KR20210127779A - 플라즈마 반응을 모니터링하기 위한 광학 시스템 및 반응기 - Google Patents

플라즈마 반응을 모니터링하기 위한 광학 시스템 및 반응기 Download PDF

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KR20210127779A
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커티스 피터 톰
페이 시
웨이 리
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리카본 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 도파로(20); 도파로(20)에 결합되고 마이크로파 에너지의 사용에 의해 그 내에 플라즈마를 발생하도록 구성된 플라즈마 공동; 도파로(20)의 벽으로부터 돌출하고 구멍(66)을 갖는 하부 캡을 갖는 중공 실린더(13); 구멍(66)을 통해 플라즈마(46)에 의해 방출된 광을 수용하고 자외선(UV) 범위 및 적외선(IR) 범위의 광의 강도를 측정하도록 구성된 검출 유닛(61); 및 검출 유닛(61)을 제어하기 위한 제어기(69)를 포함하는 플라즈마 발생 시스템(10)을 제공한다.

Description

플라즈마 반응을 모니터링하기 위한 광학 시스템 및 반응기
본 발명은 플라즈마 발생기에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 플라즈마 반응기 내의 플라즈마를 모니터링하기 위한 디바이스에 관한 것이다.
최근에, 마이크로파 기술이 다양한 유형의 플라즈마를 발생하기 위해 적용되어 왔다. 전형적으로, 플라즈마 소스로서 사용되는 마이크로파 방전은 마이크로파 에너지를 처리될 가스를 수납하는 방전 챔버 내에 결합함으로써 달성된다. 탄화수소 가스 개질을 위해 사용되는 종래의 마이크로파 기반 플라즈마 시스템에서, 공급 원료 조성의 변화는 플라즈마 불안정성, 반응기 벽 및 다른 표면 상의 바람직하지 않은 퇴적, 및 시스템 성능을 저하시키거나 시스템 내의 구성요소를 손상시키는 다른 현상을 유발할 수 있다. 결함 조건 하에서 플라즈마 시스템의 손상을 방지하고 시스템의 처리량 및 효율을 최대화하기 위해, 플라즈마 상태 및 동작 조건이 시스템 동작 중에 연속적으로 모니터링되고 평가되어야 한다.
이와 같이, 신뢰적인 방식으로 플라즈마 상태 및 플라즈마 시스템의 동작 조건을 연속적으로 모니터링하고 평가할 수 있는 디바이스에 대한 요구가 존재한다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 플라즈마 발생 시스템은 도파로; 도파로에 결합되고 마이크로파 에너지의 사용에 의해 그 내에 플라즈마를 발생하도록 구성된 플라즈마 공동; 도파로의 벽으로부터 돌출하고 구멍을 갖는 하부 캡을 갖는 중공 실린더; 구멍을 통해 플라즈마에 의해 방출된 광을 수용하고 자외선(UV) 범위 및 적외선(IR) 범위의 광의 강도를 측정하도록 구성된 검출 유닛; 및 검출 유닛을 제어하기 위한 제어기를 포함한다.
도 1은 본 개시내용의 실시예에 따른 플라즈마 발생 시스템의 개략도를 도시하고 있다.
도 2는 본 개시내용의 실시예에 따른, 라인 2-2를 따라 취한 도 1의 플라즈마 챔버의 단면도를 도시하고 있다.
도 3은 본 개시내용의 실시예에 따른 순방향 유동 입구의 사시도를 도시하고 있다.
도 4는 본 개시내용의 실시예에 따른, 라인 4-4를 따라 취한 도 3의 순방향 유동 입구의 단면도를 도시하고 있다.
도 5는 본 개시내용의 실시예에 따른 어댑터의 사시도를 도시하고 있다.
도 6은 본 개시내용의 실시예에 따른, 라인 6-6을 따라 취한 도 5의 어댑터의 단면도를 도시하고 있다.
도 7은 본 개시내용의 실시예에 따른 내부 와류 유동의 사시도를 도시하고 있다.
도 8은 본 개시내용의 실시예에 따른 외부 와류 유동의 사시도를 도시하고 있다.
도 9는 본 개시내용의 실시예에 따른, 라인 9-9를 따라 취한 도 2의 플라즈마 챔버의 단면도를 도시하고 있다.
도 10은 본 개시내용의 실시예에 따른 검출 유닛의 단면도를 도시하고 있다.
도 11은 본 개시내용의 실시예에 따른 플라즈마 챔버의 단면도를 도시하고 있다.
도 12는 본 개시내용의 실시예에 따른 어댑터의 사시도를 도시하고 있다.
도 13은 본 개시내용의 실시예에 따른 순방향 유동 입구의 사시도를 도시하고 있다.
