KR100493948B1

KR100493948B1 - 플라즈마 발생 장치

Info

Publication number: KR100493948B1
Application number: KR10-2004-0087111A
Authority: KR
Inventors: 송석균; 이수재
Original assignee: 송석균; 이수재
Priority date: 2004-10-29
Filing date: 2004-10-29
Publication date: 2005-06-10
Also published as: KR20040103826A

Abstract

본 발명은 플라즈마 발생 장치에 관한 것으로서, 소정의 작업 가스를 주입하기 위한 가스 주입관이 부착된 가스 용기에 적어도 하나 이상의 튜브형 구멍을 갖는 판 형태의 전극을 형성하며, 상기 판 형태의 전극과 대향되는 부분에 상대 전극을 배치하고, 상기 판 형태의 전극과 상대 전극 사이에는 판 형태의 절연체 전극 캡을 설치하되, 상기 판 형태의 절연체 전극 캡의 상기 판 형태의 전극의 튜브형 구멍과 상응하는 각 위치에는 플라즈마가 방출될 수 있는 소정의 구멍을 갖도록 형성하여 상기 구멍을 통하여 상기 판 형태의 전극과 상기 상대 전극 사이로 플라즈마를 발생시킨다.

Description

플라즈마 발생 장치{PLASMA DISCHARGE DEVICE}

본 발명은 플라즈마 발생장치에 관한 것으로서, 특히 저압뿐만 아니라 상압 상태에서도 전도성 또는 비전도성 재료의 표면 처리 또는 코팅을 할 수 있도록 구성되는 플라즈마 발생장치에 관한 것이다.

플라즈마(plasma)는 고도로 전리되어 (+)이온과 (-)전자가 동일한 밀도로 존재하여 전기적으로 균형을 이루어 중성이 되어 있는 상태를 말하며, 방전관등을 예로 들수 있다.

일반적인 플라즈마 발생장치는 전원이 공급되는 전원 공급부에 기판 또는 타겟을 연결하고, 상기 기판 또는 타겟을 소정의 챔버에 넣고, 소정의 진공처리수단에 의해 상기 챔버를 진공상태로 만든후 수행한다. 그러나 상기와 같은 플라즈마 발생장치는 진공상태에서 공정을 수행해야 하며, 비교적 적은 면적의 시편에만 개질 또는 증착시키기 때문에 그 용도에 한계가 발생하게 되었다.

따라서, 최근에는 상압인 대기압 대면적 플라즈마 발생장치들이 많이 개발되고 있는 실정이다. 상기 대기압 대면적 플라즈마 발생장치들로는 AC 배리어(barrier) 타입 (T. Yokoyama, M. Kogoma, T. Moriwaki, and S. Okazaki, J. Phys. D: Appl. Phys. V23, p1125 (1990)), (John R. Roth, Peter P. Tsai, Chaoyu Lin, Mouuir Laroussi, Paul D. Spence, "Steady-state, Glow discharge plasma", US patent 5,387,842 (Feb. 7, 1995), "One Atmosphere, Uniform Glow Discharge Plasma", US patent 5,414,324 (May 9, 1995)), 저항체 타입 (Yu. S. Akishev, A. A. Deryugin, I. V. Kochetov, A. P. Napartovich, and N. I. Trushkin, J. Phys. D: Appl. Phys. V26, p1630 (1993)), 천공된 유전체(Perforated Dielectric) 또는 세관(Capillary) 타입 (Erich E. Kunhardt, Kurt H. Becker, "Glow plasma discharge device having electrode covered with perforated dielectric", US patent 5,872,426 (Feb. 16, 1999))등이 있다. 각각의 방법에서 중요한 장단점을 나타내면 하기와 같다.

일본 등에서 발표한 AC 배리어(barrier) 타입은 균일한 플라즈마를 형성하지만 플라즈마 밀도가 낮으며 유전체에 의한 에너지 손실이 크다. 러시아에서 제안된 저항체 타입은 여러 개의 핀 캐소드(pin cathode)를 사용하였으며, 각 핀 마다 저항체 (1 mW/pin)를 붙여 대기압에서 대면적의 안정한 DC 플라즈마를 얻었다. 그러나 저항체에서 에너지의 많은 부분이 손실되어 비효율적이며, 플라즈마의 균일성도 떨어진다. 미국에서 개발한 천공된 유전체(Perforated Dielectric) 또는 세관(Capillary) 타입도 플라즈마의 균일성이 떨어지며 홀 내부 벽에서 전자와 이온이 결합하여 열이 발생하므로 에너지 손실이 발생하는 구조이다. 세관 타입의 플라즈마 밀도는 AC 배리어 타입에 비해 100배 정도까지도 높으나 금속 시료에 대해서 플라즈마 균일성이 급격히 나빠지고 플라즈마 밀도 또한 10배 이상 약해진다.

위에 언급한 바와 같이 종래의 기술은 에너지 손실이 많이 발생하며, 전도성의 금속 등의 시료에 대한 적용도 현실적으로 어려운 점이 있다. 그 이유로 첫번째로, 플라즈마의 균일도로 플라즈마가 금속 시료에서는 실 모양의(filamentary) 형태로 방전하여 비균일한 플라즈마를 형성함으로 시료를 균일하게 처리하지 못하는 문제점이 있다. 두번째로, 플라즈마 밀도가 전도성의 금속 등의 시료를 처리하여 생산 및 양산성을 가질 만큼 강하지 못하므로, 표면처리 등의 산업에 있어서 현재 주로 사용되는 곳은 비전도성의 시료이면서 표면이 약한 폴리머 시료 등에 주로 이용되고 있는 실정이다.

또한, 저압 플라즈마의 경우, 대면적에 비교적 균일한 플라즈마를 쉽게 얻을 수 있어 현재 많이 사용되고 있다. 고 밀도 플라즈마 또한 어느 정도 가능하기도 하다. 그러나 저압뿐만 아니라 상압 플라즈마에서도 자체 전류 제어는 불가능하여 전압 공급원(Power supply) 안에 전류 제어 장치 등이 있어 전류를 제어하므로 이 부분에서 에너지 손실이 발생한다. 저압 플라즈마의 경우 저압을 만들기 위한 장치 등이 고가이며, 시스템 자체가 베치 (batch) 타입이어서 공정의 연속성을 확보할 수가 없어서 고가의 생산품에 주로 적용되고 있는 실정이다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 진공상태인 저압뿐만 아니라 대기압을 포함하는 상압에서도 전도성 또는 비전도성 재료상에 고효율이면서 고밀도 대면적의 균일한 플라즈마를 발생시킬 수 있도록 구성되는 플라즈마 발생장치를 제공하는데 있다.

