JP7065885B2 - プラズマ発生装置及びガス処理装置 - Google Patents

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Description

本発明は、プラズマ発生装置及びプラズマ発生装置を含むガス処理装置に関する。
一般に、有害ガス（例えば、ペルフルオロ化合物、クロロフルオロカーボン、ダイオキシン、又は同様のもの）を処理するためにプラズマを生成する方法は、ショック（衝撃）、スパーク放電、核反応、アーク放電、及び同様のものを含む。アーク放電では、アークは、２つの電極間の空間に高ＤＣ電圧を印加することによって発生させることができる。アークは、電極のうちの１つに位置決めされたアークスポットを含む。
不活性ガス、窒素又は同様のものなどのプラズマを生成することができるガスが、上述のアークを通過してかなりの高温にまで加熱されると、ガスはイオン化される。このようにして、様々な反応性粒子が形成され、１０００°Ｃ又はそれを上回る温度のプラズマが生成される。
１０００°Ｃ又はそれを上回る温度のプラズマに有害ガスを注入することで、有害ガスが分解される。
しかしながら、従来のプラズマ発生装置の動作において、アーク中のアークスポットの位置が大幅には変化しないために、電極を含む電極組立体の耐用年数が減少する。更に、従来のプラズマ発生装置が高電圧で動作すると、アークスポットがプラズマ発生装置の端部から逸脱する可能性があり、結果として、プラズマ状態が大きく不安定になる。
更に、従来のプラズマ発生装置を用いて、従来のガス処理装置を作動させて有害ガスを分解するときには、有害ガスが高温で処理されることに起因して、空気汚染物質のうちの１つとみなされる大量の窒素酸化物が生成される。
韓国特許出願公開第１０－２００８－０１０５３７７（２００８年１２月０４日公開）
上記のことを鑑みて、本開示の目的は、プラズマを安定状態に維持することができるプラズマ発生装置を提供することである。
本開示の別の目的は、電極組立体の摩耗を防止することにより、プラズマ発生装置の耐用年数を増大させる技術を提供することである。
本開示の別の目的は、窒素酸化物を効果的に低減することができるガス処理装置を提供することである。
本開示の１つの実施形態において、プラズマ発生装置は、カソードを含むカソード組立体と、プラズマ生成空間を有するアノードを含むアノード組立体と、磁力を発生するよう構成された１又は２以上の磁力発生器と、を備える。アノード組立体は、ガス供給通路が設けられた一方の端部と、開口を有する他方の端部とを有し、ガス供給通路は、プラズマ生成ガスをプラズマ生成空間に供給するよう構成される。ガス供給通路は、プラズマ生成空間においてプラズマ生成ガスの渦を生成するよう構成され、１又は２以上の磁力発生器は、磁力がプラズマ生成ガスの渦の回転方向とは反対方向に生成されるように構成される。
本開示の１つの実施形態において、ガス処理装置は、プラズマ発生装置と、プラズマ発生装置に接続され、プラズマによって外部から供給されるガスを処理するよう構成され、処理されたガスが窒素酸化物を含有する、反応チャンバと、反応チャンバに接続された窒素酸化物還元装置と、を備える。窒素酸化物還元装置は、処理されたガスを窒素酸化物生成温度よりも低い温度まで冷却するよう構成された冷却ユニットを含む。
本開示の１つの実施形態によるプラズマ発生装置は、プラズマ生成空間にて生成されたプラズマ生成ガスの渦の回転方向と反対の力を生成するように磁力発生器を構成することによって、プラズマを安定的に生成し、電極の耐用年数を増大させることができるという利点を提供する。
更に、本開示の実施形態によるプラズマ発生装置は、様々な材料を用いてガイド部材を具体化することにより、コストを低減しながら、電極の周囲のガイド部材の耐用年数を増大させるという利点を提供する。
本開示の実施形態によるガス処理装置は、冷却ユニットを用いてプラズマ処理ガスを窒素酸化物発生温度よりも低い温度まで急速に冷却することによって、有害ガスの処理効率を低下させることなく窒素酸化物を効果的に低減するという利点を提供する。
本開示の１つの実施形態によるプラズマ発生装置の概略図である。 図１のＩＩ－ＩＩ線に沿ったプラズマ発生装置の断面図である。 図１のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿ったプラズマ発生装置の別の断面図である。 図１のＩＶＡ－ＩＶＡ線に沿ったプラズマ発生装置の断面図である。 図１のＩＶＢ－ＩＶＢ線に沿ったプラズマ発生装置の断面図である。 本開示の１つの実施形態によるプラズマ発生装置のアノードアークスポットに加えられた力の方向を示す図である。 本開示の１つの実施形態によるプラズマ発生装置のアノードアークスポットに加えられた力の方向を示す図である。 本開示の別の実施形態によるプラズマ発生装置の概略図である。 本開示の更に別の実施形態によるプラズマ発生装置の概略図である。 本開示の１つの実施形態によるアノード組立体の構成を示す図である。 本開示の１つの実施形態によるガス処理装置の概略図である。 本開示の１つの実施形態による窒素酸化物還元装置を示す図である。 本開示の１つの実施形態によるガス供給リングを示す図である。 本開示の別の実施形態による窒素酸化物還元装置を示す図である。
