KR20240029209A - 상쇄 안테나를 포함하는 플라즈마 유도 시스템 - Google Patents

상쇄 안테나를 포함하는 플라즈마 유도 시스템 Download PDF

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KR20240029209A
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최병국
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이규훈
이종호
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인투코어테크놀로지 주식회사
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Abstract

본 개시의 일 실시예에 따르면, 플라즈마가 유도되는 방전관, 방전관 측면에 권선되는 제1 내지 제3 안테나 구조체를 포함하고, 제2 안테나 구조체는 제1 안테나 구조체 및 제3 안테나 구조체 사이에 배치되며, 제1 안테나 구조체 및 제2 안테나 구조체는 서로 직렬 연결되되 방전관에 대해 권선되는 방향이 서로 반대인 것을 특징으로 하는 플라즈마 유도 시스템이 제공될 수 있다.

Description

상쇄 안테나를 포함하는 플라즈마 유도 시스템{A SYSTEM OF INDUCING PLASMA INCLUDING CANCELING ANTENNA}
본 개시는 상쇄 안테나를 포함하는 플라즈마 유도 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 복수 개의 안테나를 이용하여 플라즈마를 유도하는 플라즈마 유도 시스템에 있어서, 어느 한 안테나에 의해 발생되는 자기장에 의해 다른 안테나가 영향 받는 것을 최소화하기 위해 자기장을 상쇄시키는 상쇄 안테나를 포함하는 플라즈마 유도 시스템에 관한 것이다.
플라즈마를 활용하는 플라즈마 공정 기술은 반도체, 디스플레이, 의료 장비 기술 분야 뿐만 아니라 공기, 물, 토양 정화 등의 환경 기술 분야 및 태양 전지, 수소 에너지 등의 에너지 기술 분야 등 다양한 산업 분야에서 이용되고 있으며, 플라즈마 공정 기술 중 저전력으로 고밀도의 플라즈마를 형성하는 유도 결합 방전에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
한편, 유도 결합 방전을 이용하는 플라즈마 유도 시스템에서, 고전압이 인가되어 플라즈마를 점화하기 위한 보조 안테나와 점화된 플라즈마를 유지시키기 위한 메인 안테나가 이용될 수 있다. 이 때, 보조 안테나에는 상대적으로 높은 전압이 인가되는데, 보조 안테나에 의해 발생되는 자기장이 메인 안테나에 영향을 주는 문제가 있다.
이러한 안테나들 사이의 전자기장에 의해 플라즈마 유도 시스템의 손상이나 이상 동작이 야기될 수 있으며, 본 개시에서는 안테나들 사이의 전자기장 영향을 최소화하기 위해 별도의 안테나를 구비하는 방법을 제안하고자 한다.
본 개시에서 해결하고자 하는 일 과제는, 안테나들 사이에서 발생하는 자기장의 영향이 최소화되는 플라즈마 유도 시스템을 제공하는 것이다.
본 개시에서 해결하고자 하는 일 과제는, 플라즈마 유도 시스템에서 보조 안테나로부터 발생하는 자기장을 상쇄시키는 상쇄 안테나를 제공하는 것이다.
본 개시에서 해결하고자 하는 일 과제는, 플라즈마 유도 시스템에서 보조 안테나에서 발생하는 자기장과 반대 방향의 자기장을 형성하는 상쇄 안테나를 제공하는 것이다.
본 개시에서 해결하고자 하는 일 과제는, 플라즈마 유도 시스템에서 상쇄 안테나와 메인 안테나 사이의 거리를 설정하는 방법을 제공하는 것이다.
본 개시에서 해결하고자 하는 일 과제는, 플라즈마 유도 시스템에서 보조 안테나와 상쇄 안테나 사이의 거리를 설정하는 방법을 제공하는 것이다.
본 개시에서 해결하고자 하는 과제가 상술한 과제로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 과제들은 본 개시 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 플라즈마가 유도되는 공간을 제공하는 방전관; 상기 방전관의 측면에 권선(winding)되는 제1 안테나 구조체 -상기 제1 안테나 구조체는 제1 단 및 제2 단을 가지고, 상기 제1 단 및 상기 제2 단 사이에 배치되는 적어도 하나의 층 안테나를 포함함-; 상기 방전관의 측면에 권선되는 제2 안테나 구조체 -상기 제2 안테나 구조체는 제3 단 및 제4 단을 가지고, 상기 제3 단 및 상기 제4 단 사이에 배치되는 적어도 하나의 층 안테나를 포함함-; 및 상기 방전관의 측면에 권선되는 제3 안테나 구조체 -상기 제3 안테나 구조체는 적어도 하나의 층 안테나를 포함함-; 을 포함하고, 상기 제2 안테나 구조체는 상기 제1 안테나 구조체 및 상기 제3 안테나 구조체 사이에 배치되고, 상기 제1 안테나 구조체 및 상기 제2 안테나 구조체는 서로 직렬 연결되되, 상기 제1 안테나 구조체의 권선 방향과 상기 제2 안테나 구조체의 권선 방향은 서로 반대 방향인 플라즈마 유도 시스템이 제공된다.
본 개시의 과제의 해결 수단이 상술한 해결 수단들로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 해결 수단들은 본 개시 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 플라즈마 유도 시스템에서 메인 안테나 구조체에 불필요한 유도 기전력이 인가되는 것을 방지할 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 플라즈마 유도 시스템에서 안테나 구조체에 전력을 공급하는 전원에 손상이나 오작동이 야기되지 않아 시스템 안정성이 향상될 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 플라즈마 유도 시스템에서 보조 안테나 구조체에 의해 발생하는 자기장에 의해 메인 안테나에 발생하는 유도 기전력이 최소화될 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 플라즈마 유도 시스템에서 보조 안테나 구조체에 의해 발생하는 자기장이 메인 안테나 구조체에 영향을 주는 것을 최소화하면서, 플라즈마 점화를 위해 보조 안테나 구조체에 의해 발생되는 기전력이 감소되는 것 역시 최소화할 수 있다.
본 개시에 따른 효과가 상술한 효과들로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 개시 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 플라즈마 유도 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 RF(radio frequency) 발생기를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생기를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 플라즈마가 유도되는 과정을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 보조 안테나 구조체에 의해 메인 안테나 구조체에 유도 기전력이 발생되는 과정을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른 상쇄 안테나 구조체를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 개시의 일 실시예에 따른 상쇄 안테나 구조체에서 형성되는 자기장의 영향을 나타내는 도면이다.
도 8의 (a)는 본 개시의 일 실시예에 따른 보조 안테나 구조체 및 상쇄 안테나 구조체의 감김 방향을 나타내는 도면이다.
도 8의 (b)는 본 개시의 일 실시예에 따른 보조 안테나 구조체 및 상쇄 안테나 구조체에 흐르는 전류의 방향을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 개시의 일 실시예에 따른 상쇄 안테나 구조체에 의해 발생하는 자기장이 보조 안테나 구조체에 영향을 주는 과정을 나타내는 도면이다.
도 10은 본 개시의 일 실시예에 따른 보조 안테나 구조체 및 메인 안테나 구조체 사이에 배치되는 상쇄 안테나 구조체를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 개시의 일 실시예에 따른 상쇄 안테나 구조체의 형상 및 위치와 메인 안테나 구조체에서 발생하는 유도 기전력 크기 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 플라즈마가 유도되는 공간을 제공하는 방전관; 상기 방전관의 측면에 권선(winding)되는 제1 안테나 구조체 -상기 제1 안테나 구조체는 제1 단 및 제2 단을 가지고, 상기 제1 단 및 상기 제2 단 사이에 배치되는 적어도 하나의 층 안테나를 포함함-; 상기 방전관의 측면에 권선되는 제2 안테나 구조체 -상기 제2 안테나 구조체는 제3 단 및 제4 단을 가지고, 상기 제3 단 및 상기 제4 단 사이에 배치되는 적어도 하나의 층 안테나를 포함함-; 및 상기 방전관의 측면에 권선되는 제3 안테나 구조체 -상기 제3 안테나 구조체는 적어도 하나의 층 안테나를 포함함-; 을 포함하고, 상기 제2 안테나 구조체는 상기 제1 안테나 구조체 및 상기 제3 안테나 구조체 사이에 배치되고, 상기 제1 안테나 구조체 및 상기 제2 안테나 구조체는 서로 직렬 연결되되, 상기 제1 안테나 구조체의 권선 방향과 상기 제2 안테나 구조체의 권선 방향은 서로 반대 방향인 플라즈마 유도 시스템이 제공된다.
상기 제1 안테나 구조체 및 상기 제2 안테나 구조체는 차동 접속된다.
상기 제1 안테나 구조체의 상기 제2 단은 상기 제2 안테나 구조체의 상기 제3 단과 연결되고, 상기 제1 안테나 구조체는 상기 방전관의 측면을 따라 상기 제1 단에서 상기 제2 단까지 제1 회전 방향으로 연장되고, 상기 제2 안테나 구조체는 상기 방전관의 측면을 따라 상기 제3 단에서 상기 제4 단까지 제2 회전 방향으로 연장되며, 상기 제1 회전 방향 및 상기 제2 회전 방향은 서로 반대 방향이다.
플라즈마 유도 시스템은 상기 제1 안테나 구조체 및 상기 제2 안테나 구조체에 전류를 인가하기 위한 제1 RF 발생기;를 더 포함하고, 상기 제1 안테나 구조체의 상기 제2 단은 상기 제2 안테나 구조체의 상기 제3 단과 연결되고, 상기 제1 안테나 구조체의 상기 제1 단은 상기 제1 RF 발생기의 일단과 전기적으로 연결되고, 상기 제2 안테나 구조체의 상기 제4 단은 상기 제1 RF 발생기의 타단과 전기적으로 연결된다.
상기 제1 RF 발생기에 의해 상기 제1 안테나 구조체 및 상기 제2 안테나 구조체에 전류가 인가될 때, 상기 제1 안테나 구조체에 의해 형성되는 자기장의 방향은 상기 제2 안테나 구조체에 의해 형성되는 자기장의 방향과 반대 방향이다.
플라즈마 유도 시스템은 상기 제2 안테나 구조체에 전류를 인가하기 위한 제2 RF 발생기;를 더 포함한다.
상기 방전관의 중심축에 평행하는 방향으로 상기 제2 안테나 구조체는 상기 제1 안테나 구조체로부터 제1 거리만큼 이격되어 배치되고, 상기 방전관의 중심축에 평행하는 방향으로 상기 제2 안테나 구조체는 상기 제3 안테나 구조체로부터 제2 거리만큼 이격되어 배치되며, 상기 제2 거리는 상기 제1 거리보다 작다.
상기 방전관의 중심축에 평행하는 방향으로 상기 제2 안테나 구조체는 상기 제3 안테나 구조체로부터 미리 설정된 거리만큼 이격되어 배치된다.
상기 제2 안테나 구조체는 제1 층 안테나를 포함하고, 상기 제1 층 안테나는 동일 평면 상에 배치되되 서로 다른 곡률 반경을 가지는 제1 턴 안테나 및 제2 턴 안테나로 구성되며, 상기 미리 설정된 거리는 3mm 내지 7mm 이내에서 설정된다.
상기 미리 설정된 거리는 약 5mm이다.
상기 제1 안테나 구조체의 인덕턴스(inductance)는 상기 제2 안테나 구조체의 인덕턴스보다 큰 것을 특징으로 한다.
플라즈마 유도 시스템은 상기 제1 안테나 구조체 및 상기 제2 안테나 구조체를 전기적으로 연결하는 연결부재;를 더 포함하고, 상기 제1 안테나 구조체의 내부에 제1 유로가 형성되고, 상기 제2 안테나 구조체의 내부에 제2 유로가 형성되며, 상기 연결부재의 내부에 제3 유로가 형성되되, 상기 제3 유로는 상기 제1 유로 및 상기 제2 유로를 유체적으로 연결하고, 상기 연결부재는 상기 방전관으로부터 이격되어 배치된다.
본 개시의 다른 실시예에 따르면, 플라즈마 유도 시스템에 있어서, 방전관; 상기 방전관을 감싸도록 배치되는 제1 안테나 -상기 제1 안테나는 상기 방전관의 둘레를 따라 제1 단에서 제2 단까지 연장됨-; 상기 방전관을 감싸도록 배치되는 제2 안테나 -상기 제2 안테나는 상기 방전관의 둘레를 따라 제3 단에서 제4 단까지 연장됨-; 및 상기 제1 안테나 및 상기 제2 안테나를 연결하는 연결부;를 포함하고, 상기 제2 안테나는 상기 제1 안테나로부터 상기 방전관의 중심축에 평행하는 제1 방향으로 제1 거리만큼 이격되어 배치되고, 상기 연결부에 의해 상기 제1 안테나의 상기 제2 단 및 상기 제2 안테나의 상기 제3 단이 연결될 때, 상기 제1 안테나가 상기 제1 단에서 상기 제2 단으로 연장되는 방향과 상기 제2 안테나가 상기 제3 단에서 상기 제4 단으로 연장되는 방향은 서로 다른 방향인 플라즈마 유도 시스템이 제공된다.
본 개시의 또 다른 실시예에 따르면, 플라즈마 유도 시스템에서 방전관을 둘러싸도록 배치되어 상기 방전관 내에 플라즈마를 유도하기 위한 안테나 구조체에 있어서, 가상의 중심축을 기준으로 제1 단에서 제2 단으로 시계방향을 따라 연장되는 제1 안테나; 상기 제1 안테나로부터 상기 중심축과 평행한 방향을 따라 미리 설정된 거리만큼 이격되고, 상기 중심축을 기준으로 제3 단에서 제4 단으로 반시계 방향을 따라 연장되는 제2 안테나; 및 상기 제1 안테나 및 상기 제2 안테나를 연결하는 연결부;를 포함하고, 상기 제1 안테나 및 상기 제2 안테나가 차동 접속되도록 상기 연결부에 의해 상기 제1 안테나의 상기 제2 단과 상기 제2 안테나의 상기 제3 단이 직렬 연결되는 안테나 구조체가 제공된다.
본 개시의 상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련된 다음의 상세한 설명을 통해 보다 분명해질 것이다. 다만, 본 개시는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예들을 가질 수 있는 바, 이하에서는 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세히 설명하고자 한다.
도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이며, 또한, 구성요소(element) 또는 층이 다른 구성요소 또는 층의 "위(on)" 또는 "상(on)"으로 지칭되는 것은 다른 구성요소 또는 층의 바로 위뿐만 아니라 중간에 다른 층 또는 다른 구성요소를 개재한 경우를 모두 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 원칙적으로 동일한 구성요소들을 나타낸다. 또한, 각 실시예의 도면에 나타나는 동일한 사상의 범위 내의 기능이 동일한 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 설명하며, 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 개시의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1, 제2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.
또한, 이하의 실시예에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
이하의 실시예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하의 실시예에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타낸 것으로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정한 공정 순서는 설명되는 순서와 다르게 수행될 수도 있다. 예를 들어, 연속하여 설명되는 두 공정이 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 설명되는 순서와 반대의 순서로 진행될 수 있다.
