KR20210023647A - Mocvd 폐수 감소를 위한 방법 및 시스템 - Google Patents

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로리 워싱턴
리퀴앙 야오
지안후이 난
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Abstract

본 발명은 금속 유기 화학 기상 증착(MOCVD) 폐수 감소 공정의 다양한 양태를 기재한다. 하나의 양태에서, 배기 스트림으로부터 독성 폐기물을 제거하기 위한 시스템은 제1 압력에서 동작하고 배기 스크림 내 독성 물질을 고형 폐기물로서 제거되도록 응축하는 제1 콜드 트랩, 제1 콜드 트랩에 연결되며 배기 스트림의 압력을 증가시키는 펌프, 상기 펌프에 연결되며 제1 콜드 트랩 후 배기 스트림 내에 남아 있는 독성 물질을 분해하는 핫 크래커, 상기 핫 크래커에 연결되고 제1 압력보다 높은 제2 압력에서 동작하며 배기 스트림 내에 남아 있는 분해된 독성 물질을 고형 폐기물로서 제거되도록 응축하는 제2 콜드 트랩, 및 제2 콜드 트랩에 연결되고 제2 콜드 트랩 후 배기 스트림에 남아 있는 독성 물질을 흡수하는 스크러버를 포함한다.

Description

MOCVD 폐수 감소를 위한 방법 및 시스템
본 발명의 양태는 일반적으로 배기 스트림으로부터 독성 물질을 제거하기 위한 기법과 관련되며, 더 구체적으로 금속 유기 화학 기상 증착(MOCVD: metal organic chemical vapor depositing) 공정으로부터의 폐수의 감소를 위한 방법 및 시스템과 관련된다.
MOCVD 기법을 이용할 때, 일반적으로 폐수 감소(effluent abatement)라고 지칭되는 공정에서 독성 물질을 제거하기 위해 배기 가스를 처리할 필요가 있다. GaAs MOCVD 작업을 위해, 이들 독성 물질은 비소(수소화비소 가스(AsH3) 및 비소 증기 같은 비소의 상이한 형태) 및 약간의 갈륨을 함유하는 화학종을 포함한다. 폐수 감소 공정에서, MOCVD 작업으로부터의 배기물이 먼저 콜드 트랩(cold trap)을 통과하여 독성 물질 중 일부를 응축시키고 수집할 수 있다. 콜드 트랩으로부터의 출력이 펌프를 통과하여 압력을 증가시키며 그런 다음 추가 콜드 트랩을 통과하며 모든 응축 가능한 물질이 수집되거나 제거됨을 보장할 수 있다. 그 후, 스크러버(scrubber)(가령, 습식 또는 건식 스크러버)가 배기 가스에 남아 있는 임의의 잔여 수소화비소 가스 또는 비소를 흡수하는 데 사용된다. 그런 다음 가스에 남아 있는 임의의 수소가 연소되어 폐수 감소 공정을 끝낼 수 있다.
그러나 이 공정은 대규모(즉, 고품질/고처리율) 제조를 위해 의도된 것은 아니며 공정의 구성요소가 이러한 작업에 최적화되지 않을 때 문제가 발생하는 경향이 있다.
따라서, MOCVD 폐수 감소 공정, 및 이의 구성요소 중 일부를 수정하는 것이 바람직하며, 유지보수를 거의 하지 않고, 대규모 작업에 의해 생성되는 많은 양의 독성 물질을 핸들링하는 것이 바람직하다.
다음에서 하나 이상의 양태의 기본적인 이해를 제공하기 위해 이러한 하나 이상의 양태의 단순화된 요약이 제공된다. 이 요약은 모든 고려되는 양태의 포괄적인 개요가 아니며, 모든 양태의 핵심 또는 중요 요소를 식별하는 것도 임의의 또는 모든 양태의 범위를 규정하려는 것도 아니다. 이의 목적은 이하에서 제공되는 더 상세한 기술의 서문으로서 하나 이상의 양태의 일부 개념을 단순화된 형태로 제공하려는 것이다.
대규모 작업에 의해 생성되는 대량의 독성 물질을, 거의 유지보수 없이, 취급하기 위해 신규한 콜드 트랩 및 핫 크래커를 이용하는 신규한 GaAs MOCVD 폐수 감소 공정이 제안된다.
본 개시의 하나의 양태에서, 대규모 MOCVD 작업에 의해 생성되는 배기 스트림으로부터 독성 폐기물을 제거하기 위한 시스템이, 제1 압력에서 동작하고 배기 스트림 내 독성 물질을 고형 폐기물로서 제거되도록 응축 및 분리하도록 구성된 제1 콜드 트랩, 상기 제1 콜드 트랩에 연결되며 배기 스트림의 압력을 증가하도록 구성된 펌프, 펌프에 연결되고 제1 콜드 트랩 후 배기 스트림에 남아 있는 독성 물질을 분해하도록 구성된 핫 크래커, 핫 크래커에 연결되며 제1 압력보다 높은 제2 압력에서 동작하고 배기 스트림에 남아 있는 분해된 독성 물질을 고형 폐기물로서 제거되도록 응축 및 분리하는 제2 콜드 트랩, 및 제2 콜드 트랩에 연결되며 제2 콜드 트랩 후 배기 스트림에 남아 있는 독성 물질을 흡수하도록 구성된 스크러버를 포함한다. 시스템은 스크러버에 연결되고 배기 스트림으로부터 인화성 가스(가령, 수소)를 제거하도록 구성된 연소 박스를 더 포함할 수 있다.
