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KR101107819B1 - 플라즈마 형성 장치 및 방법과, 유출 가스 흐름 처리 장치및 방법 - Google Patents

플라즈마 형성 장치 및 방법과, 유출 가스 흐름 처리 장치및 방법 Download PDF

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KR101107819B1
KR101107819B1 KR1020057020375A KR20057020375A KR101107819B1 KR 101107819 B1 KR101107819 B1 KR 101107819B1 KR 1020057020375 A KR1020057020375 A KR 1020057020375A KR 20057020375 A KR20057020375 A KR 20057020375A KR 101107819 B1 KR101107819 B1 KR 101107819B1
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KR
South Korea
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plasma
glow discharge
forming apparatus
gas
generating
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앤드류 제임스 시레이
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에드워즈 리미티드
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Abstract

반도체 제조 프로세스 툴로부터 유출 가스 흐름을 처리하기 위한 장치가 개시된다. 상기 장치는 이온화가능한 불활성 가스로부터 글로우 방전을 발생시키기 위한 플라즈마 토치를 포함한다. 가스 흐름은 플라즈마를 점화시키기 위해 글로우 방전으로 이송된다. 전자기 방사선원은 플라즈마를 지속시키기 위해 전자기 방사선을 유출 가스로 공급한다. 상기 장치는 유출 가스 흐름내에 과불소화 또는 수소화불화탄소 화합물을 처리하는데 특히 적합하다.

Description

플라즈마 형성 장치 및 방법과, 유출 가스 흐름 처리 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR FORMING A PLASMA}
본 발명은 플라즈마원(plasma source)에 관한 것으로, 특히 본 발명은 플라즈마 저감 시스템(plasma abatement system)에서 이용가능한 실시예를 제공하지만, 이러한 시스템에 한정되지는 않는다.
안정된 플라즈마를 나타내기 위해서는 임의의 물리적 조건을 필요로 한다. 그러나, 이들 조건이 이뤄진 경우에도, 플라즈마는 자발적으로 점화하지는 않는다. 그러한 현상의 예로는, 예컨대 대기압의 아크 용접 장치가 'RF 스타트(start)'를 필요로 하는 것이 공지되어 있다. 달리 공지된 플라즈마 점화 기술은 테슬라 코일(Tesla coil)을 이용하여 점화기의 '스파크(spark)'를 유도하는 것을 포함한다. 그러나, 이들 기술은 플라즈마 반응실내에 금속 구성요소를 사용하는 것을 포함하여 불리할 수 있다. 마이크로파 펌프식 시스템(microwave-pumped system)의 경우에 있어서, 이러한 금속 구성요소는 플라즈마를 '그라운드(ground)"시키는 것으로 알려져 있고 이는 불안정성을 야기한다.
플라즈마를 점화하는데 이용되는 달리 공지된 방법은, 플라즈마가 형성되기 위한 가스압을 저감시키는 것과, 주요 플라즈마 가스보다 쉽게 이온화되는 아르곤, 헬륨 또는 몇몇의 다른 가스(들)를 도입하는 것을 포함한다.
마이크로파 플라즈마내에서 신뢰성 있는 점화를 제공하는 것이 특히 중요하다. 이러한 플라즈마 형성시에, 마이크로파가 일반적으로 마그네트론에 의해 제공되어 도파관(waveguide)을 따라 플라즈마로 전달되는데, 마이크로파의 에너지는 전형적으로 정상파 장치(standing-wave arrangement)에서 플라즈마에 의해 흡수된다. 그러나, 플라즈마가 점화되지 않은 경우(즉, 플라즈마는 없고 가스만이 있는 경우), 에너지가 거의 흡수되지 않고, 정상파 장치에 있어서 상당한 양의 입사 에너지가 마그네트론으로 다시 반사되어 장치의 수명을 극도로 단축시킬 수 있다. 이러한 백 반사(back reflection)는 마이크로파 전달 라인에서 일방향 순환 장치(one-way circulator) 또는 '밸브(valve)'를 구비함으로써 저감될 수 있지만, 이러한 장치는 비용을 추가시킨다. 따라서, 마이크로파 플라즈마를 신뢰성 있게 점화하는 방법이 바람직하다.
플라즈마 저감(plasma abatement)은 제조 공정으로부터 배출 가스를 제거하는 광범위하게 이용되는 방법이 되고, 과할로겐화, 특히 과불소화 구성요소(PFCs)의 분해에 있어서 특정한 적용을 갖는다.
