KR20200062218A - 플라즈마 저감용 플라즈마 스트림을 이송하는 노즐 및 관련 방법 - Google Patents

플라즈마 저감용 플라즈마 스트림을 이송하는 노즐 및 관련 방법 Download PDF

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시몬 매그니
윤 수 최
찬 규 고
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에드워즈 리미티드
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Abstract

플라즈마 스트림을 이송하기 위한 노즐 및 방법이 개시된다. 노즐은 플라즈마 발생기로부터 반응 챔버로 플라즈마 스트림을 이송하기 위한 것이고, 노즐은 플라즈마 스트림을 수용하도록 구성된 유입구와, 반응 챔버와 유체적으로 결합하도록 구성된 유출구 사이에서 연장되는 도관을 포함하고, 플라즈마 스트림은 유입구와 유출구 사이의 도관에 의해 축방향으로 이송되고, 노즐은 열전도성이고, 노즐에 의한 가열을 위해 물을 수용하도록 구성되며, 노즐은 내부에 적어도 하나의 개구를 구비하고, 개구는 가열된 물을 플라즈마 스트림과 혼합하기 위해 축방향으로 전달하도록 구성된다. 이렇게 하여, 물은 저감 장치의 파괴 속도 효율을 향상시키는 것을 돕는 수소 및 산소 라디칼을 발생시키는 노즐 내의 플라즈마 스트림으로 유입된다. 이는, 이러한 라디칼을 생성하도록 가연성 재료가 노즐에 공급되지 않기 때문에, 파괴 속도 효율을 향상시키는 특히 안전하고 편리한 방법을 제공한다.

Description

플라즈마 저감용 플라즈마 스트림을 이송하는 노즐 및 관련 방법
본 발명은 플라즈마 스트림을 이송하는 노즐 및 그 방법에 관한 것이다.
열 플라즈마 토치는 알려져 있고, 전형적으로, 예를 들면, 반도체 또는 평판 패널 디스플레이 제조 산업에서 사용되는 제조 프로세스 도구로부터 배출 가스 스트림을 처리하기 위해 사용된다. 이러한 제조 동안에, 잔여 불화화합물 또는 과불화화합물(PFCs)이 프로세스 도구로부터 펌핑된 배출 가스 스트림 내에 존재한다. 이러한 화합물은 배출 가스 스트림으로부터 제거하기 어렵고, 이들이 비교적 높은 온실 활동을 하는 것으로 알려져 있기 때문에, 이들을 환경 내로 방출하는 것은 바람직하지 않다.
배출 가스 스트림으로부터 PFCs 및 다른 화합물을 제거하는 한 가지 접근법은 예를 들면, 특허문헌 제 EP1773474 호에 설명된 바와 같이 복사 버너(radiant burner)를 사용하는 것이다. 그러나, 연소에 의한 저감을 위해 통상적으로 사용되는 연료 가스가 바람직하지 않거나 손쉽게 이용될 수 없는 경우, 플라즈마 토치 저감 디바이스를 사용하는 것이 또한 알려져 있다.
저감 디바이스용 플라즈마는 다양한 방식으로 형성될 수 있다. 마이크로파 플라즈마 저감 디바이스는 몇 개의 프로세스 챔버의 배기구에 연결될 수 있다. 각 디바이스는 자체의 마이크로파 발생기를 필요로 하는데, 이는 시스템에 상당한 비용을 추가할 수 있다. 플라즈마 토치 저감 디바이스는 확장성(scalability) 면에서, 그리고 (배출 스트림 내에 존재하거나, 저감 반응에 의해 발생되는) 분말을 처리하는 데에 있어서, 마이크로파 플라즈마 저감 디바이스보다 유리하다. 사실, 마이크로파 플라즈마에 대해서, 분말이 존재하면, 분말은 반응 튜브의 유전체 특성을 변경하고 방출을 계속하게 하는 마이크로파 주입을 비효과적으로 만들 수 있다. 플라즈마 저감 디바이스에 의해 발생된 플라즈마는 배출 가스 스트림 내에서 원치 않는 화합물을 파괴 또는 저감하는데 사용된다.
이러한 장치가 배출 가스 스트림을 처리하기 위해 존재하지만, 이들은 자체의 단점을 각각 갖는다. 따라서, 배출 가스 스트림을 처리하기 위한 개선된 기술을 제공하는 것이 소망된다.
제 1 관점에 따르면, 플라즈마 발생기로부터 반응 챔버로 플라즈마 스트림을 이송하기 위한 노즐이 제공되며, 이 노즐은 플라즈마 스트림을 수용하도록 배치된 유입구와, 반응 챔버와 유체적으로 결합되도록 배치된 유출구 사이에서 연장되는 도관을 포함하고, 플라즈마 스트림은 축방향으로 유입구와 유출구 사이에서 도관에 의해 이송되고, 노즐은 열전도성이고, 노즐에 의해 가열하기 위해 물을 수용하도록 배치되며, 노즐은 내부에 적어도 1개의 개구를 구비하고, 이 개구는 플라즈마 스트림과 혼합하기 위해 가열된 물을 전달하도록 배치된다.
