JP2007059397A - 常圧プラズマ発生用電極の製造方法及び電極構造とこれを利用した常圧プラズマの発生装置 - Google Patents

常圧プラズマ発生用電極の製造方法及び電極構造とこれを利用した常圧プラズマの発生装置 Download PDF

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Abstract

【課題】電極の寿命を延ばし、電極の製造費用を下げるることができる常圧プラズマ発生用電極の製造方法及び電極構造とこれを利用した常圧プラズマの発生装置の提供。
【解決手段】プラズマの電極構造300は、プラズマの形成のための高周波電力を供給するため、上下部にお互いに平行を取って向き合う平板型の電源電極311及び接地電極321を具備し、電源電極311及び接地電極321の全表面にそれぞれ酸化被膜層310,320を均一に形成して、電源電極311及び接地電極321の間にプラズマの発生空間330を形成する。
【選択図】図3a

Description

本発明は、常圧、すなわち、大気圧で放電を通じてプラズマを発生させる電極の製造方法及び電極構造とこれを利用したプラズマ発生装置に関する。
現在のFPD(Flat Panel Display) 表面処理装置の中で常圧プラズマ発生装置の適用がますます拡大されるのは別途のチャンバ(Chamber)や真空システムの具備なしにインライン(in-line) システムで具現することができるという長所のためである。
すなわち、既存のプラズマ装置は高価の真空チャンバとシステムが必要だったし、これにより、処理速度、装備価格、維持補修費用などがたくさん必要となって、近来に至っては常圧プラズマ発生装置の開発と工程適用が活発に進行される成り行きにある。
図1は一般的な常圧プラズマ発生装置を利用した洗浄システム(100)の構成を現わした図面である。
図1に図示されたところのように、洗浄システム(100)は、洗浄対象であるLCD ガラス(130)の表面にプラズマ反応で生成された酸素ラジカル(O Radical)(107)を噴射する常圧プラズマ発生装置(110)と、前記常圧プラズマ発生装置に交流電圧を供給する電源供給装置(140)と、前記常圧プラズマ発生装置に繋がれたガス配管を通じて窒素、酸素、空気などのガスを供給するガス供給装置(120)と、前記常圧プラズマ発生装置がプラズマ常圧放電を実施する間 LCD ガラス(130)を一定した速度で一方向に移送する移送装置(160)で構成される。
また、ガス供給装置(120)で供給された処理ガスはガス注入口(108)を通じて常圧プラズマ発生装置(110)の隔壁誘電体空間(105)に流入されるのに、流入の前に流量調節機(MFC: Mass Flow Controller)(121)を通じて供給されるガスの流量が調節される。
また、常圧プラズマ発生装置(110)の上部に、ガス注入口(108)を通じて供給された処理ガスが隔壁誘電体空間(105)の内部に均一に分布されるように、ガス分配機(Gas Distributor)(109)が配置される。
また、ガス分配機(109)の下部には誘電体の充電及び放電によってプラズマを発生させる第1誘電体(101)と第2誘電体(102)が形成される。
また、第1誘電体(101)及び第2誘電体(102)上に交流電圧を供給するため、第1誘電体(101)上に電源電極(104)が形成されて、第2誘電体(102)上に接地電極(103)がそれぞれ形成される。この時、図1に図示された第1誘電体(101)と第2誘電体(102)は垂直するように向き合う垂直平行対向型の DBD(Dielectric Barrier Discharge: 誘電体隔壁放電)タイプで構成されている。
また、第1誘電体(101)上の電源電極(104)は電源供給装置(140)と繋がれて、第2誘電体(102)上の接地電極(103)は接地(112)になる。
また、電源電極(104)及び接地電極(103)上には放熱板(111)が設置されて加熱された電極を冷却させる。
このような洗浄システム(100)での洗浄過程をよく見れば次の通りである。
すなわち、LCDガラス(130)の下部に形成された移送装置(160)が洗浄対象であるLCDガラス(130)を一定した速度で一方向に移送させる。この時、第1誘電体(101)上に形成された電源電極(104)に交流電圧を供給すれば、隔壁誘電体空間(105)に流入されたガスがプラズマ反応を起こして、プラズマ反応によって生成された酸素ラジカル(107)がガス放出口(106)を通じて常圧プラズマ発生装置(110)の本体外部に放出される。