PFC는, 예컨대 유전막 에칭(dielectric film etching) 등의 반도체 제조 산업에서 통상적으로 이용되고, 제조 공정 이후에 전형적으로 유출 가스내에 잔류 PFC의 내용물이 있다. PFC는 유출물을 제거하기가 어렵다. PFC는 비교적 높은 온 실 효과를 갖는 것으로 알려져 있기 때문에 환경으로의 배출이 바람직하지 못하다. 각종 저감 방법은 예컨대 연소, 반응성 흡수 및 촉매 산화에 이미 사용되고 있다. 저감의 목적은 예컨대 종래의 스크러빙에 의해 보다 편리하게 처리될 수 있는 하나 또는 그 이상의 조성물로 변환하기 위한 것이다.
플라즈마 저감은 보다 적게 손상되는 종(species)에 대한 PFC의 열화를 위해 효과적인 방법으로 판명되어 있다. 플라즈마 저감 공정에 있어서, 파괴되는 종을 함유하는 유출 가스가 고밀도 플라즈마내로 흐르도록 야기되어, 플라즈마내의 강한 조건하에서 PFC는, 다음 처리 단계에서 제거될 수 있는, 예컨대 CO, CO2 및 HF 등의 비교적 안정적이고 저 분자량의 부산물을 제조하기 위해서 산소 또는 수소와 결합하는 반응성 종내로의 해리를 야기하는 강력한 전자와 충돌하게 된다.
이전 공지된 플라즈마 저감의 일 형태에 있어서, 플라즈마는 마이크로파 플라즈마이다. 또한, 무선 주파수 플라즈마를 이용하는 것도 공지되어 있다.
마이크로파 플라즈마 저감에 이용되기에 적합한 장치의 일 형태는 영국 특허 제 GB 2273027A 호에 개시되어 있다. 이러한 장치에 있어서, 마이크로파 플라즈마는 근접하게 이격된 관계에 있는 2개의 전극 사이에서 발생된다. 영국 특허 제 GB 2273027A 호에 개시된 장치는 자동 시동된다. 영국 특허 제 GB 2273027A 호의 장치는 반응 제품에 의해 전극의 비교적 높은 정도의 부식이 발생한다.
미국 특허 공개 공보 제 2002/0101162 호는 테슬라 코일로부터의 스파크에 의해 점화되는 마이크로파 플라즈마 발생 장치를 개시하고 있다.
발명의 요약
본 발명에 따르면, 플라즈마에 의해 처리되는 가스와 상이한 유체로부터 플라즈마를 점화하기 위한 이온화된 유체 흐름을 발생시키기 위한 수단과, 플라즈마를 지속시키도록 구성된 구조체를 포함하는, 가스를 처리하기 위한 플라즈마를 형성하는 장치가 제공된다.
본 발명자는 이온화된 유체 흐름, 예컨대 글로우 방전원을 제공하는 것이 플라즈마 지속 구조체내의 전계 조건이 플라즈마가 신뢰성 있게 자동 시동하지 못하도록 하는 경우 플라즈마의 효과적인 점화를 허용한다는 것을 설명하고 있다.
본 장치는 플라즈마 저감 시스템내에 구성될 수 있다. 이에 따라, 본 발명은 유출 가스 흐름과 상이한 유체로부터 이온화된 유체 흐름을 발생시키는 수단과, 플라즈마를 점화시키기 위해 유출 가스 흐름을 상기 이온화된 유체 흐름으로 전달하는 수단과, 플라즈마를 지속시키기 위해 유출 가스에 전자기 방사선을 인가하는 수단을 포함하는, 반도체 제조 프로세스 툴(semiconductor manufacturing process tool)로부터 유출 가스 흐름을 처리하기 위한 장치가 제공된다.
상술한 바와 같이, 플라즈마 지속 구조체는 플라즈마 지속 시에 전자기 방사선을 이용하도록 구성될 수 있다. 이에 따라, 플라즈마 지속 구조체는 전자기 방사선원을 포함할 수 있거나 또는 전자기 방사선원으로의 연결용으로 적합할 수 있다. 전자기 방사선은 마이크로파 또는 무선 주파수 방사선일 수 있는데, 마이크로파와 무선 주파수 플라즈마는 상술한 바와 같이 플라즈마 저감 시스템에 특히 주요하다. 방사선은 예컨대 약 580kHz, 13,56MHz, 27MHz, 915MHz 또는 2,45GHz의 주파수를 가질 수 있다(종래 장치는 이들 주파수 근방에서 작동함). 플라즈마 지속 구조체는 전자기 방사선의 주파수에 공진인 챔버를 포함할 수 있다. 공진 공동(resonant cavity)을 이용하면, 전자기 정상파를 형성할 수 있어서, 특히 정상파의 파복(antinode)(들) 부근에서 전계 강도의 국부적인 강화를 제공한다.
플라즈마 지속 구조체는 플라즈마에 의해 처리되는 가스의 흐름에 연결가능한 챔버를 포함할 수 있다.
