KR102012056B1 - B₂f₄ 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

고체 반응물질로부터 화합물 또는 중간체를 제조하기 위한 반응 시스템 및 방법이 제공된다. 구체적인 양태에서, 기판에 붕소를 이온 주입하기 위한 전구체로서 유용한 붕소-함유 전구체 화합물을 제조하기 위한 반응 시스템 및 방법이 제공된다. 다른 구체적인 양태에서는, B2F4 같은 붕소 전구체를 제조하기 위한 반응기 시스템 및 방법이 제공된다.

Description

B₂F₄ 제조 방법{B₂F₄ MANUFACTURING PROCESS}
본 발명은 고체 반응물질로부터 화합물 또는 중간체를 제조하기 위한 반응 시스템 및 방법에 관한 것이다. 구체적인 양태에서, 본 발명은 기판에 붕소 이온을 주입하기 위한 전구체로서 유용한 붕소-함유 전구체 화합물을 제조하기 위한 이러한 유형의 반응 시스템 및 방법에 관한 것이다.
관련 출원에 대한 교차 참조
본원은 미국 특허법 제119조의 규정하에, 2011년 10월 10일자로 출원된 미국 특허 가출원 제 61/545,546 호에 기초한 우선권을 주장한다. 미국 특허 가출원 제 61/545,546 호의 개시내용을 본원에 참고로 인용한다.
이온 주입은 마이크로전자 장치 제품의 제조 및 다른 산업상의 용도에 광범위하게 이용된다. 이온 주입 공정에서는, 에너지가 높은 이온을 기판에 충돌시킴으로써 화학물질을 기판에 침착시킨다. 목적하는 이온을 생성시키기 위하여, 이온화되어 전구체 분절, 양이온, 음이온, 및 재결합 이온성 및 비이온성 물질을 다양하게 포함할 수 있는 이온화된 매질을 생성시키는 전구체가 요구된다. 이 이온화된 매질을 추출, 자기 여과, 가속/감속, 분석기 자석 가공, 시준, 주사 및 자기 수정에 의해 가공하여, 기판 상에 충돌하는 목적하는 유형의 이온의 최종 이온 빔을 생성시킨다.
폭 넓게 변하는 유형의 전구체를 이용하여 상응하게 변하는 주입된 물질 및 장치를 제조한다. 예시적인 전구체는 아르곤, 산소, 수소, 및 비소, 인, 게르마늄, 붕소, 규소 등과 같은 도판트 원소의 수소화물 및 할로겐화물을 포함한다. 특히 붕소는 매우 폭 넓게 사용되는 도판트 원소이고, 최근에는 기존 붕소 전구체의 효율 및 효용을 증가시키고 새로운 붕소 전구체를 개발하는데 관심이 집중되어 왔다.
다수의 집적 회로를 제조함에 있어서 주요 단계중 하나는 붕소를 실리콘 웨이퍼에 주입함을 포함한다. 원소 붕소가 고온에서도 매우 낮은 증기압을 나타내기 때문에, 휘발성 붕소-함유 전구체 화합물을 사용할 필요가 있다. 현재, 삼플루오르화붕소(BF3)가 붕소 주입용 전구체로서 널리 사용되고 있다. 2007년에, 이온 주입용 BF3의 전세계적인 소비는 약 3000kg 정도인 것으로 추산되었으며, 이 부피는 지속적으로 증가하고 있다.
폭 넓은 사용에도 불구하고, BF3는 단점을 갖는다. BF3 분자는 이온화되기 매우 어렵고, 통상적인 이온화기의 이온 공급 챔버 내로 유동되는 모든 BF3의 약 15%만이 분절로 될 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 생성시킨다.
추출 전류를 상승시키고 또한 BF3 유속을 증가시키는 것과 같이 공정 매개변수를 변화시킴으로써, B+ 빔 전류를 얼마간 증가시킬 수 있다. 그러나, 이러한 수단은 이온 공급원의 수명 단축, 도구 불안정성으로 이어지는 고압 아크 현상(arcing), 불량한 진공 및 빔 에너지 오염을 야기한다.
BF3의 사용에 있어서 낮은 B+ 빔 전류와 관련된 처리량 제한은, 더 낮은 주입 에너지를 사용하는 반도체 제조 산업에서의 일반적인 경향 때문에 최근 수년간 이러한 산업에서 더욱 중요해져 왔다. 더 낮은 주입 에너지에서, B+ 빔은 공간 전하로 인한 더 큰 블로우-아웃(blow-out) 효과를 겪게 된다.
따라서, 특성상 신뢰성있고 비용-효과적인 다른 붕소 전구체의 고부피 제조능은 반도체 제조 업계 및 붕소 도핑이 이용되는 다른 이온 주입 용도에 크게 기여하게 될 것이다.
본 발명은 B2F4 같은 붕소 전구체를 제조하기 위한 반응기 시스템 및 방법에 관한 것이다.
한 양태에서, 본 발명은, 중간체 물질(intermediate species)을 형성시키는데 효과적인 온도 및 압력 조건하에서 기상 시약을 고체 물질과 접촉시키기 위한 반응 대역; 상기 기상 시약의 미반응 부분과 상기 중간체 물질이 상기 반응 대역으로부터 응축 대역으로 나가도록 하는 개구; 및 상기 반응 대역을 상기 응축 대역에 밀봉 연결하는, 상기 개구를 둘러싸는 밀봉부를 포함하는 반응기 시스템에 관한 것이다.
다른 양태에서, 본 발명은 중간체 물질을 형성시키는데 효과적인 온도 및 압력 조건하에서 BF3 기체를 붕소-함유 고체와 접촉시키기 위한 반응 대역; 상기 반응 대역으로부터, 상기 중간체 물질과 상기 BF3 기체의 미반응 부분 사이의 반응을 수행하여 B2F4를 포함하는 반응 생성물을 형성시키기 위한 응축 대역으로, 상기 BF3 기체의 미반응 부분과 중간체 물질이 나가도록 하는 개구; 상기 반응 생성물과 미반응 BF3 기체를 회수하기 위한 회수 대역; 및 회수된 미반응 BF3 기체를 상기 반응 대역으로 재순환시키기 위한 재순환 대역을 포함하는 반응기 시스템에 관한 것이다.
다른 양태에서, 본 발명은 BF3 기체와 붕소-함유 고체를 반응시켜 BF와 미반응 BF3 기체를 포함하는 제 1 기상 혼합물을 생성시키고; 제 1 기상 혼합물을 응축시켜 응축된 생성물을 생성시키기에 효과적인 온도 및 압력 조건하에서 제 1 기상 혼합물을 냉각시키며; 응축된 생성물을 휘발시켜 B2F4와 BF3를 포함하는 제 2 기상 혼합물을 형성시키고; 제 2 기상 혼합물을 여과하여 미립자를 제거하고; 제 2 기상 혼합물로부터 B2F4를 회수함을 포함하는, B2F4를 제조하는 방법에 관한 것이다.
추가적인 양태에서, 본 발명은 BF3 기체와 붕소-함유 고체를 반응시켜 BF와 미반응 BF3 기체를 포함하는 제 1 기상 혼합물을 형성시키고; 제 1 기상 혼합물을 응축시켜 제 1 응축된 생성물을 형성시키는데 효과적인 온도 및 압력 조건하에서 제 1 기상 혼합물을 냉각시키고; 제 1 응축된 생성물을 휘발시켜 B2F4와 BF3를 포함하는 제 2 기상 혼합물을 생성시키며; 제 2 기상 혼합물을 응축시켜 제 2 응축된 생성물 및 B2F4와 BF3를 포함하는 제 3 기상 혼합물을 형성시키는데 효과적인 온도 및 압력 조건하에서 제 2 기상 혼합물을 냉각시키며; 제 3 기상 혼합물을 여과하여 미립자를 제거하고; 제 3 기상 혼합물로부터 B2F4를 회수함을 포함하는, B2F4를 제조하는 방법에 관한 것이다.
추가의 양태에서, 본 발명은 삼플루오르화붕소(BF3)와 반응성이어서 플루오르화붕소(BF)를 생성시키는 붕소 반응물을 함유하는 반응기; 반응기에 BF3를 공급하도록 배열된 BF3의 공급원; 반응기로부터 반응기 유출물을 받아들이고 BF와 BF3를 응축시켜 B2F4를 생성시키는데 효과적인 공정 조건을 제공하도록 구성된 응축 대역; 및 응축으로부터 회수될 수 있는 미반응 BF3를 반응기로 유동시키기 위한 재순환 루프를 포함하는, B2F4를 생성시키기 위한 장치에 관한 것이며, 이 때 상기 반응기는 BF3와 상기 붕소 반응물을 반응시켜 반응 생성물로서 BF를 수득하고 또한 BF 및 미반응 BF3를 반응 유출물로서 방출시키는데 효과적인 공정 조건을 제공하도록 구성되고, 상기 재순환 루프는 반응기로 유동되는 재순환 BF3를 정제하도록 구성된 정제 유닛을 포함한다.
본 발명의 다른 양태, 특징 및 실시양태는 계속되는 상세한 설명 및 첨부된 특허청구범위로부터 더욱 충분하게 명확해질 것이다.
도 1은 본 발명의 한 실시양태에 따른 반응기 시스템의 사시도이다.
도 2는 도 1의 실시양태에 따른 반응기 시스템의 사시도이다.
도 3은 설치된 반응기 시스템의 사시도이다.
도 4는 도 2의 실시양태에 따른 반응기 시스템의 단면도이다.
도 5는 도 4에 도시된 반응기 시스템의 스플릿 플랜지(split flange) 구역의 확대도이다.
도 6은 본 발명의 실시양태에 따른 예시적인 트랩 구조의 사시도이다.
도 7은 본 발명의 실시양태에 따른, 고체 반응물과 유체를 반응시키기 위한 통합된 반응기 시스템의 공정 다이어그램이다.
본 발명은, 유체와 고체 반응물질의 반응으로부터 중간체 및 최종 생성물을 생성시키기 위한 반응기 시스템 및 방법에 관한 것이다. 구체적인 양태에서, 본 발명은 B2F4 같은 붕소 전구체를 제조하기 위한 반응기 시스템 및 방법에 관한 것이다.
더욱 구체적인 양태에서, 본 발명은 B2F4를 제조하기 위한 반응 시스템 및 방법을 제공한다. 사플루오르화이붕소는 -56℃의 융점, -34℃의 기준 비점, 및 9.54바의 21℃에서의 증기압을 갖는 액화가능한 기체이다.
