KR100358750B1 - 과불화 화합물 가스의 처리 장치 - Google Patents

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Abstract

높은 효율로 과불화 화합물 가스를 처리할 수 있는 장치가 개시되어 있다. 상기 장치는 내부에 처리될 가스가 흐를 수 있는 공간이 형성되고 소정의 간격으로 굴곡이 형성된 절연성 내용기와 상기 내용기가 삽입되는 원통형의 외용기를 구비하는 반응기와 상기 내용기와 외용기의 단부에 구비되어 이들을 고정시켜 줌과 동시에 내부를 밀봉시켜 주기 위한 한 쌍의 플랜지를 구비하고 있다. 또한 외용기의 외벽을 따라 소정의 간격을 두고 코일이 권취되어 있으며, 상기 코일에 고주파 전원을 인가하기 위한 고주파 전원인가 장치 및 과불화 화합물 가스의 유입 유무에 따라 고주파 전원인가 유무를 컨트롤하기 위한 제어 장치가 포함된다. 특히 반도체 장치의 제조를 위한 공정의 수행 중에 배출되며 지구온난화의 원인이 되는 과불화 화합물 가스를 높은 효율로 용이하게 처리할 수 있다.

Description

과불화 화합물 가스의 처리 장치{Apparatus For Treating Perfluoro Compound Gas}
본 발명은 과불화 화합물 가스의 처리 장치에 관한 것으로서, 상세하게는 장시간의 대기 잔류 시간을 가지고 있으며 지구온난화의 원인이 되는 과불화 화합물 가스를 높은 효율로 용이하게 처리할 수 있는 장치에 관한 것이다.
과불화 화합물 가스는 적외선 흡수력이 강하고 대기 잔류 시간이 길기 때문에, 높은 지구 온난화 잠재력(GWP; Global Warming Potential)을 나타내는 물질이다. 이들 과불화 화합물 가스는 주로 반도체 장치의 제조를 위한 공정 중에서 진공을 이용하여 박막을 형성하기 위한 CVD(chemical vapor deposition) 공정의 수행이나 플라즈마 식각 공정에서 많이 사용되고 있다. 그런데, 이들이 공정 중에 전량소비되지 않기 때문에 미반응 가스가 잔류되는 경우가 많으며 이에 더하여 부차적으로 생성되는 가스가 발생되는 경우도 있다. 심지어는 원료 가스가 그대로 진공 펌프에서 배출되는 경우도 있다.
대표적인 과불화 화합물 가스의 GWP와 대기 잔류시간은 다음 표 1에 나타난 바와 같다. 이들 가스중 가장 강한 결합력을 가진 CF4(C-F 결합에너지가 112∼116Kcal/mol임)의 경우 약 50000년의 대기잔류시간을 가지며, 이는 12.5eV의 에너지에 의해 분해되기 시작하며 35eV 이상의 에너지에 의해 완전 분해가 이루어지는 것으로 알려져 있다.
지구온난화 가스 GWP(100ITH) 대기잔류시간(년)
CO2 1 50∼200
CF4 6500 50000
C3F8 7000 2600
C2F6 9200 10000
이러한 과불화 화합물이 대기 중으로 배출되면 지구온난화 및 오존층 파괴와 같은 대기 환경 오염을 발생시키게 된다. 지구온난화에 큰 영향을 미치는 과불화 화합물의 배출량을 줄이기 위해 많은 국가들이 노력하고 있으며 여러 국가들이 참여하여 교토(Kyoto) 협약을 체결하였다. 이 협약에 참가한 국가들은 2008∼2012년까지 일정량의 과불화 화합물 가스를 줄이기로 협정을 맺었으며, WSC(World Semiconductor Council)에서는 2010년까지 1995년 기준 방출량의 10%를 줄이기로 선언하였다.
과불화 화합물 가스의 배출 감소를 위한 노력이 다양하게 이루어져 왔는데,종래의 방법으로는 대체가스 개발, 공정의 최적화에 의한 가스 배출량 감축, 포획/재활용(capture/recycle) 방법, 처리 장치에 의한 가스 분해 방법 등이 있다. 반도체 장치의 제조를 위한 공정 중에서 CVD 공정에 있어서는 배출량 감소를 위한 공정 최적화와 대체 가스의 개발이 현저한 진보를 이루어 배출 가스의 양을 많이 감소시킨 반면, 식각 공정에는 공정의 영향 유무에 대한 엄격한 요구 사항들로 인해 배출 가스의 양이 여전히 많아서 이에 대한 효율적인 제거 방법의 개발이 요구되는 실정이다.
그리하여 과불화 화합물 처리 방법으로 연소분해법, 촉매분해법, 플라즈마 분해법 등이 개발되어 알려져 있다. 연소 분해법은 1200℃ 이상의 높은 온도를 이용하여 과불화 화합물 가스를 분해하는 것으로서, 이러한 고온의 운전 환경은 발열체의 온도를 1000℃로 가열한 상태에서 수소 가스를 투입하여 연소시키는 것에 의해 만들어진다. 이 때, 고온의 반응기 내로 과불화 화합물이 유입되어 분해가 이루어지는 것이다.
