KR101184298B1 - 플라즈마 반응기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 플라즈마 반응기로서, 상기 플라즈마 반응기는 플라즈마가 형성되어 유체의 분해 반응이 일어나는 플라즈마 챔버, 상기 유체가 상기 플라즈마 챔버로 유입되도록 상기 플라즈마 챔버의 일단에 마련되는 유입관, 상기 유체가 상기 플라즈마 챔버로부터 유출되도록 상기 플라즈마 챔버의 타단에 마련되는 유출관 및 상기 유체가 상기 플라즈마 챔버를 우회하도록 상기 유입관 및 상기 유출관을 서로 연통시키는 바이패스관을 포함하는 플라즈마 반응기.

Description

플라즈마 반응기{PLASMA REACTOR}
본 발명은 플라즈마 반응기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반도체, 디스플레이 패널 및 태양광 전지 등의 제조 공정 중 공정 챔버에서 발생하는 미반응 가스, 폐가스 등의 공정 부산물을 플라즈마를 이용하여 제거하는 플라즈마 반응기에 관한 것이다.
반도체, 디스플레이 패널 또는 태양광 전지 등의 제조 공정 중 애싱(ashing), 식각, 증착, 세정 및 질화 처리 등의 공정은 저압의 공정 챔버에서 진행된다.
이러한 제조 공정에서 사용되는 가스로는 ⅰ)휘발성 유기 화합물(트리클로로에틸렌, 1,1,1-트리클로로에탄, 메탄올, 아세트알데히드 등), ⅱ)산(acid) 계열(HNO3, H2SO4, HCL, F2, HF, Cl2, BCl3, NOX 등), ⅲ)악취 유발 물질(NH3, H2S 등), ⅳ)자연 발화 기체(SiH4, SiH6, PH3, AsH3 등), ⅴ)지구 온난화 유발 물질(퍼플루오르 화합물, PFCs) 등이 있으며, 상기 제조 공정을 거치면 미반응 가스, 폐가스 등의 공정 부산물이 생성된다.
상기 일련의 제조 공정에서 발생하는 미반응 가스, 폐가스 등의 공정 부산물 중 HF, 플루오르화물 및 염화물 등은 진공 펌프와 배관 내부를 통해 이동하면서 금속 표면 등에 대해 부식을 유발하며 또한, 대부분의 상기 언급된 제조 공정에서 사용되는 가스들은 환경오염 물질이기 때문에 대기 중으로 최종 배출되기 전에 반드시 제거되어야 한다.
그리고, 상기 제조 공정에서 발생되는 미세 입자 및 금속 등은 배관 등의 유체가 이송되는 다양한 이송 경로에 설치된 부품들을 통과하면서 냉각 혹은 압력의 변화 등에 의한 상변이 과정을 거친 후 분말 형태로 변하는데, 이러한 분말은 진공 펌프의 수명을 단축시키는 주요인이다. 또한, 퍼플루오르 화합물은 환경 규제에 의해 대기 중 배출이 통제되고 있는 추세이다.
따라서, 기존의 기술로는 진공 펌프의 전방 또는 후방에 트랩 등 기구를 설치하여 가열 혹은 냉각 등의 방법으로 저압의 공정 챔버에서 발생하는 공정 부산물 등을 제거하고 있다.
그리고, 현재까지 일부 적용되고 있는 플라즈마 처리 장치들은 진공 펌프의 후방에 설치되어 대기에서 운전되는 상압 플라즈마 방식으로 다량의 에너지 사용, 고가의 장치 비용 등의 문제점들을 지니고 있다. 더욱이 공정 챔버에서 생성된 공정 부산물 등이 진공 펌프로 유입되는 경우에는 상기 공정 부산물 등의 축적으로 인하여 진공 펌프의 가동을 중지하여야 한다는 문제점도 있다.
반면, 진공 펌프의 전방에 플라즈마 반응기를 위치시킬 경우 공정 부산물 등을 효율적으로 분해함으로써 에너지 낭비를 방지할 수 있으며, 특히 공정 부산물 등의 입자 크기를 제어할 수 있어서 진공 펌프로 유입되는 고체성 공정 부산물의 유동성을 보다 향상시켜 진공 펌프 내부에서의 축적량을 감소시킬 수 있으므로, 진공 펌프의 수명을 연장하는데 기여할 수 있다.
그러나, 진공 펌프의 전방에 설치되어 저압 플라즈마를 생성하는 플라즈마 반응기에 의하더라도 상기 플라즈마 반응기 자체에 결함 등이 발생하는 경우에는 이를 수리하기 위하여 진공 펌프의 가동을 중지함으로써 제조 공정을 진행할 수 없다는 문제점이 있다.
한편, 진공 펌프의 전방에 설치되어 저압 플라즈마를 생성하는 플라즈마 반응기서, 주로 유도 결합 플라즈마 방식(inductive coupled plasma) 또는 무선 주파수(RF) 구동 방식을 사용한다.
