KR20210130032A - 온/오프 스위칭이 가능한 중주파 플라즈마 처리장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 플라즈마를 발생시키는 전극 전원의 인가와 차폐를 반복적으로 수행하는 온/오프 기능을 가진 중주파 전원 소스를 융합한 플라즈마 처리장치에 대한 것으로, 추가적인 외부 컴퓨터 프로그램 제어 없이 중주파 전원 장치 내부에 온/오프 기능의 회로를 융합하여 독립적으로 일정한 시간을 지정하여 플라즈마를 발생시키는데 사용되는 전원의 인가와 차폐를 자동으로 하는 경제적인 온 오프 스위칭 중주파 플라즈마 장치이다. 본 발명의 플라즈마 처리장치를 통해 구현된 온/오프 반복 플라즈마 발생 기술을 활용하면 반도체, 센서 등의 박막 제조 및 처리시에 종래의 플라즈마 처리장치들이 할 수 없었던 분야에서도 시간에 따른 전자들의 차징(electron charging) 제어가 쉽게 가능하여 향후 산업과 기술적으로 매우 새로운 기능의 다양한 플라즈마 공정들을 개발할 수 있다.
Description
본 발명은 플라즈마 처리장치에 대한 것으로, 더욱 상세하게는 온/오프 자동 스위칭 기능을 가진 중주파 전원 장치를 전극에 결합하여 플라즈마 발생을 연속적이 아닌 일정한 시간 간격을 기준으로 플라즈마 전원 인가와 차폐가 자동 진행되어 매우 경제적인 온/오프 스위칭 중주파 플라즈마 처리장치에 대한 것이다.
플라즈마 처리장치는 크게 반응기, 전원 시스템, 가스 및 배기 시스템 등으로 구분할 수 있다. 여기서 전원 시스템은 교류와 직류형으로 나눌 수 있다. 교류 전원은 일반적으로 고주파 라디오파, 마이크로파, 저주파, 중주파 전원장치로 세분할 수 있다.
현재 산업적으로 사용하고 있는 전원 장치로는 인가하는 전력의 크기를 제어하는 형태로 펄스 교류와 펄스 직류형 전원 장치가 있다.
그러나 이때 사용하는 전력의 범위는 전원이 인가된 상태에서 전원의 크기를 펄스 형태로 일정 부분 제어하는 것이지, 전원 자체의 온/오프를 제어하는 것은 아니다.
일반적으로 진공이나 대기압 플라즈마 장치는 가스가 주입되는 형태로 다양한 전기적 센서 및 제어장치를 가지고 있다. 따라서 플라즈마를 발생시키려면 부하단의 로드가 전기적으로 매칭되어야 플라즈마 발생에 무리가 없고 안정적이다. 산업에서 대표적으로 사용하는 고주파나 마이크로파는 주파수가 몇 MHz 에서 2.45 GHz의 범위이다. 이 범위의 주파수는 플라즈마 매칭이 매우 민감하며 매칭을 유지하는 한계 범위가 상당히 제한적이다. 따라서 이런 고주파 시스템들을 이용한 플라즈마 처리장치 개발 시에 전원의 온/오프 형태의 스위칭을 포함하는 것은 고주파 플라즈마 장치와 관련한 전자 부품들의 안정성 측면에서 그리 바람직하다고 생각할 수 없다.
그래서 그런 고주파 전원을 이용한 플라즈마 장치는 온/오프 스위칭에 의한 전원 인가 기능이 없다고 할 수 있다.