이하의 설명에서, 설명의 목적으로, 본 개시내용의 이해를 제공하기 위해 특정 상세가 설명된다. 그러나, 본 개시내용은 이들 상세 없이 실시될 수 있다는 것이 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 더욱이, 통상의 기술자는 이하에 설명되는 본 개시내용의 실시예가 다양한 방식으로 구현될 수도 있다는 것을 인식할 수 있을 것이다.
도면에 도시되어 있는 구성요소 또는 모듈은 본 개시내용의 예시적인 실시예를 예시하고 본 개시내용을 불명료하게 하는 것을 회피하도록 의도된다. 이 설명 전체에 걸쳐 구성요소는 하위 유닛을 포함할 수도 있는 개별 기능 유닛으로서 설명될 수도 있지만, 통상의 기술자는 다양한 구성요소 또는 그 부분이 개별 구성요소로 분할될 수도 있거나 단일 시스템 또는 구성요소 내에 통합되는 것을 포함하여, 함께 통합될 수도 있다는 것을 인식할 수 있을 것이라는 것이 또한 이해될 수 있을 것이다. 본 명세서에 설명된 기능 또는 동작은 구성요소로서 구현될 수도 있다는 것이 주목되어야 한다.
본 명세서에서 "일 실시예", "바람직한 실시예", "실시예" 또는 "실시예들"에 대한 참조는 실시예와 관련하여 설명된 특정 특징, 구조, 특성 또는 기능이 본 개시내용의 적어도 하나의 실시예에 포함되고 하나 초과의 실시예에 있을 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 본 명세서의 다양한 장소 전술된 구문의 출현이 반드시 모두 동일한 실시예 또는 실시예들을 지칭하는 것은 아니다.
본 명세서의 다양한 장소에서 특정 용어의 사용은 예시를 위한 것이며 한정으로서 해석되어서는 안 된다. 용어 "구비한다", "구비하는", "포함한다" 및 "포함하는"은 개방 용어이고 이어지는 임의의 목록은 예이며 열거된 항목에 한정되도록 의도되지 않는다는 것이 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 개시내용의 실시예에 따른 플라즈마 발생 시스템(10)의 개략도를 도시하고 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 플라즈마 발생 시스템(10)은, 중공 튜브의 형상을 갖는 마이크로파 공동/도파로(20); 도파로(20)에 연결된 플라즈마 챔버(22); 및 도파로(20)에 연결되고 마이크로파 도파로(20)를 통해 플라즈마 챔버(22)에 마이크로파 에너지를 제공하도록 동작하는 마이크로파 공급 유닛(12)을 포함한다. 실시예에서, 플라즈마 챔버(22)는 마이크로파 에너지를 수신하고 수신된 마이크로파 에너지의 사용에 의해 가스를 처리한다. 실시예에서, 가스 탱크(26)는 가스 라인(24)을 통해 플라즈마 챔버(22)에 가스를 제공하고, 가스 탱크(30)는 가스 라인(28)을 통해 플라즈마 챔버(22)에 가스를 제공한다.
마이크로파 공급 유닛(12)은 마이크로파 에너지를 플라즈마 챔버(22)에 제공하고, 마이크로파를 발생하기 위한 마이크로파 발생기(14); 마이크로파 발생기(14)에 전력을 공급하기 위한 전원(16); 및 플라즈마 챔버(22)로부터 반사되어 마이크로파 발생기(14)를 향해 이동하는 마이크로파 에너지를 감소시키기 위한 튜너(18)를 포함한다. 실시예에서, 마이크로파 공급 유닛(12)은 마이크로파 발생기(14)를 향해 전파하는 반사된 마이크로파 에너지를 소산시키기 위한 더미 부하 및 반사된 마이크로파 에너지를 더미 부하로 지향하기 위한 순환기를 갖는 격리기 및 도파로(20)의 단부에 배치된 활주 단락 회로와 같은 다른 구성요소를 포함할 수도 있다.
도 2는 본 개시내용의 실시예에 따른, 라인 2-2를 따라 취한 도 1의 플라즈마 챔버(22)의 단면도를 도시하고 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 플라즈마 챔버(22)는 내부벽(들)(40); 플라즈마 안정기(38); 가스 라인(24)에 연결되고 플라즈마 챔버 내로 순방향 유동을 도입하도록 구성된 순방향 유동 입구(또한 "와류 유동 발생기"라고도 칭함)(42); 및 가스 라인(28)에 연결되고 플라즈마 챔버 내로 역방향 유동을 도입하도록 구성된 역방향 유동 입구(또한 "어댑터"라고도 칭함)(44)를 포함한다. 여기서, 용어 플라즈마 공동은 내부벽(40), 도파로(20), 순방향 유동 입구(42) 및 역방향 유동 입구(어댑터)(44)에 의해 둘러싸인 밀폐 공간을 칭하고, 역방향 유동 가스 및 순방향 유동은 도파로(20)를 통해 전달되는 마이크로파 에너지를 사용하여 플라즈마 공동 내에서 플라즈마 플룸(또는 간단히, 플라즈마)(46)에 의해 처리/개질된다.
