KR101781290B1 - 대면적 표면파 플라즈마 장치 및 이를 이용하여 전기전도성 다이아몬드 코팅방법 - Google Patents

Abstract

복수 개의 슬롯 안테나를 포함하고, 일단에 제1마이크로파 전원이 연결된 제1 도파관, 복수 개의 슬롯 안테나를 포함하여, 상기 제1도파관과 나란하게 배치되고, 상기 제1 도파관의 일단의 반대측에 해당하는 타단에 제2마이크로파 전원이 연결된 제2도파관, 상기 복수의 슬롯 안테나로부터 방사된 마이크로파를 챔버 내에 도입하여 표면파 플라즈마를 생성하기 위한 유전체판 및 상기 챔버 내에 가스를 공급하는 가스 공급부를 포함하는 표면파 플라즈마 장치를 제공하여, 대면적에서도 플라즈마 영역의 균일성을 확보할 수 있어 초경량 난삭 CFRP 복합재료의 고정도·고효율 절삭가공을 위한 대면적 전기전도성 다이아몬드 코팅장치를 제공할 수 있다.

Description

대면적 표면파 플라즈마 장치 및 이를 이용하여 전기전도성 다이아몬드 코팅방법{Large scale Surface Wave Plasma Device and Conductive Diamond Coating using the Device}

본 발명은 대면적 표면파 플라즈마 장치 및 이를 이용하여 전기전도성 다이아몬드 코팅을 하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 플라즈마 발생장치는 RF전력의 인가방식에 따라 용량결합(CapacitivelyCoupled Plasma, CCP)형과 유도결합(Inductively Coupled Plasma, ICP)형으로 나뉜다.

CCP타입은 챔버 내부에 기판안치대와 RF전극이 서로 대향하여 설치되며, RF전극의 하부에는 가스분배판이 설치된다. RF전극에는 매칭회로를 경유하여 RF전원이 연결되는 한편, 중앙부에 가스공급관이 관통하여 연결된다. 그런데 용량결합형 플라즈마는 높은 이온에너지로 인하여 기판이나 챔버 내부 부재에 이온충격(ion bombardment)을 가하여 기판이나 챔버 내부를 손상시킬 위험이 높은 편이다. 또한, 샤워헤드형 가스분배판은 RF전극과 같은 전위를 가지기 때문에 가스분배판의 주변에 아킹(arking) 등의 이상방전이 발생함으로써 기판이나 챔버 내부가 손상될 위험이 높다. 또한, 샤워헤드형 가스 분배판이 RF전극과 같은 전위를 가질 때에는 인가되는 RF 전력의 주파수가 높은 경우에는 샤워혀드형 가스분배판이 표면의 전위가 위치에 따라 크게 차이 날 수 있어 높은 주파수의 RF 전력을 사용하는데 제약이 따른다.

ICP타입의 경우, 코일형의 RF안테나가 챔버의 외부에 위치하며 RF안테나에 의해 유도되는 전기장에 의하여 챔버 내부에 플라즈마를 발생시킨다. 코일형의 RF안테나는 매칭회로를 경유하여 RF전원에 연결되며, 챔버 내벽에는 기판안치대의 상부로 가스를 분사하는 다수의 인젝터가 대칭적으로 설치된다, 이와 같이 인젝터를 설치하는 이유는 코일형의 RF 안테나의 하부에 가스분배판을 설치하면 유도전기장의 흐름을 방해할 뿐만 아니라 가스분배판 내부에 아킹등의 이상방전을 일으킬 수 있기 때문이다. 또한 RF안테나에 의한 용량결정형 플라즈마의 발생을 차단하기 위하여 챔버 상부는 비전도성의 절연체로 밀폐되며, 상기 절연체는 돔(dome) 또는 평판 형태를 가진다. 그런데 ICP 타입의 플라즈마 발생장치는 CCP타입에 비하여 훨씬 높은 밀도의 플라즈마를 발생시키지만 코일형 RF안테나를 이용하기 때문에 기판의 크기가 커질수록 균일한 플라즈마를 형성하고 유지하는데 어려움이 있다.

