KR101832666B1 - 반도체 폐가스 처리용 플라즈마 토치 - Google Patents

반도체 폐가스 처리용 플라즈마 토치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 폐가스 처리용 플라즈마 토치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 플라즈마의 고열에너지를 이용하여 반도체 제조시 발생하는 폐가스인 CF4를 신속하면서 안전하게 분해 및 무해화 처리할 수 있도록 플라즈마 화염을 발생시킴과 아울러 플라즈마와 스팀을 동시에 반응로로 제공하는 반도체 폐가스 처리용 플라즈마 토치에 관한 것이다.

Description

반도체 폐가스 처리용 플라즈마 토치{Plasma torch for treatment of semiconductor waste gas}
본 발명은 반도체 폐가스 처리용 플라즈마 토치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 플라즈마의 고열에너지를 이용하여 반도체 제조시 발생하는 폐가스인 CF4를 신속하면서 안전하게 분해 및 무해화 처리할 수 있도록 플라즈마 화염을 발생시킴과 아울러 플라즈마와 스팀을 동시에 반응로로 제공하는 반도체 폐가스 처리용 플라즈마 토치에 관한 것이다.
지구온난화에 대한 문제는 지난 100년간 급격한 이산화탄소등 온실가스의 배출량증가에 따라 그 문제성이 심각히 대두하였으며 지구온난화에 대한 과학적 자료의 필요와 지구온난화의 방지와 관련한 전세계적 노력의 필요에 대한 인식으로 범지구적 규제활동이 진행되고 있다.
이에 따라 기후변화를 유발할 수 있는 온실가스의 배출을 줄이기 위한 다양한 기술적 방법들이 제시되고 있다.
지구온난화의 약 60%는 이산화탄소에 의한 것이며, 주로 화석연료의 사용에 기인한다.
대기중의 이산화탄소의 농도는 산업혁명을 기점으로 매우 증가하였으며 2000년 기준 약 370ppm으로 산업혁명 이전에 비하여 30% 정도 증가된 수준이다.
지구온난화를 유발하는 주요한 온실가스로는 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 아산화질소(N2O), 프레온가스(CFCs), 수소불화탄소(HFCs), 과불화탄소(PFCs), 육불화황(SF6), 오존(O3)등이 있으며, 이중 CO2 , CH4 , N2O, HFCs, PFCs, SF6을 6대 온실가스로 지정하여 관리되고 있다.
상기 물질중 PFCs(Perfluoro compounds)는 반도체산업과 디스플레이산업 등에서 식각 및 세정공정에 사용되고 있다.
PFCs중 하나인 CF4가스는 불연성으로 대기 중에서도 잘 분해되지 않는 안정한 물질로 지구 온난화에 기여하는 정도는 CO2에 비해 5,700배 높으며 대기중 체류시간도 50,000년 정도로 길다.
이러한 온실가스의 사용을 가능한 줄이기 위해서 온실효과가 적은 물질이나 국제적으로 대상이 아닌 비온실가스로 대체하여 사용하는 방법이 있는데, 대체되는 물질은 기존의 사용물질과 유사 또는, 보다 우수한 성질을 지니고 있어야 함과 동시에 규제의 대상이 아니어야 한다.
이와 관련하여, 반도체 제조공정에서 발생하는 CF4가스와 같은 반도체 폐가스를 처리하는 다양한 방법이 연구되고 있으며, 반도체 폐가스의 처리 방법으로는 공정개선법과 포집 및 재순환 방법, 그리고 열분해 방법이 알려져 있다,
공정개선법은 기존 또는 현재 사용되고 있는 공정을 고효율화하여 반응율을 향상시키거나 공정시간을 단축하는 등 공정 최적화를 통해 배출물질을 저감하는 방법이다.
그러나 이 방법은 온실가스 배출량의 저감에는 유용하나 일반적으로 다양한 공정, 다양한 반응물질 및 구조를 지니는 공정상태에서 제조공정의 생산성을 저해하지 않도록 하기에는 문제가 된다.
포집 및 재순환 방법은 배출가스에 포함되어 있는 유해성분들을 포집하는 기술로 멤브레인 분리흡착, 흡수, 응축 등의 작용을 통하여 선택적 포집을 하는 방법이다.