본 개시의 하나의 양태에서, 대규모 MOCVD 작업에 의해 생성된 배기 스트림으로부터 독성 폐기물을 제거하기 위한 방법이, 제1 압력에서 동작하도록 구성된 제1 콜드 트랩에서, 배기 스트림 내 독성 물질을 고형 폐기물로서 제거되도록 응축 및 분리하는 단계, 제1 콜드 트랩에 연결된 펌프에서, 배기 스트림의 압력을 증가시키는 단계, 펌프에 연결된 핫 크래커에서, 제1 콜드 트랩에 의한 응축 이후 배기 스크림 내에 남아 있는 독성 물질을 분해하는 단계, 핫 크래커에 연결된 제2 콜드 트랩에서, 제1 압력보다 높은 제2 압력에서, 배기 스트림 내에 남아 있는 분해된 독성 물질을 고형 폐기물로서 제거되도록 응축 및 분리하는 단계, 및 제2 콜드 크랩에 연결된 스크러버에서, 제2 콜드 트랩에 의한 응축 후 배기 스트림 내에 남아 있는 독성 물질을 흡수하는 단계를 포함한다. 방법은 스크러버에 연결된 연소 박스에서, 배기 스트림으로부터 인화성 가스(가령, 수소)를 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
MOCVD 폐수 감소와 연관된 방법 및 시스템과 관련된 추가 양태가 또한 기재된다.
첨부된 도면은 일부 구현예만 도시하며 따라서 범위의 제한으로 간주되지 않는다.
도 1은 본 발명에 따라 MOCVD 배기물 처리 시스템의 예시를 도시하는 다이어그램이다.
도 2는 본 발명에 따라 MOCVD 배기물 처리 시스템에서 사용되기 위한 핫 크래커의 예시를 도시하는 다이어그램이다.
도 3a 및 3b는 본 발명에 따라 핫 크래커 내 크래킹 구역의 예시를 보여주는 다이어그램이다.
도 4는 본 발명의 양태에 따라 MOCVD 배기물 처리 시스템에서 사용되기 위한 콜드 트랩의 예시를 도시하는 다이어그램이다.
도 5는 본 발명의 양태에 따라 MOCVD 배기물 처리 시스템에서 사용되기 위한 콜드 트랩의 또 다른 예시를 도시하는 다이어그램이다.
도 6은 본 발명의 양태에 따라 MOCVD 폐수 감소를 위한 방법의 예시를 도시하는 흐름도이다.
첨부된 도면과 관련하여 이하에서 제공되는 상세한 설명이 다양한 구성의 설명으로서 의도되며 본 명세서에 기재된 개념이 실시될 수 있는 구성만 나타낼 의도를 갖지 않는다. 상세한 설명은 다양한 개념의 완전한 이해를 제공하기 위한 특정 상세사항을 포함한다. 그러나 이들 개념은 이들 특정 세부사항 없이 실시될 수 있음이 해당 분야의 통상의 기술자에게 자명할 것이다. 일부 예시에서, 잘 알려진 구성요소는 블록도에서 이러한 개념을 모호하게 하는 것을 피하기 위한 형태로 도시된다.
본 개시 내용에서, 용어 "배기 가스", "배기 스트림", "가스 스트림", 및 "배기물"는 MOCVD 공정으로부터 야기되며 방출되기 전 일부 형태의 처리를 필요로 하는 하나 이상의 가스, 입자, 및/또는 물질의 흐름을 지칭하기 위해 상호 교환 가능하게 사용될 수 있다.
앞서 기재된 바와 같이, MOCVD 공정으로부터의 배기 스트림 또는 배기 가스가 많은 형태의 독성 물질을 포함하여, 따라서 방출되기 전에 처리될 필요가 있다. GaAs MOCVD의 경우, 배기 스트림은 대다수 비소(As)와 일부 갈륨(Ga)을 함유하는 화학종을 포함할 수 있다. 비소는 예를 들어 수소화비소 가스(AsH3) 또는 비소 증기의 형태로 있을 수 있다. 증기는 콜드 트랩을 이용해 고체로 응축될 수 있고, 펌프를 통과하여 압력을 증가시킬 수 있다. 가능한 많은 응축 가능 독성 물질을 수집하도록 추가 콜드 트랩이 존재할 수 있다. 그 후 배기 가스가, 건식 스크러버 또는 습식 스크러버일 수 있는 스크러버를 통과하여, 배기 가스로부터 수소화비소 가스 또는 비소를 흡수할 수 있다. 스크러버의 출력은 일반적으로 청정하며, 바로 방출되거나 인화성 가스의 희석 또는 연소 후 방출될 수 있다.