특히, SWP(Surface Wave Plasma) 플라즈마 CVD(Chemical Vapor Deposition) 시스템에서는 우선 박막의 성분 원소를 함유한 재료 가스와 반응 활성 물질의 원료인 프로세스 가스를 챔버 내에 도입하여 표면파 여기 플라즈마를 생성한다. 그리고 표면파 여기 플라즈마에 의해 재료 가스를 분해하거나 화학반응을 일으켜 기판 상에 박막을 퇴적시킨다. 종래의 장치에서는 가스 도입부를 플라즈마 생성실의 측면에 설치하고 플라즈마 생성실의 측면에서 유전체판 근방에 가스를 도입하고 있다(일본 공개특허공보 2000-348898호).

한편, 현재 채광장비(mining nit), 절단기(cutter), 절단용 날(saw wheel), 레이저 다이오드(laser diode), 그리고 표면 탄성파 장치(SAW device) 등 다양한 분야에 걸쳐 다이아몬드의 뛰어난 물리적, 화학적 특성을 이용하는 산업분야가 날로 증가하는 추세이다. 그러나 이들 대부분의 상업적인 다이아몬드 박막 및 결정들은 순수한 다이아몬드라기 보다는 DLC(diamond like carbon)라고 할 수 있다. 이러한 다이아몬드 코팅막을 상기 플라즈마 CVD 장치를 이용하여 형성하는 경우 플라즈마 밀도는 마이크로파를 챔버 내로 도입하는 유전체판의 근방에서 크기 때문에 유전체판 근방에서는 막형성속도가 크지만, 유전체판에서 떨어진 플라즈마 영역에서는 유전체판 근방에서 재료 가스가 소비되므로 막형성 속도가 작아진다. 즉, 플라즈마 생성영역이라도 막두께, 막질 모두 적정한 막형성이 어려운 문제가 있다.

(특허문헌 1) JP2000-348898 A

본 발명은 대면적 표면파 플라즈마 CVD 장치의 제공을 목적으로 하고, 이러한 장치를 이용하여 형성된 전기전도성 다이아몬드 코팅막 및 전기전도성 다이아몬드 코팅을 하는 방법의 제공을 목적으로 한다.

본 발명의 일 목적을 위한 대면적 표면파 플라즈마 장치는 복수 개의 슬롯 안테나를 포함하고, 일단에 제1 마이크로파 전원이 연결된 제1 도파관과 복수 개의 슬롯 안테나를 포함하여, 상기 제1 도파관과 나란하게 배치되고, 상기 제1 도파관의 일단의 반대측에 해당하는 타단에 제2 마이크로파 전원이 연결된 제2 도파관과 상기 복수의 슬롯 안테나로부터 방사된 마이크로파를 챔버 내에 도입하여 표면파 플라즈마를 생성하기 위한 유전체판 및 상기 챔버 내에 가스를 공급하는 가스 공급부를 포함한다.

일 실시예에서, 상기 유전체판은 석영판일 수 있다.

일 실시예에서, 상기 슬롯 안테나는 도파관의 끝에서 0.6λg에 해당하는 지점에 위치할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 슬롯 안테나 사이의 간격이 λg/2일 수 있다.

일 실시예에서, 상기 표면파 플라즈마 장치는 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition)을 수행할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 가스 공급부를 통해 공급되는 가스는 CH₄, O₂, H₂, Ar, B₂H₆ 또는 TMB로 이루어지는 군에서 선택된 어느 1종 이상일 수 있다.

일 실시예에서, 상기 표면파 플라즈마 장치는 가변 플런저를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 목적을 위한 전기전도성 다이아몬드 코팅방법은 표면파 플라즈마 장치를 이용하여 기판에 화학적 기상 증착이 이루어질 수 있다.

일 실시예에서, 상기 가스 공급부를 통해 공급되는 가스는 CH₄, H₂ 및 B₂H₆일 수 있다.

