KR20020091430A - 원편광 공진 모드를 이용한 플라즈마 방전 시스템 - Google Patents

원편광 공진 모드를 이용한 플라즈마 방전 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 균일한 대면적 마이크로웨이브 플라즈마(uniform large area microwave plasma)를 발생시키는 원편광 공진 모드(circularly polarized cavity mode)를 이용한 플라즈마 방전 시스템에 관한 것이다. 종래에는 단일 주파수, 단일 모드(대부분 저차수(low order mode)의 기본모드), 및 선형 편광 상태의 파동(linearly polarized wave)을 이용한 공진 구조이기 때문에, 전자기장(field)이 강한 부분에서만 플라즈마가 집중적으로 발생하여 특정 지점의 온도가 크게 상승하는 등 플라즈마가 불 균일해지는 문제가 있다. 본 발명에서는 고차수의 모드 및 다중 모드 전자기장의 편광 상태를 회전시킴으로써 기존에 주로 사용해왔던 저차수의 기본 모드 및 선형 편광 상태의 파동이 갖는 단점을 극복하여 플라즈마 재료 공정 등 여러 응용 분야에 기술적 및 경제적 이점을 제공한다. 원편광 모드를 사용할 경우에는 저차의 기본 모드를 단일 모드로 사용하더라도 전자기장의 편광이 공진기 내를 진행하면서 회전하기 때문에 특정한 모드에 의해 고정되는 전자기장의 공간에 따른 변화가 상대적으로 완만해져 균일도에 있어 획기적인 향상을 기대할 수 있다.

Description

원편광 공진 모드를 이용한 플라즈마 방전 시스템{PLASMA ELECTRIC DISCHARGING SYSTEM BY USING CIRCULARLY POLARIZED CAVITY MODE}
본 발명은 원편광 공진 모드(circularly polarized cavity mode)를 이용한 플라즈마(plasma) 방전 시스템에 관한 것으로, 특히, 균일한 대면적 마이크로웨이브 플라즈마(uniform large area microwave plasma)를 발생시키는 시스템에 관한 것이다.
도 3은 종래의 기술에 따른 마이크로웨이브 플라즈마 시스템의 일 실시 예를 나타낸 개략도로, 마이크로웨이브 발생부(microwave source)(11) 및 공진부(cavity)(12)로 구성된다. 상기 마이크로웨이브 발생부(11)는 아크 탐지기(arc detector)(13), 도파관 안착기(waveguide launcher)(14), 마그네트론(magnetron)(15), 전원 공급원(power supply)(16), 제어기(controller)(17), 순환기(circulator)(18), 모의 부하(dummy load)(19), 방향성 결합기(directional coupler)(20), 출력 측정기(power meter)(23), 및 3 단 튜너(3-stub tuner)(24)를 구비한다. 상기 공진부(12)는 공진기(25) 및 석영 튜브(quartz tube)(26)를 구비한다.
동 도면에 있어서, 마이크로웨이브 발생부(11) 내의 마그네트론(15)은 주로 2.45GHz 혹은 915GHz의 상용화된 마이크로웨이브 영역의 주파수를 발진한다. 마그네트론(15)이 발진한 마이크로웨이브는 순환기(18), 방향성 결합기(20), 및 3 단 튜너(24) 등을 거쳐 플라즈마가 발생되는 공진기(25)까지 도달된다. 순환기(18)는 마이크로웨이브의 진행 방향을 제어(guiding)하는 페라이트(ferrite) 물질로 구성되어 마그네트론(15)으로부터 발진되어 진행된 마이크로웨이브가 반사되어 마그네트론(15) 방향으로 진행하는 것을 방지한다. 모의 부하(19)는 반사된 마이크로웨이브를 흡수하여 마그네트론(15) 방향으로 진행하지 못하도록 하는 수냉부(water cooling unit)로 구성된다. 방향성 결합기(20)는 공진기(25)로부터 반사된 출력(reflected power)(21)과 공진기(25)로 입사하는 출력(forward power)(22)을 각기 추출하여 출력 측정기(23)로 제공한다. 출력 측정기(23)는 방향성 결합기(20)로부터 제공되는 두 출력(21, 22)을 각기 받아 공진기(25)로부터 반사된 출력(21)과 공진기(25)로 입사하는 출력(22)을 측정한다. 3 단 튜너(24)는 마이크로웨이브가 방향성 결합기(20)와 공진기(25) 사이에서 최대의 결합 효율을 갖고 공진기(25) 내부로 진행할 수 있도록 임피던스(impedance)를 조정해준다.
