JP2013084561A - 汚染物質除去用プラズマ反応器 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、工程チャンバと真空ポンプの間に位置し、低圧プラズマを生成して工程チャンバから排出される汚染物質を除去するプラズマ反応器を提供する。
【解決手段】プラズマ反応器３１０は、内部にプラズマ生成空間を形成する少なくとも１つの誘電体３０と、誘電体３０の少なくとも一端に連結する接地電極４１，４２と、誘電体３０の外周面に固定され、交流電源部６０と連結して交流駆動電圧が印加される少なくとも１つの駆動電極５０と、を含み、接地電極４１，４２は、プラズマ反応器３１０の長さ方向に沿って非均一直径を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は汚染物質除去用プラズマ反応器に関し、より詳細には、半導体／薄膜ディスプレイ／太陽電池などの製造ラインに設置された工程チャンバから発生する汚染物質を除去するためのプラズマ反応器に関する。
半導体／薄膜ディスプレイ／太陽電池の製造ラインには、エッチング、蒸着、洗浄、アッシング、および窒化処理などの工程が行われる工程チャンバが設置される。工程チャンバは真空ポンプと連結して工程ガスを排出する。最近では、半導体／薄膜ディスプレイ／太陽電池の製造産業の成長に伴い、工程チャンバから発生する汚染物質の量と種類が増加している。
このうち、乾式エッチングに用いられるＣＦ４、ＣＨＦ３、ＳＦ６、および洗浄工程に用いられるＮＦ３のようなフッ素系ガスは、温室ガスの一種であるため、排出量に規制があるものと予想される。また、エッチング／蒸着／洗浄工程で排出される粒子状物質は、時間の経過に伴って真空ポンプの内部部品に蓄積しながら、真空ポンプの耐久性と寿命を短縮させる。
したがって、工程チャンバおよび真空ポンプの間にプラズマ反応器を設置して、工程チャンバから排出される汚染物質を除去している。通常のプラズマ反応器は、無線周波数（ＲＦ）と誘導性結合プラズマ（inductively coupled plasma）方式を適用している。
誘導性結合プラズマ方式のプラズマ反応器は、プラズマ生成空間の外部にコイル形状の駆動電極を備え、駆動電極の両端に電圧を印加してプラズマを生成する。しかし、このプラズマ反応器、特に無線周波数（ＲＦ）電源供給機が高価であり、プラズマ維持のための電力消耗が大きいため、設置費用と維持費用が高い。さらに、放電安定性が低下し、プラズマ生成空間の内部でプラズマが不均一に生成されることがある。
本発明は、工程チャンバおよび真空ポンプの間に設置されて汚染物質を除去するプラズマ反応器であって、構造が簡単であり、設置費用と維持費用が低く、長時間に渡って安定した運転が可能であり、工程チャンバから発生する各種汚染物質を効果的に除去することができる汚染物質除去用プラズマ反応器を提供することを目的とする。
また、本発明は、汚染物質の流入側よりも吐出側から汚染物質をさらに効果的に除去し、駆動電極に電圧を均一に印加してプラズマ生成空間の内部でプラズマを均一に生成する汚染物質除去用プラズマ反応器を提供することを他の目的とする。
本発明の一実施形態によれば、工程チャンバおよび真空ポンプの間に位置し、低圧プラズマを生成して工程チャンバから排出される汚染物質を除去する汚染物質除去用プラズマ反応器であって、内部にプラズマ生成空間を形成する少なくとも１つの誘電体と、誘電体の少なくとも一端に連結する接地電極と、誘電体の外周面に固定され、交流電源部と連結して交流駆動電圧が印加される少なくとも１つの駆動電極とを含み、接地電極はプラズマ反応器の長さ方向に沿って非均一直径を有する汚染物質除去用プラズマ反応器を提供する。
誘電体はプラズマ反応器の中央に１つが配置され、接地電極は工程チャンバに向かう誘電体の前端に連結する第１接地電極、および、真空ポンプに向かう誘電体の後端に連結する第２接地電極を含んでもよい。
第１接地電極は工程チャンバおよび誘電体を連結するシーム管で構成され、第２接地電極は誘電体および真空ポンプを連結するシーム管で構成されてもよい。
第１接地電極は、誘電体よりも小さい直径を有する均一直径部、および、汚染物質の流れ方向に沿って直径が漸進的に拡大し、誘電体の前端に固定される可変直径部を含んでもよい。
第２接地電極は、誘電体の後端に固定され、汚染物質の流れ方向に沿って直径が漸進的に縮小する可変直径部、および、誘電体よりも小さい直径を有する均一直径部を含んでもよい。
第１接地電極は、誘電体の前端に固定され、誘電体と同じ直径で形成され、第２接地電極は、誘電体の後端に固定され、汚染物質の流れ方向に沿って直径が漸進的に縮小する可変直径部、および、可変直径部に連結し、誘電体よりも小さい直径を有する均一直径部を含んでもよい。
第１接地電極は、誘電体の前端に固定され、誘電体と同じ直径で形成され、第２接地電極は、誘電体の後端に固定され、誘電体と同じ直径で形成される大径部、および、大径部に連結し、大径部よりも小さい直径を有する小径部を含んでもよい。
駆動電極および第１接地電極の間の第１距離は、駆動電極および第２接地電極の間の第２距離よりも大きく設定してもよい。
駆動電極は誘電体の外周面に１つがリング形状または円筒形状に配置され、駆動電極はプラズマ反応器の長さ方向に沿って第１接地電極および第２接地電極と距離をおいて位置してもよい。
他の一側において、駆動電極は、誘電体の外周面にリング形状または円筒形状に配置され、互いに距離をおいて位置する第１駆動電極および第２駆動電極を含んでもよい。第１駆動電極と第２駆動電極はそれぞれ、プラズマ反応器の長さ方向に沿って第１接地電極および第２接地電極と距離をおいて位置してもよい。
