KR100493946B1 - Plasma discharge device - Google Patents
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Abstract
본 발명은 플라즈마 발생 장치에 관한 것으로서, 가스 주입관이 부착된 가스 용기에 적어도 하나 이상의 튜브형 전극을 형성하며, 반대편 또는 동일 평면 위치에 상대 전극을 배치하여 튜브형 전극과 사이에 플라즈마가 발생토록 하는 것이다. 튜브형 전극에 절연체 전극 캡을 사용하여 플라즈마 전류를 자기 제어하며 균일한 플라즈마를 얻는 장치로 저압은 물론 상압에서도 비전도성 시편 뿐만 아니라 전도성 시편에서도 균일하고 고 밀도의 플라즈마 방출을 구현할 수 있다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a plasma generating apparatus, wherein at least one tubular electrode is formed in a gas container to which a gas injection tube is attached, and a counter electrode is disposed at an opposite or coplanar position to generate plasma between the tubular electrode and the tubular electrode. . A device that obtains a uniform plasma by controlling the plasma current by using an insulator electrode cap on the tubular electrode, and can achieve uniform and high density plasma emission not only at the low pressure but also at the normal pressure, as well as at the conductive specimen.
Description
본 발명은 플라즈마 발생장치에 관한 것으로서, 특히 저압뿐만 아니라 상압 상태에서도 전도성 또는 비전도성 재료의 표면 처리 또는 코팅을 할 수 있도록 구성되는 플라즈마 발생장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a plasma generator, and more particularly, to a plasma generator configured to perform surface treatment or coating of a conductive or nonconductive material at a low pressure as well as an atmospheric pressure.
플라즈마(plasma)는 고도로 전리되어 (+)이온과 (-)전자가 동일한 밀도로 존재하여 전기적으로 균형을 이루어 중성이 되어 있는 상태를 말하며, 방전관등을 예로 들수 있다.Plasma is highly ionized and refers to a state in which (+) ions and (-) electrons are present at the same density and are electrically balanced to be neutral, and a discharge tube is an example.
일반적인 플라즈마 발생장치는 전원이 공급되는 전원 공급부에 기판 또는 타겟을 연결하고, 상기 기판 또는 타겟을 소정의 챔버에 넣고, 소정의 진공처리수단에 의해 상기 챔버를 진공상태로 만든후 수행한다. 그러나 상기와 같은 플라즈마 발생장치는 진공상태에서 공정을 수행해야 하며, 비교적 적은 면적의 시편에만 개질 또는 증착시키기 때문에 그 용도에 한계가 발생하게 되었다.A general plasma generating apparatus connects a substrate or a target to a power supply to which power is supplied, inserts the substrate or the target into a predetermined chamber, and makes the chamber vacuum by predetermined vacuum processing means. However, the plasma generating apparatus as described above has to perform the process in a vacuum state, and its use is limited because it is modified or deposited only on a specimen having a relatively small area.
따라서, 최근에는 상압인 대기압 대면적 플라즈마 발생장치들이 많이 개발되고 있는 실정이다. 상기 대기압 대면적 플라즈마 발생장치들로는 AC 배리어(barrier) 타입 (T. Yokoyama, M. Kogoma, T. Moriwaki, and S. Okazaki, J. Phys. D: Appl. Phys. V23, p1125 (1990)), (John R. Roth, Peter P. Tsai, Chaoyu Lin, Mouuir Laroussi, Paul D. Spence, "Steady-state, Glow discharge plasma", US patent 5,387,842 (Feb. 7, 1995), "One Atmosphere, Uniform Glow Discharge Plasma", US patent 5,414,324 (May 9, 1995)), 저항체 타입 (Yu. S. Akishev, A. A. Deryugin, I. V. Kochetov, A. P. Napartovich, and N. I. Trushkin, J. Phys. D: Appl. Phys. V26, p1630 (1993)), 천공된 유전체(Perforated Dielectric) 또는 세관(Capillary) 타입 (Erich E. Kunhardt, Kurt H. Becker, "Glow plasma discharge device having electrode covered with perforated dielectric", US patent 5,872,426 (Feb. 16, 1999))등이 있다. 각각의 방법에서 중요한 장단점을 나타내면 하기와 같다.Therefore, recently, many atmospheric pressure large-area plasma generators have been developed. The atmospheric large-area plasma generators are AC barrier type (T. Yokoyama, M. Kogoma, T. Moriwaki, and S. Okazaki, J. Phys. D: Appl. Phys. V 23 , p1125 (1990)) , (John R. Roth, Peter P. Tsai, Chaoyu Lin, Mouuir Laroussi, Paul D. Spence, "Steady-state, Glow discharge plasma", US patent 5,387,842 (Feb. 7, 1995), "One Atmosphere, Uniform Glow Discharge Plasma ", US patent 5,414,324 (May 9, 1995)), resistor type (Yu. S. Akishev, AA Deryugin, IV Kochetov, AP Napartovich, and NI Trushkin, J. Phys. D: Appl. Phys. V 26 , p1630 (1993)), Perforated Dielectric or Capillary Type (Erich E. Kunhardt, Kurt H. Becker, "Glow plasma discharge device having electrode covered with perforated dielectric", US patent 5,872,426 (Feb. 16 , 1999)). The important advantages and disadvantages of each method are as follows.
일본 등에서 발표한 AC 배리어(barrier) 타입은 균일한 플라즈마를 형성하지만 플라즈마 밀도가 낮으며 유전체에 의한 에너지 손실이 크다. 러시아에서 제안된 저항체 타입은 여러 개의 핀 캐소드(pin cathode)를 사용하였으며, 각 핀 마다 저항체 (1 mW/pin)를 붙여 대기압에서 대면적의 안정한 DC 플라즈마를 얻었다. 그러나 저항체에서 에너지의 많은 부분이 손실되어 비효율적이며, 플라즈마의 균일성도 떨어진다. 미국에서 개발한 천공된 유전체(Perforated Dielectric) 또는 세관(Capillary) 타입도 플라즈마의 균일성이 떨어지며 홀 내부 벽에서 전자와 이온이 결합하여 열이 발생하므로 에너지 손실이 발생하는 구조이다. 세관 타입의 플라즈마 밀도는 AC 배리어 타입에 비해 100배 정도까지도 높으나 금속 시료에 대해서 플라즈마 균일성이 급격히 나빠지고 플라즈마 밀도 또한 10배 이상 약해진다.The AC barrier type published in Japan and the like forms a uniform plasma, but the plasma density is low and the energy loss by the dielectric is large. The resistor type proposed in Russia uses several pin cathodes, and each pin has a resistor (1 mW / pin) to obtain a large area stable DC plasma at atmospheric pressure. However, much of the energy in the resistor is lost, resulting in inefficiency and poor plasma uniformity. Perforated Dielectric or Capillary types developed in the US also have a low plasma uniformity and energy loss due to heat generated by the combination of electrons and ions in the inner wall of the hole. The plasma density of the tubular type is up to about 100 times higher than that of the AC barrier type, but the plasma uniformity of the metal sample is significantly worsened and the plasma density is also reduced by more than 10 times.
위에 언급한 바와 같이 종래의 기술은 에너지 손실이 많이 발생하며, 전도성의 금속 등의 시료에 대한 적용도 현실적으로 어려운 점이 있다. 그 이유로 첫번째로, 플라즈마의 균일도로 플라즈마가 금속 시료에서는 실 모양의(filamentary) 형태로 방전하여 비균일한 플라즈마를 형성함으로 시료를 균일하게 처리하지 못하는 문제점이 있다. 두번째로, 플라즈마 밀도가 전도성의 금속 등의 시료를 처리하여 생산 및 양산성을 가질 만큼 강하지 못하므로, 표면처리 등의 산업에 있어서 현재 주로 사용되는 곳은 비전도성의 시료이면서 표면이 약한 폴리머 시료 등에 주로 이용되고 있는 실정이다.As mentioned above, the conventional technology generates a lot of energy loss, and it is also difficult to apply to a sample such as a conductive metal. For this reason, first, there is a problem in that the plasma is not uniformly processed by discharging the plasma in a fibrous form in the metal sample to form a non-uniform plasma with uniformity of the plasma. Second, since the plasma density is not strong enough to produce and mass-produce by processing samples such as conductive metals, the most commonly used places in the surface treatment industry are non-conductive samples and weak surfaces. It is mainly used.
또한, 저압 플라즈마의 경우, 대면적에 비교적 균일한 플라즈마를 쉽게 얻을 수 있어 현재 많이 사용되고 있다. 고 밀도 플라즈마 또한 어느 정도 가능하기도 하다. 그러나 저압뿐만 아니라 상압 플라즈마에서도 자체 전류 제어는 불가능하여 전압 공급원(Power supply) 안에 전류 제어 장치 등이 있어 전류를 제어하므로 이 부분에서 에너지 손실이 발생한다. 저압 플라즈마의 경우 저압을 만들기 위한 장치 등이 고가이며, 시스템 자체가 베치 (batch) 타입이어서 공정의 연속성을 확보할 수가 없어서 고가의 생산품에 주로 적용되고 있는 실정이다.In addition, in the case of low-pressure plasma, it is easy to obtain a plasma that is relatively uniform in a large area, and is widely used today. High density plasmas are also possible to some extent. However, in low pressure as well as atmospheric plasma, self-current control is not possible, and there is a current control device in the power supply to control the current, which causes energy loss. In the case of low pressure plasma, a device for making low pressure is expensive, and the system itself is a batch type, and thus the continuity of the process cannot be secured, and thus it is mainly applied to expensive products.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 진공상태인 저압뿐만 아니라 대기압을 포함하는 상압에서도 전도성 또는 비전도성 재료상에 고효율이면서 고밀도 대면적의 균일한 플라즈마를 발생시킬 수 있도록 구성되는 플라즈마 발생장치를 제공하는데 있다.In order to solve the above problems, an object of the present invention is to configure a high-efficiency, high-density, uniform plasma on a conductive or non-conductive material even at atmospheric pressure, including atmospheric pressure as well as low pressure in a vacuum state It is to provide a plasma generating apparatus.
따라서, 본 발명은 소정의 시편을 처리하기 위한 플라즈마 발생 장치에 있어서, 소정의 작업 가스를 주입하기 위한 가스 주입관이 부착된 가스 용기에 적어도 하나 이상의 튜브형 전극을 형성하며, 상기 튜브형 전극의 대향되는 부분에 상대 전극을 배치하여 상기 튜브형 전극과 상기 상대 전극 사이에서 플라즈마를 발생시킴을 특징으로 한다.Accordingly, the present invention provides a plasma generating apparatus for processing a predetermined specimen, wherein at least one tubular electrode is formed in a gas container with a gas injection tube for injecting a predetermined working gas, and is opposed to the tubular electrode. The counter electrode is disposed at the portion to generate a plasma between the tubular electrode and the counter electrode.
또한, 본 발명은 소정의 시편을 처리하기 위한 플라즈마 발생 장치에 있어서, 소정의 작업 가스를 주입하기 위한 가스 주입관이 부착된 가스 용기에 적어도 하나 이상의 튜브형 구멍을 갖는 판 형태의 전극을 형성하며, 상기 판 형태의 전극과 대향되는 부분에 상대 전극을 배치하여 상기 판 형태의 전극과 상기 상대 전극 사이에 플라즈마를 발생시킴을 특징으로 한다.In addition, the present invention provides a plasma generating apparatus for processing a predetermined specimen, forming a plate-shaped electrode having at least one or more tubular holes in a gas container with a gas injection tube for injecting a predetermined working gas, Placing a counter electrode on a portion of the plate-shaped electrode opposite to generate a plasma between the plate-shaped electrode and the counter electrode.
