KR20010021935A - 표면파 플라즈마를 이용한 기체 여기 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 기체 여기 장치에는 도파관을 형성하고 마이크로파 발생기에 연결되도록 의도되는 중공 구조체(24)와, 구조체를 통해 기체를 통과시키는 수단이 포함된다. 기체 통과 수단에는 유전성 재료로 만들어지는 적어도 2개의 중공 튜브(46, 48)가 포함되고, 각 중공 튜브는 입사파와 연관된 전계의 세기가 실질적으로 동일한 영역에서 상기 구조체(24)를 통과한다.

Description

표면파 플라즈마를 이용한 기체 여기 장치{DEVICE FOR EXCITING A GAS BY A SURFACE-WAVE PLASMA}

기체를 여기시키기 위해, 기체를 유전체 도관으로 통과시키며, 바람직하게는 국부적 열평형으로부터 벗어나서 표면파와 연관된 전계에 의해 이 기체에 전기 방전이 유지된다. 이 파는 종래의 도파관으로부터 마이크로파 일률(power)을 공급받는 필드 발생기에 의해 여기된다.

발생기의 제1 방식으로서, 서퍼트론-가이드(surfatron-guide)라고 알려진 것에는 도전(導電) 재료로 구성된 중공 구조체가 포함되며, 여기에는 입사파를 위한 집중 영역의 경계를 한정하고 단락을 형성하는 이동 도파관 플런저에 의해 폐쇄되는 제1 부재와, 상기 제1 부재에 대해 수직으로 연장되며 내부에 유전성 재료로 만들어지고 여기될 기체가 통과하는 도관이 동축으로 설치되는 제2 부재가 포함된다. 제2 부재에는 본 발명에 따른 장치의 임피던스를 정합시키기 위한 축방향 이동식 동조 플런저가 구비된다.

다른 방식의 발생기로서, 서퍼가이드(surfaguide)라고 알려진 것은 도전 재료로 구성되고 역시 도파관을 형성하는 중공 구조체가 포함되며, 마이크로파 발생기에 연결되고, 여기된 기체가 통과하는 유전체 중공 도관이 통과하도록 의도된 통로가 구비된다. 중공 구조체는 길이가 긴 여러 형태의 물체이며, 본 장치의 작동 중에 발생기에 의해 전달되는 마이크로파 일률이 도관 쪽으로 집중되도록 하는 집중 영역이 구비되어, 상기 기체 내에 플라즈마를 형성시키고, 바람직하게는 표면파 플라즈마를 형성시킨다.

서퍼가이드에는 서퍼트론-가이드의 제2 부재 내에 존재하는 것과 같은 동조 피스톤이 구비되지 않는다. 따라서, 전자는 후자보다 저렴하다. 또한, 서퍼가이드에 의해 발생되는 플라즈마의 길이는 동일한 일률에 대해 서퍼트론-가이드에 의해 발생되는 플라즈마의 길이보다 약간 높다.

그러나, 소정의 작동 조건 하에서, 서퍼가이드는 서퍼트론-가이드보다 덜 효율적이며, 이는 2.45 GHz의 주파수에서 20 mm가 넘는 직경의 방전 튜브를 사용하는 경우에 그러하다.

또한, 고 작동 일률에 대해, 복사 손실이 서퍼가이드의 분위기에서 발생되는데, 이는 본 장치의 에너지 균형에 매우 불리하고 또한 신뢰성과 안전성에 문제를 일으킨다.

추가로, 그 구성으로 인해, 이 2종류의 여기 장치는 처리될 기체에 대한 변환 산출량이 비교적 제한된다.

따라서, 예를 들어, C₂F₆에 대해, 90% 이상에 이르기까지 파괴할 수 있는 최대 유량은 분당 500 표준 cm³(SCCM)의 수준이다. 이 유량은 여러 경우에 불충분하며, 예를 들어 반도체 장치의 제조에 사용되는 박막 증착 반응기를 세정하는 동안 유출되는 기체를 처리하는 경우에 그렇다.

실제로, 유량이 고정된 상태에서 방전 튜브로 전달되는 소정의 마이크로파 일률에 대한 튜브의 직경이 증가하는 경우에, 변환 산출량에 있어서 전술한 매우 작은 수치가 작아진다. 이는 특히 방전 튜브의 직경이 증가하는 경우 전자의 평균 에너지가 감소하며, 이에 따라 전자의 충돌에 의한 여기가 감소한다는 사실에 의해 설명될 수 있다.

방전 튜브와 관련된 다른 중요한 현상으로서, 그 원인이 직류 전류, 라디오 주파수 또는 마이크로파 전계인가 여부에 상관없이, 대기압 하에서 방전이 반경 방향으로 수축한다는 것이다. 이런 현상은 크립톤의 경우와 같이 기체의 열전도성이 낮은 경우에 더욱 현저해진다.

수축이 심해지면, 플라즈마는 필라멘트 형태로 나타난다. 수축이 일어나자 마자 전술한 효과가 기체에 나타나며, 이는 튜브의 축으로부터의 거리가 증가함에 따라 방전이 점차적으로 작아지기 때문이다.

그 결과, 방전 튜브의 직경이 증가하면 1개 이상의 플라즈마 필라멘트가 생성되며, 그 사이에서 여기될 기체는 전혀 여기되지 않고 유동할 수 있다.