第１駆動電極および第２駆動電極は大きさが同じであり、極性が反対である両極性パルス電圧が印加されてもよい。
他の一側において、誘電体は、互いに距離をおいて位置する第１誘電体および第２誘電体を含んでもよい。また、接地電極は、第１誘電体および第２誘電体の間に位置する非均一直径の第３接地電極を含んでもよい。
第１誘電体および第２誘電体は、同じ長さおよび同じ直径を有するように形成されてもよい。
第３接地電極は、第１誘電体の後端に固定され、汚染物質の流れ方向に沿って直径が漸進的に減少する第１可変直径部と、汚染物質の流れ方向に沿って直径が漸進的に拡大し、第２誘電体の前端に固定される第２可変直径部とを含んでもよい。
第１可変直径部および第２可変直径部は、一定の比率で直径が変わったり、階段形状の段差を有したりするように形成されてもよい。
接地電極は、第１誘電体の前端に位置して工程チャンバと第１誘電体を連結する第４接地電極、および、第２誘電体の後端に位置して第２誘電体と真空ポンプを連結する第５接地電極をさらに含んでもよい。
第４接地電極および第５接地電極は一定の直径を有してもよい。
他の一側において、第４接地電極は、第１誘電体よりも小さい直径を有する均一直径部、および、汚染物質の流れ方向に沿って直径が漸進的に拡大し、第１誘電体の前端に固定される可変直径部を含んでもよい。
第５接地電極は、第２誘電体の後端に固定され、汚染物質の流れ方向に沿って直径が漸進的に縮小する可変直径部、および、第２誘電体よりも小さい直径を有する均一直径部を含んでもよい。
駆動電極は、第１誘電体の外周面にリング形状または円筒形状に配置される第３駆動電極、および、第２誘電体の外周面にリング形状または円筒形状に配置される第４駆動電極を含んでもよい。
第３駆動電極および第４駆動電極は、大きさと極性が同じである両極性パルス電圧が印加されてもよい。
他の一側において、第３駆動電極および第４駆動電極は、大きさが同じであって極性が反対である両極性パルス電圧が印加されてもよい。
本発明の汚染物質除去用プラズマ反応器により、プラズマ反応器の設置費用と維持費用を低め、長時間に渡って安定した運転が可能であり、工程チャンバから発生する各種汚染物質を効果的に除去することができる。また、接地電極を非均一直径で形成することにより、プラズマ放電効率を高め、消費電力を低め、汚染物質の分解効率を高めることができる。
また、低圧プラズマを利用して汚染物質を除去するとき、プラズマ反応器の内部中心でプラズマ密度を高めることができるため、汚染物質の除去効率の圧力依存性を低めることができる。
また、第１接地電極を均一直径で形成し、第２接地電極を非均一直径で形成し、駆動電極と第１接地電極の間の第１距離を駆動電極と第２接地電極の間の第２距離よりも大きく設定するため、第２接地電極側（すなわち、吐出側）でプラズマ放電効率をより一層高めて消費電力を低め、汚染物質の分解効率をより一層高めることができる。
さらに、駆動電極を円筒（またはリング）形状に形成するため、プラズマ反応器の長さ方向に沿って駆動電極に均一な電圧が印加されるようになる。したがって、プラズマ生成空間の内部において、プラズマ反応器の長さ方向に沿って均一なプラズマが生成されることができる。
本発明の一実施形態に係るプラズマ反応器を含む低圧工程システムの構成図である。 本発明の第１実施形態に係るプラズマ反応器の斜視図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線を基準として切開したプラズマ反応器の断面図である。 図２に示すプラズマ反応器内の駆動電極に印加される駆動電圧の波形例を示す図である。 本発明の第２実施形態に係るプラズマ反応器の斜視図である。 図５のＶＩ−ＶＩ線を基準として切開したプラズマ反応器の断面図である。 図５に示すプラズマ反応器内の第１駆動電極および第２駆動電極にそれぞれ印加される第１駆動電圧および第２駆動電圧の波形例を示す図である。 本発明の第３実施形態に係るプラズマ反応器の斜視図である。 図８のＩＸ−ＩＸ線を基準として切開したプラズマ反応器の断面図である。 第３実施形態のプラズマ反応器と比較例のプラズマ反応器で作動圧力によるＣＦ４分解効率を比較して示すグラフである。 本発明の第４実施形態に係るプラズマ反応器の斜視図である。 図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ線を基準として切開したプラズマ反応器の断面図である。 本発明の第５実施形態に係るプラズマ反応器を示す斜視図である。 図１３のＸＩＶ−ＸＩＶ線を基準として切開したプラズマ反応器の断面図である。 本発明の第６実施形態に係るプラズマ反応器を示す斜視図である。 図１５のＸＶＩ−ＸＶＩ線を基準として切開したプラズマ反応器の断面図である。
以下、添付の図面を参照しながら、本発明の実施形態について、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳しく説明する。本発明は多様に相違した形態で実現されることができ、ここで説明する実施形態に限定されることはない。
図１は、本発明の一実施形態に係るプラズマ反応器３００を含む低圧工程システム１００の構成図である。図１の低圧工程システム１００は、半導体／薄膜ディスプレイ／太陽電池などの製造工程に適用される。