플라즈마 지속 구조체는 적어도 하나의 플라즈마 집중화 전극을 포함할 수 있다. 플라즈마 지속 구조체내의 비교적 구속된 영역에 플라즈마를 배치함으로써, 플라즈마의 점화 및 지속을 보다 쉽게 성취시키는 압력 강하가 얻어질 수 있다. 플라즈마 집중화 전극은 끝이 뾰족할 수 있는데, 이 뾰족한 전극은 그 부근에서 전계를 강화한다. 플라즈마 집중화 전극은 전자기 정상파의 파복에 또는 그 근방에 배치될 수 있다. 플라즈마 지속 구조체는 2개의 플라즈마 집중화 전극을 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 예컨대 영국 특허 제 GB 2273027A 호에 개시된 임의의 공지된 플라즈마 반응기에 있어서, 플라즈마는 대향된 전극 사이에 배치된다. 플라즈마는 전극 사이의 전계에 의해 지속되어, 입사 전자기파에 기인한 구성요소와 플라즈마에 기인한 구성요소를 포함한다. 이전 공지된 장치에 있어서, 예컨대 0.1mm 내지 0.5mm의 이격 거리로 근접하게 대향된 전극을 갖는 것이 장점적이다. 플라즈마 안정성이 강화될 수 있고, 플라즈마 반응의 부식성 부산물에 의한 전극의 부식은 전극 사이의 이격 거리를 증대시킴으로써 감소될 수 있음이 알려져 있다. 이에 따라, 예컨대 몇몇 실시예에 있어서, 플라즈마 집중화 전극은 서로 대향되고 적어도 1mm, 예컨대 2mm 내지 8mm의 거리만큼 이격된 제 1 및 제 2 전극을 포함할 수 있다.
전극 사이의 이격 거리를 증대시킨 결과는, 소정의 인가된 전력에 대해 전극 사이의 전계 강도가 감소된다는 점이다. 그 결과, 플라즈마의 신뢰성 있는 초기 형성에 대한 조건이 더 이상 존재하지 않을 수 있다.
전술한 장치는 플라즈마 안정성 및 부식의 감소의 견지에서 유리한 조건하에서 작동 가능성을 제공하는 한편, 플라즈마의 효과적인 점화를 제공하더라도 성취가능하지 않거나 이들 작동 조건하에서 신뢰성 있게 성취가능하지 못할 것이다. 또 다른 장점은 근접하게 이격된 전극에 대한 필요성을 제거함으로써 보다 큰 소스(source)가 제공될 수 있어서 보다 높은 가스 흐름 속도를 취급할 수 있다.
플라즈마 집중화 전극/들은 전기 접지에 있을 수 있다. 이에 따라, 플라즈마 및 입사 전자기 방사선은 플라즈마 집중화 전극(들)과 상당히 상이한 전위에 있을 수 있다.
플라즈마 지속 구조체는 플라즈마 형성 동안에 거의 대기압에 있도록 배치될 수 있다. 장치를 상당히 단순화시키면, 플라즈마 지속 구조체를 반드시 대기압 이외의 압력에서 유지할 필요가 없어질 수 있다.
전술한 바와 같이, 이온화된 유체 흐름은 글로우 방전인 것이 바람직하다. 잘 공지된 바와 같이, 글로우 방전은 발광의 열적 플라즈마이다. 가스의 파괴 전 압(breakdown voltage)보다 높은 전압을 가스에 인가함으로써 형성된다. 일단 글로우 방전이 성취되면, 유지하는데 요구된 전압은 파괴 전압보다 일반적으로 낮다. 글로우 방전원은 글로우 방전을 형성하기 위한 글로우 방전 전극을 포함할 수 있다. 글로우 방전은 글로우 방전 가스(즉, 글로우 방전을 형성하는 가스)원을 포함하거나 또는 그에 연결되기에 적합할 수 있다. 글로우 방전 가스는 질소 또는 희가스 혹은 임의의 다른 실질적으로 불활성 및 이온화가능한 가스일 수 있다. 플라즈마 형성용 가스는 예컨대 제조 공정으로부터의 배출 가스를 포함할 수 있다.
글로우 방전 전극은 길다랗게 형성될 수 있다.
글로우 방전원은 글로우 방전을 개시하기에 충분히 높은 전압을 제공하는 회로 소자와, 바람직하게 적어도 0.1초 동안 상기 글로우 방전을 지속시키기에 충분한 전류를 제공하는 회로 소자를 포함할 수 있다. 글로우 방전원은 플라즈마가 점화된 후에 글로우 방전의 발생을 중지하도록 될 수 있어서, 글로우 방전원은 예컨대 10초 이상 또는 예컨대 5초 이상, 예컨대 1초 내지 5초 동안 글로우 방전을 발생시키도록 될 수 있다.
글로우 방전 전극은 플라즈마 지속 구조체로 배출하도록 구성될 수 있어서, 전지 접지에 있을 수 있다.
