KR20060074473A - 플라즈마 중합장치의 가스 공급 구조 - Google Patents

플라즈마 중합장치의 가스 공급 구조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반응챔버에 가스를 공급하는 가스 공급 시스템으로서, 액상의 전구체를 수용하는 저장 용기와, 상기 전구체의 이동 통로인 배관과, 상기 배관 중에 설치되는 기화기를 포함하여 구성되며, 상기 기화기는 가스 입구부 및 가스 출구부가 형성되어 있는 열전도성 컨테이너와, 상기 컨테이너 내부에 설치되고 유체 이동 관통구가 형성되어 있는 하나 이상의 열전도성 구획벽과, 상기 컨테이너 외주면에 접촉하는 히터를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 중합장치의 가스 공급 시스템이 제공된다. 본 발명에 따르면 반응챔버로 도입되는 원료 물질, 특히 액상의 원료를 효과적으로 기화시켜 반응성을 향상시킬 수 있다.
플라즈마 중합, 가스 공급, 액상 전구체, 기화, 응축

Description

플라즈마 중합장치의 가스 공급 시스템{GAS PROVIDING SYSTEM IN PLASMA POLYMERIZATION APPARATUS}
도 1a는 일반적인 플라즈마 중합장치의 구조를 보인 개략도.
도 1b는 가스 공급 시스템의 일례를 보인 모식도.
도 2는 본 발명에 따른 플라즈마 중합 장치를 보인 개략도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 가스 공급 시스템의 기화기를 보인 모식도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 공급 시스템의 기화기를 보인 모식도.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 가스 공급 시스템의 기화기를 보인 모식도.
*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ***
12: 반응챔버 16: 전극
18: 기재 40: 기화기
42: 히터 44a, 44b, 44c: 구획벽
45a, 45b, 45c: 유체 통과공
60: 배관 66:배관
본 발명은 플라즈마 중합장치의 가스 공급 시스템에 관한 것으로, 상세하게는 반응챔버에 공급되는 가스의 응축을 방지하고 액상 물질의 기화가 원활하게 일어나도록 구조를 개선시킨 기화기를 포함하는 가스 공급 시스템에 관한 것이다.
금속이나 세라믹 재료의 표면을 개질하거나 코팅층을 형성하여 그 특성을 향상시키는 방법이 종래에 이용되어 왔다. 구체적으로 가스 또는 액상의 반응물을 진공 챔버 내에서 기판 표면에 화학적으로 증착시키거나, 타겟 물질에 에너지를 가하여 기판 상에 물리적으로 증착시키는 방법이 반도체 분야에서 주로 사용되었다. 또한, 이온빔을 이용하여 기판 표면을 개질시키는 방법도 개발되었으며, 최근에는 플라즈마를 이용하여 기판 표면에 코팅층을 형성하는 방법이 다양하게 제시되고 있다.
플라즈마를 이용한 표면처리는 금속이나 세라믹 또는 고분자 물질의 표면에 물리적 또는 화학적 특성이 뛰어난 코팅층을 형성함으로써 재료의 사용 가치를 향상시키는데 이용될 수 있다.
도 1a는 플라즈마 중합장치의 일례를 도시한 것으로, 반응챔버(2)에 전극(6)이 대향되어 설치되어 있고, 전극 사이에 표면처리 대상인 기재(8)가 위치한다. 반응챔버(2)는 펌프(4)로 진공 상태가 유지되며, 상기 전극(4)에는 전원부(3)로부터 직류 고전압이나 RF 전압이 인가되어 가스공급부(5)로부터 반응챔버(2)로 도입되는 원료 가스 내지는 반응성 가스를 플라즈마 상태로 변화시킨다.
플라즈마 중합막을 형성하는데 있어서 중요한 요소의 하나로 반응챔버에 도입되는 원료의 상태를 들 수 있다. 예를 들어, 원료가 가스 상이 아닌 액상이거나 분말 상태이면 플라즈마로 변화되는데 문제가 생길 수 있다. 또한, 원료 가스의 고른 분산이 어려워 기재 표면에 형성되는 중합막의 품질이 떨어질 수 있고, 반응챔버 내에 중합에 따른 오염 물질의 발생이 현저해진다.
따라서, 가스 공급부로부터 반응챔버로 유입되는 가스에 열을 가하여 고온으로 유지시켜 반응성을 높이는 방안이 제안되었다.