또한, 본 발명은 소정의 시편을 처리하기 위한 플라즈마 발생 장치에 있어서, 소정의 작업 가스를 주입하기 위한 가스 주입관이 부착된 가스 용기의 적어도 한쪽면은 유전체 판으로 구성하며, 상기 유전체 판상에 적어도 하나 이상의 튜브형 전극을 삽입시키고, 상기 튜브형 전극과 대향되는 부분에 상대 전극을 배치하여 상기 튜브형 전극과 상대 전극 사이에 플라즈마를 발생시킴을 특징으로 한다.In addition, the present invention is a plasma generating apparatus for processing a predetermined specimen, at least one side of the gas container with a gas injection tube for injecting a predetermined working gas is composed of a dielectric plate, at least on the dielectric plate Inserting one or more tubular electrodes, and placing the counter electrode in a portion facing the tubular electrode to generate a plasma between the tubular electrode and the counter electrode.
또한, 본 발명은 소정의 시편을 처리하기 위한 플라즈마 발생 장치에 있어서, 소정의 작업 가스를 주입하기 위한 가스 주입관이 부착된 가스 용기의 적어도 한쪽면은 유전체 판으로 구성하며, 적어도 하나 이상의 판형 전극을 상기 유전체 판 내부에 잠입 설치하고, 상기 판형 전극 사이의 유전체 판상에 상대 전극을 설치하고, 상기 판형 전극과 상대 전극 사이의 유전체 판상에 적어도 하나 이상의 가스 분출구를 형성함을 특징으로 한다.In addition, the present invention is a plasma generating apparatus for processing a predetermined specimen, at least one side of the gas container with a gas injection tube for injecting a predetermined working gas is composed of a dielectric plate, at least one or more plate-shaped electrode And immersing the inside of the dielectric plate, installing a counter electrode on the dielectric plate between the plate-shaped electrodes, and forming at least one gas outlet on the dielectric plate between the plate-shaped electrode and the counter electrode.
또한, 본 발명은 소정의 시편을 처리하기 위한 플라즈마 발생 장치에 있어서, 다른 가스 주입관을 갖는 다른 가스용 용기와, 상기 다른 가스용 용기 내에 설치되며 적어도 한쪽면은 유전체 판으로 구성하고 상기 다른 가스와 섞이지 않는 작업 가스 챔버를 가지며 작업 가스 주입관을 구비하는 작업 가스 용기와, 상기 유전체 판상에 설치되는 적어도 하나 이상의 튜브형 전극과, 상기 튜브형 전극 사이의 유전체 판상에 설치하는 상대 전극 및 상기 상대 전극과 튜브형 전극 사이의 유전체 판상에 적어도 하나 이상 형성되고 그 상부의 다른 가스를 전달하기 위한 다른 가스 전달관과 연장되어 다른 가스를 방출하기 위한 다른 가스 분출 구멍을 포함함을 특징으로 한다.In addition, the present invention provides a plasma generating apparatus for processing a predetermined specimen, comprising: another gas container having another gas inlet tube, and at least one side of the other gas container provided in the other gas container; A working gas container having a working gas chamber which does not mix with a working gas inlet tube, at least one tubular electrode provided on the dielectric plate, a counter electrode and a counter electrode provided on a dielectric plate between the tubular electrodes; At least one or more formed on the dielectric plate between the tubular electrodes and is characterized in that it comprises a different gas ejection hole for extending another gas delivery tube for delivering another gas thereon.
또한, 본 발명은 소정의 시편을 처리하기 위한 플라즈마 발생 장치에 있어서, 다른 가스 주입관을 갖는 다른 가스용 용기와, 상기 다른 가스용 용기 내에 설치되며 적어도 한쪽면은 유전체 판으로 구성하고 상기 다른 가스와 섞이지 않는 작업 가스 챔버를 가지며 작업 가스 주입관을 구비하는 작업 가스 용기와, 상기 유전체 판상에 잠입 설치되는 적어도 하나 이상의 판형 전극과, 상기 판형 전극 사이의 유전체 판상에 설치하는 적어도 하나 이상의 상대 전극과, 상기 상대 전극과 판형 전극 사이의 유전체 판상에 적어도 하나 이상 형성되고 그 상부의 다른 가스를 전달하기 위한 다른 가스 전달관과 연장되어 다른 가스를 방출하기 위한 다른 가스 분출 구멍 및 상기 상대 전극 사이의 유전체 판상에 적어도 하나 이상 형성되는 작업 가스 분출 구멍을 포함함을 특징으로 한다. In addition, the present invention provides a plasma generating apparatus for processing a predetermined specimen, comprising: another gas container having another gas inlet tube, and at least one side of the other gas container provided in the other gas container; A working gas container having a working gas chamber which is incompatible with the working gas chamber, the working gas container including a working gas inlet tube, at least one plate electrode immersed on the dielectric plate, and at least one counter electrode disposed on the dielectric plate between the plate electrodes; At least one formed on a dielectric plate between the counter electrode and the plate-shaped electrode and extending with another gas delivery pipe for delivering another gas thereon, and another gas ejection hole for releasing another gas, and a dielectric between the counter electrode. It includes at least one working gas blowing hole formed in the plate It is characterized by a ship.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 그리고, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the case where it is determined that the gist of the present invention may be unnecessarily obscured, the detailed description thereof will be omitted.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명에 의한 튜브형 전극에 의한 플라즈마 발생 장치 기본도로써, 도 1a는 튜브형 전극에 의한 플라즈마 발생 장치 측단면도이고, 도 1b는 튜브형 전극에 의한 플라즈마 발생 장치의 헤드 부분의 부분사시도이며, 도 1c는 튜브형 전극에 의한 플라즈마 발생장치의 저면도이다.Figures 1a to 1c is a basic view of the plasma generating apparatus by the tubular electrode according to the present invention, Figure 1a is a side cross-sectional view of the plasma generating apparatus by the tubular electrode, Figure 1b is a part of the head portion of the plasma generating apparatus by the tubular electrode Fig. 1C is a bottom view of the plasma generator with the tubular electrode.
도 1a에 도시한 바와 같이, 본 발명에 의한 플라즈마 발생 장치는 가스 용기(11), 가스 주입관(12), 튜브형 전극(13), 작은 구멍을 갖고 있는 절연체 전극 캡(14), 시편 하측에 설치 또는 형성되는 상대 전극(15) 및 표면 처리 또는 코딩하려고 하는 시편(16)으로 구성된다. 가스 주입관(12)를 통하여 작업 가스가 주입되어 튜브형 전극(13)을 통하여 시편(16) 상부에 분사되고, 이때 튜브형 전극(13)과 상대 전극(15)에 교류 또는 직류의 전압을 인가하면 고밀도의 플라즈마(17)을 발생하는 구조이다. 이때, 상기 작업 가스로는 아르곤, 헬륨, 공기, 질소, 산소, 수증기, 메탄, 아세틸렌, 금속 유기체, 불소 계열 가스 등 다양한 가스가 사용될 수 있다. 또한, 상기 가스의 압력은 10-5 ~ 1520 Torr 영역의 범위내에서 사용하도록 한다. 상기 튜브형 전극의 재질로는 금속, 탄소, ITO (Indium Tin Oxide), TiN (Titanium Nitride), TiC (Titanium Carbon), TiB2 (Titanium Boron) 등의 전기전도성의 물질 또는 화합물 등을 사용할 수 있다. 특히 산화제 가스를 사용할 경우 전기 전도성의 화합물로 된 튜브형 전극을 사용한다.As shown in FIG. 1A, the plasma generating apparatus according to the present invention includes a gas container 11, a gas injection tube 12, a tubular electrode 13, an insulator electrode cap 14 having a small hole, and a lower side of a specimen. It consists of a counter electrode 15 to be installed or formed and a specimen 16 to be surface treated or coded. When the working gas is injected through the gas injection tube 12 and sprayed on the specimen 16 through the tubular electrode 13, when an alternating current or direct current voltage is applied to the tubular electrode 13 and the counter electrode 15. It is a structure which generates the high density plasma 17. As shown in FIG. In this case, as the working gas, various gases such as argon, helium, air, nitrogen, oxygen, water vapor, methane, acetylene, metal organisms, and fluorine-based gas may be used. In addition, the pressure of the gas is to be used within the range of 10 -5 ~ 1520 Torr. As the material of the tubular electrode, an electrically conductive material or compound such as metal, carbon, indium tin oxide (ITO), titanium nitride (TiN), titanium carbon (TiC), titanium boron (TiB2), or the like may be used. Especially when oxidant gas is used, tubular electrodes of electrically conductive compounds are used.
또한, 도 1b 및 1c에 도시한 바와 같이, 상기 튜브형 전극은 상기 튜브형 전극에서 발생하는 플라즈마가 균일하게 시편상에 처리될 수 있도록 사선으로 엇갈리게 배치하였다. 그러나 시편의 크기, 플라즈마의 침착부위에 따라 상기 튜브형 전극은 다양하게 배치될 수 있다. In addition, as shown in FIGS. 1B and 1C, the tubular electrodes are diagonally staggered so that the plasma generated from the tubular electrodes can be uniformly processed on the specimen. However, the tubular electrode may be arranged in various ways depending on the size of the specimen and the deposition site of the plasma.
본 발명에 의한 튜브형 전극은 첫 번째로는, 튜브의 끝에 형성되는 높은 밀도의 비균일 전기장에 의해 판 형태의 전극보다 breakdown 전압을 낮출 수 있다. 즉 구동 전압을 낮출 수 있다. 두 번째로는, 튜브형 전극 내부에서 플라즈마가 발생하므로 튜브 주위에 형성되는 전기장에 의해 플라즈마를 퍼지게 할 수 있다. 세 번째로는 유전체에 의한 에너지 손실을 줄일 수 있다. 기존의 보통 판 형태의 전극 등에 붙어 있는 유전체는 전류를 제어하고 균일한 플라즈마를 얻기 위해 존재하는데 문제는 유전체에서 플라즈마 에너지 중 많은 양이 손실되며, 또한 플라즈마 밀도는 유전체의 정전 용량에 의존적이어서 강한 플라즈마를 얻을 수가 없었다. 네 번째로는 튜브형 전극과 상대 전극에 교류 또는 직류의 전압을 인가하면 튜브형 전극과 시편 사이에 플라즈마가 형성되는데 튜브형 전극을 통하여 작업 가스가 분사되므로, 즉 플라즈마 내의 이온, 전자, 에너지가 높은 중성 가스 (이후, "활성가스"로 칭합니다)가 시편 표면으로 분사된다. 특히 에너지가 높은 중성 가스의 평균수명은 이온에 비해 길며, 활성가스가 존재하는 영역의 breakdown 전압이 주변 보다 낮아지게 되어 활성 가스가 존재하는 영역의 모양으로 방전이 형성된다. 즉 낮은 구동 전압을 확보할 수 있는 것이다. 작업가스의 분사는 활성 가스가 시편 표면 위에 주로 존재하게 하여 시편 표면에서 플라즈마가 형성됨으로서 필요없는 공간에서 플라즈마 발생이 축소하여 효율이 향상될 뿐만 아니라 균일한 플라즈마를 얻을 수 있다.The tubular electrode according to the present invention can, firstly, lower the breakdown voltage than the electrode in the form of a plate by a high density non-uniform electric field formed at the end of the tube. That is, the driving voltage can be lowered. Secondly, since the plasma is generated inside the tubular electrode, the plasma can be spread by the electric field formed around the tube. Thirdly, energy loss caused by dielectrics can be reduced. Dielectrics attached to the conventional ordinary plate-like electrodes exist to control the current and to obtain a uniform plasma. The problem is that a large amount of plasma energy is lost in the dielectric, and the plasma density is dependent on the dielectric capacitance of the dielectric and thus a strong plasma. Couldn't get it. Fourth, when an alternating current or direct current is applied to the tubular electrode and the counter electrode, a plasma is formed between the tubular electrode and the specimen. The working gas is injected through the tubular electrode, that is, a neutral gas having high ions, electrons, and energy in the plasma. (Hereinafter referred to as "active gas") is injected onto the specimen surface. In particular, the average lifetime of the high-energy neutral gas is longer than that of ions, and the breakdown voltage of the region in which the active gas is present is lower than that of the surroundings, thereby forming a discharge in the shape of the region in which the active gas is present. That is, a low driving voltage can be secured. The injection of the working gas causes the active gas to be mainly present on the surface of the specimen, so that plasma is formed at the surface of the specimen, thereby reducing the generation of plasma in an unnecessary space, thereby improving efficiency and obtaining a uniform plasma.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명에 의한 다양한 형태의 튜브형 전극과 절연체 전극 캡의 세부도로써, 도 2a는 튜브형 전극만으로 구성된 경우, 도 2b는 튜브형 전극과 절연체 전극 캡으로 구성된 경우, 도 2c는 튜브형 전극과 절연체 전극 캡에 절연체 튜브가 전극 내부에 구성된 경우 및 도 2d는 튜브형 전극과 절연체 전극 캡에 절연체 튜브가 전극 내부에 구성되며 렌즈 및 소거 전극이 절연체 전극 캡 위에 형성된 경우를 도시한 도면이다.2A to 2D are detailed views of various types of tubular electrodes and insulator electrode caps according to the present invention, and FIG. 2A is a tubular electrode only, and FIG. 2B is a tubular electrode and an insulator electrode cap. FIG. 2D illustrates a case where an insulator tube is configured inside the electrode in the electrode and the insulator electrode cap, and FIG. 2D shows a case where the insulator tube is configured inside the electrode in the tubular electrode and the insulator electrode cap, and the lens and the erase electrode are formed on the insulator electrode cap.
