특수가스 취급기술 및 유지관리 실무 (3)

지금까지 살펴본, 가스의 분류체계와 독성에 대한 지식을 가지고, 반도체 공정에 많이 사용되는 대표적인 극독성이며, 가연성을 가진 독성 금속 수소화물(Toxic Metal Hydrides) - 알진, 디보란, 사수소화 게르마늄, 셀렌화수소, 포스핀에 대하여 알아보자 본 장에서 언급된 내용들과 도표의 수치들은 Air Products사에서 제공하는 Safetygram 34 Toxic Metal Hydrides에서 인용한 내용임을 알려둔다.

4-1. 일반 특징

이 제품들은 금속 수소화물 군에 속한다. 수소화물은 전기적으로 양성인 수소 화합물이다. 알진, 디보란, 사수소화 게르마늄, 셀렌화수소 그리고 포스핀은 높은 독성 특성 때문에 독성을 가진 금속 수소화물 군이라 한다. 본 장에서 언급하는 가스의 적용 범위는 모두 액화 압축가스인 이 다섯 가지 제품에 제한한다. 액화 압축가스는 용기에 압축될 때 상온과 25~250 psig의 압력에서 부분적으로 액화하는 가스이다. 게다가 극독성이고 고 인화성인 물질이다.

독성을 가진 금속 수소화물을 반도체 회로의 구조를 이루는 기본 소자에 중착시켜 특성을 변화시키거나 결정을 성장시키는 등 일반적으로 반도체 제조에 사용된다. 이 제품들의 고독성 성질은 저장과 사용을 위해 엄격한 규칙을 만들고 많은 규정과 코드를 변화시켰다. 이러한 유해한 특성 때문에 이 제품의 구입은 엄격하게 제한되어야 한다.

4-2. 안전 고려사항

(1) 건장

독성 수소화물에 대한 노출 기준에서부터 알 수 있듯이 고독성 물질들이다. 냄새 인식 최저 농도가 있더라도 냄새는 이 물질들의 감지 수단으로 사용해서는 안 된다. 특히 셀렌화 수소화 같은 경우에는 노출 후 후각 피로에 의해 냄새 인지 능력 손실이 발생할 수 있다. 또한 대부분의 경우 냄새 인식 농도는 노출 허용기준 값보다 크다. 대부분의 코드에서는 적절한 감지기 설치를 요구하고 있다.

(2) 알진(Arsine) - AsH5

알진은 중추신경계와 순환계를 공격하는 극독성 가스이다. 만성 그리고 급성 노출은 건강에 심각한 영향을 미친다. 증상은 24시간 정도 지연되어 발생될 수 있다. 급성 노출은 혈관 내에서 일어나는 용혈 현상, 혈색 소뇨, 불쾌감, 현기증, 두통, 구토, 복통, 설사, 실신 그리고 사망을 초래할 수 있다.

심각한 노출의 경우 점막은 푸른빛 형상을 나타내고, 소변은 흑색이 되거나 피가 섞여 나올 수 있다. 황달과 빈혈은 하루나 이틀 후에 나타날 수 있다. 만성적인 노출은 심장혈관질환, 말초신경장애, 과색소 침착 질환, 각화증 그리고 빈혈증을 일으킬 수 있다. 심각한 신장질환, 심장병, 그리고 간 손상을 일으킬 수 있다.

(3) 디보란(Diborane) - B2H6

디보란은 호흡기와 중추 신경계를 공격하는 극독성 가스이다. 눈에 대한 노출의 영향은 자극, 충혈 그리고 결막의 부족을 일으킬 수 있다. 디보란은 호흡 기관에 자극성이 있고 중추 신경계의 저하제로 작용한다. 증상은 두통, 구역질, 피로, 몸의 떨림, 졸음, 호흡곤란, 기침, 가슴의 답답함, 폐수종, 경련 그리고 사망에 이를 수 있다. 증상은 24시간 이상 지연 발생될 수 있다. 피부 접촉은 자극, 붉은 기 그리고 종기를 일으킬 수 있다.

저 농도에 반복된 노출은 구역질, 현기증, 오한, 두통, 근력 약화, 피로, 졸음, 가슴이 답답함, 호흡 곤란, 기침, 그리고 천명을 일으킬 수 있다. 민감한 사람들은 디보란의 만성적인 과다 노출로 폐장염 또는 천식성 기관지염으로 발달할 가능성이 있다. 치사량에 가까운 노출의 증상은 치료되기 전에 며칠 동안 나타날 수 있다. 디보란은 대기 온도에서 안정하지 않고 액체와 고체 상태인 고농도의 보란으로 분해된다. 이러한 화합물은 디보란만큼 독성이 있으며 또한 피부 흡수에 의한 독성도 있다.