図１を参照すれば、低圧工程システム１００は、エッチング、蒸着、洗浄、アッシング、および窒化処理などが行われる工程チャンバ１０と、工程チャンバ１０の後端に設置され、工程チャンバ１０の工程ガスを排気させる真空ポンプ２０と、工程チャンバ１０と真空ポンプ２０の間に位置するプラズマ反応器３００とを含む。プラズマ反応器３００は、２つのシーム管１１を介して工程チャンバ１０および真空ポンプ２０とそれぞれ連結する。
プラズマ反応器３００は真空ポンプ２０の前方に設置され、その内部は工程チャンバ１０のような低圧状態を維持する。ここで、低圧は約０．０１Ｔｏｒｒ〜１０Ｔｏｒｒ（１．３３３〜１３３３Ｐａ）の範囲に属する圧力を意味するが、上述した範囲に限定されることはない。
プラズマ反応器３００の前方には、プラズマ反応器３００に反応ガスを注入する反応ガス注入口が位置してもよい。反応ガスはＯ２、Ｈ２、およびＨ２Ｏのうちの少なくとも１つを含んでもよく、反応ガスを移送するキャリアガスとしてＡｒを用いてもよい。しかし、このような反応ガス注入口は、本発明の実施において必ずしも必要な構成ではなく、実際工程において省略されてもよい。
プラズマ反応器３００は、その内部に低圧高温のプラズマを生成し、工程チャンバ１０から排出される汚染物質（フッ素系ガス、有機金属化合物、金属酸化物、または金属窒化物などの粒子状物質など）を分解する。分解された成分は反応ガスと化学結合し、無害の元素に変わる。プラズマは反応種（reactive species)と高エネルギー電子を豊富に含有しているため、汚染物質の分解された成分と反応ガスの間の化学反応を促進させる。
すなわち、プラズマ反応器３００は、温室ガスを非温室ガスに分解させ、粒子副産物を気体に変えたり粒子副産物の大きさを小さくしたりして真空ポンプ２０に供給する。温室ガスを処理する場合、プラズマ反応器３００には温室ガスと酸素が共に供給される。酸素または水は、温室ガスの処理率を高めるために追加で供給されてもよい（図示せず）。
次に説明するプラズマ反応器３１０、３２０、３３０、３４０、３５０、３６０は、容量性結合プラズマ（capacitivelycoupled plasma）方式によってプラズマを発生させ、交流（ＡＣ）電源装置を備え、放電効率を高めるための電極構造を有する。このような特性は、誘導性結合プラズマ（inductively coupled plasma）方式と比較するとき、プラズマ反応器の設置費用と維持費用を減らし、プラズマ放電効率を高め、汚染物質の分解効率を高め、長時間に渡って安定した運転を可能にする。
図２〜図１６を参照しながら、第１実施形態〜第６実施形態に係るプラズマ反応器の細部構造と作用について説明する。
図２は、本発明の第１実施形態に係るプラズマ反応器３１０の斜視図である、図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線を基準として切開したプラズマ反応器３１０の断面図である。
図２と図３を参照すれば、第１実施形態のプラズマ反応器３１０は、内部にプラズマ生成空間を形成する誘電体３０と、工程チャンバ１０に向かう誘電体３０の前端に連結する第１接地電極４１と、真空ポンプ２０に向かう誘電体３０の後端に連結する第２接地電極４２と、誘電体３０の外周面に固定される駆動電極５０とを含む。駆動電極５０は交流電源部６０と連結し、これからプラズマ放電に必要な駆動電圧が印加される。
誘電体３０と駆動電極５０は、基本的に一定の直径を有した円筒（またはリング）形状に形成される。この反面、第１接地電極４１と第２接地電極４２は、プラズマ反応器３１０の長さ方向（図２と図３を基準として横方向）に沿って非均一直径を有するように形成される。このとき、第１接地電極４１と第２接地電極４２は、誘電体３０を基準として左右対称をなす。
第１接地電極４１は、誘電体３０よりも小さい直径を有する均一直径部４１１と、汚染物質の流れ方向（工程チャンバ１０から真空ポンプ２０に向かう方向）に沿って直径が漸進的に拡大する可変直径部４１２とを含む。可変直径部４１２の後端は、誘電体３０の前端に固定される。
第２接地電極４２は、汚染物質の流れ方向に沿って直径が漸進的に小さくなる可変直径部４２１と、誘電体３０よりも小さい直径を有する均一直径部４２２とを含む。可変直径部４２１の前端は、誘電体３０の後端に固定される。
可変直径部４１２、４２１は、一定の比率で直径が変わるように形成されてもよく、階段形状の段差を有するように形成されてもよい。図２と図３では、１つ目の場合を例示して示している。
第１接地電極４１および第２接地電極４２は、ステンレス鋼などの金属で製造される。第１接地電極４１は工程チャンバ１０と誘電体３０を連結するシーム管であってもよく、第２接地電極４２は誘電体３０と真空ポンプ２０を連結するシーム管であってもよい。第１接地電極４１と誘電体３０および第２接地電極４２が一方向に繋がった管を形成し、工程チャンバ１０と真空ポンプ２０を連結させる。
上述した構造のプラズマ反応器３１０は、半導体／薄膜ディスプレイ／太陽電池などの製造ラインに予め設置された工程チャンバ１０および真空ポンプ２０の間の真空パイプラインに容易に設置されるようになる。
駆動電極５０は、誘電体３０の中央にリング形状または円筒形状に配置され、誘電体３０よりも小さい長さに形成され、プラズマ反応器３１０の長さ方向に沿って第１接地電極４１および第２接地電極４２と距離をおいて位置する。駆動電極５０は、第１接地電極４１および第２接地電極４２に対して同じ距離をおいて位置してもよい。駆動電極５０は交流電源部６０と連結し、数ｋＨｚ〜数百ｋＨｚ（例えば、１ｋＨｚ〜９９９ｋＨｚ）周波数の高電圧が印加される。