제 1 관점은 배출 가스 스트림으로부터 화합물을 제거하려고 할 때 파괴 속도 효율(destruction rate efficiency)이 최적이 아닐 수도 있다는 것을 인식한다. 특히, 기존의 저감 장치는 저감 반응이 일어나는 반응 튜브, 유입구 조립체, 제한부(restriction), 및 혼합(벤투리(Venturi)) 콘과 결합된 DC-아크 플라즈마 토치를 채용한다. PFC 저감은 주로, 벤투리 콘 전에, 시약으로서 압축된 건조 공기(compressed dried air; CDA)를 주입함으로써 달성된다. 여기서, 시약은 "고온" 반응 영역으로 들어가기 전에 PFC 가스 및 N2 플라즈마 플럼(plume)과 혼합되고, 이 반응 영역은 콘 이후에 존재하고, (세라믹 시멘트로 제조될 수도 있지만, 금속과 같은 다른 재료를 가질 수 있는) 반응 튜브에 의해 경계지어진다. 반응 영역에 있어서, 가스 온도가 DeNOx 섹션의 N2 유동으로, 그리고 ?치(quench)의 물 스프레이에 의해 저감되기 전에, O2는 PFC 가스와 반응한다. 일례로서, CF4 저감의 경우에 일어날 수 있는 2개의 화학 반응은:
Figure pct00001
(우성 반응) 및
Figure pct00002
이다. 유사하게, SF6 저감의 경우에, SOF2, SO2F2이 더욱 용해성이 있는 부산물 SO2, F2, HF보다 많은 양으로 형성될 수 있다.
이 "건식(dry)" 저감이 H2O를 플라즈마 상으로 변환시키는데 낭비되는 에너지 없음, 및 매우 낮은 NOx(주로 N2 라디칼이 물과 접촉할 경우에 생성됨)와 같은 고유한 이점을 갖기는 하지만, 시약으로서의 H2의 부족은 몇몇 약점을 나타낼 수 있다. 주로, COF2, SOF2 및 SO2F2과 같은 부산물은 어려움 없이 신선한 물로 세정될 수 있고, 저감 후에도 여전히 허용가능한 수준을 넘어서 고농도로 나타날 수 있다. 플라즈마 토치 스크러버에 대해서, F2 및 Cl2 분자는 반응 섹션에서 분해될 수 있지만, H2 라디칼의 부족으로 인해, 이들은 반응 섹션으로부터 빠져나오는 가스의 온도를 저감하도록 분사수(sprayed water)가 채용될 수 있는 습식 ?치 섹션 내에서 추가의 하류로만 처리될 수 있다. 이는, CH4로부터의 H2 라디칼이 Cl2/Fl2의 HCl/HF로의 "쉬운" 변환을 허용하는 버너와의 주요 차이점이다. 일부 저감 장치에 있어서, Cl2 저감은 특히 ?치의 상류측의 조건에 매우 의존한다는 것이 입증되었다. H2의 단순한 추가는 CF4에 효과적이라는 것이 입증되었지만, 가연성 시약은 "비-연료" 저감 해결책으로서 권장되지 않는다. 대신에, 수증기가 SF6를 위한 실행가능한 해결책이다.
따라서, 제 1 관점은 또한, 산소 라디칼과 함께/산소 라디칼 대신의 수소의 존재는 일부 화합물의 파괴 속도 효율을 향상시킬 수 있고, 유독하고 거의 용해성이 없는 부산물의 형성을 크게 저감시킨다. 그러나, H2, CH4, C3H8 등과 같은 소스 가스로부터의 이러한 수소 라디칼의 도입은 특히, 저감 장치 외측의 가연성 화합물의 존재, 및 장비의 작동 비용을 최소화하는 것이 바람직할 때, 문제가 될 수 있다.
따라서, 플라즈마 스트림 노즐과 같은 노즐이 제공된다. 노즐은 플라즈마 발생기와 반응 챔버 사이에서 플라즈마 스트림 또는 제트를 이송 또는 운송할 수도 있다. 노즐은 도관을 포함할 수도 있다. 도관은 유입구와 유출구 사이에서 연장되거나, 유입구 및 유출구를 구비할 수도 있다. 유입구는 플라즈마 스트림을 수용할 수도 있다. 유출구는 반응 챔버와 유체적으로 결합될 수도 있다. 플라즈마 스트림은 축방향 또는 신장 방향(또는 유동 방향)으로 도관에 의해 또는 도관을 통해 이송 또는 운송될 수도 있다. 노즐은 열전도성일 수도 있고, 가열된 물을 제공하도록 노즐에 의해 가열될 수도 있는 물을 수용하도록 배치될 수도 있다. 노즐은 하나 이상의 개구, 개구부 또는 노즐을 형성할 수도 있다. 이러한 개구는 이송되는 플라즈마 스트림과 혼합되는 가열된 물을 축방향으로 전달할 수도 있다. 이렇게 하여, 물은 저감 장치의 파괴 속도 효율을 향상시키는데 도움이 되는 수소 및 산소 라디칼 모두를 발생시키는 플라즈마 스트림으로 도입된다. 노즐 자체는 물을 예열하는데 도움이 될 수도 있고, 심지어 플라즈마 스트림 상의 냉각 효과를 저감하기 위해, 도관 내에서 전달되기 전에 물을 증발시킬 수도 있다. 축방향 전달은 대량의 유동의 물 시약이 저감에 요구될 때 특히 유용하고, 플라즈마 스트림의 ?칭을 저감시킨다. 이는, 가연성 물질이 이러한 라디칼을 발생시키도록 노즐에 제공될 필요가 없기 때문에, 파괴 속도 효율을 향상시키는 특히 안전하고 편리한 방식을 제공한다.
