KR20220165832A

KR20220165832A - 마이크로파 플라즈마 소스

Info

Publication number: KR20220165832A
Application number: KR1020227042348A
Authority: KR
Inventors: 히토시 쿠니나카
Original assignee: 코쿠리츠켄큐카이하츠호진 우츄우고우쿠우켄큐우카이하츠키코우
Priority date: 2017-11-24
Filing date: 2018-11-22
Publication date: 2022-12-15
Also published as: CN111149438B; WO2019103083A1; JP6570144B2; TW201927080A; CN111149438A; KR102641222B1; JP2019096504A; TWI769344B; KR20200044098A; US11259397B2; US20200288560A1

Abstract

마이크로파 플라즈마 소스에서, 관형 자석부는, 제1 개방단부와 제2 개방단부를 갖는다. 제1 개방단부는 제1 극성을 가지며, 제2 개방단부는 제2 극성을 가진다. 관형 몸체는, 관형 자석부에 둘러싸인다. 제1 자기회로부는 제1 개방단부를 폐쇄한다. 제2 자기회로부는 제1 자기회로부에 대향 배치된다. 제2 자기회로부는 제1 개구부를 갖는다. 안테나는, 제1 자기회로부를 관통하여 공간에 도입되어 공간에 마이크로파 전력을 공급한다. 노즐부는, 제1 개구부 보다 개구 면적이 작게 제1 개구부에 연통하는 제2 개구부를 가진다. 관형 몸체의 내경을 a(mm), 상기 공간에 공급되는 상기 마이크로파 전력의 마이크로파 차단 파장을 λ(mm)로 했을 때, 마이크로파 플라즈마 소스는 λ> 3.41×(a/2)의 관계식을 만족하도록 구성된다.

Description

마이크로파 플라즈마 소스{MICROWAVE PLASMA SOURCE}

본 발명은, 전자 사이클로트론 공명을 이용한 마이크로파 플라즈마 소스에 관한 것이다.

본원은, 2017년 11월 24일에, 일본에 출원된 특허 2017-225696호에 근거하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

플라즈마 소스 중 하나로서, 열 음극(hot cathode)에서 방출되는 열전자를 가속시켜 플라즈마 생성을 하는 것이 있다. 열 음극의 대표적인 예로서, 필라멘트 음극(filament cathode), 중공 음극(hollow cathode)이 있다. 열 음극은, 통전 또는 히터에 의한 줄 가열(Joule heating)에 의해 가열되고 1000K(켈빈)정도의 고온 상태를 유지하고 열전자를 방출한다.

그러나, 열 음극에서는, 동작 개시 전에 긴 예열과, 면밀한 작동 온도 관리가 필요하다. 예를 들면, 전극의 온도가 너무 낮으면 전극으로부터 전자가 방출하지 않고, 지나치게 높으면 전극 재료의 증발이 진행해 전극 수명이 짧아진다. 또한, 필라멘트가 직접 이온 빔에 노출되기 때문에, 마모되기 쉽다. 또한, 일 함수가 낮은 전극 재료로부터 증발한 중금속은, 주변 부품에 부착하는 경우가 있어, 오염의 요인이 되기도 한다. 또한, 일 함수가 낮은 전극 재료는, 대기 분위기에 노출되어 열화하기 때문에, 열 음극이 공전 상태(idle)일 때에도 진공 저장 및 가스 퍼지 등의 유지 관리가 필요하게 된다.

이에 대해, 방전 전력으로서 마이크로파를 이용하여 전자 사이클로트론 공명(Electron Cyclotron Resonance)을 이용하는 플라즈마 소스가 있다. 이러한 플라즈마 소스는, 무 전극이며, 도파관 등으로 캐비티 내에 강한 전계를 발생시켜 고밀도의 플라즈마를 발생시킨다(예를 들면, 비특허 문헌 1 참조).

오노 데라 노리 요시(Noriyoshi Onodera), 외 4명 "마이크로파 방전형 중화기의 전자 방출 기구" 일본 항공 우주 학회 논문집, 제49권 제564호(2001년 1월), p27-31

그러나, 공동공진기, 캐비티가 마이크로파의 파장 이상의 크기가 되면, 플라즈마 소스가 대형이 될뿐만 아니라 플라즈마 소스에서 마이크로파가 누출될 수 있다. 플라즈마 소스에서 마이크로파가 누출되는 경우, 플라즈마 소스는 노이즈 소스가 되어, 주변기기에 대한 노이즈 대책이 필요해 진다.

상술한 상황을 고려하여, 본 발명의 목적은 고밀도 플라즈마를 형성하고 마이크로파의 누출을 억제하는 마이크로파 플라즈마 소스를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로파 플라즈마 소스는, 관형 자석부, 관형 몸체, 제1 자기회로부, 제2 자기회로부, 안테나, 노즐부, 가스 포트부 및 절연 부재를 구비한다.

