KR102589741B1 - 이온 분해율을 향상시킨 플라즈마 발생기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이온 분해율을 향상시킨 플라즈마 발생기에 관한 것이다. 본 발명의 이온 분해율을 향상시킨 플라즈마 발생기는 프로세스 챔버로 플라즈마 이온을 제공하는 원격 플라즈마 발생기에 있어서, 플라즈마를 형성하기 위한 이온화 에너지를 제공하는 플라즈마 소스; 및 상기 이온화 에너지에 의해 형성된 제1 이온 가속방향과 상이한 방향의 제2 이온 가속방향을 형성하도록 에너지를 제공하는 하나 이상의 이온 가속 전극을 포함하는 이온 가속 수단을 포함하여 이온의 운동 궤적을 변화시킨다.

Description

이온 분해율을 향상시킨 플라즈마 발생기{PLASMA GENERATOR WITH IMPROVED ION DECOMPOSITION RATE}
본 발명은 이온 분해율을 향상시킨 플라즈마 발생기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반응가스의 분해 효율을 향상시키기 위한 이온 분해율을 향상시킨 플라즈마 발생기에 관한 것이다.
플라즈마 방전은 이온, 자유 래디컬, 원자, 분자를 포함하는 활성 가스를 발생하기 위한 가스 여기에 사용되고 있다. 활성 가스는 다양한 분야에서 널리 사용되고 있으며 대표적으로 반도체 제조 공정 예들 들어, 식각, 증착, 세정, 에싱 등 다양하게 사용되고 있다.
최근, 반도체 장치의 제조를 위한 웨이퍼나 LCD 글라스 기판은 더욱 대형화 되어 가고 있다. 그럼으로 플라즈마 이온 에너지에 대한 제어 능력이 높고, 대면적의 처리 능력을 갖는 확장성이 용이한 플라즈마 소스가 요구되고 있다. 플라즈마를 이용한 반도체 제조 공정에서 원격 플라즈마의 사용은 매우 유용한 것으로 알려져 있다. 예를 들어, 공정 챔버의 세정이나 포토레지스트 스트립을 위한 에싱 공정에서 유용하게 사용되고 있다. 그런데 피처리 기판의 대형화에 따라 공정 챔버의 볼륨도 증가되고 있어서 고밀도의 활성 가스를 충분히 원격으로 공급할 수 있는 플라즈마 소스가 요구되고 있다.
원격 플라즈마 발생기(remote plasma generator)는 공정 챔버의 외부에서 플라즈마를 발생하여 활성 가스를 원격으로 공정 챔버에 공급한다. 원격 플라즈마 발생기는 플라즈마 소스 구조에 따라 그 종류가 다양하다. 예를 들어, 유도 결합 플라즈마 소스(inductively coupled plasma source), 용량 결합 플라즈마 소스(capacitively coupled plasma source), 마이크로웨이브 플라즈마 소스(microwave plasma source) 등이 원격 플라즈마 발생기에 사용되고 있다. 유도 결합 플라즈마 소스의 경우 특히 변압기를 채용한 방식을 변압기 결합 플라즈마 소스(transformer coupled plasma)라 한다. 변압기 결합 플라즈마 소스(transformer coupled plasma source)를 사용한 원격 플라즈마 발생기는 토로이달 구조의 플라즈마 챔버 몸체에 일차 권선 코일을 갖는 마그네틱 코어가 장착된 구조를 갖는다.
플라즈마 발생기는 내부로 공급되는 공정가스가 플라즈마 소스에 의해 방전되고, 방전된 플라즈마 이온이 플라즈마 발생기 외부로 배출된다. 플라즈마 발생기로 공급되는 반응가스는 순간적으로 매우 빠른 속도로 공급되므로 모든 반응 가스가 방전되어 완전한 분해가 이루어지지 못한다. 그러므로 반응가스에 대한 분해율이 떨어지게 되어 처리 효율이 낮아진다.
또한 플라즈마를 점화한 이후 플라즈마를 지속적으로 유지하며 분해된 플라즈마 이온을 배출해야한다. 이때, 분해된 이온은 배출되기 전에 다시 재결합이 될 수 있어 플라즈마 방전 상태를 지속적으로 유지하기 위한 노력이 필요하다. 아울러 플라즈마 발생기에서 플라즈마 방전을 위한 점화를 위해서는 별도의 점화전극을 구비하여야 한다. 별도의 점화전극을 구비해야하므로 플라즈마 발생기를 제조하는 제조비용이 높아지게 된다.
본 발명의 목적은 플라즈마 발생기 내부에서 반응가스의 이온 궤적을 변화시켜 반응가스의 잔류시간을 증대하여 반응가스의 분해율을 향상시킬 수 있는 이온 분해율을 향상시킨 플라즈마 발생기를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 플라즈마 점화 후 이온의 재결합을 방지함으로써 방전된 플라즈마를 지속적으로 유지하여 처리 효율을 향상시킬 수 있는 이온 가속에 의해 이온 분해율을 향상시킨 플라즈마 발생기를 제공하는데 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일면은 이온 분해율을 향상시킨 플라즈마 발생기에 관한 것이다. 본 발명의 이온 분해율을 향상시킨 플라즈마 발생기는 프로세스 챔버로 플라즈마 이온을 제공하는 원격 플라즈마 발생기에 있어서, 플라즈마를 형성하기 위한 이온화 에너지를 제공하는 플라즈마 소스; 및 상기 이온화 에너지에 의해 형성된 제1 이온 가속방향과 상이한 방향의 제2 이온 가속방향을 형성하도록 에너지를 제공하는 하나 이상의 이온 가속 전극을 포함하는 이온 가속 수단을 포함하여 이온의 운동 궤적을 변화시킨다.