실시예에서, 내부벽(40)은 석영 또는 세라믹과 같은 마이크로파 에너지에 투명한 재료로 형성된다. 실시예에서, 내부벽(40)은 균일한 유동, 열 저항, 내화학성 및 전자기 투명도에 대해 바람직한 임의의 다른 적합한 유전 재료로 형성된다. 또한, 이하에 설명되는 바와 같이, 실시예에서, 내부벽(40)은 UV 및 IR 광에 투명한 재료로 형성된다. 실시예에서, 내부벽(40)은 바람직하게는 중공 원형 실린더의 형상을 갖지만 이에 한정되는 것은 아니다.
도 3은 본 개시내용의 실시예에 따른 순방향 유동 입구(42)의 사시도를 도시하고 있다. 도 4는 본 개시내용의 실시예에 따른, 라인 4-4를 따라 취한 순방향 유동 입구(42)의 단면도를 도시하고 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 순방향 유동 입구(42)는 가스 라인(24)에 결합하기 위한 구멍/어댑터(47) 및 그 벽에 형성된 하나 이상의 가스 통로(48)를 갖는다. 실시예에서, 가스 통로(48)의 출구는 플라즈마 안정기(38) 내부에 위치되어 플라즈마 안정기(38)가 가스 통로(48)를 빠져나가는 유동을 사용하여 내부 와류 유동(43)을 형성하게 된다. 실시예에서, 플라즈마 안정기(38)의 내경은 내부 와류 유동(43)의 외경을 조정하기 위해 변경될 수도 있다. 실시예에서, 전술된 바와 같이, 플라즈마 안정기(38)는 중공 원형 실린더의 형상을 갖고 순방향 유동 입구(42)에 동심으로 배치될 수도 있다.
실시예에서, 각각의 가스 통로(48)는 순방향 유동이 가스 통로(48)를 통해 플라즈마 공동에 진입함에 따라 순방향 유동에 나선형 운동을 부여하도록 배열된다. 실시예에서, 각각의 가스 통로(48)는 순방향 유동의 와도(vorticity)를 향상시키기 위해 만곡될 수도 있다. 실시예에서, 순방향 유동 입구(42)는 금속 또는 유전 재료와 같은 임의의 적합한 재료로 형성되어, 입구가 도파로(20)로부터 전기적으로 절연되고 플라즈마(46)로부터의 열 에너지를 견디게 한다.
실시예에서, 플라즈마 안정기(38)는 마이크로파 에너지에 투명한 재료로 형성되고, 바람직하게는 내부벽(40)과 동일한 재료로 형성된다. 실시예에서, 플라즈마 안정기(38)는 도파로(20)에 부착되어, 플라즈마 공동 내로 돌출하고, 여기서 플라즈마 안정기(38)의 축방향은 y-축에 평행하다. 실시예에서, 전술된 바와 같이, 내부벽(40)은 중공 원형 실린더의 형상을 가질 수도 있고, 플라즈마 안정기(38)는 내부벽(40)에 동심으로 설치될 수도 있다. 실시예에서, 플라즈마 안정기(38) 내부의 순방향 유동은 내부 와류 유동(43)을 형성하고 도파로(20)의 다른 단부를 향해, 더 구체적으로 가스 출구(32)를 향해 진행한다. 도 7은 본 개시내용의 실시예에 따른 내부 와류 유동(43)의 사시도를 도시하고 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 순방향 유동(또는 동등하게, 내부 와류 유동)은, 내부 와류 유동이 가스 출구(32)를 빠져나갈 때까지 나선형 운동으로 내부벽(40)의 길이를 따라 이동한다.
실시예에서, 플라즈마(46)의 점화시, 플라즈마(46)는 마이크로파 발생기(14)에 의해 전달된 마이크로파 에너지에 의해 유지된다. 실시예에서, 플라즈마(46)는 내부 와류 유동(43)의 가스 입자가 플라즈마(46)를 통과하도록 내부 와류 유동(43) 내에 위치된다. 실시예에서, 플라즈마 안정기(38)는 내부 와류 유동(43)의 외경을 결정하여, 가스 출구(32)를 통해 플라즈마 공동을 빠져나가기 전에 순방향 유동이 플라즈마(46)를 바이패스하는 것을 방지한다. 실시예에서, 플라즈마 안정기(38)는 내부 와류 유동(43)을 외부 와류 유동(45)으로부터 분리함으로써 플라즈마(46)를 안정하게 유지하는 것을 돕는다.
