KR101886755B1

KR101886755B1 - 다중 펄스 플라즈마를 이용한 음이온 공급의 연속화 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR101886755B1
Application number: KR1020170154107A
Authority: KR
Inventors: 허성렬
Original assignee: 한국원자력연구원
Priority date: 2017-11-17
Filing date: 2017-11-17
Publication date: 2018-08-09
Anticipated expiration: 2037-11-17
Also published as: CN111373502A; WO2019098554A1; EP3712921A4; JP6976434B2; EP3712921A1; JP2021503691A; US20200288561A1; US11337296B2; EP3712921B1; CN111373502B

Abstract

본 발명은, 음전성 가스를 공급받아, 상기 음전성 가스에 펄스 전력을 인가하여 플라즈마를 생성하는 복수 개의 플라즈마 발생부; 상기 플라즈마 발생부와 각각 연결되어, 상기 플라즈마를 전달받아 수용하는 음이온 공급부; 및 상기 복수 개의 플라즈마 발생부와 연결되어, 상기 각 플라즈마 발생부에 공급되는 상기 펄스 전력의 특성을 각각 제어하고, 상기 플라즈마 발생부 중 어느 하나가 액티브 글로우(active-glow)인 경우, 나머지 플라즈마 발생부는 애프터 글로우(after-glow)가 되도록 상기 펄스 전력 간의 위상차를 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 플라즈마 발생부는, 상기 펄스 전력의 위상차에 따라 교차로 플라즈마를 생성하며, 액티브 글로우 상태인 일 플라즈마 발생부에서 상기 음이온 공급부로 공급되는 음이온 공급량이 감소될 때, 애프터 글로우 상태인 다른 플라즈마 발생부에서 상기 음이온 공급부로 음이온을 공급하여 감소된 음이온 공급량을 보상하는 것을 특징으로 하는 다중 펄스 플라즈마를 이용한 음이온 연속 공급 시스템 및 방법을 개시한다.

Description

다중 펄스 플라즈마를 이용한 음이온 공급의 연속화 시스템 및 방법{SYSTEMS AND METHODS FOR CONTINUOUSLY SUPPLYING NEGATIVE IONS USING MULTI-PULSED PLASMA SOURCES}

본 발명은 다중 펄스 플라즈마를 제어하여 음이온 공급을 연속화하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.

플라즈마(plasma)는 물질의 세 가지 상태인 고체, 액체 및 기체와 더불어 제4의 물질상태로 일컫는다.

플라즈마는 기체에 에너지를 가하여 생성된 준중성의 이온화된 가스 혹은 입자들의 집합체를 의미하며, 중성 입자, 전자 및 이온을 포함한다. 여기서, 전자는 에너지에 따라 입자 수의 분포를 가지며, 에너지 준위에 따라 고에너지전자 또는 저에너지전자로 분류될 수도 있다.

한편, 음이온 이용 기술은, 다양한 연구·산업 분야 중에서 특히 핵융합, 반도체 및 우주 추진제 분야에서 직·간접적으로 활발히 활용되고 있다. 상기 각 분야에서 활용되는 음이온 이용 기술과 요구되는 새로운 음이온 기술에 대해 이하 상세하게 살펴본다.

핵융합 분야를 살펴보면, 핵융합 반응이 일어나기 위해서는, 핵융합로 플라즈마의 온도를 높여주는 가열 장치, 및 핵융합로 연속운전에 필요한 플라즈마 전류를 구동해주는 구동장치가 필수적이다.

중성입자빔 입사장치(Neutral Beam Injection, NBI)는 핵심적인 핵융합로 가열 장치이면서 플라즈마 전류 구동 장치이다. 구체적으로, 중성입자빔 입사 장치는 이온원에서 생성된 하전입자(예를 들어, 중수소 양이온 또는 음이온)를 전기장에 인가하여 가속시킨 후 중성화하고, 중성화된 고속 입자를 강력한 자기장을 발생시키는 핵융합로 안으로 입사시키도록 구성된다.

한편, 연구에 따르면 가속된 빔의 중성화 과정에서 양이온빔과 음이온빔의 중성화 효율은 에너지에 따라 차이가 있다. 예를 들어, 고속으로 가속된 빔 조건에서 음이온빔의 중성화 효율은 양이온빔의 중성화 효율보다 훨씬 높다.

따라서 고속 중성입자빔의 입사가 필요한 고성능 핵융합로의 효율적인 운용을 위하여, 중성입자빔 입사장치에 음이온을 안정적으로 공급할 수 있는 음이온 공급 및 제어 기술 개발이 필요한 실정이다.

한편, 수 나노(nanometer, nm)급의 칩을 생산하는 반도체 분야를 살펴보면, 웨이퍼(wafer) 패턴의 최소 선폭(Critical Dimension, CD)가 작아짐에 따라 정교한 식각(etching) 기술이 활용되는데, CD가 매우 작은 플라즈마 식각 시 기판에 하전입자(주로 양이온)이 적층됨에 따라 전하충전 손상(charging damage) 및 이상 식각(abnormal etching)등이 발생하는 문제가 있다.

이를 해결하기 위해 기판에 적층된 하전입자와 다른 전하를 띤 입자를 안정적으로 공급하여 기판에 적층된 하전입자를 중성화시킬 수 있는 음이온 공급 및 제어 기술 개발이 필요한 실정이다.

한편, 우주 추진체 분야를 살펴보면, 종래 우주 추진체인 정전추진기(electrostatic thruster)는 플라즈마 이온원 양이온을 공급받아 우주 추진체를 추진하도록 구성된다. 다만, 플라즈마 이온원은, 추진에 사용되는 양이온뿐만 아니라 전하충전 손상을 일으키고 가속 전기장을 상쇄시키는 전자를 만들기 때문에, 추가적으로 부피가 크고 무거운 중성화 장치가 필요하다는 문제가 있다.

따라서, 종래의 정전 추진기의 문제를 해결하기 위해, 종래와 다른 방식의 정상 상태 이온 - 이온 플라즈마(steady-state ion - ion plasma)를 이용하는 추진기가 연구되고 있다. 구체적으로 이온 - 이온 플라즈마를 이용하는 추친체는 양이온과 음이온을 교차 인출하는 방식으로 추진체를 추진함에 따라 종래의 전하 충전 및 전기장 상쇄 문제를 해결하고자 한다. 다만, 이를 위해서는 지속적이고 전자 밀도 대비 높은 밀도의 음이온이 생성시켜야 된다는 기술적 난제가 있다.

앞서 살펴본 바와 같이, 상술한 여러 분야의 문제점을 해결하기 위해서는, 높은 밀도의 음이온 지속적으로 공급하고, 이를 위한 제어 기술이 필요하다. 이하에서는 종래 음이온 공급·제어 기술에 대해 상세히 살펴보고 이와 관련된 문제점에 대해 설명한다.

일반적으로, 음이온을 공급하기 위해 생성하는 장치를 플라즈마 음이온원이라 일컫는다. 구체적으로 플라즈마 음이온원은, 음전성 가스(electronegative gas)를 포함하는 가스를 방전시켜 음이온을 포함하는 플라즈마를 생성하고, 생성된 음이온을 인출하여 이용하는 장치를 의미한다. 여기서 음전성 가스는 플라즈마 상태에서 음이온을 만들 수 있는 원료 가스 혹은 가스를 지칭한다.

플라즈마 음이온원 내에서 음이온을 생성하는 기전(mechanism)은 크게 표면생성기전(surface production)과 공간생성기전(volume production)으로 나눌 수 있다.

표면생성기전은 일함수(work function)가 낮은 물질{예를 들어, 세슘(Cesium, Cs)}을 이온원 장치 표면에 도포하여, 음전성 가스 원자(또는 양이온)가 표면으로부터 전자를 받아 음이온이 생성되는 반응 원리이다. 여기서, 일함수는 물질 내에 있는 전자 하나를 밖으로 끌어내는 데 필요한 최소 일 또는 에너지를 의미한다.

다만, 표면생성기전을 활용한 음이온원은 후술한 공간생성기전을 활용한 음이온원보다 음이온 생성 효율이 매우 높지만, 도포 물질의 화학 특성과 표면 흡탈착(adsorption and desorption) 관련 동역학이 복잡하여 제어가 어렵다는 문제가 있다.

아울러, 다른 잔여 불순물(residual impurity)들과 화학 반응하면 일함수가 저하되고, 가속부(accelerator stage)로 이동하여 고전압에 대한 내전압 능력(voltage holding capability)이 떨어지는 등의 관리가 용이하지 못하다는 문제가 있다.

