KR20140095228A

KR20140095228A - 용량성 결합 플라즈마의 방식의 플라즈마 발생 장치

Info

Publication number: KR20140095228A
Application number: KR1020130007889A
Authority: KR
Inventors: 석동찬; 정용호; 정현영
Original assignee: 한국기초과학지원연구원
Priority date: 2013-01-24
Filing date: 2013-01-24
Publication date: 2014-08-01

Abstract

본 발명은 용량성 결합 플라즈마(Capacitively coupled plasma)의 방식의 플라즈마 발생 장치이다. 상기 장치는 원통형이고, 상기 장치는 회전하며, 상기 장치의 내부에는 제1 전극이 위치하며, 상기 장치의 외면은 제2 전극 층이고, 상기 원통형 내측에 절연층이 있고, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 층에 교류 전압이 인가되어, 상기 장치 내부공간에 플라즈마가 발생되고, 플라즈마 처리를 위한 분말은 상기 원통형 안에 공급되어, 상기 원통형 장치 내에 발생된 플라즈마에 의해 처리된다.

Description

용량성 결합 플라즈마의 방식의 플라즈마 발생 장치{PLASMA GENERATION DEVICES USING CAPACITIVE COUPLED PLASMA}

본 발명은 플라즈마 발생 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 용량성 결합 플라즈마(Capacitively coupled plasma)의 방식의 플라즈마 발생 장치에 관한 것이다.

플라즈마(plasma)란 이온화된 가스를 의미하고, 원자 또는 분자로 이루어진 가스에 에너지를 이용하여 여기시키면, 전자, 이온, 분해된 가스, 및 광자(photon) 등으로 이루어진 플라즈마가 형성된다. 이러한 플라즈마는 피처리물(예를 들면, 기판 등)의 표면 처리에 널리 이용되고 있다.

플라즈마를 생성시키는 기술로는 펄스 코로나 방전(pulsed corona discharge)과 유전막 방전이 공지되어 있다. 펄스 코로나 방전은 고전압의 펄스 전원을 이용하여 플라즈마를 생성하는 기술이며, 유전막 방전은 두개의 전극 중 적어도 하나에 유전체를 형성하고 두 전극에 수십 Hz 내지 수 MHz의 주파수를 가진 전원을 인가하여 플라즈마를 생성하는 기술이다.

유전막 방전 기술로는 대표적으로 DBD(Dielectric Barrier Discharge) 방전기술이 이용되고 있다. DBD 방전기술을 이용한 플라즈마 처리장치는 평판 전극 사이에 피처리대상물을 놓고, 불활성 기체를 이용하여 유전막 방전을 일으키면, 플라즈마가 발생되고, 플라즈마를 피처리대상물의 표면에 접촉시켜 피처리대상물의 표면을 처리하게 된다.

그러나 이러한 플라즈마 처리장치는, 방전을 일으키는 평판 전극 사이에 처리대상물이 배치되므로 기판과 같은 판형 부재일 경우에는 일면 또는 양면을 처리하는데 특별한 어려움이 없지만, 피처리대상물이 분말일 경우, 피처리대상물의 전체 면적을 처리하는데 어려움이 있다. 따라서 피처리대상물이 분말일 경우에 그 피처리대상물을 처리하기 위한 플라즈마 처리장치가 요구되었다.

피처리대상물이 분말일 경우에 그 피처리대상물을 처리하기 위한 플라즈마 처리장치에 대한 종래 기술로서, 본 발명자에 의한 대한민국 특허출원번호 10-2012-0078234에 출원된 관형 플라즈마 표면 처리 장치가 있다. 이 특허는 플라즈마를 이용하여 분말의 표면 처리가 가능하지만 분말의 균일한 처리가 어려웠다.

이에, 본 발명자는 종래 기술들의 문제점을 인식하고, 연구 끝에, 아래와 같은 구성을 도입함으로서, 종래의 플라즈마 처리장치의 문제점을 해결하였고, 나아가 피처리대상물이 플라즈마와 접촉될 수 있는 영역이 확대되도록 플라즈마를 발생시키며, 피처리대상물이 플라즈마와의 접촉 시간이 제어되고, 균일한 분말 처리에 효율적인 방법을 제공할 수 있는, 플라즈마 발생 장치를 개발하기에 이르렀다.

