KR100530735B1 - High pressure plasma shower discharge device - Google Patents
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Abstract
본 발명은 플라즈마 발생 장치에 관한 것으로서, 선 형태의 전극 구조에 적절한 전류 제한 전원을 가하고 가스의 유량을 조절하여 다양한 플라즈마를 발생시키는 것으로, 구조가 간단하면서, 대면적 플라즈마 발생이 가능하다. 간단히 작업가스 유속량을 조절함으로서 다양한 플라즈마(노말 글로우, 어브노말 글로우, 코로나 플라즈마)를 활용할 수 있어 다양한 기판 처리 조건을 만족시킬 수 있다. 전류 조절에 의해 발생되는 플라즈마의 길이를 조절할 수 있을 뿐만 아니라 발생되는 플라즈마 길이가 길어 복잡한 3 차원 시편은 물론 시편 종류에 상관없이 금속, 반도체, 플라스틱, 세라믹 등 어떠한 재료도 손쉽게 세정 및 표면개질이 가능하다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a plasma generating apparatus, by applying a current-limiting power supply to a linear electrode structure and adjusting a flow rate of gas to generate various plasmas. The structure is simple and large-area plasma generation is possible. By simply adjusting the working gas flow rate, various plasmas (normal glow, of normal glow, corona plasma) can be utilized to satisfy various substrate processing conditions. Not only can control the length of plasma generated by current control but also the length of generated plasma can be easily cleaned and surface modified regardless of complex 3D specimens as well as metals, semiconductors, plastics and ceramics. Do.
Description
본 발명은 플라즈마 발생장치에 관한 것으로서, 특히 선 형태의 전극 구조에 적절한 전류 제한 전원을 연결하고 가스의 유량을 조절하여 다양한 크기 및 종류의 플라즈마를 발생시키도록 구성되는 상압 플라즈마 발생장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a plasma generator, and more particularly, to an atmospheric pressure plasma generator configured to generate a plasma of various sizes and types by connecting an appropriate current limiting power source to a linear electrode structure and adjusting a gas flow rate.
일반적으로, 플라즈마란 제4의 물질상태로 외부에서 가해진 전기장 등에 의해 생성된 이온, 전자, 라디칼 등과 중성입자로 구성되어 거시적으로 전기적 중성을 이루고 있는 물질상태이며, 이러한 플라즈마 내의 이온, 전자, 라디칼 등을 이용하여 재료의 표면 개질, 에칭, 코팅 또는 살균, 소독, 오존 생성, 염색, 폐수 및 수돗물 정화, 공기 정화, 고 휘도 램프 등의 분야에 널리 쓰이고 있다.In general, a plasma is a fourth material state consisting of ions, electrons, radicals, and neutral particles generated by an electric field applied from the outside to form a macroscopic electric neutrality, such as ions, electrons, radicals, etc. in the plasma. It is widely used in the fields such as surface modification of materials, etching, coating or sterilization, disinfection, ozone generation, dyeing, wastewater and tap water purification, air purification, high brightness lamps and the like.
이러한 플라즈마는 발생 압력에 따라 저압(수 mmTorr ∼ 수십 Torr) 플라즈마와 상압(수 십 Torr ∼ 760 Torr) 플라즈마로 구분할 수 있다.The plasma may be classified into a low pressure (several mm Torr to several tens Torr) plasma and an atmospheric pressure (several Torr to 760 Torr) plasmas according to the generated pressure.
이중 저압 플라즈마는 플라즈마의 생성이 용이하나 저압의 상태를 유지하기 위한 진공 챔버, 배기 장치 등의 비용이 고가이며, 배치 타입(batch type)의 제품 투입 방식으로 인해 대량 처리에 한계가 있다. 반면에 대기압 플라즈마는 대기압 (760 Torr) 상태에서 플라즈마를 생성시키므로 고비용의 진공 시스템이 필요하지 않고, 연속 공정이 가능하여 대량 생산에 많은 이점이 있다.The dual low pressure plasma is easy to generate plasma, but the cost of a vacuum chamber, an exhaust device, etc. for maintaining a low pressure state is expensive, and there is a limitation in mass processing due to a batch type product input method. On the other hand, since atmospheric plasma generates plasma at atmospheric pressure (760 Torr), an expensive vacuum system is not required, and a continuous process is possible, which has many advantages in mass production.
대기압에서 아크 방전을 억제시키면서 플라즈마를 발생시키는 방법으로 유전체 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)),이 가장 일반적으로 사용되고 있다.Dielectric barrier type (T, Yokoyama, M. Kogoma, T. Moriwaki, and S. Okazaki, J. Phys. D: Appl. Phys. V 23 , as a method of generating plasma while suppressing arc discharge at atmospheric pressure) 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)), are the most commonly used.
평판 유전체를 사용하는 AC 배리어 타입은 적절한 전극 간격을 가지는 상, 하 전극 양면 또는 일면에 아크 방전을 억제하는 알루미나 등의 세라믹 유전체를 삽입하고 고압 AC 또는 DC pulse 전압을 가하여 대기압 플라즈마를 발생시키는 방법이다. 하지만, 유전체로 세라믹 등을 이용하므로 열에 약한 단점을 가진다. 또한 유전체에서 벽전하로 인하여 많은 에너지가 열로 손실되어 에너지 효율이 낮은며, 스트리머 (streamer) 플라즈마가 발생되어 플라즈마의 균일도가 나빠지는 단점을 갖는다.AC barrier type using a flat dielectric is a method of generating an atmospheric plasma by inserting a ceramic dielectric such as alumina, which suppresses arc discharge, on both sides or one side of the upper and lower electrodes having an appropriate electrode spacing, and applying a high voltage AC or DC pulse voltage. . However, since ceramics are used as the dielectric, they have a weak disadvantage in heat. In addition, a large amount of energy is lost to heat due to wall charges in the dielectric, and energy efficiency is low, and streamer plasma is generated, resulting in poor plasma uniformity.
