KR20070035351A - 플라즈마 가속기 - Google Patents

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KR20070035351A
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Abstract

플라즈마 가속기가 개시된다. 본 발명에 따른 플라즈마 가속기는, 상부가 막히고 하부가 개방되며, 옆면이 외벽으로 둘러싸인 챔버부, 상호 간에 직렬로 연결되며, 서로 반대 방향으로 챔버부의 외벽을 감싸는 복수 개의 코일들로 이루어진 제1 코일부, 및 제1 코일부를 이루는 코일들 사이에 위치하며, 상호 간에 직렬로 연결되며, 서로 반대 방향으로 챔버부의 외벽을 감싸는 복수 개의 코일들로 이루어진 제2 코일부를 포함한다. 이에 의해 코일들 사이의 상호 인덕턴스를 작게 하여, 각 코일에 인가되는 전류의 크기 및 위상 차이를 정확히 조절하고, 또한 구동회로를 단순화할 수 있다.
플라즈마 가속기, 상호 인덕턴스, 2 코일 가속기, 알 에프 제너레이터

Description

플라즈마 가속기 { Plasma accelerator }
도 1은 종래의 플라즈마 가속기를 나타내는 단면도,
도 2는 도 1의 플라즈마 가속기의 내부의 자기장의 크기를 도시한 그래프,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 플라즈마 가속기의 단면도 및 코일의 연결 구조를 도시한 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 플라즈마 가속기의 크기를 수치화한 단면도,
도 5a는 도 3의 제1 코일부(100)에 전류를 인가할 때, 생성되는 자기장(B1)을 나타내는 도면,
도 5b는 도 3의 및 제2 코일부(200)에 전류를 인가할 때, 생성되는 자기장(B2)을 나타내는 도면,
도 5c는 도 3의 제1 코일부(100) 및 제2 코일부(200)에 전류를 인가할 때, 생성되는 자기장(B)을 나타내는 도면, 그리고,
도 6은 도 3의 플라즈마 가속기의 단면도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 제1 코일부 200 : 제2 코일부
300 : 챔버부 110 : 탑 코일
120 : 제1코일 130 : 제2코일
210 : 제3코일 220 : 제4코일
230 : 제5코일
본 발명은 플라즈마 가속기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 구동 코일의 감는 방향을 반대로 하고 각 코일을 연결함으로써, 코일들 사이의 상호 인덕턴스를 작게하여, 각 코일에 인가되는 전류의 크기 및 위상 차를 정확히 조절하고, 또한 구동회로를 단순화할 수 있는 플라즈마 가속기에 관한 것이다.
플라즈마 가속기는 전기적 에너지와 자기 에너지를 이용하여 일정 공간에 생성되거나 존재하는 플라즈마의 흐름을 가속시키는 장치로서, 전자기유도 가속기(Electro-magnatic accelerator:EMA)라고도 한다.
플라즈마 가속기는 우주 장거리 여행용 로켓엔진으로 개발되어 오다가, 반도체 제조공정상의 웨이퍼(wafer)의 식각(etching)에 사용하게 되었다.
도 1은 종래의 플라즈마 가속기를 나타내는 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 플라즈마 가속기는 실린더(cylinder) 형태로서 실린더 상부인 가속기 입구(entrance)부분에 탑 코일(T)이 감겨있다. 입구(entrance)부터 출구(exit)쪽으로 순서대로 제1코일(S1), 제2코일(S2), 제3코일 (S3), 제4코일(S4), 및 제5코일(S5)이 감겨있다. 각 코일(T,S1,S2,S3,S4,S5)은 연결되지 아니한 상태로 독립적으로 감겨 있다.
따라서, 각 코일(T,S1,S2,S3,S4,S5)에는 독립적으로 전류를 인가한다. 가속기 내부의 플라즈마는 각 코일에 알 에프(RF) 전원 전류를 인가함으로써 생성된다. 또한, 각 코일에 흐르는 전류는 가속기 내부에 자기장을 생성한다.
