KR20050000449A

KR20050000449A - 대기압 플라즈마 발생장치 및 이를 이용한 플라즈마프로세스 시스템

Info

Publication number: KR20050000449A
Application number: KR1020030040941A
Authority: KR
Inventors: 위순임
Original assignee: 위순임
Priority date: 2003-06-24
Filing date: 2003-06-24
Publication date: 2005-01-05
Also published as: KR100599461B1

Abstract

본 발명은 대기압 플라즈마 발생 장치에 관한 것으로 전체적으로 원통형으로 오므라져 단면이 'C'형상을 갖는 중공형의 플라즈마 챔버, 플라즈마 챔버에 교차 장착되는 페라이트 코어 그리고 페라이트 코어에 권선되는 유도 코일을 구비한다. 플라즈마 챔버는 길이 방향으로 일부가 개방되어 플라즈마 가스를 배출하는 개구부가 형성되는 관형상의 외부 전극관, 외부 전극관의 길이와 동일한 길이를 갖고 외부 전극관의 내측 매입되는 내부 전극관, 외부 전극관과 내부 전극관이 마주 대하는 표면에 각기 설치되는 한 쌍의 유전체층, 그리고 외부 전극관과 내부 전극관의 상호 방전 거리를 갖도록 양단에 장착되는 스페이서로 구성된다. 본 발명의 대기압 플라즈마 챔버는 고밀도의 플라즈마를 안정적으로 균일하게 연속적으로 발생하고, 복수개의 플라즈마 챔버를 병렬로 연결 구성하여 대면적화가 가능하다.

Description

대기압 플라즈마 발생장치 및 이를 이용한 플라즈마 프로세스 시스템{APPARATUS FOR GENERATING PLASMA AT ATMOSPHERIC PRESSURE AND PLASMA PROCESS SYSTEM USING THE SAME}

본 발명은 대기압 플라즈마 발생장치(atmospheric pressure plasma generator)에 관한 것으로, 구체적으로는 유전체 장벽 방전(dielectric barrier discharge; DBD)을 이용한 대기압 플라즈마 발생장치 및 이를 이용한 플라즈마 프로세스 시스템(plasma process system)에 관한 것이다.

현제, 대기압 플라즈마(atmospheric pressure plasma)는 기존의 진공시스템(vacuum system)이 필요치 않으며 1atm(760 torr)에서 반응 챔버 없이 기존 생산라인에 직접 적용이 가능하여 연속적인 공정으로 처리가 가능하다. 대기압 플라즈마를 발생하기 위한 기술로는 유전체 장벽 방전(Dielectric Barrier Discharge; DBD), 코로나 방전(corona discharge), 마이크로웨이브 방전(microwave discharge), 아크방전(arc discharge) 등이 있다. 이 기술들은 산업 여러 분야에서 다양하게 사용될 수 있으며, 스프레이 멜트 코팅(spray melt coating) 등에 사용되는 아크 방전을 제외한 나머지 기술은 대부분이 반도체 제조 공정에 사용이 가능하다.

유전체 장벽 방전은 유전체의 전하축적(charge build-up) 현상을 이용하여 교류전원에 의해 인가되는 전압 효율을 극대화시켜 균일한 글로우 방전(glow discharge)을 얻는 것이다. 유전체 장벽 방전 발생 시스템은 고전압이 인가되는 두 전극사이에 각기 유전체 장벽을 삽입하고, 전극에 AC 전압을 인가하여 전자들이두 전극사이의 전기장 영역에서 가속되어 주입된 가스를 이온화 시켜 플라즈마를 발생시킨다.

이렇게 형성된 대기압 플라즈마는 유기 오염물의 세정 및 표면개질 등의 공정에 유용하게 사용된다. 예를 들어, 반도체 제조공정에서 대형 평판 세정이나 에싱(ashing), PFC 가스 정화 등에 이용되고 있다.

