KR20060019513A - 마이크로파 플라즈마 처리방법 - Google Patents

Abstract

처리대상의 표면에 균일한 박막층을 형성할 수 있으며, 더욱이, 단시간에 처리하는 것이 가능한 마이크로파 플라즈마 처리방법을 제공한다. 플라즈마 처리실(1)에 마이크로파를 도입하여 처리용 가스를 플라즈마화 함으로써, 상기 플라즈마 처리실(1) 내에 배치한 기체(13)에 박막층을 형성하는 마이크로파 플라즈마 처리방법에 있어서, 상기 기체(13)를 플라즈마 처리실(1)의 중심축과 같은 축상에 고정하여, 상기 플라즈마 처리실 내의 마이크로파의 정재파모드를 상기 기체의 구부(131)부터 동부(133)까지는 TE모드 또는 TEM모드로 하며, 상기 기체의 저부(132)는 TE모드와 TM모드가 공재하는 모드로 한 마이크로파 플라즈마 처리방법으로 되어 있다.

Description

마이크로파 플라즈마 처리방법{MICROWAVE PLASMA PROCESSING METHOD}

본 발명은, 마이크로파 플라즈마 처리방법에 관한 것이며 특히, 플라스틱 용기에 화학증착막을 형성할 때 플라즈마를 용기에 균일하게 효율적으로 작용시킴으로써 용기에 균일한 박막층을 짧은 처리 시간으로 형성할 수 있는 마이크로파 플라즈마 처리방법에 관한 것이다.

화학증착법(CVD)은, 상온에서는 반응이 일어나지 않는 처리용 가스를 사용하여 고온분위기에서의 기상성장에 의하여 처리대상물의 표면에 반응생성물을 막의 형상으로 석출시키는 기술이며 반도체의 제조, 금속이나 세라믹의 표면개질등에 널리 채용되고 있다. 최근에는, CVD중에서도 저압 플라즈마CVD는 플라스틱 용기의 표면개질 특히, 가스베리어성의 향상에도 응용되고 있다.

플라즈마CVD는 플라즈마를 이용하여 박막 성장을 하는 것이며, 기본적으로는 감압하에 있어서 처리용 가스를 포함한 가스를 고전계의 전기적 에너지로 방전시킴으로써 해리, 결합하여 생성한 물질을 기상중 또는 처리대상물 상에서 화학반응시킴으로써 처리대상물 상에 퇴적시키는 방법이다.

플라즈마상태는 그로방전, 코로나방전 및 아크방전에 의하여 실현되는 것이며 그 중에서, 그로방전의 방식으로서는 직류 그로방전을 이용하는 방법, 고주파 그로방전을 이용하는 방법, 마이크로파 방전을 이용하는 방법 등이 알려져 있다.

이들 중에서, 마이크로파 방전을 이용하는 방법은 장치의 구성을 매우 간략화할 수 있으며 또한, 장치내에서의 감압의 정도도 플라스틱 용기의 내면을 처리할 경우에는 마이크로파 방전이 플라스틱 용기 내에만 발생하도록 하면 되므로 장치내 전체를 고진공으로 유지할 필요가 없고 조작의 간편성 및 생산성의 점에서 우수하다.

플라스틱 용기를 대상으로 한 마이크로파 플라즈마 처리로써는 예를 들면, 보틀을 통형상의 마이크로파 폐쇄실에 마이크로파 폐쇄실의 중심축과 동축으로 배치하여 보틀의 내부와 보틀의 외부의 공간을 동시에 배기하고, 또한, 소정의 처리 시간 보틀의 내부에 처리가스를 유입시키는 동시에 마이크로파를 마이크로파 폐쇄실에 도입하여 마이크로파 폐쇄실내의 마이크로파를 TM공진모드로하고 보틀내부에 플라즈마를 점화유지시켜서 보틀을 처리하는 방법이 개시되어 있다.

그러나, 상기방법으로는, 마이크로파 폐쇄실의 플라즈마 상태가 불안정하며, 또한, 폐쇄실의 축방향으로 플라즈마의 강도분포가 형성되므로, 처리된 용기상에 균일한 박막을 형성할 수 없다는 문제가 있었다.

또한, 플라즈마 발광이 발생하기 어렵고 처리 시간이 길어지는 문제가 있었다. 그리고 처리용 가스를 공급하는 노즐이 오염되기 쉽다는 문제가 있었다.

본 발명은 상기 과제를 감안하여 처리대상의 표면에 균일한 박막층을 형성할 수 있으며 더욱이, 단시간에 처리할 수가 있는 마이크로파 플라즈마 처리방법의 제공을 목적으로 한다.

이 과제를 해결하기 위하여, 본 발명자들은 예의연구한 결과 플라즈마 처리 실 내의 마이크로파의 정재파를 조정하고 기체(基體)의 처리면에 대하여 수직방향으로 전계를 형성함으로써 기체에 플라즈마를 효율적으로 작용시킬 수 있는 것 및 기체의 처리면에 있어서 전계강도를 거의 균일하게 할 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성시켰다.

