KR102539424B1 - 플라즈마 생성 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

플라즈마 생성 장치 및 그 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 양태는 제1 모드 및 제2 모드를 포함하는 복수의 작동 모드를 가지고, 플라즈마 방전을 수행하는 플라즈마 생성 장치에 있어서, 제1 주파수 범위 내에서 주파수 변경 가능한 제1 전원 장치, 상기 제1 주파수 범위와 적어도 일부 상이한 제2 주파수 범위 내에서 주파수 변경 가능한 제2 전원 장치, 유전체 방전 튜브 및 상기 유전체 방전 튜브 주위로 적어도 한 회 감기는 제1 단위 코일, 상기 유전체 방전 튜브 주위로 적어도 한 회 감기는 제2 단위 코일 및 상기 제1 단위 코일과 상기 제2 단위 코일 사이에 직렬 연결 되는 제1 축전기를 포함하는 안테나 모듈을 포함하는 플라즈마 생성 장치에 대한 것이다.

Description

플라즈마 생성 장치 및 그 제어 방법{PLASMA GENERATING DEVICE AND CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 플라즈마 생성 장치 및 그 제어 방법에 대한 것으로서, 보다 넓은 주파수 범위 및 매칭 범위 내에서 사용 가능한 플라즈마 생성 장치 및 그 제어 방법에 대한 것이다.
플라즈마 방전은 많은 산업응용분야 및 과학응용분야에서 이용되고 있으며, 플라즈마 방전을 통하여 반도체 웨이퍼 가공 등 다양한 산업 분야에 이용되는 다양한 가스의 활성종을 생성하거나, 산업 공정에서 생성된 부산물의 처리가 이루어질 수 있다.
플라즈마 방전을 수행하는 플라즈마 소스는 크게, 유도 결합 플라즈마(Inductively Coupled Plasma) 방식 또는 축전 결합 플라즈마(Capacitively Coupled Plasma) 방식이 이용된다. 유도 결합 플라즈마 방식은 코일에 RF 전력을 인가하여 유도 전기장을 형성하고 유도 전기장을 통하여 플라즈마 방전을 수행하는 방식을 말한다.
플라즈마 방전은, 플라즈마 방전에 이용되는 가스, 방전 환경등에 따라 다양한 조건 하에서 수행된다. 다만, 플라즈마 생성 장치의 정해진 오퍼레이션 윈도우를 변경하기 위하여는 장치 설계의 변경이 필수적으로 수반되는 것이 일반적인 바, 다양한 환경에서 플라즈마 방전이 수행될 수 없다는 문제점이 존재한다. 따라서, 장치의 구조 내지 설계 변경 없이, 보다 넓은 오퍼레이션 윈도우를 가지고 다양한 환경의 플라즈마 방전에 이용될 수 있는 범용 플라즈마 생성 장치의 개발 필요성이 대두된다.
본 발명의 일 과제는 플라즈마 생성 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 일 과제는 다양한 환경에서 사용 가능한 플라즈마 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 과제가 상술한 과제들로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 과제들은, 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 양상에 따르면, 제1 모드 및 제2 모드를 포함하는 복수의 작동 모드를 가지고, 플라즈마 방전을 수행하는 플라즈마 생성 장치에 있어서, 제1 주파수 범위 내에서 주파수 변경 가능한 제1 전원 장치, 상기 제1 주파수 범위와 적어도 일부 상이한 제2 주파수 범위 내에서 주파수 변경 가능한 제2 전원 장치, 유전체 방전 튜브 및 상기 유전체 방전 튜브 주위로 적어도 한 회 감기는 제1 단위 코일, 상기 유전체 방전 튜브 주위로 적어도 한 회 감기는 제2 단위 코일 및 상기 제1 단위 코일과 상기 제2 단위 코일 사이에 직렬 연결 되는 제1 축전기를 포함하는 안테나 모듈을 포함하되, 상기 작동 모드가 제1 모드일 때, 상기 안테나 모듈은 상기 제1 주파수 범위 내의 제1 주파수를 가지는 전력 신호에 기초하여 제1 플라즈마 방전을 유도하고, 상기 작동 모드가 제2 모드일 때, 상기 안테나 모듈은 상기 제2 주파수 범위 내의 제2 주파수를 가지는 전력 신호에 기초하여 제2 플라즈마 방전을 유도하되, 상기 제1 단위 코일 및 상기 제2 단위 코일은 제1 유도 용량을 가지고, 상기 제1 축전기는 제1 축전 용량을 가지고, 상기 제1 주파수는 상기 안테나 모듈은 상기 제1 유도 용량 및 상기 제1 축전 용량에 따라 결정된 제1 공진 주파수에 대응되는, 플라즈마 생성 장치가 제공될 수 있다.
본 발명의 다른 일 양상에 따르면, 제1 주파수 범위 내에서 주파수 변경 가능한 제1 전원 장치, 상기 제1 주파수 범위와 적어도 일부 상이한 제2 주파수 범위 내에서 주파수 변경 가능한 제2 전원 장치, 유전체 방전 튜브 및 상기 유전체 방전 튜브 주위로 적어도 한 회 감기는 제1 단위 코일, 상기 유전체 방전 튜브 주위로 적어도 한 회 감기는 제2 단위 코일 및 상기 제1 단위 코일과 상기 제2 단위 코일 사이에 직렬 연결 되는 제1 축전기를 포함하는 안테나 모듈을 포함하는 플라즈마 생성 장치의 제어 방법에 있어서, 상기 안테나 모듈에 제1 주파수를 구동 주파수로 하여 RF 전력을 제공하는 제1 모드로 동작하는 단계 및 상기 안테나 모듈에 제2 주파수를 구동 주파수로 하여 RF 전력을 제공하는 제2 모드로 동작하는 단계를 포함하되, 상기 제1 단위 코일 및 상기 제2 단위 코일은 제1 유도 용량을 가지고, 상기 제1 축전기는 제1 축전 용량을 가지되, 상기 제2 주파수는 상기 제1 유도 용량 및 상기 제1 축전 용량에 의해 결정되는 제2 공진 주파수에 대응되는, 플라즈마 생성 장치의 제어 방법이 제공될 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 양상에 따르면, 작동 모드가 제1 모드일 때, 제1 주파수 범위 내에서 주파수 변경 가능한 제1 전원 장치로부터 전력을 공급받고, 상기 작동 모드가 제2 모드일 때, 상기 제1 주파수 범위와 적어도 일부 상이한 제2 주파수 범위 내에서 주파수 변경 가능한 제2 전원 장치로부터 전력을 공급받고 플라즈마를 생성하는 플라즈마 생성 장치에 있어서, 상기 플라즈마 생성 장치는, 유전체 방전 튜브 및 상기 유전체 방전 튜브 주위로 적어도 한 회 감기는 제1 단위 코일, 상기 유전체 방전 튜브 주위로 적어도 한 회 감기는 제2 단위 코일 및 상기 제1 단위 코일과 상기 제2 단위 코일 사이에 직렬 연결 되는 제1 축전기를 포함하는 안테나 모듈을 포함하되, 상기 작동 모드가 상기 제1 모드일 때, 상기 안테나 모듈은 상기 제1 주파수 범위 내의 제1 주파수를 가지는 전력 신호에 기초하여 제1 플라즈마 방전을 유도하고, 상기 작동 모드가 상기 제2 모드일 때, 상기 안테나 모듈은 상기 제2 주파수 범위 내의 제2 주파수를 가지는 전력 신호에 기초하여 제2 플라즈마 방전을 유도하고, 상기 제1 단위 코일 및 상기 제2 단위 코일은 제1 유도 용량을 가지고, 상기 제1 축전기는 제1 축전 용량을 가지고, 상기 제1 주파수는 상기 제1 유도 용량 및 상기 제1 축전 용량에 기초하여 결정된 제1 공진 주파수에 대응되는, 플라즈마 생성 장치가 제공될 수 있다.
본 발명의 과제의 해결 수단이 상술한 해결 수단들로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 해결 수단들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 의하면, 다양한 환경 하에서 활용 가능한 플라즈마 생성 장치가 제공될 수 있다.
본 발명에 의하면, 다양한 방전 특성으로 플라즈마 방전을 수행하는 플라즈마 생성 장치가 제공될 수 있다.
본 발명의 효과가 상술한 효과들로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 명세서에서 설명하는 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 생성 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 명세서에서 설명하는 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 생성 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 명세서에서 설명하는 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 생성 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 명세서에서 설명하는 발명의 일 실시예에 따른 DC 전극을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 명세서에서 설명하는 발명의 일 실시예에 따른 DC 전원을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 명세서에서 설명하는 발명의 일 실시예에 따른 DC 전극을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 명세서에서 설명하는 발명의 일 실시예에 따른 DC 전원을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 명세서에서 설명하는 발명의 일 실시예에 따른 안테나 모듈을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 명세서에서 설명하는 발명의 일 실시예에 따른 안테나 모듈의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 명세서에서 설명하는 발명의 일 실시예에 따른 안테나 모듈을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 명세서에서 설명하는 발명의 일 실시예에 따른 안테나 모듈의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 명세서에서 설명하는 발명의 일 실시예에 따른 안테나 모듈의 형태를 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 본 명세서에서 설명하는 발명의 일 실시예에 따른 RF 전원을 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 본 명세서에서 설명하는 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 생성 프로세스를 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 본 명세서에서 설명하는 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 생성 프로세스를 설명하기 위한 도면이다.
도 16은 본 명세서에서 설명하는 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 생성 프로세스를 설명하기 위한 도면이다.
도 17은 본 명세서에서 설명하는 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 생성 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 18은 본 명세서에서 설명하는 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 생성 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 19는 본 명세서에서 설명하는 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 생성 장치의 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 20은 본 명세서에서 설명하는 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 생성 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 21은 본 명세서에서 설명하는 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 생성 장치의 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 22는 본 명세서에서 설명하는 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 생성 프로세스를 설명하기 위한 도면이다.
도 23은 본 명세서에서 설명하는 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 생성 프로세스를 설명하기 위한 도면이다.
도 24는 본 명세서에서 설명하는 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 생성 프로세스를 설명하기 위한 도면이다.
도 25는 본 명세서에서 설명하는 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 생성 프로세스를 설명하기 위한 도면이다.
도 26은 본 명세서에서 설명하는 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 생성 프로세스를 설명하기 위한 도면이다.
도 27은 본 명세서에서 설명하는 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 생성 프로세스를 설명하기 위한 도면이다.
도 28은 본 명세서에서 설명하는 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 생성 프로세스를 설명하기 위한 도면이다.
도 29는 본 명세서에서 설명하는 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 생성 프로세스를 설명하기 위한 도면이다.
도 30는 본 명세서에서 설명하는 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 생성 프로세스를 설명하기 위한 도면이다.
도 31은 본 명세서에서 설명하는 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 생성 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 32는 본 명세서에서 설명하는 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 생성 장치의 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 33은 본 명세서에서 설명하는 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 생성 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 34는 본 명세서에서 설명하는 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 생성 장치의 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 35는 본 명세서에서 설명하는 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 생성 장치의 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련된 다음의 상세한 설명을 통해 보다 분명해질 것이다. 다만, 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예들을 가질 수 있는 바, 이하에서는 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세히 설명하고자 한다.
도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이며, 또한, 구성요소(element) 또는 층이 다른 구성요소 또는 층의 "위(on)" 또는 "상(on)"으로 지칭되는 것은 다른 구성요소 또는 층의 바로 위뿐만 아니라 중간에 다른 층 또는 다른 구성요소를 개재한 경우를 모두 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 원칙적으로 동일한 구성요소들을 나타낸다. 또한, 각 실시예의 도면에 나타나는 동일한 사상의 범위 내의 기능이 동일한 구성요소는 동일한 참조 부호를 사용하여 설명한다.
본 발명과 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1, 제2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별 기호에 불과하다.
또한, 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함 만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
1. 플라즈마 생성 시스템
일 실시예에 따르면, 플라즈마 생성 시스템이 제공될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 플라즈마 생성 시스템을 설명하기 위한 도면이다. 도 1을 참조하면, 플라즈마 생성 시스템은 전력을 제공하는 전력 공급부(100), 전력 공급부(100)로부터 전력을 공급받고 플라즈마를 생성하는 플라즈마 생성부(200), 플라즈마 생성부(200)에 가스를 공급하는 가스 공급부(300)를 포함할 수 있다. 플라즈마 생성 시스템은, 생성된 플라즈마를 이용하여 공정을 수행하는 공정부(400)를 더 포함할 수 있다.
전력 공급부(100)는 플라즈마의 생성에 필요한 전력을 공급할 수 있다. 전력 공급부(100)는 플라즈마 생성부에 전력을 공급할 수 있다. 전력 공급부(100)는 DC 전원 및/또는 RF 전원을 포함할 수 있다. 전력 공급부(100)는 DC 전원을 통하여 플라즈마 생성부(200)에 고전압 펄스를 제공할 수 있다. 전력 공급부(100)는, RF 전원을 통하여 플라즈마 생성부(200)에 RF 전력을 제공할 수 있다.
플라즈마 생성부(200)는 플라즈마 방전을 수행할 수 있다. 플라즈마 생성부(200)는 방전 가스를 획득하고, 방전 가스를 통하여 플라즈마 방전을 수행할 수 있다. 플라즈마 생성부(200)는 유도 결합 플라즈마 방전 또는 축전 결합 플라즈마 방전을 수행할 수 있다.
플라즈마 생성부(200)는 원격 플라즈마 소스일 수 있다. 플라즈마 생성부(200)는 활성종을 형성하고, 형성된 활성종을 공정부(400)에 제공할 수 있다.
플라즈마 생성부(200)는, 대기압(상압) 하에서 플라즈마 방전을 수행하는 상압 플라즈마 장치를 포함할 수 있다. 예컨대, 플라즈마 생성부(200)는, 수백 Torr 내지 대기압(750Torr) 하에서, 플라즈마 방전을 수행하는 상압 플라즈마 장치를 포함할 수 있다.
플라즈마 생성부(200)는, 저압 플라즈마 방전을 수행하는 저압 플라즈마 장치를 포함할 수 있다. 예컨대, 플라즈마 생성부(200)는, 10-5 ~ 10-7Torr 이하의 초기진공도(Base pressure)의 환경을 만든 후, 원하는 공정 가스를 이용해 수 mTorr~ 수 Torr의 공정압력에서 플라즈마를 발생시키는 저압 플라즈마 장치를 포함할 수 있다.
플라즈마 생성부(200)는, 수십 ~ 수백 도 하에서 저온 플라즈마 방전 동작을 수행할 수 있다. 예컨대, 플라즈마 생성부(200)는, 반도체 및 디스플레이 공정의 세정, 식각, 증착, 표면처리, 물질 합성 등의 저압 저온 플라즈마 방전 동작을 수행할 수 있다. 또 예컨대, 플라즈마 생성부(200)는, 유리 기판의 세정 공정, 친수성/소수성 표면 개질, 나노기술, 살균, 유해물질 제거, 이산화탄소 저감 등을 위한 상압 저온 플라즈마 방전 동작을 수행할 수 있다.
플라즈마 생성부(200)는, 수천 내지 수만 도의 고온 하에서, 가스 개질, 마이크로 파티클 생성, 플라즈마 용접, 절단, 야금 등을 위한 고온 플라즈마 방전 동작을 수행할 수도 있다.
이하에서, 플라즈마 생성부(200), 플라즈마 생성 장치 등은, 전술한 저온 플라즈마 방전 또는 고온 플라즈마 방전을 수행하는 장치 등으로 해석될 수 있다.
플라즈마 생성부(200)는 플라즈마 생성을 위하여, 시드 전하를 생성할 수 있다. 특히, 플라즈마 생성부(200)가 상압 플라즈마 방전을 수행하는 경우, 플라즈마 생성부(200)는 초기 방전을 위하여 시드 전하를 생성할 수 있다. 플라즈마 생성부(200)는 DC 전극을 포함하고 DC 전극에 DC 고전압 펄스가 제공되면 시드 전하를 생성할 수 있다.
플라즈마 생성부(200)는, 플라즈마 생성을 위하여, 초기 방전 및 메인 방전을 수행할 수 있다. 플라즈마 생성부(200)는, 축전 결합 모드(E 모드)에 따른 초기 방전 또는 유도 결합 모드(H 모드)에 따른 메인 방전을 수행할 수 있다. 플라즈마 생성부(200)는, 코일을 포함하는 유도 결합 안테나를 포함하고, 유도 결합 안테나에 RF 전력이 제공됨에 따라 초기 방전 또는 메인 방전을 수행할 수 있다.
플라즈마 생성부(200)의 구체적인 구성 및 동작에 대하여는 이하에서 보다 상세히 설명한다.
가스 공급부(300)는 플라즈마 생성부(200)에 플라즈마 방전을 위한 가스를 공급할 수 있다. 가스 공급부(300)는 플라즈마 생성부(200)에, 반응성 가스 또는 공정 가스를 공급할 수 있다. 가스 공급부(300)는, 플라즈마 생성부(200) 또는 공정부(400)의 기능 또는 용도에 따라 선택된 가스를 공급할 수 있다.
예컨대, 가스 공급부(300)는, NF3 가스(3불화 질소 가스), Ar 가스(아르곤 가스), Xe 가스(크세논 가스), Kr 가스(크립톤 가스), N2 가스(질소 가스), O2 가스(산소 가스), H2 가스(수소 가스), He 가스(헬륨 가스), Ne 가스(네온 가스) SiH4 가스(모노실란 가스), NH3 가스(암모니아 가스), PH3 가스(포스핀 가스), B2H6 가스(디보란 가스), DCS 가스(디클로로실란 가스), C5F8 가스(옥타플루오로펜텐 가스), CF4 가스(4불화 탄소 가스), HBr 가스(브롬화 수소 가스), Cl2 가스(염소 가스), Xe 가스(크세논 가스), Kr 가스(크립톤 가스), SF6 가스(6불화황 가스), CH4 가스(메탄 가스) 중 어느 하나의 가스 또는 가스와 에어의 혼합 기체를 플라즈마 생성부(200)에 공급할 수 있다. 가스 공급부(300)는, TEOS (tstra-ethyl-ortho-silicate), Tetrakis ((ethylmethylamino)zirconium), 트리메틸 알루미늄(trimethyl aluminum), 헥사메틸디실록산 (hexamethyldisiloxane) 등의 액상 전구체를 통하여 플라즈마 생성부에 가스를 공급할 수도 있다.
공정부(400)는 플라즈마 방전 전 또는 후의 공정을 수행할 수 있다. 공정부는 플라즈마 생성부(200)에 의해 생성된 플라즈마를 통하여 목적 공정을 수행할 수 있다. 또는, 공정부(400)는 목적 공정 수행으로 생성되는 물질을 플라즈마 생성부로 전달할 수 있다.
