KR100595764B1

KR100595764B1 - 플라즈마 중합장치의 가스 배출부

Info

Publication number: KR100595764B1
Application number: KR1020040113226A
Authority: KR
Inventors: 전현우; 정창일; 정영만
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2004-12-27
Filing date: 2004-12-27
Publication date: 2006-06-30

Abstract

본 발명은 플라즈마 중합장치의 가스 배출부에 관한 것으로, 가스 유입부와 다수의 가스 분출공이 있는 가스 배출부 본체와, 상기 가스 배출부 내부에 설치되는 히터, 및 상기 히터를 상기 가스 배출부 내부에 고정시키는 고정수단을 포함하여 구성되는 가스 배출부를 제공한다. 또한, 본 발명의 가스 배출부는 가스 배출부 본체 내부에 설치되며 다수의 분출공이 있는 제1가스분사 플레이트와, 상기 제1가스분사 플레이트 하부에 설치되어 상기 가스 배출부 본체의 하부면을 구성하며, 다수의 분출공이 있는 제2가스분사 플레이트를 포함할 수 있다.

플라즈마 중합, 반응 가스, 가스 배출부, 응축, 균일 분산

Description

플라즈마 중합장치의 가스 배출부{GAS OUTLET IN PLASMA POLYMERIZATION APPARATUS}

도 1은 일반적인 플라즈마 중합장치의 구조를 보인 개략도.

도 2a는 히터가 장착된 가스 배출부를 보인 모식도.

도 2b는 도 2a의 종단면도.

도 3은 본 발명의 플라즈마 중합장치의 구조를 보인 개략도.

도 4a는 본 발명에 따른 히터 내장형 가스 배출부를 보인 단면도.

도 4b는 도 4a의 AA선 종단면도.

도 5는 본 발명의 이중 분산 구조의 가스 배출부를 보인 단면도.

도 6a는 제1가스분산 플레이트를 보인 평면도.

도 6b는 제2가스분산 플레이트를 보인 평면도

*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***

70, 70':가스 배출부 71, 71':가스 배출부 본체

71a: 제2영역 71a':제1가스분산 플레이트

71b:제1영역 71b':제2가스분산 플레이트

72, 72a, 72b:분출공 73:히터

74:고정플레이트 75:체결볼트

본 발명은 플라즈마 중합장치의 가스 배출부에 관한 것으로, 반응 원료의 반응성을 향상시키고, 반응 원료를 반응 챔버로 균일하게 분산시킬 수 있는 개선된 가스 배출부를 제공한다.

금속이나 세라믹 재료의 표면을 개질하거나 코팅층을 형성하여 그 특성을 향상시키는 방법이 종래에 이용되어 왔다. 구체적으로 가스 또는 액상의 반응물을 진공 챔버 내에서 기판 표면에 화학적으로 증착시키거나, 타겟 물질에 에너지를 가하여 기판 상에 물리적으로 증착시키는 방법이 반도체 분야에서 주로 사용되었다. 또한, 이온빔을 이용하여 기판 표면을 개질시키는 방법도 개발되었으며, 최근에는 플라즈마를 이용하여 기판 표면에 코팅층을 형성하는 방법이 다양하게 제시되고 있다.

플라즈마를 이용한 표면처리는 금속이나 세라믹 또는 고분자 물질의 표면에 물리적 또는 화학적 특성이 뛰어난 코팅층을 형성함으로써 재료의 사용 가치를 향상시키는데 이용될 수 있다.

도 1은 플라즈마 중합장치의 일례를 도시한 것으로, 반응챔버(2)에 전극(6)이 대향되어 설치되어 있고, 전극 사이에 표면처리 대상인 기재(8)가 위치한다. 반응챔버(2)는 펌프(4)로 진공 상태가 유지되며, 상기 전극(4)에는 전원부(3)로부터 직류 고전압이나 RF 전압이 인가되어 가스공급부(5)로부터 반응챔버(2)로 도입되는 원료 가스 내지는 반응성 가스를 플라즈마 상태로 변화시킨다.

