KR20230158559A - 고효율 플라즈마 생성 시스템 및 방법 - Google Patents

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KR20230158559A
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보아즈 와인펠드
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엔.티. 타오 리미티드
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Abstract

플라즈마의 가열에 기여하는 하나 이상의 확대 단계를 통해 챔버 중심 축을 향해 전하 이동을 확대하고, 플라즈마를 챔버 축에 센터링하며, 플라즈마의 회전을 생성시키는 것이 특징인 챔버 단면 다단계 플라즈마 배치이다. 이의 축 주위에서 플라즈마가 회전하면 자체-생성된 자기장이 유도되고, 이는 결국 플라즈마 안정성과 한정을 증가시킨다. 다단계 배치의 상기 단계 중 일부는 물리적 요소 및 구성요소에 의해 생성될 수 있는 반면, 다른 단계는 외부에서 자기장 및/또는 전기장 또는 이들의 조합을 적용 및/또는 전자, 이온 또는 다른 플라즈마를 주입하여 유도되거나 생성될 수 있다.

Description

고효율 플라즈마 생성 시스템 및 방법
본 발명은 다양한 유형의 생성물 및 이러한 현상으로부터 유래될 수 있는 효과를 획득하기 위한 비교적 작은 선형 안정 플라즈마 한정 시스템(plasma confinement system) 및 방법에 관한 것이다.
플라즈마는 대략 동일한 수의 양이온과 전자를 포함하는 높게 이온화된 가스이다. 플라즈마는 전기 전도성이므로, 전기장이나 자기장에 의해 조작될 수 있다. 이러한 작동 가능한 온도에서 안정적인 플라즈마를 얻는 것은 해당 기술 분야에서 많이 논의되는 과제이다. 이러한 목적에 대한 현재 시스템과 방법은 복잡하고 매우 대규모의 물리적 시설이 필요하며 이러한 현상의 널리 알려진 이점과 장점을 얻기 위해 일반적으로 상품화되어 적용 가능한 수단을 제공하지 않는다.
플라즈마는 전기 전도체이므로, 이를 통과하여 전류를 유도함으로써 플라즈마를 가열하는 것이 가능하고; 폴로이드 필드(poloidal field)의 대부분을 제공하는 유도 전류도 초기 가열의 주요 공급원(source)이다. 유도 전류에 의해 야기되는 가열을 옴(또는 저항) 가열이라고 한다. 생성된 열은 플라즈마의 저항과 이를 통과하는 전류의 양에 따라 달라진다. 그러나 가열된 플라즈마의 온도가 상승함에 따라 저항이 감소하고 옴 가열의 효율성이 떨어진다.
수많은 플라즈마 공급원이 제안되고 개발되었다. 플라즈마 공급원의 다양성은 플라즈마 여기 방법, 전극의 기하학적 구조 및 플라즈마 부피에 따라 다르며, 이는 결국 플라즈마의 주요 매개변수를 결정합니다.
일부 이러한 방법 및 시스템은 에너지 공급원과 결합될 때 자석 또는 자기장을 생성하는데 적합한 임의의 다른 수단에 의해 안내 및/또는 한정되는 이온화된 가스를 생성하는 이온 공급원으로서 다양한 가스 성분 및 이들의 혼합물로 구성되고, 의도된 반응에 필요한 에너지에 대한 이온을 공급하는 것은 전기장 또는 자기장의 다양한 조합, 전극 배치 등을 통해 선행 기술에서 얻을 수 있다. 따라서 X-선, 극자외선, 중성자 등과 같은 방출이 생성된다.
다음은 관련 기술 분야에서 인정되는 일부 용어 및 현상이다:
핀치(Pinch) - 플라즈마에서의 전류는 플라즈마를 자체적으로 가두기에 충분할 정도로 강한 필드를 생성하는 동시에 플라즈마를 가두기 위한 외부 자석의 필요성을 줄이거나 완전히 제거할 수 있다. 플라즈마에서 "핀치"를 수행할 수 있는 가능성은 환상형 모양의 사용을 원통형 모양으로 대체하는 것을 가능하게 한다. 큰 환상 대신, 선형 튜브에 전류를 유도하면, 플라즈마가 필라멘트로 붕괴될 수 있다. 이는 플라즈마에서의 전류가 정상적인 저항 가열을 통해 플라즈마를 가열한다는 이점을 가지지만, 이러한 구성은 종래 기술에서 얻을 수 있는 플라즈마 온도가 상당히 제한되는 것으로 간주된다. 그러나, 플라즈마가 붕괴됨에 따라, 단열 공정은 온도가 급격하게 상승하게 한다. 핀치를 생성하는 또 다른 방법은 자기장을 생성하는 코일 내부의 매우 높은 전류 펄스에서 자기장을 증가시키는 것이다. 이러한 핀치는 플라즈마에 대한 압력을 증가시켜 플라즈마 밀도를 증가시킨다.
자기 압축 - 가스는 갑작스러운 압축으로 인해 가열될 수 있다. 마찬가지로, 제한 자기장을 증가시켜 플라즈마를 빠르게 압축하면 플라즈마의 온도가 증가한다. 플라즈마 압축은 이온을 더 가깝게 만들기 때문에, 공정은 필요한 밀도 달성을 촉진하는 추가적인 이점을 제공한다. 자기 압축은 ATC(Adiabetic Toroidal Compressor)에서 제한된 범위에서 구현된 것으로 알려져 있지만, 그 개념은 그 이후로 널리 사용되지는 않았다.
플라즈마 안정성 - 플라즈마는 이의 평형 상태에 영향을 미칠 수 있는 교란력(perturbative force)의 영향을 받을 수 있다. 안정적인 플라즈마에서 이러한 교란이 감쇠되거나 상쇄되어 플라즈마 파라미터 안정성, 설정된 기간 동안의 안정성이 나타난다.
FRC(고에너지가 운동 효과를 발생시키는 경우)에서 플라즈마 안정성을 높이기 위해 "안정화된 핀치"가 개념화되었다: 이러한 개념은 챔버 외측에 추가 자석을 추가하여, 핀치 방전 전에 플라즈마에 존재하는 필드를 생성한다. 대부분의 개념에서, 외부 자기장은 상대적으로 약했고, 플라즈마는 반자성이므로 외부 자기장은 플라즈마의 외부 영역만 관통하였다. 핀치 방전이 발생하고 플라즈마가 빠르게 수축하면, 이러한 필드는 최종 필라멘트에 "동결"되어, 이의 외부 층에 강한 필드를 생성한다. 이는 "플라즈마에 백본(backbone)을 제공하는 것"이라고도 한다.
