KR100656538B1 - 반응로 배기 시스템에서 고형 부산물 생성 방지 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반응로 시스템에서 반응로(reactor chamber)로부터 나오는 각종 가스들이 주변 시스템 온도의 하강으로 인해 고형화되어 파우더 부산물이 발생하는 것을 방지하는 방법 및 이를 이용한 시스템에 관한 것이다.

본 발명은 리액터를 나오는 부산물 가스를 무성 방전 처리, 플라즈마 처리, 또는 UV 램프 처리를 통해 무성 방전 또는 플라즈마를 순간 에너지로 이온화시켜 완전한 독립 기체로써 후속 배관을 상온에서 지나갈 때에 고형화되어 파우더가 생겨 배관에 들러붙는 것을 방지하게 된다.

고형화, 배관, CVD, 히팅 재킷, 진공 펌프.

Description

반응로 배기 시스템에서 고형 부산물 생성 방지 장치{APPARATUS FOR PREVENTING THE FORMATION OF POWDER BY-PRODUCT IN REACTOR CHAMBER EXHAUST}

도1은 종래기술에 따른 파우더 형성 방지 기술을 나타낸 도면.

도2는 종래기술에 따라 배관 전체를 히팅 재킷으로 에워싸는 기술을 나타낸 도면.

도3은 종래기술에 따라 반응로에서부터 압력 제어 밸브까지 히팅 재킷을 설치한 기술을 나타낸 도면.

도4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 고화 부산물 생성 방지 시스템의 구성을 나타낸 도면.

도5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 고화 부산물 생성 방지 시스템의 구성을 나타낸 도면.

도6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 고화 부산물 생성 방지 시스템의 구성을 나타낸 도면.

도7은 각종 가스의 기체 상태 및 고체 상태를 나타내는 압력 - 온도에 대한 의존성 상태도.

도8은 각종 가스의 온도 및 압력에 따른 상변화를 나타내는 참고도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 반응로(reactor chamber)

20 : 펌프

30 : 히팅 재킷

40 : 배관

60 : 트랩(trap)

70 : 콘트롤 밸브

120 : 플라즈마 챔버

130 : 무방전 챔버

140 : UV 램프가 준비된 챔버

본 발명은 반응로 시스템에서 반응로(reactor chamber)로부터 나오는 각종 배기 가스들이 주변 시스템 온도의 하강으로 인해 고형화(solidification)되어 파우더(powder) 부산물(by-product)이 발생하는 것을 방지하는 방법 및 이를 이용한 시스템에 관한 것이다.

본원 발명의 명세서에는 반응로에서부터 배출되는 가스 중에서, 특히 염화암모늄(NH₄Cl) 가스 또는 염화알루미늄(AlCl₃)와 같은 반응 부산물을 한 실시예로 하 여 본원의 고형화 방지 기술에 대하여 상술하기로 한다. 그러나, 본원 발명의 사상은 염화암모늄 또는 염화알루미늄에 한정되는 것은 아니며, 반응로에서 반응하여 배기되는 모든 가스에 적용 가능하다.

화학 증착 공정(chemical vapor deposition; CVD) 또는 플라즈마 식각(plasma etching)과 같은 반도체 공정 또는 디스플레이 패널 제조 공정의 경우, 염화암모늄(NH₄Cl) 또는 염화알루미늄(AlCl₃)과 같은 반응 부산물을 수송하는 배관 온도를 상온으로 유지하는 경우, 상기 배기 가스들은 고화 침전되어서 파우더(powder) 형태로 배관의 내벽에 들러붙게 된다.

그 결과, 배관 내벽은 고화 침전된 파우더로 침적되게 되고, 배관 또는 튜브 내벽은 파우더로 인해 막히게 됨으로써, 정상 유로를 막아서 유체의 컨덕턴스를 감소시켜 반응로(reactor)의 필요 공정 압력을 유지하는 것이 불가능해진다. 따라서, 공정 라인에서 작동을 중단하고 리액터 배관을 분리하여 들어내서, 배관 내벽을 청소하여야 하는 불편함이 있다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 당업계에서는 다양한 방법이 시도되고 있다.