목적 공정은, 플라즈마 이온/라디칼의 피처리 재료 표면 충돌을 통하여 표면의 미세 유막 제거 등을 수행하는 세정 공정, 목적에 따른 반응성 식각 가스를 이용해 플라즈마를 발생시키고 이를 이용하여 물질을 선택적으로 제거하는 식각 공정, 목적에 맞는 증착 가스 및 플라즈마 방전을 위한 첨가 가스를 주입하여, 표면에 물질을 증착하는 증착 공정, 플라즈마를 이용하여 표면의 특성을 변화시키는 개질 공정, 플라즈마 방전을 통하여 대상 물질을 분해하는 물질 분해 공정 등일 수 있다.
공정부(400)는 반도체 기판 처리와 관련된 목적 동작을 수행할 수 있다. 예컨대, 공정부(400)는, 플라즈마 생성부로부터 활성종(예컨대, 수소 활성종)을 공급받고, 공정 챔버 내부의 세정 공정을 수행할 수 있다.
공정부(400)는 공정 챔버, 공정 챔버 내에 배치되고 처리 대상 반도체 기판(예컨대, 실리콘 반도체 기판)이 위치되는 기판 홀더, 기판 홀더 상부에 위치되고 공정 챔버 내로 기판 처리 물질을 공급하는 샤워 헤드 및/또는 공정 챔버 내의 에어를 배기하는 진공 펌프를 포함할 수 있다.
플라즈마 생성 시스템은, 공정부(400)가 플라즈마 생성부를 통하여 생성되는 플라즈마를 통하여 목적 공정을 수행하거나, 공정부(400)의 목적 공정에 의해 생성된 부산물이 플라즈마 생성부(200)에 의하여 처리되도록 구현될 수 있다. 도 2는 몇몇 실시예에 따른 플라즈마 생성 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2의 (a)를 참조하면, 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 시스템은, 공정부(401) 및 공정부(401)에 의해 생성되는 물질을 처리하는 플라즈마 생성부(201)을 포함할 수 있다. 예컨대, 도 2의 (a)를 참조하면, 플라즈마 발생 시스템은 가스 스크러버(scrubber) 장치를 포함할 수 있다. 공정부(401)는 반도체 제조 공정을 수행하는 장치이고, 플라즈마 생성부(201)는, 공정부(401)의 반도체 제조 공정에서 생성되는 난분해성 가스, 예컨대, 6불화황(SF6), 4불화탄소 (CF4), 과불화탄소(PFC) 가스의 처리를 수행할 수 있다.
도 2의 (b)를 참조하면, 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 시스템은, 활성종을 생성하고 공정부(402)로 활성종을 공급하는 플라즈마 생성부(202) 및 활성종을 이용한 공정을 수행하는 공정부(402)를 포함할 수 있다. 예컨대, 플라즈마 생성부(202)는 NF3, H2, N2, O2, C3F8, CF4, Cl2, SiH4 등의 가스를 플라즈마 방전 하여 활성종을 생성할 수 있다. 공정부(402)는 플라즈마 생성부(202)에 의해 생성된 활성종을 통하여, 드라이 에칭, PECVD, PVD, 애싱(Ashing), 세정(Cleaning)등의 동작을 수행할 수 있다.
2. 플라즈마 생성 장치
2.1 플라즈마 생성 장치 개요
이하에서는, 복수의 공진 주파수에서 공진하여 플라즈마 방전을 수행하는 플라즈마 생성 장치에 대하여 설명한다.
일 실시예에 따르면, 플라즈마 생성 장치는 서로 다른 임피던스를 가지는 복수의 모듈을 포함할 수 있다. 플라즈마 생성 장치는, 각 모듈에 대응되는 공진 주파수로 전력이 공급되면, 각 모듈에 대응되는 공진 주파수에서 공진할 수 있다. 예컨대, 플라즈마 생성 장치는 제1 임피던스를 가지는 제1 모듈 및 제2 임피던스를 가지는 제2 모듈을 포함하고, 제1 모듈에 대응되는 제1 주파수 및 제2 모듈에 대응되는 제2 주파수에서 공진할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 플라즈마 생성 장치는, 인가되는 전력의 주파수에 따라 다른 기능을 수행할 수 있다. 예컨대 플라즈마 생성 장치는, 제1 주파수로 전력이 공급되는 경우, 플라즈마의 초기 생성을 촉진하는 초기 방전을 수행할 수 있다. 또는, 플라즈마 생성 장치는 제1 주파수와 다른 제2 주파수로 전력이 공급되는 경우, 플라즈마를 지속 생성 및 유지하는 메인 방전을 수행할 수 있다.
플라즈마 생성 장치는, 인가되는 전력의 주파수에 따라 전력이 전달되는 구성이 달라지도록 구성될 수 있다. 플라즈마 생성 장치는, 제1 주파수로 전력이 공급되는 경우, 제2 모듈보다 제1 모듈에 전력을 많이 공급할 수 있다. 플라즈마 생성 장치는, 제2 주파수로 전력이 공급되는 경우, 제1 모듈보다 제2 모듈에 전력을 많이 공급할 수 있다.
이하에서는, 전술한 전력 공급부 및 플라즈마 발생부를 포함하는 플라즈마 생성 장치에 대하여 몇몇 실시예를 들어 설명한다.
2.2 플라즈마 생성 장치 구성
2.2.1 개요
도 3은, 일 실시예에 따른 플라즈마 생성 장치를 설명하기 위한 도면이다. 도 3을 참조하면, 일 실시예에 따른 플라즈마 생성 장치는, 주파수 변동 가능한 RF 전원(101) 및 RF 전원(101)으로부터 전력을 공급받고 플라즈마를 생성하는 플라즈마 생성부를 포함할 수 있다. 도 3을 참조하면, 플라즈마 생성부는, 방전 튜브(210), 방전 튜브(210) 내에 위치되는 가스 튜브(211, 213), 방전 튜브(210) 주변에 배치되고 RF 전원(101)으로부터 전력을 공급받고 유도 전기장을 형성하여 방전 튜브(210) 내에 플라즈마를 생성하는 안테나(220)를 포함할 수 있다. 플라즈마 생성 장치는 보조 가스 공급 노즐(250)를 더 포함할 수 있다.
RF 전원(101)은 가변 주파수 범위 내에서 구동 주파수를 변경할 수 있다. RF 전원(101)은 수백 kHz 내지 수십 MHz의 가변 주파수 범위 및/또는 수십 kW 이상의 전력을 가질 수 있다. 예컨대, RF 전원(101)은 100kHz 내지 5MHz 범위 내의 주파수로 전력을 제공하는 교류 전력원일 수 있다.
일 실시예에 따르면, RF 전원(101)의 주파수는, 안테나의 모듈의 형태에 따라 달리 적용될 수 있다. 예컨대, RF 전원의 주파수는, 안테나 모듈에 포함된 축전기의 간격에 따라 달라질 수 있다. 예컨대, 안테나 모듈에 포함된 축전기의 간격에 따라, 수 MHz 또는 십수 MHz를 최대 주파수로 가지는 RF 전원이 이용될 수 있다.
RF 전원(101)은 구동 주파수를 변경하여 임피던스 매칭을 수행할 수 있다. RF 전원(101)은 구동 주파수를 변경하여 플라즈마 생성부가 공진상태로 동작하게 할 수 있다.
RF 전원(101)은 상용 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 정류기, 스위칭 신호를 제공하여 구동 주파수 및 전력을 제어하는 제어기 및 제어기의 스위칭 신호에 기초하여 직류 전원을 RF 전력으로 변환하는 인버터를 포함할 수 있다.
방전 튜브(210)는 원통형의 튜브 형태로 마련될 수 있다. 방전 튜브(210)의 외경은 수 센티미터 내지 수십 센티미터 일 수 있다. 방전 튜브(210)의 내경은 외경보다 수 미리 내지 수 센티미터 작을 수 있다.
방전 튜브(210)는 유전체 방전 튜브일 수 있다. 방전 튜브(210)는 세라믹(예컨대, 알루미나 또는 A1N), 사파이어, 쿼츠 등의 비전도성 물질로 마련될 수 있다.
방전 튜브(210)는 플라즈마가 위치되는 방전 영역을 제공할 수 있다. 방전 튜브(210) 내부의 압력은 외부와 다르게 조절될 수 있다. 방전 튜브(210) 내부의 압력은 필요에 따라, 진공에 준하는 초저압, 수 미리 토르의 저압 내지 대기압 이상의 상압으로 조절될 수 있다.
가스 튜브(211, 213)는, 방전 튜브(210)와 방전 튜브(210) 내부에 가스를 제공하기 위한 경로를 제공할 수 있다. 가스 튜브(211, 213)는 플라즈마의 방전 튜브(210) 내벽 접촉을 억제하고 플라즈마 안정성을 확보할 수 있다.
가스 튜브(211, 213)는 하나 이상일 수 있다. 가스 튜브는 제1 가스 튜브(211) 및 제2 가스 튜브(213)을 포함할 수 있다. 제1 가스 튜브(211) 및 제2 가스 튜브(213)은 동심 구조를 가질 수 있다. 제1 가스 튜브(211)는 제1 가스(예컨대, 메탄 가스 등의 반응을 위한 가스)의 투입 경로를 제공할 수 있다. 제2 가스 튜브(213)는 제1 가스와 상이한 구성을 가지는 제2 가스(예컨대, 이산화탄소를 주성분으로 하는 가스)의 투입 경로를 제공할 수 있다.
제1 가스 튜브(211) 및 제2 가스 튜브(213)는 스월 유동을 제공할 수 있다. 예컨대, 제1 가스 튜브(211)는 내측 스월 유동을 제공하고, 제2 가스 튜브(213)는 외측 스월 유동을 제공할 수 있다.
안테나 모듈(220)은, RF 전원(101)으로부터 전력을 공급받고 방전 튜브(210) 내부에 플라즈마 방전을 유도할 수 있다. 안테나 모듈(220)은, RF 전원(101)으로부터 교류 전력을 공급받고 방전 튜브(210) 내부에 유도 결합 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 안테나 모듈(220)에 대하여는, 이하의 전극 항복에서 보다 상세한 실시 예를 들어 설명한다.
보조 가스 공급 노즐(250)은 방전 튜브(210) 내로 보조 가스를 공급할 수 있다. 보조 가스 공급 노즐(250)은 방전 튜브(210)의 가스가 투입되는 일 단과 대향하는 타 단에 가깝게 위치될 수 있다. 보조 가스 공급 노즐(250)은 방전 튜브(210)의 주변에 배치되되, 안테나 모듈(220)과 가스 배출구(방전 튜브(210)의 아웃렛) 사이에 배치될 수 있다.
플라즈마 발생 장치는, 방전 튜브(210) 및 안테나 모듈(220)을 감싸고 외부 영향을 차단하되 안전성을 확보하기 위한 안전 케이스(190)를 더 포함할 수 있다.
2.2.2 DC 전원 및 전극
일 실시예에 따른 플라즈마 생성 장치는, DC 고전압을 인가하는 DC 전원 및 DC 고전압이 인가되면 방전 튜브 내에 축전 결합 플라즈마 방전을 일으키는 DC 전극(이그니션 전극)을 포함할 수 있다. 특히, 상압 플라즈마 방전을 위하여 이용되는 플라즈마 생성 장치의 경우, 유도 결합 플라즈마 방전이 저압 플라즈마 방전에 비하여 곤란할 수 있으나, 이그니션 전극을 이용하여 시드 전하를 제공함으로써, 초기 방전을 보조하고 방전 안정성을 보다 높일 수 있다.
플라즈마 생성 장치는 방전 튜브 내부에 방전을 일으키는 하나 이상의 방전 전극을 포함할 수 있다. 플라즈마 생성 장치는, 방전 전극에 DC 전압을 인가하여, 방전 튜브 내부에 축전 결합 방전, 예컨대, 국부적인 스트리머 방전을 일으킬 수 있다. 플라즈마 생성 장치는, 방전 전극에 DC 전압을 인가하여, 방전 튜브 내에 시드 전하를 제공할 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 방전 전극을 설명하기 위한 도면이다.
도 4의 (a)를 참조하면, 일 실시예에 따른 플라즈마 생성 장치는 플라즈마 방전을 일으키는 안테나 모듈(220) 주변에 위치되고, DC 전원에 연결된 하나 이상의 전극을 포함할 수 있다. 플라즈마 생성 장치는, 안테나 모듈(220) 상방에 위치된 제1 전극(231) 및 안테나 모듈(220)의 하방에 위치된 제2 전극(233)을 포함할 수 있다.
도 4의 (b)를 참조하면, 플라즈마 생성 장치는, 방전 튜브 외면에 위치되고 안테나 모듈(220)의 유도 코일(221) 상방에 위치된 제1 전극(231) 및 방전 튜브 외면을 둘러싸도록 배치되고 유도 코일(221) 하방에 위치된 제2 전극(233)을 포함할 수 있다. 도 4의 (b)를 참조하면, 제1 전극(231)은 사각판 형태일 수 있다. 제2 전극(233)은 "C"자 형태일 수 있다. 또는, 제2 전극(233)은 복수의 슬릿을 포함할 수 있다. 유도 코일에 의해 형성되는 유도 전기장(E1 및 E2)의 영향으로 제2 전극(233)에 와류가 흐르는 것을 방지하기 위하여, 제2 전극(233)은 방전 튜브 외벽을 완전히 둘러싸지 않는 개방형 루프 구조를 가질 수 있다.
DC 전원은 제1 전극(231)에 양의 고전압을 인가하고, 제2 전극(233)에 음의 고전압을 인가할 수 있다. DC 전원에 의하여 제1 전극(231) 및 제2 전극(233) 사이에 고전압 펄스가 인가되면, 제1 전극(231) 및 제2 전극(233) 사이에 축전 결합 플라즈마 방전, 예컨대 수직 스트리머 방전이 일어날 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 전원을 설명하기 위한 도면이다.
도 5의 (a)를 참조하면, DC 전원은, 상용 교류 전원을 DC 전압으로 변환하는 AC-DC 변환기(111), DC 전압을 통하여 양의 DC 고전압 펄스를 생성하는 고전압 펄스 발생기(113) 및 고전압 펄스 발생기를 제어하는 제어기(112)를 포함한다.
도 5의 (b)는 도 5의 (a)에서 설명하는 고전압 펄스 발생기의 일 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 5의 (b)를 참조하면, 일 실시예에 따른 고전압 펄스 발생기(113)는, AC-DC 변환기로부터 DC 전압을 획득하는 1차 코일과 양의 DC 고전압 펄스를 발생시키는 2차 코일을 포함하는 제1 트랜스포머(113a), 제1 트랜스포머(113a)의 1차 코일에 연결된 제1 전력 트랜지스터(113b), AD-DC 변환기로부터 DC 전압을 획득하는 1차 코일과 음의 DC 고전압 펄스를 발생시키는 2차 코일을 포함하는 제2 트랜스포머(113c) 및 제2 트렌스포머의 1차 코일에 연결된 제2 전력 트랜지스터(113d)를 포함할 수 있다. 제어부(112)는 제1 트랜지스터(113b)와 제2 트랜지스터(113d)의 게이트를 제어할 수 있다. 제1 트랜스포머(113a)의 2차 코일의 일단은 접지되고, 제1 트랜스포머(113a)의 2차 코일의 타단은 양의 DC 고전압 펄스(Vo1)를 출력할 수 있다. 제2 트랜스포머(113c)의 2차 코일의 일단은 접지되고, 제2 트랜스포머(113c)의 2차 코일의 타단은 음의 DC 고전압 펄스(Vo2)를 출력할 수 있다.
DC 전압(Vin)은 12~24V의 직류 전원일 수 있다. 제어부(112)는 제1 전력 트랜지스터(113b)와 제2 전력 트랜지스터(113d)의 온타임과 반복 주파수를 동기를 맞춰 제어할 수 있다. DC 고전압 펄스의 전압은 수십 kV 예컨대, 10 ~ 50kV 일 수 있다. DC 고전압 펄스의 반복 주파수는 수kHz 내지 수십 kHz, 예컨대, 10kHz 내지 100kHz일 수 있다.
도 6은 다른 일 실시예에 따른 방전 전극을 설명하기 위한 도면이다.
도 6의 (a)를 참조하면, 일 실시예에 따른 플라즈마 생성 장치는 플라즈마 방전을 일으키는 안테나 모듈(220) 주변에 위치되고, DC 전원(110)에 연결된 일 전극(231)을 포함할 수 있다.
플라즈마 생성 장치는 DC 전원(110)을 통하여 전극(231)에 고전압을 인가하여, 전극(231)과 주변 물체(예컨대, 방전 튜브 내/외에 위치된 금속 물체) 사이에 축전 결합 방전을 일으킬 수 있다. 플라즈마 생성 장치는 DC 전원(110)을 통하여 전극(231)에 고전압을 인가하여, 전극(231)과 방전 튜브 내에 위치되고 접지된 가스 튜브(211)와 전극(231) 사이에 축전 결합 방전을 일으킬 수 있다. 플라즈마 생성 장치는 가스 튜브(211)와 전극(231) 사이에 방전을 일으켜 시드 전하를 제공할 수 있다.
도 6의 (b)를 참조하면, 플라즈마 생성 장치는, 방전 튜브 외면에 위치되고 안테나 모듈(220)의 유도 코일(221) 상방에 위치된 전극(231)을 포함할 수 있다. 전극(231)은 사각판 형태일 수 있다. 플라즈마 생성 장치는, DC 전원을 통하여 방전 튜브 외면에 위치된 사각판 형태의 전극(231)에 양의 고전압을 인가하여, 방전 튜브 내에 위치되고 접지된 가스 튜브(211)와 전극(231) 사이에 방전을 유도할 수 있다. DC 전원에 의하여 전극(231)에 고전압 펄스가 인가되면, 전극(231) 및 가스 튜브(211) 사이에 축전 결합 플라즈마 방전, 예컨대 스트리머 방전이 일어날 수 있다.
도 7의 (a)는 일 실시예에 따른 전원을 설명하기 위한 도면이다. 도 7의 (b)은 도 7의 (a)에서 설명하는 고전압 펄스 발생기의 일 실시예를 설명하기 위한 도면이다. 도 7의 (a) 및 (b) 전원 및 고전압 펄스 발생기에 있어서, 특별한 설명이 없는 한 도 5에서 설명한 내용이 유사하게 적용될 수 있다.
도 7의 (b)를 참조하면, 일 실시예에 따른 고전압 펄스 발생기(113)는, AC-DC 변환기로부터 DC 전압을 획득하는 1차 코일과 양의 DC 고전압 펄스를 발생시키는 2차 코일을 포함하는 트랜스포머(113e), 트랜스포머(113e)의 1차 코일에 연결된 트랜지스터(113f)를 포함할 수 있다. 제어부(112)는 트랜지스터(113e)의 게이트를 제어할 수 있다. 트랜스포머(113f)의 2차 코일의 일단은 접지되고, 트랜스포머(113f)의 2차 코일의 타단은 양의 DC 고전압 펄스(Vout)를 출력할 수 있다.
