KR100500360B1

KR100500360B1 - 고효율 상압 마이크로웨이브 플라즈마시스템

Info

Publication number: KR100500360B1
Application number: KR10-2002-0004606A
Authority: KR
Inventors: 홍정미; 김상영; 이근호
Original assignee: 고등기술연구원연구조합
Priority date: 2002-01-26
Filing date: 2002-01-26
Publication date: 2005-07-12
Also published as: KR20030064125A

Abstract

본 발명은 이중 공진기를 이용하여 에너지 전달 효율을 높인 고효율의 상압 마이크로웨이브 플라즈마시스템에 관한 것이다.

이러한 본 발명의 시스템은 마이크로웨이브를 발생하기 위한 마이크로웨이브 발생부와, 상기 마이크로웨이브를 전달받아 반응가스로부터 플라즈마를 생성하기 위한 플라즈마 반응부를 구비한 마이크로웨이브 플라즈마시스템에 있어서, 상기 플라즈마 반응부가 상기 반응가스가 통과되는 유전체로 된 플라즈마 반응관과, 공진기 튜너가 이중의 공진기 구조내에 포함되어 공진모드와 주파수를 최적화할 수 있도록 구성된다.

따라서, 본 발명의 마이크로웨이브 플라즈마시스템은 에너지 결합효율이 높은 이중 공진기형이면서, 공진기 내의 튜너를 통해 다양한 공정변수에서도 안정하게 유지되는 상압 플라즈마 방전을 얻을 수 있으므로 기존의 저압시스템을 활용한 경우보다 고밀도 중성 활성종을 얻을 수 있어 효율을 높이고 이에 따라 처리속도를 높일 수 있다.

Description

고효율 상압 마이크로웨이브 플라즈마시스템{ High efficient-atmospheric microwave plasma system }

본 발명은 상압 플라즈마시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이중 공진기를 이용하여 에너지 전달 효율을 높인 고효율의 상압 마이크로웨이브 플라즈마시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 플라즈마(Plasma)란 이온이나 전자, 라디칼 등으로 이루어진 이온화된 가스 상태를 의미하는데, 이러한 플라즈마는 매우 높은 온도나, 강한 전계 혹은 고주파 전자계( RF electromagnetic fields)에 의해 생성된다. 특히, 글로우 방전에 의한 플라즈마 생성은 직류(DC)나 고주파 전계(RF)에 의해 여기된 자유전자에 의해 이루어지는데, 여기된 자유전자는 가스분자와 충돌하여 이온, 라디칼, 전자 등과 같은 활성종(active species)을 생성한다. 그리고 이와 같은 활성종은 물리 혹은 화학적으로 물질의 표면에 작용하여 표면의 특성을 변화시킨다. 이와 같이 활성종(플라즈마)에 의해 의도적으로 물질의 표면 특성을 변화시키는 것을 '표면처리'라고 한다.

플라즈마를 일으키는 대표적인 방법으로서 상온/상압(760torr)에서 유전막을 이용하여 플라즈마를 발생시키는 유전 장벽 방전(Dielectric Barrier Discharge)과 마이크로웨이브를 이용한 마이크로웨이브 플라즈마시스템을 들 수 있다.

마이크로웨이브 플라즈마시스템인 종래의 마이크로웨이브 토치(torch)는 도 1에 도시된 바와 같이, 마이크로웨이브 공급원인 마그네트론(104)과, 마그네트론(104)에 인가되는 전압의 크기를 조절하여 마그네트론(104)의 출력을 제어하는 제어기(106), 마그네트론(104)에 요구되는 고전압을 발생하는 전원부(102), 마그네트론(104)에서 발생되어 도파관을 통해 전파되는 마이크로웨이브의 반사로부터 마그네트론(104)을 보호하기 위한 분리기(isolator: 108), 입사방향과 반사방향의 출력을 감지할 수 있는 방향성 결합기(directional coupler: 110), 임피던스 정합(impedence matching)을 위한 3중 막대 튜너(3-stub tuner: 112), 도파관(waveguide)에 여기되는 TE01 모드의 전기장 세기를 증가시켜 주는 높이가 연속적으로 가늘어지는 형태의 연결 도파관(tapered waveguide: 114), 플라즈마 방전영역이 포함된 구멍뚫린 도파관(116), 석영관(118), 가스공급장치(미도시), 점화전극(igniter)(120) 등으로 구성된다.

