KR100387757B1 - 표면 세정 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 시료의 표면세정을 위하여 대기압 플라즈마와 열가스를 이용하는 표면세정방법 및 그 장치에 관한 것이다. 본 발명에서는 50 - 500℃의 열가스로서 시료를 예열하고, 무성방전 방식으로 발생된 플라즈마를 빠른 기류의 흐름을 이용하여 방전공간 밖으로 이끌어내어 시료의 표면세정을 수행한다. 즉, 플라즈마 세정 전에 열가스로 시료를 예열하고, 플라즈마 발생공간인 양전극 사이공간의 한쪽을 방전에 이용하는 기체의 유입구로 하고 다른 쪽을 배출구로 하여 방향성의 기류 흐름을 부여하면 방전공간내의 플라즈마가 배출구 쪽으로 분출되며 이와 같이 분출된 플라즈마를 이용하여 배출구 쪽에 위치한 시료 표면의 세정을 수행한다. 플라즈마 세정 전에 열가스로 시료를 예열함으로써 플라즈마 세정 효과를 극대화 할 수 있다. 본 발명에 의한 표면세정장치에 대해 상대적으로 시료를 이동시키게 되면 시료의 표면을 연속적으로 세정하는 효과를 얻을 수 있으며 이와 같은 방법으로 대기압, 상온에서 움직이는 시료에 대해 또는 움직이는 표면세정장치에 의해 연속적인 세정 공정이 가능하다.
Description
본 발명은 표면세정장치 및 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 본 발명은 50 - 500℃의 열가스 배출부를 이용하여 시료의 표면을 예열한 후, 대기압 플라즈마를 이용하여 시료를 처리할 수 있는 구조를 갖는 표면세정장치 및 방법에 관한 것이다.
모든 재료의 표면세정 정도는 그 재료 위에 다른 소재를 증착, 도포 또는 접합하여 응용할 경우, 접착력 및 밀착력에 매우 큰 영향을 미친다. 종래의 표면 세정방법은 여러 가지의 화학약품들을 이용하여 이루어져 왔으나, 이러한 방법은 화학약품들에 의한 환경공해문제로 인해 그 사용이 제한되어 왔으며, 따라서 새로운 표면세정 방법들이 많이 연구되고 이용되어져 왔다. 이러한 새로운 표면세정방법들 중의 하나로 저온ㆍ저압 상태의 플라즈마를 이용하는 방법을 들 수 있다. 저압 플라즈마를 이용한 표면세정방법은 저압의 진공조 내에 플라즈마를 발생시켜 만들어진 이온이나 활성화된 가스를 재료의 표면과 접촉시켜 재료표면의 불순물이나 오염물질을 제거하는 것이다. 이러한 저압 상태의 플라즈마를 이용하는 표면세정방법은 우수한 세정효과에도 불구하고 널리 이용되지는 않고 있는 실정인데, 이는 저압 플라즈마를 발생시키기 위해서는 진공 장치가 필요하게 되고, 따라서 대기압 상태에서 이루어지는 연속공정에는 적용되기 어렵기 때문이다. 이에 따라 최근에는 대기압 상태에서 플라즈마를 발생시켜 표면세정에 이용하고자 하는 연구가 매우 활발히 이루어지고 있다.
대기압 플라즈마는 여러 가지 방법을 이용하여 발생시킬 수 있으며 가장 보편적으로 사용되는 방법으로는 오존 발생장치에서 이미 오랫동안 사용되어져 왔던 무성방전 방식이다 (Siemens W. 1857, Ann. Phys. Chem.102, 66-122). 무성방전의 원리는 이미 잘 알려진 바와 같이, 금속 전극의 한쪽 또는 양쪽을 절연체로 절연하고 금속 전극에 고전압의 교류 또는 펄스를 인가하게 되면 양전극 사이의 공간에서 고전압에 의한 방전이 일어나고 그에 의해 플라즈마가 발생되는 원리이다. 이와 같이 발생된 플라즈마를 이용하여 양전극 사이의 플라즈마 발생공간 내부에 놓인 시료의 표면을 세정하게 된다. 그러나, 이러한 전극구조는 실제 시료의 표면세정에 이용할 경우, 양전극 사이의 공간에 시료가 위치해야만 하므로 매우 얇은 형태의판상 시료만이 처리가 가능하며 따라서 그 적용분야가 매우 제한될 수밖에 없다. 또한, 시료가 절연체가 아닌 도전성을 지닌 금속 및 반도체 시료일 경우, 고전압에 의한 시료의 손상을 가져올 수 있는 단점이 있다.
최근에는 이러한 대기압 무성방전의 단점을 극복하고자 13.56 MHz의 RF 전력을 이용하여 대기압 플라즈마를 발생시켜 이용하고자 하는 연구가 이루어지고 있다.
일본공개특허공보 평6-108257은 평행하게 배치된 2개 이상의 전극의 표면에 고체절연체를 위치시켜 얻어진 절연체 피복전극을 갖는 반응용기에 불활성 기체와 반응성 가스의 혼합물을 도입하여 플라즈마를 발생시킨 후 활성종을 플라즈마 하류로 운송하여 시료표면을 처리하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응방법 및 그 장치를 개시하고 있다. 상기한 방법은 비교적 낮은 전압 (약 70 V)에서 대기압 플라즈마를 발생시킬 수 있는 장점을 갖고 있으나, 상기 전압하에서 플라즈마를 발생시키기 위해 13.56 MHz의 고주파를 이용함으로써 임피던스 정합이 요구되어 RF 전력장치의 가격이 비싸고 장치가 복잡해지며, 또한 반드시 고가의 불활성 기체를 사용하여야 하는 문제점을 안고 있다. 더 나아가, 상기 장치는 반응성 가스를 요구한다는 점에서 세정방법[시료상에 부착된 오염물(통상 유기오염물) 또는 포토레지스터(photoresistor: PR)을 제거하는 방법]이 아니라 표면개질방법(시료 상에 다른 관능기를 형성하여 시료의 특성을 개질하는 방법)에 관한 것이다.
