FR2873045A1 - Gas conversion by chemical bond cleavage in an electric and-or magnetic field, e.g. for treatment of fluorinated effluents from semiconductor production, involves injecting gas into the field in a non-rectilinear manner - Google Patents

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Abstract

Conversion of gas by breaking chemical bonds in an electric and/or magnetic field, involves injecting the gas through the applied field in a non-rectilinear manner so as to increase the path length of gas molecules in the field and thus increase the efficiency of bond cleavage. A method for the conversion of a gas or gas mixture (I) into another gas or gas mixture (II) containing liquid and/or solid products in which at least one bond between two atoms of the molecules in (I) has been broken by the action of an electric and/or magnetic field. This involves injecting a stream of (I) through the applied field in a non-rectilinear manner so as to increase the distance travelled by the gas molecules through the field and thus to increase the efficiency with which the bonds are broken. An independent claim is also included for a gas injection system for use in this method, comprising at least one gas injection channel, preferably situated in a plane at right angles to the tube whose upper end is closed.

Description

2873045 12873045 1

Traitement d'effluents qazeux par plasma atmosphériques à infection contrôlée du qaz La présente invention concerne un procédé de destruction d'un gaz ou mélange de gaz et notamment d'effluents gazeux fluorés, dans lequel au moins une liaison entre deux atomes d'au moins une molécule dudit gaz ou mélange de gazeux est rompue sous l'action d'un champ électrique et/ou magnétique auquel est soumis ledit gaz ou mélange de gaz.  The present invention relates to a method for destroying a gas or a mixture of gases, and in particular gaseous effluents, in which at least one bond between two atoms of at least one a molecule of said gas or mixture of gases is broken under the action of an electric and / or magnetic field to which said gas or mixture of gases is subjected.

Un procédé de ce type est connu notamment de US-A-5,965,786.  A process of this type is known in particular from US-A-5,965,786.

Les plasmas sont notamment appliqués à la dépollution des rejets émis par les procédés de dépôt et gravure de couches minces pour la fabrication des semi-conducteurs. Ces effluents (gaz perfluorés, halogénés corrosifs, hydrures gazeux, précurseurs organométalliques...) se présentent à l'échappement des pompes à vide primaires avec des concentrations relativement élevées dans un flux de 15 à 60 litres d'azote pour chaque pompe. Pour convertir la plus grande partie de ces quantités importantes de molécules nuisibles, les décharges micro -ondes à la pression atmosphérique sont préférables à d'autres en raison de leur densité électronique élevée (1012 à 1015 cm-) permettant d'induire un grand nombre de collisions inélastiques dissociatives.  Plasmas are particularly applied to the depollution of the discharges emitted by the deposition and etching processes of thin layers for the manufacture of semiconductors. These effluents (perfluorinated gases, corrosive halogens, gaseous hydrides, organometallic precursors, etc.) occur at the exhaust of the primary vacuum pumps with relatively high concentrations in a flow of 15 to 60 liters of nitrogen for each pump. To convert most of these large quantities of harmful molecules, the micro-wave discharges at atmospheric pressure are preferable to others because of their high electron density (1012 to 1015 cm-) to induce a large number of molecules. dissociative inelastic collisions.

Une caractéristique des plasmas micro-ondes atmosphériques est l'énergie moyenne relativement élevée prise par les particules lourdes (neutres et ions). La température du gaz peut en effet atteindre de 3000 à 7000 K dans la zone de l'axe de l'enceinte diélectrique contenant la décharge. La paroi de cette enceinte (par exemple un tube diélectrique) doit quant à elle demeurer à une température plus basse compatible avec son intégrité physique. Aussi est-elle de préférence refroidie par la circulation à son contact d'un fluide diélectrique caloporteur. Il existe donc un gradient radial de température décroissant de l'axe vers la périphérie. Lorsque la température diminue, la densité du gaz augmente, l'ionisation est moins probable et la recombinaison des particules chargées est favorisée. Ainsi la densité électronique décroît en même temps que la température de l'axe du tube vers la périphérie. Visuellement, on a constaté que l'intensité lumineuse de la décharge s'atténue lorsqu'on s'éloigne de l'axe. Dans certains cas, la densité électronique devient très faible pour une position axiale inférieure au rayon du tube et la décharge ne remplit plus la section de ce dernier. On dit alors que la décharge est contractée.  A characteristic of atmospheric microwave plasmas is the relatively high average energy taken by heavy particles (neutrons and ions). The temperature of the gas can indeed reach 3000 to 7000 K in the region of the axis of the dielectric chamber containing the discharge. The wall of this enclosure (for example a dielectric tube) must remain at a lower temperature compatible with its physical integrity. Also it is preferably cooled by the circulation in contact with a heat transfer dielectric fluid. There is therefore a radial temperature gradient decreasing from the axis to the periphery. As the temperature decreases, the density of the gas increases, the ionization is less likely and the recombination of the charged particles is favored. Thus, the electron density decreases at the same time as the temperature of the axis of the tube towards the periphery. Visually, it has been found that the light intensity of the discharge fades away from the axis. In some cases, the electronic density becomes very low for an axial position less than the radius of the tube and the discharge no longer fills the section of the latter. It is said that the discharge is contracted.

La forme de cette distribution radiale décroissante vers la périphérie de la densité électronique dépend notamment des paramètres opérationnels du plasma: nature et concentrations des différents gaz polluants dans l'azote, débit total, puissance micro-ondes. Elle dépend aussi de paramètres fixés au préalable comme le diamètre interne du tube à décharge, et la nature du matériau le constituant (via notamment la conductivité thermique).  The shape of this radial distribution decreasing towards the periphery of the electron density depends in particular on the operational parameters of the plasma: nature and concentrations of the different pollutant gases in the nitrogen, total flow, microwave power. It also depends on previously fixed parameters such as the internal diameter of the discharge tube, and the nature of the material constituting it (especially via the thermal conductivity).

