The physical properties and application feasibilities were studied using atmospheric radio-frequency (RF) capacitive discharge sources. From the fundamental study of a typical RF capacitively coupled discharge source, a new type of atmospheric pressure discharge source was suggested for large-area plasma generation with low-breakdown voltage and low gas temperature. In addition, spectroscopic methods were developed and applied to the atmospheric plasmas for measuring plasma parameters.
In an atmospheric pressure capacitive discharge, α and γ discharge modes of a helium discharge were investigated by varying the discharge gap distance between the two electrodes from 1~mm to 5~mm. As similarly observed in other experiments, the α- and γ-mode and the α-γ mode transition were observed with nearly 40% drop in the voltage, 67% drop in the phase angle between the voltage and current, and contraction of the plasma volume. The discharge voltage, at which the α-γ mode transition occurred, versus the inter-electrode gap distance showed a similar behavior with the Paschen curve for gas breakdown. Depending on the discharge gap distance, normal and abnormal glow regimes were observed in the α-mode. At 1 and 2~mm, the α-mode was remained in the abnormal glow discharge with a increasing current until the α-γ mode transition occurred. At 3mm, however, the α-mode was excited as a normal glow discharge with a constant current density (17 mA/cm²), then, it became an abnormal glow discharge as the current increased. At 4 mm, the α-mode was sustained as a normal glow discharge until the transition to the γ-mode occurred. Using a simple resistor-capacitor (RC) electrical circuit model and a α-sheath breakdown model, the discharge modes and the mode transition were studied.
Based on these results, an atmospheric large-area capacitive discharge source consisted of a double electrode structure was developed. This discharge configuration provided stable and large area plasma generation at a relatively low breakdown voltage and also limited high current arc or streamer generation by covering the electrodes with dielectric materials. The plasma was generated in the ambient air with argon, helium, or mixed gas, which was supplied through a uniformly arranged gas hole array, functioning similarly as a showerhead type gas distributor of low pressure industrial plasma sources for uniform gas injection. A typical plasma area and height of the device were 200mm X 50mm and (3 - 8)mm, respectively. If a material under treatment is transported across the plasma, the lengthwise dimension becomes an important parameter. In this case, the plasma covering area can be lengthened indefinitely. In addition, helium and oxygen gas mixing effects on the argon discharge were studied to control the plasma characteristics, such as gas temperature, breakdown voltage, power coupling efficiency, and spatial uniformity, by varying the gas mixing ratio. The addition of helium gas (from 0 to 10 lpm) to the argon flow (of 10 lpm) lowered the breakdown voltage $(from 430 V_{pk} to 300V_{pk})$ and the rotational temperature (from 465K to 360K). However, the addition of oxygen gas (from 0 to 20 sccm) to the argon flow (of 10 lpm) raised the breakdown voltage $(from 435 V_{pk} to 463 V_{pk})$ and the rotational temperature (from 490K to 570K). In both cases, an excessive addition of the gases resulted in a reduction of the spatial uniformity and efficiency of power coupling. This suggests that the supply gas mixing is a useful way of controlling the plasma characteristics that may be utilized for applications to meet specially requiring discharge conditions.
On the other hand, feasibility experiments were performed to investigate material applications of this atmospheric pressure large-area discharge were performed. It was shown that the argon discharge enhanced the wettability of surfaces, such as glass, paper, and silicon wafer. In addition, oxygen mixed argon discharge proved its applicability to the ashing process as an alternative method to the typical low-pressure plasmas.