*관형 자석부는, 제1 개방단부와 제1 개방단부의 반대측에 위치하는 제2 개방단부를 갖는다. 제1 개방단부는 제1 극성을 가지며, 제2 개방단부는 제1 극성과는 반대의 제2 극성을 가진다.

관형 몸체는, 관형 자석부에 둘러싸인다.

제1 자기회로부는, 제1 개방단부와 접촉하고, 제1 개방단부를 폐쇄한다.

제2 자기회로부는, 제2 개방단부와 접촉하고, 상기 제1 자기회로부에 대향 배치된다. 제2 자기회로부는, 관형몸체에 의해 둘러싸인 공간을 개방하는 제1 개구부를 갖는다.

안테나는, 제1 자기회로부를 관통하여 공간에 도입되어 공간에 마이크로파 전력을 공급할 수 있다.

노즐부는, 제1 자기회로부의 반대측에서 제2 자기회로부에 접촉한다. 노즐부는, 제1 개구부보다 개구 면적이 작고 제1 개구부에 연통하는 제2 개구부를 갖는다.

가스 포트부는, 관형 자석부 및 관형 몸체를 관통하고, 공간에 방전 가스를 공급할 수 있다.

절연 부재는, 안테나와 제1 자기회로부 사이에 설치된다.

관형 몸체의 내경을 a(mm), 상기 공간에 공급되는 상기 마이크로파 전력의 마이크로파 차단 파장을 λ(mm)로 했을 때, 마이크로파 플라즈마 소스는 λ> 3.41×(a/2)의 관계식을 만족하도록 구성된다.

이러한 마이크로파 플라즈마 소스에 의하면, 마이크로파와 자기장의 상호 작용에 의해 공간에서 전자 사이클로트론 공명이 일어난다. 따라서, 플라즈마 전자에 선택적이고 직접적으로 에너지가 공급되고, 높은 에너지를 가진 전자와 방전 가스가 충돌하여 공간에서 고밀도 플라즈마가 발생한다. 또한, λ> 3.41×(a/2)의 관계식을 만족하도록 구성되어 있기 때문에, 공간에서는 마이크로파가 공진하지 않으며, 공간에서 마이크로파의 진행이 억제된다. 그 결과, 마이크로파 플라즈마 소스에서 마이크로파 누출이 어려워진다.

마이크로파 플라즈마 소스에 있어서, 제1 자기회로부는 공간에서 제1 자기회로부로부터 노즐부를 향하여 돌출된 관형의 돌출부를 가질 수 있다.

돌출부는 안테나의 일부를 둘러쌀 수 있다.

돌출부는, 제2 자기회로부의 제1 자기회로부 측의 주면과 제1 개구부의 내벽이 교차하는 모서리부로 갈수록 테이퍼진 선단부를 포함할 수 있다.

선단부와 모서리부 사이에 형성되는 자기장의 미러비는 3 이상일 수 있다.

전술한 마이크로파 플라즈마 소스에 따르면, 돌출부와 모서리부 사이에 미러 자기장이 형성되고, 자기장에 갇힌 전자는 전자 사이클로트론 공명에 의해 연속적으로 가열된다. 따라서, 마이크로파의 전기장이 약한 경우에도, 방전 가스를 이온화 할 수 있을 정도의 고 에너지 전자를 생성할 수 있다.

마이크로파 플라즈마 소스에 있어서, 선단부와 모서리부 중 적어도 하나는 예각을 갖도록 구성될 수 있다.

전술한 마이크로파 플라즈마 소스에 따르면, 돌출부와 모서리부 사이에 미러비가 높은 미러자기장이 형성되고, 자기장에 갇힌 전자는 전자 사이클로트론 공명에 의해 연속적으로 가열된다. 따라서, 마이크로파의 전기장이 약한 경우에도, 방전 가스를 이온화 할 수 있을 정도의 고 에너지를 생성할 수 있다.

마이크로파 플라즈마 소스에 있어서, 돌출부의 외경보다 제1 개구부의 내경이 더 클 수 있다.

전술한 마이크로파 플라즈마 소스에 따르면, 자기장에서 자력선은 돌출부로부터 코너부를 향하여 덜 조밀해진다. 노즐부 측의 자속밀도는 돌출부 측의 자속 밀도보다 작아진다. 따라서 공간에서는 노즐부의 개구부 부근에 낮은 자기장 영역이 형성되고, 개구부 부근에서는 플라즈마가 자기장에 의해 포획되지 않으며, 개구부 부근에서의 플라즈마의 이동도가 높아지고, 플라즈마가 개구부에서 효율적으로 분사된다.

마이크로파 플라즈마 소스에 있어서, 공간에 형성되는 방전 가스에 의한 플라즈마에서 절연 부재에 노출되는 플라즈마의 밀도가 제1 개구부에 형성되는 플라즈마의 밀도보다 높을 수 있다.