환상형 구성에서, 안정화가 약간 달라졌다: 레이아웃은 안정화된 핀치 구성과 동일하지만, 두 필드의 역할은 반대될 것이다. 안정화를 제공하는 약한 외부 필드와 제한을 담당하는 강한 핀치 전류 대신, 새로운 레이아웃에서 대부분의 가두기를 제공하기 위해 외부 자석이 훨씬 더 강력해지는 반면, 전류는 훨씬 작고 안정화 효과에 원인이 된다.
FRC - 필드 반전된 구성(Field Reversed Configuration) - 이동 전류가 자체 주변에 자기장을 생성한다. 해당 자기장은 전류를 자체적으로 포함할 수 있다. 필드 반전된 구성은 하전된 플라즈마의 루프이다. 이것들은 스스로 자기장을 만들고 이들 자신을 포함한다. 루프 내측에서, 플라즈마 밀도는 더 높다. FRC는 플라즈마로 만들어진 구조물이다. FRC는 선형 기계뿐만 아니라 환상형 기계에서도 얻을 수 있다.
선형 기계에서 FRC를 얻기 위한 다양한 접근법이 알려져 있다. 이러한 접근법 중 하나는 선형 기계의 뭉쳐진 단부 사이에서 앞뒤로 튀어 오르게 하여 기계 중간에 FRC를 형성하는 선형 기계의 해당 단부에서 자기장 이온 미러링을 사용하는 것이다. 선형 챔버 단부에 있는 두 개의 자기 거울은 서로 마주하고 회전 자기장은 튜브 챔버 외측에 적용된다. 이러한 배치는 플라즈마에서의 전자를 끌어당겨 차례로 플라즈마의 중간에서 FRC를 형성하는 자기장을 자가-생성하는 전류를 만든다.
또 다른 접근법은 원통형 챔버 중간에 두 개의 중성 가스 빔을 약간의 각도로 발사하여 결국 플라즈마를 회전시켜 FRC를 생성하는 것이다. 이들 빔은 또한 충돌에 의해 플라즈마를 가열하고 이온화되어 밀도를 더욱 증가시킨다.
안정적이고 효율적이며 얻을 수 있는 플라즈마를 생성하기 위한 기술 분야에서 알려진 현재 해결책에는 많은 문제와 한계가 있다. 예를 들어, 때때로 에너지가 엄청난 폭발로 누출될 수 있다는 것이 기술 분야에 알려져 있다. 또한, 이러한 상황에서 플라즈마 토러스(plasma torus)와 연결된 전자기 권선(winding)을 통해 전류를 지속적으로 증가시켜 전류를 유도한다: 플라즈마는 변압기의 2차 권선으로 볼 수 있다. 이는 1차를 통과하는 전류에 제한이 있기 때문에 본질적으로 펄스 공정으로 인식된다(긴 펄스에는 다른 제한도 있음). 따라서 당업계에 알려진 현재 시스템은 짧은 기간 동안 작동하거나 다른 가열 및 전류 구동 수단에 의존해야 한다. 이러한 시스템의 단점은 갑작스러운 열 손실이나 충격으로 인해 구성 요소가 파손될 수 있다는 것이다. 이러한 우발적인 손실은 복잡하고 비용이 많이 들며 때로는 위험한 시스템에서는 용납될 수 없다.
해당 분야의 또 다른 단점은 플라즈마를 생성하는데 필요한 실제 시스템의 물리적 크기이다. 환상형 설계 시스템과 현재 설계되어 있는 일부 선형 기계는 규모의 플라즈마 제품을 얻는데 어려움을 겪고 있다.
안정성은 효과적인 플라즈마 생성 및 획득 공정을 위한 전제 조건이다. 선형 기계뿐만 아니라 환상형 기계의 현재 설계는 원하는 안정성을 얻는데 어려움을 겪고 있다. 선형 축대칭 시스템은 이의 대칭으로 인해 상대적으로 더 높은 플라즈마 안정성을 나타낼 수 있다는 것이 해당 분야에 잘 알려져 있으나, 그럼에도 불구하고 현재 설계된 선형 시스템은 간접적인 방법(예를 들어, 이온 빔, RF 안테나, 레이저)을 통해 가열을 얻어 플라즈마 가열의 효율에 부정적인 영향을 미친다. 이러한 간접 방법은 높은 수준의 입력 에너지를 필요로 하므로, 시스템의 전체 효율성에 부정적인 영향을 미친다.
상대적으로 작은 축방향 원통형 관성 전기 제한 장치가 해당 기술 분야에 알려져 있지만, 이러한 장치는 플라즈마 획득에 유리한 것으로 간주되지 않으며, X-선 공급원과 같은 다른 기술 작업에는 적합하다고 간주된다('A Portable Neutron/tunable X-ray source based on inertial electrostatic confinement', Nucl. Instrum. Meth. Physics Res. A 422, 16-20, 1999).
상기 단점을 극복 및 완화하고 추가적인 장점을 제공하도록 구성된 시스템 및 방법을 제공할 필요가 있다.
본 발명은 실질적으로 안정한 플라즈마 및 이온 가열 메커니즘에 기여하도록 배치된 국부 자체-생성 자기장을 생성하기 위한 시스템 및 방법을 제공한다. 이러한 배치의 다양한 조합은 고효율 플라즈마 공정(예를 들어, 중성자 공급원, 극자외선, 에칭 공정 등)을 용이하게 하기 위해 제공된다.
본 발명은 실질적으로 다음과 같은 양태들을 도입한다: 플라즈마 한정; 플라즈마에서의 이온 및/또는 전자 가열; 플라즈마의 밀도 증가; 플라즈마의 높거나 매우 높은 안정성; 상대적으로 오랜 시간(밀리초 단위) 동안 플라즈마에 대해 높은 안정적; 및 대부분 축-대칭 챔버 디자인. 비교적 장기간 안정한 플라즈마는 본 발명에서 초 안정한 한정 플라즈마(SSCP)로 지칭된다. 본 발명의 이들 양태들의 부분적으로 또는 전체적으로 다양한 조합의 구현은 경제적이고 고도로 확장 가능한 효율적인 플라즈마 및/또는 이온 가열 공정을 촉진한다.
본 발명은 플라즈마 가열, 챔버 축 상에서 플라즈마의 센터링(centering), 및 플라즈마의 생성 회전에 기여하는 하나 이상의 확대 단계(escalation stage)를 통해 챔버 중심 축을 향해 전하 이동을 확대하는 것을 특징으로 하는 챔버 단면 다단계 플라즈마 배치를 제공하는 시스템 및 방법을 제안한다. 이의 축 주위에서 플라즈마가 회전하면 자체-생성된 자기장이 유도되고, 이는 결국 플라즈마 안정성과 한정을 증가시킨다(잘 알려진 환상형 핀치 효과와 유사하지 않음). 다단계 배치의 상기 단계 중 일부는 물리적 요소 및 구성요소에 의해 생성될 수 있는 반면, 다른 단계는 외부에서 자기장 및/또는 전기장 또는 이들의 조합을 인가 및/또는 전자, 이온 또는 다른 플라즈마를 주입하여 유도되거나 생성될 수 있다.