따라서, 본 발명은 소정의 시편을 처리하기 위한 플라즈마 발생 장치에 있어서,소정의 작업 가스를 주입하기 위한 가스 주입관이 부착된 가스 용기에 적어도 하나 이상의 튜브형 구멍을 갖는 판 형태의 전극을 형성하며, 상기 판 형태의 전극과 대향되는 부분에 상대 전극을 배치하고, 상기 판 형태의 전극과 상대 전극 사이에는 판 형태의 절연체 전극 캡을 설치하되, 상기 판 형태의 절연체 전극 캡의 상기 판 형태의 전극의 튜브형 구멍과 상응하는 각 위치에는 플라즈마가 방출될 수 있는 소정의 구멍을 갖도록 형성하여 상기 구멍을 통하여 상기 판 형태의 전극과 상기 상대 전극 사이로 플라즈마를 발생시킴을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 그리고, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1a 내지 도 1c는 본 발명에 의한 튜브형 전극에 의한 플라즈마 발생 장치 기본도로써, 도 1a는 튜브형 전극에 의한 플라즈마 발생 장치 측단면도이고, 도 1b는 튜브형 전극에 의한 플라즈마 발생 장치의 헤드 부분의 부분사시도이며, 도 1c는 튜브형 전극에 의한 플라즈마 발생장치의 저면도이다.

도 1a에 도시한 바와 같이, 본 발명에 의한 플라즈마 발생 장치는 가스 용기(11), 가스 주입관(12), 튜브형 전극(13), 작은 구멍을 갖고 있는 절연체 전극 캡(14), 시편 하측에 설치 또는 형성되는 상대 전극(15) 및 표면 처리 또는 코딩하려고 하는 시편(16)으로 구성된다. 가스 주입관(12)를 통하여 작업 가스가 주입되어 튜브형 전극(13)을 통하여 시편(16) 상부에 분사되고, 이때 튜브형 전극(13)과 상대 전극(15)에 교류 또는 직류의 전압을 인가하면 고밀도의 플라즈마(17)을 발생하는 구조이다. 이때, 상기 작업 가스로는 아르곤, 헬륨, 공기, 질소, 산소, 수증기, 메탄, 아세틸렌, 금속 유기체, 불소 계열 가스 등 다양한 가스가 사용될 수 있다. 또한, 상기 가스의 압력은 10^-5 ~ 1520 Torr 영역의 범위내에서 사용하도록 한다. 상기 튜브형 전극의 재질로는 금속, 탄소, ITO (Indium Tin Oxide), TiN (Titanium Nitride), TiC (Titanium Carbon), TiB2 (Titanium Boron) 등의 전기전도성의 물질 또는 화합물 등을 사용할 수 있다. 특히 산화제 가스를 사용할 경우 전기 전도성의 화합물로 된 튜브형 전극을 사용한다.

또한, 도 1b 및 1c에 도시한 바와 같이, 상기 튜브형 전극은 상기 튜브형 전극에서 발생하는 플라즈마가 균일하게 시편상에 처리될 수 있도록 사선으로 엇갈리게 배치하였다. 그러나 시편의 크기, 플라즈마의 침착부위에 따라 상기 튜브형 전극은 다양하게 배치될 수 있다.

본 발명에 의한 튜브형 전극은 첫 번째로는, 튜브의 끝에 형성되는 높은 밀도의 비균일 전기장에 의해 판 형태의 전극보다 breakdown 전압을 낮출 수 있다. 즉 구동 전압을 낮출 수 있다. 두 번째로는, 튜브형 전극 내부에서 플라즈마가 발생하므로 튜브 주위에 형성되는 전기장에 의해 플라즈마를 퍼지게 할 수 있다. 세 번째로는 유전체에 의한 에너지 손실을 줄일 수 있다. 기존의 보통 판 형태의 전극 등에 붙어 있는 유전체는 전류를 제어하고 균일한 플라즈마를 얻기 위해 존재하는데 문제는 유전체에서 플라즈마 에너지 중 많은 양이 손실되며, 또한 플라즈마 밀도는 유전체의 정전 용량에 의존적이어서 강한 플라즈마를 얻을 수가 없었다. 네 번째로는 튜브형 전극과 상대 전극에 교류 또는 직류의 전압을 인가하면 튜브형 전극과 시편 사이에 플라즈마가 형성되는데 튜브형 전극을 통하여 작업 가스가 분사되므로, 즉 플라즈마 내의 이온, 전자, 에너지가 높은 중성 가스 (이후, "활성가스"로 칭합니다)가 시편 표면으로 분사된다. 특히 에너지가 높은 중성 가스의 평균수명은 이온에 비해 길며, 활성가스가 존재하는 영역의 breakdown 전압이 주변 보다 낮아지게 되어 활성 가스가 존재하는 영역의 모양으로 방전이 형성된다. 즉 낮은 구동 전압을 확보할 수 있는 것이다. 작업가스의 분사는 활성 가스가 시편 표면 위에 주로 존재하게 하여 시편 표면에서 플라즈마가 형성됨으로서 필요없는 공간에서 플라즈마 발생이 축소하여 효율이 향상될 뿐만 아니라 균일한 플라즈마를 얻을 수 있다.

도 2a 내지 도 2d는 본 발명에 의한 다양한 형태의 튜브형 전극과 절연체 전극 캡의 세부도로써, 도 2a는 튜브형 전극만으로 구성된 경우, 도 2b는 튜브형 전극과 절연체 전극 캡으로 구성된 경우, 도 2c는 튜브형 전극과 절연체 전극 캡에 절연체 튜브가 전극 내부에 구성된 경우 및 도 2d는 튜브형 전극과 절연체 전극 캡에 절연체 튜브가 전극 내부에 구성되며 렌즈 및 소거 전극이 절연체 전극 캡 위에 형성된 경우를 도시한 도면이다.

도 2a는 튜브형 전극(13)만을 사용하는 것으로 구조가 매우 간단하다. 이 구조의 경우 전기적으로 비전도성의 시편을 처리할 때 매우 유용하며, 교류 전압을 사용하게 된다. 또한, 비전도성의 시편을 사용하면 플라즈마의 균일성을 확보할 수 있다. 비전도성의 시편 표면에서 전하들 간의 자기(self)적인 반발력에 의해 플라즈마가 스스로 균일하게 퍼지게 된다.

도 2b는 튜브형 전극(13)의 단부에 절연체 전극 캡(14)을 부착한 구조이다. 이 구조의 경우는 전도성 또는 비전도성 시편을 모두 처리할 수 있으나, 전도성 시편의 경우 플라즈마 균일성이 상대적으로 저하된다.

도 2c는 소정의 절연체 튜브(14b)를 튜브형 전극(13)에 삽입한 구조로써, 중심으로 집중되는 플라즈마의 발생을 억제하여 시편 표면에 어느 정도 플라즈마의 균일성을 갖게 할 수 있다.

도 2d는 절연체 전극 캡의 하부에 렌즈 및 소거 전극(13b)가 추가로 설치된 것으로서, 상기 렌즈 및 소거 전극에 인가되는 전압을 조절하여 전류를 제어하므로써, 방출되는 플라즈마의 밀도와 시편에 침착되는 플라즈마의 균일성을 확보하게 된다.

본 발명에서는 도 2b 내지 도 2d의 경우에서와 같이, 튜브형 전극의 하측상에 소정의 절연체 전극 캡을 설치하였는데, 상기 절연체 전극 캡의 중요한 기능은 하기와 같다.

