KR20100071062A - 전자 사이클로트론 공명 플라즈마의 개별 발생원 수단에 의해 적어도 하나의 부재의 표면을 처리하는 방법 - Google Patents

전자 사이클로트론 공명 플라즈마의 개별 발생원 수단에 의해 적어도 하나의 부재의 표면을 처리하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 방법은 개별의 발생원(2)의 적어도 하나의 고정된 선형 열에 대해서 부재 또는 부재들(1)을 적어도 한번 회전 이동시키는 단계를 포함하며, 개별의 발생원(2)의 선형 열 또는 열들은 부재 또는 부재들의 회전축 또는 회전축들에 평행하게 배치하는 것을 특징으로 한다.

Description

전자 사이클로트론 공명 플라즈마의 개별 발생원 수단에 의해 적어도 하나의 부재의 표면을 처리하는 방법{METHOD OF TREATING A SURFACE OF AT LEAST ONE PART BY MEANS OF INDIVIDUAL SOURCES OF AN ELECTRON CYCLOTRON RESONANCE PLASMA}
본 발명은 기체 매질로부터 전자 사이클로트론 공명(electron cyclotron resonance, ECR)에 의한 플라즈마 생성의 기술 분야에 관한 것이며, 특히 표면 처리에 관한 것이다.
당분야의 통상의 지식을 가진 사람에게 완벽하게 알려져 있는 방식으로, 전자 사이클로트론 공명에 의해 생성된 플라즈마는 금속 또는 다른 부재의 표면 처리, 가령 이온 에칭(ionic etching), PVD 부착 공정에 대한 이온 보조(ionic assistance), PACVD 코팅을 제조하기 위한 기체종(gaseous species)의 활성화 등에 의한 부재의 세정에 사용될 수 있다. 상기 플라즈마 표면 처리 방법이 특히 기계공학, 광학, 부식 방지, 또는 발전용 표면 처리 분야에 사용될 수 있다.
본 발명은 처리될 다수의 면, 또는 심지어 복합 형태를 갖는 1 이상의 부재의 처리에 특히 유익한 용도를 발견하였다.
복합 형태의 부재에 플라즈마 처리를 실시하는데 잘 알려진 방법으로, 상기 부재는 연속, 펄스 또는 고주파 모드로 분극시켜서 처리될 부재의 표면에서 직접 플라즈마를 형성한다. 상기 해결책의 문제점은 플라즈마의 생성 및 플라즈마 이온에 의한 표면의 충격은 독립적이지 않으며, 이는 작업 전압은 표면에 도달하는 플라즈마 밀도 및 이온 에너지를 결정하기 때문이다. 또한 상기 분극은 약 1 Pa 내지 10 Pa의 압력에서만 유효한 것을 관찰하였다. 사실상, 플라즈마 처리에 대해 상대적으로 높은 압력은 짧은 평균 자유 경로(mean free path)에 해당하므로, 처리될 부재로부터 또는 처리될 부재로 물질의 이송을 특히 어렵게 하고, 부재들 사이의 중공 캐소드(hollow cathods)의 형성을 촉진하므로, 수득된 처리 상태는 일정하지 않다. 중공 캐소드의 형성을 피하기위해서, 처리될 부재들 사이의 거리를 밀접하게 모니터할 필요가 있다.
플라즈마를 형성하기위해서 외부 발생원, 예를들면 고주파 또는 전자파를 사용함으로써 작업 압력이 낮아지는 경우 조차도, 부재의 일정한 처리 문제가 존재한다.
처리될 부재(들)의 표면에서 일정한 플라즈마 형성을 위한 수많은 기술적 해결책이 제시되어 있다.
특허 FR 2 658 025에 따르면, 체적이 일정한 자기장을 적용시킴으로써 일정한 플라즈마가 수득된다고 개시되어 있다. 그러므로 부재의 일정한 처리는 플라즈마의 균질성으로부터 기인한다. 더우기, 상기 배열 형태는 강자성 타입의 부재가 자기장의 균질성을 필수적으로 변형시켜서 처리를 일정하게 하기 때문에 매우 제한적이다.
