KR20020028459A - 과불화 화합물 가스의 처리 방법 및 이를 위한 장치 - Google Patents

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Abstract

상압하에서 고온 플라즈마를 이용하여 높은 효율로 처리할 수 있는 과불화 화합물 가스의 처리 방법 및 이를 위한 장치가 개시되어 있다. 먼저, 상압하에서 소정의 반응기 내에 구비된 음극 및 양극에 전원을 인가하여 아크 방전에 의한 플라즈마를 발생시키도록 한다. 상기 반응기 내에 과불화 화합물 가스를 주입하고 이를 플라즈마에 의해 분해시키도록 한다. 분해된 가스를 냉각시키고 처리함으로써 지구 온난화와 환경 오염의 원인이 되는 과불화 화합물 가스를 무해한 성분으로 변화시키게 된다. 본 발명의 장치에 사용되는 음극과 양극은 튜브 형태로서 균일한 플라즈마 형성이 유도되고 전극 소모가 균일하게 분산되어 수명이 길다.

Description

과불화 화합물 가스의 처리 방법 및 이를 위한 장치{Method Of Treating perfluoro Compound Gas and Apparatus For Treating The Same}
본 발명은 과불화 화합물 가스의 처리 방법 및 이를 위한 장치에 관한 것으로서, 상세하게는 장시간의 대기 잔류 시간을 가지고 있으며 지구온난화의 원인이 되는 과불화 화합물 가스를 높은 효율로 용이하게 처리할 수 있는 방법 및 이를 위한 장치에 관한 것이다.
과불화 화합물 가스는 적외선 흡수력이 강하고 대기 잔류 시간이 길기 때문에, 높은 지구 온난화 잠재력(GWP; Global Warming Potential)을 나타내는 물질이다. 이들 과불화 화합물 가스는 주로 반도체 장치의 제조를 위한 공정중에서 진공을 이용하여 박막을 형성하기 위한 CVD(chemical vapor deposition) 공정의 수행이나 플라즈마 식각 공정에서 많이 사용되고 있다. 그런데, 이들이 공정중에 전량 소비되지 않기 때문에 미반응 가스가 잔류되는 경우가 많으며 이에 더하여 부차적으로 생성되는 가스가 발생되는 경우도 있다. 심지어는 원료 가스가 그대로 진공 펌프에서 배출되는 경우도 있다.
대표적인 과불화 화합물 가스의 GWP와 대기 잔류시간은 다음 표 1에 나타난 바와 같다. 이들 가스중 가장 강한 결합력을 가진 CF4(C-F 결합에너지가 112∼116Kcal/mol임)의 경우 약 50000년의 대기잔류시간을 가지며, 이는 12.5eV의 에너지에 의해 분해되기 시작하며 35eV 이상의 에너지에 의해 완전 분해가 이루어지는 것으로 알려져 있다.
지구온난화 가스 GWP(100ITH) 대기잔류시간(년)
CO2 1 50∼200
CF4 6500 50000
C3F8 7000 2600
C2F6 9200 10000
이러한 과불화 화합물이 대기 중으로 배출되면 지구온난화 및 오존층 파괴와 같은 대기 환경 오염을 발생시키게 된다. 지구온난화에 큰 영향을 미치는 과불화 화합물의 배출량을 줄이기 위해 많은 국가들이 노력하고 있으며 여러 국가들이 참여하여 교토(Kyoto) 협약을 체결하였다. 이 협약에 참가한 국가들은 2008∼2012년 까지 일정량의 과불화 화합물 가스를 줄이기로 협정을 맺었으며, WSC(World Semiconductor Council)에서는 2010년 까지 1995년 기준 방출량의 10%를 줄이기로 선언하였다.
과불화 화합물 가스의 배출 감소를 위한 노력이 다양하게 이루어져 왔는데, 종래의 방법으로는 대체가스 개발, 공정의 최적화에 의한 가스 배출량 감축, 포획/재활용(capture/recycle) 방법, 처리 장치에 의한 가스 분해 방법 등이 있다. 반도체 장치의 제조를 위한 공정중에서 CVD 공정에 있어서는 배출량 감소를 위한 공정 최적화와 대체 가스의 개발이 현저한 진보를 이루어 배출 가스의 양을 많이 감소시킨 반면, 식각 공정에는 공정의 영향 유무에 대한 엄격한 요구 사항들로 인해 배출 가스의 양이 여전히 많아서 이에 대한 효율적인 제거 방법의 개발이 요구되는 실정이다.
