JP7351567B2 - 排気ガス処理のためのプラズマ装置 - Google Patents

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Description

本発明は、排気ガス処理装置に関し、より詳細には真空ポンプに連結時にもプラズマトーチの電極寿命を延長できるプラズマ装置に関する。
半導体、ＬＣＤなど産業の大型化と生産増加に伴い、その工程に使われるガスも増加している。半導体製造工程は、数多くの段階を有し、これに使われるガスの種類は数多くの段階の工程だけ多様である。
例えば、半導体素子製造工程において、工程チャンバーに供給されたウェハーに対してフォトリソグラフィ、エッチング、拡散及び金属蒸着などの工程が繰り返し実行される。このような半導体製造工程中には様々な工程ガスが使われて、工程が完了した後には工程チャンバーから排気ガスが真空ポンプによって排出されるが、排気ガスは有毒成分を含むことがあるので、真空ポンプによって排出される前にスクラバーのような排気ガス処理装置によって浄化される。
現在、国において、現状は半導体生産量及び需要増大により国内ＩＴ製造工程で排出される有害ガスを浄化するＰＯＵスクラバー（ｓｃｒｕｂｂｅｒ）装備導入を増やしており、従来の設備の性能低下問題を改善する新規技術導入が求められている。
従って、現在の半導体工程排気ガス処理工程でＰＦＣｓを分解処理するための１次ＰＯＵスクラバー用途または塩発生による真空ポンプの頻繁なメンテナンス問題を解決するための用途など多くの位置に接続が可能なプラズマ方式過フッ化化合物（ＰＦＣ）排気ガス処理装置を説明する。
具体的に、前記プラズマ方式排気ガス処理装置は過フッ化化合物（ＰＦＣ）を含む排気ガスが流入すると、これをプラズマ発生用窒素（Ｎ２）と引き込み電気によって生成される高温のプラズマ領域で分解するように上部に備えられたプラズマトーチと、前記プラズマトーチの下部に備えられたプラズマチャンバーと、前記プラズマトーチ及び前記プラズマチャンバーとの間に反応水が供給されるように備えられた反応水注入部からなるプラズマ反応器；及び前記プラズマ反応器の下部に連通備えられて、前記プラズマ反応器を経て分解されたガスが真空ポンプに移動するための連結部を含む。
しかし、このようなプラズマ方式の排気ガス処理装置は、真空ポンプに連結時、真空が排気ガス処理装置の連結部を介してプラズマ反応器に至るまで影響を及ぼすことによって、プラズマ反応器の酸化電極として使われるタングステンが低い圧力によって沸点が低くなって気化することによって、寿命／性能が低下する問題があった。
韓国登録特許第１０－１１４２１８４号公報
本発明の目的は、真空ポンプに連結時にも電極寿命を延長させることができる、排気ガス処理のためのプラズマ装置を提供することである。
前記目的を達成するために、本発明は、排気ガス処理のためのプラズマ装置を提供する。本発明に係るプラズマ装置は、真空ポンプと連結されて排気ガス処理のための装置であって、プラズマトーチと、前記プラズマトーチの下部に備えられた排気ガス注入部と、前記排気ガス注入部の下部に備えられた反応チャンバーと、前記プラズマトーチ及び前記反応チャンバーに冷却水が供給されるように備えられた冷却水チャンバーを含むプラズマ反応部；前記プラズマ反応部の下部に連通して形成されて、通路と前記通路を囲む冷却水チャンバーが備えられた冷却部；及び前記冷却部と真空ポンプを連結する連結部を含む。
前記連結部には、真空ポンプによる圧力降下を遮断するためのオリフィスが備えられる。
前記オリフィスは、連結部の通路を遮る本体と、前記本体の一部に形成される少なくとも一つのオリフィス孔を含むことができる。
前記オリフィス孔の大きさは、排気ガスの流入流量に比例して増大することができる。
前記プラズマ反応部は、プラズマトーチと、排気ガス注入部と、反応チャンバーが一体型で形成されることができる。
前記プラズマトーチは、内部が満たされた柱形状を有するカソード電極；前記カソード電極を包むように形成されて、下部が盛り上がる凸部を有するカソード電極体；前記カソード電極及び前記カソード電極体の上部を覆うカバー；前記カソード電極体の下部に所定距離離隔して配置されたアノード電極体；前記カソード電極体と前記アノード前極体との間に配置されて、プラズマを発生させるためのプラズマ発生ガスを供給するプラズマ発生ガス供給部；及び前記カソード電極体及び前記アノード電極体に冷却水を供給するための冷却水供給部を含むことができる。
前記カソード電極の下部の一端は、前記カソード電極体に所定部分露出することができる。
前記凸部の内部には、プラズマ発生ガスの渦流が発生するように円筒形状の溝状のアーク発生部が形成されることができる。