도 5는 본 개시내용의 실시예에 따른 역방향 유동 입구(어댑터)(44)의 사시도를 도시하고 있다. 도 6은 본 개시내용의 실시예에 따른, 라인 6-6을 따라 취한 역방향 유동 입구(어댑터)(44)의 단면도를 도시하고 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 역방향 유동 입구(어댑터)(44)는 가스 라인(28)에 결합하기 위한 구멍/어댑터(52), 가스 출구(32)를 형성하기 위한 구멍, 및 그 벽에 형성된 하나 이상의 가스 통로(51)를 갖는다. 실시예에서, 각각의 가스 통로(51)는 역방향 유동이 가스 통로(51)를 통해 플라즈마 공동에 진입함에 따라 역방향 유동에 나선형 운동을 부여하도록 배열된다. 실시예에서, 각각의 가스 통로(51)는 역방향 유동의 와도를 향상시키기 위해 만곡될 수도 있다. 실시예에서, 역방향 유동 입구(어댑터)(44)는 바람직하게는 인코넬(Inconel) 또는 하스텔로이(Hastelloy)와 같은 Ni 합금으로 형성되지만 이들에 한정되는 것은 아니다.
실시예에서, 역방향 유동 입구(어댑터)(44)를 빠져나가는 역방향 유동은 내부벽(40)을 향해 이동하고, 이어서 나선형 운동으로 내부벽(40)을 따라 도파로(20)의 다른 단부를 향해 상향(y-축 방향)으로 진행한다. 그 후에, 역방향 유동은 유동 방향을 역전하여 하향으로 진행하고 외부 와류 유동(45)을 형성한다. 실시예에서, 외부 와류 유동(45)의 회전축은 y-축에 실질적으로 평행하다. 도 8은 본 개시내용의 실시예에 따른 외부 와류 유동(45)의 사시도를 도시하고 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 외부 와류 유동(45)은 중공 실린더 형상을 갖고, 2개의 유동 영역: 즉, 내부 하향 유동 영역(45-1) 및 외부 상향 유동 영역(45-2)을 갖는다. 실시예에서, 내부 와류 유동(43)은 외부 와류 유동(45)의 중간 중공부 내에 배치되고 내부 하향 유동 영역(45-1)에 의해 둘러싸인다. 순방향 유동 입구(42)로부터의 가스는 역방향 유동 입구(어댑터)(44)로부터의 유동과 혼합되어 내부 와류 유동(43)을 형성한다는 것이 주목된다.
실시예에서, 외부 와류 유동(45)은 내부 와류 유동(43)을 둘러싸고, 이에 의해 플라즈마(46)로부터 내부벽(40)을 차폐한다. 실시예에서, 역방향 유동 입구(어댑터)(44)를 빠져나가는 역방향 유동은 주위 온도를 가질 수도 있고, 외부 와류 유동(45)이 나선형 운동으로 내부벽(40)을 따라 상향으로 이동함에 따라 내부벽(40)으로부터 열 에너지를 취할 수도 있다.
실시예에서, 전술된 바와 같이, 플라즈마 안정기(38)의 내경은 내부 와류 유동(43)의 반경방향 치수를 결정한다. 이와 같이, 실시예에서, 플라즈마 안정기(38)의 내경은 외부 와류 유동(45)이 내부 와류 유동(43)을 둘러싸고 내부 와류 유동(43)의 유동 체제를 안정한 방식으로 유지하여 이에 의해 플라즈마를 안정화하고 개선된 처리량 및 효율을 산출하도록 조정될 수도 있다.
실시예에서, 플라즈마(46)는 입구 가스를 원하는 생성물 가스로 개질하는 데 사용되고, 입구 가스는 순방향 유동 입구(42) 및 역방향 유동 입구(어댑터)(44)에 의해 플라즈마 공동 내로 도입된다. 실시예에서, 순방향 유동 입구(42)를 빠져나가는 내부 와류 유동의 가스 조성은 CO2, CH4 및 O2를 포함하고, 가스 출구(32)를 빠져나가는 가스는 CO 및 H2 뿐만 아니라 순방향 유동 가스의 미반응 부분을 포함한다. 실시예에서, 순방향 유동에 대한 바람직한 분포는 플라즈마 챔버(22) 내로의 총 유동의 5 질량% 내지 95 질량%이다. 실시예에서, 역방향 유동은 순방향 유동과 동일한 가스 조성을 가질 수도 있다. 대안 실시예에서, 순방향 유동은 역방향 유동과 상이한 가스 조성을 가질 수도 있다. 또한, 순방향 유동(및/또는 역방향 유동)의 가스 조성은 동작 중에 변경될 수도 있다. 예를 들어, 순방향 유동은 플라즈마(46)의 점화를 돕기 위해 아르곤의 슬러그를 포함할 수도 있다. 실시예에서, 순방향 및 역방향 유동의 가스 조성 및 유량은 플라즈마 챔버(22) 내의 플라즈마 안정성 및 화학 반응의 효율을 향상시키기 위해 조정될 수도 있다.
