KR102089599B1

KR102089599B1 - 반도체 폐가스 처리장치

Info

Publication number: KR102089599B1
Application number: KR1020190084468A
Authority: KR
Inventors: 문기학
Original assignee: 성진엔지니어링(주)
Priority date: 2019-07-12
Filing date: 2019-07-12
Publication date: 2020-03-16

Abstract

본 발명은 반도체 폐가스 처리장치에 관한 것으로, 플라즈마 발생기의 플라즈마 화염 형태를 안정화시키고 낮은 전류로 운전 가능하도록 AC파워부를 통해 전력을 전달받을 수 있으며, 더불어 반도체 폐가스에 포함된 과불화 화합물은 물론, 질소산화물 역시 효율적으로 처리하여 환경오염을 방지할 수 있는 특징이 있다.

Description

반도체 폐가스 처리장치{WASTE GAS TREATMENT DEVICE FOR SEMICONDUCTOR}

본 발명은 반도체 폐가스 처리장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 플라즈마 발생기의 플라즈마 화염 형태를 안정화시키고 낮은 전류로 운전 가능하도록 AC파워부를 통해 전력을 전달받을 수 있으며, 더불어 반도체 폐가스에 포함된 과불화 화합물은 물론, 질소산화물 역시 효율적으로 처리하여 환경오염을 방지할 수 있도록 구성된 반도체 폐가스 처리장치에 관한 것이다.

일반적으로 과불화 화합물(Perfluoro compound)은 반도체 식각공정의 에칭제(etchant) 및 화학증착공정(chemical vapor deposition process)의 반응기(chamber) 세정제로 널리 쓰이는 가스이다.

그런데, 반도체공정에 사용되는 과불화 화합물은 공정중에 전량 소비되지 않기 때문에 미 반응 가스가 잔류되는 경우가 많고, 이에 더하여 부차적으로 생성되는 가스가 발생되는 경우도 있으며, 심지어는 원료 가스가 그대로 진공 펌프에서 배출되는 경우도 있다.

이러한 용도의 과불화 화합물로는 CF₄, CHF₃, NF₃, SF₆ 등이 사용될 수 있고, 더욱이 반도체 공정뿐만 아니라 종래에 사용되던 클로로-플루오로카본(chloro-fluorocarbon; CFC)을 대체하여 세정제, 에칭제, 용매, 반응원료등의 목적으로 사용되는 공정 및 작업장에서 배출되는 폐가스에도 포함될 수 있다.

비록 과불화 화합물이 종래에 사용되던 CFC보다도 안전하고 안정한 물질이지만 지구온난화 지수(global warming potential)가 이산화탄소 대비 수천∼수만 배로 매우 높다.

따라서, 과불화 화합물을 대기 중으로 배출하는 것은 환경 보호를 위해 규제의 대상이 되고 있고, 앞으로도 그 규제가 더욱 강화될 전망이다.

종래의 "수분리 냉각 장치를 구비한 플라즈마 스크러버 시스템 및 이를 이용한 유해가스 처리방법(대한민국 특허등록 제0821263호)"의 경우, 유해가스는 스크러버의 유해가스 유입챔버를 통과하여 열 플라즈마 발생기를 통과하면서 높은 온도에 의해 열분해 처리된다.

이후 열분해 처리된 가스는 스프레이 노즐을 통하여 분사되는 물과 2차로 반응하게 된다.

이 때 물과 반응하지 않은 잔류 가스(불산 가스)는 대기로 방출되는 문제점이 있으며, 또한 플라즈마를 발생시키기 위해 공급되는 질소의 일부는 산소와 반응하여 질소산화물을 생성되는데 이러한 질소산화물을 처리되지 못하고 대기로 방출되어 환경이 오염되는 문제점이 있었다.

대한민국 특허등록 제0821263호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 제 1목적은, 플라즈마 발생기의 플라즈마 화염 형태를 안정화시키고 낮은 전류로 운전 가능하도록 AC파워부를 통해 전력을 전달받을 수 있으며, 더불어 반도체 폐가스에 포함된 과불화 화합물은 물론, 질소산화물 역시 효율적으로 처리하여 환경오염을 방지할 수 있도록 구성된 반도체 폐가스 처리장치를 제공하는데 있다.

