KR101918357B1 - Radio-Frequency 전력 유도결합 플라즈마 발생장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 RF 전력 유도결합 플라즈마 발생장치에 관한 것으로서, 유도코일 및 이와 병렬로 연결된 커패시터로 구성된 공진회로의 부하 임피던스와 RF 전력공급원의 내부 임피던스 간 차이에 의해 발생하는 임피던스 미스매칭 문제를, 공진회로 내 유도코일에 접지 탭을 설치하여 접지와 연결시키고 공진회로 내 RF 전류를 접지 탭을 이용하여 RF 전력공급원으로 귀환시켜줌으로써, 공진회로의 공진 주파수 변화 없이 부하 임피던스 값만 조절하여 해결할 수 있으며, 이로부터, 고출력 운전, 복합가스 및 원료분말 대량 투입과 같은 대표적 임피던스 미스매칭 운전 조건에서도 역률개선 및 안정적인 플라즈마를 발생시킬 수 있도록 하였다.

Description

Radio-Frequency 전력 유도결합 플라즈마 발생장치{Inductively Coupled Plasma System By Using Radio-Frequency Power}

본 발명은 Radio-Frequency(이하 RF) 전력 유도결합 플라즈마 발생장치에 관한 것으로, 수백 kHz 에서 수십 MHz 대역의 RF 교류 전력을 유도결합 방식으로 플라즈마 형성 가스에 전달하여 이온화 및 이온화된 플라즈마 상태를 유지시키는 RF 유도결합 플라즈마 발생장치에 관한 것이다.

플라즈마는 이온화된 열유체로서 이온화 상태유지에 필요한 전기에너지를 공급해 주는 방식에 따라 크게 직류(DC) 플라즈마와 교류(AC) 플라즈마로 나눌 수 있다. 상기 두 가지 플라즈마 형태 중에서 본 발명은 수백 kHz 에서 수십 MHz 대역의 RF 교류 전력을 유도결합 방식으로 플라즈마 형성 가스에 전달하여 이온화 및 이온화된 플라즈마 상태를 유지시키는 RF 유도결합 플라즈마 발생장치에 관한 것이다.

도 1은 일반적인 RF 유도결합 플라즈마 발생장치의 작동원리가 도시된 도면이다.

RF 유도결합 플라즈마 발생장치는 도 1의 (1)(2)에 도시한 바와 같이, RF 전류(Io)가 RF 전력공급원에 연결된 유도코일을 따라 흐르게 되면 패러데이 법칙에 의해, 중공형 가둠관 내부에 시변 전자기장(B)이 발생된다.

도 1의 (3)(4)에 도시된 바와 같이, 상기 시변 전자기장(B)은 다시 중공형 가둠관 내부를 통과하는 플라즈마 유체에 와전류(Ie)를 유기시키며, 이로 인한 주울 열 발생에 의해 플라즈마 유지에 필요한 에너지를 전달하게 된다.

이 때, 유도결합 플라즈마는 전기회로 관점에서는 감은 수가 1회로 간주되는 원통형 전도체에 가깝게 동작하므로, 변압기원리에 따라 유도코일 양단에 낮은 저항 성분과 상대적으로 큰 유도 인덕턴스 및 결합 인덕턴스 성분을 가진 부하로 인가된다.

따라서 다수의 감은 수를 가지는 유도코일 양단에서 느껴지는 전체 등가 임피던스는 플라즈마 부하가 발생하거나 유지되고 있을 때, 무부하인 경우와 비교하여 크게 변할 수 있다. 그 결과 유도코일 양단에서 느껴지는 전체 등가 임피던스가 플라즈마 발생을 기점으로 RF 전력공급원의 내부 임피던스와 크게 차이가 나는 임피던스 미스매칭 문제가 발생하게 된다.

이러한 임피던스 미스매칭 현상은 사용하는 RF 전력공급원의 역률을 심각하게 떨어뜨려 RF 유도결합 플라즈마 발생장치의 출력 증대에 악영향을 미칠 뿐만 아니라 반사전력의 유입에 의한 RF 전력공급원의 손상이나 이로 인한 운전 정지와 같이, 유도결합 플라즈마 발생장치의 성능 구현에 치명적인 방해 요소로 작용할 수 있다.