On conçoit que la répartition radiale de densité électronique et de température du gaz influence la relation d'échange thermique entre le milieu gazeux et la paroi du tube, et par là-même la fiabilité de cette dernière. On a constaté que certains gaz comme l'hélium et l'hydrogène, à partir de concentrations dans l'azote de l'ordre du pourcent, ont pour effet de favoriser l'expansion radiale de la décharge et donc d'augmenter la température du gaz au voisinage de la paroi du tube. Ainsi le vieillissement de ce dernier par effet thermique est accentué.  It is understood that the radial distribution of electronic density and temperature of the gas influences the heat exchange relationship between the gaseous medium and the tube wall, and thereby the reliability of the latter. It has been found that certain gases such as helium and hydrogen, from concentrations in the nitrogen of the order of a percent, have the effect of favoring the radial expansion of the discharge and therefore of increasing the temperature of the gas in the vicinity of the wall of the tube. Thus the aging of the latter by thermal effect is accentuated.

On a également constaté que d'autres gaz ont l'effet inverse et favorisent la contraction radiale de la décharge. Dans ce cas, on observe généralement que le plasma ne reste pas constamment centré sur l'axe, mais se déplace de manière 2873045 3 aléatoire dans la section du tube. Lorsque le plasma se décentre et se rapproche de la paroi du tube, celleci est exposée temporairement à une température de gaz très élevée ainsi qu'à l'action d'électrons hors d'équilibre thermodynamique, d'énergie encore plus haute. Le cas limite est celui où le plasma se présente comme un ou plusieurs filaments très denses qui, s'il viennent en contact pendant un temps suffisant de la paroi, induisent des contraintes localisées extrêmes sur cette dernière. II y a alors risque de rupture de la paroi par surcharge thermomécanique, d'érosion ponctuelle de la paroi du tube par les espèces fluorées de haute énergie, et également de carbonisation du fluide diélectrique de refroidissement sur la surface externe du tube en regard du point de contact du plasma sur la paroi.  It has also been found that other gases have the opposite effect and favor the radial contraction of the discharge. In this case, it is generally observed that the plasma does not remain constantly centered on the axis, but moves randomly in the section of the tube. When the plasma is decentered and gets closer to the wall of the tube, it is temporarily exposed to a very high gas temperature and the action of electrons out of equilibrium thermodynamic, even higher energy. The limiting case is when the plasma is one or more very dense filaments which, if they come into contact for a sufficient time of the wall, induce extreme localized stresses on the latter. There is then a risk of rupture of the wall by thermomechanical overload, of spot erosion of the tube wall by the high-energy fluorinated species, and also of carbonization of the dielectric cooling fluid on the outer surface of the tube opposite the point plasma contact on the wall.

Une première solution pour ce type de problèmes consiste à utiliser un tube de matériau à très hautes performances comme le nitrure d'aluminium, avec lequel ce phénomène de dégradation devient extrêmement rare sans qu' il soit impossible d'en prévoir l'occurrence, cependant. Notamment, les paramètres gouvernant le phénomène de contraction et de filamentation sont généralement imposés par les caractéristiques des recettes des procédés de l'utilisateur qui peuvent mettre en oeuvre des gaz halogénés divers, un gaz plasmagène comme l'argon et différents adjuvants comme l'hélium, l'hydrogène ou d'autres additifs chimiques, voire des gaz rares lourds, tout cela dans des proportion très variables et généralement non connues.  A first solution for this type of problem is to use a tube of very high performance material such as aluminum nitride, with which this phenomenon of degradation becomes extremely rare without it being impossible to predict the occurrence, however . In particular, the parameters governing the phenomenon of contraction and filamentation are generally imposed by the characteristics of the recipes of the user's processes which can use various halogenated gases, a plasma gas such as argon and various adjuvants such as helium , hydrogen or other chemical additives, or even heavy rare gases, all in very variable and generally unknown proportions.

Comme de plus le phénomène de contact du plasma et de la paroi est luimême totalement aléatoire, il est donc très difficile de se prémunir contre ces phénomènes qui induisent un risque d'avarie de fonctionnement et donc de sécurité 25 de l'installation.  As moreover the contact phenomenon of the plasma and the wall itself is completely random, it is therefore very difficult to guard against these phenomena which induce a risk of malfunction and therefore safety of the installation.

2873045 4 Par ailleurs, l'existence d'un gradient radial de densité du plasma joue également un grand rôle dans la limitation des performances des systèmes de destruction d'effluents. En effet, la zone périphérique de l'enceinte est plus froide et appauvrie en électrons. Par conséquent, la dissociation des molécules de gaz polluants est moins probable dans cette zone périphérique que dans la zone centrale et leur reformation à partir de leurs fragments est favorisée (du fait que l'on se trouve à des concentrations absolues relativement élevées). Une molécule de gaz polluant traversant l'enceinte en restant dans cette zone périphérique de basse énergie a une probabilité beaucoup plus faible d'être dissociée que si elle transitait près de l'axe. On pourrait envisager que ladite molécule, au cours de son parcours, migre vers la zone centrale plus chaude par diffusion, convection ou turbulence. Toutefois, dans l'azote, la colonne de plasma est relativement courte et la vitesse de passage relativement élevée si l'on tient compte du débit total d'azote en sortie des pompes primaires, de sorte que ces processus d'échange de matière n'ont guère le temps de s'accomplir.  Furthermore, the existence of a radial density gradient of the plasma also plays a large role in limiting the performance of the effluent destruction systems. Indeed, the peripheral zone of the enclosure is colder and depleted in electrons. Therefore, the dissociation of the pollutant gas molecules is less likely in this peripheral zone than in the central zone and their reformation from their fragments is favored (because of the relatively high absolute concentrations). A molecule of polluting gas passing through the enclosure while remaining in this low energy peripheral zone has a much lower probability of being dissociated than if it transited near the axis. It could be envisaged that said molecule, during its course, migrates towards the warmer central zone by diffusion, convection or turbulence. However, in nitrogen, the plasma column is relatively short and the flow rate is relatively high, taking into account the total flow of nitrogen at the outlet of the primary pumps, so that these processes of exchange of material have little time to be fulfilled.

