KR101286348B1 - 마이크로파 플라즈마 반응기 - Google Patents

마이크로파 플라즈마 반응기 Download PDF

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Abstract

마이크로파 플라즈마 반응기(10)는 반응기 챔버와, 반응기 챔버 내에 배치된 마이크로파 공진 캐비티(14)와, 공진 캐비티로 마이크로파 방사선을 운송하며 수렴 테이퍼부를 갖는 도파관(16)과, 가스 입구 및 가스 출구를 갖는 공진 캐비티 내에서 플라즈마를 개시 및 지속시키기 위해 마이크로파 방사선으로부터 공진 캐비티 내에 전자기 정재파를 형성하기 위한 수단과, 공진 캐비티로부터 운송되는 플라즈마를 가스 입구로부터 가스 출구로 유동하는 가스로 수용하기 위해 가스 출구로부터 연장되는 도관 수단을 포함한다.
Figure R1020087003633
마이크로파 플라즈마 반응기, 반응기 챔버, 공진 캐비티, 도파관, 가스 입구, 가스 출구, 도관 수단

Description

마이크로파 플라즈마 반응기{MICROWAVE PLASMA REACTOR}
본 발명은 마이크로파 플라즈마 반응기에 관한 것이다. 이 장치는 플라즈마 경감 시스템(plasma abatement system)에 특정 용도가 발견되었지만, 본 발명은 이러한 시스템에 한정되는 것은 아니다.
CF4, C2F6, NF3 및 SF6은 반도체 제조 산업, 예를 들면 유전층 에칭 및 챔버 세척에 통상적으로 사용된다. 제조 또는 세척 프로세스에 이어서, 프로세스 도구로부터 펌핑된 유출 가스 스트림(effluent gas stream) 내에는 일반적으로 잔류 PFC 함유물이 존재한다. PFC는 유출 스트림으로부터 제거되기 곤란하고, 비교적 높은 온실 활동을 갖는 것으로 알려져 있기 때문에 환경으로의 방출이 바람직하지 않다.
플라즈마 경감은 적은 PFC를 덜 손상되는 종(species)으로 분해하기 위한 효율적인 방법인 것으로 판명되었다. 플라즈마 경감 프로세스에서, 파괴될 종을 함유하는 유출 가스는 고밀도 플라즈마 내로 유동되고, 플라즈마 내의 강도높은 조건 하에서 PFC는 여기 전자(energetic electron)와 충돌하게 되어 반응 종으로 해리되고, 이 반응 종은 산소 또는 수소와 결합하여 예를 들면 CO, CO2 및 HF와 같은 비교적 안정한 저분자량 부산물을 생성하며, 이 부산물은 이후 부가의 처리 단계에서 제거될 수 있다.
이미 공지되어 있는 플라즈마 경감의 일 형태에서, 플라즈마는 마이크로파 플라즈마이다. 마이크로파 플라즈마 반응기의 예는 영국 특허 GB 2,273,027호에 설명되어 있다. 이 장치에서, 마이크로파 플라즈마는 밀접하게 대향된 관계로 챔버 내에 배치된 두 개의 전극 사이에 발생되고, 전극 중 하나는 여기된 가스 매체가 챔버로부터 이를 통해 배기되는 축방향 구멍을 갖는다.
이러한 반응기에서는, 마이크로파 방사선이 도파관에 의해 마이크로파 발생기로부터 챔버 내로 운송된다. 도파관에 의해 마이크로파 발생기 내로 재반사되는 마이크로파 방사선의 양을 감소시키기 위해, 도파관은 실질적으로 그 내부로 직교하여 연장되는 하나 이상의 조정 나사를 구비한다. 각각의 나사가 도파관 내로 연장되는 양을 조절함으로써, 도파관에 의해 마이크로파 발생기 내로 재반사되는 마이크로파 방사선의 양이 최소화될 수 있다. 그러나, 조정 나사의 존재는 플라즈마 내로의 에너지 흡수를 감소시키는 작용을 한다.
본 발명은 반응기 챔버와, 반응기 챔버 내에 배치된 마이크로파 공진 캐비티와, 공진 캐비티로 마이크로파 방사선을 운송하며 수렴 테이퍼부를 갖는 도파관과, 가스 입구 및 가스 출구를 갖는 공진 캐비티 내에서 플라즈마를 지속시키기 위해 마이크로파 방사선으로부터 공진 캐비티 내에 전자기 정재파(standing wave)를 형성하기 위한 수단과, 공진 캐비티로부터 운송되는 플라즈마를 가스 입구로부터 가스 출구로 유동하는 가스로 수용하기 위해 가스 출구로부터 연장되는 도관 수단을 포함하는 마이크로파 플라즈마 반응기를 제공한다.
도파관의 테이퍼부의 존재는 공진 캐비티 내에 발생된 플라즈마 내로의 에너지 흡수를 감소시키지 않고 도파관 내의 마이크로파 방사선의 반사를 억제하도록 도파관을 조정하는 역할을 한다.
도파관의 테이퍼부는 챔버에 인접하여 배치되는 것이 바람직하며, 이를 통한 마이크로파 방사선의 전파 방향에서의 길이가 마이크로파 방사선의 파장의 대략 1/2에 해당하는 것이 바람직하다.
도파관의 테이퍼부는, 바람직하게는 마이크로파 방사선의 TE01 전기장에 실질적으로 평행한 제 1 높이를 갖고 마이크로파 방사선을 수용하기 위한 제 1의 바람직하게는 실질적으로 직사각형 단부면과, 제 1 높이보다 작은 제 2 높이를 갖고 제 1 단부면에 대향하는 제 2의 바람직하게는 실질적으로 직사각형 단부면을 갖는다. 제 2 단부면의 높이는 바람직하게는 공진 캐비티의 높이와 실질적으로 동일하다. 제 1 높이로부터 제 2 높이로 도파관의 높이를 감소시킴으로써, 전기장의 강도가 증가된다. 도파관의 테이퍼부는 제 1 단부면 사이로 각각 연장되고 제 1 단부면에 대해 예각으로 경사지는 두 개의 수렴 측면을 포함하는 것이 바람직하다.