그런데, 연소분해법의 경우 연소 과정에서 NOx, SOx 등과 같은 2차 생성물이 발생되며, 이들 2차 생성물에 대한 후처리가 필요하다는 문제점이 있다. 또한 발열체의 주기적인 교체가 필요하고 고온을 유지시키기 위한 전력 소모량이 크다는 문제점을 가지고 있다.
촉매분해법은 배출된 과불화 화합물 가스를 물에 통과시킨 후, 이를 300∼800℃로 가열시킨 촉매로 충진된 관내로 유입시켜 공기와 물의 환경에서 촉매에 의해 분해시키는 방법이다. 그런데 이러한 촉매분해법은 각각의 가스에 대한 촉매제 개발이 선행되어야 하며, 미지의 혼합 가스에 대한 처리가 불명확하다는 단점을 가지고 있다. 또한 주기적인 촉매제의 교체가 필요하고 가스 배관의 미립자 발생으로 인한 배관의 막힘 현상의 문제에 대한 해결책이 선행되어야 한다는 문제가 있다.
플라즈마 분해법은 고온 및 저온 플라즈마를 이용하여 배출 가스를 쉽게 처리할 수 있는 물질로 변화시킴으로서 과불화 화합물 가스를 처리하는 방법이다. 플라즈마 분해법은 고온 플라즈마의 경우 배출 가스 처리에는 적절하나 고온으로 인한 전력 손실이 크며, 장치의 규모가 대형이라는 단점을 가지고 있다.
저온 플라즈마, 특히 고주파 유도결합 플라즈마를 이용한 과불화 화합물 가스 처리 방식에서는 가스의 처리 용량에 따라 플라즈마 반응기의 크기가 증가될수록 플라즈마 밀도와 에너지가 현저하게 감소되어 과불화 화합물 가스에 대한 처리율이 현저히 감소한다는 문제가 있다. 또한 플라즈마 내의 이온들에 의한 반응기 내벽의 식각으로 인하여 반응기의 수명이 극도로 짧아진다. 이러한 식각 반응의 식각률을 감소시키고 과불화 화합물 가스의 처리율을 높이기 위하여 낮은 플라즈마 방전 전력에 수증기, 수소, 산소 등의 분해촉진제를 사용하여 처리하는 방식이 개발되어 있다.
그러나 분해 촉진제의 사용으로 인해 반도체 제조 공정의 압력을 상승시키고, 수소 혹은 수증기의 분해 촉진제를 사용할 경우 HF 화합물을 생성시켜 반도체 공정 펌프의 부식을 가져온다. 또한 짧은 공정시간으로 인해 플라즈마의 이온화 반응이 완전히 진행되지 않기 때문에 과불화 화합물 가스를 완벽하게 처리하는데 어려움이 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 일특개평11-76740호에서는 높은 효율을 가지며 유도결합 플라즈마를 이용한 유기불소계 배기 가스의 처리 장치에 관하여 개시하고 있다. 이러한 장치에 의하면 과불화 화합물 가스를 용이하게 처리할 수 있는 화합물로 변화시켜 이를 효과적으로 처리할 수 있게 된다. 그러나 짧은 처리 시간으로 인해 플라즈마 반응기 내의 이온화 반응이 충분히 일어나지 않은 상태에서 가스가 배출되기 때문에 효율이 낮다는 문제가 있다. 예컨대, 반도체 제조 공정 중에 과불화 화합물 가스가 유입되는 시간은 1분 미만이다. 특히 플라즈마 식각 공정의 경우 상기 가스가 유입되는 시간은 불과 20초 미만이기 때문에 반응기 내에서 충분한 반응을 유도하기가 용이하지 않은 것이다.
이에 더하여 분해 촉진제의 사용으로 인해 배관의 압력이 급속하게 상승하여 순간적인 가스의 역류 현상이 발생할 수 있다. 이로 인하여 반도체 제조 공정에 치명적인 문제점을 야기하는 경우도 있다.
따라서 본 발명에서는 상술한 문제점을 해결하기 위하여 과불화 화합물 가스의 처리에 있어 기존에 소개된 방법의 문제점을 보완, 개선하고 분해촉진제를 사용하지 않으면서 높은 효율로 상기 가스를 처리할 수 있는 장치를 제시하고자 한다.
본 발명의 다른 목적은 상기한 장치를 반도체 장치의 제조를 위한 설비에 적용할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 과불화 화합물 가스 처리 장치의 개략도이다.
도 2는 도 1에 나타난 장치의 반응기 부분 및 플랜지 부분에 대한 개략적인 정면도로서, 하나의 플랜지 부에 대해서는 부분 단면도로 나타내었다.