플라즈마 챔버(22)는 상이한 구성요소 및 구성요소의 배열을 가질 수도 있다는 것이 주목된다. 예를 들어, 플라즈마 챔버(22)는 순방향 유동 입구(42)를 포함하지 않을 수도 있는데, 즉, 도파로(20)는 순방향 유동 입구를 수용하기 위한 어떠한 구멍도 갖지 않는다. 다른 예에서, 플라즈마 안정기(38)는 역방향 유동 입구(어댑터)(44) 상에 장착될 수도 있다. 플라즈마 챔버(22)의 다양한 실시예의 설명은 본 명세서에 그대로 참조로서 합체되어 있는, 2020년 1월 26일자로 출원된 발명의 명칭이 "가스를 처리하기 위한 플라즈마 반응기(Plasma reactor for processing gas)"인 계류 중인 미국 특허 출원 제16/752,689호에서 발견될 수 있다.
전술된 바와 같이, 순방향 및 역방향 유동의 가스 조성 및 유량은 플라즈마 챔버(22) 내의 플라즈마 안정성 및 화학 반응의 효율에 영향을 미칠 수도 있다. 실시예에서, 플라즈마(46)는 시스템(10)의 적절한 동작의 지표일 수 있는 광의 넓은 스펙트럼을 방출하고, 따라서 예로서, 다른 것들 중에서도 가스 해리와 같은, 플라즈마 상태/안정성 및 플라즈마 기반 프로세스를 모니터링하는 데 사용될 수 있다. 또한, 실시예에서, 입력 가스 조성, 동작 압력 및 전력 입력(가스에 의해 흡수된 에너지를 나타냄)에 따라, 플라즈마(46)에 의해 방출된 광은 전자기 스펙트럼 내에 뿐만 아니라 광 출력의 강도 및 안정성(플라즈마 플룸의 점멸 또는 움직임)에 고유한 특성 "시그니처"를 갖는다. 예를 들어, 입력 가스가 CO2, CH4 및 O2를 포함할 때, 적절하게 동작하는 플라즈마(46)는 200 nm 내지 500 nm의 범위에서 매우 강한 방출을 가질 수도 있다. 또한, 내부벽(40) 상에 탄소 퇴적이 존재하는 경우, 635 nm 내지 700 nm의 범위의 방출이 스펙트럼 내에 존재한다. 다른 예에서, 저전력 입력에서, 200 nm 내지 500 nm의 범위의 방출 강도는 덜 밝아지게 된다. 또 다른 예에서, 플라즈마 챔버(22) 내의 반응기 가스 압력이 낮거나 일정하지 않을 때, 플라즈마(46)는 중심 위치로부터 점멸하거나 변동할 수도 있고(바람에 의해 동요되는 촛불 화염과 같이) 반면 안정한 플라즈마 플룸은 매우 좁은 빔이고 내부 와류(43)의 중심에 위치된다.
도 9는 본 개시내용의 실시예에 따른, 라인 9-9를 따라 취한 도 2의 플라즈마 챔버(22)의 단면도를 도시하고 있다. 도 9에서, 삽입도(59)는 검출 유닛(61) 부근의 광학 장치의 확대도를 도시하고 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 광학 측정 시스템은 하부 캡을 갖고 도파로(20)의 측벽으로부터 돌출하는 중공 실린더(13); 하부 캡에 형성된 구멍/개구(66); 및 구멍(66)을 통과한 광을 검출하기 위한 검출 유닛(61)을 포함한다. 실시예에서, 구멍의 치수는 그를 통한 전자기 방사선 누설에 대한 안전 요구 사항을 충족하기에 충분히 작지만 검출 유닛(61)이 시스템(10)의 플라즈마 안정성 및 동작 조건을 모니터링하기 위해 충분한 광을 수용하게 하기에 충분히 크다. 예를 들어, 구멍은 0.1 내지 4 mm의 직경을 갖는 원형 구멍이다.
실시예에서, 플라즈마(46)로부터의 광 방출은 내부벽(40)을 통해 이동하여 검출 유닛(61)에 도달한다. 이와 같이, 내부벽(40)은 UV 및 IR 광에 대해 투명한 재료로 형성된다. 대안 실시예에서, 구멍(66)은 UV 및 IR 광에 대해 투명한 재료로 형성된 윈도우로 대체된다.
