KR101993487B1 - 가스 스트림을 처리하기 위한 장치 - Google Patents

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크리스토퍼 제임스 필립 클레멘츠
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Abstract

본 발명은 가스 스트림(12)을 처리하기 위한 장치(10)에 관한 것이다. 플라즈마 발생기(14)는 플라즈마 플레어(16)를 발생한다. 제 1 유입구(18)는 장치 내로 가스 스트림을 운반한다. 반응 챔버(20)는 가스가 처리되는 플라즈마 발생기의 하류에 위치된다. 제 2 유입구(22)는, 내부 표면상에서의 고형 증착물의 축적에 저항하기 위해서, 반응 챔버의 내부 표면(26) 상에서 액체 위어(24)를 설정하도록 장치 내로 액체(32)를 수용한다. 위어 가이드(28)는 내부 표면상에서 액체를 안내시키기 위한 외부 환형 표면(30)과 외부 표면과 흐름 연통하는 내부 환형 표면(34)을 구비하며, 그 결과 액체는 외부 표면으로부터 내부 표면까지 유동하여, 내부 표면상에서의 증착에 저항하게 된다.

Description

가스 스트림을 처리하기 위한 장치{APPARATUS FOR TREATING A GAS STREAM}
본 발명은 가스 스트림(gas stram)을 처리하기 위한 장치에 관한 것이다. 본 발명은 특히 반도체 또는 평판 디스플레이 산업에서 사용되는 프로세스 챔버로부터의 가스 스트림 배기물의 처리의 분야에 관한 것이다.
반도체 장치의 제조시의 최초의 단계는 증기 전구체들의 화학적 반응에 의해 반도체 기판상에 박막을 형성하는 것이다. 기판상에 박막을 증착시키는 하나의 공지된 기술은 통상적으로 플라즈마 성장인 화학 증착(CVD)이다. 이러한 기술에 있어서, 프로세스 가스들은 기판을 수용하는 프로세스 챔버에 공급되고 반응하여 기판의 표면상에 박막을 형성한다. 박막을 형성하기 위해 프로세스 챔버로 공급된 가스들의 예로는, 질화 규소 필름의 형성을 위한 실란 및 암모니아; SiON 필름의 형성을 위한 실란, 암모니아 및 아산화질소; 실리콘 산화물 필름의 형성을 위한 TEOS 및 산소 및 오존 중 하나; 알루미늄 산화물 필름의 형성을 위한 Al(CH3)3 및 수증기가 있지만, 이들로만 제한되지 않는다.
프로세스 챔버로부터 배기된 가스들은 플라즈마 저감 장치를 이용하여 높은 효율로 그리고 상대적으로 낮은 비용으로 처리될 수 있다. 플라즈마 저감 프로세스에 있어서, 가스 스트림은 고밀도 플라즈마 내로 유동되게 되며, 플라즈마 내의 격렬한 조건하에서, 가스 스트림 내의 종은 강력한 전자와 충돌하게 되어, 산소 또는 수소와 조합될 수 있는 반응 종으로의 분열이 야기되어 상대적으로 안정된 부생성물을 생성한다.
고형 부생성물(예를 들면 실란 또는 TEOS 산화 동안의 실리카)을 생성하는 가스의 플라즈마 저감 동안에, 플라즈마 플레어의 하류에 위치된 반응 챔버에서 폐색 문제점이 야기되었다. 전형적으로, 챔버는 직경이 대략 30㎜ 그리고 길이가 90㎜ 내지 150㎜인 파이프로 구성된다. 반응 챔버의 목적은 저감 반응이 야기될 수 있게 하기 위해 제한된 용적내에 고온 가스를 수용하는 것이다. 그러나, 챔버는, 예를 들면 실란, TEOS 또는 유기 실란을 저감할 때 내부 표면에 부착하는 예컨대 실리카 입자로 폐색될 수 있다.
챔버의 벽에 입자가 부착하는 것을 회피하는 하나의 방법은 그들 표면상에 물 위어(water weir)를 형성하는 것이다. 그러나, 그럼에도 불구하고 전극(애노드)과 반응 챔버 사이에 플라즈마 리액터의 "건조(dry)" 영역이 있으며, 전극 자체는 추가의 클리닝이 요구된다.