더 나아가 본 발명의 제 2목적은, 환원제공급부를 통해 질소산화물을 처리하고, 또한 반응기를 통해 배출되는 미반응 불산가스는 제1,2,3물분사부를 통해 다단으로 포집할 수 있도록 한 반도체 폐가스 처리장치를 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 특징에 따르면, 제1발명은, 반도체 폐가스 처리장치에 관한 것으로, 이를 위해 반도체 폐가스인 과불화 화합물이 공급되는 폐가스 공급관;과, 폐가스 공급관을 통해 유입된 과불화 화합물에 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생기;와, 플라즈마 영역에서 분해된 불산가스를 물과 반응시켜 불산수용액을 생성하는 반응기;와, 상기 반응기의 하부에 연설되어 불산수용액을 저장하는 수조탱크; 및 상기 반응기에서 물에 용해되지 않는 불산가스에 수조탱크의 물을 분사하여 잔여 불산가스를 제거하는 습식 스크러버;를 포함하여 이루어지되, 상기 수조탱크는 일정높이의 격벽을 통해 불산수용액이 저장되는 제1탱크와, 습식 스크러버 및 반응기로 공급되는 순환수가 저장된 제2탱크로 분리 구성되고, 상기 격벽에는 불산수용액을 필터링하여 제2탱크로 유출하기 위해 필터부가 설치되며, 상기 제2탱크의 천정에는 미반응된 불산가스를 제거하기 위해 제1탱크 방향으로 분사되는 제1물분사부가 설치되고, 상기 제1탱크의 천정에는 제1물분사부에 의해 불산가스의 성분이 포함된 물이 비산되는 것을 방지하기 위해 제1물분사부 방향으로 분사되는 제2물분사부가 설치되어 미반응된 불산가스의 용해를 가일층 증대시킬 수 있도록 구성되고, 상기 반응기와 수조탱크의 사이에는 질소산화물을 제거할 수 있도록 환원제공급부가 연설되되, 상기 환원제공급부는 반응기와 수조탱크에 각각 연결되는 플랜지를 갖는 관체와, 상기 관체에 둘레면에 연결되어 서로 다른 성분의 환원제를 공급하는 제1공급라인 및 제2공급라인을 포함하고, 상기 각 제1,2공급라인에서 분사되는 상기 환원제는 서로 다른 NH₄OH 또는 Na₂S 중 선택되는 어느 하나이고, 상기 각 제1,2공급라인에는 체크밸브가 장착되어 질소산화물의 배출온도에 의해 선택되는 환원제를 분사할 수 있도록 구성되고, 상기 플라즈마 발생기는 플라즈마 화염의 형태를 안정화시키고, 낮은 전류로 운전 가능하도록 AC파워부를 통해 전력을 전달받는 것을 특징으로 한다.

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본 발명의 반도체 폐가스 처리장치에 따르면, 반응기에서 미반응된 불산가스를 수조탱크와, 습식 스크러버도 2단 처리하여 불산가스의 배출량을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

또한 플라즈마 발생기는 AC파워부를 통해 전력을 전달받아 플라즈마 화염 형태를 안정화시키고, 플라즈마가 off시 자동으로 재점화 운전이 용이하고, 안정된 전력을 유지할 수 있으며, 운전 전류가 낮아 열손실이 적고, 전력 사용량에 대한 부담이 감소되는 효과가 있다.

또한 상기 반응기와 수조탱크의 사이에 환원제공급부를 연결시켜 질소산화물의 배출온도에 따라 촉매의 성분을 다르게 분사시켜 질소산화물를 효과적으로 제거할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 반도체 폐가스 처리장치의 구성도,
도 2는 도 1에서 발췌된 습식 스크러버를 도시한 나타낸 확대도,
도 3은 도 1에서 발췌된 환원제공급부를 도시한 사시도이다.

이하의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.

오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.

본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는 데 있어 혼돈을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.

