KR20080036089A

KR20080036089A - 가스 스트림 처리 방법

Info

Publication number: KR20080036089A
Application number: KR1020087003634A
Authority: KR
Inventors: 제임스 로버트 스미쓰; 앤드류 제임스 시레이; 데릭 마틴 베이커; 마릴레나 라도이우
Original assignee: 에드워즈 리미티드
Priority date: 2005-08-15
Filing date: 2006-07-27
Publication date: 2008-04-24
Also published as: WO2007020374A1; KR101229131B1; EP1915769B1; EP1915769A1

Abstract

가스를 처리하기 위해 플라즈마 경감 장치를 사용하는, 폴리실리콘 에칭 프로세스로부터의 가스 배기물을 처리하기 위한 방법이 설명된다. 상기 장치는 가스를 수용하기 위한 가스 입구 및 가스 출구를 갖는 스테인레스강 가스 챔버를 포함한다. 가스는 할로화합물 및 수증기를 함유할 수 있기 때문에, 챔버는 챔버 내의 표면 상의 물의 흡수를 억제하는 온도로 가열되고, 따라서 가스 챔버의 부식이 억제된다. 이후, 가스는 처리를 위해 가스 챔버로 운송되고, 가스의 처리 중에 챔버의 온도는 상기 온도를 상회하여 유지된다.

플라즈마 경감 장치, 가스 입구, 가스 출구, 가스 챔버, 열 교환기

Description

가스 스트림 처리 방법{METHOD OF TREATING A GAS STREAM}

본 발명은 플라즈마 경감 장치(plasma abatement device)를 사용하는 가스 스트림 처리 방법에 관한 것이다. 본 발명은 특히 폴리실리콘 에칭 프로세스로부터의 가스 스트림 배기물의 처리에 적합하다.

반도체 또는 평판 패널 디스플레이 소자의 형성 중에, 다양한 상이한 프로세스 가스가 다양한 프로세스 챔버에 공급된다. 화학 기상 증착(CVD)은 증착 챔버 내에 배치된 기판 또는 웨이퍼의 표면 상에 얇은 막 또는 층을 증착하는데 사용된다. 이 프로세스는 표면에서 발생하는 화학 반응을 촉진하는 조건 하에서 챔버에, 종종 캐리어 가스를 사용하여 기판 표면에 하나 이상의 반응 가스를 공급함으로써 동작한다. 예를 들면, TEOS 및 산소와 오존 중 하나가 기판 상에 실리콘 산화물 층의 형성을 위해 증착 챔버에 공급될 수 있고, 실란 및 암모니아가 실리콘 질화물 층의 형성을 위해 공급될 수 있다. 폴리결정 실리콘 또는 폴리실리콘이 열에 의한 실란 또는 클로로실란의 분해에 의해 기판 상에 증착된다.

가스는 또한 예를 들면 반도체 소자의 소스 및 드레인 구역 및 전극의 형성 중에 증착된 층의 영역의 선택적인 에칭을 수행하기 위해 에칭 챔버에 공급된다. 에칭 가스는 CF₄, CHF₃ 및 NF₃과 같은 퍼플루오화합물과, HCl, HBr, BCl₃, Cl₂ 및 Br₂와 같은 다른 할로화합물, 및 그 조합을 포함할 수 있다. 예를 들면, CF₄는 폴리실리콘 층 상에 형성되고 포토레지스트 층에 의해 노출되는 질화물 또는 산화물 층의 구역에 초기에 개구를 형성하는데 통상적으로 사용되고, HBr과 Cl₂의 혼합물이 노출된 폴리실리콘을 이어서 에칭하는데 통상적으로 사용된다.

에칭 가스는 에칭 챔버로부터 주기적으로 제거될 필요가 있는 퇴적물 및 타르를 형성하도록 포토레지스트와 반응할 수 있고, 따라서 일반적으로 SF₆ 및 산소를 포함하는 세척 가스가 챔버로부터 원하지 않는 재료를 제거하도록 에칭 챔버에 주기적으로 공급된다.

