KR20090027479A - 플라즈마 발생용 안테나 장치 - Google Patents

플라즈마 발생용 안테나 장치 Download PDF

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KR20090027479A
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남형호
정진욱
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한양대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 플라즈마 발생용 안테나 장치를 제공한다. 본 발명은 동일한 N 개의 루프형 안테나들을 포함하되, 루프형 안테나들은 360도/N의 각도 차이를 두고 중첩적으로 배치되고, 각 안테나는 1 턴으로 구성되고, N의 팔들(arms)을 가지고, 상기 팔들이 배치되는 평면이 적어도 2개이고, 안테나의 팔들을 연결하는 N-1 관절을 가지고, N은 3 이상인 안테나 구조체를 적어도 하나 이상 포함한다.
RF, 안테나, 유도 결합 플라즈마

Description

플라즈마 발생용 안테나 장치{ THE ANTENNA APPARATUS FOR PLASMA GENERATION}
본 발명은 안테나에 대한 것으로, 더 구체적으로는, 균일한 플라즈마 밀도 을 갖는 플라즈마 발생장치용 안테나 장치에 관한 것이다.
안테나는 통상적으로 전송선에서 진행하는 파를 자유 공간에서 진행하는 파로 변환하는 요소이다. 통상적으로 안테나의 특징은 복사 패턴(radiation pattern), 원거리 장(Far field), 방향성(Directivity), 효율(efficiency), 이득(gain), 임피던스(impedance), 기하학적 형태 등으로 구분될 수 있다.
그러나, 안테나는 원거리 장(far field)를 이용하여 통신이나 레이다(radar)에 사용되지 않고, 근거리 장(near field)를 이용하여 플라즈마 방전에 사용될 수 있다. 이러한 플라즈마 방전은 유도 결합 플라즈마 방전(inductively coupled plasma discharge)이라고 한다. 상기 유도 결합 플라즈마 방전은 유도 기전력(또는 유도 전계)을 이용하는 것으로 상기 유도 기전력은 자속(magnetic flux)의 시간 변화에 기인하여 발생한다.
플라즈마 방전은 유도 전계(inductive electric field intensity) 및 정전 계(static electric field intensity)를 이용할 수 있다. 정전계를 주로 이용하는 플라즈마는 축전 결합 플라즈마(capacitively coupled plasma)라 하고, 유도 전계를 주로 이용하는 플라즈마는 유도 결합 플라즈마라 한다.
통상적으로 유도 결합 플라즈마의 경우에도 축전 결합 플라즈마 성분이 존재한다. 즉, 전력이 인가되는 전원 공급단에 높은 전압이 인가되고, 이 전압에 의한 정전계가 발생한다. 이 정전계가 축전 결합 플라즈마를 발생시킨다. 유도 결합 플라즈마에서 정전계에 축전 결합은 플라즈마의 균일성을 파괴할 뿐만 아니라, 낮은 파워효율을 가지므로 최대한 줄여주어야 한다.
RF 유도 결합 플라즈마에서 안테나 구조의 변경이 있는 경우, 안테나에 의한 플라즈마의 균일성에 어떠한 영향을 미치는지 그 결과를 예측하기 힘들다. 왜냐하면, 플라즈마의 발생은 정전계 및 유도 전계에 영향을 받을 뿐만 아니라, 플라즈마와 정전계의 상호 작용 및 플라즈마와 유도 전계의 상호 작용은 비선형 현상이기 때문이다. 한편, 유도 결합 플라즈마에서 축전 결합은 초기 방전(discharge ignition)시키기 위하여 필요하다. 따라서, 적정한 수준의 축전 결합이 유도 결합 플라즈마에서 요구된다.
안테나의 구조, 플라즈마 진공 용기 내의 가스 분사 구조, 플라즈마 진공 용기의 재질 및 기학적 구조 등이 플라즈마의 균일성에 영향을 미칠 수 있다. 플라즈마가 기판(substrate) 상에서 소정의 균일성을 충족시키지 못하면, 플라즈마 공정이 진행될 수 없다. 특히, LCD 장치나 반도체 장치의 기판의 크기가 증가함에 따라, 안테나의 크기가 증가하여 인덕턴스가 증가한다. 이에 따라 축전 결합 효과가 증가하여, 이를 감소시킬 필요가 있다.
유도 결합 플라즈마 발생 장치는 크게 원통형, 평판형 두 가지로 구분될 수 있다. 대면적화는 평판형이 유리한 측면이 있다. 상술한 축전결합을 감소시키기 위하여, 유도 결합 플라즈마 안테나가 갖추어야 될 조건 중 하나가 안테나 전원 공급단과 접지단의 전압차를 줄이는 것이다. 구체적으로, 안테나는 인덕턴스 성분을 가지게 되고, 감은 수(턴 수)를 늘리면 인덕턴스는 증가한다. 이에 따라 리액턴스 성분이 증가하여 안테나의 전원 공급단과 접지단의 전압차는 증가할 수 있다. 안테나의 전원 공급단과 접지단의 전압차는 안테나 주위의 공간에 정전계를 형성하고, 상기 정전계는 플라즈마와 축전 결합을 할 수 있다. 이러한 축전결합은 플라즈마 발생효율을 감소시킬 수 있고, 불균일한 플라즈마를 발생시키며 낮은 파워 효율성을 가진다.
본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는 균일한 플라즈마 발생용 안테나 장치를 제공하는데 있다.
상술한 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 플라즈마 발생용 안테나 장치는 동일한 N 개의 루프형 안테나들을 포함하되, 상기 루프형 안테나들은 360도/N의 각도 차이를 두고 중첩적으로 배치되고, 각 상기 루프형 안테나는 1 턴(turn)으로 구성되고 N의 팔들(arms)을 가지고, 상기 팔들이 배치되는 평면이 적어도 2개이고, 상기 안테나의 팔들을 연결하는 N-1 관절을 가지고, N은 3 이상인 것을 특징으로 하는 안테나 구조체를 적어도 하나 이상 포함한다.