특허 FR 2 838 020에서는 플라즈마를 한정하여 체적을 일정하게하여 일정한 처리를 얻기위해 반응기의 주변에 발생원 분포를 제안하였다. 상기 해결책에 따르면, 상기 부재의 자기 또는 다른 특성은 중요하지 않지만, 플라즈마의 균일성은 부재의 존재에 의해서 필수적으로 영향을 받는다. 사실상, 체적이 일정한 플라즈마의 생성은 처리 시스템의 월에 분포된 원소 발생원(elementary source)의 기여들의 합으로부터 기인한다. 플라즈마에 물체를 놓는 것은 발생원에 가까워야 하며, 이는 플라즈마의 균일성 및 일정 처리에 불리하다.
평면 형상 또는 약간 굽은 표면 형상을 갖는 물체의 처리에 대한 한가지 해결책은 특허 FR 2 797 372에 개시되어 있다. 상기 특허에 따르면, 플라즈마 발생원은 처리될 부재의 표면으로부터 일정한 거리에 위치하여 플라즈마가 상기 표면에서 일정하다. 그러나, 개시된 바와 같이 상기 해결책은 부재의 선정된 형상에 특이적이다. 각각 새로운 형상에 대해서, 반응기 및 특히 플라즈마 발생원의 위치를 변형하는 것이 필수적이다.
평면 형상을 갖는 물체를 처리하는 또다른 해결책은 특허 WO2007/023350에 개시되어 있다. 상기 특허는 이상 자기 유도 공명 조건(unusual magnetic induction resonance condition) B = πmf/e를 사용하며, 여기서 f는 전자기파의 주파수이고, m 및 e는 질량 및 전자의 전하이다. 상기 특허에 따르면, 상기 공명 조건을 만족하는 공통 유도 등가면(common induction isosurface)(B)을 수득하기위해서 원소 발생원들을 함께 충분히 가깝게 함으로써 일정한 처리 영역이 수득된다. 통상 사용되는 2.45 GHz의 주파수에서, 상기 조건은 약 437 gause의 장(field)에 대해 만족한다. 따라서, 상기 해결책은 압력과 무관하게 원소 발생원들 사이의 거리, 5 cm 미만의 짧은 거리를 사용하는 것이 요구된다. 그러므로, 많은 개별 발생원을 사용해야 되므로 처리 비용이 증가된다. 유사하게, 상기 발생원과 마주보는 자기장이 증강되어, 자성 부재(magnetic part)를 처리하는데 불리할 수 있다.
또다른 해결책은 비정상 전기 방전의 전류를 증폭하는 장치에 관한 특허 FR 2 826 506에 개시되어 있다. 상기 장치는 존재하는 플라즈마를 증폭하여 마그네트론 캐소드(magnetron cathode)와 같은 또다른 전극과 조합될 필요가 있다. 상기 플라즈마는 포지티브 전압의 사용에 의해서 증폭된다. 사실상, 높은 포지티브 플라즈마는 반응기벽에서 스퍼터링(sputtering)하여 처리될 부재가 오염되는 가능한 결점을 갖는다.
본 발명의 목적은 상기 결점들을 간단하고 안전하고 효과적이고 능률적으로 제거하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 복합 형태의 부재를 일정하게 표면 처리하는 즉 플라즈마 자체가 체적이 일정하지 않더라도 일정한 처리를 위한 표면 처리를 실시함으로써 개별 발생원의 수를 제한하고 처리 비용을 감소시키는데 있다.
상기 과제를 해결하기위해서, 전자 사이클로트론 공명에 의한 원소 플라즈마 발생원에 의해서 적어도 하나의 부재의 표면 처리를 위한 방법 및 장치가 고안되고 개발되었다.