에칭 챔버 내에서 수행되는 이들 에칭 및 세척 프로세스 중에, 에칭 챔버로부터의 가스 배기물에는 통상 에칭 챔버에 공급된 잔류량의 가스가 포함된다. CF₄ 및 SF₆과 같은 퍼플루오로화합물은 대기로 배기되면 매우 위험하고, 따라서 이를 감안하여 배기 가스가 대기로 통기되기 전에 경감 장치가 배기 가스를 처리하기 위해 종종 제공된다. 경감 장치는 배기 가스의 보다 유해한 성분을, 예를 들면 통상의 스크러빙(scrubbing)에 의해 배기 가스로부터 즉시 제거될 수 있거나 및/또는 대기로 안전하게 배기될 수 있는 종(species)으로 변환한다.

CF₄, SF₆, NF₃ 및 C₂F₆과 같은 퍼플루오로화합물(PFC)은 마이크로파 플라즈마 경감 장치를 사용하여 가스 스트림으로부터 고 효율로 제거될 수 있다. 마이크로파 플라즈마 반응기의 예가 영국 특허 GB 2,273,027호에 설명되어 있다. 이 장치에서는, 도파관이 마이크로파 발생기로부터 밀접하게 대향된 관계로 두 개의 전극을 수용하는 가스 챔버 내로 마이크로파 방사선을 운송한다. 처리될 가스는 가스 입구를 통해 가스 챔버 내로 유입되고, 전극 사이를 통과하며, 따라서 전극 사이로 유동하는 가스로부터 마이크로파 플라즈마가 두 개의 전극 사이에 개시 및 지속된다. 전극 중 하나는 가스 챔버로부터의 가스 출구를 제공하기 위한 축방향 구멍을 갖는다. 플라즈마 내의 강렬한 조건 하에서, 가스 스트림 내의 종은 여기 전자와 충돌하게 되어 반응 종으로 해리되고, 이 반응 종은 산소 또는 수소와 결합하여 비교적 안정한 부산물을 생성한다.

가스 스트림 내에 함유된 다양한 종과 반응하기 위한 산소 및 수소의 적절한 소스는 경감 장치로부터 상류측의 가스 스트림에 즉시 첨가될 수 있는 수증기이다. 예를 들면, 수증기와 CF₄의 반응은 CO₂ 및 HF를 형성할 수 있고, Cl₂는 챔버 내에 HCl을 형성할 수 있다. HF, HCl 및 HBr은 경감 장치로부터 하류측에 배치된 습식 스크러버(wet scrubber)에 의해 가스 스트림으로부터 이후에 제거될 수 있다.

전극, 전극 홀더 및 챔버의 내부면 중 하나 이상과 같은 플라즈마 경감 장치의 다양한 부분은 일반적으로 스테인레스강으로 형성된다. 철, 탄소 및 크롬에 부가하여, 스테인레스강은 또한 니켈, 몰리브덴, 니오븀 및 티타늄과 같은 다른 원소를 포함할 수도 있다. 공기의 존재 하에, 수동 표면 산화층이 형성되고, 이는 기 초의 스테인레스강을 부식으로부터 보호한다. 그러나, HF, HCl 및 HBr과 같은 산성 가스의 존재하에, 수동층이 박리되어 기초의 스테인레스강을 노출시킬 수 있다. 예를 들면, HF는 가스 챔버 내의 퍼플루오로화합물의 처리의 부산물로서 가스 챔버 내에 존재할 수 있고, HCl 또는 HBr은 에칭 프로세스 중에 프로세스 챔버로부터의 가스 배기물에 포함될 수 있다.

일단 니켈 산화물 층이 제거되면, HBr 및 HCl은 수분 레벨이 수 ppm(parts per million)을 초과할 때 스테인레스강에 포함된 금속과 반응할 수 있다. 스테인레스강 표면 상에 흡수된 물에 기인하여, 이들 반응의 부산물이 가스 챔버 및 전극을 열화시킬 수 있고, 이는 경감 장치의 효율을 감소시킬 수 있다.

본 발명의 적어도 바람직한 실시예의 목적은 플라즈마 경감 장치를 사용하여 HBr, HCl, Br₂ 및 Cl₂와 같은 다양한 양의 할로화합물 및 수증기를 함유하는 가스 스트림의 향상된 처리 방법을 제공하는 것이다.

