KR100372186B1 - 환경적으로유해한화합물의분해장치및분해방법 - Google Patents

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Abstract

환경적으로 바람직하지 않은 물질일 수 있는 화합물을 분해하기 위한 장치 및 방법은 화합물(70) 유동을 가열된 부재(30) 상에 충돌시키므로써 달성된다. 부재(30)가 복수개의 개구를 갖는 실시예, 부재(30)의 형상이 화합물 유동을 특정 방향으로 향하게 되어 있는 실시예, 부재(30)가 반응 챔버(20)의 벽에 자기 지지되는 실시예 등이 가능하다.

Description

환경적으로 유해한 화합물의 분해 장치 및 분해 방법
발명의 배경
본 발명은 환경적으로 유해한 화합물(chemical compounds)의 분해에 관한 것으로, 특히 환경적으로 유해한 화합물을 환경적으로 허용가능한 물질로 분해하는 장치 및 방법에 관한 것이나, 이에 한정되는 것은 아니다.
화합물, 특히 할로겐화된 유기 화합물 또는 휘발성 유기 화합물과 같은 환경적으로 바람직하지 않은 물질(유해 물질을 포함할 수 있는)은 반응 매체, 용매 및 냉각제와 같은 많은 제조분야에서 폭 넓게 사용되고 있다.
널리 공지된 바와 같이, 이러한 환경적으로 바람직하지 않은 물질은 유해한 물질을 발생시키고 성층권의 오존층을 파괴하며 지구 온난화 현상을 발생시키는 것에 의하여 인간과 환경에 유해하다. 이러한 환경적으로 바람직하지 않은 물질들이 중공업, 화학, 자동차 및 제약산업에서 폭넓게 사용되지만, 이러한 물질의 사용이 정지되거나 또는 엄격히 제한되든지 아니면 이러한 물질의 파괴가 증가하는 규정에 적합하도록 개선되어야만 한다는 것은 분명한 사실이다.
많은 제조분야에서, 환경적으로 허용가능한 대체물질을 현재 얻을 수 없기 때문에, 환경적으로 바람직하지 않은 많은 물질들의 사용을 중지하는 것은 불가능하다. 그러므로, 환경적으로 바람직하지 않은 물질을 환경적으로 허용가능하거나 유해하지 않은 물질로 분해하는 효율적이고 저렴한 방법은, 오염 방지 규정에 적합하고 환경을 보호할 필요가 있으며, 또한 환경적으로 허용불가능한 물질의 사용을 요구하는 제품의 제조를 지속할 필요가 있다.
과거에, 환경적으로 바람직하지 않은 물질을 분해하거나 환경적으로 허용가능한 물질로 바꾸는 기술로는 주로 세가지가 있었다. 제 1 방법은 환경적으로 바람직하지 않은 물질을 분해하기 위해 무선 주파수(RF) 유도 플라즈마 반응을 이용한다. 그러나, RF 플라즈마 유도 반응만을 사용하는 방법은 특정한 환경적으로 바람직하지 않은 물질을 필요한 효율 레벨로 파괴하는데 효율적이 아닌것으로 판명되거나 저렴하지 않은 것으로 판명되었다. 현재 입수가능한 유닛들로는 할로겐화된 유기 화합물을 적절한 효율로 파괴할 수 없다. 이러한 방법의 결점중 하나는 환경적으로 바람직하지 않은 물질을 파괴하기 위해 플라즈마를 제어된 형태로 유지하는 것이 어렵다는 것이다.
환경적으로 바람직하지 않은 물질을 파괴하는 제 2 방법은 환경적으로 바람직하지 않은 물질을 연소시키는 것이다. 연소 기술은 수소 또는 탄화수소의 형태로 대단히 많은 양의 연료를 연소시키는 것으로 인하여 극히 낮은 효율을 가진다. 덧붙여, 연소는 진공에서 실시될 수 없으므로, 제조에 사용되는 진공 펌프는 환경적으로 바람직하지 않은 물질에 노출되어야 하고, 이는 진공 펌프의 유지 비용을 증가시킨다. 특정 상황에서는, 진공 펌프가 환경적으로 바람직하지 않은 물질에 노출되는 것을 방지하기 위해 환경적으로 바람직하지 않은 물질을 진공하에 파괴하는 것이 필요하게 된다.
환경적으로 바람직하지 않은 물질을 분해하는 제 3 방법은 환경적으로 바람직하지 않은 물질을 저온 펌핑(cryopumping)에 의해 액체 형태로 변형시키는 것이다. 환경적으로 바람직하지 않은 물질의 액체 형태는 회수 가능하지만, 여전히 환경적으로 불안전하고, 취급 및 운반을 통하여 위험성이 요구된다. 이 방법의 결점은 매우 비싸고 유지 비용이 증가한다는 것이다. 덧붙여, 저온 펌핑 장치는 많은 자취를 남긴다. 환경적으로 바람직하지 않은 물질이 제조되는 넓은 공간은 많은 제조 상황에서 이용될 수 없다. 덧붙여, 저온 펌프가 이용되면 잠재적으로 위험한 상황이 일어날 수 있는 바, 응축된 형태에서 발화성을 갖고 여전히 유해한 물질인 화합물로 응축될 가능성이 있다. 이러한 위험으로 인하여, 저온 펌핑은 많은 산업분야에서 대안이 될 수 없다.
할로겐화된 유기 화합물과 같은 환경적으로 바람직하지 않은 물질의 파괴를 위한 목표 효율은 80% 이상이다. 상기 방법들중 어느것도 저렴한 방식으로 이러한 레벨의 효율을 제공하는 것은 없다. 그러므로, 효율적이고 저렴한 방법을 사용하여 환경적으로 바람직하지 않은 물질을 파괴하는 것이 필요하게 된다.
