KR20140103948A - 채널을 따라 변화하는 단면적들을 갖는 토로이달 플라즈마 채널 - Google Patents

채널을 따라 변화하는 단면적들을 갖는 토로이달 플라즈마 채널 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 토로이달 플라즈마 챔버(201)를 포함하는, 가스 흐름 패턴들 및 가스-플라즈마 상호작용들을 조정하기 위한 어셈블리에 관한 것이다. 토로이달 플라즈마 챔버는, 모두 연결되어 있는, 주입 부재(213), 출력 부재(217), 제 1 측면 부재(205) 및 제 2 측면 부재(209)를 갖는다. 제 1 측면 부재(205)는, 제 1 측면 부재의 적어도 일부분에 제 1 내부 단면적 및 제 1 측면 부재의 적어도 다른 부분에 제 2 내부 단면적을 갖고, 여기서, 제 1 내부 단면적과 제 2 내부 단면적은 상이하다. 제 2 측면 부재(209)는, 제 2 측면 부재의 적어도 일부분에 제 3 내부 단면적 및 제 2 측면 부재의 적어도 다른 부분에 제 4 내부 단면적을 갖고, 여기서, 제 3 내부 단면적과 제 4 내부 단면적은 상이하다.

Description

채널을 따라 변화하는 단면적들을 갖는 토로이달 플라즈마 채널{TOROIDAL PLASMA CHANNEL WITH VARYING CROSS-SECTION AREAS ALONG THE CHANNEL}
본 발명은, 일반적으로 토로이달 플라즈마 디바이스(toroidal plasma device)들에 관한 것이고, 더욱 구체적으로는 상이한 플라즈마 크기들로 조정하기 위해 변화하는 크기들을 가질 수 있는 채널들을 갖는 토로이달 플라즈마 디바이스들에 관한 것이다.
플라즈마 방전들은, 이온들, 프리 라디칼들, 원자들, 및 분자들을 포함하는 활성 가스들을 생성하기 위해 가스들을 여기시키는데 이용될 수 있다. 활성 가스들은, 고체 재료, 예를 들어, 반도체 웨이퍼들, 파우더들, 및 다른 가스들을 프로세싱하는 것을 포함하는 수많은 산업적 그리고 과학적 애플리케이션들에 이용된다. 플라즈마의 파라미터들 및 프로세싱되고 있는 재료로의 플라즈마의 노출의 컨디션들은, 애플리케이션에 따라 광범위하게 변화한다.
플라즈마들은, DC 방전, 무선 주파수(RF) 방전, 및 마이크로파 방전을 포함하는 다양한 방법들로 생성될 수 있다. DC 방전들은, 가스 내의 2개의 전극들 사이에 전위를 인가함으로써 달성된다. RF 방전들은, 전력 서플라이로부터의 에너지를 정전기적으로 또는 유도적으로 플라즈마에 결합시킴으로써 달성된다. 병렬 플레이트들은, 통상적으로 에너지를 플라즈마에 정전기적으로 결합시키기 위해 이용된다. 유도 코일들은, 통상적으로 전류를 플라즈마로 유도하기 위해 이용된다. 마이크로파 방전들은, 마이크로파 에너지를 마이크로파-통과 윈도우를 통해서 가스를 함유하는 방전 챔버로 직접 결합시킴으로써 달성된다. 마이크로파 방전들은, 이들이 매우 높게 이온화된 전자 사이클로트론 공명(ECR; electron cyclotron resonant) 플라즈마들을 포함하는, 광범위한 방전 컨디션들을 지원하는데 이용될 수 있기 때문에, 유리하다. RF 방전들 및 DC 방전들은, 본질적으로 높은 에너지 이온들을 생성하고, 이에 따라, 프로세싱되고 있는 재료가 플라즈마와 직접 접촉하고 있는 애플리케이션들에 대해 플라즈마를 생성하기 위해 종종 이용된다. 마이크로파 방전들은, 조밀한, 낮은 이온 에너지 플라즈마들을 생성하고, 이에 따라, "다운스트림" 프로세싱을 위해 활성 가스의 스트림들을 생성하기 위해 종종 이용된다. 또한, 마이크로파 방전들은, 낮은 에너지에서 이온들을 생성하고, 그후 인가된 전위로 프로세스 표면에 그 이온들을 촉진시키는(accelerate) 것이 바람직한 애플리케이션들에 유용하다.
토로이달 플라즈마 디바이스는, 플라즈마 전류가 토로이달 플라즈마 채널에서 순환하는 유도성 방전에서 플라즈마를 생성한다. 정전기 결합을 제거함으로써, 토로이달 플라즈마 디바이스에서의 플라즈마 전류는 전극들 또는 챔버 월들에서 종결하지 않는다. 이는, 용량적 결합 방전들과 비교하여 이온 에너지들 및 표면 부식을 현저하게 감소시킨다. 기존의 토로이달 플라즈마 디바이스들에서, 토로이달 플라즈마 챔버는 통상적으로 거의-균일한 단면적들을 갖는 플라즈마 채널들을 갖는다. 가스 주입은, 플라즈마 채널들 내에서 가스 흐름 패턴 및 가스-플라즈마 상호작용들을 조정하기 위한 수단일 수 있다. 그러나, 플라즈마 디바이스의 성능은, 챔버의 설계에 의해 제한된 채로 유지된다.
