KR100877289B1 - 반도체 확산 산화 공정중 암모니아/수소 혼합가스 처리장치 및 그 방법 - Google Patents

반도체 확산 산화 공정중 암모니아/수소 혼합가스 처리장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 확산 산화 공정에서 사용되는 암모니아 및 수소 가스를 전처리 단계에서 간접 산화 방식으로 열처리하고, 후처리 단계에서는 흡착제를 이용하여 잔여 가스를 완벽히 제거할 수 있도록 하는 반도체 확산 산화 공정중 암모니아/수소 혼합가스 처리 장치 및 그 방법에 관한 것이다. 이를 실현하기 위한 본 발명은, 외형을 이루는 히팅 챔버와, 상기 히팅 챔버 내부에 구비되어 유입된 암모니아/수소 혼합가스의 연소 반응에서 요구되는 온도로 가열시키는 히터로 이루어진 히터 열처리부; 상기 히터 열처리부에서 가열된 암모니아/수소 혼합가스의 온도를 순간적으로 낮춤과 아울러 상기 암모니아/수소 혼합가스 중에 포함된 물기를 제거하는 순간 건조 시스템;및 상기 히터 열처리부에서의 연소 반응에 의해 제거되지 않고 잔류하는 암모니아/수소 혼합가스를 제거하기 위해 하측의 수소 흡착제층과 상측의 암모니아 흡착제층으로 구성되는 흡착제 처리부;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 반도체 확산 산화 공정에 사용되는 암모니아 및 수소 가스를 동시에 처리할 수 있는 장치 및 그 방법을 제공함으로써, 인체 및 대기 환경 오염을 방지할 수 있는 장점이 있다.
반도체 확산 산화 공정, 암모니아, 수소, 간접산화, 흡착제, 타공판.

Description

반도체 확산 산화 공정중 암모니아/수소 혼합가스 처리 장치 및 그 방법{NH3 and H2 gas treating device and method thereof for diffusion oxide process of semiconductor}
본 발명은 반도체 확산 산화 공정중 암모니아/수소 혼합가스 처리 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반도체 확산 산화 공정에서 사용되는 암모니아 및 수소 가스를 무해한 가스로 효과적으로 처리하기 위하여, 전처리 단계에서 개별 분리형 봉 방식 히터를 이용한 간접 산화 방식으로 열처리하고, 후처리 단계에서는 흡착제를 이용하여 잔여 가스를 완벽히 제거함으로써 인체 및 대기환경 오염의 피해를 최소화할 수 있도록 하는 반도체 확산 산화 공정중 암모니아/수소 혼합가스 처리 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
반도체 제조 공정 중, 웨이퍼에 막을 형성하는 단계에서는 주로 화학기상증착(CVD : Chemical Vapor Deposition)이 이용된다. 화학기상증착 공정은, 밀폐된 공간에 공정대상 웨이퍼를 장착한 후 화학소스를 가스 상태로 공급하여 확산을 통한 웨이퍼 표면에서의 화학반응을 유도하여 필요한 막을 형성하는 공정이다.
반도체 제조공정중 확산 산화 공정(Diffusion Oxide process)은 고체 상태의 웨이퍼 표면에 필요한 산화막을 증착시키는 공정으로서, 상기 확산 산화 공정에서 사용되는 암모니아(NH3)/수소(H2) 가스의 처리 방법이 중요하다.
상기 암모니아 가스는 무색 유독성의 발화성 가스로서 인체 및 생태계에 큰 영향을 미치는 것으로 알려져 있으며, 대기중에 배출하기 전에 반드시 허용 한계치(25ppm 이하)까지 제거하도록 관련 법령에 규정되어 있다.
또한, 상기 수소 가스는 발화 범위(발화 하한치: 4%, 발화 상한치: 75%)가 넓어 화재 및 폭발의 원인이 될 수 있으므로 수소 가스의 경우에도 대기중으로 배출하기 전에 상기 발화 하한치 이하의 농도까지 제거하여야 한다.
상기한 바와 같이 암모니아/수소 가스를 허용 한계까지 제거하기 위한 방법으로 종래 물을 이용한 습식법(Wet scrubbing method)과 열을 이용한 연소식법(Combustion method)이 알려져 있다.
도 1은 종래 암모니아/수소 혼합가스 처리 장치의 구성도이다.
종래 암모니아/수소 혼합가스 처리 장치는 전처리 단계인 열처리부(Heater Zone, 1)와 후처리 단계인 수처리부(Water Zone, 2)로 구성된다.
