201210679 60 濕式洗滌塔 61 洗滌液喷嘴 62 除霧器洗條噴嘴 63除霧器 64 填充材料 70 泡沫去除器 71 馬達 72回流管線 74 離心轉盤 75 誘引風車 五、 本案若瓣姊輸最峨示㈣特徵的化學式 六、 發明說明： 【發明所屬之技術領域】 树_與半導體產業的全氟化物廢氣的電 是關於—種全氟化物的魏處理数以及應用於 該電孩理裝置之献«反絲，其_錢化物廢氣以 切線方式注人渦流電敍應器内形成強烈的渦流，使全氣化 物廢氣及賴水分與電敎炬作科行高狀應，以徹底破 壞廢氣中的全氟化物。再顧文麟氣塔、濕式絲塔及一 泡冰去除器’將反應所產出的酸性氣體、粒狀物去除，以達 成高破壞去除效率的目的。 【先前技術】 201210679 半導體製程廣泛地使用CF4、C2F6、NF3等全氟化合物 (PFC; Per-fluorocompound)做為製程氣體，但是這些氣體僅有少 部分被使用掉，剩餘的大部分則當作廢氣排放，有造成溫室 效應的疑慮。例如，CF4在製程中大約只使用了 5%、〇2[：6大 約只使用了 30%、C3F8大約只使用了 6G%、Nh大約只使用了 60〇/〇、CHF3大約只使用了鐵、％大約只使用了 2〇%。 1997年"聯合國氣候變化綱要公約京都議定書"中，通過管 制二氧化碳〇}2、甲烧OU、氧化贼N2〇、认化硫％、 氫氟碳化物HFCs及全氟化物PFCs私種主要溫室氣體的具 體減直方案鱗刻表。在這六種主要管制溫室紐中，％、 HFCs及PFCs等主要為人造的溫室氣體成分；雖然HFCs及 PFCs不會耗損臭氧層’㈣為賊溫室氣體，具有很高的全 球溫暖化潛勢指數值(Global Warmjng P〇tentja丨，GWp)，具極長 之生命期’例如，CF4的生命期可達5_Q年、C2f6的生命期 可達1_年、SF6的生命期可達3,200年、(¾的生命期可 達2,年、NF3的生命期可達740年、CHF3的生命期可達27〇 年、CH2F2的生命期可達4 9年。這些氟化合物都能停留在大 氣層中相當長的時間，且在大氣中的累積效應為不可逆的。 由於半導體設備元件的製造技術日趨精密，促使錢化物的 使用量也隨料導體製簡進倾速增長，，產業界迫 切需要更有效率的管做處職術的pFCs廢氣處 理系統，關應未來更加嚴苛之廢氣職辟，避 害之產生。 201210679 傳統上PFCs及HFCs的處理，以使用燃燒法最有效，但 因擔〜燃燒控制不當會有衍生火災的風險，乃有改用電熱法 處理的例子；但是電熱法因受操作溫度及流場分佈控制不易 的影響，處理效率通常只能達到9Q%以下，難以達成符合嚴 苛的廢氣排放標準之要求。 使用電衆火炬的猶’也僅考慮#面的解決方案，例如， 中華民國新型專利中請案號G912G9744，雖提出-種全氟化物 廢氣電跋處理裝置’如第-圖所示，電漿反應器11Q包括廢 氣進口 111、電漿火炬1彳2、反應室113三個部分，其特徵是 引入廢氣與高溫賴火炬112直接作用，再進人反應室113 内處理，其找反應室113畴係以収斷紐料構築而成， 在電聚火炬112加熱下，可形成高溫環境者^並於反應室出 口處设置一喷水器組12〇 ’廢氣經過喷水器組12〇降溫後，再 引入一濕式洗滌塔15〇處理後予以排放，此一濕式洗滌塔^叨 之循環用水設有一水槽130供應之。當廢氣來源所提供之全 氟化物廢氣靜壓不足時’濕式洗滌塔15〇後端加置一風車16〇 以補足靜壓，順利排出設計的風量值。 廷種傳統的做法因為在離開電漿火炬彳彳2接觸後，需要利 用獨立的反應冑113 Θ進行反應，因此，電聚火炬112必須 提供足夠維持高溫（例如1〇〇〇。〇)的能量，且反應室113内 部必須以耐火斷熱材料構築而成，在電漿火炬加熱下，形成 冋溫％境，才能讓獨立的反應室113維持具有破壞全氟化物 廢氣的能力。而且，在高溫獨立的反應室113進行反應後， I# Μ tJc H組12〇加水冷卻織利賴式洗祕15〇洗務， 201210679 此時’也需要提供足夠的冷能，才能將氣體冷卻以利進行洗 條；否則，濕式洗滌塔150的洗滌效能將大受影響。