그러나 이 방법은 대상물질의 제거효과나 공정적용적인 측면에서 매우 제한적이므로 실제 제조현장에서는 널리 사용되고 있지 않다.
포집 및 재순환 방법은 비록 일부 효율이 높더라도 실질적 운영을 위한 설계상 문제, 높은 설비비 및 운영비 등의 문제를 가지고 있어 현재 실제공정에 적용하기 어려운 문제점들을 가지고 있다.
현재 반도체소자 제조시 식각 및 세정 등의 공정에서 발생하고 있는 폐가스를 처리하는 방법 중 하나인 액화천연가스(LNG)를 이용하여 연소하는 방법은 1,000℃ 이상의 고온연소를 통하여 열분해하고 다음으로 샤워형태 또는 충진탑 형태의 세정집진장치(wet scrubber)에서 청정화된다.
그러나 이 방법은 고온에 의한 연소기 내부 또는 노즐의 재질의 손상이 초래될 뿐만 아니라 고온 화염의 길이가 짧으므로 열에너지의 분포조절이 어려우며, 다량의 LNG 사용에 따른 에너지 소비량이 많고, 공정 트러블 발생시 불완전연소로 인한 슈트(soot)등의 2차 대기오염물질의 방출이 심각하여 설비운전이 어렵고 고형의 오염물질들이 덕트 및 스크러버 내부에 축적되는 등 해결해야 할 문제점들이 많이 발생하고 있다.
이와 관련하여 플라즈마를 이용하여 반도체 폐가스를 처리하는 방법이 개발되기도 하였다.
통상적으로 열플라즈마를 이용한 가열은 초고온의 에너지를 용이하게 발생시킬수 있으므로 폐가스의 물리화학적 성질에 관계없이 대량으로 처리가 가능하므로, 이러한 특징을 고려하여 기상 폐가스을 처리하기 위해서 플라즈마 용융기술을 적용하게 되었다.
재래식 연소에 의한 화학적 반응으로는 얻을수 없는 초고온 열용량을 갖고 있는 많은 양의 고속 활성입자를 갖는 플라즈마는 고온제어 및 폭넓은 출력을 자유스럽게 조절할 수 있고 신속한 열 및 물질전달능력을 갖고 있으며 다양한 기체들이 플라즈마 가스로 쉽게 전환이 가능하다.
이러한 특성으로 인해 신속한 반응과 축소된 처리공정으로 효율적이며 환경면에서 깨끗한 초고온 열원이나 반응로를 제공할 수 있으므로 환경분야와 소재제조 개발등의 생산기반과 최신설비에 핵심이 되는 기술로 활용되고 있다.
특히, 환경분야에서는 고온 고열의 소각용융로에 이용되어 산업 폐가스에 열분해시키거나 PFCs(Perfluoro compounds)가스처럼 처리가 어려운 난분해성 가스를 처리하는데 활용되고 있다.
환경분야에서 플라즈마는 고온의 높은 화학적 활성 및 엔탈피의 특징을 바탕으로 하므로, 유해물질의 분해 및 유해물질의 분해에 요구되는 물질의 제조공정상 많은 가능성을 제시한다.
플라즈마 분해공정은 연소기술 및 기존의 다른 공정에 비하여 응용하기 쉬우며 공정특징상 대기압하에서 빠른 분해와 재결합에 의해 스케일 업(Scale up)하였을 경우에도 대량의 물질에 대해 고속 완전분해와 연속운전이 가능하다.
또한, 저온에서 분해가 일어나는 유기물의 소각의 경우에는 상대적으로 훨씬 낮은 냉각속도에 의해 다이옥신, NOx, SOx 등의 유해한 물질들이 발생될 가능성이 있으나, 열플라즈마 분해공정에서는 빠른 냉각속도와 더불어 냉각속도의 조절도 가능하므로 유해한 생성물들을 제어할 수 있다.
이에 따라 다양한 종류의 플라즈마 발생장치들이 개발되었으며, 조성들이 다른 처리대상물에 따라 플라즈마 가스, 온도, 압력, 분위기 등의 처리조건들을 변경하기가 용이하다.
한편, 플라즈마를 이용하여 난분해성 반도체가스인 CF4를 분해하는 경우 플라즈마 가스와 함께 스팀을 공급하는 것이 바람직하다. 하지만, 플라즈마를 발생시키는 종래의 플라즈마 발생장치에는 스팀을 공급할 수 있는 장치가 부가되지 않아, 별도의 스팀발생기 또는 예열기를 구비해야 하는 문제점이 있다.