前記アノード電極体の内部には、下部方向に行くほど直径が広くなる円筒形の排出部が形成されることができる。
前記プラズマ発生ガス供給部は、内部に空間が形成されたリング形状の本体；及び前記本体に形成されてガスを注入するプラズマ発生ガス注入管を含むことができる。
前記プラズマ発生ガス注入管は、前記本体内部空間の円周方向に接するように形成されて、二つのプラズマ発生ガス注入管が互いに１８０°になるように配置されることができる。
前記プラズマ発生ガス注入管のガス排出口直径は、ガス注入口の直径より小さく形成されることができる。
前記反応チャンバー及び冷却部に備えられた冷却水チャンバーは、ガス気泡形成を防止するために冷却水注入口を冷却水チャンバーの最下端に備えて、冷却水排出口を冷却水チャンバーの最上端に備えることができる。
本発明に係るプラズマ装置は、真空ポンプとの連結のための連結部にオリフィスを装着して真空ポンプの圧力降下を遮断することによって、プラズマ装置のプラズマトーチを含むプラズマ反応部の圧力を常圧と類似するように維持させることができるため、プラズマトーチ内のタングステン電極摩耗を減らすことができて電極寿命を延長させることができる。
また、本発明に係るプラズマ装置内のプラズマトーチは、プラズマ発生ガスをカソード電極体の下部に形成された円筒形のアーク発生部によって高速回転して強い渦流を形成できるので、精密で、安定したプラズマを維持させることができ、低電力運転でもガス処理効率を向上させることができ、カソード電極体に形成されたアーク発生部によってプラズマ発生ガスが回転して一定のプラズマを維持させることができるため、電極摩耗を減らすことができて電極寿命を延長させることができる。
本発明の一実施例に係る排気ガス処理のためのプラズマ装置が真空ポンプに連結された状態を示す模式図である。 本発明の一実施例に係る排気ガス処理のためのプラズマ装置を示す概略図である。 本発明の一実施例に係るプラズマ装置において、一構成要素であるプラズマトーチを示す斜視図である。 本発明の一実施例に係るプラズマ装置において、一構成要素であるプラズマトーチを示す断面図である。 本発明の一実施例に係るプラズマ装置において、一構成要素であるプラズマトーチのガス供給部を示す図である。 本発明の一実施例に係るプラズマ装置において、一構成要素であるプラズマトーチの内部でプラズマ発生ガスの流れを示す図である。 本発明の一実施例に係るプラズマ装置において、一構成要素であるプラズマトーチの内部のタングステン電極の摩耗の長さ測定を示す図である。 本発明の一実施例に係るプラズマ装置において、一構成要素であるオリフィスを含まない時の運転時間に応じたプラズマトーチの内部のタングステン電極の摩耗の長さを示すグラフである。 本発明の一実施例に係るプラズマ装置において、一構成要素であるオリフィスを含まない時の常圧で運転時間に応じたプラズマトーチの内部のタングステン電極の摩耗状態を示す写真である（約２５０日稼動後）。 本発明の一実施例に係るプラズマ装置において、一構成要素であるオリフィスを含まない時の常圧で運転時間に応じたプラズマトーチの内部のタングステン電極の摩耗状態を示す写真である（約６００日稼動後）。 本発明の一実施例に係るプラズマ装置において、一構成要素であるオリフィスを含む場合の運転時間に応じたプラズマトーチの内部のタングステン電極の摩耗状態を示す写真である(２日目、２０時間稼動後）。 本発明の一実施例に係るプラズマ装置において、一構成要素であるオリフィスを含む場合の運転時間に応じたプラズマトーチの内部のタングステン電極の摩耗状態を示す写真である(３日目、２８時間稼動後）。
本発明は多様な変換を加えることができて、様々な実施例を有することができるが、特定実施例を図面に例示して詳細な説明に詳細に説明する。しかし、これは本発明を特定の実施形態に対して限定しようとするのではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれるすべての変換、均等物乃至代替物を含むものと理解されなければならない。本発明を説明するにあたり関連した公示技術に対する具体的な説明が本発明の要旨を不明瞭にし得ると判断される場合、その詳細な説明を省略する。
以下、本発明に係る実施例を添付図面を参照して詳細に説明して、添付図面を参照して説明するにあたり、同じまたは対応する構成要素は、同じ図面番号を付して、これに対する重複する説明は省略する。
図１は、本発明の一実施例に係る排気ガス処理のためのプラズマ装置が真空ポンプに連結された状態を示す模式図である。
