• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2015.08a
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• pp.140.2-140.2
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• 2015

낮은 압력의 평판형 유도 결합 플라즈마 (Inductively Coupled Plasma, ICP)에서 챔버 높이를 바꾸면서 전자 에너지 확률 함수 (Electron Energy Probability Function, EEPF)를 측정하였다. 측정된 전자 에너지 확률 함수에서 기울기가 평평한 부분이 관찰됐고, 이러한 전자 에너지 분포함수의 평평한 부분은 챔버 높이를 증가함에 따라 높은 전자 에너지로 옮겨졌다. 이러한 현상을 분석하기 위해서 2차원 비충돌 가열 메커니즘이 포함된 유도 결합 플라즈마 모델로부터 전자 에너지 확산 계수와 이론적인 전자 에너지 확률 함수를 구하여 실험 결과와 비교하였다. 이를 통하여, 측정된 전자 에너지 확률 함수의 평평한 부분은 전자 튕김 공진 (electron bounce resonance)에 의한 것임을 알 수 있었다.

• Journal of the Korean Vacuum Society
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• v.4 no.3
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• pp.231-237
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• 1995

알루미늄 합금 진공챔버를 제작할 때 따르는 기밀 기술을 용접과 플랜지 이음 측면에서 해설하였다. 알루미늄 합금 재료 특성의 유리한 점 때문에 진공챔버로서의 그 사용이 증가하고 있으나, 챔버나 부품들을 제작할 때에 용접과 플랜지 이음에 상대적인 어려움이 있다. 진공 용접은 주로 TIG용접이며, 용접시에 가상누설을 최소화 하고 균열 방지를 위한 용접설계와 시공조건을 고려하는 것이 중요하다. 플랜지 이음에서는 알루미늄 콘플랫형과 금속오링을 사용하는 플랜지에 대하여 소개하였다. 이러한 기술은 앞으로 핵융합장치, 플라즈마 실험장치, 반도체 제조장비, 일반 초고진공장치에 응용될 것이다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2013.08a
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• pp.163.2-163.2
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• 2013

플라즈마 시뮬레이션을 이용하여 디스플레이 공정용 안테나 유도 결합 플라즈마 시스템에서의 플라즈마 변수들에 대한 공간분포를 살펴 보았다. 디스플레이 공정용 챔버 규격은 8세대, 안테나의 turn수는 4turn을 기본으로 하여 안테나 코일의 분할을 각각 4개 분할, 9개 분할로 구분하여 시뮬레이션을 진행한 결과 안테나 배치의 차이에 의한 플라즈마 밀도, 온도, 전위차의 공간분포의 균일도의 차이를 확인 할 수 있었다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2012.08a
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• pp.259-260
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• 2012

