KR101902022B1 - 고체 물질로부터 화합물 또는 그의 중간체를 제조하기 위한 장치 및 방법, 및 이러한 화합물과 중간체를 사용하는 방법 - Google Patents
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Abstract
중간체 생성물을 제조하는데 효과적인 조건 하에서 반응물 기체를 반응성 고체와 접촉시키기 위한 반응 영역 및 기상 시약의 미반응 부분 및 중간체 생성물을 반응 영역으로부터 내보내기 위한 개구를 포함하는 장치가 기재되어 있다. 중간체 생성물과 반응물 기체의 반응 생성물로서 최종 생성물을 제조하는데 이 장치를 유리하게 사용할 수 있다. 반응물 기체와 반응성 고체의 반응을 제 1 반응 대역에서 수행할 수 있고, 반응물 기체와 중간체 생성물의 반응을 제 2 반응 대역에서 수행할 수 있다. 구체적인 실행에서, 반응물 기체와 중간체 생성물의 반응은 가역적이고, 반응물 기체와 중간체 생성물은 제어된 속도 또는 제어된 방식으로 제 2 반응 대역으로 유동하여 반응성 고체를 형성시키는 역반응을 억제한다.
Description
본 발명은 고체 반응물질로부터 화합물 또는 중간체를 제조하기 위한 장치 및 방법, 및 이러한 화합물 및 중간체를 사용하는 방법에 관한 것이다. 구체적인 양태에서, 본 발명은 기재(substrate)에서의 붕소의 이온 주입을 위한 전구체로서 유용한 붕소-함유 전구체 화합물을 제조하기 위한 이러한 유형의 장치 및 방법에 관한 것이다.
관련 출원에 대한 교차-참조
본원은 2010년 8월 30일자로 바일(Oleg Byl), 스위니(Joseph D. Sweeney), 카임(Robert Kaim), 레이(Richard S. Ray) 및 존스(Edward E. Jones)의 명의로 출원된 미국 특허 가출원 제 61/378,375 호(발명의 명칭: "고체 물질로부터 화합물 또는 그의 중간체를 제조하기 위한 장치 및 방법, 및 이러한 화합물과 중간체를 사용하는 방법)에 기초하여 미국 특허법 제35조하에 우선권을 주장한다. 미국 특허 가출원 제 61/378,375 호의 개시내용은 본원에 참고로 인용된다.
이온 주입은 미소전자 장치 제품의 제조 및 다른 산업상의 용도에 광범위하게 이용된다. 이온 주입 공정에서는, 활동적인 이온을 기재 상에 충돌시킴으로써 기재에 화합물을 침착시킨다. 목적하는 이온을 생성시키기 위하여, 이온화되어 전구체 단편, 양이온, 음이온 및 재조합 이온성 및 비-이온성 화합물을 다양하게 포함할 수 있는 이온화된 매질을 생성시키기 쉬운 전구체가 필요하다. 추출, 자기 여과, 가속/감속, 분석기 자석 가공, 평행 시준, 주사 및 자기 수정에 의해 이 이온화된 매질을 가공하여, 기재 상에 충돌되는 목적하는 유형의 이온의 최종 이온 빔을 생성시킨다.
매우 다양한 유형의 전구체를 사용하여 상응하게 변화되는 주입되는 물질 및 장치를 생성시킨다. 예시적인 전구체는 아르곤, 산소, 수소, 및 비소, 인, 게르마늄, 붕소, 규소 등과 같은 도판트 원소의 수소화물 및 할로겐화물을 포함한다. 특히 붕소가 매우 널리 사용되는 도판트 원소이고, 최근 수년간 기존 붕소 전구체 및 개발되는 새로운 전구체의 효율 및 효용을 증가시키는데 관심이 집중되어 왔다.
다수의 집적 회로의 제조에서의 주요 단계중 하나는 붕소를 규소 웨이퍼 내로 주입하는 것을 포함한다. 원소 붕소는 고온에서도 매우 낮은 증기압을 나타내기 때문에, 휘발성 붕소-함유 전구체 화합물의 사용이 필요하다. 현재, 삼플루오르화붕소(BF3)가 붕소 주입의 전구체로서 널리 사용된다. 2007년에는, 이온 주입을 위한 BF3의 전세계적인 소비가 약 3000kg의 수준인 것으로 평가되었고, 이 부피는 지속적으로 커지고 있다.
그의 광범위한 사용에도 불구하고, BF3는 단점을 갖는다. BF3 분자는 이온화되기가 매우 어렵고, 통상적인 이온화기의 이온 공급원 챔버 내로 유동되는 모든 BF3의 약 15%만이 단편화될 수 있다. 나머지는 폐기된다. 또한, 이온화된 BF3의 약 30%만이 주입에 사용될 수 있는 B+ 이온으로 전환된다. 이는 주입 공정 처리량을 심각하게 제한하는 낮은 B+ 빔 전류를 야기한다.
추출 전류를 높이고 BF3 유속을 증가시키는 것과 같이 공정 매개변수를 변화시킴으로써 B+ 빔 전류를 약간 증가시킬 수 있다. 그러나, 이러한 수단은 이온 공급원의 수명 감소, 다시 도구 불안정을 일으키는 고압 아킹(arcing), 불량한 진공 및 빔 에너지 오염을 야기한다.
반도체 제조 산업에서 더 낮은 주입 에너지를 사용하는 전반적인 경향 때문에, 최근 수년동안 이 산업에서는 BF3의 사용시 낮은 B+ 빔 전류에 수반되는 처리량 제한이 더욱 중요해지고 있다. 더 낮은 주입 에너지에서, B+ 빔은 공간 전하로 인해 더 큰 블로우-아웃(blow-out) 효과를 겪게 된다.
따라서, 특성상 신뢰성 있고 비용-효과적인 붕소 전구체의 고-부피 제조능은 반도체 제조 분야뿐만 아니라 붕소 도핑이 이용되는 다른 이온 주입 용도에 크게 기여하게 될 것이다.
본 발명은 고체 반응물질을 유체와 반응시켜 중간체 및 최종 생성물을 생성시키기 위한 장치 및 방법, 및 이러한 중간체와 최종 생성물을 사용하는 방법에 관한 것이다. 구체적인 양태에서, 본 발명은 붕소 도핑 반도체 용도에 유용한 붕소 전구체의 고-부피 제조에 효용을 갖는 이러한 유형의 장치 및 방법에 관한 것이다.
하나의 양태에서, 본 발명은 중간체 화합물을 생성시키기에 효과적인 온도 및 압력 조건하에서 기상 시약을 고체 물질과 접촉시키기 위한 반응 영역; 및
기상 시약의 미반응 부분 및 중간체 화합물을 반응 영역으로 내보내기 위한 개구를 포함하는 장치에 관한 것이다.
이러한 장치에서, 개구는 예를 들어 가열함으로써, 반응 영역에 대해 적절한 크기를 제공함으로써, 또는 장치에서의 사용시 개구의 폐색에 대항하는 다른 방식으로, 장치의 작동 동안 그의 폐색을 방지하는데 적합할 수 있다.
다른 양태에서, 본 발명은 제 1 반응 대역에서 반응물 기체와 반응성 고체의 반응을 수행하고 제 2 반응 대역에서 반응물 기체와 중간체 생성물의 반응을 수행함을 포함하는, 중간체 생성물과 반응물 기체의 반응 생성물로서 최종 생성물을 생성시키는 방법에 관한 것으로, 이 때 상기 중간체 생성물은 반응물 기체와 반응성 고체의 기상 반응 생성물이고, 제 1 반응 대역에서의 반응물 기체와 반응성 고체의 반응은 가역적이며, 미반응 반응물 기체와 중간체 생성물은 제어된 속도 또는 제어된 방식으로 제 2 반응 대역으로 유동된다.
본 발명의 다른 양태, 특징 및 실시양태는 이어지는 상세한 설명 및 첨부된 특허청구범위로부터 더욱 충분히 명확해질 것이다.
도 1은 본 발명의 한 실시양태에 따른, 고체 반응물과 유체를 반응시키기 위한 반응기 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시양태에 따른, 고체 반응물과 유체를 반응시키기 위한 반응기 시스템의 개략도이다.
도 3은 반응성 고체와 접촉시키기 위하여 반응물 기체의 3개의 유동 통로가 제공되는 다중 통로 고온 반응 대역의 개략도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 한 실시양태에 따른 예시적인 트랩-대-트랩 회수 장치를 도시하는데, 이는 조질 B2F4-함유 반응 생성물 혼합물의 순도를 90% 순도까지 증가시킨(도 4의 장치) 후, B2F4를 99.99% 순도까지 정제시키기(도 5의 장치) 위해 사용될 수 있다.
도 6은 다량의 새로 포획된 BxFy를 함유하는 용기를 가온하는 동안 발생될 수 있는 온도 및 압력 일탈을 보여주는, 시간(분)의 함수로서의 온도(℃) 및 압력(토르)의 그래프이다.
도 7은 도 6의 그래프에서 보여지는 유형의 온도 및 압력 일탈을 억제함에 있어서 다량의 새로 포획된 BxFy를 함유하는 용기의 제어된 가온의 효과를 보여주는, 시간(분)의 함수로서의 온도(℃) 및 압력(토르)의 그래프이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시양태에 따른, 고체 반응물과 유체를 반응시키기 위한 반응기 시스템의 개략도이다.
도 3은 반응성 고체와 접촉시키기 위하여 반응물 기체의 3개의 유동 통로가 제공되는 다중 통로 고온 반응 대역의 개략도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 한 실시양태에 따른 예시적인 트랩-대-트랩 회수 장치를 도시하는데, 이는 조질 B2F4-함유 반응 생성물 혼합물의 순도를 90% 순도까지 증가시킨(도 4의 장치) 후, B2F4를 99.99% 순도까지 정제시키기(도 5의 장치) 위해 사용될 수 있다.
도 6은 다량의 새로 포획된 BxFy를 함유하는 용기를 가온하는 동안 발생될 수 있는 온도 및 압력 일탈을 보여주는, 시간(분)의 함수로서의 온도(℃) 및 압력(토르)의 그래프이다.
도 7은 도 6의 그래프에서 보여지는 유형의 온도 및 압력 일탈을 억제함에 있어서 다량의 새로 포획된 BxFy를 함유하는 용기의 제어된 가온의 효과를 보여주는, 시간(분)의 함수로서의 온도(℃) 및 압력(토르)의 그래프이다.