즉, 본 발명은 플라즈마 처리실에 마이크로파를 도입하여 처리용 가스를 플라즈마화 함으로써 플라즈마 처리실 내에 배치한 기체에 박막층을 형성한 마이크로파 플라즈마 처리방법에 있어서 기체를 플라즈마 처리실의 중심축과 동축상에 고정하여 플라즈마 처리실 내의 마이크로파의 정재파모드를 기체의 구부(口部)로부터 동부(胴部)까지는 TE모드 또는 TEM모드로 하고, 기체의 저부는 TE모드와 TM모드를 공재(共在)시키는 마이크로파 플라즈마 처리방법으로 되어 있다.

이와 같이 하면, 전계가 플라즈마 처리실의 중심축상으로부터 플라즈마 처리실의 벽면을 향하여 발생하므로 발생된 플라즈마는 처리실의 중심부분으로부터 기체의 내벽으로 향하여 가속된다. 따라서, 기체상에 효율적으로 박막을 형성할 수 있다.

또한, 기체 표면상에 있어서의 전계강도를 거의 균일하게 할 수가 있으므로 플라즈마에 의하여 형성되는 박막층을 균일하게 할 수 있다.

또한, 본 명세서에 있어서, 기체의 구부(口部)란, 구부 및 그 주변부를 포함하는 의미이다. 마찬가지로, 기체의 동부(胴部)란, 동부 및 그 주변을 말하며, 기체의 저부란, 저부 및 그 주변을 포함한다는 의미이다.

또한, 본 발명의 상기 처리방법에 있어서는, 기체 내부에 플라즈마 처리실의 중심축상이며 기체 저부까지 도달하지 않도록 금속제 처리용 가스 공급부재를 삽입하는 것이 바람직하다.

이와 같이, 플라즈마 처리실의 축상을 따라서 금속제 처리용 가스 공급부재를 설치함으로써, 플라즈마 처리실 내를 이른바 반동축(半同軸) 원통 공진계로 할 수가 있다. 이 공진계에 있어서는 공급부재의 일단으로부터 선단부 사이에서는 마이크로파의 정재파모드를 TE모드 또는 TEM모드로 할 수 있으며 또한, 공급부재 선단부로부터 앞의 공급부재가 없는 영역에서는 TE모드 및 TM모드가 공재된 상태로 할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 플라즈마 처리실에 마이크로파를 플라즈마 처리실의 측면에서 기체의 구부와 저부 사이의 위치로부터 공급하는 것이 바람직하다.

이와 같이 하면, 플라즈마 처리실 내의 전계 강도분포가 안정되기 쉽고 마이크로파의 에너지를 효율적으로 사용할 수 있다. 또한, 플라즈마 상태가 안정화되므로 기체 표면에 형성되는 박막이 균일하게 된다.

또한, 본 발명은 마이크로파 처리실에 도입하기까지의 마이크로파의 모드를 TE모드 또는 TM모드로 하고 있다.

이와 같이 하면, 플라즈마 처리실을 상술한 본 발명에 있어서의 마이크로파 모드로 효율적으로 변환할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 기체 내부의 진공도를 기체 외부의 진공도보다 높게 하는 것이 바람직하다.

이와 같이, 기체 내부의 진공도가 높은 상태에서 플라즈마가 발생하면, 전계가 기체의 벽면 부분에 집중함으로 박막층이 효율적으로 형성된다.

도 1은 본 발명의 1실시형태에 관한 마이크로파 플라즈마 처리 장치의 개략 배치도이다.

도 2는 본 발명에 관한 마이크로파 플라즈마 처리 장치에 있어서의 플라즈마 처리실과 마이크로파 발진기의 접속형태의 일 예를 모식적으로 도시한 개략 배치도이다.

도 3은 본 발명의 1실시형태에 관한 마이크로파 플라즈마 처리 장치의 플라즈마 처리실의 개략 단면도이다.

이하, 본 발명의 마이크로파 플라즈마 처리 방법을 보틀의 내면처리에 적용한 1실시형태에 대하여 설명한다. 이 실시형태에 있어서의 보틀로써는, 폴리에틸렌테레프탈레이트 등의 폴리에스테르로부터 형성된 2축 연신블로우(blow)성형보틀을 들 수 있다.

[마이크로파 플라즈마 처리 장치]

도 1은 본 실시 형태의 마이크로파 플라즈마 처리방법을 실시하기 위한 장치의 개략 배치도이다.

플라즈마 처리실(1)에는, 처리실(1) 내의 배기를 실시하여 감압상태로 유지하기 위한 진공펌프(2)가 배기관(3)을 통하여 접속되어 있다. 그리고, 마이크로파 발진기(4)가 마이크로파 도입수단인 도파관(5)을 통하여 접속되어 있다. 또한, 처리실로부터의 마이크로파 반사량을 최소로 조절하기 위하여 3개의 튜너(6)를 설치해도 된다.

