JP6018665B2 - 汚染物質除去用プラズマ反応器 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ反応器に関するものであって、より詳細には、工程チャンバで発生する各種汚染物質を真空ポンプの前端で分解および除去することにより、環境に優しい工程をなすためのプラズマ反応器に関するものである。

半導体、ディスプレイ、太陽電池などの製造ラインには、エッチング、蒸着、洗浄などの作業が行われる工程チャンバが設けられ、工程チャンバは真空ポンプに連結されて工程ガスを排出する。工程チャンバからは多様な汚染物質が排出されるが、例えば、エッチング工程ではＣＦ_４、ＣＨＦ_３、Ｃ_２Ｆ_６、Ｃ_４Ｆ_８などの温室ガスが排出され、蒸着工程では未分解前駆体が排出され、洗浄工程ではＮＦ_３、ＳＦ_６などの温室ガスおよび粒子副産物が排出される。

地球温暖化を誘発する温室ガスは排出量の規制が厳しくなっており、粒子副産物は、真空ポンプの内部に蓄積されながら真空ポンプの耐久性を低下させる。蒸着工程に使用される前駆体（ｐｒｅｃｕｒｓｏｒ）は、大部分が常温で液状またはバブラ（ｂｕｂｂｌｅｒ）などによって気化して蒸着チャンバの内部に注入され、蒸着に使用されずに排出される前駆体が未分解前駆体である。未分解前駆体は、真空ポンプの内部、または真空ポンプとスクラバー（ｓｃｒｕｂｂｅｒ、洗浄集塵機）との間に蓄積される。

真空ポンプの内部は運転時と非運転時との温度差が大きいため、未分解前駆体は気状と液状の形態が混在し、その結果、体積の膨張−収縮が繰り返されて過剰膨張時に爆発を誘発することがある。また、真空ポンプとスクラバーとの間に蓄積された未分解前駆体は、真空ポンプ、スクラバー、または配管の取替時に大気中に露出し、このうちの一部は空気と激しく反応して火災を起こすことがある。

工程チャンバから排出される各種汚染物質を分解および除去するために、真空ポンプの前端にプラズマ反応器を設ける技術が研究開発されている。しかし、単純な管状のプラズマ反応器では、圧力の上昇に伴い、プラズマ反応器の中心領域を通過する汚染物質の分解度が低下する現象が報告されており、これは、圧力変動時に汚染物質の分解率が低下する問題につながる。

一方、プラズマを用いた有害物質の分解過程において、温室ガスの安定化のためには酸素ラジカルと水素ラジカルが必要であり、このために、従来はプラズマ反応器の前端に水蒸気（Ｈ_２Ｏ）を投入する方式が一般的である。

しかし、水蒸気を投入する方式は、工程の安全性の面で優れているものの、温室ガスの分解率が低く、酸素と水素の量を個別的に調整できないという欠点があった。また、水蒸気の投入量を精密に調整するのに技術的な困難があり、水を気化させるためのバブラ（ｂｕｂｂｌｅｒ）のような追加装備が要求されるため、全体設備が複雑になるという限界があった。

本発明は、工程チャンバで発生する各種汚染物質を真空ポンプの前端で分解および除去するためのプラズマ反応器において、圧力変動時にも汚染物質の分解率を高めることで、広い圧力条件で汚染物質を効果的に分解および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。

また、水蒸気を用いなくても、工程の安全性を確保しながら温室ガスの分解率を高めることができ、バブラのような追加装備を要することなく全体設備を単純化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。

本発明の一実施態様に係るプラズマ反応器は、工程チャンバから真空ポンプに向かう工程ガスの排出経路上に設けられ、工程ガスに含まれている汚染物質を除去するためのものであって、内部に工程ガスの通過する管状の絶縁体と、工程チャンバに向かう絶縁体の前端に連結される第１接地電極と、真空ポンプに向かう絶縁体の後端に連結され、工程ガスの移送方向に沿って絶縁体の内部中心に対向する対向部を備える第２接地電極と、絶縁体の外面に固定され、電源部と連結されて交流駆動電圧を受ける駆動電極とを含む。

前記第２接地電極の内壁と前記対向部との間に空間が提供され、前記工程ガスを排出することができる。

対向部は、第２接地電極の内壁と離隔し、工程ガスの排出経路を横切る板状に形成されてもよい。対向部は、少なくとも１つの連結部を介して第２接地電極の内壁に固定されてもよい。

第２接地電極は、対向部の周囲に拡張部を形成することができ、対向部は、拡張部を除いた第２接地電極の直径より大きい直径を有してもよい。絶縁体に向かう対向部の一面に突出部が形成されてもよい。

拡張部は、パーティクル捕集箱として機能することができ、パーティクル捕集箱の内部で対向部の下面と第２接地電極との間に支持部が位置してもよい。支持部は、工程ガスを排出するための少なくとも１つの開口部を形成してもよい。

他方、拡張部は、パーティクル捕集箱として機能することができ、底部を備えてもよいし、第２接地電極は、パーティクル捕集箱を挟んで交差する第１管部および第２管部から構成されてもよい。

他方、第２接地電極は、絶縁体の後端に連結される第１管部と、第１管部と交差する第２管部とから構成されてもよく、第１管部の内側に対向し、工程ガスがぶつかる第２管部の一部が対向部として機能することができる。第２管部は、第１管部と交差する部分に先の塞がれた長さ拡張部を備えてもよい。

絶縁体に向かう対向部の一面に、第１管部の内径より大きい直径の突出部が形成されてもよく、突出部の厚さは、第２管部の内径より小さくてもよい。他方、絶縁体に向かう対向部の一面に、第１管部の内径より小さい直径の突出部が形成されてもよく、突出部の厚さは、第２管部の内径より大きくてもよい。