그리하여 과불화 화합물 처리 방법으로 연소분해법, 촉매분해법, 플라즈마 분해법 등이 개발되어 알려져 있다. 연소 분해법은 1200℃ 이상의 높은 온도를 이용하여 과불화 화합물 가스를 분해하는 것으로서, 이러한 고온의 운전 환경은 발열체의 온도를 1000℃로 가열한 상태에서 수소 가스를 투입하여 연소시키는 것에 의해 만들어진다. 이 때, 고온의 반응기 내로 과불화 화합물이 유입되어 분해가 이루어지는 것이다.
그런데, 연소분해법의 경우 연소 과정에서 NOx, SOx 등과 같은 2차 생성물이 발생되며, 이들 2차 생성물에 대한 후처리가 필요하다는 문제점이 있다. 또한 발열체의 주기적인 교체가 필요하고 고온을 유지시키기 위한 전력 소모량이 크다는 문제점을 가지고 있다.
촉매 분해법은 배출된 과불화 화합물 가스를 물에 통과시킨 후, 이를 300∼800℃로 가열시킨 촉매로 충진된 관내로 유입시켜 공기와 물의 환경에서 촉매에 의해 분해시키는 방법이다. 그런데 이러한 촉매 분해법은 각각의 가스에 대한 촉매제 개발이 선행되어야 하며, 미지의 혼합 가스에 대한 처리가 불명확하다는 단점을 가지고 있다. 또한 주기적인 촉매제의 교체가 필요하고 가스 배관의 미립자 발생으로 인한 배관의 막힘 현상의 문제에 대한 해결책이 선행되어야 한다는 문제가 있다.
플라즈마 분해법은 고온 및 저온 플라즈마를 이용하여 배출 가스를 쉽게 처리할 수 있는 물질로 변화시킴으로서 과불화 화합물 가스를 처리하는 방법이다. 플라즈마 분해법은 고온 플라즈마의 경우 배출 가스 처리에는 적절하나 고온으로 인한 전력 손실이 크며, 장치의 규모가 대형이라는 단점을 가지고 있다. 또한 기존의 플라즈마의 발생을 위해 사용되는 전극은 환 봉 형태로서 공정이 진행되면 전극 끝이 불균일하게 빨리 닳아 버린다는 문제가 있다.
저온 플라즈마, 특히 고주파 유도결합 플라즈마를 이용한 과불화 화합물 가스 처리 방식에서는 가스의 처리 용량에 따라 플라즈마 반응기의 크기가 증가될수록 플라즈마 밀도와 에너지가 현저하게 감소되어 과불화 화합물 가스에 대한 처리율이 현저히 감소한다는 문제가 있다. 또한 플라즈마 내의 이온들에 의한 반응기 내벽의 식각으로 인하여 반응기의 수명이 극도로 짧아진다. 이러한 식각 반응의 식각률을 감소시키고 과불화 화합물 가스의 처리율을 높이기 위하여 낮은 플라즈마 방전 전력에 수증기, 수소, 산소 등의 분해촉진제를 사용하여 처리하는 방식이 개발되어 있다.
그러나 분해 촉진제의 사용으로 인해 반도체 제조 공정의 압력을 상승시키고, 수소 혹은 수증기의 분해 촉진제를 사용할 경우 HF 화합물을 생성시켜 반도체 공정 펌프의 부식을 가져온다. 또한 짧은 공정시간으로 인해 플라즈마의 이온화 반응이 완전히 진행되지 않기 때문에 과불화 화합물 가스를 완벽하게 처리하는데 어려움이 있다.
따라서 본 발명에서는 상술한 문제점을 감안하여 과불화 화합물 가스의 처리에 있어서 아크 방전을 이용한 고온 플라즈마를 이용하여 높은 효율로 상기 가스를 처리할 수 있는 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 다른 목적은 상기한 방법을 용이하게 적용할 수 있으며 특히 음극과 양극을 튜브형으로 제작함으로써 수명이 연장된 과불화 화합물 가스의 처리 장치를 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 과불화 화합물 가스의 처리 방법을 나타내는 공정 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 과불화 화합물 가스의 처리 장치의 배치를 나타내기 위한 공정 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 과불화 화합물 가스 처리 장치에서 반응기 부분에 대한 단면도이다.
도 4a 내지 4g는 본 발명에 따른 과불화 화합물 가스 처리 장치에 적용될 수 있는 음극 및 양극의 다양한 구조를 예시하는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 과불화 화합물 가스 처리 장치의 반응기 내에서 플라즈마가 발생되는 유형을 예시하는 도면이다.