본 발명은 가스 스트림을 처리하기 위한 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 가스 스트림(gas stream)을 처리하기 위한 장치를 제공하며, 플라즈마 플레어(plasma flare)를 발생시키는 플라즈마 발생기와, 장치 내로 가스 스트림을 운반하기 위한 제 1 유입구와, 발생된 플라즈마 플레어에 의해 가스 스트림이 처리되는, 상기 플라즈마 발생기의 하류의 반응 챔버와, 내부 표면상에서의 플라즈마 처리로부터의 고형 부착물의 축적에 저항하기 위해서, 반응 챔버의 내부 표면상에서 액체 위어(liquid weir)를 설정하도록 장치 내로 액체를 수용하기 위한 제 2 유입구와, 제 2 유입구와 흐름 연통되고 상기 반응 챔버의 내부 표면상으로 액체를 안내시키기 위해 상기 반응 챔버의 내부 표면에 대해 위치된 외부 환형 표면을 갖는 흐름 안내기(flow director), 즉 위어 가이드(weir guide)를 포함하며, 여기에서 흐름 안내기는 흐름 안내기의 외부 환형 표면과 흐름 연통하는 내부 환형 표면을 구비하여서, 액체가 상기 흐름 안내기의 내부 환형 표면상에서 유동하여 상기 흐름 안내기의 내부 환형 표면상의 부착에 저항할 수 있다.
제 2 양태에 있어서, 본 발명은 외부 환형 표면을 갖는 흐름 안내기를 제공하며, 상기 외부 환형 표면은, 사용시, 액체 유입구와 흐름 연통으로 배치되고 반응 챔버의 내부 표면상에서 액체를 안내시키도록 반응 챔버의 내부 표면에 대해 위치되어 있으며, 상기 흐름 안내기는 상기 외부 환형 표면과 흐름 연통하는 내부 환형 표면을 더 포함하여서, 액체가 상기 흐름 안내기의 내부 환형 표면상에서 유동하여 상기 내부 환형 표면상의 부착에 저항할 수 있다.
본 발명이 잘 이해될 수 있도록, 단지 예로서 제공되는 본 발명의 일부 실시예들을 첨부 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 가스 스트림을 처리하기 위한 장치의 개략도이다.
도 2는 장치의 흐름 안내기를 도시하는 도면이다.
도 3은 사용시의 흐름 안내기를 도시하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 가스 스트림(12)을 처리하기 위한 장치(10)가 도시되어 있다. 장치는 플라즈마 플레어(16)를 발생하기 위한 플라즈마 발생기(14)를 포함한다. 제 1 유입구(18)는 가스 스트림(12)을 장치 내로 이송한다. 플라즈마 발생기의 하류에는 반응 챔버(20)가 위치되어 있으며, 발생된 플라즈마 플레어에 의해 가스 스트림이 이 반응 챔버 내에서 처리된다. 일부 가스는 반응 챔버의 외측에서 처리될 수도 있다.
제 2 유입구(22)는, 내부 표면(26)상의 플라즈마 처리로부터의 고형 부착물(solid deposits)의 축적에 저항하기 위해, 반응 챔버(22)의 내부 표면(26)상에 액체 위어(liquid weir)(24)를 설정하기 위해 액체(32), 전형적으로 물을 장치 내로 수용한다. 반응 챔버는 일반적으로 본 예에서 원통형이다.
흐름 안내기는 일괄적으로 도면부호(28)로 표시되어 있고, 도 2 및 도 3에 보다 상세하게 도시되어 있다. 흐름 안내기는 반응 챔버와 일체일 수 있거나, 처리 장치에 끼워맞춰지도록 구성된 인서트로 구성될 수 있다. 흐름 안내기는, 제 2 유입구(22)와 흐름 연통되고 또한 내부 표면상에서 물을 안내시키기 위해 반응 챔버의 내부 표면(26)에 대해서 위치되어 물 위어(24)를 설정하는 외부 환형 표면(30)을 구비한다. 또한, 흐름 안내기는 도 1에서 작은 화살표(36)로 표시된 바와 같이 외부 환형 표면(30)과 흐름 연통되는 내부 환형 표면(34)을 구비하며, 그 결과 액체가 내부 환형 표면(34)상에서 유동하도록 안내되어 내부 환형 표면상의 부착에 저항하게 된다. 내부 환형 표면들상에서 유동하는 액체는 소형 물 위어(38)를 설정하며, 이 위어(38)는 내부 환형 표면상에서 처음에 유동하며, 다음에 중력하에서 낙하되어 대형 물 위어(24)에 합체될 것이다. 따라서, 물 위어는 흐름 안내기의 내부 및 외부 환형 표면 양자에 설정된다. 내부 환형 표면과 외부 환형 표면 사이의 흐름 연통은 도 3에 보다 상세하게 도시되어 있다.
