KR20100005334A - 폐가스 분해용 플라즈마 반응기와 이를 이용한 가스스크러버 - Google Patents

폐가스 분해용 플라즈마 반응기와 이를 이용한 가스스크러버 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 산업을 포함한 각종 산업으로부터 배출되는 대기오염 유해가스를 제거하기 위한 플라즈마 반응기와 이를 이용한 스크러버에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유해가스가 배출되는 배출구와 통상의 습식 스크러버 사이에 설치되는 글라이딩 플라즈마 반응기와 초고주파 플라즈마 반웅기, 상기 플라즈마 반응기들로부터 발생된 플라즈마 화염으로 상기 유해가스를 통과시켜 유해가스를 제거하는 플라즈마 가스 스크러버를 제공하게 된다.
플라즈마, 스크러버, 폐가스, PFC

Description

폐가스 분해용 플라즈마 반응기와 이를 이용한 가스 스크러버{PLASMA REACTOR FOR ELIMINATING WASTE GASES AND GAS SCRUBBER USING THE SAME}
본 발명은 폐가스 분해용 플라즈마 반응기와 이를 이용한 가스 스크러버에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반도체 산업을 포함한 각종 산업에서 팬 및 펌프 등의 수단으로부터 배출되는 대기오염 유해가스를 제거하기 위한 플라즈마 반응기와 이를 이용한 가스 스크러버에 관한 것이다.
각종 반도체 디바이스의 제조나 근래 급격하게 발전된 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. 근래에 반도체 디바이스의 제조공정에서 사용되는 가스를 그 공정별로 살펴보면 다음과 같다. 먼저, 에칭(etching) 공정에서는 주로 실리콘 옥사이드(silicon oxide), 실리콘 니트라이드(silicon nitride) 및 폴리 크리스탈린 실시콘(polycrystalline silicon)을 에칭하는데 사용되는 CF4, SF6, CHF3, C2F6, SiF4, F2, HF, NF3 등의 플루오린 가스(fluorine gas)들과, 알루미늄과 실리콘을 에 칭하는데 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 챔버내에 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.
상기와 같은 가스들은 반도체 제조장치내에 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. 가스 스크러버는 일반적으로 반도체나 액정의 제조공정에서 배출되는 가스를 처리하는 장치를 말하며 이러한 가스 스크러버는 크게 각 장치의 바로 후단에 붙는 1차 가스 스크러버 그리고 1차 가스 스크러버의 다음에 설치되는 2차 가스 스크러버로 구분된다. 나아가 1차 가스 스크러버는 크게 건식 가스 스크러버, 연소식 가스 스크러버, 습식 가스 스크러버로 구분 되지만, 근래에는 연소식과 습식 또는 연소식과 건식을 혼합한 형태 등 변형된 제품도 생산되고 있다. 종래에 일반적으로 널리 사용되는 가스 스크러버는 챔버를 통과하는 가스에 물을 분사시켜 정화 및 냉각을 행하는 습식 가스 스크러버이다. 습식 가스 스크러버는 단순한 공정과 간단한 구조로 제작이 용이하고 대용량화 할 수 있는 장점이 있으나, 불용성 가스는 처리가 불가능하고 수소기를 포함하는 발화성 가스의 처리에 부적합한 단점이 있다. 또한 많은 양의 폐수를 발생시켜 별도의 폐수 처리 설비를 필요로 하기 때문에 운전 및 유지비용이 상승되어 경제적이지 못하다. 연소식 가스 스크러버는 수소버너의 버너속에 배기 가스를 통과시키는 직접연소방식과 열원에 의해 형성된 고온의 챔버에 배기 가스를 통과시키는 간접연소방식으로 구분된다. 그러나 이러한 연소식 가스 스크러버는 발화성 가스의 처리효율은 우수하나 PFC 등의 안정한 물질을 분해하기에는 온도가 충분하지 않아 난분해성 유해가스의 처리에는 부적합하고, 2차 유해물질인 부생성물(by-product)의 처리를 위한 추가적인 세정 공정도 필요로 하는 문제점이 있다.