도 6a 내지 6e는 본 발명에 따른 장치에 의해 과불화 화합물 가스를 처리할 때 처리되는 가스의 반응 메카니즘을 나타내는 개략도로서, 도 6d는 습식 장치를 사용하여 처리하는 경우에 대한 것이고, 도 6e는 건식 장치를 사용하여 처리하는 경우에 대한 것이다.
도 7a 및 7b는 본 발명의 일실시예에 따른 장치내에서 CF4가스의 플라즈마 반응전(7a) 및 반응후(7b)에 대한 질량 분석 스펙트럼이다.
도 8a 및 8b는 본 발명의 일실시예에 따른 장치내에서 C4F8가스의 플라즈마 반응전(8a) 및 반응후(8b)에 대한 질량 분석 스펙트럼이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: PFC 가스50: 고온 플라즈마 반응기
60: 냉각기70: 반응가스 처리 장치
52: 음극54, 56: 제1 및 제2 양극
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는
상압하에서 소정의 반응기 내에 구비된 음극 및 양극에 전원을 인가하여 아크 방전에 의한 플라즈마를 발생시키는 단계;
상기 반응기 내에 과불화 화합물 가스를 주입하는 단계;
주입된 상기 과불화 화합물 가스를 상기 플라즈마에 의해 분해시키는 단계;
분해된 가스를 냉각시키는 단계; 및
냉각된 가스를 처리하는 단계를 포함하는 과불화 화합물 가스의 처리 방법을 제공한다.
처리 가능한 과불화 화합물 가스로서는 CF4, C2F6, C3F8, C4F8, C5F8등의 탄소와 수소가 포함된 가스, CHF3, CH2F2등과 같은 수소가 포함된 가스, NF3, SF6등과 같은 질소와 황이 포함된 가스 등이다.
상기한 본 발명의 다른 목적은
과불화 화합물 가스를 주입하기 위한 주입관;
상기 주입관에 연통되며 상기 과불화 화합물 가스를 수납하여 아크 방전에 의한 고온 플라즈마로 분해시키기 위한 튜브형의 고온 플라즈마 반응기;
상기 반응기 내에 구비되는 튜브형의 음극, 양극 및 반응관;
분해된 가스를 냉각시키기 위한 냉각 장치; 및
냉각된 가스를 처리하기 위한 처리 장치를 포함하는 과불화 화합물 가스의 처리 장치에 의해 달성된다.
본 발명에서는 특히 반도체 산업의 각종 공정에 많이 사용되고 있는 과불화 화합물 배출 가스를 상압하에서 아크 방전에 의한 고온 플라즈마를 이용하여 처리하도록 하여 저렴한 비용으로 과불화 화합물 가스를 처리할 수 있도록 한 것이다.
이하, 본 발명에 따른 과불화 화합물 가스 처리 방법을 상세히 설명하도록 한다. 도 1에는 본 발명에 따른 과불화 화합물 가스의 처리 방법을 나타내는 공정 흐름도를 나타내었다.
먼저, 반도체 장치의 제조를 위한 플라즈마 에칭 공정, CVD 공정 등의 수행시 과불화 화합물 가스(PFC 가스)가 배출되고 어느 정도의 유량을 가지면 이를 분해해야 될 기점을 판단하도록 한다. 그 다음, 상압하에서 소정의 반응기내에 아크 방전에 의한 고온 플라즈마를 발생시킬 수 있도록 반응기 내에 구비된 음극 및 양극에 전원을 인가하도록 한다. 기존의 유도 결합 플라즈마를 이용한 과불화 화합물 가스 처리 방식에서는 감압하에서 분해 반응을 수행한 것에 반하여, 본 발명에서는 상압하에서 고온 플라즈마를 발생시켜 분해 반응을 수행하도록 하고 있다.
감압 상태가 아닌 상압 상태에서는 전자 및 이온의 평균 이동 거리(mean free path)가 짧기 때문에 코로나 방전, 글로우 방전 등과 같은 낮은 에너지의 플라즈마가 발생된다. 따라서 CF4와 같이 강한 결합 구조를 가지고 있는 과불화 화합물 가스의 분해를 위해서는 직류 전원을 인가하여 고온 플라즈마를 형성하는 것이 효과적이다.
바람직하게는 상기 양극이 제1 및 제2 양극으로 이루어진다. 그리고 아크 방전에 의한 플라즈마를 발생시키는 단계가 상기 음극 및 상기 제1 양극 사이에 5∼50KV의 전압이 걸리고, 100∼1000mA의 전류가 흐르도록 전원을 인가하는 단계 및 상기 음극 및 제2 양극 사이에 5∼50V의 전압이 걸리고, 100∼1000A의 전류가 흐르도록 전원을 인가하는 단계로 이루어져 고전압 환경으로 비교적 짧은 시간 내에 점화시키고 이어서 전극 손실이 적은 저전압 환경에서 과불화 화합물 가스의 분해가 이루어지도록 한다.
