KR20100099590A

KR20100099590A - 전원의 최종 출력단과 플라즈마 발생전극을 일체화한 플라즈마 발생장치

Info

Publication number: KR20100099590A
Application number: KR1020090018153A
Authority: KR
Inventors: 서춘성; 서용운
Original assignee: 서춘성; (주)에스이 플라즈마
Priority date: 2009-03-03
Filing date: 2009-03-03
Publication date: 2010-09-13
Also published as: KR101051048B1

Abstract

본 발명은 펄스, 직류, 교류 등의 전력을 발생시키는 전원의 구성품 중, 제어신호에 의해 제어 가능한 최종 출력단과 플라즈마 발생 전극을 일체화하여, L, C, R 성분을 갖는 선로를 제거함으로써, 고품위 플라즈마 발생장치를 제공한다. 본 발명을 적용하면, 플라즈마 발생 중 아킹 현상을 줄여서 결점불량을 크게 줄일 수 있다. 또한, 펄스전력으로부터 플라즈마를 발생시키는 경우도 파형의 왜곡이 적어 플라즈마로부터 생성되는 저항열도 줄일 수 있고, 펄스전력을 고속상승 및 고속하강 시킬 수 있어서 상대적으로 높은 에너지를 갖는 입자를 생성시킬 수 있다. 이러한 특성을 갖는 펄스 플라즈마를 이용하면 저온에서 고밀도의 높은 신뢰성을 갖는 박막을 제조할 수 있다. 따라서 플라스틱과 같은 부품의 응용을 확대시킬 수 있고, 플라즈마를 이용하는 공정에서 상대적으로 저온 공정을 할 수 있어서 높은 수율과 생산성을 얻을 수 있는 잇점이 있다.

아킹, 펄스플라즈마, 파형왜곡, 저온박막공정, 치밀박막, 플라즈마발생장치

Description

전원의 최종 출력단과 플라즈마 발생전극을 일체화한 플라즈마 발생장치 {Plasma Generation Apparatus for Unifying Power Terminal and Plasma Electrode}

본 발명은 플라즈마 발생장치에 관한 것으로서, 특히, 펄스, 직류, 교류 등의 전력을 발생시키는 전원의 구성품 중 최소한 제어신호에 의해 제어 가능한 최종출력 발생단과 플라즈마 발생 전극을 일체화하여, L, C, R 성분을 갖는 선로를 제거함으로써 고품위 플라즈마를 발생할 수 있는 플라즈마 발생장치에 관한 것이다.

플라즈마 발생 장치는 박막을 제조 또는 에칭하거나, 재료의 표면처리 등을 위한 다양한 용도로 사용되고 있다. 플라즈마를 발생시키기 위해서는, 도1에 도시한 것처럼, 인버터 및 제어회로와 직류 제어 출력단을 구비한 전원장치에서 펄스, 직류, 교류 등 형태의 전력을 발생시키고, 소정 길이의 선로를 통하여 플라즈마 발생 전극에 전력을 인가한다. 플라즈마가 발생되는 전극은 국부적 과열 또는 이물질 등의 영향으로 이상 방전 현상을 일으키는 경우가 있으며, 이때 아킹(arching)으로 전이되지 않도록 효과적인 이상 방전을 감지하고 제어하지 못하면 공정중인 제품에 심각한 불량을 야기시키게 된다. 특히, 고에너지 입자의 발생이나 플라즈마에 의해 생성되는 저항열(Joule heating)을 억제하기 위한 목적으로 펄스를 이용한 플라즈마 공정을 하는 경우, 플라즈마가 발생되는 전극부위에 인가되는 펄스의 상승시간(t_r) 및 하강시간(t_f)이 수십nsec이하로 관리되어야 하고, 파형의 일그러짐(왜곡)이 억제되어야 한다.

그러나, 도 1과 같은 직류 제어 출력단을 갖는 장치 또는 도 2와 같은 펄스 제어 출력단을 갖는 장치에서, 선로 상의 파형의 왜곡을 감지한 감지 신호(센서 신호)를 이용하여 제어 신호로 어느 정도 왜곡 보정이 가능하지만, 통상의 전원장치와 플라즈마 발생전극과의 사이에 연결된 소정 길이의 선로는 L(Inductor), C(Capacitor), R(Resistor)의 성분이 상당 값 존재하여, 신호 선로상에 제어 불가능한 일정량의 에너지를 보유하고 있어서 아킹 제어의 한계를 가지고 있고, 특히 플라즈마 발생전극에서 고속상승, 고속 하강형태의 펄스를 구현 할 수 없을 뿐 아니라 파형의 왜곡을 피할 수 없는 한계가 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 펄스, 직류, 교류 등의 전력을 발생시키는 전원의 구성품 중, 최소한 제어신호에 의해 제어 가능한 전원의 최종 출력단과 플라즈마 발생 전극을 일체화하여, L, C, R 성분을 갖는 선로를 제거함으로써 고품위 플라즈마를 발생할 수 있는 플라즈마 발생장치를 제공하는 데 있다.

