KR100761688B1 - 다중 배열된 방전실을 갖는 플라즈마 반응기 및 이를이용한 대기압 플라즈마 처리 시스템 - Google Patents

Abstract

여기에 다중 배열된 방전실을 갖는 플라즈마 반응기 및 이를 이용한 대기압 플라즈마 처리 시스템이 게시된다. 플라즈마 반응기는 병렬로 배열된 다수의 방전실을 갖는 반응기 몸체를 구비한다. 다수의 방전실에는 길이 방향을 따라 가로질러서 마그네틱 코어가 설치되며, 마그네틱 코어에는 일차 권선이 감겨 변압기를 구성한다. 반응기 몸체는 플라즈마를 출력하기 위하여 각 방전실을 따라서 전면으로 개구된 다수의 플라즈마 분사 슬릿을 갖는다. 반응기 몸체의 배면으로는 방전실로 가스를 공급하기 위한 가스 공급부가 설치된다. 플라즈마 반응기는 대면적의 플라즈마를 고밀도로 균일하게 발생할 수 있다. 방전실의 개수와 길이를 증가하는 것으로 원하는 형태의 대면적의 플라즈마를 얻도록 확장이 용이하다. 또한, 플라즈마 반응기의 구조를 매우 얇게 구성할 수 있어서 대기압 플라즈마 처리 시스템을 구성함에 있어서 설비의 면적을 최소화 할 수 있다.

유도 결합, 용량 결합, 플라즈마, 대기압

Description

다중 배열된 방전실을 갖는 플라즈마 반응기 및 이를 이용한 대기압 플라즈마 처리 시스템{PLASMA REACTOR WITH MULTI ARRAYED DISCHARGING CHAMBER AND ATMOSPHERIC PRESSURE PLASMA PROCESSING SYSTEM USING THE SAME}

본 발명의 상세한 설명에서 사용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여, 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마 반응기의 정면 및 배면 사시도이다.

도 3a 및 도 3b는 일체형 마그네틱 코어와 분리형 마그네틱 코어의 예를 보여주는 도면이다.

도 4a 및 도 4b는 제1 전원 공급원과 일차 권선의 전기적 연결 구조를 예시한 도면이다.

도 5는 반응기 몸체와 마그네틱 코어 그리고 코어 보호 튜브의 분해 사시도이다.

도 6은 방전실에 장착된 마그네틱 코어, 코어 보호 튜브 그리고 냉각 채널의 장착 구조를 보여주기 위한 반응기 몸체의 부분 절개 사시도이다.

도 7은 마그네틱 코어를 따라서 설치된 냉각 채널의 일 예를 보여주는 도면이다.

도 8은 플라즈마 반응기의 단면도 및 방전실의 부분 확대도이다.

도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 플라즈마 반응기의 분해 사시도이다.

도 10 및 도 11은 다중 방전실에 장착된 마그네틱 코어, 코어 보호 튜브, 냉각수 공급관 그리고 일차 권선의 장착 구조를 보여주기 위한 다중 방전실의 부분 절개 사시도 및 단면도이다.

도 12a 내지 도 12c는 제1 전원 공급원과 일차 권선의 전기적 연결 구조를 예시한 도면이다.

도 13은 본 발명의 제3 실시예에 따른 플라즈마 반응기의 분해 사시도이다.

도 14a 내지 도 14c는 제1 및 제2 전원 공급원과 일차 권선의 전기적 연결 방식을 보여주는 도면이다.

도 15는 본 발명의 제4 실시예에 따른 대기압 플라즈마 처리 시스템의 개략적인 구성도이다.

도 16a 내지 도 16c는 대기압 플라즈마 처리 시스템에서 이루어지는 피처리 기판의 전달 과정을 순차적으로 보여주는 도면이다.

도 17은 선입 후출 구조를 갖도록 구성된 기판 처리 시스템의 개략적인 구성도이다.

도 18은 대기압 처리부에 정전척이 구비된 예를 보여주는 도면이다.

도 19a 및 도 19b는 플라즈마 반응기를 수평 배치한 예를 보여주는 도면이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

100: 플라즈마 반응기 110: 반응기 몸체

111: 플라즈마 분사 슬릿 113: 가스 주입구

114: 방전실 117: 방전 분리 격벽

120: 변압기 121: 마그네틱 코어

122: 일차 권선 150: 가스 공급부

본 발명은 플라즈마 반응기에 관한 것으로, 구체적으로는 대면적으로 확장이 용이하며 고밀도의 플라즈마를 균일하게 얻을 수 있는 다중 배열된 방전실을 갖는 플라즈마 반응기 및 이를 이용한 대기압 플라즈마 처리 시스템에 관한 것이다.

플라즈마 방전은 이온, 자유 라디컬, 원자, 분자를 포함하는 활성 가스를 발생하기 위한 가스 여기에 사용되고 있다. 활성 가스는 다양한 분야에서 널리 사용되고 있으며 대표적으로 반도체 제조 공정 예들 들어, 식각, 증착, 세정 등 다양하게 사용된다. 최근 반도체 제조 산업에서는 반도체 소자의 초미세화, 반도체 회로를 제조하기 위한 웨이퍼 기판의 대형화, 액정 디스플레이를 제조하기 위한 유리 기판의 대형화 그리고 새로운 처리 대상 물질 등장 등의 여러 요인으로 인하여 더욱 대면적의 피처리물을 처리할 수 있는 향상된 기판 처리 기술과 플라즈마 소스가 요구되고 있다.

일반적으로, 고밀도의 플라즈마를 얻기 위한 기술로는 유도 결합 플라즈마 소스가 일반적으로 사용되고 있다. 유도 결합 플라즈마 소스의 하나로 무선 안테나를 사용한 방식이 있다. 무선 안테나는 나선형 타입 안테나(spiral type antenna) 또는 실린더 타입의 안테나(cylinder type antenna)가 일반적으로 사용된다. 무선 안테나는 플라즈마 반응기의 외부에 배치되며, 유전체 위도우를 통하여 플라즈마 반응기의 내부로 유도 기전력을 전달한다.