토로이달 플라즈마 채널에서, 가스 온도, 조성, 이온화 레이트 및 플라즈마 임피던스는 채널의 치수들을 따라 일정하지 않다. 가스들이 플라즈마-충진된 채널을 따라 흐르기 때문에, 이들은 플라즈마에 의해 가열되어 해리된다. 거의 균일한 단면적을 갖는 기존의 트로이달 플라즈마 채널 설계들에서, 가스 또는 플라즈마 컨디션들에서의 이러한 변화들은 바람직하지 않은 또는 제어되지 않은 가스 흐름 패턴들 및 플라즈마 프로파일들을 생성한다. 스월링(swirling) 주입기에 의한 가스 흐름 패턴의 제어는, 그 스윌링 주입기가 위치된 인렛 근처에서 효과적인데 반하여, 가스들이 플라즈마 채널을 따라 더 하향하여 흐르기 때문에, 약해진다. 그 결과, 플라즈마 디바이스는 전체 플라즈마 채널에서 최적화되지 않는다. 불충분한 가스-플라즈마 상호작용 및 과도한 플라즈마-표면 상호작용으로 인해, 요구되는 가스 해리를 달성하기 위해 더 많은 전력이 이용된다. 플라즈마 채널에서의 부식은, 특히 플라즈마가 챔버 월들에 푸시되는 영역들 또는 해리된 원자 종들의 온도 및 밀도가 높은 출구 근처에서 높다. 플라즈마 채널에서의 부식 위치는 또한, 전력, 흐름, 압력, 및 종들에 의존하기 때문에 예측하기 어렵다. 그 결과, 토로이달 플라즈마 디바이스들은 한정된 수명을 갖는다.
일 양상에서, 본 발명은, 가스 흐름 및 가스-플라즈마 상호작용들을 최적화하기 위해 채널을 따라 변화하는 단면적들을 갖는 토로이달 플라즈마 채널을 특징으로 한다. 플라즈마 채널은 또한, 이전의 토로이달 플라즈마 채널 설계들에서 발생했던 몇몇 특정 흐름 레이트들에서 해리 레이트에 있어서의 급격한 하강(sharp drop)을 제거할 수 있다. 또한, 플라즈마 흐름 및 가스-플라즈마 상호작용들은, 특정 애플리케이션 또는 용도에 맞춤화된 채널 설계들을 활용함으로써 최적화될 수 있다. 게다가, 이러한 플라즈마 채널 설계는, 채널 내 플라즈마를 중심화하고, 자신의 프로파일을 제어함으로써 표면 부식들을 감소시킬 수 있고, 이에 의해 플라즈마 챔버의 가용 수명을 연장할 수 있다.
일 양상에서, 토로이달 플라즈마 챔버 및 가스 주입기를 포함하는 가스 흐름 패턴들 및 가스-플라즈마 상호작용들을 조정하기 위한 어셈블리가 존재한다. 토로이달 플라즈마 챔버는, 주입 부재, 출력 부재, 제 1 측면 부재 및 제 2 측면 부재를 포함한다. 제 1 및 제 2 측면 부재들은, 주입 부재 및 출력 부재에 연결된다. 제 1 측면 부재는, 제 1 측면 부재의 적어도 일부분에 제 1 내부 단면적 및 제 1 측면 부재의 적어도 다른 부분에 제 2 내부 단면적을 갖고, 제 1 내부 단면적과 제 2 내부 단면적은 상이하다. 제 2 측면 부재는, 제 2 측면 부재의 적어도 일부분에 제 3 내부 단면적 및 제 2 측면 부재의 적어도 다른 부분에 제 4 내부 단면적을 갖고, 제 3 내부 단면적과 제 4 내부 단면적은 상이하다. 가스 주입기는, 가스를 토로이달 플라즈마 챔버에 주입하고, 토로이달 플라즈마 챔버 내에서 플라즈마의 형성을 위한 가스의 흐름을 야기할 수 있다.
다른 양상에서, 토로이달 플라즈마 챔버를 포함하는, 가스 흐름 패턴들 및 가스-플라즈마 상호작용들을 조정하기 위한 어셈블리가 존재한다. 토로이달 플라즈마 챔버는, 주입 부재, 출력 부재, 제 1 측면 부재 및 제 2 측면 부재를 포함한다. 제 1 및 제 2 측면 부재들은, 주입 부재 및 출력 부재를 연결한다. 제 1 측면 부재는, 제 2 측면 부재의 내부 단면적과는 상이한 내부 단면적을 갖는다. 가스 주입기는, 가스의 주입이 토로이달 플라즈마 챔버 내에서 플라지마의 형성을 위해 가스의 흐름을 야기하도록, 토로이달 플라즈마 챔버에 가스를 주입하는데 이용된다.
또 다른 양상에서, 가스를 수용하고 전달할 수 있는 주입 부재, 및 분리된(disassociated) 가스가 토로이달 플라즈마 챔버 외부로 흐르도록 허용할 수 있는 출력 부재를 포함하는 토로이달 플라즈마 챔버를 구성하기 위한 키트(kit)가 존재한다. 제 1 측면 부재 및 제 2 측면 부재는, 가스 및 플라즈마가, 적어도 제 1 부분의 제 1 내부 단면적 및 적어도 제 2 부분의 제 2 내부 단면적 각각을 통해서 흐르게 하도록 허용할 수 있다. 키트는 또한, 주입 부재 또는 출력 부재의 연결부의 내부 단면적보다 작은 제 1 내부 단면적, 및 주입 부재 또는 출력 부재의 연결부의 내부 단면적보다 작은 제 2 내부 단면적을 포함한다. 수냉식(water cooled) 커넥터들이, 가스 및 플라즈마의 누출, 및 전기 브레이크를 방지하기 위해 진공 씰을 생성한다.
또 다른 양상에서, 제 1 미리결정된 크기의 플라즈마에 기초하여 제 1 내부 단면적을 갖는 제 1 측면 부재를 토로이달 플라즈마 챔버에 삽입하는 단계, 및 제 2 미리결정된 크기의 플라즈마에 기초하여 제 2 내부 단면적을 갖는 제 2 측면 부재를 토로이달 플라즈마 챔버에 삽입하는 단계를 포함하는, 가스 흐름 패턴들 및 가스-플라즈마 상호작용들을 조정하기 위한 방법이 존재한다. 이 방법은, 또한, 토로이달 플라즈마 챔버에 가스를 주입하는 단계, 토로이달 플라즈마 챔버 내에서 가스의 흐름을 야기하는 단계, 및 제 1 측면 부재의 개구를 통해서 그리고 제 2 측면 부재의 개구를 통해서 플라즈마가 흐르도록, 토로이달 플라즈마 챔버 내에서 플라즈마를 생성하는 단계를 포함한다.
