KR102381084B1 - 대기압 플라즈마 발생 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 플라즈마 발생 장치는, 유전체 방전 튜브; 상기 유전체 원통 튜브를 감싸고 복수의 권선수를 가지며 대기압 초기 방전을 발생시키는 초기 방전 유도 코일 및 상기 초기 방전 유도 코일과 직렬 연결되어 제1 공진 주파수를 제공하는 초기 방전 축전기를 포함하는 초기 방전 유도 코일 모듈; 상기 초기 방전 유도 코일의 상부 및 하부에 각각 배치되어 초기 방전 시드를 제공하는 제1 전극 및 제2 전극; 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 DC 고전압을 인가하는 DC 전원; 제2 공진 주파수를 가지고 상기 초기 방전 유도 코일 모듈에서 발생시킨 초기 방전을 제공받아 메인 유도 결합 플라즈마를 발생시키는 메인 방전 유도 코일 모듈; 및 병렬 연결된 상기 초기 방전 유도 코일 모듈 및 상기 메인 방전 유도 코일 모듈에 RF 전력을 제공하고 구동 주파수를 변경하는 RF 전원을 포함한다.

Description

대기압 플라즈마 발생 장치{Atmospheric Pressure Plasma Generation Apparatus}

본 발명은 플라즈마 발생 장치에 관한 것으로, 더 구체적으로 대기압 또는 대기압 이상에서 방전을 수행하는 유도 결합 플라즈마 장치에 관한 것이다.

유도 결합 플라즈마는 통상적으로 수백 밀리토르(mTorr)의 압력에서 수 MHz의 구동 주파수를 사용하여 형성된다. 그러나, 이러한 유도 결합 플라즈마는 유도 전기장의 세기가 작아 대기압 방전 또는 수백 토르 이상의 압력에서 방전을 수행하기 어렵다. 따라서, 충분한 유도 전기장의 세기가 요구되고 초기 방전을 위한 별도의 수단이 요구된다. 설사, 대기압 방전이 유지되는 경우에도 유전체 튜브의 플라즈마로 부터오는 이온에 의한 열손상 때문에 장시간 방전을 수행할 수 없다.

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

본 발명의 발명자는 한국 등록특허 KR 10-1657303 B1에서 플라즈마의 안정성을 유지하기 위하여 선회 유동(swirl)을 제안하였다. 그러나, 복수의 권선수를 가진 안테나는 방전 시 유도전기장의 증가와 동시에, 안테나 전압이 이온을 튜브벽으로 가속시켜 열데미지를 유발시키므로 대기압 방전에 한계를 가진다.

본 발명의 발명자는 한국 등록특허 KR 0-1826883 B1에서 안테나들 사이에 축전기를 삽입하여 전압 분배 구조를 가지는 유도 결합 플라즈마 발생 장치를 제안하였다. 그러나, 한국 등록특허 KR 0-1826883 B1는 구동 주파수를 공진 조건에서 벗어난 상태에서 초기 방전을 유도하나, 전기장의 세기가 작아 대기압 방전을 안정적으로 점화시키기 어렵다.

본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 대기압 또는 수백 토르 이상의 압력에서 안정적인 유도 결합 플라즈마를 생성하는 플라즈마 발생 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 플라즈마 발생 장치는, 유전체 방전 튜브; 상기 유전체 원통 튜브를 감싸고 복수의 권선수를 가지며 대기압 초기 방전을 발생시키는 초기 방전 유도 코일 및 상기 초기 방전 유도 코일과 직렬 연결되어 제1 공진 주파수를 제공하는 초기 방전 축전기를 포함하는 초기 방전 유도 코일 모듈; 상기 초기 방전 유도 코일의 상부 및 하부에 각각 배치되어 초기 방전 시드를 제공하는 제1 전극 및 제2 전극; 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 DC 고전압을 인가하는 DC 전원; 제2 공진 주파수를 가지고 상기 초기 방전 유도 코일 모듈에서 발생시킨 초기 방전을 제공받아 메인 유도 결합 플라즈마를 발생시키는 메인 방전 유도 코일 모듈; 및 병렬 연결된 상기 초기 방전 유도 코일 모듈 및 상기 메인 방전 유도 코일 모듈에 RF 전력을 제공하고 구동 주파수를 변경하는 RF 전원을 포함한다. 메인 방전 유도 코일 모듈은, 상기 초기 방전 유도 코일과 이격되어 배치되고 상기 유전체 방전 튜브의 중심축에 수직한 복수의 배치 평면들에 각각 배치되고 서로 직렬 연결되는 복수의 단위 안테나들; 상기 단위 안테나들 양단에 각각 배치된 제1 메인 축전기 및 제2 메인 축전기; 및 상기 단위 안테나들 사이에 각각 직렬 연결된 보조 축전기들;를 포함하한다. 상기 RF 전원은 상기 DC 고전압의 도움으로 상기 제1 공진 주파수에서 상기 초기 방전 유도 코일에 초기 방전을 유도한다. 상기 RF 전원은 상기 구동 주파수를 상기 제1 공진 주파수에서 상기 제2 공진 주파수로 변경하여 메인 방전을 수행한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 초기 방전 유도 코일에 흐르는 전류 또는 전압을 감지하는 제1 감지 센서를 더 포함한다. 상기 RF 전원은 상기 제1 감지 센서의 출력을 이용하여 축전 결합 모드에서 유도 결합 모드로 천이를 감지하고 상기 제1 공진 주파수에서 상기 제2 공진 주파수로 구동 주파수를 변경할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 전극은 상기 초기 방전 유도 코일의 상부에 배치되고 양의 DC 고전압으로 대전될 수 있다. 상기 제2 전극은 상기 초기 방전 유도 코일의 하부에 배치되고 상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 "C" 자 형태이고 음의 DC 고전압으로 대전될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 DC 전원은, 상용 전원을 DC 전압으로 변환하는 AC-DC 변환기; 상기 DC 전압을 제공받아 양의 DC 고전압 펄스와 음의 DC 고전압 펄스를 생성하는 고전압 펄스 발생기; 및 상기 고전압 펄스 발생기를 제어하는 제어기를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 고전압 펄스 발생기는, 상기 AC-DC 변환기의 상기 DC 전압을 제공받는 1차 코일과 양의 DC 고전압 펄스를 발생시키는 2차 코일을 포함하는 제1 트랜스퍼머; 상기 제1 트랜스퍼머의 1차 코일에 연결된 제1 전력 트렌지스터; 상기 AC-DC 변환기의 상기 DC 전압을 제공받는 1차 코일과 음의 DC 고전압 펄스를 발생시키는 2차 코일을 포함하는 제2 트랜스퍼머; 및 상기 제2 트랜스퍼머의 1차 코일에 연결된 제2 전력 트렌지스터를 포함할 수 있다. 상기 제어기는 상기 제1 전력 트렌지스터와 상기 제2 전력 트렌지스터의 게이트를 제어할 수 있다. 상기 제1 트랜스퍼머의 2차 코일의 일단은 양의 DC 고전압 펄스를 출력하고, 상기 제1 트랜스퍼머의 2차 코일의 타단은 접지될 수 있다. 상기 제2 트랜스퍼머의 2차 코일의 일단은 음의 DC 고전압 펄스를 출력하고, 상기 제2 트랜스퍼머의 2차 코일의 타단은 접지될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 초기 방전 유도 코일은 솔레노이드 형태이고, 복층으로 감길 수 있다.

