피라냐 용액

3. 용도

피라냐 용액은 마이크로일렉트로닉스 산업에서 자주 사용되며, 포토레지스트나 실리콘 웨이퍼에서 유기 물질 잔류물을 제거하는 데 사용된다.^[1] 반도체 소자 제조 과정에서 웨이퍼의 습식 식각에도 널리 사용된다.^[1]

4. 반응 메커니즘

피라냐 용액이 유기물을 제거하는 효과는 두 가지 주요 과정으로 설명된다. 첫째, 농축된 황산이 탄수화물과 같은 유기물에서 물 분자 (수소와 산소)를 제거하여 급격한 탄화를 일으킨다.^[12] 이는 황산의 수화 반응이 열역학적으로 매우 유리하기 때문이다. 이 반응은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

:$\backslash underset\{\backslash text\{polysaccharide\}\}\{\backslash ce\{[C6H10O5]\}\_n\}\; \backslash longrightarrow\; 6n\backslash \; \backslash ce\{C\}\; +\; 5n\backslash \; \backslash ce\{H2O\}$

둘째, 황산은 과산화 수소와 반응하여 카로산을 생성하고, 이는 다시 분해되어 강력한 산화제인 원자 산소를 생성한다.^[14] 이 원자 산소는 유기물의 탄소-탄소 결합을 끊고 산화시켜 이산화탄소로 만든다.^[13] 반응식은 다음과 같다.

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생성된 산소 라디칼은 탄소 기반 화합물과 상호작용하여 C-H 및 C-C 결합을 끊고 알킬 라디칼을 생성한다.

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알킬 라디칼은 추가 산소 라디칼과 반응하여 반응을 종결시키고 탄소를 CO2로 완전히 산화시킨다.

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탈수 반응으로 생성된 숯은 산화 과정을 통해 제거된다. 산화 과정은 탈수 과정보다 느리게 진행되며, 수 분에 걸쳐 완료된다. 시간이 지남에 따라 유기물이 담긴 피라냐 용액은 투명해진다.

피라냐 용액의 높은 산성도는 금속 산화물, 수산화물, 탄산염 등을 용해하는 데에도 기여한다.

5. 안전 및 폐기

피라냐 용액은 강한 산이자 강한 산화제이므로 매우 위험하다.^[5] 사용 후 뜨거운 용액을 방치하거나 밀폐 용기에 보관하면 가스 과압 및 유출 시 폭발 위험이 있으므로 주의해야 한다.^[5] 유기 용매와 함께 폐기하면 격렬한 반응과 폭발을 일으킬 수 있으므로, 반드시 분리하여 폐기해야 한다.^[5]

용액을 폐기하기 전에는 식히고, 산소 가스가 흩어지도록 해야 한다.^[5] 유리 제품을 세척할 때는 피라냐 용액이 밤새 반응하도록 하고 통풍이 잘 되는 후드 아래에 용기를 열어두는 것이 현명하고 실용적이다.^[5]

일부 기관에서는 사용된 피라냐 용액을 유해 폐기물로 수집해야 한다고 보는 반면, 다른 기관에서는 중화하여 많은 양의 물과 함께 배수구로 흘려보낼 수 있다고 간주한다.^[5][15][16] 부적절하게 중화하면 급격한 분해를 일으켜 순수한 산소가 방출될 수 있다.^[15][16]

5. 1. 중화 방법

• '''산-염기 중화 반응''': 얼음을 채운 용기에 피라냐 용액을 붓는다. 얼음은 발열 반응을 냉각하고 희석하는 역할을 한다. 이때, 얼음의 질량은 피라냐 용액 질량의 최소 5배 이상이어야 한다. 그 후, 1M 수산화 나트륨 또는 수산화 칼륨 용액을 천천히 첨가하여 중화시킨다.
• '''탄산 수소 나트륨 이용''': 얼음을 사용할 수 없는 경우, 피라냐 용액을 큰 유리 용기에 담긴 포화 용액 상태의 탄산 수소 나트륨에 매우 천천히 첨가한다. 용기 바닥에는 소모되면 갱신할 수 있도록 많은 양의 용해되지 않은 중탄산염을 넣어둔다. 이 방법은 다량의 기체 이산화 탄소를 방출하여, 피라냐 용액을 충분히 천천히 첨가하지 않으면 쉽게 거품이 넘칠 수 있다. 또한 냉각하지 않으면 용액이 매우 뜨거워질 수 있으므로 선호되지 않는다.