일 실시예에 있어서, 도관은 내부에 개구를 형성하는 벽부에 의해 규정되고, 개구는 도관을 통해 수송할 때 플라즈마 스트림과 혼합하기 위해 도관 내로 가열된 물을 전달하도록 배치된다. 따라서, 도관은 플라즈마 스트림이 유입구와 유출구 사이에서 노즐을 통해 이송 또는 통과하기 때문에 플라즈마 스트림을 둘러싸거나 제한할 수도 있는 벽부를 구비할 수도 있다. 개구는 플라즈마 스트림이 수송될 때 플라즈마 스트림과 혼합되도록 도관 내로 또는 도관 근처에 가열된 물을 전달할 수도 있다.
일 실시예에 있어서, 개구는 반응 챔버 내로 수송될 때 플라즈마 스트림과 혼합되기 위해 가열된 물을 전달하도록 배치된다. 따라서, 개구는 플라즈마 스트림이 반응 챔버 내로 흐를 때 플라즈마 스트림과 혼합되도록 가열된 물을 전달할 수도 있다.
일 실시예에 있어서, 개구는 도관 및/또는 반응 챔버 내로 반경 방향으로 가열된 물을 전달하도록 배향된다. 반경 방향 성분을 같은 방향으로 플라즈마 스트림 내로 가열된 물을 전달하는 것은, 가열된 물을 플라즈마 스트림 내로 침투하고 플라즈마 스트림과 혼합하는데 도움이 된다. 다시 말해서, 가열된 물은 도관 및/또는 반응 챔버 및/또는 플라즈마 스트림에 대해서 적어도 반경 방향 성분을 갖는 방향으로 도관 및/또는 반응 챔버 및/또는 플라즈마 스트림에 들어간다.
일 실시예에 있어서, 개구는 도관 내로 접선 방향으로 가열된 물을 전달하도록 배향된다. 플라즈마 스트림 내로 접선 방향 성분을 갖는 방향으로 물을 전달하는 것은, 회전 성분을 도입함으로써 노즐 및/또는 반응 챔버 내에서 안정된 유동의 플라즈마 스트림을 유지하는데 도움이 되어서, 주입된 물 시약과의 배출 가스의 혼합을 향상시킨다. 다시 말해서, 물은 도관 및/또는 반응 챔버 및/또는 플라즈마 스트림에 대해서, 적어도 접선 방향 성분을 갖는 방향으로 도관 및/또는 반응 챔버 및/또는 플라즈마 스트림으로 들어간다.
일 실시예에 있어서, 개구는 도관 내로 축방향으로 가열된 물을 전달하도록 배향된다. 플라즈마 스트림 내로 축방향 성분을 갖는 방향으로 물을 전달하는 것은, 도관 및/또는 반응 챔버를 통한 플라즈마 스트림의 유동의 안정성을 유지하는데 도움이 된다. 이 구성은 대량의 유동의 물 시약이 저감에 필요할 때 특히 유용하다. 다시 말해서, 물은 도관 및/또는 플라즈마 스트림에 대해서 적어도 축방향 성분을 갖는 방향으로 도관 및/또는 반응 챔버 및/또는 플라즈마 스트림으로 들어간다.
일 실시예에 있어서, 노즐은 복수의 개구를 포함한다. 이는 플라즈마 스트림 전체에 걸쳐서 물의 균일한 분포 및/또는 증가된 용적, 및 차후의 라디칼을 제공하는데 도움이 된다.
일 실시예에 있어서, 복수의 개구는 노즐 및 도관 중 적어도 하나 주위에 원주 방향으로 위치된다.
일 실시예에 있어서, 복수의 개구는 도관을 원주 방향으로 둘러싸는 갤러리와 유체적으로 결합되고, 이 갤러리는 복수의 개구에 전달하기 위한 물을 수용하도록 배치된다. 갤러리의 제공은, 단일 소스로부터 다수의 개구로 물을 전달하기 위한 편리한 구성이다.
일 실시예에 있어서, 갤러리는 물을 수용하기 위한 유입구를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 노즐은 플라즈마 스트림에 직접 노출시키는 것에 의해 가열되도록 배치된다.
일 실시예에 있어서, 도관은 가열된 물을 플라즈마 스트림과 혼합하기 위해 난류를 발생시키도록 작동 가능한 제한부를 포함한다. 도관의 벽부 내에 또는 벽부 상에 제한부 또는 중단부(discontinuity)로 난류를 발생시키는 것은 가열된 물을 플라즈마 스트림과 혼합하는데 도움이 된다.
일 실시예에 있어서, 물은 물방울 및 수증기 중 적어도 하나를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 노즐은 물방울을 발생시키도록 작동 가능한 에어로졸 디바이스를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 노즐은 에어로졸 디바이스로의 물의 전달을 제어하도록 작동 가능한 제어 디바이스를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 유입구는 배출 스트림과 함께 플라즈마 스트림을 수용하도록 배치된다.
일 실시예에 있어서, 노즐은 유입구의 상류측에 위치된 플라즈마 발생기를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 플라즈마 발생기는 플라즈마 스트림, 플럼 또는 플라즈마 제트를 생성하는 DC-아크, 마이크로파 또는 유도 결합 방전 장치를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 노즐은 배출 스트림을 유입구로 전달하도록 배치된 프로세스 유입구를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 노즐은 유출구의 하류측에 위치된 반응 챔버를 포함한다.
