KR20060031704A - 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법 - Google Patents

플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법 Download PDF

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KR20060031704A
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마츠시다 덴코 가부시키가이샤
가부시키가이샤 하이덴 겐큐죠
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Abstract

안정한 방전을 유지하고, 충분한 플라즈마 처리를 달성하며, 플라즈마 온도를 저하시키는 능력을 가진 플라즈마 처리 장치 및 방법이 제공된다. 이 장치에서, 전극 사이에 방전 공간을 형성하도록 전극이 배열되고, 상기 전극 중 적어도 하나의 전극의 방전 공간 쪽에 유전체 재료가 배치된다. 상기 방전 공간에 플라즈마 생성 가스가 공급되면서 상기 전극 사이에 전압이 인가되어, 대기압과 실질적으로 동일한 압력 하에 상기 방전 공간 내에 방전을 발생시키고, 상기 방전에 의해 생성된 플라즈마를 상기 방전 공간으로부터 제공한다. 상기 전극 사이에 인가된 전압의 파형이 휴지 주기가 없는 교류 전압 파형이다. 상기 교류 전압 파형의 상승 및 하강 시간 중 적어도 하나는 100 마이크로초 이하이다. 반복 주파수는 0.5 내지 1000 kHz의 범위에 있다. 상기 전극 사이에 인가된 전기장 강도는 0.5 내지 200 kV/cm의 범위에 있다.
전극, 방전 공간, 유전체 재료, 반응 용기, 가스 흐름 채널, 플라즈마 생성 가스, 교류 전압 파형, 상승 시간, 하강 시간, 반복 주파수, 전기장 강도,

Description

플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법{PLASMA PROCESSING DEVICE AND PLASMA PROCESSING METHOD}
도 1은 본 발명의 실시예를 도시하는 사시도이다.
도 2a 및 도 2b는 유전체 장벽 방전을 발생시키기 위한 전극과 유전체 재료의 배열을 도시하는 단면도이다.
도 3은 유전체 장벽 방전의 발생 상태를 도시하는 단면도이다.
도 4는 유전체 장벽 방전의 발생 상태에서 시간에 따른 인가된 전압과 갭 전류의 변화를 도시하는 그래프이다.
도 5는 유전체 장벽 방전을 위한 등가 회로를 도시하는 회로도이다.
도 6은 전력 공급 전압, 방전 공간(방전 갭부)의 등가 용량 Cg, 및 유전체 장벽 방전의 발생 상태에서의 시간에 따른 플라즈마 임피던스 Rp의 변화를 도시하는 그래프이다.
도 7a 및 도 7b는 전원의 극성을 역전시키는 상태를 도시하는 단면도이다.
도 8a, 도 8b, 도 8c 및 도 8d는 본 발명에 사용되는 교류 전압 파형을 설명하는 다이어그램이다.
도 9A, 도 9b, 도 9c, 도 9d 및 도 9e는 본 발명에 사용된 교류 전압 파형을 설명하는 다이어그램이다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명에 사용되는 교류 전압 파형을 가진 전압에 펄스형 고전압을 중첩시킴으로써 각각 얻어진 파형을 설명하는 다이어그램이다.
도 11a, 도 11b, 도 11c, 도 11d 및 도 11e는 본 발명에 사용되는 펄스형 파형을 설명하는 다이어그램이다.
도 12는 본 발명의 상승 및 하강 시간을 정의하는 다이어그램이다.
도 13a, 도 13b 및 도 13c는 본 발명의 반복 주파수를 정의하는 다이어그램이다.
도 14a 및 도 14b는 본 발명의 전기장 강도를 정의하는 다이어그램이다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예의 사시도이다.
도 16은 본 발명의 다른 실시예의 사시도이다.
도 17은 본 발명의 다른 실시예의 단면도이다.
도 18은본 발명의 다른 실시예의 사시도이다.
도 19A 및 도 19b는 본 발명의 다른 실시예의 정면도 및 평면도이다.
도 20은 본 발명의 다른 실시예의 정면도이다.
도 21은 본 발명의 실시예를 도시하는 사시도이다.
도 22는 본 발명의 다른 실시예의 사시도이다.
도 23은 본 발명의 다른 실시예의 사시도이다.
도 24는 본 발명의 다른 실시예의 단면도이다.
도 25는 본 발명의 다른 실시예의 사시도이다.
도 26은 본 발명의 다른 실시예의 부분 단면도이다.
도 27은 본 발명의 다른 실시예의 부분 단면도이다.
도 28은 본 발명의 다른 실시예의 단면도이다.
도 29는 본 발명의 실시예 1에 사용된 전원을 도시하는 회로도이다.
도 30은 도 29의 H-브리지 스위칭 회로를 도시하는 회로도이다.
도 31은 도 30에 도시된 H-브리지 스위칭 회로의 동작을 설명하는 타이밍 차트이다.
도 32는 도 29에 도시된 전원의 동작을 설명하는 타이밍 차트이다.
도 33은 본 발명의 다른 실시예의 부분 단면도이다.
도 34는 본 발명의 다른 실시예의 부분 단면도이다.
도 35는 본 발명의 다른 실시예의 부분 단면도이다.
도 36A 및 도 36B는 도 1의 스트리머의 생성을 설명하는 다이어그램이다.
도 37은 본 발명의 다른 실시예의 부분 단면도이다.
도 38은 본 발명의 다른 실시예의 부분 단면도이다.
도 39는 본 발명의 다른 실시예의 부분 단면도이다.
종래에, 표면 수정 등 플라즈마 처리는 한 쌍의 대향 전극 사이에 방전 공간을 형성하고, 방전 공간 내에서 방전을 일으켜 플라즈마를 얻기 위해 방전 공간에 플라즈마 생성 가스를 공급하면서 전극 사이에 전압을 인가하며, 방전 공간으로부 터 대상물에 플라즈마 또는 플라즈마의 활성 종(active species)을 스프레이함으로써 처리될 대상물에 대해 수행되었다.
예로서, 일본 조기 특허공개공보 제2001-126896호에 기술된 스프레이-타입 플라즈마 처리 방법에서, 13.56MHz의 고주파 전압이 전극 사이에 인가되어 플라즈마 처리 속도 등 처리 성능을 향상시키고, 전력이 고주파 전원에 접속된 임피던스 정합 장치를 통해 전극에 공급된다.
그러나, 상기 고주파가 플라즈마 처리 능력을 향상시키기 위해 전극 사이에 인가될 때, 방전 공간으로부터 방출된 플라즈마의 온도가 증가되는 문제가 있다. 이 경우에, 처리될 대상물은 플라즈마의 열에 의해 열 손상을 받기 때문에, 이 플라즈마 처리 방법은 열에 대해 불량한 저항력을 가진 막에 이용 불가하다. 또한, 고주파 전원 및 임피던스 정합 장치는 매우 비싸다. 더욱이, 반응 용기 또는 전극 근처에 임피던스 정합 장치를 배치하는 것이 필요하기 때문에, 플라즈마 처리 장치의 설계의 자유도가 감소된다.
따라서, 전극 사이에 인가되는 전압의 주파수(즉, 플라즈마를 시동하기 위한 주파수)감소시키는 것이 제안되었다. 따라서, 플라즈마 온도를 저하시키고 대상물의 열 손상을 감소시키는 것이 가능하다. 또한, 비교적 값싼 반도체 장치가 전원에 이용 가능하게 되었기 때문에, 전원 장치의 비용을 감소시키는 것이 가능하다. 더욱이, 임피던스 정합(장치)이 필요하지 않다. 그 결과, 전원과 전극 사이의 케이블 길이를 연장하는 것이 가능하기 때문에, 플라즈마 처리 장치의 설계의 자유도가 증가된다.
그러나, 단순히 전극 사이에 인가된 전압의 주파수를 감소시키는 것으로는 충분한 플라즈마 처리 능력이 얻어질 수 없다. 또한, 플라즈마 온도를 저하시키기 위해서, 전극에 인가되는 전력을 감소시키는 것이 제안되었다. 그러나, 이 경우에, 안정된 방전을 유지하는 것이 어렵게 되고, 충분한 플라즈마 처리 능력이 얻어지지 않는다는 우려가 있다.
또한, 질소 내에서 글로우 정숙 방전으로부터 스트리머 방전으로의 전이를 제어하는 메카니즘(Mechanism Controlling the Transition from Glow Silent Discharge to Streamer Discharge in Nitrogen)(니콜라스 게라디 및 프란코아스 마씨니, IEEE TRANSATIONS ON PLASMA SCIENCE, VOL.29, NO.3, PAGE 536-544, JUNE 2001), 질소 분위기에서 균일한 글로우 방전을 생성하는 조건, 및 주파수(약 10kHz 이하)와 인가된 전압 사이의 관계가 보고되었다.
본 출원의 발명자의 연구에 따르면, 상기 보고서에 기술된 조건을 스프레이-타입 플라즈마 처리 장치에 사용할 때, 플라즈마 처리 성능이 매우 낮고, 따라서, 산업상 사용에 적합하지 않다. 플라즈마 처리 성능을 향상시키기 위해, 플라즈마를 생성하기 위해 인가된 전압의 주파수를 증가시키는 것이 필요하다.
그러나, 주파수사 고주파 영역, 예로서 13,56 MHz로 증가되면 플라즈마 온도가 높게 된다는 문제가 있다. 그 결과, 처리될 대상물이 플라즈마의 열에 의해 열 손상을 받기 때문에, 상술한 플라즈마 처리 장치는 열에 대한 저항력이 불량한 막에 플라즈마 처리를 수행하기 위해 사용될 수 없다.
따라서, 상술한 문제를 고려하여, 본 발명의 목적은 안정된 방전을 유지하고, 충분한 플라즈마 처리 능력을 제공하며, 플라즈마 온도를 저하시키는 능력을 가진 플라즈마 처리 장치와, 플라즈마 처리 방법을 제공하는 것이다.
즉, 본 발명의 플라즈마 처리 장치는 복수의 전극 사이에 방전 공간을 형성하도록 상기 복수의 전극을 배열하고, 상기 전극 중 적어도 하나의 전극의 방전 공간 쪽에 유전체 재료를 배치하며, 상기 방전 공간에 플라즈마 생성 가스를 공급하면서 상기 전극 사이에 전압을 인가함으로써, 대기압과 실질적으로 동일한 압력 하에 상기 방전 공간 내에 방전을 발생시키고, 상기 방전에 의해 생성된 플라즈마를 상기 방전 공간으로부터 제공하기 위한 것이다. 상기 장치는, 상기 전극 사이에 인가된 전압의 파형이 휴지 주기(rest period)가 없는 교류 전압 파형이고, 상기 교류 전압 파형의 상승 및 하강 시간 중 적어도 하나는 100 마이크로초 이하이며, 반복 주파수는 0.5 내지 1000 kHz의 범위에 있고, 상기 전극 사이에 인가된 전기장 강도는 0.5 내지 200 kV/cm의 범위에 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 안정한 방전을 유지하고 충분한 플라즈마 처리 증력을 얻는 것이 가능하다. 또한, 플라즈마 온도는 저하될 수 있다. 즉, 플라즈마 온도가 유전체 장벽 방전을 사용하여 수행되기 때문에, He를 사용할 필요가 없다. 그 결과, 플라즈마 처리의 비용을 감소시킬 수 있다. 더욱이, 플라즈마 밀도를 증가시키기 위해 큰 전력이 방전 공간에 입력될 수 있기 때문에, 향상된 플라즈마 처리 능력이 얻어진다. 상승 시간이 100 마이크로초 이하일 때, 균일한 스트리머가 방전 공간에서 쉽게 발생될 수 있어 방전 공간에서 플라즈마 밀도의 균일성을 향상시킨다. 그 결과, 플라즈마 처리를 균일하게 수행할 수 있다. 또한, 교류 전압 파형의 반복 주파수가 0.5 내지 1000 kHz의 범위에 있을 때, 플라즈마 온도의 증가를 피하고, 유전체 장벽 방전의 플라즈마 밀도를 향상시킬 수 있다. 따라서, 처리될 대상물에의 손상의 발생과 바람직하지 않은 방전을 방지하면서 플라즈마 처리 능력을 증가시킬 수 있다. 더욱이, 전극 사이에 인가된 전기장 강도가 0.5 내지 200 kV/cm의 범위에 있을 때, 아크 방전의 발생을 방지하고, 유전체 장벽 방전의 플라즈마 밀도를 증가시키며, 대상물에의 손상의 발생을 방지하면서 플라즈마 처리 능력을 향상시킬 수 있다.
상기 플라즈마 처리 장치에서, 상기 전극 사이에 인가된 휴지 주기가 없는 상기 교류 전압 파형을 가진 상기 전압에 펄스형 고전압이 중첩되는 것이 바람직하다. 이 경우에, 방전 공간 내의 전자를 가속시킴으로써, 고에너지 전자가 발생될 수 있다. 고에너지 전자는 프라즈마 생성 가스의 이온화 및 여기(excitation)를 강화하여 고밀도 플라즈마를 생성한다. 그 결과, 플라즈마 처리 효율을 증가시킬 수 있다.
상기 플라즈마 처리 장치에서, 상기 펄스형 고전압이 상기 교류 전압 파형의 전압 극성의 변화의 발생으로부터 필요한 시간 주기의 경과 후에 중첩되는 것이 바람직하다. 이 경우에, 방전 공간의 전자의 가속 상태는 변화될 수 있다. 따라서, 전극 사이에 펄스형 고전압을 인가하는 타이밍을 변경함으로써, 방전 공간 내의 플라즈마 생성 가스의 이온화 및 여기를 제어할 수 있다. 그 결과, 바람직한 플라즈 마 처리에 처리에 적합한 플라즈마는 쉽게 얻을 수 있다.
상기 플라즈마 처리 장치에서, 상기 펄스형 고전압이 상기 교류 전압 파형의 한 주기 내에 복수회 중첩되는 것이 바람직하다. 이 경우에, 방전 공간 내의 전자의 가속 상태는 쉽게 변경될 수 있다. 따라서, 전극 사이에 펄스형 고전압을 인가하는 타이밍을 변경함으로써, 방전 공간 내의 플라즈마 생성 가스의 이온화 및 여기를 쉽게 제어하고, 바람직한 플라즈마 처리에 적합한 플라즈마 상태를 더욱 쉽게 얻을 수 있다.
상기 플라즈마 처리 장치에서, 상기 펄스형 고전압의 상승 시간이 0.1 마이크로초 이하인 것이 바람직하다. 이 경우에, 방전 공간 내의 전자만 효율적으로 가속하고, 방전 공간 내의 플라즈마 생성 가스의 이온화 또는 여기를 강화하여 고밀도 플라즈마를 생성할 수 있다. 그 결과, 플라즈마 처리 효율은 향상될 수 있다.
상기 플라즈마 처리 장치에서, 상기 펄스형 고전압의 펄스 높이 값이 상기 교류 전압 파형의 최대 전압치 이상인 것이 바람직하다. 이 경우에, 방전 공간 내의 플라즈마 생성 가스의 이온화 또는 여기를 효율적으로 수행하여 고밀도 플라즈마를 생성할 수 있다. 그 결과, 플라즈마 처리 효율은 향상될 수 있다.
상기 플라즈마 처리 장치에서, 상기 전극 사이에 인가된 휴지 주기가 없는 상기 교류 전압 파형이 복수 종류의 주파수를 가진 교류 전압 파형을 중첩함으로써 형성된 것이 바람직하다. 이 경우에, 방전 공간내의 전자는 고주파 성분을 가진 전압에 의해 가속되어 고에너지 전자를 생성한다. 플라즈마 생성 가스의 이온화 및 여기는 이러한 고에너지 전자를 사용하여 방전 공간에서 효율적으로 실현되어 고밀 도 플라즈마를 생성하기 때문에, 플라즈마 처리 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 목적을 달성하기 위해 다음의 특징을 가진 플라즈마 처리 장치를 제공하는 것이다. 즉, 본 발명의 플라즈마 처리 장치는 복수의 전극 사이에 방전 공간을 형성하도록 상기 복수의 전극을 배열하고, 상기 전극 중 적어도 하나의 전극의 방전 공간 쪽에 유전체 재료를 배치하며, 상기 방전 공간에 플라즈마 생성 가스를 공급하면서 상기 전극 사이에 전압을 인가함으로써, 대기압과 실질적으로 동일한 압력 하에 상기 방전 공간 내에 방전을 발생시키고, 상기 방전에 의해 생성된 플라즈마를 상기 방전 공간으로부터 제공하기 위한 것이다. 본 발명은 상기 전극 사이에 인가된 전압의 파형이 펄스형 파형인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 안정한 방전을 유지하고 충분한 플라즈마 처리 증력을 얻는 것이 가능하다. 또한, 플라즈마 온도는 저하될 수 있다. 즉, 플라즈마 온도가 유전체 장벽 방전을 사용하여 수행되기 때문에, He를 사용할 필요가 없다. 그 결과, 플라즈마 처리의 비용을 감소시킬 수 있다. 더욱이, 플라즈마 밀도를 증가시키기 위해 큰 전력이 방전 공간에 입력될 수 있기 때문에, 향상된 플라즈마 처리 능력이 얻어진다.
상기 플라즈마 처리 장치에서, 상기 펄스형 파형의 상승 시간이 100 마이크로초 이하인 것이 바람직하다. 이 경우에, 균일한 스트리머가 방전 공간 내에서 쉽게 생성되어, 플라즈마 밀도의 균일성이 향상된다. 그 결과, 플라즈마 처리를 균일하게 수행할 수 있다.