무선 안테나를 사용한 방식의 유도 결합 플라즈마는 고밀도의 플라즈마를 비교적 손쉽게 안테나의 구조적 특징에 따라서 플라즈마 균일도가 영향을 받는다. 그럼으로 무선 안테나의 구조를 개선하여 균일한 고밀도의 플라즈마를 얻기 위해 노력하고 있다. 그러나 대면적의 플라즈마를 얻기 위하여 안테나의 구조를 넓게 하거나 안테나에 공급되는 전력을 높이는 것은 정상파 효과(standing wave effect)에 의해 방사선상으로 비균일한 플라즈마를 발생하게 하는 것으로 알려져 있다.

또한, 안테나에 높은 전력이 인가되는 경우 무선 안테나의 용량성 결합(capacitive coupling)이 증가하게 됨으로 유전체 윈도우를 두껍게 해야 하며, 이로 인하여 무선 안테나와 플라즈마 사이의 거리가 증가함으로 전력 전달 효율이 낮아지는 문제점이 발생된다.

한편, 유도 결합 플라즈마 소스의 다른 타입으로는 마그네틱 코어와 일차 권선을 갖는 변압기를 구비한 플라즈마 반응기가 있다. 이 플라즈마 반응기의 내부에 유도되는 플라즈마는 실질적으로 변압기의 이차 회로를 완성한다. 플라즈마 반응기에 변압기를 장착하기 위하여 외부 방전관을 두거나 또는 플라즈마 반응기의 내부에 마그네틱 코어를 내장하고 있다. 이러한 구조의 유도 결합 플라즈마 소스 는 대면적의 플라즈마 얻기 위하여 단순히 변압기가 결합되는 외부 방전관의 개수를 증가하거나 내장 마그네틱 코어의 개수를 증가하는 것으로는 균일한 플라즈마를 얻기 어렵다.

이와 같이, 반도체 장치를 제조하기 위한 실리콘 웨이퍼의 대형화뿐만 아니라 액정 디스플레이를 재조하기 위한 유리 기판의 경우 그 면적이 초대형 사이즈로 증가되고 있어서 이에 적합한 플라즈마 반응기가 요구되고 있으며, 대기압에서 대먼적의 피처리물을 플라즈마 처리할 수 있는 대기압 플라즈마 처리 시스템이 요구되고 있다.

따라서 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 대면적으로 확장이 용이하고, 대면적의 플라즈마를 균일하게 얻을 수 있는 다중 배열된 방전실을 갖는 플라즈마 반응기 및 이를 이용한 대기압 플라즈마 처리 시스템을 제공하는데 있다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일면은 플라즈마 반응기에 관한 것이다. 본 발명의 플라즈마 반응기는: 다수의 방전실을 갖는 반응기 몸체; 다수의 방전실을 따라서 반응기 몸체에 형성된 플라즈마 분사 슬릿; 다수의 방전실에 결합되는 마그네틱 코어 및 일차 권선을 갖는 변압기; 방전실의 내부에서 마그네틱 코어를 감싸 보호하는 코어 보호 튜브; 및 일차 권선에 전기적으로 연결되는 제1 전원 공급원을 포함하며, 제1 전원 공급원에 의해 일차 권선의 전류가 구동되고, 일차 권선의 구동 전류는 변압기의 이차 회로를 완성하여 유도 결합된 플라즈마를 다수의 방전실에 각기 형성하는 다수의 방전실 내측의 AC 전위(AC potential)를 유도하며, 유도 결합된 플라즈마는 코어 보호 튜브의 외측을 감싸도록 다수의 방전실에 각기 형성된다.

일 실시예에 있어서, 반응기 몸체는 금속 물질을 포함한다.

일 실시예에 있어서, 반응기 몸체는 전기적 절연 물질을 포함한다.

일 실시예에 있어서, 다수의 방전실은 각각의 내측에 설치되어 방전실 내부를 둘 이상의 방전 영역으로 구획하는 방전 분리 격벽을 포함한다.

일 실시예에 있어서, 마그네틱 코어는 일체화된 다중 루프 타입의 마그네틱 코어를 포함한다.

일 실시예에 있어서, 마그네틱 코어는 하나 이상의 단일 루프 마그네틱 코어를 포함한다.

일 실시예에 있어서, 일차 권선은 마그네틱 코어에 감겨지는 다수의 권선 코일을 포함하고, 다수의 권선 코일은 제1 전원 공급원에 직렬, 병렬, 또는 직렬/병렬 혼합 방식 중 어느 하나로 전기적인 연결을 갖는다.

일 실시예에 있어서, 다수의 권선 코일은 방전실의 내부에 위치하는 마그네틱 코어 부분을 감싸는 관형의 전도성 부재로 구성되며, 관형의 전도성 부재는 부분적으로 전기적 절연 물질을 포함한다.

일 실시예에 있어서, 반응기 몸체는 전기적으로 접지된다.

일 실시예에 있어서, 다수의 방전실의 각각의 내부에 위치되는 용량 결합 전 극을 포함한다.

일 실시예에 있어서, 용량 결합 전극은 마그네틱 코어 부분을 전체적으로 감싸는 관형의 전도성 부재로 구성되며, 관형의 전도성 부재는 부분적으로 절연 영역을 포함한다.

일 실시예에 있어서, 용량 결합 전극에 전기적으로 연결되는 제2 전원 공급원을 포함한다.

일 실시예에 있어서, 제1 전원 공급원으로부터 전원을 입력 받아서 일차 권선과 용량 결합 전극으로 전원을 분할하여 공급하는 전원 분할부를 포함한다.

