TW200412254A - Method for exhaust treatment of perfluoro compounds - Google Patents

Description

200412254 五、發明說明（1)

【發明之技術領域】

在進行燃燒廢氣 易燃的氫氣問題 【先前技術】 時二i，化物廢氣處理方法，特別是關於 、’、7蒸軋的方式和處理燃燒時所產生 1 9 9 7年”聯合國氣候變化綱要公約京都議定書"中， 國通過管制六種主要溫室氣體的具體減量方案 其^:、HFCs及_等主要為人造的溫室氣體成分Θ為強 效狐至軋體，具有而全球溫暖化潛勢指數值（G丨〇ba i Warming Potential； GWP)，具極長之生命期，在大氣 中的累積效應為不可逆的。但近年來半導體製程（如在乾 蝕刻化學氣相沉積之清腔程序等）廣泛地使用CF 4、c 2F 6、 NF 3 等全氟化物（Per f 1 uorocompounds ; PFCs)做為製程 氣體，而這些氣體僅少部分被使用掉，剩餘的大部分（如 化學氣相沉積約剩餘9 0 %)則當作廢氣排放，是造成溫室 效應的重要來源。但目前半導體設備元件的製造技術日趨 精密，促使全氟化物的使用量隨著半導體製程的進步與曰 倶增，因此需要管制與處理避免環境公害之產生，以及採 用新的PFCs廢氣處理系統，以因應未來更加嚴苛之廢氣排 放標準。 目前工業製程中其全氟化物廢氣處理裝置，以高能量 密度電漿高溫裂解及洗滌除害的設計原理為主之裝置擁有 最佳之效能，由於電漿產生之高溫有助於全就化物裂解。 此種全氟化物廢氣處理裝置，其應用範圍包含半導體及其

200412254 五、發明說明（2) 他工業製程之全氟化物等有害廢氣之處理，例如：C 2F 6、 SiH4、CF4、NF3、CHF3等廢氣處理。其基本工作原理如 下·直流電裝火炬產生南溫、南能量密度的電聚’將廢氣 中的全氟化物熱解、原子化、離子化，使全敦化物的化學 鍵被瓦解而摧毁，並與水或氧氣結合形成一些簡單易於處 理的分子或原子如氫、一氧化碳、二氧化碳和氟化氫等， 而沒有機會組合成較大的或較複雜的分子。舉例說明其反 應方程式如下： C2F6 + 4 H20 — 6 HF + 2 C02 + H2 CF4 + 2H20 — 4HF+ C02 CHF3 + 2 H20 — 3 HF + C02 + H2 如圖一所示，為習用之全氟化物廢氣電漿處理裝置。 其運作如下：將廢氣引入電漿反應器1 1 0中，其電漿反應 器11 0包括廢氣進口 111、電漿火炬11 2、反應室11 3、水蒸 氣入口 11 4、水蒸氣產生反應爐1 1 5等五個部分，其中該反 應室1 1 3内部係以耐火斷熱材料構築而成，在電漿火炬加 熱下，可形成高溫環境者，有助反應形成。由上之化學反 應式可知，其反應過程中需要水參與反應。其電漿火炬 1 1 2經來自水蒸氣產生反應爐1 1 5產生的水蒸氣自水蒸氣入 口 1 1 4進入反應後，所生之極高溫（1 0，0 0 0°C )電漿束流 提供高能量讓由廢氣進口 1 1 1進入之全氟化物廢氣與水蒸 氣作用，在反應室11 3中瞬間被熱解、原子化或離子化， 全氟化物組成之間的化學鍵因而被瓦解摧毀，形成一些簡 單易於處理的分子或原子等，而沒有機會組合成較大的或

