KR20120074046A - 플라즈마 발생 장치 및 이를 이용한 플라즈마 제어 방법 - Google Patents

플라즈마 발생 장치 및 이를 이용한 플라즈마 제어 방법 Download PDF

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Abstract

플라즈마의 상태를 일정하게 유지할 수 있는 플라즈마 발생 장치 및 이를 이용한 플라즈마 제어 방법을 제공한다. 플라즈마 발생 장치는 플라즈마 생성부와 플라즈마 진단부 및 플라즈마 제어부를 포함한다. 플라즈마 생성부는 진공 챔버 및 진공 챔버의 내부에 설치된 전극부를 구비하며 진공 챔버로 투입된 가스를 방전시켜 플라즈마를 생성한다. 플라즈마 진단부는 진공 챔버의 내부에 설치된 탐침 및 탐침과 전기적으로 연결된 분석 장치를 구비하여 플라즈마의 상태를 진단한다. 플라즈마 제어부는 플라즈마 진단부와 연결되어 플라즈마 진단 결과를 전송받고, 미리 설정된 플라즈마 설정값과 플라즈마 진단 결과를 비교하여 플라즈마 생성부의 공정 변수를 제어한다.

Description

플라즈마 발생 장치 및 이를 이용한 플라즈마 제어 방법 {PLASMA GENERATING DEVICE AND PLASMA CONTROLLING METHOD USING THE SAME}
본 발명은 플라즈마 발생 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 플라즈마를 제어하여 플라즈마의 상태를 일정하게 유지할 수 있는 플라즈마 발생 장치 및 이를 이용한 플라즈마 제어 방법에 관한 것이다.
플라즈마는 소재의 표면 처리, 박막 코팅, 및 분석 등에 널리 활용되고 있다. 플라즈마를 발생시키는 진공 장비는 기능에 따라 구성 요소와 공정 변수가 모두 다르기 때문에 진공 장비마다 다른 특성의 플라즈마가 생성된다. 플라즈마의 특성이 일정하지 않으면 실험이나 제품 생산의 재현성이 낮아지므로 시편이나 제품의 특성을 전수 평가해야 하는 복잡한 과정을 거쳐야 한다.
기존 플라즈마 진단 장치로는 플라즈마의 상태 분석은 가능하지만 분석 결과를 바탕으로 사용자가 원하는 특성의 플라즈마를 발생시키거나 원하는 특성의 플라즈마가 유지되도록 제어하는 기능은 없다. 따라서 플라즈마 진단 장치의 결과를 바탕으로 사용자가 원하는 특성의 플라즈마를 발생 또는 유지시키기 위해서는 가스 유량, 가스 압력, 인가 전원의 세기 등 진공 장비의 공정 변수를 사용자가 개별적으로 조절해야 하는 어려움이 있다.
본 발명은 진공 장비의 공정 변수를 사용자가 개별적으로 조절하지 않고도 플라즈마 진단 결과를 토대로 플라즈마의 상태를 일정하게 유지 및 제어할 수 있는 플라즈마 발생 장치 및 이를 이용한 플라즈마 제어 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치는, 진공 챔버 및 진공 챔버의 내부에 설치된 전극부를 구비하며 진공 챔버로 투입된 가스를 방전시켜 플라즈마를 생성하는 플라즈마 생성부와, 진공 챔버의 내부에 설치된 탐침 및 탐침과 전기적으로 연결된 분석 장치를 구비하여 플라즈마의 상태를 진단하는 플라즈마 진단부와, 플라즈마 진단부와 연결되어 플라즈마 진단 결과를 전송받고 미리 설정된 플라즈마 설정값과 플라즈마 진단 결과를 비교하여 플라즈마 생성부의 공정 변수를 제어하는 플라즈마 제어부를 포함한다.
전극부는 전원 인가부와 연결되어 전압을 인가받고, 플라즈마 생성부는 진공 챔버에 설치되어 투입 가스의 유량을 조절하는 유량 조절부 및 진공 챔버의 압력을 조절하는 압력 조절부를 더 포함할 수 있다.