고온 플라즈마가 발생된 반응기 내에 상기 과불화 화합물 가스를 주입하여 플라즈마에 의한 분해 반응이 진행되도록 한다. 바람직하게는, 상기 반응기 내에질소 및 산소로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 보조 가스를 주입시키도록 한다. 이러한 보조 가스는 과불화 화합물 가스와 함께 주입하거나 이와는 별도의 경로로 주입할 수 있다. 주입된 보조 가스는 이온화에 도움을 주며, 제1 양극에 의해 점화된 아크 방전을 제2 양극 방향으로 밀어 주어 빠른 시간 내에 제2 양극과의 아크 방전이 형성되도록 도와 준다. 결국, 고전압으로 인하여 전극이 마모되는 현상을 지연시켜 주는 기능을 하게 된다. 따라서, 상기 보조 가스는 과불화 화합물 가스와 함께 주입되는 것 보다는 이와는 별도로 주입되는 것이 효과적이며, 구체적으로는 음극에 별도의 보조 가스 주입구를 형성하여 이를 통하여 주입하면 매우 양호한 효과를 얻을 수 있게 된다.
상기 음극 및 상기 양극 사이에 형성된 플라즈마가 이들 사이에서 직선을 이루는 것보다 반원 형상의 곡선 형태로 유도되도록 하는 것이 처리 가스와의 접촉 영역을 증가시키기 때문에 바람직하다. 음극에서 양극으로 아크 방전을 일으킬 때 직선보다 타원형으로 유도하기 위해서 질소 가스 주입한다.
또한 상기 과불화 화합물 가스와 상기 보조 가스는 주입시 주입 각도를 조절하는 것에 의해 반응기 내에서 와류를 형성하도록 하는 것이 바람직하다. 유입되는 가스가 와류를 형성하면 아크 방전이 전극 주위에 골고루 생성되고 가스와 플라즈마의 접촉 시간이 연장되고 접촉 환경이 균일하게 되는 효과를 얻을 수 있다.
또한 전원 인가시에 상기 음극 및 상기 양극은 연속적으로 냉각시키는 것이 좋은데, 구체적으로 이를 위하여 음극 및 양극의 외부에 냉각수를 공급할 수 있다. 냉각수를 공급하면 써말 피치(thermal pitch) 효과로 인하여 플라즈마가 냉각수로부터 멀어지려는 현상이 나타나서 결국 플라즈마가 튜브의 가운데 부분으로 모이게되고 전극 소모를 줄여주므로 전극이 보호되는 효과를 얻을 수 있다.
상기 음극 및 양극을 주기적으로 회전시키는 것에 의해 전반적으로 균일한 환경을 만들어 주고 전극이 균일하게 마모되도록 유도하는 것이 또한 바람직하다.
분해된 가스는 반응기 바깥으로 배출되고 냉각된 후 널리 사용되는 습식 또는 건식 방식에 의해 처리된다. 습식 방식은 배출되는 가스를 물에 버블링 시키는 것으로 수행된다. 이러한 처리를 통하여 H2O, O2, CO2등과 같은 무해한 성분으로 얻어지게 된다. 건식 방식에서는 배출되는 가스를 고체 흡착제에 통과시켜 고체상에 흡착시켜 제거하게 된다. 흡착제의 성분에 따라 SrF2, ZnF2, CuF2등과 같이 폐기가 용이한 화합물을 사용하게 된다.
도 2에는 본 발명에 따른 과불화 화합물 가스의 처리 방법을 수행할 수 있는 장치의 배치를 나타내기 위한 공정 흐름도를 나타내었다.
먼저, 각종 공정에서 배출되는 과불화 화합물 가스(10a, 10b, 10c)는 바람직하게는 질소 가스와 함께 처리 장치로 주입된다. 필요에 따라 상기 가스는 여과 장치(20)에 의해 여과되고, 피스톤과 같은 압축 장치(30)에 의해 압축된 후 봄베(4)에 보관된다. 어느 정도의 양을 갖게 되면 분해를 위해 반응기(50)로 주입된다. 물론, 이러한 압축 및 보관을 위한 처리가 불필요한 경우에는 각종 공정에서 배출된 가스는 직접 반응기(50)로 주입될 수도 있다. 상기 반응기(50)의 내부는 냉제어 시스템(C), 플라즈마 제어 시스템(P) 및 유량 제어 시스템(G)에 의해 콘트롤된다. 상기 반응기(50) 내에서 분해된 가스는 냉각기(60)에 의해 냉각되고 반응 가스 처리 장치(70)에 의해 처리된 후 배출(80)된다.