第１接地電極と第２接地電極は、絶縁体に近づくほど直径が大きくなる可変直径部を含むことができ、対向部は、第２接地電極に備えられた可変直径部の後方に位置してもよい。第１接地電極は、その内部に反応ガスを注入する反応ガス注入部を形成してもよい。

第１接地電極は、工程ガスの移送方向に沿って第１反応ガス注入のための第１注入部と、第２反応ガス注入のための第２注入部とを離隔配置して、第１反応ガスと第２反応ガスがプラズマの内部に留まる時間に差を持たせてもよい。

プラズマ反応器の上流領域からプラズマ反応器の中心部を通過しながら分解が完全に行われていない汚染物質は、対向部上のシース領域を通過しながらシース領域に強く形成されたプラズマによって完全に分解される。したがって、高い圧力でも汚染物質の分解率を高めることができ、汚染物質の分解率の圧力依存性を低下させることで、より広い圧力範囲で高い分解性能を発揮することができる。

また、プラズマ反応器は、酸素供給源と水素（または炭化水素）供給源を別に備え、２つの注入部を介して２種類の反応ガスを分けて注入することにより、反応ガスとして水蒸気を用いる従来技術に比べて、工程ガスに含まれている有害物質の分解率を効果的に高めることができる。これとともに、酸素と水素（または炭化水素）の解離時間に差をおくことで、爆発限界を避けられるため、工程の安全性を確保することができる。

本発明の第１実施例によるプラズマ反応器を含む工程設備の構成図である。 本発明の第１実施例によるプラズマ反応器の断面図である。 図２のＩ−Ｉ線に沿ったプラズマ反応器の断面図である。 図２に示したプラズマ反応器の作動状態を示す概略図である。 図２に示したプラズマ反応器において、駆動電極に印加される駆動電圧の波形の例を示す図である。 本発明の第２実施例によるプラズマ反応器の断面図である。 本発明の第３実施例によるプラズマ反応器の断面図である。 本発明の第４実施例によるプラズマ反応器の断面図である。 本発明の第５実施例によるプラズマ反応器の断面図である。 本発明の第６実施例によるプラズマ反応器の断面図である。 本発明の第６実施例によるプラズマ反応器の断面図である。 本発明の第７実施例によるプラズマ反応器を含む工程設備の構成図である。 本発明の第７実施例によるプラズマ反応器の断面図である。 反応ガスの種類に応じた四フッ化炭素（ＣＦ_４）の分解率を示すグラフである。 本発明の第８実施例によるプラズマ反応器を示す断面図である。 図１４に示したプラズマ反応器の作動状態を示す概略図である。 本発明の第９実施例によるプラズマ反応器の断面図である。

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施例について、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳細に説明する。本発明は、種々の異なる形態で実現可能であり、ここで説明する実施例に限定されない。

図１は、本発明の第１実施例によるプラズマ反応器を含む工程設備の構成図である。図１の工程設備は、半導体、ディスプレイ、太陽電池などの低圧工程設備であってよい。

図１を参照すれば、工程設備１００は、エッチング、蒸着、および洗浄などの作業が行われる工程チャンバ１１と、配管１３を介して工程チャンバ１１に連結され、工程チャンバ１１で使用された工程ガスを排出させる真空ポンプ１２と、工程チャンバ１１と真空ポンプ１２との間に設けられるプラズマ反応器２１０とを含む。プラズマ反応器２１０は、配管１３を接地電極として用いることができる。

プラズマ反応器２１０は、真空ポンプ１２の前方に位置し、その内部は工程チャンバ１１のような低圧状態を維持する。ここで、低圧は、約０．１Ｔｏｒｒ〜１０Ｔｏｒｒの範囲に属する圧力を意味するが、前述した範囲に限定されない。プラズマ反応器２１０は、その内部に反応ガスを注入する反応ガス注入部１４を含む。反応ガスは、Ｏ_２およびＨ_２Ｏのうちの少なくとも１つを含むことができ、反応ガスを移送するキャリアガスとして、アルゴン、ヘリウム、窒素などが使用されてもよい。

プラズマ反応器２１０は、その内部に低圧のプラズマを生成して、工程ガスに含まれている各種汚染物質（温室ガス、未分解前駆体、および粒子副産物など）を分解する。分解された成分は反応ガスと化学結合して、無害の元素に変化する。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との間の化学反応を促進させる。

次に説明する第１〜第６実施例のプラズマ反応器２１０、２２０、２３０、２４０、２５０、２６０は、容量性結合プラズマ（ｃａｐａｃｉｔｉｖｅｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ ｐｌａｓｍａ）方式でプラズマを発生させ、交流（ＡＣ）あるいはＲＦ電源装置を備え、内部の中心領域を通過する汚染物質の分解率を高めるための構造を有する。このような特性によって、プラズマ反応器の設置費用と維持費用を低減することができ、広い圧力条件で汚染物質の分解性能を高めることができる。

図２〜図１０Ｂを参照して、第１〜第６実施例によるプラズマ反応器の細部構造および作用について説明する。

図２は、本発明の第１実施例によるプラズマ反応器の断面図であり、図３は、図２のＩ−Ｉ線に沿ったプラズマ反応器の断面図であり、図４は、図２に示したプラズマ反応器の作動状態を示す概略図である。

図２〜図４を参照すれば、第１実施例のプラズマ反応器２１０は、内部に工程ガスの通過する管状の絶縁体２０と、工程チャンバ１１に向かう絶縁体２０の前端および真空ポンプ１２に向かう絶縁体２０の後端に連結される接地電極部３０と、絶縁体２０の外周面に固定される駆動電極４０とを含む。駆動電極４０は、電源部４１と連結されて交流（ＡＣ）または高周波（ＲＦ）電圧を受ける。