제 1 양태에서, 본 발명은 다양한 양의 할로화합물 및 수증기를 함유하는 가스의 처리 방법으로서, 상기 가스를 수용하기 위한 가스 입구와 가스 출구를 갖는 가스 챔버를 포함하는 플라즈마 경감 장치를 제공하는 단계와, 챔버 내의 스테인레스강 표면 상의 물 흡수를 억제하는 온도로 챔버를 가열하는 단계와, 가스 챔버에 가스를 운송하여 챔버 내에서 처리되도록 하는 단계와, 가스의 처리 중에 챔버를 상기 온도 또는 그 이상으로 유지하는 단계를 포함하는 가스 처리 방법을 제공한다.

챔버 내의 임의의 스테인레스강 표면 상의 물의 흡수를 방지하기 위해 이 방식으로 가스 챔버를 가열함으로써, 반응이 발생하기 위한 수분이 불충분하기 때문에, HBr 및 HCl, Br₂ 또는 Cl₂와 같은 부식성 수소 할로겐화물과 스테인레스강 내에 포함된 금속의 반응이 억제될 수 있다. 120℃를 초과하는 온도로 챔버를 유지하면 가스 챔버를 통과하는 가스에 노출되는 임의의 스테인레스강 부품의 수명을 상당히 증가시킬 수 있는 것이 발견되었다. 이는 스테인레스강 표면 상의 물 흡수를 억제하기 위해 챔버의 온도가 이슬점을 충분히 상회하여 가열되지 않으면 스테인레스강 표면에서의 물 흡수가 여전히 발생할 수 있기 때문에 단순히 이슬점을 상회하여 챔버를 가열시키는 것과는 상이하다.

챔버의 과열을 방지하기 위해, 챔버는 바람직하게는 120 내지 350℃, 더 바람직하게는 120 내지 180℃의 온도 범위로 유지된다. 챔버는 챔버의 온도를 제어하기 위한 챔버 온도 제어 회로를 통해 열 전달 유체를 유동시키고 유체의 온도를 제어함으로써 이 온도 범위에서 적절하게 유지될 수 있다. 챔버 온도 제어 회로는 예를 들면, 가스 챔버의 상부, 하부 또는 주위에서 챔버의 벽 내에 부분적으로 배치될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 챔버 온도 제어 회로는 가스 출구 주위로 연장된다.

유체의 온도는 열 교환 수단을 통해 유체를 유동시키고 유체의 온도를 제어하도록 열 교환 수단을 제어함으로써 제어될 수 있다. 열 전달 유체는 제 1 열 교환기에 의해 바람직하게는 120℃ 미만인 제 1 유체 온도로 선택적으로 냉각될 수 있고, 제 2 열 교환기에 의해 바람직하게는 적어도 120℃인, 제 1 유체 온도보다 높은 제 2 유체 온도로 선택적으로 가열될 수 있다. 제 1 열 교환기는 열 유체로부터 열을 소산시키기 위한 온도 제어 회로의 비절연 파이프와 같은 수동 소자일 수 있고, 또는 제어기에 의해 제어되는 능동 소자일 수도 있다. 제 2 열 교환기는 바람직하게는 제어기에 의해 제어되는 능동 소자이다. 회로는 가스 챔버의 온도에 따라, 양 열 교환기를 통해서, 또는 열 교환기들 중 선택된 하나만을 통해서 열 전달 유체가 유동하도록 구성될 수 있다. 이 온도는 가스 챔버의 벽 상에 배치된 온도 센서를 사용하여 모니터링될 수 있다. 열 전달 유체는 고온 오일, 투열(透熱: diathermic) 유체 또는 다른 열 유체에 의해 제공될 수 있다.

챔버는 챔버로의 가스의 공급 전에 열 전달 유체 의해 상기 온도로 초기에 가열될 수 있다. 대안적으로, 챔버는 외부 가열 소자를 사용하여, 또는 임의의 다른 적절한 방식으로, 가스 스트림을 처리하기 위한 플라즈마를 발생시키고 가스 챔버에 열을 전달할 수 있는 경감 장치를 작동시킴으로써 가열될 수 있다.

바람직한 실시예에서, 플라즈마 경감 장치는 마이크로파 플라즈마 경감 장치를 포함하지만, 본 발명은 예를 들면 스테인레스강 전극 및/또는 스테인레스강 가스 챔버를 가질 수 있는 플라즈마 토치 경감 장치와 같은 다른 형태의 플라즈마 경감 장치에도 또한 적용 가능하다. 가스는 경감 장치에 의해 대기압에서 또는 대기압 부근에서 처리되는 것이 바람직하다.

