KR100481398B1 - 과불화 탄화물 가스의 처리 방법 및 이를 위한 장치 - Google Patents

Abstract

높은 효율로 과불화 탄화물 가스를 처리할 수 있는 방법 및 이를 수행하기 위하여 내구성이 향상되고 안정화된 장치가 개시되어 있다. 먼저, 처리될 가스를 주입하도록 한다. 주입된 가스에 유도 결합 플라즈마를 인가하여 이를 분해시키도록 한다. 상기 분해 반응이 일어나는 반응부의 주변을 연속적으로 흐르는 냉각제에 접촉시키는 것에 의해 분해 반응에서 발생되는 열을 냉각시켜 주도록 한다. 배출되는 가스를 처리하도록 한다. 이러한 처리 방법을 수행하기 위한 장치는 내부에 처리될 가스가 흐를 수 있는 공간이 형성된 절연성 내용기와 상기 내용기가 삽입되는 원통형의 외용기를 구비하는 반응기와 상기 내용기의 외표면을 따라 냉각제의 순환이 가능하도록 상기 내용기와 외용기의 사이에 형성된 냉각제 순환 장치를 구비하여 이루어진다. 고주파 유도결합 플라즈마 방식의 과불화 탄화물 처리 장치에 있어서 과불화 탄화물 가스의 분해 과정에서 발생되는 열을 즉시로 냉각시켜 주기 때문에 열에 의한 반응기 식각과 파손을 방지할 수 있다. 따라서 본 발명의 장치는 수명이 길고 장시간 동작이 가능하다.

Description

과불화 탄화물 가스의 처리 방법 및 이를 위한 장치{Method of Treating Perfluoro-Carbon Compound Gas And Apparatus For Treating Thereof}

본 발명은 과불화 탄화물 가스의 처리 방법 및 이를 위한 장치에 관한 것으로서, 상세하게는 강한 적외선 흡수와 장시간의 대기 잔류 시간을 가지고 있으며 지구온난화의 원인이 되는 과불화 탄화물 가스를 높은 효율로 용이하게 처리할 수 있는 방법 및 이를 처리하기 위한 장치에 관한 것이다.

과불화 탄화물 가스는 적외선 흡수력이 강하고 대기 잔류 시간이 길기 때문에, 높은 지구 온난화 잠재력(GWP; Global Warming Potential)을 나타내는 물질이다. 이들 과불화 탄화물 가스는 주로 반도체 장치의 제조를 위한 공정 중에서 진공을 이용하여 박막을 형성하기 위한 CVD(chemical vapor deposition) 공정의 수행이나 플라즈마 식각 공정 등에서 많이 사용되고 있다. 그런데, 이들이 공정중에 전량 소비되지 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 탄화물 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 탄화물이 대기 중으로 배출되면 지구온난화 및 오존층 파괴와 같은 대기 환경 오염을 발생시키게 된다. 지구온난화에 큰 영향을 미치는 과불화 탄화물의 배출량을 줄이기 위해 많은 국가들이 노력하고 있으며 여러 국가들이 참여하여 교토(Kyoto) 협약을 체결하였다. 이 협약에 참가한 국가들은 2008∼2012년 까지 일정량의 과불화 탄화물 가스를 줄이기로 협정을 맺었으며, WSC(World Semiconductor Council)에서는 2010년 까지 1995년 기준 방출량의 10%를 줄이기로 선언하였다.

과불화 탄화물 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 공정중에서 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 탄화물 처리 방법으로 연소분해법, 촉매분해법, 플라즈마 분해법 등이 개발되어 알려져 있다. 연소 분해법은 1200℃ 이상의 높은 온도를 이용하여 과불화 탄화물 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 탄화물이 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.

촉매 분해법은 배출된 과불화 탄화물 가스를 물에 통과시킨 후, 이를 300∼800℃로 가열시킨 촉매로 충진된 관내로 유입시켜 공기와 물의 환경에서 촉매에 의해 분해시키는 방법이다. 그런데 이러한 촉매 분해법은 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 현상에 대한 해결책이 선행되어야 한다는 문제가 있다.

플라즈마 분해법은 고온 및 저온 플라즈마를 이용하여 배출 가스를 쉽게 처리할 수 있는 물질로 변화시킴으로서 과불화 탄화물 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 탄화물 가스 처리 방식에서는 가스의 처리 용량에 따라 플라즈마 반응기의 크기가 증가될수록 플라즈마 밀도와 에너지가 현저하게 감소되어 과불화 탄화물 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 탄화물 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 탄화물 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 탄화물 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 공정중에 과불화 탄화물 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.

상기한 문제점을 감안하여 본 발명의 출원인은 2000년 8월 23일자로 원제2000-48908호의 기술을 출원한 바 있다. 이러한 장치에서는 주름형 반응기, 나선형 반응기와 같이 굴곡이 있는 반응기를 사용함으로써 배출가스가 반응기 내에 머무는 시간을 연장시키고 이를 통하여 배출 가스의 처리 효율을 증대시킬 수 있게 된다.

그런데 기존 장치의 경우 플라즈마를 이용한 과불화 탄화물 가스의 분해시에 분해가 이루어지는 분해로인 내부 반응기 내벽의 손상이 심하여 분해율(destruction removal efficiency)은 좋으나 분해 처리를 위해 인가되는 플라즈마에 의해 발생되는 열로 인하여 내구성(lifetime)이 짧다는 단점이 있다. 즉, 반응기가 쉽게 식각되어 이에 대한 잦은 교체가 요구되며 반응기의 파손으로 인하여 펌프에 악영향을 미칠 수도 있다는 문제가 있다.

미국 특허 제 6,156,667호(issued to Jewett)에서는 플라즈마 반응기의 절연체로부터 열을 빠른 시간내에 제거해 주기 위해서 반응기에 접촉되도록 열완화 물질(heat moderating material)을 설치한 플라즈마 반응 장치를 개시하고 있다.

이러한 장치에서는 반응기에 냉각 장치(cooling unit)를 직접 접촉시키지 않고 열완화 물질을 이들 사이에 개재하고 있다. 열완화 물질로서 DLC(diamond like carbon) 이라는 특이한 물질을 예시하고 있는데, 이는 열을 매우 잘 전달하는 물질로서 반응기가 잘 냉각될 수 있도록 유도해주는 역할을 하는 것으로 기재되어 있다. 이와 별도로 설치되는 냉각 장치로서는 냉각 쟈켓(cooling jackets), 냉각 코일(cooling coils), 냉각 팩(cooling packs), 열파이프(heat pipes), 열전자 냉각기(thermoelectric cooler) 등을 예시하고 있다.

그런데, 이러한 장치에 의하면 반응기 외부에 열완화 물질로 이루어진 층이 별도로 설치되고 이의 외부에 냉각 장치가 설치되는 구조이므로 설비가 복잡하다는 문제가 있다. 이에 더하여 이러한 장치에 의하면 반응기인 절연물질의 온도가 500℃ 이하, 바람직하게는 50 내지 300℃ 온도 범위로 조절된다. 따라서 반응기의 온도가 여전히 높다는 문제가 있다.

따라서 본 발명에서는 상술한 문제점을 해결하기 위하여 과불화 탄화물 가스의 처리에 있어 기존에 소개된 방법의 문제점을 보완, 개선하고 분해촉진제를 사용하지 않으면서 높은 효율로 안정하게 상기 가스를 처리할 수 있는 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 다른 목적은 상기한 과불화 탄화물 가스 처리를 용이하게 수행할 수 있으며, 열에 의한 반응기 내벽의 플라즈마 식각이 감소되어 반응기의 내구성이 향상된 과불화 탄화물 가스 처리 장치를 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는

처리될 가스를 주입하는 단계;

주입된 가스에 유도 결합 플라즈마를 인가하여 이를 분해시키는 단계;

상기 분해 반응이 일어나는 반응부의 주변을 연속적으로 흐르는 냉각제에 접촉시키는 것에 의해 분해 반응에서 발생되는 열을 냉각시켜 주어, 분해 반응이 일어나는 반응부의 표면 온도를 0∼100℃의 범위로 제어하는 단계; 및

배출되는 가스를 처리하는 단계를 포함하는 과불화 탄화물 가스의 처리 방법을 제공한다.