본 발명은 유체와 고체 반응물질의 반응으로부터 중간체 및 최종 생성물을 생성시키기 위한 장치 및 방법, 및 이러한 중간체 및 최종 생성물을 사용하는 방법에 관한 것이다. 구체적인 양태에서, 본 발명은 붕소 전구체의 제조 및 생성되는 붕소 전구체의 이온 주입 작업에서의 사용을 위한 이러한 유형의 장치 및 방법에 관한 것이다.
구체적인 양태에서, 본 발명은 기상 반응물과 반응성 고체의 반응에 의해 중간체 생성물을 생성시키고, 기상 반응물과 중간체 생성물의 반응에 의해 실질적으로 더 낮은 온도에서 최종 생성물을 생성시키기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 이러한 장치 및 방법의 다른 양태에서, 반응성 고체 및 기상 반응물중 적어도 하나는 특정 동위원소 또는 동위원소들이 천연적인 분포도(abundance) 수준을 넘도록 풍부할 수 있다.
예를 들어, 기상 반응물 및 반응성 고체중 하나 또는 둘 다는 천연적인 분포 농도 또는 그의 비보다 더 큰 농도 또는 비로 붕소 동위원소를 함유하는 붕소-함유 화합물을 포함함으로써, 중간체 생성물 및 최종 생성물이 상응하게 동위원소 면에서 풍부할 수 있다.
동위원소가 풍부한 최종 생성물은 이온 주입을 위한 전구체로서 유용한 붕소-함유 화합물일 수 있으며, 전구체의 동위원소가 풍부한 특성은 미소전자 장치 및 이를 함유하는 상응하는 제품의 제조에서 유리하다.
미소전자 장치의 발전에서의 현재 경향은 더욱 얕은 장치 접합부를 지향하는 것이다. 이로 인해 다시, 이러한 얕은 접합부를 달성하기 위해 더 낮은 에너지의 이온 주입을 필요로 하게 된다. 더 낮은 에너지의 주입은 다시 생산성에 영향을 주어 처리량 제한을 도입하게 되고, 장치 제조에 사용되는 이온 빔이 낮은 이온 빔 에너지 환경에서 매우 효율적일 것을 요구한다.
붕소 전구체 및 이온 주입에 적용되는 경우, 특정 붕소 전구체, 더욱 구체적으로는 동위원소가 풍부한 붕소 전구체는 통상적인 풍부하지 않은(천연적인 분포도) 붕소 전구체에 비해 상당한 이점을 제공할 수 있다.
본 발명의 구체적인 양태에서는, 특히 사플루오르화이붕소(B2F4)가 천연적인 분포 농도 또는 분포 비보다 높게 붕소 동위원소가 풍부해지는 경우, 사플루오르화이붕소가 전통적인 삼플루오르화붕소 전구체보다 이점을 제공하는 전구체 화합물이다. 예를 들어, 이렇게 동위원소가 풍부한 사플루오르화이붕소는 삼플루오르화붕소가 그 자체로 동위원소 면에서 풍부해지는 경우에라도 삼플루오르화붕소보다 더 높은 빔 전류를 제공한다. 동위원소가 풍부한 사플루오르화이붕소는 삼플루오르화붕소를 사용하기 위해 디자인된 시스템에서 사용될 수 있으며, 이러한 배치를 위해 임의의 새로운 공정 통합을 필요로 하지 않는다.
또한, 사플루오르화이붕소는 붕소-붕소 화학 결합의 특성 때문에 삼플루오르화붕소보다 분리되어 이온화되기가 상당히 더 용이하다. 결과적으로, 사플루오르화이붕소의 사용은 상당히 더 높은 빔 전류를 달성할 수 있도록 한다. 삼플루오르화붕소가 동일한 이온 주입 도구에서 전구체로서 사용되는 경우 선택되는 것과 같이 주입을 위해 동일한 이온(11B 또는 11BF2)을 선택하는데 AMU 자석 선택을 이용할 수 있다. 또한, 안전성이 향상된 용기, 예를 들어 에이티엠아이 인코포레이티드(ATMI, Inc.)(미국 코네티컷주 댄버리 소재)로부터 상표명 VAC로 시판중인 것과 같은 압력-조절 공급 용기, 또는 흡착제가 사플루오르화이붕소에 대한 저장 매질로서의 역할을 하는 흡착제-함유 공급 용기에 사플루오르화이붕소를 공급할 수 있다.
사플루오르화이붕소는 -56℃의 융점, -34℃의 통상적인 비점 및 9.54바의 21℃에서의 증기압을 갖는 안정한 액화가능한 기체이다.
본 발명에 따라 사플루오르화이붕소를 생성시키기 위하여, 승온에서 붕소를 BF3와 접촉시켜 중간체로서 BF를 생성시킨다. 그러나, 이 반응은 반응이 수행되는 반응 공간(reaction cavity)의 폐색을 야기할 수 있다. 이러한 폐색은 다시 반응기가 장기간 동안 작동되지 못하게 한다.
폐색 문제는, 보유 구조물을 통해 반응물 기체를 유동시키면서, 표면상에 개구를 갖는 케이싱(이 케이싱의 바닥에는 붕소 고체를 지지하고 이들을 케이싱의 내부 부피에 보유하는 보유 구조물이 제공됨) 내부에 붕소 고체 반응물을 위치시킴으로써, 본 발명의 한 실시양태에 따라 극복된다. 케이싱을 반응 공간에 넣는데, 이 반응 공간은 예를 들어 흑연 같은 적합한 물질로 제조된 중공 실린더의 형태일 수 있다. 이러한 흑연 실린더의 내경은 케이싱의 직경보다 더 커서, 내부 실린더 표면이 케이싱과 이격되는 관계가 된다. 구체적인 배열에서, 케이싱과 흑연 실린더는 서로에 대해 동축 배열되어, 이들 사이에 고리 모양의 공간이 생성되도록 한다. 실린더와 케이싱은 액체 질소 또는 다른 열 전달 냉각 매질 같은 적합한 냉각제, 또는 다른 냉동 공급원에 의해 냉각되는 저온 트랩과 직접적으로 유체 연통된다.
이 배열에서, 붕소 고체는 케이싱 내에 로딩되어 붕소 고체의 상을 형성하고, 케이싱은 실린더 형상의 흑연 반응 공간 내에 배치된다. 이 어셈블리는 관에 의해 매달릴 수 있으며, 이 관을 통해 케이싱의 소정 부분에 위치되는 반응 대역으로 삼플루오르화붕소를 송달하여, 삼플루오르화붕소가 이러한 반응 대역 내의 붕소 고체와 반응함으로써 플루오르화붕소(BF) 중간체를 생성시킨다.
BF 중간체 및 미반응 BF3는 반응 대역으로부터 저온 트랩으로 바로 방출될 수 있거나, 또는 먼저 반응 공간으로 방출된 다음 저온 트랩으로 방출될 수 있다. 이러한 배열에서 BF 중간체 및 미반응 BF3는 저온 트랩의 표면 상에서 응축되고, BF는 BF3와 반응하여 B2F4를 생성시킨다. 충분한 양의 BF, BF3 및 B2F4가 응축되면, 반응기를 중단시키고 저온 트랩을 보다 고온으로 만들어 B2F4 및 BxFy 같은 반응 생성물 및 미반응 BF3를 증발시킨다. 이어, B2F4-함유 기체 혼합물을 저온 트랩으로부터 펌핑해내고 증류 같은 회수 처리를 수행하여 B2F4를 회수할 수 있는 동시에 BF3를 회수하고 반응기로 다시 재순환시키거나 또는 다른 폐기 처리를 수행하거나 사용한다.
이 배열의 구체적인 실시양태에서, 삼플루오르화붕소는 2200℃ 이하의 승온, 예를 들어 1000℃ 내지 2200℃의 온도에서 반응 대역의 붕소 고체 상을 통해 통과한다. 특정 용도에 유용하게 이용될 수 있는 1000℃ 내지 2200℃의 이러한 넓은 온도 범위 내의 더 작은 온도 범위는 더 작은 범위의 온도 하한이 임의의 적합한 값, 예컨대 1000℃, 1050℃, 1100℃, 1150℃, 1200℃, 1250℃, 1300℃, 1350℃, 1400℃, 1450℃, 1500℃, 1550℃, 1600℃, 1650℃, 1700℃, 1750℃, 1800℃, 1850℃, 1900℃, 1950℃, 2000℃, 2050℃, 2100℃ 또는 2150℃를 가질 수 있으며, 이러한 더 작은 범위의 상한이 더 작은 범위의 하한보다 더 큰 값, 예를 들어 특정 실시양태에서 1050℃, 1100℃, 1150℃, 1200℃, 1250℃, 1300℃, 1350℃, 1400℃, 1450℃, 1500℃, 1550℃, 1600℃, 1650℃, 1700℃, 1750℃, 1800℃, 1850℃, 1900℃, 1950℃, 2000℃, 2050℃, 2100℃, 2150℃ 또는 2200℃의 상한을 갖는 더 작은 범위를 포함한다. 본 발명의 광범위한 실행에서 또 다른 온도 범위를 이용하여 BF를 생성시킬 수 있거나, 또는 본원에 개시되는 장치 및 방법을 다른 중간체 및 최종 생성물의 제조에 이용하는 경우 적합한 특징의 다른 온도 범위를 이용할 수 있다.
케이싱 및 반응 공간의 기하학적 형태 및 이들의 공간상의 배치에 의해서만이 아니라 반응 대역에서의 공간상의 온도 프로파일에 의해서도 반응 대역의 위치를 결정할 수 있다.
구체적인 실시양태에서 붕소 고체와 삼플루오르화붕소의 반응 압력은 임의의 적합한 값, 예컨대 10-6 내지 1,000토르일 수 있다.
중간체 BF의 제조에 사용되는 붕소 고체는 임의의 적합한 크기 및 형상 특징, 예를 들어 BF3가 송달되는 반응 공간에 설치된 케이싱 내로 고체가 로딩되어, 케이싱 내의 반응성 고체가 삼플루오르화붕소와 충분히 접촉함으로써 플루오르화붕소(BF) 중간체가 목적하는 양으로 생성될 수 있도록 하는 크기 및 형상 특징을 가질 수 있다.