接地電極部３０は、絶縁体２０の前端に連結される第１接地電極３１と、絶縁体２０の後端に連結される第２接地電極３２とを含む。第１接地電極３１は、工程チャンバ１１と絶縁体２０とを連結する配管であってもよく、第２接地電極３２は、絶縁体２０と真空ポンプ１２とを連結する配管であってもよい。つまり、配管が接地されて、第１接地電極３１および第２接地電極３２として機能することができる。図１に示した反応ガス注入部１４は、第１接地電極３１に形成される。図２では、便宜上、反応ガス注入部の図示を省略した。

絶縁体２０と駆動電極４０は、一定の直径を有する円筒状に形成され、駆動電極４０は、絶縁体２０より小さい長さで形成され、プラズマ反応器２１０の長さ方向に沿って第１および第２接地電極３１、３２と所定の距離をおいて離隔する。絶縁体２０は、アルミナ、ガラス、石英などで製造されてもよく、駆動電極４０と第１および第２接地電極３１、３２は、ステンレス鋼などの金属で製造されてもよい。
工程ガスは、第１接地電極３１と絶縁体２０および第２接地電極３２の内部を順次に通過する。第１接地電極３１と絶縁体２０および第２接地電極３２が一方向に延びる管を形成することにより、プラズマ反応器２１０は、半導体、ディスプレイ、太陽電池などの製造ラインにすでに設けられた工程チャンバ１１と真空ポンプ１２との間の配管１３に容易に設けられる。

第１接地電極３１と第２接地電極３２は、可変直径部３１１、３２１を含むことができる。第１および第２接地電極３１、３２の可変直径部３１１、３２１は、絶縁体２０に近づくほど大きくなる直径を有し、一定の割合で変化する直径を有してもよい。２つの可変直径部３１１、３２１は、同じ長さと同じ傾きで形成されてもよい。

また、可変直径部３１１、３２１は、絶縁体２０と直接接するか、絶縁体２０と所定の距離をおいて離隔してもよい。図２では、可変直径部３１１、３２１が絶縁体２０と離隔した場合を例として示した。可変直径部３１１、３２１を除いた第１および第２接地電極３１、３２の残りの部分は、均一な直径で形成されてもよい。

第２接地電極３２は、工程ガスの移送方向に沿って絶縁体２０の内部中心に対向する対向部３２２を備える。つまり、対向部３２２は、第２接地電極３２の内部で工程ガスの排出経路を横切るように設けられる。この時、対向部３２２と第２接地電極３２の内壁との間に所定の空間が提供され、工程ガスが排出される。

対向部３２２は、円板状に形成され、少なくとも１つの連結部３２３を介して第２接地電極３２の内壁に固定され、定められた位置を維持しながら第２接地電極３２と通電する。第２接地電極３２は、対向部３２２の周囲に拡張部３２４を形成して、対向部３２２の直径を拡大させることができる。拡張部３２４は、第２接地電極３２において直径の最も大きい部分であり、対向部３２２の直径は、可変直径部３２１と拡張部３２４との間の第２接地電極３２の直径より大きくてもよい。

駆動電極４０は、電源部４１と連結されて交流（ＡＣ）または高周波（ＲＦ）電圧を受ける。駆動電圧は、数ｋＨｚ〜数十ＭＨｚの周波数を有することができ、正の値と負の値が周期的に変化する四角波形、三角波形、または正弦（ｓｉｎｅ）波形などが適用可能である。図５は、図２に示したプラズマ反応器において、駆動電極に印加される駆動電圧の波形の例を示す図である。

図５を参照すれば、駆動電極４０に印加される駆動電圧（Ｖｓ）は、１ｋＨｚ〜１００ＭＨｚの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）が周期的に変化する形態を示す。図５では四角波形を例として示したが、三角波形および正弦（ｓｉｎｅ）波形などの多様な波形が適用可能である。

図２〜図４を参照すれば、駆動電極４０に交流駆動電圧を印加すると、駆動電極４０と接地電極部３０との電圧差によって、プラズマ反応器２１０の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高い時に発生する。この時、絶縁体２０は誘電体でもあるので、放電電流は、時間に応じて増加し続けて、絶縁体２０の表面に壁電荷の積もる量が多くなるにつれて減少する。

つまり、放電開始後、放電電流の上昇に伴い、プラズマ内部の空間電荷が絶縁体２０の表面に積もって壁電荷が生成され、絶縁体２０の壁電圧によって時間の経過とともに放電が弱くなる。プラズマ放電は、印加電圧が維持されてい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１１から排出された汚染物質を除去する。

この過程で、第１および第２接地電極３１、３２が可変直径部３１１、３２１を形成しているため、プラズマ放電が誘導される時に放電パスが短縮される。つまり、第１および第２接地電極３１、３２の可変直径部３１１、３２１が一部の対向放電と類似の効果を誘発する。したがって、同一の消費電力でより強いプラズマが生成されるため、プラズマ放電効率を高めることができる。

また、第２接地電極３２が対向部３２２を備えているため、駆動電極４０と第１および第２接地電極３１、３２との間だけでなく、駆動電極４０と対向部３２２との間にもプラズマが発生する。したがって、対向部３２２上に第２接地電極３２の内部中心に強いプラズマが生成される。

プラズマ反応器２１０の内部で、プラズマは、シース（ｓｈｅａｔｈ）領域（図４のＡ領域）と、陽光柱（ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｃｏｌｕｍｎ）領域（図４のＢ領域）とを含み、シース領域は、陽光柱領域とプラズマ反応器２１０の内部表面との間に位置する。圧力の上昇に伴い、シース領域は小さくなり、陽光柱領域は拡大する。大部分の電力はシース領域で消耗するので、シース領域で汚染物質の分解率が高く、陽光柱領域で汚染物質の分解率が低い。