글로우 방전 전극은 사용시 플라즈마 지속 구조체의 글로우 방전 흐름 상류에 있어서 글로우 방전이 글로우 방전 가스에 의해 플라즈마 지속 구조체내로 이송되도록 배치될 수 있다. 이러한 장치의 특정한 이점은 글로우 방전 전극이 매우 고온이고 잠재적으로 반응성이 있는 장치의 영역으로부터 멀리 배치될 수 있다는 것이다. 전극의 수명은 이러한 영역 밖에 유지함으로써 상당히 연장될 수 있다.
글로우 방전원은 글로우 방전 가스를 챔버내로 거의 접선방향으로 도입하도록 배치된 입구를 포함하는 거의 원통형의 챔버를 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 플라즈마가 글로우 방전에 의해 점화되는 것이 바람직하다. 그러나, 임의의 적당한 이온화된 유체 흐름이 플라즈마를 점화하는데 이용될 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 글로우 방전 이외의 방전, 예컨대 코로나 방전(corona discharge) 또는 아크 방전에 의해 이온화된 가스 흐름을 발생시키는 것이 가능할 수 있다. 글로우 방전에 근거한 장치에 관련하여 상술된 적어도 몇 가지의 특징은 또 다른 적당한 이온화된 가스 흐름을 이용하는 시스템내에 사용되기에 적합할 수도 있다.
또한, 본 발명은 플라즈마에 의해 처리되는 가스와 상이한 유체로부터 상기 플라즈마를 점화하기 위한 이온화된 유체 흐름을 발생시키는 단계와, 플라즈마를 지속시키기 위해 전자기 방사선을 공급하는 단계를 포함하는, 가스를 처리하기 위한 플라즈마를 형성하는 방법을 제공한다.
본 방법은 이온화된 유체 흐름을 제 1 위치에서 발생시키는 단계와, 이온화된 유체 흐름을 상기 플라즈마를 점화시키는 제 2 위치로 이송하는 단계를 포함할 수 있다. 플라즈마는 전자기 방사선의 주파수에 공진인 챔버내에서 발생되는 것이 바람직하다. 플라즈마는 거의 대기압에서 형성되는 것이 바람직하다. 유체는 상기 플라즈마에 의해 처리되는 가스와 상이한 조성물을 갖는 것이 바람직하다. 이온화된 유체 흐름은 글로우 방전인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 유출 가스 흐름과 상이한 유체로부터 이온화된 유체 흐름을 발생시키는 단계와, 플라즈마를 점화시키기 위해 유출 가스 흐름을 이온화된 유체 흐름에 인가하는 단계와, 플라즈마를 지속시키기 위해 유출 가스에 전자기 방사선을 인가하는 단계를 포함하는, 반도체 제조 프로세스 툴로부터 유출 가스 흐름을 처리하기 위한 방법을 제공한다.
유출 유체 흐름은 과불소화 또는 수소화불화탄소 화합물, 예컨대 CF4, C2F6, CHF3, C3F8, C4F8, NF3 및 SF6 중 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 단지 예로서 상세하게 기술한다.
도 1은 본 발명에 따른 마이크로파 플라즈마 반응기를 내장하는 저감 시스템의 플로우 다이어그램,
도 2는 도 1의 반응기의 수직 단면도,
도 3은 도 2의 반응기내에 내장된 글로우 방전 점화 전극의 수직 단면도,
도 4는 도 2의 반응기의 점화 전극과 함께 사용되는 회로 소자용 회로 다이어그램.
도 1을 참조하면, 저감 시스템은 도파관(3)을 거쳐 마이크로파 공급부(2)에 연결되는 마이크로파 플라즈마 반응기(1)와, 전원 공급부(4)를 구비한다. 과불소화탄소를 함유한 배출 가스 및 임의로 첨가된 불활성 가스를 포함하는 처리 가스를 화살표(A)로 나타낸 바와 같이 반응기(1)로 공급한다. 분해 생성물(decomposition product)을 포함하는 처리 가스는 화살표(B)로 나타낸 바와 같이 반응기(1)를 나온 후에, 예컨대 스크러빙(scrubbing)에 의한 처리를 받는다.
도 2를 참조하면, 반응기(1)는 챔버(6)를 형성하는 마이크로파에 투명한 재료의 원통형 벽(도면에 도시하지 않음)내에 위치된 전도성 하우징(5)을 갖는다. 전도성 하우징(5)은 도파관(3)(도 2에 도시하지 않음)에 연결되고 처리 가스용 출구관(9)과 연통하는 개구(8)가 존재하는 바닥 벽(7)을 갖는다. 바닥 벽(7)내의 리세스내에 전극(10)을 위치시키는 전도성 플랜지(11)를 그 상단부에 갖는 관형 부재로 구성되는 제 1 플라즈마 집중화 전극(10)이 개구(8)내에 수용된다. 전극(10)은 너트(12)에 의해 소정 위치에 고정되어, 전극(10)의 하단부에 나사 결합가능하다.