본 발명의 구체적인 양태에서, 사플루오르화이붕소(B2F4)는, 부분적으로는 B2F4를 삼플루오르화붕소보다 용리 및 이온화되기 더욱 용이하게 만드는 붕소-붕소 화학적 결합의 특성 때문에, 삼플루오르화붕소 전구체에 비해 이점을 제공하는 전구체 화합물이다. 결과적으로, 사플루오르화이붕소의 사용은 상당히 더 높은 빔 전류를 획득할 수 있도록 한다. 원자질량단위(AMU) 자석 선택을 이용하여, 삼플루오르화붕소가 동일한 이온 주입 도구에서 전구체로서 사용될 때 선택되는 것과 동일한 주입용 이온(11B 또는 11BF2)을 선택할 수 있다. 또한, 사플루오르화이붕소는 안전성이 향상된 용기, 예를 들어 에이티엠아이, 인코포레이티드(ATMI, Inc.)(미국 코넥티컷주 댄버리)에서 상표명 VAC로서 시판중인 것과 같은 압력-조절 공급 용기, 또는 흡착제가 사플루오르화이붕소용 저장 매질로서 작용하는 흡착제-함유 공급 용기에 공급될 수 있다.
본 발명에 따라 사플루오르화이붕소를 생성시키기 위하여, 붕소 또는 붕소-함유 화합물을 승온에서 BF3와 접촉시켜 중간체로서 BF를 생성시킨다. 이 구성의 구체적인 실시양태에서는, 2200℃ 이하의 승온, 예를 들어 1000℃ 내지 2200℃에서 반응 대역의 붕소-함유 고체 상을 통해 삼플루오르화붕소를 통과시킨다. 구체적인 용도에 유용하게 이용될 수 있는 1000℃ 내지 2200℃의 넓은 범위 내의 더 좁은 온도 범위는 더 좁은 범위의 온도 하한이 임의의 적합한 값, 예를 들어 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℃의 값을 가질 수 있고 또한 이 더 좁은 범위의 상한이 더 좁은 범위의 하한보다 더 큰 값, 예를 들어 구체적인 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 온도 상한을 갖는 더 좁은 범위를 포함한다. 또 다른 온도 범위를 이용하여 본 발명의 폭 넓은 실행에서 BF를 생성시킬 수 있거나, 또는 다른 중간체 및 최종 생성물을 생성시키는데 본원에 개시된 반응기 시스템 및 방법을 이용할 때 적합한 특징의 다른 온도 범위를 이용할 수 있다.
본 발명은 반응 대역에서 통합된 어셈블리에서 붕소-함유 화합물과 BF3 기체의 반응의 열 제어를 고려한다. 이러한 온도 제어는 반응 대역에서의 온도 변화를 조절하고, 반응 대역 내로의 또는 반응 대역 바깥으로의 열 에너지의 통과를 조정하여 목적하는 평균 온도를 달성하도록 측정되거나 달리 검출된다. 특히, 반응 대역에서의 온도 조건을 사전결정된 온도 범위로 열 제어한다.
가열 및 냉각 설비, 프로세서, 및 가열 및 냉각 설비와 작동가능하게 연결된 CPU 및/또는 다른 제어기와 함께, 열전쌍, 자동 온도 조절 센서, 고온 측정 센서 또는 온도를 감지하거나 모니터링하는데 적합한 다른 장치를 사용하여 이러한 열 제어를 달성할 수 있다. 온도 센서가 온도 감지 신호를 발생시키고, 이를 프로세서로 전달한 다음 목적하는 설정 온도를 유지하는데 필요한만큼 히터 또는 냉각 장치를 작동시키도록 이러한 시스템을 작동시킬 수 있다.
일플루오르화붕소는 반응기의 반응 대역 또는 고온부에서 발생되는 B2F4 전구체이다. (i) 반응 대역의 온도를 BF3+2B=3BF 반응이 개시되어 제어되는 방식으로 진행되도록 하는 특정 수준으로 높이고, (ii) 높은 온도 변화 속도 때문에 반응기 구성요소가 열 충격을 받지 않도록 방지하고자 간단한 일시적인 온도 프로파일을 이용할 수 있다.
다른 실시양태에서는, 다른 일시적인 온도 프로파일이 특정 이점을 제공할 수 있다. 예를 들면, 초기 온도 상승은 선형, 단계적, 기하급수적 또는 반응 대역의 온도를 충분히 급속하게 증가시키고자 하는 임의의 다른 프로파일일 수 있다. 온도 프로파일은 선형 프로파일로서 유지될 수 있거나 또는 온도 프로파일이 임의의 다른 형상이어서 예컨대 붕소 고체가 반응 과정에서 고갈되기 시작할 때 붕소 고체의 이용을 증가시킬 수 있다. 온도 프로파일은 또한 BF3 유동 프로파일과 동기화될 수 있다. 온도 상승-하강은 선형, 단계적, 기하급수적 또는 반응기 구성요소에 열 충격을 야기하지 않으면서 고온 구역의 신속한 냉각에 최적화되는 임의의 다른 형상일 수 있다.
또한, BF 생성을 최대화하도록 공간상의 온도 프로파일을 최적화시킬 수도 있다. 예를 들어, 하나보다 많은 무선 주파수(RF) 가열 코일을 사용함으로써, 이러한 프로파일을 조절하여 반응강(reaction cavity)의 특정 부피에서 반응 대역을 구성할 수 있다. 소수의 RF 코일의 구조적인 개입을 이용함으로써, 반응 대역을 이동시키거나, 크기 또는 형상을 변화시키거나, 또는 조정하여 BF의 생성을 개선할 수 있다. 또한, 반응 대역의 기계적 움직임에 의해 이를 향상시킬 수도 있다.
붕소-함유 고체와 삼플루오르화붕소의 반응에서의 압력은 구체적인 실시양태에서 임의의 적합한 값, 예를 들어 10-6 내지 1,000토르의 압력일 수 있다.
중간체 BF의 제조에 사용되는 붕소-함유 고체는 임의의 적합한 크기 및 형상 특징, 예를 들어 BF3가 전달되는 반응 대역에 고체가 로딩되어 반응 대역 내의 반응성 고체가 삼플루오르화붕소와 충분히 접촉함으로써 플루오르화붕소(BF) 중간체를 목적하는 양으로 생성시키도록 하는 크기 및 형상 특징을 가질 수 있다.
앞선 논의와 일치되게, 본 발명의 폭 넓은 실행에 사용되는 반응성 고체는 임의의 크기의 입자 또는 분말, 과립, 펠렛, 기판 담체 입자상의 고체 필름 등을 비롯한 불연속적인 형태로 제공될 수 있다. 특히, 반응 대역에 붕소-함유 고체를 더 잘 밀집시키기 위하여 균일한 분포, 정상 분포, 이봉형 분포, 삼봉형 분포 및 다봉형 분포를 비롯한 최적화된 입경 분포를 이용할 수 있다. 이러한 밀집화는 긴 반응, 따라서 더 높은 B2F4 처리량을 야기한다. 또한, 다봉형 입경 분포를 이용하여 고체 반응성 입자의 상의 공극 부피를 감소시키고, 고체 반응성 입자의 상이 놓이는 케이싱(casing)의 단위 부피당 반응성 고체의 양을 최대화시킬 수 있다. 입자 상의 열 균일성 및/또는 상을 통한 기체 유동 거동을 더욱 우수하게 하도록 고체 입경 및 형상을 최적화시킬 수 있다.
본 발명의 한 양태에서는, 붕소-함유 고체를 처리하여 BF3에 대해 더욱 반응성인 격자 평면을 노출시킴으로써 수율 및 처리량을 증가시킨다. 예를 들면, (lmn) 격자 평면이 BF 생성에서 더 높은 반응 속도를 갖는 것으로 밝혀지면, (lmn) 평면의 표면적의 분율이 높은 붕소-함유 물질의 단결정을 사용하는 것이 유리할 수 있다. 다르게는, 유리한 (lmn) 격자 평면의 분율이 낮은 미결정을 거대 구조체로 배열하여 덜 반응성인 격자 평면을 숨기고 더욱 반응성인 격자 평면(들)을 우선적으로 노출시킬 수 있다.
고온 반응 대역에 사용되는 반응성 고체는 임의의 적절한 유형일 수 있다. 사플루오르화이붕소 같은 붕소 화합물을 생성시킴에 있어서, 고체 붕소는 적합한 고체 반응물로서 예시적으로 기재되었다. 다른 실시양태에서는, BF3와 접촉시키기 위하여 붕소 금속 외의 반응성 고체를 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 붕소는 임의의 적합한 붕소-함유 화합물에 존재할 수 있다. 본 발명의 바람직한 양태에서, 붕소-함유 화합물은 붕소 원자가 최고 산화 상태에 있지 않는 것이다. 본 발명의 한 양태에서는, BF3와의 반응에서 BF를 더욱 효과적으로 생성시키기 위하여 하기 붕소-함유 고체 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다: (i) M4B, M3B, M5B2, M7B3, M2B, M5B3, M3B2, M11B5, MB, M10B11, M3B4, M2B3, M3B5, MB2, M2B5, MB3, MB4, MB6, M2B13, MB10, MB12, MB15, MB18, MB66[여기에서, M은 특정 화학량론적 붕소화물이 존재하는 원소주기율표의 원소, 예를 들어 B4C 및 C(탄소)를 나타냄] 같은 화학량론적 화학식의 붕소-함유 화합물; 또는 (ii) 비-화학량론적 화학식의 붕소-함유 화합물. 이러한 붕소-함유 고체는 또한 임의의 둘 이상의 붕소-함유 화합물의 혼합물로도 사용될 수 있으며, 이 때 혼합물중 각 화합물은 독립적으로 선택된다. 입자 상 내의 화합물의 혼합물은 균질할 수 있거나 또는 최적 반응 디자인 및 제어를 위해 층을 이룰 수 있다.
본 발명의 한 양태에서는, 반응 대역의 조성과 붕소-함유 고체의 조성을 매치시키는 것이 바람직할 수 있다. 구체적으로, B4C 같은 탄화붕소는 반응 대역의 구성 부품 및 구성요소가 탄소 또는 흑연으로 제조되는 경우 반응 대역 내로 부가적인 원소를 도입하지 않는 추가적인 이점을 제공할 수 있다.