붕소 고체는 반응기 장치 및 반응 공간 내의 케이싱에 고체를 보유하는데 사용되는 보유 구조물의 규모에 따라 예를 들어 1mm 내지 5cm 이상의 직경 또는 특징적인 주요 치수를 가질 수 있다. 보유 구조물은 예를 들어 체, 쇠창살, 막대, 오프셋 플레이트(offset plate), 컵, 금속 또는 비-금속 솜 덩어리 등을 비롯한 임의의 적합한 유형 또는 유형들일 수 있다. 붕소 고체는 BF 중간체가 케이싱으로부터 방출되어 저온 트랩에서 포획되도록 하는 임의의 적합한 방식으로 배열될 수 있다.
상기 기재된 배열은 BF3와 B 사이의 접촉 면적을 실질적으로 감소시키지 않으면서 케이싱 및 반응 공간으로부터의 BF 방출을 위한 효과적인 출구 포트를 제공함으로써, 또한 반응 BF3+2B↔3BF의 평형상태가 정방향의 반응 방향으로 유지되도록 하기에 적절한 반응 공간 및 케이싱에서의 온도 프로파일을 유지하여 반응의 역방향(즉, 역반응)으로부터 결과되는 붕소 금속 침착에 의해 야기되는 폐색을 방지함으로써, 폐색을 피한다.
구체적인 실시양태에서는, 흑연으로부터 또는 다르게는 다른 적합한 구조 물질로도 제조될 수 있는 실린더형 케이싱에 붕소 고체를 로딩한 다음, 케이싱을 실린더형 반응 공간에 배치하여, 바람직하게는 케이싱을 실린더형 공간 중심에 위치시키지만, 중심에 위치되지 않은 다른 배열도 수행할 수 있다. 케이싱에는 유리하게는 그의 하부 구역에 구멍이 제공되어, BF3가 케이싱의 상부로부터 들어가서 붕소 고체를 통해 통과하고 반응 대역이 위치되는 천공된 구역에 도달하도록 한다. BF3 와 B의 반응으로부터 반응 대역에서 생성되는 BF는 케이싱의 구멍에서 나간 다음 저온 트랩 내로 하향 유동한다. 케이싱 및 반응 공간의 바닥에서의 폐색은 케이싱과 반응 공간 사이에 간격을 제공함으로써 감소된다.
케이싱 및 반응 공간을 비롯한 반응기 어셈블리의 위치 선정에는 수평 또는 수직 배향, 또는 반응기 어셈블리의 수평 및 수직 위치 사이의 임의의 각도에서 각을 이룬 배향을 이용할 수 있다. 반응 공간에 배치된 천공된 케이싱에서의 개구의 형상은 특성상 균일하거나 균일하지 않을 수 있으며, 원형일 수 있거나 또는 삼플루오르화붕소와 붕소 고체 사이의 적절한 접촉을 동시에 수행하면서 플루오르화붕소와 삼플루오르화붕소의 케이싱 밖으로의 유동을 위한 개방된 통로를 유지하기 위한 목적에 일치되는 다른 기하학적 형상을 가질 수 있다. 붕소 고체의 형상 및/또는 크기는 특성상 균일하거나 균일하지 않을 수 있다.
더욱 일반적으로, 반응 공간 내의 케이싱의 개구의 특징, 및 반응에 배치되는 붕소 고체의 형태, 형상, 결정화도 및 크기는, 붕소 고체와 삼플루오르화붕소 사이의 반응을 최적화하도록 개별적으로 또는 통합적으로 조정될 수 있는 매개변수이다.
삼플루오르화붕소와 붕소 원소가 반응하여 일플루오르화붕소를 생성시키는 고온 반응기로부터 하류에 제공되는 저온 반응기, 예컨대 저온 트랩을 고려하면, 저온 트랩의 크기, 형상 및 특징이, 저온 트랩에서 적합한 진공 조건을 유지하면서 고온 반응 대역으로부터 저온 트랩으로 유동되는 중간체-함유 스트림으로부터 더욱 균일한 물질 침착을 최적으로 달성하도록 조정될 수 있는 추가적인 매개변수임을 알아야 한다. 확장된 표면의 구조체, 예를 들어 저온 돌기(finger), 돌출부(fin) 등을 저온 트랩에 제공하여, 고온 반응 대역으로부터 저온 트랩으로 유동되는 중간체-함유 스트림중의 물질의 응축을 위한 표면적을 증가시킬 수 있다.
저온 트랩을 물로 주기적으로 세정하여, 고체 플루오르화붕소 잔류물, 예를 들어 화학식 BxFy(여기에서, x 및 y는 화학량론적으로 적절한 값을 가짐)의 고급/중합체 플루오르화붕소 화합물을 제거할 수 있다. 작업시에는, 저온 트랩을 액체 질소 또는 다른 적합한 냉각제로 냉각시킬 수 있다. 저온 트랩의 바닥에서의 온도는 냉각제로서 액체 질소를 사용하는 경우 -196℃ 정도일 수 있다.
저온 트랩을 또한 특정 기구에서 작동시켜 그 안에서 삼플루오르화붕소를 예비 응축시킴으로써, 중간체-함유 반응 혼합물이 저온 트랩으로 후속 유동될 때 사플루오르화이붕소의 생성을 증가시킬 수 있다.
저온 트랩으로부터 추출 또는 빼내어지는 반응 생성물 혼합물은 5%, 10%, 20%, 30%, 40%, 50% 또는 그보다 더 높은 농도의 사플루오르화이붕소를 함유할 수 있고, 나머지는 삼플루오르화붕소 및 미량의 휘발성 중질 플루오르화붕소이다.
고효율 연속 작업을 위해, 본 발명의 반응 시스템을 다양한 특정 특징부를 갖도록 또는 다양한 특정 배열로 배치할 수 있다. 예를 들어, 단일 반응 공간 및 붕소가 로딩된 단일 케이싱을 함유하는 반응기 대신, 고온 반응기 어셈블리에 서로 독립적으로 작동, 유지 및 재충전될 수 있는 다수개의 독립적인 반응 공간 및 다수개의 케이싱을 제공할 수 있다.
일플루오르화붕소와 삼플루오르화붕소의 반응에 의해 사플루오르화이붕소를 생성시키는데 사용되는 저온 반응기를 고려하면, 이러한 반응기는 저온 트랩의 공간 내로 이송되어 BF, BF3 및 B2F4를 수용 및 응축하는 플레이트 부재 또는 확장된 표면을 갖는 플레이트 부재 같은 충분히 냉각된 표면 요소를 포함하는 저온 트랩으로서 제공될 수 있다. 이러한 수용 플레이트 부재가 응축된 물질로 충분히 코팅되면, 이를 공간 밖으로 이송하여 새로운 수용 플레이트 부재로 교체한다.
다른 배열에서는, 고온 어셈블리가 반응기 내의 저온 구획형 저온 트랩 위에 위치할 수 있다. 이러한 어셈블리는 반응기의 상이한 구획에 대해 임의의 적합한 방식으로 설명될 수 있는데, 특정 저온 트랩 구획은 반응기의 나머지에 대해 단절된 상태로 BF, BF3 및 B2F4로 침착된다(예를 들어, 반응기의 나머지는 세정되거나 또는 다른 저온 트랩 구획에서 이미 침착된 응축된 생성물을 빼낸다).
중간체를 생성시키기 위한 고체/유체 반응용 고온 어셈블리 및 중간체를 사용한 추가적인 유체 반응을 위한 저온 트랩을 포함하는 반응기 시스템은 임의의 적합한 기하학적 형태, 크기 및 규모를 가질 수 있으며, 이 때 반응 대역 및 저온 트랩은 유체 연통되어 중간체 생성물을 포함하는 기체 혼합물이 최종 생성물을 생성시키기 위한 추가적인 반응을 위해 저온 트랩 대역으로 유동할 수 있도록 한다.
이제, 도면을 참조하면, 도 1은 유체("반응성 유체")와 고체 반응물(10)을 반응시키기 위한 반응기 시스템의 개략도이다. 이 배열에서, 고온 어셈블리는 반응성 고체(10)가 로딩되는 케이싱(13)을 포함하는 반응 공간(12)을 포함한다. 반응물 기체는 입구(14)를 통해 반응성 고체 상 내로 도입된다. 임의의 적합한 방식으로 어셈블리에 열을 제공하여, 어셈블리 내에 바람직한 공간상의 온도 프로파일을 생성시키고 중간체 생성물이 생성되는 반응 대역(14)을 형성시킨다. 반응 대역의 위치는 반응 공간(12)과 케이싱(13)의 기하학적 형태 및 온도 프로파일에 의해 결정된다. 미반응 유체와 함께 중간체 생성물은 케이싱의 구멍(15)을 통해 반응 대역으로부터 방출되고, 반응 공간으로부터 흘러나와 저온 트랩(16)으로 흘러들어간다. 저온 트랩에서는, 중간체 생성물이 반응물 기체와 반응하여 최종 생성물을 생성시킨다.
특정 기구에서, 반응물 기체와 중간체 생성물의 반응은 가역적이고, 반응물 기체와 중간체 생성물은 제어된 속도 또는 제어된 방식으로 제 2 반응 대역[저온 트랩(16)]으로 유동되어, 반응성 고체를 생성시키는 역반응을 억제한다.
도 2에 도시된 다른 실시양태에서는, BF3를 긴 고온 어셈블리에 도입하여 적절한 온도로 가열되는 붕소 금속의 고체 입자와 반응시킨다. 이러한 배열에서 붕소 금속의 고체 입자는 그를 둘러싸는 실린더형 반응기 하우징과 동축인 케이싱 내에 제공된다. 케이싱의 반응 대역에서는, 붕소 금속과 삼플루오르화붕소가 반응하여 BF를 생성시키고, BF 및 미반응 BF3가 반응 대역으로부터 방출된다.
케이싱은 다공성일 수 있거나 또는 개구를 가질 수 있다. 예를 들어, 케이싱에는 그의 측벽에 임의의 적합한 크기, 형상 및 특징의 개구가 제공될 수 있다. 하나의 실시양태에서는, 케이싱의 표면을 따라 복수개의 개구를 만든다. 복수개의 개구는 소정 방향을 따라 변할 수 있는 크기를 가질 수 있다. 개구의 크기는 소정 방향을 따라 증가하거나 또는 다르게는 감소될 수 있다. 개구는 반응 챔버에서 목적하는 중간체인 BF의 생성을 최대화하기 위하여 임의의 적합한 방식으로 배열될 수 있다.