이하의 실시예에서, 막, 영역, 구성 요소 등이 연결되었다고 할 때, 막, 영역, 구성 요소들이 직접적으로 연결된 경우 뿐만 아니라 막, 영역, 구성요소들 중간에 다른 막, 영역, 구성 요소들이 개재되어 간접적으로 연결된 경우도 포함한다.
예컨대, 본 개시에서 막, 영역, 구성 요소 등이 전기적으로 연결되었다는 의미는, 막, 영역, 구성 요소 등이 물리적으로 결합되거나 일체로 형성되어 전류가 흐르게 되는 상태 등 직접적으로 전기적 연결된 경우 뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 간접적으로 전기적 연결된 경우까지 포괄한다.
본 개시는 상쇄 안테나를 포함하는 플라즈마 유도 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로 복수 개의 안테나를 이용하여 플라즈마를 유도하는 플라즈마 유도 시스템에 있어서, 자기장에 의한 유도 기전력 발생과 같이 안테나들 상호간에 발생하는 불필요한 영향을 최소화하거나 방지하기 위한 구성 및 이를 이용하는 방법에 관한 것이다.
본 개시에서 플라즈마 공정이란, 플라즈마를 발생시키고 발생시킨 플라즈마를 이용하는 공정으로, 반도체 공정, 디스플레이 공정, 나노 공정, 유해 가스(매립지 가스, 배출 가스 등) 분해 공정 등에 이용될 수 있다.
본 개시에서 서술하는 플라즈마 유도 시스템은 상술한 플라즈마 공정에서 다양한 형태로 이용될 수 있다. 예를 들어, 플라즈마 유도 시스템은 플라즈마 에싱(ashing), 플라즈마 CVD(chemical vapor deposition), 플라즈마 식각(etching), 박막 증착(sputtering), 표면 개질 등의 반도체 공정에서 필요한 입자들을 생성하거나 활성종(radical) 가스를 합성하여 제공하는 수단으로 활용될 수 있다. 다른 예를 들어, 플라즈마 유도 시스템은 온실 가스 분해, 매립지 가스 분해, 합성 가스 생산, 수소 가스 생산, 고부가가치 화합물 생산 등의 가스 분해/합성 공정에서 실질적으로 가스를 합성하거나 생성하는 수단으로 활용될 수 있다.
플라즈마는 물질이 고에너지를 인가 받아 음전하를 가진 전자와 양전하를 띤 이온으로 분리된 상태(phase)로, 다양한 방식에 의해 유도되거나 발생될 수 있다.
플라즈마를 생성하기 위한 많은 방법들이 있으나, 그 중에서도 유도 결합 플라즈마(ICP: Inductively Coupled Plasma)는 코일(coil) 또는 안테나(antenna) 등에 전력이 공급되어 특정 공간에 유도 전기장 또는 축전 전기장이 형성되고, 이에 의해 발생되는 플라즈마로, 일반적으로 무선주파수(RF: Radio Frequency)와 같은 고주파 전원에 의해 구동될 수 있다. 한편, 이하에서는 설명의 편의를 위해 플라즈마 발생 시스템에 의해 발생되는 플라즈마는 유도 결합 플라즈마인 것을 전제로 설명하나, 본 개시의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다.
[플라즈마 유도 시스템]
이하에서는 도 1을 참조하여 플라즈마 유도 시스템과 그 구성에 대해 서술한다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 플라즈마 유도 시스템(10)을 나타내는 도면이다. 도 1을 참조하면, 플라즈마 유도 시스템(10)은 RF(radio frequency) 발생기(1000), 플라즈마 발생기(2000), 및 방전관(3000)을 포함할 수 있다.
RF 발생기(1000)는 플라즈마 발생기(2000)에 전력을 제공할 수 있다. 예를 들어, RF 발생기(1000)는 플라즈마 발생기(2000)에 특정 구동 주파수를 가지는 교류 전력을 인가할 수 있다. 여기서, 교류 전력은 교류 전류 또는 교류 전압을 의미하는 것으로 이해될 수 있다.
RF 발생기(1000)는 플라즈마 발생기(2000)의 임피던스 및/또는 플라즈마 발생기(2000)에 인가되는 전력을 모니터링할 수 있다. 구체적으로, RF 발생기(1000)는 후술하는 바와 같이 플라즈마 발생기(2000)에 흐르는 전류 또는 전압에 관한 정보를 획득할 수 있다.
RF 발생기(1000)는 플라즈마 발생기(2000)에 제공하는 교류 전력의 구동 주파수를 변경할 수 있다. RF 발생기(1000)는 플라즈마 발생기(2000)의 임피던스 및/또는 플라즈마 발생기(2000)에 인가되는 전력에 기초하여 제공하는 교류 전력의 구동 주파수를 변경할 수 있다.
플라즈마 유도 시스템(10)은 RF 발생기(1000)를 복수 개 포함할 수 있다. 예를 들어, 플라즈마 발생기(2000)가 후술하는 바와 같이 복수의 안테나 구조체를 포함하는 경우 플라즈마 유도 시스템(10)은 복수의 안테나 구조체 각각에 대응되는 RF 발생기들을 포함할 수 있다. 한편, 플라즈마 유도 시스템(10)에서 플라즈마 발생기(2000)가 복수의 안테나 구조체를 포함하더라도 RF 발생기(1000)는 하나만 구비될 수도 있다.
플라즈마 발생기(2000)는 전력을 공급받아 전자기장을 형성할 수 있다. 구체적으로, 플라즈마 발생기(2000)는 적어도 하나의 안테나를 포함하고, 외부로부터 전력을 인가 받아 플라즈마 발생을 위한 유도 전기장 또는 축전 전기장을 형성할 수 있다.
플라즈마 발생기(2000)는 복수의 안테나 구조체로 이루어질 수 있다. 여기서, 안테나 구조체는 적어도 하나의 안테나로 이루어진 구조체를 의미할 수 있다. 예를 들어, 안테나 구조체는 후술하는 바와 같이 복수의 안테나들이 복수의 턴 또는 복수의 층을 구성하여 형성되는 구조체를 의미할 수 있다.
플라즈마 발생기(2000)는 RF 발생기(1000)와 전기적으로 연결될 수 있다. 플라즈마 발생기(2000)가 복수의 안테나 구조체를 포함하는 경우, 복수의 안테나 각각은 그에 대응하는 RF 발생기와 전기적으로 연결될 수 있다.
플라즈마 발생기(2000)는 방전관(3000) 내부에 전자기장을 혈성하여 플라즈마 발생을 유도할 수 있다. 플라즈마 발생기(2000)는 RF 발생기(1000)로부터 전력을 공급받아 방전관(3000) 내에 전자기장을 형성하여 플라즈마 발생을 유도할 수 있다. 예를 들어, 플라즈마 발생기(2000)에 의해 방전관(3000) 내부에 형성되는 전자기장은 그 방향이 주기적으로 변경되고, 방전관(3000) 내에 공급되는 가스가 주기에 따라 변경되는 전자기장에 의해 에너지를 공급받아 플라즈마로 상 전이(phase transition)하게 된다.
플라즈마 발생기(2000)의 구성이나 구조 및 기능에 대한 구체적인 내용은 후술하도록 한다.
방전관(3000)은 플라즈마를 유도하기 위한 환경을 조성할 수 있다. 예를 들어, 방전관(3000)는 플라즈마가 유도되는 내부 공간을 정의할 수 있다.
방전관(3000)은 플라즈마 발생이 유도되는 공간을 제공할 수 있다. 방전관(3000)은 관(pipe) 형상(또는, 속이 빈 원기둥 형상)을 가질 수 있다. 다만, 방전관(3000)의 형상이 관 형상으로 한정되는 것은 아니며 플라즈마를 발생시키기 위한 내부 공간을 포함하는 형상이면 충분하다.
방전관(3000)에는 플라즈마 발생을 위한 가스(ex. NF3, Ar, CO2, CH4, O2, He, 및/또는 H2 등)가 유입될 수 있다. 예를 들어, 방전관(3000)은 적어도 하나의 가스 저장부와 유체적으로 연결되고, 질량유량제어기(MFC: Mass Flow Controller)를 통해 가스 저장부로부터 방전관(3000)으로 가스가 유입될 수 있다.
방전관(3000)은 다양한 재질로 만들어질 수 있다. 예를 들어, 방전관(3000)은 비전도체 또는 열전도도가 높은 물질로 제조될 수 있다. 구체적으로, 방전관(3000)은 알루미늄 질화물(AlN), 산화 알루미늄(Al2O3), 실리콘 질화물(SiN), 질화 규소(Si3N4), 이산화 규소(SiO2), 이트륨 산화물(Y2O3), 또는 실리콘 카바이드(SiC)로 제조될 수 있다. 나아가, 방전관(3000)은 플라즈마 유도를 위해 방전관(3000)에 유입되는 가스와 반응하여 불순물(particle)을 발생시키지 않는 물질로 제조될 수 있다.
방전관(3000)은 공정 챔버와 유체적으로 연결될 수 있다. 여기서, 공정 챔버는 플라즈마 공정이 이루어지는 공간을 정의하고, 방전관(3000)에서 생성된 결과물(ex. 활성종, 합성 가스 등)이 유입되는 챔버로 이해될 수 있다. 예를 들어, 방전관(3000) 및 공정 챔버는 도관을 통해 연결되고, 도관을 통해 방전관(3000)에서 공정 챔버로 유체가 이동할 수 있다.
방전관(3000) 내부 환경은 제어될 수 있다. 구체적으로, 플라즈마 유도를 위해 방전관(3000) 내부의 온도나 압력은 적절한 값을 가지도록 제어되거나 일정 범위 내에서 유지되도록 제어될 수 있다. 이를 위해, 방전관(3000)은 열선이나 열전소자 등의 온도 조절부를 포함할 수 있다. 또한, 방전관(3000)은 내부의 압력을 제어하기 위한 가스 배출부를 포함할 수 있다.
한편, 방전관(3000) 내부 압력은 수행하고자 하는 플라즈마 공정의 종류에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 반도체 공정을 위한 플라즈마 유도의 경우 방전관(3000)은 진공 상태 또는 진공과 유사한 상태로 제어될 수 있다. 다른 예를 들어, 유해 가스의 분해, 매립지 가스의 분해, 합성 가스 생산의 경우 방전관(3000)의 내부 압력은 대기압 또는 대기압에 유사한 압력이 될 수 있다.
이하에서는, 상술한 RF 발생기(1000) 및 플라즈마 발생기(2000)에 대해 보다 구체적으로 서술하도록 한다.
[RF 발생기]
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 RF(radio frequency) 발생기(1000)를 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, RF 발생기(1000)는 교류 전원(1100), 정류기(1200), 인버터(1300), 센서 모듈(1400), 및 제어부(1500)를 포함할 수 있다. RF 발생기(1000)는 교류 전원(1100)에서 공급되는 제1 교류 전력을 제2 교류 전력으로 변환하여 부하에 공급할 수 있다. 예를 들어, RF 발생기(1000)는 가정 또는 산업에서 통상적으로 사용되는 제1 교류 전력을 수백kHz 내지 수십MHz의 주파수 및 수kW 이상의 전력을 가지는 제2 교류 전력으로 변환하여 부하에 제공할 수 있다.
여기서, 부하는 플라즈마 발생기(2000) 및 플라즈마 발생기(2000)에 의해 발생되는 플라즈마를 포함할 수 있다. 이 때, 부하는 유도되는 플라즈마에 의해 시간에 따라 변하는 공진 주파수를 가질 수 있다.
정류기(1200)는 교류 전원(1100)의 출력을 직류로 변환할 수 있다. 정류기(1200)는 교류 전원(1100)에서 공급되는 제1 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 인버터(1300) 양단에 인가할 수 있다. 한편, 본 개시에서 직류 전력은 직류 전류 또는 직류 전압을 의미하는 것으로 해석될 수 있다.
인버터(1300)는 정류기(1200)로부터 직류 전력을 인가 받아 부하에 제2 교류 전력을 공급할 수 있다. 예를 들어, 인버터(1300)는 제어부(1500)로부터 스위치 신호를 수신하고, 수신한 스위치 신호를 이용하여 제2 교류 전력을 부하에 제공할 수 있다.
인버터(1300)는 스위치 신호에 의해 제어되는 적어도 하나의 스위치 소자를 포함할 수 있고, 인버터(1300)에서 부하로 공급되는 제2 교류 전력은 인버터(1300)가 제어부(1500)로부터 제공받는 스위치 신호에 기초하여 설정되는 구동 주파수를 가질 수 있다.
일 예로, 인버터(1300)는 풀 브릿지(full bridge) 형태로 구현될 수 있다. 구체적으로, 인버터(1300)는 제1 내지 제4 스위치(S1, S2, S3, S4)를 포함할 수 있다. 여기서, 제1 내지 제4 스위치(S1, S2, S3, S4)는 제어부(1500)로부터 스위치 신호를 수신하여 턴 온(turn on) 또는 턴 오프(turn off)될 수 있다. 이 때, 제1 및 제3 스위치(S1, S3)가 턴온되고 제2 및 제4 스위치(S2, S4)가 턴오프되면 부하에 양의 전압이 인가되고, 제1 및 제3 스위치(S1, S3)가 턴오프되고 제2 및 제4 스위치(S2, S4)가 턴온되면 부하에 음의 전압이 인가될 수 있다. 이와 같이, 인버터(1300)는 부하에 양의 전압 및 음의 전압을 교번적으로 인가하여 특정 주파수를 가지는 교류 전력을 인가할 수 있다.
인버터(1300)의 구현 방식이 상술한 형태로 제한되는 것은 아니며, 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 기능을 수행하는 회로 구조를 포함하고 있는 구성을 의미할 수 있다.
인버터(1300)는 제어부(1500)의 주파수 제어 방법에 따라, 예를 들어 시간 지연 방식(time delay), 펄스 폭 변조 방식(PWM: Pulse Width Modulation) 또는 이들을 조합하는 방식 등으로 제어될 수 있다.
한편, 정류기(1200)와 인버터(1300) 사이에 용량성 소자가 배치될 수 있다. 예를 들어, RF 발생기(1000)는 정류기(1200) 및 인버터(1300)와 병렬로 연결되는 커패시터(capacitor)를 포함하며, 커패시터는 인버터(1300)에 인가되는 전원의 교류 성분을 접지 노드(GND)로 방전할 수 있다.
제어부(1500)는 스위치 신호를 생성할 수 있다. 구체적으로, 제어부(1500)는 후술하는 센서모듈(1400)로부터 센싱된 데이터를 수신하여 상술한 스위치 신호를 생성할 수 있다. 예를 들어, 제어부(1500)는 센서모듈(1400)로부터 부하의 전류 및 전압 등 공진 주파수와 관련된 데이터를 획득하여 스위치 신호를 생성하도록 구현될 수 있다. 구체적으로, 제어부(1500)는 센서모듈(1400)로부터 획득한 부하에 인가되는 전류의 위상 데이터 및 부하에 인가되는 전압의 위상 데이터를 이용하여 위상차 데이터 또는 지연 시간을 획득하고 이에 기초하여 스위치 신호를 생성할 수 있다.