첫 번째는 전류를 제어할 수 있어 기하학적 구조에 따라 원하는 전류밀도로 작동시킬 수 있다. 예로서 전도성 시편인 경우, 기존에는 전류를 제어하기 위해 T. Yokoyama 등이 개발한 유전체를 사용하는 AC 배리어 타입이나, Yu. S. Akishev 등이 개발한 저항체 타입에서처럼 유전체나 또는 저항을 사용하지 않아도 된다는 것이다. 또한, Erich E. Kunhardt 등이 개발한 천공된 유전체(Perforated Dielectric) 또는 세관(Capillary) 타입은 약간의 전류 제어는 가능하지만 완전하지 못하여, 유전체나 저항체로 전류를 제어하는 별도의 장치가 없으면 안 된다. 만일 천공된 유전체 또는 세관의 직경이 대략 전자의 mean free path 길이 보다 적으면 세관 내부에 플라즈마가 형성되지 못하여 기존의 유전체 타입인 AC 배리어 타입과 같은 상태가 되며, 만일 세관의 직경이 대략 전자의 mean free path 길이 보다 크다면 플라즈마가 아크로 전이되며 다른 지역에서의 플라즈마는 발생하지 못하므로 사용이 어렵게 된다. 하지만 본 발명의 절연체 전극 캡의 경우에는 안전하게 전류를 제어할 수 있다.

두 번째는 도 2b에서 처럼 절연체 전극 캡의 열려진 구멍의 직경 D2가 튜브형 전극의 내경 D1 보다 작음으로서 튜브형 전극 말단에서 발생하는 전자 또는 이온의 진행을 조절함으로서 보다 균일한 플라즈마를 형성할 수 있게 해준다. 만일, 전도성 시편을 사용하고 만일 절연체 전극 캡이 없으면 (도 2a의 구조) 튜브형 전극 말단에서 플라즈마가 주로 발생하여 매우 비균일한 실 모양 (filamentary) 모드의 플라즈마가 형성되어 유용하지 못하다.

세 번째는, 절연체 전극 캡의 작은 열려진 구멍에서 플라즈마 밀도는 매우 높은 상태로 플라즈마 자체의 potential에 의해 self 반발력으로 플라즈마는 밀도가 낮은 쪽으로 확산하게 된다. 즉 절연체 전극 캡의 밖으로 플라즈마가 퍼지게 되므로 시편에서 균일한 플라즈마를 확보할 수 있다.

네 번째는 절연체 전극 캡의 작은 구멍으로 인해 작업 가스를 절약할 수 있다.

절연체 전극 캡에 의해 전류가 제어되는 원리를 하기와 같은데, 하나는 전류의 자기 (Self) 제어 기능이다. 그 원리는 도 2b 또는 도 2c, 특히 도 2c의 구성을 갖는 경우에 도 3a 내지 도 3f와 도 4a 및 도 4b의 설명도 및 그래프를 참조하여 설명하고자 한다.

도 3a 내지 도 3f는 도 2c의 구성에 있어서, 교류 전원이 인가되었을 때 절연체 전극 캡에 의한 전류의 자기 (Self) 제어 설명도이고, 도 4a와 도 4b는 상기 도 3a 내지 도 3f의 각 상태에 따라 대응되는 교류전원의 평형에서의 위치를 도시한 도면이다.

예로서 도 3a에서 튜브형 전극이 음극이면, 플라즈마 발생 초기에 튜브형 전극으로부터 전자가 방출하여 플라즈마가 생성되기 시작한다. 점점 강한 방전 (도 4a 및 도 4b의 a상태)으로 진행되면 전기장에 의해 절연체 전극 캡의 안쪽 면 A (도 2b에 도시됨)의 표면에 전자가 도 3b에서 처럼 점점 축적되어 음극인 튜브 전극과 절연체 전극 캡(14)의 안쪽 면 A 사이에서 전기장이 점점 소멸됨으로 어느 순간에 도달되면 플라즈마가 중단(도 4a 및 도 4b의 b상태) 된다. 즉 플라즈마 밀도가 증가하는 것에 비례하여 절연체 전극 캡(14)의 안쪽 면 A에 전하가 쌓이게 되어 플라즈마가 아크로 전이되는 것을 스스로 자기(Self) 제어하게 된다. 도 3c도에서처럼 튜브 전극이 양극으로 상대 전극이 음극으로 바뀌면 절연체 전극 캡(14)의 안쪽 면 A의 표면에 축적된 전자들이 튜브 전극으로 방전하여 축적된 전자들이 소거되고 (도 4a 및 도 4b의 c상태), 이어서 도 3d처럼 상대 전극과 튜브 전극 사이에 플라즈마가 진행하여(도 4a 및 도 4b의 d상태), 플라즈마의 밀도가 점점 높아지면 절연체 전극 캡(14)의 안쪽 면 A의 표면에 양전하 이온이 도 3e처럼 점점 축적되어 양극인 튜브 전극과의 전기장을 소멸시키게 되므로 플라즈마가 중단된다.(도 4a 및 도 4b에서 e상태) 그후, 도 3f에서 처럼 튜브 전극이 음극으로, 상대 전극이 양극으로 바뀌면 절연체 전극 캡(14)의 안쪽 면 A의 표면에 축적된 양전하 이온이 음극의 튜브 전극과 방전하여 소거(도 4a 및 도 4b의 f상태) 된다. 이와 같이 도 4a 및 도 4b의 a ∼ f 과정을 계속적으로 반복하여 진행한다. 전류를 제어하여 전류의 양을 결정하는 중요한 인자는 절연체 전극 캡(14)의 안쪽 면 A의 표면 면적과 그 기하학적인 구조이다.

도 5a 내지 도 5d는 도 2d의 구성에 있어서, 튜브형 전극과 상대 전극에 직류 전원이 인가되었을 때 펄스형 소거 전원에 의해 절연체 전극 캡(14)에서 전류의 자기 (Self) 제어를 설명하는 도면이다. 또한, 도 6은 상기 도 5a 내지 도 5d의 각 상태에 대응되는 소거 전원의 파형에서의 위치를 나타낸 도면으로, 여기서 Vt는 튜브형 전극에 인가된 직류 전압이고 Ve는 렌즈 및 소거 전극에 인가된 펄스형 전압을 나타낸 것이다. 또한, 도 5a는 도 6에서 a에, 도 5b는 도 6에서 b에, 도 5c는 도 6에서 c에, 도 5d는 도 6에서 d에 대응되는 상태이다. 이 경우 전류가 제어되는 원리는 하기와 같다.

도 5a에서 플라즈마가 발생하여 밀도가 점점 증가하면 렌즈 및 소거 전극(13b)에 의해 절연체 전극 캡(14) 안쪽 면 A에 점점 이온이 축적된다. 이 때의 렌즈 및 소거 전극은 플라즈마에 대해 렌즈의 역할을 하여 플라즈마를 퍼지게 하면서 동시에 이온을 축적하는 역할을 한다. 이 상태는 도 6에서 a 과정에 해당된다.

