반도체 및 디스플레이 제조공정 중에 화학기상증착(CVD), 식각(etching), 세정(cleaning) 공정에서 배출되는 과불화합물(PFCs)를 포함한 폐 가스 처리를 위해서 POU (point of use) 가스 스크러버 시스템을 도입하여 사용하고 있다. 과불화합물은 지구온난화 지수(GWP, global warming potential)와 대기 중 자연분해되는 기간(lifetime)이 $CO_2$에 비해 수천 배 높은 온실가스로 분류되어 있으며, 과불화합물의 열분해를 위해서는 3,000 K 이상의 고온이 요구되는 것이 일반적이다. 이러한 특징 때문에 과불화합물을 효과적으로 제어하기 위한 방법으로 열플라즈마 기술을 도입하고자 하는 노력들이 진행되어 왔으며, POU 가스 스크러버 기술을 개발하여 산업적으로 이용하고자 하였다. 열플라즈마 기술은 플라즈마토치 기술, 전원공급장치 기술 및 플라즈마 토치-전원공급장치 매칭 기술 최적화를 통해 안정적으로 플라즈마 발생원을 유지시키는 것이 중요하다. 또한, 과불화합물 고효율 처리를 위한 고온의 플라즈마와 폐 가스의 효과적인 혼합이 주요 기술요인으로 확인되었다. 본 논문에서는 반도체 및 디스플레이 공정 폐 가스 처리를 위한 후처리 공정에 대한 기술적 정보를 제공함과 동시에 POU 플라즈마 가스 스크러버에 대한 기술개발 동향을 파악함으로써 향후 연구개발이 요구되는 핵심사항에 대해 논의하고자 한다.
반도체 및 디스플레이 제조공정 중에 화학기상증착(CVD), 식각(etching), 세정(cleaning) 공정에서 배출되는 과불화합물(PFCs)를 포함한 폐 가스 처리를 위해서 POU (point of use) 가스 스크러버 시스템을 도입하여 사용하고 있다. 과불화합물은 지구온난화 지수(GWP, global warming potential)와 대기 중 자연분해되는 기간(lifetime)이 $CO_2$에 비해 수천 배 높은 온실가스로 분류되어 있으며, 과불화합물의 열분해를 위해서는 3,000 K 이상의 고온이 요구되는 것이 일반적이다. 이러한 특징 때문에 과불화합물을 효과적으로 제어하기 위한 방법으로 열플라즈마 기술을 도입하고자 하는 노력들이 진행되어 왔으며, POU 가스 스크러버 기술을 개발하여 산업적으로 이용하고자 하였다. 열플라즈마 기술은 플라즈마 토치 기술, 전원공급장치 기술 및 플라즈마 토치-전원공급장치 매칭 기술 최적화를 통해 안정적으로 플라즈마 발생원을 유지시키는 것이 중요하다. 또한, 과불화합물 고효율 처리를 위한 고온의 플라즈마와 폐 가스의 효과적인 혼합이 주요 기술요인으로 확인되었다. 본 논문에서는 반도체 및 디스플레이 공정 폐 가스 처리를 위한 후처리 공정에 대한 기술적 정보를 제공함과 동시에 POU 플라즈마 가스 스크러버에 대한 기술개발 동향을 파악함으로써 향후 연구개발이 요구되는 핵심사항에 대해 논의하고자 한다.
POU (point of use) scrubbers were applied for the treatment of waste gases including PFCs (perfluorocompounds) exhausted from the CVD (chemical vapor deposition), etching, and cleaning processes of semiconductor and display manufacturing plant. The GWP (global warming potential) and atmosphere lifet...
POU (point of use) scrubbers were applied for the treatment of waste gases including PFCs (perfluorocompounds) exhausted from the CVD (chemical vapor deposition), etching, and cleaning processes of semiconductor and display manufacturing plant. The GWP (global warming potential) and atmosphere lifetime of PFCs are known to be a few thousands higher than that of $CO_2$, and extremely high temperature more than 3,000 K is required to thermally decompose PFCs. Therefore, POU gas scrubbers based on the thermal plasma technology were developed for the effective control of PFCs and industrial application of the technology. The thermal plasma technology encompasses the generation of powerful plasma via the optimization of the plasma torch, a highly stable power supply, and the matching technique between two components. In addition, the effective mixture of the high temperature plasma and waste gases was also necessary for the highly efficient abatement of PFCs. The purpose of this paper was to provide not only a useful technical information of the post-treatment process for the waste gas scrubbing but also a short perspective on R&D of POU plasma gas scrubbers.
