Transformer-coupled toroidal plasma (TCTP) is one of widely used plasma sources in industrial and scientific fields, from the well-known fusion reactor Tokamak to a remote chamber cleaning device in the semiconduc-tor industry. With a ferromagnetic core included, TCTP is almost similar to an ideal transformer in principle. Compared to other plasma sources, it has distinct features such as high power density (near 5-10 W/cm3) and high neutral gas temperature (several thousands of Kelvin), plus high power transfer efficiency from a rf pow-er supply to plasma. In accordance with its versatile usage, various studies have been performed on TCTP experimentally, theoretically or sometimes computationally. However, previous research has mainly focused on the plasma state itself and not much attention has been paid to the relation between the plasma state and modifications of the plasma reactor. For the case of other popular plasma sources like inductively coupled plasma (ICP) and capacitively coupled plasma (CCP), modifications of the plasma reactor have been verified to be influential on the plasma condition. For instance, a hollow cathode discharge, which has additional holes at the rf electrodes compared to a typical CCP, has been known to have a higher electron density near the holes. Therefore, the effects of TCTP reactor modifications on the plasma state may be significant, and are worthy of interests. This thesis is about the effect of reactor structure modifications in TCTP.
First of all, a comparison study with a totally different shaped reactor has been performed. Using a straight-shaped ferromagnetic ICP, whether toroid geometry is effective or not has been checked. From the perspective of power transfer efficiency to the plasma, electrical characteristics have been compared and as a result, toroid geometry has shown better power factor and lower voltage. To supplement the experimental data, power loss density has been calculated via a computer simulation and consequently, toroid geometry reactor has exhibited higher and well distributed power loss density inside of the reactor. The straight shaped reactors have concentrated power loss density profile just near center circuit break and the magnitude is much less than that of toroid reactor. To imitate toroid geometry, an electrical path around the ferrite core of the straight shaped reactor has been tested but the effect has not been distinct. Therefore, without well-defined connected path for plasma, then power transfer efficiency is hardly able to be improved.
Next, various modifications on TCTP reactor dimensions such as reactor circumference, reactor cross section, or number of ferrites have been investigated with still maintaining toroid geometry. Based on the resistance formula and plasma resistivity formula, the primary coil resistance is compared among different experimental conditions. As a result, shorter length of TCTP reactor has shown smaller resistance due to the combined effects of the reduction of the length of the resistance and enhanced induced electric field. Similarly, larger cross section TCTP reactor has smaller resistance because of the combined effects of wide resistance area and enhanced induced electric field. Essential components of TCTP reactors, that is, ferrites have been added on or subtracted to estimate proper number of ferrites in TCTP. Temperature measurement of ferrites has shown that not enough number of ferrites can excessively increase ferrite temperature to exceed Curie temperature at which ferrite loses its ferromagnetic property. Therefore, the number of ferrites in TCTP needs to be determined appropriately considering both the effect of short reactor length and the ferrite temperature control.
Finally the effect of the inner-surface modification of the TCTP reactor on the plasma condition is investigat-ed by measuring etch rate of a silicon wafer and with a computational fluid simulation. A grooved inner sur-face reactor has shown a higher etch rate than a normal inner surface reactor. Since the etch rate is proportional to the fluorine atom density, a higher fluorine atom density has been achieved in the grooved inner surface reactor. To explain this result, a computer simulation that considers plasma as a fluid with ionized and neutral species has been performed. The simulation results let us know that higher neutral gas temperature rather than electron density difference causes more dissociation by pyrolysis of fluorine-containing species for the case of the reactor with the grooved inner surface so that higher fluorine atom density is obtained. The reason for the higher neutral gas temperature in the reactor with the grooved inner surface is that less heat transfer from the plasma to the reactor surface is realized than in the reactor with the normal inner surface. Therefore the fact that the modification of the surface structure of TCTP reactor changes neutral gas temperature of the plasma has been confirmed.
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. 이러한 결과를 설명하기 위하여, 플라즈마를 이온화되었거나 중성인 종들로 이루어진 유체로 간주하는 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 결과 홈이 파인 표면구조의 반응기에서 전자밀도의 차이보다도 더 높은 중성기체온도로 인해 플루오르를 포함한 기체종들이 열분해가 많이 일어나서 더 높은 플루오린 원자 밀도가 얻어짐을 알 수 있었다. 더 높은 중성기체온도가 홈이 파인 표면구조의 반응기에서 발생하는 이유는 플라즈마에서 반응기 표면으로의 열전달이 홈이 없는 일반적인 표면구조의 반응기에 비해 더 적게 일어났기때문이다. 따라서 TCTP 반응기의 표면 구조를 변경함으로 인해 플라즈마 중성기체의 온도를 바꿀수 있음을 확인했다.
