KR102114039B1 - 증착 공정 가스와 클리닝 가스를 분리 처리하는 하이브리드 스크러버 및 상기 하이브리드 스크러버의 운용 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 하이브리드 스크러버는 반도체 공정 챔버에 연결되는 가스 공급 배관 상에 연결되는 콜드 트랩; 및 상기 콜드 트랩에 연결되는 복수의 스크러버 챔버;를 포함하고, 상기 복수의 스크러버 챔버는, 상기 콜드 트랩의 후단에 직접 연결되는 제1 건식 스크러버 챔버, 상기 제1 건식 스크러버 챔버와의 격리된 상태에서 클리닝 가스 유입 배관 상에 연결되는 제2 건식 스크러버 챔버 및 상기 제2 건식 스크러버 챔버에 직접 연결되는 제3 건식 스크러버 챔버를 포함하고, 상기 콜드 트랩은 상기 건식 스크러버 챔버 상에 수용되는 약제의 보호를 위해 고형 by-product를 제거하며, 상기 제1 건식 스크러버 챔버는 TEOS의 반응 부산물인 탄화수소 화합물을 제올라이트로 흡착 제거하고, 상기 제2 건식 스크러버 챔버는 Ca(OH)2으로 F2 가스를 제거하며, 상기 제3 건식 스크러버 챔버는 상기 제2 건식 스크러버 챔버에서 미제거된 NF3를 분해 흡착하여 제거한다.

Description

증착 공정 가스와 클리닝 가스를 분리 처리하는 하이브리드 스크러버 및 상기 하이브리드 스크러버의 운용 시스템{Hybrid scrubber for separating and processing of deposition process gas and cleaning gas and system for operating the hybrid scrubber}

본 발명은 반도체, LCD, LED, OLED, 태양열 집전판 제조 공정 상의 화학 기상 증착, 확산, 에칭 공정 등을 포함한 반도체 공정 전 분야에 적용 가능한 하이브리드 스크러버에 관한 것이다.

플라즈마로 발생되는 높은 반응성의 화학종들을 이용하여 금속이나 고분자 등의 표면 처리, 실리콘 웨이퍼, 글래스 등 다양한 유전체 식각, 플라즈마 화학기상증착 기술은 널리 공지되어 있다.

공정의 미세화, 저온화의 필요성에 따라 공업적으로 활발히 이용되고 있는 것은 주로 대기압 저온 플라즈마로서, 반도체 공정에서의 식각과 증착, 금속이나 고분자의 표면처리 및 신물질의 합성 등에 유용하게 이용되고 있다.

플라즈마는 진공 또는 대기압에서 발생될 수 있으며, 그 온도에 따라 평균온도가 수만 도에 달하고 이온화 정도가 높은 고온 플라즈마와 평균온도가 상온보다 약간 높고 이온화 정도가 미약한 저온 플라즈마로 구분할 수 있다.

여기에서 각종 반도체 디바이스의 제조나 액정의 제조에 있어서 사용 후 배출되는 가스는 독성이나 가연성이 있어 인체에 미치는 영향이 크고 또한 지구 온난화에 크게 영향을 미치기 때문에 이러한 유해가스를 최대한 처리한 후 배출시킬 필요가 있다.

한편, 근래에 반도체 디바이스의 제조 공정에서 사용되는 가스를 그 공정별로 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 에칭(etching) 공정에서는 주로 실리콘 옥사이드(silicon oxide), 실리콘 나이트라이드(silicon nitride) 및 폴리 크리스탈린 실리콘(polycrystalline silicon)을 에칭하는데 사용되는 CF4, SF6, CHF3, C2F6, SiF4, F2, HF, NF3 등의 플루오린 가스(fluorine gas)들과, 알루미늄과 실리콘을 에칭하는데 사용되는 Cl2, HCl, BCl3, SiCL4, CCl4, CHCl3 등의 클로라인 가스(chlorine gas)들과, 트렌치에칭(trench-etch) 또는 Cl2 와 함께 알루미늄의 에칭공정에 사용되는 HBr, Br2 등의 브로마인 가스(bromine gas)들이 있고, 다음 화학증착(CVD, Chemical Vapor Deposition)공정에서는 흔히 Silane, N2 및 NH3가 챔버 내에 투입되어 사용된다.