L'invention permet notamment de répondre aux problèmes posés par les plasmas micro-ondes dans une enceinte, notamment un tube: - d'une part, en s'opposant aux variations de diamètre et aux décentrages 20 axiaux aléatoires du plasma pour améliorer l'endurance et la fiabilité du tube à décharge.  The invention makes it possible in particular to respond to the problems posed by microwave plasmas in an enclosure, in particular a tube: on the one hand, by opposing the variations in diameter and the random axial decentrations of the plasma to improve the endurance and reliability of the discharge tube.

- d'autre part, en forçant les molécules de gaz polluants à effectuer un parcours notablement plus long dans les zones denses du plasma afin de mieux utiliser l'excès d'espèces actives disponibles en moyenne dans le système, et ainsi d'augmenter l'efficacité de conversion ramenée à la puissance injectée.  on the other hand, by forcing the pollutant gas molecules to travel considerably longer in the dense zones of the plasma in order to make better use of the excess of active species available on average in the system, and thus to increase the conversion efficiency reduced to the injected power.

2873045 5 Le procédé selon l'invention est caractérisé en ce que le flux de gaz ou mélange de gaz est injecté à travers le champ électrique et/ou magnétique de manière non rectiligne afin d'augmenter la longueur parcourue par les molécules de gaz au travers dudit champ et ainsi augmenter l'efficacité de destruction des molécules de gaz ou mélange de gaz.  The process according to the invention is characterized in that the flow of gas or mixture of gases is injected through the electric and / or magnetic field in a non-rectilinear manner in order to increase the length traveled by the gas molecules through of said field and thus increase the destruction efficiency of the gas molecules or gas mixture.

De préférence, le gaz ou mélange de gaz est injecté dans le champ avec une quantité de mouvement tangentielle du gaz ou mélange de gaz supérieure à la quantité de mouvement axiale dudit gaz ou mélange de gaz; plus préférentiellement, la quantité de mouvement tangentielle est très supérieure à la quantité de mouvement axiale.  Preferably, the gas or gas mixture is injected into the field with a tangential amount of movement of the gas or gas mixture greater than the amount of axial movement of said gas or gas mixture; more preferably, the tangential momentum is much greater than the amount of axial movement.

Selon un aspect de l'invention, au moins une partie du gaz ou mélange de gaz est injectée avec une composante tangentielle de vitesse dans une cavité tubulaire avant d'être soumise à l'action du champ électrique et/ou magnétique.  According to one aspect of the invention, at least a portion of the gas or gas mixture is injected with a tangential component of velocity in a tubular cavity before being subjected to the action of the electric and / or magnetic field.

De préférence, le gaz ou mélange de gaz est injecté par l'intermédiaire d'une pluralité d'injection comportant une composante tangentielle.  Preferably, the gas or gas mixture is injected via a plurality of injection having a tangential component.

Selon une variante préférentielle, les injections tangentielles sont régulièrement réparties sur la circonférence.  According to a preferred variant, the tangential injections are regularly distributed over the circumference.

Différentes variantes de réalisation sont possibles et notamment: les injections ou mélanges de gaz sont toutes situées dans le même plan; ou les injections sont situées dans différents plans.  Different alternative embodiments are possible and in particular: the injections or gas mixtures are all located in the same plane; or the injections are located in different planes.

Les injections qui sont situées dans un même plan sont régulièrement réparties dans ce plan.  The injections that are located in the same plane are regularly distributed in this plane.

Selon une variante de réalisation: 2873045 6 au moins un plan ne comporte qu'une injection; et/ou au moins un plan comporte deux injections à 180 ; et/ou au moins un plan comporte trois injections à 120 ; et/ou au moins un plan comporte quatre injections à 90 .  According to an alternative embodiment: at least one plane comprises only one injection; and / or at least one plane comprises two injections at 180; and / or at least one plane comprises three injections at 120; and / or at least one plane has four injections at 90.

En général, le ou les plans d'injection sont perpendiculaires à l'axe du tube ou de la cavité soumis au champ. Cependant, il est tout à fait possible de réaliser ces injections au travers d'orifices orientés de manière à donner une composante de vitesse des gaz parallèle à la direction d'écoulement souhaité pour les gaz vers ou dans la cavité.  In general, the injection plane or planes are perpendicular to the axis of the tube or cavity subjected to the field. However, it is quite possible to perform these injections through orifices oriented so as to give a component of gas velocity parallel to the desired flow direction for the gas to or in the cavity.

Les conditions de fonctionnement des dispositifs plasma situés à la sortie des pompes des réacteurs de gravure et dépôt (à pression atmosphérique ou proche de la pression atmosphérique) doivent permettre d'absorber un débit total en entrée supérieur à 80 litres par minute (slm) lorsque les échappements de plusieurs chambres de gravure sont connectées simultanément à l'unité de dépollution et fonctionnent simultanément. Le gaz est alors constitué essentiellement d'azote. Pour obtenir une bonne efficacité de conversion des molécules les plus stables, comme les PFC, la puissance totale nécessaire doit être en général supérieure à 3 kW et on prévoir un refroidissement de la paroi externe de la cavité, notamment du tube à décharge.  The operating conditions of the plasma devices located at the outlet of the pumps of the etching and deposition reactors (at atmospheric pressure or close to atmospheric pressure) must make it possible to absorb a total input flow rate greater than 80 liters per minute (slm) when the exhausts of several etching chambers are simultaneously connected to the depollution unit and operate simultaneously. The gas is then essentially nitrogen. To obtain a good conversion efficiency of the most stable molecules, such as PFCs, the total power required must generally be greater than 3 kW and cooling of the outer wall of the cavity, in particular of the discharge tube, is provided.

