KR102526862B1 - 플라즈마 소스 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 안테나(204)의 단부에 대향하는 개구(208)를 가지는 원통형 외벽(202) 내에 위치한 사분파 안테나(204)를 구비하는 플라즈마 소스로: 상기 안테나(204)의 직경(d)이 상기 외벽(202)의 내경(d1)의 1/4 내지 1/3의 범위를 가지고, 상기 안테나(204)의 단부와 상기 개구(208) 간의 거리(l)가 상기 안테나(204)의 상기 직경(d)의 2/3 내지 5/3의 범위를 가지는 플라즈마 소스에 관련된다.

Description

플라즈마 소스
본원은 이 명세서에 참고로 포함된 프랑스 특허출원 제FR17/50978호에 대한 우선권을 주장한다.
본 발명은 기상(gaseous) 플라즈마 소스에 관한 것으로, 더 구체적으로는 고주파 전자기 방사와 저압 가스 간의 상호작용에 의해 얻어지는 소스에 관한 것이다.
전자기 방사(electromagnetic radiation)를 저압 가스에 인가함으로써 가스가 이온화되어 고주파(high-frequency) 전자기장(electromagnetic field)이 충분한 강도를 가지는 영역에 플라즈마를 형성할 수 있음이 알려졌다.
이 명세서에 첨부된 도 1은 번호 JPH09245658로 간행된 플라즈마 소스(plasma source)를 기재한 일본특허출원의 도 1의 사본이다. 이하에서는 도면의 일부 요소들만이 설명될 것이다. 이하에서의 더 완전한 설명에 대해서는 일본특허출원을 참조하기 바란다. 이 도면에 도시된 플라즈마 소스는 그 내부에 배치된 사분파 안테나(quarter wave antenna; 6)를 가지는 플라즈마 챔버(chamber)(1)를 구비한다. 안테나(6)는 그 기부에서 절연체(isolator; 2)에 의해 플라즈마 챔버(1)의 외벽(enclosure)으로부터 절연된다. 안테나(6)의 자유단은 천공 전극(perforated electrode; 8)에 대향하여(opposite to) 위치한다. 입력단(input; 4)은 가스가 챔버(1)의 저압 외벽 내로 도입되도록 허용한다. 안테나가 고주파 전자기장으로 여기(excite)되면 점들의 구름(cloud)으로 표시한 바와 같이 전자기장이 최대인 위치의 챔버(1) 내에 플라즈마(5)가 형성된다. 영구자석(3)이 플라즈마 챔버(1)의 외벽 둘레에 배치되어 플라즈마를 가둔다(confine). 플라즈마의 전하(charge)는 개구(opening) 또는 추출 격자(extraction grid; 14)를 통해 추출될 수 있다.
일본특허출원 제JPH09245658호의 문단 [0020]에는 안테나(6)가 2 내지 3 시간의 사용수명을 가진다고 기재되어 있는데, 이는 안테나(6)가 외벽(1)의 벽들과 함께 (플라즈마의) 분사(spraying)를 겪는 사실에 기인하는 것으로 보고 있다. 그러므로 안테나(6)를 규칙적으로 교체하고 플라즈마 챔버(1)를 청소할 필요가 있다고 기재하고 있다. 이에 따라, 플라즈마 소스를 이것이 사용되는 진공 외벽으로부터 규칙적으로 취출할 필요가 있는데, 이는 비교적 긴 유지보수와 진공 회복 작동들을 야기한다.
일본특허출원 제JPH09245658호에 기재된 것보다 더 긴 사용수명을 가지는 플라즈마 소스를 제공하면 바람직할 것이다.
이에 따라, (본 발명의) 실시예는 안테나의 단부에 대향하는 개구를 구비한 원통형 외벽 내에 위치하는 사분파 안테나를 구비하는 플라즈마 소스를 제공하는데, 여기서: 안테나의 직경은 외벽의 내경의 1/4 내지 1/3의 범위를 가지고, 안테나의 단부와 개구 사이의 거리는 안테나의 직경의 2/3 내지 5/3의 범위를 가진다.
