KR100339813B1 - 고주파 플라즈마 소스를 이용한 상압 플라즈마 방전 시스템 - Google Patents
고주파 플라즈마 소스를 이용한 상압 플라즈마 방전 시스템 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 기존의 저온 플라즈마 방전에서 주로 플라즈마 소스로 사용해 왔던 RF 13.56MHz 및 마그네트론을 이용한 2.45GHz 보다 고대역의 플라즈마 소스를 사용함으로써 플라즈마 소스에서 플라즈마로의 에너지 전달이 최대가 되도록 하는 동시에, 플라즈마 소스의 주파수와 플라즈마 내부 입자들간의 충돌 주파수를 일치시킴으로써 효과적인 방전 특성을 확보하여 경쟁력있는 고주파 플라즈마 소스를 이용한 상압 방전 시스템을 구축함은 물론 이 상압 방전 시스템을 이용하여 각종 재료 공정, 살균, 정화 및 환경 개선 등의 분야에 응용할 수 있도록 된 것으로, K-밴드 이상의 고주파 플라즈마 소스를 발생시키는 고주파 플라즈마 소스 발생원; 상기 고주파 플라즈마 소스 발생원으로 소정의 동작 전원을 공급하는 파워 써플라이; 상압 플라즈마 방전이 진행되는 챔버; 상기 고주파 플라즈마 소스 발생원에서 발생된 고주파 플라즈마 소스를 상기 챔버로 전달하는 도파관; 소정의 대상물을 안착시키기 위한 홀더; 및 상기 홀더로 바이어스를 인가하는 홀더 바이어스를 포함하여 구성된다.
Description
본 발명은 플라즈마 상압 방전 시스템에 관한 것으로, 특히 기존의 저온 플라즈마 방전에서 주로 플라즈마 소스로 사용해 왔던 RF 13.56MHz 및 마그네트론을 이용한 2.45GHz 보다 고대역 주파수를 이용한 플라즈마 소스로 사용함으로써 플라즈마 소스에서 플라즈마로의 에너지 전달이 최대가 되도록 하는 동시에 플라즈마 소스의 주파수와 플라즈마 내부 입자들간의 충돌 주파수를 일치시킴으로써 효과적인 방전 특성을 확보할 수 있도록 된 고주파 소스를 이용한 상압 플라즈마 방전 시스템에 관한 것이다.
종래의 플라즈마 방전 시스템은 플라즈마 소스로서 DC/RF/마이크로웨이브 등을 사용하는 저압 플라즈마 방전 시스템이다. 그 중에서 RF 13.56MHz와 마그네트론을 이용한 2.45GHz의 주파수 소스들은 상업적으로 널리 공용화되어 활용되어 왔다.
특히, 반도체에서의 에칭(etching), 각종 재료의 표면처리에 활용되어 왔던 저압 플라즈마 방전 시스템은 2.45GHz 이하의 주파수를 사용하여 플라즈마 RFI(Radio Frequency Induction), ICP(Inductive Coupled Plasma), TCP(Transformer Coupled Plasma) 등의 방법으로 각종 공정을 행하여 왔다.
이러한 방법들은 플라즈마 방전을 유지시키기 위한 방법으로써 Ohmic Heating, Stochastic Heating, 2차 전자 방출에 의한 가열(Secondary Electron Mission Heating)의 메카니즘을 이용하여 플라즈마에 에너지를 전달하는 저압 방전시스템으로 이루어진다.
저압 방전 시스템은 리액터(reactor) 내의 낮은 압력을 유지하기 위한 진공 챔버, 진공 펌프 및 DC/RF/마이크로웨이브 등을 발생시키는 플라즈마 소스로 구성된다.
한편, 종래에 플라즈마 상압 방전 시스템에서 수 Hz에 해당하는 저대역 주파수를 이용하여 두 개의 전극 사이의 간격을 수 mm 정도로 아주 좁게 하여 방전을 유지시키는 DBD(Dielectric Barrier Discharge) 방법이나 2.45GHz 이하의 주파수를 사용하는 방법으로 상압 방전 시스템을 구현한 예가 있으나, 전술한 두 방법은 모두 플라즈마에 에너지를 전달하는 메카니즘으로 주로 전자기파(Electromagnetic Wave)의 플라즈마 내부로의 침투에 의한 에너지 전달 방법이 아닌 저압 방전 시스템에서 사용해 왔던 메카니즘을 이용한 경우에 해당한다.