대기압 RF 축전결합 플라즈마원 (Atmospheric pressure radio-frequency capacitively-coupled plasma source)을 이용하여 상압 플라즈마의 기초특성 연구 및 응용연구를 수행하였다. 저압에서 자주 사용되는 전형적인 RF 축전결합 플라즈마원을 이용하여, 대기압 플라즈마의 기초특성을 연구하고, 이 결과를 토대로 대면적 상압 플라즈마원의 개발을 위한 운전조건 및 공학조건을 제시하였다. 전형적인 대기압 축전결합 플라즈마 원에서는 헬륨기체를 이용하여, α, γ 방전모드 및 이 모드들 간의 전이를 관찰하였다. 전극간격을 1mm 에서 5mm 까지 변화시키면서 실험을 수행한 결과, 모드 전이 시 약 40%의 전압강하와, 55%의 위상차 감소를 보였다. 전극간격에 따른 방전모드 전이를 위한 전이전압의 변화를 관찰하였으며, 이는 기체 전리전압 곡선인 Paschen 곡선과 비슷한 양상을 보였다. 또한 전극간격에 따라 α모드에서 정상 (normal) 및 비정상(abnormal) 글로우방전이 관찰되기도 하였다. 전극간격이 1mm, 2mm 인 경우, α모드는 비정상 글로우방전의 형태로 발생하였으며, 전류 증가 시 특정 전압 및 전류에서 γ모드로 전이되었다. 그러나 3mm 전극간격에서는, α모드가 전류밀도가 17mA/cm²로 거의 일정한 정상 글로우방전의 형태로 발생하였으며, 전류가 증가하면서 방전영역이 증가하여 비정상 글로우방전이 이루어지고, 이후 특정 전압 및 전류에서 γ모드로 전이되었다. 반면에 전극간격이 4mm인 경우, α모드가 정상 글로우방전의 형태로 이루어지나, 방전모드 전이 전까지 비정상 글로우 방전은 관찰되지 않았다. 단순한 저항-축전기 등가회로를 이용하여 방전모드의 전이 시 sheath breakdown 특성을 연구하였다.
이러한 기초연구의 결과를 토대로, 공정에서 요구되는 대면적 대기압 플라즈마원을 개발하기 위한 몇가지 공학설계를 제시하였다. 대면적 대기압 플라즈마원은 이중 전극 구조를 가지고 있으며 아크 방지를 위해 유전체를 삽입하였다. 이러한 이중 전극 구조는 상대적으로 낮은 전리전압 특성을 보였으며, 유전체에 의해 아크 발생없이 안정적인 α모드 방전 특성을 보였다. 또한 균일한 기체흐름을 위한 hole-array가 배치되어 있으며, 이렇게 발생된 플라즈마의 면적은 200mm X 50mm 이었다. 그러나, 플라즈마를 가로지르며 매질을 처리할 시 처리 면적은 크게 증가할 수 있다.
한편 방전을 위해 제공하는 기체의 종류에 따라 방전특성이 어떻게 달라지는지 그 효과를 관찰하기 위해, 아르곤 플라즈마에 헬륨 및 산소 기체를 첨가하면서 전기적 및 광학적 특성을 조사하였다. 아르곤 플라즈마에 헬륨기체를 삽입하는 경우, 기체온도가 465K 에서 360K로 낮아졌고, 전리전압 역시 $430V_{pk}$ 에서 $300V_{pk}$ 로 감소하였다. 또한 산소기체는 활발한 화학적 반응성으로 인해 여러 종류 매질의 처리에 유용하게 이용된다. 따라서, 아르곤 플라즈마에 미량의 산소기체를 첨가하여 그 특성을 살펴보았다. 산소기체를 첨가함에 따라 분자의 진동 및 회전과 같은 에너지 손실 경로의 추가로 인해, 전리전압은 $435 V_{pk}$ 에서 $450 V_{pk}$ 로, 기체온도는 490K에서 570K로 증가하였다. 이러한 기체섞임 효과는 공정에서 요구되는 특정 플라즈마 제어에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
마지막으로, 이렇게 개발된 대기압 RF 대면적 플라즈마원을 이용하여 여러 매질의 표면 처리 및 ashing 공정에 응용이 가능한지 타당성을 조사하였다. 아르곤 플라즈마로 유리, 종이 및 silicon wafer를 처리한 경우, 모두 물방울의 접촉각이 감소하는 것으로부터 이들 매질의 표면이 플라즈마를 통해 친수성으로 개질되는 것을 관찰하였다. 또한, 세 매질 모두, 한번 처리한 후 하루 이상 친수성이 유지되는 결과를 얻었다. 매질의 표면 개질은 플라즈마와의 접촉 시간의 증가 및 입력전력의 증가에 따라 접촉각이 감소하는 결과를 얻었다. 한편, 미량의 산소가 첨가된 아르곤 플라즈마를 이용하여, Photoresist를 제거하는 ashing 공정을 시도하였다. 산소의 첨가량이 증가할수록 ashing rate이 50nm/min 에서 450nm/min로 증가하였는데, 이는 기존 저압 플라즈마의 ashing rate와 견줄만한 결과였다.
