KR102059265B1 - 반도체 제조 공정으로부터 오염물질 처리 장치 - Google Patents

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Abstract

반도체 제조 공정으로부터의 오염 물질을 처리하는 장치가 제공된다. 이는 폐가스의 흐름 방향으로 길이방향이 배치되는 봉형의 방전극과, 방전극에 대면하는 면이 평면 또는 곡면인 판형 전극을 포함한다. 상온의 공기 분위기에서 전극들에 수십 KV의 전압과 상기 방전극에 5,000 내지 8,000Hz의 고주파수를 인가하여 폐가스에 오존을 포함하는 플라즈마를 다량 발생시킨다.

Description

반도체 제조 공정으로부터 오염물질 처리 장치{POLLUTANT PROCESSING APPARATUS FROM SEMICONDUCTOR MANUFACTURING PROCESS}
본 발명은 오염물질 처리 분야에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반도체 제조 공정으로부터 발생하는 복합 오염물질에 대한 처리 장치에 관한 것이다.
반도체 제조 공정은 수많은 화학물질을 사용하기 때문에 다양한 오염물질이 배출된다. 반도체 제조 공정에서는 대량의 분진 및 가스상 물질들을 포함하는 복합 오염물질은 기존의 필터나 스프레이 방식만의 단독 처리로는 한계가 있다. 특히, 배출되는 복합 오염물질에는 질소산화물(NOx)이 주 성분으로 포함되어 있으며, 그 농도는 높지 않은 편이지만 산업 시설들이 통상 밀집하여 있기 때문에 주로 배출 총량이 문제가 되고 있다.
현재 질소산화물을 포함하는 복합 오염물질의 처리는 주로 촉매를 이용하는 기술이 적용되고 있으나 이는 운전 중 과도한 에너지의 사용과 촉매가 고가라는 점에서 효율이 높다고 할 수 없다. 특히, 생산 시설에서는 원활한 가스 처리 위해 적절한 유속이 확보되어야 하는데, 이를 위해서는 촉매를 이용한 처리 장치 경우 사이즈를 더 키워야 하는 문제도 있기 때문에, 대체 기술이 필요하다고 할 수 있다.
한국특허공개 10-2000-0072247
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 감안한 것으로서, 상온 플라즈마를 이용하는 반도체 제조 공정으로부터의 오염 물질을 처리하는 장치를 제공한다.
본 발명은 반도체 제조 공정으로부터의 오염 물질을 처리하는 장치를 제공하며, 이는: 폐가스의 흐름 방향으로 길이방향이 배치되는 봉형의 방전극; 및 상기 방전극에 대면하는 면이 평면 또는 곡면인 판형 전극;을 포함하고, 상온의 공기 분위기에서 상기 전극들에 수십 KV의 전압과 상기 방전극에 5,000 내지 8,000Hz의 고주파수를 인가하여 상기 폐가스에 플라즈마를 발생시킨다.
상기 판형 전극은 원통형이고, 상기 방전극은 상기 원통형의 통 내부에 삽입된다.
상기 방전극은 상기 길이방향으로 배열된 다수개의 방전침 구조를 가진다.
상기 방전극과 상기 판형 전극을 포함하는 플라즈마 반응의 단위 구조는 내경 100 내지 200mm를 가지거나, 바람직하게는 150mm를 가질 수 있다.
상기 인가되는 고주파수는 7,500Hz일 수 있다.
본 발명에 따르면, 상온 플라즈마를 이용한 반도체 제조 공정의 배가스 처리 장치가 제공된다. 반도체 제조 공정에서 발생하는 배가스가 상온이며 다량의 NOx를 포함하고 있기 때문에, 오존을 발생시키는 본 발명의 장치가 개별 공정 장치에 연결되거나 근접한 위치에 배치되어 효과적으로 배가스 중의 NO 등을 산화시킬 수 있다. 또한, 본 발명은 개별 공정 장치에 연결되어 적합한 유속을 유지할 수 있는 사이즈를 제시한다. 이는 본 발명의 플라즈마 장치가 POU 장치로 적합하게 이용될 수 있다는 것을 의미하며, 기존 설비 레이아웃을 크게 변경하지 않고서 추가적으로 배치될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 제조 공정으로부터의 오염 물질을 처리하는 장치의 주요부를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 제조 공정으로부터의 오염 물질을 처리하는 장치의 동작을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 장치를 이용한 오존 발생의 결과를 보여주는 그래프이다.
도 4a 내지 4b는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 제조 공정으로부터의 오염 물질을 처리하는 장치에 채용되는 방전극의 예를 도시한 도면이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명은 상온 플라즈마를 이용하여 반도체 제조 공정으로부터의 오염 물질을 처리하는 장치를 제공한다. 반도체 제조 공정은 질소산화물을 포함하는 다양한 오염물질을 포함하는 복합 오염물질의 처리는 산화 반응과 환원 반응을 모두 진행하여야 하며, 그 때문에 촉매 또는 흡착제를 이용하여 처리하는 방식은 전체 배가스 처리 시스템의 규모가 복잡하고 커질 수밖에 없다. 본 발명에서는 상온 플라즈마를 이용하여 오존 등을 발생시켜서 복합 오염물질의 산화 및 이온화 처리를 수행할 수 있는 장치를 제공한다. 상온 플라즈마를 이용한 오염물질 처리 장치에서는 오존 발생량이 핵심 요소라고 할 수 있으며, 본 발명에서는 최적의 플라즈마 반응 단위 구조를 제시한다.
