KR20170112007A - 프라즈마 건을 이용한 석영 유리 제조 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 프라즈마 건을 이용하여 석영 유리 분말을 용융하는 시스템에서, 공급 가스에 와류가 형성되기 위하여, 가스 공급부에 장착되는 캡이 구비되고, 상기 캡에 원통형의 둘레에 다수개의 홀이 형성되며, 상기 다수개의 홍에 의하여 가스가 공급되고, 공급 가스의 Flow Rate 은 150 l/min, 180l/min, 210l/min, 240l/min에서, 선회류를 형성하므로서, 한 방향을 향한 선회흐름(Swirl)을 고속으로 유지하여 고온의 부분이 어느 한 지점에 귀속되지 않고 챔버 내에 고른 온도 분포를 가지도록 하므로서, 용융을 수행함에 있어서 효율을 높일 수 있도록 하는 가수 주입 구조를 가지면서도 개선에 따른 비용은 상대적으로 매우 작다는 장점을 가지는 프라즈마 건을 이용한 석영 유리 제조 장치를 제공할 수가 있게 된다.

Description

프라즈마 건을 이용한 석영 유리 제조 장치{QUARTS GLASS MANUFACTURING APPARATUS USING PLASMA GUN}

본 발명은 프라즈마 건을 이용한 석영 유리 제조 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 플라즈마와 가스(Gas) 혼합형 연소장치에서 가스를 주입할 때 가스에 와류를 형성하도록 하므로서, 챔버 내에 열이 고루 퍼지도록 하여 효율이 높고 효과적인 석영 유리 제조 장치를 제조하기 위한 프라즈마 건을 이용한 석영 유리 제조 장치에 관한 것이다,

실리콘 등의 웨이퍼 상에 집적 회로의 미세 패턴을 노광, 전사하는 축소 노광 장치의 조명 광학계 또는 투영 광학계의 렌즈로서 이용되는 유리로서, 종래의 광학 유리를 대신하여 합성 석영 유리나 형석 등의 플루오르화물 단결정을 이용하는 것이 제안되어 있다.

그리고, 노광 장치의 광학계 등에 사용되는 석영 유리에는 자외선 광의 고투과성과 굴절률의 고균질화가 요구되고 있다. 예를 들면, 포토리소그래피 공정에 사용되는 투영 렌즈 재료로서의 석영 유리는, 3방향으로 맥리(脈理, striae)가 없고, 광축 방향의 굴절률 균질성 △n이 4 x 10-6 이하이고, 렌즈의 광축 방향의 굴절률 분포가 중앙 대칭성을 가지며, 비회전 대칭 성분의 RMS(Root Mean Square)값이 0.0050λ이하이고, 회전 대칭 성분을 2·4차로 커브 피팅(curve fitting)한 후의 나머지 차이 성분의 RMS값이 0.0050λ 이하일 것이 요구되고 있다.

또한, 상기의 용도와 기타 다른 용도로 사용하기 위해서는 기포가 없고 가능한한 투명한 석영 유리가 바람직하다. 기타 다른 용도로는 고광도 램프 및 고효율 램프용 엔빌로프와 광학 원격통신 시스템용 에너지 전송 섬유 등과 같은 광학 부품이 포함된다.

한편, 석영유리` 용융에 있어서는 주로 산소버너를 사용하거나 고가의 플라즈마를 이용하고 있으며, 플라즈마를 이용함에 있어서는 대부분이, 대상기체에 강한 전장을 발생시켜 가속된 전자들의 연속된 충돌에 의해 충분한 전하 입자가 생성되어 고전류가 흐르는 아크방전으로 플라즈마 상태를 유지시키게 되는 직류 아크 방전이나 고주파 유도 결합(RF inductively couled) 방전에 의해 이루어지고 있다.

예를들어, 대한민국등록특허 제 10-0844976호에서는 ??외부전극, 내부전극, 선회류를 발생시키는 선회기, 가스버너노즐 및 상기 냉각수자켓 내부에서 발생된 화염의 토출경로를 형성하도록 설치되며, 화염의 수렴이 이루어지도록 화염의 토출이 이루어지는 단부의 내경이 축소형성된 화염수렴노즐, 냉각수와의 열전도에 의해 상기 외부전극을 냉각시키도록 상기 외부전극에 결합설치된 외부전극냉각수라인, 및 냉각수와의 열전도에 의해 상기 내부전극을 냉각시키도록 상기 내부전극에 결합설치된 내부전극냉각수라인, 을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 플라즈마와 가스 혼합형 연소장치.”를 제공한다,