도 3은 도 1에 나타난 장치의 반응기 부분 및 플랜지 부분에 대한 개략적인 정면도로서, 반응기 부분에 대해서는 단면도로 나타내었다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 과불화 화합물 가스 처리 장치의 반응기 부분 및 플랜지 부분에 대한 정면도로서, 반응기 부분에 대해서는 단면도로 나타내었다.
도 5a 내지 5e는 본 발명에 따른 장치에 의해 과불화 화합물 가스를 처리할 때 처리되는 가스의 반응 메커니즘을 나타내는 개략도로서, 도 5d는 습식 장치를 사용하여 처리하는 경우에 대한 것이고, 도 5e는 건식 장치를 사용하여 처리하는 경우에 대한 것이다.
도 6a 및 6b는 본 발명의 일실시예에 따른 장치 내에서 CF4가스의 플라즈마반응전(6a) 및 반응후(6b)에 대한 질량 분석 스펙트럼이다.
도 7a 및 7b는 본 발명의 일실시예에 따른 장치 내에서 C4F8가스의 플라즈마 반응전(7a) 및 반응후(7b)에 대한 질량 분석 스펙트럼이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
20a, 20b: 제1 및 제2 플랜지 29: 코일
30: 반응기 31: 주름형 내용기
32: 외용기 40: 매칭 네트워크
50: 고주파 전원인가 장치 60: 제어 장치
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는
내부에 처리될 가스가 흐를 수 있는 공간이 형성되고 소정의 간격으로 굴곡이 형성된 절연성 내용기와 상기 내용기가 삽입되는 원통형의 외용기를 구비하는 반응기;
상기 내용기와 외용기의 단부에 구비되어 이들을 고정시켜 줌과 동시에 내부를 밀봉시켜 주기 위한 한 쌍의 플랜지;
상기 외용기의 외벽을 따라 소정의 간격으로 권취된 코일;
상기 코일에 고주파 전원을 인가하기 위한 고주파 전원인가 장치; 및
상기 가스의 유입 유무에 따라 고주파 전원인가 유무를 컨트롤하기 위한 제어 장치를 포함하는 과불화 화합물 가스의 처리 장치를 제공한다.
상기 내용기 및 외용기는 석영관으로 이루어진 것이 바람직하며, 특히 상기 내용기는 기체의 흐름을 지연시킬 수 있도록 다수의 주름을 구비하는 주름형 석영관 또는 다수의 나선형 홈을 구비하는 나선형 석영관인 것이 바람직하다.
상기한 본 발명의 다른 목적은 상기한 장치를 반도체 장치 또는 LCD(liquid crystal display device)의 제조를 위한 CVD 공정 및/또는 플라즈마 식각 공정에서 배출된 과불화 화합물가스의 처리에 사용하는 방법에 의해 달성된다.
본 발명에서는 특히 반도체 산업의 각종 공정에 많이 사용되고 있는 과불화 화합물 배출 가스를 고주파 유도결합 플라즈마 방식을 이용하여 처리함에 있어서 주름형 반응기, 나선형 반응기와 같이 굴곡이 있는 반응기를 사용함으로써 배출가스가 반응기 내에 머무는 시간을 연장시키고 이를 통하여 배출 가스의 처리 효율을증대시키며, 플라즈마에 의한 반응기의 식각으로 인해 발생될 수 있는 반응기의 파손을 방지할 수 있는 장치를 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 과불화 화합물 가스 처리 장치의 상세한 구조와 이의 동작 원리 및 이를 이용한 가스 처리 과정을 첨부된 도면을 참고로 하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 과불화 화합물 가스 처리 장치의 개략도이다. 본 장치는 크게 제1 및 제2 플랜지(20a, 20b)와, 이들 사이에 구비된 반응기(30), 상기 반응기의 외벽을 나선형으로 권취하도록 설치된 방전용 코일(29), 매칭 네트워크(matching network; 40), 고주파 전원인가 장치(50) 및 전체 분해 처리 장치를 제어하기 위한 제어 장치(60)로 구성되어 있다.
처리될 가스는 제1 플랜지(20a)의 A 방향으로 유입되어 반응기(30)의 내부를 통과한 후 제2 플랜지(20b)의 B 방향으로 배출된다. 본 장치에서 처리하고자 하는 가스는 CF4, C2F6, C3F8, C4F8, C5F8등의 탄소와 불소로 이루어진 화합물과 CHF3, CH2F2등의 탄소, 불소 및 수소가 포함된 화합물 등으로서 주로 반도체 장치의 제조 공정 중에 배출되는 과불화 화합물 가스들이다.