공진부(12)에 있어 플라즈마가 발생하는 공진기(25) 내의 석영 튜브(26)는 마이크로웨이브는 통과시키고 기체 입자(gas particle)는 통과시키지 못하는 유전체로 이루어져 특정 기체를 이용한 플라즈마 발생시 기체를 가두어두는 역할을 한다.
이와 같은 종래의 시스템은 대부분 단일 주파수, 단일 모드(대부분 저차수(low order mode)의 기본모드), 및 선형 편광 상태의 파동(linearly polarized wave)을 이용한 공진 구조이기 때문에, 전자기장(field)이 강한 부분에서만 플라즈마가 집중적으로 발생하여 특정 지점의 온도가 크게 상승하는 등 플라즈마가 불 균일해지는 문제가 있다. 또한, 단일 모드이면서 저차의 기본 모드 패턴(fundamental mode pattern)을 이용한 시스템이기 때문에, 공진 조건을 만족시키기 위해서는 플라즈마가 발생되는 공진기 크기(cavity size)가 소형으로 제한될 수밖에 없다.
따라서, 본 발명은 이와 같은 종래 기술의 결점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 서로 다른 위상차를 갖는 두 파동을 합성하여 편광 방향이 회전하는 전자기장(rotating field) 즉, 원편광 파동을 형성하여 균일한 대면적 마이크로웨이브 플라즈마를 발생시키는 원편광 공진 모드를 이용한 플라즈마 방전 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다. 또한 고차수의 모드(high order mode)나 다중 모드 전자기장(multi-mode field)를 이용한 원편광 상태를 형성시켜 더욱 균일하고 효율적인 대면적 마이크로웨이브 플라즈마를 발생시키는 원편광 공진 모드를 이용한 플라즈마 방전 시스템을 제공하는 데 다른 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 마이크로웨이브 발생부; 상기 마이크로웨이브의 출력을 분배시키는 출력 분배부; 상기 출력 분배부에 의하여 분배된 마이크로웨이브간 90。의 위상차가 형성되도록 각각의 마이크로웨이브를 위상 천이(phase shift)시키는 위상 변환기; 상기 위상차를 갖는 각각의 마이크로웨이브를 인가 받고, 상기 마이크로웨이브가 합성됨에 따라 형성되는 원평광 형태의 마이크로웨이브로부터 얻어진 에너지를 이용하여 플라즈마 방전을 수행하는 공진부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 원편광 공진 모드를 이용한 플라즈마 방전 시스템의 일 실시 예를 나타낸 블록도,
도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시된 원편광 공진 모드를 이용한 플라즈마 방전 시스템에 있어 두 파동의 위상차를 이용한 원편광 파동의 형성을 나타낸 개략도,
도 3은 종래의 기술에 따른 마이크로웨이브 플라즈마 시스템의 일 실시 예를 나타낸 개략도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 마이크로웨이브 발생원 2 : 순환기
3 : 방향성 결합기 4 : 모의 부하
5 : 출력 분배기 6 : 위상 변환기
7 : 가변 감쇄기 8 : 자석
9 : 공진기
이하, 이와 같은 본 발명의 실시 예를 다음과 같은 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 원편광 공진 모드를 이용한 플라즈마 방전 시스템의일 실시 예를 나타낸 블록도로, 마이크로웨이브 발생원(1), 순환기(2), 방향성 결합기(3), 모의 부하(4), 출력 분배기(power divider)(5), 위상 변환기(phase shifter)(6), 가변 감쇄기(variable attenuator)(7), 자석(magnet)(8), 및 공진기(9)로 구성된다.