하우징(5)의 상부는 원통형 하우징(18)이 수용되는 중앙 구멍(14)을 형성하는 폐쇄 수단(13)에 의해 폐쇄된다. 제 2 플라즈마 집중화 전극(16)은 하우징(18)의 단부(17)내에 수용되어 전극(16)과 동축으로 배치된다. 전극 조립체(16)는 전극(10)에 대향되게 배치된 중공형 실린더로서, 전극(10, 16)은 한쌍의 플라즈마 집중화 전극을 구성한다.
글로우 방전 전극 조립체(15)의 플랜지(24)가 하우징(18)과 정합하여, 글로우 방전 전극 조립체(15)는 하우징(18)상에 안착한다. 조립체(15), 하우징(18) 및 전극(16)은, 전극(16)을 통해 챔버(6)와 연통하는 제 2 챔버(19)를 형성한다. 전극(16, 10)으로부터 이격되지만 이들 쪽으로 향한 뾰족한 단부(21)를 갖는 고전압 전극의 형태인 플라즈마 점화용 글로우 방전 전극(20)이 하우징(18)내에 동심으로 배치된다. 점화 전극은 본 실시예에서는 글로우 방전의 형태인 이온화된 유체 흐름을 형성한다. 글로우 방전 가스의 흐름용 입구(22)가 챔버(19)의 상부 영역내에 있다. 입구(22)는 전극(16)을 향해 거의 하방으로 전극(20) 주위의 헬리컬 흐름 경로의 형성을 촉진하도록 챔버(19)에 대해 접선방향으로 배치된다. 전극 조립체(15)는 커넥터(23)를 거쳐 전원 공급부에 연결된다.
조립체(15)가 하우징(27)을 구비하는 것으로 도 3에 보다 상세하게 도시되어 있다. 하우징(27)은 그 하단부에 개구를 갖는 원통형 벽이다. 도 2의 구성에 있어서, 하우징(27)은 플라즈마 반응기의 일부를 형성하는 하우징(18)으로 대체되고, 전극(20)이 방전하는 반응기 전극(16)을 구비한다. 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 조립체(15)는 종래의 반응기 또는 다른 플라즈마 지속 구조체내에 삽입된다. 이 경우에 있어서, 하우징(27)은 방전 가스의 흐름을 보내거나 또는 전극(20)이 방전될 수 있는 표면을 제공하도록 요구될 수 있다.
도 2의 반응기의 통상적인 사용시에, 처리 가스는 입구(도시하지 않음)를 거쳐 챔버(6)내로 펌핑되어, 전극(10, 16) 사이로 통과되어, 출구관(9)을 통해 챔버(6)를 나간다.
마이크로파 주파수의 전자기 방사선은 도파관을 거쳐 마그네트론으로부터 챔버(6)내로 투입되어, 제 1 측부상에 챔버(6)와 인접한다. 챔버(6)의 대향 측부상에 연속적인 도파관은 입사 마이크로파가 정상파를 형성하도록 조정되는 가동형 단부 플레이트를 구비한다. 플레이트는 정상파가 전극(10, 16)에서 파복으로 형성되도록 조정된다. 마이크로파를 챔버로 전달하는 이러한 방법은 본 기술에 잘 공지되어 있다.
전극(10, 16)은 전기 접지에 있다. 이 전극들은 5mm만큼 이격되어 있다. 통상적인 사용시에, 전극(10, 16)은 처리되는 가스로부터 형성되는 플라즈마를 배치하거나 또는 구속하는 기능을 한다. 플라즈마가 마이크로파 정상파의 파복에 배치될 때, 마이크로파 전계로부터 플라즈마로 전력이 효율적으로 연결된다.
20ℓ/분으로 흐르는 [처리용 테트라플루오르화물(carbon tetrafluoride)을 함유한] 질소내에 안정된 플라즈마를 형성하기 위해서는 1kW 내지 2kW의 마이크로파 전력을 필요로 한다. 그러나, 전극(10, 16)의 이격 거리는 너무 멀어 가스가 입사 마이크로파 전력만으로 플라즈마내로 점화되기는 어렵다. 글로우 방전원(15)은 후술하는 바와 같이 플라즈마를 점화하기 위해 글로우 방전을 제공하는 플라즈마 토치(plasma torch)의 기능을 한다. 일단 점화되면, 플라즈마는 하우징(5)내, 특히 전극(10, 16) 부근에서 전자기 조건에 의해 지속된다.
불활성의 이온화가능한 가스(예컨대, 질소)는 조립체(15)의 입구(22)를 통해 챔버(19)내로 흐른다. 글로우 방전은 하기와 같이 이러한 가스내에 형성된다.
