KR100284903B1

KR100284903B1 - 플라즈마 생성 장치

Info

Publication number: KR100284903B1
Application number: KR1019980710948A
Authority: KR
Inventors: 미카엘 리이르
Original assignee: 투테 에.; 레이볼트 시스템즈 게엠베하
Priority date: 1997-05-28
Filing date: 1998-05-25
Publication date: 2001-03-15
Also published as: EP0916153A1; JP2000515678A; EP0916153B1; US6194835B1; WO1998054748A1; DE19722272A1; KR20000022504A; JP3853377B2; DE59810077D1

Abstract

절연재로 이루어진 관(5)의 내부에 들어있는 봉형 도체(4)는 진공실(3)을 통해 안내되고, 절연관(5)의 내경은 도체(4)의 직경보다 더 크며, 절연관(5)은 양 단부에서 진공실(3)의 벽(6, 7)에 유지되고 외면에서 벽(6, 7)에 대해 밀봉되며, 도체(4)는 양 단부에서 각각 제 1 교번 전자계 생성원(8 또는 9)에 접속되는, 교번 전자계에 의해 진공실(3) 중에 플라즈마를 생성하는 장치에 있어서, 봉형 도체(4)는 2개의 벽 관통부(10, 11)의 구역에서 중앙 부분(k) 쪽으로 일부의 길이에 걸쳐 각각 전기 전도성 재료로 이루어진 관 부재(12, 13)에 의해 이격된 채 둘러싸이고, 2개의 관 부재(12, 13)는 절연관(5)에 대해 동심상으로 배치되어 각각 제 2 교번 전자계 생성원(14 또는 15)에 접속된다.

Description

플라즈마 생성 장치

공지의 플라즈마 생성 장치(DE 195 03 205)는 한정된 작업 범위(공정 구간, 가스 압력, 마이크로파 출력)에서 표면 처리 및 코팅 기술용의 플라즈마를 생성할 수 있다. 그러한 공지의 장치는 전체적으로 진공 공정실 중에 설치된 원통형 유리관과 그 유리관 속에 배치된 금속제 도전관으로 이루어지는데, 유리관의 내부 공간 중에는 대기압이 유포된다. 마이크로파 출력은 2개의 공급원 및 내부 도체와 외부 도체로 이루어진 2개의 금속제 동축 도관에 의해 양측에서 진공 공정실의 벽을 통해 도입된다. 진공 공정실의 내부에서는 존재하지 않는 외부 도체는 점화 조건(가스 압력)의 충족 시에 마이크로파 출력에 의해 점화되어 유지되는 플라즈마 방전물에 의해 대체되는데, 2개의 금속제 동축 도관으로부터 나온 마이크로파 출력은 진공 공정실 중의 유리관을 통해 유출될 수 있다. 플라즈마는 외부로부터 원통형 유리관을 둘러싸서 내부 도체와 함께 매우 강력한 감쇠 라이닝를 구비하는 동축 도관을 형성한다. 양측에서 공급되는 마이크로파 출력이 일정할 경우, 진공 공정실의 가스 압력은 동축 도관의 외부 도체가 존재하지 않는 진공 공정실의 내부에서 플라즈마가 장치를 따라 외견상으로 균일하게 연소되도록 조절될 수 있다.

그러나, 경험에 따르면 미리 설정된 마이크로파 출력에서 진공 공정실 중의 가스 압력이 상승될 경우에는 장치를 따른 플라즈마의 균일성이 상실된다. 장치의 마이크로파 공급원 지점 사이의 간격의 절반에 걸친 플라즈마가 외견상으로 점차 약화되고, 일정 압력 이상에서는 완전히 소멸될 수도 있다. 플라즈마 라인이 끊겨지고, 압력이 더욱 상승되면 공급원 양측의 부분 플라즈마가 공급원 쪽으로 되돌아간다. 특히, 장치의 길이가 긴 경우(예컨대, 1 m 이상)에는 그러한 효과에 의해 불균일한 진공 공정이 유발된다. 부분 플라즈마는 벽의 인근의 공급원 단부에서 높은 발광력을 나타내고 중앙 쪽으로 점차 약화된다.

관찰 결과, 그 원인은 동축 도관의 고유 거동 때문인데, 그것은 외부 도체가 금속으로 이루어지는지 아니면 전도성 플라즈마로 이루어지는지의 여부와는 전혀 상관이 없다.

동축 도관의 단위 길이당 횡전자파의 감쇠율 α_c는 내부 도체 및 외부 도체의 전기 전도도에 의해 한정되고 다음과 같이 표현될 수 있다:

상기 수학식 1의 파리미터들 중에서,

a 및 b는 동축 도관의 내부 도체의 외경 및 동축 도관의 외부 도체의 내경이고,

δ_s는 전도성 표면에서의 마이크로파 침투 깊이(표피 효과)이며,

λ_o는 사용된 마이크로파의 자유 공간 파장이고,

ε_R은 동축 도관의 유전체의 상대 유전률이다(공기의 경우, = 1).