또한, 표면생성기전을 활용한 음이온원은 장시간 운전 시 반드시 장치 표면에 도포 물질을 새로 도포하고, 컨디셔닝(conditioning)을 수행해야 하는 불편함이 있다.

한편, 앞서 설명한 표면생성기전을 활용한 음이온원의 단점 때문에, 최근에는 도포 물질 사용을 배제하거나 최소화하는 고성능 음이온원의 개발 관련 연구가 수행되고 있다. 후술할 공간생성기전을 활용한 음이온 생성 및 공급 방법에 대한 연구 개발 역시 이러한 연구 개발들 중에 하나이다.

공간생성기전은, 음전성 가스 분자를 고에너지 전자{예를 들어, 수십 eV(전자 볼트)}에 의한 여기(excitation) 반응으로 고진동여기분자{highly vibrationally excited molecule, 예를 들어 진동양자수(vibrational quantum number)가 5이상}를 생성하는 단계, 및 상기 고진동여기분자를 저에너지 전자(예를 들어, 1 eV 이하)와 해리성 부착(dissociative attachment) 반응시켜 원자와 함께 음이온을 생성하는 단계로 구성된다.

한편, 공간생성기전에서 고에너지 전자는, 고진동여기분자를 만들어 음이온 생성 반응에 기여하지만, 동시에 전자이탈(electron detachment) 반응으로 만들어진 음이온을 제거한다. 따라서, 공간생성기전을 이용한 음이온원의 효율이 표면생성기전을 이용한 음이온원의 효율보다는 떨어지는 문제가 있다.

따라서, 연구자들은 플라즈마 펄싱 기술을 도입하여 공간생성기전을 이용한 음이온원의 효율을 높이려는 시도가 있다. 여기서, 플라즈마 펄싱은 시간에 따라 전력 인가 여부 및 전력량을 조절하여 전자의 에너지를 조절하는 방법을 의미한다.

하지만, 플라즈마 펄싱을 이용한 음이온원은 특성 상 높은 밀도의 음이온이 유지되는 시간이 짧기 때문에(예를 들어, μs 단위 정도의 시간), 음이온을 안정적으로 공급하기 어렵다는 문제가 있다.

본 발명의 목적은 상술한 다양한 연구 개발 및 산업 분야, 특히, 핵융합, 반도체 및 우주 추진제 분야에서의 요구를 충족하는 음이온을 연속적으로 공급하는 시스템을 제공하는 데에 있다.

본 발명의 구체적인 목적은 다음과 같다.

본 발명의 첫 번째 목적은, 유지 및 보수가 어려운 종래 음이온 표면생성기전을 이용한 음이온원을 대체하여, 공간생성기전을 활용하여 음이온을 생성하고 높은 밀도의 음이온을 연속적으로 공급할 수 있는 시스템을 제공하는 데에 있다.

본 발명의 두 번째 목적은, 플라즈마에 생성된 고에너지 전자들이 이미 생성된 음이온들을 제거하지 못하도록, 고에너지 전자와 음이온과의 반응을 억제할 수 있는 시스템을 제공하는 데에 있다.

본 발명의 세 번째 목적은, 본 발명에 종래 표면생성기전을 접목하거나 또는 공간생성기전 반응률을 제고할 수 있는 다른 기술(예를 들어 특이 금속 표면 재료를 사용)과 접목하여 효율성이 제고된 음이온을 연속적으로 공급하는 시스템을 제공하는 데에 있다.

본 발명은 네 번째 목적은, 상기 요구를 충족하는 음이온을 연속적으로 공급하는 방법을 제공하는 데에 있다.

본 발명의 첫 번째 목적을 달성하기 위하여, 다중 펄스 플라즈마를 이용한 음이온 연속 공급 시스템은 음전성 가스를 공급받아, 상기 음전성 가스에 펄스 전력을 인가하여 플라즈마를 생성하는 복수 개의 플라즈마 발생부; 상기 플라즈마 발생부와 각각 연결되어, 상기 플라즈마를 전달받아 수용하는 음이온 공급부; 및 상기 복수 개의 플라즈마 발생부와 연결되어, 상기 각 플라즈마 발생부에 공급되는 상기 펄스 전력의 특성을 각각 제어하고, 상기 플라즈마 발생부 중 어느 하나가 액티브 글로우(active-glow)인 경우, 나머지 플라즈마 발생부는 애프터 글로우(after-glow)가 되도록 상기 펄스 전력 간의 위상차를 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 플라즈마 발생부는, 상기 펄스 전력의 위상차에 따라 교차로 플라즈마를 생성하며, 액티브 글로우 상태인 일 플라즈마 발생부에서 상기 음이온 공급부로 공급되는 음이온 공급량이 감소될 때, 애프터 글로우 상태인 다른 플라즈마 발생부에서 상기 음이온 공급부로 음이온을 공급하여 감소된 음이온 공급량을 보상하는 것을 특징으로 하는 다중 펄스 플라즈마를 이용한 음이온 연속 공급 시스템.

다시 말해, 액티브 글로우 상태인 일 플라즈마 발생부에서 상기 음이온 공급부로 음이온 공급량이 감소될 때, 애프터 글로우 상태인 다른 플라즈마 발생부에서 상기 음이온 공급부로 음이온 공급량을 증가시키도록 구성된다.

상기 플라즈마 발생부는, 일 플라즈마 발생부가 상기 액티브 글로우에서 생성된 음이온 전구체 및 전자를 상기 음이온 공급부에 공급할 때, 다른 플라즈마 발생부가 상기 애프터 글로우에서 생성된 음이온을 상기 음이온 공급부에 공급할 수 있다.

상기 제어부는, 상기 플라즈마 발생부에 각각 연결되어, 상기 플라즈마 발생부가 액티브 글로우 또는 애프터 글로우에 진입되도록 상기 펄스 전력의 특성을 제어하는 복수 개의 펄스전원제어부; 및 상기 펄스전원제어부와 연결되어, 일 플라즈마 발생부의 액티브 글로우 상태가 종료된 후, 다른 플라즈마 발생부의 액티브 글로우가 시작되는 시점을 지연시키도록, 상기 펄스전원제어부 간 상기 펄스 전력의 위상차를 제어하는 시스템제어부를 포함할 수 있다.

본 발명의 두 번째 목적을 달성하기 위하여, 다중 펄스 플라즈마를 이용한 음이온 연속 공급 시스템은,

상기 플라즈마 발생부와 상기 음이온 공급부 사이에 설치되는 자기장 필터를 더 포함하고, 상기 자기장 필터는, 상기 플라즈마 발생부의 액티브 글로우에서 생성된 전자 중에서 저에너지전자를 음이온 공급부에 제공하도록 상기 전자 중에서 고에너지전자가 상기 음이온 공급부로 이동하는 것을 제한할 수 있다.

상기 자기장 필터는 영구자석으로 구성될 수 있다.

상기 자기장 필터는 전자석으로 구성되고, 상기 전자석은 상기 플라즈마 발생부의 작동 상태에 따라, 자기장 형성을 할 수 있다.

상기 전자석은 상기 펄스 전력들의 위상과 연계되어 상기 액티브 글로우 상태에서 자기장을 형성할 수 있다.

상기 자기장 필터는 다수 개의 영구자석과 전자석으로 구성될 수 있다.

상기 플라즈마 발생부와 상기 음이온 공급부 사이에 설치되는 플라즈마 입자 필터를 더 포함하고, 상기 플라즈마 입자 필터는, 상기 플라즈마 발생부에서 생성된 입자들을 선택적으로 상기 음이온 공급부로 수송시킬 수 있다.

상기 플라즈마 입자 필터는 전기장을 인가할 수 있는 전극 또는 그리드(grid) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.

본 발명의 세 번째 목적을 달성하기 위하여, 다중 펄스 플라즈마를 이용한 음이온 연속 공급 시스템은 플라즈마 발생부의 표면에 일함수가 낮은 물질을 도포할 수 있다.

본 발명의 네 번째 목적을 달성하기 위하여, 다중 펄스 플라즈마를 이용한 음이온 연속 공급 방법은,

복수 개의 플라즈마 발생부에 펄스 전력을 인가하여 플라즈마를 생성하고, 상기 플라즈마를 음이온 공급부에 공급하는 음이온 생성 및 공급 단계; 상기 각 플라즈마 발생부에 인가되는 펄스 전력 간의 위상차를 제어하여, 상기 플라즈마 발생부가 교차 작동하며, 상기 음이온 공급부에 음이온을 연속적으로 공급하는 음이온 공급의 연속화 단계; 및 상기 음이온 공급부로부터 음이온을 인출하는 음이온 인출 단계를 포함한다.

