 영향을 줄이기 위해 일반적으로 냉각 시스템이 사용된다. 일반적으로, 액체 냉각제, 예를 들어 물은 과도한 열을 제거하기 위해 관 주위의 구리 권선/코일을 통해 순환된다. 이 액체 냉각 시스템은 매우 고가인 경향이 있지만, 고출력 레벨의 높은 온도 때문에 불가피하다. 감소된 복잡성과 비용 때문에 플라즈마 발생기에서 공기 냉각을 사용하는 것이 바람직하지만, 공기 냉각은 플라즈마 방전관 내에서 발생된 상대적으로 낮은 온도에 대해 효과적이기 때문에 공기 냉각은 전형적으로 낮은 전력, 예를 들어 1 kW 이하의 마이크로파 전력을 이용하는 시스템에서만 유용하다.
또한, 플라즈마 방전관에서 플라즈마를 발생시키기 위하여 가스를 여기시키기 위해 사용되는 불균일한 여기 에너지 패턴, 예를 들어 전기장 때문에, 플라즈마는 불균일한 공간적 패턴으로 발생될 수 있어, 관 내에서 플라즈마 에너지 및 이에 따른 온도가 특히 높은 "핫 스폿(hot spot)"을 초래한다. 이 "핫 스폿"은 플라즈마 발생 과정에서 비효율을 유발한다. 또한, 이 핫 스폿은 공기 냉각 또는 수냉을 사용하는지에 관계없이 냉각 시스템에 불균일한 온도 제어 부담을 준다.
이러한 이유 및 다른 이유로, 플라즈마 방전관 내에서 플라즈마를 발생시키는데 사용되는 마이크로파 에너지 및 특히 전기장이 공간적으로 균일하고 따라서 생성된 플라즈마가 상대적으로 핫 스폿이 없는 것이 매우 바람직하다.
제1 측면에 따르면, 플라즈마 어플리케이터가 제공된다. 플라즈마 어플리케이터는 안에서 플라즈마가 발생될 수 있는 플라즈마 방전관을 포함하고 있으며, 플라즈마 방전관은 플라즈마 공정 가스가 플라즈마 방전관으로 들어오는 것을 허용하기 위한 공정 가스 유입부를 갖고 있고, 플라즈마 방전관은 길이 방향 축을 갖고 있다. 마이크로파 공동은 플라즈마 방전관의 일부분을 적어도 부분적으로 둘러싸고 있다. 플라즈마 어플리케이터는 커플링 아이리스를 포함하며, 마이크로파 에너지가 플라즈마 방전관의 일부분 내에서 플라즈마를 발생시킬 수 있도록 커플링 아이리스에서 마이크로파 에너지는 마이크로파 공동에 결합될 수 있다. 마이크로파 공동은 길이, 폭 및 높이를 포함하는 3개의 직교 치수를 가지며, 직교 치수들 중 적어도 2개의 치수는 마이크로파 공동 내의 마이크로파 에너지가 횡 전기(TE) 모드로 전파되도록 선택된다.
일부 실시예에서, 마이크로파 에너지로부터 발생된 1차 전기장은 커플링 아이리스로부터 발생된 소산 전기장과 결합하며, 따라서 마이크로파 공동 내의 결합된 전기장은 플라즈마 방전관의 길이 방향 축을 따라 실질적으로 균일하다.
일부 실시예에서, 마이크로파 에너지는 약 1kW의 전력을 갖는다.
일부 실시예에서, 플라즈마 방전관의 길이는 약 11 인치이다.
일부 실시예에서, 플라즈마 방전관의 외부 직경은 약 1 인치이다.
일부 실시예에서, 마이크로파 공동의 폭은 약 3인치이다.
일부 실시예에서, 마이크로파 공동의 길이는 약 4.5인치이다.
일부 실시예에서, 마이크로파 에너지 원은 고체 상태 발생기를 포함하고 있다.
일부 실시예에서, 마이크로파 에너지 원은 마그네트론을 포함하고 있다.
일부 실시예에서, 플라즈마 방전관은 석영, 사파이어, 세라믹, 질화알루미늄, 질화 붕소 중 적어도 하나를 포함하는 물질로 제조된다.
일부 실시예에서, 공정 가스는 산소, 질소, 수소, 불소 가스, 포밍 가스(forming gas), NF3, NH3, C2F4, 및 C2F6 중 적어도 하나를 포함하고 있다.
일부 실시예에서, 플라즈마 어플리케이터는 마이크로파 공동 내에 마이크로파 에너지를 실질적으로 포함시키기 위하여 플라즈마 방전관의 외부에 걸쳐 배치되고 마이크로파 공동의 말단에 배치된 복수의 반경 방향 마이크로파 초크를 더 포함하며, 마이크로파 초크의 위치는 TE 모드 및 횡 전기 자기(TEM) 모드로 전파되는 마이크로파 에너지가 감쇠되도록 한다. 일부 실시예에서, 다수의 반경 방향 마이크로파 초크는 마이크로파 공동의 제1 말단에 위치된 제1 내부 초크 및 제1 외부 초크 그리고 마이크로파 공동의 제2 말단에 위치된 제2 내부 초크 및 제2 외부 초크를 포함하며, 제1 내부 초크와 제1 외부 초크 사이의 제1 공간 및 제2 내부 초크와 제2 외부 초크 사이의 제2 공간이 선택되어 TE 모드 및 TEM 모드에서 전파되는 마이크로파 에너지의 감쇠를 제공한다. 제1 및 제2 공간은 실질적으로 동일할 수 있으며, 특정 예시적인 실시예에서, 공간들 중 적어도 하나는 약 0.38 인치이다.
다른 측면에 따르면, 플라즈마 어플리케이터가 제공된다. 플라즈마 어플리케이터는 안에서 플라즈마가 발생될 수 있는 플라즈마 방전관을 포함하고 있으며, 플라즈마 방전관은 플라즈마 공정 가스가 플라즈마 방전관으로 들어오는 것을 허용하기 위한 공정 가스 유입부를 갖고 있고, 플라즈마 방전관은 길이 방향 축을 갖고 있다. 마이크로파 공동은 플라즈마 방전관의 일부분을 적어도 부분적으로 둘러싸고 있다. 플라즈마 어플리케이터는 커플링 아이리스를 포함하며, 마이크로파 에너지가 플라즈마 방전관의 일부분 내에서 플라즈마를 발생시킬 수 있도록 커플링 아이리스에서 마이크로파 에너지는 마이크로파 공동에 결합될 수 있다. 마이크로파 에너지로부터 발생된 1차 전기장은 커플링 아이리스로부터 발생된 소산 전기장과 결합하며, 따라서 마이크로파 공동 내의 결합된 전기장은 플라즈마 방전관의 길이 방향 축을 따라 실질적으로 균일하다.
일부 실시예에서, 마이크로파 공동은 길이, 폭 및 높이를 포함하는 3개의 직교 치수를 가지며, 직교 치수들 중 적어도 2개의 치수는 마이크로파 공동 내의 마이크로파 에너지가 횡 전기(TE) 모드로 전파되도록 선택된다.
일부 실시예에서, 플라즈마 어플리케이터는 마이크로파 공동 내에 마이크로파 에너지를 실질적으로 포함시키기 위하여 플라즈마 방전관의 외부에 걸쳐 배치되고 마이크로파 공동의 말단에 배치된 복수의 반경 방향 마이크로파 초크를 더 포함하며, 마이크로파 초크의 위치는 TE 모드 및 횡 전기 자기(TEM) 모드로 전파되는 마이크로파 에너지가 감쇠되도록 한다. 일부 실시예에서, 다수의 반경 방향 마이크로파 초크는 마이크로파 공동의 제1 말단에 위치된 제1 내부 초크 및 제1 외부 초크 그리고 마이크로파 공동의 제2 말단에 위치된 제2 내부 초크 및 제2 외부 초크를 포함하며, 제1 내부 초크와 제1 외부 초크 사이의 제1 공간 및 제2 내부 초크와 제2 외부 초크 사이의 제2 공간이 선택되어 TE 모드 및 TEM 모드에서 전파되는 마이크로파 에너지의 감쇠를 제공한다. 제1 및 제2 공간은 실질적으로 동일할 수 있으며, 특정 예시적인 실시예에서, 공간들 중 적어도 하나는 약 0.38 인치이다.
일부 실시예에서, 마이크로파 에너지는 약 1kW의 전력을 갖는다.
일부 실시예에서, 플라즈마 방전관의 길이는 약 11 인치이다.
일부 실시예에서, 플라즈마 방전관의 외부 직경은 약 1 인치이다.
일부 실시예에서, 마이크로파 공동의 폭은 약 3인치이다.
일부 실시예에서, 마이크로파 공동의 길이는 약 4.5인치이다.
일부 실시예에서, 마이크로파 에너지 원은 고체 상태 발생기를 포함하고 있다.
일부 실시예에서, 마이크로파 에너지 원은 마그네트론을 포함하고 있다.
일부 실시예에서, 플라즈마 방전관은 석영, 사파이어, 세라믹, 질화알루미늄, 질화 붕소 중 적어도 하나를 포함하는 물질로 제조된다.
일부 실시예에서, 공정 가스는 산소, 질소, 수소, 불소 가스, 포밍 가스, NF3, NH3, C2F4, 및 C2F6 중 적어도 하나를 포함하고 있다.
