KR20170003822U - 불소 가스 공장 - Google Patents

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KR20170003822U
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호진 전
올리비에로 디아나
페터 엠. 프레디칸트
필리페 모렐
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솔베이(소시에떼아노님)
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Abstract

원료 공급, F2-정제 단계들 및 오프-가스 감소 시스템과 같은 여러 추가 처리 단계를 포함하고, 불소 사용처(3)를 가진 불소 공급 라인(2)에 연결된 불소 생성 유닛(1); 및 상기 공급 라인에 연결된 영구 불소 저장 유닛(4)을 포함하는 불소 가스 공장에 있어서, 상기 불소 저장 유닛은 복수의 중공체를 포함한다.

Description

불소 가스 공장{FLUORINE GAS PLANT}
2010년 9월 16일에 출원된 유럽특허출원 제10177206.9호의 우선권을 주장하며, 상기 출원의 전체 내용을 사실상 본원에 참조로써 통합한 본 발명은 불소 가스 공장 및 불소 가스 공급 방법에 관한 것이다.
분자형 불소(F2)와 같은 불소 가스, 및 분자형 불소와 특히 비활성 가스(예컨대, N2 또는 Ar)의 혼합물은 예를 들어 반도체 제조 과정에서 공정 챔버용 세정 가스로 유용하다.
특허문헌 WO 2006/067364-A1(US 2006/0130929에 해당됨)에는 현장 불소 생성기를 이용하여 고순도 불소를 고정식 저장 유닛에 제공하고, 상기 저장 유닛으로부터 고순도 불소를 처리 시스템에 공급함으로써, 고순도 불소를 처리 시스템에 전달하는 방법이 개시되어 있다. 불소 생성기에 대한 백업을 제공하기 위해, 고순도 불소를 또한 수송가능한 가스 저장용 용기, 예를 들면, 통상, 35 psig 미만인 비교적 낮은 압력의 다중-실린더 팩에 제공한다. 저장 유닛 안의 불소량을 바람직한 수준에 유지할 수 있도록 요구되므로, 상기 수송가능한 저장용 용기는 선택적으로 고정식 저장 유닛에 연결된다.
본 발명은 F2의 존재와 관련된 안전상의 위험을 최소화하면서, 불소 요구량을 사용처까지 안정적이면서 경제적으로 공급할 수 있게 하는 불소 가스 공장에 관한 것이다.
이에 따라 본 발명은 불소 사용처(3)를 가진 불소 공급 시스템(2)에 연결된 불소 생성 유닛(1), 및 상기 불소 공급 시스템에 연결가능한 영구 불소 저장 유닛(4)을 포함하는 불소 가스 공장에 관한 것이며, 상기 불소 저장 유닛은 복수의 중공체(5)를 포함한다.
이제는 F2의 존재와 관련된 안전상의 위험을 최소화하면서, 불소 요구량을 사용처까지 안정적이면서 경제적으로 공급할 수 있게 하는 불소 가스 공장을 발견하였다.
도 1은 불소 공급 시스템 및 예를 들어 6개의 중공체를 구비한 불소 가스 저장 유닛에 연결된, 본 발명에 따른 불소 가스 공장의 개략도이다.
"불소 가스"는 구체적으로 분자형 불소(F2) 및 그의 혼합물, 특히 비활성 가스와의 혼합물을 나타내는 것으로 이해하면 된다. 비활성 가스는 예를 들면 아르곤 및 질소 중에서 선택될 수 있다. 바람직한 불소 가스는 F2로 구성되거나 또는 필수적으로 구성된다.
