KR100482617B1 - 삼불화질소 정제 장치 및 이를 이용한 삼불화질소 정제 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 NF₃ 정제 장치 및 이를 이용한 NF₃ 정제 방법에 관한 것으로, 특히 하부에서 상부로 냉각수가 흐르도록 냉각수 유동구역을 제공하는 외부 컬럼(110); 상기 외부 컬럼(110)의 내부 중심을 관통한 밀폐된 상태로 장착되어 상부의 용매 투입구(121)로부터 하부의 용매 배출구(122)로 흡수액이 흐르도록 유도하는 한편, 하부의 가스 투입구(123)에서 상부의 가스 배출구(124)로 가스를 상승시키는 컬럼 본체(120); 및 상기 컬럼 본체(120) 내부 중앙에 장착되어 상기 컬럼 본체(120) 내부의 흡수액과 온도센서 탐침을 격리시키는 소형관(130)으로 구성된 삼중관형 컬럼(100)을 구비하여, 상기 컬럼 본체(120)의 내부 온도와 습도의 측정 및 제어가 가능하도록 구현된 것을 특징으로 하며, 이러한 본 발명은 삼중관형 컬럼을 구비한 NF₃ 정제 장치를 이용하여 NF₃ 내에 함유된 N₂O 가스를 제거해 줌으로써, 종래의 가스 제거 방법에 비해 비용 및 시간을 줄일 수 있고, 이로 인해 결과적으로 99.99% 이상의 고순도 삼불화질소(NF₃) 가스를 보다 용이하게 얻을 수 있도록 해주는 효과가 있다.

Description

삼불화질소 정제 장치 및 이를 이용한 삼불화질소 정제 방법{DEVICE FOR CLARIFICATION OF NITROGEN TRIFLUORIDE AND NITROGEN TRIFLUORIDE CLARIFICATION METHOD USING THE SAME}

본 발명은 삼불화질소(이하, 'NF₃'라고도 함.) 정제 장치 및 이를 이용한 삼불화질소(NF₃) 정제 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 NF₃ 가스 제조시 발생하는 아산화질소(이하, 'N₂O'라고도 함.) 가스를 30℃ 이하, 1기압 이상에서 연속적으로 N₂O 가스 흡수액과 접촉시켜 제거함과 동시에 온도 및 압력의 측정과 조절이 가능한 연속적인 NF₃ 정제 장치 및 이를 이용한 NF₃ 정제 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 반도체 생성 공정에서의 드라이에칭 공정은 기판에서 불필요하게 발생되는 유기물질을 제거하기 위한 공정으로서, 이 때 CF₄, N₂O, H₂, NF₃, N₂ 등과 같은 몇 가지 가스가 사용된다. 반도체 가공용 함불소 화합물은 국내 반도체 산업의 발전과 더불어 수요가 급격히 증가하고 있다.

그러나, 최근에 지구온난화 문제가 국제적인 환경 문제로 대두됨에 따라, 반도체 제조 건식에칭 및 CVD의 챔버 세정용으로 많이 사용되던 CF₄, CHF₃, C₂F ₆ 등의 함불소 가스는 비교적 환경에 대한 영향이 적은 C₃F₈, NF₃ 등의 함불소 가스로 대체되고 있는 상황이다. NF₃ 가스는 과거에는 로켓추진연료로 사용된 바 있으며, 현재에는 반도체 제조공정에서 건식 에칭과 CVD 챔버 세정용으로 주로 사용되는데, 이 때 99.99% 이상의 고순도가 요구된다.

하지만, 일반적으로 상술한 용도로써 사용되는 NF₃ 가스는 1차 생산 공정에서 N₂O, N₂O₂, CO₂, CO, CF₄ 및 H₂O 등의 불순물을 함유하게 된다. 이 때, 종래에는 상기 가스 중 N₂O, CF₄, CO 및 N₂O₂를 제거하기 위해, 상기 가스들을 활성탄, 제올라이트 또는 알루미나 등에 흡착하여 제거하는 방법들이 고안되었다.