또한, 주어진 기체 유량에 대해, 표면파 방전으로 전달되는 일률은 변환 산출량을 늘리기 위해 증가되어야 하는데, 장치의 개시 간격에서 전기 아크가 발생할 위험 때문에 한계치 이상으로는 증가되지 못한다.

본 발명은 서퍼가이드 방식 또는 서퍼트론-가이드 방식 기체 여기 장치에 관한 것으로서, 여기될 기체는 특히 대기압 하에서 표면파 플라즈마로 처리된다.

도 1은 종래 기술에 따른 여기 장치의 개략적인 평면도이다.

도 2에는 도 1에 도시된 장치에 대한 등가 전기 선도가 도시되어 있다.

도 3은 본 발명에 따른 여기 장치의 개략적인 측면도이다.

도 4는 다른 실시예에 따른 여기 장치의 개략적인 사시도이다.

도 5는 다른 실시예에 따른 여기 장치의 사시도이다.

도 6에는 본 발명에 따른 장치에 있어서, 입사 일률이 500 W일 때, 입사 일률에 대한 반사 일률의 비율을 나타내는 곡선과, 튜브당 유량의 함수로서 2.45 GHz에서의 가이드(guide)의 파장 특성에 대한 최소 반사 일률에서의 동조 플런저의 유효 위치의 비율을 나타내는 곡선이 도시되어 있다.

본 발명의 목적은 종래 기술에서 서퍼가이드식 및 서퍼트론-가이드식 장치가 갖는 단점을 극복하고, 한편으로는 주어진 산출량에 대한 기체 유량을 증가시킬 수 있으며, 다른 한편으로는 주어진 기체 유량에 대한 산출량을 증가시킬 수 있는 여기 장치를 제공하는 것이다.

따라서, 본 발명은, 도전 재료로 만들어지고 도파관을 형성하며 마이크로파 발생기와 연결되는 것으로 의도된 중공 구조체와, 상기 구조체를 통해 여기될 기체를 통과시키는 수단이 포함되며, 상기 구조체는 길이가 긴 일반적인 형태이고 상기 발생기로부터 방출되는 복사의 집중을 위한 영역이 포함되며 작동 중에 기체에 플라즈마를 형성하도록 이루어지는 기체 여기 장치에 있어서, 상기 기체 통과 수단에는 유전성 재료로 만들어진 적어도 2개의 동일한 중공 튜브의 세트가 포함되며, 각 중공 튜브는 입사파와 연관된 전계의 크기가 동일한 영역에서 상기 구조체를 통과하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따라, 복수개의 방전 튜브가 구비될 수 있는 여기 장치가 제공되며, 각 여기 장치를 통해 기체는 상대적으로 작은 유량으로 통과하고, 본 장치를 통과하여 유동하는 여기될 기체의 총 유량은 상당히 증가한다.

본 발명에 따른 여기 장치에는 이하에 기재된 특징이 1개 이상 포함될 수 있다:

- 상기 집중 영역에는 상기 구조체의 벽부 내에 그 종방향 대칭면에 대해 형성되고 각각 상기 중공 튜브 중의 1개가 통과하는 적어도 2개의 통로의 세트가 포함되는 것;

- 상기 통로는 상기 구조체의 상기 대칭면을 따라 형성되는 것;

- 상기 통로는 상기 구조체의 대칭면의 양쪽에서 이 면으로부터 등간격을 두고 연장되는 2개의 종방향 축을 따라 형성되는 것;

- 상기 통로는 상기 대칭면을 따라 쌍으로 배치되고, 각 쌍의 상기 통로는 상기 대칭면의 양쪽에서 대칭으로 배치되는 것;

- 상기 통로는 상기 구조체의 상기 종방향 대칭면에 대해 규칙적으로 배치되며, 상기 구조체에 대해 종방향으로 평행한 것으로 고려되는 2통로 사이의 거리는 본 장치의 작동 주파수에서 도파관의 반파장 λ_g/2 특성의 정수 배수와 동일하고, 적어도 1배수와 동일한 것;

- 상기 집중 영역은 상기 구조체의 벽부 내에 형성되고 상기 중공 튜브가 통과하도록 의도되는 단일 통로가 포함되는 것;

- 도파관을 형성하는 상기 중공 구조체에는, 상기 마이크로파 발생기에 연결되도록 의도된 제1 개방 단부와, 단락을 형성하는 임피던스 조절 수단을 설치하도록 의도된 반대쪽 개방 단부와, 내부에 상기 통로(들)이 형성되고 상기 제1 단부 및 제2 단부 사이에서 연장되어 상기 복사 집중 영역의 경계를 한정하는 좁혀진 단면의 영역이 포함되는 것;

- 상기 좁혀진 단면의 영역에는 단면이 일정한 부분이 있으며, 그 내부에 상기 통로(들)이 형성되고, 상기 부분은 단면이 상기 단부들의 방향으로 선형적으로 증가하는 2개의 부분 사이에서 연장되는 것;

- 본 장치에는 도전 재료로 만들어진 적어도 1개의 전자 스크리닝 슬리브가 더 포함되고, 이는 상기 구조체에 고정되며 상기 통로(들)로부터 연속하여 연장되어 상기 중공 튜브를 둘러싸는 것;

- 상기 적어도 1개의 슬리브의 길이는 기체에서 발생되는 플라즈마의 길이와 적어도 동일한 것;

- 각 슬리브의 자유 단부는 상기 중공 튜브가 통과하는 구멍이 있는 플랜지를 지지하는 것;

- 상기 적어도 1개의 슬리브의 길이는 플라즈마의 길이와 상기 마이크로파의 진공 상태에서의 파장을 더한 것과 동일한 것;

- 상기 적어도 1개의 슬리브의 벽부에는 플라즈마를 관찰하기 위한 적어도 1개의 오리피스가 제공되며, 그 크기는 복사가 통과하는 것을 방지하도록 설계되는 것;

- 상기 통로(들)의 직경은 상기 중공 튜브의 외경보다 큰 것;

- 본 장치가 서퍼가이드식 표면파 여기 장치를 구성하는 것;

- 본 장치가 서퍼트론-가이드식 표면파 여기 장치를 구성하는 것.