근래에는 경제성, 안정성 및 효율성 등의 이유로 연소식과 습식을 병용한 가스 스크러버가 사용되고 있다. 그러나, 종래의 혼합형 가스 스크러버는 그 버닝 챔버의 내경이 작고 길이가 길어야만 충분한 연소온도를 얻을 수 있기 때문에 설치면적을 많이 차지하고 고온의 가스가 오랜 시간 버닝챔버에 머물러 부식에 매우 취약한 문제점이 있었다. 그리고 고온의 버닝챔버를 통과한 가스와 물이 접촉되는 부분의 구조적 결함으로 파우더가 쌓여 유지, 보수의 비용이 많이 소요되고 주공정의 가동 중단으로 생산성을 저하시키는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 반도체 산업을 포함한 각종 산업에서 펌프 및 팬 등의 수단에 의해 대기로 배출되는 유해가스를 플라즈마 반응기로 유입시켜 안정적으로 플라즈마를 유지 및 유도할 수 있는 플라즈마 반응기를 제공함에 목적이 있다.
또한 상기 플라즈마 반응기로부터 발생된 플라즈마로 반도체 산업을 포함한 각종 산업에서 펌프 및 팬 등의 수단에 의해 대기로 배출되는 유해가스를 통과시켜 제거하는 가스 스크러버를 제공하는데 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 고주파를 발진하는 고주파 발진기; 상기 고주파 발진기에 전력을 공급하는 전원공급부; 상기 고주파 발진기에서 발진된 고주파를 전송하는 도파관; 상기 도파관을 통해 전송된 고주파 및 외부로부터 주입된 와류가스가 유입되는 방전관; 상기 방전관이 설치되며 접지전극으로서 작용하는 방전관 지지체; 상기 방전관 지지체 내부에 설치되어 상기 방전관 지지체와 방전을 일으켜 플라즈마를 발생시키는 동시에 상기 플라즈마를 상기 방전관 내부로 유입시키는 고전압 전극; 상기 고전압 전극으로부터 발생된 플라즈마와 상기 도파관을 통해 상기 방전관으로 전송된 고주파에 의해 발생된 고주파 플라즈마; 상기 플라즈마들로 유해가스를 주입하는 유해가스 주입부; 및 통상의 습식 스크러버와 연결됨과 동시에 상기 플라즈마 화염출구를 제공하는 연결관;을 포함하는 플라즈마 반응기를 특징으로 한다.
본 발명에 의한 플라즈마 반응기 및 이를 이용한 가스 스크러버는 고유속의 유해가스에 안정적인 플라즈마를 제공함으로서 운전 조건에 따라 가스 유량 및 조성의 변화가 있어도 유해가스를 효과적으로 제거하므로 안정적인 가스 스크러버를 제공해주는 효과가 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따라 반도체 공정에서 배출되는 유해가스를 처리하기 위한 플라즈마 스크러버의 적용을 보여주는 구성도이다.
도 1을 참조하면, 일반적으로 반도체 공정에서 유해가스는 반도체 공정 챔버(10)에서 미반응된 가스로서 진공 연결관을 통해 터보 펌프(20)와 로터리 펌프(30)를 통해 순차적으로 대기 중으로 배출된다. 반도체 공정에서 사용되는 로터리 펌프(30)는 질소가스의 퍼징에 의해 작동하기 때문에 미반응된 유해가스는 질소가스와 함께 배출된다. 본 발명에서는 1기압에서 작동하는 플라즈마를 이용하여 로터리 펌프(30)에서 배출되는 유해가스를 제거하기 위하여 고주파 플라즈마와 글라이딩 플라즈마로 구성되는 복합 플라즈마(50)를 로터리 펌프(30) 후단에 설치하고 상기 복합 플라즈마(50)에서 처리된 유해가스는 통상의 습식 스크러버(80)를 지나 대기로 배출된다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 복합 플라즈마 반응기(50)의 구성을 상세히 설명하는 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 복합 플라즈마 반응기(50)는 전원 공급부(5), 고주파 발진기(15), 방전관(40), 도파관(52), 방전관 지지체(56), 와류가스 주입부(58), 추가가스 공급부(64), 연료공급 지지체(60) 및 고전압 전극(70)을 포함한다.