제어부(1900)는 하드웨어나 소프트웨어 또는 이들의 조합에 따라 중앙처리장치(CPU: Central Processing Unit), 마이크로프로세서(microprocessor), 프로세서 코어(processor core), 멀티프로세서(multiprocessor), ASIC(application-specific integrated circuit), FPGA(field programmable gate array) 등의 장치로 구현될 수 있다.
센서모듈(1400)은 제어부(1500)에 부하의 공진 주파수에 관한 데이터 또는 부하에 공급되는 전력에 관한 데이터를 제공할 수 있다.
도 2에 도시되진 않았으나, 센서모듈(1400)는 변류기, 필터 및 비교기를 포함할 수 있다.
센서모듈(1400)는 변류기를 통해 부하에 흐르는 전류 또는 전압 신호를 입력 받아 크기가 다른 전류 또는 전압 신호로 변환하고, 필터를 이용하여 변환된 전류 또는 전압 신호를 필터링하고, 비교기를 통해 위상 데이터를 제어부(1500)에 출력할 수 있다.
변류기는 인버터(1300) 및 부하 사이의 배선에 유도 결합(inductively coupled)될 수 있고 부하에 인가되는 전압 또는 전류 신호를 변환하여 필터에 제공할 수 있다. 구체적으로, 변류기는 부하와 연결된 도선에 흐르는 전류를 전압 신호로 변환할 수 있다.
필터는 입력 받은 전류 또는 전압 신호에서 직류 성분을 제거하여 비교기에 출력할 수 있다. 이를 위해, 필터는 고대역 통과 필터링(high pass band filter) 또는 저대역 통과 필터링(low pass band filter)을 수행할 수 있다.
비교기는 위상 데이터를 획득할 수 있다. 예를 들어, 비교기는 변류기 또는 필터로부터 획득한 전압 신호와 미리 설정된 값을 비교하여 위상 데이터를 획득할 수 있다. 이 때, 위상 데이터는 부하에 인가되는 전류의 위상 데이터를 의미할 수 있다.
상술한 센서모듈(1400)이 포함하는 구성 중 적어도 하나는 생략될 수 있으며, 다른 방식으로 구현될 수 있음은 물론이다.
상술한 바와 같이, RF 발생기(1000)는 부하의 공진 주파수에 관한 데이터에 기초하여 부하에 제공되는 제2 교류 전력의 구동 주파수를 제어할 수 있다. 다시 말해, RF 발생기(1000)는 플라즈마 발생에 따라 변화하는 부하의 공진 주파수를 추적하여 제2 교류 전력의 구동 주파수를 부하의 공진 주파수와 대응되도록 출력할 수 있다. 이로써, 불필요한 전력 소모를 방지하고 플라즈마 시스템의 내구성을 향상시킬 수 있다.
한편, 도 2에 도시되지 않았으나 RF 발생기(1000)는 메모리를 포함할 수 있다. 메모리는 각종 데이터를 저장할 수 있다. 메모리에는 각종 데이터가 임시적으로 또는 반영구적으로 저장될 수 있다. 메모리의 예로는 하드 디스크(HDD: Hard Disk Drive), SSD(Solid State Drive), 플래쉬 메모리(flash memory), 롬(ROM: Read-Only Memory), 램(RAM: Random Access Memory) 등이 있을 수 있다. 메모리는 RF 발생기(1000)에 내장되는 형태나 탈부착 가능한 형태로 제공될 수 있다.
또한, RF 발생기(1000)는 사용자로부터 입력을 수신하기 위한 입력부를 포함할 수 있다. 입력부는 사용자로부터 사용자 입력을 수신할 수 있다. 사용자 입력은 키 입력, 터치 입력, 음성 음력을 비롯한 다양한 형태로 이루어질 수 있다. 입력부의 예로는 전통적인 형태의 키패드나 키보드, 마우스는 물론, 사용자의 터치를 감지하는 터치 센서 및 그 외의 다양한 형태의 사용자 입력을 감지하거나 입력 받는 다양한 형태의 입력 수단을 모두 포함하는 포괄적인 개념이다.
또한, RF 발생기(1000)는 사용자에게 정보를 제공하기 위한 출력부를 포함할 수 있다. 출력부는 플라즈마 유도 시스템(100)의 상태에 관한 정보(ex. 센서모듈(1400)에 의해 측정되는 센서 값, RF 발생기(1000)의 구동 주파수, 플라즈마 발생기(2000)의 온도 등)를 출력해 사용자에게 이를 제공할 수 있다. 출력부는 영상을 출력하는 디스플레이, 소리를 출력하는 스피커, 진동을 발생시키는 햅틱 장치 및 그 외의 다양한 형태의 출력 수단을 모두 포함하는 포괄적인 개념이다.
이상에서 설명한 RF 발생기(1000)는 그 구성 중 적어도 하나가 생략될 수 있다. 예를 들어, RF 발생기(1000)는 센서모듈(1400)을 포함하지 않고 외부의 센서로부터 부하에 대한 전기적 데이터를 획득할 수 있다. 다른 예를 들어, RF 발생기(1000)는 교류 전원(1100) 및 정류기(1200)를 포함하지 않고 외부로부터 직류 전력 또는 정류된 직류 전력을 제공 받을 수 있다.
[플라즈마 발생기]
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생기(2000) 및 방전관(3000)을 나타내는 도면이다.
도 3을 참고하면, 플라즈마 발생기(2000)는 보조 안테나 구조체(2100) 및 메인 안테나 구조체(2200)를 포함할 수 있다.
보조 안테나 구조체(2100)는 방전관(3000) 주변에 배치될 수 있다. 보조 안테나 구조체(2100)는 방전관(3000)의 외측면을 감싸는 코일 유사 형상(coil-like shape) 또는 환형(ring shape)으로 구현될 수 있다.
보조 안테나 구조체(2100)는 겹층 구조(layered structure)를 가질 수 있다. 보조 안테나 구조체(2100)는 동일하거나 유사한 구조가 방전관(3000)의 길이 방향으로 적층(stacked)되어 있는 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이 보조 안테나 구조체(2100)는 두 개의 층 안테나를 포함하는 2층 구조를 가질 수 있다. 보조 안테나 구조체(2100)의 층 수가 2층으로 한정되는 것은 아니며 필요에 따라 적절하게 결정될 수 있음은 물론이다.
보조 안테나 구조체(2100)의 한 층(one layer of antenna structure)은 복수의 턴들(multi-turns)로 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이 보조 안테나 구조체(2100)는 2개의 턴 안테나, 즉 방전관(3000)의 외면을 감싸는 내측 턴 안테나 및 내측 턴 안테나를 감싸는 외측 턴 안테나로 구성될 수 있다. 보조 안테나 구조체(2100)의 각 층을 구성하는 턴 수가 2 턴으로 한정되는 것은 아니며 필요에 따라 적절하게 결정될 수 있음은 물론이다.
메인 안테나 구조체(2200)는 방전관(3000) 주변에 배치될 수 있다. 메인 안테나 구조체(2200)는 방전관(3000)의 외측면을 감싸는 코일 유사 형상 또는 환형(ring shape)으로 구현될 수 있다.
메인 안테나 구조체(2200)는 겹층 구조를 가질 수 있다. 메인 안테나 구조체(2200)는 동일하거나 유사한 구조가 방전관(3000)의 길이 방향으로 적층되어 있는 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이 메인 안테나 구조체(2200)는 7층 구조를 가질 수 있다. 메인 안테나 구조체(2200)의 층 수가 7층으로 한정되는 것은 아니며 필요에 따라 적절하게 결정될 수 있음은 물론이다.
메인 안테나 구조체(2200)의 한 층은 복수의 턴들로 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이 메인 안테나 구조체(2200)는 2개의 턴 안테나, 즉 방전관(3000)의 외면을 감싸는 내측 턴 안테나 및 내측 턴 안테나를 감싸는 외측 턴 안테나로 구성될 수 있다. 메인 안테나 구조체(2200)의 각 층을 구성하는 턴 수가 2 턴으로 한정되는 것은 아니며 필요에 따라 적절하게 결정될 수 있음은 물론이다.
메인 안테나 구조체(2200)는 적어도 하나의 용량성 소자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 메인 안테나 구조체(2200)를 구성하는 복수의 안테나들 사이에 용량성 소자가 전기적으로 개재(electrically interposed)될 수 있다. 구체적으로, 메인 안테나 구조체(2200)가 복수의 층 안테나를 포함하고, 각 층 안테나는 복수의 턴 안테나를 포함할 때, 복수의 층 안테나 사이에 및/또는 복수의 턴 안테나 사이에 용량성 소자가 전기적으로 개재될 수 있다.
여기서, 용량성 소자는 축전기, 커패시터(capacitor), 적층 세라믹 커패시터, 또는, 울트라 커패시터 등 전기 에너지를 저장하는 기능을 가지는 소자 또는 그 등가 회로를 의미할 수 있다.
메인 안테나 구조체(2200)와 다르게, 보조 안테나 구조체(2100)는 용량성 소자를 포함하지 않을 수 있다. 이는 안테나 구조체에 용량성 소자가 포함되면 안테나 구조체 양단에 인가되는 전압이 상대적으로 낮아지는데, 후술하는 바와 같이 플라즈마 유도 과정에서 보조 안테나 구조체(2100)에는 상대적으로 높은 전압이 인가되어야 하기 때문이다. 물론, 보조 안테나 구조체(2100)가 용량성 소자를 포함할 수도 있으며, 메인 안테나 구조체(2200)가 용량성 소자를 포함하지 않을 수도 있다.
보조 안테나 구조체(2100) 및 메인 안테나 구조체(2200)는 미리 설정된 거리만큼 이격되어 방전관(3000) 주변에 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이 메인 안테나 구조체(2200)는 보조 안테나 구조체(2100)로부터 방전관(3000)의 길이 방향으로 미리 설정된 거리만큼 이격되어 배치될 수 있다.
플라즈마 발생기(2000)는 전술한 바와 같이 RF 발생기(1000)와 전기적으로 연결될 수 있다.
구체적으로, 보조 안테나 구조체(2100)는 제1 RF 발생기와 전기적으로 연결될 수 있다. 보조 안테나 구조체(2100)의 일단은 제1 RF 발생기의 일단에 전기적으로 연결되고, 보조 안테나 구조체(2100)의 타단은 제1 RF 발생기의 타단에 전기적으로 연결될 수 있다. 이 때, 보조 안테나 구조체(2100)의 일단과 제1 RF 발생기의 일단 사이 및/또는 보조 안테나 구조체(2100)의 타단과 제1 RF 발생기의 타단 사이에 용량성 소자가 전기적으로 개재될 수 있다.
또한, 메인 안테나 구조체(2200)는 제2 RF 발생기와 전기적으로 연결될 수 있다. 메인 안테나 구조체(2200)의 일단은 제2 RF 발생기의 일단에 전기적으로 연결되고, 메인 안테나 구조체(2200)의 타단은 제2 RF 발생기의 타단에 전기적으로 연결될 수 있다. 이 때, 메인 안테나 구조체(2200)의 일단과 제2 RF 발생기의 일단 사이 및/또는 메인 안테나 구조체(2200)의 타단과 제2 RF 발생기의 타단 사이에 용량성 소자가 전기적으로 개재될 수 있다.
[플라즈마 유도 과정]
이하에서는 도 4를 참고하여 플라즈마 유도 시스템(10)에서 플라즈마가 유도되는 과정을 서술한다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 플라즈마가 유도되는 과정을 나타내는 도면이다.
도 4를 참고하면, 플라즈마 유도 시스템(10)은 플라즈마가 유도되는 공간을 제공하는 방전관(3000), 방전관(3000) 주변에 배치되는 보조 안테나 구조체(2100), 메인 안테나 구조체(2200), 보조 안테나 구조체(2100)에 전력을 인가하는 제1 RF 발생기(1001), 및 메인 안테나 구조체(2200)에 전력을 인가하는 제2 RF 발생기(1002)를 포함할 수 있다.
플라즈마가 유도되는 과정은 크게 플라즈마 점화(igniting) 과정과 플라즈마 유지(maintaining) 과정으로 구분될 수 있다.
플라즈마 점화 과정에서, 방전관(3000) 내부로 보조 가스가 유입되고, 제1 RF 발생기(1001)에 의해 보조 안테나 구조체(2100)에 전압이 인가되어 전기장(E1)이 형성되면, 유입된 보조 가스가 전기장(E1)에 의해 가속되어 플라즈마로 상 전이(phase transition)하게 된다. 플라즈마 점화 과정에서 플라즈마는 축전 결합(capacitive coupling)이 지배적인 E mode에서 전자 밀도가 증가함에 따라 유도 결합(inductive coupling)이 지배적인 H mode로 전이된다.
한편, 보조 안테나 구조체(2100)는 설명의 편의를 위해 메인 안테나 구조체(2200)와 구별하기 위한 표현임을 미리 밝혀 둔다. 보조 안테나 구조체(2100)는 상술한 바와 같이 플라즈마 점화에 관여하는 점에서 점화 안테나 구조체로 지칭되거나, 임의의 안테나 구조체를 의미하는 제1 안테나 구조체로도 지칭될 수 있다.
점화 과정에 앞서 방전관(3000) 내부의 전하 밀도를 높이는 과정이 선행될 수 있다. 구체적으로, 방전관(3000)에 부착된 전극에 DC 펄스 전압을 인가하여 방전관(3000) 내부에 고전압을 인가하여 가스를 이온화시켜 방전관(3000) 내부의 전하밀도를 높일 수 있다.
플라즈마 유지 과정에서, 제2 RF 발생기(1002)에 의해 메인 안테나 구조체(2200)에 교류 전류가 흘러 지속적으로 변화하는 자기장이 발생하고, 자기장의 변화에 따라 유도 전기장(E2)이 형성되면, H mode 플라즈마 상태의 입자들이 유도 전기장(E2)에 의해 지속적으로 이동하여 플라즈마가 안정적으로 유지될 수 있다.
한편, 메인 안테나 구조체(2200)는 설명의 편의를 위해 보조 안테나 구조체(2100)와 구별하기 위한 표현이다. 메인 안테나 구조체(2200)는 상술한 바와 같이 플라즈마 유지에 관여하는 점에서 유지 안테나 구조체로 지칭되거나 임의의 안테나 구조체를 지칭하는 제2 안테나 구조체로 지칭될 수 있다.
다시 말해, 플라즈마가 유도되는 과정은 보조 안테나 구조체(2100) 및 제1 RF 발생기(1001)가 이용되어 보조 가스가 E mode 플라즈마 상태로 된 후 H mode 플라즈마 상태로 전이되고, 메인 안테나 구조체(2200) 및 제2 RF 발생기(1002)가 이용되어 H mode 플라즈마 상태가 유지되는 것으로 이해될 수 있다.
이 때, 보조 안테나 구조체(2100)와 메인 안테나 구조체(2200) 각각은 전압 또는 전류가 인가됨에 따라 자기장을 발생시키는데, 이러한 자기장의 발생은 후술하는 바와 같이 플라즈마 유도 외에 RF 발생기(1000)의 손상이나 오작동이라는 문제점을 야기할 수 있다.