고온 어셈블리는 수평으로, 수직으로, 또는 그 사이의 임의의 각도로 배향될 수 있다.
삼플루오르화붕소를 붕소 금속 고체와 접촉시키기 위한 반응 대역이 임의의 광범위하게 변화하는 배열 및 형태일 수 있고, 사플루오르화이붕소 제조 장치가 일플루오르화붕소 중간체를 기상 형태로 제조하기 위한 고온 반응 대역 및 일플루오르화붕소를 고체 형태로 응축시키고 이용가능한 삼플루오르화붕소와 반응시켜 사플루오르화이붕소를 제조하는 저온 회수 대역을 포함하는 것만이 필요함을 알게 될 것이다.
또한, 선행 및 후속 기재내용이 주로 사플루오르화이붕소의 합성에 관련되어 있으나, 본 발명의 장치 및 방법이 액체 또는 고체 형태(이들 액체 또는 고체는 이용가능한 기체와 추가로 반응하여 최종 생성물을 생성시킴)로 응축될 수 있는 기상 생성물을 생성시키기 위하여 고체 반응성 화합물과 반응물 기체로부터 생성되는 매우 다양한 중간체 화합물의 합성에 적용될 수 있음을 알게 될 것이다.
도시된 구체적인 배열에 대한 대안으로서, 케이싱 내의 고체가 도시된 바와 같이 케이싱의 내부 부피에 팩킹되는 대신 케이싱과 반응 공간 벽 사이의 고리 모양 공간 내에 팩킹될 수 있거나, 또는 고체가 기상 반응물에 제공되기 위하여 다른 방식으로 지지될 수 있다.
케이싱 및 반응 공간은 흑연 또는 다른 탄소질 물질로 유리하게 제조될 수 있다. 실린더형 공간 및 반응성 고체를 함유하는 케이싱에 대해 원주를 둘러싸면서 위치되는 전기 코일의 무선 주파수(RF) 장에 의해 유도되는 진동 전류에 의해서와 같이 이러한 물질에서 저항에 의해 열이 용이하게 발생될 수 있기 때문에, 흑연이 이러한 목적에 바람직하다. RF 코일은 붕소 고체를 보유하는 케이싱 내의 이러한 고체와 삼플루오르화붕소의 반응에 요구되는 승온을 달성하기 위한 간단하고도 효과적인 배열을 제공한다. 앞서 기재된 케이싱은 특징상 다공성일 수 있거나, 다공성 흡착성 투과성 물질로 제작되거나, 또는 다르게는 고온 반응에서 생성되는 중간체를 내보내기 위해 하나 이상의 개구를 가질 수 있다.
붕소 고체-함유 케이싱의 제작에 흑연이 바람직하기는 하지만, 2000℃까지의 온도를 견디고 관심 있는 전체 온도 범위에 걸쳐 삼플루오르화붕소에 대해 불활성이기만 하다면 세라믹 또는 다른 고온 물질을 사용할 수 있다.
따라서, 삼플루오르화붕소를 고온에서 붕소 원소와 반응시켜 일플루오르화붕소를 생성시키고, 생성된 일플루오르화붕소를 저온, 예를 들어 극저온에서 삼플루오르화붕소와 반응시켜 사플루오르화이붕소(B2F4) 및 보다 중질의 플루오르화붕소 화합물을 생성시키는 다양한 반응기 구성이 본 발명의 영역 내에서 고려된다. 삼플루오르화붕소와 붕소 원소의 반응이 가역적이기 때문에, 반응기 구성은 BF 생성에 호의적인 상응하는 반응을 억제하는 임의의 적합한 방식으로 중간체인 일플루오르화붕소의 생성을 최대화하도록 바람직하게 적합화될 수 있다.
다양한 실시양태의 고온 반응기는 케이싱 내에 보유된 붕소 원자가 작업의 하향 유동 방식에서 반응기의 상부 말단에서 도입되는 삼플루오르화붕소와 접촉할 수 있는 내부 반응 공간을 한정하는 수직으로 긴 반응기로서 제공된다(BF를 포함하는 반응 생성물 및 미반응 BF3는 반응기의 하부 말단에서 방출된다). 반응을 제어하고 BF의 생성을 최대화하기 위하여, 수직 반응기의 중간부에서 삼플루오르화붕소를 도입하도록 제 2의 삼플루오르화붕소 입구를 배치하여, 반응이 과량으로 첨가된 삼플루오르화붕소에 의해 정방향으로 이루어지도록 할 수 있다.
삼플루오르화붕소 기체를 붕소 고체와 접촉시키기 위한 단일 통로(1회 통과) 유동 배열에 덧붙여, 본 발명은 삼플루오르화붕소가 재순환되고 재순환 루프에 도입되는 보충 삼플루오르화붕소에 의해 증가되어 플루오르화붕소(BF)의 고속 연속 생성을 달성하는 배열의 제공을 고려한다.
본 발명은 또한 삼플루오르화붕소 기체가 반응성 고체와 반응물 기체의 다수개의 통로를 포함하는 연장된 유동 경로를 따라 붕소 고체와 접촉하는 다중 통로 고온 반응 대역의 제공도 고려한다. 이러한 유형의 고온 반응 대역의 예시적인 예는 도 3에 도시되어 있다. 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 삼플루오르화붕소 반응물 기체는 외부 하우징의 상부 말단에서 고온 반응 대역에 들어간다. 하우징의 내부 부피에는 뒤집어진 컵-형태의 배플(baffle) 구조체가 위치하고, 뒤집어진 컵-형태의 배플 구조체 내에는 최종 통과 관상 유동 통로가 배치되며, 하우징 내의 전체 부피가 반응성 고체(붕소-함유 고체)로 채워진다. 최종 통과 관상 유동 통로로부터, 일플루오르화붕소(BF) 및 미반응 삼플루오르화붕소가 하우징의 하부 말단에서 방출된다.
이전의 논의와 일관되게, 본 발명의 광범위한 실행에 사용되는 반응성 고체는 분말, 과립, 펠렛, 소판, 기재 담체 입자 상의 고체 필름 등을 비롯한 임의의 크기의 입자 또는 불연속적인 형태로 제공될 수 있다. 또한, 다정(multimodal) 입자 크기 분포를 이용하여, 고체 반응성 입자 상 내의 공극 부피를 감소시키고 고체 반응성 입자 상이 안치된 케이싱의 단위 부피당 반응성 고체의 양을 최대화할 수 있다.
고체 중간체(BF)의 응축에 사용되는 저온 대역에서는, 액체 질소가 예시적인 냉각제로서 기재되었다. 액체 산소, 액체 헬륨 등을 비롯한(이들로 한정되지는 않음) 다른 냉각 매질을 특정 용도에 사용할 수 있다.
반응물 기체가 유동되는 반응성 고체 접촉 대역에 흑연 물질을 사용하고 이러한 흑연 물질을 저항에 의해 반응 온도로 가열하기 위한 RF 코일을 사용함과 관련하여, 코일 간격, 직경, 형상, 다중 코일의 사용 등이 가해지는 RF 장의 기하학적 형태 및 강도에 영향을 주게 됨을 알게 될 것이다. RF 코일은 본원의 개시내용에 기초하여 당 업계의 기술 수준 내에서 반응 대역에서 반응성 고체와 반응물 기체의 반응 생성물로서 BF 중간체를 효과적으로 생성시키기 위하여, 승온 반응 대역 내부에서 효과적인 축방향 온도 프로파일 및 방사상 온도 프로파일을 제공하도록 적절하게 제작 및 배열될 수 있다.
일반적으로, 저온 반응 대역(저온 트랩)에서 수득된 반응 생성물을 임의의 적합한 회수 기법 및 공정에 적용시킴으로써 목적하는 생성물을 회수할 수 있다. 회수는 목적하는 생성물, 예컨대 B2F4를 고순도 및 높은 부피로 수득하기 위하여 다양한 유형의 정제 기법을 필요로 할 수 있다. 예를 들어, 극저온 증류 및/또는 트랩-대-트랩 분리 기법을 이용함으로써 저온 대역으로부터 최종 생성물을 회수할 수 있다.
저온 반응 대역으로부터의 반응 생성물 성분의 재순환은 본 발명의 특정 기구에 유용할 수 있다. 예를 들어, 저온 반응 대역으로부터의 반응 생성물 혼합물의 BxFy 성분을 가열하여 이를 분해시킴으로써, 저온 반응 대역 반응 공정의 회수된 부산물로서 고체 붕소를 생성시킬 수 있다.
또한, 저온 반응 대역에서 생성된 반응 생성물 혼합물을 동위원소 분리시켜, 이온 주입 절차 같은 용도에 매우 유용할 수 있는 생성물로서 11B가 천연적인 분포도 이상으로 풍부한 사플루오르화이붕소를 제공할 수 있다. 이러한 절차에서는, 11B-함유 이온 또는 이온 단편을 선택하기 위해 AMU 자석 분리를 이용함으로써, 보다 높은 이온 빔 전류 같은 개선을 달성할 수 있다. 동위원소가 풍부한 사플루오르화이붕소는 또한 플라즈마 침지 주입 공정 및 다른 유형의 이온 주입에도 사용될 수 있다.
더욱 일반적으로, 본 발명의 장치 및 방법은 10B 및 11B 동위원소중 하나가 천연적인 분포도를 넘어 풍부한 다양한 붕소 화합물을 제조하는데 이용될 수 있다. 이러한 붕소 화합물은 이온성 화합물, 예를 들어 B2F4 +, B2F3 +, B2F2 +, BF3 +, BF2 +, BF+, B+, F+, B2F4 ++, B2F3 ++, B2F2 ++, BF3 ++, BF2 ++, BF++, B++, F++, B2F4 +++, B2F3 +++, B2F2 +++, BF3 +++, BF2 +++, BF+++, B+++, F+++, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 이온성 화합물을 생성시키기 위한 이온화에 유용할 수 있으며, 이 때 붕소-함유 화합물은 10B 또는 11B 동위원소가 천연적인 분포도 이상으로 풍부하다.