이와 같은 상, 하 전극의 유전체 배리어 타입은 발생되는 플라즈마의 길이가 전극간 내부로 한정되어 그 길이가 크지 않아 3 차원 구조의 시편 등의 처리에는 적합하지 않다. 플라즈마 토치, 플라즈마 등은 3 차원 구조의 시편 등을 처리하는데 적합하지만 현재까지 개발된 것들이 아크 플라즈마용이 대부분으로 플라즈마 발생 면적이 작으며 열 플라즈마로 인하여 적용되는 분야가 한정적이다. 최근 특허 등록된 유전체 베리어에 의한 플라즈마 타입 (Y. Sawada, K. Nakamura, H. Kitamura, Y. Inoue, "Plasma treatment apparatus and plasma treatment method performed by use of the same apparatus", US patent 6,424,091 (Jul. 23, 2002))은 아크의 고온 플라즈마가 아닌 코로나 또는 글로우 방전으로 대면적이 가능한 저온 플라즈마 타입이다. 그러나 유전체를 사용함으로 앞에서 언급한 단점과, 제작의 어려움과 냉각수를 사용하며, 전극간의 거리가 매우 짧아서 플라즈마의 발생 길이가 작다. 따라서 3 차원 구조의 시편을 처리하기에는 제한적인 문제가 있다.The dielectric barrier type of the upper and lower electrodes is limited in the length of the generated plasma to the inside of the electrodes, and thus the length of the dielectric barrier type of the upper and lower electrodes is not suitable for the processing of specimens having a three-dimensional structure or the like. Plasma torch, plasma and the like are suitable for processing specimens of three-dimensional structure, but the ones developed so far are mainly for arc plasma, the plasma generating area is small, and the field applied due to thermal plasma is limited. Plasma type by dielectric barrier recently registered (Y. Sawada, K. Nakamura, H. Kitamura, Y. Inoue, "Plasma treatment apparatus and plasma treatment method performed by use of the same apparatus", US patent 6,424,091 (Jul. 23, 2002) is a low-temperature plasma type capable of large areas by corona or glow discharge rather than by high-temperature plasma of the arc. However, the use of dielectrics, the above-mentioned disadvantages, manufacturing difficulties and cooling water are used, and the distance between the electrodes is very short, so the generation length of plasma is small. Therefore, there is a limited problem in handling specimens of three-dimensional structure.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술에 있어서의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 유전체를 사용하지 않으면서 대면적이 가능하고, 3차원 구조의 시편을 처리할 수 있도록 플라즈마의 길이가 길면서, 에너지 효율이 높고, 구조가 간단하며, 저비용의 상용성을 가지는 플라즈마 발생장치를 제공함에 있다. 더욱이 발생되는 플라즈마의 종류[(코로나(corona), 노말 글로우(normal glow), 어브노말 글로우(abnormal glow) 방전)]를 간단히 조절 가능케 함을 제공한다. The present invention has been made to solve the above problems in the prior art, it is possible to a large area without using a dielectric material, while the length of the plasma to process the specimen of the three-dimensional structure, the energy, The present invention provides a plasma generator having high efficiency, simple structure, and low cost compatibility. Furthermore, the type of plasma generated (corona, normal glow, abnormal glow discharge) can be easily controlled.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 플라즈마 발생장치는, 하나 이상의 선(wire) 전극 또는 망사 전극과, 상기 각 선 전극 또는 망사 전극과 대향되는 부분상에 하나 이상의 상대 선 전극 또는 상대 망사 전극을 각각 위치시켜 소정의 전원 공급 장치에 의해 전원을 인가하고, 상기 각 전극 사이에 작업 가스를 공급하여 시편상에 플라즈마를 발생시킴을 특징으로 한다.Plasma generator of the present invention for achieving the above object, one or more wire electrode or mesh electrode, and at least one counter electrode or a relative mesh electrode on the portion facing each of the line electrode or mesh electrode Each of them is positioned to apply power by a predetermined power supply, and a working gas is supplied between the electrodes to generate plasma on the specimen.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail with respect to the present invention.
