KR20240034503A - 튜너를 구비하는 공진 도파관에 의한 플라즈마 발생장치 - Google Patents

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장수욱
노태협
최용섭
이강일
박현재
신진하
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한국핵융합에너지연구원
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Abstract

공진 도파관에 의한 플라즈마 발생장치가 개시된다. 상기 플라즈마 발생장치는 내측면에 복수 개의 슬롯을 포함하는 환형 또는 타원형의 중심 도파관; 상기 중심 도파관에 전자기파 소통 가능하게 접선으로 연결된 제1 입사 도파관; 상기 입사 도파관으로 전자기파를 전달하는 전자기파 공급부; 및 상기 중심 도파관 내부와 밀폐하도록, 상기 슬롯의 출구측에 위치하고, 상기 슬롯을 통해 유입된 전자기파가 외부로 방사될 수 있는, 전자기파 입사창이 형성된 플라즈마 챔버를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

튜너를 구비하는 공진 도파관에 의한 플라즈마 발생장치{PLASMA GENERATOR USING RESONANT WAVEGUIDE HAVING TUNER}
본 발명은 공진 도파관에 의한 플라즈마 발생장치에 관한 것으로, 균일한 대면적의 플라즈마를 생성할 수 있는 공진 도파관에 의한 플라즈마 발생장치에 관한 것이다.
일반적으로 대면적의 모재, 특히 유연성을 가진 OLED 박막공정이나 기능성 직물의 플라즈마 처리 등은 Roll-to-roll 방식을 이용하는 것이 매우 효율적이다.
이러한 Roll-to-roll 방식은 모재의 일단으로부터 타단까지 스캐닝하는 방식으로 처리하기 때문에, 상기 모재의 전부를 커버할 수 있는 크기의 플라즈마원을 요구하나, 종래기술에 따른 마이크로웨이브 플라즈마원의 경우에는 그 길이 또는 지름이 마이크로웨이브의 파장 크기 내외로 제한되어 일정 크기 이상의 모재를 처리하는데에는 한계가 있었다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 일방향으로 긴 트랙 형상의 타원형으로 형성되는 전자기파를 이용한 플라즈마원을 제작하여 대면적 피처리물을 플라즈마 처리하는데 사용하고 있으나, 긴 트랙 형상의 길이방향으로 균일하게 플라즈마 발생을 위한 파워를 인가하기 어려웠고, 이에 따라 균일한 대면적 플라즈마를 생성하기 어려운 문제가 있었다. 더불어, 대면적 플라즈마의 밀도 조절이 어려웠다.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 공진 도파관 내 전체 구간에서 전자기파의 파워가 균일하게 유지되고, 플라즈마 챔버 내에 밀도 및 균일도가 유지되는 대면적의 플라즈마를 생성할 수 있도록 한 공진 도파관에 의한 플라즈마 발생장치를 제공하는데 있다.
다른 목적으로, 플라즈마의 밀도를 더욱 균일하게 하거나, 플라즈마의 밀도를 높일 수 있도록 한 공진 도파관에 의한 플라즈마 발생장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공진 도파관에 의한 플라즈마 발생장치는 내측면에 복수 개의 슬롯을 포함하는 환형 또는 타원형의 중심 도파관; 상기 중심 도파관에 전자기파 소통 가능하게 접선으로 연결된 제1 입사 도파관; 상기 입사 도파관으로 전자기파를 전달하는 전자기파 공급부; 및 상기 중심 도파관 내부와 밀폐하도록, 상기 슬롯의 출구측에 위치하고, 상기 슬롯을 통해 유입된 전자기파가 외부로 방사될 수 있는, 전자기파 입사창이 형성된 플라즈마 챔버를 포함하는 것을 특징으로 한다. 전자기파는 법선 방향으로 중심 도파관에 입력되어, 중심 도파관을 회전하면서 공진되어 공진된 강한 전자기파가 상기 중심 도파관 내에 형성되고, 슬릿을 통해 강한 전자기파를 방출할 수 있도록 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 입사 도파관에 대해, 상기 중심 도파관의 중심점 대칭 지점에서 상기 중심 도파관에 전자기파 소통 가능하게 접선으로 연결된 제2 입사 도파관을 포함할 수 있다. 이러한 대각선에 입사 도파관이 놓이는 경우, 중심 도파관 내 파동이 동일한 방향으로 전파하여 공진을 유도하고, 동시에 입사도파관에서 멀어질수록 전력이 줄어드는 단점을 보완하게 된다. 중심도파관은 공진을 형성하여 전자기파의 손실을 줄이고, 동시에 균일한 전자기파 분배를 통해 챔버 내 플라즈마 형성을 유도한다. 본 플라즈마 발생원은 중심도파관의 직선 구간 중 지정된 위치의 복수의 슬릿을 통해 인가된 전자기파를 통해 챔버 내부에 플라즈마가 발생하는 구조를 제공한다.