제 2 관점에 따르면, 노즐을 사용하여 플라즈마 발생기로부터 반응 챔버로 플라즈마 스트림을 이송하는 것을 포함하는 방법이 제공되며, 노즐은 플라즈마 스트림을 수용하도록 배치된 유입구와, 반응 챔버와 유체적으로 결합하도록 배치된 유출구 사이에서 축방향으로 연장되는 도관을 포함하고, 노즐은 열전도성이고, 방법은 노즐로 물을 가열하는 것을 포함하고, 노즐은 내부에 적어도 하나의 개구를 구비하며, 방법은 플라즈마 스트림과 혼합하기 위해 축방향으로 개구를 통해 가열된 물을 전달하는 것을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 도관은 내부에 개구를 형성하는 벽부에 의해 규정되고, 개구는 도관을 통해 수송할 때 플라즈마 스트림과 혼합하기 위해 도관 내로 가열된 물을 전달하도록 배치된다.
일 실시예에 있어서, 개구는 반응 챔버 내로 수송될 때 플라즈마 스트림과 혼합하기 위해 가열된 물을 전달하도록 배치된다.
일 실시예에 있어서, 본 방법은 도관 내로 반경 방향으로 가열된 물을 전달하도록 개구를 배향시키는 것을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 본 방법은 도관 내로 접선 방향으로 가열된 물을 전달하도록 개구를 배향시키는 것을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 본 방법은 도관 및 반응 챔버 중 적어도 하나 내로 축방향으로 가열된 물을 전달하도록 개구를 배향시키는 것을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 본 방법은 복수의 개구를 제공하는 것을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 본 방법은 노즐 및 도관 중 적어도 하나 주위에 원주 방향으로 복수의 개구를 위치설정시키는 것을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 본 방법은 도관을 동심으로 둘러싸는 갤러리와 복수의 개구를 유체적으로 연결하는 것과, 복수의 개구로 전달하기 위해 갤러리를 사용하여 물을 수용하는 것을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 본 방법은 갤러리의 유입구에서 물을 수용하는 것을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 본 방법은 플라즈마 스트림에 직접 노출시키는 것에 의해 노즐을 가열하는 것을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 본 방법은 도관 내에서 제한부를 사용하여 플라즈마 스트림과 물을 혼합하도록 난류를 발생시키는 것을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 물은 물방울 및 수증기 중 적어도 하나를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 본 방법은 에어로졸 디바이스로 물방울을 생성하는 것을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 본 방법은 에어로졸 디바이스로의 물의 전달을 제어하는 것을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 본 방법은 유입구에서 배출 스트림과 함께 플라즈마 스트림을 수용하는 것을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 본 방법은 입구의 상류측에 플라즈마 발생기를 위치시키는 것을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 플라즈마 발생기는 플라즈마 스트림, 플럼 또는 플라즈마 제트를 생성하는 DC-아크, 마이크로파 또는 유도 결합 방전 장치를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 본 방법은 유입구로 전달하기 위한 프로세스 유입구에 배출 스트림을 전달하는 것을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 본 방법은 유출구의 하류측에 반응 챔버를 위치시키는 것을 포함한다.
제 3 관점에 따르면, 플라즈마 발생기로부터 반응 챔버로 플라즈마 스트림을 이송하기 위한 노즐이 제공되며, 노즐은 플라즈마 스트림을 수용하도록 배치된 유입구와, 반응 챔버와 유체적으로 결합하도록 배치된 유출구 사이에서 연장되는 도관을 포함하고, 도관은 내부에 적어도 하나의 개구를 구비하는 벽부에 의해 형성되며, 개구는 도관을 통해 수송될 때 플라즈마 스트림과 혼합하기 위해 도관 내로 물을 전달하도록 배치된다.
제 4 관점에 따르면, 노즐을 사용하여 플라즈마 발생기로부터 반응 챔버로 플라즈마 스트림을 이송하는 것을 포함하는 방법이 제공되며, 노즐은 플라즈마 스트림을 수용하도록 배치된 유입구와, 반응 챔버와 유체적으로 결합하도록 배치된 유출구 사이에서 연장되는 도관을 포함하고, 도관은 내부에 적어도 하나의 개구를 구비하는 벽부에 의해 형성되며, 플라즈마 스트림과 혼합하기 위해 도관을 형성하는 벽부 내의 개구를 통해 물을 전달하는 것을 포함한다.
제 5 관점에 따르면, 제 1 또는 제 3 관점의 노즐을 포함하는 저감 장치가 제공된다.
추가의 특정한 그리고 바람직한 관점은 첨부된 독립 및 종속 청구항에 기재되어 있다. 종속 청구항의 특징은 적절하게, 그리고 청구범위에 명백하게 기재된 것 외의 조합으로 독립항의 특징과 조합될 수도 있다.
장치 특징이 기능을 제공하도록 작동 가능한 것으로 설명되는 경우, 이는 그 기능을 제공하거나, 그 기능을 제공하도록 의도 또는 구성되는 장치 특징을 포함하는 것으로 이해될 것이다.
본 발명의 실시예는 이제, 첨부 도면을 참조하여 더 설명될 것이다.