산업화가 발달됨에 따라 대기 오염 물질은 점차 증가하고 있는 추세에 있고 특히 기름 및 석탄 연소 보일러, 자동차, 제철, 시멘트 플렌트, 소각로 등은 미세 분진을 발생시키는 주원인이 되어 왔다. 최근 대기환경법은 오염 분진의 중량 규제로부터 $10{\mu}m$ 미만의 PM10에서 $2.5{\mu}m$ 미만의 PM2.5의 미세 분진에 대한 규제로 점차 심화되고 있으나, 이러한 미세분진은 고전적인 제거 방법으로는 매우 어려우며 고가의 HEPA 필터를 사용하여야 한다. 한편 코로나 방전을 이용하는 전기 집진은 미세 먼지 제거에 매우 효율적이어서 $1{\mu}m$ 미만의 미세 분지도 99%까지 제거가 가능하다는 장점이 있지만 입자크기가 클 경우에는 효율이 떨어지는 단점이 있다. 한편 사이클론 집진기는 매우 오래전부터 개발되어 사용되어 왔는데 가격이 저렴하고 운영비가 적게 들며 $10{\mu}m$ 이상의 먼지는 99% 이상 제거가 가능하여 산업현장에서 오랜 기간 사용되어 왔지만 입자크기가 $10{\mu}m$ 미만으로 가면 집진율이 급격히 떨어지는 단점을 가지고 있다. 본 연구에서는 기존의 사이클론 집진기의 구조를 기본으로하여 사이클론 집진기 내부에 플라즈마 방전을 설치하여 원심력에 의한 집진과 코로나 방전에 의한 전기 집진을 동시에 수행할 수 있도록 하이브리드 사이클론 집진기를 제작하였다. 제작된 사이클론 집진기는 직경 30 cm 높이 120 cm의 사이클론 구조를 가지고 있으며 1 hp의 터보송풍기를 장착하여 $20m^3$/min 이상의 유량을 처리할 수 있도록 설계 제작되었다. 제작된 하이브리드 사이클론 집진기의 성능을 평가하기 위하여 $10m^3$의 체적을 가지는 테스트 챔버 내부에 사이클론 집진기를 설치하고 향을 태워 미세 먼지를 발생시킨 후 다양한 조건에서 집진 성능을 측정하여 보았다. 미세 먼지의 경우 사이클론을 작동시키지 않아도 테스트 챔버 벽면에 흡착되어 초기에는 급격히 감소하는 경향을 보여주나 일정 시간이 경과한 후에는 매우 느리게 감소하는 현상이 관찰 되었다. 코로나 방전을 하지 않고 오존 파괴기에 활성탄만 충진한 상태에서 사이크론을 작동시킬 경우 지속적으로 천천히 감소하는 경향을 보여주었으며, 코로나 플라즈마를 방전시킨 경우 미세 먼지는 HEPA filter를 장착한 것보다도 조금 빠르게 미세먼지를 제거하였다. 챔버 내부의 미세먼지가 초기 값의 1/10에 도달하는 시간은 코로나 방전 전류가 증가할수록 짧아지는 경향을 보여주었으며 최적 조건에서 100초 이내에 90% 이상 제거가 가능하였다. 하이브리드 사이클론 집진기는 집진 뿐 만 아리라 VOC 성분도 분해가 가능하여 유해물질을 제거하는 능력이 있다. 유해 가스 제거 능력을 실험하기 위하여 분진제거 실험에 사용된 챔버 안에 아세톤을 증발시켜 50 ppm이 되도록 한 후 다양한 조건에서 유해물질 제거 실험을 수행하였다. 미세먼지와는 달리 장비를 작동하지 않을 경우 매우 느리게 아세톤 농도가 감소하였다. 이는 미세 먼지와는 달리 흡착이 발생하지 않고, 측정 챔버 자체가 완전한 밀폐가 이루어지지 않아 자연적으로 조금씩 외부로 누출되기 때문으로 판단된다. 코로나 플라즈마만 방전시켰을 경우 초기 농도의 80%가 제거되는데 걸리는 시간은 약 28분 정도로 코로나 플라즈마가 VOC 제거에 효과가 있음은 확인하였으나 제거율이 그리 높지 않음을 알 수 있었다. 한편 오존 파괴를 위해 활성탄으로 충진 된 오존파괴기를 통과시킨 경우는 약 12분 경과 후 80%가 제거됨을 확인할 수 있었으나 그 이후에는 VOC의 감소가 매우 느리게 진행됨을 알 수 있었다. 한편 활성탄 대신 $MnO_2$ 복합촉매로 충진 된 오존파괴기를 통과한 경우 약 3분 정도 경과 후 80%의 아세톤이 제거됨을 관찰할 수 있었으며 코로나 플라즈마를 작동시키면서 $MnO_2$ 복합촉매로 충진 된 오존파괴기를 통과시킨 경우 약 2분 정도 경과 80% 이상의 아세톤이 제거되어 코로나 플라즈마와 복합촉매를 사용할 경우 VOC 성분이 효과적으로 제거됨을 알 수 있었다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2010.08a
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• pp.134-134
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• 2010

