KR101589624B1 - 친환경 공정을 위한 플라즈마 반응기 - Google Patents

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Abstract

공정 챔버로부터 진공 펌프를 향하는 공정 가스의 배출 경로 상에 설치되어 공정 가스에 포함된 오염 물질을 제거하는 플라즈마 반응기를 제공한다. 플라즈마 반응기는 내부로 공정 가스가 통과하는 관 모양의 절연체와, 공정 챔버를 향한 절연체의 전단에 연결되는 제1 접지 전극과, 진공 펌프를 향한 절연체의 후단에 연결되며 공정 가스의 이송 방향을 따라 절연체의 내부 중심과 마주하는 대향부를 구비하는 제2 접지 전극과, 절연체의 외면에 고정되고 교류 혹은 고주파 전원부와 연결되어 교류 혹은 고주파 전압을 인가받는 구동 전극을 포함한다.

Description

친환경 공정을 위한 플라즈마 반응기 {PLASMA REACTOR FOR ECO-FRIENDLY PROCESSING}
본 발명은 플라즈마 반응기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 공정 챔버에서 발생하는 각종 오염 물질을 진공 펌프의 전단에서 분해 및 제거함으로써 친환경 공정을 이루기 위한 플라즈마 반응기에 관한 것이다.
반도체, 디스플레이, 태양전지 등의 제조 라인에는 식각, 증착, 세정 등의 작업이 진행되는 공정 챔버가 설치되며, 공정 챔버는 진공 펌프와 연결되어 공정 가스를 배출하게 된다. 공정 챔버에서는 다양한 오염 물질이 배출되는데, 예를 들어 식각 공정에서는 CF4, CHF3, C2F6, C4F8 등의 온실 가스가 배출되고, 증착 공정에서는 미분해 전구체가 배출되며, 세정 공정에서는 NF3, SF6 등의 온실 가스 및 입자 부산물이 배출된다.
지구 온난화를 유발하는 온실 가스는 배출량 규체가 심해지고 있으며, 입자 부산물은 진공 펌프 내부에 축적되면서 진공 펌프의 내구성을 저하시킨다. 증착 공정에 사용되는 전구체(precursor)는 대부분 상온에서 액상이나 버블러(bubbler) 등에 의해 기화되어 증착 챔버 내부로 주입되며, 증착에 사용되지 않고 배출되는 전구체가 미분해 전구체이다. 미분해 전구체는 진공 펌프의 내부 또는 진공 펌프와 스크러버(scrubber, 세정 집진기) 사이에 축적된다.
진공 펌프의 내부는 운전 시와 비운전 시 온도 차이가 크므로 미분해 전구체는 기상과 액상의 형태가 혼재하게 되고, 그 결과 부피의 팽창-수축이 반복되면서 과다 팽창 시 폭발을 유발할 수 있다. 또한, 진공 펌프와 스크러버 사이에 축적된 미분해 전구체는 진공 펌프, 스크러버, 또는 배관 교체 시 대기 중에 노출되며, 이 중 일부는 공기와 격렬히 반응하여 화재를 일으킬 수 있다.
공정 챔버에서 배출되는 각종 오염 물질을 분해 및 제거하기 위하여 플라즈마 반응기를 이용하는 방안이 연구되고 있다. 그런데 단순한 관 형상의 플라즈마 반응기에서는 압력이 높아짐에 따라 플라즈마 반응기의 중심 영역을 통과하는 오염 물질의 분해도가 낮아지는 현상이 보고되고 있으며, 이는 압력 변동 시 오염 물질의 분해율이 낮아지는 문제로 이어진다.
본 발명은 공정 챔버에서 발생하는 각종 오염 물질을 진공 펌프의 전단에서 분해 및 제거하기 위한 플라즈마 반응기에 있어서, 압력 변동 시에도 오염 물질의 분해율을 높여 넓은 압력 조건에서 오염 물질을 효과적으로 분해 및 제거할 수 있는 오염 물질 제거용 플라즈마 반응기를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 반응기는 공정 챔버로부터 진공 펌프를 향하는 공정 가스의 배출 경로 상에 설치되어 공정 가스에 포함된 오염 물질을 제거하기 위한 것으로서, 내부로 공정 가스가 통과하는 관 모양의 절연체와, 공정 챔버를 향한 절연체의 전단에 연결되는 제1 접지 전극과, 진공 펌프를 향한 절연체의 후단에 연결되며 공정 가스의 이송 방향을 따라 절연체의 내부 중심과 마주하는 대향부를 구비하는 제2 접지 전극과, 절연체의 외면에 고정되고 교류 전원부와 연결되어 교류 구동 전압을 인가받는 구동 전극을 포함한다.