本開示並びにこのようなことを成し遂げる方法の利点及び特徴は、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明から明確に理解されるであろう。しかしながら、実施形態は、様々な形態で実装することができるので、記載されるこれらの実施形態に限定されるものではない。本発明の実施形態は、本発明の完全な開示を実施するため、また当業者が全ての実施形態を認識できるようにするために提供される点を理解されたい。従って、実施形態は、添付の請求項の範囲によってのみ定義されるものとする。
本開示の実施形態の記載において、関連する既知の構成要素又は機能の詳細な説明が、本開示の要点を不必要に曖昧にすると判断される場合には、この詳細な説明は省略されることになる。更に、以下に記載される用語は、本開示の実施形態の機能を鑑みて定義され、ユーザ又はオペレータの意図又は実施に応じて異なる場合がある。従って、これらの用語は、本明細書全体を通じた内容に基づいて定義することができる。
図１は、本開示の１つの実施形態によるプラズマ発生装置を概略的に示している。プラズマ発生装置は、プラズマトーチとすることができる。
プラズマ発生装置は、印加される高電圧によってアーク放電を発生させるカソード組立体１００と、カソード組立体１００との間でアーク放電によって形成されるプラズマ生成空間Ｓにおいて１０００°Ｃ又はそれを上回る温度のプラズマを生成するアノード組立体２００と、プラズマ生成ガスをプラズマ生成空間Ｓに供給するガス導入管路（プラズマ生成ガス導入管路）３００と、プラズマ生成空間Ｓにおいて磁力を発生する磁力発生器２２０と、を有している。
カソード組立体１００について、以下で詳細に説明する。
カソード組立体１００は、下側部分にて高電圧が印加されるカソード１１０を有する。更にカソード組立体１００は、冷却水が流れる経路を有することができる。冷却水経路は、カソード１１０に延びて、カソード組立体１００の作動中に高温のカソード１１０を効果的に冷却することができる。従って、カソード１１０の摩耗を防ぐことができる。
好ましくは、カソード１１０は、トリウム又はイットリウムが添加されたハフニウム又はタングステンから作られる。しかしながら、カソード１１０は、別の金属を含有することができる。
図１に示すように、カソード組立体１００の一方の端部は、アノード組立体２００の外部に位置決めされ、カソード組立体１００の他方の端部（すなわち、カソード１００が設けられている側）は、アノード組立体２００のプラズマ生成空間Ｓに配置されてアノード組立体２００と結合される。
インシュレータ４００は、カソード組立体１００とアノード組立体２００との間に配置される。従って、カソード組立体１００及びアノード組立体２００は、互いに絶縁される。
次に、アノード組立体２００について、以下で詳細に説明する。
アノード組立体２００は、円筒形状で形成され、プラズマ生成空間Ｓが、カソード組立体１００のカソード１１０を囲みながら形成することができるようになる。アノード組立体２００は、アノード２１０を含み、カソード１１０に高電圧を印加することにより、アノード２１０とカソード１１０との間にプラズマを発生させるようにする。
換言すると、アノード組立体２００は、アノード組立体２００とカソード組立体１００との間のＤＣアーク放電によってプラズマが生成されるプラズマ生成空間Ｓを有する。カソード組立体１００のカソード１１０は、プラズマ生成空間Ｓの上側部分に位置決めされる。カソード組立体１００に高電圧が印加されることにより、カソード１１０とアノード２１０との間にＤＣアーク放電が生じる。
この時点では、アノード組立体２００の軸線Ｘ１は、カソード組立体１００の軸線と一致することができる。
外部プラズマ生成ガス供給ユニット（図示せず）からプラズマ生成空間Ｓに延びるプラズマ生成ガス導入管路３００が、アノード組立体２００の一方の端部（すなわち、上流側端部）に設けられる。開口２３０が、アノード組立体２００の他方の端部（すなわち、下流側端部）に設けられる。開口２３０は、「トーチ出口」と呼ぶことができる。プラズマフレームは、開口２３０を通じて放電される。
プラズマ生成ガス導入管路３００は、プラズマ生成空間Ｓと連通するよう構成される。
プラズマ生成ガス、例えば、アルゴン、窒素、ヘリウム、水素、酸素、蒸気、アンモニア、並びにこれらのガスの一部の混合物からなるグループから選択されたものは、プラズマ生成ガス導入管路３００を通じてプラズマ生成空間Ｓに導入される。その結果、プラズマ生成ガスは、プラズマ生成空間Ｓにおいて生じたアーク放電によってイオン化され、これによりプラズマが発生する。
プラズマ生成ガス導入管路３００は、入口経路３１０、分配スペース３２０、及び複数のガス供給通路３３０を含む。入口経路３１０を通って分配スペース３２０に導入されたプラズマ生成ガスは、アノード２１０の円周方向に沿って形成された分配スペース３２０おいて分配され、次いで、ガス供給通路３３０を通ってプラズマ生成空間Ｓに供給することができる。