2.2.3 유도 전극
플라즈마 생성 장치는 방전 튜브 내부에 방전을 일으키는 하나 이상의 유도 전극을 포함할 수 있다. 플라즈마 생성 장치는 RF 전원으로부터 전력이 공급되면 유도 결합 플라즈마 방전을 일으키는 하나 이상의 안테나 모듈을 포함할 수 있다. 안테나 모듈은 그 형태 및 입력 전력 신호의 주파수에 따라 상이하게 동작할 수 있다. 이하에서는 안테나 모듈에 대하여 몇몇 실시예를 들어 설명한다.
2.2.3.1 제1 타입 안테나 모듈
도 8은 일 실시예에 따른 안테나 모듈의 형태를 설명하기 위한 동작이다. 도 8을 참조하면, 일 실시예에 따른 안테나 모듈(223)은 제1 축전기(223a), 유도 코일(223b) 및 제2 축전기(223c)를 포함할 수 있다.
제1 축전기(223a)는 유도 코일(223b)의 일 단 및 RF 전원 사이에 연결되고, 제2 축전기(223c)는 유도 코일(223b)의 타 단 및 RF 전원 사이에 연결될 수 있다. 제1 축전기(223a) 및 제2 축전기(223c)는 동일한 축전 용량을 가질 수 있다.
유도 코일(223b)은 제1 축전기(223a) 및 제2 축전기(223c) 사이에 위치될 수 있다. 유도 코일(223b)은 다층 구조의 솔레노이드 코일일 수 있다. 유도 코일(223b)은 방전 튜브 외면에 다수 회 다층으로 권선된 솔레노이드 코일일 수 있다. 유도 코일(223b)을 구성하는 단위 턴들은 교류 전원에 응답하여 방전 튜브 내에 보강 간섭하는 자기장을 형성하도록 감길 수 있다. 유도 코일(223b)은 방전 튜브 외면에 일 방향으로 복수 회 권선된 솔레노이드 코일일 수 있다.
유도 코일(223b)은 방전 튜브의 단위 길이당 권선 수가 최대화되도록, 조밀하게 권선된 솔레노이드 코일일 수 있다. 도 5에서는 간략하게 도시하였으나, 유도 코일(223b)은 도 8에서 예시하는 것보다 많은 권선 수를 가지는 솔레노이드 코일일 수 있다. 예컨대, 유도 코일(223b)은 서로 연결된 내측 솔레노이드 코일, 중간 솔레노이드 코일, 외측 솔레노이드 코일을 포함하는 3층 구조일 수 있다.
유도 코일(223b)은 내부에 냉매가 흐를 수 있는 파이프 형태를 가질 수 있다. 유도 코일(223b)은 구리 파이프로 마련될 수 있다. 유도 코일(223b)의 단면은 원형 또는 사각형으로 마련될 수 있다.
제1 축전기(223a), 유도 코일(223b) 및 제2 축전기(223c)는 직렬 연결되고, 제1 주파수에서 공진할 수 있다. 제1 주파수는 제1 축전기(223a) 및 제2 축전기(223c) 각각의 축전 용량 C1 및 유도 코일(223b)의 유도 용량 L1에 의해 결정될 수 있다.
도 9는 도 8에서 예시하는 안테나 모듈의 공진주파수에서의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 9를 참조하면, 안테나 모듈은 제1 축전기(223a) 및 제2 축전기(223c) 각각의 축전 용량 C1 및 유도 코일(223b)의 유도 용량 L1에 의해 결정되는 제1 주파수에서 공진할 수 있다. 제1 주파수로 전력이 공급될 때, 제1 축전기(223a) 및 제2 축전기(223c)는, 유도 코일(223b)의 양단에 유도되는 전압(Va)의 크기가 최소화 되도록, 유도 코일(223b)과 반대되는 전압 강하를 유도할 수 있다.
공진 상태에서, 제1 축전기(223a) 및 제2 축전기(223c)는 유도 코일(223b)의 리액턴스를 상쇄할 수 있다. 플라즈마 생성 장치는, 제1 축전기(223a) 및 제2 축전기(223c)에 의하여 유도 코일(223b)의 리액턴스가 상쇄되도록 하는 제1 주파수로 안테나 모듈에 전력을 공급함으로써, 임피던스 정합을 수행할 수 있다. 제1 축전기(223a) 및 제2 축전기(223c)는 유도 코일(223b)의 양단에 인가되는 전압을 감소시키기 위하여 유도 코일(223b)에 대하여 대칭적으로 배치될 수 있다.
2.2.3.2 제2 타입 안테나 모듈
도 10은 몇몇 실시예에 따른 안테나 모듈의 형태를 설명하기 위한 동작이다. 도 10의 (a), (b) 및 (c)는 방전 튜브의 단위 길이당 유도 코일의 턴 수가 서로 다르도록 마련된 안테나 모듈을 설명하기 위한 도면이다. 도 10의 (a), (b) 및 (c) 에서 도시하는 안테나 모듈은 서로 다른 방전 특성을 나타낼 수 있다.
플라즈마 생성 장치는, 안테나 모듈을 구성하는 유도 코일의 방전 튜브 단위 길이당 턴 수가 작을수록, 에너지 손실이 적고 방전 윈도우가 좁은 특성을 나타낼 수 있다. 플라즈마 생성 장치는, 안테나 모듈을 구성하는 유도 코일의 방전 튜브 단위 길이당 턴 수가 클수록, 방전 윈도우가 넓고 방전 유지에 보다 유리하되 에너지 손실이 높은 특성을 나타낼 수 있다.
도 10의 (a)을 참조하면, 안테나 모듈(235)는 한 층당 한 턴씩 감긴 단위 코일(235b) 및 각 층의 단위 코일을 연결하는 층간 축전기(235a)를 포함할 수 있다. 도 10의 (a)에서 도시하는 12*1 턴 안테나 모듈(235)은, 모든 안테나 단위 턴들이 방전 튜브 외면에 밀접하도록 구성될 수 있다. 도 10의 (a)에서 도시하는 안테나 모듈(235)은, 적은 단위 길이당 턴 수(N/L)을 가지고, 이에 따라 상대적으로 낮은 방전 효율, 보다 적은 에너지 손실 및 상대적으로 높은 공정 성능을 가질 수 있다.
도 10의 (b)를 참조하면, 안테나 모듈(237)은 한 층당 2 턴씩 감긴 단위 코일(237b) 및 각 층의 단위 코일을 연결하는 층간 축전기(237a)를 포함할 수 있다. 도 10의 (b)에서 도시하는 6*2 턴 안테나 모듈(237)은, 도 10의 (a)의 안테나 모듈(235)에 비하여 큰 단위 길이당 턴 수(N/L)를 가진다. 도 10의 (b)에서 도시하는 안테나 모듈(237)은 도 10의 (a)의 안테나 모듈(235)에 비하여 높은 방전 효율을 보일 수 있다. 방전 효율은 단위 길이당 턴 수(N/L)에 비례할 수 있다. 예컨대, 도 10의 (b)에서 도시하는 안테나 모듈(237)은 도 10의 (a)의 안테나 모듈(235)에 두 배의 방전 효율을 가질 수 있다.
도 10의 (c)를 참조하면, 안테나 모듈(239)은 한 층당 3 턴씩 감긴 단위 코일(239b) 및 각 층의 단위 코일을 연결하는 층간 축전기(239a)를 포함할 수 있다. 안테나 모듈(239)은 도 10의 (a) 및 (b)의 안테나 모듈(235, 237)에 비하여 큰 단위 길이당 턴 수(N/L)를 가지고, 도 10의 (a) 및 (b)의 안테나 모듈(235, 237)보다 높은 방전 효율을 가질 수 있다. 안테나 모듈(239)은 도 10의 (a) 및 (b)의 안테나 모듈(235, 237)보다, 방전이 어려운 가스 조건에서 방전유지가 쉬운 특성을 가질 수 있다.
도 10의 (a), (b) 및 (c)에서 도시하는 안테나 모듈은 서로 다른 유전 용량을 가질 수 있다. (a)의 안테나 모듈(235)은 제1 유전 용량을 가지고, (b)의 안테나 모듈(237)은 제2 유전 용량을 가지되, (c)의 안테나 모듈(239)은 제3 유전 용량을 가질 수 있다. 제2 유전 용량은 제1 유전 용량보다 크고, 제3 유전 용량은 제2 유전 용량보다 클 수 있다.
도 11은 도 11에서 예시하는 안테나 모듈의 공진주파수에서의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 이하에서는, 도 11을 참조하여, 도 11의 (c)에서 예시하는 안테나 모듈의 공진주파수에서의 전압 분배에 대하여 설명한다.
도 11을 참조하면, 일 실시예에 따른 안테나 모듈은, 복수의 단위 코일(239b), 복수의 단위 코일들 사이에 배치된 층간 축전기(239a) 및 도시하지는 아니하였으나 상단 및 하단에 각각 위치된 단위 코일과 각각 연결된 말단 축전기(239c)를 포함할 수 있다.
안테나 모듈은, 층간 축전기(239a)의 축전 용량, 단위 코일(239b)의 유도 용량 및 말단 축전기(239c)의 축전 용량에 의해 결정되는 제2 주파수에서 공진할 수 있다.
단위 코일(239b)에 가해지는 전압을 최소화하기 위하여, 말단 축전기(239c)의 축전 용량은 층간 축전기(239a)의 축전 용량의 2배로 결정될 수 있다. 이때, 안테나 모듈은, 층간 축전기(239a)의 축전 용량 C2, 단위 코일(239b)의 유도 용량 L2 및 말단 축전기(239c)의 축전 용량 2*C2에 의해 결정되는 제2 주파수에서 공진할 수 있다. 도 11을 참조하면. 층간 축전기(239a)는 각각 2*C2의 축전 용량을 가지는 한 쌍의 가상의 축전기가 직렬 연결된 것으로 표시될 수 있다.
공진 상태에서, 복수의 층간 축전기(239a) 및 말단 축전기(239c)는 단위 코일(239b)들의 말단에 가해지는 전압을 감소시킬 수 있다. 안테나 모듈에 제2 주파수로 전력이 제공될 때, 층간 축전기(239a) 및 말단 축전기(239c)는 유도 코일(239b)의 양단에 유도되는 전압(Vb)의 크기가 최소화 되도록, 유도 코일(239b)과 반대되는 전압 강하를 유도할 수 있다.
층간 축전기(239a) 및 말단 축전기(239c)는 유도 코일(239b)의 리액턴스를 상쇄할 수 있다. 플라즈마 생성 장치는, 층간 축전기(239a) 및 말단 축전기(239c)는 에 의하여 유도 코일(239b)의 리액턴스가 상쇄되도록 하는 제2 주파수로 안테나 모듈에 전력을 공급함으로써, 임피던스 정합을 수행할 수 있다. 말단 축전기(239c)는 유도 코일(239b)의 양단에 인가되는 전압을 감소시키기 위하여 유도 코일(239b)에 대하여 대칭적으로 배치될 수 있다. 층간 축전기(239a)는 단위 유도 코일(239b)들 간의 층간 전압 차이를 최소화하여 축전 결합을 방지하기 위하여 유도 코일(239b)의 각 층 사이에 배치될 수 있다.
층간 축전기(239a) 및/또는 말단 축전기(239c)에 의하여 유도 코일(239b)의 리액턴스가 상쇄됨에 따라, 각 단위 코일(239b)에서의 전압이 대응 관계를 가질 수 있다. 예컨대, 공진 상태에서, 일 단위 코일(239b)의 일 단 및 타 단 사이의 전압은, 다른 단위 코일(239b)의 일 단 및 타 단 사이의 전압에 대응될 수 있다. 일 단위 코일(239b)의 일 단에서의 전위는 다른 단위 코일(239b)의 일 단에서의 전위와 대응될 수 있다.
구체적인 예로, 안테나 모듈은 일 단 및 타 단을 가지는 제1 단위 코일(또는 단위 턴), 제1 단위 코일의 타 단과 직렬 연결되는 제1 층간 축전기, 일 단 및 타 단을 가지되 그 일 단이 제1 층간 축전기와 직렬 연결되는 제2 단위 코일을 포함할 수 있다. 안테나 모듈이 공진 상태에 있을 때, 제1 단위 코일의 일 단에서의 전위는 제2 단위 코일의 일 단 에서의 전위와 대응될 수 있다. 안테나 모듈이 공진 상태에 있을 때, 제1 단위 코일의 일 단과 타 단 사이에서의 전압은 및 제2 단위 코일의 일 단 및 타 단 사이에서의 전위와 대응될 수 있다. 안테나 모듈이 공진 상태에 있을 때, 제1 단위 코일의 일 단과 타 단 사이에서의 전압은 및 제1 단위 코일의 일 단 및 제2 단위 코일의 타 단 사이에서의 전압과 대응될 수 있다.
도 12는 도 11의 (c)에서 예시하는 안테나 모듈의 구조를 설명하기 위한 도면이다. 일 실시예에 따른 안테나 모듈은 복수의 단위 코일(239b) 및 복수의 단위 코일 사이에 배치되는 층간 축전기(239c)를 포함할 수 있다. 도 12는 일 실시예에 따른 안테나 모듈의 단위 코일(239b)을 도시한 것이다.
단위 코일(239b)은 복수의 턴(TU1, TU2, TU3)을 포함할 수 있다. 단위 코일(239b)은 제1 말단(TE1), 제1 말단(TE1)과 연결된 제1 턴(TU1), 제1 턴(TU1)과 연결된 제1 돌출부(PR1), 제1 돌출부(PR1)와 연결된 제2 턴(TU2), 제2 턴(TU2)과 연결된 제2 돌출부(PR2), 제2 돌출부(PR2)와 연결된 제3 턴(TU3) 및 제3 턴(TU3)과 연결된 제2 말단(TE2)을 포함할 수 있다.
단위 코일(239b)는 일 방향(도 12를 참조하면, x축 방향)으로 개방된 개방부를 가질 수 있다. 단위 코일(239b)의 제1 말단(TE1) 및 제2 말단(TE2)은 일 방향으로 개방된 개방부를 형성할 수 있다.
각각의 턴(TU1, TU2, TU3)은 동일 평면에 배치될 수 있다. 각각의 턴(TU1, TU2, TU3)은 소정의 중심각을 가질 수 있다. 각 턴의 중심각은 270도 이상일 수 있다. 각각의 턴(TU1, TU2, TU3)은 동일한 중심축을 가지도록 배치되고, 서로 다른 반경을 가질 수 있다.
각각의 돌출부(PR1, PR2)는 서로 반경이 다른 턴들을 연결하고, "U"자 형태로 마련될 수 있다. 제1 돌출부(PR1)는 제1 턴(TU1)의 일 단 및 제2 턴(TU2)의 일 단을 연결할 수 있다.
제1 말단(TE1) 또는 제2 말단(TE2)는 층간 축전기(239c) 또는 말단 축전기(239a)와 연결될 수 있다. 예컨대, 제1 말단(TE1)은 말단 축전기(239a)와 연결되고, 제2 말단(TE2)는 층간 축전기(239c)와 연결될 수 있다.
한편, 안테나 모듈은 복수의 단위 코일(239b)을 포함할 수 있다. 복수의 단위 코일은 방전 튜브의 중심축에 대하여 회전 배치될 수 있다. 예컨대, 제1 단위 코일은 방전 튜브의 중심축에 대하여, 돌출부(PR)가 제1 방향을 향하도록 배치되고, 제2 단위 코일은 방전 튜브의 중심축에 대하여 돌출부(PR)가 제2 방향을 향하도록 배치되되, 제1 방향과 제2 방향은 방전 튜브의 중심축에 대하여 소정 각도를 이룰 수 있다. 예컨대, 소정 각도는 90도 일 수 있다.
도 13은 일 실시예에 따른 RF 전원을 설명하기 위한 블록도이다. 도 13을 참조하면, 일 실시예에 따른 RF 전원 장치(100)는 교류 전원(1100), 전원 공급 장치(1200) 및 부하(1400)를 포함할 수 있다.
교류 전원(1100)는 가정 또는 산업 현장에서 사용되는 60Hz의 통상적인 전원일 수 있다. 부하(1400)는 가정 또는 산업 현장에서 사용되는 전기 또는 전자 장치일 수 있다. 부하(1400)는 본 명세서에서 설명하는 플라즈마 생성 장치일 수 있다.
전원 공급 장치(1200)는 제1 교류 전원을 제2 교류 전원으로 변환하여 부하(1400)에 공급할 수 있다. 예를 들어, 제2 교류 전원은 수백 kHz 내지 수십MHz의 구동 주파수를 가지고, 수 kW 이상의 전력을 제공할 수 있다. 전원 공급 장치(1200)는 정류기(1210), 커패시터(1220), 인버터(1230), 임피던스 매칭회로(1300) 및 제어기(1250)를 포함할 수 있다.
정류기(1210)는 교류 전원(1100)의 출력을 직류 전원으로 변환할 수 있다. 정류기(1210)는 직류 전원을 접지 노드(GND)와 전원 노드(VP) 사이에 공급할 수 있다. 커패시터(1220)는 전원 노드(VP)와 접지 노드(GND) 사이에 연결될 수 있다. 커패시터(1220)는 전원 노드(VP)에 전달되는 교류 성분을 접지 노드(GND)로 방전할 수 있다.
인버터(1230)는 전원 노드(VP) 및 접지 노드(GND)로부터 직류 전원을 수신할 수 있다. 인버터(1230)는 제어기(1250)로부터 스위칭 신호(SW)를 수신할 수 있다. 인버터(1230)는 스위칭 신호(SW)에 응답하여 직류 전원을 제2 교류 전원으로 변환할 수 있다. 제2 교류 전원은 임피던스 매칭 회로(1300)를 통해 부하(1400)에 공급될 수 있다. 임피던스 매칭 회로(1300)는 부하(1400)의 임피던스에 대한 임피던스 매칭을 제공할 수 있다.
제어기(1250)는 인버터(1230)로 스위칭 신호(SW)를 전달할 수 있다. 제어기(1250)는 인버터(1230)가 직류 전원을 제2 교류 전원으로 변환하도록 스위칭 신호(SW)를 제어할 수 있다. 제어기(1250)는 인버터(1230)로부터 부하(1400)로 공급되는 전력량을 조절하도록 스위칭 신호(SW)를 제어할 수 있다.
3. 플라즈마 생성 장치의 동작 및 제어 방법
본 명세서에서 제시하는 발명의 일 실시예에 따르면, 복수의 방전 모드를 가지고 각 모드에서 상이한 특성의 플라즈마 방전을 수행하는 플라즈마 생성 장치가 제공될 수 있다.
예컨대, 플라즈마 생성 장치는 보다 에너지 손실이 적은 제1 방전 모드 및 보다 방전이 어려운 가스를 방전하기 위한 제2 방전 모드를 가질 수 있다. 또 예컨대, 플라즈마 생성 장치는, 플라즈마의 초기 방전에 유리한 제1 방전 모드 및 높은 에너지 효율로 메인 방전에 유리한 제2 방전 모드를 가질 수 있다.