이 실시예에 있어서, 상기 안테나의 팔은 직선, 곡률을 가지는 곡선, 및 구부러진 부분 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
이 실시예에 있어서, 상기 안테나의 관절은 안테나의 팔이 배치되는 평면을 바꾸되, 상기 관절의 전 후에서 안테나의 팔의 곡률 반경은 증가 또는 감소할 수 있다.
이 실시예에 있어서, 상기 안테나의 상기 관절에서 상기 안테나의 팔이 배치되는 평면을 바꾸되, 상기 관절의 전 후에서 안테나의 곡률 반경은 변하지 않을 수 있다.
이 실시예에 있어서, 상기 안테나들에 흐르는 전류는 서로 같은 방향일 수 있다.
이 실시예에 있어서, 상기 안테나들은 전부 또는 일부가 전기적으로 병렬 연결될 수 있다.
이 실시예에 있어서, 복수의 안테나 구조체는 서로 인접 배치되되, 상기 안테나 구조체에 전력을 공급하는 전원이 따로따로 있을 수 있다.
이 실시예에 있어서, 복수의 안테나 구조체는 서로 중첩배치되되, 상기 안테나 구조체에 전력을 공급하는 전원이 따로따로 있을 수 있다.
이 실시예에 있어서, 상기 안테나들의 축전 결합 전극을 더 포함하되, 상기 축전 결합 전극에서 상기 안테나들로 전기적으로 연결될 수 있다.
이 실시예에 있어서, 상기 축전 결합 전극은 슬릿을 포함할 수 있다.
상술한 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 플라즈마 발생용 안테나 장치는 N 개의 루프형 안테나들을 포함하되, 상기 루프형 안테나들은 360도/N의 각도 차이를 두고 중첩적으로 배치되고, 상기 안테나는 N의 팔들(arms)을 가지고, 상기 안테나의 팔을 연결하는 N-1 관절을 가지고, N은 3 이상인 것을 특징으로 하는 안테나 구조체를 적어도 하나를 포함한다.
이 실시예에 있어서, 상기 안테나들의 축전 결합 전극을 더 포함하되, 상기 축전 결합 전극에서 상기 안테나들로 전기적으로 연결될 수 있다.
본 발명에 의하면, 안테나의 병렬 구조로 인하여 인덕턴스는 낮아지며, 이에 따라 안테나의 전원 공급단과 접지단 사이의 전위차도 낮아진다. 이에 따라, 상기 전원 공급단의 전계에 의한 축전 결합 효과(capacitively coupling effect)를 감소시키어 플라즈마 발생 효율을 증가시킬 수 있다.
본 발명에 의하면, 안테나들의 간격이 일정하고 또한 복수의 안테나가 동심원 상에 형성되기 때문에, 대칭성을 가질 수 있어 균일한 플라즈마를 생성할 수 있다.
본 발명에 의하면, 안테나의 팔의 높이에 따라 축전 결합 및 유도 결합을 조절하여 균일한 플라즈마를 생성할 수 있다.
본 발명에 의하면, 축전 결합 전극을 포함할 수 있고, 축전 결합 전극이 대칭성을 가지므로 축전 결합에 의한 대칭성 파괴를 극복할 수 있다.
상기 기술적 과제들을 달성하기 위하여 본 발명은 안테나 구조체를 제공한다.
본 발명에 따른 플라즈마 발생용 안테나 장치는 동일한 N 개의 루프형 안테나들을 포함하되, 상기 루프형 안테나들은 360도/N의 각도 차이를 두고 중첩적으로 배치되고, 각 상기 루프형 안테나는 1 턴(turn)으로 구성되고 N의 팔들(arms)을 가지고, 상기 팔들이 배치되는 평면이 적어도 2개이고, 상기 안테나의 팔들을 연결하는 N-1 관절을 가지고, N은 3 이상인 것을 특징으로 하는 안테나 구조체를 적어도 하나 이상 포함한다.
전원은 안테나에 전력을 공급한다. 상기 안테나는 플라즈마와 상호작용을 하여 에너지를 플라즈마에 전달한다. 이러한 상호 작용은 유도 결합에 의하거나 축 전 결합을 통하여 일어날 수 있다.
유도 결합 플라즈마는 유도 전계에 의한 전자의 가속현상이므로, 유도 전계를 증가시킬 필요가 있다. 파라데이 전자기 유도 법칙(Faraday's eletromangetic dinduction law)에 의하여 상기 유도 전계는 자계(magnetic field intensity)의 시간 변화에 의존한다. 상기 자계의 크기는 전류의 세기에 비례한다. 따라서, 안테나에 흐르는 전류를 고정된 전력에서 최대화할 필요가 있다. 이를 위하여, 안테나를 포함한 부하의 임피던스를 감소시킬 필요가 있다. 상기 부하의 임피던스의 감소는 전류를 증가시키고, 전압을 감소시킨다. 이에 따라, 효율적인 유도 결합 플라즈마 방전이 발생할 수 있다.
한편, 국부적인 축전 결합에 의하여 플라즈마의 균일성이 파괴될 수 있다. 이러한 측전 결합의 효율적인 제어가 균일한 플라즈마의 형성에 필수적이다.이에 따라, 본 발명은 축전 결합을 효율적으로 분산시키는 대칭적 구조를 가지는 유도 결합 플라즈마 발생시키는 안테나를 제공한다.