일 실시예에 있어서, 코어 보호 튜브는 전기적 절연 물질을 포함한다.

일 실시예에 있어서, 코어 보호 튜브는 금속 물질과 전기적 불연속성을 형성하기 위한 전기적 절연 물질을 포함한다.

일 실시예에 있어서, 반응기 몸체는 냉각 채널을 포함한다.

일 실시예에 있어서, 마그네틱 코어는 중심부가 중공을 이루고, 마그네틱 코어의 중공 영역으로 설치되는 냉각 채널을 포함한다.

일 실시예에 있어서, 마그네틱 코어의 외부를 감싸도록 설치되는 냉각 채널을 포함한다.

일 실시예에 있어서, 반응기 몸체는 다수의 방전실로 개구된 다수의 가스 주입구를 포함하고, 다수의 가스 입구로 가스를 분배 공급하기 위한 가스 공급부를 포함한다.

본 발명의 다른 일면은 대기압 플라즈마 처리 시스템에 관한 것이다. 본 발 명의 대기압 플라즈마 처리 시스템은: 다수의 방전실을 갖는 반응기 몸체, 다수의 방전실을 따라 반응기 몸체에 형성된 플라즈마 분사 슬릿, 다수의 방전실에 결합된 마그네틱 코어 및 일차 권선을 갖는 변압기, 일차 권선에 전기적으로 연결되는 전원 공급원을 포함하는 플라즈마 반응기; 플라즈마 반응기가 설치되고, 플라즈마 분사 슬릿을 통해 분사되는 플라즈마에 의해 대기압 상태에서 피처리물에 대하여 플라즈마 처리가 이루어지는 대기압 처리부; 피처리물이 대기하는 제1 피처리물 대기부; 및 피처리물 대기부와 대기압 처리부 사이에서 피처리물을 반송하는 제1 반송부를 포함한다.

일 실시예에 있어서, 플라즈마 반응기는 플라즈마 분사 슬릿이 피처리물에 대향되어 수직으로 설치되며, 피처리물은 대기압 처리부로 수직으로 입력된다.

일 실시예에 있어서, 플라즈마 반응기는 플라즈마 분사 슬릿이 피처리물에 대향되어 수평으로 설치되며, 피처리물은 대기압 처리부로 수평으로 입력된다.

일 실시예에 있어서, 제1 반송부는 피처리물 대기부와 대기압 처리부 사이에서 피처리물을 반송하되 피처리물의 상태를 수평-수직/수직-수평 전환시키는 제1 반송 로봇을 포함한다.

일 실시예에 있어서, 대기압 처리부는 피처리물을 전후로 이송하는 이송 수단을 포함한다.

일 실시예에 있어서, 대기압 처리부는 피처리물의 예열을 위한 예열 수단을 포함한다.

일 실시예에 있어서, 대기압 처리부는 피처리물을 플라즈마 반응기의 대향된 위치에서 피처리물을 고정시켜는 고정 수단을 포함한다.

일 실시예에 있어서, 대기압 처리부에서 처리된 피처리물이 대기하는 제2 피처리물 대기부; 및

대기압 처리부와 다른 피처리물 대기부 사이에서 피처리물을 반송하는 제2 반송부를 포함한다.

일 실시예에 있어서, 제2 반송부는 피처리물 대기부와 대기압 처리부 사이에서 피처리물을 반송하되 피처리물의 상태를 수평-수직/수직-수평 전환시키는 제2 반송 로봇을 포함한다.

본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예로 인해 한정되어 지는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이다. 각 도면을 이해함에 있어서, 동일한 부재는 가능한 한 동일한 참조부호로 도시하고자 함에 유의하여야 한다. 그리고 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.

(실시예)

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명의 다중 배열된 방전실을 갖는 플라즈마 반응기 및 이를 이용한 대기압 플라즈마 처리 시스템을 상세히 설명한다. 상기 도면들에서 동일한 기능을 수행하 는 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 번호를 병기한다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마 반응기의 정면 및 배면 사시도이다. 도 1 및 도 2를 참조하여, 플라즈마 반응기(100)는 병렬로 배열된 다수의 방전실(114)을 갖는 반응기 몸체(110)를 구비한다. 반응기 몸체(110)는 플라즈마를 출력하기 위하여 각 방전실(114)을 따라서 전면으로 개구된 다수의 플라즈마 분사 슬릿(111)을 갖는다. 반응기 몸체(110)의 배면으로는 방전실(114)로 가스를 공급하기 위한 가스 공급부(150)가 설치된다. 가스 공급부(150)에는 가스 소스(미도시)에 연결되는 가스 입구(151)가 구비된다.

반응기 몸체(110)는 수직으로 세워진 사각 블록 형상을 갖는다. 반응기 몸체(110)의 형상은 피처리 작업물의 형태에 따라 다른 형상으로 제작이 가능하다. 예를 들어, 원반형의 피처리 작업물을 처리하기 위하여 다수의 방전실(114)의 길이를 서로 다르게 하여 전체적으로 원형을 이루도록 변형 제작될 수 있다.

반응기 몸체(110)에는 다수의 방전실(114)이 일단에서 타단까지 이르도록 수직으로 나란히 병렬 배열되어 형성된다. 이 실시예에서 방전실(114)을 여덟 개로 예시하고 있으나 그 이상 또는 그보다 적은 개수로 구성이 가능하다. 즉, 방전실(114)의 길이와 개수는 피처리 대상물의 처리 면적에 따라 증가 또는 감소될 수 있다. 그리고 최소한 단 하나 또는 두 개의 방전실(114) 만으로도 플라즈마 반응기(100)를 구성할 수 있다.