도 1a는 실시예로 본 발명의 전극 구조를 사용한 플라즈마 발생장치의 단면을 나타낸 도면이며 도 1b는 도 1a의 사시도이다. 도 1a를 참조하여 설명하면 전류 제한 AC 또는 DC 전압이 가해지는 서너 개의 선 전극(1)으로 구성된 셀 전극(23)과, 맞은 편에 공통 상대 선 전극(2)를 위치하며, 선 전극(1)과 상대 선 전극(2) 사이에 균일한 작업 가스를 제공하기 위한 가스 가이드(3) 및 가스 분배기(6b)을 위치시키며 그 위에 가스 쳄버(6a)을 구성하며 여기에 작업 가스 공급을 위한 가스 송풍기(4)를 위치하며 여기에 가스 먼지 필터(5)를 부착한다. 송풍기(4)는 가스 유량을 조절하기 위하여 송풍 조절기(8)을 연결한다. 각각의 전류 제한 전원 장치(9a, 9b, 9c, ···)를 도 2에 나타낸 바와 같이 절연체(24) 위에 있는 각각의 선 전극 셀(cell)(23a, 23b, 23c, ···)에 연결하고 전류 제한 전원 장치의 다른 공통 선은 공통 전극(25)에 연결하여 선 전극(21)과 상대 선 전극(22) 사이에 방전이 일어나게 한다. 도 5b와 도 5c는 4쌍의 선 전극을 갖는 한 셀에서의 플라즈마 발생 사진이다. 폭 약 18 mm에, 두께 12 mm, 길이 20 mm의 글로우 플라즈마가 발생되었으며, 100 W의 소비 전력으로 약 4.32 cm3부피의 플라즈마를 얻었다. 전류 제한 전원 장치의 에너지 효율은 95%의 고역률이고, 유전체를 사용하지 않으므로 유전체에 의한 에너지 손실 없이, 금속 전극간의 방전이므로 95 %의 모든 전기 에너지가 플라즈마 발생에 직접 기여함을 나타내는 고에너지 효율을 의미한다.1A is a view showing a cross section of a plasma generating apparatus using the electrode structure of the present invention as an embodiment, and FIG. 1B is a perspective view of FIG. 1A. Referring to FIG. 1A, a cell electrode 23 including three or four line electrodes 1 to which a current limiting AC or DC voltage is applied, and a common counter line electrode 2 are positioned opposite to each other, and the line electrode 1 Between the gas guide 3 and the gas distributor 6b to provide a uniform working gas between the electrode and the counter line electrode 2, forming a gas chamber 6a thereon and supplying the gas for supplying the working gas. Position the blower 4 and attach the gas dust filter 5 to it. The blower 4 connects the blower regulator 8 to adjust the gas flow rate. Each current limiting power supply 9a, 9b, 9c, ... is placed on each of the line electrode cells 23a, 23b, 23c, ... on the insulator 24 as shown in FIG. The other common line of the current limiting power supply is connected to the common electrode 25 so that a discharge occurs between the line electrode 21 and the counter line electrode 22. 5B and 5C are photographs of plasma generation in one cell having four pairs of line electrodes. A glow plasma of thickness 12 mm and length 20 mm was generated at a width of about 18 mm and a plasma of about 4.32 cm 3 volume was obtained at a power consumption of 100 W. The energy efficiency of the current limiting power supply is 95% high power factor, high energy efficiency indicating that 95% of all electrical energy contributes directly to the plasma generation since there is no dielectric and no energy loss by the dielectric and discharge between metal electrodes. Means.
보통 한쌍의 전극간에 전압을 가하면 아크 플라즈마가 발생하며 여기에 가스를 불어 아크 플라즈마 토치로 사용되고 있는 것이 일반적이다. 기존의 아크 플라즈마 토치는 열 플라즈마로 인하여 전극 내부에 냉각수로 냉각이 필요하며 전극은 열 플라즈마로 인하여 부식(corrosion)됨으로서 자주 교체하여야 한다. 아크 플라즈마 토치의 경우 많은 전류가 흐르며 플라즈마 발생 면적이 한정적으로 제한된다. 보통 플라즈마의 전압-전류 특성은 도 6에서 처럼 아크 플라즈마의 경우 처음에 수∼수십 kV의 고 전압으로 ignition 시키고 아크로 전이되면 구동 전압이 수 백 Volt로 떨어진다. 따라서 아크에서 역으로 글로우 방전으로 전이가 불가능한 비가역 특성을 갖는다.Usually, when a voltage is applied between a pair of electrodes, an arc plasma is generated and it is generally used as an arc plasma torch. Conventional arc plasma torches require cooling with coolant inside the electrode due to the thermal plasma, and the electrode is often replaced by corrosion due to the thermal plasma. In the case of an arc plasma torch, a large amount of current flows and the plasma generating area is limited. Usually, the voltage-current characteristics of the plasma are as shown in Figure 6 in the case of the arc plasma initially ignition to a high voltage of several to several tens of kV and when the transition to the arc, the driving voltage drops to several hundred Volt. Therefore, it has an irreversible characteristic that is impossible to transition from arc to glow discharge in reverse.