열처리부(1)는 원통형의 연소실(11) 내부에 인코넬(13)을 매개로 하여 모듈 히터(12)가 설치된 구조이다. 상기 연소실(11)은 가스 체류시간을 부여하고 열을 가하여 가스를 분해 반응시키는 공간이며, 상기 모듈히터(12)는 여러 겹의 탄탈선으로 구성되어 있다. 인코넬(13)은 모듈히터(12)에서 발생된 고온의 열을 순간적으로 빼았아서 연소실(11)의 내벽으로 곧바로 열이 전달되는 것을 방지한다.
상기 모듈히터(12)는 모듈에 일체형으로 결합되어 있어서 수리작업이나 교체가 용이하지 않은 단점이 있다.
상기 모듈히터(12)를 이용한 연소식법은 암모니아/수소 혼합가스가 함유된 유해 가스에 히터를 이용한 간접 산화 방식으로 700 ~ 800℃ 이상의 온도에서 연소반응을 실시하기 때문에 내 알칼리성이 높은 고가의 재질 사용이 필수적이며, 2차 대기오염 물질인 질소산화물(NOx)이 다량 발생되는 문제점이 있다. 또한, 히터 단선 및 수명 완료시 교체 작업에 작업시간이 많이 소요되는 문제점이 있다.
수처리부(2)의 순환탱크(16)는 가스를 물로 분해하여 제거하게 되며, 도시되지 않은 순환펌프의 작동에 의해 물을 순환시키게 된다. 순환탱크(16)의 하측에 도시된 드레인(17)을 통해 순환탱크(16)내의 수위를 조절하게 된다.
상기 수처리부(2)를 통한 습식법은 암모니아 가스의 물에 대한 용해도 특성을 이용하여 암모니아에 물을 분무시켜 제거하는 방법이다. 다만, 상기 습식법은 암모니아 가스의 제거효율이 60 ~ 75% 정도로 낮고, 다량의 공업용수가 소요되는 문제점이 있다. 특히, 상기 습식법으로 암모니아/수소 혼합가스를 처리하는 경우에는 수소의 물에 대한 용해도가 매우 낮기 때문에 수소 가스는 제거 되지 않는 문제점이 있다.
따라서, 상기 문제점들을 발생시키지 않으면서 암모니아/수소 혼합가스를 동시에 처리하여 제거할 수 있는 장치와 방법이 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 반도체 확산 산화 공정중 발생하는 암모니아/수소 혼합가스를 처리함에 있어서, 히터를 이용한 연소식 간접 산화 방식에서 히터의 구조를 개선하여 수리나 교체작업을 용이하게 하고 히터의 가열 온도가 적정하게 유지되도록 하여 질소산화물의 발생량을 최소화시키고, 잔여 암모니아/수소 가스는 흡착제를 이용하여 제거함으로써 인체 및 대기환경 오염 피해를 최소화할 수 있는 반도체 확산 산화 공정중 암모니아/수소 혼합가스 처리 장치 및 그 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상술한 바와 같은 목적을 구현하기 위한 본 발명의 반도체 확산 산화 공정중 암모니아/수소 혼합가스 처리 장치는, 일측으로는 반도체 확산 산화 공정에서 발생하는 암모니아/수소 혼합가스가 유입되고, 외형을 이루는 히팅 챔버와, 상기 히팅 챔버 내부에 구비되어 상기 유입된 암모니아/수소 혼합가스의 연소 반응에서 요구되는 온도로 가열시키는 히터로 이루어진 히터 열처리부; 상기 히터 열처리부에서 가열된 암모니아/수소 혼합가스의 온도를 순간적으로 낮춤과 아울러 상기 암모니아/수소 혼합가스 중에 포함된 물기를 제거하는 순간 건조 시스템;및 상기 히터 열처리부에서의 연소 반응에 의해 제거되지 않고 잔류하는 암모니아/수소 혼합가스를 제거하기 위해 하측의 수소 흡착제층과 상측의 암모니아 흡착제층으로 구성되는 흡착제 처리부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 히터는 상기 히팅 챔버의 내부에 다수개가 일정 간격으로 삽입되어 배치되는 개별 분리형 봉 형태인 것을 특징으로 한다.
