KR20220111981A - 플라즈마 발생 장치 및 상기 플라즈마 발생 장치를 포함하는 공정 부산물 처리 장치 - Google Patents

플라즈마 발생 장치 및 상기 플라즈마 발생 장치를 포함하는 공정 부산물 처리 장치 Download PDF

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Abstract

본 개시의 일 양상으로, 내부에 플라즈마 발생 공간을 제공하는 반응기; 상기 반응기 내부로 가스가 주입되는 경로를 제공하는 주입구; 상기 반응기 내부에서 플라즈마 처리된 가스가 배출되는 배출구; 및 상기 반응기 내에 플라즈마 채널을 형성하는 변압기를 포함하고, 상기 반응기는 상기 주입구를 통해 유입된 가스를 분지시키고, 상기 플라즈마 처리된 가스를 합지시키는 복수의 토로이드 형상을 갖고, 상기 플라즈마 채널 각각은 상기 변압기의 일차 권선의 권선 방향에 따라 적어도 한 번 이상 인접된 플라즈마 채널과 일부 중첩하게 형성되는, 플라즈마 발생 장치이다.

Description

플라즈마 발생 장치 및 상기 플라즈마 발생 장치를 포함하는 공정 부산물 처리 장치 {A PLASMA GENERATOR AND AN APPARATUS FOR TREATMENT OF PROCESS BY-PRODUCT HAVING THE PLASMA GENERATOR}
본 개시 (present disclosure)는 플라즈마 발생 장치 및 상기 플라즈마 발생 장치를 포함하는 공정 부산물 처리 장치에 관한 것이다.
디스플레이나 반도체를 제조하기 위해서는 증착, 애싱, 식각, 세정 등의 공정이 저압에서 수행되어야 할 경우가 많다. 특히, 집적 회로(ICs) 제조 공정에서 박막을 처리하는데 사용할 수 있는 입증된 기술들 중에서, 화학기상 증착법(CVD)은 상업화된 공정에서 종종 사용된다. CVD의 변형인 원자층 증착(ALD)은 이제 균일성, 뛰어난 스텝 커버리지(step coverage) 및 기판 크기를 증가시키기 위한 비용 효율적 규모성(cost effective scalability)를 달성하기 위한 가능성 있는 우수한 방법으로 알려지고 있다.
이러한 신공정인 ALD 공정 시스템에서는 공정 웨이퍼의 크기 증가에 따라 배기 가스량이 증가된다. 이러한 공정 부산물의 증가는 공정 시스템에서 배기가스를 배출시키기 위한 배기 펌프 동작에 영향을 미치고, 배기 펌프의 유지 보수로 인해 메인 공정 프로세스에 악영향을 미치게 된다.
한편, 배기가스가 주입되는 주입구가 대구경으로 구현될 경우, 플라즈마 밀도가 낮아지고 그로 인해 부산물 처리의 효율이 떨어진다는 문제가 있다. 즉, 대구경을 통해 가스가 주입되면 막대한 양의 부산물이 유입되므로 짧은 시간에 이를 처리할 수 있는 방안이 필요하다.
대한민국 등록특허 10-1792633 대한민국 등록특허 10-0980291
본 개시의 다양한 예들은 반도체 공정 등에서 발생하는 공정 부산물을 효과적으로 제거하기 위한 플라즈마 발생 장치 및 상기 플라즈마 발생 장치를 포함하는 공정 부산물 처리 장치를 제공하기 위함이다.
특히, 본 개시의 다양한 예들은 대구경 가스 주입을 고려하면서도 플라즈마 밀도를 향상시킬 수 있는 플라즈마 발생 장치 및 상기 플라즈마 발생 장치를 포함하는 공정 부산물 처리 장치를 제공하기 위함이다.
본 개시의 다양한 예들에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 사항들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 이하 설명할 본 개시의 다양한 예들로부터 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 고려될 수 있다.
본 개시의 일 양상으로, 내부에 플라즈마 발생 공간을 제공하는 반응기; 상기 반응기 내부로 가스가 주입되는 경로를 제공하는 주입구; 상기 반응기 내부에서 플라즈마 처리된 가스가 배출되는 배출구; 및 상기 반응기 내에 플라즈마 채널을 형성하는 변압기를 포함하고, 상기 반응기는 상기 주입구를 통해 유입된 가스를 분지시키고, 상기 플라즈마 처리된 가스를 합지시키는 복수의 토로이드 형상을 갖고, 상기 플라즈마 채널 각각은 상기 변압기의 일차 권선의 권선 방향에 따라 적어도 한 번 이상 인접된 플라즈마 채널과 일부 중첩하게 형성되는, 플라즈마 발생 장치이다.
상기 반응기는: 상기 주입구에 연결되는 상부 블록; 상기 상부 블록에 연결되는 복수의 중간 블록; 및 상기 복수의 중간 블록과 상기 배출구 사이에 연결되는 하부 블록을 포함하고, 상기 변압기는 상기 복수의 중간 블록에 각각 결합되고, 상기 복수의 중간 블록 중 제1 거리 이격된 적어도 두 개의 중간 블록은 상기 플라즈마 채널이 형성되고, 및 상기 복수의 중간 블록 중 상기 제1 거리 보다 먼 제2 거리 이격된 적어도 두 개의 중간 블록은 상기 플라즈마 채널이 형성되지 않을 수 있다.
상기 제1 거리 이격된 적어도 두 개의 중간 블록에 결합된 상기 변압기의 권선 방향은 상이할 수 있다.
상기 제2 거리 이격된 적어도 두 개의 중간 블록에 결합된 상기 변압기의 권선 방향은 동일할 수 있다.
상기 복수의 중간 블록은 2N(N은 2이상의 자연수)개일 수 있다.
상기 상부 블록은 상기 주입구와 상기 복수의 중간 블록 사이에 구비되어 상기 복수의 중간 블록으로 주입되는 가스의 유입을 가이드하는 제1 유로 분배부를 포함하고, 상기 하부 블록은 상기 복수의 중간 블록과 상기 배출구 사이에 구비되어 상기 플라즈마 처리된 가스의 배출을 가이드하는 제2 유로 분배부를 포함할 수 있다.
상기 상부 블록은 상기 주입구를 통해 유입된 가스를 상기 복수의 중간 블록 각각으로 분지시키고, 상기 하부 블록은 상기 복수의 중간 블록 각각으로부터 배출된 상기 플라즈마 처리된 가스를 합지시킬 수 있다.
상기 변압기의 일차 권선과 전기적으로 연결되어 전원을 공급하는 전원 공급부를 더 포함할 수 있다.
상기 변압기의 일차 권선은 직렬 권선, 병렬 권선 및 직병렬 혼용 권선 중 어느 하나의 방식으로 권선될 수 있다.
상기 변압기의 일차 권선이 병렬 권선되는 경우, 상기 전원 공급부로부터의 전원을 상기 변압기의 일차 권선에 각각 분배하는 전원 분할 공급부; 및 상기 전원 분할 공급부를 제어하는 프로세서를 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 중간 블록 각각에 결합되어 플라즈마와 가스와의 반응에 따른 부산물의 유량 데이터를 측정하는 유량 측정 센서를 더 포함할 수 있다.
상기 프로세서는: 상기 유량 측정 센서로부터 상기 유량 데이터를 수집하고, 상기 유량 데이터가 기 설정된 임계값 이상인지를 판단할 수 있다.
상기 프로세서는: 상기 유량 데이터가 상기 기 설정된 임계값 이상인 경우, 상기 복수의 중간 블록 중 상기 기 설정된 임계값 이상인 유량 데이터가 측정된 어느 하나에 전원 공급량을 증가시키도록 상기 전원 분할 공급부를 제어할 수 있다.
상기 프로세서는: 상기 전원 분할 공급부가 상기 변압기의 일차 권선 각각에 대하여 상이한 전압 인가 패턴으로 전원을 공급하도록 제어할 수 있다.
상기 변압기의 일차 권선이 직렬 권선되는 경우에, 상기 변압기의 일차 권선의 유도 리액턴스에 의한 전압 강하를 보상하는 전압 보상부를 더 포함할 수 있다.
