JP5473001B2 - 汚染物質除去用プラズマ反応器及び駆動方法 - Google Patents
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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、ディスプレイ又は半導体の製造工程中に低圧工程チャンバで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。また、このような汚染物質除去用プラズマ反応器の駆動方法に関する。
ディスプレイ又は半導体の製造工程中には、アッシング（ａｓｈｉｎｇ）、エッチング、蒸着、洗浄、及び窒化処理等の工程が低圧工程チャンバで行われる。このような低圧工程に用いられるガスとしては、（１）揮発性有機化合物（トリクロロエチレン、１，１，１−トリクロロエタン、メタノール、アセトアルデヒド等）、（２）酸（ａｃｉｄ）系列（ＨＮＯ３、Ｈ２ＳＯ４、ＨＣｌ、Ｆ２、ＨＦ、Ｃｌ２、ＢＣｌ３、ＮＯｘ等）、（３）悪臭誘発物質（ＮＨ３、Ｈ２Ｓ等）、（４）自然発火気体（ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、ＰＨ３、ＡｓＨ３等）、（５）地球温暖化誘発物質（パーフルオロ化合物）等がある。
上述した低圧工程を経れば、微細粒子、ＨＦ、フルオロ化物、塩化物、ＳｉＯ２、ＧｅＯ２、金属、ＮＯｘ、ＮＨ３、ヒドロカーボン、及びパーフルオロ化合物等の汚染物質が生成される。
このうち、ＨＦ、フルオロ化物、及び塩化物は、真空ポンプ又は連結管（低圧工程チャンバと真空ポンプとを連結する管）の腐食を誘発し、空気中に排出される前に必ず処理をされなければならない有害物質である。微細粒子、ＳｉＯ２、ＧｅＯ２、及び金属等は連結管を流通しながら冷却過程を経た後に粉末形態に変わるが、このような粉末は真空ポンプの寿命を短縮させる要因となる。更に、パーフルオロ化合物は、環境規制によって大気中への排出が規制されている傾向にある。
したがって、真空ポンプの前段（すなわち、連結管）にプラズマ反応器を設置して低圧工程チャンバで発生する汚染物質を除去している。真空ポンプの前段に設置されて低圧プラズマを生成するプラズマ反応器は、主に、誘導結合プラズマ（inductive coupled plasma）方式の電極構造と無線周波数（ＲＦ）駆動方式とを用いる。
誘導結合プラズマ方式は、コイル形状の電極両端部に電圧を印加してプラズマを生成する。しかしながら、このようなプラズマ反応器は装置自体が高価であり、特に無線周波数（ＲＦ）電源供給機の価格が非常に高く、プラズマ維持のための電力消費が大きいため、設置費用と維持費用とが高い。
本発明は、真空ポンプの前段に設置されて低圧プラズマを生成するプラズマ反応器であって、設置費用と維持費用とを削減しながらも汚染物質の処理効率を高め、長時間の安定的な運転が可能であり、電源供給機の無効電力を減らす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。
本発明の一実施形態に係る汚染物質除去用プラズマ反応器は、低圧工程チャンバと真空ポンプとの間に位置して低圧プラズマを生成して低圧工程チャンバで発生した汚染物質を除去し、互いに距離をおいて位置する第１接地電極及び第２接地電極と、第１接地電極と第２接地電極の間に固定される誘電体と、第１接地電極及び第２接地電極と距離をおいて誘電体の外面に位置して交流電源部と連結し、これから駆動電圧の印加を受ける少なくとも１つの駆動電極とを備えて構成される。
第１接地電極と誘電体と第２接地電極とは環状で形成され、一方向に沿って繋がって管を構成しても良い。第１接地電極及び第２接地電極のいずれか一方は低圧工程チャンバと連結し、他方は真空ポンプと連結しても良い。
汚染物質除去用プラズマ反応器は、誘電体の外面で駆動電極と距離をおいて位置する少なくとも１つの補助接地電極を更に備えていても良い。
誘電体の長さ方向に沿って補助接地電極、駆動電極、及び補助接地電極の順に配置されても良い。或いは、誘電体の長さ方向に沿って駆動電極、補助接地電極、及び駆動電極の順に配置されても良い。更には、誘電体の長さ方向に沿って複数の駆動電極と複数の補助接地電極とが１つずつ交互に配置されても良い。
本発明の一実施形態に係る汚染物質除去用プラズマ反応器の駆動方法は、誘電体と、誘電体の両端に固定された第１接地電極及び第２接地電極と、第１接地電極及び第２接地電極と距離をおいて誘電体の外面に位置する少なくとも１つの駆動電極とを備える汚染物質除去用プラズマ反応器において、駆動電極に１ｋＨｚ〜９９９ｋＨｚの周波数を有する交流駆動電圧を印加して低圧プラズマを発生させるステップを有する。
駆動電圧は、増加部、維持部、及び消滅部を有し、１つの周期において正の電圧値と負の電圧値とが周期的に変わっても良い。
駆動電極の投入電力を調節して低圧プラズマの温度と密度とを変化させても良く、投入電力の増加は、駆動電圧上昇、駆動周波数上昇、及び駆動電圧の傾き上昇のいずれか１つの方法によって実現されても良い。