図４は、図２に示すプラズマ反応器３１０内の駆動電極５０に印加される駆動電圧の波形例を示す図である。
図４を参照すれば、駆動電極に印加される駆動電圧（Ｖｓ）は１ｋＨｚ〜９９９ｋＨｚ周波数の高電圧であって、運転電圧は正の値（１／２Ｖｓ）と負の値（１／２Ｖｓ）が周期的に変わる形態を示す。図４では四角波形を例示して示しているが、三角波形およびサイン波形などの多様な波形が適用されてもよい。
再び図２と図３を参照すれば、駆動電極５０に駆動電圧を印加すれば、駆動電極５０と第１接地電極４１および第２接地電極４２の電圧差によってプラズマ反応器３１０内部にプラズマ放電が誘導される。放電は運転電圧が内部気体の降伏電圧よりも高いときに発生し、放電電流は時間に応じて継続して増加し、誘電体３０上に壁電荷が積もる量が多くなることによって減少する。
すなわち、放電開始後に放電電流が高まることに伴い、プラズマ内部の空間電荷が誘電体３０上に積もって壁電荷が生成される。壁電荷は、外部からかかる電圧を抑制する機能を行うが、このような誘電体３０の壁電圧（wall voltage）によって時間の経過に伴って放電が弱くなる。プラズマ放電は、印加電圧が維持される間に生成と維持および消滅過程を繰り返す。
したがって、放電はアーク（arc）に転移せずにグロー（glow）領域に留まりながら、工程チャンバ１０から発生した汚染物質を除去する。放電がアークに転移すれば、放電は狭い地域に集中するようになるが、これは電極の損傷を誘発する。しかし、第１実施形態のプラズマ反応器３１０は、誘電体３０の壁電荷を利用して放電がアークに転移することを防ぐため、駆動電極５０および接地電極４１、４２の寿命を延長させることができる。
この過程において、第１接地電極４１および第２接地電極４２が可変直径部４１２，４２１を形成することにより、駆動電極５０と第１接地電極４１および第２接地電極４２の間の電圧差によってプラズマ放電が誘導されるときに放電パスが短縮する。すなわち、第１接地電極４１および第２接地電極４２の可変直径部４１２，４２１が、一部の対向放電と類似した効果を誘発する。したがって、同じ消費電力でより一層強いプラズマ放電が生成されるため、プラズマ放電効率を高めることができる。
プラズマ放電効率の向上は、汚染物質の処理効率の向上に繋がる。汚染物質の処理効率は「分解率／消費電力」として定義されるが、同じ消費電力でより多くの量の汚染物質を効果的に処理することができる。このとき、交流電源部６０を構成する交流電源装置は、既存の無線周波数電源装置よりも低価であるため、プラズマ反応器３１０の設置費用と維持費用を低めることができる。
図５は、本発明の第２実施形態に係るプラズマ反応器３２０の斜視図である。図６は、図５のＶＩ−ＶＩ線を基準として切開したプラズマ反応器３２０の断面図である。
図５と図６を参照すれば、第２実施形態に係るプラズマ反応器３２０は、誘電体３０の外周面に第１駆動電極５１と第２駆動電極５２が配置されることを除いては、上述した第１実施形態のプラズマ反応器と同じ構成からなる。第１実施形態と同じ部材については同じ図面符号を付与しており、以下では第１実施形態と異なる部分について主に説明する。
第１駆動電極５１と第２駆動電極５２は、誘電体３０の外周面にリング形状または円筒形状に配置され、プラズマ反応器３２０の長さ方向に沿って互いに距離をおいて位置する。第１駆動電極５１および第２駆動電極５２は、同じ長さに形成されてもよい。第１接地電極４１と第１駆動電極５１との間の距離、第１駆動電極５１と第２駆動電極５２との間の距離、および第２駆動電極５２と第２接地電極４２との間の距離はすべて同じであってもよい。
第１駆動電極５１および第２駆動電極５２はそれぞれ、第１交流電源部６１および第２交流電源部６２と連結し、プラズマ放電に必要な駆動電圧が印加される。第１駆動電極５１および第２駆動電極５２は、大きさ（振幅）が同じであって極性が反対である両極性パルス電圧が印加される。すなわち、第１駆動電極５１および第２駆動電極５２に印加される交流電圧は、互いに１８０°の位相差を有する。
図７は、図５に示すプラズマ反応器３２０内の第１駆動電極５１と第２駆動電極５２にそれぞれ印加される第１駆動電圧と第２駆動電圧の波形例を示す図である。
図７を参照すれば、第１駆動電圧と第２駆動電圧は互いに１８０°の位相差を有し、一周期ごとに正の電圧（＋１／２Ｖｄ）および負の電圧１／２Ｖｄ）が交互に繰り返される。第１駆動電圧および第２駆動電圧の振幅は、放電駆動電圧振幅（Ｖｄ）の半分の値からなる。ここで、「放電駆動電圧」は、放電を開始してこれを維持することができる駆動電圧として定義され、プラズマ反応器の形状条件と汚染物質の状態に応じて多様な値に設定されてもよい。
放電駆動電圧（Ｖｄ）は、第１駆動電圧と第２駆動電圧のうちのいずれか１つと同じ位相を有する。第１駆動電圧および第２駆動電圧は数百〜数千ボルトの高電圧であり、数ｋＨｚ〜数百ｋＨｚの周波数を有する。また、第１駆動電圧および第２駆動電圧は、サイン波形、四角波形、および三角波形などの多様な形態に構成されてもよい。図７では、第１駆動電圧および第２駆動電圧がサイン波形である場合を例示して示している。
再び図５と図６を参照すれば、プラズマ反応器３２０の誘電体３０は、第１接地電極４１と第１駆動電極５１の間の第１誘電体領域（Ａ１０）と、第１駆動電極５１と第２駆動電極５２の間の第２誘電体領域（Ａ２０）と、第２駆動電極５２と第２接地電極４２の間の第３誘電体領域（Ａ３０）とを含む。
