KR100359380B1 - 플라즈마를 발생시키는 장치 - Google Patents
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Abstract
진공실(3)에서 교번 전자계의 도움으로 플라즈마를 발생시키는 장치에서는 로드형 도체(4)를 내부에 포함하는 절연재료로 된 절연관(5)이 진공실(3) 안으로 들어가며, 절연관(5)의 내경이 도체(4)의 직경보다 크며, 절연관(5)의 적어도 한쪽 단부가 진공실(3)의 벽(6, 7)에 고정되고 벽(6, 7)의 맞은 편 쪽으로 절연관(5)의 외부면이 밀폐되며, 도체(4)의 적어도 한쪽 단부가 교번 전자계를 생성하는 제1 소스(8, 9)에 연결되며, 진공실(3)내로 뻗어 있는 로드형 도체(4) 부위가 나선(2) 형상이고, 그 부위의 나선 1권의 길이(L)가 C/cos(α)이고, 10°< α< 15°조건에서 파장(λ0)에 거의 일치한다.
Description
본 발명은 진공실에서 교번 전자계의 도움으로 플라즈마(plasma)를 발생시키는 장치에 관한 것인데, 여기서 적어도 하나의 로드형 도체를 포함하는 절연재료로 된 관이 진공실내로 뻗어 있으며, 절연관의 내경이 도체의 직경보다 크며, 여기서 절연관의 적어도 한쪽 단부가 진공실의 벽에 고정되고 벽의 맞은 편 쪽으로 절연관의 외부면이 밀폐되며, 도체의 적어도 한쪽 단부가 교번 전자계를 생성하는 소스에 연결된다.
공지된 플라즈마 발생 장치(DE 195 03 205)는 제한된 작업 영역(프로세스 영역, 가스압, 마이크로파 출력)에서 표면 처리 및 코팅 기술을 위한 플라즈마를 발생시킬 수 있게 해 준다. 이 공지된 장치는 크게 보아 진공처리실에 설치되는 원통형 유리관과 그 속에 들어가는 금속 전도관으로 이루어지며, 여기서 가스관의 내부 공간에는 대기압이 유지된다. 마이크로파 출력은 두 개의 공급원 및 내부 도체와 외부 도체로 이루어지는 두 개의 금속 동축선을 통해 양쪽에서 진공처리실의 벽을 통과하여 유입된다. 진공처리실 내부의 동축선에서 빠져 있는 외부 도체는 플라즈마 방전물에 의해 대체하게 되는데, 플라즈마 방전물은 충분한 여기 조건(가스압)에서 마이크로파 출력에 의해 여기되어 유지되며, 여기서 마이크로파 출력은 양쪽의 금속 동축선으로부터 유리관을 통해 진공처리실 내부로 방출될 수 있다. 플라즈마는 원통형 유리관의 외부를 에워싸며 내부 도체와 함께 감쇠 라이닝이 아주 큰 동축선을 이룬다. 마이크로파 출력이 양쪽에서 일정하게 공급될 때, 플라즈마가 진공처리실 내부의 동축선에서 외부 도체가 없는 곳에서 눈으로 볼 때 확실히 균일하게 장치를 따라서 방전하도록, 진공처리실의 가스압이 조정될 수 있다.
또한, 처리실에서 마이크로파 여기를 통해 플라즈마를 국부적으로 발생시키는 장치가 공지되어 있는데(DE 41 36 297), 이 장치는 벽에 설치할 수 있는 플랜지에 의해 또는 그 벽 자체에 의해 외측부와 내측부로 나눠지며, 외측부에는 마이크로파 생성 장치가 배치되고, 여기서 나오는 마이크로파는 마이크로파 커플링 장치를 통해 내측부로 유도되며, 마이크로파 커플링 장치에는 플랜지가 통과하는 외부 중공도관이 절연 재료로 만들어져 있으며, 이 중공도관 내부에는 금속으로 된 내부 도체가 있으며, 마이크로파는 마이크로파 생성 장치로부터 내부 도체로 커플링된다.
끝으로, 진공실에서 교번 전자계의 도움으로 플라즈마를 발생시키는 장치가 공지되어 있는데(DE 197 22 272.2), 이 장치에서는 로드형 도체를 포함하는 절연재료로 된 관이 진공실로 들어와 있고, 절연관의 내경이 도체의 직경보다 크다. 절연관은 그 양측 단부가 진공실의 벽에 고정되어 있고 벽의 맞은 편 쪽으로 그 외부면이 밀폐되어 있으며, 도체는 그 양측 단부가 교번 전자계를 생성하는 제 1 소스에 각자 연결되어 있다. 로드형 도체는 양쪽의 벽을 통과하는 각 부위에서 그 중심부 쪽을 향해 전기 전도 재료로 된 부분관에 의해 일정한 간격을 두고 둘러싸여 있으며, 이 두 부분관은 절연관과 동심을 이루도록 배치되며, 절연관과 각 부분관에 의해 이루어지는 링 원통 형태의 중간 공간들은 교번 전자계를 생성하는 제2 소스에 각자 연결되어 있다.