특히, 100 kVA 이상의 고출력 RF 유도결합 플라즈마 발생장치에서 RF 전력공급원으로 많이 쓰이는 자려식 진공관 발진기의 경우, 대개 100 Ω 이상의 진공관 내부 임피던스 값에 비해, 발생되는 유도결합 플라즈마의 등가저항은 수~수십 Ω 크기에 불과해, 상기 임피던스 미스매칭 문제가 심각해져 역률 저감 현상이 크게 나타나는 특징이 있다.

또한, 100 kVA 이상의 고출력 운전 조건에서 금속원료분말 등과 같은 처리대상 물질을 플라즈마 토치 안쪽으로 대량 주입할 경우, 원료분말과 유도결합 플라즈마 간 상호작용 때문에, 플라즈마 내 에너지 분포와 플라즈마 임피던스가 급격히 변하게 되는데, 이에 대응하여 자려식 발진기의 발진 주파수가 연속적으로 변하다가 발진이 중단되는 문제를 보이기도 한다.

예를 들어, 양극 동조-그리드 동조 자려식 발진기는 양극탱크회로의 공진 주파수가 그리드탱크회로의 공진 주파수보다 작을 때만 발진이 가능하고, 양극탱크회로의 공진 주파수가 그리드탱크회로의 공진 주파수에 가까워질수록 증폭율이 높아지지만 양극탱크회로의 공진 주파수가 그리드탱크회로의 공진 주파수와 같아지거나 더 커지게 되면 발진이 중단되는 특성이 있다. 이러한 특성을 가진 양극 동조-그리도 동조 자려식 발진기를 상기 RF 전력공급원으로 사용하는 경우, 플라즈마 발생, 원료분말의 대량투입 및 고출력 운전 등에 의한 플라즈마 임피던스의 변화는 양극 탱크 회로의 공진 주파수 변화를 가져오는데, 이 때, 양극탱크회로의 공진 주파수 변화 폭이 일정 수준 이상 커지게 되면, 앞에서 언급한 그리드 탱크 회로(314)와의 동조 특성 때문에, 발진이 중단되거나 증폭율이 급감하는 부작용이 발생할 수 있다.

한편, 주파수 고정 방식의 타려식 증폭기를 RF 전력 공급원으로 사용하는 경우, 가변 커패시터 등으로 구성된 별도의 임피던스 정합장치를 RF 전력 공급원과 유도코일 사이에 설치하여 양 쪽 간 차이가 나는 임피던스 값을 조정하여 줌으로써, 상기 임피던스 미스매칭 문제를 개선하는 방법들이 잘 알려져 있다.

그러나, 고출력 유도결합플라즈마 장치에서 많이 사용하고 있는, 발진 주파수가 부하에 따라 변하는 자려식 발진기의 경우, 정합장치를 이용한 임피던스 조정과정에서 주파수가 급변하여 발진이 중단되는 문제 등 고정된 주파수를 전제로 설계된 종래의 임피던스 정합장치를 사용하는 것이 상대적으로 어려울 뿐만 아니라, 자려식 발진기가 고주파 전력을 플라즈마 부하로 전달하기 위해서는 유도코일을 고주파 발진 회로의 일부로 사용해야 하므로 상기 임피던스 미스매칭 현상을 개선할 정합장치를 자려식 발진기 내부 회로에 별도로 장착하는 것도 어렵다.

이에 따라, 자려식 발진기를 사용하는 대부분의 RF 유도결합 플라즈마 발생장치는 임피던스 미스매칭 문제에 대해 개선하는 장치나 대안이 없이, 예를 들어, 100 kVA의 RF 전력 공급을 위해서 200 kVA 이상의 고출력 발진기를 사용해야 하는 것과 같은 비효율성을 감수하거나, 유도결합 플라즈마의 발생조건에 따라 발진회로 내부의 커패시턴스와 인덕턴스를 매번 재설계해서 사용해야 하는 것과 같은 번거로움이 따른다.