붕소-함유 고체는 예를 들어 반응기 장치 및 반응강 내의 케이싱에 고체를 보유하는데 사용되는 보유 구조체의 규모에 따라 1mm 내지 5cm 이상의 직경 또는 특징적인 주요 치수를 가질 수 있다. 보유 구조체는 예를 들어 체, 격자, 봉, 오프셋 플레이트, 컵, 금속 또는 비-금속 목재 플러그 등을 비롯한 임의의 적합한 유형 또는 유형들일 수 있다. 붕소-함유 고체는 BF 중간체가 반응 대역으로부터 방출되어 응축 대역에 포획되도록 하는 임의의 적합한 방식으로 배열될 수 있다.
붕소-함유 고체를 승온에서 BF3와 접촉시켜 중간체로서 BF를 발생시킨 후, BF 중간체와 미반응 BF3를 반응 대역으로부터 응축 대역(여기에서는, BF 중간체와 미반응 BF3를 응축시킴)으로 방출시킨다. 응축 대역은 예컨대 저온 트랩을 포함할 수 있고, 여기에서는 BF를 BF3와 반응시켜 B2F4를 생성시키면서 BF 중간체와 미반응 BF3를 저온 트랩의 냉각된 표면 상에서 응축시킨다.
본 발명의 한 실시양태에서는, 붕소-함유 고체 반응물을 표면에 개구를 갖는 케이싱 내부에 위치시킴으로써 반응기 시스템을 이용하는데, 케이싱의 바닥에는, 보유 구조체를 통해 반응성 기체를 유동시키면서, 붕소-함유 고체를 지지하고 이들을 케이싱의 내부 부피 내에 보유시키는 보유 구조체가 제공된다. 예컨대 석영 또는 흑연 같은 적합한 물질로 제조되는 중공 실린더의 형상일 수 있는 반응강에 케이싱을 삽입한다. 이러한 실린더의 내경은 케이싱의 직경보다 더 커서 실린더 내표면이 케이싱과 이격되도록 한다. 구체적인 구성에서는, 케이싱과 실린더를 서로에 대해 동축 배열하여, 이들 사이에 환상 공간이 형성되도록 한다. 실린더와 케이싱은 액체 질소 또는 다른 열 전달 냉각 매질 같은 적합한 냉각제에 의해 또는 다른 냉각 공급원에 의해 냉각되는 응축 대역과 직접 유체 연통된다.
이러한 설비에서는, 붕소-함유 고체를 케이싱에 로딩하여 붕소-함유 고체의 상을 형성시킬 수 있는데, 케이싱은 실린더형 기하학적 구조의 반응 대역에 배치된다. 이러한 어셈블리는 관에 의해 매달릴 수 있는데, 이 관을 통해 삼플루오르화붕소가 반응 대역으로 전달되어, 삼플루오르화붕소가 이러한 반응 대역에서 붕소-함유 고체와 반응함으로써 플루오르화붕소(BF) 중간체를 생성시킬 수 있다.
BF 중간체와 미반응 BF3를 바람직하게는 반응 대역으로부터 응축 대역으로 바로 방출시킨다. 이러한 구성에서 BF 중간체와 미반응 BF3는, BF가 BF3와 반응하여 B2F4를 형성시키면서, 예컨대 저온 트랩의 표면 상에서 응축된다. 충분한 양의 BF, BF3 및 B2F4가 응축된 후, 반응을 중단시키고 응축 대역을 더욱 고온으로 만들어 B2F4와 BxFy(고급/중합체성 플루오르화붕소 물질, 여기에서, x 및 y는 화학량론적으로 적절한 값을 가짐) 같은 반응 생성물 및 미반응 BF3가 증발되도록 한다. 이어, B2F4-함유 기체 혼합물을 응축 대역에서 펌핑해내고 증류 같은 회수 처리를 실시하여 BF3를 동시에 회수하고 반응기로 재순환시키거나 달리 정리 또는 사용하면서 B2F4를 회수할 수 있다.
응축 대역으로부터의 반응 생성물 성분의 회수는 본 발명의 구체적인 실행에 유용할 수 있다. 예를 들어, 저온 반응 대역으로부터의 반응 생성물 혼합물의 BxFy 성분을 가열하여 이를 분해시킴으로써 응축 대역 반응 공정의 회수되는 부산물로서 고체 붕소를 형성시킬 수 있다.
구체적인 실시양태에서는, 붕소-함유 고체를 흑연 또는 세라믹, 또는 다르게는 다른 적합한 구조 물질로 제조될 수 있는 실린더형 케이싱에 로딩한 다음, 케이싱을 바람직하게는 케이싱이 실린더형 강의 중간에 위치하도록 실린더형 반응강에 배치하지만, 중간에 위치하지 않은 다른 구성도 실시할 수 있다. 케이싱에는 유리하게는 그의 하부 구역에 구멍이 제공되어, BF3가 케이싱 꼭대기에서 들어가고 붕소-함유 고체를 통해 통과한 다음 반응강이 위치하는 천공된 구역에 도달하도록 한다. BF3와 붕소-함유 반응물의 반응으로부터 반응 대역에서 발생되는 BF는 케이싱의 구멍에서 나온 다음, 응축 대역 내로 하향 유동한다. 케이싱과 반응강 사이에 간격을 제공함으로써 케이싱 및 반응강 바닥에서의 막힘을 감소시킨다. 케이싱 어셈블리(31)가 고체 반응물(32), 반응강(33) 및 케이싱(34)을 포함하는 일례가 도 4에 도시되어 있다.
케이싱 및 반응강을 포함하는 반응기 어셈블리의 위치 선정은 수평 또는 수직 배향, 또는 반응기 어셈블리의 수평 위치와 수직 위치 사이의 임의의 각도의 기울어진 배향을 이용할 수 있다. 반응강에 배치된 천공된 케이싱의 개구의 형상은 특성상 균일하거나 불균일할 수 있고, 원형일 수 있거나, 또는 삼플루오르화붕소와 붕소-함유 고체를 동시에 적절하게 접촉시키면서 플루오르화붕소와 삼플루오르화붕소의 케이싱 밖으로의 유동을 위한 개방된 경로를 유지하는 목적에 일치되는 다른 기하학적 형상을 가질 수 있다. 붕소-함유 고체의 형상 및/또는 크기는 특성상 균일하거나 불균일할 수 있다.
더욱 일반적으로, 반응강 내의 케이싱의 개구의 특징, 및 반응에 배치되는 붕소-함유 고체의 형태, 형상, 결정화도 및 크기는 개별적으로 또는 함께 조정되어 붕소-함유 고체와 삼플루오르화붕소 사이의 반응을 최적화시킬 수 있는 매개변수이다.
케이싱 및/또는 반응강은 금속, 석영, 흑연 또는 다른 탄소질 물질로 유리하게 제조될 수 있다. 반응 대역, 예를 들어 실린더형 강 및 반응성 고체를 함유하는 케이싱을 포함하는 대역에 대해 둘러싸도록 위치하는 전기 코일의 무선 주파수(RF) 장에 의해 유도되는 진동 전류에 의해서와 같이 열이 흑연에서 용이하게 저항 발생될 수 있기 때문에, 흑연이 이러한 목적을 위한 케이싱에 바람직하다. RF 코일은 붕소-함유 고체를 보유하는 케이싱에서 이러한 고체와 삼플루오르화붕소의 반응에 요구되는 승온을 달성하기 위한 간단하고 효과적인 구성을 제공한다. 앞서 기재된 바와 같은 케이싱은 특성상 다공성이거나, 다공성 흡착성 투과성 물질로 구성되거나, 또는 다르게는 고온 반응에서 형성되는 중간체의 배출을 위해 하나 이상의 개구를 가질 수 있다.
반응성 기체가 유동되는 반응성 고체 함유 대역에 흑연 물질을 사용함과 관련하여, 또한 이러한 흑연 물질을 반응 온도까지 저항 가열하기 위해 RF 코일을 사용함과 관련하여, 코일 간격, 직경, 형상, 다중 코일의 사용 등이 가해지는 RF 장의 기하학적 형태 및 강도에 영향을 줌을 알게 될 것이다. RF 코일은 본 발명의 개시내용에 기초하여 당 업계의 기술 내에서, 반응 대역에서 반응성 고체와 반응성 기체의 반응 생성물로서 BF 중간체를 효율적으로 생성시키기 위하여, 승온 반응 대역 내부에 효과적인 축방향 및 방사상 온도 프로파일을 제공하도록 적절하게 제작 및 배열될 수 있다.
붕소 고체-함유 케이싱의 제작에 흑연이 바람직하지만, 2200℃까지의 온도를 견디고 해당되는 전체 온도 범위에 걸쳐 삼플루오르화붕소에 대해 불활성이라면, 금속, 세라믹 또는 다른 고온 물질을 사용할 수 있다.
예를 들어, 반응 대역의 고온을 위한 열원을, 전도 가열, 유도 가열, 대류 가열, 저항 가열 및 방사 가열중 하나 이상을 비롯한 가열 양식에 의해 반응 대역에서 사전결정된 온도를 유지하도록 적합화시킬 수 있다. 이와 관련하여 열원을, 반응 영역에서 물질의 침착 및/또는 응축을 방지하는데 효과적인 반응 대역에서의 온도, 예를 들어 1000℃ 내지 2200℃의 반응 대역의 온도를 유지하도록 적합화시킬 수 있다.
하나의 실시양태의 반응기 시스템은 3개의 주요 구역을 포함한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 반응기 시스템(200)은 공정 기체 및 퍼지 기제가 공급되는 상부 구역(1), 고온 반응이 일어나는 반응 대역을 포함하는 중간 구역(2), 및 생성물이 극저온에서(예를 들어, 액체 질소에 의해) 냉각 및 응축되는 응축 대역을 포함하는 하부 구역(3)을 포함한다. 이 실시양태의 반응기 시스템은 고온 반응을 위한 에너지를 제공하는 유도 가열 시스템, 열 관리를 위한 냉각수 시스템, 및 극저온 범위에서 반응물을 냉각시키기 위한 액체 질소 듀어병(dewar)을 포함한다. 액체 질소 듀어병은 반응기 시스템의 하부 구역의 온도 제어를 돕기 위하여 관련 수압 리프트를 갖는다. 도 2 및 도 3은 이 반응기 시스템을 도시한다.