대향부는 제2 접지 전극의 내벽과 이격되어 공정 가스의 배출 경로를 가로지르는 판 모양으로 형성될 수 있다. 대향부는 적어도 하나의 연결부를 통해 제2 접지 전극의 내벽에 고정될 수 있다.
제2 접지 전극은 대향부 주위로 확장부를 형성할 수 있고, 대향부는 확장부를 제외한 제2 접지 전극의 직경보다 큰 직경을 가질 수 있다. 절연체를 향한 대향부의 일면에 돌출부가 형성될 수 있다.
확장부는 파티클 포집함으로 기능할 수 있고, 파티클 포집함 내부에서 대향부의 하면과 제2 접지 전극 사이에 지지부가 위치할 수 있다. 지지부는 공정 가스를 배출하기 위한 적어도 하나의 개구부를 형성할 수 있다.
다른 한편으로, 확장부는 파티클 포집함으로 기능할 수 있고, 바닥부를 구비할 수 있으며, 제2 접지 전극은 파티클 포집함을 사이에 두고 교차하는 제1 관부와 제2 관부로 구성될 수 있다.
다른 한편으로, 제2 접지 전극은 절연체의 후단에 연결되는 제1 관부와, 제1 관부와 교차하는 제2 관부로 구성될 수 있고, 제1 관부의 내측과 마주하여 공정 가스가 부딪히는 제2 관부의 일부가 대향부로 기능할 수 있다. 제2 관부는 제1 관부와 교차하는 부분에 끝이 막힌 길이 확장부를 구비할 수 있다.
절연체를 향한 대향부의 일면에 제1 관부의 내경보다 큰 직경의 돌출부가 형성될 수 있고, 돌출부의 두께는 제2 관부의 내경보다 작을 수 있다. 다른 한편으로, 절연체를 향한 대향부의 일면에 제1 관부의 내경보다 작은 직경의 돌출부가 형성될 수 있고, 돌출부의 두께는 제2 관부의 내경보다 클 수 있다.
제1 접지 전극과 제2 접지 전극은 절연체와 가까워질수록 직경이 커지는 가변 직경부를 포함할 수 있으며, 대향부는 제2 접지 전극에 구비된 가변 직경부의 후방에 위치할 수 있다. 제1 접지 전극은 그 내부로 반응 가스를 주입하는 반응 가스 주입구를 형성할 수 있다.
플라즈마 반응기의 상류 영역에서 플라즈마 반응기의 중심부를 통과하면서 분해가 완전히 일어나지 않은 오염 물질들은 대향부 위의 쉬스 영역을 통과하면서 쉬스 영역에 강하게 형성된 플라즈마에 의해 완전히 분해된다. 따라서 높은 압력에서도 오염 물질의 분해율을 높일 수 있으며, 오염 물질 분해율의 압력 의존성을 낮추어 보다 넓은 압력 범위에서 높은 분해 성능을 발휘할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마 반응기를 포함하는 공정 설비의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마 반응기의 단면도이다.
도 3은 도 2의 Ⅰ-Ⅰ선을 기준으로 절개한 플라즈마 반응기의 단면도이다.
도 4는 도 2에 도시한 플라즈마 반응기의 작동 상태를 나타낸 개략도이다.
도 5는 도 2에 도시한 플라즈마 반응기 중 구동 전극에 인가되는 구동 전압의 파형 예시를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 플라즈마 반응기의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 플라즈마 반응기의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 플라즈마 반응기의 단면도이다.
도 9는 본 발명의 제5 실시예에 따른 플라즈마 반응기의 단면도이다.