제 2 양태에서, 본 발명은 다양한 양의 할로화합물 및 수증기를 함유하는 가스 처리 방법으로서, 가스를 수용하기 위한 가스 입구 및 가스 출구를 갖는 가스 챔버를 포함하는 플라즈마 경감 장치를 제거하는 단계와, 챔버를 적어도 120℃의 온도로 가열하는 단계와, 가스 챔버에 가스를 운송하여 가스를 챔버 내에서 처리되도록 하는 단계와, 가스의 처리 중에 챔버의 온도를 120℃ 내지 350℃ 범위의 온도 내로 유지하는 단계를 포함하는 가스 처리 방법을 제공한다.

제 3 양태에서, 본 발명은 플라즈마 경감 장치로서, 이 장치에 의해 처리될 가스를 수용하기 위한 가스 입구 및 가스 출구를 갖는 가스 챔버와, 할로화합물 및 수증기를 함유하는 가스의 처리 중에 챔버를 챔버 내의 스테인레스강 표면 상의 물의 흡수를 억제하는 온도로 유지하기 위한 열 제어 수단을 포함하는 플라즈마 경감 장치를 제공한다.

본 발명의 제 1 양태와 관련하여 전술된 특징은 제 2 및 제 3 양태에도 똑같이 적용될 수 있고, 제 2 및 제 3 양태와 관련하여 전술된 특징은 제 1 양태에도 똑같이 적용된다.

본 발명의 바람직한 특징이 이제 첨부 도면을 참조하여 예시적으로만 설명될 것이다.

도 1은 마이크로파 플라즈마 경감 장치의 외부 사시도.

도 2는 도 1의 장치의 측면도.

도 3은 도 2의 라인 A-A를 따른 상기 장치의 단면도.

도 4는 도 2의 라인 B-B를 따른 상기 장치의 단면도.

도 5는 도 3의 C구역의 확대도.

도 6은 상기 장치의 가스 챔버의 온도를 제어하기 위한 챔버 온도 제어 회로를 도시하고 있는 도면.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 마이크로파 플라즈마 경감 장치(10)는 전기 도전성 하우징(12)을 포함한다. 하우징(12)은 바람직하게는 스테인레스강으로 형성된다. 이는 304, 304L, 316, 316L 또는 다른 비자성 등급과 같은 오스테나이트 스테인레스강일 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, 하우징(12)의 폭을 가로질러 연장되어 경감 장치(10)의 공진 캐비티를 제공한다. 공진 캐비티(14)의 일 단부는 마이크로파 발생기(도시 생략)로부터 공진 캐비티(14) 내로 마이크로파 방사선을 운송하기 위해 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 정재파(standing wave)를 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 연장되도록 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 유전성 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 경감 장치(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 실질적 으로 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 경감 장치(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)가 또한 하우징(12) 내에 형성되고, 보어(54)는 공진 캐비티(14)의 횡단 방향으로 연장되고 공진 캐비티와 함께 경감 장치(10)의 가스 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 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. 팁(64)은 가스 입구(38)와 가스 출구(44) 사이에 유동하는 가스가 팁(64)을 통해 반경방향으로 통과되어 이에 의해 팁(64)의 냉각을 향상시키도록 그 부근으로 연장되는 복수의 구멍(65)을 구비할 수 있다. 구멍(65)은 바람직하게는 마이크로파 방사선이 구멍(65)을 통과하도록 치수 설정된다.

홀더(60)는 스테인레스강과 같은 전기 도전성 재료로 형성되는 것이 바람직하다. 이는 하우징(12)과 유사한 등급 또는 상이한 등급일 수 있다. 전기 도전성 부재(58) 및 홀더(60)는 경감 장치(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 가스 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 바람직하게는 가스 챔버(36) 내로 돌출된다. 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 미리 결정된 거리로 연장되도록 선택되는 것이 바람직하다.

튜브(62)는 바람직하게는 홀더(60)와 전기 접촉하여 유지된다. 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 냉각제 입구 포트(96)를 통해 환형 채널(94)에 공급되고, 홀더(60)를 통과하고 냉각제 입구 포트(96)에 실질적으로 대향하여 배치된 냉각제 출구 포트(98)를 통해 환형 채널(94)로부터 배출된다.