도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 이 실시양태의 반응기 시스템(200)의 상부 구역은 뷰 포트(11), 기체 유입 챔버(12), 어댑터 플랜지(13), 및 전이 챔버(14)를 포함한다. 반응기 시스템의 중간 구역은 석영 재킷(19)을 포함한다. 중간 구역은 또한 도 4에 도시되는 케이싱 어셈블리(31)도 포함한다. 반응기 시스템의 하부 구역은 스플릿 플랜지(16), 하부 플랜지(17) 및 저온 트랩(18)을 포함한다.
도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명의 실시양태에 따른 반응기 시스템(200)을 포함하는 설치된 반응기 시스템은 반응기(21), 반응기 지지대(22), 액체 질소 용기(80), 수압 리프트(90) 및 유도 가열 스테이션(23)을 포함한다.
본 발명의 실시양태에서는, 중간체 물질을 형성시키기에 효과적인 온도 및 압력 하에서 기상 시약과 고체 물질을 접촉시키기 위한 반응 대역, 기상 시약의 미반응 부분과 중간체 물질이 반응 대역에서 응축 대역으로 나가도록 하는 개구, 및 반응 대역을 응축 대역에 밀봉 연결하는, 개구를 둘러싼 밀봉부를 포함하는 반응기 시스템이 제공된다. 구체적인 실시양태에서, 개구는 하나의 개구 또는 다르게는 다수개의 개구로 다양하게 구성되어 중간체 물질과 미반응 기상 시약을 반응 영역으로부터 방출시킬 수 있다. 개구는 관강 또는 통로, 또는 중간체 물질과 미반응 기상 시약의 예컨대 추가적인 반응기(여기에서는, 중간체 물질과 미반응 기상 시약을 추가로 반응시켜 최종 생성물을 생성시킴)로의 명시된 방출을 가능케 하는 다른 구조적 배열로 구성될 수 있다.
반응 대역을 응축 대역에 연결하는 밀봉부는 화학적 상용성, 적용 온도, 밀봉 압력, 크기 및 비용 같은 조건에 따라 선택된다. 밀봉부는 진공 또는 초-대기압의 조건하에 반응 대역과 응축 대역을 밀봉 연결할 수 있어야 한다. 밀봉부는 또한 기상 시약의 미반응 부분과 중간체 물질을 반응 대역에서 나가도록 하는 개구를 완전히 둘러쌀 것이다.
밀봉부는 반응 시스템의 작동 동안 존재하는 압력 및 온도 조건 하에서 반응 대역과 응축 대역 사이에 충분한 밀봉을 제공하는 임의의 적합한 크기, 형상 및 특성을 가질 수 있다. 하나의 실시양태에서 밀봉부는 O-링일 것이다. 다른 실시양태에서, 밀봉부는 퍼플루오로엘라스토머 물질을 포함할 수 있다.
하나의 실시양태에서, 반응기 시스템의 중간 구역의 반응 대역은 수냉되는 이중벽 석영 재킷인 반응기를 포함한다. 이 재킷의 중심은 고온 반응을 위해 가열되는 케이싱 또는 도가니이다. 반응기 시스템의 하부 구역 또는 응축 대역은 스테인레스 강으로 구성되는 용기이고, 반응 생성물이 벽에서 응축 및 고화되도록 액체 질소에 침지된다.
예로서, 도 3에 도시된 수압 리프트(90)를 이용하여, 액체 질소 또는 응축 대역의 반응물을 냉각 및 응축시키는데 요구되는대로 극저온에서 상하로 냉각시킬 수 있는 액체 질소 또는 다른 물질을 함유하는 듀어병 또는 용기를 이동시킬 수 있다. 이 이동은 필요한만큼 효과적으로 냉각 및 가온하기 위한 소정 조건에 따라 자동화될 수 있다. 예를 들면, 극저온에서 냉각될 수 있는 물질을 함유하는 용기를 최고 위치에서 최저 위치 사이에서 상향 및 하향중 선택된 한 방향으로 이동시키도록 구성된 수압 리프트의 사용에 의해 극저온 온도 범위를 제어한다.
이중벽 석영 재킷이 반응 대역에 사용되고 스테인레스 강 실린더가 응축 대역에 사용되어 진공 및 초-대기압에서 석영과 금속 구성요소 사이의 밀봉을 유지하는 실시양태에서는, 퍼플루오로엘라스토머(FFKM) O-링이 사용된다. 반응 대역 또는 가열된 도가니 및 응축 대역, 또는 반응기의 냉각되는 하부에 관련되는 고온 극단 및 저온 극단 둘 다로부터 이 O-링을 보호하기 위하여, 수 채널을 사용하여 O-링이 노출되는 온도 극단을 최소화할 수 있다. 이들 온도 극단은 O-링의 수명을 감소시키거나 O-링이 모든 공정 조건하에서 밀봉을 유지하지 못하도록 한다.
O-링에서의 압축을 물리적으로 유지하기 위하여, 고성능 엔지니어링 열가소성 플라스틱으로 구성되는 스플릿 플랜지를 사용할 수 있다. 열가소성 플라스틱은 예를 들어 유리-충전된 폴리페닐렌 설파이드, 비스말레이미드, 폴리설폰 또는 다른 고성능 엔지니어링 열가소성 플라스틱 40%를 포함한다. 도 4는 본 발명의 실시양태에 따른 반응기 시스템(200)의 모델 단면도이다. 도 5는 도 4의 반응기 시스템(200)의 한 단면의 확대도이다. 도시되는 바와 같이, O-링(41)은 하부 플랜지(17) 상의 스플릿 플랜지(16) 아래에 배치된다. 도 5의 확대도에서는, O-링(41), 스플릿 플랜지(16), 하부 플랜지(17) 및 완충 층(42)을 저온 트랩(18)(도 4) 위에 배열하여, 반응기 시스템의 작동 조건에 따라 O-링 상의 압축이 유지되도록 한다. 석영 재킷(19)도 도 4 및 도 5에 도시되어 있다.
스플릿 플랜지용 복합체 물질은 승온 반응 대역에서 작동되고 유도 가열 시스템에 의해 발생되는 RF 장과 연결되지 않는 그의 능력 때문에 선택되었다. 스플릿 플랜지를 고정하는데 사용되는 볼트도 또한 연결 효과를 최소화하기 위해 황동이다. 스플릿 플랜지와 석영 재킷 사이, 또한 황동 볼트와 스플릿 플랜지 사이에는, 폴리테트라플루오로에틸렌 같은 탄화플루오르를 완충재로서 또한 추가적인 단열 층을 제공하기 위하여 사용할 수 있다. 하나의 실시양태에서는, 질소 기체를 스플릿 플랜지의 채널을 통해 불어넣어 볼트를 냉각할 뿐만 아니라 O-링 밀봉부 바로 둘레의 영역으로부터 산소를 제거한다.
본 발명의 실시양태에서, 수 채널은 물을 하부 플랜지를 통해 순환시킨다. 물의 온도는 열 교환기를 이용하여 약 21℃로 제어한다. 반응의 고온 단계 동안 물을 사용하여 하부 플랜지 밖으로 또한 O-링으로부터 멀리 열을 제거하여, O-링이 과열되지 않도록 보호한다. O-링의 과열은 손상을 야기할 수 있다. 고온 단계 후에 반응기의 하부가 여전히 액체 질소에 담겨져 있을 때, 수 채널을 이용하여 플랜지, 더욱 구체적으로는 O-링이 과냉되지 않도록 보호한다. O-링의 과냉은 O-링이 일체성을 상실하여 누출되도록 할 수 있다.
별도의 실시양태에서, 반응 대역은 금속 반응기, 즉 모든 구조 물질(예컨대, 케이싱 및 반응강)이 금속인 반응기를 포함할 수 있다. 이 실시양태에서는, 금속 밀봉부를 사용할 수 있고, 열원을 반응 대역 내에 위치시킬 수 있다. 예를 들어, 전도 가열, 유도 가열, 대류 가열, 저항 가열 및 방사 가열중 하나 이상을 포함하는 가열 양식에 의해 반응 대역에서 사전결정된 온도를 유지하도록 열원을 적합화시킬 수 있다. 반응 대역에서 물질의 침착 및/또는 응축을 방지하는데 효과적인 반응 대역에서의 온도, 예를 들어 1000℃ 내지 2200℃의 반응 대역에서의 온도를 유지하도록, 이러한 관점에서 열원을 적합화시킬 수 있다. 모두 금속인 반응기는 반응 대역과 응축 대역 사이에 존재하는 고온 구배로 인해 또는 시스템 또는 공정 고장 같은 외부 인자로부터 발생될 수 있는 고압 및 충격을 견딜 수 있을 것이다.
삼플루오르화붕소와 원소 붕소 또는 붕소-함유 고체가 반응하여 일플루오르화붕소를 형성시키는 고온 반응기 이후에, 응축 대역은 저온 반응기, 예를 들어 저온 트랩을 포함하는데, 이의 크기, 형상 및 특성은 선택적으로 변할 수 있는 추가적인 매개변수이다. 이들 매개변수를 조정하여, 응축 대역에서 적합한 진공 조건을 유지하면서, 고온 반응 대역으로부터 응축 대역으로 유동되는 중간체-함유 스트림으로부터의 물질이 더욱 균일하게 최적으로 침착되도록 할 수 있다. 예컨대 저온 트랩이 사용되는 경우, 확장된 표면 구조, 예를 들어 저온 핑거, 핀 등을 저온 트랩에 제공하여 고온 반응 대역에서 저온 트랩으로 유동되는 중간체-함유 스트림에 존재하는 물질의 응축 표면적을 증가시킬 수 있다.
고체 중간체(BF)의 응축을 위해 이용되는 응축 대역 또는 보다 저온의 대역에서, 액체 질소는 예시적인 냉각제로서 기재되었다. 액체 아르곤, 액체 산소, 액체 헬륨 등과 같은 냉각제를 비롯한(이들로 제한되지 않음) 다른 냉각 매질을 본 발명의 구체적인 실행에 사용할 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 물질을 제거할 수 있다. 작동시, 저온 트랩을 액체 질소 또는 다른 적합한 한제로 냉각시킬 수 있다. 저온 트랩의 하부에서의 온도는 액체 질소를 냉각제로서 사용하는 경우 -196℃ 정도이다.
한 실시양태에서는, 저온 트랩을 또한 작동시켜 그 안의 삼플루오르화붕소를 예비 응축시킴으로써 중간체-함유 반응 혼합물이 저온 트랩으로 후속 유동될 때 사플루오르화이붕소의 생성을 증가시킬 수 있다.