예를 들어, 지난 20년정도부터 세계적으로 인기를 끌었던 실리콘 웨이퍼 기반 멤스 센서 제작용 플라즈마 식각 장치로 독일 보쉬사가 개발한 Deep RIE 기술(일명 Bosch Process 기술)이 있다. 그 기술의 실현을 위해서는 불소를 포함하는 기체와 탄화수소를 포함하는 기체가 조건에 따라 주입된다. 또한 플라즈마 전원도 조건에 따라 강약을 구별하여 인가된다. 그런 것들은 모두 별도의 컴퓨터 프로그램에 의해 순차적으로 시행된다. 이런 경우에도 본 발명에서 제안하는 전원 공급기 자체에 온/오프 스위칭을 가진 기능을 사용하지는 않는다. 종래의 연속적 고주파 전원공급기를 사용하며 외부 제어 프로그램과 시퀀싱 시행에 의해 전체적으로 전원을 유지한다. 그 전원이 인가되어 있는 상황에서 일정 범위에서 변화하며 동작할 뿐이다.
또 다른 예로 50~300 kHz를 사용하는 펄스 직류 전원공급기나 13.56MHz 정도를 사용하는 펄스 고주파 전원공급기로 플라즈마를 발생시킬 수도 있다. 두 경우 모두 20 kHz 내외를 사용하는 이 중주파 전원공급기와는 사용 주파수 영역이 완전히 다르다고 할 수 있다. 또한 전원을 완전히 온/오프 시키는 시간도 확연히 구별된다. 앞의 두 개는 모두 마이크로 초 단위의 펄스를 생산한다.
일반적으로 플라즈마 전원 장치는 교류와 직류 모두 연속적으로 전원 공급을 하는 것이 가장 널리 사용된다. 최근들어 펄스 직류 전원 장치와 펄스 고주파 전원 장치를 연결한 플라즈마 장치들이 개발 사용되고 있다. 그러나 이와 같은 종래의 제품들은 전극에 인가하는 전력 일부를 변화하는 정도이지, 전원의 인가 자체를 온/오프로 구분하여 반복적으로 구현하는 플라즈마 처리장치는 알려져 있지 않다.
본 발명을 통해 해결하려는 과제는 수십 킬로헤르츠의 주파수를 가지는 파형으로 플라즈마 전극에 전력을 공급하는 교류 중주파 전원장치를 이용한 플라즈마 처리장치의 개발이며, 특히 플라즈마 처리장치 중에서도 온/오프 스위칭 기능이 있는 중주파 전원장치를 이용한 플라즈마 처리장치를 개발하는데 그 목적이 있다.
특히 중주파 전원 공급기는 제품의 특성상 고주파 전원공급기에 비해 플라즈마 부하단에 매칭하는 능력이 매우 뛰어나, 플라즈마 발생이 상대적으로 쉽다. 따라서 대기압 분위기나 진공에서 계속해서 연구될 수 있는 좋은 전원공급기로 예상된다. 이런 상황에서 중주파 전원 공급기의 사용 범위를 획기적으로 확대하고자 본 발명을 제안하며, 플라즈마를 발생시키는 전극에 인가되는 전원에 온/오프 스위칭 기능을 추가하는 전원 공급기를 이용하여 플라즈마 장치를 개발하고 시운전하여 기술성과 산업성 문제들을 해결하고자 한다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에서는 중주파의 주파수 범위를 가지는 중주파 전원 장치를 이용한 플라즈마 처리장치에 있어서, 외부와 독립되어 소정의 밀폐된 공간을 제공하는 반응챔버와, 반응가스를 상기 반응챔버에 소정의 압력으로 공급하는 반응가스 공급부와, 상기 반응챔버에서 반응이 완료된 반응가스를 배출하는 반응가스 배출부와, 상기 반응챔버 내부에서 서로 대향되도록 설치되는 2개의 전극과, 상기 전극에 각각 연결되며 주기적으로 온/오프 자동 스위칭 기능을 가지는 중주파 전원 장치를 포함하며, 상기 중주파 전원 장치를 사용하여 전극 전원의 인가와 차폐를 반복적으로 수행하여 플라즈마를 발생시키는 온/오프 스위칭이 가능한 중주파 플라즈마 처리장치가 제공된다.
본 발명에 있어서, 상기 중주파 전원 장치는 추가적인 외부 컴퓨터 프로그램 제어 없이 중주파 전원 장치 내부에 온/오프 기능의 회로를 융합하여 독립적으로 일정한 시간을 지정하여 플라즈마를 발생시키는데 사용되는 전원의 인가와 차폐를 자동으로 할 수 있다.