[종래 문제점]
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 보조 안테나 구조체(2100)에 의해 메인 안테나 구조체(2200)에 유도 기전력이 발생되는 과정을 나타내는 도면이다. 도 5는 플라즈마 유도 시스템(10)에서 플라즈마 발생기(2000)에 전력이 인가되는 것을 도식화한 것으로, 플라즈마 발생기(2000)의 형상이나 구조를 개략적으로 도시했음을 미리 밝혀 둔다.
도 4에서 서술한 플라즈마 점화 과정에서 제1 RF 발생기(1001)에 의해 보조 안테나 구조체(2100)에 교류 전력이 인가되면 보조 안테나 구조체(2100)에 흐르는 전류에 의해 자기장이 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이 보조 안테나 구조체(2100)에 시계 방향으로 전류가 흐르면 방전관(3000)의 중심축에 평행한 방향 중 제1 방향을 중심으로 자기장이 형성될 수 있다(앙페르 회로 법칙). 다른 예를 들어, 보조 안테나 구조체(2100)에 반시계 방향으로 전류가 흐르면 제1 방향과 반대 방향인 제2 방향을 중심으로 자기장이 형성될 수 있다.
여기서, 제1 방향은 방전관(3000)의 윗면에서 아랫면을 향하는 방향으로, 보조 가스나 공정 가스가 유입되는 방향, 보조 안테나 구조체(2100)로부터 메인 안테나 구조체(2200)가 이격된 방향, 또는 방전관(3000) 내에서 점화된 플라즈마가 이동하는 방향을 의미할 수 있다. 제2 방향은 방전관(3000)의 아랫면에서 윗면을 향하는 방향으로, 제1 방향의 반대 방향을 의미할 수 있다.
보조 안테나 구조체(2100)에 의해 형성된 자기장은 메인 안테나 구조체(2200)가 위치한 영역에 자기장의 변화를 야기하고, 이에 따라 메인 안테나 구조체(2200)에 유도 기전력이 발생하게 된다.
메인 안테나 구조체(2200)에 발생하는 유도 기전력은 메인 안테나 구조체(2200)와 전기적으로 연결되어 있는 제2 RF 발생기(1002)에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 메인 안테나 구조체(2200)에 발생하는 유도 기전력에 의해 제2 RF 발생기(1002)에 전압 스트레스(voltage stress)가 발생할 수 있다. 이러한 전압 스트레스는 제2 RF 발생기(1002)가 손상되거나 플라즈마 유도 과정에서 예상하지 못한 방향으로 작동되는 원인이 될 수 있다.
상술한 문제는 보조 안테나 구조체(2100)가 플라즈마를 점화하는 역할을 수행하는 점에서 특히 두드러진다. 플라즈마 점화를 위해서는 강한 전기장이 필요하고, 강한 전기장을 형성하기 위해 보조 안테나 구조체(2100)에 상대적으로 높은 전압이 인가되어야 하며, 그에 따라 보조 안테나 구조체(2100)에 의해 발생되는 자기장의 세기 역시 증가되므로, 메인 안테나 구조체(2200)에 발생하는 유도 기전력의 크기, 즉 제2 RF 발생기(1002)에 대한 부담도 증가되는 것이다.
또한, 상술한 바와 같이 보조 안테나 구조체(2100)에서 점화된 플라즈마가 메인 안테나 구조체(2200) 방향으로 이동하는 과정에서 제2 RF 발생기(1002)가 구동하면서 제1 RF 발생기(1001)의 작동이 중단된다. 여기서, 제1 RF 발생기(1001)와 제2 RF 발생기(1002)가 동시에 구동되는 구간(약 1~5초)이 나타나며, 이 구간에서 제1 RF 발생기(1001)에 의해 메인 안테나 구조체(2200)에 유도 기전력이 발생하는 도중에 제2 RF 발생기(1002)가 전력을 제공하게 되어 이상 동작이나 제2 RF 발생기(1002)가 손상될 여지가 발생하게 된다.
이러한 제2 RF 발생기(1002)의 손상이나 오작동은 플라즈마 유도 시스템(10)의 효율성과 안정성과 직결되는 바, 필수적으로 해결되어야 하는 사항 또는 제품이 강한 경쟁력을 갖추기 위한 사항이라 볼 수 있다.
[자기장 상쇄 방법]
이하에서는 도 6 내지 도 8을 참고하여 상술한 문제점을 해결하기 위한 방법에 대해 서술한다.
플라즈마 유도 시스템(10)은 보조 안테나 구조체(2100)에 의해 발생되는 자기장을 상쇄시키는 수단을 포함할 수 있다. 예를 들어, 플라즈마 유도 시스템(10)은 보조 안테나 구조체(2100)에 의해 발생되는 자기장의 반대 방향으로 자기장을 형성하는 수단을 포함할 수 있다.
이하에서는 보조 안테나 구조체(2100)에 의한 자기장을 상쇄시키기 위한 구성으로 상쇄 안테나 구조체를 이용하는 경우에 대해 서술한다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른 상쇄 안테나 구조체(2300)를 나타내는 도면이다.
플라즈마 발생기(2000)는 상쇄 안테나 구조체(2300)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 6을 참고하면 플라즈마 발생기(2000)는 보조 안테나 구조체(2100) 및 메인 안테나 구조체(2200) 사이에 배치되는 상쇄 안테나 구조체(2300)를 포함할 수 있다.
상쇄 안테나 구조체(2300)는 후술하는 바와 같이 전류가 인가되면 보조 안테나 구조체(2100)에서 생성하는 자기장과 반대 방향의 자기장을 생성하여 보조 안테나 구조체(2100)에 의해 생성되는 자기장의 적어도 일부를 상쇄(cancel)시킬 수 있다.
상쇄 안테나 구조체(2300)는 다양한 형상으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 상쇄 안테나 구조체(2300)는 하나의 층 또는 겹층 구조를 가질 수 있고, 상쇄 안테나 구조체(2300)의 한 층은 하나의 턴 또는 복수의 턴들로 구성될 수 있다.
이 때, 상쇄 안테나 구조체(2300)의 형상이나 구조에 따라 플라즈마 발생기(2000)의 설계 상의 복잡도가 증가, 기생 커패시턴스(parasitic capacitance) 존재, 보조 안테나 구조체(2100)의 전자기장 감쇄 등의 문제점이 발생하는 바, 이러한 문제점들을 고려하여 상쇄 안테나 구조체(2300)의 최적의 형상 또는 최적의 구조가 결정될 필요가 있다. 상쇄 안테나 구조체(2300)의 형상이나 구조에 대해서는 후술하도록 한다.
상쇄 안테나 구조체(2300)는 보조 안테나 구조체(2100)와 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이, 제3 단(2310)은 제2 단(2120)과 전기적으로 연결될 수 있다.
이 때, 제1 단(2110)은 제1 RF 발생기(1001)의 일단에 전기적으로 연결되고, 제4 단(2320)은 제1 RF 발생기(1001)의 타단에 전기적으로 연결될 수 있다. 결과적으로 제1 RF 발생기(1001), 보조 안테나 구조체(2100), 및 상쇄 안테나 구조체(2300)는 폐회로를 구성할 수 있고, 보조 안테나 구조체(2100)와 상쇄 안테나 구조체(2300)는 폐회로 내에서 직렬 연결될 수 있다.
상술한 바와 같이 보조 안테나 구조체(2100)와 상쇄 안테나 구조체(2300)는 서로 전기적으로 연결된 상태에서 제1 RF 발생기(1001)로부터 특정 또는 가변하는 주파수를 가지는 교류 전력을 제공받을 수 있다. 다시 말해, 보조 안테나 구조체(2100) 및 상쇄 안테나 구조체(2300) 각각에 인가되는 교류 전력의 주파수가 실질적으로 동일할 수 있다.
한편, 상술한 바와 같이 상쇄 안테나 구조체(2300)는 보조 안테나 구조체(2100)와 직렬 연결되되, 상쇄 안테나 구조체(2300)에 의해 발생하는 자기장의 방향은 보조 안테나 구조체(2100)에 의해 발생하는 자기장의 방향과 반대일 수 있다. 다시 말해, 보조 안테나 구조체(2100) 및 상쇄 안테나 구조체(2300)가 직렬 연결된 상태에서 전류가 흐르면, 보조 안테나 구조체(2100) 및 상쇄 안테나 구조체(2300)는 서로 반대 방향으로 자기장을 형성하여 서로 상쇄될 수 있다.
한편, 서로 직렬 연결된 보조 안테나 구조체(2100) 및 상쇄 안테나 구조체(2300)는 하나의 안테나 구조체로 지칭될 수도 있다.
상쇄 안테나 구조체(2300) 및 보조 안테나 구조체(2100)는 연결부재(2400)를 통해 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이 상쇄 안테나 구조체(2300) 및 보조 안테나 구조체(2100)는 연결부재(2400)를 통해 연결될 수 있다. 구체적으로, 제3 단(2310) 및 제2 단(2120)이 연결부재(2400)를 통해 연결될 수 있다.
연결부재(2400)는 다양한 형태(form)로 구현될 수 있다. 예를 들어, 연결부재(2400)는 버스바(busbar) 및 접속 부재(ex. 볼트(bolt), 클램프(clamp) 등)를 포함할 수 있다. 이 때, 보조 안테나 구조체(2100) 및 상쇄 안테나 구조체(2300) 각각에 접속 부재를 통해 버스바가 조립될 수 있다.
연결부재(2400)는 다양한 형상(shape)으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이 연결부재(2400)는 직선 막대형으로 구현될 수 있다. 다른 예를 들어, 연결부재(2400)는 굴곡을 가지는 막대형으로 구현될 수도 있다. 연결부재(2400)의 형상은 방전관(3000)의 외측면의 형상, 제2 단(2120) 및 상쇄 안테나의 일단(2310)의 위치관계에 따라 설계될 수 있다.
연결부재(2400)는 다양한 재료로 구성될 수 있다. 예를 들어, 금속(ex. 알루미늄, 구리 등) 등의 도체를 이용하여 연결부재(2400)가 제조될 수 있다. 상쇄 안테나 구조체(2300) 및/또는 보조 안테나 구조체(2100)와 동일하거나 유사한 재료로 제조될 수 있다.
연결부재(2400)는 유체가 유동하기 위한 유로를 제공할 수 있다. 상술한 보조 안테나 구조체(2100) 및 상쇄 안테나 구조체(2300)는 방전관(3000)이 고온의 플라즈마에 의해 손상되는 것을 방지하기 위해 내부에 냉각수가 흐르기 위한 유로를 제공할 수 있다. 구체적으로, 보조 안테나 구조체(2100)는 제1 유로를 제공하고, 상쇄 안테나 구조체(2300)가 제2 유로를 제공할 수 있다. 여기서, 연결부재(2400)는 보조 안테나 구조체(2100) 제공하는 제1 유로 및 상쇄 안테나 구조체(2300)가 제공하는 제2 유로를 유체적으로 연결하기 제3 유로를 제공할 수 있다.
냉각수는 보조 안테나 구조체(2100)의 제1 유로, 연결부재(2400)의 제3 유로, 및 상쇄 안테나 구조체(2300)의 제2 유로를 따라 흐를 수 있다. 냉각수의 흐름에 따라 보조 안테나 구조체(2100) 및 상쇄 안테나 구조체(2300)가 냉각될 수 있다. 특히, 냉각수의 흐름에 따라 보조 안테나 구조체(2100) 중 가장 내측에 배치되는 안테나 및 상쇄 안테나 구조체(2300) 중 가장 내측에 배치되는 안테나가 냉각될 수 있다. 또는, 보조 안테나 구조체(2100) 중 방전관(3000)에 접촉하는 안테나 및 상쇄 안테나 구조체(2300) 중 방전관(3000)에 접촉하는 안테나가 냉각될 수 있다. 이 때, 방전관(3000)의 열은 방전관(3000)의 측벽, 방전관(3000)에 접촉하는 안테나의 접촉면, 방전관(3000)에 접촉하는 안테나의 내측면을 통해 방전관(3000)에 접촉하는 안테나에 흐르는 냉각수로 이동할 수 있다. 그 결과 방전관(3000)이 냉각될 수 있다.
한편, 연결부재(2400)는 방전관(3000)으로부터 이격되어 배치될 수 있다. 구체적으로, 보조 안테나 구조체(2100)의 최내측 안테나와 상쇄 안테나 구조체(2300)의 최내측 안테나가 방전관(3000)에 접촉할 때, 연결부재(2400)는 방전관(3000)에 접촉하지 않을 수 있다. 만약 연결부재(2400)가 방전관(3000)에 접촉하도록 배치되는 경우, 연결부재(2400)가 제공하는 유로에 흐르는 냉각수에 의해 방전관(3000)의 일 부분만 냉각될 수 있다. 방전관(3000)의 일 부분만 냉각되는 경우 방전관(3000)의 온도 불균형이 발생하고, 그에 따라 방전관(3000)의 일부분이 다른 부분에 비해 팽창하거나 수축하는 정도가 달라져 방전관(3000)의 물리적 손상이 야기될 수 있다. 따라서, 연결부재(2400)에 흐르는 냉각수에 의해 방전관(3000)의 일부만이 냉각되지 않도록 연결부재(2400)가 방전관(3000)으로부터 미리 설정된 거리만큼 이격되어 배치될 수 있다.
다만, 연결부재(2400)가 방전관(3000)에 접촉하되, 방전관(3000)의 온도 불균형을 야기시키지 않도록 연결부재(2400)가 방전관(3000)에 접촉하되, 방전관(3000)의 외측면을 감는 형상으로 구현될 수도 있다.
또는, 연결부재(2400)는 냉각수가 이동하기 위한 유로를 제공하지 않을 수 있다. 이 때, 보조 안테나 구조체(2100)의 제1 유로와 상쇄 안테나 구조체(2300)의 제2 유로는 유체적으로 연결되지 않고 각각 별도의 수단으로 냉각수를 공급받을 수 있다. 이 경우, 연결부재(2400)는 방전관(3000)에 접촉한 상태로 배치될 수도 있고 방전관(3000)으로부터 이격된 상태로 배치될 수도 있다.
상쇄 안테나 구조체(2300) 및 보조 안테나 구조체(2100)는 일체로 구성될 수도 있다. 예를 들어, 상쇄 안테나 구조체(2300) 및 보조 안테나 구조체(2100)는 하나의 금형(mold)을 통해 일체형 안테나 구조체로 제조될 수 있다. 이 때, 일체형 안테나 구조체는 연결부재(2400)에 대응하는 연결부분을 포함할 수 있다.
이하에서는 도 7을 참고하여 상쇄 안테나 구조체(2300)의 기능에 대해 구체적으로 서술한다. 도 7은 플라즈마 유도 시스템(10)에서 플라즈마 발생기(2000)에 전력이 인가되는 것을 도식화한 것으로, 플라즈마 발생기(2000)의 형상이나 구조를 개략적으로 도시했음을 미리 밝혀 둔다.