축전 결합에 의한 플라즈마 발생이 국부적으로 형성되는 것을 방지하기 위하여, 본 발명의 안테나 구조체는 복수 개의 안테나를 포함하되, 복층 구조의 안테나를 이용한다. 구체적으로, 상기 안테나는 복수 개의 팔을 가지고 있고, 상기 팔들이 배치되는 평면이 각각 다를 수 있다. 또한, 상기 안테나의 전원 공급단은 상기 플라즈마가 발생하는 평면에서 가장 멀리 떨어진 팔에 연결될 수 있다. 이에 따라, 안테나의 전원 공급단은 플라즈마가 형성되는 평면과 이격되기 때문에, 축전 결합 이 감소되어 축전 결합에 의한 구부적인 플라즈마 발생을 저지할 수 있다. 다만, 플라즈마 발생 평면에서 안테나가 이격 배치됨에 따라 플라즈마 발생 평면에서 유도 전계도 감소할 수 있다. 따라서, 안테나의 전원 공급단은 플라즈마 발생 평면에서 이격도록 상부면에 배치되고, 안테나의 접지단은 플라즈마 발생 평면에 근접하게 배치함이 바람직하다.
또한, 복수 개의 안테나를 대칭적으로 배치하여 축전 결합에 의한 국부적인 플라즈마 발생을 공간적으로 분산시킬 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 안테나 구조체는 복수의 안테나들이 전기적으로 병렬연결될 수 있다. 이에 따라, 상기 안테나 구조체의 임피던스가 감소하여 전원 공급단에 인가되는 전압이 감소할 수 있다. 그 결과, 축전 결합의 효과는 감소할 수 있다.
또한, 상기 복수의 안테나는 대칭적으로 배치됨에 따라, 하나의 안테나의 전원 공급단과 접지단 사이에 다른 안테나가 배치될 수 있다. 이 경우, 상기 전원 공급단의 정전계는 플라즈마와 전원 공급단 사이의 정전계와 안테나의 전원공급단과 접지단 사이의 정전계로 구분될 수 있다. 또한, 상기 안테나의 전원 공급단과 접지단 사이에 다른 안테나가 배치된 경우, 상기 전원 공급단과 접지단 사이의 정전계는 상기 안테나의 전원 공급단과 플라즈마 사이의 정전계 보다 클 수 있다. 그 결과, 안테나의 전원 공급단과 플라즈마 사이의 정전계에 의한 축전 결합은 감소할 수 있다.
또한, 안테나 구조체의 축전 결합의 대칭성을 확보하기 위하여, 축전 결합 전극을 더 포함할 수 있다. 전원의 전원 공급단이 상기 축전 결합 전극에 연결되고, 상기 축전 결합 전극으로부터 각 안테나에 전류가 흐르도록 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 축전 결합 전극은 평판 또는 일정한 곡률을 가진 도체판일 수 있다. 상기 축전 결합 전극은 유도 전계가 상기 축전 결합 전극을 통과하도록 슬릿(slit)을 가질 수 있다. 상기 축전 결합 전극 상에 안테나의 일부 또는 전부가 배치될 수 있다. 이 경우, 유도 전계는 상기 슬릿을 통과하여 플라즈마를 발생시킬 수 있다.
상기 축전 결합 전극은 플라즈마 발생 용기의 중심에 배치될 수 있다. 상기 축전 결합 전극에 의하여 상기 축전 결합 전극과 플라즈마를 축전 결합시키어, 국부적인 축전 결합 플라즈마를 발생시킨다. 하지만, 상기 축전 결합 플라즈마는 대칭성을 가질 수 있다. 따라서, 원통 좌표계의 경우, 방위각 대칭성(azimuthal symmetry)를 확보할 수 있다. 한편, 반경 방향(radial direction)의 균일성은 안테나 구조체를 가지고 확보할 수 있다.
또한, 상기 안테나들은 전기적으로 병렬연결될 수 있다. 또한, 본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 본 발명의 안테나 구조체는 복수개 있을 수 있고, 서로 인접 또는 중첩 배치될 수 있다. 상기 안테나 구조체에 전력을 공급하는 전원이 따로따로 있을 수 있다.
효율적인 유도 결합 플라즈마를 형성하기 위하여 각 안테나를 병렬연결하는 이유에 대하여 설명한다. 회로이론의 개념을 이용하면, RF 전원의 파워가 일정한 경우, P=I2Z로 표시될 수 있다. 여기서, P는 파워이고, I는 전류, Z는 안테나를 포함한 총 부하의 임피턴스이다. 안테나들을 병렬 연결시켜 안테나들의 총 임피던스 를 감소시키면, 안테나에 공급되는 전류를 증가시킬 수 있고, 전압을 감소시킬 수 있다. 안테나의 병렬 연결에 의하여 유도 결합을 증가시키고, 축전 결합을 감소시킬 수 있다.
안테나 또는 코일의 직렬 연결 및 병렬연결의 임피던스 또는 인덕턴스의 관계를 설명한다. 두 개의 코일이 중첩 배치되고 전기적으로 직렬 연결되고, 두 개의 코일에 같은 방향의 전류가 흐르는 경우, 유효 인덕턴스는 다음과 같이 주어질 수 있다.
Figure 112007066220737-PAT00001
여기서,
Figure 112007066220737-PAT00002
은 제1 코일의 자체 인덕턴스이다.
Figure 112007066220737-PAT00003
는 제2 코일의 자체 인덕턴스이다. 또한,
Figure 112007066220737-PAT00004
은 제1 코일과 제2 코일 사이의 상호 인덕턴스이다.
두 개의 코일은 기하학적으로 중첩 배치되고 전기적으로 병렬 연결되고, 두 개의 코일에 전류는 서로 같은 방향으로 흐르는 경우, 유효 인덕턴스는 다음과 같이 주어진다.
