WO2011025143A2 - 플라즈마 발생용 마이크로웨이브 안테나 - Google Patents

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WO2011025143A2
WO2011025143A2 PCT/KR2010/004406 KR2010004406W WO2011025143A2 WO 2011025143 A2 WO2011025143 A2 WO 2011025143A2 KR 2010004406 W KR2010004406 W KR 2010004406W WO 2011025143 A2 WO2011025143 A2 WO 2011025143A2
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microwave
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장수욱
정용호
이봉주
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한국기초과학지원연구원
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    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
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    • H05H1/461—Microwave discharges
    • H05H1/4622—Microwave discharges using waveguides

Definitions

  • the present invention relates to a microwave antenna for generating a uniform large area plasma. More specifically, in the present invention, as the permanent magnets are directly mounted to the antenna itself, the hot electrons generated by the ECR are evenly distributed throughout the antenna by the magnetic field, and the plasma ionized by the hot electrons. Relates to a microwave antenna for generating a plasma generated with uniform symmetry.
  • an ECR (Electronic Cyclotron Resonance) plasma source is a very effective plasma generator that can extend the operating and process region of the plasma to a region of low pressure (eg, 10 -4 Torr).
  • the Risitano coil which is a circular shape of the Lisitano type antenna, is not limited to within or outside the wavelength size of the wave to which the diameter is applied.
  • the coil diameter can be adjusted to a desired size without an effective antenna structure capable of generating a corresponding large area plasma.
  • Risitano coils are not suitable for large area uniform plasma sources due to weakness such as i) nonaxisymmetry of plasma profile and ii) limitation of applied power by use of uncooled coaxial cable. It has been inappropriately recognized as an antenna.
  • the present invention is to provide a microwave antenna capable of generating a plasma having a large uniform area with good symmetry of the plasma distribution and less applied power in consideration of the above-described problems.
  • a microwave generating microwave antenna includes a waveguide, an antenna body, and a coaxial structure connecting portion electrically connecting the waveguide and the antenna body, wherein the antenna body is A donut-shaped conductor block having a plurality of slots is formed, a groove is formed between the plurality of slots of the conductor block, and a plurality of permanent magnets are inserted into the groove.
  • the plurality of slots may be formed through the inside and outside of the conductor block.
  • the antenna body may further include a cover to control the outside of the permanent magnet.
  • the plurality of slots may be formed to be repeated in a square wave shape.
  • the lengths of the height direction and the circumferential direction of the plurality of slots are both formed at 1/2 of a wavelength determined according to the frequency of use, and the plurality of slots have a short at the end.
  • the plurality of permanent magnets may be inserted into grooves formed between the plurality of slots of the conductor block, and the upper part of the permanent magnet may be aligned so that the lower part of the N pole is the S pole.
  • the alignment of the permanent magnet in the groove may be made of the upper pole S pole down the N pole.
  • the antenna body may further include an outer conductor connection portion and an inner conductor connection portion electrically connected to the coaxial connection portion.
  • the microwave generating microwave antenna of the present invention the movement of the high temperature electrons due to the magnetic field gradient and curvature inside the antenna body
  • the coaxial connection portion is made of a large diameter coaxial structure, the inner conductor; An outer conductor positioned outside the inner conductor; And ceramic insulation covering one end of the inner conductor.
  • the coaxial connection portion may further include a cooling path for cooling the inner conductor and the outer conductor.
  • the coaxial connection portion may further include an antenna body connection portion.
  • the inner conductor is inserted into the waveguide so that the microwaves in the waveguide are coupled in a coaxial structure so that power can be transmitted.
  • permanent magnets are mounted directly to the antenna itself, so that the hot electrons generated by the ECR are distributed throughout the microwave antenna by the force of the magnetic field gradient and the curvature.
  • the effect of generating a plasma having a uniform large area and uniform symmetry is obtained.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a microwave antenna for plasma generation according to the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the microwave generating microwave antenna of the present invention shown in FIG.