상쇄 안테나 구조체(2300)는 보조 안테나 구조체(2100)에 의해 형성되는 자기장의 방향과 반대 방향의 자기장을 형성할 수 있다. 예를 들어, 도 7을 참고하면 보조 안테나 구조체(2100)에 흐르는 전류 방향(ex. 시계 방향)에 따라 제1 방향을 중심으로 제1 자기장이 형성될 때, 상쇄 안테나 구조체(2300)에 의해 발생되는 제2 자기장은 제2 방향을 중심으로 형성될 수 있다. 다른 예를 들어, 보조 안테나 구조체(2100)에 흐르는 전류 방향이 도 7에 도시된 방향의 반대 방향(ex. 반시계 방향)인 경우, 보조 안테나 구조체(2100)에 의해 형성되는 제1 자기장은 제2 방향을 중심으로 형성되고 상쇄 안테나 구조체(2300)에 의해 형성되는 제2 자기장은 제1 방향을 중심으로 형성될 수 있다.
다시 말해, 보조 안테나 구조체(2100)에 의해 형성되는 제1 자기장의 적어도 일부는 상쇄 안테나 구조체(2300)에 의해 형성되는 제2 자기장에 의해 상쇄될 수 있다. 이 경우, 메인 안테나 구조체(2200)에 영향을 주는 자기장의 세기가 약해져 발생하는 유도 기전력의 크기 역시 작아질 수 있다.
이처럼, 보조 안테나 구조체(2100)에 의해 형성되는 자기장과 상쇄 안테나 구조체(2300)에 의해 형성되는 자기장이 서로 상쇄되기 위해서는 후술하는 바와 같이 보조 안테나 구조체(2100)의 감김 방향과 상쇄 안테나 구조체(2300)의 감김 방향이 서로 달라야 한다.
이하에서는 도 8의 (a)를 참고하여 보조 안테나 구조체(2100)의 감김 방향 및 상쇄 안테나 구조체(2300)의 감김 방향에 대해 서술한다.
도 8의 (a)는 본 개시의 일 실시예에 따른 보조 안테나 구조체(2100) 및 상쇄 안테나 구조체(2300)의 감김 방향을 나타내는 도면이다.
도 8의 (a)는 제1 RF 발생기(1001), 보조 안테나 구조체(2100), 상쇄 안테나 구조체(2300), 및 방전관(3000)을 방전관(3000)의 위쪽에서 바라본 상태를 도식화한 것으로, 이해를 돕기 위해 보조 안테나 구조체(2100) 및 상쇄 안테나 구조체(2300)를 간략하게 도시하였다.
보조 안테나 구조체(2100) 및 상쇄 안테나 구조체(2300)는 각각 방전관(3000)에 대해 감김 방향을 가질 수 있다. 각 안테나 구조체의 감김 방향은 특정 기준에 따라 정의될 수 있다. 다르게 말하면, 각 안테나 구조체의 감김 방향은 기준이 달라짐에 따라 변경될 수 있다.
보조 안테나 구조체(2100)의 감김 방향은 방전관(3000)의 위쪽에서 아래쪽을 향하는 방향을 따라 보조 안테나 구조체(2100)가 연장되는 방향으로 정의될 수 있다. 예를 들어, 도 6 또는 도 8의 (a)에 도시된 바와 같이 보조 안테나 구조체(2100)는 제1 방향을 따라 제1 단(2110)에서 제2 단(2120)으로 연장되고, 이 때 보조 안테나 구조체(2100)는 방전관(3000)에 대해 제1 감김 방향을 가진다. 도 8의 (a)에서 제1 감김 방향은 반시계 방향이고, 보조 안테나 구조체(2100)는 방전관(3000)에 반시계 방향으로 감겨 있는 것으로 이해될 수 있다.
보조 안테나 구조체(2100)의 감김 방향은 제1 RF 발생기(1001) 및 상쇄 안테나 구조체(2300)를 기준으로 정의될 수도 있다. 예를 들어, 도 8의 (a)에 도시된 바와 같이 보조 안테나 구조체(2100) 중 제1 RF 발생기(1001)와 연결되는 제1 단(2110)과 상쇄 안테나 구조체(2300)와 연결되는 제2 단(2120)을 기준으로 보조 안테나 구조체(2100)의 감김 방향이 정의될 수 있다. 구체적으로, 보조 안테나 구조체(2100)의 감김 방향은 제1 단(2110)에서 제2 단(2120)으로 연장되는 방향인 제1 감김 방향일 수 있다. 이 경우에도 도 8의 (a)에서 제1 감김 방향은 반시계 방향이고, 보조 안테나 구조체(2100)는 방전관(3000)에 반시계 방향으로 감겨 있는 것으로 이해될 수 있다.
상쇄 안테나 구조체(2300)의 감김 방향은 보조 안테나 구조체(2100) 및 제1 RF 발생기(1001)를 기준으로 정의될 수 있다. 예를 들어, 도 8의 (a)에 도시된 바와 같이 상쇄 안테나 구조체(2300) 중 보조 안테나 구조체(2100)와 연결되는 제3 단(2310)과 제1 RF 발생기(1001)와 연결되는 제4 단(2320)을 기준으로 상쇄 안테나 구조체(2300)의 감김 방향이 정의될 수 있다. 구체적으로, 상쇄 안테나 구조체(2300)의 감김 방향은 제3 단(2310)에서 제4 단(2320)으로 연장되는 방향인 제2 감김 방향일 수 있다. 도 8의 (a)에서 제2 감김 방향은 시계 방향이고, 상쇄 안테나 구조체(2300)는 방전관(3000)에 시계 방향으로 감겨 있는 것으로 이해될 수 있다.
상쇄 안테나 구조체(2300)의 감김 방향은 상술한 기준 중 방전관(3000)의 위쪽에서 아래쪽을 향하는 방향을 따라 상쇄 안테나 구조체(2300)가 연장되는 방향으로 정의될 수도 있다.
도 8의 (a)에서는 방전관(3000)에 대해 보조 안테나 구조체(2100)는 반시계 방향으로 감기고, 상쇄 안테나 구조체(2300)는 시계 방향으로 감기는 것으로 도시되어 있으나, 본 개시의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니며 보조 안테나 구조체(2100)의 제1 감김 방향은 시계 방향일 수도 있고, 상쇄 안테나 구조체(2300)의 제2 감김 방향은 반시계 방향일 수도 있다.
보조 안테나 구조체(2100)의 감김 방향과 상쇄 안테나 구조체(2300)의 감김 방향은 서로 다를 수 있다. 구체적으로, 보조 안테나 구조체(2100)의 감김 방향과 상쇄 안테나 구조체(2300)의 감김 방향은 서로 반대 방향일 수 있다.
도 8의 (a)를 참고하면, 보조 안테나 구조체(2100)의 제1 감김 방향은 반시계 방향이고, 상쇄 안테나 구조체(2300)의 제2 감김 방향은 시계 방향으로 서로 반대 방향일 수 있다.
보조 안테나 구조체(2100)와 상쇄 안테나 구조체(2300)가 서로 직렬 연결된 상태에서, 방전관(3000)에 대한 감김 방향이 반대인 경우 보조 안테나 구조체(2100) 및 상쇄 안테나 구조체(2300)에 전류가 흐르면 보조 안테나 구조체(2100)에 의해 형성되는 자기장과 상쇄 안테나 구조체(2300)에 의해 형성되는 자기장이 서로 상쇄될 수 있다.
상술한 안테나 구조체의 감김 방향과 같은 맥락으로, 보조 안테나 구조체(2100)에 흐르는 전류의 방향과 상쇄 안테나 구조체(2300)에 흐르는 전류의 방향이 서로 다를 수 있다.
도 8의 (b)는 본 개시의 일 실시예에 따른 보조 안테나 구조체(2100) 및 상쇄 안테나 구조체(2300)에 흐르는 전류의 방향을 나타내는 도면이다. 설명의 편의를 위해 도 8의 (b)에서 보조 안테나 구조체(2100) 및 상쇄 안테나 구조체(2300)는 간략하게 도시되었다.
도 8의 (b)를 참고하면, 제1 RF 발생기(1001)에 의해 보조 안테나 구조체(2100) 및 상쇄 안테나 구조체(2300)에 전류가 흐를 때, 보조 안테나 구조체(2100)에서 전류가 제1 전류 흐름 방향으로 흐를 때 상쇄 안테나 구조체(2300)에서 전류는 제2 전류 흐름 방향으로 흐른다. 이 때, , 제1 전류 흐름 방향과 제2 전류 흐름 방향은 서로 반대 방향일 수 있다.
도 8의 (b)에서는 보조 안테나 구조체(2100)에서의 제1 전류 흐름 방향이 반시계 방향이고 상쇄 안테나 구조체(2300)에서의 제2 전류 흐름 방향이 시계 방향인 상태가 도시되어 있으나, 제1 RF 발생기(1002)에서 교류 전류가 제공되는 점에서 제1 전류 흐름 방향이 시계 방향이 되고 제2 전류 흐름 방향이 반시계 방향이 될 수 있음은 자명하다. 다만, 제1 전류 흐름 방향과 제2 전류 흐름 방향은 실질적으로 반대 방향일 수 있다.
다시 말해, 임의의 시점에서 보조 안테나 구조체(2100)에 흐르는 전류의 방향과 상쇄 안테나 구조체(2300)에 흐르는 전류의 방향은 서로 반대이고, 그에 따라 보조 안테나 구조체(2100)에 의해 발생되는 자기장과 상쇄 안테나 구조체(2300)에 의해 발생되는 자기장이 서로 상쇄될 수 있다.
보조 안테나 구조체(2100) 및 상쇄 안테나 구조체(2300)는 차동 접속(differential coupling) 방식으로 연결될 수 있다. 차동 접속 방식이란 임의의 두 안테나의 연결 방식 중 하나로, 차동 접속으로 연결된 두 안테나에 전류가 흐르면 각각의 안테나에 의해 생성되는 자기장은 서로 반대 방향이 된다.
보조 안테나 구조체(2100) 및 상쇄 안테나 구조체(2300)는 상술한 차동 접속 방식으로 연결되어 보조 안테나 구조체(2100) 및 상쇄 안테나 구조체(2300) 각각에서 발생하는 자기장이 서로 상쇄될 수 있다.
이상에서는 보조 안테나 구조체(2100) 및 상쇄 안테나 구조체(2300)가 서로 직렬 연결된 경우에 대해 주로 서술하였으나, 본 개시의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 보조 안테나 구조체(2100) 및 상쇄 안테나 구조체(2300)는 제1 RF 발생기(1001)에 병렬로 연결될 수도 있으며, 이 경우에도 보조 안테나 구조체(2100) 및 상쇄 안테나 구조체(2300)는 감김 방향이 반대이거나, 전류 흐름 방향이 반대이거나, 차동 접속 방식으로 연결될 수 있다. 이 때, 보조 안테나 구조체(2100) 및 상쇄 안테나 구조체(2300)를 연결하는 연결부재(2400)는 생략될 수 있다.
또한, 이상에서는 보조 안테나 구조체(2100)와 상쇄 안테나 구조체(2300)가 모두 제1 RF 발생기(1001)와 전기적으로 연결된 경우에 대해 주로 서술하였으나, 본 개시의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 보조 안테나 구조체(2100)와 상쇄 안테나 구조체(2300)가 서로 다른 RF 발생기에 연결될 수 있으며, 이 경우 보조 안테나 구조체(2100)에 의해 형성되는 자기장과 상쇄 안테나 구조체(2300)에 의해 형성되는 자기장이 서로 상쇄되도록 반대 방향의 전류가 흐르도록 제어될 수 있다. 다만, 서로 다른 RF 발생기를 이용하여 보조 안테나 구조체(2100)와 상쇄 안테나 구조체(2300)에 반대 방향의 전류가 흐르도록 하기 위해서는 부가적인 제어 회로가 필요하여 플라즈마 유도 시스템(10)의 복잡도를 증가시킬 수 있는 점에서 하나의 RF 발생기를 이용하는 것이 보다 효과적이라고 할 수 있다.
이상에서는, 보조 안테나 구조체(2100)에서 형성된 자기장이 메인 안테나 구조체(2200)에 영향을 미치는 것을 최소화하기 위해 상쇄 안테나 구조체(2300)를 이용하는 방법에 대해 서술하였다. 플라즈마 유도 시스템(10)은 상쇄 안테나 구조체(2300)를 포함함으로써 보조 안테나 구조체(2100)에 의해 메인 안테나 구조체(2200)에 불필요한 유도 기전력이 발생하는 것을 막고, 나아가 메인 안테나 구조체(2200)와 연결된 교류 전원이 손상되거나 오작동하는 것을 방지할 수 있다.
[상쇄 안테나 구조체의 최적화 설계 방법]
한편, 상쇄 안테나 구조체(2300)에 의해 형성되는 자기장은 상술한 바와 같이 보조 안테나 구조체(2100)에 의해 형성되는 자기장을 상쇄시킬 수도 있지만, 더하여 보조 안테나 구조체(2100)에서 플라즈마 점화를 위해 필요한 기전력을 감소시킬 수도 있다.
도 9는 본 개시의 일 실시예에 따른 상쇄 안테나에 의해 발생하는 자기장이 보조 안테나에 영향을 주는 과정을 나타내는 도면이다.
도 9를 참고하면, 보조 안테나 구조체(2100)가 배치된 공간에 상쇄 안테나 구조체(2300)에 의해 제2 자기장이 형성되면서 보조 안테나 구조체(2100)을 통과하는 자기선속의 수가 줄어 든다. 그 결과 플라즈마 점화에 이용되는 기전력의 세기가 감소하게 되어 플라즈마 점화의 안정성이 저하될 수 있다.
상술한 바와 같이, 만약 상쇄 안테나 구조체(2300)에 의해 발생하는 자기장이 보조 안테나 구조체(2100)에 과도한 영향을 주는 경우 플라즈마 점화가 불안정해질 수 있으므로, 상쇄 안테나 구조체(2300)의 구조나 특성이 적절하게 설계되어야 할 필요가 있다.
이하에서는 도 10 및 도 11을 참고하여 플라즈마 유도 시스템(10)의 안정성 및 효율성이 최적화되도록 상쇄 안테나 구조체(2300)의 구조나 특성을 결정하는 방법에 대해 서술한다.
도 10은 본 개시의 일 실시예에 따른 보조 안테나 구조체(2100) 및 메인 안테나 구조체(2200) 사이에 배치되는 상쇄 안테나 구조체(2300)를 나타내는 도면이다.
상쇄 안테나 구조체(2300)의 인덕턴스(inductance)는 보조 안테나 구조체(2100)의 인덕턴스 보다 작게 설정될 수 있다. 안테나 구조체에 의해 발생되는 자기장의 세기는 안테나 구조체의 인덕턴스에 비례하는 점에서, 상쇄 안테나 구조체(2300)의 인덕턴스가 보조 안테나 구조체(2100)의 인덕턴스보다 큰 값을 가지면 도 9에서 서술한 바와 같이 상쇄 안테나 구조체(2300)에 의해 보조 안테나 구조체(2100)에서 발생하는 기전력이 감소되어 플라즈마 점화 과정의 안정성이 저해될 수 있기 때문이다.
