KR20100037609A - 플라즈마 반응기 - Google Patents
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Abstract
플라즈마 반응기는 반응 챔버와 반응 챔버에 연결된 입구 헤드를 포함한다. 입구 헤드는 반응 챔버에 연결된 개방 단부와, 개방 단부에 대향하여 위치된 플라즈마 입구와, 개방 단부로부터 플라즈마 입구를 향해 테이퍼진 내측면과, 플라즈마 입구와 개방 단부 사이에 각각 위치된 제 1 및 제 2 가스 입구를 포함한다. 플라즈마 토치는 플라즈마 입구를 통해 반응 챔버 내로 플라즈마 스트림을 분사하며, 상기 플라즈마 입구는 플라즈마 스트림이 제 1 및 제 2 가스 입구를 향해 외측으로 방사되도록 형상 설정되어 있다. 입구 헤드 및 플라즈마 입구의 이러한 형상은 플라즈마 스트림 및 가스 스트림이 가스 입구로부터 빠져나갈 때 플라즈마 스트림이 가스 스트림 상에 충돌할 수 있도록 함으로써, 가스 스트림이 챔버 내에서 혼합되기 시작하기 전에 가스 스트림의 상당한 비율의 적어도 하나의 성분이 반응되도록 한다.
Description
본 발명은 플라즈마 반응기에 관한 것이다. 상기 장치는 프로세스 챔버로부터 배기되는 가스 스트림을 처리하기 위한 플라즈마 저감 시스템(plasma abatement system)에서 특히 사용된다.
반도체 디바이스 제조의 1차 단계는 증기 전구체의 화학적 반응에 의해 반도체 기판 상에 박막을 형성하는 것이다. 기판 상에 박막을 퇴적시키기 위한 하나의 공지된 기술은 화학적 증착법(CVD)이다. 이러한 기술에서, 프로세스 가스는 기판을 수용하는 프로세스 챔버에 공급되어, 기판의 표면 위에 박막을 형성하도록 반응한다. 프로세스 챔버에 공급되어 박막을 형성하는 가스의 예시는,
실리콘 질화막(silicon nitride film)을 형성하기 위한 실란 및 암모니아와;
실리콘 질산화막(SiON film)을 형성하기 위한 실란, 암모니아 및 아산화질소(nitrous oxide)와;
실리콘 산화막을 형성하기 위한 테트라에틸오쏘실리케이트(TEOS) 및, 산소 및 오존 중 하나와;
알루미늄 산화막을 형성하기 위한 트리메틸알루미늄[Al(CH3)3] 및 수증기를 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다.
또한, 일반적으로, 회로 형상부를 에칭하기 위해 프로세스 챔버 내에서 플라즈마 에칭 프로세스가 수행된다. 일반적으로, 에칭 가스는 CF4, C2F6, CHF3, NF3 및 SF6와 같은 과불화 화합물(perfluorocompound) 가스이다.
또한, 프로세스 챔버의 내부면은 원치 않는 퇴적 물질을 챔버로부터 제거하기 위해 정기적으로 세정된다. 챔버를 세정하는 하나의 방법은 NF3 또는 C2F6와 같은 과불화 화합물 세정 가스를 공급해서 원치 않는 퇴적 물질과 반응시키는 것이다.
일반적으로, 프로세스 기구는 복수의 프로세스 챔버를 가지며, 각각의 프로세스 챔버는 퇴적, 에칭 또는 세적 프로세스시 각각 상이한 단계에 있을 수 있다. 일반적으로, 프로세스 챔버로부터 배기된 가스 스트림의 합성물은 프로세스로부터의 부산물과 함께 프로세스 챔버로 공급된 가스의 잔류량을 포함한다. 그러므로, 프로세스시, 챔버로부터 배기된 가스의 조합으로부터 형성된 폐기물 스트림은 다수의 상이한 합성물을 가질 수 있다.
실란 및 TEOS와 같은 프로세스 가스와, 과불화 화합물과 같은 세정 가스는 대기에 배기되는 경우 매우 위험해서, 배기 가스가 대기로 통기되기 전에 저감 장치로 이송된다. 저감 장치는 매우 유해한 성분을 종래의 스크러빙(scrubbing)에 의해 용이하게 제거될 수 있고 그리고/또는 대기에 안전하게 배기될 수 있는 종(species)으로 변환시킨다.
연료를 사용하지 않는 저감 기술 쪽으로 바뀌어 가는 것이 현재의 경향이며, 에칭 프로세스 챔버로부터의 배기 가스 내의 바람직하지 않은 종은 플라즈마 저감 장치를 사용하여 높은 효율 및 비교적 저가로 제거될 수 있다고 알려져 있다. 플라즈마 저감 프로세스에서, 가스 스트림은 고밀도의 플라즈마 내로 유동하게 되며, 격렬한 조건 하에서 가스 스트림 내의 플라즈마 종이 활동성 전자와 충돌해서, 산소 또는 수소와 조합하여 비교적 안정적인 부산물을 생성할 수 있는 반응성 종으로 분리된다. 예컨대, C2F6는 CO, CO2 및 HF로 변환될 수 있으며, 이들은 후속 처리 단계에서 제거될 수 있다. 따라서, 플라즈마 저감 기술을 연장시켜 연료를 사용하지 않는 단일 저감 장치가 프로세스 챔버의 범위로부터 배기 가스를 처리하는데 사용될 수 있는 것이 바람직하다.