本発明の他の一実施形態に係る汚染物質除去用プラズマ反応器の駆動方法は、誘電体と、誘電体の両端に固定された第１接地電極及び第２接地電極と、第１接地電極及び第２接地電極と距離をおいて誘電体の外面に位置する少なくとも１つの駆動電極及び少なくとも１つの補助接地電極とを備える汚染物質除去用プラズマ反応器において、駆動電極に１ｋＨｚ〜９９９ｋＨｚの周波数を有する交流駆動電圧を印加して低圧プラズマを発生させるステップを有する。
駆動電圧は増加部、維持部、及び消滅部を有し、１つの周期において正の電圧値と負の電圧値とが周期的に変わっても良い。
駆動電極の投入電力を調節して低圧プラズマの温度と密度とを変化させても良く、投入電力の増加は、駆動電圧上昇、駆動周波数上昇、及び駆動電圧の傾き上昇のいずれか１つの方法によって実現されても良い。
本発明の他の一実施形態に係る汚染物質除去用プラズマ反応器は、互いに距離をおいて位置する第１接地電極及び第２接地電極と、第１誘電体領域を間において第１接地電極の内側に位置して第１交流電圧の印加を受ける第１駆動電極と、第２誘電体領域を間において第１駆動電極と離隔して位置し、第３誘電体領域を間において第２接地電極の内側に位置して第２交流電圧の印加を受ける第２駆動電極とを備える。第１交流電圧と第２交流電圧とは１８０°の位相差を有し、第１交流電圧と第２交流電圧との振幅は放電駆動電圧の振幅の半分の値を有する。
放電駆動電圧は第１交流電圧及び第２交流電圧のいずれか一方と同じ位相を有しても良い。
本発明の他の一実施形態に係る汚染物質除去用プラズマ反応器は、低圧工程チャンバと真空ポンプとの間に位置して低圧プラズマを生成して低圧工程チャンバで発生した汚染物質を除去し、内部空間を形成する誘電体と、誘電体の両端に固定された第１接地電極及び第２接地電極と、第１接地電極及び第２接地電極と距離をおいて誘電体の外面に固定され、各自の交流電源部と連結して第１交流電圧と第２交流電圧との夫々の印加を受ける第１駆動電極と第２駆動電極とを備える。第１交流電圧と第２交流電圧とは１８０°の位相差を有し、第１交流電圧と第２交流電圧との振幅は放電駆動電圧の振幅の半分の値を有する。
第１接地電極と誘電体と第２接地電極とは環状で形成され、一方向に沿って繋がって管を構成しても良い。第１接地電極及び第２接地電極のいずれか一方は低圧工程チャンバに連結し、他方は真空ポンプと連結しても良い。
放電駆動電圧は第１交流電圧及び第２交流電圧のいずれか一方と同じ位相を有しても良い。汚染物質除去用プラズマ反応器は、第１駆動電極と第２駆動電極との間に位置する少なくとも１つの駆動電極と少なくとも２つの接地電極とを更に備えていても良い。
少なくとも１つの駆動電極は第３駆動電極であっても良く、少なくとも２つの接地電極は、第１駆動電極と第３駆動電極との間に位置する第３接地電極と、第２駆動電極と第３駆動電極との間に位置する第４接地電極とを備えていても良い。第３駆動電極は放電駆動電圧の印加を受けても良い。
本実施形態のプラズマ反応器は、設置費用と維持費用とを削減しながらもプラズマの長さと均一度とを高めて汚染物質をより効果的に処理することができ、放電の安全性を高めて長時間の安定的な運転を可能にする。更に、本実施形態のプラズマ反応器は、交流電源部回路で消耗する無効電力を低め、汚染物質の除去に必要な消費電力を効果的に低めることができる。
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ても良く、ここで説明する実施形態に限定されるものではない。
図１はプラズマ反応器を備える低圧工程システムの構成図である。図１の低圧工程システムはディスプレイ又は半導体の製造工程等に適用することが可能である。
図１を参照すれば、低圧工程システム１００は、低圧工程チャンバ１０と、連結管１１を介して低圧工程チャンバ１０に連結する真空ポンプ１２と、連結管１１に設けられるプラズマ反応器２０とを備える。プラズマ反応器２０は真空ポンプ１２の前段に設置され、その内部に低圧工程チャンバ１０のような低圧状態を維持する。プラズマ反応器２０の前段には反応気体注入部１３が位置し、プラズマ反応器２０の後段にはスクラバ１４とフィルタ１５とが位置する。ここで、「低圧」の範囲は略１．３３３２Ｐａ（０．０１Ｔｏｒｒ）から１３３３．２Ｐａ（１０Ｔｏｒｒ）の範囲とすることができる。
低圧工程チャンバ１０でアッシング、エッチング、蒸着、洗浄、及び窒化処理等の工程が実行され、この工程を経れば有害気体、粉末物質、パーフルオロ化合物等の各種汚染物質が生成される。
プラズマ反応器２０はその内部に低圧高温のプラズマを生成して有害気体とパーフルオロ化合物とを分解させる。分解した成分は反応気体と結合して無害の元素に変わる。プラズマは電子又は励起原子のような反応物質を豊富に含有しているため、分解した気体と反応気体との間の化学反応を促進させる。
スクラバ１４は酸（acid）系列の気体を中和させて真空ポンプ１２の性能を高める。粉末物質はプラズマの高い熱によって気化し、真空ポンプ１２の内部に蓄積せずに空気中に排出されることによって真空ポンプ１２の寿命を長くする。この時、一部の粉末物質が気化せずに残ることがあるが、フィルタ１５が気化しない粉末物質をフィルタリングして真空ポンプ１２に流入しないようにする。