저온 트랩으로부터 추출되거나 배출되는 반응 생성물 혼합물은 5%, 10%, 20%, 30%, 40%, 50% 이상의 농도의 사플루오르화이붕소를 함유할 수 있고, 나머지는 삼플루오르화붕소 및 미량의 휘발성 중질 플루오르화붕소이다.
본 발명의 반응 시스템에는 다양한 구체적인 특징부가 고효율 연속 작동을 위한 다양한 구체적인 배열로 배치될 수 있다. 예를 들면, 단일 반응강 및 붕소-함유 고체가 담긴 단일 케이싱을 함유하는 반응 대역 대신, 서로 독립적으로 작동, 유지 및 재충전될 수 있는 다수개의 독립적인 반응강 및 다수개의 케이싱을 고온 반응기 어셈블리에 제공할 수 있다.
일플루오르화붕소와 삼플루오르화붕소의 반응에 의해 사플루오르화이붕소를 생성시키는데 사용되는 응축 대역을 생각하면, BF, BF3 및 B2F4를 수용하고 응축시키기 위하여 저온 트랩의 강 내로 운송되는 플레이트 부재 또는 확장된 표면을 갖는 플레이트 부재 같은 충분히 냉각된 표면 요소를 포함하는 저온 트랩으로서 이러한 대역이 제공될 수 있다. 이러한 수용 플레이트 부재가 응축된 물질로 충분히 코팅되면, 예컨대 적합하게 구성된 컨베이어 또는 다른 수송 시스템에 의해 이를 응축 대역으로부터 꺼내고 새로운 수용 플레이트 부재로 대체한다.
다른 구성에서는, 고온 어셈블리를 반응기 시스템 내에서 저온 구획화된 저온 트랩 위에 위치시킬 수 있다. 이러한 어셈블리는 반응기 시스템의 상이한 구획으로 임의의 적합한 방식으로 이동시킬 수 있는데, 특정 저온 트랩 구획은 반응기의 나머지 부분에 대해 단리된 상태로 BF, BF3 및 B2F4를 침착시키기 위해 배열된다(예를 들어, 반응기의 나머지 부분은 다른 저온 트랩 구획에 이미 침착된 응축된 생성물의 세정 또는 "배출"을 수행한다).
응축 대역에서 B2F4 생성물을 형성시킨 후, B2F4 생성의 다음 단계는 추가적인 증류 정제 및 B2F4의 회수를 위해 반응기로부터 B2F4-함유 기체 혼합물을 추출하는 것이다.
더욱 일반적으로는, 본 발명에 의해 고려되는 바와 같이, 반응성 기체와 접촉하는 붕소-함유 고체를 사용하여 폭 넓게 변화되는 유형의 붕소-함유 화합물을 합성할 수 있고, 이 붕소-함유 화합물은 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 내지 풀러렌의 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 클러스터 붕소 화합물을 포함할 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 붕소-함유 화합물은 이붕소 화합물일 수 있다. 다른 실시양태에서, 붕소-함유 화합물은 특정 화합물을 배제하는 용어로, 예를 들어 다이보레인을 제외한 이붕소 화합물을 포함하는 것으로 정의될 수 있다. 그러므로, 본 발명은 다양하게 규정될 수 있는 본 발명의 넓은 영역 내에서 매우 다양한 부류의 붕소-함유 화합물(포함하거나 또는 다르게는 배제하는 기재로)을 고려하는 것으로 생각된다.
본 발명의 실시양태에 따라, 반응 생성물 및 미반응 BF3 기체를 회수하기 위하여 응축 대역 이후에 회수 대역을 배치할 수 있다. 이러한 실시양태에서는, 응축 대역에서 B2F4를 생성시킨 후, 응축된 물질을 가온하여 기체 혼합물을 형성한다. B2F4를 추가로 증류하기 위하여 반응기로부터 기체 혼합물을 추출한다. 반응 시스템에서 수득되는 이러한 기체 혼합물은 전형적으로 B2F4, BF3 및 휘발성 중질 플루오르화붕소(BxFy)를 함유한다. 통상적으로, BxFy의 함량은 최대 1 내지 2%이지만, 일부 BxFy 물질은 불안정해지고 B2F4 분해를 촉발시킬 수 있다. (i) 반응 시스템의 응축 대역으로부터의 BxFy 추출을 방지하거나, 또는 (ii) 생성물 추출 또는 회수 동안 이들 BxFy 물질을 제거하여, B2F4 및 BF3만 포획되도록 하는 것이 매우 바람직하다. 또한, 임의의 입자가 시스템의 밸브 및 다른 구성요소를 손상시킬 수 있기 때문에, 이들 입자가 반응기로부터 전달 라인 아래로 수집 용기 중으로 이동하는 것을 방지하는 것이 중요하다.
하나의 실시양태에서, 응축 대역을 점진적으로 가온하여 응축된 BF3 및 B2F4 를 휘발시킴으로써 B2F4를 추가로 수집/증류하기 위하여 응축 대역으로부터 기체 혼합물을 추출하도록 회수 대역을 작동시킨다. 이러한 구성에서는, 응축 대역과 용기 사이의 압력 강하를 이용하여 기체를 극저온의 수거 용기로 전달한다. BxFy 물질이 임의의 사전결정된 온도에서 BF3 및 B2F4 증기압보다 더 낮기 때문에, 기체 혼합물 스트림으로부터 BxFy 물질을 응축시키기 위하여 인라인 저온 트랩을 사용할 수 있다. 이러한 목적으로 선택되는 온도 및 트랩 입구 압력은 B2F4 또는 BF3의 과도한 응축을 방지하도록 선택되어야 한다. 예를 들면, -57℃에서, B2F4는 약 160토르의 압력을 나타내는데, 이는 B2F4를 트랩에서 응축시키지 않으면서 반응기가 이 압력 이하로 작동되도록 할 수 있다.
하나의 실시양태에서, 반응기로부터 조질 생성물 BF3/B2F4를 추출하는 방법은 반응기의 응축 대역과 수거 실린더 또는 용기 사이의 압력 차이에 의존한다. 수거 용기를 액체 질소에 부분적으로 침지시킴으로써, 수거 용기, 바람직하게는 1갤런들이 스테인레스 강 실린더를 냉각시킴에 의해 압력 차이를 확립한다. 이를 수행함으로써, BF3 및 B2F4는 실린더에서 응축되어 반응기와 수거 용기 사이에서 이러한 압력 차이를 생성시킴으로써 물질이 유동하도록 한다. 반응 시스템에서, 듀어병의 높이는 응축된 기체가 증발하도록 하는 설정 높이에 있다. 그러나, 응축 대역의 온도는 목적하는 온도, 압력 및 유속을 충분히 제공하는 임의의 방식으로 제어될 수 있다. 예를 들어, 듀어병의 높이 제어를 자동화함으로써, 증발 속도를 제어할 수 있다.
회수 대역은 여과 대역(여기에서는 적절한 필터에 의해 시스템의 입자를 제거할 수 있음)을 추가로 포함할 수 있다. 이러한 필터는 시스템의 기체-운반 라인 내로 통상적으로 위치될 수 있는 임의의 유형을 포함한다. 예를 들어, 필터는 15㎛ 필터 요소를 포함하는 인라인 필터일 수 있다.
B2F4를 추가로 수거/증류하기 위한 기체 혼합물의 회수 또는 추출을 촉진시키기 위하여, 담체 기체를 사용할 수 있다. 예로서, 하나의 실시양태에서는, 헬륨을 반응기로 불어넣어 (i) 응축된 기체의 가온을 용이하게 하고, (ii) 전달 라인을 통해 수거 용기로의 물질 유동을 증가시킨다.
다양한 실시양태에서는, 반응기 시스템의 선택적인 열 제어에 의해 더 빠른 추출 속도를 획득할 수 있다. 하나의 실시양태에서는, 응축 대역이 자연적으로 가온되도록 하고, 액체 질소로 듀어병의 수준을 낮추거나 높임으로써 그의 압력을 제어한다. 그러나, 이는 온도 구배를 생성시켜 기화 속도의 제어를 불량하게 함으로써, 기체 혼합물의 함량이 추출 동안 충분히 제어될 수 없도록 할 수 있다. 하나의 바람직한 실시양태에서는, 개선된 열 제어 설비를 이용하여 다른 BxFy 물질을 추출하지 않으면서 BF3 및 B2F4를 우선적으로 제거한다. 예를 들어 가온 단계를 통해 반응기 시스템의 저온 어셈블리 전체를 균일한 온도로 유지함으로써, 또한 온도를 다른(바람직하지 못한) BxFy 물질이 휘발되지 않는 사전결정된 온도로 한정함으로써, 이를 달성할 수 있다. 담체 기체, 저온 트랩 및 필터의 사용에 의해 이러한 해결책의 효용을 추가로 강화시켜 특히 유리한 결과를 달성할 수 있다.
상당량의 중질 플루오르화붕소 BxFy가 B2F4의 생성시 부산물로서 발생될 수 있다. 다량은 통상 반응기 시스템 구성요소 및 트랩에 보유되지만, 더욱 소량은 시스템 전체에 흩어진다. 중질 BxFy 물질의 축적 및 확산은 다수의 원치 않는 효과(라인 폐색, 밸브 고장 등)를 야기할 수 있으나, 더욱 중요하게는 반응기에서의 중질 BxFy 물질의 과도한 축적은 고압 반응 단계 동안 반응기 압력을 상승시킬 수 있고 들어오는 BF 및 BF3의 적절한 냉각을 방지함으로써 B2F4 처리량 및 수율을 낮출 수 있다. 이러한 상황을 개선하기 위하여, 한 실시양태에서는, 중질 BxFy 물질을 가수분해시키고 반응기 시스템으로부터 제거한다. 이를 수작업으로 수행할 수 있으나, 이는 힘들고 위험한 과제이다. 바람직하게는, 자동화된 방법을 이용하여 높은 생산성을 획득한다. 다양한 방법을 이용하여 잔류물 제거를 용이하게 할 수 있다. 한 해결책에서는, 중질 BxFy 물질을 수증기로 먼저 가수분해시킨 다음 수세하고 따뜻한 기체로 건조시킨다. 다른 해결책에서는, 반응 대역 또는 그 안의 임의의 구성요소를 소성시킴으로써 BxFy를 열분해시키고 결과적으로 생성된 BF3와 붕소를 재순환시킨다. 다른 해결책에서는, 중질 BxFy 물질을 XeF2, F2, NF3, O2, O3, CO 등과 같은 활성 화합물과 반응시켜 잔류물을 형성시킨 다음, 잔류하는 잔류물을 기계적으로 제거함으로써, BxFy의 제거를 수행한다. 다른 해결책에서는, 중질 BxFy 물질을 할로겐-함유 시약과 반응시켜 잔류물을 휘발시킬 수 있다. 시스템에서의 BxFy의 효과를 최소화하기 위한 이들 임의의 해결책을 단일 방법으로서 또는 조합하여 이용할 수 있다.