발명의 개요
본 발명의 환경적으로 유해한 화합물의 분해 장치 및 방법은, 화합물을 유입시키기 위한 유입구 및 유출구를 가지는 반응 챔버와, 상기 반응 챔버내에 배치되는 부재와, 상기 부재를 가열하는 에너지를 발생시킬 수 있는 에너지 소스와, 상기 부재가 가열될 때 부재로부터의 열을 화합물이 흡수하도록 반응 챔버의 유입구에 물리적으로 결합되어 화합물의 유동을 부재에 충돌시키는 도관을 포함한다.
실시예의 설명
환경적으로 바람직하지 않은 물질일 수 있는 화합물(70)을 환경적으로 허용가능한 물질인 최종 생성물(77)로 분해 또는 반응시키거나, 환경적으로 허용가능한 물질로의 변환 이전에 추가로 이용될 수 있는 물질로 분해 또는 반응시키는 장치와방법이 제공된다.
제 1 도는 본 발명의 장치의 한 실시예의 간단화된 개략도이다. 하우징(10)은 반응 챔버(20)를 에워싸도록 제공된다. 하우징(10)의 내측 또는 외측에 에너지 소스(60)가 배치된다. 에너지 소스(60)로부터 에너지(62)가 발생되어 반응 챔버(20)로 전달된다. 반응 챔버(20)의 벽들중 일부는 에너지 소스(60)에 의해 만들어진 에너지(62)를 전달해야 한다. 벽의 예는 석영으로 만들어지고 반응 챔버(20)에 형성된 윈도우이다. 하우징(10)의 벽은 에너지 소스(60)로부터의 에너지(62)를 수용하는 물질로 구성되어야 한다. 스테인레스강이 그러한 물질의 한 예이다. 하우징(10)은 반응 챔버(20)의 유입구(22) 및 유출구(24)에 각각 물리적으로 결합되는 유입구(12) 및 유출구(14)를 가진다. 반응 챔버(20)의 유입구(22) 및 유출구(24)는 반응 챔버(20)의 벽에 있는 개방부로서 도시되었다.
반응 챔버는 화합물(70)의 파괴 또는 분해를 위한 반응 영역을 제공한다. 화합물(70)은 가스 상태로의 화합물로서 한정된다. 화합물(70)의 예는 처리 공구(82)에 의해 발생될 수도 있는 할로렌화된 유기 화합물, 수화물, 또는 휘발성 유기화합물이다. 처리 공구(82)의 예는 반도체 처리에서 사용되는 RF 플라즈마 증착 또는 에칭 공구이다,
화합물(70)은 적절한 효율로 분해되도록 부재(30)를 향하여 도입되거나 충돌해야 한다. 화합물(70)은 분해되었을 때, 최종 생성물(77)을 형성하도록 반응 챔버(20)에 제공된 반응 물질(후술됨)과 반응할 수 있다. 최종 생성물(77)은 화합물(70)의 분해된 부분으로 구성된다. 최종 생성물(77)은 환경적으로 허용가능한물질이다. 최종 생성물(77)은 유출구(24)와, 반응 챔버(20)의 유출구(24)와 물리적으로 결합된 도관(50)을 통하여 빠져나간다. 최종 생성물(77)은 도관(50)을 통해 빠져나간 후에 대기로 배출되거나 세정(scrubber) 시스템을 통해 이동할 수 있으며, 상기 세정 시스템에서는 그 일부가 대기로 방출될 수 있는 다른 물질과 반응할 것이다. 세정 시스템은 이 기술분야에서 공지되어 있는 것이다.
특정한 적용에서는, 반응 챔버를 진공으로 하는 것이 바람직하거나 필요하다. 진공은 도관(50)에 물리적으로 결합된 진공 펌프(79)에 의하여 반응 챔버(20)에 제공될 수 있다. 그러므로, 반응 챔버(20)는, 화합물(70)을 발생시키는 처리 공구 또는 설비(82)와 진공 펌프(79) 사이에 배치될 수 있다. 진공 펌프(79)는 진공에서 동작하는 화합물을 만드는 처리 공구(82)의 하류측에 위치하는 많은 처리에서 이미 사용된 것과 동일한 펌프일 수 있다.
본 발명의 작업은 100 밀리토르 또는 그 이상에서 행해진다. 그러나, 본 발명의 잇점은 작업이 100-500 토르 주위에서 일어날 수 있다는 것이다. 비록, 작업이 이러한 레벨 이상에서 발생할 지라도, 확실한 안전 요건은 이러한 형태의 장치가 대기압(760 토르) 이상에서 작동하는 것을 방지한다. 화합물을 분쇄하는 전술한 종래의 순수 RF 플라즈마 방법은 토르 범위가 아닌 밀리토르 범위에서만 작동할 수 있는 바, 그 이유는 수소 연료와 같은 RF 플라즈마를 유지하는 다른 저렴한 수단을 도입할 필요없이 RF 플라즈마를 유지하려면 1 토르 이하에 있어야만 되기 때문이다.
반응 챔버(20)의 크기는 중요하다. 반응 챔버(20)는 화합물(70)이 파괴될수 있도록 충분한 시간 잔류하기 위해 충분히 커야 된다. 통상, 본 발명의 장치의 자취는 화합물(70)을 생성하는 설비 근처에서 사용되거나 루프(roof) 세정 시스템의 부품으로서 사용될 수 있도록 충분히 작다.
반응 챔버(20)의 벽의 내측은 통상 화합물(70) 또는 최종 생성물(77)과 반응하지 않는 물질로 구성된다. 반응 챔버(20)의 벽(에너지(62)를 전달하는 부분은 제외)은 예를들어 반응 챔버(20)에서 발생하는 반응물로부터 방출된 에너지 및 (후술되는) 부재(30)로부터 방사되는 에너지와 같은 방사 에너지에 대해 투과적이거나 비투과적일 수 있다.