次に説明する本実施形態のプラズマ反応器は、誘電体障壁放電（dielectric barrier discharge）方式によってプラズマを発生させ、環状の電極構造を有し、数ｋＨｚ〜数百ｋＨｚの交流周波数駆動特性を有する。上述した特性は、全てプラズマ反応器の設置費用と維持費用とを削減しながら汚染物質処理効率を高め、長時間の安定的な運転を可能にする。図２〜図１５を参照しながら、プラズマ反応器の細部構造及び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の斜視図であり、図３は図２に示すプラズマ反応器の断面図である。
図２及び図３を参照すれば、第１実施形態のプラズマ反応器２１０は互いに距離をおいて位置する第１接地電極２１及び第２接地電極２２と、第１接地電極２１と第２接地電極２２との間に固定される誘電体３０と、誘電体３０の外面に位置して交流電源部４０と連結する駆動電極５０とを有する。
第１接地電極２１及び第２接地電極２２は環状で形成され、金属（例えば、ステンレス鋼）で製造される。第１接地電極２１及び第２接地電極２２のいずれか一方は低圧工程チャンバ１０と連結した連結管であっても良く、他方は真空ポンプ１２と連結した連結管であっても良い。この場合、別途、接地電極を製作せずに既存の連結管を分離させ、分離した連結管を接地させる方法によって第１接地電極２１及び第２接地電極２２を容易に製造しても良い。
誘電体３０も第１接地電極２１及び第２接地電極２２と同じ直径及び断面形状を有する環状で形成される。誘電体３０は第１接地電極２１と第２接地電極２２との間に固定され２つの接地電極（第１接地電極２１及び第２接地電極２２）を連結させる。これにより、一方向に繋がった第１接地電極２１と誘電体３０と第２接地電極２２とが管を構成して低圧工程チャンバ１０と真空ポンプ１２とを連結させる。誘電体３０はセラミック又はクォーツ（quartz）で製造されても良い。
駆動電極５０は誘電体３０よりも小さい幅で形成され、第１接地電極２１及び第２接地電極２２と所定の間隔を維持する。特に、駆動電極５０は誘電体３０の外面中央に位置して第１接地電極２１及び第２接地電極２２と同じ間隔ｇ（図３参照）を維持しても良い。駆動電極５０も誘電体３０を囲む環状で形成されて交流電源部４０と連結し、これからプラズマ放電に必要な駆動電圧が提供される。
図４Ａと図４Ｂは、図２に示すプラズマ反応器のうちで駆動電極に印加される駆動電圧の波形の一例を示す図である。
図４Ａ及び図４Ｂを参照すれば、駆動電極５０に印加される駆動電圧（Ｖｓ）は１ｋＨｚ〜９９９ｋＨｚの周波数を有する交流電圧又は二極式パルス電圧であり、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有する。駆動波形は四角波形、三角波形、及びサイン波形等、多様な形態で構成されるが、共通して増加部、維持部、及び消滅部を有する。図４Ａ及び図４Ｂでは夫々四角波形及びサイン波形の例を示した。
図４Ａ及び図４Ｂを参照すれば、駆動電極５０に印加される駆動電圧（Ｖｓ）は１ｋＨｚ〜９９９ｋＨｚの周波数を有する交流電圧又は二極式パルス電圧であり、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有する。駆動波形は四角波形、三角波形、及びサイン波形等、多様な形態で構成されるが、共通して増加部、維持部、及び消滅部を有する。図４Ａ及び図４Ｂでは夫々四角波形及びサイン波形の例を示した。
図２及び図３に戻り、上述した構造のプラズマ反応器２１０で駆動電極５０に駆動電圧を印加すれば、駆動電極５０と接地電極（第１接地電極２１及び第２接地電極２２）との電圧差によってプラズマ反応器２１０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（breakdown voltage）よりも高い時に発生し、放電電流は時間に応じて増加し続けた後、誘電体３０上に壁電荷が蓄積される量が多くなることによって減少する。
すなわち、第１実施形態のプラズマ反応器２１０は接地電極（第１接地電極２１及び第２接地電極２２）と駆動電極５０との間に誘電体３０が存在する構造であるため、放電開始後に放電電流が高まることによってプラズマ内の空間電荷が誘電体３０上に蓄積されて壁電荷が生成される。壁電荷は外部でかかる電圧を抑制する機能を行い、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、維持、及び消滅過程を繰り返す。
したがって、第１実施形態のプラズマ反応器２１０では放電がアーク（arc）に転移せずにグロー（glow）領域に留まりながら、低圧工程チャンバ１０で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り、これは電極の損傷を誘発する。しかしながら、第１実施形態のプラズマ反応器２１０は、誘電体３０の壁電荷を用いて放電がアークへの転移を防ぐため、駆動電極５０及び接地電極（第１接地電極２１及び第２接地電極２２）の寿命を長くすることができる。