도1은 종래기술에 따른 파우더 형성 방지 기술의 한 예를 나타낸 도면이다. 도1을 참조하면, 반응로(10)에는 기체 상태의 염화암모늄(NH₄Cl)이 존재하고, 반응로(10)의 압력을 유지하기 위하여 펌프(20)에 의해 배기 가스를 뽑아 배출시키고 있다. 한편, 반응로(10)의 종단부에는 반응로에서 고온의 기체 상태로 흘러나오는 염화암모늄(NH₄Cl)이 고형화되는 것을 방지하고 기체 상태로 유지시키기 위해, 150 ℃ 정도로 온도를 유지시키는 히팅 재킷(30)이 배관(40)을 둘러싸고 있다.

이때에, 히팅 재킷(30)이 유지하여야 할 온도는 반응 가스와 반응 부산물의 종류에 따라 결정된다. 도1에 도시한 히팅 자켓이 고가임에도 불구하고, 고형화되는 것을 방지하기 위해서 배관(40)에 히팅 자켓(30)을 둘러싸게 된다. 이어서, 배관(40)을 지나 흘러나오는 염화암모늄(NH₄Cl) 가스는 트랩(trap; 60)을 통해 혹시라도 생성된 파우더를 걸러내게 되는데, 여기서 트랩(60)은 기체 상태의 가스를 온도를 기화점 아래로 낮추어서 고형화시켜 걸러내는 장치이다. 도1에 도시한 트랩(60)은 콜드 트랩(cold trap)과 핫 트랩(hot trap)이 사용되고 있으며, 메쉬(mesh) 형태를 지니므로 파우더를 걸러 내는 작용을 하게 된다.

이와 같은 트랩(60)은 파우더성 부산물을 완전히 걸러내지 못하는 경향이 있으며, 그 결과 파우더들이 트랩을 통과하여 콘트롤 밸브(70) 또는 펌프(20) 쪽으로 유입되면 진공 펌프 시스템에 파우더가 눌러 붙게 되어서 시스템 장애가 발생하게 된다. 또한, 반응에 의해 발생한 모든 파우더성 부산물들이 트랩에 걸리게 되더라도, 엔지니어들은 시스템 작동을 중단하고 주기적으로 트랩을 교환 청소하여야 하며, 따라서 트랩 교환을 위하여 시스템 작동을 중단하여야 하는 불편함 및 경제적 손실이 발생하게 된다.

전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 또 당업계의 또 다른 미봉책으로서 반응로(10)로부터 펌프까지 연결하는 배관 전체를 히터 재킷을 둘러싸서 고형화되는 것을 방지시키고 있다.

도2는 종래기술에 따라 배관 전체를 히팅 재킷으로 에워싸는 기술을 나타낸 도면이다. 도2를 참조하면, 반응로(10)에 연결된 배관(40), 압력 제어 밸브(70)에 이르기까지 배관 전체를 히팅 재킷(30)이 둘러싸고 있다. 이와 같이, 배관 전체를 히팅하게 되면, 부산물이 기화되어 부산물이 배관의 내벽에 들러붙는 것을 막아주는 효과가 있을 수 있지만, 최종적으로는 히팅이 쉽지 않은 펌프(20) 쪽에서 파우더 형태로 고형화되므로 진공 펌프(20)에 고장이 발생하도록 하는 경향이 있다.

더욱이, 히팅 재킷은 가격이 비싸고 수명이 짧아서 배관 전체를 히팅 재킷으로 둘러싸는 것은 경제성으로 볼 때에 바람직하지 않다.

도3은 또 다른 종래기술에 따라 반응로에서부터 압력 제어 밸브까지 히팅 재킷을 설치한 기술을 나타낸 도면이다. 도3의 경우, 히팅 재킷을 적용하는 길이가 도2에 나타낸 종래기술에 비해 짧지만, 여전히 비용이 많이 들고 유지 보수가 필요하고, 압력 제어 밸브(70) 이하 단에서 부산물이 다시 고화되어 배관이 흡착됨과 동시에 펌프 오염이 발생하고 펌프 고장을 유발시킬 수 있다. 만일, 펌프가 고장 나는 경우 압력이 역류하여서 반응로(10) 내부에 파우더 및 파티클이 오염되어서 웨이퍼 또는 패널 기판에 심각한 문제를 발생시키게 된다.

따라서, 본 발명의 제1 목적은 반응로에서 나오는 배기 가스 부산물이 배관이나 펌프 등 후속 장비의 내벽에 고화 증착되어 장치에 장애를 발생시키는 것을 방지하는 기술을 제공하는 데 있다.