그밖의 특징 및 이점은 첨부된 도면들을 참조로 단지 예로서 기재되는 이하의 설명으로부터 드러난다.

도 1에는 일반적인 번호식 참조 부호 10으로 지시되는 일반적인 종류의 서퍼가이드에 대한 개략적인 평면도가 도시되어 있다.

서퍼가이드(10)는 주로 도파관을 형성하는 중공 구조체(12)로 구성되며, 도전 재료로 만들어지고 마이크로파 발생기(도시되지 않음)와 연결되도록 의도된 제1 단부(14)와, 단락을 형성하고 구조체(12)의 종방향 축 X-X'에 대해 횡방향으로 배치되는 이동 판 부재(18)에 의해 폐쇄되는 반대쪽 단부(16)가 제공된다.

판 부재(18)에는 작동 로드(19)가 제공되는데, 이 로드는 구동 수단(도시되지 않음)에 연결되는 것이 좋다. 이는 구조체(12)에 대해 축방향으로 이동할 수 있는 이동식 단락 플런저를 구성한다.

중공 구조체(12)에는 입사 마이크로파의 집중을 위한 영역이 제공되며, 이 영역을 통해 통로(20)의 경계를 한정하는 횡방향 오리피스가 관통하고, 통로 내부에는 유전성 재료로 만들어진 중공 튜브(22)가 배치되며, 이 튜브는 축 X-X'에 대해 수직으로 연장되고 이를 통과하여 흐르는 여기될 기체의 컬럼이 구비된다.

작동 중에, 마이크로파 발생기에 의해 생성되는 마이크로파 복사는 구조체(12)에 의해 안내되며, 구조체는 입사되는 전자 에너지를 튜브(22)로 집중시킴으로써 진행 표면 전자파(travelling surface electromagnetic wave)가 이를 통해 전파되고 거기에 수용된 기체 혼합물을 통해 전파되도록 하며, 이 파와 연관된 전계에 의해 기체 컬럼 내의 방전이 발생 및 유지된다.

도 2에는 이 필드 발생기에서 일어나는 일률 전달 현상을 설명하기 위해, 도 1에 도시된 장치의 등가 전기 회로가 도시되어 있다.

이 도면에는 기체 여기 장치(12)가 병렬 연결되고 기체 컬럼에서 발생되는 플라즈마 및 단락 플런저(18)에 대응되는 2개의 어드미턴스, Y_p및 Y_s의 조합에 의해 표시될 수 있다는 것이 도시되어 있다.

이 회로의 여러 요소는 장치의 여러 부분에서 발생되는 전자 에너지의 저장 및 방산 과정에 대응된다.

어드미턴스 Y_p및 Y_s는 각각, 에너지의 방산과 관련되는 경우 컨덕턴스 G의 병렬 조합으로 구성되고, 에너지의 축적과 관련되는 경우 서셉턴스 B의 병렬 조합으로 구성되며, 다음 식으로 정의된다:

Y_p= G_p+ jB_p

Y_s= G_s+ jB_s

명세서의 나머지 부분에서 다음의 정규화된 어드미턴스가 사용된다:

y_p= g_p+ jb_p= Y_p/Y₀

y_s= g_s+ jb_s= Y_s/Y₀

여기서, Y₀는 도파관의 특성 어드미턴스를 나타낸다.

정규화된 어드미턴스 Y_p의 값은 투입된 마이크로파 일률 및 가이드에서 튜브(22)가 배치되는 위치, 즉 그 위치에서의 전계 밀도에 의존한다.

또한, 이동 플런저(18)는 에너지 방산을 발생시키지 않는 요소이다. 이 플런저(18)의 컨덕턴스 g_s는 따라서 제로이다.

추가로, 플런저(18)의 서셉턴스 b_s는 플런저가 장치의 관련 작동 주파수에서 도파관의 1반파 λ_g특성에 걸쳐 이동하는 경우에 음의 우한대로부터 양의 무한대 사이의 어떤 값이라도 될 수 있다.

이 파장 λ_g는 다음 방정식으로 주어진다:

λ_g= λ₀/ ( 1 - ( λ₀/ 2a )²)^1/2

여기서, λ₀는 진공 상태에서 마이크로파 복사의 파장이며,

a는 구조체(12)의 사각 단면의 긴 측변의 길이(도 1)인데, 이 길이는 오리피스가 있는 도파관의 단면과 관련된다.

b_s가 어떤 값이라도 될 수 있기 때문에, 플런저(18)의 위치를 조정하여 플라즈마의 서셉턴스 b_p를 보상할 수 있으며, 이에 따라 정규화된 어드미턴스 y_p는 g_p와 동일하다.