상기에서 설명한 표면파 플라즈마 CVD 장치에 따르면, 대면적에서도 플라즈마 영역의 균일성을 확보할 수 있어 초경량 난삭 CFRP 복합재료의 고정도·고효율 절삭가공을 위한 대면적 전기전도성 다이아몬드 코팅장치를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 표면파 플라즈마 CVD 장치의 개략도이다.
도 2는 도파관 내부의 모양을 도시한 도면이다.
도 3은 도파관의 마이크로웨이브 플라즈마 시물레이션 해석을 한 도면이다.
도 4는 전자장 시뮬레이션에 의한 플라즈마 소스의 기본 개형을 도시한 도면이다.
도 5는 슬롯 안테나 주의의 전계 분포를 도시한 도면이다.
도 6은 플런저 위치에 따른 전력 흡수율의 변화를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자장 시뮬레이션을 도시한 도면이다.
도 8은 보론이 도핑된 전기전도성 다이아몬드 코팅을 도시한 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것

으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르

게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지

다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이

들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 대면적 표면파 플라즈마 장치를 설명하기 위한 단면도이다.

도 1을 참조하면, 상기 대면적 표면파 플라즈마(Surface Wave Plasma, SWP) 장치는 제1 도파관(1)을 포함한다. 상기 제1 도파관은(1)은 제1마이크로파 전원(11)에 연결되어 있고, 제1 도파관(1) 내부에는 복수 개의 제1슬롯안테나를 포함한다. 상기 대면적 표면파 플라즈마 장치는 상기 제1 도파관(1)과 나란하게 배치되고 상기 제1 도파관(1)의 일단의 반대측에 해당하는 타단에 제2 마이크로파 전원(21)이 연결되는 제2 도파관(2)을 포함한다. 상기 제2 도파관(2)도 내부에 복수 개의 제2슬롯안테나(23, 24)를 포함한다.

전자파의 파장에 비해 플라즈마의 용기가 큰 대면적에서, 도파관 축에 대해 평행 및 수직인 방향에 균일하게 분포한 플라즈마를 생산하기 위해 상기 도파관 및 상기 슬롯 안테나를 병렬로 설치하여 도파관 축에 수직인 방향의 플라즈마의 균일성을 확보할 수 있고, 축을 따라 길이 방향의 균일성은 복수 개의 슬롯 안테나를 적용하여 확보할 수 있다. 상기와 같이 본 발명의 대면적 표면파 플라즈마 장치는 두 개의 마이크로파 전원과 두개의 도파관을 이용하여 대면적 플라즈마를 생성시키며, 복수 개의 슬롯 안테나 커플링을 통해 전력을 전달하는 구조로 되어 있다. 상기 슬롯 안테나는 도파관 표면으로 흐르는 표면전류를 수직으로 cutting 함으로서 dipole radiation을 생성시키는 원리이기 때문에 도파관에서 자기장 성분이 최대가 되는 위치에 자기장과 동일한 방향으로 슬롯을 만들어야 한다. 상기 제1 및 제2 도파관(1, 2) 내부 모양을 도 2에 도시하였다. 상기 제1 및 제2 도파관 내부의 마이크로 웨이브 플라즈마 시뮬레이션의 해석을 도 3에 도시하였다.