각 코일(T,S1,S2,S3,S4,S5)에 흐르는 전류에 의해 가속기 내에 생성된 자기장은 맥스웰 유도 방정식(Maxwell induction equation)에 따라 2차 전류를 유도하며, 이러한 2차 전류는 가속기 내부의 기체를 플라즈마 상태로 변환시킨다.
종래의 플라즈마 가속기의 플라즈마 가속방법은, 제1코일(S1), 제3코일(S3), 및 제5코일(S5)에 40A의 전류를 인가하고, 탑 코일(T), 제2코일(S2), 및 제4코일(S4)에 90도의 위상 차를 가지고 전류를 인가한다. 이에 의하여 자기장이 가속기 내부에 형성되어 플라즈마를 출구 방향으로 가속시킨다.
도 2는 도 1의 플라즈마 가속기의 내부의 자기장의 크기를 도시한 그래프이다.
도 2의 그래프에서 가로축은 가속기의 입구에서 출구 쪽으로 축 방향 거리를 표시하며, 세로축은 가속기 내부에 특정 시간에 형성된 자기장의 크기를 나타낸다.
원으로 표시된 것은 가속기 내부에 형성되는 2차 전류로서, 가속기 내부에 발생된 자기장에 의하여 유도된 2차 전류이다. 화살표는 플라즈마가 가속되는 방향을 표시한다.
자기 압력 분포(magnetic pressure distribution)는 B2/2μ로서, 여기서 B는 자속밀도( magnetic flux density)이고, μ는 투자율(permeability)이다. 처음에 탑 코일(T), 제2코일(S2), 및 제4코일(S4)에 교류 전류의 최대 값인 40A의 전류를 인가하고, 제1코일(S1) 및 제3코일(S3)에 90도의 위상 차를 가지고 전류를 인가한다. 즉, 제1코일(S1) 및 제3코일(S3)에는 0A의 전류를 인가하게 된다. 그러면 가속기 내부에 자기 압력이 분포한다.
시간이 흐름에 따라 탑 코일(T), 제2코일(S2), 및 제4코일(S4)에 30A의 전류가 인가되고, 제1코일(S1) 및 제3코일(S3)에는 90도의 위상 차에 해당하는 전류가 인가된다. 그러면 자기 압력은 출구방향으로 이동한다.
시간이 흐름에 따라 탑 코일(T), 제2코일(S2), 및 제4코일(S4)에 10A의 전류가 인가되고, 제1코일(S1) 및 제3코일(S3)에는 90도의 위상 차에 해당하는 전류가 인가 된다. 그러면 자기 압력은 출구방향으로 이동한다.
시간이 흐름에 따라 탑 코일(T), 제2코일(S2), 및 제4코일(S4)에 0A의 전류가 인가되고, 제1코일(S1) 및 제3코일(S3)에는 90도의 위상 차에 해당하는 전류가 인가된다. 그러면 자기 압력은 출구방향으로 이동한다.
이와 같이, 자기 압력 분포는 시간이 흐름에 따라 출구 방향으로 움직인다. 이렇게 움직이는 자기 압력은 출구 방향으로 플라즈마를 움직이게 한다. 플라즈마가 자기 압력에 의하여 움직이기 위해서 플라즈마는 자기 압력 펄스의 앞면에 있어야 한다. 왜냐하면 자기 압력의 그래디언트(gradient)가 자기 압력 힘(magnetic pressure force)을 만들고 플라즈마를 출구 방향으로 흐르게 하기 때문이다.
자기 압력 힘(magnetic pressure force)이 약하고, 그 결과 플라즈마가 느리면, 플라즈마는 자기 압력 분포의 움직임을 따라갈 수 없게 된다. 따라서 플라즈마 가속기는 플라즈마를 가속시킬 수 없게 된다. 그러한 경우 코일의 간격을 줄이고, 구동 전류의 주파수를 낮게 함으로써, 자기 압력 분포의 움직임을 느리게 할 수 있다.
