DE102022111209A1 - Device for introducing in-situ-generated chlorine into wet-chemical cleaning tanks, and method for producing in-situ-generated chlorine gas - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einbringen von in-situ-generiertem Chlor in nasschemische Reinigungsbecken sowie ein Verfahren zur Erzeugung von in-situ-generiertem Chlorgas. Die Vorrichtung und das Verfahren zeichnen sich durch eine erhöhte Effizienz hinsichtlich des Einsatzes der benötigen Chemikalien aus.The present invention relates to a device for introducing in-situ-generated chlorine into wet-chemical cleaning basins and a method for producing in-situ-generated chlorine gas. The device and the method are characterized by increased efficiency in terms of the use of the required chemicals.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einbringen von in-situ-generiertem Chlor in nasschemische Reinigungsbecken sowie ein Verfahren zur Erzeugung von in-situ-generiertem Chlorgas. Die Vorrichtung und das Verfahren zeichnen sich durch eine erhöhte Effizienz hinsichtlich des Einsatzes der benötigen Chemikalien aus.The present invention relates to a device for introducing in-situ-generated chlorine into wet-chemical cleaning basins and a method for producing in-situ-generated chlorine gas. The device and the method are characterized by increased efficiency in terms of the use of the required chemicals.
Stand der TechnikState of the art
Das in
Die Anordnung zumindest eines Teils der Elektroden in dem Vorlagetank und die damit verbundene teilweise oder vollständige Verlagerung der Chlorgaserzeugung in den Vorlagetank ermöglicht es zu verhindern, dass bei der Elektrolyse gebildete Chlorgasblasen an die zu behandelnde Objektoberfläche gelangen. Dort könnten sich die Blasen aus nicht in der Behandlungslösung gelöstem Chlorgas im jeweiligen Anwendungsfall negativ auf das Behandlungsergebnis auswirken. Die Behandlungslösung mit darin gelöstem Chlorgas wird stattdessen mittels der Rohrleitung in das Prozessbecken überführt, wo sie an die zu behandelnde Oberfläche gelangt. The arrangement of at least some of the electrodes in the storage tank and the associated partial or complete relocation of the chlorine gas generation into the storage tank makes it possible to prevent chlorine gas bubbles formed during electrolysis from reaching the object surface to be treated. There, the bubbles from chlorine gas not dissolved in the treatment solution could have a negative effect on the treatment result in the respective application. The treatment solution with chlorine gas dissolved in it is instead transferred via the pipeline into the process basin, where it reaches the surface to be treated.
Die Kosten für die in
Um eine Anreicherung von Kontaminationen im Prozessbad zu vermeiden, muss das Prozessbad durch regelmäßige Teilentleerung mit anschließender Dosierung von Wasser und Mineralsäuren (sogenanntes „Feed and bleed“) aufgefrischt werden. Die Erhöhung der Salzsäurekonzentration im Prozess führt daher zu einer proportionalen Erhöhung der benötigen Chemikalien, d.h. der Säureverbrauch steigt somit um den Faktor 2 bis 5, wodurch wiederum Mehrkosten entstehen.In order to avoid an accumulation of contamination in the process bath, the process bath must be refreshed by regular partial emptying followed by dosing of water and mineral acids (so-called “feed and bleed”). Increasing the hydrochloric acid concentration in the process therefore leads to a proportional increase in the chemicals required, i.e. acid consumption increases by a factor of 2 to 5, which in turn results in additional costs.
Demnach ergibt sich die Aufgabe, ein Verfahren zur in-situ Erzeugung von Chlor bereitzustellen, bei gleichzeitiger Minimierung des Chlor-haltigen Agenz, und/oder ein Verfahren zur in-situ Erzeugung von Chlor bereitzustellen, das keine Abhängigkeit zur Salzsäure-Konzentration im Prozessbecken aufweist.Accordingly, the task arises of providing a process for the in-situ production of chlorine, while at the same time minimizing the chlorine-containing agent, and/or of providing a process for the in-situ production of chlorine that has no dependence on the hydrochloric acid concentration in the process basin .
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Erzeugung von in-situ-generiertem Chlorgas und/oder zur Einspeisung von in-situ-generiertem Chlorgas in nasschemische Reinigungsbecken, umfassend
- a.) eine erste Kammer (1) mit einer darin angeordneten ersten Elektrode (6), die optional als Minuspol fungiert,
- b.) eine zweite Kammer (2) mit einer darin angeordneten zweiten Elektrode (6), die optional als Pluspol fungiert, wobei die zweite Kammer (2) entweder über einen Stromschlüssel (4) oder eine hydraulische Verbindung (4b) mit der ersten Kammer (1) in Verbindung steht,
- c.) eine dritte Kammer (3), die mit der zweiten Kammer (2) funktional in Verbindung steht,
wobei die erste Kammer (1), die zweite Kammer (2) und die dritte Kammer (3) jeweils geeignet sind eine Behandlungslösung aufzunehmen,
wobei die funktionale Verbindung zwischen der dritten Kammer (3) und der zweiten Kammer (2) wenigstens über eine mikroporöse, hydrophobe Membran (5) realisiert ist.In a first aspect, the invention relates to a device for generating in-situ-generated chlorine gas and/or for feeding in-situ-generated chlorine gas into wet-chemical cleaning basins
- a.) a first chamber (1) with a first electrode (6) arranged therein, which optionally functions as a negative pole,
- b.) a second chamber (2) with a second electrode (6) arranged therein, which optionally functions as a positive pole, the second chamber (2) being connected to the first chamber either via a power key (4) or a hydraulic connection (4b). (1) is connected,
- c.) a third chamber (3), which is functionally connected to the second chamber (2),
wherein the first chamber (1), the second chamber (2) and the third chamber (3) are each suitable for holding a treatment solution,
wherein the functional connection between the third chamber (3) and the second chamber (2) is realized at least via a microporous, hydrophobic membrane (5).
Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt es die Erzeugung von in-situ-generiertem Chlorgas und die Einspeisung des in-situ-generierten Chlorgases in z.B. nasschemische Reinigungsbecken räumlich voneinander zu trennen.The device according to the invention makes it possible to spatially separate the production of in-situ-generated chlorine gas and the feeding of the in-situ-generated chlorine gas into, for example, wet-chemical cleaning basins.
Während die in der ersten und zweiten Kammer benötigte Behandlungslösung eine genügende Konzentration geeigneter Chlor-Spezies aufweisen muss, um eine Elektrolyse und die so die Erzeugung von in-situ-generiertem Chlorgas zu gewährleisten, kann die Behandlungslösung in der dritten Kammer eine andere sein und entsprechend des Zwecks der nasschemischen Reinigung angepasst sein. Vor allem bestehen keine quantitativen Anforderungen an die Behandlungslösung in der dritten Kammer bezüglich eines bestimmten, minimalen Gehaltes an Elektrolyten wie es bei einer Elektrolyse der Fall ist. Demnach muss die Behandlungslösung in der dritten Kammer keinen bestimmten Ionengehalt, Salzgehalt oder pH-Wert aufweisen.While the treatment solution required in the first and second chambers must have a sufficient concentration of suitable chlorine species to ensure electrolysis and thus the production of in-situ generated chlorine gas, the treatment solution in the third chamber can be different and accordingly be adapted to the purpose of wet-chemical cleaning. Above all, there are no quantitative requirements for the treatment solution in the third chamber with regard to a specific, minimum content of electrolytes, as is the case with electrolysis. Accordingly, the treatment solution in the third chamber does not have to have a specific ion content, salt content or pH value.
Die poröse Mikrostruktur der mikroporösen, hydrophoben Membran erlaubt einen transmembranen Durchtritt von Stoffen in der Gas- bzw. Dampfphase, d.h. z.B. in-situ-generiertes Chlorgas, verhindert jedoch durch ihre hydrophobe Oberfläche ein Eindringen und/oder Durchdringen von flüssiger Phase in den Porenraum, was zu einer hydraulischen Entkopplung der zweiten Kammer (2) und der dritten Kammer (3) führt.The porous microstructure of the microporous, hydrophobic membrane allows a transmembrane passage of substances in the gas or vapor phase, i.e. e.g. in-situ generated chlorine gas, but prevents penetration and/or penetration of liquid phase into the pore space due to its hydrophobic surface, which leads to a hydraulic decoupling of the second chamber (2) and the third chamber (3).
Die verschiedenen Behandlungslösungen in der jeweils zweiten und dritten Kammer werden daher lediglich durch die Reaktionen der Elektrolyse bzw. der Folgereaktionen nach dem transmembranen Durchtritt von Stoffen in der Gas- bzw. Dampfphase verändert.The various treatment solutions in the second and third chambers are therefore only changed by the reactions of electrolysis or the subsequent reactions after the transmembrane passage of substances in the gas or vapor phase.
Vorteilhafterweise, kann z.B. die Salzsäure-Konzentration in der dritten Kammer, aufgrund der Trennung von der zweiten Kammer, niedrig sein und muss nicht an die zu erzeugende ChlorMenge angepasst werden.Advantageously, for example, the hydrochloric acid concentration in the third chamber can be low due to the separation from the second chamber and does not have to be adjusted to the amount of chlorine to be generated.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt so einen wesentlich ökonomischeren Einsatz von zur Elektrolyse geeigneten Behandlungslösung. Außerdem ist die in der dritten Kammer generierte Behandlungslösung von der zweiten Kammer entkoppelt und kann bei Kontamination gewechselt werden, ohne dass auch die Elektrolyse-Lösung ausgetauscht werden muss. Ferner ist es möglich und vorteilhaft, dass die Behandlungslösung in der dritten Kammer (vor dem Elektrolysebetrieb) wesentlich verdünnter sein kann. Dadurch können Prozesse zur Einspeisung von in-situ-generiertem Chlorgas in nasschemische Reinigungsbecken wesentlich effizienter, ökonomischer und unter Minderung des Materialverbrauchs gefahren und gestaltet werden.The device according to the invention thus allows a much more economical use of treatment solution suitable for electrolysis. In addition, the treatment solution generated in the third chamber is decoupled from the second chamber and can be changed in the event of contamination without the electrolysis solution also having to be replaced. Furthermore, it is possible and advantageous that the treatment solution in the third chamber (before electrolysis operation) can be significantly more diluted. This means that processes for feeding in-situ-generated chlorine gas into wet-chemical cleaning basins can be run and designed much more efficiently and economically and while reducing material consumption.
In einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung von in-situ-generiertem Chlorgas und/oder zur Einspeisung von in-situ-generiertem Chlorgas in nasschemische Reinigungsbecken, umfassend die folgenden Schritte:
- - Bereitstellen einer Vorrichtung gemäß der Erfindung,
- - Bereitstellen einer ersten Behandlungslösung in der ersten Kammer (1) und der zweiten Kammer (2) der Vorrichtung, wobei die erste Behandlungslösung eine Quelle für Chlor-Ionen umfasst,
- - Bereitstellen einer zweiten Behandlungslösung in der dritten Kammer (3),
- - Anlegen einer Gleichspannung (11) zwischen der ersten Elektrode (6) und der zweiten Elektrode (6), wobei die Gleichspannung (11) wenigstens der Zersetzungsspannung der Quelle für Chlor-Ionen entspricht, und
- - optionale Behandlung einer Objektoberfläche mittels der zweiten Behandlungslösung in der dritten Kammer (3) oder dem Prozessbecken (8).
- - Providing a device according to the invention,
- - Providing a first treatment solution in the first chamber (1) and the second chamber (2) of the device, the first treatment solution comprising a source of chlorine ions,
- - Providing a second treatment solution in the third chamber (3),
- - Applying a direct voltage (11) between the first electrode (6) and the second electrode (6), the direct voltage (11) corresponding to at least the decomposition voltage of the source of chlorine ions, and
- - optional treatment of an object surface using the second treatment solution in the third chamber (3) or the process basin (8).
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine räumliche Trennung der Erzeugung von in-situ-generiertem Chlorgas und der Einspeisung des in-situ-generierten Chlorgases in nasschemische Reinigungsbecken.The method according to the invention allows spatial separation of the production of in-situ-generated chlorine gas and the feeding of the in-situ-generated chlorine gas into wet-chemical cleaning basins.
Insbesondere können die Anforderungen an die erste Behandlungslösung in der ersten und zweiten Kammer sowie die die Anforderungen an die zweite Behandlungslösung in der dritten Kammer unabhängig voneinander gewählt und angepasst werden. Demgemäß erlaubt es das Verfahren die erste Behandlungslösung insbesondere im Hinblick auf die Quelle für Chlor-Ionen und deren Konzentration so zu wählen, dass eine Elektrolyse zur Erzeugung von in-situ-generiertem Chlorgas stattfindet. Der Fachmann versteht, dass die Elektrolysebedingungen derart gewählt sein müssen, dass das Anlegen einer Gleichspannung (11) zwischen der ersten Elektrode (6) und der zweiten Elektrode (6) voraussetzt, dass die Gleichspannung (11) wenigstens der Zersetzungsspannung der Quelle für Chlor-Ionen entspricht.In particular, the requirements for the first treatment solution in the first and second chambers and the requirements for the second treatment solution in the third chamber can be selected and adjusted independently of one another. Accordingly, the method allows the first treatment solution to be selected, particularly with regard to the source of chlorine ions and their concentration, so that electrolysis takes place to produce in-situ generated chlorine gas. The person skilled in the art understands that the electrolysis conditions must be chosen such that the application of a direct voltage (11) between the first electrode (6) and the second electrode (6) requires that the direct voltage (11) is at least the decomposition voltage of the source of chlorine. ions corresponds.
Das Verfahren erlaubt es die zweite Behandlungslösung in der dritten Kammer so zu wählen, dass sie zur Behandlung einer Objektoberfläche in der dritten Kammer selbst oder einem separaten Prozessbecken geeignet ist, wobei das Verfahren derart geführt wird, dass eine genügende Menge von in-situ-generiertem Chlorgas über die mikroporöse, hydrophobe Membran der Vorrichtung aus der ersten in die zweite Behandlungslösung diffundieren kann.The method allows the second treatment solution in the third chamber to be selected so that it is suitable for treating an object surface in the third chamber itself or a separate process basin, the method being carried out in such a way that a sufficient amount of in-situ generated Chlorine gas can diffuse from the first into the second treatment solution via the microporous, hydrophobic membrane of the device.
Sowohl durch die Vorrichtung als auch das Verfahren kann der Chlorgasgehalt in der zweiten Behandlungslösung zuverlässig und komfortabel eingestellt werden, was wiederum eine zuverlässige Einstellung, Steuerung und Regelung der Reaktivität der zweiten Behandlungslösung ermöglicht. Das Verfahren kann günstig und ohne unnötigen Aufwand in industriellen Fertigungsprozessen eingesetzt werden.Both the device and the method can be used to adjust the chlorine gas content in the second treatment solution reliably and conveniently, which in turn enables reliable setting, control and regulation of the reactivity the second treatment solution. The process can be used cheaply and without unnecessary effort in industrial manufacturing processes.
Kurzbeschreibung der FigurenShort description of the characters
Die
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1 zeigt eine Variante der Vorrichtung mit einer Inline-Anlage mit einem Prozessbecken (8). -
2 zeigt eine Variante der Vorrichtung, in der der Transfer des elektrolytisch erzeugten Chlors in einem separaten Kontaktormodul stattfindet. -
3 zeigt eine Variante der Vorrichtung, in der die erste und zweite Kammer durch eine bauliche Öffnung in der Trennwand miteinander hydraulisch verbunden sind. -
4 zeigt eine Variante der Vorrichtung, in der die dritte Kammer (3) als Prozessbecken ausgestaltet ist.
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1 shows a variant of the device with an inline system with a process basin (8). -
2 shows a variant of the device in which the transfer of the electrolytically generated chlorine takes place in a separate contactor module. -
3 shows a variant of the device in which the first and second chambers are hydraulically connected to one another through a structural opening in the partition. -
4 shows a variant of the device in which the third chamber (3) is designed as a process basin.
Beschreibung der ErfindungDescription of the invention
Vorrichtungcontraption
In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Erzeugung von in-situ-generiertem Chlorgas und/oder zur Einspeisung von in-situ-generiertem Chlorgas in nasschemische Reinigungsbecken, umfassend
- a.) eine erste Kammer (1) mit einer darin angeordneten ersten Elektrode (6), die optional als Minuspol fungiert,
- b.) eine zweite Kammer (2) mit einer darin angeordneten zweiten Elektrode (6), die optional als Pluspol fungiert, wobei die zweite Kammer (2) entweder über einen Stromschlüssel (4) oder eine hydraulische Verbindung (4b) mit der ersten Kammer (1) in Verbindung steht,
- c.) eine dritte Kammer (3), die mit der zweiten Kammer (2) funktional in Verbindung steht,
wobei die erste Kammer (1), die zweite Kammer (2) und die dritte Kammer (3) jeweils geeignet sind eine Behandlungslösung aufzunehmen,
wobei die funktionale Verbindung zwischen der dritten Kammer (3) und der zweiten Kammer (2) wenigstens über eine mikroporöse, hydrophobe Membran (5) realisiert ist.In a first aspect, the invention relates to a device for generating in-situ-generated chlorine gas and/or for feeding in-situ-generated chlorine gas into wet-chemical cleaning basins
- a.) a first chamber (1) with a first electrode (6) arranged therein, which optionally functions as a negative pole,
- b.) a second chamber (2) with a second electrode (6) arranged therein, which optionally functions as a positive pole, the second chamber (2) being connected to the first chamber either via a power key (4) or a hydraulic connection (4b). (1) is connected,
- c.) a third chamber (3), which is functionally connected to the second chamber (2),
wherein the first chamber (1), the second chamber (2) and the third chamber (3) are each suitable for holding a treatment solution,
wherein the functional connection between the third chamber (3) and the second chamber (2) is realized at least via a microporous, hydrophobic membrane (5).
Der Fachmann weiß, dass mittels Elektrolyse erzeugtes in-situ-generiertes Chlorgas erst atomar vorliegt und durch Rekombination zu molekularem Chlor reagiert. Der hier verwendete Begriff „in-situ-generiertes Chlorgas“ meint beide Spezies zusammen. Der Fachmann kennt die zu Grunde liegenden chemischen Gleichgewichte bezüglich der Rekombination zu molekularem Chlor als auch die Disproportionierung von molekularem Chlor in wässrigen Lösungen, insbesondere alkalischen Lösungen, in Chlorid- und Hypochlorit-Ionen (CI- und OCI-).The person skilled in the art knows that in-situ chlorine gas generated by electrolysis is initially present at an atomic level and reacts through recombination to form molecular chlorine. The term “in-situ-generated chlorine gas” used here means both species together. The person skilled in the art knows the underlying chemical equilibria regarding recombination to form molecular chlorine as well as the disproportionation of molecular chlorine in aqueous solutions, especially alkaline solutions, into chloride and hypochlorite ions (CI - and OCI - ).
In einer Ausführungsform wird eine Vorrichtung zur Erzeugung von in-situ-generiertem Chlorgas bereitgestellt. Es ist vorteilhaft, dass die Vorrichtung die Erzeugung von in-situ-generiertem Chlorgas in der zweiten Kammer von einer Behandlungslösung in der dritten Kammer räumlich und funktional trennt. Dabei kann die Behandlungslösung in der dritten Kammer eine andere sein und anderen Anforderungen genügen als die zur Elektrolyse taugliche Behandlungslösung in der zweiten und ersten Kammer.In one embodiment, a device for generating in-situ generated chlorine gas is provided. It is advantageous that the device spatially and functionally separates the generation of in-situ generated chlorine gas in the second chamber from a treatment solution in the third chamber. The treatment solution in the third chamber can be different and meet different requirements than the treatment solution suitable for electrolysis in the second and first chambers.
Es ist auch vorteilhaft, dass die Ausführungsform einer Vorrichtung zur Erzeugung von in-situ-generiertem Chlorgas ein Modul bereitstellt, das flexibel mit anderen Vorrichtungen und Prozessen kombiniert und integriert, und bei Bedarf auch ausgetauscht und/oder ersetzt, werden kann.It is also advantageous that the embodiment of a device for generating in-situ generated chlorine gas provides a module that can be flexibly combined and integrated with other devices and processes, and also exchanged and/or replaced if necessary.
In zwei alternativen Ausführungsformen steht die zweite Kammer (2) entweder über einen Stromschlüssel (4) oder eine hydraulische Verbindung (4b) mit der ersten Kammer (1) in Verbindung.In two alternative embodiments, the second chamber (2) is connected to the first chamber (1) either via a power key (4) or a hydraulic connection (4b).
Der Stromschlüssel kann ein poröses und/oder ionendurchlässiges Diaphragma sein, und z.B. aus einem Ionenaustauscher-Harz bestehen. Der Stromschlüssel kann eine sogenannte Glasfritte sein.The current key can be a porous and/or ion-permeable diaphragm and, for example, consist of an ion exchange resin. The power key can be a so-called glass frit.