상기 플라즈마 처리 장치에서, 상기 펄스형 파형의 하강 시간이 100 마이크로초 이하인 것이 바람직하다. 이 경우에, 균일한 스트리머가 방전 공간 내에서 쉽게 생성되어, 플라즈마 밀도의 균일성이 향상된다. 그 결과, 플라즈마 처리를 균일하게 수행할 수 있다.
상기 플라즈마 처리 장치에서, 상기 펄스형 파형의 반복 주파수는 0.5 내지 1000 kHz의 범위에 있는 것이 바람직하다. 이 경우에, 플라즈마 온도의 증가를 피하고, 유전체 장벽 방전의 플라즈마 밀도를 향상시킬 수 있다. 따라서, 처리될 대상물에의 손상의 발생과 바람직하지 않은 방전을 방지하면서 플라즈마 처리 능력을 증가시킬 수 있다.
상기 플라즈마 처리 장치에서, 상기 전극 사이에 인가된 전기장 강도가 0.5 내지 200 kV/cm의 범위에 있는 것이 바람직하다. 이 경우에, 아크 방전의 발생을 피하고, 유전체 장벽 방전의 플라즈마 밀도를 향상시킬 수 있다. 따라서, 처리될 대상물에의 손상의 발생을 방지하면서 플라즈마 처리 능력을 증가시킬 수 있다.
상기 플라즈마 처리 장치에서, 상기 전극이, 상기 전극 사이에 상기 전압을 인가함으로써 상기 방전 공간 내에 발생된 전기장이 상기 방전 공간 내의 상기 플라즈마 생성 가스의 흐름 방향에 평행하도록 배치된 것이 바람직하다. 이 경우에, 플라즈마 밀도를 증가시키고 플라즈마 처리 성능을 향상시킬 수 있다.
상기 플라즈마 처리 장치에서, 상기 전극이, 상기 전극 사이에 상기 전압을 인가함으로써 상기 방전 공간 내에 발생된 전기장이 상기 방전 공간 내의 상기 플라즈마 생성 가스의 흐름 방향에 수직하도록 배치된 것이 바람직하다. 이 경우에, 스트리머는 전극 평면에서 균일하게 생성되기 때문에, 플라즈마 처리의 균일성을 향상시킬 수 있다.
상기 플라즈마 처리 장치에서, 상기 전극 사이에 플랜지부가 형성되어 있으며, 상기 방전 공간 내에 공급된 상기 플라즈마 생성 가스의 일부가 상기 플랜지부 내에 머물 수 있도록 되어 있는 것이 바람직하다. 이 경우에, 대향된 전극 사이의 모든 공간은 방전 공간으로서 사용되고, 반응 용기 외부에 또한 전극 사이에 아크 방전의 발생은 방지될 수 있어, 전극 사이에 인가된 전력은 방전을 발생시키는 데에 효율적으로 사용된다. 따라서, 안정한 플라즈마를 효율적으로 생성할 수 있다. 또한, 방전은 대향된 전극 사에 발생하기 때문에, 방전 시작 전압은 플랜지부에서 낮게 된다. 따라서, 신뢰성 있게 플라즈마의 점화를 수행할 수 있다. 더욱이, 플랜지부에서 생성된 플라즈마는 방전 공간에서 생성된 플라즈마에 첨가되기 때문에, 향상된 플라즈마 처리 성능이 얻어진다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 목적을 달성하기 위해 다음의 특징을 포함하는 플라즈마 처리 장치를 제공하는 것이다. 즉, 본 발명의 플라즈마 처리 장치에는 출구로서 개방된 단부를 구비하고 있는 반응 용기와 적어도 한 쌍의 전극이 제공된다. 상기 반응 용기 내에 플라즈마 생성 가스를 공급하면서 상기 전극 사이에 전압을 인가함으로써, 상기 장치는 대기압과 동일한 압력 하에 상기 반응 용기 내에서 플라즈마를 생성하고, 상기 플라즈마를 상기 반응 용기의 상기 출구로부터 방출한다. 이 플라즈마 처리 장치에서, 상기 전극들은 자신의 사이에 플랜지부가 형성된 상태로 배치되어 있어, 상기 전극 사이에 상기 전압을 인가함으로써 방전 공간 내 에 발생된 전기장이 상기 방전 공간 내의 상기 플라즈마 생성 가스의 흐름 방향에 평행한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따라, 방전을 안정하게 유지하고 충분한 플라즈마 처리 증력을 얻는 것이 가능하다. 또한, 플라즈마 온도는 감소될 수 있다. 즉, 플라즈마 온도가 유전체 장벽 방전을 사용하여 수행되기 때문에, He를 사용할 필요가 없다. 그 결과, 플라즈마 처리의 비용을 감소시킬 수 있다. 또한, 방전 공간에의 입력 전력을 증가시켜 더욱 높은 플라즈마 밀도를 얻을 수 있다. 그 결과, 플라즈마 처리 능력이 향상된다. 더욱이, 전극 사이와 반응 용기의 외부에 유전체 붕괴의 발생이 방지될 수 있기 때문에, 플라즈마 온도를 증가시키는 문제를 방지하면서 반응 용기 내의 방전 공간에서 플라즈마를 안정하게 시작하고 유지할 수 있다. 결과적으로, 플라즈마 처리가 신뢰성 있게 달성된다.
상기 플라즈마 처리 장치에서, 상기 전극 사이에 인가된 상기 전압의 파형이 펄스 파형 또는 휴지 주기가 없는 교류 전압 파형인 것이 바람직하다. 이 경우에, 방전을 안정하게 유지하고 충분한 플라즈마 처리 능력을 얻는 것이 가능하다. 또한, 플라즈마 온도가 저하될 수 있다. 즉, 플라즈마 처리는 유전체 장벽 방전을 사용하여 수행되기 때문에, He를 사용할 필요가 없다. 그 결과, 플라즈마 처리의 비용을 감소시킬 수 있다. 또한, 방전 공간에의 입력 전력을 증가시키고 더욱 높은 플라즈마 밀도를 얻을 수 있다. 그 결과, 플라즈마 처리 능력이 향상된다.
상기 플라즈마 처리 장치에서, 상기 펄스 파형 또는 상기 휴지 주기가 없는 상기 교류 전압 파형의 상승 시간이 100 마이크로초 이하인 것이 바람직하다. 이 경우에, 균일한 스트리머가 방전 공간 내에서 쉽게 생성되기 때문에, 방전 공간 내의 플라즈마 밀도의 균일성이 향상될 수 있다. 따라서, 플라즈마 처리를 균일하게 수행할 수 있다.
상기 플라즈마 처리 장치에서, 상기 펄스 파형 또는 상기 휴지 주기가 없는 상기 교류 전압 파형의 하강 시간이 100 마이크로초 이하인 것이 바람직하다. 이 경우에, 균일한 스트리머가 방전 공간 내에서 쉽게 생성되기 때문에, 방전 공간 내의 플라즈마 밀도의 균일성이 향상될 수 있다. 따라서, 플라즈마 처리를 균일하게 수행할 수 있다.
상기 플라즈마 처리 장치에서, 상기 펄스 파형 또는 상기 휴지 주기가 없는 상기 교류 전압 파형의 반복 주파수가 0.5 내지 1000 kHz의 범위에 있는 것이 바람직하다. 이 경우에, 플라즈마 온도를 증가시키는 문제를 피하고 유전체 장벽 방전의 플라즈마 밀도를 증가시키는 것이 가능하다. 따라서, 대상물에의 손상과 바람직하지 않은 방전을 방지하고, 플라즈마 처리 능력을 향상시키는 것이 가능하다.
상기 플라즈마 처리 장치에서, 상기 전극 사이에 인가된 전기장 강도가 0.5 내지 200 kV/cm의 범위에 있는 것이 바람직하다. 이 경우에, 아크 방전의 발생을 방지하고, 유전체 장벽 방전의 플라즈마 밀도를 증가시킬 수 있다. 그 결과, 대상물에의 손상을 방지하고, 플라즈마 처리 능력을 향상시킬 수 있다.
상기 플라즈마 처리 장치에서, 상기 방전 공간이 부분적으로 좁게 된 것이 바람직하다. 이 경우에, 스트리머가 반응 용기의 내면 주위를 이동하도록 생성되고 제트형 플라즈마가 진동하면서 출구로부터 방출되는 상황을 방지할 수 있다. 그 결 과, 플라즈마 처리의 불안정성이 감소될 수 있다.
상기 플라즈마 처리 장치에서, 상기 전극과 상기 플랜지부 사이에 충전 재료(filling material)가 제공되어 있어서, 상기 전극이 상기 충전 재료를 통해 상기 플랜지부에 접속되어 있는 것이 바람직하다. 이 경우에, 전극과 플랜지부 사이의 틈새를 완전히 제거함으로써 코로나 방전의 발생을 방지할 수 있다. 또한, 전극의 부식이 방지되기 때문에, 전극의 더욱 긴 동작 수명이 달성될 수 있다.
상기 플라즈마 처리 장치에서, 상기 전압이, 상기 전극이 둘 다 접지 전위에 대해 플로팅(floating) 상태에 있도록 인가된 것이 바람직하다. 이 경우에, 플라즈마의 전압이 접지에 대해 감소될 수 있기 때문에, 플라즈마와 처리될 대상물 사이의 유전체 붕괴의 발생을 방지할 수 있다. 즉, 플라즈마로부터 대상물로 향한 아크 방전의 발생을 방지함으로써, 아크 방전에 의해 대상물의 손상이 야기되는 상황을 방지할 수 있다.
상기 플라즈마 처리 장치에서, 상기 플라즈마 생성 가스가 희유 원소 가스(rare gas), 질소, 산소, 공기, 수소 또는 그들의 혼합물을 포함하는 것이 바람직하다. 이 경우에, 희유 원소 가스 또는 질소의 플라즈마 생성 가스를 사용하여 대상물의 표면을 수정하고, 산소의 플라즈마 생성 가스를 사용하여 유기 재료를 제거하며(여기에서, 표면의 수정 및 유기 재료의 제거는 둘 다 공기의 플라즈마 생성 가스를 사용하여 이루어질 수 있다), 수소의 플라즈마 생성 가스를 사용하여 금속 산화물을 환원시키고(여기에서, 표면의 수정 및 유기 재료의 제거는 둘 다 희유 원소 가스 및 산소의 혼합물 가스의 플라즈마 생성 가스를 사용하여 이루어질 수 있 다), 희유 원소 가스 및 질소의 혼합물 가스의 플라즈마 생성 가스를 사용하여 금속 산화물을 환원시키는 것이 가능하다.
상기 플라즈마 처리 장치에서, 상기 플라즈마 생성 가스가 CF4, SF6, NF3 또는 그들의 혼합물을 희유 원소 가스, 질소, 산소, 공기, 수소 또는 그들의 혼합물과 2 내지 40%의 부피 비로 혼합하여 얻어진 혼합 가스인 것이 바람직하다. 이 경우에, 대상물의 표면상의 유기 재료를 효율적으로 세척하고, 레지스트막을 벗겨내고, 유기막을 에칭하며, LCD 또는 유리판을 표면 세척하고, 실리콘 또는 레지스트 에칭을 하며, 재로 만들기(ashing)를 수행할 수 있다.
상기 플라즈마 처리 장치에서, 상기 플라즈마 생성 가스가 질소에 대한 산소의 부피 비가 1% 이하가 되도록 산소를 혼합하여 얻어진 혼합 가스인 것이 바람직하다. 이 경우에, 대상물의 표면상의 유기 재료를 효율적으로 세척하고, 레지스트막을 벗겨내고, 유기막을 에칭하며, LCD 또는 유리판을 표면 세척할 수 있다.
상기 플라즈마 처리 장치에서, 상기 플라즈마 생성 가스가 질소에 대한 공기의 부피 비가 4% 이하가 되도록 공기를 혼합하여 얻어진 혼합 가스인 것이 바람직하다. 대상물의 표면상의 유기 재료를 효율적으로 세척하고, 레지스트막을 벗겨내고, 유기막을 에칭하며, LCD 또는 유리판을 표면 세척할 수 있다.
상기 플라즈마 처리 장치에서, 상기 플라즈마 생성 가스가, 비-방전 상태에서 출구로부터 제공된 상기 플라즈마 생성 가스의 흐름 속도가 2m/초 내지 100m/초의 범위에 있도록 상기 방전 공간 내에 공급되는 것이 바람직하다. 이 경우에, 비 정상적 방전의 발생 또는 수정 효과의 감소 없이 높은 플라즈마 처리 효과를 얻는 것이 가능하다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기한 플라즈마 처리 장치를 사용하는 플라즈마 처리 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 플라즈마 처리 방법에 따르면, 안정한 방전을 유지하면서 충분한 플라즈마 처리 능력을 얻고, 또한 플라즈마 온도를 저하시키는 것이 가능하다.
본 발명의 더 이상의 특징과 그로 인한 효과는 본 발명의 상세한 설명 및 아래에 기술된 예로부터 이해될 것이다.
본 발명이 바람직한 실시예에 따라 상세히 설명된다.
본 발명의 플라즈마 처리 장치가 도 1에 도시된다. 이 장치에는 반응 용기(10)와 복수의 전극(1, 2)이 제공된다.
반응 용기(10)는 높은 융점을 가진 유전체 재료(절연 재료), 예로서, 석영 유리 등의 유리 재료 또는 알루미나, 이트리아(yttria) 또는 지르코니아 등의 세라믹 재료로 만들어진다. 그러나, 그러한 재료에 한정되는 것은 아니다. 또한, 반응 용기(10)는 충분한 길이만큼 상하 선형 연장되는 원통형 모양이다. 반응 용기(10)의 내부 공간은 가스 흐름 채널(20)로서 사용된다. 가스 흐름 채널(20)의 상단은 반응 용기(10)의 상면 전체에 걸쳐 개방된 가스 입구(11)로서 사용된다. 가스 흐름 채널(20)의 하단은 반응 용기(10) 하면 전체에 걸쳐 개방된 가스 출구(12)로서 사용된다. 예로서, 반응 용기(10)의 내경은 0.1 내지 10mm일 수 있다. 내경이 0.1mm보다 작으면, 플라즈마 생성 영역이 너무 좁게 되어, 플라즈마가 충분하게 생성될 수 없다. 반면에, 내경이 10mm보다 크면, 플라즈마 생성 영역에서 가스 흐름 속도가 느려지지 때문에 플라즈마를 충분하게 생성하기 위해서는 많은 양의 가스가 필요하다. 그 결과, 산업적 규모에서는 전체 효율이 낮게 된다. 본 발명자의 연구에 따르면, 최소량의 플라즈마 생성 가스를 사용하여 플라즈마를 효율적으로 생성하기 위해서는 내경이 0.2 내지 2mm의 범위에 있는 것이 바람직하다. 또한, 도 21과 도 25에 도시되듯이 큰 폭의 반응 용기(10)를 사용할 때, 좁은 쪽(두께 방향)은 내경에 대응하는데, 내경은 0.1 내지 10mm, 바람직하게는 0.2 내지 2mm의 범위에 있을 수 있다.
전극(1, 2)은 도우넛 모양으로 형성되고 구리, 알루미늄, 청동, 내식성을 가진 스테인레스 스틸(예로서, SUS304), 티탄, 13% 크롬강 또는 SUS410 등의 전도성 금속 재료로 만들어진다. 또한, 냉각수 순환 채널이 전극(1, 2)의 내부에 형성될 수 있다. 순환 채널 내에서 냉각수를 순환시킴으로써, 전극(1, 2)이 냉각될 수 있다. 더욱이, 금 도금 등의 도금막이 부식을 방지하는 목적으로 전극(1, 2)의 (외부 ) 표면상에 형성될 수 있다.
전극(1, 2)은 그 내주면이 반응 용기의 전체 원주에 걸쳐 반응 용기의 외주면과 접촉되도록 반응 용기(10)의 외부에 위치된다. 또한, 전극(1, 2)은 반응 용기(10)의 길이 방향 즉 상하 방향에서 서로 대면하도록 배치된다. 반응 용기(10)에서, 상부 전극(1)의 상단과 하부 전극(2)의 하단 사이의 영역은 방전 공간(3)으로서 형성된다. 즉, 상부 전극(1)의 상단과 하부 전극(2)의 하단 사이에 위치된 가스 흐름 채널(20)의 부분은 방전 공간(3)으로서 형성된다. 따라서, 유전체 재료(4)로 만들어진 반응 용기(10)의 측벽은 전극(1, 2)의 방전 공간측에 제공된다. 방전 공간(3)은 가스 입구(11) 및 출구(12)와 연통한다. 플라즈마 생성 가스는 가스 흐름 채널(20) 내에서 가스 입구(11)로부터 가스 출구(12)로 향해 흐른다. 따라서, 전극(1, 2)은 가스 흐름 채널(20) 내에서 플라즈마 생성 가스의 흐름 방향에 대체로 평행한 방향으로 나란히 배열된다.