図１を参照すると、本発明に係るプラズマ装置１００は、半導体工程から発生して真空ポンプに向かう排気ガスに対して処理をする排気ガス処理装置でありうる。本発明に係るプラズマ装置１００は、半導体メイン（Ｍａｉｎ）工程で真空ポンプ（Ｖａｃｕｕｍ Ｐｕｍｐ）で排出される特殊ガスによる副産物（Ｂｙ－Ｐｒｏｄｕｃｔｓ）が真空ポンプに流入して、ポンプメンテナンス及び設備運営などの問題を発生させるのを防止する装置に適用されることができる。これにより、ポンプメンテナンス及び設備運営の効率が向上して真空ポンプの寿命（Ｖ／Ｐ Ｌｉｆｅ Ｔｉｍｅ）が改善されることができる。
図２は、本発明の一実施例に係る排気ガス処理のためのプラズマ装置を示す概略図である。
本発明に係る排気ガス処理のためのプラズマ装置１００は、図２を参照すると、プラズマ反応部１０、冷却部２０及び連結部３０を含む。
前記プラズマ反応部１０は、プラズマトーチ１１と、前記プラズマトーチの下部に備えられた排気ガス注入部１２と、前記排気ガス注入部の下部に備えられた反応チャンバー１３と、前記プラズマトーチ及び前記反応チャンバーに冷却水が供給されるように備えられた冷却水チャンバー１４を含む。
前記プラズマトーチ１１は、当業界で公示されたプラズマトーチを使うことができ、例えばＲＦプラズマトーチ、マイクロ波（Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ）プラズマトーチ、アーク（Ａｒｃ）プラズマトーチなどを使うことができるが、これに制限されない。
好ましくは前記プラズマトーチは、アークプラズマトーチを使うことができて、前記アークプラズマトーチは下記のように構成されることができる。
図３は、本発明の一実施例に係るプラズマ装置において、一構成要素であるプラズマトーチを示す斜視図で、図４は、本発明の一実施例に係るプラズマ装置において、一構成要素であるプラズマトーチを示す断面図である。
図３及び図４を参照すると、本発明に係るプラズマトーチ１１は、カソード電極１１０、カソード電極体１２０、カバー１３０、アノード電極体１４０、プラズマ発生ガス供給部１５０及び冷却水供給部１６０を含む。
カソード電極１１０は、内部が満たされた上下部に長く形成された柱形状を有することができる。カソード電極１１０の上部断面は、平らな形状を有するが、下部断面は下部方向に盛り上がる半球形状を有することができる。これは後述するガス供給部１５０から供給されたプラズマ発生ガスが、カソード電極１１０の下部で回転して渦流を形成する時、渦流の形成を邪魔することなく効果的に渦流を形成することができるようにするためである。
また、カソード電極１１０の材質は、好ましくはタングステンでありうる。従来はタングステンからなるカソード電極１１０を製作するために、タングステン粉を高温で凝縮して枠組みを形成して製作したため、堅固でなくプラズマトーチ稼動時カソード電極寿命が短縮される問題があった。しかし、本発明のカソード電極１１０は、従来のようにタングステン粉を高温で凝縮する方式でない純粋にタングステンを加工して製作する方式を使う。従って、従来のカソード電極より堅固に製作されるため、カソード電極１１０の寿命を延長させることができる。
カソード電極体１２０は、前記カソード電極１１０を包むように形成されることができる。カソード電極体１２０は、カソード電極１１０を収容するように内部の中央に電極収容ホール１２１が形成されることができる。また、カソード電極体１２０の下部は、下部方向に盛り上がる形状の凸部１２２を含み、凸部１２２の内部は、プラズマ発生ガスの渦流が発生するように円筒形状の溝となるアーク発生部１２３が形成されることができる。即ち、カソード電極体１２０の内部に形成された電極収容ホール１２１と下部に形成されたアーク発生部１２３は、互いに連通することができる。形成されたアーク発生部１２３の直径は、前記電極収容ホール１２１の直径より大きく形成されることが好ましい。
カソード電極１１０は、カソード電極体１２０の電極収容ホール１２１に挿入されて装着されて、カソード電極１１０の下部断面、即ち、カソード電極１１０の下部の盛り上がる半球形状を有する部位は、カソード電極体１２０のアーク発生部１２３に露出するように配置されることができる。従って、カソード電極体１２０のアーク発生部１２３は、カソード電極１１０の下部断面の周囲を包む形態でありうる。
また、カソード電極体１２０の内部には、プラズマによって発生する熱を冷ますために、カソード電極体１２０の内部に冷却水が流動するように冷却水供給部１６０を含むことができる。冷却水供給部１６０は、冷却水がカソード電極体１２０の内部で流動するようにカソード電極体１２０の内部に形成された冷却ホール１６１と冷却水がカソード電極体１２０に注入されるように形成された冷却水注入口１６２及び冷却水がカソード電極体１２０の内部を流動して冷却した後、排出されるように冷却水排出口１６３を含むことができる。
