WO2012036491A2 - 누설 전류형 변압기를 이용한 플라즈마 처리장치 - Google Patents

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    • H01J37/32834—Exhausting

Definitions

  • the present invention relates to a vacuum plasma processing apparatus using a leakage current transformer, and more particularly, a plasma capable of surface treatment such as etching, deposition, and etching using a neon reactor or a cold cathode transformer, which is a vacuum reactor and a leakage current transformer. It relates to a processing device.
  • Plasma refers to an ionized gas.
  • a plasma including electrons, ions, decomposed gas, photons, and the like is formed.
  • the plasma surface treatment method is a surface treatment method for converting a predetermined source gas such as oxygen into plasma gas, and physically and chemically reacting it with the surface of the object to be treated to modify the surface thereof.
  • the dry surface treatment method using the plasma has the advantage that the surface can be treated more uniformly and precisely than the wet surface treatment method and easy to control.
  • the dry surface treatment method using plasma has advantages in that there is little generation of pollutants compared to the wet surface treatment method because it uses gases such as oxygen and argon.
  • the plasma surface treatment apparatus may be classified into a capacitively coupled plasma method and an inductively coupled plasma method according to the type of plasma generating electrode.
  • a capacitive coupling method a device for generating a plasma using the capacitively coupled plasma (CCP) generator is called a capacitively coupled plasma generator.
  • CCP capacitively coupled plasma
  • Capacitively coupled plasma generators utilize the principle of charge storage of capacitors, which can apply high frequency power, low frequency power, direct current power, or pulse power of time-modulated power to one electrode by opposing two electrodes inside the chamber. Has a structure.
  • the electrode accelerates charged particles such as electrons and ions by means of an electrostatic field between two electrodes, and according to the interaction between the charged particles and the charged particles or the charged particles and the electrode, Create and maintain a plasma.
  • one electrode is directly grounded or one electrode is grounded through a capacitor, a coil (inductor), or a combination of capacitors and coils.
  • an AC power supply that generates alternating current in dry etching, chemical vapor deposition, surface modification, or the like, and a power transmission method for generating plasma by radio frequency is most commonly used in industry and research fields.
  • a direct current power source is used instead of an alternating current, heat generation and arc generation are more difficult and stable low temperature plasma generation is relatively difficult.
  • the present invention discloses a plasma generator using a neon transformer or a cold cathode transformer, which is a leakage current transformer having excellent cost reduction effect and can be easily obtained from the surroundings.
  • the leakage current transformer is a transformer that can control the strength of the secondary current by connecting the leakage bridge of the magnetic flux using a leakage core on the magnetic circuit
  • the neon transformer is one of these leakage current transformers. It is used to supply high voltage power of 4,000 ⁇ 1,5000V to vehicle or indoor neon signs and supplies constant constant current within 50 mA to secondary power supply by using leakage current principle.
  • the plasma electrode spacing is too narrow, there is a limit to the surface treatment of various sizes of the material using the plasma.
  • the thickness of the material is more than 10cm or the surface of the material has a curved shape, there is a limit to the treatment by atmospheric pressure plasma, there is a problem in the plasma treatment of the inner surface when the material is a doughnut (donut) type .
  • the present invention has been made to solve the above problems of the prior art, the structure is simple by stably generating an alternating plasma using a leakage current transformer and a variable power supply, which can be used as a home power source or a vehicle power source. It is an object to provide a plasma processing apparatus.
  • the present invention provides a sealed space in which a plasma is formed, the chamber containing a sample to be processed therein; An exhaust unit for forming the inside of the chamber in a vacuum state; A plasma generating electrode fixed in the chamber and provided with an anode and a cathode facing each other; A variable power supply installed outside the chamber and supplying power to the plasma generating electrode; And a leakage current transformer disposed between the variable power supply and the plasma generating electrode to adjust a voltage and a current applied to the plasma generating electrode. It includes.
  • the plasma generating electrode is provided with a fixing device for fixing the sample to be processed.
  • any one of the anode or the cathode of the plasma generating electrode is installed on the upper portion of the chamber, the other one is characterized in that installed in the lower portion of the chamber.
  • the electrode provided in the lower portion of the chamber is characterized in that the fixing device for fixing the sample to be treated is provided.
  • the leakage current transformer is characterized in that the neon transformer or cold cathode transformer.
  • At least one of an anode or a cathode of the plasma generating electrode is formed in plural.
  • the neon transformer is provided between a plurality of the variable power supply and the plasma generating electrode is installed in parallel.
  • the neon transformer is characterized in that using an input voltage of 1 ⁇ 500V and output voltage of 1 ⁇ 25,000V.
  • variable power supply is characterized in that it comprises a dimmer for controlling the intensity of the voltage and current applied to the neon transformer in an analog or digital manner.
  • the variable power supply may include an ammeter and a voltmeter indicating a primary power applied to the leakage current transformer.
  • the ground electrode is installed in the chamber to ground the chamber; It includes more.
  • the ground electrode is provided with a fixing device for fixing the sample to be processed.
  • the exhaust portion includes at least one pressure regulating valve for adjusting the pressure in the chamber, a low vacuum pump or a turbo molecular pump including a rotary pump, a booster pump and a dry pump, a diffusion pump and a cryopump. It characterized in that it comprises a vacuum pump which is provided with at least one of the high vacuum pump.
