KR102607287B1 - 함 불소 화합물 분해 장치에 사용되는 플라즈마 고효율 전극 - Google Patents
함 불소 화합물 분해 장치에 사용되는 플라즈마 고효율 전극 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 함 불소 화합물 분해 장치에 사용되는 플라즈마 고효율 전극에 관한 것으로서, 더 상세하게는 배기가스 덕트에 직접 부착하여 대량으로 배출 되는 함 불소 화합물을 포함하는 혼합된 배기가스에 상온 상압 상태에서 직접 전기에너지를 가하여 이를 분해 및 저감 시키는 함 불소 화합물 처리시스템 (이를 상용계통에서는 옥상 배기 PFC 처리시스템 : PTAS - Plasma Total Abatement System이라 부르는 상용화 기술이다)의 핵심 부품인 내부 전극에 대한 효율을 높이기 위한함 불소 화합물 분해 장치에 사용되는 플라즈마 고효율 전극에 관한 것이다.
Description
본 발명은 함 불소 화합물 분해 장치에 사용되는 플라즈마 고효율 전극에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 배기가스 덕트에 직접 부착하여 대량으로 배출 되는 함 불소 화합물을 포함하는 혼합된 배기가스에 상온 상압 상태에서 직접 전기에너지를 가하여 이를 분해 및 저감 시키는 함 불소 화합물 처리시스템 (이를 상용계통에서는 옥상 배기 PFC 처리시스템 : PTAS - Plasma Total Abatement System이라 부르는 상용화 기술이다)의 핵심 부품인 내부 전극에 대한 효율을 높이기 위한 불소 화합물 분해 장치에 사용되는 플라즈마 고효율 전극에 관한 것이다.
반도체 제조공정에서 배출되는 배기가스 중에서 함 불소 화합물 가스는 건식식각공정, 화학기상증착 공정 또는 챔버 세정공정 등에서 일반적으로 사용되는 가스이며, 그 대표적인 것으로서 CF4, C2F6, C3F8, CHF3, NF3, SF6 등이 있다. 이러한 함 불소 화합물계 가스들은 그 특유의 결합성으로 인하여 대기 중으로 방출되면 거의 분해되지 않고 그 라이프타임이 매우 길고, 지구온난화지수(Global Warming Potential ; GWP)가 이산화탄소와 비교하여 월등히 높은 안정된 화합물이기 때문에 세계 반도체협회(WSC)에서 자발적으로 그 배출량을 줄이는 것으로 결정되어 있다.
반도체 제조공정에서 배출되는 함 불소 화합물을 처리하기 위한 종래기술로서, 미합중국 특허제 H1701호에는 배기가스 중의 불소를 알루미늄과 반응시켜 AlF3 형태로 제거하는 방법이 개시되어 있다. 그러나, 이러한 기술은 알루미늄의 추가에 따른 경제성 및 반응 후 생성물질의 제거를 위한 부대시설의 필요 등 전체 처리 규모 면 및 유지관리 면에서 애로사항이 있다.
국내에서 최근 대두되고 있는 처리 방법으로서는 알칼리 토금속이나 강력한 화학적 환원제를 첨가하여 처리하는 방법, 고온에서 연소하여 제거하는 방법, 배기가스 중에서 입자를 제거하고 수소 또는 물, 산소를 첨가하여 600℃ 이상에서 열분해하는 방법 등이 제안되고 있다. 또한, 대한민국 실용신안 등록번호 제20-0217512호("헬리콘 플라즈마를 이용한 독성가스 분해 장치")에는 온도 10,000K의 플라즈마 상태에서 처리 가스를 노출 시킨 후 급랭하여 제거하는 등 플라즈마를 응용하여 함 불소 화합물을 제거하는 방법 등이 제시되고 있으나, 이러한 고온의 열 플라즈마 방식을 채택할 경우 처리 가스를 최소 600℃ 이상의 고온 상태로 가열시키거나 유지하여야 하므로 추가적인 에너지 소모가 필수 불가결하며, 투입된 노력과 비용에 비하여 처리량과 그 성능은 그다지 뛰어나다고 할 수가 없다.