본 발명으로 다중 금속 전극간임에도 불구하고 대면적 글로우 플라즈마가 발생 가능한 원리를 설명하면 다음과 같다. 도 2에서와 같은 Multi-Wire 전극에 전원을 가하면 보통 한쌍의 전극에서만 하나의 아크 전류 경로가 형성되어 적합하지 않다. 그 실제 사진이 도 5a에 나타나고 있다. 그러면 여기에 가스를 흐르게 하면 역시 기존의 아크 플라즈마 토치와 같이 작은 면적의 아크 플라즈마 토치와 같은 불꽃 형상의 플라즈마가 됨으로 대면적 플라즈마와 저온 플라즈마의 목적을 이룰 수 없게 된다. 그러나 도 2 또는 도 5b, 5c에서와 같이 만일 제한된 4∼6 쌍의 선으로 구성된 전극에 제한된 전류를 공급하고 가스를 흐르게 하면 발생되는 플라즈마의 형상이 매우 달라진다. 도 5c에서 처럼 전류를 10 mA로 제한하면서 가스를 흐르게 하면 4 쌍의 선 전극에서 모두 글로우 방전이 일어나고 있음을 관찰할 수 있다. 처음에 전극간에 한 경로에서 우선 플라즈마가 형성되지만 제한된 전류와 가스의 흐름으로 인하여 도 5c 사진에 나타난 것처럼 플라즈마는 열 아크로 전이되지 못하고 글로우 영역의 플라즈마가 형성되어 전압 강하가 크게 일어나지 않는다(도 6 참조). 즉 글로우 방전이 일어날 만큼 높은 전압이 유지됨으로서 도 5c에서 처럼 나머지 전극간에도 글로우 플라즈마가 발생될 수 있는 것이다. 또한 높은 전압이 유지됨과 동시에 가스 흐름에 의해 가장 짧은 경로에서 발생된 플라즈마로부터 공급되는 전자, 이온, 활성종 등의 가스가 도 5c, 도 7에서처럼 각 선 전극간의 먼 거리에서도 플라즈마가 발생될 수 있도록 한다. 가스 흐름과 가장 짧은 경로에서 발생된 플라즈마에서 공급되는 전자, 이온, 활성종의 가스 등이 전극간 중간 위치에서도 균일한 플라즈마가 형성되도록 제공하며, 이웃 전극의 방전에도 영향을 준다. 허용된 전류량를 증가하면 발생되는 플라즈마의 길이가 길어지며, 만일 전류 허용이 어느 임계값 이상이 되면 플라즈마는 순식간에 아크로 전이되어 글로우 방전을 얻을수 없게 된다. 즉 적절한 전류 제한 전원 장치의 역할이 중요하다.In the present invention, the principle that the large-area glow plasma can be generated despite the intermetallic electrode is as follows. Applying power to the Multi-Wire electrode as shown in FIG. The actual picture is shown in Fig. 5a. Then, when the gas flows therein, it becomes a flame-like plasma such as an arc plasma torch having a small area like the conventional arc plasma torch, and thus cannot achieve the purpose of large area plasma and low temperature plasma. However, as shown in Fig. 2 or Figs. 5B and 5C, if a limited current is supplied to an electrode composed of limited 4 to 6 pairs of lines and a gas flows, the shape of the generated plasma is very different. As shown in FIG. 5C, when the gas is flowed while limiting the current to 10 mA, it can be observed that glow discharge occurs at all four pairs of wire electrodes. First, plasma is first formed in one path between electrodes, but due to the limited current and gas flow, the plasma does not transition to a thermal arc as shown in the photograph of FIG. 5C, and plasma in the glow region is formed so that the voltage drop does not occur significantly (see FIG. 6). ). That is, the glow plasma is generated between the remaining electrodes as shown in FIG. 5C by maintaining the voltage high enough to cause the glow discharge. In addition, while maintaining a high voltage, gas such as electrons, ions, and active species supplied from the plasma generated in the shortest path by the gas flow can be generated at a long distance between the line electrodes as shown in FIGS. 5C and 7. do. The electrons, ions, and active species gas supplied from the gas flow and the plasma generated in the shortest path are provided to form a uniform plasma even in the intermediate position between the electrodes, and also affect the discharge of neighboring electrodes. Increasing the allowable amount of current increases the length of the generated plasma, and if the current allowance is above a certain threshold, the plasma instantly transitions to an arc and no glow discharge can be obtained. In other words, the role of a suitable current limiting power supply is important.
보통 전기는 가장 짧은 경로로만 통전되는 것으로 알려져 있지만 이와같이 특수한 조건을 만들면 높은 전압을 유지하여 먼 경로로도 플라즈마를 만들 수 있다. 즉 제한된 전류와 가스의 흐름이 동시에 아크 플라즈마로의 전이를 억제하여 일정 공간에 글로우 플라즈마를 유지케 한다. Normally, electricity is known to be energized by the shortest path, but with these special conditions, it is possible to maintain a high voltage and create a plasma over a distant path. In other words, the limited current and the flow of the gas simultaneously suppress the transition to the arc plasma to maintain the glow plasma in a certain space.