*본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 초기 방전 유도 코일은 내부 솔레노이드 코일, 중간 솔레노이드 코일, 외부 솔레노이드 코일의 3층 구조일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 초기 방전 축전기은 상기 초기 방전 유도 코일의 양단에 각각 배치될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 단위 안테나를 구성하는 코일의 단면은 사각형일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 단위 안테나는, 상기 유전체 방전 튜브를 중심축에 수직한 배치 평면에서 상기 유전체 방전 튜브와 접촉하여 배치되고 루프를 형성하는 제1 안테나; 상기 제1 안테나를 감싸도록 배치되고 루프를 형성하는 제2 안테나; 및 상기 제2 안테나를 감싸도록 배치되고 루프를 형성하는 제3 안테나를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 단위 안테나들은 서로 다른 배치 평면에 배치되고 10 개일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 단위 안테나들은 5개의 단위 안테나들을 포함하는 제1 그룹과 다른 5 개의 단위 안테나들을 포함하는 제2 그룹으로 구분될 수 있다. 상기 제1 그룹을 구성하는 단위 안테나들은 방위각 방향을 따라 72도 간격으로 배치되고, 상기 제2 그룹을 구성하는 단위 안테나들은 방위각 방향을 따라 72도 간격으로 배치될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 단위 안테나는 동일한 배치 평면에 배치되는 복수의 권선을 포함하고, 복수의 권선을 절연시키는 "ㅛ"자 형상의 절연 스페이서를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 공진 주파수와 상기 제2 공진 주파수는 0.2 MHz 이상 이격될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 공진 주파수는 상기 제2 공진 주파수보다 클 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 메인 축전기의 정전 용량은 상기 제2 메인 축전기의 정전 용량과 동일하고, 상기 제1 메인 축전기의 정전 용량은 상기 보조 축전기의 정전 용량의 2 배일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 공진 주파수에서 상기 초기 방전 유도 코일에 유도되는 제1 전압 강하는 상기 제2 공진 주파수에서 상기 단위 안테나에 유도되는 제2 전압 강하보다 클 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 복수의 단위 안테나들의 인덕턴스의 총합은 상기 초기 방전 유도 코일의 인덕턴스보다 클 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 플라즈마 발생 장치의 동작 방법은, 유전체 방전 튜브에 서로 이격되어 배치된 제1 전극 및 제2 전극에 DC 고전압을 인가하여 초기 방전 시드를 제공하는 단계; 상기 유전체 원통 튜브를 감싸고 복수의 권선수를 가지며 대기압 초기 방전을 발생시키는 초기 방전 유도 코일 및 상기 초기 방전 유도 코일과 직렬 연결되어 제1 공진 주파수를 제공하는 초기 방전 축전기를 포함하는 초기 방전 유도 코일 모듈에 상기 제1 공진 주파수의 교류 전력을 제공하여 초기 방전을 수행하는 단계; 상기 초기 방전 유도 코일 모듈과 병렬 연결된 메인 방전 유도 코일 모듈에 상기 제1 공진 주파수와 다른 제2 공진 주파수의 교류 전력을 제공하여 상기 초기 방전으로부터 메인 유도 결합 플라즈마를 유도하는 단계;를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 초기 방전 유도 코일에 흐르는 전류 또는 상기 초기 방전 유도 코일의 양단에 인가되는 전압 강하를 감지하는 단계;를 더 포함한다. 상기 초기 방전 유도 코일에 흐르는 전류 또는 상기 초기 방전 유도 코일의 양단에 인가되는 전압 강하가 문턱값 이상인 경우, RF 전원은 상기 구동 주파수를 변경하여 상기 제1 공진 주파수에서 상기 제2 공진 주파수로 변경하여 상기 단위 안테나들에서 메인 방전을 수행할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 메인 방전 유도 코일 모듈은, 상기 초기 방전 유도 코일과 이격되어 배치되고 상기 유전체 방전 튜브를 중심축에 수직한 복수의 배치 평면들에 각각 배치되고 서로 직렬 연결되는 복수의 단위 안테나들; 상기 단위 안테나들 양단에 각각 배치된 제1 메인 축전기 및 제2 메인 축전기; 및 상기 단위 안테나들 사이에 각각 직렬 연결된 보조 축전기들;을 포함한다. RF 전원은 상기 DC 고전압의 도움으로 상기 제1 공진 주파수에서 상기 초기 방전 유도 코일에 초기 방전을 유도할 수 있다. 상기 RF 전원은 상기 구동 주파수를 변경하여 상기 제1 공진 주파수에서 상기 제2 공진 주파수로 변경하여 상기 단위 안테나들에서 메인 방전을 수행할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 플라즈마 발생 장치는 시드 발생용 전극, 이그니션에 유리한 초기 방전 유도 코일, 그리고 방전 유지에 유리한 메인 방전 유도 코일 모듈을 이용하여 대기압 또는 그 이상의 압력에서 안정적인 플라즈마 발생을 수행할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 플라즈마 장치의 응용예를 나타내는 개념도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 플라즈마 장치의 초기 방전 동작을 나타내는 개념도이다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 플라즈마 장치의 메인 방전 동작을 나타내는 개념도이다.
도 3은 도 2a의 대기압 플라즈마 장치를 회로적으로 표시한 개념도이다.
도 4는 도 2a의 대기압 플라즈마 장치의 초기 방전 동작에서 초기 방전 유도 코일 모듈에 인가되는 전압 분배를 표시한 개념도이다.
도 5는 도 2b의 대기압 플라즈마 장치의 메인 방전 동작에서 메인 방전 유도 코일 모듈에 인가되는 전압 분배를 표시한 개념도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 메인 방전 유도 코일 모듈의 단위 안테나들의 배치 관계를 나타내는 평면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 메인 방전 유도 코일 모듈의 단위 안테나를 나타내는 평면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 메인 방전 유도 코일 모듈의 단위 안테나들 절연 상태를 나타내는 단면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 전극과 제2 전극의 배치 관계를 나타내는 절단 사시도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 DC 전원을 나타내는 회로도이다.
도 11은 도 10의 고전압 펄스 발생기를 설명하는 회로도이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 대기압 플라즈마 발생 장치의 메인 방전 유도 코일 모듈을 설명하는 단면도이다.
도 13은 도 12의 메인 방전 유도 코일 모듈의 단위 안테나들의 배치관계를 설명하는 평면도이다.
도 14는 도 12의 대기압 플라즈마 발생 장치의 초기 방전 모드를 설명하는 등가회로를 나타내는 도면이다.
도 15는 도 12의 대기압 플라즈마 발생 장치의 메인 방전 모드를 설명하는 등가회로를 나타내는 도면이다.
도 16은 도 12의 대기압 플라즈마 발생 장치의 초기 방전 모드와 메인 방전 모드를 나타내는 타이밍도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치는 유전체 방전 튜브에 배치된 한 쌍의 전극, 초기 방전 유도 코일 모듈, 및 메인 방전 유도 코일 모듈을 포함한다. 초기 방전 유도 코일 모듈 및 메인 방전 유도 코일 모듈은 RF 전원에 병렬 연결되고, RF 전원은 공진 주파수에 따라 선택적으로 RF 전력을 초기 방전 유도 코일 모듈 또는 메인 방전 유도 코일 모듈에 제공한다.

초기 방전 모듈은 이그니션에 유리한 안테나를 구비하고, 메인 방전 모듈은 방전 유지에 유리한 안테나 특성을 가진다. 서로 병렬로 연결된 초기 방전 모듈과 메인 방전 모듈은 구동 주파수에 따라 서로 다른 임피던스 특성을 가진다. 초기 방전 모듈은 제1 공진 주파수를 가지며, 메인 방전 모듈은 제2 공진 주파수를 가진다. 제1 공진 주파수로 전류를 흘리면, 초기 방전 모듈로 전류가 주로 흐르게 된다. 공진이 아닌 루트는 제1 공진 주파수에서 임피던스가 상대적으로 커서 전류가 상대적으로 적게 흐른다. 제2 공진 주파수로 전류를 흘리면, 메인 방전 모듈로 전류가 주로 흐르게 된다. 방전 모듈이 3개 이상이더라도, 각 방전 모듈 별로 다른 공진 주파수를 부여하면, 원하는 방전 모듈로 전류를 부여할 수 있다. 이에 따라, 본 발명은 넓은 실 저항 범위에서 임피던스 매칭을 수행할 수 있고, 넓은 방전 제어 범위 (유량, power, 압력)를 구현할 수 있고, 다양한 용도의 방전 모듈에 전류를 스위칭하여 방전 기능을 변경할 수 있다.

상기 한 쌍의 전극은 초기 방전 모듈의 초기 방전 유도 코일의 상부 및 하부에 각각 배치되어 대기압에서 DC 전압을 인가하여 초기 방전을 수행하기 위한 상기 유전체 방전 튜브의 중심축 방향으로 정전 수직 전기장(E_ig)을 생성하고, 시드 전하를 발생시킨다.