플라즈마 중합막을 형성하는데 있어서 중요한 요소의 하나로 반응챔버에 도입되는 원료의 상태를 들 수 있다. 예를 들어, 원료가 가스 상이 아닌 액상이거나 분말 상태이면 플라즈마로 변화되는데 문제가 생길 수 있다. 또한, 원료 가스의 고른 분산이 어려워 기재 표면에 형성되는 중합막의 품질이 떨어질 수 있고, 반응챔버 내에 중합에 따른 오염 물질의 발생이 현저해진다.

따라서, 가스 공급부로부터 반응챔버로 유입되는 가스에 열을 가하여 고온으로 유지시켜 반응성을 높이는 방안이 제안되었다. 뿐만 아니라, 반응챔버 내부에서 가스를 최종적으로 분사하는 가스 배출부에도 히터를 장착하여 반응 가스가 응축되는 일을 방지하였다.

도 2a를 참조하면, 저면에 다수의 분출공(7')이 형성되어 있는 가스 배출부(7)의 단면 구조가 도시되어 있으며, 가스 배출부 일측에 히터(9)가 부착되어 있는 것을 볼 수 있다. 상기 히터(9)는 예를 들어 봉상의 긴 막대 형태로 가스 배출부 외면에 부착되는데, 통상적으로는, 도 2b에 도시된 바와 같이, 접촉되는 면적이 크지 않으며 가스 배출부 외부로의 열 유출이 심하게 된다. 따라서 열전달 효율이 떨어져 반응 가스의 응축을 방지하는데 효과적이지 못하다.

특히, 히터가 반응 챔버 내부에서 반응 가스에 노출되므로 히터 표면에 오염이 발생될 가능성이 매우 크다. 또한, 히터를 일정 기간 사용하게 되면, 히터를 교체하여야 하는데 단순 부착된 히터의 교체는 용이하지 않다.

한편, 기존의 가스 배출부는 가스 분출공(7')이 일정 간격으로 형성되어 있 는데, 분출공의 간격에 상응하여 마치 샤워기에서 물이 분사되는 방식으로 반응챔버에 가스가 분사되기 때문에 플라즈마 중합막에 띠 모양의 무늬가 나타나는 등 코팅막의 품질이 좋지 못하였다.

따라서, 본 발명의 목적은 열전달 효율을 향상시키고 에너지 유출을 감소시켜 반응 원료의 응축을 막고 반응성을 크게 향상시킨 가스 배출부를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 히터의 교체가 용이한 개선된 구조의 가스 배출부를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 반응챔버로 공급되는 반응 원료가 더욱 균일하게 분사되도록 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1특징에 따르면, 가스 유입부와 다수의 가스 분출공이 있는 가스 배출부 본체와, 상기 가스 배출부 내부에 설치되는 히터, 및 상기 히터를 상기 가스 배출부 내부에 고정시키는 고정수단을 포함하여 구성되는 플라즈마 중합장치의 가스 배출부가 제공된다.

상기 가스 배출부 본체는 가스가 유동하는 제1영역과, 히터가 내장되는 제2영역으로 구획된다.

상기 고정수단은 상기 제2영역에서 히터 상부에 설치되는 고정플레이트와, 상기 고정플레이트를 상기 히터에 밀착시키는 조절수단을 포함하는 구성된다.

상기 가스 배출부 본체는 열전도성 물질로 형성되어 상기 제2영역에 설치된 히터로부터 발생된 열이 제1영역을 흐르는 가스에 신속히 전달되도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 제2특징에 따르면, 가스 유입부가 있는 가스 배출부 본체와, 상기 가스 배출부 본체 내부에 설치되며 다수의 분출공이 있는 제1가스분사 플레이트와, 상기 제1가스분사 플레이트 하부에 설치되어 상기 가스 배출부 본체의 하부면을 구성하며, 다수의 분출공이 있는 제2가스분사 플레이트를 포함하여 구성되는 플라즈마 중합장치의 가스 배출부가 제공된다.

