KR20160142743A - 아크 방전 장치 및 이를 구비하는 플라즈마 처리 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 아크 방전 장치는 냉매유입구와 냉매유출구가 형성된 하우징 및 하우징에 고정된 투과 부재를 구비하는 바디부 및 하우징에 장착되고, 서로 대향하여 배치된 어노드 전극 및 캐소드 전극을 구비한 전극부를 포함할 수 있다. 어노드 전극은 하우징과 연결되는 본체부 및 본체부와 결합되는 어노드 전극 팁을 구비하고, 어노드 전극의 내부에 형성되는 냉각 라인은 냉매유입구와 냉매유출구와 연결되고, 어노드 전극 팁의 내벽과 접하는 것을 특징으로 한다.

Description

아크 방전 장치 및 이를 구비하는 플라즈마 처리 시스템{Arc discharge apparatus and plasma processing system having the same}

본 발명은 아크 방전 장치 및 상기 아크 방전 장치를 구비하는 플라즈마 처리 시스템에 관한 것이다.

아크 방전 장치는 반도체 제조, 태양광 모사 등 큰 전력이 요구되는 분야에 사용되면서, 아크 방전 장치에 구비된 전극에 가해지는 열 부하는 점점 증가하고 있는 추세이다. 특히, 캐소드 전극에서 방출된 전자가 유입되는 어노드 전극은, 일반적으로 캐소드 전극에 비하여 약 3배 정도의 열 부하가 가해질 수 있다. 그에 따라 어노드 전극의 수명을 연장시키기 위한 연구가 다각적으로 진행되고 있다.

본 발명의 기술적 사상이 해결하고자 하는 과제는 수명이 향상된 전극을 구비하는 아크 방전 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 기술적 사상이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 상기 아크 방전 장치를 포함하는 플라즈마 처리 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 아크 방전 장치는 냉매유입구와 냉매유출구가 형성된 하우징 및 상기 하우징에 고정된 투과 부재를 구비하는 바디부 및 상기 하우징에 장착되고, 서로 대향하여 배치된 어노드 전극 및 캐소드 전극을 구비한 전극부를 포함하고, 상기 어노드 전극은 상기 하우징과 연결되는 본체부 및 상기 본체부와 결합되는 어노드 전극 팁을 구비하고, 상기 어노드 전극의 내부에 형성되는 냉각 라인은 상기 냉매유입구와 상기 냉매유출구와 연결되고, 상기 어노드 전극 팁의 내벽과 접하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 있어서, 상기 본체부와 상기 어노드 전극 팁은 상이한 물질로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 있어서, 상기 본체부는 황동, 구리, 또는 이들의 조합물을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 있어서, 상기 본체부와 상기 어노드 전극 팁은 상기 본체부와 상기 어노드 전극 팁의 접합면에 배치된 접합 부재에 의하여 결합되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 있어서, 상기 접합면과 상기 어노드 전극의 선단 사이의 거리는 상기 어노드 전극 팁의 직경보다 긴 것을 특징으로 한다.

본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 있어서, 상기 냉각 라인은, 상기 냉매유입구로부터 상기 어노드 전극 팁에 인접하는 부분까지 연장하는 제 1 유체경로, 및 상기 제 1 유체경로의 유출부로부터 상기 냉매유출구로 연장하는 제 2 유체경로를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 있어서, 상기 제 2 유체경로의 적어도 일부는 상기 제 1 유체경로의 외주를 둘러싸도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 있어서, 상기 제 1 유체경로는, 상기 냉매유입구로부터 연장하는 제 1 관, 상기 제 1 관으로부터 이격되어 상기 제 1 유체경로의 유출부를 향하여 연장하고 상기 제 1 관의 단면적보다 작은 단면적을 갖는 제 3 관, 및 상기 제 1 관과 상기 제 3 관 사이에 위치하며 상기 제 3 관에 인접할수록 단면적이 감소하는 제 2 관을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 있어서, 상기 어노드 전극의 내부 상측벽은 그 중심부에서 평면 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 있어서, 상기 어노드 전극 팁은 상기 어노드 전극의 선단에 배치된 제 1 팁 및 상기 제 1 팁과 상기 본체부 사이에 배치된 제 2 팁을 포함하며, 상기 냉각 라인은, 상기 냉매유입구로부터 상기 제 2 팁에 인접하는 부분까지 연장하는 제 1 유체경로, 및 상기 제 1 유체경로의 유출부로부터 상기 냉매유출구로 연장하는 제 2 유체경로를 포함하고, 상기 제 1 유체경로의 유출부에서의 냉매의 유속은 상기 냉매유입구에서의 냉매의 유속보다 큰 것을 특징으로 한다.

본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 있어서, 상기 제 1 팁과 상기 제 2 팁은 상이한 물질로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 있어서, 상기 제 1 팁은 텅스텐 또는 텅스텐 합금으로 이루어지며, 상기 제 2 팁은 구리로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 있어서, 상기 제 1 팁과 상기 제 2 팁은, 상기 제 1 팁와 상기 제 2 팁의 접합면에 배치된 접합 부재에 의하여 결합되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 있어서, 상기 어노드 전극은 복수개로 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 있어서, 상기 복수개의 어노드 전극 각각은 유도 자기장을 발생시키도록 그 외주에 감겨진 유도 코일을 구비하며, 상기 복수개의 어노드 전극 각각의 유도 코일에 선택적으로 전원을 공급하도록 구성된 전원 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 있어서, 상기 전원 제어부는 상기 복수개의 어노드 전극 각각의 유도 코일에 공급되는 전원을 균등하게 분배하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 있어서, 상기 복수개의 어노드 전극은 방사상으로 동일한 간격으로 이격되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 있어서, 상기 어노드 전극은 그 외주를 감싸도록 형성된 코팅부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 있어서, 상기 코팅부는 텅스텐 또는 텅스텐 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 아크 방전 장치는 냉매유입구와 냉매유출구가 형성된 하우징 및 상기 하우징에 고정된 투과 부재를 구비하는 바디부 및 상기 하우징에 장착되고, 서로 대향하여 배치된 어노드 전극 및 캐소드 전극을 구비한 전극부를 포함하고, 상기 어노드 전극은 상기 하우징과 연결되는 본체부 및 상기 본체부와 결합되는 어노드 전극 팁을 구비하고, 상기 어노드 전극 팁은, 상기 어노드 전극의 선단에 배치되며 텅스텐 또는 텅스텐 합금으로 이루어진 제 1 팁, 및 상기 제 1 팁과 상기 본체부 사이에 배치된 제 2 팁을 포함하며, 상기 어노드 전극의 내부에 형성되는 냉각 라인은 상기 냉매유입구와 상기 냉매유출구와 연결되고, 상기 어노드 전극 팁의 내벽과 접하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 있어서, 상기 제 1 팁 및 상기 제 2 팁은 동일한 물질로서 일체형으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 있어서, 상기 본체부와 상기 어노드 전극 팁은 상기 본체부와 상기 어노드 전극 팁의 접합면에 배치된 접합 부재에 의하여 결합되고, 상기 접합면과 상기 어노드 전극의 선단 사이의 거리는 상기 어노드 전극 팁의 직경보다 긴 것을 특징으로 한다.

본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 있어서, 상기 제 2 팁은 구리로 이루어지며, 상기 제 1 팁과 상기 제 2 팁은 상기 제 1 팁과 상기 제 2 팁의 접합면에 배치된 접합 부재에 의하여 결합되고, 상기 냉각 라인은, 상기 냉매유입구로부터 상기 제 2 팁에 인접하는 부분까지 연장하는 제 1 유체경로, 및 상기 제 1 유체경로의 유출부로부터 상기 냉매유출구로 연장하는 제 2 유체경로를 포함하고, 상기 제 1 유체경로의 유출부에서의 냉매의 유속은 상기 냉매유입구에서의 냉매의 유속보다 큰 것을 특징으로 한다.