  • FIG. 3 is a schematic partial cross-sectional view of the coaxial connection and waveguide shown in FIG.
  • FIG. 4 is a schematic exploded perspective view of the antenna body shown in FIG.
  • FIG 5 is an explanatory view showing the movement of high temperature electrons Vd due to the magnetic field gradient and curvature inside the microwave antenna body for plasma generation according to the present invention.
  • first and / or second may be used to describe various components, but the components are not limited to the terms. The terms are only for the purpose of distinguishing one component from other components, for example, without departing from the scope of the rights according to the inventive concept, the first component may be called a second component, and For example, the second component may also be referred to as a first component.
  • the microwave generating microwave antenna of the present invention comprises an antenna body 100, a waveguide 300 and a coaxial structure connecting portion 200 for electrically connecting the waveguide and the antenna body.
  • the antenna body 100 includes a donut-shaped conductor block 110 having a plurality of slots 120 formed therein, a groove 170 formed between the plurality of slots of the conductor block, and the groove 170.
  • a plurality of permanent magnets 130 is inserted into.
  • the plurality of slots 120 are formed through the inside and the outside of the conductor block (see FIG.
  • the groove 170 into which the permanent magnet 130 is inserted is formed between the plurality of slots 120 formed in the conductor block 110 of the antenna body 100 and the groove 170. ) May be attached to the cover 140 so that the permanent magnet 130 is not separated to the outside.
  • the cover 140 may be made of an iron plate.
  • the lengths in the height direction and the circumferential direction of the conductor block of the plurality of slots 120 are formed to be dug into 1/2 length of the wavelength determined according to the frequency of use of the microwave antenna of the present invention.
  • the plurality of slots 120 are shorted at the ends.
  • the plurality of permanent magnets 130 are inserted into the grooves 170 formed in the conductor block 110, and the upper side of the outer side of the antenna body 100 may be aligned such that the lower side of the N pole becomes the S pole. On the contrary, the upper side of the outer side of the antenna body 100 may be aligned with the N pole below the S pole.
  • FIG. 3 is a schematic partial cross-sectional view of the coaxial connection and waveguide shown in FIG.
  • the antenna body 100 is electrically connected to the coaxial structure connecting portion 200 by the outer conductor connecting portion 150 and the inner conductor connecting portion 160.
  • the antenna connector 250 in the coaxial connector 200 is connected to the antenna body 100.
  • the coaxial connection portion 200 has a large diameter coaxial structure, and includes an inner conductor 210, an outer conductor 220, and a ceramic insulator 230 covering one end of the inner conductor. Since the large diameter coaxial structure is used as described above, sufficient applied power can be transmitted. In addition, as described above, the power connection structure of the antenna of the present invention is vulnerable to expensive insulator-conductor bonding or heat by allowing the ceramic insulator 230 to surround the end of the internal conductor 210 inserted into the waveguide 300. There is no need for feedthrough in which a sealing (eg O-ring, etc.) is used.
  • a sealing eg O-ring, etc.
  • the coaxial connection portion 200 may further include a cooling furnace 240 for cooling the inner conductor 210 and the outer conductor 220.
  • the cooling furnace 240 may be a water cooling furnace in which water circulates.
  • the cooling furnace 240 may be embodied as a forced cooled type without an electric conductor as it is formed on the outer circumference of the inner conductor to cool the inner conductor 210 and the outer conductor 220. .
  • the inner conductor 210 of the coaxial connection portion 200 is inserted into the waveguide 300 so that the microwaves in the waveguide are coupled in a coaxial structure.
  • the diameter ⁇ and the insertion length l of the inner conductor 210 should be properly adjusted (see FIG. 3).
  • the coaxial connector 200 includes an antenna connector 250.
  • the microwave current supplied to the coaxial connector 200 flows to the inner conductor connecting portion 160 of the antenna body through the inner conductor 210.