일 실시예에 따르면, 상기 슬롯 안테나는 도파관 1개당 6개의 슬롯을 설치할 수 있다. 상기 슬롯 안테나는 상기 도파관 끝에서 자기장이 최대가 되는 λg(도파관 내에서 파장길이)/2에 해당하는 위치를 기본으로 하고 슬롯 안테나 사이의 간격도 λg/2로 둘 수 있다. 본 발명에서는 두 개의 도파관을 병렬로 배치하는 것이지만, 챔버의 중심을 기준으로 근사적인 대칭 시스템을 가정하여 반쪽에 해당하는 영역만 계산에 포함하여 도파관 중심에서 챔버 종단면의 전기장 크기 분포를 도 4에 나타내었다. 이 때 플라즈마 밀도는 5 × 10¹⁶/㎥, 공정압력은 300mtorr로서, 2.45GHz에 해당하는 임계 플라즈마 밀도보다 약간 낮은 조건이다. 또한, 도 5에서는 슬롯 안테나 주위의 전계분포를 나타내었다. 도 5에서 보면 알 수 있듯이, 플라즈마 영역에 슬롯 안테나 주기에 따라 전계가 비교적 균일하게 분포되어 있고, 슬롯 안테나 구조에 의한 강한 전계형성을 확인할 수 있다. 다만, 도파관만 존재하는 경우 이론적으로는 슬롯 안테나의 위치가 도파관 끝에서 λg/2위치에서 자기장이 최대가 되지만 유전체와 플라즈마 커플링에 의해 실제 상황에서 최대 전력전달이 되는 위치는 λg/2와 다소 차이가 존재한다. 이를 보상하기 위해 상기 플라즈마 장치는 도파관의 종단 위치를 가변할 수 있는 플런저를 포함할 수 있다. 상기 플런저 위치에 따른 전력 흡수율 변화에 대한 계산 결과를 도 6에 도시하였다. 상기 도 6에 따르면, 도파관 끝부분의 위치가 λg/2 + 0.1λg 즉, 첫번째 슬롯과 도파관 종단점과의 거리가 0.6λg에서 최대 전력 전달이 되었다. 상기 도 6의 계산 결과는 플라즈마 밀도가 1 × 10¹⁷/㎥인 경우의 전계 분포로서 critical density가 넘는 조건에서도 초고주파 전력전달이 효율적으로 일어남을 보여주고 있다. 이 때의 S11값은 -15.1 dB로서 SWP의 높은 플라즈마 밀도의 운전 특성을 보여주고 있다. 따라서, 도파관 끝부분의 위치가 λg/2+0.1λg 즉, 도파관 종단점과의 거리가 0.6λg에 슬롯 안테나를 위치시키고 슬롯 안테나 사이의 거리가 λg/2이 바람직하고, 이 경우의 전자장 시뮬레이션을 도 7에 도시하였다.

도 1을 참조하면, 상기 대면적 표면파 플라즈마 장치는 상기 복수의 슬롯 안테나(23, 24)로부터 방사된 마이크로파를 챔버(4) 내에 도입하여 표면파 플라즈마를 생성하기 위한 유전체판(3)을 포함한다. 상기 챔버(4)는 냉각수가 장착된 이중벽으로 이루어진 사각 형태일 수 있다.

일반적인 금속제 플라즈마 용기는 오링을 사용하여 금속플랜지들을 실링하지만, 금속벽은 마이크로웨이브를 통과시키고 동시에 석영판을 진공방지판으로 이용하는 것이 일반적이다. 그러나 대면적이 되면 커다란 대기에 의한 압력이 작용하여 석영판이 깨질 우려가 있으므로 이를 견뎌 진공을 유지하기 위해서는 일정 두께 이상의 석영판이 필요하다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 및 제2 도파관(2, 6)은 각각 제1 및 제2 진공펌프(12, 22)에 연결될 수 있다. 또한, 상기 유도체 판은 석영판일 수 있다. 즉, 상기 대면적 표면파 플라즈마 장치는 석영판을 진공 내에 두어 도파관 내부를 진공펌프로 배기하고, 배기구는 금속 메시로 종단하고, 도파관의 입사구를 석영판으로 진공을 방지할 수 있다.

