KR20130022877A - 대향 방전 방식을 적용한 오염 물질 제거용 플라즈마 반응기 - Google Patents

대향 방전 방식을 적용한 오염 물질 제거용 플라즈마 반응기 Download PDF

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Abstract

대향 방전 방식을 적용한 오염 물질 제거용 플라즈마 반응기를 제공한다. 플라즈마 반응기는 플라즈마 생성 공간을 형성하며 양단이 개방된 유전체와, 유전체의 일단에 연결된 제1 접지 전극과, 유전체의 다른 일단에 연결된 제2 접지 전극과, 유전체의 외주면에 위치하며 유전체의 원주 방향을 따라 서로간 거리를 두고 위치하는 제1 구동 전극 및 제2 구동 전극을 포함한다. 플라즈마 반응기는 제1 및 제2 구동 전극으로 둘러싸인 유전체 내부에 강한 플라즈마 방전을 유도하여 플라즈마 방전 효율을 높임으로써 오염 물질을 보다 효과적으로 제거할 수 있다.

Description

대향 방전 방식을 적용한 오염 물질 제거용 플라즈마 반응기 {PLASMA REACTOR WITH COUNTER DISCHARGE TYPE FOR ABATEMENT OF POLLUTIONS}
본 발명은 오염 물질 제거용 플라즈마 반응기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반도체 제조 공정 중 저압 공정 챔버에서 발생하는 오염 물질을 제거하기 위한 플라즈마 반응기에 관한 것이다.
반도체 제조 공정 중 식각, 증착, 세정, 애싱, 및 질화처리 등의 공정이 저압 공정 챔버에서 진행된다. 이러한 저압 공정 챔버에 사용되는 가스로는 휘발성 유기화합물, 산(acid) 계열 물질(HNO3, H2SO4, HCl, F2, HF, Cl2, BCl3, NOx 등), 악취 유발 물질(NH3, H2S 등), 자연발화 기체(SiH4, Si2H6, PH3, AsH3 등), 및 지구 온난화 유발 물질(퍼플루오르 화합물) 등이 있다.
전술한 저압 공정을 거치면 미세입자, HF, 플루오르화합물, 염화물, SiO2, GeO2, 금속, NOx, NH3, 하이드로카본, 및 퍼플루오르화합물 등의 오염 물질이 생성된다.
이 중 HF, 플루오르화합물, 및 염화물은 진공 펌프 또는 이음관의 부식을 유발하며, 공기 중으로 배출되기 전에 반드시 처리해야 하는 유해 물질이다. 미세입자, SiO2, GeO2, 및 금속 등은 이음관을 통과하면서 냉각 과정을 거친 후 분말 형태로 바뀌는데, 이러한 분말은 진공 펌프의 수명을 단축시킨다. 그리고 퍼플루오르 화합물은 환경 규제에 의해 대기 중 배출이 통제되고 있는 추세이다.
따라서 진공 펌프의 전방에 플라즈마 반응기를 설치하여 저압 공정 챔버에서 발생하는 오염 물질을 제거하고 있다. 진공 펌프의 전방에 설치되는 플라즈마 반응기는 주로 유도 결합 플라즈마(inductive coupled plasma) 방식의 전극 구조와 무선주파수(RF) 구동 방식을 사용한다.
유도 결합 플라즈마 방식은 코일 모양의 전극 양 단부에 전압을 인가하여 플라즈마를 생성한다. 그런데 이러한 플라즈마 반응기는 장치 자체가 고가이고, 특히 무선주파수(RF) 전원 공급기의 가격이 매우 높으며, 플라즈마 유지를 위한 전력 소모가 크기 때문에 설치 비용과 유지 비용이 높은 한계가 있다.
본 발명은 진공 펌프의 전방에 설치되어 저압 플라즈마를 생성하는 플라즈마 반응기에 있어서, 설치 비용과 유지 비용을 줄이고, 플라즈마 방전 효율을 높여 오염 물질을 신속하게 제거하며, 장시간 안정적인 운전이 가능한 오염 물질 제거용 플라즈마 반응기를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 저압 공정 챔버와 진공 펌프 사이에 위치하여 상기 저압 공정 챔버에서 발생된 오염 물질을 제거하는 플라즈마 반응기에 있어서, 플라즈마 생성 공간을 형성하며 양단이 개방된 유전체와, 유전체의 일단에 연결된 제1 접지 전극과, 유전체의 다른 일단에 연결된 제2 접지 전극과, 유전체의 외주면에 위치하며 유전체의 원주 방향을 따라 서로간 거리를 두고 위치하는 제1 구동 전극 및 제2 구동 전극을 포함하는 오염 물질 제거용 플라즈마 반응기를 제공한다.
