KR100697653B1 - 불소 화합물의 분해방법 - Google Patents
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Abstract
분자내에 요오드를 갖는 불소 화합물은 알루미나 및 알칼리 토류 금속 화합물을 포함한 분해 반응제로 분해되고, 생성된 염소, 불소 및/또는 황이 상기 반응제 중의 알칼리 토류 금속의 염화물, 불화물 및/또는 황화물로서 고착되고, 알칼리 토류 금속의 염으로서 고착시킬 수 없는 요오드는 흡착제로 제거된다.
Description
본 발명은 불소 화합물을 분해하기 위한 방법에 관한 것이다. 더욱 구체적으로는, 본 발명은 분자 내에 요오드를 갖는 불소 화합물을 분해하여 무해화시키기 위한 방법에 관한 것이다.
종래, 규소계 화합물을 사용함으로써 행해지는 에칭 또는 크리닝에 있어서, CF4, C2F6 및 C4F8 등의 소위 PFC(퍼플루오로카본) 가스라 불리는 것이 주로 사용되어 왔다. 그러나, 이들 가스는 공기 중에서의 수명(life time)이 길고, 지구 온난화 계수가 높다라는 문제점을 가지고 있다. 지구 온난화를 방지하는 관점에서, 그들 사용을 대폭 감소하는 것이 쿄토 프로토콜(Kyoto Protocol(COP3))에 의해 요구되고 있다. 이들 요구를 만족시키기 위해, 공기 중에서의 수명이 짧고, 낮은 지구 온난화 계수를 갖는 에칭 또는 크리닝 재료의 개발이 진행되고 있다.
한편, 반도체의 집적도가 매년 약 1.5배의 속도로 증가되고 있고, 그것의 제조방법의 정밀도 역시 더욱 증가되고 있다. 최근, 나노 오더(nano-order)로 미세 가공할 수 있는 에칭 재료 또는 반도체 제작 장치의 개발이 진행되고 있다.
최근에는, CF3I 등의 분자 내에 요오드를 갖는 불소 화합물이 미세 가공을 기대할 수 있게 하고, 지구 온난화 영향이 낮으므로 크게 주목되고 있다.
또한, 높은 지구 온난화 계수를 갖는 불소 화합물 가스(예컨대, CF4 및 C2F6)의 방출을 감소시키기 위해, 사용 후의 불소 화합물 가스를 분해시켜 무해화시키기 위한 많은 장치가 연구되고 있다. 예컨대, (1)연료와 함께 가스를 처리하는 연소 및 분해법(WO94/05399호 참조), (2)실리카 및 제올라이트 등의 반응제를 사용하는 열분해법(일본 미심사 특허 공보 제7-116466호 참조(JP-A-7-116466호 참조)) 및 (3)알루미나 등을 사용하는 촉매 분해법(일본 미심사 특허 공보 제10-286434호 참조(JP-A-10-286434호))가 알려져 있다.
그러나, 이들 분해 장치에 의해 처리되는 가스는, 탄소, 불소, 염소 또는 수소를 함유하는 불소 화합물이고, 상기 장치는 분자내에 요오드를 갖는 불소 화합물을 분해시키고, 그것을 무해화시키는데 적합하다고 생각되지 않는다. 이것은 상기 요오드 함유 불소 화합물은 어떠한 방법으로도 분해되지만, 분해 후의 가스 중에 요오드가 함유되고, 개별적으로 제거되어야 하기 때문이다.
분자내에 요오드를 갖는 불소 화합물이 에칭용으로 사용되는 경우, 높은 지구 온난화 계수를 갖는 난분해성 불소 화합물이 CF4 등의 퍼플루오로카본의 형태로 부산물로서 생성되거나 또는 분해된 요오드가 가스 중에 함유되므로, 이들 화합물은 동시에 분해 및/또는 무해화되어야 한다.
요오드는 가글(gargle) 등에 함유되고, 살균 효과를 갖는다고 알려져 있다. 그러나, 요오드의 과량 섭취는 갑상선 장해를 일으킨다고 알려져 있다. 따라서, 미 처리된 요오드가, 그대로 환경으로 방출되는 것은 바람직하지 않다.
또한, 에칭 장치에 있어서의 분자내에 요오드를 갖는 불소 화합물의 사용에 의해 생성된 부산물로서의 요오드 또는 분해 장치에 의한 불소 화합물의 분해로부터 야기되는 부산물로서의 요오드가 가스상으로 존재한다. 가스상 요오드의 허용 농도는 0.1ppm 만큼 낮고, 상기 가스와 인체의 접촉은 위험하다. 따라서, 가스상 요오드의 양은 무해한 수준으로 감소시켜야 한다.
이러한 환경하에, 본 발명의 목적은 분자내에 요오드를 갖는 불소 화합물, 또는 에칭에 있어서의 상기 불소 화합물을 사용하여 발생된 방출 가스에 함유된 화합물을 분해하고, 분해 생성물을 제거하여 무해한 화합물이 되게 하며, 안전하게 환경으로의 방출을 실현시킬 수 있는 방법을 제공하는 것에 있다.
상기 목적을 해결하기 위해 예의 검토한 결과, 본 발명자들은 분자내에 요오드를 갖는 불소 화합물이, 바람직하게는 200℃ 이상의 온도에서 알루미나 및 알칼리 토류 금속 화합물을 함유하는 분해 반응제를 사용하여 분해되고, 상기 반응제 중에 생성된 염소, 불소 및/또는 황이 알칼리 토류 금속의 염화물, 불화물 및/또는 황산염으로서 고착되고, 상기 알칼리 토류 금속의 염으로서 고착할 수 없는 요오드가 흡착제에 흡착됨으로써 무해화될 수 있고, 필요에 따라 흡착제층의 입구 부분에 증기압 이상의 요오드를 고착시키기 위한 망상 물질(net-like substance)이 제공되는 경우, 상기 흡착제층 입구에서 증기압 이상의 요오드의 고형화로 인하여 통로가 막히는 것을 방지할 수 있다. 본 발명은 이들 발견에 기초하여 달성되었다.