동 도면에 있어서, 마이크로웨이브 발생원(1), 순환기(2), 방향성 결합기(3), 및 모의 부하(4) 등으로 구성되는 측면은 기존의 시스템과 유사하다. 그러나 파동를 원편광화시키기 위한 추가 장치로서 출력 분배기(5), 위상 변환기(6), 가변 감쇄기(7) 등이 필요하다.
출력 분배기(5)는 마이크로웨이브 발생원(1)으로부터 발생되어 진행된 마이크로웨이브의 출력을 분배시킨다. 위상 변환기(6)는 출력 분배기(5)에서 나누어진 두 개의 웨이브에 90°위상차를 주어 원편광 파동 모드를 형성시켜준다. 공진기(9)의 주위에 설치된 자석(8)은 발생된 플라즈마가 공진기(9)의 벽면에 걸쳐 형성될 경우 열로 인한 공진기(9)의 손상을 방지한다. 그리고, 자석(8)은 처리할 시료(sample)가 있는 공진기(9)의 중앙부분으로 플라즈마를 가두어 재료 공정(material processing) 용도에 적당한 효과적인 플라즈마를 얻도록 한다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 원편광 공진 모드를 이용한 플라즈마 방전 시스템에 있어 두 파동의 위상차를 이용한 원편광 파동의 형성을 나타낸 개략도이다.
마이크로웨이브 발생원(1)은 2.45GHz 혹은 915GHz 등의 상용화된 마이크로웨이브 영역의 주파수를 발진한다. 마이크로웨이브 발생원(1)이 발진한 마이크로웨이브는 순환기(2), 방향성 결합기(3), 출력 분배기(5), 위상 변환기(6), 및 가변 감쇄기(7) 등을 거쳐 플라즈마가 발생되는 공진기(9)까지 도달된다. 순환기(2)는 마이크로웨이브의 진행 방향을 제어하는 페라이트 물질로 구성되어 마이크로웨이브 발생원(1)으로부터 발진되어 진행된 마이크로웨이브의 반사를 모의 부하(4)로 보내어 반사된 마이크로웨이브가 마이크로웨이브 발생원(1) 방향으로 진행하는 것을 방지한다. 모의 부하(4)는 마이크로웨이브 발생원(1)을 보호하기 위해 반사된 마이크로웨이브를 흡수하여 마이크로웨이브 발생원(1) 방향으로 진행하지 못하도록 하는 수냉부로 구성된다. 상기 수냉부는 로시 세라믹(lossy ceramic)으로 이루어진다. 따라서, 마이크로웨이브 발생원(1)을 반사된 마이크로웨이브로부터 안전하게 보호할 수 있다. 방향성 결합기(3)는 공진기(9)로 진행하고 있는 출력과 공진기(9)로부터 반사된 출력을 측정할 수 있는 장치가 있어 마이크로웨이브 발생원(1)으로부터 발진된 마이크로웨이브의 진행 정도와 반사 정도를 알 수 있다.