대규모 작업, 가령, GaAs로 만들어진 광전자 디바이스의 대량 생산을 위해 필요한 작업을 위한 GaAS MOCVD 공정으로부터의 배기물의 종래의 처리에서 다양한 문제가 발생된다. 예를 들어, 콜드 트랩이 매우 신속하게 채워지며 규칙적으로 세척될 필요가 있다. 통상의 콜드 트랩은 세척되기 어렵게 만드는 매우 복잡한 내부 구조를 가진다. 콜드 트랩은 독성 물질의 제거에 그다지 효율적이지 않아서, 상당한 양의 제거가 스크러버에 의해 이뤄지도록 남겨질 수 있다. 스크러버(가령, 건식 스크러버) 내 흡수 재료가 빠르게 포화가 되고 규칙적으로 폐기되고 교체될 필요가 있다. 스크러버가 습식 스크러버인 경우, 액체가 빠르게 독성을 띄게 되어 방출되기 전에 처리될 필요가 있다.
그렇다면 해법은 GaAs MOCVD 배기 스트림을 전달하는 시스템을 수정하여 정기적인 유지보수 없이 시스템이 긴 시간 동안 대규모로 작업할 수 있도록 하는 것이다. 이를 이루기 위해, 한 가지 접근법은 유지보수를 최소화하고 생성되는 독성 물질의 양을 최소화하기 위해 물질을 가장 농축된 형태로 포착하려 시도하는 것이다. 따라서 목적들 중 하나는 가능한 많은 독성의 위험한 물질을 응축된 형태로 포착하고 그런 다음 스크러버를 더 가벼운 최종 제거 공정으로서 이용해, 스크러버에 의해 사용되는 흡수 재료가 포화될 때까지 훨씬 더 긴 시간이 걸리도록 하는 것이다.
앞서 기재된 바와 같이, 대규모 작업에 의해 생성되는 많은 양의 독성 물질을 다루는, 유지보수가 거의 이뤄지지 않는 신규한 콜드 트랩 및 핫 크래커(hot cracker)를 이용하는 새로운 GaAs MOCVD 폐수 감소 공정/시스템이 제안된다. 이 공정/시스템은 (가령, 콜드 트랩에서) 가능한 가장 응축된 형태로 가장 많은 양의 독성 물질의 포착을 가능하게 하며, 따라서 프로세스의 종료 부분에서 포착된 (가령, 스크러버에서의) 독성 물질의 양을 감소시킬 수 있다.
기존 콜드 트랩은 서비스 받기 어렵다는 문제점을 가진다. 때때로 고형 폐기물이 하나의 스팟에서 응축되고 콜드 트랩은 가득차지 않더라도 세척되기 위해 오프 라인이 될 필요가 있다. 따라서 콜드 트랩의 용량이 이의 크기에 의해 제한되지 않고 응축 포인트(condensation point)에 의해 제한된다. 또한, 콜드 트랩은 현재 하나 이상의 필터를 이용하는데, 이들 필터는 세척하기 어려울 뿐 아니라, 필터들 중 하나가 막힐 때 트랩 내 압력 및 가스 흐름을 변경시켜 이의 효과를 제한할 수 있다. 덧붙여, 기존 콜드 트랩은 냉각시키기 위한 코일을 이용하지만, 이들 코일 역시 세척하기 어렵다.
이들 문제 중 일부를 극복하기 위해, 신규한 콜드 트랩 구성이 이하에서 더 상세히 기재된다(도 4 및 5 참조). 이러한 신규한 콜드 트랩은 2-스테이지 또는 2-섹션 설정을 이용해, 가스가 냉각될 때 발생하는 상이한 유형의 핵생성 또는 입자 형성(가령, 표면 상의 비균질 핵생성 또는 가스 상태에서의 균질 핵생성)을 취급할 수 있다. 제1 스테이지는 역구조 또는 테이퍼형 구조물의 측벽 표면에 수직으로 주입 가스를 도입시킴으로써 소용돌이(vortex)가 생성되는 콘덴서(condenser)(가령, 사이클론 콘덴서(cyclone condenser))를 포함한다. 콘덴서의 측벽이 냉각되고 차가운 측벽 상의 증착물(가령, 비균질 핵생성)이 (가령, 순간 가열(flash heating), 음향 에너지, 또는 기계적 스크래핑(mechanical scraping)에 의해) 쉽게 떨어지도록 만들어질 수 있다. 소용돌이의 속도가 콘덴서의 크기/지름에 따라 달라진다.
콜드 트랩 내 제2 스테이지 또는 섹션이 사이클론 또는 소용돌이를 생성할 수 있는 분리기(separator)(가령, 사이클론 분리기)로 지칭되는 구조를 더 포함하며, 분리기로부터 가스 내 임의의 남아 있는 입자(가령, 균질 핵생성)가 탈착식 고형 폐기물 컨테이너로 분리될 수 있다. 고형 폐기물 컨테이너는 콘덴서로부터의 응축된 고형 폐기물을 수집하기 위해 사용되는 것과 상이하거나 동일할 수 있다.
대안 구성에서, 분리기는 콘덴서 내부에 위치하도록 설계되며, 이때 전체 작업이 앞서 기재된 바와 유사하다.
