KR101052064B1 - 반도체생산 공정에서 배출되는 함불소가스를 효과적으로 분해하기 위한 흡착농축시스템과 결합된 열분해복합공정 - Google Patents

반도체생산 공정에서 배출되는 함불소가스를 효과적으로 분해하기 위한 흡착농축시스템과 결합된 열분해복합공정 Download PDF

Info

Publication number
KR101052064B1
KR101052064B1 KR1020090047382A KR20090047382A KR101052064B1 KR 101052064 B1 KR101052064 B1 KR 101052064B1 KR 1020090047382 A KR1020090047382 A KR 1020090047382A KR 20090047382 A KR20090047382 A KR 20090047382A KR 101052064 B1 KR101052064 B1 KR 101052064B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fluorine
gas
containing gas
adsorption
desorption
Prior art date
Application number
KR1020090047382A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20100128778A (ko
Inventor
이중기
조병원
이화영
이상득
우주만
장원영
유경선
Original Assignee
한국과학기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술연구원 filed Critical 한국과학기술연구원
Priority to KR1020090047382A priority Critical patent/KR101052064B1/ko
Publication of KR20100128778A publication Critical patent/KR20100128778A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101052064B1 publication Critical patent/KR101052064B1/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B08—CLEANING
    • B08B—CLEANING IN GENERAL; PREVENTION OF FOULING IN GENERAL
    • B08B7/00—Cleaning by methods not provided for in a single other subclass or a single group in this subclass
    • B08B7/0064—Cleaning by methods not provided for in a single other subclass or a single group in this subclass by temperature changes
    • B08B7/0071—Cleaning by methods not provided for in a single other subclass or a single group in this subclass by temperature changes by heating
    • B08B7/0085—Cleaning by methods not provided for in a single other subclass or a single group in this subclass by temperature changes by heating by pyrolysis
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02041—Cleaning
    • H01L21/02043—Cleaning before device manufacture, i.e. Begin-Of-Line process
    • H01L21/02046—Dry cleaning only
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/67—Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/67005—Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/67011—Apparatus for manufacture or treatment
    • H01L21/67017—Apparatus for fluid treatment
    • H01L21/67028—Apparatus for fluid treatment for cleaning followed by drying, rinsing, stripping, blasting or the like

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Treating Waste Gases (AREA)

Abstract

본 발명은 반도체 혹은 함불소가스 생산공정에서 대량으로 배출되는 배기가스 중 희박농도로 존재하는 함불소가스를 경제적이면서도 효율적으로 분해하기 위한 공정기술에 관한 것으로, 배가스의 함불소가스를 탄소계 물질로 충진된 흡착/탈착탑을 이용하여 함불소가스를 배가스로부터 분리하고, 다시 흡착 함불소가스의 탈착을 유도하여 고농도의 함불소가스를 생성하고, 다시 플라즈마 혹은 소각과 같은 열분해장치로 이송하여 함불소가스를 99.99 % 이상 제거한다.
본 발명기술은 함불소가스가 함유된 폐가스를 효율적으로 분해하기 위해서 폐가스의 총 부피를 최대한으로 감소시켜, 농축된 함불소가스를 처리함으로서 열분해 과정에서 발생되는 2차 오염과 분해하는데 사용되는 전기, 메탄가스 및 수소와 같은 에너지사용을 최소화하여 함불소가스를 효과적으로 무해화하는 방법에 대한 것이다.
지구온난화가스, 함불소가스 흡착농축공정, 함불소가스 열분해공정, 반도체공정, CDM