Figure 112007066220737-PAT00005
상술한 코일의 기하학적 배치 관계, 전류의 방향 및 전기적 연결관계는 유효 인덕턴스에 영향을 미친다. 본 발명은 상호 인덕턴스를 고려하여, 각 안테나의 전류의 방향과 기하학적 배치를 고려한다. 예를 들면, 전기적으로 병렬 연결되고, 중첩적으로 배치된 경우, 각 안테나의 전류의 방향은 서로 같은 방향으로 흐르도록 할 수 있다. 이 경우, 각 안테나에 의한 자계는 플라즈마 발생하는 평면에서 서로 보강 간섭(constructive interference)을 한다. 상기 보강 간섭은 강한 유도 전계를 형성할 수 있고, 상기 안테나들의 간격과 상기 안테나의 팔의 높이를 변경하여 균일한 플라즈마를 형성할 수 있다.
본 발명의 안테나 구조체는 복수의 안테나를 포함할 수 있고, 각 안테나는 복수의 팔과 상기 팔들을 연결하는 관절을 포함할 수 있다. 상기 관절은 안테나의 전류의 방향을 유지하면서 그 위치를 바꾸는 역할을 수행할 수 있다. 구체적으로 그 위치의 변화는 같은 평면에서 이동일 수 있거나 또는 다른 평면에서 이동일 수 있다. 상기 관절은 연속적으로 2번 구부러진 부분을 포함할 수 있다.
본 발명의 안테나 구조체의 각 안테나는 같은 모양일 수 있다. 이에 따라, 각 안테나에 흐르는 전류는 모두 같다. 이에 따라, 상기 전류에 의한 자계 및 유도전계는 대칭성을 가질 수 있다. 정전계는 복수의 안테나를 사용하거나 축전 결합 전극을 사용하여 공간적으로 분산시킬 수 있으므로 균일한 플라즈마의 형성이 가능하다.
본 발명의 안테나 구조체의 각 안테나는 실질적으로 폐곡선(closed loop) 모양일 수 있다. 예를 들면, 최외각 루프의 경우, 각 안테나의 일부분이 결합하여 최외각 루프를 형성한다. 다만, 최외각 루프는 관절 부분에서 불연속을 가지지만, 관절 부위를 제외하면 폐루프를 형성한다. 이에 따라, 대칭적인 자계 또는 유도 전계를 형성한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 안테나는 1 turn 안테나이다. 안테나의 turn 수가 증가하면, 인덕턴스 증가하여 축전 결합이 증가할 수 있다. 다만, 1 turn이지만, 원형, 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형 등 기하학적으로 다양하게 변형될 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 또한, 층이 다른 층 "상" 에 있다고 언급되어지는 경우에 그것은 다른 층 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제3의 층이 개재될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른, 안테나 장치를 나타내는 평면도, 단면도이다. 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른, 안테나 장치를 나타내는 사시도이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 안테나 구조체는 중심축을 중심으로 중첩 배치된 3개의 제1 안테나(300a), 제2 안테나(300b), 및 제3 안테나(300c)를 포함할 수 있다. 상기 제1 안테나(300a)는 3개의 팔들(arms, 310a, 320a, 330a)로 구분될 수 있다. 상기 팔들(310a, 320a, 330a) 사이에 2개의 관절(312a, 322a)을 가질 수 있다. 3 개의 안테나들(300a, 300b, 300c)은 안테나 구조체의 중심에 대하여 교차하 지 않도록 서로 대칭적으로 배치될 수 있다. 각 팔들(310a, 320a, 330a)은 곡률을 가진 곡선, 직선 및 구부러진 부분 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 관절(312a, 322a)은 통상적으로 연속적인 2 개의 꺾인 부분으로 구성될 수 있다. 상기 관절(312a, 322a)은 대칭적인 전류의 진행 방향을 유지하면서 위치를 이동하는 기능을 수행할 수 있다. 각 안테나는 양끝에 전원 공급단과 접지단을 가질 수 있다.
안테나들의 단면은 직사각형 파이프, 원통형 파이프일 수 있다. 안테나의 단면은 다양하게 변형될 수 있다. 상기 파이프 내부로 유체가 흐를 수 있다. 상기 유체는 냉각용일 수 있다. 상기 안테나들은 구리, 알루미늄, 금, 은, 백금 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 안테나 구조체는 제1 안테나(300a), 제2 안테나(300b) 및 제3 안테나(300c)를 포함할 수 있다. 각 안테나는 1 턴(turn)일 수 있다. 상기 제 1 안테나(300a)는 제1 팔(310a), 제2 팔(320a), 및 제3 팔(330a)로 구분될 수 있다. 상기 제1 팔(310a)과 제2 팔(320a) 사이에는 제1 관절(312a)이 배치되고, 제2 팔(320a)과 제3팔(330a) 사이에는 제2 관절(322a)이 배치될 수 있다. 상기 제1 관절(312a) 및 제2 관절(322a)은 전류가 흐르는 방향을 일정하게 유지하면서 그 위치를 바꿀 수 있다. 구체적으로, 원통 좌표계의 경우, 상기 제1 관절(312a)과 제2 관절(322a)은
Figure 112007066220737-PAT00006
방향의 전류 방향을 유지하면서, 반경 및/또는 수직 거리을 바꾸는 역할을 수행할 수 있다. 다만, 상기 관절의 기능은 좌표계에 따라 다를 수 있다.