한편, 지금까지의 대기압 유전체 장벽 방전은 안정적이고 연속적인 균일한 플라즈마를 발생하기 어려우며, 대면적의 처리를 위해 고밀도의 플라즈마를 균일하게 발생하기가 어려운 것으로 알려있다.

현제 300mm 이상의 대형 웨이퍼 가공에서 수율을 향상 시킬 수 있는 대기압 플라즈마 발생 장치가 요구되고 있으며, TFT LCD, PDP(Plasma Display Panel) 등의 반도체 소자를 사용하는 공정은 다양한 종류의 대형 글라스(glass) 및 폴리머 평판을 사용하는데 이들 사이즈가 더욱 대형화 되어가고 있어 이에 효과적으로 대응할 수 있는 보다 처리속도가 빠르고 처리 크기에 제한이 없는 대기압 플라즈마 발생 장치가 요구되고 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 고밀도의 플라즈마를 안정적으로 균일하게 발생하고, 대면적의 플라즈마 처리가 가능한 대기압 플라즈마 발생 장치와 이를 이용한 플라즈마 프로세스 시스템을 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 대기압 플라즈마 발생장치의 사시도;

도 2는 도 1의 플라즈마 챔버의 단면도;

도 3 및 도 4는 플라즈마 발생장치를 이용한 플라즈마 프로세스 시스템의 일 예를 보여주는 도면;

도 5 및 도 6은 적어도 두 개 이상의 플라즈마 발생장치를 상호 연합하여 구성한 경우를 보여주는 도면; 그리고

도 7 내지 도 12는 플라즈마 발생장지의 변형예를 보여주는 도면으로, 도 7 내지 도 10은 플라즈마 챔버의 변형예를 도 11 및 도 12는 페리아트 코어의 변형예를 각각 보여주는 도면이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10: 플라즈마 발생장치 20: 플라즈마 챔버

30: 페라이트 코어 40: 가열 수단

50: 대형 글라스

이와 같은 목적을 달성하기 위하여, 플라즈마 발생 장치는: 길이 방향으로일부가 개방되어 플라즈마 가스를 분사하는 개구부를 갖도록 개방된 영역을 갖는 관형상의 외부 전극관, 외부 전극관의 길이와 동일한 길이를 갖고 외부 전극관의 내측에 매입되는 내부 전극관, 외부 전극관과 내부 전극관이 마주 대하는 표면에 각기 설치되는 한 쌍의 유전체층, 그리고 외부 전극관과 내부 전극관의 양단에 상호 방전 거리를 갖도록 양단에 장착되어 지지하는 스페이서를 포함하는 중공형의 플라즈마 챔버; 플라즈마 챔버에 장착되어 플라즈마 챔버로 기전력을 전달하기위한 페라이트 코어와 페라이트 코어에 권선되는 유도 코일; 외부 전극관과 내부 전극관에 전기적으로 연결되는 제1 전원; 유도 코일에 전기적으로 연결되는 제2 전원; 및 중공형 플라즈마 챔버로 방전 가스를 공급하는 가스 공급관을 포함한다.

이 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 챔버에 장착되는 적어도 하나의 냉각관을 포함한다.

이 실시예에 있어서, 상기 가스 공급관은 상기 외부 전극관의 외측에 길이 방향으로 설치되고, 가스 공급관과 외부 전극관은 각기 마주접하는 다수의 관통된 홀이 형성되고, 이 다수의 관통된 홀들로 방전 가스가 공급된다.

이 실시예에 있어서, 상기 내부 전극관은 길이 방향으로 일부분이 개방된 영역을 갖는다.

이 실시예에 있어서, 상기 내부 전극관의 개방된 영역은 외부 전극관의 개방된 영역과 일치하도록 위치되거나 또는 반대로 대칭되도록 위치하는 것 중 어느 하나로 위치한다.

이 실시예에 있어서, 상기 내부 전극관의 개방된 영역을 막는 절열판을 포함한다.

