초고주파 다기능 플라즈마 시스템 개발 및 플라즈마응용 연구 ... ·...
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초고주파 다기능 플라즈마 시스템 개발 및초고주파 다기능 플라즈마 시스템 개발 및초고주파 다기능 플라즈마 시스템 개발 및초고주파 다기능 플라즈마 시스템 개발 및
플라즈마응용 연구인력 양성에 관한 보고서플라즈마응용 연구인력 양성에 관한 보고서플라즈마응용 연구인력 양성에 관한 보고서플라즈마응용 연구인력 양성에 관한 보고서
최종보고서최종보고서최종보고서최종보고서( )( )( )( )
2006. 6. 122006. 6. 122006. 6. 122006. 6. 12
주관기관 부산대학교주관기관 부산대학교주관기관 부산대학교주관기관 부산대학교::::
참여기관 주 고려자동화참여기관 주 고려자동화참여기관 주 고려자동화참여기관 주 고려자동화: ( ): ( ): ( ): ( )
산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부
한국산업기술재단한국산업기술재단한국산업기술재단한국산업기술재단
- 2 -
제 출 문제 출 문제 출 문제 출 문
한국산업기술재단 사무총장 귀하한국산업기술재단 사무총장 귀하한국산업기술재단 사무총장 귀하한국산업기술재단 사무총장 귀하
본 보고서를 초고주파 다기능 플라즈마 시스템 개발 및 플라즈마응용 연구인력 양“
성 에 관한 지역혁신인력양성사업 사업기간 사업”( : 2003. 6. 1. ~ 2006. 4. 30.)
의 최종보고서로 제출합니다.
2006 . 6. 12.2006 . 6. 12.2006 . 6. 12.2006 . 6. 12.
주 관 기 관주 관 기 관주 관 기 관주 관 기 관
총괄책임자총괄책임자총괄책임자총괄책임자
사업참여자사업참여자사업참여자사업참여자
::::
::::
::::
부산대학교부산대학교부산대학교부산대학교
이 호 준이 호 준이 호 준이 호 준
김 동 현김 동 현김 동 현김 동 현
이 성 관이 성 관이 성 관이 성 관
최 준 영최 준 영최 준 영최 준 영
조 용 성조 용 성조 용 성조 용 성
옥 정 우옥 정 우옥 정 우옥 정 우
박 현 동박 현 동박 현 동박 현 동
김 현 종김 현 종김 현 종김 현 종
최 원 형최 원 형최 원 형최 원 형
이 대 성이 대 성이 대 성이 대 성
- 3 -
요 약 서 초 록요 약 서 초 록요 약 서 초 록요 약 서 초 록( )( )( )( )
사 업 명초고주파 다기능 플라즈마 시스템 개발 및 플라즈마응용 연구인력
양성
주관기관 부산대학교 총괄책임자 이 호 준
총사업기간 개월2003. 6. 1. ~ 2006. 4. 30. (35 )
당해연도
사업기간개월2005. 5. 1. ~ 2006. 4. 30. (12 )
총사업비
단위( :
천원)
정부출연금 : 243,000
민간부담금 : 90,240
지방자치단체부담금 : 0
합 계 : 333,240
참여기관 주 고려자동화( )
주 제 어
(6 ～
개10 )
초고주파 플라즈마 고주파 플라즈마 펄스모듈레이션 시변플라즈( , , ,
마 진단 폴리우레탄 표면처리, Sheath Dynamics, EVA, , Rubber
표면처리 전극, Mesh
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최종사업목표최종사업목표최종사업목표최종사업목표1.1.1.1.
계 계 소재포함 접착전 공정 대체를 위한 플Sole (Polyurethane , rubber ) Wet○
라즈마 장치 및 공정개발 플라즈마 응용관련 연구인력 양성 석사학위자: 11○
명 박사학위자 명, 1
공동연구를 통한 참여기업 연구원 재교육 명 비 자발적 미취업자를 제외1○ ○
한 학위취득자 전원취업
사업 목적 및 중요성사업 목적 및 중요성사업 목적 및 중요성사업 목적 및 중요성2.2.2.2.
고효율 플라즈마 플라즈마 시스템의 구축과 이를 활용한 응용기술개발을 통○
해 기계류 부품 소재의 고부가가치화 이를 통한 새로운 가치창출 환경산업의, , . ,
기저 기술을 제공 부산경남지역 기업 지원,
사업의 내용 및 범위사업의 내용 및 범위사업의 내용 및 범위사업의 내용 및 범위3.3.3.3.
초고주파 및 고주파 다기능 개발 요소기Pulse modulated Plasma System (○
술 포함 형 플라즈마소스 개발) Hybrid Pulse Modulated Plasma○ ○
개발 및 관련 응용기술 개발 절연 유전소재에 대한Processing , Ion-Assisted○
개발 및 이들을 종합하여 신발 계Plasma Processing Sole(Polyurethane ,
계 소재포함 접착전 공정 대체를 위한 플라즈마 장치 및 공정개발rubber ) Wet
사업의 성과사업의 성과사업의 성과사업의 성과4.4.4.4.
플라즈마 진단장치를 포함하는 초고주파및 고주파 Pulse Modulated Plasma○
개발 를 이용한 방지System Pulse Modulated Plasma Arcing Rubber Sheet○
표면처리 두꺼운 절연재료의 고 이온에너지 처리를 위한Grid Assisted○
개발 및 응용 참여기업표면처리장비 사Plasma Surface Treatment system ○
업화 성공 본과제와 직접 관련있는 석사 학위논문 편 플라즈마 응용관련2○ ○
석사학위 논문 편 플라즈마 응용 관련 박사학위 논문 편 월 예정16 1 (2006.8 )○
활용방안 및 기대효과활용방안 및 기대효과활용방안 및 기대효과활용방안 및 기대효과5.5.5.5.
주 고려자동화에서 개발 중인 습식도금 전처리용 플라즈마 장비 개발의 지( )○
속적인 기술지원 본 과제 수행을 통해 얻어진 인프라를 활용 두꺼운 절연,○
재료의 표면처리에 적합한 저 중 에너지 중성입자 발생용 플라즈마- (Plasma
의 역이용 개념 처리장치 기본 연구 지역 중소기업을 위한 플라즈마Engine ) ○
진단 서비스
부품소재의 고부가가치화를 위한 플라즈마 표면처리기술 중소 기업지원( )○
저 중 에너지 중성입자 발생용 플라즈마 처리장치 개발-○
지역 중소기업을 위한 플라즈마 진단 서비스 수행○
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목 차목 차목 차목 차
제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론1111
제 장 초고주파 플라즈마 시스템 설계 및 기초기술개발제 장 초고주파 플라즈마 시스템 설계 및 기초기술개발제 장 초고주파 플라즈마 시스템 설계 및 기초기술개발제 장 초고주파 플라즈마 시스템 설계 및 기초기술개발2222
제 절 개괄제 절 개괄제 절 개괄제 절 개괄1111
제 절 초고주파 방전의 기본원리제 절 초고주파 방전의 기본원리제 절 초고주파 방전의 기본원리제 절 초고주파 방전의 기본원리2222
제 절 파워도입부 설계 및 시뮬레이션제 절 파워도입부 설계 및 시뮬레이션제 절 파워도입부 설계 및 시뮬레이션제 절 파워도입부 설계 및 시뮬레이션3333
제 절 마그네트론 구동 전원제 절 마그네트론 구동 전원제 절 마그네트론 구동 전원제 절 마그네트론 구동 전원4444
제 장 고주파 플라즈마 시뮬레이션제 장 고주파 플라즈마 시뮬레이션제 장 고주파 플라즈마 시뮬레이션제 장 고주파 플라즈마 시뮬레이션3 ( I )3 ( I )3 ( I )3 ( I )
제 장 플라즈마 진단장비 개발 및 진단제 장 플라즈마 진단장비 개발 및 진단제 장 플라즈마 진단장비 개발 및 진단제 장 플라즈마 진단장비 개발 및 진단4444
제 절제 절제 절제 절1 Langmuir Probe1 Langmuir Probe1 Langmuir Probe1 Langmuir Probe
제 절 개발제 절 개발제 절 개발제 절 개발2 Probe System2 Probe System2 Probe System2 Probe System
제 절 참여기업의 플라즈마 장비진단제 절 참여기업의 플라즈마 장비진단제 절 참여기업의 플라즈마 장비진단제 절 참여기업의 플라즈마 장비진단3333
제 장 플라즈마 시스템 구축 및 진단제 장 플라즈마 시스템 구축 및 진단제 장 플라즈마 시스템 구축 및 진단제 장 플라즈마 시스템 구축 및 진단5555
제 절 플라즈마 시스템 구축제 절 플라즈마 시스템 구축제 절 플라즈마 시스템 구축제 절 플라즈마 시스템 구축1111
제 절 플라즈마 기본특성 진단제 절 플라즈마 기본특성 진단제 절 플라즈마 기본특성 진단제 절 플라즈마 기본특성 진단2222
제 절 및 플라즈마 시변특성 진단제 절 및 플라즈마 시변특성 진단제 절 및 플라즈마 시변특성 진단제 절 및 플라즈마 시변특성 진단3 Pulse Modulated Plasma Global Modeling3 Pulse Modulated Plasma Global Modeling3 Pulse Modulated Plasma Global Modeling3 Pulse Modulated Plasma Global Modeling
제 절제 절제 절제 절4 Sheath Dynamics4 Sheath Dynamics4 Sheath Dynamics4 Sheath Dynamics
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제 장 참여기업 표면처리용 용량결합 플라즈마 개발지원제 장 참여기업 표면처리용 용량결합 플라즈마 개발지원제 장 참여기업 표면처리용 용량결합 플라즈마 개발지원제 장 참여기업 표면처리용 용량결합 플라즈마 개발지원6666
제 절 를 이용한 표면처리제 절 를 이용한 표면처리제 절 를 이용한 표면처리제 절 를 이용한 표면처리1 RF Capacitively Coupled Plasma 3M rubber sheet1 RF Capacitively Coupled Plasma 3M rubber sheet1 RF Capacitively Coupled Plasma 3M rubber sheet1 RF Capacitively Coupled Plasma 3M rubber sheet
제 절 표면처리제 절 표면처리제 절 표면처리제 절 표면처리2 Rubber Sole2 Rubber Sole2 Rubber Sole2 Rubber Sole
제 장 를 포함한 고주파 플라즈마 처리장치 및제 장 를 포함한 고주파 플라즈마 처리장치 및제 장 를 포함한 고주파 플라즈마 처리장치 및제 장 를 포함한 고주파 플라즈마 처리장치 및7 O2 Chemistry Simulation PU7 O2 Chemistry Simulation PU7 O2 Chemistry Simulation PU7 O2 Chemistry Simulation PU
처리 공정개발처리 공정개발처리 공정개발처리 공정개발
제 절 를 포함한 유도결합형 플라즈마 처리 공정제 절 를 포함한 유도결합형 플라즈마 처리 공정제 절 를 포함한 유도결합형 플라즈마 처리 공정제 절 를 포함한 유도결합형 플라즈마 처리 공정1 O2 chemistry Simulation1 O2 chemistry Simulation1 O2 chemistry Simulation1 O2 chemistry Simulation
제 절 신발 용 폴리우레탄 표면처리 공정개발제 절 신발 용 폴리우레탄 표면처리 공정개발제 절 신발 용 폴리우레탄 표면처리 공정개발제 절 신발 용 폴리우레탄 표면처리 공정개발2 Sole2 Sole2 Sole2 Sole
제 장 전극을 이용한 표면처리 공정개발제 장 전극을 이용한 표면처리 공정개발제 장 전극을 이용한 표면처리 공정개발제 장 전극을 이용한 표면처리 공정개발8 Mesh8 Mesh8 Mesh8 Mesh
제 절 전극 시뮬레이션제 절 전극 시뮬레이션제 절 전극 시뮬레이션제 절 전극 시뮬레이션1 Mesh -1 Mesh -1 Mesh -1 Mesh -
제 절 전극을 이용한 신발 용 폴리우레탄 표면 처리공정개발제 절 전극을 이용한 신발 용 폴리우레탄 표면 처리공정개발제 절 전극을 이용한 신발 용 폴리우레탄 표면 처리공정개발제 절 전극을 이용한 신발 용 폴리우레탄 표면 처리공정개발2 Mesh Sole2 Mesh Sole2 Mesh Sole2 Mesh Sole
제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론9999
부 록부 록부 록부 록
부록 발생용 설명 및부록 발생용 설명 및부록 발생용 설명 및부록 발생용 설명 및1. AWG Analog output window code list1. AWG Analog output window code list1. AWG Analog output window code list1. AWG Analog output window code list
부록 글로벌모델 시뮬레이션 주요부부록 글로벌모델 시뮬레이션 주요부부록 글로벌모델 시뮬레이션 주요부부록 글로벌모델 시뮬레이션 주요부2. code list2. code list2. code list2. code list
부록 상용화 성공한 휴대폰 표면처리 초고주파 발생장치의 외관부록 상용화 성공한 휴대폰 표면처리 초고주파 발생장치의 외관부록 상용화 성공한 휴대폰 표면처리 초고주파 발생장치의 외관부록 상용화 성공한 휴대폰 표면처리 초고주파 발생장치의 외관3333
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서론서론서론서론1.1.1.1.
본 연구과제의 차년도에서는 시스템 제작을 위한 중요부 설계 마그네트론 구동용1 ,
고압 펄스 전원 개발 참여기업인 주 고려자동화에서 개발중인 표면처리 플라즈마, ( )
장비 특성진단을 위한 개발 등의 연구가 진행되었다Langmuir probe system .
플라즈마 시스템 개발에 있어서는 다양한 파워 도입부의 형태에 따른 주파수 특성,
공진기내부의 전 자계 시뮬레이션을 통해 의 특성을, Waveguide-Cavity coupling
확인하였다 개발은 형태의 신호발생기 부분. Langmuir probe system stand-alone
을 완성하여 참여 기업의 플라즈마 장치 진단에 사용되었다.