전원 인가부, 유량 조절부, 및 압력 조절부는 플라즈마 제어부와 전기적으로 연결되며, 공정 변수는 전극부에 인가되는 전압의 크기, 투입 가스의 유량, 및 진공 챔버의 압력 중 적어도 하나일 수 있다.
플라즈마 진단부는 탐침으로서 싱글 랭뮤어 탐침과 더블 랭뮤어 탐침 중 어느 하나를 구비하고, 진단 장치는 탐침과 전기적으로 연결된 전류 측정부를 포함할 수 있다. 다른 한편으로, 플라즈마 진단부는 광학 방출 분석기로 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 제어 방법은, 진공 챔버 내부에 가스를 투입하고 전극부에 전압을 인가하여 플라즈마를 생성하는 단계와, 탐침과 분석 장치로 구성된 플라즈마 진단부를 이용하여 플라즈마의 상태를 분석하고 플라즈마 진단 결과를 플라즈마 제어부로 전송하는 단계와, 플라즈마 제어부에서 미리 설정된 플라즈마 설정값과 플라즈마 진단 결과를 비교하여 일치 여부를 판단하는 단계와, 플라즈마 설정값과 플라즈마 진단 결과가 일치하지 않으면 플라즈마의 공정 변수를 조절하고 플라즈마 진단을 재실시하는 단계와, 플라즈마 설정값과 플라즈마 진단 결과가 일치하면 플라즈마의 공정 변수를 유지하고 소재의 표면처리, 코팅, 및 분석 중 어느 하나를 실시하는 단계를 포함한다.
공정 변수 조절은 전극부에 인가되는 전압 조절, 진공 챔버에 투입되는 가스의 유량 조절, 및 진공 챔버의 압력 조절 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다.
본 실시예에서는 플라즈마의 상태가 기 설정된 플라즈마 설정값과 일치할 때까지 플라즈마 제어부가 공정 변수를 자동으로 조절하므로 플라즈마의 상태를 일정하게 제어 및 유지할 수 있다. 그 결과, 서로 다른 진공 장비(플라즈마 생성부)에서 발생하는 플라즈마를 사용자가 원하는 값으로 일정하게 동조시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치의 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시한 플라즈마 제어부에 설치된 플라즈마 동조 프로그램의 작동 순서를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치의 개략도이다.
도 1을 참고하면, 본 실시예의 플라즈마 발생 장치(100)는 플라즈마 생성부(10)와 플라즈마 진단부(20) 및 플라즈마 제어부(30)를 포함한다.
플라즈마 생성부(10)는 진공 펌프(11)와 연결된 진공 챔버(12)와, 진공 챔버(12) 내부에 설치된 전극부(13)와, 전극부(13)와 전기적으로 연결된 전원 공급부(14)와, 진공 챔버(12)에 설치된 유량 조절부(15) 및 압력 조절부(16)를 포함한다.
진공 펌프(11)로는 터보 분자 펌프 또는 로터리 베인 펌프 등 다양한 펌프가 사용될 수 있다. 진공 펌프(11)는 설정 진공압에 도달할 때까지 진공 챔버(12)의 내부를 배기시킨다. 예를 들어 진공 펌프(11)의 작동으로 진공 챔버(12)는 대략 2×10-6torr의 압력으로 배기될 수 있다.
전극부(13)는 상호 이격된 캐소드와 애노드로 구성되고, 전원 공급부(14)는 캐소드 및 애노드와 전기적으로 연결되어 캐소드 및 애노드에 전압을 인가한다. 전원 공급부(14)는 진공 챔버(12)의 외부에 위치한다. 전극부(13)에 인가되는 전원은 직류 전원과 펄스 전원 및 고주파 전원 중 어느 하나일 수 있다.
유량 조절부(15)는 가스 공급부(도시하지 않음)와 진공 챔버(12) 사이에 설치되어 진공 챔버(12)로 투입되는 가스의 유량을 조절한다. 아르곤 가스 또는 질소 가스와 같은 불활성 가스가 진공 챔버(12)로 투입될 수 있다. 유량 조절부(15)는 공지의 유량 조절 밸브로 이루어질 수 있다. 압력 조절부(16)는 진공 챔버(12) 내부의 압력을 조절하며, 공지의 압력 조절 밸부로 이루어질 수 있다.