단, 튜너(6)에서는 강제적으로 반사량을 적게 할 수 있을 뿐이며, 플라즈마 처리실(1)내를 우수한 공진계로 할 수는 없다. 또한, 다음에 기술하는 플라즈마 처리 장치를 사용함으로써, 플라즈마 처리실(1) 내의 우수한 공진계로 할 수가 있으며 튜너(6) 등의 조절 수단을 사용하지 않아도 효율적인 처리가 가능해진다.

마이크로파 발진기(4)로써는 처리용 가스에 작용하여 그로방전을 발생시킬 수 있는 마이크로파를 발진할 수 있는 것이라면 특히 제한되지 않으며 일반적으로 시판되고 있는 것을 사용할 수 있다.

도파관(5)은 마이크로파 발진기(4)로부터 발진된 마이크로파를 효율적으로 처리실(1)에 전달하는 것이며, 사용하는 마이크로파의 파장에 적합한 것을 사용한다.

여기서 마이크로파 발진기(4)와 처리실(1)의 접속형태로서는 도 1에 도시한 바와 같이 도파관(5)을 통하여 마이크로파 발진기(4)와 처리실(1)을 직접 접속하는 것 이외에도 다양한 접속형태가 있으며 예를 들면, 마이크로파 발진기(4)와 처리실(1)의 사이를 동축케이블 등을 통하여 접속할 수도 있다. 그리고 동축케이블의 접속위치를 변경함으로써 처리실(1)에 도입할 때까지의 마이크로파 모드를 TE모드 또 는 TM모드로 변경할 수가 있다.

도 2에 마이크로파 발진기(4)와 처리실(1)의 접속형태의 일례를 도시한다.

도 2(a) 및 (b)에 도시한 바와 같이 처리실(쳄버)(1)에 접속된 도파관(5)과 마이크로파 발진기(4)와의 사이를 동축케이블(50)을 통하여 접속할 수도 있다. 이 경우 처리실(1)측과 마이크로파 발진기(4)측에 각각 동축 도파관 변환기(51a,51b)를 구비하고, 동축 케이블(50)과 동축 도파관 변환기(51a,51b)를 안테나(52a,52b)를 통하여 접속한다.

그리고, 이때, 처리실(1)측의 안테나(52a)의 장착 위치에 따라 처리실(1)에 도입하기까지의 마이크로파 모드를 TE모드 또는 TM모드로 설정할 수 있다. 구체적으로는 도 2(a)에 도시한 바와 같이 처리실(1)측의 안테나(52a)를 도파관(5)(동축 도파관 변환기(51a))과 직교하는 위치에 장착함으로써 처리실(1)에 도입하기까지의 마이크로파 모드를 TE모드로 할 수가 있다.

한편, 도 2(b)에 도시한 바와 같이, 처리실(1)측의 안테나(52)를, 도파관(5)(동축 도파관 변환기(5la))와 평행하게 장착하면 처리실(1)에 도입하기까지의 마이크로파 모드를 TM모드로 할 수가 있다.

그리고, 도 2(c)에 도시한 바와 같이 마이크로파 발진기(4) 대신 마이크로파 발진 전원(41)을 사용할 수도 있다. 이 경우에는 처리실(1)에 접속된 도파관(5)(마그네트론 마운트(54))에 장착된 마그네트론(53)에 마이크로파 발진 전원(41)으로부터 도출된 고압케이블(53a) 및 히터선(53b)을 접속함으로써, 마그네트론(53) 안테나로부터의 마이크로파가 처리실(1)에 전달된다.

그리고, 이 경우에도 도 2(a) 및 (b)로 도시한 동축케이블의 안테나 위치의 경우와 마찬가지로 마그네트론(53)의 접속위치를 변경함으로써 처리실(1)에 도입하기까지의 마이크로파 모드를 TE모드 또는 TM모드로 설정할 수가 있다. 즉, 도 2(c)에 도시한 바와 같이 마그네트론(53)이 도파관(5)(마그네트론 마운트(54))과 직교하도록 장착됨으로써 처리실(1)에 도입하기까지의 마이크로파 모드를 TE모드로 할 수가 있다.

한편, 도시는 생략하였으나 마그네트론(53)이 도파관(5)(마그네트론 마운트(54))과 평행하게 장착되면 마이크로파 모드는 TM모드로 된다.

이상과 같이 하면, 쳄버와 도파관(5)과의 접속부에 있어서는 도 2(a)~(c)의 화살표로 도시한 바와 같이 전계 방향은 쳄버 벽에 대하여 수평(높이 방향) 또는 수직이 된다.

[플라즈마 처리실]

도 3은 플라즈마 처리실의 개략 단면도이다.