상기 수학식 1에서 알 수 있는 바와 같이, 마이크로파의 감쇠율은 동축 도관을 따른 위치와는 전혀 무관하다. 동축 도관의 유전 충전물이 공기로 이루어지고 장치의 길이를 따른 ε_R이 일정하기 때문에, 감쇠율의 크기는 전도성 표면에서의 마이크로파의 침투 깊이에만 의존하여 변하게 된다. 즉, 단위 길이당 감쇠율이 일정하다는 것은 단위 길이당 플라즈마에 넘겨지는 순 마이크로파 출력이 장치를 따라 중앙 쪽으로 점차 줄어들어야 한다는 것을 의미한다. 그러나, 외부 도체가 플라즈마로 이루어지기 때문에, 그러한 전도도(마이크로파의 침투 깊이)가 정확하게 결정될 수는 없다. 분명한 것은 그러한 전도도가 플라즈마 밀도에 의존하고 다시 그 플라즈마 밀도가 일정 한도 내에서 방전계 중의 마이크로파 출력 밀도의 함수라는 사실이다. 단지, 그러한 플라즈마에서의 마이크로파 침투 깊이가 금속제 표면의 경우(∼ 50 ㎛)보다는 수개의 크기 단위만큼 더 높고 장치의 길이를 따라 일정하지 않을 것으로 추정될 뿐이다.

또한, 공지의 장치는 8 × 10^-2mbar 미만의 압력에서는 거의 플라즈마 방전물을 유지시킬 수 없는 것으로 판명되었다. 장치의 융통성을 높이기 위해서는 저압에서도 자계의 지원이 없는 플라즈마 방전의 작업 조건을 확보하는 것이 바람직하다.

본 발명은 절연재로 이루어진 관의 내부에 들어있는 봉형 도체가 진공실을 통해 안내되고, 절연관의 내경이 도체의 직경보다 더 크며, 절연관이 양 단부에서 진공실의 벽에 유지되고 외면에서 벽에 대해 밀봉되며, 도체가 양 단부에서 각각 제 1 교번 전자계 생성원에 접속되는, 교번 전자계에 의해 진공실 중에 플라즈마를 생성하는 장치에 관한 것이다.

도 1은 봉형 도체의 양 단부의 구역에 각각 관 부재를 구비하는 플라즈마 생성 장치의 종단면도,

도 2는 전 길이에 걸쳐 봉형 도체를 둘러싸는 관을 구비하고, 간이 그 길이의 대부분에 걸쳐 종방향 슬릿의 형태의 절결부를 구비하는 다른 실시예의 종단면도,

도 3은 도 2에 따른 관을 나타낸 도면,

도 4 및 도 5는 양 실시예의 봉형 도체를 각각 나타낸 횡단면도,

도 6 및 도 7은 도 1 및 도 2에 도시된 장치의 전계 강도를 각각 나타낸 도표.

(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)

3 : 진공실 4 : 봉형 도체

5 : 절연관 6, 7 : 벽

8, 9 : 제 1 교번 전자계 생성원 10, 11 : 벽 관통부

12, 13 : 관 부재 14, 15 : 제 2 교번 전자계 생성원

16, 17 : 도전관, 금속 커프스 18, 19 : 웨지형상의 절결부

20 : 관 21 : 절결부

본 발명의 목적은 공지의 장치의 단점을 개선하는 것이다.

그러한 목적은 본 발명에 따라 봉형 도체가 2개의 벽 관통부의 구역에서 중앙 부분 쪽으로 각각 전기 전도성 재료로 이루어진 관 부재에 의해 이격된 채 둘러싸이고, 2개의 관 부재가 절연관에 대해 동심상으로 배치되어 각각 제 2 교번 전자계 생성원에 접속되도록 함으로써 달성된다.

바람직한 실시예에서는 봉형 도체가 전기 전도성 재료로 이루어진 관에 의해 이격된 채 둘러싸이고, 관의 양 단부가 각각 제 2 교번 전자계 생성원에 접속되며, 관의 중앙 부분이 세장형의 마름모꼴 종방향 슬릿과 같은 절결부를 구비한다.

본 발명의 또 다른 실시 양태, 세부 구성 및 특징은 특허 청구 범위에 특징지워져 개시되어 있다.

본 발명은 다양한 실시예로 실시될 수 있는데, 이하에서는 그 중의 2개의 실시예가 개략적으로 도시된 첨부 도면에 의거하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다.