전압을 발생하기 위한 전원(13)은 전극(1, 2)에 접속된다. 상부 전극(1)은 고압 전극으로서 형성되고, 하부 전극(2)은 저압 전극으로서 형성된다. 하부 전극(2)이 접지에 접속되면, 하부 전극(2)은 접지 전극으로서 형성된다. 전극(1, 2) 사이의 거리는 플라즈마를 안정하게 생성하기 위해서 3 내지 20mm의 범위에 있는 것이 바람직하다. 이 전원(13)으로부터 전극(1, 2) 사이에 전압을 인가함으로써, 교대하는 또는 펄스형 전기장이 전극(1, 2)을 통해 방전 공간(3)에 인가될 수 있다. 교대하는(교류) 전기장은 휴지 기간(전압이 제로인 정지 상태의 시간 기간)이 전혀 없거나 거의 없는 전기장 파형(예로서, 정현파)을 갖는다. 펄스형 전기장은 휴지 기간을 가진 전기장 파형을 갖는다.
상기 플라즈마 처리 장치를 사용하여, 플라즈마 처리가 다음과 같이 수행될 수 있다. 플라즈마 생성 가스는 가스 흐름 채널(20) 내에서 위로부터 아래로 흐르도록 가스 입구(11)로부터 반응 용기(10) 내로 공급되어, 플라즈마 생성 가스는 방전 공간(3)으로 제공된다. 한편, 전압은 전극(1, 2) 사이에 인가되어, 방전은 대기압과 실질적으로 같은 압력{93.3 내지 106.7 kPa(700 내지 800 Torr)} 하에 방전 공간(3)에서 발생된다. 이 방전에 의해, 방전 공간(3) 내로 공급되는 플라즈마 생 성 가스는 활성 종을 포함하는 플라즈마(5)가 된다. 플라즈마(5)는 방전 공간(3)으로부터 출구(12)를 통해 아래로 연속적으로 제공되고, 출구(12) 상에 위치된 처리될 대상물에 제트형 방식으로 스프레이된다. 따라서, 플라즈마 처리는 대상물에 대해 수행될 수 있다.
대상물과 반응 용기(10)의 하면 전체에 걸쳐 개방된 출구(12) 사이의 거리는 가스 흐름량 및 플라즈마 생성 밀도에 따라 조정 가능하다. 예로서, 거리는 1 내지 20mm의 범위로 설정될 수 있다. 거리가 1 mm보다 작으면, 대상물의 운반 동안의 상하 진동 또는 왜곡 또는 뒤틀림으로 인해 대상물이 반응 용기(10)와 접촉되는 우려가 있다. 거리가 20mm보다 크면, 플라즈마 처리 효과가 낮게 된다. 본 발명의 발명자의 연구에 따르면, 최소 가스 흐름량을 사용하여 효율적으로 플라즈마를 생성하기 위해서 거리는 2 내지 10mm 범위에 있는 것이 바람직하다.
본 발명에서, 방전 공간(3)에서 발생된 방전은 유전체 장벽 방전이다. 유전체 장벽 방전의 기본적 특징을 아래에서 설명한다(참조: 이즈미 하야시가 쓴 "고압 플라즈마 기술" 페이지 35, 마루젠 컴퍼니 리미티드). 유전체 장벽 방전은 방전 공간(3) 내에서 얻어지는 방전 현상인데, 전극(1, 2) 사이에 방전 공간(3)을 형성하기 위해 대향 위치에 한 쌍의 전극(1, 2)을 위치시키고, 전극(1, 2) 사이에 직접적 방전의 발생을 방지하기 위해 도 2a에 도시되듯이 방전 공간(3) 측에 각각의 전극(1, 2)의 표면상에 (고체) 유전체 재료(4)를 형성하거나, 도 2b에 도시되듯이 방전 공간(3) 측에 하나의 전극(1){또는 다른 전극(2)}의 표면상에 유전체 재료(4)를 형성하며, 이러한 상태 하에서 전원(13)에 의해 전극 사이에 교류 전압을 인가함으로 써 방전 공간(3) 내에서 얻어지는 방전 현상이다. 따라서, 방전 공간(3)이 약 1 atm의 가스로 채워진 상태 하에서 교류 고압이 전극 사이에 인가되면, 도 3에 도시되듯이 무한한 수의 지극히 미세한 광선이 방전 공간(3) 내의 전기장에 평행한 방향으로 균일하게 발생한다. 광선은 스트리머(9)에 의해 발생된다. 스트리머(9)의 전기 전하는 전극이 유전체 재료(4)로 덮여 있기 때문에 전극(1, 2) 내로 흐를 수 없다. 따라서, 방전 공간(3) 내의 전기 전하는 전극 표면상의 유전체 재료(4) 내에 저장된다{이것이 벽 전하(wall charge)라고 지칭된다}.
도 7a의 상태에서, 벽 전하에 의해 생성된 전기장은 전원(13)으로부터 공급된 교류 전기장에 대해 반대방향이다. 따라서, 벽 전하가 증가하면, 방전 공간(3)의 전기장은 감소하여, 유전체 장벽 방전은 멈춘다. 그러나, 전원(13)으로부터의 다음 교류 전압의 반의 사이클에서(도 7b의 상태), 벽 전하에 의해 형성된 전기장은 전원(13)으로부터 공급된 교류 전기장의 방향과 일치되기 때문에, 유전체 장벽 방전은 쉽게 발생된다. 즉, 일단 유전체 장벽 방전이 시작되면, 그것은 비교적 낮은 전압에서 후속적으로 유지될 수 있다.
유전체 장벽 방전에서 생성된 무한한 수의 스트리머는 바로 방전 공간(3)에서 발생된 유전체 장벽 방전이다. 따라서, 생성된 스트리머의 수와 각각의 스트리머에서 흐르는 전류값은 플라즈마 밀도에 영향을 준다. 유전체 장벽 방전의 전류-전압 특성의 예가 도 4에 도시된다. 이 전류-전압 특성으로부터 명백하듯이, 유전체 장벽 방전에서의 전류 파형(갭 전류의 파형)은 정현파 전류 파형에 스파이크형 전류를 중첩시킴으로써 얻어진 것과 같다. 스파이크형 전류는 스트리머(9)가 생성 될 때 방전 공간(3) 내에 흐르는 전류이다. 도 4에서, 번호 ①과 ②는 각각 인가된 전압의 파형과 갭 전류의 파형을 나타낸다.
유전체 장벽 방전의 등가 회로가 도 5에 도시된다. 도 5의 각각의 심볼은 다음의 의미를 갖는다.
Cd: 전극(1, 2) 상의 유전체 재료(4)의 용량
Dg: 방전 공간(3)(방전 갭 부분)의 등가 용량
Rp: 플라즈마 임피던스
방전 공간(3)에서 생성된 무한한 수의 스트리머(9)는 도 5에 도시된 스위치(S)의 온-오프 동작이 수행될 때 전류가 Rp에서 흐른다는 것을 뜻한다. 상술한 바와 같이, 플라즈마 밀도는 생성된 스트리머(9)의 수와 각각의 스트리머(9) 내에서 흐르는 전류값에 의해 영향을 받는다. 등가회로의 특징으로부터, 플라즈마의 밀도는 온-오프 동작의 주파수, 온 주기, 및 스위치(S)의 온 주기 동안의 전류값에 의해 정의된다.
이 등가회로에 따라, 유전체 장벽 방전의 동작이 간략하게 설명된다. 도 6은 전원(13)에 의해 인가된 전압 파형과 Cg와 Rp의 전류 파형의 패턴 다이어그램을 도시한다. Cg에 흐르는 전류는 방전 공간(3)의 등가 캐패시터의 충전 및 방전 전류 이다. 대조적으로, 스위치(S)가 온 되었을 때 Rp에 순간적으로 흐르는 전류는 스트리머(9)의 전류이다. 이 전류의 지속시간과 전류값이 증가함에 따라, 플라즈마 밀도는 높게 된다.
상술한 바와 같이, 벽 전하가 증가하여, 방전 공간(3)의 전기장이 낮아질 때 , 유전체 장벽 방전은 멈춘다. 따라서, 유전체 장벽 방전은 전극(1, 2)에 인가된 전압이 최대치를 넘어가고 다음에는 감소되는 영역(도 6의 영역 A1), 또는 전극(1, 2)에 인가된 전압이 최소치를 넘어가고 다음에는 증가되는 영역(도 6의 영역 A2)에서 발생되지 않고, 전원(13)에 의해 인가된 교류 전압의 극성이 역전될 때까지 캐피시터의 충전 및 방전 전류만 흐른다. 따라서, 영역 A1의 주기 또는 영역 A2의 주기를 감소시킴으로써, 유전체 장벽 방전의 정지 주기가 짧게 되어 플라즈마 밀도를 증가시킨다. 그 결과, 플라즈마 처리 능력(효율)을 향상시킬 수 있다.
플라즈마 생성 가스로서, 희유 원소 가스(rare gas), 질소, 산소, 공기 또는 수소 그 자체 또는 그들의 혼합물을 사용할 수 있다. 공기로서, 바람직하게는 습기를 전혀 갖지 않거나 거의 갖지 않은 건조한 공기가 사용된다. 본 발명에서, 글로우 방전이 아닌 유전체 장벽 방전을 사용할 때, 희유 원소 가스를 사용할 필요가 없다. 따라서, 플라즈마 처리 비용은 감소될 수 있다. 또한, 유전체 장벽 방전을 안정되게 생성하기 위해서, 플라즈마 생성 가스로서 헬륨이 아닌 희유 원소 가스, 또는 헬륨이 아닌 희유 원소 가스와 반응 가스의 혼합물을 사용하는 것이 바람직하다. 희유 원소 가스로서, 아르곤, 네온 또는 크립톤이 사용될 수 있다. 방전의 안정성과 경제적 효율성을 고려하여, 아르곤 가스를 사용하는 것이 바람직하다. 따라서, 글로우 방전이 아닌 유전체 장벽 방전이 본 발명에서 사용될 때, 헬륨을 사용할 필요가 없다. 따라서, 플라즈마 처리 비용이 감소될 수 있다. 반응 가스의 종류는 처리 목적에 따라 옵션으로서 선택될 수 있다. 예로서, 대상물의 표면상의 유기 재료를 세척하고, 레지스트막을 벗겨내며, 유기막을 에칭하거나 LCD 또는 유리판을 표면 세척하는 경우에, 산소, 공기, CO2 또는 N2O 등의 산화 가스를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, CF4, SF6, 또는 NF3 등의 불소 함유 가스가 반응 가스로서 사용될 수 있다. 실리콘 또는 레지스트를 태워버리거나(ashing) 에칭을 수행할 때, 불소 함유 가스를 사용하는 것이 효율적이다. 더욱이, 금속 산화물을 환원시키는 경우에, 수소 또는 암모니아 등의 환원 가스를 사용하는 것이 가능하다.
환원 가스의 첨가량은 희유 원소 가스의 전체 양에 대해 10 부피% 이하, 바람직하게는 0.1 내지 5 부피%의 범위에 있는 것이 바람직하다. 반응 가스의 첨가량이 0.1 부피% 미만일 때, 처리 효율은 낮아질 수 있다. 첨가량이 10 부피%보다 클 때, 장벽 방전은 불안정하게 될 수 있다.
플라즈마 생성 가스로서, CF4, SF6, NF3 자체 등 불소 함유 가스를 혼합하여 얻은 혼합 가스, 또는 그들과 희유 원소 가스, 질소, 산소, 공기, 수소 자체의 혼합물, 또는 그들의 혼합물을 사용할 때, 플라즈마 생성 가스의 전체 양에 대한 불소 함유 가스의 부피비는 2 내지 40%의 범위에 있는 것이 바람직하다. 부피비가 2%보다 작을 때, 처리 효율은 충분히 얻어진다. 4%보다 클 때, 방전은 불안정하게 된다.
플라즈마 생성 가스로서 질소와 산소의 혼합물을 사용하는 경우에, 질소에 대해 0.005% 내지 1%의 부피비로 산소를 혼합하는 것이 바람직하다. 플라즈마 생성 가스로서 공기와 질소의 혼합 가스를 사용하는 경우에, 질소에 대해 0.02% 내지 4%의 부피비로 공기를 혼합하는 것이 바람직하다. 이러한 경우에, 대상물의 표면상의 유기 재료를 효율적으로 세척하고, 레지스트막을 벗겨내며, 유기막을 에칭하고, LCD와 유리판을 표면 세척하는 것이 가능하다.
두 종류 이상의 가스가 플라즈마(5)를 생성하기 위해서 혼합될 때, 그러한 가스는 방전 공간(3)에 공급되기 전에 미리 혼합될 수 있다. 또는, 한 종류 이상의 가스에 의해 플라즈마가 생성된 후에, 출구(12)로부터 방출된 플라즈마(5)에 다른 가스가 혼합될 수 있다.
본 발명에서, 휴지 기간이 없는 교류 전압 파형이 전극(1, 2) 사이에 인가된 전압의 파형으로서 사용될 수 있다. 예로서, 본 발명에 사용된 휴지 기간이 없는 교류 전압 파형이 도 8a 내지 도 8d와, 도 9a 내지 도 9e{수평축은 시간(t)이다}에 도시되듯이 시간에 따라 변한다. 도 8a는 정현파형을 도시한다. 도 8b에서, 진폭에 의해 도시된 빠른 전압 변화가 짧은 상승 시간(전압이 제로 크로스로부터 최대치에 도달하도록 하는 데에 필요한 주기)에 발생하고, 다음에는 느린 전압 변화가 긴 하강 시간(전압이 최대치로부터 제로 크로스에 도달하게 하는 데에 필요한 주기)에 발생하는데, 하강 시간은 상승 시간보다 길다. 도 8c에서, 빠른 전압 변화는 짧은 하강 시간에 발생하고, 느린 전압 변화는 긴 상승 시간에 발생하며, 상승 시간은 하강 시간보다 길다. 도 8d는 반복 단위 사이클을 연속적으로 반복함으로써 얻어진 진동하는 파형을 도시하는데, 진동 파형은 일정한 주기 내에 감쇄 또는 증폭된다. 도 9a는 구형 파형을 도시한다. 도 9b에서, 빠른 전압 변화는 짧은 하강 시간에 발생하고, 느린 전압 변화는 느린 전압 변화는 긴 상승 시간에 계단식으로 발생하며, 상승 시간은 하강 시간보다 길다. 도 9c에서, 빠른 전압 변화는 짧은 상승 시간에 발생하고, 느린 전압 변화는 긴 하강 시간에 계단식으로 발생하며, 하강 시간은 상승 시간보다 길다. 도 9d는 진폭-변조 파형을 도시한다. 도 9e는 감쇄 진동 파형을 도시한다.
교류 전압 파형의 상승 및 하강 시간 중 적어도 하나, 및 바람직하게는 둘 다 100 마이크로초 이하일 수 있다. 상승 및 하강 시간 둘 다 100 마이크로초일 때, 방전 공간(3) 내의 플라즈마 밀도는 증가될 수 없어, 플라즈마 처리 능력은 낮아진다. 또한, 스트리머를 균일하게 생성하는 것이 어렵게 된다. 그 결과, 플라즈마 처리는 균일하게 수행되지 않을 수 있다. 상승 및 하강 시간을 최소화하는 것이 바람직하다. 따라서, 하한은 구체적으로 제한되지 않는다. 그러나, 가장 짧은 상승 및 하강 시간을 가진 종래의 전원을 고려하여, 하한은 대략 40 나노초일 수 있다. 미래의 기술의 개발에 의해, 상승 및 하강 시간이 더욱 짧게 될 수 있으면, 40 나노초보다 짧은 상승 및 하강 시간을 사용하는 것이 바람직하다. 상승 및 하강 시간이 20 마이크로초 이하, 특히 5 마이크로초 이하인 것이 바람직하다.
또한, 도 10a에 도시되듯이, 펄스형 고전압이 중첩된 휴지 기간이 없는 교류 전압 파형을 가진 전압이 전극(1, 2) 사이에 인가될 수 있다. 교류 전압 파형의 전압에 펄스형 고전압을 중첩시킴으로써, 고-에너지 전자를 생성하기 위해 전자가 방전 공간(3)에서 가속된다. 플라즈마 생성 가스는 고-에너지 전자에 의해 방전 공간(3)에서 효율적으로 이온화 또는 여기(excited)되어 고밀도 프라즈마를 얻는다. 그 결과, 플라즈마 처리 효율은 향상될 수 있다.
따라서, 교류 전압 파형의 전압에 펄스형 고전압을 중첩시키는 경우에, 교류 전압 파형의 전압 극성의 변화의 발생으로부터 필요한 시간 주기의 경과 후에 펄스형 고전압을 중첩시키고, 중첩될 펄스형 고전압의 인가 시간을 변경하는 것이 바람직하다. 따라서, 방전 공간(3) 내에서 전자의 가속 상태를 변경시키는 것이 가능하다. 따라서, 전극(1, 2) 사이에 펄스형 고전압을 인가하는 타이밍을 변경함으로써, 방전 공간(3) 내의 플라즈마 생성 가스의 이온화 또는 여기 상태를 제어하고, 소망의 플라즈마 처리에 적합한 플라즈마 상태를 쉽게 형성하는 것이 가능하다.
또한, 도 10b에 도시되듯이, 펄스형 고전압은 교류 전압 파형의 한 주기 내에 여러 번 중첩될 수 있다. 이 경우에, 도 10a의 경우에 비해 방전 공간(3) 내의 전자의 가속 상태를 더욱 쉽게 변경할 수 있다. 따라서, 전극(1, 2) 사이에서 펄스형 고전압을 인가하는 타이밍을 변경함으로써, 방전 공간(3) 내의 플라즈마 생성 가스의 이온화 또는 여기 상태를 제어하고, 소망의 플라즈마 처리에 적합한 플라즈마 상태를 쉽게 형성하는 것이 가능하다.