본 개시의 다른 일 양상으로, 공정 챔버; 및 상기 공정 챔버에 연결된 플라즈마 발생 장치를 포함하고, 상기 플라즈마 발생 장치는: 내부에 플라즈마 발생 공간을 제공하는 반응기; 상기 반응기 내부로 가스가 주입되는 경로를 제공하는 주입구; 상기 반응기 내부에서 플라즈마 처리된 가스가 배출되는 배출구; 및 상기 반응기 내에 플라즈마 채널을 형성하는 변압기를 포함하고, 상기 반응기는: 상기 주입구를 통해 유입된 가스를 분지시키고, 상기 플라즈마 처리된 가스를 합지시키는 복수의 토로이드 형상을 갖고, 상기 플라즈마 채널 각각은 상기 변압기의 일차 권선의 권선 방향에 따라 적어도 한 번 이상 인접된 플라즈마 채널과 일부 중첩하게 형성될 수 있다.
상술한 본 개시의 다양한 예들은 본 개시의 바람직한 예들 중 일부에 불과하며, 본 개시의 다양한 예들의 기술적 특징들이 반영된 여러 가지 예들이 당해 기술분야의 통상적인 지식을 가진 자에 의해 이하 상술할 상세한 설명을 기반으로 도출되고 이해될 수 있다.
본 개시의 다양한 예들에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
본 개시의 다양한 예들에 따르면, 반도체 공정 등에서 발생하는 공정 부산물을 효과적으로 제거하기 위한 플라즈마 발생 장치 및 상기 플라즈마 발생 장치를 포함하는 공정 부산물 처리 장치가 제공될 수 있다.
본 개시의 다양한 예들에 따르면, 대구경 가스 주입을 고려하면서도 플라즈마 밀도를 향상시킬 수 있는 플라즈마 발생 장치 및 상기 플라즈마 발생 장치를 포함하는 공정 부산물 처리 장치가 제공될 수 있다.
본 개시의 다양한 예들로부터 얻을 수 있는 효과들은 이상에서 언급된 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 이하의 상세한 설명을 기반으로 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 도출되고 이해될 수 있다.
이하에 첨부되는 도면들은 본 개시의 다양한 예들에 관한 이해를 돕기 위한 것으로, 상세한 설명과 함께 본 개시의 다양한 예들을 제공한다. 다만, 본 개시의 다양한 예들의 기술적 특징이 특정 도면에 한정되는 것은 아니며, 각 도면에서 개시하는 특징들은 서로 조합되어 새로운 실시예로 구성될 수 있다. 각 도면에서의 참조 번호 (reference numerals) 들은 구조적 구성요소 (structural elements) 를 의미한다.
도 1은 본 개시의 일 예에 따른 플라즈마 발생 장치의 사시도이다.
도 2는 본 개시의 일 예에 따른 플라즈마 발생 장치의 정면도이다.
도 3은 본 개시의 일 예에 따른 플라즈마 발생 장치의 평면도이다.
도 4는 본 개시의 다른 일 예에 따른 플라즈마 발생 장치의 평면도이다.
도 5 내지 도 7은 본 개시의 다양한 예들에 따른 코일의 권선 방향 및 플라즈마 채널 방향을 설명하기 위한 것이다.
도 8 내지 도 10은 본 개시의 다양한 예들에 따른 중간 블록의 개수 및 플라즈마 채널 방향을 설명하기 위한 것이다.
도 11a 및 도 11b는 본 개시의 다른 일 예에 따른 플라즈마 발생 장치의 정면도이다.
도 12는 본 개시의 일 예에 따른 플라즈마 발생 장치의 정면도이다.
도 13 내지 도 16은 본 개시의 다양한 예들에 따른 코일의 회로도이다.
도 17은 본 개시의 일 예에 따른 플라즈마 발생 장치의 회로도이다.
도 18 및 도 19는 코일에 인가되는 전압 인가 패턴의 예들을 도시한 것이다.
도 20은 본 개시의 일 예에 따른 전원 공급 방법의 흐름도이다.
도 21은 본 개시의 일 예에 따른 공정 부산물 처리 장치를 도시한 개략도이다.
도 21은 본 개시의 일 예에 따른 ICP 타입의 플라즈마 발생 장치의 개략도이다.
도 22는 본 개시의 일 예에 따른 CCP 타입의 플라즈마 발생 장치의 개략도이다.
도 23은 본 개시의 일 예에 따른 공정 부산물 처리 장치를 도시한 개략도이다.
이하, 본 발명에 따른 구현들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면과 함께 이하에 개시될 상세한 설명은 본 발명의 예시적인 구현을 설명하고자 하는 것이며, 본 발명이 실시될 수 있는 유일한 구현 형태를 나타내고자 하는 것이 아니다. 이하의 상세한 설명은 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해서 구체적 세부사항을 포함한다. 그러나 당업자는 본 개시가 이러한 구체적 세부사항 없이도 실시될 수 있음을 안다.
몇몇 경우, 본 개시의 개념이 모호해지는 것을 피하기 위하여 공지의 구조 및 장치는 생략되거나, 각 구조 및 장치의 핵심기능을 중심으로 한 블록도 형식으로 도시될 수 있다. 또한, 본 개시 전체에서 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용하여 설명한다.
본 발명의 개념에 따른 다양한 예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 다양한 예들을 도면에 예시하고 본 개시에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 다양한 예들을 특정한 개시 형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만, 예를 들어 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 표현들, 예를 들어 "~사이에"와 "바로~사이에" 또는 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 개시의 다양한 예에서, “/” 및 “,”는 “및/또는”을 나타내는 것으로 해석되어야 한다. 예를 들어, “A/B”는 “A 및/또는 B”를 의미할 수 있다. 나아가, “A, B”는 “A 및/또는 B”를 의미할 수 있다. 나아가, “A/B/C”는 “A, B 및/또는 C 중 적어도 어느 하나”를 의미할 수 있다. 나아가, “A, B, C”는 “A, B 및/또는 C 중 적어도 어느 하나”를 의미할 수 있다.
본 개시의 다양한 예에서, “또는”은 “및/또는”을 나타내는 것으로 해석되어야 한다. 예를 들어, “A 또는 B”는 “오직 A”, “오직 B”, 및/또는 “A 및 B 모두”를 포함할 수 있다. 다시 말해, “또는”은 “부가적으로 또는 대안적으로”를 나타내는 것으로 해석되어야 한다.
본 개시에서 사용한 용어는 단지 특정한 다양한 예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 개시에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 개시에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 이하, 본 개시의 다양한 예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 개시의 다양한 예들은 반도체 공정 등에 사용되는 것으로서, 플라즈마 발생 장치에 사용되는 반응기, 상기 반응기를 포함한 플라즈마 발생 장치 및 플라즈마 발생 장치를 채용한 공정 부산물 처리 장치에 관한 것이다.
본 개시에 따르면, 플라즈마는 가스와 연관된 대전 입자의 집합을 포함하는 물질, 또는 물질의 상태를 의미한다. 여기서 사용되는 것에 따르면, 플라즈마는 라디칼과 같이 이온화된 종, 이온화된 종과 결합된 중성자 및/또는 분자를 포함할 수 있다. 반응기 내의 물질은, 점화 후, 플라즈마 상태에서 종으로 단독해서 구성되어 있는 그러한 물질에 한정되지 않으며 모두 플라즈마로 지칭한다.
본 개시에 따르면, 반응기는 가스 및/또는 플라즈마를 포함하고 내부에서 플라즈마가 점화 및/또는 지속될 수 있는 컨테이너 또는 컨테이너의 일부를 의미한다. 반응기는 플라즈마 발생 장치에 포함되는 다양한 다른 부품, 예를 들어, 발전기와 냉각 부품과 같은 다른 부품들과 결합될 수 있다. 반응기는 다양한 형상을 갖는 채널을 한정할 수 있다. 예를 들면, 채널은 선 형상을 가질 수 있고, 또는 고리 형상(토로이드형 플라즈마를 제공하기 위함)을 가질 수 있다.
플라즈마 발생 장치는 반도체 공정을 위한 공정 챔버의 전단 또는 후단에 배치되는 것일 수 있다. 반도체 공정을 위한 공정 챔버는 기판의 식각, 증착, 세정 공정 등을 수행하기 위한 것일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 플라즈마 발생 장치는 공정 챔버의 후단에 배치되어 공정 챔버로부터 발생하는 배기가스를 처리하기 위한 것일 수 있다.
