KR20120022297A - 플라즈마 방전을 위한 점화 장치가 장착된 플라즈마 반응기 - Google Patents

플라즈마 방전을 위한 점화 장치가 장착된 플라즈마 반응기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플라즈마 방전을 위한 점화 장치가 장착된 플라즈마 반응기에 관한 것이다. 본 발명의 플라즈마 방전을 위한 점화 장치가 장착된 플라즈마 반응기는 내부에 플라즈마 방전 공간을 갖는 플라즈마 챔버; 및 상기 플라즈마 챔버의 일측에 장착되어 상기 플라즈마 챔버 내부로 플라즈마 방전을 개시하는 점화부;를 포함한다. 본 발명의 플라즈마 방전을 위한 점화 장치가 장착된 플라즈마 반응기에 의하면 전자 방출 면적이 봉 형상의 점화 전극으로 증가하기 때문에 플라즈마 점화가 보다 빠르고 효율적으로 이루어진다. 또한 내열성이 높고, 점화 전극이 봉 형상으로 형성되어 내구성이 높아 열손상이 방지된다. 또한 점화 효율이 높아지므로 낮은 개시 전압으로도 고밀도 대면적의 플라즈마를 방전할 수 있다.

Description

플라즈마 방전을 위한 점화 장치가 장착된 플라즈마 반응기{PLASMA REACTOR HAVING IGNITION DEVICE FOR PLASMA DISCHARGE}
본 발명은 플라즈마 방전을 위한 점화 장치가 장착된 플라즈마 반응기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 플라즈마 챔버 내부에 플라즈마를 점화시키는 플라즈마 방전을 위한 점화 장치가 장착된 플라즈마 반응기에 관한 것이다.
플라즈마 방전은 이온, 자유 래디컬, 원자, 분자를 포함하는 활성 가스를 발생하기 위한 가스 여기에 사용되고 있다. 활성 가스는 다양한 분야에서 널리 사용되고 있으며 대표적으로 반도체 제조 공정 예들 들어, 식각, 증착, 세정 등 다양하게 사용되고 있다.최근, 반도체 장치의 제조를 위한 웨이퍼나 LCD 글라스 기판은 더욱 대형화 되어 가고 있다. 그럼으로 플라즈마 이온 에너지에 대한 제어 능력이 높고, 대면적의 처리 능력을 갖는 확장성이 용이한 플라즈마 소스가 요구되고 있다.
플라즈마 발생장치에서 초기에 반응가스를 점화시켜 주입가스에 대한 전기적 반응이 일어나도록 하기 위해서는 매우 높은 개시전압이 필요하다. 특히, 대면적의 기판을 처리하기 위해 확장된 플라즈마 소스를 발생시려면 더욱더 높은 개시전압이 요구된다. 이처럼 높은 개시전압을 만족시키기 위해서는 고주파 전원을 사용해야 하지만 이 경우, 장치가 불안정해짐은 물론, 플라즈마를 일으키지 못하고 아크로 전이되는 문제가 있다. 또한, 높은 개시전압에 따른 아크로 인하여, 장치 과열 및 피처리 대상물이 손상되는 등의 문제점이 발생되고 있다.
위와 같은 문제점을 해결하기 위하여 별도의 점화수단으로서 점화 전극(이그나이터)를 채택함으로써 낮은 소비전력으로 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 점화 전극은 플라즈마 반응기에 구비되어 반응기 내부로 플라즈마 방전을 개시하기 위한 전자를 방출한다. 이때, 점화 전극은 반응기에 형성된 개구부의 외측에 설치되고, 반응기와 점화 전극 사이(반응기의 개구부)에는 절연을 위한 세라믹의 절연판이 구비된다. 점화 전극에서 방출된 전자는 절연판에 의해 원활하게 반응기 내부로 제공되지 않는다. 또한 절연판을 통과하여 전자가 평면적으로 반응기 내부로 제공되기 때문에 점화 효율이 떨어지게 된다. 또한 점화 전극은 내열성이 낮아 손상되기 쉽다.
본 발명의 목적은 전자 방출 면적이 증가되어 점화 효율이 높아진 점화 장치를 이용하여 플라즈마의 방전이 보다 효율적으로 이루어질 수 있는 플라즈마 방전을 위한 점화 장치가 장착된 플라즈마 반응기를 제공하는데 있다.