도 10a와 도 10b는 본 발명의 제6 실시예에 따른 플라즈마 반응기의 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마 반응기를 포함하는 공정 설비의 구성도이다. 도 1의 공정 설비는 반도체, 디스플레이, 태양전지 등의 저압 공정 설비일 수 있다.
도 1을 참고하면, 공정 설비(100)는 식각, 증착, 및 세정 등의 작업이 진행되는 공정 챔버(11)와, 배관(13)을 통해 공정 챔버(11)와 연결되며 공정 챔버(11)에서 사용된 공정 가스를 배출시키는 진공 펌프(12)와, 공정 챔버(11)와 진공 펌프(12) 사이에 설치되는 플라즈마 반응기(210)를 포함한다. 플라즈마 반응기(210)는 배관(13)을 접지 전극으로 사용할 수 있다.
플라즈마 반응기(210)는 진공 펌프(12)의 전방에 위치하며, 그 내부는 공정 챔버(11)와 같은 저압 상태를 유지한다. 여기서, 저압은 대략 0.1 Torr 내지 10 Torr의 범위에 속하는 압력을 의미하나, 전술한 범위로 한정되지 않는다. 플라즈마 반응기(210)는 그 내부로 반응 가스를 주입하는 반응 가스 주입구(14)를 포함한다. 반응 가스는 O2와 H2O 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 반응 가스를 이송하는 케리어 가스로서 아르곤, 헬륨, 질소 등이 사용될 수 있다.
플라즈마 반응기(210)는 그 내부에 저압의 플라즈마를 생성하여 공정 가스에 포함된 각종 오염 물질(온실 가스, 미분해 전구체, 및 입자 부산물 등)을 분해한다. 분해된 성분들은 반응 가스와 화학 결합하여 무해한 원소로 변한다. 플라즈마는 반응 종들(reactive species)과 고에너지 전자들을 풍부하게 함유하고 있으므로 오염 물질의 분해된 성분들과 반응 가스간 화학 반응을 촉진시킨다.
다음에 설명하는 제1 내지 제6 실시예의 플라즈마 반응기(210, 220, 230, 240, 250, 260)는 용량성 결합 플라즈마(capacitively coupled plasma) 방식으로 플라즈마를 발생시키고, 교류(AC) 혹은 고주파(RF) 전원 장치를 구비하며, 내부의 중심 영역을 통과하는 오염 물질의 분해율을 높이기 위한 구조를 가진다. 이러한 특성들로 인해 플라즈마 반응기의 설치 비용과 유지 비용을 줄일 수 있고, 넓은 압력 조건에서 오염 물질의 분해 성능을 높일 수 있다.
도 2 내지 도 10b를 참고하여 제1 내지 제6 실시예에 따른 플라즈마 반응기의 세부 구조와 작용에 대해 설명한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마 반응기의 단면도이고, 도 3은 도 2의 Ⅰ-Ⅰ선을 기준으로 절개한 플라즈마 반응기의 단면도이며, 도 4는 도 2에 도시한 플라즈마 반응기의 작동 상태를 나타낸 개략도이다.
도 2 내지 도 4를 참고하면, 제1 실시예의 플라즈마 반응기(210)는 내부로 공정 가스가 통과하는 관 모양의 절연체(20)와, 공정 챔버(11)를 향한 절연체(20)의 전단 및 진공 펌프(12)를 향한 절연체(20)의 후단에 연결되는 접지 전극부(30)와, 절연체(20)의 외주면에 고정되는 구동 전극(40)을 포함한다. 구동 전극(40)은 교류 전원부(41)와 연결되어 플라즈마 방전에 필요한 구동 전압을 인가받는다.
접지 전극부(30)는 절연체(20)의 전단에 연결되는 제1 접지 전극(31)과, 절연체(20)의 후단에 연결되는 제2 접지 전극(32)을 포함한다. 제1 접지 전극(31)은 공정 챔버(11)와 절연체(20)를 연결하는 배관일 수 있고, 제2 접지 전극(32)은 절연체(20)와 진공 펌프(12)를 연결하는 배관일 수 있다. 즉 배관이 접지되어 제1 접지 전극(31)과 제2 접지 전극(32)으로 기능할 수 있다. 도 1에 도시한 반응 가스 주입구(14)는 제1 접지 전극(31)에 형성된다. 도 2에서는 편의상 반응 가스 주입구의 도시를 생략하였다.