상기 제1가스분사 플레이트와 제2가스분사 플레이트는 분출공의 형성 위치, 분출공의 수, 또는 분출공의 크기가 서로 다르게 형성하는 것이 바람직하다.

이와 같은 기술적 구성을 갖는 본 발명의 가스 배출부는 반응챔버에 공급되는 반응 원료를 안정적인 가스상으로 유지시킬 수 있으며, 따라서 반응챔버 내에서 반응 원료의 반응성을 크게 향상시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 반응챔버 내로 공급되는 반응 원료의 분산이 균일하게 되어, 예를 들어 기재 표면에 코팅막을 형성하는 경우 고품질의 코팅막을 형성하는 등, 플라즈마 중합처리 효과를 극대화시킬 수 있다.

이하에서는 도면을 참조하며 실시예를 통하여 본 발명의 특징적 구성 및 작용을 더욱 구체적으로 설명한다.

먼저, 본 발명이 관련되는 플라즈마 중합장치에 대하여 도 3을 참조하여 개략적으로 설명한다. 플라즈마 중합장치는 진공으로 유지되며 내부에 플라즈마가 형 성될 수 있는 반응챔버와, 상기 반응챔버 내로 반응성 가스, 기상 전구체, 또는 캐리어 가스 등을 도입하는 가스 공급 시스템으로 이루어진다.

반응챔버(12)에는 챔버 내에 진공을 형성하기 위한 진공펌프(14)가 연결되어 있고, 상하 혹은 좌우 양면으로 설치된 전극(16) 사이로 중합 처리 대상인 기재(예를 들면, 금속 쉬트)(18)가 공급된다. 전원공급장치(13)로부터 상기 전극(16)에 전원이 인가되면, 반응챔버(12) 내부로 공급된 가스들이 상기 전극(16) 사이에서 플라즈마 상태로 변화된다. 플라즈마 상태의 가스들은 기재(18) 표면에 중합되어 화합물 박막이 코팅된다.

반응챔버(12)에 공급되는 가스는 형성하려는 중합막의 특성에 따라 여러가지 종류가 사용될 수 있다. 예를 들어, 산소, 질소 등의 반응성 가스가 반응성 가스 봄베(20)로부터 밸브(22)를 거쳐 배관(60)을 통해 상기 반응챔버(12) 내로 도입된다. 또한, 또 다른 반응성 가스로서, 가압부(32)에 의해 가압되고 있는 저장용기(30)내에 수용되어 있는 액체 상태의 전구체가 질량유량계(mass flow controller)(38)를 통해 압력차에 의해 기화기(40)로 도입되고, 기화기(40)를 거쳐 기화된 기상 전구체가 반응챔버(12)내로 도입된다. 34 및 36은 각각 밸브를 나타낸다.

질량유량계(38)와 기화기(40) 사이의 배관(66)으로, 바람직하게는 헬륨(He)이나 아르곤(Ar) 또는 질소(N₂)가 될 수 있는 캐리어 가스가 도입되어 상기 기상 전구체가 반응챔버(12)내로 도입되는 것을 돕는다. 이들 캐리어 가스는 캐리어 가스 봄베(50)내에 수용되어 있고, 별도의 밸브(52)를 통해 배관(66) 내로 도입된다. 기화기(40)는 액상 티타늄 전구체를 가열하여 기화시킬 수 있도록 히터 코일(42)이 주위를 감싸져 설치되는 구조를 갖는다.

이와 같은 구조의 플라즈마 중합장치에서, 상기 반응챔버(12) 내부로 바람직하게는 공기나 산소(O₂)가 될 수 있는 반응성 가스, 기상 전구체 (예를 들어, 티타늄 전구체 또는 실리콘 전구체) 및 캐리어 가스를 도입하여 플라즈마 중합 반응에 의해 기재(18)에 나노 플라즈마 코팅층을 형성할 수 있다.