본 발명의 실시예에서, 상온 플라즈마 반응기의 단위 구조는 원통형의 평판 전극과 그 통 내부에 길이방향으로 삽입되는 봉형의 방전극을 포함할 수 있다. 봉형의 방전극에는 길이방향으로 배열된 방전침 구조를 포함할 수 있다. 이러한 방전침 구조는 강한 방전이 발생하여 오존 발생량을 최대화 할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 플라즈마 반응기의 단위 구조의 사이즈를 제시하며, 이 각 요소의 사이즈가 최적으로 도출된다. 이러한 단위 구조는 인가 전압 및 주파수와 상관 관계 및 생산 시설 레이아웃에서 차지할 수 있는 점유 면적과 설치 용이성을 감안하여 도출하며, 최대의 오존 발생량의 목표로 한다.
예를 들어, 단위 구조의 사이즈는 내경 150mm와 길이 1,000mm의 원통형의 판형 전극과 원통형의 판형 전극의 통 내에 삽입된 방전극을 포함한다. 이 경우, 인가 전압은 수 KV의 전압과 상기 방전극에 5,000 내지 8,000Hz의 고주파수일 때 최대 오존 발생량을 얻을 수 있다. 이러한 반응기 단위 구조의 사이즈는 플라즈마 장치를 반도체 제조 설비의 개별 장치로부터의 배가스를 적정한 유속을 유지하면서 처리하기에 적합하다. 또한, 필요에 따라서는 상술한 단위 구조를 병렬이나 직렬로 연결하여 처리 용량을 늘릴 수 있다. 또한, 실시예에서의 반응기 단위 구조는 POU 장치로 배치되어 1차 처리를 수행하고, 처리된 가스를 후속 배가스 처리 장치에 전달하는데 바람직하게 적용될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 고방전을 구현할 수 있는 다양한 방전극의 방전침 구조를 제시한다.
본 발명의 실시예에서, 장치는 상온의 공기 중에서 플라즈마를 발생시켜서 오존(O3)을 생성한다. 따라서, 필요에 따라서는 산소(O2)를 추가적으로 유입시키는 구성을 장치에 더 포함시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 제조 공정으로부터의 오염 물질을 처리하는 장치의 동작을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 장치는, 아래와 반응식과 같이 오존을 발생시킨다.
2O2 + Plasma "e" ⇒ O3(오존) + O(활성산소)
이렇게 발생된 오존과 활성산소는, 도 2 및 표 1에 도시한 바와 같이, 반도체 제조 공정으로부터의 배가스 중에서 아래와 같은 주요 성분에 대한 반응을 유발한다.
물질 반응식 비고
NO NO + O3 + Plasma "e" ⇒ NO2 - + O2 산화
CO CO + O + Plasma "e" ⇒ CO2 활성 산소와 반응
THC THC + O3 + Plasma "e" ⇒ THC + CO2 + H2O 산화 또는 이온화 후 흡수
이상과 같은 본 발명의 장치는 오존과 플라즈마 에너지를 이용하여 NO, 악취 가스 등을 산화시키며, 일부 악취가스는 NO에 대한 촉매 반응을 일으킨다.
이하는 도 1을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 반도체 제조 공정으로부터의 오염 물질을 처리하는 장치를 설명한다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 제조 공정으로부터의 오염 물질을 처리하는 장치의 주요부를 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 반도체 제조 공정으로부터의 오염 물질을 처리하는 장치는 봉형의 방전극(10)과 판형 전극(20)을 포함한다. 판형 전극(20)은 방전극(10)에 대면하는 면이 평면인 평면판 또는 곡면인 곡면판일 수 있으며, 바람직하게는 곡면이 대면하는 원통형이다.
봉형의 방전극(10)은 원통형의 판형 전극(20)의 삽입된다. 도시한 실시예에서와 같이, 봉형의 방전극(10)은 원통형의 판형 전극(20)의 길이방향과 길이방향이 일치하도록 삽입된다. 본 발명의 장치에서는 처리될 폐가스가 원통형의 판형 전극(20)의 통 내부로 유입되어 흐르게 되며, 그러므로 봉형의 방전극(10)은 그 길이방향이 폐가스의 흐름 방향으로 배치된다고 할 수 있다.
방전극(10)은 그 길이방향으로 배열된 복수개의 방전침 구조(11)를 포함한다. 방전침 구조(11)는 아래에서 설명하는 바와 같이 다양한 형태가 적용될 수 있다.
원통형의 판형 전극(20)은 내경(A)이 100 내지 200mm, 바람직하게는 150mm일 수 있으며, 이는 반도체 제조 시설의 개별 장치에 연결되어 그로부터 배출되는 폐가스의 유속을 낮추지 않고 원활한 흐름을 유지하면서 처리가 가능하다. 내경(A)이 100mm 보다 작으면 흐름이 정체될 가능성이 크고, 200mm 보다 크면 필요 이상의 에너지 소모가 있을 수 있다.