この時点では、ガス供給通路３３０は、アノード組立体２００の軸線Ｘ１の半径方向に対して平行に、又は傾斜して形成される。図２及び３では、ガス供給通路３３０がアノード組立体２００の軸線Ｘ１の半径方向に対して所定の角度、例えば、鋭角（９０度よりも小さい角度）で傾斜していることが示されている。この構成では、プラズマ生成ガスは、渦又は螺旋流を発生しながら、プラズマ生成空間Ｓに均一に導入することができる。
図２及び図３は、アノード組立体２００の開口２３０からプラズマ生成ガス導入管路３００に向かって見たとき（すなわち、アノード組立体２００の底部から見たとき）の図１の「ＩＩ（ＩＩＩ）－ＩＩ（ＩＩＩ）」線に沿った断面図である。
図２において、プラズマ生成ガスは、傾斜したガス供給通路３３０によって反時計回り方向で回転しながらプラズマ生成空間Ｓに導入される。図３において、プラズマ生成ガスは、図２に示したのとは異なる角度で傾斜したガス供給通路３３０によって時計回り方向で回転しながらプラズマ生成空間Ｓに導入される。
更に、ガス供給通路３３０は、アノード組立体２００の軸線Ｘ１の方向に対して傾斜することができる。換言すると、ガス供給通路３３０は、図２及び３に例示される所定の角度で水平方向に傾斜することができ、又は所定の角度で垂直方向に傾斜することができ、或いは、所定の角度で水平方向及び垂直方向に傾斜することができる。
ガス供給通路３３０の出口が、カソード組立体１００、特にカソード１１０に面する位置にて形成されると、プラズマ生成ガスは、カソード組立体１００の回りに回転するように導入される。従って、プラズマは、プラズマ生成空間Ｓにおいて均一に生成することができる。
アノード組立体２００は、該アノード組立体２００の下側端部から延びるプラズマ保持部（図示せず）を有することができる。プラズマ保持部は、カソード１１０とアノード２１０との間に生成されたプラズマを安定状態に維持する。アノード組立体２００がプラズマ保持部を有するときには、プラズマ生成空間Ｓは、プラズマ保持部の内側空間にまで延長される。プラズマ保持部の内側空間にアークを生じさせることができることにより、プラズマは、軸方向で長さを増大させ、水平方向で直径を増大させることができる。プラズマ保持部の内側空間は、発生したプラズマを安定状態に維持して下向きに誘導できる限りは、例えば、内径が、プラズマ保持部の下側部分に向かって階段状の部分を有して漸次的に増大する形状、又はプラズマ生成空間Ｓの内径が、プラズマ保持部の下側部分に向かって連続的に増大する形状を有することができる。
次に、磁力発生器２２０について、以下で詳細に説明する。
磁力発生器２２０は、アノード組立体２００の内部又は外部に設けられる。磁力を発生する磁力発生器２２０は、永久磁石又は電磁石とすることができる。
更に、磁力発生器２２０は、アノード組立体２００の軸線Ｘ１の方向に対して半径方向に 配置された複数の永久磁石又は電磁石を含むことができ、或いは、単一のリング形永久磁石又は電磁石を含むことができる。
図４Ａは、磁力発生器２２０がアノード組立体２００に埋め込まれ且つアノード組立体２００の軸線Ｘ１の方向に対して半径方向に配置された複数の永久磁石２２０Ａを含むことを示した、図１の「ＩＶＡ－ＩＶＡ」線に沿ったプラズマ発生装置の断面図である。図４Ａにおいて、磁力発生器２２０は、６つの永久磁石２２０Ａを含む。しかしながら、永久磁石２２０Ａの数は、６つに限定されず、６つよりも少なくても、又は６つよりも多くてもよい。
図４Ｂは、磁力発生器２２０が、アノード組立体２００に埋め込まれた単一の永久磁石２２０Ｂを含むことを示した、図１の「ＩＶＢＢ－ＩＶＢ」線に沿った別のプラズマ発生装置の断面図である。永久磁石２２０Ｂの軸線は、アノード組立体２００の軸線Ｘ１と一致することができる。
図７は、アノード組立体２００の軸線Ｘ１の方向に対して半径方向に配置された複数の永久磁石２２１、２２２、２２３がアノード組立体２００の内部で複数のレベルに設けられていることを示した、本開示の別の実施形態によるプラズマ発生装置を概略的に示している。
図８は、アノード組立体２００の軸線Ｘ１の方向に対して半径方向に配置された複数の永久磁石２２４、２２５がアノード組立体２００の外部で複数のレベルに設けられていることを示した、本開示の更に別の実施形態によるプラズマ発生装置を概略的に示している。アノード組立体２００の外部に設けられた磁力発生器２２０は、アノード組立体２００の軸線Ｘ１に平行な方向及びアノード組立体２００の軸線Ｘ１に垂直な方向で移動可能である。
本開示の実施形態は、磁力発生器２２０の構成を制御することにより、プラズマ生成空間Ｓにて発生されたアークのアノードアークスポットに力を加えることで安定性及び耐久性を改善することができるプラズマ発生装置を提供することを意図している。ここで、図５に関して詳細に説明する。