  • the microwave current flows along the square wave-shaped slot 120 formed in the antenna body and exits through the external conductor 220.
  • the current flow in the antenna thus formed forms an electric field inside the antenna for generating plasma.
  • the applied power is directly coupled to the coaxial connection portion 200 from the waveguide (that is, the internal conductor of the coaxial connection portion 200 inside the waveguide 300). (210 is inserted and coupled), the waveguide and the coaxial connection is directly connected, and is forcedly cooled by water together with the Risitano coil.
  • the waveguide 300 may be a WR340 standard having a rectangular cross section.
  • the permanent magnet is inserted into the groove 170 formed between the slots 120 of the conductor block 110 of the antenna body 100 (
  • the arrangement of 130 transfers the force due to the magnetic field gradient and curvature to the energetic electrons (generated by ERC).
  • high-temperature electrons which play a role in plasma generation, receive this force and contribute to ionization by drift rotating along the inner wall of the antenna, thereby ensuring symmetry of the plasma and drift of high-temperature electrons that contribute to ionization. It is possible to obtain the symmetry of the plasma through the rotation.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram showing a movement Vd of high temperature electrons due to a magnetic field gradient and curvature inside the antenna main body.
  • the arrangement of permanent magnets causes magnetic field gradients and curvature forces to be transmitted to energetic electrons (generated by ERC). Therefore, these high-temperature electrons are drifted in the circumferential direction under the force, thereby contributing to ionization, and the plasma thus generated ensures an effective symmetry.
  • Is the drift velocity vector Is the velocity direction of the magnetic field, Is the magnetic and orthogonal velocity, Magnetic field vector, Is the magnetic field curvature vector.
  • Permanent magnet-mounted antenna for a uniform large-area microwave plasma generation source can be equipped with the permanent magnets to the antenna itself, having the uniformity and large area of the plasma distribution at the same time, the forced cooling type without the electric introduction It is implemented as a permanent magnet-mounted antenna for uniform large-area microwave plasma source using large diameter coaxial structure.

Abstract

본 발명은 마이크로웨이브를 이용해 균일한(uniform) 대면적(large-area) 플라즈마를 생성하기 위한 새로운 구조의 안테나에 관한 것으로서, 본 발명의 플라즈마 발생용 마이크로웨이브 안테나는, 도파관, 안테나 몸체 및 상기 도파관과 상기 안테나 몸체를 전기적으로 연결하는 동축구조 연결부를 포함하는 플라즈마 발생용 마이크로웨이브 안테나로서, 상기 안테나 몸체는 복수개의 슬롯이 형성된 도넛형상의 도전체 블록으로 이루어지고, 상기 도전체 블록의 복수개의 슬롯 사이에 홈이 형성되며, 상기 홈에 복수개의 영구자석이 삽입된다. 상기 복수개의 슬롯은 상기 도전체 블록의 내외부를 관통하여 형성될 수 있으며, 상기 복수개의 슬롯은 사각파 형상으로 반복되도록 형성될 수 있다. 본 발명에 의하면, 영구자석들이 안테나 자체에 직접 장착되어, ECR에 의해 발생한 고온전자들(energetic electrons)은 자기장구배와 곡률에 의한 힘에 의해 마이크로웨이브 안테나 전체에 걸쳐 분포되게 되고, 다시 고온전자들은 주변의 중성입자를 이온화시켜서 균일한 대면적의 균일한 대칭성을 가지는 플라즈마를 생성할 수 있는 효과가 얻어진다.

Description

플라즈마 발생용 마이크로웨이브 안테나
본 발명은 균일한 대면적의 플라즈마를 발생시키기 위한 마이크로웨이브 안테나에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 영구자석들이 안테나 자체에 직접 장착됨에 따라 ECR에 의해 발생한 고온전자들(energetic electrons)이 자기장에 의해 안테나 전체에 걸쳐 고르게 분포하게 되고, 상기 고온전자들에 의해 이온화된 플라즈마는 균일한 대칭성을 가지고 발생되는 플라즈마를 발생시키기 위한 마이크로웨이브 안테나에 관한 것이다.