따라서, 본 발명은 하기 [1]~[15]에 기재된 불소 화합물을 분해시키는 방법에 관한 것이다.
[1]분자내에 요오드를 갖는 불소 화합물을 함유하는 가스가 알루미나 및 알칼리 토류 금속 화합물을 함유하는 반응제와 접촉된 후, 상기 접촉 후에 얻어진 가스가 흡착제와 접촉되는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 불소 화합물의 분해방법.
[2]상기 [1]에 있어서, 상기 알루미나는 유사 보에마이트(pseudo-boehmite) 알루미나인 것을 특징으로 하는 방법.
[3]상기 [1] 또는 [2]에 있어서, 상기 알칼리 토류 금속 화합물은 마그네슘, 칼슘, 스트론튬 및/또는 바륨의 탄산염인 것을 특징으로 하는 방법.
[4]상기 [1] 내지 [3] 중 어느 하나에 있어서, 상기 반응제는 동, 주석, 니켈, 코발트, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐 및 바나듐으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 금속의 산화물을 함유하는 것을 특징으로 하는 방법.
[5]상기 [1] 내지 [4] 중 어느 하나에 있어서, 상기 반응제의 알칼리 금속 함량은 0.1질량% 이하인 것을 특징으로 하는 방법.
[6]상기 [1] 내지 [5] 중 어느 하나에 있어서, 상기 반응제는 0.5~10mm의 입자 크기를 갖는 미립자인 것을 특징으로 하는 방법.
[7]상기 [6]에 있어서, 상기 반응제의 수분 함량은 1질량% 이하인 것을 특징으로 하는 방법.
[8]상기 [1] 내지 [7] 중 어느 하나에 있어서, 상기 분자내에 요오드를 갖는 불소 화합물은 200℃이상의 온도에서 반응제와 접촉되는 것을 특징으로 하는 방법.
[9]상기 [1] 내지 [8] 중 어느 하나에 있어서, 분자내에 요오드를 갖는 불소 화합물을 함유하는 가스는, 에칭 또는 크리닝을 위해 상기 불소 화합물을 사용하는 동안에 발생된 배출 가스인 것을 특징으로 하는 방법.
[10]상기 [1] 내지 [9] 중 어느 하나에 있어서, 분자내에 요오드를 갖는 불소 화합물을 함유하는 가스는, 산소 존재하에 500℃ 이상의 온도에서 상기 반응제와 접촉하여 일산화탄소의 생성을 억제하는 것을 특징으로 하는 방법.
[11]상기 [1] 내지 [10] 중 어느 하나에 있어서, 상기 흡착제는 활성탄, 알루미나, 실리카겔 및 제올라이트로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 흡착제인 것을 특징으로 하는 방법.
[12]상기 [1] 내지 [11] 중 어느 하나에 있어서, 상기 가스는 20Nm/분 이하의 선속도로 흡착제와 접촉되는 것을 특징으로 하는 방법.
[13]상기 [1] 내지 [12] 중 어느 하나에 있어서, 요오드 고착용 층은 상기 흡착제로 채워진 층의 앞에 설치되는 것을 특징으로 하는 방법.
[14]상기 [13]에 있어서, 상기 요오드 고착용 층은 80%이상의 다공율을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
[15]상기 [1] 내지 [14] 중 어느 하나에 있어서, 분자내에 요오드를 갖는 불소 화합물은 플루오로요오드카본, 히드로플루오로요오드카본, 클로로플루오로요오드카본 및 히드로클로로플루오로요오드카본으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 화합물인 것을 특징으로 하는 방법.
도 1은, 본 발명의 방법을 실행하기 위한 장치의 일예를 나타내는 기기배치 다이아그램이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 기재한다.
본 발명의 방법에 의해 분해되고, 무해화될 수 있는 분자내에 요오드를 갖는 불소 화합물의 예로는, CF3I, CF2I2, CFI3, CHF2I, CH2FI, CClF2I, CClFI2, CHFI2, C2F5I, C2F4I2, C2ClF4I, C2ClF3I2, C2Cl2F2I2, C2HF4I, C2HF3I2, C2H2F3I, C2HClF3I, C2F3I, C2F2I2, C2HF2I, C2F5IO 및 C2F4I2O 등의 화합물이 포함된다.
본 발명의 방법에 따른 분자내에 요오드를 갖는 불소 화합물과 같은 분해에 있어서, 상기 화합물의 가스는 헬륨, 아르곤 및 질소 등의 불활성 가스 또는 공기로 희석되어도 좋고, 또는 상기 가스는 상온에서 액체이지만, 다른 불활성 가스 또는 공기와 수반되는 경우, 0.01부피% 이상의 양으로 그것의 증기를 함유하게 되는 혼합 가스이어도 좋다. 상기 가스는 단일 가스이어도 좋고, 2종 이상의 가스의 혼합물이어도 좋다.
본 발명에 따라서, 예컨대, 에칭 등에 사용되는 동안에 부산물로서 퍼플루오로카본(예컨대, CF4, C2F6) 등의 높은 지구 온난화 계수를 갖는 난분해성 화합물 및 HF, SiF4 및 COF2 등의 화합물이 상기와 동일한 방법으로 분해되고, 알칼리 토류 금 속 불화물(예컨대, CaF2)로서 고착되어 무해화될 수도 있다. 또한, 알칼리 토류 금속염으로서 고착되기 어려운 요오드는, 흡착제를 사용하여 제거됨으로써 무해화될 수 있다.