제1 구동 전극과 제2 구동 전극은 유전체의 길이 방향을 따라 같은 길이를 가지며, 유전체의 원주 방향을 따라 같은 원호 길이를 가질 수 있다. 제1 구동 전극과 제2 구동 전극은 유전체를 이등분하는 가상의 선을 기준으로 거울 대칭을 이룰 수 있다.
제1 구동 전극의 원호 길이와 제2 구동 전극의 원호 길이는 각각 유전체 둘레 길이의 0.5배보다 작을 수 있다.
제1 구동 전극과 제2 구동 전극은 유전체의 길이 방향을 따라 제1 접지 전극 및 제2 접지 전극과 각각 L1 및 L2의 거리를 두고 위치하고, 유전체의 원주 방향에 따른 제1 구동 전극과 제2 구동 전극간 거리(ℓ)는 L1 및 L2보다 작을 수 있다.
오염 물질 제거용 플라즈마 반응기는, 유전체의 외주면에서 유전체의 원주 방향을 따라 제1 구동 전극과 제2 구동 전극 사이에 위치하는 보조 접지 전극을 더 포함할 수 있다.
제1 구동 전극과 제2 구동 전극 및 보조 접지 전극은 유전체의 길이 방향을 따라 같은 길이를 가지며, 보조 접지 전극은 유전체의 원주 방향을 따라 제1 구동 전극 및 제2 구동 전극과 거리를 두고 위치할 수 있다. 보조 접지 전극의 원호 길이는 제1 구동 전극의 원호 길이 및 제2 구동 전극의 원호 길이보다 클 수 있다.
제1 구동 전극과 제2 구동 전극 및 보조 접지 전극은 유전체의 길이 방향을 따라 제1 접지 전극 및 제2 접지 전극과 각각 L3 및 L4의 거리를 두고 위치하고, 제1 구동 전극과 제2 구동 전극간 거리(ℓ1), 제1 구동 전극과 보조 접지 전극간 거리(ℓ2), 및 제2 구동 전극과 보조 접지 전극간 거리(ℓ3)는 L3 및 L4보다 작을 수 있다.
제1 구동 전극과 제2 구동 전극간 거리(ℓ1)와 제1 구동 전극과 보조 접지 전극간 거리(ℓ2) 및 제2 구동 전극과 보조 접지 전극간 거리(ℓ3)는 모두 같을 수 있다.
제1 접지 전극은 저압 공정 챔버와 연결된 이음관으로 구성되고, 제2 접지 전극은 진공 펌프와 연결된 이음관으로 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 오염 물질 제거용 플라즈마 반응기는 플라즈마 생성 공간을 형성하며 양단이 개방된 유전체와, 유전체의 일단에 연결된 제1 접지 전극과, 유전체의 다른 일단에 연결된 제2 접지 전극과, 유전체의 외주면에 위치하고 유전체의 원주 방향을 따라 서로간 거리를 두고 위치하는 제1 구동 전극 및 제2 구동 전극을 포함한다. 제1 구동 전극과 제2 구동 전극은 각자의 전원부와 연결되고 서로 180도의 위상차를 가지는 제1 교류 전압과 제2 교류 전압을 각각 인가받는다.
제1 교류 전압과 제2 교류 전압의 진폭은 구동 전압 진폭의 절반 값을 가질 수 있다. 방전 구동 전압은 제1 교류 전압과 제2 교류 전압 중 어느 하나와 같은 위상을 가질 수 있다.
플라즈마 반응기는 대향 방전 방식을 적용함으로써 제1 및 제2 구동 전극으로 둘러싸인 유전체 내부에 강한 플라즈마 방전을 유도한다. 따라서 플라즈마 방전 효율을 높여 오염 물질을 보다 효과적으로 제거할 수 있다. 또한, 플라즈마 반응기의 설치 비용과 유지 비용을 줄이고, 장시간 안정적인 운전을 수행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 반응기를 포함하는 저압 공정 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마 반응기의 사시도이다.
도 3은 도 2의 Ⅰ-Ⅰ선을 기준으로 절개한 플라즈마 반응기의 단면도이다.
도 4는 도 2의 Ⅱ-Ⅱ선을 기준으로 절개한 플라즈마 반응기의 단면도이다.
도 5는 도 4에 도시한 제1 및 제2 구동 전극의 변형예를 나타낸 단면도이다.
