KR20240082821A - 공진 도파관에 의한 플라즈마 발생장치 - Google Patents

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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 도파관으로 전자기파를 전달하는 전자기파 전달 수단; 상기 전자기파 전달 수단에 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 포함한다.

Description

공진 도파관에 의한 플라즈마 발생장치{PLASMA GENERATOR BY RESONANT WAVEGUIDE}
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.
한편, 상기 트랙 형상의 타원형으로 형성되는 전자기파를 이용한 플라즈마원은 전자기파를 플라즈마 챔버 내로 입사시키는 유전체 소재의 전자기파 입사창 및 플라즈마를 가두며 ECR 플라즈마를 형성하기 위해 전자기파 입사창과 마주하는 영구자석을 포함하며, 상기 전자기파 입사창을 통해 전자기파가 플라즈마 챔버의 내부로 입사되어 플라즈마 챔버 내에 ECR 플라즈마를 생성한다.
그런데, ECR 공명(Electron Cyclotron Resonance) 위치, 즉 ECR 플라즈마가 상기 전자기파 입사창과 매우 가까워서 이로 인해 ECR 공명 영역 부근의 높은 에너지를 가진 전자가 전자기파 입사창과 잦은 충돌을 하게되고, 이는 전자기파 입사창을 손상시켜 플라즈마원의 내구성을 저해하는 문제가 있었다.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 전자기파 입사창의 손상을 방지하여 전자기파 입사창의 내구성 증대, 나아가 플라즈마 발생장치 전체의 내구성이 증대될 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 도파관으로 전자기파를 전달하는 전자기파 전달 수단; 상기 전자기파 전달 수단에 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 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 전자기파 전달 수단은 상기 중심 도파관의 일 측에 설치되며 상기 전자기파 공급부의 전자기파를 상기 중심 도파관 내로 전달하는 튜너일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 중심 도파관과 상기 튜너 사이에는, 양단이 상기 중심 도파관과 상기 튜너에 각각 직접적으로 연결되는 전달 도파관이 설치되어, 상기 전자기파 공급부로부터의 전자기파가 상기 전달 도파관을 통해 상기 중심 도파관에 전달될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 전자기파 공급부의 도파관은 상기 중심 도파관의 일 측에 접선을 이루도록 배치되며, 상기 전자기파 전달 수단은 상기 접선에 수직하게 상기 중심 도파관과 상기 전자기파 공급부의 도파관을 관통한 봉형태의 도전체일 수 있다.
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 포함할 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 WR340이고, 상기 곡선형 직각도파관은 WR340일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 슬롯은 상기 중심 도파관의 전자파 순환 방향에 수직하게 직립된 슬롯이며, 상기 중심 도파관의 내측면과 상기 전자기파 입사창 사이에 위치하고, 상기 슬롯 사이에서 배치된 자석 유닛을 포함하고, 상기 전자기파 입사창은 상기 자석 유닛들이 형성한 간격을 밀폐하도록 설치될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 자석 유닛은 상기 중심 도파관에서 토로이달 구조의 자기장을 형성하도록, 상기 슬롯 방향에 평행하게 위아래로 한 쌍이 배치되며, 상기 한 쌍의 자석 유닛이 이루는 착자 방향은 상기 슬롯 방향과 평행할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 자석 유닛은 상기 슬롯 방향에 수직하게 좌우로 한 쌍이 배치되며, 상기 한 쌍의 자석 유닛이 이루는 착자 방향은 상기 슬롯 방향과 수직하고, 상기 한 쌍의 자석 유닛이 형성하는 자기장은 상기 슬롯을 가로지를 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 슬롯을 사이에 두고 인접하는 두 자석이 사이의 상기 슬롯으로부터 전달되는 전자기파가 전달되는 경로는, 상기 슬롯으로부터의 전자파기가 상기 경로를 지나면서 확장되어 상기 중심 도파관의 내측으로 입사되도록, 좁은 입구와 확장된 출구 형상의 수평 단면이 사다리꼴 형상일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 자석 유닛은 니켈이 표면에 코팅된 N42SH 네오디뮴 자석이고, 상기 표면 자장은 1300mT 이상일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 중심 도파관은 양단 슬롯 사이의 마주하는 한 쌍의 직선 구간 및 상기 직선 구간으로부터 연결된 양측의 마주하는 한 쌍의 곡선 구간을 포함하며, 상기 직선 구간의 자석의 높이는 상기 곡선 구간의 자석의 높이보다 높을 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 직선 구간의 자석 유닛의 크기는 깊이 30mm~35mm, 높이 35~40mm임을 특징으로 하고, 상기 곡선 구간의 자석 유닛의 크기는 깊이 30mm~35mm, 높이 30~35mm일 수 있다.