US 5,977,715 및 US 5,961,772는 13.56 MHz의 RF 전력을 이용한 대기압 플라즈마 발생장치의 또 다른 예를 기술하고 있으나, 상기한 바와 같이 RF 전력장치의 가격이 높고 임피던스 정합이 필요하며 장치가 복잡해지는 문제점이 있다.
한편, 일본공개특허공보 평8-321397은 50 Hz 내지 수 MHz의 주파수를 이용한 대기압 플라즈마 발생장치 및 이를 이용하여 대기압 플라즈마를 발생시키는 방법을 개시하고 있으며, 상기한 대기압 플라즈마 발생장치는 도전체의 전체 표면을 절연물질로 피복시킨 입상체를 두 전극 사이에 충진시킨 것을 특징으로 한다. 그러나, 도전체의 표면을 절연물질로 피복시킨 입상체를 전극 사이에 충진시킬 경우 반응성 가스 등이 입상체를 통과하여야 하므로 유체의 흐름이 방해되어 플라즈마의 발생 효율이 저하될 우려가 높을 뿐만 아니라 입상체 내부에 함입된 도전체의 외부 노출에 따른 위험성을 내포하고 있다는 문제점을 안고 있다.
더 나아가, 상기 인용된 특허들은 대기압 플라즈마 발생 장치만을 사용함으로써 표면세정에 있어서 세정대상물의 써멀버짓(thermal budget)을 전혀 고려하지 아니하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 임피던스 정합을 요하지 않고도 효율적으로 대기압 플라즈마를 발생시키고, 열가스(가열된 가스)로 시료를 예열하여, 표면을 세정할 수 있는 표면세정장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 질소를 주 세정용 가스로 사용하여 시료의 표면을 세정할 수 있는 표면세정장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 연속적인 시료의 표면세정이 가능하면서도 간단한 구조를 갖는 표면세정장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기한 표면세정장치를 이용한 시료의 표면 세정 방법을 제공하는 것이다.
도 1 내지 도 4는 본 발명에 따른 대기압 플라즈마 발생부와 열가스 배출부를 포함하는 표면세정장치의 바람직한 일예의 구조도이다.
도 5는 본 발명의 시험예 1에서 대기압 플라즈마 발생부만을 이용하여 세정한 유리시료의 물과의 접촉각을 측정한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 시험예 2에서 대기압 플라즈마 발생부만을 이용하여 세정한 포토레지스터가 입혀진 실리콘 웨이퍼의 물과의 접촉각을 측정한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예 1에서 대기압 플라즈마 발생부만을 갖는 표면세정장치와 대기압 플라즈마 발생부와 열가스 배출부를 갖는 표면세정장치의 속도에 따른 물과의 접촉각을 비교한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예 2에서 실리콘 웨이퍼에 입혀진 PR의 제거율을 PR에 가해진 온도에 따라 측정한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예 3에서 TFT-LCD용 유리에 입혀진 PR의 제거율을 PR에 가해진 온도에 따라 측정한 그래프이다.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
101: 절연체 102: 전극
103: 고전압 인버터 104: 플라즈마 발생공간
105, 105a, 105b: 유입구 106, 106a. 106b: 배출구
107, 107a, 107b: 가스 저장용기 108, 108a, 108b: 유량조절기
109a, 109b: 유량균일화 장치 110: 플라즈마
111: 방열판 112: 접지
113: 이동중인 시료 114: 열교환기
115: 열가스 배출기
본 발명은 표면세정장치에 관한 것으로서, 상기한 표면세정장치는 열가스 배출부와 플라즈마 발생부로 이루어져 있으며, 상기 열가스 배출부는 시료 표면의 예열용 가스를 저장하는 가스 저장용기, 상기 가스 저장용기로부터 공급되는 예열용 가스를 가열하기 위한 열교환기 및 가열된 가스를 시료의 표면으로 안내하는 열가스 배출기, 상기 열가스 배출구 위아래 면에 서로 대응되게 형성된 열가스 유입구 및 열가스 배출구를 포함하여 이루어진다. 한편, 유량조절기를 가스 저장용기와 열교환기의 사이에, 또는 열교환기와 열가스 배출기 사이에 설치하여 시료 표면의 예열에 사용되는 가스의 유량을 적절한 범위에서 조절할 수 있다. 바람직하게는, 상기 유량조절기를 가스 저장용기와 열교환기의 사이에 설치하는 것이다. 시료 표면을 예열하기 위해 사용되는 가스는 특별히 제한되지 아니하나, 경제성을 고려할 때 공기, 질소 또는 이들의 혼합물이 바람직하며, 예열의 온도는 50℃ 이상, 바람직하게는 50 내지 500℃, 보다 바람직하게는 50 내지 300℃의 범위 내에서 적절히 조절될 수 있다. 상기 열가스 배출부는 예열용 가스가 열가스 배출기 내에서 균일한 기류의 흐름을 갖도록 하는 유량균일화장치를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 유량 균일화 장치는 가열된 가스를 직경 1 mm 이하의 수많은 미세한 구멍으로 뿜어내어 시료 위에 분출되는 예열용 가스의 균일도를 향상시키는 효과를 나타낸다.
표면 세정에 있어서 세정대상물의 대부분은 탄소와 수소를 기본으로 하는 유기화합물이며 이러한 유기화합물의 결합상태는 열이 가해졌을 때 매우 느슨해지게 되며, 이 때 세정을 하게 되면 제거 속도가 빨라지게 되는 특징이 있다. 즉, 본 발명에서 가열된 가스를 배출할 수 있는 열가스 배출부를 이용하여 시료의 표면을 예열함으로써 유기화합물의 결합상태를 매우 느슨하게 하여 플라즈마 발생부에서 훨씬 효과적이고 세정대상물의 제거 속도를 높일 수 있다는 장점을 갖는다. 더 나아가, 가열된 가스를 통해 시료의 표면을 간접적으로 그리고 선택적으로 예열함으로써 시료를 직접 가열하여 예열하는 것보다 시료의 손상을 현저히 감소시킬 수 있다는 장점을 갖는다.