또 다른 양상에서, 제 1 측면 부재와 주입 부재를 연결하는 제 1 커넥터를 제거하는 단계, 제 1 측면 부재와 출력 부재를 연결하는 제 2 커넥터를 제거하는 단계, 토로이달 플라즈마 챔버로부터 제 1 측면 부재를 제거하는 단계, 및 제 2 측면 부재를 토로이달 플라즈마 챔버에 설치하는 단계 ― 여기서, 제 2 측면 부재는 제 1 측면 부재의 대체물임 ― 를 포함하는, 토로이달 플라즈마 챔버의 측면 부재를 대체하기 위한 방법이 존재한다. 방법은 또한, 제 2 측면 부재와 주입 부재를 연결하기 위해 제 1 커넥터를 설치하는 단계, 및 제 2 측면 부재와 출력 부재를 연결하기 위해 제 2 커넥터를 설치하는 단계를 포함할 수 있다.
앞서 설명된 각각의 양상은, 이하의 특징들 중 하나 또는 그 초과를 포함할 수 있다. 실시예들에서, 제 1 및 제 2 측면 부재들은, 어셈블리, 키트들, 또는 방법들의 성능을 강화하기 위해 다양한 형상들 및 구성들로 시행된다. 예를 들어, 실시예에서, 제 1 내부 단면적(예를 들어, 제 1 측면 부재의 섹션)과 제 3 내부 단면적(예를 들어, 제 2 측면 부재의 섹션)은 동일할 수 있다. 다양한 실시예들에서, 제 1 측면 부재 및 제 2 측면 부재는 상호보완적 형상을 갖는다. 몇몇 실시예들에서, 제 1 측면 부재 및 제 2 측면 부재는 평행할 수 있다. 실시예들에서, 제 1 측면 부재를 따른 내부 단면적과 제 2 측면 부재를 따른 내부 단면적은 지속적인 유체 흐름을 위해 평활한 윤곽으로 연결될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 제 1 및 제 2 측면 부재들은, 크기면에서 다양할 수 있는 단면적들을 갖는다. 제 1 내부 단면적 및 제 3 내부 단면적은, 2 내지 50cm2의 범위에 있을 수 있다. 제 2 내부 단면적 및 제 4 내부 단면적은, 3 내지 80cm2의 범위에 있을 수 있다. 제 1 내부 단면적 및 제 3 내부 단면적은, 토로이달 플라즈마 챔버를 따라, 각각, 제 2 내부 단면적 및 제 4 내부 단면적의 다운스트림에 있을 수 있다.
다양한 실시예들에서, 제 1 및 제 2 측면 부재들은 제거가능하다. 제 1 측면 부재 및 제 2 측면 부재 둘 다는, 가스 및 플라즈마의 누출 및 전기 브레이크를 방지하기 위해 진공 씰을 생성하는 커넥터들을 갖는 주입 부재와 출력 부재에 연결될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 커넥터들은 유체 냉각될 수 있다. 제 1 측면 부재 및 제 2 측면 부재는 제거가능할 수 있다. 제 1 및 제 2 측면 부재들의 크기는, 토로이달 플라즈마 챔버를 통해서 흐르고 있는 플라즈마의 크기에 실질적으로 일치할 수 있다.
본 발명의 앞선 양상들은, 종래의 상태에 비해 수많은 이점들을 갖는다. 예를 들어, 본 발명은, 가스 흐름 및 플라즈마 프로파일을 제어할 수 있다. 본 발명은 또한, 반응성 가스들의 해리 레이트를 증가시킬 수 있고, 토로이달 플라즈마 채널 부식을 감소시킬 수 있다. 이는, 전력 효율을 증가시키고 플라즈마 안정성을 개선시키면서, 제품 수명을 가능한 한 연장시킬 수 있다. 본 발명은 또한, 제조 비용을 낮출 수 있고 서비스가능성(serviceability)을 개선시킬 수 있다.
앞서 설명된 본 발명의 이점들은, 추가적인 이점들과 함께, 첨부된 도면들과 관련하여 취해진 이하의 상세한 설명을 참조함으로써 더 잘 이해될 것이다. 도면들은, 본 발명의 원리들을 예시할 때 일반적으로 차지하게 되는 것 대신에 스케일링되고 강조되는 것이 필수적이지는 않다.
도 1은, 토로이달 플라즈마 챔버의 종래 기술의 이미지이다.
도 2는, 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 더 작은 직경들을 갖는 측면 채널들을 갖는 토로이달 플라즈마 챔버의 이미지이다.
도 3a는, 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 2개의 단면 직경들을 각각 갖는 측면 채널들을 갖는 토로이달 플라즈마 챔버의 이미지이다.
도 3b는, 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 서로 상이한 내부 단면적들을 갖는 측면 채널들을 갖는 토로이달 플라즈마 챔버의 이미지이다.
도 4a는, 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 임의의 다른 부재의 직경보다 더 큰 직경을 갖는 출력 부재를 갖는 토로이달 플라즈마 챔버의 이미지이다.
도 4b는, 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 임의의 다른 부재의 직경보다 더 큰 직경을 갖는 주입 부재를 갖는 토로이달 플라즈마 챔버의 이미지이다.
도 4c는, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 타원형 토로이달 플라즈마 챔버의 이미지이다.
도 4d는, 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 측면 부재들 둘 다보다 더 큰 직경을 갖는 출력 및 주입 부재들을 갖는 타원형 토로이달 플라즈마 챔버의 이미지이다.
도 4e는, 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 보타이-형상(bowtie-shaped) 측면 채널들을 갖는 토로이달 플라즈마 챔버의 이미지이다.
도 4f는, 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 상이한 크기의 직경들을 갖는 측면 채널들을 갖는 토로이달 플라즈마 챔버의 이미지이다.
도 5는, 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 커넥터의 상세화된 이미지를 갖는, 토로이달 플라즈마 챔버의 이미지이다.
도 6은, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 토로이달 플라즈마 챔버에 대한 수냉 장치(water-cooling apparatus)의 이미지이다.
본 발명은, 가스 흐름 패턴들 및 가스-플라즈마 상호작용들을 조정하기 위해 토로이달 플라즈마 디바이스들을 이용하기 위한 어셈블리들, 키트들, 및 방법들을 제공한다. 일반적으로, 토로이달 플라즈마 디바이스들은, 토로이달 플라즈마 챔버를 갖는다.