특히, 상기 냉각제로서는 냉각수 및 냉각 기체중 어느 하나가 사용될 수 있으며 바람직하게는 냉각수가 사용된다. 냉각수의 온도는 0∼25℃ 범위가 되도록 하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 16∼18℃ 온도 범위로 제어가 된다.

상기한 본 발명의 다른 목적은

내부에 처리될 가스가 흐를 수 있는 공간이 형성된 절연성 내용기와 상기 내용기가 삽입되는 원통형의 외용기를 구비하는 반응기;

상기 내용기의 외표면을 따라 냉각제의 순환이 가능하도록 상기 내용기와 외용기의 사이에 형성된 냉각제 순환장치;

상기 내용기와 외용기의 단부에 구비되어 이들을 고정시켜 줌과 동시에 내부를 밀봉시켜 주기 위한 한 쌍의 제1 및 제2 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 컨트롤 하기 위한 제어 장치를 포함하는 과불화 탄화물 가스의 처리 장치에 의해 달성된다.

특히, 상기 내용기는 세라믹 및 석영 중 어느 하나로 형성되며 외용기는 석영으로 형성되는 것이 바람직하다.

그리고 상기 제1 및 제2 플랜지는 각각 상기 내용기를 수납할 수 있는 제1 수납홈과 냉각제가 공급되고 배출되기 위한 냉각제 흐름관이 형성된 제3 및 제4 플랜지와, 상기 외용기를 수납할 수 있는 제2 수납홈이 형성되어 있는 제5 및 제6 플랜지로 이루어져 있으며, 상기 내용기가 상기 외용기보다 더 길게 형성된다. 수납된 내용기와 제3 및 제4 플랜지 사이 및 수납된 외용기와 제5 및 제6 플랜지 사이에는 고무링이 각각 삽입되어 완벽한 밀봉 효과를 제공해 주도록 하는 것이 좋다. 이러한 고무링은 각각 한 쌍씩 구비되고 각 고무링 사이에는 이들간을 분리시켜 주기 위한 금속링을 설치하도록 한다.

특히, 상기 제어 장치는 상기 처리될 가스의 공급이 중단된 후 소정의 시간 동안 상기 고주파 전원을 연장하여 인가해 주기 위한 딜레이 타이머(delay timer)를 더 구비하는 것이 바람직하다.

또한 상기 장치는 상기 내용기의 단부로부터 소정의 거리를 두고, 상기 처리될 가스가 상기 내용기로부터 배출된 후 부딪히는 위치에 설치되어, 상기 처리될 가스에 포함된 고체 입자가 부딪히도록 하기 위한 트랩 장치를 더 구비하는 것이 바람직한데, 이러한 트랩 장치는 저면의 직경이 상기 내용기의 직경보다 큰 원뿔형의 본체와 적어도 두 개의 다리부로 이루어지며, 상기 본체의 외주면에는 내부에 냉각수가 흐를 수 있는 공간이 형성된 코일이 권취되어 있는 것이 용이하게 적용될 수 있다.

상기한 본 발명의 다른 목적은

내부에 처리될 가스가 흐를 수 있는 공간이 형성된 절연성 내용기와 상기 내용기가 삽입되는 원통형의 외용기를 구비하는 반응기;

내부에 냉각제의 순환이 가능한 튜브를 상기 내용기의 외표면을 따라 권취하여 상기 내용기와 외용기의 사이에 형성된 냉각제 순환장치;

상기 내용기와 외용기의 단부에 구비되어 이들을 고정시켜 줌과 동시에 내부를 밀봉시켜 주기 위한 한 쌍의 상부 및 하부 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 컨트롤 하기 위한 제어 장치를 포함하는 과불화 탄화물 가스의 처리 장치에 의해서도 달성된다.

특히 상기 튜브는 내열성 테플론 튜브이고, 상기 튜브는 튜브간의 공간이 없도록 조밀하게 밀착, 권취되어 있어서 내용기가 노출되지 않도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 내용기는 세라믹 또는 비전도성 SiC 재질로 형성되고 상기 상부 플렌지는 알루미늄으로 제조된 것이, 상기 외용기는 방열 실리콘 성형 튜브인 것이 바람직하다.

본 발명에서는 저온 플라즈마를 이용하여 과불화 탄화물 가스를 분해시킴에 있어서, 1차 분해과정에서 발생되는 열을 효율적으로 감소시키기 위해 반응기의 외부에 냉각수와 같은 냉각제를 연속적으로 공급하여 내부 반응기의 모든면이 용이하게 냉각될 수 있도록 함으로써 안정된 과불화 탄화물 가스의 처리를 꾀하고, 반응기의 내수성을 향상시켰다.

이하, 본 발명의 일실시예에 따른 과불화 탄화물 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 탄화물 가스 처리 장치의 개략도이다. 본 장치는 크게 제1 및 제2 플랜지(25, 26)와, 이들 사이에 구비된 플라즈마 반응부(30), 임피던스 자동 정합부(40), 고주파 전원 장치부(50) 및 전체 분해 처리 장치를 제어하기 위한 제어 장치부(60)로 구성되어 있다. 상기 제어 장치부(60)에는 가스의 공급이 중단되는 경우, 제어 장치부(60)의 신호가 차단됨과 동시에 동작하도록 된 딜레이 타이머(62)가 장착되어 있다.

처리될 가스는 제1 플랜지(25)의 A 방향으로 유입되어 플라즈마 반응부(30)의 내부를 통과한 후 제2 플랜지(26)의 B 방향으로 배출된다. 본 장치에서 처리하고자 하는 가스는 CF₄, C₂F₆, C₃F₈, C₄F ₈, C₅F₈ 등의 탄소와 불소로 이루어진 화합물과 CHF₃, CH₂F₂ 등의 탄소, 불소 및 수소가 포함된 화합물 등으로서 주로 반도체 장치의 제조 공정중에 배출되는 과불화 탄화물 가스들이다.

플라즈마 반응부(30)와 고주파 전원 장치부(50) 사이에 구비된 임피던스 자동 정합부(40)는 이들간의 임피던스를 맞추기 위해 구비되는 것으로서, 전원 장치에서 인가된 전력의 손실을 작게 하기 위하여 바람직하게는 플라즈마 반응부(30)에 구비된 코일과 일체형으로 구성된다. 임피던스 자동 정합부(40)는 자동으로 가변되는 커패시터를 이용하여 플라즈마 반응부(30)의 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 단면도를 나타내었는데, 설명을 위하여 한 쪽 부분만 나타내었다. 특히 도면에는 제1 플랜지(25)의 구조 및 이들과 내용기(31) 및 외용기(32)와의 결합 관계 및 처리 가스와 냉각제의 흐름에 관하여 도시되어 있다. 또한 도 3에는 도 1에 나타난 장치의 반응기 부분에 대한 단면도를 상세하게 도시하였다.

플라즈마 반응부는 크게 플랜지부, 내용기, 외용기, 냉각제 흐름 공간의 네 부분으로 나뉜다. 진공 챔버에서 공정 진행후 배기되는 과불화 탄화물 가스의 직접적인 분해를 담당하는 내용기와 냉각제가 흐르도록 하기 위한 목적과 내용기의 이중 보호를 위해 준비된 외용기, 양 반응기를 고정할 수 있도록 고안된 플랜지, 양 반응기 사이에 형성된 공간을 채우는 냉각제가 주요 구성부인 것이다.

내용기의 외표면을 따라 냉각제가 흐를 수 있도록 하기 위하여 내용기와 외용기 사이에 공간을 형성하고 냉각제 주입구를 통하여 냉각제를 주입하여 내용기의 외표면을 따라 냉각제가 흐르도록 한 후 냉각제 배출구를 통하여 냉각제가 배출되도록 하는 구성을 갖도록 장치의 형상을 다양하게 제작할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명에서는 냉각제의 흐름을 위한 플랜지의 형상, 내용기와 외용기의 배치 등을 특별히 제한하지 않는다.