본 발명은 용량성 결합 플라즈마(Capacitively coupled plasma)의 방식의 플라즈마 발생 장치로서, 상기 장치는 원통형이고, 상기 장치는 회전하며, 상기 장치의 중심에는 제1 전극이 위치하며, 상기 장치의 외면은 제2 전극 층이고, 상기 원통형 내측에 절연층이 있고, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 층에 교류 전압이 인가되어, 상기 장치 내부공간에 플라즈마가 발생되고, 플라즈마 처리를 위한 분말은 상기 원통형 안에 공급되어, 상기 원통형 장치 내에 발생된 플라즈마에 의해 처리되는, 용량성 결합 플라즈마의 방식의 플라즈마 발생 장치가 제공된다.

이 경우, 상기 절연층은 상기 제1 전극의 외면 또는 상기 제2 전극의 내면에 위치할 수 있다.

또한 본 발명은 용량성 결합 플라즈마(Capacitively coupled plasma)의 방식의 플라즈마 발생 장치로서, 상기 장치는 원통형이고, 상기 원통형 내부는 진공이고, 상기 장치는 회전하며, 상기 장치의 내부에는 제1 전극이 위치하며, 상기 장치의 외면은 제2 전극 층이고, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 층에 교류 전압이 인가되어, 상기 장치 내부공간에 플라즈마가 발생되고, 플라즈마 처리를 위한 분말은 상기 원통형 안에 공급되어, 상기 원통형 장치내에 발생된 플라즈마에 의해 처리되는, 용량성 결합 플라즈마의 방식의 플라즈마 발생 장치가 제공된다.

일 예로, 상기 제2 전극 층에는 고전압이 인가되고, 상기 제1 전극은 접지 전극일 수 있다. 다른 예로, 상기 제1 전극에는 고전압이 인가되고, 상기 제2 전극 층은 접지 전극일 수 있다.

상기 장치는 구동부를 포함한다. 상기 구동부는 상기 원통형 장치가 수평으로 놓인 상태로 상기 원통형 장치를 회전시키도록 구성된다. 상기 장치를 회전시키기 위한 특정된 방식은 본 발명의 특징이 아니며, 상기 장치를 회전시킬 수 있는 다양한 방식이 본 발명에 이용될 수 있음은 인식될 것이다.

상기 구동부는 회전속도 제어부를 포함한다. 상기 회전속도 제어부는 상기 구동부가 상기 원통형 장치를 회전시키는 속도를 제어하도록 구성된다. 구동부가 상기 원통형 장치를 회전시키는 속도를 제어할 수 있는 다양한 방식이 본 발명에 이용될 수 있음은 인식될 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 플라즈마 발생 장치를 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1의 측면도이다.
다양한 실시예들이 이제 도면을 참조하여 설명되며, 전체 도면에서 걸쳐 유사한 도면번호는 유사한 엘리먼트를 나타내기 위해서 사용된다. 설명을 위해 본 명세서에서, 다양한 설명들이 본 발명의 이해를 제공하기 위해서 제시된다. 그러나 이러한 실시예들은 이러한 특정 설명 없이도 실행될 수 있음이 명백하다. 다른 예들에서, 공지된 구조 및 장치들은 실시예들의 설명을 용이하게 하기 위해서 블록 다이아그램 형태로 제시된다.

하기 설명은 본 발명의 실시예에 대한 기본적인 이해를 제공하기 위해서 하나 이상의 실시예들의 간략화된 설명을 제공한다. 본 섹션은 모든 가능한 실시예들에 대한 포괄적인 개요는 아니며, 모든 엘리먼트들 중 핵심 엘리먼트를 식별하거나, 모든 실시예의 범위를 커버하고자 할 의도도 아니다. 그 유일한 목적은 후에 제시되는 상세한 설명에 대한 도입부로서 간략화된 형태로 하나 이상의 실시예들의 개념을 제공하기 위함이다.

도 1은 본 발명에 따른 용량성 결합 플라즈마의 방식의 플라즈마 발생 장치를 나타낸 사시도이고, 도 2는 도 1의 측면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 플라즈마 발생 장치(100)는 내부로 분말이 공급되고, 내부에서 플라즈마를 발생시키고, 그 플라즈마로부터 분말을 처리하기 위한 장치이다.

본 발명 플라즈마 발생 장치(100)는 플라즈마의 발생을 위하여 용량성 결합 플라즈마(Capacitively coupled plasma)의 방식이 이용된다. 이를 위해, 제1 전극(111) 및 제2 전극(112) 층을 포함한다.

본 발명 플라즈마 발생 장치(100)는 원통형이다. 상기 제1 전극(111)은 원통형 장치(100)의 중심에 위치하고, 상기 제2 전극(112) 층은 원통형 장치(100)의 외면이다.