광범위하게 변화되는 유형의 붕소-함유 화합물은 반응물 기체와 접촉하는 붕소 고체를 사용하여 합성할 수 있으며, 임의의 수의 붕소 원자를 포함할 수 있다. 하나의 실시양태에서, 붕소-함유 화합물은 2개 이상의 붕소 원자를 함유한다. 다른 실시양태에서, 붕소-함유 화합물은 B2F4 같은 이붕소 화합물, 삼붕소 화합물, (F2B)3BCO 같은 사붕소 화합물, 오붕소 화합물, 육붕소 화합물, 칠붕소 화합물, 팔붕소 화합물, 구붕소 화합물, 십붕소 화합물, 십일붕소 화합물, 십이붕소 화합물 등, 플러렌의 B80 유사체 같은 B80 화합물을 비롯하여 2 내지 80개의 붕소 원자를 함유한다.
다른 실시양태에서, 붕소-함유 화합물은 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 또는 11개의 붕소 원자를 함유할 수 있다. 추가적인 실시양태는 덩어리 붕소 화합물을 포함할 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 붕소-함유 화합물은 이붕소 화합물일 수 있다. 다른 실시양태에서, 붕소-함유 화합물은 특정 붕소-함유 화합물 외의 이붕소 화합물, 예를 들어 다이보레인 외의 이붕소 화합물을 포함할 수 있다. 따라서, 본 발명이 본 발명의 넓은 영역 내에 속하는 매우 다양한 부류의 붕소-함유 화합물을 고려함을 알게 될 것이다.
하나의 실시양태에서, 본 발명에 따른 동위원소가 풍부한 붕소-함유 화합물의 합성과 관련하여, 목적하는 동위원소는 원자량 10의 붕소이고, 천연적인 분포 농도는 약 19.9%이다. 이러한 붕소 화합물에서, 원자량 10의 붕소 동위원소의 농도는 예를 들어 특정 조성 변형에서 19.9%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 80%, 85%, 90%, 95%, 96%, 97%, 98%, 99%, 99.9% 또는 99.99%보다 더 클 수 있다. 예를 들어, 원자량 10의 붕소 동위원소의 농도는 20 내지 25%, 25 내지 30%, 30 내지 35%, 35 내지 40%, 40 내지 45%, 45 내지 50%, 50 내지 55%, 55 내지 60%, 60 내지 65%, 65 내지 70%, 70 내지 75%, 75 내지 80%, 80 내지 85%, 85 내지 90%, 90 내지 95%, 95 내지 99% 또는 95 내지 99.9%일 수 있다. 다른 실시양태에서, 원자량 10의 붕소 동위원소의 농도는 20 내지 30%, 30 내지 40%, 40 내지 50%, 50 내지 60%, 60 내지 70%, 70 내지 80%, 80 내지 90% 또는 90 내지 99%일 수 있다. 이들 다양한 실시양태의 다양한 양태에서, 붕소-함유 화합물은 2개의 붕소 원자를 함유한다. 본원의 동위원소 백분율은 모두 몰%이다.
다른 실시양태에서, 본 발명에 따른 동위원소가 풍부한 붕소-함유 화합물의 합성과 관련하여, 목적하는 동위원소는 원자량 11의 붕소이고, 천연적인 분포 농도는 약 80.1%이다. 이러한 붕소 화합물에서, 원자량 11의 붕소 동위원소의 농도는 예를 들어 특정 조성 변형에서 80.1%, 85%, 90%, 95%, 96%, 97%, 98%, 99%, 99.9% 또는 99.99%보다 클 수 있다. 예를 들어, 원자량 11의 붕소 동위원소의 농도는 81 내지 85%, 85 내지 90%, 90 내지 95%, 95 내지 99%, 95 내지 99.9%일 수 있다. 특정 실시양태에서, 원자량 11의 붕소 동위원소의 농도는 81 내지 90% 또는 90 내지 99%일 수 있다. 이들 다양한 실시양태의 다양한 양태에서, 붕소-함유 화합물은 2개의 붕소 원자를 함유한다.
본 발명에 따라 제조된, 상기 기재된 동위원소가 풍부한 붕소-함유 화합물을 포함하는 다양한 실시양태에서, 붕소-함유 화합물은 B2F4의 화학식을 갖는다. 상기 기재된 동위원소가 풍부한 붕소-함유 화합물의 합성의 다양한 다른 실시양태에서, 붕소-함유 화합물은 임의의 적합한 수의 붕소 원자, 예를 들어 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 또는 11개의 붕소 원자를 함유할 수 있다.
본 발명에 따라 제조된 붕소-함유 화합물을 이온 주입을 위한 전구체 화합물로서의 사용(여기에서는, 붕소-함유 화합물을 이온화시켜 붕소 이온을 생성시킨 다음, 이 붕소 이온을 기재에 주입함)을 비롯한 다수의 상이한 용도에 사용할 수 있다.
고체 붕소와 삼플루오르화붕소의 반응에 의해 일플루오르화붕소를 제조하는데 사용되는 고온 반응기의 표면 상에서의 침착물 발생이 적음에도 불구하고, 장기간의 작업에 걸쳐 일부 잔류물이 반응기에서 생성되어 축적되는 바, 반응기의 주기적인 세정이 요구된다. 임의의 적합한 세정제를 사용하여 임의의 적합한 방식으로 이러한 세정을 수행할 수 있다. 다양한 실시양태에서, 이러한 세정제의 플라즈마 활성화를 이용하거나 활성화 없이 플루오르, 이플루오르화제논, 삼플루오르화질소 등과 같은 증기-상 세정제를 사용하여 반응기 표면을 세정할 수 있다.
본 발명에 따른 저온 반응 대역은 다양한 방식으로 증대되어, 반응기 생성물 혼합물의 특정 성분, 예를 들어 하류의 펌프, 압축기 또는 다른 유동 회로 구성요소에 유해할 수 있는 화합물을 제거할 수 있다. 다수개의 트랩이 생성물 회수 목적으로 제공될 수 있다.
특정 장치 배열에서, 본 발명의 고온 어셈블리는 반응 공간이 장착되는 축에 의해 매달리고, 공간을 가열할 때 이 축이 동시에 가열되도록 배열될 수 있다. 이는 반응물 기체 BF3의 예열에 유리할 수 있고, 이러한 예열은 전용 히터 또는 반응물 기체 온도를 목적하는 수준으로 증가시키는 열 교환 설비에 의해 추가로 증대될 수 있다.
본 발명의 반응기 시스템은 임의의 적합한 모니터링 및 제어 구성요소, 어셈블리 및 설비를 사용하여 반응성 고체와 접촉시켜 중간체 생성물을 생성시키고 중간체를 후속 반응시켜 최종 생성물을 수득하기 위한 공급 기체의 가공 동안 목적하는 작업 조건을 달성할 수 있다. 예를 들어, 저온 트랩의 압력을 모니터링하여 트랩에서 일관되게 낮은 진공 조건이 유지되도록 보장할 수 있고, 물질 유동 제어기, 유동 제어 밸브, 제한 유동 구멍 요소, 기류 조절기, 압력 스위치 등과 같은 유동 제어기를 사용하여 반응성 고체와 접촉시키기 위한 반응물 기체의 고온 반응 대역으로의 유동을 조절할 수 있다. 일반적으로, 반응기 시스템을 유리하게 작동시키는 역할을 하는 임의의 적합한 모니터링 및 제어 설비를 설치하여, 적절한 특성의 중간체 및 최종 생성물을 수득할 수 있다.
따라서, 모니터링 및 제어 구성요소, 어셈블리 및 설비를 사용하여 반응성 고체 접촉 대역뿐만 아니라 최종 생성물을 생성시키는데 이용되는 중간체 생성물 가공 대역에서 온도 및 압력을 제어할 수 있다. 다르게는, 다른 모니터링 및 제어 양식을 이용하여 다른 시스템 변수 및 매개변수를 조정함으로써 공정 시스템의 유리한 작동을 달성할 수 있다.
고온 반응 대역에 사용되는 반응성 고체는 임의의 적절한 유형일 수 있다. 사플루오르화이붕소 같은 붕소 화합물의 제조에서는, 적합한 고체 반응물로서 고체 붕소가 예시적으로 기재되었다. 다른 실시양태에서는, 접촉시키기 위하여 붕소 금속 외의 반응성 고체를 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 탄화붕소, 규화붕소 또는 다른 붕소 화합물이 후속 가공되어 최종 생성물을 생성시키는 중간체 생성물을 제조하기 위한 반응성 고체로서 유용할 수 있다.
따라서, 광범위하게 변화되는 형태로 본 발명을 실행할 수 있음을 알게 된다. 본 발명의 장치 및 방법의 다양한 양태 및 특징이 아래에 요약된다.
하나의 양태에서, 본 발명은 중간체 화합물을 제조하는데 효과적인 온도 및 압력 조건 하에서 기상 시약을 고체 물질과 접촉시키기 위한 반응 영역; 및
기상 시약의 미반응 부분 및 중간체 화합물을 반응 영역으로 내보내기 위한 개구를 포함하는 장치로서, 상기 개구가 장치의 작동 동안 그의 폐색을 방지하는데 적합한 장치를 고려한다.
구체적인 실시양태에서, 개구는 단일 개구로, 또는 다르게는 다수개의 개구로 다양하게 구성되어, 반응 영역으로부터 중간체 화합물 및 미반응 기상 시약을 방출할 수 있다. 개구는 내강 또는 통로로, 또는 중간체 화합물 및 미반응 기상 시약의 예컨대 추가적인 반응기(여기에서는, 중간체 화합물과 미반응 기상 시약을 추가로 반응시켜 최종 생성물을 생성시킴)로의 규정된 방출을 가능하게 하는 다른 구조적 설비로 구성될 수 있다.
이러한 장치는 반응 영역에서 선택된 온도 및 압력 조건, 예를 들어 선택된 범위의 반응 영역에서의 압력 및/또는 1000℃ 내지 2200℃의 반응 영역에서의 온도를 확립 및 유지하도록 제작 및 배열되는 공정 제어 시스템을 포함할 수 있다. 반응 영역에서의 압력은 임의의 적합한 수준으로 유지될 수 있다. 다양한 실시양태에서, 반응 영역의 압력은 10-6 내지 1,000토르, 더욱 바람직하게는 0.10토르 내지 10토르일 수 있다. 반응 영역의 상류 부분으로부터 하류 부분까지, 반응 영역에 압력 구배가 존재한다. 반응 영역이 실린더형의 반응기 하우징의 내부 부피 내에 있는 구체적인 예에서는, 다양한 실시양태에서 실린더의 출구에서의 압력이 10-2 내지 10-3토르일 수 있다.