그런데 이와 같이 상압에서 동작이 가능한 종래의 마이크로웨이브 플라즈마 시스템은 대부분 공진구조(resonant structure)가 아닌 간단한 토치(torch) 형태를 사용해 왔으나 이러한 토치형태는 플라즈마 불꽃이 매우 적은 면적에 한정되는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 극복하기 위해 공진구조(resonant structure)를 채택한 경우에는 공진기 치수나 공진기내 포함되는 구조물, 및 매질의 변화에 따라 매우 민감하게 방전특성이 영향을 받는 문제점이 있다. 즉, 압력이나 온도가 변하거나 마이크로웨이브의 출력에 따라 마그네트론의 발진 주파수에 요동이 있을 때, 여러가지 플라즈마 변수들이 달라져 안정한 동작점에서 벗어나게 되므로, 넓은 압력범위와 다양한 공정조건에 적용하기 어려운 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 이중 공진기 구조를 갖고 공진기 튜너(tuner)를 반응기내에 포함시킴으로써 공정조건에 적응(adaptive) 가능하여 보다 안정적인 플라즈마를 형성할 수 있는 고효율 상압 마이크로웨이브 플라즈마 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 시스템은, 마이크로웨이브를 발생하기 위한 마이크로웨이브 발생부와, 상기 마이크로웨이브를 전달받아 반응가스로부터 플라즈마를 생성하기 위한 플라즈마 반응부를 구비한 마이크로웨이브 플라즈마시스템에 있어서, 상기 플라즈마 반응부가 상기 반응가스가 통과되는 유전체로 된 플라즈마 반응관과, 공진기 튜너가 이중의 공진기 구조내에 포함되어 공진모드와 주파수를 최적화할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 자세히 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 상압 마이크로웨이브 플라즈마 시스템은 도 2에 도시된 바와 같이, 크게 마이크로웨이브 발생부, 분리기(isolator:208), 방향성 결합기(directional coupler:210), 3중 막대튜너(212), 플라즈마 반응부(220), 연속공정을 위한 자동 이송시스템(230)으로 구성된다.

마이크로웨이브 발생부는 플라즈마의 에너지원인 2.45 GHz 대역의 마이크로웨이브를 발진시켜주는 마그네트론(magnetron: 204)과, 마그네트론(204)의 출력을 제어하는 제어기(controller)(206), 마그네트론(204)에 전력을 공급하기 위한 전원부(high voltage power supply: 202)로 이루어져 2.45 GHz 대역의 마이크로웨이브를 발진한다. 이 때, 마이크로웨이브 발생원으로서 마그네트론(204)외에 파장 가변이 가능한 클라이스트론(Klystron)을 사용할 수도 있고, 응용 용도에 따라 다른 마이크로웨이브 주파수 영역의 에너지원을 모두 사용할 수 있다. 그리고 마이크로웨이브 신호의 형태를 펄스로 할 것인지 혹은 연속출력으로 할 것인지의 여부도 목적에 따라 구분하여 선택할 수 있다.

분리기(208)는 반사된 마이크로웨이브가 마이크로웨이브 발생부로 되돌아 들어가 마그네트론(204)을 손상 입히지 않도록 보호하는 역할을 하고, 방향성 결합기(210)는 순방향과 역방향으로 진행하는 마이크로웨이브의 세기 정도를 감지하기 위한 장치이며, 이러한 구성은 기존의 마이크로웨이브 플라즈마 시스템에서도 기본적으로 사용되므로 더 이상의 자세한 설명은 생략한다.