전원 공급부(5)는 고주파 발진기(15)에 전원을 공급한다. 예를 들어, 상기 고주파 발진기(15)가 마이크로웨이브를 발진할 때는 그 주파수 영역대가 2400 MHz 내지 2500 MHz가 바람직하며 그때의 고주파 발진기(15)를 마그네트론이라 한다. 마그네트론에 전원을 공급할 때, 상기 전원공급부(5)로부터의 전압은 -3.0 ～ -4.5 kV가 바람직하다. 상기 고주파 발진기(15)로부터 발진되는 고주파(54)는 도파관(25)으로 유입된다. 상기 도파관(25)의 종단(52)으로부터 1/4λg (λg는 도파관 내의 파장) 떨어진 위치에 중심축을 갖는 방전관(40)은 상기 도파관(25)에 수직하게 설치되며 그 재질은 석영, 강화유리, 세라믹, 알루미나 등 고주파가 투과할 수 있는 유전체로 구성될 수 있다. 상기 방전관(40)은 방전관 지지체(56)에 의해 지지되며 방전관(40)으로 와류가스를 주입할 수 있는 와류가스 주입구(58a, 58b)가 설치된다. 상기 와류가스 주입구(58a, 58b)는 등간격을 가지도록 다수개로 설치될 수 있음은 물론이다. 상기 와류가스 주입구(58a, 58b)로부터 주입되는 와류가스는 상기 방전관 지지체(56)와 상기 방전관(40)의 내벽을 타고 와류를 형성하며 산소, 질소, 공기, 비활성 가스, 탄화수소 가스 및 그 혼합가스로 구성될 수 있으며 플라즈 마 가스로서 역할을 하는 동시에 상기 방전관(40) 내에 발생되는 플라즈마를 안정화시켜주며 고온의 플라즈마 복사열로부터 방전관(40)의 손상을 방지해주는 역할을 한다.
상기 방전관 지지체(56)와 상기 방전관(40)의 중심축에 설치된 고전압 전극(70)은 고온, 고압에 견딜 수 있는 유전체로 만들어진 지지체(92)에 의해 지지되며 상기 지지체(92)는 상기 방전관 지지체(80)와 상호 연결되어 있다.
상기 고전압 전극(70)의 모양은 축 방향으로 일정한 직경을 가지는 원기둥 모양을 하다가 점차 직경이 커지며 다시 좁아지는 모양(상협하광 모양)을 하고 있다. 상기 고전압 전극(70)의 모든 모서리는 둥근 모양을 하도록 구성된다. 상기 고전압 전극(70)과 접지 전극으로 작동하는 상기 방전관 지지체(56) 사이의 방전은 두 전극 사이에 가장 가까운 위치에서 시작되고 상기 와류가스에 의해 회전 유동하는 플라즈마(74)가 발생된다. 이때 발생되는 플라즈마는 직류 또는 교류 고전압 저전류에 발생되므로 전통적인 아크 방전 플라즈마와 전혀 다른 특성을 보여준다.
상기 플라즈마(74) 화염 길이는 충분히 방전관(110) 내로 유입될 수 있을 만큼 길게 형성되어 상기 방전관(40) 내로 유입되는 고주파에 의해 고주파 플라즈마(110)가 발생되도록 한다. 예를 들어, 공기를 이용하여 상기와 같은 구조를 갖는 고주파 플라즈마 반응기에서 자동 점화되는 고주파 플라즈마를 발생시키기 위해서는 5 kW 이상의 높은 파워가 공급되어야 하지만 스파크와 같은 점화장치의 도움으로 고주파 플라즈마(110) 발생은 수백 와트에서도 가능하다.