그후, 절연체 전극 캡(14) 안쪽 면 A에 이온이 충분히 축적이 되면 튜브형 전극(13) 내부에 전기장이 약해져 도 5b에서 처럼 플라즈마가 중단된다. 즉, 플라즈마가 과 전류의 아크로 전이되기 전에 중단된다. 이 상태가 도 6에서 b 과정이다. 렌즈 및 소거 전극(13b)에 도 6에서 c상태와 같이 펄스 전압이 인가되면 도 5c에서 처럼 절연체 전극 캡(14) 안쪽 면 A에 쌓여있는 이온이 튜브형 전극(13)과 방전하여 절연체 전극 캡 안쪽 면 A에 쌓여있던 이온이 소거된다. 이 때의 렌즈 및 소거 전극(13b)은 소거의 기능을 한다. 도 6에서 d 위치에서는 도 5d에서 나타내는 바와 같이 절연체 전극 캡(14) 안쪽 면 A에 약간의 이온만을 남기게 된다. 다시 렌즈 및 소거 전극(13b)에 도 6에서 a 상태로 전압이 떨어지면 도 5a에서 처럼 방전을 시작한다. 상술한 바와 같이, 렌즈 및 소거 전극(13b)에 펄스가 인가되는 것에 따라 도 6의 a ∼ d 과정을 반복하여 진행한다. 여기서 전류의 양을 결정하는 중요한 인자는 절연체 전극 캡(14)의 안쪽 면 A의 표면 면적과 그 기하학적인 구조이며, 또한 렌즈 및 소거 전극(13b)의 전압을 조절하여 전류를 제어할 수 있다.

전류를 제어하는 다른 하나의 원리는, 예를 들면 도 2b에 도시한 절연체 전극 캡(14)열려진 구멍의 직경 D2의 크기를 조절하여 전류를 제어하는 것이다. 도 2b에서 절연체 전극 캡(14)의 열려진 구멍의 끝이, 즉 도 10a에서 (L3-L1)의 길이가 0 이거나 전자의 mean free path 길이 보다 작으면 열려진 구멍의 직경 D2가 전자의 mean free path 길이 보다 작더라도 전자나 이온이 흐를 수 있게 되어 플라즈마가 연속적으로 형성할 수 있게 된다. 플라즈마 형성시, 튜브형 전극과 상대 전극에 일정한 포텐셜(potential)이 가해지게되면 일정한 전기장에 의해 전자 또는 이온의 평균 속력은 일정하게 된다. 플라즈마 자체는 항상 포텐셜(potential)을 가져, 플라즈마의 자기(self) 반발력에 의해 플라즈마는 확산하게 되므로, 제한된 작은 열려진 구멍 면적 안에서 존재하는 플라즈마의 밀도는 유한하게 된다. 즉, 플라즈마의 유한한 밀도와 일정한 속력은 결국 일정한 전류를 의미하는 것이고, 즉 절연체 전극 캡(14)의 열려진 구멍의 직경을 조절함으로서 플라즈마의 전류를 제어할 수 있음을 의미하는 것이다. 특히 이와 같이 작은 구멍 크기는 작업 가스를 절약할 수 있어 좋다.

상술한 바와 같이, 절연체 전극 캡(14)의 역할은 매우 중요하다. 작업환경의 압력과 가스 종류에 따라 전자의 mean free path가 다르므로 절연체 전극 캡의 열려진 구멍의 직경 D2는 일반적으로 상압에서부터 진공상태일 경우 0.005 - 50 mm 정도를 사용할 수 있다.

도 7은 본 발명에 의한 도 2b의 전극 형태에서 컴퓨터로 시뮬레이션 하여 플라즈마의 분포도를 나타낸 도면이고, 도 8은 본 발명에 의한 도 2c의 전극 형태에서 컴퓨터로 시뮬레이션 하여 플라즈마의 분포도를 나타낸 도면이며, 도 9는 본 발명에 의한 도 2d의 전극 형태에서 컴퓨터로 시뮬레이션 하여 플라즈마의 분포도를 나타낸 도면이다.

도 7의 컴퓨터 시뮬레이션에서 보듯이 비 전도성이 아닌 전도성 시편(15)를 사용하는 경우 도 2b의 구조와 같이 절연체 전극 캡(14)만으로는 플라즈마의 균일성을 확보에 다소 어려움이 있음을 보여주고 있다. 도 7에 도시한 바와 같이, 중심에 플라즈마(17)의 밀도가 높은 것을 알 수 있다.

상기와 같은 점을 개선하기 위하여 도 2c에 나타낸 것처럼 절연체 튜브(14b)를 튜브형 전극(13) 안에 삽입하여 중심으로 집중되는 플라즈마의 발생을 억제하여 시편 표면에서 플라즈마의 균일성을 갖게 하였다. 절연체 튜브(14b)가 삽입되었을 때 컴퓨터 시뮬레이션을 하여 도 8에 나타내었다. 전도성 시편(15)에서도 균일한 플라즈마(17)가 발생하는 것을 나타낸다. 균일한 플라즈마를 얻기 위하여 튜브형 전극(13)의 내부의 노출된 전극 길이 L2가 매우 중요하다. 그 L2 길이는 튜브형 전극 내경 D1의 0.8에서 1.4배 이내의 영역에서 균일한 플라즈마를 확보할 수 있다.

또한, 도 2d는 도 2c에서 절연체 전극 캡(14) 위에 렌즈 및 소거 전극(13b)를 형성 또는 설치한 것이다. 렌즈 및 소거 전극(13b)의 중요성은, 첫 번째는 앞에서 상술한 바와 같이, 렌즈 및 소거 전압을 조절함으로서 플라즈마의 전류를 조절할 수 있다. 두 번째는 전기장을 렌즈 및 소거 전극(13b)에 의해 변형 시켜 플라즈마를 퍼지게 하여 균일한 플라즈마를 얻거나, 반대로 플라즈마를 작은 면적으로 집중시킬 수 있다. 세 번째는 튜브형 전극(13)과 렌즈 전극(13b) 사이에 강한 전기장을 유도하여 구동 전압과 유지 전압을 낮출 수 있다. 도 9는 컴퓨터 시뮬레이션에 의해 렌즈 및 소거 전극(13b)에 의해 플라즈마(17)이 도 8의 플라즈마의 경우보다 좀더 확산되는 것을 나타낸다. 튜브형 전극(13) 과 렌즈 및 소거 전극(13b) 사이의 전기장 역시 도 8의 경우보다 조밀하게 형성되어 있음을 알 수 있다. 도 2d에서 L3는 튜브형 전극(13)의 말단으로부터 렌즈 및 소거 전극(13b)까지의 거리이며, L4는 렌즈 및 소거 전극(13b)의 두께이고, D3는 렌즈 및 소거 전극(13b)의 내경을 나타낸다. 플라즈마의 확산 정도는 L3, L4, D3와 관련되며, D3의 크기는 항상 절연체 전극 캡(14)의 열려진 구멍 직경 D2 보다 커야 한다.

도 10a 내지 도 10j는 절연체 전극 캡 14의 다양한 구조의 단면도를 나타낸 것이다. 앞에서 언급한 바와 같이 절연체 전극 캡의 기하학적인 구조는 전류의 양을 결정하여 플라즈마 밀도와 균일성을 조절할 수 있다. 도 10a 내지 도 10j에서 L3-L1의 길이가 크면 플라즈마는 많이 퍼지지 못하며 에너지 손실도 증가한다. 따라서, 도 10j의 경우는 반대로 플라즈마가 모이게 하는 구조이다.

도 10a 및 도 10b의 경우에는 절연체 전극 캡(200, 210)의 튜브형 전극 삽입구(201, 211)에서 플라즈마가 방출되는 구멍(202, 212)까지 하나의 단(203, 213)이 형성된 형상을 도시한 것이다.