본 발명에 있어서 플라즈마 발생부의 구조는 특별히 제한되지 아니한다. 예를 들면, 표면 세정하고자 하는 시료가 플라즈마 발생공간의 내부에 위치하여 플라즈마 발생공간에서 생성된 플라즈마가 시편의 표면을 세정하는 구조를 갖는 플라즈마 발생부 또는 표면 세정하고자 하는 시료를 플라즈마 발생공간의 외부에 위치하여 플라즈마 발생공간에서 발생된 플라즈마가 유입되는 기류의 흐름에 의해 시료의 표면으로 이동하여 시료의 표면을 세정하는 구조를 갖는 플라즈마 발생부 모두 채용할 수 있다. 바람직하게는, 표면 세정하고자 하는 시료를 플라즈마 발생공간의 외부에 위치하여 플라즈마 발생공간에서 발생된 플라즈마가 유입되는 기류의 흐름에 의해 시료의 표면으로 이동하여 시료의 표면을 세정하는 구조를 갖는 플라즈마 발생부이다. 보다 바람직하게는, 상기 플라즈마 발생부는:
a) 절연체로 절연된 서로 마주보는 두개의 금속전극,
b) 상기 금속전극의 양단에 15 kHz - 100 kHz의 주파수 및 2 kV - 6 kV의 전압을 인가하는 고전압 인버터,
c) 두개의 금속 전극의 양단에 인가된 고전압을 이용하여 내부로 유입된 세정용 가스를 플라즈마로 전환시키는, 절연체 사이에 형성된 플라즈마 발생공간,
d) 상기 플라즈마 발생공간의 위아래 면에 형성된 유입구 및 배출구,
e) 세정용 가스를 공급하는 세정용 가스 저장용기,
f) 상기 유입구와 세정용 가스 저장용기의 사이에서 세정용 가스의 유량을 조절하는 유량조절기를 포함하는 것이다. 상기 플라즈마 발생부는 세정용 가스가 플라즈마 발생공간 내에서 균일한 기류의 흐름을 갖도록 하는 유량균일화장치를 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 플라즈마 발생부는 임피던스 정합을 요하지 아니하며, 대기압 하에서 플라즈마를 발생시킬 수 있고, 더 나아가 플라즈마 발생공간에서 발생된 플라즈마를 플라즈마 발생공간의 외부로 분출하여 시료의 표면을 세정함으로써 연속적 공정에 적용하기 용이한 장점을 갖는다.
상기한 표면세정장치는 세정용 가스를 플라즈마로 전환시킨 후 장치 외부로 플라즈마를 분출하고, 동시에 열가스를 분출하여 처리하고자 하는 시료를 처리하는 구성을 가지고 있다. 시료 표면의 세정에 사용되는 가스는 특별히 제한되지 아니한다. 그 예로는 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크세논(Xe) 등의 불활성 가스뿐만 아니라 산소, 질소, 공기 등을 이용할 수 있으며 이들 가스들의 하나 이상의 혼합가스를 이용할 수도 있다. 바람직하게는, 20% 이하, 보다 바람직하게는 1 내지 10의 공기를 혼합한 질소를 세정용 가스로 이용하는 것이다. 1 내지 10%의 공기를 혼합한 질소의 경우 경제성, 플라즈마의 효율적 분출 및 효율적 세정효과를 동시에 성취할 수 있을 뿐만 아니라 시료 표면의 예열용 가스로서도 이용될 수 있어 장치의 단순화에도 기여한다.
도 1은 본 발명에 따른 표면세정장치의 바람직한 일례의 개략도를 도시한 것으로서, 상기 표면세정장치(1)는 대기압 플라즈마 발생부(2) 및 열가스 배출부(3)를 포함하며, 상기 대기압 플라즈마 발생부(2)는 절연체(101a, 101b)로 절연된 서로 마주보는 2개의 금속 전극(102a, 102b), 상기 금속전극(102a. 102b)의 양단에 연결된 고전압 인버터(103), 상기 절연체 사이에 형성된 플라즈마 발생공간(104), 상기 플라즈마 발생공간(104)의 위아래 면에 서로 대응되게 형성된 세정용 가스 유입구(105a) 및 세정용 가스 배출구(106b), 세정용 가스 유입구(105a)를 통해 세정용 가스를 공급하는 세정용 가스 저장용기(107a), 세정용 가스 유입구(105a)와 세정용 가스 저장용기(107a)의 사이에서 세정용 가스의 유량을 조절하는 유량조절기(108a)를 포함하여 이루어지며, 상기 열가스 배출부(3)는 예열용 가스를 저장하는 가스 저장용기(107b), 상기 가스 저장용기(107a)로부터 공급되는 가스를 가열하기 위한 열교환기(114), 상기 가스 저장용기(107b)와 열교환기 사이에서 예열용 가스의 유량을 조절하기 위한 유량조절기(108b), 가열된 가스를 시료의 표면으로 안내하는 열가스 배출기(115) 및 상기 열가스 배출기(115) 위아래 면에 서로 대응되게 형성된 열가스 유입구(105b) 및 열가스 배출구(106b)를 포함하여 이루어진다.
고전압 인버터(103)는 교류 또는 펄스형태의 고전압 발생장치로서, 15 kHz - 100 kHz의 주파수 및 2 kV - 6 kV의 전압을 인가할 수 있는 것이면 특별히 제한되지 아니한다.
고전압 발생장치인 고전압 인버터(103)로부터 발생된 교류 또는 펄스형태의 고전압은 절연체(101a, 101b)에 의해 절연된 두개의 금속 전극(102a, 102b)에 인가된다. 절연체(101a, 101b)에 의해 절연된 금속전극(102a, 102b)의 형태는 특별히 제한되지 아니하나, 바람직하게는 절연체(101a, 101b)의 표면에 도전성 물질을 코팅함으로써 성취된다.