POU (point of use) scrubbers were applied for the treatment of waste gases including PFCs (perfluorocompounds) exhausted from the CVD (chemical vapor deposition), etching, and cleaning processes of semiconductor and display manufacturing plant. The GWP (global warming potential) and atmosphere lifetime of PFCs are known to be a few thousands higher than that of $CO_2$, and extremely high temperature more than 3,000 K is required to thermally decompose PFCs. Therefore, POU gas scrubbers based on the thermal plasma technology were developed for the effective control of PFCs and industrial application of the technology. The thermal plasma technology encompasses the generation of powerful plasma via the optimization of the plasma torch, a highly stable power supply, and the matching technique between two components. In addition, the effective mixture of the high temperature plasma and waste gases was also necessary for the highly efficient abatement of PFCs. The purpose of this paper was to provide not only a useful technical information of the post-treatment process for the waste gas scrubbing but also a short perspective on R&D of POU plasma gas scrubbers.
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문제 정의
이와 같이 국제적인 온실가스 배출 규제에 발맞추어 국내에서도 온실가스 저감 노력을 진행하고 있으며, 산업계에서도 자발적으로 현장에서 배출되는 대기오염물질을 제어함으로써 산업의 지속가능성 확보와 산업현장 주변 주거환경에 민원 발생을 최소화하기 위해서 각 반도체 및 디스플레이 제조사업장에서는 가스 스크러버 기술을 도입하여 운전 중에 있으나, 지속적인 환경 설비에 대한 기술고도화와 기존에 사용된 방법의 한계점을 극복하기 위한 새로운 기술 도입을 요구하고 있는 실정이다. 따라서 본 논문에서는 반도체 및 디스플레이 공정에서 배출되는 온실가스를 포함한 공정 폐가스 처리를 위한 후처리 공정 기술에 대한 정보를 제공하고자 하며, 후처리 공정 중에서도 PFCs 같은 온실가스 처리를 위한 플라즈마 가스 스크러버 기술에 대해 중점적으로 논의하고자 한다.
발생 문제점이 확인되었다. 따라서 이전연구에서 논의되지 못한 주요 연구개발 요인에 대해 정리하고 이를 토대로 향후 개발 사항에 대해 논의하고자 한다.
1990년대 초부터 개발이 시작된 플라즈마 기술기반 POU 가스 스크러버는 진공펌프 후단에 설치되는 상압용 플라즈마 스크러버와 진공펌프 전단에 설치되는 저압용 플라즈마 스크러버 방식의 두 가지 방법에 대한 연구개발이 진행되었다. 진공펌프 전단에서는 상대적으로 작은 폐가스 처리를 위한 저온플라즈마 방식을 도입하여 낮은 에너지를 소모량으로 PFCs 분해를 목적으로 진행되었다. Table 3에서는 앞서 연구된 저압용 POU 플라즈마 스크러버 방식에 따른 PFCs 제거효율 결과를 정리하였다.
제안 방법
3~6 Torr이며, PFCs 처리 효율은 95% 이상의 매우 높은 제거 효율 특성을 확인할 수 있다[8-11]. POU 플라즈마 스크러버에 성능을 비교분석하기 위하여 에너지효율을 계산하였으며, 에너지 효율(EE) 계산 수식은 아래와 같다.
특히 PFCs를 포함한 HF, powder의 복합 폐가스 고효율 완전처리 기술은 많은 기술적 과제를 가지고 있다. 이러한 기술적 한계점을 극복하기 위해서 플라즈마 가스 스크러버 방식이 도입되기 시작하였으며, POU 가스 스크러버에 대한 보다 구체적인 내용은 다음 장에서 논의하고자 한다.
POU 플라즈마 스크러버에서 중요한 기술적 요인은 안정적인 플라즈마 형성과 고온의 플라즈마 제트와 폐가스의 효과적인 혼합 그리고 부가적인 오염물질 제어기술 등이 있다. 이와 같은 기술적 요인들을 해결하기 위해서 1990년대 초부터 저온플라즈마와 열플라즈마를 이용한 POU 가스 스크러버 개발 연구가 활발하게 진행되어져 왔으며, 다음 장을 통해 플라즈마 기술 기반 스크러버 연구개발 동향을 정리하고 이를 바탕으로 앞으로 중점적으로 진행되어야 하는 기술적 요인들을 논의하고자 한다.
이론/모형
안정적인 열플라즈마 발생을 위해서는 플라즈마 토치 내부 설계를 포함하여 이와 안정적으로 매칭되는 전원공급장치에 대한 기술개발도 중요하다. 열플라즈마 제트 형성 및 이를 조절하기 위한 핵심 기술은 전원공급장치 설계 기술과 이와 안정적으로 매칭되는 플라즈마 토치 설계 기술에 기반한다. 이와 같은 매칭 기술이 최적화됨에 따라 폐가스를 직접 플라즈마 토치 내부로 주입하여 안정적으로 열플라즈마 제트를 형성할 수 있는 기술이 확보될 수 있다고 판단된다.