도 1은, 토로이달 플라즈마 챔버(101)의 종래 기술 실시예를 도시한다. 토로이달 플라즈마 챔버(101)는, 제 1 측면 부재(105) 및 제 2 측면 부재(109)를 갖는다. 토로이달 플라즈마 챔버(101)는 또한, 주입 부재(113) 및 출력 부재(117)를 갖는다. 주입 부재(113)는, 가스가 토로이달 플라즈마 챔버(101)에 도입되는 입구의 지점이다. 출력 부재(117)는, 가스가 토로이달 플라즈마 챔버(101)를 빠져나가도록 허용되는 출구의 지점이다. 가스의 흐름은, 토로이달 플라즈마 챔버(101) 내부의 채널을 순회하는, 제 1 측면 부재(105) 및 제 2 측면 부재(109) 둘 다를 통과할 것이다.
기존의 트로이달 플라즈마 디바이스들에서, 플라즈마 채널들은, 거의-균일한 단면적들을 갖는다. 제 1 측면 부재(105)는, 자신의 전체 길이에 따르는, 실질적으로 균일한 단면적을 갖는다. 제 2 측면 부재(109)는 또한, 자신의 전체 길이에 따르는, 실질적으로 균일한 단면적을 갖는다. 제 1 측면 부재(105) 및 제 2 측면 부재(109)는, 실질적으로 동일한-크기의 균일한 단면적을 가질 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 제 1 측면 부재(105)와 제 2 측면 부재(109)는 동일하다. 추가적으로, 제 1 측면 부재(105)와 주입 부재(113) 사이의 연결 지점 및 제 1 측면 부재(105)와 출력 부재(117) 사이의 연결 지점은, 동일한 단면적을 가질 수 있다. 제 2 측면 부재(109)와 주입 부재(113) 사이의 연결 지점 및 제 2 측면 부재(109)와 출력 부재(117) 사이의 연결 지점은, 동일한 단면적을 가질 수 있다. 가스 주입은, 가스 흐름 패턴 및 가스-플라즈마 상호작용들을 조정하기 위해 이용될 수 있지만; 이 방법은 플라즈마 디바이스의 성능을 제한한다.
도 2는, 토로이달 플라즈마 챔버의 모든 다른 부분들의 직경보다 작은 직경들을 갖는 측면 채널들을 갖는 토로이달 플라즈마 챔버를 도시한다. 토로이달 플라즈마 챔버(201)는, 제 1 측면 부재(205) 및 제 2 측면 부재(209)를 갖는다. 제 1 측면 부재(205)의 일부분은, 제 1 측면 부재(205)의 다른 부분보다 작은 단면적을 갖는다(예를 들어, 제 1 측면 부재(205)의 상부 및 저부는 중간 부분보다 큰 직경을 가짐). 제 2 측면 부재(209)의 일부분은, 제 2 측면 부재(209)의 다른 부분보다 작은 단면적을 갖는다(예를 들어, 제 2 측면 부재(209)의 상부 및 저부는 중간 부분보다 큰 직경을 갖는다). 토로이달 플라즈마 챔버(201)는 또한, 주입 부재(213) 및 출력 부재(217)를 갖는다.
플라즈마 채널 설계는, 변화하는 가스 흐름 및 플라즈마 컨디션들을 더 잘 수용하기 위해 플라즈마 채널을 따른 불-균일한 단면적들 및/또는 형상들을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 대부분의 가스-플라즈마 상호작용들이 발생하는, 세분화된 플라즈마 채널의 중간 섹션들(예를 들어, 제 1 측면 부재(205) 또는 제 2 측면 부재(209))은, 인렛 및 출구 섹션들보다 작게 형성된다. 몇몇 실시예들에서, 중간 플라즈마 채널 섹션들의 직경들은, 예를 들어, 1.25"에서 약 1"로 감소될 수 있으면서, 인렛 및 아웃렛 섹션들은 1.25"에서 유지될 수 있다. 인렛 섹션(예를 들어, 주입 부재(213))은, 출구 섹션(예를 들어, 출력 부재(217))이, 활성 가스들로 하여금 플라즈마 채널을 평활하게 외부로 흐르게 하도록 허용할 수 있는 동안, 가스 흐름 패턴을 제어할 수 있다. 감소된 중간 섹션들의 내부 윤곽은, 플라즈마 채널 표면의 부식을 회피하기 위해 큰 직경 면적으로부터 평활한 천이를 보장하도록 윤곽화될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 부식을 추가적으로 회피하기 위해 플라즈마 채널에 코팅이 적용될 수 있다.
플라즈마 채널의 내부 영역들을 맞춤화하는 것의 결과로서, 가스 상호작용들이 덜 빈번한 낮은 전압들에서 조차도, 가스 해리에 있어서의 개선들이 행해질 수 있다. 즉, 중간 섹션들에서의 더 작은 (또는 테일러링된) 단면적은, 가스가 플라즈마와 반응하는 더 높은 가능성을 제공할 수 있다. 플라즈마 채널들에 대한 코팅들은, 예를 들어, 토로이달 플라즈마 챔버의 부분들을 형성하는 재료가 플라즈마와 반응가능한 실시예들을 포함하는 다양한 실시예들에 이용될 수 있다. 플라즈마 채널의 직경은, 코팅의 두께를 고려할 수 있다. 즉, 플라즈마와 상호작용하지 않는 유전체 또는 다른 재료가 챔버 월에 제공될 수 있다. 예를 들어, 몇몇 실시예들에서, 플라즈마 채널은 금속, 예를 들어, 알루미늄으로 형성되고, 내부 표면(예를 들어, 면적)은 알루미늄 산화물, 실리콘 산화물, 알루미늄 질화물, 이트륨 산화물, 이트륨-알루미늄 산화물, 또는 다른 유전체 재료들의 층으로 코팅된다. 다른 실시예들에서, 플라즈마 채널은 또한 유전체, 예를 들어, 석영으로 형성될 수 있다. 석영 토로이달 플라즈마 챔버의 표면은, 제거(bare)될 수 있거나, 또는 코팅 재료, 예를 들어, 알루미늄 산화물, 알루미늄 질화물, 이트륨 산화물, 또는 이트륨-알루미늄 산화물을 포함할 수 있다.