그러나, 상기 유도 결합 플라즈마 방식은 코일 모양의 전극 양단부에 전압을 인가하여 플라즈마를 생성하는데, 이러한 플라즈마 반응기는 장치 자체가 고가인 문제점이 있고, 무선 주파수 구동 방식에 있어서는 무선 주파수 전원 공급기의 비용이 매우 높으며, 플라즈마 유지를 위한 전력 소비가 많기 때문에 설치 및 유지 비용이 높다는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 플라즈마 반응기의 유입관 및 유출관을 연결하는 바이패스관을 마련함으로써 상기 플라즈마 반응기에 결함이 발생하더라도 진공 펌프의 가동을 중지하지 않고 효율적인 제조 공정의 진행이 가능한 플라즈마 반응기를 제공하기 위한 것이다.
또한, 플라즈마 반응기의 설치 비용과 유지 비용을 줄이면서도 플라즈마의 길이와 균일도를 높여 공정 부산물을 보다 효과적으로 처리할 수 있는 플라즈마 반응기를 제공하기 위한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 플라즈마 반응기에 관한 것으로서, 플라즈마가 형성되어 유체의 분해 반응이 일어나는 플라즈마 챔버; 상기 유체가 상기 플라즈마 챔버로 유입되도록 상기 플라즈마 챔버의 일단에 마련되는 유입관; 상기 유체가 상기 플라즈마 챔버로부터 유출되도록 상기 플라즈마 챔버의 타단에 마련되는 유출관; 및 상기 유체가 상기 플라즈마 챔버를 우회하도록 상기 유입관 및 상기 유출관을 서로 연통시키는 바이패스관; 을 포함한다..
본 발명에 의한 플라즈마 반응기는 유체가 유입되는 유입관과 유체가 유출되는 유출관을 서로 연통시키는 바이패스관을 마련하고, 플라즈마 반응기 자체에 결함 등이 발생하는 경우에는 진공 펌프 등의 가동을 중지함이 없이 유체를 바이패스관을 통하여 유동시키도록 함으로써, 효율적인 제조 공정을 진행할 수 있다는 장점이 있다.
그리고, 본 발명에 의한 플라즈마 반응기는 관 형상의 반응관을 구비함으로써 기존의 배관에 용이하게 설치할 수 있으며, 유체의 흐름에 대한 저항을 최소화시켜 진공 펌프에 의한 배기 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 반응관은 공정 부산물 등이 유동하는 도관 외부에 고리 형상의 전극 구조를 가짐으로써 공정 부산물 등과 전극 간의 직접적인 접촉을 원천적으로 배제시켜 전극의 내구성이 향상된다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 반응기를 포함하는 배기 유체 처리 장치를 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 반응기를 포함하는 배기 유체 처리 장치를 나타낸 측면도이다.
도 3 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 반응기를 나타낸 사시도이다.
도 5 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 반응기에서의 유체 흐름을 나타낸 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 반응기의 반응관을 나타낸 분해 사시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 반응기의 반응관을 나타낸 측단면도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.
그리고, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위내에서 다른 실시예를 용이하게 실시할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 범위 내에 속함은 물론이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 반응기(100)를 포함하는 배기 유체 처리 장치를 나타낸 사시도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 반응기(100)를 포함하는 배기 유체 처리 장치를 나타낸 측면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 플라즈마 반응기(100)는 반도체, 디스플레이 패널 또는 태양광 전지 등의 제조 공정 중 애싱(ashing), 식각, 증착, 세정 및 질화 처리 등의 공정을 수행하는 저압의 공정 챔버(10)와 이음관(20)에 의하여 연결된다.
즉, 본 발명인 플라즈마 반응기(100)는 상기 공정 챔버(10)에서 배기되는 미반응 가스, 폐가스 등의 공정 부산물을 정화하여 외부로 배기하기 위한 것으로서, 이를 위하여 저압의 상기 공정 챔버(10)와 상기 이음관(20)을 통하여 연결되는 진공 펌프(30) 및 보조 펌프(40)가 마련되고, 상기 플라즈마 반응기(100)는 상기 진공 펌프(30) 및 상기 보조 펌프(40)와 연결되어 상기 공정 챔버(10)에서 배기되는 가스 중에 함유된 미반응 가스, 폐가스 등의 공정 부산물을 제거한다.
상기 플라즈마 반응기(100)는 상기 진공 펌프(30)의 전방에 설치되는 방식으로서, 그 내부가 저압의 진공상태로 유지되며 플라즈마 빈응기의 설치 위치에 따라 상기 공정 챔버(10)와 동일하게 진공 상태를 유지한다.
한편, 상기 플라즈마 반응기(100)와 상기 보조 펌프(40)를 연결하는 배관에는 반응 기체 주입부(미도시)가 배치되고, 상기 진공 펌프(30)의 후방에는 상기 진공 펌프(30)로부터 배기되는 가스를 정화하는 스크러버(50)가 제공된다..
상기 진공 펌프(30)는 상기 공정 챔버(10)에 연결되어 상기 공정 챔버(10)의 내부를 진공화하고, 상기 공정 챔버(10) 내에서 발생하는 공정 부산물을 배기하기 위한 것이다. 그리고, 상기 공정 챔버(10) 내에서 발생하는 공정 부산물을 원활하게 배기할 수 있도록 상기 보조 펌프(40)가 더 구비될 수 있다. 이때, 상기 보조 펌프(40)는 상기 진공 펌프(30)의 배기 속도를 증가시키는 역할을 한다.