도 2a는 튜브형 전극(13)만을 사용하는 것으로 구조가 매우 간단하다. 이 구조의 경우 전기적으로 비전도성의 시편을 처리할 때 매우 유용하며, 교류 전압을 사용하게 된다. 또한, 비전도성의 시편을 사용하면 플라즈마의 균일성을 확보할 수 있다. 비전도성의 시편 표면에서 전하들 간의 자기(self)적인 반발력에 의해 플라즈마가 스스로 균일하게 퍼지게 된다.Fig. 2A uses only the tubular electrode 13 and is very simple in structure. This structure is very useful for processing electrically nonconductive specimens and uses alternating voltage. In addition, the use of non-conductive specimens can ensure plasma uniformity. On the surface of the non-conductive specimen, the plasma spreads itself uniformly by the magnetic repulsion between the charges.
도 2b는 튜브형 전극(13)의 단부에 절연체 전극 캡(14)을 부착한 구조이다. 이 구조의 경우는 전도성 또는 비전도성 시편을 모두 처리할 수 있으나, 전도성 시편의 경우 플라즈마 균일성이 상대적으로 저하된다.2B is a structure in which the insulator electrode cap 14 is attached to the end of the tubular electrode 13. In this structure, both conductive and non-conductive specimens can be treated, but in the case of conductive specimens, plasma uniformity is relatively reduced.
도 2c는 소정의 절연체 튜브(14b)를 튜브형 전극(13)에 삽입한 구조로써, 중심으로 집중되는 플라즈마의 발생을 억제하여 시편 표면에 어느 정도 플라즈마의 균일성을 갖게 할 수 있다.FIG. 2C is a structure in which a predetermined insulator tube 14b is inserted into the tubular electrode 13, thereby suppressing generation of plasma that is concentrated at the center thereof, thereby making the specimen surface uniform to some extent.
도 2d는 절연체 전극 캡의 하부에 렌즈 및 소거 전극(13b)가 추가로 설치된 것으로서, 상기 렌즈 및 소거 전극에 인가되는 전압을 조절하여 전류를 제어하므로써, 방출되는 플라즈마의 밀도와 시편에 침착되는 플라즈마의 균일성을 확보하게 된다.FIG. 2D shows a lens and an erasing electrode 13b further disposed below the insulator electrode cap, and controls the current by controlling a voltage applied to the lens and the erasing electrode, thereby controlling the density of plasma emitted and the plasma deposited on the specimen. Ensures uniformity.
본 발명에서는 도 2b 내지 도 2d의 경우에서와 같이, 튜브형 전극의 하측상에 소정의 절연체 전극 캡을 설치하였는데, 상기 절연체 전극 캡의 중요한 기능은 하기와 같다.In the present invention, as in the case of Fig. 2b to 2d, a predetermined insulator electrode cap is provided on the lower side of the tubular electrode, the important function of the insulator electrode cap is as follows.
첫 번째는 전류를 제어할 수 있어 기하학적 구조에 따라 원하는 전류밀도로 작동시킬 수 있다. 예로서 전도성 시편인 경우, 기존에는 전류를 제어하기 위해 T. Yokoyama 등이 개발한 유전체를 사용하는 AC 배리어 타입이나, Yu. S. Akishev 등이 개발한 저항체 타입에서처럼 유전체나 또는 저항을 사용하지 않아도 된다는 것이다. 또한, Erich E. Kunhardt 등이 개발한 천공된 유전체(Perforated Dielectric) 또는 세관(Capillary) 타입은 약간의 전류 제어는 가능하지만 완전하지 못하여, 유전체나 저항체로 전류를 제어하는 별도의 장치가 없으면 안 된다. 만일 천공된 유전체 또는 세관의 직경이 대략 전자의 mean free path 길이 보다 적으면 세관 내부에 플라즈마가 형성되지 못하여 기존의 유전체 타입인 AC 배리어 타입과 같은 상태가 되며, 만일 세관의 직경이 대략 전자의 mean free path 길이 보다 크다면 플라즈마가 아크로 전이되며 다른 지역에서의 플라즈마는 발생하지 못하므로 사용이 어렵게 된다. 하지만 본 발명의 절연체 전극 캡의 경우에는 안전하게 전류를 제어할 수 있다.The first is the ability to control the current so that it can be operated at the desired current density depending on the geometry. For example, in the case of a conductive specimen, an AC barrier type using a dielectric developed by T. Yokoyama et al. To control the current, but Yu. There is no need to use dielectric or resistors as in the resistor type developed by S. Akishev et al. In addition, the Perforated Dielectric or Capillary types developed by Erich E. Kunhardt et al., Although some current control is possible, are not complete, and there must be a separate device for controlling the current with the dielectric or resistor. . If the diameter of the perforated dielectric or the tubular tube is less than the mean free path length of the electron, plasma cannot be formed inside the tubular tube, which is the same as the conventional dielectric barrier type AC barrier type. If the path length is greater than the free path, the plasma is transferred to an arc and the plasma in other areas is not generated, making it difficult to use. However, the insulator electrode cap of the present invention can safely control the current.
두 번째는 도 2b에서 처럼 절연체 전극 캡의 열려진 구멍의 직경 D2가 튜브형 전극의 내경 D1 보다 작음으로서 튜브형 전극 말단에서 발생하는 전자 또는 이온의 진행을 조절함으로서 보다 균일한 플라즈마를 형성할 수 있게 해준다. 만일, 전도성 시편을 사용하고 만일 절연체 전극 캡이 없으면 (도 2a의 구조) 튜브형 전극 말단에서 플라즈마가 주로 발생하여 매우 비균일한 실 모양 (filamentary) 모드의 플라즈마가 형성되어 유용하지 못하다.The second is that the diameter D2 of the open hole of the insulator electrode cap is smaller than the inner diameter D1 of the tubular electrode, as shown in FIG. 2B, thereby allowing the formation of a more uniform plasma by controlling the propagation of electrons or ions occurring at the end of the tubular electrode. If conductive specimens are used and there is no insulator electrode cap (structure of FIG. 2A), plasma is mainly generated at the end of the tubular electrode, which is not useful because a plasma in very non-uniform fibrous mode is formed.
세 번째는, 절연체 전극 캡의 작은 열려진 구멍에서 플라즈마 밀도는 매우 높은 상태로 플라즈마 자체의 potential에 의해 self 반발력으로 플라즈마는 밀도가 낮은 쪽으로 확산하게 된다. 즉 절연체 전극 캡의 밖으로 플라즈마가 퍼지게 되므로 시편에서 균일한 플라즈마를 확보할 수 있다.Third, in the small open hole of the insulator electrode cap, the plasma density is very high and the plasma itself diffuses toward the lower density with self repulsion by the potential of the plasma itself. That is, since the plasma is spread out of the insulator electrode cap, it is possible to ensure a uniform plasma in the specimen.
네 번째는 절연체 전극 캡의 작은 구멍으로 인해 작업 가스를 절약할 수 있다. Fourth, the small hole in the insulator electrode cap saves working gas.
절연체 전극 캡에 의해 전류가 제어되는 원리를 하기와 같은데, 하나는 전류의 자기 (Self) 제어 기능이다. 그 원리는 도 2b 또는 도 2c, 특히 도 2c의 구성을 갖는 경우에 도 3a 내지 도 3f와 도 4a 및 도 4b의 설명도 및 그래프를 참조하여 설명하고자 한다.The principle of controlling the current by the insulator electrode cap is as follows. One is the self control function of the current. The principle will be described with reference to the explanatory diagrams and graphs of FIGS. 3A to 3F and FIGS. 4A and 4B in the case of the configuration of FIG.
도 3a 내지 도 3f는 도 2c의 구성에 있어서, 교류 전원이 인가되었을 때 절연체 전극 캡에 의한 전류의 자기 (Self) 제어 설명도이고, 도 4a와 도 4b는 상기 도 3a 내지 도 3f의 각 상태에 따라 대응되는 교류전원의 평형에서의 위치를 도시한 도면이다.3A to 3F are explanatory views of self control of current by the insulator electrode cap when AC power is applied in the configuration of FIG. 2C, and FIGS. 4A and 4B are respective states of FIGS. 3A to 3F. Is a diagram showing the positions of the corresponding AC power supplies in equilibrium.