カバー１３０は、前記カソード電極１１０の他端及びカソード電極体１２０の上部を覆うことができる。また、カバー１３０は、絶縁物質で形成されることができる。この時、前記絶縁物質は、ポリ塩化ビニールまたはテフロン（登録商標）、セラミックなどで形成されることができる。従って、カバー１３０は、カソード電極１１０及びカソード電極体１２０を効果的に絶縁させることができる。
アノード電極体１４０は、前記カソード電極体１２０の下部に所定距離離隔して配置されることができる。アノード電極体１４０の上部は、前記カソード電極体１２０と離隔するように設置されて、カソード電極体１２０で発生したアークを収容する（＋）極性電極体の役割をすることができる。好ましくはアノード電極体１４０は、電気伝導率が高い銅で形成されることができる。また、アノード電極体１４０の内部は、熱分解反応後の気体、窒素ガス及びプラズマを排出する排出部１４１を含むことができる。
アノード電極体１４０の排出部１４１は、円筒形で形成することができ、排出部１４１の直径は、下部方向に行くほど広くなって、第１排出部１４２、第２排出部１４３及び第３排出部１４４に区分されることができる。即ち、第２排出部１４３の直径は、第１排出部１４２の直径より大きく、第３排出部１４４の直径は、第２排出部１４３の直径より大きく形成されることができる。
第２排出部１４３の直径が、第１排出部１４２の直径より大きく形成するために、第２排出部１４３と第１排出部１４２との間に第１傾斜部１４５が形成されることができる。即ち、第１傾斜部１４５は、下部方向に行くほど直径が広くなるように傾斜が形成されることができる。好ましくは前記第１傾斜部１４５は、プラズマ発生ガスが排出部１４１を介して排出される時、排出されるガスが排出部１４１に接触する面を増加して内部で高速回転することによって効果的に渦流を発生させることができるように１３０°以上１５０°以下の傾斜を有し、さらに好ましくは傾斜部は１４０°の傾斜を有することができる。また、第３排出部１４４の直径が第１排出部１４２及び第２排出部１４３の直径より大きく形成されることができる。即ち、第３排出部１４４の直径を第２排出部１４３の直径より大きく形成するために、第３排出部１４４と第２排出部１４３との間に第２傾斜部１４６が形成されることができる。
前記の通り、本発明に係るプラズマトーチ１１のアノード電極体１４０の排出部１４１の大きさを３段階で区分して、各排出部１４２、１４３、１４４の間に傾斜面１４５、１４６を形成して、排出部１４１を拡張させることによって排出ガスが排出部１４１に接触する面を最大限増加させることができるため、排出ガスは、排出部１４１の内部で高速回転しながら排出できる。このような高速回転する排出ガスは、排出部１４１の内部で強い渦流を発生させることができるため、低電力でも高効率で廃ガスを処理できてエネルギー使用量を節減できる効果がある。
また、アノード電極体１４０の上部は、排出部１４１の周辺が突出するように突出部１４７が形成されることができる。アノード電極体１４０の突出部１４７は、ガス供給部１５０から噴射されるガスが、前記カソード電極体１２０のアーク発生部１２３方向に高速で引き込まれるようにするガイドの役割をすることができる。
アノード電極体１４０の内部は、カソード電極体１２０のようにプラズマによって発生する熱を冷ますためにアノード電極体１４０の内部に冷却水が流動するように冷却水供給部１６０を含むことができる。冷却水供給部１６０は、冷却水がアノード電極体１４０の内部で流動するようにアノード電極体１４０の内部に形成された冷却ホール１６１と冷却水がアノード電極体１４０に注入されるように形成された冷却水注入口１６２及び冷却水がアノード電極体１４０の内部を流動して冷却した後、排出されるように冷却水排出口１６３を含むことができる。即ち、冷却水供給部１６０は、カソード電極体１２０とアノード電極体１４０に各々形成されることができる。
プラズマ発生ガス供給部１５０は、カソード電極体１２０とアノード電極体１４０との間にリング形状に配置されることができる。より詳細にはプラズマ発生ガス供給部１５０は、前記カソード電極体１２０の凸部１２２に挿入される形態に配置されることができる。
プラズマ発生ガス供給部１５０は、プラズマトーチ１１の内部でプラズマを発生させるためのプラズマ発生ガスをトーチ内部に供給することができる。例えば、プラズマ発生ガスはＮ2ガスでありうる。