도 3에는 본 발명의 일실시예에 따른 과불화 화합물 가스 처리 장치에서 반응기 부분에 대한 단면도를 나타내었다. 도 3을 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하도록 한다.
도면으로부터, 반응기 부분은 크게 과불화 화합물 가스 주입관(51), 반응기(50), 반응 가스 배출관(59)으로 이루어지고, 상기 반응기(50)는 크게 제1 반응관(58a), 음극(52), 제2 반응관(58b), 제1 양극(54), 제3 반응관(58c), 제2 양극(56), 제4 반응관(58d) 및 커버(57)로 이루어져 있음을 알 수 있다. 상기 각 전극 및 반응관은 모두 동일한 평행선상에 배치되고 가운데가 빈 튜브형으로 이루어져 내부가 원통형의 중공부를 형성하고 있으며 모두 소정의 수단에 의하여 서로 연결되어 있다.
음극(52)에는 냉각수가 흐를수 있도록 형성된 냉각홈(52a), 냉각홈 뚜껑(52b) 및 질소, 산소와 같은 보조 가스를 주입하기 위한 가스 주입구(52c)가 형성되어 있고 제1 양극(54) 및 제2 양극(56)에는 각각 제1 및 제2 냉각홈(54a, 56a) 및 제1 및 제2 냉각홈 뚜껑(54b, 56b)이 구비되어 있다. 그리고 반응 가스 배출관(59)의 외주면에는 반응된 가스를 냉각시키기 위한 냉각수가 흐를 수 있는 냉각관(59a)이 구비되어 있다.
봄베에 일정한 양의 가스가 차게 되고 일정한 압력이 되면 콘트롤러에 의해 과불화 화합물 가스(10)가 주입관(51)을 통하여 반응기(50) 내부로 주입되고, 이는전극과 반응관으로 이루어진 반응기 내부 공간을 이동하면서 음극과 양극에 인가된 직류 전원에 의해 형성된 고온 플라즈마에 의해 순간적으로 분해된 후 배출관(59)을 통하여 배출된다. 플라즈마를 발생시키기 위한 전원은 제너레이터를 사용하며 상압하에서 고온 플라즈마를 발생하게 된다. 주입된 가스는 플라즈마에 의해 이온화가 진행된 후 발생된 이온에 의해 반응기 내에서 질소, 산소 등의 가스와 반응하여 분해되면서 무해한 가스로 변하게 된다.
상기 주입관(51)과 배출관(59)은 바람직하게 스테인레스 스틸로 제작된다.
튜브형으로 음극 및 양극을 제작하면 전극 소모가 분산되어 어느 한 부분만 불균일하게 빨리 닳아 버리는 문제가 없어서 수명이 연장되고 튜브내 전반에 걸쳐서 플라즈마를 형성하게 되어 균일한 플라즈마 처리 효과를 얻을 수 있게 된다.
본 발명자에 의한 반복적인 실험 결과, 상기 음극 및 상기 제1 양극 사이의 거리 및 상기 제1 양극 및 제2 양극 사이의 거리는 100mm 이하인 경우에 용이하게 플라즈마가 발생되며 이들 사이에는 일정한 간격을 유지하기 위하여 반응관이 구비된다. 더욱 바람직하게는 각 전극간에 20∼40mm의 간격을 갖도록 배치한다. 제1 양극은 점화를 위한 양극으로서 처음에 고전압 환경으로 점화시키고, 이어서 약 7∼8초가 지나면 음극과 제2 양극간의 저전압 환경하에서 고온 플라즈마가 발생되어 가스를 분해하게 된다. 약 10초 정도 지나면 제1 양극에 인가된 전압은 상실된다.
한편, 도면에 나타난 바와 같이 음극(52)에 보조 가스 주입구(52c)를 형성하고 이를 통하여 보조 가스를 주입하게 된다. 가스 주입구(52c)는 튜브형의 음극(52)에 일정한 간격을 두고 다수개 형성될 수 있다. 이 때, 전극 자체를 회전시키거나, 가스 주입구의 형성시 일정한 각으로 빗각을 주어 형성함으로써 주입 가스의 방향을 조절하는 것에 의해, 보조 가스가 와류를 형성하도록 주입하면 플라즈마가 전극 주위에 골로루 생성되는 효과도 얻을 수 있고 제1 양극에 의해 점화된 플라즈마가 빠른 시간 내에 제2 양극으로 이동되는 효과도 얻을 수 있다.