차년도 연구과제의 주 내용은 다기능 초 고주파 플라즈마 처리장치의2 ( ) proto-type
개발 차 년도에 개발된 진단장비등의 요소기술을 바탕으로 한 플라즈마 진단 및, 1
펄스모듈레이션 운전에 따른 제반 이론 실험적 연구가 진행되었으며,
차년도에서는 신발 접착 전처리 공정대체용 플라즈마 공정개발과 이에 따른3 Sole
플라즈마 특성의 이론적 연구가 진행되었다 의 접착력향상을 위한 플라즈마 처. PU
리 방법에 대한 이해가 이루어 졌으며 장비 상용화의 토대가 마련되었다 또한 초.
고주파 플라즈마를 이용한 휴대폰 표면처리장비가 상용화 되었다.
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초고주파 플라즈마 시스템 개발초고주파 플라즈마 시스템 개발초고주파 플라즈마 시스템 개발초고주파 플라즈마 시스템 개발2.2.2.2.
개괄개괄개괄개괄(1)(1)(1)(1)
세기초에 직류 아크 방전이 처음 시도된 이후로 산업의 발달과 더불어 플라즈마19
에 대한 연구는 자연계에 존재하는 플라즈마의 연구뿐 아니라 그 응용 범위도 매우
넓어져 가깝게는 광원 및 디스플레이 소자로의 응용에서부터 미래의 에너지 소스,
인 제어 핵융합로 진보된 초고집적 전자 소자의 제작 신물질의 합성 부가가치 박, , ,
막증착 고온의 열원 및 오염물 처리 에까지 이르며 현대 산업군, (waste treatment)
에 플라즈마의 응용은 이미 필수 불가결한 요소로 자리잡고 있다 이중에서도 특히.
저온 플라즈마를 이용한 재료공정 분야는 정보화 사회의 기(Materials Processing)
반기술로서 그 중요성이 점점 부각되고 있는 추세이다.1)
저온 플라즈마 장치는 두 개의 전극 사이에 수백 에서 수십 에 이르는 라KHz MHz
디오 주파수 전압을 인가하는 다이오드형태의 용량 결합형 플라즈마(Capacitively
가 주종을 이루었으나 최근 수년간 다양한 형태의 장치들Coupled Plasma, CCP) ,
이 활발히 연구되었다 전자 회전 공명 을 이. (Electron Cyclotron Resonance, ECR)
용하는 플라즈마 헬리콘 또는 휘슬러 파 를 이용하는 헬리콘 플ECR , (Whistler wave)
라즈마 헬리칼 공진기 유도 결합 플라즈마(Helicon Plasma), (Helical Resonator),
약한 자장을 사용하는 자화유도 결합 플라즈마 전(Inductively Coupled Plasma), ,
자빔 여기 플라즈마 등 여러가지 형태의 이른바(Electron Beam Excited Plasma) ,
저압 고밀도 플라즈마 소스(Low pressure High Density Plasma Sources, HDPs)
들이 제안되어 공정에 적용되거나 상용화되어 있다.
1) 이호준 재료공정 응용을 위한 소형 유도결합 플라즈마 장치 개발 과학재단 국산기기 활용, ‘ ’ 1999.
지원사업 결과 보고서
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장치개발의 비약적인 발전에도 불구하고 이온충격에 의한 기판손상 방향성 양이온,
의 입사에 따른 기판 미세구조에서의 전하불균형 현상등은 여전히 문제점으로 남아
있다 리액터 내에서의 증착이나 식각반응의 과정은 플라즈마내부의 다양한 중성화.
학종들 및 이온과 기판과의 상호작용에 의해 진행되므로 이온및 중성 활성종의 종
류 밀도 에너지등이 해당 공정의 직접적인 변수가 된다 그러나 이러한 플라즈마, , .
내부 변수들을 직접적으로 제어 할 수 있는 플라즈마 처리장치의 개발은 매우 제한
적으로 이루어져 지고 있으며 현재 대부분의 경우는 리액터를 블랙박스로 취급하고
통상 투입전력 도입가스의 종류 및 유량 용기압력등 외부에서 제어가능한 변수를, ,
통해 실험적 통계적으로 공정개발을 해오고 있다 이러한 실험적 접근만으로는 개, .
발된 공정의 이식성과 응용성이 제한적 일 수밖에 없다 따라서 리액터 내부변수의.
직접적인 제어의 필요성이 점차 대두되고 있으며 향후 플라즈마 장비의 개발은 플
라즈마 내부변수의 직접적인 제어를 통해 한 단계 진보된 공정을 가능케 하는 방향
으로 전개 될 것으로 예상된다.
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본 연구에서는 초고주파 플라즈마의 설계와 제작을 통해 관련 인력을 양성하고 산
업 현장에서 응용 될 수 있는 다양한 응용분야를 탐색한다 특히 이와 관련된 기반.
요소기술의 병행 개발을 통해 앞서 언급한 진보된 저온 플라즈마 시스템의 기술자
립도 및 저변을 확대하고자 한다.
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초고주파 방전의 기본원리초고주파 방전의 기본원리초고주파 방전의 기본원리초고주파 방전의 기본원리(2)(2)(2)(2) 2)
초고주파 플라즈마의 발전과 개요초고주파 플라즈마의 발전과 개요초고주파 플라즈마의 발전과 개요초고주파 플라즈마의 발전과 개요①①①①
년대부터 본격화된 레이더 기술 실용화의 연구 중에서 마이크로파의 회로소자1940 ,
에 관한 기술개발과 함께 통신장해의 원인인 마이크로파 방전에 관해서도 연구가
진행되어 큰 진전이 있었다.
마이크로파 플라즈마는 자계를 인가하는 것에 의해 저기압 고밀도 플라즈마를 얻을마이크로파 플라즈마는 자계를 인가하는 것에 의해 저기압 고밀도 플라즈마를 얻을마이크로파 플라즈마는 자계를 인가하는 것에 의해 저기압 고밀도 플라즈마를 얻을마이크로파 플라즈마는 자계를 인가하는 것에 의해 저기압 고밀도 플라즈마를 얻을
수 있기 때문에 그 후 플라즈마의 수송 과정 및 파동 현상 등의 연구용에 넓게 이, ,
용되었다 초기에는 의 마그네트론부터의 마이크로파를 공동 공진기. , 2.45GHz , ( )空洞
나 도파관을 관통하는 유리관 내에 입사하므로서 플라즈마를 생성하는 방식이 이용
되었다 이 방식에 의한 마이크로파 방전에서는 마이크로파의 각주파수와 전자의. ,
충돌주파수가 거의 대등한 압력에서 방전이 생성되기 쉽고 이 영역은 불활성 기체(
등에서는 102~10
3정도의 압력에 해당한다pa ), 10
-3인 낮은 압력에서는 전자 사Pa
이크로트론 공명을 이용한 플라즈마가 이용된다ECR . 플라즈마플라즈마플라즈마플라즈마ECRECRECRECR 는 저기압고밀
도의 플라즈마의 이점을 살리고 또는 용 플라즈마등에 많, etching, sputtering CVD
이 이용되었다 한편 년대에는 원통상 유리방전관의 일부에 강한 마이크로파. , 1970 ,
전계를 조사 하는 것에 의해 여기된( )照射 표면 파 플라즈마표면 파 플라즈마표면 파 플라즈마표면 파 플라즈마의 연구가 유럽이나 캐
나다에서 개시되었고 년까지 그 특성이나 발생 기구의 전모에 관한 이해가 진, 1990
행됐다.
2) 일본전기학회 ‘ ’, 2003波 技術マイクロ プラズの
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이 플라즈마는 고주파부터 마이크호파까지의 넓은 주파수영역의 전자파를 이용할,
수 있고, 101
부터 대기압까지의 넓은 압력범위에 적용 가능하며 높은 플라즈마Pa ,
밀도를 얻을 수 있는 등 뛰어난 특징을 가지고 있는 것이 명확해졌다 그러나 플라. ,
즈마 형상이 원통상이기 때문에 대면적을 필요로 하는 플라즈마 에서는, processing
이용하기 어렵다 이 결점을 보완한 것으로 년대가 되어서 대면적이고 두께. , 1990 ,
가 얇은 형상으로 고밀도 플라즈마를 얻을 수 있는 평판상 표면파 플라즈마평판상 표면파 플라즈마평판상 표면파 플라즈마평판상 표면파 플라즈마가 등장
했다 이 플라즈마는 무자계에서도. 10-1정도의 저기압에서 플라즈마가 생성되고Pa ,
자계 생성 장치가 불필요하기 때문에 플라즈마 생성 장치가 간략화되는 등 다른,
플라즈마에 비해서 많은 뛰어난 특징을 겸비하고 있기 때문에 용 플라, processing
즈마원이나 광원 등 여러 가지 이용이 생각되어지고 있다, .
본 장에서는 우선 무자계하에서의 마이크로파 방전의 발생 기구, ( ,機構
에 대해서 논한 다음 플라즈마 및 표면파 플라즈마를 논하고 마mechanism) , ECR ,
지막으로 마이크로파 플라즈마의 이용에 걸쳐서 고려하지 않으면 안되는 여러 가지
사항을 고찰한다.
초고주파 방전의 연구초고주파 방전의 연구초고주파 방전의 연구초고주파 방전의 연구②②②②
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마이크로파 방전에서는 공업적으로 의 마이크로파가 이용되고 있다 전자, 2.45GHz .
는 이 주파수의 마이크로파 전계에 포착된다 이 때문에 마이크로파 방전에( ) . ,電子
서는 교류직류방전이나 용량결합 고주파방전에서 필수소자인 전극이 불필요하고, ,
전극으로부터의 전자 방출은 방전의 형성과 유지에 중요하지 않게 된다 마이크로.
파 방전은 우발적으로 방전공간에 존재하는 전자가 마이크로파에 의해 가속되고, ,
중성입자를 충돌전리 하는 것에 의해 형성된다 이 때문에 마이크로파 방전에서는. , ,
마이크로파로부터 전자로의 에너지 수송과정에 대해서의 이해가 필요하게 된다.
마이크로파에 의한 전자 가열마이크로파에 의한 전자 가열마이크로파에 의한 전자 가열마이크로파에 의한 전자 가열
무자계의 경우 각주파수 의 마이크로파 전계 의 안에 놓여 진 전자는 중성입자, E ,ω
와의 충돌을 사이에 두고 마이크로파로부터 에너지를 획득해서 방전의 형성에 중,
요한 작용을 한다 전자와 중성입자와의 충돌주파수를 라고 하면 전자의 속도. Vc , v
는 의 식Langevin
을 푸는 것에 의해 구해진다 여기서 은 전자의 질량이고 는 마이크로파 전계. , m , E
이고,
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에서 주어진다 식 및 에 의해. (1) (2)
을 얻는다 단. ,
이다.
봉입가스의 압력이 높고 의 경우 이되기 때문에, vc , 0 ,≫ω ≈∅
식 은(3)
가 된다.
따라서 는 와 동위상이고 에 비례하는 것을 알 수 있다 즉 고기압에서는, v E , E0/vc . ,
전자는 마이크로파 전계를 만 약하게 느끼게 되기 때문에 방전을 개시하는 것1/vc ,
에는 을 높일 필요가 생긴다E0 .
한편 저기압에서 가 성립되는 경우, VC<< ,ω
로 된다.
는 에 대해서 위상이 일반적으로 늦기때문에 마이크로파 전계의 주기에서V E /2 , 1π
평균하면 전자는 마이크로파로부터 방전시에 필요한 에너지를 받을 수 없다 이 주, .
위의 상황을 명확히 하기위해서 여기서 마이크로파의 주기 사이에 전자가 획득, 1 T
하는 전력 를 점토한다W .
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는W ,
로 된다 여기서. ,
다 명확히 일때 이 된다 또한. , vc->0 , W->0 . ,
일 때 는 최대값, W Wmax,
이다 또한 전자가 마이크로파 전계중에서 변동할 때의 진폭 은 식 에서. , L , (5)
로 주어진다.
그림 은 전자의 에너지의 시간변화를 나타낸 그림이다 전자는 전계의 주기의2.1 , . 1
사이에 가속과 감속을 경험하지만 중성입자와 충돌하는 것에 의해 전계의 주기, , 1
의 사이에 운동에너지가 증가한다 또한 운동에너지가 여기전압이나 전리전압이상. ,
으로 되면 그림에서는 비탄성충돌을 발생해서 그림과 같이 전자의 에너지는( eV1), ,
크게 감소한다.
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그림 마이크로파 방전에서 전자온도 변화의 도식적 표현그림 마이크로파 방전에서 전자온도 변화의 도식적 표현그림 마이크로파 방전에서 전자온도 변화의 도식적 표현그림 마이크로파 방전에서 전자온도 변화의 도식적 표현2.22.22.22.2
마이크로파 방전의 개시기구마이크로파 방전의 개시기구마이크로파 방전의 개시기구마이크로파 방전의 개시기구(mechanism)(mechanism)(mechanism)(mechanism)
마이크로파 영역의 전자파에 대해서 전자는 그 전계에 포착된다 식 에서 나타, . (11)
낸 진동의 진폭 은 통상 방전관의 크기에 대해서 충분히 작게 된다 이 때문에L , , . ,
마이크로파 방전에서는 하전입자가 방전관벽이나 전극과의 충돌을 동반하여 발생,
한 차전자방출은 방전의 유지에 관여하지 않게 된다 따라서 마이크로파 방전에2 . ,
서는 플라즈마 본체에서 발생한 여러 가지현상 즉 마이크로파와 플라즈마간의 에, , ,
너지 수수 거래 주고 받음 하전입자 중성입자간의 충돌현상 또는 플라즈마( - , ), -授受
입자의 수송현상을 고려하는 것에 의해 마이크로파 방전의 발생이나 유지를 검토,
할 수 있다 여기서는 마이크로파 방전에 있어서 중요한 방전개시에 필요한 전계강. ,
도에 관한 지금까지의 연구성과를 소개한다.
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와 은 마이크로파 방전이 개시되는 전계강도를 측정하기 위해서MacDonald Brown , ,
의TM010 mode 공동공진기공동공진기공동공진기공동공진기를 방전 용기로서 이용했다 마이크로파의 주파수는.
이고 의 압력범위에서 여러 가지 가스에 대해서 실험을 행하2~9GHz , 10-10 Pa ,⁴
고 있다.