Description

반도체생산 공정에서 배출되는 함불소가스를 효과적으로 분해하기 위한 흡착농축시스템과 결합된 열분해복합공정{A Hybrid Thermal Destruction Processes Coupled with Adsorptive Enriched Units for the Removal of Perfluorocompounds Off Gases from Semi-Conductor Production Industry}
본 발명은 반도체 혹은 함불소가스 생산공정에서 대량으로 배출되는 배기가스 중 희박농도로 존재하는 함불소가스를 경제적이면서도 효율적으로 분해하기 위한 공정기술에 관한 것이다.
본 발명은 함불소 발생 공정에서 배출되는 HFC(hydrofluorocarbons), PFC(perfluoro compound), SF6 (Sulfur Hexa-Fluoride)와 같은 지구온난화 가스를 효과적면서도 친환경적으로 분해하는 공정기술에 관한 것이다. 우리나라는 반도체 대량생산국으로서 제조공정중에 발생되는 PFCs, HFCs, SF6 등의 배출량이 매우 많다. 이와 같은 함불소가스는 산발적으로 발생되는 CO2와 비교한다면 발생지점이 한정되어 있어 저감이 상대적으로 용이하고 지구온난화 지수가 상대적으로 매우 높아 탄소배출권획득 측면에서 상당히 유리하다.
2003년 Non-CO2 온실가스 배출량을 모두 탄소배출권(2009년도 기준 CDM 현 시가: 15 Euro/ton CO2; 한화로 27,000원/ton CO2 가정)으로 환산한다면 약 2조원에 해당된다. 함불소화합물 분해처리 기술은 CDM(Clean Development Mechanism)으로 인정받을 수 있으므로 처리기술 효율 향상과 연계하여 CDM 사업의 활성화 필요하다. 따라서 지구환경파괴현상을 적극적으로 극복할 수 있을 뿐만 아니라 차세대 환경산업의 핵심이 되는 함불소가스의 고효율 저감처리기술이 매우 중요하다.
이와 같이 반도체공정에서 발생되는 함불소가스는 소각 또는 플라즈마와 같은 열적 분해반응을 통하여 H2O, CO2, HF로 분해 전환할 수 있으며 이를 통하여 이산화탄소 배출량의 감축을 유도할 수 있다. 이것은 기후변화협약에서 규정한 청정개발메카니즘(CDM, Clean Development Mechanism)에 부합하여 이산화탄소 배출권을 확보하는 방법이 된다. 따라서 함불소가스를 효과적이고 경제적으로 분해하는 방법은 지구온난화 방지에 기여함과 동시에 이산화탄소 배출권을 확보할 수 있는 유용한 수단이라고 할 수 있다.
반도체 생산 공정 중 PFCs 가스가 배출되는 공정은 식각공정과 화학기상증착 공정이다. 식각 공정은 플라즈마 상태에서 HFCs, PFCs, SF6와 같은 가스를 사용하여 전도성 있는 물질이 실리콘에서 개별 회로성분과 연결하기 위해 길을 만드는 공정이다. 식각 공정에서는 선택적으로 기질을 제거하기 위해 예정된 패턴에 따라 반도체 표면에서 반응하는 불소 원자를 만들어 낸다. 한 개의 반도체 웨이퍼는 이러한 가스를 사용하는 100여개의 공정단계를 필요로 할 수 있다.
화학기상증착 공정에서는 반응기 챔버 안을 PFC와 같은 가스를 가지고 주기적으로 청소를 한다. 이러한 세정 기간 동안 가스는 플라즈마 상태에서 불소 원자로 전환되고 챔버 벽면과 전극, 챔버 하드웨어로부터 잔여 물질들을 제거한다. 그러나 PFC의 낮은 분해율 때문에 챔버안에서 흐르는 많은 부분의 가스들은 반응하지 않고 그대로 대기중으로 배출이 된다. 게다가 몇몇 화합물들은 플라즈마 상태에서 HFC나 PFC의 다른 형태로 전환되어 대기 중으로 배출되기도 한다. 예를 들어 CHF3나 C2F6는 세정 주기 또는 식각공정에서 CF4 형태로 배출된다.
위와 같이 언급된 반도체공정에서 배출되는 HFCs, PFCs, SF6를 비롯한 함불소화합물을 제거하기 위한 방법으로 크게 대체물질 개발, 사용량을 최소화하기 위한 공정의 개선, 배출흐름에서 함불소가스의 회수 및 재순환, 분해로 나누어진다. 환경적인 측면으로 볼 때 공정의 개선이나 대체물질의 개발이 가장 바람직한 방법이지만, 새로운 물질개발은 시간이 오래 소요될 뿐만 아니라 기술적으로도 매우 어렵다. 또한 반도체 제조공정이 매우 복잡하고 다양하기 때문에 신기술을 적용하는 것은 더욱 곤란하다. 특히, 반도체라인에서 나오는 폐가스는 특정성분이라 정의하기도 곤란하고 다종의 가스가 섞여있으며, 이들이 반응하여 나노사이즈의 분진을 만들어 내기 때문에 보편적인 방지기술로는 처리가 거의 불가능하다.
따라서 함불소가스를 처리하는 시스템은 아주 간단한 구조에 내구성이 있고 유지보수가 간단한 형태의 장치가 필요한 것이고, 그 요구에 가장 적합한 형태로서 직화(Burn) 방식과 플라즈마 (Plasma)방식이 우선 고려된다.
우선 직화방식은 천연가스 혹은 수소를 연료로 사용하고 있으며, 통상적으로 CF4는 1800 ℃, SF6 1300 ℃, HFC 1200 ℃, NF3 800 ℃ 정도에서 열분해 된다고 알려져 있으나, 분해되는데 소요되는 막대한 에너지와 함께 처리중 발생되는 2차오염물질의 양도 상대적으로 엄청나다. 엔지리어링 자료에 의하면 11.4Nm3/hr HFC-23 함불소가스 처리를 위해 대략 시간당 26 Nm3/hr의 천연가스를 소모해야 분해율이 99.99% 이상이 되는 것으로 보고되고 있다. 또한 소모되는 연료의 약 10배 수준의 공기주입이 필요하며 이산화탄소, 황산화물, 질소산화물 같은 2차오염 폐가스 등이 발생되어 이를 다시 처리하기 위한 유지보수 비용이 증가하는 문제점이 발생되고 있다.