また、既存の連結管を接地電極（第１接地電極２１及び第２接地電極２２）として活用することにより、低圧工程システム１００にプラズマ反応器２１０を容易に設置することができる。また、駆動電極５０が装置外部、すなわち誘電体３０の外面に位置するため、真空ポンプ１２の作動を中断させなくても駆動電極５０の形状や接地電極（第１接地電極２１及び第２接地電極２２）との間隔等を自由に調節することができ、駆動電極５０の交換も容易に行うことができる。
更に、接地電極（第１接地電極２１及び第２接地電極２２）と駆動電極５０が環状で形成されるためプラズマの均一度（uniformity）が高まり、駆動電極５０を十分な幅で形成することによって汚染ガスのプラズマ内の残留時間を増加させることができる。このようなプラズマの高い均一度と残留時間の増加は汚染物質の処理効率の向上に繋がる。この時、処理効率は「分解率／消費電力」で定義され、同じ消費電力条件でより多くの量の汚染物質を処理することができる。
プラズマを用いた汚染ガス除去過程において、汚染ガスの種類及び量に応じてこれらを完全分解するためのプラズマ条件が変わっても良い。汚染ガス分解に最も大きい影響を与える特性としては、プラズマの温度と密度とが挙げられても良い。
第１実施形態のプラズマ反応器２１０では、汚染ガスの分解が困難な物質である程、又は汚染ガスの量が多い程、駆動電圧又は駆動周波数を高めたり駆動電圧の傾きを大きくする方法によって投入電力を可変させ、プラズマの温度と密度とを高める。したがって、多様な作動環境でも汚染ガスを完全分解し、除去性能を向上させることができる。
図５は本発明の第２実施形態に係るプラズマ反応器の斜視図である。
図５を参照すれば、第２実施形態のプラズマ反応器２２０は、誘電体３０の外面に位置して駆動電極５０と距離をおいて位置する補助接地電極２５を更に含むことを除いては、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用いている。
図５を参照すれば、第２実施形態のプラズマ反応器２２０は、誘電体３０の外面に位置して駆動電極５０と距離をおいて位置する補助接地電極２５を更に含むことを除いては、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用いている。
図６は本発明の第３実施形態に係るプラズマ反応器の斜視図である。
図６を参照すれば、第３実施形態のプラズマ反応器２３０は、１つの駆動電極５０が２つの補助接地電極２５の間でこれらと距離をおいて位置することを除いては、上述した第２実施形態のプラズマ反応器と同じ構成からなる。第２実施形態と同じ部材については同じ図面符号を用いている。
図６を参照すれば、第３実施形態のプラズマ反応器２３０は、１つの駆動電極５０が２つの補助接地電極２５の間でこれらと距離をおいて位置することを除いては、上述した第２実施形態のプラズマ反応器と同じ構成からなる。第２実施形態と同じ部材については同じ図面符号を用いている。
図７は本発明の第４実施形態に係るプラズマ反応器の斜視図である。
図７を参照すれば、第４実施形態のプラズマ反応器２４０は、１つの補助接地電極２５が２つの駆動電極５０の間でこれらと距離をおいて位置することを除いては、上述した第２実施形態のプラズマ反応器と同じ構成からなる。第２実施形態と同じ部材については同じ図面符号を用いる。
図７を参照すれば、第４実施形態のプラズマ反応器２４０は、１つの補助接地電極２５が２つの駆動電極５０の間でこれらと距離をおいて位置することを除いては、上述した第２実施形態のプラズマ反応器と同じ構成からなる。第２実施形態と同じ部材については同じ図面符号を用いる。
図８は本発明の第５実施形態に係るプラズマ反応器の斜視図である。
図８を参照すれば、第５実施形態のプラズマ反応器２５０は、２つ以上の駆動電極５０と２つ以上の補助接地電極２５とが互いに距離をおいて１つずつ交互に位置することを除いては、上述した第２実施形態のプラズマ反応器と同じ構成からなる。第２実施形態と同じ部材については同じ図面符号を用いている。
図８を参照すれば、第５実施形態のプラズマ反応器２５０は、２つ以上の駆動電極５０と２つ以上の補助接地電極２５とが互いに距離をおいて１つずつ交互に位置することを除いては、上述した第２実施形態のプラズマ反応器と同じ構成からなる。第２実施形態と同じ部材については同じ図面符号を用いている。
上述した第２実施形態〜第５実施形態において、誘電体３０の外面には少なくとも１つの駆動電極５０と少なくとも１つの補助接地電極２５が互いに距離をおいて位置する。補助接地電極２５も駆動電極５０と同じ環状で形成される。この構造では、プラズマの長さを大きくして汚染ガスのプラズマ内の残留時間を増やすことができ、壁電荷の量を均一にして放電の安全性を高めることができる。