바람직한 일실시예로서 도면에 나타난 장치에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 반응기(30)는 내용기(31)와 외용기(32)의 이중관 형태로 이루어진다. 내용기(31)는 외용기(32) 보다 더 길게 형성된다. 플라즈마 반응이 일어나게 되는 내용기(31)의 내부는 저압 상태를 유지해야 하며 이를 통하여 가스의 유입 및 유출이 이루어지므로 이러한 기능을 수행하기 위하여 내용기(31)의 양쪽에 바람직하게는 알루미늄, 스테인레스 스틸 등과 같은 금속 재질로 이루어진 한 쌍의 제1 및 제2 플랜지(25, 26)가 구비된다.

바람직하게, 제1 플랜지(25)는 제3 및 제5 플랜지(25a, 25b)로 이루어지고 제2 플랜지는 제4 및 제6 플랜지(26a, 26b)로 이루어진다. 제3 및 제4 플랜지(25a, 26a)에는 각각 상기 내용기를 수납할 수 있는 수납홈과 냉각제가 공급되고 배출되기 위한 냉각제 흐름관이 형성되어 있다. 또한 제5 및 제6 플랜지(25b, 26b)에는 각각 상기 외용기를 수납할 수 있는 수납홈이 형성되어 있다.

수납된 내용기와 제3 및 제4 플랜지(25a, 26a) 사이 및 수납된 외용기와 제5 및 제6 플랜지(25b, 26b) 사이에는 고무링이 각각 삽입되어 완벽한 밀봉 효과를 제공해 주도록 하는 것이 좋다. 이러한 고무링은 각각 한 쌍씩 구비되고 각 고무링 사이에는 이들간을 분리시켜 주기 위한 금속링을 설치하도록 한다. 상기한 진공용 고무링으로서는 특히 내열성이 우수하고 수명이 강한 재질인 칼레쯔사의 오링(o-ring)을 채택하여 사용하는 것이 바람직하다.

제3 및 제5 플랜지(25a, 25b)에 나타난 도면을 참고로 하여 설명하면, 내용기(31)와 제3 플랜지(25a) 사이에는 제1 및 제2 고무링(22a, 22b) 및 이들 사이에 구비되어 이들간의 겹침을 방지하기 위한 제1 금속링(27)이 삽입되어 있고 외용기(32)와 제5 플랜지(25b) 사이에는 제3 및 제4 고무링(23a, 23b) 및 이들 사이에 구비되어 이들간의 겹침을 방지하기 위한 제2 금속링(28)이 삽입되어 있다. 금속링은 스테인레스 스틸 또는 알루미늄으로 제조될 수 있다. 동일한 방식으로 제4 및 제6 플랜지(26a, 26b)에도 각각 고무링 및 금속링이 구비된다.

이와 같이 내용기(31) 및 외용기(32)와 각 플랜지 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. 특히 제5 및 제6 플랜지(25b, 26b)에 구비된 고무링은 누수를 방지해 주는 역할을 하게 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 제3 플랜지(25a)의 외측면에는 내부로 냉각수가 흐를 수 있는 냉각홈(29)이 구비되어 있다. 냉각홈(29)의 상부에 구비되고 스테인레스 스틸 또는 알루미늄으로 제조된 냉각수 덮개(29a) 및 냉각홈(29)의 좌우 양측에 구비된 제5 및 제6 고무링(24a, 24b)은 냉각수가 공급될 때 누수가 없도록 밀봉해 주는 역할을 하게 된다.

이러한 구성을 갖도록 반응기를 제조하도록 한다.

구체적으로, 내용기(31)는 외경이 약 60mm, 내경이 약 50mm, 길이가 약 333mm 인 세라믹관으로 제조하도록 한다. 외용기(32)는 외경이 약 70mm, 내경이 약 65mm, 길이가 약 232mm 인 석영관으로 제조하도록 한다. 제조되는 외용기(32) 외부의 중앙 부분에 방전용 코일(39)을 일정한 간격을 갖도록 권취하도록 한다. 코일(39)은 파이프 지름이 약 9.5mm인 것으로 외용기(32)와 약 3∼5mm의 간격을 갖도록 설치하며 이의 권취수는 경험적으로 이루어지는데 6회 정도가 바람직하다. 방전용 코일(39)로는 속이빈 파이프 형태의 금속관을 사용하였다. 즉, 코일(39)의 내부에는 반응기의 압력 변화 및 가스의 종류에 따른 임피던스의 변화를 감소시키기 위하여 냉각수가 흐르도록 중공부가 형성되어 있다. E 방향으로 유입된 냉각수는 중공부를 따라 흐르다가 F 방향으로 배출된다. 또한 코일(39)의 표면 저항을 최소화하기 위하여 바람직하게는 코일(39)의 외표면을 금 또는 은으로 도금하도록 한다.

내부 반응기는 비용이 더 저렴한 석영을 사용하여 제조할 수도 있을 것이나 내구성이 더 좋은 세라믹 재질을 사용하는 것이 더 바람직하다. 이는 왜냐하면 플라즈마 반응시 발생되던 부산물(HF)에 의한 손상이 가장 큰 취약부인 중심부의 불규칙적인 침식을 예방하고 균일한 플라즈마 처리 효율을 얻을 수 있기 때문이다. 외용기(32)는 직접적으로 플라즈마에 의한 영향을 받는 부분은 아니므로 기존에 적용하던 바와 같이 석영 및 세라믹 중 어느 하나로 제조하는 것이 바람직하다.

이하, 상기한 본 발명의 일실시예에 따른 처리 장치를 사용하여 과불화 탄화물 배기 가스를 처리하는 과정을 상세히 설명하기로 한다.

먼저, 제1 플랜지(25)로 과불화 탄화물 가스가 A 방향을 따라 유입되면 우선 플라즈마 반응기를 0.001∼1 torr의 저압 상태로 유지시키고 제어 장치부(60)에서 입력된 신호에 의해 고주파 전원 장치부(50)에서 코일(39)로 고주파의 전원을 인가하게 된다. 이 때 임피던스 자동 정합부(40)는 고주파 전원 장치부(50)로부터 공급되는 파워를 반응기로 효율적으로 공급해주는 역할을 하게 된다. 이 때, RF를 형성하기 위한 RF 공급 소스는 과불화 탄화물 가스가 주입되는 입구 부분에 장착하는 것이 플라즈마의 안정을 꾀하는데 유리하며, 상승된 분해 제거 효율(destruction removal efficiency)을 얻는 데 유리하다.

반도체 장치의 제조시에 과불화 탄화물 가스가 유입되는 시간은 연속적이지 않고 산소, 질소, 아르곤 등과 같은 다른 공정용 가스의 유입 단계에는 유입되지 않으므로 본 장치의 제어부에서는 과불화 탄화물이 반응부(30)로 유입될 때만 고주파 플라즈마를 발생하도록 제어하였다. 즉, 제어 장치(60)는 과불화 탄화물이 유입되는 관에 부착된 에어 밸브의 시그널을 인식하여 밸브의 개폐 유무를 판단하고 이를 통하여 과불화 탄화물의 반응기 내로의 유입 유무를 판단하여 고주파 전원을 인가하도록 콘트롤하게 된다.

그 외에도 제어 장치(60)에서는 고주파 전원 장치(50)의 전력 인가 횟수를 계수하여 일정한 횟수 이상 전력이 인가되면 반응부(30)와 고주파 전원 장치(50)의 교환시기가 되었음을 디스플레이하여 관찰자에게 알려주는 역할도 수행하게 된다.

제어 장치(60)에 설치된 딜레이 타이머(62)는 과불화 탄화물 가스의 공급이 중단되고 난 후 남은 잔류 가스의 완벽한 처리를 위한 일환으로 제공되는데, 가스의 공급이 중단된 후에도 설정된 소정의 시간 만큼 RF 파워가 더 공급될 수 있도록 하여 반응관 내에 남은 잔류 가스를 완벽하게 처리하도록 해준다. 상기 시간은 필요에 따라 자유로이 설정할 수 있으며 효율적으로 적용할 수 있는 시간은 30초 정도이다.

