KR20130124045A - 전기 분해 장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기 분해 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 전해질로만 사용되던 고농도의 암모니아수나 암모니아 가스를 전기분해되어 나오는 알칼리 전해수(-800mV이상)에 일정량 첨가함으로써, 반도체 세정 공정에 활용할 수 있도록 하기 위한, 전기 분해 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

Description

전기 분해 장치 및 그 방법{APPARTUS AND METHOD FOR ELECTROLYSIS}
본 발명은 전기 분해 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 전해질로만 사용되던 고농도의 암모니아수나 암모니아 가스를 전기분해되어 나오는 알칼리 전해수(-800mV이상)에 일정량 첨가함으로써, 반도체 세정 공정에 활용할 수 있도록 하기 위한, 전기 분해 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
전기분해란 물을 전기분해 하여 수소, 산소, 오존등을 생성하는 전기를 이용한 화학반응으로서 기존에는 전기도금 및 금속의 추출등에 사용 되어 오다가 근래와서는 수처리분야나, 연료전지분야(수소 생산), 생성되는 전해수(양이온, 음이온수)를 소독수나세정 수로 사용 하는 등 그 사용 범위가 넓어지고 있다. 그러나 점점더 가혹해 지는 전기분해 조건에 비해 전극에 사용되는 물질은 제한적이 적용분야의 확대에 크게 걸림돌이 되고 있다.
본 발명은 전해질로만 사용되던 고농도의 암모니아수나 암모니아 가스를 전기분해되어 나오는 알칼리 전해수(-800mV이상)에 일정량 첨가함으로써, 반도체 세정 공정에 활용할 수 있도록 하기 위한, 전기 분해 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 분해 장치는, 양극실, 음극실 및 중간실을 포함하는 3조식 전해조; 및 상기 양극실 및 음극실 각각에 배치되어 전원으로부터 전기를 공급받는 양극 및 음극을 포함하며, 상기 음극실로부터 유출되는 알카리 전해수에 소정의 고농도의 암모니아수 또는 암모니아 가스를 공급한다.
또한, 상기 전극 중 양극 또는 음극은, 백금(Pt) 및 이리듐(Ir) 합금(Pt/Ir)으로 도금되는 것을 특징으로 한다.
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 분해 방법은, 3조식 전해조를 통해 알카리 전해수를 생성하는 단계; 및 상기 3조식 전해조로부터 생성된 알카리 전해수에 소정의 고농도의 암모니아수 또는 암모니아 가스를 공급하는 단계;를 포함한다.
또한, 상기 3조식 전해조의 전극은, 백금(Pt) 및 이리듐(Ir) 합금(Pt/Ir)으로 도금되는 것을 특징으로 한다.
또한, 소정의 고농도의 암모니아수 또는 암모니아 가스가 공급된 알카리 전해수를 이용하여 반도체 세정을 수행하는 단계를 더 포함한다.
본 발명에 따른 전기 분해 장치는, 전해질로만 사용되던 고농도의 암모니아수나 암모니아 가스를 전기분해되어 나오는 알칼리 전해수(-800mV이상)에 일정량 첨가함으로써, 반도체 세정 공정에 활용할 수 있는 효과가 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 분해 장치에 대한 도면,
도 3은 동일한 전해 조건에서의 Pt 및 Pt/Ir합금의 전해시간에 따른 전극 두께를 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 분해 장치에 대한 도면이다. 도 1은 양극수(Anode water, 산성수, 오존수)를 생성하는 장치이며, 도 2는 음극수(Cathode water, 알카리수, 수소수)를 생성하는 장치이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기 분해 장치는, 초순수를 전기분해를 통해 분해한 후, 이온화된 이온을 첨가시키도록 한 것을 특징으로 한다. 구체적으로, 전기분해장치를 통해 초순수를 전기분해를 행하면, 양극수에 산소와 오존이 용존되고, 음극수에는 수소가 용존되게 된다. 양극수에는 촉매 Hcl을 사용하여, 이것을 전해이온분리하여 H+와 cl-이온으로 분리하고, 양극수에 cl-이온을 보내도록 한다. 음극수에는 촉매 NH4OH를 사용하여, 이것을 전해이온분리하여 NH4+와 OH-이온으로 분리하고, 음극수에 NH4+이온을 보내도록 한다. 따라서, 전기 분해 장치는 초순수를 전기분해하고, 이에 이온하된 이온을 첨가하도록 한 유체를 세정수로 사용한다.
또한, 전기 분해 장치는 순수로부터 전기 분해하여 O2 또는 H2를 용해시킨 양극수 또는 음극수에, 전해액을 전기 분해하여 생성된 이온을 첨가시켜 (산성 또는 알카리성) 세정수를 생성한다.