すなわち、誘電体３０の外面に１つの駆動電極５０のみが配置される構造では、駆動電極５０の面積が過度である時に壁電荷が蓄積される時間が遅滞し、駆動電極５０の極性が変わる前まで十分な壁電荷が蓄積されないことがある。壁電荷の蓄積が不十分であれば、駆動電圧の上昇を誘発するだけでなく、壁電荷量の非均一性によって放電の不安定を誘発することがある。
しかしながら、駆動電極５０の幅を縮小させて駆動電極５０の間に補助接地電極２５を配置した上述した構造では、壁電荷の量を均一化して放電の不安定性を除去し、汚染物質の処理効率を高めることができる。
また、第１実施形態〜第５実施形態のプラズマ反応器２１０、２２０、２３０、２４０、２５０は、無線周波数を用いずに交流駆動方式を適用することにより、初期設置費を低減することができるという長所と共に、インピーダンス整合（impedance matching）を比較的自由に行えるので、無線周波数方式に比べて放電の安定性が極めて優れるという長所を有する。
図９は本発明の第６実施形態に係るプラズマ反応器の斜視図であり、図１０は図９に示すプラズマ反応器の断面図である。
図９及び図１０を参照すれば、第６実施形態のプラズマ反応器２６０は、誘電体３０と、誘電体３０の両端に固定された第１接地電極２１及び第２接地電極２２と、誘電体３０の外面に固定された第１駆動電極５１及び第２駆動電極５２とを備える。第１駆動電極５１は第１交流電源部４１と連結し、第２駆動電極５２は第２交流電源部４２と連結する。
図９及び図１０を参照すれば、第６実施形態のプラズマ反応器２６０は、誘電体３０と、誘電体３０の両端に固定された第１接地電極２１及び第２接地電極２２と、誘電体３０の外面に固定された第１駆動電極５１及び第２駆動電極５２とを備える。第１駆動電極５１は第１交流電源部４１と連結し、第２駆動電極５２は第２交流電源部４２と連結する。
第１駆動電極５１及び第２駆動電極５２は誘電体３０を囲む環状で形成され、第１交流電源部４１及び第２交流電源部４２から夫々プラズマ生成に必要な第１交流電圧及び第２交流電圧の印加を受ける。第１駆動電極５１は第１接地電極２１及び第２駆動電極５２と所定の距離を維持し、第２駆動電極５２は第２接地電極２２と所定の距離を維持する。
誘電体３０は第１接地電極２１と第１駆動電極５１との間に位置する第１誘電体領域Ａ１０と、第１駆動電極５１と第２駆動電極５２との間に位置する第２誘電体領域Ａ２０と、第２駆動電極５２と第２接地電極２２との間に位置する第３誘電体領域Ａ３０とを有する。第１〜第３誘電体領域Ａ１０、Ａ２０、Ａ３０は同じ幅としても良い。
図１１は図９に示すプラズマ反応器のうちで第１駆動電極と第２駆動電極との夫々に印加される第１交流電圧と第２交流電圧との波形の一例を示す図である。
図１１を参照すれば、第１交流電圧と第２交流電圧とは互いに１８０°の位相差を有し、一周期毎に正の電圧と負の電圧とが交互に印加される。第１交流電圧及び第２交流電圧の振幅は放電駆動電圧（Ｖｄ）の振幅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で定義され、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で設定されても良い。
図１１を参照すれば、第１交流電圧と第２交流電圧とは互いに１８０°の位相差を有し、一周期毎に正の電圧と負の電圧とが交互に印加される。第１交流電圧及び第２交流電圧の振幅は放電駆動電圧（Ｖｄ）の振幅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で定義され、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で設定されても良い。
第１交流電圧及び第２交流電圧は１ｋＨｚ〜９９９ｋＨｚの周波数を有し、サイン（sine）波形、四角波形、及び三角波形等、多様な形態で構成されても良い。図１１では第１交流電圧及び第２交流電圧がサイン波形である場合を例示して示した。
図１２は図９に示すプラズマ反応器の概略図である。
図１２を参照すれば、第１駆動電極５１と第２駆動電極５２との夫々に第１交流電圧と第２交流電圧を印加すれば、電極（第１接地電極２１、第１駆動電極５１、２駆動電極５２、第２接地電極２２）間の電圧差によってプラズマ反応器２６０の内部にプラズマ放電が誘導される。
図１２を参照すれば、第１駆動電極５１と第２駆動電極５２との夫々に第１交流電圧と第２交流電圧を印加すれば、電極（第１接地電極２１、第１駆動電極５１、２駆動電極５２、第２接地電極２２）間の電圧差によってプラズマ反応器２６０の内部にプラズマ放電が誘導される。
具体的に、第１駆動電極５１に正の電圧（１／２Ｖｄ）が印加され、第２駆動電極５２に負の電圧（−１／２Ｖｄ）が印加される時、第２誘電体領域Ａ２０には第１交流電圧と第２交流電圧と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交流電圧と同じ大きさの電圧（１／２Ｖｄ）が印加され、第３誘電体領域Ａ３０には第２交流電圧と同じ大きさの電圧（−１／２Ｖｄ）が印加される。