이하에서는 설명의 편의를 위해 플라즈마 발생 장치를 위주로 설명하였으나, 이중 일부 구성 요소, 예를 들어, 반응기와 같은 구성 요소는 본 발명의 개념에서 벗어나지 않는 이상 다른 장치에 채용되어 사용될 수도 있다. 예를 들어, 본 개시의 다양한 예들은 TCP(transformer coupled plasma) 타입의 플라즈마 발생 장치를 설명하나, 반응기는 다른 타입(Capacitively Coupled Plasma, Inductively Coupled Plasma)의 플라즈마 발생 장치에 채용될 수도 있음은 물론이다.
플라즈마 발생 장치
도 1은 본 개시의 일 예에 따른 플라즈마 발생 장치의 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 개시의 일 예에 따른 플라즈마 발생 장치(10)는 반응기(110), 주입구(120), 배출구(130), 코어(113a 내지 113d) 및 코일(114a 내지 114d)을 포함한다.
반응기(110)는 내부에 플라즈마 발생 공간을 제공한다. 반응기(110)의 일측에는 반응기(110) 내부로 가스가 주입되는 경로를 제공하는 주입구(120)가 구비되고, 반응기(110)의 타측에는 가스가 배출되는 배출구(130)가 구비된다.
반응기(110)는 플라즈마 채널을 형성하는 내부 공간(이하, 반응기(110) 내부 공간, 플라즈마 채널 공간, 플라즈마 발생 공간 등으로 지칭된다)을 갖도록 내부가 비어있는 구조로 제공된다. 내부 공간은 적어도 일부가 소정 축을 기준으로 회전된 토로이드 형상을 갖는다.
본 개시에서, 반응기(110)는 토로이드 형상 또는 토로이드 형상의 일부를 갖는 내부 공간을 제공하는 것으로 족하며 외부 형상은 다양할 수 있다. 예를 들어, 반응기(110) 형상도 내부와 비슷하게 토로이드 형상으로 제공될 수도 있고, 내부에는 토로이드 형상의 공간을 가지나 외부 형상은 다수 개의 정육면체 블록으로 이루어진 형상을 가질 수도 있다. 예를 들어, 반응기(110)는 주입구(120)를 통해 유입된 가스를 분지시키고, 배출구(130)를 통해 플라즈마 처리된 가스를 합지시키기 위하여 복수의 토로이드 형상을 가질 수 있다. 반응기(110)는 다수 개의 블록이 용접되어 형성될 수 있다. 반응기(110)는 일부 블록에 대해 정밀 주조법과 같은 방법으로 하나의 분리되지 않는 일체로 형성될 수도 있다. 이러한 반응기(110)는 서로 인접한 두 개의 블록 사이에 전기적인 연속성이 파괴되어 일부가 전기적으로 고립된 적어도 하나의 절연부(140)가 제공될 수 있다.
반응기(110)의 내부 공간, 즉 플라즈마 형성 공간은 적어도 일부가 소정 축(예를 들어, z축)을 기준으로 회전된 토로이드 형태를 가질 때, 상기 토로이드의 단면의 중심을 잇는 선이 이루는 평면은 상기 소정 축에 교차하는 평면과 평행할 수 있다. 상기 토로이드의 단면의 중심을 잇는 선이 이루는 평면은 x-y 평면에 배치될 수 있다.
본 개시에서 반응기(110) 내부 공간이 토로이드 형상이라는 의미는 반응기(110) 내부 공간이 전체적으로 보아 토로이드 형상, 즉 고리 형상이라는 의미이며, 일부분이 변형되어 일 방향으로 연장된 형태를 갖는 등의 변형된 형상까지도 포함한다. 예를 들어, 토로이드는 소정 방향, 예를 들어, y축 방향으로 늘어난 형태를 가질 수도 있다. 지면에서 뚫고 나오는 방향이 z 방향에 해당한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 플라즈마 채널은 한정된 부피를 가지며 반응기(110)에 의해 둘러싸인다. 플라즈마 채널은 가스 및/또는 플라즈마를 포함할 수 있고, 가스 종 및 플라즈마 종을 받거나 이송하기 위하여 반응기(110)의 하나 이상의 주입구(120)와 하나 이상의 배출구(130)를 통해 교환될 수 있다. 플라즈마 채널은 소정의 길이를 가지며, 이때 플라즈마 채널의 길이는 플라즈마가 존재할 수 있는 총 경로의 길이를 의미한다.
플라즈마 발생 장치(10)는 플라즈마 채널 내에 직류 또는 교류 전기장을 인가하는 수단을 포함할 수 있으며, 상기 전기장을 이용하여 플라즈마 채널 내에서 플라즈마를 유지할 수 있고, 단독으로 또는 다른 수단과 협력하여 플라즈마 채널 내의 플라즈마를 점화할 수 있다.
예를 들어, 플라즈마 채널 내에 직류 또는 교류 전기장을 인가하는 수단은 코어(113a 내지 113d) 및 코일(114a 내지 114d)일 수 있다.
주입구(120)는 내부 공간으로 공정 반응 부산물을 공급하기 위한 것이며, 배출구(130)는 주입구(120)와 이격되며 플라즈마 채널 형성 공간으로부터 플라즈마 처리된 가스를 배출한다. 도면에 있어서, 주입구(120)에서의 공정 반응 부산물의 이동 방향은 IN으로 표시하였으며, 배출구(130)에서의 처리된 가스의 이동 방향은 OUT으로 표시되었으며, 화살표로 가스의 이동 방향이 표시되었다.
주입구(120)와 배출구(130)는 반응기(110) 상에 서로 이격되는 한도 내에서 상하, 좌우 등 다양한 위치에 배치될 수 있다. 이때, 주입구(120) 및 배출구(130)는 모두 z축에 교차되는 방향을 향할 수 있다.
본 개시의 일 예에 따르면, 반응기(110)는 포집기에 연결될 수 있으며, 배출구(130)는 후술할 포집기 내에 배치될 수 있다. 이에 대해서는 후술한다.
주입구(120)와 배출구(130)는 플라즈마 발생 장치(10)를 이루는 다른 추가적인 구성요소에 연결될 수 있다.
예를 들어, 배출구(130)의 타단은 믹싱 챔버나 포집기에 연결될 수 있다. 또한 주입구(120)와 배출구(130)에는 다른 구성 요소와의 사이에, 주입구(120)와 배출구(130)와 다른 구성 요소를 연결하기 위한 별도의 연결 부재(예를 들어, 어댑터라고 지칭하는 것)가 제공될 수 있다.
또한 반응기(110)에는 플라즈마 방전을 점화하기 위한 점화기가 제공될 수 있다. 본 발명에 있어서, 점화는 플라즈마를 형성하기 위하여 가스 내의 초기 붕괴의 원인이 되는 공정이다. 상기 점화기는 다양한 위치에 배치될 수 있으나, 본 발명의 일 실시예에서는 주입구(120) 근처에 배치될 수 있다.
반응기(110)는 도전성 재료 또는 비도전성 재료로 이루어질 수 있다. 반응기(110)가 도전성 재료로 이루어지는 경우 다양한 금속성 재료 또는 피복된 금속성 재료로 제조될 수 있다. 상기 반응기(110)는 예를 들어, 알루미늄, 스테인리스, 구리와 같은 금속성 재료, 또는 양극 산화처리된 알루미늄, 니켈 도금된 알루미늄 등으로 제조될 수 있다. 상기 반응기(110)가 비도전성 재료로 이루어지는 경우, 다양한 재료, 예를 들어, 석영, 사파이어, 가압된 알루미나, 및/또는 다른 유전체 등과 같은 절연 물질로 제조될 수 있다. 또는 반응기(110)는 복합 소재, 예를 들어, 탄소나노튜브와 공유결합된 알루미늄으로 구성되는 복합체로 제조될 수도 있다. 여기서, 반응기(110)는 연직 방향으로 가스 주입 및 배출이 이루어지는 형태(즉, 수직형 반응기(110)) 또는 연직 방향의 직교하여 가스 주입 및 배출이 이루어지는 형태(즉, 수평형 반응기(110))일 수 있다.
반응기(110)는 주입구(120)를 기준으로 축에 수직한 방향으로 양 갈래로 갈라진 가지들을 포함할 수 있다. 이에 따라, 주입구(120)를 통해 유입된 가스가 두 유로로 분지된 후, 하부에서 두 유로가 합쳐져 배출부를 통해 배출될 수 있다.