도 6은 도 2에 도시한 플라즈마 반응기 중 제1 구동 전극과 제2 구동 전극에 각각 인가되는 제1 교류 전압과 제2 교류 전압의 파형 예를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 플라즈마 반응기의 사시도이다.
도 8은 도 7의 Ⅲ-Ⅲ선을 기준으로 절개한 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 일 실시예에 따른 플라즈마 반응기를 포함하는 저압 공정 시스템의 구성도이다. 도 1의 저압 공정 시스템은 반도체 제조 공정에 적용된다.
도 1을 참고하면, 저압 공정 시스템(100)은 저압 공정 챔버(10)와, 이음관(11)을 통해 저압 공정 챔버(10)와 연결되는 진공 펌프(12)와, 이음관(11)에 설치되는 플라즈마 반응기(20)를 포함한다. 플라즈마 반응기(20)는 진공 펌프(12)의 전방에 설치되며, 그 내부는 저압 공정 챔버(10)와 같은 저압 상태를 유지한다. 여기서, 저압은 대략 0.01 내지 10torr의 범위에 속하는 압력을 의미하나, 전술한 범위로 한정되지 않는다.
플라즈마 반응기(20)의 전방에는 플라즈마 반응기(20)로 반응 기체가 주입되는 반응 기체 주입부(13)가 위치하고, 플라즈마 반응기(20)의 후방에는 스크러버(14)와 필터(15)가 위치할 수 있다. 저압 공정 챔버(10)에서 식각, 증착, 세정, 애싱, 및 질화처리 등의 공정이 수행되며, 이 공정을 거치면 유해 기체, 분말 물질, 퍼플루오르 화합물 등의 각종 오염 물질이 생성된다.
플라즈마 반응기(20)는 그 내부에 저압 고온의 플라즈마를 생성하여 유해 기체와 퍼플루오르 화합물을 분해시킨다. 분해된 성분들은 반응 기체들과 결합하여 무해한 원소로 변한다. 플라즈마는 전자 또는 여기 원자와 같은 반응 물질들을 풍부하게 함유하고 있으므로 분해된 기체와 반응 기체간의 화학반응을 촉진시킨다.
스크러버(14)는 산(acid) 계열의 기체를 중화시켜 진공 펌프(12)의 성능을 높인다. 분말 물질은 플라즈마의 높은 열에 의해 기화되어 진공 펌프(12) 내부에 축적되지 않고 공기 중으로 배출됨으로써 진공 펌프(12)의 수명을 높인다. 이때 일부의 분말 물질이 기화되지 않고 남을 수 있는데, 필터(15)가 기화되지 않은 분말 물질을 걸려 진공 펌프(12)로 유입되지 않도록 한다.
본 실시예의 플라즈마 반응기(20)는 기본적으로 유전체 베리어 방전(dielectric barrier discharge) 방식으로 플라즈마를 발생시키고, 대향 방전을 일으키기 위한 전극 구조를 가지며, 교류 주파수 구동 특성을 가진다. 전술한 특성들은 모두 플라즈마 반응기(20)의 설치 비용과 유지 비용을 줄이고, 플라즈마 방전 효율을 높여 오염 물질을 신속하게 제거하며, 장시간 안정적인 운전을 가능하게 한다.
도 2 내지 도 9를 참조하여 플라즈마 반응기(210, 220)의 세부 구조와 작용에 대해 설명한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마 반응기의 사시도이고, 도 3은 도 2의 Ⅰ-Ⅰ선을 기준으로 절개한 플라즈마 반응기의 단면도이며, 도 4는 도 2의 Ⅱ-Ⅱ선을 기준으로 절개한 플라즈마 반응기의 단면도이다.
도 2 내지 도 4를 참고하면, 제1 실시예의 플라즈마 반응기(210)는 관 모양의 유전체(30)와, 유전체(30)의 일단에 연결된 제1 접지 전극(41)과, 유전체(30)의 다른 일단에 연결된 제2 접지 전극(42)과, 유전체(30)의 외면에 형성된 제1 구동 전극(51) 및 제2 구동 전극(52)을 포함한다. 제1 구동 전극(51)과 제2 구동 전극(52)은 제1 전원부(53) 및 제2 전원부(54)에 각각 연결되어 구동에 필요한 전압을 인가받는다.
제1 및 제2 접지 전극(41, 42)은 유전체(30)와 동일한 관 모양으로 형성되며, 금속(예: 스테인리스 강)으로 제조된다. 제1 및 제2 접지 전극(41, 42)의 내경과 외경은 각각 유전체(30)의 내경 및 외경과 같을 수 있으나, 전술한 구성에 한정되지 않는다.