Ein solcher Stromschlüssel ist vorteilhaft, um unerwünschte chemische Reaktionen zu vermeiden, die als Folge der Elektrolyse zwischen den sich verändernden Behandlungslösungen im Kathodenraum und Anodenraum, bzw. der ersten und zweiten Kammer, stattfinden würden. Der Fachmann weiß, dass die im Kathodenraum erzeugten Hydroxid-Ionen zu einer Disproportionierung des erzeugten Chlorgases (in Chlorid und Hypochlorit) im Anodenraum führen würde, was die Menge an erzeugtem Chlorgas wieder reduzieren würde. Der Stromschlüssel ermöglicht jedoch den nötigen Ladungsaustausch zwischen Anoden- und Kathodenraum.Such a current key is advantageous in order to avoid undesirable chemical reactions that would take place as a result of electrolysis between the changing treatment solutions in the cathode space and anode space, or the first and second chambers. The person skilled in the art knows that the hydroxide ions generated in the cathode compartment would lead to a disproportionation of the chlorine gas generated (into chloride and hypochlorite) in the anode compartment, which would again reduce the amount of chlorine gas generated. However, the current key enables the necessary charge exchange between the anode and cathode compartments.
Eine hydraulische Verbindung ermöglicht einen Druckausgleich zwischen Anoden- und Kathodenraum, ohne dabei notwendigerweise eine Trennung der sich verändernden Behandlungslösungen im Kathodenraum und Anodenraum sicherzustellen.A hydraulic connection enables pressure equalization between the anode and cathode compartments without necessarily ensuring a separation of the changing treatment solutions in the cathode compartment and anode compartment.
Die mikroporöse, hydrophobe Membran erlaubt einen selektiven Stoffaustausch zwischen der dritten Kammer und der zweiten Kammer. Die mikroporöse, hydrophobe Membran ermöglicht den Austausch von Dämpfe und Stoffen in der Gasphase, d.h. Chlorgas kann durch die Membran durchdringen. Flüssigkeiten, Lösungen und insbesondere die darin enthaltenen Elektrolyte können die mikroporöse, hydrophobe Membran jedoch nicht passieren. Die Poren der Membran sind derart gewählt, dass die Oberflächenspannung keinen Durchtritt von Flüssigkeiten, Lösungen und Elektrolyten ermöglicht.The microporous, hydrophobic membrane allows a selective exchange of substances between the third chamber and the second chamber. The microporous, hydrophobic membrane enables the exchange of vapors and substances in the gas phase, meaning chlorine gas can penetrate through the membrane. However, liquids, solutions and especially the electrolytes they contain cannot pass through the microporous, hydrophobic membrane. The pores of the membrane are selected such that the surface tension does not allow liquids, solutions and electrolytes to pass through.
In einer Ausführungsform wird eine Vorrichtung zur Erzeugung von in-situ-generiertem Chlorgas und zur Einspeisung von in-situ-generiertem Chlorgas in nasschemische Reinigungsbecken bereitgestellt. Die beschriebene Vorrichtung ist modular aufgebaut und kann mit anderen Vorrichtungen kombiniert und integriert werden.In one embodiment, a device is provided for generating in-situ-generated chlorine gas and for feeding in-situ-generated chlorine gas into wet-chemical cleaning basins. The device described has a modular structure and can be combined and integrated with other devices.
Es ist vorteilhaft die Vorrichtung zur Erzeugung von in-situ-generiertem Chlorgas so zu gestalten, dass die in der dritten Kammer erzeugte Behandlungslösung entweder in der dritten Kammer selbst verwendet werden kann oder in einem separaten nasschemische Reinigungsbecken bereitgestellt bzw. eingespeist werden kann.It is advantageous to design the device for generating in-situ-generated chlorine gas in such a way that the treatment solution generated in the third chamber can either be used in the third chamber itself or can be provided or fed into a separate wet-chemical cleaning basin.
In jeweils alternativen Ausführungsform können in der dritten Kammer bzw. einem separaten Prozessbecken, z.B. einem separaten nasschemischen Reinigungsbecken, Silicium-Wafer behandelt werden. Durch die Behandlung der Silicium-Wafer entstehen oft Kontaminationen durch das Ab- und Auswaschen von Metall-Partikeln aus dem Wafer. Typischerweise werden Verunreinigungen von 50 ppb Eisen bis in den Mikrogramm-Bereich hinein beobachtet.In each alternative embodiment, silicon wafers can be treated in the third chamber or a separate process basin, e.g. a separate wet-chemical cleaning basin. The treatment of the silicon wafers often results in contamination due to metal particles being washed off and out of the wafer. Typically, impurities from 50 ppb iron down to the microgram range are observed.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die eventuell entstehenden Kontaminationen sich lediglich in der Behandlungslösung niederschlagen, die aus der dritten Kammer kommt bzw. in diese bewusst zurückgeführt wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung verhindert jedoch einen Eintrag der Kontaminationen in die Behandlungslösung(en) in der ersten und zweiten Kammer. Dadurch wird ein wesentlich ökonomischeres, effizienteres und umweltfreundliches Verfahren ermöglich, weil die für die Elektrolyse nötige Behandlungslösung(en) in der ersten und zweiten Kammer nicht vorzeitig ersetzt werden müssen und auch weil die Elektroden vor den Kontaminationen geschützt sind.The device according to the invention is characterized in that any contamination that may arise is only reflected in the treatment solution that comes from the third chamber or is deliberately returned to it. However, the device according to the invention prevents contamination from entering the treatment solution(s) in the first and second chambers. This enables a much more economical, efficient and environmentally friendly process because the treatment solution(s) required for electrolysis in the first and second chambers do not have to be replaced prematurely and also because the electrodes are protected from contamination.
Der Fachmann versteht unter Wafern die in der Mikroelektronik, Photovoltaik und/oder Mikrosystemtechnik üblicherweise eingesetzten kreisrunden oder quadratischen Scheiben. Wafer werden aus ein- oder polykristallinen Halbleiter-Materialen (z.B. Silicium) hergestellt und sind oft ein Substrat für elektronische Bauelemente, wie integrierte Schaltkreise oder photoelektrische Beschichtungen.The person skilled in the art understands wafers to be the circular or square disks commonly used in microelectronics, photovoltaics and/or microsystems technology. Wafers are made from single or polycrystalline semiconductor materials (e.g. silicon) and are often a substrate for electronic components such as integrated circuits or photoelectric coatings.
In einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung ferner eine Nebenkammer (2b), wobei die Nebenkammer (2b) mit der zweiten Kammer (2) über eine Pumpe (7b) verbunden ist, wobei die dritte Kammer (3b) mit der Nebenkammer (2b) über die mikroporöse, hydrophobe Membran (5) funktional in Verbindung steht. Mit anderen Worten betrifft diese Ausführungsform ein separates Modul umfassend eine Nebenkammer (2b) und die dritte Kammer (3b), die mit der Nebenkammer (2b) über die mikroporöse, hydrophobe Membran (5) funktional in Verbindung steht. Sowohl die Nebenkammer (2b) als auch die dritte Kammer (3b) können dabei über separate Pumpen gespeist werden bzw. kann eine Lösung (zur Behandlung) aus diesen beiden Kammern abgeführt werden. Innerhalb der Vorrichtung ist es vorteilhaft, den Übergang von in-situ-generiertem Chlorgas aus einer elektrolysierten höher-konzentrierten Lösung, wie z.B. 10%iger Salzsäure, in eine separate Behandlungslösung über die mikroporöse, hydrophobe Membran in einem separaten Modul durchzuführen. Wenn z.B. die Membran aufgrund von technischen Alterungsprozessen, oder evtl. Kontamination, ersetzt werden muss, genügt es, das Modul, bestehend aus Nebenkammer (2b), dritter Kammer (3b) und Membran (5), zu ersetzen und an die entsprechenden Pumpen (7,7b) (vgl.
In einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung ferner eine Nebenkammer (2b), wobei die Nebenkammer (2b) mit der zweiten Kammer (2) über eine Pumpe (7b) verbunden ist, wobei die dritte Kammer (3b) mit der Nebenkammer (2b) über die mikroporöse, hydrophobe Membran (5) funktional in Verbindung steht, sowie eine Pumpe (7), ein Prozessbecken (8), wenigstens ein Einströmrohr (10), wenigstens einen Überlaufkragen (9), wobei die Vorrichtung dazu geeignet ist eine Prozesslösung aus der dritten Kammer (3b) mit Hilfe der Pumpe (7) über das wenigstens eine Einströmrohr (10) in das Prozessbecken (8) zu pumpen.In one embodiment, the device further comprises a secondary chamber (2b), the secondary chamber (2b) being connected to the second chamber (2) via a pump (7b), the third chamber (3b) being connected to the secondary chamber (2b) via the microporous, hydrophobic membrane (5) is functionally connected, as well as a pump (7), a process basin (8), at least one inflow pipe (10), at least one overflow collar (9), the device being suitable for a process solution from the third Chamber (3b) with the help of the pump (7) via the at least one inflow pipe (10) into the process basin (8).
In einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung ferner eine Pumpe (7), ein Prozessbecken (8), wenigstens ein Einströmrohr (10), wobei die Vorrichtung dazu geeignet ist eine Prozesslösung aus der dritten Kammer (3) mit Hilfe der Pumpe (7) über das wenigstens eine Einströmrohr (10) in das Prozessbecken (8) zu pumpen.In one embodiment, the device further comprises a pump (7), a process basin (8), at least one inflow pipe (10), the device being suitable for supplying a process solution from the third chamber (3) with the aid of the pump (7). to pump at least one inflow pipe (10) into the process basin (8).
In einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung ferner eine Pumpe (7), ein Prozessbecken (8), wenigstens ein Einströmrohr (10), wenigstens einen Überlaufkragen (9), wobei die Vorrichtung dazu geeignet ist eine Prozesslösung aus der dritten Kammer (3) mit Hilfe der Pumpe (7) über das wenigstens eine Einströmrohr (10) in das Prozessbecken (8) zu pumpen.In one embodiment, the device further comprises a pump (7), a process basin (8), at least one inflow pipe (10), at least one overflow collar (9), the device being suitable for using a process solution from the third chamber (3). the pump (7) via the at least one inflow pipe (10) into the process basin (8).