또한, 중첩될 펄스형 고전압의 상승 시간이 0.1 마이크로초 이하인 것이 바람직하다. 펄스형 고전압의 상승 시간이 0.1 마이크로초보다 클 때, 방전 공간(3) 내의 이온은 펄스형 전압의 뒤를 따라 이동할 수 있어, 전자만 효율적으로 가속시키는 것이 어려울 수 있다. 따라서, 펄스형 고전압의 0.1 마이크로초 이하의 상승 시간을 사용함으로써, 방전 공간(3) 내의 플라즈마 생성 가스를 효율적으로 이온화 및 여기시키고, 고밀도 플라즈마를 생성하는 것이 가능하다. 그 결과, 플라즈마 처리 효율이 향상될 수 있다. 또한, 중첩될 펄스형 고전압의 하강 시간이 0.1 마이크로초 이하인 것이 바람직하다.
또한, 펄스형 고전압의 펄스 높이 값이 교류 전압 파형의 최대 전압치 이상인 것이 바람직하다. 펄스 높이 값이 교류 전압 파형의 최대 전압치 미만일 때, 펄스형 고전압을 중첩시킴으로써 얻어지는 효과는 낮아져, 플라즈마 상태는 펄스형 고전압을 중첩시키지 않은 경우와 동일하게 될 수 있다. 따라서, 펄스형 고전압의 펄스 높이 값이 교류 전압 파형의 최대 전압치 이상일 때, 플라즈마 생성 가스는 방전 공간(3)에서 효율적으로 이온화 또는 여기되어 고밀도 플라즈마를 생성한다. 그 결과, 플라즈마 처리 효율이 향상될 수 있다.
또한, 전극(1, 2) 사이에 인가된 휴지 기간이 없는 교류 전압 파형이 도 8 내지 도 8과 도 9 내지 도 9에 도시되듯이 복수 종류의 주파수를 가진 교류 전압 파형에 의해 형성되는 것이 바람직하다. 이 경우에, 방전 공간(3) 내의 전자는 고주파 성분을 가진 전압에 의해 가속되어 고-에너지 전자를 생성한다. 따라서, 플라즈마 생성 가스는 고-에너지 전자에 의해 방전 공간(3)에서 효율적으로 이온화 또는 여기될 수 있어 고밀도 플라즈마를 얻을 수 있다. 그 결과, 플라즈마 처리 효율은 향상될 수 있다.
전극(1, 2) 사이에 인가된 휴지 주기가 없는 교류 전압 파형을 가진 전압의 반복 주파수가 0.5 내지 1000 kHz의 범위에 있는 것이 바람직하다. 이 반복 주파수가 0.5 kHz 미만일 때, 단위 시간에 생성된 스트리머(9)의 수는 감소되어 유전체 장벽 방전의 플라즈마 밀도를 감소시킨다. 그 결과, 플라즈마 처리 능력(효율)은 낮아질 수 있다. 한편, 반복 주파수가 1000 kHz보다 클 때, 단위 시간에 생성된 스트리머(9)의 수는 증가되어 플라즈마 밀도를 향상시킨다. 그러나, 아크 방전이 쉽 게 발생하고, 플라즈마 온도가 증가할 우려가 있다.
또한, 전극(1, 2) 사이에 인가된 휴지 기간이 없는 교류 전압 파형의 전기장 강도는 전극(1, 2) 사이의 거리(갭 길이), 플라즈마 생성 가스의 종류, 및 플라즈마에 의해 처리될 대상물의 종류에 따라 변화될 수 있지만 0.5 내지 200 kV/cm의 범위에 있는 것이 바람직하다. 전기장 강도가 0.5 kV/cm 미만일 때, 유전체 장벽 방전의 플라즈마 강도는 감소되어, 플라즈마 처리 능력(효율)은 낮아질 수 있다. 한편, 전기장 강도가 200 kV/cm보다 클 때, 아크 방전이 쉽게 발생되어 대상물에 손상을 입힐 수 있다는 우려가 있다.
본 발명의 플라즈마 처리 장치에서, 플라즈마 처리가 유전체 장벽 방전으로부터 많은 수의 스트리머(9)의 플라즈마(5)를 생성하고, 플라즈마(5)를 대상물의 표면에 스프레이함으로써 수행되기 때문에, 종래에 글로우 방전을 발생하기 위해 사용된 He를 사용할 필요가 없고, 플라즈마 처리 비용이 감소된다. 또한, 유전체 장벽 방전이 글로우 방전에 대신하여 사용되기 때문에, 더 큰 전력이 방전 공간(3)에 입력되어 플라즈마 밀도를 증가시킬 수 있다. 그 결과, 플라즈마 처리 능력이 향상된다. 즉, 글로우 방전에서, 전류는 전압의 매 반 사이클마다 단지 하나의 전류 펄스의 비율로 흐른다. 한편, 유전체 장벽 방전에서, 많은 수의 전류 펄스가 스트리머(9)에 따른 형태로 발생한다. 따라서, 유전체 장벽 방전에서 입력 전력을 증가시킬 수 있다. 종래의 글로우 방전을 사용하는 플라즈마 처리 장치에서, 방전 공간(3)에 입력된 전력의 크기는 최대로 대략 2 W/cm2이다. 그러나, 본 발명에서는, 약 5 W/cm2까지의 전력이 방전 공간(3)에 공급될 수 있다. 또한, 교류 전압 파형의 상승 및 하강 시간 중 적어도 하나가 100 마이크로초 이하이기 때문에, 방전 공간(3)에서의 플라즈마 밀도를 증가시키고 플라즈마 처리 능력을 향상시키는 것이 가능하다. 더욱이, 방전 공간(3)에서 스트리머(9)를 균일하게 생성하는 것이 더욱 쉽게 된다. 따라서, 방전 공간(3) 내의 플라즈마 밀도의 균일성이 향상될 수 있다. 그 결과, 플라즈마 처리가 균일하게 수행될 수 있다.
또한, 전극(1, 2) 사이에 인가된 전압의 파형은 펄스형 파형일 수 있다. 도 11a에 도시된 펄스형 파형은 도 9a에 도시된 파형에서 반의 주기(반 파장)마다 휴지 기간을 둠으로써 얻어진다. 도 11b에 도시된 펄스형 파형은 도 9a에 도시된 파형에서 한 주기(1 파장)마다 휴지 기간을 둠으로써 얻어진다. 도 11c에 도시된 펄스형 파형은 도 8a에 도시된 파형에서 한 주기(1 파장)마다 휴지 기간을 둠으로써 얻어진다. 도 11d에 도시된 펄스형 파형은 도 8a에 도시된 파형에서 복수의 주기마다 휴지 기간을 둠으로써 얻어진다. 도 11e에 도시된 펄스형 파형은 도 8d에 도시된 파형에서 반복 단위 사이클마다 휴지 기간을 둠으로써 얻어진다.
이러한 펄스 파형의 전압을 사용하는 경우에, 상승 및 하강 시간 중 적어도 하나가 상술한 이유로 100 마이크로초 이하인 것이 바람직하다. 또한, 반복 주파수는 0.5 내지 1000 kHz의 범위에 있는 것이 바람직하고, 또한 전기장 강도는 0.5 내지 200 kV/cm의 범위에 있는 것이 바람직하다. 이 실시예는 휴지 기간이 없는 교류 전압 파형을 사용하는 경우와 동일한 효과를 제공할 수 있다.
본 발명에서, 도 12에 도시되듯이, 상승 시간은 전압이 전압 파형의 제로 크로스로부터 최대값에 도달하게 하기에 필요한 시간 주기 t1로서 정의되고, 하강 시간은 전압이 전압 파형의 최대값으로부터 제로 크로스에 도달하게 하기에 필요한 시간 주기 t2로서 정의된다. 또한, 도 13a, 도 13b 및 도 13c에 도시되듯이, 본 발명에서의 반복 주파수는 반복 단위 사이클에 필요한 시간 주기 t3의 역수로서 정의된다. 본 발명에서, 도 14a 및 도 14b에 도시되듯이, 전기장 강도는 {전극(1, 2) 사이에 인가된 전압 "V"}/{전극 사이의 거리 "d"}로서 정의된다. 도 14a에서, 전극(1, 2)은 상하 방향으로 서로 대면하도록 배치된다. 도 14b에서, 전극(1, 2)은 후술하듯이 수평 방향으로 서로 대면하도록 배치된다.
본 발명의 플라즈마 처리 장치의 다른 실시예가 도 15에 도시된다. 이 장치는 도 1의 장치에서 반응 용기(10)의 하단에 테이퍼진 노즐부(14)를 형성하는 것을 제외하고는 도 1의 장치와 실질적으로 동일하다. 노즐부(14)는 내경 및 외경이 하단으로 향해 점진적으로 감소하도록 형성된다. 출구(12)는 노즐부(14)의 하단의 전체 면에 걸쳐 개방된다. 반응 용기(10)의 노즐부(14)는 하부 전극(2) 아래에 위치된다. 도 1의 경우에, 이 장치는 플라즈마 처리를 수행하기 위해 플라즈마(5)를 생성하는 능력을 갖는다. 따라서, 플라즈마 생성 가스와 전극(1, 2) 사이에 인가된 전압의 파형 및 전기장 강도의 구성은 도 1의 경우와 실질적으로 동일하다.
도 15의 플라즈마 처리 장치는 노즐부(14)를 갖기 때문에, 출구(12)로부터 방출된 플라즈마(5)의 흐름 속도는 도 1의 장치에 비해 더 빠르게 된다. 그 결과, 플라즈마 처리 능력을 더욱 향상시키는 것이 가능하다.
본 발명의 플라즈마 처리 장치의 다른 실시예가 도 16에 도시된다. 이 장치는 도 1의 장치에서 전극(1, 2) 사이에 유전체 재료(4)의 플랜지부(6)를 형성하는 것을 제외하고는 도 1의 장치와 실질적으로 동일하다. 플랜지부(6)는 반응 용기(10)의 외주 전체에 걸쳐 연장되도록 형성된다. 또한, 플랜지부(6)에는 반응 용기(10)가 일체로 형성되어 반응 용기의 관형부의 외면으로부터 전극(1, 2) 사이의 공간으로 돌출한다. 도 17에 도시되듯이, 플랜지부(6)의 상면의 대부분은 상부 전극(1)의 하면 전체와 접촉하고, 플랜지부(6)의 하면의 대부분은 하부 전극(2)의 상면 전체와 접촉한다. 가스 흐름 채널(20)의 일부에 의해 제공된 방전 공간(3)과 연통하는 플랜지부(6)의 내부 공간은 유지(retention) 영역으로 정의된다. 방전 공간(3)으로 공급된 플라즈마 생성 가스의 일부는 이 유지 영역(15)에 일시적으로 유지될 수 있다. 전극(1, 2) 사이에 전압을 인가함으로써, 전극(1, 2) 사이의 이 유지 영역(15)에서 방전이 발생되어 플라즈마(5)를 생성한다. 즉, 유지 영역(15)은 방전 공간(3) 내에 포함된다. 도 1의 경우와 같이, 이 장치는 플라즈마 처리를 수행하기 위해 플라즈마(5)를 생성하는 능력을 갖는다. 따라서, 플라즈마 생성 가스와 전극(1, 2) 사이에 인가된 전압의 파형 및 전기장 강도의 구성은 도 1의 경우와 실질적으로 동일하다.
도 16의 플라즈마 처리 장치가 플랜지부(6)를 갖기 때문에, 대향하는 전극(1, 2) 사이의 전체 공간은 실질적으로 도 1의 장치에 비해 방전 공간{유지 영역(15)}이 된다. 따라서, 반응 용기(10)의 외부와 전극(1, 2) 사이의 아크 방전의 발 생은 방지될 수 있다. 그 결과, 전극 사이에 인가된 전력은 방전에 효율적으로 사용되기 때문에, 안정한 플라즈마를 생성하는 것이 가능하다. 또한, 대향하는 전극(1, 2) 사이의 방전은 유지 영역(15)에서 얻어지기 때문에, 방전 개시 전압을 감소시키고 플라즈마의 점화를 신뢰성 있게 달성하는 것이 가능하다. 더욱이, 유지 영역(15)에서 생성된 플라즈마(5)는 가스 흐름 채널(20)의 일부인 방전 공간(3)에서 생성된 플라즈마(5)에 더해지고, 다음에는 합성된 플라즈마가 출구(12)로부터 방출된다. 그 결과, 전체로서 플라즈마 처리 성능을 더욱 향상시키는 것이 가능하다.
본 발명의 플라즈마 처리 장치의 다른 실시예가 도 18에 도시된다. 이 장치는 도 16 또는 도 17의 경우와 같이 도 15의 장치에 플랜지부(6)를 형성하는 것을 제외하면 도 15의 장치와 실질적으로 동일하다. 도 18에 도시된 플랜지부(6)는 상기와 동일한 효과를 갖는다. 도 1의 경우와 같이, 이 장치는 플라즈마 처리를 수행하기 위해 플라즈마(5)를 생성하는 능력을 갖는다. 따라서, 플라즈마 생성 가스와 전극(1, 2) 사이에 인가된 전압의 전기장 강도의 구성은 도 1의 경우와 실질적으로 동일하다.
본 발명의 플라즈마 처리 장치의 다른 실시예가 도 19a 및 도 19b에 도시된다. 이 장치는 도 1의 장치의 전극(1, 2)의 형상과 배치를 변경하는 것을 제외하고는 도 1의 장치와 실질적으로 동일하다. 전극(1, 2)은 각각 상하 방향(플라즈마 생성 가스의 흐름 방향에 평행한)으로 길이 방향으로 연장되고 외주면 및 내부면이 만곡되도록 형성된다. 전극(1, 2)은, 각각의 전극의 내부 만곡된 표면이 반응 용기(10)의 외주면과 접촉하고 전극(1, 2)이 반응 용기(10)를 통해 실질적으로 수평 방 향으로 서로 대면하도록 반응 용기(10) 외부에 배치된다. 전극(1, 2) 사이의 반응 용기(10)의 내부 공간은 방전 공간(3)으로서 정의된다. 즉, 전극(1, 2) 사이에 위치된 가스 흐름 채널(20)의 부분은 방전 공간(3)으로서 사용된다. 따라서, 유전 재료(4)의 반응 용기(10)의 측벽은 전극(1, 2)의 방전 공간 측에 위치된다. 방전 공간(3)은 가스 입구(11) 및 출구(12)와 연통한다. 플라즈마 생성 가스는 가스 흐름 채널(20) 내에서 가스 입구(11)로부터 출구(12)로 향해 흐른다. 따라서, 전극(1, 2)은 가스 흐름 채널(20) 내의 플라즈마 생성 가스의 흐름 방향에 대해 실질적으로 수직한 방향으로 나란히 배열된다. 도 1의 경우와 같이, 이 장치는 플라즈마 처리를 수행하기 위해 플라즈마(5)를 생성하는 능력을 갖는다. 따라서, 플라즈마 생성 가스와 전극(1, 2) 사이에 인가된 전압의 파형 및 전기장 강도의 구성은 도 1의 경우와 실질적으로 동일하다.
본 발명의 플라즈마 처리 장치의 다른 실시예가 도 20에 도시된다. 이 장치는 도 15의 장치의 전극(1, 2)의 형상 및 배치를 변경하는 것을 제외하고는 도 1의 장치와 실질적으로 동일하다. 전극(1)은 상하 방향(플라즈마 생성 가스의 흐름 방향에 평행한)으로 연장되는 긴 봉(rod) 내에 형성된다. 전극(2)은 상술한 바와 같이 도우넛 형상으로 형성된다. 전극(1)은 반응 용기(10) 내의 가스 흐름 채널(20) 내에 배치된다. 전극(2)은 반응 용기(10)의 외부에 위치되어 테이퍼진 노즐부(14)의 위쪽에서 반응 용기(10)의 외주면과 접촉된다. 따라서, 전극(1)은 반응 용기(10)의 측벽을 통해 수평 방향에서 전극(2)과 대면한다. 전극(1, 2) 사이의 반응 용기(10)의 내부 공간은 방전 공간(3)으로서 정의된다. 즉, 반응 용기(10) 내의 전 극(1, 2) 사이에 제공된 가스 흐름 채널(20)의 부분은 방전 공간(3)으로서 정의된다. 따라서, 유전체 재료(4)의 반응 용기(10)의 측벽은 전극(2)의 방전 공간 측에 위치된다. 플라즈마 생성 가스는 가스 흐름 채널(20) 내에서 가스 입구(11)로부터 출구(12)로 향해 흐른다. 전극(1, 2)은 가스 흐름 채널(20) 내의 플라즈마 생성 가스의 흐름 방향에 대해 실질적으로 수직한 방향에서 나란히 배열된다. 유전 재료(4)의 막은 열 스프레이에 의해 전극(1)의 외면상에 형성될 수 있다. 도 1에 도시되듯이, 이 장치는 플라즈마 처리를 수행하기 위해 플라즈마(5)를 생성하는 능력을 갖는다. 따라서, 플라즈마 생성 가스와 전극(1, 2) 사이에 인가된 전압의 파형 및 전기장 강도의 구성은 도 1의 경우와 실질적으로 동일하다.
본 발명의 플라즈마 처리 장치의 다른 실시예가 도 21에 도시된다. 이 장치는 반응 용기(10)와 전극(1, 2)의 형상을 변경하는 것을 제외하고는 도 1의 장치와 실질적으로 동일하다.