도 1은 본 발명에 따른 반도체 폐가스 처리장치의 구성도이고, 도 2는 도 1에서 발췌된 습식 스크러버를 도시한 나타낸 확대도이고, 도 3은 도 1에서 발췌된 환원제공급부를 도시한 사시도이다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명은 플라즈마 발생기의 플라즈마 화염 형태를 안정화시키고 낮은 전류로 운전 가능하도록 AC파워부를 통해 전력을 전달받을 수 있으며, 더불어 반도체 폐가스에 포함된 과불화 화합물은 물론, 질소산화물 역시 효율적으로 처리하여 환경오염을 방지할 수 있도록 구성된 반도체 폐가스 처리장치에 관한 것이다.

본 발명을 설명하기에 앞서,"과불화 화합물"은 탄소와 불소로 이루어진 탄화수소로서 수소 대신 불소가 치환돼 과불화(-CnF2n+1)된 알킬화합물질을 총칭하는 개념이다. 구체적으로, 상기 과불화 화합물은 CF₄, CHF₃, C₂F₆, C₃F₈, C₄F₈, C₄F₁₀, C₅F₈, SF₆, NF₃ 또는 이의 조합일 수 있다.

또한 질소산화물(NOx)은 질소의 일부가 산소와 반응하여 생성되는 물질로 대표적인 오염 물질이 일산화질소(NO)와 이산화질소(NO₂)일 수 있다.

본 발명의 반도체 폐가스 처리장치는 크게 5개 부분으로 구성되는데, 이는 폐가스 공급관(10)과, 플라즈마 발생기(20)와, 반응기(30)와, 수조탱크(40) 및 습식 스크러버(50)로 구성된다.

상기 플라즈마 발생기(20)는 플라즈마를 형성하기 위하여 질소공급관(11)이 연결되고, 더불어 폐가스 공급관(10)을 통해 유입된 과불화 화합물에 물을 분사할 수 있도록 물공급관(12)이 더 연결되는 구성이다.

이 때 플라즈마 발생기(20)는 플라즈마를 발생시키기 위해 공급되는 질소의 일부는 산소와 반응하여 질소산화물을 생성하게 된다.

아울러 상기 플라즈마 발생기(20)는 물은 불소(F)이온이 포함된 가스를 그대로 놓아두게 되면 플라즈마 상태에서는 분해되어있는 상태로 된다고 할 수 있지만, 플라즈마 영역을 벗어난 상태에서는 다시 탄소(C)와 황(S)과 같은 성분과 결합하여 다시 과불화 화합물의 성상으로 되돌아가는 현상을 막고자 하는 것이다.

아울러 상기 플라즈마 발생기(20)는 플라즈마 화염의 형태를 안정화시키고, 은 전류로 운전 가능하도록 AC파워부(70)를 통해 전력을 전달받는 구조이다.

이러한 AC파워부(70)는 DC파워부에 비해 플라즈마가 off시 자동으로 재점화 운전이 용이하고, 안정된 전력을 유지할 수 있으며, 운전 전류가 낮아 열손실이 적고, 전력 사용량에 대한 부담이 감소되는 효과가 있다.

상기 반응기(30)는 플라즈마가 형성되는 것으로, 이러한 반응기(30)의 내부에서는 플라즈마 영역에서 분해된 불소(F)이온이 물과 반응하여 불산(HF)가스를 형성하고, 더불어 불산가스는 물입자에 용해되어 불산수용액 상태로 수조탱크(40)에 낙하된다.

상기에서 물입자에 용해되지 않은 불산가스는 상기 반응기(30)의 하부에 연설되는 수조탱크(40)에 의해 1차 제거 처리된다.

여기서 상기 수조탱크(40)는 일정높이의 격벽(43)을 통해 반응기에서 배출되는 불산수용액이 저장되는 제1탱크(41)와, 습식 스크러버(50)로 공급되는 순환수가 저장되는 제2탱크(42)로 분리 구성된다.

또한 상기 수조탱크(40)에는 내부에 격벽(43)을 마련하여 반응기(30)에서 유입되는 불산수용액의 불산 성분을 침전시키고, 격벽(43)으로 월류되는 불산 함유량이 적은 물이 반응기(30)의 냉각수로도 공급될 수 있도록 구성된다.