여기서, 상기 불소 성분과는 달리, 열분해 후의 요오드 성분이 알칼리 토류 금속염으로서 고착될 수 없는 이유는, 상기 알칼리 토류 금속 요오드는 알칼리 토류 금속 불화물에 비해 불안정하고, 열분해의 온도 조건하에 안정하게 존재할 수 없기 때문이다.
따라서, 알칼리 토류 금속 요오드로서 고착될 수 없는 요오드는, 분해 반응제에 의해 상기 요오드 함유 불소 화합물이 분해되는 분해 반응기의 출구로부터 나오고, 상기 요오드는 환경 및 생물의 안전성을 확보하는 관점에서 제거되어야 한다.
이것을 해결하기 위해, 본 발명에 있어서, 요오드 제거용 흡착제가 분해 반응기의 후공정에 설치되어 반응제 상에 고착되는 요오드가 제거되고, 무해화된다.
상기 요오드 제거용 흡착제는, 일반적으로 활성탄, 알루미나, 실리카겔 및 제올라이트 등의 시판품 또는 상기 시판품에 대해 금속 등의 부착과 같은 특수 처리를 행함으로써 흡착력이 향상된 제품일 수 있다. 특히, 활성탄은 요오드의 제거에 높은 흡착력을 나타내고, 저렴하기 때문에 바람직하다. 그러나, 활성탄은 흡착의 열로 인하여 열발생의 영향에 의해 높은 산소 농도 등의 조건하에 연소될 수 있으므로, 분자체 등의 불연성 흡착제를 사용하는 것이 더욱 바람직하다.
요오드의 흡착 및 제거시의 온도는, 흡착되는 양이 증가되므로 가능한 한 낮은 것이 바람직하지만, 상기 제거 장치의 복잡한 구성을 피하기 위해 냉각 장치 등을 설치할 필요는 없다. 상기 흡착 온도는 100℃이하가 바람직하고, 50℃이하가 더욱 바람직하다.
요오드는 승화성 물질이므로, 상기 요오드는 승화 압력 이하의 온도에서 부분적으로 고형화된다. 가스의 흐름이 계속되는 상태이면, 상기 배관의 막힘(clogging)의 원인이 될 수 있다. 이 경우, 증기압 이상의 온도로 상기 분해 반응기 및 흡착 칼럼을 연결하는 배관을 가열함으로써 상기 요오드 함유 가스가 승화 압력 이하의 온도로 떨어지는 것을 막아 상기 막힘을 방지할 수 있다.
또한, 고온 영역에서 가스화된 요오드는, 상기 흡착제 입구에서 냉각 및 고형화되어 막힘을 일으켜 가스 흐름을 정지시킬 수 있다. 상기 요오드에 의한 클로깅은, 요오드의 고형화를 일으키지 않는 온도로 상기 흡착제가 채워진 용기를 가열시킴으로써 방지할 수 있다. 또한, 보다 낮은 온도가 상술한 바와 같은 흡착을 위해 유리하므로 요오드의 증기압 이하로 상기 온도를 떨어뜨리는 경우, 상기 흡착제 입구에서의 고형화를 방지하기 위해 떨어진 온도를 갖는 입구 부분에 성긴 체눈 철망(coarse-meshed wire gauze) 등이 놓여진다. 상기 처리에 의해 승화압 보다 높은 요오드가 그 부분에 고착될 수 있고, 승화압만의 요오드가 상기 흡착제를 통과할 수 있어, 결과적으로 포화 증기압 초과의 요오드는 상기 흡착제를 통과할 수 없으므로 상기 흡착제 입구에서의 고형화가 방지될 수 있다. 상기 철망의 부피는 분해 또는 흡착 온도에 의해 생성된 요오드량에 따라서 적당히 설정될 수 있다. 그러나, 상기 철망의 부피가 너무 크면, 흡착량이 감소되어 초기 파과(break-through)가 야기되는 반면에 너무 작으면, 요오드로 인한 막힘이 발생된다. 따라서, 상기 철망의 부피는 상기 흡착제 부피의 100~1/2가 바람직하고, 1/10~1/4가 더욱 바람직하다. 또한, 충전된 철망이 너무 미세하면, 고착된 요오드로 인해 막힘이 발생되어 바람직하지 않다. 따라서, 사용되는 철망의 조도는 다공율에 대해 80% 이상이 바람직하고, 90% 이상이 더욱 바람직하다. 상기 다공율은 임의의 부피에 채워진 철망 등의 고착을 위해 사용되는 것 이외의 부분의 백분율을 나타낸다. 즉, 다공율은 망 등이 존재하지 않으면 100%인 반면에, 상기 모든 부분이 망으로 채워져 있으면 상기 다공율은 0%이다.
요오드로 인하여 막힘이 발생하면, 가스가 통과할 수 없다. 따라서, 요오드에 의해 막힘이 발생하는지 어떤지를 모니터링해야 한다. 이것은 막힘이라 생각되는 부분 앞에 압력계를 설치하고 압력이 막힘에 의해 증가하는지 어떤지를 확인하는 방법, 또는 입구 및 출구에 유량계를 설치하고, 동일한 선속도가 유지되는지 어떤지를 확인하는 방법에 의해 모니터링될 수 있다.
상기 흡수제로의 선속도가 너무 크면, 파과가 쉽게 일어나거나 또는 압력 하강이 증가되는 문제가 발생되어 바람직하지 않는 반면에 너무 작으면, 큰 사이즈 흡착 칼럼이 필요하고, 이것은 설치 공간 또는 취급성의 점에서 바람직하지 않다. 따라서, 상기 선속도는 0.1~20Nm/분이 바람직하고, 1~10Nm/분이 더욱 바람직하다.