이는 반사 일률, 즉:

P_R/ P_i= │(1-g_p)/(1+g_p) │²

이 최소값이 되도록 한다. 여기서, P_R은 반사 일률을 나타내며, P_i는 입사 일률을 나타낸다.

반사 일률이 제로에 가까워지도록 하기 위해서는, g_p와 동일한 값인 정규화된 어드미턴스 y_p가 1에 가까와야 하며, 다시 말하면 플라즈마의 임피던스가 가이드의 특성 임피던스와 완전히 정합되어야 한다.

g_p의 값은 플라즈마의 특성 및 기체 혼합물의 주어진 조성에서 플라즈마로 전달되는 마이크로파의 일률에 의존하며, 또한 개시 간격의 위치 및 형상, 즉 튜브(22) 근처에서 도파관의 벽 두께를 얇게 하는 것과 중공 튜브(22)에 대한 통로 오리피스의 직경에 의존한다.

최적 임피던스 동조가 실현되는 경우, 구조체(12)에 의해 전자 도파된 것의 구조는 연속하는 최대값이 λ_g만큼 떨어져 있는 정재파로 이루어지며, 튜브에 대한 통로 오리피스에 의해 정해지는 개시 간격은 이들 최대값 중의 1개 위에 배치된다.

전술한 바와 같이, 단일 튜브가 제공되는 이런 종류의 장치에는 여러 단점이 있는데, 이는 특히 그 제한된 산출량 때문이다.

도 3에는 이런 단점을 극복할 수 있는 여기 장치가 도시되어 있다.

도 3에는, 참조 번호 23으로 표시된 여기 장치에 종방향 형태이고 문제가 되는 용도에 적합한 도전 재료, 특히 금속으로 만들어진 중공 구조체(24)가 포함되는 것이 도시되어 있다.

중공 구조체(24)의 단면은 평행 육면체형인 것이 좋다. 이 구조체에는 도 3에 도시된 평면에 배치되고 도파관의 짧은 표면(short faces)과 평행한 대칭면이 구비된다. 이 구조체에는 2개의 개방 단부(26, 28)가 있으며, 이들 중 1개의 단부는 마이크로파 발생기(도시되지 않음)에 연결되도록 의도되고, 다른 단부는 조정 가능한 단락을 형성하기에 적합한 수단, 바람직하게는 도 1에 도시된 장치에서와 같이 횡방향으로 배치되고 종방향으로 조정 가능한 전도성 평판에 연결되도록 의도된다.

2개의 단부 영역(26, 28) 사이에서, 구조체(24)에는 좁은 단면의 영역(30)이 포함되며, 여기에는 상기 단부 영역(26, 28)의 방향으로 선형적으로 증가하는 단면의 2개의 부분(34, 36) 사이에서 연장되는 일정한 단면의 중심부(32)가 포함된다.

또한, 도 3에는, 중심부(32)의 연속하는 벽부에 각각 오리피스(38, 40 등)가 구비되며, 이들 오리피스는 실리카와 같은 유전성 재료로 만들어진 동일한 튜브(44, 46)용의 통로(42, 44)를 형성하는데, 이들은 도 3에서 실제보다 짧게 도시되었으며, 이들을 통해 여기될 기체 컬럼이 유동한다.

통로는 장치의 작동 중에 입사파와 연관되는 전계의 세기가 실질적으로 동일한 영역에 배치된다.

제1 실시예에 따라, 장치에는 구조체(24)의 대칭면을 따라, 즉 상부의 큰 표면(49)과 대칭면의 교차부로 구성되는 축을 따라 배치되는 2개의 통로(42, 44)가 구비되며, 각 통로를 통해 종방향 축에 대해 대체로 수직으로 연장되는 중공 튜브(46, 48)가 통과한다.

그러나, 장치에는 큰 유량의 기체를 여기하는 튜브의 수가 증가하는 것과 관련하여 이런 통로가 많이 제공될 수 있으며, 이 통로는 구조체(24)의 대칭면을 따라 규칙적으로 배치된다.

변형례로서, 도 4에 도시된 바와 같이, 구조체의 대칭면, 즉 종방향 축 Y-Y'을 따라 쌍으로 배치되는 유전성 튜브(54, 56 등)가 통과하는 통로(50, 52 등)가 제공될 수 있으며, 각 쌍의 통로(50, 52)는 대칭면의 양쪽에서 2개의 평행하는 축 Z₁-Z₁' 및 Z₂-Z₂'을 따라 배치된다.

다시 도 3을 참조하면, 장치에 도전 재료, 바람직하게는 구조체(24)를 구성하는 재료와 동일한 재료로 만들어지고 중심부(32)의 큰 표면에 설치되는 슬리브(58, 60)가 포함되는 것을 알 수 있다. 이 슬리브는 원통형이고 오리피스(38, 40)에 의해 형성되는 통로(42, 44)와 동축으로 배치되어 튜브(46, 48)를 둘러싸는 것이 좋다.

이들 슬리브(58, 60)는 고 전도성 재료로 만들어져야 한다는 점을 이해할 수 있다. 또한, 슬리브와 구조체(24)의 접촉은 전기적 의미에서 완벽해야 한다. 이는 구조체 내부에서 2.45 GHz 수준의 주파수로 전파되는 전자파에 대해, 전기 전도가 조금이라도 불연속적인 경우에는 기구적 배치가 매우 밀접하다고 해도 발생기에 의해 생성되는 복사에 외부 유출 통로를 제공하게 되기 때문이다.