방전용 코일(29)과 고주파 전원인가 장치(50) 사이에 구비된 매칭 네트워크(40)는 이들간의 임피던스를 맞추기 위해 구비되는 것으로서, 전원 장치에서 인가된 전력의 손실을 작게 하기 위하여 바람직하게 코일(29)과 일체형으로 구성된다. 매칭 네트워크(40)는 자동으로 가변되는 커패시터를 이용하여 플라즈마 반응기의 부하변동(압력 변화)과 짧은 반도체 공정 시간에 맞추어 플라즈마를 발생시킬 수 있도록 해준다.
도 2에는 도 1에 나타난 장치의 반응기 부분 및 플랜지 부분에 대한 개략적인 정면도를 나타내었는데, 하나의 플랜지 부에 대해서는 부분 단면도로 나타내었다. 특히 도면에는 제2 플랜지(20b)의 구조 및 제2 플랜지(20b)와 외용기(31) 및 내용기(32)와의 결합 관계가 상세하게 나타나 있는데 이를 상세히 설명하기로 한다.
플라즈마 반응이 일어나게 되는 반응기(30)의 내부는 저압 상태를 유지해야 하며 이를 통하여 가스의 유입 및 유출이 이루어지므로 이러한 기능을 수행하기 위하여 반응기(30)의 양쪽에 바람직하게는 알루미늄, 스테인레스 스틸 등과 같은 금속 재질로 이루어진 한 쌍의 플랜지(20a, 20b)가 구비된다. 두 플랜지(20a, 20b)는 동일한 구조로 이루어져 있으므로 이의 구조에 관해서는 도면에 단면도가 도시된 제2 플랜지(20b)에 대해서만 설명하기로 한다. 또한 편의를 위하여 내용기(32)는 주름형이지만 도 2에서는 원통형으로 도시하였다.
상기 제2 플랜지(20b)에는 상기 내용기(32)를 수납할 수 있는 제1 수납홈(21a)과 상기 외용기(31)를 수납할 수 있는 제2 수납홈(21b)이 형성되어 있으며, 상기 내용기(32)가 상기 외용기(31) 보다 더 길게 형성되어 플랜지에 용이하게 삽입될 수 있도록 한다. 또한 완전히 밀봉하여 저압 상태를 유지하기 위하여 제2 플랜지(20b)와 반응기(30) 사이에는 원형의 고무링이 삽입된다.
내용기(32)와 제2 플랜지(20b) 사이에는 제1 및 제2 고무링(22a, 22b) 및 이들 사이에 구비되어 이들간의 겹침을 방지하기 위한 제1 금속링(23a)이 삽입되어 있고 외용기(31)와 제2 플랜지(20b) 사이에는 제3 및 제4 고무링(22c, 22d) 및 이들 사이에 구비되어 이들간의 겹침을 방지하기 위한 제2 금속링(23b)이 삽입되어 있다. 금속링은 스테인레스 스틸 또는 알루미늄으로 제조될 수 있다.
이와 같이 내용기 및 외용기(31, 32)와 플랜지(20b) 사이에 고무링을 삽입하고 클램프를 이용하여 이들을 연결시키면 별도의 결합 부재 없이도 거의 완벽하게 밀봉되는 효과를 얻을 수 있어서 반응기의 내부를 저압 상태로 유지할 수 있을 뿐만 아니라 처리 가스의 누출도 방지할 수 있게 된다. 만약 고무링을 사용하지 않고 일반적인 접착제를 사용하여 상기 플랜지와 반응기를 접합시키면 이들간의 열팽창률의 차이 때문에 플라즈마 반응이 반복적으로 수행되면 균열이 발생될 위험이 있다. 상술한 모든 링을 결합한 후 플라즈마 반응기(30)를 고정시키기 위하여 알루미늄으로 제조된 플랜지 덮개(27)를 볼트를 이용하여 플랜지(20a, 20b)와 결합시켜 플랜지와 반응기(30)간의 조립을 완성하게 된다.
이에 더하여, 플라즈마 분해 처리시의 발열에 의한 온도 상승으로 인하여 고무링이 파손되는 것을 방지하기 위하여 플랜지의 내부에는 소정의 통로가 구비되어 냉각수가 흐르도록 구성되어 있다. 즉, 도면에서 제2 플랜지(20b)의 외측 면에는 내부로 냉각수가 흐를 수 있는 냉각홈(25)이 구비되어 있다. 냉각홈(25)의 상부에 구비되고 스테인레스 스틸 또는 알루미늄으로 제조된 냉각수 덮개(26) 및 냉각홈(25)의 좌우 양측 면에 구비된 제5 및 제6 고무링(24a, 24b)은 냉각수가 공급될 때 누수가 없도록 밀봉해주는 역할을 하게 된다. 제1 플랜지(20a)의 상하부에는 C 방향으로 냉각수를 도입하기 위한 냉각수 도입구(28a) 및 D 방향으로 냉각수를 배출하기 위한 냉각수 배출구(28b)가 구비되어 있다. 이러한 냉각홈(25)은 도 2에 도시된 바와 같이 플랜지의 외측면부에 형성될 수도 있으나 그 기능을 수행할 수 있는 구조라면 특별한 제한 없이 플랜지의 내부 어떠한 곳에든지 또한 어떠한 형태로든지 형성될 수 있을 것이다.