また、プラズマ発生ガス供給部１５０は、内部に空間が形成された円筒形の本体１５１及び前記本体１５１に形成されてプラズマ発生ガスを注入するプラズマ発生ガス注入管１５２を含むことができる。
図５は、本発明の一実施例に係るプラズマトーチのプラズマ発生ガス供給部１５０を示す図である。
図５を参照すると、プラズマ発生ガス供給部１５０の本体１５１は、内部に空間が形成されたリング形状を有し、カソード電極体１２０の凸部１２２に挿入される形態で装着されることができる。
プラズマ発生ガス供給部１５０のプラズマ発生ガス注入管１５２は、図５のように、前記本体１５１の内部空間の円周方向に接するように形成されて、二つのプラガス注入管１５２が互いに１８０°になるように配置することが好ましい。また、プラズマ発生ガス注入管１５２を介して排出されるガスの排出圧力を高めるために、プラズマ発生ガス注入管１５２のプラズマ発生ガス排出口１５４は、プラズマ発生ガス注入口１５３より直径が小さくなるように形成されることができる。即ち、プラズマ発生ガス注入管１５２のプラズマ発生ガス注入口１５３よりプラズマ発生ガス排出口１５４の直径が小さいので、プラズマ発生ガス排出口１５４を介して排出されるガスを強く噴射できて、互いに１８０°離隔して配置されたガス注入管１５２構造によって強い渦流を形成することができる。
プラズマ発生ガス注入管１５２のプラズマ発生ガス排出口１５４の位置は、プラズマ発生ガス供給部１５０がカソード電極体１２０の凸部１２２に挿入された時、プラズマ発生ガス排出口１５４が凸部１２２を見つめるように配置することが好ましい。これは、ガス排出口１５４で噴射される排出ガスが、カソード電極体１２０の凸部１２２に沿って流れるようにすることによって、カソード電極体１２０のアーク発生部１２３にガスを誘導するためである。
図６は、本発明のプラズマ装置において、プラズマトーチの内部でプラズマ発生ガスの流れを示す図である。
図６を参照すると、プラズマ発生ガス供給部１５０を介して注入されるプラズマ発生ガスは、プラズマ発生ガス供給部１５０の二つのプラズマ発生ガス注入管１５２を介して本体１５１の内部に噴射される。噴射されたガスは、カソード電極体１２０の凸部１２２とアノード電極体１４０の突出部１４７を介してカソード電極体１２０のアーク発生部１２３方向に強く引き込まれる。アーク発生部１２３に強く引き込まれたガスは、円筒形のアーク発生部１２３で高速回転して強い渦流を発生させる。このような渦流によってプラズマ発生時安定したプラズマを維持させることができるため、低電力運転でもガス処理効率を上げることができる。また、噴射されるプラズマ発生ガスの渦流が弱いと、プラズマ放電時アークが発生する地点で電極が摩耗される問題が発生する。しかし、本発明の一実施例に係る図５及び図６のプラズマトーチは、プラズマ発生ガス注入管１５２によって強く噴射されるガスとカソード電極体１２０の下部に形成された溝形状のアーク発生部１２３構造によって、強い渦流が発生して一定のプラズマを維持できるので、電極が摩耗されるのを減少させることができる。従って、従来のプラズマトーチに比べて電極寿命を二倍以上延長させることができる。
再び図３及び図４を参照すると、アノード電極体１４０の上部及び下部には、各々第１絶縁部１７０と第２絶縁部１８０がさらに含まれることができる。
第１絶縁部１７０は、前記アノード電極体１４０の突出部１４７を包むように形成されることができる。第１絶縁部１７０は、ガス供給部１５０の下部に配置されて、カソード電極体１２０とアノード電極体１４０を互いに絶縁させるために、電極間距離維持の役割をする。第１絶縁部１７０の材質としては、耐熱性と剛性に優れた絶縁材質が使われるが、これに限定されない。
第２絶縁部１８０は、前記アノード電極体１４０の下部を包むように形成されることができる。第２絶縁部１８０は、アノード電極体１４０とアノード電極体１４０を支持するプレートとの間に配置されて、アノード電極体１４０をプレートから絶縁させることができる。第２絶縁部１８０の材質としては、耐熱性と剛性に優れた絶縁材質が使われるが、これに限定されない。
前記プラズマトーチで形成されたプラズマは、渦流によって前記プラズマトーチの下部に備えられた反応チャンバー１３に移動する。
一方、前記プラズマトーチと反応チャンバーとの間には、排気ガス注入部１２が形成される。前記排気ガス注入部１２で注入された排気ガスは、前記排気ガス注入部の下部に備えられた反応チャンバー１３に移動する。
前記反応チャンバー１３は、排気ガス注入部１２で注入された排気ガスとプラズマが反応して前記プラズマによって過フッ化物が分解されて、分解ガスが生成されることができる。即ち、本発明に係るプラズマ反応部は、反応チャンバー１３が備えられて、排気ガスは、直接プラズマトーチに噴射されず、プラズマトーチの下部に位置した反応チャンバー１３に引き込まれることによって、プラズマトーチの電極に影響を及ぼさないので、プラズマトーチの電極の寿命が向上することができる。