前記外部に放出された酸素ラジカル(107)が洗浄対象であるLCDガラス(130)の表面に噴射されて、LCDガラス(130)の表面の有機物をとり除くようになる。
このように、大気圧状態でプラズマを発生させる常圧プラズマの洗浄方法は、基板の表面の有機物、回路製作の時発生する残留ポリマー(Polymer)などの汚染物質をプラズマの内の酸素ラジカルを利用してとり除く方法として、環境的に安全で洗浄效率の高い長所がある。
通常的に常圧プラズマ発生装置(110)はDBDタイプの電極構造を使うのに、前記DBDタイプの電極構造は垂直または水平の平行対向版の形態で形成することができる。図2a乃至図2cは従来の水平平行対向型のプラズマの電極構造(200)を現わした図面である。
図2a及び図2bに図示されたところのように、プラズマの電極構造(200)は、上下部にお互いに平行を取って向き合う第1誘電体(210) 及び第2誘電体(220)を形成する。
また、第1誘電体(210)及び第2誘電体(220)の間の間隙を一定するように維持するため、精密加工された絶縁のスペイソ(spacer)を使うとか、その他の調節可能したガプ(gap)調節機を利用して、二つの誘電体の間の間隙を一定するように維持する。
ここで、誘電体の材料では通常の高誘電率のセラミックス(Ceramics)が使われる。例えば、二酸化珪素、酸化アルミ、二酸化ジルコニウム、二酸化チタン、酸化イットリウムなどの良質のセラミックス(Fine Ceramics)がたくさん使われている。
また、前記第1誘電体(210)及び第2誘電体(220)のお互いに向き合う表面の反対側に、高電圧の電源が供給されるように、電源電極(211)及び接地電極(221)を形成する。この時、前記電源電極及び接地電極は金属の薄膜の形態で、前記金属の薄膜の形成過程をよく見ると次の通りである。
すなわち、主にペースト状態の銀、銅、金、アルミなどの良導体がスクリーンプリンティング(Screen Printing)、スプレーコーティング(Spray Coating)などの方法を利用して、前記第1及び第2誘電体の表面に塗布された後高温に焼結される。以後、金属膜に結晶化されて、前記誘電体の表面に完全に固着するように形成される。これは誘電体と金属薄膜との結合の時、気孔などの欠陷がない電極を作るためである。
その理由は、気孔などの欠陷が誘電体と電極の間に存在する時、前記気孔でプラズマが発生して多くの熱が発生するようになって、前記発生された熱によって誘電体の絶縁の性能を低下させて、誘電体の絶縁の性能の破壊、すなわち Arcingが易しく発生するからである。
第1誘電体及び第2誘電体(210)(220)の一面に金属薄膜の形態の電極(211)(221)を形成した後には、必ず前記金属の薄膜を保護するための第1及び第2保護膜(214)(224)を形成さなければならない。これは金属がプラズマによって発生することができる活性分子に対する耐性が非常に弱いからである。
前記金属薄膜の保護膜では、プラズマに対する耐性が高い高分子プラスチックやセラミックスの基盤の無機材料などが使われることができるのに、それぞれの材料にしたがってコーティングの方法には差がある。
また、電源電極(211)及び接地電極(221)の間の隔壁誘電体空間(230)に、窒素、アルゴン、ヘリウム、酸素などの処理ガスを流入させるガス流入口(212)(213)が、第1誘電体(210)上に形成される。
また、電源電極(211)に交流電圧が供給されば、隔壁誘電体空間(230)に流入された処理ガスがプラズマの状態になる。この時、プラズマの状態の処理ガスイオン(陽イオン、電子、ラジカルなど)が被処理物(ガラス、半導体 waferなど)に噴射されるように、一つ以上の微細なホール(Hole) またはスリット(slit)の形態のガス捌け口(223)が、第2誘電体(220)、接地電極(221)及び第2保護膜(224)を貫いて形成される。
このように、プラズマの電極構造はDBD方式で、一対の対向された誘電体の電極の間でプラズマを発生させる。以後、この中の一つの電極に形成されたガス捌け口を通じてプラズマの状態の反応ガスを排出させて、その下部に位した被処理物を処理する形態の電極構造である。
図2cは図2bに図示された電極構造でガス捌け口(223)が形成されている第2誘電体電極(斜線した部分)を拡大した図面である。図2cに図示されたところのように、ガス捌け口(223)の断面形態で、非常に薄ら厚さの金属電極(221)を保護膜(224)を覆って保護する構造になっている。