공진 캐비티에 운송되는 전자기 방사선의 출력에 따라, 공진 캐비티(14) 내 에 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.

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 경감 장치(10)의 사용 중에 공진 캐비티(14) 내에 형성된 전자기장의 최대 강도에 배치된 다.

경감 장치(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 접속되 고, 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 의해 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. 경감 장치(10)의 사용 중에 제 2 가스 도관(48) 내에 발생된 높은 온도에 기인하여, 물과 같은 냉각제가 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. 이러한 목적의 하나는 반도체 프로세스 챔버로부터 가스 배기물의 처 리를 위한 것이다. 프로세스 챔버 내에 발생하는 프로세스의 속성에 따라, CF₄, C₂F₆, CHF₃, NF₃ 또는 SF₆, 실란 및 암모니아와 같은 다양한 양의 해로운 퍼플루오로화합물 가스가 배기 가스 내에 존재할 수 있다. 이들 가스는 경감 장치(10)를 사용하여 가스로부터 고 효율로 제거될 수 있다. 이들 가스와 반응하기 위한 수증기는, 예를 들면 습식 프리-스크러버(wet pre-scrubber)를 통해 배기 가스를 통과시킴으로써 또는 수증기의 스트림을 배기 가스에 첨가함으로써 경감 장치(10)로부터 상류측의 배기 가스 스트림에 첨가될 수 있다. 가스 챔버(36) 내에서, 이들 가스는 수증기와 반응하여, 경감 장치(10)로부터 하류측에 배치된 습식 스크러버에 의해 배기 가스로부터 이후에 제거될 수 있는 CO₂ 및 HF와 같은 가스를 형성한다.

배기 가스가 HBr, HCl, Br₂ 및 Cl₂와 같은 가스를 함유할 때 문제가 발생할 수 있다. HBr 및 HCl은 챔버(36) 내에 존재하고, 가스 챔버(36) 내에서 발생하는 반응의 부산물로서 발생된 HF와 함께 하우징(12) 및 노즐 홀더(60)의 스테인레스강 표면으로부터 수동 표면 산화층을 박리하여 스테인레스강을 노출시킬 수 있다. 가스 챔버(36)에 진입하는 배기 가스 내에 존재하는 수증기는 노출된 스테인레스강 표면에 흡수되고, 스테인레스강의 금속 성분과 HBr, HCl, Br₂ 또는 Cl₂의 반응에 의해 이들 표면의 부식을 촉진할 수 있다. 이들 스테인레스강 부품의 표면의 열화 뿐만 아니라, 부식으로부터의 부산물이 공진 캐비티(14)에 진입하는 마이크로파와 간섭할 수 있고, 이는 가스 챔버(36) 내에 실행되는 가스 처리의 파괴 및 제거 효 율의 감소를 유도할 수 있다.

이를 감안하여, 가스를 가스 입구 포트(40)를 통해 가스 챔버(36) 내로 펌핑하기 전에, 가스 챔버(36)에 진입하는 가스가 수증기와 동시에 또는 수증기와는 별도로 HBr, HCl, Br₂ 또는 Cl₂와 같은 할로화합물을 포함할 가능성이 있을 때, 가스 챔버(36)는 가스 챔버(36) 내의 스테인레스강 표면 상의 물의 흡수를 억제하는 온도로 가열된다. 이 온도는 가스 챔버(36) 내의 스테인레스강 표면 상의 임의의 물 흡수의 위험을 최소화하도록 100℃ 초과, 본 예에서는 대략 120℃인 것이 바람직하다.

가스 챔버(36)는, 글로우-방전 가스로부터 가스 챔버(36) 내의 플라즈마를 점화하고, 가스가 가스 입구(40)를 통해 가스 챔버(36)에 진입하기 전에 가스 챔버의 온도를 대략 120℃로 상승시키는데 충분한 시간 동안 마이크로파 방사선의 공급에 의해 이 플라즈마를 유지함으로써 가열될 수 있다. 대안적으로, 하우징(12)은 가스 챔버(36)의 온도를 120℃ 이상으로 상승시키도록 외부 가열될 수도 있다.