초기 방전 유도 코일 모듈은 상기 한 쌍의 전극 사이에 배치되고 상기 초기 방전 유도 코일 및 상기 초기 방전 유도 코일과 직렬 연결된 초기 방전 축전기를 포함한다. 상기 메인 방전 모듈과 상기 초기 방전 모듈은 병렬 연결된다. 상기 초기 방전 유도 코일 모듈은 제1 공진 주파수를 가지며, RF 전원으로부터 초기 방전 모드에서 상기 제1 공진 주파수의 RF 전력을 제공받아 초기 방전을 수행한다. 상기 메인 방전 모듈은 상기 제1 공진 주파수에서 높은 임피던스에 기인하여 방전을 수행하지 않는다. 상기 초기 방전 유도 코일에 의한 플라즈마는 축전 결합 모드(또는 E 모드)에서 유도 결합 모드(또는 H 모드)로 천이한다. 축전 결합 모드(또는 E 모드)에서 상기 초기 방전 유도 코일은 제1 공진 주파수에서 상기 초기 방전 유도 코일의 양단에 높은 전위차를 발생시키어 상기 유전체 방전 튜브의 중심축 방향으로 수직 전기장(E_z)을 생성할 수 있다. 유도 결합 모드(또는 H 모드)로 천이한 후에, 플라즈마 실저항은 증가하고 상기 초기 방전 유도 코일에 흐르는 제1 전류는 감소한다.

상기 메인 방전 모듈은 상기 초기 방전 유도 코일과 이격되어 배치되고 복수의 배치 평면들에 각각 배치되는 서로 직렬 연결되는 단위 안테나들, 상기 단위 안테나들의 양단에 각각 배치된 제1 메인 축전기 및 제2 메인 축전기; 및 상기 단위 안테나들 사이에 직렬 연결된 보조 축전기;를 포함한다. 상기 메인 방전 모듈과 상기 초기 방전 모듈은 병렬 연결된다. 상기 메인 방전 모듈은 제2 공진 주파수를 가진다. 상기 초기 방전 유도 코일에 의하여 축전 결합 모드(또는 E 모드)에서 상기 유도 결합 모드(또는 H 모드)로 천이한 경우, 상기 RF 전원은 구동 주파수를 제1 공진 주파수에서 제2 공진 주파수로 변경한다. 동시에 DC 전압을 상기 한 쌍의 전극에서 제거한다. 이에 따라, 상기 초기 방전 모듈은 높은 임피던스에 기인하여 전류가 흐르지 않아 방전을 수행하지 않고, 상기 메인 방전 모듈은 낮은 임피던스에 기인하여 전류가 흐르고 유도 결합 플라즈마를 안정적으로 발생시킨다.

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

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 플라즈마 장치의 응용예를 나타내는 개념도이다.

도 1을 참조하면, 기판 처리 장치(10)는 진공 용기(92) 내부에 기판 홀더(93)를 구비하고, 상기 기판 홀더(93) 상에 배치된 기판(94)에 증착 공정, 식각 공정, 확산 공정, 또는 이온 주입 공정을 수행할 수 있다. 상기 진공 용기(92)는 진공 펌프(95)에 의하여 배기되고, 배기 가스는 대기압 플라즈마 발생 장치(100)를 통하여 정재 처리되어 외부로 배출된다. 상기 배기 가스는 미세 입자, 맹독성 가스, 온실 가스와 같은 오염 물질을 포함한다..

상기 배기 가스는 가스 스크러버를 통하여 정재된 후 배출된다. 가스 스크러버는 연소식 또는 플라즈마 방식을 포함한다.

상압 방전 플라즈마 방식은 고전압 평판 플라즈마 방식과 아크토치 방식, 그리고 유도가열 플라즈마 방식을 예로 들 수 있다. 고전압 평판형 플라즈마의 경우, 높은 방전 유지능력을 가지지만, 높은 동작 압력에서 낮은 플라즈마 밀도, 및 고온 조건을 형성하기 어렵다. 따라서, 열화학적 분해에 의한 유해 물질 제거 효과가 낮다.

한편, 아크 토치와 같은 고온 플라즈마는 높은 반응 온도를 제공하나, 처리 가스가 플라즈마 내부로 직접 분사되지 않아 분해 효율이 감소하고, 아크 발생을 위한 전극의 내구성이 취약하다.

본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 플라즈마 장치는 100 토르이상의 압력에서 유도 결합 플라즈마를 이용하여 높은 플라즈마 밀도 (10^16/cm^3) 및 높은 가스 온도(섭씨 3000도)를 구현할 수 있다. 따라서, 상기 대기압 플라즈마 장치는 진공 펌프의 후단에 배치되어 대기압 하에서 수십 slm(Standard liter per Minute) 이상의 가스에 섞여 흐르는 유해가스를 분해하여 처리할 수 있다. 상기 유해 가스는 CxFy 나 SxFy 가스 일 수 있다. 본 발명은 통상적으로 대기압 방전이 어려운 CxFy 가스를 대기압에서 유도 결합 방전을 수행할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 플라즈마 장치는 CO2 개질(CO2 reforming)과 같은 공정에 사용될 수 있다.

도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 플라즈마 장치의 초기 방전 동작을 나타내는 개념도이다.

도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 플라즈마 장치의 메인 방전 동작을 나타내는 개념도이다.

도 3은 도 2a의 대기압 플라즈마 장치를 회로적으로 표시한 개념도이다.

도 4는 도 2a의 대기압 플라즈마 장치의 초기 방전 동작에서 초기 방전 유도 코일 모듈에 인가되는 전압 분배를 표시한 개념도이다.

도 5는 도 2a의 대기압 플라즈마 장치의 메인 방전 동작에서 메인 방전 유도 코일 모듈에 인가되는 전압 분배를 표시한 개념도이다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 메인 방전 유도 코일 모듈의 단위 안테나들의 배치 관계를 나타내는 평면도이다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 메인 방전 유도 코일 모듈의 단위 안테나를 나타내는 평면도이다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 메인 방전 유도 코일 모듈의 단위 안테나들 절연 상태를 나타내는 단면도이다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 전극과 제2 전극의 배치 관계를 나타내는 절단 사시도이다.

도 2 내지 도 9를 참조하면, 대기압 플라즈마 발생 장치(100)는, 유전체 방전 튜브(140); 상기 유전체 원통 튜브(140)를 감싸고 복수의 권선수를 가지며 대기압 초기 방전을 발생시키는 초기 방전 유도 코일(120) 및 상기 초기 방전 유도 코일(120)과 직렬 연결되어 제1 공진 주파수(fa)를 제공하는 초기 방전 축전기(122a,122b)를 포함하는 초기 방전 유도 코일 모듈(102); 상기 초기 방전 유도 코일(120)의 상부 및 하부에 각각 배치되어 초기 방전 시드를 제공하는 제1 전극(114) 및 제2 전극(116); 상기 제1 전극(114)과 상기 제2 전극(116) 사이에 DC 고전압을 인가하는 DC 전원(112); 제2 공진 주파수(fb)를 가지고 상기 초기 방전 유도 코일 모듈(102)에서 발생시킨 초기 방전을 제공받아 메인 유도 결합 플라즈마를 발생시키는 메인 방전 유도 코일 모듈(103); 및 병렬 연결된 상기 초기 방전 유도 코일 모듈(102) 및 상기 메인 방전 유도 코일 모듈(103)에 RF 전력을 제공하고 구동 주파수를 변경하는 RF 전원(150)을 포함한다.

상기 메인 방전 유도 코일 모듈(103)은, 상기 초기 방전 유도 코일(120)과 이격되어 배치되고 상기 유전체 방전 튜브(140)의 중심축에 수직한 복수의 배치 평면들에 각각 배치되고 서로 직렬 연결되는 복수의 단위 안테나들(132); 상기 단위 안테나들(132) 양단에 각각 배치된 제1 메인 축전기(133a) 및 제2 메인 축전기(133b); 및 상기 단위 안테나들(132) 사이에 각각 직렬 연결된 보조 축전기들(134);을 포함한다.

상기 RF 전원(150)은 상기 DC 고전압의 도움으로 상기 제1 공진 주파수(fa)에서 상기 초기 방전 유도 코일(120)에 초기 방전을 유도한다. 상기 RF 전원(150)은 상기 구동 주파수를 상기 제1 공진 주파수(fa)에서 상기 제2 공진 주파수(fb)로 변경하여 메인 방전을 수행한다.

대기압 유도 결합 플라즈마는 낮은 유도 전기장에 기인하여 이그니션 ( 또는 초기 방전)을 발생시키기 어렵다. 따라서, 안정적인 초기 방전을 위하여, 제1 전극(114) 및 제2 전극(116)에 의한 DC 방전의 도움을 받는다. 한편, DC 방전은 높은 플라즈마 밀도를 형성하기 어렵다. 유전체 방전 튜브의 외측에 배치된 전극은 높은 전기장(E_ig)에 의하여 유전체 방전 튜브(140)를 손상시킨다.