図５は、本開示の１つの実施形態による、カソード組立体１００及びアノード組立体２００の部分的構成を示す。カソード組立体１００及びアノード組立体２００に高電圧が印加されると、プラズマ生成空間Ｓにおいてカソード１１０とアノード２１０との間にアーク５００が生じ、アーク５００の一部であるアノードアークスポットＰがアノード２１０上に位置決めされる。
この時点で、プラズマ生成ガスがプラズマ生成ガス導入管路３００を通じてプラズマ生成空間Ｓに導入されると、プラズマ生成ガスの流れにより、アノードアークスポットＰの位置が変化する。例えば、プラズマ生成ガスが、プラズマ生成ガス導入管路３００に向けてアノード組立体２００の開口２３０から見たとき（すなわち、アノード組立体２００の底部から見たとき）に反時計回り方向（図２を参照）に導入されると、アノードアークスポットＰは、プラズマ生成ガスにより反時計回り方向に回転される。図５において、プラズマ生成ガスの渦の方向が「ｇ」で示されている。
プラズマ発生装置が高電圧で動作すると、アノードアークスポットＰは、アノード組立体２００の開口２３０付近に位置決めされる。プラズマ生成ガスの渦に起因して、アノードアークスポットＰは、アノード組立体２００の端部から逸脱することができる。その場合、プラズマは、大きく不安定になる。プラズマを安定状態に維持するためには、電流を増大させるか、低電圧でプラズマ発生装置を動作させることが必要とされる。しかしながら、本開示の実施形態によれば、電流を増大させるか又は低電圧でプラズマ発生装置を動作させることなく、アノードアークスポットＰがアノード組立体２００の端部から逸脱するのを阻止することが意図される。このため、磁力発生器２２０は、プラズマ生成ガスの回転方向ｇとは反対方向にアノードアークスポットＰに力が加えられるように構成することが必要である。
図５において、磁力発生器２２０は、磁力発生器２２０の両極性がアノード組立体２００の軸線Ｘ１の方向で互いに反対になるように配列される。図５では、プラズマ生成ガスは、上述のように反時計回り方向で導入される。この時点では、磁力発生器２２０のＮ極は、アノード組立体２００の開口２３０に向けて（すなわち、アノード組立体２００の下側部分に向けて）配向され、磁力発生器２２０のＳ極は、カソード１１０に向けて（すなわち、アノード組立体２００の上側部分に向けて）配向される。
磁力発生器２２０のこの構成に関して、アノード組立体２００の底部から上部に向けられた磁場Ｂは、プラズマ生成空間Ｓにて誘起される。電流は、アノード２１０からカソード１１０に向けて流れ、アノードアークスポットＰの位置近傍では、電流Ｉは、アノード２１０の内壁からアノード組立体２００の軸線Ｘ１に向けて流れる。その場合、フレミングの左手の法則によれば、力Ｆは、アノードアークスポットＰの位置にてグラウンドに向かう方向で生成される。換言すると、プラズマ生成ガスの回転方向ｇが反時計回り方向であるときには、磁力発生器２２０のＮ極は、アノード組立体２００の開口２３０に向かって配向され、アノードアークスポットＰに対して時計回り方向の力Ｆを加えるようにする。この時点では、時計回り方向の力Ｆは、アノード組立体２００の底部から上部に向けられる成分を含むことができる。
従って、プラズマ発生装置が高電圧で動作するときでも、アノードアークスポットＰは、アノード組立体２００の端部から逸脱することはなく、更に、プラズマは、プラズマ生成空間Ｓにて安定的に発生することができる。加えて、磁力発生器２２０により誘起された磁場Ｂにより発生した力によってアノードアークスポットＰを移動させることにより、アノード組立体２００の特定の部分にてアークが集中したときに生じるアノード組立体２００の摩耗及び損失を回避することができる。結果として、アノード組立体２００の耐用年数を延長することができる。
図６は、プラズマ生成ガスの回転方向が図５に示すのとは異なることを示した、本開示の実施形態によるカソード組立体１００及びアノード組立体２００の部分的構成を示している。例えば、プラズマ生成ガスが、アノード組立体２００の開口２３０からプラズマ生成ガス導入管路３００に向かって見たとき（すなわち、アノード組立体２００の底部から上部に見たとき）に時計回り方向（図３を参照）に導入されると、アノードアークスポットＰは、プラズマ生成ガスにより時計回り方向に回転される。
この時点では、磁力発生器２２０のＳ極は、アノード組立体２００の開口２３０に向けて（すなわち、アノード組立体２００の下側部分に向けて）配向され、磁力発生器２２０のＮ極は、カソード１１０に向けて（すなわち、アノード組立体２００の上側部分に向けて）配向される。
磁力発生器２２０のこの構成に関して、アノード組立体２００の上部から底部に向けられた磁場Ｂは、プラズマ生成空間Ｓにて誘起される。電流は、アノード２１０からカソード１１０に向けて流れ、アノードアークスポットＰの位置近傍では、電流Ｉは、アノード２１０の内壁からアノード組立体２００の軸線Ｘ１に向けて流れる。その場合、フレミングの左手の法則によれば、力Ｆは、アノードアークスポットＰの位置にてグラウンドから上向きの方向で生成される。換言すると、プラズマ生成ガスの回転方向ｇが時計回り方向であるときには、磁力発生器２２０のＳ極は、アノード組立体２００の開口２３０に向かって配向され、アノードアークスポットＰに対して反時計回り方向の力Ｆを加えるようにする。この時点では、反時計回り方向の力Ｆは、アノード組立体２００の底部から上部に向けられる成分を含むことができる。