그러나, 상기 방법의 대부분에 있어서 사용되는 활성탄이나 제올라이트 등은 특정한 금속을 담지시키거나 또는 세공 크기를 조절하기 위한 복잡한 조작을 가해야 되며, 그 뿐만 아니라 300∼500℃의 가혹한 열처리를 반복해야 되므로 장기간 사용시 특정한 세공 구조가 무너지거나 세공내에 포획되었던 CF₄ 또는 CO₂가 탄화되어 탄소원자가 세공내에 축적되고, 이로 인해 결과적으로 흡착능이 감소되어 이들 흡착제들의 잦은 재생과 교체에 많은 비용과 시간이 요구되는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 삼중관형 컬럼을 구비한 NF₃ 정제 장치를 이용하여 NF₃ 내에 함유된 N₂O 가스를 제거해 줌으로써, 종래 활성탄, 제올라이트 또는 알루미나 등을 이용한 N₂O 가스 제거 방법에서 초래되는 많은 비용과 시간 낭비의 문제점을 해결해 주고, 이로 인해 결과적으로 99.99% 이상의 고순도 NF₃ 가스를 보다 용이하게 얻을 수 있도록 해주기 위한 NF₃ 정제 장치 및 이를 이용한 NF₃ 정제 방법을 제공하는 데 있다.

즉, 본 발명은 하부에서 상부로 냉각수가 흐르도록 냉각수 유동구역을 제공하는 외부 컬럼; 상기 외부 컬럼의 내부 중심을 관통한 밀폐된 상태로 장착되어 상부의 용매 투입구로부터 하부의 용매 배출구로 흡수액이 흐르도록 유도하는 한편, 하부의 가스 투입구에서 상부의 가스 배출구로 가스를 상승시키는 컬럼 본체; 및 상기 컬럼 본체 내부 중앙에 장착되어, 온도센서 탐침을 포함하고, 상기 컬럼 본체 내부의 흡수액과 온도센서 탐침을 격리시키는 소형관으로 구성된 삼중관형 컬럼을 포함하는 것을 특징으로 하는 NF₃ 정제 장치에 대한 것이다.

또한, 본 발명의 NF₃ 정제 장치를 이용한 NF₃ 정제 방법은, NF₃ 가스를 정제하는 방법에 있어서, 1기압 이상, 40℃ 이하에서 N₂O 가스가 불순물로서 전체 부피비의 10% 이내로 함유된 NF₃ 가스를 상기 장치 내 컬럼 본체의 가스 투입구로 투입하여, N₂O 가스 흡수액과 연속적으로 접촉시켜 제거하는 것을 특징으로 한다.

이하, 하기 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

일반적으로 화학 플랜트에 있어서 배기가스의 흡수공정에 채용되고 있는 가스 흡수장치는 CO₂ 배출 규제가 한층 강화되는 경향에 따라 그 대책의 하나로서 연구되고 있다. 이 때, 상술한 가스 흡수장치는 주로 대량의 화석 연료를 사용하는 화력발전소와 동력 발생 설비를 대상으로 보일러의 연소 배기가스 중의 CO₂의 제거 및 회수 방법과 이를 통해 회수된 CO₂를 대기에 방출하지 않고 저장하는 방법 등과 같은 폐가스 회수에 이용되고 있다.

하지만, 상술한 일반적인 가스 흡수장치를 운용함에 있어 주된 문제는 대량의 가스를 단시간에 효율적으로 처리하기 위한 용매와 기체와의 접촉과 흐름에 관한 것이므로, 가능한 간단한 장치로 기체와 액체의 접촉 면적을 크게하여 접촉시간을 늘이는 것에 주안점을 두어야 한다. 따라서, 일반적인 화학 공정의 가스 회수 또는 흡수 공정에서는 가스상과 액상이 보다 넓은 접촉면적을 갖도록 하기 위해 충전탑 또는 버블캡 플레이트 타워 등을 사용하였으며, 이 때 유리구 등과 같은 다양한 모양의 충진물이 이용되었다.