진공 펌프(11)를 작동시켜 진공 챔버(12)를 배기시킨 후 진공 챔버(12) 내부로 불활성 가스를 투입하고, 전극부(13)에 전원을 인가하면 캐소드와 애노드 사이로 글로우 방전이 일어나면서 플라즈마가 생성된다. 이 플라즈마를 이용하여 소재를 표면 처리하거나 소재 표면에 코팅막을 형성하거나 소재의 특성을 분석할 수 있다.
플라즈마 진단부(20)는 진공 챔버(12) 내부에 설치된 탐침(21)과, 탐침(21)과 연결되어 탐침(21)이 제공하는 정보를 분석하는 분석 장치(22)를 포함한다. 탐침(21)은 전기 탐침으로서 싱글 랭뮤어 탐침(single Langmuir probe) 또는 더블 랭뮤어 탐침(double Langmuir probe)으로 구성될 수 있다.
싱글 랭뮤어 탐침은 하나의 전기 탐침을 구비하고, 더블 랭뮤어 탐침은 상호 이격된 2개의 전기 탐침을 구비한다. 싱글 랭뮤어 탐침과 더블 랭무어 탐침은 전원(도시하지 않음)과 연결되어 이로부터 전압을 인가받으며, 분석 장치(22)는 금속 탐침에 흐르는 전류를 측정하는 전류 측정부(도시하지 않음)를 포함한다. 분석 장치(22)는 통상의 컴퓨터로 구성될 수 있다.
플라즈마 진단부(20)는 진공 챔버(12) 내부에 플라즈마 생성시 랭뮤어 탐침에 전압을 인가하고, 랭뮤어 탐침에 흐르는 전류를 측정 및 해석하여 플라즈마의 특성을 분석한다.
싱글 랭뮤어 탐침의 경우 분석 장치(22)는 전자밀도, 이온밀도, 전자온도, 부유전위, 플라즈마 전위, 이온플럭스, 및 전자에너지 분포함수와 같은 다양한 플라즈마 특성을 파악할 수 있다. 더블 랭뮤어 탐침의 경우 분석 장치(22)는 플라즈마의 이온밀도, 전자온도, 및 이온플러스를 파악할 수 있다.
더블 랭뮤어 탐침의 경우 싱글 랭뮤어 탐침보다 측정 가능한 플라즈마 변수는 적지만, 측정 왜곡이 적고, 높은 전류 측정 정밀도가 요구되지 않는다. 따라서 더블 랭뮤어 탐침은 외부 노이즈 유입이 큰 산업용 장비나 주파수 가변형의 고주파 전원을 사용하는 산업용 및 연구용 플라즈마 장치에 적합하다.
다른 한편으로, 플라즈마 진단부(20)는 플라즈마에서 방출하는 신호를 측정하여 플라즈마의 상태를 진단하는 광학 방출 분석기(Optical Emission Spectroscopy, OES)로 구성될 수 있다.
플라즈마 제어부(30)는 플라즈마 생성부(10) 및 플라즈마 진단부(20)와 연결되며, 플라즈마 진단부(20)의 진단 결과와 미리 저장된 플라즈마 설정값을 비교하여 플라즈마 생성부(10)의 공정 변수들을 제어한다. 이를 위해 플라즈마 제어부(30)에는 플라즈마 동조 프로그램이 설치된다.
플라즈마 제어부(30)는 플라즈마 진단부(20)의 분석 장치(22)와 연결되어 이로부터 플라즈마 진단 데이터를 전송받는다. 플라즈마 제어부(30)는 사용자가 입력한 플라즈마 설정 정보를 저장하며, 분석 장치(22)로부터 전송받은 진단 결과와 미리 저장된 플라즈마 설정값을 비교하여 플라즈마 생성부(10)의 동작을 제어한다.