상기 음이온 생성 및 공급 단계는, 상기 플라즈마 발생부에 펄스 전력이 인가된 경우, 음이온, 음이온 전구체 및 전자를 포함하는 플라즈마가 생성되는 단계; 상기 음이온 전구체 및 전자가 음이온 공급부로 공급되는 단계; 상기 음이온 공급부에서 상기 음이온 전구체가 전자와 반응하여 제1음이온이 생성되는 단계; 상기 플라즈마 발생부에 펄스 전력의 인가가 중단된 경우, 상기 펄스 전력의 인가가 중단되기 전에 생성된 플라즈마로부터 제2음이온이 생성되는 단계; 및 상기 제2음이온을 상기 음이온 공급부로 공급하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 음이온 전구체 및 전자가 음이온 공급부로 공급되는 단계에서, 상기 전자 중에서 고에너지전자가 상기 음이온 공급부로 이동하는 것을 제한하도록, 상기 음이온 공급부와 상기 플라즈마 발생부 사이에 설치된 자기장 필터에 의해 자기장이 발생되는 단계를 포함할 수 있다.

상기 음이온 공급의 연속화 단계는, 상기 복수 개의 플라즈마 발생부에 시간 차이를 두고 펄스 전력이 인가되도록, 상기 복수 개의 플라즈마 발생부에 펄스 전력 간의 위상차를 제어하는 단계; 상기 펄스 전력이 인가되어 일 플라즈마 발생부가 액티브 글로우 상태일 때, 다른 플라즈마 발생부가 애프터 글로우 상태를 형성하고, 상기 복수 개의 플라즈마 발생부의 각각은 상기 위상차에 따라 상기 액티브 글로우와 상기 애프터 글로우 상태를 교차하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 음이온 인출 단계는, 상기 음이온 공급부에 연결된 빔인출부의 극성을 설정하는 단계; 및 상기 빔인출부의 극성이 양극인 경우, 상기 음이온 공급부으로부터 음이온을 인출하고, 상기 빔인출부의 극성이 음극인 경우 상기 음이온 공급부로부터 양이온을 인출하는 단계 단계를 포함할 수 있다.

본 발명과 관련된 일 실시예에 따르면, 상기 가스공급부에는 상기 플라즈마 발생부에 공급되는 공급 가스의 공급량을 시간에 따라 제어하는 가스공급제어장치를 포함할 수 있다.

본 발명과 관련된 일 실시예에 따르면, 음이온 공급부에 연결되어, 상기 음이온을 인출하는 빔인출부를 더 포함할 수 있다.

상술한 해결수단을 통해 얻게 되는 본 발명의 효과는 다음과 같다.

첫째, 복수 개의 플라즈마 발생부가 음이온 공급부에 연결되고, 플라즈마 발생부에 인가되는 펄스형 플라즈마 발생 전력(pulsed power)의 특성 및 각 펄스 전력 간 위상차가 제어되도록 구성함으로써, 일 플라즈마 발생부의 액티브 글로우(active-glow) 동안 감소되는 음이온의 공급을, 다른 플라즈마 발생부의 애프터 글로우(after-glow) 동안 생성된 음이온으로 보상할 수 있다.

상기 구성에 의하면, 플라즈마 펄싱을 이용한 공간생성기전 활용 음이온원의 한계로 지적된 음이온의 연속 공급 불가하다는 문제점을 구조적으로 해결할 수 있다.

둘째, 플라즈마 발생부와 음이온 공급부 사이에 설치된 자기장 필터에 의해, 고에너지 전자가 음이온 공급부로 이동하는 것이 제한된다.

자기장 필터는, 음이온 공급부에서 고에너지 전자가 음이온과 반응하여 음이온이 소멸되는 기전을 방지되고, 전체적으로 시스템의 음이온 공급 효율이 떨어지는 것을 방지할 수 있다.

셋째, 표면생성기전 대신, 공간생성기전이 활용된 시스템 및 방법을 제공함으로써, 플라즈마 음이온원의 유지 및 보수 관리가 최소화 될 수 있다.

넷째, 상기 제안된 시스템 및 방법은 기존 공간생성기전 관련 기술 또는 표면생성기전 활용 기술과 병용하여 기존 플라즈마 음이온원의 성능과 효율성을 제고시킬 수 있다.

다섯째, 음이온 공급을 필요로 하는 다양한 산업 및 연구 분야에 상기 시스템에 적용된 음이온 공급 방법을 적용할 수 있다.

도 1은 다중 펄스 플라즈마를 이용한 음이온 연속 공급 시스템을 구현한 개념도.
도 2는 단일 플라즈마 발생부에 펄스형 플라즈마 발생 전력이 인가될 때, 시간에 따른 플라즈마의 특성을 나타내는 개념도.
도 3은 도 1에 도시된 복수 개의 플라즈마 발생부에 펄스 전력이 교차로 인가될 때, 시간에 따른 플라즈마의 특성을 나타내는 개념도.
도 4는 다중 펄스 플라즈마를 이용한 음이온 연속 공급 방법에 관한 순서도.
도 5는 도 4에 도시된 순서도의 단계 중 음이온 생성 및 공급 단계에 관한 순서도.
도 6은 도 4에 도시된 순서도의 단계 중 음이온 공급의 연속화 단계에 관한 순서도.
도 7은 도 4에 도시된 순서도의 마지막 단계인 음이온 인출 단계에 관한 순서도.
도 8은 도 4에 도시된 순서도를 이미지로 표현한 개념도.

이하, 본 발명에 관련된 다중 펄스 플라즈마를 이용한 음이온 공급의 연속화 시스템 및 방법(이하, 다중 펄스 플라즈마 음이온 연속 공급 시스템 또는 다중 펄스 플라즈마 음이온 연속 공급 방법)에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 명세서에서는 서로 다른 실시예 및 변형예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 명세서에서는, 설명의 편의를 위하여, 두 개의 플라즈마 발생부가 설치된 것을 전제로 설명하고, 플라즈마 발생부의 부호 번호는 필요에 따라 110 또는 110a, 110b를 혼용하여 사용한다. 이는 설명의 편의를 위한 것이므로 발명이 이에 한정되지 않는다.

참고로, 펄스형 플라즈마 발생 전력(줄여서 펄스 전력)은, 일반적으로 전력이 인가되는 ON 상태와 인가되지 않은 OFF 상태 모두를 포함한다. 하지만, 본 명세서에서는 펄스 전력이 인가되어 전력이 ON 상태를 줄여서 펄스 전력이 인가된 상태로 표현한다.

먼저, 다중 펄스 플라즈마 음이온 연속 공급 시스템의 구성에 대해서 설명하고, 뒤에서 다중 펄스 플라즈마 음이온 연속 공급 방법에 대해서 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 다중 펄스 플라즈마 음이온 연속 공급 시스템(100)을 구현한 개념도이다. 도 2는 플라즈마 발생부(110)에 인가되는 펄스 전력의 시간 변화에 따른 각각의 플라즈마 발생부(110a, 110b)의 플라즈마 특성을 나타내는 개념도이다. 도 3은 도 1에 도시된 복수 개의 플라즈마 발생부(110a, 110b)가 설정한 펄스 전력의 위상차에 따라 작동할 때, 다중 펄스 플라즈마 음이온 연속 공급 시스템(100)으로 구현되는 음이온 공급의 연속화 과정을 나타내는 개념도이다.

다중 펄스 플라즈마 음이온 연속 공급 시스템(100)은, 음전성 가스를 포함하는 공급 가스에 펄스 전력(pulsed power)을 인가하여 음이온, 음이온 전구체(precursor)인 고진동여기분자, 및 고에너지·저에너지 전자를 포함하는 플라즈마를 생성하고, 생성된 플라즈마가 음이온 공급부(120)에 전달하도록 구성된다. 여기서, 고진동여기분자의 진동양자수(v, vibrational quantum number)는 일반적으로 5 이상인 분자를 의미하나, 이에 항상 한정되지 않고 4 이상의 경우에도 적용할 수 있다.