200412254 五、發明說明（3) 較複雜的分子，這是熱燃燒爐所無法達到的。但由於經電 漿反應器11 0處理後的廢氣溫度很高，並產生氟化氫及氫 氣氣體’因此’在電浆反應裔1 1 0的反應室113出口處，設 置一喷水器組120,喷水器組120設有水量控制閥12丨調控 喷水量使喷水頭1 22喷出水霧，由此水吸收熱量使廢氣迅 速降溫，並溶解部分氟化氫（HF)溶於水槽13〇中，水槽13〇 再以底部排水方式將廢水排出。 因咼溫影響氣體的溶解度，所以在廢氣經喷霧冷卻 後’再將廢氣引入一濕式洗滌塔1 5 〇内部填有高表面積填 充物，並設有喷水器組151，喷水器組151之水源由幫浦 1 4 0抽取水槽1 3 0的水供應之，幫浦1 4 〇之前可設置一過濾 器1 4 1過濾雜質及固體物。廢氣在經過此一濕式洗滌塔J 5 〇 時，其夾帶之固體物，例如，含石夕粉末等，可以被洗淨濾 除，同時氟化氫在此也被吸收，於處理氟化氫產物時，喷 出之水霧可加驗，中和氧化氫酸性。但依現況而言，在科 學園區設有廢水場者，通常含氟廢水可由廢水處理場 #十辟水可做批次排放或連續排放至廢 水處理場即可。备廢氣决、、/s . 、货 、 /原所提供之氣流靜壓不足時’》”、、 式洗I塔1 5 細：加置—風車i 6 〇以補足靜壓，順利排出 設計的風量值。^採用反應器ιι〇較之習用處理方 式如燃燒法之能里雄、度高，因此，全氟化物之裂解效率較 高，效率優越性九鴨提昇，處理C2F6之破壞去除率可達 99%以上，甚具壞保價值，同時已證實可以同時處理多種 全氟化物廢氣，可將CF4、c2f6與NF3等有害廢氣的化學鍵

200412254 五、發明說明（4) 加以破壞、分解且去除效率可達9 9 %以上。 惟習用技術中，為使廢氣燃燒完全，需將水蒸氣引入 電漿反應器參與反應，但另以設備產生水蒸氣，其成本增 加，故有造成全氟化物廢氣電漿處理裝置之產業利用性降 低之缺失。此外，因全氟化物經裂解後所形成的廢氣中， 氫氣佔了很大的比例，其自燃的特性，將會在後續的處理 過程中發生危害，故有降低全氟化物廢氣電漿處理裝置的 安全性的缺失。 【發明内容】 本發明之主要目的在於提供一種全氟化物廢氣處理 方法，利用燃燒廢氣時所產生之熱能，將液態水轉換為水 蒸氣。 本發明之另一目的在於提供一種全氟化物廢氣處理 方法，在裝置中多設置一燃燒室，將空氣與廢氣中氫氣混 合燃燒，可大量減少氫氣含量。 本發明係使用下列步驟來達到上述之各項目的：首 先，係引入廢氣與高溫電漿火炬直接作用，再進入反應室 内處理，其電漿火炬包括水蒸氣入口及水蒸氣管等部份。 其中水蒸氣管管路中之液態水變成水蒸氣之熱能來自電漿 反應器反應時之高溫，並進入電漿火炬參與毒性氣體之反 應。接續，為降低反應後大量氫氣，本發明增設一燃燒 室，將外界空氣與氫氣反應，以處理掉大量氫氣。 接續，燃燒反應後剩餘的廢氣進入一水槽，其内之喷 水器組喷出水霧，在此水可吸收熱量使廢氣迅速降溫，並

第7頁 200412254 五、發明說明（5) 溶解反應後之部分氟化氫，而其餘落下於水槽表面之產 物，水槽再以底部排水方式將廢水排出。但因高溫影響氣 體的溶解度，所以在產物經喷霧冷卻後，廢氣引入二^ = 洗滌塔將廢氣反應後之剩餘產物除淨。 ’ '二 [實施方式】 本發明可運用在處理全氟化物（PFCs)之廢氣時，其 反應中所添加的水蒸氣係利用本身燃燒的熱能加熱產生/、 之’且為除去廢氣反應後之大量氫氣，本發明亦辦加一 燒室解決之。 曰σ 一燃 首先’如圖二所示為本發明全氟化物廢氣電漿處理 置’其係引入廢氣與高溫電漿火炬直接作用，Α : 丹運入反鹿 室内處理，並於反應室出口處設置一喷水器組〜 .τ 廢氣經過 喷水裔組降溫後，再引入一濕式洗滌塔處理後予以排放 此一濕式洗滌塔之循環用水設有一水槽供應之， ’ 式如下：一電漿火炬2 0 0包括一水蒸氣入口 2 〇 1及一水朴a 管2 0 2。其水蒸氣管2 0 2管路之配置即為本發明之重點療氣 •，其中水蒸氣管2 0 2管路係源自水槽組，以適當方 繞一電漿反應器2 1 0後向上延伸至水蒸氣入口 2 ^ : 水自水槽流動環繞電漿反應器時，電漿反應器所生*液^ 將其加熱為水蒸氣，並自水蒸氣入口 2 〇 1進入電將 熱月匕 使參與毒性氣體之反應。 水、炬2 0 〇 為使電漿火炬產生極高溫（1 0，〇 〇 〇〇c )電裝去 率提升，需將水蒸氣引入電漿反應器參與反應二 f之效 用電漿反應器於反應過程中產生之熱能，透^ 發明利 喝熱父換方式