투과벽은 석영으로 구성될 수도 있다. 투과벽은 특정 방사 에너지 수단이 빠져나가도록 할 수 있다. 특정 형태의 화합물(70)을 파괴할 때, 일부 방사에너지가 빠져나갈 수 있게 되면 최종 생성물(77)을 향한 반응이 구동된다. 방사 에너지의 일부가 반응 챔버에서 유지되면, 반응은 화합물(70)을 향하여 다른 방식으로 구동될 수도 있다. 반응 챔버(20)의 벽이 석영으로 구성되는 경우에, 화합물(70)이 이미 파괴되거나 최종 생성물(77)을 형성하도록 부재(30)의 일부분과 반응되었기 때문에 화합물(70)과 반응벽의 석영 사이에서 반응이 발생하지 않고, 한 실시예에서, 석영은 에너지 소스(60)의 에너지(62)와 유도적으로 결합할 수 없으므로, (부재(30)의 온도에 대해) 차갑게 유지되고, 이는 그 표면 가까이에서 화합물(70)을 분해하기 위한 필요한 가열을 제공하지 못한다.
비투과 벽은 방사에너지 흡수 피복에 의해 에너지 소스(60)의 에너지(62)와 결합하지 않는 금속, 예를 들면 이는 블랙 양극산화처리 또는 블랙 망간 산화물 피복을 구비한 강 또는 알루미늄으로 구성될 수 있다. 비투과 벽은 반응 챔버(20)로부터 방사에너지를 일부 흡수하여 전달하고, 최종 생성물(77)로의 반응을 구동한다. 덧붙여, 비투과벽의 금속은 다른 물질에서 볼 수 없었던 내식성을 제공한다.
부재(30)는 반응 챔버(20)내에 위치된다. 부재(30)는 플레이트이며, 에너지 소스(60)에 의해 가열될 수 있는 물질로 구성된다. 바람직한 실시예에서, 부재(30)의 가열되는 부분은 대략 200-1400℃ 의 온도로 가열된다. 200℃ 이하의 온도는 대부분의 화합물(70)을 분해할 수 없다고 믿어진다. 1400℃ 이상의 온도는 사용된 물질을 용융하기 때문에 바람직하지 않다. 부재(30)의 다양한 실시예의 형상, 크기 및 조성에 대해 후술한다. 부재(30)는 지지 구조물(35)에 의하여 반응 챔버(20)에 위치된다. 지지 구조물(35)은 반응 챔버(20)에서의 온도에 견딜 수 있는 재질로 구성된다. 석영은 지지 구조물(35)을 만들 수 있는 물질의 한 예이다. 다른 지지 수단은 다음에 기술된다.
반응 챔버(20)에는 특정 종류의 반응물질이 분해된 화합물(70)과 반응하도록 제공되므로써, 분해된 화합물은 다시 조합되지 못한다. 본 발명의 선택적인 특징은 반응 챔버(20)내로의 반응물질(90) 도입이다. 반응물질(90)은 하우징(10)을 통하여 제공되는 유입구(80)를 통하여 반응 챔버(20) 안으로 제공될 수 있다. 대안적으로, 반응물질(90)은 도관(48)을 통해 반응 챔버(20)로 들어가기 전에 화합물(70)과 혼합될 수도 있다. 특정 처리에 있어서, 반응물질(90)은 화합물(70)과 함께 공구(82)로부터 발생될 수도 있다.
반응물질(90)은 최종 생성물(77)의 전부 또는 일부를 형성하도록 화합물(70)과 반응하는 물질이다. 반응물질(90)은 화합물(70)과 반응하는 수증기, 산소, 암모니아, 수소, 메탄 또는 질산화물과 같은 산화제 또는 환원제일 수도 있다. 화합물(70) C2F6와 H2O의 반응의 일예는 C2F6+ O2+ H2O → CO2+ HF 이다. 반응물질(90)이 이용되면, 부재(30)의 침투된 표면은 화합물(70)과 반응하지 않는 물질로 구성되거나 또는 구성되지 않을 수도 있다.
에너지 소스(60)는 통상 전자 열 발생기이며, 전자빔과 같은 다른 수단이 사용될 수 있다. 연료의 사용이나 연소, 또는 가열부재(30)에 대한 전자빔의 사용은 비용, 안전성 및 청정도 관점에서 바람직하지 않다. 연소 공정은 이것이 바람직하지 않은 최종 생성물을 생성하기 때문에 바람직하지 않다. 에너지 소스(60)가 전기 열 발생기로 구성될 때, 상기 부재(30)의 적어도 일부분은 에너지 소스(60)에 의해 200℃ 이상의 온도로 전기적으로 가열되야만 된다.
가장 바람직하게, 에너지 소스(60)는 마이크로파 에너지 소스로 구성된다. 화합물을 파괴하는데 있어서 부재(30)로부터의 열과 함께 마이크로파 에너지에 의한 화합물의 분자 진동이 필요하다고 믿어지기 때문에 마이크로파 에너지 소스가 가장 바람직하다. 저주파수에서 행해지는 유전체적인 가열 형태보다는 오히려 마이크로파 에너지 소스가, 0.9 GHz 보다 낮은 주파수 범위를 가지는 다른 에너지 소스를 사용하는 것에 의하여 적절한 효율 레벨에서 파괴되는 특정 화합물을 파괴하는 것이 필요하다고 믿어진다. C2F6는 마이크로파 에너지의 사용없이는 적절한 레벨로 분해되지 않는 것으로 믿어진다. 마이크로파 에너지 소스가 분해를 위해 필요하지 않은 경우에도, 마이크로파 에너지 소스는 저렴한 비용, 작업성 및 자본 때문에 여전히 바람직하다.
마이크로파 에너지 소스는 100 내지 5,000 와트의 전력 및 0.9 내지 10 GHz의 마이크로파 주파수에서 작동한다. 비용 측면에서 2.45 GHz 의 주파수가 가장 바람직하며 이는 상업적인 사용을 위해 연방정부의 승인을 받았다. 마이크로파 에너지 소스가 사용될 때는, 하우징(10) 외부의 에너지 소스(60)와 제 1 도에 도시하듯이 도파관(65)을 통해 반응 챔버(20)내로 공급되는 에너지(62)를 갖는 것이 바람직하다.