절연체(101a, 101b) 소재로는 알루미나 또는 유리를 이용하며, 도 1에서는 2개의 절연체가 사용되었으나, 하나의 절연체를 사용하는 것을 배제하는 것은 아니다. 도전성 코팅재료로는 은-팔라듐 합금이나 구리, 알루미늄 등의 막을 증착하여 이용할 수 있다.
금속 전극(102a, 102b)의 양단에 인가된 고전압은 세정용 가스 저장용기(107a)로부터 유량조절기(108a)를 거쳐 세정용 가스 유입구(105a)를 통해 플라즈마 발생공간(104)으로 유입된 세정용 가스를 무성방전에 의해 대기압하에서 플라즈마(110)로 전환시킨다. 발생된 플라즈마(110)는, 세정용 가스 유입구(105a)를 통해 플라즈마 발생공간(104)으로 유입되는 기류의 흐름에 의해, 세정용 가스 배출구(106a)를 통하여 플라즈마 발생공간(104) 밖으로 분출되며, 분출된 플라즈마(110)는 정지 또는 이동하는 시료(113)의 표면과 접촉하여, 정지 또는 이동하는 시료(113)의 표면을 세정하는 작용을 한다.
상기한 대기압 플라즈마 발생부(2)는 플라즈마 방전에 의하여 전극에 발생되는 열의 방출이 용이하도록 하기 위해 금속 전극(102a, 102b)에 부착된 금속성 방열판(111a, 111b)이 설치되며, 고전압이 인가되지 않는 쪽의 전극(102b)은 접지하여(112) 사용상의 안전을 기할 수 있다.
또한, 상기한 플라즈마 발생부(2)는, 필요한 경우, 세정용 가스 유입구(105a)에 유량균일화 장치(109a)를 설치하여 유량조절기(108a)를 통하여 플라즈마 발생공간(104)으로 유입되는 세정용 가스가 플라즈마 발생공간(104) 내에서 균일한 기류의 흐름을 갖도록 할 수 있으며, 상기 유량균일화 장치(109a)는 유입 가스를 직경 1 mm 이하의 수많은 미세한 구멍으로 뿜어내어 시료 위에 분출되는 대기압 플라즈마의 분출 균일도를 향상시키는 효과를 나타낸다. 더 나아가, 열가스 배출부(3)도 상기와 동일한 이유로 유량균일화장치(109b)를 포함할 수 있다.
절연체(101a, 101b)로 절연된 금속전극(102a, 102b) 사이의 플라즈마 발생공간(104)의 틈새는, 반드시 이에 한정되는 것은 아니지만, 바람직하게는 0.1 mm 이상 1 mm 이하로 유지하는 것이다. 0.1 mm 이하의 틈을 이용할 경우, 사용기체의 기류흐름이 원활치 못하여 플라즈마의 분출이 용이하지 않으며, 1 mm 이상의 거리에서는 무성방전을 일으키기 위하여 6 kV 이상의 너무 높은 값의 고전압이 필요하게 되어 사용상의 안전이 문제가 되며 또한 고전압에 의한 시료의 손상을 가져올 수도 있기 때문이다.
열가스 배출부(3)의 가장 간단한 형태는 헤어드라이어(hair dryer)를 예로 들 수 있으며, 그 외에 균일한 온도의 가스를 불어낼 수 있는 장치는 다 포함될 수 있다. 더 나아가, 예열용 가스를 가열하기 위한 열교환기(114)의 형태도 특별히 제한되지 아니하며, 본 명세서에서 "열교환기"라 함은 세정용 가스를 가열할 수 있는 모든 장치를 포함한다고 해석되어져야 한다. 열가스가 배출되는 열가스 배출기(115)는 형태는 특별히 제한되지 아니하며, 단면이 원형, 직사각형, 타원형을 들 수 있으며, 처리하고자 하는 시료의 형태에 따라 적절히 선택할 수 있다. 열가스 배출기(115)의 소재는 내열성 소재이면 특별히 제한되지 아니하며, 그 예로는 알루미나와 같은 세라믹 계통의 소재, 테플론(Teflon) 등을 들 수 있다. 열가스 배출기(115)의 틈새는 0.1 mm이상 50 mm 이하의 거리를 이용한다. 그 이유로는 0.1 mm 이하의 틈을 이용할 경우, 사용기체의 기류흐름이 원활치 못하여 열가스의 분출이 용이하지 않으며, 50 mm 이상의 틈새에서는 포토레지스터(PR)의 열전도(열가스의 온도만큼 PR의 온도를 올리기 위해서는 약 500 msec 정도가 필요하고 가열전의 온도로 돌아오는 데도 같은 시간정도가 필요하다)로 인하여 열가스 배출부(3) 뒤에 따라오는 대기압 플라즈마 발생부(2)에 의해서 세정될 때 설정한 온도보다 낮아질 수 있어서, 대기압 플라즈마 발생부(2)에 의한 세정능력이 감소할 수 있기 때문이다. 열가스 배출부(3)와 대기압 플라즈마 분출부(2) 사이의 간격은 시료와 세정속도에 따라 달라질 수 있으나 0.1 mm에서 100 mm 거리에서 사용할 수 있다.
상기한 표면세정장치는 다양한 형태로 변형될 수 있다. 예를 들면, 세정용 가스의 공급 라인(즉, 세정용 가스 저장용기(107a) 및 유량조절기(108a)) 예열용 가스의 공급라인(즉, 예열용 가스 저장용기(107b) 및 유량조절기(108b))이 서로 통합될 수 있다. 그러한 예가 도 2에 도시되어 있다.