第１駆動電極５１に正または負のピーク電圧が印加され、第２駆動電極５２に負または正のピーク電圧が印加されるとき、第２誘電体領域（Ａ２０）には第１駆動電圧と第２駆動電圧の差に該当する電圧、すなわち、放電駆動電圧（Ｖｄ）と同じ大きさの電圧が印加される。第１誘電体領域（Ａ１０）には第１駆動電圧と同じ大きさの電圧が印加され、第３誘電体領域（Ａ３０）には第２駆動電圧と同じ大きさの電圧が印加される。
第２誘電体領域（Ａ２０）に印加される放電駆動電圧（Ｖｄ）は、第１駆動電極５１および第２駆動電極５２それぞれに印加される駆動電圧（＋１／２Ｖｄ、−１／２Ｖｄ）の２倍である。これにより、第１誘電体領域（Ａ１０）および第３誘電体領域（Ａ３０）よりも第２誘電体領域（Ａ２０）、すなわち、誘電体３０の内部中央により一層強いプラズマが生成される。
その結果、第２実施形態のプラズマ反応器３２０は、汚染物質の分解効率を高めながら、第１接地電極４１および第２接地電極４２の周囲に形成されるプラズマを抑制し、プラズマ反応器３２０内部のプラズマが工程チャンバ１０や真空ポンプ２０に及ぼす影響を最小化することができる。
また、第２実施形態のプラズマ反応器３２０は、交流電源装置の回路で消耗される無効電力を低め、汚染物質除去に必要な消費電力を効果的に低めることができる。さらに、第１誘電体領域〜第３誘電体領域（Ａ１０、Ａ２０、Ａ３０）に亘ってプラズマが生成されるため、汚染物質のプラズマ内の残留時間を増やし、汚染物質の分解効率を高めることができる。
図８は、本発明の第３実施形態に係るプラズマ反応器３３０の斜視図である。図９は、図８のＩＸ−ＩＸ線を基準として切開したプラズマ反応器３３０の断面図である。
図８と図９を参照すれば、第３実施形態のプラズマ反応器３３０は、誘電体が第１誘電体３１および第２誘電体３２に分離し、分離した第１誘電体３１および第２誘電体３２の間に非均一直径を有する第３接地電極４３が位置することを基本構成とする。第１誘電体３１と第２誘電体３２は同じ長と同じ直径で形成され、プラズマ反応器３３０の長さ方向に沿って互いに距離をおいて位置する。
第１誘電体３１が工程チャンバ１０に直接に連結してもよく、第１誘電体３１の前端に第４接地電極４４が位置してもよい。第４接地電極４４は、工程チャンバ１０と第１誘電体３１を連結するシーム管であってもよい。第２誘電体３２も、真空ポンプ２０に直接に連結してもよく、第２誘電体３２の後端に第５接地電極４５が位置してもよい。第５接地電極４５は、第２誘電体３２と真空ポンプ２０を連結するシーム管であってもよい。第４接地電極４４と第５接地電極４５は、単一直径で形成される。
第３接地電極４３は、汚染物質の流れ方向に沿って直径が漸進的に減少する第１可変直径部４３１と、汚染物質の流れ方向に沿って直径が漸進的に拡大する第２可変直径部４３２とを含む。第１可変直径部４３１の前端は第１誘電体３１の後端に連結し、第２可変直径部４３２の後端は第２誘電体３２の前端に連結する。
第１可変直径部４３１および第２可変直径部４３２は同じ長さに形成され、左右対称構造をなしてもよい。第１可変直径部４３１および第２可変直径部４３２は、一定の比率で直径が変わるように形成されてもよく、階段形状の段差を有するように形成されてもよい。図８と図９では、１つ目の場合を例示して示している。
駆動電極は、第１誘電体３１の外周面にリング形状または円筒形状に配置される第３駆動電極５３と、第２誘電体３２の外周面にリング形状または円筒形状に配置される第４駆動電極５４とを含む。第３駆動電極５３は、プラズマ反応器３３０の長さ方向に沿って第３接地電極４３および第４接地電極４４と距離をおいて位置する。第４駆動電極５４も、プラズマ反応器３３０の長さ方向に沿って第３接地電極４３および第５接地電極４５と距離をおいて位置する。第３駆動電極５３および第４駆動電極５４は、同じ長さに形成されてもよい。
第３駆動電極５３および第４駆動電極５４はそれぞれ、第３交流電源部６３および第４交流電源部６４と連結し、プラズマ放電に必要な駆動電圧（数ｋＨｚ〜数百ｋＨｚ周波数の高電圧）が印加される。第３駆動電極５３および第４駆動電極５４は、大きさと極性が同じである交流電圧（図４参照）が印加されたり、大きさが同じであって極性が反対である両極性パルス電圧（図７参照）が印加されたりする。２つ目の駆動方法の長所は第２実施形態で説明したものと同じであるため、詳しい説明は省略する。
第３実施形態のプラズマ反応器３３０は、長さ方向に沿って直径が大きい電極（第３駆動電極５３）と直径が小さい電極（第３接地電極４３）、および直径が大きい電極（第４駆動電極５４）を交互に配置した構造からなる。この構造では、第３接地電極４３の内部中心でプラズマ密度を高めることができるため、汚染物質の除去効率の圧力依存性を低めることができる。
直径が同じである複数の電極を一列に配置した既存プラズマ反応器の場合、汚染物質の除去効率は作動圧力に応じて大きく変化する。具体的に、プラズマ反応器の作動圧力が高まるほどプラズマ反応器の中心部で高エネルギー電子の数が減少し、酸素ラジカルの強度が減少する傾向を示す。
プラズマ放電によって生成された高エネルギー電子は、主に汚染物質と衝突して汚染物質を分解させる作用をし、酸素ラジカルは主に分解された成分と化学反応を起こし、これらを無害な元素に変化させる作用をする。したがって、既存プラズマ反応器では、作動圧力が高まるほど汚染物質の分解効率が急激に低下する。
しかし、第３実施形態のプラズマ反応器３３０では、第３接地電極４３の狭まった中心部直径によって第３接地電極４３の内部中心でプラズマ密度、すなわち、高エネルギー電子の数と酸素ラジカルの強度を高めることができる。したがって、汚染物質の除去効率が圧力に応じて変わる現象、すなわち、圧力依存性を低めることができる。