본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 있어서, 상기 어노드 전극은 그 외주를 감싸도록 형성된 코팅부를 포함하며, 상기 코팅부는 텅스텐 또는 텅스텐 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 플라즈마 처리 시스템은 플라즈마 공정이 진행되는 공간을 제공하는 챔버, 상기 챔버 내로 공정 기체를 공급하는 기체 공급부, 상기 챔버 내측에 구비되며, 기판이 안착되는 기판 지지대, 및 상기 챔버의 일면에 장착되며, 전원을 공급받아 내부에 아크 방전을 발생시키는 아크 방전 장치를 포함하되, 상기 아크 방전 장치는, 냉매유입구와 냉매유출구가 형성된 하우징 및 상기 하우징에 고정된 투과 부재를 구비하는 바디부와, 상기 하우징에 장착되고 서로 대향하여 배치된 어노드 전극 및 캐소드 전극을 구비한 전극부를 포함하고 상기 어노드 전극은, 본체부 및 상기 본체부에 결합되는 어노드 전극 팁을 구비하며, 상기 어노드 전극의 내부에 형성된 냉각 라인은 상기 어노드 전극 팁과 접하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 있어서, 상기 냉각 라인에 냉매를 공급하는 냉각부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 있어서, 상기 냉각 라인은 상기 냉매유입구로부터 상기 어노드 전극 팁에 인접하는 부분까지 연장하는 제 1 유체경로, 및 상기 제 1 유체경로로부터 상기 냉매유출구로 연장하는 제 2 유체경로를 포함하며, 상기 제 1 유체경로의 유출부에서의 냉매의 유속은 상기 냉매유입구에서의 냉매의 유속보다 큰 것을 특징으로 한다.

본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 있어서, 상기 어노드 전극 팁은 상기 어노드 전극의 선단에 배치된 제 1 팁 및 상기 제 1 팁과 상기 본체부 사이에 배치된 제 2 팁을 포함하고, 상기 제 1 팁과 상기 제 2 팁은 서로 상이한 물질로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 기술적 사상에 의한 아크 방전 장치는 어노드 전극의 내부를 흐르는 냉매가 어노드 전극 팁과 직접 접하도록 구성하여 접합 부재의 용융으로 인한 어노드 전극의 손상을 방지할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 아크 방전 장치는 각각 유도 코일 및 어노드 전극 팁을 구비한 복수개의 어노드 전극을 포함하여, 전극에 가해지는 열 부하를 균등하게 분배하여 전극의 손상을 방지할 수 있다. 나아가 본 발명에 따른 아크 방전 장치는 전극 내부에 형성된 냉각 라인의 유속을 증가시켜 어노드 전극의 손상을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 아크 방전 장치를 나타내는 측면도이다.
도 2는 어노드 전극의 일부를 나타내는 측면도이다.
도 3은 어노드 전극의 일부를 나타내는 단면도이다.
도 4는 도 2의 A-A' 선으로 자른 단면도이다.
도 5는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 어노드 전극의 일부를 나타내는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 어노드 전극의 일부를 나타내는 측면도이다.
도 7은 어노드 전극의 일부를 나타내는 단면도이다.
도 8은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 어노드 전극을 나타내는 측면도이다.
도 9는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 어노드 전극을 나타내는 사시도이다.
도 10은 도 9의 어노드 전극의 선단 방향에서 바라본 평면도이다.
도 11a 및 도 11b는 어노드 전극에 구비된 유도 코일에 공급되는 전류를 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 아크 방전 장치를 나타내는 사시도이다.
도 13은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 플라즈마 처리 시스템을 나타내는 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.

명세서 전체에 걸쳐서, 막, 영역 또는 웨이퍼(기판) 등과 같은 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "상에", "연결되어", 또는 "커플링되어" 위치한다고 언급할 때는, 상술한 하나의 구성요소가 직접적으로 다른 구성요소 "상에", "연결되어", 또는 "커플링되어" 접촉하거나, 그 사이에 개재되는 또 다른 구성요소들이 존재할 수 있다고 해석될 수 있다. 반면에, 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "직접적으로 상에", "직접 연결되어", 또는 "직접 커플링되어" 위치한다고 언급할 때는, 그 사이에 개재되는 다른 구성요소들이 존재하지 않는다고 해석된다. 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.

본 명세서에서 제1, 제2등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.

또한, "상의" 또는 "위의" 및 "하의" 또는 "아래의"와 같은 상대적인 용어들은 도면들에서 도해되는 것처럼 다른 요소들에 대한 어떤 요소들의 관계를 기술하기 위해 여기에서 사용될 수 있다. 상대적 용어들은 도면들에서 묘사되는 방향에 추가하여 소자의 다른 방향들을 포함하는 것을 의도한다고 이해될 수 있다. 예를 들어, 도면들에서 소자가 뒤집어 진다면(turned over), 다른 요소들의 상부의 면 상에 존재하는 것으로 묘사되는 요소들은 상술한 다른 요소들의 하부의 면 상에 방향을 가지게 된다. 그러므로, 예로써 든 "상의"라는 용어는, 도면의 특정한 방향에 의존하여 "하의" 및 "상의" 방향 모두를 포함할 수 있다. 구성 요소가 다른 방향으로 향한다면(다른 방향에 대하여 90도 회전), 본 명세서에 사용되는 상대적인 설명들은 이에 따라 해석될 수 있다.

본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.

이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다. 이하 실시예들은 하나 또는 복수개를 조합하여 구성할 수도 있다.

이하에서 설명하는 아크 방전 장치 및 플라즈마 처리 시스템은 다양한 구성을 가질 수 있고 여기서는 필요한 구성만을 예시적으로 제시하며, 본 발명 내용이 이에 한정되는 것은 아님을 밝혀둔다.

도 1은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 아크 방전 장치를 나타내는 측면도이다. 도 2는 어노드 전극의 일부를 나타내는 측면도이다. 도 3은 어노드 전극의 일부를 나타내는 단면도이다. 도 4는 도 2의 A-A' 선으로 자른 단면도이다.

도 1을 참조하면, 아크 방전 장치(100)는 냉매유입구(135)와 냉매유출구(137)가 형성된 하우징(144)과 상기 하우징(144)에 고정된 투과 부재(142)를 구비하는 바디부(140), 및 상기 하우징(144)에 장착되며 서로 대향하여 배치된 어노드 전극(110) 및 캐소드 전극(120)을 구비한 전극부(110, 120)를 포함할 수 있다.

바디부(140)는 하우징(144) 및 상기 하우징(144)에 고정되는 투과 부재(142)를 포함할 수 있다. 바디부(140)는 예를 들어 관 형태로 제공될 수 있다.

바디부(140)는 내부에 반응 기체를 포함할 수 있으며, 반응 기체는 바디부(140)에 의하여 외기와 차단될 수 있다. 바디부(140) 내부의 반응 기체는 캐소드 전극(120) 및 어노드 전극(110) 사이에서 발생한 아크(Arc)에 의하여 방전되고, 이 과정에서 만들어진 플라즈마는 아크 방전 장치(100)의 외부로 복사에너지를 방출할 수 있다. 즉, 바디부(140)는 반응 기체가 방전될 수 있는 공간을 제공할 수 있다.

하우징(144)에는 어노드 전극(110) 및 캐소드 전극(120)이 장착될 수 있다. 또한, 하우징(144)에는 어노드 전극(110) 및 캐소드 전극(120)의 내부로 냉매가 유입될 수 있는 냉매유입구(135)와, 어노드 전극(110) 및 캐소드 전극(120) 내부를 순환한 냉매가 유출되는 냉매유출구(137)가 형성될 수 있다. 냉매유입구(135) 및 냉매유출구(137)는 어노드 전극(110)과 캐소드 전극(120) 측에 각각 구비될 수 있다.

투과 부재(142)는 그 내부에 포함된 반응 기체를 외부와 차단시키면서, 또한 아크 방전 장치(100) 내부에서 발생하는 열이 복사에너지 등의 형태로 투과되도록 구성될 수 있다. 투과 부재(142)는 투과율(transmissivity)이 높은 부재를 포함할 수 있으며, 예를 들어 유리, 쿼츠(quartz) 등으로 만들어질 수 있다.