본 발명에서 구분되는 구성상의 특징은 도 2에 도시된 바와 같이, 플라즈마 반응부(220)가 결합효율이 높은 이중의 공진기(hybrid type resonator)(221,222)로 되어 있고, 공진기 내에 적절한 형태의 공진기 튜너(224)를 위치시켜 매질이나 마이크로웨이브 발생원의 조건이 변화할 때 생기는 여러가지 공진특성 변화에도 잘 정합시킬 수 있도록 된 것이다. 따라서 본 발명에 따르면, 수십 mtorr의 저압에서 상압(1기압)에 이르기까지 넓은 압력범위에서 안정적인 플라즈마 발생이 가능하다. 그리고 플라즈마 반응관(223)은 설계시 선택된 모드를 유지하고, 마이크로웨이브가 잘 투과하도록 유전체를 사용하며, 고유의 유전상수(relative dielectric constant)와 온도특성 등을 설계변수로 고려하여 용도에 따라 임의로 선택이 가능하다. 이 때, 플라즈마 반응관(223)의 재질로는 유전상수가 너무 크면 유전체 내부에 저장되는 에너지가 커지므로 2 이상 10 미만에서 유전상수를 갖고, 녹는 점이 높아(예컨대, 600도) 플라즈마 공정온도인 수백도에서도 변형이 없는 소재를 선택한다.

도 2를 참조하면, 상용화된 마이크로웨이브 발생원(예컨대, 마그네트론이나 클라이스트론)으로부터 발진된 마이크로웨이브(일반적으로 사용되는 2.45 GHz 대역외에 수백 MHz ~ 수십 GHz에 이르는 넓은 영역의 마이크로웨이브 주파수 대역을 포함한다)가 도파관(waveguide)을 따라 진행하여 플라즈마 반응관(223)이 포함된 마이크로웨이브 공진기(221,222)에 전달됨으로써 플라즈마 방전을 생성하게 된다. 이러한 마이크로웨이브의 도파관내 진행경로에는 분리기(208), 방향성 결합기(210), 임피던스 정합을 위한 3중 막대 튜너(212)가 있다. 여기서, 분리기(208)는 반응기(220)로부터 마이크로웨이브가 반사되어 돌아 올 때, 마그네트론(204)을 보호하는 역할을 한다. 방향성 결합기(210)는 튜너(212)로 진행하는 방향과 반사되는 방향의 마이크로웨이브 세기를 감지하기 위한 장치로 공정변수에 변화가 있을 때, 반사파의 출력이 최소화되는 방향으로 임피던스 정합을 하는데 필수적이다. 3중 막대 튜너(212)는 튜너의 임피던스를 마이크로웨이브 발생원에 정합시켜 최대한의 마이크로웨이브 출력이 플라즈마 반응부(220) 내로 전달되게 튜닝하는 역할을 한다. 3중 막대튜너(212)를 대신하여 고출력 마이크웨이브 시스템에서는 흔히 E-H 튜너 등 다른 형태의 튜너를 사용할 수도 있다.

도 2에 도시된 플라즈마 반응부(220)는 1차 공진기(221)와 2차 공진기(222), 플라즈마 반응관(223), 공진기 튜너(224)로 이루어지는데, 공진기 튜너(224)의 위치나 형태, 1차 공진기(221)로부터 2차 공진기(222)로의 에너지 전달을 위한 구멍 또는 안테나의 위치나 방식에 따라 여러가지 모드를 여기시킬 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 플라즈마 반응부(220)의 공진기 튜너(224)가 반응관(223)안에 포함되는 제1 실시예와 공진기 튜너(224)가 2차 공진기(222)와 반응관(223) 사이에 위치하는 제2 실시예로 구분하여 설명하기로 한다.

반응관(223)은 석영(quartz)이나 사파이어(sapphire) 등 고온에서 잘 견디고 투명한 유전체(dielectric material)를 흔히 사용하며, 용도에 따라 여러가지 다양한 유전체를 선택할 수 있다.

그리고 1차 공진기(221)와 2차 공진기(222)의 모양은 응용 목적에 맞도록 원기둥 형태나 직육면체, 구, 평판, 오목거울 모양 등 다양하게 설계가 가능하나 본 발명의 실시예에서는 편의상 원기둥 형태의 이중 공진기 구조를 기본으로 본 발명의 동작 원리를 설명하기로 한다.

본 발명의 이중 공진기 구조는 모드의 순도(mode purity)를 높여 에너지 전달효율을 극대화하기 위해 일종의 모드 필터 역할을 하는 1차 공진기(외곽의 동축공진기(coaxial cavity:221))를 필요로 하며, 이로부터 일정한 위치의 구멍 또는 안테나를 통해 반응관(223)이 포함된 중심의 2차 공진기(222)로 에너지가 전달되는 구조를 갖는다.

