[논문]반도체용 특수가스 공급을 위한 가스캐비닛 내부 유동해석에 관한 연구

김정덕; 한승아; 양원백; 임종국

doi:10.7842/kigas.2020.24.5.74

반도체용 특수가스 공급을 위한 가스캐비닛 내부 유동해석에 관한 연구
A study on the Internal Flow Analysis of Gas Cylinder Cabinet for Specialty Gas of Semiconductor 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.24 no.5, 2020년, pp.74 - 81

김정덕 (한국교통대학교 안전공학과) , 한승아 (삼성전자(주) 환경안전센터) , 양원백 (숭실사이버대학교 안전공학과) , 임종국 (한국교통대학교 안전공학과)

초록
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일반적으로 반도체를 제조할 때는 인화성, 독성, 부식성의 유해·위험물질이 다수 사용되며, 특히 화학적 증착(CVD), 식각(Etch) 등의 공정에서는 특수가스를 사용하여 반도체를 제조하고 있다. 특수가스는 압축 또는 액화가스의 상태로 용기에 충전되어 있는데, 특수가스를 반도체 제조공정에 공급하는 설비로서 가스캐비닛(Gas Cylinder Cabinet)이 사용되고 있다. 이러한 가스공급시스템 내에서 실린더 이상 발생 시 배관·계측기 등 공급시스템의 안전 확보를 위해 가스실린더에 설치된 압력방출장치를 통해 가스가 방출하게 되는데, 이 경우 가스캐비닛 내부에 방출되는 가스가 캐비닛 외부로 누출될 위험성이 존재한다. 따라서 가스캐비닛 내부의 유체유동을 분석하여 누출에 따른 위험성을 파악하고 이에 대한 위험도 감소를 위한 대책을 제시하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In general, when manufacturing a semiconductor, a number of hazardous and dangerous substances such as flammability, toxic, and corrosiveness are used. In particular, semiconductors are manufactured using specialty gas in processes such as CVD and etching. The specialty gas is filled in a container in the state of compressed or liquefied gas, and a gas cylinder cabinet is used as a facility for supplying this specialty gas to the semiconductor manufacturing process. When a accident occurs in the gas supply system, gas is released through a pressure release device installed in the gas cylinder to secure the safety of the supply system. In this case, the gas released inside the gas cabinet, there is a risk of leaking to the outside. After that, by analyzing the gas flow in the gas cabinet, it is intended to identify the risk associated with leak and to provide measures to prevent accidents.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1. Procedure for the use of specialty gases.
표 Table 1. Major properties of specialty gases
그림 Fig. 2. Chemical compatibility chart.
그림 Fig. 3. General appearance of gas cabinet.
표 Table 2. Major properties of disilane
표 Table 3. Flow analysis evaluation conditions
그림 Fig. 4. Gas Cabinet Modeling.
그림 Fig. 5. Modeling Base Data.
그림 Fig. 6. Gas Cabinet Meshing Method.
그림 Fig. 7. Flow inside the gas cabinet.
그림 Fig. 8. Air flow in the grill area.
그림 Fig. 9. Distribution of concentration inside.
표 Table 4. Concentration inside the gas cabinet
그림 Fig. 10. Maximum and average concentration.

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 반도체산업용 특수가스 공급을 위한 가스 캐비닛 내부에서 가스의 누출이 발생되는 경우 캐비닛 내부의 가스 유동을 분석하여 이로 인한 피해영향 및 위험성을 파악하고 이를 예방하기 위한 안전대책을 도출하고자 하였다.
본 연구의 목적은 특수가스 실린더에서 안전밸브가 작동하는 경우 가스 누출에 따른 가스캐비닛의 내부 유동을 해석하고 외부로의 누출 여부를 확인하는데 있다. 이에 따라 < 2.

가설 설정

가스캐비닛 내부 농도는 100% Si₂H₅ 배출을 가정하여 내부 농도 분포를 검토하였다. 이 경우 내부 농도는 배출위치를 반영한 평면농도, 측면농도, 배기구 위치의 농도로 구분하여 해석하였으며, 배출위치에서의 평면농도와 측면농도의 경우 가스캐비닛 배기시스템으로 인한 강제 배기에 의하여 하부보다는 상부의 가스농도가 더 높게 형성되고 있으며, 이러한 경향은 평면 및 측면에서의 농도 분석결과가 서로 유사함을 Fig.