상기 수소 흡착제층을 이루는 수소 흡착제는 제올라이트 화합물 활성 성분과 초순수 증류수를 혼합하여 건조시킨 유기결합제로 이루어지고, 상기 암모니아 흡착제층을 이루는 암모니아 흡착제는 황산구리 화합물 활성 성분과 초순수 증류수를 혼합하여 건조시킨 무기결합제로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 흡착제 처리부는 상기 수소 흡착제층의 하단부에 상기 흡착제가 흘러내리는 것을 막기 위한 타공판이 구비된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 반도체 확산 산화 공정중 암모니아/수소 혼합가스 처리 방법은, 반도체 확산 산화 공정에서 발생하는 암모니아/수소 혼합가스를 히터에서 발생하는 열을 이용한 연소 반응으로 간접 산화시켜 제거하는 히터 열처리 단계; 상기 히터 열처리 단계에서 가열된 암모니아/수소 혼합가스의 온도를 순간적으로 낮춤과 아울러 상기 암모니아/수소 혼합가스 중에 포함된 물기를 제거하는 순간 건조 단계;및 상기 히터 열처리 단계에서의 연소 반응에 의해 제거되지 않고 잔류하는 암모니아/수소 혼합가스를 수소 흡착제층과 암모니아 흡착제층에서 순차로 흡착하여 제거하는 흡착제 처리 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 히터 열처리 단계에서의 가열 온도는 400 ~ 600℃의 범위 내인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 반도체 확산 산화 공정중 암모니아/수소 혼합가스 처리 장치 및 그 방법에 의하면, 반도체 확산 산화 공정에 사용되는 암모니아 및 수소 가스를 동시에 처리할 수 있는 장치 및 그 방법을 제공함으로써, 히터 수명 연장 및 교체작업 시간이 단축되며 장비의 유지 관리에 편리성을 제공할 뿐만 아니라, 히터 운전 온도를 400 ~ 600℃의 범위로 가동시킴으로써 열 분해 후 생성될 수 있는 2차 대기 오염 물질인 질소산화물 생성을 억제하고 운전 유지 비용의 절감이 가능하며, 폭발의 위험성이 높은 수소 가스를 제거함으로써 폭발 위험성을 최소화할 수 있게 되고, 암모니아 및 수소 가스를 동시에 처리 가능한 시스템을 적용하여 인체 및 대기 환경 오염을 방지할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에서는 전처리 단계에서 간접적으로 열을 공급하는 온도를 600℃ 이하로 운전 가동하고 열처리에 의한 분해후 잔류하는 암모니아 가스 및 수소 가스를 후처리 단계에서 흡착제를 이용한 흡착식 방식을 적용하여 제거하고자 하는 것이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 따른 암모니아/수소 혼합가스 처리 장치의 구성도이다.
암모니아/수소 혼합가스 처리 장치는 히터 열처리부(20), 순간 건조 시스템(30), 흡착제 처리부(40)의 세부분으로 구성된다.
히터 열처리부(20)의 히팅 챔버(22) 내부에는 일정 간격으로 배치되는 다수 개의 히터(25)가 구비된다. 상기 히터(25)는 종래의 일체형 모듈히터(12)와는 달리, 개별 분리형 봉 형태로 구성하고 삽입시키는 형식이므로 탈부착이 용이하여 수리나 교체작업 시간을 단축시킬 수 있다.
히터 열처리부(20)의 일실시예로서, 히팅 챔버(22)는 알칼리성에 대한 부식성을 최소화하고 고온에 견디기 위해 SUS 316 재질에 두께 8mm, 직경 300mm, 높이 800mm의 원통형으로 구성하고, 히터(25)는 직경 40mm, 높이 400mm인 6개를 히팅 챔버(22) 내부에 일정한 간격으로 배치되도록 설치하여 히팅 챔버(22) 내부를 고르게 가열시키게 되며 용량은 2.5kW인 것을 사용할 수 있다.
상기 히터 열처리부(20)에서의 암모니아/수소 혼합가스를 가열하여 간접 산화시켜 제거하는 방식은 종래의 연소식법의 경우와 유사하나, 다만 가열온도에 있어서 차이가 있다. 종래의 연소식법은 암모니아/수소 혼합가스를 700 ~ 800℃ 이상의 온도로 연소반응을 실시함으로써 질소산화물(NOX)이 다량 발생하는 문제점이 있었으나, 본 발명의 히터 열처리부(20)에서는 400 ~ 600℃의 범위의 온도로 연소반응을 실시함에 따라 질소산화물(NOX)의 발생양을 크게 감소시킬 수 있게 된다.
상기 히터 열처리부(20)에서의 연소반응을 거치는 과정에서 제거되지 않고 남아 있는 암모니아/수소 혼합가스는 순간 건조 시스템(30)으로 이동되며, 상기 순간 건조 시스템(30)은 최고 600℃까지 가열된 상태의 혼합가스를 순간적으로 떨어뜨려서 후술하는 흡착제 처리부(40)로 이송시키는 역할과 혼합가스 내에 존재하는 물기를 제거하는 역할을 한다.