앞서 기재된 상이한 2-스테이지 또는 2-섹션 콜드 트랩 구성이 새로운 GaAs MOCVD 폐수 감소 공정/시스템의 일부분으로서 저압과 대기압 콜드 트랩 모두에 대해 사용될 수 있다.
제1 콜드 트랩 후 배기 가스 내에 여전히 남아 있는 수소화비소 가스 및 비소 중 대부분이 제2 콜드 트랩(즉, 대기압)으로 가기 전에 크랙(crack)(가령, 분해)되어 제2 콜드 트랩이 잔여 고형 폐기물(가령, 독성 물질) 중 거의 전부를 응축 및 제거할 수 있음을 보장하기 위해 2개의 콜드 트랩 간 대기압에서 사용될 수 있는 신규한 핫 크래커가 또한 제안된다. 큰 공간을 가열(배기 가스를 600℃까지 가열할 필요가 있음)하고 이렇게 하는 데 에너지를 효율적으로 이용하는 문제 때문에, 대규모 작업을 취급할 수 있는 핫 크래커를 갖는 것이 어렵다. 이하에서 더 상세히 제안 및 기재되는 핫 크래커(가령, 도 2, 3a, 3b를 참조)가 2개의 구역 또는 섹션: 환열기(recuperator)(가령, 단열된 환열기), 및 크래킹 구역(가령, 고온 크래킹 구역)을 포함한다. 유입 가스 스트림이 크래킹 구역에 도달하기 전에 인렛에 수신된 유입 가스 스트림 또는 배기 스트림이 크래킹 구역의 가열된 출력을 이용함으로써 예열되게 하도록 환열기가 분산된 열 교환부로서 동작한다. 이 접근법은, 크래킹 구역에서 더 적은 열이 필요하기 때문에 크래킹 구역 내 더 많은 부피를 가능하게 하며, 이는 더 효과적인 에너지 활용율을 야기한다. 이중-구역(dual-zone), 이중-섹션(dual-section)(2-구역, 2-섹션) 핫 크래커가 촉매화된 크래킹(catalyzed cracking)을 수행하도록 더 구성될 수 있다.
새로운 GaAs MOCVD 폐수 감소 공정/시스템뿐 아니라 제안된 콜드 트랩 및 핫 크래커 구성과 관련된 추가 상세사항이 도 1-6과 관련하여 이하에서 제공된다.
도 1은 MOCVD 배기물 처리 또는 폐수 감소 시스템의 예시를 기재하는 다이어그램(100)을 도시한다. 이 시스템이 GaAs MOCVD 작업에 의해 생성된 배기 가스를 처리하기에 적합할 뿐 아니라, 그 밖의 다른 유사한 작업으로부터의 배기 가스를 취급하기에 더 적합할 수 있다. 이 시스템에서, 전구체 가스(110)가 GaAs MOCVD 공정 작업, MOCVD(120)에 제공된다. 전구체 가스(들)가 예를 들어 수소화비소 가스(AsH3)를 포함할 수 있다. MOCVD(120) 후에 남아 있는 배기 스트림 또는 배기 가스가 저압 콜드 트랩(130)으로 제공된다. 배기 스트림은 증기 및 가스 화학종의 혼합을 포함할 수 있다. 저압 콜드 트랩(130)은 시스템에서 더 낮아진 대기압 콜드 트랩(160)의 대기압 레벨보다 낮은 압력 레벨에서 동작한다. 저압 콜드 트랩(130)은 배기 스트림 또는 배기 가스 중 독성 물질 중 일부(가령, 비소 형태)를 응축 및/또는 분리하도록 구성된다. 응축 및/또는 분리된 물질이 쉽게 제거 또는 세척되기 위한 고형 폐기물(135)로서 저장된다. 저압 콜드 트랩(130)은 자신이 수집하고 저장할 수 있는 독성 물질의 보유 용량을 최대화하고 수집된 독성 물질을 제거하는 프로세스를 단순화하도록 구성된다.
저압 콜드 트랩(130) 밖으로 나오는 배기 스트림 또는 배기 가스가 배기 스트림의 압력 레벨을 대기압 콜드 트랩(160)의 압력 레벨로 증가시키도록 사용된 펌프(140)를 보호하는 것을 보조하도록 더 적은 독성 물질을 가진다.
독성 가스와 증기의 혼합물을 여전히 포함하는 펌프(140)의 출력이 핫 크래커(150)로 제공되며, 상기 핫 크래커는 고형 독성 물질을 응축 및/또는 분리(가령, 제거)하기 위해 배기 스트림이 대기압 콜드 트랩(160)으로 제공되기 전에, 배기 스트림 내 잔여 전구체를 분리한다. 즉, 핫 크래커(150)는 독성 가스를 스크러버 내에서 흡수되기 보다는 대기압 콜드 트랩(160) 내에 더 쉽게 응축될 수 있는 형태로 분해하도록 사용된다. 예를 들어, 핫 크래커(150)는 수소화비소 가스의 대부분을 비소로 분해할 것이며, 그 후 비소는 대기압 콜드 트랩(160)에서 고형 폐기물로 변환된다. 저압 콜드 트랩(130)처럼, 대기압 콜드 트랩(160)은 수집 및 저장할 수 있는 독성 물질(가령, 고형 폐기물(165))의 보유 용량을 최대화하고, 수집되는 독성 물질을 제거하는 공정을 단순화하도록 구성된다.