초기 방전 유도 코일(120)은 DC 방전에 의한 시드 전하의 도움으로 초기 유도 결합 플라즈마를 발생시킨다. 이를 위하여 유전체 방전 튜브(140)의 중심축 방향의 강한 정전 수직 전기장(E_z)이 요구된다. 이러한 강한 정전 수직 전기장(E_z)은 초기 방전 유도 코일의 구조에 의존한다. 상기 초기 방전 유도 코일(120)의 상기 정전 수직 전기장(E_z)은 축전 결합 모드를 발생시킬 수 있다. 상기 정전 수직 전기장(E_z)은 상기 초기 방전 유도 코일의 양단에 인가되는 높은 전위차(Va)에 의하여 발생될 수 있다. 상기 정전 수직 전기장(E_z)은 상기 초기 방전 유도 코일(120)의 인덕턴스(La)에 비례할 수 있다. 그러나, 상기 초기 방전 유도 코일(120)의 인덕턴스(La)가 너무 크면 높은 임피던스에 의하여, RF 전원(150)의 전력은 부하 (초기 방전 유도 코일)에 효율적으로 전달되지 않는다. 따라서, 초기 방전 축전기(122a,122b)는 상기 초기 방전 유도 코일(120)과 직렬 연결되어 제1 공진 주파수(fa)를 제공한다. 상기 RF 전원(150)이 상기 제1 공진 주파수에서 동작하면, 상기 RF 전원의 출력단에서 상기 초기 방전 유도 코일(120)을 바라본 임피던스(Za)의 허수부는 제거될 수 있다. 따라서, 상기 RF 전원(150)은 안정적으로 RF 전력을 상기 초기 방전 유도 코일에 전달할 수 있다. 또한, 상기 초기 방전 유도 코일(120)은 높은 인덕턴스를 가지므로, 상기 초기 방전 유도 코일(120)의 양단에 높은 전위차(Va)가 유도되어, 상기 정전 수직 전기장(E_z)은 축전 결합 모드를 발생시킬 수 있다. 상기 축전 결합 모드에서는, 상기 유전체 방전 튜브(140)의 중심축 방향으로 스트리머 방전이 국부적으로 형성된다.

상기 축전 결합 모드에 의하여 플라즈마가 충분히 발생한 경우, 상기 초기 방전 유도 코일(120)에 흐르는 제1 전류(Ia)에 의하여 방위각 방향의 유도 전기장(E_a_ind)이 생성된다. 상기 유도 전기장(E_a_ind)에 의하여 플라즈마는 축전 결합 모드에서 유도 결합 모드로 천이(transition)한다. 상기 초기 방전 유도 코일(120)에 의한 유도 결합 모드에서, 플라즈마는 상기 유전체 방전 튜브(140) 내에서 전체적으로 발생된다. 상기 유도 결합 모드에서, 상기 초기 방전 유도 코일을 통하여 흐르는 제1 전류(Ia) 및 상기 초기 방전 유도 코일의 양단에 걸리는 전위차(Va)는 축전 결합 모드에 비하여 감소한다.

그러나, 상기 초기 방전 유도 코일(120)에 의한 유도 결합 모드는 상기 초기 방전 유도 코일(120)의 높은 인덕턴스(La)에 의하여 상기 초기 방전 유도 코일의 양단에 여전히 높은 전위차를 유지한다. 따라서, 일정한 플라즈마 포텐션(plasma potential)을 가지는 플라즈마와 상기 초기 방전 유도 코일(120) 사이에는 플라즈마 시스(plasma sheath)가 형성되고, 이온들이 상기 플라즈마 시스(plasma sheath)를 통하여 상기 유전체 방전 튜브(120)의 내벽으로 가속된다. 이에 따라, 상기 유전체 방전 튜브(120)는 열에 의하여 파손되고 방전 효율이 감소된다.

본 발명은 이러한 문제점을 극복하고자 초기 방전에 최적화된 초기 방전 유도 코일(120)과 유전체 방전 튜브의 열 파손을 억제하고 방전 효율을 증가시키는 메인 방전 유도 코일 모듈(103)이 사용된다. 초기 방전 단계에서는 RF 전력이 초기 방전 유도 코일(120)로 유입되어 축전 결합 모드에서 유도 결합 모드로 천이를 발생시킨다. 상기 메인 방전 유도 코일 모듈(103)은 초기 방전 유도 코일(120)에 의한 발생된 다량의 하전 입자를 사용하여 축전 결합 모드를 거치지 않고 바로 유도 결합 모드의 플라즈마를 발생시킨다.

상기 메인 방전 유도 코일 모듈(103)은 상기 초기 방전 유도 코일 모듈(102)과 다른 전기적 특성 및 방전 특성을 가진다. 상기 메인 방전 유도 코일 모듈(103)은 메인 방전 유도 코일 모듈을 구성하는 복수의 단위 안테나들(132)을 포함한다. 상기 안테나들(132)은 서로 다른 배치 평면에 배치되어 서로 적층되고 상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치된다.

상기 메인 방전 유도 코일 모듈(103)은 상기 초기 방전 유도 코일 없이 단독으로는 동작하기 어렵다. 하지만, 상기 초기 방전 유도 코일이 유도 결합 모드로 천이한 후, 상기 초기 방전 유도 코일(120)에 흐르는 제1 전류(Ia)가 제거됨과 동시에, 상기 메인 방전 유도 코일 모듈(103)에 제2 전류(Ib)가 흐른다. 상기 메인 방전 유도 코일 모듈(103)은 축전 결합 모드를 거치지 않고 바로 유도 결합 모드에서 안정적으로 방전할 수 있다. 단위 안테나들(132) 각각에 인가되는 제2 전위차(Vb)는 전압 분배에 의하여 상기 초기 방전 유도 코일(120)의 양단에 걸리는 전위차(Va)보다 작다. 단위 안테나들(132)의 인덕턴스의 총합(Lb)은 상기 초기 방전 유도 코일(120)의 인덕턴스(La)보다 크다. 따라서, 유도 전기장(E_b_ind)의 세기가 크며, 플라즈마 시스의 전위차 작아, 유전체 방전 튜브(140)의 열 파손이 억제되고, 방전 효율이 증가된다.

상기 메인 방전 유도 코일 모듈(103)은, 상기 초기 방전 유도 코일과 이격되어 배치되고 상기 유전체 방전 튜브(140)를 중심축에 수직한 복수의 배치 평면들에 각각 배치되고 서로 직렬 연결되는 복수의 단위 안테나들(132); 상기 단위 안테나들 양단에 각각 배치된 제1 메인 축전기(133a) 및 제2 메인 축전기(133b); 및 상기 단위 안테나들 사이에 각각 직렬 연결된 보조 축전기들(134);를 포함한다. 상기 메인 방전 유도 코일 모듈(103)은 제2 공진 주파수(fb)를 가지며, 상기 단위 안테나들(132)의 개수에 비례하여, 전압 분배를 수행한다. 이에 따라, 유전체 방전 튜브의 열 손상이 억제되고, 방전 효율이 증가된다.

RF 전원(150)은 구동 주파수를 변경할 수 있으며, 서로 병렬 연결된 상기 초기 방전 유도 코일 모듈(102)과 상기 메인 방전 유도 코일 모듈(103)에 RF 전력을 선택적으로 공급할 수 있다. 제1 공진 주파수(fa)에서, 상기 RF 전원(150)은 상기 초기 방전 유도 코일 모듈(102)에 주로 전력을 공급한다. 한편, 제2 공진 주파수(fb)에서, 상기 RF 전원(150)은 상기 메인 방전 유도 코일 모듈(103)에 주로 전력을 공급한다.

유전체 방전 튜브(140)는 원통형 유전체 방전 튜브일 수 있다. 구체적으로, 상기 유전체 방전 튜브(140)의 재질은 세라믹, 사파이어, 혹은 쿼츠일 수 있다. 상기 세라믹은 알루미나 또는 AlN일 수 있다. 상기 유전체 방전 튜브(140)의 외경은 수 센치미터 내지 수십 센치미터일 수 있다. 상기 유전체 방전 튜브(140)의 내경은 외경보다 수 미리미터 내지 수십 미리미터 작을 수 있다. 상기 유전체 방전 튜브(140)의 길이는 수 센치미터 내지 수 미터일 수 있다. 상기 유전체 방전 튜브(140)의 양단은 상부 플랜지(142)와 하부 플랜지(144)와 각각 결합하여 밀봉될 수 있다. 상기 하부 플랜지(144)는 기판 처리 장치(10)의 배기 가스를 공정 가스로 공급받을 수 있다.