Das Prozessbecken (8) kann als eine Inline-Anlage verstanden und/oder konstruiert werden, in der z.B. Silicium-Wafer behandelt werden können, die über Rollen in das Prozessbecken eingebracht und wieder herausbefördert werden können. Alternativ kann das Prozessbecken so gestaltet werden, dass es geeignet ist eine Transportkassette (15) aufzunehmen, wobei die Transportkassette (15) optional geeignet ist, mehrere Wafer (14), bzw. eine Charge mehrerer Wafer (14), aufzunehmen. Es ist von Vorteil, das Prozess-Medium bzw. eine Behandlungslösung in das Prozessbecken über eine Pumpe einzubringen und so an die Wafer heranzutragen.The process basin (8) can be understood and/or constructed as an inline system in which, for example, silicon wafers can be treated, which can be introduced into the process basin via rollers and transported out again. Alternatively, the process basin can be designed so that it is suitable for accommodating a transport cassette (15), the transport cassette (15) optionally being suitable for accommodating several wafers (14) or a batch of several wafers (14). It is advantageous to introduce the process medium or a treatment solution into the process basin using a pump and thus bring it to the wafers.
Die Vorrichtung erlaubt es, eine Prozesslösung aus einer dritten Kammer (3,3b) mit Hilfe einer Pumpe über wenigstens ein Einströmrohr (10) in das Prozessbecken (8) zu pumpen. Ein optional vorhandener Überlaufkragen ermöglicht es, dass überschüssige Prozesslösung das Prozessbecken (8) wieder verlassen kann. Die so erzeugte Rezirkulation einer Prozesslösung in dem Prozessbecken sorgt für eine stetige und/oder kontinuierliche Verteilung des Chlorgases. Diese Ausführungsform ist vorteilhat gegenüber einer Variante, in der die Prozesslösung innerhalb des Prozessbeckens stationär ist und ein Stoffaustausch nur durch Diffusion gefördert wird. Durch die erzeugte Rezirkulation der Prozesslösung kommt das Chlor schneller an die Reaktionsfläche der behandelten Silicium-Wafer und wird ein genügend hoher, durch die Chlorgas-Konzentration bereitgestellter Gradient gewährleistet.The device allows a process solution to be pumped from a third chamber (3,3b) into the process basin (8) using a pump via at least one inflow pipe (10). An optional overflow collar allows excess process solution to leave the process basin (8) again. The recirculation of a process solution in the process basin created in this way ensures a steady and/or continuous distribution of the chlorine gas. This embodiment is advantageous over a variant in which the process solution is stationary within the process basin and mass transfer is only promoted through diffusion. Due to the recirculation of the process solution, the chlorine reaches the reaction surface of the treated silicon wafers more quickly and a sufficiently high gradient provided by the chlorine gas concentration is ensured.
In einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Pumpe (7), ein Prozessbecken (8), ein oder mehrere Einströmrohre (10), einen Überlaufkragen (9), wobei die Vorrichtung dazu geeignet ist eine Prozesslösung aus der dritten Kammer (3) mit Hilfe der Pumpe (7) über das Einströmrohr oder die Einströmrohre (10) in einen unteren Bereich des Prozessbeckens (8) zu pumpen. Dabei soll ein unterer Bereich als der Boden oder Grund des Prozessbeckens verstanden werden.In one embodiment, the device comprises a pump (7), a process basin (8), one or more inflow pipes (10), an overflow collar (9), the device being suitable for extracting a process solution from the third chamber (3) using the Pump (7) via the inflow pipe or pipes (10) into a lower area of the process basin (8). A lower area should be understood as the floor or bottom of the process basin.
In einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung ein Prozessbecken (8) mit einem oder mehreren Überlaufkragen (9). Die Vorrichtung ist dabei so ausgestaltet, dass ein Überschuss an Prozesslösung das Prozessbecken über die Überlaufkragen (9) wieder verlassen kann. Diese Ausführungsform kann vom Fachmann derart verstanden werden, dass das Prozessbecken in einem oberen Bereich offen ist und überschüssige Prozesslösung das Prozessbecken an einem oder mehreren Rändern desselben verlassen kann, durch die Überlaufkragen aber aufgefangen und/oder kanalisiert und/oder weitergeleitet wird. Das ist z.B. vorteilhaft bei einer eventuellen Rückführung (Rezirkulation) der Prozesslösung in eine dritte Kammer (3,3b), um die Prozesslösung erneut mit Chlorgas anzureichern.In one embodiment, the device comprises a process basin (8) with one or more overflow collars (9). The device is designed in such a way that an excess of process solution can leave the process basin via the overflow collar (9). This embodiment can be understood by a person skilled in the art in such a way that the process basin is open in an upper region and excess process solution can leave the process basin at one or more edges thereof, but is collected and/or channeled and/or forwarded by the overflow collars. This is advantageous, for example, if the process solution is returned (recirculated) to a third chamber (3,3b) in order to enrich the process solution again with chlorine gas.
In einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung ferner eine Pumpe (7), ein Prozessbecken (8), wenigstens ein Einströmrohr (10), wenigstens einen Überlaufkragen (9), und eine Rezirkulationsleitung (12), wobei die Vorrichtung dazu geeignet ist eine Prozesslösung aus der dritten Kammer (3) mit Hilfe der Pumpe (7) über das wenigstens eine Einströmrohr (10) in das Prozessbecken (8) zu pumpen, und wobei die Vorrichtung dazu geeignet ist die Prozesslösung aus dem wenigstens einen Überlaufkragen (9) mit Hilfe der Pumpe (7) über die wenigstens eine Rezirkulationsleitung (12) zu der dritten Kammer (3) zurück zu pumpen.In one embodiment, the device further comprises a pump (7), a process basin (8), at least one inflow pipe (10), at least one overflow collar (9), and a recirculation line (12), the device being suitable for producing a process solution from the third chamber (3) with the help of the pump (7) via the at least one inflow pipe (10) into the process basin (8), and the device is suitable for pumping the process solution from the at least one overflow collar (9) with the help of the pump (7) to pump back to the third chamber (3) via the at least one recirculation line (12).
In einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung ferner eine Rezirkulationsleitung (12), wobei die Vorrichtung dazu geeignet ist die Prozesslösung aus dem wenigstens einen Überlaufkragen (9) mit Hilfe der Pumpe (7) über die wenigstens eine Rezirkulationsleitung (12) zu der dritten Kammer (3) zu pumpen. Die Rezirkulationsleitung (12) erlaubt es bereits eingesetzte Prozesslösung in die dritte Kammer (3,3b) zurückzuführen bzw. zurück zu pumpen, um so eine erneute Chlorgasanreicherung der Prozesslösung in der dritten Kammer zu bewirken.In one embodiment, the device further comprises a recirculation line (12), the device being suitable for transferring the process solution from the at least one overflow collar (9) to the third chamber (3) using the pump (7) via the at least one recirculation line (12). ) to pump. The recirculation line (12) allows process solution that has already been used to be returned or pumped back into the third chamber (3,3b) in order to cause the process solution to be enriched again with chlorine gas in the third chamber.
In einer alternativen Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine dritte Kammer (3), die als ein Prozessbecken (8) fungiert, wobei die dritte Kammer (3) geeignet ist eine Transportkassette (15) aufzunehmen, wobei die Transportkassette (15) optional geeignet ist, mehrere Wafer (14), bzw. eine Charge mehrerer Wafer (14), aufzunehmen. In dieser Ausführungsform der Vorrichtung sind die dritte Kammer (3) und das Prozessbecken (8) nicht separat ausgestaltet, sondern fungiert die dritte Kammer als das Prozessbecken. Das ist vorteilhaft, weil so die zuvor beschriebenen separaten Module eingespart werden können und keine Notwendigkeit für Pumpen (7,7b) besteht, die jeweils die Behandlungslösung bzw. die Prozesslösung von einer Kammer in eine Nebenkammer bzw. von einer Kammer in ein (separates) Prozessbecken zu pumpen. Diese alternative Ausführungsform spart Material und Komponenten der Vorrichtung selbst ein. Außerdem sind auf dieser Vorrichtung basierte Verfahren auch energetisch effizienter, weil beispielsweise keine Energie zum Betrieb der Pumpen aufgewendet werden muss.In an alternative embodiment, the device comprises a third chamber (3) which functions as a process basin (8), the third chamber (3) being suitable for accommodating one transport cassette (15), the transport cassette (15) optionally being suitable for several Wafer (14) or a batch of several wafers (14). In this embodiment of the device, the third chamber (3) and the process basin (8) are not designed separately, but rather the third chamber functions as the process basin. This is advantageous because the separate modules described above can be saved and there is no need for pumps (7, 7b) that move the treatment solution or the process solution from one chamber to a secondary chamber or from one chamber to a (separate) Pumping process basins. This alternative embodiment saves material and components of the device itself. In addition, methods based on this device are also more energetically efficient because, for example, no energy has to be used to operate the pumps.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine dritte Kammer (3), die als ein Prozessbecken (8) fungiert, eine Pumpe (7), wenigstens ein Einströmrohr (10), wenigstens einen Überlaufkragen (9) und eine Rezirkulationsleitung (12), wobei die dritte Kammer (3) geeignet ist eine Transportkassette (15) aufzunehmen, wobei die Transportkassette (15) optional geeignet ist, mehrere Wafer (14), bzw. eine Charge mehrerer Wafer (14), aufzunehmen, wobei die Vorrichtung dazu geeignet ist eine Prozesslösung aus dem wenigstens einen Überlaufkragen (9) mit Hilfe der Pumpe (7) über die Rezirkulationsleitung (12) und über das wenigstens eine Einströmrohr (10) in die dritte Kammer (3) zu pumpen.In a further embodiment, the device comprises a third chamber (3), which functions as a process basin (8), a pump (7), at least one inflow pipe (10), at least one overflow collar (9) and a recirculation line (12), wherein the third chamber (3) is suitable for accommodating a transport cassette (15), the transport cassette (15) optionally being suitable for accommodating several wafers (14) or a batch of several wafers (14), the device being suitable for this purpose Pump process solution from the at least one overflow collar (9) with the help of the pump (7) via the recirculation line (12) and via the at least one inflow pipe (10) into the third chamber (3).