  • the secondary electrode provided in the chamber to control the density and intensity of the plasma generated by the plasma generating electrode includes more.
  • the plasma processing apparatus of the present invention stably generates an alternating plasma using a leakage current transformer and a variable power supply, thereby, firstly, eliminating an expensive additional matching box and using a component that can be easily obtained from the vicinity. Simplified further.
  • voltage and current meters were installed in the primary power source to provide better power control conditions during plasma processing.
  • the present invention provides a plasma processing apparatus that can be used as a home power source or a vehicle power source using a single-phase commercial power source as a primary power source.
  • the applied current can be adjusted by connecting a plurality of neon transformers in parallel between one variable power supply and the plasma electrode unit.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a plasma processing apparatus using a leakage current transformer according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 2 to 6 are configuration diagrams illustrating a plasma processing apparatus using a leakage current transformer according to various embodiments of the present disclosure.
  • FIGS. 1 to 6 Embodiments of the invention may be modified in various forms, the scope of the invention should not be construed as limited to the embodiments described below. These embodiments are provided to explain in detail the present invention to those skilled in the art. Accordingly, the shape of each element shown in the drawings may be exaggerated to emphasize a more clear description.
  • the leakage current transformer used in the present invention is an electric and electronic and there is no limit to the method of use.
  • Plasma processing apparatus using the leakage current transformer of the present invention is a chamber (1), plasma generating electrodes (9, 10), gas supply unit 40, leakage current transformer 60, exhaust unit 50 and variable power supply And 70.
  • the chamber 1 is a space that separates the outside from the inside of the device.
  • the outer surface of the chamber 1 is formed of a conductor such as stainless steel or aluminum, or a non-conductor using quartz and Teflon.
  • the chamber 1 is formed in a sealed structure so that the inside of the chamber 1 is maintained in a vacuum state, which is favorable for use of reactive gas such as O 2 , SF 6 , Cl 2, SiH 4 , and the gas supply part 40 and the exhaust part ( 50 and a vacuum pressure gauge 5 are connected.
  • reactive gas such as O 2 , SF 6 , Cl 2, SiH 4
  • a ground electrode 11 is installed in the lower part of the chamber 1, and an electrical resistance heating wire 31 is inserted in the ground electrode 11 to supply heat as necessary.
  • the electrically resistive heating wire 31 is connected to the thermal power supply 30 to control the temperature and may be replaced with a halogen lamp.
  • the temperature control device for controlling the temperature of the electric resistance heating wire 31 uses a PID control method, but may be used in combination with a gripping circuit or simple ON / OFF control as necessary. Heat exchangers can also be used if low temperature maintenance is required.
  • heat may be directly supplied from the inside of the chamber 1, but when the material of the chamber 1 is quartz or the like, heat may be provided using a heat source that completely or partially surrounds the outer surface of the chamber 1. You can also supply
  • the plasma generating electrodes 9 and 10 and the chuck 12 are disposed above the chamber 1, and the plasma generating electrodes 9 and 10 are leakage current transformers 60, which are neon transformers or cold cathodes. Connected to the transformer.
  • the plasma generating electrodes 9 and 10 have a form in which an anode and a cathode are opposed to each other, and are electrically insulated from the chamber 1 by an insulator 14.
  • the shape of the plasma generating electrodes 9, 10 is not limited to circular, square, and the like.
  • one plasma generating electrode and one ground electrode are sufficient in a conventional radio wave, but two plasma generating electrodes are required independently when the neon transformer or the cold cathode transformer is used.
  • the spacing of the two plasma generating electrodes can be determined according to the size of the chamber and the device optimization, but there is no particular limitation as long as the two electrodes are electrically separated.
  • the neon transformer is a typical leakage current type transformer 60, and a power supply of about 1 to 500V is usually used as the primary input power, and preferably about 12 to 220V.
  • the output voltage is usually about 1 ⁇ 20,000V.
  • the magnitude of the output voltage generated at this time is controlled by the variable power supply 70.
  • the variable power supply 70 may be manufactured using a transistor or the like, or a commercially available sliding or dimmer. In one embodiment of the present invention, the dimmer is used as the variable power supply 70.
  • the dimmer has an advantage that it is inexpensive, small in volume, and more easily repaired in the event of a failure.
  • variable power supply 70 and the neon transformer 60 is connected to the ammeter and the voltmeter to accurately display the value of the primary voltage and current applied to the leakage current transformer (60).
  • the sample to be processed in the plasma processing apparatus of the present invention is placed on the plasma generating electrodes 9 and 10 or on the ground electrode 11.
  • the sample to be treated is generally positioned on the plasma generating electrodes 9 and 10, and the sample is placed on the heated ground electrode 11 for surface modification or deposition at a high temperature. .
  • the position of the sample to be processed in the plasma processing apparatus is not limited, and may be arbitrarily placed on the plasma generating electrodes 9 and 10 or the ground electrode 11.
  • a fixing device (not shown) for fixing the sample to be processed is provided on the plasma generating electrodes 9 and 10 or the ground electrode 11.
  • the gas supply unit 40 for supplying the reaction gas into the chamber 1 includes a gas supply line 41, a gas flow regulator 42, a gas tank 43, a vaporizer 44, and the like. do.