従って、プラズマ発生装置が高電圧で動作するときでも、プラズマが安定的に発生することができ、アノード組立体２００の耐用年数を延長することができる。
図５及び図６において、例として、単一の磁力発生器の両極性の構成が例示されている。図５及び図６に示す事例と同様に、図４Ａに示される複数の永久磁石２２０Ａの両極性、図７に示される複数の磁力発生器２２１～２２３の両極性、及び図８に示される複数の磁力発生器２２４、２２５の両極性はまた、プラズマ生成ガスの回転方向と反対の方向で力が発生するように構成することができる。同様に、図４Ｂに示すリング形永久磁石２２０Ｂは、その両極性がアノード組立体２００の軸線Ｘ１の方向で互いに反対方向となり、これによりプラズマ生成ガスの回転方向と反対の方向で力を生成するように磁化することができる。
図５及び図６において、磁力発生器２２０は、プラズマ生成ガスの回転方向ｇと反対方向に、力がアノードアークスポットＰに加えられるように構成される。しかしながら、磁力発生器２２０の構成は、これに限定されない。目的に応じて、磁力発生器２２０は、プラズマ生成ガスの回転方向ｇと同じ方向で力がアノードアークスポットＰに加えられるように構成されてもよい。例えば、プラズマ生成ガスが図５に示すように反時計回り方向で導入されるときには、磁力発生器２２０のＳ極は、アノード組立体２００の開口２３０に向かって配向することができ、磁力発生器２２０のＮ極は、カソード１１０に向かって配向することができる。この場合、アノード組立体２００の上部から底部に配向される磁場がプラズマ生成空間Ｓに誘起され、反時計回り方向の力が、アノードアークスポットＰに加えられる。プラズマ生成ガスが図６に示すように時計回り方向で導入されるときには、磁力発生器２２０のＮ極は、アノード組立体２００の開口２３０に向かって配向することができ、磁力発生器２２０のＳ極は、カソード１１０に向かって配向することができる。この場合、アノード組立体２００の上部から底部に配向される磁場がプラズマ生成空間Ｓに誘起され、時計回り方向の力が、アノードアークスポットＰに加えられる。
アノード組立体２００の耐用年数を延長するために、アノード組立体２００に含まれるガイド部材用に様々な材料を用いることができる。このことについて、図９を参照しながら詳細に説明する。
図９は、本開示の別の実施形態によるアノード組立体２０１の構成を示している。図９に示されるアノード組立体２０１は、図１のプラズマ発生装置においてアノード組立体２００の代わりに用いることができる。図１と図９において同じ構成要素についての冗長的な説明は省略する。
アノード組立体２０１は、カソード１１０に高電圧を印加することによってカソード１１０との間にプラズマを発生させるアノード２１０と、アノード２１０を囲むガイド部材２４０と、ガイド部材２４０を囲むハウジング２５０と、を含む。アノード２１０、ガイド部材２４０及びハウジング２５０は、円筒形状を有することができる。磁力発生器２２０は、ガイド部材２４０の内部に設けることができる。
ガイド部材２４０は、金属又はプラスチックから作ることができる。好ましくは、ガイド部材２４０は、プラスチックから作られる。ガイド部材２４０がプラスチックから作られるときには、磁力発生器２２０によって誘起された磁場が変化しないようにすることができ、磁場に干渉又は影響を及ぼす可能性がある寄生電流の発生を防ぐことができる。更に、ガイド部材２４０がプラスチックから作られるときには、磁力発生器２２０には熱が伝達されず、従って、磁力発生器２２０の磁気特性が影響を受けない。
ガイド部材２４０は、上側部分（すなわち、図１のプラズマ生成ガス導入管路３００側）に設けられた第１のガイド２４１と、下側部分（すなわち、図１の開口２３０側）に設けられた第２のガイド２４２とを含む。第２のガイド２４２は、第１のガイド２４１よりも高い熱抵抗を有するプラスチックから作られる。第１のガイド部材２４１は、例えば、ＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）及びナイロンのうちの少なくとも１つなど、低い熱抵抗を有するプラスチックから作ることができる。第２のガイド部材は、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）及びＰＥＥＫ（ポリテトラフルオロエチレン）のうちの少なくとも１つなど、高い熱抵抗を有するプラスチックから作ることができる。開口２３０付近（すなわち、トーチ出口付近）のアノード組立体２０１は、アノード組立体２０１の他の部分よりも相対的に高い温度を有する。しかしながら、ガイド部材２４０用にこれらの材料を用いることにより、高コストを招くことなく、開口２３０付近のアノード組立体２０１の劣化又は溶融を阻止することができる。