또한 촉매방식도 개발이 진행되고 있으나 다양한 가스를 처리하기위한 촉매선정 및 폐가스에 포함된 다량의 분진에 의한 활성점의 열화 및 풍식(erosion)문제, 500~700 ℃의 촉매공정온도 유지로 인한 추가 이산화탄소 및 이산화황(SOx), 질소산화물(NOx) 발생문제 등 여러 문제로 인하여 아직 현장에 적용되지 못하고 있다.
저온플라즈마 방식은 10여년전에 미국의 Litmas라는 회사에서 진공배기라인에 직접 ICP 플라즈마를 발생시켜 분해 처리하는 기술로 처음 소개되었고, 분해효율 또한 완벽한 것으로 인식되었다. 수년 전에 저온플라즈마 코로나, DBD(Dielectric Barrier Discharge) 방법들이 시도되었지만 처리효율이 30 ~ 40 %로 매우 낮다고 보고되어 있다.
함불소가스 처리 열플라즈마 기술은 미국, 일본, 독일에서 기술을 보유하고 있으며 선진외국의 경우 난분해성 함불소가스 처리에서 탁월한 분해성능을 가진 마이크로 웨이브 플라즈마 방식 처리모듈 제품이 시장에 출시되고 있다. 이는 아직 초기단계이며 모든 업체에서 가동시간, 유지비, 제거효율, 유지보수 등에 대한 데이터를 충분히 보유하고 있지 못하여 검증이 불충분한 상태이다. 또한 총 최대 처리 유량이 80-120 LPM 정도로 낮아(Kanken, Sannso, Air Liquide, Centrothem 등) 반도체 및 TFT-LCD 공정에 있어서 대량가스 처리적용에 제한을 받고 있다.
이와 같이 열분해법은 직화법과 플라즈마 방법을 망론하고 함불소가스만을 가열하는 것이 아니라 배가스 전체를 가열하여야 한다는 점에서 다량의 에너지가 소비되고 분해반응에 의하여 생성된 유해가스인 HF를 처리함에 있어서도 대용량의 공정장치가 요구된다는 근본적인 문제에 있어서 취약점을 갖는다. 따라서 반도체배가스와 같이 희박농도의 함불소가스를 처리하기 위해서는 처리하는 가스량을 효과적이며 절대적으로 감축해야 되는 명제가 발생된다.
한편 반도체 공정에서의 온실가스(PFCs, SF6) 배출량 산정 방법론은 세계 반도체 협의회(WSC)에서 제안하고 있는 방법론을 사용하고 있다.
제안된 방법론은 다음과 같다.
Figure 112009032523132-pat00001
h: 컨테이너에 남아있는 가스 fraction
PFCi: 가스 구입량
Ci: 가스의 평균 사용 계수(식각 공정과 화학기상측착 공정 1-EFi)
EFi: 가스의 평균 배출 계수
Bi: PFCi 질량 당 CF4로 변환되는 량
Ai: 저감설비에 의해 분해되는 PFCi 계수
ACF4: 저감설비에 의해 분해되고 CF4로 변환되는 PFCi 계수
위와 같은 방법론은 공정가스의 소비량을 근거한 배출량 산정 방법론이다. 그러나 CDM 사업 적용을 위한 베이스라인 배출량(Baseline emission)을 제시하기 위해서는 직접 측정 방법을 적용하고 있다(CDM-NM0238, "Point of use abatement device to reduce SF6 emissions in LCD manufacturing). CDM 방법론에서는 FTIR system(Fourier Transform Infrared system)을 적용하여 저감장비의 입/출구 부분의 농도와 유량을 연속적으로 측정하여 저감량을 증명할 수 있도록 만들어져 있다.
본 발명은 기존 함불소가스 열처리공정에서 배가스 전체를 가열한다는 문제점을 해결하여 효과적이고 경제적인 처리공정을 구성하고자 한다. 이를 위해 상기 와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서 하이브리드공정은 다음과 같은 시스템으로 구성되는데,
첫째, 반도체공정 혹은 생산공정에서 희박한 불소가스가 포함된 배가스 흐름통로에 다단으로 구성된 탄소계 흡착공정시스템을 설치하고 배가스내에 포함된 함불소가스(SF6, PFCs, HFCs)를 선택적으로 흡착분리한 후 스팀 혹은 전기에 의한 열탈착을 유도하여 함불소가스의 농도가 매우 높게 유지되는 가스흐름을 구성시키는 시스템의 제공을 목적으로 하고,
둘째, 원래의 가스양보다 50 %에서 최고 30 %까지의 부피비를 지니는 함불소가스 농축가스를 플라즈마 또는 소각에 의해 분해하는 열분해공정 시스템으로서, 기존의 대량가스를 처리해야하는 시스템크기한계, 에너지 사용 저감 및 2차 오염 저감 문제를 동시에 해결할 수 있어 반도체공정에서 발생되는 대용량 희박 함불소가스 처리를 위한 핵심 기술을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 배가스로부터 흡착제에 함불소가스를 흡착시키는 1 단계; 상기 흡착된 함불소가스를 흡착제에서 탈착시키는 2 단계; 및 상기 탈착된 함불소가스를 열처리하여 제거하는 3 단계를 포함하는 함불소가스의 제거방법에 관한 것이다.
또한, 함불소가스를 포함하는 배가스를 흡수 및 탈착시키는 흡착/탈착탑을 구비하는 흡착반응기와; 흡착반응기의 일면에 연결되어, 흡착 후 탈착된 함불소가스를 소각시키는 소각기 또는 열분해시키는 플라즈마 열분해기를 포함하여 이루어 진 함불소가스 제거장치에 관한 것이다.
상기와 같은 본 발명의 흡착농축유니트와 결합된 열분해공정 기술에 의하면,
첫째, 반도체공정에서 발생되는 대용량 희박농도의 함불소가스를 흡착농축시켜 처리할 수 있게 함으로서 처리되는 가스양을 최소화할 수 있고
둘째, 다단으로 병렬연결된 흡탈착 구성에 의해 농축된 함불소가스를 소각 및 플라즈마에 의해 열분해 처리함으로서 처리 에너지사용량 감소시키고.