실시예에서, 플라즈마(46)로부터의 광 방출 및 플라즈마 챔버의 다양한 구성요소로부터 반사된 광은 중공 실린더(13)를 통해 이동하고 구멍(66)을 통해 실린더를 빠져나간다. 실시예에서, 검출 유닛(61)은 시동(점화) 단계 뿐만 아니라 동작(개질) 단계 중에 방출을 연속적으로 모니터링한다. 실시예에서, 검출 유닛(61)은 UVA, UVB 및 UVC와 같은 자외선(UV) 범위, 뿐만 아니라 근적외선 및 중적외선(IR) 범위의 방출을 검출한다. 예를 들어, UV 범위는 10 nm 내지 400 nm를 나타내고, 근 및 중 IR 범위는 750 nm 내지 950 nm를 나타낸다. 실시예에서, 동작 단계 중에 측정된 2개 이상의 UV 방출(UVA, UVB 및 UVC)의 평균 강도는 입력 가스(즉, 어댑터(44) 및 순방향 유동 입구(42)에 의해 도입된 가스)의 품질 및 결과적인 플라즈마 안정성을 나타낸다. 실시예에서, 동작 단계 중에 측정된 하나 이상의 UV 방출(UVA, UVB 및 UVC)의 최대 및 최소 강도는 또한 입력 가스의 품질 및 결과적인 플라즈마 안정성을 나타낸다.
실시예에서, 플라즈마(46)로부터의 광 방출은 내부벽(40)을 통해 이동하고, 따라서 플라즈마(46)의 형성 전의 시동 단계 중에 근 및/또는 중 IR 방출(들)의 강도는 내부벽(40) 상의 퇴적(즉, 탄소)의 징후를 나타낸다. 이와 같이, 실시예에서, 동작 단계 중에 다양한 진폭의 UV 및 IR 방출의 조합은 입력 가스 문제 및/또는 플라즈마 챔버(22)의 구성요소에 대한 손상의 특성이다.
실시예에서, 검출 유닛(61)은: 광을 전기 신호로 변환하는 센서(64); 센서(64) 전방에 배치되고 하나 이상의 대역통과 필터를 갖는 스위칭 가능한 대역통과 필터(65); 센서에 의해 발생된 전기 신호를 조절하고 조절된 신호를 제어기(69)에 송신하기 위한 전기 회로(62); 전기 회로(62)와 제어기(69) 사이에 전기 신호를 통신하기 위한 전기 와이어(70); 및 선택적으로, 센서(64) 상에 광을 집광하기 위한 렌즈(68)(또는 임의의 다른 적합한 광학 요소)를 포함한다. 실시예에서, 전기 회로(62)는 바람직하게는 회로 기판 상에 형성된다(이에 한정되는 것은 아님). 실시예에서, 제어기(69)는, 검출 유닛(61)을 제어하고 검출 유닛(61)으로부터의 전기 신호를 처리하는 컴퓨팅 디바이스이다.
센서(64)는 광대역 검출기이고 스위칭 가능한 대역통과 필터(65)의 하나 이상의 대역통과 필터의 각각은 미리 결정된 파장 범위의 광을 통과시킨다는 것이 주목된다. 예를 들어, 스위칭 가능한 대역통과 필터(65)는 UVA, UVB, UVC 및 근/중 IR 광을 각각 통과하는 4개의 대역통과 필터를 포함한다.
대안 실시예에서, 센서(64)는 미리 결정된 파장 범위의 광을 각각 검출하는 다수의 검출기를 포함하고, 검출 유닛(61)은 어떠한 필터도 포함하지 않는다. 예를 들어, 센서(64)는 UVA 광의 강도를 측정하기 위한 제1 검출기; UVB 광의 강도를 측정하기 위한 제2 검출기; UVC 광의 강도를 측정하기 위한 제3 검출기; 및 IR 광의 강도를 측정하기 위한 제4 검출기를 포함한다.
센서(64) 및 전기 회로(62)는 상이한 방식으로 배열될 수도 있다는 것이 주목된다. 예를 들어, 센서(64)는 전기 회로(62)로부터 물리적으로 분리되고 전기 와이어 또는 무선 채널을 통해 전기 회로(62)에 전기 신호를 전달한다. 다른 예에서, 전기 회로(62)는 무선 채널을 통해 제어기(69)에 전기 신호를 전달한다.
실시예에서, 제어기(69)는 UV 광의 강도를 평균화하는 것 및/또는 각각의 파장 범위에 대한 광의 최대 및 최소 강도를 결정하여 이에 의해 플라즈마 상태/안정성 및 시스템(10)의 동작 조건을 결정하는 것과 같이, 검출 유닛(61)으로부터의 신호를 처리하는 것을 수행한다.
도 10은 본 개시내용의 실시예에 따른 검출 유닛(71)의 단면도를 도시하고 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 검출 유닛(71)은 광을 전기 신호로 각각 변환하는 센서(74a, 74b); 센서(74a, 74b) 상에 각각 장착되고 미리 결정된 파장 범위의 광을 선택적으로 통과시키도록 구성된 광학 필터(75a, 75b); 전기 신호를 처리하기 위한 전기 회로(72); 및 선택적으로 광학 필터(75a, 75b) 상에 광을 집광하기 위한 렌즈(78)를 포함한다. 실시예에서, 전기 회로(72)는 무선 통신 채널(80)을 통해 제어기(82)에 전기 신호를 전달한다. 대안 실시예에서, 검출 유닛(71)은 전기 와이어(70)와 유사한 전기 와이어를 포함할 수도 있다.