또는, 상쇄 안테나 구조체(2300)와 보조 안테나 구조체(2100)가 직렬 연결되어 있는 점에서, 상쇄 안테나 구조체(2300)의 인덕턴스가 보조 안테나 구조체(2100)의 인덕턴스보다 커지는 경우 보조 안테나 구조체(2100)에 인가되는 전압의 크기가 플라즈마 점화 과정에 필요한 전압의 크기보다 작아져 플라즈마 점화가 실패할 위험이 발생한다. 만약 이를 해결하기 위해 제1 RF 발생기(1001)에서 인가하는 교류 전력의 크기를 증가시키는 것이 고려될 수 있는데, 이는 플라즈마 유도 시스템(10)의 전반적인 환경이나 사양(specification)을 변경하는 것이 되어 비효율적이다.
따라서, 상쇄 안테나 구조체(2300)의 인덕턴스는 보조 안테나 구조체(2100)의 인덕턴스 보다 작은 것이 바람직하다. 다만, 보조 안테나 구조체(2100)의 인덕턴스보다 상쇄 안테나 구조체(2300)의 인덕턴스를 크도록 설계하되, 보조 안테나 구조체(2100)와 상쇄 안테나 구조체(2300) 사이의 연결 관계 및/또는 위치 관계를 변경하여 플라즈마 점화가 안정적으로 이루어지도록 설계하는 것도 가능하다.
상쇄 안테나 구조체(2300)의 인덕턴스가 보조 안테나 구조체(2100)의 인덕턴스보다 작은 점을 고려할 때, 상쇄 안테나 구조체(2300)는 보조 안테나 구조체(2100)와 비교할 때 상대적으로 구조가 간단할 수 있다. 예를 들어, 보조 안테나 구조체(2100)가 3층으로 구성되고 각 층마다 3턴의 안테나를 포함할 때, 상쇄 안테나 구조체(2300)는 1턴의 안테나를 포함하는 1층으로 구성될 수 있다.
다시 말해, 상쇄 안테나 구조체(2300)의 층 수는 보조 안테나 구조체(2100)의 층 수 이하일 수 있고, 상쇄 안테나 구조체(2300)의 각 층을 구성하는 턴 수는 보조 안테나 구조체(2100)의 각 층을 구성하는 턴 수 이하일 수 있다. 다만, 상쇄 안테나 구조체(2300)의 인덕턴스가 보조 안테나 구조체(2100)의 인덕턴스 보다 작다는 조건 하에 상쇄 안테나 구조체(2300)의 층 수나 각 층을 구성하는 턴 수가 보조 안테나 구조체(2100)의 층 수나 각 층을 구성하는 턴 수 보다 클 수도 있다.
도 10에 도시된 바와 같이 상쇄 안테나 구조체(2300)는 보조 안테나 구조체(2100) 및 메인 안테나 구조체(2200) 사이에 배치되는 것이 바람직하다. 상쇄 안테나 구조체(2300)가 보조 안테나 구조체(2100)의 내측 또는 외측에 배치되거나 보조 안테나 구조체(2100)로부터 제2 방향으로 이격되어 배치되는 경우, 상쇄 안테나 구조체(2300)에 의해 형성되는 자기장의 세기가 커져야 하고 이는 곧 플라즈마 유도 시스템(10)의 효율성을 저해하는 결과를 야기하기 때문이다. 또한, 상쇄 안테나 구조체(2300)가 메인 안테나 구조체(2200)의 내측 또는 외측에 배치되거나 메인 안테나 구조체(2200)로부터 제1 방향으로 이격되어 배치되는 경우 플라즈마 발생기(2000)의 부피가 증가하는 등 기구적인 복잡도가 증가하게 되어 마찬가지로 플라즈마 유도 시스템(10)의 효율성을 저해하게 되기 때문이다.
도 10을 참고하면, 상쇄 안테나 구조체(2300)는 보조 안테나 구조체(2100)로부터 제1 방향으로 제1 거리(D1)만큼 떨어져 배치되고, 메인 안테나 구조체(2200)로부터 제2 방향으로 제2 거리(D2)만큼 떨어져 배치될 수 있다. 또한, 메인 안테나 구조체(2200)는 보조 안테나 구조체(2100)로부터 제1 방향으로 제3 거리(D3)만큼 떨어져 배치될 수 있으며, 이 때 제3 거리(D3)는 제1 거리(D1) 및 제2 거리(D2)의 합으로 표현될 수 있다.
여기서, 안테나 구조체 사이의 거리는 두 안테나 구조체에서 가장 인접한 층 안테나들을 기준으로 정해질 수 있다. 예를 들어, 도 10에 도시된 바와 같이 제1 거리(D1)는 보조 안테나 구조체(2100)의 가장 아래층 안테나의 중심점으로부터 상쇄 안테나 구조체(2300)의 층 안테나(2층 이상인 경우 가장 위층 안테나)의 중심점까지의 거리를 의미할 수 있다. 마찬가지로, 도 10에 도시된 바와 같이 제2 거리(D2)는 상쇄 안테나 구조체(2300)의 층 안테나(2층 이상인 경우 가장 아래층 안테나)의 중심점으로부터 메인 안테나 구조체(2200)의 가장 위층 안테나의 중심점까지의 거리를 의미할 수 있다.
한편, 안테나 구조체 사이의 거리는 상술한 기준 외에 다른 기준으로도 정해질 수 있다. 예를 들어, 안테나 구조체 사이의 거리는 안테나 구조체의 중심 또는 중간층 사이의 거리로 정의될 수도 있다.
상쇄 안테나 구조체(2300)는 보조 안테나 구조체(2100) 보다 메인 안테나 구조체(2200)에 가깝게 배치될 수 있다. 예를 들어, 제2 거리(D2)는 제1 거리(D1) 보다 짧게 설정될 수 있다. 안테나 구조체에 의해 발생하는 자기장의 세기는 거리에 반비례하는 점, 상쇄 안테나 구조체(2300)에 의해 발생되는 자기장의 세기가 보조 안테나 구조체(2100)에 의해 발생되는 자기장의 세기 보다 작은 점, 그리고 상쇄 안테나 구조체(2300)에 의해 보조 안테나 구조체(2100)에 의해 발생되는 기전력의 크기가 감소되는 것을 지양해야 하는 점에서 상쇄 안테나 구조체(2300)는 보조 안테나 구조체(2100) 보다 메인 안테나 구조체(2200)에 가깝게 배치되는 것이 바람직하기 때문이다.
상술한 제1 내지 제3 거리(D1, D2, D3)는 메인 안테나 구조체(2200)에 발생되는 유도 기전력의 크기가 제1 임계값 이하가 되는 조건 또는 제1 임계값이 되는 조건에 기초하여 결정될 수 있다.
여기서 제1 임계값은 플라즈마 유도 시스템(10)이 이용되는 환경, 플라즈마 유도 시스템(10)에 요구되는 사양 등에 따라 정해질 수 있다.
일 예로, 제1 임계값은 메인 안테나 구조체(2200)에 전력을 공급하는 제2 RF 발생기(1002) 내의 스위치의 항복전압(breakdown voltage)을 초과하지 않는 범위에서 설정될 수 있다. 구체적으로, 메인 안테나 구조체(2200)에 전력을 공급하는 제2 RF 발생기(1002) 내의 스위치의 항복전압이 1000V일 때, 제1 내지 제3 거리(D1, D2, D3)는 메인 안테나 구조체(2200)에 발생하는 유도 기전력의 크기가 약 900V 이하가 되는 조건에 기초하여 결정될 수 있다.
한편, 상술한 제1 내지 제3 거리(D1, D2, D3)는 메인 안테나 구조체(2200)에 발생되는 유도 기전력의 상대값이 제1 임계값 이하가 되는 조건 또는 제1 임계값이 되는 조건에 기초하여 결정될 수도 있다.
여기서, 유도 기전력의 상대값은 플라즈마 발생기(2000)에 상쇄 안테나 구조체(2300)가 포함되지 않은 경우 대비 플라즈마 발생기(2000)에 상쇄 안테나 구조체(2300)가 포함된 경우의 보조 안테나 구조체(2100)에 의해 메인 안테나 1)구조체(2200)에 발생하는 유도 기전력의 상대적인 크기에 기초하여 산출될 수 있다.
또 여기서, 제1 임계값은 상술한 바와 같이 플라즈마 유도 시스템(10)이 이용되는 환경, 플라즈마 유도 시스템(10)에 요구되는 사양 등에 따라 결정될 수 있다.
일 예로, 제1 내지 제3 거리(D1, D2, D3)는 메인 안테나 구조체(2200)에 발생하는 유도 기전력의 상대적인 크기가 약 0.5 이하가 되는 조건, 또는 약 0.1 이하가 되는 조건 또는, 약 0이 되는 조건에 기초하여 결정될 수 있다.
여기서, 메인 안테나 구조체(2200)에 발생하는 유도 기전력의 크기는 메인 안테나 구조체(2200)의 적어도 일부에서 발생하는 유도 기전력의 크기일 수 있다. 예를 들어, 상술한 유도 기전력의 크기 또는 상대값이 제1 임계값 이하 또는 제1 임계값이 되는 조건에서 유도 기전력의 크기는 메인 안테나 구조체(2200)의 임의의 지점을 절단하고 절단된 두 부분 사이의 전위차를 의미할 수 있다.
상술한 제1 내지 제3 거리(D1, D2, D3)는 보조 안테나 구조체(2100)에 의해 플라즈마에 인가되는 기전력의 감소율이 제2 임계값 이하가 되는 조건 또는 제2 임계값이 되는 조건에 기초하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 제1 내지 제3 거리(D1, D2, D3)는 플라즈마에 인가되는 기전력의 크기가 상쇄 안테나 구조체(2300)에 의해 감소되는 비율이 약 5% 이하가되는 조건, 약 5%가 되는 조건, 또는 약 0%가 되는 조건에 기초하여 결정될 수 있다. 다만, 기전력의 감소율에 대한 제2 임계값이 반드시 상술한 수치로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 보조 안테나 구조체(2100)가 플라즈마에 인가하는 기전력은 방전관(3000)의 직경, 보조 안테나 구조체(2100)의 단면 형상, 보조 안테나 구조체(2100)에 인가되는 전류, 보조 안테나 구조체(2100)의 인덕턴스 등에 따라 달라질 수 있다. 결국, 플라즈마에 인가되어야 하는 기전력은 필요한 플라즈마 방전의 규모와 상술한 보조 안테나 구조체(2100)의 특성을 고려하여 결정되므로, 보조 안테나 구조체(2100)에 의해 플라즈마에 인가되는 기전력 크기의 감소율의 허용 범위 역시 플라즈마 방전의 규모와 상술한 보조 안테나 구조체(2100)의 특성을 고려하여 결정될 수 있다.
[최적화를 위한 고려 사항들]
앞서 서술한 바와 같이, 플라즈마 발생기(2000)를 구성함에 있어서 메인 안테나 구조체(2200)에 발생하는 유도 기전력이 최소화되면서 보조 안테나 구조체(2100)에 주는 영향도 최소화되도록 상쇄 안테나 구조체(2300)를 구현하는 것은 매우 중요하다. 이를 위해서는 상쇄 안테나 구조체(2300)의 형상, 사양, 또는 배치 위치 등이 최적으로 설계될 필요가 있으며, 아래와 같이 실험(또는 시뮬레이션)을 통해서 상쇄 안테나 구조체(2300)의 최적화 설계가 가능하다.
먼저, 상술한 보조 안테나 구조체(2100)의 기전력 및 메인 안테나 구조체(2200)의 유도 기전력에 영향을 주는 요인들로 방전관(3000)의 특성(ex. 방전관(3000)의 형상, 너비, 재질, 및 높이 등), 방전관(3000) 내부 압력, 보조 안테나 구조체(2100)의 인덕턴스, 메인 안테나 구조체(2200)의 인덕턴스, 상쇄 안테나 구조체(2300)의 인덕턴스, 제1 RF 발생기(1001)에서 제공되는 교류 전력의 특성(ex. 교류 전압 또는 교류 전류의 크기, 및 구동 주파수 범위 등), 제2 RF 발생기(1002)에서 제공되는 교류 전력의 특성(ex. 교류 전압 또는 교류 전류의 크기, 및 구동 주파수 범위 등), 플라즈마 유도에 이용되는 보조 가스의 종류, 공정 대상이 되는 공정 가스의 종류, 및/또는 제1 내지 제3 거리(D1, D2, D3) 등이 고려될 수 있다.
여기서, 보조 안테나 구조체(2100)의 인덕턴스는 보조 안테나 구조체(2100)의 층 안테나 수, 각 층을 구성하는 턴 안테나 수, 보조 안테나 구조체(2100)의 높이(ex. 가장 아래에 위치하는 하부턴 안테나의 중심과 가장 위에 위치하는 상부턴 안테나의 중심 사이의 거리 또는 하부턴 안테나의 가장 아래부분과 상부턴 안테나의 가장 윗부분 사이의 차이), 보조 안테나 구조체(2100)의 단면 형상, 및 보조 안테나 구조체(2100)의 재질 등에 따라 달라질 수 있다.
마찬가지로, 상쇄 안테나 구조체(2300)의 인덕턴스는 상쇄 안테나 구조체(2300)의 층 안테나 수, 각 층을 구성하는 턴 안테나 수, 보조 안테나 구조체(2300)의 높이(ex. 가장 아래에 위치하는 하부턴 안테나의 중심과 가장 위에 위치하는 상부턴 안테나의 중심 사이의 거리 또는 하부턴 안테나의 가장 아래부분과 상부턴 안테나의 가장 윗부분 사이의 차이), 상쇄 안테나 구조체(2300)의 단면 형상, 및 상쇄 안테나 구조체(2300)의 재질 등에 따라 달라질 수 있다.
또한, 메인 안테나 구조체(2200)의 인덕턴스는 메인 안테나 구조체(2200)의 층 안테나 수, 각 층을 구성하는 턴 안테나 수, 메인 안테나 구조체(2200)의 높이(ex. 가장 아래에 위치하는 하부턴 안테나의 중심과 가장 위에 위치하는 상부턴 안테나의 중심 사이의 거리 또는 하부턴 안테나의 가장 아래부분과 상부턴 안테나의 가장 윗부분 사이의 차이), 메인 안테나 구조체(2200)의 단면 형상, 메인 안테나 구조체(2200)의 재질, 메인 안테나 구조체(2200)가 턴간 용량성 소자 및/또는 층간 용량성 소자를 포함하는 경우 용량성 소자의 정전용량(capacitance) 값 등에 따라 달라질 수 있다.
상술한 영향을 주는 요인들 중 최적화하고자 하는 요인(들)을 독립변수로, 나머지를 통제변수로 설정하고, 보조 안테나 구조체(2100)에 발생하는 유도 기전력 또는 메인 안테나 구조체(2200)에 발생하는 유도 기전력을 종속변수로 설정하여 실험(또는 시뮬레이션)을 진행할 수 있다. 이러한 실험을 통해 상술한 영향을 주는 요인들의 최적화된 값을 도출할 수 있고, 이로써 플라즈마 유도 시스템(10)이 최적화될 수 있다.
요인들 중 종속 변수에 상대적으로 영향을 덜 미치거나, 상대적으로 설계 변경이 용이하지 않은 요인들은 우선적으로 통제변수로 설정될 수 있다.