  • the reaction gas in a gaseous state such as oxygen stored in the gas tank 43 is supplied directly to the chamber 1 through the gas supply line 41 or is stored in the vaporizer 44 and the vaporizer 44. It is mixed with the material of the liquid or solid state used as a precursor for the surface treatment such as vaporization deposition and etching by the supplied to the chamber (1). And, the reaction gas is controlled by the gas flow controller (Mass flow meter, 42) its pressure and flow.
  • the gas flow controller Mass flow meter, 42
  • the reaction gas is a gas containing an oxygen component such as O 2 , N 2 O, a gas containing a fluorine component such as CF 4 , SF 6 , a gas containing a chlorine component such as Cl 2 , BCl 3 , SiH 4, may be used alone or mixed with an inert gas or the like of the deposition gas and Ar, N 2, etc., such as NH 3.
  • an oxygen component such as O 2 , N 2 O
  • a gas containing a fluorine component such as CF 4 , SF 6
  • a gas containing a chlorine component such as Cl 2 , BCl 3 , SiH 4
  • the exhaust unit 50 includes at least one pressure control valve 53, a vacuum pump 51, and an exhaust line 52 that adjust the internal pressure of the chamber 1.
  • the vacuum pump 51 may be one or more of a low vacuum pump such as a rotary pump, a booster pump, a dry pump, or a high vacuum pump such as a turbomolecular pump, a diffusion pump, and a cryo pump.
  • the exhaust unit 50 maintains the chamber 1 in a vacuum or exhausts the gas in the chamber 1.
  • FIGS. 2 to 6 are configuration diagrams illustrating a plasma processing apparatus using a leakage current transformer according to various embodiments of the present disclosure.
  • a plasma processing apparatus using a leakage current transformer according to various embodiments of the present disclosure will be described in detail with reference to FIGS. 2 to 6.
  • the plasma generating electrodes 9 and 10 are provided to face each other above and below the chamber 1.
  • the lower plasma generating electrode 9 is formed to include a chuck function for fixing a sample to be processed.
  • the configuration of the leakage current transformer 60, the variable power supply 70, the ammeter 80, the voltmeter 90, etc. to which the plasma generating electrodes 9 and 10 are connected are the same as those of the embodiment shown in FIG. Do.
  • FIG 3 shows, as another embodiment, one plasma generating electrode 10 inside the chamber 1 is mounted at the top, and a plurality of plasma generating electrodes 9 are mounted at the bottom.
  • the size and shape of each electrode can be arbitrarily controlled.
  • the plasma generating electrodes 9 and 10 supply power from the same leakage current transformer 60.
  • 4 and 5 show a configuration capable of supplying a greater amount of power by connecting in parallel a leakage current transformer 60 for supplying power to the plasma generating electrodes 9 and 10 inside the chamber 1. .
  • FIG. 6 shows a configuration in which the sub-electrodes 99 and 100 for controlling plasma density and intensity are added to the chamber 1 separately from the plasma generating electrodes 9 and 10.
  • the size, shape, number and location of the sub-electrodes 99 and 100 may be arbitrarily determined, and a neon transformer 600 and a variable power supply 700 for supplying power to the sub-electrodes 99 and 100 are also added.
  • plasma was stably generated even when the plasma generating electrodes were spaced apart by 20 cm or more. Furthermore, even when the ceramic was inserted or removed in parallel with the electrode between the two electrodes, the plasma was generated uniformly.
  • the space and the number of layers of the electrode are not limited within the chamber in which the vacuum is formed.

Abstract

본 발명의 누설 전류형 변압기를 이용한 플라즈마 처리 장치는 플라즈마가 형성되는 밀폐 공간을 제공하고, 그 내부에 피처리 샘플이 수용되는 챔버, 상기 챔버 내부를 진공 상태로 형성하기 위한 배기부, 상기 챔버 내에 고정되며 양극과 음극이 서로 대향하여 설치되는 플라즈마 발생 전극, 상기 챔버 외부에 설치되고 상기 플라즈마 발생 전극에 전원을 공급하는 가변 전원 공급기 및 상기 가변 전원 공급기와 상기 플라즈마 발생 전극 사이에 설치되며, 상기 플라즈마 발생 전극에 인가하는 전압과 전류를 조절하는 누설 전류형 변압기를 포함한다.

Description

누설 전류형 변압기를 이용한 플라즈마 처리장치
본 발명은 누설 전류형 변압기를 이용한 진공 플라즈마 처리 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 진공 반응기 및 누설 전류형 변압기인 네온 변압기 또는 냉음극 변압기를 사용하여 식각, 증착 및 에칭 등의 표면처리가 가능한 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.
플라즈마(plasma)란 이온화된 가스를 의미하는데, 원자 또는 분자로 이루어진 가스에 전기 에너지를 이용하여 방전시키면 전자, 이온, 분해된 가스 및 광자(photon) 등으로 이루어진 플라즈마가 형성된다.
이러한 플라즈마를 이용하여 표면을 처리하는 것이 플라즈마 표면처리 방법이다. 즉, 플라즈마 표면처리법은 산소 등 소정의 원료가스를 플라즈마 가스화하고, 이를 처리 대상물의 표면과 물리적, 화학적으로 반응시켜서 그 표면을 개질하는 표면처리 방법이다.