그러나, 상술한 일반적인 배기 흡수장치를 99.99% 이상의 고순도를 요구하는 반도체용 NF₃ 가스의 정제에 응용하기 위해서는 일반적인 배기 흡수장치를 그대로 활용할 수 없으며, 추가적으로 많은 부분들을 고려하여 적용하여야만 한다. 실례로서, NF₃ 가스 제조시 발생하는 불순물인 N₂O 가스를 선택적으로 제거하기 위해서는 N₂O 가스만을 선택적으로 용해시키는 용매 또는 용액을 탐색하는 과정이 선행되어야 한다. 또한, 이 과정에서 선정된 용매를 보다 효과적으로 이용하고 상기 용매의 N₂O 가스에 대한 용해도를 극대화시킬 수 있는 온도 및 압력에 대한 의존성을 찾아내어 실제 정제 과정에 최적의 조건을 설정해야만 한다. 그 일예로 컬럼내부에서 투입된 가스와 접촉하는 흡수액이 용해도 한계점을 초과하여 순차적으로 포화되지 않도록 하기위해 가스량과 흡수액의 유량을 반드시 조절해야 한다.

따라서, 상술한 선행 조건과 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 삼중관 형태의 컬럼을 구비한 NF₃ 정제 장치를 도입한 것이다.

도 1 내지 도 6은 본 발명의 일 실시양상에 따른 NF₃ 정제 장치를 나타내는 것으로, 본 실시양상에 따른 장치는 삼중관형 컬럼(100), 압력계(200), 펌프(300), 가스공급 조절기(400), 온도 센서 탐침(500), 온도조절기(600), 냉각수공급 조절기(700) 및 용매 포획기(800)로 구성되어 있다.

상기 삼중관형 컬럼(100)은 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 냉각수공급 조절기(700)를 통해 공급되는 냉각수가 하부의 냉각수 투입구(131)에서 상부의 냉각수 배출구(132)로 흐르도록 냉각수 유동구역을 제공하는 외부 컬럼(110)과; 상기 외부 컬럼(110)의 내부 중심을 관통한 밀폐된 상태로 장착되어, 상기 펌프(300)를 통해 공급되는 용매(가스 흡수액)이 상부의 용매 투입구(121)로부터 하부의 용매 배출구(122)로 흐르도록 유도하는 한편, 상기 가스공급 조절기(400)를 통해 공급되는 NF₃ 가스가 하부의 가스 투입구(123)에서 상부의 가스 배출구(124)로 상승시키는 컬럼 본체(120)와; 상기 컬럼 본체(120) 내부 중앙에 장착되어 상기 컬럼 본체(120) 내부의 흡수액과 상기 온도센서 탐침(500)을 격리시키는 소형관(130)으로 구성되어 있다.

이 때, 상기 삼중관형 컬럼(100)의 외부 컬럼(110)은 삼중 스테인레스관이고, 상기 컬럼 본체(120)는 상부의 용매 투입구(121)와 하부의 가스 투입구(123)의 운전 상태의 관찰이 가능하도록 유리재질로 구성되어 있다.

또한, 상기 압력계(200)는 상기 컬럼 본체(120)의 내부 압력을 측정한 후 운용자에게 디스플레이시키는 역할을 한다.

한편, 상기 펌프(300)는 운용자의 수동 조작에 의해 용매 투입량이 조절되면 그 용매 투입량으로 상기 컬럼 본체(120)의 용매 투입구(121)로 흡수액을 투입하여, 상기 컬럼 본체(120)의 내부 압력을 설정된 압력으로 유지하는 역할을 한다.

그리고, 상기 가스공급 조절기(400)는 운용자의 수동 조작에 의해 가스 투입량이 조절되면 그 가스 투입량으로 상기 컬럼 본체(120)의 하부로 가스를 투입하여, 상기 컬럼 본체(120)의 내부 압력을 설정된 압력으로 유지하는 역할을 한다.

