KR20140056690A

KR20140056690A - Sf6 가스 분해 방법

Info

Publication number: KR20140056690A
Application number: KR1020120121780A
Authority: KR
Inventors: 최성우; 강훈철; 이철규
Original assignee: 계명대학교 산학협력단
Priority date: 2012-10-31
Filing date: 2012-10-31
Publication date: 2014-05-12

Abstract

본 발명에 의하면, 마이크로웨이브로 처리하는 공정을 포함하는 SF₆ 가스 분해 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 2,400 내지 2,450 MHz의 주파수와, 1.0 내지 1.2kW의 최대출력 처리하는 것을 특징으로 한다. 한편 상기 분해 방법에서 Al₂O₃를 촉매로 하고 SiC를 발열체로 하는 것을 특징으로 한다.
따라서 마이크로웨이브의 발열체로 SiC를 촉매로 Al₂O₃ 사용하여 SF₆를 600 내지 900℃에서분해할 수 있어서 종래에 비해 낮은 온도에서 분해가 가능하므로 에너지를 효율적으로 이용할 수 있으며, 더욱이 종래의 플라즈마를 사용하는 경우 다른 종류의 과불화합물로 전환될 수 있어 분해 효율이 낮을 뿐만 아니라 CoF₂와 같은 유독성 물질과 펌프를 부식시키는 HF가 생성되는 반면에 마이크로웨이브를 이용한 본 발명은 상기와 같은 유독물질이 생성되지 않는 장점을 갖는다.

Description

SF6 가스 분해 방법 {SF6 gas decomposition method}

본 발명은 반도체 제조 공정 등에서 사용되는 온실가스 중 하나인 SF₆ 가스를 분해하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 종래의 열분해 방법과는 다르게 저온으로 열분해 할 수 있는 촉매와 발열체를 사용하는 SF₆ 가스 분해 방법에 관한 것이다.

일반적으로 PFC(Perfluorocompounds)는 CF₄, C₂F₆, C₃F₈, SF₆, NF₃등의 총칭이다. PFC 가스는 반도체 엣칭용 가스, 반도체 세정용 가스 또는 절연 가스로 사용되며 뿐 만 아니라 자동차 생산공정, 마그네슘 정련업계 등에서도 사용되고 있다. 이 PFC 가스는 지구 온난화 가스이며, 대기 방출의 규제 대상으로 되어 있다. 특히 SF₆는 대기 중 이산화탄소에 비해 1% 미만으로 매우 적지만 지구온난화지수가 이산화탄소에 비해 23,900배 높아 매우 중요한 온실가스중 하나이다. SF₆를 제거하는 기술은 전기 RTO(Regenerative Thermal Oxidation), 순산소 연소기술, 플라즈마 제거 및 촉매산화기술로 열분해기술 등이 있다. RTO방식은 초기 승온과 감온 및 히터 및 축열재의 수명단축의 문제가 있으며 순 산소 연소기술의 경우 후단에 HF를 처리하는 습건식 HF처리 장치가 필요하다. 촉매산화방식의 경우 반응 후 발생하는 HF, F₂로 인해 촉매성능이 저하되고 2차 폐기물처리를 해야 하는 문제점이 있다. 현재 소량의 SF₆를 제거하는데 플라즈마를 이용한 제거 연구가 진행되고 있으나 처리가스의 유량 증가 시 에너지투입량의 급격히 증가하여 에너지 절감측면에 문제점을 가지고 있다. 산업공정에서 SF₆의 제거를 위해 소각 및 열분해 방법이 가장 많이 사용되나 SF₆를 제거 처리하기 위해 1000℃ 이상의 고온이 필요하여 에너지 소비량 많은 단점이 있다. SF₆ 분해온도의 연구결과 1000℃ 이하에서는 거의 제거가 일어나지 않으며 완전 제거가 되기 위해선 2000℃ 이상의 온도가 필요한 문제가 있다.