한편, 상기 보조 펌프(40)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 공정 챔버(10)와 상기 플라즈마 반응기(100) 사이에 마련되는데, 이는 상기 플라즈마 반응기(100)의 전방에 배치되는 보조 펌프(40)의 배기 작용에 의하여 상기 플라즈마 반응기(100)에서 생성되는 물질이 상기 공정 챔버(10) 측으로 역류하는 것을 원천적으로 방지함과 동시에 플라즈마 반응 과정에서 발생될 수 있는 압력 조건의 변동 현상이 상기 공정 챔버(10) 내부의 압력 상태에 영향을 주는 것을 방지하기 위함이다.
상기 플라즈마 반응기(100)는 그 내부에 저압 플라즈마를 발생시켜 플라즈마의 높은 온도로 상기 공정 챔버(10) 내에서 생성, 배기되는 유체 중에 함유된 미반응 가스, 폐가스 등의 공정 부산물을 분해시킨다.
이렇게 분해된 성분들은 상기 반응 기체 주입부(미도시)를 통하여 주입되는 반응 기체들과 결합하여 무해한 물질로 변화한다. 플라즈마는 전자 또는 여기 원자와 같은 반응 물질들을 풍부하게 함유하고 있으며 물리 화학적 반응에 필요한 충분한 에너지 환경을 지니고 있으므로 분해된 성분과 반응 기체 간의 화학 반응을 촉진시킨다.
한편, 상술한 바와 같이 상기 플라즈마 반응기(100) 내부의 물질이 상기 공정 챔버(10)로 역류하는 것을 방지하고, 상기 공정 챔버(10) 내부의 압력 상태를 일정하게 유지하기 위하여 상기 플라즈마 반응기(100)는 상기 보조 펌프(40)와 상기 진공 펌프(30) 사이에 연결될 수 있다.
상기 스크러버(50)는 상기 진공 펌프(30)로부터 배기되는 가스를 정화하는 역할을 하며, 상기 진공 펌프(30)와 배기관(60)에 의하여 연결된다.
이하에서는 상기 플라즈마 반응기(100)의 구체적인 구성 및 기능에 대하여 설명한다. 도 3 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 반응기(100)를 나타낸 사시도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명인 플라즈마 반응기(100)는 플라즈마 챔버(200), 상기 플라즈마 챔버(200)의 일단에 마련되는 유입관(300), 상기 플라즈마 챔버(200)의 타단에 마련되는 유출관(400), 상기 유입관(300) 및 상기 유출관(400)을 서로 연통시키는 바이패스관(500)을 포함한다.
상기 플라즈마 챔버(200)는 그 내부에 플라즈마를 형성시킴으로써 상기 공정 챔버(10, 도 1 및 도 2 참조)로부터 배기되는 공정 부산물 등의 유체의 분해 반응이 일어나도록 한다. 그리고, 상기 유체의 분해 반응이 효율적으로 진행되도록 2개의 반응관 즉, 제1반응관(200a) 및 제2반응관(200b)을 포함하여 구성된다.
즉, 상기 유체를 분해시키기 위하여 복수개의 플라즈마 형성 공간을 마련함으로써, 공정 환경에 따라 상기 유체에 대하여 적절한 처리를 수행할 수 있다.
구체적으로, 상기 제1반응관(200a) 및 상기 제2반응관(200b) 각각에 반응 기체를 주입하여 상기 유체의 분해 효율을 향상시킴과 동시에 분해된 물질들의 재결합을 방지할 수 있다. 또한, 상기 제1반응관(200a) 및 상기 제2반응관(200b) 각각에 다른 반응 기체들을 주입함으로써 순차적인 정화 과정이 가능하다. 즉, 소정량의 공정 부산물은 상기 제1반응관(200a)에서 어느 하나의 반응 기체와 반응하여 처리하고, 나머지 공정 부산물은 상기 제2반응관(200b)에서 다른 하나의 반응 기체와 반응하여 처리할 수 있으므로 공정 부산물의 종류에 따라 효율적인 정화 과정이 가능해진다.
한편, 상기 제1반응관(200a) 및 상기 제2반응관(200b)은 연결관(600)에 의하여 직렬로 연결되는데, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 상기 연결관(600)은 'U'자 형상으로 형성되어 상기 제1반응관(200a) 및 상기 제2반응관(200b)은 서로 평행하도록 나란히 배치된다. 이는 상기 배기 유체 처리 장치의 크기를 고려하였을 때 상기 플라즈마 챔버(200) 배치 공간의 효율성을 높이기 위함이다.
상기 유입관(300)은 상기 플라즈마 챔버(200)의 일단에 마련되어 상기 유체가 상기 플라즈마 챔버(200)로 유입되도록 한다. 즉, 상기 유입관(300)은 공정 챔버(10, 도 1 및 도 2 참조) 또는 보조 펌프(40, 도 1 및 도 2 참조)와 연결되어 상기 공정 챔버(10)로부터 배기되는 공정 부산물을 상기 플라즈마 챔버(200)로 안내한다.