제안 방법

가스캐비닛 내부 유동해석을 위한 프로그램으로 ANSYS Fluent v.19.3을 이용하여 가스캐비닛과 가스실린더, 배관 등의 형상 및 해석영역을 모델링하였다.
가스캐비닛 외부로의 누출에 대한 유동해석에서는 파열판 토출부를 통한 가스 배출 시 가스캐비닛 내부 유동 및 25개의 그릴을 통한 외부로의 누출 여부를 진행하였다. 파열판 토출 시 음속(Choked Flow)의 속도로 인해 배출 방향으로의 Stream Line이 형성되었으며, 강제 배기 Stream의 경우 Gas 배출에 의해 발생되는 와류로 인해 해당 위치에서 속도가 빨라짐을 확인하였고 배기로 흡입되는 Line이 형성되는 것을 Fig.
또한 내부 유동공간의 격자 분할은 Fig. 6과 같이 실시하였으며, 모델링 기초 데이터로는 내부 유동 시 장애요소인 실린더와 배관을 반영하여 모델링을 실시하는 방법으로 진행하였다.[10]
299 J/g · ℃을 지니고 있고 온도 및 압력에 대한 변경이 없어 가스캐비닛 내부의 내부유동 해석을 위한 모델 선정에 적합한 것으로 판단하였다. 또한 누출 속도에 대한 적용은 현장에 설치된 파열판의 실제 제조사 및 제품 사양을 반영(Neriki 社, Leak Size 12.5mm, 19.6MPa)하여 Phast를 통한 누출속도 계산값을 적용하였다.
84 (Skewness)로 Mesh Quality Reference를 기준으로 하여 적합한 수준으로 적용하였다. 모델링 기초 데이터를 통해 가스캐비닛 내부에서 유동의 장애요소로 작용하는 2개의 가스실린더 및 배관을 실제 모델링에 반영하여 가스캐비닛 내부의 실제 유동을 모델링할 수 있도록 Fig. 5와 같이 검토하였다.
모델링에 사용한 가스캐비닛 내부 유동공간의 격자 분할은 Elements 19,369,923 EA, Quality 0.84 (Skewness)로 Mesh Quality Reference를 기준으로 하여 적합한 수준으로 적용하였다. 모델링 기초 데이터를 통해 가스캐비닛 내부에서 유동의 장애요소로 작용하는 2개의 가스실린더 및 배관을 실제 모델링에 반영하여 가스캐비닛 내부의 실제 유동을 모델링할 수 있도록 Fig.
반도체 제조공정에서 실제 사용하고 있는 가스캐비닛은 Fig. 4에서와 같이 실제 형상 Data를 기반으로 3D CAD작업을 실시하는 방법으로 모델링하였다.
반도체산업용 특수가스 공급을 위한 가스캐비닛에 대한 본 연구에서 실제 제조공정에서 사용하는 가스캐비닛 실물 제품(Two Gas Cylinder, Box Size 796 mm * 550 mm * 1900 mm)과 모델가스인 디실란(100% Si2H5), 그리고 배기시스템(배기구 크기 ∅ 100 mm, 배기 속도 9.4 m/s)을 적용하여 내부 유동에 대한 해석은 다음의 결과를 나타낸다.
배출을 가정하여 내부 농도 분포를 검토하였다. 이 경우 내부 농도는 배출위치를 반영한 평면농도, 측면농도, 배기구 위치의 농도로 구분하여 해석하였으며, 배출위치에서의 평면농도와 측면농도의 경우 가스캐비닛 배기시스템으로 인한 강제 배기에 의하여 하부보다는 상부의 가스농도가 더 높게 형성되고 있으며, 이러한 경향은 평면 및 측면에서의 농도 분석결과가 서로 유사함을 Fig. 9에서와 같이 확인하였다.

대상 데이터

디실란(Disilane)을 공급하는 가스캐비닛은 Table 3에서와 같이 반도체 제조공정에 설치되어 현재 사용 중인 실물 제품(Two Gas Cylinder, Box Size 796 mm * 550 mm * 1900 mm)을 선정하였다. 다만 Table 3에서 평가물질은 ANSYS Fluent의 물질 데이터베이스 내에 디실란(Si₂H₆)에 대한 물질정보가 포함되어 있지 않아 Si₂H₅로 대체 선정하여 평가를 진행하였다. Si₂H₅은 분자량(M.
디실란(Disilane)을 공급하는 가스캐비닛은 Table 3에서와 같이 반도체 제조공정에 설치되어 현재 사용 중인 실물 제품(Two Gas Cylinder, Box Size 796 mm * 550 mm * 1900 mm)을 선정하였다. 다만 Table 3에서 평가물질은 ANSYS Fluent의 물질 데이터베이스 내에 디실란(Si₂H₆)에 대한 물질정보가 포함되어 있지 않아 Si₂H₅로 대체 선정하여 평가를 진행하였다.
이에 따라 에서 살펴본 바와 같이 반도체 제조공정에서 사용하는 주요 특수가스 중 가스의 특성, 실린더 용량, 초기압력, 폭발범위 등을 검토한 결과 Table 2에서와 같이 인화성과 독성을 동시에 가지고 있으며, 가스실린더의 용량과 초기압력이 가장 높은 디실란(Disilane)을 연구 모델로 선정하였다.