따라서, 구조체(24) 및 슬리브(58, 60)는 이들 부재가 연결되는 영역에서 절연 산소층이 형성되지 않도록 황동으로 만들어지는 것이 좋다.

도 3에 도시된 바와 같이, 서로 연속하는 슬리브(58, 60)에는 단부가 구비되며, 이들 단부는 도파관 상에서 서로 반대로 설치되고, 각 도파관에는 평판(62 등)이 구비되며, 이들 평판(62)은 나사(64 등)에 의해 중심부(32)에 고정된다. 이에 의해 금속면들 사이에 매우 밀접한 기구적 접촉이 이루어진다.

또한, 슬리브(58, 60)의 자유 단부에는 각각 적절한 기술에 의해 그 위에 고정되는 플랜지(66 등)가 구비되며, 대응하는 유전성 튜브(46, 48)가 통과하기 위한 오리피스(68)가 제공된다.

이하에서 기재하는 바와 같이, 플랜지(66)는 도전 재료, 절연 재료로 만들어질 수 있으며, 아니면 슬리브의 길이에 따라 생략될 수도 있다.

끝으로, 도 3에는 슬리브(58, 60)를 구성하는 벽부에 오리피스(70)가 제공되어 장치의 작동 중에 기체 컬럼 내의 플라즈마를 관찰할 수 있는 것이 도시되어 있다.

작동 중에, 도파관(24)에 의해 발생기로부터의 입사 마이크로파 복사가 마이크로파를 위한 집중 영역을 구성하는 좁은 단면의 영역(30)으로 안내되며, 특히 유전성 튜브(46, 48)로 안내되는 것을 알 수 있다.

실제로, 좁은 단면의 영역(30)에 의해 입사되는 전자 에너지는 중심부(32)로 집중됨으로써, 진행 표면 전자파가 튜브 및 거기에 수용되는 기체 컬럼을 통해 전파되고, 이 파와 연관되는 전계에 의해 기체 컬럼 내에 플라즈마가 발생 및 유지되어 종래와 같이 기체 입자를 여기시키고 이온화되도록 한다.

전술한 바와 같이, 단일 튜브에 있어서, 마이크로파 발생기에 연결되는 단부(26)의 반대쪽에 배치되는 구조체(24)의 단부에 고정된 이동 플런저의 작동에 의해 동조가 수행되는 경우에, 장치의 정규화된 어드미턴스는 튜브 컨덕턴스 g_p의 합과 동일하다.

이 어드미턴스가 도파관의 특성 어드미턴스에 동조되는 경우에, 가능한 한 낮은 반사 일률 P_R을 실현하기 위해 종래와 같은 종류의 3플런저, 평행-나사 조절기 등의 추가의 동조 장치를 이용하면, 장치의 정규화된 어드미턴스는 실질적으로 1이 될 수 있다. 그러면, 구조체(12) 내에 최대치가 λ_g/2만큼 떨어진 정재파가 형성된다.

여러 플라즈마 사이에 동일하고 충분한 일률 전달을 달성하기 위해, 구조체(24)를 구성하는 벽에 통로(42, 44)가 λ_g/2의 거리를 두고 형성되어 있고, 가이드 내의 입사파와 관련된 전계의 세기가 상대적 최대인 영역, 즉 축 X-X'을 따른 전계의 편미분 값이 제로인 영역과 각 튜브의 위치가 일치하도록 동조 상태를 조절한다. 이런 경우에, 오리피스(38, 40)에 의해 형성되는 개시 간격은 입사파의 전계 구조가 동일한 영역에 배치된다. 따라서, 2개의 플라즈마로 전달되는 일률도 역시 동일하다.

따라서, 이와 같이 배치함으로써, 주어진 변환 산출량에 대해, 처리되는 기체 유량을 상당히 증가시킬 수 있다는 것을 이해할 수 있다.

전술한 바와 같이, 도파관의 주축과 정렬되고 λ_g/2 만큼 이격되어 있는 통로 세트를 상기 벽에 제공할 수 있고, 또는 명확하게 나타내기 위해 슬리브를 생략한 도 4에 도시된 바와 같이, 대칭면 또는 가이드의 주축 Y-Y'에 대해 대칭적으로 배치되는 2개의 오리피스로 이루어진 오리피스 세트 복수개를 정렬시킬 수 있으며, 이 경우 각 쌍은 상기 축을 따라 λ_g/2 만큼 이격되어 있다.

이런 경우, 즉 오리피스가 도파관에서 주축 X-X'으로부터 거리 x를 두고 배치되어 있는 경우에, 플라즈마의 정규화된 어드미턴스(normalized admittance)는 다음과 같은 식으로 주어진다.

g_p= g_p0·cos₂(πx/a)

여기서, g_p0는 동일한 종방향 위치에 있지만 주축 상에 배치된 오리피스에 대한 어드미턴스이다.

따라서, 상기 실시예에 따르면, 중심에서 벗어난 위치에 배치된 오리피스를 주축 Y-Y'으로부터 적절한 거리를 두고 배열하는 것과, 임피던스 조정 수단의 작용에 의해, 여기 장치의 정규화된 어드미턴스 값을 역시 최적화할 수 있다.