반응 용기(10)는 상하 방향으로 연장되는 사각형의 직선형 튜브로서 형성되고, 또한 수평 평면상에서 폭 방향에 대해 수직한 두께 방향의 길이가 폭 방향의 길이보다 훨씬 작은 평판 형상을 갖는다. 또한, 반응 용기(10)의 내부 공간은 상하 방향으로 연장되는 긴 가스 흐름 채널(20)로서 정의된다. 가스 흐름 채널(20)의 상단은 반응 용기(10)의 상면 전체에 걸쳐 개방된 가스 입구(11)로서 사용된다. 가스 흐름 채널(20)의 하단은 반응 용기(10)의 하면 전체에 걸쳐 개방된 가스 출구(12)로서 사용된다. 반응 용기(10)의 두께 방향(짧은 길이 방향)의 내부 크기는 0.1 내지 10mm의 범위로 설정될 수 있다. 그러나, 내부 크기는 이 범위로 제한되지 않는 다. 출구(12)와 입구(11)는 각각 반응 용기(10)의 폭 방향에 평행한 방향으로 연장되는 긴 슬릿 내에 형성된다.
전극(1, 2)은 상기와 동일한 재료를 사용하여 사각형 프레임 내에 형성된다. 전극(1, 2)은 내주면이 반응 용기(10)의 전체 원주에 걸쳐 반응 용기(10)의 외주면과 접촉하도록 반응 용기(10)의 외부에 위치된다. 또한, 전극(1, 2)은 종방향, 즉 반응 용기(10)의 상하 방향으로 서로 대면하도록 나란히 배치된다. 반응 용기(10)에서, 상부 전극(1)의 상단과 하부 전극(2)의 하단 사이의 공간은 방전 공간(3)으로서 정의된다. 즉, 상부 전극(1)의 상단과 하부 전극(2)의 하단 사이의 가스 흐름 채널(20)의 부분은 방전 공간(3)으로서 형성된다. 따라서, 유전체 재료(4)의 반응 용기(10)의 측벽은 전극(1, 2)의 방전 공간 측에 위치된다. 따라서, 전극(1, 2)은 가스 흐름 채널(20) 내의 플라즈마 생성 가스의 흐름 방향에 평행한 방향으로 나란히 배열된다. 도 1의 경우와 같이, 이 장치는 플라즈마 처리를 수행하기 위해 플라즈마(5)를 생성하는 능력을 갖는다. 따라서, 플라즈마 생성 가스와 전극(1, 2) 사이에 인가된 전압의 파형 및 전기장 강도는 도 1의 경우와 실질적으로 동일하다. 도 1 내지 도 20에 도시된 장치에 따라, 플라즈마 처리는 대상물 표면에 플라즈마(5)를 스폿 모양으로 스프레이함으로써 국부적으로 수행될 수 있다. 한편, 도 21 및 그 후속 도면들에 도시된 장치에 따라, 플라즈마 처리는 대상물 표면에 플라즈마(5)를 밴드 모양으로 스프레이함으로써 한번에 대상물 표면의 큰 영역에 수행될 수 있다.
본 발명의 플라즈마 처리 장치의 다른 실시예가 도 22에 도시된다. 이 장치 는 도 16 또는 도 17의 경우와 같이 도 21의 장치에 플랜지부(6)를 형성하는 것을 제외하고는 도 21의 장치와 실질적으로 동일하다. 도 22에 도시된 플랜지부(6)는 상기와 동일한 효과를 제공한다. 도 1의 경우와 같이, 이 장치는 플라즈마 처리를 수행하기 위해 플라즈마(5)를 생성하는 능력을 갖는다. 따라서, 플라즈마 생성 가스와 전극(1, 2) 사이에 인가된 전압의 파형 및 전기장 강도의 구성은 도 1의 경우와 실질적으로 동일하다.
본 발명의 플라즈마 처리 장치의 다른 실시예가 도 23에 도시된다. 이 장치는 도 22의 장치에서 전극(1, 2)의 형상 및 배열을 변경하는 것을 제외하고는 도 22의 장치와 동일하다. 도 23에 도시된 플랜지부(6)는 상기와 동일한 효과를 제공한다. 전극(1)은 각각 사각형 막대로 구성된 한 쌍의 전극 부재(1a, 1b)로 형성된다. 전극(2)은 각각 사각형 막대로 구성된 한 쌍의 전극 부재(2a, 2b)로 형성된다. 전극 부재(1a, 1b, 2a, 2b)는 각각 그 종방향이 반응 용기(10)의 폭 방향에 평행하도록 배치된다.
도 24에 도시되듯이, 2개의 전극 부재(1a, 1b)는 플랜지부(6) 상에서 반응 용기(10)의 양쪽에 배치되어 반응 용기(10)를 통해 수평 방향으로 서로 대면한다. 전극 부재(1a, 1b)의 하면은 플랜지부(6)의 상면과 접촉한다. 전극 부재(1a, 1b)의 측면은 반응 용기(10)의 대향하는 측벽(10a)과 접촉한다. 한편, 다른 2개의 전극 부재(2a, 2b)는 플랜지부(6) 상에서 반응 용기(10)의 양쪽에 배치되어 반응 용기(10)를 통해 수평 방향으로 서로 대면한다. 전극 부재(2a, 2b)의 하면은 플랜지부(6)의 하면과 접촉한다. 전극 부재(2a, 2b)의 측면은 반응 용기(10)의 대향된 측벽 (10a)과 접촉한다. 전극 부재(1a, 2a)는 플랜지부(6)를 통해 상하 방향으로 서로 대면하도록 배치된다. 유사하게, 전극 부재(1b, 2b)는 플랜지부(6)를 통해 상하 방향으로 서로 대면하도록 배치된다.
전극 부재(1a, 2a)는 상기 경우에서와 같이 전원(13)에 접속된다. 유사하게, 다른 전극 부재(1b, 2b)는 다른 전원(13)에 접속된다. 전극 부재(1a, 2b)는 고압 전극으로서 형성된다. 한편, 전극 부재(1b, 2a)는 저압 전극(접지 전극)으로서 형성된다. 상하 방향에 대해, 대향된 전극 부재(1a, 2a)와 대향된 전극 부재(1b, 2b)는 각각 가스 흐름 채널(20) 내의 플라즈마 생성 가스의 흐름 방향에 평행하게 배열된다. 수평 방향에 대해, 대향된 전극 부재(1a, 1b)와 대향된 전극 부재(2a, 2b)는 각각 가스 흐름 채널(20) 내의 플라즈마 생성 가스의 흐름 방향에 수직하게 배열된다. 반응 용기(10)에서, 전극 부재(1a, 1b, 2a, 2b)에 의해 둘러싸인 공간은 방전 공간(3)으로 정의된다. 따라서, 유전체 재료(4)의 측벽과 플랜지부(6)는 전극 부재(1a, 1b, 2a, 2b)의 방전 공간 측에 배치된다. 도 1의 경우와 같이, 이 장치는 플라즈마 처리를 수행하기 위해 플라즈마(5)를 생성하는 능력을 갖는다. 따라서, 플라즈마 생성 가스와 전극(1, 2) 사이에 인가된 전압의 파형 및 전기장 강도의 구성은 도 1의 경우와 실질적으로 동일하다.
본 발명의 플라즈마 처리 장치의 다른 실시예가 도 25에 도시된다. 이 장치는 도 21의 장치에서 입구(11)의 형상과 전극(1, 2)의 형상 및 배열을 변경하는 것을 제외하고는 도 21의 장치와 실질적으로 동일하다. 가스 입구(11)는 반응 용기(10)의 상면의 실질적으로 중앙에 위치되고, 반응 용기(10)의 폭 방향에 평행한 방 향으로 연장되는 긴 슬릿 모양으로 형성된다.
전극(1, 2)은 상기와 동일한 재료를 사용하여 평판 형상으로 형성된다. 또한, 그러한 전극(1, 2)은 반응 용기(10)의 두께 방향에서 대향된 측벽(10a)의 외면과 접촉된다. 따라서, 전극은 반응 용기(10)를 통해 평행하게 연장된다. 반응 용기(10)에서, 전극(1, 2) 사이의 영역은 방전 공간(3)으로서 정의된다. 즉, 전극 사이에 위치된 가스 흐름 채널(2)의 부분은 방전 공간(3)으로서 사용된다. 또한, 유전체 재료(4)로 만들어 반응 용기(10)의 측벽(10a)은 두 전극(1, 2) 모두의 방전 공간 측에 위치된다. 플라즈마 생성 가스는 가스 흐름 채널(20) 내에서 가스 입구(11)로부터 출구(12)로 향해 흐른다. 따라서, 전극(1, 2)은 가스 흐름 채널(20) 내의 플라즈마 생성 가스의 흐름 방향에 수직한 방향으로 나란히 배열된다. 도 1의 경우와 같이, 이 장치는 플라즈마 처리를 수행하기 위해 플라즈마(5)를 생성하는 능력을 갖는다. 따라서, 플라즈마 생성 가스와 전극(1, 2) 사이에 인가된 전압의 파형 및 전기장 강도는 도 1의 경우와 실질적으로 동일하다.
본 발명의 플라즈마 처리 장치의 다른 실시예가 도 26에 도시된다. 이 장치는 한 쌍의 전극 몸체(30)로 형성된다. 전극 몸체(30)는 상기 금속 재료로 만들어진 평판 전극(1, 2)과, 상기 유전체 재료로 만들어진 덮개(31)로 구성된다. 덮개(31)는 전극(1, 2)의 전방면, 상단면, 하단면 및 한 쌍의 후방면을 덮도록 유전체 재료(4)의 열 스프레잉에 의해 전극(1, 2) 상에 형성될 수 있다.
상기 쌍의 전극 몸체(30)는 틈새를 통해 서로 대면하도록 배치된다. 이 때에, 전극(1, 2)의 평면 방향은 상하 방향과 일치하고, 전극들은 평행하게 연장되도 록 배치된다. 또한, 전극 몸체(30)의 덮개(31)로 코팅된 전방면은 서로 대면한다. 대향된 전극 몸체(30) 사이의 틈새는 가스 흐름 채널(20)로서 형성된다. 대향된 전극(1, 2) 사이의 가스 흐름 채널(20)의 영역은 방전 공간(3)으로서 정의된다. 즉, 전극(1, 2) 사이에 제공된 가스 흐름 채널(20)의 부분은 방전 공간(3)으로서 사용된다. 따라서, 유전체 재료(4)로 만들어진 덮개(31)는 전극(1, 2)의 방전 공간 측에 위치된다. 가스 흐름 채널(20)의 상단은 가스 입구(11)로서 개방되고, 가스 흐름 채널(20)의 하단은 출구(12)로서 개방된다. 방전 공간(3)은 가스 입구(11) 및 출구(12)와 연통한다. 플라즈마 생성 가스는 가스 흐름 채널(20)에서 가스 입구(11)로부터 출구(12)로 향해 흐른다. 따라서, 전극(1, 2)은 가스 흐름 채널(20)내의 플라즈마 생성 가스의 흐름 방향에 수직한 방향으로 나란히 배열된다. 도 1에 도시되듯이, 이 장치는 플라즈마 처리를 수행하기 위해 플라즈마(5)를 생성하는 능력을 갖는다. 따라서, 플라즈마 생성 가스와 전극(1, 2) 사이에 인가된 전압의 파형 및 전기장 강도의 구성은 도 1의 경우와 동일하다.
본 발명의 플라즈마 처리 장치의 다른 실시예가 도 27에 도시된다. 이 장치는 한 쌍의 측면 전극 몸체(35)와 중앙 전극 몸체(36)로 형성된다. 측면 전극 몸체(35)는 상술한 전극 몸체(30)의 경우와 같이 평판 전극(1)과, 유전체 재료(4)로 만들어진 덮개(31)로 구성된다. 덮개(31)는 전극(1)의 전방면, 상단면, 하단면 및 한 쌍의 후방면을 덮도록 유전체 재료(4)의 열 스프레잉에 의해 전극(1, 2) 상에 형성될 수 있다. 중앙 전극 몸체(36)는 상술한 금속 재료로 만들어진 평판 전극(2)과, 상술한 유전체 재료(4)로 만들어진 덮개(37)로 구성된다. 덮개(37)는 전극(2)의 전 대향하는 평면과 하단면을 덮도록 유전체 재료(4)의 열 스프레잉에 의해 전극(2) 상에 형성될 수 있다.
상기 쌍의 측면 전극 몸체(35)는 틈새를 통해 서로 대면하도록 배치되고, 중앙 전극 몸체(36)는 상기 측면 전극 몸체 사이에 위치되어, 틈새가 중앙 전극 몸체와 각각의 측면 전극 몸체 사이에 제공된다. 도 28에 도시되듯이, 전원(13)은 전극(1, 2)에 접속된다. 이 때에, 전극(1, 2)의 평면 방향은 상하 방향과 일치하고, 전극(1, 2)은 평행하게 배치된다. 측면 전극 몸체(35)의 덮개(31)로 코팅된 전방면은 중앙 전극 몸체(36)와 대면한다. 중앙 전극 몸체(36)와 각각의 측면 전극 몸체(35) 사이의 틈새는 가스 흐름 채널(20)로서 형성된다. 가스 흐름 채널(20)의 전극(1, 2)사이의 영역은 방전 공간(3)으로서 정의된다. 즉, 전극(1, 2) 사이에 제공된 가스 흐름 채널(20)의 부분은 방전 공간(3)으로서 사용된다. 따라서, 유전체 재료(4)의 덮개(31, 37)는 전극(1, 2)의 방전 공간 측에 형성된다. 가스 흐름 채널(20)의 상단은 가스 입구(11)로서 개방되고, 가스 흐름 채널(20)의 하단은 출구(12)로서 개방된다. 방전 공간(3)은 가스 입구(11) 및 출구(12)와 연통한다. 플라즈마 생성 가스는 가스 흐름 채널(20)에서 가스 입구(11)로부터 출구(12)로 향해 흐른다. 전극(1, 2)은 가스 흐름 채널(20)내의 플라즈마 생성 가스의 흐름 방향에 수직한 방향으로 나란히 배열된다. 도 1에 도시되듯이, 이 장치는 플라즈마 처리를 수행하기 위해 플라즈마(5)를 생성하는 능력을 갖는다. 따라서, 플라즈마 생성 가스와 전극(1, 2) 사이에 인가된 전압의 파형 및 전기장 강도의 구성은 도 1의 경우와 동일하다. 한편, 이 플라즈마 처리 장치는 플라즈마(5)를 생성하기 위한 복수의 방전 공 간(3)을 갖는다. 따라서, 한 번에 플라즈마에 의해 처리될 대상물의 수를 증가시키고, 플라즈마 처리 효율을 향상시키는 것이 가능하다.
본 발명의 플라즈마 처리 장치의 다른 실시예가 도 33에 도시된다. 이 장치는 도 1의 장치에서 전극(1, 2) 사이에 유전체 재료(4)의 플랜지부(6)를 형성하는 것을 제외하면 도 1의 장치와 실질적으로 동일하다. 따라서, 도 33의 플라즈마 처리 장치의 겉보기 모양은 도 16의 것과 동일하다. 플랜지부(6)는 반응 용기(10)의 전체 외주에 걸쳐 연장되도록 형성된다. 또한, 플랜지부(6)는 반응 용기의 관형부의 외면으로부터 전극(1, 2) 사이의 공간으로 돌출하도록 반응 용기(10)와 일체로 형성된다. 플랜지부(6)의 상면의 대부분은 상부 전극(1)의 전체 하면과 접촉하고, 플랜지부(6)의 하면의 대부분은 하부 전극(2)의 전체 상면과 접촉한다. 이 실시예에서, 플랜지부(6)에는 공간(room)이 없다. 즉, 플랜지부(6)는 유전체 재료(4)로 채워졌기 때문에 도 16에 도시된 유지 영역(15)과 같은 중공 구조를 갖지 않는다. 따라서, 도 33의 플라즈마 처리 장치는 유지 영역(15)이 형성되지 않는다는 것을 제외하면 도 16의 장치와 실질적으로 동일하다. 따라서, 도 16의 장치와 비교할 때 반응 용기(10)를 쉽게 생산하는 것이 가능하다. 또한, 도 1의 경우와 같이, 이 장치는 플라즈마 처리를 수행하기 위해 플라즈마(5)를 생성하는 능력을 갖는다. 따라서, 플라즈마 생성 가스와 전극(1, 2) 사이에 인가된 전압의 파형 및 전기장 강도의 구성은 도 1의 경우와 동일하다.