성능/효과

(1) 가스캐비닛 내부에서 가스 누출 시 가스캐비닛 전면부 하단에 위치한 그릴에서 지속적으로 외부 공기가 100% 흡입되고 있음을 확인하였고, 이로 인해 가스캐비닛 내부에서 그릴을 통한 외부로의 누출 가능성은 낮다.
(2) 가스캐비닛 내부 농도는 배기시스템으로 인한 강제 배기에 의하여 가스캐비닛 상부의 가스농도가 하부보다 더 높게 형성되었으며, 배출위치를 포함한 전체 평면농도에 대한 분석 결과 배출위치에서 가장 높은 농도가 발생하고 배출위치에서 멀어질수록 농도가 낮아진다.
299 J/g · ℃을 지니고 있고 온도 및 압력에 대한 변경이 없어 가스캐비닛 내부의 내부유동 해석을 위한 모델 선정에 적합한 것으로 판단하였다.
또한 배출위치를 포함한 가스캐비닛 내부의 전체 평면별 농도에 대한 분석 결과 일반적 예측과 동일하게 가스가 누출되는 배출위치(Z = 0.29 m)에서 가장 높은 농도(최대농도 100 %, 평균농도 31.8 %)가 발생하고, 배출위치에서 멀어질수록 가스의 농도가 낮아짐(Z = 0.09 m 일 때 최대농도 41.41 %, 평균농도 27.86%, Z = 0.49 m 일 때 최대농도 40.29 %, 평균농도 31.38%)을 Table 4 및 Fig. 10에서 확인하였다.

후속연구

연구결과에 따르면 가스캐비닛에서의 누출 위치, 누출 속도, 누출가스의 특성 등이 바뀌는 경우 다른 결과가 나올 수 있다. 따라서 누출 위치, 속도, 가스 특성 등의 변경에 따른 추가 연구가 필요하다.
또한, 향후에는 가스캐비닛 내부에서의 유해위험 물질 누출 시 위험성이 낮은 안전농도로의 회귀시간 분석 및 배기시스템 운전조건의 변동에 따른 가스캐비닛 내부에서의 유동해석 등에 대한 추가 연구를 통해 가스캐비닛에 대한 안전운전 조건, 안전운전 절차 등의 개선방안을 마련하는 것이 필요하다. 아울러 누출로 인한 화재 · 폭발사고 예방을 위하여 방폭형전기기계기구, 불꽃감지기 및 자동소화설비 등의 설치 의무화를 위한 제도 강화도 필요하다.

참고문헌 (11)

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Jang Y., Jung S., Park K., "Consequence Analysis for Accidental Gas Release in Labs", KIGAS Vol. 19, No. 4, pp 29-34, (2015)
Lee M, "Special gas supply facilities and exhaust gas treatment facilities in semiconductor factories", Samwoo Eng., Refrigeration and air conditioning technology, pp 109-117, (1997)
KOSHA Guide P-149-2016, Technical guidelines for storage of gas cylinders in storage cabinets, Korea Occupational Safety and Health Agency, (2016)
KOSHA Guide P-12-2012, Special gas handling safety technical guidelines in the electronics industry, Korea Occupational Safety and Health Agency, (2012)
KGS Code AA913, Facility, technology, and inspection standards for manufacturing cylinder cabinets for high pressure gas, Korea Gas Safety Corporation, (2017)
Yoon J. "Dispersion Analysis for Accidental Special Gas Release in Semiconductor Industry", A-Jou Univ., pp 3-16, (2019)
Lee J. "Analysis of the Actual condition on the Safety Management for Treatment and Transport of Special High Pressure Gas", Choong-Ju Univ., pp 8-20, (2009)
Jung J., Yoon J., "Numerical Analysis on Shock Waves Influence Generated by Supersonic Jet Flow According to Working Fluids", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 17, No. 7 pp. 510-517, (2016)

원문보기 상세보기
ANSYS FLUENT Theory Guide 19.3 ANSYS Inc., (2020)
Bong W, Gas supply system for semiconductor manufacturing, Patent publication number 10-2008-0014870, (2008)

저자의 다른 논문 :

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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