KR101071429B1 - 플라즈마 소스 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가스 배관 라인을 간소화시킬 수 있고, 플라즈마 발생까지의 가스 유체의 흐름에 있어 층류로 유도하여, 세정 효율을 극대화 시킬 수 있는 플라즈마 소스에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 일측에 형성되어 외부로부터 가스 공급이 이루어지는 가스 공급 포트와, 상기 가스 공급 포트와 연결되는 중공부와 상기 중공부내에 유입된 가스를 소스 내부로 균일하게 분사시키기 위해 외주면 상부의 길이 방향을 따라 소정 간격을 두고 배치된 복수의 가스 분사공을 형성한 가스 디스트리뷰터를 포함하는 플라즈마 소스를 제공한다.
플라즈마

Description

플라즈마 소스{plasma source}
도 1은 일반적인 상압 플라즈마 소스를 이용한 세정 장치의 단면도이다.
도 2a 및 도 2b는 종래의 상압 플라즈마 소스를 나타낸 단면도이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 따른 상압 플라즈마 소스를 나타낸 도면이다.
<도면의 주요 부호에 대한 설명>
100: 세정 장치
130, 200, 300: 플라즈마 소스
210, 310: 가스 디스트리뷰터(gas distributor)
211, 212, 311: 가스 분사공
220, 320: 상부 유전체
230, 330: 하부 유전체
본 발명은 플라즈마 소스에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가스 배관 라인을 간소화시킬 수 있고, 플라즈마 발생까지의 가스 유체의 흐름에 있어 층류로 유도하여, 세정 효율을 극대화 시킬 수 있는 플라즈마 소스에 관한 것이다.
일반적으로, TFT LCD(Thin Film Transistor Liquid Crystal Display), PDP(Plasma Display Panel), OLED(Organic Light Emitting Diode) 등 FPD(Flat Panel Display) 및 반도체 기판 등을 생산하는 과정에서 기판 세정 공정은 필연적으로 거치게 된다.
종래의 기판 세정 공정으로는 습식 공정을 사용하였으나, 최근에는 건식 청정기술인 플라즈마 기술을 많이 사용하고 있다.
이러한 플라즈마 기술의 하나로 저온 저압상태의 플라즈마를 이용하는 방법을 들 수 있다.
저압 플라즈마를 이용한 기판 세정 방법은 저압의 진공조내에 플라즈마를 발생시켜 만들어진 이온이나 활성화된 가스를 기판 표면과 접촉시켜 기판 표면의 불순물이나 오염물질을 제거하는 것이다.
이러한 저압 상태의 플라즈마를 이용하는 기판 세정 방법은 우수한 세정효과에도 불구하고 널리 이용되지 않고 있는 실정인데, 이는 저압 플라즈마를 발생시키기 위해서는 진공장치가 필요하게 되고, 따라서 대기압 상태에서 이루어지는 연속공정에는 적용되기 어렵기 때문이다.
이에 따라 대기압 상태에서 플라즈마를 발생시켜 기판 표면 세정에 이용하는 상압 플라즈마 기술이 활발히 연구되고 있는데, 상압 플라즈마 세정 장치는 기존 램프교체 등으로 인해 지속적인 유지비용이 들었던 `UV(UltraViolet) 클리너'와는 달리, 장비 공급 이후에 추가적인 비용이 들지 않아, 향후 UV 클리너를 대체할 수 있는 장비로 각광받고 있다.
도 1은 일반적인 상압 플라즈마 소스(130)를 이용한 세정 장치(100)의 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상압 플라즈마 소스(130)를 이용한 세정 장치(100)는, 세정 대상인 LCD 글래스(150)의 표면에 플라즈마 반응에서 생성된 산소 라디컬(O radical)을 분사하는 상압 플라즈마 소스(130)와, 상기 상압 플라즈마 소스(130)에 교류 전압을 인가하는 전원 공급 장치(140)와, 상기 상압 플라즈마 소스(130)에 연결된 가스 배관을 통해 질소, 산소, 공기 등의 가스를 공급하는 가스 공급 장치(120)와, 상압 플라즈마 소스(130)가 플라즈마 상압방전을 실시하는 동안 LCD 글래스(150)를 일정한 속도로 일방향으로 이송하는 이송장치(160)로 구성된다.