"영구 불소 저장 유닛"은 구체적으로 불소 공장에 통합된 불소 저장 유닛을 나타내는 것으로 이해하면 된다. 예를 들면, 불소 저장 유닛은 불소 공장이 가동되는 내내 불소 공급 시스템 근처에 영구적으로 존재하는 수송가능한 유닛일 수 있다. 바람직하게, 불소 저장 유닛은 불소 공장이 가동되는 내내 불소 공급 시스템 근처에 영구적으로 존재하는 수송가능한 유닛일 수 있다. 따라서, 불소 공장이 가동되는 동안, 영구 불소 저장 유닛은 불소 공급 시스템 근처에 영구적으로 존재하게 되지만; 영구 불소 저장 유닛은 공급 시스템에 연결가능하기 때문에, 불소 공장이 가동 중이 아닌 시간에는 영구 불소 저장 유닛을 불소 공장으로부터 분리할 수 있다. 그러므로, 불소 공장의 비가동시간 동안에는 영구 불소 저장 유닛의 연결을 끊을 수 있다. 필요한 경우, 예컨대 각 중공체에 문제가 발생하면, 영구 불소 공급 시스템의 각 밸브 또는 각 밸브들을 폐쇄하고, 불소 공장의 가동을 중단하지 않으면서 중공체들 중 하나 이상의 연결을 끊는 것이 가능하다. 따라서, 영구 불소 저장 유닛은 중공체들 중 하나 이상이 고장난 경우에도 공장을 계속 가동할 수 있게 한다.
바람직하게, 영구 불소 저장 유닛은 공장에 저장되는 불소 가스의 총 중량을 기준으로 90 중량%가 넘는, 더 바람직하게는 95 중량%가 넘는, 가장 바람직하게는 약 100 중량%의 불소 가스를 보관하도록 설계된다. 따라서, 추가 저장 탱크가 필요 없다.
"불소 공급 시스템"은 구체적으로 불소를 보관할 수 있고, 불소를 불소 생성 유닛으로부터 사용처까지 전달할 수 있는 부재를 나타내는 것으로 이해하면 된다. 불소 공급 시스템의 가능한 구성요소로는 공급 라인, 압축기, 혼합기 및 버퍼 탱크가 있지만, 이에 제한되지 않는다.
"연결가능"은 구체적으로 영구 불소 저장 유닛이 불소 공급 시스템의 한 구성요소에 연결될 수 있도록 구비된다는 것을 나타내는 것으로 이해하면 된다. 바람직하게, 영구 불소 저장 유닛은 불소 공급 라인에 연결될 수 있도록 구비된다. 바람직한 일 양태에 의하면, 불소 공장이 가동되는 내내, 불소 저장 유닛은 불소 공급 시스템의 한 구성요소에, 구체적으로는 하나의 불소 공급 라인에, 연결된다. 다른 바람직한 일 양태에 의하면, 불소 저장 유닛은 불소 공급 시스템의 한 구성요소에 직접 연결된다.
불소 저장 유닛을 불소 공급 시스템의 한 구성요소에 연결하는데 적합한 장비는 불소 저장 유닛의 각 중공체(5)에 한 라인을 통해 연결되는 매니폴드(6)를 포함하며, 바람직하게는 각 라인 내에 셧-오프 밸브(7)를 구비함으로써 각 중공체를 개별적으로 차단(isolate)할 수 있게 한다. 상기 매니폴드는 불소 공급 시스템의 한 구성요소에 또한 연결된다.
본 발명에 따른 공장에서, 가스와 접촉하도록 되어 있는 공장 부품들, 예컨대, 해당되는 경우, 중공체, 밸브, 그리고 가스 충전 및/또는 배출용 라인은 분자형 불소에 내성을 띠는 재료로 만들어지거나 코팅되는 것이 적절하다. 이러한 재료의 예로는 모넬 금속, 스테인레스강, 구리, 그리고 바람직하게는 니켈이 있다.
본 발명에 따른 공장에서, 불소 저장 유닛은 바람직하게 4개 내지 25개의 중공체, 더 바람직하게는 5개 내지 8개의 중공체를 포함한다. 바람직하게 이들 중공체는 실질적으로 동일한 형상과 치수를 가진다. 개별 중공체는 바람직하게 중공체 각각의 평균 체적의 ±5% 이하의 편차를 가지며; 바람직하게, 각 중공체의 내부 체적은 대략 동일하다. 원통형 중공체가 바람직하다.