특히, PECVD 공정에서는 챔버 내를 세정하기 위해 PFC 또는 ClF3가 사용되며 이 때 SiF4를 생성할 수 있다. 이러한 가스들은 유독성, 부식성, 산화성이 강하여 그대로 배출될 경우에는 인체, 지구 환경은 물론 생산설비 자체에도 많은 문제점을 일으킬 염려가 있다.

종래에는 반도체 공정 장비에서 발생된 모든 가스가 스크러버로 유입되기 때문에 처리 가스량의 증가 요인이 되어 결과적으로 에너지 효율이 악화하는 요인이 된다.

반도체 제조 공정 중 웨이퍼 상에 폴리 실리콘막을 증착시키기 위한 설비에서 증착 공정의 수행시 발생되는 유독성 가스를 안전하게 사전 반응 없이 처리하고, 공정 수행 후 챔버 내벽에 남아있는 오염원을 제거하기 위해 유독성 가스를 이용한 크리닝 공정시 발생되는 유독성 가스를 처리하기 위한 장치로 건식 스크러버 장치가 사용되고 있다.

기존에는 반도체 공정 상에서 증착 가스와 클리닝 가스를 혼합 처리하는 과정에서 NOx, CF4, SiF4 등과 같은 2차 반응 부산물이 생성된다. 또한, 가스를 용해시켜 배출하는 방식이므로 강산 또는 강염산 폐수를 발생시켜 2차 수처리 장치가 필요하게 되고, 드레인 라인의 부식 및 막힘이 발생한다.

상기의 내용으로 인하여 스크러버 내부의 반응기 상에서는 구성품의 부식으로 인하여 2달 내지 12달에 걸쳐 주기적인 교체가 필요하고, 소요되는 에너지의 경우에 10kw 내지 12kw 정도 발생하게 된다.

한편, 반응기 내부의 온도를 보면 Burn-wet 타입은 800C 내지 1500C이고, Plasma 타입은 약 10,000C 정도로 Thermal Nox 발생의 원인이 된다.

상기와 같은 가스들은 반도체 제조장치 내에 주입되어 에칭이나 CVD 공정 등에 사용된 후에 배출되는데, 그 배기가스에는 미반응 가스가 극소량 함유되어 있다. 종래에는 이러한 미반응 가스가 함유되어 있는 배기가스를 그대로 대기 중으로 배출해 왔으나, 전술한 문제로 인해 현재에는 가스 스크러버를 사용하여 반도체 제조공정 등에서 배출되는 가스를 처리함으로써 인체에 미치는 영향이나 지구 온난화에 미치는 영향을 최소화하려는 추세에 있다.

반도체 디바이스의 제조공정에서 사용되는 공정 가스 중 TEOS는 일반적으로 공정 챔버 상에서 60% 정도 소모한 상태에서 잔류량인 40% 중의 90%는 별도의 트랩을 통해 제거한 상태에서 스크러버로 투입된다. 한편, 클리닝용 가스인 NF3는 대부분 값싼 약제인 Ca(OH)2 로 처리 가능하다.

상기와 같이, 스크러버에서 처리해야 하는 실제적인 공정가스량은 상당히 작은 상태에서, 모든 가스를 단일한 스크러버에서 공정을 수행하는 경우의 문제점이 있게 된다.