하기의 실시형태들 및 이의 양태들은 범위를 제한하지 않고, 예시적이고 설명하기 위한 시스템, 장치 및 방법과 함께 설명되고 예시된다. 다양한 실시형태들에서, 전술한 문제 중 하나 이상이 감소되거나 제거되지만, 다른 실시형태들은 다른 이점 또는 개선에 관한 것이다.
본 발명의 일부 실시형태들은 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에서 설명된다. 도면들과 함께 설명은 일부 실시형태들이 실시될 수 있는 방법이 당업자에게 명백하게 한다. 도면들은 예시적인 설명을 위한 것이며, 본 발명의 기본적인 이해를 위해 필요한 것보다 더 자세하게 실시형태의 세부사항을 나타내려는 시도는 이루어지지 않는다.
도면에서:
도 1은 본 발명의 일부 실시형태들에 따른 고효율 플라즈마 시스템의 개략도를 구성한다.
도 2a-2b는 본 발명의 일부 실시형태들에 따른 고효율 플라즈마 시스템 챔버의 개략도를 구성한다.
도 3a-3b는 본 발명의 일부 실시형태들에 따른 고효율 플라즈마 시스템 챔버 반응 영역에서 이온화 단계의 개략도를 구성한다.
도 4a는 본 발명의 일부 실시형태들에 따른 고효율 플라즈마 시스템 챔버 반응 영역에서 이온 가속의 입자-인-셀(Particle-In-Cell) 시뮬레이션 결과의 축 단면을 도시한다.
도 4b는 본 발명의 일부 실시형태들에 따른 고효율 플라즈마 시스템 챔버 반응 영역에서 전자 가속의 입자-인-셀 시뮬레이션 결과의 축 단면을 도시한다.
도 4c는 본 발명의 일부 실시형태들에 따른 고효율 플라즈마 시스템 챔버 반응 영역에서 이온 반경 방향 속도의 입자-인-셀 시뮬레이션 결과의 단면을 도시한다.
도 4d는 본 발명의 일부 실시형태들에 따른 고효율 플라즈마 시스템 챔버 반응 영역에서 이온 파이 방향 속도의 입자-인-셀 시뮬레이션 결과의 단면을 도시한다.
도 5a 내지 도 5b는 본 발명의 일부 실시형태에 따른 고효율 플라즈마 시스템 및 방법의 작동 시 얻을 수 있는 자기장 및 전기장의 개략적인 실시예들을 구성한다.
도 6a는 챔버의 축선을 따라 본 고효율 플라즈마 시스템 챔버 반응 영역을 나타내는 본 발명의 일부 실시형태에 따른 테스트 장치의 사진 이미지로서, 낮은 자기장에서의 플라즈마 순환을 보여준다.
도 6b는 챔버의 축선을 따라 본 고효율 플라즈마 시스템 챔버 반응 영역을 나타내는 본 발명의 일부 실시형태에 따른 테스트 장치의 사진 이미지로서, 더 높은 자기장에서의 플라즈마 순환을 보여준다.
도 7은 본 발명의 일부 실시형태에 따른 테스트 장치에 사용되는 프로브에서 측정된 전압 대 외부 인가 전압 값의 차트이다.
도 8a - 8g는 본 발명의 일부 실시형태들에 따른 전극 설계의 실시예들을 도시한다.
도 9는 본 발명의 일부 실시형태에 따라 고효율 플라즈마 시스템 및 방법의 작동 시 얻을 수 있는 이온 미러링 획득의 개략적인 실시예를 구성한다.
도 10a - 10d는 본 발명의 일부 실시형태들에 따른 메쉬 실린더 설계의 실시예들을 도시한다.
하기의 상세한 설명에서, 본 발명의 완벽한 이해를 제공하기 위해 다양한 특정 세부사항들이 설명된다. 그러나, 당업자는 본 발명이 이러한 특정 세부사항들 없이도 실시될 수 있음을 이해할 것이다. 다른 경우에서, 잘 알려진 방법, 절차 및 구성요소, 모듈, 유닛 및/또는 회로는 본 발명을 모호하게 하지 않기 위해 자세히 설명되지 않았다. 하나의 실시형태에 관해 설명된 일부 특징들 또는 요소들은 다른 실시형태들에 대해 설명된 특징들 또는 요소들과 결합될 수 있다. 명확성을 위해, 동일하거나 유사한 특징들이나 요소들에 대한 설명은 반복되지 않을 수 있다.
본 발명의 실시형태들이 이와 관련하여 제한되지는 않지만, 예를 들어 "제어", "처리", "컴퓨팅", "계산", "결정", "확립", "분석", "확인", "설정", "수신" 등과 같은 용어를 활용한 설명은 컴퓨터 레지스터 내의 물리적(예를 들어, 전기적) 양으로서 표현되는 데이터, 및/또는 컴퓨터 레지스터 내의 물리적 양으로 유사하게 표현되는 다른 데이터로의 메모리 및/또는 작동 및/또는 공정을 수행하기 위한 명령어를 저장할 수 있는 메모리 또는 다른 정보 비일시적 저장 매체를 조작 및/변환하는 컨트롤러, 컴퓨터, 컴퓨팅 플랫폼, 컴퓨팅 시스템 또는 다른 전자 컴퓨팅 장치의 작동(들) 및/또는 공정(들)을 나타낼 수 있다.
본 발명에서 사용된 바와 같이 "컨트롤러(controller)"라는 용어는 중앙 처리 유닛(CPU) 또는 마이크로프로세서로 제공될 수 있고, 여러 입력/출력(I/O) 포트, 예를 들어 개인용 컴퓨터, 노트북, 태블릿, 휴대폰, 컨트롤러 칩, SoC 또는 클라우드 컴퓨팅 시스템과 같은 범용 컴퓨터로 제공될 수 있는 임의의 유형의 컴퓨팅 플랫폼 또는 구성요소를 의미한다.
명시적으로 언급되지 않는 한, 본 발명에서 설명된 방법 실시형태들은 특정 순서 또는 시퀀스로 제한되지 않는다. 추가로, 설명된 방법 실시형태들 또는 이의 요소들 중 일부는 동시에, 동일한 시점에, 또는 함께 발생하거나 수행될 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 플라즈마의 축-대칭 형상은 도 1에 개략적으로 예시된 바와 같이 실질적으로
(i) 내부 압력이 실질적으로 감소된 원통형 챔버(100);
(ii) 내부 애노드 요소(145);
(iii) 외부 전력 공급 장치와 연결된 관형 챔버의 각각의 단부에 위치되는 전극(140);
(iv) 외부 솔레노이드나 자석 또는 이들의 조합(160);
(v) 챔버(800) 외부의 커패시터 뱅크(e/m 펄스용);
(vi) 제어 유닛(500);
(vii) 매우 높은 품질의 진공(특징적으로 10-3 - 10-7 Torr) 펌핑 시스템(600);
(viii) 예열 전력 공급 장치(700);
(ix) 가스 유입구(910)에 연결된 제어 밸브(920)와 결합되는 작동 가스 공급원(900)으로 이루어진, 하기 설명되는 구성요소들 또는 요소들의 부분 또는 모두의 조합에 의해 안정하고 동축으로 유지된다.