고체/유체를 반응시켜 중간체를 생성시키기 위한 고온 어셈블리, 및 중간체와 유체의 추가적인 반응을 위한 저온 트랩 같은 저온 어셈블리를 포함하는 반응기 시스템은, 반응 대역 및 저온 대역이 유체 유동 연통되어, 중간체 생성물을 포함하는 기체 혼합물이 추가적인 반응을 위한 저온 트랩 대역으로 유동하여 최종 생성물을 생성시키도록 하는 임의의 적합한 기하학적 형태, 크기 및 규모를 가질 수 있다.
고체 물질로부터 화합물 또는 그의 중간체를 제조하기 위한 장치 및 반응기 시스템과 방법은 미국 특허원 제 13/219,706 호(출원일: 2011년 8월 28일)에 개시되어 있으며, 상기 특허원을 본원에 참고로 인용한다.
삼플루오르화붕소를 원소 붕소 또는 붕소-함유 고체와 고온에서 반응시켜 일플루오르화붕소를 형성시키고, 생성된 일플루오르화붕소를 삼플루오르화붕소와 저온, 예를 들어 극저온에서 반응시켜 사플루오르화이붕소(B2F4) 및 더욱 중질의 플루오르화붕소 화합물을 생성시키는 다양한 반응기 구성이 본 발명의 영역 내에서 고려된다. 삼플루오르화붕소와 원소 붕소의 반응이 가역적이기 때문에, BF 생성에 우호적인 상응하는 반응을 억제하는 임의의 적합한 방식으로 중간체 일플루오르화붕소의 생성을 최대화하도록 반응기 구성을 바람직하게 적합화시킨다.
삼플루오르화붕소 기체와 붕소-함유 고체를 접촉시키기 위한 단일-경로(관류) 유동 설비에 덧붙여, 본 발명은 삼플루오르화붕소가 재순환되고 재순환 루프에 도입되는 보충 삼플루오르화붕소에 의해 보강되어 플루오르화붕소(BF)의 고속 연속 생산을 달성하는 설비를 고려한다.
BF3와 붕소 형성 BF 중간체 사이의 반응에 기초하는 B2F4의 생성에서는, 예를 들어 재순환 대역에서 이전 B2F4 생성 사이클로부터 재순환된 BF3를 사용하는 것이 유리할 수 있다. 그러나, 이러한 해결책을 사용하면, 재순환되는 BF3중의 불순물 때문에 생성되는 B2F4의 양이 감소될 수 있다. 이러한 불순물의 특성이 완전히 알려진 것은 아니지만, 불순물은 그 자체로 비교적 휘발성인 전구체로부터 발생될 수 있고 BF3와 함께 반응 시스템으로부터 추출되는 것으로 생각된다. 불순물에 의한 B2F4 처리량 억제의 정확한 기작은 완전히 알려지지 않았으나 BF3와 붕소 사이의 반응에 대한 불순물의 억제 작용에 관련된 것으로 생각된다.
재순환된 BF3의 간단한 동결-펌프-해동 정제는 B2F4 처리량을 30 내지 40% 개선하는 것으로 입증되었다. 동결-펌프-해동 방법은 예를 들어 서로 실질적으로 상이한 증기압 및 낮은 혼화성을 갖는 화합물로 구성되는 혼합물의 분별에 사용될 수 있다. 예를 들어, 다수의 용매를 액체 질소로 동결시킨 다음 용매를 얼마간동안 약간 용융시키면서 용매 상으로 펌핑함으로써 다수의 용매로부터 질소와 산소를 효과적으로 제거할 수 있다. 이러한 절차는 공기 성분으로부터 용매를 고도로 정제할 수 있다.
재순환된 BF3의 정제에 동일한 방법을 이용할 수 있다. 작용 가설은 B2F4 공정동안 BF3와 함께 이동하는 불순물이 발생된다는 것이다. 불순물은 BF3와 붕소 사이의 반응 속도를 억제하는 다른 휘발성 화학약품의 전구체이다. 재순환된 BF3 의 단일 동결-펌프-해동 정제를 이용하여 B2F4 처리량을 30 내지 40%까지 개선할 수 있다. 이러한 해결책에서는, 재순환된 BF3를 갖는 용기를 적절한 냉각제에 의해 적절한 온도로 냉각시킨(예를 들어, 액체 질소에 의해 -196℃ 같은 극저온으로 냉각시킨) 다음, 용기 상부 공간을 소정 시간동안 펌핑하고 이어 용기를 가온한다. BF3 순도를 최적화하고/하거나 정제 시간을 감소시키도록 용기 온도, 냉각 및 가온 속도 뿐만 아니라 냉각/가온 사이클의 수를 선택할 수 있다.
본 발명의 반응기 시스템은 임의의 적합한 모니터링 및 제어 구성요소, 어셈블리 및 설비를 사용하여, 공급 기체를 반응성 고체와 접촉시켜 중간체 생성물을 형성시키는 가공 동안, 또한 중간체를 후속 반응시켜 최종 생성물을 수득하는 동안 목적하는 작업 조건을 획득할 수 있다.
예를 들어, 저온 트랩의 압력을 모니터링하여 일정한 저진공 조건이 트랩에서 유지되도록 할 수 있으며, 물질 유동 제어기, 유동 제어 밸브, 제한 유동 개구 요소, 기체 유동 조절기, 압력 스위치 등과 같은 유동 제어기를 사용하여 반응성 고체와 접촉시키기 위한 반응성 기체의 고온 반응 대역으로의 유동을 조절할 수 있다. 일반적으로, 반응기 시스템을 유리하게 작동시키는 역할을 하는 임의의 적합한 모니터링 및 제어 설비를 실행시켜, 적절한 특성의 중간체 및 최종 생성물을 수득할 수 있다.
따라서, 모니터링 및 제어 구성요소, 어셈블리 및 설비를 사용하여 반응성 고체 접촉 반응 대역뿐만 아니라 최종 생성물을 생성시키는데 이용되는 중간체 생성물 가공 대역에서의 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.
본 발명의 반응 시스템은 반응 영역에서 선택된 온도 및 압력 조건, 예를 들어 선택된 범위의 반응 영역에서의 압력 및/또는 선택된 범위의 반응 영역에서의 온도를 확립 및 유지하도록 구성 및 배열되는 공정 제어 시스템을 포함할 수 있다. 다양한 실시양태에서, 반응 영역의 온도는 1000℃ 내지 2200℃일 수 있다. 반응 영역에서의 압력은 임의의 적합한 수준으로 유지할 수 있다. 다양한 실시양태에서, 반응 영역에서의 압력은 10-6 내지 1,000토르, 더욱 바람직하게는 0.10토르 내지 10토르일 수 있다. 반응 영역의 이전 부분으로부터 이후 부분까지 압력 구배가 존재한다. 반응 영역이 실린더형 반응기 하우징의 내부 부피에 있는 구체적인 예에서는, 다양한 실시양태의 실린더의 출구에서의 압력이 10-2 내지 10-3토르일 수 있다.
중간체 생성물의 적절한 생산 수준을 제공하도록 기상 시약의 유속을 선택할 수 있다. 기상 시약이 삼플루오르화붕소인 하나의 실시양태에서, 유속은 500sccm 내지 1200sccm, 또는 더욱 효율적인 냉각시 그보다 더 높을 수 있으며, 유동 배향은 반응성 고체와의 접촉을 최적화하도록 변할 수 있다. 대규모 반응기로의 확대시, 상응하게 더 큰 BF3 유동을 이용할 수 있다.
본 발명의 반응기 시스템을 효율적으로 사용하기 위하여, 반응기 시스템의 세정에 따른 조업 중지 시간을 감소 또는 최소화시켜야 한다. 고체 붕소와 삼플루오르화붕소의 반응에 의해 일플루오르화붕소를 생성시키는데 사용되는 고온 반응기의 표면 상에 침착물이 적게 발생됨에도 불구하고, 몇몇 잔류물이 반응기에서 생성되어 긴 작동 시간에 걸쳐 축적됨으로써, 반응기의 주기적인 세정이 요구된다. 임의의 적합한 방식으로, 또한 임의의 적합한 세정 시약을 사용하여 이러한 세정을 수행할 수 있다. 다양한 실시양태에서는, 플루오르, 이플루오르화제논, 삼플루오르화질소 등과 같은 증기상 세정 시약을 플라즈마 활성화시키면서 또는 그러한 활성화 없이 이들 세정 시약으로 반응기 표면의 세정을 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 응축 대역 또는 저온 반응 대역을 다양한 방식으로 강화시켜 이후의 펌프, 압축기 또는 다른 유동 회로 구성요소에 유해할 수 있는 물질 같은 반응 생성물 혼합물의 구체적인 성분을 제거할 수 있다. 예를 들어, 생성물 회수를 위해 다수개의 트랩이 제공될 수 있다.
하나의 실시양태에 따라, 각 연결 지점에서 이중 밸브를 사용함으로써 반응기 시스템의 세정을 달성할 수 있다. 예로서, 공정 기체의 연결 지점, 퍼지 기체의 연결 지점 및 생성물 추출용 연결 지점에서 이중 밸브를 사용할 수 있다. 아래 기재되는 도 7에서, 밸브는 AV10, AV11 및 MV05 다음에 위치된다. 세정이 이루어질 때에는, 밸브 사이의 연결부를 분리하고, 요구되는 경우 오프라인으로 세정할 수 있는 별도의 장소로 반응기 설비를 옮길 수 있다. 사용된 시스템이 세정되는 동안, 깨끗한 예비 시스템을 재설치하여 사용함으로써 생성물 물질을 계속 생성시킬 수 있다.
다르게는, 시스템의 상이한 부품 내로 물 또는 다른 세정 용액을 주입하여 부품을 제 자리에서 세정할 수 있는 방식으로 시스템을 구성할 수 있다. 이러한 구성은 세정 공정의 모든 부산물이 함유되어 집진 시스템(scrubber system)으로 향하고/향하거나 시스템으로부터 배출되어 폐기물을 포획하도록 한다.