그리고, 상기 유입관(300)은 상기 공정 부산물 등의 유체가 유동하는 관로를 선택적으로 개폐하는 유입 밸브(310)를 포함한다. 상기 유입 밸브(310)를 개방시키는 경우 상기 유체는 상기 제1반응관(200a) 측으로 유동되며, 상기 유입 밸브(310)를 폐쇄시키는 경우 상기 유체는 아래에서 설명할 바이패스관(500) 측으로 유동된다.
한편, 상기 유입관(300)은 상기 제1반응관(200a)의 일단으로부터 소정 길이 만큼 연장된 단부에서 복수회 절곡 연장되도록 형성된다. 즉, 상기 유입관(300)은 복수의 절곡부(330)를 가지도록 형성된다.
이는 상술한 바와 같이 배기 유체 처리 장치의 크기를 고려하였을 때 상기 유입관(300) 배치 공간의 효율성을 높이기 위함임과 동시에 상기 유입 밸브(310)가 마련되는 위치를 제공하기 위함이다.
즉, 상기 유입관(300)은 일반적으로 금속 재질로 형성됨으로써, 상기 플라즈마 챔버(200)에서 플라즈마 반응이 진행되는 경우 플라즈마 필드가 상기 유입관(300)과 상기 제1반응관(200a)의 연결 부분까지 확산될 수 있다.
따라서, 이로 인한 플라즈마의 영향으로 상기 유입 밸브(310)의 파손 등을 방지하기 위하여, 상기 유입 밸브(310)는 상기 유입관(300)과 상기 제1반응관(200a)의 연결 부분으로부터 비교적 멀리 이격된 상기 절곡부(330) 사이에 배치된다.
상기 유출관(400)은 상기 플라즈마 챔버(200)의 타단에 마련되어 상기 유체가 상기 플라즈마 챔버(200)로부터 진공 펌프(30, 도 1 및 도 2 참조) 측으로 유출되도록 한다. 즉, 상기 유출관(400)은 상기 제2반응관(200b)에서 플라즈마 처리된 무독성의 유체를 상기 진공 펌프(30, 도 1 및 도 2 참조)로 안내한다.
그리고, 상기 유출관(400)은 상기 유체가 유동하는 관로를 선택적으로 개폐하는 유출 밸브(410)를 포함한다. 즉, 상기 유입 밸브(310)가 개방된 경우에는 상기 유출 밸브(410)도 개방시킴으로써 상기 제1반응관(200a) 및 상기 제2반응관(200b)을 통과한 유체를 상기 진공 펌프(30, 도 1 및 도 2 참조) 측으로 유출되도록 하며, 상기 유입 밸브(310)가 폐쇄된 경우에는 상기 유출 밸브(410)도 폐쇄시킴으로써 상기 바이패스관(500)을 통과한 유체를 상기 진공 펌프(30, 도 1 및 도 2 참조) 측으로 유출되도록 한다.
한편, 상기 유출관(400)은 상기 유입관(300)과 마찬가지로 상기 제2반응관(200b)의 타단으로부터 소정 길이 만큼 연장된 단부에서 복수회 절곡 연장되도록 형성된다. 즉, 상기 유출관(400)은 복수의 절곡부(420)를 가지도록 형성된다.
이는 상술한 바와 같이 배기 유체 처리 장치의 크기를 고려하였을 때 상기 유출관(400) 배치 공간의 효율성을 높이기 위함임과 동시에 상기 유출 밸브(410)가 마련되는 위치를 제공하기 위함이다.
즉, 상기 유출관(400)은 상기 유입관(300)과 같이 일반적으로 금속 재질로 형성됨으로써, 상기 플라즈마 챔버(200)에서 플라즈마 반응이 진행되는 경우 플라즈마 필드가 상기 유출관(400)과 상기 제2반응관(200b)의 연결 부분까지 확산될 수 있다.
따라서, 이로 인한 플라즈마의 영향으로 상기 유출 밸브(410)의 파손 등을 방지하기 위하여, 상기 유출 밸브(410)는 상기 유출관(400)과 상기 제2반응관(200b)의 연결 부분으로부터 비교적 멀리 이격된 상기 절곡부(420) 사이에 배치된다.
상기 바이패스관(500)은 상기 공정 챔버(10, 도 1 및 도 2 참조)로부터 배기되어 상기 유입관(300)으로 유입되는 유체가 상기 플라즈마 챔버(200)를 우회하여 상기 유출관(400)으로 유동되도록, 상기 유입관(300) 및 상기 유출관(400)을 서로 연통시킨다.
그리고, 상기 바이패스관(500)은 상기 유체가 유동하는 관로를 선택적으로 개폐하는 바이패스 밸브(510)를 포함한다.
즉, 상기 플라즈마 반응기(100)에 결함 등이 발생하는 경우, 상기 바이패스 밸브(510)는 상기 바이패스관(500)을 개방시킴으로써 상기 공정 챔버(10, 도 1 및 도 2 참조)로부터 배기되어 상기 유입관(300)으로 유입되는 유체를 바로 상기 유출관(400)으로 유동시킴으로써, 진공 펌프 등의 가동을 중지함이 없이 효율적인 공정을 진행하기 위함이다.