도 2a를 참조하면, 관형 챔버(100)는 외부 및 내부 생성되거나 유도된 자기장 및 전기장의 내부 계단식 단계에 대한 초기 외부 단계로서, 내부 애노드 요소(145)(챔버의 내부 스킨에 근접)와 선택적으로 결합된다. 도 2b를 참조하면, 관형 챔버의 단부에 있는 선택적인 전극(140)이 이온화 공정에서 캐소드로 작용한다.
일 실시형태에서, 적어도 하나의 내부 관형 전기장은 전도성 장치(135)에 의해 또는 관형 챔버 축에 동심원으로 배치된 "가상" 유도 플라즈마(130)에 의해 생성되며, 이러한 내부 필드는 이온화를 조작하는 계단식 단계로 작용한다. 가스 유입구(910)를 통해 제어 밸브(920)를 통과하여 챔버(100)로 제어 가능하게 주입되는 작업 가스 공급원(900)에서 기인하는 작업 가스의 높은 이온화 속도에 기여하는 외부 이온화 단계(OIS)(300)의 용이성을 나타내는 도 3a를 참조한다. 이러한 이온화는 외부 계단식에서 상대적으로 높은 전기장(일반적으로 ~2-7 KV이지만 ~2-20 KV 또는 그 이상과 같은 훨씬 더 넓은 범위)으로 인해 발생한다. 외부에서 인가된 전기장(예열 전력 공급 장치(700)으로부터) 및 자기장(커패시터 뱅크(800)와 결합된 자기 코일 또는 솔레노이드(160)을 통해)으로 인해 챔버 축(110)을 중심으로 전자 회전과 이러한 이온화의 결합은 OIS(300)의 이온 가열과 챔버 축(110)을 향한 이들의 가속에 기여한다. 그 자체로 자기장의 구배(gradient)에 기여하는 이러한 가속은 챔버 축(110)에서 그리고 이를 중심으로 이온의 압축을 유도하고 이에 따라 컨트롤러 유닛(500) 방향에 따라 반응 영역(170)에서 안정적 플라즈마(130)의 생성에 기여한다. 적어도 2개의 추가 내부 관형 전기장이 전도성 장치(135)에 의해 또는 관형 챔버 축(110)에 동심원으로 배치된 "가상" 플라즈마 유도에 의해 생성되는 일 실시형태의 용이성을 나타내는 도 3b를 참조하면, 이러한 내부 필드는 외부 이온화 단계(OIS)(300) 및 주요 반응 단계(MRS)(200)를 통해 이온화를 조작하는 추가 계단식 단계로 작용한다. 계단식 단계의 상부 부분인 OIS는 작업 가스의 높은 이온화 속도에 기여한다. 이러한 이온화는 외부 계단식에서 생성된 상대적으로 높은 전기장(일반적으로 ~2-7 KV이지만 ~2-20 KV 또는 그 이상과 같은 훨씬 더 넓은 범위)으로 인해 발생한다. MRS에서, 내부 계단식 단계에서의 전기장은 훨씬 더 큰 크기이다(일반적으로 ~10 - 35 KV이지만 ~10 - 100 KV 또는 그 이상과 같이 훨씬 더 넓은 범위도 있음).
이러한 배치는 내부에서 생성된 자기장 및 전기장과 결합된 외부에서 인가된 자기장 및 전기장에 의해 영향을 받는 관형 챔버의 축에서 "가상 캐소드"(130)를 생성하기 위해 관형 챔버의 단부에서 상기 선택적 전극(140)으로부터 전자를 방출하게 하고, 컨트롤러 지시에 따라, 가스 이온에 자기력과 전기력을 발생시킨다. 본 발명의 일부 실시형태들에 따라 수행된 특정 입자-인-셀(PIC) 시뮬레이션 결과를 도시하는 도 4a 내지 도 4d에서 얻을 수 있는 것으로 입증된다. PIC 시뮬레이션은 플라즈마 시뮬레이션 기술에 대한 조사 및 시연으로 받아들여질 수 있음이 당업자라면 이해할 수 있다. 도 4a는 챔버(100) 반경 방향에서 이온 가속에 대한 PIC 시뮬레이션 결과를 보여주는 반면, 도 4b는 전자를 포텐셜 웰(potential well)의 두 단계: 즉 챔버 벽에 근접한 영역(401); 및 챔버 축(110)의 영역(402)에 전자를 한정하는 것을 나타낸다. 도 4a와 도 4b는 전자보다 훨씬 무거운 질량에 비례하여 이온이 자기장의 영향을 덜 받는 현상을 예시한다. 이로써 상기 배치는 도 4a에 도시된 바와 같이 영역(401)과 영역(402) 사이의 이온의 이동을 용이하게 하는 반면, 전자는 도 4b에 도시된 바와 같이 영역(401) 또는 영역(402)에 실질적으로 남아있게 된다. 이러한 PIC 시뮬레이션은 MRS(200)를 생성하는 관형 챔버의 축에서 OIS(300) 및 "가상 캐소드"(130)의 용이성을 보여준다. 이온 이동 특성 이온(i) 반경 방향 속도는 도 4c에 도시되고 이온(i) Phi 방향(회전) 속도는 도 4d에 도시되며, 둘 다 영역(401) 및 (402)에서 정체 전자(e)에 대해 도시된다. 당업자는 이러한 PIC 시뮬레이션이 방사상뿐만 아니라, 대안으로 회전 방향으로도 증가된 이온 속도를 입증하며, 이는 상기 배치에서 챔버 축(110) 영역에 얻을 수 있는 높은 이온 온도를 나타냄을 이해할 것이다.
일부 실시형태들에 따르면, 공정을 캡슐화하기 위해 원통형 챔버가 사용된다. 챔버 벽은 다양한 물질(금속, 세라믹, 파이렉스(pyrex), 유리 등)로 만들어질 수 있다. 다양한 물질은 강도, 온도 전달, 격리, 방사선 "투명도", "불투명도" 및 다른 특성에 따라 서로 다른 장점이나 단점을 가질 수 있다. 일부 실시형태들에 따르면, 챔버 벽은 전도성이고 전극(145)으로 작용하거나 자기장 및 전기장의 계단식으로 단계로서 작용할 수 있다.