다른 측면에 따르면, 플라즈마 어플리케이터가 제공된다. 플라즈마 어플리케이터는 안에서 플라즈마가 발생될 수 있는 플라즈마 방전관을 포함하고 있으며, 플라즈마 방전관은 플라즈마 공정 가스가 플라즈마 방전관으로 들어오는 것을 허용하기 위한 공정 가스 유입부를 갖고 있고, 플라즈마 방전관은 길이 방향 축을 갖고 있다. 마이크로파 공동은 플라즈마 방전관의 일부분을 적어도 부분적으로 둘러싸고 있다. 플라즈마 어플리케이터는 커플링 아이리스를 포함하며, 마이크로파 에너지가 플라즈마 방전관의 일부분 내에서 플라즈마를 발생시킬 수 있도록 커플링 아이리스에서 마이크로파 에너지는 마이크로파 공동에 결합될 수 있다. 복수의 반경 방향 마이크로파 초크는 다수의 마이크로파 공동 내에 마이크로파 에너지를 실질적으로 포함시키기 위하여 플라즈마 방전관의 외부에 걸쳐 배치되며, 마이크로파 초크의 위치는 횡 전기(TE) 모드 및 횡 전기 자기(TEM) 모드로 전파되는 마이크로파 에너지가 감쇠되도록 한다.
일부 실시예에서, 다수의 반경 방향 마이크로파 초크는 마이크로파 공동의 제1 말단에 위치된 제1 내부 초크 및 제1 외부 초크 그리고 마이크로파 공동의 제2 말단에 위치된 제2 내부 초크 및 제2 외부 초크를 포함하며, 제1 내부 초크와 제1 외부 초크 사이의 제1 공간 및 제2 내부 초크와 제2 외부 초크 사이의 제2 공간이 선택되어 TE 모드 및 TEM 모드에서 전파되는 마이크로파 에너지의 감쇠를 제공한다. 제1 및 제2 공간은 실질적으로 동일할 수 있으며, 특정 예시적인 실시예에서, 공간들 중 적어도 하나는 약 0.38 인치이다.
일부 실시예에서, 마이크로파 공동은 길이, 폭 및 높이를 포함하는 3개의 직교 치수를 가지며, 직교 치수들 중 적어도 2개의 치수는 마이크로파 공동 내의 마이크로파 에너지가 횡 전기(TE) 모드로 전파되도록 선택된다.
일부 실시예에서, 마이크로파 에너지로부터 발생된 1차 전기장은 커플링 아이리스로부터 발생된 소산 전기장과 결합하며, 따라서 마이크로파 공동 내의 결합된 전기장은 플라즈마 방전관의 길이 방향 축을 따라 실질적으로 균일하다.
일부 실시예에서, 마이크로파 에너지는 약 1 kW의 전력을 갖고 있다.
일부 실시예에서, 플라즈마 방전관의 길이는 약 11인치이다.
일부 실시예에서, 플라즈마 방전관의 외부 직경은 약 1인치이다.
일부 실시예에서, 마이크로파 공동의 폭은 약 3인치이다.
일부 실시예에서, 마이크로파 공동의 길이는 약 4.5 인치이다.
일부 실시예에서, 마이크로파 에너지 원은 고체 상태 발생기를 포함하고 있다.
일부 실시예에서, 마이크로파 에너지 원은 마그네트론을 포함하고 있다.
일부 실시예에서, 플라즈마 방전관은 석영, 사파이어, 세라믹, 질화알루미늄, 질화 붕소 중 적어도 하나를 포함하는 물질로 제조된다.
일부 실시예에서, 공정 가스는 산소, 질소, 수소, 불소 가스, 포밍 가스, NF3, NH3, C2F4, 및 C2F6 중 적어도 하나를 포함하고 있다.
본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 어플리케이터는 마이크로파 에너지로부터 발생된 1차 전기장은 커플링 아이리스로부터 발생된 소산 전기장과 결합하며, 따라서 마이크로파 공동 내의 결합된 전기장은 플라즈마 방전관의 길이 방향 축을 따라 실질적으로 균일하다.
본 발명의 실시예의 비제한적인 예로서 언급된 복수의 도면을 참조하여 본 발명이 이하의 상세한 설명에서 더 설명되며, 도면의 여러 도면에서 동일한 참조 번호는 유사한 부분을 나타낸다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 소형 저전력 플라즈마 어플리케이터의 개략적인 횡단면도를 포함하고 있다.
도 2a 및 도 2b는 예시적인 실시예에 따른, 도 1의 플라즈마 어플리케이터를 포함하는 2개의 플라즈마 발생 시스템의 개략적인 블록도를 포함하고 있다.
도 3a 및 도 3b는 사각 TE10 모드 도파관을 위한 전파 및 필드 패턴을 설명하는 개략적인 도면이다.
도 4a는 초크들이 서로에 대하여 최적으로 위치되지 않은 플라즈마 어플리케이터의 개략적인 도면이다.
도 4b는 도 4a에 도시된 초크 위치에서 야기된, 다수의 플라즈마 밀도 조건을 위한 플라즈마 어플리케이터의 마이크로파 공동 내에서의 결과적인 전기장 감쇠를 도시하는 그래프이다.
도 5a는 초크들이 서로에 대하여 최적으로 위치되어 있는, 본 발명에 따른 플라즈마 어플리케이터의 개략적인 도면이다.
도 5b는 도 5a에 도시된 초크 위치에서 야기된, 다수의 플라즈마 밀도 조건을 위한 플라즈마 어플리케이터의 마이크로파 공동 내에서의 결과적인 전기장 감쇠를 도시하는 그래프이다.
도 6a는 예시적인 실시예에 따른, IR 투명 윈도우를 도시하는, 냉각 재킷의 일부분의 개략적인 사시도를 포함하고 있다.
도 6b는 예시적인 실시예에 따른, 도 6에 도시된 IR 투명 윈도우들 중 하나의 개략적인 사시도를 포함하고 있다.
도 7은 예시적인 실시예에 따른, 플라즈마 발생 시스템용 냉각 시스템의 작동의 개략적인 기능도이다.
도 8은 예시적인 실시예에 따른, 본 명세서에서 설명된 최적화된 냉각부를 갖는 플라즈마 어플리케이터의 개략적인 횡단면도이다.
도 9는 플라즈마 방전관 벽면 두께와 온도 사이의 관계를 설명하는 개략적인 도면이다.
도 10은 예시적인 실시예에 따른 다른 플라즈마 어플리케이터의 개략적인 횡단면도로서, 예시적인 실시예에 따른 플라즈마 어플리케이터(200)의 냉각을 최적화하는데 사용된 설계 및 테스트 매개 변수를 도시하고 있다.
도 11은 예시적인 실시예에 따른, 도 10에 도시된 플라즈마 어플리케이터의 개략적인 횡단면도이다.
도 12는 예시적인 실시예에 따른 실질적으로 원통형인 플라즈마 어플리케이터의 개략적인 입체 사시도이다.
도 13은 예시적인 실시예에 따른 실질적으로 직사각형인 플라즈마 어플리케이터의 개략적인 입체 사시도이다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 소형 저전력 플라즈마 어플리케이터(100)의 개략적인 단면도를 포함하고 있다. 도 1을 참고하면, 플라즈마 어플리케이터(100)는 길이 방향 축(136)을 갖는 플라즈마 방전관(102)을 포함하고 있으며, 플라즈마 방전관(102)을 둘러싸는 마이크로파 공동(106)에 결합된 마이크로파 에너지에 의해 하나 이상의 공정 가스가 플라즈마 방전관 내에서 여기된다. 일부 예시적인 실시예에서, 공정 가스는 산소, 질소, 수소, 불소 가스, 포밍 가스, NF3, NH3, C2F4, 및 C2F6 중 적어도 하나 또는 하나 이상의 다른 공정 가스를 포함하고 있다. 마이크로파 에너지는 커플링 아이리스(124)에서 플라즈마 어플리케이터(100)의 외부 하우징(122)에 결합된 마이크로파 도파관(미도시)으로부터 커플링 아이리스(124)를 통해 마이크로파 공동(106) 내로 향한다. 예시적인 실시예에서, 플라즈마 어플리케이터(100)는 공기-충진된 반경 방향 도파관 초크(108, 110, 112, 144)를 포함하고 있으며, 이 도파관 초크들은 주위의 플라즈마 방전관(102)의 대향 말단들에서 도시된 바와 같이 쌍으로 크기가 정해지고 위치되어 마이크로파 공동(106) 내에서 마이크로파 에너지의 억제를 제공한다. 즉, 마이크로파 공동(106) 및 서로에 대한 크기 및 상대 위치는 마이크로파 에너지가 마이크로파 공동(106) 밖으로 전파되는 것이 실질적으로 방지되도록 한다. 플라즈마를 발생시키는데 사용되는 공정 가스는 공정 가스 유입부(116)에서 플라즈마 방전관(102)으로 들어간다. 발생된 플라즈마 생성물은 원하는 적용 처리에 사용하기 위해 유출부(120)를 통해 플라즈마 방전관(102)을 빠져나간다.