기상 전구체의 반응챔버 내부로의 도입량은 상기 기화기(40)로 도입되는 상기 액상 전구체, 예를 들어 티타늄 전구체로서, 액상 티타늄테트라이소프로폭사이드의 양을 조절함으로써 제어된다.

이때, 상기 반응성 가스, 기상 티타늄 전구체 및 캐리어 가스는 도면에 보인 바와 같이 반응챔버(12) 외부에서 합지되어 하나의 배관(60)을 통해 상기 반응챔버(12) 내부로 도입될 수도 있고, 아니면 별도의 배관을 통해 상기 반응챔버(12) 내부로 도입된 후, 반응챔버(12) 내부에서 하나의 배관으로 합지될 수도 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 합지 배관(60)이 반응챔버(12)의 일측 구멍을 통해 도입되는 형상으로 나타나 있으나, 상기 배관(60)을 통해 도입되는 혼합 가스를 코팅되는 기재(18)의 직상 및 직하로 토출시키기 위해 바람직하게는 상기 배관(60)의 출구, 즉 가스 배출부(70)가 상기 시료(18)의 상,하면에 근접되어 형성되는 것이 좋다.

제2반응성 가스로서, 저온에서 응축이 쉬운 기상 전구체를 사용하는 경우, 상기 배관(60)이 상온으로 유지되면 배관(60) 내벽에 기상 전구체가 응축하기 때문에 이를 방지하기 위하여 상기 기상 전구체 가스가 흐르는 배관의 외벽에 열선(64)을 감아서 일정 온도 이상으로 유지시켜 주는 것이 좋다. 이것은 액상 전구체가 흐르는 영역의 배관(66)에서도 마찬가지이다. 상기 배관(66)의 외벽에도 열선(68)을 감아서 일정 온도 이상으로 유지시켜 배관(66) 내벽에 액상 전구체가 응축하는 것을 막는다.

최종적으로 반응챔버(12) 내부로 공급되는 반응 원료는 상기 가스 배출부(70) 내부에서 응축되어서는 안되며 안정한 가스상을 유지하여야 한다. 이를 위하여 본 발명에서는 개선된 가스 배출부 구조를 제안한다.

히터 내장 가스 배출부

도 4a 및 4b를 참조하면, 가스 배출부(70) 내부에 히터(73)가 내장되어 있는 새로운 구조를 볼 수 있다.

상기 가스 배출부(70)는 가스가 유입되는 부와 다수의 가스 분출공(72)이 있는 가스 배출부 본체(71)와, 상기 가스 배출부 내부에 설치되는 히터(73), 및 상기 히터를 상기 가스 배출부 내부에 고정시키는 고정수단을 포함하고 있다. 상기 히터(73)는 봉상의 형태로서 가스 배출부 본체(71) 내부 중앙에 길이 방향으로 설치되어 있다.

상기 고정수단으로는 상기 히터(73) 상부에 설치되어 히터와 밀착하는 고정플레이트(74)와 상기 고정플레이트(74)를 상기 히터(73)에 밀착시키는 조절수단으 로서 체결볼트(75)로 구성된다. 상기 고정플레이트(74)는 체결볼트(75)에 의하여 히터(73)에 밀착됨으로써 히터(73)의 위치가 가변되지 않고 일정하도록 하는 동시에, 히터(73)가 가스 배출부 본체 내벽에 접촉하여 열전달이 원할하도록 한다.

상기 체결볼트(75) 대신 다른 탄성부재를 상기 고정플레이트(74) 상면에 위치시켜 히터(73)와 밀착되도록 할 수도 있을 것이다.

