[논문]SF6의 플라즈마 분해로부터 생성된 입자상 물질에 관한 연구

김선우; 김종범; 김재환; 김래형; 류재용

doi:10.5572/kosae.2017.33.4.326

SF6의 플라즈마 분해로부터 생성된 입자상 물질에 관한 연구
A Study on Particulate Matter Formed from Plasma Decomposition of SF6 원문보기

한국대기환경학회지 = Journal of Korean Society for Atmospheric Environment, v.33 no.4, 2017년, pp.326 - 332

김선우 (경남대학교 도시환경공학과) , 김종범 (경남대학교 도시환경공학과) , 김재환 (경남대학교 도시환경공학과) , 김래형 (경남대학교 도시환경공학과) , 류재용 (경남대학교 도시환경공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

$SF_6$ (sulfur hexafluoride) gas has an extremely high global warming potential (GWP). Therefore, there has been an effort to reduce of $SF_6$ its emission into atmosphere. In this study, $SF_6$ was injected into the plasma reactor directly, decomposed particulate matter of $SF_6$ was analyzed. Destruction and removal efficiency (DRE) of $SF_6$ were tested with varying degrees of plasma power and initial concentrations of $SF_6$ (1,000 ppm). This study is conducted with plasma power which are 4.4 kW, 5.5 kW, 6.0 kW, 6.6 kW, 7.6 kW, 8.1 kW and 9.1 kW. It was confirmed through experiment that the decomposition efficiency of $SF_6$ is 100% at 7.6 kW of the plasma power. In addition, the particulate matter is formed as minute particles of which size is $1{\mu}m$ and the main component of particulate matter is identified as $AlF_3$.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 난분해성 물질인 SF₆ 가스를 플라즈마 분해에 의해 고효율로 분해되는 가능성을 확인하였으며, 생성된 입자상 물질의 주요 성분은 AlF₃ (Aluminum Fluoride)로 예상된다. 입자상 물질 외에도 가스상 물질은 SO₂, NO_x, SO₂F₂, F₂ 등 다양한 가스상 부산물들이 발생될 것으로 예상되며, 플라즈마에 의해 분해되는 SF₆ 가스의 분해 메커니즘(Mechanism) 규명을 제시하기 위해 분해 부산물 중 가스상 물질의 분석이 필요하다.
본 연구는 연속 흐름식 시스템에서 플라즈마 반응기의 전력에 따른 SF₆의 분해 효율과 분해된 입자상 물질에 대해 알아보기 위해 여러 번의 반복 실험을 거쳐 수행하였다.
본 연구에서는 반도체 식각공정에서 사용되는 NonCO₂ 온실가스 중 지구 온난화 기여도가 가장 큰 SF₆ 가스를 열 플라즈마를 이용하여 전력량에 따른 분해효율과 분해 부산물 중 입자상 물질의 생성에 관한 연구를 통해 경제적인 최적의 전력량과 입자상 부산물 생성 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 반도체 제조공정 중 식각공정에서 사용되는 SF₆를 분해하는 목적으로 플라즈마를 이용하여 전력별 분해 효율을 확인하였으며, 분해에 의해 생성되는 입자상 물질을 분석하는 실험을 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