예로서 도 3a에서 튜브형 전극이 음극이면, 플라즈마 발생 초기에 튜브형 전극으로부터 전자가 방출하여 플라즈마가 생성되기 시작한다. 점점 강한 방전 (도 4a 및 도 4b의 a상태)으로 진행되면 전기장에 의해 절연체 전극 캡의 안쪽 면 A (도 2b에 도시됨)의 표면에 전자가 도 3b에서 처럼 점점 축적되어 음극인 튜브 전극과 절연체 전극 캡(14)의 안쪽 면 A 사이에서 전기장이 점점 소멸됨으로 어느 순간에 도달되면 플라즈마가 중단(도 4a 및 도 4b의 b상태) 된다. 즉 플라즈마 밀도가 증가하는 것에 비례하여 절연체 전극 캡(14)의 안쪽 면 A에 전하가 쌓이게 되어 플라즈마가 아크로 전이되는 것을 스스로 자기(Self) 제어하게 된다. 도 3c도에서처럼 튜브 전극이 양극으로 상대 전극이 음극으로 바뀌면 절연체 전극 캡(14)의 안쪽 면 A의 표면에 축적된 전자들이 튜브 전극으로 방전하여 축적된 전자들이 소거되고 (도 4a 및 도 4b의 c상태), 이어서 도 3d처럼 상대 전극과 튜브 전극 사이에 플라즈마가 진행하여(도 4a 및 도 4b의 d상태), 플라즈마의 밀도가 점점 높아지면 절연체 전극 캡(14)의 안쪽 면 A의 표면에 양전하 이온이 도 3e처럼 점점 축적되어 양극인 튜브 전극과의 전기장을 소멸시키게 되므로 플라즈마가 중단된다.(도 4a 및 도 4b에서 e상태) 그후, 도 3f에서 처럼 튜브 전극이 음극으로, 상대 전극이 양극으로 바뀌면 절연체 전극 캡(14)의 안쪽 면 A의 표면에 축적된 양전하 이온이 음극의 튜브 전극과 방전하여 소거(도 4a 및 도 4b의 f상태) 된다. 이와 같이 도 4a 및 도 4b의 a ∼ f 과정을 계속적으로 반복하여 진행한다. 전류를 제어하여 전류의 양을 결정하는 중요한 인자는 절연체 전극 캡(14)의 안쪽 면 A의 표면 면적과 그 기하학적인 구조이다.For example, in FIG. 3A, if the tubular electrode is the cathode, electrons are emitted from the tubular electrode at the beginning of plasma generation to start generating plasma. As it progresses to an increasingly strong discharge (a state in FIGS. 4A and 4B), electrons gradually accumulate on the surface of the inner surface A (shown in FIG. 2B) of the insulator electrode cap by the electric field, as in FIG. The electric field is gradually dissipated between the inner surface A of the insulator electrode cap 14, and when a certain moment is reached, the plasma is stopped (b state of FIGS. 4A and 4B). In other words, the charge is accumulated on the inner surface A of the insulator electrode cap 14 in proportion to the increase in the plasma density, thereby self-controlling the plasma transition to the arc. As shown in FIG. 3C, when the tube electrode is changed to the anode and the counter electrode is changed to the cathode, electrons accumulated on the surface of the inner surface A of the insulator electrode cap 14 are discharged to the tube electrode and the accumulated electrons are erased (see FIGS. 4A and 4B). c state), and then plasma proceeds between the counter electrode and the tube electrode as shown in FIG. 3d (d state in FIGS. 4a and 4b), and as the density of the plasma increases, the surface of the inner surface A of the insulator electrode cap 14 is increased. As the positive charge ions gradually accumulate as shown in Fig. 3E, the electric field with the positive electrode of the tube is dissipated, the plasma is stopped (e state in Figs. 4A and 4B). When changed to the positive electrode, positively charged ions accumulated on the surface of the inner surface A of the insulator electrode cap 14 discharge with the tube electrode of the negative electrode to be erased (f state in FIGS. 4A and 4B). As described above, the processes a to f of FIGS. 4A and 4B are continuously repeated. An important factor in determining the amount of current by controlling the current is the surface area of the inner surface A of the insulator electrode cap 14 and its geometric structure.
도 5a 내지 도 5d는 도 2d의 구성에 있어서, 튜브형 전극과 상대 전극에 직류 전원이 인가되었을 때 펄스형 소거 전원에 의해 절연체 전극 캡(14)에서 전류의 자기 (Self) 제어를 설명하는 도면이다. 또한, 도 6은 상기 도 5a 내지 도 5d의 각 상태에 대응되는 소거 전원의 파형에서의 위치를 나타낸 도면으로, 여기서 Vt는 튜브형 전극에 인가된 직류 전압이고 Ve는 렌즈 및 소거 전극에 인가된 펄스형 전압을 나타낸 것이다. 또한, 도 5a는 도 6에서 a에, 도 5b는 도 6에서 b에, 도 5c는 도 6에서 c에, 도 5d는 도 6에서 d에 대응되는 상태이다. 이 경우 전류가 제어되는 원리는 하기와 같다.5A to 5D illustrate the self control of the current in the insulator electrode cap 14 by the pulsed erase power supply when DC power is applied to the tubular electrode and the counter electrode in the configuration of FIG. 2D. . 6 is a view showing the position in the waveform of the erase power corresponding to each state of FIGS. 5A to 5D, wherein Vt is a DC voltage applied to the tubular electrode and Ve is a pulse applied to the lens and the erase electrode. Type voltage. 5A corresponds to a in FIG. 6, FIG. 5B corresponds to b in FIG. 6, FIG. 5C corresponds to c in FIG. 6, and FIG. 5D corresponds to d in FIG. 6. In this case, the principle of controlling the current is as follows.
도 5a에서 플라즈마가 발생하여 밀도가 점점 증가하면 렌즈 및 소거 전극(13b)에 의해 절연체 전극 캡(14) 안쪽 면 A에 점점 이온이 축적된다. 이 때의 렌즈 및 소거 전극은 플라즈마에 대해 렌즈의 역할을 하여 플라즈마를 퍼지게 하면서 동시에 이온을 축적하는 역할을 한다. 이 상태는 도 6에서 a 과정에 해당된다.In FIG. 5A, as the plasma is generated and the density gradually increases, ions gradually accumulate on the inner surface A of the insulator electrode cap 14 by the lens and the erasing electrode 13b. At this time, the lens and the erasing electrode act as a lens to the plasma to spread the plasma and at the same time to accumulate ions. This state corresponds to process a in FIG. 6.
그후, 절연체 전극 캡(14) 안쪽 면 A에 이온이 충분히 축적이 되면 튜브형 전극(13) 내부에 전기장이 약해져 도 5b에서 처럼 플라즈마가 중단된다. 즉, 플라즈마가 과 전류의 아크로 전이되기 전에 중단된다. 이 상태가 도 6에서 b 과정이다. 렌즈 및 소거 전극(13b)에 도 6에서 c상태와 같이 펄스 전압이 인가되면 도 5c에서 처럼 절연체 전극 캡(14) 안쪽 면 A에 쌓여있는 이온이 튜브형 전극(13)과 방전하여 절연체 전극 캡 안쪽 면 A에 쌓여있던 이온이 소거된다. 이 때의 렌즈 및 소거 전극(13b)은 소거의 기능을 한다. 도 6에서 d 위치에서는 도 5d에서 나타내는 바와 같이 절연체 전극 캡(14) 안쪽 면 A에 약간의 이온만을 남기게 된다. 다시 렌즈 및 소거 전극(13b)에 도 6에서 a 상태로 전압이 떨어지면 도 5a에서 처럼 방전을 시작한다. 상술한 바와 같이, 렌즈 및 소거 전극(13b)에 펄스가 인가되는 것에 따라 도 6의 a ∼ d 과정을 반복하여 진행한다. 여기서 전류의 양을 결정하는 중요한 인자는 절연체 전극 캡(14)의 안쪽 면 A의 표면 면적과 그 기하학적인 구조이며, 또한 렌즈 및 소거 전극(13b)의 전압을 조절하여 전류를 제어할 수 있다. Thereafter, when ions are sufficiently accumulated on the inner surface A of the insulator electrode cap 14, the electric field is weakened inside the tubular electrode 13, and the plasma is stopped as shown in FIG. 5B. That is, the plasma is stopped before it transitions to an arc of overcurrent. This state is process b in FIG. When a pulse voltage is applied to the lens and the erasing electrode 13b as shown in FIG. 6C, ions accumulated on the inner surface A of the insulator electrode cap 14 are discharged from the tubular electrode 13 as shown in FIG. 5C, and the inside of the insulator electrode cap is discharged. Ions accumulated on surface A are erased. The lens and the erasing electrode 13b at this time function as erasing. In the d position in FIG. 6, only a few ions are left on the inner surface A of the insulator electrode cap 14 as shown in FIG. 5D. When the voltage of the lens and the erasing electrode 13b drops to the a state in FIG. 6 again, discharge is started as in FIG. 5A. As described above, as the pulse is applied to the lens and the erasing electrode 13b, the processes a to d of FIG. 6 are repeated. An important factor for determining the amount of current here is the surface area of the inner surface A of the insulator electrode cap 14 and its geometric structure, and the current can be controlled by adjusting the voltages of the lens and the erasing electrode 13b.
전류를 제어하는 다른 하나의 원리는, 예를 들면 도 2b에 도시한 절연체 전극 캡(14)열려진 구멍의 직경 D2의 크기를 조절하여 전류를 제어하는 것이다. 도 2b에서 절연체 전극 캡(14)의 열려진 구멍의 끝이, 즉 도 10a에서 (L3-L1)의 길이가 0 이거나 전자의 mean free path 길이 보다 작으면 열려진 구멍의 직경 D2가 전자의 mean free path 길이 보다 작더라도 전자나 이온이 흐를 수 있게 되어 플라즈마가 연속적으로 형성할 수 있게 된다. 플라즈마 형성시, 튜브형 전극과 상대 전극에 일정한 포텐셜(potential)이 가해지게되면 일정한 전기장에 의해 전자 또는 이온의 평균 속력은 일정하게 된다. 플라즈마 자체는 항상 포텐셜(potential)을 가져, 플라즈마의 자기(self) 반발력에 의해 플라즈마는 확산하게 되므로, 제한된 작은 열려진 구멍 면적 안에서 존재하는 플라즈마의 밀도는 유한하게 된다. 즉, 플라즈마의 유한한 밀도와 일정한 속력은 결국 일정한 전류를 의미하는 것이고, 즉 절연체 전극 캡(14)의 열려진 구멍의 직경을 조절함으로서 플라즈마의 전류를 제어할 수 있음을 의미하는 것이다. 특히 이와 같이 작은 구멍 크기는 작업 가스를 절약할 수 있어 좋다.Another principle of controlling the current is to control the current by adjusting the size of the diameter D2 of the opened hole of the insulator electrode cap 14 shown in FIG. 2B, for example. If the end of the open hole of the insulator electrode cap 14 in Fig. 2b, that is, the length of (L3-L1) in Fig. 10A is zero or less than the mean free path length of the electron, the diameter D2 of the open hole is the mean free path of the electron. Even if it is smaller than the length, electrons or ions can flow and plasma can be continuously formed. In the plasma formation, if a constant potential is applied to the tubular electrode and the counter electrode, the average speed of the electrons or ions is constant by the constant electric field. The plasma itself is always potential, and the plasma diffuses by the self repulsion of the plasma, so that the density of the plasma present within the limited small open pore area becomes finite. In other words, the finite density and constant speed of the plasma mean a constant current, that is, the current of the plasma can be controlled by adjusting the diameter of the open hole of the insulator electrode cap 14. In particular, such a small hole size can save working gas.
상술한 바와 같이, 절연체 전극 캡(14)의 역할은 매우 중요하다. 작업환경의 압력과 가스 종류에 따라 전자의 mean free path가 다르므로 절연체 전극 캡의 열려진 구멍의 직경 D2는 일반적으로 상압에서부터 진공상태일 경우 0.005 - 50 mm 정도를 사용할 수 있다.As mentioned above, the role of the insulator electrode cap 14 is very important. Since the mean free path of electrons is different according to the pressure and gas type of the working environment, the diameter D2 of the open hole of the insulator electrode cap is generally 0.005-50 mm when it is vacuumed from normal pressure.
도 7은 본 발명에 의한 도 2b의 전극 형태에서 컴퓨터로 시뮬레이션 하여 플라즈마의 분포도를 나타낸 도면이고, 도 8은 본 발명에 의한 도 2c의 전극 형태에서 컴퓨터로 시뮬레이션 하여 플라즈마의 분포도를 나타낸 도면이며, 도 9는 본 발명에 의한 도 2d의 전극 형태에서 컴퓨터로 시뮬레이션 하여 플라즈마의 분포도를 나타낸 도면이다.FIG. 7 is a diagram illustrating a plasma distribution by computer simulation in the electrode form of FIG. 2B according to the present invention, and FIG. 8 is a diagram showing a distribution diagram of plasma by computer simulation in the electrode form of FIG. 2C according to the present invention. FIG. 9 is a diagram illustrating a plasma distribution by computer simulation in the form of the electrode of FIG. 2D according to the present invention. FIG.