일반적으로, ECR(Electronic Cyclotron Resonance; 전자 사이클로트론 공명) 플라즈마원은 플라즈마의 운전 및 공정영역을 낮은 압력(예를 들면, 10-4 Torr)의 영역까지 확대할 수 있는 매우 효과적인 플라즈마 발생원이다.
또한, 플라즈마를 이용한 식각(etching) 및 박막성장 등 다양한 반도체공정(Plasma processing)에서는 산업체에서 요구하는 극한 특성과 수율을 만족하기 위해 점점 더 대면적(large-area)인 플라즈마 발생원을 요구하고 있다. 또한, 이와 함께 대면적 플라즈마는 그 분포에 있어서 균일함(uniformity)을 구비해야 한다.
이와 관련해서, 리시타노(Lisitano) 형태 안테나의 원형 형태인 리시타노 코일은, 기존의 마이크로웨이브 플라즈마원과 달리, 그 지름이 인가되는 웨이브의 파장크기 내외로 제한되지 않고, 파장크기와 상관없이 그 코일 지름을 원하는 크기로 조절할 수 있어서, 그에 상응하는 대면적 플라즈마를 발생시킬 수 있는 효과적인 안테나 구조이다.
그러나, 리시타노 코일은 i) 플라즈마 분포(profile)의 비대칭성(nonaxisymmetry)과 ii) 비냉각 동축선(coaxial cable) 사용에 의한 인가파워의 제한 등과 같은 취약점 등으로 인해 대면적 균일 플라즈마원을 위한 안테나로 적절하지 않게 인식되어 왔다.
따라서, 본 발명은 전술한 문제점을 고려하여, 플라즈마 분포의 대칭성이 양호하고, 인가파워의 제한이 적은 균일한 대면적의 플라즈마를 생성할 수 있는 마이크로웨이브 안테나를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생용 마이크로웨이브 안테나는, 도파관, 안테나 몸체 및 상기 도파관과 상기 안테나 몸체를 전기적으로 연결하는 동축구조 연결부를 포함하는 플라즈마 발생용 마이크로웨이브 안테나로서, 상기 안테나 몸체는 복수개의 슬롯이 형성된 도넛형상의 도전체 블록으로 이루어지고, 상기 도전체 블록의 복수개의 슬롯 사이에 홈이 형성되며, 상기 홈에 복수개의 영구자석이 삽입된다.
본 발명의 플라즈마 발생용 마이크로웨이브 안테나에서, 상기 복수개의 슬롯은 상기 도전체 블록의 내외부를 관통하여 형성될 수 있다.
본 발명의 플라즈마 발생용 마이크로웨이브 안테나에서, 상기 안테나 몸체는 상기 영구자석의 외부이탈을 단속하는 덮개를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 플라즈마 발생용 마이크로웨이브 안테나에서, 상기 복수개의 슬롯은 사각파 형상으로 반복되도록 형성될 수 있다.
본 발명의 플라즈마 발생용 마이크로웨이브 안테나에서, 상기 복수개의 슬롯의 높이방향 및 원주방향의 길이는 모두 사용주파수에 따라 정해지는 파장의 1/2 로 형성되며, 상기 복수개의 슬롯은 단부에서 단락(shot)될 수 있다.