(4) 사수소화 게르마늄(Germane) - GeH4

사수소화 게르마늄의 최초 노출 경로는 흡입에 의한 것이고 노출 증상은 알진과 유사하다. 이 증상은 두통, 불쾌감, 구역질, 구토, 식욕 감퇴, 빈혈증, 손발 끝의 마비 또는 욱신거림, 복통 그리고 호흡 이상이 일어날 수 있다. 폐수종, 심박 급속증, 섬망, 혼수상태 그리고 사망에 이룰 수 있다. 소변은 일반적으로 어두운 색깔을 띠고 피부는 청동색을 띤다. 사수소화 게르마늄은 적혈구 파괴, 빈혈증, 혈뇨, 빈뇨 그리고 구릿빛 청동색의 황달과 신부전증을 일으킨다.

(5) 셀렌화수소(Hydrogen Selenide) - H2Se

셀렌화수소는 흡입 시 독성뿐만 아니라 인간의 조직에 있는 수분과 접촉 시 화학 화상을 일으킬 수 있는 셀레노우스 산을 형성한다. 저 농도의 흡입에 의한 증상은 기침, 재채기 그리고 호흡 곤란을 일으킬 수 있다. 0.2ppm 정도는 구역질, 구토, 입안에 금속성 맛 그리고 호흡 시 마늘 냄새가 나는 증상을 일으킬 수 있다.

1.5ppm 정도는 입과 코에 참을 수 없는 자극을 일으킨다. 더 높은 농도에서는 폐수종을 일으킬 수 있다. 증상의 시작은 몇 시간 지연될 수 있다. 셀렌화 수소는 또한 용혈성 영향을 일으키는 것으로 알려져 있다. 셀렌화 수소에 과다 노출된 사람은 숨, 땀 그리고 소변에서 마늘 냄새가 날 수 있다.

(6) 포스핀(Phosphine) - PH5

포스핀은 자극적이고 일반적인 전신적인 독성이다. 증상은 눈물 흘림, 폐자극, 호흡 곤란, 기침, 폐수종, 청색증, 두통, 현기증, 피로, 구역질, 구토, 심각한 상복부 통증, 소화불량, 마비, 이상 감각증, 운동 실조, 복시증, 떨림, 독성 경련, 흥분한 정신병적 행동, 심장 이상, 간기는 장애, 황달, 신장염 그리고 사망을 일으킬 수 있다.

이들 물질들의 고독성 특징 때문에, 상기의 제품을 사용하는 모든 공정에서는 감지기에 의한 지속적인 모니터링이 반드시 필요하다.

5-3. 반응성

알진과 포스핀은 열적으로 안정하다. 하지만, 디보란은 열적으로 불안정하다. 대기 온도에서 수소와 고농도가 보란으로 분해한다. 분해 속도는 온도와 농도에 따라 증가하여 테트라보란과 펜타보란과 같은 비휘발성 보란을 생성한다. 고 농도의 보란 분해 생성물은 공기 중에서 충격 민감성 물질이 될 가능성이 있다. 이러한 고농도의 보란 중 일부는 고체에 대해 높은 증기압을 가지며 디보란 이상의 독성을 가지고 있다. 이들은 흡입에 의한 독성뿐만 아니라 피부 흡수를 통한 독성이 있다. 디보란은 또한 수분과 반응하여 고상의 붕산을 형성한다.

이러한 고체 물질들은 시스템에서 막힘이나 유체 흐름의 문제를 일으킬 가능성이 있다. 붕산은 비독성이지만 항상 고농도의 보란에 오염되어 있다. 따라서 디보란 시스템에서 작업을 수행할 때, 고독성 물질에 노출될 가능성이 있기 때문에 고체 물질과의 접촉을 피하도록 주의하여야 한다. 시스템을 퍼지로 불어내면 고체 물질들이 퍼져서 지역을 오염시킬 가능성이 있기 때문에 삼가해야 한다. 디보란 시스템에서 작업을 수행할 때 고농도의 보란의 노출로부터 보호받기 위하여, 적절한 개인보호구를 착용해야 한다. 사수소화 게르마늄은 특정 조건하에서 순간적으로 분해할 수 있다. 이 분해 반응은 아산화 질소와 유사하게 초기에 에너지원을 필요로한다. 실병의 용기에 분해 반응이 발생되었다면 실린더의 압력이 상승할 수 있다. 셀린화수소는 수분과 반응하여 인간의 조직에 부식성을 일으키는 셀레노우스 산을 형성한다.