먼저, 본 발명의 주요 특징을 요약하면, 본 발명의 일면에 따른 플라즈마 발생장치는, 플라즈마를 발생시키기 위한 전극에 전력을 인가하여 플라즈마를 발생시키는 장치에 있어서, 전원의 구성품 중에서 최종출력 발생장치를 분리하여 플라즈마 발생 전극과 일체화하고, 상기 최종출력 발생장치의 전력 발생을 제어하기 위한 제어회로를 포함한다.

상기 최종출력 발생장치의 최종 출력단과 상기 플라즈마 발생 전극의 입력단 간의 거리가 50cm 이하가 되도록 일체화된 것을 특징으로 한다.

상기 최종출력 발생장치는, 펄스, 교류, 또는 직류 전력을 발생할 수 있다.

상기 최종출력 발생장치는, 상기 제어회로로부터 DC 전원과 제어신호를 받아 콘덴서 충방전 방식으로 단위 펄스 전력을 발생하는 펄스 발생회로; 및 1차측이 상기 펄스 발생회로의 출력단과 접지 사이에 공통적으로 접속된 복수의 펄스트랜스를 포함하고, 상기 복수의 펄스트랜스의 2차측들이 직렬 연결된 회로로부터 상기 플라즈마 발생 전극에 인가할 펄스 전력을 출력할 수 있다.

상기 최종출력 발생장치는, 각각이 상기 제어회로로부터 DC 전원과 제어신호를 받아 콘덴서 충방전 방식으로 단위 펄스 전력을 발생하기 위하여 병렬 연결된 복수의 펄스 발생회로; 및 각각의 1차측이 상기 복수의 펄스 발생회로의 출력단들 각각과 접지 사이에 접속된 복수의 펄스트랜스를 포함하고, 상기 복수의 펄스트랜스의 2차측들이 직렬 연결된 회로로부터 상기 플라즈마 발생 전극에 인가할 펄스 전력을 출력할 수도 있다.

상기 최종출력 발생장치는, 상기 펄스 전력의 상승시간 및 하강시간을 500nsec 이하로 출력할 수 있다.

그리고, 본 발명의 다른 일면에 따른 플라즈마를 발생시키는 방법은, 전원의 구성품 중에서 최종출력 발생장치를 분리하여 플라즈마 발생 전극과 일체화한 상기 최종출력 발생장치로 제어 신호를 인가하는 단계; 및 상기 제어 신호에 따라 상기 최종출력 발생장치로부터 전력 신호를 발생하여 플라즈마 발생전극에 인가하는 단계를 포함한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치에 따르면, 플라즈마 발생전극과, 제어 가능한 전원 최종 출력단을 일체화 시켜서, 플라즈마 발생 전극과 출력전원 사이에 L, C, R성분을 갖는 선로가 생략되어, 소정의 고품위 플라즈마 발생을 구현할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치에 따르면, 플라즈마 발생전극과 제어 가능한 전원의 최종 출력단 사이에L, C, R성분을 갖는 연결 선로가 존재하지 않아서, 제어할 수 없는 에너지량이 최소화됨으로써, 플라즈마 발생 중 아킹 현상을 억제하기 위한 제어가 용이하여, 플라즈마를 이용하는 공정에서 아킹에 의한 결점불량을 크게 줄일 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치에 따르면, 펄스전력으로부터 플라즈마를 발생시키는 경우도 파형의 왜곡이 적어 플라즈마로부터 생성되는 저항열도 줄일 수 있고, 펄스전력을 고속상승 및 고속하강 시킬 수 있어서 상대적으로 높은 에너지를 갖는 입자를 생성시킬 수 있다. 이러한 특성을 갖는 펄스 플라즈마를 이용하면 저온에서 고밀도의 높은 신뢰성을 갖는 박막을 제조할 수 있다. 따라서, 플라스틱과 같은 부품의 응용을 확대시킬 수 있고, 플라즈마를 이용하는 공정에서 상대적으로 저온 공정을 할 수 있어서 높은 수율과 생산성을 얻을 수 있는 잇점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치에 따르면, 부수적인 효과로서, 대체적으로 냉각수를 사용하는 플라즈마 발생전극에 전원의 최종 출력단을 일체화하게 됨에 따라, 통상의 공기냉각 방식 때 보다 전원의 최종 출력단 부피나 냉각 팬 소음 등을 크게 줄일 수 있고, 전원의 최종 출력단을 구성하는 소자의 신뢰성을 높일 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