플라즈마 생성 장치는 필요에 따라 서로 다른 특성을 나타내는 하나 이상의 안테나를 스위칭하여 플라즈마 방전 모드를 변경할 수 있다. 안테나의 스위칭은, 회로의 물리적 스위칭보다 넓은 의미로 해석될 수 있다. 예컨대, 플라즈마 생성 장치는, 복수의 안테나 모듈에 전달되는 전력의 주파수를 선택적으로 인가하여, 주로 동작하는 안테나 모듈을 변경함으로써 안테나를 스위칭할 수 있다. 또는, 플라즈마 생성 장치는, 필요에 따라 상이한 전원 모듈을 통하여 또는 상이한 구동 주파수로 전력을 제공하여, 안테나 모듈의 방전 특성을 변경함으로써 안테나를 스위칭할 수 있다.
본 명세서에서 설명하는 발명에 의하면, 보다 다양한 환경에서 작동 가능하고 보다 넓은 오퍼레이션 윈도우를 가지는 플라즈마 생성 장치가 제공될 수 있다. 본 명세서에서 설명하는 발명에 의하면, 다양한 방전 조건 (가스 종류, 유량, 압력, rf 전력)하에서 안테나에서 측정되는 임피던스가 달라지는 경우에도 플라즈마 방전을 수행하는 플라즈마 생성 장치가 제공될 수 있다. 본 명세서에서 설명하는 발명에 의하면, 단일 안테나 모듈 또는 단일 전원 모듈을 포함하는 플라즈마 생성 장치에 의할 경우 미리 정해진 매칭 범위 혹은 안테나 외의 구성품 특성에 의한 제한적이었던 방전 범위가 확장될 수 있다.
3.1 안테나가 1개인 경우
3.1.1 안테나가 1개인 경우의 플라즈마 생성 프로세스
도 14는 플라즈마 생성 장치가 하나의 안테나 모듈(220) 및 RF 전원 장치(120)를 포함하는 경우의 플라즈마 방전 프로세스를 설명하기 위한 도면이다. RF 전원 장치(120)는 하나 이상의 전원 모듈을 포함할 수 있다. RF 전원 장치(120)는 서로 다른 출력 주파수 대역을 가지는 하나 이상의 전원 모듈을 포함할 수 있다.
이하에서는, 도 14를 참조하여, 안테나 모듈이 하나인 경우의 모드 변경 플라즈마 방전 프로세스에 대하여 설명한다.
도 14를 참조하면, 플라즈마 생성 장치가 하나의 안테나 모듈(220) 및 하나의 주파수 가변 RF 전원 장치(120)를 포함하는 경우, 주파수 가변 전원 장치(120)를 이용하여 안테나 모듈(220)에 제공되는 전력 신호의 주파수를 변경함으로써, 방전 모드를 변경할 수 있다.
도 14의 (a)를 참조하면, 작동 모드가 제1 모드일 때, 플라즈마 생성 장치는, 전원 장치(120)를 통하여 안테나 모듈(220)에 제1 주파수(f1)를 가지는 전력 신호를 전달하여, 방전 튜브 내부에 플라즈마 방전을 유도할 수 있다.
작동 모드가 제1 모드일 때, 플라즈마 생성 장치는, 플라즈마 생성 장치는 방전 튜브 내부에 제1 전기장을 형성할 수 있다. 제1 전기장은 방전 튜브의 축 방향과 나란한 수직 방향 전기장 또는 방전 튜브의 원주 방향과 나란한 방위각 방향 전기장일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 작동 모드가 제1 모드일 때, 플라즈마 생성 장치는, 안테나 모듈(220)에 제1 주파수(f1)를 가지는 전력 신호를 전달하여, 수직 방향 전기장(E1)을 형성할 수 있다. 플라즈마 생성 장치는, 안테나 모듈(220)을 통하여 수직 방향 전기장(E1)을 형성하여, 방전 튜브 내부에 축전 결합 플라즈마 발생을 유도할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 작동 모드가 제1 모드일 때, 플라즈마 생성 장치는, 방전 튜브 내부에 축전 결합 플라즈마 발생을 유도할 수 있다. 작동 모드가 제1 모드일 때, 플라즈마 발생 장치의 방전 튜브 내에 유도되는 플라즈마 방전은 주로 축전 결합 플라즈마 방전, 또는, 축전 결합 모드(E-mode)에 의한 방전일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 작동 모드가 제1 모드일 때, 플라즈마 생성 장치는, 안테나 모듈(220)에 제1 주파수(f1)를 가지는 전력 신호를 전달하여, 방위각 방향 전기장(E2)을 형성할 수 있다. 플라즈마 생성 장치는, 안테나 모듈(220)을 통하여 방위각 방향 전기장(E2)을 형성하여, 방전 튜브 내부에 유도 결합 플라즈마 발생을 유도할 수 있다. 작동 모드가 제1 모드일 때, 플라즈마 생성 장치는 제1 세기를 가지는 방위각 방향 전기장(E2)을 형성할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 작동 모드가 제1 모드일 때, 플라즈마 생성 장치는, 방전 튜브 내부에 유도 결합 플라즈마 발생을 유도할 수 있다. 작동 모드가 제1 모드일 때, 플라즈마 발생 장치의 방전 튜브 내에 유도되는 플라즈마 방전은 주로 유도 결합 플라즈마 방전, 또는, 유도 결합 모드(H-mode)에 의한 방전일 수 있다.
도 14의 (b)를 참조하면, 작동 모드가 제2 모드일 때, 플라즈마 생성 장치는, 전원 장치(120)를 통하여 안테나 모듈(220)에 제2 주파수(f2)를 가지는 전력 신호를 전달하여, 방전 튜브 내부에 플라즈마 방전을 유도할 수 있다. 제2 주파수(f2)는 제1 주파수(f1)와 상이할 수 있다. 제2 주파수(f2)는 제1 주파수(f1)와 일정값 이상 차이날 수 있다. 제2 주파수(f2)는 제1 주파수(f1)보다 일정값(예컨대, 0.2 MHz) 이상 크거나 작을 수 있다.
작동 모드가 제2 모드일 때, 플라즈마 생성 장치는 안테나 모듈(220)에 제2 주파수(f2)의 전력 신호를 전달하여, 방위각 방향의 전기장(E3)을 유도할 수 있다. 플라즈마 생성 장치는 안테나 모듈(220)을 통하여 방위각 방향 전기장(E3)을 형성하여, 방전 튜브 내부에 유도 결합 플라즈마 방전을 유도할 수 있다. 작동 모드가 제2 모드일 때, 플라즈마 생성 장치는 제2 세기를 가지는 방위각 방향 전기장(E3)을 형성할 수 있다. 제2 세기는, 제1 모드에서의 방위각 방향 전기장(E2) 세기 보다 크거나 작을 수 있다.
작동 모드가 제2 모드일 때, 플라즈마 생성 장치는 방전 튜브 내부에 유도 결합 플라즈마 방전을 유도할 수 있다. 작동 모드가 제2 모드일 때, 플라즈마 생성 장치의 방전 튜브 내에 유도되는 플라즈마 방전은 주로 유도 결합 플라즈마 방전 또는 유도 결합 모드(H-mode)에 의한 방전일 수 있다.
도 15은 안테나 모듈에 흐르는 전류(a), 안테나 모듈의 양단 전압(b), 단위 코일의 양단 전압(c) 및 전력 신호의 주파수(d)와 관련하여 플라즈마 방전 모드의 변경을 설명하기 위한 도면이다. 도 15에서, 전류 및 전압 그래프는 크기를 나타낸 것이다.
이하에서는, 도 15와 관련하여, 안테나 모듈(220)이 도 10에서 예시한 것과 같이 단위 층을 구성하는 단위 코일들 및 단위 코일들 사이에 배치되는 층간 축전기를 포함하는 형태인 경우를 기준으로 설명한다.
도 15을 참조하면, 플라즈마 생성 장치가 제1 모드로 동작할 때, 전원 장치(120)는 제1 주파수(f1)를 가지는 전력 신호를 안테나 모듈(220)에 제공하고, 안테나 모듈에는 제1 전류(I1)가 흐를 수 있다.
플라즈마 생성 장치의 작동 모드가 제1 모드일 때, 안테나 모듈에 포함되는 유도 코일의 양단 전압은 제1 전압(V1)일 수 있다. 작동 모드가 제1 모드일 때, 안테나 모듈에 포함되는 유도 코일을 구성하는 단위 코일(단위 층을 구성하는 코일)의 양단 전압은 제3 전압(V3)일 수 있다.
도 15를 참조하면, 플라즈마 생성 장치가 제2 모드로 동작할 때, 전원 장치(120)는 제2 주파수(f2)를 가지는 전력 신호를 안테나 모듈(220)에 제공하고, 안테나 모듈에는 제2 전류(I2)가 흐를 수 있다.
플라즈마 생성 장치의 작동 모드가 제2 모드일 때, 유도 코일의 양단 전압은 제2 전압(V2)일 수 있다. 작동 모드가 제2 모드일 때, 안테나 모듈에 포함되는 유도 코일을 구성하는 단위 코일의 양단 전압은 제4 전압(V4)일 수 있다.
제2 주파수(f2)는 제1 주파수(f1)보다 작을 수 있다. 제2 주파수(f2)가 제1 주파수(f1) 보다 작을 때, 제2 전류(I2)는 제1 전류(I1)보다 클 수 있다. 제2 주파수(f2)가 제1 주파수(f1) 보다 작을 때, 제2 전압(V2)은 제1 전압(V1)보다 작을 수 있다. 제2 주파수(f2)가 제1 주파수(f1) 보다 작을 때, 제3 전압(V3)은 제4 전압(V4)보다 클 수 있다.
작동 모드가 제2 모드일 때 안테나 모듈(220)의 코일 양단 전압 V2는 제1 모드에서의 안테나 모듈의 코일 양단 전압 V1 보다 작을 수 있다. 작동 모드가 제2 모드일 때, 안테나 모듈은 제1 모드에 비하여 높은 에너지 효율을 가지는 방전 특성을 가질 수 있다.
제2 주파수는 안테나 모듈(220)의 공진 주파수일 수 있다. 작동 모드가 제2 모드로 변경되면, 안테나 모듈(220)은 제2 주파수에서 임피던스가 매칭되어 공진할 수 있다.
한편, 일 실시예에 따르면, 플라즈마 방전 상태는 시간에 따라 변할 수 있다. 플라즈마 생성 장치의 작동 모드는 플라즈마 방전 상태의 변화에 따라 변경될 수 있다. 예컨대, 플라즈마 생성 장치가 플라즈마의 초기 방전에 유리한 제1 방전 모드 및 높은 에너지 효율로 메인 방전에 유리한 제2 방전 모드를 가지는 경우, 플라즈마 생성 장치의 작동 모드는 플라즈마 방전 상태의 변화에 따라 변경될 수 있다.
예컨대, 제1 모드에 따른 플라즈마 방전은 주로 축전 결합 모드에 의해 이루어질 수 있다. 이후, 축전 결합 모드에 의해 플라즈마가 충분히 발생됨에 따라, 방전 튜브 내에 방위각 방향의 유도 전기장인 제2 전기장(E2)이 형성될 수 있다. 제2 전기장(E2)이 형성되면, 유도 결합 플라즈마 방전, 또는, 유도 결합 모드(H-mode)에 의한 플라즈마가 생성될 수 있다.
플라즈마 생성 장치는, 플라즈마 방전 상태의 변화에 응답하여 작동 모드를 변경할 수 있다. 도 14의 (a)를 참조하면, 플라즈마 생성 장치는 전원 장치(120)를 통하여 안테나 모듈(220)에 제1 주파수(f1)를 가지는 전력 신호를 전달 하고, 플라즈마 방전 상태가 천이하는 것에 응답하여 작동 모드를 변경할 수 있다.
플라즈마 생성 장치는 플라즈마 방전 상태의 변경을 감지할 수 있다.
플라즈마 생성 장치는 안테나 모듈(220)에 흐르는 전류 및/또는 안테나 모듈(220) 양단에 인가되는 전압을 획득하는 센서 장치를 포함할 수 있다. 플라즈마 생성 장치는 안테나 모듈(220)에 흐르는 전류 및/또는 안테나 모듈(220)의 코일 양단에 인가되는 전압을 획득하고, 플라즈마 방전 상태의 변경을 획득하고, 전원 장치(120)의 구동 주파수 및/또는 작동 모드를 변경할 수 있다.
플라즈마 생성 장치는 도 13과 관련하여 전술한 RF 전원 장치로부터 전압 또는 전류 신호의 변화를 획득하는 센서 장치를 포함할 수 있다. 예컨대, 플라즈마 생성 장치는, 도 13의 전원 공급 장치(1200)의 커패시터(1220) 양단에 인가되는 전압(VP와 GND 사이의 전압) 및/또는 인버터로 흐르는 전류(VP로부터 인버터로 흐르는 전류)를 획득하는 센서 장치를 포함할 수 있다. 플라즈마 생성 장치는 전술한 RF 전원 장치로부터 획득된 전압 또는 전류 신호의 변화에 기초하여 방전 상태의 변경을 획득할 수 있다.
플라즈마 방전 상태가 변경되면, 안테나 모듈(220)에 흐르는 전류 및/또는 안테나 모듈(220) 양단에 인가되는 전압이 변경될 수 있다. 예컨대, 주된 플라즈마 방전 상태가 축전 결합 플라즈마 방전에서 유도 결합 플라즈마 방전으로 변경되면, 안테나 모듈(220)에 흐르는 전류 및/또는 안테나 모듈(220) 양단에 인가되는 전압이 감소될 수 있다.
플라즈마 생성 장치는, 안테나 모듈(220)에 흐르는 전류 및/또는 안테나 모듈(220) 양단에 인가되는 전압의 감소에 응답하여, 작동 모드를 제2 모드로 변경할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 플라즈마 생성 장치에 의한 플라즈마의 방전 상태는 축전 결합 모드, 전이 모드 및 유도 결합 모드를 가질 수 있다. 플라즈마 생성 장치가 제1 모드로 동작할 때, 플라즈마의 방전 상태는 축전 결합 모드에서 전이 모드로 천이될 수 있다. 플라즈마의 방전 상태가 전이 모드로 천이되면, 플라즈마 생성 장치의 동작 모드는 제1 모드에서 제2 모드로 변경될 수 있다. 동작 모드가 제2 모드로 변경되면, 플라즈마의 방전 상태는 전이 모드에서 유도 결합 모드로 천이될 수 있다.
또는, 플라즈마의 방전 상태는 제1 유도 결합 모드 및 제2 유도 결합 모드를 가질 수 있다. 플라즈마 생성 장치의 작동 모드가 제1 모드에서 제2 모드로 변경됨에 따라 플라즈마의 방전 상태는 제1 유도 결합 플라즈마 방전에서 제2 유도 결합 플라즈마 방전으로 변경될 수 있다,
도 16은 일 실시예에 따른 플라즈마 생성 장치에서의 작동 모드 변경에 따른 전압 변화를 설명하기 위한 도면이다. 도 16은 일 실시예에 따른 플라즈마 생성 장치에서의 안테나 모듈의 코일의 위치에 따른 전압 분포에 대하여 설명하기 위한 도면이다. 이하에서는, 도 14 내지 16를 참조하여, 작동 모드 변경에 따른 안테나 모듈 양단에서의 전압 및 단위 코일 양단에서의 전압 변화를 설명한다.
도 16에서 예시하는 전압 분포는, 도 10의 (c)에서 예시하는 안테나 모듈과 같이, 서로 다른 평면에 각각 배치되는 4 개의 단위 유도 코일 및 각각의 유도 코일 사이에 배치되는 층간 축전기를 포함하는 안테나 모듈을 기준으로 설명한다.
도 16의 (a)는 일 실시예에 따른 플라즈마 생성 장치가 제1 모드일 때, 일 실시예에 따른 안테나 모듈의 위치에 따른 전압 분포를 설명하기 위한 도면이다. 작동 모드가 제1 모드일 때, 플라즈마 생성 장치는 제1 주파수를 구동 주파수로 할 수 있다.
도 16의 (a)를 참조하면, 일 실시예에 따른 플라즈마 생성 장치의 작동 모드가 제1 모드일 때, 총 길이가 Lt인 안테나 모듈의 양단 사이의 전압은 제1 전압(V1)일 수 있다. 작동 모드가 제1 모드일 때, 단위 코일 사이의 층간 축전기에 의한 유도 코일 리액턴스 상쇄는 최소화될 수 있다. 작동 모드가 제1 모드일 때, 플라즈마 생성 장치는, 리액턴스 상쇄가 최소화되어 유도 코일 양단의 전압이 최대화되어, 축전 결합 플라즈마 방전이 유도되도록, 제1 주파수의 구동 주파수에서 동작할 수 있다. 바람직하게는, 총 길이가 Lt인 안테나 모듈을 구성하는 각 단위 코일의 양단 전압은 안테나 모듈 양단 사이의 전압을 단위 코일 수로 나눈 값일 수 있다.
그러나, 층간 축전기의 리액턴스의 영향이 완전히 제거되지 않을 수 있다. 다시 말해, 도 16에서는 편의를 위하여 유도 코일에서의 전압 상승(또는 강하)가 연속적으로 일어나는 것으로 도시하였으나, 단위 코일 사이의 층간 축전기에 의하여 유도 코일 리액턴스가 적어도 일부 상쇄될 수 있다. 즉, 제1 모드에서 전압 분포는 도 16의 (b)와 유사하게 나타날 수 있다.
도 16의 (b)는 일 실시예에 따른 플라즈마 생성 장치가 제1 주파수와 제2 주파수 사이의 주파수로 구동되는 경우의 안테나 모듈의 위치에 따른 전압 분포를 설명하기 위한 도면이다.
도 16의 (b)를 참조하면, 플라즈마 생성 장치가 제1 모드와 제2 모드 사이의 과도 상태일 때 또는 플라즈마 생성 장치가 제1 주파수와 제2 주파수 사이의 구동 주파수를 가질 때, 총 길이가 Lt인 안테나 모듈의 양단 사이의 전압은 제1 전압(V1)보다 작을 수 있다. 과도 상태에서, 단위 코일 사이의 층간 축전기에 의하여 유도 코일 리액턴스가 적어도 일부 상쇄되고, 양단 전압은 제1 전압(V1)보다 작을 수 있다
작동 모드가 제1 모드일 때, 단위 코일 사이의 층간 축전기에 의한 유도 코일 리액턴스 상쇄는 최소화될 수 있다. 작동 모드가 제1 모드일 때, 플라즈마 생성 장치는, 리액턴스 상쇄가 최소화되어 유도 코일 양단의 전압이 최대화되어, 축전 결합 플라즈마 방전이 유도되도록, 제1 주파수의 구동 주파수에서 동작할 수 있다.
도 16의 (c)는 일 실시예에 따른 플라즈마 생성 장치가 제2 모드일 때, 유도 코일의 위치에 따른 전압 분포를 설명하기 위한 도면이다. 작동 모드가 제2 모드일 때, 구동 주파수는 제2 주파수이고, 안테나 모듈은 제2 주파수에서 임피던스가 매칭된 공진 상태일 수 있다. 일 실시에에 따르면, 플라즈마 생성 장치는, 플라즈마 방전 상태가 전이 모드로 변경되는 것에 응답하여 작동 모드를 제2 모드로 변경할 수 있다.