대한민국 공개특허공보 공개번호 제2012-0021651호에 따르면, PFCs가스 분해 장치 및 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따르면 폐가스인 과불화탄소 가스를 수소, 산소 혼합 가스를 사용하여 열플라즈마 방식으로 처리하는 것으로 수소, 산소 혼합가스 공급기, 플라즈마 제트를 발생시키기 위한 플라즈마 토치, 플라즈마 토치와 결합되고 PFCs 가스 및 수소, 산소 혼합가스를 공급받아 PFCs 가스를 분해하기 위한 반응기, 및 반응기와 결합되어 분해된 PFCs를 냉각하기 위한 냉각 챔버를 포함하여 구성되어 수소, 산소 혼합가스를 사용하여 열플라즈마 방식으로 PFCs 가스를 분해함으로써 PFCs 가스분해 효율을 극대화 시킬 수 있고, 또한 대유량의 PFCs 가스를 분해함으로써 PFCs 가스분해 효율을 극대화 시킬 수 있고, 또한 대유량의 PFCs 가스를 분해함으로써 PFCs 가스분해 효율을 극대화 시키는 방법이 제시되었다.

다만 종래의 방법에서 보듯이 열소각을 위하여 다량의 산소, 수소가 필요하며 플라즈마를 이용하는 경우 많은 에너지가 소요되므로 다량의 PFC 가스를 처리하는데 한계가 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, PFC가스의 일종인 SF₆을 분해하기 위하여 에너지 소비량이 적은 마이크로웨이브기술을 열분해에 적용하고 촉매를 사용하여 부생성물이 발생되지 않는 SF₆의 분해방법을 제공하는 데 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 마이크로웨이브로 처리하는 공정을 포함하는 SF₆ 가스 분해 방법이 제공된다.

또한 상기 마이크로웨이브는 2,400 내지 2,450 MHz로, 최대출력은 1.0 내지 1.2kW로 하여 처리하는 것을 특징으로 한다.

한편 상기 분해 방법은 Al₂O₃를 촉매로 하고 SiC를 발열체로 하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 분해 방법은 600 내지 900℃에서 수행되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 SF₆ 가스 분해 방법에 의하면, 마이크로웨이브의 발열체로 SiC를 사용하여 SF₆를 600 내지 900℃에서분해할 수 있다. 종래에 비해 낮은 온도에서 분해가 가능하므로 에너지를 효율적으로 이용할 수 있다.

또한 촉매로 Al₂O₃를 사용하여 99.9%의 높은 효율로 SF₆ 가스를 분해할 수 있다.

더욱이 종래의 플라즈마를 사용하는 경우 다른 종류의 과불화합물로 전환될 수 있어 분해 효율이 낮을 뿐만 아니라 CoF₂와와 같은 유독성 물질과 펌프를 부식시키는 HF가 생성되는 반면에 마이크로웨이브를 이용한 본 발명은 상기와 같은 유독물질이 생성되지 않는 장점을 갖는다.

도 1은 SF₆ 가스 분해 장치의 구성도,
도 2는 SiC와 Al₂O₃의 혼합형태의 구조모형,
도 3a는 마이크로웨이브 장치를 직렬로 하는 경우의 구성도, 도 3b는 마이크로웨이브 장치를 병렬로 하는 경우의 구성도,
도 4는 시간에 따른 SiC 및 Al₂O₃의 온도변화를 나타내는 그래프,
도 5는 시간에 따른 SiC 및 Al₂O₃의 가열속도를 나타내는 그래프이다.

이하 하기 실시예에 의해 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 다만, 이러한 실시예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 일실시예에 따른 SF₆가스 분해 방법은 SF₆가스를 반응기에 도입하는 단계, 상기 반응기에 마이크로웨이브를 조사하여 일정 온도를 유지하는 단계로 이루어진다. 상기 반응기에 충진되는 물질은 마이크로웨이브용 발열체와 세라믹산화물이다.