200412254 五、發明說明（6) 將液態水轉換為水蒸氣後，直接引入電漿反應器參與反 應；如此不僅節省成本，不需另行增添加熱器，更可同日寺 降低反應後所生廢氣溫度，增加廢氣對水的溶解度，以利 後續之處理。 其電漿反應器2 1 0更包括一廢氣進口 2 1 1、一反應室 2 1 3二個部分，其中反應室2 1 3内部係以耐火斷熱材料構築 而成，在電漿火炬加熱下，可形成高溫環境者。全氟化物 廢氣由廢氣進口 2 11進入電漿反應器2 1 0，通過電漿火炬 2 0 0之極高溫（1 0，0 0 0°C )電漿束流，全氟化物廢氣在反 應室2 1 3中，瞬間被熱解、原子化或離子化，全氟化物組 成之間的化學鍵因而被瓦解摧毁，形成一些簡單易於處理 的分子或原子如氫、一氧化碳、二氧化碳和氟化氫等，而 沒有機會組合成較大的或較複雜的分子。但由於經電衆反 應器2 1 0處理後的廢氣溫度很高，並產生氟化氫及氫氣氣 體，其中氳氣在後續處理過程中易產生爆炸危險。因此， 本發明在電漿反應器2 1 0的反應室2 1 3出口處，增設一燃燒 室280，藉由全氟化物廢氣處理裝置内部為負壓之原理， 透過一空氣閥2 8 1的控制，可將外界空氣引入後，使空氣 中的氧氣可在燃燒室内與氫氣反應，以處理掉大量氫氣， 此亦為本發明之重點。 接續，與傳統全氟化物廢氣電漿處理方式相同，其燃 燒反應後剩餘的廢氣進入一水槽2 3 0，其内之一喷水器組 2 2 0設有一水量控制閥2 2 1調控喷水量使一喷水頭2 2 2喷出 水霧，由此水吸收熱量使廢氣迅速降溫，並溶解部分氟化

200412254 五、發明說明（7) 氫（H F )，而其餘落下於水槽表面之產物，水槽再以底部排 水方式將廢水排出。其喷水器組2 2 0之水源亦可由幫浦2 4 0 抽取水槽2 3 0的水供應之（圖中未示），幫浦2 4 0之前可設置 一過濾器2 4 1過濾雜質及固體物。因高溫影響氣體的溶解 度，所以在產物經喷霧冷卻後，通過一過濾器2 4 1過濾雜 質及固體物，再將廢氣引入一濕式洗滌塔2 5 0内部填有高 表面積填充物。毒性氣體廢氣在經過此一濕式洗滌塔2 5 0 時，其夾帶之固體物，例如，含矽粉末等，可以被洗淨濾 除，同時氟化氫在此也被吸收，於處理氟化氫產物時，喷 出之水霧可加驗液以中和說化氫之酸性。當廢氣來源所提 供之氣流靜壓不足時，濕式洗滌塔2 5 0後端可加置一風車 2 6 0以補足靜壓，順利排出設計的風量值。 以上所述係利用較佳實施例詳細說明本發明，而非限 制本發明的範圍，因此熟知此技藝的人士應能明暸，適當 而作些微的改變與調整，仍將不失本發明之要義所在，亦 不脫離本發明之精神和範圍，故都應視為本發明的進一步 實施狀況。謹請 貴審查委員明鑑，並祈惠准，是所至 禱0

200412254 圖式簡單說明 【圖示簡單說明】 圖一係習用技術中全氟化物 圖二係本發明之實施例中全 圖號說明 11 0電漿反應器 11 2 電漿火炬 11 4水蒸氣入口 1 2 0 喷水器組 1 2 2喷水頭 140幫浦 1 5 0 濕式洗滌塔 160風車 2 0 1水蒸氣入口 2 1 0電漿反應器 2 1 3反應室 221 水量控制閥 2 3 0 水槽 241過濾器 2 5 1 喷水器組 280燃燒室 電漿處理裝置。 物廢氣電漿處理裝置。 廢氣進口 反應室 水蒸氣產生反應爐 水量控制閥 水槽 過濾器 喷水器組 電漿火炬 水蒸氣管 廢氣進口 喷水器組 喷水頭 幫浦 濕式洗滌塔 風車 空氣閥