도 10a의 경우, 튜브형 전극 삽입구(201)에서 구멍(202)의 내주면이 시작되는 부분까지 소정의 각도로 경사지도록 형성되어 있다.

또한, 도 10b는 차단(214)이 튜브형 전극 삽입구(211)에서 경사면을 갖지 않고 수평으로 형성된 후, 플라즈마가 방출되는 구멍(212)까지 일정 경사면을 갖도록 (213)이 형성되는 구조를 갖는다.

도 10c 및 도 10d의 경우에는 절연체 전극 캡(220, 230)의 튜브형 전극 삽입구(221, 231)에서 플라즈마가 방출되는 구멍(222, 232)까지 두 개의 단이 형성된 형상을 도시한 것이다.

도 10c의 경우 1차단(223)이 튜브형 전극 삽입구(221)에서 경사면을 갖지 않고 수평으로 형성된 후, 그 하측상에 플라즈마가 방출되는 구멍(222)까지 일정 경사면을 갖도록 2차단(224)이 형성되는 구조를 갖는다.

또한, 도 10d는 1차단(233)과 2차단(234)이 모두 경사면을 갖지 않고 수평으로 형성된 것을 도시하였다. 물론, 도 10c 및 도 10d는 모두 플라즈가 방출되는 구멍(222, 232)이 일정 깊이 L3-L1을 갖도록 형성하였다.

도 10e의 절연체 전극 캡(240)는 경사면을 갖지 않고 튜브형 전극 삽입구(241)에서 플라즈마가 방출되는 구멍(242)으로 직접 연장되도록 형성되는 하나의 수평형 단(243)을 갖도록 형성하였으며, 이경우, L1이 절연체 전극 캡(240)의 플라즈마가 방출되는 구멍(242)의 깊이가 된다.

도 10f 및 도 10g는 절연체 전극 캡(250, 260)의 튜브형 전극 삽입구(251, 261) 내측에 하나의 단(253, 263)을 가지며, 하측면은 소정의 원추형 홈(254, 264)을 형성시킨 구조를 갖는데, 상기 원추형 홈(254, 264)의 직경은 상기 절연체 전극 캡(250, 260)의 직경보다 작도록 형성되어 있다.

10f의 경우 튜브형 전극 삽입구(251)의 단이 진 부분(253)과 원추형 홈(254)이 끝나는 부분이 한점에서 만나도록 형성되어 있으므로, 플라즈마가 방출되는 구멍(252)의 깊이가 없도록 형성되어 있으며, 이 경우, L3-L1은 상기 원추형 홈의 플라즈마가 방출되는 구멍까지의 깊이가 된다.

도 10g의 경우에는 원추형 홈(264)이 끝나는 부분과 절연체 전극 캡(260)의 내부에 형성된 단(263)이 끝나는 부분이 만나지 않도록 형성되므로써, 플라즈마가 방출되는 구멍(262)이 어느 정도의 깊이를 갖도록 형성한 것이다.

도 10h는 절연체 전극 캡(270)의 하측 부분이 돌출된 원추형으로 형성되어 있으며, 내측단(273)은 상기 돌출된 원추형 부분과 각도는 같지 않더라도 상응하는 방향으로 형성된다.

도 10i는 단이 형성되지 않고, 절연체 전극 캡(280)의 튜브형 전극 삽입구(281)와 플라즈마가 방출되는 구멍(282)의 직경이 일치하도록 형성한 것이다.

도 10j는 단이 형성되지 않고, 절연체 전극 캡(290)의 튜브형 전극 삽입구(291)보다 플라즈마가 방출되는 구멍(292의 직경이 더 크도록 형성하고, 상기 구멍(292)의 단면은 원추형 홈의 형상을 갖도록 하였다.

도 11a 및 도 11b는 본 발명의 다른 실시예에 의한 일체형 절연체 전극 캡 타입의 플라즈마 발생 장치도로써, 도 11a는 일체형 절연체 전극 캡 타입의 플라즈마 발생 장치 측단면도이고, 도 11b는 렌즈 및 소거 전극이 있는 일체형 절연체 전극 캡 타입의 플라즈마 발생 장치 측단면도이다.

도 11a는 절연체 전극 캡(114)이 하나의 일체형으로 여기에 적어도 하나 이상의 구멍 D2를 형성하며, 구멍의 구조는 도 10a 내지 도 10j에서 처럼 다양한 구조로 형성할 수 있다. 도 11b는 도 11a에서 렌즈 및 소거 전극(13b)와 이의 고정을 위한 절연체 판(111b)가 추가된 도면이다.

도 12a 및 도 12b는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 구멍이 있는 판형 전극에 일체형 절연체 전극 캡이 적용된 상태의 플라즈마 발생장치를 도시한 도면으로써, 도 12a는 구멍이 있는 판형 전극에 일체형 절연체 전극 캡 타입의 플라즈마 발생 장치 측면의 단면도이고, 도 12b는 렌즈 및 소거 전극이 있는 구멍이 있는 판형 전극에 일체형 절연체 전극 캡 타입의 플라즈마 발생 장치 측면의 단면도이다.

도 12a는 상술한 튜브형 전극 대신에 판 형태의 전극(123)에 적어도 하나 이상의 구멍을 갖게 만들며, 여기에 판 형태의 절연체 전극 캡(124)를 조립한 것이다. 이 구조는 제작은 쉬우나 교류 전원에서는 에너지 손실이 있어 직류 전원을 사용할 때 유리하다. 도 12b는 도 12a에서 렌즈 및 소거 전극(13b)가 추가되어 있는 구조로 절연체 판(121b)는 렌즈 및 소거 전극(13b)를 고정하기 위한 것이다.

도 13a 및 도 13b는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 개별 전압인가 튜브 타입 플라즈마 발생 장치도로써, 도 13a는 개별 전압인가 튜브 타입 플라즈마 발생 장치 측면의 단면도이고, 도 13b는 개별 전압인가 튜브 타입 플라즈마 발생 장치의 헤드 부분의 입체도이다.

도 13a 및 도 13b에 도시한 바와 같이, 교류 전원 공급 장치(131)로부터 전원이 공급되면 고압 분배 장치(132)에서 고압의 개별 전원을 발생하여 각 전선(133)을 통하여 각각 튜브 전극(13)마다 개별적으로 고압의 전원을 공급하는 형태이다. 이 구조의 특징은 절연체 전극 캡의 모양에 상관없이 플라즈마 전류를 전기적으로 제어할 수 있다. 고압 분배 장치(132)의 회로구성을 갖는 세부도를 도 14a 및 도 14b에 도시하였다. 교류 전원 공급 장치(131)로부터 교류 전원이 공급되면 고압 변압기(141)에서 고압의 교류를 발생하며, 고압은 쵸크코일(142)를 거치며 플라즈마 전류가 제어된다. 도 14a 및 14b에서 부호 143은 절연 오일을, 144는 고압 분배 장치 용기이다. 도 14a에서 쵸크코일(142)를 통하여 나온 전류는 직류 정류기(145)와 축전기(146)을 통하여 직류 고압으로 바뀌어 각각의 튜브 전극(13)으로 공급된다. 도 14b에서는 각각의 쵸크 코일(142)에서 나온 고압의 교류 전원이 각각의 튜브 전극(13)으로 직접 연결된다.