이러한 음극 및 양극을 제조하기 위한 재료로는 특별한 제한이 없으나 바람직하게는 구리, 금, 은, 철, 알루미늄, 이들의 합금 또는 이들중 어느 하나의 금속에 이들중 어느 하나의 금속으로 도금된 도금체로 제조하도록 한다.
상기 음극 및 상기 양극은 튜브형의 상기 반응관과 연통되게 연결되는데, 바람직하게 이들은 모두 모서리부가 없게 형성된다. 전극을 튜브형으로 제작하면 기존의 막대형 전극에 비해 플라즈마 발생부위가 넓으므로 플라즈마 발생에 따른 전극의 손상이 전극 전반에 걸쳐 분산되므로 전극의 수명이 연장되는 효과를 얻을 수 있다. 같은 맥락으로 가능하면 뾰족한 모서리부가 없도록 형성함으로써 이곳이 집중적으로 마모되는 현상을 방지할 수 있을 것이다.
도 4a 내지 4g에서는 본 발명에 따른 장치에 적용될 수 있는 음극 및 양극의 다양한 구조를 예시하고 있다. 이들은 모두 음극이나 양극에 적절한 조합으로 적용될 수 있으며, 이들은 모두 반응기 내부의 중공부에 노출되는 부분이 곡선 형상으로 제작되거나 가능하면 모서리부가 없도록 제작된 것이다. 도 4a 내지 4d에 나타난 전극은 모두 가스 주입구가 형성되어 있으므로 음극으로 적용하기에 용이하다. 본 발명에서 적용할 수 있는 전극으로는 도면에 도시된 구조에 특별히 한정되지는 않으며 튜브형이면 어느 것이나 가능하다. 더욱 바람직하게는 플라즈마의 최적 유로 제공을 위해 플라즈마 발생부 쪽으로 각을 줄 수도 있다.
상기 반응관(58a, 58b, 58c, 58d)은 세라믹, 석영관 등과 같은 내열성 부도체로 형성하도록 하는데, 특히 석영관으로 반응관을 제작하면 이것이 일종의 촉매 역할을 수행하여 과불화 화합물 가스와 반응하여 SiF4와 같은 무해한 부산물을 형성하게 된다.
또한 상기 전극과 반응관기의 주변에는 아크 방전에 의한 고온 플라즈마의 방출을 막고 주변 환경을 보호하기 위하여 절연성 물질로 제조된 커버(57)가 구비된다. 이러한 커버는 백그라이트와 같은 절연성 물질로 제조된다.
반응기(50) 내에서 분해된 가스는 배출관(59)으로 배출되는데 이 때 배출관의 외주면을 따라 흐르는 냉각수에 의해 냉각된다. 냉각된 가스는 이후 물에 용해시킬 수 있도록 구성된 습식 장치 또는 고체 흡착제에 흡착시킬 수 있도록 구성된 건식 장치에 의해 처리될 수 있다.
도 5는 도 4에 나타난 과불화 화합물 가스 처리 장치의 반응기 내에서 플라즈마가 발생되는 유형을 예시하는 도면이다. 음극(52)으로부터 제2 양극(56)에 이르는 플라즈마는 주입된 가스의 영향으로 도면에 점선으로 나타낸 바와 같이 반원형으로 유도되어 가스와 플라즈마가 충분히 접촉할 수 있도록 하여 분해 효율은 더욱 증가 된다.
이하, 본 발명에 따른 장치에 의하여 가스가 분해 처리되는 메카니즘에 관하여 살펴보기로 한다.
도 6a 내지 6e에는 상술한 바와 같은 본 발명에 따른 장치에 의해 과불화 화합물 가스를 처리할 때 처리되는 가스의 반응 메카니즘을 개략적으로 나타내었다.
도 6a를 참고하면, 배출된 과불화 화합물 가스가 분자 구조로 예시되어 있다. 도시된 가스로는 CF4, C2F6, C3F8, C4F8가 있는데 이는 예시를 위한 것이지 다른 가스에 대해서도 동일한 방식으로 적용될 수 있을 것이다.
도 6b를 참고하면, 도 6a에 나타난 바와 같은 가스가 반응기의 내부로 유입되고 제어 장치로부터의 콘트롤에 의해 음극과 양극에 전원이 인가되면, 유입된 가스는 반응기 내부에서 아크 방전에 의한 고온 플라즈마에 의한 분해 반응을 일으켜 라디칼, 이온 등을 생성하게 된다.