저전압의 고전류원[예컨대, 도 4에 도시한 커패시터(64)]은 전극(20)에 영구적으로 연결된다. 그러나, 접지로의 전도성 경로가 존재하지 않는 경우, 상당한 전류가 이러한 소스로부터 흐를 수 없다. 플라즈마 점화시에, 고전압이 일시적으로 전극(20)에 인가된다. 고전압은 전극(20)의 단부(21)로부터 가까운 쪽의 전극(16)쪽으로 질소 가스를 통해 코로나 방전을 일으킨다. 이 코로나 방전은 저전압원으로부터의 큰 전류가 접지로 흐를 수 있는 경로를 제공한다. 큰 전류가 흐르면, 질소내에 글로우 방전을 형성시킨다.
이와 같이 형성된 글로우 방전은 전극(16)을 통해 챔버(19)로부터 챔버(6)내로 이동하도록 가스에 의해 야기된다. 소스(2)로부터 수용된 마이크로파[화살표(C)로 나타냄]는 글로우 방전에 효과적으로 연결될 수 있고, 전형적으로 1초 미만에서 플라즈마를 점화하여 전극(20)의 전원 공급부가 차단된 후(전형적으로, 약 3초 후)에 마이크로파 소스 및 전극(10, 16)에 의해 지속될 수 있는 안정된 마이크로파 플라즈마를 발생시킨다.
플라즈마를 점화시키기 위해서, 글로우 방전의 순간 전력은 플라즈마[챔버(6)내의 20ℓ/분의 질소 유량에 대한 1kW 내지 2kW의 범위]를 지속시키는데 필요한 전력과 유사해야 한다.
이에 따라, 마이크로파 플라즈마는 전자기계에 의해 유지된 가스 방전을 일으키는데, 이를 유지하기 위한 조건은 대전된 입자 특성 및 에너지 손실 메커니즘에 의해 결정된다.
고전압 및 저전압 DC 전류를 전극(20)에 공급하는 데 적당한 커패시터 방전 회로가 도 4에 도시되어 있다.
고전압(5kV) 트랜스포머(50)는 전극(20)과 전극(16)을 포함하는 점화기(70)에 연결된다. 전극(20)은 반파장 정류 다이오드(51)를 거쳐 연결된다. 다이오드(52)는 전류가 전극(20)을 통해 잘못된 방전방향으로 흐를 때 트랜스포머(50)의 AC 사이클의 일부 동안 방전시키기 위한 전류용 루트를 제공한다.
또한, 저전압(240v) 트랜스포머(60)도 점화기(70)에 연결된다. 트랜스포머(60)는 전파장(full wave) 정류 브릿지(61) 및 330Ω 저항기(62) 및 4,7kΩ 저항기(63)에 연결된다. 저항기(63)는 10000㎌ 커패시터(64)와 병렬로 연결되고, 보호 330Ω 저항기(66)와 결합되는 다이오드(65)의 뱅크(bank)를 거쳐 전극(20)에 연결된다. 330Ω 저항기(62)는 커패시터(64)의 대전시에 트랜스포머(60)와 브릿지 정류기(61)로부터의 전류 드로우(current draw)를 제한한다. 4.7㏀ 저항기(63)는 커패시터(64)용 트리클 방전(trickle discharge)이다. 저항기(63), 커패시터(64) 및 다이오드(52)는 트랜스포머(50)의 0V 단자 및 점화기(70)의 전극(16)에 연결되며, 모두가 접지되어 있다.
점화 전에, 전극(20, 16)이 연결되어 있지 않을 때 점화기(70)를 통해 방전할 수 없기 때문에, 큰 전하가 커패시터(64)상에 발생한다. 점화시에, 고전압 트랜스포머(50)는 5kV 반파장 정류 AC 전압을 전극(20)에 제공한다. 5kV 전압은 상술한 바와 같이 전극(20)으로부터 전극(16)으로 저전류의 코로나 방전을 일으킨다. 코로나 방전은 전극(20)과 전극(16) 사이의 전도성 경로를 제공한다. 일단 고전압 방전에 의해 그 경로가 확립되면, 저전압 커패시터(64)는 동일 경로를 이용하여 접지하도록 방전할 수 있다. 그 후, 큰 전류가 커패시터(64)로부터 흐르고, 글로우 방전이 처리되는 가스내에 형성된다.
예로서, 며칠 간 점화를 일으키는 경우, 그 시간의 대략 90% 동안 플라즈마가 존재한다. 그러나, 신뢰성 있는 시동 메커니즘(starting mechanism)을 준비함으로써, 보다 빈번하게, 예컨대 매 시간마다 플라즈마가 점화될 수 있는 장치가 가능하다.