아울러 수조탱크(40)의 제1탱크(41)와 제2탱크(42)에는 레벨센서(44)가 더 구비될 수 있고, 상기 레벨센서(44)를 통해 만수위(滿水位)에 의해 잔류 불산가스의 이동 경로가 차단되는 것을 방지하는 한편, 내부 수위가 고수위일 경우, 이를 배출하기 위해 제1탱크(41)에는 배출드레인(411)이 더 연결된다. 또한 제2탱크(42)에는 습식 스크러버(50)또는 반응기(30)에 순환수를 공급하기 위해 순환수라인(421) 및 펌프(미도시)가 연결될 수 있다.

또한 상기 격벽(43)에는 제1탱크(41)의 수위가 낮을 경우에도 제2탱크(42)로 순환수를 공급하기 위해 필터부(431)가 형성될 수 있다.

여기서 상기 격벽(43)의 상부 공간으로는 물입자에 용해되지 않은 불산가스가 유도 배출되는데, 이 때 제2탱크(42)의 천정에는 미반응된 불산가스를 1차 제거하기 위해 제1물분사부(423)가 더 설치된다.

이러한 제1물분사부(423)는 제1탱크(41) 방향으로 물이 분사되어 미반응된 불산가스 용해하는 기능을 한다.

그리고 상기 제1탱크(41)의 천정에는 제1물분사부(423)에 의해 불산가스가 용해된 물이 비산되는 것을 방지하기 위해 제2탱크(42) 방향으로 물이 분사되는 제2물분사부(412)가 설치된다.

상기 제2물분사부(412)는 불산가스가 용해된 물이 비산되는 것을 방지하는 것과 더불어, 수조탱크(40)의 불산가스 유입 영역에서 제1물분사부(423)의 물입자와 충돌시켜 물입자의 체류시간을 증대시켜 불산가스의 용해를 더욱 활성할 수 있는 부가적인 기능을 겸한다.

또한 제2탱크(42)에는 내부 수위가 저수위일 경우, 물을 공급하기 위한 워터라인(422)이 부분 수장되어 구성될 수 있다.

한편, 도 3과 같이, 상기 반응기(30)와 수조탱크(40)의 사이에는 질소산화물을 제거할 수 있도록 환원제공급부(60)가 연설된다.

상기 환원제공급부(60)는 반응기(30)와 수조탱크(40)에 각각 연결되는 플랜지(611)를 갖는 관체(61)와, 상기 관체(61)에 둘레면에 연결되어 서로 다른 성분의 환원제를 공급하는 한쌍의 제1공급라인(62) 및 제2공급라인(63)을 포함하여 구성된다.

상기 각 제1,2공급라인(62,63)에서 분사되는 상기 환원제는 서로 다른 NH₄OH 또는 Na₂S 중 선택되는 어느 하나 일 수 있다.

여기서 상기 각 제1,2공급라인(62,63)에는 체크밸브(64)가 장착되어 질소산화물의 배출온도에 따라 선택되는 어느 하나의 환원제를 분사할 수 있도록 구성된다.

예를 들어 질소산화물의 배출온도가 800℃ ~ 1000℃의 경우에는 NH₄OH가 제1공급라인(62)을 통해 분사되어 아래와 같은 [화학식 1]의 반응에 의해 질소와 물로 변환시킬 수 있다.

[화학식 1]

2NO + 2NH₄OH + O₂ → N₂ + H₂O

2NO₂ + 4NH₄OH +O₂ → 3N₂+ 10H₂O

아울러 냉각자켓과 같은 냉각수단을 통해 질소산화물의 배출온도를 80℃ ~ 100℃의 범위로 낮출 경우, Na₂S가 제2공급라인(63)을 통해 분사되어 아래와 같은 [화학식 2]의 반응에 의해 질소와 황산나트륨으로 변환시킬 수 있다.

[화학식 2]

Na₂S + N₂x → N₂ + Na₂SO₄

상술된 바와 같이, 환원제공급부(60)는 환원제를 통해 NOx 역시 효율적으로 처리하여 환경오염을 방지할 수 있게 된다.