도 2를 참조하면, 도파관(221a)으로부터 전달된 마이크로웨이브는 1차 공진기(221)에서 설계시 결정된 모드로 공진하며, 1차 공진기(221)와 2차 공진기(222)의 공통된 벽에 설치된 에너지 전달을 위한 구멍(coupling slot) 또는 고리(loop)모양이나 탐침(probe) 형태의 안테나를 통해 플라즈마 방전을 일으킬 2차 공진기에 최종적으로 도달하여 반응관(223)내에서 플라즈마 방전(225)을 일으키게 된다. 이 때, 2차 공진기(222)의 내부에는 유전체 튜브인 플라즈마 반응관(223)과 원판 형태 혹은 막대모양의 공진기 튜너(224)가 포함된다. 그리고 마이크로웨이브 공진기 내에 존재하는 어떤 구조물이 유전체이건 도체이건 공진기 응답특성 즉, 공진주파수나 모드, Q값(Quality factor) 등에 영향을 미치지만 금속과 같은 도체에 대해서 보다 민감하게 반응하므로 공진기 튜너(224)는 금속으로 제작하는 것이 바람직하며, 플라즈마 반응관(223)내에 포함되어 온도가 크게 상승되더라도 영향을 받지 않고, 사용하는 반응기체와 반응성이 작은 소재를 선택해야 한다.

도 3은 본 발명에 따른 플라즈마 반응부의 제1 실시예를 도시한 단면도로서 (가)는 측면도이고 (나)는 평면도이다. 도 4는 본 발명에 따른 플라즈마 반응부의 제 1 실시예의 사시도이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 제 1 실시예의 플라즈마 반응부의 구조는 1차 공진기(221)와 2차 공진기(222)가 모두 원통형으로 되어 있고, 1차 공진기(221)는 2차 공진기(222)보다 지름이 크고, 2차 공진기(222)는 1차 공진기(221)와 높이가 같거나 높으며, 2차 공진기(222)의 내부에 반응관(223)이 위치하고, 이 반응관(223)의 내부에 공진기 튜너(224)가 위치한다.

도 5는 본 발명에 따른 공진기 튜너의 예를 도시한 도면으로서, (가)는 중앙부가 빈 원판형의 공진기 튜너이고, (나)는 막대가 달린 원판형의 공진기 튜너이며, (다)는 원판에 구멍이 뚫린 형태의 공진기 튜너이다. 그리고 (라)는 원기둥형의 공진기 튜너이고, (마)는 다각기둥 모양의 공진기 튜너이다.

도 5를 참조하면, (가)는 제 2 실시예에 적합한 형태의 공진기 튜너이고, (나) 내지 (마)는 제 1 실시예에 적합한 형태의 공진기 튜너이다. 특히, (다)와 같이 다수의 구멍을 뚫거나 (라) 및 (마)와 같이 원판을 대신하여 커패시터 튜닝을 위해 기둥모양의 튜너를 공진기 중앙에 삽입할 수도 있다. 이 때, 막대튜너의 단면은 임의의 다각형 형태를 가질 수 있고, 어떤 형태이든 튜너는 공진기의 축방향으로 수직운동이 가능하도록 제작되어야 한다.

도 6은 본 발명에 따른 플라즈마 반응부의 제 2 실시예를 도시한 단면도로서, (가)는 측단면도이고, (나) 평단면도이다.

도 6을 참조하면, 제2 실시예의 플라즈마 반응부(220)의 구조는 1차 공진기(221)와 2차 공진기(222)는 제 1 실시예와 유사하나 공진기 튜너(224)의 위치가 플라즈마 반응관(223) 외부에 위치한 점에서 차이가 있다. 즉, 제 2 실시예의 구조에서 플라즈마 반응관(223)은 중앙에 위치하고, 공진기 튜너(224)는 플라즈마 반응관(223)과 2차 공진기(222) 사이에 위치하여 튜닝하도록 되어 있다. 이 때, 원판 형태의 공진기 튜너(224)일 경우에는 플라즈마 반응관(223)외의 공진기 단면을 가득 메꾸는 형태라야 공진기 길이 튜닝의 효과를 적절히 이용할 수 있다.