복수 개의 플라즈마 발생부(110) 각각은 위상 차에 따라 펄스 전력을 음전성 가스에 인가해 플라즈마를 생성함으로써, 음이온 공급부(120)에는 특정 밀도의 음이온이 연속적으로 유지되도록 구성된다. 참고로, 플라즈마 발생부(110)에서 생성된 플라즈마가 음이온 공급부(120)에 전달되는 과정과 전달되는 입자에 대해선 뒤에서 구체적으로 설명한다.

다중 펄스 플라즈마 음이온 연속 공급 시스템(100)은 플라즈마 발생부(110), 음이온 공급부(120) 및 제어부(130)를 포함한다.

플라즈마 발생부(110)는 복수 개의 플라즈마 발생부(110a, 110b)로 구성되어, 생성된 음이온, 음이온 전구체 및 전자를 포함하는 플라즈마를 생성하고, 플라즈마 발생부(110)에 연결된 음이온 공급부(120)에 상기 플라즈마를 전달한다.

본 도면에서는, 복수 개의 플라즈마 발생부(110a, 110b)가 음이온 공급부(120)에 각각 연결되고, 후술할 가스공급부(140a, 140b)로부터 음전성 가스를 포함하는 공급 가스를 공급 받아, 상기 음전성 가스에 펄스 전력을 인가하여 플라즈마가 생성되도록 구성된다.

다만, 본 도면에서는 두 개의 플라즈마 발생부(110a, 110b)를 개시하고 있지만, 이에 한정되지 않으며 제한 없이 시스템이 구성될 수 있음은 물론이다. 참고로, 복수 개의 플라즈마 발생부(110a, 110b)에 각각 공급되는 펄스 전력의 제어에 관해서는 뒤에서 자세하게 설명한다.

상기와 같이 복수 개의 플라즈마 발생부(110)로 시스템을 구성함으로써, 발명의 배경이 되는 기술에서 지적한 바와 같이 플라즈마 펄싱을 이용한 음이온원에서 음이온 밀도가 일정하지 않아 연속 운전이 불가능한 문제 해결하여 음이온 공급을 연속화할 수 있다는 이점이 있다.

한편, 이하에서는, 도 2를 참조하여 펄스 전력에 따른 각각의 플라즈마 발생부(110)에서 일어나는 현상에 대해 이하 상세히 설명한다.

우선, 플라즈마 발생부(110)에 대한 펄스 전력의 인가 여부에 따라, 펄스 전력이 인가되는 시간 영역(또는 상태)을 액티브 글로우(active-glow), 펄스 전력이 인가되지 않는 시간 영역을 애프터 글로우(after-glow)라 각각 명명할 수 있다. 상황에 따라 액티브 글로우 영역을 플라즈마 발생부 전력공급장치의 전원이 ON 상태, 애프터 글로우 기간을 플라즈마 발생부 전력공급장치의 전원이 OFF 상태로 다르게 명명될 수도 있다.

도 2를 참조하여, 이하에서는 액티브 글로우 또는 애프터 글로우 상태에 따라, 플라즈마 발생부(110)에서 생성된 플라즈마 특성에 대해 구체적으로 설명한다.

첫째로, 액티브 글로우 상태에서 시간(time, μs)에 따른 단일 플라즈마 발생부(110)의 전자 온도(electron temperature, eV), 전자 밀도(electron density, cm-3), 고진동여기분자 밀도(highly vibrational excited molecule density, cm-3) 및 음이온 밀도(cm-3)의 변화에 대해 구체적으로 살펴본다.

본 도면에서는 전자 온도는 액티브 글로우 동안 처음 급격히 증가하였다가 정상 상태의 일정한 온도로 유지되는 것을 보이며, 전자 밀도는 펄스 전력 인가에 따라 증가하다 정상 상태의 일정한 밀도가 되는 것을 보인다.

액티브 글로우 영역에서의 고진동여기분자 밀도는 전자 온도와 밀도 변화에 높은 상관성을 가짐에 따라, 상기 영역의 초기에 증가하다 정상 상태의 일정한 밀도가 되는 경향을 보인다. 이는, 고에너지 전자에 의해 생성되는 고진동여기분자가 전자 온도가 높을수록 그리고 전자 밀도가 높을수록 고진동여기분자의 생성 반응률이 높아지기 때문이다.

한편, 액티브 글로우 영역에서는 음이온 소멸 반응에 관여하는 고에너지 전자가 많기 때문에, 고진동여기분자의 밀도는 높게 형성되지만, 음이온 밀도는 후술한 애프터 글로우 영역에서의 음이온 밀도보다 낮게 형성되는 것을 볼 수 있다. 따라서, 펄스 전력이 인가된 액티브 글로우 상태에서는 음이온 공급부(120)로 전달할 수 있는 음이온이 많지 않다는 문제가 있다.

둘째로, 애프터 글로우 상태에서, 시간에 따른 플라즈마 발생부(110)의 전자 온도, 전자 밀도, 고진동여기분자 및 음이온 밀도 변화에 대해 살펴본다.

본 도면에서는, 전자 온도는 애프터 글로우 영역에 진입하면서 급격하게 감소된 것을 보인다. 이는, 전자에 더 이상 외부 전력 에너지가 공급되지 않은 채, 입자간 충돌하여 에너지 손실이 일어나거나 또는 벽으로 전자가 소멸되었기 때문이다.

전자 밀도는 시간에 흘러감에 따라 전자 온도 그래프에 비해 완만한 감소하는 경향을 보인다. 전자 온도와 전자 밀도 그래프를 비교해보면 애프터 글로우 초기에 저에너지 전자에 비해 고에너지 전자가 주로 소멸됨을 알 수 있다.

고진동여기분자 밀도도 고에너지 전자의 소멸에 의한 생성율 감소 및 충돌 혹은 반응에 의한 손실 등의 이유로 감소되며, 전자 온도의 감소율보다 완만한 감소율을 보인다.

결과적으로 애프터 글로우의 시작 영역부터 일정 기간 동안에는, 공간생성기전에 의한 음이온 생성 반응에 필요한 저에너지 전자와 고진동여기분자의 밀도는 반응에 필요한 정도로 유지되는 반면에 음이온 소멸 반응에 기여하는 고에너지 전자의 밀도는 매우 낮아진다. 이에 따라, 음이온 밀도는 액티브 글로우 조건의 음이온 밀도보다 높은 밀도 값을 보이다가 음이온 생성 반응에 의한 저에너지 전자와 고진동여기분자의 소모 등의 이유로 점점 감소한다.

따라서, 애프터 글로우에서 높은 밀도의 음이온이 생성되기 때문에, 복수 개의 플라즈마 발생부(110)를 통해, 액티브 글로우 상태에서 감소되는 음이온의 공급량을 애프터 글로우에서 생성된 음이온으로 보상할 수 있다.

다시 말해, 음이온 공급부(120)에 복수 개의 플라즈마 발생부(110)를 연결하여, 일 플라즈마 발생부(110)가 액티브 글로우 상태라 음이온 공급량이 적을 때, 다른 플라즈마 발생부(110)는 애프터 글로우 상태로 만들어 음이온 공급량을 보상하여, 복수 개의 플라즈마 발생부(110)로부터 음이온 공급부(120)로 공급되는 총 음이온의 양을 일정하게 유지시킬 수 있다. 이에 대한 구체적인 구성 및 제어 관련 설명은 뒤에서 설명한다.

한편, 플라즈마 발생부(110)는, 유도 결합형 플라즈마 장치(Inductively Coupled Plasma, ICP), 전자 사이클로트론 공명(Electron Cyclotron Resonance Plasma, ECR) 플라즈마 장치, 전자파(microwave) 플라즈마 장치, 필라멘트 방전 플라즈마 장치, 라디오 주파수 플라즈마 장치 및 헬리콘(helicon) 플라즈마 장치, 용량 결합형 플라즈마 장치(Capacitvely Coupled Plasma, CCP) 등을 포함하고, 이들의 다양한 조합으로 구성될 수 있다.

본 도면에서는 일 실시예로, 플라즈마 발생부(110)가 유도결합형 플라즈마 장치인 플라즈마 발생부(110a), 및 전자 사이클로트론 공명 플라즈마 장치인 플라즈마 발생부(110b)로 2개의 구성되어, 각각이 음이온 공급부(120)에 연결된 것을 보이고 있다.

유도결합형 플라즈마 장치인 제1플라즈마 발생부(110a)는 플라즈마생성공간(111a), 음전성 가스에 펄스 전력을 인가하는 안테나(114a), 안테나(114a)에 전력을 공급하는 연속파 전원공급장치(113a) 및 임피던스 정합기(112a)를 포함한다.