전술한 마이크로파 플라즈마 소스에 따르면, 방전 동안 절연 부재 상에 오염물 또는 코팅과 같은 이물질이 증착될 때에도, 이물질은 플라즈마의 스퍼터링 효과에 의해 즉시 제거된다.

*마이크로파 플라즈마 소스에 있어서, 안테나는 제1 자기회로부에서 노즐부를 향하는 제1 안테나부와, 제1 안테나부와 교차하고 제1 안테나부에 연결된 제2 안테나부를 가질 수 있다.

전술한 마이크로파 플라즈마 소스에 따르면, 안테나는 구부러지도록 구성되어, 마이크로파가 플라즈마 내에 효율적으로 흡수된다.

마이크로파 플라즈마 소스에 있어서, 제2 안테나부는 복수의 부재를 포함하며, 복수의 부재 각각은 제1 안테나부와 교차할 수 있다.

전술한 마이크로파 플라즈마 소스에 따르면, 복수의 부재로부터 공급되는 마이크로파와 자기장의 상호 작용에 의해 공간에 전자 사이클로트론 공명이 일어나고 공간에 더 고밀도의 플라즈마가 발생한다. 따라서, 마이크로파 플라즈마 소스로부터 더 큰 전자 전류 또는 이온 전류를 추출할 수 있다.

마이크로파 플라즈마 소스에 있어서, 안테나는 제1 자기회로부에서 노즐부를 향하여 연장된 제1 안테나부와 원반형 또는 원뿔형으로 형성된 제2 안테나부를 가질 수 있다. 제1 안테나부는 제2 안테나부의 중심부에 연결된다.

전술한 마이크로파 플라즈마 소스에 따르면, 원반형 또는 원뿔형의 제2 안테나부에서 골고루 공급되는 마이크로파와 자기장의 상호 작용에 의해 공간에서 전자 사이클로트론 공명이 일어나고 공간에서 더 높은 밀도의 플라즈마가 발생한다. 따라서, 마이크로파 플라즈마 소스로부터 더 큰 전자 전류 또는 이온 전류를 추출할 수 있다.

마이크로파 플라즈마 소스에 있어서, 가스 포트부에서, 방전 가스의 공급구는 공급구와 안테나 선단부 사이의 거리가 가장 짧아지도록 배치될 수 있다.

전술한 마이크로파 플라즈마 소스에 따르면, 공급구로부터 공간으로 도입된 방전 가스는 안테나에서 나오는 마이크로파에 의해 효율적으로 이온화하여 고밀도의 플라즈마가 공간에 형성된다.

마이크로파 플라즈마 소스에 있어서, 공간에 형성된 플라즈마 내의 하전 입자를 정전계에 의해 인출하는 전극 기구를 더 포함할 수 있다.

전술한 마이크로파 플라즈마 소스에 의하면, 플라즈마 내의 하전 입자 중 전자 또는 이온을 우선적으로 마이크로파 플라즈마 소스에서 인출할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 고밀도의 플라즈마를 형성하고, 마이크로파의 누출을 억제하는 마이크로파 플라즈마 소스가 제공된다.

도 1(a)는 본 실시예에 따른 소형 마이크로파 플라즈마 소스의 모식적 단면도이다. 도 1(b)는 그 모식적 평면도이다.
도 2는 소형 마이크로파 플라즈마 소스의 동작을 설명하는 모식적 단면도이다.
도 3은 본 실시예에 따른 소형 마이크로파 플라즈마 소스의 제1 변형 예의 모식적 평면도이다.
도 4(a)는 본 실시예에 따른 소형 마이크로파 플라즈마 소스의 제2 변형 예의 모식적 단면도이다. 도 4(b)는 그 모식적 평면도이다.
도 5는 본 실시예에 따른 소형 마이크로파 플라즈마 소스의 제3 변형 예의 모식적 단면도이다.

이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시 예를 설명한다. 각 도면에는, X Y Z축 좌표가 도입될 수 있다.

도 1(a)는 본 실시예에 따른 소형 마이크로파 플라즈마 소스의 모식적 단면도이다. 도 1(b)는 그 모식적 평면도이다. 도 1(a)에는, 도 1(b)의 A1-A2선의 위치에서의 단면이 도시되어 있다.

도 1(a),(b)에 나타낸 소형 마이크로파 플라즈마 소스(1)는 전자 사이클로트론 공명을 이용한 ECR 플라즈마 소스이다. 소형 마이크로파 플라즈마 소스(1)는 관형 자석부(40), 관형 몸체(50), 제1 자기회로부(10), 제2 자기회로부(20), 안테나(30), 노즐부(60), 가스 포트부(70) 및 절연부재(80)를 구비한다.

관형 자석부(40)는, 원통형의 자성체이며, 그 내부가 중공으로 되어 있다. 관형 자석부(40)는 개방단부(40a)(제1 개방단부)와 개방단부(40a)의 반대 측에 위치하는 개방단부(40b)(제2 개방단부)를 갖는다. 관형 자석부(40)는 예를 들면, 개방단부(40a)가 S 극성(제1 극성)을 가지며, 개방단부(40b)가 S 극성과 반대되는 N 극성(제2 극성)을 가진다.