対向部３２２がないプラズマ反応器の構造では、圧力の上昇に伴い、陽光柱領域が拡大して汚染物質の分解率が低下する。したがって、高い圧力条件でプラズマ反応器の中心部を通過する汚染物質は分解されず、そのまま真空ポンプに流入する。

しかし、本実施例のプラズマ反応器２１０では、絶縁体２０に向かう対向部３２２の一面（図面を基準として上面）にシース領域が形成される。したがって、プラズマ反応器２１０の上流領域からプラズマ反応器２１０の中心部を通過しながら分解が完全に行われていない汚染物質は、対向部３２２上のシース領域を通過しながらシース領域に強く形成されたプラズマによって完全に分解される。

つまり、プラズマ反応器２１０の中心部だけを通過する汚染物質は、陽光柱領域だけを通過するので分解がよく行われないが、対向部３２２上を通過しながら対向部３２２上のシース領域で分解および除去される。したがって、本実施例のプラズマ反応器２１０は、高い圧力でも汚染物質の分解率を高めることができ、汚染物質の分解率の圧力依存性を低下させることで、より広い圧力範囲で高い分解性能を発揮することができる。

図６は、本発明の第２実施例によるプラズマ反応器の断面図である。

図６を参照すれば、第２実施例のプラズマ反応器２２０は、対向部３２２の上面中央に突出部３２５が形成されたことを除いて、上述した第１実施例と同一の構成からなる。第１実施例と同一の部材については同一の図面符号を用い、以下では、第１実施例と異なる構成について主に説明する。

突出部３２５は、絶縁体２０に向かう対向部３２２の上面中央に位置し、対向部３２２より小さい直径で形成される。突出部３２５の厚さは、対向部３２２の厚さより大きくてもよいし、突出部３２５全体が第２接地電極３２の内壁と離隔し、工程ガスが排出されるようにする。

第２実施例のプラズマ反応器２２０において、シース領域は絶縁体２０に向かう突出部３２５の上面に形成され、上述した第１実施例に比べて、駆動電極４０と対向部３２２との間の放電パスを短縮させて、突出部上により強いプラズマを生成することができる。

図７は、本発明の第３実施例によるプラズマ反応器の断面図である。

図７を参照すれば、第３実施例のプラズマ反応器２３０は、対向部３２２を囲む拡張部がパーティクル捕集箱３２６として機能しながら、対向部３２２が支持部３２７によって第２接地電極３２に連結されることを除いて、上述した第１実施例と同一の構成からなる。第１実施例と同一の部材については同一の図面符号を用い、以下では、第１実施例と異なる構成について主に説明する。

支持部３２７は、パーティクル捕集箱３２６の内部で対向部３２２の下面と第２接地電極３２とを連結し、支持部３２７によって、対向部３２２は定められた位置を維持しながら第２接地電極３２と通電する。

支持部３２７は、第２接地電極３２と同一の直径を有する管状に形成され、工程ガスを排出するための少なくとも１つの開口部３２７ａを形成する。支持部３２７の円周方向および長さ方向に沿って複数の開口部が形成されるか、支持部３２７の円周方向または長さ方向に沿ってスリット状の開口部が長く形成されてもよい。

対向部３２２上のシース領域を通過した工程ガスは、パーティクル捕集箱３２６の内部に移動する。この時、工程ガスに含まれている粒子副産物はパーティクル捕集箱３２６に積もり、残りの工程ガスは支持部３２７の開口部３２７ａを通過して真空ポンプ１２に流入する。第３実施例のプラズマ反応器２３０では、真空ポンプ１２に流入する粒子副産物の量を減らすことで、真空ポンプ１２の寿命を伸ばすことができる。

図８は、本発明の第４実施例によるプラズマ反応器の断面図である。

図８を参照すれば、第４実施例のプラズマ反応器２４０は、対向部３２２を囲む拡張部がパーティクル捕集箱３２６として機能しながら、第２接地電極３２がパーティクル捕集箱３２６を挟んで交差する２つの管部３２８、３２９から構成されることを除いて、上述した第１実施例と同一の構成からなる。第１実施例と同一の部材については同一の図面符号を用い、以下では、第１実施例と異なる構成について主に説明する。

パーティクル捕集箱３２６は、漏斗状の底部３２６ａを備えてもよい。第２接地電極３２は、絶縁体２０の後端およびパーティクル捕集箱３２６の上面に連結される第１管部３２８と、パーティクル捕集箱３２６の側面および真空ポンプ１２に連結される第２管部３２９とから構成される。対向部３２２は、少なくとも１つの連結部によってパーティクル捕集箱３２６の内部に固定され、定められた位置を維持しながら第２接地電極３２と通電する。

対向部３２２上のシース領域を通過した工程ガスは、パーティクル捕集箱３２６の内部に移動する。工程ガスに含まれている粒子副産物はパーティクル捕集箱３２６の底部３２６ａに積もり、残りの工程ガスは第２管部３２９を通過して真空ポンプ１２に流入する。

図９は、本発明の第５実施例によるプラズマ反応器の断面図である。

図９を参照すれば、第５実施例のプラズマ反応器２５０は、第２接地電極３２が互いに交差する２つの管部３２８、３２９から構成されたことを除いて、上述した第１実施例と類似の構成からなる。第１実施例と同一の部材については同一の図面符号を用い、以下では、第１実施例と異なる構成について主に説明する。

第２接地電極３２は、絶縁体２０の後端に連結される第１管部３２８と、第１管部３２８と交差する（例えば直交する）第２管部３２９とから構成される。可変直径部３２１は第１管部３２８に位置し、第２管部３２９は真空ポンプ１２に連結される。