도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 반응로가 있는 튜브형 전극에 의한 플라즈마 발생 장치 측면의 단면도로써, 작업 가스가 가스 주입관(12)를 통하여 들어오면 절연체 용기(151) 내부에서 발생하는 1차 반응로 플라즈마(154)에 의해 화학 반응 또는 활성화되며, 튜브형 전극(13)을 통하여 시편(16) 표면으로 플라즈마(17)과 같이 분사된다. 시편 표면 개질 또는 증착할 때 쓰인다. 반응로 전극(152)는 절연체 용기(151) 안에 잠겨 있다. 여기서, 부호 153은 튜브형 전극을 고정시키는 금속 판, 155는 전원 공급 장치이다.

도 16a 및 도 16b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 동일평면형(coplanar) 상대전극 구조의 일체형 절연체 전극 캡 타입의 플라즈마 발생 장치도로써, 도 16a는 동일평면형 상대전극이 노출된 일체형 절연체 전극 캡 타입의 플라즈마 발생 장치 측면의 단면도이고, 도 16b는 동일평면형 상대전극이 유전체 내부에 잠긴 형태의 일체형 절연체 전극 타입의 플라즈마 발생 장치 측면의 단면도이다.

도 16a 동일 평면형으로 배치된 상대전극(165)가 노출된 구조로, 시편(16)이 비전도성 재료일지라도 그 위에 강한 플라즈마를 형성할 수 있다. 즉, 도 11과 같은 대향형 전극 구조에서 만일 시편(16)이 비전도성 재료이면 이 재료의 유전률 및 두께에 의해 플라즈마 전류를 제어하게 되어 플라즈마 상태가 재료에 의존적일 수밖에 없으며 일반적으로 강한 플라즈마를 얻을 수 없다. 그러나, 도 16a에서와 같은 전극이 동일 평면형(Coplanar) 구조에서는 시편(16)의 재료 상태와 무관하게 강한 일정한 플라즈마를 확보할 수 있는 구조이다. 도 16b는 동일 평면형 상대전극(165)가 유전체 내부에 잠긴 형태의 구조로, 그 특징은 도 16b의 플라즈마 밀도보다는 약하지만 보다 균일한 플라즈마를 확보할 수 있는 장점이 있다.

도 17a 및 도 17b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 동일평면형 상대전극 구조에 렌즈 및 소거 전극이 있는 일체형 절연체 전극 캡 타입의 플라즈마 발생 장치 측면의 단면도로써, 도 17a는 동일평면형 상대전극이 노출된 구조에 렌즈 및 소거 전극이 있는 일체형 절연체 전극 캡 타입의 플라즈마 발생 장치 측면의 단면도이고, 도 17b는 동일평면형 상대전극이 유전체 내부에 잠긴 형태의 구조에 렌즈 및 소거 전극이 있는 일체형 절연체 전극 캡 타입의 플라즈마 발생 장치 측면의 단면도이다. 도 17a의 경우는 렌즈 및 소거 전극(13b)가 있어서 구동 전원을 DC로 작동할 수 있으며 렌즈 및 소거 전극(13b)의 역할에 의해 도 16의 장치보다 균일한 플라즈마를 얻을 수 있는 장점이 있다. 도 17b의 경우는 도 17a의 경우 보다 플라즈마 밀도는 약하나 보다 균일한 플라즈마를 확보할 수 있다.

도 18a 및 도 18b는 가스 분출구를 갖는 동일평면형 전극 구조의 플라즈마 발생 장치도로써, 도 18a는 상대전극이 노출된 타입의 플라즈마 발생 장치 측면의 단면도이고, 도 18b는 상대전극이 유전체 내부에 잠긴 타입의 플라즈마 발생 장치 측면의 단면도이다. 도 18a의 구조는 노출된 상대전극(185)에 의해 강한 플라즈마를 형성할 수 있으며, 가스 분출구(168)로부터 분출되는 가스에 의해 처리 시편 표면에서만 플라즈마를 형성하게 됨으로서 필요 없는 공간에서 플라즈마 형성을 억제하여 효율이 증가하고 또한 균일한 플라즈마를 얻을 수 있다. 도 18b는 도 18a의 경우보다는 플라즈마 밀도가 낮으나 보다 균일한 플라즈마를 얻는 구조이다. 특히 산소 등과 같은 산화제 가스를 사용하여도 유전체 안에 잠긴 전극(185, 189)에 손상이 가해지지 않으므로 반응성 가스를 사용할 때 적합한 구조이다.

도 19a 내지 도 19c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 2종 가스 사용 타입의 플라즈마 발생 장치도로써, 도 19a는 2종 가스 사용의 동일평면형 상대전극이 노출된 일체형 절연체 전극 캡 타입의 플라즈마 발생 장치의 측단면도이고, 도 19b는 2종 가스 사용의 동일평면형 상대전극이 노출된 구조에 렌즈 및 소거 전극이 있는 일체형 절연체 전극 캡 타입의 플라즈마 발생장치의 측단면도이며, 도 19c는 2종 가스 사용의 상대전극이 노출된 타입의 플라즈마 발생 장치의 측단면도이다.

도 19a는 도 16a에서 다른 가스(other gas) 챔버(194)와 다른 가스 전달 관(195)가 추가된 구조이고, 도 19b와 도 19c는 도 17a와 도 18a에서 도 19a와 같이 다른 가스 구조가 추가된 구조이다.

도 19a 및 도 19b에서 작업 가스가 가스 주입관(12)을 통하여 주입되어 작업 가스 챔버(193) 안을 작업 가스로 채워지고 튜브형 전극(13)을 통하여 시편 표면 위로 분사된다. 또한 동시에 다른 가스가 다른 가스 주입관(191)을 통하여 다른 가스 챔버(194) 안에 주입되며 다른 가스 전달 관(195)을 통하여 다른 가스 분출 구멍(196)에서 시편(16) 위로 분출된다. 여기서 작업 가스의 Breakdown 전압이 다른 가스의 Breakdown 전압보다 낮은 가스를 선택한다.

작업 가스의 Breakdown 전압 〈 Other 가스의 Breakdown 전압이 되도록 한다.

튜브형 전극(13)과 동일 평면형 상대전극(165) 사이에 작업 가스의 Breakdown 전압보다는 높고 다른 가스의 Breakdown 전압보다는 낮은 전압을 인가하면 플라즈마는 Breakdown 전압이 높은 다른 가스 영역(197)에서는 발생되지 못하며, Breakdown 전압이 낮은 작업 가스가 존재하는 시편 표면 위에만 플라즈마를 형성할 수 있다. 즉, 작업 가스와 다른 가스의 분사 속도를 조절함으로서 플라즈마의 두께를 조절할 수 있는 구조이다. 필요한 가장 적은 공간에서만 플라즈마를 발생하게 하여 에너지 효율을 극대화시킬 수 있는 구조이다. 도 19c에서도 작업 가스가 상대전극(185)를 통하여 형성되어 있는 작업 가스 분출 구멍(198)을 통하여 분사되며 작동 원리나 특징은 상술한 바와 동일하다.

한편, 본 발명의 상세한 설명에서 다양한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.