본 발명에 사용되는 요오드를 제거하기 위한 흡착제로서, 상술한 바와 같은 시판의 흡착제를 사용할 수 있다. 예컨대, Coconut Shell Activated Carbon(Ajinomono-Fine-Techno Co.,Inc.제작) 및 Molecular Sieve 13X(Union Showa 제작)를 바람직하게 사용할 수 있다. 제작자로부터 공급되는 흡착제는 상기 흡착 칼럼에 그대로 충전되어 사용될 수 있다. 장기간 동안 보관된 흡착제를 사용하는 경우, 이것은 불활성 가스 흐름에서 150~300℃에서의 건조 등에 의해 신품으로서 사용될 수도 있다.
상기 흡착제의 형태는 특별히 한정되지 않고, 흡착에 의한 제거는 원주형 또는 구형 등의 임의의 형태로 행해질 수 있다. 흡착제의 크기로서, 입자 크기가 너무 크면, 요오드의 흡착 및 확산에 관여하는 표면적이 상대적으로 작게 되어 확산이 낮은 속도로 진행된다. 한편, 상기 입자 크기가 너무 크면, 요오드의 흡착 및 확산에 관여하는 표면적이 상대적으로 크게 되어 확산이 높은 속도로 진행되지만, 처리되는 가스의 양이 크게 됨에 따라서 차압(differential pressure)도 크게 되고, 이것은 상기 흡착 용기의 소형화 등을 방해한다. 따라서, 상기 흡착제의 입자 크기는 0.5~10mm가 바람직하고, 1~5mm가 더욱 바람직하다.
본 발명에 사용되는 분해용 반응제는, 알루미나 및 알칼리 토류 금속 화합물을 포함하고, 분자내에 요오드를 갖는 불소 화합물을 분해하고, 알카리 토류 금속 염으로서 생성된 염소, 불소 및/또는 황을 고착시키는 기능을 갖는다.
사용되는 알루미나는 특별히 한정되지 않지만, 불순물이 거의 없는 적당한 원료를 선택하는 것이 중요하다. 본 발명에 있어서, 예컨대, 활성 알루미나 또는 유사 보에마이트 알루미나가 상기 알루미나 원료로서 사용될 수 있다. 유사 보에마이트 알루미나가 특히 바람직하다.
상기 알루미나 중에 불순물로서 함유된 알칼리 금속의 함량은 0.1질량% 이하가 바람직하고, 0.01질량% 이하가 더욱 바람직하며, 0.001질량% 이하가 더욱 더 바람직하다.
사용할 수 있는 알칼리 토류 금속 화합물의 예로는, 알칼리 토류 금속의 탄산염, 수산화물 및 산화물이 포함된다. 이들 중 마그네슘, 칼슘, 스트론튬 및 바륨의 탄산염이 바람직하고, 칼슘의 탄산염이 더욱 바람직하다. 알루미나와 동일하게 상기 알칼리 토류 금속 화합물에 불순물로서 함유된 알칼리 금속의 총함량은 0.1질량% 이하가 바람직하고, 0.01질량% 이하가 더욱 바람직하며, 0.001질량% 이하가 더욱 바람직하다.
본 발명에 사용되기 위한 반응제는 동, 주석, 니켈, 코발트, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐 및 바나듐 중 적어도 하나의 산화물을 더 함유할 수 있다. 상기 금속 산화물의 예로는, 산화 동(CuO), 산화 주석(SnO2), 산화 니켈(NiO), 산화 코발트(CuO), 산화 크롬(Cr2O3), 산화 몰리브덴(MoO3), 산화 텅스텐(WO2) 및 산화 바나듐(V2O5)이 포함된다. 이들 중, 산화 동 및 산화 주석이 바람직하다. 예컨대, 상기 반응제에 산화 동 또는 산화 주석이 사용되고, 알루미나 및 알칼리 토류 금속 화합물이 함께 존재하는 경우, 불소 화합물의 종류에 따라서 분해에 의해 생성된 일산화탄소는 낮은 산소 분압에서의 이산화탄소까지도 산화시킬 수 있다. 상술의 원료와 동일하게 상기 산화 금속에서의 불순물로서 함유된 알칼리 금속의 총함량은 0.1질량% 이하가 바람직하고, 0.01질량% 이하가 더욱 바람직하며, 0.001질량% 이하가 더 욱 더 바람직하다.
본 발명에 사용되는 반응제에 있어서, 상기 반응제에 첨가되는 알루미나 및 알칼리 토류 금속 화합물의 함유비는, 질량비에 대해 1:9~1:1이 바람직하고, 1:4~2:3이 더욱 바람직하다. 상기 반응제 중의 알루미나는 알칼리 토류 금속 화합물과 공존함으로써 불소 화합물을 효율적으로 분해시키고, 상기 전체 반응제의 질량을 1이라고 가정하면, 상기 함량이 분해 반응 진행에 따라 변동하더라도 적어도 분해 반응의 초기에는 상기 알루미나 함량은 0.1질량% 이상인 것이 바람직하다. 상기 비율이 0.1미만이면, 상기 불소 화합물은 충분하게 분해되지 않을 수 있다. 그러나, 알루미나가 0.5질량비를 초과한 양으로 함유되는 경우, 알칼리 토류 금속 화합물의 양의 감소를 수반하고, 반응제의 효과적인 유효 이용률이 저하된다.
금속 산화물의 함유비는, 알루미나 및 알칼리 토류 금속 화합물의 총량에 대한 질량비로 1:99~5:95가 바람직하다. 상기 비율이 너무 작으면, 충분하게 높은 효과가 얻어지지 않는 반면에, 과도하게 많으면, 효과가 포화될 수 있고, 알루미나 및 알칼리 토류 금속 화합물의 총량이 상대적으로 감소하여 상기 불소 화합물이 양호한 효율로 분해될 수 없다.