일부 실시형태들에 따르면, 원통형 챔버(100)는 잔여 가스의 원치 않는 입자에 의한 간섭/오염을 방지하기 위해 제어 밸브(920)에 연결된 가스 유입구(910)를 통해 가스를 주입하기 전에 초기에 매우 높은 품질의 진공 조건(특징적으로 10-3 - 10-7 Torr)으로 고도로 감압된다. 일부 실시형태들에 따르면, 원통형 챔버는 미리 정의된 압력에서 작업 가스(제논/아르곤/수소/중수소/또는 구현될 플라즈마 공정에 따라 다른 관련 가스 또는 이들의 조합)로 채워진다. 챔버에서의 가스는 본 발명에 따라 배치된 자기장 및 전기장을 인가하여 이온화되고 효과적으로 조작된다.
일부 실시형태들에 따르면, 실린더 챔버(100)의 외부 원주는 챔버 내의 가스를 이온화하는 고전압의 방사형 전기장을 유도할 수 있는 애노드 역할을 하는 능동 전도성 구성요소를 포함한다. 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 외부 챔버(100)의 이러한 구성요소는 다단계 애노드 배치의 제1 단계이고, 일부가 물리적일 수 있는 플라즈마의 다수의 단계를 포함하는 도 2에 도시된 실시예이고 다른 것은 "가상으로" 유도될 수 있다. 본 발명의 일부 실시형태들에 따르면, 도 3을 참조하면, 이러한 단계들은 챔버 축(110)과 관련하여 방사상으로 배치되며, 각각의 단계는 플라즈마(130)가 집중되는 영역에서 중심 축을 향한 이온의 가속을 유발한다.
당업자는 이온 가속이 다양한 자기장과 전기장 및 이들의 조합에 의해 얻어질 수 있음을 이해하며, 비-제한적인 실시예로서 일부 실시형태들에 따른 도 1을 참조하면, 챔버 원주(100)의 반응 영역(170)은 중간 내지 저전력 자석 또는 자기 코일(160)(일반적으로 ~0.1 - 0.5 Tesla 또는 ~0.1 - 2 Tesla와 같은 그 이상의 크기)로 둘러싸인다. 일부 실시형태들에 따르면, 이러한 MRS는 챔버의 길이방향 중심에서 명백하며, 일부 다른 실시형태들에 따르면 활성부(170)는 전극(140) 영역과 같은 관형 챔버(100)의 단부까지 연장될 수 있다. 실질적으로, 이러한 배치는 코일에 전류 펄스를 인가하여 자기 펄스를 발생시키고, 이는 결국 챔버에서 플라즈마를 가압하고 가열하여 플라즈마 공정의 더 높은 효율을 가능하게 한다.
일부 실시형태들에 따르면, 시스템의 유지성(maintainability)은 이의 상대적으로 작은 크기로 인해 향상된다. 펄스 작동된 시스템은 연속 작동 하에서 열화될 수 있는 물질의 수명을 연장하여 따라서 MTBF 및 적절한 교체를 감소시킨다.
일부 실시형태들에 따르면, 원통형 그리드 요소 또는 "가상 메쉬 그리드"의 축-윈위 가장자리가 경계로 작용하고 외부 이온화 단계("OIS")의 캐소드는 원통의 축 방향으로 이온 플럭스를 결과적으로 증가시키는 챔버에서 플라즈마 이온화 수준을 증가시키는 내부 영역을 나타내는 도 3a에서 다단계 이온화가 요약된다.
일부 실시형태들에 따르면, 원통형 그리드 요소 또는 "가상 메쉬 그리드"의 축-원위 가장자리가 경계로서 작동하고, 원통형의 축에서 주요 반응 단계(MRS)를 통과하는 "가상 캐소드" 또는 물질 캐소드 방향으로 이온 플럭스를 최종적으로 증가시키는 챔버에서 플라즈마 이온화 수준을 증가시키는 외부 이온화 단계("OIS")의 캐소드로 작동하는 내부 영역을 나타내는 도 3b에 요약된다. 일부 실시형태들에 따르면, 도 3a에서 요약된 바와 같이, MRS의 생성과 "가상 캐소드"는 동시에 발생하여 결합된 MRS에서 이온으로 OIS 단계로부터 가속된 이온과 "가상 캐소드" 볼륨 사이에서 반응의 높은 가능성을 높게 생성하는 축에서 이온 밀도를 증가시킨다. 이러한 조건(도 3a 또는 도 3b) 하에서 통과하는 이온은 지정된 플라즈마 공정의 생성에 기여한다.
일부 실시형태들에 따르면, 플라즈마가 집중되는 내부 볼륨은 내부 금속 그리드 실린더(135)로 둘러싸인다(실질적으로 15% 메쉬 밀도보다 낮고 일반적으로 5% 메쉬 밀도 미만). 금속 그리드 실린더는 다양한 물질(예를 들어, 열을 견딜 수 있고 물이나 다른 물질의 흡수가 낮으며 스테인레스 스틸, 텅스텐, 몰리브덴 및 다른 물질과 같이 챔버를 오염시키지 않는 전도성 물질)로 만들어질 수 있고, 다양한 형상과 패턴(예를 들어, 나선형 스프링 형상, 천공형, 홈형, 전체형, 플루트형 등 실험된 일부 실시예들이 도 10a ~ 10d에 표시됨)(이러한 내부 원통형 요소는 이하에서 "메시 실린더" 또는 "원통형 그리드 요소"라고 함)일 수 있다.
일부 실시형태들에 따르면, 원통형 그리드 요소 대신에 또는 이에 추가하여, 다단계 애노드 배치의 조작에 의해 메시 실린더(135)의 효과와 유사한 효과를 생성하는 전자기장이 국부적으로 생성될 수 있다.