도 1은 일 실시예에 따른 플라즈마 저감 장치를 도시하는 도면,
도 2a는 반경 방향 전달부를 갖는 노즐을 도시하는 도면,
도 2b는 축방향 전달부를 갖는 노즐을 도시하는 도면,
도 2c는 접선 방향 전달부를 갖는 노즐을 도시하는 도면,
도 3은 물 시약의 상태의 요약된 변화를 도시하는 도면,
도 4는 일 실시예에 따른 에어로졸 디바이스를 도시하는 도면.
실시예를 더 상세하게 논의하기 전에, 먼저 개요가 제공될 것이다. 실시예는 플라즈마 저감 장치의 파괴 속도 효율을 향상시키도록 수소 및/또는 산소 라디칼의 안전한 생성을 위한 기술을 제공한다. 전형적으로, 액체 물은 이러한 라디칼을 생성하기 위해 플라즈마 스트림을 반응 챔버로 이송하는 노즐 내로 도입된다. 물은, 도관 내로 또는 플라즈마 스트림을 운반하는 노즐의 하류면으로부터 주입 또는 강제될 수도 있고, 및/또는 도관을 통해 반응 챔버 내로 흐르는 플라즈마 스트림과 물 사이의 차압로 인해 벤투리 효과에 의해 유입될 수도 있다. 노즐 자체는 전형적으로 노즐 냉각을 지원하고 물에 의한 플라즈마 스트림의 냉각을 최소화하는 노즐 도관으로 전달되기 전에 물을 예열한다. 플라즈마 스트림 및 배출 가스 스트림과 물의 혼합을 도우면서, 필요 시에, 그 스트림의 안정성 및 적절한 플라즈마 온도 프로파일을 유지하도록, 도관 또는 반응 챔버 내로 물을 분배하기 위한 상이한 구성이 예상된다. 플라즈마 스트림에 물을 공급하면 수소 및 산소 라디칼이 생성되어, 저감 장치의 파괴 속도 효율을 향상시키는데 도움이 된다.
일반적인 구성 - 저감 장치
도 1은 일 실시예에 따른 플라즈마 저감 장치(일반적으로, 10)를 도시한다. 플라즈마 저감 장치는 캐소드(30) 및 애노드(40)를 포함하는 플라즈마 토치(20)를 구비한다. 애노드(40)는 튜브형 보이드를 형성하는 환형 구조를 포함하고, 캐소드(30)는 그 튜브형 보이드의 신장축과 동축으로 정렬된다.
노즐(50)은 플라즈마 토치(20)와 동축으로 정렬되고 애노드(40)로부터 멀리 신장축을 따라 추가로 위치된다. 노즐(50)은 또한 신장축을 따라 연장되는 튜브형 도관을 형성하는 환형 구조를 포함한다. 노즐(50)은 튜브형 도관으로 및/또는 노즐(50)의 하류면(57)으로부터의 전달을 위해 물을 이송하도록 배치된 물 디스펜서(55)를 포함한다. 이러한 전달 구성체 각각에 있어서, 물은 축방향, 반경 방향 및/또는 접선 방향의 유동 성분을 갖는 도관 및/또는 반응 챔버(70) 내로 이송될 수도 있다.
노즐(50)은 반응 챔버(70)를 형성하는 동심으로 둘러싸는 케이싱(60) 내에 수용된다. 케이싱(60)은 물 재킷(80)에 의해 냉각된다.
작동 시에, 플라즈마 형성 가스 스트림(80)은 전기적으로 충전되고 DC-아크 방전을 겪는 캐소드(30)와 애노드(40) 사이에 도입되어, 신장축과 정렬되는 유동 방향(A)으로 흐르는 플라즈마 스트림(90)을 생성한다. 플라즈마 스트림(90)은 애노드(40)의 튜브형 도관을 통해 흐르고 노즐(50)을 향해 빠져나간다. 전형적으로, 압축된 건조 공기 스트림(110)과 함께 배출 가스 스트림(100)은 노즐(50)의 튜브형 도관으로 들어간다. 조합된 플라즈마 스트림(90), 배출 가스 스트림(100) 및 압축된 건조 공기 스트림(110)이 노즐(50)을 통해 반응 챔버(70)를 향해 이동할 때, 물은 물 디스펜서(55)에 의해 분배된다. 물 디스펜서(55)에 의해 분배된 물은 배출 가스 스트림(100) 내의 화합물의 저감이 발생하는 반응 챔버(70)로 또한 들어가는 수소 및 산소 라디칼을 생성한다.
반경 방향 노즐
도 2a는 노즐(50A)을 도시한다. 상류측 유입구(51A)는 조합된 플라즈마 스트림(90), 배출 가스 스트림(100) 및 압축된 건조 공기 스트림(110)이 선택적으로 수용될 수 있는 원추형 구조를 형성하는 베벨형 에지를 구비한다. 튜브형 내벽(52A)은 유입구(51A)로부터 유출구(53A)로 연장된다. 4개의 개구(54A)는 신장축을 따르는 위치에서 내벽(52A) 주위에 원주 방향으로 위치된다. 개구(54A)는 본 예에서, 90도로 이격된 내벽(52A) 주위에 균일하게 분포된다. 개구(54A)는 조합된 플라즈마 스트림(90), 배출 가스 스트림(100) 및 압축된 건조 공기 스트림(110)과 혼합하기 위해, 튜브형 도관 내로 반경 방향으로 물을 전달하도록 배향된다. 이러한 개구(54A)가 신장축을 따라 위치되는 것으로 도시되어 있지만, 이들은 유출구(53A) 주위에 위치될 수도 있고, 조합된 플라즈마 스트림(90), 배출 가스 스트림(100) 및 압축된 건조 공기 스트림(110)과 혼합하기 위해 하류측 반응 챔버 내로 반경 방향으로 물을 전달하도록 배향될 수도 있다는 것을 인식될 것이다.