제1 전극(111)의 형상은 원통형 장치(100)의 원주 방향을 따라 연장(형성)되는 둘레부를 갖는 형상인 것이 바람직하다. 예를 들면, 원형 단면을 갖는 원기둥 또는 원통형 장치(100)의 원주 방향을 따라 배열 형성되는 다수의 면을 갖는, 단면이 각형인, 다각 기둥 형상일 수 있다. 제1 전극(111)의 축 방향은 원통형 장치(100)의 축 방향에 평행하다. 따라서 제1 전극(111)은 원통형 장치(100)의 축 방향을 따라 길게 연장된다.

제2 전극(112) 층은 장치(100)의 외면을 형성하기 위하여 기판 형태인 것이 바람직하다.

일 예로, 제1 전극(111)은 접지 전극이며, 제2 전극(112) 층에는 고전압이 인가될 수 있다. 다른 예로, 제1 전극(111)에는 고전압이 인가되고, 제2 전극(112) 층은 접지 전극일 수 있다.

제1 전극(111) 및 제2 전극(112)은 절연층(113)에 의해 서로 절연된다. 절연층(113)은 원통형 장치(100) 내측에 위치한다. 일 예로, 절연층(113)은 원통형 장치(100) 내면에 위치할 수 있고, 도시하지는 않았지만, 다른 예로, 제1 전극(111)을 에워싸도록 제1 전극(111)의 둘레부에 위치할 수도 있다.

이러한 제1 전극(111) 및 제2 전극(112) 층에는 플라즈마 전원장치(120)로부터 교류 전압이 인가되고, 플라즈마 반응 가스가 원통형 장치(100)의 내부로 주입되는 것에 의해 제1 전극(111)의 주위에 플라즈마가 발생된다.

이때, 제1 전극(111)은 원통형 장치(100)의 중심에 위치하고, 원통형 장치(100)의 축 방향을 따라 길게 연장되고, 원통형 장치(100)의 원주 방향을 따라 연장(형성)되는 둘레부를 갖는 형상을 가지므로 제1 전극(111)의 주위에 원형의 플라즈마가 발생되고, 그 플라즈마는 원통형 장치(100)의 내부 공간에 고르게 분포되어, 원통형 장치(100)의 내부 공간에 넓은 영역으로 플라즈마가 발생된다. 따라서 장치의 내부로 투입되는 분말이 플라즈마와 접촉할 수 있는 영역이 확대된다.

플라즈마 반응 가스는, 예를 들면, O₂, N₂O 등 산소 성분을 포함하는 가스, CF₄, SF₆ 등 불소 성분을 포함하는 가스, Cl₂, BCl₃ 등 염소 성분을 포함하는 가스, Ar, N₂ 등의 불활성 가스를 단독으로 또는 혼합하여 사용할 수 있다.

본 발명 플라즈마 발생 장치(100)는 원통형의 길이 방향의 양 측면이 개구될 수 있고, 개구를 통해 분말의 공급 및 인출(회수)이 가능할 수 있다. 그리고 원통형 장치(100)는 회전하면서 플라즈마에 의한 분말의 표면 처리가 이루어진다.

본 발명은 원통형 장치(100)의 회전을 위한 구동부를 포함한다. 도시되지는 않았지만 구동부는 원통형 장치(100)를 회전시킬 수 있는, 예를 들면 구동 모터 등의 동력 수단이 원통형 장치(100)에 연결되는 형태일 수 있다. 구동부는 원통형 장치(100)를 회전시킬 수 있는 형태이면 충분하고, 이에 특별히 제한은 없다.

상기 구동부는 회전속도 제어부를 포함한다. 회전속도 제어부는 구동부가 원통형 장치(100)를 회전시키는 속도를 제어하도록 구성된다. 도시되지는 않았지만, 예를 들면, 회전속도 제어부는 콘트롤박스 형태일 수도 있고, PLC(programmable logic controller) 형태일 수도 있다. 회전속도 제어부를 구성하는 것에 특별한 제한은 없다. 본 발명의 플라즈마 발생 장치의 회전속도가 조절되면, 분말들이 플라즈마에 접촉되는 횟수 또는 시간이 조절된다.

이하에서는 본 발명에 따른 플라즈마 발생 장치를 이용하여 분말이 처리되는 과정을 간략히 설명한다.

분말이 원통형 장치(100)의 내부로 투입된다.

플라즈마 전원장치(120)로부터 제1 전극(111) 및 제2 전극(112) 층에 교류 전압을 인가하고, 반응 가스를 주입하여 원통형 장치(100)의 내부에 플라즈마를 발생시킨다. 이때, 플라즈마는 제1 전극(111)으로부터 원통형 장치(100)의 내부 공간으로 넓게 분포된다.