알루미나 및 알칼리 토류 금속 화합물을 혼합하고, 동, 주석, 니켈, 코발트, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐 및 바나듐의 1종 이상의 산화물을 더 혼합함으로써 반응제를 입자화함에 있어서, 물 또는 원료의 입자 크기에 따라서 물과 바인더를 첨가할 수 있다. 혼합되는 원료에 영향을 주지 않는 한, 상기 바인더는 특별히 한정되지 않는다. 혼합되는 원료의 총질량을 1로 하면, 상기 바인더는, 전체 질량에 대한 질 량비로 0.03~0.05의 양으로 첨가될 수 있다. 상기 바인더는 미세 분말 알루미나가 바람직하다. 미세 분말 알루미나를 첨가함으로써, 각각의 원료가 분산성이 더욱 향상되고, 알칼리 토류 금속 화합물의 입자화에서의 어려움을 극복할 수 있다. 상기 바인더로서 첨가되는 알루미나의 입자 크기는, 0.1㎛ 이하가 적당하고, 불순물로서 함유되는 알칼리 금속의 총함량은 0.1질량% 이하가 바람직하며, 0.01질량% 이하가 더욱 바람직하다. 그러나, 상기 바인더가 분해를 위해 얻어진 반응제의 성능에 영향을 주지 않는 한, 바인더의 종류 및 양은 한정되지 않는다.
상술한 바와 같이, 상기 바인더로서 첨가된 미세 분말 알루미나를 포함한 상기 반응제에 혼합되는 각각의 원료는, 0.1질량% 이하의 총알칼리 금속 함량을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 상기 반응제 중의 총알칼리 금속 함량은 0.1질량% 이하가 바람직하다. 상기 반응제 중의 총알칼리 금속 함량이 0.1질량%를 초과하면, 상기 알루미나 표면 상의 활성 부위가 감소되고, 이것은 특히, CF4 및 C2F6 등의 PFC가스의 분해 비율의 감소를 야기하는 경우도 있다고 생각된다.
본 발명에 사용되기 위한 입자상 반응제를 제조하는데 있어서, 각각의 원료가 혼합된 후, 적절한 양의 물을 첨가하면서 혼련시키고, 상기 혼련 생성물을 입자화하여 입자상 물품을 제공한다. 이어서, 상기 입자상 물품은, 물을 증발시키기 위해 질소 등의 불활성 가스 또는 공기 중에서 100~200℃로 건조된다. 상기 반응제가 입자상 물품으로서 사용되는 이유는, 반응제의 분해 활성이 향상되고, 반응기로의 충전 또는 취급시에 분해 또는 분쇄를 방지하기 위한 경도가 증가되기 때문이다. 상기 목적을 위해, 상기 입자상 물품은 더 소성되는 것이 바람직하다. 더욱 구체적으로는, 상기 입자화되고 건조된 물품은, 질소 등의 불활성 가스 또는 공기 중에서 400~700℃로 소성되고, 500~700℃로 소성되는 것이 바람직하다. 상기 입자상 물품을 400℃이상에서 소성시키는 이유는, 상기 입자화시에 첨가된 물이 더욱 증발되어 분해 활성이 향상되고, 경도가 증가되기 때문이다. 상기 소성 온도가 700℃를 초과하면, 상기 알칼리 토류 금속 화합물의 분해(예컨대, CaCO3→CaO+CO2)에 의한 것인지 어떤지는 확실하지 않지만, 반응제의 분해 비율(활성도)이 감소되는 경우가 있다. 한편, 반응제의 활성이 감소되지 않는 700℃이하에서 알루미나(유사 보에마이트)의 결합수(bound water)가 거의 완전히 제거되는 것이 중요하다. 상기 소성된 반응제 중의 수분 함량은, 불활성 가스 또는 공기 분위기 중에서 550℃로 가열하여 방출된 수분 함량의 양이 1질량% 이하가 되도록 하는 것이 바람직하다. 상기 소성은 소성을 위해 사용되는 장비로서, 로타리킬른 등의 연속식 또는 고정식 로에서 행해질 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 사용되는 불소 화합물을 분해하기 위한 반응제는, 필수 성분으로서 알루미나 및 알칼리 토류 금속 화합물이 포함된다. 또한, 불소 화합물로 생성된 일산화탄소가 저산소 부분압에서 산화될 수 있도록 CuO, SnO2, NiO, CoO, Cr2O3, MoO3, WO2 및 V2O5 등의 산화 금속이, 상기 반응제에 첨가될 수도 있다. 상기 반응제는 분해되는 불소 화합물과 접촉의 기회를 증가시키기 위해 입자상인 것이 바람직하다. 상기 반응제의 입자 크기가 너무 크면, 불소 화합물 가스의 흡착 및 확산에 관여하는 표면적이 상대적으로 작게 되어 상기 확산이 낮은 속도로 진행된다. 한편, 상기 입자 크기가 너무 작게 되면, 상기 흡착 및 확산에 관여하는 표면적이 상대적으로 크게 되어 확산은 높은 속도로 진행될 수 있지만, 처리되는 가스의 양이 증가함에 따라서, 차압도 커지게 되고, 이것은 반응기의 소형화 등을 방해한다. 따라서, 반응제의 입자 크기는 0.5~10mm가 적당하고, 1~5mm가 바람직하다.