第１管部３２８と第２管部３２９とが交差することにより、第２管部３２９の一部が工程ガスの移送方向（矢印方向）に沿って絶縁体２０の内部中心に対向する。つまり、第１管部３２８の内側に対向し、工程ガスがぶつかる第２管部３２９の一部が対向部３２２を構成する。

工程ガスに含まれている汚染物質は、プラズマ反応器２５０の内部を通過しながら大部分が分解除去され、プラズマ反応器２５０の中心部を通過しながら分解が完全に行われていない汚染物質は、対向部３２２上のシース領域を通過しながら完全に分解除去される。汚染物質が除去された工程ガスは、第２管部３２９を介して横方向に流されて真空ポンプ１２に流入する。

第２管部３２９は、第１管部３２８から直接曲がるのではなく、第１管部３２８と交差する部分に先の塞がれた長さ拡張部３２９ａを備えることができる。プラズマ反応器２５０は、長さ拡張部３２９ａによって対向部３２２上のシース領域を拡張させることができ、その結果、汚染物質の分解率を高めることができる。

第５実施例のプラズマ反応器２５０では、第２接地電極３２の内部に別途の対向部が備えられず、第２接地電極３２の一部が対向部３２２として機能する。したがって、上述した第１〜第４実施例に比べて、第２接地電極３２の構造を単純化することができ、作製を容易にすることができる。

図１０Ａおよび図１０Ｂは、本発明の第６実施例によるプラズマ反応器の断面図である。

図１０Ａおよび図１０Ｂを参照すれば、第６実施例のプラズマ反応器２６０は、絶縁体２０に向かう対向部３２２の上面に突出部３２５が形成されたことを除いて、上述した第５実施例と同一の構成からなる。第５実施例と同一の部材については同一の図面符号を用い、以下では、第５実施例と異なる構成について主に説明する。

突出部３２５は、第１管部３２８の内径より大きい直径で形成されてもよく（図１０Ａ）、この場合、突出部３２５は、第２管部３２９の内径より小さい厚さで形成され、第２管部３２９に工程ガスが排出されるようにする。他方、突出部３２５は、第１管部３２８の内径より小さい直径で形成されてもよく（図１０Ｂ）、この場合、突出部３２５は、第２管部３２９の内径より大きい厚さで形成されても構わない。

プラズマ反応器２６０の作動過程において、シース領域は突出部３２５の上面に形成され、上述した第５実施例に比べて、駆動電極４０と対向部３２２との間の放電パスを短縮させて、突出部３２５上により強いプラズマを生成することができる。

図１１は、本発明の第７実施例によるプラズマ反応器を含む工程設備の構成図である。

図１１の工程設備は、半導体、ディスプレイ、太陽電池などの製造のための低圧工程設備であってよい。

図１１を参照すれば、工程設備２００は、エッチング、蒸着、洗浄などの作業が行われる工程チャンバ１１と、配管１３を介して工程チャンバ１１に連結され、工程チャンバ１１で使用された工程ガスを排出させる真空ポンプ１２と、工程チャンバ１１と真空ポンプ１２との間に設けられるプラズマ反応器２７０とを含む。プラズマ反応器２７０は、配管１３を接地電極として用いることができる。

プラズマ反応器２７０は、真空ポンプ１２の前方に位置し、その内部は工程チャンバ１１のような低圧状態を維持する。ここで、低圧は、約０．１Ｔｏｒｒ〜１０Ｔｏｒｒの範囲に属する圧力を意味するが、前述した範囲に限定されない。

プラズマ反応器２７０は、その内部に２種類の反応ガスを分けて注入する２つの注入部２１、２２を含むことができる。反応ガスは、アルゴン、ヘリウム、窒素などのキャリアガスとともに、プラズマ反応器２７０の内部に注入される。

プラズマ反応器２７０は、その内部に低圧のプラズマを生成して、工程ガスに含まれている各種有害物質または汚染物質（温室ガス、未分解前駆体、粒子副産物など）を分解する。分解された成分は反応ガスと化学結合して、無害の元素に変化する。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、有害物質の分解された成分と反応ガスとの間の化学反応を促進させる。

次に説明する第７〜第９実施例のプラズマ反応器は、容量性結合プラズマ（ｃａｐａｃｉｔｉｖｅｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ ｐｌａｓｍａ）方式でプラズマを発生させ、交流（ＡＣ）または高周波（ＲＦ）電源部を備え、放電効率を高めるための電極構造を有する。また、水蒸気（Ｈ_２Ｏ）の代わりに２種類の反応ガス（酸素と水素、または酸素と炭化水素）を分けて注入することにより、有害物質の分解率を高める構造を有する。

図１２〜図１７を参照して、第７〜第９実施例によるプラズマ反応器の細部構造および作用について説明する。

図１２は、本発明の第７実施例によるプラズマ反応器の断面図である。

図１２を参照すれば、第７実施例のプラズマ反応器２７０は、内部に工程ガスの通過する管状の絶縁体２０と、工程チャンバ１１に向かう絶縁体２０の前端に連結される第１接地電極３１と、真空ポンプ１２に向かう絶縁体２０の後端に連結される第２接地電極３２と、絶縁体２０の外面に固定する駆動電極４０とを含む。駆動電極４０は、電源部４１と連結されて交流（ＡＣ）または高周波（ＲＦ）電圧を受ける。

第１接地電極３１は、工程チャンバ１１と絶縁体２０とを連結する配管であってもよく、第２接地電極３２は、絶縁体２０と真空ポンプ１２とを連結する配管であってもよい。つまり、配管が接地されて、第１接地電極３１および第２接地電極３２として機能することができる。第１接地電極３１は、第１反応ガス注入のための第１注入部２１と、第２反応ガス注入のための第２注入部２２とを形成する。