이러한 세정 장치(100)에서의 세정 과정을 살펴보면, LCD 글래스(150)의 하부에 형성된 이송 장치(160)가 세정 대상인 LCD 글래스(150)를 일정한 속도로 일방향으로 이송하고, 이때 상부에 형성된 상압 플라즈마 소스(130)가 LCD 글래스(150) 표면을 향해 플라즈마 상압 방전을 실시하여 세정이 이루어진다.
또한, 대기압 상태에서 플라즈마를 발생시키는 상압 플라즈마 세정 방법은 유기물, 기판 절단시의 수분, 회로 제작시 발생하는 잔류 폴리머 등의 오염물질을 플라즈마 내의 산소 라디컬(radical)을 이용하여 제거함으로써, 환경적으로 안전하고 세정 효율이 높은 장점이 있다.
도 2a 및 도 2b는 종래의 상압 플라즈마 소스(200)를 나타낸 단면도이다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 종래의 상압 플라즈마 소스(200)는 양측면에 가스 공급 장치 등 외부로부터의 가스 공급이 이루어지는 가스 공급 포트 (200a)(200b)(200c)(200d)(200e)(200f)(200g)(200h)가 총 8개 구비되어 있다.
이와같이, 총 8개의 가스 공급 포트(200a)(200b)(200c)(200d)(200e)(200f)(200g)(200h)를 통해 유입된 가스가 상압 플라즈마 소스(200)의 본체에 채워지는데, 이를 통해 상압 플라즈마 소스(200) 내부의 가스 유체 분포가 어느 정도 균일하게 될 수 있다.
도 2b는 도 2a에 도시된 상압 플라즈마 소스(200)의 측단면도이다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 상압 플라즈마 소스(200)는 유전체 장벽 방전(DBD: Dielectric Barrier Discharge) 플라즈마 장치로서, 그 상부에 가스 공급 포트를 통해 공급된 가스가 플라즈마 소스 내부에 균일하게 분포되도록 가스 디스트리뷰터(gas distributor)(210)가 배치된다.
또한, 가스 디스트리뷰터(210)의 하부에는 유전체의 충전 및 방전에 의해 플라즈마를 발생시키는 상/하부 유전체(220)(230)가 형성된다.
또한, 상/하부 유전체(220)(230) 상에 교류 전압을 인가하기 위해, 상부 유전체 상(230)에 상부 전극(미도시) 및 하부 유전체(240)의 하부면에 하부 전극(미도시)이 각각 형성된다.
여기서, 가스 공급 포트(200a)(200b)(200c)(200d)(200e)(200f)(200g)(200h)를 통해 공급된 가스들은 상압 플라즈마 소스 본체의 상부 버퍼층(240)에 일단 채워지고, 상부 버퍼층(240)에 저장된 가스들은 가스 디스튜리뷰터(210)의 중앙에 형성된 가스 분사공(211)(212)을 통해 하부 버퍼층(250)으로 유입된다.
이때, 하부 버퍼층(250)에 유입된 가스들은 상부 유전체(230)의 양측면에 형 성된 상부 유전체 홀 또는 슬릿(221)(222)을 통과하여 격벽 유전체 공간(260)에 유입된다.
상기 격벽 유전체 공간(260)까지 유입되는 가스 유체의 흐름은 화살표 방향과 같다.
이때, 상/하부 유전체(220)(230) 상에 형성된 상/하부 전극(미도시)에 교류 전압을 인가하면, 격벽 유전체 공간(260)에 유입된 가스가 플라즈마 반응을 일으키고, 플라즈마 반응에서 생성된 산소 라디컬이 하부 유전체(230)의 하부면에 형성된 다수의 하부 유전체 홀 또는 슬릿(231)을 통해 상압 플라즈마 소스(200)의 본체 외부로 방전된다.
또한, 외부로 방전된 산소 라디컬이 세정 대상인 LCD 글래스(270) 표면에 분사되어 LCD 글래스(270) 표면의 유기물(280)을 제거하게 된다.
여기서, 상부 유전체(220) 및 하부 유전체(230) 사이의 격벽 유전체 공간(260)에 유입되는 가스의 균일성(Uniformity)이 중요한데, 종래의 플라즈마 소스(200)의 경우에는 유입된 가스의 균일성에 한계를 지닌다.