셋째, 원래의 처리해야하는 배가스양을 최고 60%이상 까지 감소가 가능하여 그만큼 연소 및 열분해에 의한 부산물로 발생되는 질소산화물 및 HF발생양을 비례하여 감소시키는 것이 가능하고,
넷째, 기존 소각 또는 플라즈마장치시스템을 감소되는 배가스양만큼 공정크기도 줄일 수 있어 배가스처리장치의 용량증설한계 및 안전성 문제를 해소하므로 상당한 상업적·경제적 효과가 기대된다.
본 발명은 배가스로부터 흡착제에 함불소가스를 흡착시키는 1 단계; 상기 흡착된 함불소가스를 흡착제에서 탈착시키는 2 단계; 및 상기 탈착된 함불소가스를 열처리하여 제거하는 3 단계를 포함하는 함불소가스의 제거방법에 관한 것이다.
본 발명은 기존 함불소가스 열처리공정에서 배가스 전체를 가열한다는 문제 점을 해결하여 효과적이고 경제적인 처리공정을 구성하고자 한다. 이를 위해 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서 하이브리드공정은 다음과 같은 시스템으로 구성된다. 반도체공정 혹은 생산공정에서 희박한 불소가스가 포함된 배가스 흐름통로에 다단으로 구성된 탄소계 흡착공정시스템을 설치하고 배가스내에 포함된 함불소가스(SF6, PFCs, HFCs)를 선택적으로 흡착분리한 후 스팀 혹은 전기에 의한 열탈착을 유도하여 함불소가스의 농도가 매우 높게 유지되는 가스흐름을 구성시키는 시스템의 제공한다. 그 결과로, 원래의 가스양보다 50%에서 최고 30%까지의 부피비를 지니는 함불소가스 농축가스를 플라즈마 또는 소각에 의해 분해하는 열분해공정시스템으로서, 기존의 대량 가스를 처리해야하는 시스템크기한계, 에너지 사용 저감 및 2차 오염 저감 문제를 동시에 해결할 수 있어 반도체공정에서 발생되는 대용량 희박 함불소가스 처리를 위한 핵심 기술을 제공이 가능하다.
바람직하게는 본 발명은 상기 흡착제는 A1216 활성탄, A836 활성탄, A1261 활성탄, ZSM-5 제올라이트 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 화합물인 것을 특징으로 하는 함불소가스의 제거방법에 대한 것이다.
상기 2 단계의 탈착시키는 온도는 50 ~ 200 ℃인 것이 바람직하다.
이는 50 ℃ 미만인 경우에는 흡착조에서 수증기가 재응축 하므로 탈착되는 가스의 양이 미미하고, 200 ℃ 초과인 경우에는 흡착제가 산화되어 총량이 감소하는 단점이 있기 때문이다.
바람직하게는 상기 3 단계의 열처리는 플라즈마 열분해하는 것이고, 선택적 으로 열소각하는 것도 가능하다.
또한 본 발명은 함불소가스를 포함하는 배가스를 흡수 및 탈착시키는 흡착/탈착탑을 구비하는 흡착반응기와; 흡착반응기의 일면에 연결되어, 흡착 후 탈착된 함불소가스를 소각시키는 소각기를 포함하여 이루어진 함불소가스 제거장치에 관한 것이다. 이러한 함불소가스 제거장치는 도 4에 일시예를 도시하고 있다.
바람직하게는 본 발명은 상기 흡착/탈착탑은 다단식 흡착/탈착 모듈로 구성되는 것을 특징으로 하는 함불소가스 제거장치에 대한 것이다. 도 4에서 흡착/탈착탑은 흡착/탈착 기능을 갖는 다수개의 흡착/탈착 모듈을 병렬로 연결하여 구성되는데, 이들 흡착/탈착 모듈은 다단식으로 동작하므로 연속적인 함불소가스의 흡착 및 탈착이 가능하다.
또한, 본 발명은 함불소가스를 포함하는 배가스를 흡수 및 탈착시키는 흡착/탈착탑을 구비하는 흡착반응기와; 흡착반응기의 일면에 연결되어, 흡착 후 탈착된 함불소가스를 열분해시키는 플라즈마 열분해기를 포함하여 이루어진 함불소가스 제거장치에 관한 것이다. 이러한 함불소가스 제거장치는 도 5에 일시예를 도시하고 있다.
바람직하게는 본 발명은 상기 흡착/탈착탑은 다단식 흡착/탈착 모듈로 구성되는 것을 특징으로 하는 함불소가스 제거장치에 대한 것이다. 도 5에서 흡착/탈착탑은 흡착/탈착 기능을 갖는 다수개의 흡착/탈착 모듈을 병렬로 연결하여 구성 되는 데, 이들 흡착/탈착 모듈은 다단식으로 동작하므로 연속적인 함불소가스의 흡착 및 탈착이 가능하다.
다음의 실시예에 의하여 본 발명이 보다 구체적으로 설명될 수 있지만, 이러한 실시예는 단지 본 발명의 예시에 불과할 뿐이지 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1. 흡착제의 특성 및 단위중량당 SF 6 흡착무게 분석
A1055 활성탄, 분자시브 5A(Molecular sieve-5A), ZSM-5 제올라이트, A480 활성탄, A1261 활성탄, A836 활성탄인 각각의 흡착제 부피 2 ml를 사용하여, SF6공급농도는 500 ppm, 공간속도는 3000 hr-1로 고정하고 흡착/탈착탑을 구비하는 흡착반응기를 사용하여 흡착실험을 수행하였다. 여기서 공간속도 3000 hr- 1때의 공급유량은 100 ml/min이었다.
또한 흡착반응기 외벽을 가열기로 제어하여 흡착 반응기 내의 온도를 제어하였다. 흡착 반응기로 공급되는 가스온도를 제어하기 위하여 반응가스 가열기를 설치하였으며 흡착/탈착탑 입구의 온도측정이 가능하게 하였다. 흡착/탈착탑 내의 온도와 압력을 측정할 수 있도록 온도 및 압력 측정기를 설치하고 실시간으로 측정결과를 저장하였다. 반응가스의 입구농도와 출구농도는 사중극자 질량 분석계 (quadrouple mass spectrometer)로 측정하였고 시간에 따른 출구농도의 변화를 이용하여 파과곡선(breakthrough curve)을 도출하였다. 하기 표 1은 6개의 흡착제를 사용하여 얻은 흡착제의 물리화학적 특성과 단위중량당 흡착되는 SF6양을 도표화 한 것이다.