즉, 플라즈마 제어부(30)는 전원 공급부(14)와 유량 조절부(15) 및 압력 조절부(16)와 전기적으로 연결된다. 따라서 플라즈마 제어부(30)는 작업자의 수작업을 대신하여 전극부(13)에 인가되는 전압과 투입 가스의 유량 및 진공 챔버(12)의 압력을 자동으로 제어한다.
플라즈마 제어부(30)는 통상의 컴퓨터로 구성될 수 있다. 도 1에서는 플라즈마 진단부(20)의 분석 장치(22)와 플라즈마 제어부(30)가 별도의 컴퓨터로 구성된 경우를 예로 들어 도시하였으나, 플라즈마 진단부(20)의 분석 장치(22)와 플라즈마 제어부(30)는 하나의 컴퓨터로 통합 구성될 수도 있다.
도 2는 도 1에 도시한 플라즈마 제어부에 설치된 플라즈마 동조 프로그램의 작동 순서를 나타낸 도면이다.
도 2를 참고하면, 플라즈마 동조 프로그램의 작동 순서는 플라즈마 진단 결과를 전송받는 제1 단계(S10)와, 미리 저장된 플라즈마 설정값과 플라즈마 진단값을 비교하여 설정값과 일치하는지 여부를 판단하는 제2 단계(S20)를 포함한다. 제2 단계(S20)에서 플라즈마 진단값이 플라즈마 설정값과 일치하는 경우, 공정 변수를 유지하는 제3 단계(S30)와, 플라즈마를 이용하여 소재의 표면 처리와 코팅층 형성 및 소재 분석 중 적어도 하나를 실시하는 제4 단계(S40)를 진행한다.
한편, 제2 단계(S20)에서 플라즈마 진단값이 플라즈마 설정값과 일치하지 않는 경우, 공정 변수를 조절하는 제5 단계(S50)와, 플라즈마 진단을 재실시하는 제6 단계(S60), 및 플라즈마 진단 결과를 전송받는 제1 단계(S10)를 반복한다.
도 1과 도 2를 참고하면, 제5 단계(S50)에서는 전원 공급부(14)와 유량 조절부(15) 및 압력 조절부(16) 중 적어도 하나가 플라즈마 제어부(30)에 의해 동작이 제어된다. 전원 공급부(14)의 경우 전극부(13)에 인가되는 전압의 크기를 조절하고, 유량 조절부(15)의 경우 진공 챔버(12)에 투입되는 가스의 유량을 조절하며, 압력 조절부(16)의 경우 진공 챔버(12)의 압력을 조절한다.
따라서 본 실시예에서는 플라즈마의 상태가 미리 저장된 플라즈마 설정값과 일치할 때까지 플라즈마 제어부(30)가 공정 변수를 자동으로 조절하므로 플라즈마의 상태를 일정하게 제어 및 유지할 수 있다. 그 결과, 서로 다른 진공 장비(플라즈마 생성부)에서 발생하는 플라즈마를 사용자가 원하는 값으로 일정하게 동조시킬 수 있다.
예를 들어, 진공 챔버(12)는 진공 펌프(11)의 작동에 의해 2×10-6torr까지 배기되고, 진공 챔버(12)에 아르곤 가스가 투입되어 진공도가 2×10-2torr에 이르면 전극부(13)에 직류 전원을 인가하여 글로우 방전을 발생시켜 플라즈마를 생성할 수 있다. 플라즈마 진단부(20)는 공정 가스인 아르곤과 관련된 정보를 분석하고, 이 정보를 플라즈마 제어부(30)로 전송한다.
플라즈마 제어부(30)는 플라즈마 동조 프로그램의 작동으로 미리 저장된 플라즈마 설정값과 플라즈마 진단값을 비교하여 두 값이 차이를 보이면 전원 공급부(14)와 압력 조절부(16)를 제어하여 전극부(13)에 인가되는 전압 크기와 진공 챔버(12)의 압력을 조절한다. 이러한 공정 변수의 조절로 플라즈마가 변화하고, 변화된 플라즈마 정보를 다시 분석하여 설정값에 가장 가깝도록 전술한 과정을 반복한다.