KBSI 부산센터에 건설중인 소형의 다중 양전하 중이온 가속기에 사용될 초전도 ECR 이온온은 최대 자기장 3 T, 최소 0.5 T의 자기 Mirror구조를 가지고 있으며 중심 부근의 1 T 자기장에서 28 GHz 전자공명에 의해 마이크로파의 에너지를 플라즈마로 전달한다. 최대 10 kW의 Gyrotron에서 TE02 모드로 발생하는 마이크로파는 모드변환기, 직류차단기 및 진공창을 통하여 플라즈마로 입사된다. 32.5 mm 지름의 원형 도파관에서 자기장 축방향으로 도입된 TE01 모드의 마이크로파를 Altar-Appleton-Hartree 분산관계식을 이용하여 군속도의 관점에서 살펴보았다. 플라즈마 밀도가 Cut-off에 근접하지 않는 한 마이크로파의 바깥 방향으로의 회절은 크지 않았으며, 전자공명 위치로 접근함에 따라 군속도의 방향이 바뀌어 오히려 중심 방향으로 향함을 알 수 있다. 즉 마이크로파가 플라즈마 챔버의 벽을 가열시킬 가능성은 크지 않은 것이다. 또한 뜨거운 전자 플라즈마의 Susceptibility를 이용하여 마이크로파의 플라즈마로의 전자 공명에 의한 흡수를 살펴본 결과, 운전 영역에 속하는 전자밀도가 제공되면 공명 지점에 이르기 전에 충분히 흡수되는 것을 확인하였으며, 이에 따라 챔버를 관통하여 인출부 벽에 충돌하는 마이크로파 에너지는 무시할 수 있을 것으로 보여진다. 이 결과들을 토대로 마이크로파 시스템을 설계 완료하였다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2011.02a
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• pp.286-286
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• 2011

현재의 NEDO (New Energy and industrial technology Development Organization) style Si 정련은 두 단계로 구분되어 있다. 고출력 집속 전자빔을 이용한 금속 실리콘의 1차 용융과 대기압 근처의 플라즈마 아크 용해를 이용해서 B, P를 약간의 반응성 가스를 첨가 하여 제거하는 방법이다. 그러나 저가형 실리콘을 생산하려는 취지와 달리 두 가지의 고가 장비가 필요하다. E-beam melting 장치에서도 반응성이 높은 라디칼을 생성할 수 있다면 하나의 장비에서 두 가지의 정련 작업을 진행시킬 수 있다. 본 연구에서는 고진공에서(< 10-4 Torr) 동작하는 E-beam의 성능에 전혀 영향을 주지 않으면서 플라즈마를 용이하게 생성 시킬 수 있는 방법을 개발하고 이를 적용하여 실제 금속 순도 실리콘 내에 존재하는 B, P가 제거되는지 확인하는 것을 연구 내용으로 한다. 본 연구는 MG (Metal Grade) - Si 을 플라즈마 보조 전자빔 정련을 이용하여 정련한 Si 의 불순물 함량의 개선 효과를 조사하는 것이다. MG-Si 의 정련 방법 중에서 고출력 집속 전자빔을 이용하여 휘발성 오염물질을 제거 후, 플라즈마 아크 용해를 이용해서 B 를 제거하는 방법을 접목시켰다. MG-Si 에 DC power 와 전자빔을 집속시켜서 정련을 하면 챔버 내의 잔류 수증기가 플라즈마에 의해 분해되어 O를 생성하고, B와 반응을 하여 BO 형태로 제거가 된다. 방전 전압 700 V 와 전자빔 가속 전압이 4.5 kV, 방출 전류는 11 A, 진공 챔버 내의 압력은 $7.2{\times}10^{-4}$ Torr에서 정련을 진행하여 B를 제거했다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2010.08a
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• pp.125-126
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• 2010