본 발명의 불소 화합물을 분해하고 무해화하기 위한 방법을 이하에 설명한다. 상술한 방법으로 제작된 요오드 함유 불소 화합물은 적당한 온도에서 반응제와 접촉시킨 결과, 상기 불소 화합물은 분해되고, 상기 분해에 의해 생성된 염소, 불소 및/또는 황이 알칼리 토류 금속의 염화물, 불화물 등으로서 상기 반응제 상에 고착된다. 또한, 예컨대, 상기 알칼리 토류 금속 화합물로서 탄산염이 사용되는 경우, 상기 불소 화합물로부터 유래된 탄소는 상기 탄삼염의 분해시 방출된 산소로 산화되고, 대부분 CO2 또는 CO로서 방출된다. 여기서, 상기 분해로 발생되고, 고착될 수 없는 요오드는, 흡착제와 접촉시켜 제거할 수 있다. 이 경우, 상기 반응 온도는 미처리된 가스에 함유된 화합물의 종류에 따라서 달라진다.
분자내에 요오드를 갖는 불소 화합물인 CF3I는 500~600℃에서 열분해되지만, 상술의 분해 반응제가 사용되는 경우, 상기 화합물은 200~300℃에서 분해된다. 반도체의 제작방법에 있어서의 에칭 또는 크리닝 후의 배출 가스에서와 같이, 많은 종류의 PFC 또는 HFC가 사용되거나 또는 함유되는 경우, 부산물로서 생성된 모든 가스들도 무해화되어야만 한다. 예컨대, 부산물 가스인 PFC는 상기 불소 화합물의 난분해성 화합물로서 분류된다. 특히, CF4, C2F6 등은 분해되는데 가장 어렵고, 열분해만으로 이들 가스를 분해하기 위해서는, 1,200~1,400℃의 고온이 필요하다. 그러나, 상술의 반응제를 사용하는 경우, 이들 가스는 500℃이상에서 분해될 수 있다. 이와 같이, 상기 분해 온도는 화합물의 종류에 따라서 상당히 큰 범위 이상으로 차이가 있다. 따라서, 화합물의 종류에 따라서 최적의 온도로 반응기를 설정하는 것이 중요하다.
화합물의 종류 또는 구조에 따라서 반응 온도가 변화함으로써, 상기 반응 온도는 500℃ 이상으로 적당히 설정된다. 화합물의 종류에 따라서, 처리된 가스(배출 가스)는 CO를 함유하는 경우도 있다. 그러나, 산소가 처리되는 가스에 공존함으로써, CO는 CO2로 용이하게 산화될 수 있고, 상기 가스는 완전히 무해화될 수 있다.
처리되는 가스 중의 불소 화합물 농도는 특별히 한정되지 않지만, 과도하게 낮은 농도는 수율의 점에서 바람직하지 않다. 한편, 농도가 너무 높으면, 화합물의 종류에 따라서 달라질 수 있지만, 분해에 의해 발생된 열로 인하여 반응 온도가 상승한다. 따라서, 반응기 내의 온도가 거의 제어되지 않는 경우의 발생을 피하기 위해, 또는 배관이 요오드로 막히는 것을 방지하기 위해, 불소 화합물 농도는 0.01~10부피%가 바람직하다. 처리되는 가스는 질소 가스 또는 산소 함유 가스(공기 포함)로 희석되어 0.1~5부피%의 불소 화합물 농도를 갖는 것이 더욱 바람직하고, 0.1~3부피%가 더욱 더 바람직하다. 그러나, 상기 반응 온도가 분해시 발생된 열을 강제적으로 제거함으로써 제어될 수 있는 경우, 상기 불소 화합물 농도는 상술한 범위로 제한되지 않는다.
이와 같이, 열분해가 실시된 가스에서의 불소 화합물의 종류 및 농도, 처리되는 가스 중의 산소 가스 농도, SV(공간 속도), LV(선속도), 및 다른 가스와 혼합된 상태를 고려하여 적당한 반응 조건이 각각의 경우에 따라서 설정되는 것이 바람직하다.
상기 분해 처리는 상술의 반응제가 채워진 반응기, 상기 반응기의 내부와 통하기 위해 설치된 처리되는 가스용 입구, 상기 반응 후의 반응기 밖으로 가스를 배출하기 위해 설치된 가스 출구, 상기 반응기를 수용하기 위한 로, 및 소정 온도로 로 분위기를 상승시키기 위한 열원을 포함하는 분해장치에 있어서, 배관을 통하여 처리되는 가스용 입구가 불소 화합물 가스원과 접속되어 있는 것을 사용하여 행할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 공정을 실시하기 위한 장치의 일예를 나타내는 도이다. 질소 가스 공급 라인(2) 또는 공기 또는 산소 가스 공급 라인(3)으로부터 운반 가스의 일정량을 미리 통과시키면서, 반응기(7)에 채워진 반응제(10)가 전자 히터(8)에 의해 소정 온도로 가열되고, 상기 반응기에 설치된 온도 센서(12) 및 온도 제어 유닛(9)을 사용하여 일정 온도로 제어한다.
소정 시간으로, 분자내 요오드 원자를 갖는 불소 화합물의 가스용 공급 라인(1) 및 질소 가스 공급 라인(2) 또는 공기 또는 산소 공급 라인(3)으로부터 각각의 밸브를 통해 혼합 챔버(5)로 처리되는 가스가 도입된다. 필요에 따라서, 공급 라인 (4)으로부터 혼합 챔버(5)로 다른 가스가 도입된다. 이어서, 가스 입구관을 통해 반응기(7)로 처리되는 혼합 가스가 도입된다. 상기 반응기(7)로 도입된 처리되는 가스는, 소정 온도로 가열된 반응제와 접촉되어 분해된다. 분해 후의 처리된 가스(배출 가스)는, 배관 가열 히터(13)에 의해 보온된 배관을 통하여 흡착 칼럼(15)으로 도입된다. 상기 흡착 칼럼(15)에 있어서, 요오드 고착층(16)은 상부에 설치되고, 흡착제(17)는 그것의 하류부에서 채워진다. 또한, 가스 샘플링을 위해, 반응기 입구 가스의 분석용(6), 반응기 출구 가스 및 흡착 칼럼 입구 가스의 분석용(14) 및 흡착 칼럼 출구 가스의 분석용(18) 샘플링 포트를 설치하여 각각의 가스의 성분을 분석할 수 있다.