물의 전기분해를 통해 성성되는 물을 전해수라고 하며, 이 물은 전해질의 유무와 이온교환막의 유무 및 기타 전기분해 장치의 전기분해 효율 등에 따라 강산성, 약산성, 중성, 약알카리성, 강알카리성등의 다양한 수질이 생성된다. 각각의 전해수의 수질에 따른 대표적인 적용 분야는 하기 표 1과 같다.
Figure pat00001
특히 근래에 디스플레이 산업 및 반도체 산업에서의 기술이 비약적으로 발전함에 따라 초정밀 세정 기술에 대한 수요도 따라서 증가하게 되었다. 기존에 주로 사용되어온 초순수를 이용한 세정(DI rinse)이나 케미컬 세정(RCA cleaning, SC1, SC2)등을 대체할 수 있는 세정방법으로 전해수의 이용이 적극 검토되고 있다.
전기분해에 의해 생성되는 전해수 중 강알칼리성을 띤 전해수는 디스플레이나 반도체 세정 산업에서 금속 이온 파티클의 제거 및 제 부착을 방지하는 능력이 탁월함이 해당 분야에서는 일반화되어 있는 특성이다. 이와 같은 금속 이온 파티클의 제거능은 전해수의 수소이온농도(pH)와 산화-환원전위(Oxidation-Reduction Potential, ORP)와 밀접한 관계가 있는데 이중 ORP 값에 의해 영향을 받는다는 것이 일반적으로 받아들여지고 있다.
하지만 ORP값이 -750mV이하의 강알카리성 전해수를 생성하기 위해서는 일정량의(혹은 일정속도의) 물에 충분한 양의 전류를 인가하여 전기분해를 일으켜 주어야만 가능하다. 충분한 양의 전류를 인가하기 위해서는 전해질의 농도를 높이거나, 양극과 음극의 간격을 최대한 가깝게 하고, 전압을 충분히 높인다.
하지만, 전해질의 농도를 너무 많이 높이게 될 경우 전해수에 전해질이 너무 많이 함유 되게 되어, 추가 세정이 필요하다. 또한, 양극과 음극의 간격을 최대한 가깝게 할 경우 양극실과 음극실을 효과적으로 구분할 수 없게 되며 코로나 방정에 의해 전극물질(Pt, Ti등)의 용출을 초래한다, 그리고, 전압을 높이게 될 경우는 음극실에서 전극물질이 용출되어 전극의 수명을 단축한다.
바람직하게는, 반도체 공정에 사용되는 전해수는 금속 불순물(metal impurity)과 케미컬 불순물(chemical impurity)은 다음 조건을 만족해야 한다.
- 금속 불순물(metal impurity)＜100ppt
이때, 전해수 ORP값의 최소값은 －800mV∼－750mV이다.
본 발명의 일실시예에 따른 전기 분해 장치는 전해수의 ORP값을 -800mV 이하로 낮추기 위해, 일정량의 전해질(0∼10000ppm)을 사용하여 －800mV∼－750mV의 전해수를 생성한 뒤, 생성된 전해수에 고농도의 암모니아수(29%)나 고순도의 암모니아 가스를 첨가한다. 이때, 전해수의 ORP값은 5∼10%로 감소된다. 즉, 전해수의 ORP값은 －880mV∼－800mV이다.
이는 첨가되는 고농도 암모니아수(29%)나 고순도의 암모니아 가스에 의해 수산화 이온(OH-)이 추가로 생성되기 때문이다. 또한, 첨가되는 고농도의 암모니아수나 암모니아 가스의 양이 일정량을 초과하면 더 이상 ORP값이 낮아지지 않는다. 그 이유는 추가로 생성되는 OH-이온의 증가에 더하여 염기성이온에 짝을 이루는 NH4+이온 또한 같이 증가하기 때문이다.
본 발명의 일실시예에 따른 전기 분해 장치는 -800mV이하의 강알칼리성 전해수를 생성한다. 즉, 전기 분해 장치는 전해질로만 사용되던 고농도의 암모니아수나 암모니아 가스를 전기분해되어 나오는 알칼리 전해수(-800mV이상)에 일정량 첨가함으로써, 알칼리 전해수의 ORP 특성을 개선(-800mV이하)하여 LCD나 반도체 세정공정에 적용할 수 있다.
한편, 전기분해란 물을 전기분해 하여 수소, 산소, 오존등을 생성하는 전기를 이용한 화학반응으로서 기존에는 전기도금 및 금속의 추출등에 사용 되어 오다가 근래와서는 수처리분야나, 연료전지분야(수소 생산), 생성되는 전해수(양이온, 음이온수)를 소독수나세정 수로 사용 하는 등 그 사용 범위가 넓어지고 있다. 그러나 점점더 가혹해 지는 전기분해 조건에 비해 전극에 사용되는 물질은 제한적이 적용분야의 확대에 크게 걸림돌이 되고 있다.