又以往 的創作並無適當措施可以將隨著濕式洗滌塔150出口全氟化 物廢氣排出的飛沫去除，這種情形在低壓操作條件時更為嚴 重’也將使得管線及下游設備遭受粒狀物污染的困擾。 本發明的全氟化物的電漿處理裝置則採用渦流電漿反應 器’將含有全氟化物的廢氣利用切線注入渦流電漿反應器，利 用產生的渦流及電漿火炬引發的逆向渦流，使電漿火炬的高能 電子團能與全氟化物與水分及氧氣充分接觸並引發快速的化 學反應’因此，不需要高能量的電源供應及高溫的反應器，就 能達成有效且徹底的破壞全氟化物的目的。此外，本發明在渦 流電漿反應器之後，使用文氏滌氣塔、濕式洗滌塔及泡沫去除 器，能將渦流電漿反應器之反應產物除酸、去除粒狀物及去除 泡珠，達成99%至99.9%以上的破壞去除效率。 【發明内容】 本發明之主要發明目的在於提供一種全氟化物的電漿處 理裝置，其利用渦流電衆反應器及其後之空氣污染防治設備達 成全氟化物省能源的高效率破壞去除目的。 本發明之另-發明目的在於提供—種使騰全I化物的 電激處理裝置之渦流電漿反應器，利用全氟化物廢氣及進行化 學反應所需適量水分⑽線方歧人該電狀應器底部 形成渦流’並棚裝置在敎炬形成逆向渦流，使 201210679 電漿火炬的咼能量電子團能與全氟化物與水分及氧氣充分接 觸並引發快速的化學反應，達成徹底破壞全氟化物的目的。 為達成前述之發明目的’本發明所提供之全氟化物的電 漿處理裝置，包含有：一渦流電漿反應器、一電漿火炬、一 文氏滌氣塔、一洗滌液槽、一濕式洗滌塔及一泡沬去除器； 其特徵在於將多股全氟化物廢氣收集後，加入進行反應所需 的適量水分，一起以切線方式注入渦流電漿反應器末端，在 渦流電漿反應器内形成往裝置在渦流電漿反應器另一端的電 衆火炬方向旋轉的渦流，全氟化物廢氣與高溫電漿火炬進行 直接接觸後受熱膨脹產生高溫差氣旋渦流，再形成由電漿火 炬往渦流電漿反應器出口方向的逆向的高速噴流，使得全氟 化物廢氣在渦流電漿反應器内與具有高能量密度的電漿火炬 充分混合進行化學反應而被徹底破壞。並於渦流電漿反應器 出口處設置一文氏滌氣塔，將廢氣降溫、部分除酸、去除粒 狀物後，再進入一濕式洗滌塔進行除酸處理，然後經泡沫去 除器去除泡沫後予以排放。文氏滌氣塔及濕式洗滌塔之循環 用水設有一洗滌液槽供應之。 本創作的應用範圍包含半導體及其他工業製程之全氟化 物等有害廢氣之處理，例如：SiH4、CF4、CHF3、C2F6、Nh 等廢氣處理。 為使對本創作有較佳之了解，特就下列圖示為例作為本 創作之一較佳實施例說明如下。 【實施方式】 201210679 如第二圖所示’為本創作之全氟化物的電漿處理裝置之 一較佳實施例，以下並說明其原理及運作方式。 本創作之全氟化物的電漿處理裝置，係一種利用全氟化 物廢氣以切線注入渦流電漿反應器3〇中，使其產生氣旋渦流， 在渦流電漿反應器30内部利用裝設於另一端之直流電漿火 炬31將全氟化物廢氣進行高溫裂解，利用文氏滌氣塔4〇及 濕式洗滌塔60洗滌降溫去除酸性氣體及去除粒狀物，再利用 泡沫去除器70將所氣流夾帶出來的泡洙及液滴去除的一種 全氣化物的電漿處理裝置。其主要設備包含：切線注 入全氟化物廢氣產生渦流的渦流電漿反應器3〇、一電漿火炬 31、一文氏務氣塔40、一洗滌液槽5〇、一濕式洗滌塔6〇及 一泡沫去除器70。 如第三圖所示’渦流電漿反應器3〇是利用全氟化物廢氣 與高溫電敎炬31直接翻後，使得全氟化祕氣的體積膨 脹產生高溫差渦流的原理，使得含有全氟化物的廢氣能夠在 屑机電漿反應器30内’與尚能量電子團充分混合進行化學反 應’達成有效破壞的目的。 渴流電纽應H3G設有多支收集管彳彳縣連接收集半導 體製程所產生的全氣化物廢氣10。由半導體製程使用端產生 的全氟化物廢氣10配管與收集管Η連接至渦流電漿反應器 30。收集管11可以為1支或多支，通常以4支至8支設計， =利減少破壞去除廢氣中全氟化物的電聚處理裝置的數量。 