관형 자석부(40)는 예를 들면, 사마륨 코발트(samarium cobalt)로 구성된 복수의 블록 형태의 자석(40M)이 X-Y축 평면에서 환형으로 배열되어 있다. 관형 자석부(40)의 극성은 상기의 예에 한정되지 않고, 개방단부(40a)가 N 극성을 나타내고, 개방단부(40b)가 S 극성을 나타낼 수 있다.

관형 자석부(40)의 외형은, 예를 들어, 원형이다. 관형 자석부(40)의 외경은, 예를 들어, 50mm 이하로 구성되어, 소형 마이크로파 플라즈마 소스(1)의 소형화가 실현된다. 관형 자석부(40)의 외형은, 원형에 한정하지 않고, 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형 …, 등과 같은 다각형 일 수 있다.

관형 몸체(50)는, 관형 자석부(40)에 의해 둘러싸여 있다. 관형 몸체(50)의 내부는, 중공이다. 관형 몸체(50)는 개방단부(50a)와 개방단부(50a)의 반대 측에 위치하는 개방단부(50b)를 갖는다. 개방단부(50a)는 개방단부(40a)와 동일 평면에 있도록 구성된다. 개방단부(50b)는 개방단부(40b)와 동일 평면에 있도록 구성된다. X-Y평면에서, 관형 몸체(50)와 관형 자석부(40)는 동심원상에 배치되어 있다. 관형 몸체(50)와 관형 자석부(40)는 동심원상에 배치되어 있을 필요는 없고, 각각의 중심축끼리가 서로 어긋날 수 있다.

관형 몸체(50)의 외형은, 관형 자석부(40)의 외형에 따라 적절하게 변경된다. 도 1(b)의 예에서는, 관형 몸체(50)의 외형은 원형이다. 관형 몸체(50)는 예를 들어, 몰리브덴(Mo)을 포함한다.

자기회로부(10)(제1 자기회로부)는 관형 자석부(40)의 개방단부(40a) 및 관형 몸체(50)의 개방단부(50a)에 접촉한다. 자기회로부(10)는, 개방단부(40a,50a)를 폐쇄한다. 여기서, "폐쇄"는 자기회로부(10)가 개방단부(40a, 50a)를 사이에 틈 없이 단단히 밀봉하는 경우뿐만 아니라, 사이에 미세한 틈이 있는 경우 또는 자기회로부(10)에 다른 부재를 관통시키는 소경공(small-diameter hole)이 설치된 상태에서 닫는 경우도 포함한다. 자기회로부(10)는, 판 형상을 갖는다. 자기회로부(10)는 강자성체이며, 예를 들어, 연철로 이루어진다. 자기회로부(10)의 외형은, 관형 자석부(40)의 외형에 따라 적절하게 변경된다. 도 1(b)의 예로서, 자기회로부(10)의 외형은 원형이다.

자기회로부(10)는 공간(51)에 형성된 돌출부(110)를 가진다. 돌출부(110)는, 자기회로부(10)로부터 노즐부(60)를 향해 돌출되어 있다. 돌출부(110)는, 관형이며, 안테나(30)의 일부를 둘러싼다. 돌출부(110)의 선단부(111)는 자기회로부(20)(제2 자기회로부)의 모서리부(220)를 향하여 두께가 얇아진다. 선단부(111)의 각도는, 예를 들어 예각으로 구성되어 있다. 선단부(111)와 모서리부(220) 사이에 형성되는 자기장의 미러비(mirror ratio)는, 3 이상이다. 또한, ECR 가열된 전자를 거울에 가둬두기 위해 선단부(111)와 모서리부(220)의 자기장 강도는 ECR 자기장 강도 보다 높아야한다. 마이크로파 주파수(f)와 ECR 자기장(B)은 2πf=eB/m 의 관계가 있다. 여기서, e는 전기소량(elementary charge), m 은 전자 질량을 나타낸다. 마이크로파 주파수가 2.45GHz인 경우, ECR 자기장은 875 가우스(Gauss)에 도달한다.

자기회로부(20)는, 관형 자석부(40)의 개방단부(40b) 및 관형 몸체(50)의 개방단부(50b)에 접촉한다. 자기회로부(20)는 관형 자석부(40)를 통해 자기회로부(10)에 대향하여 배치된다. 자기회로부(20)는 판 형상을 갖는다. 자기회로부(20)는 강자성체이며, 예를 들어 연철로 이루어진다. 자기회로부(20)의 외형은, 관형 자석부(40)의 외형에 따라 적절하게 변경된다. 도 1(b)의 예로서, 자기회로부(20)의 외형은 원형이다.