도 1b를 참조하면, 두 가지 이상의 반응성 가스를 반응챔버로 보입하고자 하는 경우, 각각의 가스 저장용기(5a, 5b)로부터 가스들이 배관(7)을 통하여 이동하도록 구성된 가스 공급부를 볼 수 있다. 이 경우, 배관을 흐르는 가스가 고온으로 유지되어 반응성이 커지도록 배관의 일부분에 코일형 히터(9)를 설치하였다.
가스 공급부의 원료들이 기체상인 아닌 액상으로 존재할 경우, 반응챔버로 도입되기 이전에 완전하게 기화될 필요가 있다. 그러나, 기존의 가스 공급 시스템에서는 액상의 원료들을 효과적으로 기화시키지 못하여 플라즈마 중합처리 효율이 떨어지고, 형성된 중합 코팅막의 품질도 저하되는 문제가 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 플라즈마 증합장치에 있어서, 원료 가스의 반응성을 향상시킬 수 있는 가스 공급 시스템을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 목적은 가스 공급 시스템의 부피를 증가시키지 않고도 효과 적으로 원료 가스의 반응성을 증가시키는데 있다.
특히, 본 발명의 목적은 액상의 원료를 반응챔버에 도입하기 전에 충분히 기체상으로 변화시킬 수 있는 가스 공급 시스템을 제공하는 것이다.
기타, 본 발명의 다른 목적 및 기술적 특징은 이하의 상세한 설명에서 더욱 명확하게 제시될 것이다.
본 발명에 따르면, 반응챔버에 가스를 공급하는 가스 공급 시스템으로서, 액상의 전구체를 수용하는 저장 용기와, 상기 전구체의 이동 통로인 배관과, 상기 배관 중에 설치되는 기화기를 포함하여 구성되며, 상기 기화기는 가스 입구부 및 가스 출구부가 형성되어 있는 열전도성 컨테이너와, 상기 컨테이너 내부에 설치되고 유체 이동 관통구가 형성되어 있는 하나 이상의 열전도성 구획벽과, 상기 컨테이너 외주면에 접촉하는 히터를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 중합장치의 가스 공급 시스템이 제공된다.
상기 컨테이너 내부에 적어도 둘 이상의 구획벽이 형성되는 것이 바람직하며, 이 경우 각각의 구획벽에는 서로 다른 위치에 유체 이동 관통구가 형성되는 것이 좋다.
또한, 상기 컨테이너가 둘 이상의 구획벽을 포함하는 경우, 서로 인접한 구획벽은 유체 이동 관통구의 수가 서로 다르도록 하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 컨테이너의 가스 입구부 근처에는 캐리어 가스 주입을 위한 별도의 입구부가 형성될 수 있다.
본 발명의 가스 공급 시스템은 특히 반응챔버로 공급되는 가스가 저장용기에서 액상 물질로 존재할 때, 액상 물질을 효과적으로 증발시켜 반응성을 높인다. 따라서, 반응챔버에서 플라즈마 중합 내지는 기타 물리적, 화학적 반응이 원활하게 이루어질 수 있으며, 반응챔버, 가스 배관 등의 부품들에 오염이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
이하, 도면을 참조하며 구체적인 실시예를 통하여 본 발명의 특징을 상세하게 설명한다.
플라즈마 중합장치
먼저, 도 2를 참조하여, 본 발명에 따른 플라즈마 중합장치의 전체적인 구성을 설명한다.
플라즈마 중합장치는 진공으로 유지되며 내부에 플라즈마가 형성될 수 있는 반응챔버와, 상기 반응챔버 내로 반응성 가스, 기상 전구체, 또는 캐리어 가스 등을 도입하는 가스 공급 시스템으로 이루어진다.
반응챔버(12)에는 챔버 내에 진공을 형성하기 위한 진공펌프(14)가 연결되어 있고, 상하 혹은 좌우 양면으로 설치된 전극(16) 사이로 중합 처리 대상인 기재(예를 들면, 금속 쉬트)(18)가 공급된다. 전원공급장치(13)로부터 상기 전극(16)에 전원이 인가되면, 반응챔버(12) 내부로 공급된 가스들이 상기 전극(16) 사이에서 플라즈마 상태로 변화된다. 플라즈마 상태의 가스들은 기재(18) 표면에 중합되어 화합물 박막이 코팅된다.
반응챔버(12)에 공급되는 가스는 형성하려는 중합막의 특성에 따라 여러가지 종류가 사용될 수 있다.
예를 들어, 산소, 질소 등의 반응성 가스가 반응성 가스 봄베(20)로부터 밸브(22)를 거쳐 배관(60)을 통해 상기 반응챔버(12) 내로 도입된다.
