KR101494781B1 - 과불화 화합물 처리 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 과불화 화합물(perfluorinated compounds, PFCs)이 유입 후 유출되도록 형성되는 챔버와, 상기 챔버 내부에 전자빔을 조사하여 상기 과불화 화합물을 분해하도록 형성되는 전자빔 조사장치와, 상기 챔버의 내부에 설치되어 배면 상의 공간에 상기 전자빔이 직접적으로 조사되는 것을 방지하도록 이루어지는 차단막, 및 상기 차단막의 배면 상의 공간에 배치되어 상기 전자빔에 의하여 분해되지 않은 상기 과불화 화합물을 분해하도록 형성되며 상기 전자빔에서 발생되는 열에 의해 가열되어 활성이 향상되도록 이루어지는 촉매층을 포함하는 과불화 화합물 처리 시스템을 제공한다.

Description

과불화 화합물 처리 시스템{PERFLUORINATED COMPOUNDS TREATMENT SYSTEM}
본 발명은 전자빔 및 촉매를 이용하여 과불화 화합물을 처리하도록 이루어지는 시스템에 관한 것이다.
삼불화질소(NF3), 육불화황(SF6) 등의 과불화 화합물은 반도체 공정을 포함한 다양한 산업활동을 통해 발생된다. 과불화 화합물은 지구온난화지수[GWP(Global Warming Potential)]가 높은 온실가스이다. 이러한 과불화 화합물을 처리하기 위하여, 산화식, 연소식, 전기히터식, 플라즈마식 등의 기술들이 제안되고 있다.
산화식이나 연소식은, 과불화 화합물을 처리하기 위해서 약 1,000℃ 이상의 온도를 필요로 하고, 공기 중의 산소와 결합하여 SOx, NOx 등 주요 대기오염물질을 발생시킨다. 또한, 전기히터식이나 플라즈마식의 경우 에너지가 과다하게 소비되며, 특히 플라즈마식의 경우 많은 양의 과불화 화합물을 처리하기 어려운 문제가 있다.
이를 해결하기 위하여, 전자빔의 높은 에너지를 이용하여 과불화 화합물을 분해하고, 촉매를 이용하여 분해율을 높이는 기술이 제안되고 있다. 전자빔 조사장치를 통과한 가스는 촉매를 통과하게 되는데, 분해율을 향상시키기 위하여 촉매를 활성 온도까지 가열하기 위해서는 촉매에 별도의 에너지를 투입하여야 한다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 대한민국 공개특허공보 제10-2003-0086907호 (2003.11.12.)에 개시되어 있다.
본 발명은 보다 효율적이고 경제적으로 과불화 화합물을 처리할 수 있는 전자빔 및 촉매를 이용한 과불화 화합물 처리 시스템을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일 실시예와 관련된 과불화 화합물 처리 시스템은, 과불화 화합물(perfluorinated compounds, PFCs)이 유입 후 유출되도록 형성되는 챔버와, 상기 챔버 내부에 전자빔을 조사하여 상기 과불화 화합물을 분해하도록 형성되는 전자빔 조사장치와, 상기 챔버의 내부에 설치되어 배면 상의 공간에 상기 전자빔이 직접적으로 조사되는 것을 방지하도록 이루어지는 차단막, 및 상기 차단막의 배면 상의 공간에 배치되어 상기 전자빔에 의하여 분해되지 않은 상기 과불화 화합물을 분해하도록 형성되며 상기 전자빔에서 발생되는 열에 의해 가열되어 활성이 향상되도록 이루어지는 촉매층을 포함한다.
본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 차단막은, 상기 과불화 화합물이 상기 차단막의 일면 상의 공간을 흐른 뒤 방향이 전환되어 배면 상의 공간을 흘러 유출될 수 있도록, 상기 챔버 내에서 유로를 형성한다.
본 발명과 관련된 다른 일 예에 따르면, 상기 차단막은 상기 전자빔 조사장치와 마주보도록 배치된다.
본 발명과 관련된 또 다른 일 예에 따르면, 상기 차단막은 상기 전자빔을 반사시켜 상기 차단막의 일면 상의 공간 내의 상기 전자빔의 농도를 높이도록 형성된다.