어떤 방식으로도 본 발명의 영역을 한정하는 것으로 간주되지 않고 본 발명의 구체적인 용도에서 본 발명의 실시양태를 예시하는 것으로 간주되는 하기 기재내용을 참조하여 본 발명의 이점 및 특징을 추가로 설명한다.
도 7은 본 발명의 한 실시양태에 따른 통합된 반응기 시스템의 공정 다이어그램이다. 공정 다이어그램은 B2F4의 회수 및 생성을 위한 통합된 시스템의 반응기 시스템 및 다른 구성요소를 포함한다. 공정 제어 장치가 도시된 바와 같이 표시된다. 조질 B2F4-함유 물질(BF3/B2F4 혼합물)을 생성시키기 위한 공정 흐름은 공급 실린더로부터의 BF3 기체의 유동, 및 물질 유동 제어기를 사용하여 제어되는 유동 속도로 기체를 반응기에 전달함을 포함한다. 반응기에서는, BF3 기체가 반응기의 중간 구역에서 가열되는 도가니 내로 로딩된 금속 붕소 조각과 반응한다. BF3 기체와 붕소의 반응 생성물을, 액체 질소로 냉각되는 반응기의 하부에 포획한다. 이 고온 반응 단계가 종결되면, BF3 기체 유동을 중단하고, 액체 질소 욕을 낮춰서 반응 생성물이 가온되도록 한다. 반응기가 가온됨에 따라 기체가 반응기의 하부로부터 추출되고 저온 트랩, 이어 여과 대역을 통해 이동하여 최종적으로 포획 실린더에 수거된다. 도시된 추가적인 설비 및 파이프는 시스템을 배기시키고 퍼지시키며 누출 점검하기 위해 포함된다.
도 7에 도시된 바와 같이, 공급 실린더 또는 실린더들(10 또는 20)로부터의 BF3 기체는 라인(5 또는 15)을 통해 BF3 기체 공급 대역(36)으로, 이어 반응기(50)로의 라인(25)을 통한 유동에 의해 반응 대역으로 유동한다. BF3 기체 공급 매니폴드는 적절한 유동 제어기(FC1), 압력 변환기(PT1 및 PT2), 압력 조절기(RG1), 압력 스위치(PS1 및 PS2), 공기압 밸브(AV02 내지 AV09), 수동 밸브(MV04), 입자 필터(FT1) 및 전자 밸브 매니폴드(SVM1)를 함유한다. 전자 밸브 매니폴드는 공정 밸브를 작동시키는데 사용되는 제어 박스로부터의 전기 신호를 받아들이는 공기압 밸브의 세트이다.
물질 유동 프로파일을 이용하여 반응이 이루어지는데 필요한 BF3의 양을 제어할 수 있다. 시스템은 물질 유동 조절기(FC1), 2개의 변환기(PT1 및 PT2), 및 이중 단계 조절기(RG1)를 포함한다. 시스템은 실린더(10 또는 20)로부터의 공급원으로서 HP(고압) BF3 및/또는 VAC BF3를 사용한다. 수동 압력 제어로부터의 외부 압력을, 압력 변환기를 사용하여 모니터링된 바와 같이 약 20 내지 22토르로 유지한다. 이중 단계 조절기(RG1)에 의해 물질 유동 제어기 입구 압력이 650토르 정도이도록 HP 실린더로부터의 BF3 유동을 제어한다. HP BF3 실린더는 유용한 부산물로서 형성되는, 반응으로부터 재순환되는 BF3를 함유할 수 있다. 폐기체를 배기 라인(37)에서 배기시킬 수 있다.
원격 열 스테이션(도시되지 않음)을 이용하여 반응 대역을 가열할 수 있다. 반응기(50)를 둘러싸는 유도 가열 코일(도시되지 않음) 같은 다른 히터 설비를 이용하여, 반응 대역에 열을 제공할 수 있다. 반응기(50)는 매 실행시 시스템을 밀봉하기 전에 반응기 내로 수작업으로 로딩되는 고체 출발 물질로서 반응물 붕소 금속을 함유한다.
작동시, BF3 기체는, 이 기체가 고온에서 붕소 금속과 반응하여 중간체인 BF를 생성시키는 반응기(50) 내로 유동한다. 반응기중 BF 및 반응의 다른 생성물을 응축 대역(70)에서 포획하고 액체 질소로 냉각시킨다. 수압 리프트(90)가 응축 대역에서 반응물을 냉각시키는데 필요한만큼 액체 질소 욕(80)을 상승 및 하강시킨다. 고온 실행 동안, 자동 액체 질소 교환-충전 방법에 의해 반응기를 -195℃로 유지시킨다. 이 방법에서는, 액화된 질소 약 180L를 갖는 액체 질소 듀어병을 그의 말단에 프릿이 장치된 분배 라인[예를 들어, 래터만 극저온(Ratermann Cryogenic) 분배 라인]과 연결시킨다. 저온 어셈블리의 목적하는 온도 프로파일을 유지하도록 액체 질소의 분배를 제어하는 PLC 프로그램에 따라 라인을 작동시킨다.
반응 생성물을 냉각시킨 후, BF3 기체 유동을 중단하고 수압 리프트(90)가 질소 욕(80)을 하강시키고 반응 생성물이 가온되도록 한다. 반응 혼합물이 소정 수준으로 가온된 후, 라인(45)을 통해 생성물을 저온 트랩(46)으로 유도한다.
저온 트랩(46)은 도 6에 도시되어 있다. 저온 트랩을 사용하여 중질 플루오르화붕소 물질이 주 반응기 용기에서 수거 실린더로 이동하지 못하도록 방지한다. 도 6은 본 발명의 예시적인 실시양태에 따른 저온 트랩 하나의 구성을 도시한다. 저온 트랩 어셈블리(61)는 반응기 대역으로부터 저온 트랩으로의 입구(62), 퍼지 기체 입구(63), 여과 대역으로의 트랩 출구(64), 배기구로의 트랩 출구(67) 및 듀어병(66)을 포함한다. 듀어병(66)은 BF3 및 B2F4 물질이 수거 실린더(100)를 통해 퉁과하도록 하면서 중질 플루오르화붕소를 포획하는데 바람직한 온도를 수득하기 위하여 드라이아이스 또는 액체 질소로 냉각시킨 슬러쉬를 보유한다.
도시되는 바와 같이, 라인이 제한되는 경우에 기체가 유동하는 대체 경로를 제공하는 직렬/병렬 구성의 4개의 트랩이 있다. 시스템의 구성은 트래핑 효율에 기초하여 최적화된다. 변할 수 있는 매개변수는 냉각 용액의 온도 및 트랩의 기하학적 형태를 포함한다. 공정을 추가로 제어하기 위하여, 냉각기(도시되지 않음)를 이용하여 트랩의 온도를 더욱 정확하게 제어하거나 또는 공정의 상이한 단계에서의 온도를 조정하여 수율 및 처리량을 최대화할 수 있다.
저온 트랩(46)을 통해 통과한 후, 생성물은 라인(55)을 통해 필터(56 및 57)를 함유하는 필터 대역(58) 내로 유동한다.
여과 시스템은 5000토르만큼 높은 입구 및 출구 압력(즉, 필터 요소를 가로지르는 압력 강하)을 측정하는 2개의 압력 변환기(PT6 및 PT7)를 포함하고, 2개의 인라인 필터(56 및 57)가 평행하게 배열되는데, 필터 요소는 15um이다. 조질 물질(B2F4, BF3, BxFy의 반응 생성물 혼합물) 전달 동안, 혼합물은 선택된 필터중 하나를 통해 유동하여 폐색 문제를 만들거나 폐색 문제에 기여하는 조질 물질 수거 실린더(100)에 들어가는 임의의 고체 미립자를 제거한다. 필터를 가로질러 압력 강하를 측정한다. 새로운 필터 요소의 경우, 압력 차이(ΔP)는 약 30 내지 40토르인 한편, 오래된/사용된 필터는 약 40 내지 70토르의 ΔP를 가질 수 있다. 필터가 폐색되면, 제어 요소 및 제어 프로그램을 작동시켜, 조질 물질 유동을 중단시키지 않으면서 활성 가공 동안 필터를 교환할 수 있다. 여과 시스템은 밸브(AV23 내지 AV31), 입자 필터(FT2 및 FT3), 압력 스위치(PS7 및 PS9), 밸브(MV07), 압력 조절기(RG 및 SVM2)를 비롯하여 필터를 통한 유동을 수행하기 위한 적절한 설비 요소를 포함한다.
여과 후, 생성물 기체는 라인(65)을 통해 유동하고, 최종적으로 수거 실린더(100)에서 수거되어 출구 라인(75)을 통해 제거된다. 입구(85)를 이용하여 질소로 시스템을 플러쉬시킬 수 있다. 반응 시스템 내의 반응 부산물을 출구(95)를 통해 집진 유닛 또는 캐비넷(도시되지 않음)으로 제거한다. 이러한 처리에 적절한 특성의 집진 유닛은 당 업계에 공지되어 있다. 예를 들어, 본 발명의 반응 시스템에 유용할 수 있는 하나의 집진 유닛은 서로 직렬 연결된 CS 클린 시스템(Clean System) 32갤런 노바퓨어(Novapure)® 캐니스터(Canister) 다운-플로우(down-flow) S447D(100%) 집진기 및 32갤런 노바퓨어® 캐니스터 다운-플로우 S520(100%) 집진기가 장치된 이중 집진 캐비넷 시스템이다. 이들 이중 집진기는 플루오라이드 집진기 및 하이드라이드 집진기를 포함한다. S447D 유닛은 분자체상의 LiOH를 사용하고, S520 유닛은 홉칼라이트(MnO2/CuO 3:1 혼합물)를 이용한다. 이러한 집진 유닛은 HF 및 B2F6 센서가 장치된 2개의 허니웰(Honeywell) MDA 센서 유닛으로 모니터링되는 90% 지점을 갖는다. BF3 및 B2F4는 반응기 시스템 펌프로부터의 유해한 기상 유출물의 주 구성성분이지만, 약간량의 중질 플루오르화붕소(B3F5, B8F12 및 다른 BxFy 물질) 및 HF도 예상된다. 기체를 매니폴드 퍼지 과정 동안 또는 원치 않는 기체를 시스템 라인으로부터 폐기하는 동안 기체를 집진기로 보낸다. 하기 표는 각 기체와 관련된 집진능을 보여준다:
Figure 112014043120290-pct00001
반응에 필요한 만큼 전체 공정 시스템을 약 10-6토르의 진공 수준까지 펌핑할 수 있는, 2개의 건식 펌프, MDP[몰레큘라 드랙 펌프(Molecular Drag pump)] 48 및 ACP 122P 진공 펌프 86을 포함하는 진공 어셈블리를 반응기 시스템의 작동 동안 사용한다. MDP는 27000rpm의 낮은 회전 속도를 갖고, 10밀리바 내지 10-5 밀리바의 펌핑 성능 및 400sccm의 최대 유속으로 우연한 공기 유입, 충격 배기 또는 자이로스코프 효과를 내포하는 조건하에서 작동하기에 충분히 강건하다. ADP 펌프는 100℃에서 작동하고, 10-2토르의 압력 수준을 유지할 수 있는 무마찰 및 무오일 펌프 기계장치를 포함한다.