적절한 프레임을 이용하여 불소 저장 유닛의 중공체들을 적당하게 함께 고정시킬 수 있다. 이러한 프레임을 위한 구체적인 기하학적 형태로는 삼각형, 사각형, 및 직사각형 기하학적 형태가 있다.
바람직하게, 중공체 각각에는 단일 결합형 유입구/출구가 있어, 이를 통해 F2가 중공체로 공급되고 F2가 중공체로부터 배출된다.
본 발명에 따른 불소 가스 공장에서, 불소 저장 유닛은 일반적으로 적어도 25 psig의 압력으로 불소 가스를 보관할 수 있거나 또는 보관한다. 종종 이 압력은 35 psig 이상, 바람직하게는 40 psig 이상이다. 본 발명에 따른 공장에서, 불소 저장 유닛은 일반적으로 400 psig 이하, 보통 75 psig 이하의 압력으로 불소 가스를 보관할 수 있거나 또는 보관한다. 종종 이 압력은 65 psig 이하, 바람직하게는 60 psig 이하이다. 바람직하게 불소 저장 유닛은 25 내지 75 psig의 압력으로 불소 가스를 보관할 수 있거나 보관하며, 더 바람직하게 불소 저장 유닛은 35 내지 65 psig, 특히 바람직하게는 40 내지 60 psig의 압력으로 불소 가스를 보관할 수 있거나 보관한다.
바람직하게, 중공체들 중 적어도 하나의 내부체적은 50 리터 이상이다. 중공체들 중 하나 이상의 체적이 50 리터 미만일 수 있지만, 이러한 저장 체적은 실제 용도로 너무 작다. 더 바람직하게, 중공체들 중 적어도 하나의 내부체적은 100 리터 이상이다. 더욱더 바람직하게, 중공체 각각의 내부체적은 100 리터 이상이다. 특히 바람직하게, 중공체 각각의 내부체적은 500 리터 이상이다. 가장 바람직하게, 중공체 각각의 내부체적은 1000 리터(1000 리터 = 1 m3) 이상이다.
바람직하게, 중공체 각각의 내부체적은 5000 리터 이하, 더 바람직하게는 3000 리터 이하이다.
따라서, 중공체 각각의 바람직한 내부체적 범위는 100 내지 5000 리터, 더 바람직하게는 100 내지 3000 리터, 가장 바람직하게는 500 내지 3000 리터, 특히 바람직하게는 1000 내지 3000 리터이다.
불소 저장 유닛이 일반적으로 적어도 25 psig의 압력으로 불소 가스를 보관할 수 있거나 보관하고, 중공체 각각의 내부체적이 100 리터 이상인 것이 바람직하다. 불소 저장 유닛이 일반적으로 적어도 35 psig의 압력으로 불소 가스를 보관할 수 있거나 보관하고, 중공체 각각의 내부체적이 500 리터 이상인 것이 더욱더 바람직하다.
불소 저장 유닛이 일반적으로 400 psig 이하, 보통 75 psig 이하의 압력으로 불소 가스를 보관할 수 있거나 보관하고, 중공체 각각의 내부체적이 3000 리터 이하인 것이 바람직하다.
불소 저장 유닛이 35 내지 65 psig의 압력으로 불소 가스를 보관할 수 있거나 보관하고, 중공체 각각의 내부체적이 500 내지 3000 리터인 것이 가장 바람직하다.
불소 저장 유닛의 중공체가 일반적으로 위에 언급한 압력으로 불소 가스를 보관할 수 있거나 보관하는 것으로 이해하면 된다. 중공체가 위에 언급한 압력으로 불소를 보관하는 것이 특히 바람직하다.