전자 사이클로트론 공명 플라즈마 장치인 제2플라즈마 발생부(110b)는, 플라즈마생성공간(111b), 전자사이클로트론공명 영역(Electron Cyclotron Resonance Zone, ECR zone)을 만들기 위한 자기장 발생용 자석(112b), 전자파 발생기용 전원공급장치(113b), 전자파 발생부(114b)를 포함한다.

자기장 발생용 자석(112b)에는 전자석(112b1) 및 전자석용 전원공급장치(112b2)가 포함될 수 있고, 전자파 발생부(114b)에는 전자기파를 발생시키는 전자파 발생기(114b1), 임피던스 정합을 위한 스텁 튜너(stub tuner, 114b2) 및 전자기파 전송을 위한 도파관(114b3)을 포함될 수 있다.

다만, 플라즈마 발생부(110a, 110b)는 상기 일 실시예로 한정되지 않으며, 상술했듯이 다양한 조합으로 구성될 수 있다.

음이온 공급부(120)는 플라즈마 발생부(110)가 각각 연결되어 플라즈마 발생부(110)에서 생성된 음이온을 전달받아 수용하거나, 플라즈마 발생부(110)에서 전달받은 음이온 전구체와 저에너지 전자가 반응하여 음이온이 생성되는 공간을 제공하도록 구성된다.

플라즈마 발생부(110)에서 생성된 플라즈마가 음이온 공급부(120)로 전달되는 구체적인 방법에는, 확산 또는 그리드(grid)에 전압을 인가하여 형성되는 전기장을 이용하는 방법 등이 고려될 수 있다. 이에 대해서는 뒤에서 상세히 설명한다.

음이온 공급부(120)는 애프터 글로우 상태인 일 플라즈마 발생부(110)에 다량 생성된 음이온, 액티브 글로우 상태인 다른 플라즈마 발생부(110)에서 생성된 음이온 전구체 및 전자가 공급되어 높은 음이온 밀도가 유지될 수 있다.

아울러, 복수 개의 플라즈마 발생부(110)는 펄스 위상차를 가지고 교차 운전됨으로써, 음이온 공급부(120)는 시간에 따라 일정한 밀도의 음이온을 확보할 수 있다. 이에 대해서는 뒤에서 상세하게 설명한다.

제어부(130)는 플라즈마 발생부(110)와 각각 연결되어, 플라즈마 발생부(110)에 공급되는 펄스 전력의 특성을 제어하도록 구성된다. 여기서, 펄스 전력의 특성은 일 플라즈마 발생부(110) 관련 펄스 전력의 펄스 반복 주파수(pulse repetition frequency), 펄스 폭(pulse width) 및 듀티사이클(duty cycle)등으로 전원공급장치가 발생시키고자 하는 펄스 전력을 특정할 수 있는 특성 값을 의미한다.

제어부(130)는 플라즈마 발생부(110) 중 어느 하나가 액티브 글로우 상태인 경우 나머지는 애프터 글로우 상태가 되도록 플라즈마 발생부(110)에 공급되는 펄스 전력 간의 위상차를 제어하도록 구성된다.

제어부(130)는 음이온 공급부(120)의 음이온 밀도를 시간에 따라 일정하게 유지시켜 음이온 공급을 연속화하도록, 전술한 펄스 전력 간의 위상차를 장치 및 운전 조건에 따라 최적 값으로 조정하도록 구성될 수 있다.

제어부(130)는 복수 개의 펄스전원제어부(131a, 131b) 및 시스템제어부(132)를 포함한다.

본 도면에 따르면, 펄스전원제어부(131a, 131b)는, 상기 플라즈마 발생부(110a, 110b)에 각각 연결되어, 각각의 플라즈마 발생부(110a, 110b)에 공급되는 펄스 전력의 특성을 조절하도록 구성된다.

참고로, 본 도면에서는 두 개의 펄스전원제어부(131a, 131b)를 보이지만, 펄스전원제어부(131a, 131b)는 두 개로만 구성될 수 있는 것이 아니라, 설치되는 플라즈마 발생부(110)의 개수만큼 설치될 수 있거나 1대만 설치되어 복수 개의 플라즈마 발생부(110)를 제어할 수 있게 구성될 수 있음은 물론이다.

펄스전원제어부(131a, 131b)는 각각의 플라즈마 발생부(110a, 110b)의 전원공급장치(113a, 113b)에 연결되어 플라즈마 발생부(110a, 110b)가 액티브 글로우 또는 애프터 글로우 상태에 진입하도록 펄스 전력의 특성을 제어하도록 구성된다.

시스템제어부(132)는 음이온 공급부(120) 내의 음이온 밀도를 일정하게 유지하도록 구성될 수 있다. 이를 위해 시스템제어부(132)는 펄스전원제어부(131a, 131b)에 연결되어, 펄스전원제어부(131a, 131b)의 펄스 전력 간의 펄스 위상차(pulse phase shift)를 제어하도록 구성된다.

시스템제어부(132)는 일 플라즈마 발생부(110)의 액티브 글로우 상태가 종료된 후, 다른 플라즈마 발생부(110)의 액티브 글로우가 시작되는 시점을 지연시키도록, 펄스전원제어부(131a, 131b) 간 펄스 전력의 위상차를 제어할 수 있다.

도 1을 참조하여, 유도결합형 플라즈마 장치인 플라즈마 발생부(110a)는 제1플라즈마 발생부(110a), 전자 사이클로트론 공명 플라즈마 장치인 플라즈마 발생부(110b)는 제2플라즈마 발생부(110b)로 명명한다. 다만, 본 발명은 상기 특정된 장치에 한정되지 않고, 다양한 플라즈마 장치가 사용될 수 있다.

도 3에서는, 제1플라즈마 발생부(110a)와 제2플라즈마 발생부(110b)에 특정 위상 차를 두고 펄스 전력이 인가됨에 따라, 제1플라즈마 발생부(110a)의 액티브 글로우가 종료된 후 일정 시간이 지난 후 제2플라즈마 발생부(110b)의 액티브 글로우가 시작되는 것을 보인다.

구체적으로, 액티브 글로우인 제1플라즈마 발생부(110a)에서 고에너지 전자에 의해 음이온이 소멸되어 음이온 공급부(120)로 공급되는 음이온이 감소될 때, 애프터 글로우인 제2플라즈마 발생부(110b)에서 생성되는 음이온이 음이온 공급부(120)로 공급되도록 구성된다.

그리고, 제1플라즈마 발생부(110a)와 제2플라즈마 발생부(110b)가 펄스 전력 위상 차에 의해 교대로 플라즈마 생성 반응을 일으키면서, 일 플라즈마 발생부(110)에서 감소된 음이온을 다른 플라즈마 발생부(110)에서 생성된 음이온으로 보상하도록 구성된다. 이에 따라, 음이온 공급부(120)의 음이온 밀도가 시간에 따라 일정하게 유지되는 것을 보인다.

상기 구조에 따르면, 종래 공간생성기전을 활용한 음이온원의 한계로 지적된 음이온 공급의 연속화가 불가능하다는 문제가 해결될 수 있다. 구체적으로, 복수 개의 플라즈마 발생부(110)에 인가되는 펄스 전력의 위상차를 제어함으로써, 시간에 따른 음이온 공급부(120)의 음이온 밀도 값이 일정하게 유지될 수 있다. 이에 따라, 상시 음이온 활용이 필요로 하는 장치에 본 발명이 제공될 수 있다.

다만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니며, 펄스 전력의 위상차에 따라, 일 플라즈마 발생부(110)의 액티브 글로우가 끝나는 시점에 이어 다른 플라즈마 발생부(110)의 액티브 글로우가 진행되면서, 본 발명의 전체 시스템 관점에서 액티브 글로우 상태가 연속될 수 있다.

다중 펄스 플라즈마를 이용한 음이온 연속 공급 시스템(100)은 가스공급부(140a, 140b), 자기장 필터(150), 빔인출부(160) 및 진공 펌프 시스템(180)을 포함할 수 있다.

가스공급부(140a, 140b)는 플라즈마 발생부(110a, 110b)에 각각 연결되어, 플라즈마 발생 또는 공정 제어를 위한 배경 가스, 음전성 가스, 또는 배경 가스와 음전성 가스가 혼합된 공급 가스를 플라즈마 발생부(110)에 공급한다.