마이크로파 에너지 소스가 사용될 때, 부재(30)는 마이크로파 에너지와 유도결합되는 물질로 구성되어야 한다. 마이크로파 에너지와 유도 결합되는 물질은 마이크로파 에너지에 의해 200℃ 이상의 온도까지 직접 가열될 것이다. 마이크로파 에너지에 유도 결합되는 적절한 물질의 예로는 납, 아연, 주석, 안티몬, 은, 철, 티탄, 니켈, 코발트 또는 그 합금이 있다. 다른 물질도 마이크로파 에너지 소스와 결합될 수 있으나, 독성이 있거나 작동 온도에서의 증발과 같은 바람직하지 않은 특성을 가지므로 부적절하다. 마이크로파 에너지와 유도 결합되지 않는 물질의 예로는 구리, 금, 실리콘, 석영, 기타 유리, 및 세라믹이 있다. 마이크로파 에너지와 유도 결합하지 않는 물질은 마이크로파 에너지와 유도 결합하는 물질로 도우핑될 수 있다. 예로써, 부재(30)는 마이크로파 에너지와 결합하는 상기 물질중 임의의 물질로 도우핑된 실리콘 카바이드로 구성되어도 좋다.
화합물(70)이 반응 챔버(20)내로 유입되는 방식은 본 발명에서 중요한 것이다. 화합물(70)은 고온의 벽 반응이 일어날 수 있도록 반응 챔버내로 유입되어 부재(30)에 대해 부딪히거나 충돌한다. 상기 부재(30)가 제 1 도에 도시하듯이 두 주면(major surfaces)을 갖는 판 형상으로 성형되면, 화합물(70)이 부딪히는 부재(30)의 주면이 화합물(70)의 유동과 평행하지 않도록 상기 부재를 배치하는 것이 바람직하다. 이를 기술하는 다른 방법은 부재(30)의 주면을 화합물(70)의 유동에 거의 수직하게 배치하는 것이다.
최적하게, 화합물(70)이 예를 들어 할로겐화된 유기 화합물로 구성될 때, 화합물은 단단한 피충돌면을 갖는 부재(30)에 대해 부딪히거나 충돌되도록 반응 챔버내로 유입된다. 할로겐화된 유기 화합물은 알콜 등의 휘발성 유기화합물보다 활성에너지가 크며, 적절한 분해 효율에 도달하려면 물리적 충돌을 요하는 것으로 믿어진다.
제 1 도의 실시예에서, 도관(40)은 반응 챔버(20)의 유입구(12)와 하우징(10)의 유입구(24)에 물리적으로 연결된다. 도관(40)은, 화합물(70)이 생성되는 처리 공구(82)에 결합되는 단부(42)와 화합물(70)이 반응 챔버(20)내로 유출되는 유출단부(44)를 갖는다. 도관(40)은, 화합물(70)이 반응 챔버(20)내로 유출될 때 화합물(70)의 유동을 반응 챔버(20)의 제한된 부분으로 제한하고 이 유동을 부재(30)쪽으로 향하게 하므로써, 화합물(70)을 반응 챔버(20)내로 도입한다. 반응 챔버(20)내부에 있는 도관(40)부분은 에너지 소스(60)로부터의 에너지(62)가 투과할 수 있는 석영과 같은 물질로 구성되어야 한다. 반응 챔버(20) 외부의 도관(40) 부분은 예로서 스테인레스 스틸로 구성될 수 있다. 도관(40)의 내부 단면적은 다른 것들중에서 화합물(70)의 소정 유량에 따라 다르다. 도관(40)을 반응 챔버(20)내로 연장시키는 목적은 상기 유동을 부재(30)쪽으로 향하게 하고, 에너지 소스(60)가 마이크로파 에너지로 구성되면 화합물(70)을 부재(30)에 충돌하기 이전 및 충돌하는 도중에 마이크로파 에너지에 노출시키기 위한 것이다. 이러한 노출은 특정 화합물(70)을 적절한 효율로 분해시키기 위해 필요할 수도 있다.
화합물(70)의 최적 분해를 달성하기 위해, 출구 단부(44)는 상기 부재(30)에 최대한 가깝게 위치한다. 이 위치는 화합물(70)의 비제한적 유동을 갖는 것이 바람직하므로 반드시 선호되지는 않으며 여기서 화합물(70)은 처리 공구(82)내로 역류하지 않는다. 도관(40)의 출구 단부(44)와 상기 화합물(70)이 유입되는 부재(30)의 주면 사이의 최소 거리(73)는 화합물의 유량이 변경되지 않는 거리이며, 따라서 부재(30)를 향한 화합물(70)의 유입은 화합물(70)을 발생시킨 처리 공구(82)에 대해 투과적이다. 이 최소 거리는 또한 도관(40)의 내부 단면적이 도피 표면적과 동일한 거리로서 계산될 수 있으며, 이는 부재(30)의 피충돌면과 출구 단부(44)로부터의 거리와, 도관의 내부 단면적의 둘레 길이의 곱으로 정의된다. 이는 화합물(70)을 생성하고 또한 오염될 가능성이 있는 처리 공구(82)내로 화합물(70)이 전혀 역류하지 않으므로 선호된다.
전술했듯이, 화합물(70)은 최소 80% 의 분해 효율을 얻기 위해 부재(30)를 향해 유입되거나 충돌해야 한다. 화합물(70)이 유입되는 부재(30)의 표면은 화합물(70)의 유동 경로에 있어야 한다. 출구 단부(44)는 부재(30)로부터 화합물(70)로 열을 전도 및 방사시키므로써 열을 이동시키기 위해 부재(30)의 주면에 거리(73)로 도시했듯이 충분히 근접해야 하며, 그렇지 않으면 화합물(70)의 분해는 80% 이상의 효율로 이루어지지 않는다.
출구 단부(44)는 화합물을 최소 80% 의 효율로 분해하기 위해 화합물의 충분한 고온 벽 반응이 발생하는 부재로부터의 이격 거리 이상 떨어져 위치해서는 안된다. 부재(30)를 향한 화합물(70)의 유입이 처리 공구(82)에 투과적인 거리의 두배거리는 80% 이상의 분해 효율이 얻어질 최대 거리인 것으로 믿어진다.