기존의 대한민국 공개특허 10-2010-0126167호(플라즈마 가스 스크러버 장치)를 참조하면, 플라즈마를 이용하여 미반응 가스 등을 처리하는 기술을 제공하지만, 실제 진공 상태에서 운전되는 반도체 공정 장치의 챔버와 직접 연결된 플라즈마 스크러버에서 스크러버 작동시 배관 압력 변화로 공정에 영향이 발생하는 문제가 있고, 아울러 플라즈마 점화시 불가피한 점화 시간 지연으로 인하여 처리되지 않는 PFC 등과 같은 미반응 가스가 배출되는 문제가 있다.

(특허문헌 1) KR 10-2010-0126167호 A

본 발명의 목적은 반도체 공정 단계를 연동하여 2차 반응 부산물의 발생을 방지하는 것과 동시에 에너지 절감을 가능하게 하는 하이브리드 스크러버의 운용 방안을 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 하이브리드 스크러버는 반도체 공정 챔버에 연결되는 가스 공급 배관 상에 연결되는 콜드 트랩; 및 상기 콜드 트랩에 연결되는 복수의 스크러버 챔버;를 포함하고,

상기 복수의 스크러버 챔버는, 상기 콜드 트랩의 후단에 직접 연결되는 제1 건식 스크러버 챔버, 상기 제1 건식 스크러버 챔버와의 격리된 상태에서 클리닝 가스 유입 배관 상에 연결되는 제2 건식 스크러버 챔버 및 상기 제2 건식 스크러버 챔버에 직접 연결되는 제3 건식 스크러버 챔버를 포함하고,

상기 콜드 트랩은 상기 건식 스크러버 챔버 상에 수용되는 약제의 보호를 위해 고형 by-product를 제거하며, 상기 제1 건식 스크러버 챔버는 TEOS의 반응 부산물인 탄화수소 화합물을 제올라이트로 흡착 제거하고, 상기 제2 건식 스크러버 챔버는 Ca(OH)2으로 F2 가스를 제거하며, 상기 제3 건식 스크러버 챔버는 상기 제2 건식 스크러버 챔버에서 미제거된 NF3를 분해 흡착하여 제거한다.

상술한 바와 같이 본 발명은 반도체 공정 챔버에서 이루어지는 증착 공정 및 클리닝 공정을 연동함으로써 공정 가스와 클리닝 가스의 혼합으로 인한 2차 반응 부산물의 발생을 방지하는 것과 동시에 에너지 절감을 가능하게 한다. 특히, 스크러버의 평균 소비 전력을 약 40% 절감한다.

본 발명은 증착 공정 가스와 클리닝 가스를 분리 처리함으로써 공정 챔버 상에서 발생한 실리콘 함유 재료인 TEOS와 플루오린 가스인 F2 가스의 혼합에 의한 폭발 위험성을 방지하고 2차 반응 부산물의 형성을 방지한다.

또한, 가스 처리가 불필요한 공정 단계에서는 가스를 배기 라인으로 바이패스하여 에너지 소모를 줄인다.

증착 공정 시에 발생하는 다량의 반응 부산물을 1차적으로 cold Trap으로 처리함으로써 고형 by-product를 제거하여 건식 스크러버에 저장된 약제의 수명을 향상한다.

또한, 클리닝 공정 시에 발생하는 다량의 F2 가스를 1차적으로 제2 건식 스크러버 챔버 상에 저장된 저렴한 비용의 수산화칼슘(Ca(OH)2)으로 처리함으로써 제3 건식 스크러버 챔버 상에서 NF3 처리를 위한 분해 흡착 약제의 수명을 향상한다.

본 발명은 폐수 발생이 없는바, 종래에 가스를 용해시켜 배출하는 방식에서 강산 또는 강염산 폐수를 발생시켜 2차 수처리 장치의 필요성 및 드레인 라인의 부식 현상을 방지한다.

도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 스크러버를 포함한 전체적인 반도체 공정 시스템을 보인다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면 상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따라 평균 소비 전력을 저감한 하이브리드 스크러버의 운용 방법을 설명한다.