명확성을 향상시키기 위해 도시되지 않았지만, 각 개구(54A)로 물을 이송하기 위해 각 개구(54A)와 연통하는 갤러리(55A)가 제공된다.
본 실시예에서, 노즐(50A)은 열전도성이며, 따라서 개구(54A)를 통해 분배되기 전에 물을 예열한다.
작동 시에, 조합된 플라즈마 스트림(90) 및 배출 가스 스트림(100)은 분배된 물과 혼합되고, 유출구(53A)를 빠져나오고, 반응 챔버(70)로 들어간다. 압축된 건조 공기(110)는 저감하기 위해 배출 가스 스트림에 존재하는 종(species)에 따라 이 혼합물의 상류측에 추가될 수 있다.
축방향 노즐
도 2b는 일 실시예에 따른 노즐(50B)을 도시한다. 이 노즐(50B)의 구성은 개구(54B)가 대신에 신장축 방향으로 물을 전달하도록 배향되는 것을 제외하고는 상술된 구성과 동일하다. 본 실시예에 있어서, 원주 방향으로 각각 위치된 12개의 개구(54B)가 있다. 본 실시예에 있어서, 물은, 조합된 플라즈마 스트림(90), 배출 가스 스트림(100) 및 압축된 건조 공기 스트림(110)과 물 사이의 혼합을 촉진시키는 난류를 야기하는 중단부(56B)의 하류측에 분배된다. 이러한 개구(54B)가 신장축을 따라 위치된 것으로 도시되어 있지만, 이들은 또한 유출구(53B) 주위에 위치될 수도 있고(예를 들면, 중단부(56B)는 생략될 수도 있음), 조합된 플라즈마 스트림(90), 배출 가스 스트림(100) 및 압축된 건조 공기 스트림(110)과 혼합하기 위해 반응 챔버(70)와 결합되는 노즐(50B)의 하류면(57B)으로부터 하류측 반응 챔버(70) 내로 축방향으로 물을 전달하도록 배향될 수도 있다는 것이 인식될 것이다. 이러한 실시예는 시약으로서 고 유량의 물을 필요로 하는 배출 가스 스트림을 처리하는데 특히 적합하다. 가열된 물을 축방향으로 전달하는 것은, 배출 가스 스트림(100) 및 압축된 건조 공기 스트림(110)과 혼합되는 가열된 물의 층상 동심 슈라우드를 형성하는데 도움이 되고, 플라즈마 스트림(90)의 ?칭을 방지하는데 도움이 된다.
명확성을 향상시키기 위해 도시되지 않았지만, 각 개구(54B)로 물을 이송하기 위해 각 개구(54B)와 연통하는 갤러리(55B)가 제공된다.
접선 방향 노즐
도 2c는 일 실시예에 따른 노즐(일반적으로, 50C)을 도시한다. 이 노즐(50C)의 구성은 개구(54C)가 대신에 접선 축방향으로 물을 전달하도록 배향되는 것을 제외하고는 상술된 구성과 동일하다. 본 실시예에서, 원주 방향으로 각각 위치된 4개의 개구(54C)가 있다. 이러한 개구(54C)는 신장축을 따라 위치되는 것으로 도시되어 있지만, 이들은 또한 유출구(53C) 주위에 위치될 수도 있고, 조합된 플라즈마 스트림(90), 배출 가스 스트림(100) 및 압축된 건조 공기 스트림(110)과 혼합하기 위해 하류측 반응 챔버 내로 반경 방향으로 물을 전달하도록 배향될 수도 있다는 것이 인식될 것이다. 본 실시예는 시약으로서의 물과 배출 가스 스트림의 혼합을 향상시키는데 특히 적합하다.
명확성을 향상시키기 위해 도시되지 않았지만, 각 개구(54C)로 물을 이송하기 위해 각 개구(54C)와 연통하는 갤러리(55C)가 제공된다.
반경 방향 및/또는 접선 방향 및/또는 축방향 성분을 갖는 반응 챔버 및/또는 튜브형 도관 내로 물을 도입하는 개구의 중간 구성이 또한 가능하다는 것이 인식될 것이다. 또한, 물은 중단부 여부에 관계없이 튜브형 도관의 신장축을 따라 하나 이상의 상이한 위치에 도입될 수도 있다. 또한, 개구의 위치 및 개수는 개별 필요조건에 맞도록 조정될 수도 있다. 게다가, 복수의 개구의 상이한 개구는 상이한 방향으로 배향될 수도 있다.