반응기 몸체(110)는 알루미늄, 스테인리스, 구리와 같은 금속 물질로 재작된다. 또는 코팅된 금속 예를 들어, 양극 처리된 알루미늄이나 니켈 도금된 알루미 늄으로 재작될 수 있다. 또는 내화 금속(refractory metal)로 재작될 수 있다. 또 다른 대안으로 반응기 몸체(110)를 전체적으로 석영, 세라믹과 같은 전기적 절연 물질로 재작하는 것도 가능하며, 의도된 플라즈마 프로세스가 수행되기에 적합한 다른 물질로도 재작될 수 있다.

도 3a 및 도 3b는 일체형 마그네틱 코어와 분리형 마그네틱 코어의 예를 보여주는 도면이다.

도 3a에 도시된 바와 같이, 다수의 방전실(114)에는 길이 방향을 따라 가로질러서 마그네틱 코어(121)가 설치되며, 마그네틱 코어(121)에는 일차 권선(122)이 감겨 변압기(120)를 구성한다. 마그네틱 코어(121)는 페라이트물질로 제작되지만 철, 공기와 같은 다른 대안의 재료로 구성될 수도 있다. 마그네틱 코어(121)는 다수의 방전실(112)에 전체적으로 공유되는 다중 루프 타입으로 구성된다. 또는 도 3b에 도시된 바와 같이, 두 개의 방전실(114)에 공유되는 단일 루프 타입으로 구성될 수도 있다. 또는 하나의 방전실(114)에 하나의 단일 루프 타입의 마그네틱 코어가 장착될 수도 있다.

마그네틱 코어(121)는 방전실(114)에 대부분이 위치되며, 일부분이 방전실(114)의 외부로 노출된다. 노출된 일부분에는 일차 권선(122)이 감겨 진다. 일차 권선(122)은 마그네틱 코어(121)의 각 루프 마다 각기 감겨진 다수의 권선 코일로 구성된다. 또는 다수의 루프에서 하나 건너씩 권선 코일이 감겨질 수도 있다. 그리고 다수의 권선 코일은 마그네틱 코어(122)의 각 루프를 따라서 형성되는 자속의 방향이 서로 충돌되지 않는 권선 방향으로 감겨진다.

도 4a 및 도 4b는 제1 전원 공급원과 일차 권선의 직렬 및 병렬 연결 구조를 예시한 도면이다. 먼저, 도 4a 도시된 바와 같이, 일차 권선(122)을 구성하는 다수의 권선 코일들은 제1 전원 공급원(140)에 직렬로 연결될 수 있다. 또는 도 4b에 도시된 바와 같이, 마그네틱 코어(121)의 상단과 하단의 권선 코일들 제1 전원 공급원(140)에 병렬로 연결되고, 상단과 하단의 각각의 권선 코일들은 직렬로 연결되는 직렬/병렬 혼합 방식으로 연결될 수 있다. 이와 같이, 다수의 권선 코일들은 직렬, 병렬, 직렬/병렬 혼합 방식과 같은 다양한 전기적 연결 방식 중에서 선택될 수 있다.

제1 전원 공급원(140)은 RF 전원을 공급하는 교류 전원 공급원이다. 도면에는 미도시 되었으나, 제1 전원 공급원(140)의 출력단에는 임피던스 정합을 위한 임피던스 정합기가 구비될 수 있다. 그러나 별도의 임피던스 정합기 없이 출력 전압의 제어가 가능한 RF 전원 공급원을 사용하여 구성할 수도 있다는 것을 당업자들은 이해 할 수 있을 것이다.

도 5는 반응기 몸체(110)와 마그네틱 코어(121) 그리고 코어 보호 튜브(130)의 분해 사시도이다. 도 5를 참조하여, 다수의 방전실(114)은 반응기 몸체(110)의 상단에서 하단까지 이르도록 원통형으로 형성되어 병렬로 배열된다. 방전실(114)의 양 끝단(116)은 커버 부재(112)에 의해 막히게 된다. 커버 부재(112)는 석영, 세라믹과 같은 절연물질로 재작된다. 또는 반응기 몸체(110)와 일한 금속 물질로 재작될 수 있다. 이 경우, 커버 부재(112)는 에디 전류(eddy current)를 방지하기 위하여 전기적 불연속성을 갖도록 절연 영역을 포함하도록 하는 것이 바람직하다.

마그네틱 코어(121)는 방전실(114)에 위치되는 부분이 관형의 코어 보호 튜브(130)에 의해서 감싸져 보호된다. 코어 보호 튜브(140)는 석영, 세라믹과 같은 전기적 절연 물질로 재작된다. 또는 코어 보호 튜브(140)는 상술한 바와 같이, 발생기 본채(110)와 동일한 금속물질로 재작될 수 있는데 이 경우에는 에디 전류를 방지하기 위하여 전기적 불연속성을 갖도록 전기적 절연 물질로 구성된 절연 영역을 포함한다.

도 6은 방전실에 장착된 마그네틱 코어, 코어 보호 튜브 그리고 냉각 채널의 장착 구조를 보여주기 위한 반응기 몸체의 부분 절개 사시도이고, 도 7은 마그네틱 코어를 따라서 설치된 냉각 채널의 일 예를 보여주는 도면이다. 도 6 및 도 7을 참조하여, 마그네틱 코어(121)는 중심부가 중공을 이루고, 그 중공 영역에 냉각 채널(131)이 구성된다. 예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이 마그네틱 코어(121)를 따라서 냉각 채널(131)이 지그재그 형태로 설치될 수 있다.

도면에는 도시하지 않았으나, 반응기 몸체(110)에 냉각 채널을 형성할 수 있으며, 마그네틱 코어(121)를 감싸는 관형의 냉각 채널을 구성할 수 있다. 마그네틱 코어(121)를 감싸는 관형 냉각 채널을 금속 물질로 재작하는 경우에는 에디 전류를 방지하기 위한 절연 영역을 구성하는 것이 바람직하다. 이와 같이, 냉각 채널(131)은 마그네틱 코어(121)에 설치되는 것, 반응기 몸체(110)에 설치되는 것, 그리고 마그네틱 코어(121)의 외부를 감싸는 구조를 갖는 것 중에서 어나 하나 또는 이들의 조합 중에서 선택될 수 있다. 도면에서 참조 번호 '115'로 점선 표시된 것은 가스 흐름 경로와 플라즈마 방전 경로를 표시한다.