여기서, 상기 중주파 전원 장치의 온/오프 자동 스위칭 기능은 0.1 ~ 20초의 범위에서 작동할 수 있다.
또한, 상기 전극에 인가되는 출력 주파수는 20~100 KHz의 주파수를 사용하여 플라즈마를 발생시키는 것을 특징으로 한다.
상기 전극은 서로 대향하는 판형상의 전극으로 이루어질 수 있으며, 여기서 두 전극은 반응챔버 내부에서 서로 분리된 형태로 설치된다.
상기와 같은 본 발명에 의하면, 플라즈마 공정 시에 전원공급기의 자동 온/오프 반복 기능에 의해, 향후 높은 전원의 연속적 사용에 의해 공정 중에 발생하는 열에 민감한 반도체나 고분자 소재의 플라즈마 식각이나 증착 등에 특히 효과가 클 것으로 예상한다.
특히, 플라즈마 처리장치를 통해 온/오프의 시간적 간격은 0.1초에서 20초 정도의 범위에서 주기적으로 일정 전력을 단속적으로 인가할 수 있으며, 0.1~20초 내외의 매우 넓은 범위의 온/오프 스위칭 기능을 가지고 있어 그 사용 방법과 조건이 전혀 다른 기술이라고 할 수 있다.
도 1 내지 도 2는 본 발명에 따른 중주파 전원 공급기에 온/오프 스위칭이 가능하도록 회로를 연결한 개념도이다.
도 3은 본 발명에 따른 온/오프 스위칭 기능이 있는 중주파 전원 공급기를 이용하여 만든 온/오프 스위칭 중주파 플라즈마 처리장치 개념도이다.
도 4는 온/오프 스위칭 중주파 플라즈마 처리장치로 산소와 아르곤 혼합 가스 플라즈마의 발광 피크 그래프이다.
도 5는 도 4에서 얻은 산소와 아르곤 플라즈마 피크를 각각 일정 시간동안 측정한 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 온/오프 스위칭 기능이 있는 중주파 전원 공급기를 이용하여 만든 온/오프 스위칭 중주파 플라즈마 처리장치 개념도이다.
도 4는 온/오프 스위칭 중주파 플라즈마 처리장치로 산소와 아르곤 혼합 가스 플라즈마의 발광 피크 그래프이다.
도 5는 도 4에서 얻은 산소와 아르곤 플라즈마 피크를 각각 일정 시간동안 측정한 그래프이다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 1 내지 도 2는 본 발명에 따른 중주파 전원 공급기에 온/오프 스위칭이 가능하도록 회로를 연결한 개념도이고, 도 3은 본 발명에 따른 온/오프 스위칭 기능이 있는 중주파 전원 공급기를 이용하여 만든 온/오프 스위칭 중주파 플라즈마 처리장치 개념도이다.
본 발명의 중주파 플라즈마 처리장치(100)는, 크게 중주파 전원 장치(120), 진공 반응챔버(110), 전극(130)(140), 가스 주입 및 배기 시스템(도시안함)이 기본적으로 구성된다.
본 발명에 따른 진공 플라즈마 처리장치(100)의 일실시예로서, 도 1에서 보는 바와 같이, 본 발명은 외부와 독립되어 소정의 밀폐된 공간을 제공하는 반응챔버(110)와, 상기 반응챔버(110) 내에 중주파 전원을 공급하기 위한 중주파 전원 장치(120)와, 상기 중주파 전원 장치(120)와 각각 연결되며, 상기 반응챔버(110) 내부에서 서로 대향되도록 설치되는 2개의 전극(130)(140)을 포함한다.
여기서, 상기 반응챔버(110) 내에 반응가스를 주입, 배출시키기 위해 상기 반응챔버(110)에는 반응가스를 소정의 압력으로 공급하는 반응가스 공급부(112)와, 상기 반응챔버(110)에서 반응이 완료된 반응가스를 배출하는 반응가스 배출부(114)가 형성된다.