전기 분해 장치는 높은 전기분해 효율과 특유의 chemical 안정성으로 인해 주로 백금(Pt) 전극(Pt composite Ti electrode)을 사용한다. 하지만 물의 전기 분해시 양극(anode)으로 사용되는 백금 전극은 전기분해 시 꾸준히 Pt2 + 이온이 용출되어 나오는 특성이 있다. 이로 인해, 티타늄판(titanium plate) 상에 도금된 백금(Pt)이 모두 용출되어 전기분해 장치의 수명을 단축한다. 또한, 생성되는 양극수(anode water)에 함유되는 Pt2 + 이온으로 인해 양극수를 사용하기 어렵다. 즉, 반도체 세정 분야에서 사용하기 어렵다.
따라서, 본 발명의 일 실시예의 전기 분해 장치에서는 백금(Pt)과 이리듐(Ir)의 합금(Pt/Ir 합금)으로 도금된 전극을 양극 또는 음극에 사용함으로써 4배 이상 수명을 향상한다. 도 3은 동일한 전해 조건에서의 Pt 및 Pt/Ir합금의 전해시간에 따른 전극 두께를 나타낸 것이다.
현재 반도체 세정 공정에서 많이 사용되고 있는 방법 중에 RCA cleaning 방법이 있다. 이방법은 Warner Kern (at RCA laboratories)에 의해 1960년대 개발되어 현재까지 사용되고 있는 방법이다. RCA cleaning에는 크게 2가지 방법이 있는데 SC1(standard cleaning 1, 암모니아/과산화수소수/물)와 SC1(Standart cleaning 2, 염산/과산화수소수/물)가 있다. 이중 SC1은 organic residue를 제거하는데 일반적으로 사용한다고 알려져 있다(사용범위가 제한적이지는 않다.) 하지만 반도체산업의 비약적인 발전과 환경친화적이 않다는 제약을 받고 있어서 SC1에 대체에 관한 연구가 진행 되어 오고 있다. 즉 SC1이 갖고있는 반도체 세정능력에 더하여 환경친화적으로 chemical의 사용을 현저하게 줄이는 세정 방법이 고안 되어 오고 있다.
현재 이온수 장비개발팀에서 보유하고 있는 이온수 생성장치는 pH 10.5, ORP -750mV의 고환원성 이온수를 생성한다. 현재 이 이온수를 반도체 세정(Rinse)공정에 적용하여 탁월한 파티클 제거능력과 Wafer의 표면 개질등의 특성을 확인하였다. 이에 더하여 이온수의 pH, ORP 특성을 극대화 하여 SC1 대체를 위한 특성평가를 진행 하고 있다.
이온수의 pH, ORP 특성을 극대화하기 위해 1)이온수를 생성하는 전기분해 cell에 이온수를 Circulation 시켜 batch type으로 생성하는 방법과, 2)전기분해 cell의 전류밀도를 극대화 하여 pH, ORP를 높이는 방법(Continuous type), 3)암모니아수(29%) 혹은 암모니아 gas를 이온수에 첨가하는 방법(Continuous type)등이 실험되었으며 어느 정도의 결과를 얻고 있다.
반도체 산업의 발전 속도와 전체 산업에서 차지하는 비중으로 판단할 때 본 기술이 반도체 산업 전반을 거쳐 매우 중요한 의미를 갖고 있는 바 상기 기술의 선행기술 조사가 시급하며 당사가 이미 전개하고 있는 이온수 사업의 기술 보호와 시장확보를 위해 지적 재산권의 보완, 확보가 필요하다.

Claims (5)

  1. 양극실, 음극실 및 중간실을 포함하는 3조식 전해조; 및
    상기 양극실 및 음극실 각각에 배치되어 전원으로부터 전기를 공급받는 양극 및 음극을 포함하며,
    상기 음극실로부터 유출되는 알카리 전해수에 소정의 고농도의 암모니아수 또는 암모니아 가스를 공급하는 전기 분해 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극 중 양극 또는 음극은,
    백금(Pt) 및 이리듐(Ir) 합금(Pt/Ir)으로 도금되는 것을 특징으로 하는 전기 분해 장치.
  3. 3조식 전해조를 통해 알카리 전해수를 생성하는 단계; 및
    상기 3조식 전해조로부터 생성된 알카리 전해수에 소정의 고농도의 암모니아수 또는 암모니아 가스를 공급하는 단계;
    를 포함하는 전기 분해 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 3조식 전해조의 전극은,
    백금(Pt) 및 이리듐(Ir) 합금(Pt/Ir)으로 도금되는 것을 특징으로 하는 전기 분해 방법.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    소정의 고농도의 암모니아수 또는 암모니아 가스가 공급된 알카리 전해수를 이용하여 반도체 세정을 수행하는 단계
    를 더 포함하는 전기 분해 방법.
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