상기 특허 문헌 1의 플라즈마 처리 장치에서, 유전체 장벽 방전을 위한 방전 공간에 인가된 전력은 한 사이클의 전력을 주파수로 곱함으로써 결정될 수 있다. 방전을 발생시키기 위해서 13.56 MHz의 고주파 전압을 사용하는 경우에, 한 사이클의 전력이 작더라도, 주파수는 높다. 그 결과, 전체로서 전력치는 크게 된다. 전극 사이에 인가된 전압의 주파수(플라즈마의 점화를 수행하기에 필요한 전압의 주파수)가 작은 상태 하에서 13.56 MHz에 해당하는 인가된 전력을 얻기 위해서, 한 사이클당 전력을 증가시킬 필요가 있다. 이것을 실현하기 위해, 전극에 인가된 전압을 증가시키는 것이 필요하다. 13.56 MHz를 사용하는 경우에, 전극 사이에 인가된 전압은 최대 약 2 kV이다. 따라서, 전극 사이와 반응 용기 외부에서 유전체 붕괴를 야기시킬 가능성은 지극히 낮다. 대조적으로, 전극(1, 2) 사이에 인가된 전압의 주파수를 낮추는 경우에, 전극(1, 2) 사이에 인가된 전압은 사용된 주파수에 따라 변하지만 6 kV 이상인 것이 필요하다. 따라서, 전극(1, 2) 사이와 반응 용기(10) 외부에서 유전체 붕괴를 야기시킬 가능성이 높게 된다. 유전체 붕괴가 발생할 때, 플라즈마(5)는 반응 용기(10) 내의 방전 공간(3)에서 얻어지지 않는다. 그 결과, 플라즈마 처리 장치가 플라즈마 처리를 제공하도록 통상적으로 동작하지 않는다는 문제가 발생한다. 즉, 전극(1, 2) 사이에 인가된 전압의 주파수를 낮추기 위해서, 전극 사이에 인가된 전압을 증가시키는 것이 필요하다. 그 결과, 전극(1, 2) 사이와 반응 용기(10) 외부에서 유전체 붕괴가 발생할 가능성이 있다.
도 33의 플라즈마 처리 장치에서, 플랜지부(6)는 반응 용기(10)의 외부와 전극(1, 2) 사이에 형성되기 때문에, 반응 용기(10)의 외부와 전극(1, 2)의 사이에서 유전체 붕괴가 직접 발생하는 상황을 방지하고 반응 용기(10) 내의 방전 공간(3)에 서 플라즈마(5)의 점화를 안정적으로 수행하는 것이 가능하다. 그 결과, 플라즈마 처리 장치는 플라즈마 처리를 수행하도록 신뢰성 있게 동작될 수 있다.
본 발명의 플라즈마 처리 장치의 다른 실시예가 도 34에 도시된다. 이 장치는 전극(1, 2)을 충전재(filler)(70)를 통해서 플랜지부(6)와 직접적으로 접촉시키기 위해 도 33의 장치에서 전극(1, 2)과 플랜지부(6) 사이의 틈새에 충전재(70)가 채워진다는 것을 제외하고는 도 33의 장치와 실질적으로 동일하다. 즉, 상부 전극(1)의 하면과 플랜지부의 상면 사이의 틈새와 하부 전극(2)의 상면과 플랜지부(6)의 하면 사이의 틈새에 충전재(70)를 채움으로써, 전극(1, 2)을 그러한 틈새에 채워진 충전재(70)를 통해서 플랜지부(6)와 직접적으로 접촉시키는 것이 가능하다. 도 1의 경우와 같이, 이 장치는 플라즈마 처리를 수행하기 위해 플라즈마(5)를 생성하는 능력을 갖는다. 따라서, 플라즈마 생성 가스와 전극(1, 2) 사이에 인가된 전압의 파형 및 전기장 강도의 구성은 도 1의 경우와 실질적으로 동일하다.
본 발명에서, 반응 용기(10){플랜지부(6)를 포함한다}가 유리와 같은 유전체 재료로 만들어졌기 때문에, 플랜지부의 변형이 없는 평평한 면을 얻은 것이 어렵다. 따라서, 플랜지부(6)와 전극(1, 2) 사이에 틈새가 발생하는 경우가 있다. 그러한 경우에, 전극 사이에 인가된 전압이 높기 때문에 틈새에서 코로나 방전이 발생할 수 있다. 전극이 코로나 방전에 노출될 때, 그것은 전극의 부식을 발생시킬 수 있고 결국에는 수명의 감소를 발생시킬 수 있다.
플랜지부(6)와 전극(1, 2) 사이의 틈새에서의 코로나 방전의 발생은 플랜지부(6)를 전극(1, 2)과 직접적으로 접촉시킴으로써 방지될 수 있다. 그러나, 상술한 바와 같이, 플랜지부(6)가 고르지 않은 표면을 가질 때, 플랜지부를 전극에 기계식으로 맞추기는 어렵다. 따라서, 전극(1, 2)과 플랜지부(6) 사이의 틈새에 충전재(70)를 채움으로써, 틈새는 전극(1, 2)의 부식을 방지하고 전극의 수명을 연장하도록 완전하게 밀봉될 수 있다. 충전재(70)로서, 그리스 등 일정한 정도의 점성을 가진 접착제 및 바인딩 재료 또는 고무 시트 등의 신축성 시트 재료가 사용될 수 있다.
본 발명의 플라즈마 처리 장치의 다른 실시예가 도 35에 도시된다. 이 장치는 도 33의 장치에서 전극(1, 2) 사이의 방전 공간(3)을 부분적으로 좁게 하는 것을 제외하고는 도 33의 장치와 실질적으로 동일하다. 즉, 돌출부(71)가 플랜지부(6)에 대응하는 위치에서 반응 용기(10)의 내면 상에서 반응 용기의 원주 전체에 걸쳐 형성된다. 돌출부(71)에서의 방전 공간(3)의 크기{즉, 돌출부(71)의 내경}는 돌출부(71)가 아닌 부분에서의 방전 공간의 크기{즉, 반응 용기(10)의 내경}보다 작다. 또한, 돌출부(71)는 플랜지부(6)와 실질적으로 동일한 두께를 갖도록 형성된다. 방전 공간(3)의 좁은 영역은 상하 방향에서 방전 공간(3)의 실질적으로 중앙에 위치된다. 이 플라즈마 처리 장치에서, 상술한 충전재(70)가 사용될 수 있다. 도 1의 경우와 같이, 이 장치는 플라즈마 처리를 수행하기 위해 플라즈마(5)를 생성하는 능력을 갖는다. 따라서, 플라즈마 생성 가스와 전극(1, 2) 사이에 인가된 전압의 파형 및 전기장 강도의 구성은 도 1의 경우와 실질적으로 동일하다.
도 36A 및 도 36B에 도시된 바와 같이, 돌출부(71)가 없는 반응 용기(10)를 사용하는 경우에, 저주파 전압에 의해 발생된 유전체 장벽 방전은 스트리머(9)가 방전 공간(3)에서 발생되어 반응 용기(10)의 내면과 접촉하는 방전이다. 스티리머는 시간에 대해 안정하지 않기 때문에 원주방향으로 반응 용기(10)의 내면 주위로 이동한다. 따라서, 반응 용기(10)의 출구(12)로부터 제트 방식으로 방출된 플라즈마(5)는 스트리머(9)의 이동과 동기하여 진동한다. 그 결과, 대상물 상의 플라즈마 처리의 변화가 발생할 수 있다.
이 실시예에서, 방전 공간(3)은 스트리머(9)가 반응 용기(10)의 내면의 주위를 주행할 수 있는 공간을 제한하기 위해 돌출부(71)를 형성함으로써 부분적으로 좁게 된다. 그 결과, 플라즈마(9)가 진동하면서 출구(12)로부터 제트 방식으로 방출되는 상황을 방지하는 것이 가능하고, 따라서 플라즈마 처리의 변화를 최소화한다.
본 발명의 플라즈마 처리 장치의 다른 실시예가 도 37에 도시된다. 이 장치는 도 35의 장치에서 전극(1, 2)이 둘 다 접지 전위에 대해 플로팅 상태(floating state)에 있도록 전압을 인가하는 것을 제외하고는 도 35의 장치와 실질적으로 동일하다. 즉, 전극(1, 2)은 접지에 대해 플로팅 상태에 위치되도록 개별 전원(13a, 13b)에 각각 접속된다. 따라서, 전력은 플로팅 상태에서 전원(13a, 13b)으로부터 전극(1, 2)에 인가될 수 있다. 도 1의 경우와 같이, 이 장치는 플라즈마 처리를 수행하기 위해 플라즈마(5)를 생성하는 능력을 갖는다. 따라서, 플라즈마 생성 가스와 전극(1, 2) 사이에 인가된 전압의 파형 및 전기장 강도의 구성은 도 1의 경우와 실질적으로 동일하다. 전원(13a, 13b)은 단일 전원 장치에 의해 제공될 수 있다. 또는, 전원(13a, 13b)은 복수의 전원 장치에 의해 구성될 수 있다.
전극(1, 2) 사이에 인가된 전압의 반복 주파수를 낮출 때, 전극(1, 2) 사이에 인가된 전압을 증가시키는 것이 필요하다. 전극(1, 2) 사이에 인가된 전압을 증가시키면 반응 용기(10) 내의 방전 공간(3)에서 생성된 플라즈마(5)의 전위가 증가된다. 이 경우에, 플라즈마(5)와 대상물(통상적으로 접지된다) 사이의 전압 차이는 크게 되고, 유전체 붕괴(아크 방전)가 그 사이에 발생할 수 있다. 이 실시예에서, 플라즈마(5)와 대상물 사이의 유전체 붕괴를 발생을 방지하기 위해, 전극(1, 2)은 둘 다 접지 전위에 대해 플로팅 상태에 위치된다. 이 경우에, 전극(1, 2) 사이에 인가된 전압치가 다른 실시예에서 인가된 전압치와 동일하더라도, 접지에 대한 플라즈마(5)의 전압을 감소시키고, 플라즈마(5)와 대상물 사이의 유전체 붕괴의 발생을 방지하는 것이 가능하다. 그 결과, 그 사이에서 아크 방전이 발생하고, 대상물이 아크 방전에 의해 손상을 입는 상황을 피할 수 있다.
본 발명에서, 도 1, 도 15 내지 도 18, 도 21 내지 도 24, 및 도 33 내지 도 37의 실시예에 의해 도시되듯이, 전극(1, 2)은 가스 흐름 채널(20)내의 플라즈마 생성 가스의 흐름 방향에 실질적으로 평행한 (상하) 방향으로 나란히 배열되어, 전극(1, 2) 사이에 전압을 인가함으로써 방전 공간(3) 내의 플라즈마 생성 가스의 흐름 방향에 대해 실질적으로 평행한 방향으로 전기장이 형성된다. 이 경우에, 방전 공간(3) 내에서 생성된 스트리머(9)의 전류 밀도가 증가하기 때문에, 플라즈마 밀도는 증가한다. 그 결과, 플라즈마 처리 능력은 향상될 수 있다.
한편, 도 19, 도 20 및 도 23 내지 도 28에 도시되듯이, 전극(1, 2)이 가스 흐름 채널(20) 내에서 흐르는 플라즈마 생성 가스의 흐름 방향에 수직한 (수평) 방 향으로 나린히 배열될 때, 전극(1, 2) 사이에 전압을 인가함으로써 방전 공간(3) 내의 플라즈마 생성 가스의 흐름 방향에 대해 실질적으로 수직한 방향으로 전기장이 형성되어, 스트리머는 전극 표면에서 균일하게 생성된다. 따라서, 스트리머(9)는 방전 공간(3)에서 균일하게 생성되기 때문에, 플라즈마 처리의 균일성이 향상될 수 있다.
도 23 및 도 24에 도시된 플라즈마 처리 장치에서, 높은 플라즈마 밀도를 가진 스트리머(9)의 생성과 방전 공간(3) 내의 스트리머(9)의 균일한 분포는 둘 다 달성될 수 있다. 따라서, 플라즈마 처리 성능과 플라즈마 처리의 균일성을 둘 다 향상시키는 것이 가능하다.
본 발명의 플라즈마 처리 장치의 다른 실시예가 도 39에 도시된다. 이 장치에는 한 쌍의 전극(1, 2)이 제공된다. 유전체 재료(4)는 알루미나, 티타니아 또는 지르코니아 등 세라믹 재료의 열 스프레잉에 의해 전극(1, 2)의 표면상에 형성된다. 이 경우에, 밀봉 처리를 수행하는 것이 바람직하다. 밀봉 재료로서, 에폭시 등의 유기 재료 또는 실리카 등 무기 재료를 사용하는 것이 가능하다. 또는, 실리카, 티타니아, 주석 산화물 또는 지르코니아 등 무기 글레이즈 재료를 사용하여 에나멜 코팅이 수행될 수 있다. 열 스프레잉 또는 에나멜 코팅을 사용하는 경우에, 유전체 재료의 두께를 0.1 내지 3 mm, 및 바람직하게는 0.3 내지 1.5 mm의 범위에 설정하는 것이 바람직하다. 두께가 0.1 mm보다 작으면, 유전체 재료의 유전체 파괴가 발생할 수 있다. 두께가 3 mm보다 클 때, 전압을 방전 공간에 인가하는 것이 어려워, 방전이 불안정하게 된다. 또한, 도 37의 경우와 같이, 전압은 접지에 대해 플로팅 상태에서 전극(1, 2)에 인가된다. 다른 구성은 상술한 다른 실시예와 실질적으로 동일하다.
더욱이, 본 발명에서, 플라즈마 처리를 수행하기 위해 대상물을 플라즈마 제트에 노출시킬 때, 대상물의 표면상에서 발생하는 반응은 화학적 반응이다. 따라서, 반응 온도가 증가함에 따라, 반응 속도는 빠르게 된다. 이러한 이유로 인해서, 플라즈마 생성 가스를 미리 가열하거나 대상물을 미리 가열하는 것이 바람직하다. 그 결과, 향상된 플라즈마 처리 속도가 얻어진다.
본 발명에서, 클 폭을 가진 반응 용기(10)를 사용할 때, 전극(1, 2) 사이의 거리를 일정하게 유지하는 수단과, 폭 방향으로의 처리의 균일성을 보장하는 목적으로 폭 방향에서 가스를 균일하게 방출하는 수단(공기 노즐)을 사용하는 것이 효율적이다.
또한, 본 발명에서, 대상물을 한 방향으로 운반하면서 출구(12) 아래에 위치된 대상물에 플라즈마 처리를 수행할 때, 출구(12)로부터 플라즈마(5)를 방출하는 방향이 대상물을 운반하는 (전방) 방향으로 향해 경사져, 플라즈마 방출 방향이 운반 방향에 대해 수직하지 않는 것이 바람직하다. 따라서, 출구(12)로부터 제공된 플라즈마(5)가 출구(12)와 대상물 사이에 존재하는 공기를 흡입하면서 대상물의 표면상에 스프레이될 수 있다. 그 결과, 플라즈마(5) 내에 생성된 여기된(excited) 종은 공기 내의 산소 분자와 충돌하여 산소를 해리(dissociate)시킨다. 해리된 산소는 대상물의 표면을 변형시키기 때문에, 플라즈마 처리 능력은 향상될 수 있다.
출구(12)로부터의 플라즈마(5)의 방출 방향은 대상물의 운반 방향에 대해 2 내지 6도 경사지는 것이 바람직하다. 그러나, 이 범위에 제한되는 것은 아니다.
질소 가스는 공기로부터 질소를 분리시키고 정화시키기 위해 질소 가스 발생기로부터 공급될 수 있다. 이 경우에, 막 분리 방법 또는 PSA(압력 스윙 흡착) 방법이 정화 방법으로서 사용될 수 있다.
플라즈마 처리 성능을 향상시키기 위해, 플라즈마를 생성하기 위해 인가된 전압의 주파수를 증가시키는 것이 필요하다. 그러한 상태에서, 비-방전 상태에서 출구(12)로부터 방출된 플라즈마 생성 가스의 흐름 속도가 2 m/초보다 작을 때, 글로우형 균일한 방전이 사라지고 스티리머형 방전이 발생한다. 이러한 상태 하에서 방전이 유지되면, 비정상적 방전(아크 방전)이 발생한다. 본 발명에서, 비-방전 상태에서 출구(12)로부터 방출된 플라즈마 생성 가스의 흐름 속도가 2 m/초 내지 100 m/초의 범위에 있을 때, 스트리머는 제한되어, 무한한 수의 미세한 필라멘트형 방전이 발생한다. 본 발명에서, 방전 공간(3)으로 공급된 플라즈마 생성 가스의 가스 흐름양은 흐름 속도를 2 내지 100 m/초의 범위로 설정하도록 조절될 수 있다.
실시예
본 발명을 실시예에 따라 구체적으로 설명한다.
(제1 실시예 내지 제5 실시예)
도 16에 도시된 스폿 처리용 플라즈마 처리 장치가 사용되었다. 이 플라즈마 처리 장치의 반응 용기(10)는 3 mm의 내경과 5 mm의 외경을 가진 석영 관으로 되었으며, 그것에는 50 mm의 외경을 가진 중공 플랜지부(6){유지 영역(15)}가 제공된다. 전극(1, 2) 및 플래지부(6)는 도 17에 도시된 단면 구조를 갖도록 배열된다.
플라즈마 생성 가스는 반응 용기(10)의 가스 입구(11)로부터 가스 흐름 채널(20)내로 공급되었고, 상류측의 전극(1)과 하류측의 전극(2)에 접속된 전원(13)으로부터 공급된 전압에 의해 생성되었다. 플라즈마(5)는 출구(12)로부터 방출되었다. 출구(12)의 하류측에 위치된 대상물을 플라즈마에 노출시킴으로써, 플라즈마 처리가 수행되었다. 플라즈마 생성 가스로서, 아르곤과 산소가 사용되었다. 플라즈마를 생성하는 다른 조건은 표2에 도시된다.
여기에서, 바람직한 실시예로서, 실시예에 사용된 전원(13)이 설명된다. 제4 실시예의 전원(13)은 도 29에 도시된 회로를 가진다.