기상 시약의 유속은 중간체 생성물의 적절한 생성 수준을 제공하도록 선택될 수 있다. 기상 시약이 삼플루오르화붕소인 하나의 실시양태에서, 유속은 더욱 효율적인 냉각시 500sccm 내지 1200sccm 이상일 수 있고, 유동 방향은 반응성 고체와의 접촉을 최적화하도록 변화될 수 있다. 크기가 큰 반응기로의 대규모화시에는, 상응하게 더 큰 BF3 유동을 이용할 수 있다.
장치는 반응 영역을 가열하기 위한 열원을 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 열원은 전도 가열, 유도 가열, 대류 가열, 저항 가열 및 복사 가열중 하나 이상을 포함하는 가열 양식에 의해 반응 영역의 소정 온도를 유지하도록 적합화될 수 있다. 이와 관련하여 열원은 반응 영역에서의 물질의 침착 및/또는 응축을 방지하는데 효과적인 반응 영역의 온도, 예를 들어 1000℃ 내지 2200℃의 반응 영역 온도를 유지하도록 적합화될 수 있다.
구체적인 실시양태에서는, 중간체 및 미반응 기상 반응물을 반응 영역으로부터 방출하기 위해 사용되는 개구에 응축가능하거나 응고가능한 물질이 축적되는 것을 방지하기 위하여, 이러한 개구를 소정 온도로 가열할 수 있다.
중간체의 제조에 사용되는 장치는 반응 영역을 포함하거나 반응 영역으로 이루어진 반응 챔버를 포함할 수 있다. 이러한 반응 챔버는 그의 표면을 따라 형성된 복수개의 개구를 포함할 수 있다. 앞서 논의된 바와 같이, 복수개의 개구는 소정 방향을 따라 변할 수 있는 크기, 예를 들어 소정 방향을 따라서 증가하는 크기 또는 소정 방향을 따라서 감소되는 크기를 가질 수 있다. 반응 챔버는 흑연을 포함하는 물질로 제조될 수 있다. 구체적인 실시양태의 장치는 기상 반응물을 반응 챔버로 유동시키기 위한 기류 통로를 포함할 수 있다.
장치에서, 전술한 개구는 기상 시약의 도입 방향과 동축일 수 있거나 또는 다르게는 비-동축일 수 있다.
장치의 구체적인 실시양태에서, 기상 시약은 BF3를 포함하고, 고체 물질은 붕소 금속을 포함한다. BF3는 10B 또는 11B 동위원소가 풍부한 BF3를 포함할 수 있다. 독립적으로, 붕소 금속 또는 다른 반응성 붕소-함유 물질은 10B 또는 11B 동위원소가 풍부할 수 있다.
장치에서, 고체 물질은 개별적인 입자 형태일 수 있다. 이러한 개별적인 입자는 그러한 크기 및 형상이 아닌 개별적인 입자에 의해 수행되는 접촉 한도와 비교하여, 기상 시약과의 접촉을 향상시키는 크기 및 형상일 수 있다. 개별적인 입자는 구형, 원통형, 불규칙한 형상, 입방체형, 원뿔형, 원반형, 과립형 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 형상을 갖는 입자를 포함할 수 있다.
장치에서, 고체 시약은 과립 또는 분말 형태일 수 있다.
앞서 기재된 장치의 임의의 실시양태에서, 장치는 중간체 화합물과 기상 시약의 미반응 부분 사이의 반응을 수행하여 반응 생성물을 생성시키기 위한 온도가 감소된 영역을 추가로 포함할 수 있다. 이러한 장치는 온도가 감소된 영역에서 선택된 온도 및 압력 조건, 예를 들어 극저온 범위의 온도 및 진공 압력 범위의 압력을 수행하도록 배열된 공정 제어 시스템을 포함할 수 있다.
장치에서, 온도가 감소된 영역은 액체 질소에 의해 냉각될 수 있다.
장치는 중간체 화합물과 기상 시약의 미반응 부분 사이의 반응이 온도가 감소된 영역에서 또는 그 표면 위에서 이루어지도록 배열될 수 있으며, 장치는 온도가 감소된 영역을 냉각시키기 위한 냉각기를 추가로 포함한다. 장치는 추가적으로, 또는 다르게는 기상 시약과 중간체 화합물이 응축되도록 배열될 수 있다.
장치는 추가적인 기상 시약을 온도가 감소된 영역 내로 유동시켜 그 안에서의 반응이 목적하는 반응 생성물 쪽으로 진행되도록 하기 위한 통로를 추가로 포함할 수 있다.
중간체 화합물과 기상 시약의 미반응 부분 사이의 반응이 온도가 감소된 영역에서 또는 그 표면 상에서 일어나는 장치에서, 장치는 온도가 감소된 영역의 냉각을 위해 표면 상에 또는 표면과 결합된 확장된 표면 구조체를 추가로 포함할 수 있다.
장치는 또한 온도가 감소된 영역이 중간체 화합물과 기상 시약의 미반응 부분 사이의 반응에서 생성된 혼합물로부터 반응 생성물을 회수하기 위한 회수 장치를 포함하도록 배열될 수 있다. 이러한 회수 장치는 한 실시양태에서 극저온 증류 장치를 포함한다. 다른 실시양태에서, 온도가 감소된 영역은 저온 트랩을 포함하고, 회수 장치는 하나 이상의 추가적인 저온 트랩을 포함한다. 장치는 반응 영역의 하나 이상의 구성요소가, 온도가 감소된 영역으로부터 열적으로 단절되도록 배열될 수 있다.
장치는 붕소-함유 조성물 또는 그의 붕소-함유 잔류물, 예를 들어 BF3 및 B2F4중 적어도 하나를 함유하는 붕소-함유 조성물을 포함하는 것으로 구성될 수 있다.
장치는 반응 영역 및 온도가 감소된 영역이 각각 서로 기류 연통 상태로 연결되는 반응 챔버에 의해 한정되도록 배열될 수 있다.
장치는 반응 영역이 기상 시약과 고체 물질의 다중 통로 접촉을 위해 배열되도록 제작될 수 있다.
장치의 작동을 중단시키지 않으면서 선택된 반응 영역에 고체 물질을 새로 보충하도록 적합화된 둘 이상의 반응 영역을 포함하는 것으로 장치를 배열할 수 있다. 이러한 장치에서, 둘 이상의 반응 영역은 이격된 관계로, 예를 들어 동일하게 이격된 관계로 배열될 수 있다. 둘 이상의 반응 영역은 온도가 감소된 영역의 내부 공간과 유체 연통 상태로 배치되고, 온도가 감소된 영역의 외부 표면으로부터 방사상 바깥쪽으로 연장될 수 있다.
본 발명은 또한 제 1 반응 대역에서 반응물 기체와 반응성 고체의 반응을 수행하고, 제 2 대역에서 반응물 기체와 중간체 생성물의 반응을 수행함을 포함하는, 중간체 생성물과 반응물 기체의 반응 생성물로서 최종 생성물을 제조하는 방법을 고려하며, 이 때 상기 중간체 생성물은 반응물 기체와 반응성 고체의 기상 반응 생성물이고, 제 1 반응 대역에서 반응물 기체와 반응성 고체의 반응은 가역적이며, 미반응 반응물 기체와 중간체 생성물은 제어된 속도 또는 제어된 방식으로 제 2 반응 대역으로 유동한다.
이러한 방법에서, 제 1 반응 대역은 1000℃ 내지 2200℃의 온도에서 작동될 수 있으며, 제 2 반응 대역은 극저온에서 작동될 수 있다.
반응물 기체와 중간체 생성물이 제 1 반응 대역의 길이를 따라 소정 간격으로 이격된 제 2 반응 대역으로 유동되는 방법을 수행할 수 있다.
방법의 구체적인 실시양태에서, 반응물 기체는 삼플루오르화붕소를 포함하고, 반응성 고체는 붕소를 포함하고, 중간체 생성물은 일플루오르화붕소를 포함하고, 최종 생성물은 사플루오르화이붕소를 포함한다.
반응물 기체와 반응성 고체중 적어도 하나가, 10B 및 11B 동위원소중 하나가 천연적인 분포도 이상으로 풍부한 붕소-함유 물질을 포함하는 구체적인 실행으로 방법을 수행할 수 있다. 붕소-함유 물질은 예를 들어 10B 동위원소가 천연적인 분포도를 넘어 풍부할 수 있거나, 또는 11B 동위원소가 천연적인 분포도를 넘어 풍부할 수 있다.
제 1 및 제 2 반응 대역중 적어도 하나를 주기적으로 세정함을 포함하는 방식으로 본 발명의 방법을 실행할 수 있다. 이러한 세정은 세정제로서 예를 들어 이플루오르화제논의 사용을 포함할 수 있다.
제 2 반응 대역에서 반응물 기체와 중간체 생성물의 반응에 의해 발생된 반응 혼합물로부터 최종 생성물을 회수함을 포함하는 것으로 방법을 수행할 수 있다. 이러한 B2F4의 회수 및 정제는 최종 생성물의 극저온 증류 또는 트랩-대-트랩 회수를 포함할 수 있다.
도 4 및 도 5는 조질 B2F4-함유 반응 생성물 혼합물의 순도를 높이는데 사용될 수 있는, 본 발명의 한 실시양태에 따른 예시적인 트랩-대-트랩 장치를 도시한다. 조질 반응 생성물 혼합물은 예를 들어 B2F4 25중량% 및 BF3 75중량%를 함유할 수 있다. 도 4에 도시된 장치를 이용하여, 이러한 조질 반응 생성물 혼합물을 처리함으로써, B2F4의 순도를 최초의 25% 순도에서 90% 순도까지 증가시킨 후, 90% 순도의 B2F4/BF3 혼합물을 도 5에 도시된 장치에 의해 추가로 가공하여, B2F4 순도를 최초의 90% 값에서 99.9% 순도까지 증가시킬 수 있다.
