KR102302551B1 - 불산의 정제 방법 - Google Patents

Abstract

개시된 내용은 불산의 정제 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 액체 상태의 불산을 불산 정제 장치로 주입시키는 주입 단계, 상기 주입된 액체 상태의 불산 중 일부를 냉각에 의해 고체 상태의 불화수소로 응고시키고, 응고된 고체 상태의 불화수소가 융해되어 다시 액체 상태의 불산이 형성되는 응고 및 융해 단계, 상기 응고 및 융해 단계에서 상기 냉각에 의해 응고되지 않은 불순물이 액체 상태의 불산으로 이동하는 정제 단계, 상기 정제 단계에서 이동한 불순물을 제거하는 제거 단계, 상기 정제 단계 이후에 불순물이 제거된 불산을 상기 불산 정제 장치로부터 회수하는 회수 단계를 포함한다.
상기의 불산의 정제 방법을 통해 제조되는 액체 상태의 불산은 초고순도로 정제될 수 있다.

Description

불산의 정제 방법{METHOD FOR PURIFYING HYDROFLUORIC ACID}

개시된 내용은 불산의 정제 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 불산의 응고 반응이 진행될 때 동일한 분자 형태 및 화학적 성질의 불산 분자끼리 결합하여 응고되고, 이에 포함된 불산 이외의 불순물은 응고되지 않은 액체 상태의 불산쪽으로 모이는 성질을 이용하여 불산을 정제하는 방법에 관한 것이다.

불산(플루오르화 수소)은 각종 화학 물질의 정제 및 화학 약품의 제조에 널리 사용되는 물질으로써, 일반적으로 반도체 장치, MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 장치, 액정용 TFT(Thin Film Transistor) 패널, 태양 전지 등의 제조 공정에 사용될 수 있다.

특히, 반도체 장치의 제조 공정에 있어서, 기판, 액티브 핀, 채널 등 실리콘을 포함하는 구성요소의 에칭 공정에 불산액 또는 불화수소 가스가 사용될 수 있으며, 또는 실리콘 성분을 함유하는 절연막, 확산 방지막 등의 형성 공정, 예를 들어, CVD(Chemical Vapor Deposition) 공정, PVD(Physical Vapor Deposition) 공정, ALD(Atomic Layer Deposition) 공정 등에 사용되는 증착 장치의 세정에도 불산액 또는 불화수소 가스가 사용될 수 있다.

이때, 상기 반도체 장치의 특성 향상을 위하여, 이에 포함되는 구성요소의 순도를 높이는 것이 매우 중요한 과제로 대두되고 있으며, 상기 구성요소의 순도를 높이기 위해서는 고순도의 불산액 또는 불화수소 가스가 필연적으로 사용되어야 한다. 예를 들어, 반도체 장치에 포함되는 폴리실리콘의 순도는 99.99999% (7N) 이상, 바람직하게는 99.9999999% (9N) 이상이어야 하며, 상기 초고순도의 폴리실리콘을 에칭 또는 정제시키기 위해서는 초고순도의 불산액 또는 불화수소 가스가 필요하다.

한편, 불산의 정제 방법과 관련하여 가열을 통해 증류함으로써 불산을 정제하는 방법, 특정 물질을 첨가하여 불산을 정제하는 방법, 압력을 통하여 불산을 정제하는 방법 등이 널리 알려져 있다. 다만, 가열을 통해 증류하는 정제 방법은 불순물이 금속 불순물인 경우에 제거가 용이하지 않고, 폭발의 위험성이 있다는 단점이 있다. 이와는 달리, 특정 물질을 첨가하여 정제하는 방법은 추가 오염이 발생할 수 있고, 상기 특정 물질의 대량 생산이 불가능하거나 높은 수가를 가질 수 있으므로 산업화가 어렵다는 단점이 있다. 또한, 압력을 통하여 불산을 정제하는 방법은 가열을 통한 증류 방법과 유사하게 폭발의 위험성으로부터 자유롭지 않을 수 있고, 고압 조건을 형성하기 위한 장치의 제조 비용이나 대량 생산이 어렵다는 문제점이 있다.

선행문헌 1에서는 불산을 정제하는 방법에 관하여 개시하고 있으나, 이는 종래에 널리 알려진 증류에 의한 정제 방법에 특수물질을 부과하여 전처리를 거치는 개량 발명에 해당하는 것으로써, 불순물이 금속 불순물인 경우에 제거가 용이하지 않고, 폭발 위험성, 추가 오염 발생 가능성, 및 산업화의 어려움 등이 문제될 수 있다.