이와 같이, 처리되는 가스 중의 불소 화합물은 대부분 완전하게 분해되고, 또한, 반응기로부터 배출된 요오드는 흡착에 의해 제거된다. 분해된 불소 화합물에서의 불소 및 탄소 성분 등의 할로겐은 상기 반응제에서의 알칼리 토류 금속 화합물과 반응하여 예컨대, CaF2 등의 안정한 알칼리 토류 금속 불소와 같은 반응제 상에 고착되고, 상기 탄소 성분은 질소 가스 등의 희석 가스와 함께 CO2로서 대부분 배출되며, 상기 요오드는 흡착제 상에 고착된다. 따라서, 처리된 가스는 불소 성분, 요오드 또는 일산화탄소 등의 유해한 재료가 실질적으로 없는 무해한 가스가 된다.
채워진 반응제의 분해력이 소모되면 분해 반응은 종료된다. 상기 분해 반응의 종말점은 상기 불소 화합물이 첫번째로 검출될 때에 의해 알 수 있다. 상기 불 소 화합물이 검출되고, 상기 반응제가 분해력을 잃으면, 장치의 동작이 정지하고, 상기 반응제가 새로 채워진 후, 분해 반응이 다시 시작되는 배치 시스템 또는 동일 장치에 있어서, 상기 반응제로 미리 채워진 예비 반응기로 상기 반응기가 순차적으로 교환되는 시스템으로 불소 화합물이 분해될 수 있다.
흡수제의 파과는 흡수제 출구에서의 요오드 농도를 모니터링함으로써 알 수 있다. 파과가 도달되면, 흡착 칼럼이 흡착제로 미리 채워진 예비 요오드 흡착 칼럼으로 교환되어 흡착이 다시 행해질 수 있다.
상기 배치 시스템을 연속적으로 사용하기 위해, 동일 형태의 복수의 반응기 및 흡착 용기가 병렬 배치되고, 하나의 반응기 및 하나의 흡착 용기가 작동하면서, 다른 반응기의 반응제 및/또는 다른 흡착 용기의 반응제로 교환되거나, 또는 상기 반응제로 미리 채워진 반응기 및/또는 상기 흡착제로 미리 채워진 흡착 용기로 교환되고, 하나의 반응기 및/또는 하나의 흡착 칼럼이 정지될 때, 상기 가스 흐름이 다른 반응기 또는 다른 흡착 칼럼으로 바뀌는 복수탑 전환 시스템이 사용될 수도 있다.
본 발명을 실시예를 참조로 이하에 더 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
(실시예)
반응제의 제작
하기 표 1에 나타낸 물질이 반응제의 원료로서 사용되었다.
| 반응제의 원료명 | 입자 크기(㎛) | 비표면적(m2/g) | 불순물(질량%) | |||
| Na | K | Fe | Si | |||
| CaCO3(고순도 탄산칼슘) | 40 | 0.0012 | 0.0005 | <0.0001 | <0.0001 | |
| Al2O3[AlO(OH)](유사 보에마이트 알루미나) | 60 | 241 | 0.0027 | <0.001 | Fe2O3 0.0034 | SiO2 0.0066 |
| CuO(산화제2동) | 4~10 | <0.01 | <0.01 | <0.01 | <0.01 | |
| SnO2(산화 제2주석) | 4~10 | <0.01 | <0.01 | <0.01 | <0.01 | |
| 바인더(초미세 분말 알루미나) | <0.1 | <0.001 | <0.001 | <0.001 | <0.001 | |
표 1에 나타낸 물질을 원료로서 사용하고, 헨스첼 믹서(Henschel mixer)로 혼합하고, 물을 첨가한 후, 그 혼합물을 입자화한 다음 3시간 동안 110℃에서 가열하였다. 얻어진 입자를 체로 걸러 0.85~2.8mm의 입자 크기를 갖는 입자상 제품을 얻었다. 얻어진 입자상 제품은 공기 분위기하에 3시간 동안 550℃의 소성 온도로 열처리에 의해 탈수 소성되어 반응제가 제작되었다.
처리되는 가스의 분해 처리
본 발명의 방법은 도 1에 나타내는 장치와 같은 동일한 원리를 갖는 장비를 사용하여 행하였다. 즉, 전류의 흐름시에 열을 발생할 수 있는 열소자를 지닌 고리형상 로(전기 용량: 1.5KW)의 축중심을 따라서, 4/3인치(두께: 1mm)의 외형 및 50cm의 길이를 갖는 SUS반응관이 삽입되고, 분해를 위해 25ml의 반응제가 상기 반응기에 채워졌다. 반응관의 출구에서 흡착 칼럼의 입구까지 연장된 영역에 있어서, 요오드의 고착을 방지하기 위해, 리본 히터가 감겨지고, 60℃로 가열되었다. 상기 흡착 칼럼으로서, 1/2인치(두께: 1mm)의 외형 및 50cm의 길이를 갖는 SUS흡착 칼럼이 사용되었고, 흡착 칼럼의 입구에서는 2ml의 SUS충전 재료(다공률: 95%)가 채워졌고, 10ml의 흡착제가 채워졌다.
분해되는 가스로서 분자내에 요오드를 갖는 불소 화합물 가스가 사용되었고, 상기 불소 화합물 가스와 PFC가스가 공존하도록 하는 실험도 행하였다.