또한, 대한민국공개특허 제 10-2010-0026707호에서는 “내부 공간에 자장 형성을 위한 코일이 감겨진 속이빈 중공의 캐소드 전극체, 내부 공간에 자장 형성을 위한 코일이 감겨진 중공의 애노드 전극체, 상기 캐소드 전극체와 애노드 전극체 사이의 틈새를 통해 캐소드 전극체와 애노드 전극체 내부 반응공간으로 플라즈마 생성을 위한 반응가스가 도입될 수 있도록 유로를 형성하는 가스공급포트, 및 상기 캐소드 전극체, 애노드 전극체 및 가스공급포트를 수용할 수 있을 정도의 직경과 길이를 가져, 상기 상기 캐소드 전극체, 애노드 전극체 및 가스공급포트를 내부에 수용하는 중공의 외부 하우징을 포함하여 구성되는 공동형 플라즈마 토치.”를 제공하고 있다.

하지만, 상기의 선행 특허기술은 주입 가스의 공급 방법을 개선하여 프라즈마 용융 효율을 높이고 챔버 내의 일정한 열 분포를 얻도록 하는 특별한 방법에 제시된 것은 아니다.

그러므로, 구조 개선에 따른 추가 비용이 높지 않으면서도 주입 가스의 공급 방법을 개선하여 챔버 내의 일정한 열 분포를 얻도록 하는 방법의 개발이 절실한 실정이다.

선행기술 1 : 대한민국특허등록번호 : 10-0844976(2008년07월02일) 선행기술 2 : 대한민국특허공개번호 : 10-2010-0026707(2010년03월10일)

구조 개선에 따른 추가 비용이 높지 않으면서도 주입 가스의 공급 방법을 개선하여 챔버 내의 일정한 열 분포를 얻도록 하는 방법을 제공하고자 하며,이를 위해 하나의 경로에서 공급되는 가스가 로 안으로 들어 갈 때에는 여러개의 출구를 만들어 와류가 형성되므로서 효율을 좋게 만들고자 하는 데에 그 목적이 있다.

상기 목적은, 프라즈마 건을 이용하여 석영 유리 분말을 용융하는 시스템에서, 공급 가스에 와류가 형성되기 위하여, 가스 공급부에 장착되는 캡이 구비되고, 상기 캡에 원통형의 둘레에 다수개의 홀이 형성되며, 상기 다수개의 홍에 의하여 가스가 공급되고, 공급 가스의 Flow Rate 은 150 l/min, 180l/min, 210l/min, 240l/min에서, 선회류를 형성하므로서 달성된다.

본 발명은, 한 방향을 향한 선회흐름(Swirl)을 고속으로 유지하여 고온의 부분이 어느 한 지점에 귀속되지 않고 챔버 내에 고른 온도 분포를 가지도록 하므로서, 용융을 수행함에 있어서 효율을 높일 수 있도록 하는 가수 주입 구조를 가지면서도 개선에 따른 비용은 상대적으로 매우 작다는 장점을 가지는 프라즈마 건을 이용한 석영 유리 제조 장치를 제공할 수가 있게 된다

도 1은 용융 과정을 실행하기 위한 종래 기술의 회전 로의 구조를 나타낸 실시예의 도면이다.
도 2는 공급 가스에 와류를 형성하기 위한 캡의 구조이다,
도 3내지 도 7은 본원 발명의 조건에서 N2 Gas 유량에 따른 영향을 조건을 나타낸 실험 데이터이다. .
도 8내지 도 12는 Plasma-Gun 토출부 크기에 따른 영향을 나타낸 실험 데이터 결과이다.
도 13내지 도 17은 Plasma-Gun의 형상에 따른 영향을 나타낸 실험 데이터이다.
도 18내지 도 25는 SiO2 용융로내 열·유동·복사 해석을 나타낸 도면으로, 직경 Φ200, 길이 600mm의 용융로 해석이다.

이하, 본 발명의 실시 예에 따른 프라즈마 건을 이용한 석영 유리 제조 장치에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명을 설명하기 위해 필요한 통상의 기술에 대해서는 상세 설명을 생략할 수 있다.

도 1은 용융 과정을 실행하기 위한 종래 기술의 로의 구조를 나타낸 실시예의 도면이다.

용융과정을 실행하기 위한 예시적인 회전로(10)를 도시된다, 상기 회전로는 플라즈마 아크 가열을 사용하는 실시예의 도면이지만, 회전로(10)에 대해 저항가열이나 기타 다른 가열시스 템도 적용되고 있는 실정이다.