이렇게 구성된 플라즈마 반응기(30) 외부의 중앙 부분에 방전용 코일(29)을 일정한 간격을 갖도록 권취하였다. 코일(29)은 외용기(31)와 약 3∼5mm의 간격을 갖도록 설치하였으며 이의 권취수는 경험적으로 이루어진다. 방전용 코일(29)로는 속이빈 파이프 형태의 금속관을 사용하였다. 즉, 코일(29)의 내부에는 반응기의 압력 변화 및 가스의 종류에 따른 임피던스의 변화를 감소시키기 위하여 냉각수가 흐르도록 중공부(29a)를 형성하였다. E 방향으로 유입된 냉각수는 중공부(29a)를 따라 흐르다가 F 방향으로 배출된다. 바람직하게는, 제1 및 제2 플랜지(20a, 20b)의 내부에 각각 형성된 냉각홈과 코일(29)의 내부에 형성된 중공부(29a)를 서로 직렬로 연결하여 하나의 통로로 형성하도록 한다. 또한 코일(29)의 표면 저항을 최소화하기 위하여 바람직하게는 코일(29)의 외표면을 금으로 도금하였다.
도 3에는 도 1에 나타난 장치의 반응기 부분 및 플랜지 부분에 대한 개략적인 정면도를 나타내었는데, 반응기 부분에 대해서는 단면도로 나타내었다.
반응기(30)는 내용기(32)와 외용기(31)의 이중관 형태로 이루어진다. 이는 원통형의 외용기(31) 내에 과불화 화합물 가스의 체류 시간을 극대화하기 위하여 굴곡을 주되, 주름 형태로 이루어진 내용기(32)가 삽입되어 있는 형태를 갖는다.즉, 고주파 유도결합 플라즈마의 고에너지에 의한 반응기의 식각률을 낮추기 위하여 주름 형태의 석영관 외부에 원통형의 석영관을 이중으로 설치하였다. 플라즈마 반응기의 재질은 플라즈마에 의한 식각으로 반응기 내에 분진 형성이 적고 및 식각률이 적은 SiO2성분의 석영관을 사용하였다. 경도와 강도 면에서 우수한 세라믹 소재가 많이 사용되기도 하지만 이는 플라즈마가 발생될 경우 반응기와 플라즈마가 접촉되는 부분에서 심한 식각이 일어날 수 있기 때문에 본 발명에서는 사용하지 않고 상대적으로 식각률이 낮은 석영관을 사용하였다.
본 장치는 플라즈마 반응기의 내용기로서 주름 형태의 석영관을 이용함으로써 처리될 과불화 화합물 가스의 짧은 유입 시간에도 반응기 내에서 지연된 시간동안 머물도록 하여 충분한 이온화 반응이 이루어질 수 있도록 한 것이다. 결국, 내용기(32)의 주름은 가능하면 다수 개를 형성하고, 주름의 높이(h)는 가능하면 높게 하고, 주름간의 간격(d)은 가능하면 좁게 하여 굴곡이 심한 주름이 다수가 밀착되도록 형성하는 것이 가스의 흐름 시간을 연장하는 데는 유리할 것이다. 그러나 이는 용기의 사이즈나 제작의 용이성 등을 고려하여 적절한 형태로 제조하도록 한다. 이에 따라 도 3에서 제시한 바와 같이 내용기를 주름 형태로 제조하는 것 외에도 소정 형태의 굴곡을 줄 수 있기만 하다면 특별한 제한 없이, 예컨대 나선형과 같이 형성할 수도 있을 것이다.
도 4에는 본 발명의 다른 실시예에 따른 과불화 화합물 가스 처리 장치의 반응기 부분 및 플랜지 부분에 대한 정면도를 나타내었다. 반응기 부분에 대해서는단면도로 나타내었다. 도면에서 내용기(34)가 나선형으로 형성되어 있다는 것을 확인할 수 있는데, 이 경우, 처리 가스가 반응기 내로 유입되면 가스는 나선형 홈을 따라 와류를 형성하면서 진행하게 될 것이다. 이에 따라 가스의 진행 속도는 지연되고 충분한 반응이 이루어질 수 있을 것이다. 상기한 주름형 또는 나선형 내용기는 우선 주름형 또는 나선형 금형을 제작한 후 금형의 틀에 액상의 석영 원자재를 주입하고 경화시켜 제조할 수 있다. 이러한 용기는 플라즈마에 의해 과불화 화합물 가스와 반응하여 소모되므로 교환 가능하도록 설치된다.
이하, 본 발명에 따른 장치에 의하여 가스가 분해 처리되는 메커니즘에 관하여 살펴보기로 한다.