상기 펌프(300)에 의해 흡수액의 유량을 일정하게 유지시키고, 상기 가스공급 조절기(400)에 의해 가스의 공급을 일정하게 조절할 수 있다.

이 때, 상기 펌프(300) 또는 상기 가스공급 조절기(400)에 의해 유지되는 상기 컬럼 본체(120) 내부의 설정된 압력은 1기압 이상이다.

또한, 상기 온도 센서 탐침(500)은 상기 소형관(130)의 내부에 설치되어 상기 컬럼 본체(120)의 내부 온도를 측정하는 역할을 한다.

그리고, 상기 온도표시기(600)는 운용자가 온도 조절 기능을 수행할 수 있도록, 상기 온도 센서 탐침(500)을 통해 측정된 상기 컬럼 본체(120)의 내부 온도를 운용자에게 디스플레이시키는 역할을 한다.

한편, 상기 냉각수공급 조절기(700)는 운용자의 수동 조작에 의해 냉각수 량이 조절되면, 그 냉각수 량으로 상기 컬럼 본체(120)의 하부에서 상부로 냉각수를 흐르도록 하여, 상기 컬럼 본체(120)의 내부 온도를 설정된 온도로 유지하는 역할을 한다.

이 때, 상기 냉각수공급 조절기(700)에 의해 유지되는 상기 컬럼 본체(120) 내부의 설정된 온도는 40℃ 이하이다.

또한, 상기 용매 포획기(800)는 물과 에틸렌글리콜과의 혼합물(50:50 vol %)을 냉각수로 사용하며, 상기 컬럼 본체(120)의 가스 배출구(124)로 배출된 가스를 GC로 보내는 역할을 한다.

그 밖에, 전원 스위치, 순환 냉각기, 용액 리시버 등의 구성 요소들이 장착되어 있지만, 이에 대한 별도의 설명은 생략하기로 하며, 상술한 모든 구성 요소들(100∼900)은 도 3 내지 도 6에 도시된 바와 같이 흡수장치 동체(900)에 의해 수용된다.

그러면, 하기에서는 상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 일 실시예에 따른 NF₃ 정제 장치를 이용한 NF₃ 정제 방법에 대해 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

1기압 이상, 40℃ 이하에서 N₂O 가스가 불순물로서 전체 부피비의 10% 이내로 함유된 NF₃ 가스를 상술한 정제 장치 내 컬럼 본체(120)의 가스 투입구(123)로 투입하여, N₂O 가스 흡수액과 연속적으로 접촉시켜 제거한다. 보다 바람직하게는 상기 압력이 1 내지 10기압인 것이 효과적이다. 왜냐하면, 상기 컬럼 내부의 압력이 1기압 미만인 경우에는 외부 대기압보다 낮아져 외부로부터의 공기 및 습기의 도입을 차단하기 어렵고, 10기압을 초과하는 경우에는 전체적인 용해도가 증가함에 따라 아산화질소 뿐만 아니라 최종 산물인 삼불화질소의 손실이 증폭되고 용매의 흐름에 와류가 발생하여 전체 공정의 조절이 어려워질 수 있기 때문이다. 또한 온도의 경우도 -22 내지 40℃인 것이 보다 바람직한데, 온도가 40℃를 초과하는 경우에는 삼불화질소가 폭발할 위험이 있으며 온도가 -20℃ 미만인 경우에는 용매인 사염화탄소의 빙점 이하가 되어 효과가 떨어지기 때문이다. 이 때, 상기 N₂O 가스 흡수액으로는 에탄올, 헵탄, 사염화탄소(CCl₄) 등을 사용하거나, 한 개 이상의 염소 원자를 포함하는 알칸계열 용매 또는 에테르계 용매를 사용한다.

본 발명의 장치를 이용하여 NF₃ 가스를 정제시, 칼럼을 통과하는 NF₃ 가스와 흡수액의 유량은 각각 0.16∼6ℓ/시간 및 0.75∼30ℓ/시간의 범위로 조절하는 것이 NF₃ 가스의 정제효율을 높인다는 점에서 바람직하다.