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. 도면에 타원형으로 도시된 바와 같이 발생된 유도 결합 플라즈마에 의해 반응기 내의 과불과 화합물은 내용기의 SiC 성분 및 흐름가스의 O₂ 성분 등과 반응하여 CO, CO₂, SiF₄ 등과 같은 화합물을 생성하게 된다. 생성된 화합물은 제2 플랜지(26)를 통하여 B 방향으로 배출되며 이는 진공배기 장치를 통과하여 습식 또는 건식 배기가스 처리 장치를 거쳐 무해한 가스로 전환되어 대기중으로 배출되거나 고체에 흡착되어 폐기된다.

플라즈마 분해 반응이 일어나는 내용기(31)의 외표면에는 내용기(31)와 외용기(32) 사이에 형성된 공간을 따라 C 방향으로 주입된 냉각수가 흐르게 된다. 냉각수는 상온의 물이면 사용가능하다. 즉, 0∼25℃ 온도 범위의 물을 용이하게 적용할 수 있는데, 일정 시간이 흐른 후에는 물의 온도와 내부 용기의 온도가 같아지게 된다. 일정량의 물이 제6 플랜지(26b)에 형성된 냉각수 주입구를 통하여 C 방향으로 주입되어 내용기(31)의 외표면을 감싸면서 흐르다가 제5 플랜지(25b)에 형성된 냉각수 배출구를 통하여 D 방향으로 배출된다. 이러한 냉각수는 플랜지에 형성된 냉각홈을 흐르는 냉각수와 직렬로 연결하여 사용하는 것이 가능하므로 이들을 하나의 주입구와 하나의 배출구로 구성함으로써 장치를 더욱 간소하게 설치할 수도 있다.

이와 같이 냉각수가 내용기(31)를 따라 흐름으로써 내용기(31)의 온도가 0∼25℃ 온도 범위로 유지되면 차가운 영역에서는 플라즈마가 잘 형성되지 않으므로 플라즈마가 중심부로 모이면서 가스의 분해율은 오히려 더 좋아지는 것으로 나타났다. 이는 반응기의 온도 저하로 인하여 반응기와의 반응에 의한 HF의 생성이 억제되어 RF에 의해서만 가스가 분해되기 때문인 것으로 이해된다. 결국 가스와 내벽과의 반응이 줄어들고 열에 의한 내벽의 식각이 방지되므로 가스의 분해 효율은 기존의 장치에서와 동등 이상의 효과를 얻으면서도 반응기의 수명은 증가하게 된다.

결국, 과불화 탄화물 가스 처리 장치에서 가스의 분해로로 사용되는 지름이 서로 다른 이중 반응기의 사이에 냉각수의 흐름을 원활하게 유도하여 과불화 탄화물 가스의 이온화 과정에서 발생되는 반응열을 냉각시켜 줌으로써 내부 반응기 내벽 쪽으로 플라즈마가 형성되지 못하도록 유도함으로써 열에 의한 반응기 내벽의 플라즈마 손상을 줄여 식각을 방지함으로써 반응기의 수명을 연장시킬 수 있도록 설계한 것이다.

상기한 구체적인 실시예에서는 냉각제로서 냉각수를 도입한 경우를 예로하여 설명하였으나 냉각을 위한 목적으로 사용가능한 냉각제에는 특별한 제한이 없음은 물론이다. 물을 제외한 액체를 비롯하여 냉각 가스 등도 도입될 수 있을 것이다. 다만 비용과 조작의 간편성 등을 고려할 때, 물이 가장 바람직하다.

이러한 과불화 탄화물 가스 처리 장치를 이용하여 CF₄, C₂F₆, C₃F ₈, C₄F₈, C₅F₈ 등 과불화 탄화물 가스에서 분해 실험을 시도한 후, 4중 극자 질량분석기 및 MIDAC 사의 FT-IR 기기로 분석하여 확인한 결과 적은 용량의 공정 조건을 가지고 있는 식각 공정 방법(recipe)에서 90% 이상의 분해율을 나타내었다.

상술한 본 발명의 일실시예에 따른 장치의 내구성을 테스트하기 위하여 장치를 50시간 동안 연속적으로 동작시킨 후 감소된 내용기의 두께를 이용하여 계산하였다. 수명은 내용기 두께가 10%로 감소되는 시점을 교체 시기로 하고, 장치를 연속적으로 동작시켰을 경우를 가정하여 계산하였다. 그 결과, 기존의 냉각수를 도입하지 않은 경우에 내용기의 수명이 약 15∼30 일 정도에 불과하던 것이 본 발명의 일실시예에 따른 장치는 최소한 118일, 길게는 약 3년 정도의 수명을 갖는 것으로 확인되었다. 이러한 수명의 편차는 두께 측정시의 오차가 크기 때문에 나타나는 것으로서, 실제로는 수명이 약 1년 정도일 것으로 추정된다.

이러한 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 처리 장치의 단부에는 각종 입자가 진공 펌프에 유입되는 것을 방지할 수 있도록 트랩 장치를 설치할 수 있다. 도 4에는 이러한 트랩 장치가 설치된 반응기를 도시하였다.

내용기(31)의 단부로부터 소정의 거리를 두고 처리될 가스가 상기 내용기로부터 배출된 후 부딪히도록 트랩 장치(70)가 설치되어 있다. 이는 처리될 가스에 포함된 파편과 같은 고체 입자가 부딪혀 옆으로 떨어지도록 하여 진공 펌프 내로 유입되는 것을 방지하여 펌프의 작동을 안정적으로 유지하여 수명을 연장시키기 위한 것이다.

트랩 장치(70)는 저면의 직경이 상기 내용기의 직경보다 큰 원뿔형의 본체(73)와 적어도 두 개의 다리부로 이루어지는데, 도면에서는 세 개의 다리부(74)를 갖도록 형성되어 있음을 알 수 있다. 또한 상기 본체(73)의 외부면에는 내부에 냉각수가 흐를 수 있는 공간이 형성된 트랩 장치용 코일(72)이 권취되어 있어서 배출된 가스의 온도를 낮춰주어 진공 펌프의 안정도를 더욱 향상시키도록 되어 있다. 통상, 진공 펌프에 유입되는 가스의 적정 온도는 약 100℃ 이하로 알려져 있다. 반응부(30)의 B 방향으로 배출되는 가스는 흐름 방향에 설치된 트랩 장치(70)에 의해 흐름을 방해받아서 측면으로 이동하다가 다리부(74) 사이의 공간을 통하여 배출된다. 배출 가스가 트랩 장치(70)와 부딪히는 과정에서 플라즈마 반응시 발생될 수 있는 파편이 배출 가스에 포함되어 있다가 측면으로 떨어져 진공 펌프로 유입되는 것을 방지할 수 있는 것이다.

이러한 트랩 장치는 도시된 형상외에도 어떠한 형상이든지 그 목적을 구현할 수 있는 것이면 가능하며 본 발명자는 이를 본체와 다리부로 제작하였으나 그 형태에는 특별한 제한이 없음이 이해되어야만 한다.

이에 더하여, 반응기는 내용기, 외용기 및 제3 용기의 삼중관 형태로 이루어질 수도 있다. 저온 플라즈마, 특히 고주파 유도 결합 방식의 배출 가스 처리 장치의 경우 플라즈마 반응기 내의 이온화 반응으로 반응기로 쓰이는 재료의 식각이 치명적이며, 진동이나 식각 과정 때문에 반응기가 파손되어, 반응기 파편이 반응기의 후단에 설치되는 진공 펌프에 치명적인 악영향을 야기할 수도 있으며, 압력의 급격한 상승으로 인하여 상부의 터보 펌프에 피명적인 악영향을 끼칠 수도 있다. 그런데, 본 실시예에서와 같이 삼중 구조로 장치를 제조하면 압력의 상승을 방지하고 연속적인 진공 상태의 유지가 가능하게 된다. 이러한 제3의 용기는 알루미늄, 스테인레스 스틸 등과 같은 금속성 재질로 제작할 수 있다. 반응기 파편은 반응기 후단에 설치된 트랩 장치에 의해 펌프 내로의 유입이 방지될 수 있다. 이 뿐만 아니라, 진공도를 유지해야 하는 반응기가 3중관으로 제조되므로 고진공의 유지에도 유리하다.