본 발명에 따른 공진 도파관에 의한 플라즈마 발생장치에 의하면, ECR 플라즈마 및 전자기파 입사창 간의 거리를 멀게 유지할 수 있어, 전자기파 입사창이 ECR 플라즈마에 의해 손상되는 것을 효과적으로 개선할 수 있고, 이에 따라, 전자기파 입사창 손상이 방지되고, 나아가 플라즈마 발생장치의 내구성이 증대될 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공진 도파관에 의한 플라즈마 발생장치의 구성을 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 도 1의 A-A'선 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 중심 도파관 및 플라즈마 챔버의 모습을 나타내는 사시도이다.
도 4는 도 1에 도시된 직선구간 요크의 모습을 도시하는 도면이다.
도 5는 도 1에 도시된 자석 유닛을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 공진 도파관에 의한 플라즈마 발생장치의 전자기파의 전송 및 플라즈마 생성 모습을 나타내는 단면도이다.
도 7은 자석 유닛 배치에 대한 실시예의 3차원 자기장 전산모사 결과를 나타내는 도면이다.
도 8은 자석 유닛 배치에 대한 실시예의 슬롯 방향으로 이격 배치된 한 쌍의 자석 유닛의 중심에서의 875G 등치선 형성 모습 및 슬롯과 슬롯 사이에서의 875G 등치선 형성 모습을 나타내는 도면이다.
도 9는 영구자석 배치에 대한 실시예의 슬롯 위치 및 위아래 한 쌍의 영구자석 위치에서의 자기장의 Radial profiles을 나타내는 도면이다.
도 10은 자석 유닛 배치에 대한 비교예의 3차원 자기장 전산모사 결과를 나타내는 도면이다.
도 11은 자석 유닛 배치에 대한 비교예의 슬롯 방향으로 이격 배치된 한 쌍의 자석 유닛의 중심에서의 875G 등치선 형성 모습 및 슬롯과 슬롯 사이에서의 875G 등치선 형성 모습을 나타내는 도면이다.
도 12는 자석 유닛 배치에 대한 비교예의 슬롯 위치 및 위아래 한 쌍의 자석 유닛 위치에서의 자기장의 Radial profiles을 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 공진 도파관에 의한 플라즈마 발생장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 공진 도파관에 의한 플라즈마 발생장치의 전자기파 전달 수단의 일 예를 나타내는 도면이다.
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 1의 A-A'선 단면도이고, 도 3은 도 1에 도시된 중심 도파관 및 플라즈마 챔버의 모습을 나타내는 사시도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 공진 도파관은 중심 도파관(110), 전자기파 전달 수단(120), 전자기파 공급부(130), 및 플라즈마 챔버(140), 전기장 제어수단(150)을 포함할 수 있다.
중심 도파관(110)은 전자기파를 시계방향 또는 반시계방향으로 전송할 수 있도록 트랙(Track) 형태로 구비되며, 플라즈마 챔버(140)의 둘레를 둘러싸도록 배치되어 전자기파 전달 수단(120)을 통해 전자기파를 전달받아 플라즈마 챔버(140)의 내부에 고르게 입사시킬 수 있다. 예를 들어, 중심 도파관(110)은 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(111, 112) 및 제1 및 제2 곡선형 직각도파관(113, 114)은 TE 모드이고, 중심 도파관(110)은 제1 및 제2 직선형 직각도파관(111, 112) 및 제1 및 제2 곡선형 직각도파관(113, 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(111, 112)은 WR340 도파관으로 구비되고, 상기 제1 및 제2 곡선형 직각도파관(113, 114)은 WR340 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. 이때, 슬롯(115)은 중심 도파관(110)의 전자파 순환 방향에 수직하게 직립되는 형태로 형성될 수 있다.
여기서, 상기 제1 직선형 직각도파관(111) 및 상기 제2 직선형 직각도파관(112)의 상기 슬롯(115)들이 형성된 영역은 중심 도파관(110)의 한 쌍의 직선 구간(S1, S2)을 형성할 수 있고, 상기 제1 곡선형 직각도파관(113) 및 상기 제2 곡선형 직각도파관(114)에 인접하는 상기 제1 직선형 직각도파관(111) 및 상기 제2 직선형 직각도파관(112)의 나머지 영역과 상기 제1 곡선형 직각도파관(113) 및 상기 제2 곡선형 직각도파관(114)은 중심 도파관(110)의 한 쌍의 곡선 구간(C1, C2)을 형성할 수 있다.