공개특허공보 제10-2015-0049389호(2015.05.08.)

개시된 내용은 불산의 응고 반응이 진행될 때 동일한 형태와 성질을 가진 불산 분자끼리 결합하여 응고되고, 이에 포함된 불산 이외의 불순물은 응고되지 않은 액체 상태의 불산쪽으로 모이는 성질을 이용하여 효과적으로 불산을 정제하는 방법을 제공하는 것이다.

하나의 일 실시예로서 이 개시의 내용은 액체 상태의 불산을 불산 정제 장치로 주입시키는 주입 단계, 상기 주입된 액체 상태의 불산 중 일부를 냉각에 의해 고체 상태의 불화수소로 응고시키고, 응고된 고체 상태의 불화수소가 융해되어 다시 액체 상태의 불산이 형성되는 응고 및 융해 단계, 상기 응고 및 융해 단계에서 상기 냉각에 의해 응고되지 않은 불순물이 액체 상태의 불산으로 이동하는 정제 단계, 상기 정제 단계에서 이동한 불순물을 제거하는 제거 단계, 상기 정제 단계 이후에 불순물이 제거된 불산을 상기 불산 정제 장치로부터 회수하는 회수 단계를 포함하는 불산의 정제 방법에 대해 기술하고 있다.

바람직하기로는, 상기 불산 정제 장치는 전체적으로 나선 형상을 가질 수 있다.

더 바람직하기로는, 상기 불산 정제 장치는 상기 불산이 주입되는 주입부(100)와, 상기 주입부에 일단이 연결되고 나선 형상으로 형성되어 상기 불산이 나선을 따라 이동되는 이동부(200)와, 상기 이동부의 하측이 수용되어 상기 이동부를 통해 이동되는 불산을 부분적으로 냉각시키는 냉각부(300)와, 상기 이동부의 타단에 연결되는 회수부(400)를 포함할 수 있다.

더욱 바람직하기로는, 상기 응고 및 융해 단계는, 상기 불산 정제 장치가 회전하여 이에 포함된 액체 상태의 불산 및/또는 고체 상태의 불화수소가 이동함으로써 수행될 수 있다.

보다 바람직하기로는, 상기 불산 정제 장치는 상기 주입부가 상기 회수부보다 높은 위치에 놓이도록 배치될 수 있으며, 상기 불산 정제 장치의 주입부를 통해 액체 상태의 불산이 연속적으로 또는 주기적으로 주입되어 불산의 정제가 이루어질 수 있다.

보다 바람직하기로는, 상기 불산 정제 장치는 상기 회수부가 상기 주입부보다 높은 위치에 놓이도록 배치될 수 있으며, 상기 불산 정제 장치의 주입부를 통해 액체 상태의 불산이 연속적으로 또는 주기적으로 주입되어 불산의 정제가 이루어질 수 있다.

더욱 더 바람직하기로는, 상기 불산 정제 장치는 불순물 처리부를 더 포함하며, 상기 불순물 처리부는 상기 주입부와 인접하여 배치되고, 상기 주입부를 통하여 불산이 투입되지 않을 때 상기 농축된 불순물이 상기 불순물 처리부를 통해 배출될 수 있다.

이상에서와 같은 불산의 정제 방법은 불산의 응고와 융해 과정만을 통하여 이들의 시행 횟수에 따라 정제 수준을 높일 수 있고, 불산에 화학물질을 첨가하지 않으면서 이의 정제가 수행되므로 불산의 누출 위험성을 줄일 수 있으며, 비용적 측면에 있어서도 경제적이고 효율적으로 불산의 정제를 수행할 수 있다.

도 1은 개시된 불산 정제 방법에 사용되는 불산 정제 장치를 설명하기 위한 모식도이다.
도 2는 개시된 불산 정제 방법을 설명하기 위한 순서도이다.

이하에는, 본 발명의 바람직한 실시예와 각 성분의 물성을 상세하게 설명하되, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이지, 이로 인해 본 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.

불산 정제 장치

개시된 불산 정제 장치는 상기 불산이 주입되는 주입부(100)와, 상기 주입부에 일단이 연결되고 나선 형상으로 형성되어 상기 불산이 나선을 따라 이동되는 이동부(200)와, 상기 이동부의 하측이 수용되어 상기 이동부를 통해 이동되는 불산을 부분적으로 냉각시키는 냉각부(300)와, 상기 이동부의 타단에 연결되는 회수부(400)를 포함할 수 있다.