도 16의 (c)를 참조하면, 일 실시예에 따른 플라즈마 생성 장치의 작동 모드가 제2 모드일 때, 총 길이가 Lt인 안테나 모듈의 양단 사이의 전압은 제2 전압(V2)일 수 있다. 제2 전압(V2)는 제1 전압(V1)보다 작을 수 있다.
플라즈마 생성 장치의 작동 모드가 제2 모드일 때 안테나 모듈의 층간 축전기는 안테나 모듈 양단의 전압 상승(또는 강하)을 상쇄할 수 있다. 작동 모드가 제2 모드일 때, 유도 코일의 양단 전압은 최소화될 수 있다. 작동 모드가 제2 모드일 때, 안테나 모듈을 구성하는 층간 축전기 및 말단 축전기는 유도 코일의 리액턴스를 상쇄할 수 있다. 작동 모드가 제2 모드일 때, 플라즈마 생성 장치는, 유도 코일 양단의 전압이 최대화되고, 유도 결합 플라즈마 방전이 유도되도록, 제2 주파수의 구동 주파수에서 동작할 수 있다.
도 16의 (c)를 참조하면, 일 실시예에 따른 플라즈마 생성 장치의 작동 모드가 제2 모드일 때, 총 길이가 Lt인 안테나 모듈의 양단 사이의 전압은 제2 전압(V2)일 수 있다. 바람직하게는, 안테나 모듈을 구성하는 단위 코일의 양단 전압은 안테나 모듈의 양단 사이의 전압과 동일한 제2 전압(V2)일 수 있다. 그러나, 플라즈마 생성 장치의 특성 및 전원 주파수 해상도의 한계에 의하여 완전한 공진 상태에 도달하기는 어려울 수 있다. 이러한 경우, 제2 모드에서의 전압 분포는 유도 코일의 리액턴스가 적어도 일부 상쇄되지 아니하여 상승(또는 하강)하는 형태의 톱니 모양을 나타낼 수 있다.
한편, 위 실시예들에서는, 제1 모드에서 플라즈마의 전이에 응답하여 제2 모드로 작동 모드를 변경하는 경우를 기준으로 설명하였으나, 작동 모드의 변경은 역순으로 이루어질 수도 있다. 플라즈마 생성 장치는, 도 14의 (b)와 관련하여 설명된 제2 모드로부터 도 14의 (a)와 관련하여 설명된 제1 모드로 작동 모드를 변경할 수도 있다.
3.1.2 안테나 1개 인버터 2개
일 실시예에 따른 플라즈마 생성 장치는, 하나의 안테나 모듈 및 하나 이상의 RF 전원 모듈을 포함할 수 있다. 이하의 플라즈마 생성 장치는, 특별한 설명이 없는 한 전술한 실시 예와 유사하게 동작할 수 있다.
RF 전원 모듈은 소정의 출력 주파수 범위 및 매칭 범위를 가지는 교류 전력원일 수 있다. 서로 다른 RF 전원 모듈은 서로 다른 출력 주파수 범위 및 매칭 범위를 가질 수 있다.
도 17은 일 실시예에 따른 플라즈마 생성 장치를 설명하기 위한 도면이다. 도 17의 (a) 및 (b)를 참조하면, 일 실시예에 따른 플라즈마 생성 장치는, 제1 전원 모듈(101), 제2 전원 모듈(102) 및 안테나 모듈(201)를 포함할 수 있다.
제1 전원 모듈(101)은 제1 구동 주파수 범위를 가질 수 있다. 제2 전원 모듈(102)은 제1 구동 주파수 범위와 적어도 일부 상이한 제2 구동 주파수 범위를 가질 수 있다. 제1 전원 모듈(101)은 제1 구동 주파수 범위 내의 제1 주파수로 구동할 수 있다. 제2 전원 모듈(102)은 제2 구동 주파수 범위 내의 제2 주파수로 구동할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제1 전원 모듈(101)은 제1 매칭 소자를 포함할 수 있다. 제2 전원 모듈(102)은 제1 매칭 소자와 상이한 임피던스를 가지는 제2 매칭 소자를 포함할 수 있다. 각 매칭 소자는 각각의 전원 모듈의 안테나 모듈에 대한 전력 전달 효율을 높일 수 있다. 또한 각각의 매칭 소자는 공진 주파수가 아닌 주파수 대역에서 필터 역할을 수행할 수 있다.
도 18은 일 실시예에 따른 플라즈마 생성 장치를 설명하기 위한 도면이다. 도 18을 참조하면, 일 실시예에 따른 플라즈마 생성 장치는, 제1 전원부(P1) 및 제1 매칭 소자(Z1)을 포함하는 제1 전원 모듈(101), 제2 전원부(P2) 및 제2 매칭 소자(Z2)을 포함하는 제2 전원 모듈(102) 및 안테나 모듈(201)을 포함할 수 있다.
제1 전원 모듈(101)은 제1 매칭 소자를 포함하고, 제1 매칭 소자 및 안테나 모듈(201)은 제1 구동 주파수 범위에 포함되는 제1 주파수에서 공진할 수 있다. 제1 매칭 소자 및 안테나 모듈(201)은 제1 매칭 소자의 임피던스 및 안테나 모듈(201)의 임피던스에 의해 결정되는 제1 주파수에서 공진할 수 있다.
제2 전원 모듈(102)은 제2 매칭 소자를 포함하고, 제2 매칭 소자 및 안테나 모듈(201)은 제1 구동 주파수 범위에 포함되는 제1 주파수에서 공진할 수 있다. 제2 매칭 소자 및 안테나 모듈(201)은 제2 매칭 소자의 임피던스 및 안테나 모듈(201)의 임피던스에 의해 결정되는 제2 주파수에서 공진할 수 있다.
도 18을 참조하면, 플라즈마 생성 장치는 분리 소자(130)를 더 포함할 수 있다. 분리 소자(130)는 제1 전원 모듈(101)의 동작시에 제2 전원 모듈(102)측 회로와 제1 전원 모듈(101)측 회로 사이의 신호 송수신을 차단할 수 있다. 분리 소자(130)는 변압기를 포함할 수 있다. 분리 소자(130)는 차폐 변압기, 절연 변압기, 방해 차단 변압기 등의 분리 변압기를 포함할 수 있다. 분리 소자(130)는 스위치를 포함할 수도 있다.
한편, 다른 일 실시예에 따르면, 안테나 모듈(201) 또는 안테나 모듈(201)을 포함하는 플라즈마 생성 장치는 제1 매칭 소자 및 제2 매칭 소자를 포함할 수 있다. 제1 매칭 소자는 제1 전원 모듈(101) 및 안테나 모듈(201) 사이에 연결되고 제2 매칭 소자는 제2 전원 모듈(102) 및 안테나 모듈(201) 사이에 연결될 수 있다. 즉, 위 실시예들에서는 매칭 소자가 전원 모듈에 포함되는 경우를 기준으로 설명하였으나, 플라즈마 생성 시스템은, 플라즈마 생성 장치 또는 안테나 모듈이 하나 이상의 매칭 소자를 포함하고 각각의 매칭 소자가 안테나 모듈 및 전원 모듈과 연결되도록 구성될 수도 있다.
일 실시예에 따른 플라즈마 생성 장치의 제어 방법은, 제1 전원 모듈을 통하여 플라즈마 생성 장치를 제1 모드로 제어하는 단계 및 제2 전원 모듈을 통하여 플라즈마 생성 장치를 제2 모드로 제어하는 단계를 포함할 수 있다. 제1 모드 및 제2 모드에 대하여는 전술한 내용이 적용될 수 있다.
도 19는 일 실시예에 따른 플라즈마 생성 장치의 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 19를 참조하면, 일 실시예에 따른 플라즈마 생성 장치의 제어 방법은, 제1 전원 모듈을 통하여 안테나 모듈에 제1 주파수로 전력을 제공하는 단계(S110) 및 제2 전원 모듈을 통하여 안테나 모듈에 제2 주파수로 전력을 제공하는 단계(S130)를 포함할 수 있다.
제1 전원 모듈을 통하여 안테나 모듈에 제1 주파수로 전력을 제공하는 단계(S110)는, 제1 전원 모듈과 안테나 모듈 사이에 배치되는 제1 매칭 소자의 임피던스 및 안테나 모듈의 임피던스에 의해 결정되는 공진 주파수인 제1 주파수로 안테나 모듈에 전력을 제공하는 것을 포함할 수 있다. 이때, 안테나 모듈의 전력 분포는 도 20의 (a)와 관련하여 예시한 것처럼 나타날 수 있다.
또는, 제1 전원 모듈을 통하여 안테나 모듈에 제1 주파수로 전력을 제공하는 단계(S110)는, 안테나 모듈의 임피던스에 의해 결정되는 공진 주파수와 다른 제1 주파수로, 안테나 모듈에 전력 신호를 제공하는 것을 포함할 수 있다. 이때, 안테나 모듈의 전력 분포는 도 19의 (a) 또는 (b)와 관련하여 예시한 것처럼 나타날 수 있다.
제1 전원 모듈을 통하여 안테나 모듈에 제1 주파수로 전력을 제공하는 단계(S110)는, 제1 전원 모듈을 통하여 안테나 모듈에 제1 주파수로 전력 신호를 제공하여, 방전 튜브 내부에 축전 결합 플라즈마 방전을 유도하는 것을 포함할 수 있다.
또는, 제1 전원 모듈을 통하여 안테나 모듈에 제1 주파수로 전력을 제공하는 단계(S110)는, 제1 전원 모듈을 통하여 안테나 모듈에 제1 주파수로 전력 신호를 제공하여, 방전 튜브 내부에 제1 세기를 가지는 유도 전기장을 통하여 유도 결합 플라즈마 방전을 유도하는 것을 포함할 수 있다.
제2 전원 모듈을 통하여 안테나 모듈에 제2 주파수로 전력을 제공하는 단계(S130)는 제2 전원 모듈과 안테나 모듈 사이에 배치되는 제2 매칭 소자의 임피던스 및 안테나 모듈의 임피던스에 의해 결정되는 공진 주파수인 제2 주파수로 안테나 모듈에 전력 신호를 제공하는 것을 포함할 수 있다. 이때, 안테나 모듈의 전압 분포는 도 16의 (c)와 관련하여 예시한 것처럼 나타날 수 있다.
제2 전원 모듈을 통하여 안테나 모듈에 제2 주파수로 전력을 제공하는 단계(S130)는 제2 전원 모듈을 통하여 안테나 모듈에 제2 주파수로 전력 신호를 제공하여, 방전 튜브 내부에 유도 결합 플라즈마 방전을 유도하는 것을 포함할 수 있다. 제2 전원 모듈을 통하여 안테나 모듈에 제2 주파수로 전력 신호를 제공하는 단계(S130)는 방전 튜브 내부에 제2 세기를 가지는 유도 전기장을 형성하여 유도 결합 플라즈마 방전을 유도하는 것을 포함할 수 있다. 제2 전원 모듈을 통하여 안테나 모듈에 제2 주파수로 전력 신호를 제공하는 단계(S130)는 방전 튜브 내부에 제2 세기를 가지는 유도 전기장을 형성하여 유도 결합 플라즈마 방전을 유도하는 것을 포함할 수 있다. 제2 세기는 제1 전원 모듈에 의하여 유도되는 전기장의 제1 세기보다 크거나 작을 수 있다.
일 실시예에 따르면, 플라즈마 생성 장치의 제어 방법은, 전력 신호의 변화를 획득하는 단계를 더 포함할 수 있다. 플라즈마 장치의 제어 방법은, 안테나 모듈에 흐르는 전류 또는 안테나 모듈(또는 안테나 모듈을 구성하는 일부 소자)의 양단의 전압의 변화를 획득하는 단계를 포함할 수 있다. 플라즈마 장치의 제어 방법은, 상술한 변화를 획득하고, 이에 기초하여 제1 전원 모듈 및/또는 제2 전원 모듈을 제어하는 것을 포함할 수 있다. 플라즈마 장치의 제어 방법은, 상술한 변화를 획득하고, 이에 기초하여 제1 전원 모듈의 동작을 중단하고 제2 전원 모듈의 동작을 개시하는 것을 포함할 수 있다. 또는, 플라즈마 장치의 제어 방법은, 상술한 변화를 획득하고, 이에 기초하여 제2 전원 모듈의 동작을 중단하고 제1 전원 모듈의 동작을 개시하는 것을 포함할 수 있다.
3.1.3 안테나 1개 인버터 1개
일 실시예에 따른 플라즈마 생성 장치는, 하나의 안테나 모듈 및 하나 주파수 가변 RF 전원 모듈을 포함할 수 있다. 이하의 플라즈마 생성 장치는, 특별한 설명이 없는 한 전술한 실시 예와 유사하게 동작할 수 있다.
도 20은 일 실시예에 따른 플라즈마 생성 장치를 설명하기 위한 도면이다. 도 20의 (a) 및 (b)를 참조하면, 일 실시예에 따른 플라즈마 생성 장치는, 전원 모듈(103) 및 안테나 모듈(202)를 포함할 수 있다.
RF 전원 모듈(101)은 소정의 주파수 가변 범위를 가지는 교류 전력원일 수 있다. 전원 모듈(101)은 안테나 모듈(202)의 공진 주파수를 구동 주파수로 하여 안테나 모듈(202)에 전력을 제공할 수 있다.
일 실시예에 따른 플라즈마 생성 장치의 제어 방법은, 전원 모듈을 통하여 플라즈마 생성 장치를 제1 모드로 제어하는 단계 및 전원 모듈을 통하여 플라즈마 생성 장치를 제2 모드로 제어하는 단계를 포함할 수 있다. 제1 모드 및 제2 모드에 대하여는 전술한 내용이 적용될 수 있다.
도 21은 일 실시예에 따른 플라즈마 생성 장치의 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 21을 참조하면, 일 실시예에 따른 플라즈마 생성 장치의 제어 방법은, 전원 모듈을 통하여 안테나 모듈에 제1 주파수로 전력을 제공하는 단계(S210), 전원 모듈을 통하여 안테나 모듈에 제2 주파수로 전력을 제공하는 단계(S230)를 포함할 수 있다. 제2 주파수는 안테나 모듈의 공진 주파수일 수 있다.
전원 모듈을 통하여 안테나 모듈에 제1 주파수로 전력을 제공하는 단계(S210)는 안테나 모듈의 임피던스에 의해 결정되는 공진 주파수와 다른 제1 주파수로, 안테나 모듈에 전력 신호를 제공하는 것을 포함할 수 있다. 이때, 안테나 모듈의 전압 분포는 도 16의 (a)와 관련하여 예시한 것처럼 나타날 수 있다.
전원 모듈을 통하여 안테나 모듈에 제1 주파수로 전력을 제공하는 단계(S210)는 전원 모듈을 통하여 안테나 모듈에 제1 주파수로 전력 신호를 제공하여, 방전 튜브 내부에 축전 결합 플라즈마 방전을 유도하는 것을 포함할 수 있다.
전원 모듈을 통하여 안테나 모듈에 제2 주파수로 전력을 제공하는 단계(S230)는, 안테나 모듈의 임피던스에 의해 결정되는 공진 주파수인 제2 주파수로, 안테나 모듈에 전력 신호를 제공하는 것을 포함할 수 있다. 이때, 안테나 모듈의 전압 분포는 도 16의 (c)(또는 (b))와 관련하여 예시한 것처럼 나타날 수 있다.
전원 모듈을 통하여 안테나 모듈에 제2 주파수로 전력을 제공하는 단계(S230)는, 전원 모듈을 통하여 안테나 모듈에 제2 주파수로 전력 신호를 제공하여, 방전 튜브 내부에 유도 결합 플라즈마 방전을 유도하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 플라즈마 생성 장치의 제어 방법은, 전력 신호의 변화를 획득하는 단계를 더 포함할 수 있다. 플라즈마 장치의 제어 방법은, 안테나 모듈에 흐르는 전류 또는 안테나 모듈(또는 안테나 모듈을 구성하는 일부 소자)의 양단의 전압의 변화를 획득하고, 이에 기초하여 전원 모듈의 구동 주파수를 변경하는 것을 포함할 수 있다.
3.1.4 플라즈마 생성 장치의 실시예
일 실시예에 따르면, 제1 모드 및 제2 모드를 포함하는 복수의 작동 모드를 가지고, 플라즈마 방전을 수행하는 플라즈마 생성 장치가 제공될 수 있다. 플라즈마 생성 장치는, 제1 주파수 범위 내에서 주파수 변경 가능한 제1 전원 장치, 제1 주파수 범위와 적어도 일부 상이한 제2 주파수 범위 내에서 주파수 변경 가능한 제2 전원 장치, 유전체 방전 튜브 및 유전체 방전 튜브 주위로 적어도 한 회 감기는 제1 단위 코일, 유전체 방전 튜브 주위로 적어도 한 회 감기는 제2 단위 코일 및 제1 단위 코일과 제2 단위 코일 사이에 직렬 연결 되는 제1 축전기를 포함하는 안테나 모듈을 포함할 수 있다.
플라즈마 생성 장치는, 작동 모드가 제1 모드일 때, 안테나 모듈은 제1 주파수 범위 내의 제1 주파수를 가지는 전력 신호에 기초하여 제1 플라즈마 방전을 유도하고, 작동 모드가 제2 모드일 때, 안테나 모듈은 제2 주파수 범위 내의 제2 주파수를 가지는 전력 신호에 기초하여 제2 플라즈마 방전을 유도할 수 있다. 이때, 제1 단위 코일 및 제2 단위 코일은 제1 유도 용량을 가지고, 제1 축전기는 제1 축전 용량을 가지고, 제1 주파수는 안테나 모듈은 제1 유도 용량 및 제1 축전 용량에 따라 결정된 제1 공진 주파수에 대응될 수 있다.
제1 전원 장치는 제1 임피던스를 가지는 제1 매칭 소자를 포함할 수 있다. 작동 모드가 제1 모드일 때, 안테나 모듈은 제1 주파수를 가지는 전력 신호에 기초하여 제1 플라즈마 방전을 수행하되, 제1 주파수는 제1 임피던스, 제1 유도 용량 및 제1 축전 용량에 기초하여 결정된 제1 공진 주파수에 대응될 수 있다.
제2 전원 장치는 제2 임피던스를 가지는 제2 매칭 소자를 포함할 수 있다. 작동 모드가 제2 모드일 때, 안테나 모듈은 제2 주파수를 가지는 전력 신호에 기초하여 제2 플라즈마 방전을 수행하되, 제2 주파수는 제2 임피던스, 제1 유도 용량 및 제1 축전 용량에 기초하여 결정되고 제1 공진 주파수와 다른 제2 공진 주파수에 대응될 수 있다.
제2 공진 주파수는 제1 공진 주파수보다 클 수 있다. 이때, 작동 모드가 제1 모드일 때, 제1 단위 코일의 제1 축전기와 연결되지 않은 일 단 및 제2 단위 코일의 제1 축전기와 연결되지 않은 일 단 사이의 전압인 제1 전압은, 작동 모드가 제2 모드일 때 제1 단위 코일의 제1 축전기와 연결되지 않은 일 단 및 제2 단위 코일의 제1 축전기와 연결되지 않은 일 단 사이의 전압인 제2 전압보다 작을 수 있다.