성능/효과
POU 플라즈마 스크러버 개발 연구에서는 상대적으로 분해가 어려운 CF4를 중심으로 연구가 진행되었으며, 상대적으로 높은 처리량과 95% 이상의 PFCs 처리 효율 결과를 확인하였다. 앞서 저온플라즈마를 이용한 연구결과와 비교하였을 때 처리 용량이 현격히 증가되는 것을 확인할 수 있으며, 이로 인한 과도한 열손실로 인해 에너지효율이 저하되는 결과를 확인할 수 있다. Table 3에서 확인된 저온플라즈마를 활용한 CF4 분해에서는 에너지효율이 139~258 mmol/kWh[7,10]인 반면 Table 4에서 확인된 CF4 분해에서 계산된 에너지 효율은 50~86 mmol/kWh[7,14,15]로써 약 절반 이하의 에너지효율 특성을 나타낸다.
이전 연구에서는 주로 직류 전원공급장치를 이용한 플라즈마 발생원을 주로 이용한 반면, 고전압 중주파 교류 전원공급장치(20 kV, 10 kHz)를 이용하여 PFCs 가스를 플라즈마 발생 가스로 활용한 새로운 유형의 플라즈마 토치 개발 연구도 진행된 바 있다[16]. 이를 이용하여 CF4가 포함된 폐가스를 플라즈마 토치 내부로 주입함으로써 열전달 효율을 향상시키고 이를 통해 상대적으로 저전력에서 높은 처리량을 달성할 수 있음이 확인되었다. 직류 전원공급장치를 활용한 연구에서는 14.
후속연구
더 나아가서는 POU 가스 스크러버에서 배출되는 다량의 폐수 문제를 고려하여 폐수 발생을 저감할 수 있는 방안도 마련되어야만 한다. 일반적으로 POU 가스 스크러버에서 배출되는 대부분의 폐수는 가스냉각과 HF 및 powder 제거를 위해 사용되는 다량의 물에서 발생된다.
이전 연구에서 확인된 폐가스 직접분사 방식에 플라즈마 토치는 높은 열전달 효율을 기반으로 높은 에너지효율을 달성한 반면, 폐가스를 직접 플라즈마 토치 내부로 주입하였을 경우 부식에 대한 플라즈마 전극 수명과 높은 유량이 주입되었을 경우 안정적인 플라즈마 발생 방법에 대한 논의는 아직 부족한 상황이다. 따라서 향후 POU 플라즈마 스크러버용 열플라즈마 토치에 대한 최적 설계 변수와 전극 수명 연장을 위한 방안에 대해 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단되며, 열전달 효율을 극대화하여 에너지 효율 향상 방안을 마련하는 것도 중요한 개발 요인 중에 하나이다.
지금까지의 POU 플라즈마 스크러버 주요 개발 요인은 대용량 PFCs의 높은 제거 효율 달성 방안에 대한 연구개발이 중점적으로 진행되었다면, 향후에는 높은 에너지 효율을 달성하여 POU 플라즈마 스크러버에서 소비되는 에너지 소모를저감함과 동시에 2차 부산물 생성 억제 및 이를 완전하게 제거하는 방법에 있어서 보다 효율적인 방안 마련이 중요한 요인으로 부각될 것이다. 위에서 열거한 기술 요소들에 대하여 지속적인 개발과 최적화를 진행함으로써 반도체 및 디스플레이 공정 폐가스 처리 기술의 기술 고도화를 달성할 수 있으며, 더 나아가 전체 후처리 공정의 운전 및 유지보수 비용을 현재수준보다 현저히 절감할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 고도화된 폐가스 후처리 공정은 빠르게 성장하는 반도체 산업의 지속가능성을 확보하고 앞으로 강화되는 국제사회의 온실가스 배출규제에도 적극적으로 대응할 수 있는 중요한 기술적 요인이라 판단된다.
일반적으로 POU 가스 스크러버에서 배출되는 대부분의 폐수는 가스냉각과 HF 및 powder 제거를 위해 사용되는 다량의 물에서 발생된다. 이러한 기존 POU 가스 스크러버에서 사용되는 물 주입 방식의 개선과 powder를 효과적으로 제어하기 위한 전기집진기와의 결합 등의 개발 요인이 필요할 것으로 판단된다. 지금까지의 POU 플라즈마 스크러버 주요 개발 요인은 대용량 PFCs의 높은 제거 효율 달성 방안에 대한 연구개발이 중점적으로 진행되었다면, 향후에는 높은 에너지 효율을 달성하여 POU 플라즈마 스크러버에서 소비되는 에너지 소모를저감함과 동시에 2차 부산물 생성 억제 및 이를 완전하게 제거하는 방법에 있어서 보다 효율적인 방안 마련이 중요한 요인으로 부각될 것이다.