도 1에 따른 장치는 전체적으로 진공실(3)의 벽 부분(6, 7)을 통해 안내되는 절연관(유리관)(5), 절연관(5)에 대해 동축상으로 배치되는 봉형 도체(4), 도체(4)의 양 단부에 각각 배치되는 제 1 교번 전자계 생성원(8, 9), 도체(4)를 둘러싸고 도체(4)의 종방향으로 연장되는 2개의 금속제 관 부재(12, 13), 관 부재(12, 13)에 각각 접속되는 제 2 교번 전자계 생성원(14, 15) 및 벽 관통부(10, 11)의 구역에서의 플라즈마의 생성을 저지하는 2개의 금속 커프스(16, 17)로 이루어진다.

도 2에 따른 실시예는 봉형 도체(4)가 전기 전도성 재료로 이루어진 단일의 관(20)에 의해 이격된 채 둘러싸이고, 관(20)의 양 단부가 각각 제 2 교번 전자계 생성원(14 또는 15)에 접속되며, 관(20)의 중앙 부분이 종방향 슬릿의 형태의 절결부(21)를 구비한다는 점에서 상술된 실시예와 구별된다.

도 1에 따른 장치는 총 4개의 동축 마이크로파 공급원을 구비한다. 본 발명에 의해 추가된 금속제 도전관(12, 13)이 내부 도체(4) 및 외부 도체(16, 17)와 함께 총 4개의 동심상의 동축 마이크로파 공급원, 즉 A 구역에서의 "16, 12", B 구역에서의 "12, 4", C 구역에서의 "13, 4" 및 D 구역에서의 "17, 13"을 제공한다. 플라즈마 생성원이 긴 경우 및/또는 진공 공정실 중의 가스 압력이 높은 경우에는 4개의 동심상의 동축 마이크로파 공급원 대신에 6개, 8개 또는 그 이상의 마이크로파 공급원(제작 가능성의 여하에 따라)이 설치될 수도 있는데, 설치 간격(예컨대, A-B 또는 B-C)은 균일한 플라즈마 분포가 달성되도록 상이하게 변경될 수 있다. 그러나, 동심상의 동축 도관 2개당 단지 3개의 금속제 도전관만이 사용된다. 즉, 내부 동축 도관의 외부 도체는 동시에 내부 동축 도관을 둘러싼 외부 동축 도관의 내부 도체이기도 하다.

도 1에 따른 장치의 경우, 금속제 동축 도관으로부터 "플라즈마 도관"으로의 전이부는 단절된다. 즉, 금속제 외부 도체(예컨대, 16)의 단부면 평면은 중심 축선에 대해 수직하다. 공급원 지점에서의 마이크로파 출력이 강력하게 감쇠되는 것(마이크로파 출력이 플라즈마에 넘겨지는 것에 해당함)을 저지하기 위해, 외부 도체(20)(도 2)는 E-F 구역 및 G-H 구역에 도시된 바와 같이 점차적으로 크게 개방되도록 변형될 수 있다. 금속제 동축 도관은 중심 쪽으로 점증적으로 플라즈마 도관에 의해 대체된다. 그러한 구성은 플라즈마가 유리관(5)의 둘레에서 반경 방향으로 비대칭적으로 연소된다는 단점을 수반하지만, 그것은 대부분의 적용에 있어서 그리 중요한 사항은 아니다. 금속제 외부 도체로부터 플라즈마 도체로의 전이부는 예컨대 폭이 커지는 동축 슬릿에 의한 또 다른 형태로 형성될 수도 있다. 다만, 전이부가 단절되지 않고 점차적으로 커지도록 형성되어 파의 반사가 일어나지 않게 되는 것이 중요하다.

높은 가스 압력에서뿐만 아니라 낮은 가스 압력에서도 방전 용적부 중의 플라즈마 점화 조건이 개선되도록 하기 위해, 미리 주어진 마이크로파 출력에서 교번 전자계의 전기 부분의 전계 강도를 상승시키는 것이 바람직하다. 그것은 플라즈마 생성원이 부동 전자계 구조에 대비되는 공진 구조(공진자)를 수반한다는 점에서도 유리하다. 공지의 장치(DE 195 03 205)는 부동 전자계 구조이고, 순수한 횡전자파(TEM 파)에 의해 작동된다. 그러나, 본 발명의 경우에도 금속제 내부 도체(4)의 횡단면이 원통형 형태(도 4)로부터 각이 진 형태(도 5)로 변경됨에 의해 전계의 증폭이 실현될 수 있다. 원통형 내부 도체의 경우에 이루어지는 교번 전자계의 전기 부분의 엄격한 반경 방향 대칭성이 깨져서 모퉁이에 전계선이 집중된다(도 4 및 도 5에 화살표로 도시되어 있음).