도 1은 본 발명에 따른 처리 장치의 간단한 실시양태의 도식적 정면도이며;
도 2는 이동이 단순 회전 형태의 회전 타입인 경우에 도 1에 해당하는 평면도이고;
도 3은 이동이 한번의 유성연동형 이동(planetary movement) 형태의 회전 타입인 경우에 도 2와 유사한 평면도이며;
도 4는 이동이 두번의 유성연동형 이동 형태의 회전 타입인 경우에 도 3과 유사한 평면도이고;
도 5 및 도 6은 상이한 극성(도 5), 또는 바람직하게는 동일한 극성(도 6)을 공급하는 원소 발생원의 2가지 배치를 나타내며;
도 7은 원소 발생원의 실례 실시양태의 투시도이다.
본 발명의 방법은 원소 발생원의 적어도 하나의 고정된 선형 열에 대해서 부재(들)을 적어도 한번 이동시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 장치는 회전 이동을 적어도 한번 처리할 수단에 처리될 부재(들)을 마주보게 배치시킨 원소 발생원의 적어도 하나의 고정된 선형 열을 포함한다.
원소 발생원들의 플라즈마들을 포개 놓고 원소 발생원들의 열을 따라 일정하게 처리하기 위해서, 원소 발생원들의 선형 열 또는 열들을 부재 또는 부재들의 회전축에 평행하게 배치한다.
복수의 선형 열들을 사용하는 경우에, 상기 열들은 서로 자기적으로 간섭하지 않도록 배치한다.
상기 특성에 따르면, 원소 플라즈마 발생원은 구간 처리 영역(localized treatment zone)을 포함하므로 스케일링 업(scaling up)이 매우 간단하다.
유익하게, 회전 이동은 한번 회전의 형태이거나, 또는 한번 또는 두번의 유성연동형 이동의 형태이다.
전자 사이클로트론 공명의 조건을 만족하기위해서, 특허 FR 2 797 372에 기술된 바와 같이 원소 발생원은 동축 도파관(coaxial waveguide)과, 전자 사이클로트론 공명을 허용하도록 결정되고 상기 발생원을 제공하는 제너레이터(들)의 주파수로 적응시킨 자석(magnet)을 포함하는 엔드 피팅(end fitting)으로 구성될 수 있다.
도파관의 회전 대칭을 보존하고 전자 궤도가 서로 간격을 좁히도록 보증하기위해서 자석의 공급축은 도파관의 축과 공직선상(colinear)에 있다.
또다른 특성에 따르면, 원소 발생원은 특허 FR 2 798 552에서 기술된 바와 같이 발생원들 사이의 부재에 파워(power)를 균등하게 나눠주는 한개의 제너레이터에 의해서 제공될 수 있다. 원소 발생원은 상기 발생원들의 열을 따라 일정한 처리를 갖도록 파워가 조절되는 제너레이터에 의해서 제공될 수 있다.
2개의 발생원들 사이의 최소 거리는 이들 자기 작용(magnetic interaction)에 의해서 부과된다. 원소 발생원의 자석의 직경에 약 2배이다. 이하에서, 자석들 사이의 상호작용은 ECR 영역을 전이시킨다. 2개의 자석들사이의 극성이 반대 인 경우에, 영역은 발생원의 표면에 너무 가까워지며; 반대의 경우에는 발생원의 표면으로부터 너무 멀게 이동한다.
발생원의 표면으로부터, 플라즈마는 2.10-3 mbar의 압력 P0에서 약 5 cm의 거리 Rmax0를 따라 전개된다.
그러므로 2개의 발생원들 사이의 최대 간격 Dmax는 상기 거리의 2배로 제한된다(약 10 cm). 더 낮은 압력에서는 최대 간격이 더 커지고, 더 높은 압력에서는 최대 간격이 더 작아진다. 그러므로, 상기 거리는 압력에 반비례한다.
Figure pct00001
본 발명은 첨부된 도면을 가지고 하기에 더 상세히 기술한다.