도 9를 참조하면, 상기 초기 방전 유도 코일(120)은 유전체 방전 튜브(120)의 길이 방향에 대하여 단위 길이당 권선수를 최대화할 수 있다. 상기 초기 방전 유도 코일(120)은 다층 구조의 솔레노이드 코일일 수 있다. 구체적으로, 상기 초기 방전 유도 코일(120)은 솔레노이드 형태이고, 복층으로 감길 수 있다. 상기 초기 방전 유도 코일(120)은 내측 솔레노이드 코일(120a), 중간 솔레노이드 코일(120b), 외측 솔레노이드 코일(120c)의 3층 구조일 수 있다. 상기 내측 솔레노이드 코일(120a)은 상기 유전체 방전 튜브를 감싸는 4턴일 수 있다. 상기 중간 솔레노이드 코일(120b)은 상기 내측 솔레노이드 코일을 감싸는 4턴일 수 있다. 상기 외측 솔레이드 코일(120c)은 상기 중간 솔레노이드 코일(120b)을 감싸는 3턴일 수 있다. 상기 초기 방전 유도 코일(120)은 내부에 자기장을 보강 간섭하도록 감길 수 있다. 예를 들어, 상기 초기 방전 유도 코일(120)의 인덕턴스(La)는 8uH 일 수 있다. 상기 초기 방전 유도 코일(120)은 구리 파이프로 형성되고, 상기 초기 방전 유도 코일의 내부에는 냉매가 흐를 수 있다. 상기 초기 방전 유도 코일을 구성하는 파이프의 단면은 원형일 수 있다.

초기 방전 축전기(122a,122b)는 상기 초기 방전 유도 코일의 양단 중에서 적어도 하나에 연결될 수 있다. 상기 초기 방전 축전기(122a,122b)와 상기 초기 방전 유도 코일(120)은 직렬 연결되어, 제1 공진 주파수(fa)를 제공할 수 있다. 제1 초기 방전 축전기(122a)의 정전 용량(Ca)은 제2 초기 방전 축전기(122b)의 정전 용량 (Ca)과 동일할 수 있다.

상기 제1 공진 주파수(fa)는 3.3 MHz일 수 있다. 제1 공진 주파수(fa)는 상기 초기 방전 축전기(122a,122b)의 등가 정전 용량(C'a)과 상기 초기 방전 유도 코일(120)의 인덕턴스(La)에 의하여 정의될 수 있다. 상기 초기 방전 축전기(122a,122b)는 상기 초기 방전 유도 코일의 양단 중에서 하나에 배치될 수 있다.

DC 전원(112)은 고전압 DC 펄스를 생성할 수 있다. 상기 고전압 DC 펄스는 음의 DC 고전압 및 양의 DC 고전압일 수 있다. 상기 DC 전원(112)은 수십 kHz의 고전압 펄스를 생성할 수 있다. 상기 음의 DC 고전압은 음의 수십 kV이고, 상기 양의 DC 고전압은 양의 수십 kV일 수 있다.

한 쌍의 전극(114,116)은 상기 초기 방전 유도 코일(120)의 상부 및 하부에 각각 배치된 제1 전극(114) 및 제2 전극(116)을 포함한다. 상기 제1 전극(114)은 양의 DC 고전압으로 대전되고 유전체 방전 튜브에 밀착되어 부착되는 사각판 형태일 수 있다.

제1 전극(114)은 상기 초기 방전 유도 코일(120)의 상부에서 상기 유전체 방전 튜브(140)의 외측벽에 접촉하여 배치되고 상기 양의 DC 고전압을 제공받는다. 상기 제1 전극(114)은 사각형 형상일 수 있다.

상기 제2 전극(116)은 상기 초기 방전 유도 코일(120)의 하부에서 상기 유전체 방전 튜브(120)의 외측벽에 접촉하여 배치되고 상기 음의 DC 고전압을 제공받는다. 상기 제2 전극(116)은 상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 "C" 자 형태일 수 있다. 상기 제2 전극은 전자를 발생시킬 수 있도록 상기 제1 전극보다 더 넓은 면적을 가질 수 있다. 상기 제2 전극(116)이 띠 형상의 도전체를 상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치될 수 있다. 상기 제2 전극(116)은 상기 초기 방전 유도 코일에 의한 유도 전기장(E_a_ind) 또는 상기 단위 안테나들에 의한 유도 전기장(E_b_ind)에 의하여 가열될 수 있다. 따라서, 상기 유도 전기장(E_a_ind, E_b_ind)에 의한 와류(eddy current)가 흐르지 않도록 완벽한 루프를 형성하지 않고, "C" 형태를 가질 수 있다. 상기 제2 전극은 음의 DC 고전압으로 대전되고 유전체 방전 튜브에 밀착되어 부착되는 띠 형태일 수 있다. 또한, 상기 제2 전극은 방위각 방향의 유도 전기장이 흐르지 않도록 구불구불하게 형성되거나, 원통의 중심축 방향으로 연장되는 복수의 슬릿을 포함할 수 있다.

제1 전극(114) 및 상기 제2 전극(116)에 인가되는 전압은 서로 반대 부호이고 동일한 절대값을 가질 수 있다. 제1 전극(114) 및 상기 제2 전극(116)에 DC 고전압을 인가하는 DC 전원(112)은 대기압에서 30 kV 수준을 인가할 수 있다. 이 경우, 제1 전극(114)과 상기 제2 전극(116)을 연결하는 수직 방향(유전체 방전 튜브의 중심축 방향)으로 수직 스트리머 및 상기 제2 전극(116) 상에 "C" 자 형태의 스트리머를 발생시킨다. 상기 제2 전극(116)이 완벽한 루프를 형성하는 경우, 상기 초기 방전 유도 코일(120)에 흐르는 제1 전류는 상기 제2 전극(116)에 와류를 생성하여 가열할 수 있다. 따라서, 와류를 억제하도록 상기 제2 전극(116)은 충분한 면적을 확보하면서 절단되거나 수직 방향의 슬릿을 구비할 수 있다.

상기 제1 전극(114)과 상기 초기 방전 유도 코일(120) 사이의 간격 또는 상기 제2 전극(116)과 상기 초기 방전 유도 코일(120) 사이의 간격은 대기압에서 고전압에 의하여 기생 방전 및 유도 전기장에 의한 유도 가열을 억제할 수 있도록 충분히 이격될 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 전극(114)과 상기 초기 방전 유도 코일(120) 사이의 간격 또는 상기 제2 전극(116)과 상기 초기 방전 유도 코일 사이(120)의 간격은 수 cm 이상일 수 있다. 바람직하게는 상기 간격은 1 cm 이상일 수 있다.

RF 전원(150)은 RF 전력을 출력할 수 있다. 상기 RF 전원(150)은 상용 교류 전원을 RF 전력으로 변환하여 부하에 전달할 수 있다. 예를 들어, RF 전력은 수백 kHz 내지 수십 MHz의 주파수 및 수십 kW 이상의 전력을 가질 수 있다. 상기 RF 전원(150)은 정류기, 인버터, 및 제어기를 포함할 수 있다. 상기 정류기는 상용 교류 전원을 직류 전원으로 변환할 수 있다. 상기 인버터는 상기 직류 전원을 수신하여 제어기의 스위칭 신호들에 응답하여 RF 전력으로 변환할 수 있다. 상기 제어기는 스위칭 신호들을 제어하여 구동 주파수 및 전력을 제어할 수 있다. 상기 RF 전원은 구동 주파수를 변경하여 제1 공진 주파수(fa) 또는 제2 공진 주파수(fb)에서 임피던스 매칭을 수행할 수 있다. 상기 제1 공진 주파수(fa)와 상기 제2 공진 주파수(fb)는 서로 0.2 MHz 이상 이격될 수 있다. 상기 제1 공진 주파수(fa)가 상기 제2 공진 주파수(fb)에서 0.2 MHz 이내에 있는 경우, 두 전류 방향의 임피던스가 비슷하여 전력 스위칭이 불안정할 수 있다. 상기 제1 공진 주파수(fa)는 상기 제2 공진 주파수(fb)보다 클 수 있다.