Figure 112009032523132-pat00002
상기 표 1의 결과를 통하여 제올라이트 ZSM-5는 비교적 높은 비표면적과 기공크기에도 불구하고 SF6 흡착이 거의 이루어지지 않았으며 활성탄 계열의 흡착제에서 비교적 높은 SF6의 흡착이 가능하였다.
하기 표 2는 농도에 따른 A1261의 흡착량을 도표화하였다.
Figure 112009032523132-pat00003
HFC-23과 SF6의 단위무게당의 흡착량이 비슷한 것으로부터 흡착형태가 물리적 흡착임을 알 수 있다.
한편, 평가된 함불소가스 흡착제 중에서는 A1261이 가장 높은 흡착량을 나타내었으나 이것만을 한정하는 것은 아니다.
실시예 2. A1261 활성탄의 탈착온도를 변화에 따른 탈착가스 내의 SF 6 농도 변화 측정
도 1은 A1261 활성탄을 상온에서 흡착반응을 수행하여 탈착온도를 변화시켜 탈착가스 내의 SF6 농도 변화를 나타낸 것으로, 이를 고찰함으로써 SF6의 농축 가능성을 평가할 수 있다.
도 1에서 볼 수 있는 바와 같이 SF6의 흡착은 흡착시간 30분 정도가 경과하면 흡착이 완료됨을 보여주고 있으며, 탈착온도를 증가시키면 SF6의 탈착 피크(peak)가 발생하며 고농도의 SF6 탈착흐름이 가능함을 확인할 수 있다.
상온 탈착의 경우엔 탈착시간이 흡착시간에 비하여 1.7배 정도인 50분 정도 소요되며 탈착에 의한 농축효과가 전혀 나타나지 않았다. 탈착온도 50 ℃에서는 탈착에 걸리는 시간이 약 1000 초(sec) 가량으로 탈착되는 도중의 SF6 최고농도는 약 1,792 ppm으로 계산되었으며 이후 서서히 감소하였다.
100 ℃ 탈착의 경우 탈착에 소요되는 시간은 약 500 초(sec) 가량으로 탈착되는 도중의 SF6 최고농도는 약 5,645 ppm으로 계산되었으며 이후 서서히 감소하였다.
200 ℃ 탈착의 경우 탈착에 소요되는 시간은 약 200 초(sec) 가량으로 가장 우수하였으며 탈착되는 도중의 SF6 농도는 최고 약 17,250 ppm이었다.
탈착시간으로 비교한 농축의 효과는 200 ℃ 탈착조건에서 최고 15배의 농축이 가능할 것으로 판단되었다. 본 발명의 실시에 사용된 질소가스만을 탈착가스로 한정하는 것은 아니며 공정에서 일반적으로 활용되고 있는 스팀을 사용할 경우 스팀 응축에 의한 농축을 고려할 때 SF6의 농축은 보다 용이할 것으로 예상된다.
실시예 3. A1261 활성탄의 SF 6 흡탈착시스템에서 흡착과 농축 결과를 평가
실시예 2의 A1261 활성탄의 실험결과를 토대로 파일럿 규모의 SF6 흡탈착시스템에서 흡착과 농축 결과를 평가하였다. 주공정의 조건은 유량 200 Nm3/hr, SF6농도 500 ppm, 흡착온도 30 ℃, 상대습도 40 %이었으며, 흡착/탈착탑의 재생은 흡착이 종결된 후에 예열된 질소와 스팀을 혼합 공급하여 반응온도의 상승과 탈착이 동시에 진행되도록 구성하였다.
탈착온도는 질소예열온도를 제어하여 100 ~ 200 ℃ 사이를 유지하도록 하였다. 탈착되는 SF6의 농도는 3000 ~ 6000 ppm 사이를 유지하였으며, 스팀의 응축에 따라 농축되는 SF6의 농도가 변화하였다. 자세한 결과는 하기 표 3에 정리하였다
Figure 112009032523132-pat00004
상기 표 3은 흡착제의 고온 수증기에 의한 재생온도 및 수증기 농도에 따른 탈착되어 농축되는 SF6의 농도를 나타내었다. 재생온도에 재생시간에 따라 농축이 되는 것을 볼 수 있다.
실시예 4. 플라즈마 열분해
농축된 SF6의 분해를 위하여 플라즈마 열분해를 실시하여 농축 분리에 의한 분해처리의 타당성을 확인하였다. 플라즈마 열분해를 위하여 농축된 SF6를 가정한 입구농도 10 ℓ/min, 1500 ~ 7000 ppm을 주입하여 플라즈마가스 분해결과를 도출하였다. 플라즈마 0.8 kW에서는 82 %가 분해되고 1.2 kW에서는 96.5 %가 분해되고, 나머지는 HF, H2S, SO2로 전환되었다.
본 실시예에서는 사중극자 질량 분석계 (quadrupole mass spectrometer)를 사용하여 정량적인 값은 측정하지 못하였으나 질량분석기를 사용하여 분해가스 변화를 조사한 결과 상대습도가 증가할수록 스팀의 영향으로 H2S의 생성이 보다 유도되었고, 산소를 공급함에 의하여 용이한 SO2로의 전환이 가능하였다.
실시예 5. HFC-23을 주입하여 플라즈마 분해효율을 평가
함불소 가스의 처리를 보다 광범위하게 확인하기 위하여 HFC-23을 주입하여 플라즈마 분해효율을 평가하였다.
플라즈마 분해의 경우 HFC-23에도 완벽하게 적용되었으며 분해산물로 HF, CO2, H2O가 발생함을 확인하였다. HFC-23 35 kg/hr(0.5103 kgmol/hr)을 투입하였을 경우 플라즈마 공정에서 1.0206 kgmol/hr의 산소, 3.8394 kgmol/hr 질소, 0.1276 kgmol/hr의 플라즈마가스용 질소가스, 0.5103에서 2.0412 kgmol/hr의 스팀을 공급해서 HFC-23을 CO2, NO, HF, O2, N2로 분해하였다. 이때의 전력 사용량은 약 50 kW(이론값 34.25 kW)가 사용되었으며 HFC-23 분해효율은 99.99 %가 되었다.
실제 공정의 경우 플라즈마 형성 조건은 초기 시작전류 300 A에서 플라즈마 형성후 전류는 200 A로 감소된다. 이때 반응기의 온도는 1200 ~ 1300 ℃에서 유지되는 것을 볼 수 있다.