요컨대, 반도체 제조 공정 툴로부터 유출 가스 흐름을 처리하기 위한 장치가 기술되어 있다. 이 장치는 불활성의 이온화가능한 가스로부터 글로우 방전을 발생시키기 위한 플라즈마 토치를 포함한다. 가스 흐름은 플라즈마를 점화하도록 글로우 방전으로 이송된다. 전자기 방사선원은 플라즈마를 지속시키도록 유출 가스 흐름에 전자기 방사선을 인가한다. 이 장치는 유출 가스 흐름내에 과불소화 및 수소화불화탄소 화합물을 처리하는데 특히 적합하다.
본원에 기술된 예시적인 실시예는 플라즈마 저감 반응기(1)에 관한 것이지만, 글로우 방전 전극 조립체(15)(도 3)와 같은 요소가 삽입하여 방전시킬 수 있는 규정된 챔버(6)와 같은 플라즈마 지속 구조체를 갖는 다른 시스템내에서 플라즈마를 점화하도록 글로우 방전을 제공하는데 이용될 수 있다. 변형예로서, 플라즈마원은 별개의 삽입가능한 유닛보다는 주요 플라즈마를 지속시키도록 구성된 구조체내에 보다 근접하게 통합될 수 있다.
상술한 바와 같이, 플라즈마는 글로우 방전에 의해 점화되는 것이 바람직하다. 그러나, 임의의 적당한 이온화 유체 흐름이 플라즈마를 점화하는데 이용될 수 있다. 예를 들면, 글로우 방전 이외의 방전, 예컨대 코로나 방전 또는 아크 방전에 의해 이온화 가스 흐름을 발생시킬 수 있다. 글로우 방전에 기인한 장치와 관련된 상술된 적어도 몇 가지의 특징은 또 다른 적당한 이온화 가스 흐름을 이용하는 시스템내에 이용하기에 적합할 수 있다.

Claims (37)

  1. 가스를 처리하기 위한 플라즈마를 형성하는 장치에 있어서,
    상기 플라즈마에 의해 처리되는 가스와 상이한 유체로부터 상기 플라즈마를 점화하기 위한 이온화된 유체 흐름을 발생시키는 수단과,
    상기 플라즈마를 지속시키도록 구성된 플라즈마 지속 구조체를 포함하고,
    상기 플라즈마 지속 구조체는 플라즈마 형성 중에 대기압이 되도록 되어 있는
    플라즈마 형성 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 지속 구조체는 상기 플라즈마를 지속시킬 때에 전자기 방사선을 이용하도록 구성되어 있는
    플라즈마 형성 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 플라즈마 지속 구조체는 상기 전자기 방사선원을 포함하는
    플라즈마 형성 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 플라즈마 지속 구조체는 상기 전자기 방사선원에 접속하도록 되어 있는
    플라즈마 형성 장치.
  5. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전자기 방사선은 마이크로파 또는 무선 주파수 방사선인
    플라즈마 형성 장치.
  6. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플라즈마 지속 구조체는 상기 전자기 방사선의 주파수에서 공진하는 챔버를 포함하는
    플라즈마 형성 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플라즈마 지속 구조체는 상기 플라즈마에 의해 처리되는 가스의 흐름에 연결가능한 챔버를 포함하는
    플라즈마 형성 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플라즈마 지속 구조체는 적어도 하나의 플라즈마 집중화 전극을 포함하는
    플라즈마 형성 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 플라즈마 집중화 전극은 전자기 정상파의 파복(antinode)에 또는 그 근방에 배치되는
    플라즈마 형성 장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 플라즈마 지속 구조체는 2개의 플라즈마 집중화 전극을 포함하는
    플라즈마 형성 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 플라즈마 집중화 전극은 서로 대향하고 적어도 1mm의 간극만큼 서로 이격된 제 1 및 제 2 전극을 포함하는
    플라즈마 형성 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 간극은 2mm 내지 8mm인
    플라즈마 형성 장치.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 플라즈마 집중화 전극은 전기 접지 상태에 있는
    플라즈마 형성 장치.
  14. 삭제
  15. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유체는 상기 플라즈마에 의해 처리되는 상기 가스와 상이한 조성을 갖는
    플라즈마 형성 장치.
  16. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이온화된 유체 흐름을 발생시키는 수단은 글로우 방전을 발생시키는 수단을 포함하는
    플라즈마 형성 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 글로우 방전을 발생시키는 수단은 상기 글로우 방전을 형성하는 글로우 방전 전극을 포함하고, 상기 글로우 방전 가스원을 포함하거나 또는 글로우 방전 가스원에 연결되도록 되어 있는
    플라즈마 형성 장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 글로우 방전 전극은 세장형인
    플라즈마 형성 장치.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 글로우 방전 전극은 상기 플라즈마 지속 구조체에 방전하도록 구성되는
    플라즈마 형성 장치.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 글로우 방전 전극은 사용시에 상기 플라즈마 지속 구조체의 상류의 글로우 방전 가스 흐름 내에 있도록 배치되어서, 상기 글로우 방전이 상기 글로우 방전 가스에 의해 상기 플라즈마 지속 구조체내로 이송되는
    플라즈마 형성 장치.