도 1은 전자 사이클로트론 공명에 의한 원소 플라즈마 발생원(2)에 의해서 적어도 하나의 부재(1)의 표면 처리용 장치의 일반 구조를 나타낸다.
본 발명에 따르면, 상기 장치는 부재(들)(1)을 마주보게 배치시킨 원소 발생원(2)의 적어도 하나의 고정된 선형 열을 포함한다.
중요하게, 이동, 특히 회전 이동을 적어도 한번 처리할 공지되고 적당한 수단으로 부재(들)(1)을 처리한다.
전자 사이클로트론 공명에 의한 플라즈마의 원소 발생원의 선형 배열와 부재의 회전 이동의 조합으로 복합 부재의 3차원 표면의 일정한 처리를 실시하도록 한다.
이동으로 처리될 부재의 크기 및 기하학적 형태 및 진공 챔버의 로딩(loading)에 적응시킨다. 큰 부재에 있어서(도 2), 상기 이동은 한번의 회전으로 구성될 수 있다.
더 작은 부재에 있어서, 이동은 한번의 유성연동형 타입(도 3) 또는 두번의 유성연동형 타입(도 4)을 포함할 수 있다.
하나의 실시양태에서, 각 원소 발생원(2)은 동축 도파관(2a)과, 전자 사이클로트론 공명을 수득하기위해서 충분히 강력한 자석(3)을 포함하는 엔드 피팅(2b)으로 구성된다. 자석의 공급 축은 동축 도파관(2a)의 축과 공직선상에 있다. 상기 배열은 도파관의 회전 대칭을 보존하고 전자 궤도가 서로 간격을 좁히도록 보증한다.
다양한 발생원들(2)의 자화(magnetization)는 자유롭게 결정되어, 인접한 발생원들은 동일한 극성(도 6)을 갖거나 또는 상이한 극성(도 5)을 가질 수 있다.
2개의 이웃한 자석들의 극성이 반대인 경우에, 자계선(field line)은 하나의 자석의 극(pole)으로부터 다른 자석의 반대 극으로 통과한다. 그후 열전자는 이의 자계선에 트랩을 설치하고 2개의 자석들 사이에 둥근 트립(trip)을 만든다. 전자의 위치(localization)는 2개 발생원들 전면 및 사이의 공간에 나타내고 상기 위치에서 더 강한 플라즈마가 생성된다. 상기 결과로 2개의 자석들 사이의 부착 속도가 더 빨라진다. 발생원들의 극성이 동일한 경우에, 2개의 이웃한 자석들의 자계선이 서로 밀어내어 2개의 자석들을 연결하는 자계선은 없다. 그후 발생원들 사이 및 전면의 공간에서 열전자의 위치는 발생되지 않고 부착이 더 일정하다. 교대의 극성(alternate polarization)과 균등한 일정함을 회복하기위해서, 발생원-기재의 거리는 수 센티미터까지 증가될 수 있지만, 이는 부착 속도를 손상시킬 수 있다. 상기 이유로, 자석들의 바람직한 배열은 극성이 어디에서나 동일하다는 것이다.
실시예 1 정확하지 않음: PACVD에 의한 카본의 정적 부착(static deposition)
2개 자석의 극성 배열이 사용된다: 동일한 극성을 갖는 6개의 엔드 피팅 및 교대 극성을 갖는 6개의 엔드 피팅. 기재를 발생원에 마주보게 놓고 처리하는 동안 정지상태를 유지한다.
두께 측정으로 정적 부착은 일정하지 않음을 보여준다. 교대 극성 배열로 약간 더 좋은 결과를 수득하지만 그럼에도 불구하고 두께 편차는 30-40%이다.
Figure pct00002

Figure pct00003

실시예 2 정확함: PACVD에 의한 카본의 부착
본 부착은 전구물질 기체로서 탄화수소를 사용하여 실시한다. 자석 극성의 2개의 배열이 사용된다: 동일한 극성의 6개의 엔드 피팅 및 교대 극성의 6개의 엔드 피팅.