절연체(20)와 구동 전극(40)은 일정한 직경을 지닌 원통 모양으로 형성되며, 구동 전극(40)은 절연체(20)보다 작은 길이로 형성되어 플라즈마 반응기(210)의 길이 방향을 따라 제1 및 제2 접지 전극(31, 32)과 소정의 거리를 두고 이격된다. 절연체(20)는 알루미나, 유리, 석영 등으로 제조될 수 있고, 구동 전극(40)과 제1 및 제2 접지 전극(31, 32)은 스테인리스 강 등의 금속으로 제조될 수 있다.
공정 가스는 제1 접지 전극(31)과 절연체(20) 및 제2 접지 전극(32)의 내부를 순차적으로 통과한다. 제1 접지 전극(31)과 절연체(20) 및 제2 접지 전극(32)이 한 방향으로 이어진 관을 형성함에 따라, 플라즈마 반응기(210)는 반도체, 디스플레이, 태양전지 등의 제조 라인에 이미 설치된 공정 챔버(11)와 진공 펌프(12) 사이의 배관(13)에 용이하게 설치될 수 있다.
제1 접지 전극(31)과 제2 접지 전극(32)은 가변 직경부(311, 321)를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 접지 전극(31, 32)의 가변 직경부(311, 321)는 절연체(20)와 가까워질수록 커지는 직경을 가지며, 일정한 비율로 변하는 직경을 가질 수 있다. 두 개의 가변 직경부(311, 321)는 같은 길이와 같은 기울기로 형성될 수 있다.
또한, 가변 직경부(311, 321)는 절연체(20)와 바로 접하거나 절연체(20)와 소정의 거리를 두고 이격될 수 있다. 도 2에서는 가변 직경부(311, 321)가 절연체(20)와 이격된 경우를 예로 들어 도시하였다. 가변 직경부(311, 321)를 제외한 제1 및 제2 접지 전극(31, 32)의 나머지 부분은 균일 직경으로 형성될 수 있다.
제2 접지 전극(32)은 공정 가스의 이송 방향을 따라 절연체(20)의 내부 중심과 마주하는 대향부(322)를 구비한다. 즉 대향부(322)는 제2 접지 전극(32)의 내부에서 공정 가스의 배출 경로를 가로지르도록 설치된다. 이때 대향부(322)와 제2 접지 전극(32)의 내벽 사이에 소정의 공간이 제공되어 공정 가스가 배출된다.
대향부(322)는 원판 모양으로 형성되고, 적어도 하나의 연결부(323)를 통해 제2 접지 전극(32)의 내벽에 고정되어 정해진 위치를 유지하면서 제2 접지 전극(32)과 통전된다. 제2 접지 전극(32)은 대향부(322) 주위로 확장부(324)를 형성하여 대향부(322)의 직경을 확대시킬 수 있다. 확장부(324)는 제2 접지 전극(32) 가운데 직경이 가장 큰 부분이며, 대향부(322)의 직경은 가변 직경부(321)와 확장부(324) 사이의 제2 접지 전극(32) 직경보다 클 수 있다.
구동 전극(40)은 교류 전원부(41)와 연결되어 수 kHz 내지 수십 MHz 의 주파수를 갖는 고전압을 인가받는다. 도 5는 도 2에 도시한 플라즈마 반응기 중 구동 전극에 인가되는 구동 전압의 파형 예시를 나타낸 도면이다.
도 5를 참고하면, 구동 전극(40)에 인가되는 구동 전압(Vs)은 1 kHz 내지 100 MHz 주파수의 고전압으로서 운전 전압은 양의 값(1/2Vs)과 음의 값(-1/2Vs)이 주기적으로 변하는 형태를 나타낸다. 도 5에서는 사각 파형을 예로 들어 도시하였으나, 삼각 파형 및 싸인(sine) 파형 등 다양한 파형이 적용될 수 있다.