플라즈마 처리실(1)은 기대(10)에 설치된 중공의 쳄버(11)와 쳄버(11)의 상부에 위치하고 착탈 가능한 덮개(12) 및 처리대상인 보틀(13)을 고정하는 보틀 고정 수단(14)에 의하여 구성되어 있다. 쳄버(11)의 측면에는 마이크로파 발진기(4)로부터 발진된 마이크로파를 플라즈마 처리실(1)에 전달하기 위한 도파관(5)이 접속되어 있다.

플라즈마 처리실(1)은 이른바 마이크로파 반동축 원통 공진계를 형성하고 있 다. 즉, 원통형의 쳄버(11)에 의하여 플라즈마 처리실(1)을 형성하는 동시에 이 축상에 도전성의 처리용 가스공급부재(15)를 그 단부가 덮개(12)까지 도달하지 않은 상태로 설치한 구성으로 되어 있다.

보틀(13)은 보틀 고정수단(14)에 의하여 구부(131)를 파지하여 쳄버(11)의 축상에 고정되어 있다. 보틀(13)의 내부에 처리용 가스 공급부재(15)가 삽입되어 있다. 이 상태에서 진공펌프(2)에 의하여 보틀(13)의 내외부를 진공으로 하고 보틀(13) 중심부에 삽입된 처리용 가스공급부재(15)로부터 처리용 가스를 공급하고 처리실(1) 측면으로부터 마이크로파를 공급한다.

처리실(1)의 내부를 감압하기 위하여 쳄버(11)와 보틀 고정수단(14)의 사이에는 간극(16)이 형성되고 기대(10)를 통하여 배기관(3)에 접속되어 있다. 마찬가지로 보틀(13) 내부를 감압하기 위하여 보틀 고정수단(14)에 형성된 배기구(142)도 배기관(3)에 접속되어 있다.

보틀 고정수단(14)은 쳄버(11)의 하측에 위치하고 있으며 보틀의 구부(131)를 파지하는 보틀 파지부(141)와 보틀(13) 내를 감압하기 위한 배기구(142)와 보틀 파지부(141)의 바로 밑에 위치하고 배기구(142)를 덮도록 설치되어 처리실(1)의 외부로 마이크로파가 누설되는 것을 방지하는 마이크로파 실링 부재(143)를 가지고 있다.

마이크로파 실링부재(143)로서는 보틀(13) 내부의 감압공정을 방해하지 않도록 기체(氣體)를 투과할 수 있으며 또한 마이크로파를 차단할 수 있는 것 예를 들면, SUS, Al, Ti등으로 이루어진 금속망 등을 사용할 수 있다.

보틀 고정수단(14)은 승강 가능한 로드(도시하지 않음)에 접속되어 있다. 보틀고정수단(14)에 보틀(13)을 착탈할 때에는 덮개(12)를 열고 로드를 상승시켜서 보틀(13)(고정수단(14))을 챔버(11)의 외측까지 이동할 수가 있다.

처리용 가스 공급부재(15)는 챔버(11)와 동축상이며 보틀 고정수단(14)을 관통하여 보틀(13)의 내부에 위치하도록 삽입되어 소정의 속도로 가스를 공급할 수 있도록 처리 가스공급장치(도시하지 않음)에 처리용 가스 공급관(152)을 통하여 접속되어 있다.

공급부재(15)의 굵기나 형상은 쳄버 지름, 보틀 형상으로부터 임의로 결정된다.

공급부재(15)를 형성하는 재료에는 SUS, Al, Ti 등의 금속을 사용할 수 있다. 보틀(13) 내면에 화학증착막을 형성하는 경우는 다공질의 금속을 사용하면 얻어지는 박막층의 균일성이 좋고 유연성 및 가요성도 향상시킬 수 있으며 생산성도 향상될 수 있으므로 바람직하다.

처리용 가스 공급부재(15)에는 하나 또는 그 이상의 가스방출용 구멍이 형성되어 있으나 이 구멍의 위치, 크기, 수는 임의로 설정할 수 있다.

처리용 가스 공급부재(15)의 표면에는, 플라즈마 처리에 의하여 보틀(13) 내면에 형성되는 막과 같은 종류의 막이 형성돼 있는 것이 바람직하다.

[마이크로파 플라즈마 처리방법]

다음에 본 실시형태에 관한 보틀의 처리방법을 구체적으로 설명한다.

보틀(13)을 보틀 고정수단(14)에 고정한다. 이때, 덮개(12)는 쳄버(11)로부터 분리되어 있으며 보틀 고정수단(14)은 로드(도시하지 않음)에 의하여 쳄버(11)내를 상승하며 쳄버(11)의 상부에 위치하고 있다.