주입부(100)는 액체 상태의 불산이 주입될 수 있는 개구 형상을 가질 수 있으며, 상기 불산 정제 장치의 일부에 형성될 수 있다. 이때, 주입부(100)가 형성된 상기 불산 정제 장치의 일부에는 불순물 처리부(500)가 배치될 수 있으며, 주입부(100)와 인접한 불순물 처리부(500)의 상부에는 액체 상태의 불산의 주입을 통제하기 위한 드레인 밸브(600)가 더 배치될 수 있다.

이동부(200)는 액체 상태의 불산 및/또는 고체 상태의 불화수소가 이동할 수 있는 배관 형상을 가질 수 있으며, 상기 배관 형상은 복수 개로 배치되어 이동부(200)는 전체적으로 나선 형상을 가질 수 있다.

냉각부(300)는 액체 상태의 불산이 갖는 녹는점보다 낮은 온도, 예를 들어, 약 -83.6℃보다 낮은 온도로 유지될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 냉각부(300)는 -85℃ 이하의 온도를 유지할 수 있는 냉동고를 포함할 수 있다.

이때, 이동부(200)는 냉각부(300)의 상부를 부분적으로 통과하도록 형성될 수 있다. 예시적인 실시예들에 있어서, 이동부(200)를 통해 이동하는 액체 상태의 불산이 냉각부(300)를 통과하게 되면 고체 상태의 불화수소로 응고될 수 있고, 이와는 반대로 이동부(200)를 통해 이동하는 고체 상태의 불화수소가 냉각부(300)를 거쳐 이동하게 되면 액체 상태의 불산으로 융해될 수 있다.

상기 냉각부(300)의 형태 및 위치는 상기 실시예에 한정되지 않으며, 불산의 일부를 응고시킬 수 있는 어떠한 형태 및 위치도 가능하고, 냉각부가 이동하며 불산을 응고시키는 실시 형태도 가능하다.

한편, 상기 불산 정제 장치는 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전할 수 있으며, 이에 따라 이동부(200)를 통해 이동하는 액체 상태의 불산 및/또는 고체 상태의 불화수소는 회전력에 의해 이동이 촉진될 수 있다.

회수부(400)는 액체 상태의 불산이 회수될 수 있는 개구 형상을 가질 수 있으며, 상기 불산 정제 장치의 주입부(100)가 형성된 일부의 반대편에 형성될 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 불산 정제 장치는 주입부(100)가 회수부(400)보다 높은 위치에 놓이도록 배치될 수 있으나, 본 발명의 개념은 반드시 이에 한정되지 않으며, 회수부(400)가 주입부(100)보다 높은 위치에 놓이도록 배치될 수도 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 불산 정제 장치의 이동부는 지면에 평행하지 않도록 배치될 수 있다.

불산의 정제 방법

이하에서는, 개시된 불산 정제 장치를 이용한 불산의 정제 방법을 설명하기로 한다.

개시된 불산의 정제 방법은 액체 상태의 불산을 불산 정제 장치로 주입시키는 주입 단계(S100), 상기 주입된 액체 상태의 불산 중 일부를 냉각에 의해 고체 상태의 불화수소로 응고시키고, 응고된 고체 상태의 불화수소가 융해되어 다시 액체 상태의 불산이 형성되는 응고 및 융해 단계(S200), 상기 응고 및 융해 단계에서 상기 냉각에 의해 응고되지 않은 불순물이 액체 상태의 불산으로 이동하는 정제 단계(S300), 상기 정제 단계에서 이동한 불순물을 제거하는 제거 단계(S400), 상기 정제 단계 이후에 불순물이 제거된 불산을 상기 불산 정제 장치로부터 회수하는 회수 단계(S500)를 포함할 수 있다. 이때, 응고 및 융해 단계(S200)는 상기 불산이 나선 형상의 상기 이동부(200)를 따라 이동되면서 상기 냉각부(300)에 의해 부분적으로 냉각됨에 의해 반복적으로 수행될 수 있으며, 응고 및 융해 단계(S200)가 반복적으로 수행됨에 따라 냉각에 의해 응고되지 않은 불순물이 액체 상태의 불산으로 이동하여 정제되고, 농축된 불순물을 제거할 수 있다.

액체 상태의 불산에 포함된 불순물이 농축되어 배출될 수 있다. 한편, 주입 단계(S100)는 상기 불산 정제 장치의 주입부(100)를 통해 액체 상태의 불산을 연속적으로 또는 주기적으로 주입함으로써 수행될 수 있다.