본 발명의 목적은 마이크로파에 전이 전계가 나타남으로써 발생하는 석출된 층의 불안정을 방지하는 데 적합한, 상기 종류의 장치를 제공하는 데 있다. 이 장치는 그 밖에도 저렴한 비용으로 제작할 수 있어야 하며, 특히 마이크로파 전송기를 반사 에너지로부터 보호하는 값비싼 단향 전송 도선을 설치하는 것을 피해야 한다. 다시 말해, 안테나는, 모든 안테나가 갖는 방사 특성에 추가하여, 인가(예컨대, 플라즈마)에 의해 반사된 에너지를 다시 수용하는 일 없이 고주파를 방사할 수 있는 특성을 갖도록 설계되어야 한다.
도 1은 진공실과 면한 쪽이 폐쇄되어 있는 절연관과 헬리컬 안테나를 갖춘 장치의 단면도,
도 2a는 전형적인 헬리컬 안테나만을 도시한 도면,
도 2b는 헬리컬 안테나의 전개도,
도 3a은 도 1에 따른 장치를 T1모드로 작동시킬 때 발생하는 플라즈마 구름을 도시한 도면,
도 3b는 도 1에 따른 장치를 T0모드로 작동시킬 때 발생하는 플라즈마 구름을 도시한 도면,
도 4는 서로 마주보는 두 헬리컬 안테나가 각자 밀폐된 절연관 내부에 들어 있는 실시예에서 발생하는 플라즈마 구름을 도시한 도면, 그리고
도 5는 도 4에 따른 장치와 비슷하지만 두 헬리컬 안테나가 공동의 절연관에 들어 있는 장치에서 발생하는 플라즈마 구름을 도시한 도면.
(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)
2 : 나선부 3 : 진공실 4 : 로드형 도체
5 : 절연관 6 : 벽 8 : 소스
9 : 소스 10 : 도파관 11 : 임피던스 정합요소
12 : 임피던스 정합요소 13 : 나선부 14 : 절연관
15 : 로드형 도체 16 : 절연관
이 목적은, 본 발명에 따라 진공실내로 뻗어 있는 로드형 도체 부위가 나선형상이고, 이 부위의 나선 1권의 길이가 10°< α < 15°의 경사각 조건에서 파장 λ와 거의 일치하게 함으로써 도달하게 된다.
바람직한 실시예에서는 로드형 도체를 내부에 포함하는 절연재료로 된 관이 진공실 안으로 들어가며, 그 절연관의 내경이 도체들의 직경보다 크며, 절연관은 그 양측 단부가 진공실의 벽에 고정되고 벽의 맞은 편 쪽으로 절연관의 외부면이 밀폐되며, 도체들은 교번 전자계를 생성하는 각자의 소스에 연결되며, 이 로드형 도체에서 진공실내로 뻗어 있는 부위가 나선으로 형성되고, 10°< α < 15°일 때 그 나선 1권의 길이는 파장(λ)에 거의 일치하고 그 나선의 총 길이는 파장(λ)의 정수배이다.
이를 대신하는 실시예에서는 로드형 도체를 내부에 포함하는 절연재료로 된 관들이 진공실 안으로 들어가며, 각 절연관의 내경이 각 도체의 직경보다 크며, 각 절연관은 그 한쪽 단부가 진공실의 벽에 고정되고 벽의 맞은 편 쪽으로 절연관의 외부면이 밀폐되며, 각 도체의 한쪽 단부는 교번 전자계를 생성하는 각자의 소스에 연결되며, 진공실내로 뻗어 있는 로드형 도체부위가 나선형상이고, 10°< α < 15°의 경사각 조건에서 이 양측 부위의 나선 1권의 길이는 파장(λ)에 거의 일치하고 그 나선의 총 길이는 파장(λ)의 정수배이다.
본 발명은 아주 다양한 실시예를 가능하게 해 주는데, 그 가운데 세 가지가 첨부된 도면에 개략적으로 도시되어 있다.