또한, 상기한 처리 장치의 제1 플랜지에는 흐름 가스가 반응기 내에서 와류를 형성하면서 진행될 수 있도록, 처리 가스의 주입 방향에 대하여 소정의 각도로 기울어진 흐름 가스 주입구가 구비될 수 있는데, 이러한 흐름 가스로는 이온화가 쉽게 이루어지며 반도체 제조 공정에 영향을 미치지 않는 산소 및/또는 아르곤 가스등이 채용될 수 있으며, 상기 흐름 가스 주입구는 처리 가스의 주입 방향에 대하여 40∼50°각도로 2∼5개 구비되는 것이 바람직하다. 그러나 와류를 형성할 수 있는 구조라면 각도나 주입구의 개수에 별다른 제한이 없음은 물론이다.

흐름 가스 주입구가 처리 가스 주입 방향에 대하여 소정의 각도로 기울어지게 형성하고 흐름 가스를 반응기 내로 주입하면 주입된 가스는 와류를 형성하면서 내용기의 내부를 따라 진행하게 된다. 이에 따라 A 방향에서 주입되는 처리 가스도 흐름 가스의 흐름 방향에 따라 와류를 형성하면서 진행하게 된다. 이 경우, 원심력에 의해서 차가운 가스는 바깥쪽으로, 뜨거운 가스는 안쪽으로 집속되어 중심부의 플라즈마 밀도를 증가시켜 짧은 가스 유입 시간 동안에 과불화 탄화물 가스가 충분히 이온화 될 수 있다. 또한 뜨거운 가스는 자체적으로 에너지가 높기 때문에 빠르게 진행하여도 충분히 이온화 반응이 일어나며, 차가운 가스는 자체 에너지가 낮기 때문에 반응 용기에 큰 영향을 미치지 않게 된다.

상술한 바와 같은 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 처리 장치에 의하면 내용기의 외부를 따라 냉각제가 접촉하여 흐르도록 되어 있기 때문에 높은 냉각 효율을 달성할 수 있게 된다. 그런데, 이러한 장치에서는 내용기의 외부를 따라 냉각수 등이 흐름에 따라 내용기의 파손에 따른 누수의 위험이 있다. 이에 따라 이보다 효율은 약간 떨어지지만 반응기 문제 발생시 누수 문제를 보강한 장치를 다음과 같이 제시하고자 한다.

이하, 본 발명의 다른 실시예에 따른 과불화 탄화물 가스 처리 장치의 상세한 구조와 이의 동작 원리 및 이를 이용한 가스 처리 과정을 첨부된 도면을 참고로 하여 상세히 설명하기로 한다.

본 실시예에 따른 과불화 탄화물 가스 처리 장치의 개략도는 도 5에 나타난 바와 같다. 이는 도 1에 나타난 도면과 동일하나, 도면 부호만 상이하다. 즉, 본 장치는 크게 상부 및 하부의 제1 및 제2 플랜지(125, 126)와, 이들 사이에 구비된 플라즈마 반응부(130), 임피던스 자동 정합부(140), 고주파 전원 장치부(150) 및 전체 분해 처리 장치를 제어하기 위한 제어 장치부(160)로 구성되어 있다. 상기 제어 장치부(60)에는 가스의 공급이 중단되는 경우, 제어 장치부(160)의 신호가 차단됨과 동시에 동작하도록 된 딜레이 타이머(162)가 장착되어 있다. 과불화 탄화물 가스를 처리하기 위한 각 구성부의 기능에 대한 설명은 도 1에 대한 설명에 준하므로 생략하기로 한다.

도 6에는 본 발명의 다른 실시예에 따른 과불화 탄화물 가스 처리 장치의 부분 단면도를 나타내었다. 도면에서는 장치의 설명을 위하여 반응부의 반쪽 부분은 사시도로 나타내고, 나머지 부분은 단면도로 나타내었다.

플라즈마 반응부는 크게 플랜지부, 내용기, 냉각제의 흐름을 위한 냉각 수단, 외용기의 네부분으로 나뉜다. 즉, 본 실시예에 따른 처리 장치는 A 방향으로 주입되는 과불화 탄화물 가스의 직접적인 분해를 담당하는 내용기, 상기 내용기의 외부에 권취되어 있으며, 냉각제가 흐르도록 내부에 중공을 갖는 미세한 튜브 및 상기 중공부를 통하여 연속적으로 흐르는 냉각제로 이루어진 냉각 수단, 상기 냉각 수단의 역할을 보완함과 동시에 상기 튜브를 보호해주기 위한 외용기, 상기 내용기를 고정시키도록 설치된 플랜지로 구성되어 있다.

도 6에 나타난 장치를 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.

분해로의 기본 몸체로 작용하는 반응기인 내용기(131)의 고정을 위하여 금속 재질로 제작된 상, 하부 플랜지(125, 126)가 설치된다. 상부 플랜지(125)는 장치의 무게 감량을 위하여 알루미늄으로 제작하는 것이 바람직하다. 플라즈마에 의해 열이 발생되고 진공 펌프에 의해 열이 하부에 치중됨에 따라 하부 플랜지(126)는 내부에 냉각로를 구비한 스테인레스 재질인 sus 304를 사용하는 것이 바람직하다. 상부 플랜지(125)의 재질로서 알루미늄을 채택함으로써 보다 경량의 제품을 제작할 수 있게 된다.

반응기로 사용되는 내용기(131)는 비용이 더 저렴한 석영을 사용하여 제조할 수도 있을 것이나 내구성이 더 좋은 세라믹 재질을 사용하는 것이 더 바람직하다. 이는 플라즈마 반응시 발생되는 부산물(HF)에 의한 손상이 가장 큰 취약부인 중심부의 불규칙적인 침식을 예방하고 균일한 플라즈마 처리 효율을 얻을 수 있기 때문이다.

상기 상부 및 하부 플랜지(125, 126)에는 각각 상기 내용기(131)를 수납할 수 있는 수납홈이 형성되어 있다. 수납된 내용기와 상, 하부 플랜지(125, 126) 사이에는 고무링이 각각 삽입되어 완벽한 밀봉 효과를 제공해 주도록 하는 것이 좋다. 이러한 고무링은 각각 한쌍씩 구비되고 각 고무링 사이에는 이들간을 분리시켜 주기 위한 금속링을 설치하도록 한다. 즉, 내용기(131)와 상부 플랜지(125) 사이에는 제1 및 제2 고무링(122a, 122b) 및 이들 사이에 구비되어 이들간의 겹침을 방지하기 위한 제1 금속링(127)이 삽입되어 있고 내용기(131)와 하부 플랜지(126) 사이에는 제3 및 제4 고무링(124a, 124b) 및 이들 사이에 구비되어 이들간의 겹침을 방지하기 위한 제2 금속링(129)이 삽입되어 있다. 금속링은 스테인레스 스틸 또는 알루미늄으로 제조될 수 있다.

이와 같이 내용기(131) 및 각 플랜지 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.

열에 의한 반응관의 수명을 연장시키고 내구성을 강화하기 위한 본 장치의 핵심이라고 할 수 있는 내용기(131)의 냉각 방법은 중공부가 형성된 내열성 튜브(133), 예컨대 PFA 튜브를 내용기(131)의 외부에 권취시키되, 바람직하게는 조밀하게 감싸도록 권취하여 내용기(131)가 노출되지 않도록 하고, 상기 내열성 튜브(133)의 내부로 냉각제, 바람직하게는 냉각수 또는 냉각 기체 등을 흘려주는 것이다.

그리고, 상기 내열성 튜브(133)의 외부에는 내열성이 강한 실리콘 성형 튜브(132)를 장착시켜 상기 내열성 튜브(133)에 의한 냉각 작용이 내용기(131)의 전면에 골고루 전달될 수 있도록 해준다. 이는 실리콘이 내열성이 우수하고 열을 전면적으로 분산시키기 때문인데, 이를 통하여 반응기 전면 냉각이 가능하도록 유도해 준다. 이와 동시에 상기 내열성 튜브(133)를 RF로부터 보호해주도록 한다. 이러한 실리콘 성형 튜브(132)는 내열성 튜브(133)를 보호해주는 역할 이외에 외관상 심미감을 주는 효과도 있다.