반응기(110)는 상부 블록(111), 중간 블록(112a 내지 112d) 및 하부 블록(113)을 포함한다.
상부 블록(111)은 주입구(120)에 연결된다. 상부 블록(111)은 주입구(120)를 통해 유입된 가스를 중간 블록(112a 내지 112d) 각각으로 분지시킨다.
중간 블록(112a 내지 112d)은 복수 개가 구비될 수 있고, 상부 블록에 연결된다. 이때, 중간 블록(112a 내지 112d)의 개수는 2N개(여기서, N은 2 이상의 자연수)일 수 있다. 복수 개의 중간 블록(112a 내지 112d)은 후술할 제1 몸통부(112a, 112b) 및 제2 몸통부(111c, 111d)를 포함할 수 있다.
중간 블록(112a 내지 112d)에는 변압기가 결합될 수 있다. 이때, 중간 블록(112a 내지 112d) 중 제1 거리 이격된 적어도 두 개의 중간 블록(예, 112a, 112d)은 플라즈마 채널이 형성될 수 있고, 중간 블록(112a 내지 112d) 중 제2 거리 이격된 적어도 두 개의 중간 블록(예, 112c, 112d)은 플라즈마 채널이 형성되지 않을 수 있다. 여기서, 제1 거리는 XY 평면 시점에서 중간 블록(112a 내지 112d) 중 X 축에 위치한 두 개의 중간 블록 간 거리 또는 Y축에 위치한 두 개의 중간 블록 간 거리이고, 제2 거리는 XY 평면 시점에서 중간 블록(112a 내지 112d) 중 대각선 축에 위치한 두 개의 중간 블록 간 거리일 수 있다.
구체적으로, 제1 거리 이격된 적어도 두 개의 중간 블록에 결합된 변압기의 권선 방향은 서로 상이할 수 있고, 제2 거리 이격된 적어도 두 개의 중간 블록에 결합된 변압기의 권선 방향은 서로 동일할 수 있다. 이러한 중간 블록에 결합된 변압기의 권선 방향에 기초하여 플라즈마 채널이 형성되거나 형성되지 않을 수 있다.
하부 블록(113)은 중간 블록(112a 내지 112d)과 배출구(130) 사이에 연결될 수 있다. 하부 블록(113)은 중간 블록(112a 내지 112d) 각각으로부터 배출된 플라즈마 처리된 가스를 합지시킨다.
반응기(110), 구체적으로는 중간 블록(112a 내지 112d)에는 변압기가 결합될 수 있다. 본 개시에서, 변압기는 코어(113a 내지 113d) 및 코일(114a 내지 114d)를 포함하는 개념으로 칭해질 수 있다.
코어(113a 내지 113d)는 복수 개가 구비될 수 있고, 플라즈마 채널의 일부를 쇄교하도록 반응기(110)에 결합된다. 예를 들어, 코어(113a 내지 113d)는 페라이트(ferrite) 마그네틱 코어일 수 있다. 코어(113a 내지 113d)와 반응기(110)의 결합 관계에 대한 상세한 설명은 후술한다.
코일(114a 내지 114d)은 복수 개가 구비될 수 있고, 코어(113a 내지 113d)에 권선된다. 코일(114a 내지 114d)은 배선을 통해 후술할 전원 공급부와 연결될 수 있다. 코어(113a 내지 113d) 및 코일(114a 내지 114d)은 반응기(110) 내부의 플라즈마 채널 형성 공간 내에 플라즈마의 발생을 위한 유도 기전력을 제공한다. 코어(113a 내지 113d)는 반응기(110)의 일부, 즉, 플라즈마 채널의 일부를 둘러싼다. 변압기의 1차 코일(114a 내지 114d)과 결합된 코어(113a 내지 113d)는 채널에 정렬된 전기장과 전류를 유도한다. 채널 내의 플라즈마는 변압기의 2차 회로를 완성한다.
구체적으로, 전원 공급부를 통해 코일(114a 내지 114d)에 전원이 인가되면 유도 자기장이 발생하고, 발생된 유도 자기장은 코어(113a 내지 113d)로 집속될 수 있다. 코어(113a 내지 113d)로 집속되는 유도 자기장은 반응부의 플라즈마 채널에 유도 전기장을 인가함으로써 플라즈마를 발생시킬 수 있다.
도 2는 본 개시의 일 예에 따른 플라즈마 발생 장치의 정면도이고, 도 3은 본 개시의 일 예에 따른 플라즈마 발생 장치의 평면도이다. 도 2는 도 1에 도시된 XY 방향 중 X 방향에서 바라본 시점에서의 평면도이고, 플라즈마 발생 장치의 전면 또는 후면에 대응되는 것일 수 있다. 편의상 전면 및 후면은 서로 동일하게 도시한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 개시의 일 예에 따른 플라즈마 발생 장치(10)에 포함되는 반응기(110)는 두 개의 제1 몸통부(112a, 112b) 및 두 개의 제2 몸통부(112c, 112d)를 포함하며, 두 개의 제1 몸통부(112a, 112b) 및 두 개의 제2 몸통부(112c, 112d) 각각에 복수의 코일(114a 내지 114d)이 권선된 복수의 코어(113a 내지 113d)가 결합된다.
제1 몸통부(112a, 112b)는 제1 축을 중심축으로 하는 토로이드의 일부에 대응하는 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 축은 가스가 주입되는 방향에서 바라보는 평면 시점, 즉 XY 평면에 포함되는 어느 하나의 축일 수 있다. 또는, 제1 축은 XYZ 평면에 포함되는 어느 하나의 축일 수도 있다.
여기서, 제1 축을 중심축으로 하는 토로이드의 일부에 대응하는 형상은 예를 들어 제1 축을 중심축으로 하는 토로이드에서, 주입구(120)의 축 방향을 기준으로 양분되는 형상 각각을 의미하는 것일 수 있다. 이에 따라, 제1 몸통부(112a, 112b)는 두 개가 구비될 수 있다.
제2 몸통부(112c, 112d)는 제2 축을 중심축으로 하는 토로이드의 일부에 대응하는 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 제2 축은 가스가 주입되는 방향에서 바라보는 평면 시점, 즉 XY 평면 상에서 제1 축과 교차하는 축일 수 있다. 예를 들어, 제2 축은 XY 평면 상에서 제1 축과 90도의 각도를 갖도록 교차하는 축일 수 있다.
여기서, 제2 축을 중심축으로 하는 토로이드의 일부에 대응하는 형상은 예를 들어 제2 축을 중심축으로 하는 토로이드에서, 주입구(120)의 축 방향을 기준으로 양분되는 형상 각각을 의미하는 것일 수 있다. 이에 따라, 제2 몸통부(112c, 112d)는 두 개가 구비될 수 있다.
두 개의 제1 몸통부(112a, 112b) 각각의 일 단 및 두 개의 제2 몸통부(112c, 112d) 각각의 일 단은 주입구(120)와 결합될 수 있다. 이에 따라, 주입구(120)는 두 개의 제1 몸통부(112a, 112b) 및 두 개의 제2 몸통부(112c, 112d) 각각과 유로를 형성할 수 있다.
두 개의 제1 몸통부(112a, 112b) 각각의 타 단 및 두 개의 제2 몸통부(112c, 112d) 각각의 타 단은 배출구(130)와 결합될 수 있다. 이에 따라, 배출구(130)는 두 개의 제1 몸통부(112a, 112b) 및 두 개의 제2 몸통부(112c, 112d) 각각과 유로를 형성할 수 있다.
따라서, 주입구(120)로부터 반응기(110)로 유입되는 가스는 유입 시 네 개의 유로로 분지되고, 이후 네 개의 유로가 합쳐지는 배출구(130)를 통해 배출될 수 있다.
복수의 코어(113a 내지 113d)는 두 개의 제1 몸통부(112a, 112b)의 외측면 각각에 결합되는 적어도 두 개의 코어(113a, 113b) 및 두 개의 제2 몸통부(112c, 112d)의 외측면 각각에 결합되는 적어도 두 개의 코어(113c, 113d)를 포함할 수 있다.