그림 는 실험에서 사용된 공동공진기를 겸한 방전 용기이다 마이크로파는 외부2.2 .
회로로부터 안테나 또는 창 에 의해 공급된다 에서는 공진주loop ( ) . TM010 mode窓
파수 는 다음 식에서 주어지고 공진기의 크기 에는 관계가 없고 반경 만 관0 , H , aω
계된다.
여기서 는 광속이디, c .
실험에서는 방전 용기내에 소정의 압력으로 가스를 봉입한 후 공진주파수의 마이, ,
크로파를 입사하고 방전개시시의 마이크로파 전계 를 측정한다 입사전력을 점, ED .
차 증대시켜 가면 머지않아 공진기내에서 방전이 형성된다 이 때 공진기의 공진, . ,
주파수는 발생한 플라즈마의 영향을,
받아서 높은 방향으로 하기 때문에 용이하게 방전의 개시를 알 수 있다shift , . ED
는 이 때의 마이크로파의 입사 및 반사전력과 방전개시전의 값에 의해 산출할 수, Q
있다.
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그림 에 미량의 수은을 혼입하는 것에 의해 효과를 일으켜서 방전하기2.3 penning
쉽게 된 헬륨에서의 실험결과를 나타낸다 여기서 는 특성확산길이 이고 공진기. , A
의 크기에 의존하는 이다 그림과 같이 는 뿐만 아니라 마이크로파parameter . , ED A
주파수나 가스종에 의해서도 변화한다 많은 경우 는. ED 102~10
3의 압력에서 최pa
소값을 취할 수 있는 것을 알 수 있다 이것은 식 의 조건을 만족시키는 압력에. (9)
상당한다.
(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b)
그림 마이크로파 방전개시 전계측정을 위한 공동공진 실험 장치그림 마이크로파 방전개시 전계측정을 위한 공동공진 실험 장치그림 마이크로파 방전개시 전계측정을 위한 공동공진 실험 장치그림 마이크로파 방전개시 전계측정을 위한 공동공진 실험 장치2.32.32.32.3
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그림 압력과 방전용기의 크기에 따른 방전개시 전계 변화그림 압력과 방전용기의 크기에 따른 방전개시 전계 변화그림 압력과 방전용기의 크기에 따른 방전개시 전계 변화그림 압력과 방전용기의 크기에 따른 방전개시 전계 변화2.42.42.42.4
그림의 가운데 부분의 실험은 의 이론값이고 이하와 같이 도출된다 방전관내의ED , .
전자밀도는 다음 식에 의해 지배된다, .
여기서 전자밀도 전자의 확산계수 전리주파수 부착계수 재결합계수, n: , D: , vi: , va: , :α
이다.
방전 개시시에는 플라즈마 밀도가 낮기 때문에 재결합 항과 부착 항은 무시할 수,
있다 식 의 우변이 인 경우에는 은 증대를 계속하고 결국은 절연파. (13) positive n ,
괴에 이른다 따라서 방전은 식 이 영으로 될 때에 개시한다고 생각할 수 있. , (213)
기 때문에 방전개시조건은, ,
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로 된다.
한편 플라즈마 밀도분포 는 반경 크기 의 원통상방전관의 관벽 표, n(r, z) a, H ( )管壁
면에서 이고 는 공간적으로 똑같은 것을 고려하면 다음 식처럼 구해진다n=0 , vi , .
이것을 특성확산길이 의 정의식(characteristic diffusion length) A ,
에 대입하는 것에 의해,
을 얻는다.
식 에서 가 일정한 경우에서도 를 변화시키는 것에 의해 을 조정할 수 있(17) , a H �
지만 이것은 관축방향으로의 확산손실을 변화시키는 것에 대응한다, , .
식 및 으로부터 마이크로파 방전의 개시조건을 주는 식(14) (16) ,
이 도출된다.
식 의 전자의 확산계수 와 전리주파수 을 봉입 가스종에 대한 충돌 전리치(18) D vi , ,
단면적 및 강한 마이크로파 전계중의 전자속도 분포함수를 이용해서 산출하는 것에
의해 봉입 가스압 와 의 함수를 구할 수가 있다, p ED .
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전자부착이 큰 가스종인 산소 공기 및 질소에 대한 결과를 그림 에 나타낸다, 2.4 .
그림 의 수은 헬륨 혼합가스의 데이터에 비교해서 가 배정도 크게되고 있지2.3 - ED 3
만 이것은 산소 원자 분자로의 전자의 부착손실이 큰 것이 원인이다, , .
그림 의 경우 방전개시 전계그림 의 경우 방전개시 전계그림 의 경우 방전개시 전계그림 의 경우 방전개시 전계2.5 Air, O2, N22.5 Air, O2, N22.5 Air, O2, N22.5 Air, O2, N2
식 에 의해 구해진 이론식은 그림 및 그림 에 나타내어진 것처럼 실험(18) , 2.2 2.3 ,
값과 극히 잘 일치하는 것을 알 수 있다.
마지막으로 플라즈마 에서 사용된 수소에 대해서 와 그 최소값, process , ED EDmin
및 그것에 대응하는 압력 의 근사식을 소개한다pmin .
저압력 영역 에서는: p<pmin ,
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고압 영역 에서는: p>pmin ,
또는,
으로 주어진다.
여기서 및 의 단위는 각각 및 이다, E A V/cm cm .
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파워 도입부 설계 및 시뮬레이션파워 도입부 설계 및 시뮬레이션파워 도입부 설계 및 시뮬레이션파워 도입부 설계 및 시뮬레이션(3)(3)(3)(3)
효과적인 초고주파 플라즈마 발생을 위하여 우선적으로 두가지 형태의 파워 도입부
를 고려하였다 도파관내에 적절한 를 통해 결합시키는 방법과 사각형. coupling slot
에서 원통형 모드 변환기를 통해 직접 로 전력을 전달하는 방법이TE10 TE11 cavity
다 본 계산은. CST Microwave Studio3)를 사용하여 수행되었다.
수직형 안테나수직형 안테나수직형 안테나수직형 안테나SlotSlotSlotSlot①①①①
그림 는 반경 높이 의 에 석영창과 을 통해 전자파를 투2.5 10cm, 20cm cavity slot
입하는 구조로 된 안테나 의 초기 설계를 보여 준다 은 파의 진slot coupling . Slot
행 방향과 수직하게 놓여있으며 장축의 길이와 같이WR340 Waveguide 86.36mm
가 되도록 하였고 폭 의 크기를 가지며 의 중심부에 놓여있다 도파관내5mm cavity .
에 또는 을 설치하면 주변의 에 의Slot hole Slot Electric/Magnetic Dipole Radiation
해 를 여기시킬 수 있는 에너지가 전달 될 수 있다 이 안테나의 모양 위치cavity . , ,
크기 개수 등은 전격전달에 있어서 중요한 요소가 되며 최적의 구조가 도출 되어,
야 한다 이러한 에서는 부하의 임피던스가 플라즈마 부하보다 시스템의. coupling
구조에 의해 전체 부하의 임피던스가 결정되므로 다양한 플라즈마 부하변동에 대해
파워 점의 이동을 감소시킬 수 있다는 장점이 있다matching .
3) Cst icrowave Studio evaluation version
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그림 의 는 석영창의 두께 를 제외하고 직경 및 길이가1 cavity Size 10mm 200mm
이다 이 크기는 의 에 근접하는 값이다. 2.45GHz TE012 mode .
그림 은 최초 기본설계에 의한 의 값을 보여준다2.6 scattering parameter S11 .
및 주파수에서 로 에너지가 잘 되고 있음을 보여준다 실2.27GHz 2.29GHz cavity .
제 사용되어질 영역에서는 다음의 식으로 주어지는 의 이상적인2.45GHz Cavity
에 더 가까운 값으로 설정할 필요가 있음을 알 수 있다 그러나 특Resonace mode .
성 주파수 자체가 절대적인 의미를 가지는 것은 아니다 실제의 경우 플라즈마 확.
산 챔버가 존재하고 플라즈마 부하가 있기 때문이다.
더욱 중요한 것은 이 되는 주파수가 제한적이기 때문에 플라즈마 발생용으coupling
로는 그리 적합한 구조가 아니라고 할 수 있다 그림 은 이러한 사실을 잘 보여. 2.7
주고 있는데 가 의 를 가지는 균일한 플라즈마 부하Cavity 0.004S/m Conductivty
근사적으로 압력 전자밀도( 1Torr, 1x1010/cm
3에 해당 가 있는 경우 특성) Coupling
이 현저히 나빠져 에너지 전달이 있음을 볼 수 있다.
그림 과 는 수직형 안테나로 된 두 공진모드의 전계 분포를2.8 2.9 Slot coupling
비교한 것이다 결론적으로 수직형 안테나는 공진모드를 여기 시키는데 큰 문. Slot
제가 있는 것은 아니나 플라즈마 생성용으로는 적절치 않은 것으로 판단된다.
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수직형 안테나를 좀 더 개선한 모양으로 개의 을Slot 2 Slot λ g 간격으로 배치한/2
형태가 그림 에 나타나 있다 여기서2.10 . λg는 의 도파관내 파장이다 공2.45GHz .
진모드는 단일 에 비해 다양하게 얻어졌으며 저항성 부하를 인가하는 경우에도slot
의 인가에도 비교적 좋은 특성을 보여 주고 있다.
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그림 기본적인 슬롯 안테나의 구조그림 기본적인 슬롯 안테나의 구조그림 기본적인 슬롯 안테나의 구조그림 기본적인 슬롯 안테나의 구조2.62.62.62.6
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그림 수직형 안테나의 특성그림 수직형 안테나의 특성그림 수직형 안테나의 특성그림 수직형 안테나의 특성2.7 1 slot coupling S112.7 1 slot coupling S112.7 1 slot coupling S112.7 1 slot coupling S11
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그림 수직형 안테나에서 의 플라즈마 부하가 인가 된 경우그림 수직형 안테나에서 의 플라즈마 부하가 인가 된 경우그림 수직형 안테나에서 의 플라즈마 부하가 인가 된 경우그림 수직형 안테나에서 의 플라즈마 부하가 인가 된 경우2.8 1 Slot 0.004S/m2.8 1 Slot 0.004S/m2.8 1 Slot 0.004S/m2.8 1 Slot 0.004S/m
특성특성특성특성S11S11S11S11
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그림 수직형 안테나의 공진첨 성분그림 수직형 안테나의 공진첨 성분그림 수직형 안테나의 공진첨 성분그림 수직형 안테나의 공진첨 성분2.9 1 Slot Ey 2.267GHz2.9 1 Slot Ey 2.267GHz2.9 1 Slot Ey 2.267GHz2.9 1 Slot Ey 2.267GHz
그림 수직형 안테나의 공진첨 성분그림 수직형 안테나의 공진첨 성분그림 수직형 안테나의 공진첨 성분그림 수직형 안테나의 공진첨 성분2.10 1 Slot Ey 2.294GHz2.10 1 Slot Ey 2.294GHz2.10 1 Slot Ey 2.294GHz2.10 1 Slot Ey 2.294GHz
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그림 수직형 안테나의 제안된 구조그림 수직형 안테나의 제안된 구조그림 수직형 안테나의 제안된 구조그림 수직형 안테나의 제안된 구조2.11 double slot2.11 double slot2.11 double slot2.11 double slot
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그림 수직형 에서의 특성그림 수직형 에서의 특성그림 수직형 에서의 특성그림 수직형 에서의 특성2.12 double slot cavity coupling2.12 double slot cavity coupling2.12 double slot cavity coupling2.12 double slot cavity coupling
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그림 수직형 에서의 특성그림 수직형 에서의 특성그림 수직형 에서의 특성그림 수직형 에서의 특성2.13 double slot cavity coupling (0.004S/m plasma2.13 double slot cavity coupling (0.004S/m plasma2.13 double slot cavity coupling (0.004S/m plasma2.13 double slot cavity coupling (0.004S/m plasma
load)load)load)load)
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수평형 안테나수평형 안테나수평형 안테나수평형 안테나SlotSlotSlotSlot②②②②
본 절에서는 도파관내의 전파방향과 나란한 방향의 안테나에 대한wave slot
특성을 살펴보았다 그림 는 중심에 개의 을power coupling . 2.13 wave guide 1 slot
낸 경우를 보여준다 전계에 의한 이 가능함에도 불구하고 로. dipole radiation cavity
에너지 전달이 거의 일어나지 않고 있음을 알 수 있다 도파관내 위치를 변화 시켰.
을 큰 차이를 보여 주지 않았다 결국 이러한 수평형 안테나는 플라즈마 발생장치.
로 매우 부적절함을 알 수 있다.
그림 은 한 쌍의 이 중심에서 도파관 장축길이 의 만큼 떨어져 있는2.16 slot a 1/2
형태로서 설계된 도입부를 보여준다 개의 슬롯을 내므로서 좀 더 다양한 공진. 2
가 발생하고 있으나 그림 에서 보는 바와 같이 공진기로의 에너지 전달mode 2.17
률이 낮게 나타나고 있다 이는 슬롯의 위치가 공진기 반경의 배 보다 짧기 때. 1/2
문으로 판단된다.
이를 개선하기 위하여 그림 에서 보듯이 슬롯의 간격을 키워 도파관의 끝 부분2.18
으로 최대한 붙여 공진기가 볼 때 가 차 이상의 모드를 좀 더 용이하field source 2
게 발생시킬 수 있도록 하였다 그림 에서 보듯이 가 존재할 경. 21 conductive load
우에도 좋은 특성을 보여주고 있다coupling .