한편, 플라즈마를 이용한 건식 표면처리법은 습식에 의한 표면처리법보다 표면을 더 균일하고 정밀하게 처리할 수 있으며 제어가 용이한 이점이 있다. 또한, 플라즈마를 이용한 건식 표면처리법은 산소와 아르곤 등의 가스를 사용하므로 습식에 의한 표면처리법에 비하여 오염 물질 발생이 거의 없다는 장점이 있다.
이하, 플라즈마에 의한 표면처리장치에 대해 개략적으로 설명한다.
플라즈마 표면처리장치는 플라즈마 발생 전극의 종류에 따라 축전결합 플라즈마(Capacitively Coupled Plasma) 방식과 유도결합 플라즈마(Inductively Coupled Plasma) 방식 등으로 분류할 수 있다. 이 중에서 널리 사용되고 있는 것은 축전결합방식이고 이를 사용하여 플라즈마를 발생시키는 장치를 축전결합형 플라즈마(Capacitively Coupled Plasma, CCP) 발생장치라 한다.
축전결합형 플라즈마 발생장치는 콘덴서의 전하 축전 원리를 이용하는데, 챔버 내부에서 2개의 전극을 대향시킴으로써 한쪽 전극에 고주파전력이나 저주파전력, 직류전력 또는 이들 전력을 시간 변조한 펄스 전력을 인가할 수 있는 구조를 가진다.
그리고, 축전결합형 플라즈마 발생장치에서 전극은 2개의 전극 간의 정전계(靜電界)에 의해 전자와 이온 등 하전입자를 가속하여 하전입자와 하전입자 또는 하전입자와 전극의 충돌에 의한 상호작용에 따라 플라즈마를 생성하고 유지시킨다.
이때 플라즈마가 발생할 수 있도록 두 전극 간에 충분한 전압차이가 생길 수 있도록 만드는 것이 중요한데, 일반적으로 한쪽 전극을 직접 접지하거나 한쪽 전극을 콘덴서, 코일(인덕터) 또는 콘덴서 및 코일의 조합을 통하여 접지한다.
종래의 축전결합형 플라즈마 발생장치에서는 건식 식각, 화학적 증착 및 표면 개질 등에 있어서 교류를 발생시키는 교류 전원 공급기 또는 라디오파(radio frequency)에 의한 플라즈마 발생용 전력 전달방법이 산업과 연구 분야에서 가장 일반적으로 사용되어 왔다. 그 이유는 교류 대신 직류 전원을 사용하는 경우에는 열 발생과 아크 발생이 많으며 안정적인 저온 플라즈마 발생이 상대적으로 어렵기 때문이다.
그러나 플라즈마 발생을 위해 산업적으로 기활용되고 있는 교류 전원 공급기와 라디오파는 구입과 유지 비용에 많은 경제적 부담이 있다. 특히, 라디오파를 사용하는 경우 고가의 라디오파 발생장치 및 별도의 부가적 매칭 박스를 함께 사용하여 전원장치의 임피던스를 최적화하게 된다. 일반적으로 별도의 부가적 매칭 박스를 사용하지 않고 라디오파 플라즈마를 안정적으로 발생시키기 어렵다.
따라서 본 발명에서는 비용 절감 효과가 뛰어나며 주변에서 쉽게 구할 수 있는 누설 전류형 변압기인 네온 변압기 또는 냉음극 변압기를 이용한 플라즈마 발생장치에 대하여 개시한다.
즉, 누설 전류형 변압기(Leakage current transformer)는 자기회로상에 누설철심을 이용하여 자속의 누설다리를 연결하여 2차 전류의 세기를 조절할 수 있는 변압기인데, 네온 변압기는 이러한 누설 전류형 변압기 중 하나로서 차량이나 옥내외 네온 싸인에 4,000 ~ 1,5000V의 고전압 전원을 공급하는데 사용하며, 누설 전류 원리를 이용하여 2차 전원부에 50 mA 이내의 일정한 정전류(constant current)를 공급한다.
종래의 경우 네온 변압기는 대기압 플라즈마 개발에 집중적으로 사용되었으며 대기압 및 수중에서 플라즈마를 발생시키는 장치에 대한 보고가 많이 있다(대한민국 공개특허 제2006-0091869호, 일본국 공개특허 제2004-311251호).
그러나 종래의 경우처럼 네온 변압기를 사용하여 대기압 상태에서 플라즈마를 발생시키는 경우, 1) 대기압 상태에서는 두 개의 플라즈마 전극 사이의 간격에 제한을 받았다. 즉, 플라즈마 방전에 있어서 Paschen의 법칙에 따르면 압력이 높을수록 전극간의 거리가 가까워져야 플라즈마 방전이 용이하다. 따라서 대기압의 경우에는 전극간의 거리가 수 미리미터 정도로 극히 가까워져야만 한다는 문제가 있었다. 2)또한 네온 변압기를 이용하여 대기압에서의 플라즈마 방전을 위해서는 양 전극에 상대적으로 높은 전압이 인가되어야 하며, 이때에는 금속 또는 전도성 전극 간에 아크가 발생하기 쉽다. 즉, 플라즈마 장치에서 높은 전압(약 5,000V 이상)에 의해 아크가 발생하는 경우에 고전압, 고전류의 전기 흐름에 의해 장치의 전자회로가 쉽게 고장나며 불안정해지는 문제점이 발생하므로 대기압에서 네온 변압기를 이용한 플라즈마 발생기에는 두 플라즈마 전극 사이에 세라믹이나 플라스틱류의 절연체를 삽입하는 경우가 일반적이다.