도 1에서 송풍기 조절기(8)로 송풍기(4)의 회전속도를 조절하여 가스의 흐름량을 변화시킨 상태에서 발생된 플라즈마의 상태의 사진을 도 7에 나타내었다. 도 7a는 가스의 흐름량이 적은 경우로 플라즈마 부피는 작으나 플라즈마 밀도가 높은 어브노말 글로우 플라즈마로 보이며, 양 전극 끝단에서 필라멘트리(filamentary) 플라즈마가 관찰되지 않는다. 도 7b는 가장 플라즈마 부피가 큰 상태의 가스 흐름의 경우로서 노말 플라즈마로 보이며 양 전극 끝단에서 필라멘트리 플라즈마가 관찰된다. 도 7c는 가스 흐름량이 많은 상태로 오히려 플라즈마의 부피가 줄어들고, 양 전극 끝단에서 강한 필라멘트리 플라즈마가 형성됨을 알 수 있다. 너무 빠른 가스의 흐름은 유효 범위 내에 있는 전자, 이온, 활성종 등의 가스를 빠르게 밀어내어 유효 범위 축소를 가져와 도 7c에서 처럼 플라즈마 발생 부피를 축소하고 그 여분의 전류는 양 전극 끝단에서 보다 증가된 필라멘트리 플라즈마로 나타난다. 즉, 적절한 가스의 유속량이 양 전극 사이에서 전자, 이온, 활성종 등의 최대 농도를 만들어 최대한 균일하고 최대 부피의 플라즈마를 형성한다. 고 밀도 플라즈마가 필요할 경우는 도 7a에서와 같은 플라즈마를 이용하며, 저밀도의 경우는 도 7b와 같은 플라즈마를 이용하면 좋다. In FIG. 1, a photograph of a state of plasma generated in a state in which a gas flow rate is changed by controlling the rotational speed of the blower 4 with the blower regulator 8 is illustrated in FIG. 7. FIG. 7A shows an abnormal glow plasma having a small plasma volume but high plasma density when no gas flow is present, and no filamentary plasma is observed at both electrode ends. FIG. 7B shows normal plasma as gas flow in the state of the highest plasma volume, and a filamentary plasma is observed at both electrode ends. FIG. 7C shows that the volume of the plasma is reduced while the gas flow amount is large, and a strong filamentous plasma is formed at both electrode ends. Too fast gas flows quickly push out gases such as electrons, ions, and active species within the effective range, leading to a reduction in the effective range, which reduces the volume of plasma generation as shown in FIG. 7C and the excess current is increased at both electrode ends. It appears as a filamentous plasma. That is, the flow rate of the appropriate gas makes the maximum concentration of electrons, ions, active species, etc. between the two electrodes to form the most uniform and maximum volume plasma. If a high density plasma is required, the plasma as shown in FIG. 7A is used, and for the low density, the plasma as shown in FIG. 7B may be used.
본 발명의 장점은 다음과 같다. 상술한 바와 같이 단순히 선 전극을 사용함으로서 구조가 간단하여 유지 관리에 소요되는 시간과 노동력을 저감시킬 수 있으며, 내구성 또한 높다. 대면적 플라즈마가 가능하며, 플라즈마 발생 길이가 길어 복잡한 3 차원 시편은 물론 시편 종류에 상관없이 금속, 반도체, 플라스틱, 세라믹 등 어떠한 재료도 손쉽게 세정 및 표면개질이 가능하다. 간단히 작업가스 유속량을 바꿈으로서 다양한 플라즈마 타입 노말 글로우, 어브노말 글로우 플라즈마를 얻을 수 있으며 시편 위치에 따라 코로나 플라즈마를 활용할 수도 있다.Advantages of the present invention are as follows. As described above, by simply using the wire electrode, the structure is simple, so that time and labor required for maintenance can be reduced, and durability is also high. Large-area plasma is possible, and the long plasma generation length enables easy cleaning and surface modification of any material such as metal, semiconductor, plastic, ceramic, etc. By simply changing the working gas flow rate, various plasma-type normal glow and of-normal glow plasmas can be obtained, and corona plasma can be utilized depending on the specimen position.
도 3은 전원 공급 장치의 다른 실시예를 보여 준다. 하나의 전원 공급 장치(32)로부터 각각의 셀 전극에 공급되는 전류를 제한하기 위하여 초크코일 또는 콘덴서 또는 저항 또는 누설 자로 트랜스 또는 반도체 소자(31a, 31b, 31c, ····) 중 하나 이상을 장치한다. 도 4는 가스 분배기로서 균일한 작업 가스를 공급하기 위한 것으로 여러 장의 가스 분배판(41)을 적층하여 구성한다.3 shows another embodiment of a power supply. One or more of the transformer or semiconductor elements 31a, 31b, 31c, ... with choke coils or capacitors or resistors or leakers to limit the current supplied to each cell electrode from one power supply 32 Device. 4 is for supplying a uniform working gas as a gas distributor, and is configured by stacking a plurality of gas distribution plates 41.
도 5는 상술한 바와 같이 작업 가스의 흐름 유·무에 따라 발생된 플라즈마 사진이다. 도 5a는 가스 흐름이 없을 때의 아크 발생 사진이고, 도 5b는 적절한 가스 흐름이 있을 때 발생된 플라즈마의 측면 사진으로 하나의 전원공급으로 4 쌍의 모든 선 전극에서 글로우 방전이 일어남을 보여준다. 도 5c는 도 5b를 45도 각도에서 찍은 사진으로 균일한 플라즈마를 관찰할 수 있다.5 is a plasma photograph generated according to the flow of the working gas as described above. FIG. 5A is a photograph of arc generation in the absence of gas flow, and FIG. 5B is a side photograph of plasma generated when there is a suitable gas flow, showing that glow discharge occurs at all four pairs of line electrodes with one power supply. FIG. 5C is a photograph taken at 45 degrees of FIG. 5B to observe a uniform plasma.
도 6은 상술한 바와 같이 DC 방전관에서 잘 알려진 전압-전류 특성을 나타낸 것으로 전류에 따라 크게 코로나 방전, 글로우 방전, 아크 방전의 3 영역으로 분류되고 세부적으로 글로우 방전 영역에 노말과 어브노말 글로우 방전으로 분류되며, 아크 영역에서는 저온 아크와 고온 아크로 분류된다. FIG. 6 shows well-known voltage-current characteristics in a DC discharge tube as described above, and is classified into three regions of corona discharge, glow discharge, and arc discharge according to the current, and in detail, normal and abnormal glow discharges are included in the glow discharge region. In the arc area, it is classified into a low temperature arc and a high temperature arc.