La mise en oeuvre de l'invention permet en général l'établissement d'un système de forces hydrodynamiques qui tendent à maintenir une symétrie axiale du système et empêcher qu'une perturbation aléatoire notamment de nature électromagnétiques ou thermique n'écarte le plasma de la position axiale.  The implementation of the invention generally allows the establishment of a system of hydrodynamic forces that tend to maintain axial symmetry of the system and prevent a random disturbance including electromagnetic or thermal nature does away with the plasma of the axial position.

2873045 7 Parmi les avantages de l'invention, on notera: - la diminution de la température moyenne de la paroi permettant ainsi d'espacer davantage les opérations de maintenance préventive du tube à décharge.  Among the advantages of the invention, it will be noted: the reduction of the average temperature of the wall thus making it possible to further space the preventive maintenance operations of the discharge tube.

- le maintien du plasma à distance de la paroi de la cavité (le tube, par exemple) évitant des élévations localisées de température de cette paroi, pouvant atteindre des températures de l'ordre dé 1000 C.  the maintenance of the plasma at a distance from the wall of the cavity (the tube, for example) avoiding localized elevations of temperature of this wall, which can reach temperatures of the order of 1000 C.

L'écoulement du fluide selon l'invention permet d'allonger considérablement le parcours du gaz dans la zone active en imprimant au flux de préférence un mouvement hélicoïdal (lorsqu'on utilise une cavité à symétrie axiale), et aussi en favorisant les échanges de matière par turbulence entre zones de haute et basse énergie du plasma.  The flow of the fluid according to the invention makes it possible to considerably lengthen the path of the gas in the active zone by impressing the flow preferably with a helical movement (when using an axially symmetrical cavity), and also by promoting the exchange of matter by turbulence between high and low energy zones of the plasma.

En pratique, il est préférable, notamment lorsqu'on veut maintenir le mouvement hélicoïdal de respecter un certain nombre de contraintes. De préférence: Il faut d'abord conserver la compacité du dispositif, sans ajouter si possible d'encombrement supplémentaire notable au dispositifne comportant par l'injection de gaz selon l'invention..  In practice, it is preferable, especially when one wants to maintain the helical movement to respect a certain number of constraints. Preferably: It is first necessary to maintain the compactness of the device, without adding if possible significant additional space to the device comprising by the injection of gas according to the invention.

II faut également conserver une perte de charge limitée sur le flux de gaz à traiter, imposée par la pression de fonctionnement à l'échappement de la pompe primaire dans le cas d'une utilisation pour la destruction des effluents issus d'un réacteur de fabrication de semi-conducteurs.  It is also necessary to maintain a limited pressure drop on the flow of gas to be treated, imposed by the operating pressure at the outlet of the primary pump in the case of use for the destruction of effluents from a manufacturing reactor of semiconductors.

D'une manière générale, l'injection de gaz sera de préférence tangentielle et 25 réalisée au moyen d'un ou plusieurs canaux ménagés dans la bride de 2873045 8 raccordement de la canalisation d'amenée du courant d'effluents gazeux en amont du tube à décharge.  In a general manner, the gas injection will preferably be tangential and carried out by means of one or more channels provided in the flange 2873045 for connecting the duct for supplying the effluent gas stream upstream of the tube. for discharge.

Dans le cas notamment d'un mouvement hélicoïdal du gaz, ce flux gazeux moteur utilisé pour obtenir un tel mouvement peut se réduire aux effluents gazeux susmentionnés provenant de l'échappement de la pompe primaire. Pour maintenir un tel mouvement de manière stable, il faut généralement que la quantité de mouvement tangentielle du gaz soit de préférence nettement plus grande que son homologue axiale. Cela implique de ménager des canaux d'arrivée tangentiels du gaz au niveau du raccord d'alimentation du tube qui soient chacun d'une section sensiblement plus faible que le diamètre du tube à décharge. Ceci ajoute une composante non négligeable à la perte de charge du dispositif, qui ne doit pas atteindre une valeur telle que la surpression totale à l'échappement de la pompe primaire dépasse la limite pratique permise.  In the case in particular of a helical movement of the gas, this gaseous motor flow used to obtain such a movement can be reduced to the aforementioned gaseous effluents from the exhaust of the primary pump. To maintain such movement stably, it is generally necessary that the tangential momentum of the gas is preferably substantially larger than its axial counterpart. This involves providing tangential inlet channels of the gas at the tube supply connection which are each of a section substantially smaller than the diameter of the discharge tube. This adds a significant component to the pressure drop of the device, which must not reach a value such that the total overpressure at the exhaust of the primary pump exceeds the practical limit allowed.

Cependant, les systèmes de traitement d'effluents sont généralement exploités à capacité variable souvent en permanence avec un à quatre réacteurs de procédé débitant à la fois. Pour maintenir le mouvement hélicoïdal, notamment tout en respectant une perte de charge maximale, le diamètre des canaux d'injections de gaz sera adapté au flux traité.  However, effluent treatment systems are generally operated with variable capacity often continuously with one to four process reactors discharging at a time. To maintain the helical movement, in particular while respecting a maximum pressure drop, the diameter of the gas injection channels will be adapted to the treated flow.