즉, 반응관(223)의 직경이 2차 공진기(222)의 직경과 비슷한 경우에는 제 1 실시예에서와 같이 원판 튜너의 외경이 반응기의 내경에 꼭 맞도록 제작하는 것이 바람직하고, 반응관(223)의 직경이 2차 공진기(222) 직경보다 훨씬 작아 2차 공진기(222) 대부분의 부피가 반응관(223) 외부에 놓이는 경우에는 제 2 실시예에서와 같이 원판 튜너(224)의 중앙에 반응관(223)의 외경과 같은 크기의 구멍을 뚫고 원판튜너(224)의 외경이 2차 공진기(223)의 내벽에 꼭 맞도록 설계한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 마이크로웨이브 플라즈마시스템은 에너지 결합효율이 높은 이중 공진기형이면서, 공진기 내의 튜너를 통해 다양한 공정변수에서도 안정하게 유지되는 상압 플라즈마 방전을 얻을 수 있으므로 기존의 저압시스템을 활용한 경우보다 고밀도 중성 활성종을 얻을 수 있어 효율을 높이고 이에 따라 처리속도를 높일 수 있다. 즉, 본 발명의 상압 마이크로웨이브 플라즈마 시스템을 이용하면, 종래의 저압시스템과 비교할 수 없는 고밀도 중성 활성종을 얻을 수 있으므로 증착 및 성장속도를 늘리기 위하는 코팅이나 합성공정, 폐가스정화 용도로 다양하게 응용할 수 있다.

그리고 기존의 상압 플라즈마시스템은 매우 제한된 영역에서만 방전이 되기 때문에 코팅이나 합성 공정시 처리 가능한 면적이 제한되고, 균일도가 크게 떨어지는 문제점이 있었으나 본 발명의 튜너를 포함한 이중 공진기 구조를 사용하면, 약 직경 10Cm 이상 방전영역을 넓힐 수 있고, 실제공정에서 발생할 수 있는 여러가지 오차 요인을 튜너를 통해 보상함으로써 안정한 표면처리를 가능하게 한다.

도 1은 종래의 마이크로웨이브 플라즈마 시스템을 도시한 개략도,

도 2는 본 발명에 따른 상압 마이크로웨이브 플라즈마 시스템을 도시한 개략도,

도 3은 본 발명에 따른 플라즈마 반응부의 제 1 실시예를 도시한 단면도,

도 4는 본 발명에 따른 플라즈마 반응부의 제 1 실시예를 도시한 사시도,

도 5는 본 발명에 따른 공진기 튜너의 예를 도시한 도면,

도 6은 본 발명에 따른 플라즈마 반응부의 제 2 실시예를 도시한 단면도.

*도면의 주요부분에 대한 간단한 부호의 설명

202: 전원부 204: 마그네트론

206: 제어기 208: 분리기

210: 방향성 결합기 212: 3중 막대튜너

220: 플라즈마 반응부 221: 1차 공진기

222: 2차 공진기 223: 플라즈마 반응관

224: 공진기 튜너

Claims

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마이크로웨이브를 발생하기 위한 마이크로웨이브 발생부와, 상기 마이크로웨이브를 전달받아 반응가스로부터 플라즈마를 생성하기 위한 플라즈마 반응부를 구비한 마이크로웨이브 플라즈마시스템에 있어서,

상기 플라즈마 반응부가

도파관을 통해 상기 마이크로웨이브를 입력받는 1차 공진기;

상기 1차 공진기로부터 전달된 마이크로웨이브로 플라즈마를 일으키게 하는 2차 공진기;

상기 1차 공진기와 상기 2차 공진기 사이에 마이크로웨이브를 전달하기 위한 커플링수단;

유전체로 이루어져 상기 2차 공진기 내에 위치되고, 상기 마이크로웨이브에 의해 반응가스로부터 플라즈마 반응을 일으키게 하는 플라즈마 반응관; 및

내부가 빈 원통의 일단에 환형판이 부착된 구조로 되어 상기 플라즈마 반응관과 상기 플라즈마 반응관에 인접한 공진기 사이 공간에 위치하여 사용자의 조작에 따라 공진모드와 주파수를 최적화하기 위한 공진기 튜너를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브 플라즈마시스템.
제4항에 있어서, 상기 커플링수단은 구멍 또는 안테나인 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브 플라즈마시스템.
제4항에 있어서, 상기 플라즈마 반응관의 재질이 유전상수가 2 내지 10 범위이고, 녹는 점이 600도 이상인 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브 플라즈마시스템.
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