외용기의 역할을 하는 실리콘 성형 튜브(132)는 내열성 튜브(133)가 권취된 반응기의 외부에 내열성이 강한 실리콘 성형 튜브를 씌우고 내열성 튜브(133)와 실리콘 성형 튜브 사이에 액상 실리콘을 주입함으로써 상기 두 튜브 사이에 빈 공간이 없도록 액상 실리콘으로 채워 고화시킴으로써 완성된다.

이와 같이 실리콘 성형 튜브(132)로 이루어진 외용기가 완성되면 그 외부에 RF 코일(139)을 권취하도록 한다. 코일의 내부에는 RF 인가시에 발생되는 열을 식혀주기 위하여 냉각수가 흐르도록 공급하며, 또한 금 또는 은도금을 하여 표면 저항을 감소시키도록 한다.

내열성 튜브(133)의 내부를 흐르는 냉각제로서 냉각수를 사용하는 경우, 코일의 내부를 흐르는 냉각수와 연계하여 하나의 흐름라인으로 형성할 수 있다. 즉, G 방향으로 냉각수가 유입되면, 이는 RF 코일(139)의 내부를 따라 순환되다가 하부 플랜지(126)를 거쳐 내열성 튜브(133)의 내부로 유입된다. 내열성 튜브(133)의 내부를 따라 순환된 냉각수는 H 방향으로 배출되는 것이다. 이 때, 하부 플랜지(126)의 내부에 별도로 형성된 홈을 따라 흐르도록 하여 플라즈마에 의해 하부로 치중되는 열을 식혀주도록 하는 것이 바람직하다.

이러한 구성을 갖도록 반응기를 제조하도록 한다.

구체적으로, 내용기(131)는 외경이 약 60mm, 내경이 약 50mm, 길이가 약 333mm 인 세라믹관으로 제조하도록 한다. 상기 세라믹관의 외부에는 내부가 빈 1/4∼1/8"의 PFA 튜브(133)를 조밀하게 밀착시켜 권취하도록 한다. 이를 실리콘 튜브에 넣고 PFA 튜브와 실리콘 튜브 사이에는 액상의 방열 실리콘을 침투시켜 외용기(132)를 완성하도록 한다. 제조되는 외용기(132) 외부의 중앙 부분에 방전용 코일(139)을 일정한 간격을 갖도록 권취하도록 한다. 코일(139)은 파이프 지름이 약 9.5mm인 것으로 외용기(132)와 약 3∼5mm의 간격을 갖도록 설치하며 이의 권취수는 경험적으로 이루어지는데 6회 정도가 바람직하다. 방전용 코일(139)로는 속이빈 파이프 형태의 금속관을 사용하였다. 즉, 코일(139)의 내부에는 반응기의 압력 변화 및 가스의 종류에 따른 임피던스의 변화를 감소시키기 위하여 냉각수가 흐르도록 중공부가 형성되어 있다. G 방향으로 유입된 냉각수는 중공부를 따라 흐르다가 하부 플랜지를 통과한 후 PFA 튜브(133)로 유입된다. 또한 코일(139)의 표면 저항을 최소화하기 위하여 바람직하게는 코일(139)의 외표면을 금 또는 은으로 도금하도록 한다.

이하, 본 실시예에 따른 처리 장치를 이용하여 과불화 탄화물 가스를 처리하는 과정을 상세히 설명하기로 한다.

먼저, 제1 플랜지인 상부 플랜지(125)로 과불화 탄화물 가스가 A 방향을 따라 유입도면 플라즈마 반응기를 0.001∼1 torr의 저압 상태로 유지시키고 제어 장치부(160)에서 입력된 신호에 의해 고주파 전원 장치부(150)에서 코일(139)로 고주파의 전원을 인가하게 된다. 이 때 임피던스 자동 정합부(140)는 고주파 전원 장치부(150)로부터 공급되는 파워를 반응기로 효율적으로 공급해주는 역할을 하게 된다. 이 때, RF 공급 소스는 과불화 탄화물 가스가 주입되는 입구 부분에 장착하는 것이 플라즈마의 안정을 꾀하는데 유리하다.

본 장치의 제어부에서는 과불화 탄화물이 반응부(130)로 유입될 때만 고주파 플라즈마를 발생하도록 제어하게 된다. 즉, 제어 장치(60)는 과불화 탄화물이 유입되는 관에 부착된 에어 밸브의 시그널을 인식하여 밸브의 개폐 유무를 판단하고 이를 통하여 과불화 탄화물의 반응기 내로의 유입 유무를 판단하여 고주파 전원을 인가하도록 콘트롤하게 된다.

제어 장치(160)에 설치된 딜레이 타이머(162)는 과불화 탄화물 가스의 공급이 중단되고 난 후 남은 잔류 가스의 완벽한 처리를 위한 일환으로 제공되는데, 소정의 주어진 시간 만큼 RF 파워가 더 공급될 수 있도록 하여 잔류 가스를 완벽하게 처리하도록 해준다. 상기 시간은 필요에 따라 자유로이 설정할 수 있으며 효율적으로 적용할 수 있는 시간은 30초 정도이다.

그 외에도 제어 장치(160)에서는 고주파 전원 장치(150)의 전력 인가 횟수를 계수하여 일정한 횟수 이상 전력이 인가되면 반응부(130)와 고주파 전원 장치(150)의 교환시기가 되었음을 디스플레이하여 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(150)를 사용하였다. 발생된 유도 결합 플라즈마에 의해 반응기 내의 과불과 화합물은 내용기의 SiC 성분 및 흐름가스의 O₂ 성분 등과 반응하여 CO, CO₂, SiF₄ 등과 같은 화합물을 생성하게 된다. 생성된 화합물은 제2 플랜지(126)를 통하여 B 방향으로 배출되며 이는 진공배기 장치를 통과하여 습식 또는 건식 배기가스 처리 장치를 거쳐 무해한 가스로 전환되어 대기중으로 배출되거나 고체에 흡착되어 폐기된다.

플라즈마 분해 반응이 일어나는 내용기(131)의 외표면에는 내용기(131)와 외용기(132) 사이에 설치된 냉각용 튜브(133), 바람직하게는 PFA 튜브의 내부 공간을 따라 주입된 냉각수가 흐르게 된다. 냉각수는 상온의 물이면 사용가능하다. 즉, 0∼25℃ 온도 범위의 물을 용이하게 적용할 수 있는데, 튜브(133)를 따라 흐른 후에는 냉각수 배출구를 통하여 H 방향으로 배출된다. 이러한 냉각수는 코일의 내부를 흐르는 냉각수와 직렬로 연결하여 사용하는 것이 가능하므로 이들을 하나의 주입구와 하나의 배출구로 구성함으로써 장치를 더욱 간소하게 설치할 수도 있다.

이와 같이 냉각수가 내용기(131)를 따라 흐름으로써 내용기(131)의 온도가 0∼100℃ 온도 범위로 유지되는데, 이 유지 온도는 냉각수의 온도에 따라 달라지게 된다. 상기한 제1 실시예에 따라 제조되어 내용기의 외표면에 접촉하여 냉각제가 흐르도록 구성된 처리 장치에 비하여 본 실시예에 따른 장치에 의하면 냉각 효율은 약간 낮지만 냉각수가 튜브내를 따라 흐르므로 반응기에 문제가 발생시 누수의 문제가 없으며, 상기한 0∼100℃ 정도의 온도 범위로만 유지되어도 내용기의 내구성은 크게 향상되므로 본 발명의 효과를 달성하기에는 충분한 것으로 판단된다.

냉각된 차가운 영역에서는 플라즈마가 잘 형성되지 않으므로 플라즈마가 중심부로 모이면서 가스의 분해율은 오히려 더 좋아지는 것으로 나타났다. 이는 반응기의 온도 저하로 인하여 반응기와의 반응에 의한 HF의 생성이 억제되어 RF에 의해서만 가스가 분해되기 때문인 것으로 이해된다. 결국 가스와 내벽과의 반응이 줄어들고 열에 의한 내벽의 식각이 방지되므로 가스의 분해 효율은 기존의 장치에서와 동등 이상의 효과를 얻으면서도 반응기의 수명은 증가하게 된다.