도 7은 상술한 바와 같이 작업 가스 흐름의 양에 따라 발생되는 플라즈마 상태를 나타내고 있다. 도 7a는 적은 양의 가스 흐름이고, 도 7b는 최대 부피의 플라즈마 상태일 때의 가스 흐름이며, 도 7c는 많은 양의 가스 흐름이다. 자세한 설명은 앞에 상술되어 있다.7 shows the plasma state generated according to the amount of working gas flow as described above. FIG. 7A is a small amount of gas flow, FIG. 7B is a gas flow when in a maximum volume plasma state, and FIG. 7C is a large amount of gas flow. The detailed description is detailed above.
도 8은 바이어스 전원이 가해지는 구조로 플라즈마 발생 장치에서 바이어스 전극(81)에 바이어스 전원(83)이 공급되어 발생되는 플라즈마(7)을 길게 뽑아 낼 수 있다. 이 경우 전극 및 전원 연결 장치도를 도 9에 나타내었다. 선 전극 및 상대 선 전극 모두 서너 개의 선 전극을 갖는 셀(91a, 91b, 91c, ···, 92a, 92b, 92c, ···) 구조로 만들며, 전원 공급 장치(93a, 93b, 93c, ···)의 중심 탭에 바이어스 전원 장치(83)의 한 전원 단자를 연결하고 다른 전원 단자는 바이어스 전극(81)에 연결한다. 8 illustrates a structure in which a bias power is applied, and thus, the plasma 7 generated by supplying the bias power 83 to the bias electrode 81 in the plasma generating apparatus may be extracted for a long time. In this case, an electrode and a power connection device are shown in FIG. 9. Both the line electrode and the counter line electrode are made of cells 91a, 91b, 91c, ..., 92a, 92b, 92c, ... with a structure having three or four line electrodes, and the power supply devices 93a, 93b, 93c, ... Connect one power supply terminal of the bias power supply 83 to the center tap of the power supply terminal and the other power supply terminal to the bias electrode 81.
도 10은 다양한 선 전극 형태를 나타낸 도면이다. 선 전극 구조에 따라 발생되는 플라즈마의 형태도 다양해진다. 선 전극 구조에 따른 플라즈마 발생 사진을 도 11에 나타내었다. 도 10a 구조에서 발생된 플라즈마 사진이 도 11a에 나타내었다. 균일하고 넓은 플라즈마를 얻었음을 알 수 있다. 도 10b와 유사한 구조에서 발생되는 플라즈마 사진은 도 11b에 나타냈다. 플라즈마 부피가 축소되고 양 전극 끝에서 강한 플라즈마가 발생됨을 알 수 있다. 도 10c와 도 10d 구조에서 발생된 플라즈마 사진이 도 11c와 도11d에 나타내었다. 양 끝에서 매우 강한 플라즈마가 형성되고 플라즈마 부피 또한 더욱 작아짐을 알 수 있다. 도 10e 구조에서 발생된 플라즈마 사진이 도 11e에 나타내었다. 다소 플라즈마 부피가 증가되었음을 알 수 있다. 도 10f 구조에서 발생된 플라즈마 사진이 도 11f에 나타내었다. 가장 큰 부피의 플라즈마를 얻을 수 있다. 도 10h 구조는 쌍 선 구조로 총 11 쌍의 선 전극에 의해 발생된 플라즈마를 45도 각도에서 사진 찍은 것을 도 11g에 나타내었다. 안쪽에서 발생된 플라즈마에 바깥쪽 선에서 플라즈마가 유도되어 가장 큰 부피의 플라즈마와 균일한 플라즈마를 얻을 수 있음을 나타내고 있다. 사용 용도에 맞게 선 전극 구조를 선택해서 사용할 수 있음을 나타낸다.10 is a diagram illustrating various wire electrode shapes. The shape of the plasma generated by the line electrode structure also varies. 11 shows a plasma generation picture according to the line electrode structure. The plasma picture generated in the structure of FIG. 10A is shown in FIG. 11A. It can be seen that a uniform and wide plasma was obtained. A plasma photograph generated in a structure similar to that of FIG. 10B is shown in FIG. 11B. It can be seen that the plasma volume is reduced and a strong plasma is generated at both electrode ends. Plasma pictures generated in the structures of FIGS. 10C and 10D are shown in FIGS. 11C and 11D. It can be seen that very strong plasma is formed at both ends and the plasma volume is also smaller. The plasma photograph generated in the structure of FIG. 10E is shown in FIG. 11E. It can be seen that the plasma volume has increased somewhat. The plasma photograph generated in the structure of FIG. 10F is shown in FIG. 11F. The largest volume of plasma can be obtained. The structure of FIG. 10h is a twin wire structure, and the plasma generated by a total of 11 pairs of wire electrodes is photographed at 45 degrees. Plasma is induced from the outer line to the plasma generated from the inside, indicating that the largest volume plasma and uniform plasma can be obtained. It shows that a line electrode structure can be selected and used according to a use.