내경(A)이 정해지면, 길이, 단위 구조의 면적, 단위 면적 당 방전침 구조(11)의 수, 및 인가 전압과 주파수를 포함하는 변수들의 범위를 현장 상황에 적합하게 산정할 수 있다. 이를테면, 본 발명의 플라즈마 장치는 공정 장비에 직접 연결 또는 상대적으로 가까운 위치에 배치되어 산화 처리를 수행하는 POU(point of user) 장치로 이용하기에 적합하기 때문에, 판형 전극(20)의 길이(B)는 700 내지 1,400mm, 바람직하기는 1,000mm이다. 길이(B)가 너무 길면 기설치되어 운영 중인 공정 설비에서 설치 제약이 크고, 너무 짧으면 충분한 오존 발생이 이루어지지 않는다. 이렇게 얻어지는 단위 면적에 대해서 30개 내지 120개의 방전침 구조(11)를 배치할 수 있고, 방전 거리(C)는 40 내지 70mm이다. 본 발명에서 채용되는 방전침 구조와 높은 주파수 인가는 매우 효과적으로 높은 방전이 구현될 수 있어서 상온 플라즈마를 발생시킬 수 있고 전체 장치의 사이즈 축소가 구현될 수 있다. 인가 전압은 30,000 내지 34,000V일 수 있고, 인가 주파수는 6,000 내지 7,500Hz, 바람직하게는 7,500Hz이다.
아래 표 2는 판형 전극(20)이 150mm 내경(A)을 가지고, 방전극(10)의 방전침 구조(11)가 42개인 반응기를 이용하여 인가 전압 30,000 내지 34,000V와 인가 주파수 6,000 내지 7,500Hz에서의 발생되는 오존의 량을 조사한 결과이고, 도 3은 그를 그래프로 나타낸 것이다.
150mm 내경(A)의 원통형 반응기, 방전핀 구조 수량 42개의 전극봉
전압(V) 전압에 따른 주파수 별 O3 농도 (ppm) 비고
6000Hz 6500Hz 7000Hz 7500Hz 유량
2CMM
30000 16 19.4 29.5 58.8
31000 23.9 43.3 46.4 81.4
32000 48.5 55.5 66.3 113.8
32500 57.9 71.2 82 127.9
32700 68.2 82.7 86.7 132.8
33000 76.8 91.2 101.2 (잦은 arc 발생)
33200 86.4 109.1 104.5
33400 101.2 95.7 124.8
33500 G/arc 102.5 126
33600 99.8
(잦은 arc 발생)		 118
(잦은 arc 발생)
표 2와 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 인가 전압과 인가 주파수가 높을수록 오존 발생량이 증가하는 경향을 보인다. 다만, 각 주파수마다 어느 전압을 넘어설 때 오히려 오존 발생량이 감소하거나 아크 발생이 발생되는 것을 알 수 있다. 또한, 인가 주파수가 높을수록 오존 발생 하한치가 높다는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 방전침 구조를 가지는 플라즈마 장치에서는 가장 높은 주파수(7,500Hz)를 인가하는 것이, 가장 높은 오존 발생량을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 안정적이고 예측 가능한 제어가 가능하다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 반도체 제조 공정으로부터의 오염 물질을 처리하는 장치에 채용되는 방전극(10)의 예를 나타낸 도면이다. 도 4a 내지 4d에서는 방전침 구조(11)에 대해서는 모두 동일한 도면부호를 부여하였다.
도 4a에서 상위 도면은 사시도이고, 하위 좌측과 우측 도면은 각각 Ⅰ-Ⅰ'와 Ⅱ-Ⅱ'에 따른 단면도이다. 도 4a는 소위 수직 톱니형의 방전침 구조(11)이며, 봉을 중심으로 상하의 한 쌍을 1개로 하여 2개의 첨단부를 갖는 형태이다. 수직 톱니형은 상대적으로 적은 수의 방전침에 적합하고, 또한 부착 과정이 간소하다는 장점이 있다. 도 4b에서 상위 도면은 사시도이고, 하위 좌측과 우측 도면은 각각 Ⅲ-Ⅲ'과 Ⅳ-Ⅳ'에 따른 단면도이다. 도 4b는 톱니형으로서 개별 방전침 구조(11)에 작은 첨단부가 많이 구비된 형태를 가지며, 많은 방전 지점을 부여할 수 있다. 도 4c 및 도 4d에서 상위 도면은 사시도이고, 하위 좌측과 우측 도면은 각각 Ⅴ-Ⅴ', Ⅶ-Ⅶ'과 Ⅵ-Ⅵ', Ⅷ-Ⅷ'에 따른 단면도이다. 도 4c와 도 4d는 별형 방전침 구조(11)이다.
이러한 방전침 구조(11)를 가지는 봉형 방전극(10)은 고주파수가 인가될 때 강한 방전이 이루어질 수 있고, 그럼으로써 오존 발생량을 높일 수 있다.
이상과 같은 본 발명의 반도체 제조 공정으로부터의 오염 물질을 처리하는 장치는 상온 플라즈마를 이용하여 반도체 제조 공정에서 발생하는 복합 오염물질을 효과적으로 처리할 수 있다. 특히, 본 발명의 장치는 각 공정 장비에 POU 장치로 연결될 수 있도록 작은 사이즈 구현이 가능하면서도 반도체 공정으로부터 발생되는 복합 오염물질에 대하여 매우 효과적인 처리가 가능하다. 반도체 공정으로부터 발생되는 오염물질들은 상온의 배가스가 배출되기 때문에, 본 발명의 상온 플라즈마 장치가 바람직하게 사용될 수 있다. 또한, 반도체 공정으로부터의 복합 오염물질은 VOC, NOx, Dust, Mist, HF, 악취, 가연성 가스 등 다양한 성분들을 포함하고 또한 NOx 성분의 비중이 높아서 본 발명의 상온 플라즈마 장치가 공정 장치와 근접한 위치에 POU 장치로 설치된다면 NOx를 처리한 후 후위의 다른 처리 장치로 전달할 수 있을 것이다.
이상, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명하다 할 것이다.
10: 방전극, 11: 방전침 구조, 20: 판형 전극, A: 내경, B: 길이, C: 방전
거리