前記分解ガスは、高温のプラズマによって高温で存在するが、外部に排出されるために前記反応チャンバー１３内に形成された冷却水チャンバー１４に充鎮された冷却水によって１次冷却されて、前記反応チャンバー１３の下段にある冷却部２０に移動する。
前記冷却水チャンバー１４は、前記プラズマトーチ、前記反応チャンバー、そして後述する冷却部の壁面に冷却水が供給されるように備えられる。この時、前記プラズマトーチ内に備えられた冷却水チャンバーは、前述した冷却水供給部１６０、冷却ホール１６１、冷却水注入口１６２及び冷却水排出口１６３を含むが、これに対する詳しい説明は前述した通りである。
前記反応チャンバー１３内に形成された冷却水チャンバー１４において、ガスの気泡形成を防止するためにガスの冷却は最下端から実行されるのが好ましい。従って、前記反応チャンバー１３に備えられた冷却水チャンバー１４は、冷却水注入口２５を冷却水チャンバーの最下端に設置して、冷却水排出口２６を冷却水チャンバーの最上端に設置できるが、これに制限されない。
前記プラズマ反応部は、プラズマトーチ１１、排気ガス注入部１２及び反応チャンバー１３を一体型で製作してプラズマの形成と反応を安定的に行うことができる。
前記冷却部２０は、前記プラズマ反応部１０の下部に連通備えられて、前記プラズマ反応部を経て分解されたガスが真空ポンプに移動する前に温度を低くする役割をする。前記冷却部２０は、内部管冷却効果のために、移動通路２１と冷却水チャンバー２２の２の二重構造エルボー（ｅｌｂｏｗ）パートで構成されることができる。
この時、ガスの気泡形成を防止するために、ガスの冷却は最下端から実行されるものが好ましい。従って、前記冷却部２０に備えられた冷却水チャンバー２２もガス気泡形成を防止するために、冷却水注入口２３を冷却水チャンバーの末尾（最下端）に設置して、冷却水排出口２４を冷却水チャンバーの最上端に設置できるが、これに制限されない。
前記連結部３０は、前記プラズマ装置を真空ポンプと連結する部分である。
ところで、前記真空ポンプは１０-3Ｔｏｒｒの真空度を維持するので、本発明に係るプラズマ装置を前記真空ポンプにそのままに連結する場合、プラズマ装置の連結部を介してプラズマ反応部の内部にも１０-3Ｔｏｒｒに近い真空度が形成されることによって、プラズマトーチ内のタングステン電極が低い圧力によって沸点が低くなって気化することによって寿命／性能が低下する問題があった。
そこで、本発明者等は、真空ポンプによる前記プラズマ装置内の圧力低下を防止するための方法を研究している間、前記連結部３０にオリフィス３１を設置することによってガス流量を制御して、プラズマトーチを含むプラズマ反応部の内部の圧力降下を遮断することによって、プラズマトーチ内のタングステン電極の気化を抑制して寿命を向上させることができることを発見した。
従って、本発明に係るプラズマ装置において、前記連結部３０は、オリフィス３１を備えることを特微とする。
前記オリフィス３１は、連結部の通路を遮る本体と、前記本体の一部に形成されるオリフィス孔を含む。
前記オリフィス孔は、少なくとも一つが形成され、前記オリフィス孔の大きさは真空を相殺させることができる大きさで形成されることができる。例えば、前記オリフィス孔は、直径が３～５ｍｍ程度の円形の大きさであってもよいが、排気ガスの流入流量に比例して増大することができる。しかし、仮に前記オリフィス孔の大きさが排気ガスの流入流量対比大きすぎて形成されると、圧力降下遮断効果が低下して、プラズマトーチ内のタングステン電極の気化で電極摩耗が持続する問題がある。
以下、実験例によって本発明をより詳細に説明する。下記の実験例は、本発明を例示するための目的で記述されたものであって、本発明の範囲がこれに限ることはない。
（実験例）
本発明のプラズマトーチが装着されたプラズマ装置を真空ポンプに連結する時に、連結部３０に設置されたオリフィスがプラズマトーチ内のタングステン電極の摩耗にどのような影響を及ぼすのか調べるために、次のような実験を行った。
図２に示すように、プラズマトーチ１１と、前記プラズマトーチの下部に備えられた排気ガス注入部１２と、前記排気ガス注入部の下部に備えられた反応チャンバー１３と、前記プラズマトーチ及び前記反応チャンバーに冷却水が供給されるように備えられた冷却水チャンバー１４を含むプラズマ反応部１０；前記プラズマ反応部下部に連通して形成された冷却部２０及び連結部３０を含むプラズマ装置を製作した。