플라즈마 어플리케이터(100)는 또한 플라즈마 방전관(102)을 적어도 부분적으로 둘러싸는 냉각 재킷(104)을 포함하고 있다. 냉각 재킷(104)은 플라즈마 방전관(102)의 외부 주위를 순환하는 냉각 유체를 담고 있어 플라즈마 방전관(102)의 온도를 제어, 즉 냉각을 제공한다. 예시적인 실시예에 따르면, 플라즈마 어플리케이터(100)는 비교적 낮은 전력, 예를 들어 약 1 kW에서 작동하며, 따라서 냉각 재킷(104) 내에서 순환하는 냉각 유체는 공기와 같은 가스일 수 있다. 즉, 일부 예시적인 실시예에서, 플라즈마 어플리케이터(100)의 저전력 작동 때문에, 액체, 즉 물 냉각은 요구되지 않는다. 냉각 재킷(104)은 공기 냉각 유입부(128)를 포함하고 있으며, 냉각 공기는 이 공기 냉각 유입부를 통하여 냉각 재킷(104)으로 들어간다. 공기는 냉각 재킷(104)을 통해 순환하고 공기 냉각 유출부(130)에서 냉각 재킷(104)을 빠져나간다. 냉각 재킷(104)은 O-링 시일(132)에 의하여 플라즈마 방전관(102)의 외부에 대해 밀봉될 수 있다.
위에서 언급된 바와 같이, 플라즈마 어플리케이터(100)는 높이(H) 및 폭(W)을 갖는 소형 저전력 발생기이다. 일부 예시적인 실시예에서, 높이(H)는 약 11 인치일 수 있으며, 폭(W)은 약 3.5 인치일 수 있다. 위에서 언급된 바와 같이, 플라즈마 어플리케이터(100)는 비교적 낮은 마이크로파 전력에서 작동할 수 있는데, 마이크로파 전력은 특정의 예시적인 실시예에서 약 1kW이며, 1.5kW까지일 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른, 도 1의 플라즈마 어플리케이터(100)를 포함하는 2개의 플라즈마 발생 시스템(150A 및 150B)의 개략적인 블록도를 포함하고 있다. 도 2a는 동축 케이블(143)을 통해 고체 상태 마이크로파 발생기(141)를 통합하는데 사용될 수 있는 2개의 상이한 대안적인 결합 구조체를 도시하고 있다. 하나의 구조체는 동축 케이블(143)이 연결될 수 있는 동축 커넥터를 통하여 어플리케이터(100)에 직접 결합되는 동축 피드(142)를 포함하고 있다. 다른 구조체는 마이크로파 여기 에너지를 커플링 아이리스(124)를 통해 마이크로파 공동(106)에 결합하기 위한 도파관 피드(feed)(138)를 포함하고 있다. 동축 대 도파관 천이부(140)는 고체 상태 마이크로파 발생기(141)로부터의 마이크로파 에너지를 동축 케이블(143)을 통해 도파관 피드(138)에 결합시킨다. 도파관 피드는 고정된 튜닝 스터브(142) 또는 바이너리 튜닝의 부가적인 이점을 제공하며, 고정된 튜닝 스터브 또는 바이너리 튜닝은 플라즈마의 점화를 위한 하나의 튜닝 위치 및 작동을 위한 하나의 고정된 위치를 제공하는데 사용된다. 이 구조체는 고체 상태 발생기(141)에 의한 자동 주파수 튜닝에 부가적인 튜닝 향상을 제공한다. 도 2a는 동축 케이블(143)을 통해 동축 대 도파관 천이부(140)에 연결된 고체 상태의 마이크로파 발생기(141)를 도시하고 있다. 동축 피드(142)가 사용된 경우에, 동축 케이블(143)은 도파관 피드(142) 상의 동축 커넥터를 통해 어플리케이터(100)에 직접 결합되는 동축 커넥터에 직접적으로 연결된다.
도 2b는 도 2a의 고체 상태 발생기(141) 대신에 마그네트론을 사용하는 플라즈마 발생 시스템(150B)을 도시하고 있다. 도 2b를 참고하면, 고전압 직류 전원 공급부(153)는 고압 케이블(155)을 통해 마그네트론 헤드(151)에 전력을 인가한다. 마그네트론 헤드(151)에 대한 손상을 방지하기 위해 어플리케이터(100)로부터 반사된 임의의 전력이 차단되도록 절연체(149)는 마그네트론 헤드(151)를 어플리케이터(100)로부터 격리시킨다. 양방향 커플러(147)는 마그네트론 헤드(151)와 어플리케이터(100) 사이의 전력을 측정하고 결합한다. 어플리케이터(100)에 결합된 마이크로파 에너지는 트리플 스터브(triple stub) 자동 튜너(157)에 의해 조정된다.
다양한 플라즈마 어플리케이터가 미국 특허 제5,961,851호; 제7,183,514호; 제5,498,308호; 제6,263,830호; 제8,048,329호; 제7,562,638호; 제7,554,053호; 및 제6,439,155호에 설명되어 있다. 모두가 본 출원에서 명명된 적어도 하나의 발명자를 지정하는 위의 미국 특허들은 전체가 본 명세서에서 참고로 원용된다. 종래의 플라즈마 어플리케이터, 예를 들어 미국 특허 제5,961,851호에 설명된 플라즈마 어플리케이터에서, 다수의 마이크로파 공동은 TMmnP(횡 자기) 모드에서 작동하여 신장된 여기장을 발생시킨다. 마이크로파 공동 내의 플라즈마 수축은 공정 가스 압력의 함수이며, 압력이 증가함에 따라, 플라즈마는 개별 공동들의 각각의 중심부에 집중되는 경향이 있다.
더욱이, 이미 공지된 기술에서, 예를 들어 미국 특허 제5,961,851호 및 제8,048,329호에서 설명된 바와 같이, 마이크로파 초크는 TEM(횡 전기-자기) 모드에 대한 전기장(E-field) 세기를 감소시키기 위해 단일 또는 이중 구성으로 사용된다. 이중 구성은 초크들이 서로 인접하게 구성되도록 설계되어 플라즈마 방전관을 지나서 마이크로파 침투를 감소시킨다. 주로 1/4 파장 설계를 기반으로 하는 이 인접 구성은 TEM 모드 구성에 대해서만 효과적인 감쇠를 제공한다.
대조적으로, 예시적인 실시예의 플라즈마 어플리케이터(100)에서는, 마이크로파 여기는 TE(횡 전기) 모드에서 마이크로파 공동(106)에서 발생된다. 예시적인 실시예의 마이크로파 초크(108, 110, 112, 114)는 TE 모드와 TEM 모드 모두를 위하여 전기장을 동시에 감쇠시킨다. 본 명세서에서 상세히 설명된 바와 같이, 마이크로파 공동(106)에 대한 그리고 서로에 대한 초크(108, 110, 112, 114)의 위치는 TE 및 TEM 모드의 감쇠를 위하여 초크(108, 110, 112, 114)의 효율적인 작동을 이루도록 선택된다.
생성된 플라즈마가 또한 균일하도록 마이크로파 공동 내의 전기장이 균일한 것이 바람직하다. 이전의 플라즈마 어플리케이터에서, 전기장의 균일성을 이루기 위한 노력으로, 다수의 공동이 서로 인접하여 구성되며, 이는 부피가 크고 길이가 길 수 있다. 이 시스템에서, 각 개별 어플리케이터 관 내에서의 플라즈마 형성은 압력에 좌우된다. 압력이 증가함에 따라, 플라즈마는 관 내에서 수축하고 플라즈마 관의 중심부 내에서 붕괴되거나 집중되는 경향이 있다. 이는 플라즈마가 수축되는 것을 방지하기 위해 충분한 전기장을 사용할 수 없다는 사실 때문이다.
또한, 이 종래의 시스템에서, 마이크로파 초크들은 원하는 전기장 감쇠를 가져오기 위해 초크들 사이의 거리의 최적화 없이 서로 인접하게 설계된다. 이 종래의 구성의 성능은 공진 또는 비공진 1/4 파장 토폴로지에 기초하며, 본 실시예만큼 효율적이지는 않다.
도 1 및 도 2에 도시된 예시적인 실시예에 따르면, 플라즈마 어플리케이터(100)는 종래의 어플리케이터 및 종래 기술에서 사용된 TMmnp(횡 자기) 유형의 구성과는 대조적으로 TEmnp(횡 전기) 유형의 전기장 구성이다. 예시적인 실시예에 따르면, 2개의 결합 전기장은 본질적으로 플라즈마 방전관(102)의 전체 길이를 덮는다. 커플링 아이리스(124)에 측 방향으로 인접한 부분적인 장(field)만 존재하는 결합 장의 부분은 커플링 아이리스(124)에 의하여 발생된 "근접 장(near field)" 세기로 채워지고 완성된다. 따라서, 예시적인 실시예에 따르면, 플라즈마 방전관(102) 내의 결합된 전기장은 커플링 아이리스(124)에 의하여 발생된 소산장(evanescent field)과 1차 모드의 조합을 통해 달성된다.
다음 식(1)은 예시적인 실시예에 따라 마이크로파 공동(106) 내의 3차원 공간(x, y, z)에서의 자기장 및 전기장 세기를 한정한다.
Figure 112018114122150-pct00001
하기 식(2)는 직사각형 TE10 모드 도파관에 대한 전기장 및 자기장 패턴을 한정한다. 도 3a 및 3b는 직사각형 TE10 모드 도파관에 대한 전파 및 장(field) 패턴을 도시하는 개략적인 도면이다.