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그림 수평형 안테나 구조그림 수평형 안테나 구조그림 수평형 안테나 구조그림 수평형 안테나 구조2. 14 1 slot a, b2. 14 1 slot a, b2. 14 1 slot a, b2. 14 1 slot a, b
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그림 수평형 안테나 설계그림 수평형 안테나 설계그림 수평형 안테나 설계그림 수평형 안테나 설계2.15 double slot2.15 double slot2.15 double slot2.15 double slot
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그림 슬롯 간격 인 경우의그림 슬롯 간격 인 경우의그림 슬롯 간격 인 경우의그림 슬롯 간격 인 경우의2.16 a/2 S parameter2.16 a/2 S parameter2.16 a/2 S parameter2.16 a/2 S parameter
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그림 수평형 안테나 설계 간격이 인 경우그림 수평형 안테나 설계 간격이 인 경우그림 수평형 안테나 설계 간격이 인 경우그림 수평형 안테나 설계 간격이 인 경우2.17 double slot 2 ( a )2.17 double slot 2 ( a )2.17 double slot 2 ( a )2.17 double slot 2 ( a )
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그림 슬롯 간격 인 경우의그림 슬롯 간격 인 경우의그림 슬롯 간격 인 경우의그림 슬롯 간격 인 경우의2.18 a S parameter2.18 a S parameter2.18 a S parameter2.18 a S parameter
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그림 슬롯 간격 인 경우 위에서 본그림 슬롯 간격 인 경우 위에서 본그림 슬롯 간격 인 경우 위에서 본그림 슬롯 간격 인 경우 위에서 본2.19 a , E field line (angle=90deg)2.19 a , E field line (angle=90deg)2.19 a , E field line (angle=90deg)2.19 a , E field line (angle=90deg)
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를 이용한 투입를 이용한 투입를 이용한 투입를 이용한 투입Mode converter microwaveMode converter microwaveMode converter microwaveMode converter microwave③③③③
본 절에서는 원형 의 한쪽 끝에서 사각도파관을 직접연결하는 경우와Cavity
변환기를 통해 초고주파를 투입하는 경우에 대해rectangular -> cylindrical mode
에너지 을 조사해보았다 그림 와 은 직접연결과 모드변환기를couplimg . 2.19 2.20
대한 설계를 보여준다 직접연결에 비해 모드변환기를 통한 연결하는 경우는 직관.
적으로 가장 알기 쉽고 평이한 구조라 할 수 있으나 하나의 소스를 사용하는 경우
대면적화에 어려움이 있을 것으로 판단된다 그림은 직접연결과 를 통한. Converter
연결에서 균일한 도전성 부하가 존재할 때의 를 보여주고 있다 부하가S-parameter .
존재할 때는 두 가지 경우 큰 차이가 없음을 알 수 있었다.
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그림 도파된 직접 연결형 도입부그림 도파된 직접 연결형 도입부그림 도파된 직접 연결형 도입부그림 도파된 직접 연결형 도입부2.202.202.202.20
그림 모드 컨버터를 이용한 도입부그림 모드 컨버터를 이용한 도입부그림 모드 컨버터를 이용한 도입부그림 모드 컨버터를 이용한 도입부2.212.212.212.21
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그림 직접 연결형의 부하그림 직접 연결형의 부하그림 직접 연결형의 부하그림 직접 연결형의 부하2.22 S11 ( =0.0004)2.22 S11 ( =0.0004)2.22 S11 ( =0.0004)2.22 S11 ( =0.0004)
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그림 모드컨버터를 이용한 연결에 있어서 값그림 모드컨버터를 이용한 연결에 있어서 값그림 모드컨버터를 이용한 연결에 있어서 값그림 모드컨버터를 이용한 연결에 있어서 값2.23 S112.23 S112.23 S112.23 S11
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참여기업의 신발소재 전처리를 위한 플라즈마 처리장치내의 전계분포 시뮬레이참여기업의 신발소재 전처리를 위한 플라즈마 처리장치내의 전계분포 시뮬레이참여기업의 신발소재 전처리를 위한 플라즈마 처리장치내의 전계분포 시뮬레이참여기업의 신발소재 전처리를 위한 플라즈마 처리장치내의 전계분포 시뮬레이④④④④
션션션션
그림 은 연구과제에 참여하고 있는 주 고려자동화가 개발 중인 신발소재 전처2.23 ( )
리를 위한 초고주파 플라즈마 처리장치의 시뮬레이션 결과를 보여주고 있다 실제.
로는 전력투입구가 개로 이루어져 있으나 계산 시간상 그중 개의 유닛에 대해서4 , 1
만 결과를 도출 하였다 도파관 내부 대부분을 시켜 마이크로 웨이브를 투. open
입하고 있다 투입 윈도우 길이 방향으로 전계강도가 조금 불균일한 형태가 보이고.
있으나 플라즈마 발생에는 큰 문제가 없는 것으로 판단된다 특히 개의 도파관이. 4
지그재그 형태로 전력을 투입하고 있으므로 전체 플라즈마의 균일도 측면에서도 나
쁘지 않은 결과를 예상할 수 있다.
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그림 주 고려자동 플라즈마 시스템 전계해석그림 주 고려자동 플라즈마 시스템 전계해석그림 주 고려자동 플라즈마 시스템 전계해석그림 주 고려자동 플라즈마 시스템 전계해석2.24 ( )2.24 ( )2.24 ( )2.24 ( )
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마이크로웨이브 투입부 설계결과에 대한 종합검토마이크로웨이브 투입부 설계결과에 대한 종합검토마이크로웨이브 투입부 설계결과에 대한 종합검토마이크로웨이브 투입부 설계결과에 대한 종합검토⑤⑤⑤⑤
앞 절에서 수직형 수평형 및 를 이용한 경우에 대해서 플라즈마, mode converter
챔버로의 전력 투입에 대해 고찰한 결과 수평형 안테나 수직형 안테, 2 slot , 2 slot
나 및 변환기를 통한 세 가지에 대해 추후 실험을 진행 시키는 것mode coupling
이 바람직하다 슬롯형 안테나는 플라즈마와 유전체 경계로 전파되는 표면파 모드.
를 여기시켜 플라즈마 소스의 대면적화도 가능한 만큼 우선적으로 시도할 필요가
있다고 판단된다.
보고서에서 보여진 계산결과는 플라즈마의 공간적 분포나 온전한 복소 전기전도도
를 제대로 취급하지 못한 측면이 있으므로 실제 플라즈마 발생실험을 통해 안테나
구조의 최적화와 이 부분에 대한 이론적 연구도 병행되어 나가야 할 것으로 보인
다.
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마그네트론 구동전원마그네트론 구동전원마그네트론 구동전원마그네트론 구동전원(4)(4)(4)(4)
중간 출력 규모의 초고주파를 얻기 위해 가장 일반적으로 사용되는 장치는 전계에
의해 가속된 전자를 전자석 혹은 영구자석에 의한 자계로 회전운동 시킴으로 초고
주파 출력을 얻는 마그네트론이 주로 사용된다 마이크로웨이브 오븐의 사용과 함.
께 대량 생산되어 손쉽게 구할 수 있고 가격도 비교적 저렴하여 플라즈마2.45GHz
발생용으로도 많이 사용되고 있다 가장 간단한 형태의 반파 정류형 마그네트론 전.
원부의 회로가 그림 에 나타나 있다 이러한 형태는 제작비가 싼 반면 플라즈마2.24 .
의 특성을 제어하기에는 부족한 점이 많다 그림 는 반파정류형 전원부에서 측. 2.25
정된 마그네트론 입력전압 파형을 보여준다 상용 전원 주파수에 따라 펄스. 60Hz
형의 전압을 얻게 되어있다.
그림 은 본 연구에서 제안하는 펄스제어가 가능한 마그네트론 전원부의 구동2.26
개념회로를 보여준다 차측에서 완전 정류된 전압을 소자로 펄스를. 1 DC Switching
만들고 이를 약 배 승압트랜스로 전달하는 구조로 되어있다 저전압 차측의 스15 . 1
위칭 주파수 및 를 가변하여 원하는 펄스 형태를 얻을 수 있다 또한 커패시터duty .
와 고압릴레이를 이용 연속모드와 펄스 모드를 절환하여 사용할 수 있도록 하였다, .
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그림 통상적인 반파정류형 마그네트론 전원그림 통상적인 반파정류형 마그네트론 전원그림 통상적인 반파정류형 마그네트론 전원그림 통상적인 반파정류형 마그네트론 전원2.252.252.252.25
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그림 반파정류형 마그네트론 전원 출력파형그림 반파정류형 마그네트론 전원 출력파형그림 반파정류형 마그네트론 전원 출력파형그림 반파정류형 마그네트론 전원 출력파형2.262.262.262.26
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그림 제안된 초고주파 펄스 플라즈마 발생용 마그네트론 전원그림 제안된 초고주파 펄스 플라즈마 발생용 마그네트론 전원그림 제안된 초고주파 펄스 플라즈마 발생용 마그네트론 전원그림 제안된 초고주파 펄스 플라즈마 발생용 마그네트론 전원2.272.272.272.27
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고주파 플라즈마 시뮬레이션고주파 플라즈마 시뮬레이션고주파 플라즈마 시뮬레이션고주파 플라즈마 시뮬레이션3. ( I )3. ( I )3. ( I )3. ( I )
본 장에서는 차원 고주파 플라즈마의 한 해석 및2 self-consistant FEM
을 사용한 시뮬레이션을 통해 시스템의 제작에 앞서 주어진 용기의tool(FEMLAB)
사이즈와 투입전력 압력에 대해 어느 정도의 플라즈마 밀도와 온도가 얻어 질 수,
있는지에 대한 검토가 이루어 졌다.
준준성 플라즈마의 경우 아래의 입자보존과 에너지보존식, steady state ,
으로서 전자의 밀도와 온도를 계산한다 입자보존식에서 은. loss term ambipolar
으로 간략화 하였고 수송계수 는diffusion Da 4) 로 주어졌다 이온0.5788m² /P(Torr) .
와 주파수와 비탄성충돌에 의한 에너지 는loss
와 같이 주었다5)
4) ] A.D. Richards, B.E. Thompson, and Herbert H. Sawin, "Continuum modeling of argon radio
frequency glow discharges", Applied Phys. Lett. 50(9) PP.489-491, Mar. 19
5) [6] M.A. Lieberman and A. J. Lichtenberg, Principles of Plasma Discharges and Materials
Processing: John Wiley & Sons pp387-410, 19
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고주파 전자계는 다음의 방정식들로부터 얻어질 수 있다.
용기의 크기는 반경 높이 이면 원형 안테나와 쿼츠를 통해 전력이 투15cm, 10cm
입되는 구조로 되어 있다 전기전도도는 장에서 설명된 바 있으며 와 플. 1 E, H field
라즈마는 순차적으로 풀어 그림 과 같은 구조로 최종 해를 구하였다3.1 .
그림 고주파 프라즈마 시뮬레이션을 위한 계산그림 고주파 프라즈마 시뮬레이션을 위한 계산그림 고주파 프라즈마 시뮬레이션을 위한 계산그림 고주파 프라즈마 시뮬레이션을 위한 계산3.1 flow3.1 flow3.1 flow3.1 flow
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그림 는 투입 전력 공정 압력 고주파전력이 원통(3-2),(3-3),(3-4) 1kW, 50mTorr,
형 챔버의 가장자리 부분으로 입사하는 경우의 전자 온도 밀도 전력흡수전력 분포, ,
를 보여 주고 있다.
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그림 플라즈마의 전자 온도 분포그림 플라즈마의 전자 온도 분포그림 플라즈마의 전자 온도 분포그림 플라즈마의 전자 온도 분포3.2 1Kw, 50mtorr Ar3.2 1Kw, 50mtorr Ar3.2 1Kw, 50mtorr Ar3.2 1Kw, 50mtorr Ar
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그림 플라즈마의 전자 밀도 분포그림 플라즈마의 전자 밀도 분포그림 플라즈마의 전자 밀도 분포그림 플라즈마의 전자 밀도 분포3.3 1Kw, 50mtorr Ar3.3 1Kw, 50mtorr Ar3.3 1Kw, 50mtorr Ar3.3 1Kw, 50mtorr Ar
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그림 플라즈마기 전력 흡수 공간분포그림 플라즈마기 전력 흡수 공간분포그림 플라즈마기 전력 흡수 공간분포그림 플라즈마기 전력 흡수 공간분포3.4 1Kw, 50mtorr Ar3.4 1Kw, 50mtorr Ar3.4 1Kw, 50mtorr Ar3.4 1Kw, 50mtorr Ar
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그림 는 공정압력이 인 경우 투입전력에 따른 전자온도와 밀도의 최(3-5) 10mTorr
대값을 보여준다 밀도는 선형적으로 증가함을 볼 수 있으며 전자온도는 거의 변화.
가 없다 그림 는 투입전력의 공간적 분포에 따른 플라즈마 밀도의 공간적 분. (3-6)
포이다 압력이 높은 경우 확산이 저지 됨에 따라 전력이 흡수되는 곳의 밀도가 높.
아짐을 볼 수 있다 낮은 압력 에서는 고주파 전력의 투입위치에 상관없이 중심에.
서 최대의 밀도을 보여준다 그러나 전력 투입위치를 적절히 조절함으로서 플라즈.
마의 균일도가 향상됨을 알 수 있었다.
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그림 에서 투입전력에 따른 전자온도 밀도 계산결과그림 에서 투입전력에 따른 전자온도 밀도 계산결과그림 에서 투입전력에 따른 전자온도 밀도 계산결과그림 에서 투입전력에 따른 전자온도 밀도 계산결과3.5 10mTorr ,3.5 10mTorr ,3.5 10mTorr ,3.5 10mTorr ,
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그림 고주파 전력 투입위치와 공정압력에 따른 플라즈마 밀도변화 계산결과그림 고주파 전력 투입위치와 공정압력에 따른 플라즈마 밀도변화 계산결과그림 고주파 전력 투입위치와 공정압력에 따른 플라즈마 밀도변화 계산결과그림 고주파 전력 투입위치와 공정압력에 따른 플라즈마 밀도변화 계산결과3.63.63.63.6
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플라즈마 진단장비 개발 및 진단플라즈마 진단장비 개발 및 진단플라즈마 진단장비 개발 및 진단플라즈마 진단장비 개발 및 진단4.4.4.4.