Vorteilhafterweise spart diese Ausführungsform Material und Komponenten der Vorrichtung ein, da kein separates Prozessbecken (8) benötigt wird, denn die dritte Kammer fungiert als ein Prozessbecken (8). Gleichwohl ermöglichen die Pumpe (7), das wenigstens eine Einströmrohr (10), der wenigstens eine Überlaufkragen (9) und die Rezirkulationsleitung (12) eine Durchströmung und Durchmischung der Prozesslösung in der dritten Kammer. Bei der Behandlung von einem oder mehreren Wafern (14), bzw. eine Charge mehrerer Wafer (14), die in der Transportkassette (15) aufgenommen sind, findet so lediglich eine diffusions-limitierte Abreicherung der Chlorgas-Konzentration in der Nähe der Grenzfläche der Wafer zu der Prozesslösung statt. Dadurch wird eine optimale Behandlung der Wafer mit dem in der Prozesslösung enthaltenen Chlorgas gewährleistet.This embodiment advantageously saves material and components of the device, since no separate process basin (8) is required, because the third chamber functions as a process basin (8). Nevertheless, the pump (7), the at least one inflow pipe (10), the at least one overflow collar (9) and the recirculation line (12) enable the process solution to flow through and be mixed in the third chamber. When treating one or more wafers (14), or a batch of several wafers (14), which are accommodated in the transport cassette (15), only a diffusion-limited depletion of the chlorine gas concentration occurs near the interface of the Wafer to the process solution instead. This ensures optimal treatment of the wafers with the chlorine gas contained in the process solution.
Sowohl das Einströmrohr (10) als auch die Rezirkulationsleitung (12), die mittels einer Pumpe (7) bedient werden, sind als bekannte, industriell übliche und durchströmbare Verbindungen zu verstehen. Dabei kann es sich um eine Rohrleitung aus Rohren oder um eine Schlauchleitung handeln. Ferner können das Einströmrohr (10) als auch die Rezirkulationsleitung (12) als offene Verbindungen, wie beispielsweise Rinnensysteme, gestaltet werden. Der Fachmann wird dabei eine Rohrleitung aus Rohren, eine Schlauchleitung oder ein Rinnensystem wählen, die oder das den technischen Anforderungen der Vorrichtung und dem im Folgenden beschriebenen Verfahren genügt. Insbesondere ist dabei auf die Säurebeständigkeit zu achten und, dass keine Verunreinigungen eingetragen werden.Both the inflow pipe (10) and the recirculation line (12), which are operated by a pump (7), are to be understood as known, industrially common and flow-through connections. This can be a pipeline made of pipes or a hose line. Furthermore, the inflow pipe (10) and the recirculation line (12) can be designed as open connections, such as gutter systems. The expert will choose a pipeline made of pipes, a hose line or a gutter system that meets the technical requirements of the device and the method described below. Particular attention must be paid to acid resistance and that no contamination is introduced.
Membranmembrane
In einer Ausführungsform der Vorrichtung weist die mikroporöse, hydrophobe Membran (5) Poren einer Größe von 0,05 bis 0,5 µm auf, gemessen mittels DIN 66134: 1998-02. Der Fachmann versteht, dass es zwischen den Messverfahren systematische Unterschiede und/oder Abweichungen geben kann. Ferner versteht der Fachmann, dass es sich bei der Porengröße einer Membran (5) um den Durchmesser der größten sphärischen Kugel, die das Gewebe gerade noch passieren kann, handelt.In one embodiment of the device, the microporous, hydrophobic membrane (5) has pores with a size of 0.05 to 0.5 μm, measured using DIN 66134: 1998-02. The person skilled in the art understands that there may be systematic differences and/or deviations between the measurement methods. Furthermore, the person skilled in the art understands that the pore size of a membrane (5) is the diameter of the largest spherical ball that can just pass through the tissue.
In einer Ausführungsform der Vorrichtung ist die mikroporöse, hydrophobe Membran (5) aus einem Material, gewählt aus der Liste von Polypropylen (PP), Polytetrafluorethylen (PTFE) und Polyvinylidenfluorid (PVDF), hergestellt.In one embodiment of the device, the microporous, hydrophobic membrane (5) is made of a material selected from the list of polypropylene (PP), polytetrafluoroethylene (PTFE) and polyvinylidene fluoride (PVDF).
In einer anderen Ausführungsform der Vorrichtung ist die mikroporöse, hydrophobe Membran (5) eine hydrophob oberflächenbeschichtete poröse Keramik.In another embodiment of the device, the microporous, hydrophobic membrane (5) is a hydrophobically surface-coated porous ceramic.
Die mikroporöse, hydrophobe Membran zeichnet sich vorteilhafterweise durch einen selektiven Stoffaustausch aus und ermöglicht den Austausch von Dämpfen und Stoffen in der Gasphase, d.h. z.B. Chlorgas kann durch die Membran durchdringen. Flüssigkeiten, Lösungen und insbesondere die darin enthaltenen Elektrolyte können die mikroporöse, hydrophobe Membran jedoch nicht passieren. Die Poren der Membran sind derart gewählt, dass die Oberflächenspannung keinen Durchtritt von Flüssigkeiten, Lösungen und Elektrolyten ermöglicht.The microporous, hydrophobic membrane is advantageously characterized by a selective mass transfer and enables the exchange of vapors and substances in the gas phase, i.e. chlorine gas, for example, can penetrate through the membrane. However, liquids, solutions and especially the electrolytes they contain cannot pass through the microporous, hydrophobic membrane. The pores of the membrane are selected such that the surface tension does not allow liquids, solutions and electrolytes to pass through.
VerfahrenProceedings
In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung von in-situ-generiertem Chlorgas und/oder zur Einspeisung von in-situ-generiertem Chlorgas in nasschemische Reinigungsbecken, umfassend die folgenden Schritte:
- - Bereitstellen einer Vorrichtung gemäß der Erfindung,
- - Bereitstellen einer ersten Behandlungslösung in der ersten Kammer (1) und der zweiten Kammer (2) der Vorrichtung, wobei die erste Behandlungslösung eine Quelle für Chlor-Ionen umfasst,
- - Bereitstellen einer zweiten Behandlungslösung in der dritten Kammer (3),
- - Anlegen einer Gleichspannung (11) zwischen der ersten Elektrode (6) und der zweiten Elektrode (6), wobei die Gleichspannung (11) wenigstens der Zersetzungsspannung der Quelle für Chlor-Ionen entspricht, und
- - optionale Behandlung einer Objektoberfläche mittels der zweiten Behandlungslösung in der dritten Kammer (3) oder dem Prozessbecken (8).
- - Providing a device according to the invention,
- - Providing a first treatment solution in the first chamber (1) and the second chamber (2) of the device, the first treatment solution comprising a source of chlorine ions,
- - Providing a second treatment solution in the third chamber (3),
- - Applying a direct voltage (11) between the first electrode (6) and the second electrode (6), the direct voltage (11) corresponding to at least the decomposition voltage of the source of chlorine ions, and
- - optional treatment of an object surface using the second treatment solution in the third chamber (3) or the process basin (8).
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine räumliche Trennung der Erzeugung von in-situ-generiertem Chlorgas in der ersten Kammer (1) oder der zweiten Kammer (2) und der Einspeisung des in-situ-generierten Chlorgases in nasschemische Reinigungsbecken.The method according to the invention allows spatial separation of the generation of in-situ generated chlorine gas in the first chamber (1) or the second chamber (2) and feeding the in-situ-generated chlorine gas into wet-chemical cleaning basins.
Insbesondere können die Anforderungen an die erste Behandlungslösung in der ersten und zweiten Kammer sowie die die Anforderungen an die zweite Behandlungslösung in der dritten Kammer unabhängig voneinander gewählt und angepasst werden. Demgemäß erlaubt es das Verfahren die erste Behandlungslösung insbesondere im Hinblick auf die Quelle für Chlor-Ionen und deren Konzentration so zu wählen, dass eine Elektrolyse zur Erzeugung von in-situ-generiertem Chlorgas stattfindet. Der Fachmann versteht, dass die Elektrolysebedingungen derart gewählt sein müssen, dass das Anlegen einer Gleichspannung (11) zwischen der ersten Elektrode (6) und der zweiten Elektrode (6) voraussetzt, dass die Gleichspannung (11) wenigstens der Zersetzungsspannung der Quelle für Chlor-Ionen entspricht.In particular, the requirements for the first treatment solution in the first and second chambers and the requirements for the second treatment solution in the third chamber can be selected and adjusted independently of one another. Accordingly, the method allows the first treatment solution to be selected, particularly with regard to the source of chlorine ions and their concentration, so that electrolysis takes place to produce in-situ generated chlorine gas. The person skilled in the art understands that the electrolysis conditions must be chosen such that the application of a direct voltage (11) between the first electrode (6) and the second electrode (6) requires that the direct voltage (11) is at least the decomposition voltage of the source of chlorine. ions corresponds.
Das Verfahren erlaubt es die zweite Behandlungslösung in der dritten Kammer so zu wählen, dass sie zur Behandlung einer Objektoberfläche geeignet ist, wobei das Verfahren derart geführt wird, dass eine genügende Menge von in-situ-generiertem Chlorgas über die mikroporöse, hydrophobe Membran der Vorrichtung aus der ersten in die zweite Behandlungslösung diffundieren kann. Die Behandlung einer Objektoberfläche kann dabei in der dritten Kammer selbst oder einem separaten Prozessbecken stattfinden.The method allows the second treatment solution in the third chamber to be selected so that it is suitable for treating an object surface, the method being carried out in such a way that a sufficient amount of in-situ-generated chlorine gas passes over the microporous, hydrophobic membrane of the device can diffuse from the first into the second treatment solution. The treatment of an object surface can take place in the third chamber itself or in a separate process basin.
Eine Quelle für Chlor-Ionen meint und umfasst chemische Verbindungen, die Chlor entweder kovalent gebunden oder in Form einer Ionen-Spezies enthalten, und die sich in der der Elektrolyse unterworfenen Behandlungslösung solvatisieren und/oder damit mischen lassen, wobei die Quelle für Chlor-Ionen unter Elektrolyse-Bedingungen atomares (bzw. nach Rekombination) molekulares Chlor freisetzt.A source of chlorine ions means and includes chemical compounds which contain chlorine either covalently bound or in the form of an ionic species and which can be solvated in and/or mixed with the treatment solution subjected to electrolysis, the source of chlorine ions releases atomic (or after recombination) molecular chlorine under electrolysis conditions.
Die Einspeisung von in-situ-generiertem Chlorgas in ein nasschemisches Reinigungsbecken meint dabei alle direkten und indirekten chemischen und technischen Möglichkeiten, dass in-situ-generierte Chlorgas aufzufangen oder aufzunehmen, in einem geeigneten Lösungsmittel oder einer Behandlungslösung zu lösen, als Gas zu speichern oder zu transportieren, durch eine Membran zu befördern, und das gasförmige oder gelöste Chlorgas z.B. mittels Pumpen oder anderen mechanischen Vorrichtungen in ein nasschemisches Reinigungsbecken einzuleiten bzw. hinein zu befördern.The feeding of in-situ-generated chlorine gas into a wet-chemical cleaning basin means all direct and indirect chemical and technical options for collecting or absorbing in-situ-generated chlorine gas, dissolving it in a suitable solvent or a treatment solution, storing it as a gas or to transport, to convey through a membrane, and to introduce or convey the gaseous or dissolved chlorine gas into a wet chemical cleaning basin, for example by means of pumps or other mechanical devices.
