반도체 제조산업은 다른 산업에 비해 발전의 속도가 매우 빨라 사용하는 화학 물질의 종류가 급격히 변화되고 있다. 그에 따른 물리적 특성 파악이 어려우며 청정도를 높이기 위해 공조시설의 잦은 변화와 배출공정의 위험관리에 있어 주의가 요망된다. 고가의 설비와 장치 등이 밀집되어 있어 사고로 인한 손실의 위험성이 크며 공정, 설비 등의 많은 복구비와 복구기간으로 인한 직·간접 손실 및 제품 회수비가 많이 소요된다. 공정 중 사용되는 가연성물질, 자연발화성물질, 독성물질 등으로 인하여 화재 진압이 쉽지 않으며 다른 화학물질과 반응하여 2차 사고가 발생할 수 있다.
반도체 8대공정 중 포토공정에서 사용하는 화학물질 중 IPA(Isopropyl alcohol), HMDS(Hexamethyldisilazane), PGME(Propylene glycol monomethyl ether)는 인화성물질로서 PR(Photo Resist)을 도포 시 휘발성 있는 물질이 누출 될 수 있으며 노광작업의 경우 감광성 화학물질의 분해로 부산물 등이 발생 할 수 있다. 용액 교체, 설비 유지보수, 점검 등 부주의로 인한 누출 위험과 사용 시에는 다른 공정의 화학물질과의 혼합할 가능성은 없으나, 공정 종료 후 폐수나 폐액으로 배출되는 과정에서 혼합되어 이상 반응의 가능성이 있으므로 배출하는 단계에서 안전관리가 매우 중요하다.
반도체 8대 공정 중 포토공정에서 용매로 가장 많이 사용되고 있는 IPA, HMDS, PGME를 혼합물의 조성평가 물질을 Stanhope-SETA사의 Setaflash Series8 Active Cool이라는 장치를 사용하여 순수물질과 혼합물의 인화점을 측정하였으며, 측정된 인화점에 의한 폭발한계를 Antoine식을 활용하여 계산하였다.
ASTM E659-78 장치를 이용하여 자연발화온도(AIT, Autoignitionte Temperature) 및 발화지연시간을 측정하였고, 9개 혼합물의 조성으로 최소자연발화온도 및 혼합물의 조성 변화에 따른 활성화에너지를 계산하였다.
순수물질의 각 시료의 인화점은 IPA는 12 ℃, HMDS 11 ℃, PGME는 31 ℃로 측정되었고, 혼합한 3성분계는 각 성분별 조성비에 따라 인화점이 가장 낮은 HMDS의 조성비가 작을수록 높게 나타났으며, 인화점이 가장 높은 PGME의 조성비가 클수록 인화점이 증가하는 것을 확인 할 수 있다.
폭발하한계는 Antoine식에 이용하여 계산한 결과 IPA는 2.52 vol%, HMDS는 0.84 vol%, PGME는 0.94 vol%로 계산되었으며 기존 문헌값과 일치하였다.
AIT는 IPA 415 ℃, HMDS 340 ℃, PGME 265 ℃로 측정되었으며 HMDS의 조성비가 작을수록 낮게 나타났으며, PGME의 조성비가 클수록 낮아지는 경향을 보이고 있다.
이에 따른 활성화에너지 측정값도 비슷한 경향을 보이고 있으며, PGME의 조성비가 클수록 활성화에너지가 낮아지는 경향이 있어 취급 시 주의가 필요하다는 것을 확인하였다.
본 연구를 통하여 포토공정에 사용하고 있는 IPA, HMDS, PGME에 대한 순수물질의 인화점과 자연발화온도 및 발화지연시간, 인화점 측정을 통해 폭발 한계를 계산하였다. 또한 혼합물의 인화점, AIT 등은 각 단일성분의 조성비의 변화에 따라 실험값과 계산값을 비교 및 활성화에너지를 계산하여 위험성을 확인할 수 있었다. 연소특성치 분석을 통해 해당물질을 취급하는 포토공정의 화재·폭발의 위험성을 사전 예방하는 자료로 활용하고, 특히 화학물질을 폐수로 배출 시 혼합 이상반응에 따른 위험성을 예방하기 위한 기초 자료로 제시하고자 한다.