제1 감지 센서(152)는 상기 초기 방전 유도 코일(120)에 흐르는 전류 또는 전압을 감지할 수 있다. 제2 감지 센서(154)는 상기 메인 방전 유도 코일 모듈(103)에 흐르는 전류 또는 전압을 감지할 수 있다. 상기 RF 전원(150)은 상기 제1 감지 센서(152)의 출력을 이용하여 축전 결합 모드에서 유도 결합 모드로 천이를 감지하고 상기 제1 공진 주파수에서 상기 제2 공진 주파수로 구동 주파수를 변경할 수 있다.

도 6을 참조하면, 메인 방전 유도 코일 모듈(103)은 복수의 단위 안테나들, 상기 복수의 단위 안테나들(132) 사이에 각각 배치된 보조 축전기들(134), 및 상기 복수의 단위 안테나들 전체의 양단에 각각 배치된 제1 메인 축전기(133a) 및 제2 메인 축전기(133b)를 포함한다. 상기 단위 안테나(132)를 구성하는 코일의 단면은 사각형일 수 있다. 상기 단위 안테나들(132)은 시계 방향으로 90도 간격을 가지고 배열될 수 있다. 이에 따라, 상기 단위 안테나들(132)을 전기적으로 연결하는 단자들은 서로 간섭하지 않을 수 있다.

도 7 및 도 8을 참조하면, 사각형 단면은 상기 유전체 방전 튜브(140)와 접촉 면적을 증가시키어 열 교환 효율을 향상시키어, 상기 유전체 방전 튜브(140)를 냉각시킬 수 있다. 메인 방전을 수행하는 경우, 플라즈마는 상기 유전체 방전 튜브(140)에 에너지를 전달하여 섭씨 수백도 이상으로 가열할 수 있다. 상기 유전체 방전 튜브(140)의 온도 상승은 재질 변성 또는 파손을 유발할 수 있다. 상기 단위 안테나(132)는 내부에 냉매가 흘러 냉각된다. 원형 단면의 코일은 상기 유전체 방전 튜브(140)와 선 접촉하여, 상기 유전체 방전 튜브(140)를 효율적으로 냉각시키기 어렵다. 한편, 상기 사각형 단면의 코일은 상기 유전체 방전 튜브(140)와 면접촉을 통하여 냉각효율이 증가한다. 상기 단위 안테나(132)의 내측 코일과 상기 유전체 방전 튜브(140)와 접촉을 안정적으로 유지하기 위하여, 상기 내측 코일은 반경이 감소하도록 조여진다. 실험적으로, 원형 단면 코일의 경우 5kW 이상의 RF 전력에서 상기 유전체 방전 튜브(140)의 파손이 발견되었다. 하지만, 사각 단면 코일의 경우, 8 kW 에서도 상기 유전체 방전 튜브(140)의 파손이 발견되지 않았다.

상기 단위 안테나(132)는, 상기 유전체 방전 튜브를 중심축에 수직한 배치 평면에서 상기 유전체 방전 튜브(140)와 접촉하여 배치되고 루프를 형성하는 제1 안테나(132a); 상기 제1 안테나(132a)와 연속적으로 연결되고 상기 제1 안테나를 감싸도록 배치되고 루프를 형성하는 제2 안테나(132b); 및 상기 제2 안테나(132b)와 연속적으로 연결되고 상기 제2 안테나를 감싸도록 배치되고 루프를 형성하는 제3 안테나(132c)를 포함할 수 있다.

상기 단위 안테나(132)는 4각형 단면을 가지며, 상기 제1 안테나(132a)는 상기 유전체 방전 튜브와 밀착되어 상기 유전체 방전 튜브를 냉각한다. 상기 제1 안테나(132a)와 상기 제2 안테나(132b)는 "U" 자 형태의 제1 연결부(32a)에 의하여 연결될 수 있다. 상기 제2 안테나(132b)와 상기 제3 안테나(132c)는 "U" 자 형태의 제2 연결부(32b)에 의하여 연결될 수 있다.

상기 제1 안테나(132a)를 상기 유전체 방전 튜브(140)와 접촉시키기 위하여 상기 제1 안테나(132a)의 양단을 서로 밀착시키는 클램프(35)가 배치될 수 있다. 상기 클램프(35)는 케이블 타이(cable tie)일 수 있다.

상기 단위 안테나(132)는 동일한 배치 평면에 배치되는 복수의 권선을 포함하고, 절연 스페이서(36)는 복수의 권선을 절연시키고 "ㅛ"자 형상일 수 있다. 상기 단위 안테나(132)를 구성하는 각 권선은 절연 스페이서(36)에 의하여 전기적으로 절연되고 일정한 간격을 유지할 수 있다. 상기 절연 스페이서(36)는 이웃한 단위 안테나들(132) 사이를 절연시킬 수 있다. 상기 절연 스페이서는 "ㅛ" 자 형상이고, 함몰된 부위(36a)에 상기 제2 안테나(132b)가 삽입될 수 있다.

상기 제1 안테나(132a)의 적어도 일부는 세라믹 페이스트에 의하여 몰딩될 수 있다. 상기 제1 안테나(132a)의 적어도 일부를 감싸는 세라믹 몰드(37)는 상기 유전체 방전 튜브와 열적으로 접촉할 수 있다. 이에 따라, 상기 단위 안테나에 냉매가 흐르는 경우, 상기 냉각된 단위 안테나는 상기 세라믹 몰드(37)를 냉각하고, 상기 세라믹 몰드(37)는 상기 유전체 방전 튜브(140)를 간접적으로 냉각할 수 있다.

상기 제1 메인 축전기(133a)의 정전 용량(2C1)은 상기 제2 메인 축전기(133b)의 정전 용량과 동일하고, 상기 제1 메인 축전기(133a)의 정전 용량은 상기 보조 축전기(134)의 정전 용량(C1)의 2 배일 수 있다.

제2 공진 주파수(fb)는 상기 복수의 단위 안테나들의 인덕턴스의 총합(Lb)와 축전기들(133a, 133b, 134)의 등가 정전용량(C'b)에 의하여 주어질 수 있다.

상기 제1 공진 주파수(fa)에서 상기 초기 방전 유도 코일(120)에 유도되는 제1 전압 강하(Va)는 상기 제2 공진 주파수(fb)에서 상기 단위 안테나에 유도되는 제2 전압 강하(Vb)보다 클 수 있다. 제2 전압 강하(Vb)는 제2 공진주파수(fb), 제2 전류(Ib). 및 단위 안테나의 인덕턴스(L1)의 곱으로 표시될 수 있다. 제1 전압 강하(Va)는 제1 공진주파수(fa), 제1 전류(Ia). 및 초기 방전 유도 코일의 인덕턴스(La)의 곱으로 표시될 수 있다.

상기 복수의 단위 안테나들의 인덕턴스의 총합(Lb)은 상기 초기 방전 유도 코일의 인덕턴스(La)보다 클 수 있다.

*도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 DC 전원을 나타내는 회로도이다.

도 11은 도 10의 고전압 펄스 발생기를 설명하는 회로도이다.

도 10 및 도 11을 참조하면, 상기 DC 전원(112)은, 상용 전원을 DC 전압(Vin)으로 변환하는 AC-DC 변환기(1120); 상기 DC 전압(Vin)을 제공받아 양의 DC 고전압 펄스와 음의 DC 고전압 펄스를 생성하는 고전압 펄스 발생기(1122); 및 상기 고전압 펄스 발생기를 제어하는 제어기(1124)를 포함한다.

상기 고전압 펄스 발생기(1122)는, 상기 AC-DC 변환기의 상기 DC 전압을 제공받는 1차 코일과 양의 DC 고전압 펄스를 발생시키는 2차 코일을 포함하는 제1 트랜스퍼머(1222a); 상기 제1 트랜스퍼머의 1차 코일에 연결된 제1 전력 트렌지스터(1222b); 상기 AC-DC 변환기의 상기 DC 전압을 제공받는 1차 코일과 음의 DC 고전압 펄스를 발생시키는 2차 코일을 포함하는 제2 트랜스퍼머(1222c); 및 상기 제2 트랜스퍼머의 1차 코일에 연결된 제2 전력 트렌지스터(1222d);를 포함한다. 상기 제어기(1124)는 상기 제1 전력 트렌지스터(1222b)와 상기 제2 전력 트렌지스터(1222d)의 게이트를 제어한다. 상기 제1 트랜스퍼머(1222a)의 2차 코일의 일단은 양의 DC 고전압 펄스를 출력하고, 상기 제1 트랜스퍼머(1222a)의 2차 코일의 타단은 접지된다. 상기 제2 트랜스퍼머(1222c)의 2차 코일의 일단은 음의 DC 고전압 펄스를 출력하고, 상기 제2 트랜스퍼머(1222c)의 2차 코일의 타단은 접지된다.