실시예에서, 센서(74a, 74b)는 광대역 검출기이고, 각각의 필터(75a, 75b)는 미리 결정된 파장 범위의 광을 통과시키는 대역통과 필터이다. 예를 들어, 필터(75a)는 UV 광을 통과시키고, 반면 필터(75b)는 IR 광을 통과하는 대역통과 필터이다. 검출 유닛(71)은 각각의 센서가 특정 파장 범위의 광을 검출하도록 임의의 다른 적합한 수의 센서/필터를 포함한다는 것이 주목된다. 예를 들어, 검출 유닛(71)은 UVA, UVB 및 UVC 방출을 각각 검출하기 위한 적어도 3개의 광대역 검출기 및 대역통과 필터를 포함할 수도 있다.
실시예에서, 플라즈마(46)가 턴오프됨에 따라, UV 방출은 소멸되고, 검출 유닛(61)(또는 71)에 의해 검출된 IR 방출의 강도가 감소된다. 이와 같이, UV의 존재는 플라즈마(46)의 존재를 나타내고 검출 유닛(61)(또는 71)에 의해 검출된 UV 방출의 시간 분해 특성은 플라즈마 상태/안정성을 기술한다. 실시예에서, 검출 유닛(61)(또는 71)에 의해 검출된 IR 방출의 진폭은 내부벽(40)과 같은 플라즈마 챔버(22)의 구성요소 상의 프로세스 가스 조성 관련 사양 및 바람직하지 않은 퇴적을 검출하는 데 사용된다. 예를 들어, 검출된 IR 방출 강도는 이에 한정되는 것은 아니지만, 탄소 퇴적과 같은 비정상적인 조건을 결정하는 데 사용된다. 실시예에서, 검출 유닛(61)(또는 71)은, 시스템(10)의 플라즈마 상황/상태 및 동작 조건이 연속적으로 모니터링되도록 각각의 미리 결정된 간격으로 전기 신호를 발생하고 송신한다.
실시예에서, 검출 유닛(61)(또는 71)은 플라즈마 챔버(22) 내로의 침입을 회피하기 위해 구멍(66) 외부에 배치되는데, 이는 검출 유닛의 설치 및 유지 보수의 작업부하 뿐만 아니라 플라즈마 챔버(22)를 통한 전자기 방사선 누설의 가능성을 상당히 감소시킨다. 실시예에서, UV 및 IR 방출의 측정은 돌출 실린더(13)를 사용하지 않고 수행될 수도 있다. 도 11은 본 개시내용의 실시예에 따른 플라즈마 챔버의 단면도를 도시하고 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 광학 측정 시스템은 도파로(120)의 벽에 설치된 적어도 하나의 광섬유(170); 및 광섬유(170)에 결합된 검출 유닛(161)을 포함한다. 실시예에서, 광섬유(170)의 일 단부는 플라즈마(146)에 의해 방출된 광 뿐만 아니라 플라즈마 챔버의 다양한 구성요소로부터 반사된 광을 수용하도록 구성되고, 집광된 광은 광섬유를 통해 검출 유닛(161)으로 이동한다. 실시예에서, 광섬유(170)는 그를 통해 UV 및 IR 광을 전달할 수 있는 재료로 형성된다.
검출 유닛(161)은 검출 유닛(61)(또는 71)과 유사하고 유선 또는 무선 채널을 통해 제어기(169)에 통신 가능하게 결합된다. 대안 실시예에서, 검출 유닛(161) 및 제어기(169)는 하나의 일체형 본체에 형성된다.
하나 이상의 광섬유가 플라즈마 챔버 내의 다른 적합한 장소에 설치될 수도 있다는 것이 통상의 기술자들에게 명백할 것이다. 도 12는 본 개시내용의 실시예에 따른 어댑터(244)의 사시도를 도시하고 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 어댑터(244)는 광섬유(270)를 포함하고, 여기서 광섬유(270)의 일 단부는 플라즈마 챔버 내부에 UV 및 IR 광을 수용하도록 구성되고 광섬유(270)의 다른 단부는 검출 유닛(161)과 유사한 검출 유닛에 결합된다. 광섬유(270)가 어댑터(244) 내에 설치되어 있기 때문에, 플라즈마(146)에 의해 방출된 광은 광이 광섬유에 도달하기 전에 내부벽(140)을 통과하지 않는데, 즉 내부벽(140)은 광섬유의 시야선 외부에 있고, 이와 같이 내부벽(140)이 UV 광에 대해 투명한 재료로 형성될 필요는 없다.