그리고, 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치에 따르면, 안정된 플라즈마를 발생시키기 위한 수단으로 활용될 수 있고, 특히 플라즈마 중에서 높은 에너지를 갖 는 입자를 얻거나 3차원적인 플라즈마처리등의 효과 얻기 위해 펄스 플라즈마를 발생시키기 위한 수단으로 효과적이다. 이와 같은 플라즈마는 스퍼터링, 플라즈마 표면처리, 플라즈마 에칭, 플라즈마 CVD, 플라즈마 방전, 이온빔 발생등 여러 분야에 응용될 수 있다.

　　　　　　　　본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전원-전극 일체형 플라즈마 발생장치의 개념을 설명하기 위한 도면이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 전원-전극 일체형 플라즈마 발생장치는 플라즈마 발생전극과 일체화된 직류 제어 출력단을 포함하고, 인버터 및 제어회로는 직류 제어 출력단으로 단순히 DC 전원이나 간단한 제어신호만을 전달하게 된다.

전원의 구성품 중에서 전원의 최종출력 발생장치인 직류 제어 출력단을 플라즈마 발생전극과 일체화시키기 위하여, 직류 제어 출력단은 인버터 및 제어회로로부터의 제어신호에 의하여 일정 범위 출력을 제어할 수 있는 회로를 포함하는 것이 필요하다. 플라즈마 발생전극과 일체화된 직류 제어 출력단은 인버터 및 제어회로로부터의 제어신호에 의하여 동작할 수 있는 최소한의 회로만이 요구되고, 필요에 따라 전원 구성부인 인버터 및 제어회로의 다른 부분이 더 추가되어 일체화될 수도 있다. 인버터 및 제어회로는 제어 출력단으로부터의 이상 방전 감지 신호(센서 신호)에 따라 제어 신호를 생성하여 플라즈마 발생전극에 인가되는 전력을 제어 보상할 수 있다. 또한, 선로에서의 지연을 최소화하기 위하여, 전원의 최종출력 발생장치인 직류 제어 출력단의 최종 출력단과, 그 최종 출력단으로부터 전력을 받기 위한 플라즈마 발생 전극의 입력단 간의 거리는 50cm 이하가 되도록 일체화되는 것이 바람직하다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전원-전극 일체형 플라즈마 발생장치를 설명하기 위한 도면이다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전원-전극 일체형 플라즈마 발생장치는 플라즈마 발생전극과 일체화된 펄스 제어 출력단을 포함하고, 인버터 및 제어회로는 펄스 제어 출력단으로 단순히 DC 전원이나 간단한 제어신호만을 전달하게 된다.

여기서도, 전원의 최종출력 발생장치인 펄스 제어 출력단을 플라즈마 발생전극과 일체화시키기 위하여, 펄스 제어 출력단은 인버터 및 제어회로로부터의 제어신호에 의하여 일정 범위 출력을 제어할 수 있는 회로를 포함하는 것이 필요하다. 플라즈마 발생전극과 일체화된 펄스 제어 출력단은 인버터 및 제어회로로부터의 제어신호에 의하여 동작할 수 있는 최소한의 회로만이 요구되고, 필요에 따라 전원 구성부인 인버터 및 제어회로의 다른 부분이 더 추가되어 일체화될 수도 있다. 여기서도 인버터 및 제어회로는 펄스 제어 출력단으로부터의 이상 방전 감지 신호(센서 신호)에 따라 제어 신호를 생성하여 플라즈마 발생전극에 인가되는 파형을 보상 할 수 있다.

이때, 펄스 제어 출력단을 플라즈마 발생전극과 일체화시킴으로써, 플라즈마 발생전극에 형성되는 최종 펄스출력 파형이 왜곡이 없고 상승시간(펄스의 10%로부터 90%까지의 상승 시간)이나 하강시간(펄스의 90%로부터 10%까지의 하강 시간)의 지연이 거의 없이, 그 시간을 500nsec 이하로 깨끗한 펄스출력파형에 의해 플라즈마를 발생시킬 수 있게 된다.

도 3 또는 도 4에서, 플라즈마 발생 전극과 일체화된 직류/펄스 제어 출력단으로부터 감지 신호를 수신하고 직류/펄스 제어 출력단으로 제어신호를 전송하기 위한 선로는, 전송 속도를 정확하고 빠르게 하기 위하여 광 선로를 사용하는 것이 바람직하다.