본 발명에 따른 불소 가스 공장에서, 불소 가스 공장의 분자형 불소(F2) 일일 생산 용량에 대한 불소 저장 수단에 저장되는 분자형 불소(F2)의 비율은 대체로 0.1 내지 1, 바람직하게는 0.1 내지 0.25이다.
본 발명에 따른 불소 가스 공장에서, 불소 생성 유닛은 일반적으로 용융 전해질, 바람직하게는 KF 및 HF-함유 용융 전해질의 전기분해에 의해 분자형 불소를 제조하는 전기분해장치를 포함한다.
본 발명에 따른 불소 가스 공장에서, 불소 저장 유닛은 바람직하게 스키드(skid)에 장착된다.
본 발명에 따른 불소 가스 공장에서, 사용처는 또 다른 제조 공장, 예를 들면 화학 공장 또는, 구체적으로, 표면처리를 위해 불소를 사용하는 공장에 연결될 수 있다. 사용처는 종종 마이크로-전자기계 시스템 제조 공장, 바람직하게는 반도체 제조 공장, 특히 바람직하게는 광기전 소자 또는 평판 패널 디스플레이 제조 공장에 연결된다.
본 발명에 따른 불소 가스 공장의 바람직한 일 구현예에서, 불소 저장 유닛은 밀폐 공간(8) 안에 포함된다. 특히 바람직하게, 불소 저장 유닛은 밀폐 공간(8) 안에 포함되고, 불소 저장 유닛은 스키드에 장착된다. 밀폐 공간에는 일반적으로 불소 분해 시스템(9)에 대한 밀폐 공간의 연결을 유발(trigger)시킬 수 있는 불소 감지기가 구비되어 있다. 적합하게, 밀폐 공간은 흡입 라인(10)을 통해 불소 분해 시스템에 연결되며, 이때 흡입 라인은 가스를 밀폐 공간으로부터 불소 분해 시스템으로 이동시키도록 작동가능한 팬(11)에 연결되어 있다.
불소 분해 시스템은 바람직하게 스크러버이다. 적합하게, 스크러버는 알칼리성 수용액, 예를 들면 KOH 용액, 그리고 선택적으로는 예를 들면 티오황산나트륨 또는 티오황산칼륨과 같은 환원제를 함유한다.
일반적으로, 불소 분해 시스템은 1개 또는 2개의 중공체 내에 보관된 불소를 분해할 수 있다. 바람직하게, 불소 분해 시스템은 약 1개의 중공체 내에 보관된 불소를 분해할 수 있다.
또 다른 구현예에서, 본 발명에 따른 불소 가스 공장은 혼합기(12), 바람직하게는 고정식 혼합기를 더 포함하며, 상기 혼합기는 바람직하게 불소 생성 유닛(1)으로부터 불소를 전달받을 수 있고, 비활성 가스 공급 라인(13)으로부터 바람직하게는 아르곤 및/또는 질소와 같은 비활성 가스를 전달받을 수 있다.
본 발명은 또한 불소 가스를 사용처에 공급하기 위해 본 발명에 따른 불소 가스 공장을 이용하는 것을 포함하는 불소 가스 공급 방법에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 불소 공장의 한 실례를 보여 준다.