의 기본 원리의 기본 원리의 기본 원리의 기본 원리(1) Langmuir Probe(1) Langmuir Probe(1) Langmuir Probe(1) Langmuir Probe
속도 분포를 가지는 플라즈마에서 탐침에 흐르는 전자 전류 는 플라Maxwellian le
즈마 전위 및 바이어스 전압 의 함수로서(Vp) (Ve)
와 같이 주어진다 공간 전위의 시간에 따른 변동이 있을 경우. (Vp = Vpdc + Vpac)
탐침 끝에 걸리는 전압은 회로에서 인가된 바이어스 이외에 Vpac 성분이 추가되어
측정되는 전자의 온도는 실제보다 높게 나타나게 되는데 이러한 측정상의 오차를
줄이기 위해서는 플라즈마와 탐침간의 임피턴스를 최소화하고 탐침과 접지 사이의
임피던스를 최대한 크게 하여 플라즈마 전위의 시변동 분이 탐침의 끝과 플라즈마
사이에 걸리지 않도록 하여야 한다.
플라즈마 전위는 얻어진 프로브의 전류의 전압으로부터 구할 수 있으며saturation
이 때 전자의 밀도는 프로브의 전자 포화전류 Iesat 전자온도, kTe 프로브 면적, A
로부터의 관계로부터 구할 수 있다.
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여기서 전자의 온도는 다음의 관계로부터
프로브의 곡선의 직선부분 기울기로부터 얻어진다In(I)-V .
전자의 온도는 입자 보존식으로 부터 그 경향을 파악할 수 있다 정상상태에서는.
하전입자의 손실과 에 의한 생성률은 균형을 이루어야 하므로 균일한 밀ionization
도 분포를 가지는 플라즈마의 경우 근사적으로 다음과 같은 을 만particle balence
족한다.
여기서 n0, ng, uB는 전자 이온 밀도 중성기체 밀도 를 나타내고( ) , , Bohm velocity Ki
는 와 는 각각 손실면적과 부피를 나타낸다 전자의 온도에 명확ionization rate, S V .
히 의존하는 변수인 이온화율과 에 대한 식으로 정리하면 아래과 같Bohm velocity
다.
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이온화율은 통상 지수함수적으로 증가하고 Bohm velocity T√ e에 비례하므로 용기
의 부피가 작아지거나 중성입자의 밀도가 감소하면 Te가 증가함으로서 평형이 유지
된다.
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형 플라즈마 진단 장비 개발형 플라즈마 진단 장비 개발형 플라즈마 진단 장비 개발형 플라즈마 진단 장비 개발(2) Standalone Langmuir Probe(2) Standalone Langmuir Probe(2) Standalone Langmuir Probe(2) Standalone Langmuir Probe
프로브 측정장치는 간단하면서로 매우 유용한 플라즈마 특성을 얻을 수 있어 그 활
용도가 매우 높다 현재 사용화 되어 있는 장치들이 외국의 경우 몇 군데 있으나.
장비제작의 난이도등에 비해 지나치게 비싸다 본 연구에서는 석사인력의 교육목적.
과 프로브의 활용도를 감안하여 전체 시스템을 직접 제작하였다.
구성구성구성구성①①①①
프로브 시스템은 크게 두분으로 나뉘어져 있다 그림 에서보는 바와 같이 신호. 4.1
파형의 발생과 측정 및 분석을 담당하는 부분과 로부터 출력되는 신PC PC Analog
호의 증폭을 위한 및 전원회로부가 주 구성원이다 부분에는Power OPAMP PC DA
및 가 장착되어 있으며 이들을 구동하기위한 는 및AD converter Software visual C
로 구성되어 있다 최종 은 로 구동되지만 교육목적으LabViwe . proto type LabView
로 프로그래밍 부분을 도입하였다C .
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그림 프로브 시스템의 구성도그림 프로브 시스템의 구성도그림 프로브 시스템의 구성도그림 프로브 시스템의 구성도4.14.14.14.1
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LabView ProgramingLabView ProgramingLabView ProgramingLabView Programing②②②②
를 이용하여 제어와 계측을 수행하기 위해서는 그에 적절한 와Computer Hardware
가 필요하다 이 에서 우리가 사용하는 는 인Software . System Hardware A/D Board
과 인 이며 는 이다 하지만PCI-6713 D/A Board PCI-MIO-16E-1 Software LabVIEW .
인 이 개의 단자도 제공하고 있어서D/A Board PCI-MIO-16E-1 2 Analog Output
하나만을 사용하여 과 모두를 구현PCI-MIO-16E-1 Analog Output Analog Output
할 수 있었다.
먼저 라는 프로그램에 대해서 간단히 설명하면 사에, LabVIEW , National Instrument
서 만든 는 한 을 이용하여 을 작성하는 이LabVIEW Graphic Icon Program Language
다 를 이용한 자동 제어나 계측은 한 에서 원하는. Computer Graphic User Interface
값을 넣어준 다음 을 이용하여 실행을 시키고 결과 값을 에Control , Button , Graph
여러 에서 들어온 값을 동시에 뿌려주고 또한 로 저장을 하며Channel , File , Internet
을 통하여 전송할 수 있는 을 추구하고 있다 는 이처럼Program . LabVIEW Graphic
한 와 를 제공하고 있으며 기반의 자동 제어User Interface Source Code , Computer
와 계측을 위하여 최적화된 언어이다.
는 과 으로 구성되어 있다 은 흔히LabVIEW Front Panel Bolck Diagram . Front Panel
라고 부르며 나 과 에 필요한 들이 여User Interface Graph Button, Input Output Icon
기에 위치하게 된다 그리고 에서는 아래와 같은 을 사. Front Panel Controls Palette
용할 수 있다.
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사용자들은 에서 필요한 을 가지고 와서 이 에 위치Control Palette Icon Front Panel
시키면 된다 이때 각각의 에 대응하는 이 에 생성된다. Icon Terminal Block Diagram .
그리고 이들 은 타입 에 따라서 모양과 색깔로 구분된다 또한 대응Terminal Data · .
하는 온 찾기 위해서는 해당 을 하면 된다Terminal Icon Double Click . Block
은 앞의 에 대응하는 으로 구성되어 진다Diagram Front Panel Icon . Block Diagram
에서는 과 을 사용할 수 있다 에서는Tools Palette Functions Palette . Tools Palette
각 을 로 연결할 수 있고 의 위치와 크기를 변경할 수 있으며 의Icon Wire Icon Label
내용을 바꾸거나 값을 입력할 수 있다 그리고 에서Numeric . Functions Palette
을 짜는데 필요한 여러 가지 기호와 함수들을 사용하여 을 짤 수Program Program
있다.
프로그램의 프론트 패널●
본 은 원하는 파형의 전압을 에 입력한 후 를 통하여Program Plasma Source Probe
내의 전압을 측정한 후 전압을 축으로 측정한 전압을 저항으로 나Plasma Source x ,
눈 전류를 축으로 하여 를 나타내고자 하는 것이다 그림 는 프론트y XY Graph . 4.2
패널을 보여주고 있다.
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빨간 구획안의 부분은 부분이다 여기서는 원하는 진폭과 주파수를Analog Output .
가진 파형을 만들어서 출력하는 역할을 한다.
제일 위에 보이는 는 에서 출력되고 있는 파형이 제대로 출력Graph Analog Output
되고 있는지 확인할 수 있는 이다 축은 축으로 구간은 에서 초이고Graph . x time 0 1 ,
축은 출력하는 파형의 크기를 나타내며 구간은 에서 으로 되어 있다 이 축의y -3 3 .
구간은 사용자가 임의로 바꿀 수 있다.
밑으로 보이는 버튼들은 을 결정짓는 들이다Graph Analog Output Option .
먼저 는 출력을 내보내려는 단자를 결정짓는다 여기서는, Channels . Analog Output
번 단자에서 출력하게 하였다 는 측정한 를 잠시 보관할0 . Buffer Size Data DAQ
의 크기를 설정한다 이 값은 채널당 할당되는 이며 각 채널에 같Buffer . Buffer Size
은 크기의 가 할당된다 는 초에 몇 개의 를 출력할 것인Buffer . Update Rate 1 Data
가를 결정짓는다 단위는 이다 여기서는 를 으로 하. Updates/sec . Buffer Size 1000
고 를 으로 하였기 때문에 개의 를 로Update Rate 1000 1000 Data 1000Updates/sec
하게 되어 출력을 하는데 초가 걸린다 를 변화시킴에 따라Update 1 . Update Rate
출력되는 파형 역시 변하게 된다 예를 들어 를 으로 설정하였다. Update Rate 2000
면 초에 개의 를 출력하지만 에는 개의 만 있으므로1 2000 Data Buffer 1000 Data 0.5
초까지만 출력을 하게 된다 마지막으로 와 는. Amplitude Frequency Simulate
함수의 변수지만 사용자가 임의로 바꿀 수 있도록 에 보이도록Signal Front Panel
두었다.
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녹색 구획안의 부분은 부분이다 여기서는 를 통해Analog Input . Probe Plasma
내의 전압을 측정 수집하는 역할을 한다Source , .
제일 위에 보이는 는 에서와 같이 로 입력되고 있는 파Graph Analog Output Probe
형이 제대로 입력되고 있는지를 확인할 수 있는 이다Graph .
밑으로 보이는 버튼들은 을 결정짓는 들이다Graph Analog Input Option .
먼저 는 출력에서와 같이 입력하려는 단자를 결정짓는다 여기서도, Channels .
번 단자로 를 입력하게 하였다 는 입력한 를Analog Input 0 Data . Path Data Text
로 저장하고자 하는 위치를 정한다 는 현재의 이 어떤File . Device Program
에서 실행되는지를 나타내는 것이다 이는Hardware . MAX(Measurement and
에서 알 수 있으며 현재 과 이라는Automation Explorer) , PCI-6713 PCI-MIO-16E-1
가 설치되어 있음을 확인할 수 있다 먼저 설치한 의Hardware . PCI-6713 Device
는 이 되고 다음에 설치한 은 가 된다 즉Number 1 , PCI-MIO-16E-1 2 . , Device
는 이 가 몇 번째 인지를 나타낸다 로Number Device Hardware . LabVIEW Data
을 만들 때 꼭 를 입력해 주어야 한다Acquisition Program Device Number . Buffer
는 앞에서 에서 살펴본 바와 동일한 의미이다Size Analog Input .
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는 몇 개의 로 를 나타낼 지를 결정지으며 입력신호 주파수Scan Rate Data Graph ,
의 에서 배를 선택하는 좋다 예를 들어 를 으로 하면 입력50 100 . Scan Rate 1000
신호 주파수가 이므로 배를 입력한 것인데 이는 한 주기를 번10 100 Sine Wave 100
의 으로 측정하는 것이 된다 부드러운 곡선을 원한다면 를 많Sampling . Scan Rate
이 잡아주어야 할 것이다 는 몇 개의 를 측정할. Number of scans to acquire Data
것인가를 설정하는 부분이다 기본 값은 이고 은 를 한번 다 채울 때까. -1 , -1 Buffer
지 측정을 하라는 의미이다 만약 을 입력하면 개의 만을 수집한다. 100 100 Data .
는 읽어올 의 개수이다 에서 몇 개의Number of scans to read Scans . Buffer
를 읽어올 것인가를 설정한다 은 에 들어 있는 를 모두 읽어Scans . -1 Buffer Data
들이겠다는 뜻이다 역시 이나 을 입력하여 원하는 개수를 정할 수도 있. 100 1000
다.
파란색 구획안의 부분은 를 나타낸 부분이다 을 통해 출XY Graph . Analog Output
력되는 전압을 축으로 하고 을 통해 입력되는 내의x Analog Input Plasma Source
전압을 저항으로 나눈 전류를 축으로 하여 를 구성한다y XY Graph .
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(1)(1)(1)(1) (2)(2)(2)(2) (3)(3)(3)(3)
그림 프로브구동용 의 프론트 패널그림 프로브구동용 의 프론트 패널그림 프로브구동용 의 프론트 패널그림 프로브구동용 의 프론트 패널4.2 Lab view4.2 Lab view4.2 Lab view4.2 Lab view
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의의의의Program Block DiagramProgram Block DiagramProgram Block DiagramProgram Block Diagram●●●●
에는 에 위치한 각각의 들에 대한Block Diagram Front Panel Number Control Icon
들이 나타나 있다 이 들을 원하는 함수 과 연결하여 을 구성한다. Icon Icon Program .
그림 은 본 프로그램의 전체적인 을 보여주고 있다 각 과 함4.3 block diagram . Icon
수 들은 를 통하여 연결되게 되는데 이는 의 흐름을 나타낸다 아Icon Wire Program .
래에 각 함수 에 대한 설명을 하겠다Icon .
에 를 저장하기 위해서는 우선 저장할 위치 즉 을 열고 를 쓰고File Data , File Data
을 닫아야 한다 그리고 이들은 으로 서로 연결되어 있다 은File . Refnum . Refnum
에서 설정한 의 정보를 노드Open/Creat/Replace File VI File Write File, Close File
로 전달하는 역할을 한다.
는 로써 에 를 쓰거나 읽고 고치Open/Create/Replace File.vi SubVI File Data
기 위해서 을 열 때 사용한다 이때 을 쓰기 위해서 여는 경우에는File . File Function
을 로 선택해야 한다 는 기존 이 있을 경우Create or replace . Creat or replace File
에는 이 을 열어서 새로운 로 덮어 쓰고 없을 경우에는 새 을 생성한다File Data File
는 내용이다 그리고 그 위의 는 을 저장할 위치를 입력해 주면 된다. Path File .
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의 부분에 저장할 를 입력하면 된다 이때 어떤 타입도Write File Data Data . Data
가능 를 만들어 주어야 하므로 을 이용하는 것이 유리하다Header String .
은 열었던 을 다시 닫아 주는 함수이다Close File File .
에서 에 대한 을 생성시AI Config..vi Device, Channels, Buffer Size Control
킨다.
수집에 사용할 를 지정하고 이 에서 사용할Data Device Number Device Channels
를 지정하며 측정한 를 잠시 보관할 의 공간 즉 의Data Computer Memory , Butter
크기를 정해준다.
에서 와 에 대한AI Start.vi Number of scan to acquire Scan Rate Control
을 생성시킨다.
는 당 측정할 의 개수이다Number of scan to acquire Channel Sample . Scan Rate
는 속도다 일반적으로 측정 할 신호의 주파수보다 배에서 배 이상Sampling . 10 50
을 입력한다.