플라즈마 아킹은 PECVD, 플라즈마 식각 그리고 토카막과 같은 플라즈마를 이용하는 여러 공정과 연구 분야에서 문제점을 야기시켜왔다. 하지만, 이에 대한 연구는 아킹 현상의 불규칙성과 과도적인 행동으로 인해 미비한 상태이다. 특히, RF 방전에서의 아킹 연구는 DC 방전에서의 아킹 연구에 비해 많이 부족한 것이 현실이다. 플라즈마 아킹은 집단전자방출(collective electron emission)에 의한 스파크 방전(spark discharge)현상이다. 집단전자방출은 전계방출(field emission)이나 플라즈마와 쉬스를 두고 인접한 표면위에서의 유전분극(dielec emission)에 의해 발생한다. 이렇게 방출된 집단 전자들은 쉬스에서 가속되어 에너지를 얻게 되고 원자와의 충돌로 전자 아발란체를 일으킨다. 이렇게 배가된 전자들은 아킹 스트리머(arcing streamer)를 형성하게 되고 아킹 발생 시 높은 전류와 공정 실패의 원인이 된다. 우리는 $30cm{\times}20cm$ 크기의 사각 전극을 위 아래로 가진 챔버에서 Ar 가스를 RF(13.56 MHz)파워를 이용해 방전시켰다. 방전 전압과 전류는 파워 전극 압단에서 High voltage probe (Tektronix P6015A)와 Current probe (TCPA300 + TCP312)를 이용해 측정했다. 플라즈마 아킹시 변하는 플라즈마 플로팅 포텐셜은 챔버 중앙에 위치한 랑뮈프 프로브에 의해 측정되고 챔버 옆의 뷰포트 앞에 위치한 PM-tube를 이용해 아킹시 변하는 광량을 측정한다. RF 방전에서의 플라즈마 아킹은 아킹시 플로팅 포텐셜의 변화에 의해 크게 세부분으로 나눌 수 있다. 아킹 발생과 동시에 급격히 감소하는 감소부분 (약 2us) 그리고 감소한 포텐셜이 유지되는 유지부분 (약 0~10ms) 그리고 감소했던 포텐셜이 서서히 원래 상태로 회복되는 회복부분(약 100 us)이다. 아킹 초기시 방출된 집단 전자들과 원자들간의 충돌에 의해 형성된 아킹 스트리머는 플라즈마 전체를 단락시키게 되고 이로 인해 플로팅 포텐셜은 급격히 감소하게 된다. 이렇게 감소한 플로팅 포텐셜은 아킹 스트리머가 유지되는 한 계속 감소한 상태를 유지하게 된다. 그리고 플라즈마를 섭동했던 아킹 스트리머가 중단되면 플라즈마는 섭동전의 원래 상태로 돌아가려 하기 때문에 플로팅 포텐셜은 서서히 증가하면서 원래 상태로 회복된다. 플라즈마 아킹 발생시 생성되는 아킹 스트리머는 순간적으로 많은 전자들을 국소적으로 생성하게 되고 이 전자들에 의해 광량이 순간적으로 증가하게 된다. PM-tube (750.4 nm)에 의해 측정된 아킹시 광량은 정상방전 상태의 두배 가량이 된다. 그리고 이 순간적으로 증가된 광량은 시간이 지남에 따라 감소하게 되고 정상방전 일때의 광량이 된다. 광량이 증가한 후 정상방전 상태의 광량에 이르는 부분은 플로팅 포텐셜이 감소한 상태에서 유지되는 부분과 일치하고 이는 플로팅 포텐셜의 유지부분동안 아킹 스트리머가 발생하고 있다는 간접적인 증거가 된다. 그리고 정상 방전 상태 일때의 광량이 되면 아킹 스트리머가 중단되었다는 것이므로 그 시점부터 플로팅 포텐셜은 정산 방전상태 일 때의 포텐셜로 복구되기 시작한다. 이처럼 PM-tube를 이용한 아킹 광량 측정은 아킹 스트리머를 간접적으로 측정하게 하고 아킹 스트리머를 이용해 아킹시의 플로팅 포텐셜의 변화를 설명하게 해 준다. 응용적인 측면에서 아킹 광량 측정을 이용한 아킹 판독은 방전 전류와 방전 전압과 같은 전기적 신호를 이용한 아킹 판독에 비해 여러가지 장점을 가진다. 우선, 전기적 신호를 이용한 아킹 판독처럼 매칭 회로나 플라즈마를 섭동시키지 않는다. 그리고 원하는 부분의 아킹만을 판독하는 것도 가능하며 photo-diode를 이용할 경우 전기적 신호를 이용하는 것에 비해 경제적으로 유리하다.