이하에서 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예는 설명의 목적을 위한 것으로, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.

실시예 1∼4 및 비교예

도 1 내지 도 6에 개시된 NF₃ 정제장치를 이용하여 흡수액의 종류를 각각 달리하면서 NF₃와 N₂O가 95:5(vol %)의 비율로 혼합된 기체를 정제하였다. 이때 컬럼 본체의 온도는 29∼30℃로 유지시키며, NF₃ 혼합가스의 유량은 1.52ℓ/hr, 흡수액의 유량은 0.31ℓ/hr로 조절하였다. 컬럼 본체(120)의 가스 배출구(124)로 배출된 가스를 물과 에틸렌글리콜과의 혼합물(50:50 vol %)을 냉각수로 사용하는 용매 포획기(900)를 거쳐 GC로 투입하여 분석하였다. 이 때, GC 상에 흡수 곡선이 처음 투입된 가스와 같은 성분비가 나타나는 시기를 종결점으로 판단하고, 처음 14∼21분 간을 최대 흡수 곡선으로 선택하였다. 그 결과를 표 1에 나타내었다.

	용매(가스 흡수액)	컬럼통과후 변화비율		흡수시간(분)
		NF3%	N2O%
실시예1	에탄올	99.75	0.25	28
실시예2	디에틸에테르	99.36	0.64	14
실시예3	헵탄	99.72	0.28	28
실시예4	사염화탄소	99.99	0.01	49
비교예	H2O	98.68	1.32	21

상기의 결과로부터 10% 미만의 N₂O를 불순물로 포함하는 NF₃ 가스를 본 발명에 의한 NF₃ 정제 장치를 통해 정제하는 경우, 흡수액의 종류 등을 적절하게 조절한 결과 99.99%까지의 고순도를 얻어낼 수 있음을 알 수 있다.

이상에서 몇 가지 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것이 아니고 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의한 NF₃ 정제 장치 및 이를 이용한 NF₃ 정제 방법에 의하면, 삼중관형 컬럼을 구비한 정제 장치를 이용하여 NF₃ 내에 함유된 N₂O 가스를 제거해 줌으로써, 종래 활성탄, 제올라이트 또는 알루미나 등을 이용한 N₂O 가스 제거 방법에서 초래되는 많은 비용과 시간 낭비의 문제점을 해결해 주고, 이로 인해 결과적으로 99.99% 이상의 고순도 NF₃ 가스를 보다 용이하게 얻을 수 있도록 해주는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시양상에 따른 NF₃ 정제 장치의 개략도,

도 2는 도 1에 따른 NF₃ 정제 장치에서의 삼중관형 컬럼의 개략도,

도 3은 도 1에 따른 NF₃ 정제 장치의 사시도이다.

도 4은 도 1에 따른 NF₃ 정제 장치의 전면도,

도 5는 도 1에 따른 NF₃ 정제 장치의 측면도, 및

도 6는 도 1에 따른 NF₃ 정제 장치의 단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 삼중관형 컬럼 110 : 외부 컬럼

120 : 컬럼 본체 121 : 용매 투입구

122 : 용매 배출구 123 : 가스 투입구

124 : 가스 배출구 130 : 소형관

200 : 압력계 300 : 펌프

131 : 냉각수 투입구 132 : 냉각수 배출구

400 : 가스공급 조절기 500 : 온도 센서 탐침

600 : 온도표시기 700 : 냉각수공급 조절기

800 : 용매 포획기 900 : 흡수장치 동체

Claims (9)

1. 하부에서 상부로 냉각수가 흐르도록 냉각수 유동구역을 제공하는 외부 컬럼;

   상기 외부 컬럼의 내부 중심을 관통한 밀폐된 상태로 장착되어 상부의 용매 투입구로부터 하부의 용매 배출구로 흡수액이 흐르도록 유도하는 한편, 하부의 가스 투입구에서 상부의 가스 배출구로 가스를 상승시키는 컬럼 본체; 및