가스 입구(40)를 통해 가스 챔버(36)에 진입하는 가스를 처리하기 위한 경감 장치(10)의 사용 중에, 가스 챔버(36)의 온도를 물 흡수를 억제하는 온도 이상으로 유지할 필요가 있다. 이를 감안하여, 바람직한 실시예에서, 경감 장치(10)는 가스 챔버(36)의 온도를 제어하기 위한 챔버 온도 제어 회로를 포함한다.

도 3 및 도 5를 참조하면, 하우징(12)은 가스 챔버(36)에 인접하여 배치된 유동 캐비티(120)를 포함한다. 본 실시예에서, 유동 캐비티(120)는 가스 챔버(36) 로부터 가스 출구(44) 주위로 연장된다. 압축 증기, 고온 실리콘 오일 또는 다른 투열 유체와 같은 열 유체가 하우징(12)을 통과하는 유체 입구 포트(122)를 통해서 유체 캐비티(120)로 공급되고, 이 유체 캐비티는 제 1 외부 커넥터(124)로부터 열 유체를 수용한다. 열 유체는, 또한 하우징(12)을 통과하고 유체 입구 포트(122)에 인접하여 배치된 유체 출구 포트(도시 생략)를 통해 유체 캐비티(120)로부터 배출된다. 제 1 외부 커넥터(124)에 인접하여 배치된 제 2 외부 커넥터(126)가 유체 출구 포트로부터 열 유체를 수용한다.

도 6을 참조하면, 유체 캐비티(120)는 가스 챔버(36)의 온도를 제어하기 위한 챔버 온도 제어 회로(130)의 부분을 형성한다. 열 유체의 유동은 펌프(132)에 의해 회로(130) 내에서 순환된다. 유체의 유동은 커넥터(124)로부터 유체 캐비티에 진입하고, 캐비티(120)로부터 커넥터(126)를 통해 배출되기 전에 캐비티(120) 주위에서 순환되고, 이에 의해 인접한 가스 챔버(36)의 온도를 제어한다.

열 유체의 온도는, 도 6에 도시되어 있는 바와 같이, 가스 챔버(36)에 인접하여 또는 가스 챔버(36)의 온도를 검출하기에 적합한 임의의 다른 위치에서 하우징(12)의 외부면 상에 장착될 수 있는 센서(134)로부터 가스 챔버(36)의 온도를 지시하는 신호를 수신하는 제어기(130)에 의해 제어된다. 이들 신호에 응답하여, 제어기(130)는 열 유체의 온도를 제어하기 위한 하나 이상의 열 교환기(136, 138)를 제어한다.

과열을 방지하기 위해, 가스 챔버는 바람직하게는 120 내지 350℃인 온도 범위 내에서 바람직하게 작동된다. 이 예에서, 가스 챔버(36)는 120 내지 180℃ 범 위의 온도 내에서 작동된다. 센서(134)로부터의 신호 출력이 가스 챔버(36)의 온도가 가스 챔버(36) 내의 플라즈마에 의해 발생된 열에 기인하여 이 온도 범위의 상한을 향하고 있음을 나타낼 때, 제어기(130)는 열 유체를 이 온도 범위 미만의 제 1 온도, 예를 들면 100℃ 부근 또는 그 미만으로 냉각하도록 제 1 열 교환기(136)를 작동시키며, 따라서 열 유체는 유체 캐비티(120)를 통과하면서 가스 챔버(136)의 온도를 감소시키는 역할을 한다. 센서(134)로부터의 신호 출력이 챔버(36)의 온도가 예를 들면 비교적 저온의 열 유체에 의한 냉각의 기간 후에 이 온도 범위의 하한을 향하고 있음을 나타낼 때, 제어기(130)는 열 유체를 이 온도 범위 내의 또는 이 온도 범위를 상회하는 제 2 온도로 가열하도록 제 2 열 교환기(138)를 작동시키며, 따라서 열 유체는 유체 캐비티(120)를 통과하면서 가스 챔버(36)의 온도를 상승시키는 역할을 한다. 선택적으로, 제 1 열 교환기(136)는 제 2 열 교환기의 작동 중에 작동될 필요가 없고, 그 역도 성립하며, 따라서 회로(120)는 열 교환기들 중 하나 또는 양자가 가스 챔버(36)의 온도에 따라 선택적으로 바이패스될 수 있도록 구성될 수 있다.