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에서 에 을 생성시키고AI Read.vi Number of scans to read Control
에서 를 생성시킨다 에서 측정된 는Waveform Data Indicator . AI Start Data AI
에서 설정한 에 임시로 저장된다 에서는 이 를 읽Config DAQ Buffer . AI Read Data
어 와서 에서 사용한다 예를 들어 를 그리거나 분석하거나 저장을LabVIEW . Graph
한다 는 이때 에서 몇 개의 를 읽어올. Number of scans to read DAQ Buffer Data
것인가를 지정한다 와 가 가 하는 일이라면 의. AI Config AI Start DAQ Device Buffer
를 읽는 는 가 하는 일이다Data Read Computer .
에는 생성해야 할 이나 가 없다 는AI Clear.vi Control Indicator . AI Clear
를 초기화시키고 할당했던 들을 없앤다DAQ Hardware Buffer .
에서 를 설정 한다AO Config-vi Device, Channels, Buffer Size .
에서와 동일하다AI Config.vi .
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에서 에 파형을 쓴다AO Write.vi DAQ Board AO Buffer .
에서 와 를 설정한다AO Start.vi Update Rate Number of buffer iterations .
는 의 반복횟수를 지정한다 여기서는 을 입력Number of buffer iterations Buffer . 1
하였고 이는 의 를 한번 반복 출력하라는 의미이다 는, Buffer Data . Update Rate 1
초에 몇 개의 를 출력할 것인가를 말한다Data .
에서는 모든 설정과 를 초기화시킨다AO Clear Memory .
노드를 사용하여 차원 배열의 행과 열을 바꾼 다음Transpose 2D Array 2 ,
에 입력한다 왜냐하면 는 에서 읽어Waveform Graph . Waveform Graph AI Read.vi
드린 를 시켜주어야만 원하는 형태의 파형을 볼 수 있다Data Transpose .
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노드를 사용하여 로 바꾸어Array to Spreadsheet String Spreadsheet File
준다 는 차원 배열을 소수점 세 자리의 으로 바꾸겠다는 의. %.3f 2 Floating Format
미이다 에서 설명했듯이 저장할 는 이 아닌 경우에는. Write File Data String Header
를 만들어 주어야 한다 그러므로 으로 바꾸어주면 을 작성하기 쉬울. String Program
뿐 아니라 이외의 에서 저장된 을 읽을 수 있다 그래서LabVIEW Program File . AI
에서 출력되는 형태의 을 형태로 바꾸는 것이Read.vi Array Waveform Spreadsheet
다.
노드를 사용하여 를 연결해준다 는 각Simple Error Handler Error . Error VI
나 함수가 실행되면서 발생하는 를 하는 기능과 함께 나 함수의Error Monitoring VI
실행 순서를 정해주는 기능도 가진다.
함수는 의 등을 선택하여 사용Simulate Signal Signal Type, Frequency, Amplitude
자가 원하는 을 발생시킬 수 있다 이 함수의 변수 중에 와Signal . frequency
는 외부에서 변경할 수 있도록 을 연결시켰다Amplitude Control .
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함수는 과 에 원하는 를 입력시키고 출력 부분Build XY Graph X Input Y Input Data
에 를 연결하여 를 나타낼 수 있다 여기서는Graph Chart XY Graph . Plasma
내에 투입하는 전압을 축으로 하고 내의 전압을 저항으로Source x Plasma Source
나눈 전류를 축으로 하였다y .
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그림 프로브 구동용그림 프로브 구동용그림 프로브 구동용그림 프로브 구동용4.3. LabView vi flowchart4.3. LabView vi flowchart4.3. LabView vi flowchart4.3. LabView vi flowchart
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프로브 신호증폭기 부분프로브 신호증폭기 부분프로브 신호증폭기 부분프로브 신호증폭기 부분④④④④
그림 은 의 에서 출력되는 신호를 프로브에 인가하기 적절한 신4.4 PC DA converter
호로 증폭해주는 회로를 보여준다 앰프의 전전공급의 신뢰성을 높이기 위. op +, -
해 개의 독립된 을 형성 시켰다 그림 은 제2 switching power supply channel . 4.5
작된 실물 회로모양을 보여준다.
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그림 프로브 구동 회로그림 프로브 구동 회로그림 프로브 구동 회로그림 프로브 구동 회로4.44.44.44.4
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그림 프로브 구동부 실그림 프로브 구동부 실그림 프로브 구동부 실그림 프로브 구동부 실물물물물 사진사진사진사진4.54.54.54.5
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용용용용DA converter Visual C CodingDA converter Visual C CodingDA converter Visual C CodingDA converter Visual C Coding⑤⑤⑤⑤
에서 를 통해 임의 파형을 발생 시켜 이를 프로브의 입력신호로 사PC DA converter
용하기위한 프로그래밍이 수행되었다 타겟 로는Visual C++ . DA converter ADLINK
사의 가 사용되었다PCI6208V .
개발된 는 기본적으로 사용자 인터페이스 타이머code (CConverter1Dlg),
입력된 값들의 리스트 컨트롤 세부 처리(CConverterThread), (CConverterListCtrl)
를 담당하는 모듈로 나누어져 있다 완성도 측면에서 아직 상용화 하기에는 문제가.
있으나 교육목적으로 이 부분도 계속 수행할 계획 이다 자세한 프로그램 설명과.
는 부록에 나와 있다code list .
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참여기업의 플라즈마장비 특성진단참여기업의 플라즈마장비 특성진단참여기업의 플라즈마장비 특성진단참여기업의 플라즈마장비 특성진단(3)(3)(3)(3)
본 과제에서 개발된 프로브 시스템으로 주 고려자동화에서 개발 중인 신발전처리( )
용 플라즈마 처리장치의 특성진단이 이루어졌다 그림 는 대표적인 특. 4.9 probe IV
성을 보여 주고 있다.
통상적인 공정이 이루어지는 범위에서 압력변화와 옆벽면 방향의 위치에 따른 전자
온도 밀도를 측정하였다 개의 초고주파 소스로부터 각각 의 전력이 투입. 4 1.3Kw
된 경우이다 상하방향의 측정위치는 챔버의 중심으로서 초고주파 윈도우로부터. ,
떨어진 지점이다 투입된 는 와 혼합가스 이다 압력50cm . process gas O2 Ar 1:1 .
변화는 가스 유량의 변화를 통해 이루어 졌다.
그림 은 압력에 따른 밀도 변화이다 전제적으로4.10 . 6~8x108
정도의 밀도를/cm3
보여주고 있다 마이크로파 전력이 챔버 상층부에서 주로 흡수 되고 공정 압력이.
전체적으로 상당히 높기 때문에 상하 방향의 밀도 차가 큰 것이 낮은 밀도를 보여
주는 이유로 판단된다 하지만 프로세스 입장에 볼 때 과도한 하전입자의 시료 유.
입이 바람직 한 것은 아니다.
밀도 변화의 경향은 측청 범위내에서 압력상승에 따라 증가하다가 다시 감소 하고
있다 압력이 높아 질수록 전자와 충돌하는 중성입자의 수가 증가하고 반면에 전자. ,
온도는 그림에서 보듯이 감소한다 또한 하전입자의 확산은 압력중가에 따라 감소.
하므로 전력이 주로 흡수되는 영역과 떨어진 위치에서는 밀도의 감소를 초래하는
경향이 있다.
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대체적으로 이 세가지 요소의 경합에 의해 밀도변화의 경향성이 결정된다 실험 결.
과는 비교적 믿을 만 한 것으로 판단되며 의 압력 범위에서 챔버50-60 pascal ,
중심에서 최대의 밀도를 나타내었다.
압력에 따른 전자온도는 일의적으로 감소하는 경향을 보여주고 있다 전자와 중성.
입자 간의 충돌주파수가 높아짐에 결과 이다 전체적으로 약 정도의 값을 보여. 2eV
준다.
그림 은 옆 벽면 방향으로의 위치 변화에 따른 측정 결과를 보여준다 중심에4.11 .
서 멀어질 수록 전자온도와 밀도가 감소하는 경향을 볼 수 있으나 전자 밀도는 비
교적 변화가 작아 프로세스의 균일도 측면에서는 큰 문제가 되지 않을 것으로 판단
된다.
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그림 참여기업 플라즈마 시스템이 특성그림 참여기업 플라즈마 시스템이 특성그림 참여기업 플라즈마 시스템이 특성그림 참여기업 플라즈마 시스템이 특성4.94.94.94.9 IIII-V-V-V-V
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그림 참여기업 플라즈마 시스템의 압력에 따른 전자밀도 변화그림 참여기업 플라즈마 시스템의 압력에 따른 전자밀도 변화그림 참여기업 플라즈마 시스템의 압력에 따른 전자밀도 변화그림 참여기업 플라즈마 시스템의 압력에 따른 전자밀도 변화4.104.104.104.10
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그림 참여기업 플라즈마 시스템의 압력에 따른 전자온도 변화그림 참여기업 플라즈마 시스템의 압력에 따른 전자온도 변화그림 참여기업 플라즈마 시스템의 압력에 따른 전자온도 변화그림 참여기업 플라즈마 시스템의 압력에 따른 전자온도 변화4.114.114.114.11
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그림 참여기업 플라즈마 시스템의 용기내 위치에 따른 전자밀도 변화그림 참여기업 플라즈마 시스템의 용기내 위치에 따른 전자밀도 변화그림 참여기업 플라즈마 시스템의 용기내 위치에 따른 전자밀도 변화그림 참여기업 플라즈마 시스템의 용기내 위치에 따른 전자밀도 변화4.124.124.124.12
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그림 참여기업 플라즈마 시스템의 용기내 위치에 따른 전자온도 변화그림 참여기업 플라즈마 시스템의 용기내 위치에 따른 전자온도 변화그림 참여기업 플라즈마 시스템의 용기내 위치에 따른 전자온도 변화그림 참여기업 플라즈마 시스템의 용기내 위치에 따른 전자온도 변화4.134.134.134.13
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플라즈마 시스템 구축 및 진단플라즈마 시스템 구축 및 진단플라즈마 시스템 구축 및 진단플라즈마 시스템 구축 및 진단5.5.5.5.
플라즈마 시스템 구축플라즈마 시스템 구축플라즈마 시스템 구축플라즈마 시스템 구축(1)(1)(1)(1)
플라즈마플라즈마플라즈마플라즈마 챔챔챔챔버 및 안테나 설계 제버 및 안테나 설계 제버 및 안테나 설계 제버 및 안테나 설계 제작작작작,,,,①①①①
시스템 설계에 있어서 가장 주안점을 둔 부분은 산학협력연구가 가능한 특정 공정
의 장비로의 기능과 대학에서의 학문적 연구가 병행될 수 있도록 한 점proto-type
이다 제작된 플라즈마 발생장치의 특성을 요약하면 다음과 같다. .
와 플라즈마를 각각 또는 동시에 형태로 발생가능 하도록Microwave RF hybrid●
설계
플라즈마 부와 부를 전기적 기계적으로 독립가능 하Source Process Chamber ,●
도록 하여 추후 과 같이 특정공정에 맞은 플라즈마 시스plasma source ion beam
템으로 개조가 용이하도록 설계.
저압공정 대응 가능하도록 대부분의 들을 으로 장착port CF type●
다양한 플라즈마 진단이 독립적 또는 동시에 수행될 수 있도록 충분한 View●
를 장착port
그림 과 는 플라즈마 발생장치의 설계도 부분이다 상부에 장착되어 있는5-1 5-2 .
챔버는 총 개의 와 를 장착하고 있으며 개의Source 2 4” CF port 6” CF port 1 port
에 와 진단용 를 장착할 어댑터가 부착되어 있다Baratron Gauge Langmuir Probe .
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하부 는 및 가 각각 장착되어 있다 챔버 바닥 쪽으로는 중Chamber 8” 6”CF port .
앙에 인치 가 위치해 있어 발생시 관측등6 CF view port Microwave Plasma mode
에 사용할 수 있도록하고 있다 상부 챔버은 위쪽은 의 석영 를. 300mm Window⌽
두어 및 를 모두 수용할 수 있도록 하였다 상부 챔버의RF Microwave Source . 6”
또는 하부 챔버의 중 하나를 또 다른 나 투입용으port 8” port RF Microwave Field
로 활용함으로서 의 플라즈마를 발생시킬 수 있도록 하RF-Microwave Hybrid type
였다 두개의 상하부 챔버는 독립 실린더 형태로 제작되어 전술한 바와 같이 중간.
에 전기적 절연이 가능하여 을 발생시킬 수 있도록 하였plasma source ion beam
다.
그림 은 고주파 플라즈마 안테나에 의한 플라즈마 발생모양을 보여 준다 그림5-3 .
는 초고주파 플라즈마 발생용 안테나의 실제작 사진이다2-1-4 Dual Slot .
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그림 플라즈마 발생장치그림 플라즈마 발생장치그림 플라즈마 발생장치그림 플라즈마 발생장치 챔챔챔챔버 정면도버 정면도버 정면도버 정면도5-15-15-15-1
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그림 플라즈마 발생장치그림 플라즈마 발생장치그림 플라즈마 발생장치그림 플라즈마 발생장치 챔챔챔챔버버버버 윗윗윗윗면도면도면도면도5-25-25-25-2
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그림 및 플라즈마 발생 모그림 및 플라즈마 발생 모그림 및 플라즈마 발생 모그림 및 플라즈마 발생 모습습습습5-3. RF Antenna5-3. RF Antenna5-3. RF Antenna5-3. RF Antenna
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그림 제그림 제그림 제그림 제작작작작된 형 안테나된 형 안테나된 형 안테나된 형 안테나5-4 Dual Slot Microwave5-4 Dual Slot Microwave5-4 Dual Slot Microwave5-4 Dual Slot Microwave
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플라즈마 시스템 구성플라즈마 시스템 구성플라즈마 시스템 구성플라즈마 시스템 구성②②②②
플라즈마 발생장치의 전체적인 구성은 진공챔버부 가스도입 및 진공배기부 전력, ,
투입부로 크게 나누어진다 가스도입부는 개의 를 이용 현. 3 Mass-Flow-Controller
재 최대 종류의 가스를 동시에 도입시킬 수 있다 진공 배기부는3 process . Main
로서 급의 중형 가 장착되어있으며Pump 1500L/sec Turbo Molecular Pump Forline
은 일반적인 를 사용하였다 수동 로pumping Rotary pump . butterfly valve Gas
에 독립적인 압력 조절이 이루어진다 공정압력 측정은 의Flow . 1 Torr Head
게이지를 사용하였다 전력 투입은 및 발생을 위한Baratron . RF Microwave
와 을 통해 이루어지며 임피던스 메칭은 고주파 플라즈마의 경Oscillator Magnetron
우 두개의 진공커패시터를 전원쪽 직렬 부하쪽 병렬 연결된 구조로 되어 있으며,
의 경우 전통적인 를 사용하였다 추후 를 연결할Microwave 3-Stub . Movable End
예정이다 고주파 플라즈마 메칭에 사용된 진공 커패시터는 로 구동. Stepping Motor
되어 유선 이 가능하도록 하였다Control .