본 발명은 RF 전력공급원의 내부 임피던스와 유도코일을 포함한 부하 임피던스 간 차이에 의해 발생하는 상기 임피던스 미스매칭 문제를 별도의 임피던스 정합장치 없이 해결하여 RF 전력을 플라즈마로 효율적으로 전달할 수 있게 해줌으로써, 고출력 운전, 복합가스 및 원료분말 대량 투입의 운전 조건에서도 안정적인 플라즈마를 유지시킬 수 있는 RF 전력 유도결합 플라즈마 발생장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 RF 전력 유도결합 플라즈마 발생장치는,내부에 플라즈마가 형성되는 공간을 제공하는 중공형 가둠관(100),

상기 가둠관(100)을 감싸고 있는 유도 코일(201),

상기 유도코일(201)과 병렬로 연결된 커패시터(203)를 포함한 공진회로 (200),

상기 공진회로(200)에 RF 전력을 공급하는 RF 전력 공급원(300)을 포함하되,

상기 유도 코일(201)에는 감은 수를 조절할 수 있는 접지 탭(202)이 형성되어, 상기 공진회로(200)를 통해 유도 코일(201)에 흐르는 RF 전류가 상기 접지 탭(202)을 통해 상기 RF 전력 공급원(300)으로 귀환하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 양상에 의하면, 상기 RF 전력 공급원은 자려식 발진기인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 양상에 의하면, 상기 RF 전력 공급원(300)은, 양극(302), 그리드(303) 및 음극(304)을 포함하는 진공관(301); 상기 음극(304)과 양극(302) 사이에 연결된 직류공급회로; 상기 그리드(303)와 상기 음극(304) 사이에 연결되는 그리드탱크회로(305); 상기 음극(304)과 상기 양극(302) 사이에 연결되는 양극탱크회로(306)를 포함하는 양극 동조-그리드 동조 방식의 자려식 발진기일 수 있다. 이 경우, 상기 공진회로는 양극탱크회로(305)에 포함되며, 상기 접지 탭은 상기 음극(304)에 접지되어 연결된다.

본 발명의 일 양상에 의하면, 상기 RF 전력 공급원(300)은, 양극, 그리드 및 음극을 포함하는 진공관; 상기 음극과 양극 사이에 연결된 직류공급회로; 상기 음극과 상기 양극 사이에 연결되는 양극탱크회로, 상기 그리드와 상기 양극의 전압 위상차가 180도가 되도록 상기 진공관의 음극과 그리드에 연결되는 피드백 회로를 포함하는 양극 동조 방식의 자려식 발진기일 수 있다. 이 경우, 상기 공진회로는 양극탱크회로에 포함되며, 상기 접지 탭은 상기 음극에 접지되어 연결된다.

본 발명의 일 양상에 의하면, 상기 RF 전력공급원이 주파수 고정 방식의 타려식 증폭기인 경우, 상기 공진회로는 상기 타려식 증폭기의 임피던스 정합 회로에 포함될 수 있다.

본 발명의 일 양상에 의하면, 상기 커패시터는 가변 커패시터인 것을 특징으로 한다.

기타 본 발명의 다양한 측면에 따른 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.

본 발명에 의한 RF 전력을 이용한 유도결합 플라즈마 발생장치는, 상기 병렬 공진회로 내 탭 접지 위치에 따라 유도결합 플라즈마의 등가 임피던스를 유도코일의 인덕턴스와 함께 상기 병렬 공진회로 내에서 재배치할 수 있으며, 이를 통해 공진주파수의 변동 없이 상기 병렬 공진회로의 전체 임피던스를 조절할 수 있다.

따라서 플라즈마 발생, 원료분말 대량 투입 및 고출력 운전 시, RF 전력공급원의 내부 임피던스와 플라즈마 부하를 포함한 공진회로 전체 임피던스 간 차이가 줄어드는 방향으로, 탭을 이용하여 상기 공진회로의 전체 임피던스를 조절하여줌으로써, RF 유도결합 플라즈마 발생장치들에서 일어나는 임피던스 미스매칭의 영향을 최소화 할 수 있다.