복수의 코일(114a 내지 114d)은 두 개의 제1 몸통부(112a, 112b) 및 두 개의 제2 몸통부(112c, 112d) 각각의 내부에 플라즈마를 발생시키기 위하여 복수의 코어(113a 내지 113d)에 권선된다. 구체적으로, 복수의 코일(114a 내지 114d) 각각은 두 개의 제1 몸통부(112a, 112b)의 외측면 각각에 결합되는 적어도 두 개의 코어(113a, 113b) 및 두 개의 제2 몸통부(112c, 112d)의 외측면 각각에 결합되는 적어도 두 개의 코어(113c, 113d) 각각에 권선될 수 있다.
여기에, 반응기(110)에는 절연부(140)가 추가적으로 제공될 수 있다. 절연부(140)는 반응기(110)가 도전성 재료로 이루어진 경우 유도된 전류가 반응기(110)에 흐르는 것을 방지하기 위한 것으로서, 전기적 절연을 위해 제공될 수 있다.
도 4는 본 개시의 일 예에 따른 플라즈마 발생 장치의 평면도이다.
도 4를 참조하면, 본 개시의 일 예에 따른 플라즈마 발생 장치에 포함되는 반응기는 제1 몸통부 및 제2 몸통부에 더하여 제1 축 및 제2 축과 다른 복수의 축 각각을 중심축으로 하는 복수의 토로이드 형상의 일부 각각에 대응하는 형상을 갖는 복수의 제3 몸통부(112e 내지 112h)를 더 포함할 수 있다. 복수의 축은 제1 축과 XY 평면 상에서 평행하는 축 및 제2 축과 XY 평면 상에서 평행하는 축을 포함할 수 있다.
복수의 제3 몸통부(112e 내지 112h)가 추가로 구비되는 경우, 본 개시의 일 예에 따른 플라즈마 발생 장치는 복수의 서브 주입구(121a 내지 121c)를 포함할 수 있다.
복수의 서브 주입구(121a 내지 121c)는 주입구와 연결되어 주입구로 유입되는 가스를 제1 몸통부, 제2 몸통부 및 제3 몸통부(112e 내지 112h)로 가이드할 수 있다. 또한, 복수의 서브 주입구(121a 내지 121c)는 제1 몸통부, 제2 몸통부 및 제3 몸통부(112e 내지 112h) 중 적어도 하나의 일 단과 결합될 수 있다.
도 5 내지 도 7은 본 개시의 다양한 예들에 따른 코일의 권선 방향 및 플라즈마 채널 방향을 설명하기 위한 것이다.
앞서 언급한 바와 같이, 주입구가 대구경(예, 200[A] 이상)인 경우, 관 중심부를 흐르는 유체가 플라즈마의 영향을 적게 받게 됨에 따라 플라즈마 처리 효율이 떨어진다는 문제가 있다. 따라서, 대구경 관 중심부의 플라즈마 밀도가 낮아 부산물이 플라즈마 처리 없이 그대로 배기되는 경우가 발생하게 되는 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 본 개시의 다양한 예들에 따르면, 복수의 코일에 의해 형성되는 플라즈마 채널은 가스가 주입되는 방향에서 바라보는 시점에서 폐루프일 수 있다. 보다 구체적으로, 본 개시의 다양한 예들에 따른 플라즈마 발생 장치에 의해 형성되는 플라즈마 채널 각각은 폐루프를 형성하되, 변압기의 일차 권선의 권선 방향에 따라 적어도 한 번 이상 인접된 플라즈마 채널과 일부 중첩하게 형성될 수 있다.
플라즈마 채널은 상술한 바와 같이 복수의 코일에 의해 유도되는 각 유도 전기장에 기초하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 몸통부 및 제2 몸통부 각각의 외측면에 결합되는 코어를 시계 방향으로 권선하는 코일의 경우, 코어에 유도되는 자기장에 의해 발생하는 유도 전기장의 흐름은 가스가 배출되는 방향과 동일하게 형성될 수 있다.
또는, 예를 들어, 제1 몸통부 및 제2 몸통부 각각의 외측면에 결합되는 코어를 반시계 방향으로 권선하는 코일의 경우, 코어에 유도되는 자기장에 의해 발생하는 유도 전기장의 흐름은 가스가 주입되는 방향과 동일하게 형성될 수 있다. 이에 따라, 코어를 시계 방향으로 권선하는 코일 및 코어를 반시계 방향으로 권선하는 코일에 의해 발생하는 각각의 유도 전기장의 방향은 서로 반대이다.
코어를 시계 방향으로 권선하는 코일 및 코어를 반시계 방향으로 권선하는 코일에 의해 발생하는 각각의 유도 전기장의 방향은 서로 반대이므로, 각각의 유도 전기장은 플라즈마 채널의 방향을 서로 다르게 형성할 수 있다.
도 5를 참조하면, 만약 두 개의 제1 몸통부에 유도 전기장을 발생시키는 두 개의 코일의 권선 방향이 서로 다른 경우(예, 시계 / 반시계 방향), 또는 두 개의 제2 몸통부에 유도 전기장을 발생시키는 두 개의 코일의 권선 방향이 서로 다른 경우, 1번 코일 및 3번 코일이 폐루프 플라즈마 채널을 형성하고, 2번 코일 및 4번 코일도 폐루프 플라즈마 채널을 형성한다. 그러나, 각 폐루프 플라즈마 채널은 서로 중첩되지 않는다. 이에 따라, 중간 블록에서 부산물이 균등하게 처리되나, 각각의 플라즈마 밀도는 낮다.
도 6을 참조하면, 1번 코일 및 4번 코일과, 2번 코일 및 4번 코일과, 3번 코일 및 4번 코일이 각각 폐루프 플라즈마 채널을 형성하고, 이에 따라 4번 코일에서 플라즈마 채널이 중첩된다. 이에 따라, 중간 블록을 통해 부산물이 균등하게 주입된다고 볼 때, 4번 코일에서만 부산물 처리율이 높고 나머지 코일은 플라즈마 밀도가 낮아 부산물 처리율이 떨어진다.
도 7을 참조하면, 만약 두 개의 제1 몸통부에 유도 전기장을 발생시키는 두 개의 코일의 권선 방향이 서로 동일하고, 두 개의 제2 몸통부에 유도 전기장을 발생시키는 두 개의 코일의 권선 방향(이 서로 동일하고, 두 개의 제1 몸통부에 유도 전기장을 발생시키는 두 개의 코일의 권선 방향과 두 개의 제2 몸통부에 유도 전기장을 발생시키는 두 개의 코일의 권선 방향이 서로 반대(예, 시계 / 반시계 방향)인 경우, 1번 코일 및 2번 코일과, 1번 코일 및 3번 코일과, 2번 코일 및 4번 코일과, 3번 코일 및 4번 코일이 각각 폐루프 플라즈마 채널을 형성하고, 이에 따라 각 중간 블록 당 2 개의 플라즈마 채널이 중첩된다. 이에 따라, 각 중간 블록의 플라즈마 밀도가 증가될 수 있다.
도 8 내지 도 10은 본 개시의 다양한 예들에 따른 중간 블록의 개수 및 플라즈마 채널 방향을 설명하기 위한 것이다.
본 개시에서, 중간 블록은 상술한 제1 몸통부 및 제2 몸통부에 더하여 제3 몸통부를 추가로 포함할 수 있다. 이때, 본 개시에 따르면 중간 블록, 즉 두 개의 제1 몸통부, 두 개의 제2 몸통부 및 복수의 제3 몸통부의 개수의 합은 2N일 수 있다. 여기서 N은 자연수이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 예를 들어 두 개의 제1 몸통부, 두 개의 제2 몸통부 및 복수의 제3 몸통부의 개수의 합이 2N이 아닐 경우, 코일의 권선 방향을 어떤 식으로 채용하더라도 서로 중첩되는 플라즈마 채널이 형성될 수 없다. 예를 들어, 도 8의 경우 도시된 코일 중 상측 코일 각각으로부터 하측 코일 각각에 대하여 폐루프 플라즈마 채널이 형성되기는 하나, 각 플라즈마 채널이 서로 중첩될 수 없다. 또한, 도 9의 경우에도 도시된 코일의 가로 방향으로 폐루프 플라즈마 채널이 형성되기는 하나, 각 플라즈마 채널이 서로 중첩될 수 없다.
도 10을 참조하면, 예를 들어 두 개의 제1 몸통부, 두 개의 제2 몸통부 및 복수의 제3 몸통부의 개수의 합이 2N일 경우, 가스가 주입되는 방향에서 바라보는 시점에서 형성되는 폐루프 플라즈마 채널이 서로 중첩될 수 있다. 특히, 복수의 몸통부들의 중심 부분에서 형성되는 플라즈마 채널은 각각의 몸통부에서 3회씩 중첩되어 더 높은 플라즈마 처리 효율을 발생시킬 수 있다.