예를 들어, 방전관(3000)의 특성, 방전관(3000)의 내부 압력, 제1 RF 발생기(1001)에서 제공되는 교류 전력의 특성, 제2 RF 발생기(1002)에서 제공되는 교류 전력의 특성, 제3 거리(D3), 플라즈마 유도에 이용되는 보조 가스의 종류, 공정 대상이 되는 공정 가스의 종류, 보조 안테나 구조체(2100)의 인덕턴스, 메인 안테나 구조체(2200)의 인덕턴스는 통제변수로, 실험(또는 시뮬레이션) 중 일관된 값을 가지는 것으로 가정할 수 있다.
요인들 중 설계하고자 하는 요인들을 독립변수로 설정할 수 있다. 독립변수는 통제변수에 비해 상대적으로 설계가 용이하거나, 종속변수에 상대적으로 큰 영향을 미칠 수 있다.
예를 들어, 상쇄 안테나 구조체(2300)의 인덕턴스, 제1 내지 제3 거리(D1, D2, D3) 중 어느 하나가 독립변수로 설정될 수 있으며, 독립변수로 설정되지 않은 요인들은 일시적으로 통제변수로 설정될 수 있다.
독립변수로 가져가는 요인(들)에 따라 통제변수로 설정된 요인들의 값이 다른 값으로 고정될 수 있다. 예를 들어, 상쇄 안테나 구조체(2300)의 높이가 증가할수록 방전관(3000)의 높이가 증가할 수 있다. 또는, 상쇄 안테나 구조체(2300)의 직경이 증가할수록 방전관(3000)의 직경(원기둥 형상인 경우)도 증가할 수 있다.
이하에서는 도 11을 참고하여, 플라즈마 유도 시스템(10)을 설계하기 위해 진행된 실험에 대해 서술한다.
도 11은 본 개시의 일 실시예에 따른 상쇄 안테나 구조체(2300)의 형상 및 위치와 메인 안테나 구조체(2200)에서 발생하는 유도 기전력 크기 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 11은 두 가지 실험에 대한 결과 그래프로, 결정하고자 하는 변수는 제2 거리(D2) 또는 상쇄 안테나 구조체(2300)의 형상이고 관찰하고자 하는 변수는 메인 안테나 구조체(2200)에 발생하는 유도 기전력이다.
여기서, 메인 안테나 구조체(2200)에 발생하는 유도 기전력의 크기는 메인 안테나 구조체(2200) 중 임의의 두 지점 사이의 전위차를 측정할 수 있다. 예를 들어, 메인 안테나 구조체(2200)의 임의의 지점을 정하여 해당 지점을 기준으로 메인 안테나 구조체(2200)를 절단하고, 절단된 두 부분 사이의 전위차를 측정할 수 있다. 또는, 메인 안테나 구조체(2200) 중심부에 코일을 배치하고 코일에 인가되는 전압을 측정하는 방식으로 측정될 수 있다.
한편, 방전관(3000)은 직경 80cm를 가지는 원기둥 형상이었고, 방전관(3000) 내부의 압력은 약 1Torr로 유지되었으며, 제1 RF 발생기(1001)는 1MHz~4MHz 범위의 구동 주파수를 가지는 6kW의 전력을 제공하고, 제2 RF 발생기(1002)는 1MHz~4MHz 범위의 구동 주파수를 가지는 24kW의 전력을 제공하며, 제3 거리(D3)는 55mm, 보조 가스로 비활성 가스가 이용되고, 공정 가스로는 탄화수소 가스가 이용되었다.
또한, 보조 안테나 구조체(2100)는 3층으로 구성되고, 각 층은 3턴의 안테나로 구성되며, 보조 안테나 구조체(2100)의 높이는 18.4mm이었다.
또한, 메인 안테나 구조체(2200)는 14층으로 구성되고, 각층은 2턴의 안테나로 구성되며, 메인 안테나 구조체(2200)의 높이는 93.2mm이었다.
도 11의 제1 그래프(G1)를 참고하면, 상쇄 안테나 구조체(2300)가 1층으로 구성되고 층을 구성하는 턴 수가 1개일 때, 제2 거리(D2)가 늘어날수록 메인 안테나 구조체(2200)에 발생하는 유도 기전력은 커지는 경향성을 보인다. 다시 말해, 제2 거리(D2)가 약 1mm이하일 때 메인 안테나 구조체(2200)에 발생하는 유도 기전력이 최소가 되는 것을 알 수 있다.
도 11의 제2 그래프(G2)를 참고하면, 상쇄 안테나 구조체(2300)가 1층으로 구성되고 층을 구성하는 턴 수가 2개일 때, 제2 거리(D2)는 약 5mm를 기준으로 커지거나 작아질수록 메인 안테나 구조체(2200)에 발생하는 유도 기전력이 커지는 경향성을 갖는다. 다시 말해, 상쇄 안테나 구조체(2300)와 메인 안테나 구조체(2200) 사이의 거리인 제2 거리(D2)가 약 5mm일 때 메인 안테나 구조체(2200)에 발생하는 유도 기전력이 0에 가장 근접하게 되는 것을 알 수 있다.
도 11의 제3 그래프(G3)를 참고하면, 상쇄 안테나 구조체(2300)가 1층으로 구성되고 층을 구성하는 턴 수가 3개일 때, 제2 거리(D2)가 늘어날수록 메인 안테나 구조체(2200)에 발생하는 유도 기전력은 작아지는 경향성을 보인다. 다시 말해, 제2 거리(D2)가 약 16mm일 때 메인 안테나 구조체(2200)에 발생하는 유도 기전력이 최소가 되는 것을 알 수 있다.
도 11의 제1 내지 제3 그래프(G1, G2, G3)를 참고하면, 메인 안테나 구조체(2200)에 발생하는 유도 기전력을 최소화시키기 위해서는 상쇄 안테나 구조체(2300)로 2턴으로 구성되는 하나의 층 안테나를 이용하고, 메인 안테나 구조체(2200)로부터 제2 방향(또는 보조 안테나 구조체(2100)를 향하는 방향)으로 약 5mm 이격되도록 배치시키는 제1 조건을 만족하도록 플라즈마 발생기(2000)를 설계할 수 있다. 또는, 상쇄 안테나 구조체(2300)로 3턴으로 구성되는 하나의 층 안테나를 이용하고, 메인 안테나 구조체(2200)로부터 제2 방향(또는 보조 안테나 구조체(2100)를 향하는 방향)으로 약 16mm 이격되도록 배치시키는 제2 조건을 만족하도록 플라즈마 발생기(2000)를 설계할 수 있다. 다만, 상쇄 안테나 구조체(2300)를 2턴으로 구성하는 경우가 3턴으로 구성하는 경우보다 부피가 작은 점에서, 제2 조건 보다는 제1 조건으로 플라즈마 발생기(2000)를 설계하는 것이 바람직하다.
한편, 아래 표는 상술한 플라즈마 발생기(2000)를 설계함에 있어서, 제2 거리(D2)의 변화에 따른 보조 안테나 구조체(2100)의 기전력을 나타낸다.
여기서, 보조 안테나 구조체(2100)의 기전력은 플라즈마에 인가되는 기전력을 의미할 수 있다. 보조 안테나 구조체(2100)의 기전력은 보조 안테나 구조체(2100) 내부(ex. 중심부)에 또는 보조 안테나 구조체(2100)와 인접하게 코일을 배치하고, 배치된 코일에 유도되는 전압의 크기를 측정하여 산출될 수 있다. 또는, 보조 안테나 구조체(2100)의 임의의 지점을 정하여 해당 지점을 기준으로 보조 안테나 구조체(2100)를 절단하고, 절단된 두 부분 사이의 전위차를 측정할 수 있다.
제2 거리 기전력 감소율 제2 거리 기전력 감소율
상쇄 안테나 구조체 없음 -251.0V - 25mm -230.4V 8.21%
5mm -240.3V 4.26% 30mm -226.3V 9.84%
10mm -238.9V 4.82% 35mm -220.5V 12.15%
15mm -237.0V 5.58% 40mm -213.1V 15.10%
20mm -234.6V 6.53% 45mm -203.5V 18.92%
위 표 1을 참고하면, 보조 안테나 구조체(2100)가 플라즈마에 인가하는 기전력 크기는 플라즈마 발생기(2000)가 상쇄 안테나 구조체(2300)를 포함하지 않는 경우 약 -251V이고, 제1 조건에 따라 상쇄 안테나 구조체(2300) 및 메인 안테나 구조체(2200) 사이의 거리가 5mm인 경우 약 -240.3V로, 감소율은 약 4.26%이다. 본 설계에서 보조 안테나 구조체(2100)의 기전력 감소율은 낮을수록 바람직한 점을 고려할 때, 제1 조건은 플라즈마 발생기(2000)를 설계함에 있어서 메인 안테나 구조체(2200)에 발생하는 유도 기전력이 최소화되면서 보조 안테나 구조체(2100)에 주는 영향도 최소화되도록 하는 조건이라 할 수 있다.
[가실험예]
한편, 전술한 통제변수는 플라즈마 유도 시스템(10)이 사용되는 환경에 따라 변경될 수 있고, 그 경우의 수는 무한하다고 볼 수 있다. 이처럼, 통제변수들이 변경되는 경우에도 후술하는 가실험예들을 통해 플라즈마 유도 시스템(10)을 최적화할 수 있다.
먼저, 플라즈마 유도 시스템(10)에 사용되는 방전관(3000)의 직경을 20cm로 정하고, 방전관(3000) 내부의 압력을 약 1Torr로 유지한다.
방전관(3000) 주변에 보조 안테나 구조체(2100), 상쇄 안테나 구조체(2300), 및 메인 안테나 구조체(2200)를 순차적으로 배치한다.
보조 안테나 구조체(2100)로, 총 3층으로 구성되고, 각 층은 3턴의 안테나로 구성되며 높이는 18.4mm인 안테나 구조체를 이용한다.
메인 안테나 구조체(2200)로, 총 14층으로 구성되고, 각 층은 2턴의 안테나로 구성되며 높이는 93.2mm인 안테나 구조체를 이용한다.
방전관(3000)에 보조 가스로 아르곤(Ar) 가스를 투입하고, 제1 RF 발생기(1001)를 통해 보조 안테나 구조체(2100)에 1MHz~4MHz 범위의 구동 주파수를 가지는 6kW의 전력을 제공한다.
메인 안테나 구조체(2200)와 상쇄 안테나 구조체(2300) 사이의 제2 거리(D2)를 변경하면서 메인 안테나 구조체(2200)에 발생하는 유도 기전력 및 보조 안테나 구조체(2100)에 의해 발생되는 기전력의 감소율을 측정한다.
상쇄 안테나 구조체(2300)의 인덕턴스(또는 형상)를 변경하면서 메인 안테나 구조체(2200)에 발생하는 유도 기전력 및 보조 안테나 구조체(2100)의 기전력의 감소율을 측정한다.
메인 안테나 구조체(2200)에 발생한 유도 기전력이 최소가 되는 제2 거리(D2)의 값 및 상쇄 안테나 구조체(2300)의 인덕턴스(또는 형상)를 결정한다.
메인 안테나 구조체(2200)에 발생한 유도 기전력이 최소인 상태에서 보조 안테나 구조체(2100)에 의해 발생되는 기전력의 감소율이 최소가 되는 제2 거리(D2)의 값 및 상쇄 안테나 구조체(2300)의 인덕턴스(또는 형상)를 결정한다.
방전관(3000)의 직경은 유도하고자 하는 플라즈마의 규모와 관련되며, 나아가 처리하고자 하는 공정 가스의 유입량과도 관련된다. 다시 말해, 방전관(3000)의 직경은 수행하고자 하는 플라즈마 공정 또는 작업 환경에 따라 다양한 크기를 가질 수 있으며, 위 실험을 통해 도출되는 제2 거리(D2)를 이용하여 방전관(3000) 크기를 고려한 플라즈마 발생기(2000)가 설계될 수 있다.
다른 실험으로, 플라즈마 유도 시스템(10)에 사용되는 방전관(3000)의 직경을 80cm로 정하고, 방전관(3000) 내부의 압력을 약 765Torr로 유지한다.
방전관(3000) 주변에 보조 안테나 구조체(2100), 상쇄 안테나 구조체(2300), 및 메인 안테나 구조체(2200)를 순차적으로 배치한다.
보조 안테나 구조체(2100)로, 총 3층으로 구성되고, 각 층은 3턴의 안테나로 구성되며 높이는 18.4mm인 안테나 구조체를 이용한다.
메인 안테나 구조체(2200)로, 총 14층으로 구성되고, 각 층은 2턴의 안테나로 구성되며 높이는 93.2mm인 안테나 구조체를 이용한다.
방전관(3000)에 보조 가스로 아르곤(Ar) 가스를 투입하고, 제1 RF 발생기(1001)를 통해 보조 안테나 구조체(2100)에 1MHz~4MHz 범위의 구동 주파수를 가지는 6kW의 전력을 제공한다.
메인 안테나 구조체(2200)와 상쇄 안테나 구조체(2300) 사이의 제2 거리(D2)를 변경하면서 메인 안테나 구조체(2200)에 발생하는 유도 기전력 및 보조 안테나 구조체(2100)에 의해 발생되는 기전력의 감소율을 측정한다.
상쇄 안테나 구조체(2300)의 인덕턴스(또는 형상)를 변경하면서 메인 안테나 구조체(2200)에 발생하는 유도 기전력 및 보조 안테나 구조체(2100)의 기전력의 감소율을 측정한다.
메인 안테나 구조체(2200)에 발생한 유도 기전력이 최소가 되는 제2 거리(D2)의 값 및 상쇄 안테나 구조체(2300)의 인덕턴스(또는 형상)를 결정한다.
메인 안테나 구조체(2200)에 발생한 유도 기전력이 최소인 상태에서 보조 안테나 구조체(2100)에 의해 발생되는 기전력의 감소율이 최소가 되는 제2 거리(D2)의 값 및 상쇄 안테나 구조체(2300)의 인덕턴스(또는 형상)를 결정한다.
방전관(3000)의 내부 압력은 플라즈마 공정을 이용하는 목적(ex. 가스 분해, 활성종 생성 등)과 관련된다. 다시 말해, 방전관(3000)의 내부 압력은 수행하고자 하는 플라즈마 공정 또는 작업 환경에 따라 다양한 값으로 제어될 수 있으며, 위 실험을 통해 도출되는 제2 거리(D2)를 이용하여 방전관(3000)의 내부 압력을 고려한 플라즈마 발생기(2000)가 설계될 수 있다.
다른 실험으로, 플라즈마 유도 시스템(10)에 사용되는 방전관(3000)의 직경을 80cm로 정하고, 방전관(3000) 내부의 압력을 약 1Torr로 유지한다.
방전관(3000) 주변에 보조 안테나 구조체(2100), 상쇄 안테나 구조체(2300), 및 메인 안테나 구조체(2200)를 순차적으로 배치한다.
보조 안테나 구조체(2100)로, 총 3층으로 구성되고, 각 층은 3턴의 안테나로 구성되며 높이는 18.4mm인 안테나 구조체를 이용한다.
메인 안테나 구조체(2200)로, 총 14층으로 구성되고, 각 층은 2턴의 안테나로 구성되며 높이는 93.2mm인 안테나 구조체를 이용한다.