상기 실험 중 어느 하나에 있어서, 상기 반응제의 중심부(상기 반응제의 벌크에서의 가장 높은 온도에 도달한 부위)로 삽입된 열전대(thermocouple)로 측정된 온도가 소정 온도로 유지될 수 있도록 고리형상 로에서의 전기량을 조절하면서, 처리되는 가스는 열소자의 충전이 시작된 후에 도입되었다. 하기 표 2에 있어서, 상기 분해 반응 온도는 상기 반응 동안에 유지된 온도를 나타낸다.
처리되는 가스 및 처리된 가스는 각각의 샘플링 포트로부터 샘플링되었고, 각각의 조성물의 분석 결과가 표 2에 나타내어진다. 상기 분석에 있어서, 가스 분석기를 사용하여 O2, N2 및 불소 화합물을 분석하였고, 요오드가 검지관 및/또는 요오드화 칼륨을 함유하는 흡수병으로 샘플링되어 적정으로 분석되었다.
실시예 1
표 2에 나타내는 조건하에 분해 반응 및 흡착에 의한 제거가 행해졌다.
상기 반응기 출구 가스에 있어서, 처리 대상 가스의 농도는 검출 하한 미만이었다. 또한, 상기 흡착 칼럼 출구 가스에 있어서, 요오드는 허용 농도 미만까지 제거될 수 있었다.
실시예 2
분해 반응 온도를 300℃로 변경한 것을 제외하고는 실시예 1의 조작을 반복하였다. 상기 반응기 출구 가스에 있어서, 처리 대상 가스의 농도는 검출 하한 미만이었다. 또한, 흡착 칼럼 출구 가스에 있어서, 요오드는 허용 농도 미만까지 제거될 수 있었다.
실시예 3
처리 대상 가스의 농도를 0.1부피%로 변경한 것을 제외하고는, 실시예 2의 처리를 반복하였다. 상기 반응기 출구 가스에 있어서, 처리 대상 가스의 농도는 검출 하한 미만이었다. 또한, 흡착 칼럼 출구 가스에 있어서, 요오드는 허용 농도 미만까지 제거될 수 있었다.
실시예 4
표 2에 나타내는 조건하의 처리 대상 가스로서 CF4를 첨가하여 분해 반응 및 흡착 공정에 의한 제거를 행하였다. 상기 반응기 출구 가스에 있어서, 처리 대상 가스의 농도는 퍼플루오로카본의 존재하에도 검출 하한 미만이었다. 또한, 흡착 칼럼 출구 가스에 있어서, 요오드는 허용 농도 미만까지 제거될 수 있었다.
실시예 5
분해 반응 온도를 300℃로 변경한 것을 제외하고는, 실시예 4의 조작을 반복하였다. 반응기 출구 가스에 있어서, CF4는 거의 분해될 수 었었다. CF3I의 농도는 검출 하한 미만이었다. 상기 흡착 칼럼 출구 가스에 있어서, 요오드는 허용 농도 미만까지 제거될 수 있었다.
실시예 6
활성탄으로 흡착제를 변경한 것을 제외하고는, 실시예 5의 공정을 반복하였다. 상기 반응기 출구 가스에 있어서, 처리 대상 가스의 농도는 검출 하한 미만이었다. 또한, 상기 흡착 칼럼 출구 가스에 있어서, 요오드는 허용 온도 미만까지 제거될 수 있었다.
삭제
상술한 바와 같이, 본 발명에 따라서, 분자내에 요오드 원자를 갖는 불소 화합물을 분해할 수 있고, 요오드를 제외한 성분을 무해화할 수 있으며, 요오드를 제거할 수 있으므로, 특히, 반도체 장치의 제작에 있어서, 분자내에 요오드 원자를 갖는 불소 화합물이 사용된 후에 발생된 가스의 분해 처리에 유용하다.
Claims (15)
- 분자내에 요오드를 갖는 불소 화합물을 함유하는 가스가 알루미나 및 알칼리 토류 금속 화합물을 함유하는 반응제와 접촉된 후, 상기 접촉 후에 얻어진 가스가 흡착제와 접촉되는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 불소 화합물의 분해방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 알루미나는 유사 보에마이트 알루미나인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 알칼리 토류 금속 화합물은 마그네슘, 칼슘, 스트론튬 및 바륨 중 하나 이상의 탄산염인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 반응제는 동, 주석, 니켈, 코발트, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐 및 바나듐으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 금속의 산화물을 함유하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 반응제의 알칼리 금속 함량은 0.1질량% 이하인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 반응제는 0.5~10mm의 입자 크기를 갖는 미립자인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 6항에 있어서, 상기 반응제의 수분 함량은 1질량% 이하인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 분자내에 요오드를 갖는 불소 화합물은 200℃이상의 온도에서 반응제와 접촉되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 분자내에 요오드를 갖는 불소 화합물을 함유하는 가스는, 에칭 또는 크리닝을 위해 상기 불소 화합물을 사용하는 동안에 발생된 배출 가스인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 분자내에 요오드를 갖는 불소 화합물을 함유하는 가스는, 산소 존재하에 500℃ 이상의 온도에서 상기 반응제와 접촉하여 일산화탄소의 생성을 억제하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 흡착제는 활성탄, 알루미나, 실리카겔 및 제올라이트로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 흡착제인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 가스는 20Nm/분 이하의 선속도로 흡착제와 접촉되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 요오드 고착용 층은 상기 흡착제로 채워진 층의 앞에 설치되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 13항에 있어서, 상기 요오드 고착용 층은 80%이상의 다공율을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 분자내에 요오드를 갖는 불소 화합물은 플루오로요오드카본, 히드로플루오로요오드카본, 클로로플루오로요오드카본 및 히드로클로로플루오로요오드카본으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 화합물인 것을 특징으로 하는 방법.
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