絶縁体２０と駆動電極４０は、一定の直径を有する円筒状に形成され、駆動電極４０は、絶縁体２０より小さい長さで形成され、工程ガスの流れ方向に沿って第１および第２接地電極３１、３２と所定の距離をおいて離隔する。絶縁体２０は、アルミナ、ガラス、石英などの誘電体で製造されてもよく、駆動電極４０と第１および第２接地電極３１、３２は、ステンレス鋼などの金属で製造されてもよい。

工程ガスは、第１接地電極３１と絶縁体２０および第２接地電極３２の内部を順次に通過する。第１接地電極３１と絶縁体２０および第２接地電極３２が一方向に延びる管を形成することにより、プラズマ反応器２７０は、半導体、ディスプレイ、太陽電池などの製造ラインにすでに設けられた工程チャンバ１１と真空ポンプ１２との間の配管１３に容易に設けられる。

第１接地電極３１と第２接地電極３２は、可変直径部３１１、３２１を含むことができる。第１および第２接地電極３１、３２の可変直径部３１１、３２１は、絶縁体２０に近づくほど大きくなる直径を有し、一定の割合で変化する直径を有してもよい。２つの可変直径部３１１、３２１は、同じ長さと同じ傾きで形成されてもよい。

可変直径部３１１、３２１は、絶縁体２０と直接接するか、絶縁体２０と所定の距離をおいて離隔してもよい。図１２では、可変直径部３１１、３２１が絶縁体２０と直接接する場合を例として示した。可変直径部３１１、３２１を除いた第１および第２接地電極３１、３２の残りの部分は、均一な直径で形成されてもよい。

駆動電極４０は、電源部４１と連結されて交流（ＡＣ）または高周波（ＲＦ）電圧を受ける。駆動電圧は、数ｋＨｚ〜数十ＭＨｚの周波数を有することができ、正の値と負の値が周期的に変化する四角波形、三角波形、または正弦（ｓｉｎｅ）波形などが適用可能である。

駆動電極４０に駆動電圧を印加すると、駆動電極４０と第１および第２接地電極３１、３２との電圧差によって、プラズマ反応器２７０の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高い時に発生する。この時、絶縁体２０は誘電体でもあるので、放電電流は、時間に応じて増加し続けて、絶縁体２０の表面に壁電荷の積もる量が多くなるにつれて減少する。

つまり、放電開始後、放電電流の上昇に伴い、プラズマ内部の空間電荷が絶縁体２０の表面に積もって壁電荷が生成され、絶縁体２０の壁電圧によって時間の経過とともに放電が弱くなる。プラズマ放電は、印加電圧が維持されてい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１１から排出された汚染物質を除去する。

この過程で、第１および第２接地電極３１、３２が可変直径部３１１、３２１を含んでいるため、プラズマ放電が誘導される時に放電パスが短縮される。つまり、第１および第２接地電極３１、３２の可変直径部３１１、３２１が一部の対向放電と類似の効果を誘発する。したがって、同一の消費電力でより強いプラズマが生成されるため、プラズマ放電効率を高める。図１２にプラズマ発生領域を表した。プラズマは、第１接地電極３１と絶縁体２０および第２接地電極３２の内部にわたって長く形成される。

また、第１接地電極３１は、水蒸気（Ｈ_２Ｏ）を投入する従来の構造とは異なり、第１反応ガスを注入する第１注入部２１と、第２反応ガスを注入する第２注入部２２とを別途に形成する。第１反応ガスおよび第２反応ガスのうちのいずれか１つは酸素（Ｏ_２）であり、他の１つは水素（Ｈ_２）または炭化水素（ＣｘＨｙ）である。炭化水素は、例えば、メタン（ＣＨ_４）であってもよい。

第１反応ガスと第２反応ガスは、プラズマを用いた有害物質の分解過程で温室ガスを安定化させる酸素ラジカルと水素ラジカルの供給源として機能する。この時、第１注入部２１と第２注入部２２は、工程ガスの流れ方向に沿って互いに距離をおいて位置する。例えば、第１注入部２１は、プラズマ発生領域の外側に位置し、第２注入部２２は、プラズマ発生領域に位置してもよい。

したがって、第１反応ガスと第２反応ガスは、プラズマの内部に留まる時間に差が生じ、これは、プラズマによって解離する時間の差と一致する。つまり、第１注入部２１に投入された第１反応ガスはプラズマによって先に解離し、解離した状態で、第２注入部２２に投入された第２反応ガスと混合される。

具体的には、第１注入部２１に酸素が投入される場合、投入された酸素（Ｏ_２）はプラズマによって２つの酸素原子に解離し、解離した酸素原子は第２注入部２２の位置で水素（Ｈ_２）と反応しても爆発の危険がない。同様に、第１注入部２１に水素が投入される場合、投入された水素（Ｈ_２）はプラズマによって２つの水素原子に解離し、解離した水素原子は第２注入部２２の位置で酸素（Ｏ_２）と反応しても爆発の危険がない。

このように、第７実施例のプラズマ反応器２７０は、２つの注入部２１、２２を互いに異なる位置に配置することにより、第１反応ガスと第２反応ガスの反応による爆発を防止することができる。そして、酸素と水素、または酸素と炭化水素をそれぞれ注入する方式は、水蒸気を使用する方式に比べて、温室ガスの分解率が高い。