표 1은 도 1의 플라즈마 가속기에서 각 코일의 셀프 인덕턴스 및 상호 인덕턴스를 매트릭스로 표현한 것이다. 각 인덕턴스 값은 대각선을 축으로 대칭이므로 대각선축 상의 상대 인덕턴스 값은 생략하였다. 인덕턴스 값의 단위는 μH이다.
T S1 S2 S3 S4 S5
T 0.393 0.092 0.023 0.007 0.001 0.000
S1 1.060 0.219 0.060 0.019 0.004
S2 1.060 0.219 0.060 0.019
S3 1.060 0.219 0.060
S4 1.060 0.219
S5 1.060
모두 6개의 코일(T,S1,S2,S3,S4,S5)은 분리된 6개의 알 에프(RF) 제너레이터로부터 독립적으로 전류를 인가받는다.
제1코일에 흐르는 전류를 I1, 제2코일에 흐르는 전류를 I2라 하고, 제1코일의 셀프 인덕턴스를 L1, 제2코일의 셀프 인덕턴스를 L2, 상호인덕턴스를 M12라고 하면, 코일에 저장된 자기장 에너지(W)는 다음 수학식 1과 같다.
Figure 112005054320564-PAT00001
전류 I1, 전류 I2 를 각각 0과 1로 인가하고, 각 경우에 자기장 에너지를 계산하여 L1, L2, M12 을 구할 수 있다. 따라서, 표1의 매트릭스의 각 엘리먼트를 구할 수 있다.
표 1이 나타내는 바와 같이, 각 코일(T,S1,S2,S3,S4,S5)의 상호 인덕턴스는 무시할 수 없는 크기이다. 상호 인덕턴스는 플라즈마 가속기의 코일에 전류의 크기 및 위상을 안정적으로 인가하는 것을 방해하는 문제점이 있다. 따라서, 전류의 크기 및 위상이 불안정하면 플라즈마 가속기가 안정적으로 동작할 수 없는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 구동 코일의 감는 방향을 반대로 하고 각 코일을 연결함으로써, 코일들 사이의 상호 인덕턴스를 작게 하여, 각 코일에 인가되는 전류의 크기 및 위상 차를 정확히 조절하고, 또한 구동회로를 단순화할 수 있는 플라즈마 가속기를 제공함에 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 플라즈마 가속기는, 상부가 막히고 하부가 개방되며, 옆면이 외벽으로 둘러싸인 챔버부, 상호 간에 직렬로 연결되며, 서로 반대 방향으로 상기 챔버부의 외벽을 감싸는 복수 개의 코일들로 이루어진 제1 코일부, 및 상기 제1 코일부를 이루는 코일들 사이에 위치하며, 상호 간에 직렬로 연결되며, 서로 반대 방향으로 상기 챔버부의 외벽을 감싸는 복수 개의 코일들로 이루어진 제2 코일부를 포함한다.
상기 챔버부는 원통형 실린더인 것이 바람직하다.
상기 챔버부는 유전체로 구성되는 것이 바람직하다.
상기 제1 코일부는, 상기 챔버부의 상부면 상에 위치하며, 상기 챔버부의 중심축을 기준으로 반지름이 증가되도록 소정 방향으로 감긴 형태로 제작된 탑 코일, 상기 챔버부의 외벽면 상에 위치하며, 상기 탑 코일과 반대 방향으로 상기 챔버부의 외벽면을 감는 제1 코일, 및 상기 챔버부의 외벽면 상에서 상기 제1 코일과 소정 거리 이격된 곳에 위치하며, 상기 제1 코일과 반대 방향으로 상기 챔버부의 외벽면을 감는 제2 코일을 포함한다.