상기 최대 거리를 정하기 위한 다른 방법은 도피 표면적이 도관(40)의 단면적과 동일한 거리에 2 를 곱하는 것이다. 도관(40)의 출구 단부(44)를 상기 최대거리보다 멀리 배치시키면 너무 많은 화합물이 부재(30)와 물리적으로 접촉할 수 없으며 화합물(70)이 부재(30)로부터 열을 수용할 수 없고 따라서 80% 이상의 분해효율이 결코 달성되지 않을 것이다.
적절한 분해 효율이 얻어지는 출구 단부(44)와 부재(30) 사이의 정확한 거리(73)는 여러 파라미터중 화합물(70)의 유량, 조성 및 부재(30)의 온도와 같은 파라미터에 따라 변화한다. 중요한 파라미터가 일단 정해지면 당업자는 본 발명에 따라 반응 영역을 적절히 설계할 수 있다.
본 발명이 소정의 화합물(70) 분해 효율을 가지려면 에너지 소스(60)는, 반응 챔버(20)에서 화합물(70)이 (후술되는) 플라즈마 유도 반응과 함께 또는 상기 반응이 없이 열이 부재(30)로부터 화합물(70)에 의해 수용될 때 소정 효율의 화합물(70) 분해가 가능하도록 부재(30) 가열을 위한 에너지를 충분히 공급해야 한다.
화합물(70)이 부재(30)로부터의 열을 흡수하여 뜨거운 동안 부재(30)에 대한화합물(70)의 물리적 충돌은, 할로겐화된 유기화합물과 같은 화합물(70)의 일부 형태의 분자의 파괴를 유발하는데 필요할 수도 있다. 상기 화합물(70)이 점화가능한 화합물로 구성되면 부재(30)로부터의 열 수용은 적절한 효율 레벨에서의 점화 및 분해를 유발하는데 필요한 전부인 것으로 믿어진다. 이 경우에도, 소정의 효율을 달성하려면, 화합물(70)이 부재(30)로부터 열을 수용할 수 있도록 화합물(70)의 유동을 부재(30)쪽으로 유입시킬 필요가 있다.
특정 응용에서는 반응 챔버(20)내에 플라즈마를 발생시키는 것도 바람직할 수 있다. 본 발명은 플라즈마의 사용 없이, 허용할 수 있는 효율로 작동할 수 있고, 이와달리, 부재(30)는 다른 연료를 사용하지 않고 플라즈마를 작동중에 유지하기 위해 충분한 방사 에너지를 제공한다. 할로겐화된 유기 화합물의 분해에 있어서는 플라즈마가 필요할 것으로 여겨지는데, 이는 다른 형태의 분해가 비효율적일때 플라즈마가 결합을 약하게 하거나 끊어버리기 때문이다. 플라즈마를 발생시키는 공지된 방법은 여러가지가 있다. 산소 또는 질소와 같은 가스가 에너지 소스(60)의 에너지(62)에 의해 여기되면 플라즈마가 발생된다. 이들 가스는 반응 챔버에서 예로서 도관(48)을 통해 도관(40)내로 공급될 수 있다.
제 2 도는 본 발명의 작동을 도시한다. 본 발명의 일부분만이 예시적으로 도시되어 있다. 작동시에 화합물(70)의 유동은 일실시예에서 마이크로파 에너지 흡수 및 공진에 노출된 환경에서 (화살표로 도시하듯이) 도관(40)을 통해 부재(30)로 이동한다. 화합물(70)의 가스분자가 부재(30)에 충돌함에 따라, 화합물(70)의 온도는 상승되고 이후 부재(30)에 대한 충돌 압력으로 인해 응축된다. 상기 온도와 가스 농도는 화합물(70)의 폭발이 달성될 때까지 증가한다. 화합물(70)의 폭발은, 폭발된 화합물(70)의 적어도 일부분이 화합물(70)의 유동 경로에 부재(30)를 위치시키므로써 도관(40)의 일부분으로 복귀 유동되게 한다. 이는 처리 공구(82)로의 역류를 유발하지 않는 전체 압력 변화를 야기하는 폭발이 백만분의 일초 반복 폭파 웨이브를 생성하고 이것이 화합물(70)의 분자를 재가공하고 부재(30)의 피충돌면으로부터 도관(40)의 일부분으로 재순환시켜 화합물(70)의 거주기간을 늘리므로써 부분적으로 분해된 화합물 및 최종 생성물(77)을 재가공하므로써 화합물(70)의 분해 효율을 높일 수 있는 것으로 믿어진다. 표면 충돌되고 가열된 부재(30)에 의한 화합물(70)의 폭발 반동 및 재가공은 예를 들어 패킹된 베드 리액터에서는 발생하지 않는다. 패킹된 베드 리액터에서 분자는 본 발명에서와 동일한 경로를 가로질러 재가공되지 않는다.
일부 화합물(70)에 있어서, 마이크로파 공진이 없이 스스로 열가열된 부재(30)에 의한 상기 화합물의 폭발 반동 및 재가공은 기존의 비표면 충돌식 방사열 분해 방법에 비해 현저한 개선을 제공한다.
제 3 도 내지 제 9 도는 부재(30)의 여러 실시예를 도시한다. 제 3 도는 부재(30)의 제 1 실시예를 도시한다. 여기서 부재(30)는 에너지 소스(60)의 에너지(62)에 의해 가열되는 물질(100)로 구성된다. 물질(100)의 총질량은 적절한 열흡수 및 열방사를 제공하기에 충분히 커야 한다. 이 실시예에서 화합물(70)이 유입되는 부재(30) 표면은 분해된 화합물(70)과 반응하여 최종 생성물을 형성하는 반응물질(102)로 구성된다. 화합물(70)과 반응하는 반응 물질(102)은 예로서 석영,이산화실리콘(SiO2), 흑연, 세라믹 또는 산화알루미늄일 수 있다. 화합물(70) C2F6의 SiO2와의 반응예는 다음과 같다 : C2F6+ SiO2→ CO2+ SiF4. 반응 물질(90)이 제 1 도에 도시하듯이 제공되면, 부재(30)는 화합물(70)과 반응하는 물질로 구성될 필요가 없다.