전기장에 직교하는 대략 동일한 폭을 갖는 직사각형 도파관에서, 전기장의 강도의 증가는 도파관의 높이의 감소에 정비례한다. 전기장의 강도의 증가는 플라즈마가 마이크로파 방사선 단독으로부터 공진 캐비티 내에 발생될 수 있도록 충분할 수 있다.
도관 수단 내의 플라즈마의 수용에 기인하여, 도관 수단을 냉각하기 위한 수단이 바람직하게 제공된다. 예를 들면, 물 또는 다른 수용액과 같은 냉매를 도관 수단의 외부면 상에 분무하기 위한 수단이 도관 수단을 냉각하기 위해 제공될 수 있다.
공진 캐비티 내에 전자기 정재파를 형성하기 위한 수단은, 공진 캐비티로부터 마이크로파 방사선을 수용하기 위해 도파관에 대향하여 반응기 챔버 상에 장착되고 공진 캐비티 내로 마이크로파 방사선을 재반사하기 위해 챔버를 통한 마이크로파의 전파 방향에 실질적으로 수직하게 연장되는 단부면을 갖는 제 2 챔버를 포함하는 것이 바람직하다. 공진 캐비티 내에 지속되는 플라즈마 내로의 에너지 흡수를 최적화하기 위해, 제 2 챔버는 제 2 챔버의 단부면으로부터 이격된 조정 수단을 수용하는 것이 바람직하다. 조정 수단은, 제 2 챔버를 통한 마이크로파의 전파 방향에 수직하게 연장되고 바람직하게는 제 2 챔버를 조정하기 위해 제 2 챔버에 대해 이동 가능한 전기 도전성의 바람직하게는 원통형 튜너를 포함할 수 있다.
공진 캐비티는 바람직하게는 가스 입구로부터 가스를 수용하고 가스를 가스 출구로 운송하기 위한 실질적으로 원통형 가스 챔버를 규정하는 적어도 하나의 유전체 인서트(dielectric insert)가 그 내부에 배치되고, 가스 출구는 가스 챔버와 실질적으로 동축이다. 가스 챔버는 원형 또는 타원형 단면을 갖는다. 적어도 하나의 유전체 인서트는 만곡된 측벽부를 각각 갖는 두 개의 유전체 플레이트 부재를 포함하는 것이 편리할 수 있다.
공진 캐비티 내의 전기장을 증가시키기 위해, 반응기는 바람직하게는 전기장의 강도가 최고에 있는 위치에서 공진 캐비티 내의 전자기장 내로 돌출하고 바람직하게는 반응기 챔버를 통한 마이크로파의 전파 방향에 실질적으로 수직하게 전자기장 내로 연장되는 전기 도전성 부재를 포함하는 것이 바람직하다. 발명자들은 공진 캐비티 내로 돌출하는 단일의 전기 도전성 부재가 존재하면 예를 들어 2 내지 6 kW의 비교적 낮은 출력을 갖는 마이크로파 방사선에 의해 플라즈마가 점화되어 지속될 수 있는 정도로 전기장이 강화될 수 있다는 것을 발견하였다.
반응기의 사용 중에 전기 도전성 부재의 잠재적인 부식에 기인하여, 전기 도전성 부재는 공진 캐비티 내로 돌출하는 교체 가능한 팁을 포함하는 것이 바람직하다. 팁은 텅스텐, 구리 또는 텅스텐 합금과 같은 내부식성 및 내열성 재료로 형성되는 것이 바람직하다. 팁의 냉각 및 그 수명의 연장을 제공하기 위해, 반응기의 사용 중에, 팁은 선택적으로 중공형일 수 있고 그 부근으로 연장되는 복수의 구멍을 포함할 수 있다. 공진 캐비티의 가스 입구와 가스 출구 사이로 유동하는 가스는 팁을 냉각하도록 구멍을 통과할 수 있다. 각각의 구멍은 바람직하게는 마이크로파 방사선이 이를 통과할 수 있도록 치수 설정된 직경을 갖는다.
전기 도전성 부재는 팁에 결합하는 전기 도전성 본체부를 포함하는 것이 바람직하다. 환형 냉매 채널이 제공될 수 있고, 환형 채널은 전기 도전성 본체부 주위로 연장되고, 환형 채널에 대해 냉매를 송입하고 그로부터 송출하기 위한 수단이 제공된다.
전기 도전성 본체부는 공진 캐비티를 통해 운송되는 가스와 반응하기 위한 반응제를 수용하기 위한 가스 입구 포트를 포함하는 것이 바람직하고, 전기 도전성 본체부는 냉매를 공진 캐비티 내로 운송하기 위한 통로를 포함하는 것이 바람직하다. 반응기가 플라즈마 경감 시스템의 부분으로서 제공될 때, 챔버를 통해 운송되는 경감될 가스의 조성에 따라, 경감될 가스와 반응하기 위한 반응제를 공진 캐비티 내에 도입하는 것이 유리할 수 있다. 예를 들면, 경감될 가스가 예를 들면 CF4, C2F6, CHF3, C3F8, C4F8, NF3 및 SF6 중 하나와 같은 퍼플루오로화 또는 하이드로플루오로카본 화합물일 때, 경감될 가스와 반응하기 위한 H 또는 OH 라디칼을 플라즈마 내에 형성하기 위해 H2 또는 H2O와 같은 반응제가 전기 도전성 부재의 보어를 통해 공진 캐비티 내로 운송될 수 있다.