배경 가스는 플라즈마 발생 특성 또는 공정 관련된 반응 또는 부반응을 제어하고, 아르곤 또는 수소를 포함할 수 있다.

음전성 가스는 목표한 음이온을 생성할 수 있는 기체를 의미하며, 수소, 불소 또는 염소를 포함할 수 있다.

가스공급부(140a, 140b)에는 플라즈마 발생부(110)에 공급되는 공급 가스의 공급량을 시간에 따라 제어 가능하도록 가스공급제어장치(141a, 141b)를 더 포함할 수 있다. 상기 구성에 따라 플라즈마 및 공정 특성을 조절하기 위해 공급량을 일정하게 혹은 시간에 따라 변하도록 제어할 수 있다.

가스공급부(140a, 140b)가 각각의 플라즈마 발생부(110)에 연결되는 부분의 형상은, 단일 홀 또는 다중 환형의 샤워헤드 형상 등 사용자의 필요에 따라 다양한 형상으로 형성될 수 있다.

가스공급부(140a, 140b)에는 목적에 따라 공급하고자 하는 액체, 고체 종류의 물질을 기체 상태로 만들어서 공급하는 기화 장치나, 배경 가스, 원료 가스와 음전성 가스를 혼합하기 위한 별도의 혼합 장치가 구비될 수 있다.

가스공급부(140a, 140b)에는 플라즈마 발생부(110)에 공급되는 가스의 단속이나 역류 방지를 위한 단속 밸브(142a, 142b), 필터 및 특정 가스의 액화 방지를 위한 온도 조절 장치(미도시)가 더 포함될 수 있다.

본 도면에서는, 가스공급부(140a, 140b)가 배경 가스와 음전성 가스를 각각 공급하도록 구성된 것을 보인다. 다만 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 배경 가스와 음전성 가스가 혼합되어 단일의 가스공급부(미도시)가 제공될 수 있다.

자기장 필터(150)는 플라즈마 발생부(110)와 음이온 공급부(120) 사이에 설치되어, 자기장을 형성하도록 구성된다.

자기장 필터(150)는 플라즈마 발생부(110)가 음이온 공급부(120)에 연결되는 연결부(151a, 151b)의 설치된다. 자기장 필터(150)는 플라즈마 발생부(110) 또는 음이온 공급부(120)의 주변에 설치될 수 있음은 물론이다.

자기장 필터(150)는 자기장을 형성하여 액티브 글로우 상태의 플라즈마 발생부(110)에서 생성된 고에너지 전자가 음이온 공급부(120)로 이동하는 것을 제한하도록 구성된다.

자기장 필터(150)는 전자석 자기장 필터(150a) 또는 영구자석 자기장 필터(150b)로 구성될 수 있고, 이 밖의 다양한 조합으로 설치될 수 있음은 물론이다.

전자석 자기장 필터(150a)는 전자석용 전원공급장치(150a1)와 전자석(150a2)을 포함할 수 있다.

전자석 자기장 필터(150a)는 시스템제어부(132)에 의해 펄스 전력의 위상차와 연계 (또는 동기화)되어, 플라즈마 발생부(110)의 작동 상태에 따라 자기장의 크기를 조절할 수 있다. 구체적으로, 자기장 필터(150)는 플라즈마 발생부(110)가 액티브 글로우 상태에서 자기장을 형성하여 고에너지전자가 음이온 공급부로 이동하는 것을 제한한다. 물론 전자석 자기장 필터(150a)는 시간에 따른 변화 없이 일정 자기장을 형성하거나 특정 시간에 대하여 지연하여 작동할 수 있음은 물론이다.

본 도면을 참조하면, 상기 구성을 통해 고에너지 전자의 이동을 막아 액티브 글로우 상태인 제1플라즈마 발생부(110a)에서 생성된 저에너지 전자 및 음이온 전구체가 음이온 공급부(120)로 공급되어 음이온을 형성하는 반응을 일으키고, 동시에 애프터 글로우 상태인 제2플라즈마 발생부(110b)로부터 음이온이 음이온 공급부(120)로 공급될 때, 고에너지 전자에 의한 음이온 소멸 반응을 막을 수 있다는 이점이 있다.

이에 따라, 음이온 공급부(120) 내의 음이온의 밀도를 높게 유지하고, 음이온 공급의 연속성을 높일 수 있다.

영구자석 자기장 필터(150b)는 설치가 간단하고, 전자석 자기장 필터(150a)보다 경제적으로 고에너지 전자의 이동을 제한할 수 있다는 이점이 있다.

상기 구성에 따르면, 음이온 공급부(120)에서 고에너지 전자가 음이온과 반응하여 음이온이 소멸되는 기전이 억제되고, 전체적으로 다중 펄스 플라즈마를 이용한 음이온 연속 공급 시스템(100)에서 음이온 공급 효율이 떨어지는 것이 방지될 수 있다.

한편, 자기장 필터(150)를 설치하는 대신, 플라즈마 발생부(110) 또는 음이온 공급부(120)의 부피 또는 형상을 조절하거나, 플라즈마 발생부(110)와 음이온 공급부(120) 사이 연결부(151a, 151b)의 크기나 형상을 조절함으로써, 고에너지 전자의 소멸을 유도하고 나머지 입자들을 음이온 공급부(120)로 확산 또는 수송시킬 수 있다.

또는, 플라즈마 발생부(110)에서 생성된 하전 입자들의 음이온 공급부(120)로의 수송 특성을 조절하도록, 전기장을 인가할 수 있는 전극 또는 그리드(grid)를 포함하는 플라즈마 입자 필터(미도시)가 플라즈마 발생부(110)와 음이온 공급부(120) 사이에 설치될 수 있다. 예를 들어, 상기 플라즈마 입자 필터(미도시)를 통해 수송하고자 하는 하전 입자들의 전기적 특성을 고려하여 공급량을 선택적으로 수송할 수 있다.

상기 구성을 통해, 자기장 필터(250)와 유사한 효과를 가질 수도 있다. 아울러 상기 구성이 자기장 필터(250)와 함께 사용될 수 있음은 물론이다.

빔인출부(160)는 음이온 공급부(120)에 연결되어, 음이온을 인출하거나 음이온 빔을 사용하도록 구성된다.

빔인출부(160)의 변형예로, 빔인출부(160)에 평판 또는 그리드(grid, 162)를 설치하고 전압을 인가하여, 양이온 또는 음이온을 사용 또는 인출할 수 있는 이온 - 이온 플라즈마를 구성할 수 있다. 빔인출부(160)가 관통홀을 구비한 평판 혹은 그리드(162)로 구성되는 경우, 빔인출부(160)는 이온 빔이 사용될 수 있는 반응챔버(170)를 더 포함될 수 있다.

빔인출부(160)는 전압차를 만들기 위해 전원공급장치(161), 및 전원공급장치(161)에 연결되어 전압의 특성을 제어하는 빔인출부제어부(133)를 포함할 수 있다.

전원공급장치(161)는 사용자 편의에 따라 AC 혹은 RF 사용 여부, 전압 크기, DC 전원의 극성, 연결 위치 등을 바꿀 수 있다.

빔인출부제어부(133)는 시스템제어부(132)에 연결되어, 전압의 시변화 제어 명령을 받도록 구성된다. 이에 따라, 빔인출부제어부(133)는 빔인출부(160)에서 인출되는 음이온 혹은 음이온빔의 특성(예를 들어, 전류, 연속성 등)을 제어할 수 있다.

진공 펌프 시스템(180)은 반응챔버(170)에 연결되어, 가스공급부(140a, 140b)와 더불어 가스 압력의 시변화 제어가 가능하도록 구성될 수 있다. 시스템의 개수 및 연결 위치 등을 조절하여 다양하게 구성 가능함은 물론이다.

상기 구성에 따르면, 본 발명은 공간생성기전이 활용된 시스템을 제공함으로써, 표면생성기전 음이온원에 비해 플라즈마 발생부(110) 등의 유지 및 보수 관리가 최소화 될 수 있다.

다른 실시예로, 다중 펄스 플라즈마를 이용한 음이온 연속 공급 시스템(미도시)은, 고진동여기분자를 다량 생성하기 위해 플라즈마 발생부(110) 등의 표면 특정 온도의 특정 물질을 사용하여 그 효율성을 높일 수 있으며, 일함수가 낮은 물질을 도포하도록 구성될 수 있습니다.