한 실시예에 따르면, 외벽의 내경은 10 mm 정도이다.
한 실시예에 따르면, 외벽의 내경은 10 mm이고, 안테나의 직경은 2.5 내지 3.3 mm의 범위를 가지며, 그리고 안테나의 단부와 개구 사이의 거리는 1.5 내지 5.5 mm의 범위를 가진다.
한 실시예에 따르면, 개구는 1 μm부터 외벽의 내경의 범위를 가지는 원형 개구이다.
한 실시예에 따르면, 개구는 추출 격자이다.
한 실시예에 따르면, 안테나의 여기 주파수는 2.45 GHz이다.
(본 발명의) 한 실시예는 전술한 바와 같은 플라즈마 소스들이 나란히(side by side) 배치된 조립체를 구비하는 대규모(extensive) 플라즈마 소스를 제공한다.
이상의 것들 및 다른 특징과 이점들을 첨부된 도면들과 연계한 구체적 실시예들의 비제한적 설명으로 논의할 것인데, 도면에서:
전술한 도 1은 플라즈마 소스의 단면도로 특허출원 제JPH09245658호의 도 1의 사본이고;
도 2a 내지 2c는 다른 직경을 가지는 안테나들을 구비하는 플라즈마 챔버들을 도시하며;
도 3a 및 3b는 안테나의 직경(d)에 따라 여러 영역들에서 안테나에 의해 방사되는 평균 에너지(E)를 보이는 도표이고; 그리고
도 4는 플라즈마 소스의 한 실시예의 개략 전면도이다.
동일한 요소들은 다른 도면들에서 동일한 참조번호들로 지시되었다. 간결성을 위해 기재된 실시예들의 이해에 유용한 단계와 요소들만이 도시되고 상세히 설명된다. 특히 가수 유입구, 영구자석, 고주파 신호와 추출 전극들의 배선 등과 같이 플라즈마 챔버를 둘러싸는 플라즈마 소스의 요소들은 도시되지 않았다.
"대략(approximately)", "거의(substantially)", 및 "정도(in the order of)"라는 용어들은 이 명세서에서 문제의 값의 플러스마이너스 10%, 바람직하기로 플러스마이너스 5%의 공차(tolerance)를 지칭한다.
도 2a 내지 2c는 그 내부에 배치된 다른 직경들의 사분파 안테나(quarter wave antenna; 102)들을 가지는 모두 동일한 원통형 플라즈마 챔버(plasma chambers; 100)들의 단면도들이다. 사분파 안테나는 안테나의 여기 신호(excitation signal)의 파장의 1/4과 대략 동일한 길이를 가지는 안테나를 의미한다. 도 2a, 2b, 및 2c의 안테나들은 각각 1, 3, 및 6 mm의 직경을 가진다. 각 플라즈마 챔버(1)는 이를 통해 플라즈마의 이온들이 추출될 수 있는 개구(opening) 또는 추출 격자(extraction grid; 104)를 구비한다.
각 외벽(enclosure; 100)과, 표면(surface; 105)이 플라즈마 형성 영역(plasma-forming region)을 획정한다(delimit). 이러한 플라즈마 형성 영역은 전자기장(electromagnetic field)이 플라즈마를 형성할 수 있는 충분히 높은 값을 가지는 안테나를 둘러싸는 영역에 해당한다. 이 값은 예를 들어 104 V/m 정도가 될 수 있다.
본 발명자는 각 플라즈마 형성 영역에서 제1 영역(106)을 고려하였다. 이 영역(106)은 개구 또는 추출 격자(104)의 측부에 위치한다. 이 명세서에서 유용 영역(useful area)으로 지칭되는 이 영역(106)은 유용 플라즈마(useful plasma), 즉 이로부터 이온들이 추출되어 이온 소스(ion source)를 형성할 수 있는 플라즈마로 지칭될 플라즈마를 포함한다.