전기 도전성 부재는 바람직하게는 가스 출구에 대향하여 배치된다. 가스 입구는 바람직하게는 상기 적어도 하나의 유전체 인서트를 통해 연장되고, 바람직하게는 실질적으로 접선 방향으로 가스 챔버 내로 가스를 도입하도록 배열된다. 이는 챔버 내에서 가스가 소용돌이치고 플라즈마를 최적화하도록 팁의 하부에서의 가스의 균일한 압력 강하를 성취하는 것을 촉진한다. 반응기 챔버는 바람직하게는 그 측벽에 배치된 투명한 감시 창(inspection window)을 포함하고, 상기 적어도 하나의 유전체 인서트의 내부에는 가스 챔버와 창 사이로 연장되는 보어가 형성된다.
전기장 내의 전기 도전성 부재의 존재는 도파관과 공진 캐비티 사이의 임피던스 정합(matching)을 방해할 수 있고, 이는 마이크로파 발생기를 향한 도파관을 통한 마이크로파 방사선의 재반사를 유도할 수 있고, 따라서 플라즈마 내로의 에너지 흡수를 감소시킬 수 있다. 반사된 에너지가 너무 높으면, 마이크로파 발생기는 손상될 수 있다. 따라서, 튜너는 전기 도전성 부재의 평면 내의 임피던스가 마이크로파 방사선의 주파수에서 도파관의 임피던스에 정합하도록 전기 도전성 부재와 동축으로 제공될 수 있다.
전기 도전성 부재는 바람직하게는 챔버 상에 장착된 홀더 내에 유지된다. 챔버는 바람직하게는 공진 캐비티에 인접하여 배치된 원통형 보어를 포함하고, 홀더는 보어 내로 연장한다. 홀더 및 챔버의 모두는 바람직하게는 전기 도전성 재료로 형성되고, 홀더는 챔버와 전기 접촉을 형성한다. 홀더는 바람직하게는 챔버와 홀더 사이에 기밀 밀봉을 형성하도록 챔버 상에 장착된 외향 연장 스커트를 포함한다. 스커트는 챔버와 전기 접촉을 형성할 수 있다. 그렇지 않으면, 스커트로부터 하향으로 현수되는 환형 링이 챔버와 전기 접촉을 형성할 수 있다. 스커트의 기부와 전기 도전성 부재의 단부 사이의 거리는 공진 캐비티 내의 전자기장을 최대화하도록 선택되는 것이 바람직하다. 홀더는 바람직하게는 그 내부에 전기 도전성 부재의 팁을 보유하기 위한 원추형 돌출부를 갖는 세장형 본체부를 포함한다.
전기 도전성 부재는 공진 캐비티 내의 플라즈마를 점화하기 위한 수단을 수용할 수 있다. 플라즈마를 점화하기 위한 수단은 바람직하게는 전기 도전성 부재 내에 배치된 세장형 전극을 포함하는 글로우 방전을 발생시키기 위한 수단을 포함하는 것이 바람직하다. 글로우 방전을 형성하기 위해 글로우-방전 가스가 전극에 운송되는 것이 바람직하고, 전기 도전성 부재는 그 내부의 플라즈마의 점화를 위해 글로우-방전 가스가 공진 캐비티로 글로우 방전을 운송하게 하기 위한 통로를 제공한다. 글로우-방전 가스는 질소 또는 희가스(noble gas) 또는 임의의 다른 실질적으로 불활성 및 이온화 가능 가스일 수 있다. 공진 캐비티를 통해 운송된 가스와 반응하기 위한 반응제(reactant)가 요구될 때, 반응제는 글로우-방전 가스 내에 수용될 수 있다.
글로우 방전을 개시하기 위해 충분히 높은 전압을 제공하고 바람직하게는 적어도 0.1초 동안 글로우 방전을 지속시키기 위한 회로가 제공될 수 있다. 글로우 방전의 발생은 플라즈마가 공진 캐비티 내에 점화된 후에 중단될 수 있고, 따라서 글로우 방전은 최대 10초 동안 또는 예를 들면 최대 5초 동안, 예를 들면 1 내지 5초 동안 발생될 수 있다.
반응기는 마이크로파 방사선을 발생시키기 위한 마이크로파 발생기를 포함하는 것이 바람직하다. 플라즈마를 점화하기 위한 수단을 제공하는 것에 대한 대안으로서, 발생기는 공진 캐비티 내에서 플라즈마를 점화하는데 충분한 예를 들면 2 내지 6 kW의 출력으로 마이크로파 방사선을 발생시키도록 구성될 수 있다. 발생기는 마이크로파 방사선이 발생되는 출력을 예를 들면 1 내지 5초와 같은 소정 시간 후에 예를 들면 2 내지 3 kW로 감소시키도록 구성될 수 있다.
본 발명은 프로세스 도구로부터 가스 스트림 배기물을 처리하기 위한 장치를 또한 제공하고, 이 장치는 전술된 바와 같은 마이크로파 플라즈마 반응기를 포함한다.
본 발명의 바람직한 특징이 이제 첨부 도면을 참조하여 예시적으로만 설명될 것이다.
도 1은 마이크로파 플라즈마 반응기의 외부 사시도.
도 2는 도 1의 반응기의 측면도.
도 3은 도 2의 라인 A-A를 따른 반응기를 통한 단면도.
도 4는 도 2의 라인 B-B를 따른 반응기를 통한 단면도.