본 발명의 플라즈마 발생용 마이크로웨이브 안테나에서, 상기 복수개의 영구자석은 상기 도전체 블록의 복수개의 슬롯 사이에 형성된 홈에 삽입되며, 윗쪽은 N극 아래쪽은 S극이 되도록 정렬될 수 있다. 또한, 상기 홈에서의 영구자석의 정렬은 윗쪽이 S극 아래쪽이 N극으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 플라즈마 발생용 마이크로웨이브 안테나에서, 상기 안테나 몸체는 동축구조 연결부과 전기적으로 연결되는 외부도전체 연결부 및 내부도전체 연결부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 플라즈마 발생용 마이크로웨이브 안테나에서, 상기 안테나 몸체 내부의 자기장 구배(gradient)와 곡률(curvature)에 의한 고온전자의 움직임은
다음의 식
Figure PCTKR2010004406-appb-I000001
에 의해 지배되고,
여기서,
Figure PCTKR2010004406-appb-I000002
는 드리프트 속도 벡터이고,
Figure PCTKR2010004406-appb-I000003
는 자기장 방향 속도벡터,
Figure PCTKR2010004406-appb-I000004
는 자기장과 직각방향 속도,
Figure PCTKR2010004406-appb-I000005
는 자기장 벡터,
Figure PCTKR2010004406-appb-I000006
는 자기장 곡률벡터이다.
본 발명의 플라즈마 발생용 마이크로웨이브 안테나에서, 상기 동축구조 연결부는 대지름 동축구조로 이루어지고, 내부 도전체; 상기 내부 도전체의 외부에 위치되는 외부 도전체; 및 상기 내부도전체의 일단부를 커버하는 세라믹 절연를 포함할 수 있다.
본 발명의 플라즈마 발생용 마이크로웨이브 안테나에서, 상기 동축구조 연결부는 상기 내부 도전체 및 외부 도전체를 냉각시키는 냉각로를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 플라즈마 발생용 마이크로웨이브 안테나에서, 상기 동축구조 연결부는 안테나 몸체 연결부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 플라즈마 발생용 마이크로웨이브 안테나에서, 상기 내부도전체는 상기 도파관에 삽입되어 도파관속의 마이크로웨이브가 동축구조로 커플링되어 파워가 전달될 수 있다.
본 발명에 의하면, 영구자석들이 안테나 자체에 직접 장착되어, ECR에 의해 발생한 고온전자들(energetic electrons)은 자기장구배와 곡률에 의한 힘에 의해 마이크로웨이브 안테나 전체에 걸쳐 분포되게 되고, 다시 고온전자들은 주변의 중성입자를 이온화시켜서 균일한 대면적을 가지고 균일한 대칭성을 가지는 플라즈마를 생성할 수 있는 효과가 얻어진다.
도1은 본 발명에 따른 플라즈마 발생용 마이크로웨이브 안테나를 나타낸 사시도이다.
도2는 도1에 나타낸 본 발명의 플라즈마 발생용 마이크로웨이브 안테나의 단면도이다.
도3은 도2에 나타낸 동축구조 연결부 및 도파관의 개략적인 부분단면도이다.
도4는 도2에 나타낸 안테나 몸체의 개략적인 분해사시도이다.
도5는 본 발명에 따른 플라즈마 발생용 마이크로웨이브 안테나 본체 내부의 자기장 구배와 곡률에 의한 고온전자의 움직임(Vd)을 나타낸 설명도이다.
특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.
본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들은 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소들로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소는 제1 구성 요소로도 명명될 수 있다.