본 발명에 의한 플라즈마 발생장치는 판형 전극과, 그 단부에 절연체 전극 캡 형태의 구멍을 사용하여 전류를 자기(self)제어 할 수 있기 때문에 저압은 물론 상압에서 전도성 또는 비 전도성 시편상에 균일하고 고밀도의 플라즈마를 방출시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1a 내지 도 1c는 본 발명에 의한 튜브형 전극에 의한 플라즈마 발생 장치 기본도로써,

도 1a는 튜브형 전극에 의한 플라즈마 발생 장치 측단면도,

도 1b는 튜브형 전극에 의한 플라즈마 발생 장치의 헤드 부분의 부분사시도,

도 1c는 튜브형 전극에 의한 플라즈마 발생장치의 저면도.

도 2a 내지 도 2d는 본 발명에 의한 다양한 형태의 튜브형 전극과 절연체 전극 캡의 세부도로써,

도 2a는 튜브형 전극만으로 구성된 경우,

도 2b는 튜브형 전극과 절연체 전극 캡으로 구성된 경우,

도 2c는 튜브형 전극과 절연체 전극 캡에 절연체 튜브가 전극 내부에 구성된 경우,

도 2d는 튜브형 전극과 절연체 전극 캡에 절연체 튜브가 전극 내부에 구성되며 렌즈 및 소거 전극이 절연체 전극 캡 위에 형성된 경우를 도시한 도면.

도 3a 내지 도 3f는 본 발명에 의한 교류 전원이 인가되었을 때 절연체 전극 캡에 의한 전류의 자기 (Self) 제어 설명도.

도 4a 및 도 4b는 본 발명에 의한 도 3a에서 도 3f의 각 상태에 대응되는 교류 전원의 파형에서의 위치를 나타낸 도면으로써,

도 4a는 펄스형 파형일 때의 도면,

도 4b는 사인형 파형일 때의 도면.

도 5a 내지 도 5d는 본 발명에 의한 직류 전원이 인가되었을 때, 소거 전원에 의한 절연체 전극 캡에서 전류의 자기 (Self) 제어 설명도.

도 6은 본 발명에 의한 도 5a 내지 도 5d의 각 상태에 대응되는 소거 전원의 파형에서의 위치를 나타낸 도면.

도 7은 본 발명에 의한 도 2b의 전극 형태에서 컴퓨터로 시뮬레이션 하여 플라즈마의 분포도를 나타낸 도면.

도 8은 본 발명에 의한 도 2c의 전극 형태에서 컴퓨터로 시뮬레이션 하여 플라즈마의 분포도를 나타낸 도면.

도 9는 본 발명에 의한 도 2d의 전극 형태에서 컴퓨터로 시뮬레이션 하여 플라즈마의 분포도를 나타낸 도면.

도 10a 내지 도 10j는 본 발명에 의한 절연체 전극 캡의 다양한 구조를 도시한 단면도.

도 11a 및 도 11b는 본 발명의 다른 실시예에 의한 일체형 절연체 전극 캡 타입의 플라즈마 발생 장치도로써,

도 11a는 일체형 절연체 전극 캡 타입의 플라즈마 발생 장치 측단면도,

도 11b는 렌즈 및 소거 전극이 있는 일체형 절연체 전극 캡 타입의 플라즈마 발생 장치 측단면도.

도 12a 및 도 12b는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 구멍이 있는 판형 전극에 일체형 절연체 전극 캡이 적용된 상태의 플라즈마 발생장치를 도시한 도면으로써,

도 12a는 구멍이 있는 판형 전극에 일체형 절연체 전극 캡 타입의 플라즈마 발생 장치 측면의 단면도,

도 12b는 렌즈 및 소거 전극이 있는 구멍이 있는 판형 전극에 일체형 절연체 전극 캡 타입의 플라즈마 발생 장치 측면의 단면도.

도 13a 및 도 13b는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 개별 전압인가 튜브 타입 플라즈마 발생 장치도로써,

도 13a는 개별 전압인가 튜브 타입 플라즈마 발생 장치 측면의 단면도,

도 13b는 개별 전압인가 튜브 타입 플라즈마 발생 장치의 헤드 부분의 입체도.

도 14a 및 도 14b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 개별 전압인가 튜브 타입 플라즈마 발생장치에 대한 고압 분배 장치도로써,

도 14a는 직류 고압 분배 장치도,

도 14b는 교류 고압 분배 장치도.

도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 반응로가 있는 튜브형 전극에 의한 플라즈마 발생 장치 측면의 단면도.

도 16a 및 도 16b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 동일평면형(coplanar) 상대전극 구조의 일체형 절연체 전극 캡 타입의 플라즈마 발생 장치도로써,

도 16a는 동일평면형 상대전극이 노출된 일체형 절연체 전극 캡 타입의 플라즈마 발생 장치 측면의 단면도,

도 16b는 동일평면형 상대전극이 유전체 내부에 잠긴 형태의 일체형 절연체 전극 캡 타입의 플라즈마 발생 장치 측면의 단면도.

도 17a 및 도 17b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 동일평면형 상대전극 구조에 렌즈 및 소거 전극이 있는 일체형 절연체 전극 캡 타입의 플라즈마 발생 장치 측면의 단면도로써,

도 17a는 동일평면형 상대전극이 노출된 구조에 렌즈 및 소거 전극이 있는 일체형 절연체 전극 캡 타입의 플라즈마 발생 장치 측면의 단면도,

도 17b는 동일평면형 상대전극이 유전체 내부에 잠긴 형태의 구조에 렌즈 및 소거 전극이 있는 일체형 절연체 전극 캡 타입의 플라즈마 발생 장치 측면의 단면도.

도 18a 및 도 18b는 가스 분출구를 갖는 동일평면형 전극 구조의 플라즈마 발생 장치도로써,

도 18a는 상대전극이 노출된 타입의 플라즈마 발생 장치 측면의 단면도,

도 18b는 상대전극이 유전체 내부에 잠긴 타입의 플라즈마 발생 장치 측면의 단면도.

도 19a 내지 도 19c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 2종 가스 사용 타입의 플라즈마 발생 장치도로써,

도 19a는 2종 가스 사용의 동일평면형 상대전극이 노출된 일체형 절연체 전극 캡 타입의 플라즈마 발생 장치의 측단면도,

도 19b는 2종 가스 사용의 동일평면형 상대전극이 노출된 구조에 렌즈 및 소거 전극이 있는 일체형 절연체 전극 캡 타입의 플라즈마 발생장치의 측단면도.

도 19c는 2종 가스 사용의 상대전극이 노출된 타입의 플라즈마 발생 장치의 측단면도.