그러나, 챔버 내에서 실행되는 프로세스에 따르면, 상이한 배기 가스가 서로 양립할 수 없는 화학 물질을 함유할 수 있다. 예컨대, 실리콘 산화물 퇴적 프로세스가 실행되는 챔버로부터의 배기 가스는 챔버 내에서 발생된 TEOS, 산소 및 SiO2 미립자를 함유할 수 있다. 반면에, NF3 세정 프로세스가 실행되는 챔버로부터의 배기 가스는 불소(F2)를 함유할 수 있다. TEOS 및 불소는 배기 가스 배관(pipework) 내의 발화 또는 폭발을 잠재적으로 야기하는 접촉으로 자연적으로 연소한다. 이들 가스 스트림은 각각의 저감 장치를 사용하여 개별적으로 처리될 수 있지만, 이것은 저감 시스템과 관련된 비용을 증가시킨다.
또한, 마이크로파 플라즈마 저감 장치의 파괴 효율을 최적화하기 위해, 가스 입구는 일반적으로 1㎟ 이다. 결과적으로, 배기 가스 내의 단 몇 미크론의 직경을 갖는 미립자의 존재가 플라즈마 저감 장치의 입구를 신속하게 방해할 수 있게 된다.
본 발명의 적어도 바람직한 실시예의 목적은 이들 및 다른 문제점을 해결하는 것이다.
제 1 실시예에서, 본 발명은 플라즈마 반응기로서,
반응 챔버와;
상기 반응 챔버에 연결된 개방 단부와, 상기 개방 단부에 대향하여 위치된 플라즈마 입구와, 상기 개방 단부로부터 상기 플라즈마 입구를 향해 테이퍼진 내측면과, 상기 플라즈마 입구와 상기 개방 단부 사이에 각각 위치된 제 1 및 제 2 가스 입구를 구비하는 입구 헤드와;
상기 플라즈마 입구를 통해 상기 반응 챔버 내로 플라즈마 스트림을 분사시키기 위한 플라즈마 토치를 포함하며,
상기 플라즈마 입구는 상기 플라즈마 스트림이 상기 가스 입구를 향해 외측으로 방사되도록 형상 설정된, 플라즈마 반응기를 제공한다.
이러한 입구 헤드 및 플라즈마 입구의 형상 설정은 플라즈마 스트림 및 가스 스트림이 가스 입구로부터 빠져나갈 때 플라즈마 스트림이 가스 스트림 상에 충돌할 수 있게 한다. 플라즈마 스트림은 가스 스트림이 챔버 내에서 혼합되기 시작하기 전에 가스 스트림의 상당한 비율의 적어도 하나의 성분이 반응될 수 있도록 하는 에너지원을 제공할 수 있다.
예컨대, 가스 스트림의 성분 중 하나가 가연성이며 충분한 양의 산화제와 함께 반응기 내로 이송되면, 플라즈마 스트림은 가스 스트림이 반응기 내에서 다른 가스 스트림과 혼합되기 전에 가연성 성분의 실질적으로 완전하고 제어된 연소를 야기하는 점화 에너지를 제공할 수 있다. 이것은 불소와 같은 다른 가스 스트림의 성분과 TEOS와 같은 하나의 가스 스트림의 가연성 성분 사이에 플라즈마 반응기 내에서 발생하는 제어되지 않은 반응을 억제할 수 있다.
다른 가스 스트림의 이러한 성분은 반응 챔버에 개별적으로 공급되거나 이전에 가스 스트림 내에 포함된 수증기와 같은 반응물과 반응될 수 있으며, 플라즈마 스트림은 이러한 반응을 촉진시키기 위한 에너지원을 제공한다.
결과적으로, 플라즈마 반응기는 각각의 가스 스트림에 대해 플라즈마 반응기를 포함하는 저감 시스템에 비해 감소된 전력 소모 및 비용으로 2개의 프로세스 챔버로부터의 가스 스트림 배기를 동시에 처리하는데 사용될 수 있다.
프로세스 분말이 모일 수 없는 고온의 반응기를 생성하기 위해, 반응 챔버는 환형 본체와, 반응 챔버 상의 퇴적물의 성장을 억제하기 위해 환형 본체의 내측면에 가스를 공급하기 위한 수단을 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 특징부는 상술된 입구 헤드를 갖지 않는 플라즈마 반응기 내에 제공될 수 있으며, 따라서 제 2 실시예에서, 본 발명은 플라즈마 반응기로서,
반응 챔버와;
상기 반응 챔버 플라즈마에 가스를 공급하기 위한 적어도 하나의 가스 입구와;
상기 반응 챔버 내로 플라즈마 스트림을 분사시키기 위한 플라즈마 토치를 포함하며,
상기 반응 챔버는 환형 본체와, 반응 챔버 상의 퇴적물의 성장을 억제하기 위해 환형 본체의 내측면에 가스를 공급하기 위한 수단을 포함하는, 플라즈마 반응기를 제공한다.