중심에서 벗어난 상기 오리피스를 설치하기 위해 공간을 더 제공하기 위하여, 전계 발생기는 2.45 GHz의 주파수에서 WR 430 방식의 도파관 부분에 만드는 것이 좋다는 것을 유념하여야 한다.

도 5에는 여기 장치의 다른 실시예가 도시되어 있다.

전술한 실시예에서처럼, 상기 여기 장치에도 서로 반대쪽에 있는 2개의 단부 영역(72, 74)이 마련되는 도전성 중공 구조체(70)가 포함되어 있고, 상기 2개의 단부 영역 중 1개의 단부 영역은 마이크로파 발생기에 연결되도록 의도된 것이며, 다른 단부는 단락을 형성하는 수단이 설치되게 되어 있다.

도 5에 도시된 바와 같이, 구조체(70)에는 단일 통로(76)가 마련되는데, 이 통로 내에는 복수개의 방전 튜브(78 등)가 통로(76)의 축에 대해 대칭으로 배치되며, 예를 들어 4개의 튜브가 있을 수 있다.

통로(76)는 입사파와 관련된 전계의 최대치에 대응되는 위치에서, 구조체(70)의 주축에 배치되어 있다.

전술한 실시예의 경우에서처럼, 이 여기 장치에는 서로 연속적으로 배치되고 도 3을 참고로 설명한 슬리브와 구조가 유사한 1개 또는 2개의 슬리브로 구성되는 전자 스크리닝(도시되지 않음)아 더 포함되어 있다.

이 실시예는 더 조밀하고, 방전 튜브(78)를 종래 방식으로 둘러싸는 통상의 냉각제 슬리브(도시되지 않음)를 만들 수 있다는 이점이 있다.

각 튜브의 외벽은 만족할 만한 에너지 커플링을 달성하기 위하여 통로(76)의 원형 연부에 비교적 근접하게 배치되어야 한다는 점을 유념하여야 한다. 통로(76)를 구성하는 오리피스의 직경과, 따라서 튜브 사이의 공간은 각 방전 튜브에서 여기되는 표면파 사이에서의 간섭을 줄일 수 있을 정도로 충분히 커야 하지만, 튜브 사이에서 일률의 균등 분할을 증대시키기 위하여 튜브를 근접하게 배치시킬 수 있을 정도로 충분히 작아야 한다.

처리될 수 있는 기체의 유량을 더 증대시키기 위하여, 상기 여기 장치에 복수개의 방전 튜브가 통과하는 복수개의 통로를 제공함으로써 전술한 두 실시예를 결합할 수 있다.

도 3 내지 도 5를 참고로 기재된 여러 실시예에서, 각 슬리브의 직경은 방전을 발생시키는 표면파의 전파를 간섭하지 않도록 충분히 크게 선택해야 한다.

이런 선택은 2가지의 고려 사항에 의해 좌우된다.

한편으로는, 상기 직경이 너무 작을 경우, 슬리브 벽에서의 마이크로파 필드는 너무 크게 되고, 관련된 전계는 튜브(들)의 벽으로부터 대략 지수 함수적으로 감소한다. 따라서, 금속의 전도성은 무한하지 않기 때문에, 슬리브를 구성하는 벽에서 가열 손실이 발생할 수 있는데, 이런 가열은 그 슬리브를 더 손상시킬 수 있다.

따라서, 최소 직경은 플라즈마로 투입되도록 요구되는 마이크로파 일률, 즉 여기 장치의 작동 조건에 의존한다.

예를 들면, 단일 튜브(46)가 각 슬리브에 의해 둘러싸인 도 3에 도시한 실시예에 있어서, 가열 손실을 제한하기 위하여, 슬리브의 최소 직경은 튜브의 직경의 2배가 되도록 선택한다.

또한, 직경이 너무 클 경우, 전자계의 구조체는 그 진행 표면파 특성을 잃어버릴 수 있고, 공진 공동식의 커플링이 나타날 수 있으며, 이는 공동 모드와 표면파 모드 사이에서의 에너지 교환을 통해 방전 체계를 불안정하게 한다.

또한, 슬리브의 길이는 적어도 플라즈마의 길이와 같게 선택되며, 이에 따라 플라즈마가 슬리브 내부에 완전히 포함된다는 것에 유념하여야 한다.

만약, 슬리브의 길이가 플라즈마의 길이보다 단지 약간만 클 경우, 플랜지(66)(도 3)는 외부로 복사가 빠져나가는 것이 방지되도록 도전 재료로 만들어지는 것이 좋다.

그러나, 전술한 바와 같이, 이들 플랜지(66)는 반드시 도전 재료로 만들어진 필요는 없는데, 왜냐하면 이 영역에서 마이크로파 계의 세기는 플라즈마의 한계를 넘어서 작아지기 때문이다.

특히, 플라즈마의 길이와 복사 파장의 합과 같은 길이인 슬리브에 대하여, 복사 강도는 슬리브(58, 60)의 단부 세그먼트에서 실질적으로 제로이다. 이런 경우에, 플랜지(66)는 생략할 수 있다.

더욱이, 도 3 및 도 4에 도시한 실시예에서, 튜브용의 통로(42, 44)의 범위를 정하고 중앙부를 구성하는 부분에 형성되는 오리피스(38, 40)의 직경은 튜브의 외경과 비교적 근사한 직경, 예컨대 튜브의 외경보다 1 mm 또는 2 mm 큰 직경이다.