MOCVD(120)에서 대기압 콜드 트랩(160)으로 전달되는 배기 스트림이 각각의 스테이지 사이에서 가열되어, 배기 스트림의 통로를 차단할 수 있는 응축을 피할 수 있다.
대기압 콜드 트랩(160) 후에, 스크러버(170)에 의해 제공되는 최종 세척 단계가 존재하며, 여기서 흡수 재료가 나머지 모든 독성 물질을 제거한다. (고형 흡수체인지 또는 액상 흡수체인지에 무관하게) 흡수 재료가 가득 차면, 임의의 사용된 흡수 재료, 즉, 사용된 흡수체(175)가 제거 및 교체될 수 있다.
마지막으로, 연소 박스(burn box)(180)가, 예를 들어, 가스를 연소하여 배기 스트림에서 이를 제거함으로써 모든 인화성 가스, 가령, 수소를 제거하는 데 사용될 수 있다. 연소 박스(180)의 출력이 방출될 수 있는 청정 배기물(190)이다.
도 2는 도 1의 핫 크래커(150)의 예를 도시하는 다이어그램(200)을 보여준다. 핫 크래커(150)는 대규모 작업을 취급하고 이렇게 하는 데 에너지를 효율적으로 이용하도록 구성된다. 핫 크래커(150)는 2개의 구역 또는 섹션, 즉, 환열기(210) 및 크래킹 구역(220)을 포함한다. 환열기(210)는, 유입 배기 스트림이 크래킹 구역(220)에 도달하기 전에, 크래킹 구역(220)의 출력(가령, 가열되고, 분해된 배기 스트림)을 이용함으로써 인렛(212)으로부터의 유입 배기 스트림 또는 배기 가스가 예열될 수 있게 하기 위해 분산된 열 교환부로서 동작하도록 구성된 단열된 환열기일 수 있다. 이러한 접근법에 의해, 크래킹 구역(220)에서 더 적은 열이 필요하기 때문에, 더 많은 양의 배기물이 크래킹 구역(220)에서 처리될 수 있다. 크래킹 구역(220)에 의해 가열된 후, 출력되는 배기 스트림이 아웃렛(214)을 통해 핫 크래커(150)를 떠나기 전에 환열기(210)에 의해 냉각된다.
크래킹 구역(220)은 배기 스트림 내 독성 물질을 추가로 분해(가령, 수소화비소 가스를 분해)하기 위해 배기 스트림을 가열할 때 600℃에서 동작할 수 있는 고온 크래킹 구역이다. 이 이중-구역, 2-구역(이중-섹션, 2-섹션) 핫 크래커(150)가 또한, 적어도 크래킹 구역(220) 내에 하나 이상의 촉매를 포함시킴으로써 촉매화된 크래킹을 수행하도록 구성될 수 있다.
도 3a 및 3b는 도 1에서 핫 크래커(150) 내 크래킹 구역(220)의 한 가지 가능한 구현예를 도시하는 다이어그램(300 및 360)을 도시한다. 다이어그램(300)은 크래킹 구역(220)의 구현예의 종방향을 따르는 단면도를 나타내고, 다이어그램(360)는 횡방향을 따르는 단면도를 나타낸다. 크래킹 구역(220)은 열 분해 챔버로 일컬어질 수 있다. 이 예시에서, 크래킹 구역 또는 열 분해 챔버(220)는 챔버(320) 외부에 설치되는 열 배플(thermal baffle)(310)을 포함한다. 하나 이상의 가열 막대(heating rod)(370)(도 3b의 다이어그램(300) 참조)가 챔버(320) 내부에 제공되어, 챔버(320) 및 하나 이상의 튜브(350)를 설정 온도까지로 가열할 수 있다. 로케이팅 플레이트(locating plate)(340)가 챔버(320) 내에서의 튜브(350)의 위치를 보장(가령, 고정)한다. 배기 스트림 또는 배기 가스가 인렛(305)을 통해 챔버(320)에 들어가고 그런 다음 배기 스트림이 확산 플레이트(diffuser plate)(330)에 의해 고르게 분포된다. 배기 스트림 또는 배기 가스가 튜브(350)의 길이를 따르는 중앙 홀을 통해 그리고 튜브(350)들 사이 공간을 통해 흐른다. 배기 스트림은 튜브(350)의 내부 벽 및 외부 벽 모두와 완전히 접촉하며 열 전달에 의해 가열된다. 튜브(350)는 강 또는 우수한 열 전도체인 그 밖의 다른 임의의 물질로 만들어 질 수 있다. 튜브(350)에 의해 가열된 후, 배기 스트림이 아웃렛(355)을 통해 크래킹 구역(220)을 빠져 나온다.