본 예에서는, 가스 챔버의 온도를 제어하기 위해 직접적인 능동 방법이 사용된다. 그러나, 후술하듯이 간접적인 방법이 사용될 수도 있다.

먼저, 가스 챔버(36)에 대한 공칭 및 최대 연속 작동 온도가 예를 들면 120 내지 130℃로 결정될 수 있다. 다음으로, 마이크로파 출력원으로부터의 최대 방열(출력 손실 및 플라즈마 손실)이 계산, 평가 또는 측정에 의해 결정될 수 있다. 열 유체의 비열 용량을 알면, 최대 온도를 전술한 바와 같이 제한하기 위한 유량이 유도될 수 있다. 제 1 열 교환기(136)는 이어서 가스 챔버(36) 내에서 흡수되는 것보다 약간 많은 에너지를 소산시키도록 설계될 수 있고, 제 2 열 교환기(138)는 이어서 가스 챔버(36)의 온도 제어가 간접적이도록, 즉 가스 챔버(36)로의 유체 입구 상의 순환 열 유체의 온도 제어를 통해서 이루어지도록 순환 열 유체의 온도를 요구 온도(본 예에서는, 120℃)로 제어하는데 사용될 수 있다.

가스 챔버(36)의 온도를 선택된 온도 범위 이내로 유지하는데 사용되는 것에 부가하여, 상기 회로(120)는 또한 처리될 가스가 가스 챔버(36)에 진입하기 전에 가스 챔버(36)를 초기에 가열하는데 사용될 수 있다.

Claims

다양한 양의 할로화합물 및 수증기를 함유하는 가스의 처리 방법에 있어서,

상기 가스를 수용하기 위한 가스 입구와 가스 출구를 갖는 가스 챔버를 포함하는 플라즈마 경감 장치를 제공하는 단계와, 상기 챔버 내의 스테인레스강 표면 상의 물의 흡수를 억제하는 온도로 상기 챔버를 가열하는 단계와, 상기 가스 챔버에 가스를 운송하여 챔버 내에서 처리되도록 하는 단계와, 가스의 처리 중에 챔버를 상기 온도 또는 그 이상으로 유지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는

가스 처리 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 챔버는 가스가 상기 챔버로 운송되기 전에 적어도 120℃로 가열되는 것을 특징으로 하는

가스 처리 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 챔버는 가스의 처리 중에 120 내지 350℃의 범위 내로 유지되는 것을 특징으로 하는

가스 처리 방법.
제 3 항에 있어서,

상기 챔버는 가스의 처리 중에 120℃ 내지 180℃의 범위 내로 유지되는 것을 특징으로 하는

가스 처리 방법.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 챔버는 챔버의 온도를 제어하기 위한 챔버 온도 제어 회로를 통해서 열 전달 유체를 유동시키고 상기 유체의 온도를 제어함으로써 상기 온도를 상회하여 유지되는 것을 특징으로 하는

가스 처리 방법.
제 5 항에 있어서,

상기 챔버 온도 제어 회로는 상기 챔버의 벽 내에 부분적으로 배치되는 것을 특징으로 하는

가스 처리 방법.
제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,

상기 챔버 온도 제어 회로는 상기 가스 출구 주위로 연장되는 것을 특징으로 하는

가스 처리 방법.
제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 유체의 온도는, 열 교환 수단을 통해서 유체를 유동시키고 유체의 온도를 제어하도록 상기 열 교환 수단을 제어함으로써 제어되는 것을 특징으로 하는

가스 처리 방법.
제 8 항에 있어서,

상기 열 전달 유체는 유체를 제 1 유체 온도로 선택적으로 냉각시키기 위한 제 1 열 교환기와, 유체를 상기 제 1 유체 온도보다 높은 제 2 유체 온도로 선택적으로 가열하기 위한 제 2 열 교환기 중 적어도 하나를 통해서 운송되는 것을 특징으로 하는

가스 처리 방법.
제 9 항에 있어서,

상기 제 1 유체 온도는 120℃ 미만이고, 상기 제 2 온도는 적어도 120℃인 것을 특징으로 하는

가스 처리 방법.
제 5 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 열 전달 유체는 투열 유체를 포함하는 것을 특징으로 하는