플라즈마 채널의 최적화는, 토로이달 플라즈마 챔버의 성능을 개선할 수 있다. 플라즈마 채널을 최적화함으로써, 플라즈마 프로파일은 제어될 수 있고, 플라즈마는 중심화될 수 있다. 플라즈마의 직경보다 약간 더 큰 토로이달 플라즈마 챔버의 직경(또는, 비-원형 단면에 대한 단면 치수)을 갖는 것은, 토로이달 플라즈마 챔버에 대해 최적일 수 있다(예컨대, 토로이달 플라즈마 챔버에 대한 노후화가 최소화될 수 있다). 최적화는 또한, 토로이달 플라즈마 챔버의 부분들의 수명을 잠재적으로 증가시킬 수 있다. 추가적으로, 특정 부분들은 희생적(sacrificial)이 되도록 설계될 수 있다. 토로이달 플라즈마 챔버는, 특정 부분들 또는 영역들이 부식에 의해 더 쉽게 영향을 받게 되도록, 설계될 수 있다. 희생적인 부분들을 갖는 것은, (전체 토로이달 플라즈마 챔버와 대조적으로) 오직 이러한 부분들만이 교체되어야하기 때문에, 비용이 절감될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 측면 채널들이 희생적이 되도록 설계된다.
도 3a는, 상이한 2개의 단면 직경들을 각각 갖는 측면 채널들을 갖는 토로이달 플라즈마 채널(301)을 도시한다. 제 1 측면 부재(305) 및 제 2 측면 부재(309)는, 각각 2개의 단면적들을 갖는다. 제 1 측면 부재(305)는, 제 1 내부 단면적(313) 및 제 2 내부 단면적(317)을 갖는다. 제 2 측면 부재(309)는, 제 3 내부 단면적(321) 및 제 3 내부 단면적(325)을 갖는다. 토로이달 플라즈마 챔버(301)는 또한, 주입 부재(329) 및 출력 부재(333)를 갖는다.
몇몇 실시예들에서, 제 1 내부 단면적(313) 및 제 3 내부 단면적(321)은, 2 내지 50cm2의 범위에 있을 수 있다. 제 2 내부 단면적(317) 및 제 4 내부 단면적(325)은, 3 내지 80cm2의 범위에 있을 수 있다. 내부 단면적들은, 지속적인 유체 흐름을 위해 평활한 윤곽으로 연결될 수 있다.
채널을 따른 변화하는 단면적들을 갖는 플라즈마 채널은, 가스 흐름 및 가스-플라즈마 상호작용들을 최적화하기 위해 이용될 수 있다. 가스 해리 레이트는, 몇몇 임계 전력 레벨들에서 증가할 수 있다. 더 높은 전력이 이용되는 경우, 해리 레이트는 포화에 또는 포화 근처에 있을 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 토로이달 플라즈마 디바이스를 통해 2 내지 30kW의 전력이 이용된다. 더 높은 전력은 또한, 몇몇 특정 흐름 레이트들에서 해리 레이트에 있어서의 강하들을 제거할 수 있다. 토로이달 플라즈마 디바이스는, 분 당 1-100 리터들의 흐름 레이트에서 0.1 내지 50 torr의 압력을 인가할 수 있다. 본 발명에 따른 플라즈마 채널 설계들은, 몇몇 실시예들에서, 플라즈마의 흐름을 채널의 중심으로 실질적으로 하향 이동시키도록 강제할 수 있다. 플라즈마의 흐름을 제어하는 것은, 플라즈마가 채널의 측면들을 터치하는 것을 예방할 수 있고, 이에 의해, 플라즈마가 채널의 측면들과 접촉하게 되는 경우가 발생시킬 수 있는 심각한 부식들을 감소시키거나 또는 제거할 수 있다. 즉, 몇몇 실시예들에서, 측면 부재들은, 제거될 수 있고, 플라즈마 챔버의 수명을 증가시키기 위해 그리고/또는 원하는 플라즈마 흐름 패턴을 수용하기 위해 상이한 단면 치수들을 갖는 측면 부재들로 대체될 수 있다. 다른 실시예들에서, 측면 부재들은, 제거될 수 있고, 필요에 따라, 동일한 측면 부재들로 대체될 수 있다.
도 3b는, 제 2 측면 부재(359)의 영역과는 상이한 내부 단면적을 갖는 제 1 측면 영역(355)을 갖는 토로이달 플라즈마 챔버(351)를 도시한다. 2개의 인렛 가스들 또는 가스들의 혼합물들은, 주입 부재(371)의 부분이고, 제 1 측면 부재(355) 및 제 2 측면 부재(359) 각각에 인접하여 위치된, 가스 인렛들(363 및 367)을 통해서 플라즈마 채널로 흐른다. 플라즈마 채널의 제 1 및 제 2 측면 부재들에서 여기된 후, 가스들은, 출력 부재(375)에서 혼합하고, 후속하여 플라즈마 챔버(351) 외부로 흐른다. 제 1 및 제 2 측면 부재들(355 및 359)의 내부 단면적들은, 가스들의 특성들(흐름 레이트 및 화학 특성들) 및 플라즈마들의 특성들(예를 들어, 저항, 전자 수명, 플라즈마 확산 길이)에 기초하여 선택될 수 있다. 이는, 에너지 효율의 최적화 및/또는 가스 화학물질들의 제어를 허용할 수 있다.