어떠한 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결되어" 있다거나 또는 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성 요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "∼사이에"와 "바로 ∼사이에" 또는 "∼에 인접하는"과 "∼에 직접 인접하는" 등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 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 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도1은 본 발명에 따른 플라즈마 발생용 마이크로웨이브 안테나를 나타낸 사시도이고, 도2는 도1에 나타낸 본 발명의 플라즈마 발생용 마이크로웨이브 안테나의 단면도이다. 도면에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 플라즈마 발생용 마이크로웨이브 안테나는 안테나 몸체(100), 도파관(300) 및 상기 도파관과 안테나몸체를 전기적으로 연결하는 동축구조 연결부(200)로 이루어진다. 상기 안테나 몸체(100)는 복수개의 슬롯(120)이 형성된 도넛형상의 도전체 블록(110)으로 이루어지고, 상기 도전체 블록의 복수개의 슬롯 사이에 홈(170)이 형성되며, 상기 홈(170)에 복수개의 영구자석(130)이 삽입된다. 상기 복수개의 슬롯(120)은 상기 도전체 블록의 내외부를 관통하여 형성되며(도 5 참조), 사각파 형상(수직으로 내려와서 원주방향으로 연장된 다음 수직으로 올라가서 다시 원주방향으로 연장되고, 다시 수직으로 내려오는 패턴의 형상,
Figure PCTKR2010004406-appb-I000007
형상)으로 형성된다(도 2 및 도 4 참조). 도 4에 도시된 바와 같이, 영구자석(130)이 삽입되는 홈(170)은 안테나 몸체(100)의 도전체 블록(110)에 형성된 복수의 슬롯(120) 사이에 형성되며, 상기 홈(170)에는 영구자석(130)이 외부로 이탈되지 않도록 덮개(140)가 부착될 수 있다. 예를 들어, 상기 덮개(140)는 철판으로 이루어질 수 있다. 상기 복수의 슬롯(120)의 도전체 블록의 높이방향과 원주방향의 길이는 본 발명의 마이크로웨이브 안테나의 사용주파수에 따라 정해지는 파장의 1/2 길이로 파여지도록 형성된다. 상기 복수의 슬롯(120)은 단부에서는 단락(shot)되어진다.
상기 복수의 영구자석(130)은 상기 도전체 블록(110)에 형성된 홈(170)에 삽입되는데, 안테나 몸체(100)의 외측의 윗쪽은 N극 아래쪽은 S극이 되도록 정렬될 수 있다. 반대로, 안테나 몸체(100)의 외측의 윗쪽은 S극 아래쪽은 N극으로 정렬될 수도 있다.
이어서, 도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명에 따른 플라즈마 발생용 마이크로웨이브 안테나의 동축구조 연결부(200)를 설명한다.
도3은 도2에 나타낸 동축구조 연결부 및 도파관의 개략적인 부분단면도이다. 본 발명에서 안테나 몸체(100)는 외부도전체 연결부(150) 및 내부도전체 연결부(160)에 의해 동축구조 연결부(200)와 전기적으로 연결된다. 동축구조 연결부(200)에서의 안테나 연결부(250)는 안테나 몸체(100)에 연결된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 외부도전체(220)는 내부 도전체(210)의 외부에 위치된다. 상기 동축구조 연결부(200)는 대지름 동축구조로 이루어지고, 내부도전체(210), 외부도전체(220) 및 상기 내부도전체의 일단부를 커버하는 세라믹절연체(230)를 포함한다. 상기와 같이 대지름 동축구조를 이용하므로 충분한 인가파워가 전달될 수 있다. 또한, 상기와 같이, 본 발명의 안테나의 파워 연결구조는 도파관(300)내에 삽입된 내부도전체(210)의 단부를 세라믹절연체(230)가 감싸도록 함으로써 고비용이 드는 절연체-도체 접합이나 열에 취약한 마감구조(sealing)(예를 들어, O-ring 등)가 사용되는 전기도입기(feedthrough)가 필요치 않게 된다.
또한, 상기 동축구조 연결부(200)는 상기 내부도전체(210) 및 외부도전체(220)를 냉각시키는 냉각로(240)를 더 포함할 수 있다. 상기 냉각로(240)는 물이 순환하는 수냉로로 이루어질 수 있다. 이와 같이, 동축구조 연결구(200)가 냉각로(240)를 포함하면, 종래의 동축선(coaxial cable)에서의 전도 및 절연체 손실(conduction & dielectric loss)로 인한 가열에 의해 동축선 자체 또는 전기도입기(feedthrough)가 파손되는 문제가 제거될 수 있다. 상기 냉각로(240)는 상기 내부도전체(210) 및 외부도전체(220)를 냉각시키기 위해 내부도전체의 외주에 형성됨에 따라 전기도입기가 없는 강제냉각형(forced cooled)으로 구현될 수 있다.