대한민국 등록실용신안 제20-0280254호 대한민국 등록특허 제10-0855722호 대한민국 등록특허 제10-1142184호 대한민국 등록특허 제10-1686540호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 반도체 폐가스 처리용 플라즈마 토치는, 플라즈마 에너지와 함께 스팀을 공급하여 반도체 폐가스인 CF4를 무해화 처리하는 한편, 플라즈마 토치의 각 구성의 개별적으로 냉각수를 공급함으로써 플라즈마 토치의 내구성이 장시간 유지되고, 별도의 스팀발생기나 예열기 없이 공급되는 물을 가열하여 스팀을 발생시키고 폐가스를 예열할 수 있도록 하는 장치를 제공하는 것을 과제로 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 반도체 폐가스 처리용 플라즈마 토치는, 반도체 제조과정에서 발생하는 CF4 폐가스를 처리하는 반응로의 상부에 결합되어 반응로의 내부로 플라즈마 가스를 제공하는 플라즈마 토치로서,
상부 내측에 캐소드 조립체가 결합되고 하부 내측에 애노드 결합체가 결합되며 하단부의 토치용 플랜지를 통해 반응로에 결합된 반응로용 플랜지에 연결되는 토치 바디와; 플라즈마 가스의 생성을 위한 연료 가스를 토치 바디의 내부로 공급하는 연료가스 공급부와; 토치 바디의 하부에 결합되어 스팀이 플라즈마 가스와 함께 반응로의 내부로 공급되도록 하는 스팀공급부와; 캐소드 결합체에 전기적으로 연결되는 제1전극부재 및 애노드 결합체에 전기적으로 연결되는 제2전극부재와; 캐소드 결합체 및 애노드 결합체를 냉각시키기 위한 냉각부재와; 캐소드 결합체와 냉각부재를 토치 바디에 결합시키기 위한 결합수단;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 스팀공급부는, 상부는 토치 바디에 결합되고 하부는 토치용 플랜지에 의해 반응로용 플랜지에 고정되며 물공급용 니플을 통해 물을 공급하는 상부체와, 반응로용 플랜지의 내측에 결합되며 상부체에서 공급된 물이 예열되어 스팀이 생성되고 생성된 스팀이 반응로의 내부로 공급되도록 하는 스팀생성부와; 상부체의 물공급용 니플과 스팀생성부의 가장자리를 연결하는 물공급관이 구비되고 스팀생성부의 상부를 막아주는 커버체를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 스팀생성부는 상면이 중심 방향으로 갈수록 하향 경사지게 형성됨과 아울러 물이 유입되는 가장자리로부터 중심 부분을 향하여 물이 유동하도록 나선형 홈이 형성되고, 중심 부분에 구비되고 중앙에 플라즈마 가스가 유동하는 구멍이 형성된 차단블록에 스팀이 공급되는 하나 이상의 스팀 포트가 형성됨과 아울러 차단블록을 둘러싸도록 배치되는 가이드 블록에 경사 방향의 가이드 홈이 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 캐소드 조립체는, 제1전극부재에 전기적으로 연결되는 캐소드와, 내부에 캐소드가 설치되는 캐소드 캡과, 전극 반응에 의한 전자파가 외부로 노출되지 않도록 캐소드 캡의 외부에 설치되는 아이솔레이터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 연료가스 공급부는 토치 바디의 안쪽에 설치되어 유입된 연료가스를 선회시키면서 캐소드 조립체와 애노드 조립체 사이로 공급하는 선회기를 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 애노드 조립체는, 제2전극부재에 전기적으로 연결되는 애노드와, 내부에 설치된 애노드와의 사이에 일정 정도의 간극이 형성되도록 토치 바디의 내부에 결합되는 애노드 캡과, 하단부는 애노드의 상단에 결합되고 상단부는 토치 바디에 결합되어 애노드를 지지하는 애노드 부시를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 냉각부재는 캐소드 조립체를 냉각시키는 캐소드 냉각부와 애노드 조립체를 냉각시키는 애노드 냉각부가 별도로 구성되고,
캐소드 냉각부는 일측에 냉각수 유입구가 구비됨과 아울러 상측에 제1전극부재가 결합되고 하단부는 캐소드 조립체의 내부에 결합되는 전극홀더와, 냉각수 유입구를 통해 유입된 냉각수가 내측과 외측에서 유동할 수 있도록 전극홀더의 내부에 설치되는 페어링부재와, 냉각수가 배출될 수 있도록 페어링부재의 상측에 연결되는 냉각수 배출용 니플과, 전극홀더의 상측에 냉각수 배출용 니플을 고정하기 위한 니플 체결너트를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 특징을 갖는 본 발명의 반도체 폐가스 처리용 플라즈마 토치는 플라즈마와 스팀을 반응로에 공급함으로써 반도체 폐가스인 CF4를 무해화할 수 있으며, 반응로의 상부에 위치하는 스팀공급부를 통해 스팀을 반응로에 공급함으로써 별도의 스팀발생장치나 예열기가 필요하지 않게 되어 폐가스 처리를 위한 설비 설치 및 제작 비용이 감소하고 운전이 용이해지는 효과가 있다.