Pour s'adapter aux débits variables dans une large gamme, on pourra par exemple utiliser pour le lancement du vortex un flux de gaz moteur auxiliaire supplémentaire, qui ne sera pas nécessairement à la contrainte d'une surpression maximale en entrée. De manière plus précise, le fonctionnement d'un système de traitement d'effluents par plasma notamment micro-ondes nécessite en général l'ajout d'un ou plusieurs gaz auxiliaires réactifs, par exemple de l'air, de l'oxygène, de la vapeur d'eau, etc... apporté par exemple sous forme d'air comprimé. Très 2873045 9 souvent également, pour des raisons liées à l'exploitation, on augmente ce flux d'air au-delà de la simple valeur nécessaire à l'accomplissement des réactions chimiques de conversion des polluants. Ce flux d'air additionnel provient du réseau de distribution de l'usine de fabrication de semi-conducteurs, sous une pression de plusieurs bars. Il est donc parfaitement utilisable sur des orifices de petit diamètre. De plus la dilution supplémentaire introduite est largement compensée par l'augmentation de l'efficacité spécifique de destruction des polluants induites par la présence du flux de gaz selon l'invention, notamment le mouvement hélicoïdal de ces gaz.  To adapt to variable flow rates in a wide range, it may for example be used for the launch of the vortex additional auxiliary engine gas flow, which will not necessarily be constrained by a maximum overpressure input. More specifically, the operation of a system for treating plasma effluents, in particular microwaves, generally requires the addition of one or more reactive auxiliary gases, for example air, oxygen, water vapor, etc ... brought for example in the form of compressed air. Very often also, for reasons related to the operation, this air flow is increased beyond the simple value necessary for the accomplishment of the chemical reactions of conversion of the pollutants. This additional air flow comes from the distribution network of the semiconductor manufacturing plant, under a pressure of several bars. It is therefore perfectly usable on small diameter orifices. In addition, the additional dilution introduced is largely offset by the increase in the specific destruction efficiency of the pollutants induced by the presence of the gas flow according to the invention, in particular the helical movement of these gases.

Concrètement, le système d'injection peut prendre plusieurs formes. Les canaux tangentiels peuvent déboucher à un seul niveau ou à plusieurs. L'alimentation en gaz en amont des canaux d'injection (division du flux) est ménagée, de manière connue en soi, afin à ne pas ajouter de perte de charge significative.  In concrete terms, the injection system can take many forms. Tangential channels can lead to one level or many. The gas supply upstream of the injection channels (flow division) is arranged, in a manner known per se, so as not to add significant pressure drop.

Lorsqu'on utilise un tube diélectrique, par exemple comme décrit dans le brevet US-A-5,965,786, le diamètre interne maximal du tube est imposé par le phénomène de gradient radial de densité électronique de la décharge. Lorsqu'on augmente la valeur du diamètre interne du tube, toutes choses égales par ailleurs, on constate que l'efficacité de conversion des polluants croît tout d'abord du fait de l'augmentation du temps de résidence avec celle de la section. Toutefois, au-delà d'une certaine valeur, l'efficacité diminue du fait que la section de la décharge remplit une fraction de moins en moins importante de la section du tube et l'extension radiale de la zone froide périphérique augmente. Ainsi une proportion de plus en plus grande de molécules polluantes sont susceptibles de traverser le tube 2873045 10 dans une région de faible activité réactionnelle et le rendement de conversion du dispositif diminue.  When using a dielectric tube, for example as described in US-A-5,965,786, the maximum internal diameter of the tube is imposed by the radial gradient electron density phenomenon of the discharge. When the value of the internal diameter of the tube is increased, all other things being equal, it can be seen that the pollutant conversion efficiency increases first of all because of the increase in the residence time with that of the section. However, beyond a certain value, the efficiency decreases because the section of the discharge fills a smaller and smaller fraction of the section of the tube and the radial extension of the peripheral cold zone increases. Thus an increasing proportion of polluting molecules are able to pass through the tube in a region of low reaction activity and the conversion efficiency of the device decreases.

En adjoignant un mouvement hélicoïdal aux gaz, on peut utiliser un diamètre interne de tube diélectrique sensiblement plus grand que celui utilisé sans ce mouvement des gazsans encourir de chute importante de l'efficacité de conversion. L'utilisation d'un tube de plus grand diamètre permet de traiter des débits plus grands en augmentant la puissance fournie au plasma, sans accentuer la sollicitation thermique du tube et sans augmenter la perte de charge.  By adding a helical movement to the gases, it is possible to use a substantially larger dielectric tube internal diameter than that used without this gas movement, without incurring a significant drop in the conversion efficiency. The use of a larger diameter tube makes it possible to treat larger flows by increasing the power supplied to the plasma, without increasing the thermal stress on the tube and without increasing the pressure drop.

Exemple de réalisation.Example of embodiment.

Au dispositif décrit dans US-A-5,965,786 on adjoint un système d'injection hélicoïdale de gaz selon l'invention.  The device described in US Pat. No. 5,965,786 is accompanied by a helical gas injection system according to the invention.

L'invention va être illustrée sur les figures qui représentent: la figure 1, une vue en coupe du système d'injection de gaz selon 15 l'invention; la figure 2, une vue en coupe selon A du dispositif de la figure 1; la figure 3, une vue en coupe selon B du dispositif de la figure 1; les figures 4 et 5, en vue des différents résultats de mesures.  The invention will be illustrated in the figures which represent: FIG. 1, a sectional view of the gas injection system according to the invention; Figure 2 is a sectional view along A of the device of Figure 1; Figure 3 is a sectional view along B of the device of Figure 1; Figures 4 and 5, for the different measurement results.

