KR101453860B1

KR101453860B1 - 플라즈마 히터

Info

Publication number: KR101453860B1
Application number: KR1020130062972A
Authority: KR
Inventors: 이대훈; 김관태
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2013-05-31
Filing date: 2013-05-31
Publication date: 2014-10-22
Anticipated expiration: 2033-05-31

Abstract

본 발명의 목적은 공정 챔버에서 진공펌프 또는 스크러버로 배출되는 공정가스를 가열하는 플라즈마 히터를 제공하는 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 히터는, 공정 챔버와 진공펌프 또는 스크러버를 연결하는 공정가스관에 설치되어 내측으로 공정가스를 유통시키는 내부 하우징, 상기 내부 하우징을 수용하여 상기 공정가스관에 설치되어, 상기 내부 하우징의 외측을 상기 공정가스관 내부에 통로로 연결하는 외부 하우징, 및 상기 외부 하우징의 일측에 내장되는 전극에 전압을 인가하여 발생되는 플라즈마 반응으로 외부에서 공급되는 기체를 가열하여 상기 통로를 통하여 상기 공정가스관 내부로 공급하는 가열부를 포함한다.

Description

플라즈마 히터 {PLASMA HEATER}

본 발명은 공정 챔버에서 배출되는 공정 가스를 가열하여 공정 가스에 포함된 오염물질 중 일부 물질들의 입자화를 방지하는 플라즈마 히터에 관한 것이다.

반도체, 박막 디스플레이 및 태양 전지의 제조 라인에는 식각, 증착, 세정, 애싱, 및 질화처리 등의 공정을 수행하는 공정 챔버가 설치된다. 공정 챔버에서 배출되는 공정 가스는 진공펌프 또는 스크러버로 유입된다.

예를 들면, 반도체를 제조하는 공정 챔버에서 배출되는 공정 가스는 실란이나 금속입자 등 다양한 성분들을 포함하고 있다. 이 성분들 중 일부 성분들은 온도가 일정치(예를 들면, 300℃) 이하로 떨어지는 조건에서 입자화 되어 진공펌프 또는 스크러버의 작동에 악영향을 줄 수도 있다.

공정 가스에 포함된 성분들의 입자화에 따른 악영향을 방지하기 위하여, 반응 챔버와 진공펌프(또는 스크러버)를 연결하는 공정가스관에 전기 히터가 설치된다. 전기 히터는 질소 기체(N₂)를 가열하여 공정가스관을 가열함으로써, 공정가스관을 경유하는 공정가스를 고온 상태로 유지시켜 준다.

본 발명의 목적은 공정 챔버에서 진공펌프(또는 스크러버)로 배출되는 공정가스를 가열하는 플라즈마 히터를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은 플라즈마 발생 방식으로 가열된 기체를 공정가스관의 내부로 공급하여 공정가스를 직접 가열하는 플라즈마 히터에 관한 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 히터는, 공정 챔버와 진공펌프 또는 스크러버를 연결하는 공정가스관에 설치되어 내측으로 공정가스를 유통시키는 내부 하우징, 상기 내부 하우징을 수용하여 상기 공정가스관에 설치되어, 상기 내부 하우징의 외측을 상기 공정가스관 내부에 통로로 연결하는 외부 하우징, 및 상기 외부 하우징의 일측에 내장되는 전극에 전압을 인가하여 발생되는 플라즈마 반응으로 외부에서 공급되는 기체를 가열하여 상기 통로를 통하여 상기 공정가스관 내부로 공급하는 가열부를 포함한다.

상기 내부 하우징의 외주면과 상기 외부 하우징의 내주면은, 가열된 기체를 수용하여 상기 통로로 공급하는 기체 수용 공간을 형성할 수 있다.

상기 내부 하우징은, 상기 공정 챔버의 측단에 공정가스의 유입을 안내하는 경사면부를 형성할 수 있다.

상기 공정가스관은, 상기 내부 하우징의 일측에 연결되는 유입측부, 및 상기 유입측부의 반대측에서 상기 내부 하우징의 일측에 상기 통로로 연결되는 배출측부를 포함할 수 있다.

상기 외부 하우징은, 상기 내부 하우징과 상기 내부 하우징에 인접하는 상기 유입측부의 단부와 상기 배출측부의 단부를 수용하여 덮도록 서로 결합되는 상부 하우징과 하부 하우징을 포함할 수 있다.

상기 전극은, 상기 내부 하우징의 길이 방향에 교차하는 상기 외부 하우징에서 상기 통로에 인접하여 설치되고 전기적으로 접지되는 제1전극, 및 상기 제1전극의 일단과 방전갭을 형성하여 전압이 인가되는 제2전극을 포함할 수 있다.

상기 제1전극은, 상기 외부 하우징의 길이 방향을 따라 이격되고, 복수의 유체홀들을 형성하여 가열된 기체를 제어하여 통과시키는 복수의 판부를 포함할 수 있다.

상기 제2전극은, 상기 제1전극의 판부 중앙을 향하는 기체 유입구를 구비할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 히터는, 상기 내부 하우징과 상기 공정가스관의 배출측 사이에 설정되는 상기 통로의 끝에 좁아지게 형성되는 노즐을 더 포함할 수 있다.

이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따르면, 공정가스관에 플라즈마 히터를 설치하여 공정 챔버에서 진공펌프(또는 스크러버)로 배출되는 공정가스를 가열된 기체로 직접 가열할 수 있다. 따라서 공정가스에 포함된 특정 성분이 특정 온도에서 입자화되는 것이 방지된다. 즉 진공펌프(또는 스크러버)는 원활히 작동될 수 있다.

또한, 공정가스관에 내부 하우징과 외부 하우징을 설치하고, 외부 하우징의 일측에 가열부를 구비하여 가열한 기체를 공정가스관의 내부로 공급하므로 공정가스를 직접 가열하는 효과가 있다. 따라서 공정가스의 가열 효율이 높아질 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마 히터가 설치된 공정 시스템의 구성도이다.
도 2는 도 1에 적용되는 플라즈마 히터의 사시도이다.
도 3은 공정가스관에 도 2의 플라즈마 히터를 장착한 상태의 사시도이다.
도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ 선에 따른 단면도이다.
도 5는 도 4의 부분 상세도이다.
도 6은 도 5에서 전극의 측면도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 플라즈마 히터의 단면도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마 히터가 설치된 공정 시스템의 구성도이다. 도 1을 참조하면, 공정 시스템은 공정 챔버(1)와 진공펌프(또는 스크러버)(2) 및 이들을 연결하여 공정가스를 배출하는 공정가스관(3)에 설치되는 플라즈마 히터(4)를 포함한다.

공정 챔버(1)는 제조 공정에서 사용된 공정 가스를 배출한다. 공정 가스는 입자화되어 진공펌프(2)의 구동에 악영향을 미칠 수 있는 성분들을 포함한다. 진공펌프(2)는 공정가스관(3)을 통하여 공정 챔버(1)에서 사용되었던 공정 가스를 흡입하여 배출한다.

도 2는 도 1에 적용되는 플라즈마 히터의 사시도이고, 도 3은 공정가스관에 도 2 플라즈마 히터를 장착한 상태의 사시도이며, 도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ 선에 따른 단면도이다.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 플라즈마 히터(4)는 공정가스관(3)에 설치되어 공정가스관(3)을 경유하여 배출되는 공정가스를 직접 가열시킬 수 있도록 구성된다.

공정가스관(3)은 공정 챔버(1)에 연결되는 유입측부(31)와 진공펌프(2)에 연결되는 배출측부(32)를 포함한다. 편의상, 유입측부(31)와 배출측부(32)는 분리되어 플라즈마 히터(4)를 통하여 서로 연결된다.

플라즈마 히터(4)는 공정가스관(3)에 설치되는 내부 하우징(41)과 외부 하우징(42) 및 가열부(43)를 포함한다. 내부 하우징(41)은 유입측부(31)와 배출측부(32)에 연결되어 내측으로 공정가스를 유통시킨다. 내부 하우징(41)은 유입측부(31)와 배출측부(32) 사이에 설치된다.

외부 하우징(42)은 내부 하우징(41)을 수용하여 공정가스관(3)에 설치되어, 내부 하우징(41)의 외측을 공정가스관(3)의 내부에 통로(P)로 연결하여 덮는다.

즉 유입측부(31)는 내부 하우징(41)의 일측에 연결되고, 배출측부(32)는 유입측부(31)의 반대측에서 내부 하우징(41)의 일측에 연결되며, 또한 내부 하우징(41)과 외부 하우징(42) 사이에 설정되는 통로(P)로 연결된다.

따라서 내부 하우징(41)의 외주면과 외부 하우징(42)의 내주면은 가열부(43)에서 가열된 기체를 수용하여 통로(P)로 공급하는 기체 수용 공간(S)을 형성한다. 내부 하우징(41)은 공정 챔버(1)의 측단에 공정가스의 유입을 안내하는 경사면부(411)를 구비한다.

도시하지는 않았지만, 공정가스관에 구멍을 뚫어 통로를 형성하고, 공정가스관으로 내부 하우징을 형성하고, 통로 주위에 외부 하우징을 설치할 수도 있다. 즉 공정가스관은 일체로 형성될 수 있다.

외부 하우징(42)은 내부 하우징(41)과 내부 하우징(41)에 인접하는 유입측부(31)의 단부와 배출측부(32)의 단부를 수용하도록 구성된다. 예를 들면, 외부 하우징(42)은 상부 하우징(421)과 하부 하우징(422)으로 분할되는 구조로 형성된다.

즉 상, 하부 하우징(421, 422)는 서로 마주하여 결합되어 내부 하우징(41) 및을 그 양측을 수용하면서, 가열부(43)에서 가열한 기체(예를 들면, 질소)를 공급하도록 가열부(43)를 내장한다.

가열부(43)는 외부 하우징(42)의 일측에 내장되는 전극(50)에 전압을 인가하여 플라즈마 반응으로 외부에서 공급되는 기체를 가열하도록 구성된다. 기체는 가열부(43)에서 방전 기체로 작용하면서 동시에 공정 가스를 가열하는 매체로 작용한다. 또한 가열부(43)는 가열된 기체를 통로(P)로 공정가스관(3)의 내부로 공급하도록 구성된다.

전극(50)은 전기적으로 접지되는 제1전극(51)과 전압이 인가되는 제2전극(52)을 포함한다. 제1전극(51)은 내부 하우징(41)의 길이 방향(x축 방향)에 교차하는 방향(y축 방향)으로 외부 하우징(42)에서 내부 하우징(41) 및 통로(P)에 인접하여 설치된다. 제2전극(52)은 제1전극(51)의 일단과 방전갭(G)을 형성한다. 그리고 제2전극(52)은 절연재(53)를 개재하여 외부 하우징(42)의 단부에 장착된다.

도 5는 도 4의 부분 상세도이고, 도 6은 도 5에서 전극의 측면도이다. 도 5 및 도 6을 참조하면, 제1전극(51)은 외부 하우징(42)의 길이 방향(y축 방향)을 따라 이격되는 복수의 판부(512)를 포함한다. 판부(512)는 각각 복수의 유체홀들(511)을 형성하여 가열된 기체를 통과시킨다. 제2전극(52)은 제1전극(51)의 판부(512) 중앙을 향하는 기체 유입구(521)를 구비한다.

가열부(43)에서 제1전극(51)을 접지하고, 제2전극(52)에 고전압을 인하가면, 제1전극(51)과 제2전극(52)이 마주하는 방전갭(G)에서 아크가 발생되면서 플라즈마를 발생시킨다.

기체 유입구(521)로 유입되는 기체는 아크 및 플라즈마에 의하여 가열된다. 즉 아크 및 플라즈마에 의하여 발생된 열은 기체 유입구(521)로 유입되는 기체에 전달된다.

아크 및 플라즈마는 제1전극(51)의 유체홀들(511)을 통하여 판부들(512) 사이로 이송되면서 제1전극(51)을 가열한다. 따라서 기체 유입구(521)로 유입되는 기체는 방전갭(G)에서 멀어지면서 제1전극(51)의 판부들(512) 사이에 체류면서 유체홀들(511)을 통하여 이송된다.

따라서, 기체는 아크가 발생된 방전갭(G) 부분에서 고온을 유지하며, 또한 아크 및 플라즈마에 의하여 가열된 제1전극(51)의 판부들(512) 사이를 경유하므로 계속 고온 상태를 유지할 수 있다.

유체홀들(511)을 통하여 판부들(512)을 경유하여 고온 상태를 유지하는 기체는 수용 공간(S)에서 일시적으로 저류된 후, 통로(P)를 통하여 배출측부(32)로 공급된다.

수용 공간(S) 및 통로(P)는 내부 하우징(41)과 배출측부(32) 사이의 노즐 구조에 의하여, 고온의 기체는 배출측부(32) 내의 공정가스에 분사되어 공정가스를 가열한다. 또한 고온의 기체는 배출측부(32)를 가열하고, 배출측부(32)의 냉각을 차단한다.

제1, 제2전극(51, 52)의 방전갭(G)에서 아크가 발생될 때, 아크에 가까울수록 전자 온도가 낮고, 기체 온도가 높아진다. 이때 기체 온도를 과도하게 높이지 않고도 아크를 제1전극(51)으로 경유시키므로 제1전극(51)을 경유하는 기체가 가열된다. 따라서 가열부(43)를 손상시키지 않으면서 적절한 온도 수준의 열을 발생시켜 고온의 기체를 공정가스관(3)으로 공급할 수 있다.

이와 같이 본 발명의 실시예에서, 가열부(43)는 플라즈마 발생 방식으로 가열된 기체를 공정가스관(3)의 내부로 공급하여 공정가스를 직접 가열할 수 있다. 따라서 진공펌프(2)를 통하여 공정 챔버(1)에서 공정 가스를 안정적으로 배출할 수 있다.