이러한 과불화 탄화물 가스 처리 장치를 이용하여 CF₄, C₂F₆, C₃F ₈, C₄F₈, C₅F₈, SF₆등 과불화 탄화물 가스에서 분해 실험을 시도한 후, 4중 극자 질량분석기 및 MIDAC 사의 FT-IR 기기로 분석하여 확인한 결과 적은 용량의 공정 조건을 가지고 있는 식각 공정 방법(recipe)에서 90% 이상의 분해율을 나타내었다.

결국, 과불화 탄화물 가스 처리 장치에서 가스의 분해로로 사용되는 반응기의 외부에 냉각수의 흐르는 미세관을 권취하여 과불화 탄화물 가스의 이온화 과정에서 발생되는 반응열을 냉각시켜 줌으로써 내부 반응기 내벽 쪽으로 플라즈마가 형성되지 못하도록 유도함으로써 열에 의한 반응기 내벽의 플라즈마 손상을 줄여 식각을 방지함으로써 반응기의 수명을 연장시킬 수 있도록 설계한 것이다.

본 실시예에 따른 처리 장치에도 반응부의 단부에 도 4에 나타난 바와 같은 트랩 장치를 설치하여 처리된 가스로부터 배출되는 각종 입자를 제거하고 처리 가스의 온도를 낮춰주어 진공 펌프의 안정도를 더욱 향상시키도록 할 수 있을 것이다.

또한, 상기한 처리 장치에서도 제1 플랜지에는 흐름 가스가 반응기 내에서 와류를 형성하면서 진행될 수 있도록, 처리 가스의 주입 방향에 대하여 소정의 각도로 기울어진 흐름 가스 주입구가 구비될 수 있다. 상기 흐름 가스 주입구는 처리 가스의 주입 방향에 대하여 40∼50°각도로 2∼5개 구비되는 것이 바람직하다. 그러나 와류를 형성할 수 있는 구조라면 각도나 주입구의 개수에 별다른 제한이 없음은 물론이다.

통상적으로, 내부에서 플라즈마 반응이 이루어지는 내용기는 석영, 세라믹 등으로 제조되지만, 고주파 유도결합 플라즈마의 고에너지에 의한 반응기의 식각율을 낮추기 위하여 비전도성 SiC 재질로 제조될 수도 있다. 이는 통상 β-타입의 SiC로 불리는데, 다소 고가라는 단점이 있으나 열과 플라즈마에 강하여 식각율이 낮으며 분진의 발생이 적다. 이에 따라 기존의 석영관 등으로 제조된 반응관에 비하여 내구성이 우수하다. 본 발명자의 실험에 의하면 비교적 저렴한 α-타입의 SiC와 같은 재질은 도체에 가깝고, 스테인레스, 알루미늄 등과 같은 도체는 내용기로 적용하기에 문제가 있으나 이에 소정 개수의 구멍을 길이 방향으로 뚫어서 채용하는 것이 가능함을 확인할 수 있었다.

도 7은 이러한 β-타입의 SiC 재질로 제조된 내용기(131)를 보다 구체적으로 도시한 사시도이다. 도 7을 참조하면, 내용기(131)는 SiC로 구성되어 있고, 실린더 형상을 이루며, 측벽에는 길이 방향으로 다수개의 구멍(131a)이 형성되어 있다.

상기한 구체적인 실시예에서는 냉각제로서 냉각수를 도입한 경우를 예로하여 설명하였으나 냉각을 위한 목적으로 사용가능한 냉각제에는 특별한 제한이 없음은 물론이다. 물을 제외한 액체를 비롯하여 냉각 가스 등도 도입될 수 있을 것이다. 다만 비용과 조작의 간편성 등을 고려할 때, 물이 가장 바람직하다.

이하, 본 발명에 따른 장치에 의하여 가스가 분해 처리되는 메카니즘에 관하여 살펴보기로 한다.

도 8a 내지 8e에는 상술한 바와 같은 본 발명에 따른 장치에 의해 과불화 탄화물 가스를 처리할 때 처리되는 가스의 반응 메카니즘을 개략적으로 나타내었다.

도 8a를 참고하면, 배출된 과불화 탄화물 가스가 분자 구조로 예시되어 있다. 도시된 가스로는 CF₄, C₂F₆, C₃F₈, C₄ F₈ 가 있는데 이는 예시를 위한 것이지 다른 가스에 대해서도 동일한 방식으로 적용될 수 있을 것이다.

도 8b를 참고하면, 도 8a에 나타난 바와 같은 가스가 반응기의 내용기 내로 유입되고 제어 장치로부터의 콘트롤에 의해 고주파 전원 장치에서 방전용 코일에 전력이 인가되면, 유입된 가스는 내용기 내부에서 고에너지의 플라즈마에 의한 반응을 일으켜 라디칼, 이온 등을 생성하게 된다.

도 8c를 참고하면, 생성된 라디칼, 이온등은 반응기의 SiO₂ 성분과 반응하여 도시된 바와 같은 F₂, COF₂, CO₂, SiF₄ 등의 화합물을 형성하게 된다. 즉, 과불화 탄화물 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 8d를 참고하면, 도 8c에 나타난 화합물을 습식 장치를 사용하여 처리하는 경우에 대한 것으로서, 배출되는 가스를 물에 버블링 시키는 것으로 수행된다. 이러한 처리를 통하여 도 8c에서 생성된 화합물은 H₂O, O₂, CO₂ 등과 같은 무해한 성분으로 얻어지게 된다.

도 8e를 참고하면, 도 8c에서 생성된 화합물을 건식 장치를 사용하여 처리하는 경우에 대한 것이다. 이는 배출되는 가스를 고체 흡착제에 통과시켜 고체상에 흡착시켜 제거하는 것으로 흡착제의 성분에 따라 SrF₂, ZnF₂, CuF₂ 등과 같이 폐기가 용이한 화합물로 형성된다.

결국, 본 발명의 장치를 사용하면 과불소 화합물을 건식 또는 습식 장치를 사용하여 쉽게 처리할 수 있는 화합물로 변화시킬 수 있게 되어 이를 효과적으로 처리할 수 있게 된다.

특히, 반도체 공정과 같은 각종 공정의 진행후 배기된 과불화 탄화물 가스는 분해 장소인 내부 반응기에 도달되고 플라즈마가 인가되어 분해가 이루어지게 되는데, 이 때 플라즈마로 인해 발생되는 열은 반응기 표면 온도만 500℃ 이상이지만 이를 제어하기 위해 양 반응기 사이에서 순환되는 냉각제를 이용, 반응기 표면 온도를 0∼100℃ 범위, 바람직하게는 0∼25℃ 범위로 제어하는 것이 가능하도록 장치화 하였다.

이상과 같은 본 발명의 장치를 설명함에 있어서, 특히 반도체 장치의 제조를 위한 공정에서 배출되는 가스를 예로하였는데, 이 경우 본 장치는 특히 반도체 제조 장치와 진공 배기장치 사이 또는 진공 배기 장치에 의해 저압의 상태가 유지되는 장소 등에 용이하게 설치할 수 있을 것이다. 실험을 통하여 적은 용량의 과불화 탄화물 가스를 처리하는 반도체 식각 공정에 특히 적합한 것임을 확인하였다. 또한 본 발명의 장치는 반도체 장치의 제조장치에 뿐만 아니라 LCD(liquid crystal display device) 제조를 위한 CVD 공정 및/또는 플라즈마 식각 공정에서 배출된 과불화 탄화물 가스의 처리 등에 용이하게 응용할 수 있을 것이다.

이상과 같은 본 발명의 장치에서는 과불화 탄화물 가스의 이온화 반응을 위해 어떠한 분해촉진제도 사용하지 않는다. 따라서 반도체 제조공정에 어떠한 영향도 미치지 않고 과불화 탄화물을 처리할 수 있게 된다. 또한 분해촉진제의 사용으로 인하여 야기되던 배관 및 공정 압력 상승 및 펌프 수명 단축 등의 문제점이 개선되어 안정적으로 과불화 탄화물 가스를 처리할 수 있게 된다.