그런데, 종래에 사용해 왔던 상압 방전 시스템에서의 DBD 방법은 두 전극 사이의 간격이 매우 좁아 그 활용이 제한적인 문제점이 있었다.
또한, 2.45GHz 이하의 주파수를 사용하는 경우에는 다음의 [수학식1]로 표현되는 상압 플라즈마의 플라즈마 주파수가 2.45GHz 보다 높기 때문에 전자기파가 플라즈마 내부로 표피층(Skin Depth) 이상으로는 진행하지 못하고 감쇠되는 문제점이 있었고, 플라즈마 소스로부터의 에너지 전달이 비효율적으로 진행된다는 문제점이 있었다.
즉, 전술한 바와 같이 종래의 플라즈마 상압 시스템에서는 전자기파와 플라즈마 내부의 입자들간의 상호작용 메카니즘에 의한 에너지 전달보다는 기존의 저압 공정에서 주로 사용되어 왔던 Ohmic Heating, Stochastic Heating, 2차 전자 방출에 의한 가열 등에 의한 메카니즘을 이용함으로써 아크, 열 등이 발생하여 플라즈마의 균일도 및 방전 특성에 문제를 발생시켰다.
전술한 문제점들에 기인하여 상압 시스템은 기존의 저압 시스템에 비하여 고가의 진공 장비가 필요없고 공정 스페이스에 제한이 없다는 큰 장점에도 불구하고 아직까지 실용화되지 못하고 있었다.
이에, 본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 기존의 저온 플라즈마 방전에서 주로 플라즈마 소스로 사용해 왔던 RF 13.56MHz 및 마그네트론을 이용한 2.45GHz 보다 고대역의 플라즈마 소스를 사용함으로써 플라즈마 소스에서 플라즈마로의 에너지 전달이 최대가 되도록 하는 동시에, 플라즈마 소스의 주파수와 플라즈마 내부 입자들간의 충돌 주파수를 일치시킴으로써 효과적인 방전 특성을 확보하는 고주파 플라즈마 소스를 이용한 상압 방전 시스템을 구축함은 물론 이 상압 방전 시스템을 이용하여 각종 재료 공정, 살균, 정화 및 환경 개선 등의 분야에 응용하는 데 그 목적이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 플라즈마 방전시스템의 구성도.
*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ***
1 : 고주파 플라즈마 소스 발생원 2 : 파워 써플라이
3 : 도파관 4 : 윈도우
5 : 플라즈마 6 : 기판
7 : 기판 바이어스 8 : 솔레노이드 마그네트
9 : 챔버
전술한 목적을 실현하기 위한 본 발명의 고주파 소스를 이용한 상압 플라즈마 방전 시스템은 K-밴드 이상의 고주파 플라즈마 소스를 발생시키는 고주파 플라즈마 소스 발생원; 상기 고주파 플라즈마 소스 발생원으로 소정의 동작 전원을 공급하는 파워 써플라이; 상압 플라즈마 방전이 진행되는 챔버; 상기 고주파 플라즈마 소스 발생원에서 발생된 고주파 플라즈마 소스를 상기 챔버로 전달하는 도파관; 소정의 대상물을 안착시키기 위한 홀더; 및 상기 홀더로 바이어스를 인가하는 홀더 바이어스를 포함하여 구성된다.
본 발명은 상기 챔버에서 진행되는 플라즈마 입자와 상기 고주파 플라즈마 소스가 상호작용하여 이온화 효율을 높일 수 있도록 하는 자기장 효과를 유발하기 위한 솔레노이드 마그네트를 추가로 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
상기 고주파 플라즈마 소스 발생원은 마그네트론, 클라이스트론, 클라이스트로드 및 자이로트론 중 어느 하나로 구현되는 것이 좋을 것이다.