본 발명의 제2 목적은 상기 제1 목적에 부가하여, 반응로에서 나오는 상기 부산물들을 기화 또는 해리시켜서 복합 화합물인 부산물들을 독립 개체로 분리시켜 서로 재결합 없이 배기 되도록 하는 기술을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 복수 종류의 가스가 유입되어 화학 반응이 진행되고 반응 부산물 가스를 배관을 통해 배기하는 반응로와, 상기 반응로로부터 상기 부산물 가스를 배출하도록 펌프 동작을 수행하는 진공 펌프와 상기 반응로 사이에 장착되는 장치로서, 상기 반응로로부터 나오는 부산물 배기 가스를 기화 또는 해리 과정을 통해 이온화시켜 후속 배관으로 배기시키는 장치를 제공한다.

이하에서는, 첨부 도면 도4 내지 도7을 참조하여 본 발명에 따른 고화 부산물 생성 방지 기술을 상세히 설명한다.

본 발명은 반응로에서 발생하여 나오는 부산물이 배관 내에 고형화되어 증착되기 전에, 복합 화합물인 부산물들을 독립 개체로 기화 또는 해리시켜서 재결합 없이 배기되도록 하는 기술을 제공한다. 본 발명의 양호한 실시예로서 세 가지 실시예를 개시하며, DC, RF 또는 마이크로웨이브 파워 소스를 이용한 플라즈마 발생 장치, UV 램프 방열 장치, 전자 발생 장치 등이 이용될 수 있다.

도4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 고화 부산물 생성 방지 시스템의 구성을 나타낸 도면이다. 도4를 참조하면, 반응로(10)를 나온 가스들은 히팅 재킷(30)으로 둘러싸인 배관(40)을 통해 나와서, 플라즈마 챔버(120)에 유입되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 플라즈마 챔버(120)는 플라즈마에 의해 부산물 가스들이 이온화되어서, 이후 상온에서 고체화되지 않는 가스 상태로 흘러나가게 된다.

이는 반응 부산물은 300 ℃ 이상의 고온에서 반응되어 생겨난 부산물이며, 공정 가스는 상온에서 서로 화학적 반응을 하지 않는 화학적 근거에 기인한 것으로, 본 발명의 경우 플라즈마에 의해 열 또는 순간 에너지로 이온화시키므로, 이로 인해 새로이 분리된 가스들은 다시 반응을 하지 않고, 그 자체로만 존재하게 된다. 플라즈마는 순간 열은 상당히 높지만 열 전도가 되지 않으므로, 플라즈마 영역을 벗어나면 그 온도가 급격히 낮아진다. 도4에서, 상징적으로 나타낸 A, B, C는 상온에서 가스 상태로 존재하는 화학적 구성을 지닌 물질이다.

본 발명의 양호한 실시예로서, 챔버 내에 DC 전압을 인가하여 자유 전자를 방출시키고 유입되는 아르곤 가스를 이온화하여 플라즈마를 형성시킬 수 있다. 형성된 플라즈마는 페라이트 코어(ferrite core)로 약 100 ∼ 500㎑를 부가하여 유지될 수 있다. 본 발명의 양호한 실시예로서, RF 플라즈마 또는 마이크로웨이브 플라즈마를 이용해 해리하는 것이 가능하다.

도5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 고화 부산물 생성 방지 시스템의 구성을 나타낸 도면이다. 도5를 참조하면, 본 제2 실시예의 경우, 배관(40) 후단에 무성 방전 챔버(130)를 구비함을 특징으로 한다. 반응로(10)에서 공정 가스들의 반응에 의한 파우더성 부산물이 발생하면, 이 부산물을 기체 상태로 유지하기 위해 히팅 재킷(30)으로 둘러싸인 배관(40)을 지나게 되고, 이어서 본 발명에 따른 무성 방전 챔버(130)에 유입되게 된다. 무성 방전 챔버(130)에서 부산물 가스는 열 또는 순간에너지로 이온화되고, 이로 인해 분리된 가스들은 다시 반응을 하지 않고 그 자체로 존재하게 된다. 그 결과, 무성 방전 챔버(130) 이후의 배관의 온도를 200 ℃ 이하로 내버려두더라도 가스들이 재반응하지 않고 고형화되는 것이 방지된다.

도6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 고화 부산물 생성 방지 시스템의 구성을 나타낸 도면이다. 도6을 참조하면, 반응로(10)를 나온 공정 가스들은 150℃의 온도를 유지하는 히팅 배관(40)을 지나 UV 램프가 준비된 챔버(140)에 유입된다.