상기 구성에 따르면, 표면생성기전만을 이용한 기존 플라즈마 음이온원보다 효율이 좋으면서도, 유지 및 보수 관리가 더욱 용이할 수 있다.

다음은, 다중 펄스 플라즈마를 이용한 음이온 연속 공급 방법에 관하여 상세하게 설명한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 다중 펄스 플라즈마를 이용한 음이온 연속 공급 방법에 관한 순서도이다.

도 5는 도 4에 도시된 순서도의 단계 중 음이온 생성 및 공급 단계(S10)에 관한 상세 순서도이다. 도 6은 도 4에 도시된 순서도의 단계 중 음이온 공급의 연속화 단계(S20)에 관한 상세 순서도이다. 도 7은 도 4에 도시된 순서도의 마지막 단계인 음이온 인출 단계(S30)에 관한 상세 순서도이다.

도 8은 도 4에 도시된 순서도를 이미지로 표현한 도면이다. 구체적으로 도 8의 (a)는 일 플라즈마 발생부(110a)가 액티브 글로우일 때, 다른 플라즈마 발생부(110b)가 애프터 글로우인 상태에서의 플라즈마 형성 및 입자들의 이동을 나타내며, 도 8의 (b)는 일 플라즈마 발생부(110a)가 애프터 글로우일 때, 다른 플라즈마 발생부(110b)가 액티브 글로우인 상태를 나타낸다.

도 4 및 도8의 (a) 및 (b)을 참조하면, 다중 펄스 플라즈마를 이용한 음이온 연속 공급 방법은, 복수 개의 플라즈마 발생부(110a, 110b) 각각에서 액티브 글로우 상태에서 생성된 플라즈마의 음이온, 음이온 전구체, 또는 전자를 음이온 공급부(120)에 공급하거나 애프터 글로우 상태에서 음이온을 생성하여 음이온 공급부(120)에 공급하는 음이온 생성 및 공급 단계(S10), 각각의 플라즈마 발생부(110a, 110b)에 인가되는 펄스 전력 간의 위상차를 제어하여, 플라즈마 발생부(110a, 110b)가 교차 작동하며 음이온 공급부(120)에 음이온을 연속적으로 공급하는 음이온 공급의 연속화 단계(S20) 및 음이온 공급부(120)로부터 음이온을 인출하는 음이온 인출 단계(S30)로 이루어진다.

참고로, 상기 교차라는 표현은, 펄스 전력간의 위상차가 180도가 되어 일 플라즈마 발생부(110a)가 애프터 글로우에 진입하자마자, 다른 플라즈마 발생부가(110b)가 액티브 글로우 상태로 진입하는 것을 의미하지 않으며, 펄스 전력 간의 위상 차에 따라 플라즈마 발생부(110a, 110b)간 ON/OFF 되는 시간 차이까지 포함한다

이하, 각 단계에 대해서 구체적으로 설명한다.

도 5 및 도 8을 참조하면, 음이온 생성 및 공급 단계(S10)는 플라즈마 발생부(110a, 110b)에 펄스 전력의 인가 여부(S11)에 따라 2 단계(S12, S16)로 분기될 수 있다.

펄스 전력이 플라즈마 발생부(110)에 인가되는 액티브 글로우 상태인 경우, 음이온 생성 및 공급 단계(S10)는, 플라즈마를 생성하되 주로 다량의 양이온, 음이온 전구체 및 전자가 생성되고 소량의 음이온이 형성되는 단계(S12) 및 음이온 공급부(120)로 이동한 음이온 전구체와 저에너지 전자가 반응하여 음이온을 형성하는 단계(S15)로 구성된다.

이때, 플라즈마 발생부(110a, 110b)와 음이온 공급부(120) 사이에 자기장 필터(150)가 구비되고 자기장 필터(150)가 시스템제어부(132)에 의해 작동되는 경우, 전자가 음이온 공급부(120)로 공급되는 단계(S15)의 이전 단계에서 고에너지 전자가 음이온 공급부(120)로 이동하는 것을 제한하도록 자기장 필터 작동 설정 단계(S13) 및 자기장 필터(150)가 자기장을 형성(S14)하는 단계가 포함될 수 있다.

플라즈마 발생부(110)에 대한 전력 인가가 중단되어 애프터 글로우 상태인 경우, 음이온 생성 및 공급 단계(S10)는, 플라즈마 발생부(110)에서 다량의 고에너지 전자가 소멸되고, 음이온 전구체와 저에너지 전자가 반응하여 음이온이 생성되는 단계(S16), 생성된 음이온이 음이온 공급부(120)로 제공되는 단계(S17)로 구성된다.

도 6 및 도 8을 참조하면, 음이온 공급의 연속화 단계(S20)는, 시스템제어부(132)에서 각 플라즈마 발생부(110)에 인가되는 펄스 전력 간의 위상차를 제어하는 단계(S21), 상기 펄스 위상차에 따라 펄스 전력이 인가된 플라즈마 발생부(110)에는 양이온, 음이온 전구체 및 전자가 생성(S10’1)되고, 펄스 전력이 인가되지 않은 나머지 플라즈마 발생부들(110)에는 음이온이 생성(S10’2 내지 S10’n)되고, 상기 플라즈마 발생부들(110)이 교차 작동하여 애프터 글로우에서 생성된 음이온을 음이온 공급부(120)에 공급하는 단계(S22)를 포함한다.

도 6을 참조하면, 음이온이 생성되는 단계(S22)에서는, 복수 개의 플라즈마 발생부(110)에 인가되는 전력 위상(Φ1, Φ2, … Φn)를 통해, 각각의 플라즈마 발생부(110)의 애프터 글로우에서 생성되는 음이온 시간이 다르게 또는 같게 구성될 수 있다. 여기서, 전력 위상인 Φ1, Φ2, … Φn은 서로 다르거나 일부 위상이 같게 구성될 수 있으나, 모든 위상이 같도록 구성될 수 없다.

앞서서는 일 플라즈마 발생부(110)가 액티브 글로우 상태일 때, 다른 플라즈마 발생부가(110)가 애프터 글로우 상태로 음이온을 생성하는 것으로 묘사하였으나 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 복수 개로 구성된 일 플라즈마 발생부 그룹이 액티브 글로우 상태일 때, 복수 개로 구성된 다른 플라즈마 발생부 그룹이 애프터 글로우 상태가 될 수 있도록, 펄스 전력의 위상 차를 제어할 수 있음은 물론이다.

참고로, 앞선 서술 중에 n는 자연수이며, 다중 펄스 플라즈마를 이용한 음이온 연속 공급 시스템에 설치된 총 플라즈마 발생부(110)의 개수를 의미한다.

도 7 및 도 8을 참조하면, 음이온 인출 단계(S30)는, 음이온 공급부(120)에 연결된 빔인출부(160)의 극성을 설정하는 단계(S31) 및 빔인출부(160)의 전극이 양극인 경우 음이온이 인출(S32a)되고, 음극인 경우 양이온이 인출(S32b)되는 단계(S32)를 포함한다.

상기 구성에 따르면, 음이온 인출 단계(S30)에서 음이온이 제공될 수 있음은 물론, 필요에 따라 음이온 공급부에 존재하는 양이온도 사용자 선택에 따라 제공 받을 수 있다. 따라서, 본 명세서에서는, 이온을 인출하는 단계가 음이온 인출 단계(S30)라 명명되지만, 해당 단계에서의 기능은 명칭에 한정되지 않는다.

이상에서 설명한 것은, 본 발명에 따른 다중 펄스 플라즈마를 이용한 음이온 연속 공급 시스템 또는 다중 펄스 플라즈마를 이용한 음이온 연속 공급 방법을 실시하기 위한 실시예들에 불과한 것으로서, 본 발명은 이상의 실시예들에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 사상이 있다고 할 것이다.