특히, 상기 공진회로의 전체 임피던스 값은 공진회로의 발진 주파수와 유도결합 플라즈마의 등가 저항값에는 별다른 영향을 미치지 않고, 공진회로의 리액턴스 값만 변화시켜 조절될 수 있기 때문에, 주파수 변화에 민감한 자려식 발진기를 사용하는 종래의 RF 유도결합 플라즈마 발생장치들에 대해 추가적인 임피던스 정합 장치 없이 역률 개선과 상기 임피던스 미스매칭 문제 최소화를 구현할 수 있다.

또한, 고정 주파수 방식의 타려식 RF 전력공급원을 사용하는 종래의 RF 유도결합 플라즈마 발생장치에도 상기 공진회로를 임피던스 정합 회로의 일부로 사용할 경우, 임피던스 미스매칭의 범위가 축소되어 상대적으로 좁은 범위에서 임피던스 정합 조건을 찾아낼 수 있어, 효율적이고 경제적인 정합 회로를 제공할 수 있다.

도 1은 일반적인 유도결합 플라즈마 발생기의 작동원리가 도시된 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 RF 전력 유도결합 플라즈마 발생장치의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공진회로의 등가회로이다.
도 4는 접지 탭으로 유도코일의 감은 수가 절반이 되는 지점에 접지를 하였을 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 등가회로이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 발진기를 사용한 RF 유도결합 플라즈마 발생장치의 개념도이다.

본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공 되는 것이다. 따라서 도면에서 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 부재는 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 RF 전력 유도결합 플라즈마 발생장치의 개념도이다.

도 2에 도시한 바와 같이, RF 유도결합 플라즈마 발생장치(1)는 가둠관(100), 공진회로(200) 및 RF 전력공급원(300)으로 이루어져 있으며, 상기 공진회로(200)는 유도코일(201), 접지 탭(202), 커패시터(203), RF 입력단(205)을 포함한다.

상기 RF 전력공급원(300)은 RF 전력을 플라즈마(10) 및 가둠관(100)을 포함하고 있는 공진회로(200)에 공급하며, 앞에서 설명한 자려식 발진기 또는 타려식 증폭기일 수 있다.

상기 공진회로(200)는 상기 RF 전력공급원(300)과 RF 입력단(205)과 접지 탭 (202)과 연결되며, 상기 RF 전력공급원(300)으로부터 받은 RF 전력을 가둠관(100) 내 플라즈마(10)로 유도결합 방식을 통해 전달하는 역할을 한다.

상기 가둠관(100)은 내부에 플라즈마가 형성되는 공간을 제공하는 중공형 형태이다.

상기 접지 탭(202)은 상기 유도코일(201)에 연결되어 유도코일의 감은 횟수를 조절하며, 접지의 기능도 수행한다. 상기 접지 탭(202)은 동 부스바(copper bus bar)로 이루어질 수 있으며, 이때 유도코일(201)은 상기 접지 탭(202)이 삽입될 수 있는 다수의 삽입 포트가 형성된 하우징(미도시) 내부에 형성될 수 있다. 다수의 삽입 포트는 유도코일 감은 횟수 단계 별로 형성되어 접지 탭(202)을 삽입 포트에 삽입함으로써 유도코일의 감은 횟수 조절이 가능하다. 이는 하나의 예일 뿐, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 커패시터(203)는 상기 유도코일(201)과 병렬로 연결되며, 필요할 경우, 가변의 커패시터를 사용할 수 있다.

상기 공진회로(200)는 중공형 가둠관(100) 내 유도결합 플라즈마(10)를 발생시키되, 상기 공진회로(200)에서 상기 유도코일(201)에 흐르는 RF 전류는 모두 접지 탭(202)을 통해 상기 RF 전력공급원(300)으로 귀환시킬 수 있도록 고안되어 있다.