다수의 방전실(114)은 그 길이가 길어지는 경우 각기 하나 이상의 방전 분리 격벽(117)에 의해 둘 이상의 영역으로 방전 영역을 구획하여 플라즈마 방전이 안정되고 균일하게 발생될 수 있도록 할 수 있다. 방전 분리 격벽(117)은 석영, 세라믹과 같은 전기적 절연 물질로 재작된다. 또는 방전 분리 격벽(117)은 발생기 본채(110)와 동일한 금속물질로 재작될 수 있는데 이 경우에는 에디 전류를 방지하기 위하여 전기적 불연속성을 갖도록 전기적 절연 물질로 구성된 절연 영역을 포함하는 것이 바람직하다.

도 8은 플라즈마 반응기의 단면도 및 방전실의 부분 확대도이다. 도 8을 참조하여, 반응기 몸체(110)의 후면으로는 가스 공급부(150)가 설치된다. 다수의 방전실(114)은 각각 가스 주입구(113)가 형성된다. 가스 주입구(113)는 방전실(114)의 길이 방향을 따라서 다수가 형성된다. 가스 공급부(150)의 가스 입구(151)로 입력되는 가스는 참조번호 153으로 화살표시된 바와 같은 분배 경로를 따라 분배되면서 고르게 가스 주입구(113)를 통해 다수의 방전실(114)로 주입된다. 도면에는 구체적으로 도시하지 않았으나 가스의 분배를 위한 하나 이상의 가스 분배 격판이 가스 공급부(150)에 구비되는 것이 바람직하다.

이상과 같은 플라즈마 반응기(100)는 전원 공급원(140)에 의해 일차 권선(122)의 전류가 구동되고, 일차 권선(122)의 구동 전류는 변압기(120)의 2차 회로를 완성하는 유도 결합된 플라즈마 형성하는 AC 전위(AC potential)가 다수의 방전실(114) 마다 형성된다. 그럼으로 다수의 방전실(114) 마다 코어 보호 튜브(130)의 외측을 감싸도록 유도 결합된 플라즈마가 형성된다. 형성된 플라즈마는 플라즈마 분사 슬릿(111)을 통해서 전면으로 분사된다.

본 발명의 플라즈마 반응기(100)는 대면적의 플라즈마를 고밀도로 균일하게 발생할 수 있다. 특히, 방전실(114)의 개수와 길이를 증가하는 것으로 원하는 형태의 대면적의 플라즈마를 얻도록 확장이 용이하다. 또한, 플라즈마 반응기(110)의 구조를 매우 얇게 구성할 수 있어서 설비의 면적을 최소화 할 수 있다.

도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 플라즈마 반응기의 분해 사시도이다. 그리고 도 10 및 도 11은 다중 방전실에 장착된 마그네틱 코어, 코어 보호 튜브, 냉각수 공급관 그리고 일차 권선의 장착 구조를 보여주기 위한 다중 방전실의 부분 절개 사시도 및 부분 확대 단면도이다. 도면을 참조하여, 본 발명의 제2 실시예에 따른 플라즈마 반응기(100a)는 상술한 제1 실시예의 플라즈마 반응기(100)와 기본적으로 동일한 구성을 갖는다.

다만, 제1 실시예의 플라즈마 반응기(100)에서는 일차 권선(121)이 반응기 몸체(110)의 외부로 노출된 마그네틱 코어(121)의 일부분에 감겨지는 구조적 특징을 갖는 반면, 제2 실시예의 플라즈마 반응기(100a)에서 일차 권선(123)은 코어 보호 튜브(130)의 내측에 위치하는 마그네틱 코어(121)의 일부분에 장착되는 구조적 특징을 갖는다. 특히, 일차 권선(123)은 마그네틱 코어(121)의 각 루프에 1회 감겨진 권선 코일로 관형의 전도성 부재로 구성된다. 관형의 전도성 부재는 에디 전류가 발생되는 것을 방지하기 위하여 길이 방향을 따라서 전기적 절연 물질로 구성된 절연 영역(124)을 포함한다.

도 12a 내지 도 12c는 제1 전원 공급원(140)과 일차 권선(123)의 전기적 연 결 구조를 예시한 도면이다. 먼저, 도 12a를 참조하여, 제2 실시예의 플라즈마 반응기(100a)의 일차 권선(123)은 다수의 방전실(114) 마다 각기 하나씩 설치되고, 제1 전원 공급원(140)에 직렬로 연결된다. 일차 권선(123)과 제1 전원 공급원(140)의 전기적 연결 방식은 직렬 방식 이외에도 병렬 방식, 직렬/병렬 혼합 방식과 같은 다양한 연결 방식 중에서 선택될 수 있다.

도 12b를 참조하여, 제2 실시예에의 플라즈마 반응기(100a)에서 일차 권선(123)은 용량 결합 전극으로 기능할 수 있다. 용량 결합 전극으로 기능하기 위해서 반응기 몸체(110)가 접지로 연결된다. 이때, 일차 권선(123)은 제1 전원 공급원(140)에 연결되지만 접지로 연결되지는 않는다. 또는, 도 12c에 도시된 바와 같이, 일차 권선(123)도 접지로 연결되도록 할 수 있다.