  21. 제 16 항에 있어서,
    상기 글로우 방전을 발생시키는 수단은 상기 글로우 방전을 개시하기에 충분히 높은 전압을 제공하는 회로와, 적어도 0.1초 동안 상기 글로우 방전을 지속시키기에 충분한 전류를 제공하는 회로를 포함하는
    플라즈마 형성 장치.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 글로우 방전을 발생시키는 수단은 상기 플라즈마가 점화된 후에 상기 글로우 방전의 발생을 중지시키도록 구성되는
    플라즈마 형성 장치.
  23. 제 21 항에 있어서,
    상기 글로우 방전을 발생시키는 수단은 10초까지 동안 글로우 방전을 발생시키도록 구성되는
    플라즈마 형성 장치.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 글로우 방전을 발생시키는 수단은 5초까지 동안 글로우 방전을 발생시키도록 구성되는
    플라즈마 형성 장치.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 글로우 방전을 발생시키는 수단은 1초 내지 5초 동안 글로우 방전을 발생시키도록 구성되는
    플라즈마 형성 장치.
  26. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이온화된 유체 흐름을 발생시키는 수단은 상기 이온화된 유체 흐름을 접선방향으로 챔버내로 도입시키도록 되어 있는 입구를 포함하는 원통 형상의 챔버를 포함하는
    플라즈마 형성 장치.
  27. 반도체 제조 프로세스 툴로부터 유출 가스 흐름을 처리하기 위한 장치에 있어서,
    상기 유출 가스 흐름과 상이한 유체로부터 이온화된 유체 흐름을 발생시키는 수단과,
    플라즈마를 점화시키기 위해 상기 유출 가스 흐름을 상기 이온화된 유체 흐름으로 전달하는 수단과,
    상기 플라즈마를 지속시키기 위해 상기 유출 가스 흐름에 전자기 방사선을 인가하는 수단을 포함하는
    유출 가스 흐름 처리 장치.
  28. 가스를 처리하기 위한 플라즈마를 형성하는 방법에 있어서,
    상기 플라즈마에 의해 처리되는 가스와 상이한 유체로부터 상기 플라즈마를 점화하기 위한 이온화된 유체 흐름을 발생시키는 단계와,
    상기 플라즈마를 지속시키기 위해 전자기 방사선을 공급하는 단계를 포함하는
    플라즈마 형성 방법.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 이온화된 유체 흐름을 제 1 위치에서 발생시키는 단계와,
    상기 이온화된 유체 흐름을 상기 플라즈마를 점화시키는 제 2 위치로 이송하는 단계를 포함하는
    플라즈마 형성 방법.
  30. 제 28 항 또는 제 29 항에 있어서,
    상기 전자기 방사선은 마이크로파 또는 무선 주파수 방사선인
    플라즈마 형성 방법.
  31. 제 28 항 또는 제 29 항에 있어서,
    상기 플라즈마는 상기 전자기 방사선의 주파수에서 공진하는 챔버내에서 발생되는
    플라즈마 형성 방법.
  32. 제 28 항 또는 제 29 항에 있어서,
    상기 플라즈마는 대기압에서 형성되는
    플라즈마 형성 방법.
  33. 제 28 항 또는 제 29 항에 있어서,
    상기 유체는 상기 플라즈마에 의해 처리되는 상기 가스와 상이한 조성을 갖는
    플라즈마 형성 방법.
  34. 제 28 항 또는 제 29 항에 있어서,
    상기 이온화된 유체 흐름은 글로우 방전인
    플라즈마 형성 방법.
  35. 반도체 제조 프로세스 툴로부터 유출 가스 흐름을 처리하기 위한 방법에 있어서,
    상기 유출 가스 흐름과 상이한 유체로부터 이온화된 유체 흐름을 발생시키는 단계와,
    플라즈마를 점화시키기 위해 상기 이온화된 유체 흐름을 상기 유출 가스 흐름에 인가하는 단계와,
    상기 플라즈마를 지속시키기 위해 상기 유출 가스 흐름에 전자기 방사선을 공급하는 단계를 포함하는
    유출 가스 흐름 처리 방법.
  36. 제 35 항에 있어서,
    상기 유출 유체 흐름은 과불소화 또는 수소화불화탄소 화합물을 포함하는
    유출 가스 흐름 처리 방법.
  37. 제 36 항에 있어서,
    상기 화합물은 CF4, C2F6, CHF3, C3F8, C4F8, NF3 및 SF6 중 하나를 포함하는
    유출 가스 흐름 처리 방법.
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