이하에는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 양호한 실시예에 대해서 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 고주파 소스를 이용한 상압 플라즈마 방전 시스템의 구성도이다.
도 1에 도시한 바와 같이 고주파 소스를 이용한 상압 플라즈마 방전 시스템은 고주파 플라즈마 소스를 생성시키는 고주파 플라즈마 소스 발생원(1), 고주파 플라즈마 소스 발생원(1)에 동작전원을 공급해 주는 파워 써플라이(2), 고주파 플라즈마 소스 발생원(1)에서 생성된 고주파 플라즈마 소스를 손실없이 전달하기 위한 도파관(3), 윈도우(4), 고주파 플라즈마 소스에 의해서 반응하는 상압플라즈마(5), 소정의 기판이 놓이게 되는 회로기판 홀더(6), 고주파로 방전된 플라즈마(5)의 공정 효과를 높이기 위한 바이어스 전압을 인가하는 기판 바이어스(7), 플라즈마 방전이 진행되는 챔버(9), 및 챔버(9)에서 진행되는 플라즈마(5)에 자기장 효과를 발생시키는 솔레노이드 마그네트(8)가 구성된다.
고주파 플라즈마 소스 발생원(1)은 기존에 사용해 왔던 2.45GHz 이상의 고주파 플라즈마 소스로서 현재까지 개발된 대표적인 마이크로웨이브 튜브인 Frequency Agile Magnetron, Rising Sun Magnetron, 클라이트론(Klytron) 등을 사용할 수 있으며, 상압 공정의 활용 특성에 따라 고주파 플라즈마 소스로서 연속파(Continuous Wave) 혹은 펄스파(Pulse Mode Operation) 모두가 가능하다.
고주파 플라즈마 소스의 주파수는 플라즈마의 충돌 주파수에 의하여 결정되고, 일반적인 상압 공정에서의 충돌 주파수가 2.45GHz 보다 매우 높기 때문에 K-Band 이상의 고대역 주파수를 사용해야 한다.
또한, 고주파 플라즈마 소스(1)에서 생성된 고주파 플라즈마 소스의 에너지를 챔버(9) 내의 플라즈마(5)로 효과적으로 전달하기 위한 도파관(3)은 고주파 플라즈마 소스의 주파수에 따라 그 크기가 결정되어야 하고, 이때 고주파 플라즈마 소스가 플라즈마(5)로 온전히 전달될 수 있기 위해서는 도파관(3)의 크기가 고주파 플라즈마 소스의 주파수를 차단 주파수 이하로 인식하는 크기여야 한다.
이하에서는 본 발명의 작용에 대해서 상세하게 설명한다.
고주파 플라즈마 상압 방전 시스템에서 플라즈마(5)는 도 1에 나타낸 바와 같이 파워 써플라이(2)로부터 동작전원을 인가받은 고주파 플라즈마 소스발생원(1)으로부터 에너지를 전달받게 된다.
이때, 고주파 플라즈마 소스 발생원(1)으로부터 에너지를 효과적으로 전달받기 위해서는 고주파 플라즈마 소스의 주파수가 컷 오프되지 않는 디멘존의 도파관(3)을 사용해야만 한다.
고주파 플라즈마 소스는 도파관(3)을 통과한 후 커플링 과정을 거치게 되며, 이때 효과적으로 K-Band 이상의 고대역 주파수를 플라즈마 챔버(9) 내부로 전달하기 위해서는 도파관(3)에서의 고주파 플라즈마 소스의 전달과 동일하게 챔버 캐버티의 디멘존을 고주파 플라즈마 소스가 컷 오프되지 않고 잘 전파해 나갈 수 있도록 디자인해야 한다.
K-Band 이상의 고주파 플라즈마 소스를 사용할 경우에 이 고주파 플라즈마 소스가 플라즈마 내로 진행하는 메카니즘을 다음의 [수학식2]와 [수학식3]으로 설명할 수 있다.