입사도파관 부근에서 상대적으로 강한 전자기파가 형성되고, 입사도파관에서 멀어질 수록 전자기파가 약해져서 직선 구간에 플라즈마 불균일 종래의 문제를 해결한다. 본 발명은, 이를 해결하기 위하여 양방향에서 전자기파가 입사하는 구조를 도입, 제 1 입사도파관과 제 2 입사도파관은 중심점 대칭지점에 위치하는 시켜 마이크로웨이브를 동일한 방향으로 도파관 내 전파하는 특징을 가지게 하며 동시에 입사부에서 멀어질 수록 약해지는 전자기파의 세기 불균일 문제를 양쪽에서 전자기파를 공급함으로써 해결한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 입사 도파관에 평행하고, 상기 제2 입사 도파관과 동일 행의 상기 중심 도파관과 교차하는 지점에 전자기파 소통 가능하게 접선으로 연결된 제3 입사 도파관; 및 상기 제2 입사 도파관에 평행하고, 상기 제1 입사 도파관과 동일 행의 상기 중심 도파관과 교차하는 지점에 전자기파 소통 가능하게 접선으로 연결된 제4 입사 도파관을 포함할 수 있다. 이러한 4개의 입사 도파관의 구조는 두 개의 서로 다른 방향의 파를 입사하는 구조로 도파관 내부에 정재파(Standing wave)를 유도할 수 있다. 정재파를 형성하여 각각의 슬릿에 균일한 세기의 전자기파를 유도할 수 있다. 뿐만 아니라 제1, 2, 3, 4 입사도파관은 각각 중심도파관의 중심부 상하좌우 대칭되는 법선 방향에 각각 위치하여, 서로 다른 입사도파관 부근에서 강한 전기장 세기 불균일 문제를 줄이는 특징을 가진다.
일 실시예에 있어서, 상기 중심 도파관은, 제1 직선형 직각도파관, 상기 제1 직선형 직각도파관에 평행한 제2 직선형 직각도파관, 일측에서 상기 제1 및 제2 직선형 직각도파관의 단부를 전자기파 소통가능하게 연결하는 제1 곡선형 직각도파관, 및 타측에서 상기 제1 및 제2 직선형 직각도파관의 단부를 전자기파 소통가능하게 연결하는 제2 곡선형 직각도파관을 포함하고, 상기 제1 입사 도파관은 상기 제1 직선형 직각도파관의 말단부에 상기 제1 곡선형 직각도파관에 병렬로 전자기파 소통가능하게 연결될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 입사 도파관에 대해, 상기 중심 도파관의 중심점 대칭 지점에서 상기 중심 도파관에 전자기파 소통 가능하게 접선으로 연결된 제2 입사 도파관을 포함하고, 상기 제2 입사 도파관은 상기 제2 직선형 직각도파관의 말단부에 상기 제2 곡선형 직각도파관에 병렬로 전자기파 소통가능하게 연결될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 입사 도파관에 평행하고, 상기 제2 입사 도파관과 동일 행의 상기 중심 도파관과 교차하는 지점에 전자기파 소통 가능하게 접선으로 연결된 제3 입사 도파관; 및 상기 제2 입사 도파관에 평행하고, 상기 제1 입사 도파관과 동일 행의 상기 중심 도파관과 교차하는 지점에 전자기파 소통 가능하게 접선으로 연결된 제4 입사 도파관을 포함하고, 상기 제3 입사 도파관은 상기 제1 직선형 직각도파관의 말단부에 상기 제2 곡선형 직각도파관에 병렬로 전자기파 소통가능하게 연결되고, 상기 제4 입사 도파관은 상기 제2 직선형 직각도파관의 말단부에 상기 제1 곡선형 직각도파관에 병렬로 전자기파 소통가능하게 연결될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 직선형 및 상기 곡선형 직각도파관은 TE 모드이고, 상기 직선형 및 곡선형 직각도파관 내 전기장에 수직한 두 면 중 한 면이 내측을 향하도록 세워져 있고, 상기 슬릿은 상기 직선형 직각도파관의 내측면에 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 직선형 직각도파관은 WR430이고, 상기 곡선형 직각도파관은 WR284이며, 상기 입사 도파관은 WR340일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 직선형 직각도파관 내에 상기 슬롯을 마주는 면에 설치된 튜너를 포함할 수 있다. 각 슬롯 마다 튜너를 포함하며, 이를 통해 공진도파관 내 파장을 조절하여 각각의 슬릿으로 인가되는 마이크로웨이브의 전력 세기를 조절할 수 있다. 직선형 직각도파관 내 각각의 슬릿 대항면에 위치한 튜너의 위치 조절을 통해 각각의 관내 파장이 변화하고 이는 슬릿에 인가되는 전자기파의 세기를 변화시킨다. 뿐만 아니라 다음 위치의 슬릿에 인가되는 전자기파 세기에 또한 영향을 줄 수 있다. 이는 각각의 상기 플라즈마 발생원 구조에서 각각의 슬릿에 인가되는 전자기파(플라즈마 밀도)의 세기를 각각 독립적으로 제어 가능한 수단이고, 플라즈마 발생장치가 대형화될수록 각각의 슬릿에 인가되는 전자기파 불균일 문제가 심각해진다. 이와 같은 문제를 해결하기 위하여 각각의 슬릿을 제어하는 목적의 튜너가 슬릿 대항면에 위치하는 것이 특징이다.
