2.1 반도체 공정에서 발생되는 분진

반도체 공정은 웨이퍼에 각종 가스나 케미컬로 식각, 증착 및 패터닝하여 제작한 후 칩단위로 패키징하게 된다. 재료로 사용되는 웨이퍼의 구성성분은 대부분 규소성분을 포함하고 있다^[4].

이에 실제 반도체 공정에서 발생되는 Clean Vacuum 공정의 8개소에서 포집되는 분체에 대한 성분을 분석한 결과는 [Table 1]과 같으며, 구성 성분 중 Si(61%)와 Fe(26~42%)이 가장 많이 함유되어 있었으며, Cr, Zn, Ni, Mn 등의 순으로 함유되어져 있는 것을 알 수 있었다.

“가연성 분진”은 종래에는 입경이 420㎛ 이하를 가연성분진으로 규정하고 있지만, 420㎛보다 작은 분진이더라도 서로 흡착하면 입경이 420㎛보다 더 커지는 문제점이 발생하여 현재 국제안전규격에서는 가연성 분진을 “공기 중에 부유되어 점화원에 의해 발화 또는 폭발하는 미세 입자”로 정의하고 있다^[5],^[6],^[7].

2.2 반도체 공정의 고위험 설비 및 위험성

반도체 공정 설비에서 분진을 포집하는 공정으로는 CV (Clean Vacuum)설비가 대표적이며, 설비는 [Fig. 1]와 같이 Suction Hole, Suction Duct 및 다수의 연결 덕트, 집진기(Cyclone, Bag Filter), Blower 등으로 구성되어 있다.

그림. 1. Clean Vacuum 공정 구성도

Fig. 1. Clean Vacuum process flow

1차 집진은 집진기(Cyclone)에서 이루어지며 미세한 분진은 Bag filter가 내장된 2차 집진기에서 미세분진을 포집하고 있다. 폐기분진은 각 공정에서 배관을 통하여 이송되며 원활한 이송을 위해 밀폐 조건으로 운전되고 있는데 대부분의 폐기 분진은 비폭발성인 것으로 시험결과 나타났다. 그러나 반도체 생산공정에서 사용되는 금속분진과 그 중 기능성재료로 사용되는 티탄 분진과 같은 가연성 금속 분진이 포함되는 경우에는 혼합분진의 비율에 따라 분진폭발 위험성이 나타날 수 있다^[9].

또한 Clean Vacuum 설비에서 사용되는 집진기인 Cyclone, Bag filter는 국내 사업장에서 가장 흔하게 사용되는 집진기 종류이며, 집진시설의 분진폭발사고를 보면 대부분 Bag Filter식의 집진기에서 발생하고 있다^[10],^[11],^[12].

집진시설의 특징을 미루어 보아 높은 분진 농도, 분진의 비산과 부유의 용이성, 정전기 다량 발생, 스파크의 유입이 쉬운 구조 등이 폭발의 발생 원인이 될 수 있다^[13].

3.1 적용 대상

본 연구에서는 반도체 제조사업장인 국내 특정사업장을 대상으로 실시하였으며, 현재 사용하고 있는 가연성 분진 의 고위험 설비인 Clean Vacuum 공정의 8개소를 선정하여 집진된 시료성분을 대상으로 위험성을 확인하였다.

또한, 현재 집진되고 있지 않지만 반도체 제조공정 내 박막 증착 공정(CVD)에서 생성되는 분체에는 티탄 및 알루미늄 등 각종 금속 분진이 함유되어 있다.

특히, 화재위험이 확인된 티탄 분진을 비폭발성 분진과 함께 집진할 경우 폭발 위험성이 없는지를 확인하기 위하여 표면 반응 즉, 표면에서 열분해 및 증발을 일으키지 않고 고온을 유지하면서 산소와 반응하여 연소하는 현상을 지닌 티탄을 선정하여 폭발성 유무 시험을 진행하였다.

또한, 티탄은 최소착화에너지(Minimum Ignition Energy)가 타 금속분진 보다 민감도가 높은 물질로 “티탄 및 비폭발성 혼합분진”의 화재폭발 위험성을 시험적으로 측정하였다^[18].

이는 향후 Clean Vacuum 설비를 이용하여 가연성을 가진 다량의 금속 분진이 혼합될 경우의 위험성에 대하여 조사하였다^[14],^[15],^[16],^[17].

3.2 입도분석 시험 및 방법

입도시험은 국제시험규격에 따라 이루어지며 본 연구에서는 레이저 입도분석 시험장치(Laser Diffraction Particle Size Analyzer, Beckman Coulter LS 13320)를 사용하여 분진의 평균입경과 입도분포를 측정하였다.

입도분포의 시험방법은 시료의 굴절률을 알고 있는 분산용 액체(에탄올)에 분산시키고 필요에 따라 초음파 파쇄기를 사용하였으며, 시험 제어 프로그램을 사용하여 실행 순서를 선택하여 세척, Bubble 제거, Blank 측정 등의 과정을 거친 후, 시료를 투입하여 입도를 측정하였다. 이 때 투입되는 시료의 농도는 분무형태로 8~12%로 총 3회 측정하여 재현성이 최대허용편차에 들어오는 결과값에 대하여 통계적 처리 절차를 거쳐 최종 입도값으로 결정하였다.