즉, 종래의 플라즈마 소스(200)에서는 격벽 유전체 공간(260)으로 유입되는 가스 밀도의 균일성을 위해, 내부에 가스 디스트리뷰터(210)를 형성한다.
또한, 내부 가스 디스트리뷰터(210)를 통해 외부에서 유입된 가스가 상부 버퍼층(240) 및 하부 버퍼층(250)의 2구간을 거치면서 가스 유체의 이동이 이루어지는데, 형식적으로 2구간으로 나누어진 각각의 버퍼층(240)(250)이 제대로의 기능을 발휘하지 못하고 있다.
따라서, 격벽 유전체 공간(260)으로의 가스 유입전, 실질적으로 가스 밀도의 균일성을 형성하기 위한 완충지역으로서의 버퍼층 역할을 하는 것은 하부 버퍼층(250)에 불과하여, 오히려 하나의 버퍼층만 있을때 보다 격벽 유전체 공간(260)에 유입되는 가스의 밀도가 낮아지고, 가스 유체의 이동에 난류(turbulent flow)도 발생하는 문제점이 있었다.
또한, 종래의 상압 플라즈마 소스에서는 가스 공급 포트가 총 8개로 너무 많아서, 상압 플라즈마 소스 본체와 연결되는 가스 배관 라인 복잡하고, 이로써 기판의 전체 생산 라인 공정 시스템의 외관상에 미치는 미감에도 나쁜 영향을 주었다.
또한, 상/하부 버퍼층으로 나누어져 전체 상압 플라즈마 소스의 내부 공간에서 많은 영역을 차지하게 되므로 공간 활용상의 제약이 있었다.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 외부로부터 공급된 가스를 소스 내부에 공급하는 가스 공급 포트를 상압 플라즈마 소스의 일측에 1개 형성함으로써, 종래보다 가스 배관 라인을 간소화 시킬 수 있는 플라즈마 소스를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 중공의 원통형상을 갖고, 그 상부에 다수의 가스 분사공을 갖는 가스 디스트리뷰터를 배치하여, 플라즈마 발생까지의 가스 유체의 흐름에 있어 층류로 유도하여, 상압 플라즈마 소스의 세정 효율을 극대화 시킬 수 있는 플라즈마 소스를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일측면에 따르면, 플라즈마 소스에 있어서, 상기 플라즈마 소스의 내부에 가스를 공급하기 위해, 상기 플라즈마 소스의 일측에 단일의 가스 공급 포트를 형성한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 가스 공급 포트와 연결되고, 상기 플라즈마 소스의 내부에 그 단면이 도나츠 형상인 가스 디스트리뷰터를 형성한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 가스 디스트리뷰터의 길이 방향을 따라 그 상부면에 소정 간격으로 복수의 가스 분사공을 형성한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 가스 분사공의 직경은 1~10mm 인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 플라즈마 소스는 상압 DBD 플라즈마 소스인 것을 특징으로 한다.
다른 바람직한 실시예는, 일측에 형성되어 외부로부터 가스 공급이 이루어지는 가스 공급 포트와; 상기 가스 공급 포트와 연결되는 중공부와, 상기 중공부내에 유입된 가스를 소스 내부로 균일하게 분사시키기 위해 외주면 상부의 길이 방향을 따라 소정 간격을 두고 배치된 복수의 가스 분사공을 형성한 가스 디스트리뷰터;를 포함하는 플라즈마 소스를 제공한다.
또한, 상기 가스 분사공을 통해 분사된 가스가 플라즈마 발생부로 유입되게 하는 상부 유전체공을 형성한 상부 유전체와, 상기 플라즈마 발생부에서 생성된 산소 라디컬이 외부로 방전되게 하는 복수의 하부 유전체공을 형성한 하부 유전체를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 가스 분사공의 직경은 1~10mm 인 것을 특징으로 한다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예가 상세히 설명 된다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일실시예에 따른 상압 플라즈마 소스(300)를 나타낸 도면이다.
도 3a는 본 발명의 일실시예에 따른 상압 플라즈마 소스(300)의 평면도이고, 도 3b는 상압 플라즈마 소스(300)의 사시도이며, 도 3c는 상압 플라즈마 소스(300)의 측단면도이다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 상압 플라즈마 소스(300)는, 가스 공급 장치(미도시) 등의 외부로부터 가스 공급이 이루어지는 가스 공급 포트(300a)가 상압 플라즈마 소스의 본체 상부면 일측에 형성되어 있는데, 이는 종전의 8개의 가스 공급 포트를 1개로 줄여 가스 배관 라인을 간소화시킨 것이다.