일부 실시형태들에 따르면, 상기 원통형 그리드 요소는 MRS에 대한 애노드의 역할도 수행한다. 그 결과 제1 단계는 애노드로 작용하는 외부 챔버의 실린더이고 다음 단계는 원통형 그리드 요소 애노드인 계단식 단계이다. 다음 단계는 플라즈마 영역에서 챔버 실린더의 축에 있는 물질 캐소드 또는 "가상 캐소드"이며, 이러한 "캐소드" 특성은 활성 관형 챔버의 단부에 있는 전자 방출 전극과 결합된 이전 단계의 적용으로 인해 발생한다. 챔버에서 선형 자기장 플럭스와 챔버 내의 방사형 전기장의 교차곱은 도 5a에 개략적으로 예시된 바와 같이 강한 내부 자기장의 생성을 초래한다. 이러한 자체 유도된 자기장(301)은 챔버 내에서 폐쇄된 필드 라인을 갖는다. 이러한 교차곱은 실질적으로 추가 에너지를 투자하지 않고도 플라즈마의 뒤틀림 및 동축화에 기여한다. 전기장과 자기장 및 이들의 교차곱을 조절하고 최적화하면 강력한 한정이 생성되어 고압, 고밀도, 안정성이 높은 플라즈마를 얻을 수 있다(종래 FRC 효과와 유사하지 않음). 일부 실시형태들에 따르면, 도 5b를 참조하면, 추가적으로 외부 자기장 펄스(302A)(통상적으로 3-10 Tesla 이상의 크기)는 외부 자기장 펄스(302A)와 외부 전기장의 곱인 유도 전류를 증가시킬 것이며, 챔버 축(110)에서 명백하여 유도된 자기장(301A)의 길이 방향 집중을 나타내는 SSCP 효과에 기여하는 축 플라즈마를 비튼다. 이러한 효과는 도 6a 및 도 6b에 제공된 본 발명에 따라 배치된 작업 테스트 장치의 사진 이미지에서도 분명하게 나타난다. 도 6a 및 도 6b는 서로 다른 외부 자기장 인가 하에서 챔버의 축 주위를 순환하는 플라즈마를 나타내는 본 발명에 따른 시스템의 사진 이미지이다. 분명하게, 플라즈마(300B) 반경은 외부에서 인가된 자기장이 더 강할 때 더 크고 외부에서 인가된 자기장이 더 낮을 때 반경(300A)이 더 작다. 당업자는 회전 에너지가 외부 방사상 전기장 및 z 방향(축)으로 외부 자기장(ExB)과의 곱에 의해 발생한다는 것을 이해할 것이다. 외부 자기장의 이러한 변화는 특징적으로 도 6a 및 도 6b에 도시된 플라즈마 왜곡에서 시각적으로 입증된 SSCP 효과 생성에 지배적으로 기여한다. 또한, 당업자는 외부 자기장의 강한 펄스를 인가하면 플라즈마의 원심력을 압축하고 극복하는 핀치(Pinch)와 실질적으로 동등한 효과를 생성하여 플라즈마의 가열을 동반할 뿐만 아니라, MRS에서의 플라즈마 밀도를 증가시키고 높은 에너지의 파라미터로 플라즈마를 가져온다는 점을 이해할 것이다. 이러한 에너지의 파라미터를 얻는 일 실시예는 본 발명의 일부 실시형태에 따른 테스트 장치에 따라 프로브에서 측정된 전압 대 외부에서 인가된 전압 값의 차트를 나타내는 도 7에 도시된다. 테스트 장치는 두개의 Langmuir 프로브로 구성되고, 이 중 하나는 OIS의 하단 영역에 위치되고 다른 하나는 MRS 영역의 상단에 위치된다. 프로브는 플라즈마 전위를 측정한다. 도 7은 MRS(200)에서 플라즈마의 실제 가열을 나타내는 측정된 플라즈마 전압에 다양한 가열/가속 전압을 인가하는 것 사이의 높은 상관 관계를 나타낸다.
이온의 가속은 온도의 상승을 초래한다. 이러한 가속은 하전 입자에 운동 에너지를 제공하는 효율적인 방법으로 간주되는 정전기장의 직접적인 결과이다. 일부 실시형태들에 따르면, 방사형 전기장을 사용하면, 플라즈마 안정성에 중요한 축 대칭을 유지하는 높은 균일성을 갖는 고유한 축대칭 가열 메커니즘(axisymmetric heating mechanism)을 생성한다.
당업자는 추가 가스를 챔버에 주입함으로써 플라즈마 밀도가 증가될 수 있음을 이해할 것이다. 일부 실시형태들에 따르면, 비례 밸브(920)에 연결된 가스 유입구에 의해 실린더 벽(100)을 통해 가스 주입이 달성될 수 있다. 챔버 벽을 통한 가스 주입의 제어는 챔버 볼륨의 밀도 분배에 영향을 줌으로써 충전된 가스의 효과적인 분배에 추가로 기여할 수 있다.
일부 실시형태들에 따르면, 전극(텅스텐/몰리브덴 등의 고온 내성 물질로 제조됨)은 관형 챔버의 단부에 동축으로 위치되며 전기적 높은 음전압 부하에 연결된다. 이러한 설계는 챔버 축에서 전기장 전위에 기여하고/하거나 전자 방출 공급원으로서 용이하게 하는데 사용될 수 있다. 일부 실시형태들에 따르면, 이러한 전극은 가열이 전극 팁(141)으로부터 플라즈마 자체에 의해 이루어지는 수동형이거나, 가열이 전극에서 외부적으로 유도되어 활성 전극 팁(141')("전자총" 생성)으로부터 전자의 방출을 능동적으로 유발하는 능동형일 수 있다.
일부 실시형태들에 따르면, 상기 전극은 다양한 구배 및/또는 점진적인 변화 반경 및/또는 서로 다른 크기 규모의 여러 위상을 포함하는 다양한 평면 설계를 특징으로 한다. 일부 이러한 전극을 나타내는 도 8a 내지 8g를 참조한다. 일부 실시형태들에 따르면, 도 8b 및 8f에 도시된 전극은 상기 위상의 세 가지 주요 영역, 즉 상대적으로 큰 크기의 위상(143); 팁을 향해 테이퍼링되는 중간 섹션 위상(142); 및 팁 섹션 위상(141)으로 특징될 수 있다. 다른 실시형태들에 따르면, 추가적인 대체 전극 설계가 구현 가능하다(도 8a, 8c, 8d 및 8e에 도시될 수 있음). 가열될 때 전극 팁(141)으로부터 높은 전자 방출 속도를 유발하는 내부 가열 요소(147)와 결합된 또 다른 전극 설계를 나타내는 도 8g를 참조한다.
도 9를 참조하면, 능동 전극은 능동 팁(141)으로부터 전자를 방출한다. 이러한 능동 방출은 외부 가열 요소(700)에 의해 획득된다. 팁 위상(141)에 집중된 열은 열이온 방출 공정에서 전자의 방출을 야기한다. 따라서, 본 발명의 일부 실시형태들에 따르면, 방출된 전자는 전기장에 의해 길이방향으로 힘을 받고 자기장에 의해 챔버 중앙을 향해 유지되어 초기 "가상 캐소드"(130)의 생성에 기여하고 이후에는 실질적으로 안정된 상태에서 이를 유지한다.
일부 실시형태들에 따르면, 챔버의 볼륨 내에 담긴 전극의 형상과 구조는 전자 "총" 공급원을 생성한다. 일부 실시형태들에 따르면, 챔버의 볼륨 내에 담긴 전극의 형상과 구조는 도 8a 내지 8g와 같은 본 발명에 따른 독특한 특정 기하학적 형상에 의해 얻어지는 "전기 미러(mirror)" 또는 "전기 편향기(deflector)"를 생성한다. 반면, 당업자는 이러한 효과가 본 발명에 따른 다른 특정 다중 위상 전극 설계에 의해 얻어질 수 있음을 이해할 것이다.