환형 본체는 다공성의 환형 부재를 포함하며, 가스 공급 수단은 가스를 수용하기 위해 환형 부재 주위로 연장되는 플리넘(plenum) 챔버를 포함한다. 가스는 환형 부재를 통해 플리넘 챔버로부터 압력 하에 통과해서, 환형 부재의 내측면 상에 축적될 수 있는 임의의 퇴적물을 제거한다.
환형 본체의 내측면에 공급되는 가스를 가열하기 위한 수단이 제공될 수 있다. 상기 수단은 플리넘 챔버 내에 위치된 전기 저항성 히터에 의해, 또는 변형적으로 플리넘 챔버를 둘러싸고 있는 히터에 의해 제공될 수 있다. 반응기 챔버에 공급되는 가스를 가열하는 것은 반응기 챔버의 길이를 따라 고온을 유지할 수 있음으로써, 가스 스트림의 성분이 챔버 내에 발생되는 고온 조건에 노출되는 동안의 시간의 길이를 증가시켜서, 반응기의 저감 성능을 증대시킨다.
가스는 질소 또는 아르곤과 같은 불활성 퍼지 가스일 수 있으며, 가스 입구 중 하나를 통해 반응기에 진입하는 가스 스트림의 성분과 함께 반응시키기 위한 수증기, 산소, 수소 또는 메탄과 같은 반응물을 포함할 수 있다. 이것은 반응기 챔버에 반응물을 공급하는데 추가적인 가스 공급이 필요하지 않기 때문에, 반응기 챔버에 반응물을 공급하기 위한 종래의 메카니즘을 제공할 수 있다.
냉각 기둥의 내측면을 따라 물의 유동을 유지하기 위한 수단과 함께, 반응 챔버와 유체 연통 관계로 반응 챔버 아래에 냉각 기둥이 제공될 수 있다. 이것은 냉각된 반응 산물 스트림이 반응 챔버를 빠져나갈 수 있게 하는 한편, 가스 스트림 내에 함유된 HF와 같은 산성 가스가 기둥의 내측면을 코팅하는 물의 유동에 의해 용액 내로 들어갈 수 있도록 하며, 또한 고체 미립자가 이러한 물의 유동에 의해 포획될 수 있도록 한다. 또한, 냉각 기둥은 반응기의 다른 부분에 제공되는 열을 재이용하기 위한 열교환기를 포함할 수 있다.
제 1 가스 입구는 제 2 가스 입구에 직경방향으로 대향하여 위치되는 것이 바람직하다. 내측면의 형상은 플라즈마 스트림의 형상에 거의 일치하도록 선택됨으로써, 가스 입구와 플라즈마 스트림 사이의 가스 경로의 길이를 최소화시키는 것이 바람직하다. 예컨대, 입구 헤드의 내측면은 플라즈마 스트림이 플라즈마 입구로부터 외측으로 타오르는 각도에 거의 정합하도록 선택된 테이퍼 각도를 갖는 대체로 원뿔 또는 원뿔대 형상일 수 있다.
각각의 가스 입구는 반응 챔버 내에서 처리되는 가스 스트림을 수용하기 위한 노즐과, 퍼지 가스를 수용하기 위하여 노즐 주위로 연장되는 환형 통로를 포함한다. 이러한 퍼지 가스는 입구 헤드를 냉각시키도록 작용할 수 있으며, 퍼지 가스에 의해 입구 헤드로부터 배출되는 열이 퍼지 가스에 의해 반응 챔버 내로 역으로 재도입되는 추가적인 장점을 갖는다. 퍼지 가스는 질소 또는 아르곤과 같은 비교적 불활성인 가스를 포함할 수 있으며, 가스 입구에 의해 반응기 내로 이송되는 가스 스트림의 성분과 반응시키기 위한, 수소, 수증기, 산소 또는 메탄과 같은 반응물을 포함할 수도 있다. 노즐은 가스 입구 내에서 종결되어, 가스 입구를 빠져나가기 전에 반응물이 가스 스트림과 혼합되는 기회를 제공할 수 있다. 또한, 입구는 노즐 및 환형 통로에 의해 동심으로 둘러싸여진 노즐 내로 연장되는 반응물 가스 입구 파이프를 포함할 수 있다. 반응물 가스 입구 파이프 쪽으로 통과되는 반응물 가스는, 예컨대 수소, 수증기, 메탄 또는 산소를 포함할 수 있다. 반응물 가스 입구 파이프 쪽으로 통과되는 반응물 가스는 환형 통로 쪽으로 통과하는 임의의 반응물에 추가되거나, 상기 임의의 반응물을 대신할 수 있다.