磁力発生器２２０は、ガイド部材２４０の内部に設けることができる。この時点では、磁力発生器２２０は、第１のガイド２４１の内部に設けられた第１の磁力発生器２２６と、第２のガイド２４２の内部に設けられた第２の磁力発生器２２７とに分割することができる。第１のガイド２４１及び第２のガイド２４２は、スクリュー又は接着剤によって結合することができる。他方、第１のガイド２４１及び第２のガイド２４２は、第１の磁力発生器２２６及び第２の磁力発生器２２７の両極性によって生成された磁力によって結合することができる。
ハウジング２５０は、ステンレス鋼から作ることができる。クーラント経路２７０が、ハウジング２５０とガイド部材２４０との間及びガイド部材２４０とアノード２１０との間に形成される。クーラント供給源２６０から供給されたクーラント（例えば、冷却水）は、クーラント経路２７０を通って流れ、これによりアノード組立体２０１を冷却する。
より具体的には、クーラントは、ハウジング２５０とガイド部材２４０との間に形成されたクーラント経路２７０を通って下方に流れて、ガイド部材２４０の底面の下に形成されたクーラント経路２７０を通って流れ、次いで、ガイド部材２４０とアノード２１０との間に形成されたクーラント経路２７０を通って上方に流れる。
この時点で、フィン２８０が、ガイド部材２４０の底面の下に形成されたクーラント経路２７０に設けられる。フィン２８０は、クーラントをより効率的に循環させる。従って、比較的高温である、開口２３０付近（すなわち、トーチ出口付近）のアノード組立体２０１の温度は、効果的に低下させることができる。
上述のプラズマ発生装置は、ペルフルオロ化合物、クロロフルオロカーボン（フロン）、ヒドロフルオロカーボン、ヒドロクロロフルオロカーボン（代替フロン）、ダイオキシン、フラン、揮発性有機化合物、ポリ塩化ビフェニル、及びその化合物からなるグループから選択された材料を処理する装置とすることができる。
安定性及び耐久性が改善されたプラズマ発生装置の構成について説明してきた。
プラズマ発生装置を用いて有害ガスを分解する場合、有害ガスは、高温で処理され、これにより窒素酸化物を発生する可能性がある。詳細には、約８００°Ｃ又はそれを上回る高温では、酸素を含有する反応ガスとの反応によって生成されるサーマルＮＯｘの量が増大する。窒素酸化物は、酸性雨及び光化学スモッグを引き起こすので、これは主要な空気汚染物質の１つとみなされる。従って、窒素酸化物を低減することができる技術が必要とされる。
従来、窒素酸化物を処理するために触媒装置を使用していていた。しかしながら、これら触媒装置は、コスト効率がよくない。別の解決策として、窒素酸化物の生成を防ぐために、酸素含有材料の使用を回避してきた。しかしながら、酸素を含有しない材料を用いて有害ガスを分解する場合には、別の有毒物質又は他の副生成物が生成され、装置の内面上に堆積される。また、有害ガス処理効率が低下する。
上記の欠点を解消するために、本開示の１つの実施形態は、有害ガスの処理効率を低下させることなく窒素酸化物を効果的に低減することができる窒素酸化物還元装置、並びに窒素酸化物還元装置を含むガス処理装置を提供することを意図している。
以下では、窒素酸化物を低減することができる窒素酸化物還元装置を含むガス処理装置について、詳細に説明する。
図１０は、本開示の１つの実施形態によるガス処理装置を概略的に示す。ガス処理装置の一例として、プラズマスクラバーが例示されている。
半導体製造プロセスにおいて、ウェーハの表面をエッチング処理するのに、ＢＣｌ3，Ｃｌ2，Ｆ2，ＨＢｒ，ＨＣｌ，ＨＦ及び同様のものなどの酸性ガス並びにＣＦ4，ＣＨＦ3，Ｃ2Ｆ6，Ｃ3Ｆ8，Ｃ4Ｆ6，Ｃ4Ｆ8，Ｃ5Ｆ8，ＳＦ6及び同様のものなどのＰＦＣガスが使用される。ＣＶＤ（化学蒸着）プロセスにおいて、ウェーハ表面の堆積ステップでは、ＡｓＨ3，ＮＨ3，ＰＨ3，ＳｉＨ4，Ｓｉ2Ｈ2Ｃｌ2及び同様のものなどのガスが使用され、クリーニングステップでは、ＮＦ3，Ｃ2Ｆ6，Ｃ3Ｆ8及び同様のものなどのＰＦＣガスが使用される。これらのガスを処理するのに、プラズマスクラバーが使用される。
プラズマスクラバーは、反応チャンバ３０と、窒素酸化物還元装置（窒素酸化物還元チャンバ）４０とを含む。プラズマスクラバーは更に、プラズマトーチ１０、パイプ５０、水タンク６０、及び後処理ユニット７０を含むことができる。
プラズマトーチ１０は、高温でのエッチング及びＣＶＤプロセス後に生成されたガスを熱分解するためにプラズマ火炎を発生させるプラズマ発生装置である。図１～９を参照して記載されるプラズマ発生装置は、プラズマトーチ１０として用いることができる。
反応チャンバ３０は、プラズマトーチ１０に接続され、ガス供給管路２０を通って供給されるガスが高温プラズマによって熱分解されるスペースを提供する。反応チャンバの温度が約８００°Ｃ又はそれ以上に達すると、サーマルＮＯｘが大幅に生成される。サーマルＮＯｘの生成を抑制するために、窒素酸化物還元装置４０が反応チャンバ３０の後端に接続される。窒素酸化物還元装置４０について、以下で詳細に説明する。