　
Figure 112018114122150-pct00002
(2)
식(1)을 참조하면, 이 특정 실시예에서, 정수(p)는 0으로 선택되며, 따라서 공진이 마이크로파 공동(106)의 높이와 독립적이며, 높이는 길이방향 축(136)의 방향으로 측정된다. 높이를 충분히 큰 값으로 조정함으로써, 예시적인 실시예의 2개의 결합 전기장이 얻어진다. 일부 특정 예시적인 실시예에서, 마이크로파 공동(106)의 대략적인 폭은 3 인치이며, 대략적인 높이는 4.5 인치이다. 이러한 공동 치수로, 예시적인 실시예의 2개의 결합 전기장이 이루어진다.
따라서, 예시적인 실시예에 따르면, 결합 전기장이 단일 마이크로파 공동(106)에서 발생되어 플라즈마 방전관(102)을 따라 세장형 장(field)을 발생시킨다. 결합 장들은 커플링 아이리스(124)로부터 발생된 "근접 장" 소산 복사선에 의하여 균일한 장으로서 연결되고 완성된다. 2개의 단일 전기장 및 소산 복사선에 의하여 형성된 이 균일한 세장형 장은 플라즈마 어플리케이터(100)가 플라즈마 형성 및 균일성을 유지하면서 10 Torr 이상의 더 높은 압력에서 작동할 수 있게 한다. 균일한 세장형 장은 또한 플라즈마 방전관(102)을 따라서 균일한 플라즈마 형성 및 균일한 온도를 제공하여, 종래의 더 가혹한 플라즈마 형성 환경에서 취약하고 손상을 받을 것으로 일반적으로 고려된 이러한 관 물질의 사용을 가능하게 한다. 예를 들어, 예시적인 실시예에 따르면, 플라즈마 방전관(102)은 사파이어, 석영, 세라믹, 질화알루미늄, 질화 붕소와 같은 물질 및/또는 다른 유사한 물질로 형성될 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 플라즈마 방전관(102) 내에서의 플라즈마 형성은 압력과는 관계 없으며 공정 압력이 증가함에 따라 그의 형성을 유지한다. 플라즈마는 플라즈마 방전관(102)의 중심부 내에서 붕괴 및 집중되지 않을 것이다. 균일한 세장형 장은 플라즈마의 집중을 방지하고 플라즈마를 플라즈마 방전관(102) 내에서 그의 형성을 유지하게 만든다.
예시적인 실시예에 따르면, 마이크로파 에너지는 커플링 아이리스(124)를 통해 마이크로파 공동(106)에 결합된다. 식(1) 및 (2)에서, 지수 x, y, z는 각각 마이크로파 공동(도파관)의 폭, 깊이 및 높이(길이)를 각각 나타낸다는 것이 주목된다. 일부 예시적인 실시예에서, 도파관 공동(106)의 치수는 식(1) 및 (2)에 따라서 전술한 바와 같이 선택되며, 여기서 식(1)은 TEmnp의 마이크로파 공동(106) 내의 결합 장 형성을 계산 및 한정하고, 식(2)는 마이크로파 전력원으로부터의 에너지의 전달을 위한 TE10 도파관 매개 변수를 계산 및 한정하며, 위에서 상세히 설명된 바와 같이 마이크로파 전력원은 예를 들어, 고체 상태 발생기(141) 또는 마그네트론(151)일 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 2개의 결합 전기장이 플라즈마 방전관(102) 내에서 발생된다. 전술한 바와 같이, 측방향 대향 커플링 아이리스(124)에 위치된 부분 장만 존재하는 결합 장의 부분은 커플링 아이리스(124)에 의하여 발생된 "근접 장" 세기로 채워지고 완성된다. 따라서, 위에서 언급된 바와 같이, 결합된 전기장은 1차 모드와 커플링 아이리스(124)에 의해 발생된 소산장의 조합을 통하여 달성되어, 플라즈마 방전관(102)의 길이 방향 축을 따라 연장되는 실질적으로 균일한 전기장을 야기한다.
위에서 상세하게 설명된 바와 같이, 예시적인 플라즈마 어플리케이터(100)는 TEmnp　모드에서 작동한다. 특정 예시적인 실시예에서, 정수 m, n 및 p는 각각 1, 1 및 0이다. 높이를 한정하는 정수 p는 영(0)으로 설정되기 때문에, 마이크로파 공동(106)의 높이는 모드와 관계없다. 따라서, TE110 높이의 2배의 길이를 선택함으로써, 결합 말단에서 각 전기장의 잔류 세기에 의해 약하게 연결되는 2개의 독립적인 전기장은 작은 거리만큼 분리되어 형성될 수 있다. 마이크로파 에너지를 플라즈마 어플리케이터(100)에 전달하고 결합하도록 설계된 커플링 아이리스(124)는 매우 강한 근접 장 소산 모드를 가지며, 이 근접 장 소산 모드는 플라즈마 어플리케이터(100)의 내부 부분으로 깊게 연장될 수 있고, 이 내부 부분에서 2개의 독립적인 전기장이 배치되고 TE110 모드의 약한 잔류 장을 통하여 연결된다. 2개의 독립적인 전기장은 커플링 아이리스(124)로부터 방출된 훨씬 더 강한 소산 모드를 통해 결합 및 조합되며, 그에 의하여 플라즈마 방전관(102)의 길이 방향 축(136)을 따라 실질적으로 균일한 전기장을 생성한다.
도 4a, 도 4b, 도 5a 및 도 5b는 예시적인 실시예에 따른, 마이크로파 공동(106) 내의 전기장의 감쇠에 대한 마이크로파 초크(108, 110, 112, 114)의 위치의 영향 및 그에 따른 마이크로파 공동(106) 내에서의 전기장의 억제를 도시하고 있다. 구체적으로, 도 4a는 예시적인 실시예에 따른, 초크들이 서로에 대해 최적으로 위치되지 않는 플라즈마 어플리케이터(100)의 개략적인 도면이며, 도 4b는 다수의 플라즈마 밀도 조건에 대해 마이크로파 공동(106) 내에서의 결과적인 전기장 감쇠를 도시하는 그래프를 포함하고 있다. 도 5a는 예시적인 실시예에 따른, 초크들이 서로에 대해 최적으로 위치된 플라즈마 어플리케이터(100)의 개략적인 도면이며, 도 5b는 다수의 플라즈마 밀도 조건에 대해 마이크로파 공동(106) 내에서의 결과적인 전기장 감쇠를 도시하는 그래프를 포함하고 있다.
도 4a, 도 4b, 도 5a 및 도 5b를 참고하면, 내부 초크(110 및 112)는 "초크 1"로 지칭되고, 외부 초크(108 및 114)는 "초크 2"로 지칭된다. 제1 초크(110 및 112)들에 대한 제2 초크(108 및 114)들의 각각의 상대적 거리는 결합된 구조체의 감쇠 효율을 향상시키는 것으로서 예시적인 실시예들에 따라 인식된다. 또한, 초크에서 전기장 세기는 매우 낮으며 상당한 감쇄를 나타낸다. 도면에 도시된 바와 같이, 예시적인 실시예에서, 초크(108, 110, 112, 114)는 마이크로파 공동(106)의 양 말단에 배치되어 있다. 일부 실시예에서, 방사상 도파관 구조체의 직경이 상대적으로 작게 이루어져 시스템의 소형 정도를 향상시킬 수 있도록 초크(108, 110, 112, 114)는 석영 물질로 채워진다. 예를 들어, 세라믹, 사파이어 및 다른 유전체 물질과 같은 다른 초크 충진 물질이 사용될 수 있다. 또한, 예를 들어, 다른 실시예에서, 초크(108, 110, 112, 114)는 공기로 채워진다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 이 구성은 내부 초크(110, 112)와 각각의 외부 초크(108, 114) 사이의 최적화된 간격을 포함하지 않고 있다. 도 4a의 예시적인 도면에서, 각각의 내부 초크와 외부 초크 사이의 공칭 공간은 약 0.08 인치이다. 도 4b의 대응 세기 곡선을 참조하면, 초크들, 즉 초크 1 및 초크 2에서의 도시된 결과적인 감쇠는 무의미하다. 즉, 초크들, 특히 초크들 사이의 간격의 최적화된 위치 설정없이, 전기장 감쇄는 거의 또는 전혀 실현되지 않는다.
대조적으로, 도 5a 및 도 5b를 참고하면, 이 구성은 내부 초크(110, 112)와 각각의 외부 초크(108, 114) 사이의 최적화된 간격을 포함하고 있다. 도 5a의 예시적인 도면에서, 각각의 내부 초크와 외부 초크 사이의 공칭 공간은 약 0.38 인치이다. 도 5b의 대응 세기 곡선을 참조하면, 초크들, 즉 초크 1 및 초크 2에서의 도시된 결과적인 감쇠는 도 4a 및 도 4b의 경우보다 훨씬 더 중요하다. 즉, 초크들, 특히 초크들 사이의 간격의 최적화된 위치 설정으로, 전기장 감쇠에서의 실질적인 개선이 실현된다.