입구 헤드는 제 1 및 제 2 가스 입구 쪽으로 플라즈마 스트림을 배향시키기 위해 플라즈마 입구와 반응 챔버 사이에 위치되는 수단을 포함함으로써, 가스 입구로부터 플라즈마 스트림 쪽으로 연장되는 가스 경로를 더욱 감소시킬 수 있다. 예컨대, 세라믹 본체는 입구 헤드 내에 위치되어, 본체와 입구 헤드의 내측면 사이에 위치된 원뿔 또는 원뿔대 채널 내로 플라즈마 스트림을 배향시키도록 형상 설정될 수 있다. 본체의 외측면 상에 가스층을 발생시키기 위한 수단이 제공될 수 있다. 예컨대, 세라믹 본체는 다공성이며, 가스의 스트림이 본체의 외측면 상에 가스층을 발생시키기 위해 본체에 공급될 수 있다. 이러한 가스층은 세라믹 본체에 대해 보호성 가스 경계를 제공할 수 있다. 또한, 가스는 가스 입구 중 하나를 통해 반응기에 진입하는 가스 스트림의 성분과 반응시키기 위한 반응물을 포함할 수 있다. 냉각수가 본체에 공급되면, 가스 스트림의 성분과 반응시키기 위한 수증기원(source of water vapour)을 제공할 수 있다.
본 발명의 바람직한 특징이 첨부된 도면을 참조하여 단지 예시의 방법으로서 서술될 것이다.
본 발명에 의하면, 플라즈마 반응기는 각각의 가스 스트림에 대해 플라즈마 반응기를 포함하는 저감 시스템에 비해 감소된 전력 소모 및 비용으로 2개의 프로세스 챔버로부터의 가스 스트림 배기를 동시에 처리하는데 사용될 수 있다.
도 1은 플라즈마 반응기의 제 1 실시예의 단면도,
도 2는 플라즈마 반응기의 제 2 실시예의 단면도,
도 3은 플라즈마 반응기의 제 3 실시예의 단면도,
도 4는 플라즈마 반응기의 제 4 실시예의 단면도.
도 2는 플라즈마 반응기의 제 2 실시예의 단면도,
도 3은 플라즈마 반응기의 제 3 실시예의 단면도,
도 4는 플라즈마 반응기의 제 4 실시예의 단면도.
먼저 도 1을 참조하면, 플라즈마 반응기의 제 1 실시예는 반응기 챔버(12)를 포함한다. 반응기 챔버(12)는 대체로 원통형이며, 환형 본체(16)의 내측면(14)에 의해 경계 설정된다. 이러한 예시에서, 환형 본체(16)는 다공성의 세라믹 환형 부재에 의해 제공되며, 상기 세라믹 환형 부재는 환형 본체의 외측면과 원통형 외측 쉘(20) 사이에 형성된 플리넘 볼륨(plenum volume)(18)에 의해 둘러싸여진다. 하기에 보다 상세하게 서술되는 바와 같이, 가스는 하나 이상의 입구 노즐(22)을 통해 플리넘 볼륨(18) 내로 도입되어서, 도 1에서 참조부호(24)로 도시되는 바와 같이, 사용시에 반응기 챔버(12) 내로 환형 본체(16)를 통과한다.
반응기 챔버(12)의 (도시된 바와 같은) 하측 단부는 반응 산물이 반응기 챔버(12)로부터 출력될 수 있도록 개방되어 있다. 반응기 챔버(12)의 (도시된 바와 같은) 상측 단부는 처리되는 가스를 반응기 챔버(12)에 공급하기 위해 입구 헤드(30)에 연결되어 있다. 입구 헤드(30)는 반응 챔버(12)에 연결된 개방 하측 단부(32)와, 개방 단부(32)에 대향하여 배치된 플라즈마 입구(34)를 포함하며, 입구 헤드(30)의 내측면(36)은 개방 단부(32)로부터 플라즈마 입구(34)를 향해 테이퍼져 있다.
DC 플라즈마 토치(38)는 플라즈마 입구(34)를 통해 플라즈마 스트림을 분사하기 위해 입구 헤드(30)로부터 외측에 위치된다. 플라즈마 스트림은, 예컨대 아르곤 또는 질소와 같은 임의의 이온화 가능한 플라즈마 소스 가스로부터 발생될 수 있다. 플라즈마 입구(34)는 플라즈마 스트림이 플라즈마 입구(34)를 빠져나갈 때 외측으로 방사되도록 형상 설정된다. 이러한 예시에서, 플라즈마 입구(34)는 플라즈마 토치(38)에 인접하여 위치된 수렴 섹션과, 입구 헤드(30)의 내측면(36)에 인접하여 위치된 발산 섹션을 갖는 내측벽을 구비해서, 플라즈마 스트림이 플라즈마 플레어(flare) 각도(α)로 플라즈마 입구(34)로부터 외측으로 타오른다. 입구 헤드(30)의 내측면(36)은 플라즈마 스트림의 형상에 거의 일치하도록 형상 설정된다. 이러한 예시에서, 내측면(36)은 대체로 원뿔대 형상으로서, 플라즈마 플레어 각도(α)와 거의 정합하는 테이퍼 각도(β)를 갖는다.