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그림 제그림 제그림 제그림 제작작작작된 플라즈마 시스템의 실제모된 플라즈마 시스템의 실제모된 플라즈마 시스템의 실제모된 플라즈마 시스템의 실제모습습습습5-55-55-55-5
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플라즈마 기본 특성진단플라즈마 기본 특성진단플라즈마 기본 특성진단플라즈마 기본 특성진단(2)(2)(2)(2)
차년도에 요소기술 개발의 일환으로 진행 되었던 플라즈마 진단장비를 이용하여1
당 년도에 개발된 플라즈마 시스템의 기본 특성진단이 이루어 졌다 더욱 정밀한.
전자온도밀도 측정을 위해 이 추가 되었다 그림 에서와Probe Tuning Circuit . 5-6
같이 측정하고자 하는 플라즈마의 공간전위가 시간에 따라 변화하는 경우 외부전,
원에 의해 의도적으로 인가된 전압 이외에 플라즈마 전위변동분이 과 플Probe Tip
라즈마 사이에 인가되어 실제의 전자온도 보다 높게 측정되는 오차가 발생하게 된
다 이러한 문제를 최소차하기 위해서는 프로브와 기준전위 사이의 임피던스 플라. (
즈마 전위의 시변동 주파수에서 가 최대가 되어 프로브와 플라즈마 사이에는 전압)
이 최소로 인가되게 할 필요가 있다 그림 은 튜닝회로의 임피던스에 따른 프로. 5-7
브의 전류 전압특성 곡선을 보여 준다 임피던스를 높여감에 따라 프로브 곡선의- .
기울기가 커짐 측정 전자온도의 감소 을 알 수 있다 그림 은 실제 사용된( ) . 5-8
의 모습이다 그림 에서부터 은 각각 제작된 플라즈마 시스템에서Probe . 5-9 5-11
측정된 전형적인 전류 및 전압 파형 전자 온도측정을 위한 곡선Probe , Log(I). vs. V
및 플라즈마 전위 측정을 위한 프로브 전류의 전형적인 계 미분 파형을 보여 준1
다 계 미분값이 최대가 되는 전압이 플라즈마 전위가 되고. 1
max
이때의,
전자포화 전류와 측정된 전자온도로부터 플라즈마 밀도를 얻었다.
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그림 의 변동이 있는 경우의 개그림 의 변동이 있는 경우의 개그림 의 변동이 있는 경우의 개그림 의 변동이 있는 경우의 개념념념념도도도도5-6 Plasma Potential Probe Tunning Circuit5-6 Plasma Potential Probe Tunning Circuit5-6 Plasma Potential Probe Tunning Circuit5-6 Plasma Potential Probe Tunning Circuit
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그림 회로의 효과그림 회로의 효과그림 회로의 효과그림 회로의 효과5-7 Probe Tunning5-7 Probe Tunning5-7 Probe Tunning5-7 Probe Tunning
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그림 실험에 사용된 의 실제 모그림 실험에 사용된 의 실제 모그림 실험에 사용된 의 실제 모그림 실험에 사용된 의 실제 모습습습습5-8 Probe5-8 Probe5-8 Probe5-8 Probe
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그림 제그림 제그림 제그림 제작작작작된 플라즈마 시스템에서 측정된 전형적인 전류 및 전압 파형된 플라즈마 시스템에서 측정된 전형적인 전류 및 전압 파형된 플라즈마 시스템에서 측정된 전형적인 전류 및 전압 파형된 플라즈마 시스템에서 측정된 전형적인 전류 및 전압 파형5-9 Probe5-9 Probe5-9 Probe5-9 Probe
(Raw Data)(Raw Data)(Raw Data)(Raw Data)
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그림 전자 온도측정을 위한그림 전자 온도측정을 위한그림 전자 온도측정을 위한그림 전자 온도측정을 위한 곡선곡선곡선곡선5-10 Log(5-10 Log(5-10 Log(5-10 Log(IIII). vs. V). vs. V). vs. V). vs. V
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그림 플라즈마 전위 측정을 위한 프로브 전류의 전형적인 계그림 플라즈마 전위 측정을 위한 프로브 전류의 전형적인 계그림 플라즈마 전위 측정을 위한 프로브 전류의 전형적인 계그림 플라즈마 전위 측정을 위한 프로브 전류의 전형적인 계 미미미미분 파형분 파형분 파형분 파형5-11 15-11 15-11 15-11 1
max
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그림 에서 는 제작된 플라즈마 시스템에서 플라즈마에 대한 전자온도5-12 5-14 Ar
및 밀도의 공정 압력의존성 입력 전력의존성 및 위치 의존성을 정리한 데이터들이,
다 플라즈마 소스 챔버의 가장자리로 갈수록 밀도가 감소하며 전자온도는 챔버 중.
앙에서 일정 값을 유지 하다가 벽쪽에서 감소하는 경향을 보인다 밀도의 반경 방.
향 분포는 원통 에서 의 해에 해당하는 분포와 유사하geometry diffusion equation
고 전자온도는 플라즈마전위 분포와 반대의 경향을 보여주는 전형적인 공간분포를
하고 있다 이 조건에서의 밀도 균일도는 부분을 제외하고. Wall edge
의 값을 보여 주었다 압력변화에 따른 경향은 프로세스를 셋업할 때 가장 중요한.
부분이다 영역에서 사이에서 변화 하였다 전자밀도는. 10-50 mTorr 2 - 3 eV .
에서 의 값을 얻었다 입력전력에 따라 단조 증가하는500W, 50mTorr 2x1017/m3 .
밀도 경향성을 얻을 수 있었고 전자온도의 입력 전력에 의존성은 매우 약함을 확인
하였다 기본 공정변수의 플라즈마 파레메타 의존성은 절의 을. 3 Global modeling
통한 이론적 고찰에서 좀 더 자세하게 다루도록 하겠다.
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그림 조그림 조그림 조그림 조건건건건에서 플라즈마 밀도 및 온도의 반경방에서 플라즈마 밀도 및 온도의 반경방에서 플라즈마 밀도 및 온도의 반경방에서 플라즈마 밀도 및 온도의 반경방향향향향5-12 50mTorr 300W5-12 50mTorr 300W5-12 50mTorr 300W5-12 50mTorr 300W
거거거거리의리의리의리의존존존존성성성성
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그림 조그림 조그림 조그림 조건건건건에서 전자온도밀도의 압력의에서 전자온도밀도의 압력의에서 전자온도밀도의 압력의에서 전자온도밀도의 압력의존존존존성성성성5-13 500W5-13 500W5-13 500W5-13 500W
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그림 조그림 조그림 조그림 조건건건건에서 전자온도 밀도의 입력전력 의에서 전자온도 밀도의 입력전력 의에서 전자온도 밀도의 입력전력 의에서 전자온도 밀도의 입력전력 의존존존존성성성성5-14 50mTorr5-14 50mTorr5-14 50mTorr5-14 50mTorr
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및 시변 플라즈마 특성 진단및 시변 플라즈마 특성 진단및 시변 플라즈마 특성 진단및 시변 플라즈마 특성 진단(3) Pulse Modulated Plasma Global Modeling(3) Pulse Modulated Plasma Global Modeling(3) Pulse Modulated Plasma Global Modeling(3) Pulse Modulated Plasma Global Modeling
의의의의 배배배배경경경경Pulse Modulation drivingPulse Modulation drivingPulse Modulation drivingPulse Modulation driving①①①①
저온 플라즈마 장치는 두 개의 전극 사이에 수십 에 이르는 라디오 주파수 전MHz
압을 인가하는 다이오드 형태의 용량 결합형 플라즈마가 주종을 이루었으나 최근,
플라즈마 헬리콘 플라즈마 유도 결합 플라즈마 전자빔 여기 플라즈마 등 여ECR , , ,
러가지 형태의 저압 고밀도 플라즈마 소스들이 제안되어 공정에 적용되고 있다.
장치 개발의 비약적인 발전에도 불구하고 공정에서 요구되는 조건이 점점 엄격해,
짐에 따라 플라즈마 특성 제어에 대한 필요성은 여전히 중요한 과제가 되고 있다.
플라즈마 반응기 내에서의 증착이나 식각 반응의 과정은 플라즈마 내부의 다양한
중성 화학종들 및 이온과 기판과의 상호작용에 의해 진행되므로 이온 및 중성 활성
종의 종류 밀도 에너지 등이 해당 공정의 직접적인 변수가 된다 이러한 변수들의, , .
특성을 일차적으로 결정짓는 요소는 전자 온도 밀도라 할 수 있다 전자 밀도는 반, .
응기로 도입 되는 전력량에 의해서 주로 결정이 된다 전자온도는 중성종 들의 해.
리과정에 매우 중요한 요소이며 프로세스의 특성에 무엇보다 중요한 변수이다 따.
라서 외부에서 조절가능한 공정변수로서 독립적인 전자온도 제어의 필요성이 크다.
그러나 통상적인 공정 변수 중 전자온도에 직접적인 영향을 줄 수 있는 것은 공정
압력 뿐이며 이 또한 독립적인 온도제어는 가능하지 않다 또 다른 방법들로는 이.
온화 에너지가 다른 불활성 기체의 사용 에너지 조절이 가능한 외부전자빔 소스의,
도입 등이 있다.
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이러한 방법들은 나름대로의 장점이 있으나 추가적인 장치가 필요하다 고주파 플.
라즈마의 운전을 수 수십 의 주파수로 단속하는 방법은 공- KHz pulse modulation
정 압력과는 독립적으로 평균적 인 전자온도 조절이 가능하여 반응기내의 plasma
를 제어하는 추가적인 공정변수로 활용할 수 있다 을chemistry . Pulse modulation
통하여 플라즈마의 재료공정 응용 프로세스를 최적화하기 위해서는 주어 진 중성가
스종류 압력조건 투입 전력하에서 전자온도 및 밀도변화 추이를 예측하고 측정하, ,
는 일이 무엇보다 중요하다 본 과제에서는 이러한 필요성에 따라 우선 가장 간단.
한 불활성 기체 인 플라즈마를 대상으로 을 통한 모듈레이션 플Ar global modeling
라즈마의 온도 밀도를 시뮬레이션 하여 변화 양상을 조사하였다 또한. boxcar
와 같은 값비싼 장비 없이 차년도에 제작된 진단 장비를 이용하여 제작하averager 1
여 펄스 모듈레이션된 고주파 플라즈마에서 전자온도 밀도의 시간에 따른 변화를
측정하고 이를 계산결과와 비교해 보았다.
Global modelingGlobal modelingGlobal modelingGlobal modeling②②②②
플라즈마내의 전자 온도와 밀도는 입자 운동량 및 에너지 보존방정식에서 부터 구,
해질 수 있다 은 운동량보존방정식을 풀지 않고 플라즈마의 준중성. global model
성질과 를 통해 입자들의 손실 플럭스를 플라즈마 경계부에서 적분Bohm velocity ,
함으로서 용기 내 전자밀도를 차원적으로 간략화 하여 해석하는 방법이다0 .
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이러한 해석 기법은 당연히 반응기내의 온도 밀도 분포에 대한 정보를 줄 수 없으,
나 외부 공정변수변화에 따른 이들의 전체적인 경향을 파악하는 데는 매우 유용한
도구라 할 수 있다 중성 플라즈마에서 전자 또는 이온 의 입자보존 방정식은 아래. ( )
와 같이 주어 진다.
�e, Ge, Le는 각각 입자의 플럭스 생성률 및 손실률이다 생성률은 전자밀도, . ne,
중성기체밀도 ng 및 의 함수이며, ionization rate coefficient Kiz Kizneng로 주어진
다 플라즈마 벌크내에서의 손실은 주로 재결합에 의한 것으로서. nα eni≈α
와 같
다 플라즈마 벌크에서 외부로 유출되는 총 플럭스 손실률은.
과 같이 나타낼 수 있다 은 각각 원통형 용기의 반경과 길이이며. R, I hR 및 hl은
플라즈마 중심부의 전자 밀도와 경 계 에서의 밀도비로서 의 해석sheath Godyak
식에서부터 다음과 같이 주어진다.
- 111 -
여기서 λi 는 이온의 이다 이 파라메타들은 결국, rnean free path . effective loss
를 결정짓는 요소가 된다area . uB는 로서 전자온도와 이온질량의 함Bohm velocity
수이며 아래의 식으로 표시된다.
플럭스 손실률은 deff 와 �e를 각각
와 같이 정의 하면
로 쓸 수 있다.
위에서 고려된 표면에서 적분화 된 플럭스 손실을 고려하면 주어진 입자 보존식은
아래의 차원 상미분 방정식으로 표현 된다0 .
또한 에너지 보존 방정식은 다음과 같다.
여 기서 σT, Pabs, Pcoll 은 각각 플라즈마의 열전도도 흡수전력 충돌에 의한 에너, , ,
지 손실율을 나타낸다 대류성 열 플럭스 손실의 적분형은 이온에너지 플럭스 손실.
률
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분포를 하는 전자에너지 플럭스 손실률Maxwellian
나누어진다 여기서. sheath potential Vs 는 다음과 같다.
플라즈마 벌크내 에서의 및 등의 비탄성 충돌 손실과 전자 중ionization excitation -
성입자간의 탄성충돌 손실은 아래의 식으로 표현된다. εiz 및 εex 는 이온화 에너지,
여기에너지로서 각각의 사건 발생시 전자가 잃는 에너지가 된다.
