Studies on reactor structure in transformer coupled toroidal plasma

Abstract

변압기 결합 토로이덜 플라즈마 (TCTP) 는 잘 알려진 핵융합 반응기인 토카막에서 반도체 산업의 원격 챔버 세정 장치에 이르기까지 산업계와 과학계에서 널리 쓰이는 플라즈마원 중의 하나이다. 강자성 코어를 포함하며 TCTP는 원리적으로 이상적인 변압기와 거의 비슷하다. 다른 플라즈마원들과 비교하여, TCTP는 높은 파워밀도 (거의 5-10 W/cm3)와 높은 중성기체온도(수천 Kelvin) , 그리고 높은 rf 전력전달효율을 가지고 있다. 이렇게 다양한 쓰임에 걸맞게 TCTP에 대한 다양한 연구가 실험적으로, 이론적으로, 혹은 때로는 전산적으로 수행되어왔다. 그러나 이전의 연구들은 주로 플라즈마 상태 자체에 초점을 맞추었고, 플라즈마 반응기를 변경한 것과 플라즈마 상태와의 관계에 대한 연구는 그다지 큰 주목을 받지않았다. 다른 일반적인 플라즈마 소스인 유도결합플라즈마(ICP)나 축전결합플라즈마(CCP)에서는, 플라즈마 반응기의 변경이 플라즈마 상태에 영향력이 큰 것으로 확인되어왔다. 예를 들어, hollow chathod 방전의 경우, 전형적인 CCP와 비교해볼 때 rf 전극에 추가적인 구멍이 뚫려있는데, 그 구멍 주위의 전자밀도가 더 높은 것으로 알려져 있다. 그러므로 TCTP 반응기를 변경함으로 인해 플라즈마 상태에 미치는 영향은 중요할 수 있으며, 그래서 관심을 기울일만한 가치가 있다. 이 논문은 TCTP에 구조적인 변형을 가함으로 인한 영향에 관한 것이다. 먼저 완전히 다른 모양을 지닌 반응기에 대한 비교연구가 수행되었다. 일자형의 강자성 ICP를 사용하여 토로이드 형태가 효과적인지 아닌지를 확인해보았다. 플라즈마로 전달되는 전력전달효율의 측면에서, 전기적 특성이 비교되었으며 그 결과, 토로이드 형태가 더 높은 power factor와 낮은 전압을 보여주었다. 실험 데이터를 보충하기 위하여 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 power loss 밀도를 계산하였고 그 결과 토로이드 형태 반응기가 더 높고 잘 분산된 power loss 밀도를 보여주었다. 일자형의 반응기는 단지 가운데에 있는 회로 break 근처에서만 집중된 power loss 밀도의 형태를 보여주었고 토로이드 반응기에 비해 그 크기도 훨씬 작았다. 토로이드 형태와 비슷한 환경을 만들어 보기 위해, 일자형 반응기의 강자성체 코어를 둘러싸게끔 전기적인 경로를 만들어주었지만 그 효과는 미미하였다. 그러므로 잘 정의되고 연결된 플라즈마에 대한 경로가 없다면 전력전달효율은 향상되기 어렵다. 다음으로 토로이드 형태는 그대로 유지한 채로, 반응기 둘레길이나 반응기의 단면적, 그리고 페라이트 개수와 같은 것들을 변형해주면서 그 효과를 조사해보았다. 저항에 대한 식과 플라즈마의 비저항에 대한 식에 기반하여, 여러 다른 실험 조건에서의 1차축 저항을 비교하였다. 그 결과, 더 짧은 길이의 TCTP 반응기가 더 작은 저항을 보여주었는데 이는 저항의 길이가 줄어든 효과와 유도전기장의 세기가 커진 것에 따른 결과이다. 마찬가지로, 더 큰 단면적을 지닌 TCTP 반응기는 더 작은 저항을 보여주었고, 이는 더 넓은 저항의 면적과 향상된 유도 전기장의 세기로 인한 것이다. TCTP의 필수적인 요소인 페라이트 개수를 추가하거나 줄이면서 TCTP에 적당한 페라이트 개수를 추산해보았다. 페라이트의 온도를 측정함으로써 페라이트의 개수가 충분하지 않는다면 페라이트가 강자성의 성질을 잃어버리는 온도인 큐리 온도를 넘어설 수 있을 정도로 과도하게 온도가 상승할 수 있음을 확인하였다. 그러므로 TCTP의 페라이트 숫자는 짧은 반응기 길이 효과와 페라이트 온도 제어를 고려하여 적절하게 선택될 필요가 있다. 마지막으로 TCTP 반응기의 내부표면에 변화를 주어 그로 인한 영향이 플라즈마 상태에 어떻게 미치는지에 대하여 실리콘 웨이퍼의 식각률과 컴퓨터 유체 시뮬레이션을 통해 알아보았다. 홈이 파여있는 내부 표면을 지닌 반응기가 홈이 없는 일반적인 반응기에 비해 더 높은 식각률을 보여주었다. 식각률은 플루오린 원자 밀도에 비례하기 때문에 더 높은 플루오린 밀도가 홈이 파인 표면 구조를 지닌 반응기에 의해 달성되었음을 알 수 있었다...