도 4의 장치에서는, 조질의 반응 생성물 B2F4/BF3 혼합물("반응기로부터")이, 유동 제어 밸브(AV-12)를 함유하는 입구 라인을 통해 트랩 1의 용기(30) 내로 유동된다. 트랩 1은 BF3에 비해 B2F4의 우선적인 응축에 적합한 온도로 유지된다. 이어, 반응기는 B2F4의 우선적인 포획을 유지하기 위하여 트랩 1으로의 기체 혼합물의 최적 유동을 제공할 수 있는 압력에서 작동된다. 트랩 1의 용기(30)로부터, 기체 혼합물은 밸브(AV-13)를 함유하는 방출 라인에서 용기 우회 밸브(AV-9, AV-10, AV-11)를 함유하고 각각 밸브(AV-22, AV-25)를 함유하는 배기/재순환 라인과 연결된 매니폴드 라인으로 유동된다.
트랩 1을 통과하는 B2F4를 포획하기 위하여, 매니폴드 라인에 있는 트랩 1으로부터의 기체 혼합물은 유동 제어 밸브(AV-14)를 함유하는 입구 라인에서 트랩 2의 용기(32) 내로 유동하고, 트랩 2의 용기(32)로부터, 기체 혼합물은 밸브(AV-15)를 함유하는 방출 라인에서 매니폴드 라인으로 유동한 다음, 유동 제어 밸브(AV-16)를 함유하는 입구 라인에서 트랩 3의 용기(34) 내로 유동한다. 트랩 2 및 트랩 3은 B2F4의 추가의 우선적인 응축에 적합한 온도에서 유지된다. BF3로 실질적으로 이루어진 B2F4-결핍된 기체는 이어 용기(34)로부터 밸브(AV-17)를 함유하는 방출 라인에서 매니폴드 라인 내로 유동하고, 그로부터 BF3 수집 용기(44)로 유동한다[이러한 목적을 위하여, 밸브(AV-19, MV-3)는 개방되고, 트랩 1 내지 3을 통해 조질 반응기 유출 기체 혼합물이 유동하는 동안 밸브(AV-9, AV-10, AV-11, AV-18, AV-22 및 AV-25)는 폐쇄된다].
트랩 1 내지 3을 통한 조질 반응기 유출 기체 혼합물의 이러한 일련의 유동 동안 BF3 수집 용기는 BF3의 응축에 적합한 온도에서 유지된다. 트랩 1 내지 3을 통한 조질 반응기 유출 기체 혼합물의 일련의 유동 동안 B2F4 및 BxFy는 고체로서 3개의 트랩에 포획되고, BF3는 BF3 포획 용기에 포획될 때까지 유동한다. 이 공정은 조질 반응기 유출물이 모두 반응기로부터 전달될 때까지 계속된다.
도 4의 시스템으로의 조질 반응기 유출물 전달이 종결되면, 추가적인 유동에 대해 반응기를 폐쇄하고, BF3 수집 용기의 밸브 헤드 어셈블리 내의 밸브를 폐쇄한다. B2F4 수집 용기 또는 용기들[용기(36, 38, 40, 42)를 포함하는 용기 어레이로서 도 4에 도시됨]은 -195℃로 냉각되어 유지된다.
용기(30, 32, 34)를 포함하는 3개의 트랩을 서서히 가온하여, 고체 B2F4가 기화되고 B2F4 수집 용기 내로 흘러들어가 대다수의 BxFy 화합물을 트랩 내부에 남기도록 한다. 용기 어레이의 B2F4 수집 용기는 트랩 시스템으로부터 추출된 B2F4로 연속적으로 또는 동시에 채워질 수 있다. 트랩 온도, 반응기 압력 및 라인 디자인, 예를 들어 관 직경, 트랩 종횡비 등을 변화시킴으로써 트랩에서 응축되는 B2F4의 순도를 최적화할 수 있으나, 90%보다 높은 순도가 통상적으로 얻어진다.
이어, BxFy 화합물을 함유하는 트랩을 추가로 가온하여, 이러한 화합물을 회수할 수 있는데, 이들 화합물은 이어 재순환되거나 추가로 가공되거나 또는 달리 처분되거나 사용될 수 있다.
다르게는, 추가적인 트랩 시스템을 반응기로부터 증발되는 기체 혼합물의 인라인에 설치하고 BxFy의 우선적인 포획에 최적인 온도로 냉각시킬 수 있다.
이어, 도 5의 장치에서 가공함으로써 90%+ 순도의 B2F4를 더 높은 순도로 정제한다. 90%+ 순도의 B2F4로 이미 채워진 B2F4 수집 용기를 도 4의 시스템의 수집 매니폴드로부터 제거하고, BF3와 B2F4의 포화 증기압의 비가 BF3의 효과적이고 선택적인 제거에 최적인 온도로 냉각시키고 유지한다.
도 5는 저온 욕 챔버(52)에서의 예시적인 B2F4 수집 용기(54)를 도시한다. 저온 욕 챔버(52)는 냉각제로 채워지거나 또는 달리 냉각되어 B2F4 농도가 감소되는 적절한 수준에서 B2F4 수집 용기의 온도를 유지시킴으로써 BF3를 우선적으로 제거할 수 있도록 할 수 있다. 이어, 용기(54)의 밸브 헤드 어셈블리(55)의 밸브를 개방하고, BF3가 풍부한 기체 혼합물을 방출 라인(56) 및 유동 제어 밸브(60)를 통해 트랩 챔버(70, 72, 74) 내의 일련의 용기로 유동시킨다. 트랩 챔버는 냉각제를 함유하거나 또는 달리 냉각되어 수집 용기로부터 BF3와 함께 제거된 B2F4를 우선적으로 재포획하는데 적합한 수준으로 그 안의 용기의 온도를 유지시키는데, 이 때 트랩 챔버(70)는 용기(64, 66)를 갖고, 트랩 챔버(72)는 용기(76, 78)를 가지며, 트랩 챔버(74)는 용기(80, 82)를 갖는다. 개별적인 용기는 매니폴드 블록(86)에 의해 집배되는 배열에서 상호연결되어, 유동 회로가 트랩 챔버 내의 개별적인 용기를 연결한다.
라인(88)[유동 제어 밸브(90, 92)를 가짐]의 개별적인 트랩 및 매니폴드 블록(86) 유동 회로를 통해 유동시키고 마지막으로 저온 욕 챔버(98)의 BF3 포획 용기(96)로 통과시킴으로써, 90%+ B2F4-함유 기체 혼합물중의 소량의 BF3를 포획하며, 이 때 용기(96)의 밸브 헤드(94)의 밸브를 이 목적을 위해 개방한다. 저온 욕 챔버는 냉각제를 함유하거나 또는 달리 냉각되어, BF3 포획 용기(96)의 온도를 BF3 응축에 최적인 수준으로 유지시키도록 한다.
이어, 시스템을 단절시키고 개별적인 용기를 폐쇄한 후, B2F4 수집 용기를 실온으로 가온한다.
그 후 B2F4의 목적하는 순도가 달성될 때까지 상기 사이클을 반복한다. 이러한 목적으로 회수된 B2F4의 순도를 FT-IR 분석기 같은 임의의 적합한 분석 기법 또는 기기에 의해 분석할 수 있다. 도 5의 공정 시스템에 의해, 90%+ B2F4 기체의 순도를 99%+까지 증가시킬 수 있다.
다른 실시양태에서는, 최종 생성물을 전구체로서 사용하여 예컨대 빔라인 이온 주입기 또는 플라즈마 침지 이온 주입 시스템에 사용하기 위한 이온 주입 화합물을 생성시킬 수 있다. 플라즈마 침지 이온 주입은 종종 PLAD 또는 Piii로 일컬어진다. 이러한 이온 주입 화합물을 기재에 주입할 수 있다. 플라즈마 주입 시스템은 특정 동위원소를 선택하기 위하여 질량 분석기를 사용하지 않으며, 이들은 플라즈마에서 생성되는 모든 동위원소를 주입한다.
동위원소 화합물의 제어된 분배에 의해, 붕소의 동위원소가 풍부한 전구체 또는 다른 전구체 화합물을 사용함으로써, 플라즈마 주입 시스템을 유리하게 만들 수 있다. 전구체 물질로부터 유도되는 동위원소의 분포를 제어함으로써, 향상된 반복성 및 공정 제어 개선을 달성할 수 있다. 플라즈마 주입 공정은 또한 삼플루오르화붕소에 비해 사플루오르화이붕소의 향상된 분리능으로부터 이점을 이끌어낼 수도 있다. 따라서, 동위원소가 풍부한 사플루오르화이붕소는 그가 사용되는 다양한 실시양태에서 상당한 작동상의 이점을 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 양태는 하기 2-단계 반응 계획에 의해 B2F4가 생성되는 경우 B2F4 생성에 있어서 중질 플루오르화붕소의 순간적인 분해를 방지하기 위한 방법에 관한 것이다:
(1) BF3+B→BF (고온)
(2) BF+BF3→B2F4+BxFy (저온)
상기 식에서, 반응 (1)은 반응을 일플루오르화붕소(BF)의 생성 쪽으로 이동시키고 반응 (2)를 위해 충분한 BF3를 제공하기 위하여 BF3를 화학량론 면에서 크게 과량으로 사용하여, 붕소 원소 고체 상을 통해 삼플루오르화붕소(BF3)를 유동시킴으로써 고온에서 수행되고; 반응 (2)는 저온에서, 예를 들어 극저온에서 수행되어, B2F4에 덧붙여 화학식 BxFy의 중질 플루오르화붕소를 부산물로서 생성시킨다.
BxFy 부산물은 예를 들어 B3F5 및 B8F12뿐만 아니라 x가 8보다 크고 y가 관련 조성물에 적절한 임의의 화학량론적 값을 갖는 화합물을 포함할 수 있다.
B3F5가 -50℃보다 높은 온도에서 불안정하고, -20℃보다 높은 온도에서 B3F5의 분해가 격렬할 수 있음은 알려져 있다. B8F12도 분해되지만, 이의 분해는 덜 활기차다. 다른 BxFy 조성물은 B2F4 및 BF3 같은 경질 플루오르화붕소 및 중질 중합체 BxFy 조성물로, 마지막에는 붕소 금속으로 서서히 분해된다.