도 7의 컴퓨터 시뮬레이션에서 보듯이 비 전도성이 아닌 전도성 시편(15)를 사용하는 경우 도 2b의 구조와 같이 절연체 전극 캡(14)만으로는 플라즈마의 균일성을 확보에 다소 어려움이 있음을 보여주고 있다. 도 7에 도시한 바와 같이, 중심에 플라즈마(17)의 밀도가 높은 것을 알 수 있다.As shown in the computer simulation of FIG. 7, when the non-conductive conductive specimen 15 is used, as shown in FIG. 2B, only the insulator electrode cap 14 has a difficulty in securing plasma uniformity. As shown in Fig. 7, it can be seen that the density of the plasma 17 is high in the center.
상기와 같은 점을 개선하기 위하여 도 2c에 나타낸 것처럼 절연체 튜브(14b)를 튜브형 전극(13) 안에 삽입하여 중심으로 집중되는 플라즈마의 발생을 억제하여 시편 표면에서 플라즈마의 균일성을 갖게 하였다. 절연체 튜브(14b)가 삽입되었을 때 컴퓨터 시뮬레이션을 하여 도 8에 나타내었다. 전도성 시편(15)에서도 균일한 플라즈마(17)가 발생하는 것을 나타낸다. 균일한 플라즈마를 얻기 위하여 튜브형 전극(13)의 내부의 노출된 전극 길이 L2가 매우 중요하다. 그 L2 길이는 튜브형 전극 내경 D1의 0.8에서 1.4배 이내의 영역에서 균일한 플라즈마를 확보할 수 있다. In order to improve the above point, as shown in FIG. 2C, the insulator tube 14b is inserted into the tubular electrode 13 to suppress the generation of plasma concentrated at the center, thereby providing uniformity of the plasma on the specimen surface. When the insulator tube 14b was inserted, it was shown in FIG. 8 by computer simulation. It is shown that a uniform plasma 17 also occurs in the conductive specimen 15. The exposed electrode length L2 inside the tubular electrode 13 is very important to obtain a uniform plasma. The L2 length can ensure a uniform plasma in a region within 0.8 to 1.4 times the tubular electrode inner diameter D1.
또한, 도 2d는 도 2c에서 절연체 전극 캡(14) 위에 렌즈 및 소거 전극(13b)를 형성 또는 설치한 것이다. 렌즈 및 소거 전극(13b)의 중요성은, 첫 번째는 앞에서 상술한 바와 같이, 렌즈 및 소거 전압을 조절함으로서 플라즈마의 전류를 조절할 수 있다. 두 번째는 전기장을 렌즈 및 소거 전극(13b)에 의해 변형 시켜 플라즈마를 퍼지게 하여 균일한 플라즈마를 얻거나, 반대로 플라즈마를 작은 면적으로 집중시킬 수 있다. 세 번째는 튜브형 전극(13)과 렌즈 전극(13b) 사이에 강한 전기장을 유도하여 구동 전압과 유지 전압을 낮출 수 있다. 도 9는 컴퓨터 시뮬레이션에 의해 렌즈 및 소거 전극(13b)에 의해 플라즈마(17)이 도 8의 플라즈마의 경우보다 좀더 확산되는 것을 나타낸다. 튜브형 전극(13) 과 렌즈 및 소거 전극(13b) 사이의 전기장 역시 도 8의 경우보다 조밀하게 형성되어 있음을 알 수 있다. 도 2d에서 L3는 튜브형 전극(13)의 말단으로부터 렌즈 및 소거 전극(13b)까지의 거리이며, L4는 렌즈 및 소거 전극(13b)의 두께이고, D3는 렌즈 및 소거 전극(13b)의 내경을 나타낸다. 플라즈마의 확산 정도는 L3, L4, D3와 관련되며, D3의 크기는 항상 절연체 전극 캡(14)의 열려진 구멍 직경 D2 보다 커야 한다.In addition, in FIG. 2D, the lens and the erasing electrode 13b are formed or installed on the insulator electrode cap 14 in FIG. 2C. The importance of the lens and erase electrode 13b is that, first, as described above, the current of the plasma can be adjusted by adjusting the lens and the erase voltage. Second, the electric field may be modified by the lens and the erasing electrode 13b to spread the plasma to obtain a uniform plasma, or conversely, to concentrate the plasma in a small area. Third, a strong electric field may be induced between the tubular electrode 13 and the lens electrode 13b to lower the driving voltage and the sustain voltage. FIG. 9 shows that the plasma 17 is more diffused by the lens and the erasing electrode 13b by computer simulation than in the case of the plasma of FIG. 8. It can be seen that the electric field between the tubular electrode 13 and the lens and the erasing electrode 13b is also formed more densely than in the case of FIG. 8. In FIG. 2D, L3 is the distance from the end of the tubular electrode 13 to the lens and erase electrode 13b, L4 is the thickness of the lens and erase electrode 13b, and D3 is the inner diameter of the lens and erase electrode 13b. Indicates. The degree of diffusion of the plasma is related to L3, L4, D3, and the size of D3 should always be larger than the open hole diameter D2 of the insulator electrode cap 14.
도 10a 내지 도 10j는 절연체 전극 캡 14의 다양한 구조의 단면도를 나타낸 것이다. 앞에서 언급한 바와 같이 절연체 전극 캡의 기하학적인 구조는 전류의 양을 결정하여 플라즈마 밀도와 균일성을 조절할 수 있다. 도 10a 내지 도 10j에서 L3-L1의 길이가 크면 플라즈마는 많이 퍼지지 못하며 에너지 손실도 증가한다. 따라서, 도 10j의 경우는 반대로 플라즈마가 모이게 하는 구조이다.10A to 10J illustrate cross-sectional views of various structures of the insulator electrode cap 14. As mentioned above, the geometry of the insulator electrode cap can determine the amount of current to control the plasma density and uniformity. In FIGS. 10A to 10J, when the length of L3-L1 is large, plasma does not spread much and energy loss increases. Accordingly, in the case of FIG. 10J, the plasma converses.
도 10a 및 도 10b의 경우에는 절연체 전극 캡(200, 210)의 튜브형 전극 삽입구(201, 211)에서 플라즈마가 방출되는 구멍(202, 212)까지 하나의 단(203, 213)이 형성된 형상을 도시한 것이다.10A and 10B, one end 203, 213 is formed from the tubular electrode insertion holes 201 and 211 of the insulator electrode caps 200 and 210 to the holes 202 and 212 through which plasma is emitted. It is.
도 10a의 경우, 튜브형 전극 삽입구(201)에서 구멍(202)의 내주면이 시작되는 부분까지 소정의 각도로 경사지도록 형성되어 있다.In the case of FIG. 10A, the tubular electrode insertion hole 201 is formed to be inclined at a predetermined angle from the beginning of the inner circumferential surface of the hole 202.
또한, 도 10b는 차단(214)이 튜브형 전극 삽입구(211)에서 경사면을 갖지 않고 수평으로 형성된 후, 플라즈마가 방출되는 구멍(212)까지 일정 경사면을 갖도록 (213)이 형성되는 구조를 갖는다.In addition, FIG. 10B has a structure in which the block 214 is formed horizontally in the tubular electrode insertion hole 211 without having an inclined surface, and then 213 is formed to have a predetermined inclined surface to the hole 212 through which the plasma is emitted.
도 10c 및 도 10d의 경우에는 절연체 전극 캡(220, 230)의 튜브형 전극 삽입구(221, 231)에서 플라즈마가 방출되는 구멍(222, 232)까지 두 개의 단이 형성된 형상을 도시한 것이다.In the case of FIGS. 10C and 10D, two ends are formed from the tubular electrode insertion holes 221 and 231 of the insulator electrode caps 220 and 230 to the holes 222 and 232 through which plasma is emitted.
도 10c의 경우 1차단(223)이 튜브형 전극 삽입구(221)에서 경사면을 갖지 않고 수평으로 형성된 후, 그 하측상에 플라즈마가 방출되는 구멍(222)까지 일정 경사면을 갖도록 2차단(224)이 형성되는 구조를 갖는다.In the case of FIG. 10C, after the first end 223 is formed horizontally without the inclined surface at the tubular electrode insertion hole 221, the second end 224 is formed to have a predetermined inclined surface to the hole 222 through which the plasma is emitted. It has a structure.
또한, 도 10d는 1차단(233)과 2차단(234)이 모두 경사면을 갖지 않고 수평으로 형성된 것을 도시하였다. 물론, 도 10c 및 도 10d는 모두 플라즈가 방출되는 구멍(222, 232)이 일정 깊이 L3-L1을 갖도록 형성하였다.In addition, FIG. 10D illustrates that both the first and second ends 233 and 234 are formed horizontally without having an inclined surface. Of course, both FIGS. 10C and 10D are formed such that the holes 222 and 232 through which the plasma is discharged have a predetermined depth L3-L1.
도 10e의 절연체 전극 캡(240)는 경사면을 갖지 않고 튜브형 전극 삽입구(241)에서 플라즈마가 방출되는 구멍(242)으로 직접 연장되도록 형성되는 하나의 수평형 단(243)을 갖도록 형성하였으며, 이경우, L1이 절연체 전극 캡(240)의 플라즈마가 방출되는 구멍(242)의 깊이가 된다.10E, the insulator electrode cap 240 of FIG. 10E is formed to have one horizontal end 243 formed to extend directly from the tubular electrode insertion hole 241 to the hole 242 through which the plasma is emitted. In this case, L1 becomes the depth of the hole 242 from which the plasma of the insulator electrode cap 240 is discharged.
도 10f 및 도 10g는 절연체 전극 캡(250, 260)의 튜브형 전극 삽입구(251, 261) 내측에 하나의 단(253, 263)을 가지며, 하측면은 소정의 원추형 홈(254, 264)을 형성시킨 구조를 갖는데, 상기 원추형 홈(254, 264)의 직경은 상기 절연체 전극 캡(250, 260)의 직경보다 작도록 형성되어 있다.10F and 10G have one end 253, 263 inside the tubular electrode insertion holes 251, 261 of the insulator electrode caps 250, 260, and the lower side forms a predetermined conical groove 254, 264. The conical grooves 254 and 264 have a diameter smaller than that of the insulator electrode caps 250 and 260.
10f의 경우 튜브형 전극 삽입구(251)의 단이 진 부분(253)과 원추형 홈(254)이 끝나는 부분이 한점에서 만나도록 형성되어 있으므로, 플라즈마가 방출되는 구멍(252)의 깊이가 없도록 형성되어 있으며, 이 경우, L3-L1은 상기 원추형 홈의 플라즈마가 방출되는 구멍까지의 깊이가 된다.In the case of 10f, since the end portion 253 of the tubular electrode insertion hole 251 and the end portion of the conical groove 254 are formed to meet at one point, they are formed so that there is no depth of the hole 252 where the plasma is emitted. In this case, L3-L1 is the depth to the hole through which the plasma of the conical groove is discharged.
도 10g의 경우에는 원추형 홈(264)이 끝나는 부분과 절연체 전극 캡(260)의 내부에 형성된 단(263)이 끝나는 부분이 만나지 않도록 형성되므로써, 플라즈마가 방출되는 구멍(262)이 어느 정도의 깊이를 갖도록 형성한 것이다.In the case of FIG. 10G, since the portion where the conical groove 264 ends and the portion where the end 263 formed inside the insulator electrode cap 260 ends does not meet, the hole 262 where the plasma is emitted is somewhat deep. It is formed to have.