이와 같이 플라즈마 발생전극과 일체화시키는 전원의 최종 출력단은 직류 제어 출력단(직류 크기가 제어되는 출력단)일 수도 있고, 펄스 제어 출력단(펄스 파형의 크기나 주파수가 제어되는 출력단)일 수도 있으며, 경우에 따라서는 교류 제어 출력단(교류 파형의 크기나 주파수가 제어되는 출력단)일 수도 있다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 단위 에너지 축적 콘덴서에 의한 전원-전극 일체형 플라즈마 발생장치의 구성을 설명하기 위한 도면이다. 도 5를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 단위 에너지 축적 콘덴서에 의한 전원-전극 일체형 플라즈마 발생장치는, 플라즈마 발생 전극에 한 몸으로 일체화되는 펄스 제어 출력단에 펄스 발생회로(510)와 n(n은 자연수)개의 펄스트랜스(pulse transformer)(PT1,PT2,...,PTn)를 포함한다. n 개의 펄스트랜스(PT1, PT2,...,PTn) 의 1차측은 펄스 발생회로(510)의 출력단, 즉, 콘덴서C의 출력단과 접지(GND) 사이에 공통적으로 접속된다.

도 5에서, +VDC 단자와 GND 단자를 통하여 다이오드 D1로 소정의 직류전력이 공급되고, 다이오드 D1을 통하여 콘덴서C에 소정 전압이 충전될 수 있다. 콘덴서C에 소정의 전압이 충전된 후 +VDC에 인가되는 전력을 차단시키고, +CTR을 통하여 출력되는 게이트 제어 신호(G)에 의하여 스위칭소자S를 작동시키면 콘덴서C에 충전된 전하가 콘덴서C의 양쪽 극에서 각각의 펄스트랜스(PT1,PT2,...,PTn) 1차 측 및 단위 스위칭소자S를 통하여 동시에 방전된다. 이때, 도 5와 같이 2차 측이 직렬연결된 펄스트랜스(PT1, PT2,...,PTn) 의 2차 측의 전압 n개의 합(+HV PULSE)을 플라즈마 발생 전극(plasma electrode)으로 인가할 수 있다. 도 5와 같이 스위칭소자 S의 양단에 연결된 프리휠링 스노버용 다이오드, 저항, 콘덴서는 소자 보호 등의 역할을 한다.

이와 같이 다이오드 D1, 스위칭소자S, 프리휠링 스노버용 회로, 콘덴서 C, 1차측은 GND 단자에 연결되고 2차 측이 직렬연결된 펄스트랜스(PT1, PT2,...,PTn)로 구성된 펄스 제어 출력단에 의한 펄스 출력(+HV PULSE)이 플라즈마 발생 전극에 직접 연결되어 펄스 제어 출력단과 플라즈마 발생 전극 사이의 L, C, R성분이 거의 존재하지 않기 때문에, 플라즈마 발생 전극에 인가되는 펄스파형의 왜곡이 거의 없고, 펄스의 상승시간이나 하강시간의 지연이 적다. 이렇게 만들어진 펄스를 이용하여 플라즈마 챔버 내의 플라즈마 발생 전극과 접지된 스테이지 사이의 실리콘 기판 등에 제조되거나 생성된 스퍼터(sputter) 박막은 저온 공정임에도 불구하고 치밀하 고, 밀착력이 강한 막이 형성되게 할 수 있다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 축적 콘덴서 병렬운전에 의한 전원-전극 일체형 플라즈마 발생장치의 구성을 설명하기 위한 도면이다. 도 6에서, 에너지 축적용 콘덴서와 스위칭소자의 부담 등을 덜어주기 위한 방안으로 펄스 제어 출력단을 병렬로 운전하는 것을 나타낸 것이다. 즉, 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 축적 콘덴서 병렬운전에 의한 전원-전극 일체형 플라즈마 발생장치는, 플라즈마 발생 전극에 한몸으로 일체화되는 펄스 제어 출력단에, 도 5의 펄스 발생회로(510)와 유사하게 동작하는 n(n은 자연수)개 병렬연결된 펄스 발생회로들과 펄스 발생회로들 각각의 출력과 접지(GND) 사이에 하나씩 그 1차측이 연결된 n(n은 자연수)개 의 펄스트랜스(PT1, PT2,...,PTn)를 포함한다. n 개의 펄스트랜스(PT1, PT2,...,PTn)의 2차측은 도 5와 같이 직렬연결된다. 도 6에서, 콘덴서C1, C2, C3..Cn 각각에 소정의 전압이 충전된 후 +VDC에 인가되는 전력이 차단될 때, +CTR을 통하여 출력되는 게이트 신호(G1, G2,...Gn)가 스위칭소자 S1, S2, S3,..Sn 각각을 턴온 시킴으로써, 콘덴서C1, C2, C3..Cn 각각의 양쪽 극에서 스위칭소자 S1, S2, S3,..Sn 와 펄스트랜스(PT1,PT2,...,PTn) 1차 측을 통해 동시 방전되도록 함으로써, 펄스트랜스(PT1,PT2,...,PTn) 2차측의 직렬 연결 회로에 의해 고전압 펄스 출력(+HV PULSE)을 얻을 수 있다.