DC 전압(Vin)은 12V ~ 24V 직류 전압일 수 있다. 상기 제어기(1124)는 상기 제1 전력 트렌지스터(1222b)와 제2 전력 트렌지스터(1122d)의 온타임(on time)과 반복 주파수를 동기를 맞춰 제어한다. DC 고전압 펄스은 수십 kV이고, 반복 주파수는 수십 kHz일 수 있다.

도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 대기압 플라즈마 발생 장치의 메인 방전 유도 코일 모듈을 설명하는 단면도이다.

도 13은 도 12의 메인 방전 유도 코일 모듈의 단위 안테나들의 배치관계를 설명하는 평면도이다.

도 14는 도 12의 대기압 플라즈마 발생 장치의 초기 방전 모드를 설명하는 등가회로를 나타내는 도면이다.

도 15는 도 12의 대기압 플라즈마 발생 장치의 메인 방전 모드를 설명하는 등가회로를 나타내는 도면이다.

도 16은 도 12의 대기압 플라즈마 발생 장치의 초기 방전 모드와 메인 방전 모드를 나타내는 타이밍도이다.

도 12 내지 도 16을 참조하면, 대기압 플라즈마 발생 장치(200)는, 유전체 방전 튜브(140); 상기 유전체 원통 튜브(140)를 감싸고 복수의 권선수를 가지며 대기압 초기 방전을 발생시키는 초기 방전 유도 코일(120) 및 상기 초기 방전 유도 코일(120)과 직렬 연결되어 제1 공진 주파수(fa)를 제공하는 초기 방전 축전기(122a,122b)를 포함하는 초기 방전 유도 코일 모듈(102); 상기 초기 방전 유도 코일(120)의 상부 및 하부에 각각 배치되어 초기 방전 시드를 제공하는 제1 전극(114) 및 제2 전극(116); 상기 제1 전극(114)과 상기 제2 전극(116) 사이에 DC 고전압을 인가하는 DC 전원(112); 제2 공진 주파수(fb)를 가지고 상기 초기 방전 유도 코일 모듈(102)에서 발생시킨 초기 방전을 제공받아 메인 유도 결합 플라즈마를 발생시키는 메인 방전 유도 코일 모듈(203); 및 병렬 연결된 상기 초기 방전 유도 코일 모듈(102) 및 상기 메인 방전 유도 코일 모듈(203)에 RF 전력을 제공하고 구동 주파수를 변경하는 RF 전원(150)을 포함한다.

상기 메인 방전 유도 코일 모듈(203)은, 상기 초기 방전 유도 코일(120)과 이격되어 배치되고 상기 유전체 방전 튜브(140)의 중심축에 수직한 복수의 배치 평면들에 각각 배치되고 서로 직렬 연결되는 복수의 단위 안테나들(232a~232d; 332a~332e); 상기 단위 안테나들(232a~232d; 332a~332e) 전체의 양단에 각각 배치된 제1 메인 축전기(133a) 및 제2 메인 축전기(133b); 및 상기 단위 안테나들(232a~232d; 332a~332e) 사이에 각각 직렬 연결된 보조 축전기들(134);을 포함한다.

상기 RF 전원(150)은 상기 DC 고전압의 도움으로 상기 제1 공진 주파수(fa)에서 상기 초기 방전 유도 코일(120)에 초기 방전을 유도한다. 상기 RF 전원(150)은 상기 구동 주파수를 상기 제1 공진 주파수(fa)에서 상기 제2 공진 주파수(fb)로 변경하여 메인 방전을 수행한다.

상기 단위 안테나들(232a~232d; 332a~332e) 은 서로 다른 배치 평면에 배치되고 10 개일 수 있다. 상기 단위 안테나들(232a~232d; 332a~332e) 은 5개의 단위 안테나들을 포함하는 제1 그룹(232a~232d)과 다른 5 개의 단위 안테나들을 포함하는 제2 그룹(332a~332e)으로 구분된다. 상기 제1 그룹(232a~232d)을 구성하는 단위 안테나들은 방위각 방향을 따라 72도 간격으로 배치될 수 있다. 상기 제2 그룹(332a~332e)을 구성하는 단위 안테나들은 방위각 방향을 따라 72도 간격으로 배치될 수 있다. 이에 따라, 상기 단위 안테나들은 서로 이웃한 단위 안테나들의 전기적 연결을 위하여 간섭하지 않을 수 있다.

구체적으로, 상기 초기 방전 축전기(122a,122b)의 등가 정전 용량(C'a)은 260pF이고, 상기 초기 방전 유도 코일의 인덕턴스(La)는 8uH이고, 상기 초기 방전 유도 코일의 기생 저항(Ra)은 0.5 오옴일 수 있다. 제1 공진 주파수(fa)는 3.3 MHz일 수 있다.

상기 단위 안테나의 인덕턴스는 3.5 uH이고, 상기 단위 안테나들의 인덕턴스의 총합은 35uH일 수 있다. 또한 메인 방전 유도 코일 모듈(203)을 구성하는 상기 축전기들(133a, 133b, 134)의 등가 정전용량(C'b)은 156 pF일 수 있다. 상기 메인 방전 유도 코일 모듈(203)의 기생 저항(Rb)은 2.1 오옴일 수 있다. 제2 공진 주파수(fb)는 2.2 MHz일 수 있다.

도 14를 참조하면, 초기 방전 단계에서, 구동 주파수는 제1 공진 주파수인 3.3 MHz일 수 있다. 이 경우, 상기 초기 방전 유도 코일 모듈(102)에 흐르는 제1 전류(Ia)는 31.5A이고, 메인 방전 유도 코일 모듈(203)에 흐르는 제2 전류(Ib)는 0.04 A이다. 이에 따라, 전류비 (Ia: Ib) 또는 임피던스 비는 800:1 일 수 있다. 즉, 초기 방전 단계에서, 모든 전류는 상기 초기 방전 유도 코일 모듈(102)으로 흐르고 축전 결합 모드에서 유도 결합 모드로 천이할 수 있다. 상기 초기 방전 유도 코일 모듈(102)에 흐르는 제1 전류(Ia) 또는 전압을 감지하여, 유도 결합 모드로 천이한 경우, RF 전원은 제어신호에 따라 구동 주파수를 제2 공진 주파수(fb)로 변경한다.

도 15를 참조하면, 메인 방전 단계에서, 구동 주파수는 제2 공진 주파수인 2,2 MHz일 수 있다. 이 경우, 상기 초기 방전 유도 코일 모듈(102)에 흐르는 제1 전류(Ia)는 0.5A이고, 메인 방전 유도 코일 모듈(203)에 흐르는 제2 전류(Ib)는 49.5 A이다. 이에 따라, 전류비 (Ia: Ib) 또는 임피던스 비는 1:100 일 수 있다. 즉, 메인 방전 단계에서, 모든 전류는 상기 메인 방전 유도 코일 모듈(203)로 흐른다. 따라서, 안정적인 플라즈마가 유지된다.

또한, 초기 방전 단계에서 초기 방전 유도 코일의 양단에 인가되는 전위차(Va)의 최대값(Vo)은 메인 방전 단계에서 단위 안테나의 양단에 인가되는 전위차(Vb)의 최대값(V2)에 비하여 약 5.2 배 크다. 따라서, 상기 유전체 방전 튜브의 열손상은 제거될 수 있다.