상기 반응가스 공급부(112)와 반응가스 배출부(114)는 외부의 가스 주입 및 배기 시스템과 연결되어 반응가스의 유출입이 가능하게 된다.
또한, 상기 반응챔버(110)의 내부에는 상부와 하부에 서로 대향하는 2개의 전극(130)(140)이 구비되는데, 상기 전극(130)(140)은 서로 대향하는 판형상의 전극으로 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 전극(110)(120)에 인가되는 출력 주파수는 20~100 KHz의 주파수를 사용하여 플라즈마를 발생시키는 것이 가장 바람직한 것으로 나타났다. 상기 전극(110)(120)에 인가되는 출력 주파수가 20 kHz 이하 또는 100 kHz 이상으로 되면 플라즈마 발생에 안정적이지 못하거나 플라즈마 발생이 원활하지 못하므로, 상기 전극(110)(120)에 인가되는 출력 주파수는 20~100 kHz의 주파수를 사용하는 것이 가장 바람직하다.
또한, 상기 중주파 전원 장치를 구성하는 회로는 50~60 Hz, 100~220 V 교류 입력 전원과 전력 전달을 위해 하프 브릿지 회로 설계를 사용하며, 중주파 전원의 크기는 입력되는 주파수 변조 후 출력 단자에서 20~100 kHz의 주파수를 발생시킬 수 있으며 트랜스포머를 통해 승압된다.
본 발명에서는 상기 중주파 전원 장치(120)가 주기적으로 온/오프 자동 스위칭 기능을 가지는 것에 특징이 있다.
즉, 본 발명의 중주파 전원 장치(120)는 추가적인 외부 컴퓨터 프로그램 제어 없이 중주파 전원 장치 내부에 온/오프 기능의 회로를 융합하여 독립적으로 일정한 시간을 지정하여 플라즈마를 발생시키는데 사용되는 전원의 인가와 차폐를 자동으로 할 수 있다.
이와 같은 본 발명은 상기 중주파 전원 장치(120)를 사용하여 전극 전원의 인가와 차폐를 반복적으로 수행하여 플라즈마를 발생시키며, 상기 중주파 전원 장치(120)의 온/오프 자동 스위칭 기능은 0.1 ~ 20초의 범위에서 작동할 수 있다.
이와 같은 본 발명은 플라즈마 공정 시에 전원공급기의 자동 온/오프 반복 기능에 의해, 향후 높은 전원의 연속적 사용에 의해 공정 중에 발생하는 열에 민감한 반도체나 고분자 소재의 플라즈마 식각이나 증착 등에 특히 효과가 클 것으로 예상된다.
특히, 플라즈마 처리장치를 통해 온/오프의 시간적 간격은 0.1초에서 20초 정도의 범위에서 주기적으로 일정 전력을 단속적으로 인가할 수 있으며, 0.1~20초 내외의 매우 넓은 범위의 온/오프 스위칭 기능을 가지고 있어 플라즈마 발생을 연속적이 아닌 일정한 시간 간격을 기준으로 플라즈마 전원 인가와 차폐가 자동 진행되어 매우 경제적인 장점이 있다.
한편, 상기 전극(130)(140)은 서로 대향하는 판형상의 전극으로 이루어질 수 있으며, 상기 전극(130)(140)은 반응챔버 내부에서 수평적으로 평행한 형태로 설치된다.
[실시예]
도 1 내지 도 2에서는 진공 펌프 및 배기 시스템은 편리를 위해 생략하였다. 진공 상태에서 중주파 플라즈마에 전원을 인가하는 중주파 전원장치(120)가 서로 대향하는 두 개의 전극(130)(140)에 연결되며, 반응챔버(110)는 접지되어 있다.
본 발명의 중주파 전원 장치(120)는 추가적인 외부 컴퓨터 프로그램 제어 없이 중주파 전원 장치 내부에 온/오프 기능의 회로를 융합하여 독립적으로 일정한 시간을 지정하여 플라즈마를 발생시키는데 사용되는 전원의 인가와 차폐를 자동으로 할 수 있다.