상기 탑 코일의 일단은 제1 입력단을 이루고, 상기 탑 코일의 타단은 상기 제1 코일의 일단과 연결되며, 상기 제1 코일의 타단은 상기 제2 코일의 일단과 연결되고, 상기 제2 코일의 타단은 제1 출력단을 이루는 것이 바람직하다.
상기 제2 코일부는, 상기 챔버부의 외벽면 상에서 상기 탑 코일과 상기 제1 코일 사이에 위치하며, 상기 탑 코일이 감긴 방향과 같은 방향으로 상기 챔버부의 외벽면을 감는 제3 코일, 상기 챔버부의 외벽면 상에서 상기 제1 코일과 상기 제2 코일 사이에 위치하며, 상기 제3 코일이 감긴 방향과 반대 방향으로 상기 챔버부의 외벽면을 감는 제4 코일, 및 상기 챔버부의 외벽면 상에서 하부 방향으로 상기 상 기 제2 코일과 일정거리 이격된 곳에 위치하며, 상기 제4 코일이 감긴 방향과 반대 방향으로 상기 챔버부의 외벽면을 감는 제5 코일을 포함한다.
상기 제3 코일의 일단은 제2 입력단을 이루고, 상기 제3 코일의 타단은 상기 제4 코일의 일단과 연결되며, 상기 제4 코일의 타단은 상기 제5 코일의 일단과 연결되고, 상기 제5 코일의 타단은 제2 출력단을 이루는 것이 바람직하다.
상기 제1 코일부 및 상기 제2 코일부에 인가되는 전류는 90도의 위상차이를 갖는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 웨이퍼 에칭 장치는, 상기 플라즈마 가속기를 사용하여 반도체 칩 제작용 웨이퍼를 에칭하는 것이 바람직하다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 플라즈마 가속기의 단면도 및 코일의 연결 구조를 도시한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 플라즈마 가속기는, 제1 코일부(100), 제2 코일부(200), 및 챔버부(300)를 포함한다. 제1 코일부(100)는 탑 코일(110), 제1코일(120), 및 제2코일(130)을 포함하며, 제2 코일부(200)는 제3코일(210), 제4코일(220), 및 제5코일(230)을 포함한다. 화살표는 코일의 감긴 방향을 표시한다.
챔버부(300)는, 상부가 막히고 하부가 개방되며, 옆면이 외벽으로 둘러싸인 구조이다. 챔버부(300)는 원통형 실린더 구조로 제작될 수 있으며, 소정 두께를 갖는 유전체로 구성될 수 있다.
제1 코일부(100)는, 복수 개의 코일들(110,120,130)로 이루어진다. 각 코일들(110,120,130)은 상호 간에 직렬로 연결되며, 서로 반대 방향으로 챔버부(300)의 외벽을 감싼다.
제2 코일부(200)는, 제1 코일부(100)를 이루는 코일들(110,120,130) 사이에 위치하는 복수 개의 코일들(210,220,230)로 이루어진다. 각 코일들(210,220,230)은상호 간에 직렬로 연결되며, 서로 반대 방향으로 챔버부(300)의 외벽을 감싼다.
탑 코일(110)은, 챔버부(300)의 상부면 상에서, 탑 코일(110)의 입력단이 시계방향 및 반 시계방향 중 어느 하나의 방향으로, 챔버부(300)의 중심 축을 중심으로 동심원을 이루며 점점 반지름이 증가하는 형태로 감긴 후, 출력단이 형성된다.
제1코일(120)은, 챔버부(300)의 외벽면 상에서, 제1코일의 입력단이 탑 코일(110)의 출력단에 연결되고, 챔버부(300)의 중심 축을 중심으로 탑 코일(110)이 감긴 방향과 반대 방향으로 감긴 후, 출력단이 형성된다.