또한, 상기 동축구조 연결부(200)의 내부도전체(210)는 상기 도파관(300)에 삽입되어 도파관속의 마이크로웨이브가 동축구조로 커플링된다. 상기 내부도전체(210)와 상기 도파관(300)의 효과적인 커플링을 위해서는 내부도전체(210)의 지름(Φ)과 삽입길이(l)가 적절히 조절되어야 한다(도 3 참조).
또한, 상기 동축구조 연결구(200)는 안테나 연결부(250)를 포함한다.
한편, 동축구조 연결부(200)로 공급된 마이크로웨이브전류는 내부도전체(210)를 통해 안테나 몸체의 내부도전체 연결부(160)로 흐르게 된다. 다시 마이크로웨이브 전류는 안테나 몸체에 형성된 사각파 형상의 슬롯(120)을 따라 흘러서 외부도전체(220)를 통해 빠져나가게 된다. 이렇게 형성된 안테나 내의 전류흐름은 플라즈마를 생성하기 위한 전기장을 안테나 내부에 형성하게 된다.
이와 같이 이루어짐에 따라, 인가파워가 도파관(waveguide)으로 부터 동축구조 연결부(200)에 직접적으로 연결(coupling)되는 구조(즉, 도파관(300)의 내부에 동축구조 연결부(200)의 내부도전체(210)가 삽입되어 커플링되는 구조)로서, 도파관과 동축구조 연결부가 직접 연결되며, 리시타노 코일과 함께 물에 의해 강제적으로 냉각된다.
상기 도파관(300)은 단면이 직사각형 형태인 WR340규격이 사용될 수 있다
이어서, 본 발명에 따른 플라즈마 발생용 마이크로웨이브 안테나의 작용에 대하여 설명한다.
전술한 바와 같은 구조로 본 발명의 마이크로웨이브 플라즈마 발생용 안테나가 이루어짐에 따라, 안테나 몸체(100)의 도전체 블록(110)의 슬롯(120) 사이에 형성된 홈(170)에 삽입되는 영구자석(130)들의 배열은 자기장 구배(gradient)와 곡률(curvature)에 의한 힘을 (ECR에 의해 발생한) 고온전자들(energetic electrons)에 전달하게 된다. 또한, 플라즈마 발생에 주역할을 하는 고온전자들은 이 힘을 받아 안테나 내벽을 따라 드리프트(drift) 회전하면서 이온화에 기여하게 되고, 플라즈마의 대칭성이 확보되고, 이온화에 기여하는 고온전자들의 드리프트(drift) 회전을 통한 플라즈마의 대칭성을 획득할 수 있다.
도 5는 상기 안테나 본체 내부의 자기장 구배와 곡률에 의한 고온전자의 움직임(Vd)을 나타낸 설명도이다. 도면에 나타낸 바와 같이, 영구자석의 배열은 자기장 구배와 곡률에 의한 힘을 (ECR에 의한 발생한) 고온전자들(energetic electrons)에게 전달되게 된다. 따라서, 이 고온전자들은 그 힘을 받아 원주방향으로 드리프트 회전하면서 이온화에 기여하고, 이렇게 발생된 플라즈마는 효과적인 대칭성을 확보하게 된다.
또한, 상기 안테나 본체 내부의 자기장 구배와 곡률에 의한 고온전자의
움직임은
Figure PCTKR2010004406-appb-I000008
이고,
여기서,
Figure PCTKR2010004406-appb-I000009
는 드리프트 속도 벡터이고,
Figure PCTKR2010004406-appb-I000010
는 자기장 방향 속도벡터,
Figure PCTKR2010004406-appb-I000011
는 자기장과 직각방향 속도,
Figure PCTKR2010004406-appb-I000012
는 자기장 벡터,
Figure PCTKR2010004406-appb-I000013
는 자기장 곡률벡터이다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
본 발명에 따른 균일한 대면적 마이크로웨이브 플라즈마 발생원을 위한 영구자석 장착형 안테나는 영구자석들이 안테나 자체에 인입/배열됨으로써 플라즈마 분포의 균일함과 대면적을 동시에 갖출 수 있고, 전기도입기가 없는 강제냉각형 대지름 동축구조를 이용한 균일한 대면적 마이크로웨이브 플라즈마 발생원을 위한 영구자석 장착형 안테나로 구현된다.