일 실시예에 있어서, 상기 튜너는 상기 슬롯 개수에 대응하여 포함될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 튜너는 스터브(stub) 튜너이며, 상기 튜너는 상기 외측면의 외부로부터 내부에 관통하여 설치될 수 있다.
본 발명에 따른 공진 도파관에 의한 플라즈마 발생장치에 의하면, 공진 도파관 내 전체 구간에서 전자기파의 파워가 균일하게 유지되고, 이에 따라 복수 개의 슬롯을 통해 플라즈마 챔버 내로 균일한 파워의 전자기파를 방사하여 플라즈마 챔버 내에 밀도 및 균일도가 유지되는 대면적의 플라즈마를 생성할 수 있는 이점이 있다.
또한, 튜너에 의해 복수 개의 슬롯 각각으로 유입되는 전자기파의 파워가 균일해지도록 조절할 수 있어, 플라즈마 챔버 내의 플라즈마의 밀도가 더욱 균일해지거나, 높은 밀도의 플라즈마를 생성할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공진 도파관에 의한 플라즈마 발생장치의 구성을 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 중심 도파관 및 입사 도파관들의 모습을 나타내는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공진 도파관에 의한 플라즈마 발생장치의 전자기파의 전송 및 플라즈마 생성 모습을 나타내는 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 공진 도파관에 의한플라즈마 발생장치에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공진 도파관에 의한 플라즈마 발생장치의 구성을 설명하기 위한 단면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 중심 도파관 및 입사 도파관들의 모습을 나타내는 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 공진 도파관은 중심 도파관(110), 제1 입사 도파관(141), 전자기파 공급부 및 플라즈마 챔버(130)를 포함할 수 있다.
중심 도파관(110)은 전자기파를 시계방향 또는 반시계방향으로 전송할 수 있도록 트랙(Track) 형태로 구비될 수 있다. 예를 들어, 환형 또는 타원형으로 구비될 수 있다. 중심 도파관(110)은 직각 도파관이다.
구체적으로, 중심 도파관(110)은 제1 직선형 직각도파관(111), 제2 직선형 직각도파관(112), 제1 곡선형 직각도파관(113) 및 제2 곡선형 직각도파관(114)을 포함할 수 있다.
제1 직선형 직각도파관(111)은 중심 도파관(110)의 일방향에서 직선형으로 연장된 도파관이다.
제2 직선형 직각도파관(112)은 중심 도파관(110)에서 제1 직선형 직각도파관(111)에 평행한 도파관이다.
제1 곡선형 직각도파관(113)은 중심 도파관(110)의 일측, 즉 제1 직선형 직각도파관(111) 및 제2 직선형 직각도파관(112)의 일측 단부 방향에서 제1 직선형 직각도파관(111) 및 제2 직선형 직각도파관(112)의 단부를 전자기파 소통가능하게 연결한다.
제2 곡선형 직각도파관(114)은 중심 도파관(110)의 타측, 즉 제1 직선형 직각도파관(111) 및 제2 직선형 직각도파관(112)의 타측 단부 방향에서 제1 직선형 직각도파관(111) 및 제2 직선형 직각도파관(112)의 단부를 전자기파 소통가능하게 연결한다.