한편 소각을 사용하는 경우 같은 양의 HFC-23을 사용하였을 때 17.14 Nm3/hr의 메탄가스가 사용되며, 사용되는 산소는 3.4313 kgmol/hr, 12.9 kgmol/hr의 N2가 공기로서 공급되었다. 그리고 공급되는 스팀의 양은 앞에서 플라즈마 분해의 경우와 동일하게 0.5103에서 2.0412 kgmol/hr이 공급되었다.
스팀의 양이 증가할수록 합불소가스의 분해가 용이하기 때문에 충분한 스팀의 공급이 필요하다. 발생가스는 CO2, NO, HF, O2, N2로서 플라즈마와 동일하나 총발생가스는 18.8903 kgmol/hr로서 플라즈마의 경우의 4.344 kgmol/hr와 비교할 때 약 4배의 배가스가 발생되었다. 이 조건에서의 HFC-23분해율은 99.99 %로서 배가스에서는 거의 검출되지 않았다.
여기서 HFC-23분해율 분석은 가스크로마토그래피 (HP 6890) 불꽃이온화 검출기(Flame Ionization Detector, FID )에 의해 진행되었으며, 분석조건은 다음과 같았다. 사용컬럼 HP5-MS (30m > 0.25mm > 0.25), 입구온도 120 ℃, 압력 23.64 psi, 분리비(split ratio)는 5:1, 수소가스 유량 11 ml/min, 오븐온도 180 ℃, 컬럼유량 1.1 cc/min, 검출기 온도 250 ℃로 유지하였다.
좀더 구체적인 분석 조건은 하기 표 4 및 5와 같다.
Figure 112009032523132-pat00005
Figure 112009032523132-pat00006
상기 표 4-5의 분석조건 하에서 탈착공정에서의 SF6 가스크로마토그래피 검출결과를 도 2에 나타내었고, 플라즈마 공정을 이용하여 HFC-23 분해에 따른 가스크로마토그래피 검출결과를 도 3에 나타내었다.
본 실험의 결과를 통하여 농축 분해 대상을 SF6와 HFC-23으로 한정하는 것은 아니며 농축분리에 의한 분해가능성을 확인하는 예시로 제시한 것이다.
실시예 6. 실제 반도체공정의 배가스 조건 모사 설계
실시예 1-5까지 확인한 활성탄을 이용하여 함불소가스를 농축하여 이 함불소가 포함된 농축가스를 열처리공정에 의해 분해하는 복합공정을 구현하기 위해 다음과 같은 실제 반도체공정의 배가스조건을 모사하여 설계하였다.
먼저 유량이 200 Nm3/hr, SF6 농도 500 ppm, 온도 30 ℃, 상대습도 40 %인 조건에서의 공탑속도를 0.15 m/sec를 기준으로 하면 흡수탑의 직경은 0.7m, 압력강하가 180 mmAq를 기준으로 하면 압력활성탄 높이는 2.5 m, 활성탄 충진량은 480 kg이 소요된다. 이 경우의 유효 흡착량은 중량비로 0.12가 된다. 또한 활성탄의 흡착시간은 약 50분이 소요된다. 여기서 유입 배가스의 3-8배로 농축되고 소각 또는 플라즈마 공정으로 분해가 가능한 공정도를 도 4 및 도 5에 도시하였다.
도 4는 농축과 소각이 결합된 복합공정을 도시한 것으로서 반도체공정에서 SiO2의 미세분말이 함유된 1500 ~ 1700 ppm의 SF6가스는 세공공정을 통해 제거되며 다시 SF6가 함유된 희석가스는 활성탄 챔버로 공급되어 흡착된다. 여기서 SF6를 제외한 가스는 거의 질소로 구성되어 있다. 다시 탈착에 의해 농축된 가스는 소각로로 공급되어 소각로에서 천연가스와 공기에 의해 분해되어 HF와 CO2, SO2, H2S로 변환된다. 소각로에서 배출된 가스는 냉각탑으로 보내 분무에 의해 1200 ℃에서 80 ℃로 급속 냉각된다. 배가스 중의 HF가스는 흡수탑에 의해 물에 흡수되며 흡수된 강산용액은 NaOH 같은 강알카리에 의해 중화되거나 Ca(OH)2에 의해서 CaF2로 고정화 된다.
도 5는 농축과 플라즈마 열분해공정이 결합된 복합공정을 도시한 것으로서 소각로를 제외한 나머지 부분은 도 4와 동일하다. 여기서 농축된 함불소가스는 플라즈마 열분해 공정으로 공급되어 99.99 %이상 분해된다.
도 1은 온도별 탈착곡선과 흡착곡선의 비교도이다( a 상온흡착, b, 25 ℃탈착, b. 50 ℃ 탈착, c. 100 ℃ 탈착, d. 200 ℃ 탈착).
도 2는 SF6 가스크로마토그래피 검출 결과이다.
도 3은 HFC-23 가스크로마토그래피 결과이다.
도 4는 흡착농축된 함불소가스 소각공정이다.
S1 : 분진제거 흡수기 S2 : 흡착/탈착 탑
S3 : 열교환기 S4 : 열교환기
S5 : 전기히터 S6 : 버너
S7 : 소각로 S8 : 냉각기
S9 : 흡수기 S10 : 스크러버
S11 : 습기 분리기 S12 : 열교환기
S13 : 화학작용제 탱크 S14 : 폐수처리용 탱크
E1 : 분진제거 흡수기 순환펌프 E2 : 프로세스 팬
E3 : 연소 에어 팬 E4 : 스크러버 순환펌프
E5 : 흡수기 순환펌프 E6 : 화학작용제 공급펌프
E7 : 폐수처리 순환펌프 E8 : 배기 팬
도 5는 흡착농축된 함불소가스 플라즈마공정이다.
S1 : 분진제거 흡수기 S2 : 흡착/탈착 탑
S3 : 열교환기 S4 : 전력 공급기
S5 : 플라즈마 토치 S6 : 분해 반응기
S7 : 냉각기 S8 : 흡수기
S9 : 스크러버 S10 : 습기 분리기
S11 : 열교환기 S12 : 화학작용제 탱크
S13 : 폐수처리용 탱크
E1 : 분진제거 흡수기 순환펌프 E2 : 프로세스 팬
E3 : 질량흐름 측정기 E4 : 질량흐름 측정기
E5 : 질량흐름 측정기 E6 : 질량흐름 측정기
E7 : 스크러버 순환펌프 E8 : 흡수기 순환펌프
E9 : 화학작용제 공급펌프 E10 : 폐수처리 순환펌프
E11 : 배기 팬