제1 팔(310a, 310b, 310c), 제2 팔(320a, 320b, 320c), 및 제 3 팔(330a, 330b, 330c)은 다른 평면에 배치될 수 있다. 즉, 상기 제1 팔, 2 팔, 및 제 3 팔은 각각 기준면(50)에서 수직 거리 d1, d2, d3의 위치로 이격된 면에 각각 배치될 수 있다. 또한, d1, d2, d3는 같은 값일 수 있거나, 또는 서로 다른 값일 수 있다. d1, d2, d3을 조절하여, 축전결합 및 유도 결합을 조절할 수 있다. 즉, 제1 팔, 제2 팔, 제3 팔이 배치되는 평면은 플라즈마 균일성을 확보하기 위하여 다양하게 변형될 수 있다. 제1 관절(312a, 312b, 312c) 및 제2 관절(322a, 322b, 322c)은 같은 평면상의 팔들을 연결시키거나 다른 평면상의 팔들을 연결시킬 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 제 1 팔(310a, 310b, 310c)의 곡률 반경(r2)와 제 2 팔(320a, 320b, 320c)의 곡률 반경의 차이(r1-r2)와 제2 팔(320a, 320b, 320c)의 곡률 반경(r2)와 제 3 팔(330a, 330b, 330c)의 곡률 반경(r3)의 차이(r2-r3)는 다를 수 있다. 변형된 실시예에 따르면, r1-r2과 r2-r3는 플라즈마 균일성을 유지하도록 같을 수 있다. 즉, 안테나의 팔의 곡률 반경의 차이를 이용하여 플라즈마 밀도의 균일도를 조절할 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 제1 팔의 곡률 반경(r1), 제2 팔의 곡률 반경(r3), 및 제3 팔의 곡률 반경(r3)은 다를 수 있다. 이 경우, 팔들은 같은 평면에 배치될 수 있으며, 또는 다른 평면에 배치될 수 있다. 팔들이 배치되는 구조는 다양하게 변형될 수 있다.
전원이 제1 팔(310a, 310b, 310c)에 연결되면, 제3 팔(330a, 330b, 330c) 에는 접지가 연결된다. 이와 반대로, 전원이 제3 팔(330a, 330b, 330c)에 연결되면, 제1 팔(310a, 310b, 310c)에는 접지가 연결된다. 상기 제1 안테나(300a), 상기 제2 안테나(300b) 및 상기 제3 안테나(300c)는 전기적으로 병렬 연결되어, 유효 인덕턴스는 감소할 수 있다. 이에 따라, 전원 공급단에 인가되는 전압이 감소할 수 있고, 축전 결합 효과를 감소시킬 수 있다. 각 안테나의 전류의 방향은 서로 같은 방향인 경우, 자계 또는 유도 전계는 보강 간섭하여 고밀도의 균일한 플라즈마를 발생시킬 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 전원은 복수 개 일 수 있다. 이에 따라, 각 안테나는 전원에 독립적으로 연결될 수 있다. 상기 복수의 전원의 구동 주파수는 같을 수 있다. 또한 복수의 전원의 위상은 서로 같거나 일정한 위상 차를 가질 수 있다. 구체적으로, 병렬 연결된 제1 안테나(300a)와 제2 안테나(300b)는 제1 전원(미도시)에 연결되고, 제3 안테나(300c)는 제2 전원(미도시)에 연결될 수 있다.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른, 안테나 장치를 나타내는 사시도이다. 도 2를 참조하면, 원통형의 진공용기를 감싸도록 안테나 구조체가 배치된다. 상기 안테나 구조체는 3 개의 안테나를 포함한다. 기호는 도 1A에서 설명한 바와 같다.제 1 팔(310a, 310b, 310c)의 곡률 반경(r1), 제2 팔(320a, 320b, 320c)의 곡률 반경(r2), 및 제3 팔(330a, 330b, 330c)의 곡률 반경(r3)은 서로 같을 수 있다. 이 경우, 관절은 서로 다른 평면의 팔들을 연결시킬 수 있다. 본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 안테나 구조체는 축전 결합 전극(미도시)을 더 포함할 수 있다. 본 발명의 안테나 장치는 원통형 플라즈마의 형성에 적합하다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 안테나 장치를 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 안테나 구조체는 중심축을 중심으로 중첩 배치된 3개의 안테나들(300a, 300b, 300c)과 상기 안테나 구조체의 중심에 배치된 축전 결합 전극(370)을 포함할 수 있다. 상기 축전 결합 전극(370)은 상기 안테나들과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 축전 결합 전극(370)이 배치되는 평면은 안테나의 팔들이 배치되는 평면과 다를 수 있다. 구체적으로 축전 결합을 조절하기 위하여 기준면(50)으로부터의 상기 축전 결합 전극(370)이 배치된 평면까지의 수직 거리(d4)는 변경될 수 있다. 이에 따라, d4를 조절하여, 축전 결합 플라즈마에 의한 소모 전력과 유도 결합 플라즈마에 의한 소모 전력(power loss)의 비를 조절할 수 있다.
구체적으로, 제1 팔(310a, 310b, 310c), 제2 팔(320a, 320b, 320c), 및 제 3 팔(330a, 330b, 330c)이 배치되는 평면은 다를 수 있다. 즉, 상기 제1 팔, 제 2 팔, 및 제 3 팔은 기준면에서 각각 거리 d1, d2, d3의 위치로 이격된 면에 각각 배치될 수 있다. 또한, 상기 축전 결합 전극(370)이 배치되는 평면은 기준면(50)에서 d4의 위치에 있을 수 있다. d1, d2, d3, d4는 같은 값일 수 있거나, 또는 서로 다른 값일 수 있다. 상기 안테나 구조체는 상기 축전 결합 전극(370)과 각 안테나들(300a,300b,300c)을 연결하는 연결부(332a,332b,332c)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 축전 결합 전극(370)은 상기 안테나들(300a, 300b, 300c)의 전부 또는 일부의 하부에 배치될 수 있다. 구체적으로, 상기 축전 결합 전극(370)의 반경(R1)은 제3 팔의 곡률 반경(r3)보다 클 수 있다. 다만, 이 경우, 상기 축전 결합 전극(370)은 유도 전계가 상기 축전 결합 전극(370)을 통과하도록 슬릿(미도시)을 포함할 수 있다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른, 안테나 장치를 나타내는 도면이다.