또, 본 발명의 반도체 폐가스 처리용 플라즈마 토치에 따르면, 스팀공급부의 스팀생성부에 나선형 유로가 형성됨에 따라 스팀 생성이 용이해지고 스팀생성부의 상면이 중심방향으로 경사지게 형성되고 그 상부를 커버체가 막아줌에 따라 스팀의 누설이 방지되고 스팀의 압력에 의한 변형이 일어나지 않게 되는 효과가 있다,
또한, 본 발명의 반도체 폐가스 처리용 플라즈마 토치에 따르면, 가스공급부의 내측에 선회기가 구비됨에 따라 연료가스가 회전하면서 케소드와 애노드 사이로 공급되어 플라즈마 반응이 원활하게 일어나는 효과가 있다.
또, 본 발명의 반도체 폐가스 처리용 플라즈마 토치에 따르면, 냉각부재가 캐소드 냉각부와 애노드 냉각부로 분할되어 캐소드 조립체와 애노드 조립체를 독립적으로 냉각시키게 되므로, 구성 부품들의 냉각 효과가 향상되어 플라즈마 토치의 내구성이 향상되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 반도체 폐가스 처리용 플라즈마 토치의 외관을 나타낸 구성도
도 2는 본 발명에 따른 반도체 폐가스 처리용 플라즈마 토치의 분리 사시도
도 3은 본 발명에 따른 스팀 공급부의 확대 분리 사시도
도 4는 본 발명에 따른 반도체 폐가스 처리용 플라즈마 토치의 단면도
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.
이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시 예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다. 여기서, 상하좌우, 우측, 좌측, 저면 등 방향과 관련된 표현은 모두 제시한 도면을 기준으로 기재하고 있음을 밝혀둔다.
본 발명에 따른 반도체 폐가스 처리용 플라즈마 토치는 도 1 내지 4에 도시된 바와 같이, 반도체 제조과정에서 발생하는 CF4 폐가스를 처리하는 반응로의 상부에 결합되어 반응로의 내부로 플라즈마 가스를 제공하는 플라즈마 토치로서, 상부 내측에 캐소드 조립체(120)가 결합되고 하부 내측에 애노드 결합체(110)가 결합되며 하단부의 토치용 플랜지(160)를 통해 반응로에 결합된 반응로용 플랜지(170)에 연결되는 토치 바디(100)와; 플라즈마 가스의 생성을 위한 연료 가스를 토치 바디(100)의 내부로 공급하는 연료가스 공급부(200)와; 토치 바디(100)의 하부에 결합되어 스팀이 플라즈마 가스와 함께 반응로의 내부로 공급되도록 하는 스팀공급부(150)와; 캐소드 결합체(120)에 전기적으로 연결되는 제1전극부재(130) 및 애노드 결합체(110)에 전기적으로 연결되는 제2전극부재(140)와; 애노드 결합체(110) 및 캐소드 결합체(120)를 냉각시키기 위한 냉각부재(300)와; 캐소드 결합체(120)와 냉각부재(300)를 토치 바디(110)에 결합시키기 위한 결합수단;을 포함하여 이루어진다.