또한, 상기 직선 구간(S1, S2)의 길이는 n λg/2로 형성될 수 있다.(여기서, 상기 λg는 도파관내 파장(Guided Wavelength)의 크기를 의미하며, 상기 n은 자연수(1,2,3..n)를 의미함) 따라서, 대향하는 두 슬롯(115)으로부터 전기장이 플라즈마 챔버(140)의 중앙부근에서 보강간섭됨으로써 전기장의 크기를 더욱 증가시킬 수 있다.
전자기파 전달 수단(120)은 상기 중심 도파관(110)으로 전자기파를 전달한다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 공진 도파관에 의한 플라즈마 발생장치의 전자기파 전달 수단의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 14를 참조하면, 일 예로, 전자기파 전달 수단(120)은 봉형태의 도전체(121)일 수 있다. 상기 봉형태의 도전체(121)는 상기 중심 도파관(110)의 일 측의 접선에 수직하게, 후술하는 전자기파 공급부(130)의 도파관(131) 및 중심 도파관(110)을 관통하게 배치될 수 있다.
도 1을 참조하면, 다른 예로, 전자기파 전달 수단(120)은 상기 중심 도파관(110)의 일 측에 설치되며, 상기 전자기파 공급부(130)의 전자기파를 상기 중심 도파관(110) 내로 전달하는 튜너(122)일 수 있다. 상기 튜너(122)는 상기 전자기파 공급부(130)로부터 전달된 전자기파의 입사파와 반사파의 세기를 조절하여 임피던스 정합을 유도함으로써 상기 전자기파로 유도된 전기장이 상기 플라즈마 챔버(140) 내에서 최대가 되도록 제어할 수 있다.
도 1을 참조하면, 다른 예로, 전자기파 전달 수단(120)은 상기 튜너(122) 및 상기 중심 도파관(110) 사이에, 양단이 상기 중심 도파관(110)과 상기 튜너(122)에 각각 직접적으로 연결되는 전달 도파관(123)을 더 포함할 수 있다. 상기 전달 도파관(123)을 통해 상기 전자기파 공급부(130)로부터의 전자기파가 상기 중심 도파관(110)에 전달될 수 있다.
이러한 경우, 트랙 형태의 플라즈마 발생장치의 길이 또는 크기가 커짐에 따라 요구되는 충분한 파워를 인가할 수 있다. 즉, 상기 봉형태 도전체(121)의 경우에 비해 전달 도파관(123)을 통해 직접적으로 중심 도파관(110)에 전자기파가 전달되는 구조에서는 트랙 형태의 플라즈마 발생장치에서 필요로하는 고출력 파워를 쉽게 전달할 수 있다.
전자기파 공급부(130)는 전자기파 전달 수단(120)에 전자기파를 전달한다. 예를 들어, 전자기파 공급부(130)는 마그네트론(미도시) 및 마그네트론으로부터 발진된 전자파를 전달하는 도파관(131)을 포함할 수 있다.
플라즈마 챔버(140)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(140)는 환형 또는 타원형으로 구비될 수 있다.
플라즈마 챔버(140) 내부로의 전자기파의 입사를 위해 플라즈마 챔버(140)는 전자기파 입사창(141)이 구비될 수 있다. 전자기파 입사창(141)은 중심 도파관(110)의 복수 개의 슬롯(115)에 마주하게 배치된다. 즉, 전자기파 입사창(141)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(140)의 내부로 방사되게 구비될 수 있다. 전자기파 입사창(141)은 복수로 구비될 수 있고, 각각의 제1 직선형 직각도파관(111)의 내측면 및 제2 직선형 직각도파관(112)의 내측면에 마주하도록 배치될 수 있다.