일반적으로 고주파 플라즈마의 점화는 방전관 안으로 삽입된 텅스텐 전극의 스파크 장치에 의해 고주파 플라즈마를 발생시킨다. 그러나 이런 스파크 장치는 발생된 고온의 고주파 플라즈마에 의해 빠르게 산화되어 스파크를 제공하지 못하게 된다. 또한 고주파 플라즈마는 주입되는 가스 유량에 민감하게 반응하여 플라즈마가 꺼지는 상황이 발생한다. 그러므로 변화하는 가스유량에 고주파 플라즈마가 꺼지지 않고 안정적으로 유지하기 위해서는 그 점화장치의 역할이 중요하게 된다. 본 발명에서 고전압 전극(70)으로부터 발생되는 플라즈마는 분당 5000리터 이상의 높은 유량에서도 꺼지지 않으며 그 플라즈마(74) 화염 길이도 충분히 길어 고주파 플라즈마를 용이하게 발생시킬 수 있다. 저온 아크와 같은 성질을 가지는 상기 플라즈마(74)의 화염온도는 섭씨 500-5000도에 이르며 또한 방전관 내의 압력변화에도 민감하지 않아 고주파 플라즈마를 안정적으로 점화시킬 수 있다. 그러므로 고전압 전극(70)으로부터 발생되는 플라즈마(74)는 고주파 플라즈마(110)의 점화를 위한 점화장치의 역할과 동시에 글라이딩 아크의 비열 플라즈마 영역으로부터의 높은 화학적 활성종들을 만들어 내기 때문에 플라즈마 화학반응을 향상시켜주는 역할을 하게 된다.
접지 전극으로 작동하는 방전과 지지체(56)와 고전압 전극(70) 사이에서 발생된 플라즈마에 의해 쉽게 고온의 고주파 플라즈마(110)가 발생되고 발생된 상기 고주파 플라즈마(110)에 지지체(60)에 설치되는 추가가스 공급부(64)로부터 추가가스를 공급하여 플라즈마 화학반응에 도움을 줄 수 있다. 예를 들어, 추가가스로서 탄화수소 가스를 공급할 경우, 플라즈마와 연료화염으로 구성되는 고온 대용량의 플라즈마 화염(120)을 만들 수 있다. 물론, 수증기, 산소, 수소 가스를 추가가스로 주입할 수 있으며, 플로린 화합물의 유해가스를 분해할 경우, 수소(H)가 붙은 추가가스는 유해가스를 플라즈마 화학반응을 통해 쉽게 처리될 수 있는 불산(HF)으로 변환한다.
또한 상기 지지체(60) 상단에는 일예로서 통상의 습식 스크러버과 연결이 용이하도록 연결블록(62)이 설치될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 반응기를 이용한 플라즈마 가스 스크러버의 구성도이다.
도 3을 참조하면, 로터리 펌프(30)로부터 방출되는 유해가스는 연결관(32a,32b)을 통해 유해가스 주입부(34a,34b)로 주입된다. 여기에서 유해가스 연결관은 다수개가 설치될 수 있음은 물론이다. 상기 유해가스 주입부(34a,34b)로 주입되는 유해가스는 회전유동하는 와류가스의 역할을 한다. 상기 유해가스는 글라이딩 아크 플라즈마와 고주파 플라즈마를 통과하게 되면서 플라즈마 부산물로 변환되고 플라즈마 가스 배기관(90)과 연결된 습식 스크러버로 유입된다.
도 4는 도5의 유해가스 주입부의 일예를 보여주는 단면도이다.
도 4를 참조하면, 유해가스 주입부(34a,34b,34c,34d)는 방전관 지지체(56)의 내벽과 접선방향으로 등간격을 이루어 다수개가 설치될 수 있다. 상기 유해가스 주입부(34a,34b,34c,34d)의 다수개의 설치는 와류가스로서의 유해가스를 균일하게 회전유동하도록 만들어주어 플라즈마 안정화뿐만 아니라 복합 플라즈마에 의한 유해가스 처리효율을 증가시켜준다. 또한 상기 유해가스 주입부(34a,34b,34c,34d)의 설치 각도가 상 방향으로 0에서 90도 범위로 이루어질 수 있음은 물론이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 반응기를 이용한 플라즈마 가스 스크러버의 다른 예를 보여주는 구성도이다.