3.3 분진 폭발 시험 장치 및 방법

본 연구에서는 분진의 폭발압력 특성 값을 측정하기 위하여 ASTM 표준시험규격에 적합한 Siwek 20 L Chamber (Kühner AG社, 스위스)를 사용하여 국제시험규격(EN 14034-1:2006 및 EN 14034-2:2006)에 따라 실시하였다.

장치에 대한 개략도 및 분진폭발시험장치의 모습을 [Fig. 2]에 나타내었다. 일정 농도의 분진을 6 L의 분진 저장 컨테이너에 넣고 20 bar의 공기를 유입시켜 분진 컨테이너의 밸브를 순간적으로 열어 분진-공기 혼합물을 구형 용기 내에 부유, 분산시켰다.

착화 지연시간(60ms) 경과 후에 10kJ의 착화에너지를 갖는 화학점화기로 두 전극 사이로 전압을 인가하여 착화시켜 분진-공기 혼합물의 폭발에 따른 압력 파형을 관찰하고 폭발하한농도, 폭발압력, 최대압력상승속도를 측정하였다. 이러한 폭발특성 평가는 상온, 상압의 동일 농도조건에서 시험을 3회 실시하여 평균값을 사용하였다.

최대폭발압력(Pmax)은 EN 14034-1(2011), 최대폭발압력상승속도[(dt/dp)m]는 EN 14034-2(2011) 및 ASTM E1226(2005), 폭발압력지수(Kst)는 EN 14034-2(2011), 폭발하한농도(MEC ; Minimum Explosion Concentration)는 EN 14034-3(2011)에 의거하여 실험하였다.

그림. 2. 20 L 구형 분진폭발시험장치

Fig. 2. Spherical dust explosion test equipment

4.1 입도 분석 및 폭발 시험

집진기 공정 8개소에서 채취한 시료 [Fig. 3]의 폭발성 유무를 조사하기 위하여 20 L 구형 분진폭발시험장치를 사용하여 250~1500[g/㎥]의 분진농도 범위에서 폭발특성시험을 실시하였다.

시험결과 모든 시료는 폭발성이 없는 것으로 나타났으며, 폭발성이 나타나지 않는 원인으로는 성분분석 결과에서 알 수 있듯이 가장 많은 성분비율을 차지하고 있는 Si, Fe가 연마 과정에서 발생된 연마제 성분과 금속 및 무기물 등이 혼합되어 있는 것으로 볼 때, 연소성이 있는 Si, Fe 입자의 표면에 산화피막이 형성되어 폭발성이 없어진 것으로 추정된다.

그림. 2. 폭발성 시험에 사용된 채취 혼합물 시료

Fig. 2. The collection mixture samples used in the explosive test

4.2 CV공정의 분진폭발 조건 분석

현재 사용하고 있는 CV공정 8개소에서 채취된 분진은 폭발성이 없는 것으로 나타났다. 하지만, 다량의 가연성 분진을 CV공정을 이용하여 취급할 경우의 위험성을 분석하기 위하여 이중 하나의 라인의 분진을 선정하였고, 보수적인 값을 얻기 위하여 폭발성이 높은 티탄(Ti) 분진(320 Mesh)을 혼합하여 폭발성을 나타내는 최소 Ti 분진의 농도를 산정하였다.

가스 증착 공정(CVD)에서 발생하고 있는 티탄은 최소 점화에너지가 낮은 것으로 알려진 금속분진으로 단순히 혼합되면 위험하다고 판단되어 전용 청소기를 통해 집진하고 있어 설비 유지보수 과정에서 위험성이 존재하고 있고 준비과정에서 발생하는 소모시간도 많아 CV 공정에 혼합배출 하려고 하다보니 다른 혼합 금속분진과의 화재폭발 위험성을 평가하고자 하였다.

혼합 분진에서 폭발성이 나타나는 최소 Ti분진의 농도를 조사한 결과, [Table 2]와 같이 Ti(20%) 및 샘플 분진(80%)의 값이 얻어졌다.

혼합 분진의 입도분석 결과를 [Fig. 4]와 같이 평균입경은 57.41 [㎛] (Median diameter)가 얻어졌다.

그림. 4. 티탄 혼합물 분진(티탄 20 %+A라인 분진 80 %)의 입도분포

Fig. 4. Particle size distribution of titanium mixture dust (20% of titanium + 80% of A-line dust)

그림. 5. 티탄 혼합물 분진의 농도에 따른 폭발압력

Fig. 5. Titanium mixture Explosion pressure by dust concentration

그림. 6. 티탄혼합물 분진의 농도에 따른 폭발압력상승속도

Fig. 6. Titanium mixture Explosion pressure rate by dust concentration

Ti분진이 약 30[㎛]이며 A라인 분진의 평균입경이 62.72 [㎛]인 것을 고려하면 티탄 혼합물 분진의 평균입경 값은 타당한 것으로 판단된다. 또한, [Fig. 5]와 같이 농도가 2750 [g/㎥]에서 폭발압력이 가장 큰 3.5 bar가 평가되었으며, [Fig. 6]과 같이 최대폭발압력상승속도[(dP/dt)m]는 129 bar/s로 측정되었으며, 분진폭발지수(Kst)은 폭발등급은 1등급(St-1)으로 나타났다.

분진폭발지수 등급은 NFPA(National Fire Protection Association) 기준으로 제시하며, 세부 내용은 [Table 3]과 같다.

[Table 4] 분석결과와 같이 폭발하한농도는 분진 분산 후 0.06s의 지연시간을 두고 5kJ의 화약 점화에너지를 사용한 결과 폭발하한농도는 500[g/㎥]이 얻어졌다.