흐름 안내기(28)는, 한편으로는 내부 및 외부 환형 표면들(34, 30)과 다른 한편으로는 플라즈마 발생기(14) 사이에 위치된 배리어 표면(40)을 구비하여, 내부 및 외부 환형 표면들상에서 유동하는 물 위어들(24, 38)에 의한 플라즈마 발생기의 습윤에 저항한다. 이러한 예에서의 배리어 표면은 물 위어들(24, 38)과 플라즈마 발생기 사이에 물리적인 배리어를 제공하도록 대체로 반경방향 내측으로 연장되는 플랜지이다. 배리어 표면은 플라즈마 발생기에 야기되는 손상을 방지한다. 배리어 표면은 구멍(42)을 형성하며, 플라즈마 플레어(16)는 상기 구멍(42)을 통해서 반응 챔버 내로 연장될 수 있다. 구멍은, 플라즈마 플레어가 통상적으로 이 구멍과 접촉하지 않도록, 달리 말하면 구멍이 고온 플라즈마에 의해 열화되지 않을 정도로 충분히 커야 한다.
내부 및 외부 환형 표면들은 하류 방향에서 배리어 표면(40)으로부터 현수되어 있는 대체로 환형 벽(44)에 의해 형성되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 환형 벽은 장치의 전체 치수에 따라서 배리어 표면까지 대체로 직각으로 대략 10㎜ 내지 20㎜까지 연장된다. 도 2 및 도 3은 흐름 안내기(28)를 보다 상세하게 도시한 것이다. 내부 환형 표면(34)은 대체로 원통형인 반면에, 본 예에 있어서 외부 환형 표면(30)은 반응 챔버의 내부 벽들상에서 액체 유입구(22)로부터의 액체를 안내시키기 위한 만곡형 면(curved face)을 구비한다. 배리어 표면은 환형 벽(44)의 상류 에지로부터 수직으로 연장되는 2개의 플랜지에 의해 형성된 제 1 및 제 2 표면들(46, 48)로 구성되어 있다. 배리어 표면(46)은 메인 위어(24)로부터 상류에서의 물의 통과에 저항하는 반면에, 배리어 표면(48)은 소형 위어(38)로부터 상류에서 물의 통과에 저항한다. 표면들(46, 48)은 도 1에 도시된 구성에서의 경우와 같이 정렬되지 않는다.
도 3은 사용시의 흐름 안내기(28)를 도시한 것이며, 흐름 안내기에서 상류에서 바라본 단면도이다. 물(32)은 흐름 안내기의 환형 형상에 대체로 접선인 일정 각도에서 유입구(22)를 통해 장치내로 운반된다. 외부 환형 표면(30)은 그 전체 원주 상에서 물을 안내시켜서 반응 챔버의 360° 범위에 걸쳐서 물 위어(24)를 설정한다. 반응 챔버(26)의 내부 표면과 함께 외부 환형 표면(30)은 환형 채널을 형성하며, 물은 상기 환형 채널을 따라 운반된다. 또한, 만곡형 외부 환형 표면은 물을 점진적으로 하류 방향으로 안내시킨다. 환형 벽(44) 내의 절단부(break)(50)는 흐름 안내기의 내부 환형 표면(30)과 외부 환형 안내기(34) 사이에서 흐름 연통(36)을 허용한다. 절단부는 환형 벽의 원주에서 모든 형태의 중단부, 예를 들면 관통 보어 또는 채널일 수 있지만, 절단부는, 외부 환형 표면상에서 순환하는 모두는 아니지만 일부의 물이 내부 환형 표면상에서 안내되도록 구성되어야 한다. 이러한 방법에서, 외부 환형 표면은 반응 챔버의 전체 원주 범위에 걸쳐서 메인 물 위어를 설정하기 위해 요구되는 물이 부족하지 않다. 정반대로, 내부 표면의 전체 환형 범위에 걸쳐서 물 위어를 설정하기 위해서, 충분한 물이 내부 환형 표면으로 운반되어야 한다. 유입구(22)의 바람직하게 절반 이하의 전도도를 갖는 관통 보어가 바람직할 수 있다.
이러한 채널의 사이즈는 중앙 오리피스 둘레에서 물의 유동을 최적화시키기 위해 선택된다. 채널이 너무 크면, 고 유동의 물이 중앙 오리피스에 유입되어 플라즈마 플레어의 유해한 냉각을 야기시키는 스프레이를 형성한다. 채널이 너무 작으면, 중앙 오리피스에 유입하는 물이 충분하지 않아서 오리피스의 내부 벽을 완전하게 세정하고, 고형물 부착/성장을 방지한다.
도 3에 도시된 실시예에 있어서, 관통 보어는 대체로 접선 방향에서 내부 환형 표면(34)상으로 물을 운반하도록 접선방향으로 정렬되어, 내부 환형 표면의 전체 원주 범위에 걸쳐서 소형 물 위어(38)를 설정한다. 또한, 관통 보어는, 유입구(22)와 대체로 정반대이거나 유입구(22)의 적어도 바로 하류가 아닌 위치에 배치되며, 그 결과 압력으로 장치 내로 운반된 물은 유입구(22)로부터 관통 보어(50)까지 직선으로 가압되지 않는다.