도 6c를 참고하면, 생성된 라디칼, 이온등은 산소, 반응관의 SiO2성분 등과 반응하여 도시된 바와 같은 F2, COF2, CO2, SiF4등의 화합물을 형성하게 된다. 즉, 과불화 화합물 가스의 주성분인 탄소와 불소는 각각 반응관의 실리콘 및 공기중의 산소와 반응하여 처리가 용이한 화합물을 형성하는 것이다. 이렇게 형성된 화합물들은 습식이나 건식 처리 장치에 의해 쉽게 처리가 가능하다.
도 6d를 참고하면, 도 6c에 나타난 화합물을 습식 장치를 사용하여 처리하는 경우에 대한 것으로서, 배출되는 가스를 물에 버블링 시키는 것으로 수행된다. 이러한 처리를 통하여 도 6c에서 생성된 화합물은 H2O, O2, CO2등과 같은 무해한 성분으로 얻어지게 된다.
도 6e를 참고하면, 도 6c에서 생성된 화합물을 건식 장치를 사용하여 처리하는 경우에 대한 것이다. 이는 배출되는 가스를 고체 흡착제에 통과시켜 고체상에 흡착시켜 제거하는 것으로 흡착제의 성분에 따라 SrF2, ZnF2, CuF2등과 같이 폐기가 용이한 화합물로 형성된다.
이하, 도 2 및 도 3에 나타난 본 발명의 일실시예에 따른 장치를 사용하여 CF4및 C4F8가스를 처리한 결과를 살펴보기로 한다. 도 7a 및 7b는 CF4가스의 플라즈마 반응전(7a) 및 반응후(7b)에 대한 질량 분석 스펙트럼이고, 도 8a 및 8b는 C4F8가스의 플라즈마 반응전(8a) 및 반응후(8b)에 대한 질량 분석 스펙트럼이다.
실험에 사용된 반응기는 내경이 50mm 이고 길이가 300mm 이며, 음극은 도 4b에 나타난 구조를 가지고 제1 및 제2 양극은 도 4f에 나타난 구조를 갖는다. 음극의 길이는 50mm이고, 가스는 3x50ℓ/min의 유량으로 주입되었다. 음극과 제1 양극간의 환경은 10∼25KV, 600mA의 고전압 환경을 유지할 수 있도록 8초간 전원을 인가하고, 이후 음극과 제2 양극간의 환경이 30V, 200A를 유지할 수 있도록 시간차를 두고 전원을 인가하도록 한다. 이들 가스의 처리 과정은 4중 극자 질량분석기를 이용하여 측정하였다.
도면을 통하여 CF4, C4F8가스는 본 발명의 장치내에서 SiF4, CO 등과 같은 성분으로 변화되었음을 확인할 수 있다. 생성된 SiF4성분은 물에 대한 용해도가 높은 물질이므로 용이하게 처리될 수 있다. 이러한 처리를 통하여 CF4, C4F8가스는 90% 이상의 효율로 처리되었다.
또한 이러한 장치를 사용하여 4.8KW의 파워에서 100 sccm의 유량으로 NF3를 처리하였을 때 질소 가스의 유량이 30 sccm 일 때 처리 효율은 97.6% 였으며 SF6의 경우는 6.4KW의 파워에서 100 sccm 으로 유입되었을 때 질소 유량이 30 sccm 인 경우, 78% 정도의 처리 효율을 나타내었다. 즉, 본 발명의 장치를 사용하면 탄소와 불소로 된 화합물 뿐아니라 질소나 황을 포함하는 과불화 화합물도 상당한 수준으로 처리할 수 있음을 알 수 있다.
이상과 같은 본 발명의 장치를 설명함에 있어서, 특히 반도체 장치의 제조를 위한 공정에서 배출되는 가스를 예로하였는데, 이 경우 본 장치는 특히 반도체 제조 장치와 진공 배기장치 사이 또는 진공 배기 장치에 의해 저압의 상태가 유지되는 장소 등에 용이하게 설치할 수 있을 것이다. 또한 본 발명의 장치는 반도체 장치의 제조장치에 뿐만 아니라 LCD 제조를 위한 장치에도 용이하게 응용할 수 있을 것이다.
이상과 같은 본 발명의 방법에 의하면 CF4, C2F6, C3F8, C4F8, C5F8, NF3, SF6등과 같은 과불화 화합물 가스를 90% 이상 분해시켜 무해한 부반응물로 처리할 수 있게 된다. 이를 통하여 과불화 화합물 가스의 대기 방출에 인해 가속화되는 지구온난화 및 오존층 파괴 현상을 억제할 수 있게 된다.