토로이달 플라즈마 디바이스 내부에서, 구성(예를 들어, 흐름 레이트, 온도, 압력 등)뿐만 아니라, 플라즈마의 크기도 다양할 수 있다. 플라즈마의 다양한 크기들을 수용하기 위해, 토로이달 플라즈마 챔버는 수많은 형상들 및 크기들로 구성될 수 있다. 도 4는, 토로이달 플라즈마 챔버에 대한 수많은 다양한 구성들을 도시한다. 토로이달 플라즈마 챔버의 다양한 부분들은, 원하는 플라즈마 흐름 패턴을 수용하기 위해 임의의 형상 또는 크기를 시행할 수 있다. 토로이달 플라즈마 채널이 구성될 수 있는 방법은, 도 4에 도시된 예시적인 도면들로 제한되지 않는다. 몇몇 실시예들에서, 측면 부재들은, 상호보완적 형상들(예를 들어, 도 4c 및 도 4d에서 도시된 바와 같이, 측면 부재들(A 및 B))을 가질 수 있다. 다른 실시예들에서, 측면 부재들은, 평행할 수 있다(예를 들어, 도 4a, 도 4b, 도 4e 및 도 4f에서 도시된 바와 같이, 측면 부재들(A 및 B)). 또한, 토로이달 플라즈마 챔버의 부분들이 대체가능 그리고 교체가능할 수 있다. 실시예들에서, 주입 부재 또는 출력 부재는, (예를 들어, 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이) 그 크기 및/또는 형상이 변하는, 토로이달 플라즈마 채널의 부분들일 수 있다. 다른 실시예들에서, 주입 부재 또는 출력 부재는, (예를 들어, 도 4f에 도시된 바와 같이) 제 1 측면 부재 또는 제 2 측면 부재와 동일한 부재의 부분일 수 있다. 다양한 실시예들에서, 토로이달 플라즈마 챔버는, 4개 이상의 부분들 또는 4개 이하의 부분들(예를 들어, 부분들은, 주입 부재, 출력 부재, 제 1 측면 부재, 및 제 2 측면 부재들만으로 제한되지 않음)을 가질 수 있다. 챔버의 형상은, 플라즈마 챔버 상호작용들이 최소화되거나, 또는 쉽게 대체될 수 있는 챔버 부분들에 위치되도록, 플라즈마 흐름을 수용하기 위해 특정 애플리케이션에 사용하기 위해 선택될 수 있다.
도 4a는, 임의의 다른 부재의 직경보다 더 큰 직경을 갖는 출력 부재를 갖는 예시적인 토로이달 플라즈마 채널을 도시한다. 도 4b는, 임의의 다른 부재의 직경보다 큰 직경을 갖는 주입 부재를 갖는 예시적인 토로이달 플라즈마 챔버를 도시한다. 도 4c는, 예시적인 타원형 토로이달 플라즈마 챔버를 도시한다. 도 4d는, 측면 부재들 둘 다 보다 큰 직경을 갖는 출력 및 주입 부재들을 갖는 다른 예시적인 타원형 토로이달 플라즈마 챔버를 도시한다. 도 4e는, 보타이-형 측면 채널들을 갖는 예시적인 토로이달 플라즈마 챔버를 도시한다. 도 4f는 상이한 크기의 직경들을 갖는 측면 채널들을 갖는 예시적인 토로이달 플라즈마 채널을 도시한다. 도 4f는 또한, 주입 부재를 갖는 제 1 측면 부재, 및 출력 부재를 갖는 제 2 측면 부재를 갖는 예시적인 토로이달 플라즈마 챔버를 도시한다.
도 5는, 커넥터(501)의 확대된 이미지를 갖는 토로이달 플라즈마 챔버를 도시한다. 커넥터(501)는, 주입 부재(505) 및 제 1 측면 부재(509)를 결합시킨다. 도 5에서, 4개의 커넥터들(예를 들어, W, X, Y, 및 Z 각각에 하나씩 위치됨)이 존재한다.
몇몇 실시예들에서, 커넥터(501)는 가스 및 플라즈마의 누출을 방지하기 위해 진공 씰을 생성할 수 있다. 커넥터(501)는 또한, 토로이달 플라즈마 디바이스에 대한 전압 또는 전기 브레이크를 생성할 수 있다. 예를 들어, 몇몇 실시예들에서, 커넥터(501)는, 전기 브레이크를 형성하기 위해 여기에 포지셔닝된 유전체 스페이서를 포함한다. 도 5에 도시된 실시예에서, 전기 브레이크는 커넥터(501)의 내부, 외부, 또는 말단 표면들에 적용되는 코팅이다. 몇몇 실시예들에서, 전기 브레이크는, 커넥터의 내부, 외부 및 말단 표면들 중 하나 또는 그 초과에 적용되는 코팅이다. 예시적인 코팅 재료들은, 알루미늄 산화물, 실리콘 산화물, 알루미늄 질화물, 이트륨 산화물, 및 이트륨-알루미늄 산화물을 포함한다(그러나, 이에 한정되지 않음).
커넥터(501)가 진공 씰을 포함하는 실시예들에서, 유전체 스페이서가 또한 진공 씰을 형성하는 엘라스머(elasmer) o-링에 기계적 지지체를 제공할 수 있다. 이러한 실시예들에서, 전기 브레이크는, 플라즈마 및 그 플라즈마로부터 방출된 자외선으로부터 o-링을 보호하는 엘리먼트 또는 부재이다. 커넥터(501)는 또한, 토로이달 플라즈마 챔버의 다수의 부분들이 함께 내부 채널의 평활화에 약간의 영향을 갖게 또는 어떠한 영향도 갖지 않게 될 수 있도록, 토로이달 플라즈마 챔버의 다양한 부분들 사이의 평활한 연결을 확보할 수 있으며, 상당한 파열들 또는 단절들에 직면하지 않고 토로이달 플라즈마 챔버를 통한 플라즈마 흐름을 허용한다.