제1 접지 전극(41)은 저압 공정 챔버(10)와 연결된 이음관 자체일 수 있고, 제2 접지 전극(42)은 진공 펌프(12)와 연결된 이음관 자체일 수 있다. 이 경우 기존 이음관을 2개로 분리시키고, 분리된 이음관을 접지시키는 방법으로 제1 및 제2 접지 전극(41, 42)을 용이하게 설치할 수 있다.
유전체(30)는 일정 두께를 가진 원통 모양으로 형성될 수 있다. 유전체(30)는 제1 접지 전극(41)과 제2 접지 전극(42) 사이에 위치하여 두 접지 전극(41, 42)을 연결시킨다. 이로써 한 방향으로 이어진 제1 접지 전극(41)과 유전체(30) 및 제2 접지 전극(42)이 관을 형성하여 저압 공정 챔버(10)와 진공 펌프(12)를 연결시킨다. 유전체(30)는 석영(quartz) 또는 세라믹 등으로 제조될 수 있다.
제1 구동 전극(51)과 제2 구동 전극(52)은 유전체(30)의 원주 방향을 따라 서로간 거리를 두고 위치한다. 제1 구동 전극(51)은 유전체(30)의 길이 방향(도 3의 L 화살표 방향)을 따라 소정의 길이를 가지며, 유전체(30)의 상측 일부를 둘러싸도록 형성된다. 제2 구동 전극(52)은 유전체(30)의 길이 방향을 따라 제1 구동 전극(51)과 같은 길이를 가지며, 유전체(30)의 하측 일부를 둘러싸도록 형성된다.
제1 및 제2 구동 전극(51, 52)의 단면은 원호(圓弧) 모양을 나타내고, 제1 구동 전극(51)의 원호 길이와 제2 구동 전극(52)의 원호 길이는 동일하다. 이때 제1 및 제2 구동 전극(51, 52)의 원호 길이는 각각 유전체(30) 둘레 길이의 0.5배보다 작다. 이를 만족해야 제1 및 제2 구동 전극(51, 52)이 유전체(30)의 원주 방향을 따라 서로간 거리를 두고 위치할 수 있다.
유전체(30)의 일측(도 4를 기준으로 좌측)에서 측정되는 제1 구동 전극(51) 및 제2 구동 전극(52)간 거리(도 4에서 ℓ로 표시)는 유전체(30)의 다른 일측(도 4를 기준으로 우측)에서 측정되는 제1 구동 전극(51) 및 제2 구동 전극(52)간 거리(ℓ)와 같을 수 있다. 즉, 유전체(30)를 이등분하는 가상의 선(도 4의 점선)을 기준으로 제1 및 제2 구동 전극(51, 52)은 거울 대칭을 이룬다.
제1 구동 전극(51)과 제2 구동 전극(52)은 각각 유전체(30)의 길이 방향을 따라 제1 접지 전극(41) 및 제2 접지 전극(42)과 거리를 두고 위치한다. 이때 유전체(30)의 외면에서 제1 구동 전극(51)의 양측 단부와 제2 구동 전극(52)의 양측 단부는 유전체(30)의 반경 방향(도 3의 R 화살표 방향)을 따라 같은 지점에 위치한다.
따라서 제1 접지 전극(41)에 대한 제1 구동 전극(51)의 거리와 제2 구동 전극(52)의 거리는 동일하며, 제2 접지 전극(42)에 대한 제1 구동 전극(51)의 거리와 제2 구동 전극(52)의 거리도 동일하다. 도 3에서 제1 접지 전극(41)에 대한 제1 및 제2 구동 전극(51, 52)의 거리를 L1으로 표시하였고, 제2 접지 전극(42)에 대한 제1 및 제2 구동 전극(51, 52)의 거리를 L2로 표시하였다. L1과 L2는 같은 값을 가질 수 있다.
유전체(30)의 원주 방향에 따른 제1 구동 전극(51)과 제2 구동 전극(52)간 거리(도 4에서 ℓ로 표시)는 L1 및 L2보다 작다. 이는 다음에 설명하는 플라즈마 반응기(210)의 작동 과정에서 플라즈마 방전을 제1 및 제2 접지 전극(41, 42)이 위치하는 바깥쪽이 아닌 제1 및 제2 구동 전극(51, 52)이 위치하는 유전체(30) 내부로 집중시켜 플라즈마 방전 효율을 향상시키기 위한 것이다.