도 4을 참조하면, 안테나 구조체는 중심축을 중심으로 중첩 배치된 4개의 안테나들(400a, 400b, 400c, 400d)을 포함할 수 있다. 각각의 안테나(400a)는 4개의 팔들(410a, 420a, 430a, 440a)로 구분된다. 상기 팔들(410a, 420a, 430a, 440a) 사이에 3개의 관절(412a, 422a, 432a)을 가질 수 있다. 4 개의 안테나들(400a, 400b, 400c, 400d)은 안테나의 중심에 대하여 서로 대칭적으로 배치될 수 있다. 각 팔들(410a, 420a, 430a, 440a)은 곡률을 가진 곡선, 직선 및 꺾어진 부분 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 관절(412a, 422a, 432a)은 통상적으로 연속적인 2 개의 꺾인 부분을 포함할 수 있다. 상기 관절(412a, 422a, 432a)은 전류의 진행 방향을 유지하면서 위치를 이동하는 기능을 수행할 수 있다.
제1 팔(410a, 410b, 410c, 410d), 제2 팔(420a, 420b, 420c, 420d), 및 제 3 팔(430a, 430b, 430c, 430d), 제4 팔(440a, 440b, 440c, 440d)이 배치되는 평면은 다를 수 있다. 즉, 상기 제1 팔, 2 팔, 제 3 팔, 및 제 4 팔은 기준면에서 각각 거리 d1, d2, d3, d4의 위치로 이격된 면에 각각 배치될 수 있다. 또한, d1, d2, d3, d4는 같은 값일 수 있거나, 또는 서로 다른 값일 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 제1 팔(410a, 410b, 410c, 410d), 제 2 팔(420a, 420b, 420c, 420d), 제 3팔(430a, 430b, 430c, 430d), 및 제4 팔(440a, 440b, 440c, 440d)의 곡률 반경(r1,r2,r3,r4)은 서로 같거나 다를 수 있다.
전원이 상기 제1 팔(410a, 410b, 410c, 410d)에 연결되면, 상기 제4 팔(440a, 440b, 440c,440d)은 접지가 연결된다. 이와 반대로, 전원이 상기 제4 팔(440a, 440b, 440c,440d)에 연결되면, 상기 제1 팔(410a, 410b, 410c, 410d)은 접지가 연결된다. 상기 제1 안테나(400a), 제2 안테나(400b), 제3 안테나(400c) 및 제4 안테나(400d)는 전기적으로 병렬 연결되어, 유효 인덕턴스는 감소할 수 있다. 이에 따라, 전원 공급단에 인가되는 전압이 감소할 수 있다. 또한, 각 안테나의 전류의 방향은 서로 같은 방향인 경우, 자계는 보강 간섭하여 균일한 플라즈마를 발생시킬 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 전원은 복수 개 일 수 있다. 이에 따라, 각 안테나는 전원에 독립적으로 연결될 수 있다. 상기 복수의 전원의 구동 주파수는 같을 수 있다. 또한 복수의 전원의 위상은 서로 같거나 일정한 위상 차를 가질 수 있다. 구체적으로, 병렬 연결된 제1 안테나(400a)와 제2 안테나(400b)는 제1 전원(미도시)에 연결되고, 병렬 연결된 제3 안테나(400c) 및 제4 안테나(400d)는 제2 전원(미도시)에 연결될 수 있다.
도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른, 안테나 장치를 나타내는 도면이다.
도 5을 참조하면, 상기 안테나 구조체는 중심축을 중심으로 중첩 배치된 4개의 안테나들(400a, 400b, 400c, 400d)과 안테나 구조체의 중심에 배치된 축전 결합 전극(470)을 포함할 수 있다. 상기 축전 결합 전극(470)은 상기 안테나들과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 축전 결합 전극이 배치되는 평면은 안테나의 팔들이 배치되는 평면과 다를 수 있다. 제1 팔(410a, 410b, 410c, 410d), 제 2 팔(420a, 420b, 420c, 420d), 제 3 팔(430a, 430b,430c,430d), 및 제 4 팔(440a, 440b,440c,440d)이 배치되는 평면은 다를 수 있다. 즉, 상기 제1 팔, 제 2 팔, 제 3 팔 및 제 4 팔은 기준면에서 각각 거리 d1, d2, d3, d4의 위치로 이격된 면에 각각 배치될 수 있다. 또한, 상기 축전 결합 전극(470)이 배치되는 평면은 기준면에서 d3의 위치에 있을 수 있다. d1, d2, d3, d4는 같은 값일 수 있거나, 또는 서로 다른 값일 수 있다. 상기 안테나 구조체는 상기 축전 결합 전극(470)과 각 안테나들(400a,400b,400c,400d)을 연결하는 연결부(450a,450b,450c,450d)를 더 포함할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 안테나 장치를 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 안테나 구조체는 직각 좌표계에서 사각형 모양일 수 있다. 사각형 모양의 안테나 구조체는 LCD 기판 또는 태양전지 기판을 가공하는 플라즈마 발생장치에 사용될 수 있다. 사각형은 정사각형에 한정되는 것은 아니다.