아크 방전 장치(100)로부터 방출되는 복사에너지의 스펙트럼은 바디부(140) 내에 포함된 반응 기체에 의하여 정해질 수 있다. 이때, 공정에 이용되는 반응 기체는 공정 조건에 따라 결정될 수 있으며, 예를 들어 아르곤(Ar) 가스, 제논(Xe) 가스, 크립톤(Kr) 가스 등이 사용될 수 있다.

한편, 전극부(110, 120)는 하우징(144)에 장착될 수 있으며, 서로 대향하여 배치된 어노드 전극(110) 및 캐소드 전극(120)을 포함할 수 있다. 상기 어노드 전극(110) 및 캐소드 전극(120)은 그 일단이 서로 마주하도록 상기 바디부 내에 배치될 수 있다.

어노드 전극(110) 및 캐소드 전극(120)은 외부로부터 아크 방전에 필요한 전원을 공급받을 수 있다. 상기 양 전극으로 전압이 인가되면 캐소드 전극(120)과 어노드 전극(110) 사이에서는 플라즈마 생성을 위한 아크가 발생되는데, 캐소드 전극(120)에서 방출된 전자가 바디부(140) 내의 반응 기체와 충돌하면서 플라즈마를 생성된다.

한편, 캐소드 전극(120)은 그 일단이 하우징(144)에 고정되며, 상기 일단과 반대되는 타단은 어노드 전극(110)의 일단과 마주보도록 제공될 수 있다. 캐소드 전극(120)은 하우징(144)에 고정되는 캐소드 전극 본체(120m) 및 캐소드 전극 본체(120m)와 결합되는 캐소드 전극 팁(120t)을 구비할 수 있다.

캐소드 전극(120)은 고온의 조건에서도 동작이 가능하도록 하기 위하여 녹는점이 높은 금속으로 만들어질 수 있으며, 예를 들어 텅스텐 또는 텅스텐 합금으로 만들어질 수 있다. 또한 열 배출을 향상시키기 위하여 열전도도가 높은 금속, 예를 들어 구리, 황동 등을 더 포함할 수 있다. 또한 기계적 강도를 보완하기 위하여 기계적 성질이 우수한 금속, 예를 들어 황동, 스테인리스 스틸 등을 더 포함할 수 있다.

캐소드 전극(120)은 그 선단에 배치되는 캐소드 전극 팁(120t)을 구비할 수 있다. 아크와 직접 맞닿는 부분인 캐소드 전극(120)의 선단은 고온 및 고압이 요구되는 공정에서 약 3000도 이상의 열에 노출될 수 있는데, 캐소드 전극 팁(120t)은 캐소드 전극(120)이 고온의 아크 및 플라즈마로 인하여 손상되는 것을 방지할 수 있다.

캐소드 전극 팁(120t)은 높은 열의 조건에서 캐소드 전극(120)이 이용될 수 있도록 녹는점이 3000K 이상의 고용점 금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 캐소드 전극 팁(120t)은 녹는점이 약 3695K 인 텅스텐을 포함할 수 있으며, 또는 텅스텐에 하프늄, 토륨, 이트륨 또는 이들의 조합이 첨가된 텅스텐 합금을 포함할 수 있다.

캐소드 전극(120)은 캐소드 전극 팁(120t)을 거쳐 전자를 방출할 수 있으며, 캐소드 전극 팁(120t)은 전자 방출이 용이하게 하기 위하여 일단이 뾰족한 형상을 가질 수 있다.

한편, 어노드 전극(110)은 그 일단이 하우징(144)에 고정되며, 상기 일단과 반대되는 타단에서 어노드 전극(110)의 손상을 방지하기 위한 어노드 전극 팁(110t)을 구비할 수 있다. 어노드 전극(110)은 하우징(144)에 고정되는 본체부(110m) 및 본체부(110m)와 결합되는 어노드 전극 팁(110t)을 구비할 수 있다.

어노드 전극(110)은 고온의 조건에서도 동작이 가능하도록 하기 위하여 녹는점이 높은 금속으로 만들어질 수 있으며, 예를 들어 텅스텐 또는 텅스텐 합금으로 만들어질 수 있다. 또한 열 배출을 향상시키기 위하여 열전도도가 높은 금속, 예를 들어 구리, 황동 등을 더 포함할 수 있다. 또한 기계적 강도를 보완하기 위하여 기계적 성질이 우수한 금속, 예를 들어 황동, 스테인리스 스틸 등을 더 포함할 수 있다.

어노드 전극(110)의 선단에 구비된 어노드 전극 팁(110t)은 어노드 전극(110)이 고온의 아크 및 플라즈마로 인하여 손상되는 것을 방지할 수 있다. 아크와 직접 맞닿는 부분인 어노드 전극(110)의 선단은 고온 및 고압이 요구되는 공정에서 약 3000도 이상의 열에 노출될 수 있다.

어노드 전극 팁(110t)은 높은 열의 조건에서 이용될 수 있도록 녹는점이 높은 금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 어노드 전극 팁(110t)은 녹는점이 약 3695 K인 텅스텐을 포함할 수 있으며, 또는 텅스텐에 하프늄, 토륨, 이트륨 또는 이들의 조합 등이 첨가된 텅스텐 합금을 포함할 수 있다.

캐소드 전극(120)과 마주하는 어노드 전극 팁(100t)의 일면은 평면 형태를 가질 수 있다.

도 2를 도 1과 함께 참조하면, 어노드 전극(110)은 하우징(144)에 고정되는 본체부(110m) 및 본체부(110m)와 결합되는 어노드 전극 팁(110t)을 구비할 수 있다.

본체부(110m)와 어노드 전극 팁(110t)은 서로 상이한 물질로 형성될 수 있다.

예를 들어, 본체부(110m)는 황동, 구리 또는 이들의 조합물로 이루어진 파트들을 포함할 수 있다. 본체부(110m)는 하우징(144)과 결합되는 부분에서는 기계적 성질이 우수한 금속인 황동, 스테인리스 스틸 등을 포함할 수 있다. 또, 본체부(110m)는 냉각 라인(도 3의 130)과 접하는 부분에서는 열전도성이 우수한 금속을 포함할 수 있다.

또한, 어노드 전극 팁(110t)은 텅스텐 또는 텅스텐 합금을 포함할 수 있다. 어노드 전극 팁(110t)은 어노드 전극(110)이 고온의 아크 및 플라즈마로 인하여 손상되는 것을 방지하기 위하여 녹는점이 높은 금속인 텅스텐 또는 텅스텐 합금으로 이루어질 수 있다.

이때, 본체부(110m)와 어노드 전극 팁(110t)은 본체부(110m)와 어노드 전극 팁(110t)의 접합면에 배치된 접합 부재(160)에 의하여 결합될 수 있다. 예를 들어, 접합 부재(160)는 은, 구리 등의 금속을 본체부(110m)와 어노드 전극 팁(110t) 사이에 개재한 후 상기 금속을 가열, 용융시키는 용접을 이용하여 본체부(110m)와 어노드 전극 팁(110t)을 결합시킬 수 있다.

다만, 본체부(110m)와 어노드 전극 팁(110t)의 결합이 상기의 접합 부재(160)를 이용하는 방법에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 본체부(110m)와 어노드 전극 팁(110t)은 기계적 체결 장치를 이용하여 체결될 수 있다. 이때, 기계적 체결 장치가 플라즈마 방전에 의해 발생하는 고온의 열에 의하여 손상되는 것을 방지하기 위하여, 기계적 체결 장치는 내식성 및 내열성이 우수한 재료 중에 선택될 수 있다.

도 3을 도 1과 함께 참고하면 어노드 전극(110)의 내부에는 냉매가 순환하는 통로로 제공되는 냉각 라인(130)이 형성될 수 있다. 냉각 라인(130)은 그 일측이 냉매유입구(135)와 연결되며, 그 타측이 냉매유출구(137)와 연결될 수 있다.