이 실시예에 있어서, 상기 페라이트 코어는 플라즈마 챔버의 중공영역에 교차 장착되는 사각 링 형상을 갖는다.

이 실시예에 있어서, 상기 페라이트 코어는 플라즈마 챔버의 중공영역에 삽입 장착된다.

이 실시예에 있어서, 적어도 둘 이상의 플라즈마 챔버를 병렬로 배열하고, 이웃하는 플라즈마 챔버 간에 각기 페라이트 코어를 교차 착장하여 다수개의 중공형 플라즈마 챔버를 연속하여 설치할 수 있다.

이 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 챔버의 개구부 하측으로 작업 대상물이 진입하기 전에 작업 대상물을 예열시키기 위한 가열 수단을 더 포함한다.

이 실시예에 있어서, 상기 가열 수단은 하나 이상의 램프와 램프로부터 조사되는 빛을 작업 대상물로 조사되게 하는 반사 갓을 포함한다.

이 실시예에 있어서, 병렬로 배열되는 둘 이상의 플라즈마 챔버와 작업 대상물을 예열시키기 위한 적어도 둘 이상의 가열 수단이 교대적으로 배열된다.

본 발명의 플라즈마 발생 장치를 이용한 플라즈마 프로세스 시스템은: 적어도 하나의 플라즈마 발생 장치가 설치되는 공정실; 공정실의 외부로 공정 진행 후 가스를 배출하기 위한 배기구; 작업 대상물을 플라즈마 발생 장치의 개구부 하부로 진입시키기 위한 다수개의 롤러를 포함한다.

(실시예)

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 대기압 플라즈마 발생장치의 사시도이고, 도 2는 도 1의 플라즈마 챔버의 단면도이다.

도면을 참조하여, 본 발명의 대기압 플라즈마 발생장치(10)는 전체적으로 원통형으로 오므라져 측면이 'C'형상을 갖는 중공형의 플라즈마 챔버(20)를 갖는다. 여기서 플라즈마 챔버(20)의 형상이 원통형으로 한정되는 것은 아니며 사각의 통형상 등으로 변형 실시할 수 있다. 플라즈마 챔버(20)에는 페라이트 코어(30)가 장착되고 페라이트 코어(30)에 권선되는 유도 코일(32)을 구비한다.

페라이트 코어(30)는 플라즈마 챔버(20)의 중공영역(19)에 교차되어 장착되는 사각의 링 형상을 갖는다. 그러나 페라이트 코어의 형상과 플라즈마 챔버(20)에 장착되는 구조는 다양하게 변형될 수 있다. 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 플라즈마 챔버(20)의 중공영역(19)에 또 다른 형상의 페라이트 코어(30a, 30b)를 삽입 장착할 수 있다. 일 예로, 도 11에 도시된 바와 같이, 플라즈마 챔버(20)의 길이에 대응하는 길이를 갖고, 그 측면이 'H' 형상을 갖는 페라이트 코어(30a)와 이에 유도 코일(32a)이 권선되어 플라즈마 챔버(20)의 중공영역(19)에 삽입 장착된다. 또 다른 예로, 도 12에 도시된 바와 같이, '凹' 형상을 갖는 다수개의 페라이트 코어(30b)가 유도 코일(32b)이 권선되어 플라즈마 챔버(20)의 중공영역(19)에 삽입 장착된다.

구체적으로, 플라즈마 챔버(20)는 관형상의 외부 전극관(22a), 외부 전극관(22a)의 길이와 동일한 길이를 갖고 외부 전극관(22a)의 내측에 매입되는 내부 전극관(22b), 외부 전극관(22a)과 내부 전극관(22b)이 마주 대하는 표면에 각기 설치되는 한 쌍의 유전체층(24a, 24b), 그리고 외부 전극관(22a)과 내부 전극관(22b)의 양단에 장착되어 지지하는 스페이서(29a, 29b)를 갖는다. 이와 같이 일정 거리를 두고 마주 대하는 외부 전극관(22a)과 내부 전극관(22b)이 전체적으로 원통의 형상을 갖고, 그 양단이 스페이서(29a, 29b)에 의해 막히게 되어, 플라즈마 챔버(20)는 외부 전극관(22a)과 내부 전극관(22b) 그리고 스페이서(29a, 29b)로 이루어지는 챔버를 형성한다.