일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 소스는 환형의 플라즈마가 형성되는 토로이달 형상의 플라즈마 챔버; 상기 플라즈마 챔버의 일부가 통과하도록 장착되는 하나 이상의 페라이트 코어 및 상기 페라이트 코어에 커플링되는 일차권선을 갖는 파워 트랜스포머; 및 상기 일차권선에 전력을 공급하기 위한 전원 공급원을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 이온 가속 수단은 상기 플라즈마 내로 자기장을 형성하는 영구자석 또는 유도자석을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 이온 가속 전극은 상기 페라이트 코어가 장착된 영역에 설치된다.
본 발명의 이온 가속에 의해 이온 분해율을 향상시킨 플라즈마 발생기에 의하면 반응가스 이온의 운동 궤적을 변화시킴으로써 플라즈마 채널 내에서 머무는 잔류 시간을 늘릴 수 있어 가스 분해율을 향상시킬 수 있다. 가스 분해율이 향상됨으로 동일한 전력 공급과 대비하여 플라즈마 방전 효율을 극대화할 수 있다. 또한 플라즈마가 방전된 후 분해된 이온의 재결합을 방지할 수 있어 플라즈마 상태를 지속적으로 유지하며 공급할 수 있다. 또한 별도의 점화전극이 없이 플라즈마 점화가 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 플라즈마 발생기의 개념을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 발생기가 프로세스 챔버에 설치된 상태를 도시한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 이온 가속 전극이 삽입된 플라즈마 발생기의 제1 실시예 및 이온 가속 전극에 의한 이온의 운동궤적을 도시한 도면이다.
도 4는 챔버 바디에 삽입된 이온 가속 전극을 도시한 사시도이다.
도 5 및 도 6은 이온 가속 전극으로 전력을 공급하기 위한 연결구조를 도시한 도면이다.
도 7은 이온 가속 전극의 구조부를 도시한 단면도이다.
도 8 내지 도 11은 이온 가속 전극의 변형 실시예를 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 이온 가속 전극이 삽입된 플라즈마 발생기의 제2 실시예를 도시한 도면이다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 이온 가속 전극이 삽입된 플라즈마 발생기의 제3 실시예를 도시한 도면이다.
도 15는 본 발명의 이온 가속 전극이 삽입된 플라즈마 발생기의 제4 실시예를 도시한 도면이다.
도 16은 도 15에 따른 이온 가속 전극의 변형 실시예를 도시한 도면이다.
도 17은 본 발명의 이온 가속 전극 및 영구자석이 장착된 플라즈마 발생기의 제1 실시예를 도시한 도면이다.
도 18 및 19는 영구자석의 다양한 배치구조를 도시한 도면이다.
도 20은 본 발명의 이온 가속 전극 및 영구자석이 장착된 플라즈마 발생기의 제2 실시예를 도시한 도면이다.
도 21 및 도 22는 본 발명의 이온 가속 전극 및 유도자석이 장착된 플라즈마 발생기의 실시예를 도시한 도면이다.
도 23은 플라즈마 발생기에서 유도자석이 장착된 부분에서의 이온 운동궤적을 도시한 도면이다.
도 24는 본 발명의 유도자석에 파워코일이 권선된 상태를 도시한 도면이다.
본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공 되어지는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 구성은 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.
도 1은 본 발명에 따른 플라즈마 발생기의 개념을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 플라즈마 발생기는 플라즈마(118)를 발생하기 위한 이온화 에너지를 제공하는 플라즈마 소스를 포함한다. 플라즈마 소스로부터 제공된 이온화 에너지에 의해 제1 이온 가속방향(142)이 결정된다. 이때, 본 발명에 따른 이온 가속 수단은 플라즈마(118) 내에서 제1 이온 가속방향(142)과 상이한 방향으로 제2 이온 가속방향(144)을 형성한다. 그러므로 제1 및 제2 이온 가속방향(142, 144)에 의해 이온의 운동 궤적이 변화되며 매우 복잡한 경로로 회전가속(146)이 이루어진다. 회전가속(146)에 의해 플라즈마(118) 내의 이온의 체류시간이 증대되어 이온 분해율이 높아진다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 발생기가 프로세스 챔버에 설치된 상태를 도시한 개념도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 플라즈마 발생기(100)는 이온화 에너지를 제공하는 플라즈마 소스와 이온 가속 수단을 포함한다. 플라즈마 발생기(100)에서 이온 가속 수단에 의해 가속된 활성가스는 어뎁터(190)를 통해 연결된 공정챔버(195)로 공급된다. 공정챔버(195)는 피처리 기판(197)이 놓이는 서셉터(196)가 구비되며, 공정챔버(195)에 형성된 배출구에는 배기펌프(198)이 연결된다.
도 3은 본 발명의 이온 가속 전극이 삽입된 플라즈마 발생기의 제1 실시예 및 이온 가속 전극에 의한 이온의 운동궤적을 도시한 도면이고, 도 4는 챔버 바디에 삽입된 이온 가속 전극을 도시한 사시도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 플라즈마 발생기(100)는 이온화 에너지를 제공하는 플라즈마 소스와 이온 가속 수단을 포함한다. 플라즈마 발생기(100)에서 이온 가속 수단에 의해 가속된 활성가스는 어뎁터를 통해 연결된 공정챔버(50)로 공급된다. 공정챔버(50)는 피처리 기판(197)이 놓이는 서셉터(196)가 구비된다.