도 4a 및 4b에 도시된 바에 따르면, 상기 가스 배출부 본체(71)는 가스상의 반응 원료가 이동하는 제1영역(71b)과, 히터가 내장되는 제2영역(71a)으로 구획되어 있는 것을 볼 수 있다. 이와 같이 가스 배출부 내부를 두 영역으로 구획함으로써 히터가 내장되는 영역에 반응 원료가 침투하여 히터 외면을 오염시킴으로써 발열 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 히터의 교체가 필요할 경우, 반응 원료가 이동하는 영역에 아무런 영향없이, 예를 들어, 히터 교체시 반응 원료가 이동하는 통로에 오염물질을 남기는 일 없이, 상기 고정수단을 해체하여 사용된 히터 만을 제거할 수 있다.

상기 가스 배출부 본체(71) 및 고정플레이트(74)는 열전달이 우수한 금속 재질로 형성하여, 상기 제2영역에 설치된 히터로부터 발생된 열이 제1영역을 흐르는 가스에 신속히 전달되도록 하는 것이 바람직하다. 이와 같이 본 발명에서는 히터(73)가 가스 배출부 내부에 설치되므로 열의 외부 유출을 방지할 수 있고, 따라서 반응 원료에 더 많은 열을 전달할 수 있어, 반응 원료가 안정한 가스상으로 반응 챔버에 공급될 수 있다.

히터는 오랫 동안 사용하게 되면 발열 특성이 떨어져 교체의 필요가 있다. 히터를 교체할 경우에는 먼저 체결볼트(75)를 풀어 히터(73)와 밀착되어 있는 고정플레이트(74)를 제2영역(71a)으로부터 제거하고, 그 다음 히터를 꺼낸다. 새로운 히터를 가스 배출부에 내장하는 경우에는 상기 순서의 역순으로 진행하여 히터가 가스 배출부 내부에 고정적으로 위치하도록 한다. 이와 같은 과정에서 반응 원료가 이동하는 제1영역(71b)이 상기 제2영역(71a)과 구별되어 있으므로 오염 물질이 제1영역(71b)에 침투하는 것이 원천적으로 방지된다.

이중 분사 구조

본 발명은 또한 반응챔버로 공급되는 가스상의 반응 원료가 균일하고 고르게 분사되도록 한다.

도 5를 참조하면, 가스 배출부(70')에 두 개의 분사부가 형성되어 있는 것을 볼 수 있다. 가스 유입부가 있는 가스 배출부 본체(71') 내부에는 다수의 분출공(72a)이 있는 제1가스분사 플레이트(71a')가 설치되어 있다. 상기 제1가스분사 플레이트(71a') 하부에는 일정한 간격을 유지하면서, 다수의 분출공(72b)이 있는 제2가스분사 플레이트(71b')가 상기 가스 배출부 본체의 하부면을 구성하고 있다. 이와 같이 이중 분산 구조를 형성함으로써 가스 배출부(70') 내부로 유입된 반응 원료가 특정 영역에만 (예를 들어, 가스 배출부의 중앙부에만) 과도하게 집중되지 않고, 가스 배출부 내부에서 이미 고르게 반응 원료가 분산되며, 최종적으로 반응챔버 내부로 반응 원료가 더욱 균일하게 공급된다.

상기 제1가스분사 플레이트(71a')와 제2가스분사 플레이트(71b')는 분출공의 형성 위치, 분출공의 수, 또는 분출공의 크기가 서로 다르게 형성하는 것이 바람직 하다.

예를 들어, 도 6a 및 6b를 참조하면, 제1가스분사 플레이트(71a')의 분출공(72a)은 간격을 두고 비교적 적은 수로 형성하고, 제2가스분사 플레이트(71b')는 좀더 촘촘하게 작은 간격으로 많은 수의 분출공(72b)을 형성한다. 이러한 구조에서는, 반응 원료가 제1가스분사 플레이트(71a')를 통과하기가 비교적 용이하면서 제2가스분사 플레이트(71b') 전체 면적에 대하여 고른 분포로 공급될 수 있다. 또한, 제2가스분사 플레이트(71b')는 직경이 작은 다수의 분출공(72b)이 형성되어 있으므로 반응챔버에 공급되는 가스상의 반응 원료가 더욱 균일하게 공급된다. 따라서, 피처리 대상물에 띠 모양의 무늬를 형성하는 것을 방지할 수 있다.