또한, 저온 플라즈마를 응용한 기술들은 대부분 전술한 미국 특허와 유사한 알카리 토금속류 또는 다른 첨가물을 이용하여 함 불소 화합물을 고형화하여 입자로써 제거하는 방법을 취하고 있으며, 이 경우 전술한 바와 같이 첨가물에 따른 유지관리비용 및 부대시설의 필요로 인해 그 경제성이 낮다고 볼 수 있다.
그리하여 대한민국 등록특허 제10-0459712호의 "함 불소 화합물 분해 장치 및 이를 이용한 함 불소 화합물처리 시스템"이 개시되었으나, 상기 구성은 도 100에 나타내는 바와 같이, 전극의 도면을 보면 뾰족한 부위가 0°90°180°270°가 대칭을 이루는 구조이며(뾰족한 부위를 전극이라 칭함) 전극의 숫자는 제작 제품의 외형의 규격에 따라 그 개수는 차이가 있어도 짝수이다.
이 경우 전극 배열이 일직선이 되어 반응기 내부의 반응구간이 짧아 유해가스에 대한 효과적인 저감 효율을 가지기 위해서는 제품의 길이가 길어야 하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로, 전극 조립 시 기준점을 기준으로 첫 장은 0°에, 2번째 장은 90°에, 세 번째 장은 180°에, 네 번째 장은 270°에, 다섯 번째 장은 다시 0°에 놓는 방법으로 반복하여 조립 시 전극이 홀수인 관계로 비대칭을 이루어 수직형에서 회전 반경을 가진 나선형으로 바뀌는 구조를 가지게 되어 반응구간을 종래의 기술보다 동일 면적에서 길게 반응시켜 고효율의 전극을 만들 수 있고 작은 홀에 핀을 집어넣어 전극 판을 완벽히 고정하므로 제품에 대한 고품질을 확보할 수 있도록 함을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 갖는 본 발명의 구성을 첨부된 도면에 의거 하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 함 불소 화합물 분해 장치에 사용되는 플라즈마 고효율 전극의 구성은 함 불소 화합물 가스가 내부공간을 통과하며 그 내부공간에 삽입된 전극이 원형에서 플라즈마 상태를 만들기 위해 전자빔을 조사하는 전극이 뾰족하며 전체 전극 수가 홀수로 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 전극의 형태가 나선형을 유지하기 위하여 기준점을 가지고 생산된 플레이트 전극에서 90°씩 회전하며 겹쳐 조립한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 전극은 0°,90°,180°,270°를 표시한 후, 그 지점에 홀을 뚫고 핀을 삽입하여 구성한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 전극을 연속 조립하여 나선형의 구조를 갖도록 구성한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 고주파 고전압을 이용하여 전자빔의 발생을 촘촘히 하도록 형성하고, 이온 풍을 이용하여 팬 없이 공기흐름을 유도 시키도록 구성한 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 의하면, 함 불소 화합물 분해 장치에 사용되는 플라즈마 고효율 전극은 저온 플라즈마의 원리를 이용한 것으로, 고압의 전기방전을 통해 발생한 전자들과 가스의 분자들이 충돌하여, 자유라디칼을 생성시켜 선택적 반응을 유도한다.
도 1은 본 발명에 따른 함 불소 화합물 분해 장치의 수직 단면도를 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 함 불소 화합물 분해 장치의 내부 전극부를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 각 전극부의 두께 관계를 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 4은 종래 기술과 본 발명의 측면도, 사시도를 나타낸 개략 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 함 불소 화합물 분해 장치의 내부 전극부를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 각 전극부의 두께 관계를 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 4은 종래 기술과 본 발명의 측면도, 사시도를 나타낸 개략 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
본 발명에 따른 함 불소 화합물 분해 장치에 사용되는 플라즈마 고효율 전극의 주요 구성을 살펴보면, 함 불소 화합물 가스가 원통형 플렌지(10)의 내부공간(20)을 통과하며 그 내부공간(20)에 삽입된 전극이 원형에서 플라즈마 상태를 만들기 위해 고주파 고전압의 전자빔을 조사하는 전극(30)이 뾰족하며 전체 전극 수가 홀수로 구성된 것을 특징으로 하는 것이다.