방전관(3000)에 보조 가스로 질소(N2) 가스(또는 이산화탄소(CO2) 가스, 산소(O2) 가스, 사불화탄소(CF4) 가스, 헥사플루오로에탄(C2F6) 가스, 옥타플루오로사이클로뷰테인(C4F8) 가스 등)를 투입하고, 제1 RF 발생기(1001)를 통해 보조 안테나 구조체(2100)에 1MHz~4MHz 범위의 구동 주파수를 가지는 6kW의 전력을 제공한다.
메인 안테나 구조체(2200)와 상쇄 안테나 구조체(2300) 사이의 제2 거리(D2)를 변경하면서 메인 안테나 구조체(2200)에 발생하는 유도 기전력 및 보조 안테나 구조체(2100)에 의해 발생하는 기전력의 감소율을 측정한다.
상쇄 안테나 구조체(2300)의 인덕턴스(또는 형상)를 변경하면서 메인 안테나 구조체(2200)에 발생하는 유도 기전력 및 보조 안테나 구조체(2100)의 기전력의 감소율을 측정한다.
메인 안테나 구조체(2200)에 발생한 유도 기전력이 최소가 되는 제2 거리(D2)의 값 및 상쇄 안테나 구조체(2300)의 인덕턴스(또는 형상)를 결정한다.
메인 안테나 구조체(2200)에 발생한 유도 기전력이 최소인 상태에서 보조 안테나 구조체(2100)에 의해 발생되는 기전력의 감소율이 최소가 되는 제2 거리(D2)의 값 및 상쇄 안테나 구조체(2300)의 인덕턴스(또는 형상)를 결정한다.
보조 가스의 종류는 플라즈마를 이용하여 처리하고자 하는 공정 가스의 종류와 관련된다. 다시 말해, 처리하고자 하는 공정 가스의 종류에 따라 보조 가스의 종류가 결정될 수 있고, 위 실험을 통해 도출되는 제2 거리(D2)를 이용하여 보조 가스의 종류를 고려한 플라즈마 발생기(2000)가 설계될 수 있다.
이상에서 서술한 실험 이외에도 플라즈마 발생기(2000)를 설계함에 있어서 플라즈마 공정의 목적이나 작업 환경을 고려한 실험이 진행될 수 있음은 물론이다.
한편, 아래와 같이 플라즈마 발생기(2000) 내에서 각 안테나 구조체 사이의 결합도를 측정하여 플라즈마 유도 시스템(10)을 최적화하는 것도 가능하다.
먼저. 보조 안테나 구조체(2100), 메인 안테나 구조체(2200), 및 상쇄 안테나 구조체(2300)를 포함하는 플라즈마 발생기(2000)를 준비한다.
상쇄 안테나 구조체(2300)는 보조 안테나 구조체(2100) 및 메인 안테나 구조체(2200) 사이에 배치시킨다.
보조 안테나 구조체(2100)로, 총 3층으로 구성되고, 각 층은 3턴의 안테나로 구성되며 높이는 18.4mm인 안테나 구조체를 이용한다.
메인 안테나 구조체(2200)로, 총 14층으로 구성되고, 각 층은 2턴의 안테나로 구성되며 높이는 93.2mm인 안테나 구조체를 이용한다.
상쇄 안테나 구조체(2300)는 총 1층으로 구성되고, 각 층은 2턴의 안테나로 구성되며 높이는 4.8mm인 안테나 구조체를 이용한다.
상쇄 안테나 구조체(2300)는 보조 안테나 구조체(2100)와 차동 접속이 되도록 직렬 연결시킨다.
보조 안테나 구조체(2100) 및 메인 안테나 구조체(2200) 사이의 제3 거리(D3)가 55mm가 되도록 배치한다.
회로망 분석기(network analyzer)를 이용하여 보조 안테나 구조체(2100) 및 상쇄 안테나 구조체(2300)에 대한 메인 안테나 구조체(2200)의 결합계수(coupling coefficient)를 측정한다.
상쇄 안테나 구조체(2300)와 메인 안테나 구조체(2200) 사이의 제2 거리(D2)를 변경시키면서 상술한 결합계수를 측정하고, 결합계수가 최소가 되는 경우의 제2 거리(D2)의 값을 결정한다.
메인 안테나 구조체(2200)에 대한 보조 안테나 구조체(2100)의 영향은 결과적으로 보조 안테나 구조체(2100) 및 상쇄 안테나 구조체(2300)에 대한 메인 안테나 구조체(2200)의 결합계수로 표현될 수 있다. 다시 말해, 전술한 결합계수가 최소가 되는 경우 메인 안테나 구조체(2200)에 대한 보조 안테나 구조체(2100)의 영향이 최소화될 수 있는 점에서, 플라즈마 발생기(2000) 내의 안테나 구조체들 사이의 결합계수를 고려하여 플라즈마 발생기(2000)가 설계될 수 있다.
[플라즈마 유도 시스템 동작 방법]
이하에서는 본 개시의 일 실시예에 따른 플라즈마 유도 시스템(10)의 동작방법에 대해 서술한다. 이 때, 플라즈마 유도 시스템(10)은 제1 RF 발생기(1001), 제2 RF 발생기(1002), 플라즈마 발생기(2000), 및 방전관(3000)을 포함하며, 플라즈마 발생기(2000)는 보조 안테나 구조체(2100), 메인 안테나 구조체(2200) 및 상쇄 안테나 구조체(2300)를 포함한다. 플라즈마 유도 시스템(10)의 각 구성에 대한 설명은 전술한 바 생략하도록 한다.
플라즈마 유도 시스템(10)이 동작하는 방법은 방전관(3000)에 제1 RF 발생기(1001)를 이용하여 교류전력을 제공하는 단계, 플라즈마 점화 여부를 판단하는 단계, 제2 RF 발생기(1002)를 이용하여 교류전력을 제공하는 단계, 및 제1 RF 발생기(1001)의 전력 공급을 중단하는 단계를 포함할 수 있다.
먼저, 제1 RF 발생기(1001)를 이용하여 교류전력을 제공하는 단계에서, 제1 RF 발생기(1001)는 보조 안테나 구조체(2100) 및 상쇄 안테나 구조체(2300)에 제1 구동 주파수를 가지는 제1 교류 전력을 인가할 수 있다. 보조 안테나 구조체(2100)는 방전관(3000) 내부에 제1 전기장(E1)을 형성할 수 있다. 제1 RF 발생기(1001)를 이용하여 교류전력을 제공하는 단계 수행 이전, 수행 도중, 또는 수행 이후에 유입된 보조 가스는 제1 전기장(E1)에 의해 가속된 전자와 충돌하여 이온화되면서 플라즈마가 점화된다.
이 때, 제2 RF 발생기(1002)는 메인 안테나 구조체(2200)에 전력을 제공하지 않는 상태이나, 보조 안테나 구조체(2100)에 의해 발생되는 자기장의 영향으로 메인 안테나 구조체(2200)에 유도 기전력이 발생할 수 있다. 다만, 상술한 바와 같이 상쇄 안테나 구조체(2300)에 의해 발생하는 자기장이 보조 안테나 구조체(2100)에 의해 발생되는 자기장을 상쇄시키는 바, 메인 안테나 구조체(2200)에 발생하는 유도 기전력이 상대적으로 낮아질 수 있다.
또한, 상쇄 안테나 구조체(2300)에 의해 형성되는 자기장이 보조 안테나 구조체(2100)의 자기장을 상쇄시킴에 따라 유도 기전력의 크기가 감소할 수 있으나, 상쇄 안테나 구조체(2300)가 보조 안테나 구조체(2100)로부터 충분히 떨어져 배치되어 있어 보조 안테나 구조체(2100)의 유도 기전력의 크기가 과도하게 감소하는 것이 방지될 수 있다.
플라즈마 점화 여부를 판단하는 단계에서 방전관(3000) 내부에 플라즈마가 점화되었는지 여부가 판단될 수 있다. 예를 들어, 제1 RF 발생기(1001)의 제1 센서모듈은 보조 안테나 구조체(2100)에 인가되는 전류 및 전압을 측정하고, 제1 RF 발생기(1001)의 제1 제어부는 제1 센서모듈의 측정값을 기초로 보조 안테나 구조체(2100)의 소모전력 또는 소모전력의 변화율을 산출할 수 있다. 이 때, 제1 RF 발생기(1001)의 제1 제어부는 산출된 소모전력 또는 산출된 소모전력의 변화율이 임계 값 이상이면 플라즈마가 점화된 것으로 판단할 수 있다.
플라즈마가 점화된 것으로 판단되면, 제2 RF 발생기(1002)를 이용하여 교류전력을 제공하는 단계가 수행될 수 있다. 여기서, 메인 안테나 구조체(2200)는 제2 RF 발생기(1002)로부터 제2 교류 전력을 인가 받아 방전관(3000) 내부에 제2 자기장(E2)을 형성하고, 형성된 제2 자기장(E2)에 의해 보조 안테나 구조체(2100)에 의해 점화된 플라즈마가 메인 안테나 구조체(2200)가 둘러싸는 부분으로 이동되고 플라즈마 상태가 유지될 수 있다.
제2 RF 발생기(1002)의 전력 공급에 기초하여 제1 RF 발생기(1001)의 전력 공급이 중단될 수 있다. 예를 들어, 제2 RF 발생기(1002)에서 메인 안테나 구조체(2200)에 전력을 공급한 시점으로부터 약 0초 내지 약 5초 이내, 약 2초 내지 약 3초 이내, 약 2초 이후에 제1 RF 발생기(1001)의 전력 공급이 중단될 수 있다. 상술한 제1 RF 발생기(1001)의 전력 공급이 중단되는 시점은 보조 안테나 구조체(2100)에 의해 형성된 플라즈마가 메인 안테나 구조체(2200) 측으로 이동하여 유지되기에 충분한 시점으로 이해될 수 있다. 이로써 보조 안테나 구조체(2100) 및 상쇄 안테나 구조체(2300)가 자기장을 형성하지 않아 메인 안테나 구조체(2200)에 영향을 미치지 않게 된다.
이상에서 실시 형태들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시 형태에 포함되며, 반드시 하나의 실시 형태에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시 형태에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시 형태들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시 형태들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시 형태를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 형태의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 즉, 실시 형태에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 플라즈마 유도 시스템
1000: RF 발생기
2000: 플라즈마 발생기
3000: 방전관

Claims (12)

  1. 플라즈마가 유도되는 공간을 제공하는 방전관;
    상기 방전관의 측면에 권선(winding)되는 제1 안테나 구조체 -상기 제1 안테나 구조체는 제1 단 및 제2 단을 가지고, 상기 제1 단 및 상기 제2 단 사이에 배치되는 적어도 하나의 층 안테나를 포함함-;
    상기 방전관의 측면에 권선되는 제2 안테나 구조체 -상기 제2 안테나 구조체는 제3 단 및 제4 단을 가지고, 상기 제3 단 및 상기 제4 단 사이에 배치되는 적어도 하나의 층 안테나를 포함함-; 및
    상기 방전관의 측면에 권선되는 제3 안테나 구조체 -상기 제3 안테나 구조체는 적어도 하나의 층 안테나를 포함함-; 을 포함하고,
    상기 제2 안테나 구조체는 상기 제1 안테나 구조체 및 상기 제3 안테나 구조체 사이에 배치되고,
    상기 제1 안테나 구조체 및 상기 제2 안테나 구조체는 서로 직렬 연결되되, 상기 제1 안테나 구조체의 권선 방향과 상기 제2 안테나 구조체의 권선 방향은 서로 반대 방향인,
    플라즈마 유도 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 안테나 구조체 및 상기 제2 안테나 구조체는 차동 접속되는,
    플라즈마 유도 시스템.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 안테나 구조체의 상기 제2 단은 상기 제2 안테나 구조체의 상기 제3 단과 연결되고,
    상기 제1 안테나 구조체는 상기 방전관의 측면을 따라 상기 제1 단에서 상기 제2 단까지 제1 회전 방향으로 연장되고,
    상기 제2 안테나 구조체는 상기 방전관의 측면을 따라 상기 제3 단에서 상기 제4 단까지 제2 회전 방향으로 연장되며,
    상기 제1 회전 방향 및 상기 제2 회전 방향은 서로 반대 방향인,
    플라즈마 유도 시스템.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 안테나 구조체 및 상기 제2 안테나 구조체에 전류를 인가하기 위한 제1 RF 발생기;를 더 포함하고,
    상기 제1 안테나 구조체의 상기 제2 단은 상기 제2 안테나 구조체의 상기 제3 단과 연결되고,
    상기 제1 안테나 구조체의 상기 제1 단은 상기 제1 RF 발생기의 일단과 전기적으로 연결되고,
    상기 제2 안테나 구조체의 상기 제4 단은 상기 제1 RF 발생기의 타단과 전기적으로 연결되는,
    플라즈마 유도 시스템.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 RF 발생기에 의해 상기 제1 안테나 구조체 및 상기 제2 안테나 구조체에 전류가 인가될 때,
    상기 제1 안테나 구조체에 의해 형성되는 자기장의 방향은 상기 제2 안테나 구조체에 의해 형성되는 자기장의 방향과 반대 방향인,
    플라즈마 유도 시스템.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 제2 안테나 구조체에 전류를 인가하기 위한 제2 RF 발생기;를 더 포함하는,
    플라즈마 유도 시스템.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 방전관의 중심축에 평행하는 방향으로 상기 제2 안테나 구조체는 상기 제1 안테나 구조체로부터 제1 거리만큼 이격되어 배치되고,
    상기 방전관의 중심축에 평행하는 방향으로 상기 제2 안테나 구조체는 상기 제3 안테나 구조체로부터 제2 거리만큼 이격되어 배치되며,
    상기 제2 거리는 상기 제1 거리보다 작은,
    플라즈마 유도 시스템.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 방전관의 중심축에 평행하는 방향으로 상기 제2 안테나 구조체는 상기 제3 안테나 구조체로부터 미리 설정된 거리만큼 이격되어 배치되는,
    플라즈마 유도 시스템.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 제2 안테나 구조체는 제1 층 안테나를 포함하고,
    상기 제1 층 안테나는 동일 평면 상에 배치되되 서로 다른 곡률 반경을 가지는 제1 턴 안테나 및 제2 턴 안테나로 구성되며,
    상기 미리 설정된 거리는 3mm 내지 7mm 이내에서 설정되는,
    플라즈마 유도 시스템.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 미리 설정된 거리는 약 5mm인,
    플라즈마 유도 시스템.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 안테나 구조체의 인덕턴스(inductance)는 상기 제2 안테나 구조체의 인덕턴스보다 큰 것을 특징으로 하는,
    플라즈마 유도 시스템.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 안테나 구조체 및 상기 제2 안테나 구조체를 전기적으로 연결하는 연결부재;를 더 포함하고,
    상기 제1 안테나 구조체의 내부에 제1 유로가 형성되고,
    상기 제2 안테나 구조체의 내부에 제2 유로가 형성되며,
    상기 연결부재의 내부에 제3 유로가 형성되되,
    상기 제3 유로는 상기 제1 유로 및 상기 제2 유로를 유체적으로 연결하고,
    상기 연결부재는 상기 방전관으로부터 이격되어 배치되는,
    플라즈마 유도 시스템.
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