플라즈마 소스는 플라즈마 챔버(110) 내에서 플라즈마(118)가 발생되도록 이온화 에너지를 플라즈마 챔버(110) 내로 제공한다. 플라즈마 소스는 용량 결합 플라즈마(Capacitive Coupled Plasma), 유도 결합 플라즈마(Inductive Coupled Plasma) 또는 변압기 플라즈마(Transfer Coupled Plasma) 중 어느 하나로 형성된다. 플라즈마 챔버(110)와 파워 트랜스포머(120) 및 점화전극부(180)로 구성된다. 플라즈마 챔버(110)는 환형의 플라즈마(118)가 내부에 형성되는 토로이달 형상의 챔버 바디(112)를 포함한다. 챔버 바디(112)의 상부에는 플라즈마를 점화하기 위하여 초기 이온화를 위한 점화전극부(180)가 구비될 수 있다. 플라즈마 챔버(110)의 상부 중앙에는 가스를 플라즈마 챔버(110) 내로 공급하기 위한 가스 주입구(114)가 구비되고, 하부에는 플라즈마 챔버(110)에서 생성된 활성가스를 배출하기 위한 가스 배출구(116)가 구비된다. 플라즈마 챔버(110)의 재질은 알루미늄과 같은 도체로 형성되거나 석영으로 형성된다. 도면에서는 도시하지 않았으나, 플라즈마 챔버(110)에는 냉각채널이 구비될 수 있다.
점화전극부(180)는 도체로 형성되어 플라즈마 챔버(110) 내로 플라즈마(118)를 점화하기 위한 점화전극(182), 점화전극(182)을 플라즈마(118)로부터 보호하기 위한 절연 플레이트(184) 및 하나 이상의 오링(186)으로 구성된다. 절연 플레이트(184)는 점화전극(182)이 플라즈마 챔버(110) 내부에서 발생되는 플라즈마(118)에 노출되지 않도록 하며, 절연물질(예를 들어, 사파이어)로 형성될 수 있다. 플라즈마 챔버(110) 내로 주입된 아르곤과 같은 불활성 가스는 플라즈마를 점화하기 위해 필요한 전압을 감소시킨다. 점화전극(182)에 높은 전압을 인가함으로써 플라즈마 챔버(110) 내로 자유 전하들이 생성되어 초기 이온화 이벤트를 제공한다.
파워 트랜스포머(120)는 페라이트 코어(122)와 일차권선(124)을 포함한다. 하나 이상의 페라이트 코어(122)는 플라즈마 챔버(110)의 일부가 통과하도록 장착되고, 일차권선(124)이 페라이트 코어(122)에 커플링되며 전원 공급원(102)에 연결된다. 플라즈마 챔버(110) 내에 발생된 플라즈마(118)는 파워 트랜스포머(120)의 이차측을 형성한다.
이온 가속 수단은 플라즈마 챔버(110) 내의 이온을 가속하기 위하여 챔버 바디(112) 내로 에너지를 제공한다. 플라즈마 소스로부터 제공되는 이온화 에너지에 의해 챔버 바디(110) 내에는 환형의 제1 이온 가속방향(142)이 형성된다. 이때, 이온 가속 수단으로부터 제공되는 에너지에 의해 제2 이온 가속방향(144)이 형성된다. 이때, 제1 이온 가속방향(142)과 제2 이온 가속방향(144)은 서로 상이한 방향으로 형성된다. 다시 말해, 제2 이온 가속방향(144)은 제1 이온 가속방향(142)과 소정의 각(θ> 0ㅀ)을 갖도록 형성된다. 본 발명에서는 제1 이온 가속방향(142)과 제2 이온 가속방향(144)이 서로 수직이므로 이온이 회전되며 이온 가속 경로가 매우 복잡해진다.
이온 가속수단의 한 예로써, 챔버 바디(112) 내에 이온 가속 전극부(130)를 삽입할 수 있다. 이온 가속 전극부(130)는 봉 형상의 전극으로 플라즈마(118)내에 위치할 수 있도록 챔버 바디(112) 내부에 장착된다. 이온 가속 전극부(130)와 챔버 바디(112) 사이에서 전기장이 형성되며 제2 이온 가속방향(144)이 형성된다. 플라즈마 챔버(110) 내부로 주입된 반응 가스는 제1 이온 가속방향(142)에 의해 가속되며 운동한다. 이때, 제2 이온 가속방향(144)에 의해 본래의 운동 궤적이 변화하게 되어 회전하면서 회전가속(146)되며 이동된다. 그러므로 회전되는 이온은 챔버 바디(112) 내에서의 체류시간이 증대되고, 회전에 의해 이온간의 충돌이 용이하게 발생되어 가스 분해 효율이 높아지며 플라즈마 밀도가 상승한다.
또한 이온 가속 전극부(130)는 점화전극으로도 사용할 수 있다. 플라즈마 초기 점화시 이온 가속 전극부에 높은 전압을 인가하여 플라즈마 챔버(110) 내로 자유 전하들이 생성되어 초기 이온화 이벤트를 제공한다.