참조

_[1] 웹사이트 How Piranha Etch is Used in Silicon Wafer Cleaning https://www.modutek.[...] 2022-01-02
_[2] 논문 A Systematic Study of Plasma Activation of Silicon Surfaces for Self Assembly https://pubs.acs.org[...] 2015-11-18
_[3] 논문 Silicon wafer wettability and aging behaviors: Impact on gold thin-film morphology https://www.scienced[...] 2014-10-01
_[4] 웹사이트 Piranha http://www.seas.upen[...] University of Pennsylvania 2011-05-04
_[5] 웹사이트 Section 10: Chemical Specific Information — Piranha Solutions https://ehs.princeto[...] Princeton University
_[6] 웹사이트 Standard Operating Procedure for Piranha Solutions http://web.mit.edu/c[...] MIT 2016-05-12
_[7] 서적 Fire Protection Guide to Hazardous Materials National Fire Protection Association 2010
_[8] 웹사이트 Procedure on handling and using Acid Piranha solution http://www.ch.cam.ac[...] University of Cambridge 2015-06-12
_[9] 웹사이트 Pirahana Solution Explosions http://cenblog.org/t[...] American Chemical Society 2021-09-30
_[10] 웹사이트 16. Laboratory Procedures http://www.faqs.org/[...] 2008-01-11
_[11] 논문 Effect of Surface Treatment on Diffusion and Domain Formation in Supported Lipid Bilayers
_[12] 웹사이트 Spectacular Chemical Experiments Wiley https://www.wiley.co[...] 2024-09-28
_[13] 서적 Contamination-Free Manufacturing for Semiconductors and Other Precision Products https://books.google[...] CRC Press 2018-10-08
_[14] 논문 Quantitative Studies on PDMS-PDMS Interface Bonding with Piranha Solution and its Swelling Effect 2012-05-04
_[15] 웹사이트 Piranha Waste Fact Sheet, University of Illinois at Urbana-Champaign https://www.drs.illi[...]
_[16] 웹사이트 Pirana Solution Use Policy, University of Illinois at Urbana-Champaign http://safety.scs.il[...] 2017-08-13
_[17] 웹사이트 Division of Research Safety Illinois https://drs.illinois[...] 2020-11-08
_[18] 논문 A Systematic Study of Plasma Activation of Silicon Surfaces for Self Assembly https://pubs.acs.org[...] 2015-11-18
_[19] 논문 Silicon wafer wettability and aging behaviors: Impact on gold thin-film morphology https://www.scienced[...] 2014-10-01
_[20] 웹사이트 Piranha http://www.seas.upen[...] University of Pennsylvania 2011-05-04
_[21] 웹사이트 Section 10: Chemical Specific Information — Piranha Solutions https://ehs.princeto[...] Princeton University 2017-02-11
_[22] 웹사이트 Standard Operating Procedure for Piranha Solutions - MIT web.mit.edu/cortiz/w[...] 2016-05-12
_[23] 웹사이트 Procedure on handling and using Acid Piranha solution http://www.ch.cam.ac[...] University of Cambridge 2015-06-12
_[24] 웹사이트 PCB etching with H2SO4 + H2O2 - YouTube https://www.youtube.[...] 2017-02-11
_[25] 웹사이트 16. Laboratory Procedures http://www.faqs.org/[...] 2008-01-11
_[26] 논문 Effect of Surface Treatment on Diffusion and Domain Formation in Supported Lipid Bilayers
_[27] 간행물 Piranha Waste Fact Sheet http://www.drs.illin[...] University of Illinois at Urbana-Champaign