Sur la figure 1, le dispositif d'injection de gaz 1 a été modifié par rapport aux dispositif décrit dans US-A-5,965,786 dans lequel on avait par exemple une seule injection tangentielle de gaz réalisée dans une ouverture cylindrique latérale de diamètre sensiblement égal à celle du tube diélectrique 5 où se produit le plasma (grâce à des moyens non représentés sur la figure). Si l'on considère l'axe X-A' orienté verticalement (axe du tube diélectrique 5 et de la cavité d'injection de gaz 4) les injections de gaz à traiter sont réalisées selon cet exemple au travers de la 2873045 11 pièce 2 selon quatre orifices d'injection 7, 8, 9 et 10 (figures 1 et 2) situées dans un plan perpendiculaire à X-X'. Ces orifices se prolongent respectivement par des canalisations respectivement 11, 12, 13 et 14 pour rejoindre la cavité d'injection des gaz 4. Ces quatre canalisations et orifices sont orientés respectivement à 90 selon cet exemple. Voir figure 2 qui est une coupe selon le plan orthogonal A-A au travers de la pièce 2. Au-dessus de la cavité d'injection des gaz se trouve l'électrode 3 permettant d'allumer le plasma. Dans le plan orthogonal B-B (voir coupe figure 3) se trouvent une seconde série d'orifices 20, 21 et de canalisations 22, 23 d'injection de gaz, disposées respectivement à 180 l'une de l'autre. Dans ces orifices, on injecte un gaz pr exemple sous pression (par exemple de 2 à 10 x 105 Pa) tel que l'air comprimé toujours disponible dans une usine de fabrication. Ce gaz sous pression va avoir un effet moteur pour former le mouvement hélicoïdal du gaz à traiter issu des quatre orifices dans le plan A-A.  In FIG. 1, the gas injection device 1 has been modified with respect to the devices described in US Pat. No. 5,965,786 in which there was, for example, a single tangential injection of gas made in a lateral cylindrical opening of diameter substantially equal to that of the dielectric tube 5 where the plasma is produced (by means not shown in the figure). If we consider the vertical axis XA '(axis of the dielectric tube 5 and the gas injection cavity 4) the gas injections to be treated are carried out according to this example through the 2873045 11 piece 2 according to four injection ports 7, 8, 9 and 10 (Figures 1 and 2) located in a plane perpendicular to X-X '. These orifices are respectively extended by pipes respectively 11, 12, 13 and 14 to join the gas injection cavity 4. These four pipes and orifices are respectively oriented at 90 according to this example. See Figure 2 which is a section along the orthogonal plane A-A through the room 2. Above the gas injection cavity is the electrode 3 to turn on the plasma. In the orthogonal plane B-B (see section Figure 3) are a second series of orifices 20, 21 and gas injection pipes 22, 23 disposed respectively 180 to one another. In these orifices, a pressurized gas is injected under pressure (for example from 2 to 10 × 10 5 Pa) such as the compressed air still available in a manufacturing plant. This pressurized gas will have a driving effect to form the helical movement of the gas to be treated from the four orifices in the plane A-A.

On peut injecter également le gaz de procédé à détruire dans le plan B-B, mais on préfère injecter de l'air, de l'azote, éventuellement un gaz oxydant favorisant une réaction avec les molécules détruites et sous pression, de préférence (entre 1 et 10 x 105 Pa). Toutes les orientations d'injection des différents gaz sont possibles, en particulier des orientations qui ne se faisaient pas dans un plan perpendiculaire à l'axe du tube, mais selon un angle inférieure à 90 (co- courant) ou supérieur à 90 (contre-courant), etc....  It is also possible to inject the process gas to be destroyed in the plane BB, but it is preferable to inject air, nitrogen, optionally an oxidizing gas favoring a reaction with the destroyed and under pressure molecules, preferably (between 1 and 10 x 105 Pa). All injection orientations of the different gases are possible, in particular orientations that were not made in a plane perpendicular to the axis of the tube, but at an angle less than 90 (co-current) or greater than 90 (against -current), etc ....

La division préalable du flux total pour alimenter de façon uniformément répartie les 4 canaux 7, 8, 9 et 10 dans l'exemple se fait usuellement à partir d'une chambre d'uniformisation (non représentée) dans laquelle se mélangent les flux de gaz et dont les conditions s'uniformisent, dans laquelle débouche la canalisation principale provenant des échappements des pompes. De cette chambre partent de 2873045 12 manière relativement symétriques quatre canalisations dérivées. Autant que possible, le flux d'entrée et les flux divisés de sortie de cette chambre doivent être parallèles pour ne pas ajouter de pertes de charge.  The preliminary division of the total flow to feed the 4 channels 7, 8, 9 and 10 in the example in a uniform manner is usually done from a uniformization chamber (not shown) in which the gas flows are mixed. and whose conditions are becoming standardized, in which the main line opens out from the exhausts of the pumps. From this chamber there are four relatively symmetrical ducts departing from. As much as possible, the input flow and the divided output flows of this chamber must be parallel so as not to add losses.

A fort débit (par exemple, quatre chambres de gramme connectées simultanément) un tel débit, il n'est pas nécessaire d'utiliser les canaux d'injection du flux de gaz auxiliaire (plan B-B) pour avoir une impulsion tangentielle suffisante pour maintenir le mouvement hélicoïdal du gaz. Toutefois, on peut injecter par ces canaux 22, 23 un flux d'air comprimé minimal servant à apporter la quantité d'oxygène nécessaire à l'accomplissement des réactions chimiques de conversion des molécules perfluorées.  At a high flow rate (for example, four gram chambers simultaneously connected) such a flow rate, it is not necessary to use the injection channels of the auxiliary gas flow (plane BB) to have a tangential pulse sufficient to maintain the flow. helical movement of the gas. However, it is possible to inject via these channels 22, 23 a minimum flow of compressed air serving to supply the quantity of oxygen necessary for the completion of the conversion chemical reactions of the perfluorinated molecules.

Des expériences de destruction ont été réalisées avec un mélange de SF6 dilué dans l'azote, à une concentration représentative de 5000 parties par million en volume (ppmv). On ajoute de l'oxygène comme gaz auxiliaire réactif à raison de 1,5 fois environ la quantité en volume de SF6 à traiter. La figure 4 montre l'évolution du taux de destruction de SF6 en fonction de la puissance micro-onde (nette) fournie au plasma, ainsi que la perte de charge totale entre l'entrée du gaz dans la chambre d'uniformisation et la sortie des gaz après refroidissement dans un échangeur thermique (non représenté sur la figure) servant à refroidir le gaz sortant en aval du tube diélectrique où a lieu la décharge.  Destruction experiments were performed with a mixture of SF6 diluted in nitrogen at a representative concentration of 5000 parts per million by volume (ppmv). Oxygen is added as a reactive helper gas at about 1.5 times the volume amount of SF6 to be treated. Figure 4 shows the evolution of the destruction rate of SF6 as a function of the microwave power (net) supplied to the plasma, as well as the total pressure drop between the gas inlet in the uniformization chamber and the outlet gases after cooling in a heat exchanger (not shown in the figure) for cooling the gas exiting downstream of the dielectric tube where the discharge takes place.