도 5는 도 3의 C 구역의 확대도.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 마이크로파 플라즈마 반응기(10)는 전기 도전성 하우징(12)을 포함한다. 하우징(12)은 바람직하게는 스테인레스강과 같은 전기 도전성 재료로 형성되거나 또는 내부 전기 도전성 표면을 가질 수 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 하우징(12)은 직사각형 단면을 가질 수 있다. 슬롯(14)은 예를 들면 기계 가공에 의해 하우징(12) 내에 형성되고, 반응기(10)의 공진 캐비티를 제공하도록 하우징(12)의 폭을 가로질러 연장된다. 공진 캐비티(14)의 일 단부는 마이크로파 발생기(도시 생략)로부터 공진 캐비티(14) 내로 마이크로파 방사선을 운 송하기 위한 도파관(16)에 접속된다. 공진 캐비티(14)의 다른 단부는 단락 회로(18)에 접속된다.
도파관(16)은 이를 통해 공진 캐비티(14)에 운송되는 마이크로파 방사선의 TE01 전기장에 실질적으로 평행한 높이(h1)와 마이크로파 방사선의 전기장에 직교하는 폭(w)을 갖는 제 1의 실질적으로 직사각형 본체부(20)를 포함한다. 도파관(16)은 또한 공진 캐비티(14)에 대면하는 제 2의 실질적으로 직사각형 본체부(22)를 포함하고, 제 2 본체부(22)는 높이(h2)와 폭(w)을 가지며, 여기서 h2<h1이다. 도시되어 있는 예에서, 제 2 본체부(22)는 제 1 본체부(20)의 높이의 대략 1/3의 높이를 갖는다.
도파관(16)은 제 1 및 제 2 본체부(20, 22) 사이에 배치되는 폭(w)의 테이퍼진 수렴부(24)를 더 포함한다. 테이퍼부(24)는 높이(h1)와 폭(w)의 제 1 본체부(20)에 인접한 제 1 단부면(25a)과, 높이(h2)와 폭(w)의 제 2 본체부(22)에 인접한 제 2 단부면(25b)을 포함한다. 테이퍼부(24)는, 단부면(25a, 25b) 사이로 연장되고 제 1 및 제 2 본체부(20, 22)가 동축이 되도록 제 2 단부면(25b)에 대해 예각으로 경사진 제 1 및 제 2 측면(25c, 25d)을 더 포함한다. 테이퍼부(24)는 도파관(16)을 통한 마이크로파 방사선의 전파 방향으로 길이(l)를 갖고, 여기서 l은 마이크로파 방사선의 파장의 대략 1/2이다.
단락 회로(18)는 공진 캐비티(14)의 대향 측면에 도파관(16)의 연장부를 제공한다. 단락 회로(18)는, 입사 마이크로파 방사선이 단부 플레이트(26)에 의해 반사되어 공진 캐비티(14) 내에 전자기 정재파를 형성하도록 도파관(16)의 제 2 본체부(22)의 단부로부터 이격되어 있는 단부 플레이트(26)에 의해 부분적으로 형성된 챔버(27)를 포함한다. 도파관(16)의 제 2 본체부(22)의 단부에 대한 단부 플레이트(26)의 위치는 조절 가능할 수 있다.
단락 회로(18)는 단락 회로(18)를 조정하기 위해 단부 플레이트(26)로부터 이격된 튜너(29)를 포함한다. 도시되어 있는 예에서, 튜너는 나사의 본체가 챔버(27)를 통한 마이크로파 방사선의 전파 방향에 실질적으로 수직하게 챔버(27) 내로 연장하도록 단락 회로(18)의 상부면 내로 나사 결합되는 나사(29)를 포함한다. 나사(29)의 헤드(29a)를 회전시킴으로써, 나사(29)의 단부가 챔버(27) 내에서 상승되거나 또는 하강되어 단락 회로(18)를 조정할 수 있다.
공진 캐비티(14)는 공진 캐비티(14)를 통해 운송되는 마이크로파 방사선에 대해 실질적으로 투과성이 있으면서 적절한 내식성을 유지하기 위한 PTFE 또는 다른 적합한 재료로 바람직하게 형성되는 두 개의 유전체 플레이트 부재(28, 30)를 수용한다. 각각의 플레이트 부재(28, 30)는 공진 캐비티(14)를 통한 마이크로파 방사선의 전파 방향에 직교하여 연장되는 편평한 측벽부(32)와, 공진 캐비티(14) 내에 실질적으로 원통형 가스 챔버(36)를 부분적으로 형성하는 만곡된 측벽부(34)를 갖는다. 가스 챔버(36)는 원형 또는 타원형 단면을 가질 수 있다.
각각의 플레이트 부재(30, 32)는 공진 캐비티(14)의 가스 챔버(36) 내로의 가스 입구를 제공하는 그 내부에 형성된 제 1 보어(38)를 갖는다. 도시되어 있는 반응기(10)에서, 보어(38) 중 하나는 하우징(12) 상에 장착된 제 1 가스 도관(42) 으로부터 가스를 수용하기 위해 하우징(12)의 측벽에 형성된 가스 입구 포트(40)와 정렬된다. 제 2 가스 포트가 제 2 가스 도관으로부터 가스를 수용하기 위해 하우징(12)의 대향 측벽에 선택적으로 형성될 수 있고, 이 가스는 제 1 가스 도관(42)으로부터 가스 챔버(36)에 진입하는 가스와 동일하거나 또는 상이할 수 있다. 각각의 가스 입구는 바람직하게는 가스가 제 1 가스 도관(40)으로부터 실질적으로 접선 방향으로 가스 챔버(36)에 진입하여 가스가 가스 챔버(36)의 중심을 향해 가스 챔버(36) 내에서 내향으로 소용돌이치도록 구성된다. 가스 챔버(36)로부터 제 2 가스 도관(46)으로 가스를 운송하기 위해 하우징(12)의 기부에 가스 출구 포트(44)가 형성된다. 가스 출구 포트(44)는 가스 챔버(36)의 횡단 방향으로 연장되고, 바람직하게는 가스 챔버(36)와 동축이다.