실시예는 열 플라즈마 저감 시스템에서 시약으로서 물을 주입하는 기술을 제공한다. 특별히 설계된 혼합 콘(벤투리)이 특징으로 하는 주입 노즐의 근처의 플라즈마 고온에 의해 물이 증발된다. 이 기술은 NOx 배출을 최소화하고 동시에 저감 효율을 향상시키기 위해 저감 반응 구역의 "가장 적합한" 지점에 "적절한" 양의 물을 전달하는 것을 목표로 한다. 이 방법은 PFC 저감으로부터 비롯하는 화학적 부산물을 다룰 뿐만 아니라 플라즈마 저감 시스템에 의해 현재 달성되는 F2 및 Cl2와 같은 할로겐의 저감 성능을 향상시킬 수 있다. 증발은 고가의 증발기 또는 다른 복잡한 "금도금" 해결책을 채용하지 않고 달성된다. 실시예는 액체 물을 상이한 노즐 위치 및 상이한 장치에 공급하기 위해 이들을 이용한다.
실시예는 부산물 감소를 해결하고 할로겐 DRE 성능을 향상시키는 것을 목적으로 한다. 표 1은 SF6 부산물의 경우 몇 가지 실험적 증거를 보고한다. SOF2, SO2F2 및 SO2는 생명 및 건강에 대한 즉각적인 위험(Immediate Danger to Life and Health; IDLH)을 갖는 것으로 표로 작성된 농도 및 알려진 독성을 갖는다. 실험 데이터는 H2O가 CDA 대신 사용되는 경우, SF6 부산물(SO2F2, SOF2, SO2)의 IDLH 배출량 미만을 나타낸다.
Figure pct00003
표 1
표 2는 Cl2 저감의 경우의 실험 데이터를 나타낸다. H2O가 CDA 대신 사용되는 경우, IDLH 농도 미만의 Cl2를 처리하는데 낮은 플라즈마 전력이 사용될 수 있다.
Figure pct00004
표 2
또한, 복잡성 및 자본 비용을 감소시킬 수 있는 증발기/스팀 발생기를 회피하는 것이 유리하다. 그러므로, 일부 실시예는 액체 물을 수증기로 변환하기 위해 노즐(50)이 작동하는 고온을 사용한다. 노즐(50)의 주요 기능은 배출 가스를 "고온" 플라즈마 스트림, 제트 또는 플럼(90)과 혼합하는 것이다. 노즐(50)이 내식성 금속 합금(예를 들면, 스테인리스 강, 하스텔로이, 모넬 등이지만, 이에 한정되지 않음)으로 제조된다면, 노즐(50)은 열전도성일 수 있다. 이렇게 하여, 노즐(50)은 그 외부 에지에서 수냉될 수 있고(따라서, 노즐(50)의 가스 및 물 시일을 보존함),여전히, "고온" 플라즈마 스트림 또는 플럼(90)과 접촉하여 있는 그 내부 링에서 고온을 경험할 수 있다. 실시예에 있어서, 플라즈마 근접성으로 인해 환형 챔버 주위에서 발생된 스팀은 소형 노즐에 의해 방출되고, 결국, 물 세정이 더 쉬운 배출 가스를 갖는 화합물을 형성하기 위해 반응 섹션 내측에서 플라즈마 라디칼로 변환된다.
도 3은 물 시약의 상태의 요약된 변화를 도시한다.
액체 물은 여러 방식으로 공급될 수 있다. 바늘 밸브는 유량을 측정하도록 로터미터(rotameter) 또는 초음파 유량계와 함께 사용될 수 있다. 액체 질량 유량 제어기(mass flow controller; MFC) 또는 시린지 펌프의 사용이 또한 예상된다. 바늘 밸브 및 유량 측정 디바이스와 결합된 버블러가 추가의 대안이다.
도 4는 일부 물이 흐르고 노즐로 전달하기 위한 물방울을 생성하는 샤프트(130) 내에 침지된 반투과성 멤브레인(120)을 포함하는 일 실시예에 따른 (버블러와 유사한) 에어로졸 디바이스를 도시한다. 퍼지 가스는 질소 또는 CDA일 수 있고, 환형 챔버로 공급되는 물의 양을 미세하게 제어하는 것을 허용한다. 이 구성은, CDA가 화학 기상 증착(CVD) 전구체와 같은 가연물을 저감하도록 H2O와 동시에 사용되어야 할 때 특히 유용하다. 물은 멤브레인 상에 압력을 가하고, 작은 질소 유동 스트림에 약간의 방울을 생성하고; 수압 그리고 따라서 에어로졸 내로 흐르는 물의 양을 제어하는 바늘 밸브는 도시되지 않는다.
실시예에 있어서, 환형 챔버는 노즐을 공급하고, 노즐은 플라즈마 스트림, 제트 또는 플럼(90)의 플라즈마 초음속 팽창 직후에 주입을 제공하도록 위치설정된다. 실시예의 하나의 이점은, H2O가 배출 스트림 내의 PFCs, BCl3, SiF4 및/또는 SiCl4로부터 비롯하는 F2/Cl2 라디칼을 HF/HCl로 변환하는 것을 습식 단계에서 더욱 하류로 미루기보다는 즉시 수행할 수 있다는 것이다.