플라즈마 챔버(110)는 가스 주입구(114)가 구비된 제1 챔버 바디(104), 페라이트 코어(122)가 설치되는 제2 챔버 바디(106) 및 가스 배출구(116)가 구비된 제3 챔버 바디(108)로 형성될 수 있다. 제1 챔버 바디(104)와 제2 챔버 바디(106), 제2 챔버 바디(106)와 제3 챔버 바디(108) 사이에는 절연구간이 구비된다. 이온 가속 전극부(130)는 플라즈마 챔버(110)의 상부에서부터 페라이트 코어(122)가 설치된 제2 챔버 바디(106)까지 위치한다. 이온 가속 전극부(130)는 양측의 제2 챔버 바디(106)에 모두 설치될 수도 있고, 일측의 제2 챔버 바디(106)에만 설치될 수도 있다. 그러므로 페라이트 코어(122)가 설치되어 플라즈마 방전이 집중되는 제2 챔버 바디(106) 내부에서 이온 가속 전극부(130)에 의해서 더욱 가스 분해 효율이 높아진다.
도 5 및 도 6은 이온 가속 전극으로 전력을 공급하기 위한 연결구조를 도시한 도면이다.
도 5(a)를 참조하면, 이온 가속 전극부(130)는 일차권선(124)으로 전력을 공급하는 메인 전원 공급원(102)과 연결되어 전력을 공급받을 수 있다. 또한 도 5(b)를 참조하면, 이온 가속 전극부(130)는 접지로 연결될 수 있다. 이때, 이온 가속 전극부(130)는 중간부분이 접지로 연결되어 +,-가 교대로 형성됨으로써 위상차를 극대화할 수 있다.
또한 도 5(c)를 참조하면, 이온 가속 전극부(130)는 플로팅 상태를 유지할 수 있다. 도면에서는 도시하지 않았으나, 또 다른 실시예로써 다수 개의 이온 가속 전극부(130)를 플라즈마 챔버(110) 내부에 설치하는 경우, 예를 들어, 일부의 이온 가속 전극부(130)에는 전력을 공급하고, 일부의 이온 가속 전극부(130)는 접지로 연결하는 등 다양하게 실시할 수 있다. 이온 가속 전극부(130)는 이온 가속 전극부(130)로부터 챔버 바디(112) 내부면까지의 길이가 모두 동일하도록 챔버 바디(112) 내부 중앙에 이온 가속 전극부(130)가 위치되게 설치될 수 있다.
도 6을 참조하면, 이온 가속 전극부(130)는 페라이트 코어(122)에 별도로 감겨진 파워코일(126)과 연결되어 전력을 공급받을 수 있다. 페라이트 코어(122)에 집속되는 자기장에 의해 파워코일(126)로 전류가 흐르게 되어 이온 가속 전극부(130)에 공급된다. 그러므로 이온 가속 전극부(130)는 별도의 전원 공급원과 연결되지 않아도 된다. 파워코일(126)의 권선비를 제어함으로써 이온 가속 전극부(130)로 인가되는 전압을 제어할 수 있다. 파워코일(126)의 권선수에 따라 이온 가속 전극부(130)에 인가되는 전력은 더 많은 전위차를 가진다. 그러므로 플라즈마 점화에 용이하다.
도 7은 이온 가속 전극의 구조부를 도시한 단면도이다.
도 7을 참조하면, 이온 가속 전극부(130)는 도체로 형성된 이온 가속 전극(132) 및 제1, 2 커버부재(136a, 136b)로 구성된다. 이온 가속 전극(132)은 도체로 일측이 제1 방향으로 연장된 봉 형상으로 형성되며, 타측이 제2 방향으로 연장된 연장부(132a)가 형성된다. 연장부(132a)는 절연물질인 제1, 2 커버부재(136a, 136b)에 의해 커버되며, 챔버 바디(112)에 걸쳐져 설치된다. 이때, 연장부(132a)의 일부는 제1, 2 커버부재(136a, 136b)에 의해 커버되지 않는 피드부(138)가 구비되어 전원 공급원과 연결된다. 이온 가속 전극(132)이 과열되지 않도록 제1 커버부재(136a)에는 공기가 유동될 수 있는 공간이 형성된다. 제2 커버부재(136b)와 연장부(132a) 사이에는 오링(137)이 더 구비된다. 이온 가속 전극(132)에서 플라즈마에 노출되는 부분은 전기적 절연을 위하여 세라믹으로 형성된 코팅층(134)을 갖는다. 세라믹 코팅층(134)으로 인해 이온 충돌에 따른 파티클 발생을 방지할 수 있다. 또한 이온 가속 전극(132)이 과열되지 않도록 이온 가속 전극(132) 내부에 냉각수를 포함할 수 있다.
도 8 내지 도 11은 이온 가속 전극의 변형 실시예를 도시한 도면이다.