각각의 플레이트 부재(30, 32)는 또한 내부에 형성된 더 소형의 제 2 보어(48)를 갖는다. 보어(48) 중 하나는, 하우징의 측벽에 형성되고 투명한 커버 플레이트(52)에 의해 폐쇄되어 반응기(10)의 사용 중에 사용자가 공진 캐비티(14)의 가스 챔버(36) 내에 발생된 플라즈마를 관찰할 수 있게 하기 위한 감시 창을 제공하는 구멍(50)과 정렬된다.
원통형 보어(54) 또한 하우징(12) 내에 형성되고, 보어(54)는 공진 캐비티(14)의 횡단 방향으로 연장되고 공진 캐비티와 함께 반응기(10)의 반응기 챔버를 형성한다. 보어(54)는 가스 챔버(36) 및 가스 출구 포트(44)와 실질적으로 동축인 것이 바람직하다. 보어(54)는 전기 도전성 조립체(56)를 수용한다. 조립체(56)는 전기 도전성 부재(58) 및 상기 전기 도전성 부재(58)를 유지하기 위한 홀더(60)를 포함한다.
전기 도전성 부재(58)는 세장형 튜브(62)를 포함하고, 이 세장형 튜브는 구리 또는 다른 전기 도전성 재료로 형성되고, 도 5에 더 상세히 도시되어 있는 바와 같이 관형 팁(64)에 결합한다. 팁(64)은 바람직하게는 텅스텐 또는 텅스텐 합금, 예를 들면 텅스텐과 란탄의 합금과 같은 내식성 및 내열성 재료로 형성된다. 가스 입구(38)와 가스 출구(44) 사이에 유동하는 가스가 팁(64)을 반경방향으로 통과하여 팁(64)의 냉각을 향상시키도록 팁(64)은 그 부근으로 연장되는 복수의 구멍(65)을 구비할 수 있다. 구멍(65)은 마이크로파 방사선이 이를 통과하도록 치수 설정되는 것이 바람직하다.
홀더(60)는 스테인레스강 또는 양극 산화 알루미늄과 같은 전기 도전성 재료로 형성되는 것이 바람직하다. 전기 도전성 부재(58) 및 홀더(60)는 반응기(10)의 사용 중에 접지되는 것이 바람직하다. 홀더(60)는 튜브(62)와 전기 도전성 부재(58)가 바람직하게 활주 끼워맞춤되는 중공 내부를 갖는다. 홀더(60)는 하우징(12)의 보어(54)의 플랜지 형성 개구(70) 상에 배치된 외향 연장 스커트(68)를 갖는 제 1 본체부(66)를 포함한다. O-링(72)이 스커트(68)와 플랜지 형성 개구(70) 사이에 제공되어 기밀 밀봉부를 형성하고, 스커트(68)는 그 부근으로 연장되는 클램프 체인(74)에 의해 플랜지 형성 개구(70)에 클램핑된다. 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, O-링(72)은 바람직하게는 반응기 챔버의 외부에, 따라서 그 내부에 발생된 전자기장의 외부에 배치되고, 스커트(68)로부터 하향으로 현수된 환형 링(76) 주위로 연장될 수 있고, 환형 링은 보어(54)의 직경에 실질적으로 동일한 내경을 갖고 하우징(12)과 전기 접촉을 형성한다. 대안적으로, 스커트(68)의 기부는 하우징(12)과 전기 접촉을 형성할 수 있다.
홀더(60)는 보어(54) 내로 연장되는 제 2의 세장형 본체부(78)를 더 포함한다. 홀더(60)의 제 2 본체부(78)는 바람직하게는 가스 챔버(36) 내로 돌출되지 않는 원추형 돌출부(80)에서 종결된다. 제 2 본체부(78)의 내경은 팁(64)의 림(84)과 결합하여 홀더(60) 내에 팁(64)을 보유하는 숄더(82)를 제공하도록 원추형 돌출부(80)에서 감소한다. 홀더(60)의 제 2 본체부(78)는 제 1 본체부(66) 및 스커트(68) 양자와 일체형인 것이 바람직하다.
도 5에 도시되어 있는 바와 같이, 팁(64)은 가스 챔버(36) 내로 돌출하는 것이 바람직하다. 팁(64)의 길이 및/또는 홀더(60)의 제 2 본체부(78)의 길이는, 팁(64)이 공진 캐비티(14)에 공급된 마이크로파 방사선의 주파수에 따라 공진 캐비티(14) 내에 발생된 정재파 내로 소정 거리로 연장되도록 선택되는 것이 바람직하다.
튜브(62)는 홀더(60)와 전기 접촉하여 유지되는 것이 바람직하다. 도시되어 있는 바와 같이, 금속 스프링(86) 또는 다른 전기 도전성 품목이 홀더(60) 내에 배치될 수 있어, 스프링(86)의 일 단부가 튜브(62) 상에 형성된 제 1 환형 돌출부(88)와 결합하고 스프링(86)의 다른 단부가 홀더(60) 내에 나사 결합된 금속 체결 너트(90)와 결합된다.
튜브(62)는 홀더(60)와 튜브(62) 사이에 환형 채널(94)을 형성하도록 제 1 환형 돌출부(88)로부터 이격된 제 2 환형 돌출부(92)를 갖는다. 냉각수의 유동이 환형 채널(94)에 공급되고, 물은 홀더(60)를 통과하는 냉매 입구 포트(96)를 통해 환형 채널(94)에 공급되고, 홀더(60)를 통과하고 냉매 입구 포트(96)에 실질적으로 대향하여 배치된 냉매 출구 포트(98)를 통해 환형 채널(94)로부터 배출된다.