상기 본 발명의 구성을 첨부된 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1에 주로 사용되는 여과기의 반응기 구성소재로써, 전극(30)의 소재는 한국산업표준(KS) 스테인리스 304 재질의 강판이며 세부 사항으로 부식성이 없어야 하고 내구성과 전기적 전도성이 우수해야 하며 스프링 탄력성을 가져야 한다.
상기 전극(30)을 생산하기 위해서는 프레스금형을 타발하여 부품으로 사용한다. 한가지 프레스 공정으로 부품 생산할 때 불량률이 적다.
도 1의 새로 구성된 전극(30)의 뾰족한 부분(31)과 원통형 플렌지(10)의 공간의 간격이 내부공간(20)이며, 최고의 효율을 얻기 위해서는 전극(30)의 뾰족한 부분(31)과 원통형 플렌지(10)의공간의 간격은 35mm를 유지하는 것이 절대적으로 필요하다.
따라서 전기적 절연내력인 임피던스(IMPIDENCE)는 550㏁(메가 옴)를 유지하게 된다. 임피던스는 전기 회로에 교류를 흘렸을 경우에 전류의 흐름을 방해하는 정도를 나타내는 값을 말하며, 임피던스 Z는 전압을 V[V], 전류를 I[A]라고 하면 Z＝V/I[Ω]으로 구해진다. 임피던스는 주파수에 관계없는 저항 R과 주파수에 따라 크기가 변화하는 리액턴스 X로 나뉘어지며, 리액턴스는 유도 리액턴스와 용량 리액턴스로 나뉘어진다. 지금 저항R, 인덕턴스 L, 정전 용량 C가 직렬로 접속되어 있을 때 임피던스 Z는
임피던스이고,
그 절댓값은
임피던스가 된다.
본 발명에 따른 실험치로 측정된 전기적 결함 임피던스 Z는 550㏁이다. Z = R = 550㏁으로 플라즈마 최고 효율을 나타내며, 700㏁ 이상이 될 경우 아크방전 등이 일어나면서 플라즈마 상태가 불안정하다. 400㏁ 이하가 될 경우 과도한 전류가 발생하여 1차 소비전류가 증대되는 것을 볼 수 있고 주회로 장치가 과열된다.
이 임피던스 측정은 RLC메타와 절연저항계로 측정하였고 시스템의 내구성 검사에서 3,000V를 1분간 견딘 내력을 통과하였으며 주변 환경은 25°60% RH를 조건으로 하였다.
도 2는 본 발명에 따른 함 불소 화합물 분해 장치의 내부 전극부를 개략적으로 나타낸 사시도로써, 전극(30) 간의 뒤틀림이 없도록 뾰족한 부분(31)이 도 1에 나타내는 기준점(▲) 역할을 하는 육각의 정중심을 통과해야 한다.
그리고 상기 전극(30)의 형태는 도 2에 나타내는 바와 같이, 나선형을 유지하기 위하여 기준점(▲)을 가지고 생산된 플레이트 전극(30)에서 90°씩 회전하며 겹쳐 조립한 구성이다.
상기 전극(30)은 0°, 90°, 180°, 270°를 전극판에 표시한 후, 상기 0°, 90°, 180°, 270°지점에 홀(32)을 뚫고 핀(미도시)을 삽입하여 구성한다.
따라서 상기와 같은 전극(30) 조립을 연속하게 되면, 도 2 및 도 4에 나타내는 바와 같이, 나선형의 구조를 갖도록 구성하게 된다.
그뿐만 아니라 고주파 고전압을 이용하여 전자빔의 발생을 촘촘히 하도록 형성하면, 이온 풍을 이용하여 팬 없이 공기흐름을 유도 시킬 수 있도록 구성한다.
도 3은 본 발명에 따른 각 전극(30)의 두께 관계를 도식적으로 나타낸 도면으로, 전극(30)과 전극(30)이 붙어있으며, 일직선이 아닌 사선이다.