전기장 제어수단(150)은 중심 도파관(110)의 타 측에 배치되며, 중심 도파관(110)의 타측에 체결된 플런저(151)의 위치에 따라 플라즈마 챔버(140) 내의 전기장의 분포를 조절할 수 있다. 즉, 상기 플런저(151)의 최적위치에서 플런저(151)를 내측방향으로 밀면 플라즈마 챔버(140)의 오른쪽편에서 전기장이 강해지고, 반대로 플런저(151)의 최적위치에서 플런저(151)를 외측방향으로 빼면 플라즈마 챔버(140)의 왼쪽편에서 전기장이 강해질 수 있다. 따라서, 전기장 제어수단(150)은 실제 플라즈마 운전시 플런저(151)의 위치를 통해 플라즈마 챔버(140) 내의 자기장 분포를 변화시킴으로써 플라즈마의 균일도를 용이하게 조절 및 제어할 수 있다.
도 4는 도 1에 도시된 직선구간 요크의 모습을 도시하는 도면이고, 도 5는 도 1에 도시된 영구자석을 설명하기 위한 도면이다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 공진 도파관에 의한 플라즈마 발생장치는 자석 유닛(170)을 더 포함할 수 있다.
자석 유닛(170)은 영구자석을 의미하며, 플라즈마챔버(140)의 내측방향으로 자기장을 형성할 수 있다. 자석 유닛(170)은 중심 도파관(110)의 내측면과 전자기파 입사창(141) 사이에 위치하고, 슬롯(115) 사이에서 배치된다. 부연하면, 자석 유닛(170)은 플라즈마 챔버(140)와 중심 도파관(110)의 내측면 사이에서 중심 도파관(110)의 전자파 순환 방향을 따라 배열되며, 상기 제1 직선형 직각도파관(111) 및 상기 제2 직선형 직각도파관(112)에 의한 직선 구간(S1, S2) 및 상기 제1 곡선형 직각도파관(113) 및 상기 제2 곡선형 직각도파관(114)에 의한 곡선 구간(C1, C2)에 배치될 수 있다. 이때, 전자기파 입사창(141)은 자석 유닛(170)들이 형성한 간격을 밀폐하도록 설치된다. 즉, 슬롯(115)에 대향하는 자석 유닛(170)들 사이 사이의 간격을 밀폐하도록 설치된다. 이러한 자석 유닛(170)은 플라즈마 챔버(140) 내에서 전자가 이탈되지 않도록 전자가둠역할(Confinement)을 한다.
자석 유닛(170)은 중심 도파관(110)에서 토로이달 구조의 자기장을 형성하도록, 도 2와 같이 슬롯(115) 방향에 평행하게 위아래로 배치되어, 한 쌍의 자석 유닛(170)이 이루는 착자 방향은 슬롯(115) 방향과 평행할 수 있다. 이러한 한 쌍의 자석 유닛(170)의 착자 방향 구조에 따라 플라즈마 챔버(140) 내부에서 자기장 방향이 슬롯(115) 방향과 평행하게 형성될 수 있다.
자석 유닛(170)은 요크(180a, 180b)에 의해 고정될 수 있다. 요크(180a, 180b)는 한 쌍의 자석 유닛(170)의 착자 방향이 슬롯(115) 방향과 평행하도록 중심 도파관(110) 및 전자기파 입사창(141) 사이에 고정할 수 있다. 도 4를 참조하면, 요크(180a, 180b)는 그 몸체의 위아래에 일정 간격 이격되어 배치되는 한 쌍의 자석배치홈(183)을 구비하도록 형성될 수 있고, 상기 한 쌍의 자석배치홈(183) 각각에 한 쌍의 자석 유닛(170) 각각을 수용하는 형태로 구성될 수 있다. 이러한 요크(180a, 180b)는 철(Iron) 소재일 수 있고, 자장요크 역할을 하여 한 쌍의 자석 유닛(170)에 의한 자력선을 요크(180a, 180b) 내측으로 한정시키고, 플라즈마챔버(140) 내부에 더 큰 자기장을 형성하는 역할을 할 수 있다.
한편, 요크(180a, 180b)는 직선구간 요크(180a)와 곡선구간 요크(180b)로 구분될 수 있다. 직선구간 요크(180a)는 상기 직선 구간(S1, S2) 내에서 슬롯(115) 들 사이에 배치되는 요크일 수 있고, 곡선구간 요크(180b)는 슬롯(115) 들이 배치되는 영역 외, 즉 상기 곡선 구간(C1, C2)에 배치되는 요크일 수 있다.