한편, 상기에서는 제1 및 제2 구동 전극(51, 52)이 각각 유전체(30)의 상측 일부와 하측 일부를 둘러싸는 경우를 예로 들어 설명하였으나, 제1 및 제2 구동 전극(51, 52)의 위치는 도시한 예로 한정되지 않는다. 예를 들어 도 5에 도시한 바와 같이 제1 및 제2 구동 전극(51, 52)은 각각 유전체(30)의 좌측 일부와 우측 일부를 둘러싸도록 유전체(30) 외면에 고정될 수 있다.
또한, 제1 및 제2 구동 전극(51, 52)은 도 4 및 도 5에 도시한 것과 다른 방식으로 유전체(30) 외면에 고정될 수 있다. 모든 경우에 있어서 제1 및 제2 구동 전극(51, 52)은 유전체(30)의 원주 방향을 따라 서로간 거리(ℓ)를 두고 위치하며, 유전체(30)의 길이 방향을 따라 제1 및 제2 접지 전극(41, 42)과 거리(L1, L2)를 두고 위치한다.
제1 구동 전극(51)과 제2 구동 전극(52)은 제1 전원부(53) 및 제2 전원부(54)에 각각 연결되어 플라즈마 방전에 필요한 전압을 인가받는다. 제1 전원부(53)와 제2 전원부(54)는 고압의 교류 전원부이며, 제1 구동 전극(51)에 인가되는 제1 교류 전압과 제2 구동 전극(52)에 인가되는 제2 교류 전압은 서로 180도의 위상차를 가진다.
도 6은 도 2에 도시한 플라즈마 반응기 중 제1 구동 전극과 제2 구동 전극에 각각 인가되는 제1 교류 전압과 제2 교류 전압의 파형 예를 나타낸 도면이다.
도 6을 참고하면, 제1 교류 전압과 제2 교류 전압은 서로 180도의 위상차를 가지며, 한 주기마다 양의 전압과 음의 전압이 교대로 반복된다. 제1 및 제2 교류 전압의 진폭(1/2Vd)은 방전 구동 전압 진폭(Vd)의 절반 값으로 이루어진다. 여기서, '방전 구동 전압'은 방전을 개시하고 이를 유지할 수 있는 구동 전압으로 정의되며, 플라즈마 반응기의 형상 조건과 오염 물질의 상태에 따라 다양한 값으로 설정될 수 있다.
방전 구동 전압은 제1 교류 전압과 제2 교류 전압 중 어느 하나와 같은 위상을 가진다. 제1 및 제2 교류 전압은 수백 볼트의 고전압이고, 수 내지 수백 kHz의 주파수를 가질 수 있다. 또한, 제1 및 제2 교류 전압은 사인파형, 사각파형, 및 삼각파형 등 다양한 형태로 이루어질 수 있다. 도 6에서는 제1 및 제2 교류 전압이 사인파형인 경우를 예로 들어 도시하였다.
플라즈마 반응기(210)의 유전체(30)는 제1 구동 전극(51) 및 제2 구동 전극(52)으로 둘러싸인 제1 유전체 영역(301)(도 4 참조)과, 제1 및 제2 접지 전극(41, 42)과 제1 구동 전극(51) 사이에 위치하는 제2 유전체 영역(302)(도 3 참조)과, 제1 및 제2 접지 전극(41, 42)과 제2 구동 전극(52) 사이에 위치하는 제3 유전체 영역(303)(도 3 참조)을 포함한다.
제1 구동 전극(51)과 제2 구동 전극(52) 각각에 제1 교류 전압과 제2 교류 전압을 인가하면 전극들(41, 42, 51, 52) 사이의 전압 차에 의해 플라즈마 반응기(210) 내부에 플라즈마 방전이 유도된다.
구체적으로, 제1 구동 전극(51)에 양의 전압(1/2Vd)이 인가되고 제2 구동 전극(52)에 음의 전압(-1/2Vd)이 인가되면, 제1 유전체 영역(301)에는 제1 교류 전압과 제2 교류 전압의 차이에 해당하는 전압, 즉 방전 구동 전압(Vd)과 같은 크기의 전압이 인가된다. 제2 유전체 영역(302)에는 제1 교류 전압과 같은 크기의 전압(1/2Vd)이 인가되고, 제3 유전체 영역(303)에는 제2 교류 전압과 같은 크기의 전압(-1/2Vd)이 인가된다.