Claims (9)

  1. 배가스로부터 흡착제에 함불소가스를 흡착시키는 1 단계;
    상기 흡착된 함불소가스를 흡착제에서 50 ~ 200 ℃의 온도로 탈착시키는 2 단계; 및
    상기 탈착된 함불소가스를 열처리하여 제거하는 3 단계
    를 포함하는 함불소가스의 제거방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 흡착제는 A1216 활성탄, A836 활성탄, A1261 활성탄, ZSM-5 제올라이트 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 화합물인 것을 특징으로 하는 함불소가스의 제거방법.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 3 단계의 열처리는 플라즈마 열분해하는 것을 특징으로 하는 함불소가스의 제거방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 3 단계의 열처리는 열소각하는 것을 특징으로 하는 함불소가스의 제거방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
KR1020090047382A 2009-05-29 2009-05-29 반도체생산 공정에서 배출되는 함불소가스를 효과적으로 분해하기 위한 흡착농축시스템과 결합된 열분해복합공정 KR101052064B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020090047382A KR101052064B1 (ko) 2009-05-29 2009-05-29 반도체생산 공정에서 배출되는 함불소가스를 효과적으로 분해하기 위한 흡착농축시스템과 결합된 열분해복합공정

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020090047382A KR101052064B1 (ko) 2009-05-29 2009-05-29 반도체생산 공정에서 배출되는 함불소가스를 효과적으로 분해하기 위한 흡착농축시스템과 결합된 열분해복합공정