도 5a 내지 5e에는 상술한 바와 같은 본 발명에 따른 장치에 의해 과불화 화합물 가스를 처리할 때 처리되는 가스의 반응 메커니즘을 개략적으로 나타내었다.
도 5a를 참고하면, 배출된 과불화 화합물 가스가 분자 구조로 예시되어 있다. 도시된 가스로는 CF4, C2F6, C3F8, C4F8가 있는데 이는 예시를 위한 것이지 다른 가스에 대해서도 동일한 방식으로 적용될 수 있을 것이다.
도 5b를 참고하면, 도 5a에 나타난 바와 같은 가스가 굴곡을 갖는 반응기의 내용기 내로 유입되고 제어 장치로부터의 컨트롤에 의해 고주파 전원 장치에서 방전용 코일에 전력이 인가되면, 유입된 가스는 내용기 내부에서 고에너지의 플라즈마에 의한 반응을 일으켜 라디칼, 이온 등을 생성하게 된다.
도 5c를 참고하면, 생성된 라디칼, 이온 등은 반응기의 SiO2성분과 반응하여 도시된 바와 같은 F2, COF2, CO2, SiF4등의 화합물을 형성하게 된다. 즉, 과불화 화합물 가스의 주성분인 탄소와 불소는 각각 반응기의 실리콘 및 산소와 반응하여 처리가 용이한 화합물을 형성하는 것이다. 이렇게 형성된 화합물들은 습식이나 건식 처리 장치에 의해 쉽게 처리가 가능하다.
도 5d를 참고하면, 도 5c에 나타난 화합물을 습식 장치를 사용하여 처리하는 경우에 대한 것으로서, 배출되는 가스를 물에 버블링 시키는 것으로 수행된다. 이러한 처리를 통하여 도 5c에서 생성된 화합물은 H2O, O2, CO2등과 같은 무해한 성분으로 얻어지게 된다.
도 5e를 참고하면, 도 5c에서 생성된 화합물을 건식 장치를 사용하여 처리하는 경우에 대한 것이다. 이는 배출되는 가스를 고체 흡착제에 통과시켜 고체 상에 흡착시켜 제거하는 것으로 흡착제의 성분에 따라 SrF2, ZnF2, CuF2등과 같이 폐기가 용이한 화합물로 형성된다.
이하, 본 발명에 따른 장치를 사용하여 배기가스를 처리하는 과정을 상세히 설명하기로 한다. 도 2 및 3에 나타난 본 발명의 제1 실시예에 따른 장치를 이용하여 설명하기로 한다.
먼저, 제1 플랜지(20a)로 과불화 화합물 가스가 A 방향을 따라 유입되면 우선 플라즈마 반응기를 0.001∼1 torr의 저압 상태로 유지시키고 제어 장치(60)에서 입력된 신호에 의해 고주파 전원 장치(50)에서 코일(29)로 고주파의 전원을 인가하게 된다. 이 때 매칭 네트워크(40)는 고주파 전원 장치(50)로부터 공급되는 파워를반응기로 효율적으로 공급해주는 역할을 하게 된다.
반도체 장치의 제조시에 과불화 화합물 가스가 유입되는 시간은 연속적이지 않고 산소, 질소, 아르곤등과 같은 다른 공정용 가스의 유입 단계에는 유입되지 않으므로 본 장치의 제어부에서는 과불화 화합물이 반응기(30) 내부로 유입될 때만 고주파 플라즈마를 발생하도록 제어하도록 하였다. 즉, 제어 장치(60)는 과불화 화합물이 유입되는 관에 부착된 에어 밸브의 시그널을 인식하여 밸브의 개폐 유무를 판단하고 이를 통하여 과불화 화합물의 반응기 내로의 유입 유무를 판단하여 고주파 전원을 인가하도록 컨트롤하게 된다. 그 외에도 제어 장치(60)에서는 고주파 전원 장치(50)의 전력인가 횟수를 계수하여 일정한 횟수 이상 전력이 인가되면 반응기(30)와 고주파 전원 장치(50)의 교환시기가 되었음을 디스플레이 하여 관찰자에게 알려주는 역할도 수행하게 된다.
본 실시예에서는 유도결합 플라즈마를 발생시키기 위하여 현재 반도체 제조장치에서 널리 사용되고 있는 13.56MHz의 주파수와 600W∼1.5KW 전력을 인가할 수 있는 고주파 전원장치(50)를 사용하였다. 발생된 유도 결합 플라즈마에 의해 반응기 내의 과불화 화합물은 반응기의 SiO2성분과 반응하여 CO, CO2, SiF4등과 같은 화합물을 생성하게 된다. 생성된 화합물은 제2 플랜지(20b)를 통하여 B 방향으로 배출되며 이는 진공 배기 장치를 통과하여 습식 또는 건식 배기가스 처리 장치를 거쳐 무해한 가스로 전환되어 대기 중으로 배출되거나 고체에 흡착되어 폐기된다.