Les performances du même dispositif (toutes choses égales par ailleurs) selon USP 5,965,786 sans l'invention et avec l'invention (c'est-à-dire avec une pièce 2 comportant une seule entrée de gaz radiale selon un diamètre voisin de celui du tube 4 et une pièce selon l'invention avec ses injections tangentielles de gaz) sont considérablement améliorées.  The performance of the same device (all things being equal) according to USP 5,965,786 without the invention and with the invention (that is to say with a part 2 having a single radial gas inlet of a diameter close to that of the tube 4 and a part according to the invention with its tangential injections of gas) are considerably improved.

2873045 13 En effet, selon l'invention un taux de destruction de 90% est obtenu à une puissance de 3000 W environ, et un taux de destruction de 99% à 3500 W. Sans l'invention, il n'est pas possible de traiter un débit de 80 litres/mn (slm) avec des performances suffisantes pour présenter un intérêt pratique.  Indeed, according to the invention a destruction rate of 90% is obtained at a power of about 3000 W, and a destruction rate of 99% to 3500 W. Without the invention, it is not possible to process a flow of 80 liters / min (slm) with sufficient performance to be of practical interest.

En utilisant un dispositif sans mise en oeuvre de l'invention et avec seulement 60 slm de débit, il faut plus de 5500 W pour détruire à 95 % la même concentration de 5000 ppmv de SF6. Par comparaison avec l'invention (60 slm et même mélange) il suffit de moins de 2500 W. Des mesures additionnelles à 80 slm ont montré que le résultat dépend peu 10 de la concentration de SF6 entre 1000 et 5000 ppmv.  By using a device without implementation of the invention and with only 60 slm of flow, it takes more than 5500 W to destroy at 95% the same concentration of 5000 ppmv of SF6. Compared with the invention (60 slm and same mixture) it is sufficient less than 2500 W. Additional measurements at 80 slm showed that the result depends little on the concentration of SF6 between 1000 and 5000 ppmv.

La perte de charge reste parfaitement dans les limites prescrites pour l'exploitation industrielle, avec une certaine marge pour le cas des fluctuations inopinées qui pourraient résulter de certaines conditions de fonctionnement.  The pressure drop remains perfectly within the limits prescribed for industrial operation, with a certain margin for the case of unanticipated fluctuations that could result from certain operating conditions.

En outre, on constate effectivement un changement radical dans la répartition spatiale du plasma et sa stabilité dans le temps. Le plasma reste bien centré sur l'axe et présente une extension radiale apparente moins grande que dans le cas de l'injection sans injection hélicoïdale des gaz. On a visualisé avec une caméra à travers un tube transparent en silice en incidence latérale: cette visualisation a montré l'absence d'instabilités avec décentrage et l'absence de collage du plasma à la paroi du tube. On a également réalisé des visées axiales dans un tube de céramique qui confirment la fixité du plasma au centre de la section du tube.  In addition, there is indeed a radical change in the spatial distribution of the plasma and its stability over time. The plasma remains well centered on the axis and has a smaller apparent radial extension than in the case of the injection without helical injection of the gases. One visualized with a camera through a transparent tube in silica in lateral incidence: this visualization showed the absence of instabilities with decentering and the absence of sticking of the plasma to the wall of the tube. Axial shots have also been made in a ceramic tube which confirm the fixity of the plasma at the center of the section of the tube.

On a également constaté que la quantité de chaleur rayonnée par le plasma était moindre avec l'invention que sans l'invention.  It has also been found that the amount of heat radiated by the plasma is less with the invention than without the invention.

2873045 14 Des expériences de destruction dans les conditions nominales ont pu être poursuivies pendant plusieurs heures dans un tube à décharge en silice, sans aucun dommage constaté sur les parois du tube, notamment de dépolissage suite à l'attaque chimique en surface par les composés fluorés corrosifs. En comparaison, sans mise en oeuvre de l'invention et dans les même conditions, un tube en silice est percé par érosion chimique et/ou fusion locale en quelques minutes.  2873045 14 Destruction experiments under nominal conditions could be continued for several hours in a silica discharge tube, without any damage found on the walls of the tube, in particular etching after surface etching by the fluorinated compounds corrosive. In comparison, without implementation of the invention and under the same conditions, a silica tube is pierced by chemical erosion and / or local melting in a few minutes.

Pour des débits totaux de 50 et 60 slm, on utilise le même mode d'injection (effluents de procédé entrant par les 4 canaux tangentiels de diamètre environ moitié de celui du tube diélectrique et injection d'air comprimé par les deux canaux 22, 23 de diamètre environ moitié des canaux 1, 8, 9 et 10). Le taux de destruction ramené à la puissance micro-onde est sensiblement meilleur qu'à 80 slm et la perte de charge diminue.  For total flow rates of 50 and 60 slm, the same mode of injection is used (process effluents entering through the 4 tangential channels of diameter approximately half that of the dielectric tube and injection of compressed air by the two channels 22, 23 about half the diameter of the channels 1, 8, 9 and 10). The rate of destruction brought back to the microwave power is significantly better than 80 slm and the pressure drop decreases.