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20100128778A KR20100128778A (ko) 2010-12-08
KR101052064B1 true KR101052064B1 (ko) 2011-07-27

Family

ID=43505621

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020090047382A KR101052064B1 (ko) 2009-05-29 2009-05-29 반도체생산 공정에서 배출되는 함불소가스를 효과적으로 분해하기 위한 흡착농축시스템과 결합된 열분해복합공정

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101052064B1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101596150B1 (ko) * 2014-07-18 2016-02-22 한서대학교 산학협력단 불소화합물의 처리방법 및 이를 이용한 불소화합물의 처리장치

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20020010488A (ko) * 2000-07-26 2002-02-04 마에다 히로카쓰 가스 분리장치
JP2005199215A (ja) 2004-01-19 2005-07-28 Japan Pionics Co Ltd 排ガスの処理装置及び処理方法
KR20070016464A (ko) * 2005-08-03 2007-02-08 삼성전자주식회사 퍼플루오르화 화합물을 재생하는 흡착 설비 및 방법

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20020010488A (ko) * 2000-07-26 2002-02-04 마에다 히로카쓰 가스 분리장치
JP2005199215A (ja) 2004-01-19 2005-07-28 Japan Pionics Co Ltd 排ガスの処理装置及び処理方法
KR20070016464A (ko) * 2005-08-03 2007-02-08 삼성전자주식회사 퍼플루오르화 화합물을 재생하는 흡착 설비 및 방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR20100128778A (ko) 2010-12-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Urashima et al. Removal of volatile organic compounds from air streams and industrial flue gases by non-thermal plasma technology
KR100962695B1 (ko) 배기 가스 처리 방법 및 장치
EP1931449B1 (en) High energy dissociation for mercury control systems
US20050249643A1 (en) Apparatus and process for the abatement of semiconductor manufacturing effluents containing fluorine gas
JP6743194B2 (ja) 窒素酸化物、クロロフルオロカーボン類、ヒドロクロロフルオロカーボン類、ヒドロフルオロカーボン類、及び過フッ化化合物を含む複合廃ガスの統合処理システム
KR100766749B1 (ko) 과불화화합물 가스를 포함하는 대용량 배기가스 처리방법및 그 처리장치
KR101860633B1 (ko) 플라즈마와 촉매를 적용한 하이브리드 건식 유해가스 처리 시스템 및 이의 운전방법
CN111151094A (zh) 一种有机污染废气再生净化方法
KR20100088788A (ko) 복합 오염 물질 처리 장치
CN104815537B (zh) 一种臭氧结合光解过氧化物的VOCs脱除方法
US6921519B2 (en) Decomposition of fluorine containing compounds
US20030049182A1 (en) System and method for abatement of dangerous substances from a waste gas stream
KR101052064B1 (ko) 반도체생산 공정에서 배출되는 함불소가스를 효과적으로 분해하기 위한 흡착농축시스템과 결합된 열분해복합공정
KR101420082B1 (ko) 불화가스 분리 및 농축장치, 및 이를 이용한 불화가스 분리 및 농축방법
Brandenburg et al. Plasma-based depollution of exhausts: principles, state of the art and future prospects
KR101261439B1 (ko) Ｖｏｃ 처리시스템
KR101617691B1 (ko) 화학기상증착공정(cvd)으로부터 발생되는 폐가스 정화장치
Chen et al. Integration of plasma with catalyst for removing CF 4 from gas streams.
Qin et al. Highly efficient decomposition of CF4 gases by combustion
Ko et al. Microwave plasma conversion of volatile organic compounds
KR102506669B1 (ko) 증기 회수 시스템용 플라즈마 가스 처리 장치
KR102506656B1 (ko) 플라즈마 가스 처리 장치를 가지는 증기 회수 시스템
KR101977928B1 (ko) 촉매반응-산성가스제거반응 일체형 다단 pfc 처리용 장치 및 이를 이용한 pfc 처리 공정
SUDNICK et al. VOC control techniques
Ji et al. Purification mechanism of corona discharge coupled with dimethyl sulfoxide microemulsion for simultaneous desulfurization and denitrification

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20140701

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20150630

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160907

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170706

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180703

Year of fee payment: 8

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190902

Year of fee payment: 9