100: 다중 펄스 플라즈마를 이용한 음이온 연속 공급 시스템
110, 110a, 110b: 플라즈마 발생부 111a, 111b: 플라즈마 생성 공간
112a: 임피던스 정합기 113a: 연속파 전원공급장치
114a: 안테나 114b: 전자파 발생부
112b: 자기장 발생용 자석 112b1: 전자석
112b2: 전자석용 전원공급장치 113b: 전자파 발생기 용 전원공급장치
114b1: 전자파 발생기 114b2: 스텁 튜너(stub tuner)
114b3: 도파관 120: 음이온 공급부
130: 제어부 131a, 131b: 펄스 전원 제어부
132: 시스템 제어부 133: 빔인출 제어부
140a, 140b: 가스공급부 141a, 141b: 가스공급 제어장치
142a, 142b: 단속 밸브 150: 자기장 필터
150a: 전자석 자기장 필터 150a1: 전자석용 전원공급장치
150a2: 전자석 150b: 영구자석 자기장 필터
151a, 151b: 연결부 160: 빔인출부
161: 전원공급장치 162: 그리드
170: 반응 챔버 180: 진공 펌프 시스템

Claims

음전성 가스를 공급받아, 상기 음전성 가스에 펄스 전력을 인가하여 플라즈마를 생성하는 복수 개의 플라즈마 발생부;
상기 플라즈마 발생부와 각각 연결되어, 상기 플라즈마를 전달받아 수용하는 음이온 공급부; 및
상기 복수 개의 플라즈마 발생부와 연결되어, 상기 각 플라즈마 발생부에 공급되는 상기 펄스 전력의 특성을 각각 제어하고, 상기 플라즈마 발생부 중 어느 하나가 액티브 글로우(active-glow)인 경우, 나머지 플라즈마 발생부는 애프터 글로우(after-glow)가 되도록 상기 펄스 전력 간의 위상차를 제어하는 제어부를 포함하며,
상기 플라즈마 발생부는,
상기 펄스 전력의 위상차에 따라 교차로 플라즈마를 생성하며, 액티브 글로우 상태인 일 플라즈마 발생부에서 상기 음이온 공급부로 공급되는 음이온 공급량이 감소될 때, 애프터 글로우 상태인 다른 플라즈마 발생부에서 상기 음이온 공급부로 음이온을 공급하여 감소된 음이온 공급량을 보상하는 것을 특징으로 하는 다중 펄스 플라즈마를 이용한 음이온 연속 공급 시스템.
제1항에 있어서,
상기 플라즈마 발생부는, 일 플라즈마 발생부가 상기 액티브 글로우에서 생성된 음이온 전구체 및 전자를 상기 음이온 공급부에 공급할 때, 다른 플라즈마 발생부가 상기 애프터 글로우에서 생성된 음이온을 상기 음이온 공급부에 공급하는 것을 특징으로 하는 다중 펄스 플라즈마를 이용한 음이온 연속 공급 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 플라즈마 발생부에 각각 연결되어, 상기 플라즈마 발생부가 액티브 글로우 또는 애프터 글로우에 진입되도록 상기 펄스 전력의 특성을 제어하는 복수 개의 펄스전원제어부; 및
상기 펄스전원제어부와 연결되어, 일 플라즈마 발생부의 액티브 글로우 상태가 종료된 후, 다른 플라즈마 발생부의 액티브 글로우가 시작되는 시점을 지연시키도록, 상기 펄스전원제어부 간 상기 펄스 전력의 위상차를 제어하는 시스템제어부를 포함하는 다중 펄스 플라즈마를 이용한 음이온 연속 공급 시스템.
제1항에 있어서,
상기 플라즈마 발생부와 상기 음이온 공급부 사이에 설치되는 자기장 필터를 더 포함하고,
상기 자기장 필터는, 상기 플라즈마 발생부의 액티브 글로우에서 생성된 전자 중에서 고에너지전자가 상기 음이온 공급부로 이동하는 것을 제한하는 것을 특징으로 하는 다중 펄스 플라즈마를 이용한 음이온 연속 공급 시스템.
제4항에 있어서,
상기 자기장 필터는 영구자석으로 구성되는 것을 특징으로 하는 다중 펄스 플라즈마를 이용한 음이온 연속 공급 시스템.
제4항에 있어서,
상기 자기장 필터는 전자석으로 구성되고,
상기 전자석은 상기 플라즈마 발생부의 작동 상태에 따라, 자기장 형성을 하는 것을 특징으로 하는 다중 펄스 플라즈마를 이용한 음이온 연속 공급 시스템.
제6항에 있어서,
상기 전자석은 상기 펄스 전력 간의 위상차와 연계되어 상기 액티브 글로우 상태에서 자기장을 형성하는 것을 특징으로 하는 다중 펄스 플라즈마를 이용한 음이온 연속 공급 시스템.
제1항에 있어서,
상기 플라즈마 발생부와 상기 음이온 공급부 사이에 설치되는 플라즈마 입자 필터를 더 포함하고,
상기 플라즈마 입자 필터는, 상기 플라즈마 발생부에서 생성된 입자의 전극에 따라 선택적으로 상기 음이온 공급부로 수송시키는 것을 특징으로 하는 다중 펄스 플라즈마를 이용한 음이온 연속 공급 시스템.
제8항에 있어서,
상기 플라즈마 입자 필터는 전기장을 인가할 수 있는 전극 및 그리드(grid) 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다중 펄스 플라즈마를 이용한 음이온 연속 공급 시스템.
제1항에 있어서,
상기 플라즈마 발생부에 연결되어, 상기 음전성 가스를 공급하는 가스공급부를 포함하는 다중 펄스 플라즈마를 이용한 음이온 연속 공급 시스템.
제10항에 있어서,
상기 가스공급부에는 상기 플라즈마 발생부에 공급되는 공급 가스의 공급량을 시간에 따라 제어하는 가스공급제어장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 펄스 플라즈마를 이용한 음이온 연속 공급 시스템.
제1항에 있어서,
상기 음이온 공급부에 연결되어, 상기 음이온을 인출하는 빔인출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 펄스 플라즈마를 이용한 음이온 연속 공급 시스템.
복수 개의 플라즈마 발생부에 펄스 전력을 인가하여 플라즈마를 생성하고, 상기 플라즈마를 음이온 공급부에 공급하는 음이온 생성 및 공급 단계;
상기 각 플라즈마 발생부에 인가되는 펄스 전력 간의 위상차를 제어하여, 상기 플라즈마 발생부가 교차 작동하며, 상기 음이온 공급부에 음이온을 연속적으로 공급하는 음이온 공급의 연속화 단계; 및
상기 음이온 공급부로부터 음이온을 인출하는 음이온 인출 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 펄스 플라즈마를 이용한 음이온 연속 공급 방법.
제13항에 있어서,
상기 음이온 생성 및 공급 단계는,
상기 플라즈마 발생부에 펄스 전력이 인가된 경우, 음이온, 음이온 전구체 및 전자를 포함하는 플라즈마가 생성되는 단계;
상기 음이온 전구체 및 전자가 음이온 공급부로 공급되는 단계;
상기 음이온 공급부에서 상기 음이온 전구체가 전자와 반응하여 제1음이온이 생성되는 단계;
상기 플라즈마 발생부에 펄스 전력의 인가가 중단된 경우, 상기 펄스 전력의 인가가 중단되기 전에 생성된 플라즈마로부터 제2음이온이 생성되는 단계; 및
상기 제2음이온을 상기 음이온 공급부로 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 펄스 플라즈마를 이용한 음이온 연속 공급 방법.
제14항에 있어서,
상기 음이온 전구체 및 전자가 음이온 공급부로 공급되는 단계는,
상기 전자 중에서 고에너지전자가 상기 음이온 공급부로 이동하는 것을 제한하도록, 상기 음이온 공급부와 상기 플라즈마 발생부 사이에 설치된 자기장 필터에 의해 자기장이 발생되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 펄스 플라즈마를 이용한 음이온 연속 공급 방법.
제13항에 있어서,
상기 음이온 공급의 연속화 단계는,
상기 복수 개의 플라즈마 발생부에 시간 차이를 두고 펄스 전력이 인가되도록, 상기 복수 개의 플라즈마 발생부에 펄스 전력 간의 위상차를 제어하는 단계; 및
상기 펄스 전력이 인가되어 일 플라즈마 발생부가 액티브 글로우 상태일 때, 다른 플라즈마 발생부가 애프터 글로우 상태를 형성하고, 상기 복수 개의 플라즈마 발생부의 각각은 상기 위상차에 따라 상기 액티브 글로우와 상기 애프터 글로우 상태를 교차하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 펄스 플라즈마를 이용한 음이온 연속 공급 방법.
제13항에 있어서,
상기 음이온 인출 단계는,
상기 음이온 공급부에 연결된 빔인출부의 극성을 설정하는 단계; 및
상기 빔인출부의 극성이 양극인 경우 상기 음이온 공급부로부터 음이온을 인출하고, 상기 빔인출부의 극성이 음극인 경우 상기 음이온 공급부로부터 양이온을 인출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 펄스 플라즈마를 이용한 음이온 연속 공급 방법.