Das Bereitstellen einer ersten Behandlungslösung in der ersten Kammer (1) und der zweiten Kammer (2) der Vorrichtung, wobei die erste Behandlungslösung eine Quelle für Chlor-Ionen umfasst, umfasst das Bereitstellen einer ersten Behandlungslösung, die einen geeigneten, entsprechen hohen Elektrolytgehalt aufweist, so dass eine Elektrolyse technisch sinnvoll und ohne Energieverlust durchgeführt werden kann.Providing a first treatment solution in the first chamber (1) and the second chamber (2) of the device, wherein the first treatment solution comprises a source of chlorine ions, includes providing a first treatment solution which has a suitable, correspondingly high electrolyte content, so that electrolysis can be carried out in a technically sensible manner and without loss of energy.
In einer Ausführungsform weist die erste Behandlungslösung eine lonenstärke von wenigstens 0,001 mol/l, wenigstens 0,01 mol/l, oder wenigstens 0,1 mol/l auf, wobei die lonenstärke / sich über die Konzentration ci und der Ladungzahl zi der einzelnen vorhandenen lonenspezies i berechnen lässt:
In einer Ausführungsform weist die erste Behandlungslösung eine lonenstärke von höchstens 1,0 mol/l, höchstens 0,7 mol/l, oder höchstens 0,4 mol/l auf. In einer Ausführungsform weist die erste Behandlungslösung eine lonenstärke von 0,001 bis 1,0 mol/l, 0,01 bis 0,7 mol/l, oder 0,1 bis 0,4 mol/l auf.In one embodiment, the first treatment solution has an ionic strength of at most 1.0 mol/l, at most 0.7 mol/l, or at most 0.4 mol/l. In one embodiment, the first treatment solution has an ionic strength of 0.001 to 1.0 mol/l, 0.01 to 0.7 mol/l, or 0.1 to 0.4 mol/l.
Die erste Behandlungslösung umfasst bzw. enthält eine Quelle für Chlor-Ionen in einer genügenden Konzentration, so dass Chlor-Gas mittels Elektrolyse in einer gewünschten Konzentration erhalten werden kann. In einer Ausführungsform enthält die erste Behandlungslösung eine Quelle für Chlor-Ionen in einer Konzentration, so dass bei laufendem Elektrolyse-Betrieb wenigstens 20 ppm Chlor-Gas, wenigstens 50 ppm Chlor-Gas, oder wenigstens 100 ppm Chlor-Gas, in der ersten Behandlungslösung erzeugt werden kann.The first treatment solution includes a source of chlorine ions in a sufficient concentration so that chlorine gas can be obtained by electrolysis in a desired concentration. In one embodiment, the first treatment solution contains a source of chlorine ions in a concentration such that at least 20 ppm of chlorine gas, at least 50 ppm of chlorine gas, or at least 100 ppm of chlorine gas are present in the first treatment solution during electrolysis operation can be generated.
Das Bereitstellen einer zweiten Behandlungslösung in der dritten Kammer (3) umfasst das Bereitstellen einer Lösung, die geeignet ist, das in-situ generierte und durch die Membran diffundierte Chlor-Gas aufzunehmen. In einer Ausführungsform umfasst die zweite Behandlungslösung weitere chemische Komponenten, die kompatibel und/oder geeignet zur Wafer-Behandlung sind.Providing a second treatment solution in the third chamber (3) includes providing a solution that is suitable for absorbing the chlorine gas generated in situ and diffused through the membrane. In one embodiment, the second treatment solution comprises further chemical components that are compatible and/or suitable for wafer treatment.
In einer Ausführungsform umfasst die erste Behandlungslösung Wasser als alleiniges Lösemittel. In einer Ausführungsform umfasst die erste Behandlungslösung Wasser, organische und/oder anorganische Lösemittel. In einer Ausführungsform umfasst die erste Behandlungslösung wenigstens 90 Gew.-% Wasser, organische und/oder anorganische Lösemittel, bezogen auf die Gesamtmasse an Lösemitteln in der ersten Behandlungslösung.In one embodiment, the first treatment solution comprises water as the sole solvent. In one embodiment, the first treatment solution comprises water, organic and/or inorganic solvents. In one embodiment, the first treatment solution comprises at least 90% by weight of water, organic and/or inorganic solvents, based on the total mass of solvents in the first treatment solution.
Lösemittel schließen die in der ersten Behandlungslösung anwesenden Elektrolyte sowie die Quelle für Chlor-Ionen nicht mit ein.Solvents do not include the electrolytes present in the first treatment solution or the source of chlorine ions.
In einer Ausführungsform umfasst die zweite Behandlungslösung Wasser als alleiniges Lösemittel. In einer Ausführungsform umfasst die zweite Behandlungslösung Wasser, organische und/oder anorganische Lösemittel. In einer Ausführungsform umfasst die zweite Behandlungslösung wenigstens 90 Gew.-% Wasser, organische und/oder anorganische Lösemittel, bezogen auf die Gesamtmasse an Lösemitteln in der zweiten Behandlungslösung.In one embodiment, the second treatment solution comprises water as the sole solvent. In one embodiment, the second treatment solution comprises water, organic and/or inorganic solvents. In one embodiment, the second treatment solution comprises at least 90% by weight of water, organic and/or inorganic solvents, based on the total mass of solvents in the second treatment solution.
In einer Ausführungsform ist die erste Behandlungslösung eine Salzsäure-Lösung einer Konzentration von 5 bis 20 Gew. HCl, bevorzugt 7 bis 15 Gew. HCl, oder 9 bis 11 Gew. HCl.In one embodiment, the first treatment solution is a hydrochloric acid solution with a concentration of 5 to 20 wt. HCl, preferably 7 to 15 wt. HCl, or 9 to 11 wt. HCl.
In einer Ausführungsform ist die zweite Behandlungslösung eine Salzsäure-Lösung einer Konzentration von 0,5 bis 2,0 Gew. HCl. In einer Ausführungsform ist die zweite Behandlungslösung eine Salzsäure-Lösung einer Konzentration von 0,8 bis 1,2 Gew. HCl. Der Fachmann versteht, dass die zweite Behandlungslösung durch die Elektrolyse und den Transport durch die Membran mit Chlorgas angereichert wird, wobei die zweite Behandlungslösung wenigstens 10 ppm Chlor-Gas, wenigstens 20 ppm Chlor-Gas, oder wenigstens 40 ppm Chlor-Gas enthält.In one embodiment, the second treatment solution is a hydrochloric acid solution with a concentration of 0.5 to 2.0 wt. HCl. In one embodiment, the second treatment solution is a hydrochloric acid solution with a concentration of 0.8 to 1.2 wt. HCl. One skilled in the art will understand that the second treatment solution is enriched with chlorine gas through electrolysis and transport through the membrane, the second treatment solution containing at least 10 ppm chlorine gas, at least 20 ppm chlorine gas, or at least 40 ppm chlorine gas.
Das Anlegen einer Gleichspannung (11) zwischen der ersten Elektrode (6) und der zweiten Elektrode (6), geschieht derart, dass die Gleichspannung (11) wenigstens der Zersetzungsspannung der Quelle für Chlor-Ionen entspricht. In Abhängigkeit von der gewählten Quelle für Chlor-Ionen weiß der Fachmann entweder aus der Literatur oder durch geeignete Experimente welche Zersetzungsspannung anzuwenden ist, um aus der Quelle für Chlor-Ionen mittels Elektrolyse Chlor-Gas zu erzeugen.A direct voltage (11) is applied between the first electrode (6) and the second electrode (6) in such a way that the direct voltage (11) corresponds at least to the decomposition voltage of the source of chlorine ions. Depending on the selected source of chlorine ions, the person skilled in the art knows either from the literature or through suitable experiments which decomposition voltage should be used in order to produce chlorine gas from the source of chlorine ions by means of electrolysis.
In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt der Behandlung einer Objektoberfläche mittels der zweiten Behandlungslösung in der dritten Kammer (3) oder dem Prozessbecken (8). In einer Ausführungsform umfasst die Behandlung einer Objektoberfläche die Behandlung von Silicium-Wafern. Das Verfahren kann dabei so gestaltet werden, dass die Behandlung in der dritten Kammer stattfindet, so dass die Vorrichtung ohne separate Module und technische Mittel, wie z.B. Pumpen, zur Aufnahme und Weiterleitung der zweiten Behandlungslösung auskommt.In one embodiment, the method comprises the step of treating an object surface using the second treatment solution in the third chamber (3) or the process basin (8). In one embodiment, treating an object surface includes treating silicon wafers. The method can be designed in such a way that the treatment takes place in the third chamber, so that the device does not require separate modules and technical means, such as pumps, for receiving and forwarding the second treatment solution.
Alternativ kann das Verfahren so gestaltet werden, dass die Behandlung in einem separaten Prozessbecken stattfindet, wodurch das Verfahren flexibler wird. Zum Beispiel kann ein eventuell kontaminiertes Bauteil, wie z.B. das Prozessbecken losgelöst von den anderen Elementen ausgetauscht werden.Alternatively, the process can be designed so that the treatment takes place in a separate process tank, making the process more flexible. For example, a possibly contaminated component, such as the process basin, can be replaced separately from the other elements.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird der (quantitative) Chlorgasgehalt in der zweiten Behandlungslösung auf einen Zielwert geregelt. Hierzu wird der Chlorgasgehalt in der zweiten Behandlungslösung gemessen und ein Stromfluss für die Elektrolyse in Abhängigkeit von dem gewünschten Chlorgasgehalt eingestellt. Der Stromfluss wird während der Elektrolyse aufgezeichnet und nachgeregelt. Auf diese Weise kann das Verfahren gut kontrolliert und die Verfahrensparameter angepasst werden. In einer Ausführungsform des Verfahrens kann eine technische und/oder automatisierte Steuerregelung implementiert werden.In one embodiment of the method, the (quantitative) chlorine gas content in the second treatment solution is regulated to a target value. For this purpose, the chlorine gas content in the second treatment solution is measured and a current flow for the electrolysis is set depending on the desired chlorine gas content. The current flow is recorded and adjusted during electrolysis. In this way, the process can be well controlled and the process parameters can be adjusted. In one embodiment of the method, a technical and/or automated control regulation can be implemented.