このような状態でDBD放電が発生するようになれば、第2誘電体(220)の上下部にお互いに違う極性の電荷が集まるようになる。それでは、第2誘電体(220)の上下部に電場が形成されて、鋭く形成された金属薄膜の電極(221)のエッジ部で電界效果(Edge Effect)によってより一層強い電場が形成される。
このような電場によって、第2誘電体(220)の上下面の空気層で絶縁の性能の破壊が発生する。すなわち、第2誘電体(220)の上面と接地電極(221)のエッジ部の間の前記第2誘電体の壁面に沿って放電が起きるようになるのに、これは一種の面放電と言える。
こんなに発生した面放電は高いエネルギーの活性イオンで放電が発生する電極の表面を損傷させるようになって、相対的に厚さが薄ら電極エッジ部の第2保護膜(224)を集中的に損傷させるようになる。
図3a及び図3bは図2bの斜線した部分で面放電が発生した例を表す図面である。ここで、図3aはセラミックスの誘電体、金属の薄膜、セラミックスの保護膜が順次にコーティングされた初期状態を見せてくれて、図3bは前記初期コーティング後100時間の経過後に面放電によって円(ガス捌け口)の回りの保護膜及び電極に侵害現象が発生することを表す。
このようにエネルギーの集中された放電が持続的に発生するようになったら、いくらプラズマの耐性がある物質と言っても、直接的な放電が起きることで侵害現象が発生するようになる。
また、第2保護膜(224)が面放電によって侵害されれば、結局には接地電極(221)が面放電に直接的に露出するようになる。よって、その後にはプラズマに耐性がない金属の電極が非常に早い速度に侵害されて電極の寿命が終えるようになる。
あるいは、第2保護膜(224)の厚さを充分に厚くしてこのような現象を防止しようと思うこともできるが、これもやっぱり易しくない。すなわち、通常セラミックスの系列の無機質や高分子化合物のコーティング方法は、プラズマの溶射法(Thermal Spray)、アーク(arc)の溶射法を利用するとか、あるいはペースト状態の材料をスプレーコーティングやスクリーンプリンティング後焼結過程を経るsolまたはゲル(gel)の方法などを利用することができる。しかし、接地電極(221)と一緒に直角で切断したエッジ部位の厚さを高めることは限界がある。
また、平たい接地電極(221)の表面の第2保護膜(224)の厚さを伸ばすことは可能だが、ガス捌け口(223)の断面の内部の厚さを伸ばすことは技術的に困難が多い。
また、エッジ部の保護膜の厚さを伸ばすと言っても、根本的に電界效果による面放電の発生の危険性は常時内包しているのである。
したがって、面放電による保護膜の寝食とこれによって電極が前記放電に直接的に露出することで、寝食の速度が加速されて電極の寿命が急激に低下される問題点は相変らず残るようになる。
本発明は上記のような問題点を解決するために案出されたことで、その目的は電極の表面に酸化被膜層を形成して、前記酸化被膜層の自体が誘電体と保護膜の役目を同時に遂行するようにした常圧プラズマ発生用電極の製造方法及び電極構造とこれを利用したプラズマの発生装置を提供することにある。
前記の目的を果たすために、本発明は、一対の電極と、前記一対の電極が相互離隔されてその間に形成されるプラズマの発生空間と、前記一対の電極の中で少なくとも一つの表面に均一に形成された酸化被膜層を含むプラズマの電極構造を提供する。
また、前記電極は表面に自然的または人為的に酸化被膜を形成することができる合金であることを特徴とする。
また、前記電極はアルミ、チタン、マグネシウム、亜鉛、タンタルの何れか一つの合金で構成されたことを特徴とする。
また、前記酸化被膜層は酸化アルミ、酸化チタン、酸化マグネシウム、酸化亜鉛、酸化タンタルの中の何れかであることを特徴とする。
また、前記酸化被膜層は陽極酸化被膜形成法を利用して形成されることを特徴とする。
他の望ましい実施例は、一対の電極と、前記一対の電極の中で少なくとも一つの表面に均一に形成された酸化被膜層で構成されるプラズマの電極をと含み、 前記電極の間に形成されたプラズマの発生空間に流入されたガスをプラズマ放電して、発生されたガスイオンを被処理物に噴射する常圧プラズマの発生装置を提供する。
本発明の他の側面によれば、電極の製造方法において、金属を利用して電極の自体を形成して、前記電極の全表面に酸化被膜を均一に形成することを特徴とする。
また、前記酸化被膜は陽極酸化被膜形成法を利用して形成される。
以上でよく見たところのように、本発明は、電極の表面に酸化被膜層を形成して、前記酸化被膜層の自体が誘電体と保護膜の役目を同時に遂行することができる。