또한, 입구 헤드(30)는 제 1 가스 입구(40) 및 제 2 가스 입구(42)를 포함하며, 각각의 가스 입구는 입구 헤드(30)의 플라즈마 입구(34)와 개방 단부(32) 사이에 위치되며, 대체로 평행한 방향으로 입구 헤드(30)를 통해 연장된다. 각각의 가스 입구(40, 42)는 플라즈마 반응기 내에서 처리되는 가스를 각각의 가스 입구(40, 42)로 공급하는 각각의 가스 공급 도관(44, 46)에 연결된다. 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 입구(40, 42)는 플라즈마 반응기를 통해 처리되는 가스를 환형 본체(16)의 내측면(14)에 평행한 하향 방향으로 공급하도록 배열될 수 있다. 또한, 입구(40, 42)는 처리되는 가스를 입구 헤드(30)(도시되지 않음) 내로 각도를 갖고 입구(40, 42)를 배향시킴으로써 플라즈마 반응기를 통해 하향 나선 방향으로 공급하도록 배열될 수 있으며, 따라서 반응기 내의 가스의 잔류 시간을 증가시킬 수 있다. 가스 공급 도관(44, 46)으로부터 가스를 수용하여 반응 챔버(12) 내로 가스를 분사하기 위해 각각의 가스 입구(40, 42) 내에 노즐(48)이 제공된다. 각각의 노즐(48)은 노즐(48)의 외측면과 가스 입구(40, 42)의 내측면 사이에 형성된 환형 가스 통로(50)에 의해 둘러싸여 있으며, 플라즈마 반응기의 사용시 입구 헤드(30)를 냉각시키기 위해 퍼지 가스가 공급된다.
가스 입구(40, 42)에 공급되는 가스는 반도체 프로세스 챔버로부터의 배기 가스를 포함할 수 있으며, 각각의 가스 입구(40, 42)는 다른 프로세스 챔버로부터 가스를 수용하도록 배열된다. 예컨대, 소정의 시간에서, 가스 도관(44)으로 이송되는 가스는 실리콘 산화물 퇴적 프로세스가 실행되는 프로세스 챔버로부터의 배기 가스일 수 있으며, 가스 도관(46)으로 이송되는 가스는 세정 프로세스가 실행되는 다른 프로세스 챔버로부터의 배기 가스일 수 있다. 따라서, 반응기에 공급되는 가스는 양립할 수 없으며, 이러한 예시에서, 하나의 가스가 TEOS를 함유할 수 있는 한편, 다른 가스는 불소를 함유할 수 있다.
입구 헤드(30)의 설계는 이들 가스가 가스 입구(40, 42)로부터 플라즈마 반응기에 진입할 때 플라즈마 스트림이 이들 가스 상에 충돌할 수 있도록 할 수 있다. 내측면(36)의 형상은 각각의 가스 입구(40, 42)와 플라즈마 스트림 사이에 단지 비교적 짧은 가스 경로가 존재하며, 따라서 플라즈마 스트림에 의해 부딪히기 전에 가스가 혼합될 기회가 거의 없다는 것을 의미한다. 플라즈마 스트림은 가스가 반응 챔버(12) 내에서 혼합되기 시작하기 전에 가스의 상당한 비율의 적어도 하나의 성분이 반응되도록 할 수 있는 에너지원을 제공할 수 있다. 예컨대, 플라즈마 스트림은 퇴적 프로세스 챔버로부터의 배기 가스와 함께 함유된 TEOS와 같은 가연성 가스의 저감을 위한 점화원(ignition source)을 제공할 수 있다. TEOS는 산소 또는 오존과 같은 산화제의 양을 구비하여 이러한 챔버로부터 통상적으로 배기되어서, 가스 내에 충분한 산화제가 존재한다면, 가연성 가스의 실질적으로 완전한 연소가 반응기 내에서 발생할 수 있다. 가연성 가스의 완전 연소를 위해 불충분한 산화제가 배기 가스 내에 함유되어 있는 경우에는, 추가적인 산화제가 가스 입구(44)의 노즐(48)을 둘러싸는 환형 통로(50)에 공급되는 퍼지 가스에 공급될 수 있다.
상술된 바와 같이, 가스 도관(46)으로 이송된 가스는 세정 프로세스가 실행되는 프로세스 챔버로부터의 배기 가스일 수 있어서, 세정 프로세스시 발생되는 불소(F2) 및 SiF4와 함께 NF3와 같은 세정 가스를 함유할 수 있다. F2 및 SiF4의 저감은 수증기를 구비한 이들 종의 반응이 신속하고 완전하게 되기에 충분한 온도까지 플라즈마 스트림에 의한 가스의 가열에 의해 성취된다. 다시, 수증기는 가스 입구(46)의 노즐을 둘러싸는 가스 통로(50)에 공급되는 퍼지 가스 내에 포함된 반응기에 공급될 수 있어서, 입구 헤드(30) 내에서 반응이 시작될 수 있다. 변형적으로, 가연성 가스가 가스 입구(44)에 거의 근접하여 저감되며, 반응 챔버(12) 내에 가연성 가스가 거의 존재하지 않는다면, 플리넘 챔버(18)에 공급되는 퍼지 가스 내에 포함된 반응 챔버(12)에 수증기가 공급될 수 있어서, 수증기를 구비한 불소 및 SiF4의 반응이 반응 챔버(12) 내에서 전체적으로 발생된다. NF3 및 다른 과불화 화합물의 저감은 상승된 온도와 보다 긴 잔류 시간을 필요로 하며, 이는 플리넘 챔버(18)에 공급되는 [워터-베어링(water-bearing)] 퍼지 가스를 가열함으로써 성취된다. 퍼지 가스는 플리넘 챔버(18) 내에 위치된 전기 저항 히터를 사용하거나, 플리넘 챔버(18)를 둘러싸고 있는 가열 재킷에 의해 가열될 수 있다.