도 8 내지 도 10을 참조하면, 이온 가속 전극부(130)는 챔버 바디(112)의 형상에 따라 이온 가속 전극부(130)의 형상이 다양하게 변형될 수 있다. 챔버 바디(112)의 제2 챔버 바디(106) 내부 형상이 원형인 경우, 이온 가속 전극부(130)의 이온 가속 전극(132)도 제2 챔버 바디(106) 내부 형상과 동일하게 단면이 원형상을 갖는 봉형태로 형성될 수 있다. 또한 챔버 바디(112)의 제2 챔버 바디(106a)의 내부 형상이 사각형인 경우, 이온 가속 전극부(130a)의 이온 가속 전극(132)도 제2 챔버 바디(106a) 내부 형상과 동일하게 단면이 사각형상을 갖는 봉형태로 형성될 수 있다. 하나의 제2 챔버 바디(106a, 106b) 내부에 다수의 이온 가속 전극(132)이 구비된 이온 가속 전극부(130a, 130b)가 설치될 수도 있다. 제2 챔버 바디(106, 106a)의 내부 형상과 이온 가속 전극부(130, 130a)의 형상이 동일하므로 이온 가속 전극부(130, 130a)와 제2 챔버 바디(106, 106a) 사이에서의 전기장이 균일하게 발생되어 제2 챔버 바디(106, 106a) 내에서 균일하게 플라즈마가 발생되는 효과를 가진다.
또 다른 실시예로써 이온 가속 전극부(130b)의 이온 가속 전극(132)은 판 형상으로 형성될 수도 있다. 또한 판 형상의 이온 가속 전극부(130c)의 이온 가속 전극에는 다수 개의 홀(131)이 형성될 수도 있다. 이온 가속 전극부(130b, 130c)는 판 형상으로 형성되어 제2 챔버 바디(106a)와 사이에서의 전기장 발생 효율을 높일 수 있다.
도 11을 참조하면, 또 다른 실시예로써, 이온 가속 전극부(130d)는 나선 형상으로 회전되며 형성될 수 있다. 나선 형상의 이온 가속 전극부(130d)에 의해 이온 가속 경로가 더욱 복잡해지므로 이온 분해 효율이 향상될 수 있다.
도 12는 본 발명의 이온 가속 전극이 삽입된 플라즈마 발생기의 제2 실시예를 도시한 도면이다.
도 12를 참조하면, 이온 가속 전극부(130)는 페라이트 코어(122)가 설치되지 않은 챔버 바디(112) 영역에 설치될 수 있다. 이온 가속 전극부(130)는 가스가 주입되는 가스 주입구(114) 또는 분해된 가스가 배출되는 가스 배출구(116)가 형성된 챔버 바디(112)의 상부 또는 하부에 설치될 수 있다. 또한 이온 가속 전극부(130)는 가스 주입구(114)와 가스 배출구(116)가 형성된 챔버 바디(112)의 상부 및 하부 모두에 설치될 수 있다. 제1 이온 가속방향(142)과 상이한 제2 이온 가속방향(144)에 의해 이온 가속 경로가 매우 복잡하게 형성되기 때문에 가스 주입구(114)에서 주입된 가스의 분해 효율이 향상된다. 분해된 가스는 가스 배출구(116)를 통해 배출되기 전에 이온 가속 전극부(130)에 의해 이온 가속 경로가 복잡해진다. 그러므로 이온의 체류시간이 증가하여 분해된 이온이 재결합되거나 분해되지 않은 상태로 배출되는 것을 미연에 방지할 수 있다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 본 발명의 이온 가속 전극이 삽입된 플라즈마 발생기의 제3 실시예를 도시한 도면이다.
도 13을 참조하면, 페라이트 코어(122)가 설치되는 영역을 기준으로 상측 챔버 바디(112)에 제1, 2 이온 가속 전극부(139a, 139b)가 설치되고, 페라이트 코어(122)가 설치되는 영역을 기준으로 하측 챔버 바디(112)에 제3, 4 이온 가속 전극부(139c, 139d)가 설치된다. 다수 개의 제1, 2, 3, 4 이온 가속 전극부(139a, 139b, 139c, 139d)에 의해 챔버 바디(112) 내에서 유동되는 이온의 가속 경로가 복잡해지며 체류 시간이 증가된다. 그러므로 이온 분해 효율이 향상된다.
도 14a를 참조하면, 제1, 2 이온 가속 전극부(139a, 139b)는 페라이트 코어(122)에 권선된 제1 파워코일(126a)에 연결되고, 제3, 4 이온 가속 전극부(139c, 139d)는 페라이트 코어(122)에 권선된 제2 파워코일(126b)에 연결된다. 도 14b를 참조하면, 하나의 파워코일(126c)에 제1, 3 이온 가속 전극부(139a, 139c) 및 제2, 4 이온 가속 전극부(139b, 139d)가 동일한 위상의 전력을 공급받도록 연결될 수 있다. 다시 말해, 상, 하로 마주하는 이온 가속 전극부에 동일한 위상의 전력을 공급한다. 도 14c를 참조하면 마주하는 제1, 3 이온 가속 전극부(139a, 139c) 및 제2, 4 이온 가속 전극부(139b, 139d)는 상이한 위상의 전력을 공급받도록 파워코일(126d)에 연결될 수 있다.
도 15는 본 발명의 이온 가속 전극이 삽입된 플라즈마 발생기의 제4 실시예를 도시한 도면이고, 도 16은 도 15에 따른 이온 가속 전극의 변형 실시예를 도시한 도면이다.