第６実施形態のプラズマ反応器２６０で、第２誘電体領域Ａ２０に印加される電圧、すなわち放電駆動電圧（Ｖｄ）がそのまま運転電圧となる。放電は運転電圧が内部気体の降伏電圧（breakdown voltage）よりも高い時に発生し、放電電流は時間に応じて増加し続けた後、誘電体上に壁電荷が蓄積され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よってプラズマ内の空間電荷が誘電体３０の上に蓄積されて壁電荷が生成される。壁電荷は外部でかかる電圧を抑制する機能を行い、このような誘電体３０の壁電圧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の生成、維持、及び消滅過程を繰り返す。
この時、第１交流電圧と第２交流電圧とが互いに１８０°の位相差を有して放電駆動電圧（Ｖｄ）に比べて半分の振幅を有することにより、プラズマ反応器２６０は交流電源部回路で消耗する無効電力を効果的に低めることができる。
交流電源部回路の全体無効電力は、第１〜第３誘電体領域Ａ１０、Ａ２０、Ａ３０の夫々の無効電力を加算した値である。各誘電体領域Ａ１０、Ａ２０、Ａ３０の無効電力は誘電体３０のキャパシタンスと駆動周波数とに比例し、該当する誘電体領域Ａ１０、Ａ２０、Ａ３０に印加される電圧の２乗に比例する。第１〜第３誘電体領域Ａ１０、Ａ２０、Ａ３０において誘電体３０のキャパシタンスと駆動周波数とは同じであるため、無効電力は各誘電体領域Ａ１０、Ａ２０、Ａ３０に印加される電圧の２乗に比例する。
第１〜第３誘電体領域Ａ１０、Ａ２０、Ａ３０の全てに同じ放電駆動電圧（Ｖｄ）が印加される場合を第１比較例であると仮定すれば、第１〜第３誘電体領域Ａ１０、Ａ２０、Ａ３０に印加される電圧は放電駆動電圧（Ｖｄ）の半分であるため、第１誘電体領域Ａ１０及び第３誘電体領域Ａ３０の無効電力は第１比較例に比べて１／４に減少する。したがって、交流電源部回路の全体無効電力は第１比較例に比べて半分に減少する。
交流電源部回路の消費電力は、放電に消耗する電力である有効電力と放電に消耗しない無効電力との合計からなる。第６実施形態のプラズマ反応器２６０は、上述したように無効電力を最小化することにより、汚染物質の除去に必要な消費電力を効果的に低減することができる。
図１３は本発明の第７実施形態に係るプラズマ反応器の斜視図であり、図１４及び図１５は夫々図１３に示すプラズマ反応器の断面図と概略図である。
図１３〜図１５を参照すれば、第７実施形態のプラズマ反応器２７０は、第１駆動電極５１と第２駆動電極５２との間に少なくとも１つの駆動電極と少なくとも２つの接地電極を追加した構成を除いては、上述した第６実施形態のプラズマ反応器と類似した構成からなる。第６実施形態と同じ部材については同じ図面符号を用い、第６実施形態と重複する構成については詳しい説明を省略する。
第１駆動電極５１と第２駆動電極５２との間に第３駆動電極５３が位置し、第３駆動電極５３の両側に第３接地電極２３と第４接地電極２４とが位置しても良い。第３駆動電極５３は第３接地電極２３及び第４接地電極２４と所定の距離を維持し、第３接地電極２３と第４接地電極２４とは夫々第１駆動電極５１及び第２駆動電極５２と所定の距離を維持する。
第３駆動電極５３は第３交流電源部４３と連結し、これから第３交流電圧の印加を受ける。第３交流電圧は図１１に示した放電駆動電圧（Ｖｄ）と同じである。すなわち、第３交流電圧は第１交流電圧と同じ位相を有し、第３交流電圧の振幅は第１交流電圧振幅の２倍である。
誘電体３０は６つの誘電体領域Ａ１０、Ａ２０、Ａ３０、Ａ４０、Ａ５０、Ａ６０を有する。第１〜第６誘電体領域Ａ１０、Ａ２０、Ａ３０、Ａ４０、Ａ５０、Ａ６０は夫々、第１接地電極２１と第１駆動電極５１との間、第１駆動電極５１と第３接地電極２３との間、第３接地電極２３と第３駆動電極５３との間、第３駆動電極５３と第４接地電極２４との間、第４接地電極２４と第２駆動電極５２との間、及び第２駆動電極５２と第２接地電極２２との間に位置する。第１〜第６誘電体領域Ａ１０、Ａ２０、Ａ３０、Ａ４０、Ａ５０、Ａ６０は同じ幅で構成しても良い。
プラズマ反応器２７０の作動過程において、第３誘電体領域Ａ３０及び第４誘電体領域Ａ４０には放電駆動電圧（Ｖｄ）と同じ大きさの電圧が印加される。また、第１誘電体領域Ａ１０及び第２誘電体領域Ａ２０には第１交流電圧（１／２Ｖｄ）と同じ大きさの電圧が印加され、第５誘電体領域Ａ５０及び第６誘電体領域Ａ６０には第２交流電圧（−１／２Ｖｄ）と同じ大きさの電圧が印加される。第７実施形態のプラズマ反応器２７０において、第３誘電体領域Ａ３０及び第４誘電体領域Ａ４０に印加される電圧、すなわち放電駆動電圧（Ｖｄ）がそのまま運転電圧となる。
第１〜第６誘電体領域Ａ１０、Ａ２０、Ａ３０、Ａ４０、Ａ５０、Ａ６０の全てに同じ放電駆動電圧（Ｖｄ）が印加される場合を第２比較例であると仮定すれば、第１誘電体領域Ａ１０、第２誘電体領域Ａ２０、第５誘電体領域Ａ５０、及び第６誘電体領域Ａ６０に印加される電圧は放電駆動電圧（Ｖｄ）の半分であるため、これらの４つの誘電体領域Ａ１０、Ａ２０、Ａ５０、Ａ６０の無効電力は第２比較例に比べて１／４に減少する。したがって、交流電源部回路の全体無効電力は第２比較例に比べて半分に減少する。