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Claims (1)

1. 200412254 六、申請專利範園 1 · 一種全氟化物廢氣處理方法，包含·· $晚給叫 ⑷全氟化物廢氣與水蒸氣通過電漿火痒進入f;;:】 被：解形成廢氣產物；戶斤述水蒸氣經由環繞所述反 應^之水蒸氣管組所提供； … (b)一燃繞室引入外界空氣，使戶斤述空氣可在所述燃燒至 内與所述廢氣產物反應； (C)經由一水槽組溶解所述廢氣產物中鄯分氟化现肿、 並除去在所述水槽組中之所述廢氣產物中之固體小为 ' d)經由一濕式洗滌塔處理剩餘之所述廢氣產物。、 2·如申請專利範圍第丨項所述之全氟化物廢氣處理方法\ 其中所述水蒸氣管組的液態水係藉由戶斤述全氟化物廢氣 反應時的高熱使之成為水蒸氣。 3·如申請專利範圍第2項所述之全氟化物廢氣處理方法， 其中所述液態水係來自所述水槽組中之循環水。 4·如申請專利範圍第1項所述之全氟化物廢氣處理方法， 其中所述燃燒室係透過一控制閥引入所述外部空氣。 5 ·如申請專利範圍第4項所述之全氟化物廢氣處理方法， 其中所述之控制閥可為複數個。 6 ·如申請專利範圍第1項所述之全氟化物廢氣處理方法’ 其中所述水蒸氣管組可降低在燃燒過程中所述反應腔之 溫度。 7 · —種全氟化物廢氣處理方法，包含·· (a )全氟化物廢氣與水蒸氣通過電漿火炬進入反應腔瞬間

   第12頁 200412254 ____一 六、申請專利範圍 被熱解形成廢氣產物； (b)—燃燒室藉由控制閥引入外界空氣，使所述空氣可在 所述燃燒室内與所述廢氣產物反應； (c )經由一水槽組部份之所述廢氣產物； (d )經由一濕式洗滌塔處理剩餘之所述廢氣產物。 8 ·如申請專利範圍第7項所述之全氟化物廢氣處理方法， 其中所述水蒸氣係由環繞所述反應腔之水蒸氣管組所提 供，其中所述之水蒸氣管組的液悲水係藉由戶斤述全氟化 物廢氣反應時的高熱使之成為水蒸氣。 9 ·如申請專利範圍第8項所述之全氟化物廢氣處理方法’ 其中所述液態水係來自所述水槽組中之循環水。 I 〇 ·如申請專利範圍第7項所述之全氟化物廢氣處理方法’ 其中所述燃燒室係連接於所述反應腔之後。 II ·如申請專利範圍第7項所述之全氟化物廢氣處理方法’ 其中所述控制閥可為複數個。 1 2 ·如申請專利範圍第7項所述之全氟化物廢氣處理方法’ 其中所述水蒸氣管組可降低在燃燒過程中所述反應腔 之溫度。 13· —種全氟化物廢氣處理方法，包含： (a )全氟化物廢氣與水蒸氣通過電漿火炬進入反應腔瞬間 被熱解形成廢氣產物，其所述水蒸氣經由瓖繞所述反 應腔之水蒸氣管組所提供； (b)經由一水槽組溶解所述廢氣產物中部分氟化氫（HF) 並除去在所迷水槽組中之所述廢氣產物中之固體小分

   第13頁 200412254 六、申請專利範圍 子； (C )經由一濕式洗滌塔處理剩餘之所述廢氣產物。 1 4 .如申請專利範圍第1 3項所述之全氟化物廢氣處理方 法，其中所述水蒸氣管組的液態水係藉由所述全氟化 物廢氣反應時的高熱使之成為水蒸氣。 1 5 .如申請專利範圍第1 4項所述之全氟化物廢氣處理方 法，其中所述液態水係來自所述水槽組中之循環水。

   1 6 .如申請專利範圍第1 3項所述之全氟化物廢氣處理方 法，其中所述水蒸氣管組可降低在燃燒過程中所述反 應腔之溫度。

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