A Study on Plasma Etching Reaction of Cobalt for Metallic Surface Decontamination

금속 표면 제염을 위한 코발트의 플라즈마 식각 반응 연구

In this study, plasma processing of metal surface is experimentally investigated to enhance the surface decontamination efficiency and to find out the reaction mechanism. Cobalt, the major contaminant in the nuclear facilities, and three fluorine-containing gases, $CF_4/O_2$, $SF_6/O_2$, and $NF_3$ are chosen for the investigation. Thin metallic disk specimens are prepared and their surface etching reactions with the three plasma gases are examined. Results show that the maximum etching rate of $17.2\;{\mu}m/min.$ is obtained with NF3 gas at $420^{\circ}C$, while with $CF_4/O_2$, $SF_6/O_2$ gas plasmas those of $2.56\;{\mu}m/min.$ and $1.14\;{\mu}m/min.$ are obtained, respectively. Along with etching experiments, constituent elements of the reaction products are identified to be cobalt, oxygen, and fluorine by AES (Auger Electron Spectroscopy) analysis. It turns out that the oxygen atoms are physically adsorbed ones to the surface from the ambient not participation ones during the analysis after reaction, which supports that the surface reaction of cobalt is mainly to be a fluorination reaction.

이 연구에서는 플라즈마 제염 기술의 실용화를 위해 $CF_4/O_2$, $SF_6/O_2$, $NF_3$ 등의 반응성 플라즈마 기체를 이용하여 원자력 시설의 주요 오염원인 코발트 핵종에 대한 표면 제염 모의실험을 수행하였다. 디스크 형태의 금속코발트에 대하여 시편 표면 온도를 변수로 플라즈마 식각 실험을 수행한 결과 반응율은 $420^{\circ}C$에서 $NF_3$ 기체의 경우 $17.2\;{\mu}m/min.$ 그리고 $SF_6$와 $CF_6/O_2$ 기체의 경우 각각 $2.56\;{\mu}m/min.$과 $1.14\;{\mu}m/min.$이었으며, 이들 반응의 활성화에너지는 각각 39.4 kJ/mol, 42.1 kJ/mol, 116.0 kJ/mol이었다. 이와 함께 AES (Auger Electron Spectroscopy)를 이용하여 반응 생성물 성분 분석 결과 이들 반응의 주요 반응 기구는 코발트의 불화 반응임이 밝혀졌다. 이 연구를 통해 확보된 $17\;{\mu}m/min.$의 금속 표면 식각율은 주요 반도체 공정의 식각율을 뛰어넘는 높은 식각율로 플라즈마 제 염 기술의 실용화를 앞당길 수 있는 고무적인 결과라 할 수 있을 것이다.