몇몇 실시예들에서, 플라즈마 챔버 부재들이 챔버로부터 제거가능하다. 예를 들어, 제 1 측면 부재(509)는, 챔버를 파괴하지 않고 커넥터(501)에서 단절시킴으로써 토로이달 플라즈마 챔버로부터 제거될 수 있다. 그 결과, 커넥터(501), 주입 부재(505), 및/또는 제 1 측면 부재(509)는, 플라즈마 디바이스의 수명을 증가시키기 위해 제거 및 대체될 수 있다. 예를 들어, 제 1 측면 부재(509)가 마모되면, 커넥터(501)는 자유롭게 될 수 있고, 제 1 측면 부재(509)는 주입 부재(505)로부터 단절될 수 있고, 제 1 측면 부재(509)가 제거될 수 있다. 새로운 측면 부재가 마모된 부재와 교체될 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 커넥터(501)가 마모되면, 커넥터는 새로운 커넥터와 교체될 수 있다. 커넥터(501)는 재사용가능할 수 있다. 커넥터(501)는 또한 상이한 형상들 및 크기들을 시행할 수 있는 수많은 상이한 그리고 교환가능한 토로이달 플라즈마 챔버 부분들에 이용될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 커넥터(501)는 다수의 세그먼트들로 형성된다. 커넥터(501)는 다수의 세그먼트들(예를 들어, 2, 3, 4 및 5)로 형성될 수 있는 조인트들로 형성될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 커넥터(501)는 4-8개의 세그먼트들일 수 있다. 다수의 부분들로 형성된 커넥터의 이점은, 토로이달 플라즈마 채널을 따가 전기 전위를 분포하고, 커넥터의 오직 일부분(또는 일 세그먼트)만을 대체/교체할 수 있는 능력이다. 다른 이점은, 그들의 기능에 기초하여 상이한 재료들로 세그먼트들을 형성하는 것이다. 이러한 이점은, 고가의 재료들의 포함이 오직 필요한 영역들만으로 제한될 수 있기 때문에, 비용 절감을 초래할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 코팅은 커넥터 전체에 적용될 수 있다. 코팅은, 커넥터뿐만 아니라 커넥터가 연결하고 있는 토로이달 플라즈마 챔버의 부분들을 보호하기 위해 커넥터(501)에 적용될 수 있다. 특정 실시예들에서, 코팅은 희생적인 부분들에만 적용된다. 코팅은, 재료들, 애플리케이션들에 따라, 예를 들어, 알루미늄 산화물, 실리콘 산화물, 알루미늄 질화물, 이트륨 산화물, 또는 이트륨-알루미늄 산화물로 형성될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 커넥터(501)는 또한 수-냉될 수 있다. 도 6은, 토로이달 플라즈마 챔버에 대한 수냉 장치(601)를 도시한다. 수냉 장치(601)는 도 5의 커넥터들(W, X, Y, 및 Z)을 냉각시키기 위한 4개의 커넥터 냉각 영역들(605)을 포함한다.
몇몇 실시예들에서, 커넥터(501)는 임의의 유형의 피팅, 어댑터, 또는 커플링일 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 커넥터(501)는 필수적이지는 않고, 제 1 측면 부재(예를 들어, 도 3에 앞서 나타낸 바와 같은 제 1 측면 부재(305)) 또는 제 2 측면 부재(예를 들어, 도 3에 앞서 나타낸 바와 같은 제 2 측면 부재(309))가 별도의 컴포넌트를 요구하지 않고 토로이달 플라즈마 챔버에 부착될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 측면 부재는, 측면 부재가 주입 부재 또는 출력 부재에 스크류잉되도록 허용하기 위해 스레딩된다(threaded). 측면 부재는 또한, 주입 부재 또는 출력 부재가 측면 부재에 적합하도록, 크림프될(crimped) 수 있다. 당업자들에게 알려진 커넥터(501)를 갖지 않는 다른 형상들의 연결이 또한 이용될 수 있다.
수냉 장치(601)는 컨벡셔널 냉각(convectional cooling)을 통해서 토로이달 플라즈마 챔버를 냉각시킬 수 있다. 열은, 가스가 해리됨에 따라서 토로이달 플라즈마 챔버 내에 생성된다. 수냉 장치(601)는, 흐르고 있는 물을 통해서 열을 옮김으로써 토로이달 플라즈마 챔버를 냉각시킬 수 있다. 도 5의 커텍터들은, 수냉 장치(601)가 커넥터에서 전기 브레이크들에 일치하는 갭들을 갖도록, 적응될 수 있다. 예를 들어, 몇몇 실시예들에서, 커넥터 냉각 영역(605a 및 605c)은 주입 부재의 측면으로부터 커넥터를 냉각하면서, 커넥터 냉각 영역(605b 및 605d)은 측면 부재들 중 하나의 측면으로부터 커넥터를 냉각한다.
당업자는, 본 발명이 그 사상 또는 필수적인 특성들로부터 벗어나지 않고 다른 특정 형상들로 구현될 수 있음을 인식할 것이다. 따라서, 전술한 실시예들은, 본원에 설명된 본 발명에 대해 제한적이기보다는 모든 면에서 예시적인 것으로 고려된다. 본 발명의 범위는, 이에 따라, 전술한 설명에 의해서 보다는 첨부된 청구항들에 의해 나타나고, 따라서, 청구항들의 등가물의 의미 및 범위 내에 포함되는 모든 변화들이 본원에 수용되는 것으로 의도된다.