이 상태에서, 보틀(13)의 구부를 보틀파지부(141)에 파지시키고 로드를 하강시켜서 보틀고정수단(14)을 소정위치에 배치한다. 그 후, 덮개(12)를 닫고 쳄버(11)내를 밀봉하여 도 3에 도시한 상태로 한다.

이어서, 진공펌프(2)를 구동하여 보틀(13)의 내부를 감압하여 보틀(13) 외부의 진공도 보다 높은 상태로 한다.

보틀(13) 내부의 진공도가 보틀(13)의 외부 진공도 보다 높은 상태에서 플라즈마를 발생시키면 플라즈마가 보틀(13)의 벽면부근에 집중하므로 보틀(13) 위에 박막층을 효율적으로 단시간에 형성할 수 있다.

보틀(13) 내의 감압의 정도는 처리용 가스가 도입되고 마이크로파가 도입되었을 때에 그로방전이 발생할 정도이면 된다. 구체적으로는, 1~500Pa, 특히, 5~200Pa의 범위로 감압하는 것이 플라즈마 처리의 효율화를 도모하는 점에서 바람직하다.

그리고, 보틀(13)의 내부 진공도가 보틀(13)의 외부 진공도보다 높은 상태이면 플라즈마 처리실(1) 내를 감압하여도 된다. 이 경우, 마이크로파가 도입되어도 그로방전이 발생하지 않는 감압의 정도, 예를 들면, 1000~10000Pa로 한다.

이 감압상태에 도달한 후, 처리용 가스 공급부재(15)로부터 보틀(13) 내로 처리용 가스를 공급한다.

처리용 가스의 공급량은 처리대상인 보틀(13)의 표면적이나 처리용 가스의 종류에 따라서도 다르지만 일례로서, 용기 1개당 표준상태에서 1~500cc/min, 특히2~200cc/min의 유량으로 공급하는 것이 바람직하다.

복수의 처리용 가스의 반응으로 박막형성을 할 경우 한편의 처리용 가스를 과잉 공급할 수가 있다. 예를 들면, 규소산화물막의 형성의 경우 규소원가스에 비교하여 산소가스를 과잉 공급하는 것이 바람직하며, 질화물형성의 경우 금속원가스에 비하여 질소 또는 암모니아를 과잉공급할 수 있다.

이어서, 도파관(5)을 통하여 플라즈마 처리실(1) 내에 마이크로파를 도입한다. 도입한 마이크로파는 TE모드 또는 TM모드이다.

도입할 마이크로파를 TE모드 또는 TM모드로 함으로써 도 3에서 파선으로 표시한 플라즈마 처리실의 마이크로파 모드로 효율적으로 변환된다.

도입된 마이크로파는 처리용 가스를 고에너지 상태로 하여, 플라즈마 상태로 한다. 플라즈마화된 처리용 가스는, 보틀(13) 내면에 작용하여 퇴적함으로써 피복막을 형성한다.

본 실시형태에 있어서, 처리실(1)에 도입된 마이크로파는 플라즈마 처리실(1) 내에서, TE모드의 영역과, TE모드 및 TM모드가 공재하는 영역을 형성한다. 구체적으로, 전계는 보틀(13)의 내부에 처리용 가스 공급부재(15)가 삽입되어 있는 높이까지(보틀 구부(131)로부터 보틀 동부(133)까지)는, 처리용 가스 공급부재(15)로부터 쳄버(11) 측벽으로 향하여 수직방향으로 발생한다. 한편, 처리용 가스 공급부재 선단부(151)로부터 덮개 하면(121)에 있어서는 공급부재 선단부(151)로부터 쳄버(11) 측벽 및 덮개 하면(121)을 향하여, 방사 형상으로 발생한다(도 3에,파선으로 표시).

여기서, TE모드란 마이크로파의 플라즈마 처리실 내에 있어서의 정재파의 상태가 전계의 방향은 플라즈마 처리실의 중심축과 수직방향이며 자계의 방향 처리실의 중심축과 평행방향인 정재파의 상태를 말한다.

또한, TM모드란 마이크로파의 플라즈마 처리실내에 있어서의 정재파의 상태가 전계의 방향은 플라즈마 처리실의 중심축과 평행인 방향이며 자계의 방향은 처리실의 중심축과 수직방향인 정재파의 상태를 말한다.

일본국 특표 2001-518685호에 기재되어 있는 종래의 마이크로파 처리 장치에 있어서는 마이크로파 폐쇄실에 있어서 마이크로파의 정재파는 TM모드이며 전계는 폐쇄실의 중심축과 평행으로 형성되어 있었다. 따라서, 보틀 내부에서 발생한 플라즈마는 주로 폐쇄실의 중심축의 평행방향으로 전계의 작용을 받으므로 보틀 벽면에 플라즈마가 효율적으로 작용하고 있지 않았다.

또한, 폐쇄실의 중심축과 평행 방향으로, 전계의 강도분포를 가지므로 보틀의 처리면에 있어서 플라즈마가 불균일하게 되기 쉽고 형성되는 박막층이 불균일하게 되기 쉬웠다.