<도면의 주요 부호에 대한 설명>

11; 용기 12; 가스 주입관

13; 튜브형 전극 13b; 렌즈 및 소거 전극

14; 절연체 전극 캡 14b; 절연체 튜브

15; 상대 전극 16; 시편

17; 플라즈마 111; 용기

114; 일체형 절연체 전극 캡 판 111b; 절연체 판

121; 용기 123; 판형에 구멍이 있는 전극

124; 판 형태의 절연체 전극 캡 121b; 렌즈 및 소거 전극 고정 판

131; 교류 전원 공급 장치 132; 고압 분배 장치

133; 전선 141; 고압 변압기

142; 쵸크코일 143; 절연 오일

144; 고압 분배 장치 용기 145; 직류 정류기

146; 축전기 151; 절연체 용기

152; 반응로 전극 153; 튜브형 전극을 고정시키는 금속 판

154; 반응로 플라즈마 155; 전원 공급 장치

165; 동일 평면형 상대전극 168; 가스 분출 구멍

185; 상대전극 189; 판형 전극

191: 다른 가스 주입관 192: 다른 가스용 용기

193: 작업 가스 챔버 194: 다른 가스 챔버

195: 다른 가스 전달 관 196: 다른 가스 분출 구멍

197: 다른 가스 영역 198: 작업 가스 분출 구멍

D1: 튜브형 전극의 내경

D2: 절연체 전극 캡의 열려진 구멍 직경

D3: 렌즈 전극의 내경

A: 절연체 전극 캡의 안쪽 면

L1: 튜브형 전극의 끝으로부터 전극 캡의 가장 작게 열려진 구멍 위치까지의 거리

L2: 튜브형 전극의 내부의 노출된 전극 길이

L3: 튜브형 전극의 끝으로부터 렌즈 및 소거 전극까지의 거리

L4: 렌즈 및 소거 전극의 두께

Claims

소정의 시편을 처리하기 위한 플라즈마 발생 장치에 있어서,

소정의 작업 가스를 주입하기 위한 가스 주입관이 부착된 가스 용기에 적어도 하나 이상의 튜브형 구멍을 갖는 판 형태의 전극을 형성하며, 상기 판 형태의 전극과 대향되는 부분에 상대 전극을 배치하고, 상기 판 형태의 전극과 상대 전극 사이에는 판 형태의 절연체 전극 캡을 설치하되, 상기 판 형태의 절연체 전극 캡의 상기 판 형태의 전극의 튜브형 구멍과 상응하는 각 위치에는 플라즈마가 방출될 수 있는 소정의 구멍을 갖도록 형성하여 상기 구멍을 통하여 상기 판 형태의 전극과 상기 상대 전극 사이로 플라즈마를 발생시킴을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
제 1항에 있어서, 상기 절연체 전극 캡의 플라즈마가 방출되는 구멍은 상기 판 형태의 전극에 형성된 튜브형 구멍의 직경보다 작도록 형성함을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
제 1항에 있어서, 상기 판 형태의 전극의 튜브형 구멍의 내부에는 일정 길이의 절연체 튜브를 삽입함을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
제 1항에 있어서, 상기 판 형태의 절연체 전극 캡과 상대 전극 사이에는 소정의 렌즈 및 소거 전극이 추가로 개제됨을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
제 4항에 있어서, 상기 렌즈 및 소거 전극의 직경은 상기 판 형태의 절연체 전극 캡의 플라즈마가 방출되는 구멍의 직경보다 더 크도록 함을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
제 1항에 있어서, 상기 가스 용기의 내부에 소정의 반응로 전극을 추가로 삽입하므로써, 상기 가스 용기 안에 반응 플라즈마를 생성하도록 함을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
제 1항에 있어서, 상기 튜브형 구멍을 갖는 판 형태의 전극은 전기 전도성 재질인 금속, 탄소, ITO, TiN, TiC, TiB2 중 어느 하나를 사용함을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
제 1항에 있어서, 상기 작업 가스로는 아르곤, 헬륨, 공기, 질소, 산소, 수증기, 메탄, 아세틸렌, 금속 유기체 중 하나 또는 그 이상을 사용함을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
제 8항에 있어서, 상기 작업 가스의 압력은 10⁵ ~ 1520 Torr의 범위내에 있도록 함을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
제 1항에 있어서, 상기 판 형태의 절연체 전극 캡의 플라즈마가 방출되기 위한 구멍의 직경은 0.005 ~ 50mm의 범위에 있도록 함을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
제 1항에 있어서, 상기 판 형태의 전극과 상대 전극에 모든 파형의 교류 또는 직류 전원을 인가함을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
제 4항에 있어서, 상기 렌즈 및 소거 전극에는 펄스파 및 정현파등의 교류 또는 직류 전원을 인가함을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
소정의 시편을 처리하기 위한 플라즈마 발생 장치에 있어서,

소정의 작업 가스를 주입하기 위한 가스 주입관이 부착된 가스 용기의 적어도 한쪽면은 유전체 판으로 구성하며, 적어도 하나 이상의 판형 전극을 상기 유전체 판 내부에 잠입 설치하고, 상기 판형 전극 사이의 유전체 판상에 상대 전극을 설치하고, 상기 판형 전극과 상대 전극 사이의 유전체 판상에 적어도 하나 이상의 가스 분출구를 형성함을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
제 13항에 있어서, 상기 상대 전극은 상기 유전체 판의 면과 일치하는 동일 평면형 전극 구조를 갖도록 설치함을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
제 13항에 있어서, 상기 상대 전극은 상기 유전체 판의 내부에 잠입하도록 설치함을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
제 13항 내지 제 15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시편은 상기 판형 전극 및 상대 전극의 앞에 위치시킴을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
제 13항에 있어서, 상기 상대 전극은 전기 전도성 재질인 금속, 탄소, ITO, TiN, TiC, TiB2 중 어느 하나를 사용함을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
제 13항에 있어서, 상기 작업 가스로는 아르곤, 헬륨, 공기, 질소, 산소, 수증기, 메탄, 아세틸렌, 금속 유기체 중 하나 또는 그 이상을 사용함을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
제 18항에 있어서, 상기 작업 가스의 압력은 10⁵ ~ 1520 Torr의 범위내에 있도록 함을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
제 13항에 있어서, 상기 판형 전극과 상대 전극에 모든 파형의 교류 전원을 인가함을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
소정의 시편을 처리하기 위한 플라즈마 발생 장치에 있어서,

플라즈마 발생 전압이 작업 가스보다 높은 다른 가스를 위한 다른 가스 주입관을 갖는 다른 가스용 용기;

상기 다른 가스용 용기 내에 설치되며, 적어도 한쪽면은 유전체 판으로 구성하고, 상기 다른 가스와 섞이지 않는 작업 가스 챔버를 가지며, 작업 가스 주입관을 구비하는 작업 가스 용기;

상기 유전체 판상에 잠입 설치되는 적어도 하나 이상의 판형 전극;

상기 판형 전극 사이의 유전체 판상에 설치하는 적어도 하나 이상의 상대 전극;

상기 상대 전극과 판형 전극 사이의 유전체 판상에 적어도 하나 이상 형성되고 그 상부의 다른 가스를 전달하기 위한 다른 가스 전달관과 연장되어 다른 가스를 방출하기 위한 다른 가스 분출 구멍 및;

상기 상대 전극 사이의 유전체 판상에 적어도 하나 이상 형성되는 작업 가스 분출 구멍을 포함함을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
제 21항에 있어서, 상기 상대 전극은 상기 유전체 판의 면과 일치하는 동일 평면형 전극 구조를 갖도록 설치함을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
제 21항 또는 제 22항에 있어서, 상기 시편은 상기 판형 전극 및 상대 전극의 앞에 위치시킴을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
제 21항에 있어서, 상기 상대 전극은 전기 전도성 재질인 금속, 탄소, ITO, TiN, TiC, TiB2 중 어느 하나를 사용함을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
제 21항에 있어서, 상기 판형 전극과 상대 전극에 모든 파형의 교류 또는 펄스 전원을 인가함을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.