냉매는 냉매유입구(135)로 유입되어, 냉각 라인(130)을 따라 이동하며, 냉매유출구(137)로 유출될 수 있다. 냉매는 냉각 라인(130)을 따라 이동하면서 어노드 전극(110)과 열교환을 하며, 어노드 전극(110)을 냉각시킬 수 있다.

냉각 라인(130)을 순환하면서 어노드 전극(110)을 냉각시키는 냉매는 기체 냉매 또는 액체 냉매가 사용될 수 있으며, 예를 들어 공정냉각수(process cooling water, PCW)를 사용할 수 있다.

한편, 냉각 라인(130)은 제 1 유체경로(131) 및 제 2 유체경로(133)를 포함할 수 있다.

구체적으로, 제 1 유체경로(131)는 어노드 전극 팁(110t)에 인접하는 부분까지 연장될 수 있으며, 제 2 유체경로(133)는 제 1 유체경로(131)의 유출부(131out)로부터 어노드 전극(110)의 내벽(115)을 따라서 냉매유출구(137)로 연장될 수 있다.

이때, 제 1 유체경로(131)와 제 2 유체경로(133)는 서로 중첩되지 않도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 제 2 유체경로(133)의 적어도 일부는 상기 제 1 유체경로(131)의 외주를 둘러싸도록 형성될 수 있다.

즉, 냉각 라인(130)을 통해 이동하는 냉매는, 제 1 유체경로(131)를 따라서 어노드 전극(110)의 내부 상측벽(115a)에 인접하는 부분까지 연장하며, 이어서 제 2 유체경로(133)를 따라서 어노드 전극(110)의 내부 상측벽(115a)과 어노드 전극(110)의 내부 측벽(115b)과 접하며 이동할 수 있다.

냉각 라인(130)을 따라서 순환하는 냉매는 어노드 전극(110)과 접하면서 어노드 전극(110)을 냉각시켜, 어노드 전극(110)이 고온에서 용융되는 등으로 손상되는 것을 방지할 수 있다.

한편, 어노드 전극(110)의 내부 상측벽(115a)의 중심부는 평면 구조를 가질 수 있다. 어노드 전극(110)의 선단의 중심부는 아크가 가장 빈번하게 접촉되는 부분으로, 상기 부분의 온도는 어노드 전극(110)에서 가장 높을 수 있다. 또한, 어노드 전극(110)의 내부 상측벽(115a)에서 온도 분포는 어노드 전극(110)의 선단의 중심부와 가장 인접한 상기 상측벽(115a)의 중심부에서 가장 높고, 상기 상측벽(115a)의 가장자리로 갈수록 낮아지게 된다.

이때, 비교예로서 어노드 전극(110)의 내부 상측벽(115a)의 중심부에는, 제 1 유체경로(131)의 유출부(131out)에서 유출된 냉매의 유선을 부드럽게 하기 위하여 금속 재질의 가이드를 추가될 수 있다. 이때, 추가된 상기 금속 재질의 가이드는 상측벽(115a)의 중심부에서 어노드 전극(110)의 길이 방향으로의 온도 구배를 발생시키며, 상기 온도 구배는 냉각 효율을 저하시키는 원인이 될 수 있다.

따라서, 어노드 전극(110)의 내부 상측벽(115a)의 중심부는 평면 구조를 가질 수 있고, 이로써 어노드 전극(110)의 길이 방향으로의 온도 구배를 최소화하고, 온도 구배로 인한 냉각 효율 저하를 막을 수 있다.

또한, 냉각 라인(130)는 제 1 유체경로(131)의 유출부(131out)으로 유출되는 냉매의 유속을 높이기 위하여 제 1 유체경로(131)는 노즐 영역을 구비할 수 있으며, 이에 대하여는 후술되는 부분에서 자세히 설명한다.

도 4를 참조하면, 제 1 유체경로(131) 및 제 2 유체경로(133)의 중심(C)은 동일할 수 있다. 즉, 어노드 전극(110)의 선단과 인접한 부분에서 어노드 전극(110)의 길이 방향과 수직한 평면에 대하여, 어노드 전극(110)의 내벽은 제 1 유체경로(131)의 외주로부터 실질적으로 동일한 간격으로 이격될 수 있다.

상기의 수직 평면에 대하여, 제 2 유체경로(133)를 따라 이동하는 냉매의 유량은 어느 일부분에 편중되지 않고 균일하게 유지될 수 있으며, 어노드 전극(110)과 냉매와의 열교환이 전체적으로 균일하도록 관리할 수 있다.

한편, 어노드 전극(110)의 길이 방향과 수직한 평면으로 어노드 전극(110)을 자른 단면에 대하여, 어노드 전극(110)의 단면은 원 또는 사각형일 수 있으며, 또한 그 밖의 다양한 형태를 가질 수 있다. 나아가, 어노드 전극(110) 내에 형성된 냉각 라인(130)의 단면은 원일 수 있으나, 이에 제한되지 않으며 사각형, 타원 등 다양한 형태를 가질 수 있다.

다시 도 3을 참조하면, 본체부(110m)와 어노드 전극 팁(110t)의 접합 부분에서의 보이드(void)로 인한 냉각 효율이 저해되는 것을 방지하기 위하여, 접합 부재(160)는 냉각 라인(130)이 접하는 어노드 전극(110)의 내부 상측벽(115a)과 어노드 전극(110)의 선단 사이에 위치하지 않도록 구성할 수 있다.

상기 보이드는 은, 구리 등이 가열되어 접합 부재(160)를 형성하는 과정에서 발생될 수 있다.

접합 부재(160)가, 도 3과 달리, 어노드 전극(110)의 내부 상측벽(115a)과 어노드 전극(110)의 선단 사이에 배치되는 경우, 일정 부피 이상의 보이드는 어노드 전극 팁(110t)과 냉각 라인(130) 사이의 열전달을 방해할 수 있다. 이러한 열배출 특성의 감소는 어노드 전극(110)의 수명을 단축시킬 수 있으며, 나아가 접합 부재(160)가 용융점 이상의 온도로 가열되어 접합 부재(160)가 용융되는 문제가 발생할 수 있다.

따라서, 접합 부재(160)는 어노드 전극(110)의 내부 상측벽(115a)보다 낮은 레벨에 위치될 수 있다. 그에 따라 접합 부재(160)에 생성될 수 있는 보이드가 냉각 효율을 저하시키는 것을 방지할 수 있다.

또한, 일부 실시예들에서, 본체부(110m)와 어노드 전극 팁(110t)의 접합면과 어노드 전극(110)의 선단 사이의 거리(t)는 어노드 전극 팁(110t)의 직경(D)보다 길 수 있다. 다시 말해서, 접합 부재(160)가 어노드 전극(110)의 선단으로부터 이격되는 거리는 어노드 전극 팁(110t)의 직경(D)의 길이보다 길 수 있다. 여기서 어노드 전극 팁(110t)의 직경(D)은 어노드 전극(110)의 선단에서의 직경을 의미할 수 있다.

일반적으로, 아크 방전에 이용되는 어노드 전극(110)에 가해지는 열 부하가 증가될수록, 어노드 전극(110)의 선단에 구비된 어노드 전극 팁(110t)의 직경(D)이 증가될 수 있다. 이에 따라, 공정에서 요구하는 열 부하가 클수록, 접합 부재(160)는 어노드 전극(110)의 선단으로부터 보다 이격되어 배치될 수 있다.

즉, 본체부(110m)와 어노드 전극 팁(110t)의 접합면과 어노드 전극(110)의 선단 사이의 거리(t)는 어노드 전극 팁(110t)의 직경(D)보다 더 이격되도록 구성함으로써, 접합 부재(160)가 용융점 이상의 고온이 가해져 용융되는 것을 방지할 수 있다.