공진 캐비티에 운송되는 전자기 방사선의 출력에 따라, 공진 캐비티(14) 내에 발생된 전기장의 강도는 가스 챔버(36) 내의 플라즈마를 점화하는데 불충분할 수 있다. 따라서, 글로우-방전(glow-discharge) 전극 조립체(100)가 전기 도전성 부재(58) 내에 수용될 수 있다. 전극 조립체(100)는, 전기 도전성 부재(58)의 튜브(62) 내에 동심적으로 그로부터 이격되어 배치된 세장형 고전압 전극의 형태인 플라즈마-점화, 글로우-방전 전극(102)을 포함한다. 커넥터(104)는 전극(102)을 전원과 접속한다. 전극(102)은 체결 너트(90)와 동심적으로 배치된 합치식 나사산 형성 구멍 내로 나사 결합된다. 가스 입구(106)는 홀더(60)의 제 1 본체부(66)를 통해 반경방향으로 연장되는 가스 입구 포트(108)로부터 질소, 희가스 또는 임의의 다른 실질적으로 불활성 및 이온화 가능 가스와 같은 글로우-방전 가스의 유동을 수용하기 위해 튜브(62) 내에 형성된다. 가스 입구 포트(108)는 가스 입구 포트(108)에 접속하기 위한 홀더에 부착된 커넥터(110)로부터 글로우-방전 가스의 소스로 글로우-방전 가스를 수용한다. 가스 입구(106)는 바람직하게는 전기 도전성 부재(58)의 튜브(62)의 보어에 대해 접선 방향으로 배열되어, 전기 도전성 부재(58)의 팁(64)을 향해 일반적으로 하향으로 전극(102) 주위의 나선형 유동 경로의 형성을 촉진한다.
글로우-방전 전극 조립체를 제공하는 것에 대한 대안으로서, 마이크로파 발 생기는 가스 챔버(36) 내의 플라즈마를 점화하기 위해 전자기장의 출력이 예를 들면 1초 내지 5초 동안 약 6 kW와 같이 초기에 비교적 높도록 구성될 수 있다. 마이크로파 발생기는 이어서 예를 들면 2 내지 3 kW로 또는 가스 챔버(36) 내에 플라즈마를 지속시키는데 충분한 임의의 다른 출력으로 마이크로파 방사선의 출력을 감소시키도록 구성될 수 있다.
도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 홀더(60)가 하우징(12) 상에 장착될 때, 전기 도전성 부재(58)는 가스 챔버(36)를 통한 마이크로파의 전파 방향에 실질적으로 수직인 보어(54) 내로 연장되고, 가스 챔버(36) 및 가스 출구 포트(44)의 모두와 실질적으로 동축이다. 전기 도전성 부재(58)의 팁(64)은 바람직하게는 반응기(10)의 사용 중에 공진 캐비티(14) 내에 형성된 전자기장의 최대 강도에 배치된다.
반응기(10)의 사용 중에 가스 챔버(36)를 상승된 온도로, 바람직하게는 20 내지 150℃의 온도로 유지하기 위한 수단이 제공될 수 있다. 예를 들면, 가스 챔버(36)는 가스 챔버(36)를 소정의 상승된 온도로 또는 상승된 온도 부근으로 유지하기 위해 가열되고, 절연되거나 또는 제한 냉각될 수 있다.
반응기(10)의 정상 사용 중에, 냉각수의 유동이 환형 채널(94)에 공급된다. 가스는 가스 입구 포트(40)를 통해 가스 챔버(36) 내로 펌핑되고, 가스 챔버(36) 내에서 나선형으로 유동하고, 가스 출구 포트(44)를 통해 가스 챔버(36)를 떠나고 제 2 가스 도관(46)으로 진입하기 전에 전기 도전성 부재(58)의 팁(64)의 하부로 통과된다.
마이크로파 방사선은 도파관(16)에 의해 공진 캐비티(14) 내로, 따라서 마그네트론용 가스 챔버(36) 내로 공급된다. 단락 회로(18)의 단부 플레이트(26)는 공진 캐비티(14) 내에 정재파를 형성하도록 마이크로파를 반사하고, 전기 도전성 부재(58)의 팁(64)은 가스 챔버(36) 내의 전기장을 강화한다. 도파관(16)의 테이퍼부(24)는 플라즈마의 에너지 흡수를 최대화하면서 도파관(16)의 제 1 및 제 2 본체부(20, 22) 사이의 계면으로부터 마이크로파 방사선의 전도 및 반사를 억제하는 작용을 한다. 전기 도전성 부재(58)의 팁(64)에 대한 홀더(60)의 스커트(68)의 하부면(112)의 기하학적 형상 및 위치는, 스커트(68)의 하부면(112)이 하우징(12)의 보어(54)의 내부면 및 홀더(60)의 제 2 본체부의 외부면과 함께, 마이크로파 방사선의 주파수에서 도파관(16)의 임피던스에 전기 도전성 부재(58)의 평면 내의 임피던스를 정합하기 위한 동축 튜너를 제공하도록 선택된다.