도 12는 기판과 평행한 방향으로 가스를 흘렸을 때의 플라즈마 발생 장치 기본도로서, 상대 전극(122) 판에 일정 각도를 갖는 선 전극(121)을 위치하며, 작업 가스 공급관(123)으로부터 작업 가스를 상대 전극(122)과 수평 방향으로 흐르게 하며, 작업 가스 유입 방향쪽에서 선 전극(121)과 상대 전극(122) 사이의 간격을 다른 부분보다 적게 만든다. 선 전극(121)과 상대 전극(122)에 전류 제한 전원 공급 장치를 연결하면, 플라즈마(127)가 선 전극(121)을 따라 발생한다. 플라즈마 발생 원리는 앞에서 설명한 바와 같다. 실제 플라즈마 발생 사진이 도 14에 도시되었다. 선 전극의 길이는 150mm이고, 선 전극과 상대 전극의 짧은 간격은 2mm, 긴 간격은 6.6mm이다. 전력은 약 100W이다. 도 14의 사진에서 보듯이 균일한 글로우 방전이 나타나고 있다.12 is a basic view of the plasma generator when the gas flows in a direction parallel to the substrate. The line electrode 121 has a predetermined angle on the counter electrode 122 plate, and the working gas is supplied from the working gas supply pipe 123. Flows in the horizontal direction with the counter electrode 122, and makes the gap between the line electrode 121 and the counter electrode 122 smaller than the other portions in the working gas inflow direction. When the current limiting power supply device is connected to the line electrode 121 and the counter electrode 122, the plasma 127 is generated along the line electrode 121. The principle of plasma generation is as described above. The actual plasma generation picture is shown in FIG. The length of the line electrode is 150 mm, the short distance between the line electrode and the counter electrode is 2 mm, and the long distance is 6.6 mm. The power is about 100W. As shown in the photograph of FIG. 14, uniform glow discharge is shown.
도 13은 도 12의 또 다른 실시예로써, 선 전극(121)과 상대 선 전극(132)로 구성되어 있으며, 그 사이에 시편(135)를 위치시키고, 전류 제한 전원 공급 장치를 선 전극(121)과 상대 선 전극(132)에 각각 연결한다.FIG. 13 illustrates a wire electrode 121 and a counter wire electrode 132 according to another embodiment of FIG. 12. The specimen 135 is positioned between the wire electrodes 121 and the counter electrode 121. ) And the counter line electrode 132, respectively.
상기 설명된 플라즈마는 시편을 연속적으로 처리하는 대기압 플라즈마 처리 시스템으로 시편의 종류에 상관없이 전도성 비전도성 등의 모든 물질을 처리할 수 있다.The above-described plasma is an atmospheric pressure plasma processing system that continuously processes the specimen, and can process all materials such as conductive non-conductivity regardless of the kind of the specimen.
본 발명에서 플라즈마 발생 및 바이어스 전원장치의 주파수는 0 Hz ∼ 900 MHz의 정현파, 구형파, 톱니파 등의 AC 또는 DC 전압을 사용하며, 가능한 모든 가스를 사용할 수 있다.In the present invention, the frequency of the plasma generating and bias power supply uses an AC or DC voltage such as a sine wave, a square wave, or a sawtooth wave of 0 Hz to 900 MHz, and any possible gas may be used.
본 발명의 범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 특허 청구 범위와 같은 의미 및 범위 내에서의 모든 변경을 포함한다.The scope of the present invention is not limited to the above-described embodiment, but includes all modifications within the same meaning and scope as the claims.
상술한 바와 같이, 본 고안에 따른 플라즈마 처리장치는, 단순히 선 전극과 전류제한 전원 공급 장치 및 작업 가스 흐름 조절 시스템을 사용하여 구조가 간단하고, 저비용으로 상용성을 가지는 대면적의 플라즈마 발생장치를 제작할 수 있으며, 유지 관리에 소요되는 시간과 노동력을 저감시킬 수 있고, 내구성 또한 높다. 전류 조절에 의해 발생되는 플라즈마의 길이를 조절할 수 있을 뿐만 아니라 발생되는 플라즈마 길이가 길어 복잡한 3 차원 시편은 물론 시편 종류에 상관없이 금속, 반도체, 플라스틱, 세라믹 등 어떠한 재료도 손쉽게 세정 및 표면개질이 가능하다. 간단히 작업가스 유속량을 바꿈으로서 다양한 플라즈마 타입 노말 글로우, 어브노말 글로우 플라즈마를 얻을 수 있으며, 시편 위치에 따라 코로나 플라즈마도 활용할 수 있어 다양한 기판 처리 조건을 만족시킬 수 있다.As described above, the plasma processing apparatus according to the present invention uses a large-area plasma generating apparatus having a simple structure and low-compatibility by simply using a line electrode, a current limiting power supply, and a working gas flow control system. It can be manufactured, and the time and labor required for maintenance can be reduced, and the durability is also high. Not only can control the length of plasma generated by current control but also the length of generated plasma can be easily cleaned and surface modified regardless of complex 3D specimens as well as metals, semiconductors, plastics and ceramics. Do. By simply changing the flow rate of the working gas, various plasma type normal glow and of normal glow plasma can be obtained, and corona plasma can also be utilized depending on the specimen position to satisfy various substrate processing conditions.