플라즈마 동조 프로그램은 플라즈마 설정값과 진단 결과 사이의 오차를 미리 설정하며, 오차 범위 이내에 진단 결과가 들어오면 공정 변수를 유지하여 플라즈마 특성을 일정하게 제어한다. 사용자가 원하는 상태로 플라즈마가 유지되면 소재의 표면처리나 코팅 및 분석 등을 실시한다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
100: 플라즈마 발생 장치 10: 플라즈마 생성부
11: 진공 펌프 12: 진공 챔버
13: 전극부 14: 전원 공급부
15: 유량 조절부 16: 압력 조절부
20: 플라즈마 진단부 21: 탐침
22: 분석 장치 30: 플라즈마 제어부

Claims (7)

  1. 진공 챔버 및 상기 진공 챔버의 내부에 설치된 전극부를 구비하며 상기 진공 챔버로 투입된 가스를 방전시켜 플라즈마를 생성하는 플라즈마 생성부;
    상기 진공 챔버의 내부에 설치된 탐침 및 상기 탐침과 전기적으로 연결된 분석 장치를 구비하여 플라즈마의 상태를 진단하는 플라즈마 진단부; 및
    상기 플라즈마 진단부와 연결되어 플라즈마 진단 결과를 전송받고, 미리 설정된 플라즈마 설정값과 상기 플라즈마 진단 결과를 비교하여 상기 플라즈마 생성부의 공정 변수를 제어하는 플라즈마 제어부
    를 포함하는 플라즈마 발생 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전극부는 전원 인가부와 연결되어 전압을 인가받고,
    상기 플라즈마 생성부는 상기 진공 챔버에 설치되어 투입 가스의 유량을 조절하는 유량 조절부 및 상기 진공 챔버의 압력을 조절하는 압력 조절부를 더 포함하는 플라즈마 발생 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전원 인가부, 상기 유량 조절부, 및 상기 압력 조절부는 상기 플라즈마 제어부와 전기적으로 연결되며,
    상기 공정 변수는 상기 전극부에 인가되는 전압의 크기, 상기 투입 가스의 유량, 및 상기 진공 챔버의 압력 중 적어도 하나인 플라즈마 발생 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 진단부는 상기 탐침으로서 싱글 랭뮤어 탐침과 더블 랭뮤어 탐침 중 어느 하나를 구비하고,
    상기 진단 장치는 상기 탐침과 전기적으로 연결된 전류 측정부를 포함하는 플라즈마 발생 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 진단부는 광학 방출 분석기로 구성되는 플라즈마 발생 장치.
  6. 진공 챔버 내부에 가스를 투입하고 전극부에 전압을 인가하여 플라즈마를 생성하는 단계;
    탐침과 분석 장치로 구성된 플라즈마 진단부를 이용하여 상기 플라즈마의 상태를 분석하고 플라즈마 진단 결과를 플라즈마 제어부로 전송하는 단계;
    상기 플라즈마 제어부에서 미리 설정된 플라즈마 설정값과 상기 플라즈마 진단 결과를 비교하여 일치 여부를 판단하는 단계;
    상기 플라즈마 설정값과 상기 플라즈마 진단 결과가 일치하지 않으면 플라즈마의 공정 변수를 조절하고 플라즈마 진단을 재실시하는 단계; 및
    상기 플라즈마 설정값과 상기 플라즈마 진단 결과가 일치하면 플라즈마의 공정 변수를 유지하고 소재의 표면처리, 코팅, 및 분석 중 어느 하나를 실시하는 단계
    를 포함하는 플라즈마 제어 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 공정 변수 조절은 상기 전극부에 인가되는 전압 조절, 상기 진공 챔버에 투입되는 가스의 유량 조절, 및 상기 진공 챔버의 압력 조절 중 적어도 하나로 이루어지는 플라즈마 제어 방법.
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KR20190075753A (ko) * 2017-12-21 2019-07-01 광운대학교 산학협력단 순환식 잔존-오존 처리 방식의 순수-플라즈마 멸균장치
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CN114923972A (zh) * 2022-04-21 2022-08-19 哈尔滨医科大学 一种混合气体成分检测装置及方法

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