상기 공진회로(200)의 전체 임피던스는 접지 탭(202)의 위치에 따라 공진주파수의 변동없이 조절할 수 있어, 상기 RF 전력공급원(300)의 주파수 가변 여부 등 주파수 특성에 상관없이, 임피던스 미스매칭 범위를 최소화 할 수 있도록 이루어진다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 공진회로(200)의 등가회로이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 유도결합 플라즈마(10)는 변압기 원리에 따라 유도코일(201) 양단에 대해 수 Ω 크기의 상대적으로 작은 저항성분과 이에 비해 큰 유도 및 결합 인덕턴스성분을 가진 등가 임피던스로 결합될 수 있다.

따라서 유도결합 플라즈마(10)에서 발생하는 저항성분 및 인덕턴스성분은 각각 상기 유도코일(201)의 저항성분 및 인덕턴스성분과 결합하여 등가저항(204, Re)와 등가인덕턴스(206, Le) 형태로 도 3과 같이 나타낼 수 있다.

또한, 발생되는 유도결합 플라즈마(10)가 유도코일(201)의 전 길이에 걸쳐 원통형 형태로 발생한다고 가정하면, 상기 유도코일(201)의 접지 탭(202)은 등가인덕턴스(206, Le)에 대하여 동일한 접지로 표현될 수 있다.

예를 들어, 상기 유도코일(201)의 감긴 횟수를 조절할 수 있는 상기 접지 탭(202)이 상기 유도코일(201)의 가운데 지점에 위치하여 상기 유도코일(201)을 양분하면, 유도결합 플라즈마(10)에 의해 상기 유도코일(201)의 양단에 인가되는 결합인덕턴스도 양분되어, 결과적으로 등가인덕턴스(206, Le) 또한 양분된다.

도 4는 접지 탭으로 유도코일의 감은 수가 절반이 되는 지점에 접지를 하였을 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 등가회로이다.

도 4는 도 3의 등가회로에서 유도코일의 감은 수가 절반이 되는 지점에 상기 접지 탭(202)을 위치시켰을 경우, 접지 탭을 중심으로 등가 인덕턴스(206, Le)가 양분되어 0.5Le 씩의 값을 가지는 것을 표현하고 있으며, 이로부터, 상기 공진회로(200)의 전체 임피던스 및 주파수변화 효과를 계산하기 위해 제시된 등가회로이다.

예를 들어, 도 4의 등가회로 표현을 이용하여 상기 접지 탭(202)이 공진 회로의 공진 주파수에 미치는 영향을 다음과 같이 살펴볼 수 있다. 만약, 도 3 및 도 4에서 부하가 없다고 가정하여 상기 등가저항(204, Re = 0)을 제거하고, 등가인덕턴스(206)만으로 공진조건을 계산하면 공진 주파수는 아래 식 (1)과 같이 표현된다.

(1)

상기의 수학적 결과는 도 4와 같이 접지 탭(202)에 의해 새롭게 구성된 공진회로에서도 상기 접지 탭(202)이 없을 경우의 공진회로와 같은 동일한 주파수를 가진다는 것을 뜻한다.

한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 접지 탭(202)이 상기 유도코일(201)의 감은 수가 절반이 되는 지점에 위치하면, 상기 고전압 RF 입력단(205)과 상기 접지 탭(202)을 중심으로 상기 커패시터(203, Ct)와 양분된 등가인덕턴스(206, 0.5Le)가 직렬로 연결되는 왼쪽 가지와 상기 등가저항(204, Re)과 나머지 절반의 등가인덕턴스(206, 0.5Le)가 직렬로 연결된 오른쪽 가지가 서로 병렬 연결된 새로운 등가 공진회로를 구성한 셈이 된다.

또한, 간단한 회로이론으로부터 상기 접지 탭(202)이 상기 유도코일(201)을 양분한 도 4의 전체 임피던스(Z4)를 회로이론으로부터 구해보면, 아래 식 (2)와 같이 표현됨을 알 수 있다.

(2)

반면, 도 3에서 상기 접지 탭(202)이 없을 경우 상기 공진회로(200)의 전체 임피던스(Z3)를 구해보면 아래 식 (3)와 같이 표현됨을 알 수 있다.