원하는 파괴 효율을 얻기 위해서는, 화합물(70)이 유입되는 부재(30) 표면이 적어도 화합물(70)의 유동단면적, 즉 도관(40)의 출구 단부(44)에 있는 개구의 단면적과 동일한 단면적을 가져야 한다. 화합물(70)의 거주기간이 파괴 반응 발생을 시작하기에 적합하도록, 부재(30)는 도관(40)의 단면적 보다 적어도 두 배 이상인 것이 바람직하다. 부재(30)의 충돌된 면은 임의의 형상을 가져도 좋다.
제 4 도는 부재의 제 2 실시예를 도시한다. 도시의 편의를 위해서 장치의 일부분만 도시하였다. 여기서 부재(30)는 화합물(70)의 보다 많은 유동이 도관(40)의 출구 단부(44)를 향해 그리고 그뒤로 반응 챔버(20)내로 향하게 하는 형상이다. 이 실시예에서 부재(30)는 구부러진 형상으로 도시되어 있다. 이러한 형상에 의하면 최적의 파괴 및 최종 생성물(77)으로의 전환이 이루어질 수 있도록 유출구(50)를 통해 유출되기 이전에 화합물(70)이 거주하는 기간이 증대된다.
제 4 도는 또한 복수개의 부재(30)가 사용될 수 있는 실시예를 도시한다. 반응 챔버(20)는 제 1 및 제 2 단부를 가지며 제 2 단부에는 유출구(50)가 위치하고 이와 대향하여 제 1 단부가 위치한다. 화합물(70)의 경로에서 도관(40)의 출구 단부(44) 뒤의 제 1 단부에는 추가 부재(31)가 위치할 수 있다. 부재(31)는부재(30)와 동일하다. 통상적으로 상기 추가 부재(31)는 지지 구조물(36)에 의해 제 1 단부에 위치된다. 지지 구조물(36)이 지지 구조물(35)과 동일한 물질로 구성될 수 있으나, 지지 구조물(36)은 반응 챔버(20)의 벽에 부착되어야 하고 부재(31)는 지지 구조물(36)에 부착되어야 한다. 부착 방법은 지지 구조물(36)과 반응 챔버(20)가 무엇으로 구성되는가에 따라 다르다. 지지 구조물(36)이 반응 챔버(20)의 벽에 부착되고 부재(31)가 지지 구조물(36)에 부착되는 방식은 본 발명에서 중요치 않으며 여러가지 상이한 수단에 의해 달성될 수도 있다. 이런 식으로, 제 3 도에 플로우로 도시된 화합물(70)은 추가 부재(31)로부터의 전도 및 방사에 의해 추가 열을 수용할 수 있다.
제 5 도는 화합물(70)의 유동을 도관(40)의 출구 단부(44)를 향해 반응 챔버(20)내로 역류시키도록 부재(30)가 형상을 갖는 다른 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 부재(30)는 그 단부로서 형성되는 측벽(104)을 갖는 것으로 도시되어 있다. 측벽(104)은 부재(30)의 주면과 동일 평면이 아닌 곳은 어디나 있을 수 있으며 이는 화합물(70)이 도관(40)의 출구 단부(44)를 향하게 한다. 제 5 도는 단지 측벽(104)이 부재(30)의 주면과 수직한 형상을 도시한다.
제 6 도는 부재(30)의 다른 실시예를 도시한다. 여기서 부재(30)는 휘발성 유기화합물(Volatile Organic Compounds : VOC's)로 구성된 화합물(70)의 파괴를 최적화하기 위한 형상을 갖고 있다. 휘발성 유기화합물은 통상적으로 할로겐화된 유기화합물보다 낮은 활성화 에너지를 가지며 따라서 파괴시키는데 필요한 에너지가 적다. 또한, 거주 기간은 할로겐화된 유기화합물의 거주기간만큼 길 필요가 없다. 본 예에서는 복수개의 관통 개구(32)를 갖는 부재(30)를 구비하는 것이 바람직하다. 메쉬 형상이 제 6 도에 예로서 도시되어 있으나 다른 많은 형상들이 가능하다. 와이어 메쉬 형상이 사용될 수 있으며, 이는 경량일 수 있으므로 사용상 편리함 및 비용의 관점에서 바람직할 수 있다.
이 경우 제 7 도에 도시하듯이 극히 간단한 형태의 복수개의 부재(30)가 사용될 수 있다. 복수개의 개구(32)를 갖는 부재(30)의 사용이 갖는 이점은, 거주기간이 감소될 수 있으나, 화합물(70)은 여전히 부재(30)로부터의 열을 전도 및 복사에 의해 수용하는 것이다. 이 실시예에서는 수용되는 열의 보다 많은 것이, 단단한 면을 갖는 부재(30)를 사용하는 것에 비해, 부재(30)로부터의 전도가 아닌 복사 형태일 것이다.
복수개의 부재(30)가 사용될때는 다양한 위치가 가능하다. 제 2 부재(30)(또는 연속적인 부재들)는 제 1 부재(30)와 물리적으로 접촉하지 않은 화합물(70)의 일부 또는 전체가(제 7 도의 도시하듯이) 제 2 부재(30)와 물리적으로 접촉하도록 위치될 수 있다. 이와 달리, 제 2 부재(30)가 제 1 부재(30)와 직접 정렬하여 위치될 수도 있으며 여기서 제 1 부재(30)의 개구는 제 2 부재(30)의 개구와 정렬되며, 따라서 제 1 부재(30)와 물리적으로 접촉하지 않았던 화합물(70)부분은 제 2 부재(30)와 물리적으로 접촉하지 않게 될 것이다.