Claims (12)

  1. 도파관, 안테나 몸체 및 상기 도파관과 상기 안테나 몸체를 전기적으로 연결하는 동축구조 연결부를 포함하는 플라즈마 발생용 마이크로웨이브 안테나로서,
    상기 안테나 몸체는
    복수개의 슬롯이 형성된 도넛형상의 도전체 블록으로 이루어지고,
    상기 도전체 블록의 복수개의 슬롯 사이에 홈이 형성되며,
    상기 홈에 복수개의 영구자석이 삽입되는
    플라즈마 발생용 마이크로웨이브 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수개의 슬롯은 상기 도전체 블록의 내외부를 관통하여 형성되는
    플라즈마 발생용 마이크로웨이브 안테나.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 안테나 몸체는 상기 영구자석의 외부이탈을 단속하는 덮개를 더 포함하는
    플라즈마 발생용 마이크로웨이브 안테나.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 복수개의 슬롯은 사각파 형상으로 반복되도록 형성된
    플라즈마 발생용 마이크로웨이브 안테나.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 복수개의 슬롯의 상기 도전체 블록의 높이방향 및 원주방향의 길이는 사용주파수에 따라 정해지는 파장의 1/2 길이로 형성되며,
    상기 복수개의 슬롯이 단부에서 단락(shot)되는
    플라즈마 발생용 마이크로웨이브 안테나.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 복수개의 영구자석은 상기 도전체 블록의 복수개의 슬롯 사이에 형성된 홈에 삽입되며, 윗쪽이 N극 아래쪽이 S극으로 되거나 또는 위쪽이 S극 아래쪽이 N극이 되도록 정렬되는
    플라즈마 발생용 마이크로웨이브 안테나.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 안테나 본체는 동축구조 연결부과 전기적으로 연결되는 외부도전체 연결부 및 내부도전체 연결부를 더 포함하는
    플라즈마 발생용 마이크로웨이브 안테나.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 안테나 본체 내부의 자기장 구배와 곡률에 의한 고온전자의 움직임은
    다음의 식
    Figure PCTKR2010004406-appb-I000014
    에 의해 지배되고,
    여기서,
    Figure PCTKR2010004406-appb-I000015
    는 드리프트 속도 벡터이고,
    Figure PCTKR2010004406-appb-I000016
    는 자기장 방향 속도벡터,
    Figure PCTKR2010004406-appb-I000017
    는 자기장과 직각방향 속도,
    Figure PCTKR2010004406-appb-I000018
    는 자기장 벡터,
    Figure PCTKR2010004406-appb-I000019
    는 자기장 곡률벡터인
    플라즈마 발생용 마이크로웨이브 안테나.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 동축구조 연결부는 대지름 동축구조로 이루어지고,
    내부 도전체;
    상기 내부 도전체의 외부로 위치되는 외부 도전체; 및
    상기 내부도전체의 일단부를 커버하는 세라믹 절연를 포함하는
    플라즈마 발생용 마이크로웨이브 안테나.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 동축구조 연결부는 상기 내부 도전체 및 외부 도전체를 냉각시키는 냉각로를 더 포함하는
    플라즈마 발생용 마이크로웨이브 안테나.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 동축구조 연결부는 안테나 몸체 연결부를 더 포함하는
    플라즈마 발생용 마이크로웨이브 안테나.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 내부도전체는
    상기 도파관에 삽입되어 도파관속의 마이크로웨이브가 동축구조로 커플링되어 파워가 전달되는
    플라즈마 발생용 마이크로웨이브 안테나.
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