Quelle für Chlor-IonenSource of chlorine ions
In einer Ausführungsform des Verfahrens ist die Quelle für Chlor-Ionen ausgewählt aus der Liste von Salzsäure, Chlorwasserstoff, NaCl, KCl, NH4Cl, hypochloriger Säure, Dichloroxid, Trichloride, wie z.B. BCl3, und Hypochlorit.In one embodiment of the method, the source of chlorine ions is selected from the list of hydrochloric acid, hydrogen chloride, NaCl, KCl, NH 4 Cl, hypochlorous acid, dichloroxide, trichlorides such as BCl 3 , and hypochlorite.
In einer Ausführungsform des Verfahrens ist die Quelle für Chlor-Ionen Salzsäure.In one embodiment of the method, the source of chlorine ions is hydrochloric acid.
In einer Ausführungsform des Verfahrens ist die Quelle für Chlor-Ionen Chlorwasserstoff.In one embodiment of the method, the source of chlorine ions is hydrogen chloride.
In einer Ausführungsform des Verfahrens ist die Quelle für Chlor-Ionen NaCl.In one embodiment of the method, the source of chlorine ions is NaCl.
In einer Ausführungsform des Verfahrens ist die Quelle für Chlor-Ionen NH4Cl.In one embodiment of the method, the source of chlorine ions is NH 4 Cl.
Der Einsatz von in Wasser eingeleitetem Chlorwasserstoff (HCl) bzw. Salzsäure ist vorteilhaft, weil diese Quelle für Chlor-Ionen die Gefahr vermeidet unerwünschte Beimengungen bzw. Kontamination in das Verfahren und die erste Behandlungslösung einzutragen.The use of hydrogen chloride (HCl) or hydrochloric acid introduced into water is advantageous because this source of chlorine ions avoids the risk of introducing unwanted admixtures or contamination into the process and the first treatment solution.
Die Verwendung von NaCl ist vorteilhaft, weil es ein günstiges Massenprodukt ist, das preiswert und ohne technischen Sicherheitsaufwand transportiert, gelagert und eingesetzt werden kann. Der Fachmann weiß, dass er das eingesetzte NaCl auf eventuelle Verunreinigungen unerwünschter Metall(lonen)-Spezies im ppb Bereich überprüfen muss und er diesem Umstand eventuell entgegenwirken muss.The use of NaCl is advantageous because it is a cheap mass-produced product that can be transported, stored and used inexpensively and without technical safety requirements. The expert knows that he has to check the NaCl used for possible contamination of undesirable metal (ion) species in the ppb range and that he may have to counteract this circumstance.
Die Verwendung von NH4Cl ist vorteilhaft, weil es ebenso ein günstiges Massenprodukt ist, das preiswert und ohne technischen Sicherheitsaufwand transportiert, gelagert und eingesetzt werden kann. Die Verwendung von NH4Cl zeichnet sich auch dadurch aus, weil es Metallkontaminationen vermeidet.The use of NH 4 Cl is advantageous because it is also a cheap mass-produced product that can be transported, stored and used inexpensively and without technical safety requirements. The use of NH 4 Cl is also characterized because it avoids metal contamination.
Sowohl NaCl als auch NH4Cl sind vorteilhaft, weil sie als Feststoffe gut und sicher zu transportieren und zu handhaben sind.Both NaCl and NH 4 Cl are advantageous because they are easy and safe to transport and handle as solids.
Alternativ können hypochlorige Säure, Dichloroxid, Trichloride, wie z.B. BCl3, oder Hypochlorit eingesetzt werden, die unter Elektrolysebedingungen ebenso Chlorgas freisetzen.Alternatively, hypochlorous acid, dichloroxide, trichlorides, such as BCl 3 , or hypochlorite can be used, which also release chlorine gas under electrolysis conditions.
In einer Ausführungsform des Verfahrens sind die erste Behandlungslösung und die zweite Behandlungslösung frei von Wasserstoffperoxid, Schwefelsäure und/oder Salpetersäure.In one embodiment of the method, the first treatment solution and the second treatment solution are free of hydrogen peroxide, sulfuric acid and/or nitric acid.
Es ist vorteilhaft auf die Verwendung anderer bzw. weiterer Mineralsäuren und/oder Oxidationsmittel, wie beispielsweise Salpetersäure, zu verzichten. Dadurch kann ein Verunreinigungseintrag aus diesen anderen Mineralsäuren und/oder Oxidationsmitteln, und ggf. enthaltener Zusatzstoffe vermieden werden. Eventuell erforderliche Nachreinigungsschritte sind damit auch nicht mehr nötig.It is advantageous to avoid using other mineral acids and/or oxidizing agents, such as nitric acid. This means that contamination from these other mineral acids and/or oxidizing agents and any additives contained can be avoided. Any subsequent cleaning steps that may be required are no longer necessary.
Der Verzicht auf Wasserstoffperoxid ist vorteilhaft: Wasserstoffperoxid wird üblicherweise als 30 Gew.-%ige Lösung zugegeben, was zur Folge hat, dass bei Zugabe von Wasserstoffperoxid auch die Mineralsäuren verdünnt werden und ebenfalls dosiert werden müssen. Wasserstoffperoxid zerfällt - insbesondere in Anwesenheit von Metallionen - rasch zu Wasser und Sauerstoff, was wiederum die Konzentration des Oxidationsmittels erniedrigt und weitere Dosierungen erfordert. Dies ist nachteilig, weil stetige (Nach)Dosierungen hohe Kosten für die Versorgung und Entsorgung nach sich ziehen.Avoiding hydrogen peroxide is advantageous: Hydrogen peroxide is usually added as a 30% by weight solution, which means that when hydrogen peroxide is added, the mineral acids are also diluted and must also be dosed. Hydrogen peroxide - especially in the presence of metal ions - quickly decomposes into water and oxygen, which in turn reduces the concentration of the oxidizing agent and requires further dosages. This is disadvantageous because constant (re)dosing results in high costs for supply and disposal.
In einer Ausführungsform des Verfahrens weist die zweite Behandlungslösung eine Salzsäurekonzentration von 0,5 bis 2 Gew.-% auf. Im Vergleich zu der ersten Behandlungslösung kann die verwendete Salzsäurekonzentration sehr niedrig sein, da diese nicht elektrolysiert wird, und deshalb mit einem nur geringen Elektrolytgehalt auskommt. Die verwendete Salzsäurekonzentration der zweiten Behandlungslösung kann vom Fachmann nach Belieben und im Hinblick auf die zu behandelnde Oberfläche eingestellt werden.In one embodiment of the method, the second treatment solution has a hydrochloric acid concentration of 0.5 to 2% by weight. Compared to the first treatment solution, the concentration of hydrochloric acid used can be very low because it is not electrolyzed and therefore requires only a low electrolyte content. The hydrochloric acid concentration used in the second treatment solution can be adjusted by the person skilled in the art as desired and with regard to the surface to be treated.
ÜberdruckOverpressure
In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt des Bereitstellens eines Überdrucks von 10 bis 10.000 Pa in der ersten Kammer (1) und/oder der zweiten Kammer (2).In one embodiment, the method comprises the step of providing an overpressure of 10 to 10,000 Pa in the first chamber (1) and/or the second chamber (2).
Der Aufbau eines Überdrucks in der Elektrolysekammer ist vorteilhaft, um die Triebkraft des Membrandurchgangs von Chlor zu erhöhen. Dies kann z.B. über eine hydraulische Kopplung der Elektrolysekammer mit einem Vorratsbehälter erfolgen. Bei Einsetzen der Elektrolyse kann ein Teil der ersten Behandlungslösung in den Vorratsbehälter zurückgedrückt werden, was zu einem geringen hydrostatischen Überdruck in der Kammer führt.Building up excess pressure in the electrolysis chamber is advantageous in order to increase the driving force of the membrane passage of chlorine. This can be done, for example, by hydraulically coupling the electrolysis chamber to a storage container. When electrolysis begins, part of the first treatment solution can be pushed back into the storage container, which leads to a small hydrostatic overpressure in the chamber.
Die beschriebene Ausführungsform ist jedoch dahingehend zu optimieren und so zu betreiben, dass die erste Behandlungslösung nicht komplett aus der Elektrolysekammer herausgedrückt wird. Je nach Füllhöhe in der ersten Kammer (1) und/oder der zweiten Kammer (2) ist der fließende Elektrolyse-Strom begrenzt, insofern die Kontaktfläche mit der Elektrode kleiner wird.However, the embodiment described must be optimized and operated in such a way that the first treatment solution is not completely pressed out of the electrolysis chamber. Depending on the filling level in the first chamber (1) and/or the second chamber (2), the flowing electrolysis current is limited, insofar as the contact area with the electrode becomes smaller.
Verwendunguse
In einem Aspekt bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung der Vorrichtung zur Reinigung von Halbleitern und/oder Keramikmaterialien.In one aspect, the invention relates to the use of the device for cleaning semiconductors and/or ceramic materials.
In einem weiteren Aspekt bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung des Verfahrens zur Reinigung von Halbleitern und/oder Keramikmaterialien.In a further aspect, the invention relates to the use of the method for cleaning semiconductors and/or ceramic materials.
Herkömmliche Vorrichtungen und Verfahren zur Reinigung von Halbleitern und/oder Keramikmaterialien mittels Chlorgas greifen oft auf Chlor aus Chlorgasflaschen zurück. Der Umgang mit Chlor birgt erhebliche Gefährdungen innerhalb industrieller Anlagen und insbesondere für die Gesundheit des Personals sowie die Umwelt. Weitreichende Schutzmaßnahmen sind unumgänglich. Chlorgasflaschen enthalten Chlor als ein komprimiertes, unter Druck verflüssigtes Gas. Es ist schwerer als Luft und umweltgefährlich. Es besteht Lebensgefahr beim Einatmen, ist toxisch, reizt die Augen, die Atemwege und die Haut. Chlor reagiert mit der Feuchtigkeit der Luft unter Bildung von Salzsäure, die starke Korrosionen auslösen kann. Es kann als Oxidationsmittel Brände auslösen und verstärken.Conventional devices and methods for cleaning semiconductors and/or ceramic materials using chlorine gas often rely on chlorine from chlorine gas bottles. Handling chlorine poses significant risks within industrial plants and, in particular, for the health of personnel and the environment. Extensive protective measures are essential. Chlorine gas bottles contain chlorine as a compressed, liquefied gas under pressure. It is heavier than air and dangerous to the environment. Danger to life if inhaled, is toxic, irritates eyes, respiratory tract and skin. Chlorine reacts with moisture in the air to form hydrochloric acid, which can cause severe corrosion. As an oxidizing agent, it can start and intensify fires.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das Verfahren vermeiden die Erzeugung und den Einsatz von Chlor unter Druck und in hohen Konzentrationen. Die Menge des durch die Elektrolyse erzeugten Chlors ist stark begrenzt. Die Gefahr einer Fehlfunktion der Vorrichtung bzw. der Chlorversorgung ist gering und würde nur sehr lokal und dann auch nur eine geringe Menge des giftigen Gases freisetzen. Die Vorrichtung und das Verfahren sind unter heutzutage üblichen Gesichtspunkten des Arbeitsschutzes sehr vorteilhaft.The device and the method according to the invention avoid the production and use of chlorine under pressure and in high concentrations. The amount of chlorine produced by electrolysis is very limited. The risk of a malfunction of the device or the chlorine supply is low and would only release very locally and then only a small amount of the toxic gas. The device and the method are very advantageous from the aspects of occupational safety that are common today.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das Verfahren erlauben eine beträchtliche Einsparung an Chemikalien im Zusammenhang mit der Reinigung von Halbleitern und/oder Keramikmaterialien.The device and the method according to the invention allow a considerable saving of chemicals in connection with the cleaning of semiconductors and/or ceramic materials.