상기 공정 챔버(10, 도 1 및 도 2 참조)로부터 배기되어 상기 유입관(300)으로 유입되는 유체의 유동 상태에 대하여는 아래에서 상세히 설명한다.
한편, 상기 유입관(300) 및 상기 연결관(600)은 소정의 반응 기체가 그 내부로 주입되도록 하는 제1포트(320) 및 제2포트(610)를 포함한다.
상술한 바와 같이, 상기 제1포트(320) 및 제2포트(610)를 통하여 상기 제1반응관(200a) 및 상기 제2반응관(200b) 각각에 반응 기체를 주입함으로써 상기 유체의 분해 효율을 향상시킴과 동시에 분해된 물질들의 재결합을 방지할 수 있으며, 상기 제1반응관(200a) 및 상기 제2반응관(200b) 각각에 다른 반응 기체들을 주입함으로써 순차적인 정화 과정이 가능해진다.
즉, 소정량의 상기의 유체는 상기 제1포트(320)를 통하여 주입되는 반응 기체와 상기 제1반응관(200a)에서 반응하여 처리되고, 나머지 유체는 상기 제2포트(610)를 통하여 주입되는 반응 기체와 상기 제2반응관(200b)에서 반응하여 처리될 수 있으므로 공정 부산물의 종류에 따라 효율적인 정화 과정이 가능해진다.
또한, 상기 제1포트(320) 및 상기 제2포트(610)를 통하여 상기 제1반응관(200a) 또는 상기 제2반응관(200b)에 세정 가스를 주입할 수 있다. 즉, 상기 세정 가스는 상기 제1반응관(200a) 또는 상기 제2반응관(200b)을 통과하며 활성화 즉, 여기(勵起)되고, 이렇게 여기된 세정 가스는 상기 진공 펌프(30, 도 1 및 도 2 참조)로 유입되어 상기 진공 펌프(30) 내부의 회전자 또는 고정자 내면에 부착된 공정 부산물층을 식각(etching) 등의 작용에 의하여 제거 할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 진공 펌프(30) 내부의 세정을 위한 추가적인 기구적 장치의 부가 없이, 상기 제1포트(320) 또는 상기 제2포트(610)로 상기 세정 가스를 투입함으로써 비용 측면에서 효율적으로 상기 진공 펌프(30)의 내부를 세정할 수 있으며, 또한 해당 공정 부산물의 종류에 따라 용이하게 세정 가스를 변경할 수 있다.
한편, 상기 제1포트(320) 및 상기 제2포트(610)는 각각 상기 유입관(300)에 형성되는 절곡부(330) 및 상기 연결관(600)의 절곡된 부분 사이에 마련되는데, 이는 상기 유입 밸브(310) 및 상기 유출 밸브(410)와 마찬가지로 플라즈마의 영향으로 인한 상기 제1포트(320) 및 상기 제2포트(610)의 파손 등을 방지하기 위함이다.
도 5 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 반응기(100)에서의 유체 유동 상태를 나타낸 사시도이다. 도 5 및 도 6을 참조하여 상기 플라즈마 반응기(100)의 결함 여부에 따른 유체의 유동 방향을 상세히 설명한다.
먼저, 도 5에 도시된 바와 같이 일반적인 플라즈마 반응 과정에 있어서는 유입 밸브(310) 및 유출 밸브(410)는 유입관(300) 및 유출관(400)을 개방시키고, 상기 유입관(300) 및 상기 유출관(400)의 개방 시점에 대응하여 바이패스 밸브(510)는 바이패스관(500)을 폐쇄시킨다.
따라서, 상기 공정 챔버(10, 도 1 및 도 2 참조)로부터 배기되는 공정 부산물 등의 유체는 상기 유입관(300)으로 유동되고, 상기 유체는 상기 제1포트(320)를 통하여 유입되는 반응 기체와 제1반응관(200a) 내부에서 결합하여 무해한 물질로 변화된다.
상기 제1반응관(200a)을 통과한 상기 유체는 연결관(600)을 통과하여 상기 제2반응관(200b)으로 유동되며, 상기 제1반응관(200a)에서 분해 반응이 일어나지 않은 유체는 상기 제2반응관(200b) 내부에서 상기 제2포트(610)를 통하여 유입되는 반응 기체와 결합하여 무해한 물질로 변화된다. 그리고 상기 제2반응관(200b)을 통과한 상기 유체는 상기 유출관(400)을 통하여 상기 진공 펌프(30, 도 1 및 도 2 참조) 측으로 유동하여 배기된다.
반면, 본 발명인 플라즈마 반응기(100)에 결함 등이 발생하는 경우 상기 진공 펌프 등의 가동을 중지함이 없이 효율적인 공정을 진행하기 위해서는, 상기 유입관(300)으로 유입되는 공정 부산물 등의 유체를 플라즈마 챔버(200) 즉, 상기 제1반응관(200a) 및 상기 제2반응관(200b)을 우회함으로써 바로 상기 유출관(400)으로 유동시켜 배기되도록 하여야 한다.
즉, 도 6에 도시된 바와 같이 상기 유입 밸브(310) 및 상기 유출 밸브(410)는 상기 유입관(300) 및 상기 유출관(400)을 폐쇄시키고, 상기 유입관(300) 및 상기 유출관(400)의 폐쇄 시점에 대응하여 상기 바이패스 밸브(510)는 상기 바이패스관(500)을 개방시킨다.