제 8 도와 제 9 도는 반응 챔버(20)내에서 부재(30)를 지지하는 방법의 실시예를 도시한다. 제 8 도는 측면도이고 제 9 도는 평면도이다. 이 실시예에서 부재(30)와 반응 챔버(20)는 부재(30)가 반응 챔버(20)내에 자기 정렬되도록 형상을 갖는다. 부재(30)는 정방형 형상을 갖는 것으로 도시되어 있고 반응 챔버(20)의 벽은 원형 형상을 갖는 것으로 도시되어 있다. 자기 지지를 가능케 하는 다른 형상도 가능하다. 반응 챔버(20)내에 부재(30)를 배치하는 것이 용이해지도록 반응 챔버(20)의 벽이 테이퍼질 수 있음에 유의해야 한다. 이 실시예에서 부재(30)의 표면적은 최종 생성물(77)이 역류의 위험없이 유출구(50)를 통해 빠져나가고 화합물(70)이 도관(40)을 통해 처리공구(82)로 빠져나갈 수 있도록 반응 챔버(20)내에 충분한 관통 공간(106)을 남겨야 한다. 이러한 자기 지지 계획의 장점은 그 간단한, 절감된 비용 및 절감된 유지이다.
실시예 1
종래기술에 비한 본 발명의 특정 장점을 나타내기 위한 하나의 실시예를 후술하겠으나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. C2F6로 구성된 화합물(70)의 파괴의 특정 실시예를 제 1 도를 참조하여 기술한다.
배기 진공 라인에서 반응 챔버(20)는 제 1 도에 도시된 진공 펌프(79)와 같은 진공 소스와 C2F6제조 설비 사이에 배치된다. 이 특정 실시예에서 반응 챔버(20)는 용적이 대략 10 리터인 수직 리액터이다. 반응 챔버(20)는 대략 25 밀리토르의 압력으로 아이들 작동되고 본 실시예에서 작동시에는 대략 500 내지 600 밀리토르로 작동된다. 이 실시예에서, 장치의 흔적은 단지 대략 18×23 인치(45.7×58.4 cm)이다.
부재(30)는 에너지 소스(60)의 에너지(62)에 유도 결합되어 소정 온도로 가열되는 금속 도우핑된 기판으로 구성된다. 상기 부재(30)를 구성할 수 있는 것의 예로는 아연, 비소, 주석의 층을 갖는 세라믹, 또는 티탄-니켈-은의 층이 내포된 실리콘이며 이들 각각은 1 미크론 이하의 두께이다. 부재(30)는 반응 챔버(20)의 중앙에 대략 수평으로 위치한다. 반응 챔버(20)에서의 부재(30)의 수직 위치는 소정 거주 기간에 의해 결정된다. 부재(30)의 충돌되는 면은 도관(40) 단면적의 대략 두배이다.
도관(40)은 대략 100 밀리미터(mm)의 내경을 갖는 원형 튜브이다. 도관(40)의 출구 단부(44)는 C2F6의 유량이 일정하도록 부재(30) 중심의 위에 그리고 부재(30)의 충돌면으로 부터 25mm 떨어져서 위치한다.
본 실시예에서, 에너지 소스(60)는 반응 챔버(20)의 적어도 일부분을 통해 마이크로파 에너지(62)를 방출하는 2.45 GHz 및 750 와트로 작동하는 마이크로파 에너지 소스이다. 부재(30)는 대략 200 내지 900℃ 의 온도까지 가열된다.
C2F6는 대략 1.5 리터/분(liter/min)의 유량으로 반응 챔버(20)내로 유입된다. 산소로 구성되는 반응물질(90)이 대략 1.5 리터/분의 유량으로 제공된다. C2F6은 부재(30)를 가격하고 부재(30)는 C2F6에 열을 부여한다. 이후 부재(30)에 대해 고온의 벽 반응이 일어날 수 있으며, 최종 생성물(77)을 형성하기 위해 C2F6와 산소사이에 C2F6+O2→CO2+F-와 같은 화학반응이 일어날 수 있다. F-는 존재할 수 있는 여러가지 형태의 불소를 나타낸다. 이 예에서 반응 챔버(20)내의 C2F6거주 기간은 대략 500 밀리세컨드(10-6초) 이하이다.
분해 효율은 C2F6을 90% 이상 제거하는 것으로 나타났다. 전술했듯이, 상기 효율 정도는 다른 수단에 의해 비용면에서 효과적으로 달성될 수 없었다. 따라서 본 발명의 사용은 여러가지 제조 세팅에 사용이 요구되는 환경상 바람직하지 않은 물질의 분해가 가능하게 한다.
실시예 2
본 발명의 시스템이, 화합물(200)을 분해하고 반응 물질과 반응하여 최종 생성물(205)을 생성하고, 이후 분해된 화합물(205)을 사용하여 처리공구(250)를 세척하는데 사용될 수 있는 본 발명의 시스템의 적용예를 제 10 도를 참고하여 기술한다. 본원의 간단한 계획이 제 10 도에 도시되어 있다. 예로서, 처리공구(250)는 폴리실리콘(Si), 이산화실리콘(SiO2), 또는 질화실리콘(SiNx)과 같은 물질을 반도체 웨이퍼상에 증착시키는데 사용되는 저압 화학기상증착(LPCVD) 공구일 수 있다. 이런 형태의 설비에서 이들 물질은 반도체 웨이퍼가 배치되는 반응 튜브의 벽에 증착된다. 반도체 웨이퍼의 입자 오염을 방지하기 위해서는 반응 튜브의 표면을 세척하는 것이 바람직하다.