실시예는 PFC 가스 및 할로겐이 저감되어야 하는 반도체 에칭 시장에 특히 적합하다. 이 경우, 소량의 시약 물이 필요하고, 노즐은 플레어에 수직으로 반경 방향으로 지향될 수 있다. 동일한 개념이 CVD 프로세스의 전형적인 청정 단계에서 비롯하는 배출 가스를 저감하도록 이용될 수 있다. 이 경우, 대량의 F2는 원격 플라즈마 세정에 사용되는 NF3에 의해 발생되고, 플라즈마 저감 장치를 처리해야 한다. 마지막으로, FPD 에칭 프로세스는 반도체 에칭보다 많은 양의 할로겐/PFCs를 채용한다. 이러한 경우에, 더 많은 양의 시약 물이 필요할 수도 있고, 이는 플라즈마 플럼에 평행한 방향으로 그리고 그 외부 "꼬리부" 내로 주입될 수 있어서, 플라즈마 자체의 과도한 ?칭을 회피한다. 이 지역은 저감 반응이 일어나기 위해 여전히 화학적으로 활성이다. 다른 변형예는 상술된 바와 같이 액체를 주입하는 상이한 장치의 사용을 포함한다.
본 발명의 예시적인 실시예가 첨부 도면을 참조하여 본 명세서에 상세하게 개시되었지만, 본 발명은 정확한 실시예에 한정되지 않고, 첨부된 청구범위 및 그 동등물에 의해 규정된 바와 같이 본 발명의 범위를 일탈하는 일 없이 다양한 변화 및 변경이 당업자에 의해 본 명세서에서 이루어질 수 있음이 이해된다.
10 : 플라즈마 저감 장치 20 : 플라즈마 토치
30 : 캐소드 40 : 애노드
50, 50A, 50B, 50C : 노즐 51A : 유입구
52A : 내벽 53A, 53B, 53C : 유출구
54A, 54B, 54C : 개구
55, 55A, 55B, 55C : 물 디스펜서/갤러리 56B : 중단부
57, 57B : 하류면 60 : 케이싱
70 : 반응 챔버
80 : 플라즈마 형성 가스 스트림
90 : 플라즈마 스트림/제트/플럼 100 : 배출 가스 스트림
110 : 압축된 건조 공기 스트림 120 : 멤브레인
130 : 샤프트 A : 유동 방향

Claims (15)

  1. 플라즈마 발생기로부터 반응 챔버로 플라즈마 스트림을 이송하기 위한 노즐에 있어서,
    상기 플라즈마 스트림을 수용하도록 구성된 유입구와, 상기 반응 챔버와 유체적으로 결합하도록 구성된 유출구 사이에서 연장되는 도관을 포함하며,
    상기 플라즈마 스트림은 축방향으로 상기 유입구와 상기 유출구 사이의 상기 도관에 의해 이송되고,
    상기 노즐은 열전도성이고, 상기 노즐에 의한 가열을 위해 물을 수용하도록 구성되며,
    상기 노즐은 내부에 적어도 하나의 개구를 구비하고, 상기 개구는 상기 플라즈마 스트림과 혼합하기 위해 상기 축방향으로 가열된 물을 전달하도록 구성되는
    노즐.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 도관은 내부에 상기 개구를 형성하는 벽부에 의해 규정되고, 상기 개구는 상기 도관을 통해 수송할 때 상기 플라즈마 스트림과 혼합하기 위해 상기 도관 내로 상기 가열된 물을 전달하도록 구성되는
    노즐.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 개구는 상기 반응 챔버 내로 수송할 때 상기 플라즈마 스트림과 혼합하기 위해 상기 가열된 물을 전달하도록 구성되는
    노즐.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 개구는 상기 가열된 물을 상기 도관 및 상기 반응 챔버 중 적어도 하나 내로 반경 방향 및 접선 방향으로 중 적어도 한 방향으로 전달하도록 배향되는
    노즐.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 개구는 상기 가열된 물을 상기 도관 및 상기 반응 챔버 중 적어도 하나 내로 축방향으로 전달하도록 배향되는
    노즐.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    복수의 상기 개구를 포함하는
    노즐.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 복수의 개구는 상기 노즐 및 상기 도관 중 적어도 하나 주위에 원주 방향으로 위치설정되는
    노즐.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 복수의 개구는 상기 도관을 동심으로 둘러싸는 갤러리와 유체적으로 결합되고, 상기 갤러리는 상기 복수의 개구로 전달하기 위해 상기 물을 수용하도록 구성되는
    노즐.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 갤러리는 상기 물을 수용하기 위한 유입구를 포함하는
    노즐.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도관은 상기 가열된 물을 상기 플라즈마 스트림과 혼합하기 위해 난류를 발생시키도록 작동 가능한 제한부를 포함하는
    노즐.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 물은 물방울을 포함하는
    노즐.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유입구는 배출 스트림과 함께 상기 플라즈마 스트림을 수용하도록 구성되는
    노즐.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배출 스트림을 상기 유입구로 전달하도록 구성된 프로세스 유입구를 포함하는
    노즐.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 기재된 노즐을 포함하는
    플라즈마 저감 장치.
  15. 노즐을 사용하여 플라즈마 발생기로부터 반응 챔버로 플라즈마 스트림을 이송하는 것 ― 상기 노즐은 상기 플라즈마 스트림을 수용하도록 구성된 유입구와, 상기 반응 챔버와 유체적으로 결합하도록 구성된 유출구 사이에서 축방향으로 연장되는 도관을 포함하고, 상기 노즐은 열전도성임 ― 과,
    내부에 적어도 하나의 개구를 구비하는 상기 노즐로 상기 물을 가열하는 것과,
    상기 플라즈마 스트림과 혼합하기 위해 상기 개구를 통해 상기 축방향으로 가열된 물을 전달하는 것을 포함하는
    방법.
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