외부 전극관(22a)과 내부 전극관(22b)은 길이 방향으로 하부가 개방된 영역(28a, 28b)을 가지므로 플라즈마 가스를 배출하는 개구부(28)가 형성되고, 개구부(28)에는 마주대하는 길이 방향의 가스 배출구(26a, 26b)가 형성된다.

이 실시예에서, 외부 전극관(22a)과 내부 전극관(22b)이 모두 개방된 영역(28a, 28b)을 갖도록 하였으나 첨부도면 도 7 내지 도 10에 도시된 바와 같이 변형 실시할 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 내부 전극관(22b)을 개방된 영역이 없이 원통형으로 할 수 있다. 또는 도 8에 도시된 바와 같이, 내부 전극관(22b)의 개방된 영역을 막는 절연판(28c)을 설치할 수 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, 내부 전극관(22b)의 개방된 영역(28b)이 외부 전극관(22a)의 개방된 영역(28a)에 대칭되는 반대편 상단에 위치하도록 할 수 있다. 이 경우, 도 10에 도시된 바와 같이, 개방된 영역을 막는 절연판(28c)이 설치될 수 있다.

유전체층(24a, 24b)은 유리, 알루미나, 질화붕소, 탄화규소, 질화규소, 석영, 산화마그네슘 등과 같은 유전체를 사용할 수 있다. 외부 및 내부 전극관(22a, 22b)은 스테인리스, 알루미늄, 구리 등의 도체 금속을 사용할 수 있다. 스페이서(29a, 29b)는 절연체를 사용하는 것이 바람직하다.

계속해서, 플라즈마 챔버(20)는 방전 가스를 공급하기 위한 가스 공급관(21)이 설치된다. 이 실시예에서, 가스 공급관(21)은 플라즈마 챔버(20)의 외측 상단 즉, 외부 전극관(22a)의 외측 상단에는 길이 방향으로 설치된다. 도면에는 구체적으로 도시하지 않았으나 가스 공급관(21)은 가스 공급원(미도시)에 연결된다. 가스 공급관(21)과 외부 전극관(22a)은 각기 마주접하는 면으로 다수의 관통된 홀(27, 23)이 형성되며 이 다수의 관통된 홀들(27, 23)을 통하여 플라즈마 챔버(20)로 방전 가스가 공급된다.

플라즈마 챔버(20)에는 적어도 하나의 냉각관(25)이 설치될 수 있다. 냉각관(25)은 냉각수 공급원(미도시)에 연결된다. 이 실시예에서 냉각관(25)은 플라즈마 챔버(20)의 상단 즉, 외부 전극관(22a)의 상단에 장착된다.

외부 전극관(22a)과 내부 전극관(22b)은 제1 전원(36)에 전기적으로 연결된다. 제1 전원(36)은 플라즈마 발생을 위한 점화(ignite)용 전원이다. 유도 코일(32)은 제2 전원(34)에 전기적으로 연결된다. 제2 전원(34)은 발생된 플라즈마 가스의 이온 입자를 가속시키는 가속 전원이다.

이와 같은 본 발명의 대기압 플라즈마 발생 장치(10)는 가스 공급관(21)으로부터 플라즈마 챔버(20)로 방전 가스가 공급되고, 제1 전원(36)이 외부 전극관(22a)과 내부 전극관(22b)에 공급되면 점화가 이루어진다. 이어, 제2 전원(34)으로부터 유도 코일(34)로 공급된 전원에 의해 플라즈마 챔버(20)의 내부에 유도 기전력이 전달되어 플라즈마 이온 입자의 가속이 이루어진다. 그럼으로 고밀도의 플라즈마가 균일하게 발생되어 개구부(28)를 통해 하부로 분사된다.