상기 안테나 구조체는 중심축을 중심으로 중첩 배치된 4개의 안테나들(500a, 500b, 500c, 500d)을 포함할 수 있다. 각각의 안테나(500a)는 4개의 팔들(510a, 520a, 530a, 540a)로 구분될 수 있고, 상기 팔들(510a, 520a, 530a, 540a) 사이에 3개의 관절(512a, 522a,532a)을 가질 수 있다. 4 개의 안테나들(500a, 500b, 500c, 500d)은 안테나의 중심에 대하여 서로 대칭적으로 배치될 수 있다. 각 팔들(510a, 520a, 530a, 540a)은 곡률을 가진 곡선, 직선 및 꺾어진 부분 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 관절(512a, 522a, 532a)은 통상적으로 연속적인 2 개의 꺾인 부분을 포함할 수 있다. 상기 관절(512a, 522a, 532a)은 전류의 진행 방향을 유지하면서 위치를 이동하는 기능을 수행할 수 있다.
제1 팔(510a, 510b, 510c, 510d), 제2 팔(520a, 520b, 520c, 520d), 및 제 3 팔(530a, 530b, 530c, 530d), 제4 팔(540a, 540b, 540c, 540d)이 배치되는 평면은 다를 수 있다. 즉, 상기 제1 팔, 제 2 팔, 제 3 팔, 및 제 4 팔은 기준면에서 각각 거리 d1, d2, d3, d4의 위치로 이격된 면에 각각 배치될 수 있다. 또한, d1, d2, d3, d4는 같은 값일 수 있거나, 또는 서로 다른 값일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 팔(510a, 510b, 510c, 510d), 제 2 팔(520a, 520b, 520c, 520d), 제 3팔(530a, 530b, 530c, 530d), 및 제4 팔(540a, 540b, 540c, 540d)의 안테나 중심에서부터 거리(r1,r2,r3,r4)은 서로 다를 수 있다.
전원이 제1 팔(510a, 510b, 510c, 510d)에 연결되면, 제4 팔(540a, 540b, 540c,540d)은 접지가 연결된다. 이와 반대로, 전원이 제4 팔(540a, 540b, 540c,540d)에 연결되면, 제1 팔(510a, 510b, 510c, 510d)에는 접지가 연결된다. 제1 안테나(500a), 제2 안테나(500b), 제3 안테나(500c) 및 제4 안테나(500d)는 전기적으로 병렬 연결되어, 유효 인덕턴스는 감소할 수 있다. 이에 따라, 전원 공급단에 인가되는 전압이 감소할 수 있다. 또한, 각 안테나의 전류의 방향은 서로 같은 방향인 경우, 자계는 보강 간섭하여 균일한 플라즈마를 발생시킬 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른, 안테나 구조체를 나타내는 도면이다.
도 7을 참조하면, 상기 안테나 구조체는 중심축을 중심으로 중첩 배치된 4개의 안테나들(500a, 500b, 500c, 500d)과 안테나 구조체의 중심에 배치된 축전 결합 전극(570)을 포함할 수 있다. 상기 축전 결합 전극(570)은 상기 안테나들과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 축전 결합 전극이 배치되는 평면은 안테나의 팔들이 배 치되는 평면과 다를 수 있다. 제1 팔(510a, 510b, 510c, 510d), 제2 팔(520a, 520b, 520c, 520d), 제 3 팔(530a, 530b,530c,530d), 및 제4팔(540a, 540b,540c,540d)이 배치되는 평면은 다를 수 있다. 즉, 상기 제1 팔, 2 팔, 제 3팔, 및 제 4 팔은 기준면에서 거리 d1, d2, d3, d4의 위치로 이격된 면에 각각 배치될 수 있다. 또한, 상기 축전 결합 전극(570)이 배치되는 평면은 기준면에서 d4의 위치에 있을 수 있다. d1, d2, d3, d4는 같은 값일 수 있거나, 또는 서로 다른 값일 수 있다. 상기 축전 결합 전극(570)은 사각형일 수 있다.
상기 안테나 구조체는 상기 축전 결합 전극(570)과 각 안테나들(500a,500b,500c,500d)을 연결하는 연결부(542a,542b,542c,542d)를 더 포함할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른, 안테나 구조체를 나타내는 도면이다.
도 8을 참조하면, 상기 안테나 구조체는 중심축을 중심으로 중첩 배치된 6개의 안테나들(600a, 600b, 600c, 600d, 600e, 600f)과 안테나 구조체의 중심에 배치된 축전 결합 전극(670)을 포함할 수 있다. 상기 축전 결합 전극(670)은 상기 안테나들과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 축전 결합 전극이 배치되는 평면은 안테나의 팔들이 배치되는 평면과 다를 수 있다. 구체적으로, 제1 팔(610a), 제2 팔(620a), 제 3 팔(630a), 및 제4팔(640a), 제 5팔(650a), 및 제 6팔(660a)이 배치되는 평면은 다를 수 있다. 즉, 상기 제1 팔, 2 팔, 제 3팔, 제 4 팔, 제 5팔, 제 6팔은 기준면(50)에서 다른 거리로 이격된 면에 각각 배치될 수 있다. 또한, 상기 축전 결합 전극(670)이 배치되는 평면은 기준면에서 일정한 위치에 있을 수 있다.
전원이 제1 팔(610a)에 연결되면, 제6 팔(660af)에 접지가 연결된다. 이와 반대로, 전원이 제6 팔(660a)에 연결되면, 제1 팔(610a)에 접지가 연결된다. 제1 안테나 내지 제6 안테나는 전기적으로 병렬 연결되어, 유효 인덕턴스는 감소할 수 있다. 이에 따라, 전원 공급단에 인가되는 전압이 감소할 수 있다. 또한, 각 안테나의 전류의 방향은 서로 같은 방향인 경우, 자계는 보강 간섭하여 균일한 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 상기 d안테나 구조체는 상기 축전 결합 전극(670)과 각 안테나들(600a, 600b, 600c, 600d, 600e, 600f)을 연결하는 연결부를 더 포함할 수 있다.
도 9은 본 발명의 일 실시예에 따른, 안테나 장치를 나타내는 도면이다.