도 2 내지 도 4를 참고하면, 구동 전극(40)에 교류 구동 전압을 인가하면 구동 전극(40)과 접지 전극부(30)의 전압 차에 의해 플라즈마 반응기(210) 내부에 플라즈마 방전이 유도된다. 방전은 운전 전압이 내부 기체의 항복 전압보다 높을 때 발생한다. 이때 절연체(20)는 유전체이기도 하므로 방전 전류는 시간에 따라 계속 증가하다가 절연체(20) 표면에 벽전하가 쌓이는 양이 많아짐에 따라 감소한다.
즉 방전 개시 이후 방전 전류가 높아짐에 따라 플라즈마 내부의 공간 전하들이 절연체(20) 표면에 쌓여 벽전하가 생성되며, 절연체(20)의 벽전압에 의해 시간이 지남에 따라 방전이 약해진다. 플라즈마 방전은 인가 전압이 유지되는 동안 생성과 유지 및 소멸 과정을 반복한다. 따라서 방전은 아크(arc)로 전이되지 않고 글로우(glow) 영역에 머물면서 공정 챔버(11)에서 배출된 오염 물질을 제거한다.
이 과정에서 제1 및 제2 접지 전극(31, 32)이 가변 직경부(311, 321)를 형성하고 있으므로 플라즈마 방전이 유도될 때 방전 패스가 단축된다. 즉 제1 및 제2 접지 전극(31, 32)의 가변 직경부(311, 321)가 일부 대향 방전과 유사한 효과를 유발한다. 따라서 동일한 소비 전력에서 보다 강한 플라즈마가 생성되므로 플라즈마 방전 효율을 높일 수 있다.
또한, 제2 접지 전극(32)이 대향부(322)를 구비하고 있으므로 구동 전극(40)과 제1 및 제2 접지 전극(31, 32) 사이뿐만 아니라 구동 전극(40)과 대향부(322) 사이에도 플라즈마가 발생한다. 따라서 대향부(322) 위로 제2 접지 전극(32)의 내부 중심에 강한 플라즈마가 생성된다.
플라즈마 반응기(210) 내부에서 플라즈마는 쉬스(sheath) 영역(도 4의 A 영역)과 양광주(positive column) 영역(도 4의 B 영역)을 포함하며, 쉬스 영역은 양광주 영역과 플라즈마 반응기(210)의 내부 표면 사이에 위치한다. 압력이 높아짐에 따라 쉬스 영역은 작아지고, 양광주 영역은 확대된다. 대부분의 전력은 쉬스 영역에서 소모되므로 쉬스 영역에서 오염 물질의 분해율이 높고, 양광주 영역에서 오염 물질의 분해율이 낮다.
대향부(322)가 없는 플라즈마 반응기 구조에서는 압력이 높아짐에 따라 양광주 영역이 확대되어 오염 물질의 분해율이 낮아진다. 따라서 높은 압력 조건에서 플라즈마 반응기의 중심부를 통과하는 오염 물질들은 분해되지 않고 그대로 진공 펌프로 유입된다.
그러나 본 실시예의 플라즈마 반응기(210)에서는 절연체(20)를 향한 대향부(322)의 일면(도면을 기준으로 상면)에 쉬스 영역이 형성된다. 따라서 플라즈마 반응기(210)의 상류 영역에서 플라즈마 반응기(210)의 중심부를 통과하면서 분해가 완전히 일어나지 않은 오염 물질들은 대향부(322) 위의 쉬스 영역을 통과하면서 쉬스 영역에 강하게 형성된 플라즈마에 의해 완전히 분해된다.
즉 플라즈마 반응기(210)의 중심부만 통과하는 오염 물질은 양광주 영역만 통과하게 되므로 분해가 잘 되지 않지만, 대향부(322) 위를 통과하면서 대향부(322) 위의 쉬스 영역에서 분해 및 제거된다. 따라서 본 실시예의 플라즈마 반응기(210)는 높은 압력에서도 오염 물질의 분해율을 높일 수 있으며, 오염 물질 분해율의 압력 의존성을 낮추어 보다 넓은 압력 범위에서 높은 분해 성능을 발휘할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 플라즈마 반응기의 단면도이다.