또한 본 발명의 또 다른 목적은 점화 효율이 높은 점화 장치를 이용하여 고밀도, 대용량의 플라즈마를 발생할 수 있는 플라즈마 방전을 위한 점화 장치가 장착된 플라즈마 반응기를 제공하는데 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일면은 플라즈마 방전을 위한 점화 장치가 장착된 플라즈마 반응기에 관한 것이다. 본 발명의 플라즈마 방전을 위한 점화 장치가 장착된 플라즈마 반응기는 내부에 플라즈마 방전 공간을 갖는 플라즈마 챔버; 및 상기 플라즈마 챔버의 일측에 장착되어 상기 플라즈마 챔버 내부로 플라즈마 방전을 개시하는 점화부;를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 챔버는 방전 루프가 형성되는 토로이드 형상인 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 챔버는 방전 루프를 유도하기 위해 결합된 환형 코어; 상기 환형 코어에 권선되는 코일을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 점화부는 봉 형상의 점화 전극봉; 상기 점화 전극봉의 전기적 절연을 위하여 상기 점화 전극봉의 외주면을 따라 구비되는 절연 커버;를 포함하여 상기 점화 전극봉 주변으로 점화 유도 공간이 형성된다.
일 실시예에 있어서, 상기 점화 전극봉의 일측에 연결되어 상기 점화 전극봉으로 주파수 전원을 공급하는 급전라인;을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 점화부에는 상기 플라즈마 챔버의 내부로 가스를 공급하기 위한 가스 입구가 구비되어 상기 점화 전극봉 주변으로 점화 유도 공간이 형성된다.
일 실시예에 있어서, 상기 점화부는 상기 점화 전극봉이 설치되는 외부 커버를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 점화부는 전기 절연을 위해 상기 급전라인과 상기 외부 커버 사이에 장착되는 전기절연부재; 진공 절연을 위해 상기 급전 라인과 상기 외부커버 사이에 장착되는 진공절연부재;를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 급전라인은 플라즈마 방전을 개시하기 위한 전원을 공급하는 전원 공급원에 연결된다.
일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 반응기는 플라즈마 방전 개시를 위한 점화보조가스를 공급하는 가스 공급원을 더 포함한다.
본 발명의 플라즈마 방전을 위한 점화 장치가 장착된 플라즈마 반응기에 의하면 전자 방출 면적이 봉 형상의 점화 전극으로 증가하기 때문에 플라즈마 점화가 보다 빠르고 효율적으로 이루어진다. 또한 내열성이 높고, 점화 전극이 봉 형상으로 형성되어 내구성이 높아 열손상이 방지된다. 또한 점화 효율이 높아지므로 낮은 개시 전압으로도 고밀도 대면적의 플라즈마를 방전할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 플라즈마 방전을 위한 점화 장치가 장착된 플라즈마 반응기를 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 플라즈마 점화장치를 확대 도시한 도면이다.
도 3은 플라즈마 점화장치의 분리 사시도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 플라즈마 방전을 위한 점화 장치가 장착된 플라즈마 반응기의 단면을 도시한 도면이다.
도 5 및 도 6은 플라즈마 점화장치의 단면을 도시한 도면이다.
본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공 되어지는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 부재는 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 플라즈마 방전을 위한 점화 장치가 장착된 플라즈마 반응기를 도시한 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 플라즈마 점화장치를 확대 도시한 도면이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 반응기(1)는 내부에 방전 루프가 형성되는 토로이달 형상의 플라즈마 챔버(10) 및 플라즈마 챔버(10)에 구비되어 플라즈마 방전을 개시하는 점화부(20)를 포함한다. 플라즈마 챔버(10) 내부에서는 플라즈마가 생성된 플라즈마가 플라즈마 챔버(10)의 내부로 제공된다.
플라즈마 챔버(10)는 하나의 관통 형성된 개구부가 구비되어 내부 방전 공간으로 방전 루프가 형성되는 토로이드 형상으로 이루어진다. 플라즈마 챔버(10)의 개구부를 통해 플라즈마 챔버(10)에는 두 개의 환형코어(14)가 결합된다. 환형코어(14)는 일반적으로 페라이트 물질로 제작된다. 두 개의 환형코어(14)에는 코일(미도시)이 권선된다. 코일은 무선 주파수를 공급하는 전원 공급원(미도시)에 임피던스 정합기(미도시)를 통하여 연결된다. 전원 공급원은 별도의 임피던스 정합기 없이 출력 전압의 제어가 가능한 전원 공급원을 사용하여 구성할 수도 있다. 플라즈마 챔버(10)는 상부 및 하부가 개구된다. 플라즈마 챔버(10)는 상부 개구부를 통해 반응 가스 또는 점화 유도 가스를 공급받고, 하부 개구부를 통해 방전된 플라즈마를 배출한다.