도 2에 도시한 바와 같이, 가스 저장용기(107)에서 공급된 가스는 유량조절기(108)을 통과한 후, 예를 들면 밸브의 제어하에, 분기되어, 열가스 배출구(115)로 공급되는 예열용 가스는 열교환기(114)를 통과하여 가열되고, 예열용 가스의 유량균일화 장치(109b)를 통과한다, 예열용 가스의 유량균일화 장치(109b)를 통과한 가열된 가스는 예열용 가스의 유입구(105b)을 통해 열가스 배출기(115) 내부로 유입되고, 배출구(106b)를 통해 배출되어 시료의 표면을 적절한 온도로 예열하게 된다. 플라즈마 발생공간(104)으로 공급되는 세정용 가스는 세정용 가스의 유량 균일화 장치(109a)을 통과한 후 유입구(105a)를 통과한 후 플라즈마 발생공간(104) 내부로 공급되며, 여기서 양전극(102a, 102b)에 인가되는 전압의 도움으로 플라즈마로 전환되고 배출구(106a)를 통해 분출되어 시료(113)의 표면과 접촉하게 된다. 시료(113)의 표면과 접촉한 플라즈마는 시료(113)의 표면에 존재하는 오염물(통상 유기 오염물)의 제거, 즉 클리닝(cleaning) 및 포토레지스터의 제거, 즉 애싱(ashing)에 이용된다. 한편, 도 1에 도시된 표면세정장치는 예열용 가스와 세정용 가스를 분리하여 공급함으로써 예열용 가스와 세정용 가스를 서로 독립적으로 선택할 수 있으나, 상기한 도 2에 도시된 표면세정장치는, 예열용 가스와 세정용 가스가 서로 동일하여야 한다는 전제를 안고 있다. 더 나아가, 도 1의 표면세정장치는 독립적 운영을 가능하게 하며, 도 2의 표면세정장치는 장치의 단순화를 성취할 수 있다는 장점을 갖는다.
도 3은 본 발명에 따른 표면세정장치의 또 다른 바람직한 일례의 개략도를 도시한 것이다. 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 표면세정장치는 열교환기(114)를 통과하여 가열된 가스를 열가스 배출기(115) 및 플라즈마 발생공간(104) 내부로 각각 공급할 수 있다. 보다 구체적으로는, 가스 저장용기(107)에서공급된 가스는 유량조절기(108) 및 열교환기(114)를 통과한 후 분기되어, 열가스 배출구(106b)로 공급되는 예열용 가스는 예열용 가스의 유량균일화 장치(109b)를 통과한 후 예열용 가스의 유입구(116)을 통해 열가스 배출기(115) 내부로 유입되고, 배출구(117)를 통해 배출되어 시료의 표면을 적절한 온도로 예열하게 된다. 플라즈마 발생공간(104)으로 공급되는 세정용 가스는 세정용 가스의 유량 균일화 장치(109a)을 통과한 후 유입구(105a)를 통과한 후 플라즈마 발생공간 내부로 공급되며, 여기서 양전극(102a, 102b)에 인가되는 전압의 도움으로 플라즈마로 전환되고 배출구(106a)를 통해 분출되어 시료의 표면과 접촉하게 된다. 한편, 도 3에 도시된 표면 세정장치는 장치의 단순화를 이룰 수 있을 뿐만 아니라, 플라즈마 발생공간 내부에서 플라즈마의 전환효율이 통상 1% 정도이므로, 플라즈마로 전환되지 아니한 가스가 가열된 상태로 시료의 표면과 접촉하게 되어 추가적 예열을 제공한다는 장점을 갖는다.
도 4는 본 발명에 따른 표면세정장치의 또 다른 바람직한 일례의 개략도를 도시한 것이다. 상기에서 알 수 있는 바와 같이, 유량조절기(108)과 유입구(105)의 사이에 열교환기를 배치하여 가열된 가스를 유입구를 통하여 공급함으로써, 플라즈마로 전환되지 아니한 가스에 의한 예열 및 플라즈마에 의한 표면 세정을 동시에 성취할 수도 있다. 다만, 이러한 경우, 예열 및 세정을 동시에 진행하여야 하므로 충분한 시료의 세정을 성취하기 위해서는 반드시 2개 이상의 표면세정장치를 병렬로 연결하여 사용하여야 한다.
상기한 본 발명에 따른 표면세정장치는 세정을 요하는 시료의 표면에 널리 적용될 수 있으며, 특히, 일반 PCB 스트립(strip)과 리드프래임(leadframe) 또는 패키징(packaging)을 위한 모든 과정, 즉 본딩(bonding), 몰딩(molding), 솔더링(soldering), 칩 어태칭(chip attaching), 딥핑(dipping), 마킹(marking) 공정 등에 이용될 수 있다.
본 발명의 표면세정장치는 2개 이상, 바람직하게는 2개 내지 10개, 가장 바람직하게는 2 내지 6개의 범위 내에서 병렬로 연결한 형태로 사용할 수 있으며, 병렬로 배열함으로써 시료의 처리 효율을 향상시킬 수 있다. 더 나아가, 본 발명의 표면 세정장치는 하나의 열가스 배출부와 2개 이상의 플라즈마 발생부가 병렬로 배열될 수 있으며, 하나의 플라즈마 발생부와 2이상의 열가스 배출부가 병렬로 연결될 수도 있으며, 2이상의 열가스 배출부와 2이상의 플라즈마 발생부가 서로 조합되어 배열될 수도 있다.
본 발명은 또한 시료의 표면세정방법에 관한 것으로서, 상기한 표면세정방법은:
(a) 가스 저장용기로부터 공급되는 가스를 열교환기를 통과시켜 가열하고, 가열된 가스를 배출하여 시료의 표면과 접촉시켜 시료의 표면을 예열하는 단계, 및
(b) 상기 예열된 시료의 표면을 플라즈마와 접촉시켜 시료의 표면을 세정하는 단계로 구성된다.