본 발명과 관련된 또 다른 일 예에 따르면, 상기 촉매층은 상기 차단막의 배면에 장착된다.
본 발명과 관련된 또 다른 일 예에 따르면, 상기 과불화 화합물 처리 시스템은, 상기 챔버로부터 유출되는 가스를 분석하여, 상기 과불화 화합물의 농도가 기설정된 농도 이상인 경우 제1밸브를 열어 상기 가스가 상기 챔버로 유입되도록 하고, 상기 과불화 화합물의 농도가 기설정된 농도 이하인 경우 제2밸브를 열어 상기 가스를 방출시키도록 형성되는 가스분석기를 더 포함한다.
본 발명과 관련된 또 다른 일 예에 따르면, 상기 과불화 화합물은 반도체 공정에서 발생하는 난분해성 온실가스가 될 수 있다.
또한, 상기 과불화 화합물 처리 시스템은, 상기 과불화 화합물과 상기 반도체 공정에 이용되는 질소 가스를 혼합하여 상기 챔버로 유입시키도록 형성되는 가스혼합기를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 챔버 내부에 차단막이 설치되어 전자빔 조사 영역 및 전자빔 비조사 영역이 구획되고, 상기 전자빔 비조사 영역에 촉매층이 배치되어, 촉매층이 전자빔에서 발생되는 열에 의해 가열되도록 이루어진다. 따라서, 촉매층을 활성 온도까지 가열하기 위하여 별도의 에너지가 투입될 필요가 없어 보다 경제적인 시스템이 구축될 수 있으며, 촉매층의 활성화로 과불화 화합물의 분해율이 보다 향상될 수 있다. 이때, 전자빔은 촉매층에 직접 조사되지 않아 촉매층의 손상이 방지될 수 있다.
아울러, 차단막은 전자빔을 반사하도록 구성되어, 과불화 화합물의 분해 과정에 참여하는 전자빔의 농도를 높여 분해 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 가스분석기를 이용하여 과불화 화합물이 최종적으로 특정 농도 이하로 배출되도록 제어될 수 있다.
도 1은 본 발명과 관련된 과불화 화합물 처리 시스템의 일 예를 보인 개념도.
도 2는 도 1에 도시된 가스분석기의 가스 처리 방법을 보인 순서도.
이하, 본 발명에 관련된 과불화 화합물 처리 시스템에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.
도 1은 본 발명과 관련된 과불화 화합물 처리 시스템(100)의 일 예를 보인 개념도이다.
도 1을 참조하면, 과불화 화합물 처리 시스템(100)은 챔버(110), 전자빔 조사장치(120), 차단막(130) 및 촉매층(140)을 포함한다.
본 발명에서 처리하고자 하는 삼불화질소(NF3), 육불화황(SF6) 등의 과불화 화합물[PFCs(perfluorinated compounds)]은 반도체 공정을 포함한 다양한 산업활동을 통해 발생된다. 예를 들어, 과불화 화합물은 반도체 공정(예를 들어, 에칭 공정, 화학 증착 공정 등) 중에 발생하는 난분해성 온실가스가 될 수 있다.
챔버(110)는 과불화 화합물이 유입된 후 전자빔과 촉매층(140)에 의한 분해 과정을 거쳐 적절한 농도 이하로 유출되도록 형성된다. 상기 분해 과정은, 예를 들어, 2NF3→N2+3F2(불소를 불화수소로 유도하기 위하여 수소가 투입될 경우, 2NF3+3H2→N2+6HF), SF6→S+3F2(불소를 불화수소로 유도하기 위하여 수소가 투입될 경우, SF6+3H2→S+6HF)로 나타날 수 있다.
본 발명의 과불화 화합물 처리 시스템(100)이 반도체 공정을 통하여 발생된 과불화 화합물을 처리하는 것으로 가정하는 경우, 과불화 화합물은 반도체 공정에 이용되는 질소 가스와 혼합된 상태로 챔버(110)로 유입되게 된다. 다만, 상기 질소 가스는 과불화 화합물 처리 과정에서 반응을 일으키지는 않는다. 이때, 가스혼합기(160)는 과불화 화합물과 질소 가스를 일정한 농도로 혼합하여 챔버(110)로 유입시키도록 구성될 수 있다.