예시적인 실시예에 따르면, 2개의 인접한 초크들 사이의 최적 감쇠에서의 성능에 영향을 미치는 초크들 사이의 거리를 초래하는 특징은 TEmnp 모드의 존재이며, 이는 식(1)의 마지막 행에 따라 설명된 파장을 갖고 있다:
Figure 112018114122150-pct00003
특정 예시적인 실시예에서, TE110의 모드에 대해, 파장은 4.243"인 것으로 계산될 수 있으며, 여기서 식(1)의 정수 m, n 및 p는 각각 1, 1 및 0이다. 이러한 예시적인 실시예에서, a 및 b의 치수는 각각 3.0 인치이며, 주파수 f=2,450MHz이다. 위의 k에 대한 식에 m=1, n=1, p=0, a=3.0 및 b=3.0을 대입하고 λ에 대해 풀면 λ= 4.243 인치가 산출된다. 종래의 접근법에 따르면, 파장은 다음과 같이 계산된다: λ=c/f, 여기서, λ는 파장, c는 광속 및 f는 주파수이다. 이 계산은 TEM 모드에 적용될 수 있다. 대조적으로, 예시적인 실시예에 따르면, 2,450MHz의 설계 주파수에 대해, 예시적인 시스템의 파장은 4.243 인치이다. 예시적인 실시예에 따르면, 초크 분리 거리는 파장, 즉 주파수의 함수이다. 주어진 예시적인 실시예에 대하여, 4.243 인치의 마이크로파 플라즈마 여기 파장 및 0.38 인치의 초크 분리 거리에서, 0.38/4.243=0.0896의 선형 배율, 즉 기울기가 얻어진다. 예시적인 실시예에 따르면, 0.38 인치의 초크 분리 거리가 최적의 감쇠를 제공하는 것으로 밝혀졌다. 그러나 0.125 내지 0.625 인치의 범위 내의 초크 분리 거리가 또한 허용 가능한 감쇠를 제공하도록 결정되었다.
따라서, 예시적인 실시예에 따르면, 종래의 시스템의 TM 모드와 반대로 마이크로파 초크 구조는 TE 모드에서 공동(106)에서 전파되는 마이크로파 에너지를 감쇠시키는데 사용된다. 또한 초크 구성은 TEM 모드에서 전파되는 마이크로파 에너지를 가두거나 감쇠시킨다.
도 4a, 도 4b, 도 5a 및 도 5b를 참고하면, 감쇠는 플라즈마 방전관(102)의 원주에 걸쳐 평균화된, 초크 내부와 초크 외부의 전기장의 비율로서 계산된다. 초크 성능은 작동 공간에 걸친 안정적인 성능을 보장하기 위해 10 내지 100 S/m의 플라즈마 전도도 범위에 걸쳐 평가된다. 특정 예시적인 실시예에서, 도 5b에 나타난 바와 같이, 전기장은 플라즈마 임피던스에 따라 50 내지 71배만큼 감쇠된다. 전력은 전기장 세기의 제곱에 따라 달라지므로 전력 감쇠는 약 2,500 내지 5,000이다.
따라서, 방사상 도파관 토폴로지를 갖는 마이크로파 공동(106)의 대향 말단에서의 2개의 인접한 초크는 서로 최적 거리만큼 분리되어 TE 및 TEM 모드의 조합을 동시에 감쇠시킨다. 마이크로파 표면 전류가 TE 및 TEM 모드 모두에 대한 초크들에서 동시에 0에 가깝기 때문에 이는 독특하다. 예시적인 실시예에서, 초크들은 마이크로파 공동(106)의 외부 치수와 일치하는 직경을 가지며, 석영 물질로 채워져 있어 소형화를 위하여 직경을 더 감소시킨다. 예시적인 실시예의 이러한 마이크로파 초크 구성, 즉 소정의 거리만큼 분리된 방사상 도파관 구성은 도 5b에 나타나 있는 바와 같이, TE 모드와 TEM 모드 모두에 대하여 전기장 세기를 효과적으로 감소시킨다. 그에 반하여, 도 4b에 나타나 있는 TE 및 TEM 모드 모두에 대해 2개의 초크의 분리가 최적화되지 않은 경우, 전기장 감쇠가 불량하고 최소이다. 이는 최적화된 분리 없이 초크에서 TE 모드의 마이크로파 표면 전류가 0이 아니고 따라서 최소한의 감쇠가 달성되기 때문이다.
전술한 바와 같이, 플라즈마 어플리케이터(100)는 적어도 부분적으로 플라즈마 방전관(102)을 둘러싸는 냉각 재킷(104)을 포함하고 있다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 적외선(IR) 검출기를 이용한 온도 검출과 같은, 일부 형태의 가시선 모니터링을 통하여 플라즈마 방전관(102)의 온도를 모니터링하는 것이 바람직하다. 이러한 모니터링을 용이하게 하기 위해, 플라즈마 냉각 재킷(104)은 모니터링 방사선, 예를 들어 IR 방사선에 대해 투명할 수 있는 하나 이상의 윈도우를 선택적으로 포함할 수 있다. 도 6a는 IR 투명 윈도우(103)를 도시하는, 예시적인 실시예에 따른 냉각 재킷(104)의 일부분의 개략적인 사시도를 포함하고 있다. 도 6b는 본 발명에 따른, 도 6a에 도시된 IR 투명 윈도우(103)들 중 하나의 개략적인 사시도를 포함하고 있다. 도 1, 도 6a 및 도 6b를 참고하면, 플라즈마 방전관(102)은 나타나 있는 바와 같이 다수의 개구를 갖고 선택적으로 형성될 수 있다. 각각의 다수의 IR-투명 윈도우(103)는 냉각 재킷(104)의 외부 표면에 접합될 수 있으며, 접합은 윈도우(103)와 냉각 재킷(104) 사이에 밀봉을 제공한다. 플라즈마 방전관(102)의 내부가, 예를 들어 하나 이상의 IR 검출기에 의해 모니터링될 수 있도록 윈도우(103)는 선택적인 모니터링 구멍(126)들과 정렬될 수 있다. 윈도우(103)의 물질은 셀레늄화 아연(ZnSe), 브롬화 칼륨(KBr) 또는 유사한 물질과 같은 IR-투명 물질일 수 있다.
플라즈마 어플리케이터(100)가 낮은 공기 압력에서 작동하기 때문에, 플라즈마 방전관(102)으로부터 충분한 열을 제거하는 것이 어려울 수 있다. 예시적인 실시예에 따르면, 냉각 재킷(104)과 플라즈마 방전관(102) 사이의 갭이 최상의 열 제거 효율을 위하여 최적화된다. 플라즈마 어플리케이터(100), 특히 플라즈마 방전관(102)의 냉각을 제공하는 접근 방법이 이제 상세히 설명될 것이다. 예시적인 실시예에 따르면, 어플리케이터를 위한 공기 냉각 및 플랜지의 수냉을 제공하기 위해 어플리케이터의 대향 측면에 2 개의 실질적으로 대칭인 구조가 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 플라즈마 어플리케이터(100) 내의 강제 공기 냉각 시스템은 압축 공기 시스템의 용량의 넓은 범위 내에서 플라즈마 방전관(102)에서 가장 낮은 온도를 얻는다. 도 7은 예시적인 실시예에 따른, 플라즈마 발생 시스템(150)을 위한 냉각 시스템의 작동의 개략적 기능도이다. 도 7을 참고하면, 공정 가스는 제1 말단에서 플라즈마 방전관(102)으로 들어가고, 마이크로파 공동(106) 내의 마이크로파 에너지와 결합되어 플라즈마를 발생시키며, 플라즈마 방전관(102)의 대향 말단에서 배출된다. 플라즈마 방전관(102)보다 직경이 큰 다른 관인 냉각 재킷(104)은 플라즈마 방전관(102)과 동심적으로 정렬되어 플라즈마 방전관(102)을 적어도 부분적으로 에워싸고 둘러싼다. 플라즈마 방전관(102)과 냉각 재킷(104) 사이의 갭(들)(107)은 강제 공기를 위한 통로를 제공하여 플라즈마 방전관(102)을 냉각시킨다.
예시적인 실시예에 따르면, 플라즈마 방전관(102)과 냉각 재킷(104) 사이의 갭(g)은 최적화된 치수이다. 주어진 공기 시스템에서 g는 열 전달 계수(h)와 공기 유량(f)을 결정한다. g가 증가함에 따라 f도 증가하지만, h는 감소한다. 갭(g)의 크기는 공기 유량 및 열전달 계수를 최적화하도록 선택된다. 일부 예시적인 실시예에서, 플라즈마 방전관은 1.00 인치(25.4㎜)의 외부 직경(OD)을 갖고 있다. 26㎜, 27㎜, 28㎜, 29㎜ 및 30㎜와 같은 상이한 내부 직경(ID)을 갖는 다양한 표준 크기 냉각 재킷(104)은 1.00 인치 OD 플라즈마 방전관(102)과 작동할 것이다. 이 가능한 냉각 재킷(104)들 중에서, 27㎜의 ID를 갖는 냉각 재킷이 플라즈마 방전관(102)에서 가장 낮은 온도를 제공한다는 것이 시뮬레이션 및 경험적인 데이터에 의해 결정되었다. 이는 약 0.8㎜의 갭(g)의 크기를 야기한다.