자기회로부(20)는, 관형 몸체(50)에 의해 둘러싸인 공간(51)을 개구하는 개구부(210)(제1 개구부)를 갖는다. 개구부(210)는 자기회로부(10,20)에 대해, 동심원상에 배치되어 있다. 개구부(210)는 자기회로부(10,20)에 대해 동심원상에 배치되어 있을 필요는 없고, 각각의 중심축끼리가 서로 어긋날 수 있다. 개구부(210)의 내경은 돌출부(110)의 외경보다 크다.

자기회로부(20)에 개구부(210)가 마련됨으로써, 자기회로부(20)에서는, 자기회로부(20)의 자기회로부(10) 측의 주면(20a) 및 개구부(210)의 내벽(210w)이 교차하는 모서리부(220)가 형성된다. 모서리부(220)의 각도는, 도 1(a)의 예에서는, 약 90°이다. 모서리부(220)의 각도는 예각일 수 있다. 예를 들어, 모서리부(220)의 각도가 예각의 경우, 개구부(210)의 단면 형상은 그 내경이 자기회로부(10)에서 멀어질수록 개구부의 내경이 점차 커지는 테이퍼 형상이 된다. 자기회로부(20)의 주면(20a)과 반대 측에 위치하는 주면을 주면(20b)이라 한다.

안테나(30)는, 소형 마이크로파 플라즈마 소스(1)의 외부로부터 소형 마이크로파 플라즈마 소스(1)의 내부로 도입된다. 예를 들어, 안테나(30)는, 자기회로부(10)를 관통하여, 공간(51)에 도입된다. 안테나(30)는, 소위 마이크로파 발신기이다. 안테나(30)는, 예를 들면 몰리브덴을 포함한다.

예를들어, 소형 마이크로파 플라즈마 소스(1)의 외부에는, 마이크로파 발신기(미도시)가 설치되고, 안테나(30)에 마이크로파 발신기가 연결되어 있다. 이에 의해, 안테나(30)를 통해 공간(51)에 마이크로파 전력이 공급된다. 마이크로파의 파장은, 예를 들어, 122mm(2.45GHz)이다. 단, 마이크로파의 파장은, 이 파장으로 한정되지 않는다.

안테나(30)는 막대 형상을 가지며, 그 중간이 구부러져 있다. 예를 들어, 안테나(30)는 제1 안테나부(301), 제1 안테나부(301)에 연결된 제2 안테나부(302)를 갖는다.

제1 안테나부(301)는 예를 들어, 자기회로부(10)에 직교하여, 자기회로부(10)로부터 노즐부(60)로 향하는 방향으로 연장된다. 제1 안테나부(301)는 예를 들어, 자기회로부(10)의 중심 축에 위치한다.

제2 안테나부(302)는, 제1 안테나부(301)와 교차한다. 도 1(a)의 예로서, 제1 안테나부(301)와 제2 안테나부(302)는 직교하여 안테나(30)가 L자형으로 되어 있다. 제2 안테나부(302)는, 또한, 선단부(111)와 모서리부(220) 사이에 위치하고 있다. 즉, 제2 안테나부(302)는 자기장(B1)에 삽입되어 있다. 이와 같이, 안테나(30)가 구부러지도록 구성되어, 마이크로파가 플라즈마 내로 효율적으로 흡수된다. 제1 안테나부(301) 및 제2 안테나부(302)에 의해 형성된 각도는 직각에 한정되지 않으며 둔각 또는 예각일 수도 있다.

노즐부(60)는, 자기회로부(10)의 반대 측에서 자기회로부(20)와 접촉한다. 예를 들어, 노즐부(60)는 자기회로부(20)의 주면(20b)과 접촉한다. 노즐부(60)는 개구부(610)(제2 개구부)를 가진다. 개구부(610)는 개구부(210)와 연통한다. 개구부(610)의 개구 면적은, 개구부(210)의 개구 면적보다 작다.

개구부(610)는 개구부(210)에 동심원상에 배치되어 있다. 개구부(610)는 개구부(210)에 대해 동심원상에 배치되어 있을 필요는 없고, 각각의 중심축끼리 서로 어긋날 수 있다. 개구부(610)의 내경은 예를 들면, 5mm 이다. 공간(51)이 개구부(610)를 통해 장치의 외부와 연통함으로써, 개구부(610)로부터 공간(510)에 형성된 플라즈마를 추출할 수 있다.노즐부(60)는, 예를 들어, 몰리브덴을 포함한다.

가스 포트부(70)는, 관형 자석부(40)와 관형 몸체(50)를 관통한다. 가스 포트부(70)는, 예를 들어, 자기회로부(10)와 관형 자석부(40) 및 관형 몸체(50) 사이에 배치된다. 가스 포트부(70)는 공간(510)에, 크세논, 아르곤, 헬륨, 질소 등의 방전 가스를 공급할 수 있다.