이와 같이 본 발명의 제2 실시예에 따른 플라즈마 반응기(100a)는 제1 실시예와 기본적으로 동일하나, 일차 권선(123)의 기술적 특징은 서로 다르다. 즉, 제2 실시예의 플라즈마 반응기(100a)에서 일차 권선(123)은 순수하게 변압기(120)의 일차 권선으로 기능하면서, 반응기 몸체(110)와 용량적으로 결합하는 전극으로 기능할 수 있다. 그럼으로, 변압기(120)에 의한 유도 결합 플라즈마와 접지된 반응기 몸체(110) 사이에서 발생되는 용량 결합 플라즈마를 동시에 발생할 수 있다.

도 13은 본 발명의 제3 실시예에 따른 플라즈마 반응기의 분해 사시도이다. 도 13을 참조하여, 본 발명의 제3 실시예에 따른 플라즈마 반응기(100b)는 상술한 제1 실시예의 플라즈마 반응기(100)와 기본 적으로 동일한 구성을 갖는다.

다만, 제3 실시예의 플라즈마 반응기(100b)는 제1 실시예의 플라즈마 반응 기(100)에서 일차 권선(122)(제1 일차 권선으로 약칭함)과 제2 실시예의 플라즈마 반응기(100a)의 일차 권선(123)(제2 일차 권선으로 약칭 함)을 모두 구비한다. 그리고, 도 14a 및 도 14b에 도시된 바와 같이, 제2 일차 권선(123)은 별도의 제2 전원 공급원(141)에 연결된다. 제2 전원 공급원(141)은 RF 전원을 공급하는 교류 전원 공급원이다. 도면에는 미도시 되었으나, 제2 전원 공급원(141)의 출력단에는 임피던스 정합을 위한 임피던스 정합기가 구비될 수 있다. 그러나 별도의 임피던스 정합기 없이 출력 전압의 제어가 가능한 RF 전원 공급원을 사용하여 구성할 수도 있다는 것을 당업자들은 이해 할 수 있을 것이다.

도 14a 내지 도 14c는 제1 및 제2 전원 공급원과 일차 권선의 전기적 연결 방식을 보여주는 도면이다. 도 14a 및 도 14b를 참조하여, 제1 일차 권선(122)은 상술한 제1 실시예에서 설명된 바와 같이, 제1 전원 공급원(140)에 직렬, 병렬, 직렬/병렬 혼합 방식 중 어느 하나의 방식으로 연결될 수 있다. 그리고 제2 일차 권선(123)도 상술한 제2 실시예와 유사하게 제2 전원 공급원(141)에 직렬, 병렬, 직렬/병렬 혼합 방식 중 어느 하나의 방식으로 연결될 수 있다.

도 14c를 참조하여, 제1 및 제2 일차 권선(122, 123)은 제1 전원 공급원(140) 하나와 전원 분배기(142)를 사용하여 전원을 공급할 수 있다. 전원 분배기(142)는 변압기를 사용하여 구성할 수 있는데 변압기의 일차측 권선(142a)은 제1 전원 공급원(140)으로 연결되고, 이차측 권선(142b-1, 142b-2)은 두 개로 분리되어 제1 및 제2 일차 권선(122, 123)에 각각 연결된다. 분리된 이차측 권선(142b-1, 142b-2)의 권선 비율은 고정형으로 구성하거나, 가변형으로 구성할 수 있다.

제3 실시예의 플라즈마 반응기(100b)에서 제2 일차 권선(123)은 상술한 제2 실시예와 같이 용량 결합 전극으로 기능할 수 있으며, 이때 반응기 몸체(110)는 접지로 연결된다. 그리고 제2 일차 권선(123)은 상술한 제2 실시예와 같이 접지로 연결되거나 또는 연결되지 않을 수 있다.

도 15는 본 발명의 제4 실시예에 따른 대기압 플라즈마 처리 시스템의 개략적인 구성도이다. 도 15를 참조하여, 본 발명의 제4 실시예의 대기압 플라즈마 처리 시스템은 상술한 플라즈마 반응기(100)를 이용하여 대기압 상태에서 피처리물에 대한 플라즈마 처리를 수행한다.

대기압 플라즈마 처리 시스템은 피처리물(210)이 대기하는 제1 피처리물 대기부(a1)가 전방에 구비되며, 후방에 대기압 처리부(a3)가 구비된다. 제1 피처리물 대기부(a1)와 대기압 처리부(a3) 사이에는 제1 반송부(a2)가 구비된다.

제1 피처리물 대기부(a1)에는 피처리물(210)이 적층되어 보관되는 캐리어(200)를 포함한다. 피처리물(210)은 예를 들어, 액정 디스플레이 제조를 위한 유리 기판이거나 대형 실리콘 웨이퍼 기판이다.

제1 반송부(a2)에는 제1 반송 로봇(220)이 구비된다. 편의상 제1 반송 로봇(220)은 하나의 로봇 암 만을 간략히 도시하였다. 제1 반송 로봇(220)은 제1 피처리물 대기부(a1)와 대기압 처리부(a3) 사이에서 피처리물(210)의 반송을 담당한다.

대기압 처리부(a3)에는 플라즈마 반응기(100)가 수직으로 설치되어 플라즈마 분사 슬릿(111)을 통해 분사되는 플라즈마에 의해 대기압 상태에서 피처리물(210) 에 대하여 플라즈마 처리가 이루어진다. 대기압 처리부(a3)에는 피처리물(210)을 전후로 수직 이송하기 위한 이송 수단(230)이 구비된다. 이송 수단(230)은 예를 들어, 다수의 롤러를 구비한 컨베이어 시스템으로 구성될 있으며, 예시되지 않은 또 다른 형태의 이송 수단으로도 구성이 가능할 것이다.

대기압 처리부(a3)에는 피처리물(210)을 예열시키기 위한 예열 수단(240)이 구비될 수 있다. 예열 수단(240)은 예를 들어, 다수개의 할로겐램프와 반사 갓을 포함하여 구성될 수 있다. 예열 수단(240)은 플라즈마 반응기(100)와 마주 대향되게 설치될 수 있으며, 또는 제1 반송부(a2)와 대기압 처리부(a3) 사이에 설치될 수 있다. 예열 수단(240)은 필요에 따라 플라즈마 처리 과정에서 피처리물(210)을 지속적으로 가열하는 히터로 기능할 수 있다.