보다 구체적으로는, 상기 방법은
a) 가스 저장용기로부터 공급되는 가스를 열교환기를 통과시켜 가열하고, 가열된 가스를 배출하여 시료의 표면과 접촉시켜 시료의 표면을 예열하는 단계, 및
(b) 세정용 가스 저장용기로부터 유량조절기 및 유량균일화장치를 경유하여 플라즈마 발생공간의 측면에 형성된 유입구를 통해 플라즈마 발생공간으로 세정용 가스를 공급하는 단계,
(c) 15 kHz - 100 kHz의 주파수 및 2 kV - 6 kV의 전압을 인가하는 고전압 인버터를 이용하여, 절연체의 표면에 전도성 물질을 코팅시킨 절연체로 절연된 금속전극에 교류 또는 펄스 형태의 고전압을 인가하는 단계,
(d) 인가된 고전압을 이용하여 대기압하에서의 무성방전으로 세정용 가스의 대기압 플라즈마를 발생시키는 단계,
(e) 발생된 대기압 플라즈마를 기류의 흐름을 이용하여 배출구를 통하여 플라즈마 발생공간 밖으로 분출시키는 단계, 및
(f) 분출된 대기압 플라즈마를 상기 예열된 시료의 표면과 접촉시켜 시료표면을 세정하는 단계를 포함한다. 필요한 경우 상기한 방법을 2회 이상 반복 수행하여 표면 세정효과를 향상시킬 수 있다.
이하, 실시예 및 시험예를 들어 본 발명을 보다 상세히 설명할 것이나, 이러한 예들은 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 이들에 한정되는 것은 아니다. 특허청구범위에 기재된 범위 내에서 다양한 보완 및 변형이 가능하다.
시험예 1
도 1에 개시된 열가스 배출부 및 대기압 플라즈마 발생부 중 대기압 플라즈마 발생부만을 갖는 표면세정장치를 이용하여 재료표면 세정효과를 조사하였다. 사용된 시료는 유리시료를 사용하였으며, 표면세정 후 나타나는 가장 직접적인 특징인 물과의 접촉각을 측정함으로써 표면세정 정도를 수치화하였다.
실험에 이용한 대기압 플라즈마 발생부만을 갖는 표면세정장치는 절연체로서 0.635 mm 두께의 알루미나를 이용하였으며, 금속 전극은 알루미나의 한쪽 면에 은(Ag)-팔라듐(Pd)을 코팅시켜 형성된 금속막을 사용하였다. 방전공간의 틈새거리는 0.4 mm로 하였으며, 방전에 사용한 가스인 질소가스를 25 리터/분의 유량으로 유입시켰다. 고전압 인버터의 전압값은 4 kV, 주파수는 20 kHz, 방전전력은 100 W로 하여 실험하였다. 플라즈마 분출구와 시료 사이의 거리를 0.5 mm에서 2 mm까지 변화시켜가며 실험하였으며, 시료의 이동속도를 10 cm/분에서 50 cm/분까지 변화시켜 대기압 플라즈마에 의한 표면세정효과를 측정하였으며 그 결과를 도 5에 나타내었다. 도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 10 cm/분의 낮은 시료 이동속도에서는 비교적 완벽한 표면 세정을 이루어 물과의 접촉각이 매우 낮게 측정됨을 알 수 있었으나, 시료의 이동속도가 빨라짐에 따라, 또는 시료와의 거리가 멀어짐에 따라 표면 세정효과가 감소함을 알 수 있었다.
시험예 2
도 1에 개시된 열가스 배출부 및 대기압 플라즈마 발생부 중 대기압 플라즈마 발생부만을 갖는 표면세정장치를 이용하여 PR이 입혀진 실리콘 웨이퍼에 대하여 실험하였으며, 고전압 인버터의 방전전력을 100 W와 200 W로 하여 비교하였다. 플라즈마 분출구와 시료 사이의 거리를 0.5 mm에서 3.5 mm까지 변화시켜가며 실험하였고, 시료의 이동속도를 10 cm/분에서 40 cm/분까지 변화시켜 상기 장치에 의한 표면세정효과를 측정하였으며 그 결과를 도 6에 나타내었다. 도 6에서 알 수 있는 바와 같이, 시료 사이의 거리가 3.5 mm인 경우, 시료 속도(sample speed)가 40 cm/sec 될 때 200 W의 방전전력으로 만들어진 대기압 플라즈마는 10 cm/sec일 경우와 차이가 없고 100 W의 경우 시료 속도가 20 cm/sec와 비슷하므로, 200 W의 경우 100 W에 비해서 약 2배 빠르게 세정을 할 수 있는 것으로 나타났다.
실시예 1
비교의 목적 하에, 도 1에 개시된 열가스 배출부 및 대기압 플라즈마 발생부 중 대기압 플라즈마 발생부만을 갖는 표면세정장치와 도 1에 개시된 열가스 배출부 및 대기압 플라즈마 발생부를 갖는 표면세정장치를 이용하여 재료표면 세정효과를 각각 조사하였다. 사용된 시료는 유리시료를 사용하였으며, 표면세정 후 나타나는 가장 직접적인 특징인 물과의 접촉각을 측정함으로써 표면세정 정도를 수치화하였다. 200W의 방전전력을 사용하였으며, 세정용 가스로서 질소를 이용하였고, 예열용가스로서는 공기를 이용하였다. 예열용 가스 배출기는 알루미나를 사용하여 플라즈마 배출기와 같은 형상으로 만들어졌으며 열가스 배출기의 틈새거리는 0.8 mm로 하였다. 플라즈마 분출구와 시료 사이의 거리를 4 mm로 고정시키고 시료의 이동속도를 10 cm/분에서 50 cm/분까지 변화시키면서 유리의 표면 온도에 따른 표면 세정 정도를 실험하여 그 결과를 도 7에 나타내었다.
도 7에서 알 수 있는 바와 같이, 플라즈마 발생부만을 포함하는 표면세정장치는 플라즈마 분출구와 시료 사이의 거리의 거리가 시험예 1보다 상대적으로 먼 4 mm로 떨어져있기 때문에, 10 cm/분의 낮은 시료 이동속도에서도 물과의 접촉각이 시험예 1 보다는 매우 높게 측정되었으나, 100℃의 가스로 예열을 수행한 후 플라즈마로 처리한 경우 시료의 이동속도가 30 cm/분까지는 30° 미만의 각을 유지한다. 상기의 결과로부터, 100℃로 가열된 가스를 처리하고자 하는 시료와 접촉시켜 시료를 예열 처리함으로써 예열처리를 수행하지 아니한 경우보다 3배 빠르게 세정할 수 있음을 확인할 수 있었다.