본 발명자는 또한 각 플라즈마 형성 영역에서 제2 영역(108)을 고려하였다. 이 영역(108)은 안테나(102) 둘레에 그 길이의 적어도 일부를 따라 위치한다. 이 명세서에서 무용 영역(useless region)으로 지칭될 이 영역(108)은 무용 플라즈마로 지칭될 플라즈마를 포함한다. 무용 플라즈마는 플라즈마 소스로부터 추출될 수 없어 유용한 역할이 없지만 특허출원 제JPH09245658호에 기재된 안테나(102)의 열화(degradation)의 원인이 되는 듯하다.
이에 따라 본 발명자는 무용 플라즈마 용적을 감소시키는 한편, 유용 플라즈마 영역을 최대화시킬 것을 시도하였다. 이를 달성하기 위해, 본 발명자는 유용 및 무용 플라즈마 영역들에 대한 플라즈마 챔버(100)의 안테나(102)의 직경의 영향(incidence)을 연구하였다.
도 2a 또는 2c와 이후의 도면들에서, 10 mm의 내경(inner diameter)을 가지는 플라즈마 챔버(100)가 예로서 고려되었다.
도 2a에서, 안테나(102)는 1 mm의 직경을 가진다. 이는 전술한 일본특허출원 내에 도시된 안테나 및 플라즈마 챔버의 크기(dimension)들에 해당한다.
도 2b에서, 안테나(102)는 3 mm의 직경을 가진다. 무용 영역(108)이 도 2a의 경우보다 더 작은 용적을 가져, 열화의 감소를 초래한다. 그러나 유용 영역(106)은 유사한 용적을 유지한다.
도 2c에서, 안테나(102)는 6 mm의 직경을 가진다. 무용 영역(108)은 더 감소된 용적을 가진다. 그러나 유용 영역(106)의 용적 역시 감소된다.
도 3a 및 3b는 각각 2.45 GHz 주파수에서 5-W 강도를 가지는 동일한 방사 출력에 대한, 안테나(102)의 직경(d)에 따른 유용 영역(106)과 무용 영역(108)에 저장된 에너지(E)를 보이는 도표들이다.
도 3a에서, 1 내지 3 mm 범위의 안테나(102)의 직경(d)에 대한 유용 영역(106)에 저장된 에너지(E)는 거의 일정하여 6.10-11 J에 근접함을 관찰할 수 있다. 또한 3 내지 6 mm의 직경(d)에 대해서는 유용 영역(106)에 저장된 에너지(E)가 현저하게 감소하여 거의 반값에 이르러, 6 mm의 안테나(102) 직경(d)에 대해 3.10-11 J에 근접함을 관찰할 수 있다.
도 3b에서, 무용 영역(108)에 저장된 에너지(E)는 안테나(102)의 직경이 1에서 6 mm로 증가할 때 거의 3의 인수로 감소하여, 2.10-9 J에서 6,4.10-　10 J로 감소함을 관찰할 수 있다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 안테나 직경의 증가는 무용 영역(108)의 용적의 감소, 즉 안테나(102)를 열화시킬 수 있는 무용 플라즈마의 양의 감소를 야기한다. 또한 도 3a에 도시된 바와 같이, 유용 영역(106)은 대략 1 내지 3 mm의 안테나(102)의 직경에 대해 거의 일정한 양의 유용 플라즈마를 포함한다.
이와 같이 안테나(102)의 바람직한 직경은 무용 영역(108)의 용적을 가능한 한 감소시키면서 유용 영역(106)의 용적을 가능한 한 크게 유지할 수 있는 직경이다.
이에 따라 본 발명자는 10 mm의 플라즈마 챔버(100) 내경에 대해 안테나의 바람직한 직경을 2.5 내지 3.3 mm의 범위에서 예를 들어 대략 3 mm로 결정했다. 이는 플라즈마 챔버의 내경의 1/4 내지 1/3의 범위인 플라즈마 소스의 직경에 해당한다.