다만, 접합 부재(160)의 용융을 방지하기 위한 접합 부재(160)와 어노드 전극(110)의 선단과의 거리는 열 부하, 냉매의 유량, 어노드 전극(110)의 크기 등의 조건에 따라 결정될 수 있으며, 다른 조건에 따라서 본체부(110m)와 어노드 전극 팁(110t)의 접합면과 어노드 전극(110)의 선단 사이의 거리(t)는 어노드 전극 팁(110t)의 직경(D)보다 짧도록 구성될 수 있다.

한편, 도 2 내지 도 4는 어노드 전극(110)의 구조 및 어노드 전극 (110) 내부에 형성된 냉각 라인(130)에 대하여 도시하고 있으나, 캐소드 전극(120)은 도 2 내지 도 4에 도시된 어노드 전극(110)의 구조와 실질적으로 동일한 캐소드 전극(120) 구조를 구비할 수 있으며, 또한 어노드 전극(110) 내부에 형성된 냉각 라인(130)과 실질적으로 동일한 냉각 라인이 형성될 수 있다.

도 5는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 어노드 전극의 일부를 나타내는 단면도이다.

도 1 및 도 5를 참조하면, 어노드 전극(110)의 내부에는 냉매가 순환하는 냉각 라인(130)이 형성될 수 있으며, 냉각 라인(130)은 제 1 유체경로(131) 및 제 2 유체경로(133)을 포함할 수 있다. 제 1 유체경로(131)의 일단은 냉매유입구(135)와 연결되며, 이와 반대되는 타단은 어노드 전극(110)의 선단에 인접하는 부분까지 연장할 수 있다.

여기서, 제 1 유체경로(131)의 유출부(131out)와 어노드 전극(110)의 내벽 사이의 영역과 같이 냉매의 흐름이 급격히 바뀌는 부분에서, 냉매의 운동량이 충분하지 못하여 맴돌이(eddy) 기류가 생길 수 있다. 상기 맴돌이 기류는 냉매와 어노드 전극(110) 사이의 열전달을 방해하며, 그에 따라 냉각 효율을 저하되는 원인이 될 수 있다.

또한, 냉매를 이용하여 어노드 전극(110)을 냉각시키는 동안, 냉각 효율은 냉매의 유량, 유속 등에 영향을 받을 수 있다. 다만, 냉매의 유량을 증가시키는 것은 어노드 전극(110)의 부피로 인하여 제약이 있을 수 있고, 펌프 용량을 증가시켜 냉매의 유속을 증가시키는 것은 공정 비용을 상승시키는 요인이 될 수 있다.

따라서, 일부 실시예들에서, 펌프의 용량을 증가시키지 않으면서 냉매의 유속을 증가시켜 냉각 효율을 증가시키기 위한 방법으로서, 제 1 유체경로(131)의 유출부(131out)에 인접한 부분에서 유속을 증가시키기 위한 노즐(nozzle) 영역를 포함할 수 있다.

상기 노즐 영역을 가지는 제 1 유체경로(131)는 제 1 관(131a), 제 2 관(132b) 및 제 3 관(131c)을 포함할 수 있다. 제 1 관(131a)은 제 1 유체경로(131)의 냉매가 유입되는 냉매유입구(135)로부터 연장하고, 제 3 관(131c)은 제 1 관(131a)와 이격되며 제 1 유체경로(131)의 유출부(131out)를 향하여 연장할 수 있다. 제 3 관(131c)은 제 1 관(131a)보다 작은 단면적을 가질 수 있다. 제 2 관(131b)은 제 1 관(131a)과 제 3 관(131c) 사이에 위치하며 제 3 관(131c)에 인접할수록 단면적이 감소하도록 구성될 수 있다.

이때, 제 1 유체경로(131)의 유출부(131out)의 단면적은 제 1 유체경로(131)에서 냉매유입구(135)의 단면적보다 작을 수 있다.

여기서, 제 1 관(131a), 제 2 관(132b), 제 3 관(131c) 및 제 1 유체경로(131)의 유출부(131out)의 단면적은 그 연장방향과 수직한 방향으로 자른 단면의 면적으로 정의한다.

연속적으로 냉매가 순환되는 동안, 제 2 관(131b)은 제 3 관(131c)에 인접할수록 단면적이 작아지므로, 제 2 관(131b)을 따라 흐르는 냉매는 제 3 관(131c)에 인접할수록 유속이 빨라지게 된다.

상기와 같이 제 1 유체경로(131)는 제 1 유체경로(131)의 유출부(131out)와 인접하는 부분에서 단면적이 좁아지는 노즐 영역을 포함하도록 구성될 수 있다. 그 결과, 제 1 유체경로(131)의 유출부(131out)에서의 냉매의 유속은 냉매유입구(135)에서의 냉매의 유속보다 크도록 구성될 수 있다.

또한, 제 1 유체경로(131)의 유출부(131out)로부터 배출된 냉매가 어노드 전극(110)의 내벽을 만나면서 유선이 급격히 바뀌더라도, 유속이 증가된 냉매는 충분한 운동량을 가지므로 맴돌이 기류가 발생하는 것을 억제할 수 있다. 또한, 펌프 용량을 증가시키지 않으면서 냉매의 유속을 증가시킬 수 있어 공정 비용을 절감시킬 수 있다.

다만, 도 5는 어노드 전극(110) 내부에 형성되는 냉각 라인(130)을 도시한 것이나, 캐소드 전극(120) 내에 형성되는 냉각 라인은 도 5를 참조하여 설명된 냉각 라인과 실질적으로 동일한 구성을 가질 수 있다.

도 6은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 어노드 전극의 일부를 나타내는 측면도이며, 도 7은 어노드 전극의 일부를 나타내는 단면도이다.

도 6 및 도 7을 도 1과 함께 참조하면, 어노드 전극(110)은 하우징(144)과 연결되는 본체부(110m) 및 본체부(110m)에 결합되는 어노드 전극 팁(110t)을 구비할 수 있다. 이때, 어노드 전극 팁(110t)은 어노드 전극(110)의 선단에 배치된 제 1 팁(110t1) 및 제 1 팁(110t1)과 상기 본체부(110m) 사이에 배치된 제 2 팁(110t2)을 포함할 수 있다.

본체부(110m)는 황동, 구리 또는 이들의 조합물로 이루어진 파트들을 포함할 수 있다. 본체부(110m)와 어노드 전극 팁(110t)은 그 사이에 배치된 접합 부재(160)에 의하여 결합될 수 있다.

제 1 팁(110t1)과 제 2 팁(110t2)은 서로 상이한 물질을 포함할 수 있으나, 또한 동일한 물질로서 일체로 형성될 수도 있다.

일부 실시예들에서, 제 1 팁(110t1)은 어노드 전극(110)의 선단에 배치되며, 고온으로 인한 어노드 전극(110)의 손상을 방지하기 위하여 녹는점이 높은 금속으로 이루어질 수 있으며, 텅스텐 또는 텅스텐 합금으로 이루어질 수 있다.

제 2 팁(110t2)은 제 1 팁(110t1)과 본체부(110m) 사이에 배치되며, 냉각 라인(130)과 직접 접할 수 있다. 제 2 팁(110t2)은 열전도성이 우수한 금속으로 이루어져 냉각 라인(130)과의 열배출 성능을 향상시킬 수 있다. 제 2 팁(110t2)은 열전도성이 우수한 구리로 이루어질 수 있다.

이때, 제 1 팁(110t1)과 제 2 팁(110t2)은 제 1 팁(110t1)과 제 2 팁(110t2)의 접합면에 배치되는 접합 부재(160)에 의하여 결합될 수 있다. 이때, 접합 부재(160)는 은, 구리 또는 이들의 조합으로 이루어진 금속을 가열, 용융시키는 용접에 의하여 형성될 수 있다.