每支收集官11的單位氣體流量為每分鐘約5〇〜1〇〇公升標 準狀態氣體流量’半導體製造系統操作壓力為40至200 201210679 mTorr最為常見’其排氣可經真空泵浦排出再接至本發明之全 氟化物的電漿處理裝置，亦可在真空泵浦之前進入本發明之 全氟化物的電漿處理裝置。 全氟化物廢氣10經多支收集管11被收集至廢氣收集幹管 12後，利用水分注入口 15注入進行反應所需適量水份，再一 起經氣體注入器20,由渦流電漿反應器末端34以多點切線方 式注入渦流電漿反應器30，以產生旋轉的渴流。 利用水分注入口 15注入的水量，主要根據全氟化物廢氣 的組成，依據化學反應式做推估，舉例說明其反應方程式如 下：
SiH4 + 2〇2 ^ Si02 + 2H20
CF4+2H2O 今 C〇2+4HF CF4+〇2-> C〇2+2F2
C2F6 + 4H2O + 1/2 〇2 6HF + 2C〇2 + H2O C2F6 + 2〇2 2C〇2 + 3F2 C3F8 + 6H2O + O2 8HF + 3C〇2 + 2H2〇 C3F8 + 3〇2 3C〇2+ 4F2 SFe + 3H20 ^ S02 + 6HF + 1/2 02
F2+ H2^ 2HF 由於多數PFCs在渦流電漿反應 。必叮汉應後，會 很容易再聚合成最安定的化合物CF4，因此，在廢氣進入滿 流電漿反應器30前，必須利用水分注入口 / 13注入進行反應 所需適林份’先卿及供應進行反應所需的適當水分含旦， 使PFCs能轉化成HF及C〇2才能得到較好的破壞去除效率。 10 201210679 利用渦流轉反應II 30的翻，CF4會在電㈣高能電子作 用下’很快進行以下反應而被破壞：
e + CF4 ^ CF3 + F + e e + 〇2->〇 + 〇 + e CF3 + 0 今 COF2+F 曰CF4是很安定的化合物，進行％的熱解需要供應大量能 里，而且，需要很高的活化能才能進行；cF4進行熱解反應的 反應式及反應熱ΔΗ如下： CF4^C(soot) + F2 AH = +916kJ/mol CF4在電肢應器内與氧氣進行氧化反應仍為吸熱反應， 其反應熱ΔΗ如下： CF4+〇2->C〇2+2F2 ΔΗ = +585 kJ/mol CF4與氧氣及氫氣進行氧化反應，為放熱反應，進行反應 會釋放反應熱ΔΗ如下： CF4+02 + 2H2^C02 + 4HF ΔΗ = -557 kJ/mol 。王氟化物廢氣在渦流電漿反應器3〇内形成由渦流電漿反 應器末％ 34往電黎;^炬31 ;ξτ向流動且快速旋轉的渦流，然 後，全氟化物廢氣與電漿火炬31直接接觸後，開始引發化學 反應，使全氟化物的化學鍵結被徹底破壞，並與水分子或氧 氣結合形成—些簡單易於處理的分子或原子，同時使氣體溫 度!·夬速升③’體積膨脹，進而產生速度更快的高溫差氣旋满 流36。 201210679 高溫差氣旋渦流36到達渦流電漿反應器頂部35後，受到 電漿火炬31激發，使全氟化物與氧氣及水產生化學反應，氣 體的體積受化學反應及溫度升高的影響而快速膨脹，並受電 漿火炬31的氣流引導後形成由電漿火炬μ往渦流電漿反應 器出口方向的向速氣旋喷流37，使得全氟化物廢氣在渦流電 漿反應器30内能夠與高能量密度的電漿火炬31及其高能量 電子團充分混合、進行化學反應，產生c〇f2、HF、Ν〇χ、c〇、 C〇2等燃燒產物’而被徹底破壞。 位於渦流電漿反應器3〇最前端中心位置的直流電漿火炬 31，疋利用供應高電壓、高電流的直流電源供應昶使電漿火 炬31產生電弧進而產生高溫高能量密度的穩定的電毁，將廢 氣中的全IL化物加熱分解、原子化、離子化，使全I化物的 化學鍵結被徹底破壞’並與水分子或魏結合軸—些簡單 易於處理的分子或原子，如氫氣、―氧化碳、三氧化碳和乳 化氫等而不會組合成較大的或較複雜的分子，達成徹底破 壞的目的。 _ 電漿火炬31可以採用直流電力供應產生高溫電漿之非傳 輸型直流電漿火炬。 