상기 순간 건조 시스템(30)의 일실시예로서, SUS 316 재질에 직경 80mm, 높이 100mm의 원통형인 것을 사용할 수 있다.
상기 순간 건조 시스템(30)을 통과한 암모니아/수소 혼합가스는 종래의 연소식법에서의 가열온도가 700 ~ 800℃ 이상인 것에 비하여 낮은 온도인 400 ~ 600℃ 범위에서 연소 반응이 이루어지므로, 2차 대기 오염물질인 질소산화물의 발생량을 감소시킬 수는 있지만, 혼합가스중 일부는 제거되지 않고 잔류하게 된다.
흡착제 처리부(40)는 상기 잔류가스를 완전히 제거하기 위하여, 우선 수소 흡착제층(41)에서 수소 가스를 흡착하여 제거하고, 다음 단계로 암모니아 흡착제층(42)에서 암모니아 가스를 흡착하여 제거하게 된다.
흡착제 처리부(40)는 하측의 수소 흡착제층(41)과 상측의 암모니아 흡착제층(42)이 위치하며, 상기 수소 흡착제층(41)의 하단부에는 메쉬망이라고도 지칭되는 타공판(45)이 설치되어 흡착제가 흘러 내리는 것을 막아준다.
도 3은 본 발명에 따른 암모니아 가스 제거용 흡착제의 제조 공정도이다.
암모니아 가스 제거용 흡착제는 황산구리 화합물인 CuSO4 활성성분 50g을 각각 무기결합제 3wt%, 6wt%로 선정되어진 2가지 흡착제(NH3-A, NH3-B로 명칭함)를 상온에서 교반기를 사용하여 초순수 증류수 35g과 혼합한다. 상기 wt%의 수치는 중량 퍼센트를 나타내며, 가령 상기 3wt%는 황상구리가 3일때 증류수가 97에 해당하는 중량비율을 의미한다. 그 다음, 상기 혼합물을 약 120℃의 온도로 유지되는 건조로에서 2시간 동안 건조시킨 후 대기에 노출시켜 상온에서 12시간 동안 자연숙성시킨 다. 그 다음, 상기 건조된 혼합물을 펠렛(pellet)형태 등으로 압출 성형하여 흡착제를 제조한다.
도 4는 본 발명에 따른 수소 가스 제거용 흡착제의 제조 공정도이다.
수소 가스 제거용 흡착제는 제올라이트(Zeolite) 화합물 활성 성분 50g을 각각 유기화합물 5wt%, 10wt%, 20wt%로 선정되어진 3가지 흡착제(H2-A, H2-B, H2-C로 명칭함)를 상온에서 교반기를 사용하여 초순수 증류수 30g과 혼합한다. 그 다음, 상기 혼합물을 약 120℃의 온도로 유지되는 건조로에서 2시간 동안 건조시킨 후 대기에 노출시켜 상온에서 12시간 동안 자연숙성시킨다. 그 다음, 상기 건조된 혼합물을 펠렛 형태 등으로 압출 성형하여 흡착제를 제조한다.
다음 표 1은 상기 암모니아/수소 혼합가스에 대한 흡착제의 흡착성능 실험을 한 결과를 나타낸다.
제거 대상 가스 흡착제의 종류 활성 물질 성분 흡착 성능 (L/L)
암모니아 NH3-A CuSO4+무기결합 3wt% 150
NH3-B CuSO4+무기결합 6wt% 200
수 소 H2-A 제올라이트+유기결합 5wt% 30
H2-B 제올라이트+유기결합 10wt% 45
H2-C 제올라이트+유기결합 20wt% 15
암모니아/수소 혼합가스에 대한 흡착제의 흡착성능 실험은 유입구와 유출구를 갖는 직경 40mm, 높이 250mm를 가진 반응기에 상기한 2종류의 암모니아 흡착제(NH3-A, NH3-B)와 3종류의 수소 흡착제(H2-A, H2-B, H2-C)를 각각 100ml를 충진한 다음, 상기 반응기의 유입구로 99%의 암모니아 및 수소 가스를 각각 질소 캐리어 가스를 이용하여 전체 유량을 1vol% 농도로 하여 유량 1L/min로 유입시켜 상기 제조된 흡착제에 흡착되도록 한다. 그 다음, 상기 반응기 유출구로 유출되는 암모니아 및 수소 가스의 농도를 검지관으로 각각 측정함으로써 흡착제의 흡착성능을 확인한다. 이때, 누출되는 암모니아 가스가 25ppm의 배출 농도 이상으로 검출될 경우를 흡착제의 성능 내지는 수명이 다한 파과시점으로 보고 이때를 기준으로 최종 흡착 성능 평가를 실시하였으며, 수소 가스의 흡착성능은 수소의 농도에 따라 다른 색상이 표시되도록 한 색상 분석법을 이용하여 평가하였다.