상기 직선구간 요크(180a)의 제1 면(181)의 수평방향의 폭은 슬롯(115) 들 사이의 폭에 대응하는 폭을 가질 수 있으며, 상기 제1 면(181)의 반대면인 제2 면(182)의 폭은 상기 제1 면(181)의 폭보다 좁게 형성되어, 상기 제1 면(181) 및 상기 제2 면(182)을 연결하는 요크(180a)의 좌우측의 각 측면(182)은 테이퍼지게 형성될 수 있다. 이러한 요크(180a)의 구조에서 상기 한 쌍의 자석배치홈(183)은 상기 제1 면(181)으로부터 만입되어 형성될 수 있고, 상기 제1 면(181)이 중심 도파관(110)의 내측면, 즉 제1 직선형 직각도파관(111) 및 제2 직선형 직각도파관(112) 각각의 내측면에 밀착되고, 상기 제2 면(182)이 전자기파 입사창(141)에 밀착될 수 있다. 이러한 요크(180a)의 형상 및 배치구조에 따라 요크(180a)들 사이의 간격은 슬롯(115)과 대향되어 슬롯(115)으로부터 방사되는 전자기파를 전자기파 입사창(141)을 향해 가이드하는 경로를 형성할 수 있다.
상기 경로는 상기 슬롯(115)을 사이에 두고 인접하는 두 자석 유닛(170) 사이의 상기 슬롯(115)으로부터 전달되는 전자기파가 전달되는 경로를 형성하며, 상기 경로는 좁은 입구와 확장된 출구 형상의 수평 단면이 사다리꼴 형상으로 형성된다. 이에 따라, 상기 경로는 상기 슬롯(115)으로부터의 전자기파가 상기 경로를 지나면서 확장되어 상기 중심 도파관(110)의 내측으로 입사될 수 있다.
상기 곡선구간 요크(180b)는 상기 곡선 구간(C1, C2)에 대응하는 형상, 예를 들어, U자 형상으로 형성될 수 있고, 양끝단은 상기 직선구간 요크(180a)의 측면과 동일한 구배각으로 형성될 수 있고, 곡선구간 요크(180b)의 몸체의 위아래로 배치되는 한 쌍의 자석배치홈(183)이 상기 U자 형상을 따라 배열될 수 있다.
한편, 자석 유닛(170)들은 퀴리온도와 자기장 세기를 고려하여 선정될 수 있다.
일 실시예로, 자석 유닛(170)들은 니켈이 표면에 코팅된 N42SH 네오디뮴 자석일 수 있고, 표면 자장이 1300mT일 수 있다.
또한, 직선 구간(S1, S2)의 자석 유닛(170)들의 크기는 깊이 30mm~35mm, 높이 35~40mm일 수 있고, 곡선 구간(C1, C2)의 자석 유닛(170)들의 크기는 깊이 30mm~35mm, 높이 30mm~35mm일 수 있다.
여기서, 자석 유닛(170)들의 깊이는 도 5의 d방향이고, 높이는 도 5의 h방향이다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 공진 도파관에 의한 플라즈마 발생장치의 전자기파 입사 과정 및 플라즈마 형성 과정에 대해 도 6을 참조하여 설명한다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 공진 도파관에 의한 플라즈마 발생장치의 전자기파의 전송 및 플라즈마 생성 모습을 나타내는 단면도이다.
플라즈마 챔버(140) 내에서의 플라즈마 형성을 위해 전자기파 공급부(130) 및 전자기파 전달 수단(120)을 통해 전자기파가 중심 도파관(110) 내로 입사된다.
입사되는 전자기파는 중심 도파관(110)의 타원 또는 환형의 형상에 따른 트랙 형태의 이동경로를 따라 이동한다. 예를 들어, 입사되는 전자기파는 시계방향으로 이동할 수 있다.
중심 도파관(110) 내에서, 즉 상기 트랙 형태의 이동경로 내에서 이동하는 전자기파는 제1 직선형 직각도파관(111) 및 제2 직선형 직각도파관(112)에 배열된 복수 개의 슬롯(115)으로 유입된 후 플라즈마 챔버(140)의 전자기파 입사창(141)을 통해 플라즈마 챔버(140) 내부로 방사된다.
이때, 상기 곡선 구간(C1, C2)에서는 슬롯(115)의 근처에서 생성된 고온전자들이 자기장에 의해 플라즈마 챔버(140)의 형상을 따라 이동(Drift)하면서 원주방향으로 회전하게 되며, 플라즈마 챔버(140)의 형상을 따라 지속적으로 회전하면서 플라즈마를 생성시키게 된다. 이로 인해, 생성된 고온전자들은 폐회로 이동경로를 가지면서 플라즈마 챔버(140) 전체에서 이온화에 기여하게 되며, 이러한 구조로 인하여 플라즈마를 자기장에 가두고 폐회로화 함으로써 플라즈마의 밀도뿐만 아니라 균일도(Uniformity)에 있어서도 큰 이점을 갖게 된다.