이에 대하여, 본 실시형태에서는 상기와 같이 플라즈마 처리실(1) 내에 있어서 TE모드의 영역과 TE모드 및 TM모드가 공재하는 영역을 형성시키므로써, 전계가 플라즈마 처리실(1)의 중심축 상에 있는 처리용 가스 공급부재(15)로부터 쳄버(11)의 벽면을 향하고 있으므로 발생된 플라즈마가 처리실(1)의 중심 부근으로부터 보 틀(13)의 내벽을 향하여 가속된다. 따라서, 보틀(13)에 플라즈마가 효율적으로 작용하므로 처리 시간이 단축된다.

또한, 전계는 플라즈마 처리실(1)의 중심축과 수직방향으로 전계의 강도분포를 가지므로 보틀(13)의 내벽의 위치가 상이함으로써 전계강도의 변동이 비교적 작다. 따라서, 보틀(13)의 내벽의 플라즈마가 균일하여 형성된 박막도 균일한 것으로 된다.

그리고, 상기 실시형태에 있어서 TE모드 대신 TEM모드로 해도 좋다.

TEM모드란 전계 및 자계의 쌍방이 플라즈마 처리실의 중심축과 수직 방향인 정재파의 상태를 말한다.

이 경우 보틀 내벽 근방의 플라즈마를 보다 효율적으로 여기할 수가 있게 된다.

마이크로파의 주파수는 처리용 가스에 작용하여 그로방전을 발생시킬 수가 있으면 특히 제한되지 않으나, 공업적으로 사용이 허가되어 있는 주파수인 2.45GHz, 5.8GHz, 22.125GHz의 것을 사용하는 것이 바람직하다.

마이크로파의 출력은 보틀(13)의 표면적이나 처리용 가스의 종류에 따라서도 다르지만, 일례로써, 보틀 1개당 50~1500W, 특히 100~1000W가 되도록 도입하는 것이 바람직하다.

또한, 처리 시간은 보틀(13)의 표면적, 형성시키는 박막의 두께 및 처리용 가스의 종류 등에 따라 다르므로 일률적으로 규정할 수 없으나 플라스마처리의 안정성을 도모하는데 있어서는 일례로써, 보틀 1개당 1초 이상의 시간이 필요하다. 코스트면에서 단시간인 것이 바람직하다.

플라즈마 처리를 한 후 처리용 가스의 공급 및 마이크로파의 도입을 정지하는 동시에 배기관(3)을 통하여 공기를 서서히 도입하여 보틀(13)의 내외를 상압으로 복귀시킨다. 그 후, 덮개(12)를 분리하여 보틀 고정수단(14)을 상승시키고 플라스마 처리된 보틀을 플라스마 처리실(1) 밖으로 꺼낸다.

본 실시형태에 있어서는 보틀 고정수단(14)의 상면(144)으로부터 마이크로파실링부재(143)까지의 거리(D)를 0mm~55mm로 하는 것이 바람직하며 특히, 20mm~50mm로 하는 것이 바람직하다. 거리(D)를 이 범위로 함으로써 처리실(1)이 우수한 공진계를 형성함으로 마이크로파에 의한 전계 강도분포가 안정된다. 따라서, 플라즈마의 발생도 안정화되고 도입된 마이크로파 에너지의 이용효율이 향상된다.

또한, 본 실시형태에 있어서, 마이크로파의 도입 위치는 쳄버(11)의 측면에서 보틀 구부(131)로 부터 보틀 저부(132) 사이의 높이인 것이 바람직하다.

특히, 마이크로파 실링부재와 마이크로파 도입수단의 접속위치와의 거리(H)가 다음 식의 관계를 충족시키는 것이 바람직하다.

H=L-(n₂λ/2+λ/8-3)+β(mm)

[n₂는,n₂≤n₁-1을 만족하는 정수, λ는 마이크로파의 파장, β는 기체의 치수 등에 의한 변동폭이며 ±10mm이고, L은 마이크로파 실링 부재와 처리용 가스 공급 부재 선단부와의 거리로써 다음의 관계를 충족한다.

A. 0≤D＜20의 경우

L=(n₁λ/2+λ/8)-3+α

B. 20≤D≤35의 경우

L=(n₁λ/2+λ/8)-(-0.060D²+4.2D-57)+α

C. 35＜D≤55의 경우

L=(n₁λ/2+λ/8)-(-0.030D²+2.1D-21)+α

여기서, n₁은 1 이상의 정수, λ은 마이크로파의 파장이며, α는 기체가 전계에 미치는 영향 등을 고려한 변동폭이며 ±10mm이다.]