도 29의 회로에서, 고압 변압기(66)의 1차측에 인가된 양 및 음의 펄스를 생성하기 위한 H-브리지 스위칭 회로(인버터)(50)가 먼저 설명된다. 도 29에 도시되듯이, 이 H-브리지 스위칭 회로(50)는 제1, 제2, 제3 및 제4 반도체 스위칭 장치(SW1, SW2, SW3, SW4)를 구비하는데, 그것들은 H-브리지 방식으로 접속되어, SW1과 SW4는 상부 암(arm)이고, SW2는 SW1에 대한 하부 암이며, SW3은 SW4에 대한 하부 암이다(H-브리지는 2개의 MOS-FET 등을 포함하는 반도체 모듈을 사용하여 형성된다). 또한, 스위칭 회로는 다이오드(D1, D2, D3, D4)를 포함하는데, 각각 대응 스위칭 장치에 평행하게 접속된다. H-브리지 스위칭 회로(50)용 전원으로서, DC 전원이 사용될 수 있는데, 그것은 상업용 전력 주파수를 가진 전압을 정류하는 정류 회로(41)와 DC 안정화 전력 공급 회로(45)를 포함한다. DC-안정화 전력 공급 회로(45)의 출력 전압은 출력 조정기(42)에 의해 조정될 수 있다.
이 H-브리지 스위칭 회로(50)는 게이트 구동 회로(49)와 예비 회로를 사용하 여 표1에 도시된 ①, ②, ③, ④, ⑤의 5개의 ON/OFF 동작의 조합 방식으로 반복적으로 동작된다. 도 31은 제1 및 제2 스위칭 장치(SW1, SW2) 사이와 제3 및 제4 스위칭 장치(SW3, SW4) 사이의 중앙점으로부터 출력된 양 및 음의 교류 펄스의 타이밍 차트이다.
표1
① ② ③ ④ ⑤
SW1 OFF ON OFF OFF OFF
SW2 ON OFF ON ON ON
SW3 ON ON ON OFF ON
SW4 OFF OFF OFF ON OFF
D2 OFF OFF OFF OFF ON
D3 OFF OFF ON OFF OFF
도 30은 H-브리지 스위칭 회로(50)의 등가 회로를 도시한다. 도 31에 도시되듯이, 제2 스위칭 장치(SW2)의 턴 오프 시의 시간 폭은 제1 스위칭 장치(SW1)를 턴 온 할 때의 시간 폭보다 전방 및 후방에서 더 길다. 또한, 제3 스위칭 장치(SW3)의 턴 오프 시의 시간 폭은 제4 스위칭 장치(SW4)를 턴 온 할 때의 시간 폭보다 전방 및 후방에서 더 길다.
도 30에서, SW1이 턴 오프 된 후에 SW1이 턴 온 될 때, 전류는 "I1"의 방향으로 흘러, 부하는 양으로 충전된다. 다음에, SW1이 턴 오프 된 후에 SW2가 턴 온 될 때, 전류는 SW2와 D3을 통해 "I2"의 방향으로 흘러, 부하의 스트레이 용량과 리키지 인덕턴스는 SW2와 D3에 의해 강제로 리셋된다.
그 후에, SW3가 턴 오프 된 후에 SW4가 턴 온 될 때, 전류는 "I3"의 방향으로 흘러, 부하는 음으로 충전된다. 다음에, SW3가 턴 오프 된 후에 SW4가 턴 온 될 때, 전류는 "I4"의 방향으로 흘러, 부하의 리키지 인덕턴스와 스트레이 용량은 SW2 와 D3에 의해 강제로 리셋된다.
이 동작은 표1에 따라 설명된다.
①에서, SW2와 SW3은 게이트 신호의 입력에 의해 턴 온 되어, 부하의 양단은 단락 회로 상태로 된다.
②에서, SW2의 게이트 신호가 턴 오프 되고, 작은 지연 뒤에 SW1이 게이트 신호의 입력에 의해 턴 온 될 때, 전류는 SW3이 ON 상태로 유지되기 때문에 부하를 통해 SW1으로부터 "I1"의 방향으로 흐른다. 그 결과, 부하는 양으로 충전된다.
③에서, SW1에의 게이트 신호의 입력이 완료되고, SW1이 턴 오프 된 후에, 게이트 신호가 SW2에 다시 입력되어 SW2를 턴 온 시킨다. 부하에 저장된 전하는 SW2와 D3을 통해 방전된다. 그 결과, ①과 동일한 상태로 복귀된다.
④에서, SW3이 턴 오프 되고, 작은 지연 후에 게이트 신호가 SW4에 입력되어 SW4를 턴 온 시킬 때, 전류는 SW2가 ON 상태로 유지되기 때문에 부하를 통해 SW4로부터 "I3"의 방향으로 흐른다. 그 결과, 부하는 음으로 충전된다.
⑤에서, SW4에의 게이트 신호의 입력이 완료되고 SW4가 턴 오프 된 후에, 게이트 신호는 SW3에 다시 입력되어 SW3을 턴 온 시킨다. 부하에 저장된 전하는 SW3과 D2를 통해 방전된다. 그 결과, ③과 동일한 상태로 복귀한다.
따라서, SW1과 SW2의 세트가 동시에 턴 온 되지 않고 SW3과 SW4가 동시에 턴 온 되지 않도록 데드 타임을 줌으로써 스위칭 동작이 ① 내지 ⑤의 순서로 수행될 때, 입력 신호(게이트 신호)에 비례하는 파형을 가진 출력 신호(일정한 시간만큼 서로 이격된 한 쌍의 양 및 음의 펄스)가 얻어진다. 이 경우에, 부하의 리키지 인 덕턴스와 스트레이 용량이 상기 스위칭 동작에 의해 휴지 상태로 되기 때문에, 변형이 없는 출력 파형을 얻을 수 있다.
도 29에서, 상기 스위칭 동작에 의해 얻어진 H-브리지 회로(50)의 출력은 제1 및 제2 스위칭 장치(SW1, SW2) 사이의 중앙점이 한 극성이고 제3 및 제4 스위칭 장치(SW3, SW4) 사이의 중앙점이 다른 극성이 되도록 제공되고, 캐패시터(C)를 통해 고압 변압기(66)의 1차측에 인가된다.
다음에, 게이트 구동 회로(49)를 제어함으로써 H-브리지 스위칭 회로(50)로부터 한 쌍의 양 및 음의 펄스를 반복하여 출력하고, 주기와 펄스폭을 조정하는 예비 회로가 도 32의 타이밍 차트를 참조하여 설명된다.
전압 제어 발진기(VCO)(52)는 도 32의 (1)에 도시된 구형파를 반복하여 출력한다. 반복 주파수는 반복 주파수 조정기(51)에 의해 제어될 수 있다. 제1 원-쇼트 멀티바이브레이터(53)는 도 32의 (2)에 도시되듯이 전압 제어 발진기(52)의 출력(VCO 출력)이 상승할 때 상승하는 펄스를 출력한다. 펄스폭은 제1 펄스폭 조정기(58)에 의해 조정될 수 있다.
도 32의 (3)에 도시되듯이, 지연 회로(54)는 제1 원-쇼트 멀티바이브레이터(53)의 펄스가 상승할 때 상승하는 일정한 시간 폭을 가진 펄스를 출력한다.
도 32의 (4)에 도시되듯이, 제2 원-쇼트 멀티바이브레이터(55)는 지연 회로(54)의 출력이 상승할 때 상승하는 펄스를 출력한다. 펄스폭은 제2 펄스폭 조정기(59)에 의해 조정될 수 있다.
제1 원-쇼트 멀티바이브레이터(53)로부터 제공된 펄스는 제1 AND 게이트(46) 에 입력되고, 제2 원-쇼트 멀티바이브레이터(55)로부터 제공된 펄스는 제2 AND 게이트(60)에 입력된다. 시동 스위치(43)에 의해 턴 온/오프 될 수 있는 시동/정지 회로(44)의 출력은 이러한 AND 게이트(46, 60)에 입력된다. 그것이 온 상태에 있을 때, 제1 및 제2 원-쇼트 멀티바이브레이터(53, 55)의 펄스는 제3 및 제4 AND 게이트(47, 56)에 반복하여 입력된다.
제3 AND 게이트(47)의 출력은 지연용 제1 AND 게이트 회로(48)와 지연용 제1 NOR 회로(57)에 입력된다. 제4 AND 게이트(56)의 출력은 지연용 제2 AND 게이트 회로(61)와 지연용 제2 NOR 게이트 회로(62)에 입력된다. 이 AND 게이트 회로(48, 61)와 NOR 게이트 회로(57, 62)의 출력 파형은 도 32의 (5), (6), (7) 및 (8)에 도시된다. 출력에 따라, 게이트 구동 회로(49)는 H-브리지 스위칭 회로(50)의 4개의 반도체 스위칭 장치(SW1, SW2, SW3, SW4)용 게이트 펄스를 출력하고, 이것들은 상기와 같이 스위칭된다.
따라서, 도 32의 (9)에 도시되듯이, 일정한 시간만큼 서로 이격된 한 쌍의 양 및 음의 펄스는 H-브리지 스위칭 장치(50)로부터 반복 주파수로 양 및 음의 펄스파로서 출력된다. 반복 주파수는 반복 주파수 조정기(51)에 의해 조정될 수 있다. 또한, 펄스폭은 펄스폭 조정기(58, 59)에 의해 양 및 음으로 조정될 수 있다.
양 및 음의 펄스파는 캐패시터(C)를 통해 고압 변압기(66)의 1차측에 인가되고, 고압 변압기(66)의 LC 성분에 의해 감쇄된 진동 파형의 고압 주기적 파로 되는데, 감쇄된 진동 파형에서 공진 감쇄된 진동파가 반복된다. 전극(1, 2) 사이에 인가된 고전압은 도 32의 (10)에 도시된다. 펄스폭 조정기(58, 59)에 의해 펄스폭을 조정함으로써, 고압 변압기(66)의 LC 성분과 정합되는 공진 상태를 얻는 것이 가능하다.
처리될 대상물로서, 1.2 μm의 네거티브형 레지스트를 가진 실리콘 기판이 위치되었고, 다음에는 레지스트가 에칭되었다. 레지스트 에칭 속도는 플라즈마 처리 성능으로서 평가되었다. 또한, 대상물이 열에 대한 불량한 저항을 가진 재료로 제조될 때, 높은 플라즈마 온도는 대상물에 열 손상을 준다. 따라서, 플라즈마 온도는 열전쌍(thermocouple)을 사용하여 출력(12)에서 측정되었다.
(비교 실시예 1, 2)
도 1에 도시된 스폿 처리용 플라즈마 처리 장치가 사용되었다. 이 장치의 반응 용기(10)는 플랜지부(6)가 형성된 것을 제외하고는 실시예 1 내지 실시예 5에 사용된 반응 용기와 실질적으로 동일하다. 다른 구성은 실시예 1 내지 실시예 5의 경우와 동일하다. 플라즈마(5)는 표2 에 도시된 플라즈마 생성 상태 하에 생성되었다. 실시예 1 내지 실시예 5의 경우에, 동일한 평가가 수행되었다. 결과는 표2에 도시되었다.
표2
실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 실시예 5 비교예 1 비교예 2
플라즈마 생성 가스의 조성 Ar+O2 Ar+O2 Ar+O2 Ar+O2 Ar+O2 Ar+O2 Ar+O2
가스유량(리터/분) Ar 1.75 O2 0.1 Ar 1.75 O2 0.1 Ar 1.75 O2 0.1 Ar 1.75 O2 0.1 Ar 1.75 O2 0.1 Ar 1.75 O2 0.022 Ar 1.75 O2 0.022
전압 파형 도 8a 도 8b 도 8c 도 8d 도11a 도 8a 도 8a
상승시간(μsec) 5 0.1 5 1 0.1 0.018 250
하강시간(μsec) 5 5 0.1 1 0.1 0.018 250
반복 주파수(kHz) 50 100 100 100 100 13.56 MHz 1
전기장 강도(kV/cm) 5 7 7 7 7 2 10
입력 전력(W) 200 200 200 200 300 100 400
에칭속도(μm/분) 2 3 2 4 3 4 0.5
플라즈마 온도(oC) 60 70 70 80 70 450 50
표2로부터 명백하듯이, 플라즈마 온도는 실시예 1 내지 5의 플라즈마 처리 장치에서 100oC 이하이고, 비교예 1의 경우보다 훨씬 낮은데, 비교예 1에서 13.56 MHz의 고주파 전압이 인가되었다. 한편, 에칭 속도에 대해, 실시예 1 내지 5는 각각 비교예 1과 실질적으로 동일하다. 따라서, 그것은 플라즈마 처리 능력에서 충분하다. 또한, 실시예 1 내지 5는 250 마이크로초의 상승 및 하강 시간을 가진 비교예 2보다 에칭 속도가 빠르다. 따라서, 총체적 관점에서 볼 때, 실시예 1 내지 5는 비교예 1 및 2보다 성능이 높다는 결론이다.
(실시예 6 내지 10)
도 22에 도시된 넓은 처리(wide treatment)용 플라즈마 처리 장치가 사용되었다. 이 장치의 반응 용기(10)는 석영유리로 제조되었고, 내부 크기는 1mm x 30 mm이며, 슬릿형 출구(12)와 중공 플랜지부(6){유지 영역(15)}를 구비한다. 다른 구 성은 실시예 1 내지 5와 실질적으로 동일하다. 플라즈마는 표3에 도시된 플라즈마 생성 상태 하에서 생성되었다. 실시예 1 내지 5의 경우와 같이, 동일한 평가가 수행되었다.
(비교예 3, 4)
도 21에 도시된 넓은 처리(wide treatment)용 플라즈마 처리 장치가 사용되었다. 이 장치의 반응 용기(10)는 플랜지부(6)가 형성된 것을 제외하고는 실시예 6 내지 10에 사용된 반응 용기와 실질적으로 동일하다. 다른 구성은 실시예 6 내지 10과 실질적으로 동일하다. 플라즈마(5)는 표3에 도시된 플라즈마 생성 상태 하에서 생성되었다. 실시예 6 내지 10의 경우와 같이, 동일한 평가가 수행되었다. 상기 평가의 결과는 표3에 도시된다.
표3
실시예 6 실시예 7 실시예 8 실시예 9 실시예 10 비교예 3 비교예 4
플라즈마 생성 가스의 조성 Ar+O2 Ar+O2 Ar+O2 Ar+O2 Ar+O2 Ar+O2 Ar+O2
가스유량(리터/분) Ar 6 O2 0.3 Ar 6 O2 0.3 Ar 6 O2 0.3 Ar 6 O2 0.3 Ar 6 O2 0.3 Ar 6 O2 0.3 Ar 6 O2 0.3
전압 파형 도 8a 도 8b 도 8c 도 8d 도11a 도 8a 도 8a
상승시간(μsec) 5 0.1 5 1 0.1 0.018 250
하강시간(μsec) 5 5 0.1 1 0.1 0.018 250
반복 주파수(kHz) 50 100 100 100 100 13.56 MHz 1
전기장 강도(kV/cm) 5 7 7 7 7 2 10
입력 전력(W) 800 800 800 800 1200 450 1300
에칭속도(μm/분) 8 10 8 15 10 15 1
플라즈마 온도(oC) 60 70 70 80 70 450 50
표3으로부터 명백하듯이, 플라즈마 온도는 실시예 6 내지 10의 플라즈마 처 리 장치에서 100oC 이하이고, 비교예 3의 경우보다 훨씬 낮은데, 비교예 3에서 13.56 MHz의 고주파 전압이 인가되었다. 한편, 에칭 속도에 대해, 실시예 6 내지 10은 각각 비교예 3과 실질적으로 동일하다. 따라서, 그것은 플라즈마 처리 능력에서 충분하다. 또한, 실시예 6 내지 10은 250 마이크로초의 상승 및 하강 시간을 가진 비교예 4보다 에칭 속도가 빠르다. 따라서, 총체적 관점에서 볼 때, 실시예 6 내지 10은 비교예 3 및 4보다 성능이 높다는 결론이다.
(실시예 11)
도 18에 도시된 스폿 처리용 플라즈마 처리 장치가 사용되었다. 이 장치의 반응 용기(10)는 실시예 1 내지 5의 반응 용기(10)의 하부측에 1mm의 내경을 가진 출구(12)를 갖고 테이퍼진 노즐부(14)를 형성하여 얻어진다. 다른 구성은 실시예 1 내지 5와 실질적으로 동일하다. 플라즈마(5)는 표4에 도시된 플라즈마 생성 상태 하에서 생성되었다. 실시예 1 내지 5의 경우와 같이, 동일한 평가가 수행되었다.
(실시예 12)
도 15에 도시된 스폿 처리용 플라즈마 처리 장치가 사용되었다. 이 장치의 반응 용기(10)는 비교예 1 및 2의 반응 용기(10)의 하부측에 1mm의 내경을 가진 출구(12)를 갖고 테이퍼진 노즐부(14)를 형성하여 얻어진다. 다른 구성은 실시예 1 내지 5와 실질적으로 동일하다. 플라즈마(5)는 표4에 도시된 플라즈마 생성 상태 하에서 생성되었다. 실시예 1 내지 5의 경우와 같이, 동일한 평가가 수행되었다. 상기 평가의 결과는 표4에 도시된다.