위의 두 문제의 기술적 문제점, 즉 1) 대기압의 경우 플라즈마 전극 사이에 높은 전압이 인가되어야 하는 문제점 2) 높은 전압이 인가되면 아크가 발생하여 전자 회로가 고장날 수 있으므로, 절연체가 플라즈마 전극 사이에 삽입되어야 한다는 문제점을 해결하기 위해 종래의 경우에는 네온 변압기를 이용하는 경우 플라즈마 전극 사이를 수 미리미터 정도로 가급적 좁히고, 그 사이에 절연체를 삽입하여 대기압 플라즈마를 발생시켰다.
그러나 플라즈마 전극 간격이 너무 좁으면 플라즈마를 이용한 다양한 크기의 소재 표면 처리에 한계가 있다. 예를 들어, 소재의 두께가 10cm 이상이거나 소재의 표면이 굴곡있는 형상을 가지고 있는 경우 대기압 플라즈마에 의한 처리는 한계가 있으며, 소재가 도넛(doughnut) 형태인 경우 안쪽 표면의 플라즈마 처리에 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 누설 전류형 변압기와 가변 전원 공급기를 이용하여 교류 플라즈마를 안정적으로 발생시킴으로써 구조가 간단하고, 가정용 전원이나 차량용 전원으로도 사용할 수 있는 플라즈마 처리장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은, 플라즈마가 형성되는 밀폐 공간을 제공하고, 그 내부에 피처리 샘플이 수용되는 챔버; 상기 챔버 내부를 진공 상태로 형성하기 위한 배기부; 상기 챔버 내에 고정되며 양극과 음극이 서로 대향하여 설치되는 플라즈마 발생 전극; 상기 챔버 외부에 설치되고 상기 플라즈마 발생 전극에 전원을 공급하는 가변 전원 공급기; 및 상기 가변 전원 공급기와 상기 플라즈마 발생 전극 사이에 설치되며, 상기 플라즈마 발생 전극에 인가하는 전압과 전류를 조절하는 누설 전류형 변압기; 를 포함한다.
바람직하게, 상기 플라즈마 발생 전극에는 상기 피처리 샘플을 고정하는 고정장치가 마련되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 플라즈마 발생 전극의 양극 또는 음극 중 어느 하나가 상기 챔버의 상부에 설치되고, 나머지 하나는 상기 챔버의 하부에 설치되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 챔버의 하부에 설치되는 전극에는 상기 피처리 샘플을 고정하는 고정장치가 마련되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 누설 전류형 변압기는 네온 변압기 또는 냉음극 변압기인 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 플라즈마 발생 전극의 양극 또는 음극 중 적어도 어느 하나가 복수로 형성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 네온 변압기는 상기 가변 전원 공급기와 상기 플라즈마 발생 전극 사이에서 복수개 마련되어 병렬로 설치되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 네온 변압기는 1~500V의 입력 전압과 1~25,000V의 출력 전압을 사용하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 가변 전원 공급기는 상기 네온 변압기에 인가되는 전압 및 전류의 세기를 아날로그 또는 디지털 방식으로 조절할 수 있는 조광기(dimmer)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 가변 전원 공급기는 상기 누설 전류형 변압기에 인가되는 1차 전원을 표시하는 전류계 및 전압계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 챔버를 접지하도록 상기 챔버 내에 설치되는 접지 전극; 을 더 포함한다.
바람직하게, 상기 접지 전극에는 상기 피처리 샘플을 고정하는 고정장치가 마련되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 배기부는, 상기 챔버 내부의 압력을 조절하는 적어도 하나의 압력 조절 밸브와, 로터리 펌프, 부스터 펌프 및 드라이 펌프를 포함하는 저진공 펌프 또는 터보 분자 펌프, 확산 펌프 및 크라이오 펌프를 포함하는 고진공 펌프 중 적어도 하나로 마련되는 진공 펌프를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 플라즈마 발생 전극에 의해 발생하는 플라즈마의 밀도와 세기를 조절하도록 상기 챔버 내부에 마련되는 부전극; 을 더 포함한다.
본 발명인 플라즈마 처리장치는 누설 전류형 변압기와 가변 전원 공급기를 이용하여 교류 플라즈마를 안정적으로 발생시킴으로써, 첫째, 고가의 부가적 매칭 박스를 제거하고 주변에서 쉽게 구할 수 있는 부품들을 사용하여 플라즈마 처리 장치를 보다 단순화하였다.
둘째, 전압 계측기와 전류 계측기를 1차 전원에 설치하여 플라즈마 처리 중에 보다 우수한 전원 제어 조건을 보조적으로 제공하였다.
셋째, 단상의 상용 전원을 1차 전원으로 이용하여 가정용 전원이나 차량용 전원으로도 사용할 수 있는 플라즈마 처리장치를 제공한다.