본 발명에 따른 B2F4 제조는 회분식 공정 방식으로 수행될 수 있으며, 이 때 반응 (1) 및 (2)는 동일한 반응기의 상이한 부분에서 동시에 수행된다. 회분식 공정이 끝나면, 반응 생성물 및 미반응 BF3를 반응기로부터 제거하고 추가로 가공하여 B2F4를 분리한다. B2F4 및 BF3를 함유하는 반응 생성물 스트림을 상이한 온도로 냉각되는 일련의 용기를 통해 통과시켜, BF3로부터 B2F4를 포획 및 분리함을 포함하는 트랩-대-트랩 방법에 의해 생성물 추출 동안 BF3의 부분적인 분리를 수행할 수 있다. 직렬-연결된 용기의 어셈블리의 디자인에 따라, BxFy는 B2F4와 동일한 포획 용기에 또는 상이한 용기에 축적될 수 있다. 추가적인 가공은 포획 용기를 가온하여 B2F4를 증발시킨 다음 이를 추가적인 가공을 위한 일시적인 용기에 재포획함을 포함한다.
새로 포획된 BxFy를 다량으로 갖는 용기의 가온 동안, 도 6에 도시된 바와 같이 특정 온도에 도달할 때 순간적인 압력 및 온도 일탈이 발생될 수 있다. 이러한 일탈의 기체 및 고체 생성물의 분석은 BF3가 우세한 기체 생성물이고 붕소 원소를 포함하는 검정색 분말이 고체 생성물임을 나타낸다.
BxFy의 이러한 순간적인 분해는 문제가 되는데, 수반되는 압력 및 온도 스파이크(spike)가 감압성 설비에 손상을 줄 수 있고/있거나 심지어는 기체 방출을 야기할 수 있기 때문이다. 또한, 생성되는 붕소 원소가 공정 시스템 전체를 통해 운송되어, 라인 폐색을 야기하고 미립자에 감수성인 공정 시스템 구성요소에 손상을 줄 수 있다. 뿐만 아니라, BxFy의 강력한 분해는 의도되는 생성물인 B2F4의 분해 및 상실을 촉발시킬 수 있다.
본 발명은 BxFy를 함유하는 용기의 가온 속도를 제어함으로써, BxFy의 순간적인 분해의 빈도 및 속도를 방지하거나 또는 적어도 상당히 감소시킴을 고려한다. 하나의 실시양태에서는, BxFy를 함유하는 용기의 온도를 0 내지 2℃로 높인 다음, 얼음을 함유하는 수욕에 용기를 침지시킨다. 이러한 제어된 가온의 결과는 도 7에 도시된다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 제어되지 않은 가온 동안 발견되는 온도 스파이크가 없어지고, 압력 상승이 상당히 감소된다. 동일한 시스템의 다른 시험에서는, 압력 상승이 관찰되지 않았다. 이러한 제어된 가온 공정의 용기를 유리하게는 하룻밤동안 수욕에서 유지시켜, +10℃ 내지 +20℃로 매우 서서히 가온시킨 다음, 용기를 B2F4 분리의 다른 사이클에 사용한다.
따라서, 제어된 가온은 용기 내에서 모든 종류의 BxFy의 분해를 개시하지 않으면서 더욱 불안정한 중질 플루오르화붕소를 훨씬 더 서서히 분해시킨다. 제어된 가온이 수행되는 공정 시스템에 사용되는 설비의 검사 및 시험은 제어된 가온에 의해 미립자의 발생이 상당히 감소되었음을 확인시켜준다. 제어된 가온 동안의 미립자 발생의 낮은 수준은 공정 시스템에서의 폐색 가능성을 상응하게 감소시킨다. 구체적으로, 고체 발생으로 인한 밸브 손상이 40 내지 60%에서 7 내지 15% 수준으로 감소될 수 있으며, 일부 경우에는 0%로 감소될 수 있다.
따라서, 본 발명은 중간체 생성물과 반응물 기체의 반응 생성물로서 최종 생성물을 제조하는 방법을 고려하며, 이 때 중간체 생성물은 반응물 기체와 반응성 고체의 기상 반응 생성물이다. 이러한 방법은 제 1 반응 대역에서 반응물 기체와 반응성 고체의 반응을 수행하고, 제 2 반응 대역에서 반응물 기체와 중간체 생성물의 반응을 수행함을 포함하며, 이 때 제 1 반응 대역에서의 반응물 기체와 반응성 고체의 반응은 가역적이다. 이 방법은 제 2 반응 대역에서의 반응물 기체와 중간체 생성물의 반응에 의해 생성된 반응 혼합물로부터 최종 생성물을 회수함(최종 생성물의 극저온 증류 및/또는 트랩-대-트랩 회수를 포함함)을 추가로 포함한다. 이러한 방법에서, 제 2 반응 대역에서의 반응물 기체와 중간체 생성물의 반응은 화학식 BxFy의 플루오르화붕소를 생성시키는데, 이 때 x는 2보다 크고, y는 x와 조화되는 임의의 화학량론적 값을 갖는다. 이 방법은 예를 들어 화학식 BxFy의 플루오르화붕소를 0℃ 내지 2℃로 가온한 다음 10℃ 내지 20℃로 서서히 가온함으로써 이 화합물의 순간적인 분해를 매개하지 않으면서 이 화합물을 회수 또는 제거함을 포함한다.
이와 관련하여 사용되는 용어 "10℃ 내지 20℃로 서서히 가온"이란, 0℃ 내지 2℃의 최초 온도로부터 10℃ 내지 20℃로의 온도 증가가 약 6시간 이상의 온도의 실질적으로 점진적인 증가 기간에 걸쳐 수행된다는 의미이다.
본 발명은 극저온의 플루오르화붕소를 0℃ 내지 2℃로 가온한 다음 10℃ 내지 20℃로 서서히 가온함을 포함하는, 주위 온도로의 평형화동안 화학식 BxFy(여기에서, x는 2보다 크고, y는 x와 조화되는 임의의 화학량론적 값을 가짐)의 극저온 플루오르화붕소의 순간적인 분해를 억제하는 방법을 상응하게 고려한다.
다양한 양태, 실행 및 실시양태와 관련하여 장치 및 방법을 기재하였으나, 이러한 임의의 양태, 실행 및 실시양태는 본 발명의 임의의 다른 양태, 실행 및 실시양태와의 임의의 조합으로 존재할 수 있음을 알게 될 것이다. 따라서, 본 발명은 이러한 특징의 상응하는 집합에서의 필적하는 특징의 개별적인 또는 구체적으로 기재된 모든 치환 및 조합을 포함하는 것으로 간주되어야 한다. 또한, 본 발명의 장치 및 방법의 구체적인 실행에서는 그의 추가적인 실시양태로서 본원에 구체적으로 개시된 개별적인 특징중 임의의 하나 이상이 본원에 개시된 임의의 다른 특징 또는 특징의 조합으로부터 선택적으로 제외될 수 있음을 또한 알아야 한다.
그러므로, 본 발명은 구체적인 양태, 특징 및 예시적인 실시양태와 관련하여 본원에 기재되었으며, 본원에 개시된 장치 및 방법은 이렇게 한정되지 않으며 오히려 본원의 기재내용에 기초하여 본 발명의 분야의 숙련된 업자가 알게 되는 바와 같이 다수의 다른 변화, 변형 및 다른 실시양태로 확장되고 이들을 포함함을 알게 될 것이다. 상응하게, 이후 특허청구되는 본 발명을 그의 정신 및 범주 내에서 이러한 모든 변화, 변형 및 다른 실시양태를 포함하는 것으로 폭넓게 간주하고 해석하고자 한다.
Claims (61)
- 반응 공간을 포함하는 장치로서,
상기 반응 공간이, 고체 물질을 지지하기 위한 상기 반응 공간 내부에 배치된 케이싱을 가지며, 상기 반응 공간은 기상 시약 공급원과 연결되며, 중간체 화합물을 생성시키기 위한 온도 및 압력 조건하에서 상기 기상 시약과 상기 고체 물질을 반응시키기 위해 이들을 접촉시키도록 구성되고,
상기 케이싱은 상기 기상 시약의 미반응 부분 및 상기 중간체 화합물을 상기 반응 공간으로부터 내보내기 위한, 상기 케이싱의 표면을 따라 형성된 복수개의 개구(opening)를 포함하며,
상기 케이싱의 바닥에는 상기 고체 물질을 지지하는 보유 구조물이 구비되며,
상기 기상 시약은 BF3 기체이고, 상기 고체 물질은 붕소 원소 고체이며, 상기 중간체 화합물은 BF인, 장치. - 제 1 항에 있어서,
반응 공간에서 선택된 온도 및 압력 조건을 실행하도록 배열된 공정 제어 시스템을 포함하고, 상기 공정 제어 시스템이 반응 공간내의 압력을 10-6 내지 1,000토르의 범위로, 및/또는 반응 공간내의 온도를 1000℃ 내지 2200℃의 범위로 확립 및 유지하도록 제작 및 배열되는 장치. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 복수개의 개구가 소정 방향을 따라 가변적인 크기를 갖는 장치. - 제 11 항에 있어서,
상기 개구의 크기가 소정 방향을 따라 증가하는 장치. - 제 11 항에 있어서,
상기 개구의 크기가 소정 방향을 따라 감소되는 장치. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 BF3 내의 붕소는, 19.9 mol% 초과의 10B 동위원소를 포함하거나, 80.1 mol% 초과의 11B 동위원소를 포함하는 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 붕소 금속에서, 10B 동위원소의 농도가 19.9 mol% 초과이거나, 11B 동위원소의 농도가 80.1 mol% 초과인 장치. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항, 제 2 항, 제 11 항 내지 제 13 항, 제 17 항 및 제18 항중 어느 한 항에 있어서,
반응 공간으로부터 기상 시약 및 중간체 화합물을 수용하고, 상기 기상 시약과 중간체 화합물을 응축 및 반응시켜 반응 생성물을 생성하도록 구성된 저온 트랩을 추가로 포함하는 장치. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제 25 항에 있어서,
상기 기상 시약이 기상 BF3를 포함하고, 상기 중간체 화합물이 BF를 포함하며,
상기 저온 트랩이 기상 BF3 및 BF를 반응시켜 B2F4를 생성하도록 구성된 장치. - 삭제
- 삭제
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Applications Claiming Priority (3)
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