재결합에 의한 전자의 에너지 손실은
이 된다.
플라즈마의 수축 팽창으로 인한 가열 또는 냉각을 무시하고 전도성 열손실이 대류,
성 열손실에 비해 작다고 가정하면 주어진 에너지 보존식은 전자온도에 대하여 다
음과 같이 정리된다.
- 113 -
식 과 두 개의 방정식은 차 방법으로 해가 구해 졌다 계산에(1) (2) 4 Runge Kutta .
사용된 각종 및 관련 파라메타는 아래의 표에 정리하였다rate constant .
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표 계산에 사용된 및 는 전자온도 사이의표 계산에 사용된 및 는 전자온도 사이의표 계산에 사용된 및 는 전자온도 사이의표 계산에 사용된 및 는 전자온도 사이의5-1 rate coefficient(Kiz, Ke5-1 rate coefficient(Kiz, Ke5-1 rate coefficient(Kiz, Ke5-1 rate coefficient(Kiz, Kexxxx 1-10 eV1-10 eV1-10 eV1-10 eV
값을 한 결과임값을 한 결과임값을 한 결과임값을 한 결과임fitting )fitting )fitting )fitting )
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글로벌 모델글로벌 모델글로벌 모델글로벌 모델링링링링 계산결과계산결과계산결과계산결과③③③③
연연연연속속속속모드모드모드모드●●●●
반경과 길이가 각각 인 원통형 챔버에서 플라즈마를 대상으로 계0.115m, 0.6m Ar
산을 수행 하였다 그림 과 은 연속모드에서 전자온도 밀도의 압력 및. 5-15 5-16 ,
입력전력에 따른 변화를 보여준다 압력에 따른 전자밀도의 경향은 중성기체밀도의.
증가에 따른 생성률 증가 부분과 온도감소로 인한 의 감ionization rate coefficent
소부분의 경쟁관계에서 결정이 되는데 본 결과에서는 압력에 따라 전자온도가 단조
증가하는 경향을 보여준다 따라서 이 조건에서는 생성항. Kizneng에서 ng증가의 영
향이 더 중요한 요소임을 알 수 있다 비선형 손실항인 는. recombination loss glow
상태에서 항에 비해 무시할 수 있는 수준이다 압력에 따른 전자온도 감flux loss .
소는 프로세싱 플라즈마의 전형적인 경향성으로서 탄성 비탄성 충돌률의 증가 때,
문이다 투입전력에 따른 경향성은 재결합항이 거의 무시할 수 있는 수준이므로 밀.
도는 선형적으로 증가하고 온도는 전력에 무관한 특성을 보여준다.
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그림 연그림 연그림 연그림 연속속속속모드에서 전자온도 밀도의 압력의모드에서 전자온도 밀도의 압력의모드에서 전자온도 밀도의 압력의모드에서 전자온도 밀도의 압력의존존존존성성성성5-155-155-155-15
입력전력입력전력입력전력입력전력( 300W)( 300W)( 300W)( 300W)
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그림 연그림 연그림 연그림 연속속속속모드에서 전자온도 밀도의 입력전력 의모드에서 전자온도 밀도의 입력전력 의모드에서 전자온도 밀도의 입력전력 의모드에서 전자온도 밀도의 입력전력 의존존존존성 압력성 압력성 압력성 압력5-16. ( 10mTorr)5-16. ( 10mTorr)5-16. ( 10mTorr)5-16. ( 10mTorr)
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에서 밀도에서 밀도에서 밀도에서 밀도감감감감소 및 온도소 및 온도소 및 온도소 및 온도Afterglow relaAfterglow relaAfterglow relaAfterglow relaxxxxationationationation●●●●
펄스모드에 있어서 가장 중요한 것은 서론에서 밝힌 바와 같이 전자온도 및 밀도의
조절가능성이다 전자밀도는 연속모드 계산에서 보듯이 투입 전력으로 쉽게 조절이.
되지만 전자온도의 독립적인 조절은 불가능 하므로 펄스운전을 통해 전자온도를 어
느 정도까지 조절할 수 있는지에 대한 정보가 중요하다 이 때 기본이 되는 파라메.
타는 에서 전자온도밀도의 특성이라 할 수 있다afterglow relaxation .
그림 은 조건의 방전에서 후 까지의 전자5-17 300W, 5mTorr power off 600 secμ
밀도 및 온도의 특성을 보여준다 밀도감소 경향은 시정수 을 가지decay . 180 secμ
는 차 지수함수로 잘 근사되었다 전자온도는 초기 급격한 감소 부분과 이후 비교1 .
적 느린 감소 추이를 보여 준다.
이들의 시정수는 각각 정도로 나타났다 초기 급격한 온도 감소는5 sec, 230 sec .μ μ
식 의 에너지 보존식에서 보듯이 입자손실과 동반되는 에너지 손실이 온도에 비(2)
례하고 초기 높은 온도로 인해 비탄성 충돌에 의한 손실이 크기 때문이다.
이 감쇄 시정수는 펄스 운전에 있어서 모듈레이션 주파수 결정의 지표라 할 수 있
다 계산결과로 볼 때 모듈레이션 주파수는 정도가 효과적일 것으로 판단. 1-10KHz
된다.
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그림 전자온도 밀도의 특성그림 전자온도 밀도의 특성그림 전자온도 밀도의 특성그림 전자온도 밀도의 특성5-17. decay (5mTorr, 300W)5-17. decay (5mTorr, 300W)5-17. decay (5mTorr, 300W)5-17. decay (5mTorr, 300W)
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운운운운전특성전특성전특성전특성Pulse modulationPulse modulationPulse modulationPulse modulation●●●●
그림 는 에 있어서 의 경우 펄스모드에서의 전자온5-18 1, 5, 10KHz duty ratio 0.5
도 및 밀도 변화 계산결과이다 운전의 경우 주기에서의 전. 1KHz pulse ON peak
자밀도가 연속모드에서의 값을 거의 회복하고 있다 전자온도의 경우는 초기. ON
밀도가 낮은 경우 높은 첨두치를 보여주고 있다 이는 일정 전력이 투입되는 상황.
에서 밀도가 낮아 전자당 투입되는 에너지의 비율이 커지고 전자온도가 relaxation
되는데 유한한 시간이 필요하기 때문이다 그러나 실제 고주파 또는 초고주파 전계.
를 사용하는 프로세싱 플라즈마의 운전에 있어서는 전자 밀도에 따라 임피던스 메
칭 특성이 달라지므로 초기 피크 형태의 전자온도 변화 양상은 실제 실험을 통ON
해 검증해 볼 필요가 있다 주파수가 증가할수록 상태의 영향이 증대되어. transient
온도 밀도의 변동폭과 값이 감소함을 알 수 있다 그림 는, peak . 5-19 5KHz
에서 에 따른 전자온도 밀도의 순시값을 보여준다modulation duty ratio . Power ON
비율이 증가 할수록 평균 밀도의 증가경향이 뚜렷하고 최고값과 최소값의 편차 또
한 평균밀도 증가와 함께 약간 증가하는 경향을 확인할 수 있다 전자온도의 경우.
비가 증가할수록 최고값과 최소값 사의의 편차가 감소하고 있으며 평균전자온duty
도는 상승하고 있다 그림 은 의 모듈레이션 주파수에 대해. 5-20 1, 5, 10KHz ON,
상태의 평균 전자온도 밀도 및 전주기 평균값을 나타낸 것이다 참고적으로OFF .
연속모드의 값을 같이 표기하였다.
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전주기 평균 온도 밀도는 의 증가에 따라 선형적으로 증가함을 알 수 있고 모, duty
듈레이션 주파수가 상승할수록 높은 평균전파온도 값을 보여준다 이것은 전자온도.
의 시간이 매우 짧기 때문이다 반면에 비교적 긴 시정수를 가지는relaxation . decay
밀도의 경우 비에 따라 평균값은 선형적으로 상승하는 반면 주파수 의존성은duty
크지 않았다 주파수가 증가할수록 시점에서의 평균값 차이가 감소하고. ON, OFF
있으며 영역의 평균 전자온도는 증가에 따라 약간 감소하는 경향을 보여준ON duty
다 이것은 앞서 언급한 바와 같이 초기 낮은 밀도의 영향에 의한 결과이다. ON .
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그림 주파수에 따른 전자온도 밀도 변화그림 주파수에 따른 전자온도 밀도 변화그림 주파수에 따른 전자온도 밀도 변화그림 주파수에 따른 전자온도 밀도 변화5-18. Modulation5-18. Modulation5-18. Modulation5-18. Modulation
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그림 비에 따른 전자온도 밀도 변화그림 비에 따른 전자온도 밀도 변화그림 비에 따른 전자온도 밀도 변화그림 비에 따른 전자온도 밀도 변화5-19. Duty5-19. Duty5-19. Duty5-19. Duty
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그림 전자온도 밀도의 평그림 전자온도 밀도의 평그림 전자온도 밀도의 평그림 전자온도 밀도의 평균균균균값 위로부터 전주기 평값 위로부터 전주기 평값 위로부터 전주기 평값 위로부터 전주기 평균균균균 전자온도 전주기전자온도 전주기전자온도 전주기전자온도 전주기5-20 ( ,5-20 ( ,5-20 ( ,5-20 ( ,
평평평평균균균균전자밀도 에서 평전자밀도 에서 평전자밀도 에서 평전자밀도 에서 평균균균균전자 온도 에서 평전자 온도 에서 평전자 온도 에서 평전자 온도 에서 평균균균균전자 밀도전자 밀도전자 밀도전자 밀도, ON-OFF , ON-OFF ), ON-OFF , ON-OFF ), ON-OFF , ON-OFF ), ON-OFF , ON-OFF )
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실험 결과실험 결과실험 결과실험 결과●●●●
고주파 플라즈마 소스의 운전에서 시변 전자온도밀도의 측정이 이루어pulse mode
졌다 전자 온도 밀도의 측정은 의 끝단부에서 이루어 졌다 통상적인. quartz tube .
에 주파수보다 매우 낮은 주파수의 전압을 인가Langmuir Probe modulation Ramp
하여 얻어진 특성을 펄스파의 특정 위상에 따라 샘플링 함으로서 시변특성을I-V
추출하였다 그림 은 에 인가한 전압파형과 펄스모드에서 얻어진 전류파. 5-21 Probe
형의 일부를 확대하여 나타낸 그림이다 플라즈마의 에 따라 전류특성이. ON, OFF
변화 하고 있음을 볼 수 있다.
이 측정 를 위상별로 재정리 하여 그림 와 같은 특성곡선을 얻을수Data 5-22 I-V
있었다 플라즈마 운전조건은 압력 입력전력 이었다. Ar 15sccm, 10mTorr, 300W .
그림 과 는 특성으로부터 얻어진 모듈레이션 주파수 및5-23 5-24 I-V 1KHz 5KHz
에서의 전자온도 밀도의 시변 특성이다 실선과 점선으로 표시된 곡duty ratio 0.5 .
선은 이 조건에서 모델에 의해 계산된 온도밀도 변화이다global .
측정값과 모델로 구해진 값은 정성적으로 매우 잘일치 하는 것을 볼 수 있global
다 온도나 밀도의 절대값 차이는 계산모델자체가 공간분포를 고려치 못하는 점과.
실제 실험에서 측정된 입력전력이 플라즈마로 투입되는 것이 아니다 이러한100% .
요소들이 의해 계산된 밀도값과 실험치의 차이가 발생한다.
에서 온도 측정결과를 보면 초기 급격한 감소이후의 이 계산After glow relaxation
치보다 더 큼을 확인할 수 있다.
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이것은 이 낮은 전자온도영역에서 을 고려하기에 불global model energy relaxation
충분한 부분이 있음을 보여준다 또한 플라즈마 경계부분에서 전자밀도 측. on, off
정값이 인접시간대에 비해 경향성 이탈이 보이는 것은 경계의 급격한 값의 변data
화로 인해 시간대 별로 추출해낸 값의 정확도가 떨어진 것에 기인하는 것으로I-V
서 이 부분에 대한 실험의 정확도 향상이 필요한 것으로 판단된다.
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그림 인가된 전압파형과 그에 따른 전류특성그림 인가된 전압파형과 그에 따른 전류특성그림 인가된 전압파형과 그에 따른 전류특성그림 인가된 전압파형과 그에 따른 전류특성5-21 probe5-21 probe5-21 probe5-21 probe
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그림 시간그림 시간그림 시간그림 시간별별별별로 재 조정된 전류전압 특성로 재 조정된 전류전압 특성로 재 조정된 전류전압 특성로 재 조정된 전류전압 특성곡선곡선곡선곡선5-225-225-225-22
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그림 조그림 조그림 조그림 조건건건건에서 측정된 시변 전자온도 밀도 특성과에서 측정된 시변 전자온도 밀도 특성과에서 측정된 시변 전자온도 밀도 특성과에서 측정된 시변 전자온도 밀도 특성과5-23. 10mTorr, 300W5-23. 10mTorr, 300W5-23. 10mTorr, 300W5-23. 10mTorr, 300W
시뮬레이션 결과시뮬레이션 결과시뮬레이션 결과시뮬레이션 결과 (Modulation fre(Modulation fre(Modulation fre(Modulation freqqqquency 1KHz/duty ratio 0.5)uency 1KHz/duty ratio 0.5)uency 1KHz/duty ratio 0.5)uency 1KHz/duty ratio 0.5)
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그림 조그림 조그림 조그림 조건건건건에서 측정된 시변 전자온도밀도 특성과 시뮬레이션에서 측정된 시변 전자온도밀도 특성과 시뮬레이션에서 측정된 시변 전자온도밀도 특성과 시뮬레이션에서 측정된 시변 전자온도밀도 특성과 시뮬레이션5-24. 10mTorr, 300W5-24. 10mTorr, 300W5-24. 10mTorr, 300W5-24. 10mTorr, 300W
결과결과결과결과 (Modulation fre(Modulation fre(Modulation fre(Modulation freqqqquency 5KHz, duty ratio 0.5)uency 5KHz, duty ratio 0.5)uency 5KHz, duty ratio 0.5)uency 5KHz, duty ratio 0.5)