도 10h는 절연체 전극 캡(270)의 하측 부분이 돌출된 원추형으로 형성되어 있으며, 내측단(273)은 상기 돌출된 원추형 부분과 각도는 같지 않더라도 상응하는 방향으로 형성된다.10H is formed in a conical shape in which the lower portion of the insulator electrode cap 270 protrudes, and the inner end 273 is formed in a corresponding direction even if the angle is not equal to the protruding conical portion.
도 10i는 단이 형성되지 않고, 절연체 전극 캡(280)의 튜브형 전극 삽입구(281)와 플라즈마가 방출되는 구멍(282)의 직경이 일치하도록 형성한 것이다.10I is formed so that the diameter of the tubular electrode insertion hole 281 of the insulator electrode cap 280 and the hole 282 through which the plasma is discharged coincide with each other.
도 10j는 단이 형성되지 않고, 절연체 전극 캡(290)의 튜브형 전극 삽입구(291)보다 플라즈마가 방출되는 구멍(292의 직경이 더 크도록 형성하고, 상기 구멍(292)의 단면은 원추형 홈의 형상을 갖도록 하였다.FIG. 10J shows that a step is not formed and the diameter of the hole 292 through which plasma is emitted is larger than that of the tubular electrode insertion hole 291 of the insulator electrode cap 290. The cross section of the hole 292 is formed in the conical groove. It was to have a shape.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 다른 실시예에 의한 일체형 절연체 전극 캡 타입의 플라즈마 발생 장치도로써, 도 11a는 일체형 절연체 전극 캡 타입의 플라즈마 발생 장치 측단면도이고, 도 11b는 렌즈 및 소거 전극이 있는 일체형 절연체 전극 캡 타입의 플라즈마 발생 장치 측단면도이다.11A and 11B are diagrams illustrating an integrated insulator electrode cap type plasma generator according to another embodiment of the present invention. FIG. 11A is a side cross-sectional view of the integrated insulator electrode cap type plasma generator. Side view of an integrated insulator electrode cap type plasma generator.
도 11a는 절연체 전극 캡(114)이 하나의 일체형으로 여기에 적어도 하나 이상의 구멍 D2를 형성하며, 구멍의 구조는 도 10a 내지 도 10j에서 처럼 다양한 구조로 형성할 수 있다. 도 11b는 도 11a에서 렌즈 및 소거 전극(13b)와 이의 고정을 위한 절연체 판(111b)가 추가된 도면이다.11A shows that the insulator electrode cap 114 forms at least one or more holes D2 therein in one piece, and the structure of the holes may be formed in various structures as in FIGS. 10A to 10J. FIG. 11B is a view illustrating a lens and erase electrode 13b and an insulator plate 111b for fixing thereto in FIG. 11A.
도 12a 및 도 12b는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 구멍이 있는 판형 전극에 일체형 절연체 전극 캡이 적용된 상태의 플라즈마 발생장치를 도시한 도면으로써, 도 12a는 구멍이 있는 판형 전극에 일체형 절연체 전극 캡 타입의 플라즈마 발생 장치 측면의 단면도이고, 도 12b는 렌즈 및 소거 전극이 있는 구멍이 있는 판형 전극에 일체형 절연체 전극 캡 타입의 플라즈마 발생 장치 측면의 단면도이다.12A and 12B illustrate a plasma generator in a state in which an integrated insulator electrode cap is applied to a hole-shaped plate electrode according to still another embodiment of the present invention, and FIG. 12A illustrates an integrated insulator electrode in a plate-shaped electrode with holes. Fig. 12B is a cross sectional view of the side surface of the plasma generator of the insulator electrode cap type integral with the plate-shaped electrode having a hole with the lens and the erasing electrode.
도 12a는 상술한 튜브형 전극 대신에 판 형태의 전극(123)에 적어도 하나 이상의 구멍을 갖게 만들며, 여기에 판 형태의 절연체 전극 캡(124)를 조립한 것이다. 이 구조는 제작은 쉬우나 교류 전원에서는 에너지 손실이 있어 직류 전원을 사용할 때 유리하다. 도 12b는 도 12a에서 렌즈 및 소거 전극(13b)가 추가되어 있는 구조로 절연체 판(121b)는 렌즈 및 소거 전극(13b)를 고정하기 위한 것이다. 12A shows at least one hole in the plate-shaped electrode 123 instead of the tubular electrode described above, and the plate-shaped insulator electrode cap 124 is assembled therein. This structure is easy to manufacture, but there is energy loss in AC power, which is advantageous when using DC power. 12B is a structure in which a lens and an erasing electrode 13b are added in FIG. 12A, and the insulator plate 121b is for fixing the lens and the erasing electrode 13b.
도 13a 및 도 13b는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 개별 전압인가 튜브 타입 플라즈마 발생 장치도로써, 도 13a는 개별 전압인가 튜브 타입 플라즈마 발생 장치 측면의 단면도이고, 도 13b는 개별 전압인가 튜브 타입 플라즈마 발생 장치의 헤드 부분의 입체도이다.13A and 13B are diagrams of an individual voltage-applied tube-type plasma generating apparatus according to still another embodiment of the present invention, and FIG. 13A is a cross-sectional view of an individual voltage-applied tube-type plasma generating apparatus, and FIG. 13B is an individual voltage-applied tube type. It is a three-dimensional view of the head part of a plasma generating apparatus.
도 13a 및 도 13b에 도시한 바와 같이, 교류 전원 공급 장치(131)로부터 전원이 공급되면 고압 분배 장치(132)에서 고압의 개별 전원을 발생하여 각 전선(133)을 통하여 각각 튜브 전극(13)마다 개별적으로 고압의 전원을 공급하는 형태이다. 이 구조의 특징은 절연체 전극 캡의 모양에 상관없이 플라즈마 전류를 전기적으로 제어할 수 있다. 고압 분배 장치(132)의 회로구성을 갖는 세부도를 도 14a 및 도 14b에 도시하였다. 교류 전원 공급 장치(131)로부터 교류 전원이 공급되면 고압 변압기(141)에서 고압의 교류를 발생하며, 고압은 쵸크코일(142)를 거치며 플라즈마 전류가 제어된다. 도 14a 및 14b에서 부호 143은 절연 오일을, 144는 고압 분배 장치 용기이다. 도 14a에서 쵸크코일(142)를 통하여 나온 전류는 직류 정류기(145)와 축전기(146)을 통하여 직류 고압으로 바뀌어 각각의 튜브 전극(13)으로 공급된다. 도 14b에서는 각각의 쵸크 코일(142)에서 나온 고압의 교류 전원이 각각의 튜브 전극(13)으로 직접 연결된다.As shown in FIGS. 13A and 13B, when power is supplied from the AC power supply 131, the high-pressure distribution device 132 generates high-voltage individual power, and each of the tube electrodes 13 through each wire 133. Each type is to supply high voltage power individually. A feature of this structure is that it can electrically control the plasma current regardless of the shape of the insulator electrode cap. Details of the circuit configuration of the high pressure distribution device 132 are shown in Figs. 14A and 14B. When AC power is supplied from the AC power supply 131, the high voltage transformer 141 generates high pressure AC, and the high voltage passes through the choke coil 142 to control the plasma current. 14A and 14B, reference numeral 143 denotes insulating oil, and 144 denotes a high pressure distribution device container. In FIG. 14A, the current drawn through the choke coil 142 is converted into DC high voltage through the DC rectifier 145 and the capacitor 146 and supplied to each tube electrode 13. In FIG. 14B, a high-pressure alternating current power source from each choke coil 142 is directly connected to each tube electrode 13.
도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 반응로가 있는 튜브형 전극에 의한 플라즈마 발생 장치 측면의 단면도로써, 작업 가스가 가스 주입관(12)를 통하여 들어오면 절연체 용기(151) 내부에서 발생하는 1차 반응로 플라즈마(154)에 의해 화학 반응 또는 활성화되며, 튜브형 전극(13)을 통하여 시편(16) 표면으로 플라즈마(17)과 같이 분사된다. 시편 표면 개질 또는 증착할 때 쓰인다. 반응로 전극(152)는 절연체 용기(151) 안에 잠겨 있다. 여기서, 부호 153은 튜브형 전극을 고정시키는 금속 판, 155는 전원 공급 장치이다.FIG. 15 is a cross-sectional view of a side surface of a plasma generating apparatus by a tubular electrode having a plasma reactor according to another embodiment of the present invention, which is generated inside the insulator container 151 when a working gas enters through the gas injection tube 12. The first reaction furnace is chemically reacted or activated by the plasma 154, and is sprayed together with the plasma 17 to the surface of the specimen 16 through the tubular electrode 13. Used to modify or deposit specimen surfaces. Reactor electrode 152 is immersed in insulator container 151. Here, reference numeral 153 denotes a metal plate for fixing the tubular electrode, and 155 denotes a power supply device.
도 16a 및 도 16b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 동일평면형(coplanar) 상대전극 구조의 일체형 절연체 전극 캡 타입의 플라즈마 발생 장치도로써, 도 16a는 동일평면형 상대전극이 노출된 일체형 절연체 전극 캡 타입의 플라즈마 발생 장치 측면의 단면도이고, 도 16b는 동일평면형 상대전극이 유전체 내부에 잠긴 형태의 일체형 절연체 전극 타입의 플라즈마 발생 장치 측면의 단면도이다.16A and 16B are diagrams illustrating an integrated insulator electrode cap type plasma generator having a coplanar counter electrode structure according to still another exemplary embodiment. FIG. 16A illustrates an integrated insulator electrode cap having a coplanar counter electrode exposed thereto. 16B is a cross-sectional view of the side surface of the plasma generator of an integral insulator electrode type in which a coplanar counter electrode is submerged in a dielectric.
도 16a 동일 평면형으로 배치된 상대전극(165)가 노출된 구조로, 시편(16)이 비전도성 재료일지라도 그 위에 강한 플라즈마를 형성할 수 있다. 즉, 도 11과 같은 대향형 전극 구조에서 만일 시편(16)이 비전도성 재료이면 이 재료의 유전률 및 두께에 의해 플라즈마 전류를 제어하게 되어 플라즈마 상태가 재료에 의존적일 수밖에 없으며 일반적으로 강한 플라즈마를 얻을 수 없다. 그러나, 도 16a에서와 같은 전극이 동일 평면형(Coplanar) 구조에서는 시편(16)의 재료 상태와 무관하게 강한 일정한 플라즈마를 확보할 수 있는 구조이다. 도 16b는 동일 평면형 상대전극(165)가 유전체 내부에 잠긴 형태의 구조로, 그 특징은 도 16b의 플라즈마 밀도보다는 약하지만 보다 균일한 플라즈마를 확보할 수 있는 장점이 있다.16A is a structure in which the counter electrode 165 disposed in the same planar shape is exposed. Even if the specimen 16 is a non-conductive material, a strong plasma may be formed thereon. That is, in the counter electrode structure as shown in FIG. 11, if the specimen 16 is a non-conductive material, the plasma current is controlled by the dielectric constant and thickness of the material so that the plasma state is dependent on the material and generally a strong plasma is obtained. Can't. However, in the coplanar structure of the electrode as shown in FIG. 16A, a strong constant plasma can be secured regardless of the material state of the specimen 16. FIG. 16B is a structure in which the coplanar counter electrode 165 is immersed in the dielectric, which is weaker than the plasma density of FIG. 16B, but has an advantage of securing a more uniform plasma.