구동부에 의해 원통형 장치(100)가 회전된다.

원통형 장치(100)가 회전되면, 원통형 장치(100)의 내부의 분말들은 회전되는 원통형 장치(100)의 회전 방향을 따라 승강되었다가 낙하된다. 이 과정은 원통형 장치(100)가 회전되는 동안 반복된다. 이때, 분말들은 플라즈마에 접촉된다.

필요에 따라, 원통형 장치(100)의 회전 속도가 조절된다.

본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 이용하면, 원통형 장치(100)의 내부 공간에 플라즈마가 고르게 분포되어 장치의 내부로 투입되는 분말이 플라즈마와 접촉할 수 있는 영역이 확대된다.

장치가 원통형으로 구성되고, 원통형 장치(100)를 회전 구동시키면서 분말 처리가 이루어짐에 따라, 분말이 균일하게 처리될 수 있다.

또한 장치(100)의 회전되는 속도가 조절됨에 따라, 분말이 플라즈마에 접촉되는 시간이 제어될 수 있다.

한편, 도시하지는 않았지만 본 발명의 추가적인 실시예에 따라, 원통형 플라즈마 발생 장치의 내부는 진공일 수 있다.

장치 내부가 진공인 경우, 제1 전극 및 제2 전극 층 사이에 위치하는 절연층은 생략될 수 있다. 즉, 제1 전극은 원통형 장치의 내부에 위치하며, 제2 전극 층은 원통형 장치의 외면이며, 이러한 제1 전극 및 제2 전극 층의 사이에는 절연층이 생략될 수 있다.

이와 같이 장치 내부가 진공인 경우, 절연층 없이도 제1 전극과 제2 전극 층에 교류 전압이 인가되면 장치 내부에 방전이 일어날 수 있으며, 방전에 의해 플라즈마가 발생될 수 있다.

이러한 추가적인 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치는 내부가 진공이며, 절연층이 생략되는 것을 제외하고는, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치와 동일 유사하므로 더 구체적인 설명은 생략한다.

Claims

용량성 결합 플라즈마(Capacitively coupled plasma)의 방식의 플라즈마 발생 장치로서,
상기 장치는 원통형이고, 상기 장치는 회전하며,
상기 장치의 내부에는 제1 전극이 위치하며,
상기 장치의 외면은 제2 전극 층이고,
상기 원통형 내측에 절연층이 있고,
상기 제1 전극과 상기 제2 전극 층에 교류 전압이 인가되어, 상기 장치 내부공간에 플라즈마가 발생되고,
플라즈마 처리를 위한 분말은 상기 원통형 안에 공급되어, 상기 원통형 장치내에 발생된 플라즈마에 의해 처리되는,
용량성 결합 플라즈마의 방식의 플라즈마 발생 장치.
제1항에 있어서,
상기 절연층은 상기 제1 전극의 외면 또는 상기 제2 전극의 내면에 위치하는,
용량성 결합 플라즈마의 방식의 플라즈마 발생 장치.
용량성 결합 플라즈마(Capacitively coupled plasma)의 방식의 플라즈마 발생 장치로서,
상기 장치는 원통형이고, 상기 원통형 내부는 진공이고, 상기 장치는 회전하며,
상기 장치의 내부에는 제1 전극이 위치하며,
상기 장치의 외면은 제2 전극 층이고,
상기 제1 전극과 상기 제2 전극 층에 교류 전압이 인가되어, 상기 장치 내부공간에 플라즈마가 발생되고,
플라즈마 처리를 위한 분말은 상기 원통형 안에 공급되어, 상기 원통형 장치내에 발생된 플라즈마에 의해 처리되는,
용량성 결합 플라즈마의 방식의 플라즈마 발생 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 전극 층에는 고전압이 인가되고, 상기 제1 전극은 접지 전극인,
용량성 결합 플라즈마의 방식의 플라즈마 발생 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 전극에는 고전압이 인가되고, 상기 제2 전극 층은 접지 전극인,
용량성 결합 플라즈마의 방식의 플라즈마 발생 장치.
제1항 또는 제3항에 있어서,
구동부를 포함하고,
상기 구동부는 상기 원통형 장치가 수평으로 놓인 상태로 상기 원통형 장치를 회전시키도록 구성되는,
용량성 결합 플라즈마의 방식의 플라즈마 발생 장치.
제6항에 있어서,
상기 구동부는 회전속도 제어부를 포함하고,
상기 회전속도 제어부는 상기 구동부가 상기 원통형 장치를 회전시키는 속도를 제어하도록 구성되는,
용량성 결합 플라즈마의 방식의 플라즈마 발생 장치.