가스 처리 방법.
제 5 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 챔버는 챔버로의 가스 공급 이전에 열 전달 유체 의해 상기 온도로 가열되는 것을 특징으로 하는

가스 처리 방법.
제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 플라즈마 경감 장치는 마이크로파 플라즈마 경감 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는

가스 처리 방법.
제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 가스는 대기압 또는 그 근처에서 처리되는 것을 특징으로 하는

가스 처리 방법.
제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 할로화합물은 브롬화수소 또는 염화수소와 같은 수소 할로겐화물, Br₂ 및 Cl₂ 중 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는

가스 처리 방법.
다양한 양의 할로화합물 및 수증기를 함유하는 가스의 처리 방법에 있어서,

가스를 수용하기 위한 가스 입구 및 가스 출구를 갖는 가스 챔버를 포함하는 플라즈마 경감 장치를 제공하는 단계와, 상기 챔버를 적어도 120℃의 온도로 가열하는 단계와, 상기 가스 챔버에 가스를 운송하여 상기 챔버 내에서 처리되도록 하는 단계와, 상기 가스의 처리 중에 상기 챔버의 온도를 120℃ 내지 350℃ 범위의 온도 내로 유지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는

가스 처리 방법.
플라즈마 경감 장치에 있어서,

상기 장치에 의해 처리될 가스를 수용하기 위한 가스 입구 및 가스 출구를 갖는 가스 챔버와, 할로화합물 및 수증기를 함유하는 가스의 처리 중에 상기 챔버를 상기 챔버 내의 스테인레스강 표면 상의 물의 흡수를 억제하는 온도로 유지하기 위한 열 제어 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는

플라즈마 경감 장치.
제 17 항에 있어서,

상기 열 제어 수단은 상기 가스의 처리 중에 상기 챔버를 120℃ 내지 350℃ 범위의 온도 내로 유지하도록 구성되는 것을 특징으로 하는

플라즈마 경감 장치.
제 17 항 또는 제 18 항에 있어서,

상기 열 제어 수단은 상기 챔버의 온도를 제어하기 위한 챔버 온도 제어 회로와, 상기 온도 제어 회로를 통해서 열 전달 유체를 유동시키기 위한 수단과, 상기 유체의 온도를 제어하기 위한 제어 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는

플라즈마 경감 장치.
제 19 항에 있어서,

상기 챔버 온도 제어 회로는 상기 챔버의 벽 내에 부분적으로 배치되는 것을 특징으로 하는

플라즈마 경감 장치.
제 19 항 또는 제 20 항에 있어서,

상기 챔버 온도 제어 회로는 상기 가스 출구 주위로 연장되는 것을 특징으로 하는

플라즈마 경감 장치.
제 19 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 열 제어 수단은 유체가 그를 통해 유동하는 열 교환 수단을 포함하고, 상기 제어 수단은 유체의 온도를 제어하기 위해 상기 열 교환 수단을 제어하도록 구성되는 것을 특징으로 하는

플라즈마 경감 장치.
제 22 항에 있어서,

상기 열 교환 수단은 유체를 제 1 온도로 선택적으로 냉각하기 위한 제 1 열 교환기와, 유체를 상기 제 1 온도보다 높은 제 2 온도로 선택적으로 가열하기 위한 제 2 열 교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는

플라즈마 경감 장치.
제 23 항에 있어서,

상기 제 1 온도는 상기 온도 범위보다 낮고, 상기 제 2 온도는 적어도 상기 온도 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는

플라즈마 경감 장치.
제 19 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 열 교환 유체는 투열 유체를 포함하는 것을 특징으로 하는

플라즈마 경감 장치.
제 17 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 가스 챔버는 스테인레스강으로 형성되는 것을 특징으로 하는

플라즈마 경감 장치.
제 17 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 있어서,

마이크로 플라즈마 경감 장치의 형태인 것을 특징으로 하는

플라즈마 경감 장치.
제 27 항에 있어서,

상기 가스 챔버 내로 돌출되는 전기 도전성 부재를 포함하고, 상기 전기 도전성 부재는 스테인레스강으로 형성되는 것을 특징으로 하는

플라즈마 경감 장치.