パイプ５０は、窒素酸化物還元装置４０の後端に接続される。パイプ５０は、その側壁に水注入ノズル５１が形成されている。水注入ノズル５１は、微細ミスト状態で水を噴霧し、これにより反応チャンバ３０において処理されるガスを迅速に冷却する。
後処理ユニット７０は、水注入ノズルを用いて、水溶性又は酸性ガス及び分解後に生成された粒子材料を処理する。水タンク６０は、パイプ５０及び後処理ユニット７０から導入された水及び粒子材料を貯蔵及び排出するよう構成される。
以下では、窒素酸化物還元装置４０について、図１１を参照して詳細に説明する。窒素酸化物還元装置４０は、円筒ハウジング（管体）４７を含む。ハウジング４７の一方端にある開口は、反応チャンバ３０の後端に接続される。ハウジング４７の他方端にある開口は、パイプ５０の前端に接続される。反応チャンバ３０においてプラズマにより処理されるガスは、反応チャンバ３０、窒素酸化物還元装置４０、及び管路５０をこの順番に通って流れる。窒素酸化物還元装置４０は、反応チャンバ３０において処理されたガスを窒素酸化物の生成温度よりも低い温度まで急速に冷却するための冷却ユニットを含む。
図１１は、冷却ユニットの一例として複数のガス注入ノズル４４を示している。ガス注入ノズル４４は、ハウジング４７の軸線に対して半径方向に配列することができる。ガス注入ノズル４４は、ハウジング４７にて形成することができ、或いは、ハウジング４７における別個の部材であるガス供給リング４５にて形成することができる。ガス供給リング４５は、環状形状で形成され、窒素酸化物還元装置４０のハウジング４７の内部に位置付けることができる。
図１２は、複数のガス注入ノズル４４を有する環状ガス供給リング４５を示す。ガス注入ノズル４４は、ガス供給リング４５上で規則的な間隔で互いから離間して配置することができる。
低温ガスは、ガス注入ノズル４４を通じて窒素酸化物還元装置４０の内側スペースに注入される。この時点では、低温ガスとして反応性のない又は低反応性のガスが使用される。例えば、窒素ガス及びアルゴンガスのうちの少なくとも１つを含有する不活性ガスは、低温ガスとして用いることができる。
低温ガスの温度は、反応チャンバ３０において処理されたガスを窒素酸化物生成温度よりも低い温度まで急速に冷却するのに十分に低い。例えば、低温ガスは、約３００°Ｃ又はそれよりも低い温度を有する。
反応チャンバ３０において処理された高温ガスが、窒素酸化物還元装置４０に到達すると、ガス注入ノズル４４から注入された低温ガスは、高温ガスを急速に冷却する。従って、窒素酸化物の生成が低減される。
ガス注入ノズル４４は、窒素酸化物還元装置４０のハウジング４７の軸方向に沿った何れかの位置にて形成することができる。ガス注入ノズル４４は、異なる高さを有する複数のレベルにて形成することができる。ガス注入ノズル４４が反応チャンバ３０に近接していると、有害ガスの処理効率が低下する可能性があり、ガス注入ノズル４４が反応チャンバ３０から離れていると、窒素酸化物還元作用が低下する。従って、ガス注入ノズル４４は、所望の有害ガス処理効率及び所望の窒素酸化物還元作用を達成することができる位置に配置される必要がある。
例えば、窒素酸化物還元装置４０の温度は、反応チャンバ３０から離れた位置に向かって段々と低くなる。窒素酸化物還元装置４０が約８００°Ｃに達する位置にガス注入ノズル４４を設けた場合、窒素酸化物の生成は、有害ガス処理効率を低下させることなく、効果的に抑制することができる。
加えて、冷却水経路４３は、窒素酸化物還元装置４０の外壁と内壁との間に形成することができる。冷却水は、窒素酸化物還元装置４０の下側端部に接続された冷却水入口管路４１から導入される。次いで、冷却水は、冷却水経路４３の底部から上部に流れ、窒素酸化物還元装置４０の上側端部に接続された冷却水出口管路４２から放出される。従って、窒素酸化物還元装置４０は、冷却水によって冷却され、窒素酸化物の生成がより効果的に低減される。
図１３は、本開示の別の実施形態による窒素酸化物還元装置４０を示す。図１と図１３における同じ構成要素についての冗長的な説明は省略する。
図１３に示される窒素酸化物還元装置４０は、冷却ユニットとして熱交換器４６を含む。熱交換器４６は、液体水素又はＢＯＧ（ボイルオフガス）の流れが通過する複数の熱交換パイプを含むことができる。他方、熱交換器４６は、熱交換を行うプレート、管体、又は同様のものを含むことができる。反応チャンバ３０において処理された高温ガスが窒素酸化物還元装置４０に到達すると、熱交換器４６は、高温ガスを迅速に冷却する。従って、窒素酸化物の生成が低減される。
窒素酸化物還元装置４０に設置される冷却ユニットは、ガス注入ノズル４４又は熱交換器４６に限定されない。反応チャンバ３０からのガスを迅速に冷却できる限り、冷却ユニットとして他の何れかのユニットを用いることができる。冷却ユニットに関しては、ガス注入ノズル４４及び熱交換器４６の両方を用いてもよい。
本開示の実施形態は、有害ガスの処理効率を低下させることなく、冷却ユニットを用いることによりプラズマ処理ガスを冷却することで窒素酸化物を効果的に低減することができる。