도 8은 예시적인 실시예에 따른, 본 명세서에서 설명된 최적화된 냉각부를 갖는 플라즈마 어플리케이터(100)의 개략적인 횡단면도이다. 도 8을 참고하면, g의 값이 결정되면, 관 냉각 부분(C2) 외부의 흐름 컨덕턴스를 증가시킴으로써 냉각이 더 향상될 수 있다. C1, C2 및 C3으로 표시된, 어플리케이터(100)의 3개의 상이한 부분 각각에서의 흐름 컨덕턴스는 대체로 상이하다. 어플리케이터(100)의 전체 컨덕턴스는 다음과 같이 쓸 수 있다.
Figure 112018114122150-pct00004
; (3)
여기서, C는 전체 컨덕턴스, C1은 어플리케이터(100)의 상류 부분의 컨덕턴스, C2는 관 냉각 부분의 컨덕턴스, 그리고 C3는 어플리케이터(100)의 하류 부분의 컨덕턴스이다. 예시적인 실시예에서, C1 및 C3는 가장 높은 총 컨덕턴스 및 유속을 얻기 위하여 더 최대화되고, 따라서 어플리케이터(100)의 냉각 성능을 최대화시킨다. 이는 가능하다면 최대 개수의 가장 넓은 분사 구멍, 가장 짧은 냉각 공기 통로 및 가장 넓은 횡단면적의 사용을 포함된다.
다른 냉각 접근 방법과 비교하여, 예시적인 실시예의 냉각 접근 방법은 플라즈마 방전관(102)에 낮은 열 응력을 제공한다. 제공된 개선된 냉각 때문에, 균일하지 않은 냉각 표면에 의해 야기되는 높은 열 응력으로부터의 손상에 대한 방어책으로서 플라즈마 방전관(102)이 큰 벽면 두께를 가질 필요는 없다. 예시적인 실시예에 따르면, 플라즈마 방전관(102)의 내부 표면 상의 주어진 열 유속 및 주어진 관 물질에 대해, 더 얇은 벽면은 보다 낮은 관 온도를 초래한다. 이는 플라즈마 방전관(102)이 비교적 작은 벽면 두께를 갖는 것을 허용하며, 따라서 추가적인 온도 감소가 실현된다.
도 9는 플라즈마 방전관(102) 벽면 두께와 온도 간의 관계를 도시하는 개략적인 도면이다. 도 9를 참조하면,
Figure 112018114122150-pct00005
; (4)
여기서, q는 열 유속, Ti는 내부 관의 온도, T0는 외부 온도, k는 열전도도, Δx는 플라즈마 방전관(102)의 두께이다. 식(4)는 다음과 같이 쓸 수도 있다.
Figure 112018114122150-pct00006
. (5)
식 (4) 및 (5)에 의하여 나타난 바와 같이, 보다 작은 벽면 두께는 더 낮은 내부 관 온도를 초래한다.
도 10은 예시적인 실시예에 따른 다른 플라즈마 어플리케이터(200)의 개략적인 횡단면도이며, 예시적인 실시예에 따른 플라즈마 어플리케이터(200)의 냉각을 최적화하는데 사용되는 설계 및 테스트 매개 변수를 도시하고 있다. 도 10을 참고하면, 압축 공기 시스템의 넓은 범위의 기능에서 최고의 냉각 성능이 결정되었다. 구체적으로, 플라즈마 어플리케이터(100 및 200)는 도 10에 도시된 바와 같은 설정을 이용하여 설계되고 테스트되었으며, 여기서 P1는 상류 압력, P2는 하류 압력, C4는 상류 흐름 컨덕턴스 그리고 C5는 연결로 인한 하류 흐름 컨덕턴스이다. 흐름 설정이 다른 경우에 이 설계가 가장 적합한지를 검증하기 위하여, 압축 공기 시스템의 최고 능력을 제공하도록 이론적인 설정, 즉 설정 C4=C5=0이 사용되었다. 이어서, 현재 설계의 열 성능이 시뮬레이션되었고 플라즈마 방전관(102)에서 가장 낮은 온도의 기간에서 가장 양호한 것으로 밝혀졌다는 것에 기초하여 유속이 계산되었다.
최적화를 설명하기 위하여 전체 열 방정식으로부터:
Figure 112018114122150-pct00007
; (6)
여기서, Q는 초당 공기에 의해 제거된 총 열, Cp는 공기의 비열(W / kg), F는 공기 유속, Tout은 유출부에서의 공기 온도, 그리고 Tin은 유입부에서의 공기의 온도이다. F가 증가함에 따라 Q가 증가한다. F는 공기 압력이 증가함에 따라 증가하고, 일정한 압력에 대해, 플라즈마 방전관과 재킷 관 사이의 큰 갭은 F를 더 높게 한다.
열 전달로부터,
Figure 112018114122150-pct00008
; (7)
여기서, h는 열 전달 계수, k는 공기의 열 전도도, Twall은 플라즈마 방전관(102)의 온도, 그리고 Tair는 공기 온도이다. Q는 h의 증가에 따라 증가한다. H는 또한 압력의 증가에 따라 증가하고, 압력이 일정할 때, 플라즈마 방전관(102)과 냉각 재킷(104) 사이의 더 좁은 갭은 보다 높은 h를 초래할 것이다. 그러나 주어진 압축 공기 시스템에서 최고 압력은 일정하다. 따라서, 예시적인 실시예에 따라, 플라즈마 방전관(102)과 냉각 재킷(104) 사이의 최적화된 갭이 제공된다.
두 가지 시험 조건이 개발되었으며, 이로부터 시스템에서 흐름 컨덕턴스의 모든 값이 개발되었다. 가능한 모든 조건에서 공기가 흐르며, 설계가 예견되었다. 플라즈마 방전관(102)에 대한 최상의 냉각 결과를 제공하기 위하여, 모든 압력 범위에 적용 가능한 선택된 예시적인 상용 압축 공기 시스템에 기초하여 최적화된 관 갭(g)이 생성되었다.
도 11은 예시적인 실시예에 따른, 도 10에 도시된 플라즈마 어플리케이터(200)의 개략적인 단면도이다. 도 11을 참조하면, 플라즈마 어플리케이터(200)는 어플리케이터(200) 내의 플랜지의 수냉을 제외하고, 본 명세서에서 설명된 플라즈마 어플리케이터(100)와 유사하다. 플라즈마 어플리케이터(100 및 200)의 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 사용하여 식별된다.
도 11을 참조하면, 마이크로파 공동(106)은 플라즈마 방전관(102)과 냉각 재킷(104)의 외부 주위에 반경 방향 공동 플랜지(202A 및 202B)를 포함하고 있다. 반경 방향 유입부 플랜지(208A)는 플라즈마 방전관(102)과 냉각 재킷(104)의 외부 주위에서 플라즈마 어플리케이터(200)의 유입부 말단에 배치된다. 반경 방향 유출부 플랜지(208B)는 플라즈마 방전관(102)과 냉각 재킷(104)의 외부 주위에서 플라즈마 어플리케이터(200)의 유출부 말단에 배치된다.
냉각 재킷(104)을 통해 제공된 플라즈마 어플리케이터(200)의 공기 냉각에 더하여, 플라즈마 어플리케이터(200)는 또한 물과 같은 액체에 의하여 플랜지(202A, 202B, 208A 및 208B)의 냉각을 제공한다. 이를 위해, 플라즈마 어플리케이터(200)는 반경 방향 물 피팅(fitting)(206A 및 206B)을 포함하고 있으며, 물은 이 피팅을 통하여 순환 물 통로(204A 및 204B) 내로 들어가고 밖으로 나갈 수 있다.
도 12 및 도 13은 예시적인 실시예에 따른 플라즈마 어플리케이터의 대안적인 실시예의 개략적인 사시도를 포함하고 있다. 구체적으로, 도 12는 예시적인 실시예에 따른 실질적으로 원통형인 플라즈마 어플리케이터(300)의 개략적 입체 사시도를 포함하고 있으며, 도 13은 예시적인 실시예에 따른 실질적으로 직사각형인 플라즈마 어플리케이터(400)의 개략적인 입체 사시도를 포함하고 있다. 문맥이 달리 지시하지 않는 한, 본 명세서의 전체 상세한 설명은 도 12 및 도 13의 플라즈마 어플리케이터(300 및 400)의 실시예에 각각 적용된다.
도 12 및 도 13을 참고하면, 플라즈마 어플리케이터(300 및 400)는 플라즈마의 점화를 개시하기 위한 점화기 램프 조립체(311, 411)를 포함하고 있다. 플라즈마 어플리케이터(300, 400)는 위에서 상세하게 설명된 예시적인 실시예에 따른 공기 냉각을 제공하기 위하여 공기 냉각 유입부(318, 418)와 공기 냉각 유출부(330, 430)뿐만 아니라 공정 가스 유입부(316, 416)를 포함하고 있다. 플라즈마 어플리케이터(300, 400)는 또한 위에서 상세하게 설명된 예시적인 실시예에 따른 플랜지의 수냉을 제공하기 위하여 수냉 포트(306, 406)를 포함하고 있다. 플라즈마 어플리케이터(300, 400)는 또한 커플링 아이리스(324, 424)를 포함하고 있으며, 이 커플링 아이리스에서 도파관이 장착되어 플라즈마 발생을 위하여 마이크로파 에너지를 마이크로파 공동(306, 406)에 결합할 수 있다. 예시적인 실시예에 따라, 플라즈마 어플리케이터(300, 400)는 위에서 상세하게 설명된 바와 같이 마이크로파 초크 또는 트랩(308, 310, 312, 314 및 408, 410, 412, 414)을 포함하고 있다.