실시예 2
본 발명에 의한 표면세정장치를 이용한 실리콘 웨이퍼에 입혀진 웨이퍼용 PR의 제거(ashing, 에싱)효과를 온도에 따라 알아보기 위하여 실험하였다. 표면세정장치는 도 1에 개시된 표면세정장치를 이용하였으며, 방전전력은 100 W를 사용하였다. 플라즈마 분출구와 시료 사이의 거리를 2 mm로 고정시켜 실험하였으며, 프로세싱 시간은 2 분이었다. 에싱은 주로 산소로부터 만들어지는 오존에 의해 이뤄지므로 세정용 가스로서 질소 25 lpm에 공기 1 lpm을 섞어 방전하였고, 예열용 가스로서는 공기를 사용하였다. 예열용 가스 배출기는 알루미나를 사용하여 플라즈마 배출기와 같은 형상으로 만들어졌으며 플라즈마 배출기와는 5 mm 떨어져있다. 열가스 배출기의 틈새거리는 0.8 mm로 하였다.
도 8에서 보는 바와 같이 웨이퍼(또는 PR)의 온도가 증가하면서 에싱율이 크게 증가하는 것을 알 수 있다. PR의 온도를 20℃에서 150℃으로 증가시켰을 때 에싱율은 약 10배 이상 증가하였고, 220℃으로 증가시켰을 때 에싱율은 약 100배 이상 증가하였다. 이것으로 반도체용 웨이퍼 에싱에 있어서 열가스 배출부의 효과가 매우 크다는 것을 알 수 있다.
실시예 3
온도에 따른 PR의 제거효과를 측정하기 위해, TFT-LCD용 유리에 입혀진 LCD 용 PR의 에싱율을 온도에 따라 실험하였다. 표면세정장치는 도 1에 도시된 표면 세정장치를 사용하였으며, 방전전력은 200 W를 사용하였다. 플라즈마 분출구와 시료 사이의 거리를 1 mm로 고정시켜 실험하였으며, 프로세싱 시간은 2분 이였다. 에싱은 주로 산소로부터 만들어지는 오존에 의해 이뤄지므로 질소 25 lpm에 공기 2 lpm을 섞어 세정용 가스로서 사용하였으며, 예열용 가스로서는 공기를 사용하였다.
도 9에서 보는 바와 같이, PR의 온도를 20℃에서 50℃으로 증가시켰을 때 에싱율은 약 2배 이상 증가함을 알 수 있고, 150℃에서는 10배 이상 증가함으로 알 수 있다. 이것으로 LCD용 PR의 에싱에 있어서도 열가스 배출부의 효과가 매우 크다는 것을 알 수 있다.
본 발명의 표면세정장치는 가열된 가스를 이용하여 표면세정하고자 하는 시편을 예열처리함으로써 현저히 향상된 표면 세정효과를 얻을 수 있으며, 더 나아가 신속한 표면 세정을 이룰 수 있다는 장점을 갖고 있다. 또한 가열된 가스를 사용하여 간접적으로 시편을 예열 처리함으로써 시편을 직접 가열하여 예열 처리하는 것보다 시편의 손상을 현저히 저하시킬 수 있다. 즉 본 발명의 표면세정장치는 가열된 가스를 사용하여 예열 처리함으로써 처리하고자 하는 시편의 표면만을 선택적으로 가열함으로써 시편의 손상을 현저히 저하시킬 수 있다. 더 나아가, 매우 간단한 구조를 갖는 대기압 플라즈마 발생부를 이용함으로써 경제성을 도모할 수 있다. 따라서, 상기한 표면세정장치는 여러 가지 응용분야에 매우 쉽게 적용될 수 있는 장점이 있으며, 구체적으로는 일반 PCB 스트립(strip)과 리드프래임(leadframe) 또는 패키징(packaging)을 위한 모든 과정, 즉 본딩(bonding), 몰딩(molding), 솔더링(soldering), 칩 어태칭(chip attaching), 딥핑(dipping), 마킹(marking)공정 등에서 필요한 세정에 적용될 수 있다.
또한, 본 발명의 방법에 따른 대기압 플라즈마 발생부와 열가스 배출부를 이용한 재료의 표면세정방법은 무성방전에 의하여 발생되는 플라즈마를 기류의 흐름을 이용하여 좁은 방전공간 밖으로 분출시켜 이용함으로써 적용범위가 매우 넓으며, 열가스를 같이 사용함으로써 그 세정효과가 매우 뛰어나다는 장점이 있다. 또한, 본 발명의 표면 세정방법은 시료위치가 작은 틈으로 이루어진 방전공간 내부에 제한되지 않고 플라즈마가 분출되어 나오는 부분에 위치하면 되므로 시료형태에 따른 제한이 적으며, 또한 고전압 전기장이 존재하는 공간 밖에 시료가 놓이므로 고전압에 의한 시료의 손상을 막을 수 있는 장점이 있다. 한편, 본 발명에 의한 표면세정장치에 대해 상대적으로 시료를 이동시키게 되면 시료의 표면을 연속적으로 세정하는 효과를 얻을 수 있으며 이와 같은 방법으로 대기압, 상온에서 움직이는 시료에 대해 또는 움직이는 표면세정장치에 의해 연속적인 세정 공정이 가능하다.
Claims (19)
- 열가스 배출부와 플라즈마 발생부를 포함하며, 상기 열가스 배출부가 시료 표면의 예열용 가스를 저장하는 가스 저장용기, 상기 가스 저장용기로부터 공급되는 예열용 가스를 가열하기 위한 열교환기, 가열된 가스를 시료의 표면으로 안내하는 열가스 배출기, 상기 열가스 배출구 위아래 면에 서로 대응되게 형성된 열가스 유입구 및 열가스 배출구를 포함하고, 상기 열가스 배출구의 하부에 시료의 표면들 중 처리하고자 하는 표면이 위치하는 표면세정장치.