또한 본 발명의 장치는 소형으로서 상압하의 배관에 부착할 수 있으며 튜브형 음극에서 양극으로 다수의 플라즈마가 형성되고, 플라즈마 발생에 따른 전극의손상이 전극 전반에 걸쳐 분산되기 때문에 전극의 수명이 매우 길어지게 된다. 이에 따라 적은 유지, 보수 비용으로 높은 처리 효율을 얻을 수 있게 된다.
이상에서는 본 발명의 실시예에 따라 본 발명이 설명되었지만, 본 발명의 사상을 일탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자라면 명확히 인지할 수 있을 것이다.

Claims (14)

  1. 상압하에서 소정의 반응기 내에 구비된 음극 및 양극에 전원을 인가하여 아크 방전에 의한 플라즈마를 발생시키는 단계;
    상기 반응기 내에 과불화 화합물 가스를 주입하는 단계;
    주입된 상기 과불화 화합물 가스를 상기 플라즈마에 의해 분해시키는 단계;
    분해된 가스를 냉각시키는 단계; 및
    냉각된 가스를 처리하는 단계를 포함하는 과불화 화합물 가스의 처리 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 반응기 내에 질소 및 산소로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 보조 가스를 상기 과불화 화합물 가스와 함께 주입하거나 상기 과불화 화합물 가스와 별도의 경로로 주입하는 것을 특징으로 하는 과불화 화합물 가스의 처리 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 과불화 화합물 가스 또는 상기 보조 가스를 주입시 와류를 형성하도록 하는 것을 특징으로 하는 과불화 화합물 가스의 처리 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 양극이 제1 및 제2 양극으로 이루어지고,
    상기 아크 방전에 의한 플라즈마를 발생시키는 단계가 상기 음극 및 상기 제1 양극 사이에 5∼50KV의 전압이 걸리고, 100∼1000mA의 전류가 흐르도록 전원을인가하는 단계 및 상기 음극 및 제2 양극 사이에 5∼50V의 전압이 걸리고, 100∼1000A의 전류가 흐르도록 전원을 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 과불화 화합물 가스의 처리 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 전원 인가시 상기 음극 및 상기 양극을 연속적으로 냉각시키는 것을 특징으로 하는 과불화 화합물 가스의 처리 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 음극 및 양극을 주기적으로 회전시키는 것을 특징으로 하는 과불화 화합물 가스의 처리 방법.
  7. 과불화 화합물 가스를 주입하기 위한 주입관;
    상기 주입관에 연통되며 상기 과불화 화합물 가스를 수납하여 아크 방전에 의한 고온 플라즈마로 분해시키기 위한 튜브형의 고온 플라즈마 반응기;
    상기 반응기 내에 구비되는 튜브형의 음극, 양극 및 반응관;
    분해된 가스를 냉각시키기 위한 냉각 장치; 및
    냉각된 가스를 처리하기 위한 처리 장치를 포함하는 과불화 화합물 가스의 처리 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 음극내에서 질소 및 산소로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 보조 가스를 유입하기 위한 가스 주입구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 과불화 화합물 가스의 처리 장치.
  9. 제7항에 있어서, 상기 양극이 점화를 위한 제1 양극 및 아크 방전의 형성을 위한 제2 양극으로 이루어진 것을 특징으로 하는 과불화 화합물 가스의 처리 장치.
  10. 제7항에 있어서, 상기 음극 및 상기 양극에는 냉각수가 흐를 수 있는 냉각홈이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 과불화 화합물 가스의 처리 장치.
  11. 제7항에 있어서, 상기 음극 및 상기 양극 사이의 거리는 100mm 이하이며 이들 사이에는 반응관이 구비되는 것을 특징으로 하는 과불화 화합물 가스의 처리 장치.
  12. 제7항에 있어서, 상기 음극 및 상기 양극은 튜브형의 상기 반응관과 연통되는 튜브형으로서, 모서리부가 없는 것을 특징으로 하는 과불화 화합물 가스의 장치.
  13. 제7항에 있어서, 상기 음극 및 상기 양극은 구리, 금, 은, 철, 알루미늄, 이들의 합금 또는 이들중 어느 하나의 금속에 이들중 어느 하나의 금속으로 도금된 도금체로 형성되는 것을 특징으로 하는 과불화 화합물 가스의 처리 장치.
  14. 청구항 7항에 따른 장치를 반도체 장치 또는 LCD(liquid crystal display device)의 제조를 위한 CVD 공정 및/또는 플라즈마 식각 공정에서 배출된 과불화 화합물가스의 처리에 사용하는 방법.
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