비제한적인 실시예로서, 이의 축(110)과 정렬된 챔버(100)에 동축으로 침지된 전극(140)을 위치시킬 때 생성된 전기장 백미러(171)를 나타내는 도 9를 참조한다. 이러한 실시예에서 챔버의 각각의 단부에 위치된 전극 팁(141) 영역의 이의 원위 단부에서 플라즈마 위상은 일정량의 이온을 축적한다. 도 9를 참조하면, 주요 플라즈마 플럭스에 포획되지 않은 이온 클라우드(151), (152) 및 (153)는 플라즈마 형상에 대한 억제 효과를 가지고 챔버에서 형성된다. 이러한 클라우드는 관형 챔버의 단부를 향한 궤적으로 이온이 전자 클라우드에 포함되는 "미러링" 제한 효과를 갖는 것으로 간주된다(도 9에 개략적으로 표시됨). 일부 실시형태들에 따르면, 다른 원통형 설계에서 제시될 수 있는 바와 같이 "자기 미러링 효과"를 얻기 위해 선형 설계 챔버의 단부에서 실제 자석을 설치하지 않고, 상기 다중 위상 전극과 함께 챔버에서 다중 단계 계단식 배치를 결합하여 얻어진다. 일부 실시형태들에 따르면, 플라즈마 원위 전극 위상으로부터의 전자 방출에 의존하는 것으로 충분하다. "이온 미러"의 축 위치는 전극 위상의 실제 설계를 포함하여 많은 파라미터에 따라 달라지지만, 임의의 경우에도 결국 "이온 미러"를 확립하는 이온과 전자 사이의 평형을 생성하는 거리에 있다.
일부 실시형태들에 따르면, 전자 방출 전극은 적어도 2개의 위상을 갖는 것을 특징으로 하며, 이에 의해 위상 배치는 전극 근처에서 이온 및 전자 "클라우드"를 유도하도록 설계되고, 이에 의해 적어도 하나의 위상은 전극의 다른 위상에 비해 직경이 상당히 더 크다.
일부 실시형태들에 따르면, 전자 방출 전극은 적어도 2개의 위상을 갖는 것을 특징으로 하며, 위상 배치는 전극 근처에서 이온 및 전자 "클라우드"를 유도하도록 설계되며, 이에 따라 위상 중 일부를 통해 전류가 구동되고 다른 위상은 정전기적으로 충전된다.
일부 실시형태들에 따르면, 전자 방출 전극은 관형 챔버의 단부에서 이온 "탈출(escape)"을 실질적으로 감소시키는 챔버 내에 "전기 미러"를 생성하는 방식으로 배치된다.
현재 고려되는 시스템의 작동에는 가열 및 자기장 형성 모두에 대해 (기존 시스템에 비해) 외부 공급원으로부터 상대적으로 작은 에너지 수준 입력이 요구된다. 당업자는 위에서 설명된 접근법으로부터 도출된 고유한 설계 기준을 구현하는 것이 매우 효율적인 시스템을 제공할 것이라는 점을 인식할 것이다.
위의 어느 것에 대한 제한 없이, 당업자는 제안된 시스템 및 방법에 따라 얻을 수 있는 플라즈마가 에칭 공정에서 에너지를 얻을 수 있는 극자외선 및/또는 일반적으로 고밀고 고온 플라즈마 융합 공정을 위한 공급원으로서 중성자 공급원으로서 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
본 발명은 특정 실시형태들을 참조하여 설명되었지만, 이러한 설명은 제한된 의미로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 설명을 참조하면 개시된 실시형태들의 다양한 변형 및 본 발명의 대안적인 실시형태들이 당업자에게 명백해질 것이다. 따라서, 첨부된 청구범위는 본 발명의 범위 내에 속하는 이러한 변형을 포함할 것이라고 생각된다.

Claims (50)

  1. 안정한 플라즈마 획득 및 한정 방법으로서,
    외부 및 내부 생성 또는 유도된 자기장 및 전기장은 원통형 챔버에서 축 방향 애노드 단계 사이에서 실질적으로 교차축 이온 이동을 가속화하여, 챔버 중심 축을 향한 전하 이동의 확대가 챔버 내 이온 가열과 플라즈마 생성 및 회전에 실질적으로 기여하며, 자체 생성된 국부 자기장을 발생시켜 상기 플라즈마 안정성과 한정을 증가시키는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 가열은 단열 가압에 의해 얻어지는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    a. 원통형 챔버에 실질적으로 감소된 내부 압력을 생성하는 단계;
    b. 원통형 챔버의 실질적인 영역을 캡슐화하는 원통형 자석을 갖는 챔버에 방사상 전기장을 생성하는 단계;
    c. 상기 원통형 챔버의 원위 단부에 축방향으로 위치된 전극에 의해 원통형 챔버의 원위 단부에 이온 클라우드를 생성하는 단계;
    d. 포인팅 벡터(ExB)로 축 방향 자기장을 상기 방사상 전기장과 결합시키는 단계;를 포함하고,
    챔버 벽에서 중심 축까지의 챔버에서 방사상 이온 가속도가 영향을 받아 이온 충돌이 챔버 축에서 촉진되는 방법.
  4. 제3항에 있어서, 원통형 챔버에서의 이온 밀도는 챔버 벽에 근접하게 가스를 삽입함으로써 향상되는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 전하 이동의 확대는 챔버 축을 따라 실질적으로 방사상으로 배치되는 하나 이상의 확대 단계에 의해 획득되는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 확대 단계는 내부 확대 단계에 의해 획득 가능한 방법.
  7. 제6항에 있어서, 내부 확대 단계는 챔버 벽 부근에 위치된 애노드 요소인 방법.
  8. 제6항에 있어서, 하나 이상의 내부 확대 단계는 주요 반응 단계에 근접한 챔버 축을 따라 위치된 애노드 특징부(anodal feature)를 갖는 전도성 장치인 방법.
  9. 제8항에 있어서, 전도성 장치는 메쉬 밀도가 실질적으로 15% 미만이고 일반적으로 메쉬 밀도가 5% 미만인 금속 메쉬 그리드 실린더인 방법.
  10. 제9항에 있어서, 메쉬 실린더는 스프링 코일(spring coil) 형상인 시스템.
  11. 제9항에 있어서, 메시 실린더는 케이지 코일(cage coil) 형상인 시스템.
  12. 제9항에 있어서, 메시 실린더는 플루트 코일(flute coil) 형상인 시스템.
  13. 제8항에 있어서, 상기 전도성 장치는 스테인리스 스틸, 텅스텐 또는 몰리브덴과 같은 고온 내성 물질로 제조되는 방법.
  14. 제6항에 있어서, 내부 확대 단계는 외부 이온화 단계와 주요 반응 단계 사이의 축 방향 플라즈마 경계 영역에서 비고체 기체 조성으로 이루어지는 방법.
  15. 제1항에 있어서, 플라즈마의 안정성은 이온화 공정에서 캐소드로 작용하는 챔버 단부에서 전극에 의해 증가되는 방법.