상기 표 1에서 흡착성능(L/L)은 1L의 흡착제 당 흡착되는 가스의 양으로 나타난다. 실험결과에 의하면, 암모니아 가스의 흡착성능 값이 수소 가스의 흡착성능 값에 비하여 비교적 높은 수치를 나타낸다.
도 1은 종래 암모니아/수소 혼합가스 처리 장치의 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 암모니아/수소 혼합가스 처리 장치의 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 암모니아 가스 제거용 흡착제의 제조 공정도,
도 4는 본 발명에 따른 수소 가스 제거용 흡착제의 제조 공정도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 열처리부 2 : 수처리부
11 : 연소실 12 : 모듈히터
13 : 인코넬 16 : 순환탱크
17 : 드레인 20 : 히터 열처리부
22 : 히팅 챔버 25 : 히터
30 : 순간 건조 시스템 40 : 흡착제 처리부
41 : 수소 흡착제층 42 : 암모니아 흡착제층
45 : 타공판

Claims (6)

  1. 일측으로는 반도체 확산 산화 공정에서 발생하는 암모니아/수소 혼합가스가 유입되고, 외형을 이루는 히팅 챔버와, 상기 히팅 챔버 내부에 구비되어 상기 유입된 암모니아/수소 혼합가스의 연소 반응에서 요구되는 온도로 가열시키는 히터로 이루어진 히터 열처리부;
    상기 히터 열처리부에서 가열된 암모니아/수소 혼합가스의 온도를 순간적으로 낮춤과 아울러 상기 암모니아/수소 혼합가스 중에 포함된 물기를 제거하는 순간 건조 시스템;및 상기 히터 열처리부에서의 연소 반응에 의해 제거되지 않고 잔류하는 암모니아/수소 혼합가스를 제거하기 위해 하측의 수소 흡착제층과 상측의 암모니아 흡착제층으로 구성되는 흡착제 처리부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 확산 산화 공정중 암모니아/수소 혼합가스 처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 히터는 상기 히팅 챔버의 내부에 다수개가 일정 간격으로 삽입되어 배치되는 개별 분리형 봉 형태인 것을 특징으로 하는 반도체 확산 산화 공정중 암모니아/수소 혼합가스 처리 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 수소 흡착제층을 이루는 수소 흡착제는 제올라이트 화합물 활성 성분과 초순수 증류수를 혼합하여 건조시킨 유기결합제로 이루어지고, 상기 암모니아 흡착제층을 이루는 암모니아 흡착제는 황산구리 화합물 활성 성분과 초순수 증류수를 혼합하여 건조시킨 무기결합제로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 확산 산화 공정중 암모니아/수소 혼합가스 처리 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 흡착제 처리부는 상기 수소 흡착제층의 하단부에 상기 흡착제가 흘러내리는 것을 막기 위한 타공판이 구비된 것을 특징으로 하는 반도체 확산 산화 공정중 암모니아/수소 혼합가스 처리 장치.
  5. 반도체 확산 산화 공정에서 발생하는 암모니아/수소 혼합가스를 히터에서 발생하는 열을 이용한 연소 반응으로 간접 산화시켜 제거하는 히터 열처리 단계;
    상기 히터 열처리 단계에서 가열된 암모니아/수소 혼합가스의 온도를 순간적으로 낮춤과 아울러 상기 암모니아/수소 혼합가스 중에 포함된 물기를 제거하는 순간 건조 단계;및 상기 히터 열처리 단계에서의 연소 반응에 의해 제거되지 않고 잔류하는 암모니아/수소 혼합가스를 수소 흡착제층과 암모니아 흡착제층에서 순차로 흡착하여 제거하는 흡착제 처리 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 확산 산화 공정중 암모니아/수소 혼합가스 처리 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 히터 열처리 단계에서의 가열 온도는 400 ~ 600℃의 범위 내인 것을 특징으로 하는 반도체 확산 산화 공정중 암모니아/수소 혼합가스 처리 방법.
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