도 6을 참고하면, 제2 실시예의 플라즈마 반응기(220)는 대향부(322)의 상면 중앙에 돌출부(325)가 형성된 것을 제외하고 전술한 제1 실시예와 같은 구성으로 이루어진다. 제1 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면 부호를 사용하며, 아래에서는 제1 실시예와 다른 구성에 대해 주로 설명한다.
돌출부(325)는 절연체(20)를 향한 대향부(322)의 상면 중앙에 위치하고, 대향부(322)보다 작은 직경으로 형성된다. 돌출부(325)의 두께는 대향부(322)의 두께보다 클 수 있으며, 돌출부(325) 전체가 제2 접지 전극(32)의 내벽과 이격되어 공정 가스가 배출되도록 한다.
제2 실시예의 플라즈마 반응기(220)에서 쉬스 영역은 절연체(20)를 향한 돌출부(325)의 상면에 형성되며, 전술한 제1 실시예 대비 구동 전극(40)과 대향부(322) 사이의 방전 패스를 단축시켜 돌출부 위로 보다 강한 플라즈마를 생성할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 플라즈마 반응기의 단면도이다.
도 7을 참고하면, 제3 실시예의 플라즈마 반응기(230)는 대향부(322)를 둘러싸는 확장부가 파티클 포집함(326)으로 기능하면서 대향부(322)가 지지부(327)에 의해 제2 접지 전극(32)에 연결되는 것을 제외하고 전술한 제1 실시예와 동일한 구성으로 이루어진다. 제1 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면 부호를 사용하며, 아래에서는 제1 실시예와 다른 구성에 대해 주로 설명한다.
지지부(327)는 파티클 포집함(326) 내부에서 대향부(322) 하면과 제2 접지 전극(32)을 연결하며, 지지부(327)에 의해 대향부(322)는 정해진 위치를 유지하면서 제2 접지 전극(32)과 통전된다.
지지부(327)는 제2 접지 전극(32)과 동일한 직경을 가지는 관 모양으로 형성되고, 공정 가스를 배출하기 위한 적어도 하나의 개구부(327a)를 형성한다. 지지부(327)의 원주 방향 및 길이 방향을 따라 복수의 개구부가 형성되거나, 지지부(327)의 원주 방향 또는 길이 방향을 따라 슬릿 모양의 개구부가 길게 형성될 수도 있다.
대향부(322) 위의 쉬스 영역을 통과한 공정 가스는 파티클 포집함(326) 내부로 이동한다. 이때 공정 가스에 포함된 입자 부산물들은 파티클 포집함(326)에 쌓이고, 나머지 공정 가스는 지지부(327)의 개구부(327a)를 통과해 진공 펌프(12)로 유입된다. 제3 실시예의 플라즈마 반응기(230)에서는 진공 펌프(12)로 유입되는 입자 부산물의 양을 줄여 진공 펌프(12)의 수명을 연장시킬 수 있다.
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 플라즈마 반응기의 단면도이다.
도 8을 참고하면, 제4 실시예의 플라즈마 반응기(240)는 대향부(322)를 둘러싸는 확장부가 파티클 포집함(326)으로 기능하면서 제2 접지 전극(32)이 파티클 포집함(326)을 사이에 두고 교차하는 두 개의 관부(328, 329)로 구성되는 것을 제외하고 전술한 제1 실시예와 동일한 구성으로 이루어진다. 제1 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면 부호를 사용하며, 아래에서는 제1 실시예와 다른 구성에 대해 주로 설명한다.
파티클 포집함(326)은 깔때기 모양의 바닥부(326a)를 구비할 수 있다. 제2 접지 전극(32)은 절연체(20)의 후단 및 파티클 포집함(326)의 상면에 연결되는 제1 관부(328)와, 파티클 포집함(326)의 측면 및 진공 펌프(12)에 연결되는 제2 관부(329)로 구성된다. 대향부(322)는 적어도 하나의 연결부에 의해 파티클 포집함(326) 내부에 고정되어 정해진 위치를 유지하면서 제2 접지 전극(32)과 통전된다.