이 임피던스 측정은 RLC메타와 절연저항계로 측정하였고, 시스템의 내구성 검사에서 3,000V를 1분간 견딘 내력을 통과하였으며, 주변 환경은 25°60% RH를 조건으로 하였다.
도 4은 종래 기술과 본 발명에 따른 기술의 측면도, 사시도를 나타낸 개략 도면이다.
종래기술의 도면은 전극이 짝수로 형성되어 전극(30)이 대칭으로 형성되는 구성이지만, 본 발명은 전극(30)이 홀수로 형성되어 전극(30)이 비대칭으로 형성되는 구성이다.
이와 같이, 본 발명은 전극 조립 시 기준점(▲)을 기준으로 첫 장은 0°에, 2번째 장은 90°에, 세 번째 장은 180°에, 네 번째 장은 270°에, 다섯 번째 장은 다시 0°에 놓는 방법으로 반복하여 조립 시 전극이 홀수인 관계로 비대칭을 이루어 수직형에서 회전 반경을 가진 나선형으로 바뀌는 구조를 가지게 되어 반응구간을 종래의 기술보다 동일 면적에서 길게 반응시켜 고효율의 전극을 만들 수 있고 작은 홀(32)에 핀을 집어넣어 전극 판을 완벽히 고정한다.
상기와 같은 본 발명에 의한 장치 내로 유입된 PFC 가스가 저온 플라즈마를 통과하면 전자, 이온, 하전 된 원자들로 존재하게 되고 이들 중 질량이 가벼운 전자가 높은 속도로 가속되어 원자나 분자와 충돌하게 된다. 이때 전자는 충돌로 에너지를 잃게 되지만, 이를 전달받은 원자나 분자는 높은 에너지 상태로 활성화 되어 다른 자유라디칼 및 분자, 원자들과 반응하게 된다. 또한 전자에 의해 활성화 에너지가 높아진 분자들에 의해 또 다른 연쇄 반응이 일어나게 된다.
e + M → M* + e
A+ B → C+ D (B=M")
<그림 > PFC PLASMA SYSTEM에서의 가스 처리 과정
본 발명에 따른 고주파 고전압을 내부공간(20)에 삽입된 전극(30)에 인가하면 NF₃(삼불화 질소)는 라디칼 반응을 일으켜서 상기 반응 1과 같이 무 해한 N, H, + OH, F, O₂ 으로 배출한다.
본 발명에 따른 고주파 고전압을 내부공간(20)에 삽입된 전극(30)에 인가하면 CF₄(사불화 탄소)는 라디칼 반응을 일으켜서 상기 반응 2와 같이 무 해한 F₂, CO₂+ O, O₂, CO₂, F 로 배출한다.
본 발명에 따른 고주파 고전압을 내부공간(20)에 삽입된 전극(30)에 인가하면 C₂F6(헥사플로 오로에탄)는 라디칼 반응을 일으켜서 무 해한 F, CO₂+ O, O₂, CO₂로 배출한다.
상기와 같은 과정을 갖는 본 발명에 의하면, 반도체 제조공정에서 함불소 화합물 가스(PFC가스)를 상온, 상압 하에서 종합 처리하는 시스템에 대하여 개량 기술의 성능을 종래의 기술과 비교한 저감 효율의 성능을 평가한 결과가 아래 [표 1]와 같이 나타났다.
위와 같이 실증 비교 실험 결과 종래의 기술은 저감 후 배출되는 PFC 가스가 3∼6ppm 수준으로 약 90∼95%의 저감율을 나타내나 신규 고안된 개량기술은 PFC 가스가 0.3∼1 ppm 수준으로 약 98∼99%의 저감율을 나타냈다.
이 결과치는 독성 유무에서 종래의 기술은 인체나 지구온난화에 미치는 영향이 거의 없다고 할 수 있으나 신규 고안된 기술은 인체나 지구온난화에 미치는 영향이 전혀 없고 일정 운전시간이 지나 시스템이 안정 단계에 들어서면 PFC 가스가 측정기 오차율 범위를 고려하면 배출농도가 거의 0.0ppm 수준에 도달하였다.