第７実施形態のプラズマ反応器２７０は、プラズマの長さを大きくして汚染ガスのプラズマ内の残留時間を増やすことにより、汚染ガスの除去効率を向上させることができる。また、駆動電極の面積が過度な時に壁電荷が蓄積される時間が遅滞して駆動電極の極性が変わる前まで十分な壁電荷が蓄積されないことがあるが、第７実施形態のプラズマ反応器では駆動電極５１、５２、５３の幅が小さくなることによって壁電荷の蓄積が不十分である現象を予防し、放電の安全性を高めることができる。
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した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。
１０： 低圧工程チャンバ
１１： 連結管
１２： 真空ポンプ
１３： 気体注入部
１４： スクラバ
１５： フィルタ
２０： プラズマ反応器
２１： 第１接地電極
２２： 第２接地電極
２３： 第３接地電極
２４： 第４接地電極
２５： 補助接地電極
３０： 誘電体
４０： 交流電源部
４１： 第１交流電源部
４２： 第２交流電源部
４３： 第３交流電源部
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
１００：低圧工程システム
２１０：プラズマ反応器
２２０：プラズマ反応器
２３０：プラズマ反応器
２４０：プラズマ反応器
２５０：プラズマ反応器
２６０：プラズマ反応器
２７０：プラズマ反応器
１１： 連結管
１２： 真空ポンプ
１３： 気体注入部
１４： スクラバ
１５： フィルタ
２０： プラズマ反応器
２１： 第１接地電極
２２： 第２接地電極
２３： 第３接地電極
２４： 第４接地電極
２５： 補助接地電極
３０： 誘電体
４０： 交流電源部
４１： 第１交流電源部
４２： 第２交流電源部
４３： 第３交流電源部
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
１００：低圧工程システム
２１０：プラズマ反応器
２２０：プラズマ反応器
２３０：プラズマ反応器
２４０：プラズマ反応器
２５０：プラズマ反応器
２６０：プラズマ反応器
２７０：プラズマ反応器
Claims (20)
- 工程チャンバと真空ポンプとの間に位置し、低圧プラズマを生成して、ディスプレイ又は半導体の製造工程中に前記工程チャンバで発生する有害気体、粉末物質、又はパーフルオロ化合物からなる汚染物質を、前記低圧プラズマによって活性化された処理用ガスと反応させて分解し、又は前記処理用ガスの熱によって気化して除去するプラズマ反応器であって、
互いに距離をおいて位置する第１接地電極及び第２接地電極と、
前記第１接地電極と前記第２接地電極との間に固定される誘電体と、
前記第１接地電極及び前記第２接地電極と距離をおいて前記誘電体の外面に位置して交流電源部と連結し、これから駆動電圧の印加を受ける少なくとも１つの駆動電極と、
を備え、
前記第１接地電極と前記誘電体と前記第２接地電極とは環状で形成され、一方向に沿って繋がって管を構成する汚染物質除去用プラズマ反応器。 - 前記第１接地電極及び前記第２接地電極のいずれか一方は前記工程チャンバと連結し、他方は前記真空ポンプと連結する請求項１に記載の汚染物質除去用プラズマ反応器。
- 前記誘電体の外面で前記駆動電極と距離をおいて位置する少なくとも１つの補助接地電極を更に備える請求項１に記載の汚染物質除去用プラズマ反応器。
- 前記誘電体の長さ方向に沿って前記補助接地電極、前記駆動電極、及び前記補助接地電極の順に配置される請求項３に記載の汚染物質除去用プラズマ反応器。
- 前記誘電体の長さ方向に沿って前記駆動電極、前記補助接地電極、及び前記駆動電極の順に配置される請求項３に記載の汚染物質除去用プラズマ反応器。
- 前記誘電体の長さ方向に沿って複数の駆動電極と複数の補助接地電極とが１つずつ交互に配置される請求項３に記載の汚染物質除去用プラズマ反応器。
- 工程チャンバと真空ポンプとの間に位置し、低圧プラズマを生成して、ディスプレイ又は半導体の製造工程中に前記工程チャンバで発生する有害気体、粉末物質、又はパーフルオロ化合物からなる汚染物質を、前記低圧プラズマによって活性化された処理用ガスと反応させて分解し、又は前記処理用ガスの熱によって気化して汚染物質除去用プラズマ反応器の駆動方法であって、
前記汚染物質除去用プラズマ反応器は、誘電体と、誘電体の両端に固定された第１接地電極及び第２接地電極と、第１接地電極及び第２接地電極と距離をおいて誘電体の外面に位置する少なくとも１つの駆動電極とを備え、
前記第１接地電極と前記誘電体と前記第２接地電極とは環状で形成され、一方向に沿って繋がって管を構成し、
前記駆動電極に１ｋＨｚ〜９９９ｋＨｚの周波数を有する交流駆動電圧を印加して低圧プラズマを発生させる汚染物質除去用プラズマ反応器の駆動方法。 - 前記駆動電圧は増加部、維持部、及び消滅部を有し、１つの周期において正の電圧値と負の電圧値とが周期的に変わる請求項７に記載の汚染物質除去用プラズマ反応器の駆動方法。