제1 실시예의 플라즈마 반응기(210)에서 제1 유전체 영역(301)에 인가되는 전압, 즉 방전 구동 전압(Vd)이 곧 운전 전압이 된다. 플라즈마 방전은 운전 전압이 내부 기체의 항복 전압보다 높을 때 발생하며, 방전 전류는 시간에 따라 계속 증가하다가 유전체(30) 위에 벽전하가 쌓이는 양이 많아짐에 따라 감소한다.
즉, 방전 개시 이후 방전 전류가 높아짐에 따라 플라즈마 내의 공간 전하들이 유전체(30) 위에 쌓여 벽전하가 생성된다. 벽전하는 외부에서 걸리는 전압을 억제하는 기능을 하며, 이러한 유전체(30)의 벽전압(wall voltage)에 의해 시간이 지남에 따라 방전이 약해진다. 플라즈마 방전은 인가 전압이 유지되는 동안 생성과 유지 및 소멸 과정을 반복한다.
따라서 플라즈마 방전은 아크(arc)로 전이되지 않고 글로우(glow) 영역에 머물면서 저압 공정 챔버(10)에서 발생된 오염 물질을 제거한다. 방전이 아크로 전이되면 좁은 영역에 아크가 집중되므로 전극의 손상을 유발한다. 그러나 제1 실시예의 플라즈마 반응기(210)는 유전체(30)의 벽전하를 이용하여 방전이 아크로 전이되는 것을 방지하므로 전극들의 수명을 연장시킬 수 있다.
이때 도 4에 도시한 바와 같이, 제1 및 제2 구동 전극(51, 52)은 유전체(30)의 반경 방향을 따라 서로 마주하도록 배치되므로 제1 구동 전극(51)과 제2 구동 전극(52) 사이에 대향 방전 형식으로 플라즈마 방전이 일어난다. 이러한 대향 방전은 제1 및 제2 구동 전극(51, 52)으로 둘러싸인 제1 유전체 영역(301) 전체를 플라즈마 방전에 이용하므로 제1 유전체 영역(301)에 강한 플라즈마 방전이 일어남을 의미한다. 따라서 플라즈마 반응기(210)는 플라즈마 방전 효율을 높여 오염 물질을 보다 효과적으로 제거할 수 있다.
또한, 제1 실시예의 플라즈마 반응기(210)는 제1 및 제2 구동 전극(51, 52)을 충분한 길이로 형성하여 오염 가스의 플라즈마 내 잔류 시간을 증가시킬 수 있다. 대향 방전에 의한 플라즈마 효율 향상과 오염 물질의 플라즈마 내 잔류 시간 증가는 오염 물질의 처리 효율 향상으로 이어진다. 처리 효율은 '분해율/소비 전력'으로 정의되며, 동일한 소비 전력 조건에서 보다 많은 양의 오염 물질을 처리할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 플라즈마 반응기의 사시도이고, 도 8은 도 7의 Ⅲ-Ⅲ선을 기준으로 절개한 플라즈마 반응기의 단면도이다.
도 7과 도 8을 참고하면, 제2 실시예의 플라즈마 반응기(220)는 유전체의 원주 방향을 따라 제1 구동 전극(51)과 제2 구동 전극(52) 사이에 보조 접지 전극(43)이 추가 배치된 구성을 제외하고 전술한 제1 실시예의 플라즈마 반응기와 유사한 구조로 이루어진다. 제1 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면 부호를 사용하며, 제1 실시예와 중복되는 구성에 대해서는 자세한 설명을 생략한다.
유전체(30)의 원주 방향을 따라 제1 및 제2 구동 전극(51, 52)과 보조 접지 전극(43)이 순서대로 위치한다. 제1 및 제2 구동 전극(51, 52)과 보조 접지 전극(43)은 같은 길이로 형성되며, 제1 및 제2 접지 전극(41, 42)과 소정의 거리를 두고 위치한다. 도 7에서 제1 접지 전극(41)에 대한 제1 및 제2 구동 전극(51, 52)과 보조 접지 전극(43)간 거리를 L3으로 표시하였고, 제2 접지 전극(42)에 대한 제1 및 제2 구동 전극(51, 52)과 보조 접지 전극(43)간 거리를 L4로 표시하였다.
제1 및 제2 구동 전극(51, 52)과 보조 접지 전극(43)의 단면은 원호(圓弧) 모양을 나타낸다. 이때 보조 접지 전극(43)의 원호 길이는 제1 및 제2 구동 전극(51, 52)의 원호 길이보다 크고, 제1 구동 전극(51)의 원호 길이와 제2 구동 전극(52)의 원호 길이는 같을 수 있다. 예를 들어, 보조 접지 전극(43)이 유전체(30)의 하측 일부를 둘러싸도록 형성되고, 제1 및 제2 구동 전극(51, 52)이 유전체(30)의 상측 일부를 둘러싸도록 형성될 수 있다.