그리고, 회전로에 공급되는 '입자'는 석영유리 입자이거나 실리카 유리 입자일 수도 있다. 또한, “SiO2”의 형태를 가지는 천연의 실리카 물질과, 인공 실리카 물질 및, 이들의 조합물을 의미할 수도 있다.

회전로(10)는 도 1에서와 같이, 견고하게 바닥에 고정되는 구조를 가지며, 회전로(10)의 하우징(20)은 드럼의 형태를 취하며; 3개의 부품 즉, 원통형 부분(22)과, 좌측의 플랜지형 커버(24)와, 우측의 플랜지형 커버(26)로 구성되어 있다. 선택적으로, 상기 플랜지형 커버(24, 26)는 플라즈마 아크와 대면하며 도너츠형 모놀리스 내화물(28, 30)을 갖는 로의 내부와 절연되어 있다.

산화 지르코늄이나 산화 알루미늄의 층처럼 그 특성상 과립형이거나 고형물(모놀리스)일 수도 있는 또 다른 절연물이 원통형 부분(22)의 내부를 덮으며, 선택적으로 몰리브덴 포일로 덮일 수도 있다.

또한, 회전 로 하우징(20)의 냉각 시스템은 로 하우징(20)의 바로 위에서, 수평로의 축선에 평행하게 배치된 물방출기로 구성된다, 그리고, 이러한 냉각시스템의 한가지 목적은 회전로 하우징내에서 보호 절연층(28, 30, 32)의 두께를 최소화하거나, 완전히 제거하기 위한 것이다.

한편, 플랜지(24, 26)의 축방향 연장부(50)는 베어링 조립체(54)를 통해 회전로(10)를 회전가능하게 지지하는 작용을 한다. 상기 하우징(20)의 내부에 형성된 연장된 원통형 챔버(62)의 내부에는 아크(60)가 생성된다.

상기 회전로(10)는 진공하에서 또는 상승압력에서 또한 상이한 가스 또는 가스 혼합물에서 작동될 수 있도록 밀폐가능하게 밀봉된다. 이를 위하여, 가스켓형 밀봉부가 제공되어 플랜지형 커버(24, 26)를 원통형 부분(22)에 밀봉하며, O링이 제공되어, 전극(64, 66)을 축방향 연장부(50, 52)의 내부에 밀봉한다.

그리고, 회전로가 아크(60)에 의해 가열되었을 때, 아크를 유지하기 위하여 헬륨 압력을 0.1기압 내지 3기압의 범위내로, 양호하기로는 적어도 0.5기압으로 유지하는 것이 바람직하다. 그러나, 아크 대신에 저항가열기 등과 같은 다른 가열원이 사용될 경우, 이러한 범위를 벗어난 압력도 예상될 수 있다.

회전로 조립체는 접지되어 있다. 전체 전력과 그 제어에 따른 요구사항을 만족시킬 수 있다면, 그 어떤 직류 전원 공급부(80)라도 사용될 수 있다. 용융 동작시 전력이 제로전압으로 강하하는 것을 방지하여 아크(60)의 안정성이 유지될 수 있도록, 부가의 인덕터(32)가 전원공급부에 직렬로 부가될 수도 있다.

하우징(20)을 회전시키기 위한 구동시스템은 좌측의 로 플랜지(24)의 일부를 형성하는 축방향 연장부(50)를 회전시키는데 사용되는(직접적으로 또는 간접적으로) 속도가변형 모터(102)를 포함한다.

전극의 온도를 제어하기 위해 전극(64, 66)의 환형 통로를 통해 순환용 입구에 냉각제가 도입된다. 석영 유리 입자는 공압 공급시스템에 의해 로에 도입된다. 상기 공압 공급시스템은 석영 유리 입자를 공급 튜브를 통해 로에 전송하기 위해 공급가스를 사용한다. 상기 공급가스는 압력실린더 등과 같은 공급가스원으로부터 공급되어, 상기 공급튜브를 통과하는 석영 유리 입자와 혼합된다.

상기 공급튜브는 전극(입구전극)(64) 중 하나에 형성된 보어(126)와 유동가능하게 연결된다. 석영 유리 입자와 공급가스의 혼합물은 상기 보어(126)를 통해 비어있는 회전 하우징(20)에 양호하게 공급된다.