도 13은 본 개시내용의 실시예에 따른 순방향 유동 입구(342)의 사시도를 도시하고 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 순방향 유동 입구(342)는 광섬유(370)를 포함하고, 여기서 광섬유(370)의 일 단부는 플라즈마 챔버 내부에 UV 및 IR 광을 수용하도록 구성되고 광섬유(370)의 다른 단부는 검출 유닛(161)과 유사한 검출 유닛에 결합된다. 광섬유(370)가 순방향 유동 입구(342) 내에 설치되어 있기 때문에, 플라즈마(146)에 의해 방출된 광은 광이 광섬유에 도달하기 전에 내부벽(140)을 통과하지 않는데, 즉 내부벽(140)은 광섬유의 시야선 외부에 있고, 이와 같이 내부벽(140)이 UV 광에 대해 투명한 재료로 형성될 필요는 없다.
상기 예 및 실시예는 예시적이며 본 개시내용의 범주를 한정하지 않는다는 것이 통상의 기술자에게 이해될 수 있을 것이다. 명세서의 독해 및 도면의 연구시에 통상의 기술자에게 명백한 모든 치환, 향상, 등가물, 조합 및 개선은 본 개시내용의 진정한 사상 및 범주 내에 포함되는 것으로 의도된다. 임의의 청구항의 요소는 다수의 종속성, 구성 및 조합을 갖는 것을 포함하여 상이하게 배열될 수도 있다는 것이 또한 주목될 수 있을 것이다.

Claims (11)

  1. 플라즈마 발생 시스템이며,
    마이크로파 에너지의 사용에 의해 그 내에 플라즈마를 발생하기 위한 플라즈마 공동;
    자외선(UV) 범위 및 적외선(IR) 범위에서 플라즈마에 의해 방출된 광의 강도를 측정하기 위한 검출 유닛; 및
    검출 유닛을 제어하기 위한 제어기를 포함하는, 플라즈마 발생 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    플라즈마 공동에 결합된 도파로; 및
    도파로의 벽으로부터 돌출하고 구멍을 포함하는 하부 캡을 갖는 중공 실린더를 더 포함하고,
    검출 유닛은 구멍을 통해 광을 수용하도록 배열되는, 플라즈마 발생 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 구멍은 그를 통한 마이크로파 에너지의 누설을 방지하도록 치수 설정되는, 플라즈마 발생 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 검출 유닛은:
    광을 전기 신호로 변환하기 위한 센서; 및
    전기 회로를 갖는 기판으로서, 기판 상에 센서가 장착되는, 기판을 포함하고,
    전기 회로는 전기 신호를 조절하고 전기 신호를 제어기에 송신하는, 플라즈마 발생 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    센서의 전방에 배치되고 파장 범위의 광을 각각 통과시키는 하나 이상의 대역통과 필터를 갖는 스위칭 가능한 대역통과 필터를 더 포함하는, 플라즈마 발생 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    검출 유닛 상에 광을 집광하기 위한 렌즈를 더 포함하는, 플라즈마 발생 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 검출 유닛은:
    UV 범위의 광의 강도를 측정하기 위한 제1 센서; 및
    IR 범위의 광의 강도를 측정하기 위한 제2 센서를 포함하는, 플라즈마 발생 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    제1 센서의 전방에 배치되고 UV 범위의 광을 통과시키도록 구성된 제1 대역통과 필터; 및
    제2 센서의 전방에 배치되고 IR 범위의 광을 통과시키도록 구성된 제2 대역통과 필터를 더 포함하는, 플라즈마 발생 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    플라즈마 공동에 결합된 도파로; 및
    도파로 내에 설치되고 광을 수용하기 위한 일 단부 및 검출 유닛에 결합된 다른 단부를 갖는 광섬유를 더 포함하는, 플라즈마 발생 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    그를 통해 마이크로파 에너지를 전달하기 위한 도파로;
    플라즈마 공동을 형성하기 위해 도파로 내에 배치된 내부벽;
    도파로 상에 장착되고 플라즈마 공동 내로 가스를 도입하고 가스를 사용하여 플라즈마 공동 내에서 와류 유동을 발생하도록 구성된 어댑터로서, 어댑터는 플라즈마에 의해 처리된 가스가 그를 통해 플라즈마 공동을 빠져나가는 관통 구멍을 갖는, 어댑터; 및
    어댑터 내에 설치되고 광을 수용하기 위한 일 단부 및 검출 유닛에 결합된 다른 단부를 갖는 광섬유를 더 포함하는, 플라즈마 발생 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    그를 통해 마이크로파 에너지를 전달하기 위한 도파로;
    도파로 상에 장착되고 플라즈마 공동 내로 가스를 도입하고 가스를 사용하여 플라즈마 공동 내에서 와류 유동을 발생하도록 구성된 순방향 유동 입구; 및
    순방향 유동 입구 내에 설치되고 광을 수용하기 위한 일 단부 및 검출 유닛에 결합된 다른 단부를 갖는 광섬유를 더 포함하는, 플라즈마 발생 시스템.
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