플라즈마 반응기에 진입하는 가스 중 하나가 실리콘 이산화물 퇴적이 발생되는 프로세스 챔버로부터의 배기 가스일 수 있기 때문에, 실로콘 이산화물의 미립자가 반응기에 진입할 수 있다. 이것은 퇴적 프로세스시, 기판에 대해 당면한 상태가 가스상(gas-phase) 반응을 최소화시키고 기판 상의 연속 필름의 형성을 위한 표면 반응을 최대화시키도록 최적화되기 때문이다. 그러나, 챔버 내의 다른 곳과 챔버로부터의 하류의 상태는 최적화되지 않아서, 가스상 핵형성은 미립자의 형성을 야기할 수 있다. 이들 미립자는 통상적으로 몇 미크론의 직경 내지 몇십 또는 몇백 미크론의 직경까지의 크기의 범위로 형성되며, 미세한 미립자는 보다 큰 미립자를 형성하도록 뭉치는 경향이 있을 수 있다. 환형 본체(16)를 통한 퍼지 가스의 공급은 환형 본체(16)의 내측면(14)로부터 임의의 이러한 미립자를 제거하도록 작용함으로써, 반응기의 사용시 비교적 깨끗한 상태로 반응 챔버(12)가 유지될 수 있도록 한다.
따라서, 반응 챔버(12)의 개방 바닥 단부로부터 배기된 가스 스트림은 퍼지 가스, 비소모된 반응물 및 고체 미립자와 같은, 반응기를 통과한 다른 가스와 함께, 반응기 내에서 발생하는 반응으로부터의 부산물을 포함한다. 반응 챔버의 개방 바닥 단부는
반응 챔버(12)로부터 유동하는 가스 스트림을 수용하기 위한 물-냉각(water-cooling) 기둥(62)을 포함하는 원통형 후-연소 챔버(post-combustion chamber)(60)에 연결된다. 물은 파이프(도시되지 않음)를 통해 냉각 기둥(62)을 둘러싸는 환형 트로프(trough)(64)에 공급되어, 트로프(64)의 상부로부터 넘쳐 흘러서, 냉각 기둥(62)의 내측면 아래로 흐른다. 물은 가스 스트림을 냉각시키고, 고체 미립자가 냉각 기둥(62)의 표면 상에 퇴적되는 것을 방지하도록 작용한다. 추가적으로, 가스 스트림의 임의의 산성 성분은 물에 의해 용액 내로 들어갈 수 있다. 임의의 추가적인 담금질이 필요하다면, 스프레이 제트(spray jet)가 챔버(60)의 하측 단부에 위치되어 물 분무(water mist)를 도입할 수 있다.
챔버(60)의 출구를 통해 배출되는 가스 스트림 및 물은, 이제 고체 미립자 및 산성 종을 함유하는 물을 가스 스트림으로부터 분리시키기 위한 분리기(도시되지 않음)에 이송될 수 있다. 그 후에, 가스 스트림은 대기에 통기되기 전에 가스 스트림으로부터 산성 종의 유지를 제거하기 위해 습식 스크러버(scrubber)를 통해 이송될 수 있다.
플라즈마 반응기의 제 2 실시예가 도 2에 도시되어 있다. 제 2 실시예는 제 1 실시예의 모든 특징부를 포함하며, 또한 본체(70)와 입구 헤드(30)의 내측면(36) 사이에 위치된 원뿔 채널(72) 내로 플라즈마 스트림을 배향시키기 위해 플라즈마 입구(34)에 대향하여 위치된 원뿔 세라믹 본체(70)를 포함한다. 본체(70)는 입구 헤드(30), 환형 본체(16) 또는 외측 쉘(20)의 바닥부에 연결될 수 있다. 원뿔 채널(72) 내로의 플라즈마 스트림의 배향은 각각의 가스 입구(40, 42)로부터 플라즈마 스트림 쪽으로 연장되는 가스 경로를 더욱 감소시켜서, 가스로부터의 적어도 하나의 성분을 실질적으로 제거하도록 가스가 처리되기 전에 가스가 반응기 내에서 혼합되는 것을 더욱 어렵게 한다.