경우에 따라서는 제1가스분사 플레이트(71a')의 분출공(72a)의 간격과 제2가스분사 플레이트(71b')의 분출공(72b)의 간격을 동일하게 한 채, 각각의 크기만 다르게 형성하는 것도 가능할 것이다.

이와 같은 이중 분사 구조는 앞서 설명한 히터 내장 가스 배출부에 함께 적용할 수 있으며, 그 결과 반응 원료의 반응성 향상 및 균일한 분산이 동시에 가능하게 된다.

본 발명에 따르면, 가스 배출부를 통하여 반응챔버로 공급되는 반응 원료의 반응성을 더욱 향상시킬 수 있다. 또한, 가스 배출부에 내장되는 히터의 설치 및 파손시 교체가 용이하며, 히터에 오염이 발생하지 않아 히터의 수명이 연장되고 발열 특성도 우수하게 유지할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 반응챔버로 공급되는 가스상의 반응 원료가 더욱 균일하게 공급되므로, 플라즈마 중합처리의 신뢰성을 더욱 향상시킬 수 있다.

본 발명에 따른 가스 배출부는 플라즈마 중합장치 뿐만 아니라, 반응 원료를 챔버 내부로 도입하여 기재에 표면 처리를 수행하는 다른 장치들에도 효과적으로 적용될 수 있다.

Claims

가스 유입부와 다수의 가스 분출공이 있는 가스 배출부 본체와,

상기 가스 배출부 내부에 설치되는 히터, 및

상기 히터를 상기 가스 배출부 내부에 고정시키는 고정수단을 포함하여 구성되는

플라즈마 중합장치의 가스 배출부.
제1항에 있어서, 상기 가스 배출부는 가스가 유동하는 제1영역과, 히터가 내장되는 제2영역을 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 중합장치의 가스 배출부.
제2항에 있어서, 상기 고정수단은 상기 제2영역에서 히터 상부에 설치되는 고정플레이트와, 상기 고정플레이트를 상기 히터에 밀착시키는 조절수단을 포함하는 플라즈마 중합장치의 가스 배출부.
제1항에 있어서, 상기 가스 배출부 본체는 열전도성 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 중합장치의 가스 배출부.
제1항에 있어서, 상기 가스 배출부는 다수의 분출공이 있는 제1가스분사 플레이트 및 제2가스분사 플레이트를 포함하는 플라즈마 중합장치의 가스 배출부.
가스 유입부가 있는 가스 배출부 본체와,

상기 가스 배출부 본체 내부에 설치되며 다수의 분출공이 있는 제1가스분사 플레이트와,

상기 제1가스분사 플레이트 하부에 설치되어 상기 가스 배출부 본체의 하부면을 구성하며, 다수의 분출공이 있는 제2가스분사 플레이트를 포함하여 구성되는

플라즈마 중합장치의 가스 배출부.
제6항에 있어서, 상기 제2가스분사 플레이트와 제1가스분사 플레이트는 분출공의 형성 위치가 서로 다른 것을 특징으로 하는 플라즈마 중합장치의 가스 배출부.
제6항에 있어서, 상기 제2가스분사 플레이트와 제1가스분사 플레이트는 분출공의 수가 서로 다른 것을 특징으로 하는 플라즈마 중합장치의 가스 배출부.
제6항에 있어서, 상기 제2가스분사 플레이트와 제1가스분사 플레이트는 분출공의 크기가 서로 다른 것을 특징으로 하는 플라즈마 중합장치의 가스 배출부.