이하에서는 직선 구간(S1, S2) 및 곡선 구간(C1, C2)에서의 영구자석(171, 172)들의 크기에 대한 설계를 달리하는 실시예와 비교예를 통해 자기장이 나타나는 형태 및 이에 따른 플라즈마가 나타나는 형태에 대해 비교 설명한다.
실시예
실시예로, 직선 구간(S1, S2)의 자석 유닛(170)들은 깊이 30mm 및 높이 40mm의 크기로 배치하고, 곡선 구간(C1, C2)의 자석 유닛(170)들은 깊이 30mm 및 높이 34.5mm의 크기로 배치하고, 위아래 자석 유닛(170) 간의 거리는 30.5mm가 되도록 배치하였다.
비교예
비교예로, 직선 구간(S1, S2)의 자석 유닛(170)들은 깊이 30mm 및 높이 30mm의 크기로 배치하고, 곡선 구간(C1, C2)의 자석 유닛(170)들은 깊이 30mm 및 높이 25mm의 크기로 배치하고, 위아래 자석 유닛(170) 간의 거리는 30mm가 되도록 배치하였다.
도 7은 자석 유닛 배치에 대한 실시예의 3차원 자기장 전산모사 결과를 나타내는 도면이고, 도 8은 자석 유닛 배치에 대한 실시예의 슬롯 방향으로 이격 배치된 한 쌍의 자석 유닛의 중심에서의 875G 등치선 형성 모습 및 슬롯과 슬롯 사이에서의 875G 등치선 형성 모습을 나타내는 도면이다.
도 7을 참조하면, 실시예의 경우, (a)의 ECR 공명(Electron Cyclotron Resonance) 영역인 875G 등치선 모습과 같이 자석 유닛(170)이 있는 부분과 슬롯(115) 부분에서의 자기장 구배에 의해 등치선이 울통불퉁한 모습을 보이지만 플라즈마 챔버(140) 내부로 형성되는 자기장의 세기는 충분한 것을 확인할 수 있다. (b)의 등치선 모습에서도 원주 방향으로 고온전자가 돌아 회전할 수 있는 자기장 세기와 구배가 효과적으로 형성되는 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 8을 참조하면, 실시예의 경우, (a) 모습과 같이 한 쌍의 자석 유닛(170) 사이에 형성된 등치선은 플라즈마 챔버(140) 내부로 깊숙히 침투해 형성되는 것을 확인할 수 있고, 플라즈마 챔버(140) 내 자기장 등치선의 구배가 "D"모양(plsitive curvature)으로 형성되는 것을 확인할 수 있다. 이러한 등치선 형성에 따라, 고온 전자들이 B-field 곡률 드리프트(Curmature drift) 유도와 확산을 통한 플라즈마 균일도 확보에 우수한 특성을 나타낼 수 있다.
또한, (b)의 모습과 같이 슬롯(115)과 슬롯(115) 사이 단면에서 형성되는 등치선은 슬롯(115) 구조에 의해서 불연속적인 자석 유닛(170) 배치가 반영된 결과를 나타내고 있다. 이에 대해, 한 쌍의 자석 유닛(170) 간의 거리를 멀게하여 자석 유닛을 연속적으로 배치하면 슬롯(115) 과 슬롯(115) 사이에서 자기장 등치선의 불연속 구간 발생의 문제를 해결할 수 있으나, 한 쌍의 자석 유닛(170) 간의 먼 거리로 인해 자기장 등치선이 전자기파 입사창(141)과 인접하거나 맞닿게 형성되어 고밀도 플라즈마에 의한 전자기파 입사창(141) 식각 및 열손실 등의 내구성에 문제가 발생될 것으로 예상된다.
도 9는 자석 유닛 배치에 대한 실시예의 슬롯 위치 및 위아래 한 쌍의 자석 유닛 위치에서의 자기장의 Radial profiles을 나타내는 도면이다.