(εp: 플라즈마 유전체 상수, ωpe: 플라즈마 주파수, ω : 고주파 플라즈마 소스 주파수)
즉, ωpe< ω일 경우 플라즈마(5)의 유전체 상수는 εp0의 조건을 만족하게 되어 플라즈마(5)를 일종의 유전체로 인식하게 되고, 고주파 플라즈마 소스는 플라즈마(5) 내부로 진행하면서 입자들에게 에너지를 전달하게 된다.
상기 메카니즘은 DC/RF와 같은 저주파 소스를 이용한 메카니즘과는 다른 것으로서 고이온화율(High Ionization), 무전극 결합(Electrodeless Coupling) 등의 장점을 가지며 플라즈마 내에서 아크 및 열의 발생을 감소시키게 된다.
저주파 소스를 사용할 경우 즉, ωpeω의 조건에서는 플라즈마(5)의 유전체 상수가 εp< 0의 조건을 만족시키므로 저주파 플라즈마 소스는 플라즈마(5)를 일종의 컨덕터로 인식하여 플라즈마(5) 표면으로부터 소정 깊이(수 mm)의 거리만큼을 진행하면서 지수함수적으로 감소하게 된다. 이때 표피층은 다음의 [수학식4]로 정의된다.
(ω : 동작주파수, μ : 컨덕터 투과성, σ : 컨덕턴스)
즉, ωpe< ω의 조건 하에서는 저주파 플라즈마 소스가 플라즈마 내부로 온전히 진행하지 못하고 감쇠되는데, 저주파 플라즈마 소스는 대표적으로 DC/RF 등의 플라즈마 소스 발생원을 사용할 때가 이 경우에 해당된다.
한편, 도 1에서의 상압 방전 시스템에서와 같이 고주파 플라즈마 소스와 입자 상호작용이 주된 에너지 전달 메카니즘인 경우에 챔버(9) 내에서 고대역의 고주파 플라즈마 소스가 컷 오프되지 않고 전파되어 나가게 하기 위한 챔버(9) 크기는 K-Band 대역의 주파수의 경우 수 cm 이하가 된다. 이와 같이 챔버(9)의 크기가 소형화될 경우 대량의 공정이 불가능하므로 경쟁력있는 시스템을 구성할 수가 없다.
따라서, 전술한 단점을 극복하기 위하여는 솔레노이드 마그네트(8)를 이용하는 것이 바람직하다. 즉, 솔레노이드 마드네트(8)에 의한 자기장 효과로서 플라즈마(5) 내의 이온화된 입자들은 다음의 [수학식5]의 '라모르 반경(Larmor Radius)(r L )' 크기의 반경을 갖고, 다음의 [수학식6]의 싸이클로트론 주파수(ωc)로 회전운동(Gyromotion)을 하게 된다.
(m: 대전된 입자 질량,v n : 입자 운동속도,B: 자속밀도)
한편, 본 발명은 K-Band 주파수를 갖는 고주파 플라즈마 소스 발생원(1)로부터 플라즈마(5)로 전달된 고주파 플라즈마 소스와 자기장 효과에 의한 편파(Polarized Wave)가 중첩되어 이온화 효율(Ionization Efficiency)을 높이는 동시에 중첩된 전체 마이크로 웨이브의 컷 오프 주파수를 변화시킴으로써 챔버(9)의 캐버티 크기에 영향을 미치게 된다.
또한, 본 발명에서는 다음의 [수학식7]의 이론에 근거하여 상압 플라즈마 내의 대전된 입자(Charged Particle)의 싸이클로트론 주파수와 고주파 플라즈마 소스 주파수를 일치되게 함으로써 챔버(9) 내의 플라즈마(5)에 의한 에너지 흡수가 최대가 되도록 설계된다.
(Pv: 플라즈마가 흡수하는 에너지, ω : 고주파 플라즈마 소스의 주파수, ωc: 대전된 입자의 싸이클로트론 주파수)
즉, 본 발명은 발생된 상압 플라즈마(5) 내의 대전된 입자들은 자기장에 의하여 라모르 반지름에 해당하는 크기로 회전운동을 하면서 싸이클로트론 주파수와 동일하게 튜닝된 고주파 플라즈마 소스의 주파수 및 자기장에 의한 편파에 의하여 공명을 일으키는 동시에 전기장에 의하여 (E × B)의 방향으로 드리프트(drift)되면서 기판(6) 표면에까지 도달하게 된다.