도 4는 도 1의 다이어그램(100) 내 저압 콜드 트랩(130) 또는 대기압 콜드 트랩(160)일 수 있는 콜드 트랩의 예시를 도시하는 다이어그램(400)을 도시한다. 이 예시에서, 콜드 트랩은 2개의 섹션, 콘덴서(420)와 분리기(460)를 포함한다. 배기 스트림은 콘덴서(420)의 하부에 위치하는 인렛(410)을 통해 콘덴서(420)인 역구조물의 측벽 표면에 수직으로 콘덴서(420)에 들어가서, 소용돌이를 만들 수 있다. 이 소용돌이에 의해, 앞서 기재된 바와 같이, 배기 스트림 내 독성 물질이 핵생성될 수 있으며, 여기서, 비균질 핵생성이 역(테이퍼형) 구조물의 측벽 상의 코팅 또는 증착물을 생성하고, 반면에 균질 핵생성이 가스 상태로 유지되고 커넥터(450)를 통해 분리기(460)로 전달된다.
배기 스트림에 의해 내부에 형성되는 소용돌이 때문에, 사이클론 콘덴서 또는 저온-벽 사이클론 콘덴서라고 지칭될 수 있는 콘덴서(420)가 콘덴서(420)의 상부를 냉각시키는 냉각 구성요소(430)를 가져, 비균질 핵생성이 측벽 상에 응축되기 위해 측벽이 저온임을 보장할 수 있다. 냉각 구성요소(430)는 응축물이 콘덴서(420)의 높이 이상으로 확산되도록 열 프로파일을 생성할 수 있다. 콘덴서(420)는 또한 콘덴서(420)의 하부를 가열하는 가열 구성요소(440)를 더 포함하여, 인렛(410)의 차단을 피하기 위해 이 부분에 어떠한 증착물도 형성되지 않음을 보장할 수 있다.
콘덴서(420)의 매끄러운, 역(테이퍼형) 측벽 구조에 의해, 측벽 상에 수집되는 임의의 증착물의 손쉬운 제거가 가능해진다. 선택사항으로서, 제거 구성요소(445)가 사용되어, 순간 가열(flash heating)을 콘덴서(420)의 측벽에 적용하거나 응축된 증착물을 부드럽게 할 음향 에너지를 제공함으로써, 이들이, 응축된 고형 폐기물 컨테이너(470a)가 고형 폐기물을 버리기 위해 이동될 때 폐쇄될 수 있는 폐기물 제거 게이트 밸브(425)를 통해 탈착식 구성요소, 가령, 응축된 고형 폐기물 컨테이너(470a)로 쉽게 떨어지게 할 수 있다. 선택사항으로서, 측벽 상의 임의의 증착물이, 예를 들어, 콘덴서(420)의 내벽을 스크래핑(scraping)함으로써 기계적으로 제거될 수 있다.
분리기(460)는 콘덴서(420)로부터 균질 핵생성(가령, 독성 입자)을 갖는 배기 스트림을 수신하고, 콘덴서(420)와 유사하게, 소용돌이가 독성 물질의 균질 핵생성을 배기 스트림으로부터 분리되도록 형성될 수 있다. 따라서 분리기(460)는 사이클론 분리기 또는 사이클론 입자 분리기로 지칭될 수 있다. 분리된 물질은 고형 폐기물을 폐기하기 위해 분리된 고형 폐기물 컨테이너(470b)가 제거될 때 폐쇄될 수 있는 폐기물 제거 게이트 밸브(465)를 통해 탈착식 구성요소, 가령, 분리된 고형 폐기물 컨테이너(470b)로 쉽게 떨어질 수 있다.
분리기(460)는 거의 완벽한 고형 폐기물 제거를 보장하기 위해 멀티-스테이지 분리기일 수 있다(즉, 상이한 분리기 구조를 갖는 복수의 분리 스테이지가 존재할 수 있다). 덧붙여, 입자 여과가 멀티-스테이지 분리 공정의 최종 스테이지에 포함될 수 있다.
저온 배기 스트림 또는 가스가 공정의 다음 스테이지(펌프(140) 또는 스크러버(170))에 제공될 분리기(460)의 상부의 아웃렛(480)을 통해 분리기(460)를 빠져나온다.
도 5는 콘덴서 내에 분리기가 위치하는(일체 구성되는) 콜드 트랩의 또 다른 예시 또는 구성을 도시하는 다이어그램(500)을 보여준다. 예를 들어, 다이어그램(500) 내 콜드 트랩 구성은, 다이어그램(400)의 것과 마찬가지로, 인렛(510), 콘덴서(520)(가령, 사이클론 콘덴서 또는 저온-벽 사이클론 콘덴서), 가열 구성요소(540), 냉각 구성요소(530), 선택적 제거 구성요소(545), 분리기(560)(가령, 사이클론 분리기 또는 사이클론 입자 분리기), 및 아웃렛(580)을 포함한다. 다이어그램(400) 내 콜드 트랩 구성과 상이하게, 콘덴서(520)에 의해 생성된 응축되고 분리된 고형 폐기물과 분리기(560) 모두를 수집하는 데 사용될 수 있는 단일 탈착식 구성요소, 즉, 고형 폐기물(570)이 존재한다. 고형 폐기물을 폐기하기 위해 고형 폐기물 컨테이너(570)가 제거될 때 폐기물 제거 게이트 밸브(525)가 폐쇄될 수 있다.
분리기(560)는 콘덴서(520) 내에 배치될 수 있고, 둘은, 예를 들어, 다이어그램(400)에서 사용되는 커넥터를 이용하는 대신, 구멍(550)을 통해 연결될 수 있다.