플라즈마 챔버(10)는 예를 들어, 알루미늄, 스테인리스, 구리와 같은 금속물질로 재작된다. 또는 코팅된 금속 예를 들어, 양극 처리된 알루미늄이나 니켈 도금된 알루미늄으로 재작될 수 있다. 또는 내화 금속(refractorymetal)로 재작될 수 있다. 또 다른 대안으로 반응기 몸체(110)를 석영, 세라믹과 같은 절연물질로 재작하는 것도 가능하며, 의도된 플라즈마 프로세스가 수행되기에 적합한 다른 물질로도 재작될 수 있다. 이때 플라즈마 챔버(10)에는 절연구간(미도시)이 구비되어 플라즈마 챔버(10)를 따라 폐루프가 형성되는 것을 방지한다. 플라즈마 챔버(10)의 상부는 가스 공급원(미도시)과 연결되어 반응 가스 및 방전 유도 가스가 공급된다. 플라즈마 챔버(10)의 상부로 제공된 반응 가스는 플라즈마 방전되어 플라즈마 챔버(10)의 하부를 통해 배출된다.
점화부(20)는 플라즈마 챔버(10) 내부로 플라즈마 방전을 개시하기 위하여 구비된다. 점화부(20)는 플라즈마 챔버(10)의 상부에 구비된 개구부에 구비되어 플라즈마 방전을 개시하기 위하여 가스 공급원(미도시)으로부터 제공받은 점화 유도 가스를 이용하여 먼저 플라즈마를 점화한다. 플라즈마를 방전하기 위한 반응 가스와 플라즈마 점화를 유도하는 점화 가스는 동일한 가스 공급원을 통하여 제공받을 수도 있고, 서로 다른 가스 공급원을 통하여 제공받을 수도 있다. 여기서, 점화 유도 가스는 점화부(20)에 형성된 가스 입구(21)를 통해 점화부(20) 내부로 직접 제공될 수도 있고, 플라즈마 챔버(10)의 일측으로 제공될 수도 있다. 점화부(20)는 가스 입구(21)가 구비되어 점화 유도 가스가 점화부(20)를 내부를 통하여 플라즈마 챔버(10)로 제공되는 것이 점화 효율을 높이기 위한 구성으로 바람직하다. 점화부(20)는 제1 및 제2 실시예에 동일한 구조로 구성된다.
도 3은 플라즈마 점화장치의 분리 사시도이다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 점화부(20)는 봉 형상의 점화 전극봉(22)과 점화 전극봉(22)을 감싸도록 형성된 절연 커버(24)와 점화 전극봉(22)으로 전원을 공급하기 위한 급전라인(28)을 갖는다. 점화 전극봉(22)은 알루미늄으로 구성될 수 있는데 다른 대안의 금속 물질로 제작하는 것도 가능하다. 점화 전극봉(22)은 봉 형상으로 형성되어 점화부(20)의 내부에 장착된다. 점화 전극봉(22)의 주변으로는 점화부(20)로 제공된 점화 유도 가스가 지나가면서 점화 유도 공간이 형성된다. 점화 전극봉(22)의 외주면으로는 전기적 절연을 위한 세라믹의 절연커버(24)와 점화 전극(22)의 양측으로는 세라믹의 절연캡(24a)이 구비된다. 점화 전극봉(22)은 일측으로 급전라인(28)을 통해 점화 전원(미도시)이 연결된다. 이때, 급전라인(28)은 절연캡(24a)의 내부를 관통하여 점화 전극봉(22)과 연결된다. 점화 전원(미도시)은 별도로 구비될 수도 있고, 환형코어(14)에 권선된 코일에 무선 주파수를 공급하는 전원 공급원(미도시)을 점화 전원으로 사용할 수도 있다. 점화 전극봉(22)의 양단에 구비된 절연캡(24a)은 제1 외부 커버(29)의 0내부에 매설되어 점화부(20)를 형성한다.
본 발명에 따라 점화부(20) 내부로 유입된 점화 유도 가스는 봉 형상을 갖는 점화 전극봉(22)의 외주면 전면에 접촉되기 때문에 점화 유도를 위한 전자 방출 면적이 증가하여 방전 효율이 향상된다.
도 4는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 플라즈마 방전을 위한 점화 장치가 장착된 플라즈마 반응기의 단면을 도시한 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 플라즈마 반응기(1')의 플라즈마 챔버(10')는 점화 유도 가스가 유입될 수 있도록 일측에 형성된 개구부에 점화부(20)가 구비된다. 이때에도 점화부(20)에는 가스 입구(21)가 구비되어 점화 유도 가스가 점화부(20)를 통과하여 점화된다. 플라즈마 챔버(10')는 내부에 방전 공간이 구비된 일반적인 플라즈마 처리 공정에서 사용되는 챔버이다. 플라즈마 챔버(10') 내부에서는 점화부(20)에 의해 유도된 플라즈마가 방전되어 피처리 기판(미도시)을 처리한다.