따라서, 상기 공정 챔버(10)로부터 배기되는 유체는 상기 유입관(300)으로 유입된 후, 상기 바이패스관(500)을 통하여 바로 상기 유출관(400)으로 유동되어 배기된다.
한편, 상기 유입 밸브(310)와 상기 유출 밸브(410)가 상기 유입관(300) 및 상기 유출관(400)을 폐쇄시키는 경우 상기 유체는 상기 바이패스관(500)을 통하여 배기되어야 하므로, 상기 바이패스관(500)의 일단은 상기 유입 밸브(310)의 전단에 연결되고, 상기 바이패스관(500)의 타단은 상기 유출 밸브(410)의 후단에 연결된다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 반응기의 반응관을 나타낸 분해 사시도이며, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 반응기의 반응관을 나타낸 측단면도이다. 도 7 및 도 8을 참조하여 본 발명인 플라즈마 반응기의 구체적인 구성 및 기능에 대하여 상세히 설명한다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명인 플라즈마 반응기(100)를 구성하는 제1반응관(200a) 및 제2반응관(200b)은 상기 공정 챔버(10, 도 1 및 도 2 참조)와 상기 진공 펌프(30) 사이에 마련되는 도관(210), 상기 도관(210)의 외주면에 마련되는 적어도 하나의 전극부(220) 및 상기 도관(210)과 상기 전극부(220) 사이에 개재되는 완충부(230)를 포함하여 구성된다.
상기 도관(210)은 양단부가 개구된 원통과 같은 관 형상으로 형성되며, 상기 공정 챔버(10) 내에서 생성, 배기되는 유체 중에 함유된 미반응 가스, 폐가스 등의 공정 부산물을 분해시키는 공간을 제공한다. 그리고, 상기 도관(210)은 유전체로서 절연성의 세라믹 또는 쿼츠(quartz)와 같은 고유전체로 제조된다.
한편, 상기 도관(210)은 원통의 관 형상으로 형성됨으로써, 기존의 배관에 용이하게 설치할 수 있다. 즉, 상기 도관(210)의 직경과 기존의 배관의 직경이 서로 다르더라도 별도의 밀폐 부재를 마련하기만 하면 용이한 설치가 가능하다.
구체적으로 상기 도관(210)의 양단부에 별도의 연결 플랜지(246)가 마련되고, 상기 연결 플랜지(246)가 기존의 배관과 연결된다. 그리고, 상기 도관(210) 및 기존의 배관 사이에서 상기 공정 챔버(10)에서 생성된 공정 부산물 등의 유체가 누출되는 것을 방지하기 위하여 오링(O-ring) 등의 밀폐 부재가 마련된다.
또한, 상기 공정 챔버(10)에서 배기되는 유체의 흐름에 대한 저항을 최소화시킬 수 있으므로 상기 진공 펌프(30)에 의한 배기 성능을 최대한 유지시킬 수 있다.
상기 도관(210)의 외주면에는 적어도 하나의 전극부(220)가 마련되는데, 상기 전극부(220)는 상기 도관(210)의 내부에서 플라즈마가 방전되도록 전원부(270)로부터 전압을 인가받는다. 즉, 상기 전원부(270)가 상기 전극부(220)에 전압을 인가하면 상기 전극부(220)와 접지 전극(280)의 전압 차에 의하여 상기 도관(210)의 내부에 플라즈마 방전이 유도된다.
한편, 상기 전극부(220)에 인가되는 전압은 교류 전압으로서, 기존의 무선 주파수(RF) 구동 방식보다 구조적으로 간단하고 장치의 비용을 절감할 수 있다.
도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이 상기 전극부(220)는 상기 도관(210)의 외주면에서 그 일부를 둘러싸도록 소정의 길이를 갖는 고리 형상으로 형성되며, 구리와 같은 전기 전도도가 뛰어난 금속 재질로 형성된다.
그러므로, 상기 도관(210) 내부를 유동하는 미반응 가스, 폐가스 등의 공정 부산물 등과 상기 전극부(220) 간의 직접적인 접촉을 원천적으로 배제시킴으로써 상기 전극부(220)의 수명이 향상된다.
그리고, 상기 전극부(220)는 상기 도관(210)의 외주면에 소정 간격으로 2개가 배치되나, 상기 전극부(220)의 개수에 의하여 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니며, 플라즈마 방전을 위하여 상기 도관(210)에 가해지는 에너지에 따라 그 개수 및 길이를 조절할 수 있음은 당연하다.
한편, 상술한 바와 같이 상기 도관(210)은 세라믹 또는 쿼츠 등의 절연성 물질로 형성되며 상기 전극부(220)는 구리나 스테인레스 강과 같은 기타 금속 재질로 형성되는데, 이러한 재질들은 서로 물성이 상이하고 특히, 탄성과 강성이 높으므로 서로 완벽하게 밀착하기 어려운 점이 있다.
이와 같이 상기 도관(210)과 상기 전극부(220) 사이에 이격되는 공간이 발생한다면, 그 공간에서 누설 전류 등의 기생 방전(parasitic drain)이 발생하므로, 상기 도관(210) 내부에서의 플라즈마 방전 효율은 저하된다.