도 15를 참조하면, 플라즈마 발생기(150)는 유도 결합 방식으로 플라즈마를 생성한다. 플라즈마 발생기(150)는 중공의 챔버 바디(152)와 챔버 바디(152)에 권선되는 유도코일(160)로 구성된다. 챔버 바디(152)는 내부에 유도 결합 플라즈마가 발생되는 중공의 방전 공간을 갖고, 일측에 가스 입구(154)가 형성되고, 타측에 가스 출구(456)가 형성된다. 챔버 바디(152)의 외주면에는 유도코일(160)이 권선된다. 유도코일(160)은 전원 공급원(미도시)과 연결되고, 전원 공급원으로부터 전력을 공급받아 구동됨으로써 챔버 바디(152) 내부에 제1 이온 가속 방향의 전기장이 유도되어 유도 결합된 플라즈마를 발생시킨다. 여기서, 챔버 바디(152) 내부에는 제1 이온 가속 방향과 소정의 각도로 제2 이온 가속 방향을 형성하기 위한 이온 가속 전극부(170)가 구비된다. 제1 및 제2 이온 가속 방향이 상이하기 때문에, 이로 인해 챔버 바디(152) 내부에 공급된 가스 이온의 이동 가속 경로가 복잡하게 형성된다. 그러므로 가스 이온은 챔버 바디(152) 내부에서 체류되는 시간이 증대되고, 이온간의 충돌 횟수를 증가시킴으로써 가스 분해율이 향상된다.
도 16을 참조하면, 이온 가속 전극부(170)의 이온 가속 전극은 형상을 다양하게 변형될 수 있다. 도 16(a)에 도시된 바와 같이, 이온 가속 전극부(170)는 봉 형상으로 형성될 수 있다. 또한 도 16(b), (c)에 도시된 바와 같이, 이온 가속 전극부(170a)는 판 형상으로 형성될 수 있고, 이온 가속 전극부(170b)는 판 형상으로 관통홀(172)이 형성될 수 있다. 또한 도 14(d)에 도시된 바와 같이, 다수 개의 이온 가속 전극이 구비된 이온 가속 전극부(170c)가 형성될 수 있다.
도 17은 본 발명의 이온 가속 전극 및 영구자석이 장착된 플라즈마 발생기의 제1 실시예를 도시한 도면이고, 도 18 및 19는 영구자석의 다양한 배치구조를 도시한 도면이다.
도 17을 참조하면, 이온 회전 수단으로써 다수 개의 영구자석(230)을 추가적으로 사용할 수 있다. 영구자석(230)은 플라즈마 발생기(290a)의 챔버 바디(212) 주변에 설치되거나 챔버 바디(212) 내에 삽입되어 설치된다. 챔버 바디(212) 내부에 형성되는 플라즈마를 중심으로 서로 다른 극성을 갖는 영구자석(230)이 대향되도록 설치하여 챔버 바디(212) 내로 자기장(제2 이온 가속 방향)이 형성된다. 다수 개의 영구자석(230)은 페라이트 코어(222)와 일차권선(224)으로 구성된 변압기(220)가 설치되는 챔버 바디(212) 영역에 위치될 수 있도록 설치된다. 가스 주입구(214)를 통해 챔버 바디(212)의 내부로 공급되는 가스는 페라이트 코어(222)가 설치되는 챔버 바디(212) 영역에서 분해되는 비율이 높다. 그러므로 페라이트 코어(222)가 설치되는 영역에 다수 개의 영구자석(230) 및 이온 가속 전극(130)을 설치함으로써 이온 가속 전극(130) 및 영구자석에 의한 가스 이온의 가속 경로가 복잡해져서 분해율이 향상된다. 분해된 가스는 가스 배출구(216)을 통해 배출된다.
다수 개의 영구자석(230)은 챔버 바디(212)에 구비된 절연영역 주변에 설치될 수 있다. 다수 개의 영구자석(230)에 의해 절연영역에서 자기장이 형성됨으로써 절연영역을 지나는 가스 이온을 회전 가속하여 이온 가속 경로가 복잡해진다. 그러므로 이온의 체류시간이 증가하여 분해된 이온이 재결합되거나 분해되지 않은 상태로 배출되는 것을 미연에 방지할 수 있다.
챔버 바디(212)는 영구자석(230)에 의해 형성되는 자기장이 챔버 바디(212) 내부로 유도될 수 있는 재질로 제작되는 것이 바람직하다. 여기서, 챔버 바디(212) 전체를 자기장이 내부로 유도될 수 있는 재질로 제작할 수도 있고, 영구자석(230)이 설치되는 영역만 자기장이 내부로 유도될 수 있는 재질로 제작할 수도 있다.
챔버 바디(212)의 상부에는 점화전극부(280)가 구비된다. 점화전극부(280)는 도체로 형성되어 플라즈마 챔버(210) 내로 플라즈마(118)를 점화하기 위한 점화전극(282), 점화전극(282)을 플라즈마(118)로부터 보호하기 위한 절연 플레이트(284) 및 하나 이상의 오링(286)으로 구성된다. 절연 플레이트(284)는 점화전극(282)이 플라즈마 챔버(210) 내부에서 발생되는 플라즈마(118)에 노출되지 않도록 하며, 절연물질(예를 들어, 사파이어)로 형성될 수 있다. 플라즈마 챔버(210) 내로 주입된 아르곤과 같은 불활성 가스는 플라즈마를 점화하기 위해 필요한 전압을 감소시킨다. 점화전극(282)에 높은 전압을 인가함으로써 플라즈마 챔버(210) 내로 자유 전하들이 생성되어 초기 이온화 이벤트를 제공한다.
도 18(a)를 참조하면, 다수 개의 영구자석(230)은 제1, 2 영구자석 모듈(230a, 230b)이 대향되도록 설치된다. 여기서, 제1, 2 영구자석 모듈(230a, 230b)은 다수 개의 영구자석(230)을 서로 다른 극성이 마주하도록 병렬로 배치시킬 수 있다. 제1, 2 영구자석 모듈(230a, 230b)은 서로 다른 극성이 마주하도록 챔버 바디(212)에 설치되어 자기장을 형성한다.