대향부(322) 위의 쉬스 영역을 통과한 공정 가스는 파티클 포집함(326) 내부로 이동한다. 공정 가스에 포함된 입자 부산물들은 파티클 포집함(326)의 바닥부(326a)에 쌓이고, 나머지 공정 가스는 제2 관부(329)를 통과해 진공 펌프(12)로 유입된다.
도 9는 본 발명의 제5 실시예에 따른 플라즈마 반응기의 단면도이다.
도 9를 참고하면, 제5 실시예의 플라즈마 반응기(250)는 제2 접지 전극(32)이 서로 교차하는 두 개의 관부(328, 329)로 구성된 것을 제외하고 전술한 제1 실시예와 유사한 구성으로 이루어진다. 제1 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면 부호를 사용하며, 아래에서는 제1 실시예와 다른 구성에 대해 주로 설명한다.
제2 접지 전극(32)은 절연체(20)의 후단에 연결되는 제1 관부(328)와, 제1 관부(328)와 교차하는(예를 들어 직교하는) 제2 관부(329)로 구성된다. 가변 직경부(321)는 제1 관부(328)에 위치하며, 제2 관부(329)는 진공 펌프(12)에 연결된다.
제1 관부(328)와 제2 관부(329)가 교차함에 따라 제2 관부(329)의 일부가 공정 가스의 이송 방향(화살표 방향)을 따라 절연체(20)의 내부 중심과 마주한다. 즉 제1 관부(328)의 내측과 마주하여 공정 가스가 부딪히는 제2 관부(329)의 일부가 대향부(322)를 구성한다.
공정 가스에 포함된 오염 물질은 플라즈마 반응기(250) 내부를 통과하면서 대부분 분해 제거되며, 플라즈마 반응기(250)의 중심부를 통과하면서 분해가 완전히 일어나지 않은 오염 물질은 대향부(322) 위의 쉬스 영역을 통과하면서 완전히 분해 제거된다. 오염 물질이 제거된 공정 가스는 제2 관부(329)를 통해 옆 방향으로 흘려 진공 펌프(12)로 유입된다.
제2 관부(329)는 제1 관부(328)로부터 바로 꺾이지 않고 제1 관부(328)와 교차하는 부분에 끝이 막힌 길이 확장부(329a)를 구비할 수 있다. 플라즈마 반응기(250)는 길이 확장부(329a)로 인해 대향부(322) 위의 쉬스 영역을 확장시킬 수 있으며, 그 결과 오염 물질의 분해율을 높일 수 있다.
제5 실시예의 플라즈마 반응기(250)에서는 제2 접지 전극(32) 내부에 별도의 대향부가 구비되지 않으며, 제2 접지 전극(32)의 일부가 대향부(322)로 기능한다. 따라서 전술한 제1 내지 제4 실시예 대비 제2 접지 전극(32)의 구조를 단순화할 수 있으며, 제작을 용이하게 할 수 있다.
도 10a와 도 10b는 본 발명의 제6 실시예에 따른 플라즈마 반응기의 단면도이다.
도 10a와 도 10b를 참고하면, 제6 실시예의 플라즈마 반응기(260)는 절연체(20)를 향한 대향부(322)의 상면에 돌출부(325)가 형성된 것을 제외하고 전술한 제5 실시예와 같은 구성으로 이루어진다. 제5 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면 부호를 사용하며, 아래에서는 제5 실시예와 다른 구성에 대해 주로 설명한다.
돌출부(325)는 제1 관부(328)의 내경보다 큰 직경으로 형성될 수 있으며(도 10a), 이 경우 돌출부(325)는 제2 관부(329)의 내경보다 작은 두께로 형성되어 제2 관부(329)로 공정 가스가 배출되도록 한다. 다른 한편으로, 돌출부(325)는 제1 관부(328)의 내경보다 작은 직경으로 형성될 수 있고(도 10b), 이 경우 돌출부(325)는 제2 관부(329)의 내경보다 큰 두께로 형성되어도 무방하다.