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

102: 초기 방전 유도 코일 모듈
103: 메인 방전 유도 코일 모듈
120: 초기 방전 유도 코일
132: 단위 안테나

Claims (16)

1. RF 전원으로부터 전원을 공급받는 플라즈마 발생 장치에 있어서,
   원통형의 유전체 방전 튜브;
   상기 유전체 방전 튜브 주위로 적어도 한 회 감기는 제1 코일을 포함하는 제1 유도 코일 모듈; 및
   상기 제1 유도 코일 모듈과 상기 유전체 방전 튜브의 길이 방향으로 소정 간격 이격되어 배치되고, 상기 유전체 방전 튜브 주위로 적어도 한 회 감기는 제2 코일, 상기 유전체 방전 튜브 주위로 적어도 한 회 감기는 제3 코일 및 상기 제2 코일과 상기 제3 코일 사이에 직렬 연결되는 제1 축전기를 포함하는 제2 유도 코일 모듈; 을 포함하되,
   상기 RF전원의 구동 주파수가 제1 주파수에 대응될 때, 상기 제1 유도 코일 모듈이 소비하는 전력은 상기 제2 유도 코일 모듈이 소비하는 전력보다 크고,
   상기 RF 전원의 구동 주파수가 상기 제1 주파수와 상이한 제2 주파수에 대응될 때, 상기 제1 유도 코일 모듈이 소비하는 전력은 상기 제2 유도 코일 모듈이 소비하는 전력보다 작은,
   플라즈마 발생 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 제2 주파수는 상기 제2 코일의 인덕턴스, 상기 제3 코일의 인덕턴스 및 상기 제1 축전기의 축전 용량에 기초하여 결정되는 상기 제2 유도 코일 모듈의 공진 주파수에 대응되는,
   플라즈마 발생 장치.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1 유도 코일 모듈은 상기 제1 코일 및 상기 제1 코일의 일 단에 연결되는 제2 축전기를 포함하고,
   상기 제1 주파수는 상기 제1 코일의 인덕턴스 및 상기 제2 축전기의 축전 용량에 기초하여 결정되는 상기 제1 유도 코일 모듈의 공진 주파수에 대응되는,
   플라즈마 발생 장치.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 RF 전원의 구동 주파수가 상기 제2 주파수에 대응될 때, 상기 제2 유도 코일 모듈의 최대 전압은 상기 RF 전원의 구동 주파수가 상기 제1 주파수에 대응될 때의 상기 제2 유도 코일 모듈의 최대 전압보다 큰,
   플라즈마 발생 장치.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 RF 전원의 구동 주파수가 상기 제1 주파수에 대응될 때 상기 제2 유도 코일 모듈이 소비하는 전력은, 상기 RF 전원의 구동 주파수가 상기 제2 주파수에 대응될 때 상기 제2 유도 코일 모듈이 소비하는 전력보다 작은,
   플라즈마 발생 장치.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 유전체 방전 튜브는 가스가 주입되는 주입구 및 상기 주입구의 반대편에 위치되는 배출구를 가지고, 상기 제1 유도 코일 모듈은 상기 제2 유도 코일 모듈보다 상기 주입구에 가깝게 배치되는,
   플라즈마 발생 장치.
   
7. RF 전원으로부터 전원을 공급받는 플라즈마 발생 장치에 있어서,
   원통형의 유전체 방전 튜브;
   상기 RF 전원과 연결되고, 상기 유전체 방전 튜브 주위로 적어도 한 회 감기는 제1 코일 및 상기 제1 코일과 직렬 연결되는 제1 축전기를 포함하고, 상기 제1 코일의 유도용량 및 상기 제1 축전기의 축전용량에 따라 결정되는 제1 주파수를 공진 주파수로 하는 제1 유도 코일 모듈; 및
   상기 RF 전원과 연결되고, 상기 제1 유도 코일 모듈과 상기 유전체 방전 튜브의 길이 방향으로 소정 간격 이격되어 배치되고, 상기 유전체 방전 튜브 주위로 적어도 한 회 감기는 제2 코일, 상기 유전체 방전 튜브 주위로 적어도 한 회 감기는 제3 코일 및 상기 제2 코일 및 상기 제3 코일 사이에 직렬 연결되는 제2 축전기를 포함하고, 상기 제2 코일의 유도용량, 상기 제3 코일의 유도용량 및 상기 제2 축전기의 축전용량에 따라 결정되는 제2 주파수를 공진 주파수로 하는 제2 유도 코일 모듈;을 포함하되,
   상기 제2 주파수는 상기 제1 주파수와 상이한,
   플라즈마 발생 장치.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 유전체 방전 튜브는 가스가 주입되는 주입구 및 상기 주입구의 반대편에 위치되는 배출구를 가지고, 상기 제1 유도 코일 모듈은 상기 제2 유도 코일 모듈보다 상기 주입구에 가깝게 배치되는,
   플라즈마 발생 장치.
   
9. 제7항에 있어서,
   상기 제1 유도 코일 모듈 및 상기 제2 유도 코일 모듈은 병렬 연결되고, 상기 RF 전원으로부터 전원을 공급받는,
   플라즈마 발생 장치.
   
10. 제7항에 있어서,
    상기 RF전원의 구동 주파수가 상기 제1 주파수에 대응될 때, 상기 제1 유도 코일 모듈이 소비하는 전력은 상기 제2 유도 코일 모듈이 소비하는 전력보다 크고,
    상기 RF 전원의 구동 주파수가 상기 제2 주파수에 대응될 때, 상기 제1 유도 코일 모듈이 소비하는 전력은 상기 제2 유도 코일 모듈이 소비하는 전력보다 작은,
    플라즈마 발생 장치.
    
11. 제7항에 있어서,
    상기 RF 전원의 구동 주파수가 상기 제1 주파수와 대응될 때 상기 제2 유도 코일 모듈이 소비하는 전력은, 상기 RF 전원의 구동 주파수가 상기 제2 주파수와 대응될 때 상기 제2 유도 코일 모듈이 소비하는 전력보다 작은,
    플라즈마 발생 장치.
    
12. 제7항에 있어서,
    상기 RF 전원의 구동 주파수가 상기 제2 주파수와 대응될 때, 상기 제2 유도 코일 모듈의 최대 전압은 상기 RF 전원의 구동 주파수가 상기 제1 주파수에 대응될 때의 상기 제2 유도 코일 모듈의 최대 전압보다 높은,
    플라즈마 발생 장치.
    
13. 초기 방전 모드 또는 메인 방전 모드를 가지고, RF 전원으로부터 모드에 따라 상이한 주파수로 전원을 공급받는 플라즈마 발생 장치에 있어서,
    원통형의 유전체 방전 튜브;
    상기 RF 전원과 연결되고, 상기 유전체 방전 튜브 주위로 적어도 한 회 감기는 제1 코일, 상기 유전체 방전 튜브 주위로 적어도 한 회 감기는 제2 코일 및 상기 제1 코일과 상기 제2 코일 사이에 직렬 연결되는 제1 축전기를 포함하는 유도 코일 모듈; 을 포함하되,
    상기 제1 코일 및 상기 제2 코일은 제1 유도 용량을 가지고, 상기 제1 축전기는 제1 축전 용량을 가지고, 상기 유도 코일 모듈은 상기 제1 유도 용량 및 상기 제1 축전 용량에 기초하여 결정된 제2 주파수를 공진 주파수로 하되,
    상기 초기 방전 모드에서, 상기 RF 전원은 상기 제2 주파수와 상이한 제1 주파수를 구동 주파수로 하여 동작하고, 상기 유도 코일 모듈은 제1 전력을 소비하고,
    상기 메인 방전 모드에서, 상기 RF 전원은 상기 제2 주파수를 구동 주파수로 하여 동작하고, 상기 유도 코일 모듈은 상기 제1 전력보다 큰 제2 전력을 소비하는,
    플라즈마 발생 장치.
    
14. 제13항에 있어서,
    상기 RF전원이 상기 제2 주파수를 구동 주파수로 하여 동작할 때 상기 유도 코일 모듈이 소비하는 전력은, 상기 RF전원이 상기 제1 주파수를 구동 주파수로 하여 동작할 때 상기 유도 코일 모듈이 소비하는 전력 보다 큰,
    플라즈마 발생 장치.
    
15. 제13항에 있어서,
    상기 RF 전원이 상기 제2 주파수를 구동 주파수로 하여 동작할 때, 상기 유도 코일 모듈의 최대 전압은 상기 RF 전원이 상기 제1 주파수를 구동 주파수로 하여 동작할 때의 상기 유도 코일 모듈의 최대 전압보다 큰,
    플라즈마 발생 장치.
    
16. 제13항에 있어서,
    상기 유도 코일 모듈과 병렬 연결되고, 상기 유전체 방전 튜브 주위로 복수 회 감기는 제3코일을 포함하는 제2 유도 코일 모듈을 더 포함하는,
    플라즈마 발생 장치.
    
    
    

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