불소 생성 유닛(1)은 사용처(3)에 연결된 불소 공급 라인을 포함하는 불소 공급 시스템(2)에 연결되며, 이때 사용처는 반도체 제조 공장에 연결된다. 선택적 일 구현예에 의하면, 압력 제어 루프(14)는 사용처에 공급되는 불소의 압력을 원하는 값까지 조절하고, 일반적으로는 감소시킨다. 선택적 일 구현예에 의하면, 불소 공급 라인은 비활성 가스 공급 라인(13)에 또한 연결된 혼합기(12)에 연결되며, 또 다른 불소 공급 라인은 혼합기(12)를 사용처(3)에 연결한다. 불소 공급 시스템(2)은 불소 저장 유닛의 각 중공체(5)에 한 라인을 통해 연결되어 있는 매니폴드(6)를 통해 불소 저장 유닛(4)에 또한 연결되며, 바람직하게는 각 F2-저장 용기에 셧-오프 밸브(7)를 구비한다. 불소 공급 유닛은 밀폐 공간(8) 안에 수용되며, 밀폐 공간에는 일반적으로 불소 분해 시스템(9)에 대한 밀폐 공간의 연결을 유발시킬 수 있는 불소 감지기가 포함되어 있다. 밀폐 공간은 흡입 라인(10)을 통해 불소 분해 시스템에 연결되며, 이때 흡입 라인은 가스를 밀폐 공간으로부터 불소 분해 시스템(9)으로 이동시키도록 작동가능한 팬(11)에 연결되어 있다.
여기에 참조로 통합된 모든 특허, 특허출원, 및 공개문헌의 개시물과 본원의 명세서가 상반되어 어떤 용어의 의미를 불명확하게 할 수 있을 정도인 경우, 본 명세서가 우선한다.
실시예
도 1의 기본 설계(혼합기와 비활성 가스 공급부 미포함)에 따른 불소 공장에서, 불소 생성 유닛(1)은 용융 KFx2HF 전해질 중의 HF 전기분해를 통해 약 415kg/day의 F2를 제조한다. F2는 불소 공급 시스템(2)을 통해 사용처(3)에 전달되어 챔버 세정용으로 F2를 사용하는 평판 패널 디스플레이 제조 공장에 공급된다. F2는 요구되는 대로 사용처에 공급된다.
F2 생성 유닛의 F2 제조를 조절함으로써 불소 공급 시스템(2)과 F2 저장 유닛(4) 내의 불소 압력을 3.5 barg에 유지한다. F2 저장 유닛(4)은 각각 1.3 m3의 내부체적을 가진 6개의 동일한 원통형 컨테이너를 포함한다. 압력 제어 루프(14)를 이용하여 사용처(3)에서의 불소 압력을 1.5 barg까지 더 낮춘다.
정상 가동시, 셧-오프 밸브(7)는 개방되어 있으며, F2 저장 유닛(4)과 사용처(3) 간의 압력차이는, 사용처에서의 다양한 소모 패턴에 대해서나 또는 불소 생성 유닛의 제조과정이 중단되는 경우에 대해서도, 전달된 불소 흐름을 원활하게 제어할 수 있게 하는 버퍼를 제공한다.
중공체들 중 하나에서 누출이 발생하는 경우, 밀폐 공간에 있는 불소 감지기를 통해 불소가 감지되며, 팬(11)이 작동되어 상기 밀폐 공간으로부터 불소-함유 가스를 흡입 라인(10)을 통해, KOH 수용액이 함유되어 있는 스크러버인 불소 분해 시스템(9)에 이송시킨다. 스크러버는 15 kg의 F2를 처리할 수 있다.
본 발명에 따른 불소 공장 및 본 발명에 따른 방법은 특히 챔버 세정 및 식각과 같은 반도체 적용분야를 위해 안정적이며 경제적인 불소 가스 공급을 가능하게 한다. 특히, 불소 저장 시스템 및 선택적 불소 분해 시스템은 매우 효율적이며, 이에 따라 공급 안정성 및 공장의 높은 안전성을 달성할 수 있다.

Claims (1)

  1. 불소 사용처(3)를 가진 불소 공급 시스템(2)에 연결된 불소 생성 유닛(1), 및 상기 불소 공급 시스템에 연결가능한 영구 불소 저장 유닛(4)을 포함하고,
    상기 불소 저장 유닛은 복수의 중공체(5)를 포함하며, 중공체 중 적어도 하나의 내부체적은 50 리터 이상, 바람직하게는 100 리터 이상인, 불소 가스 공장의 용도.
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