4-4. 인화성

독성을 가진 금속 수소화물은 극인화성이다. 매우 낮은 자연 발화점을 가지며 연소의 범위가 넓다.

4-5. 용기

독성을 가진 금속 수소화물은 고압의 실린더에 저장되고 운반된다. 알진, 사수소화 게르마늄, 셀렌화수소 그리고 포스핀은 순수한 물질로 판매되고 증기압 이하의 액화 압축가스로서 수송된다. 디보란은 대기 온도에서 불안정하기 때문에 순수 물질로 판매되지 않는다. 독성 수소화물은 일반적으로 희석제로서 질소, 아르곤, 헬륨 그리고 수소와 혼합하여 사용된다. 이러한 혼합물들은 2100 psig까지 가압되어 포장된다. 용기는 온도와 압력에 맞는 코드와 사양에 따라 설계되고 제작된다. 이것은 미국의 DOT규정과 유럽 연합의 ADR규정을 포함한다.

4-6. 밸브와 연결구

독성을 가진 금속 수소화물에 사용된 실린더는 다이아프램 밸브가 장착된다. 다이아프램 밸브는 spring-loaded diaphregm과 tied diaphragm의 두 가지 형태가 있다. 이 두 디자인은 수동식이나 공압식으로 사용된다. 많은 규정들은 이러한 제품의 밸브에 RFO(restrictive flow orifice)를 설치할 것을 요구한다. RFO는 밸브의 출구에 부착되는 작은 플러그이다. 중앙에 작은 구멍이 있는데, 구멍의 직경이 0.006인치부터 0.16인치까지 될 수 있다.

RFO의 목적은 시스템의 downstream에 고장이 발생한 경우 실린더로부터 나오는 제품의 유량을 물리적으로 제한하기 위한 것이다. 대부분의 제품에 추천되는 크기가 있지만 고객들은 자신의 요구 사항을 제시할 수 있다.

4-7. 시스템 설계와 보수 유지

이러한 고독성 제품들은 가스 캐비닛에 넣어 사용되어야 한다. 이것은 대부분의 규정과 표준에서 요구하는 사항이다. 가스 캐비닛은 환기가 되고, 지속적으로 감지가 되며 스프링클러 시스템이 장착되어 있다. 가스 배관은 되도록이면 이음새 없는 316 SS 또는 316L SS를 사용하고 적어도 최고 운전 압력의 1.5배에 견디도록 용접하고, 적어도 정상 운전 압력의 3배(또는 실린더의 최고 압력까지) 헬륨을 가지고 누출 테스트를 해야 한다.

이상적인 시스템은 기계적 연결 없이 모두 용접하는 것이다. 그러나 보수의 필요성과 시스템의 일부 변경 사용 때문에 최소한의 기계적인 피팅이 사용된다. 잠재적인 누출원이 될 수 있는 피팅류들은 가능한 최소화 하여야 하고 진동이나 회전력이 생기지 않는 곳에 설치해야 한다. 독성 수소화물과 산화제 사이에 연결된 모든 배관은, 우연한 혼합을 예방하기 위하여 가능한 제거 되어야 한다. 독성 수소화물 시스템에 사용되는 모든 밸브는 packless diaphragm이나 벨로우즈 타입 이어야 한다. 독성 수소화물 시스템은 최소한 실린더를 교체할 때마다 매번 철저히 누출 체크를 해야만 한다. 누출 테스트 방법은 퍼지 시 헬륨 혼합물을 사용하고, 잠재 누출원에서 헬륨 누출 여부를 감지기를 통하여 테스트하는 방법을 포함한다. 모든 작업자는 가스의 위험성뿐만 아니라 시스템 조작에 잘 훈련되어 있어야 하며, 권한이 부여된 사람만이 시스템에 접근이 허용되어야 한다. 시스템은 정기적으로 검사 되어야 한다. 시스템이 가동 중일 때는 언제나 Lockout & Tagout 절차서를 포함한 안전작업 절차서를 따라야 한다.