글로우-방전 전극 조립체(100)가 가스 챔버(36) 내의 플라즈마를 점화시키는데 사용될 때, 글로우-방전 가스가 튜브(62)의 가스 입구 포트(106)를 통해 튜브(62)의 보어 내로 유동하게 된다. 저전압, 고전류 소스가 전극(102)에 접속되고, 높은 전압이 전극(102)에 일시적으로 인가된다. 높은 전압은 전극(102)의 팁으로부터 튜브(62)의 근접부를 향해 글로우-방전 가스를 통한 코로나 방전을 초래한다. 이 코로나 방전은 저전압 소스로부터의 큰 전류가 접지로 흐를 수 있는 경로를 제공한다. 큰 전류의 흐름은 글로우-방전 가스 내의 글로우 방전의 형성을 발생시킨다. 이와 같이 형성된 글로우 방전은 전기 도전성 부재(58)의 팁(64)으로부터 가스 챔버(36) 내로 이동하도록 튜브(62) 내의 글로우-방전 가스의 유동에 의 해 발생된다. 가스 챔버(36) 내의 마이크로파 방사선은 글로우 방전에 효율적으로 결합되는 것이 가능하고, 일반적으로 1초 미만에 플라즈마가 점화되어, 전극(102)으로의 전원이 스위칭 오프된 후에(통상 2초 또는 3초 이내) 가스 챔버(36)에만 공급된 마이크로파 방사선에 의해 유지될 수 있는 안정한 마이크로파 플라즈마를 유도한다.
가스 챔버(36) 내에 점화된 플라즈마는 가스 챔버(36)를 통해 유동하는 가스로 가스 챔버(36)로부터 가스 출구 포트(44)를 통해 실행되고, 제 2 가스 도관(46) 내에 수용된다. 따라서, 플라즈마는 팁(64) 하부에 발생되고 가스 출구 포트(44)를 통해 제 2 가스 도관(46) 내로 연장되는 화염과 유사하다. 반응기(10)의 사용 중에 제 2 가스 도관(48) 내에 발생되는 높은 온도에 기인하여, 물과 같은 냉매가 제 2 가스 도관(46)의 외부면 상에 분무되어 제 2 가스 도관(46)을 냉각한다.
가스 챔버(36) 내에 발생된 마이크로파 플라즈마는 여러가지 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들면, 플라즈마는 미사용 퍼플루오로화 및/또는 하이드로플루오로카본 챔버 세척 및 에칭 가스, 챔버를 통과하는 가스 스트림 내에 함유된 실란 또는 암모니아와 같은 할로겐화 종을 파괴하는데 사용될 수 있다. 이들 가스와 반응하기 위한 H2 또는 H2O와 같은 반응제가 전기 도전성 부재(58)의 팁(64)의 하부에 발생된 플라즈마 내의 가스와 반응하기 위해 글로우-방전 가스와 함께 가스 챔버(36)에 공급될 수 있다. 파괴될 가스가 화학적으로 부적합한 경우에, 가스 챔버(36)는 복수의 가스 입구를 구비할 수 있어, 전술된 바와 같이 부적합 가스가 가 스 챔버(36)로 개별적으로 운송될 수 있다.

Claims (36)

  1. 반응기 챔버와,
    상기 반응기 챔버 내에 배치된 마이크로파 공진 캐비티와,
    상기 공진 캐비티로 마이크로파 방사선을 운송하며 수렴 테이퍼부를 갖는 도파관과,
    가스 입구 및 가스 출구를 갖는 공진 캐비티 내에서 플라즈마를 개시 및 지속시키기 위해 상기 마이크로파 방사선으로부터 상기 공진 캐비티 내에 전자기 정재파를 형성하기 위한 수단과,
    상기 공진 캐비티 내의 전자기장 내로 돌출하고, 상기 공진 캐비티 내로 돌출하는 교체 가능한 팁을 가지는 전기 도전성 부재와,
    상기 가스 입구로부터 상기 가스 출구로 유동하는 가스와 함께, 상기 공진 캐비티로부터 운송되는 플라즈마를 수용하기 위해 상기 가스 출구로부터 연장되는 도관 수단을 포함하고,
    상기 공진 캐비티는 적어도 하나의 유전체 인서트를 포함하고, 상기 유전체 인서트는 상기 가스 입구와 유체 연통하며 상기 도파관을 따르는 상기 마이크로파 방사선의 전파 경로 내에 위치하는 보어를 가지고, 상기 유전체 인서트는 상기 가스 입구로부터 가스를 수용하며 상기 가스 출구로 가스를 운송하기 위한 원통형 가스 챔버를 형성하고,
    상기 가스 입구는 상기 원통형 가스 챔버 내로 접선 방향으로 가스를 도입하도록 배열되고, 상기 가스 출구는 상기 가스 챔버와 동축인
    마이크로파 플라즈마 반응기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 도파관의 테이퍼부는, 그 일 단부에 직사각형 제 1 단부면, 상기 공진 캐비티에 근접한 그 다른 단부에 직사각형 제 2 단부면, 및 이를 통한 마이크로파 방사선의 전파 방향에 직교하는 높이를 갖고,
    상기 도파관의 테이퍼부의 높이는, 상기 제 1 단부면으로부터 상기 제 2 단부면으로 감소하는 것을 특징으로 하는
    마이크로파 플라즈마 반응기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 도파관의 테이퍼부는, 상기 제 1 단부면과 상기 제 2 단부면 사이로 각각 연장되고 상기 제 2 단부면에 대해 예각으로 경사지는 두 개의 수렴 측면을 포함하는 것을 특징으로 하는
    마이크로파 플라즈마 반응기.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 단부면의 높이는 상기 제 2 단부면의 높이의 3배인 것을 특징으로 하는
    마이크로파 플라즈마 반응기.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 단부면의 높이는 상기 공진 캐비티의 높이와 동일한 것을 특징으로 하는
    마이크로파 플라즈마 반응기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 도파관의 테이퍼부는 상기 반응기 챔버에 인접하여 배치되는 것을 특징으로 하는
    마이크로파 플라즈마 반응기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 도파관의 테이퍼부는 이를 통한 마이크로파 방사선의 전파 방향으로 상기 마이크로파 방사선의 파장의 1/2인 길이를 갖는 것을 특징으로 하는
    마이크로파 플라즈마 반응기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 도파관은, 제 1 본체부와, 이를 통해 전파되는 마이크로파 방사선이 그로부터 상기 공진 캐비티로 진입하는 제 2 본체부를 포함하고, 상기 도파관의 테이퍼부는 상기 도파관의 상기 제 1 본체부와 상기 제 2 본체부 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는
    마이크로파 플라즈마 반응기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 도관 수단을 냉각하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는
    마이크로파 플라즈마 반응기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 냉각 수단은 상기 도관 수단의 외부면 상에 냉매를 분무하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는