상기 식은 실험 결과 및 컴퓨터프로그램에 의한 해석의 결과 얻어진 식이다. 이 식에 의하여 얻어지는 H는 마이크로파를 도입함으로써 처리용 가스의 공급부재(15) 상에 형성되는 전계 강도 분포의 마디 부분, 즉, 전계밀도가 낮은 부분을 표시하고 있다. 이 부분과 같은 높이로 도파관(5)을 접속함으로써 처리실(1) 내에서 소비되지 않고 도파관(5)을 역행하는 반사파를 최소로 할 수가 있다. 즉, 도입된 마이크로파를 효율적으로 처리용 가스의 플라즈마화에 이용할 수가 있다.

또한, 거리(L)가 상기 관계식을 충족함으로써 도입된 마이크로파에 의하여 처리실(1) 내에 형성되는 전계 강도를 전체적으로 향상시킬 수가 있으며 또한, 전계 강도 분포를 안정화시킬 수가 있다. 따라서, 도입한 마이크로파의 에너지를 효율적으로 플라즈마의 발생에 사용할 수 있으며 또한, 플라즈마의 상태가 안정되고 균일하므로 보틀 내부 표면을 균일하게 처리할 수 있다.

예를 들면, 주파수가 2.45GHz인 마이크로파를 사용한 경우, 이 마이크로파의 파장은 약120mm이다. 보틀 고정 수단(14)의 상면(144)으로부터 마이크로파 실링 부재(143)까지의 거리(D)를 30mm로 한 경우, 상기의 식을 충족시키고 안정된 플라즈마발광이 얻어지는 거리(L)의 값은 60±10mm, 120±10mm, 180±10mm 등이다.

이때의 마이크로 실링 부재와 마이크로파 도입 수단의 접속위치와의 거리(H)는 48mm, 108mm, 168mm 등이다.

이들 H 및 L의 값 중에서 처리대상인 보틀(13)의 형상, 크기 등에 맞추어서 가급적 보틀 저부(132)에 가까운 위치에 처리용 가스의 공급 부재의 선단부(151)가 위치하는 길이를 선택하는 것이 보틀(13)전체면의 균일한 두께의 증착막을 형성하므로 바람직하다.

예를 들면, 일반적인 용량 500mm 보틀 용기의 처리에는 거리(L)는 170~190mm가 바람직하며, 용량 350mm의 보틀용기의 처리에는 110~130mm로 하는 것이 바람직하다.

또한, 본 실시형태에 있어서 도파관(5)의 접속은 일개소로 하고 있으나 상기의 식을 충족시키는 H의 위치에 복수 접속해도 된다.

또한, 보틀 저부(132)로부터 덮개 하면(121)까지의 거리(S)는 5mm~150mm인 것이 바람직하다. 이 범위로 하므로써, 쳄버(11)와 마이크로파의 정합성을 향상시킬 수가 있으므로 처리실(1) 내의 전계 강도 분포를 더욱 안정화할 수 있다. 특히, 30mm~100mm인 것이 바람직하다.

그리고 처리실(1)의 내경 Φ는 40mm~150mm인 것이 바람직하다. 처리실(1)의 내경을 이 범위로 함으로써 처리실(1)의 중심으로의 전계 집중효과가 발휘되어 더욱 효과적이다. 특히, 65mm~120mm가 바람직하다.

[처리대상 보틀 용기]

본 실시형태에 있어서, 처리할 수 있는 보틀로써는 플라스틱을 원료로 하는 보틀을 들 수가 있다.

플라스틱으로써는, 공지의 열가소성수지, 예를 들면, 저밀도 폴리에틸렌, 고밀도 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리1-부텐 또는 폴리4-메틸-1-팬텐 등의 폴리올레핀; 에틸렌, 프로필렌, 1-부텐 또는 4-메틸-1-팬텐 등의 α-올레핀으로 이루어진 랜덤공중합체 또는 블록공중합체 등; 에틸렌ㆍ아세트산비닐공중합체, 에틸렌ㆍ비닐알콜공중합체 또는 에틸렌ㆍ염화비닐공중합체 등의 에틸렌 비닐화합물 공중합체; 폴리스틸렌, 아크릴로니트릴ㆍ스틸렌공중합체, ABS 또는 α-메틸스틸렌 스틸렌공중합체 등의 스틸렌계수지; 폴리염화비닐, 폴리염화비닐리덴, 염화비닐ㆍ염화비닐리덴공중합체, 폴리아크릴산메틸 또는 메타크릴산메틸등의 폴리비닐화합물; 나일론6, 나일론6-6, 나일론6-10, 나일론11 또는 나일론12 등의 폴리아미드; 폴리에틸렌텔레프탈레이트, 폴리부틸렌텔레프탈레이트 또는 폴리에틸렌나프탈레이트 등의 열가소성 폴리에스테르; 폴리카네이트, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리젓산 등을 들 수 있다. 이들 수지는 단독으로 사용해도 되며 또한 2종류 이상을 혼합하거나 다층화하여 사용해도 된다. 그리고 중간층으로써 산소흡수재나 각종 수분이나 산소베리어재를 배설한 다층 플라스틱 용기라도 된다.