도 11a 및 도 11b는 본 개시의 일 예에 따른 플라즈마 발생 장치의 정면도이다.
도 11a 및 도 11b를 참조하면, 본 개시의 일 예에 따른 플라즈마 발생 장치는 반응기의 배출구(130)에 포집기(150)가 연결될 수 있다. 포집기(150)는 그 내부에 포집 공간을 가지며, 반응기에 연결되어 반응기의 플라즈마와 반응한 가스의 상변화에 의해 생성된 파우더를 포집한다. 포집기(150)는 배기가스가 플라즈마 에너지를 인가받아 유해한 성분들이 산화 등의 반응으로 인해 연소되거나 정화됨으로써 파티클 형태의 이물질들이 형성되면 그 이물질들을 포집한다. 포집기(150)에는 파티클 형태의 이물질들이 포집기(150)에서 포집된 후의 배기가스를 외부로 배출시키는 배기 펌프(미도시)가 설치될 수 있다.
예를 들어, 도 11a와 같이 포집기(150)는 반응기의 배출구(130)에 연결될 수 있다.
또는, 예를 들어, 도 11b와 같이 포집기(150)는 반응기에 연결되되, 반응기는 토로이드 형상에서 일부가 잘려 트랩에 연결되는 형태(예, 역편자(∩) 형상)를 가질 수 있다.
도 12는 본 개시의 일 예에 따른 플라즈마 발생 장치의 정면도이다.
도 12를 참조하면, 플라즈마 발생 장치는 유로 분배부(122)를 포함할 수 있다. 유로 분배부(122)는 주입구(120)와 반응기 사이에 구비되어 주입구(120)로 주입되는 가스의 유입을 반응기로 가이드한다. 구체적으로, 유로 분배부(122)는 주입되는 가스의 유입을 제1 몸통부(112a, 112b) 및 제2 몸통부(112c, 112d)로 각각 균등하게 가이드한다.
유로 분배부(122)의 그 내부에 제1 유로 내측면(123) 및 제2 유로 내측면(124)이 형성될 수 있다. 제1 유로 내측면(123)은 반응 부산물의 유입을 유도하기 위하여 배출구를 향하는 방향으로 볼록한 형상을 가질 수 있다. 제2 유로 내측면(124)은 반응 부산물의 누적을 방지하기 위하여 주입구(120)를 향하는 방향으로 볼록한 형상을 가질 수 있다.
이하에서는, 상술한 반응기에 플라즈마를 발생시키기 위한 코일의 다양한 예들에 대하여 설명한다.
도 13 내지 도 16은 본 개시의 다양한 예들에 따른 코일의 회로도이다.
도 13 내지 도 16을 참조하면, 본 개시의 일 예에 따른 플라즈마 발생 장치는 복수의 코일(114a 내지 114d)과 전기적으로 연결되는 전원 공급부(160)를 포함할 수 있다. 전원 공급부(160)는 RF 전원을 공급하는 RF 제너레이터(RF Generator)일 수 있다. 여기서, 코일(114a 내지 114d)은 설명의 편의상 도 7에 도시된 플라즈마 채널을 형성하는 경우 즉, 대각선으로 배치된 코일을 동일 방향으로 권선하는 경우를 적용하여 설명하기로 한다.
또한, 전원 공급부(160)와 복수의 코일(114a 내지 114d) 사이에 임피던스 매칭을 위한 RF 매칭기(MN)를 포함할 수 있다. 전원 공급부(160)는 권선 코일에 전원을 공급하여 구동한다.
또한, RF 매칭기와 복수의 코일(114a 내지 114d) 사이에는 전원 분할 공급부가 추가로 포함될 수 있다. 전원 분할 공급부에 대하여는 후술한다.
도 13을 참조하면, 예를 들어 복수의 코일(114a 내지 114d)은 전원 공급부(160)와 전기적으로 직렬로 연결될 수 있다. 이에 따라, 복수의 코일(114a 내지 114d)에는 동일한 전류가 흐를 수 있다. 복수의 코일(114a 내지 114d)의 사이에는 코일의 유도 리액턴스를 보상하여 전압강화를 경감하기 위한 전압 보상용 커패시터를 직렬로 추가 연결할 수 있다. 본 개시에서, 전압 보상용 커패시터는 전압 보상부로 명명될 수도 있다.
도 14를 참조하면, 예를 들어 복수의 코일(114a 내지 114d)은 전원 공급부(160)와 전기적으로 병렬로 연결될 수 있다. 이에 따라, 복수의 코일(114a 내지 114d)각각은 동일하거나 상이한 전압이 인가될 수 있다.
도 15를 참조하면, 예를 들어 복수의 코일(114a 내지 114d) 중 권선 방향이 제1 방향(예, 시계 방향)인 두 개의 코일(114a, 114b)은 전원 공급부(160)와 서로 직렬로 연결되고, 권선 방향이 제2 방향(예, 반시계)인 두 개의 코일(114c, 114d)는 전원 공급부(160)와 서로 직렬로 연결될 수 있다. 또한, 권선 방향이 제1 방향인 두 개의 코일(114a, 114b)과 권선 방향이 제2 방향인 두 개의 코일(114c, 114d)은 서로 병렬로 연결될 수 있다. 이와 같이, 복수의 코일(114a 내지 114d)은 전원 공급부(160)와 전기적으로 직렬/병렬 혼용으로 연결될 수 있다.
도 16을 참조하면, 예를 들어 복수의 코일(114a 내지 114d)은 모두 직렬로 각각 N회씩 권선될 수 있다. 구체적으로, 복수의 코일(114a 내지 114d)은 1번 코일(114d)부터 2번 코일(114a), 4번 코일(114c), 3번 코일(114b)까지 순차적으로 n회(예, n=1)씩 코어에 권선될 수 있다. 이때, 복수의 코일(114a 내지 114d)은 각각 시계 방향 / 반시계 방향으로 번갈아가면서 코어에 권선될 수 있다. 복수의 코일(114a 내지 114d)은 상술한 권선 횟수 및 권선 방향을 순차적으로 반복하여 총 N회(N은 자연수)가 권선될 수 있다.
한편, 도 13 내지 도 16에서는 복수의 코일(114a 내지 114d) 각각의 권선수가 모두 동일하나, 코어 별로 코일의 권선수를 달리할 수도 있다.
예를 들어, 본 개시에 따르면 복수의 코일(114a 내지 114d) 각각의 권선 방향에 따라 권선수가 다르게 적용될 수 있다. 구체적으로, 권선 방향이 시계 방향인 코일의 권선수와 권선 방향이 반시계 방향인 코일의 권선수는 서로 상이할 수 있다.
도 17은 본 개시의 일 예에 따른 플라즈마 발생 장치의 회로도이다.
도 17을 참조하면, 플라즈마 발생 장치는 전원 분할 공급부(170), 유량 측저 센서(180) 및 프로세서(190)를 포함한다.
전원 분할 공급부(170)는 전원 공급부(160)로부터의 전원을 복수의 코일(114) 각각에 분배하며, RF 매칭기 및 복수의 코일(114) 사이에 연결될 수 있다. 전원 분할 공급부(170)는 임피던스 정합기를 통하여 입력된 RF 전원을 분할하여 복수의 코일(114)로 병렬 공급할 수 있다.
이를 위하여, 전원 분할 공급부(170)는 복수의 변압기를 포함한다. 복수의 변압기 각각의 1차 측은 RF 매칭기를 통해 전원 공급부(160)에 직렬로 연결되고, 2차 측은 각각이 적어도 하나의 센터탭(center tap)에 복수의 코일(114) 각각과 연결될 수 있다. 이때, 2차측의 센터탭은 프로세서(190)의 스위칭 제어를 통해 복수의 코일(114a 내지 114d)과 각각 연결된다. 이를 통해, 전원 분할 공급부(170)에서 복수의 변압기 각각은 임피던스 정합기로부터 입력되는 전원, 즉 전압을 균등 또는 차등적으로 분할하여 복수의 코일(114) 각각에 구동 전류를 공급한다.