플라즈마 반응기의 제 3 실시예가 도 3에 도시되어 있다. 제 3 실시예는 제 1 실시예의 모든 특징부를 포함하며, 또한 입구 헤드(30)와 환형 본체(16) 사이에 위치된 제 2 환형 본체(80)를 포함한다. 또한, 이러한 제 2 환형 본체는 환형 본체(80)의 외측면과 원통형 외측 쉘(84) 사이에 형성된 플리넘 볼륨(82)에 의해 둘러싸여진 다공성의 세라믹 환형 부재에 의해 제공되는 것이 바람직하다. 환형 본체(16)에 대해서는, 가스는 하나 이상의 입구 노즐(86)을 통해 플리넘 볼륨(82) 내로 도입되어서, 도 3에서 참조부호(88)로 도시된 바와 같이, 사용시에, 가스가 제 2 환형 본체(80)를 통해 반응기 챔버(12) 내로 통과해서, 제 2 환형 본체(80)의 내측면(90)으로부터 미립자를 제거한다. 제 1 실시예에서와 같이, 이러한 가스는 반응 챔버(12)에 진입하기 전에 가열되는 것이 바람직하다.
반응 챔버(12)의 길이와 그에 따른 플라즈마 반응기 내의 가스에 대한 잔류 시간을 증가시키는 것에 추가하여, 이러한 제 2 환형 본체(80) 및 연관된 플리넘 챔버(82)의 포함은 상이한 퍼지 가스 유량, 퍼지 가스 합성물 및 온도가 반응 챔버(12)의 길이를 따라 사용될 수 있도록 해서, 저감 화학작용이 반응기 내에서 처리되는 가스에 대해 최적화될 수 있다. 예컨대, 플리넘 챔버(82)는 수소를 저감시키기 위해 산화제가 많은 퍼지 가스로 공급될 수 있는 한편, 수증기가 많은 퍼지 가스는 불소 또는 NF3와 같은 산화제를 저감시키기 위해 플리넘 챔버(18)에 공급될 수 있다.
플라즈마 반응기의 제 4 실시예가 도 4에 도시되어 있다. 제 4 실시예는 제 3 실시예의 모든 특징부를 포함하며, 또한 노즐(48) 및 환형 가스 통로(50)의 내부에 제공되고, 또한 노즐(48) 및 환형 가스 통로(50)에 의해 동심으로 둘러싸여진 반응성 가스 입구 파이프(100)를 포함한다. 반응성 가스는 가스 통로(50)를 통해 공급되는 임의의 반응성 가스와 함께 또는 그 대신에 반응성 가스 입구 파이프(100)를 통해 처리되는 가스에 공급된다. 반응성 가스 입구 파이프(100)는 도 1 내지 도 3의 본원에 기술된 임의의 실시예로 제공될 수 있으며, 도 4에 도시된 실시예에 한정되지 않는다. 또한, 퍼지 가스 입구에 대한 반응성 가스 입구 파이프의 배열은 도 4에 도시된 배열에 한정되지 않는 것으로 이해된다. 예컨대, 반응성 가스 입구 파이프(100)는 모든 가스가 챔버(12) 내로 진입하기 전에 서로 혼합되도록 배열될 수 있다.
12 : 반응 챔버 16 : 환형 본체
18 : 플리넘 볼륨 20 : 외측 쉘
22 : 입구 노즐 30 : 입구 헤드
32 : 개방 단부 34 : 플라즈마 입구
38 : 플라즈마 토치 40 : 제 1 가스 입구
42 : 제 2 가스 입구 44, 46 : 가스 공급 도관
48 : 노즐 50 : 환형 가스 통로
100 : 반응성 가스 입구 파이프
18 : 플리넘 볼륨 20 : 외측 쉘
22 : 입구 노즐 30 : 입구 헤드
32 : 개방 단부 34 : 플라즈마 입구
38 : 플라즈마 토치 40 : 제 1 가스 입구
42 : 제 2 가스 입구 44, 46 : 가스 공급 도관
48 : 노즐 50 : 환형 가스 통로
100 : 반응성 가스 입구 파이프
Claims (24)
- 플라즈마 저감 반응기(plasma abatement reactor)에 있어서,
반응 챔버와,
상기 반응 챔버에 연결된 개방 단부와, 상기 개방 단부에 대향하여 위치된 플라즈마 입구와, 상기 개방 단부로부터 상기 플라즈마 입구를 향해 테이퍼진 내측면과, 상기 플라즈마 입구와 상기 개방 단부 사이에 각각 위치된 제 1 및 제 2 가스 입구를 구비하는 입구 헤드와,
상기 플라즈마 입구를 통해 상기 반응 챔버 내로 플라즈마 스트림을 분사하기 위한 플라즈마 토치를 포함하며,
상기 플라즈마 입구는 상기 플라즈마 스트림이 상기 가스 입구를 향해 외측으로 방사되도록 형상 설정되는
플라즈마 저감 반응기. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 가스 입구는 상기 제 2 가스 입구에 직경방향으로 대향하여 위치되는
플라즈마 저감 반응기. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 입구 헤드의 내측면은 대체로 원뿔대 형상인
플라즈마 저감 반응기. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가스 입구는 대체로 평행한 방향으로 상기 입구 헤드를 통해 연장되는
플라즈마 저감 반응기. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 가스 입구는 상기 반응 챔버 내에서 처리되는 가스 스트림을 수용하기 위한 노즐과, 퍼지 가스를 수용하기 위하여 상기 노즐 주위로 연장되는 환형 통로를 포함하는