이러한 중심 도파관(110)의 구조에서, 제1 및 제2 직선형 직각도파관(112) 및 제1 및 제2 곡선형 직각도파관(114)은 TE 모드이고, 중심 도파관(110)은 제1 및 제2 직선형 직각도파관(112) 및 제1 및 제2 곡선형 직각도파관(114) 내의 전기장에 수직한 두 면 중 한 면이 중심 도파관(110)의 환형 또는 타원형의 내측을 향하도록 세워져서 배치될 수 있다. 이때, 각각의 직각도파관(111, 112, 113, 114)의 세워진 두 면 중 중심 도파관(110)의 환형 또는 타원형의 내측을 향하는 면은 중심 도파관(110)의 내측면이고 중심 도파관(110)의 환형 또는 타원형의 외측을 향하는 면은 중심 도파관(110)의 외측면이다.
일 실시예로, 상기 제1 및 제2 직선형 직각도파관(112)은 WR430 도파관으로 구비되고, 상기 제1 및 제2 곡선형 직각도파관(114)은 WR284 도파관으로 구성될 수 있다.
한편, 중심 도파관(110)은 복수 개의 슬롯(115)을 포함할 수 있다. 슬롯(115)은 중심 도파관(110) 내의 전자기파를 외부로 방사하도록 구비될 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 슬롯(115)은 제1 직선형 직각도파관(111) 및 제2 직선형 직각도파관(112)의 내측면에 일정 간격으로 배열되어 구비될 수 있다. 슬롯(115)의 형상에는 특별한 제한은 없으며, 예를 들어, 제1 직선형 직각도파관(111) 및 제2 직선형 직각도파관(112)의 내부로부터 제1 직선형 직각도파관(111) 및 제2 직선형 직각도파관(112)의 내측면을 향해 크기가 확장되도록 구비될 수 있다.
제1 입사 도파관(141)은 중심 도파관(110) 내부로 전자기파를 입사시킨다. 제1 입사 도파관(141)은 중심 도파관(110)에 전자기파 소통 가능하게 접선으로 연결될 수 있다. 이때, 제1 입사 도파관(141)은 제1 곡선형 직각도파관(113)과 연결되는 제1 직선형 직각도파관(111)의 말단부에 제1 곡선형 직각도파관(113)과 병렬로 전자기파 소통가능하게 연결될 수 있다. 이러한 제1 입사 도파관(141)으로부터 입사되는 전자기파의 전송 경로는 제1 직선형 직각도파관(111)으로 입사된 후 제2 곡선형 직각도파관(114)을 경유함에 따라 시계방향으로 전송되어 제2 직선형 직각도파관(112) 및 제2 곡선형 직각도파관(114)을 이어서 경유할 수 있다. 일 예로, 제1 입사 도파관(141)은 제1 직선형 직각도파관(111)의 외측면에 연결되는 일면이 제1 직선형 직각도파관(111) 방향으로 테이퍼지게 구성될 수 있다.
전자기파 공급부(120)는 제1 입사 도파관(141)으로 전자기파를 전달한다. 예를 들어, 전자기파 공급부는 전원공급부 및 전자기파를 제1 입사 도파관(141)으로 발진하는 마그네트론을 포함할 수 있다. 전자기파 공급부(120)는 복수로 구비될 수 있고, 이러한 경우 각각의 전자기파 공급부(120)는 제1 입사 도파관(141) 및 후술하는 제2 내지 제4 입사 도파관(152) 각각에 전자기파를 전달할 수 있다.
플라즈마 챔버(130)는 중심 도파관(110)의 내측면 둘레를 따라 배치되어 중심 도파관(110) 안쪽에 위치하고 중심 도파관(110)으로부터 전자기파가 내부로 입사될 수 있다. 예를 들어, 플라즈마 챔버(130)는 환형 또는 타원형으로 구비될 수 있다.
플라즈마 챔버(130) 내부로의 전자기파의 입사를 위해 플라즈마 챔버(130)는 전자기파 입사창(131)이 구비될 수 있다. 전자기파 입사창(131)은 중심 도파관(110)의 복수 개의 슬롯(115)에 마주하게 배치된다. 즉, 전자기파 입사창(131)은 중심 도파관(110)의 내부와 밀폐하도록 복수 개의 슬롯(115)의 출구측에 위치하고 복수 개의 슬롯(115)을 통해 유입된 전자기파가 복수 개의 슬롯(115)의 외부, 즉 플라즈마 챔버(130)의 내부로 방사되게 구비될 수 있다. 전자기파 입사창(131)은 복수로 구비될 수 있고, 제1 직선형 직각도파관(111)의 내측면 및 제2 직선형 직각도파관(112)의 내측면에 대응되어 각각의 직선형 직각도파관(111, 112)에 구비되는 복수 개의 슬롯(115)의 출구측을 덮을 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 공진 도파관에 의한 플라즈마 발생장치는 제2 입사 도파관(142)을 더 포함할 수 있다.