본 발명의 개념이 그의 예시적인 실시예를 참고하여 특히 도시되고 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 다음의 청구범위에 의하여 한정된 바와 같은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않고 형태 및 세부 사항의 다양한 변화가 이루어질 수 있다는 것을 이해할 것이다.

Claims (33)

  1. 플라즈마 어플리케이터에 있어서,
    안에서 플라즈마가 발생될 수 있으며, 플라즈마 공정 가스가 플라즈마 방전관으로 들어오는 것을 허용하기 위한 공정 가스 유입부를 갖고, 길이 방향 축을 갖는 플라즈마 방전관;
    상기 플라즈마 방전관의 일부분을 적어도 부분적으로 둘러싸고 있는 마이크로파 공동; 및
    마이크로파 에너지가 상기 플라즈마 방전관의 일부분 내에서 플라즈마를 발생시킬 수 있도록 상기 마이크로파 에너지가 상기 마이크로파 공동에 결합될 수 있는 커플링 아이리스를 포함하며,
    상기 마이크로파 공동은 길이, 폭 및 높이를 포함하는 3개의 직교 치수를 가지며, 직교 치수들 중 적어도 2개의 치수는 상기 마이크로파 공동 내의 상기 마이크로파 에너지가 횡 전기(TE) 모드로 전파되도록 선택된 플라즈마 어플리케이터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로파 에너지로부터 발생된 1차 전기장은 상기 커플링 아이리스로부터 발생된 소산 전기장과 결합하여, 상기 마이크로파 공동 내의 결합된 전기장은 상기 플라즈마 방전관의 길이 방향 축을 따라 균일한 플라즈마 어플리케이터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로파 에너지는 1kW의 전력을 갖는 플라즈마 어플리케이터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로파 에너지 원은 고체 상태 발생기를 포함하는 플라즈마 어플리케이터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로파 에너지 원은 마그네트론을 포함하는 플라즈마 어플리케이터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 방전관은 석영, 사파이어, 세라믹, 질화알루미늄 또는 질화 붕소 중 적어도 하나를 포함하는 물질로 제조되는 플라즈마 어플리케이터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 공정 가스는 산소, 질소, 수소, 불소 가스, 포밍 가스, NF3, NH3, C2F4 또는 C2F6 중 적어도 하나를 포함하는 플라즈마 어플리케이터.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로파 공동 내에 상기 마이크로파 에너지를 포함시키기 위하여 상기 플라즈마 방전관의 외부에 걸쳐 배치되고 상기 마이크로파 공동의 말단에 배치된 복수의 반경 방향 마이크로파 초크를 더 포함하며, 상기 마이크로파 초크의 위치는 TE 모드 및 횡 전기 자기(transverse electric magnetic) 모드로 전파되는 상기 마이크로파 에너지가 감쇠되도록 하는 플라즈마 어플리케이터.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 다수의 반경 방향 마이크로파 초크는 상기 마이크로파 공동의 제1 말단에 위치된 제1 내부 초크 및 제1 외부 초크 그리고 상기 마이크로파 공동의 제2 말단에 위치된 제2 내부 초크 및 제2 외부 초크를 포함하며, 상기 제1 내부 초크와 상기 제1 외부 초크 사이의 제1 공간 및 상기 제2 내부 초크와 상기 제2 외부 초크 사이의 제2 공간이 선택되어 TE 모드 및 TEM 모드에서 전파되는 상기 마이크로파 에너지의 감쇠를 제공하는 플라즈마 어플리케이터.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1공간과 상기 제2 공간 중 적어도 하나는 0.38 인치인 플라즈마 어플리케이터.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제1공간과 상기 제2 공간은 동일한 플라즈마 어플리케이터.
  12. 플라즈마 어플리케이터에 있어서,
    안에서 플라즈마가 발생될 수 있으며, 플라즈마 공정 가스가 플라즈마 방전관으로 들어오는 것을 허용하기 위한 공정 가스 유입부를 갖고, 길이 방향 축을 갖는 플라즈마 방전관;
    상기 플라즈마 방전관의 일부분을 적어도 부분적으로 둘러싸고 있는 마이크로파 공동; 및
    마이크로파 에너지가 상기 플라즈마 방전관의 일부분 내에서 플라즈마를 발생시킬 수 있도록 상기 마이크로파 에너지가 상기 마이크로파 공동에 결합될 수 있는 커플링 아이리스를 포함하며,
    상기 마이크로파 에너지로부터 발생된 1차 전기장은 상기 커플링 아이리스로부터 발생된 소산 전기장과 결합하여, 상기 마이크로파 공동 내의 결합된 전기장은 상기 플라즈마 방전관의 길이 방향 축을 따라 균일한 플라즈마 어플리케이터.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 마이크로파 공동은 길이, 폭 및 높이를 포함하는 3개의 직교 치수를 가지며, 직교 치수들 중 적어도 2개의 치수는 상기 마이크로파 공동 내의 상기 마이크로파 에너지가 횡 전기(TE) 모드로 전파되도록 선택된 플라즈마 어플리케이터.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 마이크로파 공동 내에 상기 마이크로파 에너지를 포함시키기 위하여 상기 플라즈마 방전관의 외부에 걸쳐 배치되고 상기 마이크로파 공동의 말단에 배치된 복수의 반경 방향 마이크로파 초크를 더 포함하며, 상기 마이크로파 초크의 위치는 TE 모드 및 횡 전기 자기(transverse electric magnetic) 모드로 전파되는 상기 마이크로파 에너지가 감쇠되도록 하는 플라즈마 어플리케이터.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 다수의 반경 방향 마이크로파 초크는 상기 마이크로파 공동의 제1 말단에 위치된 제1 내부 초크 및 제1 외부 초크 그리고 상기 마이크로파 공동의 제2 말단에 위치된 제2 내부 초크 및 제2 외부 초크를 포함하며, 상기 제1 내부 초크와 상기 제1 외부 초크 사이의 제1 공간 및 상기 제2 내부 초크와 상기 제2 외부 초크 사이의 제2 공간이 선택되어 TE 모드 및 TEM 모드에서 전파되는 상기 마이크로파 에너지의 감쇠를 제공하는 플라즈마 어플리케이터.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1공간과 상기 제2 공간 중 적어도 하나는 0.38인치인 플라즈마 어플리케이터.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 제1공간과 상기 제2 공간은 동일한 플라즈마 어플리케이터.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 마이크로파 에너지는 1kW의 전력을 갖는 플라즈마 어플리케이터.
  19. 제12항에 있어서,
    상기 마이크로파 에너지 원은 고체 상태 발생기를 포함하는 플라즈마 어플리케이터.
  20. 제12항에 있어서,
    상기 마이크로파 에너지원은 마그네트론을 포함하는 플라즈마 어플리케이터.
  21. 제12항에 있어서,
    상기 플라즈마 방전관은 석영, 사파이어, 세라믹, 질화알루미늄 또는 질화 붕소 중 적어도 하나를 포함하는 물질로 제조되는 플라즈마 어플리케이터.
  22. 제12항에 있어서,
    상기 공정 가스는 산소, 질소, 수소, 불소 가스, 포밍 가스, NF3, NH3, C2F4 또는 C2F6 중 적어도 하나를 포함하는 플라즈마 어플리케이터.
  23. 플라즈마 어플리케이터에 있어서,
    안에서 플라즈마가 발생될 수 있으며, 플라즈마 공정 가스가 플라즈마 방전관으로 들어오는 것을 허용하기 위한 공정 가스 유입부를 갖고, 길이 방향 축을 갖는 플라즈마 방전관;
    상기 플라즈마 방전관의 일부분을 적어도 부분적으로 둘러싸고 있는 마이크로파 공동;
    마이크로파 에너지가 상기 플라즈마 방전관의 일부분 내에서 플라즈마를 발생시킬 수 있도록 상기 마이크로파 에너지가 상기 마이크로파 공동에 결합될 수 있는 커플링 아이리스; 및
    상기 마이크로파 공동 내에 상기 마이크로파 에너지를 포함시키기 위하여 상기 플라즈마 방전관의 외부에 걸쳐 배치되고 상기 마이크로파 공동의 말단에 배치된 복수의 반경 방향 마이크로파 초크로서, 상기 마이크로파 초크의 위치는 TE 모드 및 횡 전기 자기(transverse electric magnetic) 모드로 전파되는 상기 마이크로파 에너지가 감쇠되도록 하는 복수의 반경 방향 마이크로파 초크를 포함하는 플라즈마 어플리케이터.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 다수의 반경 방향 마이크로파 초크는 상기 마이크로파 공동의 제1 말단에 위치된 제1 내부 초크 및 제1 외부 초크 그리고 상기 마이크로파 공동의 제2 말단에 위치된 제2 내부 초크 및 제2 외부 초크를 포함하며, 상기 제1 내부 초크와 상기 제1 외부 초크 사이의 제1 공간 및 상기 제2 내부 초크와 상기 제2 외부 초크 사이의 제2 공간이 선택되어 TE 모드 및 TEM 모드에서 전파되는 상기 마이크로파 에너지의 감쇠를 제공하는 플라즈마 어플리케이터.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 제1공간과 상기 제2 공간 중 적어도 하나는 0.38인치인 플라즈마 어플리케이터.