도 2는 공급 가스에 와류를 형성하기 위한 캡의 구조이다,

그림에서 보는 바와 같이 로 내에서 와류를 형성하기 위한 출구 구조이다, 즉, 도 2에 도시된 캡에 홀(hole)이 형성되고, 상기 홀에 의하여 가스가 공급되므로, 공급 되는 가스는 일정 각도를 가지게 되어 와류가 형성되게 되는 것이다.

- 주입 가스 물성 데이터 -

표 1과 표2는 본원 발명에서의 주입가스 물성 데이터를 나타낸다,

표 1에서 보는 바와 같이 주입가스의 밀도(Density)는 이상기체(ideal-gas)로서 자연대류가 적용되며 단위는 kg/m3 이다, 또한, 열전도도(Thermal Conductivity)는 0.0242(W/m·k), 점도(Viscosity)는 1.66E-05(kg/m·s)이고, 분자량(M·W) 는 28.0134 (kg/kg·mol)이다.

또한, 예를들어, Cp(J/kg·k)가 질소(N2)에서, a = 1001, b = 130, c = 0 일 때, 각 온도별 값은 표 3처럼 나타낸다.

도 3내지 도 7은 본원 발명의 조건에서 N2 Gas 유량에 따른 영향을 조건을 나타낸 실험 데이터이다.

그리고, 도 3내지 도 7에서의 Gas Flow Rate은 각각 150, 180, 210, 240 l/min 이다.

한편, 도 3는 가스의 입구와 가스의 출구의 경로는 나타내는 실시예의 도면이다.

그리고 도 4은 Stream Line에 대한 해석결과를 나타내며, Flow Rate 은 150 l/min, 180l/min, 210l/min, 240l/min 이다. 도 4에서 볼수 있는 바와 같이 모든 Case에서 Gas 유동은 Arc 영역의 중심부를 피하여 선회류를 형성하는 유동분포를 보이고, Gas 유동이 Arc 중심부를 통과하지 못하고 주변을 선회하는 유동은 Gas로 열이 전달되는 효율을 저하시킬 것으로 사료된다,

도 5는 속도(Velocity)에 대한 해석 결과를 나타내고, 순 유속(Flow Rate)은 150 l/min, 180l/min, 210l/min, 240l/min 이다. 이때, 도 5에서 볼수 있듯이 유량이 많을수록 Plasma_Gun 토출구 에서의 유속이 빠르게 분포하게 된다.

도 6는 온도(Temperature)에 대한 해석 결과를 나타내고, 유량이 적을수록 Plasma_Gun Arc 영역의 온도가 높게 분포하고, 모든 Case에서 2000℃ 이상의 고온영역은 0.3m 이내에 존재하게 된다.

도 7은 온도(Temperature)에 대한 해석 결과를 나타내고, 순 유속(Flow Rate)은 150 l/min, 180l/min, 210l/min, 240l/min 이다. 유량이 적을수록 Plasma_Gun의 최고 온도가 높게 분포하고, 위의 해석은 복사에너지를 고려하지 않은 상태로서, 실제 Plasma_Gun의 최고 온도는 더 높게 분포할 가능성이 있게 된다.

도 8내지 도 12는 Plasma-Gun 토출부 크기에 따른 영향을 나타낸 실험 데이터 결과이다.

도8은 Case Study 로서 Plasma-Gun 토출부 크기에 따른 영향을 나타낸 도면이다. 즉, 표시한 구조물에 의하여 N2 취입부의 Angle 변경에 어려움이 있게 된다. 그리고 제 1 변수는 토출구 직경이고, 제 2 변수는 표시한 영역(도 7에서 빨간 타원으로 표시)에 적용되는 곡률이다. 그리고, 도 8에서처럼 음극과 양극은 일정한 간격을 가지고 되며, 상기 간격에 의하여 아크가 방전된다.

도 9은 Case Study로서 Plasma-Gun과 토출부 크기에 따른 영향을 나타낸 도면이다. 그리고 변화되는 토출구 직경은 각각 4, 5, 7, 9 이다,

도 10은 속도(Velocity)에 대한 해석 결과를 나타낸 도면이다. 입구가 좁을수록, 출구의 유속이 빠르게 형상됨을 알 수 있다.

도 11은 온도(Temperature)에 대한 해석 결과를 나타낸 도면이다. 출구 면적이 넓을수록 Plasma Arc영역의 온도가 높게 분포함을 알 수 있다.

도 12은 온도(Temperature)에 대한 해석 결과를 나타낸 도면이다. Plasma_Gun 토출구 형상을 변경 후 Plasma_Gun의 최고 온도가 낮게 분포하고, 위의 해석은 복사에너지를 고려하지 않은 상태로서, 실제 Plasma_Gun의 최고 온도는 더 높게 분포할 가능성이 있게 된다.