(실시예)
도 1에 도시되어 있는 장치는 T1모드에서 작동되는 헬리컬 안테나인데, 원편(circularly polarized) 마이크로파가 중심축을 따라서 헬리컬 안테나의 자유단으로부터 방사되며 플라즈마 방전이 일어나 유지된다.
마이크로파 출력은 마이크로파 발생기로부터 방형 도파관(10)을 통해 공급되며, 임피던스 정합 요소(11, 12)를 통해 동축선(4)에 전달된다. 안테나의 나선부(2)는 동축선(4)의 내부 도체와 연결되어 있고, 동축선의 전자기적 횡파를 원편파로 변환시키며, 이 원편파를 진공으로부터는 밀폐되어 있으나 마이크로파는 투과시키는 관(5)을 통해 진공실(3) 내부로 방사한다. 여기서 진공실(3)의 금속성 도체벽(6)은 후진파에 대한 차폐 반사기 역할을 한다.
설명한 종류의 장치 여러 개가 마이크로파 출력을 아주 동일한 플라즈마 처리실 내부로 방사할 수 있다(도 4). 이때 서로 마주보는 장치들이 서로 반대되는 나선 방향을 보이는 경우에는 각 안테나들이 마이크로파 기술적으로 디커플링되어 있다.
더 자세히 말하자면, 한쪽의 장치가 우선회 나선 방향을 보인다면, 다른 장치는 좌선회 나선 방향을 보여야 한다. 이상적인 조건에서는 좌선회 원편 마이크로파는 우선회 헬리컬 안테나(나선형 안테나)에 의해 흡수될 수 없고 그 반대도 마찬가지다. 원편 마이크로파는 금속성 도체 평면 표면에 반사될 때 편파 방향을 바꾼다.
도 5에서 볼 수 있듯이, 본 발명에 따른 장치 두 개를 진공으로부터 밀폐되어 있고 마이크로파를 투과시키는 관에 함께 배치시킬 수 있는데, 여기서도 두 장치는 나선 방향이 서로 반대가 된다.
본 발명에 따른 장치들로부터 전방으로 방사되는 마이크로파 출력은 플라즈마 방전을 일으키는데, 이것은 마이크로파에 대해서는 파동역학적인 측면에서 볼 때 흡수 절연체가 된다. 이 흡수 절연체 속에서는 마이크로파가 심한 감쇠를 받는다. 감쇠를 약화시키고 이로써 플라즈마의 기하학적 형태를 변화시키려면(특히, 길이 방향으로 뻗게 하려면) 두 장치 사이에 플라즈마로부터 자유로운 연결 통로를 마련하는 것이 유리할 수 있다. 작업 매개변수를 적절하게 선택하면 본 발명에 따른 마주보는 두 장치 사이에서 정재파 전계 패턴으로부터 상당히 자유로운 닫힌 플라즈마 기둥이 생성될 수 있다.
마이크로파를 방사하는 데 이용되는 나선 형태의 로드 안테나(헬리컬 안테나로 지칭되기도 함)는 이른바 T1모드에서 작동하도록 되어 있다. 도 2a는 약 4권의 나선을 갖는 헬리컬 안테나를 보여주고 있는데, 동축선을 거쳐서 이 안테나에 마이크로파 출력이 공급된다. 헬리컬 안테나의 방사 특성은 먼저 나선의 직경(D) 대 인가된 마이크로파의 파장(λ0)의 비율, 두 번째로는 나선의 경사각(α)에 의해 결정된다. 이러한 매개변수들의 선택에 따라서 헬리컬 안테나는 극단적인 경우에는 도 3에 도시되어 있듯이 상당 정도 상보적인 방사 특성을 보이는 서로 다른 두 가지 모드로 방사한다.
T
1
모드:
나선 1권의 길이(L) (L = C/cos(α))는 10°< α < 15°조건에서 파장(λ0)에 근사하게 일치한다.
이 작업 상태에서는 헬리컬 안테나가 큰 주요 최대값과 작은 부차 최대값으로써 헬리컬 안테나의 중심축과 동심을 이루게 헬리컬 안테나의 자유단으로부터 방사를 한다. 그 밖에도 적어도 4권 나선을 갖는 헬리컬 안테나에서의 방사는 대체로 원편을 보이며, 이것의 회전 방향은 안테나의 나선 방향에 의해 결정된다. 이러한 종류의 헬리컬 안테나는 크라우스 코일(Kraus coil)(모노필라멘트, 액시얼 모드 T1R1)이라고 한다. 이에 관해 자세한 것은 John D. Kraus의 『Antennas』(2ndEdition, McGraw-Hill Book Company)의 제7장을 참고하면 된다. 가능한 안테나 이득은 나선 직경, 나선 경사각 및 전체 길이와 같은 헬리컬 안테나의 기하학적 형상에 의해 결정되며 최대 15 dB에 달할 수 있지만, 관 형태의 금속성 전도 재료의 직경과 고유 전기 저항의 영향은 거의 받지 않는다(D. T. Emerson, National Radio Astronomy Observatory, Antenna Compendium Volume 4, pp 64-68, 1995, published by AARL 참고).