넷째, 하나의 가변 전원 공급기와 플라즈마 전극부 사이에 복수개의 네온 변압기를 병렬로 연결함으로써 인가 전류를 조절할 수 있다.
다섯째, 진공 중에서 복수개의 전극부를 사용하여 교류 플라즈마를 발생시킴으로써 샘플이 놓여있는 전극부에 인가되는 전압을 낮게 하면서도 반응기 내부의 플라즈마 밀도를 높이는 효과를 가질 수 있다.
여섯째, 본 발명에 따르면 종래의 플라즈마 처리장치보다 경제적이고 유지 보수가 쉽고, 소재의 다양한 표면처리 공정이 가능해진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 누설 전류형 변압기를 이용한 플라즈마 처리장치를 나타낸 구성도이다.
도 2 내지 도 6은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 누설 전류형 변압기를 이용한 플라즈마 처리장치를 나타낸 구성도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부된 도 1 내지 도 6을 참고하여 더욱 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예들은 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 설명하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예들은 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에 나타난 각 요소의 형상은 보다 분명한 설명을 강조하기 위하여 과장될 수 있다. 또한 본 발명에서 사용되는 누설 전류형 변압기는 전기식과 전자식이 있으며 그 사용 방식에 제한이 없다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 누설 전류형 변압기를 이용한 플라즈마 처리장치를 나타낸 구성도이다. 본 발명의 누설 전류형 변압기를 이용한 플라즈마 처리장치는 챔버(1), 플라즈마 발생 전극(9, 10), 가스 공급부(40), 누설 전류형 변압기(60), 배기부(50) 및 가변 전원 공급기(70)를 포함한다.
상기 챔버(1)는 장치의 외부와 내부를 구분하는 공간이다. 상기 챔버(1)의 외부 표면은 스테인레스강 또는 알루미늄 등의 도체로 형성되거나, 석영 및 테플론 등을 이용한 부도체로 형성된다.
상기 챔버(1)는 밀폐 구조로 형성됨으로써 그 내부가 O2, SF6, Cl2, SiH4 등 반응성 가스 사용에 유리한 환경인 진공 상태로 유지되며, 상기 가스공급부(40), 상기 배기부(50) 및 진공 압력계(5)가 연결된다.
상기 챔버(1) 내부의 하부에는 접지 전극(11)이 설치되고, 상기 접지 전극(11)의 내부에는 필요에 따라 열을 공급할 수 있도록 전기 저항식 열선(31)이 삽입된다. 상기 전기 저항식 열선(31)은 열 전원 공급기(30)와 연결되어 온도가 제어되며, 할로겐 램프로 대체될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 전기 저항식 열선(31)의 온도를 제어하기 위한 온도 조절장치는 PID제어방법을 사용하고 있으나, 필요에 따라 파지회로를 병용하거나 단순한 ON/OFF제어를 채용할 수 있으며 저온 유지가 필요한 경우에는 열 교환기를 사용할 수도 있다.
한편, 상술한 바와 같이 상기 챔버(1) 내부에서 직접 열을 공급할 수도 있지만, 상기 챔버(1)의 재료가 석영 등인 경우에는 상기 챔버(1) 외부면을 전부 또는 부분적으로 감싸는 열원을 이용하여 열을 공급할 수도 있다.
상기 챔버(1) 내부의 상부에는 상기 플라즈마 발생 전극(9, 10) 및 척(12)이 배치되고, 상기 플라즈마 발생 전극(9, 10)은 누설 전류형 변압기(60)인 네온 변압기 또는 냉음극 변압기에 접속된다.
상기 플라즈마 발생 전극(9, 10)은 양극과 음극이 서로 대항하고 있는 형태이며, 절연체(14)에 의해 상기 챔버(1)와 전기적으로 절연된다. 상기 플라즈마 발생 전극(9, 10)의 모양은 원형, 사각 등에 제한이 없다.
여기서 중요한 것은 종래의 라디오파에서는 플라즈마 발생 전극이 1개, 접지 전극이 1개이면 충분했지만, 상기 네온 변압기 또는 냉음극 변압기를 사용하는 경우에는 플라즈마 발생 전극이 독립적으로 2개가 필요하다. 두 개의 플라즈마 발생 전극의 간격은 챔버의 크기와 장치 최적화에 따라 정해질 수 있지만, 두 개의 전극이 전기적으로 분리되어 있는 한 특별한 제한은 없다.
상술한 바와 같이, 상기 네온 변압기는 대표적인 누설 전류형 변압기(60)의 일종으로 1차 입력 전원으로는 보통 1~500V 정도의 전원을 사용하며, 바람직하게는 12~220V 정도를 사용한다. 출력전압은 보통 1~20,000V 정도이다. 이때 발생하는 출력 전압의 크기는 상기 가변 전원 공급기(70)에 의하여 조절된다.
상기 가변 전원 공급기(70)는 트랜지스터 등을 이용하거나 상용의 슬라이닥스나 조광기(dimmer) 등을 이용하여 제작할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 상기 가변형 전원 공급기(70)로서 상기 조광기가 이용되었다. 상기 조광기는 슬라이닥스에 비해 저렴하고 부피가 작고, 고장시에 보다 쉽게 수리할 수 있는 장점이 있다.