또한, 본 발명에 의하면, 반도체 제조라인의 배기 덕트에 바로 연결하여 사용할 수 있으며, 반도체 생산라인의 건물 외부에 설치함으로써 면적이 부족한 기존 생산라인에서도 용이하게 설치가 가능하기 때문에 종래의 POU(Point Of Use) 스크러버로 처리하는 것과 비교하여 투자 비용이 매우 절감될 수 있다.
10. 원통형 플렌지 20. 내부공간
30. 전극 31. 뾰족한 부분
30. 전극 31. 뾰족한 부분
Claims (9)
- 함 불소 화합물 가스가 원통형 플렌지(10)의 내부공간(20)을 통과하며 그 내부공간(20)에 삽입된 전극(30)이 원형에서 플라즈마 상태를 만들기 위해 고주파 고전압의 전자빔을 조사하는 전극(30)이 뾰족한 부분(31)으로 형성하여 구성하며,
상기 전극(30)의 소재는 한국산업표준(KS) 스테인리스 304 재질의 강판이며 단순 스테인리스 강판(SUS-304)만을 사용하는 장치로 전기적 결합임피던스가 550㏁ ∼ 700㏁ 이내인 함 불소 화합물 분해 장치에 사용되는 플라즈마 고효율 전극에 있어서,
상기 전극(30) 수가 홀수로 구성하고,
상기 전극(30)의 뾰족한 부분(31)과 원통형 플렌지(10)사이의 간격은 35mm인 것을 특징으로 하는 함 불소 화합물 분해 장치에 사용되는 플라즈마 고효율 전극. - 제 1항에 있어서.
상기 전극(30)의 형태가 나선형을 유지하기 위하여 기준점(▲)을 가지고 생산된 플레이트 전극(30)에서 90°씩 회전하며 겹쳐 조립한 것을 특징으로 하는 함 불소 화합물 분해 장치에 사용되는 플라즈마 고효율 전극. - 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 전극(30)은 0°90°180°270°를 표시한 후, 0°90°180°270°각 지점에 홀(32)을 뚫고 핀을 삽입하여 구성한 것을 특징으로 하는 함 불소 화합물 분해 장치에 사용되는 플라즈마 고효율 전극. - 제 1항에 있어서,
상기 전극(30)을 연속 조립하여 나선형의 구조를 갖도록 구성한 것을 특징으로 하는 함 불소 화합물 분해 장치에 사용되는 플라즈마 고효율 전극. - 제 1항에 있어서,
상기 고주파 고전압을 이용하여 전자빔의 발생을 촘촘히 하도록 형성하고, 이온 풍을 이용하여 팬 없이 공기흐름을 유도 시키도록 구성한 것을 특징으로 하는 함 불소 화합물 분해 장치에 사용되는 플라즈마 고효율 전극. - 제 1항에 있어서,
상기 고주파 고전압을 내부공간(20)에 삽입된 전극(30)에 인가하면 NF₃(삼불화 질소)는 라디칼 반응을 일으켜서 무 해한 N, H, + OH, F, O₂ 으로 배출하는 것을 특징으로 하는 함 불소 화합물 분해 장치에 사용되는 플라즈마 고효율 전극. - 제 1항에 있어서,
상기 고주파 고전압을 내부공간(20)에 삽입된 전극(30)에 인가하면 CF₄(사불화 탄소)는 라디칼 반응을 일으켜서 무 해한 F₂, CO₂+ O, O₂, CO₂, F 로 배출하는 것을 특징으로 하는 함 불소 화합물 분해 장치에 사용되는 플라즈마 고효율 전극. - 제 1항에 있어서,
상기 고주파 고전압을 내부공간(20)에 삽입된 전극(30)에 인가하면 C₂F6(헥사플로 오로에탄)는 라디칼 반응을 일으켜서 무 해한 F, CO₂+ O, O₂, CO₂로 배출하는 것을 특징으로 하는 함 불소 화합물 분해 장치에 사용되는 플라즈마 고효율 전극. - 삭제
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