이와 같이, 토치 바디(100)의 하부에 스팀공급부(150)가 구비됨에 따라 별도의 스팀 공급기 또는 예열기를 사용하지 않고 단순히 물을 공급하는 것만으로도 반응로에 스팀을 공급하여 반도체 폐가스를 무해화처리할 수 있음은 물론 장치의 구조가 단순화된다.
여기서, 스팀공급부(150)는 도 3에 도시된 바와 같이, 상부는 토치 바디(100)에 결합되고 하부는 토치용 플랜지(160)에 의해 반응로용 플랜지(170)에 고정되며 물공급용 니플(155)을 통해 물을 공급하는 상부체(151)와, 반응로용 플랜지(170)의 내측에 결합되며 상부체(151)에서 공급된 물이 예열되어 스팀이 생성되고 생성된 스팀이 반응로의 내부로 공급되도록 하는 스팀생성부(152)와; 상부체(151)의 물공급용 니플(155)과 스팀생성부(152)의 가장자리를 연결하는 물공급관(156)이 구비되고 스팀생성부(152)의 상부를 막아주는 커버체(153)와, 상부체(151)와 커버체(153)의 가장자리 사이에 배치되어 스팀의 누설을 방지하는 와셔부재(154)를 포함하여 이루어진다.
여기서, 상부체(151)은 토치 바디(100)의 하단에 결합되는 캡부(151b)와 물 공급용 니플(155)이 설치되고 반응로용 플랜지(170)에 결합되는 몸체부(151a)로 구분되고, 몸체부(151a)가 반응로용 플랜지(170)에 끼움 결합된 후 토치용 플랜지(160)에 의해 고정된다.
그리고, 스팀생성부(152)는 상면이 중심 방향으로 갈수록 하향 경사지게 형성됨과 아울러 물 공급관(156)에 연통되어 물이 유입되는 물 유입홈(152d)이 형성된 가장자리로부터 중심 부분을 향하여 물이 유동하도록 나선형 홈(152a)이 형성된다. 그리고 스팀 생성부(152)의 중심 부분에는 중앙에 플라즈마 가스가 유동하는 구멍이 형성된 차단블록(152e)이 구비됨과 아울러, 차단블록(152e)에는 생성된 스팀이 공급되는 하나 이상의 스팀 포트(152c)가 형성된다. 또, 나선형 홈(152a)을 형성하는 격벽에는 하나 이상의 노치(152b)가 형성되어 스팀이 중심 방향으로 유동할 수 있도록 한다. 또, 차단블록(152e)의 주위를 둘러싸도록 배치된 가이드 블록(152f)에는 경사 방향의 가이드 홈(152g)이 형성된다.
이와 같이, 스팀생성부(152)에 나선형 홈(152a)이 형성됨에 따라 물의 유동 거리가 길어지게 되고, 그로 인해 고온의 플라즈마와 반응로의 열에 의해 물이 예열되어 다량의 스팀이 생성된다. 그리고, 물의 유동시 나선형 홈(152a)의 입구인 물 유입홈(152d)의 근방에서 생성된 스팀은 노치(152b) 및 커버체(153) 저면과의 사이에 형성되는 상부 공간을 통해 중심 부분으로 유동한 후, 차단블록(152e)에 형성된 스팀 포트(152c)를 통해 차단블록(152e)의 중심에 형성된 구멍으로 유입되어 플라즈마 가스와 함께 반응로로 공급된다. 그리고, 가이드 블록(152f)은 경사 방향의 가이드 홈(152g)을 이용하여 스팀이 선회하면서 차단블록(152e) 방향으로 공급되도록 한다.
캐소드 조립체(120)는, 제1전극부재(130)에 전기적으로 연결되는 캐소드(122)와, 내부에 캐소드(122)가 설치되는 캐소드 캡(121)과, 전극 반응에 의한 전자파가 외부로 노출되지 않도록 캐소드 캡(121)의 외부에 설치되는 아이솔레이터(123)를 포함한다. 여기서, 아이솔레이터(123)는 토치 바디(100)의 상측에 결합수단인 아이솔레이터 체결너트(126)에 의해 결합되는 것으로, 아이솔레이터 체결너트(126)의 상부로 돌출되는 아이솔레이터(123)의 상부에는 부시(125)를 개재하여 캐소드 조립체(120)를 냉각시키는 캐소드 냉각부가 냉각부 체결너트(127)에 의해 체결된다.