출력 분배기(5)는 방향성 결합기(3)를 통과한 마이크로웨이브를 같은 파워(power) 혹은 서로 다른 파워를 갖는 파로 분리한다. 같은 파워를 갖는 파동이 90。의 위상차로 합성될 경우에는 정확히 원편광 웨이브가 형성되고 서로 다른 파워를 갖는 파동이 합성될 경우에는 타원편광 파(elliptically polarized wave)가 형성되어 파동의 진행 중심이 정확한 원형이 아닌 타원형을 형성한다. 위와 같이 같은 진폭 혹은 서로 다른 진폭을 갖는 두 파동은 2 개의 위상 변환기(6)를 각기 거치면서 90° 위상차를 갖게 된다. 가변 감쇄기(7)는 2 개의 위상 변환기(6)로부터 위상차를 갖는 두 파동을 공진기(9)로 제공하여 공진기(9)가 내부에 플러즈마를발생시키도록 한다. 이 때 자석(8)은 플라즈마 처리할 시료가 위치하는 중앙에 플라즈마를 가두어 둠으로써 효과적인 재료 공정을 가능하게 한다. 또한 자석(8)은 공진기(9) 내의 벽 쪽에 형성된 플라즈마를 중앙으로 이동시킴으로써 플라즈마 발생으로 인한 열로부터 공진기(9)를 보호하는 기능을 한다. 위와 같은 원편광된 마이크로웨이브 플라즈마 시스템에서는 일반적으로 플라즈마 반응기(chamber)로 사용하고 있는 원통(cylinder) 형태의 공진기 외에도 원편광 공진 모드의 효과를 극대화할 수 있는 공진기 형태를 고려할 수 있다. 원편광 파동은 대칭적인 축을 중심으로 회전하므로 대칭축이 많은 공진기 구조에서는 더욱 효과적으로 균일한 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 따라서 공진기 형태는 기존에 일반적으로 사용해왔던 원통 형태를 포함하여 구(sphere) 형태도 고려해 볼 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은, 고차수의 모드 및 다중 모드 전자기장의 편광 상태를 회전시킴으로써 기존에 주로 사용해왔던 저차수의 기본 모드 및 선형 편광 상태의 파동이 갖는 단점을 극복하여 플라즈마 재료 공정 등 여러 응용 분야에 기술적 및 경제적 이점을 제공한다. 원편광 모드를 사용할 경우에는 저차의 기본 모드를 단일 모드로 사용하더라도 전자기장의 편광이 공진기 내를 진행하면서 회전하기 때문에 특정한 모드에 의해 고정되는 전자기장의 공간에 따른 변화가 상대적으로 완만해져 균일도에 있어 획기적인 향상을 기대할 수 있다. 모드 선택에 따라 플라즈마 공진기를 직경 300mm이상의 크기로 제작하는 것이 가능하여 시료의 대면적 처리가 가능하고 균일한 플라즈마를 발생시켜 처리할 박막(thin film)의 물성을 향상시키기 위해서 기존의 기본, 단일 모드(여기서는 주로 TM010기본, 단일 모드)를 사용하는 공진 구조에서 벗어나 출력 분배기(5) 및 위상 변환기(6) 등을 이용하여 원형편광 상태를 만들어 주되 특별히 이를 고차수, 다중 모드에 적용할 때 균일한 전자기장 분포를 형성하는 데 더욱 큰 효과를 얻을 수 있다.

Claims (7)

  1. 마이크로웨이브 발생부;
    상기 마이크로웨이브의 출력을 분배시키는 출력 분배부;
    상기 출력 분배부에 의하여 분배된 마이크로웨이브간 90°의 위상차가 형성되도록 각각의 마이크로웨이브를 위상 천이시키는 위상 변환부;
    상기 위상차를 갖는 각각의 마이크로웨이브를 인가 받고, 상기 마이크로웨이브가 합성됨에 따라 형성되는 원편광 형태의 마이크로웨이브로부터 얻어진 에너지를 이용하여 플라즈마 방전을 수행하는 공진부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 원편광 공진 모드를 이용한 플라즈마 방전 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 위상 변환부는 상기 두 개의 웨이브에 90° 위상차를 주어 상기 원편광 파동 모드를 형성시키는 것을 특징으로 하는 원편광 공진 모드를 이용한 플라즈마 방전 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 공진부는 원통 형태인 것을 특징으로 하는 원편광 공진 모드를 이용한 플라즈마 방전 시스템.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 공진부는 구 형태인 것을 특징으로 하는 원편광 공진 모드를 이용한 플라즈마 방전 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 위상 변환부로부터 제공되는 상기 위상차를 갖는 두 개의 웨이브를 가변 감쇄하여 상기 공진부에 인가하는 가변 감쇄부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원편광 공진 모드를 이용한 플라즈마 방전 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 공진부 주위에 설치되어 상기 공진부 내에서 형성되는 플라즈마를 상기 공진부의 중앙 부분에 가두는 다수의 자석을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원편광 공진 모드를 이용한 플라즈마 방전 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 출력 분배부에서 출력을 1:1 외의 비율로 나누어 상기 공진부에 입사할 때 타원편광 상태로 입사되는 것을 특징으로 하는 타원편광 공진 모드를 이용한 플라즈마 방전 시스템.
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