図１０は、第３実施形態のプラズマ反応器および比較例のプラズマ反応器において、作動圧力によるＣＦ４分解効率を比較して示すグラフである。
比較例のプラズマ反応器は、図５に示す第２実施形態のプラズマ反応器において、第１接地電極と第２接地電極が誘電体と同じ直径に変形した構成からなる。比較例のプラズマ反応器と第３実施形態のプラズマ反応器において、実験条件は同じであり、２つの駆動電極に８００Ｗの電力で１００ｋＨｚ周波数の３ｋＶ電圧を印加した。また、汚染物質としてＣＦ４ガス（５０ｓｃｃｍ）、反応ガスとしてＯ２ガス（５０ｓｃｃｍ）、およびキャリアガスとしてＡｒガス（５０ｓｃｃｍ）を投入した。
図１０を参照すれば、比較例のプラズマ反応器では、作動圧力が高まるほどＣＦ４分解効率が６０％付近から３０％付近まで急激に低くなる。この反面、第３実施形態のプラズマ反応器では、ＣＦ４分解効率が６０％付近から５０％付近まで穏やかに変化するため、汚染物質の分解効率の圧力依存性が著しく減少したことを確認することができる。
図１１は、本発明の第４実施形態に係るプラズマ反応器３４０の斜視図である。図１２は、図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ線を基準として切開したプラズマ反応器３４０の断面図である。
図１１と図１２を参照すれば、第４実施形態のプラズマ反応器３４０は、第４接地電極４４および第５接地電極４５が可変直径部４４２、４５１を含むように形成されたことを除いては、上述した第３実施形態のプラズマ反応器と同じ構成からなる。第３実施形態と同じ部材については同じ図面符号を付与しており、以下では第３実施形態と異なる部分について主に説明する。
第４接地電極４４は、第１誘電体３１よりも小さい直径を有する均一直径部４４１と、汚染物質の流れ方向に沿って直径が漸進的に拡大する可変直径部４４２とを含む。可変直径部４４２の後端は、第１誘電体３１の前端に固定される。第５接地電極４５は、汚染物質の流れ方向に沿って直径が漸進的に減少する可変直径部４５１と、第２誘電体３２よりも小さい直径を有する均一直径部４５２とを含む。可変直径部４５１の前端は、第２誘電体３２の後端に固定される。
可変直径部４４２、４５１は、一定の比率で直径が変わるように形成されてもよく、階段形状の段差を有するように形成されてもよい。図１１と図１２では、１つ目の場合を例示して示している。
第４接地電極４４および第５接地電極４５の可変直径部４４２，４５１は、駆動電極５３，５４と接地電極４３，４４，４５の電圧差によって誘電体３１，３２の内部にプラズマ放電が誘導されるときに放電パスを短縮させ、プラズマ放電効率を高める機能を行う。したがって、同じ消費電力でより一層強いプラズマを生成し、汚染物質の処理効率を高めることができる。
図１３は、本発明の第５実施形態に係るプラズマ反応器３５０の斜視図である。図１４は、図１３のＸＩＶ−ＸＩＶ線を基準として切開したプラズマ反応器３５０の断面図である。
図１３と図１４を参照すれば、第５実施形態のプラズマ反応器３５０は、内部にプラズマ生成空間を形成する誘電体３０と、誘電体３０の前端に連結する第１接地電極７１と、誘電体３０の後端に連結する第２接地電極７２と、誘電体３０の外周面に固定される駆動電極５０とを含む。駆動電極５０は交流電源部６０と連結し、これからプラズマ放電に必要な駆動電圧が印加される。
誘電体３０、駆動電極５０および第１接地電極７１は、基本的に一定の直径を有する円筒（またはリング）形状に形成される。この反面、第２接地電極７２は、プラズマ反応器３５０の長さ方向（図１３と図１４を基準として横方向）に沿って非均一直径を有するように形成される。このとき、第１接地電極７１と第２接地電極７２は、誘電体３０を基準として左右非対称をなす。
第１接地電極７１は、汚染物質の流れ方向に沿って均一直径に形成され、誘電体３０と同じ直径で形成される。第１接地電極７１の後端は、誘電体３０の前端に固定される。
第２接地電極７２は、汚染物質の流れ方向に沿って直径が漸進的に小さくなる可変直径部７２１と、誘電体３０よりも小さい直径を有する均一直径部７２２とを含む。可変直径部７２１の前端は、誘電体３０の後端に固定される。
可変直径部７２１は、一定の比率で直径が変わるように形成されてもよく、階段形状の段差を有するように形成されてもよい。
第１接地電極７１および第２接地電極７２は、ステンレス鋼などの金属で製造される。第１接地電極７１は工程チャンバ１０と誘電体３０を連結するシーム管であってもよく、第２接地電極７２は誘電体３０と真空ポンプ２０を連結するシーム管であってもよい。第１接地電極７１と誘電体３０および第２接地電極７２が一方向に繋がった管を形成することで、工程チャンバ１０と真空ポンプ２０を連結させる。
上述した構造のプラズマ反応器３５０は、半導体／薄膜ディスプレイ／太陽電池などの製造ラインに予め設定された工程チャンバ１０と真空ポンプ２０の間の真空パイプラインに容易に設置されるようになる。
駆動電極５０は、誘電体３０の中央に円筒（またはリング）形状に配置されるため、汚染物質の流れ方向に沿って駆動電極５０の全体範囲で均一な電圧が印加されるようになる。したがって、プラズマ生成空間の内部でプラズマが均一に生成されるようになる。
駆動電極５０は、誘電体３０よりも小さい長さに形成され、プラズマ反応器３５０の長さ方向に沿って第１接地電極７１および第２接地電極７２と距離をおいて位置する。すなわち、駆動電極５０は、第１および第２接地電極７１、７２に対し、それぞれ第１距離（Ｌ１）および第２距離（Ｌ２）を置いて位置してもよい。