前記プラズマ装置において、前記連結部にオリフィスを装着した場合と装着しなかった場合に対して、真空ポンプに連結してプラズマ装置を駆動しながら運転時間に応じたプラズマトーチの内部のタングステン電極の摩耗の長さを測定した。
図７は、本発明の一実施例に係るプラズマ装置において、一構成要素であるプラズマトーチの内部のタングステン電極の摩耗の長さ測定を示す図である。
前記タングステン電極の摩耗の長さは、図７に示すように、装置駆動前のタングステン電極の長さから装置駆動後のタングステン電極の長さを差し引いた差を示す。前記タングステン電極は、１５ｍｍが摩耗すると寿命であると判断した。
まず、連結部にオリフィスを装着しなかった場合に対して、プラズマ装置の運転時間に応じたプラズマトーチの内部のタングステン電極の摩耗の長さを測定して、表１及び図８に示した。プラズマ装置の運転は１日当平均１０時間程度行った。
図８は、本発明の一実施例に係るプラズマ装置において、連結部に一構成要素であるオリフィスを装着しない時の真空ポンプに連結されたプラズマ装置の運転時間に応じたプラズマトーチの内部のタングステン電極の摩耗の長さを示すグラフである。
表１及び図８に示すように、本発明に係るプラズマ装置において、連結部にオリフィスを装着しなかった場合、真空ポンプに連結されたプラズマ装置は８１時間（約８日）にプラズマトーチのタングステン電極が寿命になったため、これ以上前記プラズマ装置を現場に適用することが困難であることを確認した。
一方、比較例として本発明に係るプラズマ装置において、連結部にオリフィスを装着しなかった場合、常圧でプラズマ装置を半導体工程内設置して運転して、運転時間に応じたプラズマトーチの内部のタングステン電極の摩耗の長さを測定して表２に示した。プラズマ装置の運転は６００日程度行った。
図９は、本発明の一実施例に係るプラズマ装置において、一構成要素であるオリフィスを含まない時の常圧で約２５０日稼動後、プラズマトーチの内部のタングステン電極の摩耗状態を示す写真で、図１０は、約６００日稼動後、プラズマトーチの内部のタングステン電極の摩耗状態を示す写真である。
表２、図９及び図１０に示すように、本発明に係るプラズマ装置において、連結部にオリフィスを装着しなかった場合、常圧でのプラズマ装置は、半導体工程に導入して運転した時、２５０日、６００日後にもプラズマトーチの内部のタングステン電極摩耗の長さは０．５ｍｍ未満と示され、タングステン電極の摩耗がほとんど起きなかったことを確認した。
次に、本発明の一実施例に係るプラズマ装置において、連結部にオリフィスを装着した後に真空ポンプに連結されたプラズマ装置の運転時間に応じたプラズマトーチの内部の電極の摩耗の長さを測定して表３、図１１及び図１２に示した。
図１１は、本発明の一実施例に係るプラズマ装置において、連結部にオリフィスを装着した場合の２日目、２０時間稼動後プラズマトーチの内部のタングステン電極の摩耗状態を示す写真で、図１２は、３日目、２８時間稼動後プラズマトーチの内部のタングステン電極の摩耗状態を示す写真である。
表３、図１１及び図１２に示すように、本発明に係るプラズマ装置において連結部にオリフィスを装着した場合、真空ポンプに連結されたプラズマ装置は、３日目になったにも拘らずタングステン電極摩耗の長さは１ｍｍ未満と示され、常圧でのタングステン電極の摩耗と同等な程度で示された。このようなことから、プラズマ装置の連結部にオリフィスを装着することによって、圧力降下遮断効果によってプラズマ装置の圧力が常圧と類似するように維持できることが分かる。
よって、本発明に係るプラズマ装置は、真空ポンプとの連結のための連結部にオリフィスを装着して真空ポンプの低い圧力を遮断することによって、プラズマ装置のプラズマトーチを含むプラズマ反応部の圧力を常圧と類似するように維持させることができるため、プラズマトーチ内のタングステン電極摩耗を減らすことができて電極寿命を延長させることができる。
また、本発明に係るプラズマ装置内のプラズマトーチは、プラズマ発生ガスをカソード電極体の下部に形成された円筒形のアーク発生部によって高速回転して強い渦流を形成できるので、精密で、安定したプラズマを維持させることができ、低電力運転でもガス処理効率を向上させることができて、カソード電極体に形成されたアーク発生部によってプラズマ発生ガスが回転して一定のプラズマを維持させることができるため、電極摩耗を減らすことができて電極寿命を延長させることができる。
一方、本明細書と図面に開示された本発明の実施例は理解を助けるために、特定例を提示したことに過ぎず、本発明の範囲を限定しようとするのではない。ここに開示された実施例以外にも本発明の技術的思想に基づいた他の変形例が実施可能であることは、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に自明なものである。