제안 방법

가스 초기 농도를 1,000 ppm으로 적용하고, 연속흐름식 시스템에서 전력에 따른 분해 효율 (DRE,Destruction Removal Efficiency)을 그림 3에 나타내었다. SF₆ 가스 분해 효율은 GC-MS, FT-IR을 이용하여 분석하였으며 평균값의 편차를 오차막대로 나타내었다. 전력을 증가시킬수록 SF₆의 분해 효율도 함께 증가하고 6.
SF₆ 분해 시 생성되는 흰색의 입자상 물질의 원소는 주로 Al, F로 확인하였으며 더 정확한 분해 부산물의 입자상 물질을 확인하기 위해 XPS 분석을 수행하였다. Widescan을 통하여 주된 성분과 대략적인 position BE(ev)를 확인한 결과 SEM-EDX 분석 결과와 동일하게 F, C, O, Al 성분으로 나타났다.
SF₆ 분해에 의해 생성된 입자상 물질의 중량농도 및 성분 분석을 위해 aerosol filter holder를 이용하여 PC membrane filter에 포집하였다. 그림 5는 중량농도의 결과를 나타내었으며 시료의 전, 후 무게차를 측정한 결과 전력이 증가할수록 14 mg/m³, 30 mg/m³, 26 mg/m³, 112 mg/m³, 264mg/m³, 338mg/m³, 410mg/m³로 입자농도가 증가한 것으로 나타났다.
가스상 물질은 진공샘플링박스에 테들러백(PVF 3 LC-Type, 탑트레이딩이엔지, Korea)을 장착 후 vacuum pump (10 L/min, GAST, U.S.A)를 이용하여 약 2 L 포집하였으며, 분해 효율 분석을 위해 테들러백 내의 잔여 SF₆ 가스를 GC-MS (Gas Chromatography - Mass Spectrometer GCMS-QP2010 Ultra, Shimadzu, Japan)로 분석하였다. GC-MS의 column은 GS-GASPRO (90m×0.
하지만 본 연구에서 filter holder를 이용하여 포집한 PC membrane filter를 육안으로 확인한 결과 예상과 다른 흰색을 띠는 입자가 생성되었다. 따라서 보다 정확한 입자크기 및 성분 분석을 위해 SEMEDX 및 XPS로 분석하였다.
압력용기에 regulator를 설치하여 압력을 2 bar로 일정하게 유지하고 SUS튜브(SUS304, 1/4 inch)와 MFC (Mass Flow Controller VIC-D220, MFC KOREA, Korea)를 통해 반응기 내부로 50mL/min으로 주입시켰다. 배경가스로 사용되는 N₂ 가스와 플라즈마에 공급되는 N₂ 가스는 액화질소(99.999%, 삼광테크, Korea)를 대기식 기화기로 기화시키고 고압용 regulator를 부착하여 공급하였으며 안정적인 유량을 공급하기 위해 Digital MFC를 이용하여 각각 50 L/min, 20 L/min으로 유량을 조절 후 일정하게 공급하였다.
본 실험에서는 실험 시마다 초기 농도 1,000 ppm의 SF₆ (99.999%, 삼광테크, Korea) 모사가스를 일정하게 흘려 플라즈마 반응기 내부의 SF₆ 농도를 안정되게 하고, 실험 공정 내부를 음압으로 유지한 연속흐름식(Continuous Flow System, Intet pressure -80 mmH₂O)으로 수행하였다. 플라즈마를 이용한 SF₆ 가스 분해 후 배출되는 배기가스와 분해 부산물의 포집 및 분석을 위해 공정 후단에 sampling port (PTFE, 1/4 inch)를 제작하여 설치하고 잔여 SF₆ 가스와 분해부산물로 생성된 입자상 물질을 포집하는 실험 장치를 구성하였으며, 전체 실험 구성도를 그림 1에 나타내었다.
본 연구에 사용된 모사가스의 공급은 SF₆ 압력용기에 regulator를 설치하여 압력을 2 bar로 일정하게 유지하고 SUS튜브(SUS304, 1/4 inch)와 MFC (Mass Flow Controller VIC-D220, MFC KOREA, Korea)를 통해 반응기 내부로 50mL/min으로 주입시켰다. 배경가스로 사용되는 N₂ 가스와 플라즈마에 공급되는 N₂ 가스는 액화질소(99.
본 연구의 실험조건은 전류(A)와 전압(V)의 단계적 상승에 따라 전력(kW)을 4.4 kW, 5.5 kW, 6.0 kW, 6.6kW, 7.6 kW, 8.1 kW, 9.1 kW의 순서로 수행하였다.
K)를 사용하여 vacuum pump (10L/min)로 5분간 가동시켜 총 50L 포집하였다. 입자상 물질의 성분 분석을 위해 SEMEDX (Field Emission Scanning Electron Microscope SU70, Hitachi, Japan), XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy, Axis-HSI, U.K)를 사용하여 분석하였다.
999%, 삼광테크, Korea) 모사가스를 일정하게 흘려 플라즈마 반응기 내부의 SF₆ 농도를 안정되게 하고, 실험 공정 내부를 음압으로 유지한 연속흐름식(Continuous Flow System, Intet pressure -80 mmH₂O)으로 수행하였다. 플라즈마를 이용한 SF₆ 가스 분해 후 배출되는 배기가스와 분해 부산물의 포집 및 분석을 위해 공정 후단에 sampling port (PTFE, 1/4 inch)를 제작하여 설치하고 잔여 SF₆ 가스와 분해부산물로 생성된 입자상 물질을 포집하는 실험 장치를 구성하였으며, 전체 실험 구성도를 그림 1에 나타내었다.
플라즈마에 의한 SF6 가스 분해 부산물로 생성되는 입자상 물질의 무게농도를 미세먼지 측정기(Aerosol Monitor Model 8533, TSI, U.S.A)를 이용하여 실시간으로 입자 크기별 농도를 측정하였으며, 반응기 후단에서 배출되는 배기가스 중 입자상 물질의 무게농도 및 형태, 크기, 성분을 분석하기 위해 Aerosol Filter Holder(47mmø, Merck Millipore LS, U.S.A)에 PC membrane filter(47mmø pore size 0.2 μm, Whatman, U.K)를 사용하여 vacuum pump (10L/min)로 5분간 가동시켜 총 50L 포집하였다.
혼합된 모사가스의 초기 농도(SF₆, 1,000 ppm)는 실험 수행 전 FT-IR(Fourier Transform-Infrared Spectroscopy T2000, Midac, U.S.A)을 이용하여 실시간 확인하였다.