제2 입사 도파관(142)은 중심 도파관(110) 내부로 전자기파를 입사시킨다. 제2 입사 도파관(142)은, 제1 입사 도파관(141)에 대해, 중심 도파관(110)의 중심점 대칭 지점에서 중심 도파관(110)에 전자기파 소통 가능하게 접선으로 연결될 수 있다. 이때, 제2 입사 도파관(142)은 제2 곡선형 직각도파관(114)과 연결되는 제2 직선형 직각도파관(112)의 말단부에 제2 곡선형 직각도파관(114)과 병렬로 전자기파 소통가능하게 연결될 수 있다. 일 실시예로, 제2 입사 도파관(142)은 제1 입사 도파관(141)과 대각선 방향에 배치될 수 있다. 이러한 제2 입사 도파관(142)으로부터 입사되는 전자기파의 전송 경로는 제2 직선형 직각도파관(112)으로 입사된 후 제1 곡선형 직각도파관(113)을 경유함에 따라 시계방향으로 전송되어 제1 직선형 직각도파관(111) 및 제2 곡선형 직각도파관(114)을 이어서 경유할 수 있다. 제2 입사 도파관(142)을 통해 입사되는 전자기파의 주파수는 제1 입사 도파관(141)을 통해 입사되는 전자기파의 주파수와 동일할 수 있다. 일 예로, 제2 입사 도파관(142)은 제2 직선형 직각도파관(112)의 외측면에 연결되는 일면이 제2 직선형 직각도파관(112) 방향으로 테이퍼지게 구성될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 공진 도파관에 의한 플라즈마 발생장치는 제3 입사 도파관(151) 및 제4 입사 도파관(152)을 더 포함할 수 있다.
제3 입사 도파관(151)은 중심 도파관(110) 내부로 전자기파를 입사시킨다. 제3 입사 도파관(151)은 제1 입사 도파관(141)에 평행하고, 제2 입사 도파관(142)과 동일 행의 중심 도파관(110)과 교차하는 지점에 전자기파 소통 가능하게 접선으로 연결될 수 있다. 이때, 제3 입사 도파관(151)은 제2 곡선형 직각도파관(114)과 연결되는 제1 직선형 직각도파관(111)의 말단부에 제2 곡선형 직각도파관(114)과 병렬로 전자기파 소통가능하게 연결될 수 있다. 이러한 제3 입사 도파관(151)으로부터 입사되는 전자기파의 전송 경로는 제1 직선형 직각도파관(111)으로 입사된 후 제1 곡선형 직각도파관(113)을 경유함에 따라 반시계방향으로 전송되어 제2 직선형 직각도파관(112) 및 제2 곡선형 직각도파관(114)을 이어서 경유할 수 있다. 제3 입사 도파관(151)으로 입사되는 전자기파의 주파수는 제1 입사 도파관(141) 및 제2 입사 도파관(142)으로 입사되는 전자기파의 주파수와 같을 수 있다. 이러한 경우, 제3 입사 도파관(151)으로 입사되는 전자기파는 제1 입사 도파관(141) 및 제2 입사 도파관(142)에서 입사되는 전자기파와 진동수, 진폭, 위상각이 같은 전자기파일 수 있다. 일 예로, 제3 입사 도파관(151)은 제1 직선형 직각도파관(111)의 외측면에 연결되는 일면이 제1 직선형 직각도파관(111) 방향으로 테이퍼지게 구성될 수 있다.