도 1을 참조하여 본 발명에 따른 하이브리드 스크러버를 포함한 전체적인 반도체 공정 시스템을 설명하면 다음과 같다.

반도체 공정 시스템은 복수의 스크러버 챔버를 갖는 하이브리드 스크러버, 하이브리드 스크러버에 연결되는 가스 공급 배관, 가스 공급 배관 상에 배치되는 복수의 조절 밸브를 포함한다.

상기 하이브리드 스크러버는 가스 공급 배관 상에 연결되는 콜드 트랩 및 복수의 스크러버 챔버를 포함한다.

가스 공급 배관은 공정 챔버 상에서 증착 공정 시에 발생하는 다량의 반응 부산물이 유입되도록 안내하는 공정 가스 유입 배관 및 공정 챔버 상에서 증착 공정 시에 발생한 불순물의 세정을 행하는 클리닝 가스의 유입을 안내하는 클리닝 가스 유입 배관을 포함한다.

상기 공정 가스 배관 및 클리닝 가스 배관은 공정 챔버 상에 하나의 단일한 유입 배관으로 연결된 상태에서 공정 가스 및 클리닝 가스 등을 제공받는다. 증착 공정 진행시 발생된 유독성 공정가스가 유입 배관으로 유동하면 클리닝 가스 배관에 장착된 크리닝 가스 밸브는 자동으로 차단되고, 공정 가스 배관에 장착된 공정가스 밸브는 자동으로 오픈되어 SiH4 가스 계열, PH3 가스, 및 NH3 가스 중 어느 하나의 유독성 공정가스가 유입된다.

증착 공정이 완료된 후에는 상기 증착 공정시 챔버 내벽에 발생된 오염원을 제거하기 위한 크리닝 공정이 수행되는데, 상기 크리닝 공정은 예를 들어, ClF3 가스로 수행된다. 크리닝 공정시 발생된 유독성 크리닝 가스가 유입되면 공정가스 밸브는 자동으로 차단되고, 크리닝 가스 밸브는 자동으로 오픈되어 유독성 크리닝 가스는 클리닝 가스 배관을 통해 유입된다.

콜드 트랩은 하이브리드 스크러버 상에 수용되는 약제의 보호를 위해 고형 by-product를 제거하는 기능을 한다. 콜드 트랩은 상온에서 작동하는 것을 원칙으로 한다. 콜드 트랩은 PCW에 의한 냉각이 이루어진다.

복수의 스크러버 챔버는 콜드 트랩의 후단에 직접 연결되는 제1 건식 스크러버 챔버, 제1 건식 스크러버 챔버와의 격리된 상태에서 클리닝 가스 유입 배관 상에 연결되는 제2 건식 스크러버 챔버 및 제2 건식 스크러버 챔버에 직접 연결되는 제3 건식 스크러버 챔버를 포함한다.

제1 건식 스크러버 챔버는 TEOS의 반응 부산물인 탄화수소 화합물을 제올라이트 등으로 흡착 제거한다. 제1 건식 스크러버 챔버는 상온에서 흡착(Adsorption) 공정을 진행한다.

제2 건식 스크러버 챔버는 수산화칼슘(Ca(OH)2)으로 F2 가스를 제거한다. 제2 건식 스크러버 챔버의 경우도 상온에서 흡착(Adsorption) 공정을 진행한다.

제3 건식 스크러버 챔버는 제2 건식 스크러버 챔버에서 제거되지 않은 NF3를 수산화메탈(MHO) 등을 이용한 상태에서 분해 흡착하여 제거한다. 제3 건식 스크러버 챔버는 200C 에서 반응 및 흡착 공정을 진행한다.

공정 챔버에서 공정 가스 배관을 통해 유입된 공정 가스는 콜드 트랩 및 제1 건식 스크러버 챔버를 거치면서 상온 과정 상에서 불순물 제거 및 흡착이 이루어진다.