또한, 또 다른 반응성 가스로서, 가압부(32)에 의해 가압되고 있는 저장용기(30)내에 수용되어 있는 액체 상태의 전구체가 질량유량계(mass flow controller)(38)를 통해 압력차에 의해 기화기(40)로 도입되고, 기화기(40)를 거쳐 기화된 기상 전구체가 반응챔버(12)내로 도입된다. 34 및 36은 각각 밸브를 나타낸다.
질량유량계(38)와 기화기(40) 사이의 배관(66)으로, 바람직하게는 헬륨(He)이나 아르곤(Ar) 또는 질소(N2)가 될 수 있는 캐리어 가스가 도입되어 상기 기상 전구체가 반응챔버(12)내로 도입되는 것을 돕는다. 이들 캐리어 가스는 캐리어 가스 봄베(50)내에 수용되어 있고, 별도의 밸브(52)를 통해 배관(66) 내로 도입된다.
기화기(40)는 액상 티타늄 전구체를 가열하여 기화시킬 수 있도록 히터 코일(42)이 주위를 감싸져 설치되는 구조를 갖는다.
이와 같은 구조의 플라즈마 중합장치에서, 상기 반응챔버(12) 내부로 바람직하게는 공기나 산소(O2)가 될 수 있는 반응성 가스, 기상 전구체 (예를 들어, 티타늄 전구체 또는 실리콘 전구체) 및 캐리어 가스를 도입하여 플라즈마 중합 반응에 의해 기재(18)에 나노 플라즈마 코팅층을 형성할 수 있다.
기상 전구체의 반응챔버 내부로의 도입량은 상기 기화기(40)로 도입되는 상 기 액상 전구체, 예를 들어 티타늄 전구체로서, 액상 티타늄테트라이소프로폭사이드의 양을 조절함으로써 제어된다.
이때, 상기 반응성 가스, 기상 티타늄 전구체 및 캐리어 가스는 도면에 보인 바와 같이 반응챔버(12) 외부에서 합지되어 하나의 배관(60)을 통해 상기 반응챔버(12) 내부로 도입될 수도 있고, 아니면 별도의 배관을 통해 상기 반응챔버(12) 내부로 도입된 후, 반응챔버(12) 내부에서 하나의 배관으로 합지될 수도 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 합지 배관(60)이 반응챔버(12)의 일측 구멍을 통해 도입되는 형상으로 나타나 있으나, 상기 배관(60)을 통해 도입되는 혼합 가스를 코팅되는 기재(18)의 직상 및 직하로 토출시키기 위해 바람직하게는 상기 배관(60)의 출구, 즉 가스 분출구(70)가 상기 시료(18)의 상,하면에 근접되어 형성되는 것이 좋다.
제2반응성 가스로서, 저온에서 응축이 쉬운 기상 전구체를 사용하는 경우, 상기 배관(60)이 상온으로 유지되면 배관(60) 내벽에 기상 전구체가 응축하기 때문에 이를 방지하기 위하여 상기 기상 전구체 가스가 흐르는 배관의 외벽에 열선(64)을 감아서 일정 온도 이상으로 유지시켜 주는 것이 좋다. 이것은 액상 전구체가 흐르는 영역의 배관(66)에서도 마찬가지이다. 상기 배관(66)의 외벽에도 열선(68)을 감아서 일정 온도 이상으로 유지시켜 배관(66) 내벽에 액상 전구체가 응축하는 것을 막는다.
가스 공급 시스템의 기화기
본 발명에서는 상기와 같이 각각의 배관 외벽에 열선을 접촉시키는 것 이외 에도 기화기(40) 내에서 액상 전구체의 기화가 용이하도록 새로운 구조의 기화기를 제안하였다.
도 3을 참조하면, 기화기(40) 내부에 다단의 칸막이 형태의 구획벽(44a, 44b, 44c)이 형성되어 있는 것을 볼 수 있다. 상기 구획벽은 컨테이너 내부에 일정한 간격을 두고 설치되어 있으며, 각 구획벽에는 적어도 하나 이상의 통과공(45a, 45b, 45c)이 형성되어 있다. 상기 구획벽은 열전도성이 우수한 물질로 구성되는 것이 좋다. 상기 구획벽의 설치로 동일 부피의 기화기에서 열전달 면적을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라 기화기 내부 온도를 균일하게 유지할 수 있으며, 기화기 내부의 유체 이동을 위한 유로를 길게 설계할 수 있어 액상 물질의 효과적인 기화를 보장한다.