작동 모드가 제1 모드일 때, 제1 단위 코일의 양단 사이의 전압은 제1 단위 코일의 제1 축전기와 연결되지 않은 일 단 및 제2 단위 코일의 제1 축전기와 연결되지 않은 일 단 사이의 전압과 대응될 수 있다.
작동 모드가 제1 모드일 때 안테나 모듈의 양단 사이의 전압은, 작동 모드가 제2 모드일 때 안테나 모듈의 양단 사이의 전압보다 작을 수 있다.
작동 모드가 제1 모드일 때 안테나 모듈에 흐르는 제1 전류의 크기는, 작동 모드가 제2 모드일 때 안테나 모듈에 흐르는 제2 전류의 크기보다 작을 수 있다.
작동 모드가 제1 모드일 때, 안테나 모듈에서 소비되는 전력은 제1 전력이고, 작동 모드가 제2 모드일 때, 안테나 모듈에서 소비되는 전력은 제1 전력보다 작은 제2 전력일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제1 주파수 범위 내에서 주파수 변경 가능한 제1 전원 장치, 제1 주파수 범위와 적어도 일부 상이한 제2 주파수 범위 내에서 주파수 변경 가능한 제2 전원 장치, 유전체 방전 튜브 및 유전체 방전 튜브 주위로 적어도 한 회 감기는 제1 단위 코일, 유전체 방전 튜브 주위로 적어도 한 회 감기는 제2 단위 코일 및 제1 단위 코일과 제2 단위 코일 사이에 직렬 연결 되는 제1 축전기를 포함하는 안테나 모듈을 포함하는 플라즈마 생성 장치의 제어 방법이 제공될 수 있다.
플라즈마 생성 장치의 제어 방법은, 안테나 모듈에 제1 주파수를 구동 주파수로 하여 RF 전력을 제공하는 제1 모드로 동작하는 단계 및 안테나 모듈에 제2 주파수를 구동 주파수로 하여 RF 전력을 제공하는 제2 모드로 동작하는 단계를 포함할 수 있다. 제1 단위 코일 및 제2 단위 코일은 제1 유도 용량을 가지고, 제1 축전기는 제1 축전 용량을 가지되, 제2 주파수는 제1 유도 용량 및 제1 축전 용량에 의해 결정되는 제2 공진 주파수에 대응될 수 있다.
제2 전원 장치는 제2 임피던스를 가지는 제2 매칭 소자를 포함할 수 있다. 제2 모드로 동작하는 단계는, 제1 유도 용량, 제1 축전 용량 및 제2 임피던스에 기초하여 결정된 제2 공진 주파수에 대응되는 제2 주파수를 구동 주파수로 하여 동작하는 것을 포함할 수 있다.
제1 전원 장치는 제1 임피던스를 가지는 제1 매칭 소자를 포함할 수 있다. 제1 모드로 동작하는 단계는, 제1 유도 용량, 제1 축전 용량 및 제1 임피던스에 기초하여 결정된 제1 공진 주파수에 대응되는 제1 주파수를 구동 주파수로 하여 동작하는 것을 포함할 수 있다.
작동 모드가 제1 모드일 때, 안테나 모듈에서 소비되는 전력은 제1 전력이고, 작동 모드가 제2 모드일 때, 안테나 모듈에서 소비되는 전력은 제1 전력보다 큰 제2 전력일 수 있다.
작동 모드가 제1 모드일 때, 제1 단위 코일의 양단 사이의 전압은 제1 단위 코일의 제1 축전기와 연결되지 않은 일 단 및 제2 단위 코일의 제1 축전기와 연결되지 않은 일 단 사이의 전압과 대응될 수 있다.
작동 모드가 제1 모드일 때 안테나 모듈에 흐르는 제1 전류의 크기는, 작동 모드가 제2 모드일 때 안테나 모듈에 흐르는 제2 전류의 크기보다 작을 수 있다.
한편, 플라즈마 생성 장치의 제어 방법은, 작동 모드가 제1 모드일 때, 안테나 모듈에 흐르는 전류를 획득하는 단계 및 안테나 모듈에 흐르는 전류가 기준값 이하일 때, 작동 모드를 제2 모드로 변경하는 단계를 더 포함할 수 있다.
플라즈마 생성 장치의 제어 방법은, 작동 모드가 제1 모드일 때, 제1 전원 장치의 인버터에 흐르는 전류를 획득하는 단계 및 제1 전원 장치의 인버터에 흐르는 전류가 기준값 이하일 때, 작동 모드를 제2 모드로 변경하는 단계를 더 포함할 수 있다.
다른 일 실시예에 따르면, 작동 모드가 제1 모드일 때, 제1 주파수 범위 내에서 주파수 변경 가능한 제1 전원 장치로부터 전력을 공급받고, 작동 모드가 제2 모드일 때, 제1 주파수 범위와 적어도 일부 상이한 제2 주파수 범위 내에서 주파수 변경 가능한 제2 전원 장치로부터 전력을 공급받고 플라즈마를 생성하는 플라즈마 생성 장치가 제공될 수 있다.
플라즈마 생성 장치는, 유전체 방전 튜브 및 유전체 방전 튜브 주위로 적어도 한 회 감기는 제1 단위 코일, 유전체 방전 튜브 주위로 적어도 한 회 감기는 제2 단위 코일 및 제1 단위 코일과 제2 단위 코일 사이에 직렬 연결 되는 제1 축전기를 포함하는 안테나 모듈를 포함할 수 있다.
작동 모드가 제1 모드일 때, 안테나 모듈은 제1 주파수 범위 내의 제1 주파수를 가지는 전력 신호에 기초하여 제1 플라즈마 방전을 유도할 수 있다.
작동 모드가 제2 모드일 때, 안테나 모듈은 제2 주파수 범위 내의 제2 주파수를 가지는 전력 신호에 기초하여 제2 플라즈마 방전을 유도할 수 있다.
제1 단위 코일 및 제2 단위 코일은 제1 유도 용량을 가지고, 제1 축전기는 제1 축전 용량을 가지고, 제1 주파수는 제1 유도 용량 및 제1 축전 용량에 기초하여 결정된 제1 공진 주파수에 대응될 수 있다.
작동 모드가 제1 모드일 때 안테나 모듈의 양단 사이의 전압은, 작동 모드가 제2 모드일 때 안테나 모듈의 양단 사이의 전압보다 작을 수 있다.
작동 모드가 제1 모드일 때, 제1 단위 코일의 양단 사이의 전압은 제1 단위 코일의 제1 축전기와 연결되지 않은 일 단 및 제2 단위 코일의 제1 축전기와 연결되지 않은 일 단 사이의 전압과 대응될 수 있다.
이상의 실시 예들에서 설명한 바와 같이, 안테나 모듈에 인가되는 전력의 구동 주파수를 변경하여 작동 모드를 변경함으로써, 안테나 모듈의 방전 특성을 변경할 수 있다. 단일 안테나 모듈을 통하여 다양한 방전 특성을 제공함으로써, 보다 넓은 매칭 범위를 가지고 다양한 에너지 효율을 나타내며 다양한 환경 하에서의 방전 유지가 가능한 플라즈마 생성 장치가 제공될 수 있다.
한편, 하나의 안테나 모듈이 이용되는 경우, 안테나 모듈의 물리적인 구조가 가지는 한계로 인하여, 나타낼 수 있는 방전 특성이 제한적일 수 있다. 이에, 둘 이상의 안테나 모듈을 포함하는 플라즈마 생성 장치가 제공될 수 있다. 이하에서는 둘 이상의 안테나 모듈을 포함하는 플라즈마 생성 장치 및 그 동작에 대하여 설명한다.
3.2 안테나가 2개인 경우
3.2.1 안테나가 2개인 경우의 플라즈마 생성 프로세스
일 실시예에 따른 플라즈마 생성 장치는, 둘 이상의 안테나 모듈을 포함할 수 있다. 플라즈마 생성 장치는, 서로 다른 방전 특성을 가지는 복수의 안테나 모듈을 포함할 수 있다. 둘 이상의 안테나 모듈은 서로 다른 임피던스를 가질 수 있다. 플라즈마 생성 장치는 필요에 따라 주동 안테나 모듈이 변경되도록 마련될 수 있다. 주동 안테나 모듈은, 전력 소비가 주로 이루어지는 안테나 모듈을 의미할 수 있다. 둘 이상의 안테나 모듈은 주파수 가변 전원에 병렬로 연결될 수 있다.
둘 이상의 안테나 모듈은 플라즈마 생성 장치의 구동 주파수에 따라 서로 달리 동작할 수 있다. 예컨대, 플라즈마 생성 장치의 구동 주파수가 제1 안테나 모듈의 공진 주파수에 대응되는 제1 주파수인 경우, 제1 안테나 모듈은 리액턴스가 상쇄된 공진 상태로 동작하고, 제2 안테나 모듈은 비공진 상태로 동작할 수 있다. 예컨대, 플라즈마 생성 장치의 구동 주파수가 제1 안테나 모듈의 공진 주파수에 대응되는 제1 주파수인 경우, 제1 안테나 모듈과 다른 임피던스를 가지는 제2 안테나 모듈로의 전류 유입이 억제될 수 있다. 구동 주파수가 제2 안테나 모듈의 공진 주파수에 대응되는 제2 주파수인 경우, 제2 안테나 모듈과 다른 임피던스를 가지는 제1 안테나 모듈로의 전류 유입이 억제될 수 있다. 또 예컨대, 구동 주파수가 제1 안테나 모듈의 공진 주파수 및 제2 안테나 모듈의 공진 주파수와 다른 제3 주파수인 경우, 제1 안테나 모듈 및 제2 안테나 모듈 모두 비공진 상태로 동작할 수 있다. 안테나 모듈은 비공진 상태에서 축전 결합 플라즈마 방전을 유도하고, 공진 동작 상태에서 유도 결합 플라즈마 방전을 유도할 수 있다.
본 명세서에서 설명하는 플라즈마 생성 장치는, 상술한 예시들에서처럼, 구동 주파수를 제어하여, 주동 안테나 모듈을 선택적으로 스위칭하고, 방전 특성을 변경할 수 수 있다.
둘 이상의 안테나 모듈은 서로 다른 구조를 가질 수 있다. 예컨대, 일 안테나 모듈은 도 8과 관련하여 예시한 바와 같이 방전 튜브 주위로 연속적으로 복수 회 권선된 솔레노이드 코일 및 솔레노이드 코일의 양단에 연결된 말단 축전기들을 포함할 수 있다. 다른 안테나 모듈은 도 10과 관련하여 예시한 바와 같이 복수의 단위 코일, 단위 코일 사이에 배치되는 층간 축전기를 포함할 수 있다. 또 예컨대, 일 안테나 모듈은 층당 제1 턴을 포함하고 제1 층 형성하는 복수의 단위 코일, 단위 코일 사이에 배치되는 층간 축전기 및 말단 축전기를 포함하고, 다른 안테나 모듈은 층간 제2 턴을 포함하고 제2 층을 형성하는 복수의 단위 코일, 층간 축전기 및 말단 축전기를 포함할 수 있다.
이하에서는 편의를 위하여 안테나 모듈이 2개인 경우를 기준으로 설명하나, 플라즈마 생성 장치는 2개 이상의 안테나 모듈을 포함할 수 있다. 플라즈마 생성 장치는 서로 다른 임피던스, 구조 및/또는 기능을 가지는 2개 이상의 안테나 모듈을 포함하고, 필요에 따라 주동 안테나가 변경되도록 마련될 수 있다. 주파수 가변 전원은 하나 이상의 전원 모듈을 포함할 수 있다.
본 명세서에서 설명하는 발명에 의하면, 초기 방전에 유리한 방전 특성을 가지는 안테나 모듈, 방전의 유지에 적합한 방전 특성을 가지는 안테나 모듈 및/또는 에너지 손실이 적은 방전 특정을 가지는 안테나 모듈을 포함하고 필요에 따라 안테나 스위칭을 통하여 모드 변경이 가능하도록 구성되는 플라즈마 생성 장치가 제공될 수 있다.
본 명세서에서 설명하는 바와 같이 복수의 안테나 모듈을 포함하고 각 안테나 모듈이 선택적으로 동작되도록 구성된 플라즈마 생성 장치를 이용하여, 보다 넓은 범위의 임피던스 또는 실저항 범위에 대한 매칭이 가능해질 수 있다. 또한, 서로 다른 방전 제어 범위(예컨대, 유량, 전력, 압력, 가스 종류)를 가지는 복수의 안테나 모듈을 활용함에 따라 보다 넓은 방전 제어 범위를 가지는 플라즈마 생성 장치가 제공될 수 있다.
3.2.1.1 제1 실시예
도 22는 플라즈마 생성 장치가 제1 안테나 모듈(203), 제2 안테나 모듈(204) 및 RF 전원 장치(102)를 포함하는 경우의 플라즈마 방전 프로세스를 설명하기 위한 도면이다. RF 전원 장치(102)는 하나 이상의 전원 모듈을 포함할 수 있다. RF 전원 장치(120)는 서로 다른 출력 주파수 대역을 가지는 하나 이상의 전원 모듈을 포함할 수 있다.
도 23 및 24는 플라즈마 생성 장치의 작동 모드의 변경을 설명하기 위한 개략적인 회로도이다.
이하에서는, 도 22 내지 24를 참조하여, 안테나 모듈이 둘 이상인 경우의 모드 변경 플라즈마 방전 프로세스에 대하여 설명한다.
도 22을 참조하면, 플라즈마 생성 장치가 제1 안테나 모듈(203), 제2 안테나 모듈(204) 및 RF 전원 장치(102)를 포함하는 경우, 플라즈마 생성 장치는 전원 장치(102)의 구동 주파수를 변경함으로써 주동 안테나 모듈을 변경할 수 있다.
도 22의 (a)를 참조하면, 작동 모드가 제1 모드일 때, 플라즈마 생성 장치는 전원 장치(102)를 통하여 제1 안테나 모듈(203) 및 제2 안테나 모듈(204) 에 제1 주파수(f1)를 가지는 전력 신호를 전달하여, 방전 튜브 내부에 플라즈마 방전을 유도할 수 있다. 제1 주파수(f1)는 제1 안테나 모듈(203)이 주동 안테나 모듈로 동작하도록 하는 구동 주파수일 수 있다.
작동 모드가 제1 모드일 때, 플라즈마 생성 장치는 방전 튜브 내부에 제1 전기장(E1)을 형성할 수 있다. 제1 전기장(E1)은 방전 튜브의 축 방향과 나란한 수직 방향 전기장(E1)일 수 있다. 작동 모드가 제1 모드일 때, 플라즈마 생성 장치는, 방전 튜브 내부에 방전 튜브의 원주 방향과 나란한 방위각 방향 전기장(E2)을 형성할 수도 있다.
일 실시예에 따르면, 작동 모드가 제1 모드일 때, 플라즈마 생성 장치는 제1 안테나 모듈(203) 및 제2 안테나 모듈(204) 에 제1 주파수(f1)를 가지는 전력 신호를 전달하여 수직 방향 전기장(E1)을 형성하고, 방전 튜브 내부에 축전 결합 플라즈마 발생을 유도할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 작동 모드가 제1 모드일 때, 플라즈마 생성 장치는, 제1 안테나 모듈(203) 및 제2 안테나 모듈(204) 에 제1 주파수(f1)를 가지는 전력 신호를 전달하여 방위각 방향 전기장(E2)을 형성하고, 방전 튜브 내부에 유도 결합 플라즈마 발생을 유도할 수 있다. 작동 모드가 제1 모드일 때, 플라즈마 생성 장치는 제1 세기를 가지는 방위각 방향 전기장(E2)을 형성할 수 있다.
도 23은 도 22의 (a)에서 도시하는 플라즈마 생성 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 23을 참조하면, 플라즈마 생성 장치의 작동 모드가 제1 모드일 때, 플라즈마 생성 장치는 가변 주파수 RF 전원을 통하여 제1 안테나 모듈(203) 및 제2 안테나 모듈(204)로 제2 주파수(f1)를 가지는 제1 전류(I1)를 출력할 수 있다.
플라즈마 생성 장치의 작동 모드가 제1 모드일 때, 제1 안테나 모듈(203)로 제a1 전류(Ia1)가 분배되고, 제2 안테나 모듈(204)로 제b1 전류(Ib1)가 분배될 수 있다. 제a1 전류(Ia1)는 제b1 전류(Ib1)보다 클 수 있다. 작동 모드가 제1 모드일 때, 구동 주파수인 제1 주파수(f1)는 제1 안테나 모듈(203)의 공진 주파수에 대응되고, 제1 안테나 모듈(203)의 리액턴스는 대부분 상쇄되되, 제2 안테나 모듈(204)의 리액턴스는 상대적으로 적게 상쇄될 수 있다. 대부분의 전류는 제1 안테나 모듈(203)에 분배될 수 있다. 플라즈마 생성 장치의 작동 모드가 제1 모드일 때, 제1 안테나 모듈(203)에서 소비하는 제1 전력은 제2 안테나 모듈(204)에서 소비하는 제2 전력보다 클 수 있다. 플라즈마 생성 장치의 작동 모드가 제1 모드일 때, 제1 안테나 모듈(203)은 방전 튜브 내에 유도 결합 플라즈마 방전을 일으키고, 생성된 플라즈마는 제1 안테나 모듈(203)의 인덕터와 유도 결합할 수 있다.
도 22의 (b)를 참조하면, 작동 모드가 제2 모드일 때, 플라즈마 생성 장치는 전원 장치(102)를 통하여 제1 안테나 모듈(203) 및 제2 안테나 모듈(204)에 제2 주파수(f2)를 구동 주파수로 하여 전력을 제공할 수 있다. 제2 주파수(f2)는 제1 주파수(f1)와 상이할 수 있다. 제2 주파수(f2)는 제1 주파수(f1)와 일정값 이상 차이날 수 있다. 제2 주파수(f2)는 제1 주파수(f1)보다 일정값(예컨대, 0.2 MHz) 이상 크거나 작을 수 있다.
작동 모드가 제2 모드일 때, 플라즈마 생성 장치는 제1 안테나 모듈(203) 및 제2 안테나 모듈(204)에 제2 주파수(f2)의 전력 신호를 전달하여, 방위각 방향의 전기장(E3)을 유도하고, 방전 튜브 내부에 유도 결합 플라즈마 방전을 유도할 수 있다. 작동 모드가 제2 모드일 때, 플라즈마 생성 장치는 제2 세기를 가지는 방위각 방향 전기장(E3)을 형성할 수 있다. 제2 세기는, 제1 모드에서의 방위각 방향 전기장(E2) 세기 보다 크거나 작을 수 있다.
도 24는 도 22의 (b)에서 도시하는 플라즈마 생성 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 24을 참조하면, 플라즈마 생성 장치의 작동 모드가 제2 모드일 때, 플라즈마 생성 장치는 가변 주파수 RF 전원을 통하여 제 안테나 모듈(203) 및 제2 안테나 모듈(204)로, 제2 주파수(f2)를 가지는 제2 전류(I2)를 출력할 수 있다.