또한, 상기 도관(210)의 내부에서는 대략 1,000℃의 고온에서 플라즈마 방전 현상이 일어나며 상기 전극부(220)는 상기 전원부(270)로부터 전압을 인가받으면서 저항열이 발생하게 되는데, 상기 도관(210)과 상기 전극부(220)의 서로 다른 열팽창률에 따라 부피 팽창에 차이가 발생함으로써 상기 도관(210) 및 상기 전극부(220)의 접촉 효율은 저하되고, 이로 인하여 상기와 마찬가지로 상기 도관(210) 내부에서의 플라즈마 방전 효율은 저하된다.
그러므로, 본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 도관(210) 및 상기 전극부(220) 간의 밀착성을 향상시키도록 상기 도관(210)과 상기 전극부(220) 사이에 완충부(230)가 개재된다.
그리고, 상기 도관(210) 내부에서 플라즈마 방전이 발생하도록 상기 전극부(220)로부터 상기 도관(210)의 외주면에 전압이 인가되어야 하므로, 상기 완충부(230)는 전기 전도성을 가지는 물질이어야 하며 상기 도관(210)과 상기 전극부(220) 사이에 개재되어 서로 밀착되도록 하므로 탄성 역시 가져야 한다.
즉, 상기 완충부(230)는 전도성 고분자 물질과 같은 우수한 전기 전도성을 갖는 탄성체로 형성될 수 있으며, 전기 전도성인 상기 완충부(230)를 통하여 상기 전극부(220)로부터 상기 도관(210)의 외주면에 전압이 인가될 수 있고, 탄성체인 상기 완충부(230)로 인하여 상기 도관(210)과 상기 전극부(220)를 서로 밀착시킬 수 있다.
상기 완충부(230)는 상기 도관(210)과 상기 전극부(220) 사이에 개재되므로 상기 도관(210)보다는 직경이 큰 반면 상기 전극부(220)보다는 직경이 작게 형성되는 것이 바람직하며, 상기 완충부(230) 역시 상기 전극부(220)와 마찬가지로 상기 도관(210)의 일부를 둘러싸는 고리 형상으로 형성되며, 그 길이는 상기 전극부(220)의 길이에 대응되도록 마련되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 제1반응관(200a) 및 상기 제2반응관(200b)은 상기 도관(210), 전극부(220) 및 완충부(230)가 삽입되는 외부관(240)을 더 포함하여 구성되는데, 상기 외부관(240)은 상기 도관(210), 전극부(220) 및 완충부(230)가 그 내부에 배치되게 함으로써 상기 제1반응관(200a) 및 상기 제2반응관(200b)이 이중관 형태를 가지도록 한다.
절연성의 세라믹 또는 쿼츠 등의 고유전체로 형성되는 상기 도관(210)은 플라즈마 방전시 진공의 상태에서 대략 1000℃의 높은 온도를 받는데, 이로 인하여 상기 도관(210) 자체가 균열 또는 파손되거나 상기 도관(210) 및 그 주위 배관의 연결 부위에 균열이 발생할 수 있다.
따라서, 상기 제1반응관(200a) 및 상기 제2반응관(200b)을 상기 외부관(240)이 상기 도관(210)의 외부에 배치되는 이중관 형태로 형성함으로써, 상술한 바와 같이 상기 도관(210)에 균열 또는 파손이 발생된 경우 공정 부산물 등의 유체가 외부로 누출되는 것을 방지할 수 있다.
그리고, 상기 도관(210) 및 상기 외부관(240)의 양단부에는 밀폐 플랜지(242)를 마련함으로써 상기 도관(210)과 상기 외부관(240) 사이의 공간을 확실하게 밀폐할 수 있다. 즉, 도 7에 도시된 바와 같이 상기 도관(210) 및 상기 외부관(240)의 양단부에 오링(O-ring) 등의 씰링 부재(248)를 마련하고 상기 밀폐 플랜지(242)를 상기 외부관(240)의 양단부에 결합시킴으로써 상기 도관(210) 및 상기 외부관(240) 사이를 밀폐할 수 있다.
한편, 상기 외부관(240)의 외주면 상에는 배선구(244)가 마련되는데, 상기 배선구(244)를 통하여 전선 등이 인입됨으로써 상기 전원부(270)에 전압을 인가할 수 있다.
상기 제1반응관(200a) 및 상기 제2반응관(200b)은 상기 도관(210)과 상기 외부관(240) 사이의 공간에 마련되는 센서부(250)를 더 포함하여 구성된다. 상술한 바와 같이 상기 도관(210) 내부의 높은 열 충격이나 다양한 내외부의 물리적 요인에 의한 응력의 축적에 의해 상기 도관(210) 자체가 균열 또는 파손되거나 상기 도관(210) 및 그 주위 배관의 연결 부위에 균열이 발생하는 경우, 상기 센서부(250)는 상기 도관(210)으로부터 누출되는 유체를 감지하여 상기 플라즈마 반응기(200) 등의 장치의 작동을 중지시킬 수 있다.