    마이크로파 플라즈마 반응기.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 공진 캐비티 내에 전자기 정재파를 형성하기 위한 수단은, 상기 공진 캐비티로부터 마이크로파 방사선을 수용하기 위해 상기 도파관에 대향하여 상기 반응기 챔버 상에 장착되고 상기 공진 캐비티 내로 상기 마이크로파 방사선을 재반사하기 위해 챔버를 통한 마이크로파의 전파 방향에 수직하게 연장되는 단부면을 갖는 제 2 챔버를 포함하는 것을 특징으로 하는
    마이크로파 플라즈마 반응기.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 2 챔버는 상기 제 2 챔버의 단부면으로부터 이격된 조정 수단을 수용하는 것을 특징으로 하는
    마이크로파 플라즈마 반응기.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 조정 수단은 상기 제 2 챔버를 통한 마이크로파 방사선의 전파 방향에 수직하게 연장되는 전기 도전성 튜너를 포함하는 것을 특징으로 하는
    마이크로파 플라즈마 반응기.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 전기 도전성 튜너는 상기 제 2 챔버에 대해 이동 가능한 것을 특징으로 하는
    마이크로파 플라즈마 반응기.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 튜너는 원통형인 것을 특징으로 하는
    마이크로파 플라즈마 반응기.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 출구는 상기 반응기 챔버를 통한 마이크로파의 전파 방향에 직교하여 연장되는 것을 특징으로 하는
    마이크로파 플라즈마 반응기.
  17. 삭제
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 챔버는 원형 또는 타원형 단면을 갖는 것을 특징으로 하는
    마이크로파 플라즈마 반응기.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 유전체 인서트는 만곡된 측벽부를 각각 갖는 두 개의 유전체 플레이트 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는
    마이크로파 플라즈마 반응기.
  20. 삭제
  21. 삭제
  22. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응기 챔버는 그 측벽 내에 배치된 투명한 감시 창을 포함하고, 상기 적어도 하나의 유전체 인서트의 내부에는 상기 가스 챔버와 상기 창 사이로 연장되는 보어가 형성되는 것을 특징으로 하는
    마이크로파 플라즈마 반응기.
  23. 삭제
  24. 삭제
  25. 제 1 항에 있어서,
    상기 팁은 중공형이고, 상기 팁의 둘레를 따라 형성되는 복수의 구멍을 포함하는 것을 특징으로 하는
    마이크로파 플라즈마 반응기.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 각각의 구멍은 마이크로파 방사선이 이를 통해 통과할 수 있도록 치수 설정된 직경을 갖는 것을 특징으로 하는
    마이크로파 플라즈마 반응기.
  27. 제 1 항에 있어서,
    상기 팁은 텅스텐, 구리 또는 텅스텐 합금으로 형성되는 것을 특징으로 하는
    마이크로파 플라즈마 반응기.
  28. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기 도전성 부재는 상기 팁에 결합되는 전기 도전성 본체부를 포함하는 것을 특징으로 하는
    마이크로파 플라즈마 반응기.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 전기 도전성 본체부 주위로 연장되는 환형 냉매 채널과, 상기 환형 냉매 채널에 대해 냉매를 송입하고 그로부터 송출하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는
    마이크로파 플라즈마 반응기.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 전기 도전성 본체부는 상기 공진 캐비티를 통해 운송된 가스와 반응하기 위한 반응제를 수용하기 위한 가스 입구 포트를 포함하고, 상기 전기 도전성 본체부는 상기 공진 캐비티 내로 반응제를 운송하기 위한 통로를 포함하는 것을 특징으로 하는
    마이크로파 플라즈마 반응기.
  31. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기 도전성 부재는 상기 반응기 챔버를 통한 마이크로파의 전파 방향에 수직하게 전자기장 내로 연장되는 것을 특징으로 하는
    마이크로파 플라즈마 반응기.
  32. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기 도전성 부재는 상기 가스 출구에 대향하여 배치되는 것을 특징으로 하는
    마이크로파 플라즈마 반응기.
  33. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기 도전성 부재는 상기 공진 캐비티 내의 플라즈마를 점화하기 위한 수단을 수용하는 것을 특징으로 하는
    마이크로파 플라즈마 반응기.
  34. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로파 방사선을 발생시키기 위한 마이크로파 발생기를 포함하고, 상기 발생기는 상기 공진 캐비티 내의 플라즈마를 개시하는 출력으로 마이크로파 방사선을 발생시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는
    마이크로파 플라즈마 반응기.
  35. 제 34 항에 있어서,
    상기 발생기는 마이크로파 방사선이 발생되는 출력을 소정 시간 후에 감소시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는
    마이크로파 플라즈마 반응기.
  36. 프로세스 도구로부터의 가스 스트림 배기물을 처리하기 위한 장치에 있어서,
    제 1 항에 따른 마이크로파 플라즈마 반응기를 포함하는 것을 특징으로 하는
    가스 스트림 배기물 처리 장치.
KR1020087003633A 2005-08-15 2006-07-27 마이크로파 플라즈마 반응기 KR101286348B1 (ko)

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GBGB0516695.4A GB0516695D0 (en) 2005-08-15 2005-08-15 Microwave plasma reactor
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