화합물(200)은 반응 챔버(20)내에서 도관(40)을 통해 공급된다. 이 예에서, 화합물(205)은 산소와 혼합되는 질소 불화물(NF3) 또는 (C2F6또는 CF4와 같은) 퍼플루오로 화합물(perfluorocompounds : PFC's)로 구성된다. 산소는 화합물(205)과 반응하여 최종 생성물을 형성하는 반응 물질이다. 부재(30)는 가열될 수 있는 물질로 구성되고, NF3가 사용되면 제 6 도에 도시하는 형상을 갖지만, PFC's 가 사용되면 고체부재(30)가 사용된다. 분해를 위해 화합물(200)이 부재(30)의 표면을 향해 도입되고 나면, NF3를 사용하여 발생할 수 있는 반응의 예는 다음과 같다 : NF3+ O2→ O2+ F-. 이 실시예에서, NO2와 F-는 최종 생성물(205)을 포함한다. 여기서, 최종 생성물(205)은 반응 챔버(20)를 빠져나갈 때 극히 반응적인 F-로 구성되는 것이 바람직하다. 따라서 F-와 반응할 반응 물질은 반응 챔버(20)내에 제공되지 않아야 한다. 최종 생성물(205)은, 반응 챔버(20)에 물리적으로 결합되는 도관(50)을 통해 배출된다. 도관(50)은, 세척될 필요가 있는 표면을 갖는 처리공구(250)에 물리적으로 결합된다. 본원에 제시된 예로서, 처리공구(250)에서는 최종생성물(210)을 형성하기 위해 다음과 같은 반응이 이루어질 수 있다 :
F-+ Si → SiF4
F-+ SiNx → SiF4+ Nx
F-+ SiO2→ SiF4+ O2
상기 반응의 최종 생성물(210)은 진공 펌프(260)에 물리적으로 결합되는 도관(255)을 통해 처리 공구(250) 밖으로 그리고 대기 또는 수집 챔버(비도시) 밖으로 배기된다.
본 발명을 이용하여 실시되는 세척의 장점은 본래 위치에서(in situ), 즉 세척될 필요가 없는 처리공구의 부분(반응 튜브)을 제거하지 않고 세척이 이루어질 수 있다는 것이다.
제 1 도는 본 발명의 한 실시예의 측면도.
제 2 도는 본 발명의 일부분의 한 실시예를 도시한 도면.
제 3 도는 본 발명에서 이용되는 부재의 한 실시예를 도시한 도면.
제 4 도는 본 발명의 일부분의 한 실시예를 도시한 도면.
제 5 도는 본 발명에서 이용되는 부재의 다른 실시예를 도시한 도면.
제 6 도는 본 발명에서 이용되는 부재의 다른 실시예를 도시한 도면.
제 7 도는 본 발명의 일부분의 다른 실시예를 도시한 도면.
제 8 도는 본 발명의 일부분의 다른 실시예를 도시한 도면.
제 9 도는 본 발명의 일부분의 다른 실시예를 도시한 도면.
제 10 도는 본 발명이 이용될 수 있는 적용의 한 실시예를 도시한 도면.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 하우징 20 : 반응 챔버
50 : 도관 60 : 에너지 소스

Claims (5)

  1. 환경적으로 유해한 화합물(70)의 유동을 제공하는 유입구(22)와 유출구(24)를 갖는 반응 챔버(20)와,
    상기 반응 챔버(20)내에 배치되는 부재(30)와,
    상기 부재(30)를 가열하기 위한 에너지(62)를 발생시킬 수 있는 에너지 소스(60), 및
    상기 화합물의 분해를 유발하기 위해 상기 부재(30)가 상기 에너지 소스에 의해 가열될 때 상기 화합물이 부재(30)로부터 열을 수용하도록 상기 화합물(70)의 유동이 부재(30)상에 충돌하게 하기 위해 반응 챔버(20)의 유입구(22)에 물리적으로 연결된 도관(40)을 포함하는 것을 특징으로 하는 환경적으로 유해한 화합물의 분해 장치.
  2. 유입구(22)와 유출구(24)를 갖는 반응 챔버(20)와,
    상기 반응 챔버(20)내에 배치되는 부재(30)와,
    상기 부재(30)를 가열하기 위해 에너지(62)를 발생시킬 수 있는 에너지 소스(60), 및
    환경적으로 유해한 화합물(70)의 유동을 부재(30)쪽으로 향하게 하여 상기 부재(30)가 에너지 소스에 의해 가열될 때 유해한 화합물이 분해되도록 반응 챔버(20)의 유입구(22)에 물리적으로 결합되는 도관(40)을 포함하는 것을 특징으로하는 환경적으로 유해한 화합물의 분해 장치.
  3. 환경적으로 유해한 화합물(70)의 유동을 제공하는 유입구(22)와 유출구(24)를 갖는 반응 챔버(20)와,
    상기 화합물의 유동의 적어도 일부분이 유입구(22)의 일부분으로 되돌아가도록 화합물(70)의 유동의 경로에서 상기 반응 챔버(20)에 배치되는 표면을 갖는 부재(30), 및
    상기 부재(30)를 가열하기 위해 에너지(62)를 발생할 수 있는 에너지 소스(60)를 포함하는 것을 특징으로 하는 환경적으로 유해한 화합물의 분해 장치.
  4. 에너지(62)를 발생시키는 에너지 소스(60)를 제공하는 단계와,
    반응 챔버(20)를 제공하는 단계와,
    상기 반응 챔버(20)내에 배치되는 부재(30)를 제공하는 단계와,
    상기 에너지 소스(60)의 에너지(62)로 부재(30)를 가열하는 단계, 및
    환경적으로 유해한 화합물이 부재(30)로부터 열을 수용하여 분해되도록 화합물의 유동을 반응 챔버(20)내로 도입하여 부재(30)에 충돌시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 환경적으로 유해한 화합물의 분해 방법.
  5. 에너지(62)를 발생시키는 에너지 소스(60)를 제공하는 단계와,
    반응 챔버(20)를 제공하는 단계와,
    상기 반응 챔버(20)내에 배치되는 부재(30)를 제공하는 단계와,
    상기 에너지 소스(60)의 에너지(62)로 부재(30)를 가열하는 단계, 및
    환경적으로 유해한 화합물(70)의 유동을 도관(40)을 통해 반응 챔버(20)내로 제공하는 단계를 포함하며,
    상기 화합물(70)의 유동은 도관(40)으로부터 방출되어 부재(30)를 향하여 도입되며, 상기 화합물은 상기 부재(30)로부터 분해를 위한 열을 수용하는 것을 특징으로 하는 환경적으로 유해한 화합물의 분해 방법.
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