本開示の実施形態について、添付図面に例示された実施形態に基づいて説明してきた。しかしながら、上述の記載は、単に一例に過ぎず、様々な変更及び修正を行うことができることは、当業者には理解されるであろう。従って、本開示の技術的保護範囲は、添付の請求項の技術的思想によって決定されるべきである。

Claims (16)

  1. プラズマ発生装置であって、
    カソードを含むカソード組立体と、
    プラズマ生成空間を有するアノードを含むアノード組立体と、
    磁力を発生するよう構成された１又は２以上の磁力発生器と、を備え、
    前記アノード組立体は、ガス供給通路が設けられた一方の端部と、開口を有する他方の端部とを有し、前記ガス供給通路が、プラズマ生成ガスを前記プラズマ生成空間に供給するよう構成され、
    前記ガス供給通路は、前記プラズマ生成空間において前記プラズマ生成ガスの渦を生成するよう構成され、前記１又は２以上の磁力発生器は、前記磁力が前記プラズマ生成ガスの渦の回転方向とは反対方向に生成されるように構成され、
    前記１又は２以上の磁力発生器は、前記磁力が、前記プラズマ生成ガスの渦の回転方向とは反対方向に前記カソードと前記アノードとの間に生成されたアークスポットに加えられるように構成され、
    前記アノード組立体は更に、前記アノードを囲むガイド部材を含み、前記ガイド部材がプラスチック材料から作られ、前記１又は２以上の磁力発生器は、前記ガイド部材の内部に設けられている、
    ことを特徴とするプラズマ発生装置。
  2. 前記１又は２以上の磁力発生器は、その両極性が、前記アノード組立体の軸線の方向で互いに反対方向になるように構成される、
    請求項１に記載のプラズマ発生装置。
  3. 前記開口から前記ガス供給通路に向けて見たときに、前記１又は２以上の磁力発生器のＮ極は、前記プラズマ生成ガスの渦の回転方向が反時計回り方向であるときに前記開口に向けて配向され、前記１又は２以上の磁力発生器のＳ極は、前記プラズマ生成ガスの渦の回転方向が時計回り方向であるときに前記開口に向けて配向される、
    請求項２に記載のプラズマ発生装置。
  4. 前記ガス供給通路は、前記アノード組立体の軸線の回転方向に対して傾斜している、
    請求項１に記載のプラズマ発生装置。
  5. 前記１又は２以上の磁力発生器は、前記アノード組立体の内部又は外部に設けられる、
    請求項１に記載のプラズマ発生装置。
  6. 前記１又は２以上の磁力発生器は、前記アノード組立体の軸線を中心に周方向に一定の周方向間隔で配置された複数の永久磁石を含む、
    請求項１に記載のプラズマ発生装置。
  7. 前記１又は２以上の磁力発生器は、リング形永久磁石を含む、
    請求項１に記載のプラズマ発生装置。
  8. 前記１又は２以上の磁力発生器は、前記アノード組立体の軸線と平行な方向及び前記アノード組立体の軸線に垂直な方向で移動可能である、
    請求項１に記載のプラズマ発生装置。
  9. 前記ガイド部材は、前記ガス供給通路側に設けられた第１のガイドと、前記開口側に設けられた第２のガイドとを有し、前記第２のガイドの熱抵抗は、前記第１のガイドの熱抵抗よりも高い、
    請求項１に記載のプラズマ発生装置。
  10. 前記アノード組立体は更に、前記ガイド部材を囲むハウジングと、前記ハウジングと前記ガイド部材との間及び前記ガイド部材と前記アノードとの間に形成されたクーラント経路と、を有している、
    請求項１に記載のプラズマ発生装置。
  11. 請求項１～１０の何れか一項に記載の前記プラズマ発生装置と、
    前記プラズマ発生装置に接続され、プラズマによって外部から供給されるガスを処理するよう構成され、前記処理されたガスが窒素酸化物を含有する、反応チャンバと、
    前記反応チャンバに接続された窒素酸化物還元装置と、
    を備える、ガス処理装置であって、
    前記窒素酸化物還元装置が、前記処理されたガスを窒素酸化物生成温度よりも低い温度まで冷却するよう構成された冷却ユニットを有している、
    ことを特徴とするガス処理装置。
  12. 前記冷却ユニットが、低温ガスを注入するよう構成された１又は２以上のガス注入ノズルを有している、
    請求項１１に記載のガス処理装置。
  13. 前記ガス注入ノズルが、前記窒素酸化物還元装置の複数の位置に設けられ、前記低温ガスが不活性ガスである、
    請求項１２に記載のガス処理装置。
  14. 前記窒素酸化物還元装置が更に、円筒ハウジングと、前記円筒ハウジングの内部に設けられた環状ガス供給リングと、を含み、前記１又は２以上のガス注入ノズルが、前記環状ガス供給リング上に設けられる、
    請求項１２に記載のガス処理装置。
  15. 前記不活性ガスが、窒素ガス及びアルゴンガスのうちの少なくとも１つを含んでいる、
    請求項１３に記載のガス処理装置。
  16. 前記冷却ユニットが熱交換器を有している、
    請求項１１に記載のガス処理装置。
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