또한, 냉각 라인(130)은 냉매유입구(135)로부터 제 2 팁(110t2)에 인접하는 부분까지 연장하는 제 1 유체경로(131), 및 제 1 유체경로(131)의 유출부(131out)로부터 냉매유출구(137)로 연장하는 제 2 유체경로(133)를 포함할 수 있다. 이때, 제 1 유체경로(131)는 제 1 유체경로(131)의 유출부(131out)에서 노즐 영역을 포함할 수 있으며, 그에 따라 제 1 유체경로(131)의 유출부(131out)에서의 냉매의 유속은 냉매유입구(135)에서의 냉매의 유속보다 크도록 구성될 수 있다.

예를 들어, 냉각 라인(130)은 도 5를 참조하여 설명한 바와 같이 제 1 유체경로(131)는 제 1 유체경로(131)의 냉매가 유입되는 부분으로부터 연장하는 제 1 관(131a), 제 1 관(131a)으로부터 이격되어 제 1 유체경로(131)의 유출부(131out)를 향하여 연장하고 제 1 관(131a)보다 작은 단면적을 가지는 제 3 관(131c), 및 제 1 관(131a)과 제 3 관(131c) 사이에 위치하며 제 3 관에 인접할수록 단면적이 작아지는 제 2 관(132b)을 포함할 수 있다.

즉, 어노드 전극 팁(110t)의 내벽(115)과 접하는 부분에서 냉매의 유속을 증가시킴으로써 맴돌이 기류의 발생을 방지하며, 이로써 냉각 효율을 향상시킬 수 있다. 상기 향상된 냉각 효율은 어노드 전극(110)의 내부 상측벽(115a)과 어노드 전극(110)의 선단 사이에 배치된 접합 부재(160)가 용융점 이상의 온도로 가열되는 것을 방지할 수 있다.

도 8은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 어노드 전극을 나타내는 측면도이다.

도 8를 도 1과 함께 참조하면, 어노드 전극(110)은 하우징(144)에 장착되는 본체부(110m), 상기 본체부(110m)와 결합되는 어노드 전극 팁(110t), 및 상기 어노드 전극(110)의 외주를 감싸도록 형성되는 코팅부(170)를 포함할 수 있다.

어노드 전극 팁(110t)은 어노드 전극(110)이 고온의 아크 및 플라즈마로 인하여 손상되는 것을 방지하기 위하여 녹는점이 높은 금속인 텅스텐 또는 텅스텐 합금으로 포함할 수 있다.

본체부(110m)는 텅스텐의 낮은 열전도성, 전기전도성을 보완하기 위하여 구리, 황동, 스테인리스 스틸 등으로 구성될 수 있다. 즉, 아크와 직접 접하는 어노드 전극 팁(110t)은 고온을 견디기 위하여 텅스텐 또는 텅스텐 합금으로 구성하되, 본체부(110m)는 높은 열전도도가 필요한 부분은 구리로, 기계적 강도가 필요한 부분은 황동으로 구성될 수 있다.

다만, 황동, 구리 등의 금속이 사용되는 부분들은 고온이 가해지거나 냉매와 접촉하면서 부식될 수 있다. 부식된 황동, 구리 등은 아크 방전 장치(100) 내를 오염시키는 파티클로 작용할 수 있다. 특히, 투과 부재(142)에 부착되는 부식된 황동, 구리 등으로 인하여 복사에너지를 아크 방전 장치(100)의 외부로 방출시키는 투과 특성이 저해될 수 있다.

따라서, 코팅부(170)는 어노드 전극(110)의 외주를 감싸도록 형성되어, 황동, 구리 등이 부식되면서 아크 방전 장치(100) 내부를 오염시키는 것을 방지할 수 있다. 코팅부(170)는 어노드 전극(110)의 외주 전부를 둘러싸도록 형성될 수 있고, 또한 코팅부(170)는 내식성, 내열성이 우수한 텅스텐 등으로 이루어진 부분(예를 들어, 텅스텐 또는 텅스텐 합금으로 이루어진 어노드 전극 팁)을 제외한 나머지 부분을 둘러싸면서 형성될 수 있다.

코팅부(170)는 본체부(110m)의 부식을 방지하기 위하여 내식성이 우수한 물질로 형성될 수 있으며, 예를 들어 텅스텐, 텅스텐 합금, 스테인리스 스틸 등으로 형성될 수 있다.

다만, 도 8을 참조하여 어노드 전극(110)에 구비되는 코팅부(170)에 대하여 설명하였으나, 캐소드 전극(120)은 도 8을 참조하여 설명된 코팅부(170)와 실질적으로 동일한 코팅부(170)를 포함할 수 있다.

도 9는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 어노드 전극을 나타내는 사시도이다. 도 10은 도 9의 어노드 전극의 선단 방향에서 바라본 평면도이다. 도 11a 및 도 11b는 어노드 전극에 구비된 유도 코일에 공급되는 전류를 나타내는 도면이다.

도 9 및 도 10를 참조하면, 어노드 전극(110)은 복수개로 형성될 수 있으며, 예를 들어 제 1 어노드 전극(111), 제 2 어노드 전극(112), 및 제 3 어노드 전극(113)으로 형성될 수 있다. 복수개의 어노드 전극(111, 112, 113) 각각은 그 선단에 어노드 전극 팁(111t, 112t, 113t)을 포함할 수 있다.

또한, 복수개의 어노드 전극(111, 112, 113) 각각은 그 내부에는 앞서 설명한 냉각 라인이 형성될 수 있다.

단일의 어노드 전극(110)을 사용하는 경우 어노드 전극(110) 선단의 특정 일부에서 온도가 과도하게 상승할 수 있는데 반해, 복수개의 어노드 전극(111, 112, 113)은 열 부하를 분배시킬 수 있어 전극의 수명을 향상시키기에 유리할 수 있다.

한편, 복수개의 어노드 전극(111, 112, 113)은 동일한 모양 및 크기를 가지도록 제공될 수 있으며, 이로써 복수개의 어노드 전극(111, 112, 113)에 분배되는 열 부하는 보다 균등하게 유지될 수 있다.

또한, 복수개의 어노드 전극(111, 112, 113)은 방사상으로 동일한 간격을 가지고 이격될 수 있다. 예를 들어, 제 1 어노드 전극(111)의 중심(111c)과 제 2 어노드 전극(112)의 중심(112c)과의 거리(d1), 제 2 어노드 전극(112)의 중심(112c)과 제 3 어노드 전극(113)의 중심(113c)과의 거리(d2), 및 제 3 어노드 전극(113)의 중심(113c)과 제 1 어노드 전극(111)의 중심(111c)과의 거리(d3)는 동일할 수 있다.

한편, 복수개의 어노드 전극(111, 112, 113) 각각에는 유도 자기장을 발생시키도록 구성된 유도 코일(111i, 112i, 113i)이 그 외주에 감겨서 구비될 수 있다.

또한, 전원 제어부(150)는 설정된 조건에 따라 유도 코일(111i, 112i, 113i)에 전원을 공급할 수 있다. 전원 제어부(150)는 복수개의 어노드 전극(110) 각각에 구비된 유도 코일(111i, 112i, 113i)과 연결되며, 상기 유도 코일(111i, 112i, 113i)에 공급되는 전원을 제어하도록 구성될 수 있다.

전원 제어부(150)는 전원 공급원(151), 및 전원 컨트롤러(152)를 포함할 수 있다. 전원 공급원(151)은 유도 코일(111i, 112i, 113i)에 공급되는 전원을 제공하며, 전원 컨트롤러(152)는 설정된 조건에 따라 선택적으로 유도 코일(111i, 112i, 113i)에 전류를 공급할 수 있다.

복수개의 어노드 전극(111, 112, 113) 각각의 측면에 감겨 구비되는 유도 코일(111i, 112i, 113i)에 전류를 흘려주면, 각 전극에는 아크 및 플라즈마를 유도할 수 있는 유도 자기장이 생성될 수 있다. 따라서, 전원 제어부(150)를 이용하여 유도 코일(111i, 112i, 113i)에 흐르는 전류를 제어함으로써, 캐소드 전극(120)과 복수개의 어노드 전극(111, 112, 113) 사이에 발생되는 아크를 제어할 수 있다.