컨테이너의 상부 및 하부에는 각각 유체의 이동을 위한 입구부(40a) 및 출구부(40b)가 형성되어 있으며, 각각에는 유입 배관(41a) 및 배출 배관(41b)이 연결되어 있다.
컨테이너 외주면에서는 히터(42)가 접촉되어 있어 열전달이 가능하다. 상기 히터는 열전달 면적을 넓힐 수 있도록 컨테이너 외주면에 나선형을 설치될 수 있다. 상기 히터로부터 전달되는 열은 컨테이너 자체 뿐만 아니라 상기 각 구획벽(44a, 44b, 44c)에도 직접적으로 전달되어 기화기(40) 전체적으로 볼 때 열전달 면적이 크게 증가된다. 따라서, 액상 전구체가 기화기에 유입되어 다시 배출되는 동안 컨테이너의 내주면 뿐만 아니라 상기 구획벽(44a, 44b, 44c)과 접촉하면서 열전달을 받게 되어 기화 정도가 매우 상승한다.
특히, 도 3에 도시된 바와 같이 각 구획벽에 형성되는 통과공(45a, 45b, 45c)의 위치를 달리함으로써 기화기 내부를 이동하는 유체, 즉 액상 전구체의 흐름을 교란시킨다. 이에 따라 액상 전구체가 컨테이너 내부에서 열전달에 따라 온도가 상승할 수 있는 가능성이 더욱 높아지며, 결국 액상 전구체의 기화 효율이 크게 증가한다.
또한, 상기 통과공(45a, 45b, 45c)의 개수를 각 구획벽 마다 달리하거나 적어도 인접하는 구획벽의 통과공 개수를 달리하여 기화기 내부를 흐르는 유체의 교란을 더욱 크게 할 수 있다. 결국, 열전달 효율의 상승을 가져오게 된다.
도 3에서는 기화기(40) 내에서 유체의 전체적인 흐름이 일방향, 즉 도면상에서 볼 때 상부에서 하부로 이동하는 흐름을 보이고 있다. 이와 달리 기화기 내의 유체 흐름을 변화시킬 수도 있을 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 플라즈마 중합장치의 가스 공급 시스템에서 기화기 구조의 다른 실시예로서, 기화기(40') 내부에서의 유체 흐름 방향이 지속적으로 변화하는 것을 볼 수 있다.
다단의 구획벽(46a, 46b)이 컨테이너 내부에 설치되어 있으며, 인접하는 구획벽의 끝단이 서로 반대쪽으로 오픈되어 있다. 따라서, 기화기에 유입된 유체는 반복적으로 지그재그 방식으로 컨테이너의 한쪽 끝(46a)과 다른 한쪽 끝(46b)을 계속 이동하면서 빠져나가게 된다. 따라서, 열전달 면적이 증가하며 유체가 컨테이너 내부에서 열전달에 따른 온도 상승 효율이 커진다.
각 구획벽 간의 간격이 좁을 수록, 설치된 구획벽의 수가 많을 수록 열전달 면적이 증가하고 유체가 구획벽과 부딛히는 정도가 커지므로 열전달 효율도 커지게 될 것이다.
이와 같이, 기화기 내부의 열전달 면적을 증가시키고 기화기 내부를 이동하는 유체의 흐름을 교란시킴으로써 기화기에서 열전달 특성이 향상되면, 액상 전구체가 기화되지 않고 기화기 내부에 쌓이거나 배관 내부에 쌓여 배관이 막히는 것을 방지할 수 있다.
도 5는 또 다른 실시예로서 변형된 기화기 구조를 보이고 있다. 앞서 도 2에 도시된 바에 따르면, 캐리어 가스는 가스 봄베(50)로부터 배관(66)을 통해 기화기로 공급되는 액상 전구체와 만나게 되는데, 도 5의 기화기(40)에는 가스 주입부(41a) 인접 영역에 캐리어 가스 주입부(47)가 같이 형성되어 있는 것을 볼 수 있다. 캐리어 가스가 기화기로 주입되면서 액상 전구체의 기화를 더욱 촉진시킬 수 있으며, 액상 전구체가 기화기(40) 내부의 복잡한 유로를 거치면서 기화되는 과정에서 유체 흐름을 더욱 원활하게 할 수 있다.
플라즈마 중합 과정
위와 같은 구조적인 특징을 갖는 플라즈마 중합장치를 사용한 구체적인 일례로서, 냉동공조용 열교환기 핀의 초친수성 코팅 과정을 설명한다.