제1 및 제2 구동 전극(51, 52)과 보조 접지 전극(43)은 유전체(30)의 원주 방향을 따라 서로간 거리를 두고 위치한다. 도 8에서 제1 구동 전극(51)과 제2 구동 전극(52)간 거리를 ℓ1으로 표시하고, 제1 구동 전극(51)과 보조 접지 전극(43)간 거리를 ℓ2로 표시하였으며, 제2 구동 전극(52)과 보조 접지 전극(43)간 거리를 ℓ3으로 표시하였다.
제1 및 제2 구동 전극(51, 52)과 보조 접지 전극(43)간 거리(ℓ1, ℓ2, ℓ3)는 제1 및 제2 접지 전극(41, 42)에 대한 제1 및 제2 구동 전극(51, 52)과 보조 접지 전극(43)간 거리(L1, L2)보다 작다. 이 조건을 만족할 때 플라즈마 반응기(220)의 작동 과정에서 플라즈마 방전을 제1 및 제2 접지 전극(41, 42)이 위치하는 바깥쪽이 아닌 제1 및 제2 구동 전극(51, 52)과 보조 접지 전극(43)이 위치하는 유전체(30) 내부로 집중시켜 플라즈마 방전 효율을 향상시킬 수 있다.
제1 구동 전극(51)과 제2 구동 전극(52)은 도 6에 도시한 제1 교류 전압과 제2 교류 전압을 각각 인가받는다. 제1 및 제2 교류 전압의 진폭(1/2Vd)은 방전 구동 전압 진폭(Vd)의 절반 값이며, 제1 교류 전압과 제2 교류 전압은 서로 180도의 위상차를 가진다.
제1 및 제2 구동 전극(51, 52)과 보조 접지 전극(43)으로 둘러싸인 유전체(30)의 내부에서 제1 구동 전극(51)과 제2 구동 전극(52) 사이에 제1 교류 전압과 제2 교류 전압의 차이에 해당하는 전압, 즉 방전 구동 전압(Vd)과 같은 크기의 전압이 인가된다. 그리고 보조 접지 전극(43)과 제1 구동 전극(51) 사이에 제1 교류 전압과 같은 크기의 전압(1/2Vd)이 인가되고, 보조 접지 전극(43)과 제2 구동 전극(52) 사이에 제2 교류 전압과 같은 크기의 전압(-1/2Vd)의 전압이 인가된다.
이때 제1 구동 전극(51)과 제2 구동 전극(52)은 유전체(30)의 반경 방향을 따라 서로 마주하고, 보조 접지 전극(43) 또한 제1 및 제2 구동 전극(51, 52)과 유전체(30)의 반경 방향을 따라 서로 마주하도록 배치된다. 따라서 제1 구동 전극(51)과 제2 구동 전극(52) 사이, 보조 접지 전극(43)과 제1 구동 전극(51) 사이, 및 보조 접지 전극(43)과 제2 구동 전극(52) 사이에 대향 방전 방식으로 플라즈마 방전이 일어난다.