이를 통해 플라즈마 발생을 연속적이 아닌 일정한 시간 간격을 기준으로 플라즈마 전원 인가와 차폐가 자동 진행되어 매우 경제적으로 운용될 수 있다.
도 3은 온/오프 스위칭 중주파 플라즈마 처리 장치 개념도로서, 진공 상태에서 중주파 플라즈마에 전원을 인가하는 중주파 전원장치(250)가 서로 대향하는 두 개의 전극(230)(240)에 인가되어 있다. 반응챔버(210)는 접지되어 있다.
온/오프 스위칭 중주파 플라즈마 처리장치는 크게 대기압이나 진공 분위기에서 사용할 수 있다. 그 경우에 플라즈마 장치의 구성은 크게 전원부, 반응기부, 가스 및 배기 시스템부, 센서 등으로 구성된다. 특히 현재 본 발명에 의한 플라즈마 처리장치의 전극은 대향하는 2개의 전극(230)(240)을 사용하고 있다. 진공 분위기에서는 두 전극(230)(240)이 일정 간격을 사이에 두고 마주보게 함으로서 축전결합 플라즈마(Capacitively Coupled Plasma)형태의 플라즈마가 발생하게 하였다. 전원부는 중주파 전원 장치(250)에 온/오프 제어가 반복적으로 가능하게하는 전자회로를 하드웨어적으로 추가하여, 별도의 고가의 프로그램적 제어장치를 연결하지 않고 이 전원공급기 한 개만을 사용하여도 반응기 전극에 전원 인가를 일정 시간 간격을 기준으로 온/오프가 반복적으로 가능하게 하였다.
또한 이 조건에서 실제로 부하로 사용하는 플라즈마 전극에 전원이 안전하게 매칭되어 중주파 전원의 반복적 온/오프 인가에 맞추어 조건에 따라 플라즈마가 생성, 소멸하게 하였다.
도 4는 실시예로 온/오프 스위칭 중주파 플라즈마 처리장치를 개발한 후 실제로 50 와트의 전원을 공급하여 플라즈마를 발생시킨 후, 광발광분석기를 이용하여 얻은 플라즈마 발광 피크 그래프이다. 이 때 플라즈마 반응기 내부에 산소와 아르곤을 주입하였으며, 산소와 아르곤 발광 피크를 얻었다.
도 5는 도 4에서 얻은 산소와 아르곤 플라즈마 피크를 각각 일정 시간동안 측정한 그래프이다. 이 때 온/오프 스위칭 중주파 플라즈마 장치가 제대로 작동하고 있다는 것을 증명하고자 4초 동안 중주파 전원을 인가하여 플라즈마를 발생시킨 후 1초 동안 전원을 오프하여 플라즈마를 소멸시키는 것을 연속적으로 실시하였다.
그 때 플라즈마에서 발생하는 산소와 아르곤 피크를 측정하였다. 결과를 보면 플라즈마가 생성되는 시간 동안에는 산소와 아르곤 피크가 각각 일정 높이의 강도를 가지며 구별되게 측정되다가 플라즈마가 소멸되는 1초 동안에는 두 가스의 피크가 최저의 범위에서 겹치게 측정되는 것을 알 수 있다.
즉, 1초 동안에서는 플라즈마가 소멸해서 반응기 내부에 어떤 피크도 구별할 수 없다는 것을 알려주었다. 이 실시예 실험을 통해 온/오프 스위칭 중주파 플라즈마 장치가 아르곤과 산소 분위기에서 온전하게 작동되고 있음을 도 5를 통해 알 수 있다.
본 발명의 플라즈마 처리장치를 통해 구현된 온/오프 반복 플라즈마 발생 기술을 활용하면 반도체, 센서 등의 박막 제조 및 처리시에 종래의 플라즈마 처리장치들이 할 수 없었던 분야에서도 시간에 따른 전자들의 차징(electron charging) 제어가 쉽게 가능하여 향후 산업과 기술적으로 매우 새로운 기능의 다양한 플라즈마 공정들을 개발할 수 있다.