도 1a 및 도 1b는 플라즈마 발생 장치 기본도로써,1A and 1B are basic diagrams of a plasma generator,
도 1a는 플라즈마 발생 장치의 단면도,1A is a cross-sectional view of a plasma generating device,
도 1b는 플라즈마 발생 장치의 사시도,1B is a perspective view of the plasma generating device,
도 2는 플라즈마 발생 장치의 전극 및 전원 연결 장치도, 2 is an electrode and a power connection device of the plasma generator;
도 3은 전원 공급 장치도,3 is a power supply diagram,
도 4는 가스 분배기의 측단면도4 is a side cross-sectional view of a gas distributor
도 5a 내지 도 5c는 작업 가스의 흐름 유·무에 따른 실제 아크 및 글로우 방전 플라즈마 발생 사진도로써,5A to 5C are photographs showing actual arc and glow discharge plasma generation according to whether or not the working gas flows.
도 5a는 작업 가스가 흐르지 않을 때의 아크 발생 사진도,5A is a photograph of arc generation when no working gas flows,
도 5b는 최적의 작업 가스가 흐를 때의 글로우 방전 플라즈마 발생 측면 사진도,5B is a side photograph of the glow discharge plasma generation when the optimum working gas flows;
도 5c는 도 5b의 다른 각도에서의 사진도,5C is a photographic view at another angle of FIG. 5B;
도 6은 DC 방전관에서 일반적인 전압-전류 특성 (J. Reecl Roth, Industrial Plasma Engineering, V1, Institute of Physics Publishing, pp. 353) 6 shows typical voltage-current characteristics in a DC discharge tube (J. Reecl Roth, Industrial Plasma Engineering, V1, Institute of Physics Publishing, pp. 353).
도 7a 내지 도 7c는 작업 가스의 흐름량 따른 실제 플라즈마 발생 사진도로써,7A to 7C are photographs showing actual plasma generation according to the flow amount of working gas.
도 7a는 작업 가스의 양이 적을 때의 플라즈마 발생 사진도,7A is a photograph of plasma generation when the amount of working gas is small;
도 7b는 작업 가스의 양이 최적일 때의 플라즈마 발생 사진도,7B is a photograph of plasma generation when the amount of working gas is optimal;
도 7c는 작업 가스의 양이 많을 때의 플라즈마 발생 사진도,7C is a photograph of plasma generation when the amount of working gas is large;
도 8은 바이어스 전원이 가해진 플라즈마 발생 장치의 단면도,8 is a cross-sectional view of the plasma generator is applied bias;
도 9는 바이어스 전원이 가해진 플라즈마 발생 장치의 전극 및 전원 연결 장치도, 9 is an electrode and a power connection device of a plasma generator with bias power applied thereto;
도 10a 내지 도 10i는 다양한 전극 구조를 나타낸 도면,10A to 10I illustrate various electrode structures;
도 11a에서 도 11g는 도 10a 내지 도 10i의 다양한 전극 구조에서 발생되는 실제 플라즈마의 사진도,11A to 11G are photographic views of actual plasma generated in the various electrode structures of FIGS. 10A-10I,
도 12는 기판과 평행한 방향으로 배치된 플라즈마 발생 장치 기본도,12 is a basic view of the plasma generating apparatus disposed in a direction parallel to the substrate;
도 13은 도 12의 또 다른 응용도,13 is another application diagram of FIG.
도 14는 도 12의 구조에서 발생된 실제 플라즈마의 사진도.14 is a photographic view of the actual plasma generated in the structure of FIG.
[도면의 주요 부호에 대한 설명][Description of Major Symbols in Drawing]
1: 각 셀로 구성된 선 전극 2: 공통 상대 선 전극 1: Line electrode consisting of each cell 2: Common partner line electrode
3: 가스 가이드 4: 송풍기3: gas guide 4: blower
5: 가스 필터 6a: 가스 챔버5: gas filter 6a: gas chamber
6b: 가스분배기 7: 플라즈마 6b: gas distributor 7: plasma
8: 송풍기 조절기8: blower regulator
9: 전류 제어형 전원 공급기 a, b, c, d, ......9: Current controlled power supply a, b, c, d, ...
21: 각 셀로 구성된 선 전극 22: 공통 상대 선 전극21: line electrode composed of each cell 22: common counter line electrode
23: 각 셀의 전극판 a, b, c, d, .....23: Electrode plate a, b, c, d, ... of each cell
24: 각 셀 전극판 23 고정을 위한 절연체24: insulator for fixing each cell electrode plate 23
25: 전도체 판25: conductor plate
31: 각 셀 전극에 전원 공급시 전류 제어를 위한 초크 코일 또는 콘덴서, 또는 저항, 또는 누설 자로 트랜스 a, b, c, d, .....31: Choke coils or capacitors for current control when power is applied to each cell electrode, or resistors, or leaking transformers a, b, c, d, .....
32: 전원 공급 장치 41: 가스 분배판 32: power supply 41: gas distribution plate
42: 고정나사 43: 간격자42: set screw 43: spacer
81: 바이어스 전극81: bias electrode
82: 각 셀로 구성된 상대 선 전극 83: 바이어스 전원 공급기 82: counter line electrode composed of each cell 83: bias power supply
91, 92: 각 셀의 전극판 a, b, c, d, ..... 91, 92: electrode plates a, b, c, d, ... of each cell
93: 중간 탭이 있는 코일 a, b, c, d, ..... 93: Coils a, b, c, d, ..... with middle tap
121: 선 전극 122: 상대 전극121: line electrode 122: counter electrode
123: 가스공급관123: gas supply pipe
124: 전류 제한 전원 공급 장치 127: 플라즈마124: current limiting power supply 127: plasma
132: 상대 선 전극 135: 시편132: counter electrode 135: specimen
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