유량 측정 센서(180)는 복수 개가 구비될 수 있고, 복수의 유량 측정 센서(180)는 두 개의 제1 몸통부 및 두 개의 제2 몸통부 각각에 결합되어 플라즈마와 가스와의 반응에 따른 부산물의 유량 데이터를 측정할 수 있다. 또한, 유량 측정 센서(180)는 측정된 유량 데이터를 프로세서(190)로 전달할 수 있다.
프로세서(190)는 전원 분할 공급부(170)와 전기적으로 연결되어 전원 분할 공급부(170)를 제어한다. 구체적으로, 프로세서(190)는 복수의 유량 측정 센서(180)로부터 유량 데이터를 수집할 수 있다. 유량 데이터의 수집은 부산물 처리 공정이 수행되는 시간 동안 수행될 수 있다.
프로세서(190)는, 수집된 유량 데이터가 기 설정된 임계값 이상인지 여부를 판단할 수 있다. 예를 들어, 기 설정된 임계값은 주입구의 직경, 제1 몸통부 및 제2 몸통부의 직경 등에 기초하여 미리 설정되는 값일 수 있다.
프로세서(190)는, 판단 결과에 따라 기 설정된 임계값 이상인 유량 데이터가 있는 경우, 두 개의 제1 몸통부 및 두 개의 제2 몸통부 중 기 설정된 임계값 이상인 유량 데이터가 측정된 어느 하나에 대한 전원 공급량을 증가시키도록 전원 분할 공급부(170)를 제어할 수 있다. 유량 데이터가 기 설정된 임계값 이상이면, 해당 몸통부에 부산물이 쏠림에 따라 부산물 처리 공정이 효율적으로 수행되고 있지 못함을 의미할 수 있다. 이에 따라, 프로세서(190)는 기 설정된 임계값 이상인 유량 데이터가 어느 몸통부로부터 측정되는 경우, 해당 몸통부에 플라즈마를 발생시키는 코일(114)에 인가되는 전원 공급량을 증가시키도록 전원 분할 공급부(170)를 제어할 수 있다.
도 18 및 도 19는 코일에 인가되는 전압 인가 패턴의 예들을 도시한 것이다.
도 18을 참조하면, 프로세서(190)는, 제1 몸통부 및 제2 몸통부 중 어느 하나로 부산물이 쏠리는 현상을 방지하기 위하여, 전압 인가 패턴을 다양하게 설정할 수 있다.
예를 들어, 프로세서(190)는 복수의 코일(114) 중 두 개의 코일 (예, 1번 및 2번)과 나머지 두 개의 코일 (예, 3번 및 4번)에 서로 다른 전압 인가 패턴을 설정할 수 있다. 또한, 프로세서(190)는 설정된 서로 다른 전압 인가 패턴에 기초하여 전압을 인가하도록 전원 분할 공급부(170)를 제어할 수 있다. 이때, 전압 인가 패턴은 특정 주기 T1 내에서 서로 다른 전압 V2 및 V1이 교대로 나타나는 펄스파 형태일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
또는, 예를 들어 프로세서(190)는 복수의 코일(114) 각각에 대하여 서로 상이한 전압 인가 패턴을 설정할 수도 있다. 또한, 프로세서(190)는 설정된 서로 다른 전압 인가 패턴에 기초하여 전압을 인가하도록 전원 분할 공급부(170)를 제어할 수 있다. 이때, 전압 인가 패턴은 특정 주기 T2 내의 어느 하나의 시간 구간에서 V2를 나타내고, 나머지 시간 구간에서 V1을 나타내는 형태의 파형일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
또한, 프로세서(190)는 상술한 전압 인가 패턴의 주기(예, T1 또는 T2)의 듀티비(duty ratio)를 동일하게 하거나, 혹은 상이하게 설정할 수도 있다.
도 20은 본 개시의 일 예에 따른 전원 공급 방법의 흐름도이다.
도 20을 참조하면, S110에서, 프로세서는 복수의 유량 측정 센서가 두 개의 제1 몸통부 및 두 개의 제2 몸통부에서 측정하는 유량 데이터를 수집할 수 있다. 예를 들어, 유량 데이터는 기 설정된 시간 구간 동안 수집될 수 있다.
S120에서, 프로세서는 수집된 유량 데이터 중 기 설정된 임계값 이상인 유량 데이터가 존재하는지 여부를 판단한다.
S120의 판단 결과에 따라 기 설정된 임계값 이상인 유량 데이터가 존재하는 경우, S130에서, 프로세서는 기 설정된 임계값 이상인 유량 데이터가 측정된 어느 몸통부에 대한 전원 공급량을 증가시키도록 전원 분할 공급부를 제어할 수 있다. 이에 따라, 전원 분할 공급부는 기 설정된 임계값 이상인 유량 데이터가 측정된 어느 몸통부에 플라즈마를 발생시키는 코일에 대한 전원 공급량을 증가시킬 수 있다.
S140에서, 프로세서는 기 설정된 시간이 경과하였는지 여부를 판단한다.
S140의 판단 결과에 따라 기 설정된 시간이 경과한 경우, 프로세서는 S110부터 다시 전원 공급 방법을 수행할 수 있다.
한편, S120의 판단 결과에 따라 기 설정된 임계값 이상인 유량 데이터가 존재하지 않는 경우, S150에서, 프로세서는 플라즈마 발생 이후의 공정을 수행할 수 있다.
도 21은 본 개시의 일 예에 따른 ICP(Inductively Coupled Plasma) 타입의 플라즈마 발생 장치의 개략도이고, 도 22는 본 개시의 일 예에 따른 CCP(Capacitively Coupled Plasma) 타입의 플라즈마 발생 장치의 개략도이다.
상술한 본 개시에서는, TCP 타입의 플라즈마 발생 장치를 기준으로 설명하였으나, ICP 타입 및/또는 CCP 타입의 플라즈마 발생 장치도 적용 가능함은 당연하다.
예를 들어, 도 21을 참조하면, ICP 타입의 플라즈마 발생 장치는 반응부에 포함된 두 개의 제1 몸통부 및 두 개의 제2 몸통부 각각에 권선되는 복수의 ICP 코일(117)을 포함할 수 있다. ICP 코일(117)은 전원 공급부(160)에 의해 전원이 인가되면, 유도 자기장을 반응부의 내부에 인가시켜 플라즈마를 생성할 수 있다.
또는, 예를 들어 도 22를 참조하면, CCP 타입의 플라즈마 발생 장치는 반응부에 포함된 두 개의 제1 몸통부 및 두 개의 제2 몸통부 각각의 외측면에 결합되는 한 쌍의 전극(118)을 포함할 수 있다. 전극(118)은 전원 공급부(160)에 의해 전원이 인가되면, 전기장을 반응부의 내부에 인가시켜 플라즈마를 생성할 수 있다.
공정 부산물 처리 장치
도 23은 본 개시의 일 예에 따른 공정 부산물 처리 장치를 도시한 개략도이다. 이하에서는, 앞서 설명한 부분과 중복되는 부분에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 23을 참조하면, 본 개시의 일 예에 따른 공정 부산물 처리 장치(10)는 공정 챔버(20) 및 공정 챔버에 연결된 플라즈마 발생 장치(100)를 포함한다.
공정 챔버(20)는 포토레지스트를 제거하는 애싱(ashing) 챔버일 수 있고, 절연막을 증착시키도록 구성된 CVD(Chemical Vapor Deposition) 챔버일 수 있고, 각종 절연막 구조 및 금속 배선 구조들을 형성하기 위한 에칭 챔버일 수 있다. 또는 절연막이나 금속막 등을 증착시키키기 위한 PVD(Physical Vapor Deposition) 챔버 또는 ALD(Atomic Layer Deposition) 챔버일 수도 있다.
공정 챔버(20)는 내부에 피처리 기판(23)을 지지하기 위한 서셉터(21)를 포함할 수 있다. 피처리 기판(23)은 예를 들어, 반도체 장치를 제조하기 위한 실리콘 웨이퍼 기판 또는 액정디스플레이나 플라즈마 디스플레이 등의 제조를 위한 유리 기판 등일 수 있으며 그 종류는 한정되는 것이 아니다.
공정 부산물 처리 장치(10)는 공정 챔버(20)에 연결된 플라즈마 발생 장치(100)를 포함한다. 공정 챔버(20)와 플라즈마 발생 장치(100)는 포어 라인으로 연결될 수 있다.