도 9을 참조하면, 상기 안테나 장치는 중심축을 중심으로 중첩 배치된 3개의 안테나들(300a, 300b, 300c)로 구성된 제1 안테나 구조체(10)와 상기 제1 안테나 구조체와 같은 축 상에 배치된 제2 안테나 구조체(20)를 포함한다. 이 경우, 상기 제2 안테나 구조체(20)의 반경은 상기 제1 안테나 구조체(10)의 반경보다 클 수 있다. 중첩 배치될 경우에도 반경이 같을 수 있고, 이 경우는 수직으로 중첩 배치될 수 있다. 상기 제1 안테나 구조체(10)와 상기 제2 안테나 구조체(20)는 별개의 전원으로 부터 전력을 공급받을 수 있다. 본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 중첩 배치되지 않고 인접 배치될 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른, 안테나 구조체를 가지고 측정한 플라즈마 밀도의 각도에 따른 의존성을 나타내는 도면이다. 여기서, 각도는 x축을 기준으로 시계방향으로 정의된다.
다시, 도 1을 참조하면, 안테나 구조체는 병렬 연결된 1 턴(turn)의 제1 안테나(300a)와 제2 안테나(300b) 및 제3 안테나(300c)로 구성되고, 각 안테나들의 팔들은 서로 평면 상에 배치되고, 가장 안쪽의 팔이 기준면으로부터 가장 높이 배치된다. 0 도 ,45 도, 및 180 도에 따라, 방위각 대칭성을 보였다. 안테나들을 전기적으로 병렬 연결되고, 축전 결합 효과를 분산시키어, 플라즈마 밀도는 균일하다.
도 11는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 장치가 같은 평면에 배치된 경우(a)와 도 1B에 도시된 바와 같이 서로 다른 평면에 배치된 경우(b)의 반경 방향의 플라즈마 밀도를 나타내는 도면이다.
도 11을 참조하면, 같은 평면에 배치된 경우(a)는 중심부의 플라즈마 밀도가 상승한다. 한편, 서로 다른 평면에 배치된 경우(b) 안테나 구조체의 각 안테나의 팔들이 다른 평면에 배치된다. 이에 따라, 중심부의 플라즈마 밀도가 감소함을 알 수 있다. 안테나 구조체의 중심부의 안테나의 팔들이 배치되는 평면과 외각의 안테나의 팔들이 배치되는 평면의 거리가 증가함에 따라, 중심부에 중첩되는 유효 인덕턴스의 크기를 줄여주게 되고, 중심부의 플라즈마 밀도는 감소하여 균일한 플라즈마를 얻을 수 있었다.
도 1a 및 도 1b은 본 발명의 일 실시예에 따른, 안테나 장치를 나타내는 도면이다.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른, 안테나 장치를 나타내는 사시도이다.
도 3 내지 9은 본 발명의 일 실시예에 따른, 안테나 장치를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른, 안테나 구조체를 가지고 측정한 플라즈마 밀도의 각도에 따른 의존성을 나타내는 도면이다.
도 11는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 장치가 같은 평면에 배치된 경우(a)와 도 1b에 도시된 바와 같이 서로 다른 평면에 배치된 경우(b)의 반경 방향의 플라즈마 밀도를 나타내는 도면이다.

Claims (12)

  1. 동일한 N 개의 루프형 안테나들을 포함하되,
    상기 루프형 안테나들은 360도/N의 각도 차이를 두고 중첩적으로 배치되고,
    각 상기 루프형 안테나는 1 턴(turn)으로 구성되고 N의 팔들(arms)을 가지고,
    상기 팔들이 배치되는 평면이 적어도 2개이고,
    상기 안테나의 팔들을 연결하는 N-1 관절을 가지고,
    N은 3 이상인 것을 특징으로 하는 안테나 구조체를 적어도 하나 이상 포함하는 플라즈마 발생용 안테나 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 안테나의 팔은 직선, 곡률을 가지는 곡선, 및 구부러진 부분 중에서 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생용 안테나 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 안테나의 관절은 안테나의 팔이 배치되는 평면을 바꾸되, 상기 관절의 전 후에서 안테나의 팔의 곡률 반경은 증가 또는 감소하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생용 안테나 장치.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 안테나의 상기 관절에서 상기 안테나의 팔이 배치되는 평면을 바꾸되, 상기 관절의 전 후에서 안테나의 곡률 반경은 변하지 않는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생용 안테나 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 안테나들에 흐르는 전류는 서로 같은 방향인 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생용 안테나 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 안테나들은 전부 또는 일부가 전기적으로 병렬 연결되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생용 안테나 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    복수의 안테나 구조체는 서로 인접 배치되되,
    상기 안테나 구조체에 전력을 공급하는 전원이 따로따로 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생용 안테나 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    복수의 안테나 구조체는 서로 중첩배치되되,
    상기 안테나 구조체에 전력을 공급하는 전원이 따로따로 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생용 안테나 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 안테나들의 축전 결합 전극을 더 포함하되,
    상기 축전 결합 전극에서 상기 안테나들로 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생용 안테나 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 축전 결합 전극은 슬릿을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생용 안테나 장치.
  11. N 개의 루프형 안테나들을 포함하되,
    상기 루프형 안테나들은 360도/N의 각도 차이를 두고 중첩적으로 배치되고,
    상기 안테나는 N의 팔들(arms)을 가지고,
    상기 안테나의 팔을 연결하는 N-1 관절을 가지고,
    N은 3 이상인 것을 특징으로 하는 안테나 구조체를 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생용 안테나 장치..
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 안테나들의 축전 결합 전극을 더 포함하되,
    상기 축전 결합 전극에서 상기 안테나들로 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생용 안테나 장치.
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