이때, 대전된 입자들은 매우 높은 에너지로 기판(6) 표면에서 활발하게 물리/화학적 반응을 일으키고, 이러한 반응은 기판(6)에 인가된 바이어스에 의하여 더욱 가속되며, 이때 기판 바이어스(7)의 바이어스 전압은 주로 기판(6)과 플라즈마(5) 내의 이온들 사이에 인력이 작용하여 반응이 가속되도록 음전압을 인가한다.
전술한 바와 같이 본 발명은 챔버(9), 도파관(3), 고주파 플라즈마 소스 발생원(1), 윈도우(4), 플라즈마(5), 솔레노이드 마그네트(8) 상호간의 파워 전달 메카니즘, 소스-입자 상호작용, 컷 오프, 입자 동작 등을 고려하여 상호간의 유기적 동작이 가능하도록 구성된다.
본 발명은 전술한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따르면, 기존의 상압 플라즈마 시스템에서 주로 소스 주파수로 사용해 왔던 RF 13.56MHz 와 마그네트론을 이용한 2.45 보다 높은 주파수 소스를 사용함으로써 기존의 DC 및 저주파 RF에서 불가능했던 웨이브-입자 상호작용 메카니즘을 이용하여 소스로부터의 파워 전달이 최대가 되도록 하여 상압 플라즈마의 특성을 향상시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 아크, 열 효과에 의한 시스템 및 회로기판의 손상을 방지함으로써 상압 플라즈마의 균일도를 높이고, 전자기파, 편파에 의하여 플라즈마의 이온화율을 향상시킴으로써 효과적인 공정이 가능하게 하는 효과가 있다.
그리고, 본 발명은 고주파 플라즈마 소스에 의한 무전극 방전을 발생시킴으로써 공정 공간이 매우 좁은 두 전극 사이로 제한됐던 기존의 DBD 상압 방전 시스템의 한계를 극복하게 되는 효과가 있다.
Claims (3)
- (정 정) 플라즈마 소스를 발생시키는 플라즈마 소스 발생원, 상기 플라즈마 소스 발생원으로 소정의 동작 전원을 공급하는 파워 써플라이, 플라즈마 방전이 진행되는 챔버, 상기 플라즈마 소스 발생원에서 발생된 플라즈마 소스를 상기 챔버로 전달하는 도파관, 소정의 대상물을 안착시키는 홀더 및 상기 홀더로 바이어스를 인가하는 홀더 바이어스로 이루어진 플라즈마 방전 시스템에 있어서,상기 챔버를 진공챔버로 설치하고, 상기 진공챔버 외부에 솔레노이드 마그네트를 더 설치하여 그 자기장 효과로 플라즈마 입자를 싸이클로트론 주파수로 회전운동시키는 한편, 상기 플라즈마 소스 발생원을 K-밴드 이상의 고주파 플라즈마 소스를 발생시켜 상기 플라즈마 소스의 주파수가 상기 솔레노이드 마그네트의 자기장 효과로 인한 플라즈마 입자의 싸이클로트론 주파수와 일치하도록 튜닝하는 것을 특징으로 하는 고주파 플라즈마 소스를 이용한 상압 플라즈마 방전 시스템.
- (삭 제)
- (정 정) 제 1항에 있어서, 상기 플라즈마 소스 발생원은마그네트론, 클라이스트론, 클라이스트로드 및 자이로트론 중 어느 하나로 구현되는 것을 특징으로 하는 고주파 플라즈마 소스를 이용한 상압 플라즈마 방전 시스템.
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| KR1019990058200A KR100339813B1 (ko) | 1999-12-16 | 1999-12-16 | 고주파 플라즈마 소스를 이용한 상압 플라즈마 방전 시스템 |
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Patent Citations (1)
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|---|---|---|---|---|
| JPS62193126A (ja) * | 1986-02-19 | 1987-08-25 | Hitachi Ltd | マイクロ波プラズマ処理方法および装置 |
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