이러한 기존 POU 가스 스크러버에서 사용되는 물 주입 방식의 개선과 powder를 효과적으로 제어하기 위한 전기집진기와의 결합 등의 개발 요인이 필요할 것으로 판단된다. 지금까지의 POU 플라즈마 스크러버 주요 개발 요인은 대용량 PFCs의 높은 제거 효율 달성 방안에 대한 연구개발이 중점적으로 진행되었다면, 향후에는 높은 에너지 효율을 달성하여 POU 플라즈마 스크러버에서 소비되는 에너지 소모를저감함과 동시에 2차 부산물 생성 억제 및 이를 완전하게 제거하는 방법에 있어서 보다 효율적인 방안 마련이 중요한 요인으로 부각될 것이다. 위에서 열거한 기술 요소들에 대하여 지속적인 개발과 최적화를 진행함으로써 반도체 및 디스플레이 공정 폐가스 처리 기술의 기술 고도화를 달성할 수 있으며, 더 나아가 전체 후처리 공정의 운전 및 유지보수 비용을 현재수준보다 현저히 절감할 수 있을 것으로 기대된다.
최근 반도체 생산라인에서는 300 mm 웨이퍼를 기반으로 생산이 진행되고 있으나 향후 450 mm 이상의 웨이퍼 기반 반도체 생산을 목표로 개발이 진행되고 있어 추후 공정 폐가스 배출량이 증가할 것으로 예측된다. 또한 반도체 산업 성장이 뚜렷함에 따라 국내외 반도체업체 신규 라인 증설이 진행되고 있어 이에 따른 반도체 산업 관련 POU 가스 스크러버 시장이 확대될 것으로 전망되고 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
PFCs 가스 환경적 특징은 무엇인가?
주로 사용되는 반도체 및 디스플레이 공정가스 종류로는 CF4, C2F6, C3F8, NF3, SF6, CHF3, CH3F 등과 같은 PFCs를 포함한 SiH4, Si(OC2H5)4 (TEOS : tetraethyl orthosilicate), SiF4, NH3, N2O, BCl3, PH3, AsH3, TiCl4, ClF3, H2, F2, HF, BF3, HCl 등 다양한 조성의 가스들이 혼합되어 있다[1]. 특히, PFCs 가스는 지구온난화 지수(GWP : global warming potential)및 대기 중에서 자연분해되는 기간(lifetime)이 CO2에 비해 매우 높은 것으로 알려져 있다. CO2의 GWP는 1이며, lifetime은 약 50~200년인 반면 CF4에 경우 lifetime은 50,000년, GWP는 6,500으로 CO2에 비해 수천 배 높은 GWP와 lifetime을 나타낸다.
과불화합물은 어떠한 공정에 사용되는가?
반도체 및 디스플레이 제조공정 중에 화학기상증착(CVD : chemical vapor deposition), 식각(etching), 세정공정(cleaning)에서 사용되는 과불화합물(PFCs : perfluorocompounds)을 포함한 혼합 폐 가스는 다양한 온실가스 및 유해 대기오염물질로 구성되어있다. 주로 사용되는 반도체 및 디스플레이 공정가스 종류로는 CF4, C2F6, C3F8, NF3, SF6, CHF3, CH3F 등과 같은 PFCs를 포함한 SiH4, Si(OC2H5)4 (TEOS : tetraethyl orthosilicate), SiF4, NH3, N2O, BCl3, PH3, AsH3, TiCl4, ClF3, H2, F2, HF, BF3, HCl 등 다양한 조성의 가스들이 혼합되어 있다[1].
폐 가스는 고온에 질소 가스와 혼입되어 배출되는데, 그 이유는 무엇인가?
CVD 및 etching 공정에서 사용된 후 배출되는 폐 가스는 진공 펌프를 통해 배출되는데, 이때 폐 가스는 고온에 질소 가스와 혼입하여 외부로 배출된다. 이는 공정 폐 가스에 포함된 SiH4, TEOS 등과 같은 가스상 물질이 저온에서 미세입자(powder) 형태로 전환되는 것을 방지하고 진공펌프 내부에 powder 막힘 현상을 억제하기 위하여 고온에 질소 가스를 혼입하게 된다. 일반적으로 CVD 및 etching 공정에서 사용되는 가스 유량은 10 LPM 이하의 소량이지만, 진공 펌프에 투입되는 질소 가스와 혼합됨으로써 진공펌프 후단에 배출되는 공정 폐 가스 유량은 약 50~100 LPM까지 증가되는 경향성이 있다.
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