공정 챔버에서 클리닝 가스 배관을 통해 유입된 클리닝 가스는 제2 건식 스크러버 챔버 및 제3 건식 스크러버 챔버를 거치면서 상온 및 고온 과정 상에서 반응 및 흡착이 이루어진다.

상기와 같이 증착용 공정 가스와 클리닝 가스를 하이브리드 스크러버에 형성된 복수의 건식 스크러버 챔버를 통해 분리 처리함으로서, 증착 공정에서의 TEOS 가스와 클리닝 공정에서의 F2 가스의 혼합에 의한 폭발 위험성 방지 및 2차 반응 부산물의 형성을 방지한다.

한편, 가스 처리가 불필요한 공정 단계에서는 가스를 배기 라인으로 바이패스하여 에너지 소모를 줄이게 한다.

공정 챔버 상에서 이루어지는 반응은 하기와 같다.

Si(OC2H5)4 + 8O3 → SiO2 + 10H2O + 8CO2 + Unreacted gas(TEOS, O2)..(1)

NF3 Plasma + SiO2 → SiF4 + O2 + N2 + Unreacted gas(NF3, F2).......(2)

상기 반응식 (1)은 TEOS와 O3의 반응을 통해 SiO2, H2O, 및 CO2가 발생하고, 미반응된 TEOS가 발생하는 것을 보인다.

상기 반응식 (2)는 NF3 Plasma와 SiO2의 반응을 통해 SiF4, O2, N2가 발생하고, 미반응된 NF3, F2가 발생하는 것을 보인다.

상술한 바와 같이 본 발명은 반도체 공정 챔버에서 이루어지는 증착 공정 및 클리닝 공정을 연동함으로써 공정 가스와 클리닝 가스의 혼합으로 인한 2차 반응 부산물의 발생을 방지하는 것과 동시에 에너지 절감을 가능하게 한다. 특히, 스크러버의 평균 소비 전력을 약 40% 절감한다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (1)

1. 반도체 공정 챔버에서 증착 공정 시에 발생하는 다량의 반응 부산물이 유입되도록 안내하는 공정 가스 유입 배관 상에 연결되는 콜드 트랩;
   상기 콜드 트랩의 후단에 직접 연결되는 제1 건식 스크러버 챔버;
   상기 제1 건식 스크러버 챔버와의 격리된 상태에서 클리닝 가스 유입 배관 상에 연결되는 제2 건식 스크러버 챔버; 및
   상기 제2 건식 스크러버 챔버에 직접 연결되는 제3 건식 스크러버 챔버;를 포함하고,
   상기 콜드 트랩은 상기 제1 건식 스크러버 챔버 상에 수용되는 약제의 보호를 위해 상기 공정 가스 유입 배관을 통해 상기 반도체 공정 챔버로부터 유입된 고형 부산물(by-product)를 제거하며,
   상기 제1 건식 스크러버 챔버는 상기 반도체 공정 챔버 상에서 발생한 실리콘 함유 재료인 테트라에틸오쏘실리케이트(TEOS)의 반응 부산물인 탄화수소 화합물을 제올라이트로 흡착 제거하고,
   상기 제2 건식 스크러버 챔버는 상기 반도체 공정 챔버의 클리닝 공정 시에 발생하여 상기 클리닝 가스 유입 배관으로 유입된 다량의 F2 가스를 Ca(OH)2를 통해 제거하고, 상기 제3 건식 스크러버 챔버는 상기 제2 건식 스크러버 챔버에서 미제거된 NF3를 분해 흡착하여 제거하며,
   상기 반도체 공정 챔버에서 이루어지는 증착 공정과 클리닝 공정 시에 각각 발생하는 가스들을 상기 공정 가스 유입 배관과 클리닝 가스 유입 배관을 통해 분리 처리하는 것을 특징으로 하는,
   하이브리드 스크러버.

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