- 제1항에 있어서, 상기 열가스 배출부가 예열용 가스의 유량을 조절하기 위한 유량조절기를 가스 저장용기와 열교환기의 사이에, 또는 열교환기와 열가스 배출기 사이에 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 표면세정장치.
- 제1항에 있어서, 상기 열가스 배출부가 열가스가 유입되는 입구에 유량균일화장치를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 표면세정장치.
- 제1항에 있어서, 상기 플라즈마 발생부가 표면 세정하고자 하는 시료를 플라즈마 발생공간의 외부에 위치하여 플라즈마 발생공간에서 발생된 플라즈마가 유입되는 기류의 흐름에 의해 시료의 표면으로 이동하여 시료의 표면을 세정하는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 표면세정장치.
- 제1항에 있어서, 상기 플라즈마 발생부가:a) 절연체로 절연된 서로 마주보는 두개의 금속전극,b) 상기 금속전극의 양단에 15 kHz - 100 kHz의 주파수 및 2 kV - 6 kV의 전압을 인가하는 고전압 인버터,c) 두개의 금속 전극의 양단에 인가된 고전압을 이용하여 내부로 유입된 세정용 가스를 대기압 하에서 플라즈마로 전환시키는, 절연체 사이에 형성된 플라즈마 발생공간,d) 상기 플라즈마 발생공간의 측면에 형성된 유입구 및 배출구,e) 세정용 가스를 공급하는 세정용 가스 저장용기,f) 상기 플라즈마 발생공간의 측면에 형성된 유입구와 세정용 가스 저장용기의 사이에서 세정용 가스의 유량을 조절하는 유량조절기를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면세정장치.
- 제5항에 있어서, 상기 플라즈마 발생부가 플라즈마 발생공간 내에서 세정용 가스가 균일한 기류의 흐름을 갖도록 하는 유량균일화장치를 플라즈마 발생공간의 유입구에 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 표면세정장치.
- 제5항에 있어서, 상기 플라즈마 발생공간의 틈새거리가 0.1 mm 이상 1 mm 이하인 표면세정장치.
- 제5항에 있어서, 상기 세정용 가스가 공기와 질소의 혼합물인 것을 특징으로 하는 표면세정장치.
- 제5항에 있어서, 상기 예열용 가스가 공기, 질소 및 공기와 질소의 혼합물로 구성되는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 표면세정장치.
- 제5항에 있어서, 상기 세정용 가스 저장용기 및 세정용 유량조절기와 예열용 가스의 예열용 가스 저장용기 및 유량조절기가 서로 통합되어, 세정용 가스와 예열용 가스가 하나의 가스 저장용기 및 유량 조절기를 통해 공급되는 것을 특징으로 하는 표면세정장치.
- 제5항에 있어서, 상기 세정용 가스와 예열용 가스가 하나의 가스 저장용기로부터 유량조절기 및 열교환기를 통해 가열된 후 열가스 배출기 및 플라즈마 처리공간으로 공급되는 것을 특징으로 하는 표면세정장치.
- 제5항에 있어서, 상기 예열용 가스의 가열 온도가 50℃ 내지 500℃인 표면세정장치.
- 제1항에 있어서, 상기 표면세정장치가 2개 이상 병렬로 연결되어 배열된 것을 특징으로 하는 표면세정장치.
- 제1항 내지 제13항 중 어느 한항에 따른 표면세정장치를 이용하여 일반 PCB 스트립(strip)과 리드프레임(leadframe) 또는 패키징(packaging) 공정에 필요한 세정에 사용하는 방법.
- 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 표면세정장치를 이용하여 TFT-LCD용 대면적 유리의 전세정에 사용하는 방법.
- 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 표면세정장치를 이용하여 TFT-LCD용 대면적 유리에 올려진 포토레지스터의 제거에 사용하는 방법.
- 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 표면세정장치를 이용하여 반도체 제작시의 세정공정 및 포토레지스터의 제거에 사용하는 방법.
- (a) 예열용 가스 저장용기로부터 공급되는 예열용 가스를 열교환기를 통과시켜 가열하고, 가열된 가스를 처리하고자 하는 시료의 표면에 배출하여, 가열된 가스를 시료의 표면들 중 처리하고자 하는 표면과 직접 접촉시켜 처리하고자 하는 표면을 선택적으로 예열하는 단계, 및(b) 상기 예열된 시료의 표면을 플라즈마와 접촉시켜 시료의 표면을 세정하는 단계로 구성된 시료의 표면세정방법.
- 제18항에 있어서, 상기 방법이 a) 예열용 가스 저장용기로부터 공급되는 예열용 가스를 열교환기를 통과시켜 가열하고, 가열된 가스를 처리하고자 하는 시료의 표면에 배출하여, 가열된 가스를 시료의 표면들 중 처리하고자 하는 표면과 직접 접촉시켜 처리하고자 하는 표면을 선택적으로 예열하는 단계,(b) 세정용 가스 저장용기로부터 유량조절기 및 유량균일화장치를 경유하여 플라즈마 발생공간의 측면에 형성된 유입구를 통해 플라즈마 발생공간으로 세정용 가스를 공급하는 단계,(c) 15 kHz - 100 kHz의 주파수 및 2 kV - 6 kV의 전압을 인가하는 고전압 인버터를 이용하여, 절연체의 표면에 전도성 물질을 코팅시킨 절연체로 절연된 금속전극에 교류 또는 펄스 형태의 고전압을 인가하는 단계,(d) 인가된 고전압을 이용하여 대기압하에서의 무성방전으로 세정용 가스의 대기압 플라즈마를 발생시키는 단계,(e) 발생된 대기압 플라즈마를 기류의 흐름을 이용하여 배출구를 통하여 플라즈마 발생공간 밖으로 분출시키는 단계, 및(f) 분출된 대기압 플라즈마를 상기 예열된 시료의 표면과 접촉시켜 시료표면을 세정하는 단계를 포함하는 시료의 표면세정방법.
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