Lorsqu'on réduit le flux total en-dessous de 50 slm, on peut encore dans cette configuration d'alimentation entretenir un mouvement hélicoïdal stable pour un débit aussi bas que 30 slm. Toutefois, on constate un peu moins de stabilité dans l'écoulement des gaz. . A faible débit, il est donc préférable d'utiliser les canaux d'injections auxiliaires 22, 23 pour apporter une force motrice supplémentaire pour l'entretien 20 du mouvement hélicoïdal du gaz, en augmentant le débit additionnel d'air ou d'azote à concurrence d'un débit total de 50 slm par exemple: Ainsi, lorsqu'une seule chambre de gravure est en fonctionnement (débit de 20 slm environ) on ajoute 30 slm d'air ou d'azote par les canaux d'injection auxiliaires lorsque l'échappement de l'équipement de procédé débite 20 slm (une) 2873045 15 On ajoute 10 slm d'air ou d'azote par les canaux d'injection auxiliaires lorsque l'échappement de l'équipement de procédé débite 40 slm (deux chambres de gravure en fonctionnement) La figure 5 montre l'évolution du taux de destruction et de la perte de charge en fonction de la puissance micro-ondes nette, dans le premier cas ci-dessus (20 + 30 slm). On notera que les courbes sont très similaires pour le second cas (40 + 10 slm) quelle que soit la concentration en gaz perfluoré, notamment comprise entre 1000 ou 5000 ppm.  When reducing the total flow below 50 slm, it is still possible in this power configuration to maintain a stable helical movement for a flow rate as low as 30 slm. However, there is a little less stability in the flow of gases. . At low flow rate, it is therefore preferable to use the auxiliary injection channels 22, 23 to provide additional motive power for the maintenance of the helical gas movement, by increasing the additional air or nitrogen flow rate at the same time. For example, when only one etching chamber is in operation (flow rate of approximately 20 slm), 30 slm of air or nitrogen is added via the auxiliary injection channels when exhaust of process equipment discharges 20 slm (one) 2873045 10 slm of air or nitrogen is added through the auxiliary injection channels when exhaust of the process equipment delivers 40 slm (two Figure 5 shows the evolution of the destruction rate and the pressure drop as a function of net microwave power, in the first case above (20 + 30 slm). Note that the curves are very similar for the second case (40 + 10 slm) regardless of the concentration of perfluorinated gas, especially between 1000 or 5000 ppm.

L'invention décrite ci-dessus ne se limite pas aux plasmas d'onde de surface mais concerne tout plasma micro-ondes atmosphérique entretenu dans une cavité, notamment un tube diélectrique, que ce soit à partir d'une cavité résonnante ou à l'intérieur d'un circuit micro-ondes, par exemple dans un guide rectangulaire creux.  The invention described above is not limited to surface wave plasmas but concerns any atmospheric microwave plasma maintained in a cavity, in particular a dielectric tube, whether from a resonant cavity or at the inside a microwave circuit, for example in a hollow rectangular guide.

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Claims (12)

REVENDICATIONS 1. Procédé de destruction d'un gaz ou mélange de gaz et notamment d'effluent gazeux fluorés, dans lequel au moins une liaison entre deux atomes d'au moins une molécule dudit gaz ou mélange de gazeux est rompus sous l'action d'un champ électrique et/ou magnétique auquel est soumis ledit gaz ou mélange de gaz, caractérisé en ce que le flux de gaz ou mélange de gaz est injecté à travers le champ électrique et/ou magnétique de manière non rectiligne afin d'augmenter la longueur parcourue par les molécules de gaz au travers dudit champ et ainsi augmenter l'efficacité de destruction des molécules de gaz ou mélange de gaz.  1. A method for destroying a gas or a mixture of gases and especially fluorinated gaseous effluent, wherein at least one bond between two atoms of at least one molecule of said gas or mixture of gases is broken under the action of an electric and / or magnetic field to which said gas or gas mixture is subjected, characterized in that the flow of gas or mixture of gases is injected through the electric and / or magnetic field in a non-rectilinear manner in order to increase the length traversed by the gas molecules through said field and thus increase the destruction efficiency of the gas molecules or gas mixture. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz ou mélange de gaz est injecté dans le champ avec une quantité de mouvement tangentielle du gaz ou mélange de gaz supérieure à la quantité de mouvement axiale dudit gaz ou mélange de gaz.  2. Method according to claim 1, characterized in that the gas or gas mixture is injected into the field with a tangential amount of movement of the gas or gas mixture greater than the amount of axial movement of said gas or mixture of gases. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la quantité de mouvement tangentiel est très supérieure à la quantité de mouvement axiale.  3. Method according to claim 2, characterized in that the tangential momentum is much greater than the amount of axial movement. 4. Procédé selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce que au moins une partie du gaz ou mélange de gaz est injectée avec une composante tangentielle de vitesse dans une cavité tubulaire avant d'être soumise à l'action du champ électrique et/ou magnétique.  4. Method according to claims 1 to 3, characterized in that at least a portion of the gas or gas mixture is injected with a tangential component of velocity in a tubular cavity before being subjected to the action of the electric field and / or magnetic. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le gaz ou mélange de gaz est injecté par l'intermédiaire d'une pluralité d'injection comportant une composante tangentielle.  5. Method according to claim 4, characterized in that the gas or gas mixture is injected via a plurality of injection comprising a tangential component. 6. Procédé selon les revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les 25 injections tangentielles sont régulièrement réparties sur la circonférence.  6. Method according to claims 1 to 5, characterized in that the tangential injections are regularly distributed over the circumference. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les injections sont situées dans le même plan.  7. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the injections are located in the same plane. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les injections sont dans des plans différents.  8. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the injections are in different planes. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les injections situées dans un même plan sont régulièrement réparties.  9. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the injections in the same plane are regularly distributed. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les injections de gaz à traiter sont réalisées dans un premier plan et une injection de gaz moteur tel que l'air, l'azote ou l'oxygène est réalisée dans un second plan, de préférence parallèle au premier.  10. Method according to one of claims 1 to 9, characterized in that the injections of gas to be treated are made in a first plane and an injection of engine gas such as air, nitrogen or oxygen is achieved in a second plane, preferably parallel to the first. 11. Appareil d'injection de gaz pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que cet appareil comporte au moins un premier canal d'injection de gaz, de préférence situé dans un plan perpendiculaire à l'axe dudit tube dont l'extrémité supérieure est fermée.  11. Gas injection apparatus for carrying out the method according to one of claims 1 to 10, characterized in that this apparatus comprises at least a first gas injection channel, preferably located in a perpendicular plane. to the axis of said tube whose upper end is closed. 12. Appareil selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un second canal d'injection de gaz, de préférence situé dans un plan perpendiculaire à l'axe du tube.  12. Apparatus according to claim 11, characterized in that it comprises at least a second gas injection channel, preferably located in a plane perpendicular to the axis of the tube.
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