유리한 변형예에 따르면, 통로(42, 44)의 직경은 튜브(46, 48)의 외경보다 크다. 예컨대, 외경이 약 15 mm인 방전 튜브(46, 48)에 대하여, 통로의 직경은 중앙부(32)를 구성하는 벽과 튜브(46, 48) 사이에 간극을 형성하도록 20 mm 또는 22 mm가 되게 선택하는 것이 좋다.

상기 실시예에 따르면, 마이크로파 에너지의 집중은 여기 장치의 개시 간격에서 감소된다. 따라서, 튜브를 손상시키는 위험 없이 여기 장치의 효율을 보다 좋게 하기 위하여, 더 큰 일률을 산출할 수 있다.

변형예에 따른 바로 전술한 본 발명에 의해서, 단일의 전계 애플리케이터를 이용하여 복수의 표면파 플라즈마를 얻을 수 있고, 따라서 주어진 여기 산출량을 얻기 위하여 처리될 기체의 허용 가능한 최대 유량을 상당히 증가시킬 수 있으며, 이를 전체 크기를 비교적 작게 한 채 할 수 있다.

더욱이, 조밀하고 대칭적 구조인 여기 장치는 마이크로파 일률이 플라즈마로 전달되고 효율면에서 양호한 성능을 제공하며, 이 일률을 플라즈마 사이에서 균등하게 분할한다.

도 6에는 도 3에 도시된 2개의 튜브가 구비된 여기 장치에 대하여, 총 입사일률이 500 W일 때, 반사 일률 대 입사 일률의 비(P_R/P_inc)를 나타내는 곡선 I과, 반사 일률의 최소치에서 동조 플런저(I_s)의 유효 위치 대 도파관의 파장 λ_g특성의 비를 튜브를 통과하는 유량의 함수로서 나타낸 곡선 II 가 도시되어 있다.

상기 곡선은 여기될 기체로서 순수 아르곤을 사용하여 얻은 것이다. 방전 튜브의 외경 및 내경은 각각 7 mm 및 5 mm이다.

반사 일률은 매우 작은 값으로 유지되고, 방전 튜브의 연구된 변수에 대한 임피던스 동조 조건의 민감도는 이런 종류의 여기 장치로서는 매우 작다는 것을 이해할 수 있다.

도 3 및 도 4를 참고로 전술한 여러 실시예에 있어서, 방전 튜브용의 통로 오리피스는, 가이드에서 정재파(定在波)의 축 X-X' 또는 Y-Y'을 따른 최대치에 대응하고 상기 종방향 축을 따라 λ_g/2 만큼 이격되어 있는 위치에 배치되어 있다.

그러나, 최대치에 상응하는 위치 중 몇개의 위치만을 점유하도록, λ_g/2의 배수와 같은 거리만큼 오리피스를 이격시키는 방식으로 오리피스를 배치할 수도 있다.

유사하게, 상기 구조체의 주축 Y-Y'에 대해 평행하고 대칭인 2개의 축 Z₁-Z₁', Z₂-Z₂'을 따라 통로가 배치되어 있는 도 4에 도시한 실시예에 대하여, 2개의 종방향 축 Z₁-Z₁', Z₂-Z₂' 및 λ_g/2 만큼 이격되어 있는 일련의 횡방향 축에 의해 형성되는 네트워크의 노드에 상기 통로들을 임의적으로 분포시킬 수 있다.

상기 변형예에서 전체 크기가 증가되지만, 이들 변형예는 큰 직경의 튜브 및/또는 슬리브가 사용되는 경우에 유리하다.

또한, 도 2 내지 도 4에 도시한 여기 장치에는 구조체의 주축에 수직하게 연장되는 튜브가 구비되지만, 여기 장치의 분위기에 따라서, 대칭적 형상을 유지하기 위해 상기 튜브를 상기 축에 대해 매우 약간 경사지게 배치할 수 있다.

더욱이, 전술한 실시예에 있어서, 여기 장치는 서퍼가이드 방식의 애플리케이터를 구성한다.

그러나, 이런 방식의 장치는 그 기본적 구조로서 서퍼트론-가이드 방식의 애플리케이터를 사용할 수도 있다. 특히, 전체 튜브 크기가 더 작은 도 5에 도시한 실시예는 큰 직경의 통로 오리피스 때문에, 서퍼트론-가이드의 구조에 특히 적합하다는 것을 이해할 수 있다.

마지막으로, 도 3 내지 도 5를 참고로 전술한 여기 장치는 한 튜브의 출력을 동일한 애플리케이터에 의해 여기되는 다른 튜브의 입력으로 다시 공급함으로써 플라즈마 반응기를 병렬 또는 직렬로 조합하는 데 사용될 수 있다는 것을 유념하여야 한다.