또한, 가스 공급 포트(300a)를 통해 외부 가스가 상압 플라즈마 소스(300)의 내부에 공급되는데, 공급된 가스는 원통 형상의 가스 디스튜리뷰터(310) 상에 형성된 가스 분사공(311)을 통해서 상압 플라즈마 소스 내부에 고르게 분배되도록 한다.
도 3b 및 도 3c에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 상압 플라즈마 소스(300)는 유전체 장벽 방전(DBD: Dielectric Barrier Discharge) 플라즈마 장치로서, 그 상부에 그 단면이 도나츠 형상으로, 소스 내부로 가스가 균일하게 분포되도록 하는 가스 디스트리뷰터(gas distributor)(310)가 배치된다.
상기 가스 디스트리뷰터(310)는 중공의 원통형상의 가스 파이프로서, 상기 중공부는 가스 공급 포트(300a)와 연결되어 가스 디스트리뷰터(310)의 중공 파이프 내로 가스가 공급되게 한다.
또한, 외주면의 상부에는 가스 디스트리뷰터(310)의 길이 방향으로 소정 간격을 두고 다수의 가스 분사공(311)을 형성하여, 가스 디스트리뷰터(gas distributor)(310)의 파이프내로 공급된 가스가 플라즈마 소스 내부 공간(350)으로 균일하게 분포되게 한다.
또한, 상기 가스 분사공(311)의 직경은 1~10mm 범위 내에 있으며, 플라즈마 소스 내부의 가스 분포의 균일성을 위해 가스 분사공의 직경은 5mm가 바람직하다.
또한, 가스 디스트리뷰터(310)의 하부에는 유전체의 충전 및 방전에 의해 플라즈마를 발생시키는 상/하부 유전체(320)(330)가 형성된다.
또한, 상/하부 유전체(320)(330) 상에 교류 전압을 인가하기 위해, 상부 유전체(330) 상에 상부 전극(미도시) 및 하부 유전체(340)의 하부면에 하부 전극(미도시)이 각각 형성된다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 상압 플라즈마 소스를 이용한 세정 과정을 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 가스 공급 포트(300a)를 통해 공급된 가스들은 가스 디스트리뷰터(310)의 중공 파이프내에 유입되고, 가스 디스트리뷰터(310)의 중공 파이프내에 유입된 가스는, 마치 분수대에서 물을 뿜어내는 것과 같이, 가스 디스트리뷰터(310)의 상부에 형성된 다수의 가스 분사공(311)을 통해 소스 내부 공간(350)으로 유입된다.
이는 소스 내부 공간(350) 전체가 버퍼층의 역할을 하므로 종전 보다 소스 내부 공간(350)에 유입되는 가스의 양이 증가할 뿐만 아니라, 종전보다 더 큰 압력으로 가스 디스트리뷰터(310)의 중공 파이프내에 유입된 가스를 상부 유전체(320) 쪽으로 밀어 보낼 수 있다.
이 때, 소스 내부 공간(350)에 유입된 가스들은 상부 유전체(320) 상에 형성된 상부 유전체 홀 또는 슬릿(321)(322)을 통과하여 격벽 유전체 공간(360)에 유입된다.
상기 격벽 유전체 공간(360)까지 유입되는 가스 유체의 흐름은 화살표 방향과 같다.
여기서, 상/하부 유전체(320)(330) 상에 형성된 상/하부 전극(미도시)에 교류 전압을 인가하면, 격벽 유전체 공간(360)에 유입된 가스가 플라즈마 반응을 일으키고, 플라즈마 반응에서 생성된 산소 라디컬이 하부 유전체(330)의 하부면에 형성된 다수의 하부 유전체 홀 또는 슬릿(331)을 통해 상압 플라즈마 소스(300)의 본체 외부로 방전된다.
또한, 외부로 방전된 산소 라디컬이 세정 대상인 LCD 글래스(370) 표면에 주사되어 LCD 글래스(370) 표면의 유기물(380)을 제거하게 된다.