한편, 상기 제1반응관(200a) 및 상기 제2반응관(200b)은 상기 외부관(240)의 외주면에 마련되는 냉각부(260)를 더 포함하여 구성되는데, 상기 냉각부(260)는 상기 외부관(240)의 외주면을 감싸는 형상으로 형성됨으로써 상기 전극부(220)의 과열을 방지한다.
즉, 상기 도관(210)의 외주면에 마련되는 상기 전극부(220)는 상기 전원부(270)로부터 전압을 인가받음으로써 발생하는 저항열 뿐만 아니라 그 내부가 높은 온도에서 플라즈마 방전을 발생하는 도관(210)으로부터도 고열을 받게 되는데, 이로 인한 상기 전극부(220)의 파손을 방지하기 위하여 상기 냉각부(260)가 마련된다.
상기 냉각부(260)의 일단부에는 냉각 매체 유입구(262)과 냉각 매체 유출구(264)가 마련되며, 이를 통하여 냉각 매체가 상기 냉각부(260)의 내부로 인입되거나 배출된다.
한편, 상기 제시된 본 발명인 플라즈마 반응기(100)는 기체 상태의 미반응 가스, 폐가스 등과 분체 상태의 공정 부산물 만에 한정되는 것이 아니라 반도체의 제조 공정 중 원자층 증착(ALD, atomic layer deposition) 공정 등에서 사용되고 있는 액체 전구체(liquid precursor)의 처리에도 효과적으로 적용될 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
100: 플라즈마 반응기 200: 플라즈마 챔버
300: 유입관 400: 유출관
500: 바이패스관 600: 연결관

Claims (14)

  1. 플라즈마가 형성되어 유체의 분해 반응이 일어나는 플라즈마 챔버;
    상기 유체가 상기 플라즈마 챔버로 유입되도록 상기 플라즈마 챔버의 일단에 마련되는 유입관;
    상기 유체가 상기 플라즈마 챔버로부터 유출되도록 상기 플라즈마 챔버의 타단에 마련되는 유출관; 및
    상기 유체가 상기 플라즈마 챔버를 우회하도록 상기 유입관 및 상기 유출관을 서로 연통시키는 바이패스관; 을 포함하는 플라즈마 반응기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 바이패스관은,
    상기 바이패스관의 관로를 선택적으로 개폐하는 바이패스 밸브를 포함하여 구성되는 플라즈마 반응기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 유입관은 상기 유입관의 관로를 선택적으로 개폐하는 유입 밸브를 포함하여 구성되고,
    상기 유출관은 상기 유출관의 관로를 선택적으로 개폐하는 유출 밸브를 포함하여 구성되며,
    상기 바이패스관의 일단은 상기 유입 밸브의 전단에 연결되고, 상기 바이패스관의 타단은 상기 유출 밸브의 후단에 연결되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 유입관은 복수의 절곡부를 가지도록 형성되고,
    상기 유입 밸브는 상기 절곡부 사이에 마련되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 유입관은 소정의 반응 물질이 그 내부로 주입되도록 하고, 상기 절곡부 사이에 마련되는 제1포트를 더 포함하여 구성되는 플라즈마 반응기.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 유출관은 복수의 절곡부를 가지도록 형성되고,
    상기 유출 밸브는 상기 절곡부 사이에 마련되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 챔버는,
    상기 유입관이 연결되는 제1반응관과,
    상기 유출관이 연결되는 제2반응관을 포함하여 구성되고,
    상기 제1반응관 및 상기 제2반응관은 연결관에 의하여 연결되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 연결관은 소정의 반응 물질이 그 내부로 주입되도록 하는 제2포트를 더 포함하여 구성되는 플라즈마 반응기.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제1반응관 및 상기 제2반응관은,
    상기 유체의 분해 반응이 일어나는 공간을 제공하는 절연성의 도관과,
    상기 도관의 외주면에 마련되며, 플라즈마가 형성되도록 전압을 인가받는 적어도 하나 이상의 전극부와,
    전기 전도성의 탄성체로 형성되고, 상기 도관 및 상기 전극부를 밀착시키도록 상기 도관과 상기 전극부 사이에 개재되는 완충부를 포함하여 구성되는 플라즈마 반응기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전극부는 상기 도관을 둘러싸도록 소정의 길이를 갖는 고리 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 완충부는 상기 도관과 상기 전극부 사이에 개재되는 고리 형상으로 형성되고, 전도성 탄성체 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 제1반응관 및 상기 제2반응관은,
    상기 도관이 삽입되는 외부관과,
    상기 도관과 상기 외부관 사이의 공간을 밀폐하도록 상기 도관 및 상기 외부관의 양단부에 마련되는 밀폐 플랜지를 더 포함하여 구성되는 플라즈마 반응기.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1반응관 및 상기 제2반응관은,
    상기 도관으로부터 누출되는 유체를 감지하도록 상기 도관과 상기 외부관 사이의 공간에 마련되는 센서부를 더 포함하여 구성되는 플라즈마 반응기.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제1반응관 및 상기 제2반응관은,
    상기 전극부의 과열을 방지하도록 상기 외부관의 외주면에 마련되는 냉각부를 더 포함하여 구성되는 플라즈마 반응기.
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