- 前記駆動電極の投入電力を調節して前記低圧プラズマの温度と密度とを変化させ、
前記投入電力の増加は駆動電圧上昇、駆動周波数上昇、及び駆動電圧の傾き上昇のいずれか１つの方法によって実現される請求項８に記載の汚染物質除去用プラズマ反応器の駆動方法。 - 工程チャンバと真空ポンプとの間に位置し、低圧プラズマを生成して、ディスプレイ又は半導体の製造工程中に前記工程チャンバで発生する有害気体、粉末物質、又はパーフルオロ化合物からなる汚染物質を、前記低圧プラズマによって活性化された処理用ガスと反応させて分解し、又は前記処理用ガスの熱によって気化して除去する汚染物質除去用プラズマ反応器の駆動方法であって、
前記汚染物質除去用プラズマ反応器は、誘電体と、前記誘電体の両端に固定された第１接地電極及び第２接地電極と、第１接地電極及び第２接地電極と距離をおいて誘電体の外面に位置する少なくとも１つの駆動電極及び少なくとも一つの補助接地電極とを備え、
前記第１接地電極と前記誘電体と前記第２接地電極とは環状で形成され、一方向に沿って繋がって管を構成し、
前記駆動電極に１ｋＨｚ〜９９９ｋＨｚの周波数を有する交流駆動電圧を印加して低圧プラズマを発生させる汚染物質除去用プラズマ反応器の駆動方法。 - 前記駆動電圧は増加部、維持部、及び消滅部を有し、１つの周期において正の電圧値と負の電圧値とが周期的に変わる請求項１０に記載の汚染物質除去用プラズマ反応器の駆動方法。
- 前記駆動電極の投入電力を調節して前記低圧プラズマの温度と密度を変化させ、
前記投入電力の増加は駆動電圧上昇、駆動周波数上昇、及び駆動電圧の傾き上昇のいずれか１つの方法によって実現される請求項１１に記載の汚染物質除去用プラズマ反応器の駆動方法。 - 工程チャンバと真空ポンプとの間に位置し、低圧プラズマを生成して、ディスプレイ又は半導体の製造工程中に前記工程チャンバで発生する有害気体、粉末物質、又はパーフルオロ化合物からなる汚染物質を、前記低圧プラズマによって活性化された処理用ガスと反応させて分解し、又は前記処理用ガスの熱によって気化して除去するプラズマ反応器であって、
互いに距離をおいて位置する第１接地電極及び第２接地電極と、
第１誘電体領域を間において前記第１接地電極の内側に位置し、第１交流電圧の印加を受ける第１駆動電極と、
第２誘電体領域を間において前記第１駆動電極と離隔して位置し、第３誘電体領域を間において前記第２接地電極の内側に位置し、第２交流電圧の印加を受ける第２駆動電極と、を備え、
前記第１接地電極と前記第１誘電体領域と前記第２誘電体領域と前記第２接地電極とは環状で形成され、一方向に沿って繋がって管を構成し、
前記第１交流電圧と前記第２交流電圧とは１８０°の位相差を有し、前記第１交流電圧と前記第２交流電圧との振幅は放電駆動電圧の振幅の半分の値を有する汚染物質除去用プラズマ反応器。 - 前記放電駆動電圧は、前記第１交流電圧及び前記第２交流電圧のいずれか一方と同じ位相を有する請求項１３に記載の汚染物質除去用プラズマ反応器。
- 工程チャンバと真空ポンプとの間に位置し、低圧プラズマを生成して、ディスプレイ又は半導体の製造工程中に前記工程チャンバで発生する有害気体、粉末物質、又はパーフルオロ化合物からなる汚染物質を、前記低圧プラズマによって活性化された処理用ガスと反応させて分解し、又は前記処理用ガスの熱によって気化して除去するプラズマ反応器であって、
内部空間を形成する誘電体と、
前記誘電体の両端に固定された第１接地電極及び第２接地電極と、
前記第１接地電極及び前記第２接地電極と距離をおいて前記誘電体の外面に固定されて各自の交流電源部と連結し、これから第１交流電圧と第２交流電圧とが夫々印加される第１駆動電極及び第２駆動電極と、を備え、
前記第１接地電極と前記誘電体と前記第２接地電極とは環状で形成され、一方向に沿って繋がって管を構成し、
前記第１交流電圧と前記第２交流電圧とは１８０°の位相差を有し、前記第１交流電圧と前記第２交流電圧との振幅は放電駆動電圧の振幅の半分の値を有する汚染物質除去用プラズマ反応器。 - 前記第１接地電極及び前記第２接地電極のいずれか一方は前記工程チャンバに連結し、他方は前記真空ポンプと連結する請求項１５に記載の汚染物質除去用プラズマ反応器。
- 前記放電駆動電圧は、前記第１交流電圧及び前記第２交流電圧のいずれか一方と同じ位相を有する請求項１５に記載の汚染物質除去用プラズマ反応器。
- 前記第１駆動電極と前記第２駆動電極との間に位置する少なくとも１つの駆動電極と少なくとも２つの接地電極を更に備える請求項１７に記載の汚染物質除去用プラズマ反応器。
- 前記少なくとも１つの駆動電極は第３駆動電極であり、前記少なくとも２つの接地電極は前記第１駆動電極と前記第３駆動電極との間に位置する第３接地電極と、前記第２駆動電極と前記第３駆動電極との間に位置する第４接地電極とを備える請求項１８に記載の汚染物質除去用プラズマ反応器。
- 前記第３駆動電極は、前記放電駆動電圧の印加を受ける請求項１９に記載の汚染物質除去用プラズマ反応器。
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