표4
실시예 11 실시예 12
플라즈마 생성 가스의 조성 Ar+O2 Ar+O2
가스유량(리터/분) Ar 1.3 O2 0.07 Ar 1.3 O2 0.07
전압 파형 도 8d 도 8d
상승시간(μsec) 1 1
하강시간(μsec) 1 1
반복 주파수(kHz) 100 100
전기장 강도(kV/cm) 6 5
입력 전력(W) 150 150
에칭속도(μm/분) 4 3
플라즈마 온도(oC) 80 80
표4로부터 명백하듯이, 플라즈마(5)의 흐름 속도는 반응 용기(10)의 출구(12)를 좁게 함으로써 증가되어, 실시예 4에 비해 더 낮은 흐름양과 더 낮은 전력의 상태 하에서 동등한 성능이 얻어질 수 있다. 그러나, 플랜지부(6)가 없는 반응 용기에서, 도 12에 도시되듯이, 전극(1, 2) 사이에 인가된 전압이 증가되어 플라즈마 성능을 향상시킬 때, 아크 방전이 반응 용기(10)의 외부와 전극(1, 2) 사이에서 발생할 수 있다. 아크 방전을 발생시키는 상태는 전극(1, 2) 사이의 거리 또는 인가된 전압 파형에 따라 변한다. 따라서, 항상 그렇지는 않지만, 전기장 강도가 10 kV/cm 이상일 때 아크 방전이 발생하는 우려가 있다.
(실시예 13)
실시예 1 내지 5와 동일한 플라즈마 처리 장치가 사용되었다. 플라즈마 생성 가스로서, 1.75 리터/분의 아르곤과 0.1 리터/분의 산소의 혼합 가스가 사용되었다. 도 10b에 도시되듯이, 전극(1, 2) 사이에 인가된 전압의 파형이 정현 전압 파형에 2개의 펄스형 전압을 중첩함으로써 얻어진다. 정현파의 반복 주파수는 50 kHz이다(상승 및 하강 시간은 5 마이크로초이고, 최대 전압은 2.5 kV이다). 5 kV의 펄 스 높이 값을 가진 펄스형 고전압(상승 시간은 0.08 마이크로초이다)이 이 정현파에 중첩되었다. 펄스형 고전압을 중첩시키는 타이밍에, 제1 펄스는 정현 전압의 극성의 변경이 발생한 후 1 마이크로초가 경과한 후에 중첩되었고, 제2 펄스는 제1 펄스가 인가된 후 2 마이크로초가 경과한 후에 중첩되었다. 상기 사항을 제외하고는, 플라즈마(5)는 실시예 1 내지 5와 동일한 상태 하에서 생성되었고, 레지스트의 에칭이 실시예 1 내지 5의 경우에서와 같이 수행되었다. 그 결과, 에칭 속도는 3 μm/분이었다.
(실시예 14)
실시예 11과 동일한 플라즈마 처리 장치가 사용되었다. 플라즈마 생성 가스로서, 건조한 공기가 사용되었다. 도 8b에 도시된 파형을 가진 전압이 전극(1, 2) 사이에 인가되었고, 건조한 공기가 3 리터/분의 흐름양으로 가스 흐름 채널(20)로 공급되었다. 파형 상태로서, 상승 시간은 0.1 마이크로초이고, 하강 시간은 0.9 마이크로초이고, 반복 주파수는 500 kHz이다. 플라즈마 생성 가스는 건조한 공기이기 때문에, 상대적으로 높은 전기장 강도가 필요하다. 이 경우에, 전기장 강도는 20 kV/cm이다. 또한, 인가된 전력은 300 W이다. 다른 구성은 실시예 1 내지 5와 실질적으로 동일하다.
처리될 대상물로서, 액정용 유리(물의 접촉각은 플라즈마 처리 전에 약 45o이다)가 사용되었다. 플라즈마 처리는 약 1초 동안 이 대상물에 플라즈마를 스프레잉함으로써 수행되었다. 그 결과, 유리에 대한 물의 접촉각은 5o 이하가 되었다. 따 라서, 유기 재료는 짧은 시간 주기에 유리 표면으로부터 제거될 수 있었다.
(실시예 15)
실시예 11과 동일한 플라즈마 처리 장치가 사용되었다. 플라즈마 생성 가스로서, 1.5 리터/분의 아르곤과 100 cc/분의 수소의 혼합 가스가 사용되었다. 도 8d에 도시된 파형을 가진 전압이 전극(1, 2) 사이에 인가되었고, 혼합 가스가 가스 흐름 채널(20)로 공급되었다. 파형 상태로서, 상승 시간 및 하강 시간은 1 마이크로초이고, 반복 주파수는 100 kHz이다. 전기장 강도는 7 kV/cm이고, 인가된 전력은 200 W이다. 다른 구성은 실시예 1 내지 5와 실질적으로 동일하다.
처리될 대상물은 알루미나 기판 상에 은 팔라듐 페이스트를 스크린 인쇄하고, 기판 상에 회로(본딩 패드를 포함한다)를 얻기 위해 기판을 구음(baking)으로써 형성되었다. 본딩 패드의 XPS 분석의 결과로서, 플라즈마 처리 전에 은 산화물의 피크가 존재하지만, 이 피크는 플라즈마 처리 후에 은 금속의 피크로 변화되는 것이 확인되었다. 따라서, 은 산화물의 양은 본딩 패드에서 감소되었다.
(실시예 16)
도 23 및 도 24에 도시된 플라즈마 처리 장치가 사용되었다. 이 장치에서, 전극 부재(1a, 1b) 사이와 전극 부재(2a, 2b) 사이에 발생된 전기장은 방전 공간(3) 내의 플라즈마 생성 가스의 흐름 방향에 대해 실질적으로 수직하다. 또한, 전극 부재(1a, 2a) 사이와 전극 부재(1b, 2b) 사이에 발생된 전기장은 방전 공간(3) 내의 플라즈마 생성 가스의 흐름 방향에 대해 실질적으로 평행하다.
상술한 플라즈마 처리 장치에서, 6 리터/분의 아르곤과 0.3 리터/분의 산소 의 혼합 가스가 플라즈마 생성 가스로서 사용되었다. 도 8d에 도시된 파형을 가진 전압이 전극(1, 2) 사이에 인가되었고, 혼합 가스는 가스 흐름 채널(20)에 공급되었다. 파형 상태로서, 상승 시간 및 하강 시간은 1 마이크로초이고, 반복 주파수는 100 kHz이다. 전기장 강도는 7 kV/cm이고, 인가된 전력은 800 W이다. 다른 구성은 실시예 1 내지 5와 실질적으로 동일하다. 레지스트의 에칭은 상기 상태 하에 수행되었다. 그 결과, 에칭 속도는 3 μm/분이었다.
(실시예 17)
도 38에 도시된 플라즈마 처리 장치가 사용되었다. 이 장치의 반응 용기(10)는 도 37의 장치와 동일한 구성이고, 석영 유리로 제조되었다. 또한, 플라즈마 생성용 전극(1, 2)은 SUS 304로 제조되었다. 전극(1, 2)은 냉각수가 그 내부에서 순환하도록 형성되었다. 반응 용기(10)의 돌출부(71)의 내경 "r"은 1.2 mmφ이고, 다른 부분의 내경 "R"은 3 mmφ이다. 플랜지부(6)의 두께 "t"는 5 mm이다. 또한, 전극(1, 2) 사이의 틈새에 충전재(70)로서 실리콘 그리스가 채워져 플랜지부(6)를 전극(1, 2)과 직접 접촉되게 한다.
또한, 전원(13)은 스텝-업 변압기(72)를 갖고, 스텝-업 변압기(72)의 2차측의 중앙점은 접지되었다. 따라서, 전압은 접지에 대한 전극(1, 2)의 플로팅 상태에서 전극(1, 2)에 인가되었다.
플라즈마 생성 가스로서, 1.58 리터/분의 아르곤과 0.07 리터/분의 산소의 혼합 가스가 사용되었다. 전극(1, 2) 사이에 인가된 전압은 정현파형을 갖는다. 상승 시간 및 하강 시간은 1.7 마이크로초이고, 반복 주파수는 150 kHz이다. 3 kV의 전압이 접지에 대해 전극(1, 2) 각각에 인가되었다. 따라서, 전극(1, 2) 사이에 인가된 전압은 6 kV이고, 전기장 강도는 12 kV/cm이다.
처리될 대상물로서, 네거티브형 레지스트가 1 μm의 두께를 가진 실리콘 기판 상에 코팅되었고, 다음에는 레지스트가 에칭되었다. 에칭 속도는 플라즈마 처리 성능으로서 평가되었다. 그 결과, 에칭 속도는 4 μm/분이었다.
(실시예 18)
도 39에 도시된 플라즈마 처리 장치가 사용되었다. 전극(1, 2)은 티탄으로 제조되었고, 1100 mm의 길이를 갖는다. 1 mm의 두께를 가진 알루미나 층이 열 스프레잉에 의해 전극(1, 2)의 표면상에 유전체층(4)으로서 형성되었다. 또한, 냉각수는 전극(1, 2) 내에서 순환되었다. 이러한 전극(1, 2)은 면대면 관계로 배열되어 서로 1 mm만큼 이격되었다. 비-방전 상태에서, 질소 가스는 방전 공간(3)의 상류측으로부터 공급되었고, 가스 흐름 속도는 출구(12)에서 20 m/초이다. 플라즈마(5)를 생성하기 위해서, 80 kHz의 주파수를 가진 정현파를 가진 7 kV의 전압이 중앙점 접지형의 스텝-업 변압기(72)를 통해 전원(13)으로부터 전극(1, 2)에 인가되었다. 중앙점 접지형의 스텝-업 변압기(72)가 사용되기 때문에, 접지에 대한 플로우트 전압은 전극(1, 2) 둘 다에 인가될 수 있다. 다른 구성은 실시예 17과 실질적으로 동일하다.
플라즈마(5)는 상술한 상태 하에 생성되었고, 다음에는 처리될 대상물(액정용 유리)은 출구(12)의 하류측으로부터 5 mm의 거리만큼 이격되면서 8 m/분의 속도 로 통과되었다. 물의 접촉각은 처리 전에 약 50o이었지만, 처리 후에는 약 5o로 되었다. 또한, 아크릴 수지로 제조된 액정용 칼라 필터가 처리되었다. 물의 접촉각은 처리 전에 약 50o이었지만, 처리 후에는 약 15o로 향상되었다.
(실시예 19)
실시예 18과 동일한 장치가 사용되었다. 부피비로 약 0.05%의 산소가 질소와 혼합되었고, 결과적인 혼합물이 플라즈마 생성 가스로서 공급되었고, 그 가스 흐름 속도는 출구(12)에서 10m/초이다. 플라즈마(5)를 생성하기 위해서, 80 kHz의 주파수를 가진 정현파를 가진 6 kV의 전압이 중앙점 접지형의 스텝-업 변압기(72)를 통해 전극(1, 2)에 인가되었다. 중앙점 접지형의 스텝-업 변압기(72)가 사용되기 때문에, 접지에 대한 플로우트 전압은 전극(1, 2) 둘 다에 인가될 수 있다. 다른 구성은 실시예 18과 실질적으로 동일하다.
플라즈마(5)는 상술한 상태 하에 생성되었고, 다음에는 처리될 대상물(액정용 유리)은 출구(12)의 하류측으로부터 5 mm의 거리만큼 이격되면서 8 m/분의 속도로 통과되었다. 물의 접촉각은 처리 전에 약 50o이었지만, 처리 후에는 약 5o로 되었다. 또한, 아크릴 수지로 제조된 액정용 칼라 필터가 처리되었다. 물의 접촉각은 처리 전에 약 50o이었지만, 처리 후에는 약 10o로 향상되었다.
(실시예 20)
실시예 18과 동일한 장치가 사용되었다. 부피비로 약 0.1%의 공기가 질소와 혼합되었고, 결과적인 혼합물이 플라즈마 생성 가스로서 공급되었고, 그 가스 흐름 속도는 출구(12)에서 10m/초이다. 플라즈마(5)를 생성하기 위해서, 80 kHz의 주파수를 가진 정현파를 가진 6 kV의 전압이 중앙점 접지형의 스텝-업 변압기(72)를 통해 전극(1, 2)에 인가되었다. 중앙점 접지형의 스텝-업 변압기(72)가 사용되기 때문에, 접지에 대한 플로우트 전압은 전극(1, 2) 둘 다에 인가될 수 있다. 다른 구성은 실시예 18과 실질적으로 동일하다.
플라즈마(5)는 상술한 상태 하에 생성되었고, 다음에는 처리될 대상물(액정용 유리)은 출구(12)의 하류측으로부터 5 mm의 거리만큼 이격되면서 8 m/분의 속도로 통과되었다. 물의 접촉각은 처리 전에 약 50o이었지만, 처리 후에는 약 5o로 되었다. 또한, 아크릴 수지로 제조된 액정용 칼라 필터가 처리되었다. 물의 접촉각은 처리 전에 약 50o이었지만, 처리 후에는 약 8o로 향상되었다.
(실시예 21)
실시예 18과 동일한 장치가 사용되었다. 부피비로 약 30%의 CF4가 산소와 혼합되었고, 결과적인 혼합물이 플라즈마 생성 가스로서 공급되었고, 그 가스 흐름 속도는 출구(12)에서 10m/초이다. 플라즈마(5)를 생성하기 위해서, 80 kHz의 주파수를 가진 정현파를 가진 6 kV의 전압이 중앙점 접지형의 스텝-업 변압기(72)를 통해 전극(1, 2)에 인가되었다. 중앙점 접지형의 스텝-업 변압기(72)가 사용되기 때문에, 접지에 대한 플로우트 전압은 전극(1, 2) 둘 다에 인가될 수 있다. 다른 구성은 실시예 18과 실질적으로 동일하다.
플라즈마(5)는 상술한 상태 하에 생성되었고, 다음에는 처리될 대상물(1 μm의 두께를 가진 액정용 유리 상에 레지스트를 코팅함으로써 얻어진 샘플)은 출구(12)의 하류측으로부터 5 mm의 거리만큼 이격되면서 1 m/분의 속도로 통과되었다. 그 결과, 레지스트 두께는 5000 Å으로 되었다. 이 경우에, 플라즈마 처리는 기판이 150oC에서 가열되는 동안에 수행되었다.
실시예 1 내지 21 각각에서, 방전이 안정되게 유지된 상태에서 저하된 플라즈마 온도에서 충분한 플라즈마 처리 능력이 얻어졌다.
따라서, 본 발명의 플라즈마 처리 장치는 실질적으로 대기압과 동일한 압력 하에 생성된 플라즈마에도 불구하고 플라즈마 처리 효율을 향상시키고 플라즈마 온도를 저하시키는 능력을 갖기 때문에, 그것은 종래의 플라즈마 처리가 이용될 수 있는 대상물만 아니라 처리 온도가 높기 때문에 종래의 플라즈마 처리가 이용되 수 없는 다른 대상물에도 사용될 수 있다. 특히, 그것은 대상물의 표면을 세척하는 데에 효율적이다.

Claims (15)

  1. 출구로서 개방된 단부를 구비하고 있는 반응 용기와 적어도 한 쌍의 전극을 포함하며,
    상기 반응 용기 내에 플라즈마 생성 가스를 공급하면서 상기 전극 사이에 전압을 인가함으로써 대기압과 실질적으로 동일한 압력 하에 상기 반응 용기 내에서 플라즈마를 생성하고, 상기 플라즈마를 상기 반응 용기의 상기 출구로부터 제공하는 플라즈마 처리 장치에 있어서,
    상기 전극들은 상기 전극들 사이에 플랜지부가 형성된 상태로 배치되어 있어, 상기 전극 사이에 상기 전압을 인가함으로써 방전 공간 내에 발생된 전기장이 상기 방전 공간 내의 상기 플라즈마 생성 가스의 흐름 방향에 실질적으로 평행한 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전극 사이에 인가된 상기 전압의 파형이 펄스 파형 또는 휴지 주기가 없는 교류 전압 파형인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 펄스 파형 또는 상기 휴지 주기가 없는 상기 교류 전압 파형의 상승 시간이 100 마이크로초 이하인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 펄스 파형 또는 상기 휴지 주기가 없는 상기 교류 전압 파형의 하강 시간이 100 마이크로초 이하인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 펄스 파형 또는 상기 휴지 주기가 없는 상기 교류 전압 파형의 반복 주파수가 0.5 내지 1000 kHz의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전극 사이에 인가된 전기장 강도가 0.5 내지 200 kV/cm의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 방전 공간이 부분적으로 좁아지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전극과 상기 플랜지부 사이에 충전 재료(filling material)가 제공되어 있어서, 상기 전극이 상기 충전 재료를 통해 상기 플랜지부에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전압이, 상기 전극이 둘 다 접지 전위에 대해 플로팅(floating) 상태에 있도록, 인가된 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 생성 가스가 희유 원소 가스(rare gas), 질소, 산소, 공기, 수소 또는 그들의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 생성 가스가 CF4, SF6, NF3 또는 그들의 혼합물을 희유 원소 가스, 질소, 산소, 공기, 수소 또는 그들의 혼합물과 2 내지 40%의 부피 비로 혼합하여 얻어진 혼합 가스인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 플라즈마 생성 가스가 질소에 대한 산소의 부피 비가 1% 이하가 되도록 산소를 혼합하여 얻어진 혼합 가스인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 플라즈마 생성 가스가 질소에 대한 공기의 부피 비가 4% 이하가 되도록 공기를 혼합하여 얻어진 혼합 가스인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 생성 가스가, 비-방전 상태에서 상기 출구로부터 제공된 상기 플라즈마 생성 가스의 흐름 속도가 2m/초 내지 100m/초의 범위에 있도록, 상기 방전 공간으로 공급되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  15. 제1항에서 청구된 상기 플라즈마 처리 장치를 사용하여 플라즈마 처리를 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
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