第１距離（Ｌ１）は駆動電極５０の前端と第１接地電極７１の間に設定され、第２距離（Ｌ２）は駆動電極５０の後端と第２接地電極７２の間に設定される。また、第１距離（Ｌ１）は、第２距離（Ｌ２）よりも長く設定される。すなわち、駆動電極５０は、第２接地電極７２側に偏って配置される。
駆動電極５０は交流電源部６０と連結し、数ｋＨｚ〜数百ｋＨｚ（例えば、１ｋＨｚ〜９９９ｋＨｚ）周波数の高電圧が印加される。一例として、図４に示す波形の駆動電圧が印加されてもよい。
再び図１３と図１４を参照すれば、駆動電極５０が第１接地電極７１よりも第２接地電極７２側に偏って配置されること（Ｌ１＞Ｌ２）に伴い、第１接地電極７１側からより一層第２接地電極７２側にさらに強いプラズマ放電が発生する。したがって、放電空間内で未処理の汚染物質は、第２接地電極７２側でさらに処理されるようになる。
図１５は、本発明の第６実施形態に係るプラズマ反応器３６０の斜視図である。図１６は、図１５のＸＶＩ−ＸＶＩ線を基準として切開したプラズマ反応器３６０の断面図である。
図１５および図１６を参照すれば、第６実施形態に係るプラズマ反応器３６０は、誘電体３０の後端に配置される第２接地電極８２を第５実施形態の第２接地電極７２と異なって構成し、残りの部分を同じように構成している。第５実施形態と同じ部材については同じ図面符号を付与しており、以下では第５実施形態と異なる部分について主に説明する。
第１接地電極７１は、誘電体３０の前端に固定され、誘電体３０と同じ直径で形成される。第２接地電極８２は、誘電体３０の後端に固定され、誘電体３０と同じ直径で形成される大径部８２１と、大径部８２１に連結して大径部８２１よりも小さい直径を有する小径部８２２とを含む。
第１距離（Ｌ１）は駆動電極５０の前端と第１接地電極７１の間に設定され、第２距離（Ｌ２）は駆動電極５０の後端と第２接地電極８２の大径部８２１の間に設定される。また、第１距離（Ｌ１）は、第２距離（Ｌ２）よりも長く設定される。すなわち、駆動電極５０は、第２接地電極８２の大径部８２１側に偏って配置される。
駆動電極５０が第１接地電極７１よりも第２接地電極８２の大径部８２１側に偏って配置されること（Ｌ１＞Ｌ２）に伴い、第１接地電極７１側からより一層第２接地電極８２の大径部８２１側にさらに強いプラズマ放電が発生する。したがって、放電空間内で未処理の汚染物質は、第２接地電極８２の大径部８２１側でさらに処理されるようになる。
また、第２接地電極８２は、大径部８２１および小径部８２２を連結する側壁部８２３をさらに含む。側壁部８２３は、駆動電極５０との間で対向放電と類似した効果を誘発する。
すなわち、第２実施形態の側壁部８２３および駆動電極５０の間の放電は、第１実施形態の可変直径部７２１および駆動電極５０の間の放電よりも対向放電により一層接近する。したがって、第２実施形態の第２接地電極８２は、第１実施形態の第２接地電極７２よりも強いプラズマ放電を生成することができるため、プラズマ放電効率をより一層高めることができる。
上述した実施形態のプラズマ反応器３１０，３２０，３３０，３４０，３５０，３６０は、共通して、誘電体と、誘電体の一端に連結する接地電極と、誘電体の外周面に固定されて交流駆動電圧が印加される駆動電極とを含む。このとき、接地電極は、プラズマ反応器の長さ方向に沿って非均一直径を有するため、放電パスを短縮させ、プラズマ放電効率を高めたり、汚染物質の除去効率の圧力依存性を低めたりする機能を行う。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、特許請求の範囲と発明の詳細な説明、および添付の図面の範囲内で多様に変形して実施することが可能であり、これも本発明の範囲に属することは当然である。
３００ プラズマ反応器
１０ 工程チャンバ
１１ シーム管
２０ 真空ポンプ
３０ 誘電体
３１ 第１誘電体
３２ 第２誘電体
４１ 第１接地電極
４２ 第２接地電極
４３ 第３接地電極
４４ 第４接地電極
４５ 第５接地電極
４１１ 均一直径部
４１２ 可変直径部
４３１ 第１可変直径部
４３２ 第２可変直径部
５０ 駆動電極
５１ 第１駆動電極
５２ 第２駆動電極
５３ 第３駆動電極
５４ 第４駆動電極
６０ 交流電源部
７１ 第１接地電極
７２ 第２接地電極
８２１ 大径部
８２２ 小径部
Ｌ１ 第１距離
Ｌ２ 第２距離

Claims (22)

  1. 工程チャンバおよび真空ポンプの間に位置し、低圧プラズマを生成して前記工程チャンバから排出される汚染物質を除去する汚染物質除去用プラズマ反応器であって、
    内部にプラズマ生成空間を形成する少なくとも１つの誘電体と、
    前記誘電体の少なくとも一端に連結する接地電極と、
    前記誘電体の外周面に固定され、交流電源部と連結して交流駆動電圧が印加される少なくとも１つの駆動電極と、を含み、
    前記接地電極は、前記プラズマ反応器の長さ方向に沿って非均一直径を有する汚染物質除去用プラズマ反応器。
  2. 前記誘電体は、前記プラズマ反応器の中央に１つが配置され、
    前記接地電極は、前記工程チャンバに向かう前記誘電体の前端に連結する第１接地電極、および、前記真空ポンプに向かう前記誘電体の後端に連結する第２接地電極を含む請求項１に記載の汚染物質除去用プラズマ反応器。
  3. 前記第１接地電極は、前記工程チャンバおよび前記誘電体を連結するシーム管で構成され、