• Proceedings of the Korean Institute of Surface Engineering Conference
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• 2011.05a
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• pp.89-90
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• 2011

플라즈마 공정 중에 발생하는 플라즈마 누설은 챔버 압력의 변화를 초래하여 증착 또는 식각 중인 박막패턴을 손상시킨다. 따라서 플라즈마 누설을 실시간으로 탐지하는 것이 요구되며, 본 연구에서는 광방사분광기 (Optical emisison spectroscopy), 신경망, 그리고 제어차트를 결합한 플라즈마 누설의 인-시츄 탐지기술을 보고한다. 비교평가 결과 소수의 라디칼 정보를 감시하는 것보다 신경망 모델로부터의 예측정보를 이용할 때 보다 증진된 누설탐지 성능을 확인하였다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2014.02a
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• pp.217.1-217.1
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• 2014

반도체 및 디스플레이 산업은 많은 공정들에서 저온 플라즈마 반응을 이용한다. 특히 소자 제작을 위한 실리콘 박막의 증착은 저온 플라즈마 공정의 주요 공정이다. 하지만 실리콘 박막을 합성하는데 있어서 저온 플라즈마에서 형성되는 실리콘 나노 입자는, 오염입자로써 박막의 특성을 악화시켜 소자생산 수율을 악화시키는 주요 원인이 되고 있다. 따라서 플라즈마에서 입자 형성의 원인이 되는 화학반응 및 입자들의 성장 매커니즘에 대한 연구는, 1980년대 플라즈마 공정에서 입자 합성이 보고된 이래 공정의 최적화를 위해 꾸준히 연구되어왔다. 이러한 매커니즘의 연구들은, 플라즈마 화학반응에 의해 실리콘 입자 핵을 만들어 내는 과정과 입자들이 충돌에 의해 성장해가는 과정으로 나눠진다. 플라즈마 화학 반응 과정은 아레니우스 방정식에 의해 정의된 반응계수를 이용하여 플라즈마 내 전자와 이온, 중성 화학종들이 전자 온도와 전자 밀도, 챔버 온도 등에 의해 결정되는 현상을 모사한다. 또한 이 과정에서 실리콘을 포함하는 화학종들의 반응에 의해 핵이 생성 되가는 양상을 모사한다. 생성된 핵은 충돌에 의해 입자가 성장해 가는 과정의 가장 작은 입자로써 이용된다. 입자들이 성장해가는 과정은 입자들이 서로 충돌하면서 다양한 입경의 입자로 분화되어가는 현상을 모사한다. 이 과정에 의해 다양한 입경분포로 분화된 입자들은 플라즈마 내 전자에 의해 하전되며, 이러한 하전 양상은 입경에 따라 다른 분포를 보인다. 본 연구에서는 입자의 하전 분포를 고려하여, 입자들의 성장의 주요 원인인 입자간의 충돌을 대표하는 충돌주파수를 수정하는 방식을 채택하여 보다 정밀한 입자 성장 양상을 모델링하였다. Inductively coupled plasma (ICP) 타입의 저온 플라즈마 반응기에서 합성된 입자들을 Particle Beam Mass Spectrometer (PBMS)와 Scanning Electron Microscope (SEM)를 이용하여 입경분포를 측정한 데이터와 모델링에 의해 계산된 결과를 비교하여 본 모델의 유효성을 검증하였다. 검증을 위해 100~300 mtorr의 챔버 압력 조건과 100~350 W의 입력 전력 조건들을 달리하며 측정한 결과와 계산한 데이터를 조건별로 비교하였다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2012.08a
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• pp.276-277
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• 2012