도 11a 및 도 11b를 도 9과 함께 참조하면, 전원 제어부(150)는 유도 코일(111i, 112i, 113i)에 공급되는 전원을 균등하게 분배하도록 구성될 수 있다. 전원 제어부(150)는 각각의 유도 코일(111i, 112i, 113i)에 전원이 공급되는 시간을 분배하는 방식으로 전원을 분배할 수 있다.

이때, 분배된 시간만큼 유도 코일(111i, 112i, 113i)에 전류가 흐르면서, 상기 분배된 시간동안 복수개의 어노드 전극(111, 112, 113) 각각에는 아크 및 플라즈마를 유도할 수 있는 유도 자기장이 발생될 수 있다.

예를 들어, 도 11a와 같이, 제 1 어노드 전극(111)의 유도 코일(111i)에 전류(I1)를 공급하고 차단한 후, 제 2 어노드 전극(112)의 유도 코일(112i)에 전류(I2)를 공급하고, 제 2 어노드 전극(112)의 유도 코일(112i)에 전류(I2)를 차단한 후, 제 3 어노드 전극(113)의 유도 코일(113i)에 전류(I3)를 공급하여, 각 유도 코일에 전류가 공급되는 시간은 서로 겹치지 않도록 할 수 있다. 여기서, 각 유도 코일(111i, 112i, 113i)에 전류가 공급되는 시간은 동일할 수 있다.

또한, 도 11b와 같이 제 1 어노드 전극(111)의 유도 코일(111i)에 전류(I1)를 차단하기 전에 제 2 어노드 전극(112)의 유도 코일(112i)에 전류(I2)를 공급하며, 제 2 어노드 전극(112)의 유도 코일(112i)에 전류(I2)를 차단하기 전에 제 3 어노드 전극(113)의 유도 코일(113i)에 전류(I3)를 공급하여, 각 유도 코일에 전류가 공급되는 시간이 일부분 겹치도록 할 수 있다. 여기서, 각 유도 코일(111i, 112i, 113i)에 전류가 공급되는 시간은 동일할 수 있다.

복수개의 어노드 전극(110) 각각에 공급되는 전원을 분배함으로써, 특정 일부분에만 열 부하가 집중되는 것을 방지할 수 있다. 그 결과, 복수개의 어노드 전극(111, 112, 113)의 선단의 온도는 특정 일부분에서 과도하게 상승하지 않으며, 복수개의 어노드 전극(111, 112, 113)의 선단에서 온도 분포의 균일성이 향상될 수 있다. 즉, 어노드 전극(110)의 중심부와 가장자리부에서의 온도 차이가 줄어들 수 있다.

복수개의 어노드 전극(111, 112, 113)의 선단에서의 온도 균일성의 향상은, 어노드 전극(110)을 단일로 구성할 때 온도가 상대적으로 낮은 어노드 전극(110) 선단의 가장자리에서 열 배출량이 줄어드는 문제를 개선할 수 있다. 상기 향상된 온도 균일성은 전체적인 냉각 효율을 증가시켜 어노드 전극(110)의 수명을 연장시킬 수 있다.

도 12는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 아크 방전 장치를 나타내는 사시도이다.

도 12를 참조하면, 아크 방전 장치(100)는 바디부(140), 어노드 전극(110), 및 캐소드 전극(120)을 포함할 수 있다. 어노드 전극(110) 및 캐소드 전극(120)은 도 1 내지 도 11을 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일할 수 있다.

바디부(140)는 투과 부재(142) 및 하우징(144)을 포함하며 전구(bulb)형태로 제공될 수 있다. 도 1과 달리 하우징(144)은 분리되지 않고 단일로 제공될 수 있다. 어노드 전극(110) 및 캐소드 전극(120)은 상기 단일의 하우징(144)에 장착될 수 있다. 상기 단일의 하우징(144)에는 냉매유입구(135) 및 냉매유출구(137)가 어노드 전극(110) 측 및 캐소드 전극(120) 측 각각에 형성될 수 있다.

또한, 투과 부재(142)는 하우징(144)에 장착되며 어노드 전극(110) 및 캐소드 전극(120)을 둘러싸도록 제공될 수 있다.

바디부(140)는 전구 형태 이외에도 도 1과 같이 관 형태를 가질 수 있으며, 또한 플라즈마 공정이 진행되는 챔버 내의 장착 방법 등에 따라 다양한 형태로 제공될 수 있다.

도 13은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 플라즈마 처리 시스템을 나타내는 단면도이다.

도 13을 참조하면, 플라즈마 처리 시스템(1000)은 챔버(1200), 챔버(1200) 내로 공정 기체를 공급하는 기체 공급부(1300), 기판(W)이 안착되는 기판 지지대(1210), 챔버(1200)의 일면에 장착되어 전원을 공급받아 아크 방전을 발생시키는 아크 방전 장치(1100), 및 아크 방전 장치(1100)에 구비된 전극에 전원을 인가하는 전원부(1500)를 포함할 수 있다.

챔버(1200)는 플라즈마 공정이 진행될 수 있는 공간을 제공할 수 있다. 챔버(1200)는 상부 챔버 및 하부 챔버로 구성될 수 있다. 플라즈마 공정이 진행되는 동안 상부 챔버와 하부 챔버는 서로 접하여 내부의 공간을 외부와 차단시킬 수 있으며, 반면 기판(W)의 로딩 및 언로딩 동안에는 상부 챔버와 하부 챔버의 사이가 이격되어 기판(W)이 챔버(1200) 내외로 이송될 수 있도록 구성될 수 있다.

또한, 챔버(1200)는 챔버(1200) 내의 기체 또는 부산물 등을 배기하기 위한 배기 덕트가 형성될 수 있다. 구체적으로 도시되지 않았지만, 상기 배기 덕트는 진공 펌프와 연결되고 압력 제어 밸브, 유량 제어 밸브 등이 더 구비될 수 있다.

기판 지지대(1210)는 챔버(1200) 내에 제공된 공간에 장착될 수 있으며, 기판 지지대(1210)의 일면에는 기판(W)이 안착될 수 있다. 기판 지지대(1210)는 지지 핀들을 구비할 수 있으며, 상기 지지 핀들은 기판(W)이 기판 지지대(120)의 일면으로부터 일정 거리 이격되도록 기판(W)의 배면의 가장자리를 지지할 수 있다.

기체 공급부(1300)는 챔버(1200)의 일측에 구비된 유입 덕트를 통하여 공정 기체를 공급할 수 있다. 상기 공정 기체는 비활성 기체 등을 챔버(1200) 내로 공급하여, 챔버(1200) 내에 공정 분위기를 형성시킬 수 있다. 기체 공급부(1300)는 공급되는 공정 기체를 조절하기 위한 제어 밸브를 포함할 수 있다.

다만, 기체 공급부(1300)의 구성이 상기에 한정되는 것은 아니며, 챔버 상측에 구비된 샤워헤드를 통하여 챔버(1200) 전체로 공정 기체를 균일하게 분사하도록 구성될 수 있다.

아크 방전 장치(1100)는 챔버(1200)의 일면에 장착되어 제공될 수 있다. 아크 방전 장치(1100)는 전원부(1500)로부터 아크 방전에 필요한 전원을 공급받을 수 있다. 전원부(1500)가 아크 방전 장치(1100)에 구비된 전극에 전원을 인가하여 아크가 발생되면, 아크 방전 장치(1100) 내의 반응 기체가 방전되면서 플라즈마가 발생될 수 있다.

아크 방전 장치(1100)는 기판 지지대(1210)에 안착된 기판(W)에 공정 조건에 맞는 시간 및 온도로 열을 가하도록 구성될 수 있다. 아크 방전 장치(1100)는 단수개 또는 복수개로 제공될 수 있다.

여기서, 상기 아크 방전 장치(1100)는 도 1 내지 도 12을 참조하여 설명한 아크 방전 장치일 수 있다.