플라즈마 저감 반응기. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 플라즈마 입구는 상기 플라즈마 토치에 인접하여 위치된 수렴 섹션과, 상기 입구 헤드의 내측면에 인접하여 위치된 발산 섹션을 갖는 내측벽을 구비하는
플라즈마 저감 반응기. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 가스 입구를 향해 상기 플라즈마 스트림을 배향시키기 위해 상기 플라즈마 입구에 대향하여 위치된 배향 수단을 더 포함하는
플라즈마 저감 반응기. - 제 7 항에 있어서,
상기 배향 수단은 상기 본체와 상기 입구 헤드의 내측면 사이에 위치된 원뿔 채널 내로 상기 플라즈마 스트림을 배향시키기 위한 본체를 포함하는
플라즈마 저감 반응기. - 제 8 항에 있어서,
상기 본체는 세라믹 재료로 형성되는
플라즈마 저감 반응기. - 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
상기 본체의 외측면 상에 가스층을 발생시키기 위한 수단을 더 포함하는
플라즈마 저감 반응기. - 제 10 항에 있어서,
상기 가스층은 상기 가스 입구 중 하나를 통해 상기 반응기에 진입하는 가스 스트림의 성분과 반응시키기 위한 반응물을 포함하는
플라즈마 저감 반응기. - 제 8 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 본체의 외측면을 냉각시키기 위한 수단을 더 포함하는
플라즈마 저감 반응기. - 제 12 항에 있어서,
상기 본체 냉각 수단은 상기 본체에 물을 공급하도록 구성되는
플라즈마 저감 반응기. - 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반응 챔버는 환형 본체와, 상기 환형 본체 상의 퇴적물의 성장을 억제하기 위해 상기 환형 본체의 내측면에 가스를 공급하기 위한 수단을 포함하는
플라즈마 저감 반응기. - 플라즈마 저감 반응기에 있어서,
반응 챔버와,
상기 반응 챔버의 플라즈마에 가스를 공급하기 위한 적어도 하나의 가스 입구와,
상기 반응 챔버 내로 플라즈마 스트림을 분사하기 위한 플라즈마 토치를 포함하며,
상기 반응 챔버는 환형 본체와, 상기 환형 본체 상의 퇴적물의 성장을 억제하기 위해 상기 환형 본체의 내측면에 가스를 공급하기 위한 수단을 포함하는
플라즈마 저감 반응기. - 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서,
상기 환형 본체는 다공성의 환형 부재를 포함하며, 상기 가스 공급 수단은 상기 가스를 수용하기 위해 상기 환형 부재 주위로 연장되는 플리넘(plenum) 챔버를 포함하는
플라즈마 저감 반응기. - 제 14 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 환형 본체의 내측면에 공급되는 가스를 가열하기 위한 수단을 더 포함하는
플라즈마 저감 반응기. - 제 14 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가스는 상기 반응기에 진입하는 가스 스트림의 성분과 반응시키기 위한 반응물을 포함하는
플라즈마 저감 반응기. - 제 14 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반응 챔버는 상기 언급된 환형 본체("제 1 환형 본체")와 상기 플라즈마 입구 사이에 위치된 제 2 환형 본체와, 상기 제 2 환형 본체 상의 퇴적물의 성장을 억제하기 위해 제 1 환형 본체에 공급되는 가스와 상이한 제 2 가스를 상기 제 2 환형 본체의 내측면에 공급하기 위한 제 2 가스 공급 수단을 포함하는
플라즈마 저감 반응기. - 제 19 항에 있어서,
상기 제 2 환형 본체는 다공성의 환형 부재를 포함하며, 상기 제 2 가스 공급 수단은 상기 제 2 가스를 수용하기 위해 상기 환형 부재 주위로 연장되는 플리넘 챔버를 포함하는
플라즈마 저감 반응기. - 제 19 항 또는 제 20 항에 있어서,
상기 제 2 가스를 가열하기 위한 수단을 더 포함하는
플라즈마 저감 반응기. - 제 19 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 2 가스는 상기 반응기에 진입하는 가스 스트림의 성분과 반응시키기 위한 반응물을 포함하는
플라즈마 저감 반응기. - 제 1 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반응 챔버와 유체 연통 관계로 상기 반응 챔버의 아래에 있는 냉각 기둥과, 상기 냉각 기둥의 내측면을 따르는 물의 유동을 유지하기 위한 수단을 더 포함하는
플라즈마 저감 반응기. - 제 5 항 및 제 15 항에 있어서,
상기 플라즈마에 의한 처리 이전에 처리되는 가스에 반응물 가스를 도입하기 위한 가스 도관을 더 포함하는
플라즈마 저감 반응기.
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