결국, 본 발명의 장치를 사용하면 과불화 화합물을 건식 또는 습식 장치를사용하여 쉽게 처리할 수 있는 화합물로 변화시킬 수 있게 되어 이를 효과적으로 처리할 수 있게 된다.
반응기(30)의 내용기(32)는 주름 형태로 형성되어 있기 때문에 유입된 과불화 화합물이 반응기 내에 머무는 시간이 지연되어 이온화 반응이 충분히 이루어지게 되며, 이는 결국 가스의 처리 효율을 향상시키는 역할을 하게 된다. 이에 더하여, 본 발명자는 다수의 실험을 통하여 반응기로서 석영관을 사용하면 별도의 분해촉진제를 첨가해 주지 않아도 플라즈마 분해 반응에 의해 형성된 이온 및 라디칼 등이 석영관의 SiO2성분과 반응하여 기존의 습식 및 건식 처리 장치에 의해 처리 가능한 물질로 변환된다는 것을 확인하였다.
또한 고주파 전원이 인가되는 동안에는 플랜지(20b)의 냉각홈(25)과 코일(29)내의 중공부(29a)를 따라 냉각수가 흐르게 되어 각 고무링(22a, 22b, 22c, 22d, 24a, 24b)의 변형이 방지되고 코일상의 전류 흐름은 일정하게 유지된다. 이는 결국 설비의 효율을 더욱 향상시키고 수명을 연장시키는 작용을 하게 된다.
이하, 본 발명의 일실시예에 따른 장치를 사용하여 CF4및 C4F8가스를 처리한 결과를 살펴보기로 한다. 도 6a 및 6b는 CF4가스의 플라즈마 반응전(6a) 및 반응후(6b)에 대한 질량 분석 스펙트럼이고, 도 7a 및 7b는 C4F8가스의 플라즈마 반응전(7a) 및 반응후(7b)에 대한 질량 분석 스펙트럼이다.
실험에 사용된 외용기는 외경 100mm, 내경 92mm, 길이 300mm의 석영관이고, 내용기는 10개의 주름을 가지고 두께가 4mm 이며 길이가 350mm인 석영관이다. 고무링은 약 200℃ 이상의 온도에서도 견딜 수 있는 Viton o-ring(상품명, __사제)을 사용하였으며, 방전용 코일은 파이프 지름 9.5mm 인 중공이 형성되고 금도금된 구리관을 사용하였고 외용기의 외부와 3mm의 간격을 두고 4회 권취하였다. 각 가스는 40cc/min의 유량으로 유입되었으며 반응기 내의 압력은 500mtorr를 유지하였다. 고주파 전원 장치로부터는 13.56MHz의 주파수와 1250W의 전력이 인가되었다. 이들 가스의 처리 과정은 4중 극자 질량분석기를 이용하여 측정하였다.
도면을 통하여 CF4, C4F8가스는 본 발명의 장치 내에서 SiF4, CO 등과 같은 성분으로 변화되었음을 확인할 수 있다. 생성된 SiF4성분은 물에 대한 용해도가 높은 물질이므로 용이하게 처리될 수 있다. 이러한 처리를 통하여 100sccm 이하의 유량에 대해 CF4의 경우 약 93% 이상의 분해율을 얻었고 C4F8의 경우 약 96% 이상의 분해율을 얻을 수 있었다.
상술한 바와 같은 본 발명의 장치에 의하면 플라즈마 반응이 수행되는 내용기에 굴곡을 줌으로써 플라즈마 반응이 충분한 시간 동안 충분히 이루어질 수 있게 되며, 반응기와 플랜지간에는 고무링을 사용하여 밀봉함으로써 가스의 누출이 방지되고 반응기 내부의 저압 상태가 용이하게 유지될 수 있다.
이상과 같은 본 발명의 장치를 설명함에 있어서, 특히 반도체 장치의 제조를 위한 공정에서 배출되는 가스를 예로 하였는데, 이 경우 본 장치는 특히 반도체 제조 장치와 진공 배기 장치 사이 또는 진공 배기 장치에 의해 저압의 상태가 유지되는 장소 등에 용이하게 설치할 수 있을 것이다. 또한 본 발명의 장치는 반도체 장치의 제조장치에 뿐만 아니라 LCD 제조를 위한 장치에도 용이하게 응용할 수 있을 것이다.
이상과 같은 본 발명의 장치에서는 과불화 화합물 가스의 이온화 반응을 위해 어떠한 분해촉진제도 사용하지 않는다. 따라서 반도체 제조공정에 어떠한 영향도 미치지 않고 과불화 화합물을 처리할 수 있게 된다. 또한 분해촉진제의 사용으로 인하여 야기되던 배관 및 공정 압력 상승 및 펌프 수명 단축 등의 문제점이 개선되어 안정적으로 과불화 화합물 가스를 처리할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 고주파 유도결합 플라즈마 방식의 과불화 화합물 처리 장치는 각종 산업 설비에 용이하게 적용할 수 있으며, 무엇보다도 반응기 내에 과불화 화합물이 체류하는 시간을 연장시켜 처리율을 향상시킴으로써 가스의 처리 효율을 높여서 이의 대기 배출을 억제함으로써 지구온난화 및 오존층 파괴를 최대한 방지할 수 있게 된다. 본 발명의 장치에 의해 과불화 화합물 가스는 약 95% 이상 분해되며 SiF4, CO, CO2등의 성분은 별도의 처리장치를 구비하지 않아도 기존에 설치된 습식 또는 건식 장치를 이용하여 100% 처리할 수 있다.