챔버(110)는 과불화 화합물이 유입 후 유출되도록 형성되며, 내부에는 차단막(130)이 설치되어 챔버(110)의 내부 공간을 전자빔 조사 영역(111) 및 전자빔 비조사 영역[112, 또는 촉매층(140) 영역]으로 구획한다. 챔버(110)로 유입되는 과불화 화합물 중 적어도 일부는 전자빔에 의해 분해된 후, 나머지의 적어도 일부는 촉매층(140)에 의해 분해되도록 구성된다.
전자빔 조사장치(120)는 챔버(110) 내부[구체적으로, 전자빔 조사 영역(111)]에 전자빔을 조사하여 과불화 화합물을 분해하도록 형성된다. 구체적으로, 전자빔 조사 영역(111)에 대응되는 챔버(110)의 외주면에는 전자빔이 통과 가능한 윈도우(113)가 형성된다. 윈도우(113)는, 예를 들어, 챔버(110)의 상단 개구부에 설치되는 티타늄 호일(titanium foil)이 될 수 있다. 전자빔 조사장치(120)는 윈도우(113)를 덮도록 설치되어 챔버(110) 내부에 전자빔을 조사하도록 이루어진다. 이때, 전자빔은 차단막(130)에 의해 차단되어 전자빔 조사 영역(111) 내에만 직접적으로 조사되게 된다.
차단막(130)은 챔버(110)의 내부에 설치되어, 배면 상의 공간[즉, 전자빔 비조사 영역(112)]에 전자빔이 직접적으로 조사되는 것을 방지하도록 이루어진다. 차단막(130)은, 과불화 화합물이 차단막(130)의 일면 상의 공간[즉, 전자빔 조사 영역(111)]을 흐른 뒤 방향이 전환되어 배면 상의 공간[즉, 전자빔 비조사 영역(112)]을 흘러 유출될 수 있도록, 챔버(110) 내에서 유로를 형성한다.
본 도면에서는, 차단막(130)이 전자빔 조사장치(120)와 마주보도록 배치된 것을 보이고 있다. 차단막(130)은 니켈 합금인 하스텔로이(hastelloy)로 형성될 수 있다.
차단막(130)은 전자빔을 반사하는 물질로 형성되어 전자빔 조사 영역(111)의 전자빔의 농도를 높이도록 형성될 수 있다. 이를 구현하기 위하여, 차단막(130)은 이리듐막, 비스무스막, 이리듐산화막, 산화비스무스막 등으로 구성될 수 있다. 상기 구조에 의하면, 과불화 화합물의 분해 과정에 참여하는 전자빔의 농도가 높아져 분해 효율이 향상될 수 있다.
챔버(110)의 전자빔 비조사 영역(112)에는 촉매층(140)이 배치되어 전자빔에 의해 분해되지 않은 과불화 화합물을 분해하도록 형성된다. 촉매층은 차단막(130)의 배면에 장착될 수 있으며, 전자빔 비조사 영역(112) 전체를 덮도록 충전될 수 있다.
본 도면에서는 구체적으로 도시되지 않았지만, 촉매층(140)은 복수 개로 구비되어 선택적으로 교체 가능하게 설치될 수도 있다. 복수의 촉매층(140)은, 전자빔의 직접적인 조사에 의한 손상이 방지되도록, 전자빔 조사장치(120)에서 조사되는 전자빔의 조사 방향과 주로 평행하도록 배치되는 것이 바람직하다. 상기 구조에 의하면, 손상이 비교적 빨리 일어나는 전자빔 조사 영역에 인접하여 설치되는 촉매층(140)만을 선택적으로 교체할 수 있으므로, 비용 및 폐기물이 저감될 수 있다.
촉매층(140)은 전자빔에서 발생되는 열에 의해 가열되어 활성이 향상되도록 이루어진다. 이때, 촉매층(140)은 전자빔이 직접적으로 조사되어 가열되는 것이 아니라, 전자빔 자체가 갖는 열을 직·간접적으로 전달받아 가열되게 된다. 촉매층(140)은 전자빔에 의해 가열된 챔버(110)로부터의 열전달에 의해 가열될 수도 있다.