한편, 냉각부재(300)의 일부를 형성하는 캐소드 냉각부는 일측에 냉각수 유입구(320)가 구비됨과 아울러 상측에 제1전극부재(130)가 결합되고 하단부는 캐소드 조립체(120)의 내부에 결합되는 전극홀더(310)와, 냉각수 유입구(320)를 통해 유입된 냉각수가 내측과 외측에서 유동할 수 있도록 전극홀더(310)의 내부에 설치되는 페어링부재(320)와, 냉각수가 배출될 수 있도록 페어링부재(315)의 상측에 연결되는 냉각수 배출용 니플(330)과, 전극홀더의 상측에 냉각수 배출용 니플(330)을 고정하기 위한 니플 체결너트(335)를 포함한다.
이에 따라, 냉각수 유입구(320)를 통해 유입된 냉각수가 페어링부재(315)의 외부와 내부를 순차적으로 통과하면서 캐소드(122)를 냉각시키게 된다. 즉, 페어링부재(315)의 외부를 통과한 냉각수가 전극홀더(310)의 하단에 연결된 캐소드(122)를 냉각시킨 후, 페어링부재(315)의 내부를 거쳐 상부의 냉각수 배출용 니플(330)을 통해 외부로 배출된다.
그리고, 연료가스 공급부(200)는 토치 바디(100)의 안쪽에 설치되어 유입된 연료가스를 선회시키면서 캐소드 조립체(120)와 애노드 조립체(110) 사이로 공급하는 선회기(250)를 구비한다. 선회기(250)는 원주 방향을 따라 경사지게 관통하는 구멍이 형성되어 연료가스 공급부(200)를 통해 공급되는 연료가스(200)를 선회시키면서 캐소드 조립체(120)와 애노드 조립체(110) 사이의 반응 공간으로 공급하게 된다. 이때, 연료가스 공급부(200)를 통해 공급되는 연료가스로는 질소와 헬륨 등이 있으나, 가격 등을 고려할 때 질소를 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 애노드 조립체(110)는 제2전극부재(140)에 전기적으로 연결되는 애노드(111)와, 내부에 설치된 애노드(111)와의 사이에 일정 정도의 간극이 형성되도록 토치 바디(100)의 내부에 결합되는 애노드 캡(112)과, 하단부는 애노드(111)의 상단에 결합되고 상단부는 토치 바디(100)에 결합되어 애노드(111)를 지지하는 애노드 부시(113)를 포함한다.
애노드(111)는 캐소드(122)와의 반응을 통해 연료가스를 플라즈마로 생성함과 아울러 내부의 관통공으로 플라즈마가 토출될 수 있도록 하는 것으로, 내부에 동일한 직경의 관통공이 형성되거나 단차가 있는 이중 직경의 관통공이 형성된 구조를 가지게 된다. 그리고, 애노드(111)는 스팀공급부(150)의 상부체에 하단부가 결합되어 스팀공급부(150)가 연결된 토치용 플랜지(160)에 설치된 제2전극부재(140)에 전기적으로 연결된다.
그리고, 애노드 조립체(110)를 냉각시키기 위한 애노드 냉각부는 토치 바디(100)의 외측에 구비되어 애노드(111)와 애노드 캡(112) 사이의 간극으로 냉각수를 유동시키는 냉각수 유입구(340)와, 토치 바디(100)의 외측에 구비되어 애노드 캡(112)의 외부로 유동하는 냉각수가 배출되는 냉각수 배출구(350)를 포함한다.
이에 따라, 냉각수 유입구(340)를 통해 유입된 냉각수가 애노드(111)와 애노드 캡(112) 사이의 간극으로 유동하면서 애노드(111)를 냉각시키고, 냉각을 마친 냉각수는 애노드 캡(112)의 외측을 통해 유동하여 냉각수 배출구(350)로 빠져나가게 된다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 반도체 폐가스 처리용 플라즈마 토치의 작동 관계를 살펴보면 다음과 같다.