제2코일(130)은, 챔버부(300)의 외벽면 상에서, 제2코일의 입력단이 제1코일(120)의 출력단에 연결되고, 챔버부(300)의 중심 축을 중심으로 제1코일(120)이 감긴 방향과 반대 방향으로 감긴 후, 출력단이 형성된다.
제3코일(210)은, 탑 코일(110)과 제1코일(120) 사이에 위치하며, 챔버부(300)의 외벽면 상에서, 제3코일의 입력단이 챔버부(300)의 중심 축을 중심으로 탑 코일(110)이 감긴 방향과 같은 방향으로 감긴 후, 출력단이 형성된다.
제4코일(220)은, 제1코일(120)과 제2코일(130) 사이에 위치하며, 챔버부(300)의 외벽면 상에서, 제4코일의 입력단이 제3코일(210)의 출력단에 연결되고, 챔버부(300)의 중심 축을 중심으로 제3코일(210)이 감긴 방향과 반대 방향으로 감긴 후, 출력단이 형성된다.
제5코일(230)은, 제4코일(220) 하부에 위치하며, 챔버부(300)의 외벽면 상에서, 제5코일의 입력단이 제4코일(220)의 출력단에 연결되고, 챔버부(300)의 중심 축을 중심으로 제4코일(220)이 감긴 방향과 반대 방향으로 감긴 후, 출력단이 형성된다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 플라즈마 가속기의 크기를 수치화한 단면도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 플라즈마 가속기의 실린더의 두께는 6mm이고, 실린더의 반지름은 36mm이고, 실린더의 높이는 260mm이다. 코일은 가로 세로가 각각 8mm인 스퀘어 코일이다.
도 5a는 도 3의 제1 코일부(100)에 전류를 인가할 때, 생성되는 자기장(B1)을 나타내는 도면이고, 도 5b는 도 3의 제2 코일부(200)에 전류를 인가할 때, 생성되는 자기장(B2)을 나타내는 도면이고, 도 5c는 도 3의 제1 코일부(100) 및 제2 코일부(200)에 전류를 인가할 때, 생성되는 자기장(B)을 나타내는 도면이다.
도 5a내지 도 5c에 도시된 바와 같이, 제1 코일부(100)에 전류를 인가하면, 자기장(B1)이 생성되고, 90도의 위상 차이로 제2 코일부(200)에 전류를 인가하면, 자기장(B2)이 생성된다. 결과적으로 B1 과 B2 의 합성인 자기장(B)가 생성된다.
결국 마그네틱 플럭스는 서로 약하게 연결되고, 두 코일의 상호 인덕턴스는 작다. 코일의 대칭적인 배치와 전류가 교대로 방향이 바뀜으로써, 두 코일의 상호 인덕턴스는 작아진다.
도 6은 도 3의 플라즈마 가속기의 단면도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 플라즈마 가속기는 제1 코일부(100) 및 제2 코일부(200)를 포함한다. 제1 코일부(100)에 제1전류(I1)을 인가하고 제2 코일부(200)에 제1전류(I1)와 90도의 위상 차이를 갖는 제2전류(I2)를 인가한다.
제1전류(I1)는 탑 코일(110)의 입력단을 통해 유입되어 제1코일(120) 및 제2코일(130)을 거쳐 그라운드로 흘러나간다.
제2전류(I2)는 제3 코일(210)의 입력단을 통해 유입되어 제4코일(220) 및 제5코일(230)을 거쳐 그라운드로 흘러나간다.
제1 코일부(100)의 셀프 인덕턴스(L1)를 계산하면 L1은 2.34μH이며, 제2 코일부(200)의 셀프 인덕턴스(L2)를 계산하면 L2은 2.94μH이다.