図１３は、反応ガスの種類に応じた四フッ化炭素（ＣＦ_４）の分解率を示すグラフである。四フッ化炭素（ＣＦ_４）は温室ガスの一種類であり、グラフの出所はＡ．Ｈｕａｎｇ ｅｔ ａｌ．“Ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｇｌｏｗ−ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ａｎｄ ａｒｃ ｐｌａｓｍａｓ ｆｏｒ ＣＦ４ ａｂａｔｅｍｅｎｔ”，Ｒｅｓ．Ｃｈｅｍ．Ｉｎｔｅｒｍｅｄ．，Ｖｏｌ．２７，Ｎｏ．９，ｐｐ．９５７−９７４（２００１）の論文である。

反応ガスとして水蒸気（Ｈ_２Ｏ）を投入した場合より、酸素（Ｏ_２）とメタン（ＣＨ_４）をそれぞれ投入した場合、ＣＦ_４の分解率が高く、酸素（Ｏ_２）と水素（Ｈ_２）をそれぞれ投入した場合、ＣＦ_４の分解率は、先に説明した２つの場合よりはるかに高いことを確認することができる。特に、酸素（Ｏ_２）と水素（Ｈ_２）をそれぞれ投入した場合は、反応初期を除いて、８０％以上の高い分解率を示す。反応ガスの種類に応じたＣＦ_４の分解率は、（Ｈ_２＋Ｏ_２）＞（ＣＨ_４＋Ｏ_２）＞（Ｈ_２Ｏ）でまとめることができる。

このように、第７実施例のプラズマ反応器２７０は、酸素供給源と水素（または炭化水素）供給源を別に備え、２つの注入部２１、２２を介して２種類の反応ガスを分けて注入することにより、工程ガスに含まれている有害物質の分解率を効果的に高めることができる。これとともに、酸素と水素（または炭化水素）の解離時間に差をおくことで、爆発限界を避けられるため、工程の安全性を確保することができる。

図１４は、本発明の第８実施例によるプラズマ反応器を示す断面図であり、図１５は、図１４に示したプラズマ反応器の作動状態を示す概略図である。

図１４および図１５を参照すれば、第８実施例のプラズマ反応器２８０は、内部の中心領域を通過する汚染物質の分解率を高めるための追加構造を有する。第２接地電極３２を除いた残りの構成はすべて第７実施例と同一であり、第７実施例と同一の部材については同一の図面符号を用いる。

第８実施例において、第２接地電極３２は、工程ガスの移送方向に沿って絶縁体２０の内部中心に対向する対向部３２２を備える。つまり、対向部３２２は、第２接地電極３２の内部で工程ガスの排出経路を横切るように設けられる。この時、対向部３２２と第２接地電極３２の内壁との間に所定の空間が提供され、工程ガスが排出される。

対向部３２２は、円板状に形成され、少なくとも１つの連結部３２３（図３参照）を介して第２接地電極３２の内壁に固定され、定められた位置を維持しながら第２接地電極３２と通電する。第２接地電極３２は、対向部３２２の周囲に拡張部３２４を形成して、対向部３２２の直径を拡大させることができる。拡張部３２４は、第２接地電極３２において直径の最も大きい部分であり、対向部３２２の直径は、可変直径部３２１と拡張部３２４との間の第２接地電極３２の直径より大きくてもよい。

第２接地電極３２が対向部３２２を備えることにより、駆動電極４０と第１および第２接地電極３１、３２との間だけでなく、駆動電極４０と対向部３２２との間にもプラズマ放電が起こる。したがって、対向部３２２上に第２接地電極３２の内部中心に強いプラズマが生成される。

プラズマ反応器２８０の内部で、プラズマは、シース（ｓｈｅａｔｈ）領域（図１５のＡ領域）と、陽光柱（ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｃｏｌｕｍｎ）領域（図１５のＢ領域）とを含み、シース領域は、陽光柱領域とプラズマ反応器２８０の内部表面との間に位置する。圧力の上昇に伴い、シース領域は小さくなり、陽光柱領域は拡大する。大部分の電力はシース領域で消耗するので、シース領域で汚染物質の分解率が高く、陽光柱領域で汚染物質の分解率が低い。

対向部３２２がないプラズマ反応器の構造では、圧力の上昇に伴い、陽光柱領域が拡大するので、汚染物質の分解率が低下する。したがって、高い圧力条件でプラズマ反応器の中心部を通過する汚染物質は分解されず、そのまま真空ポンプに流入し得る。

第８実施例のプラズマ反応器２８０では、絶縁体２０に向かう対向部３２２の一面（図面を基準として上面）にシース領域が形成される。したがって、プラズマ反応器２８０の上流領域からプラズマ反応器２８０の中心部を通過しながら分解が完全に行われていない有害物質は、対向部３２２上のシース領域を通過しながらシース領域に強く形成されたプラズマによって完全に分解される。

つまり、プラズマ反応器２８０の中心部だけを通過する有害物質は陽光柱領域だけを通過するので分解がよく行われないが、対向部３２２上を通過しながら対向部３２２上のシース領域で分解および除去される。したがって、第８実施例のプラズマ反応器２８０は、高い圧力でも有害物質の分解率を高めることができ、分解率の圧力依存性を低下させることで、より広い圧力範囲で高い分解性能を発揮することができる。

図１６は、本発明の第９実施例によるプラズマ反応器の断面図である。

図１６を参照すれば、第９実施例のプラズマ反応器２９０は、対向部３２２を囲む拡張部がパーティクル捕集箱３２６として機能しながら、対向部３２２が支持部３２７によって第２接地電極３２に連結されることを除いて、上述した第８実施例と同一の構成からなる。第８実施例と同一の部材については同一の図面符号を用いる。

支持部３２７は、パーティクル捕集箱３２６の内部で対向部３２２の下面と第２接地電極３２とを連結し、支持部３２７によって、対向部３２２は定められた位置を維持しながら第２接地電極３２と通電する。支持部３２７は、第２接地電極３２と同一の直径を有する管状に形成され、工程ガスを排出するための少なくとも１つの開口部３２７ａを形成する。