T
0
모드:
나선 1권의 길이(L) (L = C/cos(α))는 10°< α < 15°조건에서 파장(λ0) 보다 현저하게 작다.
이 작업 상태에서 헬리컬 안테나는 최대값이 헬리컬 안테나의 중심축에 대하여 수직에 가깝게 진행하는 강도 분포를 보이며 방사한다. 또한 직선 로드 안테나와 비슷하게 반경 방향으로 방사한다. 이 작업 상태는 DE 41 36 297 공개공보 또는 DE 195 03 205 특허 명세서에 따른 장치의 토대가 된다. T0모드는 본 발명에 따른 대상의 관심 밖에 있다.
T 2 ,T 3 , ...모드:
나선 1권의 길이(L) (L = C/cos(α))는 10°< α < 15°조건에서 파장(λ0) 보다 현저하게 크다.
상기와 같이 구성하면, 마이크로파에 전이 전계가 나타남으로써 발생하는 석출된 층의 불안정성을 방지하고, 저렴한 제작 비용을 야기한다.
Claims (3)
- 로드형 도체(4)를 내부에 포함하는 절연재료로 된 절연관(5)이 진공실(3)안으로 들어가며, 절연관(5)의 내경이 로드형 도체(4)의 직경보다 크며, 절연관(5)의 적어도 한쪽 단부가 진공실(3)의 벽(6, 7)에 고정되고 벽(6, 7)의 맞은 편 쪽으로 절연관(5)의 외부면이 밀폐되며, 로드형 도체(4)의 적어도 한쪽 단부가 교번 전자계를 생성하는 제 1 소스(8, 9)에 연결되며, 이 로드형 도체(4)에서 진공실(3)내로 뻗어 있는 부위가 나선(2)으로 형성되고, 10°< α < 15°일 때 그 나선 1권의 길이는 파장(λ)에 거의 일치하고 그 나선의 총 길이는 파장(λ)의 정수배인 것을 특징으로 하는 진공실(3)에서 교번 전자계의 도움으로 플라즈마를 발생시키는 장치.
- 로드형 도체들(4, 15)을 내부에 포함하는 절연재료로 된 절연관(14)이 진공실(3)안으로 들어가며, 절연관(14)의 내경이 로드형 도체들(4, 15)의 직경보다 크며, 절연관(14)의 양측 단부가 진공실(3)의 벽(6, 7)에 고정되고 벽(6, 7)의 맞은 편 쪽으로 절연관(14)의 외부면이 밀폐되며, 로드형 도체들(4, 15)이 각자 교번 전자계를 생성하는 소스(8, 9)에 연결되며, 이 로드형 도체들(4, 15)에서 진공실(3)내로 뻗어 있는 부위들이 나선(2, 13)으로 형성되고, 10°< α < 15°일 때 그 나선 1권의 길이는 파장(λ)에 거의 일치하고 그 나선 각각의 총 길이는 파장(λ)의 정수배인 것을 특징으로 하는 진공실(3)에서 교번 전자계의 도움으로 플라즈마를 발생시키는 장치.
- 로드형 도체들(4, 15)을 내부에 포함하는 절연재료로 된 절연관들(5, 16)이 진공실(3)안으로 들어가며, 각 절연관(5, 16)의 내경이 각 로드형 도체(4, 15)의 직경보다 크며, 각 절연관(5, 16)의 한쪽 단부가 진공실(3)의 벽(6, 7)에 고정되고 벽(6, 7)의 맞은 편 쪽으로 각 절연관(5, 16)의 외부면이 밀폐되며, 각 로드형 도체(4, 15)의 한쪽 단부가 교번 전자계를 생성하는 각 소스(8, 9)에 연결되며, 이 로드형 도체들(4, 15)에서 진공실(3)내로 뻗어 있는 부위들이 나선(2, 13)으로 형성되고, 10°< α < 15°일 때 그 나선 1권의 길이는 파장(λ)에 거의 일치하고 그 나선 각각의 총 길이는 파장(λ)의 정수배인 것을 특징으로 하는 진공실(3)에서 교번 전자계의 도움으로 플라즈마를 발생시키는 장치.
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