도 1에 따른 실시예는 도 6에 도시된 바와 같이 장치의 전 길이에 걸쳐 마이크로파의 교번 전자계의 전기 부분의 전계 강도를 균일하게 분포시켜준다. 2개의 공급원 지점(A, D)만이 있는 종래의 장치의 경우에는 L 곡선에 따른 분포가 주어지지만, 4개의 공급원 지점이 있는 본 발명의 경우에는 M 곡선에 따른 분포를 예기할 수 있다. 도시된 곡선은 절대적인 관계에 있는 것이 아니라, 단지 그 곡선의 추이만이 중요한 의의가 있는 것이다. 또 다른 개선 방안은 단일의 장치에서 2개보다 더 많은 수의 마이크로파 발진기에 의해 마이크로파 출력을 공급하는 것이다. 그것은 50 mbar 이상의 공정 압력(예컨대, 다이아몬드 석출)에서 진행되는 플라즈마 화학 공정에서 매우 중요하다.

도 2에 따른 실시예도 역시 도 7에 도시된 바와 같이 장치의 전 길이에 걸쳐 마이크로파의 교번 전자계의 전기 부분의 전계 강도를 균일하게 분포시켜준다. E-F 지점 사이 및 G-H 지점 사이에서 금속제 동축 도관으로부터 플라즈마 도관으로의 전이부를 점차 커지게 할 경우, O 곡선에 따른 분포가 주어진다. O 곡선은 얻고자 하는 선형 플라즈마 생성원의 이상적 분포와 거의 유사하다. 그러나, 그러한 개선된 장치도 역시 2개의 공급 지점만을 구비하는 최초의 장치와 마찬가지로 작동된다.

장치를 따라 높은 마이크로파 출력 밀도가 유포되어야 할 경우, 도 1 및 도 2에 따른 실시예의 특징을 조합시킬 수 있다. 그러한 방식으로, 상응하는 치수의 장치에서 더욱 긴 연장 거리(예컨대, 3 m)에 걸쳐 균일한 플라즈마 밀도가 실현될 수 있다.

도 3에 도시된 세장형의 마름모꼴 절결부(21)를 구비하는 관(20)의 구성에 의해 모퉁이의 인근에서 교번 전자계의 전기 부분의 전계 강도가 상승되고(마이크로파 출력이 일정할 경우, 원통형 금속제 내부 도체에 비해), 그에 의해 방전 구역 중의 가스 압력이 낮은 경우뿐만 아니라 높은 경우에도 플라즈마 점화 및 연소 조건이 개선된다.

Claims

절연재로 이루어진 관(5)의 내부에 들어있는 봉형 도체(4)는 진공실(3)을 통해 안내되고, 절연관(5)의 내경은 도체(4)의 직경보다 더 크며, 절연관(5)은 양 단부에서 진공실(3)의 벽(6, 7)에 유지되고 외면에서 벽(6, 7)에 대해 밀봉되며, 도체(4)는 양 단부에서 각각 제 1 교번 전자계 생성원(8 또는 9)에 접속되는, 교번 전자계에 의해 진공실(3) 중에 플라즈마를 생성하는 장치에 있어서,

봉형 도체(4)는 2개의 벽 관통부(10, 11)의 구역에서 중앙 부분(k) 쪽으로 일부의 길이에 걸쳐 각각 전기 전도성 재료로 이루어진 관 부재(12, 13)에 의해 이격된 채 둘러싸이고, 2개의 관 부재(12, 13)는 절연관(5)에 대해 동심상으로 배치되며, 절연관(5) 및 각각의 관 부재(12, 13)에 의해 형성되는 환형 원통 형태의 개재 공간은 각각 제 2 교번 전자계 생성원(14 또는 15)에 접속되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 생성 장치.
절연재로 이루어진 관(5)의 내부에 들어있는 봉형 도체(4)는 진공실(3)을 통해 안내되고, 절연관(5)의 내경은 도체(4)의 직경보다 더 크며, 절연관(5)은 양 단부에서 진공실(3)의 벽(6, 7)에 유지되고 외면에서 벽(6, 7)에 대해 밀봉되며, 도체(4)는 양 단부에서 각각 제 1 교번 전자계 생성원(8 또는 9)에 접속되는, 교번 전자계에 의해 진공실(3) 중에 플라즈마를 생성하는 장치에 있어서,

봉형 도체(4)는 전기 전도성 재료로 이루어진 관(20)에 의해 이격된 채 둘러싸이고, 관(20)의 양 단부는 각각 제 2 교번 전자계 생성원(14 또는 15)에 접속되며, 관(20)의 중앙 부분은 세장형의 마름모꼴 종방향 슬릿과 같은 절결부(21)를 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 생성 장치.