부착 두께 측정으로 하기 2가지 사실을 알 수 있다:
-부착의 평균 속도는 교대 극성의 자석을 사용한 배치에서 더 높다;
-부착의 일정함은 동일한 극성의 자석을 사용한 배치에서 더 양호하다.
Figure pct00004

Figure pct00005

상기 실시예들은 발생원의 열(row)에 평행한 축에 대해서 이동과 발생원의 열의 조합으로 정적 처리가 매우 일정하지 않은 처리를 수득함에도 일정한 처리를 수득하는 것을 보여준다.
원소 발생원(2)은 한개의 제너레이터에 의해서 제공되며, 이의 파워는 발생원들 사이의 부재로 균등하게 나눠진다. 그렇지 않다면, 원소 발생원(2)은 처리의 일정함을 증가시키도록 파워가 조절된 제너레이터에 의해서 제공된다. 제너레이터 또는 제너레이터들은 예를들면 마이크로웨이브 타입, 전형적으로 2.45 gigahertz의 용량을 갖는 마이크로웨이브 타입을 갖는다.
본 발명에 따르면, 도 1에 도시한 바와 같이 복수의 발생원(2)은 부재의 회전축(X-X')에 평행한 선을 따라 배치된다. 상기는 원소 발생원(2)의 플라즈마 영역을 중첩시킴으로써 원소 발생원의 열을 따라 일정한 처리를 수득한다.
2개의 발생원들 사이의 최소 거리 Dmin은 이들의 자기 상호작용에 의해서 부과된다. 원소 발생원의 자석의 직경의 약 2배이다. 하기에서, 자석들 사이의 상호작용은 ECR 영역을 전이시킨다. 2개의 자석들 사이의 극성이 반대인 경우에 상기 영역은 발생원의 표면에 너무 가깝게 이동하며; 반대의 경우에는 발생원의 표면으로부터 너무 멀리 이동한다.
발생원의 표면으로부터, 플라즈마는 2.10-3 mbar의 압력 P0에서 약 5 cm의 거리 Rmax0를 따라 전개된다. 그러므로, 2개의 발생원들 사이에 최대 간격 Dmax는 상기 거리를 2배로 제한한다(약 10 cm). 더 낮은 압력에서는 최대 간격이 더 커질 수 있으며, 더 높은 압력에서는 최대 간격이 더 작아질 수 있다. 그러므로 상기 거리는 압력에 반비례한다:
(수학식 1)
Figure pct00006
반응기의 높이를 따라서 일정한 처리를 생성하기위해서, 그러므로 다양한 발생원의 상대 위치는 Dmin과 Dmax사이에 있어야 한다.
실례 실시양태에서, 처리될 부재는 1 이상의 이동에 따른 회전 용량을 가지며 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering)과 같은 PVD 부착 분야에 사용되는것의 형태를 갖는 기재 홀더(holder)에 배치될 수 있다. 부재로부터 발생원까지의 최소 거리는 이동하는 동안 가능한 가깝게 고려된 거리로 정의된다. 40 mm 내지 약 160 mm의 최소 거리는 목적하는 일정함에 대해서 적절한 처리 품질을 수득하는 것을 발견하였다.
Figure pct00007
본 실시예는 전구물질 가스로서 탄화수소를 사용하는 마이크로웨이브 ECR 발생원으로부터 제조된 부착물(deposit)의 두께의 일정함에 관한 것이다. 시료(specimens)를 발생원으로부터 상이한 최소 거리에 놓고 이들을 반대로 놓는다. 정지된 상태로 남아 있는 기재와 정적 처리를 유성연동형 이동의 처리와 비교한다. 도면에서는 발생원의 열까지의 거리가 증가된 경우 부착 속도가 감소되는 것을 보여준다. 유성연동형 이동의 경우에, 발생원-기재 거리는 이동하는 동안 기재로부터 발생원까지의 최소 거리에 해당한다. 상기는 이동으로 부착 속도의 감소를 줄이는 것을 명확하게 보여준다.