이에 더하여, 본 발명의 장치는 소형으로서 진공배관에 부착이 용이하며, 과불화 화합물 가스가 유입될 때만 플라즈마가 발생되도록 제작하였기 때문에 장치의 유지, 보수비용이 적게 든다.
이상에서는 본 발명의 실시예에 따라 본 발명이 설명되었지만, 본 발명의 사상을 일탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자라면 명확히 인지할 수 있을 것이다.

Claims (15)

  1. 내부에 처리될 가스가 흐를 수 있는 공간이 형성되고 소정의 간격으로 굴곡이 형성된 절연성 내용기와 상기 내용기가 삽입되는 원통형의 외용기를 구비하는 반응기;
    상기 내용기와 외용기의 단부에 구비되어 이들을 고정시켜 줌과 동시에 내부를 밀봉시켜 주기 위한 한 쌍의 플랜지;
    상기 외용기의 외벽을 따라 소정의 간격으로 권취된 코일;
    상기 코일에 고주파 전원을 인가하기 위한 고주파 전원인가 장치; 및
    상기 가스의 유입 유무에 따라 고주파 전원인가 유무를 컨트롤하기 위한 제어 장치를 포함하는 과불화 화합물 가스의 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 내용기 및 외용기는 석영관으로 이루어진 것을 특징으로 하는 과불화 화합물 가스의 처리 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 코일은 내부에 냉각수가 흐를 수 있도록 중공부가 형성되어 있는 것임을 특징으로 하는 과불화 화합물 가스의 처리 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 코일은 금으로 코팅된 것임을 특징으로 하는 과불화 화합물 가스의 처리 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 플랜지에는 상기 내용기를 수납할 수 있는 제1 수납홈과 상기 외용기를 수납할 수 있는 제2 수납홈이 형성되어 있으며, 상기 내용기가 상기 외용기보다 더 길게 형성되고, 수납된 내용기와 플랜지 사이 및 수납된 외용기와 플랜지 사이에는 고무링이 삽입되어 있는 것을 특징으로 하는 과불화 화합물 가스의 처리 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 고무링은 각각 한 쌍씩 구비되고 각 고무링 사이에는 이들간을 분리시켜 주기 위한 금속링이 구비되는 것을 특징으로 하는 과불화 화합물 가스의 처리 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 플랜지의 내부에는 냉각수가 흐를 수 있는 별도의 냉각홈이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 과불화 화합물 가스의 처리 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 냉각홈의 상부에는 덮개가 구비되고 상기 냉각홈의 좌우에는 냉각수의 누수를 방지하기 위한 고무링이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 과불화 화합물 가스의 처리 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 내용기는 기체의 흐름을 지연시킬 수 있도록 다수의 주름을 구비하는 주름형 석영관인 것을 특징으로 하는 과불화 화합물 가스의 처리장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 내용기는 기체의 흐름을 지연시킬 수 있도록 다수의 나선형 홈을 구비하는 나선형 석영관인 것을 특징으로 하는 과불화 화합물 가스의 처리 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 반응기의 내부가 0.001∼1 torr의 압력을 유지하고, 상기 고주파 전원인가 장치가 13.56MHz의 주파수와 600W∼1.5KW의 전력을 인가할 수 있는 장치인 것을 특징으로 하는 과불화 화합물 가스의 처리 장치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 과불화 화합물이 CF4, C2F6, C3F8, C4F8, C5F8, CHF3및 CH2F2로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 화합물인 것을 특징으로 하는 과불화 화합물 가스의 처리 장치.
  13. 제1항에 있어서, 상기 코일과 상기 고주파 전원 장치 사이에 구비되어 이들간의 임피던스를 맞추기 위한 매칭 네트워크를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 과불화 화합물 가스의 처리 장치.
  14. 제1항에 있어서, 상기 반응기를 통과한 가스를 물에 용해시킬 수 있도록 구성된 습식 장치 또는 고체 흡착제에 흡착시킬 수 있도록 구성된 건식 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 과불화 화합물 가스의 처리 장치.
  15. 청구항 1항에 따른 장치를 반도체 장치 또는 LCD(liquid crystal display device)의 제조를 위한 CVD 공정 및/또는 플라즈마 식각 공정에서 배출된 과불화 화합물가스의 처리에 사용하는 방법.
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