대상 데이터

본 연구에 사용한 플라즈마 토치는 텅스텐 재질의 전극을 사용하였으며 내부 접선방향으로 인입되는 플라즈마가 N₂가스와 오목 구조 중앙으로 고속 회전되어 음극의 arc 발생이 안정적이고 강하게 형성되는 구조이다. 플라즈마 토치에 의해 형성된 flame을 그림 2에 나타내었다.

성능/효과

6.6 kW, 7.6 kW, 8.1 kW, 9.1 kW 영역에서 분해된 부산물은 주로 1 μm 이하의 입자상 물질로 구성되어 있는 것을 확인할 수 있다.
SF₆ 가스의 플라즈마에 의해 분해되어 배출되는 입자상 물질은 AlF₃ 성분의 입자상 물질이 생성되었으며, SF₆ 분해 시 생성되는 F 원소와 chamber 내부에 ceramic pipe의 부식에 의해 생성되는 Al 원소가 결합하여 AlF₃의 입자상 물질이 생성되는 것을 알 수 있었다.
분해 시 생성되는 흰색의 입자상 물질의 원소는 주로 Al, F로 확인하였으며 더 정확한 분해 부산물의 입자상 물질을 확인하기 위해 XPS 분석을 수행하였다. Widescan을 통하여 주된 성분과 대략적인 position BE(ev)를 확인한 결과 SEM-EDX 분석 결과와 동일하게 F, C, O, Al 성분으로 나타났다. XPS Handbook (John et al.
본 연구에서도 전력이 증가함에 따라 반응기 내의 온도가 높아져 분해 효율이 증가하는 유사한 경향이 나타났으며 6.6 kW에서 7.6 kW의 영역 내에서 SF₆를 분해하는 것이 분해 효율적인 측면과 에너지 효율적인 측면에서 가장 적합할 것으로 사료된다.
분해 시 생성되는 입자상 물질의 입자성분을 무게 비(Weight %)로 하여 표 2에 나타내었다. 분석 결과 SF₆ 분해 부산물 중 입자상 물질은 총 14가지의 원소로 구성되어 있으며 Al과 F가 가장 많은 비율을 차지하고 있는 것으로 보아 Al과 F로 구성된 입자상 물질이 생성된 것으로 사료된다.
SF₆ 가스 분해 효율은 GC-MS, FT-IR을 이용하여 분석하였으며 평균값의 편차를 오차막대로 나타내었다. 전력을 증가시킬수록 SF₆의 분해 효율도 함께 증가하고 6.6 kW 영역에서 95%의 분해 효율을 나타내었으며 7.6 kW 영역에서부터 플라즈마를 가동 후 100%의 SF₆ 가스의 분해 효율을 확인 하였다.
플라즈마 전력량이 증가할수록 SF6 분해 부산물 중 1 μm 이하의 입자상 물질 발생이 증가한 것을 확인할 수 있었다.
플라즈마를 사용하여 SF₆의 분해 효율은 전력이 증가할수록 분해 효율이 증가하며, 전력이 7.6 kW에서 100%의 분해 효율을 얻을 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	SF6가 지구온난화에 미치는 영향이 큰 이유는?	Non-CO2계 온난화 물질인 SF6 (Sulphur hexafluoride) 가스는 물리적, 화학적 반응성이 거의 없고 용해도 또한 매우 낮은 안정한 물질로 GWP (Global Warming Potential)가 CO2 (Carbon dioxide) 대비 약 23,900배에 달하며 대기 중 체류시간(Lifetime)이 3200년으로 지구온난화에 미치는 영향이 크다(Ryu et al., 2015; IPCC, 2007; Tsai, 2007).
	우리나라에서 SF6의 주요 배출원은?	2%로 SF6의 소비가 많아짐에 따라 배출량도 증가한다고 보고하고 있다(Ryu, 2012; Lee, 2011). 우리나라의 경우 SF6의 주요 배출원이 반도체제조공정이며, 주로 식각(Etching)공정에 사용된다. 반도체 산업은 우리나라의 국가경제에 매우 큰 비중을 차지하고 있기 때문에 SF6의 사용량 감축보다 제어를 통한 저감이 필요하다(Nam et al.
	열 플라즈마를 이용하는 방법의 유해물질을 처리 특징은 무엇인가?	열 플라즈마는 저온플라즈마에 비해 전압은 낮으면서 전류는 높은 상태로 유지되며 상압에서 용이하게 발생 및 유지된다. 열 용량이 매우 커서 기상의 유해물질을 용이하게 분해하여 후처리를 통해 환경에 무해한 물질로 변환시킬 수 있다(Park and Seon, 2009).

참고문헌 (16)

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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