(3)

상기 식 (2) 및 (3)으로부터, 위 두 임피던스의 크기는 아래 식 (4)와 같이 비교될 수 있는데, 전술한 바와 같이, 유도결합 플라즈마(10)는 저항성분(Re)에 비해 인덕턴스성분(Le)에 의한 임피던스 값이 상대적으로 더 크다는 사실을 고려하면 (

) 대략, Z3/Z4≒4 로 평가된다.

(4)

즉, 상기 접지 탭(202)에 의해 양분된 상기 공진회로(200)에 대한 등가회로의 경우, 상기 접지 탭(202)이 없을 경우와 비교하였을 때 전체 임피던스 크기는 약 1/4 로 줄어들고, 이에 따라, 상기 공진회로(200)내 전류는 같은 크기의 RF 인가전압 조건에서 약 4배가 증가된다는 것을 알 수 있다.

따라서 상기 RF 전력공급원(300)의 상기 고출력 전압단(205)에서 발생하는 임피던스 값은 종래의 RF 유도결합 플라즈마 발생장치들에 비해 최대 약 1/4 배 줄어들 수 있어 임피던스 미스매칭의 범위를 최소화 할 수 있음을 알 수 있으며, 상기 접지 탭(202)에 의한 상기 공진회로(200)의 임피던스 조절이 공진 주파수에는 별다른 영향을 미치지 않는다는 사실 역시, 위 수학적 결과들로부터 확인할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 양극 동조-그리드 동조 방식의 자려식 발진기를 RF 전력 공급원(300)으로 사용한 RF 유도결합 플라즈마 발생장치의 개념도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 상기 RF 전력 공급원(300)은 양극(302), 그리드(303) 및 음극(304)을 포함하는 진공관(301); 상기 음극(304)과 양극(302) 사이에 연결된 직류공급회로; 상기 그리드(303)와 상기 음극(304) 사이에 연결되는 그리드탱크회로(305); 상기 음극(304)과 상기 양극(302) 사이에 연결되는 양극탱크회로(306)를 포함한다. 또한, 상기 그리드탱크회로(305)와 상기 진공관(301)의 양극에 고전압 직류를 인가하기 위한 고전압 직류전원, 고전압 교류변압기, RF초크회로, 기타 전기제어회로 등을 추가하여 본 발명의 일 실시예에 따른 일반적인 양극 동조-그리드 동조 방식의 상기 RF 전력공급원(300)으로 사용된다.

양극 동조-그리드 동조 자려식 발진기에서 상기 공진회로(200)를 사용하는 경우, 상기 양극탱크회로(306)는 접지 탭(202)을 경유하여 상기 그리드탱크회로(305)와 연결되고, 또한 상기 음극(304)간의 연결도 접지 탭(202)을 경유하여 접지시킴으로써, 양극탱크회로를 흐르는 RF 전류가 접지 탭(202)을 통해 상기 진공관(310)의 음극(313)으로 귀환한다.

이와 같은 방식으로 상기 공진회로(200)를 상기 양극탱크회로(306)에 결합시킬 경우, 식 (1)~(4)를 통해 증명한 바와 같은 등가 회로 이론을 그대로 적용시킬 수 있으며, 이에 따라, 상기 접지 탭(202) 위치를 변경시킴으로써 공진 주파수의 변동 없이 상기 양극탱크회로(306)의 전체 임피던스를 조절할 수 있게 되고, 변화한 플라즈마 임피던스 값을 보상할 수 있다.

곧, 양극 동조-그리드 동조 자려식 발진기의 경우, 플라즈마가 발생하거나 출력이 증가하면 상기 양극탱크회로(306)의 전체 임피던스가 증가하게 되므로 양극 탱크회로의 공진 주파수 또한 증가하게 된다. 이 때, 출력 증가 등에 따라 양극 탱크회로의 공진 주파수 값이 계속 증가하여 상기 그리드탱크회로(305)의 공진 주파수 값과 같아지거나 커지게 되면, 앞에서 설명한 바와 같은 양극 동조-그리드 동조 자려식 발진기의 동조 특성 때문에, RF 발진이 급작스레 중단될 우려가 있다.