도 18(b)를 참조하면, 다수 개의 영구자석(230)은 제1, 2 영구자석 모듈(230c, 230d)이 대향되도록 설치된다. 여기서, 제1, 2 영구자석 모듈(230c, 230d)은 다수 개의 영구자석(230)을 동일 극성이 마주하도록 병렬로 배치시킬 수 있다. 제1, 2 영구자석 모듈(230a, 230b)은 서로 다른 극성이 마주하도록 챔버 바디(212)에 설치되어 자기장을 형성한다.
도 19를 참조하면, 내부 방전 공간의 단면이 사각형상 또는 원형상 등 다양한 형상의 챔버 바디(212a, 212b)에 다수 개의 영구자석(230)이 설치될 수 있다. 다수 개의 영구자석(230)은 챔버 바디(212a, 212b) 내부에 삽입되어 설치될 수도 있고, 클램핑부재(미도시)에 의해 결합되어 챔버 바디(212a, 212b)에 장착될 수도 있다.
도 20은 본 발명의 이온 가속 전극 및 영구자석이 장착된 플라즈마 발생기의 제2 실시예를 도시한 도면이다.
도 20을 참조하면, 플라즈마 발생기(290b)는 이온 회전 수단으로써 다수 개의 영구자석(230)을 챔버 바디(212)의 상부 및 하부에 설치할 수 있다. 챔버 바디(212)의 상부에는 가스가 주입되는 가스 주입구(214)가 구비되고, 챔버 바디(212)의 하부에는 분해된 가스가 배출되는 가스 배출구(216)가 구비된다. 다수 개의 영구자석(230)은 챔버 바디(212) 내부에 형성되는 플라즈마(118)를 중심으로 서로 다른 극성이 마주하도록 설치된다. 그러므로 가스 주입구로 주입된 가스는 영구자석(230)에 의해 챔버 바디(212) 내에 갖히게 됨으로써 이온 체류시간이 더욱 상승하고, 이로 인하여 이온 분해율이 증대되는 효과를 이룬다. 또한 가스 배출구로 배출되기 위하여 이동하던 가스는 영구자석(230)에 의해 챔버 바디(212) 내에 갖히게 됨으로써 이온 체류시간이 더욱 상승하고, 이로 인하여 이온 분해율이 증대되는 효과를 이룬다.
다수 개의 영구자석(230)은 챔버 바디(212)의 상부 또는 하부 중 한 부분에만 설치될 수도 있다. 이온 가속 전극(130) 또한 가스 주입구(214) 또는 가스 배출구(216) 영역에 설치될 수도 있고, 페라이트 코어(222)가 설치되는 영역에 설치될 수도 있다. 이온 가속 전극(130)과 영구자석(230)은 플라즈마 챔버(210)의 동일 영역으로 에너지를 제공하거나, 서로 다른 영역으로 에너지를 제공함으로써 이온의 가속 경로를 복잡하게 형성할 수 있다. 도 20(b)에 도시된 바와 같이, 챔버 바디(212) 내부 공간을 중심으로 둘레에 다수 개의 영구자석(230)이 배치될 수 있다.
도 21 및 도 22는 본 발명의 이온 가속 전극 및 유도자석이 장착된 플라즈마 발생기의 실시예를 도시한 도면이도, 도 23은 플라즈마 발생기에서 유도자석이 장착된 부분에서의 이온 운동궤적을 도시한 도면이다.
도 21 내지 도 23을 참조하면, 플라즈마 발생기(300a)는 이온 가속 수단으로써, 이온 가속 전극(130) 및 하나 이상의 유도자석부(350)가 챔버 바디(312)에 설치되어 형성된다. 유도자석부(350)는 자속 출입구가 형성된 마그네틱 코어(352) 및 마그네틱 코어(352)에 권선되는 유도코일(354)을 포함한다. 유도코일(354)은 유도자석 전원 공급원(351)에 연결되어 구동 전력을 제공받는다. 여기서, 유도코일(354)은 일차권선(224)에 연결된 전원 공급원(302)과 연결되어 전력을 공급받을 수도 있다. 마그네틱 코어(352)는 자속 출입구(352)가 챔버 바디(312) 내부를 향하도록 챔버 바디(312)의 외부에 끼워져 장착된다. 유도자석 전원 공급원(351)으로부터 전력을 공급받아 유도코일(354)이 구동되면, 챔버 바디(312) 내부에는 마그네틱 코어(352)의 자속 출입구 사이에서 형성되는 자기장(358)과 변압기(320)에 의해 챔버 바디(312) 내부로 유도되는 전기장이 혼재된다. 다시 말해, 변압기에 의해 챔버 바디(312) 내부로 유도되는 전기장은 제1 이온 가속방향을 갖고, 이온 가속 전극(130) 및 자기장(358)에 의해 유도되는 또 다른 이온 가속 방향을 갖는다. 그러므로 가스 이온 경로가 복잡해지며 이온 체류 시간이 증대되고, 이온 분해율이 향상된다.
마그네틱 코어(352)에 의해 유도되는 전기장은 제2 이온 가속방향(358)을 갖는다. 또한 그러므로 제1 이온 가속방향과 제2 이온 가속방향이 상이하기 때문에 이온의 가속 경로가 복잡해지며, 이온의 체류 시간이 증대되어 이온 분해율이 향상된다.