도 3 및 도 4는 플라즈마 발생장치를 이용한 대기압 플라즈마 프로세스 시스템을 구현한 예를 보여주는 도면이다.

본 발명의 대기압 플라즈마 발생장치(10)는 대면적의 작업 대상물 예컨대, 액정 디스플레이를 제작하기 위한 대형 평판 글라스(50)의 플라즈마 처리 공정에 사용된다. 예를 들어, 대형 평판 글라스(50)의 세정 또는 에싱 공정에 사용된다.

플라즈마 프로세스 시스템은 플라즈마 발생장치(10)가 공정실(60)내에 설치되고, 공정실(60)의 외부 일 측에 공정 진행 후 가스를 외부로 배출하기 위한 배기구(62)가 설치된다. 배기구(62) 배기 시스템(미도시)에 연결된다. 공정실(60)에는 평판 글라스(50)를 일정 속도로 플라즈마 발생장치(10)의 하부로 진입시키기 위한 다수개의 롤러(64)가 병렬로 배열된다.

에싱 공정의 경우, PR(photo resist)층(52)이 도포된 평판 글라스(50)가 롤러(64)에 의해 플라즈마 챔버(20)의 하부로 진행하면 플라즈마 가스가 평판 글라스(50)에 분사되면서 PR(52)이 제거(strip)된다.

이와 같은 에싱 공정에서, PR(52)을 좀더 효과적으로 제거하기 위해 플라즈마 챔버(20)의 하측으로 평판 글라스(50)가 진입하기 전에 평판 글라스(50)의PR(52)을 미리 예열시키기 위한 가열 수단(40)을 구비할 수 있다. 가열 수단(40)은 예를 들어, 하나 이상의 램프(42)와 램프(42)로부터 조사되는 빛을 작업 대상물로 조사되게 하는 반사 갓(44)으로 구성될 수 있다. 램프(42)는 봉형상의 할로겐램프를 사용할 수 있다.

한편, 본 발명의 대기압 플라즈마 장치는 공정 특성이나 작업 대상물의 크기에 적합하게 두 개 이상의 플라즈마 발생장치를 연합하여 구성할 수 있다. 도 5 및 도 6은 적어도 두 개 이상의 플라즈마 발생장치를 상호 연합하여 구성한 경우를 보여주는 도면이다.

도면을 참조하여, 적어도 둘 이상의 중공형 플라즈마 챔버(10-1, 10-2,... ,10-n)를 병렬로 배열하고, 이웃하는 플라즈마 챔버 간에 각기 페라이트 코어를 교차 착장하여 다수개의 중공형 플라즈마 챔버를 연속하여 설치할 수 있다. 이때, 적어도 둘 이상의 중공형 플라즈마 챔버와 적어도 둘 이상의 가열 수단(40-1, 40-2, 40-3,..., 40-n)이 서로 교대적으로 배열된다.

이와 같이 다수개의 플라즈마 챔버(10-1, 10-2,..., 10-n)를 병렬로 연결하게 되면 다수의 개구부(28-1, 28-2, 28-3,..., 28-n)를 통해 고밀도의 플라즈마가 병렬로 분사되므로 보다 넓은 면적의 플라즈마 처리가 가능해진다.

이상에서, 본 발명에 따른 대기압 플라즈마 발생장치 및 이를 이용한 대면적 플라즈마 프로세스 시스템의 구성 및 작용을 상기한 설명 및 도면에 따라 도시하였으나, 이는 일 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능함은 물론이다.

이상에서 상세하게 설명한 바에 의하면, 본 발명의 대기압 플라즈마 발생 장치는 고밀도의 플라즈마를 안정적으로 균일하게 연속적으로 발생하고, 복수개의 플라즈마 챔버를 병렬로 연결 구성하여 대면적화가 용이하다.