  26. 제24항에 있어서,
    상기 제1공간과 상기 제2 공간은 동일한 플라즈마 어플리케이터.
  27. 제23항에 있어서,
    상기 마이크로파 공동은 길이, 폭 및 높이를 포함하는 3개의 직교 치수를 가지며, 직교 치수들 중 적어도 2개의 치수는 상기 마이크로파 공동 내의 상기 마이크로파 에너지가 횡 전기(TE) 모드로 전파되도록 선택된 플라즈마 어플리케이터.
  28. 제23항에 있어서,
    상기 마이크로파 에너지로부터 발생된 1차 전기장은 상기 커플링 아이리스로부터 발생된 소산 전기장과 결합하여, 상기 마이크로파 공동 내의 결합된 전기장은 상기 플라즈마 방전관의 길이 방향 축을 따라 균일한 플라즈마 어플리케이터.
  29. 제23항에 있어서,
    상기 마이크로파 에너지는 1kW의 전력을 갖는 플라즈마 어플리케이터.
  30. 제23항에 있어서,
    상기 마이크로파 에너지 원은 고체 상태 발생기를 포함하는 플라즈마 어플리케이터.
  31. 제23항에 있어서,
    상기 마이크로파 에너지 원은 마그네트론을 포함하는 플라즈마 어플리케이터.
  32. 제23항에 있어서,
    상기 플라즈마 방전관은 석영, 사파이어, 세라믹, 질화알루미늄 또는 질화 붕소 중 적어도 하나를 포함하는 물질로 제조되는 플라즈마 어플리케이터.
  33. 제23항에 있어서,
    상기 공정 가스는 산소, 질소, 수소, 불소 가스, 포밍 가스, NF3, NH3, C2F4 또는 C2F6 중 적어도 하나를 포함하는 플라즈마 어플리케이터.
KR1020187033238A 2016-05-27 2017-05-05 결합 전기장을 이용한 소형 마이크로파 플라즈마 어플리케이터 KR102378924B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US15/166,777 2016-05-27
US15/166,777 US9831066B1 (en) 2016-05-27 2016-05-27 Compact microwave plasma applicator utilizing conjoining electric fields
PCT/US2017/031275 WO2017205034A2 (en) 2016-05-27 2017-05-05 Compact microwave plasma applicator utilizing conjoining electric fields

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20190002529A KR20190002529A (ko) 2019-01-08
KR102378924B1 true KR102378924B1 (ko) 2022-03-28

Family

ID=60407665

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020187033238A KR102378924B1 (ko) 2016-05-27 2017-05-05 결합 전기장을 이용한 소형 마이크로파 플라즈마 어플리케이터

Country Status (8)

Country Link
US (1) US9831066B1 (ko)
EP (1) EP3465728B1 (ko)
JP (1) JP6925370B2 (ko)
KR (1) KR102378924B1 (ko)
CN (1) CN109155229B (ko)
SG (1) SG11201809631UA (ko)
TW (1) TWI643530B (ko)
WO (1) WO2017205034A2 (ko)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7253481B2 (ja) * 2019-10-31 2023-04-06 日本無線株式会社 マイクロ波加熱装置
US11956885B2 (en) * 2021-08-19 2024-04-09 Mks Instruments, Inc. Method and apparatus for impedance matching in a power delivery system for remote plasma generation

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1102521A2 (en) 1999-11-15 2001-05-23 Archimedes Technology Group, Inc. Plasma injector
US20020112819A1 (en) 1999-04-12 2002-08-22 Mohammad Kamarehi Remote plasma generator with sliding short tuner
WO2003096766A1 (en) 2002-05-08 2003-11-20 Dana Corporation Plasma control using phase and/or frequency of multiple radiation sources
US7497922B2 (en) 2002-05-08 2009-03-03 Btu International, Inc. Plasma-assisted gas production
WO2014192062A1 (ja) 2013-05-27 2014-12-04 株式会社アドテック プラズマ テクノロジー マイクロ波プラズマ発生装置の空洞共振器

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3469987B2 (ja) * 1996-04-01 2003-11-25 株式会社日立製作所 プラズマ処理装置
US4975625A (en) * 1988-06-24 1990-12-04 Fusion Systems Corporation Electrodeless lamp which couples to small bulb
US5179264A (en) * 1989-12-13 1993-01-12 International Business Machines Corporation Solid state microwave powered material and plasma processing systems
US5049843A (en) * 1990-04-12 1991-09-17 Barnes Ramon M Strip-line for propagating microwave energy
US5498308A (en) 1994-02-25 1996-03-12 Fusion Systems Corp. Plasma asher with microwave trap
US5961851A (en) * 1996-04-02 1999-10-05 Fusion Systems Corporation Microwave plasma discharge device
JP3647592B2 (ja) * 1997-03-04 2005-05-11 松下電器産業株式会社 プラズマ源及びこれを用いたイオン源並びにプラズマ処理装置
AU2003228881A1 (en) * 2002-05-08 2003-11-11 Dana Corporation Methods and apparatus for plasma processing control
US7183514B2 (en) 2003-01-30 2007-02-27 Axcelis Technologies, Inc. Helix coupled remote plasma source
JP2006127914A (ja) * 2004-10-28 2006-05-18 Tokyo Univ Of Science マイクロ波プラズマ処理装置
US7562638B2 (en) 2005-12-23 2009-07-21 Lam Research Corporation Methods and arrangement for implementing highly efficient plasma traps
US7554053B2 (en) * 2005-12-23 2009-06-30 Lam Research Corporation Corrugated plasma trap arrangement for creating a highly efficient downstream microwave plasma system
KR101119627B1 (ko) 2007-03-29 2012-03-07 도쿄엘렉트론가부시키가이샤 플라즈마 처리 장치
WO2011060033A1 (en) * 2009-11-10 2011-05-19 Immunolight, L.L.C. Up and down coversion systems for production of emitted light from various energy sources including radio frequency, microwave energy and magnetic induction sources for upconversion
US9653266B2 (en) * 2014-03-27 2017-05-16 Mks Instruments, Inc. Microwave plasma applicator with improved power uniformity
US9345121B2 (en) 2014-03-28 2016-05-17 Agilent Technologies, Inc. Waveguide-based apparatus for exciting and sustaining a plasma
GB201410703D0 (en) * 2014-06-16 2014-07-30 Element Six Technologies Ltd A microwave plasma reactor for manufacturing synthetic diamond material
US9642194B2 (en) * 2014-08-07 2017-05-02 Industrial Microwave Systems, L.L.C. Tubular choked waveguide applicator

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020112819A1 (en) 1999-04-12 2002-08-22 Mohammad Kamarehi Remote plasma generator with sliding short tuner
EP1102521A2 (en) 1999-11-15 2001-05-23 Archimedes Technology Group, Inc. Plasma injector
WO2003096766A1 (en) 2002-05-08 2003-11-20 Dana Corporation Plasma control using phase and/or frequency of multiple radiation sources
US7497922B2 (en) 2002-05-08 2009-03-03 Btu International, Inc. Plasma-assisted gas production
WO2014192062A1 (ja) 2013-05-27 2014-12-04 株式会社アドテック プラズマ テクノロジー マイクロ波プラズマ発生装置の空洞共振器

Also Published As

Publication number Publication date
US9831066B1 (en) 2017-11-28
EP3465728A2 (en) 2019-04-10
WO2017205034A3 (en) 2018-07-26
WO2017205034A2 (en) 2017-11-30
KR20190002529A (ko) 2019-01-08
CN109155229B (zh) 2020-07-10
CN109155229A (zh) 2019-01-04
JP6925370B2 (ja) 2021-08-25
EP3465728A4 (en) 2020-01-01
TW201742515A (zh) 2017-12-01
US20170345622A1 (en) 2017-11-30
JP2019517707A (ja) 2019-06-24
EP3465728B1 (en) 2022-04-27
TWI643530B (zh) 2018-12-01
SG11201809631UA (en) 2018-12-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10858910B2 (en) High-power microwave borehole fracturing device for engineering rock mass
US6352050B2 (en) Remote plasma mixer
EP3123840B1 (en) Microwave plasma applicator with improved power uniformity
JPS5939178B2 (ja) 活性化ガス発生装置
KR102378924B1 (ko) 결합 전기장을 이용한 소형 마이크로파 플라즈마 어플리케이터
JP2010539669A (ja) マイクロ波プラズマ発生装置およびプラズマトーチ
JP6076337B2 (ja) プラズマチャンバのための伝送線ｒｆアプリケータ
TWI465156B (zh) 用以創造高效率下游微波電漿系統的設備
US8048329B2 (en) Methods for implementing highly efficient plasma traps
US20150279626A1 (en) Microwave plasma applicator with improved power uniformity
TWI435364B (zh) 電漿或自由基之製造裝置
JPH04211183A (ja) 金属蒸気レーザ装置及び金属蒸気レーザ並びに金属蒸気レーザ装置用冷却ジャケット
WO2013055241A1 (en) Electrode cooling system in a multi-electrode microwave plasma excitation source
KR20220157481A (ko) 고주파 반응 프로세싱 장치 및 고주파 반응 프로세싱 시스템
JP4159889B2 (ja) マイクロ波励起ガスレーザ装置および露光装置
SU266106A1 (ko)
JPH07263159A (ja) マイクロ波励起光源装置

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant