KR100290706B1 - 수용성 폐가스처리장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 공정 설비에 의하여 반도체 공정 진행 후, 반도체 공정에 참여하지 못한 수용성 폐가스에 수용액을 샤워 방식으로 분사하여 수용성 폐가스를 처리하는 수용성 폐가스처리장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수용성 폐가스와의 접촉 면적이 크게 증가되도록 수용액을 분사시켜 수용성 폐가스를 수용액에 용해시키고, 수용성 폐가스가 수용액에 용해된 후 정제된 가스와 정제된 가스에 혼합된 수용액을 고온 환경 내부로 공급하여 수용액은 기화시키고, 기화된 수용액을 냉각시킨 후 배출시켜 수용성 폐가스의 처리 효율을 극대화시킨다.

Description

수용성 폐가스처리장치 및 그 방법
본 발명은 폐가스 처리장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수용성 화학가스를 이용하여 반도체 공정을 진행 후, 반도체 공정에 참여하지 못한 미반응 수용성 폐가스에 샤워방식으로 수용액을 수용성 폐가스를 분사하여 수용성 폐가스를 처리하는 수용성 폐가스처리장치에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 소자를 제조하는 반도체 공정은 종류가 다양한 화학가스 및 화학물질을 재료로 사용하게 되는데, 대부분의 화학가스 및 화학물질은 생태계 및 인체에 심각한 영향을 초래하는 맹독성을 갖고 있다.
더욱이 맹독성 화학가스 및 화학물질은 반도체 공정에 극소량만이 참여하고 대부분의 화학가스 및 화학물질은 미반응 상태로 배출됨으로 맹독성 미반응 화학가스 및 화학물질은 법적 기준을 만족시키는 무독성 화학가스 및 화학물질로 재처리된 후 대기로 배출되어야 한다.
일례로, 재처리 대상이 되는 화학가스를 처리의 측면에서 살펴보면, 수용액에 용해됨으로써 처리가 가능한 수용성 화학가스와 열이나 기타 다른 화학가스와 반응하여 처리되는 가연성 화학가스로 나뉘어진다.
수용성 화학가스를 사용하여 제조한 반도체 박막으로는 화학적으로 안정하며 습기 및 알칼리에 강한 성질을 갖음으로써 기타 물질(예를 들어 물, 알칼리성 화학가스 또는 알칼리성 화학물질)이 확산(diffusion)에 의하여 박막 내부로 침투되는 것을 방지함과 동시에 증착 온도가 낮은 특성을 갖는 플라즈마 니트라이드(plasma nitride) 질화막을 일례로 들 수 있다.
이 플라즈마 니트라이드 질화막은 화학식 1에 설명되는 바와 같이 실랜(SiH4) 가스에 암모니아(NH3)를 혼합한 후, 약 200∼400℃의 고온 환경에서 반응시킴으로써 형성되고, 부산물로 물에 대하여 용해도가 매우 낮고(약 2.1%) 고온 환경에서 자연 연소되는 수소(H2)가 다량 형성된다.
이때, 플라즈마 니트라이드 질화막에 사용되는 암모니아 가스(NH3)는 독성이 있고 물, 알콜, 벤젠, 아세톤에 녹으며 특히, 물에 대하여 용해도가 89.9% 정도로 매우 높은 성질이 있다.
이와 같은 성질을 갖는 암모니아 가스는 독성이 강하기 때문에 반도체 박막제조 공정중 미반응 상태의 암모니아 가스는 대기중에 무단 방출할 수 없고 반드시 법적 기준을 만족시키도록 재처리되어야 한다.
또한, 화학적기상증착(Chemical Vapor Deposition)에서 클리닝 가스로 사용되는 하이드로겐 클로라이드(Hydrogel ChLoride;HCL) 가스의 경우 또한 물에 대해 큰 용해도(82.31g/100g)를 갖음과 동시에 매우 자극적인 유해 가스 또한 대기중에 무단 방출될 수 없고 반드시 법적 기준을 만족시키도록 재처리되어야 한다.
종래 암모니아 가스, 하이드로겐 클로라이드 가스와 같이 수용성 화학가스를 처리하는 폐가스처리 방법으로는, 수용액이 가득찬 상태로 복수개의 격실이 형성된 수용액 챔버에 미반응 상태의 암모니아 가스 또는 하이드로겐 클로라이드와 같은 수용성 폐가스를 공급하여 수용액에 의하여 수용성 폐가스 용해되도록 한다.
그러나, 종래 수용성 폐가스 처리장치는 물에 잘 용해되는 수용성 폐가스를 단순히 수용액속에 공급하여 암모니아 가스와 수용액이 충분히 처리될 시간적 여유가 없을 뿐더러 암모니아 가스와 수용액의 접촉 면적이 작아 암모니아가 완전하게 수용액화되지 않은 상태에서 배기되는 등 폐가스 처리 효율이 저하되는 문제점이 있다.
다른 문제점으로는 수용성 폐가스가 용해된 수용액과 정제된 가스가 함께 메인 덕트를 통하여 배출됨으로써 메인 덕트를 심하게 부식시키는 문제가 있다.
또다른 문제점으로는 종래 폐가스 처리장치에 의해서는 공정 설비에서의 배기 압력을 조절할 수 없어 공정 불량을 유발시키는 문제점이 있다.
따라서 본 발명은 이와 같은 종래 문제점을 충분히 감안한 것으로써, 본 발명의 목적은 수용성 폐가스와 수용액의 접촉 면적 및 반응 시간을 증대시킴에 있다.
본 발명의 다른 목적은 수용성 폐가스의 처리 효율을 증대시킴과 동시에 수용액이 정제된 가스와 함께 메인 덕트로 배기되지 않토록 함에 있다.
본 발명의 또다른 목적은 공정 설비 내부의 압력이 일정하게 유지되면서 폐가스가 처리 가능토록 함에 있다.
본 발명의 다른 목적들은 본 발명의 상세한 설명에서 보다 명확해질 것이다.
제1도는 본 발명에 의한 수용성 폐가스처리장치를 도시한 개념도.
제2도는 본 발명에 의한 수용성 폐가스처리장치의 부분 절개 사시도.
제3도는 본 발명에 의한 수용액 기화 유닛의 부분 분해 사시도.
제4도는 제2도의 A-A 단면도.
제5도는 제2도의 B-B 단면도.
이와 같은 본 발명의 목적을 구현하기 위한 수용성 폐가스 처리장치는 수용성 폐가스에 수용액을 샤워 방식으로 분사하여 상기 수용성 폐가스를 정제 가스로 변환시키는 수용액 분사노즐이 적어도 1개 이상 형성된 수용성 폐가스 처리 챔버와, 수용액을 수거하여 저장, 외부로 배출시키는 드레인 유닛과, 정제 가스가 배기되도록 수용성 폐가스 처리 첨버에 연통되어 수용액을 기화시키는 수용액 기화 유닛과, 수용액 기화 유닛으로부터 기화된 수용액을 냉각시키는 냉각 유닛 및 공정설비 내부의 압력을 일정하게 유지시키는 블로워를 포함한다.
이하, 본 발명에 의한 수용성 폐가스 처리장치를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같으며, 바람직한 일실시예로 플라즈마 니트라이드 질화막 형성중 발생한 폐가스를 처리하는 수용성 폐가스 처리장치를 예를 들어 설명하기로 한다.
먼저, 수용성 폐가스 처리장치(500)는 첨부된 제1도 내지 제4도에 도시된 바와같이 수용성 폐가스 처리 유닛(100), 수용성 폐가스 처리 유닛(100)에서 폐가스를 처리하기 위하여 분사된 수용액이 수거되는 드레인 유닛(200), 수용성 폐가스 처리 유닛(100)에서 처리된 정제 가스와 수용액이 혼합된 상태로 배기되는 것을 방지하는 수용액 기화 유닛(300) 및 수용액 기화 유닛(300)에서 발생한 수증기를 응축시켜 정제된 가스만이 배기되도록 하는 냉각 유닛(400)으로 구성된다.
보다 구체적으로, 수용성 폐가스 처리 유닛(100)은 양단이 개구된 짧은 원통형상으로 하나 또는 복수개가 직렬 방식으로 연통된 유닛 몸체(10), 유닛 몸체(10)에 적어도 1개 이상이 관통 형성된 노즐 포트(20), 노즐 포트(20)에 삽입되어 암모니아 가스에 수용액을 미립화시켜 분사시킴으로써 암모니아 가스와 수용액의 접촉 면적을 증대시키는 수용액 분사 노즐(30)로 구성된다.
한편, 유닛 몸체(10)의 상단부에는 공정 설비로부터 수용성 폐가스가 유닛 몸체(10) 내부로 공급되도록 함과 동시에 공정 설비 내부 압력이 일정하게 유지되도록 하기 위한 블로워(40)가 설치되며, 유닛 몸체(10)의 하단부에는 수용액 분사 노즐(30)로부터 분사된 수용액이 배출되도록 메인 배관(50)이 설치된다.
이때, 메인 배관(50)의 단부에는 드레인 유닛(200)이 밀봉 설치되어 수용액 분사 노즐(30)로부터 분사된 수용액이 수거된다.
드레인 유닛(200)은 육면체 통체 형상인 드레인 탱크(210)와, 드레인 탱크(210) 내부의 수용액 수위를 감지하여 드레인 탱크(210) 내부의 수용액이 배출되도록 하는 수위 감지 센서(215,225), 수용액을 배출시키는 펌프 유닛(230)로 구성된다.
보다 구체적으로, 수위 감지 센서는 드레인 탱크(10)의 측벽에 설치되는 불활성가스 레벨 센서(215)와 정전 용량 센서(225)로 구성된다.
물론, 불활성가스 레벨 센서(215)와 정전 용량 센서(225)중 어느 하나만 사용되어도 무방하지만 본 발명에서는 어느 하나의 고장에 대비하여 복수개의 수위감지 센서를 사용하기로 한다.
특히, 불활성가스 레벨 센서(215)는 불활성가스 공급부(미도시)와 연통되어 불활성가스가 공급되는 불활성가스 공급관(215a)과 불활성가스 공급관(215a) 내부의 압력을 변화를 감지하는 압력측정장치(215b)로 구성된다.
작동 원리로, 불활성가스 공급관(215a)에서 소정 압력으로 불활성가스가 공급되는 도중 수용액 분사 노즐(30)에서 분사되는 수용액에 의하여 수위가 상승하여 불활성가스 공급관(215a)의 단부가 수용액에 잠기게 되면 당연히 불활성가스 공급관(215a) 내부에는 압력 변화가 발생하고, 이를 압력 측정장치(215b)가 감지하여 현재 드레인 탱크(210) 내부의 수위를 판단한다.
이때, 불활성가스 레벨 센서(215)의 불활성가스 공급관(215a)은 수위별로 높낮이 다르게 복수개를 설치하여 이들 신호의 조합으로 드레인 탱크(210) 내부의 수위는 감지되어 수용액의 수위가 일정 레벨 이상일 경우 펌프 유닛(230)이 작동하여 수용액은 후처리 공정으로 배출된다.
만일, 드레인 탱크(210) 내부에 설치된 수위감지센서(215,225)가 모두 고장을 일으켰을 경우, 수용액의 수위가 일정 레벨 이상이 되더라도 펌프 유닛(230)이 작동하지 않음으로 수용액은 드레인 탱크(210)로부터 메인 배관(50)을 통하여 역류된다. 이와 같이 메인 배관(50)을 통하여 역류되는 수용액을 한번 더 감지하기 위하여 메인 배관(50)의 소정 위치에는 215와 동일한 구성을 갖는 수위감지센서(60)가 하나 더 설치된다.
한편, 유닛 몸체(10)에서 분사된 수용액에 의하여 수용성 폐가스는 용해된 후 메인 배관(50)을 따라 앞서 언급한 드레인 유닛(200)으로 배출되지만, 정제된 가스는 드레인 유닛(200)으로 배출될 수 없음으로 메인 배관(50)에는 정제 가스가 배기되도록 정제 가스 배기관(70)이 연통된다.
이 정제 가스 배기관(70)의 단부에는 정제된 가스를 강제로 배기시킴과 동시에 공정 설비의 내부 압력을 미세하게 조절하기 위해서 또하나의 블로워(80)가 설치된다.
이때, 앞서 수용성 폐가스 처리 유닛(100)에 설치된 블로워(40) 및 정제 가스 배기관(70)에 설치된 또하나의 블로워(80)는 둘중 어느 하나만이 설치되거나 모두가 설치될 수 있다.
만일 수용성 폐가스 처리 유닛(100), 정제 가스 배기관(70)의 전체 길이가 충분히 짧아 압력 수두 손실이 충분히 작을 경우 도면번호 80번 블로워만을 사용하면 충분하고, 수용성 폐가스 처리 유닛(100) 및 정제 가스 배기관(70)의 전체 길이가 너무 길어 압력 수두 손실이 클 경우 도면번호 80, 40 블로워를 모두 가동한다.
그러나, 메인 배관(50)을 통하여 정제된 가스가 정제 가스 배기관(70)으로 유입될 때, 블로워(80)에 의한 배기 압력의 세기가 클 경우, 정제 가스 배기관(70)에는 정제 가스와 수용액이 함께 유입될 수 있고, 정제 가스 배기관(70)으로 유입된 수용액은 메인 덕트(미도시)로 유입되어 메인 덕트의 부식을 유발시킨다.
이처럼, 정제 가스 배기관(70)을 따라서 수용액이 유입되어 메인 덕트에 부식이 발생되는 것을 방지하기 위해서 정제 가스 배기관(70)에는 선택적으로 수용액 기화 유닛(300)이 설치되고, 수용액 기화 유닛(300)에는 냉각 유닛(400)이 설치된다.
첨부된 제3도를 참조하면, 수용액 기화 유닛(300)은 전체적으로 보아 인너 튜브(315,325), 히터(330), 아웃터 튜브(340)로 구성된다.
히터(330)는 원통 형상으로 히터(330)의 내부에는 인너 튜브(315,325)가 삽입되는데, 인너 튜브(315,325)는 조립/분해를 용이하게 하기 위하여 제 1 인너 튜브(315), 제 2 인너 튜브(325)로 구성되며, 제 1 인너 튜브(315) 및 제 2 인너 튜브(325)에는 플랜지(315a,325a)가 형성된다.
제 1, 제 2 인너 튜브(315,325)가 히터(330)에 삽입되고, 히터(330)가 원통형상의 아웃터 튜브(340)에 삽입된 후, 제 1, 제 2 인너 튜브(315,325)의 플랜지(315a,325a)는 아웃터 튜브(340)의 양단부에 결합되고, 아웃터 튜브(340)의 외주면에는 히터(330)로부터 발생한 열이 아웃터 튜브(340)를 통하여 외부로 배출되는 것을 방지하기 위해서 냉각수 코일(345)이 감싸여진다.
바람직하게, 제 2 인너 튜브(325)의 하단부에는 망사 형태의 서포트(미도시)가 설치되고, 제 2 인너 튜브(325)의 내부에는 제 2 인너 튜브(325)로 흡입된 수용액을 기화시킬 때, 수용액과 접촉 면적을 증가시키는 알갱이 형태의 열 매개체(327)가 다수 삽입되는 것이 바람직하다.
한편, 제 1 인너 튜브(315)의 플랜지(315a)에는 냉각 유닛(400)이 설치되고, 제 2 인너 튜브(325)의 플랜지(325a)에는 정제 가스 배기관(70)이 연통된다.
냉각 유닛(400)은 기화된 액체를 냉각시키는 역할을 한다.
냉각 유닛(400)을 첨부된 제4도, 제5도를 참조하여 보다 상세하게 설명하면, 냉각 유닛(400)은 외관이 원통 형상으로 양단부에 관통공이 형성되고 관통공에 플랜지(410a,410b)가 형성된 형상이다.
이와 같이 형성된 냉각 유닛(410)의 일측 단부로부터 소정 거리 이격된 곳에는 냉각 유닛(410)의 내주면에 아크 용접된 제 1 플레이트(420)가 형성되고, 제 1 플레이트(420)에는 복수개의 관통공이 형성된다.
관통공에는 증기 파이프(430)의 일측 단부가 용접 등의 방법에 의하여 결합되며, 증기 파이프(430)의 타측 단부에는 증기 파이프(430)와 연통되도록 관통공이 형성된 제 2 플레이트(440)가 냉각 유닛(400)의 내주면을 따라 아크 용접되고, 제 2 플레이트(440)와 증기 파이프(430)의 타측 단부 또한 아크 용접된다.
이때, 증기 파이프(430)의 배열은 냉각 유닛(400)의 중심을 기준으로 약 36° 간격을 갖음과 동시에 직경이 점차 감소하는 동심원 형상으로 원형 배열되는 것이 바람직하다.
이와 같이 형성된 냉각 유닛(400)의 제 1, 제 2 플레이트(420,440)의 사이에 해당하는 냉각 유닛(400) 외주면에는 2 개의 관통공 바람직하게는 3 개의 관통공이 형성되며, 각각의 관통공에는 파이프(450a,450b,450c)가 아크 용접 등의 방법에 의하여 결합된다.
이 파이프(450a,450b,450c)중 하측에 위치한 파이프(450c)는 제 1, 제 2 플레이트(420,440)의 사이에 형성된 증기 파이프(430)를 냉각시키기 위한 냉각수를 냉각 유닛(400) 내부로 공급하는 역할을 하고, 파이프(450)중 상측에 위치한 파이프(450a,450b)는 냉각 유닛(400) 내부로 유입된 냉각수가 오버플로우 되어 순환되도록 하는 역할을 한다.
이와 같은 구성을 갖는 냉각 유닛(400)의 상부 플랜지(410a)에는 냉각 유닛(400)을 통과한 기체가 배출되도록 블로워(80)가 설치되고, 블로워(80)에는 다시 메인 덕트(미도시)가 연통된다.
여기서 중요한 것은 앞서 수용성 폐가스 처리 유닛에 설치된 블로워(40) 또는 냉각 유닛(400)에 설치된 블로워(80)의 유량 조절에 의하여 공정 설비 내부의 압력이 일정하게 유지된다는 것이다.
이와 같이 설치된 본 발명에 의한 수용성 폐가스 처리장치에 의한 수용성 폐가스 처리방법을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 공정 설비로부터 발생한 수용성 폐가스, 예를 들어 플라즈마 니트라이드 질화막을 형성하는 PE CVD 설비에서 실랜 가스와 미반응된 암모니아 가스가 PE CVD 설비로부터 배출되어 수용성 폐기스처리장치의 블로워(40,80)를 통하여 유닛 몸체(10)로 공급되거나 CVD 설비로부터 하이드로겐 클로라이드 가스가 수용성 폐가스처리장치의 블로워(40,80)을 통하여 유닛 몸체(10)로 공급되면, 유닛 몸체(10)의 수용액 분사 노즐(30)에서 분사되고 있는 수용액에 의하여 수용성 폐가스는 수용액과 화학반응을 일으켜 폐가스 수용액이 되고, 폐가스 수용액은 메인 배관(50)을 통하여 드레인 유닛(200)으로 유입된다.
이때, 드레인 유닛(200)의 드레인 탱크(210)로 공급된 폐가스 수용액의 수위를 감지하여 폐가스 수용액의 수위가 지정 수위를 넘었을 경우, 펌프 유닛(230)이 구동되어 드레인 탱크(230) 내부의 수용액을 배출시킨다.
한편, 폐가스 수용액이 메인 배관(50)을 통하여 드레인 탱크(210)로 유입될 때, 폐가스 수용액과 혼합된 정제 가스 및 폐가스 수용액중 일부는 메인 배관(50)에 형성된 정제 가스 배기관(70)을 통하여 배출되는데, 정제 가스에 섞인 폐가스 수용액은 수용액 기화 유닛(300)을 통과하면서 고온에 의하여 과열증기 상태가 된다.
이와 같이 과열증기 상태가 된 폐가스 수용액은 수용액 기화 유닛(300)에 연통된 냉각 유닛(400)으로 이송되어 소정 온도로 냉각된 후 상태에서 메인 덕트를 통하여 외부로 배출된다.
이상에서 상세하게 살펴본 바와 같이 수용성 폐가스와의 접촉 면적이 크게 증가되도록 수용액을 분사시켜 수용성 폐가스를 수용액에 용해시키고, 수용성 폐가스가 수용액에 용해된 후 정제된 가스와 정제된 가스에 혼합된 수용액을 고온 환경내부로 공급하여 수용액은 기화시키고, 기화된 수용액을 냉각시킨 후 배출시켜 수용성 폐가스의 처리 효율을 극대화시킨다.

Claims (7)

  1. 수용성 화학가스를 사용하는 공정 설비로부터 수용성 폐가스를 공급받아 수용액을 샤워 방식으로 분사하여 상기 수용성 폐가스를 정제 가스로 변환시키는 수용액 분사노즐이 적어도 1개 이상 형성된 수용성 폐가스 처리 유닛과; 상기 수용액을 상기 수용성 폐가스 처리 유닛에 연통된 메인 배관을 통하여 수거하여 저장한 후 외부로 배출시키는 드레인 유닛과; 상기 메인 배관과 연통되어 정제된 가스가 유입되고 상기 가스에 포함된 수용액을 기화시키는 수용액 기화 유닛과; 상기 수용액 기화 유닛에 연결되어 상기 수용액 기화 유닛에서 기화된 상기 수용액을 냉각시켜서 배출하는 냉각 유닛; 상기 공정 설비 내부의 압력이 일정하게 되도록 조정하며 상기 수용성 폐가스 처리 유닛의 입구와 상기 냉각 유닛의 출구에 연통되도록 선택적으로 설치되어 내부 압력을 조절하는 블로워를 포함하는 것을 특징으로 하는 수용성 폐가스 처리장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 블로워는 상기 냉각 유닛의 출구에 연통되도록 설치된 것을 특징으로 하는 수용성 폐가스처리장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 메인배관에는 상기 드레인 유닛으로부터 상기 수용액이 역류되는 것을 감지하는 불활성가스 공급관과, 상기 불활성가스 공급관에 공급된 불활성가스의 압력을 측정하는 압력측정장치를 포함하는 수위 감지 센서가 설치된 것을 특징으로 하는 수용성 폐가스 처리장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 수용액 기화 유닛은 상기 정제된 가스, 수용액이 혼합된 혼합물이 공급되는 인너 튜브와; 상기 인너 튜브를 소정 온도로 가열하는 히터와; 상기 히터를 감싸고 외측면에 냉각 코일이 감긴 아웃터 튜브를 포함하는 것을 특징으로 하는 수용성 폐가스처리장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 인너 튜브 내측에는 기화시킬 상기 수용액과의 접촉면적을 증대시키기 위한 열매개체가 다수 충진되어 있는 것을 특징으로 하는 수용성 폐가스처리장치.
  6. 제1항에 있어서, 냉각 유닛은 통체; 상기 기화된 상기 수용액이 통과되도록 상기 통체 내부에 설치되는 증기 파이프와; 상기 증기 파이프를 냉각수가 냉각 및 순환되도록 상기 통체에 냉각수를 공급하는 냉각수 공급 배관을 포함하는 것을 특징으로 하는 수용성 폐가스 처리장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 드레인 유닛에는 수위에 따라서 단부의 고저차가 있도록 설치된 복수개의 불활성가스 공급관들과, 상기 불활성가스 공급관들에 공급된 불활성가스의 압력을 측정하는 압력측정 장치로 구성된 불활성가스 레벨 센서, 정전용량 센서로 구성된 수위 감지 센서와; 상기 수위 감지 센서에 의하여 상기 수용액을 배출시키는 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 수용성 폐가스처리장치.
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