Claims (18)

1. 도전 재료로 만들어지고 도파관을 형성하며 마이크로파 발생기와 연결되는 것으로 의도된 중공 구조체(24; 70)와, 상기 구조체를 통해 여기될 기체를 통과시키는 수단이 포함되며, 상기 구조체(24; 70)는 길이가 긴 일반적인 형태이고 작동 중에 기체에 플라즈마를 형성하도록 의도되며 상기 발생기로부터 방출되는 복사의 집중을 위한 영역(32)이 포함되는 기체 여기 장치에 있어서,

   상기 기체 통과 수단에는 유전성 재료로 만들어진 적어도 2개의 동일한 중공 튜브(46, 48; 54, 56; 78)의 세트가 포함되며, 각 중공 튜브는 입사파와 연관된 전계의 크기가 최대인 영역에서 상기 구조체(24; 70)를 통과하는 것을 특징으로 하는 기체 여기 장치.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 집중 영역에는 상기 구조체(24)의 벽부 내에 그 종방향 대칭면에 대해 형성되고 각각 상기 중공 튜브(46, 48; 54, 56) 중의 1개가 통과하는 적어도 2개의 통로(42, 44; 50, 52)의 세트가 포함되는 것을 특징으로 하는 기체 여기 장치.
3. 청구항 2에 있어서, 상기 통로(42, 44)는 상기 구조체의 상기 대칭면을 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 기체 여기 장치.
4. 청구항 2에 있어서, 상기 통로는 상기 중공 구조체(24; 70)의 대칭면의 양쪽에서 이 면으로부터 등간격을 두고 연장되는 2개의 종방향 축을 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 기체 여기 장치.
5. 청구항 2에 있어서, 상기 통로(50, 52)는 상기 구조체(24)의 대칭면의 양쪽에서 이 면으로부터 등간격을 두고 연장되는 2개의 종방향 축(Z₁-Z₁', Z₂-Z₂')을 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 기체 여기 장치.
6. 청구항 5에 있어서, 상기 통로(50, 52)는 상기 대칭면을 따라 쌍으로 배치되고, 각 쌍의 상기 통로는 상기 대칭면의 양쪽에서 대칭으로 형성되는 것을 특징으로 하는 기체 여기 장치.
7. 청구항 1 내지 6 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 통로(42, 44; 50, 52)는 상기 구조체의 상기 종방향 대칭면에 대해 규칙적으로 형성되며, 상기 구조체에 대해 종방향으로 평행한 것으로 고려되는 2개의 통로(40, 42; 50, 52) 사이의 거리는 여기 장치의 작동 주파수에서 도파관의 반파장 λ_g/2 특성의 정수 배수와 동일하고, 적어도 1배수와 동일한 것을 특징으로 하는 기체 여기 장치.
8. 청구항 1에 있어서, 상기 집중 영역에는 상기 구조체의 벽부 내에 형성되고 상기 중공 튜브(78)가 통과하도록 의도된 단일 통로(76)가 포함되는 것을 특징으로 하는 기체 여기 장치.
9. 청구항 2 내지 8 중의 어느 한 항에 있어서, 도파관을 형성하는 상기 중공 구조체(24, 70)에는, 상기 마이크로파 발생기에 연결되도록 의도된 제1 개방 단부(26; 72)와, 단락을 형성하는 임피던스 조절 수단을 설치하도록 의도된 반대쪽 개방 단부(28; 74)와, 내부에 상기 통로(들)이 형성되고 상기 제1 단부 및 제2 단부 사이에서 연장되어 상기 복사 집중 영역의 경계를 한정하는 좁은 단면의 영역이 포함되는 것을 특징으로 하는 기체 여기 장치.
10. 청구항 9에 있어서, 상기 좁은 단면의 영역에는 일정한 단면의 부분(32)이 있으며, 그 내부에 상기 통로(들)이 형성되고, 상기 부분은 단면이 상기 단부들의 방향으로 선형적으로 증가하는 2개의 부분 사이에서 연장되는 것을 특징으로 하는 기체 여기 장치.
11. 청구항 2 내지 10 중의 어느 한 항에 있어서, 도전 재료로 만들어진 적어도 1개의 전자 스크리닝 슬리브(58, 60)가 더 포함되고, 이 슬리브는 상기 구조체에 고정되며 상기 통로(들)로부터 연속적으로 연장되어 상기 중공 튜브를 둘러싸는 것을 특징으로 하는 기체 여기 장치.
12. 청구항 11에 있어서, 상기 적어도 1개의 슬리브(58, 60)의 길이는 기체에서 발생되는 플라즈마의 길이와 적어도 동일한 것을 특징으로 하는 기체 여기 장치.
13. 청구항 11 및 12 중의 어느 한 항에 있어서, 각 슬리브(58, 60)의 자유 단부는 상기 중공 튜브의 통로로 사용되는 구멍(68)이 있는 플랜지(66)를 지지하는 것을 특징으로 하는 기체 여기 장치.
14. 청구항 11 내지 13 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 1개의 슬리브(58, 60)의 길이는 플라즈마의 길이와 상기 마이크로파의 진공 상태에서의 파장을 더한 것과 동일한 것을 특징으로 하는 기체 여기 장치.
15. 청구항 11 내지 14 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 1개의 슬리브(58, 60)의 벽에는 플라즈마를 관찰하기 위한 적어도 1개의 오리피스(70)가 제공되며, 그 크기는 복사가 통과하는 것을 방지하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 기체 여기 장치.
16. 청구항 2 내지 15 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 통로(들)의 직경은 상기 중공 튜브의 외경보다 큰 것을 특징으로 하는 기체 여기 장치.
17. 청구항 1 내지 16 중의 어느 한 항에 있어서, 서퍼가이드식 표면파 여기 장치를 구성하는 것을 특징으로 하는 기체 여기 장치.
18. 청구항 1 내지 17 중의 어느 한 항에 있어서, 서퍼트론-가이드식 표면파 여기 장치를 구성하는 것을 특징으로 하는 기체 여기 장치.