１００ プラズマ装置
１０ プラズマ反応部
１１ プラズマトーチ
１２ 排気ガス注入部
１３ 反応チャンバー
１４ 冷却水チャンバー
２０ 冷却部
２１ 移動通路
２２ 冷却水チャンバー
２３、２５ 冷却水注入口
２４、２６ 冷却水排出口
３０ 連結部
３１ オリフィス
１１０ カソード電極
１２０ カソード電極体
１２１ 電極収容ホール
１２２ 凸部
１２３ アーク発生部
１３０ カバー
１４０ アノード電極体
１４１ 排出部
１４２ 第１排出部
１４３ 第２排出部
１４４ 第３排出部
１４５ 第１傾斜部
１４６ 第２傾斜部
１４７ 突出部
１５０ プラズマ発生ガス供給部
１５１ 本体
１５２ プラズマ発生ガス注入管
１５３ プラズマ発生ガス注入口
１５４ プラズマ発生ガス排出口
１６０ 冷却水供給部
１６１ 冷却ホール
１６２ 冷却水注入口
１６３ 冷却水排出口
１７０ 第１絶縁部
１８０ 第２絶縁部

Claims (12)

  1. 真空ポンプと連結されて排気ガス処理のためのプラズマ装置において、
    プラズマトーチと、
    前記プラズマトーチの下部に備えられた排気ガス注入部と、
    前記排気ガス注入部の下部に備えられた反応チャンバーと、
    前記プラズマトーチ及び前記反応チャンバーに冷却水が供給されるように備えられた冷却水チャンバーと、を含むプラズマ反応部；
    前記プラズマ反応部下部に連通して形成されて、通路と前記通路を囲む冷却水チャンバーが備えられた冷却部；及び
    前記冷却部と真空ポンプを連結する連結部；を含み、
    前記連結部には、真空ポンプによる圧力降下を遮断するためのオリフィスが備えられたことを特徴とする、プラズマ装置。
  2. 前記オリフィスは、連結部の通路を遮る本体と、前記本体の一部に形成される少なくとも一つのオリフィス孔を含むことを特徴とする、請求項１に記載のプラズマ装置。
  3. 前記オリフィス孔の大きさは、排気ガスの流入流量に比例して増大することを特徴とする、請求項２に記載のプラズマ装置。
  4. 前記プラズマ反応部は、プラズマトーチと、排気ガス注入部と、反応チャンバーが一体型で形成されることを特徴とする、請求項１に記載のプラズマ装置。
  5. 前記プラズマトーチは
    内部が満たされた柱形状を有するカソード電極；
    前記カソード電極を包むように形成されて、下部が盛り上がる凸部を有するカソード電極体；
    前記カソード電極及び前記カソード電極体の上部を覆うカバー；
    前記カソード電極体の下部に所定距離離隔して配置されたアノード電極体；
    前記カソード電極体と前記アノード電極体との間に配置されて、プラズマを発生させるためのプラズマ発生ガスを供給するプラズマ発生ガス供給部；及び
    前記カソード電極体及び前記アノード電極体に冷却水を供給するための冷却水供給部；を含むことを特徴とする、請求項１に記載のプラズマ装置。
  6. 前記カソード電極の下部の一端は、前記カソード電極体に所定部分露出することを特徴とする、請求項５に記載のプラズマ装置。
  7. 前記凸部の内部には、プラズマ発生ガスの渦流が発生するように円筒形状の溝となるアーク発生部が形成されることを特徴とする、請求項５に記載のプラズマ装置。
  8. 前記アノード電極体の内部には、下部方向に行くほど直径が広くなる円筒形の排出部が形成されることを特徴とする、請求項５に記載のプラズマ装置。
  9. 前記プラズマ発生ガス供給部は、
    内部に空間が形成されたリング形状の本体；及び
    前記本体に形成されてガスを注入するプラズマ発生ガス注入管；を含むことを特徴とする、請求項５に記載のプラズマ装置。
  10. 前記プラズマ発生ガス注入管は、前記本体内部空間の円周方向に接するように形成されて、二つのプラズマ発生ガス注入管が互いに１８０°となるように配置されることを特徴とする、請求項９に記載のプラズマ装置。
  11. 前記プラズマ発生ガス注入管のガス排出口の直径は、ガス注入口の直径より小さく形成されることを特徴とする、請求項９に記載のプラズマ装置。
  12. 前記反応チャンバー及び冷却部に備えられた冷却水チャンバーは、ガス気泡形成を防止するために冷却水注入口を冷却水チャンバーの最下端に備えて、冷却水排出口を冷却水チャンバーの最上端に備えることを特徴とする、請求項１に記載のプラズマ装置。
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