상기 구조에 의하면, 촉매층(140)을 활성 온도까지 가열하기 위하여 별도의 에너지가 투입될 필요가 없어 보다 경제적인 시스템이 구축될 수 있으며, 촉매층(140)의 활성화로 과불화 화합물의 분해율이 보다 향상될 수 있다. 또한, 전자빔이 촉매층(140)에 직접 조사되지 않아 촉매층(140)의 손상이 방지될 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 가스분석기(150)의 가스 처리 방법을 보인 순서도이다.
도 2를 앞선 도 1과 함께 참조하면, 가스분석기(150)는 챔버(110)로부터 유출되는 가스를 분석하여, 일정 기준에 따라 상기 가스를 방출 또는 재처리하도록 이루어진다.
구체적으로, 가스분석기(150)는 챔버(110)로부터 유출되는 가스의 농도를 측정한다(S10). 상기 가스에 포함된 과불화 화합물의 농도가 기설정된 농도를 초과하는 경우 제1밸브(151)를 열어 상기 가스가 다시 챔버(110)로 유입되도록 하고(S20, S30), 과불화 화합물의 농도가 기설정된 농도 이하인 경우 제2밸브(152)를 열어 상기 가스를 방출시키도록 형성된다(S20, S40). 이러한 가스분석기(150)를 이용하여 과불화 화합물이 최종적으로 특정 농도 이하로 배출되도록 제어될 수 있다.
이상에서 설명한 과불화 화합물 처리 시스템은 위에서 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (8)

  1. 과불화 화합물(perfluorinated compounds, PFCs)이 유입 후 유출되도록 형성되는 챔버;
    상기 챔버 내부에 전자빔을 조사하여 상기 과불화 화합물을 분해하도록 형성되는 전자빔 조사장치;
    상기 챔버의 내부에 설치되어, 배면 상의 공간에 상기 전자빔이 직접적으로 조사되는 것을 방지하도록 이루어지는 차단막; 및
    상기 차단막의 배면 상의 공간에 배치되어 상기 전자빔에 의하여 분해되지 않은 상기 과불화 화합물을 분해하도록 형성되며, 상기 전자빔에서 발생되는 열에 의해 가열되어 활성이 향상되도록 이루어지는 촉매층을 포함하고,
    상기 차단막은, 상기 전자빔 조사장치와 마주보도록 일방향으로 연장되게 배치되어, 상기 과불화 화합물이 상기 차단막의 일면 상의 공간을 흐른 뒤 방향이 전환되어 배면 상의 상기 촉매층을 지나 유출될 수 있도록 상기 챔버 내에서 유로를 형성하며,
    상기 차단막은, 상기 전자빔에 의한 상기 과불화 화합물의 분해 효율이 향상될 수 있도록, 상기 전자빔을 반사시켜 상기 차단막의 일면 상의 공간 내의 상기 전자빔의 농도를 높이도록 형성되는 것을 특징으로 하는 과불화 화합물 처리 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 차단막은 이리듐막, 비스무스막, 이리듐산화막 또는 산화비스무스막으로 형성되는 것을 특징으로 하는 과불화 화합물 처리 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 촉매층은 상기 차단막의 배면에 장착되는 것을 특징으로 하는 과불화 화합물 처리 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 챔버로부터 유출되는 가스를 분석하여, 상기 과불화 화합물의 농도가 기설정된 농도 이상인 경우 제1밸브를 열어 상기 가스가 상기 챔버로 유입되도록 하고, 상기 과불화 화합물의 농도가 기설정된 농도 이하인 경우 제2밸브를 열어 상기 가스를 방출시키도록 형성되는 가스분석기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 과불화 화합물 처리 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 과불화 화합물은 반도체 공정에서 발생하는 난분해성 온실가스인 것을 특징으로 하는 과불화 화합물 처리 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 과불화 화합물과 상기 반도체 공정에 이용되는 질소 가스를 혼합하여 상기 챔버로 유입시키도록 형성되는 가스혼합기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 과불화 화합물 처리 시스템.
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