본 발명은 다양한 수준에서 표면 처리, 가령 제한되지 않은 방식으로 이온 에칭(ionic etching), PVD 부착 공정에 이온 보조, 또는 PACVD 코팅을 제조하기 위한 기체종의 활성화에 의한 부재의 세정과 같은 표면 처리에 있어서 유용한 용도를 발견하였다. 상기에 기술된 바와 같이, 상기 플라즈마 처리 기술은 많은 분야, 가령 기계공학, 광학, 부식 방지, 또는 파워 생성을 위한 표면 처리에 사용된다.
명세서에서 본 발명의 잇점이 명확하게 나타나며, 특히 전자 사이클로트론 공명에 의한 원소 플라즈마 발생원에 의한 처리 장치 및 방법은 하기에 의한 것을 강조한다:
-가변 및 임의의 기하학적 형태를 갖는 금속 또는 기타 부재를 한개의 설비 형태를 사용한 처리;
-부재의 기하학적 형태에 따른 설비의 기하학적 형태의 변형을 필수적으로 요구하지 않고 복합 및 다양한 표면에서 일정한 처리.

Claims (10)

  1. 전자 사이클로트론 공명(electron cyclotron resonance)에 의한 원소 플라즈마 발생원(elementary plasma sources)을 사용하여 적어도 하나의 부재의 표면을 처리하는 방법으로서,
    원소 플라즈마 발생원(2)의 적어도 하나의 고정된 선형 열에 대해서 부재(들)(1)를 적어도 한번 회전 이동시키는 단계를 포함하며, 상기 원소 플라즈마 발생원(2)의 선형 열 또는 열들은 부재 또는 부재들의 회전축 또는 회전축들에 평행하게 배치하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 전자 사이클로트론 공명에 의한 원소 플라즈마 발생원을 사용하여 적어도 하나의 부재의 표면을 처리하는 장치로서,
    회전 이동을 적어도 한번 처리할 수단에 처리될 부재 또는 부재들(1)을 마주보게 배치시킨 원소 플라즈마 발생원(2)의 적어도 하나의 고정된 선형 열을 포함하며, 상기 원소 플라즈마 발생원(2)의 선형 열 또는 열들은 부재 또는 부재들의 회전축 또는 회전축들에 평행하게 배치하는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    회전 이동은 한번의 회전인 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    회전 이동은 한번 또는 두번의 유성연동형 이동(planetary movement)인 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    원소 플라즈마 발생원(2)은 동축 도파관(coaxial waveguide)과, 전자 사이클로트론 공명을 위한 자석(magnet)을 포함하는 엔드 피팅(end fitting)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    도파관의 회전 대칭을 보존하고 전자 경로가 서로 간격을 좁히도록 보증하기위해서 자석의 자화 축(magnetisation axis)과 상기 도파관의 축이 공직선상(colinear)에 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 2 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    원소 플라즈마 발생원들 사이의 부재에 파워(power)를 균등하게 나눠주는 한개의 제너레이터(generator)에 의해서 원소 플라즈마 발생원이 제공되는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 2 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    원소 플라즈마 발생원들의 열을 따라 일정한 플라즈마를 갖도록 조절하는 파워를 갖는 제너레이터에 의해서 원소 플라즈마 발생원이 제공되는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 2 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    원소 플라즈마 발생원들 사이의 거리 Dmax는 하기 수학식 1에 의해서 결정되는 것을 특징으로 하는 장치:
    (수학식 1)
    Figure pct00008

    [상기 수학식 1에서, Rmax0은 약 5 cm이며, P0는 2.10-3 mbar이고, P는 작업 압력(mbar)이다.]
  10. 제 2 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    원소 플라즈마 발생원으로부터 부재까지의 최소 거리는 이동하는 동안 고려된 가장 가까운 거리이며, 40 mm 내지 약 160 mm인 것을 특징으로 하는 장치.
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