대기압 처리부(a3)에 설치된 플라즈마 반응기(100)는 수직으로 설치된다. 그럼으로 피처리물(210)이 대기압 처리부(a3)로 수직으로 입출력하게 된다. 이를 위하여 제1 반송부(a2)에 설치되는 제1 반송 로봇(220)은 도 16a에 도시된 바와 같이, 피처리물(210)을 수평 상태에서 수직으로 전환하고, 도 16b에 도시된 바와 같이, 대기압 처리부(a3)의 이송 수단(230)으로 인계한다.

이어, 도 16c에 도시된 바와 같이, 이송 수단(230)은 입력된 피처리물(210)을 플라즈마 반응기(100)의 전면으로 진입 시킨다. 플라즈마 반응기(100)에 의하여 피처리물(210)의 플라즈마 처리가 이루어진다. 플라즈마 처리가 완료되면 다시 역순으로 하여 피처리물(210)이 대기압 처리부(a3)에서 제1 반송부(a2)로 배출된다. 처리된 피처리물(210)은 제1 반송 로봇(220)에 의하여 수직 상태에서 수평 상 태로 전환되어 제1 피처리물 대기부(a1)의 캐리어(200)에 적재된다.

도 17은 선입 후출 구조를 갖도록 구성된 기판 처리 시스템의 개략적인 구성도이다. 도 17을 참조하여, 대기압 플라즈마 처리 시스템은 대기압 처리부(a3)의 전방과 후방에 대칭적으로 제1 및 제2 피처리물 대기부(a1, a5)와 제1 및 제2 반송부(a2, a4)를 구성하여 선입 후출 구조를 갖도록 할 수 있다. 제1 피처리물 대기부(a1)에는 처리전 피처리물이 대기하고, 제2 피처리물 대기부(a5)에는 처리된 피처리물이 대기한다. 제1 반송부(a2)에 설치되는 제1 반송 로봇(220)은 피처리물을 대기압 처리부(a3)로 로딩하는 기능을 수행하고, 제2 반송부(a4)에 설치된 제2 반송 로봇(250)은 대기압 처리부(a3)로부터 피처리물을 언로딩하는 기능을 수행한다.

도 18은 대기압 처리부에 정전척이 구비된 예를 보여주는 도면이다. 도 18을 참조하여, 대기압 처리부(a3)는 피처리물(210)을 플라즈마 처리 과정 동안 고정시켜 지지하기 위한 고정 수단으로 정전척(270)을 구비할 수 있다. 여기서, 정전척(270)은 히터를 내장할 수 있다.

도 19a 및 도 19b는 대기압 처리부에 플라즈마 반응기를 수평 배치한 예를 보여주는 도면이다. 도 19a 및 도 19b를 참조하여, 대기압 플라즈마 처리 시스템은 대기압 처리부(a3)에 플라즈마 반응기(100)를 수평 배치할 수 있다. 이때, 도 19a에 도시된 바와 같이, 예열 수단(240)이 플라즈마 반응기(100)와 마주 대향하여 설치될 수 있다. 또는 도 19b에 도시된 바와 같이, 플라즈마 반응기(100)의 전방에 설치될 수 있다. 그리고 이송 수단(280)은 다수의 수평 롤러를 구비하는 컨베이어 시스템으로 구성될 수 있다. 이상과 같은 대기압 플라즈마 처리 시스템은 플 라즈마 반응기(100)를 수직으로 또는 수평으로 설치할 수 있다.

본 발명에 따른 다중 배열된 방전실을 갖는 플라즈마 반응기 및 이를 이용한 대기압 플라즈마 처리 시스템은 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있다. 하지만, 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 그럼으로 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

상술한 바와 같은 본 발명의 다중 배열된 방전실을 갖는 플라즈마 반응기 및 이를 이용한 대기압 플라즈마 처리 시스템에 의하면, 플라즈마 반응기는 대면적의 플라즈마를 고밀도로 균일하게 발생할 수 있다. 특히, 방전실의 개수와 길이를 증가하는 것으로 원하는 형태의 대면적의 플라즈마를 얻도록 확장이 용이하다. 또한, 플라즈마 반응기의 구조를 매우 얇게 구성할 수 있어서 설비의 면적을 최소화 할 수 있다. 예를 들어, 플라즈마 반응기를 수직으로 세워서 병렬로 설치하거나, 수평으로 복층 구조로 설치하는 경우 설비 면적이 크게 확장 되지 않으면서도 설비 면적당 처리량을 매우 높일 수 있다.

Claims (28)

1. 다수의 방전실을 갖는 반응기 몸체;

   다수의 방전실을 따라서 반응기 몸체에 형성된 플라즈마 분사 슬릿;

   다수의 방전실에 결합되는 마그네틱 코어 및 일차 권선을 갖는 변압기;