도 5 및 도 6은 플라즈마 점화장치의 단면을 도시한 도면이다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 점화부(20)는 플라즈마 챔버(10')에서 점화 유도 가스가 유입되는 상부에 구비된다. 점화부(20)의 급전라인(28)은 절연캡(24a)과 제1 외부커버(29)에 삽입되고 일측이 제1 외부커버(29)에서 노출되어 점화 전원(미도시)에 연결된다.
급전 라인(28)과 제1 외부커버(29) 사이에는 전기적 절연과 진공 절연을 위한 전기절연부재(32)와 진공절연부재(34)가 구비된다. 전기절연부재(32)는 세라믹 재료를 사용하여 구성하고 진공절연부재(34)는 오-링을 사용하여 구성한다. 급전라인(28)은 제2 외부커버(39)에 의해 제1 외부커버(29)에 고정된다. 제2 외부커버(39)는 급전라인(28)의 외측 테두리를 고정하고 급전라인(28)의 내측은 점화 전원(미도시)과 연결된다.
도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 가스 공급원(미도시)으로부터 점화부(20)의 가스 입구(21)를 통해 내부로 유입된 점화 유도 가스는 봉 형상을 갖는 점화 전극봉(22)의 외주면 전면에 접촉된다. 그러므로 점화 전극봉(22) 주변으로 광범위한 점화 유도 공간(20a)이 형성된다. 점화 전극봉(22)과 점화 유도 가스가 접하는 면에서 플라즈마 점화를 위한 전자가 방출되는바, 본 발명에 따르면 점화 전극봉(22)의 전면에서 전자가 방출되기 때문에 방전 효율이 향상된다.
이상에서 설명된 본 발명의 플라즈마 방전을 위한 점화 장치가 장착된 플라즈마 반응기의 실시예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그럼으로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
1, 1‘: 플라즈마 반응기 10, 50: 플라즈마 챔버
14: 환형 코어 20, 60: 점화부
20a: 점화 유도 공간 21: 가스 입구
22: 점화 전극봉 24: 절연커버
24a: 절연캡 28: 급전 라인
29: 제1 외부 커버 32: 전기절연부재
34: 진공절연부재 39: 제2 외부커버

Claims (10)

  1. 내부에 플라즈마 방전 공간을 갖는 플라즈마 챔버; 및
    상기 플라즈마 챔버의 일측에 장착되어 상기 플라즈마 챔버 내부로 플라즈마 방전을 개시하는 점화부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 방전을 위한 점화 장치가 장착된 플라즈마 반응기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 챔버는 방전 루프가 형성되는 토로이드 형상인 것을 특징으로 하는 플라즈마 방전을 위한 점화 장치가 장착된 플라즈마 반응기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 플라즈마 챔버는 방전 루프를 유도하기 위해 상기 플라즈마 챔버에 결합된 환형 코어;
    상기 환형 코어에 권선되는 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 방전을 위한 점화 장치가 장착된 플라즈마 반응기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 점화부는
    봉 형상의 점화 전극봉;
    상기 점화 전극봉의 전기적 절연을 위하여 상기 점화 전극봉의 외주면을 따라 구비되는 절연 커버;를 포함하여 상기 점화 전극봉 주변으로 점화 유도 공간이 형성되는 것을 특징을 하는 플라즈마 방전을 위한 점화 장치가 장착된 플라즈마 반응기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 점화 전극봉의 일측에 연결되어 상기 점화 전극봉으로 주파수 전원을 공급하는 급전라인;을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 방전을 위한 점화 장치가 장착된 플라즈마 반응기.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 점화부에는 상기 플라즈마 챔버의 내부로 가스를 공급하기 위한 가스 입구가 구비되어 상기 점화 전극봉 주변으로 점화 유도 공간이 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 방전을 위한 점화 장치가 장착된 플라즈마 반응기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 점화부는 상기 점화 전극봉이 설치되는 외부 커버를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 방전을 위한 점화 장치가 장착된 플라즈마 반응기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 점화부는
    전기 절연을 위해 상기 급전라인과 상기 외부 커버 사이에 장착되는 전기절연부재;
    진공 절연을 위해 상기 급전 라인과 상기 외부커버 사이에 장착되는 진공절연부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 방전을 위한 점화 장치가 장착된 플라즈마 반응기.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 급전라인은 플라즈마 방전을 개시하기 위한 전원을 공급하는 전원 공급원에 연결된 것을 특징으로 하는 플라즈마 방전을 위한 점화 장치가 장착된 플라즈마 반응기.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 반응기는 플라즈마 방전 개시를 위한 점화보조가스를 공급하는 가스 공급원을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 방전을 위한 점화 장치가 장착된 플라즈마 반응기.
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