도 9를 참조하면, (a)와 같이 서로 마주하는 자석 유닛(170)과 자석 유닛(170) 사이의 위치에서는 전자기파 입사창(141)으로부터 16.9mm 떨어진 지점에 ECR 영역이 형성되고, (b)와 같이 서로 마주하는 슬롯(115)과 슬롯(115) 사이의 위치에서는 전자기파 입사창(141)으로부터 9.8mm 떨어진 지점에 ECR 영역이 형성되는 것을 확인할 수 있었다. 이때, 자석 유닛(170)들 사이의 mirror ratio는 Bmax/Becr은 1.86, 슬롯(115) 과 슬롯(115) 사이의 Bmax/Becr은 1.22로 전자 가둠에 충분한 자기력이 형성되는 것을 확인할 수 있다.
도 10은 자석 유닛 배치에 대한 비교예의 3차원 자기장 전산모사 결과를 나타내는 도면이고, 도 11은 자석 유닛 배치에 대한 비교예의 슬롯 방향으로 이격 배치된 한 쌍의 자석 유닛의 중심에서의 875G 등치선 형성 모습 및 슬롯과 슬롯 사이에서의 875G 등치선 형성 모습을 나타내는 도면이다.
도 10을 참조하면, 비교예의 경우, ECR 공명(Electron Cyclotron Resonance) 영역인 875G 등치선 모습과 같이 자석 유닛(170)이 있는 부분과 슬롯(115) 부분에서의 자기장 구배에 의해 형성되는 등치선이 실시예와 유사한 모습을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
도 11을 참조하면, 비교예의 경우, (a) 모습과 같이 한 쌍의 사이에 형성된 등치선은 실시예에 비해 플라즈마 챔버(140) 내로 집중되는 모습을 나타내지 못하며, (b)의 모습과 같이 슬롯(115)과 슬롯(115) 사이 단면에서 형성되는 등치선은 실시예와 유사한 모습을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
도 12는 자석 유닛 배치에 대한 비교예의 슬롯 위치 및 위아래 한 쌍의 자석 유닛 위치에서의 자기장의 Radial profiles을 나타내는 도면이다.
도 12를 참조하면, (a)와 같이 서로 마주하는 자석 유닛(170)과 자석 유닛(170)의 위치에서는 전자기파 입사창(141)으로부터 10.4mm 떨어진 지점에 ECR 영역이 형성되고, (b)와 같이 서로 마주하는 슬롯(115)과 슬롯(115) 사이의 위치에서는 전자기파 입사창(141)으로부터 0.9mm 떨어진 지점에 ECR 영역이 형성되는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 비교예의 경우 ECR 영역이 실시예에 비해 전자기파 입사창(141)에 더욱 가깝게 형성되는 것을 확인할 수 있었다.
이러한 실시예 및 비교예의 비교 결과와 같이, 자석 유닛(170) 들의 크기 및 배치는 플라즈마 챔버(140) 내에 형성되는 ECR 플라즈마 및 전자기파 입사창(141) 간의 거리를 멀게 유지할 수 있어, 전자기파 입사창(141)이 ECR 플라즈마에 의해 손상되는 것을 효과적으로 개선할 수 있다. 따라서, 전자기파 입사창(141) 손상이 방지되고, 나아가 플라즈마 발생장치의 내구성이 증대될 수 있는 이점이 있다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 공진 도파관에 의한 플라즈마 발생장치를 설명하기 위한 도면이다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 공진 도파관에 의한 플라즈마 발생장치는 도 13에 도시한 바와 같이 자석 유닛(170)은 슬롯(115) 방향에 수직하게 좌우로 배치될 수 있다. 즉, 자석 유닛(170)이 요크(180a, 180b) 내에서 좌우로 배치될 수 있다. 이때, 슬롯(115)을 사이에 둔 이웃하는 자석 유닛(170)은 서로 상대되는 극으로 배치되도록 요크(180a, 180b)가 배열될 수 있다.
이러한 경우, 한 쌍의 자석 유닛(170)이 이루는 착자 방향은 슬롯(115) 방향과 수직하고, 한 쌍의 자석 유닛(170)이 형성하는 자기장은 슬롯(115)을 가로지르도록 형성될 수 있다.