   방전실의 내부에서 마그네틱 코어를 감싸 보호하는 코어 보호 튜브; 및

   일차 권선에 전기적으로 연결되는 제1 전원 공급원을 포함하며,

   제1 전원 공급원에 의해 일차 권선의 전류가 구동되고, 일차 권선의 구동 전류는 변압기의 이차 회로를 완성하여 유도 결합된 플라즈마를 다수의 방전실에 각기 형성하는 다수의 방전실 내측의 AC 전위(AC potential)를 유도하며, 유도 결합된 플라즈마는 코어 보호 튜브의 외측을 감싸도록 다수의 방전실에 각기 형성되는 플라즈마 반응기.
2. 제1항에 있어서, 반응기 몸체는 금속 물질을 포함하는 플라즈마 반응기.
3. 제1항에 있어서, 반응기 몸체는 전기적 절연 물질을 포함하는 플라즈마 반응기.
4. 제1항에 있어서, 다수의 방전실은 각각의 내측에 설치되어 방전실 내부를 둘 이상의 방전 영역으로 구획하는 방전 분리 격벽을 포함하는 플라즈마 반응기.
5. 제1항에 있어서, 마그네틱 코어는 일체화된 다중 루프 타입의 마그네틱 코어를 포함하는 플라즈마 반응기.
6. 제1항에 있어서, 마그네틱 코어는 하나 이상의 단일 루프 마그네틱 코어를 포함하는 플라즈마 반응기.
7. 제1항에 있어서, 일차 권선은 마그네틱 코어에 감겨지는 다수의 권선 코일을 포함하고,

   다수의 권선 코일은 제1 전원 공급원에 직렬, 병렬, 또는 직렬/병렬 혼합 방식 중 어느 하나로 전기적인 연결을 갖는 플라즈마 반응기.
8. 제7항에 있어서, 다수의 권선 코일은 방전실의 내부에 위치하는 마그네틱 코어 부분을 감싸는 관형의 전도성 부재로 구성되며, 관형의 전도성 부재는 부분적으로 전기적 절연 물질을 포함하는 플라즈마 반응기.
9. 제8항에 있어서, 반응기 몸체는 전기적으로 접지되는 플라즈마 반응기.
10. 제1항에 있어서, 다수의 방전실의 각각의 내부에 위치되는 용량 결합 전극을 포함하는 플라즈마 반응기.
11. 제10항에 있어서, 용량 결합 전극은 마그네틱 코어 부분을 전체적으로 감싸는 관형의 전도성 부재로 구성되며, 관형의 전도성 부재는 부분적으로 절연 영역을 포함하는 플라즈마 반응기.
12. 제10항에 있어서, 용량 결합 전극에 전기적으로 연결되는 제2 전원 공급원을 포함하는 플라즈마 반응기.
13. 제10항에 있어서, 제1 전원 공급원으로부터 전원을 입력 받아서 일차 권선과 용량 결합 전극으로 전원을 분할하여 공급하는 전원 분할부를 포함하는 플라즈마 반응기.
14. 제1항에 있어서, 코어 보호 튜브는 전기적 절연 물질을 포함하는 플라즈마 반응기.
15. 제1항에 있어서, 코어 보호 튜브는 금속 물질과 전기적 불연속성을 형성하기 위한 전기적 절연 물질을 포함하는 플라즈마 반응기.
16. 제1항에 있어서, 반응기 몸체는 냉각 채널을 포함하는 플라즈마 반응기.
17. 제1항에 있어서, 마그네틱 코어는 중심부가 중공을 이루고, 마그네틱 코어의 중공 영역으로 설치되는 냉각 채널을 포함하는 플라즈마 반응기.
18. 제1항에 있어서, 마그네틱 코어의 외부를 감싸도록 설치되는 냉각 채널을 포함하는 플라즈마 반응기.
19. 제1항에 있어서, 반응기 몸체는 다수의 방전실로 개구된 다수의 가스 주입구를 포함하고, 다수의 가스 입구로 가스를 분배 공급하기 위한 가스 공급부를 포함하는 플라즈마 반응기.
20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항의 플라즈마 반응기를 이용한 대기압 플라즈마 처리 시스템에 있어서:

    플라즈마 반응기가 설치되고, 플라즈마 분사 슬릿을 통해 분사되는 플라즈마에 의해 대기압 상태에서 피처리물에 대하여 플라즈마 처리가 이루어지는 대기압 처리부;

    피처리물이 대기하는 제1 피처리물 대기부; 및

    피처리물 대기부와 대기압 처리부 사이에서 피처리물을 반송하는 제1 반송부를 포함하는 대기압 플라즈마 처리 시스템.
21. 제20항에 있어서, 플라즈마 반응기는 플라즈마 분사 슬릿이 피처리물에 대향 되어 수직으로 설치되며, 피처리물은 대기압 처리부로 수직으로 입력되는 대기압 플라즈마 처리 시스템.
22. 제20항에 있어서, 플라즈마 반응기는 플라즈마 분사 슬릿이 피처리물에 대향되어 수평으로 설치되며, 피처리물은 대기압 처리부로 수평으로 입력되는 대기압 플라즈마 처리 시스템.
23. 제20항에 있어서, 제1 반송부는 피처리물 대기부와 대기압 처리부 사이에서 피처리물을 반송하되 피처리물의 상태를 수평-수직/수직-수평 전환시키는 제1 반송 로봇을 포함하는 대기압 플라즈마 처리 시스템.
24. 제20항에 있어서, 대기압 처리부는 피처리물을 전후로 이송하는 이송 수단을 포함하는 대기압 플라즈마 처리 시스템.
25. 제20항에 있어서, 대기압 처리부는 피처리물의 예열을 위한 예열 수단을 포함하는 대기압 플라즈마 처리 시스템.
26. 제20항에 있어서, 대기압 처리부는 피처리물을 플라즈마 반응기의 대향된 위치에서 피처리물을 고정시켜는 고정 수단을 포함하는 대기압 플라즈마 처리 시스템.
27. 제20항에 있어서, 대기압 처리부에서 처리된 피처리물이 대기하는 제2 피처리물 대기부; 및

    대기압 처리부와 다른 피처리물 대기부 사이에서 피처리물을 반송하는 제2 반송부를 포함하는 대기압 플라즈마 처리 시스템.
28. 제27항에 있어서, 제2 반송부는 피처리물 대기부와 대기압 처리부 사이에서 피처리물을 반송하되 피처리물의 상태를 수평-수직/수직-수평 전환시키는 제2 반송 로봇을 포함하는 대기압 플라즈마 처리 시스템.

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