    前記第２接地電極は、前記誘電体および前記真空ポンプを連結するシーム管で構成される請求項２に記載の汚染物質除去用プラズマ反応器。
  4. 前記第１接地電極は、
    前記誘電体よりも小さい直径を有する均一直径部、および、前記汚染物質の流れ方向に沿って直径が漸進的に拡大し、前記誘電体の前端に固定される可変直径部を含む請求項２に記載の汚染物質除去用プラズマ反応器。
  5. 前記第２接地電極は、
    前記誘電体の後端に固定され、前記汚染物質の流れ方向に沿って直径が漸進的に縮小する可変直径部、および、
    前記誘電体よりも小さい直径を有する均一直径部を含む請求項２に記載の汚染物質除去用プラズマ反応器。
  6. 前記第１接地電極は、前記誘電体の前端に固定され、前記誘電体と同じ直径で形成され、
    前記第２接地電極は、前記誘電体の後端に固定され、前記汚染物質の流れ方向に沿って直径が漸進的に縮小する可変直径部、および、
    前記可変直径部に連結し、前記誘電体よりも小さい直径を有する均一直径部を含む請求項２に記載の汚染物質除去用プラズマ反応器。
  7. 前記第１接地電極は、前記誘電体の前端に固定され、前記誘電体と同じ直径で形成され、
    前記第２接地電極は、前記誘電体の後端に固定され、前記誘電体と同じ直径で形成される大径部、および、
    前記大径部に連結し、前記大径部よりも小さい直径を有する小径部を含む請求項２に記載の汚染物質除去用プラズマ反応器。
  8. 前記駆動電極および前記第１接地電極の間の第１距離は、
    前記駆動電極および前記第２接地電極の間の第２距離よりも大きく設定される請求項２〜７のいずれか一項に記載の汚染物質除去用プラズマ反応器。
  9. 前記駆動電極は、前記誘電体の外周面に１つがリング形状または円筒形状に配置され、
    前記駆動電極は、前記プラズマ反応器の長さ方向に沿って前記第１接地電極および前記第２接地電極と距離をおいて位置する請求項２〜８のうちのいずれか一項に記載の汚染物質除去用プラズマ反応器。
  10. 前記駆動電極は、前記誘電体の外周面にリング形状または円筒形状に配置され、互いに距離をおいて位置する第１駆動電極および第２駆動電極を含み、
    前記第１駆動電極と前記第２駆動電極はそれぞれ、前記プラズマ反応器の長さ方向に沿って前記第１接地電極および前記第２接地電極と距離をおいて位置する請求項２〜８のうちのいずれか一項に記載の汚染物質除去用プラズマ反応器。
  11. 前記第１駆動電極および前記第２駆動電極は、大きさが同じであって極性が反対である両極性パルス電圧が印加される請求項１０に記載の汚染物質除去用プラズマ反応器。
  12. 前記誘電体は、互いに距離をおいて位置する第１誘電体および第２誘電体を含み、
    前記接地電極は、前記第１誘電体および前記第２誘電体の間に位置する非均一直径の第３接地電極を含む請求項１〜１１のうちのいずれか一項に記載の汚染物質除去用プラズマ反応器。
  13. 前記第１誘電体および前記第２誘電体は、同じ長さおよび同じ直径を有するように形成される請求項１２に記載の汚染物質除去用プラズマ反応器。
  14. 前記第３接地電極は、
    前記第１誘電体の後端に固定され、前記汚染物質の流れ方向に沿って直径が漸進的に減少する第１可変直径部、および、
    前記汚染物質の流れ方向に沿って直径が漸進的に拡大し、前記第２誘電体の前端に固定される第２可変直径部を含む請求項１３に記載の汚染物質除去用プラズマ反応器。
  15. 前記第１可変直径部および前記第２可変直径部は、一定の比率で直径が変わったり、階段形状の段差を有したりするように形成される請求項１４に記載の汚染物質除去用プラズマ反応器。
  16. 前記接地電極は、
    前記第１誘電体の前端に位置して前記工程チャンバと前記第１誘電体を連結する第４接地電極、および、
    前記第２誘電体の後端に位置して前記第２誘電体と前記真空ポンプを連結する第５接地電極をさらに含む請求項１３に記載の汚染物質除去用プラズマ反応器。
  17. 前記第４接地電極および前記第５接地電極は一定の直径を有する請求項１６に記載の汚染物質除去用プラズマ反応器。
  18. 前記第４接地電極は、
    前記第１誘電体よりも小さい直径を有する均一直径部、および、
    前記汚染物質の流れ方向に沿って直径が漸進的に拡大し、前記第１誘電体の前端に固定される可変直径部を含む請求項１６に記載の汚染物質除去用プラズマ反応器。
  19. 前記第５接地電極は、
    前記第２誘電体の後端に固定され、前記汚染物質の流れ方向に沿って直径が漸進的に縮小する可変直径部、および、
    前記第２誘電体よりも小さい直径を有する均一直径部を含む請求項１６に記載の汚染物質除去用プラズマ反応器。
  20. 前記駆動電極は、
    前記第１誘電体の外周面にリング形状または円筒形状に配置される第３駆動電極、および、
    前記第２誘電体の外周面にリング形状または円筒形状に配置される第４駆動電極を含む請求項１２〜１９のうちのいずれか一項に記載の汚染物質除去用プラズマ反応器。
  21. 前記第３駆動電極および前記第４駆動電極は、大きさと極性が同じである両極性パルス電圧が印加される請求項２０に記載の汚染物質除去用プラズマ反応器。
  22. 前記第３駆動電極および前記第４駆動電極は、大きさが同じであって極性が反対である両極性パルス電圧が印加される請求項２０に記載の汚染物質除去用プラズマ反応器。
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