도 4는 플라즈마 챔버(200)의 한 실시예의 개략 단면도이다. 플라즈마 챔버(200)는 원통형 외벽(202)를 구비한다. 사분파 안테나(204)가 이 외벽(202) 내에 배치된다. 안테나(204)의 기부는 절연체(206)에 의해 외벽으로부터 절연된다. 외벽(202)은 안테나(204)의 단부에 대향하는 개구(208)를 구비한다. 이 예에서 개구(208)는 원형 개구이다. 개구(208)는 또한 추출 격자(extraction grid)가 될 수 있다. 이 예에서 외벽의 내경(d1)은 10 mm이다. 위에 결정된 바와 같이, 안테나(204)의 직경의 최적 값은 외벽의 내경(d1)의 1/4 내지 1/3의 범위, 즉 대략 2.5 내지 3.3 mm이다. 안테나(204)의 단부와 개구(208) 간의 거리(l)는 예를 들어 안테나의 직경의 2/3 내지 5/3 범위의 값, 즉 이 예에서는 1.5 내지 5.5 mm의 범위를 가진다. 마찬가지로, 도 4의 예에서 개구(208)의 직경(d2)은 안테나(204)와 대략 동일한 직경, 예를 들어 안테나(204) 직경(d)의 4/5 내지 6/5의 직경을 가진다.
(이상에서) 특정한 실시예들을 설명했다. 당업계에 통상의 기술을 가진 자에게는 여러 가지 변경, 변형, 및 개선들이 용이하게 이뤄질 수 있을 것이다. 특히 이 명세서에서는 플라즈마 챔버의 직경(d1)이 10 mm의 값을 가지는 것으로 설명되었다. 이 직경은 달리 선택될 수도 있을 것이다.
또한, 개구(208)의 직경은 1 μm로부터 외벽의 직경(d1)까지 변화될 수 있을 것이다.
이러한 플라즈마 소스들은 대규모(extended) 플라즈마 소스를 형성하는 데 사용될 수 있을 것이다(be associated to).

Claims (7)

  1. 안테나(204)의 단부에 대향하는 개구(208)를 가지는 원통형 외벽(enclosure; 202) 내에 위치한 사분파 안테나(204)를 구비하는 플라즈마 소스로:
    상기 안테나(204)의 직경(d)이 상기 외벽(202)의 내경(d1)의 1/4 내지 1/3의 범위를 가지고,
    상기 안테나(204)의 단부와 상기 개구(208) 간의 거리(l)가 상기 안테나(204)의 상기 직경(d)의 2/3 내지 5/3의 범위를 가지는 플라즈마 소스.
  2. 청구항 1에서,
    상기 외벽(202)의 상기 내경(d1)이 10 mm 이고 플러스마이너스 5%의 공차를 갖는, 플라즈마 소스.
  3. 청구항 2에서,
    상기 외벽(202)의 상기 내경(d1)이 10 mm이고, 상기 안테나(204)의 상기 직경(d)이 2.5 내지 3.3 mm의 범위를 가지며, 그리고 상기 안테나(204)의 단부와 상기 개구(208) 간의 거리(l)가 1.5 내지 5.5 mm의 범위를 가지는 플라즈마 소스.
  4. 청구항 1 내지 3 중의 어느 한 항에서,
    상기 개구(208)가 1 μm 내지 상기 외벽(202)의 상기 내경(d1)의 범위의 직경을 가지는 원형 개구인 플라즈마 소스.
  5. 청구항 1 내지 3 중의 어느 한 항에서,
    상기 개구(208)가 추출 격자인 플라즈마 소스.
  6. 청구항 1 내지 3 중의 어느 한 항에서,
    상기 안테나의 여기 주파수가 2.45 GHz인 플라즈마 소스.
  7. 나란히 배치된 청구항 1 내지 3 중의 어느 한 항의 플라즈마 소스들의 조합을 포함하는 대규모 플라즈마 소스.
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