対向部３２２上のシース領域を通過した工程ガスは、パーティクル捕集箱３２６の内部に移動する。この時、工程ガスに含まれている粒子副産物はパーティクル捕集箱３２６に積もり、残りの工程ガスは支持部３２７の開口部３２７ａを通過して真空ポンプ１２に流入する。第９実施例の構造では、真空ポンプ１２に流入する粒子副産物の量を減らすことで、真空ポンプ１２の寿命を伸ばすことができる。

以上、本発明の好ましい実施例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。

１００、２００：工程設備
１１：工程チャンバ
１２：真空ポンプ
１３：配管
２１０、２２０、２３０、２４０、２５０、２６０、２７０、２８０、２９０：プラズマ反応器
２１：第１注入部
２２：第２注入部
２０：絶縁体
３０：接地電極部
３１：第１接地電極
３２：第２接地電極
３２２：対向部
４０：駆動電極
４１：電源部

Claims (13)

1. 工程チャンバから真空ポンプに向かう工程ガスの排出経路上に設けられ、工程ガスに含まれている汚染物質を除去するプラズマ反応器であって、
   内部に前記工程ガスの通過する管状の絶縁体と、
   前記工程チャンバに向かう前記絶縁体の前端に連結される第１接地電極と、
   前記真空ポンプに向かう前記絶縁体の後端に連結され、前記工程ガスの移送方向に沿って前記絶縁体の内部中心に対向する対向部を備える第２接地電極と、
   前記絶縁体の外面に固定され、電源部と連結されて交流（ＡＣ）または高周波（ＲＦ）電圧を受ける駆動電極とを含み、
   前記対向部は、前記第２接地電極と通電し、前記第２接地電極の内壁と離隔して前記工程ガスの排出経路を横切る板状に形成され、
   前記第２接地電極の内壁と前記対向部との間に空間が提供され、前記工程ガスを排出することを特徴とする、汚染物質除去用プラズマ反応器。
2. 前記対向部は、少なくとも１つの連結部を介して前記第２接地電極の内壁に固定されることを特徴とする、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２接地電極は、前記対向部の周囲に拡張部を形成し、
   前記対向部は、前記拡張部を除いた前記第２接地電極の直径より大きい直径を有することを特徴とする、請求項１に記載の汚染物質除去用プラズマ反応器。
4. 前記絶縁体に向かう前記対向部の一面に突出部が形成されることを特徴とする、請求項１に記載の汚染物質除去用プラズマ反応器。
5. 前記拡張部は、パーティクル捕集箱として機能し、
   前記パーティクル捕集箱の内部で前記対向部の下面と前記第２接地電極との間に支持部が位置し、
   前記支持部は、前記工程ガスを排出するための少なくとも１つの開口部を形成することを特徴とする、請求項３に記載の汚染物質除去用プラズマ反応器。
6. 前記拡張部は、パーティクル捕集箱として機能し、底部を備え、
   前記第２接地電極は、前記パーティクル捕集箱を挟んで交差する第１管部および第２管部から構成されることを特徴とする、請求項３に記載の汚染物質除去用プラズマ反応器。
7. 工程チャンバから真空ポンプに向かう工程ガスの排出経路上に設けられ、工程ガスに含まれている汚染物質を除去するプラズマ反応器であって、
   内部に前記工程ガスの通過する管状の絶縁体と、
   前記工程チャンバに向かう前記絶縁体の前端に連結される第１接地電極と、
   前記真空ポンプに向かう前記絶縁体の後端に連結され、前記工程ガスの移送方向に沿って前記絶縁体の内部中心に対向する対向部を備える第２接地電極と、
   前記絶縁体の外面に固定され、電源部と連結されて交流（ＡＣ）または高周波（ＲＦ）電圧を受ける駆動電極とを含み、
   前記第２接地電極は、前記絶縁体の後端に連結される第１管部と、第１管部と交差する第２管部とから構成され、
   前記第１管部に沿って移送される前記工程ガスがぶつかる第２管部の内壁の一部が前記対向部として機能し、
   前記対向部の一面に前記第２接地電極と通電する突出部が形成されることを特徴とする、汚染物質除去用プラズマ反応器。
8. 前記第２管部は、前記第１管部と交差する部分に先の塞がれた長さ拡張部を備えることを特徴とする、請求項７に記載の汚染物質除去用プラズマ反応器。
9. 前記突出部の直径は、前記第１管部の内径より大きく形成され、
   前記突出部の厚さは、前記第２管部の内径より小さいことを特徴とする、請求項７に記載の汚染物質除去用プラズマ反応器。
10. 前記突出部の直径は、前記第１管部の内径より小さく形成され、
    前記突出部の厚さは、前記第２管部の内径より大きいことを特徴とする、請求項７に記載の汚染物質除去用プラズマ反応器。
11. 前記第１接地電極と前記第２接地電極は、前記絶縁体に近づくほど直径が大きくなる可変直径部を含み、
    前記対向部は、前記第２接地電極に備えられた前記可変直径部の後方に位置することを特徴とする、請求項１または７に記載の汚染物質除去用プラズマ反応器。
12. 前記第１接地電極は、その内部に反応ガスを注入する反応ガス注入部を形成することを特徴とする、請求項１または７に記載の汚染物質除去用プラズマ反応器。
13. 前記第１接地電極は、前記工程ガスの移送方向に沿って第１反応ガス注入のための第１注入部と、第２反応ガス注入のための第２注入部とを離隔配置して、第１反応ガスと第２反応ガスがプラズマの内部に留まる時間に差を持たせることを特徴とする、請求項１または７に記載の汚染物質除去用プラズマ反応器。

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