도 6과 같이 병렬운전에 따른 복잡함은 있으나, 각각의 소자의 내구성 부담이 많이 경감될 뿐 아니라 부품의 가격도 훨씬 경제적이다. 병렬운전의 효율을 위해 스위칭 제어신호인 게이트 제어 신호(G1, G2,..Gn)를 광케이블을 이용하여 신뢰도 를 더 높일 수 있다. 각각의 콘덴서와 스위칭소자 등은 모두 같은 규격으로 사용하며, 게이트 신호(G1, G2,...,Gn)도 시간의 지연이 생기지 않도록 선로등을 구성하고 동시에 인가한다.

이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

도1은 직류 제어 출력단을 갖는 통상적인 전원-전극 분리형 플라즈마 발생장치를 설명하기 위한 도면이다.

도2는 펄스 제어 출력단을 갖는 통상적인 전원-전극 분리형 펄스 플라즈마 발생장치를 설명하기 위한 도면이다.

도3은 본 발명의 일실시예에 따른 전원-전극 일체형 플라즈마 발생장치의 개념을 설명하기 위한 도면이다.

도4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전원-전극 일체형 플라즈마 발생장치의 개념을 설명하기 위한 도면이다.

도5는 본 발명의 일실시예에 따른 단위 에너지 축적 콘덴서에 의한 전원-전극 일체형 플라즈마의 발생장치의 구성을 설명하기 위한 도면이다.

도6은 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 축적 콘덴서 병렬운전에 의한 전원-전극 일체형 플라즈마 발생장치의 구성을 설명하기 위한 도면이다.

Claims

플라즈마를 발생시키기 위한 전극에 전력을 인가하여 플라즈마를 발생시키는 장치에 있어서,

전원의 구성품 중에서 최종출력 발생장치를 분리하여 플라즈마 발생 전극과 일체화하고,

상기 최종출력 발생장치의 전력 발생을 제어하기 위한 제어회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
제1항에 있어서, 상기 최종출력 발생장치의 최종 출력단과 상기 플라즈마 발생 전극의 입력단 간의 거리가 50cm 이하가 되도록 일체화된 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
제1항에 있어서, 상기 최종출력 발생장치는, 펄스, 교류, 또는 직류 전력을 발생하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
제1항에 있어서, 상기 최종출력 발생장치는,

상기 제어회로로부터 DC 전원과 제어신호를 받아 콘덴서 충방전 방식으로 단위 펄스 전력을 발생하는 펄스 발생회로; 및

1차측이 상기 펄스 발생회로의 출력단과 접지 사이에 공통적으로 접속된 복 수의 펄스트랜스를 포함하고,

상기 복수의 펄스트랜스의 2차측들이 직렬 연결된 회로로부터 상기 플라즈마 발생 전극에 인가할 펄스 전력을 출력하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
제1항에 있어서, 상기 최종출력 발생장치는,

각각이 상기 제어회로로부터 DC 전원과 제어신호를 받아 콘덴서 충방전 방식으로 단위 펄스 전력을 발생하기 위하여 병렬 연결된 복수의 펄스 발생회로; 및

각각의 1차측이 상기 복수의 펄스 발생회로의 출력단들 각각과 접지 사이에 접속된 복수의 펄스트랜스를 포함하고,

상기 복수의 펄스트랜스의 2차측들이 직렬 연결된 회로로부터 상기 플라즈마 발생 전극에 인가할 펄스 전력을 출력하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 최종출력 발생장치는,

상기 펄스 전력의 상승시간 및 하강시간을 500nsec 이하로 출력하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
플라즈마를 발생시키는 방법에 있어서,

전원의 구성품 중에서 최종출력 발생장치를 분리하여 플라즈마 발생 전극과 일체화한 상기 최종출력 발생장치로 제어 신호를 인가하는 단계; 및

상기 제어 신호에 따라 상기 최종출력 발생장치로부터 전력 신호를 발생하여 플라즈마 발생전극에 인가하는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 방법.