도 5를 참조하면, 도 3내지 4에서의 유해가스 주입부는 도파관(25)의 상단 영역에 설치된다. 지지체(60)에 설치되는 유해가스 주입부(84a,84b)는 축 방향과 수직하게 유해가스를 주입하도록 설치될 수 있을 뿐만 아니라, 회전유동하도록 상기 지지체(60)의 내벽과 접선방향으로 설치될 수 있음은 물론이다. 또한 상기 유해가스 주입부(84a,84b)는 상기 지지체(60)에 대해 0에서 90도의 범위에서 등간격으로 다수개가 설치될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따라 반도체 공정에서 배출되는 유해가스를 처리하기 위한 플라즈마 스크러버의 적용을 보여주는 구성도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 복합 플라즈마 반응기(50)의 구성을 상세히 설명하는 단면도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 반응기를 이용한 플라즈마 가스 스크러버의 구성도,
도 4는 도5의 유해가스 주입부의 일예를 보여주는 단면도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 반응기를 이용한 플라즈마 가스 스크러버의 다른 예를 보여주는 구성도이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
5: 전원공급부 15: 고주파 발진기
34: 유해가스 주입부 40: 방전관
50: 플라즈마 반응기 54: 고주파
56: 방전관 지지체 64: 추가가스 공급부
70: 고전압 전극

Claims (13)

  1. 고주파를 발진하는 고주파 발진기;
    상기 고주파 발진기에 전력을 공급하는 전원공급부;
    상기 고주파 발진기에서 발진된 고주파를 전송하는 도파관;
    상기 도파관을 통해 전송된 고주파 및 외부로부터 주입된 와류가스가 유입되는 방전관;
    상기 방전관이 설치되며 접지전극으로서 작용하는 방전관 지지체;
    상기 방전관 지지체 내부에 설치되어 상기 방전관 지지체와 방전을 일으켜 플라즈마를 발생시키는 동시에 상기 플라즈마를 상기 방전관 내부로 유입시키는 고전압 전극;과
    상기 고전압 전극으로부터 발생된 플라즈마와 상기 도파관을 통해 상기 방전관으로 전송된 고주파에 의해 발생된 고주파 플라즈마에 추가가스를 공급하는 추가가스 공급부;를
    포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 고주파 발진기의 주파수 영역대가 2400 ～ 2500 MHz인 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 방전관 지지체가 상기 고전압 전극의 상대 전극으로 작동하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 고전압 전극의 단부 모양이 상협하광의 모양을 하고 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 고전압 전극과 방전과 지지체에 인가되는 전원이 고전압 직류 및 교류인 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 와류가스는 공기, 산소, 질소, 비활성가스 및 탄화수소가스 중 선택된 적어도 하나 이상의 가스로 이루어진 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 고주파 플라즈마의 점화가 저온 아크이면서 500℃～5000℃의 플라즈마에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 추가가스 공급부로부터 공급되는 가스가 탄화수소, 수증기, 산소, 및 비활성 가스 중 선택된 적어도 하나 이상의 가스로 이루어진 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 방전관 지지체에 유해가스 주입구가 설치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 유해가스 주입구로부터 주입되는 유해가스가 스월가스인 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 유해가스 주입구가 등간격으로 다수개가 구비되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
  12. 펌프 및 팬 등의 배출수단으로부터 배출되는 유해가스를 제거하는 가스 스크러버 장치에 있어서,
    상기 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항으로 형성된 플라즈마 반응기를 펌프 및 팬 등의 배출수단과 통상의 습식 스크러버 사이에 설치하고;
    상기 플라즈마 반응기로 유해가스를 주입하여 유해가스를 제거하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기를 이용한 가스 스크러버.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 유해가스가 주입되는 유해가스 주입부가 상기 통상의 습식 스크러버와 플라즈마 반응기를 연결하는 지지체에 구비되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기를 이용한 가스 스크러버.
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