이러한 대향 방전은 플라즈마 방전에 제1 및 제2 구동 전극(51, 52)과 보조 접지 전극(43)으로 둘러싸인 유전체(30)의 내부 영역 전체를 플라즈마 방전에 이용하므로 유전체(30) 내부에 강한 플라즈마 방전을 유도한다. 그 결과, 제2 실시예의 플라즈마 반응기(220) 또한 플라즈마 방전 효율을 높여 오염 물질을 보다 효과적으로 제거할 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: 저압 공정 시스템 10: 저압 공정 챔버
11: 이음관 12: 진공 펌프
20, 210, 220: 플라즈마 반응기 30: 유전체
41: 제1 접지 전극 42: 제2 접지 전극
43: 보조 접지 전극 51: 제1 구동 전극
52: 제2 구동 전극

Claims (14)

  1. 저압 공정 챔버와 진공 펌프 사이에 위치하여 상기 저압 공정 챔버에서 발생된 오염 물질을 제거하는 플라즈마 반응기에 있어서,
    플라즈마 생성 공간을 형성하며 양단이 개방된 유전체;
    상기 유전체의 일단에 연결된 제1 접지 전극;
    상기 유전체의 다른 일단에 연결된 제2 접지 전극; 및
    상기 유전체의 외주면에 위치하며, 상기 유전체의 원주 방향을 따라 서로간 거리를 두고 위치하는 제1 구동 전극 및 제2 구동 전극
    을 포함하는 오염 물질 제거용 플라즈마 반응기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 구동 전극과 상기 제2 구동 전극은 상기 유전체의 길이 방향을 따라 같은 길이를 가지며, 상기 유전체의 원주 방향을 따라 같은 원호 길이를 가지는 오염 물질 제거용 플라즈마 반응기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 구동 전극과 상기 제2 구동 전극은 상기 유전체를 이등분하는 가상의 선을 기준으로 거울 대칭을 이루는 오염 물질 제거용 플라즈마 반응기.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 구동 전극의 원호 길이와 상기 제2 구동 전극의 원호 길이는 각각 상기 유전체 둘레 길이의 0.5배보다 작은 오염 물질 제거용 플라즈마 반응기.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제1 구동 전극과 상기 제2 구동 전극은 상기 유전체의 길이 방향을 따라 상기 제1 접지 전극 및 상기 제2 접지 전극과 각각 L1 및 L2의 거리를 두고 위치하고,
    상기 유전체의 원주 방향에 따른 상기 제1 구동 전극과 상기 제2 구동 전극간 거리(ℓ)는 상기 L1 및 상기 L2보다 작은 오염 물질 제거용 플라즈마 반응기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 유전체의 외주면에서 상기 유전체의 원주 방향을 따라 상기 제1 구동 전극과 상기 제2 구동 전극 사이에 위치하는 보조 접지 전극을 더 포함하는 오염 물질 제거용 플라즈마 반응기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 구동 전극과 상기 제2 구동 전극 및 상기 보조 접지 전극은 상기 유전체의 길이 방향을 따라 같은 길이를 가지며,
    상기 보조 접지 전극은 상기 유전체의 원주 방향을 따라 상기 제1 구동 전극 및 상기 제2 구동 전극과 거리를 두고 위치하는 오염 물질 제거용 플라즈마 반응기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 보조 접지 전극의 원호 길이는 상기 제1 구동 전극의 원호 길이 및 상기 제2 구동 전극의 원호 길이보다 큰 오염 물질 제거용 플라즈마 반응기.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제1 구동 전극과 상기 제2 구동 전극 및 상기 보조 접지 전극은 상기 유전체의 길이 방향을 따라 상기 제1 접지 전극 및 상기 제2 접지 전극과 각각 L3 및 L4의 거리를 두고 위치하고,
    상기 제1 구동 전극과 상기 제2 구동 전극간 거리(ℓ1), 상기 제1 구동 전극과 상기 보조 접지 전극간 거리(ℓ2), 및 상기 제2 구동 전극과 상기 보조 접지 전극간 거리(ℓ3)는 상기 L3 및 상기 L4보다 작은 오염 물질 제거용 플라즈마 반응기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 구동 전극과 상기 제2 구동 전극간 거리(ℓ 1)와 상기 제1 구동 전극과 상기 보조 접지 전극간 거리(ℓ2) 및 상기 제2 구동 전극과 상기 보조 접지 전극간 거리(ℓ3)는 모두 동일한 오염 물질 제거용 플라즈마 반응기.
  11. 제1항에 있어서,
    제1 접지 전극은 상기 저압 공정 챔버와 연결된 이음관으로 구성되고,
    상기 제2 접지 전극은 상기 진공 펌프와 연결된 이음관으로 구성되는 오염 물질 제거용 플라즈마 반응기.
  12. 플라즈마 생성 공간을 형성하며 양단이 개방된 유전체;
    상기 유전체의 일단에 연결된 제1 접지 전극;
    상기 유전체의 다른 일단에 연결된 제2 접지 전극; 및
    상기 유전체의 외주면에 위치하고, 상기 유전체의 원주 방향을 따라 서로간 거리를 두고 위치하는 제1 구동 전극 및 제2 구동 전극
    을 포함하며,
    상기 제1 구동 전극과 상기 제2 구동 전극은 각자의 전원부와 연결되고 서로 180도의 위상차를 가지는 제1 교류 전압과 제2 교류 전압을 각각 인가받는 오염 물질 제거용 플라즈마 반응기.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 교류 전압과 상기 제2 교류 전압의 진폭은 방전 구동 전압 진폭의 절반 값을 가지는 오염 물질 제거용 플라즈마 반응기.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 방전 구동 전압은 상기 제1 교류 전압과 상기 제2 교류 전압 중 어느 하나와 같은 위상을 가지는 오염 물질 제거용 플라즈마 반응기.
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