발열체는 SiC(Silicon carbide) 또는 AC(Activated carbon)가 선택되며 반응기 전체의 온도를 상승시킨다. 세라믹산화물은 SF₆제거를 위한 촉매역할로 분해온도를 낮추고 분해효율을 높이는 역할을 한다. SF₆제거를 위하여 세라믹산화물은 Al₂O₃를 선정하였으며 열원 공급을 위하여 마이크로웨이브 가열장치를 이용하였다. 특히 Al₂O₃, MgO, ZnO 등과 같은 세라믹 재료는 상온에서 마이크로파를 투과시키며 임계온도 이상의 고원이 되면 마이크로파와 결합하여 효과적으로 흡수 및 가열된다. 또한 SiC는 전기발열체로 마이크로파를 잘 흡수하여 가열특성이 매우 좋은 재료이다.

도 2는 SiC와 Al₂O₃의 혼합형태를 도시한 것으로, SiC와 Al₂O₃의 혼합형태는 일반형, 허니컴형, 유로형으로 나누어진다. 마이크로웨이브를 조사하는 경우 저온에서 최적의 효과를 나타내는 것은 알루미나가 구조체가 되고 SiC를 발열체로 하는 일반형 또는 허니컴형인 것으로 확인되었다.

도 3은 마이크로웨이브 장치의 구성을 나타낸 것이며, 기본적인 마이크로웨이브 장치는 반응기부와 마이크로웨이브조사부로 구성된다. 마이크로웨이브의 조사량은 고정시키며, SF₆ 가스의 유량에 따라서 유량이 증가하면 병렬형으로 배치하고 SF₆ 가스의 농도가 증가하는 경우 직렬형으로 배치하였다.

특히 상기 마이크로웨이브 장치의 적절한 에너지 이용을 위하여 사용되는 주파수와 최대출력을 최적화하는 것이 중요하며, 마이크로웨이브를 이용한 SF₆ 가스 분해가 유의한 효율을 가지고 분해되는 조건인 주파수가 2,400 내지 2,450 MHz, 최대출력은 1.0 내지 1.2kW로 실험을 진행하였다. 상기 조건 이하에서는 분해 효율이 낮고, 이상에서는 에너지 소모량이 크다.

한편 상기 반응기에 마이크로웨이브를 도입하는 과정에서는 자동온도조절장치를 배치하였다. 자동온도조절장치는 반응기 내부의 온도가 설정온도에 도달하면 마이크로웨이브의 조사량을 자동으로 조절하여 설정온도를 유지하게 하였으며, 자동온도조절장치(Thermostat)는 상용제품으로 K-type을 사용하였고 열전대 범위는 1200 내지 1400℃ 까지 이다.

< 실시예1 > 마이크로웨이브를 이용한 열분해 실험

1. 열분해 반응기의 구성

열분해장치는 도 1의 구성도에 따라 배치하였다. 반응기는 알루미늄 재질의 챔버 내부에 관통관을 배치하고, 상기 관통관 사이에는 석영재질의 충진형 반응기를 배치하였다. 상기 반응기 내부에는 온도를 검출할 수 있는 열전대를 배치하였고, 상기 챔버 내부의 일측면에서 마이크로웨이브를 조사하는 마그네트론을 배치하였다. 마이크로웨이브 가열장치에서 2,450 MHz로, 최대출력은 1.2kW의 마그네트론이 장착된 마이크로 발진관을 사용하였으며, 마이크로파는 도파관을 통하여 반응기에 도입되도록 하였다.

상기 열전대는 반응온도를 일정하게 유지하기 위하여 자동온도조절장치에 연결하였으며, 상기 열전대에서 설정이상 온도가 상승하는 경우에는 자동온도조절장치는 상기 마그네트론을 조절하여 마이크로웨이브의 조사량을 조절하도록 하였다.