すなわち、加工費用が高いセラミックスの誘電体代りに相対的に費用が節減されるアルミ合金を利用して電極を形成して、前記電極の表面に陽極酸化被膜形成法を通じて保護膜を形成することで、従来とは違い高価のセラミックスに金属薄膜を形成する工程と保護膜をコーティングする 工程をとり除くことができるので、電極の生産工程を単純化することができることは勿論、製造単価を画期的に節減することができる效果を持つ。
また、バルク状態のアルミ合金電極を使って、陽極酸化被膜形成法によって均一な厚さで酸化被膜層を形成するから、面放電の発生を防止して、電極の寿命を進めることができる。
以下で添付された図面を参照して本発明の望ましい実施例が詳しく説明される。
図4a及び図4bは本発明の望ましい実施例によるプラズマの電極構造(300)を現わした図面である。
図4aに図示されたところのように、本発明の望ましい実施例によるプラズマの電極構造(300)は、プラズマの形成のための高周波の電源を供給するため、上下部にお互いに平行を取って向き合う平板型の電源電極(311)及び接地電極(321)を具備する。
また、電源電極(311)及び接地電極(321)の全表面にそれぞれ酸化被膜層(310)(320)を均一に形成して、前記電源電極及び接地電極の間にプラズマの発生空間(330)を形成する。
また、プラズマを発生させるためにプラズマの発生空間(330)で処理ガスを流入させるガス流入口(未図示)を形成する。前記ガス流入口は電極に形成するとか前記プラズマの発生空間の側部に形成することができる。
また、電源電極(311)に交流電圧が供給されば、プラズマの発生空間(330)に流入された処理ガスがプラズマの状態になる。この時、プラズマの状態の処理ガスイオン(陽イオン、電子、ラジカルなど)が被処理物(ガラス、半導体 waferなど)に噴射されるように、一つ以上のホール(Hole)またはスリット(slit)の形態のガス捌け口(323)が、接地電極(321)及び酸化被膜層(320)を貫いて形成される。
一方、既存にはセラミックスを利用して誘電体の隔壁を形成して、その表面に金属電極の薄膜を形成して、前記電極薄膜上にまた保護膜を覆う方法でプラズマの電極構造を形成した。
しかし、本発明では、電源電極(311)及び接地電極(321)の両電極を形成して、前記接地電極を貫くガス捌け口(323)を複数個形成する。
その後、陽極酸化被膜形成法(Anodizing)を利用して両電極(311)(321)のすべての表面に酸化被膜層(310)(320)を形成する。
また、図4aに図示されたところのように、電源電極(311)及び接地電極(321)に皆酸化被膜層(310)(320)を形成したが、どの一つの電極にだけ酸化被膜層を形成することができるし、特にガス捌け口(323)の内側面に面放電が発生される接地電極(321)にだけ酸化被膜層を形成して使うことができる。
また、電源電極(311)及び接地電極(321)は主にアルミ合金を使うが、表面に自然的または人為的に酸化被膜を形成することができる合金も使われることができる。
例えば、チタン(Ti)、マグネシウム(Mg)、亜鉛(Zn)、タンタル(Ta)などがここに当たる。
また、前記陽極酸化被膜形成法を通じて形成される酸化被膜層は酸化アルミ(Al2O3)の結晶であり、これは通常DBD電極の誘電体で活用するアルミナのような物質だ。以外にも酸化チタン、酸化マグネシウム(MgO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化タンタルなどが使われることができる。
したがって、前記酸化被膜層の自体が誘電体としての役目を担当することができるし、酸化被膜層の自体の立派な耐食性と耐プラズマ性によって、別途の保護膜が必要なしに、前記アルミ合金形態の電源電極(311)及び接地電極(321)を保護する保護膜をもっての役目も兼ねるようになる。
また、陽極酸化被膜形成法は、アルミ合金の電極を電解液にまったく浸漬させて、電気分解を利用して、前記電極のすべての表面に酸化被膜層を形成するので、いくら複雑な形態の電極でも、前記電極のすべての表面に均一な酸化被膜層を形成することができる。
すなわち、電極の平たい部分やガス捌け口の内部面まで等しい厚さの酸化被膜層が形成される。
また、前記金属電極でアルミ合金を例であげたが、ここに限定されないで、陽極酸化被膜形成法を通じて酸化被膜層を形成することができる多様な種類の金属が使われることができる。
また、酸化被膜層も酸化アルミ外に前記金属電極に活用されることができる金属の酸化被膜層も使われることができる。