본 발명에 따르면, UV 파장에 의해 부산물 가스는 이온화되어, 가스는 재반응 되지 않고 가스 상태로 흘러나가게 된다. UV 램프 에너지는 순간 열은 상당히 높지만, 열전도가 되지 않아 플라즈마 영역을 벗어나면 온도가 급격히 낮아진다. 여기서, UV 램프는 직류 전원 24V, 18 ∼ 28 mA 규격을 사용할 수 있다.

일반적으로, 반도체 공정에서 사용되고 있는 공정 가스는 다음과 같다. 식각 공정에서는 CF₄, CHF₃, BCl₃, C₂F₆, C₃F₈ 등이 이용되고, CVD 화학 기상 증착 공정에서는 TEOS, SiH₄, O₂, TMP, TMB, O₃, NF₃, B₂H₆, NH₃, N₂, C₂F₆, PH₃, WF₆ 등이 이용된다. 한편, 에피층 성장 공정에는 TCS, DCS, O₂, H₂, ClF₃, HCl, B₂H₆, PH₃, SiH₄ 등이 이용될 수 있다. 따라서, 반응 가스로부터 발생되는 특별한 반응 생성물의 고형화 현상은 포어(fore) 라인, 배출(exhaust) 라인, 덕트 라인 등에서 일어날 수 있으며, 파우더의 종류는 NH₄Cl, Si₃N₄, AlCl₃ 등이 있다.

도7은 각종 가스의 기체 상태 및 고체 상태를 나타내는 압력 - 온도에 대한 의존성 상태도이다. 도7을 참조하면, AlCl₃의 경우 10 ∼ 100 ℃에서 10^-6 ∼ 10¹ Torr 조건 하에서 기체 상태를 유지할 수 있으며, 이와 같은 조건에서 기화된 후에 다시 재결합을 하지 않고 기체 상태로 배기할 수 있게 된다.

도8a 내지 도8c는 각종 가스의 온도에 따른 액상 변화를 나타내는 참고 도면이다. 도8a 내지 도8c를 참조하면, AlCl₃, NH₄F, (NH₄)₂SiF₆에 대해서 온도와 압력에 따른 액체 및 기체 상변화 다이어그램을 나타내고 있다.

전술한 내용은 후술할 발명의 특허 청구 범위를 더욱 잘 이해할 수 있도록 본 발명의 특징과 기술적 장점을 다소 폭넓게 개설하였다. 본 발명의 특허 청구 범위를 구성하는 부가적인 특징과 장점들이 이하에서 상술될 것이다. 개시된 본 발명의 개념과 특정 실시예는 본 발명과 유사 목적을 수행하기 위한 다른 구조의 설계나 수정의 기본으로서 즉시 사용될 수 있음이 당해 기술 분야의 숙련된 사람들에 의해 인식되어야 한다.

또한, 본 발명에서 개시된 발명 개념과 실시예가 본 발명의 동일 목적을 수행하기 위하여 다른 구조로 수정하거나 설계하기 위한 기초로서 당해 기술 분야의 숙련된 사람들에 의해 사되어질 수 있을 것이다. 또한, 당해 기술 분야의 숙련된 사람에 의한 그와 같은 수정 또는 변경된 등가 구조는 특허 청구 범위에서 기술한 발명의 사상이나 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변화, 치환 및 변경이 가능하다.

이상과 같이, 본 발명은 리액터를 나오는 부산물 가스를 무성 방전 처리, 플라즈마 처리, 또는 UV 램프 처리를 통해 열이 아닌 순간에너지로 이온화시킴으로써 후속 배관을 상온에서 지나갈 때에 고형화되어 파우더가 생겨 배관에 들러붙는 것을 방지하게 된다.

Claims (5)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 복수 종류의 가스가 유입되어 화학 반응이 진행되고 반응 부산물 가스를 배관을 통해 배기하는 반응로와, 상기 반응로로부터 상기 부산물 가스를 배출하도록 펌프 동작을 수행하는 진공 펌프와 상기 반응로 사이에 장착되는 장치로서, 상기 반응로로부터 나오는 부산물 배기 가스를 기화 또는 해리 과정을 통해 이온화시켜 후속 배관으로 배기시키는 장치에 있어서,

   상기 장치는 UV 램프를 구비하는 챔버 장치로서, 상기 챔버 장치에 유입되는 반응 부산물 가스를 UV 램프로 방열하여 이온화시킴으로써, 후속 배관을 통해 펌프 쪽으로 배기되는 도중 재반응으로 고형화되는 것이 방지되는 것을 특징으로 하는 장치.

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