전원(미도시)의 음극부와 양극부를 제1전극단자(130)와 제2전극단자(140)에 연결한 후 전원을 인가하면, 토치 바디(100)의 내부에 위치한 캐소드(122)와 애노드(111) 사이에 전기장이 형성된다. 이때, 가스공급부(200)를 통해 질소가스를 공급하면, 토치 바디(100)의 내부로 유입된 질소가스가 선회기(250)에 의해 선회되면서 전기장이 형성된 캐소드(122)와 애노드(111) 사이의 반응공간으로 유입된다. 이 반응공간은 전기장에 의해 고온으로 가열되어 있으므로, 유입된 질소가스가 가열되어 플라즈마 가스가 형성된다. 질소가스가 가열되어 형성된 플라즈마 가스는 애노드(111)에 형성된 관통공을 통해 반응로로 토출되고, 토치 바디(100)의 하부에 위치한 스팀공급부(150)에서는 플라즈마 가스와 함께 스팀이 반응로에 공급되도록 한다. 이에 따라, 반응로 내부에서는 스팀과 반도체 폐가스인 CF4의 반응이 일어나게 되고, 그로 인해 CF4가 무해화된다.
상기한 스팀공급부(150)에서는 상부체(151)의 물공급용 니플(155)과 커버체(153)의 물공급관(156)을 통해 스팀생성부(152)의 물 유입홈(152d)에 물이 공급되고, 물 유입홈(152d)를 통해 스팀생성부(152)의 가장자리로 유입된 물이 나선형 홈(152a)을 따라 유동하면서 반응로의 열에 의해 가열되어 스팀이 생성되도록 한다. 물이 가열되어 생성된 스팀은 나선형 홈(152a)에 형성된 노치(152b)와 상부 공간을 통해 스팀생성부(152)의 중앙 부분으로 이동한 후, 차단블록(152e)에 형성된 스팀 포트(152c)를 통해 플라즈마 가스가 유동하고 있는 중앙의 구멍으로 유입되어 플라즈마 가스와 함께 반응로에 공급된다. 이때, 차단블록(152e)의 주위에 형성된 가이드 블록(152f)은 경사 방향의 가이드 홈(152g)을 이용하여 스팀이 선회하면서 차단블록(152e) 방향으로 공급되도록 한다.
그리고, 냉각부재(300)는 캐소드 냉각부와 애노드 냉각부를 통해 캐소드 결합체(120)와 애노드 결합체(110)를 각각 냉각시킴으로써 과열에 의한 변형 및 손상을 방지하게 된다. 구체적으로, 캐소드 냉각부의 냉각수 유입구(320)를 통해 유입된 냉각수는 페어링부재(315)의 외부를 통과한 후 페어링부재(315)의 하부에서 전극홀더(310)의 하단에 연결된 캐소드(122)를 냉각시킨 후, 페어링부재(315)의 내부를 거쳐 상부의 냉각수 배출용 니플(330)을 통해 외부로 배출된다. 또, 애노드 냉각부의 냉각수 유입구(340)를 통해 유입된 냉각수가 애노드(111)와 애노드 캡(112) 사이의 간극으로 유동하면서 애노드(111)를 냉각시키고, 냉각을 마친 냉각수는 애노드 캡(112)의 외측을 통해 유동하여 냉각수 배출구(350)로 빠져나가게 된다.
이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것이고, 명세서에 게시된 실시예는 본 발명의 기술사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 그러므로 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의해 해석되고, 그와 균등한 범위 내에 있는 기술적 사항도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 토치 바디 110 : 애노드 조립체
111 : 애노드 112 : 애노드 캡
113 : 애노드 부시 120 : 캐소드 조립체
121 : 캐소드 캡 122 : 캐소드
123 : 아이솔레이터 125 : 부시
126 : 아이솔레이터 체결너트 127 : 냉각부 체결너트
130 : 제1전극부재 140 : 제2전극부재
150 : 스팀공급부 151 : 상부체
151a : 몸체부 151b : 캡부
152 : 스팀생성부 152a : 나선형 홈
152b : 노치 152c : 스팀 포트
152d : 물 유입홈 152e : 차단블록
152f : 가이드 블록 152g : 가이드 홈
153 : 커버체 154 : 와셔부재
155 : 물공급용 니플 156 : 물공급관
160 : 토치용 플랜지 170 : 반응로용 플랜지
200 : 가스공급부 250 : 선회기
300 : 냉각부재 310 : 전극홀더
315 : 페어링부재 320 : 냉각수 유입구
330 : 냉각수 배출용 니플 335 : 니플 체결너트
340 : 냉각수 유입구 350 : 냉각수 배출구

Claims (7)

  1. 반도체 제조과정에서 발생하는 CF4 폐가스를 처리하는 반응로의 상부에 결합되어 반응로의 내부로 플라즈마 가스를 제공하는 반도체 폐가스 처리용 플라즈마 토치에 있어서,