이러한 본 발명의 다른 실시예에 따른 공진 도파관에 의한 플라즈마 발생장치는 자석 유닛(170)의 크기에 대한 배치가 본 발명의 일 실시예에 따른 공진 도파관에 의한 플라즈마 발생장치와 동일할 수 있고, 이에 따라, ECR 플라즈마가 전자기파 입사창(141)으로부터 멀어지는 동일한 작용 및 효과가 구현될 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 (14)

  1. 내측면에 복수 개의 슬롯을 포함하는 환형 또는 타원형의 중심 도파관;
    상기 중심 도파관으로 전자기파를 전달하는 전자기파 전달 수단;
    상기 전자기파 전달 수단에 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 전자기파 전달 수단은 상기 중심 도파관의 일 측에 설치되며 상기 전자기파 공급부의 전자기파를 상기 중심 도파관 내로 전달하는 튜너인,
    공진 도파관에 의한 플라즈마 발생장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 중심 도파관과 상기 튜너 사이에는, 양단이 상기 중심 도파관과 상기 튜너에 각각 직접적으로 연결되는 전달 도파관이 설치되어, 상기 전자기파 공급부로부터의 전자기파가 상기 전달 도파관을 통해 상기 중심 도파관에 전달되는 것을 특징으로 하는
    공진 도파관에 의한 플라즈마 발생장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전자기파 공급부의 도파관은 상기 중심 도파관의 일 측에 접선을 이루도록 배치되며,
    상기 전자기파 전달 수단은 상기 접선에 수직하게 상기 중심 도파관과 상기 전자기파 공급부의 도파관을 관통한 봉형태의 도전체인,
    공진 도파관에 의한 플라즈마 발생장치.
  5. 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 포함하는,
    공진 도파관에 의한 플라즈마 발생장치.
  6. 제6항에 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 슬롯은 상기 직선형 직각도파관의 내측면에 형성되어 있는,
    공진 도파관에 의한 플라즈마 발생장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 직선형 직각도파관은 WR340이고,
    상기 곡선형 직각도파관은 WR340인,
    공진 도파관에 의한 플라즈마 발생장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 슬롯은 상기 중심 도파관의 전자파 순환 방향에 수직하게 직립된 슬롯이며,
    상기 중심 도파관의 내측면과 상기 전자기파 입사창 사이에 위치하고, 상기 슬롯 사이에서 배치된 자석 유닛을 포함하고,
    상기 전자기파 입사창은 상기 자석 유닛들이 형성한 간격을 밀폐하도록 설치된,
    공진 도파관에 의한 플라즈마 발생장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 자석 유닛은 상기 중심 도파관에서 토로이달 구조의 자기장을 형성하도록, 상기 슬롯 방향에 평행하게 위아래로 한 쌍이 배치되며, 상기 한 쌍의 자석 유닛이 이루는 착자 방향은 상기 슬롯 방향과 평행함을 특징으로 하는,
    공진 도파관에 의한 플라즈마 발생장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 자석 유닛은 상기 슬롯 방향에 수직하게 좌우로 한 쌍이 배치되며,
    상기 한 쌍의 자석 유닛이 이루는 착자 방향은 상기 슬롯 방향과 수직하고, 상기 한 쌍의 자석 유닛이 형성하는 자기장은 상기 슬롯을 가로지르는,
    공진 도파관에 의한 플라즈마 발생장치.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 슬롯을 사이에 두고 인접하는 두 자석이 사이의 상기 슬롯으로부터 전달되는 전자기파가 전달되는 경로는, 상기 슬롯으로부터의 전자파기가 상기 경로를 지나면서 확장되어 상기 중심 도파관의 내측으로 입사되도록, 좁은 입구와 확장된 출구 형상의 수평 단면이 사다리꼴 형상임을 특징으로 하는,
    공진 도파관에 의한 플라즈마 발생장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 자석 유닛은 니켈이 표면에 코팅된 N42SH 네오디뮴 자석이고,
    상기 표면 자장은 1300mT 이상임을 특징으로 하는,
    공진 도파관에 의한 플라즈마 발생장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 중심 도파관은 양단 슬롯 사이의 마주하는 한 쌍의 직선 구간 및 상기 직선 구간으로부터 연결된 양측의 마주하는 한 쌍의 곡선 구간을 포함하며,
    상기 직선 구간의 자석의 높이는 상기 곡선 구간의 자석의 높이보다 높은,
    공진 도파관에 의한 플라즈마 발생장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 직선 구간의 자석 유닛의 크기는 깊이 30mm~35mm, 높이 35~40mm임을 특징으로 하고,
    상기 곡선 구간의 자석 유닛의 크기는 깊이 30mm~35mm, 높이 30~35mm임을 특징으로 하는,
    공진 도파관에 의한 플라즈마 발생장치.
KR1020220166849A 2022-12-02 공진 도파관에 의한 플라즈마 발생장치 KR20240082821A (ko)

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