이와 같이, 본 발명에 따른 상압 플라즈마 소스(300)에서는 소스 내부에 유입되는 가스의 균일성을 확보하기 위해 그 단면이 도나츠 형태인 가스 디스트리뷰터(310)를 설치하여, 소스 내부 공간(350) 전체가 버퍼층이 되게 한다.
또한, 플라즈마 발생부인 상부 유전체(320) 및 하부 유전체(330) 사이의 격벽 유전체 공간(360)에 유입되는 가스의 균일성(Uniformity)이 중요한데, 본 발명 은 가스 디스트리뷰터(310)상에 형성된 다수의 가스 분사공(311)을 통해 격벽 유전체 공간(360)에 유입되는 가스의 양을 증가시킬 뿐만 아니라, 가스 디스트리뷰터 (310) 중공 파이프내의 가스가 격벽 유전체 공간(360)으로 균일성을 가지며 흐를수 있도록 유도한다.
따라서, 소스 내부의 가스 밀도의 균일성을 향상시키고, 플라즈마 발생까지의 가스 유체의 흐름에 있어 층류(laminar flow)로 유도하여, 상압 플라즈마 소스의 세정 효율을 극대화 시킬 수 있게 한다.
이상에서 본 발명에 따른 구체적인 실시예로서, 상압 DBD 플라즈마 소스에 대해 설명하였으나 이에 한정되는 것은 아니며 다른 형태의 플라즈마 소스에 적용될 수 있다.
또한, 본 발명은 플라즈마 소스를 이용한 세정 장치에 대해 설명하였으나, 이에 한정되지 않고 본 발명에 따른 플라즈마 소스를 이용한 플라즈마 식각 및 증착, 금속이나 고분자의 표면 처리, 신물질의 합성 등 다양한 형태의 표면 처리 장치에도 적용될 수 있다.
따라서, 본 발명은 상기의 실시예에 국한되는 것은 아니며 당해 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진자가 본 발명의 기술적 사상의 범위를 벗어나지 않는 범위내에서 설계 변경이나 회피설계를 한다 하여도 본 발명의 범위 안에 있다 할 것이다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 플라즈마 소스는, 외부로부터 공급된 가스를 상기 소스 내부에 공급하는 가스 공급 포트를 상압 플라즈마 소스의 일측에 1개 형성함으로써, 종래보다 가스 배관 라인의 간소화와 외관상의 미감을 좋게 할 수 있다.
또한, 중공의 원통형상을 갖고, 그 상부에 다수의 가스 분사공을 갖는 가스 디스트리뷰터를 배치하여, 종전 보다 소스 내부 공간에 유입되는 가스의 양을 증가시킬 뿐만 아니라, 보다 더 큰 압력으로 유입된 가스를 플라즈마 발생부로 밀어 보낼 수 있게 한다.
따라서, 기존 방식의 플라즈마 소스의 내부에서 발생하였던 가스 유체의 난류(turbulent flow)를 방지하고, 본 발명에서는 소스 내부의 가스 밀도의 균일성을 향상시키고, 플라즈마 발생까지의 가스 유체의 흐름에 있어 층류(laminar flow)로 유도하여, 상압 플라즈마 소스의 세정 효율을 극대화 시킬 수 있게 한다.

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  6. 일측에 형성되어 외부로부터 가스 공급이 이루어지는 가스 공급 포트와;
    상기 가스 공급 포트와 연결되는 중공부와, 상기 중공부 내에 유입된 가스를 소스 내부로 균일하게 분사시키기 위해 외주면 상부의 길이 방향을 따라 소정 간격을 두고 배치된 복수의 가스 분사공이 형성되고, 피처리물에 대해서 평행하게 구비된 가스 디스트리뷰터;
    상기 가스 디스트리뷰터 하부에서 상기 가스 디스트리뷰터에 평행하게 구비된 상부 유전체; 및
    상기 상부 유전체와 이격된 하부에 평행하게 구비된 하부 유전체;
    를 포함하는 플라즈마 소스.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 상부 유전체는 상기 가스 분사공을 통해 분사된 가스가 플라즈마 발생부로 유입되게 하는 상부 유전체공이 형성되고,
    상기 하부 유전체는 상기 플라즈마 발생부에서 생성된 산소 라디컬이 외부로 방전되게 하는 복수의 하부 유전체공이 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 소스.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 가스 분사공의 직경은 1~10mm 인 것을 특징으로 하는 플라즈마 소스.
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