제1 코일부(100) 및 제2 코일부(200) 사이의 상호 인덕턴스(M12)를 계산하면 M12는 0.082μH이며, 이것은 제1전류(I1)와 제2전류(I2) 사이에 3%의 커플링에 해당한다. 이 정도의 커플링 레벨은 작으며, 플라즈마 가속기의 구동회로에 심각한 영향을 미치지 아니한다. 따라서, 본 발명에 따른 플라즈마 가속기는 상호 인덕턴스를 작게 만든다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 플라즈마 가속기를 사용하여 반도체 칩 제작용 웨이퍼를 에칭할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 구동 코일의 감는 방향을 반대로 하고 각 코일을 연결함으로써, 코일들 사이의 상호 인덕턴스를 작게 하여, 각 코일에 인가되는 전류의 크기 및 위상 차를 정확히 조절하고, 또한 구동회로를 단순화할 수 있다. 한편, 2개의 코일에 2개의 전류 전원만을 사용함으로써, 가속기에 인입선 수가 줄어든다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 않될 것이다.

Claims (9)

  1. 상부가 막히고 하부가 개방되며, 옆면이 외벽으로 둘러싸인 챔버부;
    상호 간에 직렬로 연결되며, 서로 반대 방향으로 상기 챔버부의 외벽을 감싸는 복수 개의 코일들로 이루어진 제1 코일부; 및,
    상기 제1 코일부를 이루는 코일들 사이에 위치하며, 상호 간에 직렬로 연결되며, 서로 반대 방향으로 상기 챔버부의 외벽을 감싸는 복수 개의 코일들로 이루 어진 제2 코일부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 가속기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 챔버부는 원통형 실린더인 것을 특징으로 하는 플라즈마 가속기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 챔버부는 유전체로 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 가속기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 코일부는,
    상기 챔버부의 상부면 상에 위치하며, 상기 챔버부의 중심축을 기준으로 반지름이 증가되도록 소정 방향으로 감긴 형태로 제작된 탑 코일;
    상기 챔버부의 외벽면 상에 위치하며, 상기 탑 코일과 반대 방향으로 상기 챔버부의 외벽면을 감는 제1 코일; 및,
    상기 챔버부의 외벽면 상에서 상기 제1 코일과 소정 거리 이격된 곳에 위치하며, 상기 제1 코일과 반대 방향으로 상기 챔버부의 외벽면을 감는 제2 코일;을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 가속기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 탑 코일의 일단은 제1 입력단을 이루고, 상기 탑 코일의 타단은 상기 제1 코일의 일단과 연결되며, 상기 제1 코일의 타단은 상기 제2 코일의 일단과 연결되고, 상기 제2 코일의 타단은 제1 출력단을 이루는 것을 특징으로 하는 플라즈마 가속기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 코일부는,
    상기 챔버부의 외벽면 상에서 상기 탑 코일과 상기 제1 코일 사이에 위치하며, 상기 탑 코일이 감긴 방향과 같은 방향으로 상기 챔버부의 외벽면을 감는 제3 코일;
    상기 챔버부의 외벽면 상에서 상기 제1 코일과 상기 제2 코일 사이에 위치하며, 상기 제3 코일이 감긴 방향과 반대 방향으로 상기 챔버부의 외벽면을 감는 제4 코일; 및,
    상기 챔버부의 외벽면 상에서 하부 방향으로 상기 상기 제2 코일과 일정거리 이격된 곳에 위치하며, 상기 제4 코일이 감긴 방향과 반대 방향으로 상기 챔버부의 외벽면을 감는 제5 코일;을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 가속기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제3 코일의 일단은 제2 입력단을 이루고, 상기 제3 코일의 타단은 상기 제4 코일의 일단과 연결되며, 상기 제4 코일의 타단은 상기 제5 코일의 일단과 연결되고, 상기 제5 코일의 타단은 제2 출력단을 이루는 것을 특징으로 하는 플라즈 마 가속기.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 코일부 및 상기 제2 코일부에 인가되는 전류는 90도의 위상차이를 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 가속기.
  9. 제1항의 플라즈마 가속기를 사용하여 반도체 칩 제작용 웨이퍼를 에칭하는 웨이퍼 에칭 장치.
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