    상부 내측에 캐소드 조립체가 결합되고 하부 내측에 애노드 결합체가 결합되며 하단부의 토치용 플랜지를 통해 반응로에 결합된 반응로용 플랜지에 연결되는 토치 바디와;
    플라즈마 가스의 생성을 위한 연료 가스를 토치 바디의 내부로 공급하는 연료가스 공급부와;
    토치 바디의 하부에 결합되어 스팀이 플라즈마 가스와 함께 반응로의 내부로 공급되도록 하는 스팀공급부와;
    캐소드 결합체에 전기적으로 연결되는 제1전극부재 및 애노드 결합체에 전기적으로 연결되는 제2전극부재와;
    캐소드 결합체 및 애노드 결합체를 냉각시키기 위한 냉각부재와;
    캐소드 결합체와 냉각부재를 토치 바디에 결합시키기 위한 결합수단;을 포함하고,
    스팀공급부는, 상부는 토치 바디에 결합되고 하부는 토치용 플랜지에 의해 반응로용 플랜지에 고정되며 물공급용 니플을 통해 물을 공급하는 상부체와, 반응로용 플랜지의 내측에 결합되며 상부체에서 공급된 물이 예열되어 스팀이 생성되고 생성된 스팀이 반응로의 내부로 공급되도록 하는 스팀생성부와; 상부체의 물공급용 니플과 스팀생성부의 가장자리를 연결하는 물공급관이 구비되고 스팀생성부의 상부를 막아주는 커버체를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 폐가스 처리용 플라즈마 토치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    스팀생성부는 상면이 중심 방향으로 갈수록 하향 경사지게 형성됨과 아울러 물이 유입되는 가장자리로부터 중심 부분을 향하여 물이 유동하도록 나선형 홈이 형성되고, 중심 부분에 구비되고 중앙에 플라즈마 가스가 유동하는 구멍이 형성된 차단블록에 스팀이 공급되는 하나 이상의 스팀 포트가 형성됨과 아울러 차단블록을 둘러싸도록 배치되는 가이드 블록에 경사 방향의 가이드 홈이 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 폐가스 처리용 플라즈마 토치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    캐소드 조립체는,
    제1전극부재에 전기적으로 연결되는 캐소드와, 내부에 캐소드가 설치되는 캐소드 캡과, 전극 반응에 의한 전자파가 외부로 노출되지 않도록 캐소드 캡의 외부에 설치되는 아이솔레이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 폐가스 처리용 플라즈마 토치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    연료가스 공급부는 토치 바디의 안쪽에 설치되어 유입된 연료가스를 선회시키면서 캐소드 조립체와 애노드 조립체 사이로 공급하는 선회기를 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 폐가스 처리용 플라즈마 토치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    애노드 조립체는,
    제2전극부재에 전기적으로 연결되는 애노드와, 내부에 설치된 애노드와의 사이에 일정 정도의 간극이 형성되도록 토치 바디의 내부에 결합되는 애노드 캡과, 하단부는 애노드의 상단에 결합되고 상단부는 토치 바디에 결합되어 애노드를 지지하는 애노드 부시를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 폐가스 처리용 플라즈마 토치.
  7. 청구항 1 및 청구항 3 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
    냉각부재는 캐소드 조립체를 냉각시키는 캐소드 냉각부와 애노드 조립체를 냉각시키는 애노드 냉각부가 별도로 구성되고,
    캐소드 냉각부는 일측에 냉각수 유입구가 구비됨과 아울러 상측에 제1전극부재가 결합되고 하단부는 캐소드 조립체의 내부에 결합되는 전극홀더와, 냉각수 유입구를 통해 유입된 냉각수가 내측과 외측에서 유동할 수 있도록 전극홀더의 내부에 설치되는 페어링부재와, 냉각수가 배출될 수 있도록 페어링부재의 상측에 연결되는 냉각수 배출용 니플과, 전극홀더의 상측에 냉각수 배출용 니플을 고정하기 위한 니플 체결너트를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 폐가스 처리용 플라즈마 토치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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