Claims

길이 방향으로 일부가 개방되어 플라즈마 가스를 분사하는 개구부를 갖도록 개방된 영역을 갖는 관형상의 외부 전극관, 외부 전극관의 길이와 동일한 길이를 갖고 외부 전극관의 내측에 매입되는 내부 전극관, 외부 전극관과 내부 전극관이 마주 대하는 표면에 각기 설치되는 한 쌍의 유전체층, 그리고 외부 전극관과 내부 전극관의 양단에 상호 방전 거리를 갖도록 양단에 장착되어 지지하는 스페이서를 포함하는 중공형의 플라즈마 챔버;

플라즈마 챔버에 장착되어 플라즈마 챔버로 기전력을 전달하기위한 페라이트 코어와 페라이트 코어에 권선되는 유도 코일;

외부 전극관과 내부 전극관에 전기적으로 연결되는 제1 전원;

유도 코일에 전기적으로 연결되는 제2 전원; 및

중공형 플라즈마 챔버로 방전 가스를 공급하는 가스 공급관을 포함하는 대기압 플라즈마 발생장치.
제1항에 있어서, 상기 플라즈마 챔버에 장착되는 적어도 하나의 냉각관을 포함하는 대기압 플라즈마 발생장치.
제1항에 있어서, 상기 가스 공급관은 상기 외부 전극관의 외측에 길이 방향으로 설치되고, 가스 공급관과 외부 전극관은 각기 마주접하는 다수의 관통된 홀이형성되고, 이 다수의 관통된 홀들로 방전 가스가 공급되는 대기압 플라즈마 발생장치.
제1항에 있어서, 상기 내부 전극관은 길이 방향으로 일부분이 개방된 영역을 갖는 대기압 플라즈마 발생장치.
제4항에 있어서,

상기 내부 전극관의 개방된 영역은 외부 전극관의 개방된 영역과 일치하도록 위치되거나 또는 반대로 대칭되도록 위치하는 것 중 어느 하나로 위치하는 대기압 플라즈마 발생장치.
제5항에 있어서, 상기 내부 전극관의 개방된 영역을 막는 절열판을 포함하는 대기압 플라즈마 발생장치.
제1항에 있어서, 상기 페라이트 코어는 플라즈마 챔버의 중공영역에 교차 장착되는 사각 링 형상을 갖는 대기압 플라즈마 발생장치.
제1항에 있어서, 상기 페라이트 코어는 플라즈마 챔버의 중공영역에 삽입 장착되는 대기압 플라즈마 발생장치.
제1항 있어서, 적어도 둘 이상의 플라즈마 챔버를 병렬로 배열하고, 이웃하는 플라즈마 챔버 간에 각기 페라이트 코어를 교차 착장하여 다수개의 중공형 플라즈마 챔버를 연속하여 설치할 수 있는 대기압 플라즈마 발생장치.
제1항에 있어서, 상기 플라즈마 챔버의 개구부 하측으로 작업 대상물이 진입하기 전에 작업 대상물을 예열시키기 위한 가열 수단을 더 포함하는 대기압 플라즈마 발생장치.
제10항에 있어서, 상기 가열 수단은 하나 이상의 램프와 램프로부터 조사되는 빛을 작업 대상물로 조사되게 하는 반사 갓을 포함하는 대기압 플라즈마 발생장치.
제9항에 있어서, 병렬로 배열되는 둘 이상의 플라즈마 챔버와 작업 대상물을 예열시키기 위한 적어도 둘 이상의 가열 수단이 교대적으로 배열되는 대기압 플라즈마 발생장치.
제1항에 기재된 플라즈마 발생 장치를 이용한 플라즈마 프로세스 시스템에 있어서,

적어도 하나의 플라즈마 발생 장치가 설치되는 공정실;

공정실의 외부로 공정 진행 후 가스를 배출하기 위한 배기구;

작업 대상물을 플라즈마 발생 장치의 개구부 하부로 진입시키기 위한 다수개의 롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 프로세스 시스템.