Claims (17)

  1. 가스 흐름 패턴들 및 가스-플라즈마 상호작용들을 조정하기 위한 어셈블리로서,
    토로이달(toroidal) 플라즈마 챔버 ― 상기 토로이달 플라즈마 챔버는, 주입 부재, 출력 부재, 제 1 측면 부재 및 제 2 측면 부재를 포함하고, 상기 제 1 및 상기 제 2 측면 부재들은 상기 주입 부재 및 상기 출력 부재를 연결함 ―;
    상기 제 1 측면 부재는, 상기 제 1 측면 부재의 적어도 일부분에 제 1 내부 단면적 및 상기 제 1 측면 부재의 적어도 다른 부분에 제 2 내부 단면적을 갖고, 상기 제 1 내부 단면적 및 상기 제 2 내부 단면적은 상이하고,
    상기 제 2 측면 부재는, 상기 제 2 측면 부재의 적어도 일부분에 제 3 내부 단면적 및 상기 제 2 측면 부재의 적어도 다른 부분에 제 4 내부 단면적을 갖고, 상기 제 3 내부 단면적 및 상기 제 4 내부 단면적은 상이하며,
    상기 주입 부재를 통해서 상기 토로이달 플라즈마 챔버에 가스를 주입하기 위한 가스 주입기 ― 상기 가스의 주입은, 상기 토로이달 플라즈마 챔버 내에서 플라즈마 형성을 위한 가스의 흐름을 야기함 ― 를 포함하는,
    어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 내부 단면적과 상기 제 3 단면적은 동일한,
    어셈블리.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 측면 부재 및 상기 제 2 측면 부재는 상호보완적 형상(complementary shape)을 갖는,
    어셈블리.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 측면 부재와 상기 제 2 측면 부재는 평행한,
    어셈블리.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 측면 부재를 따른 내부 단면적 및 상기 제 2 측면 부재를 따른 내부 단면적은, 지속적인 유체 흐름을 위해 평활한 윤곽(smooth contour)으로 연결되는,
    어셈블리.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 내부 단면적 및 상기 제 3 내부 단면적은, 2 내지 50cm2의 범위에 있는,
    어셈블리.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 내부 단면적 및 상기 제 4 내부 단면적은 3 내지 80cm2의 범위에 있는,
    어셈블리.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 내부 단면적 및 상기 제 3 내부 단면적은, 상기 토로이달 플라즈마 챔버를 따라, 각각, 상기 제 2 내부 단면적 및 상기 제 4 내부 단면적의 다운스트림에 있는,
    어셈블리.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 측면 부재 및 상기 제 2 측면 부재 모두는, 가스 및 플라즈마의 누출 및 전기 브레이크(electric break)를 방지하기 위해 진공 씰을 생성하는 커넥터들을 갖는 상기 출력 부재 및 상기 주입 부재에 연결되는,
    어셈블리.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 커넥터들은 유체 냉각되는,
    어셈블리.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 측면 부재 및 상기 제 2 측면 부재는 제거가능한,
    어셈블리.
  12. 가스 흐름 패턴들 및 가스-플라즈마 상호작용들을 조정하기 위한 어셈블리로서,
    토로이달 플라즈마 챔버 ― 상기 토로이달 플라즈마 챔버는 주입 부재, 출력 부재, 제 1 측면 부재 및 제 2 측면 부재를 포함하고, 상기 제 1 및 상기 제 2 측면 부재들은 상기 주입 부재 및 상기 출력 부재를 연결하고, 상기 제 1 측면 부재는 상기 제 2 측면 부재의 내부 단면적과는 상이한 내부 단면적을 가짐 ―; 및
    상기 주입 부재를 통해서 상기 토로이달 플라즈마 챔버에 가스를 주입하기 위한 가스 주입기 ― 상기 가스의 주입은, 상기 토로이달 플라즈마 챔버 내에서 플라즈마의 형성을 위해 가스의 흐름을 야기함 ― 를 포함하는,
    어셈블리.
  13. 토로이달 플라즈마 챔버를 구성하기 위한 키트(kit)로서,
    가스를 수용하고 전달할 수 있는 주입 부재;
    분리된 가스(disassociated gas)가 상기 트로이달 플라즈마 챔버의 외부로 흐르게 하도록 허용할 수 있는 출력 부재;
    가스 및 플라즈마가, 적어도 제 1 부분에서 제 1 내부 단면적을 갖는 제 1 측면 부재를 통해서 흐르게 하도록 허용할 수 있는 제 1 측면 부재 ― 상기 제 1 내부 단면적은, 상기 주입 부재 또는 상기 출력 부재의 연결 부분의 내부 단면적보다 작음 ―;
    가스 및 플라즈마가, 적어도 제 2 부분에서 제 2 내부 단면적을 갖는 제 2 측면 부재를 통해서 흐르게 하도록 허용할 수 있는 제 2 측면 부재 ― 상기 제 2 내부 단면적은, 상기 주입 부재 또는 상기 출력 부재의 연결 부분의 내부 단면적보다 작음 ―; 및
    수냉식(water cooled) 커넥터들 ― 상기 수냉식 커넥터들은, 가스 및 플라즈마의 누출, 및 전기 브레이크를 방지하기 위해 진공 씰을 생성함 ― 을 포함하는,
    키트.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 측면 부재와 상기 제 2 측면 부재는 제거가능한,
    키트.
  15. 가스 흐름 패턴들 및 가스-플라즈마 상호작용들을 조정하기 위한 방법으로서,
    토로이달 플라즈마 챔버에, 제 1 미리결정된 크기의 플라즈마에 기초하여 제 1 내부 단면적을 갖는 제 1 측면 부재를 삽입하는 단계;
    토로이달 플라즈마 챔버에, 제 2 미리결정된 크기의 플라즈마에 기초하여 제 2 내부 단면적을 갖는 제 2 측면 부재를 삽입하는 단계;
    주입 부재를 통해서 상기 토로이달 플라즈마 챔버에 가스를 주입하는 단계;
    상기 토로이달 플라즈마 챔버 내에서 가스의 흐름을 유도하는 단계; 및
    상기 제 1 측면 부재의 개구를 통해서 그리고 상기 제 2 측면 부재의 개구를 통해서 플라즈마가 흐르도록, 상기 토로이달 플라즈마 챔버 내에 플라즈마를 생성하는 단계를 포함하는,
    방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 1 및 상기 제 2 미리결정된 플라즈마 크기들은, 상기 토로이달 플라즈마 챔버를 통해서 흐르는 플라즈마 크기에 실질적으로 일치하는,
    방법.
  17. 토로이달 플라즈마 챔버의 측면 부재를 대체하기 위한 방법으로서,
    제 1 측면 부재와 주입 부재를 연결하는 제 1 커넥터를 제거하는 단계;
    상기 제 1 측면 부재와 출력 부재를 연결하는 제 2 커넥터를 제거하는 단계;
    상기 토로이달 플라즈마 챔버로부터 상기 제 1 측면 부재를 제거하는 단계;
    상기 토로이달 플라즈마 챔버에 제 2 측면 부재를 설치하는 단계 ― 상기 제 2 측면 부재는 상기 제 1 측면 부재의 대체물임 ―
    상기 제 2 측면 부재와 상기 주입 부재를 연결하기 위해 상기 제 1 커넥터를 설치하는 단계; 및
    상기 제 2 측면 부재와 상기 출력 부재를 연결하기 위해 상기 제 2 커넥터를 설치하는 단계를 포함하는,
    방법.
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