가스 포트부(70)에서, 방전가스가 공급되는 공급구(71)는 공급구(71)와 안테나(30)의 선단(30p)과의 거리가 가장 짧아지도록 배치된다. 예를 들어, 가스 포트부(70) 및 안테나(30)를 Z 축 방향에서 본 경우, 공급구(71)와 선단(30p)은 서로 마주한다.

절연 부재(80)는 안테나(30)와 자기회로부(10) 사이에 설치된다. 절연 부재(80)는 플루오르화 탄소 수지, 석영 등을 포함한다. 이에 의해, 안테나(30)와 자기회로부(10)는 서로 절연되어 유지된다.

소형 마이크로파 플라즈마 소스(1)에서, 관형 몸체(50)의 내경(폭)을 a(mm)라하고, 공간(51)에 공급되는 마이크로파 전력의 마이크로파 차단 파장을 λ(mm)라고 할 때, 소형 마이크로파 플라즈마 소스(1)는, λ> 3.41×(a/2)의 관계식을 만족하도록 구성된다. 관형 몸체(50)가 다각형인 경우, 내경 a는 관형 몸체(50)의 중심 축을 통과하는 내경의 최대 내경으로 한다.

도 2는, 소형 마이크로파 플라즈마 소스의 작동을 설명하는 모식적 단면도이다.

소형 마이크로파 플라즈마 소스(1)에서, 관형 자석부(40)에 연결된 자기회로부(10)와 관형 자석부(40)에 연결된 자기회로부(20)는 각각 요크재(yoke material)로서 기능한다. 또한, 자기 회로부(10)는 돌출부(110)를 가지며, 자기 회로부(20)는 모서리부(220)를 가진다. 이에 따라, 양측의 돌기 사이(돌출부(110)와 모서리부(220) 사이)에, 미러비가 높은 자기장(B1)(미러자기장)이 형성된다. 또한, 돌출부(110)는 관형이며, 자기회로부(20)의 개구부(210)는 원형이므로, 자기장(B1)은 환형으로 형성된다.

이러한 상황에서, 공간(51)에 공급부(71)로부터 방전 가스가 공급되고, 안테나(30)로부터 공간(51)에 마이크로파가 공급되면 방전 가스가 방전 마이크로파 및 자기장(B1)과의 상호작용에 의해, 공간(51)에 전자 사이클로트론 공명이 일어난다. 따라서, 플라즈마 내의 전자에 선택적으로 직접 에너지가 공급되어, 높은 에너지를 가진 전자와 방전 가스가 충돌하여 공간(51)에 고밀도 플라즈마가 발생한다.

여기서, 소형 마이크로파 플라즈마 소스(1)는 λ > 3.41×(a/2)의 관계식을 만족하도록 구성된다. 이에 의해, 공간(51)에서는 마이크로파가 공진하기 어려워져, 공간(51)에서의 마이크로파의 진행이 억제된다. 그 결과, 소형 마이크로파 플라즈마 소스(1)로부터 마이크로파 누출이 어려워 진다. 또한, 공진 방지는, 마이크로파 전기장의 증가를 방지하고, 마이크로파 전기장에 비례하는 용기 벽면에서의 마이크로파 손실을 억제할 수 있다.

또한, 소형 마이크로파 플라즈마 소스(1)에서는, 돌출부(110)와 모서리부(220) 사이에 미러자기장(자기장B1)을 형성하고, 자기장(B1)에 가둔 전자가 연속적으로 전자 사이클로트론 공명에 의해 가열된다. 이에 의해, 마이크로파의 전기장이 약해도, 방전 가스를 이온화할 수 있을 정도의 고에너지 전자를 생성할 수 있다.

또한, 소형 마이크로파 플라즈마 소스(1)에서는 개구부(210)의 내경이 돌출부(110)의 외경보다 크게 구성된다. 이에 의해, 자기장 B1에서는, 자력선이 돌출부(110)로부터 모서리부(220)로 갈수록 덜 조밀해진다. 그 결과, 노즐부(60) 측의 자속밀도는, 돌출부(110) 측의 자속밀도보다 작아진다.

이에 의해, 공간(51)에서는, 노즐부(60)의 개구부(610) 부근에 낮은 자기장 영역이 형성되고, 개구부(610) 부근에서는 플라즈마가 자기장에 의해 쉽게 포획되지 않는다. 따라서, 개구부(610) 부근에서의 플라즈마의 이동성이 증가하고, 플라즈마 내의 전자 또는 이온이 개구부(610)로부터 효율적으로 분사된다.

예를 들어, 공간(51)에 공급구(71)로부터 유량 0.3sccm 정도의 크세논 가스를 도입하고, 8W의 마이크로파를 안테나(30)에 투입했을 때, 개구부(610)로부터 200mA 정도의 전자 전류와, 5mA 정도의 이온 전류를 얻을 수 있다.