제4 입사 도파관(152)은 중심 도파관(110) 내부로 전자기파를 입사시킨다. 제4 입사 도파관(152)은 제2 입사 도파관(142)에 평행하고, 제1 입사 도파관(141)과 동일 행의 중심 도파관(110)과 교차하는 지점에 전자기파 소통 가능하게 접선으로 연결될 수 있다. 이때, 제4 입사 도파관(152)은 제1 곡선형 직각도파관(113)과 연결되는 제2 직선형 직각도파관(112)의 말단부에 제1 곡선형 직각도파관(113)과 병렬로 전자기파 소통가능하게 연결될 수 있다. 이러한 제4 입사 도파관(152)으로 입사되는 전자기파의 전송 경로는 제2 직선형 직각도파관(112)으로 입사된 후 제2 곡선형 직각도파관(114)을 경유함에 따라 반시계방향으로 전송되어 제1 직선형 직각도파관(111) 및 제1 곡선형 직각도파관(113)을 이어서 경유할 수 있다. 제4 입사 도파관(152)으로 입사되는 전자기파의 주파수는 제3 입사 도파관(151)으로 입사되는 전자기파의 주파수와 같을 수 있다. 일 예로, 제4 입사 도파관(152)은 제2 직선형 직각도파관(112)의 외측면에 연결되는 일면이 제2 직선형 직각도파관(112) 방향으로 테이퍼지게 구성될 수 있다.
일 실시예로, 상기 제1 내지 제4 입사 도파관(152)은 WR340 도파관으로 구성될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 공진 도파관에 의한 플라즈마 발생장치는 튜너(160)를 더 포함할 수 있다.
튜너(160)는 복수로 구비되어, 중심 도파관(110)의 제1 직선형 직각도파관(111) 및 제2 직선형 직각도파관(112) 내에, 복수 개의 슬롯(115)에 마주하는 면, 즉 제1 직선형 직각도파관(111) 및 제2 직선형 직각도파관(112)의 외측면에 설치될 수 있다.
튜너(160)는 복수 개의 슬롯(115) 개수에 대응하는 개수로 구비되어, 제1 직선형 직각도파관(111) 및 제2 직선형 직각도파관(112)의 외측면에서 복수 개의 슬롯(115) 각각에 마주하여 배치될 수 있다.
일 실시예로, 튜너(160)는 스터브(Stub) 튜너일 수 있고, 제1 직선형 직각도파관(111) 및 제2 직선형 직각도파관(112)의 외측면의 외부로부터 내부에 관통하여 설치될 수 있다. 이때, 튜너(160)는 그 삽입되는 길이가 고정형이거나, 삽입된 길이를 조절하여 슬롯(115) 간의 거리를 조절할 수 있는 형태일 수 있다. 튜너(160)의 삽입되는 길이가 고정형인 경우 중심 도파관(110) 내 전자기파의 진행 방향으로 튜너(160)의 삽입된 길이가 다르게 설치되어 각각의 슬롯(115)과 마주하는 간격이 전자기파의 진행 방향으로 서로 다르게 구성될 수 있다. 예를 들어, 튜너(160)는 삽입된 길이를 가변할 수 있는 구조로 설치될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 공진 도파관에 의한 플라즈마 발생장치의 전자기파 입사 과정 및 플라즈마 형성 과정에 대해 도 3을 참조하여 설명한다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공진 도파관에 의한 플라즈마 발생장치의 전자기파의 전송 및 플라즈마 생성 모습을 나타내는 단면도이다.
플라즈마 챔버(130) 내에서의 플라즈마 형성을 위해 제1 내지 제4 입사 도파관(152)을 통해 전자기파가 중심 도파관(110) 내로 입사된다.
제1 입사 도파관(141)에서 입사되는 전자기파는 중심 도파관(110)의 제1 직선형 직각도파관(111) 내로 입사된 후 제2 곡선형 직각도파관(114)을 경유하여 제2 직선형 직각도파관(112) 방향으로 전송된다.
제2 입사 도파관(142)에서 입사되는 전자기파는 중심 도파관(110)의 제2 직선형 직각도파관(112) 내로 입사된 후 제1 곡선형 직각도파관(113)을 경유하여 제1 직선형 직각도파관(111) 방향으로 전송된다.
이러한 제1 입사 도파관(141) 및 제2 입사 도파관(142)을 통해 입사되는 전자기파들은 동일 주파수의 전자기파고, 합류하여 동일 방향(시계방향)으로 전송된다.
제3 입사 도파관(151)에서 입사되는 전자기파는 중심 도파관(110)의 제1 직선형 직각도파관(111) 내로 입사된 후 제1 곡선형 직각도파관(113)을 경유하여 제2 직선형 직각도파관(112) 방향으로 전송된다.
제4 입사 도파관(152)에서 입사되는 전자기파는 중심 도파관(110)의 제2 직선형 직각도파관(112) 내로 입사된 후 제2 곡선형 직각도파관(114)을 경유하여 제1 직선형 직각도파관(111) 방향으로 전송된다.