한편, 상기 가변 전원 공급기(70)와 상기 네온 변압기(60) 사이에는 전류계와 전압계를 연결하여 상기 누설 전류형 변압기(60)로 인가되는 1차 전압과 전류의 값을 정확히 표시된다.
본 발명인 플라즈마 처리장치에서 처리하고자 하는 샘플은 상기 플라즈마 발생 전극(9, 10) 상에 놓이거나 상기 접지 전극(11) 상에 놓인다. 상온에서 플라즈마 식각이나 증착을 하는 경우 피처리 샘플은 상기 플라즈마 발생 전극(9, 10) 상에 위치하는 것이 일반적이며, 고온에서 표면 개질이나 증착을 위해서는 샘플은 가열된 접지 전극(11) 상에 놓인다.
그러나 상기 플라즈마 처리장치에서 피처리 샘플의 위치는 제한이 없으며, 상기 플라즈마 발생 전극(9, 10) 또는 상기 접지 전극(11) 상에 임의로 놓을 수 있다. 이를 위해 상기 피처리 샘플을 고정하기 위한 고정장치(미도시)가 상기 플라즈마 발생 전극(9, 10) 또는 상기 접지 전극(11) 상에 마련된다.
한편, 상기 챔버(1) 내에 반응가스를 공급하기 위한 상기 가스 공급부(40)는 가스공급라인(41), 가스유량조절기(42), 가스탱크(43) 및 기화기(44) 등을 포함하여 구성된다.
즉, 상기 가스탱크(43)에 저장된 산소 등 기체 상태의 반응가스는 상기 가스공급라인(41)을 통하여 직접 상기 챔버(1)로 공급되거나, 상기 기화기(44)에 저장되고 상기 기화기(44)에 의하여 기화된 증착 및 식각 등의 표면처리를 위해 전구체로 사용하는 액체 또는 고체 상태의 물질과 혼합되어 상기 챔버(1)로 공급된다. 그리고, 상기 반응가스는 상기 가스유량 조절기(Mass flow meter, 42)에 의해 그 압력과 흐름을 조절된다.
한편, 상기 반응가스는 O2, N2O 등의 산소 성분을 포함하는 가스, CF4, SF6 등의 불소 성분을 포함하는 가스, Cl2, BCl3 등의 염소 성분을 포함하는 가스, SiH4, NH3 등의 증착 가스 및 Ar, N2 등의 불활성 가스 등을 단독으로 또는 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 배기부(50)는 상기 챔버(1)의 내부 압력을 조절하는 적어도 하나의 압력조절밸브(53), 진공펌프(51) 및 배기라인(52)으로 구성된다. 상기 진공펌프(51)는 로터리 펌프, 부스터 펌프, 드라이 펌프 등의 저진공 펌프 또는 터보분자 펌프, 확산 펌프, 크리이오 펌프 등의 고진공 펌프 중 하나 이상의 펌프가 사용될 수 있다. 그리고, 상기 배기부(50)는 상기 챔버(1)를 진공으로 유지하거나 상기 챔버(1) 내의 가스를 배기한다.
도 2 내지 도 6은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 누설 전류형 변압기를 이용한 플라즈마 처리장치를 나타낸 구성도이다. 도 2 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예에 따른 누설 전류형 변압기를 이용한 플라즈마 처리장치에 대하여 상세히 설명한다.
도 2에 개시된 실시예에서는 상기 플라즈마 발생 전극(9, 10)이 상기 챔버(1)의 상, 하에서 서로 대향되도록 설치된다. 하부의 플라즈마 발생 전극(9)은 피처리 샘플을 고정하기 위한 척 기능 포함할 수 있도록 형성된다.
한편, 상기 플라즈마 발생 전극(9, 10)이 연결되는 누설 전류형 변압기(60), 가변 전원 공급기(70), 전류계(80), 전압계(90) 등의 구성은 도 1에 개시된 실시예와 동일하다.
도 3은 또 다른 실시예로서 상기 챔버(1) 내부에서 한 개의 플라즈마 발생 전극(10)은 상단에 장착되며, 복수의 플라즈마 발생 전극(9)이 하단에 장착된다. 각각 전극의 크기와 모양은 임의로 제어될 수 있다. 그리고, 상기 플라즈마 발생 전극(9, 10)은 동일한 누설 전류형 변압기(60)에서 전원을 공급한다.
도 4 및 도 5에서는 상기 챔버(1) 내부의 플라즈마 발생 전극(9,10)에 전원을 공급하는 누설 전류형 변압기(60)를 병렬로 연결하여 더욱 많은 양의 전원을 공급할 수 있는 구성을 나타낸다.
도 6에서는 상기 챔버(1) 내부에 플라즈마 발생 전극(9,10)과 별도로 플라즈마 밀도와 세기를 조절하는 부전극(99,100)을 추가한 구성을 나타낸다. 상기 부전극(99, 100)의 크기, 모양, 개수 및 위치는 임의로 정할 수 있으며, 부전극(99, 100)에 전원을 공급하는 네온 변압기(600)와 가변 전원 공급기(700)도 추가된다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 의하여 실험한 결과, 두 개의 플라즈마 발생 전극 사이에 전극면을 대항하는 절연체를 삽입하지 않아도 플라즈마가 매우 안정적으로 발생하였음을 확인하였다.