플라즈마 생성 장치의 작동 모드가 제2 모드일 때, 제1 안테나 모듈(203)로 제a2 전류(Ia2)가 분배되고, 제2 안테나 모듈(204)로 제b2 전류(Ib2)가 분배될 수 있다. 제a2 전류(Ia2)는 제b2 전류(Ib2)보다 작을 수 있다. 일 실시예에 따르면, 작동 모드가 제2 모드일 때, 구동 주파수인 제2 주파수(f2)는 제2 안테나 모듈(203)의 공진 주파수에 대응되고, 제2 안테나 모듈(204)의 리액턴스는 대부분 상쇄되되, 제1 안테나 모듈(203)의 리액턴스는 상대적으로 적게 상쇄될 수 있다. 대부분의 전류는 제2 안테나 모듈(204)에 분배될 수 있다. 플라즈마 생성 장치의 작동 모드가 제2 모드일 때, 제2 안테나 모듈(204)에서 소비하는 제2 전력은 제1 안테나 모듈(203)에서 소비하는 제1 전력보다 클 수 있다. 플라즈마 생성 장치의 작동 모드가 제2 모드일 때, 제2 안테나 모듈(203)은 방전 튜브 내에 유도 결합 플라즈마 방전을 일으키고, 생성된 플라즈마는 제2 안테나 모듈(204)의 인덕터와 유도 결합할 수 있다.
도 25은 플라즈마 생성 장치의 작동 모드에 따른 전압 및 전류 변화를 설명하기 위한 도면이다. 도 25는, 시간에 따른, 제1 안테나 모듈에 흐르는 전류(a), 제1 안테나 모듈의 유도 코일의 양단 전압(b), 제2 안테나 모듈에 흐르는 전류(c), 제2 안테나 모듈의 유도 코일의 양단 전압(d) 및 주파수(e)를 설명하기 위한 도면이다. 도 25에서, 전류 및 전압 그래프는 크기를 나타낸 것이다.
도 25의 (e)을 참조하면, 플라즈마 생성 장치의 작동 모드가 제1 모드일 때, 전원 장치(102)는 제1 주파수(f1)를 가지는 전력 신호를 제1 안테나 모듈(203) 및 제2 안테나 모듈(204)에 제공할 수 있다. 이때, 도 25의 (a) 및 (c)를 참조하면, 제1 안테나 모듈(203)에는 제a1 전류(Ia1)가 흐르고, 제2 안테나 모듈(204)에는 제a1 전류(Ia1)보다 작은 제b1 전류(Ib1)가 흐를 수 있다. 도 25의 (b) 및 (d)를 참조하면, 플라즈마 생성 장치의 작동 모드가 제1 모드일 때, 제1 안테나 모듈(203)의 유도 코일의 양단 전압은 제a1 전압(Va1)이고, 제2 안테나 모듈(204)의 유도 코일의 양단 전압은 제a1 전압(Va1)보다 작은 제b1 전압(Vb1)일 수 있다.
도 25의 (e)을 참조하면, 플라즈마 생성 장치의 작동 모드가 제2 모드일 때, 전원 장치(102)는 제2 주파수(f2)를 가지는 전력 신호를 제1 안테나 모듈(203) 및 제2 안테나 모듈(204)에 제공할 수 있다. 도 25의 (a) 및 (c)를 참조하면, 제2 모드에서, 제1 안테나 모듈(203)에는 제a1 전류(Ia1)보다 작은 제a2 전류(Ia2)가 흐르고, 제2 안테나 모듈(204)에는 제b1 전류(Ib1)보다 큰 제b2 전류(Ib2)가 흐를 수 있다 제b2 전류(Ib2)는 제a1 전류(Ia1)보다 클 수 있다. 도 25의 (b) 및 (d)를 참조하면, 플라즈마 생성 장치의 작동 모드가 제2 모드일 때, 제1 안테나 모듈(203)의 유도 코일의 양단 전압은 제a1 전답(Va1)보다 작은 제a2 전압(Va2)이고, 제2 안테나 모듈(204)의 유도 코일의 양단 전압은 제b1 전압(Vb1)보다 큰 제b2 전압(Vb2)일 수 있다. 제b2 전압(Vb2)은 제a2 전압(Va2)보다 클 수 있다.
도 26은 일 실시예에 따른 플라즈마 생성 장치의 각 안테나 모듈에서의 전압 강하를 설명하기 위한 도면이다. 이하에서는, 도 24를 참조하여, 각 작동 모드에서 주동 안테나 모듈을 구성하는 유도 코일의 위치에 따른 전압 분배에 대하여 설명한다.
플라즈마 생성 장치가 제1 안테나 모듈(203)의 공진 주파수에 대응되는 제1 주파수를 구동 주파수로 하는 제1 모드일 때, 전술한 바와 같이 전원에 의해 공급되는 전력이 대부분 제1 안테나 모듈(203)에 의해 소비되고, 제1 안테나 모듈(203)이 주동 안테나 모듈로 동작할 수 있다.
도 26의 (a), 제1 안테나 모듈(203)이 도 10에서 예시한 것과 같이 단위 층을 구성하는 단위 코일들(도 26 (a)의 예시의 경우, 3개의 단위 코일들) 및 단위 코일들 사이에 배치되는 층간 축전기를 포함하는 형태인 경우, 제1 모드에서의 제1 안테나 모듈(203)의 유도 코일의 위치에 따른 전압(Vm1)을 개략적으로 나타낸 것이다.
작동 모드가 제1 모드일 때, 제1 안테나 모듈(203)은 공진 상태일 수 있다. 작동 모드가 제1 모드일 때, 제1 안테나 모듈(203)의 단위 코일 사이의 층간 축전기에 의한 유도 코일 리액턴스 상쇄가 최대화되어, 제1 유도 결합 플라즈마 방전이 유도될 수 있다.
도 26의 (a)를 참조하면, 총 길이가 L13인 안테나 모듈의 양단 사이의 전압은 제1 전압(V1)일 수 있다. 바람직하게는, 안테나 모듈을 구성하는 각 단위 코일 양단(원점에서부터 L11 지점, L11에서부터 L12 지점, L12 지점에서부터 L13 지점) 전압은 제1 전압(V1)과 실질적으로 동일할 수 있다.
도 26의 (b)는 일 실시예에 따른 플라즈마 생성 장치가 제2 주파수를 구동 주파수로 하는 제2 모드일 때, 제2 안테나 모듈(204)의 위치에 따른 전압 분포를 설명하기 위한 도면이다.
플라즈마 생성 장치가 제2 안테나 모듈(204)의 공진 주파수에 대응되는 제2 주파수를 구동 주파수로 하는 제2 모드일 때, 전술한 바와 같이 전원에 의해 공급되는 전력이 대부분 제2 안테나 모듈(204)에 의해 소비되고, 제2 안테나 모듈(204)이 주동 안테나 모듈로 동작할 수 있다.
도 26의 (b)는 제1 안테나 모듈(204)이 도 10에서 예시한 것과 같이 단위 층을 구성하는 단위 코일들(도 26 (b)의 예시의 경우, 4개의 단위 코일들) 및 단위 코일들 사이에 배치되는 층간 축전기를 포함하는 형태인 경우, 제2 모드에서의 제2 안테나 모듈(204)의 유도 코일의 위치에 따른 전압(Vm2)을 개략적으로 나타낸 것이다.
작동 모드가 제2 모드일 때, 제2 안테나 모듈(204)은 공진 상태일 수 있다. 작동 모드가 제2 모드일 때, 제2 안테나 모듈(204)의 단위 코일 사이의 층간 축전기에 의한 유도 코일 리액턴스 상쇄가 최대화되어, 제2 유도 결합 플라즈마 방전이 유도될 수 있다. 제2 유도 결합 플라즈마 방전은, 제1 유도 결합 플라즈마 방전보다 에너지 효율이 높은 특성을 가질 수 있다.
도 26의 (b)를 참조하면, 총 길이가 L24인 안테나 모듈의 양단 사이의 전압은 제2 전압(V2)일 수 있다. 바람직하게는, 안테나 모듈을 구성하는 각 단위 코일 양단(원점에서부터 L21 지점, L21에서부터 L22 지점, L22 지점에서부터 L23 지점 및 제23 지점에서부터 제24 지점) 사이의 전압은 제2 전압(V2)과 실질적으로 동일할 수 있다.
한편, 작동 모드가 제1 모드일 때 제2 안테나 모듈(204)에는 실질적으로 전류의 유입이 차단될 수 있다. 따라서, 작동 모드가 제1 모드일 때 제2 안테나 모듈(204)을 구성하는 유도성 소자의 양단 전압은 매우 작게 수렴할 수 있다. 또한, 작동 모드가 제2 모드일 때 제1 안테나 모듈(204)에는 실질적으로 전류의 유입이 차단될 수 있다. 따라서, 작동 모드가 제2 모드일 때 제1 안테나 모듈(203)을 구성하는 유도성 소자의 양단 전압은 매우 작게 수렴할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제1 안테나 모듈(203)은 도 8에서 예시한 것과 같이 층간 축전기 없이 복수 회 권선된 솔레노이드 코일을 포함하는 안테나 모듈일 수 있다. 제1 안테나 모듈(203)이 층간 축전기를 포함하지 않는 경우, 제1 안테나 모듈(203)의 유도 코일의 양단 전압은, 구동 주파수가 제1 주파수일 때 제1 전압(최대값)이고, 구동 주파수가 제2 주파수일 때에는 제1 전압보다 작은 제2 전압일 수 있다.
위 실시예들에서는, 플라즈마 생성 장치의 작동 모드가 제1 모드에서 제2 모드로 변경되고 구동 주파수가 작아지는 모드 변경 프로세스를 설명하였으나, 이는 예시일 뿐이며, 필요에 따라, 모드 변경 형태는 달라질 수 있다. 예컨대, 플라즈마 생성 장치의 작동 모드는 제2 모드에서 제1 모드로 변경될 수 있다. 또는, 플라즈마 생성 장치의 작동 모드는 3개 이상의 모드를 포함할 수도 있다.
3.2.1.2 제2 실시예
이하에서는, 도 22 내지 26과 관련하여 설명한 실시예에 대하여, 보다 구체적인 예시를 들어 설명한다. 일 실시예에 따르면, 플라즈마의 초기 방전 안정성 확보가 요구되는 경우(예컨대, 상압 플라즈마 방전의 경우), 플라즈마 생성 장치는 플라즈마 방전에 시드 전하를 제공하는 DC 전원 및 전극을 더 포함할 수 있다. 이때, 플라즈마 생성 장치의 작동 모드는 초기 방전을 보조하기 위한 제1 모드(즉, 초기 방전 모드) 및 메인 방전을 보조하기 위한 제2 모드(즉, 메인 방전 모드)를 포함할 수 있다. 이하에서, 특별한 설명이 없는 한 도 22 내지 26과 관련하여 전술한 실시예들의 내용이 유사하게 적용될 수 있다.
도 27은 플라즈마 생성 장치가 제1 안테나 모듈(203), 제2 안테나 모듈(204), RF 전원 장치(102), DC 전원 장치(101) 및 DC 전극(231, 233)을 포함하는 경우의 플라즈마 방전 프로세스를 설명하기 위한 도면이다. DC 전원 장치(101) 및 DC 전극(231)에 대하여는 도 4 내지 7과 관련하여 전술한 내용이 유사하게 적용될 수 있다.
도 28 및 29는 도 27 에서 예시하는 플라즈마 생성 장치의 작동 모드의 변경을 설명하기 위한 개략적인 회로도이다.
이하에서는, 도 27, 28 및 29를 참조하여, DC 전극을 포함하는 플라즈마 생성 장치의 변경 플라즈마 방전 프로세스에 대하여 설명한다.
플라즈마 생성 장치의 작동 모드는, 초기 플라즈마 방전을 수행하기 위한 제1 모드 및 메인 플라즈마 방전을 수행하기 위한 제2 모드를 포함할 수 있다. 도 27의 (a)는 제1 모드에서의 플라즈마 생성 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 27의 (b)는 제2 모드에서의 플라즈마 생성 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 27의 (a)를 참조하면, 제1 모드에서 플라즈마 장치는 전원 장치(102)를 통하여 제1 안테나 모듈(203) 및 제2 안테나 모듈(204)에, 제1 안테나 모듈의 공진 주파수에 대응되는 제1 주파수를 구동 주파수로 하여 전력을 제공할 수 있다.
도 27의 (a)를 참조하면, 작동 모드가 제1 모드일 때, DC 전원 장치(101)는 DC 전극(231)에 고전압 펄스를 인가할 수 있다. 작동 모드가 제1 모드일 때, 플라즈마 생성 장치는 DC 전원 장치(101)를 통하여 DC 전극(231)에 고전압 펄스를 인가하여, 전기장(E4)을 형성할 수 있다. 전기장(E4)은 DC 전극(231)과 맞전극 역할을 하는 오브젝트 사이에 형성될 수 있다. 예컨대, 전기장(E4)은 DC 전극(231)과 가스 튜브(211)사이에 형성될 수 있다. 플라즈마 생성 장치는 전기장(E4)을 형성하고, 국부적인 방전(예컨대, 스트리머 방전)을 유도하여, 방전 튜브 내에 시드 전하를 공급할 수 있다.
도 28을 참조하면, 작동 모드가 제1 모드일 때, 플라즈마 생성 장치는 DC 전원 장치(101)를 통하여 DC 전극(231)에 고전압 펄스를 인가하여 시드 전하를 생성하고, 생성된 시드 전하에 기초하여 제1 안테나 모듈(203)을 통하여 초기 플라즈마 방전을 수행할 수 있다.
작동 모드가 제1 모드일 때, 플라즈마 생성 장치는, 시드 전하에 기초하여 제1 안테나 모듈을 통하여 플라즈마 방전을 수행할 수 있다. 제1 안테나 모듈을 통한 플라즈마 방전은 축전 결합 플라즈마 방전 또는 유도 결합 플라즈마 방전일 수 있다. 여기에서는 제1 안테나 모듈을 통한 방전이 축전 결합 플라즈마 방전인 경우를 기준으로 설명한다.
일 실시예에 따르면, 플라즈마의 방전 상태는 시간에 따라 변할 수 있다. 플라즈마 생성 장치의 작동 모드는 플라즈마 방전 상태의 변화에 따라 변경될 수 있다.
예컨대, 제1 모드에 따른 플라즈마 방전은 주로 축전 결합 모드(E-mode)에 의해 이루어질 수 있다. 그러나, 축전 결합 모드에 의해 플라즈마가 충분히 발생되면, 방전 튜브 내에 방위각 방향의 유도 전기장인 제2 전기장(E2)이 형성될 수 있다. 제2 전기장(E2)이 형성되면, 유도 결합 플라즈마 방전, 또는, 유도 결합 모드(H-mode)에 의한 플라즈마가 생성될 수 있다.
플라즈마 방전 장치는, 플라즈마 방전 상태의 변화에 응답하여 작동 모드를 변경할 수 있다. 도 28의 (a)를 참조하면, 플라즈마 생성 장치는 전원 장치(102)를 통하여 제1 안테나 모듈(203) 및 제2 안테나 모듈(204)에 제1 주파수(f1)를 가지는 전력 신호를 전달 하고, 플라즈마 방전 상태가 천이하는 것에 응답하여 작동 모드를 변경할 수 있다.
플라즈마 생성 장치는 플라즈마 방전 상태의 변화를 감지할 수 있다. 플라즈마 생성 장치는 제1 안테나 모듈(203) 및/또는 제2 안테나 모듈(204)에 흐르는 전류 및/또는 제1 안테나 모듈(203) 및/또는 제2 안테나 모듈(204) 양단에 인가되는 전압을 획득하는 센서 모듈을 포함할 수 있다. 플라즈마 생성 장치는 센서 모듈을 통하여 제1 안테나 모듈(203) 및/또는 제2 안테나 모듈(204)에 흐르는 전류 및/또는 제1 안테나 모듈(203) 및/또는 제2 안테나 모듈(204) 양단에 인가되는 전압의 변화를 획득하고, 전원 장치(102)의 구동 주파수 및/또는 작동 모드를 변경할 수 있다.
예컨대, 플라즈마 방전 상태가 변경되면, 제1 안테나 모듈(203) 및/또는 제2 안테나 모듈(204)에 흐르는 전류 및/또는 제1 안테나 모듈(203) 및/또는 제2 안테나 모듈(204) 양단에 인가되는 전압이 변경될 수 있다. 예컨대, 주된 플라즈마 방전 상태가 축전 결합 플라즈마 방전에서 유도 결합 플라즈마 방전으로 변경되면, 제1 안테나 모듈(203) 및/또는 제2 안테나 모듈(204)에 흐르는 전류 및/또는 제1 안테나 모듈(203) 및/또는 제2 안테나 모듈(204) 양단에 인가되는 전압이 감소될 수 있다.
플라즈마 생성 장치는, 제1 안테나 모듈(203) 및/또는 제2 안테나 모듈(204)에 흐르는 전류 및/또는 제1 안테나 모듈(203) 및/또는 제2 안테나 모듈(204) 양단에 인가되는 전압의 감소에 응답하여, 작동 모드를 제2 모드로 변경할 수 있다.
플라즈마 생성 장치의 동작 모드가 변경되면, 플라즈마 생성 장치는 제2 주파수의 구동 주파수로 제1 안테나 모듈(203) 및 제2 안테나 모듈(204)에 전력을 제공하고, 전술한 실시예들에서 설명한 바와 같이, 제2 안테나 모듈(204)을 주동 안테나 모듈로 하여 동작할 수 있다.
도 27의 (b)를 참조하면, 제2 모드에서 DC 전원(101)은 전력 공급을 중단할 수 있다. 제2 모드에서, 플라즈마 생성 장치는 제1 안테나 모듈(203) 및 제2 안테나 모듈(204)에, 제2 안테나 모듈(204)의 공진 주파수에 대응되는 제2 주파수를 구동 주파수로 하여 전력을 제공하여, 메인 플라즈마 방전을 수행할 수 있다.
도 29를 참조하면, 작동 모드가 제2 모드일 때, 플라즈마 생성 장치는, 제2 주파수를 구동 주파수로 하여, 제1 안테나 모듈(203)에 의하여 생성된 초기 방전 플라즈마에 기초하고 제2 안테나 모듈(204)을 통하여, 메인 플라즈마 방전을 수행할 수 있다.
도 30은 플라즈마 생성 장치의 작동 모드에 따른 전압 및 전류 변화를 설명하기 위한 도면이다. 도 30은 시간에 따른, DC 고전압 펄스(a), 제1 안테나 모듈에 흐르는 전류(b), 제1 안테나 모듈의 유도 코일의 양단 전압(c), 제2 안테나 모듈에 흐르는 전류(d), 제2 안테나 모듈의 유도 코일의 양단 전압(e) 및 주파수(f)를 설명하기 위한 도면이다. 도 30에서, 전류 및 전압 그래프는 크기를 나타낸 것이다.