본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
100: 중주파 플라즈마 처리장치
110: 반응챔버
112: 반응가스 공급부 114: 반응가스 배출부
120: 중주파 전원 장치 130, 140: 전극
230, 240: 전극 250: 중주파 전원 장치
112: 반응가스 공급부 114: 반응가스 배출부
120: 중주파 전원 장치 130, 140: 전극
230, 240: 전극 250: 중주파 전원 장치
Claims (6)
- 중주파의 주파수 범위를 가지는 중주파 전원 장치를 이용한 플라즈마 처리장치에 있어서,
외부와 독립되어 소정의 밀폐된 공간을 제공하는 반응챔버;
반응가스를 상기 반응챔버에 소정의 압력으로 공급하는 반응가스 공급부;
상기 반응챔버에서 반응이 완료된 반응가스를 배출하는 반응가스 배출부;
상기 반응챔버 내부에서 서로 대향되도록 설치되는 2개의 전극;
상기 전극에 각각 연결되며 주기적으로 온/오프 자동 스위칭 기능을 가지는 중주파 전원 장치;
를 포함하며,
상기 중주파 전원 장치를 사용하여 전극 전원의 인가와 차폐를 반복적으로 수행하여 플라즈마를 발생시키는 온/오프 스위칭이 가능한 중주파 플라즈마 처리장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 중주파 전원 장치는 추가적인 외부 컴퓨터 프로그램 제어 없이 중주파 전원 장치 내부에 온/오프 기능의 회로를 융합하여 독립적으로 일정한 시간을 지정하여 플라즈마를 발생시키는데 사용되는 전원의 인가와 차폐를 자동으로 하는 것을 특징으로 하는 온/오프 스위칭이 가능한 중주파 플라즈마 처리장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 중주파 전원 장치의 온/오프 자동 스위칭 기능은 0.1 ~ 20초의 범위에서 작동하는 것을 특징으로 하는 온/오프 스위칭이 가능한 중주파 플라즈마 처리장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 전극에 인가되는 출력 주파수는 20~100 KHz의 주파수를 사용하여 플라즈마를 발생시키는 것을 특징으로 하는 온/오프 스위칭이 가능한 중주파 플라즈마 처리장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 전극은 서로 대향하는 판형상의 전극으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 온/오프 스위칭이 가능한 중주파 플라즈마 처리장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 전극은 반응챔버 내부에서 수평적으로 평행한 형태로 설치되는 것을 특징으로 하는 온/오프 스위칭이 가능한 중주파 플라즈마 처리장치.
Priority Applications (1)
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| KR1020200048292A KR102359463B1 (ko) | 2020-04-21 | 2020-04-21 | 온/오프 스위칭이 가능한 중주파 플라즈마 처리장치 |
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| KR1020200048292A KR102359463B1 (ko) | 2020-04-21 | 2020-04-21 | 온/오프 스위칭이 가능한 중주파 플라즈마 처리장치 |
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ID=78231528
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Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| JP2004273312A (ja) * | 2003-03-10 | 2004-09-30 | Sekisui Chem Co Ltd | プラズマ発生装置、プラズマ処理装置およびこれを用いたプラズマ発生方法 |
| KR20110019743A (ko) * | 2008-05-14 | 2011-02-28 | 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드 | Ｒｆ 전력 전달을 위한 시간 분석된 조정 방식을 이용하는 펄스화된 플라즈마 처리를 위한 방법 및 장치 |
| KR20180008427A (ko) | 2015-04-30 | 2018-01-24 | 에스아이오2 메디컬 프로덕츠, 인크. | 열가소성 물품으로의 희석 생체분자 부착의 감소를 가져오는 비중합성 화합물을 이용한 플라즈마 처리 |
-
2020
- 2020-04-21 KR KR1020200048292A patent/KR102359463B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (3)
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