도 1을 참조하면, 상기 대면적 표면파 플라즈마 장치는 챔버(4) 내에 가스를 공급할 수 있는 가스 공급부(5)를 포함한다. 상기 가스 공급부(5)를 통해 공급되는 가스는 CH₄, O₂, H₂, Ar, B₂H₆ 또는 TMB로 이루어지는 군에서 선택된 어느 1종 이상일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 대면적 표면파 플라즈마 장치는 상기 공급되는 가스를 조절하여 화학적 기상 증착(Chemical vapor deposition)을 수행할 수 있다. 표면파 플라즈마(Surface Wave Plasma, SWP) CVD 시스템에서는 박막의 성분 원소를 함유한 재료 가스와 반응 활성 물질의 원료인 프로세스 가스를 챔버(4) 내에 도입하여 표면파 여기 플라즈마를 생성한다. 일 실시예에 따르면, 상기 공급가스를 CH₄, H₂ 및 B₂H₆를 공급하여 대면적 표면파 플라즈마 CVD를 통해 초경량 난삭 CFRP 복합재료의 고정도·고효율 절삭가공을 위한 전기전도성 다이아몬드 코팅을 제공할 수 있다. 본 발명의 대면적 표면파 플라즈마 CVD를 통해 CH₄, H₂ 및 B₂H₆를 공급하여 시편에 코팅을 하게 되면 도 8과 같이 보론이 도핑되면서 기존의 비전도성 다이아몬드 코팅이 아닌 전도성 다이아몬드 코팅을 할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

1: 제1 도파관 11: 제1 마이크로파 전원
12: 제1 진공펌프 2: 제2 도파관
21: 제2 마이크로파 전원 22: 제2 진공펌프
23, 24: 슬롯 안테나 3: 유전체판
4: 챔버 5: 가스 공급부
51: 가스 공급 컨트롤러

Claims (10)

1. 진공펌프가 연결되어 있으며 일단에 제1마이크로파 전원이 연결된 제1도파관;
   복수개로 상기 제1도파관 내부에 마련되며 상기 제1도파관의 끝에서 0.6λg에 해당하는 지점에 위치하고 사이 간격이 λg/2인 제1슬롯안테나;
   진공펌프가 연결되어 있으며 상기 제1도파관과 나란하되 일부 중첩되게 배치되고, 상기 제1 도파관의 일단의 반대 측에 해당하는 타단에 제2마이크로파 전원이 연결되어 마이크로파 방향이 상기 제1도파관과 반대방향으로 진행되는 제2도파관;
   복수개로 상기 제2도파관 내부에 마련되며 상기 제2도파관의 끝에서 0.6λg에 해당하는 지점에 위치하고 사이 간격이 λg/2인 제2슬롯안테나;
   석영판으로 구비되고 상기 복수의 슬롯 안테나로부터 방사된 마이크로파를 챔버 내에 도입하여 밀도가 5 X 10¹⁶ 내지 1 X 10¹⁷/m³이고 공정압력은 300mtorr인 표면파 플라즈마를 생성하기 위한 유전체판; 및
   상기 챔버 내에 가스를 공급하되, 상기 가스는 CH₄, B₂H₆ 또는 TMB로 이루어지는 군에서 선택된 어느 1종 이상인 가스 공급부;를 포함하고,
   상기 챔버는 냉각수가 장착된 이중벽으로 이루어진 사각 형태이며,
   상기 제1 및 제2도파관은 상기 슬롯 안테나와 병렬로 설치되고 상기 슬롯안테나는 상기 제1 및 제2도파관 1개당 6개로 구비되며,
   상기 석영판은 진공 내에 두어 상기 제1 및 제2도파관 내부를 진공펌프로 배기하고, 상기 배기를 위한 배기구는 금속 메시로 종단하고 상기 제1 및 제2도파관 입구는 상기 석영판으로 진공을 방지하며,
   화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition)을 수행할 수 있는 표면파 플라즈마 장치.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 제1항에 있어서,
   가변 플런저를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표면파 플라즈마 장치.
   
9. 제1항 및 제8항 중 어느 한 항의 표면파 플라즈마 장치를 이용하여 기판에 화학적 기상 증착이 이루어지는 전기전도성 다이아몬드 코팅방법.
   
10. 제9항에 있어서,
    상기 가스 공급부를 통해 공급되는 가스는 CH₄, 및 B₂H₆인 것을 특징으로 하는 전기전도성 다이아몬드 코팅방법.
    
    

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