플라즈마 발생 장치(100)의 반응기(110)에서는 공정 챔버(20)로부터의 공정 부산물과 플라즈마 발생 장치(100)로부터의 플라즈마가 혼합되며, 포집기(150)는 플라즈마와 반응한 공정 부산물의 상 변화에 의해 생성된 파우더와 같은 부산물을 포집한다. 도시하지는 않았으나, 포집기(150)에는 포집된 후의 공정 부산물을 외부로 배출시키고, 반응기(110)의 내부를 진공상태로 만드는 배기 펌프가 설치될 수 있다.
공정 부산물은 공정을 진행하면서 발생되거나 공정을 진행하면서 공정 챔버로부터 반응하지 않은 상태로 반응기(110)로 유입되는 가스를 포함하는 것으로서 그 종류는 한정되는 것은 아니다. 공정 부산물에 포함된 가스들은 예를 들어 PFCs(perfluorocompounds), 전구체(Zr-precursor, Si-precursor, Ti-precursor, Hf-precursor 등), TiCl4, WF6, SiH4, Si2H6, SiH2Cl2, NF3, NH3, NH4Cl, TiO2, WN, ZrO2, TiN 등을 포함할 수 있다. 이러한 공정 부산물은 플라즈마와 반응하여 파우더와 같은 반응 부산물을 생성할 수 있다.
예를 들어, 반응기(110)의 출구 하우징에는 플라즈마와 공정 부산물과의 반응과 관련한 부가 가스를 추가적으로 주입하기 위한 별도 부가 주입 배관이 설치될 수 있다. 상기 부가 주입 배관은 공정 챔버(20)에 가스를 제공하는 가스 공급부(200)에 연결될 수 있으며, 오존(O3)와 같은 가스를 공정 챔버(20) 및/또는 출구 하우징을 통해 반응기(110)에 제공할 수 있다.
본 개시에서, 공정 부산물 처리 장치는 복수 개의 플라즈마 발생 장치를 포함할 수도 있는 바, 본 개시의 범위 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다.
상술한 설명에서 제안 방식에 대한 일례들 또한 본 개시의 구현 방법들 중 하나로 포함될 수 있으므로, 일종의 제안 방식들로 간주될 수 있음은 명백한 사실이다. 또한, 상기 설명한 제안 방식들은 독립적으로 구현될 수 도 있지만, 일부 제안 방식들의 조합 (혹은 병합) 형태로 구현될 수 도 있다.
상술한 바와 같이 개시된 본 개시의 예들은 본 개시와 관련된 기술분야의 통상의 기술자가 본 개시를 구현하고 실시할 수 있도록 제공되었다. 상기에서는 본 개시의 예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 통상의 기술자는 본 개시의 예들을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있다. 따라서, 본 개시는 여기에 기재된 예들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다.
10: 공정 부산물 처리 장치 20: 공정 챔버
100: 플라즈마 발생 장치
110: 반응기 112a, 112b: 제1 몸통부
112c, 112d: 제2 몸통부 113a 내지 113d: 코어
114a 내지 114d : 코일 120: 주입구
130: 배출구 140: 절연부
150: 포집기 160: 전원 공급부
170: 전원 분할 공급부 180: 유량 측정 센서
190: 프로세서 200: 가스 공급부

Claims (15)

  1. 내부에 플라즈마 발생 공간을 제공하는 반응기;
    상기 반응기 내부로 가스가 주입되는 경로를 제공하는 주입구;
    상기 반응기 내부에서 플라즈마 처리된 가스가 배출되는 배출구; 및
    상기 반응기 내에 플라즈마 채널을 형성하는 변압기를 포함하고,
    상기 반응기는 상기 주입구를 통해 유입된 가스를 분지시키고, 상기 플라즈마 처리된 가스를 합지시키는 복수의 토로이드 형상을 갖고,
    상기 플라즈마 채널 각각은 상기 변압기의 일차 권선의 권선 방향에 따라 적어도 한 번 이상 인접된 플라즈마 채널과 일부 중첩하게 형성되는,
    플라즈마 발생 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반응기는:
    상기 주입구에 연결되는 상부 블록;
    상기 상부 블록에 연결되는 복수의 중간 블록; 및
    상기 복수의 중간 블록과 상기 배출구 사이에 연결되는 하부 블록을 포함하고,
    상기 변압기는 상기 복수의 중간 블록에 각각 결합되고,
    상기 복수의 중간 블록 중 제1 거리 이격된 적어도 두 개의 중간 블록은 상기 플라즈마 채널이 형성되고,
    상기 복수의 중간 블록 중 상기 제1 거리 보다 먼 제2 거리 이격된 적어도 두 개의 중간 블록은 상기 플라즈마 채널이 형성되지 않는,
    플라즈마 발생 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 거리 이격된 적어도 두 개의 중간 블록에 결합된 상기 변압기의 권선 방향은 상이한,
    플라즈마 발생 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제2 거리 이격된 적어도 두 개의 중간 블록에 결합된 상기 변압기의 권선 방향은 동일한,
    플라즈마 발생 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 중간 블록은 2N(N은 2이상의 자연수)개인,
    플라즈마 발생 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 상부 블록은 상기 주입구와 상기 복수의 중간 블록 사이에 구비되어 상기 복수의 중간 블록으로 주입되는 가스의 유입을 분지시키는 제1 유로 분배부를 포함하고,
    상기 하부 블록은 상기 복수의 중간 블록과 상기 배출구 사이에 구비되어 상기 플라즈마 처리된 가스의 배출을 합지시키는 제2 유로 분배부를 포함하는,
    플라즈마 발생 장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 변압기의 일차 권선과 전기적으로 연결되어 전원을 공급하는 전원 공급부를 더 포함하는,
    플라즈마 발생 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 변압기의 일차 권선은 직렬 권선, 병렬 권선 및 직병렬 혼용 권선 중 어느 하나의 방식으로 권선되는,
    플라즈마 발생 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 변압기의 일차 권선이 병렬 권선되는 경우, 상기 전원 공급부로부터의 전원을 상기 변압기의 일차 권선에 각각 분배하는 전원 분할 공급부; 및
    상기 전원 분할 공급부를 제어하는 프로세서를 더 포함하는,
    플라즈마 발생 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 중간 블록 각각에 결합되어 플라즈마와 가스와의 반응에 따른 부산물의 유량 데이터를 측정하는 유량 측정 센서를 더 포함하는,
    플라즈마 발생 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 프로세서는:
    상기 유량 측정 센서로부터 상기 유량 데이터를 수집하고, 상기 유량 데이터가 기 설정된 임계값 이상인지를 판단하는,
    플라즈마 발생 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 프로세서는:
    상기 유량 데이터가 상기 기 설정된 임계값 이상인 경우, 상기 복수의 중간 블록 중 상기 기 설정된 임계값 이상인 유량 데이터가 측정된 어느 하나에 전원 공급량을 증가시키도록 상기 전원 분할 공급부를 제어하는,
    플라즈마 발생 장치.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 프로세서는:
    상기 전원 분할 공급부가 상기 변압기의 일차 권선 각각에 대하여 상이한 전압 인가 패턴으로 전원을 공급하도록 제어하는,
    플라즈마 발생 장치.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 변압기의 일차 권선이 직렬 권선되는 경우에, 상기 변압기의 일차 권선의 유도 리액턴스에 의한 전압 강하를 보상하는 전압 보상부를 더 포함하는,
    플라즈마 발생 장치.
  15. 공정 챔버; 및
    상기 공정 챔버에 연결된 플라즈마 발생 장치를 포함하고,
    상기 플라즈마 발생 장치는:
    내부에 플라즈마 발생 공간을 제공하는 반응기;
    상기 반응기 내부로 가스가 주입되는 경로를 제공하는 주입구;
    상기 반응기 내부에서 플라즈마 처리된 가스가 배출되는 배출구; 및
    상기 반응기 내에 플라즈마 채널을 형성하는 변압기를 포함하고,
    상기 반응기는:
    상기 주입구를 통해 유입된 가스를 분지시키고, 상기 플라즈마 처리된 가스를 합지시키는 복수의 토로이드 형상을 갖고,
    상기 플라즈마 채널 각각은 상기 변압기의 일차 권선의 권선 방향에 따라 적어도 한 번 이상 인접된 플라즈마 채널과 일부 중첩하게 형성되는,
    공정 부산물 처리 장치.
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