또한, 플라즈마 발생 전극을 20㎝ 이상으로 이격시켜도 플라즈마가 안정적으로 발생하였다. 더 나아가 두 전극 사이에 전극과 병렬로 세라믹을 삽입하거나 제거하여도 플라즈마는 균일하게 발생하였다.
앞에 언급한 두 경우에서 두 전극 간의 아크는 보이지 않았다. 또한, 플라즈마의 발생 세기도 가변형 전압 공급기를 사용하여 쉽게 조절이 가능하였으며, 실제로 네온 변압기의 입력 전압이 수십 볼트의 낮은 전압에서도 소재의 식각 실험을 성공적으로 실시할 수 있었으며, 아크릴의 식각시에 공기 플라즈마 분위기에서 약 50㎚/min 이상의 식각 속도를 쉽게 얻을 수 있었다.
또한, 대량의 소재 처리를 위해 다층 전극이 필요한 경우에도 진공 상태가 형성되는 챔버의 내부에서 전극의 간격 및 층수에도 제한 받지 않는다.
이상, 도면을 참조하여 본 발명의 누설 전류 변압기인 네온 변압기와 가변 전원 공급기를 이용하여, 물질의 증착, 식각, 표면 개질이 가능한 플라즈마 처리장치를 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변형이 가능할 것이다.

Claims (14)

  1. 플라즈마가 형성되는 밀폐 공간을 제공하고, 그 내부에 피처리 샘플이 수용되는 챔버;
    상기 챔버 내부를 진공 상태로 형성하기 위한 배기부;
    상기 챔버 내에 고정되며 양극과 음극이 서로 대향하여 설치되는 플라즈마 발생 전극;
    상기 챔버 외부에 설치되고 상기 플라즈마 발생 전극에 전원을 공급하는 가변 전원 공급기; 및
    상기 가변 전원 공급기와 상기 플라즈마 발생 전극 사이에 설치되며, 상기 플라즈마 발생 전극에 인가하는 전압과 전류를 조절하는 누설 전류형 변압기; 를 포함하는 누설 전류형 변압기를 이용한 플라즈마 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 발생 전극에는 상기 피처리 샘플을 고정하는 고정장치가 마련되는 것을 특징으로 하는 누설 전류형 변압기를 이용한 플라즈마 처리 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 발생 전극의 양극 또는 음극 중 어느 하나가 상기 챔버의 상부에 설치되고, 나머지 하나는 상기 챔버의 하부에 설치되는 것을 특징으로 하는 누설 전류형 변압기를 이용한 플라즈마 처리 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 챔버의 하부에 설치되는 전극에는 상기 피처리 샘플을 고정하는 고정장치가 마련되는 것을 특징으로 하는 누설 전류형 변압기를 이용한 플라즈마 처리 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 누설 전류형 변압기는 네온 변압기 또는 냉음극 변압기인 것을 특징으로 하는 누설 전류형 변압기를 이용한 플라즈마 처리 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 플라즈마 발생 전극의 양극 또는 음극 중 적어도 어느 하나가 복수로 형성되는 것을 특징으로 하는 누설 전류형 변압기를 이용한 플라즈마 처리 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 네온 변압기 또는 상기 냉음극 변압기는 상기 가변 전원 공급기와 상기 플라즈마 발생 전극 사이에서 복수개 마련되어 병렬로 설치되는 것을 특징으로 하는 누설 전류형 변압기를 이용한 플라즈마 처리 장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 네온 변압기는 1~500V의 입력 전압과 1~25,000V의 출력 전압을 사용하는 것을 특징으로 하는 누설 전류형 변압기를 이용한 플라즈마 처리 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 가변 전원 공급기는 상기 네온 변압기에 인가되는 전압 및 전류의 세기를 아날로그 또는 디지털 방식으로 조절할 수 있는 조광기(dimmer)를 포함하는 것을 특징으로 하는 누설 전류형 변압기를 이용한 플라즈마 처리 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 가변 전원 공급기는 상기 누설 전류형 변압기에 인가되는 1차 전원을 표시하는 전류계 및 전압계를 포함하는 것을 특징으로 하는 누설 전류형 변압기를 이용한 플라즈마 처리 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 챔버를 접지하도록 상기 챔버 내에 설치되는 접지 전극; 을 더 포함하는 누설 전류형 변압기를 이용한 플라즈마 처리 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 접지 전극에는 상기 피처리 샘플을 고정하는 고정장치가 마련되는 것을 특징으로 하는 누설 전류형 변압기를 이용한 플라즈마 처리 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 배기부는,
    상기 챔버 내부의 압력을 조절하는 적어도 하나의 압력 조절 밸브와,
    로터리 펌프, 부스터 펌프 및 드라이 펌프를 포함하는 저진공 펌프 또는 터보 분자 펌프, 확산 펌프 및 크라이오 펌프를 포함하는 고진공 펌프 중 적어도 하나로 마련되는 진공 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 누설 전류형 변압기를 이용한 플라즈마 처리 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 발생 전극에 의해 발생하는 플라즈마의 밀도와 세기를 조절하도록 상기 챔버 내부에 마련되는 부전극; 을 더 포함하는 누설 전류형 변압기를 이용한 플라즈마 처리장치.
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