유도자석부(350)는 챔버 바디(312)의 상부에 설치될 수 있다. 특히, 환형으로 형성되는 챔버 바디(312)에서 꺽여지는 부분에 유도자석부(350)가 설치될 수 있다. 가스 주입구로 주입된 가스는 챔버 바디(312) 상부에서 양측으로 분배되고, 페라이트 코어(322)가 설치되는 중간부에서 직선 하강하게 되는데, 양측으로 분배된 가스가 직선하강하기 전에 유도자석부(350)에 의해 이온의 체류시간이 증대된다.
도 24는 본 발명의 유도자석에 파워코일이 권선된 상태를 도시한 도면이다.
도 24를 참조하면, 유도자석부(350)는 페라이트 코어(322)에 권선된 파워코일(354a, 354b)과 연결될 수 있다. 유도자석부(350)의 마그네틱 코어(352)에는 페라이트 코어(322)에 권선되는 파워코일(354a, 354b)이 권선됨으로써 전원 공급원(302)으로부터 일차권선(324)으로 공급되는 전력이 파워코일(354a, 354b)로 전달되어 마그네틱 코어(352)의 자속 출입구에서 자기장이 형성되도록 한다. 여기서, 마그네틱 코어(352)는 하나의 파워코일에 연결될 수도 있고, 두 개의 파워코일(354a, 354b)에 의해 연결될 수 있다.
이상에서 설명된 본 발명의 이온 분해율을 향상시킨 플라즈마 발생기의 실시예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다.
그럼으로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
100, 200, 290a, 290b, 300, 300a, 300b: 플라즈마 발생기
102, 202, 302: 메인 전원 공급원 104: 제1 챔버 바디
106, 106a: 제2 챔버 바디 108: 제3 챔버 바디
110, 210: 플라즈마 챔버 112, 212, 312: 챔버 바디
114, 214, 314: 가스 주입구 116, 216, 316: 가스 배출구
118: 플라즈마 120, 220, 320: 파워 트랜스포머
122, 222, 322: 페라이트 코어 124, 224, 324: 일차권선
126, 126c, 126d: 파워코일 126a, 126b: 제1, 2 파워코일
130, 130a, 130b, 130c, 130d: 이온 가속 전극부
131: 관통홀 132: 이온 가속 전극
134: 코팅층 136a, 136b: 제1, 2 커버부재
137: 오링 138: 피드부
142: 제1 이온 가속방향 144: 제2 이온 가속방향
146: 회전가속 150: 플라즈마 발생기
152: 챔버 바디 154: 가스 입구
156: 가스 출구 160: 유도코일
170, 170a, 170b, 170c: 이온 가속 전극부
172: 관통홀 195: 공정챔버
196: 서셉터 197: 피처리 기판
198: 배기펌프 212a, 212b: 제2 챔버 바디
230: 영구자석 230a, 230b: 제1, 2 영구자석 모듈
280, 280: 점화전극부 282: 점화전극
284: 절연 플레이트 286: 오링
350: 유도자석부 351: 유도자석 전원 공급원
352: 마그네틱 코어 354: 유도코일
354a: 제1 파워코일 354b: 제2 파워코일
356: 자기장

Claims (4)

  1. 프로세스 챔버로 플라즈마 이온을 제공하는 원격 플라즈마 발생기에 있어서,
    플라즈마를 형성하기 위한 이온화 에너지를 제공하는 플라즈마 소스; 및
    상기 이온화 에너지에 의해 형성된 제1 이온 가속방향과 상이한 방향의 제2 이온 가속방향을 형성하도록 에너지를 제공하는 하나 이상의 이온 가속 전극을 포함하는 이온 가속 수단을 포함하여 이온의 운동 궤적을 변화시키는 것을 특징으로 하고,
    상기 이온 가속 수단은,
    일측이 제1 방향으로 연장된 봉 형상으로 형성되고, 타측이 제2 방향으로 연장된 연장부로 형성되는 이온 가속 전극;
    상기 플라즈마가 내부에 형성되는 토로이달 형상의 챔버 바디에 설치되고, 절연물질로 형성되며, 상기 연장부를 상기 챔버 바디로부터 절연하는 제1, 2 커버부재; 및
    상기 연장부의 일부분이 전원 공급원과 연결될 수 있도록, 상기 제1, 2 커버부재의 적어도 일부분이 관통되어 형성되는 피드부;
    를 포함하는 이온 분해율을 향상시킨 플라즈마 발생기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 소스는
    환형의 플라즈마가 형성되는 토로이달 형상의 플라즈마 챔버;
    상기 플라즈마 챔버의 일부가 통과하도록 장착되는 하나 이상의 페라이트 코어 및 상기 페라이트 코어에 커플링되는 일차권선을 갖는 파워 트랜스포머; 및
    상기 일차권선에 전력을 공급하기 위한 전원 공급원을 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 분해율을 향상시킨 플라즈마 발생기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 이온 가속 수단은 상기 플라즈마 내로 자기장을 형성하는 영구자석 또는 유도자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 분해율을 향상시킨 플라즈마 발생기.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 이온 가속 전극은 상기 페라이트 코어가 장착된 영역에 설치되는 것을 특징으로 하는 이온 분해율을 향상시킨 플라즈마 발생기.
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