  16. 제1항에 있어서, 확대 단계는 외부 확대 단계에 의해 획득 가능한 방법.
  17. 제16항에 있어서, 외부 확대 단계는 예열 전력 공급 장치로부터의 외부 전기장 공급원인 방법.
  18. 제17항에 있어서, 외부 전기장 공급원은 2-20 KV 범위인 방법.
  19. 제17항에 있어서, 주요 반응 단계에서 내부 전기장은 10-100 KV 범위인 방법.
  20. 제16항에 있어서, 외부 확대 단계는 커패시터 뱅크와 결합된 코일 또는 솔레노이드와 같은 외부 자기장 공급원인 방법.
  21. 제20항에 있어서, 외부 자기장은 0.1 - 2 Tesla, 전형적으로 0.1 - 0.5 Tesla인 방법.
  22. 제16항에 있어서, 외부 확대 단계는 실질적으로 긴 전류 펄스에 의해 적용되는 방법.
  23. 제22항에 있어서, 상기 펄스의 기간은 전형적으로 0.1-10 밀리초 범위인 방법.
  24. 제1항에 있어서, 상기 플라즈마 안정성 및 한정은 상기 방법의 작동 동안 챔버로의 가스 주입을 제어함으로써 개선되는 방법.
  25. 제24항에 있어서, 상기 가스는 컨트롤러에 의해 제어되는 비례 밸브에 연결된 실린더 벽 가스 유입구를 통해 주입되어 챔버 볼륨의 가스 및 이온 밀도 분배에 영향을 미치는 방법.
  26. 제1항에 있어서, 상기 챔버 축에서의 전기장 전위는 원통형 챔버의 원위 단부에 위치된 적어도 하나의 전극에 의해 영향을 받는 방법.
  27. 제1항에 있어서, 상기 챔버 축에서의 전기장 전위는 원통형 챔버의 원위 단부에 위치된 적어도 하나의 전자 방출 공급원에 의해 영향을 받는 방법.
  28. 제26항 또는 제27항에 있어서, 상기 전극 또는 전자 방출 공급원은 챔버 볼륨에 노출된 다른 크기 규모의 여러 위상으로 구성된 다양한 구배 또는 점진적으로 변화하는 반경 또는 다양한 평면 설계를 갖는 방법.
  29. 제28항에 있어서, 상기 전극은 적어도 2개의 위상을 가지며, 이에 의해 적어도 하나의 위상은 상기 전극의 다른 위상에 비해 직경이 상당히 더 큰 방법.
  30. 제28항에 있어서, 상기 전극 위상들 중 일부를 통해 전류가 구동되고 다른 위상들은 정전기적으로 충전되는 방법.
  31. 제28항에 있어서, 상기 전극은 상기 위상의 적어도 3개의 주요 영역: 즉 상대적으로 큰 크기의 위상; 팁 방향으로 가늘어지는 중간 섹션 위상; 및 팁 섹션 위상을 특징으로 하는 방법.
  32. 제26항 또는 제27항에 있어서, 상기 전극 또는 전자 방출 공급원에 가열이 직접적으로 유도되는 방법.
  33. 제26항 또는 제27항에 있어서, 상기 전극에 직접 설치되는 가열 요소에 가열이 직접적으로 유도되는 방법.
  34. 제26항 또는 제27항에 있어서, 적어도 하나의 상기 전극 또는 전자 방출 공급원의 팁에 집중된 열은 상기 전기장에 의해 길이방향 힘에 영향을 미치고 상기 챔버의 중간으로 향하는 상기 자기장에 의해 유지되어 가상 캐소드 단계를 획득하고 유지하는 열이온 방출 공정에서 전자 방출을 야기하는 방법.
  35. 제26항 또는 제27항에 있어서, 상기 전극과 함께 상기 챔버에서 다단계 계단식 배치의 조합은 원통형 챔버의 원위 단부에서 이온 미러링 효과에 영향을 미치는 방법.
  36. 제35항에 있어서, 챔버 내의 상기 미러링은 챔버 단부에서 이온 탈출을 실질적으로 감소시키는 방법.
  37. 제1항에 있어서, 상기 안정한 한정된 플라즈마는 중성자, UV, 극한 UV 또는 에너지 공급원으로서 획득되는 방법.
  38. 제1항에 있어서, 상기 안정하고 한정된 플라즈마는 에칭 공정에서 사용되는 방법.
  39. 제1항에 있어서, 상기 안정하고 한정된 플라즈마는 획득 가능한 고밀도 고온 플라즈마인 방법.
  40. 안정한 플라즈마 획득 및 한정 시스템으로서,
    a. 실질적으로 감소된 내부 압력, 일반적으로 10-3 - 10-7 Torr를 갖는 원통형 챔버;
    b. 상기 원통형 챔버 내의 내부 확대 단계;
    c. 원통형 챔버의 작업 영역을 캡슐화하는 자석;
    d. 챔버 볼륨으로 방전 가능한 커패시터 뱅크;
    e. 상기 챔버 볼륨과 결합된 예열 전력 공급 장치;
    f. 가스를 챔버에 삽입하기 위한 수단과 결합된 작업 가스 공급원;
    g. 작동 시스템 구성요소에 연결된 제어 유닛;을 포함하고,
    이에 따라 챔버 중심 축을 향한 전하 이동의 확대는 챔버에서 이온 가열 및 내부 플라즈마 회전에 실질적으로 기여하여, 자체-생성된 국부 자기장을 발생시키고, 상기 플라즈마 안정성 및 한정을 증가시키는 시스템.
  41. 제40항에 있어서, 원통형 챔버 벽 부근에 내부 애노드 요소를 포함하는 시스템.
  42. 제40항에 있어서, 상기 원통형 챔버 내의 상기 내부 확대 단계는 매질 또는 가상 볼륨에 의해 한정되는 시스템.
  43. 제40항에 있어서, 원통형 챔버의 상기 자석 캡슐화 작업 영역은 솔레노이드인 시스템.
  44. 제40항에 있어서, 가스를 챔버 내로 삽입하기 위한 삽입 수단은 챔버 벽에 인접한 시스템.
  45. 제40항에 있어서, 챔버 벽은 전도성을 갖는 시스템.
  46. 제40항에 있어서, 챔버 벽은 불투명도를 갖는 시스템.
  47. 제40항에 있어서, 챔버 벽은 자성을 갖는 시스템.
  48. 제40항에 있어서, 내부 애노드 요소는 원통형 챔버 벽 근처에 있는 시스템.
  49. 제40항에 있어서, 전극은 전기적 높은 음전압 부하에 연결된 상기 원통형 챔버의 원위 단부에 동축으로 위치되는 시스템.
  50. 제49항에 있어서, 상기 전극은 스테인리스 스틸, 텅스텐 또는 몰리브덴과 같은 고온 내성 물질로 제조되는 시스템.
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