이때, 액체 상태의 불산에 포함된 상기 불순물의 농축은 응고 및 융해 단계(S200) 및 정제 단계(S300)이 수행될 때 동일한 형태 즉, 액체 상태의 불산 분자끼리 결합하여 응고되고, 이에 포함된 불순물은 응고되지 않은 액체 상태의 불산쪽으로 모이는 성질을 이용하여 이루어질 수 있다.

구체적으로, 주입 단계(S100)를 통해 주입된 액체 상태의 불산은 상기 불산 정제 장치가 지면에 평행하지 않도록 배치되고, 이에 더하여 상기 불산 정제 장치가 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전하므로, 중력 법칙 및 회전력에 의해 상기 액체 상태의 불산이 일 방향으로 이동할 수 있다. 이후, 상기 액체 상태의 불산은 응고 및 융해 단계(S200)가 반복적으로 수행됨에 따라 상태 변화가 반복적으로 일어날 수 있고, 동일한 형태의 분자들끼리 모이는 성질을 통해 액체 상태의 불산과 다른 어는점 갖는 불순물은 응고되지 않고 액체 상태의 불산에 잔류하게 된다. 이에 따라, 상기 액체 상태의 불산에 잔류하는 불순물들이 점차 농축될 수 있으므로, 일정 수준 이상의 불순물 농축이 진행되는 경우 액체 상태의 불산의 주입을 중단하고, 상기 농축된 불순물들을 제거할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 농축된 불순물들의 제거는 기존에 배치된 불산 정제 장치의 기울어진 방향을 반대 방향으로 기울어지도록 배치함으로써 수행될 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 농축된 불순물들의 제거 단계(S400)는 기존에 배치된 불산 정제 장치의 기울어진 방향을 유지한 채, 냉각부(300)로부터 상기 불산 정제 장치를 이격시킨 후, 회수부(500)를 통해 액체 상태의 불산을 주입함으로써 수행될 수 있다.

이에 따라, 상기 불산 정제 장치의 이동부(200)를 통과하는 액체 상태의 불산 및/또는 고체 상태의 불화수소는 응고 및 융해 단계(S200)가 반복적으로 수행됨에 따라 보다 높은 순도를 가질 수 있다.

이후, 복수 회에 걸친 응고 및 융해 단계(S200) 및 정제 단계(S300)를 통해 불순물이 정제된 액체 상태의 불산은 상기 불산 정제 장치의 회수부(500)를 통해 최종적으로 회수될 수 있다.

전술한 바와 같이, 상기 불산 정제 장치의 주입부(100)를 통해 주입된 액체 상태의 불산은 이동부(200)를 통과함에 따라 응고 및 융해 단계(S200)가 복수 회에 걸쳐 반복적으로 수행될 수 있고, 각각의 응고 및 융해 단계(S200)에 의해 액체 상태의 불산에 잔류하는 불순물은 농축된 정도에 따라 불순물 처리부를 통해 일괄적으로 제거될 수 있다.

따라서, 상기 불산의 정제 방법을 통해 초고순도의 불산을 얻을 수 있다.

100 ; 주입부
200 ; 이동부
300 ; 냉각부
400 ; 회수부
500 ; 불순물 처리부
600 : 드레인 밸브

Claims (1)

1. 액체 상태의 불산을 불산 정제 장치로 주입시키는 주입 단계;
   상기 주입된 액체 상태의 불산 중 일부를 냉각에 의해 고체 상태의 불화수소로 응고시키고, 응고된 고체 상태의 불화수소가 융해되어 다시 액체 상태의 불산이 형성되는 응고 및 융해 단계;
   상기 응고 및 융해 단계에서 상기 냉각에 의해 응고되지 않은 불순물이 액체 상태의 불산으로 이동하는 정제 단계;
   상기 정제 단계에서 이동한 불순물을 제거하는 제거 단계; 및
   상기 정제 단계 이후에 불순물이 제거된 불산을 상기 불산 정제 장치로부터 회수하는 회수 단계를 포함하고,
   상기 불산 정제 장치는 상기 불산이 주입되는 주입부와, 상기 주입부에 일단이 연결되고 나선 형상으로 형성되어 상기 불산이 나선을 따라 이동되는 이동부와, 상기 이동부의 하측이 수용되어 상기 이동부를 통해 이동되는 불산을 부분적으로 냉각시키는 냉각부와, 상기 이동부의 타단에 연결되는 회수부를 포함하며,
   상기 응고 및 융해 단계는 상기 불산이 나선 형상의 상기 이동부를 따라 이동되면서 상기 냉각부에 의해 부분적으로 냉각됨에 의해 반복적으로 수행되는 불산의 정제 방법.
   

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