도 13내지 도 17은 Plasma-Gun의 형상에 따른 영향을 나타낸 실험 데이터이다.

도 13은 Plasma-Gun 형상에 따른 영향을 나타낸 Case Study이다.

표 3은 도 12에서 Swirl 적용, Laval N/Z 적용, 내부 체적 확보의 여부를 나타낸다.

도 14는 Stream-Line Laval N/Z 적용 시 토출부의 Swirl이 감소하는 경향을 보인다.

도 15는 출구 Swirl-Vector를 나타낸 도면으로, Laval N/Z 적용 시 토출부의 Swirl이 감소하는 경향을 보이고, Swirl 방향이 중심부에서 Side 영역으로 퍼져가는 형상을 나타내게 된다.

도 16은 중심부 속도 분포를 나타낸 도면이고, 도 17은 중심부 온도 분포 & Plasma 영역 온도 분포를 나타낸 도면이다. 그리고, Case01, 03에서 Plasma 화염이 가장 길게 나타나고, Case01에서 Plasma 영역 온도 분포가 낮게 나타나며, (N2 Gas가 Plasma 영역의 에너지를 효율적으로 가져가는 것으로 판단된다.

도 18내지 도 25는 SiO2 용융로내 열·유동·복사 해석을 나타낸 도면으로, 직경 Φ200, 길이 600mm의 용융로 해석이다.

도 18은 Plasma_Gun 형상 변경을 나타낸 도면이고, 도 19는 Chamber 내부 유동 영역 형상 모델링을 나타낸 도면이다. Solid SiO2는 최종적으로 용해된 형상으로 구현되고, Outlet은 Plasma-Gun 토출부와 동일 면적으로 적용되며, 복사 에너지 고려하여 해석 진행(P1-Model)하게 된다.

도 20은 경계조건 및 Case Study를 나타낸 도면이다.

한편, 표 4는 도 20의 케이스 조건을 나타낸다.

도 21은 Stream-Line을 나타낸 도면이다. 유량과 열량이 많을수록 Plasma 토출 유속이 빠르게 분포하고, 모든 Case에서 용융로 내 선회류가 형성딘다.

도 22는 중심부 속도 분포를 나타낸 도면이다. 유량이 많을수록, 열량이 많을수록 Plasma 토출 유속이 빠르게 분포하고, Plasma-Gun 내부의 선회류와 용융로의 회전으로 유동이 상하로 휘는 경향을 보인다.

도 23은 용융로 내부의 온도 분포를 나타낸 도면이다. 열량이 많을수록 용융로 내부 온도가 높게 분포하고, 토출부 온도 관계는 “Case-03 > Case-01 > Case-02”이 된다, 그리고, Case-02의 경우 열량이 Case-01보다 높지만, 유량 차이로 인하여 토출부 온도가 더 낮게 분포하게 된다.

도 24는 Plasma-Gun 온도 분포를 나타낸 도면이다. Plasma-Gun에 적용되는 냉각 System은 고려되지 않고, 열량이 높아질수록 Plasma-Gun의 온도가 크게 상승한다.

도 25는 Solid SiO2 영역에서의 온도 분포를 나타낸 도면이다.

SiO2 최고 온도가 1750℃에 도달하는 시간은 “Case-01”에서는 도달 하지 못하고, “Case-02”에서는 786sec 이고, Case-03에서는 343sec 이다.

SiO2 최저 온도가 1750℃에 도달하는 시간은 “Case-01”에서는 도달 하지 못하고, “Case-02”에서는 852sec 이고, “Case-03”에서는 411sec 이다.

10 : 회전로 20 : 하우징
22 : 원통부 24, 26 : 프렌지형 커버
28, 30 : 내화물 32 : 절연층

Claims (1)

1. 프라즈마 건을 이용하여 석영 유리 분말을 용융하는 시스템에서, 공급 가스에 와류가 형성되기 위하여, 가스 공급부에 장착되는 캡이 구비되고, 상기 캡에 원통형의 둘레에 다수개의 홀이 형성되며, 상기 다수개의 홍에 의하여 가스가 공급되고,
   공급 가스의 Flow Rate 은 150 l/min, 180l/min, 210l/min, 240l/min에서, 선회류를 형성하는 것을 특징으로 하는 프라즈마 건을 이용한 석영 유리 제조 장치,

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