아울러 상기 제2탱크(42)는 상부에는 순환수라인(421)을 통해 순환수가 분사되는 습식 스크러버(50)가 연결되어 수조탱크(40)에서 처리하지 못한 불산가스를 2차로 제거할 수 있도록 구성된다.

상기 습식 스크러버(50)는 불산을 흡착하는 습식칼럼(wet packing column)과, 상기 습식칼럼(51)의 상부에 배치되는 제3물분사부(52)로 구성된다.

상기에서 습식 스크러버(50)는 통상의 공지된 기술이고, 습식칼럼(51)은 충진되는 물질은 제한하지 않으나, 불산 등과 같은 산화성 가스의 흡착, 분해 가능한 공지의 충진제를 사용할 수 있다.

본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

10: 폐가스 공급관 11: 질소공급관 12: 물공급관
20: 플라즈마 발생기
30: 반응기
40: 수조탱크 41: 제1탱크 411: 배출드레인
412: 제2물분사부
42: 제2탱크 421: 순환수라인
422: 워터라인 423: 제1물분사부
43: 격벽 431: 필터부
44: 레벨센서
50: 습식 스크러버 51: 습식칼럼 52: 제3물분사부
60: 환원제공급부 61: 관체 611: 플랜지
62: 제1공급라인 63: 제2공급라인
64: 체크밸브
70: AC파워부

Claims

반도체 폐가스인 과불화 화합물이 공급되는 폐가스 공급관(10);
폐가스 공급관(10)을 통해 유입된 과불화 화합물에 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생기(20);
플라즈마 영역에서 분해된 불산가스를 물과 반응시켜 불산수용액을 생성하는 반응기(30);
상기 반응기(30)의 하부에 연설되어 불산수용액을 저장하는 수조탱크(40); 및
상기 반응기(30)에서 물에 용해되지 않는 불산가스에 수조탱크(40)의 물을 분사하여 잔여 불산가스를 제거하는 습식 스크러버(50);를 포함하여 이루어지되,
상기 수조탱크(40)는 일정높이의 격벽(43)을 통해 불산수용액이 저장되는 제1탱크(41)와, 습식 스크러버(50) 및 반응기(30)로 공급되는 순환수가 저장된 제2탱크(42)로 분리 구성되고,
상기 격벽(43)에는 불산수용액을 필터링하여 제2탱크(42)로 유출하기 위해 필터부(431)가 설치되며,
상기 제2탱크(42)의 천정에는 미반응된 불산가스를 제거하기 위해 제1탱크(41) 방향으로 분사되는 제1물분사부(423)가 설치되고,
상기 제1탱크(41)의 천정에는 제1물분사부(423)에 의해 불산가스의 성분이 포함된 물이 비산되는 것을 방지하기 위해 제1물분사부(423) 방향으로 분사되는 제2물분사부(412)가 설치되어 미반응된 불산가스의 용해를 가일층 증대시킬 수 있도록 구성되고,
상기 반응기(30)와 수조탱크(40)의 사이에는 질소산화물을 제거할 수 있도록 환원제공급부(60)가 연설되되,
상기 환원제공급부(60)는 반응기(30)와 수조탱크(40)에 각각 연결되는 플랜지(611)를 갖는 관체(61)와, 상기 관체(61)에 둘레면에 연결되어 서로 다른 성분의 환원제를 공급하는 제1공급라인(62) 및 제2공급라인(63)을 포함하고,
상기 각 제1,2공급라인(62,63)에서 분사되는 상기 환원제는 서로 다른 NH₄OH 또는 Na₂S 중 선택되는 어느 하나이고,
상기 각 제1,2공급라인(62,63)에는 체크밸브(64)가 장착되어 질소산화물의 배출온도에 따라 선택되는 환원제를 분사할 수 있도록 구성되고,
상기 플라즈마 발생기(20)는 플라즈마 화염의 형태를 안정화시키고, 낮은 전류로 운전 가능하도록 AC파워부(70)를 통해 전력을 전달받는 것을 특징으로 하는 반도체 폐가스 처리장치.
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