도 30의 (b), (c), (d), (e), (f)와 관련하여, 플라즈마 생성 장치의 제1 안테나 모듈에 흐르는 전류(b), 제1 안테나 모듈의 유도 코일의 양단 전압(c), 제2 안테나 모듈에 흐르는 전류(d), 제2 안테나 모듈의 유도 코일의 양단 전압(e) 및 주파수(f)는 도 25와 관련하여 전술한 내용이 유사하게 적용될 수 있다.
도 30의 (a)를 참조하면, 플라즈마 생성 장치의 작동 모드가 제1 모드일 때, DC 전원 장치(101)는 고전압 펄스를 발생시킬 수 있다. DC 전원 장치(101)는 제1 모드가 유지되는 동안(구동 주파수가 제1 주파수(f1)으로 유지되는 동안) 고전압 펄스를 발생시킬 수 있다. DC 전원 장치(101)는 제1 모드가 종료되기 전이라도 고전압 펄스 발생을 중단할 수 있다. 플라즈마 생성 장치(또는 플라즈마 생성 장치의 제어부)는, DC 전원 장치(101)를 미리 정해진 수만큼 고전압 펄스를 발생시키도록 제어할 수 있다. 플라즈마 생성 장치는 DC 전원 장치(101)를 미리 정해진 시간 동안 고전압 펄스를 발생시키도록 제어할 수 있다.
도 30의 (b) 및 (c)를 참조하면, 작동 모드가 제1 모드일 때, 플라즈마 방전 상태의 변화로 인하여, 제1 안테나 모듈에 흐르는 전류 및/또는 제1 안테나 모듈의 유도 코일의 양단 전압이 감소할 수 있다.
도 28의 (d), (e), (f)를 참조하면, 플라즈마 생성 장치는 제1 안테나 모듈에 흐르는 전류 및/또는 제1 안테나 모듈의 유도 코일의 양단 전압이 감소하는 것에 응답하여 작동 모드를 제2 모드로 변경할 수 있다. 도 30의 (a)를 참조하면, 플라즈마 생성 장치의 작동 모드가 제2 모드일 때, DC 전원은 고전압 펄스 생성을 중단할 수 있다.
한편, 위 실시예들에서는, 제1 모드에서 플라즈마 상태 변경에 응답하여 제2 모드로 작동 모드를 변경하는 경우를 기준으로 설명하였으나, 작동 모드의 변경은 역순으로 이루어질 수도 있다.
3.2.2 안테나 2개 인버터 1개
도 31은 일 실시예에 따른 플라즈마 생성 장치를 설명하기 위한 도면이다. 도 31을 참조하면, 플라즈마 생성 장치는 전원 모듈(104), 제1 안테나 모듈(203) 및 제2 안테나 모듈(204)을 포함할 수 있다.
RF 전원 모듈(104)은 소정의 주파수 가변 범위를 가지는 교류 전력원일 수 있다. 전원 모듈(104)은 제1 안테나 모듈(203) 및/또는 제2 안테나 모듈(204)의 안테나 모듈(202)의 공진 주파수를 구동 주파수로 하여 동작할 수 있다.
일 실시예에 따른 플라즈마 생성 장치의 제어 방법은, 전원 모듈을 통하여 플라즈마 생성 장치를 제1 모드로 제어하는 단계 및 전원 모듈을 통하여 플라즈마 생성 장치를 제2 모드로 제어하는 단계를 포함할 수 있다. 제1 모드 및 제2 모드에 대하여는 전술한 내용이 적용될 수 있다.
도 32는 일 실시예에 따른 플라즈마 생성 장치의 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 32를 참조하면, 일 실시예에 따른 플라즈마 생성 장치의 제어 방법은, 전원 모듈을 통하여 제1 안테나 모듈 및 제2 안테나 모듈에 제1 주파수로 전력을 제공하는 단계(S310) 및 전원 모듈을 통하여 제1 안테나 모듈 및 제2 안테나 모듈에 제2 주파수로 전력을 제공하는 단계(S330)를 포함할 수 있다.
전원 모듈을 통하여 제1 안테나 모듈 및 제2 안테나 모듈에 제1 주파수로 전력을 제공하는 단계(S310)는 제1 안테나 모듈의 공진 주파수에 대응되는 제1 주파수를 구동 주파수로 하여 전력을 제공하는 것을 포함할 수 있다.
제1 안테나 모듈은 층간 축전기를 포함하는 안테나 모듈일 수 있다. 이때, 제1 안테나 모듈의 전압 분포는 도 26의 (a)와 관련하여 예시한 것처럼 나타날 수 있다. 또는, 제1 안테나 모듈은 층간 축전기를 포함하지 않는 안테나 모듈일 수 있다. 이때, 제1 안테나 모듈의 전력 분포는 도 16의 (a)와 관련하여 예시한 것처럼 나타날 수 있다.
전원 모듈을 통하여 제1 안테나 모듈 및 제2 안테나 모듈에 제1 주파수로 전력을 제공하는 단계(S310)는 제1 안테나 모듈을 통하여 축전 결합 플라즈마 방전을 유도하는 것을 포함할 수 있다.
전원 모듈을 통하여 제1 안테나 모듈 및 제2 안테나 모듈에 제2 주파수로 전력을 제공하는 단계(S330)는 제2 안테나 모듈의 공진 주파수에 대응되는 제2 주파수를 구동 주파수로 하여 전력을 제공하는 것을 포함할 수 있다.
제2 안테나 모듈은 층간 축전기를 포함하는 안테나 모듈일 수 있다. 이때, 제2 안테나 모듈의 전력 분포는 도 26의 (b)와 관련하여 예시한 것처럼 나타날 수 있다.
전원 모듈을 통하여 제1 안테나 모듈 및 제2 안테나 모듈에 제2 주파수로 전력을 제공하는 단계(S330)는 제2 안테나 모듈을 통하여 유도 결합 플라즈마 방전을 유도하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 플라즈마 생성 장치의 제어 방법은, 전력 신호의 변화를 획득하는 단계를 더 포함할 수 있다. 플라즈마 장치의 제어 방법은, 제1 안테나 모듈에 흐르는 전류 또는 제1 안테나 모듈(또는 제1 안테나 모듈을 구성하는 일부 소자)의 양단의 전압의 변화를 획득하고, 이에 기초하여 전원 모듈의 구동 주파수를 제2 주파수로 변경하는 것을 포함할 수 있다.
3.2.3 안테나 2개 인버터 2개
도 33은 일 실시예에 따른 플라즈마 생성 장치를 설명하기 위한 도면이다. 도 31의 (a) 및 (b)를 참조하면, 일 실시예에 따른 플라즈마 생성 장치는, 제1 주파수 대역 및 제1 매칭 범위를 가지는 교류 전력원인 제1 전원 모듈(105), 제2 주파수 대역 및 제2 매칭 범위를 가지는 교류 전력원인 제2 전원 모듈(106), 제1 전원 모듈(105)로부터 전력을 공급받고 플라즈마 방전을 수행하는 제1 안테나 모듈(205) 및 제2 전원 모듈(106)로부터 전력을 공급받고 플라즈마 방전을 수행하는 제2 안테나 모듈(206)을 포함할 수 있다.
제1 전원 모듈(105)은 제1 구동 주파수 범위를 가지고, 제2 전원 모듈(106)은 제1 구동 주파수 범위와 적어도 일부 상이한 제2 구동 주파수 범위를 가질 수 있다. 제1 전원 모듈(105)은 제1 구동 주파수 범위 내의 제1 주파수로 구동할 수 있다. 제2 전원 모듈(106)은 제2 구동 주파수 범위 내의 제2 주파수로 구동할 수 있다. 제1 주파수는 제1 안테나 모듈(205)의 공진 주파수와 대응되고, 제2 주파수는 제2 안테나 모듈(206)의 공진 주파수와 대응될 수 있다. 제1 전원 모듈(105)은 제1 매칭 소자를 포함할 수 있다. 제2 전원 모듈(106)은 제1 매칭 소자와 상이한 임피던스를 가지는 제2 매칭 소자를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 플라즈마 생성 장치의 제어 방법은, 제1 전원 모듈을 통하여 플라즈마 생성 장치를 제1 모드로 제어하는 단계 및 제2 전원 모듈을 통하여 플라즈마 생성 장치를 제2 모드로 제어하는 단계를 포함할 수 있다. 제1 모드 및 제2 모드에 대하여는 전술한 내용이 적용될 수 있다.
도 34는 일 실시예에 따른 플라즈마 생성 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 34를 참조하면, 일 실시예에 따른 플라즈마 생성 장치의 제어 방법은, 제1 전원 모듈을 통하여 제1 안테나 모듈에 제1 주파수로 전력을 제공하는 단계(S410) 및 제2 전원 모듈을 통하여 제2 안테나 모듈에 제2 주파수로 전력을 제공하는 단계(S430)를 포함할 수 있다.
제1 전원 모듈을 통하여 제1 안테나 모듈에 제1 주파수로 전력을 제공하는 단계(S410)는, 제1 전원 모듈을 통하여 제1 안테나 모듈의 공진 주파수인 제1 주파수로 제1 안테나 모듈에 전력을 제공하는 것을 포함할 수 있다. 이때, 제1 안테나 모듈의 전압 분포는 도 26의 (a)와 관련하여 예시한 것처럼 나타날 수 있다.
제1 전원 모듈을 통하여 제1 안테나 모듈에 제1 주파수로 전력을 제공하는 단계(S410)는, 제1 주파수를 구동 주파수로 동작하여, 제1 안테나 모듈을 통하여 방전 튜브 내부에 축전 결합 플라즈마 방전을 유도하는 것을 포함할 수 있다.
또는, 제1 전원 모듈을 통하여 제1 안테나 모듈에 제1 주파수로 전력을 제공하는 단계(S410)는, 제1 전원 모듈을 통하여 제1 안테나 모듈에 제1 주파수로 전력을 제공하여, 방전 튜브 내부에 제1 세기를 가지는 유도 전기장을 통하여 유도 결합 플라즈마 방전을 유도하는 것을 포함할 수 있다.
제2 전원 모듈을 통하여 제2 안테나 모듈에 제2 주파수로 전력을 제공하는 단계(S430)는 제2 전원 모듈을 통하여 제2 안테나 모듈의 공진 주파수인 제2 주파수로 제2 안테나 모듈에 전력을 제공하는 것을 포함할 수 있다. 이때, 제2 안테나 모듈의 전력 분포는 도 26의 (b)와 관련하여 예시한 것처럼 나타날 수 있다.
제2 전원 모듈을 통하여 제2 안테나 모듈에 제2 주파수로 전력을 제공하는 단계(S430)는 제2 주파수를 구동 주파수로 동작하여, 제2 안테나 모듈을 통하여 방전 튜브 내부에 유도 결합 플라즈마 방전을 유도하는 것을 포함할 수 있다.
제2 전원 모듈을 통하여 제2 안테나 모듈에 제2 주파수로 전력을 제공하는 단계(S430)는 제2 주파수를 구동 주파수로 동작하여, 방전 튜브 내부에 제2 세기를 가지는 유도 전기장을 형성하고, 유도 결합 플라즈마 방전을 유도하는 것을 포함할 수 있다. 제2 세기는 제1 전원 모듈에 의하여 유도되는 전기장의 제1 세기보다 크거나 작을 수 있다.
일 실시예에 따르면, 플라즈마 생성 장치의 제어 방법은, 전력 신호의 변화를 획득하는 단계를 더 포함할 수 있다. 플라즈마 장치의 제어 방법은, 안테나 모듈에 흐르는 전류 또는 안테나 모듈(또는 안테나 모듈을 구성하는 일부 소자)의 양단의 전압의 변화를 획득하는 단계를 포함할 수 있다. 플라즈마 장치의 제어 방법은, 상술한 변화를 획득하고, 이에 기초하여 제1 전원 모듈 및/또는 제2 전원 모듈을 제어하는 것을 포함할 수 있다. 예컨대, 플라즈마 장치의 제어 방법은, 제1 안테나 모듈에 흐르는 전류 또는 제1 안테나 모듈(또는 제1 안테나 모듈을 구성하는 일부 소자)의 양단의 전압의 강하를 획득하고, 이에 기초하여 제1 전원 모듈의 동작을 중단하고 제2 전원 모듈의 동작을 개시하는 것을 포함할 수 있다.
이상의 실시 예들에서 설명한 바와 같이, 서로 다른 방전 특성을 가지는 복수의 안테나 모듈을 사용함으로써, 다양한 방전 환경에 따라 선택적인 플라즈마 방전을 수행할 수 있다. 복수의 안테나 모듈을 이용하여 플라즈마 방전을 수행함으로써 다양한 환경 하에서의 방전 수행이 가능한 플라즈마 생성 장치가 제공될 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (20)

100 Torr 이상 750 Torr 이하의 압력 하에서 플라즈마를 점화하고 유지하기 위한 플라즈마 생성 장치로,
플라즈마가 생성되기 위한 공간을 제공하며, 적어도 하나의 인렛 및 적어도 하나의 아웃렛을 가지는 유전체 방전 튜브;
100 Torr 이상 750 Torr 이하의 압력 하에서 플라즈마를 점화하며, 상기 유전체 방전 튜브의 외벽을 코일 형상으로 감싸는 제1 안테나 - 상기 제1 안테나는 그 내부에 캐패시터를 가지지 않음 -;
상기 제1 안테나 보다 상기 적어도 하나의 아웃렛에 가까이 배치되며, 상기 유전체 방전 튜브의 외벽을 코일 형상으로 감싸는 제2 안테나 - 상기 제2 안테나는 제1 단위 코일, 제2 단위 코일 및 상기 제1 단위 코일과 상기 제2 단위 코일 사이에 개재된 캐패시터를 포함하며, 상기 제2 안테나의 임피던스는 상기 제1 안테나의 임피던스와 다르고, 상기 제2 안테나는 상기 제1 안테나와 이격되어 배치됨 - ; 및
상기 제1 안테나와 상기 제2 안테나에 RF 전원을 공급하는 전원 장치;
를 포함하며,
상기 전원 장치는
상기 제1 안테나에 제1 주파수를 가지는 제1 전원을 공급하도록 제어되고,
시간에 따른 상기 제1 안테나에 흐르는 전류의 변화 및 상기 제1 안테나의 양단의 전압차의 변화가 미리 정해진 기준에 부합하는 경우, 상기 제2 안테나에 상기 제1 주파수 보다 낮은 제2 주파수를 가지는 제2 전원을 공급하도록 제어되는
플라즈마 생성 장치.
제1항에 있어서,
상기 전원 장치가 상기 제1 안테나에 상기 제1 주파수를 가지는 상기 제1 전원을 공급하면, 상기 제1 안테나에 의해 상기 유전체 방전 튜브 내에 수직 방향의 전기장이 유도되고,
상기 수직 방향의 전기장에 의하여, 상기 유전체 방전 튜브 내에서 E-mode에 의한 플라즈마가 생성되는 것을 특징으로 하는
플라즈마 생성 장치.
제1항에 있어서,
상기 전원 장치는
시간에 따른 상기 제1 안테나에 흐르는 전류의 변화 및 상기 제1 안테나의 양단의 전압차의 변화가 상기 미리 정해진 기준에 부합하는 경우, 상기 제1 안테나에 대한 상기 제1 전원의 공급을 중단하도록 제어되는
플라즈마 생성 장치.
제1항에 있어서,
상기 전원 장치가 상기 제2 안테나에 상기 제2 주파수를 가지는 상기 제2 전원을 공급하면, 상기 제2 안테나에 의해 상기 유전체 방전 튜브 내에 방위각 방향의 전기장이 유도되고,
상기 방위각 방향의 전기장에 의하여, 상기 유전체 방전 튜브 내에서 H-mode에 의한 플라즈마가 생성되는 것을 특징으로 하는
플라즈마 생성 장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 제1 전원이 상기 제1 안테나에 공급될 때 상기 제1 안테나의 양단 사이의 전압차는 상기 제2 전원이 상기 제2 안테나에 공급될 때 상기 제2 안테나의 양단 사이의 전압차 보다 더 큰 것을 특징으로 하는
플라즈마 생성 장치.
제1항에 있어서,
상기 유전체 방전 튜브 내에 배치되는 적어도 하나의 전극; 및
상기 적어도 하나의 전극에 DC 전압을 인가하는 DC 전원;을 더 포함하는
플라즈마 생성 장치.
제7항에 있어서,
상기 DC 전원을 통해 상기 적어도 하나의 전극에 미리 정해진 값을 가지는 전압이 인가되면, 상기 유전체 방전 튜브 내에 시드 전하가 생성되는
플라즈마 생성 장치.
제1항에 있어서,
상기 전원 장치는,
상기 제1 안테나에 전기적으로 연결되어 있고, 상기 제1 안테나에 상기 제1 전원을 공급하는 제1 전원 모듈; 및
상기 제2 안테나에 전기적으로 연결되어 있고, 상기 제2 안테나에 상기 제2 전원을 공급하는 제2 전원 모듈;을 포함하는
플라즈마 생성 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 주파수는 상기 제1 안테나의 임피던스 및 상기 유전체 방전 튜브 내에 생성된 플라즈마의 임피던스에 따라서 가변적이며,
상기 전원 장치는,
상기 유전체 방전 튜브 내에 생성된 플라즈마의 임피던스의 변화를 반영하여 상기 제1 주파수를 시간에 따라서 미세 조정하도록 제어되는,
플라즈마 생성 장치.
제1항에 있어서,
상기 제2 주파수는 상기 제2 안테나의 임피던스 및 상기 유전체 방전 튜브 내에 생성된 플라즈마의 임피던스에 따라서 가변적이며,
상기 전원 장치는,
상기 유전체 방전 튜브 내에 생성된 플라즈마의 임피던스의 변화를 반영하여 상기 제2 주파수를 시간에 따라서 미세 조정하도록 제어되는,
플라즈마 생성 장치.
제1항에 있어서,
상기 전원 장치는,
상기 제1 주파수를 4 MHz 이상 5 MHz 이하의 범위내로 제어하고,
상기 제2 주파수를 400 kHz 이상 4 MHz 이하의 범위내로 제어하는
플라즈마 생성 장치.
제1항에 있어서,
상기 미리 정해진 기준은 상기 제1 안테나에 의해 상기 유전체 방전 튜브 내에서 플라즈마가 발생되는 모드가 E-mode에서 H-mode로 전환되는지 여부를 판단하기 위한 기준인
플라즈마 생성 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 안테나의 일단과 상기 전원 장치 사이에 개재된 제1 캐패시터; 및
상기 제1 안테나의 타단과 상기 전원 장치 사이에 개재된 제2 캐패시터;
를 더 포함하는
플라즈마 생성 장치.
제1항에 있어서,
상기 제2 안테나의 일단과 상기 전원 장치 사이에 개재된 제3 캐패시터; 및
상기 제2 안테나의 타단과 상기 전원 장치 사이에 개재된 제4 캐패시터;
를 더 포함하는
플라즈마 생성 장치.
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