Claims (6)

  1. 반도체 제조 공정으로부터의 오염 물질을 처리하는 장치로서:
    폐가스의 흐름 방향으로 길이방향이 배치되는 봉형의 방전극; 및 상기 방전극이 삽입되고 100 내지 200mm의 내경과 700 내지 1000mm의 길이를 가지는 원통형의 판형 전극;를 포함하는 방전 단위구조를 포함하며,
    상온의 공기 분위기에서 상기 전극들에 수십 KV의 전압과 상기 방전극에 5,000 내지 8,000Hz의 고주파수를 인가하여 상기 폐가스에 플라즈마를 발생시키고,
    상기 방전극은 길이방향으로 배열된 다수개의 방전침 구조를 포함하며, 상기 방전침 구조는 원판과 원판의 둘레 방향을 따라 배열된 복수개의 첨단부를 구비하며,
    봉형 방전극의 방전침의 첨단부와 상기 판형 전극의 내면과의 거리인 방전 거리가 40 내지 70mm인, 반도체 제조 공정으로부터의 오염 물질을 처리하는 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 방전극과 상기 판형 전극을 포함하는 플라즈마 반응의 단위 구조는 내경 150mm를 가지는 것인, 반도체 제조 공정으로부터의 오염 물질을 처리하는 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 인가되는 고주파수는 7,500Hz인, 반도체 제조 공정으로부터의 오염 물질을 처리하는 장치.
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KR102431280B1 (ko) 2022-03-25 2022-08-11 주식회사 한강이앰피 마이크로웨이브 스팀 플라즈마를 이용한 대기오염물질 저감장치

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