반면, 본 발명에 따라 도 5와 같이 공진회로와 접지 탭을 이용하여 양극탱크회로(306)를 구성할 경우, 상기 양극탱크회로(306)의 공진 주파수 값의 변화 없이, 증가한 상기 양극탱크회로(306)의 전체 임피던스만 감소시켜 줄 수 있어, 상기 플라즈마 발생 및 출력 증가에 의한 임피던스 미스매칭 문제를 크게 개선할 수 있다.

또한, 주파수 고정 방식의 타려식 증폭기를 사용하는 경우, 상기 탭과 유도코일 및 이에 병렬로 연결된 커패시터를 포함한 공진회로를 상기 타려식 RF 전원의 임피던스 정합회로에 포함시킬 경우, 임피던스 미스매칭의 범위가 축소되어 상대적으로 좁은 범위에서 임피던스 정합 조건을 찾아낼 수 있다.

1 : RF 유도결합 플라즈마 발생장치 100 : 가둠관
200 : 공진회로 201 : 유도코일
202 : 접지 탭 203 : 커패시터
204 : 등가저항 205 : 고전압 RF 입력단
206 : 등가인덕턴스 300 : RF 전력공급원
301 : 진공관 302 : 양극
303 : 그리드 304 : 음극
305 : 그리드탱크회로 306 : 양극탱크회로

Claims (7)

1. 내부에 플라즈마가 형성되는 공간을 제공하는 가둠관;
   상기 가둠관을 감싸고 있는 유도 코일과, 상기 유도코일과 병렬로 연결된 커패시터와, 상기 유도 코일에 형성되며 상기 유도 코일의 감은 수를 조절하고 접지 기능을 수행하는 접지 탭을 포함하는 공진회로; 및,
   상기 공진회로에 RF 전력을 공급하는 RF 전력 공급원;을 포함하며,
   상기 공진회로를 통해 상기 유도 코일에 흐르는 RF 전류가 모두 상기 접지 탭을 통해 상기 RF 전력 공급원으로 귀환되며,
   상기 공진회로의 전체 임피던스는 상기 접지 탭의 위치에 따라 공진 주파수의 변동없이 조절되는 것을 특징으로 하는 RF 유도결합 플라즈마 발생장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 RF 전력 공급원은 자려식 발진기인 것을 특징으로 하는 RF 유도결합 플라즈마 발생장치.
   
3. 제 1 항에 있어서, 상기 RF 전력 공급원은,
   양극, 그리드 및 음극을 포함하는 진공관;
   상기 음극과 상기 양극 사이에 연결된 고전압 직류공급회로;
   상기 그리드와 상기 음극 사이에 연결되는 그리드탱크회로; 및,
   상기 음극과 상기 양극 사이에 연결되는 양극탱크회로
   를 포함하는 양극 동조-그리드 동조 방식의 자려식 발진기인 것을 특징으로 하는 RF 유도결합 플라즈마 발생장치.
   
4. 제 1 항에 있어서, 상기 RF 전력 공급원은,
   양극, 그리드 및 음극을 포함하는 진공관;
   상기 음극과 상기 양극 사이에 연결된 직류공급회로;
   상기 음극과 상기 양극 사이에 연결되는 양극탱크회로; 및,
   상기 그리드와 상기 양극의 전압 위상차가 180도가 되도록 상기 진공관의 음극과 그리드에 연결되는 피드백 회로
   를 포함하는 양극 동조 방식의 자려식 발진기인 것을 특징으로 하는 RF 유도결합 플라즈마 발생장치.
   
5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
   상기 공진회로는 상기 양극탱크회로에 포함되며, 상기 접지 탭은 상기 진공관의 음극에 접지되어 연결되는 것을 특징으로 하는 RF 유도결합 플라즈마 발생장치.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 RF 전력공급원은 주파수 고정 방식의 타려식 증폭기이고,
   상기 공진회로는 상기 타려식 증폭기의 임피던스 정합회로에 포함되는 것을 특징으로 하는 RF 유도결합 플라즈마 발생장치.
   
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 커패시터는 가변 커패시터인 것을 특징으로 하는 RF 유도결합 플라즈마 발생장치.

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