라인(35)을 통해 탱크(30)로부터 제공되는 헬륨을 사용하여 공정 시스템을 세정 또는 퍼지할 수 있다.
다양한 양태, 실행 및 실시양태와 관련하여 시스템 및 방법을 기재하였으나, 이러한 양태, 실행 및 실시양태는 본 발명의 임의의 다른 양태, 실행 및 실시양태와의 임의의 조합으로 존재할 수 있음을 알게 될 것이다. 그러므로, 본 발명은 이러한 특징의 상응하는 집합에서 개별적으로 또는 구체적으로 기재되는 양립가능한 특징의 모든 변동 및 조합을 포괄하는 것으로 간주되어야 한다. 또한, 본원에 구체적으로 개시된 임의의 하나 이상의 개별적인 특징을, 본 발명의 추가적인 실시양태로서 본 발명의 반응기 시스템 및 방법의 구체적인 실행에서 본원에 개시된 임의의 다른 특징 또는 특징의 조합으로부터 선택적으로 배제할 수 있음을 알아야 한다.
구체적인 양태, 특징 및 예시적인 실시양태를 참조하여 본 발명을 본원에 기재하였으나, 본 발명의 효용은 그것으로 한정되지 않으며 오히려 본원의 기재내용에 기초하여 본 발명의 당업자가 스스로 깨닫게 되는 바와 같이 다수의 다른 변화, 변형 및 다른 실시양태로 확장되고 이들을 포괄함을 알게 될 것이다. 따라서, 이후 특허청구되는 본 발명은 그의 원리 및 영역 내에 이러한 변화, 변형 및 다른 실시양태를 모두 포함하는 것으로 넓게 간주하고 해석하고자 한다.

Claims (31)

  1. 중간체 물질(intermediate species)을 형성시킬 수 있는 온도 및 압력 조건하에서 BF3 기체를 붕소-함유 고체와 접촉시키기 위한 반응 대역;
    상기 반응 대역으로부터, 상기 중간체 물질과 상기 BF3 기체의 미반응 부분 사이의 반응을 수행하여 B2F4를 포함하는 반응 생성물을 형성시키기 위한 응축 대역으로, 상기 BF3 기체의 미반응 부분과 상기 중간체 물질이 나가도록 하는 개구;
    상기 반응 생성물과 미반응 BF3 기체를 회수하기 위한 회수 대역; 및
    회수된 미반응 BF3 기체를 상기 반응 대역으로 재순환시키기 위한 재순환 대역으로서, 상기 재순환 대역이 미반응 BF3 기체중 불순물을 감소시킬 수 있는 정제 대역을 포함하는, 재순환 대역
    을 포함하는, 붕소 주입 공정에 사용되는 B2F4 붕소 전구체를 제공하기 위한 반응기 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응 대역이 금속 케이싱(casing) 및 금속 반응강(reaction cavity)을 포함하는, 반응기 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 정제 대역이, 극저온 온도 범위의 냉각 용기를 포함하는, 반응기 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 회수 대역이, 상기 반응 생성물 및 상기 미반응 BF3 기체로부터 고체 미립자를 제거하기 위한 여과 대역을 포함하는, 반응기 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 붕소-함유 고체가 화학량론적 조성의 붕소-함유 화합물을 포함하는, 반응기 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응 대역이 반응 대역을 사전결정된 온도로 유지하기 위한 열 제어 어셈블리를 포함하는, 반응기 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 붕소-함유 고체가 노출된 격자 평면을 포함하는, 반응기 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 붕소-함유 고체가, 삼플루오르화붕소에 대해 상이한 반응성을 갖는 결정면을 포함하는 단결정질 형태이고,
    상기 단결정질 붕소-함유 고체의 표면적의 주요 분율(major fraction)이, 상기 단결정질 붕소-함유 고체의 다른 결정면(들)보다 삼플루오르화붕소에 대해 더 높은 반응성을 갖는 결정면의 표면적을 포함하는, 반응기 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 단결정질 형태의 붕소-함유 고체가 원소 붕소 단결정질 입자인, 반응기 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 응축 대역이, 상기 중간체 물질과 상기 BF3 기체의 미반응 부분을 극저온 온도 범위로 냉각시킴으로써 상기 중간체 물질과 상기 BF3 기체의 미반응 부분 사이의 반응을 수행하여 B2F4를 포함하는 반응 생성물을 생성시키고,
    극저온 온도 범위는, 극저온에서 냉각될 수 있는 물질을 함유하는 용기를 최고 위치에서 최저 위치 사이에서 상향 및 하향중 선택된 한 방향으로 이동시키도록 구성된 수압 리프트의 사용에 의해 제어되는, 반응기 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응 대역은 이중벽 석영 재킷을 포함하고,
    상기 응축 대역은 스테인레스 강 용기 및 상기 개구를 둘러싸는 밀봉부를 포함하되, 상기 밀봉부가 진공 또는 초-대기압하에 상기 반응 대역을 상기 응축 대역으로 밀봉 연결하는, 반응기 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 밀봉부는, 밀봉부 상의 압력을 유지하기 위하여 스플릿 플랜지 아래에 배치된 퍼플루오로엘라스토머 물질을 포함하는 O-링을 포함하는, 반응기 시스템.
  13. BF3 기체와 붕소-함유 고체를 반응시켜 중간체 물질인 BF와 미반응 BF3 기체를 포함하는 제 1 기상 혼합물을 형성시키고;
    제 1 기상 혼합물을 냉각에 의해 응축시켜 제 1 응축 생성물을 형성시키고;
    제 1 응축 생성물을 휘발시켜 B2F4와 미반응 BF3를 포함하는 제 2 기상 혼합물을 생성시키며;
    제 2 기상 혼합물을 냉각에 의해 응축시켜 제 2 응축 생성물 및 B2F4와 미반응 BF3를 포함하는 제 3 기상 혼합물을 형성시키며;
    제 3 기상 혼합물을 여과하여 미립자를 제거하고;
    제 3 기상 혼합물로부터 B2F4와 미반응 BF3를 회수하고;
    미반응 BF3를 정제시켜 정제된 BF3를 생성시키며;
    상기 정제된 BF3를 BF3 기체와 붕소-함유 고체를 반응시키는 단계로 재순환시킴
    을 포함하는, 붕소 주입 공정에 사용되는 B2F4 붕소 전구체의 제조 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    제 2 응축 생성물이 원치 않는 BxFy 물질을 포함하는 경우, XeF2, F2, NF3, O2, O3 또는 CO로부터 선택되는 활성 화합물과 BxFy 물질을 반응시켜 잔류물을 형성시키고 상기 잔류물을 기계적으로 제거함으로써, BxFy 물질을 상기 응축 생성물로부터 제거함을 추가로 포함하는, 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    제 2 응축 생성물이 원치 않는 BxFy 물질을 포함하는 경우, XeF2, F2, NF3, O2, O3 또는 CO로부터 선택되는 활성 화합물과 BxFy 물질을 반응시켜 잔류물을 형성시키고 상기 잔류물을 할로겐-함유 시약과 반응시켜 잔류물을 휘발시킴으로써, BxFy 물질을 상기 응축 생성물로부터 제거함을 추가로 포함하는, 방법.
  16. 삼플루오르화붕소(BF3)와 반응성이어서 중간체 물질인 플루오르화붕소(BF)를 생성시키는 붕소-함유 고체를 함유하는 반응기로서, BF3와 상기 붕소-함유 고체를 반응시켜 반응 생성물로서 BF를 수득하고 또한 BF 및 미반응 BF3를 반응 유출물로서 방출시키도록 구성된, 반응기;
    상기 반응기에 BF3를 공급하도록 배열된 BF3의 공급원;
    상기 반응기로부터 반응기 유출물을 받아들이고 BF와 BF3를 응축시켜 B2F4를 생성시키는 응축 대역;
    B2F4를 포함하는 반응 생성물, 및 미반응 BF3 기체 및 상기 미반응 BF3 기체와 함께 회수된 불순물을 포함하는 기체 생성물을 회수하기 위한 회수 대역; 및
    상기 기체 생성물로부터의 미반응 BF3를 상기 반응기로 유동시키기 위한 재순환 루프
    를 포함하는, 붕소 주입 공정에 사용되는 B2F4 붕소 전구체의 제조 장치로서,
    상기 재순환 루프가 상기 기체 생성물 중의 불순물을 감소시켜 상기 반응기로 유동되는 재순환 BF3를 정제하도록 구성된 정제 유닛을 포함하고, 상기 정제 유닛이 동결-펌프-해동(freeze-pump-thaw) 정제 유닛을 포함하는, 제조 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 반응기가 붕소-함유 고체로서 원소 붕소를 포함하는, 제조 장치.
  18. 반응 대역에서 붕소-함유 고체와 삼플루오르화붕소(BF3)를 반응시켜 중간체 물질인 플루오르화붕소(BF)를 생성시키고;
    상기 반응으로부터의 BF와 미반응 BF3를 응축시켜 B2F4를 생성시키고;
    B2F4를 포함하는 반응 생성물, 및 미반응 BF3 기체 및 상기 미반응 BF3 기체와 함께 회수된 불순물을 포함하는 기체 생성물을 회수하고;
    상기 기체 생성물로부터의 미반응 BF3를 정제시켜 정제된 BF3를 생성시키며;
    상기 정제된 BF3를 반응 대역으로 재순환시킴
    을 포함하는, 붕소 주입 공정에 사용되는 B2F4 붕소 전구체의 제조 방법으로서,
    상기 정제가 동결-펌프-해동 정제를 포함하는, 제조 방법.

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