플라즈마 반응기(260)의 작동 과정에서 쉬스 영역은 돌출부(325)의 상면에 형성되며, 전술한 제5 실시예 대비 구동 전극(40)과 대향부(322) 사이의 방전 패스를 단축시켜 돌출부(325) 위로 보다 강한 플라즈마를 생성할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
100: 공정 설비 11: 공정 챔버
12: 진공 펌프 13: 배관
210, 220, 230, 240, 250, 260: 플라즈마 반응기
20: 절연체 30: 접지 전극부
31: 제1 접지 전극 32: 제2 접지 전극
322: 대향부 40: 구동 전극
41: 교류 전원부

Claims (13)

  1. 공정 챔버로부터 진공 펌프를 향하는 공정 가스의 배출 경로 상에 설치되어 공정 가스에 포함된 오염 물질을 제거하는 플라즈마 반응기에 있어서,
    내부로 상기 공정 가스가 통과하는 관 모양의 절연체;
    상기 공정 챔버를 향한 상기 절연체의 전단에 연결되는 제1 접지 전극;
    상기 진공 펌프를 향한 상기 절연체의 후단에 연결되며, 상기 공정 가스의 이송 방향을 따라 상기 절연체의 내부 중심과 마주하는 대향부를 구비하는 제2 접지 전극; 및
    상기 절연체의 외면에 고정되고, 교류 혹은 고주파 전원부와 연결되어 교류 혹은 고주파 전압을 인가받는 구동 전극
    을 포함하는 오염 물질 제거용 플라즈마 반응기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 대향부는 상기 제2 접지 전극의 내벽과 이격되어 상기 공정 가스의 배출 경로를 가로지르는 판 모양으로 형성되는 오염 물질 제거용 플라즈마 반응기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 대향부는 적어도 하나의 연결부를 통해 상기 제2 접지 전극의 내벽에 고정되는 오염 물질 제거용 플라즈마 반응기.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제2 접지 전극은 상기 대향부 주위로 확장부를 형성하며,
    상기 대향부는 상기 확장부를 제외한 상기 제2 접지 전극의 직경보다 큰 직경을 가지는 오염 물질 제거용 플라즈마 반응기.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 절연체를 향한 상기 대향부의 일면에 돌출부가 형성되는 오염 물질 제거용 플라즈마 반응기.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 확장부는 파티클 포집함으로 기능하고,
    상기 파티클 포집함 내부에서 상기 대향부의 하면과 상기 제2 접지 전극 사이에 지지부가 위치하며,
    상기 지지부는 상기 공정 가스를 배출하기 위한 적어도 하나의 개구부를 형성하는 오염 물질 제거용 플라즈마 반응기.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 확장부는 파티클 포집함으로 기능하고, 바닥부를 구비하며,
    상기 제2 접지 전극은 상기 파티클 포집함을 사이에 두고 교차하는 제1 관부와 제2 관부로 구성되는 오염 물질 제거용 플라즈마 반응기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2 접지 전극은 상기 절연체의 후단에 연결되는 제1 관부와, 제1 관부와 교차하는 제2 관부로 구성되며,
    상기 제1 관부의 내측과 마주하여 상기 공정 가스가 부딪히는 제2 관부의 일부가 상기 대향부로 기능하는 오염 물질 제거용 플라즈마 반응기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2 관부는 상기 제1 관부와 교차하는 부분에 끝이 막힌 길이 확장부를 구비하는 오염 물질 제거용 플라즈마 반응기.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 절연체를 향한 상기 대향부의 일면에 상기 제1 관부의 내경보다 큰 직경의 돌출부가 형성되며,
    상기 돌출부의 두께는 상기 제2 관부의 내경보다 작은 오염 물질 제거용 플라즈마 반응기.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 절연체를 향한 상기 대향부의 일면에 상기 제1 관부의 내경보다 작은 직경의 돌출부가 형성되며,
    상기 돌출부의 두께는 상기 제2 관부의 내경보다 큰 오염 물질 제거용 플라즈마 반응기.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 접지 전극과 상기 제2 접지 전극은 상기 절연체와 가까워질수록 직경이 커지는 가변 직경부를 포함하며,
    상기 대향부는 상기 제2 접지 전극에 구비된 상기 가변 직경부의 후방에 위치하는 오염 물질 제거용 플라즈마 반응기.
  13. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 접지 전극은 그 내부로 반응 가스를 주입하는 반응 가스 주입구를 형성하는 오염 물질 제거용 플라즈마 반응기.
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