이러한 제3 입사 도파관(151) 및 제4 입사 도파관(152)을 통해 입사되는 전자기파들은 동일 주파수의 전자기파고, 합류하여 동일 방향(반시계방향)으로 전송된다. 또한 제3 입사 도파관(151) 및 제4 입사 도파관(152)을 통해 입사되는 전자기파들은 제1 입사 도파관(141) 및 제2 입사 도파관(142)을 통해 입사되는 전자기파들과 진동수, 진폭, 위상각이 같은 전자기파일 수 있다.
따라서, 제1 입사 도파관(141) 및 제2 입사 도파관(142)을 통해 입사되는 전자기파들과 제3 입사 도파관(151) 및 제4 입사 도파관(152)을 통해 입사되는 전자기파들은 서로 반대 방향으로 진행하여, 간섭이 발생되며, 동일 속성의 전자기파로서 중심 도파관(110) 내에서 정재파(Standing wave)가 유도될 수 있다.
이어서, 중심 도파관(110) 내의 전자기파는 제1 직선형 직각도파관(111) 및 제2 직선형 직각도파관(112)에 배열된 복수 개의 슬롯(115)으로 유입된 후 플라즈마 챔버(130)의 전자기파 입사창(131)을 통해 플라즈마 챔버(130) 내부로 방사되어 플라즈마 챔버(130) 내에 플라즈마가 생성될 수 있다.
이러한 전자기파의 전송 과정 및 플라즈마의 생성 과정에서, 제1 입사 도파관(141)에서 입사된 전자기파는 제1 입사 도파관(141)과 멀어질수록 전자기파의 파워가 감소할 수 있으나, 제1 입사 도파관(141)에서 입사되어 전송되는 전자기파에 대해 제2 입사 도파관(142)에서 동일 방향으로 추가의 전자기파가 입사된 후 합류하여 진행되므로 제1 입사 도파관(141)에서 입사되어 전송되는 전자기파의 파워가 점차 감소하더라도 제2 입사 도파관(142)에서 입사되어 동일방향으로 전송되는 추가의 전자기파에 의해 중심 도파관(110) 내 전체 구간에서의 전자기파의 파워가 균일하게 유지될 수 있다.
이러한 전자기파의 파워가 감소하는 문제를 해결하는 구조는 제3 입사 도파관(151) 및 제4 입사 도파관(152)을 통해 입사되어 중심 도파관(110) 내에서 전송되는 전자기파에 대해서도 동일하게 작용된다.
이와 더불어, 제3 입사 도파관(151) 및 제4 입사 도파관(152)에서 입사 후 전송되는 전자기파는 제1 입사 도파관(141) 및 제2 입사 도파관(142)에서 입사 후 전송되는 전자기파와 동일 속성이면서 반대 방향으로 진행되므로 중심 도파관(110) 내에 정재파가 유도되어 복수 개의 슬롯(115)으로 균일한 파워의 전자기파가 유입될 수 있다.
이와 같이 중심 도파관(110) 내 전체 구간에서 전자기파의 파워가 균일하게 유지되어 복수 개의 슬롯(115)으로 균일한 파워의 전자기파가 유입되므로 플라즈마 챔버(130) 내 전체 영역에서 밀도 및 균일도(Uniformity)가 유지되는 플라즈마를 생성할 수 있다.
한편, 전자기파의 전송 과정 및 플라즈마의 생성 과정에서, 튜너(160)를 통해 플라즈마 챔버(130) 내로 인가되는 전자기파의 파워가 조절될 수 있다.
즉, 제1 입사 도파관(141) 및 제2 입사 도파관(142)에서 입사되어 전송되는 전자기파의 진행 방향을 따라 각각의 슬롯(115)에 마주하는 튜너(160)는 그 삽입된 길이가 각각의 슬롯(115)으로 유입되는 전자기파의 파워가 더욱 균일해질 수 있는 슬롯(115) 간의 간격으로 설치되거나 가변되어, 플라즈마 챔버(130) 내에 생성되는 플라즈마의 밀도가 더욱 균일해지거나, 높은 밀도의 플라즈마를 생성할 수 있다.
또한, 중심 도파관(110) 및 플라즈마 챔버(130)는 환형 또는 타원형으로 구비되므로 대면적의 플라즈마를 생성할 수 있다.
제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.