도 17a 및 도 17b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 동일평면형 상대전극 구조에 렌즈 및 소거 전극이 있는 일체형 절연체 전극 캡 타입의 플라즈마 발생 장치 측면의 단면도로써, 도 17a는 동일평면형 상대전극이 노출된 구조에 렌즈 및 소거 전극이 있는 일체형 절연체 전극 캡 타입의 플라즈마 발생 장치 측면의 단면도이고, 도 17b는 동일평면형 상대전극이 유전체 내부에 잠긴 형태의 구조에 렌즈 및 소거 전극이 있는 일체형 절연체 전극 캡 타입의 플라즈마 발생 장치 측면의 단면도이다. 도 17a의 경우는 렌즈 및 소거 전극(13b)가 있어서 구동 전원을 DC로 작동할 수 있으며 렌즈 및 소거 전극(13b)의 역할에 의해 도 16의 장치보다 균일한 플라즈마를 얻을 수 있는 장점이 있다. 도 17b의 경우는 도 17a의 경우 보다 플라즈마 밀도는 약하나 보다 균일한 플라즈마를 확보할 수 있다.17A and 17B are cross-sectional views of a side surface of an integrated insulator electrode cap type plasma generating apparatus having a lens and an erasing electrode in a coplanar counter electrode structure according to still another embodiment of the present invention. Side view of the plasma generator of the integral insulator electrode cap type with a lens and an erasing electrode in an integrated structure, and FIG. 17B is an integral insulator electrode cap type with a lens and an erasing electrode in a structure in which a coplanar counter electrode is locked in a dielectric. It is sectional drawing of the plasma generation apparatus side of the. In the case of FIG. 17A, the lens and the erasing electrode 13b may be used to operate the driving power source by DC, and the plasma and the erasing electrode 13b may be used to obtain a more uniform plasma than the apparatus of FIG. 16. In the case of FIG. 17B, the plasma density is weaker than that of FIG. 17A, but a more uniform plasma may be secured.
도 18a 및 도 18b는 가스 분출구를 갖는 동일평면형 전극 구조의 플라즈마 발생 장치도로써, 도 18a는 상대전극이 노출된 타입의 플라즈마 발생 장치 측면의 단면도이고, 도 18b는 상대전극이 유전체 내부에 잠긴 타입의 플라즈마 발생 장치 측면의 단면도이다. 도 18a의 구조는 노출된 상대전극(185)에 의해 강한 플라즈마를 형성할 수 있으며, 가스 분출구(168)로부터 분출되는 가스에 의해 처리 시편 표면에서만 플라즈마를 형성하게 됨으로서 필요 없는 공간에서 플라즈마 형성을 억제하여 효율이 증가하고 또한 균일한 플라즈마를 얻을 수 있다. 도 18b는 도 18a의 경우보다는 플라즈마 밀도가 낮으나 보다 균일한 플라즈마를 얻는 구조이다. 특히 산소 등과 같은 산화제 가스를 사용하여도 유전체 안에 잠긴 전극(185, 189)에 손상이 가해지지 않으므로 반응성 가스를 사용할 때 적합한 구조이다.18A and 18B are diagrams of a plasma generator having a coplanar electrode structure having a gas outlet, FIG. 18A is a cross-sectional view of a plasma generator having a counter electrode exposed, and FIG. 18B is a type in which a counter electrode is immersed inside a dielectric. It is sectional drawing of the plasma generation apparatus side of the. The structure of FIG. 18A can form a strong plasma by the exposed counter electrode 185 and suppresses plasma formation in an unnecessary space by forming a plasma only on the surface of the processing specimen by the gas ejected from the gas ejection opening 168. The efficiency can be increased and a uniform plasma can be obtained. FIG. 18B is a structure in which a plasma density is lower than that of FIG. 18A, but a more uniform plasma is obtained. In particular, even when an oxidant gas such as oxygen is used, damage is not applied to the electrodes 185 and 189 immersed in the dielectric.
도 19a 내지 도 19c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 2종 가스 사용 타입의 플라즈마 발생 장치도로써, 도 19a는 2종 가스 사용의 동일평면형 상대전극이 노출된 일체형 절연체 전극 캡 타입의 플라즈마 발생 장치의 측단면도이고, 도 19b는 2종 가스 사용의 동일평면형 상대전극이 노출된 구조에 렌즈 및 소거 전극이 있는 일체형 절연체 전극 캡 타입의 플라즈마 발생장치의 측단면도이며, 도 19c는 2종 가스 사용의 상대전극이 노출된 타입의 플라즈마 발생 장치의 측단면도이다.19A to 19C are diagrams of a plasma generation apparatus of a type 2 gas use according to still another embodiment of the present invention, and FIG. 19A is a plasma generation of an integral insulator electrode cap type in which a coplanar counter electrode of type 2 gas is exposed. Fig. 19B is a side cross-sectional view of a plasma generator of an integral insulator electrode cap type having a lens and an erasing electrode in a structure in which a coplanar counter electrode of two types of gas is exposed, and FIG. 19C is a type of two gases. A cross-sectional side view of a plasma generator of a type in which a counter electrode of is exposed.
도 19a는 도 16a에서 다른 가스(other gas) 챔버(194)와 다른 가스 전달 관(195)가 추가된 구조이고, 도 19b와 도 19c는 도 17a와 도 18a에서 도 19a와 같이 다른 가스 구조가 추가된 구조이다.FIG. 19A is a structure in which another gas chamber 194 and another gas delivery tube 195 are added in FIG. 16A, and FIGS. 19B and 19C have different gas structures as in FIGS. 19A and 18A in FIG. 19A. Added structure.
도 19a 및 도 19b에서 작업 가스가 가스 주입관(12)을 통하여 주입되어 작업 가스 챔버(193) 안을 작업 가스로 채워지고 튜브형 전극(13)을 통하여 시편 표면 위로 분사된다. 또한 동시에 다른 가스가 다른 가스 주입관(191)을 통하여 다른 가스 챔버(194) 안에 주입되며 다른 가스 전달 관(195)을 통하여 다른 가스 분출 구멍(196)에서 시편(16) 위로 분출된다. 여기서 작업 가스의 Breakdown 전압이 다른 가스의 Breakdown 전압보다 낮은 가스를 선택한다.19A and 19B, the working gas is injected through the gas injection tube 12, filled into the working gas chamber 193 with the working gas, and injected through the tubular electrode 13 onto the specimen surface. At the same time, another gas is also injected into the other gas chamber 194 through the other gas injection tube 191 and is ejected onto the specimen 16 from the other gas blowing hole 196 through the other gas delivery tube 195. Here, select a gas whose breakdown voltage of the working gas is lower than that of the other gases.
작업 가스의 Breakdown 전압 〈 Other 가스의 Breakdown 전압이 되도록 한다.Breakdown voltage of working gas <Others Make it the breakdown voltage of gas.
튜브형 전극(13)과 동일 평면형 상대전극(165) 사이에 작업 가스의 Breakdown 전압보다는 높고 다른 가스의 Breakdown 전압보다는 낮은 전압을 인가하면 플라즈마는 Breakdown 전압이 높은 다른 가스 영역(197)에서는 발생되지 못하며, Breakdown 전압이 낮은 작업 가스가 존재하는 시편 표면 위에만 플라즈마를 형성할 수 있다. 즉, 작업 가스와 다른 가스의 분사 속도를 조절함으로서 플라즈마의 두께를 조절할 수 있는 구조이다. 필요한 가장 적은 공간에서만 플라즈마를 발생하게 하여 에너지 효율을 극대화시킬 수 있는 구조이다. 도 19c에서도 작업 가스가 상대전극(185)를 통하여 형성되어 있는 작업 가스 분출 구멍(198)을 통하여 분사되며 작동 원리나 특징은 상술한 바와 동일하다.When a voltage higher than the breakdown voltage of the working gas and lower than the breakdown voltage of another gas is applied between the tubular electrode 13 and the coplanar counter electrode 165, the plasma is not generated in the other gas region 197 having a high breakdown voltage. Plasma can only be formed on the surface of the specimen in which working gas with a low breakdown voltage is present. That is, the thickness of the plasma can be adjusted by adjusting the injection speed of the working gas and other gases. It is a structure that maximizes energy efficiency by generating plasma in the smallest space necessary. Also in FIG. 19C, the working gas is injected through the working gas ejection hole 198 formed through the counter electrode 185, and the operating principle and characteristics thereof are the same as described above.
한편, 본 발명의 상세한 설명에서 다양한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.Meanwhile, although various embodiments have been described in the detailed description of the present invention, it will be apparent to those skilled in the art that various changes may be made without departing from the scope of the present invention.
본 발명에 의한 플라즈마 발생장치는 튜브형 전극과, 그 단부에 절연체 전극 캡을 사용하여 전류를 자기(self)제어 할 수 있기 때문에 저압은 물론 상압에서 전도성 또는 비 전도성 시편상에 균일하고 고밀도의 플라즈마를 방출시킬 수 있는 효과가 있다.Plasma generator according to the present invention is capable of self-controlling the current using a tubular electrode and an insulator electrode cap at its end, so that a uniform and high-density plasma is generated on the conductive or non-conductive specimen at low pressure as well as at normal pressure. There is an effect that can be released.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명에 의한 튜브형 전극에 의한 플라즈마 발생 장치 기본도로써, 1a to 1c is a basic view of the plasma generating apparatus by the tubular electrode according to the present invention,
도 1a는 튜브형 전극에 의한 플라즈마 발생 장치 측단면도,Figure 1a is a side cross-sectional view of the plasma generating apparatus by a tubular electrode,
도 1b는 튜브형 전극에 의한 플라즈마 발생 장치의 헤드 부분의 부분사시도,1B is a partial perspective view of a head portion of a plasma generating device by a tubular electrode;
도 1c는 튜브형 전극에 의한 플라즈마 발생장치의 저면도.Fig. 1C is a bottom view of the plasma generator with the tubular electrode.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명에 의한 다양한 형태의 튜브형 전극과 절연체 전극 캡의 세부도로써,2A to 2D are detailed views of tubular electrodes and insulator electrode caps of various forms according to the present invention;
도 2a는 튜브형 전극만으로 구성된 경우,Figure 2a is composed of only a tubular electrode,
도 2b는 튜브형 전극과 절연체 전극 캡으로 구성된 경우,2b is a case consisting of a tubular electrode and an insulator electrode cap,
도 2c는 튜브형 전극과 절연체 전극 캡에 절연체 튜브가 전극 내부에 구성된 경우,2C shows an insulator tube configured inside the electrode in the tubular electrode and the insulator electrode cap,
도 2d는 튜브형 전극과 절연체 전극 캡에 절연체 튜브가 전극 내부에 구성되며 렌즈 및 소거 전극이 절연체 전극 캡 위에 형성된 경우를 도시한 도면.FIG. 2D illustrates a case where an insulator tube is formed inside the electrode in the tubular electrode and the insulator electrode cap, and the lens and the erasing electrode are formed on the insulator electrode cap. FIG.
도 3a 내지 도 3f는 본 발명에 의한 교류 전원이 인가되었을 때 절연체 전극 캡에 의한 전류의 자기 (Self) 제어 설명도.3A to 3F are self explanatory diagrams of current control by an insulator electrode cap when an AC power supply according to the present invention is applied.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 의한 도 3a에서 도 3f의 각 상태에 대응되는 교류 전원의 파형에서의 위치를 나타낸 도면으로써,4A and 4B are views showing positions in waveforms of an AC power source corresponding to each state of FIGS. 3A to 3F according to the present invention.
도 4a는 펄스형 파형일 때의 도면,4A is a diagram when a pulse waveform;
도 4b는 사인형 파형일 때의 도면. 4B is a diagram of a sinusoidal waveform;
도 5a 내지 도 5d는 본 발명에 의한 직류 전원이 인가되었을 때, 소거 전원에 의한 절연체 전극 캡에서 전류의 자기 (Self) 제어 설명도.5A to 5D are explanatory diagrams of a self control of a current in an insulator electrode cap by an erasing power supply when a DC power supply according to the present invention is applied.