In einer Ausführungsform umfassen Halbleiter in der Mikroelektronik, Photovoltaik und/oder Mikrosystemtechnik eingesetzte kreisrunde oder quadratische Scheiben. In einer Ausführungsform umfassen Halbleiter Wafer aus ein- oder polykristallinen Halbleiter-Materialen, wie z.B. Silicium und Germanium. In einer Ausführungsform umfassen Halbleiter Substrate für elektronische Bauelemente, wie z.B. integrierte Schaltkreise oder photoelektrische Beschichtungen.In one embodiment, semiconductors include circular or square disks used in microelectronics, photovoltaics and/or microsystems technology. In one embodiment, semiconductors include wafers made of single or polycrystalline semiconductor materials such as silicon and germanium. In one embodiment, semiconductors include substrates for electronic devices, such as integrated circuits or photoelectric coatings.
In einer Ausführungsform umfassen Keramikmaterialien Elektroporzellan für Isolatoren, Titanoxid-Keramik für Kondensatoren, Piezokeramiken für elektroakustische Wandler, Werkstoffe für Magnete und Halbleiterwiderstände.In one embodiment, ceramic materials include electroporcelain for insulators, titanium oxide ceramics for capacitors, piezoceramics for electroacoustic transducers, materials for magnets, and semiconductor resistors.
BeispieleExamples
MembranenMembranes
Folgende Membranen und Membrantypen können verwendet werden: PVDF22 und PVDF45 (von Millipore) mit jeweils 0,22 und 0,45 µm Porengröße; PTFE20 und PTFE45 (von Gore) mit jeweils 0,20 und 0,45 µm Porengröße, und die mit PP unterstützte PTFS20 mit einer Porengröße von 0,20 µm. Die Membrandicke beträgt ca. 1 mm. Die Membran wird in einer geeigneten Halterung aus PE fixiert.The following membranes and membrane types can be used: PVDF22 and PVDF45 (from Millipore) with 0.22 and 0.45 µm pore sizes, respectively; PTFE20 and PTFE45 (from Gore) with 0.20 and 0.45 µm pore size respectively, and the PP supported PTFS20 with a 0.20 µm pore size. The membrane thickness is approx. 1 mm. The membrane is fixed in a suitable PE holder.
Elektrolyseelectrolysis
Die Elektrolysevorrichtung umfasst eine Doppelkammer, welche durch ein zylindrisches Gefäß mit einem Volumen von ca. 3 Litern dargestellt wird. Der zylindrische Grundkörper wird durch eine Trennwand in zwei Hälften, d.h. Kammer 1 und Kammer 2, aufgeteilt, wobei die Trennwand am unteren Ende einen Abstand von ca. 5 mm zum Boden hat, wodurch die beiden Kammern hydraulisch gekoppelt werden. Das Gefäß wird mit 10%iger Salzsäure befüllt. Im Deckel des Gefäßes befinden sich zwei Öffnungen, die mit einer Absaugung versehen sind, so dass gasförmiges Chlor nicht in die Umgebung gelangen kann. Weiterhin werden durch den Deckel zwei Diamant-Elektroden in die Flüssigkeit getaucht, welche für die Elektrolyse benötigt werden. Die Elektroden werden mit einem Netzteil versehen, welches bei max. 6 V einen Strom von max. 12 A liefert. An der positiven Elektrode bildet sich gasförmiges Chlor, welches sich bis zu einer Konzentration von ca. 1 g/l anreichert.The electrolysis device includes a double chamber, which is represented by a cylindrical vessel with a volume of approximately 3 liters. The cylindrical base body is divided into two halves, i.e. chamber 1 and chamber 2, by a partition, with the partition at the lower end having a distance of approx. 5 mm from the floor, whereby the two chambers are hydraulically coupled. The vessel is filled with 10% hydrochloric acid. There are two openings in the lid of the vessel that are equipped with a suction so that gaseous chlorine cannot escape into the environment. Furthermore, two diamond electrodes, which are required for electrolysis, are immersed in the liquid through the lid. The electrodes are equipped with a power supply, which delivers a current of max. 12 A at max. 6 V. Gaseous chlorine forms on the positive electrode and accumulates to a concentration of approx. 1 g/l.
Aus der der positiven Elektrode zugehörigen Kammer wird optional mittels einer Membranpumpe die mit Chlor angereicherte Flüssigkeit gesaugt und in eine Membrankammer, z.B. gemäß
Beispiel 1example 1
Beispiel 2Example 2
Die Elektrolyse findet in der ersten Kammer (1) und der zweiten Kammer (2) statt. Das Medium aus Kammer (2) wird über eine Pumpe (7b) durch die Nebenkammer (2b) des Kontaktormoduls gepumpt. Durch eine mikroporöse, hydrophobe Membran (5) wird der selektive Übergang des erzeugten Chlors durch Diffusion in das Prozessmedium der dritten Kammer (3b) gewährleistet.The electrolysis takes place in the first chamber (1) and the second chamber (2). The medium from chamber (2) is pumped through the secondary chamber (2b) of the contactor module via a pump (7b). A microporous, hydrophobic membrane (5) ensures the selective transfer of the chlorine produced by diffusion into the process medium of the third chamber (3b).
Mit Hilfe der Pumpe (7) wird die Prozesslösung durch die dritte Kammer (3b) gepumpt und über Einströmrohre (10) in das Prozessbecken (8) geleitet. Über einen oder mehrere Überlaufkragen (9) gelangt die Prozesslösung in die Rezirkulationsleitung (12) und wird über die Pumpe (7) wieder in die dritte Kammer (3) eingespeist.With the help of the pump (7), the process solution is pumped through the third chamber (3b) and fed into the process basin (8) via inflow pipes (10). The process solution enters the recirculation line (12) via one or more overflow collars (9) and is fed back into the third chamber (3) via the pump (7).
Diese Variante hat den Vorteil, dass die Chlorerzeugung und die Chlorverwendung in dem Prozessmedium räumlich voneinander getrennt sind. In dem Zusammenhang findet kein Austausch von Lösungen und dadurch auch keine Kontamination statt. Außerdem können mit dieser Variante der Vorrichtung mehrere Kontaktormodule von einer Elektrolyseeinheit versorgt werden.This variant has the advantage that chlorine production and chlorine use in the process medium are spatially separated from one another. In this context, there is no exchange of solutions and therefore no contamination. In addition, with this variant of the device, several contactor modules can be supplied by one electrolysis unit.
Beispiel 3Example 3
Dies vereinfacht die Fertigung der Elektrolyseeinheit. Jedoch kann in dieser Variante auch durch Elektrolyse generiertes Chlor aus der zweiten Kammer (2) in die erste Kammer (1) diffundieren. Dies stellt einen - wenn auch geringen - Verlustweg für Chlor dar.This simplifies the production of the electrolysis unit. However, in this variant, chlorine generated by electrolysis can also diffuse from the second chamber (2) into the first chamber (1). This represents a loss route for chlorine, albeit a small one.
Beispiel 4Example 4
In dieser Variante ist das Prozessbecken bzw. die dritte Kammer (3) über eine mikroporöse, hydrophobe Membran (5) mit der zweiten Kammern (2) der Elektrolyseeinheit verbunden. Die beiden Kammern (1) und (2) sind über eine poröse Glasfritte (4) voneinander getrennt. An die beiden Elektroden (6) wird mit Hilfe einer Gleichspannungsquelle (11) eine Gleichspannung angelegt, die mindestens der Zersetzungsspannung für die Chloralkali-Elektrolyse entspricht. In der ersten Kammer (1) bildet sich Wasserstoff, der abgesaugt wird. In der zweiten Kammer (2) bildet sich Chlor, das durch eine mikroporöse, hydrophobe Membran (5) in die dritte Kammer (3) diffundiert.In this variant, the process basin or the third chamber (3) is connected to the second chambers (2) of the electrolysis unit via a microporous, hydrophobic membrane (5). The two chambers (1) and (2) are separated from each other by a porous glass frit (4). A direct voltage which corresponds at least to the decomposition voltage for chlor-alkali electrolysis is applied to the two electrodes (6) using a direct voltage source (11). Hydrogen forms in the first chamber (1) and is sucked out. Chlorine forms in the second chamber (2), which diffuses through a microporous, hydrophobic membrane (5) into the third chamber (3).
In dem Prozessbecken (3) sind mehrere Wafer (14), bzw. eine Charge mehrerer Wafer (14), in einer Transportkassette (15) eingelegt. Um eine Zirkulation im Prozessbecken (3) und somit eine Durchmischung der Komponenten zu erhalten, befindet sich am Rand des Prozessbeckens (3) ein Überlaufkragen (9), welcher über eine Pumpe (7) die Rezirkulationsleitung (12) speist. Die Prozesslösung wird von der Pumpe (7) über Einströmrohre (10) wieder zurück in das Prozessbecken bzw. die dritte Kammer (3) befördert.In the process basin (3), several wafers (14), or a batch of several wafers (14), are placed in a transport cassette (15). In order to maintain circulation in the process basin (3) and thus a thorough mixing of the components, there is an overflow collar (9) on the edge of the process basin (3), which feeds the recirculation line (12) via a pump (7). The process solution is transported back into the process basin or the third chamber (3) by the pump (7) via inflow pipes (10).
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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