2. 온도상승실험

발열체는 SiC를 선택하여 준비하였다. 도 4는 시간에 따른 SiC 및 Al₂O₃의 온도변화를 나타낸 것이다. SiC의 경우 마이크로파를 흡수하여 유전가열되는 것을 확인하였으나, SF₆ 가스의 연소 및 열분해온도는 최소 1600℃로 알려져 있다. SiC가 충진된 반응기 온도는 500W에서 800℃이상, 700W에서 1000℃이상, 900W에서 1100℃이상 상승하는 것을 확인하였다. 도 5는 경우 시간에 따른 SiC 및 Al₂O₃의 가열속도를 나타내는 그래프이다. SiC의 경우에 분당 온도증가율이 가장 높은 것을 확인하였고, 마이크로웨이브의 조사량이 증가할수록 온도증가율도 상승하는 것을 확인하였다. 따라서 SF₆ 가스의 분해에 있어 마이크로웨이브를 사용하여 SiC 존재 하에서 단독으로 유전가열하는 경우 반응기의 온도 상승을 확인하고 발열체로서 좋은 재료임을 확인하였으나, 최적의 분해 조건은 촉매의 존재가 필요한 것을 확인하였다.

3. 열분해 실험

실험은 우선 촉매 없이 발열체인 SiC를 이용하여 SF₆ 가스를 열분해하였을 경우를 기준으로 500℃에서 1100℃까지 분해효율을 측정하였다. 다음으로 발열체인 SiC는 90-50 중량%로 하고, 촉매인 Al₂O₃는 10-50 중량%로 변화시키며 500℃에서 1100℃까지 분해효율을 측정하였다.

< 실시예2 > SF ₆ 가스 분해 결과 분석

상기 관통관을 통하여 반응기에서 배출되는 가스는 관통관에 연결되어 있는 GC-TCD(HP 6890A GC, Agilent)를 사용하여 분석하였다.

SF ₆ 가스의 분해효율

조성＼℃	500	600	700	800	900	1000	1100
SiC	NR¹ ⁾	NR	NR	NR	15.95	39.19	61.62
SiC-Al₂O₃(10)	NR	38.78	76.49	85.68	92.43	95.95	99.99
SiC-Al₂O₃(20)	NR	56.35	92.70	98.11	99.99	99.99	99.99
SiC-Al₂O₃(30)	NR	77.16	96.72	99.03	99.99	99.99	99.99
SiC-Al₂O₃(40)	NR	32.82	90.35	97.10	98.84	99.99	99.99
SiC-Al₂O₃(50)	NR	23.94	81.85	97.30	98.84	99.99	99.99

¹⁾NR: No Reaction

촉매없이 SiC를 사용하여 SF₆ 가스를 열분해 하였을 경우 1100℃에서 분해효율이 61%에 불과하였다. 촉매인 Al₂O₃를 10중량% 첨가하였을 경우 600℃에서 SF₆의 분해가 시작되었으며, 반응기의 온도가 900℃에서 Al₂O₃의 함량이 20중량% 내지 30중량% 인 경우 99.99%의 SF₆ 가스의 분해효율을 보여주었다. 따라서 SF₆ 가스 분해방법은 반응기의 온도가 900℃에서 촉매인 Al₂O₃의 함량이 20중량% 인 경우의 유의한 분해효율을 보였다.

이상과 같은 본 발명을 요약하면 다음과 같다.

마이크로웨이브를 이용한 SF₆ 가스의 분해 방법을 제공한다. 마이크로웨이브의 유전가열체로 SiC를 선택하고, 촉매인 세라믹산화물로 Al₂O₃을 선택하여 600 내지 900℃에서 SF₆ 가스를 분해하였다. 900℃에서 Al₂O₃의 함량이 20중량%인 경우에 99.99%의 SF₆ 가스의 분해효율을 나타내어 SF₆ 가스의 분해 방법의 최적조건을 찾아내었고 이를 바탕으로 SF₆ 가스의 분해를 실시하였다.

이상으로 본 발명은 특정한 부분을 상세히 기술 하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시예일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims

마이크로웨이브로 처리하는 공정을 포함하는 SF₆ 가스 분해 방법.
제1항에 있어서,
상기 마이크로웨이브는 2,400 내지 2,450 MHz로, 최대출력은 1.0 내지 1.2kW로 하여 처리하는 SF₆ 가스 분해 방법.
제1항에 있어서,
상기 분해 방법은 Al₂O₃를 촉매로 하고 SiC를 발열체로 하는 SF₆ 가스 분해 방법.
제1항에 있어서,
상기 분해 방법은 600 내지 900℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 SF₆ 가스 분해 방법.