도 6은 본 발명의 양태에 따르는 MOCVD 폐수 감소를 위한 방법(600)의 예시를 설명하는 흐름도이다.
방법(600)은 제1 압력에서 동작하도록 구성된 제1 콜드 트랩(가령, 저압 콜드 트랩(130), 도 4, 5의 콜드 트랩)에서, 고형 폐기물을 제거하기 위해, 배기 스트림 내 독성 물질을 응축하고 분리하는 단계(610)를 포함한다.
방법(600)은 제1 콜드 트랩에 연결된 펌프(가령, 펌프(140))에서, 배기 스트림의 압력을 증가하는 단계(620)를 포함한다.
방법(600)은 펌프에 연결된 핫 크래커(가령, 도 1 및 2의 핫 크래커(150))에서, 제1 콜드 트랩에 의한 응축 후 배기 스트림 내 남아 있는 독성 물질을 분해하는 단계(630)를 포함한다.
방법(600)은 핫 크래커에 연결되고 제1 압력보다 높은 제2 압력에서 동작하도록 구성된 제2 콜드 트랩(가령, 대기압 콜드 트랩(160), 도 4, 5의 콜드 트랩)에서, 고형 폐기물을 제거하기 위해 배기 스트림 내에 남아 있는 분해된 독성 물질을 응축하고 분리하는 단계(640)를 포함한다.
방법(600)은 제2 콜드 트랩에 연결된 스크러버(가령, 스트러버(650))에서, 제2 콜드 트랩에 의한 응축 후 배기 스트림 내에 남아 있는 독성 물질을 흡수하는 단계(650)를 포함한다.
방법(600)의 또 다른 양태에서, 방법(600)은 스크러버에 연결된 연소 박스(가령, 연소 박스(180))에서, 배기 스트림으로부터 인화성 가스(가령, 수소)를 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
방법(600)의 또 다른 양태에서, 제1 콜드 트랩 또는 제2 콜드 트랩에서의 응축 및 분리하는 단계가 사이클론-기반 응축 작업을 수행하고 그런 다음 사이클론-기반 분리 작업을 수행하는 단계를 포함한다. 사이클론-기반 분리 작업이 복수의 개별 사이클론-기반 분리를 포함하는 멀티-스테이지 작업일 수 있고, 이들 분리 각각은 상이한 유형 및/또는 크기의 입자를 분리하도록 구성될 수 있다.
본 발명이 도시된 구현예에 따라 제공되었지만, 해당 분야의 통상의 기술자가 실시예의 변형이 존재할 수 있고, 이들 변형이 본 발명의 범위 내에 있음을 알 것이다. 따라서 많은 변형이 해당 분야의 통상의 기술자에 의해 이하의 청구범위 내에서 만들어질 수 있다.

Claims (20)

  1. 대규모 금속 유기 화학 기상 증착(MOCVD) 작업에 의해 생성된 배기 스트림으로부터 독성 폐기물을 제거하기 위한 시스템으로서, 상기 시스템은
    제1 압력에서 동작하며 배기 스트림 내 독성 물질을 고형 폐기물로서 제거되도록 응축 및 분리하도록 구성된 제1 콜드 트랩,
    상기 제1 콜드 트랩에 연결되고 배기 스트림의 압력을 증가시키도록 구성된 펌프,
    상기 펌프에 연결되며, 제1 콜드 트랩 후에 배기 스트림에 남아 있는 독성 물질을 분해하도록 구성된 핫 크래커(hot cracker),
    상기 핫 크래커에 연결되며, 제1 압력보다 높은 제2 압력에서 동작하고, 배기 스트림 내에 남아 있는 분해된 독성 물질을 고형 폐기물로서 제거되도록 응축하도록 구성된 제2 콜드 트랩, 및
    제2 콜드 트랩에 연결되고, 제2 콜드 트랩 후 배기 스트림에 남아 있는 독성 물질을 흡수하도록 구성된 스크러버
    를 포함하는, 독성 폐기물을 제거하기 위한 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 스크러버에 연결되고 배기 스트림으로부터 인화성 가스를 제거하도록 구성된 연소 박스를 더 포함하는, 독성 폐기물을 제거하기 위한 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 핫 크래커는 제1 섹션 및 제2 섹션을 포함하고, 상기 제1 섹션은 단열된 환열기이며 제2 섹션은 고온 크래킹 구역인, 독성 폐기물을 제거하기 위한 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 단열된 환열기는 분산 열 교환부로서 동작하여 고온 크래킹 구역에 의해 처리된 후 아웃렛을 통해 방출되기 전에, 인렛(inlet)을 통해 핫 크래커로 제공되는 배기 스트림을 가열하고 배기 스트림을 냉각하도록 구성되는, 독성 폐기물을 제거하기 위한 시스템.