외부 환형 표면은 반응 챔버의 직경 이하 그리고 반응 챔버의 직경에 매우 근접한 직경을 가지며, 그 결과 외부 환형 표면 둘레로 안내된 액체는 반응 챔버의 내부 표면상으로 대체로 접선방향으로 전달되어서, 내부 표면의 실질적으로 모두 상에서 액체 위어가 설정된다. 1 내지 1.5bar의 물 유입 압력에 있어서, 외부 환형 표면과 반응 챔버의 내부 벽 사이 2㎜ 간격이 양호한 결과를 발생시키는 것으로 발견되었다.
상술한 바와 같이, 흐름 안내기는 반응 챔버의 마우스(mouth)에 위치된 인서트일 수 있다. 열적 강인성을 확보하고 부식을 방지하기 위해서, 위어 가이드로서도 공지된 흐름 안내기는 소결 탄화규소로 제조될 수 있다. 이러한 재료 뿐만 아니라 다른 세라믹스는 높은 열적 안정성을 갖고 있으며, 그에 따라 온도가 1500℃에 도달할 수 있는 플라즈마 플레어에 근접하여 위치되어도 안정적이다. 또한, 탄화규소는 반도체 산업에서 광범위하게 사용되는 할로겐-함유 화학약품(특히, 풀루오린 및 HF)의 부식에 화학적으로 저항한다.

Claims (11)

  1. 가스 스트림(gas stream)을 처리하기 위한 장치에 있어서,
    플라즈마 플레어(plasma flare)를 발생시키는 플라즈마 발생기와,
    상기 장치 내로 가스 스트림을 운반하기 위한 제 1 유입구와,
    발생된 플라즈마 플레어에 의해 상기 가스 스트림이 처리되는, 상기 플라즈마 발생기의 하류의 반응 챔버와,
    반응 챔버의 내부 표면상에서의 플라즈마 처리로부터의 고형 부착물의 축적에 저항하기 위해서, 상기 반응 챔버의 내부 표면상에서 액체 위어(liquid weir)를 설정하도록 상기 장치 내로 액체를 수용하기 위한 제 2 유입구와,
    상기 제 2 유입구와 흐름 연통되고 상기 반응 챔버의 내부 표면상으로 액체를 안내시키기 위해 상기 반응 챔버의 내부 표면에 대해 위치된 외부 환형 표면을 갖는 흐름 안내기(flow director)를 포함하고,
    상기 흐름 안내기는 상기 흐름 안내기의 외부 환형 표면과 흐름 연통하는 내부 환형 표면을 더 구비하여서, 액체가 상기 흐름 안내기의 내부 환형 표면 상에서 유동하여 상기 내부 환형 표면 상에서의 부착에 저항할 수 있게 하는 것을 특징으로 하는
    가스 스트림 처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 유입구는 상기 흐름 안내기에 대해서 각을 이뤄서, 액체가 상기 제 2 유입구로부터 상기 외부 환형 표면상에 접선방향으로 운반되는 것을 특징으로 하는
    가스 스트림 처리 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 흐름 안내기는, 상기 내부 및 외부 환형 표면들에 의해 안내된 액체에 의해 상기 플라즈마 발생기의 습윤에 저항하기 위해, 상기 내부 및 외부 환형 표면들과 상기 플라즈마 발생기 사이에 위치된 배리어 표면(barrier surface)을 구비하는 것을 특징으로 하는
    가스 스트림 처리 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 배리어 표면은 구멍을 형성하며, 상기 플라즈마 플레어는 상기 반응 챔버내로 상기 구멍을 통해 연장될 수 있는 것을 특징으로 하는
    가스 스트림 처리 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 내부 및 외부 환형 표면들은 하류 방향으로 상기 배리어 표면으로부터 현수되는 환형 벽에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는
    가스 스트림 처리 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 내부 환형 표면 및 상기 외부 환형 표면은 상기 환형 벽내의 절단부(break)를 통해 흐름 연통되며, 상기 절단부는 상기 내부 환형 표면에 대해서 접선 방향으로 상기 외부 환형 표면으로부터의 액체를 안내시키는 형상으로 되어 있는 것을 특징으로 하는
    가스 스트림 처리 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 절단부는 상기 환형 벽을 통해 접선방향으로 정렬된 보어에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 하는
    가스 스트림 처리 장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 외부 환형 표면 둘레로 안내된 액체가 상기 반응 챔버의 내부 표면 상에 접선방향으로 전달되어서 내부 표면 전체 상에 액체 위어를 설정하도록, 상기 외부 환형 표면이 상기 반응 챔버의 직경보다 작은 직경을 갖는 것을 특징으로 하는
    가스 스트림 처리 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 흐름 안내기는 탄화규소로 제조되는 것을 특징으로 하는
    가스 스트림 처리 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 기재된 장치 내의 또는 장치를 위한 흐름 안내기.
  11. 삭제
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