図4bは図4aに図示された電極構造でガス捌け口(323)が形成されている酸化被膜層及び接地電極(斜線した部分)を拡大した図面である。
図4bに図示されたところのように、DBD放電の時、酸化被膜層(320)の表面と基底層に他の極の電荷が追われるようになって電場が形成されるが、接地電極(321)の全表面に均一に形成された酸化被膜層(320)によって、電場が空気層を通じて形成されることができなくなる。
また、接地電極(321)が既存の金属薄膜(4〜20μm)の形態ではないバルク(bulk)状態(1〜5mm)のアルミ合金の電極だから、既存の金属の薄膜と同じエッジ部の電界效果が発生し乃至、電場の集中現象も発生しない。
このような理由によって接地電極(321)の表面の面放電発生を基本的に防止することができる。
図5a及び 図5bは本発明によるプラズマの電極構造では面放電が発生しないことを表す図面である。
図5aは本発明によるプラズマの電極の形成の初期状態を見せてくれて、図5bはプラズマの放電の持続時間が100時間の経過後に円(ガス捌け口)の回りで従来(図3b参照)と違い酸化被膜層及び電極に侵害現象が発生しないで、図5aの初期状態を表す。
このように、面放電が発生しなければ、高いエネルギーのイオンの衝突による侵害現象がないから、既存の保護膜よりも非常に長い寿命を維持することができる。
以上で、本発明によるプラズマの電極構造は、常圧プラズマの発生装置だけでなくプラズマの放電のための多くの形態の装置で電極構造に利用されることができる。
したがって、本発明は前記の実施例に限ることではなくて当該の技術分野において通常の知識を持っている者が本発明の技術的な思想の範囲を脱しない範囲の内で設計の変更や回避の設計をすると言っても本発明の範囲の内にあることは明らかである。
一般的な常圧プラズマの発生装置を利用した洗浄システム(100)の構成を現わした図面。 従来の水平平行対向型のプラズマの電極構造(200)を現わした図面。 従来の水平平行対向型のプラズマの電極構造(200)を現わした図面。 従来の水平平行対向型のプラズマの電極構造(200)を現わした図面。 図2の斜線した部分で面放電が発生した例を表す図面。 図2の斜線した部分で面放電が発生した例を表す図面。 本発明の望ましい実施例によるプラズマの電極構造(300)を現わした図面。 本発明の望ましい実施例によるプラズマの電極構造(300)を現わした図面。 本発明によるプラズマの電極構造では面放電が発生しないことを表す図面。 本発明によるプラズマの電極構造では面放電が発生しないことを表す図面。
符号の説明
100 洗浄システム
200、300 プラズマの電極構造
211、311 電源電極
221、321 接地電極
223、323 ガス捌け口
320 酸化被膜層

Claims (8)

  1. 一対の電極と、
    前記一対の電極が相互離隔されてその間に形成されるプラズマの発生空間と、
    前記一対の電極の中で少なくとも一つの表面に均一に形成された酸化被膜層を含むことを特徴とする、
    プラズマの電極構造。
  2. 前記電極は表面に自然的または人為的に酸化被膜を形成することができる合金であることを特徴とする、請求項1記載のプラズマの電極構造。
  3. 前記電極はアルミ、チタン、マグネシウム、 亜鉛、タンタルの何れか一つの合金で構成されたことを特徴とする、請求項1記載のプラズマの電極構造。
  4. 前記酸化被膜層は酸化アルミ、酸化チタン、酸化マグネシウム、酸化亜鉛、酸化タンタルの中の何れかであることを特徴とする、請求項1乃至請求項3の何れかに記載のプラズマの電極構造。
  5. 前記酸化被膜層は陽極酸化被膜形成法を利用して形成されることを特徴とする、請求項4記載のプラズマの電極構造。
  6. 一対の電極と、前記一対の電極の中で少なくとも一つの表面に均一に形成された酸化被膜層で構成されるプラズマの電極とを含み、
    前記電極の間に形成されたプラズマの発生空間に流入されたガスをプラズマ放電して、発生されたガスイオンを被処理物に噴射することを特徴とする、常圧プラズマの発生装置。
  7. 電極の製造方法において、
    金属を利用して電極の自体を形成して、前記電極の全表面に酸化被膜を均一に形成することを特徴とする、
    常圧プラズマ発生用電極の製造方法。
  8. 前記酸化被膜は陽極酸化被膜形成法を利用して形成されることを特徴とする、請求項7記載の常圧プラズマ発生用電極の製造方法。
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