  5. 제3항에 있어서, 고온 크래킹 구역은 열을 제공하여 배기 스트림 내 독성 물질을 분해하도록 구성되는, 독성 폐기물을 제거하기 위한 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 고온 크래킹 구역은 배기 스트림 내 독성 물질을 분해하기 위한 촉매를 포함하도록 더 구성되는, 독성 폐기물을 제거하기 위한 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 제1 콜드 트랩 및 제2 콜드 트랩 각각은 제1 섹션 및 제2 섹션을 포함하며, 제1 섹션은 콘덴서를 포함하고 제2 섹션은 상기 콘덴서에 연결된 분리기를 포함하는, 독성 폐기물을 제거하기 위한 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 콘덴서는 매끄러운 역측벽을 갖도록 구성되는, 독성 폐기물을 제거하기 위한 시스템.
  9. 제7항에 있어서, 제1 섹션은 콘덴서의 상부 주위에 냉각 구성요소 및 콘덴서의 하부 주위에 가열 구성요소를 더 포함하는, 독성 폐기물을 제거하기 위한 시스템.
  10. 제7항에 있어서, 콘덴서는 콘덴서의 내부 벽 상에 증착되는 독성 물질의 균질 핵(homogeneous nucleation)을 생성하고 콘덴서에서 분리기로 전달될 때 배기 스트림 내에 남아 있는 독성 물질의 비균질 핵(heterogeneous nucleation)을 생성하도록 소용돌이를 생성하도록 구성된 사이클론 콘덴서인, 독성 폐기물을 제거하기 위한 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 제1 섹션은 순간 가열(flash heating) 또는 음향 에너지(sonic energy) 중 하나 이상을 이용함으로써 콘덴서의 내부 벽 상에 증착된 독성 물질을 제거하도록 구성된 제거 구성요소를 더 포함하며, 독성 폐기물을 제거하기 위한 시스템.
  12. 제7항에 있어서, 제1 섹션은 콘덴서에 의해 생성된 응축된 독성 물질을 수집하도록 구성된 탈착식 구성요소를 포함하는, 독성 폐기물을 제거하기 위한 시스템.
  13. 제7항에 있어서, 분리기는 소용돌이를 생성하여 배기 스트림으로부터 독성 물질을 분리하도록 구성된 사이클론 분리기인, 독성 폐기물을 제거하기 위한 시스템.
  14. 제7항에 있어서, 제2 섹션은 분리기에 의해 분리된 독성 물질을 수집하도록 구성된 탈착식 구성요소를 포함하는, 독성 폐기물을 제거하기 위한 시스템.
  15. 제7항에 있어서, 분리기는 콘덴서 내에 위치하는, 독성 폐기물을 제거하기 위한 시스템.
  16. 제15항에 있어서, 콘덴서에 의해 생성된 응축된 독성 물질 및 분리기에 의해 분리된 독성 물질을 수집하도록 구성된 탈착식 구성요소를 더 포함하는, 독성 폐기물을 제거하기 위한 시스템.
  17. 제1항에 있어서, 핫 크래커는 인렛 및 아웃렛을 갖는 열 배플(thermal baffle), 확산기, 복수의 가열 막대, 및 복수의 파이프를 갖는 고온 크래킹 구역을 포함하고, 상기 배기 스트림은 인렛을 통해 열 배플 내로 흐르고, 확산기가 복수의 파이프 사이에 배기 스트림을 고르게 분배하며, 복수의 가열 막대가 복수의 파이프와 열 배플에 의해 형성된 열 챔버를 가열하고, 가열된 배기 스트림이 아웃렉을 통해 열 배플 밖으로 흐르는, 독성 폐기물을 제거하기 위한 시스템.
  18. 대규모 금속 유기 화학 기상 증착(MOCVD) 작업에 의해 생성된 배기 스트림으로부터 독성 폐기물을 제거하기 위한 방법으로서, 상기 방법은
    제1 압력에서 동작하도록 구성된 제1 콜드 트랩에서, 배기 스트림 내 독성 물질을 고형 폐기물로서 제거되도록 응축 및 분리하는 단계,
    상기 제1 콜드 트랩에 연결된 펌프에서, 배기 스트림의 압려을 증가시키는 단계,
    상기 펌프에 연결된 핫 크래커(hot cracker)에서, 제1 콜드 트랩에 의해 응축된 후, 배기 스트림 내에 남아 있는 독성 물질을 분해하는 단계,
    상기 핫 크래커에 연결되며 상기 제1 압력보다 높은 제2 압력에서 동작하도록 구성된 제2 콜드 트랩에서, 배기 스트림 내에 남아 있는 분해된 독성 물질을 고형 폐기물로서 제거되도록 응축 및 분리하는 단계, 및
    상기 제2 콜드 트랩에 연결된 스크러버에서, 제2 콜드 트랩에 의해 응축된 후 배기 스트림에 남아 있는 독성 물질을 흡수하는 단계
    를 포함하는, 독성 폐기물을 제거하기 위한 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 스크러버에 연결된 연소 박스에서, 배기 스트림으로부터 인화성 가스를 제거하는 단계를 포함하는, 독성 폐기물을 제거하기 위한 방법.
  20. 제18항에 있어서, 제1 콜드 트랩 또는 제2 콜드 트랩에서 응축 및 분리하는 단계는 사이클론-기반 응축 작업을 수행한 후 사이클론-기반 분리 작업을 수행하는 단계를 포함하는, 독성 폐기물을 제거하기 위한 방법.
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