플라즈마 아킹은 PECVD, 플라즈마 식각 그리고 토카막과 같은 플라즈마를 이용하는 여러 공정과 연구 분야에서 문제가 되어왔다. 하지만, 문제의 중요성과 다르게 아킹에 대한 본질적인 연구는 아직 미비한 상태이다. 플라즈마 아킹은 집단전자방출(collective electron emission)에 의한 스파크 방전(spark discharge) 현상이다. 집단전자방출은 전계방출(field emission)이나 플라즈마와 쉬스를 두고 인접한 표면위에서의 유전분극(dielec emission)에 의해 발생한다. 우리는 CCP 플라즈마를 이용해 micro-arcing(MA)을 일으키고 랑뮈르 프로브를 이용해 MA 동안의 플로팅 포텐셜의 변화를 측정한다. MA시 PM-tube를 이용해 광량의 변화를 측정하고 플로팅 포텐셜을 fast-imaging과 동기화 시켜 MA 발생 메커니즘을 유추한다. 우리는 $30{\times}20$ cm 크기의 사각 전극을 위 아래로 가진 챔버에서 Ar 가스를 RF (13.56 MHz) 파워를 이용해 방전시켰다. 방전 전압과 전류는 파워 전극 앞단에서 High voltage probe (Tektronix P6015A)와 Current probe (TCPA300 + TCP312)를 이용해 측정했다. 플라즈마 아킹시 변하는 플라즈마 플로팅 포텐셜은 챔버 중앙에 위치한 랑뮈프 프로브에 의해 측정되고 챔버 옆의 뷰포트 앞에 위치한 PM-tube를 이용해 아킹시 변하는 광량을 측정하고 Intensified CCD를 이용해 fast-imaging을 한다. 또한 CCD 앞에 band pass filter를 부착하여 MA의 발생 메커니즘을 유추한다. RF 방전에서의 플라즈마 아킹은 아킹시 플로팅 포텐셜의 변화에 의해 크게 세부분으로 나눌 수 있다. 아킹 발생과 동시에 급격히 감소하는 감소부분(약 2 us) 그리고 감소한 포텐셜이 유지되는 유지부분(약 0~10 ms) 그리고 감소했던 포텐셜이 서서히 원래 상태로 회복되는 회복부분(약 100 us)이다. 아킹 초기시 방출된 집단 전자들은 쉬스를 단락시키게 되고 이로 인해 플로팅 포텐셜은 급격히 감소하게 된다. 이렇게 감소한 플로팅 포텐셜은 아킹 스트리머가 유지되는 한 계속 감소한 상태를 유지하게 된다. 그리고 플라즈마를 섭동했던 집단전자방출이 중단되면 플라즈마는 섭동전의 원래 상태로 회복된다. 플라즈마 아킹 발생시 생성되는 순간적으로 많은 전자들을 국소적으로 생성하게 되고 이 전자들에 의해 광량이 순간적으로 증가하게 된다. PM-tube (750.4 nm)에 의해 측정된 아킹시 광량은 정상방전 상태의 두배 가량이 된다. 그리고 이 순간적으로 증가된 광량은 시간이 지남에 따라 감소하게 되고 정상방전 일때의 광량이 된다. 광량이 증가한 후 정상방전상태의 광량에 이르는 부분은 플로팅 포텐셜이 감소한 상태에서 유지되는 부분과 일치하고 이는 플로팅 포텐셜의 유지부분동안 집단전자방출이 있다는 간접적인 증거가 된다. 그리고 정상 방전 상태 일때의 광량이 되면 집단전자방출이 중단되었다는 것이므로 그 시점부터 플로팅 포텐셜은 정산 방전상태 일때의 포텐셜로 복구되기 시작한다. 이처럼 PM-tube를 이용한 아킹 광량 측정은 아킹 스트리머를 간접적으로 측정하게 하고 집단전자방출을 이용해 아킹 시의 플로팅 포텐셜의 변화를 설명하게 해 준다.