도 6은 본 발명에 의한 도 5a 내지 도 5d의 각 상태에 대응되는 소거 전원의 파형에서의 위치를 나타낸 도면.FIG. 6 is a view showing positions in waveforms of erase power supplies corresponding to respective states of FIGS. 5A to 5D according to the present invention; FIG.
도 7은 본 발명에 의한 도 2b의 전극 형태에서 컴퓨터로 시뮬레이션 하여 플라즈마의 분포도를 나타낸 도면.7 is a diagram showing the distribution of plasma by computer simulation in the form of the electrode of Figure 2b according to the present invention.
도 8은 본 발명에 의한 도 2c의 전극 형태에서 컴퓨터로 시뮬레이션 하여 플라즈마의 분포도를 나타낸 도면.8 is a diagram showing the distribution of plasma by computer simulation in the form of the electrode of Figure 2c according to the present invention.
도 9는 본 발명에 의한 도 2d의 전극 형태에서 컴퓨터로 시뮬레이션 하여 플라즈마의 분포도를 나타낸 도면.FIG. 9 is a diagram showing a distribution diagram of plasma by computer simulation in the form of the electrode of FIG. 2D according to the present invention. FIG.
도 10a 내지 도 10j는 본 발명에 의한 절연체 전극 캡의 다양한 구조를 도시한 단면도.10A to 10J are cross-sectional views showing various structures of the insulator electrode cap according to the present invention.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 다른 실시예에 의한 일체형 절연체 전극 캡 타입의 플라즈마 발생 장치도로써, 11A and 11B are diagrams illustrating an integrated insulator electrode cap type plasma generator according to another embodiment of the present invention.
도 11a는 일체형 절연체 전극 캡 타입의 플라즈마 발생 장치 측단면도,11A is a side cross-sectional view of the plasma generator of the integral insulator electrode cap type;
도 11b는 렌즈 및 소거 전극이 있는 일체형 절연체 전극 캡 타입의 플라즈마 발생 장치 측단면도.Fig. 11B is a side sectional view of the plasma generator of the integral insulator electrode cap type with a lens and an erasing electrode;
도 12a 및 도 12b는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 구멍이 있는 판형 전극에 일체형 절연체 전극 캡이 적용된 상태의 플라즈마 발생장치를 도시한 도면으로써,12A and 12B illustrate a plasma generating apparatus in which an integrated insulator electrode cap is applied to a hole-shaped plate electrode according to another embodiment of the present invention.
도 12a는 구멍이 있는 판형 전극에 일체형 절연체 전극 캡 타입의 플라즈마 발생 장치 측면의 단면도,12A is a cross-sectional view of a side surface of a plasma generator of an insulator electrode cap type integrated with a plate-shaped electrode with holes;
도 12b는 렌즈 및 소거 전극이 있는 구멍이 있는 판형 전극에 일체형 절연체 전극 캡 타입의 플라즈마 발생 장치 측면의 단면도.Fig. 12B is a sectional view of a side surface of the plasma generator of the insulator electrode cap type integral to the plate-shaped electrode with holes with lens and erase electrode;
도 13a 및 도 13b는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 개별 전압인가 튜브 타입 플라즈마 발생 장치도로써,13A and 13B are diagrams illustrating an individual voltage-applied tube type plasma generator according to still another embodiment of the present invention.
도 13a는 개별 전압인가 튜브 타입 플라즈마 발생 장치 측면의 단면도,13A is a sectional view of the side of an individual voltage-applied tube type plasma generator;
도 13b는 개별 전압인가 튜브 타입 플라즈마 발생 장치의 헤드 부분의 입체도.Fig. 13B is a three-dimensional view of the head portion of an individual voltage applying tube type plasma generator.
도 14a 및 도 14b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 개별 전압인가 튜브 타입 플라즈마 발생장치에 대한 고압 분배 장치도로써,14A and 14B are diagrams of a high pressure distribution apparatus for an individual voltage-applied tube type plasma generator according to still another embodiment of the present invention.
도 14a는 직류 고압 분배 장치도,14A is a DC high pressure distribution device diagram;
도 14b는 교류 고압 분배 장치도.14B is an alternating current high pressure distribution device.
도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 반응로가 있는 튜브형 전극에 의한 플라즈마 발생 장치 측면의 단면도.FIG. 15 is a cross-sectional view of a side surface of a plasma generating apparatus with a tubular electrode having a plasma reactor according to another embodiment of the present invention; FIG.
도 16a 및 도 16b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 동일평면형(coplanar) 상대전극 구조의 일체형 절연체 전극 캡 타입의 플라즈마 발생 장치도로써,16A and 16B are diagrams illustrating an integrated insulator electrode cap type plasma generating apparatus having a coplanar counter electrode structure according to another exemplary embodiment of the present invention.
도 16a는 동일평면형 상대전극이 노출된 일체형 절연체 전극 캡 타입의 플라즈마 발생 장치 측면의 단면도,FIG. 16A is a cross-sectional view of a side surface of the plasma generator of an integrated insulator electrode cap type in which a coplanar counter electrode is exposed; FIG.
도 16b는 동일평면형 상대전극이 유전체 내부에 잠긴 형태의 일체형 절연체 전극 캡 타입의 플라즈마 발생 장치 측면의 단면도.FIG. 16B is a cross-sectional view of a side surface of an integrated insulator electrode cap type plasma generator having a coplanar counter electrode submerged in a dielectric; FIG.
도 17a 및 도 17b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 동일평면형 상대전극 구조에 렌즈 및 소거 전극이 있는 일체형 절연체 전극 캡 타입의 플라즈마 발생 장치 측면의 단면도로써,17A and 17B are cross-sectional views of a side surface of an integrated insulator electrode cap type plasma generating apparatus having a lens and an erasing electrode in a coplanar counter electrode structure according to another embodiment of the present invention.
도 17a는 동일평면형 상대전극이 노출된 구조에 렌즈 및 소거 전극이 있는 일체형 절연체 전극 캡 타입의 플라즈마 발생 장치 측면의 단면도,17A is a cross-sectional view of a side surface of an integrated insulator electrode cap type plasma generator having a lens and an erase electrode in a structure in which a coplanar counter electrode is exposed;
도 17b는 동일평면형 상대전극이 유전체 내부에 잠긴 형태의 구조에 렌즈 및 소거 전극이 있는 일체형 절연체 전극 캡 타입의 플라즈마 발생 장치 측면의 단면도.FIG. 17B is a cross-sectional view of a side surface of an integrated insulator electrode cap type plasma generator having a lens and an erase electrode in a structure in which a coplanar counter electrode is immersed in a dielectric; FIG.
도 18a 및 도 18b는 가스 분출구를 갖는 동일평면형 전극 구조의 플라즈마 발생 장치도로써,18A and 18B are plasma generating device diagrams of a coplanar electrode structure having a gas outlet,
도 18a는 상대전극이 노출된 타입의 플라즈마 발생 장치 측면의 단면도,18A is a cross-sectional view of a side surface of a plasma generator of a type in which a counter electrode is exposed;
도 18b는 상대전극이 유전체 내부에 잠긴 타입의 플라즈마 발생 장치 측면의 단면도.Fig. 18B is a sectional view of the side of a plasma generator of a type in which a counter electrode is immersed inside a dielectric;
도 19a 내지 도 19c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 2종 가스 사용 타입의 플라즈마 발생 장치도로써,19A to 19C are diagrams of plasma generating apparatuses of two types of gas use according to still another embodiment of the present invention.
도 19a는 2종 가스 사용의 동일평면형 상대전극이 노출된 일체형 절연체 전극 캡 타입의 플라즈마 발생 장치의 측단면도,19A is a side cross-sectional view of a plasma generator of an integrated insulator electrode cap type in which a coplanar counter electrode using two kinds of gases is exposed;
도 19b는 2종 가스 사용의 동일평면형 상대전극이 노출된 구조에 렌즈 및 소거 전극이 있는 일체형 절연체 전극 캡 타입의 플라즈마 발생장치의 측단면도.Fig. 19B is a side cross-sectional view of the plasma generator of the integrated insulator electrode cap type having a lens and an erasing electrode in a structure in which a coplanar counter electrode using two kinds of gases is exposed;
도 19c는 2종 가스 사용의 상대전극이 노출된 타입의 플라즈마 발생 장치의 측단면도.Fig. 19C is a side sectional view of a plasma generator of the type in which a counter electrode using two gases is exposed;
<도면의 주요 부호에 대한 설명><Description of Major Symbols in Drawing>
11; 용기 12; 가스 주입관11; Container 12; Gas injection pipe
13; 튜브형 전극 13b; 렌즈 및 소거 전극13; Tubular electrode 13b; Lens and Elimination Electrode
14; 절연체 전극 캡 14b; 절연체 튜브14; Insulator electrode cap 14b; Insulator tube
15; 상대 전극 16; 시편15; Counter electrode 16; Psalter
17; 플라즈마 111; 용기17; Plasma 111; Vessel
114; 일체형 절연체 전극 캡 판 111b; 절연체 판114; Integral insulator electrode cap plate 111b; Insulator plate
121; 용기 123; 판형에 구멍이 있는 전극121; Container 123; Electrode with holes in plate
124; 판 형태의 절연체 전극 캡 121b; 렌즈 및 소거 전극 고정 판124; Insulator electrode cap 121b in the form of a plate; Lens and eliminating electrode fixing plate
131; 교류 전원 공급 장치 132; 고압 분배 장치131; AC power supply 132; High pressure distribution device
133; 전선 141; 고압 변압기133; Wire 141; High voltage transformer
142; 쵸크코일 143; 절연 오일142; Choke coil 143; Insulation oil
144; 고압 분배 장치 용기 145; 직류 정류기144; High pressure dispensing device vessel 145; DC rectifier
146; 축전기 151; 절연체 용기146; Capacitor 151; Insulator containers
152; 반응로 전극 153; 튜브형 전극을 고정시키는 금속 판152; Reactor electrode 153; Metal plate to fix the tubular electrode
154; 반응로 플라즈마 155; 전원 공급 장치154; Reactor plasma 155; Power supply
165; 동일 평면형 상대전극 168; 가스 분출 구멍165; Coplanar counter electrode 168; Gas jet hole
185; 상대전극 189; 판형 전극185; Counter electrode 189; Plate-shaped electrode
191: 다른 가스 주입관 192: 다른 가스용 용기191: other gas inlet tube 192: another gas container
193: 작업 가스 챔버 194: 다른 가스 챔버193: working gas chamber 194: another gas chamber
195: 다른 가스 전달 관 196: 다른 가스 분출 구멍195: different gas delivery tube 196: different gas ejection hole
197: 다른 가스 영역 198: 작업 가스 분출 구멍197: other gas zone 198: working gas blowing hole
D1: 튜브형 전극의 내경D1: inner diameter of tubular electrode
D2: 절연체 전극 캡의 열려진 구멍 직경D2: Open hole diameter of insulator electrode cap
D3: 렌즈 전극의 내경D3: inner diameter of lens electrode
A: 절연체 전극 캡의 안쪽 면A: Inner side of insulator electrode cap
L1: 튜브형 전극의 끝으로부터 전극 캡의 가장 작게 열려진 구멍 위치까지의 거리L1: Distance from the end of the tubular electrode to the position of the smallest open hole of the electrode cap
L2: 튜브형 전극의 내부의 노출된 전극 길이L2: Exposed electrode length inside the tubular electrode
L3: 튜브형 전극의 끝으로부터 렌즈 및 소거 전극까지의 거리L3: Distance from the end of the tubular electrode to the lens and the erasing electrode
L4: 렌즈 및 소거 전극의 두께L4: thickness of lens and erase electrode
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2002
- 2002-01-22 KR KR10-2002-0003583A patent/KR100493946B1/en not_active IP Right Cessation
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