또한, 공간(51)에 남아있는 플라즈마의 이온은, 자기장(B1)을 통과하여 관형 몸체(50)의 내벽 또는 자기회로부(10,20)의 주면에 도달한다. 관형 몸체(50) 또는 자기회로부(10,20)에 충돌한 이온은 전하를 잃고 중성 가스로 되돌아가 방전 가스로서 재사용된다. 따라서, 소형 마이크로파 플라즈마 소스(1)에서, 매우 작은 가스 유량으로 플라즈마를 유지할 수 있게 된다.

한편, 돌출부(110) 측에서는, 자력선이 모서리부(220)로부터 돌출부(110)로 갈수록 더 조밀해진다. 이에 의해, 절연 부재(80) 부근에는, 높은 자기장 영역이 형성되고, 공간(51)에 형성되는 플라즈마에서는 절연 부재(80)에 노출되는 플라즈마의 밀도가 개구부(210)에 형성되는 플라즈마의 밀도보다 높아진다.

따라서, 방전 시, 오염 물질 또는 코팅과 같은 이물질이 절연 부재(80) 상에 증착될 때에도, 이물질은 플라즈마의 스퍼터링 효과에 의해 즉시 제거된다. 이물질이 금속을 포함하고, 절연 부재(80)에 이물질이 증착된 경우, 안테나(30)와 자기회로부(10)는 서로 전기적으로 연결되어 안테나(30)로부터 공간(51)에 마이크로파를 충분히 공급할 수 없게 된다.

이에 비해, 소형 마이크로파 플라즈마 소스(1)에서는, 공간(51)에 플라즈마를 형성하기만 하면, 절연 부재(80)에 이물질이 셀프 클리닝에 의해 제거된다. 즉, 소형 마이크로파 플라즈마 소스(1)는 유지 보수 없이 장기간 작동될 수 있다.

또한, 소형 마이크로파 플라즈마 소스(1)에서는, 공급구(71)와 안테나(30)의 선단(30p)이 가장 가까워지도록 구성되어 있기 때문에, 제2 안테나부(302) 부근에 방전 가스가 공급된다. 이로 인해, 공급구(71)로부터 공간(51)에 도입된 방전 가스는 안테나(30)로부터 방출된 마이크로파에 의해 효율적으로 이온화한다. 그 결과, 고밀도의 플라즈마가 공간(51)에 형성된다.

또한, 자기회로부(10)와 노즐부(60) 사이의 거리를 L(mm)로 했을 때, 소형 마이크로파 플라즈마 소스(1)는 λ>3.41×(L/2)의 관계식을 만족하도록 구성된다. 따라서, 마이크로파는 노즐부(60)의 개구부(610)로부터 보다 확실히 누출하기 어려워진다.

전술한 소형 마이크로파 플라즈마 소스(1)에 따르면, 소형 마이크로파 플라즈마 소스(1)로부터 마이크로파가 누출하기 어려워, 소형 마이크로파 플라즈마 소스(1)에 의해 고밀도의 플라즈마가 생성되고, 전자 또는 이온을 소형 마이크로파 플라즈마 소스(1) 외부로 분사할 수 있다. 이러한 소형 마이크로파 플라즈마 소스(1)는, 예를 들면, 진공 환경(1×10^-5Pa 이상 1×10^-2Pa 이하)에서 사용되며, 진공 환경이 요구되는 제조 장치, 기기의 대전을 완화하는 제전(neutralization)으로 이용할 수 있다.

(변형예 1)

도 3은, 본 실시예에 따른 소형 마이크로파 플라즈마 소스의 제1 변형예의 모식적 평면도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 소형 마이크로파 플라즈마 소스(2)에서는, 제2 안테나부(302)가 복수의 부재(302a)로 구성된다. 복수의 부재(302a)의 각각은, 제1 안테나부(301)와 교차한다. 또한, 소형 마이크로파 플라즈마 소스(2)를 Z 축 방향으로 위에서 보는 경우, 복수의 부재(302a) 각각과 가스 포트부(70)는 대향하고 있다.

이러한 구성이면, 복수의 부재(302a)로부터 공급되는 마이크로파와 자기장(B1)과의 상호 작용에 의해, 공간(51)에 전자 사이클로트론 공명이 일어나, 공간(51)에 더 고밀도의 플라즈마가 발생한다. 따라서, 소형 마이크로파 플라즈마 소스(2)에서, 보다 큰 전자 전류 또는 이온 전류를 추출할 수 있다.

(변형예 2)

도 4(a)는, 본 실시예에 따른 소형 마이크로파 플라즈마 소스의 제2 변형예의 모식적 단면도이다. 도 4(b)는, 그 모식적 평면도이다.

도 4(a),(b)에 도시된 바와 같이, 소형 마이크로파 플라즈마 소스(3)에서는, 제2 안테나부(302)가 원반 형상(disc shape)으로 구성된다. 제2 안테나부(302)는, 원뿔형으로 구성될 수 있다. 제1 안테나부(301)는 제2 안테나부(302)의 중심부에 연결된다. 또한, 소형 마이크로파 플라즈마 소스(3)를 Z 축 방향으로 위에서 보는 경우, 가스 포트부(70)가 복수의 장소에 설치되어 있다.