Claims (11)

  1. 내측면에 복수 개의 슬롯을 포함하는 환형 또는 타원형의 중심 도파관;
    상기 중심 도파관에 전자기파 소통 가능하게 접선으로 연결된 제1 입사 도파관;
    상기 입사 도파관으로 전자기파를 전달하는 전자기파 공급부; 및
    상기 중심 도파관 내부와 밀폐하도록, 상기 슬롯의 출구측에 위치하고, 상기 슬롯을 통해 유입된 전자기파가 외부로 방사될 수 있는, 전자기파 입사창이 형성된 플라즈마 챔버를 포함하는,
    공진 도파관에 의한 플라즈마 발생장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 입사 도파관에 대해, 상기 중심 도파관의 중심점 대칭 지점에서 상기 중심 도파관에 전자기파 소통 가능하게 접선으로 연결된 제2 입사 도파관을 포함하는,
    공진 도파관에 의한 플라즈마 발생장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 입사 도파관에 평행하고, 상기 제2 입사 도파관과 동일 행의 상기 중심 도파관과 교차하는 지점에 전자기파 소통 가능하게 접선으로 연결된 제3 입사 도파관; 및
    상기 제2 입사 도파관에 평행하고, 상기 제1 입사 도파관과 동일 행의 상기 중심 도파관과 교차하는 지점에 전자기파 소통 가능하게 접선으로 연결된 제4 입사 도파관을 포함하는,
    공진 도파관에 의한 플라즈마 발생장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 중심 도파관은,
    제1 직선형 직각도파관,
    상기 제1 직선형 직각도파관에 평행한 제2 직선형 직각도파관,
    일측에서 상기 제1 및 제2 직선형 직각도파관의 단부를 전자기파 소통가능하게 연결하는 제1 곡선형 직각도파관, 및
    타측에서 상기 제1 및 제2 직선형 직각도파관의 단부를 전자기파 소통가능하게 연결하는 제2 곡선형 직각도파관을 포함하고,
    상기 제1 입사 도파관은 상기 제1 직선형 직각도파관의 말단부에 상기 제1 곡선형 직각도파관에 병렬로 전자기파 소통가능하게 연결됨을 특징으로 하는,
    공진 도파관에 의한 플라즈마 발생장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 입사 도파관에 대해, 상기 중심 도파관의 중심점 대칭 지점에서 상기 중심 도파관에 전자기파 소통 가능하게 접선으로 연결된 제2 입사 도파관을 포함하고,
    상기 제2 입사 도파관은 상기 제2 직선형 직각도파관의 말단부에 상기 제2 곡선형 직각도파관에 병렬로 전자기파 소통가능하게 연결됨을 특징으로 하는,
    공진 도파관에 의한 플라즈마 발생장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 입사 도파관에 평행하고, 상기 제2 입사 도파관과 동일 행의 상기 중심 도파관과 교차하는 지점에 전자기파 소통 가능하게 접선으로 연결된 제3 입사 도파관; 및
    상기 제2 입사 도파관에 평행하고, 상기 제1 입사 도파관과 동일 행의 상기 중심 도파관과 교차하는 지점에 전자기파 소통 가능하게 접선으로 연결된 제4 입사 도파관을 포함하고,
    상기 제3 입사 도파관은 상기 제1 직선형 직각도파관의 말단부에 상기 제2 곡선형 직각도파관에 병렬로 전자기파 소통가능하게 연결되고,
    상기 제4 입사 도파관은 상기 제2 직선형 직각도파관의 말단부에 상기 제1 곡선형 직각도파관에 병렬로 전자기파 소통가능하게 연결됨을 특징으로 하는,
    공진 도파관에 의한 플라즈마 발생장치.
  7. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 직선형 및 상기 곡선형 직각도파관은 TE 모드이고,
    상기 직선형 및 곡선형 직각도파관 내 전기장에 수직한 두 면 중 한 면이 내측을 향하도록 세워져 있고,
    상기 슬릿은 상기 직선형 직각도파관의 내측면에 형성되어 있는,
    공진 도파관에 의한 플라즈마 발생장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 직선형 직각도파관은 WR430이고,
    상기 곡선형 직각도파관은 WR284이며,
    상기 입사 도파관은 WR340인,
    공진 도파관에 의한 플라즈마 발생장치.
  9. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 직선형 직각도파관 내에 상기 슬롯을 마주는 면에 설치된 튜너를 포함하는,
    공진 도파관에 의한 플라즈마 발생장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 튜너는 상기 슬롯 개수에 대응하여 포함되는,
    공진 도파관에 의한 플라즈마 발생장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 튜너는 스터브(stub) 튜너이며,
    상기 튜너는 상기 외측면의 외부로부터 내부에 관통하여 설치되는,
    공진 도파관에 의한 플라즈마 발생장치.
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