반응챔버(12) 내에 진공펌프(14)를 이용하여 일정 수준으로 (예를 들어 10-3 Torr) 진공을 형성한 후, 기재(18)로서 알루미늄 쉬트를 전극(16)과 일정한 거리(30 ~ 150 mm)로 유지시켰으며, 기화기(40)의 히터 코일(42)을 통전 가열(80℃ ~ 120℃)하여 액상의 전구체를 기상화시켰다. 배관(60, 66) 외벽에 감겨진 열선을 통전 가열(80℃ ~ 120℃)하여 티타늄 전구체가 배관 내벽에 응축하는 것을 방지하였다. 기상 전구체 가스와, 캐리어 가스 및 반응성 가스가 배관을 통해 반응챔버(12) 내부로 도입되어 금속 쉬트(8)의 직상 및 직하로 토출되었다.
이때, 상기 기상 전구체 가스와 캐리어 가스는 3 : 1의 비율로 도입하였고, 상기 캐리어 가스와 반응성 가스(산소 또는 공기)는 1 : 3의 비율로 상기 반응챔버(12) 내부로 도입하였다.
주입된 가스에 의해 원하는 작업 진공도가 얻어졌을 때, 전원공급부(13)를 "ON" 시켜서 상기 배관(60)에 대하여 상기 기재(18)가 이동되면서 상기 전극(16) 사이에서 연속적으로 상기 혼합 가스들에 의한 플라즈마를 형성시켰다. 이에 따라, 금속 쉬트(6)의 양면 위에 초친수성 Ti-O-C 화합물 박막이 코팅되었다.
플라즈마 처리시 전류는 1.2A 900V였으며, 헬륨 혹은 아르곤 가스인 캐리어 가스의 유량은 800 sccm이었으며, 산소 또는 공기인 반응성 가스의 유량은 1500 sccm이었으며, 기상 전구체 가스의 유량은 1000 sccm이었으며, 플라즈마 처리시 챔버 내 진공도는 0.2 ~ 0.35 Torr로 유지되었다.
초친수성 박막이 코팅되는 동안 액상 전구체는 기화기(40) 내에서 빠르게 기화가 일어났고, 기화기 내부에 액상 전구체가 잔류하거나 응축하는 일은 발생되지 않았다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따르면, 반응챔버로 공급되는 가스의 응축을 방지할 수 있고, 액상 물질의 기화가 효과적으로 촉진되어 가스 공급 시스템의 배관이나 기화기 내부에 잔류물이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 플라즈마 중합 효율을 향상시킬 수 있고, 형성된 중합막의 품질도 개선시킬 수 있다.
본 발명에 따른 가스 공급 시스템, 특히 액상 물질을 기화시키는 기화기는 플라즈마 중합장치 뿐만 아니라, 반응챔버에 가스상의 원료를 공급하는 다른 시스템, 예를 들어, 화학 기상 증착 장치, 물리 기상 장치 등에도 동일한 목적으로 적용될 수 있을 것이다.

Claims (6)

  1. 반응챔버에 가스를 공급하는 가스 공급 시스템으로서,
    액상의 전구체를 수용하는 저장 용기와,
    상기 전구체의 이동 통로인 배관과,
    상기 배관 중에 설치되는 기화기를 포함하여 구성되며,
    상기 기화기는 가스 입구부 및 가스 출구부가 형성되어 있는 열전도성 컨테이너와, 상기 컨테이너 내부에 설치되고 유체 이동 관통구가 형성되어 있는 하나 이상의 열전도성 구획벽과, 상기 컨테이너 외주면에 접촉하는 히터를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는
    플라즈마 중합장치의 가스 공급 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 컨테이너 내부에 적어도 둘 이상의 구획벽이 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 중합장치의 가스 공급 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 각각의 구획벽에는 서로 다른 위치에 유체 이동 관통구가 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 중합장치의 가스 공급 시스템.
  4. 제2항에 있어서, 상기 둘 이상의 구획벽에서 서로 인접한 구획벽은 유체 이동 관통구의 수가 다른 것을 특징으로 하는 플라즈마 중합장치의 가스 공급 시스 템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 컨테이너의 가스 입구부 근처에 캐리어 가스 주입부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 중합장치의 가스 공급 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 히터는 상기 컨테이너 외주면 상에 나선형으로 접촉하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 중합장치의 가스 공급 시스템.
KR1020040113224A 2004-12-27 2004-12-27 플라즈마 중합장치의 가스 공급 구조 KR100631719B1 (ko)

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