이러한 구성이면, 원반 형상 또는 원뿔 형상의 제2 안테나부(302)에서 골고루 공급되는 마이크로파와 자기장(B1)과의 상호 작용에 의해 공간(51)에 전자 사이클로트론 공명이 일어나, 공간(51)에 더 고밀도의 플라즈마가 발생한다. 따라서, 소형 마이크로파 플라즈마 소스(3)에서 더 큰 전자 전류 또는 이온 전류를 추출할 수 있다.

(변형예 3)

도 5는, 본 실시예에 따른 소형 마이크로파 플라즈마 소스의 제3 변형예의 모식적 단면도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 소형 마이크로파 플라즈마 소스(4)는 공간(51)에 형성되는 플라즈마의 하전입자를 정전계에 의해 인출하는 전극 기구(90)를 더 구비한다. 전극 기구(90)는, 전원 공급 장치(91)와 다공성 전극(그리드 전극)(92)을 갖는다. 전극(92)은, 공간(51)과 반대 측의 개구부(610)에 대향한다.

예를 들어, 소형 마이크로파 플라즈마 소스(4)로부터 전극 기구(90)를 제외한 부분을 소형 마이크로파 플라즈마 소스(4)의 본체로 하는 경우, 전원 공급 장치(91)에 의해 전극(92)에 본체 보다 높은 바이어스 전위(양전위)를 인가하는 경우는, 공간(51)으로부터 전자를 우선적으로 인출할 수 있다. 한편, 전원 공급 장치(91)를 사용하여 본체보다 낮은 바이어스 전위(음전위)를 전극(92)에 인가하는 경우, 공간(51)으로부터 이온을 우선적으로 인출할 수 있다.

또한, 이러한 하전 입자는 전극(92)과 본체 사이에 형성되는 정전계에 의해 가속되기 때문에 진행 방향이 갖추어진 하전 입자의 빔 흐름이 형성된다. 따라서, 제전(neutralization)의 대상을 결정하고, 대상을 제전하는 것이 가능하다.

이상, 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 전술한 실시예에만 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 변형 가능할 수 있는 것은 물론이다. 각 실시 형태는 반드시 독립적인 측면으로 유지될 필요는 없으며, 기술적으로 가능한 함께 결합될 수 있다.

본 발명에 따르면, 고밀도 플라즈마를 형성하고 마이크로파의 누출을 억제하는 마이크로파 플라즈마 소스가 제공된다.

1,2,3,4: 소형 마이크로파 플라즈마 소스
10: 자기회로부
20: 자기회로부
20a,20b: 주면
30: 안테나
30P: 선단
40: 관형 자석부
40a,40b,50a,50b: 개방단부
40M: 자석
50: 관형 몸체
51: 공간
60: 노즐부
70: 가스 포트부
71: 공급구
80: 절연 부재
90: 전극 기구
91: 전원 공급 장치
92: 전극
110: 돌출부
111: 선단부
210,610: 개구부
210w: 내벽
220: 모서리부
301: 제1 안테나부
302: 제2 안테나부
302a: 부재

Claims

제1 개방단부와 상기 제1 개방단부의 반대측에 위치하는 제2 개방단부를 갖고, 상기 제1 개방단부가 제1 극성을 가지며, 상기 제2 개방단부가 상기 제1 극성 과는 반대의 제2 극성을 가지는 관형 자석부;
상기 관형 자석부에 둘러싸인 관형 몸체;
상기 제1 개방단부에 접촉하고, 상기 제1 개방단부를 폐쇄하는 제1 자기회로부;
상기 제2 개방단부에 접촉하고, 상기 제1 자기회로부에 대향 배치되며, 상기 관형 몸체에 의해 둘러싸인 공간을 개방하는 제1 개구부를 갖는 제2 자기회로부;
상기 제1 자기회로부를 관통하여 상기 공간에 도입되어, 상기 공간에 마이크로파 전력을 공급할 수 있는 안테나;
상기 제1 자기회로부의 반대측에서 상기 제2 자기회로부에 접촉하고, 상기 제1 개구부보다 개구 면적이 작게 상기 제1 개구부에 연통하는 제2 개구부를 갖는 노즐부;
상기 관형 자석부 및 관형 몸체를 관통하고, 상기 공간에 방전 가스를 공급할 수 있는 가스 포트부;
상기 안테나와 상기 제1 자기회로부 사이에 형성된 절연 부재를 구비하고,
상기 관형 몸체의 내경을 a(mm), 상기 공간에 공급되는 상기 마이크로파 전력의 마이크로파 차단 파장을 λ(mm)로 했을 때, λ> 3.41×(a/2)의 관계식을 만족하도록 구성된 마이크로파 플라즈마 소스.