   상기 컬럼 본체 내부 중앙에 장착되어, 온도센서 탐침을 포함하고, 상기 컬럼 본체 내부의 흡수액과 온도센서 탐침을 격리시키는 소형관으로 구성된 삼중관형 컬럼을 포함하는 것을 특징으로 하는 삼불화질소(NF₃) 정제 장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 장치가, 상기 컬럼 본체의 내부 압력을 측정한 후 운용자에게 디스플레이시키는 압력계;

   운용자의 수동 조작에 의해 조절된 흡수액 투입량으로 상기 컬럼 본체의 상부로 흡수액을 투입하여, 상기 컬럼 본체의 내부 압력을 설정된 압력으로 유지하는 펌프;

   운용자의 수동 조작에 의해 조절된 투입량으로 상기 컬럼 본체의 하부로 가스를 투입하여, 상기 컬럼 본체의 내부 압력을 설정된 압력으로 유지하는 가스공급 조절기;

   운용자로 하여금 온도 조절을 수행하게 하기 위하여, 상기 온도 센서 탐침을 통해 측정된 상기 컬럼 본체의 내부 온도를 운용자에게 디스플레이시키는 온도표시기; 및

   운용자의 수동 조작에 의해 냉각수 량이 조절되면, 그 냉각수 량으로 상기 컬럼 본체의 하부에서 상부로 냉각수를 흐르도록 하여, 상기 컬럼 본체의 내부 온도를 설정된 온도로 유지하는 냉각수공급 조절기를 더 추가로 구비함을 특징으로 하는 삼불화질소(NF₃) 정제 장치.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 펌프 또는 가스공급 조절기에 의해 유지되는 상기 컬럼 본체 내부의 설정된 압력은 1기압 내지 10기압인 것을 특징으로 하는 삼불화질소(NF₃) 정제 장치.
4. 제 2항에 있어서,

   상기 냉각수공급 조절기에 의해 유지되는 상기 컬럼 본체 내부의 설정된 온도는 -22℃ ~ 40℃인 것을 특징으로 하는 삼불화질소(NF₃) 정제 장치.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 삼중관형 컬럼의 외부 컬럼은, 삼중 스테인레스관인 것을 특징으로 하는 삼불화질소(NF₃) 정제 장치.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 삼중관형 컬럼의 컬럼 본체는, 상부의 용매 투입구와 하부의 가스 투입구의 운전 상태의 관찰이 가능하도록 유리재질로 형성된 것을 특징으로 하는 삼불화질소(NF₃) 정제 장치.
7. 제 1항의 장치를 사용하여 NF₃ 가스를 정제하는 방법에 있어서,

   1기압 내지 10기압, -22℃ 내지 40℃에서 아산화질소(N₂O) 가스가 불순물로서 전체 부피비의 10% 이내로 함유된 삼불화 질소(NF₃) 가스를 제 1항의 장치 내 컬럼 본체의 가스 투입구로 투입하여, 아산화질소(N₂O) 가스 흡수액과 연속적으로 접촉시켜 제거하는 것을 특징으로 하는 NF₃ 정제 방법.
8. 제 7항에 있어서,

   상기 아산화질소(N₂O) 가스 흡수액으로 에탄올, 헵탄, 사염화탄소(CCl₄), 한 개 이상의 염소 원자를 포함하는 알칸계열 용매 또는 에테르계 용매를 사용하는 것을 특징으로 하는 삼불화질소(NF₃) 정제 방법.
9. 제 7항에 있어서, 상기 정제 장치의 칼럼을 통과하는 아산화질소(N₂O) 가스 흡수액의 유량은 0.15∼6ℓ/시간이고, 상기 칼럼을 통과하는 삼불화질소(NF₃) 가스의 유량은 0.75∼30ℓ/시간인 것을 특징으로 하는 삼불화질소(NF₃) 정제 방법.