도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 플라즈마 히터의 단면도이다. 도 7을 참조하면, 제2 실시예에 따른 플라즈마 히터(24)는 내부 하우징(41)과 공정가스관(3)의 배출측(32) 사이에 설정되는 통로(P)의 끝에 좁게 설정되는 노즐(N)을 포함한다. 예를 들면, 노즐(N)은 내부 하우징(41)의 단부에 형성되는 돌기와 배출측(32)의 내주면 사이의 간격으로 설정된다.

노즐(N)은 통로(P)로 공급되는 가열된 기체를 공정가스관(3)의 내벽을 향하여 고속으로 분사한다. 따라서 공정가스가 내부 하우징(41)에서 배출측(32)으로 공급될 때, 노즐(N)은 가열된 기체를 공정가스관(3) 배출측(32)의 내주면으로 고속 공급한다. 즉 가열된 기체는 내부 하우징(41)을 통과하는 낮은 온도의 공정가스가 공정가스관(3) 벽면에 접촉되는 것을 지연시킨다. 따라서 진공펌프(2)를 통하여 공정 챔버(1)에서 가열된 공정 가스를 안정적으로 배출할 수 있다.

또한, 노즐(N)은 내부 하우징(41)에 원주방향으로 일체로 형성될 수도 있고, 원주 방향을 따라 이격되어 복수로 형성될 수도 있다.

이상을 통해 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.

1: 공정 챔버 2: 진공펌프(또는 스크러버)
3: 공정가스관 4, 24: 플라즈마 히터
31: 유입측부 32: 배출측부
41: 내부 하우징 42: 외부 하우징
43: 가열부 50: 전극
51, 52: 제1, 제2전극 411: 경사면부
421: 상부 하우징 422: 하부 하우징
423: 체결부재 511: 유체홀
512: 판부 521: 기체 유입구
G: 방전갭 N: 노즐
P: 통로 S: 수용 공간

Claims

공정 챔버와 진공펌프 또는 스크러버를 연결하는 공정가스관에 설치되어 내측으로 공정가스를 유통시키는 내부 하우징;
상기 내부 하우징을 수용하여 상기 공정가스관에 설치되어 상기 내부 하우징의 외측에 수용 공간을 설정하고, 상기 공정가스관과 상기 내부 하우징 사이에 설정되는 통로와 상기 수용 공간을 연결하는 외부 하우징; 및
상기 외부 하우징의 일측에 내장되는 전극에 전압을 인가하여 발생되는 플라즈마 반응으로 외부에서 공급되는 기체를 가열하여 상기 수용 공간과 상기 통로를 통하여 상기 공정가스관 내부로 공급하는 가열부
를 포함하는 플라즈마 히터.
제1항에 있어서,
상기 수용 공간은
상기 내부 하우징의 외주면과 상기 외부 하우징의 내주면으로 설정되어,
가열된 기체를 수용하여 상기 통로로 공급하는 플라즈마 히터.
제1항에 있어서,
상기 내부 하우징은,
상기 공정 챔버의 측단에 공정가스의 유입을 안내하는 경사면부를 형성하는 플라즈마 히터.
제1항에 있어서,
상기 공정가스관은,
상기 내부 하우징의 일측에 연결되는 유입측부, 및
상기 유입측부의 반대측에서 상기 내부 하우징의 다른 일측에 상기 통로로 연결되는 배출측부를 포함하는 플라즈마 히터.
제4항에 있어서,
상기 외부 하우징은,
상기 내부 하우징과 상기 내부 하우징에 인접하는 상기 유입측부의 단부와 상기 배출측부의 단부를 수용하여 덮도록 서로 결합되는 상부 하우징과 하부 하우징을 포함하는 플라즈마 히터.
제1항에 있어서,
상기 전극은,
상기 내부 하우징의 길이 방향에 교차하는 상기 외부 하우징에서 상기 통로에 인접하여 설치되고 전기적으로 접지되는 제1전극, 및
상기 제1전극의 일단과 방전갭을 형성하여 전압이 인가되는 제2전극을 포함하는 플라즈마 히터.
제6항에 있어서,
상기 제1전극은,
상기 외부 하우징의 길이 방향을 따라 이격되고, 복수의 유체홀들을 형성하여 가열된 기체를 제어하여 통과시키는 복수의 판부를 포함하는 플라즈마 히터.
제7항에 있어서,
상기 제2전극은,
상기 제1전극의 판부 중앙을 향하는 기체 유입구를 구비하는 플라즈마 히터.
제1항에 있어서,
상기 내부 하우징과 상기 공정가스관의 배출측 사이에 설정되는 상기 통로의 끝에 좁아지게 형성되는 노즐을 더 포함하는 플라즈마 히터.