또한, 플라스틱 이외의 각종 유리, 도기 또는 자기; 알루미나, 실리카, 티타니아 또는 지르코니아 등의 산화물계 세라믹스; 질화 알루미늄, 질화 붕소, 질화 티탄, 질화규소 또는 질화 지르코늄 등의 질화물계 세라믹; 탄화규소, 탄화붕소, 탄화텅스텐, 또는 탄화티탄 등의 탄화물계 세라믹; 붕화규소, 붕화티탄 또는 붕화지르코늄 등의 붕화물계 세라믹; 루틸, 티탄산마그네슘, 티탄산아연 또는 루틸산화렌턴등의 고유전세라믹; 티탄산연 등의 압전세라믹; 각종 페라이트 등에도 적용할 수가 있다.

그리고, 본 발명은 상기한 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 보틀 이외의 컵 등의 일반적인 용기, 튜브 등의 형상을 가진 기체의 처리에도 적용할 수가 있다.

[처리용 가스]

처리용 가스로써는 플라즈마 처리의 목적에 따라 다양한 가스를 사용할 수 있다.

예를 들면, 플라스틱 용기의 가스베리어성 향상 등의 목적으로는 박막을 구성하는 원자, 분자 또는 이온을 함유한 화합물을 기상상태로 하여 적당한 케리어가스와 함께 사용된다. 박막의 원료가 되는 화합물로써는 휘발성이 높은 것일 필요가 있다.

구체적 예로써, 탄소막이나 탄화물막을 형성하는 데는 메탄, 에탄, 에틸렌 또는 아세틸렌등의 탄화수소류가 사용된다.

실리콘막의 형성에는 四염화규소, 실란, 유기실란 화합물 또는 유기실록산화합물 등이 사용된다.

산화물막의 형성에는 산소가스, 질화물막의 형성에는 질소가스나 암모니아가스가 사용된다.

또한, 플라스틱의 표면 개질의 목적으로는 탄산가스를 사용하여 플라스틱의 표면에 가교 구조를, 도입하거나 불소가스를 사용하여 플라스틱 표면에 폴리테트라 플루오로 에틸렌과 같은 특성, 예를 들면, 비점착성, 저마찰계수, 내열성, 내약품성을 부여할 수가 있다.

기타, 티탄, 지르코늄, 주석, 알루미늄, 이트륨, 몰리부덴, 텅스텐, 가륨, 탄타르, 니오부, 철, 니켈, 크롬 또는 붕소 등의 할로겐 화합물(염화물)이나 유기금속화합물을 사용할 수 있다.

이들 처리용 가스는 형성시킬 박막의 화학적 조성에 따라서 2종류 이상의 것을 적절히 조합하여 사용할 수가 있다.

한편, 케리어가스로써는 알곤, 네온, 헬륨, 크세논 또는 수소 등이 적합하다.

이상과 같이, 본 발명에 관한 마이크로파 플라즈마 처리방법은 플라즈마 처리실 내의 마이크로파의 정제파를 조정하고, 기체의 처리면에 대하여 수직방향으로 전계를 형성하는 것, 및 기체의 처리면에 있어서 전계강도를 거의 균일하게 하므로 써 기체의 표면에 균일한 박막층을 단시간에 형성할 수 있는 마이크로파 플라즈마 처리방법으로써 유용하다.

Claims (5)

1. 플라즈마 처리실에 마이크로파를 도입하여 처리용 가스를 플라즈마화 함으로써 상기 플라즈마 처리실 내에 배치한 기체에 박막층을 형성하는 마이크로파 플라즈마 처리방법에 있어서,

   상기 기체를 플라즈마 처리실의 중심축과 같은 축상에 고정하고,

   상기 플라즈마 처리실 내의 마이크로파의 정재파모드를 상기 기체의 구부로부터 동부까지는 TE모드 및 TEM모드로 하고,

   상기 기체의 저부는 TE모드와 TM모드가 공재하는 모드로하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라즈마 처리방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 기체의 내부에 상기 플라즈마 처리실의 중심축이며 상기 기체 저부까지 도달하지 않도록 금속제의 처리용 가스 공급부재를 삽입하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라즈마 처리방법.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 플라즈마 처리실에 마이크로파를, 상기 플라즈마 처리실의 측면에서 상기 기체의 구부와 저부 사이의 위치로부터 공급하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라즈마 처리방법.
4. 제 1항 내지 제 3항에 있어서, 상기 마이크로파 처리실에 도입하기까지의 마 이크로파의 모드가 TE모드 또는 TM모드인 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라즈마 처리방법.
5. 제1항 내지 제4항에 있어서, 상기 기체 내부의 진공도를 상기 기체 외부의 진공도보다 높게 한 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라즈마 처리방법.

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