본 발명의 기술적 사상에 의한 플라즈마 처리 장치(1000)는 아크 방전 장치(1100)에 구비된 전극의 손상을 방지하고, 이에 따라 전극의 수명을 연장시킬 수 있다. 따라서, 아크 방전 장치(1100)에 구비된 전극이 수명을 다하여 빈번히 교체됨으로써 발생하는 공정 비용을 절감할 수 있으며, 또한 설정된 조건에 부합하는 열을 기판(W)에 가할 수 있어 플라즈마 공정의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

플라즈마 처리 시스템(1000)은 예를 들어 어닐링 공정에 사용될 수 있으며, 특히 급속 열처리 공정에 이용될 수 있다. 다만 이외에도, 플라즈마 처리 시스템(1000)은 표면 처리 공정, 원자층 증착 공정, 식각 공정 등의 다양한 공정에서 이용될 수 있다.

지금까지의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.

따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 아크 방전 장치 110: 어노드 전극
110m: 본체부 110t: 어노드 전극 팁
120: 캐소드 전극 120t: 캐소드 전극 팁
130: 냉각 라인 131: 제 1 유체경로
133: 제 2 유체경로 135: 냉매유입구
137: 냉매유출구 140: 바디부
142: 투과 부재 144: 하우징
150: 전원 제어부 160: 접합 부재
170: 코팅부 1000: 플라즈마 처리 시스템

Claims (20)

1. 냉매유입구와 냉매유출구가 형성된 하우징 및 상기 하우징에 고정된 투과 부재를 구비하는 바디부; 및
   상기 하우징에 장착되고, 서로 대향하여 배치된 어노드 전극 및 캐소드 전극을 구비한 전극부;를 포함하고,
   상기 어노드 전극은 상기 하우징과 연결되는 본체부 및 상기 본체부와 결합되는 어노드 전극 팁을 구비하고,
   상기 어노드 전극의 내부에 형성되는 냉각 라인은 상기 냉매유입구와 상기 냉매유출구와 연결되고, 상기 어노드 전극 팁의 내벽과 접하는 것을 특징으로 하는 아크 방전 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 본체부와 상기 어노드 전극 팁은 상이한 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 아크 방전 장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 본체부는 황동, 구리, 또는 이들의 조합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 아크 방전 장치.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 본체부와 상기 어노드 전극 팁은 상기 본체부와 상기 어노드 전극 팁의 접합면에 배치된 접합 부재에 의하여 결합되는 것을 특징으로 하는 아크 방전 장치.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 접합면과 상기 어노드 전극의 선단 사이의 거리는 상기 어노드 전극 팁의 직경보다 긴 것을 특징으로 하는 아크 방전 장치.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 냉각 라인은, 상기 냉매유입구로부터 상기 어노드 전극 팁에 인접하는 부분까지 연장하는 제 1 유체경로, 및 상기 제 1 유체경로의 유출부로부터 상기 냉매유출구로 연장하는 제 2 유체경로를 포함하는 것을 특징으로 하는 아크 방전 장치.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 제 2 유체경로의 적어도 일부는 상기 제 1 유체경로의 외주를 둘러싸도록 형성되는 것을 특징으로 하는 아크 방전 장치.
8. 제 6 항에 있어서,
   상기 제 1 유체경로는,
   상기 냉매유입구로부터 연장하는 제 1 관,
   상기 제 1 관으로부터 이격되어 상기 제 1 유체경로의 유출부를 향하여 연장하고 상기 제 1 관의 단면적보다 작은 단면적을 갖는 제 3 관, 및
   상기 제 1 관과 상기 제 3 관 사이에 위치하며 상기 제 3 관에 인접할수록 단면적이 감소하는 제 2 관을 포함하는 것을 특징으로 하는 아크 방전 장치.
9. 제 6 항에 있어서,
   상기 어노드 전극의 내부 상측벽은 그 중심부에서 평면 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 아크 방전 장치.
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 어노드 전극 팁은 상기 어노드 전극의 선단에 배치된 제 1 팁 및 상기 제 1 팁과 상기 본체부 사이에 배치된 제 2 팁을 포함하며,
    상기 냉각 라인은, 상기 냉매유입구로부터 상기 제 2 팁에 인접하는 부분까지 연장하는 제 1 유체경로, 및 상기 제 1 유체경로의 유출부로부터 상기 냉매유출구로 연장하는 제 2 유체경로를 포함하고,
    상기 제 1 유체경로의 유출부에서의 냉매의 유속은 상기 냉매유입구에서의 냉매의 유속보다 큰 것을 특징으로 하는 아크 방전 장치.
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 팁과 상기 제 2 팁은 상이한 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 아크 방전 장치.
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 팁은 텅스텐 또는 텅스텐 합금으로 이루어지며, 상기 제 2 팁은 구리로 이루어지는 것을 특징으로 하는 아크 방전 장치.
13. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 팁과 상기 제 2 팁은, 상기 제 1 팁와 상기 제 2 팁의 접합면에 배치된 접합 부재에 의하여 결합되는 것을 특징으로 하는 아크 방전 장치.
14. 제 1 항에 있어서,
    상기 어노드 전극은 복수개로 형성되는 것을 특징으로 하는 아크 방전 장치.
15. 제 14 항에 있어서,
    상기 복수개의 어노드 전극 각각은 유도 자기장을 발생시키도록 그 외주에 감겨진 유도 코일을 구비하며,
    상기 복수개의 어노드 전극 각각의 유도 코일에 선택적으로 전원을 공급하도록 구성된 전원 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 아크 방전 장치.
16. 제 15 항에 있어서,
    상기 전원 제어부는 상기 복수개의 어노드 전극 각각의 유도 코일에 공급되는 전원을 균등하게 분배하는 것을 특징으로 하는 아크 방전 장치.
17. 제 1 항에 있어서,
    상기 어노드 전극은 그 외주를 감싸도록 형성된 코팅부를 포함하는 것을 특징으로 하는 아크 방전 장치.
18. 제 17 항에 있어서,
    상기 코팅부는 텅스텐 또는 텅스텐 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 아크 방전 장치.
19. 냉매유입구와 냉매유출구가 형성된 하우징 및 상기 하우징에 고정된 투과 부재를 구비하는 바디부; 및
    상기 하우징에 장착되고, 서로 대향하여 배치된 어노드 전극 및 캐소드 전극을 구비한 전극부;를 포함하고,
    상기 어노드 전극은 상기 하우징과 연결되는 본체부 및 상기 본체부와 결합되는 어노드 전극 팁을 구비하고,
    상기 어노드 전극 팁은, 상기 어노드 전극의 선단에 배치되며 텅스텐 또는 텅스텐 합금으로 이루어진 제 1 팁, 및 상기 제 1 팁과 상기 본체부 사이에 배치된 제 2 팁을 포함하며,
    상기 어노드 전극의 내부에 형성되는 냉각 라인은 상기 냉매유입구와 상기 냉매유출구와 연결되고, 상기 어노드 전극 팁의 내벽과 접하는 것을 특징으로 하는 아크 방전 장치.
20. 플라즈마 공정이 진행되는 공간을 제공하는 챔버;
    상기 챔버 내로 공정 기체를 공급하는 기체 공급부;
    상기 챔버 내측에 구비되며, 기판이 안착되는 기판 지지대; 및
    상기 챔버의 일면에 장착되며, 전원을 공급받아 내부에 아크 방전을 발생시키는 아크 방전 장치;를 포함하되,
    상기 아크 방전 장치는, 냉매유입구와 냉매유출구가 형성된 하우징 및 상기 하우징에 고정된 투과 부재를 구비하는 바디부와, 상기 하우징에 장착되고 서로 대향하여 배치된 어노드 전극 및 캐소드 전극을 구비한 전극부를 포함하고,
    상기 어노드 전극은, 본체부 및 상기 본체부에 결합되는 어노드 전극 팁을 구비하며, 상기 어노드 전극의 내부에 형성된 냉각 라인은 상기 어노드 전극 팁과 접하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 시스템.

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