특히 본 발명에 따른 처리 장치는 진공 상태에서 플라즈마를 이용하는 것으로서, 열분해 방식, 연소식 장치등에 비해 설치가 간단하고 장치가 콤팩트하여 크기가 작다는 잇점이 있다.

또한 고주파 유도결합 플라즈마 방식의 과불화 탄화물 처리 장치에 있어서 과불화 탄화물 가스의 분해 과정에서 발생되는 열을 즉시로 냉각시켜 주기 때문에 열에 의한 반응기 식각과 파손을 방지할 수 있다. 이러한 장치는 수명이 길기 때문에 장시간 동안 동작이 가능하다.

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.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 과불화 탄화물 가스 처리 장치의 개략도이다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 과불화 탄화물 가스 처리 장치의 반응기 부분 및 플랜지 부분에 대한 개략적인 단면도로서, 설명을 위하여 하나의 플랜지 부분에 대해서만 도시하였다.

도 3은 도 2에 나타난 장치의 반응기 부분 및 플랜지 부분에 대한 단면도이다.

도 4는 도 3에 나타난 장치의 단부에 트랩 장치를 설치한 경우에 얻어지는 장치에 대한 도면이다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 과불화 탄화물 가스 처리 장치의 개략도이다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 과불화 탄화물 가스 처리 장치의 부분 단면도를 나타내었다.

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 적용가능한 β-타입의 SiC 내용기 도시한 사시도이다.

도 8a 내지 8e는 본 발명에 따른 장치에 의해 과불화 탄화물 가스를 처리할 때 처리되는 가스의 반응 메카니즘을 나타내는 개략도로서, 도 8d는 습식 장치를 사용하여 처리하는 경우에 대한 것이고, 도 8e는 건식 장치를 사용하여 처리하는 경우에 대한 것이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

25, 125: 제1 플랜지 26, 126: 제2 플랜지

30, 130: 플라즈마 반응부 31, 131 내용기

32, 132: 외용기 39, 139: 코일

40, 140: 임피던스 자동 정합부 50, 150: 고주파 전원 장치부

60, 160: 제어 장치부

Claims (20)

1. 처리될 가스를 주입하는 단계;

   주입된 가스에 유도 결합 플라즈마를 인가하여 분해시키는 단계;

   상기 플라즈마에 의해 가스의 분해 반응이 일어나는 반응기의 중심부에 플라즈마를 집중 형성하고, 상기 반응기 내표면에서 상기 가스의 분해반응을 방지하기 위해 상기 반응기의 외표면에 연속적으로 흐르는 냉각제를 접촉시켜 반응부의 내표면의 온도를 0∼100℃ 범위로 제어하는 단계; 및

   분해되어 배출되는 가스를 처리하는 단계를 포함하는 과불화 탄화물 가스의 처리 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 냉각제는 냉각수 및 냉각 기체중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 처리 방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 냉각수의 온도가 0∼25℃ 범위인 것을 특징으로 하는 처리 방법.
4. 내부에 처리될 가스가 흐를 수 있는 공간이 형성된 절연성 내용기와 상기 내용기가 삽입되는 원통형의 외용기를 포함하고, 상기 공간에 플라즈마가 형성되어 상기 가스의 분해 반응이 일어나는 반응기;

   상기 내용기의 중심부에 상기 플라즈마의 집중 형성 및 상기 내용기의 내표면에서의 가스 분해 반응하기 억제하기 위해 상기 내용기와 외용기의 사이에 형성되고, 상기 내용기의 외표면을 따라 냉각제를 순환시키는 냉각제 순환장치;

   상기 내용기와 외용기의 단부에 구비되어 이들을 고정시켜 줌과 동시에 내부를 밀봉시켜 주기 위한 한 쌍의 제1 및 제2 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 컨트롤 하기 위한 제어 장치를 포함하는 과불화 탄화물 가스의 처리 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 내용기는 세라믹 및 석영 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 처리 장치.
6. 제4항에 있어서, 상기 내용기와 외용기 및 상기 제1 및 제2 플랜지 사이에는 각각 한 쌍의 고무링이 삽입되고 각 고무링 사이에는 이들간을 분리시켜 주기 위한 금속링이 구비되는 것을 특징으로 하는 처리 장치.
7. 제4항에 있어서, 상기 제어 장치에는 상기 처리될 가스의 공급이 중단된 후 소정의 시간 동안 상기 고주파 전원을 연장하여 인가해 주기 위한 딜레이 타이머(delay timer)가 더 구비된 것을 특징으로 하는 처리 장치.
8. 제4항에 있어서, 상기 내용기의 단부로부터 소정의 거리를 두고, 상기 처리될 가스가 상기 내용기로부터 배출된 후 부딪히는 위치에 설치되어, 상기 처리될 가스에 포함된 고체 입자가 부딪히도록 하기 위한 트랩 장치를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 처리 장치.
9. 제8항에 있어서, 상기 트랩 장치는 저면의 직경이 상기 내용기의 직경보다 큰 원뿔형의 본체와 적어도 두 개의 다리부로 이루어진 것임을 특징으로 하는 처리 장치.
10. 제9항에 있어서, 상기 본체의 외주면에는 내부에 냉각수가 흐를 수 있는 공간이 형성된 코일이 권취되어 있는 것을 특징으로 하는 처리 장치.
11. 내부에 처리될 가스가 흐를 수 있는 공간이 형성된 절연성 내용기와 상기 내용기가 삽입되는 원통형의 외용기를 포함하고, 상기 공간에 플라즈마가 형성되어 상기 가스의 분해 반응이 일어나는 반응기;

    상기 내용기의 중심부에 상기 플라즈마의 집중 형성 및 상기 내용기의 내표면에서의 가스 분해 반응하기 억제하기 위해 상기 내용기와 외용기의 사이에 형성되고, 내부에 냉각제의 순환이 이루어지는 튜브를 포함하며, 상기 튜브가 내용기의 외표면에 권치되는 냉각제 순환장치;

    상기 내용기와 외용기의 단부에 구비되어 이들을 고정시켜 줌과 동시에 내부를 밀봉시켜 주기 위한 한 쌍의 상부 및 하부 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 컨트롤 하기 위한 제어 장치를 포함하는 과불화 탄화물 가스의 처리 장치.
12. 제11항에 있어서, 상기 튜브는 내열성 테플론 튜브이고, 상기 튜브는 튜브간의 공간이 없도록 조밀하게 밀착, 권취되어 있는 것을 특징으로 하는 처리 장치.
13. 제11항에 있어서, 상기 내용기는 세라믹 또는 비전도성 SiC로 형성된 것임을 특징으로 하는 처리 장치.
14. 제11항에 있어서, 상기 상부 플렌지가 알루미늄으로 제조된 것임을 특징으로 하는 처리 장치.
15. 제11항에 있어서, 상기 외용기는 방열 실리콘 성형 튜브인 것을 특징으로 하는 처리 장치.
16. 제11항에 있어서, 상기 하부 플랜지의 내부에는 냉각제가 흐를수 있는 냉각홈이 구비되어 있는 스테인레스 스틸로 제조된 것을 특징으로 하는 처리 장치.
17. 제11항에 있어서, 상기 제어 장치에는 상기 처리될 가스의 공급이 중단된 후 소정의 시간 동안 상기 고주파 전원을 연장하여 인가해 주기 위한 딜레이 타이머(delay timer)가 더 구비된 것을 특징으로 하는 처리 장치.
18. 제11항에 있어서, 상기 내용기의 단부로부터 소정의 거리를 두고, 상기 처리될 가스가 상기 내용기로부터 배출된 후 부딪히는 위치에 설치되어, 상기 처리될 가스에 포함된 고체 입자가 부딪히도록 하기 위한 트랩 장치를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 처리 장치.
19. 제18항에 있어서, 상기 트랩 장치는 저면의 직경이 상기 내용기의 직경보다 큰 원뿔형의 본체와 적어도 두 개의 다리부로 이루어진 것임을 특징으로 하는 처리 장치.
20. 제19항에 있어서, 상기 본체의 외주면에는 내부에 냉각수가 흐를 수 있는 공간이 형성된 코일이 권취되어 있는 것을 특징으로 하는 처리 장치.