渴流絲反應器30是善用賴火炬3彳及其產生的高能量 ’:團與全II化物純充分混合、進行化學反應，因此，並 Μ而建:iL均勻的溫度場’所以可以使用較低功率的電毁火炬 門声即可達到所需的破壞效率。以一般四組收集管11單位時 00 L/min的设備為例，傳統的電漿火炬約需使用1 〇 12 201210679 功率，使用本發明之渦流電漿反應器30則只需使用4〜_ 功率的電漿火炬31即可。 由於在渦流電漿反應器30内，以切線注入的全氟化物廢 氣尚未被加熱，會沿著反應器外壁32以渦旋方式流動，因此， 使知反應器外壁32溫度不會太高，只需使用石英玻璃或陶竞 管外加保護金屬即可，可以使得設備製作簡單化。 為達到較佳的混合效果，本發明所提供之渦流電漿反應 器30具有下列之基本結構設計及尺寸的設定： 1. 為了讓全氟化物廢氣10在渦流電漿反應器3〇内能產生穩 定的渦流且避免粒狀物沉積’氣體注入器2〇的氣體流速應 維持10 m/s以上。 2. 渦流電漿反應器30為圓柱形結構，其最適長度^約為内徑 D的1至3倍。亦即，l/D = 1〜3。 3_屑机電毀反應器30的最適出口直徑d約為内徑d的1/2至 1/3 倍。亦即，d/D = 1/3 〜1/2。 由於在渦流電漿反應器3 〇内經電漿火炬3彳處理後的廢氣 溫度極高，並產生氟化氫等酸性氣體，因此，在渦流電漿反 應器30出口處設置法蘭連接口 33與一文氏滌氣塔4〇連接， 由於氣體中的酸性化合物之溶解度受溫度影響顯著，若溫度 過高則溶解度降低，因此，利用液體喷嘴42將洗滌液41噴 入文氏滌氣塔40中，將廢氣降溫並溶解部分HF等酸性氣體， 同時蘇除其爽帶之固體微粒，如含石夕粉末等；文氏條氣塔4〇 中有-文氏官43 ’可使文氏減塔4〇能在減壓條件下操作 (此部分引用中華民國新型專利M384719);文氏滌氣塔4〇 13 201210679 底部設有衝擊板44， 洗條塔60之操作。 可避免洗滌液受壓產生波動，影響濕式 濕式洗務塔60内部有提供巨大接觸表面積的填充材料6心 洗條液利職滌液㈣61魏於填級料之上，形成氣體與 液體的接觸與相對運動，以利質量傳遞的進行。填充材料64 之上，有除霧H63，其上則為除魅絲噴嘴62,可將大部 分隨著驗被帶上來的水龄轉；洗驗料61、除霧器 洗條喷嘴62及液體喷嘴42由洗驗循環泵浦51提供絲 液。 廢氣在經過濕式洗祕60時，能將氟化氫HF等酸性氣 體吸收，在處理含氟化氫廢氣產物時，洗滌液可以加驗Na〇H， 使噴出之水霧可以中和氟化氫等酸性。依現況而言，在科學 園區設有廢水處理場的廠商，通常其廢水處理廠均有能力處 理含氟廢水，因此，本創作之洗滌液槽5〇之排放水54可做 批次排放或連續排放至廢水處理場即可。 由於半導體製程常在低壓條件操作，因此，濕式洗條塔 60常會產生大量泡沫’很難利用除霧器63完全去除，會伴隨 排氣排出，因此，本創作在濕式洗滌塔6〇後設有泡沫去除器 70 ’利用高轉速的馬達71帶動離心轉盤74，利用離心力將泡 沫去除，使得管線及下游設備不致遭受粒狀物污染的困擾； 分離後的液體及泡沫經回流管線72送回洗滌液槽50。 泡沫去除器7 0後端設置一誘引風車7 5以補足系統負壓， 使廢氣能順利排出。 14 201210679 廢氣中的全氟化物PFCs在設備中的破壞去除效率DRE， 可以利用輯端化合物GmFn的總質量除以進入設備的 化合物CmFn的總質量計算之：
其中fi為化合物CmFn的流量，單位為·。本創作之全 敦化物的電麟理裝置，針對不同組成的錢化物廢氣，破 壞去除效率可達99%至99.9%。 以上說明對本發明而言只是說明性的，而非限制性的， 本領域普通技術人員理解，在不脫射請專利範圍所限定的 精神和範_情況下’可作出許乡修改、變化轉效，但都 將落入本發明的申請專利範圍可限定的範圍之内。 【圖式簡單說明】 第—圖：習用之全氟化物廢氣電漿處理裝置 第二圖：本創作之全氟化物廢氣電漿處理裝置 第三圖：本創作之渦流電漿反應器 【主要元件符號說明】 1〇 全氟化物廢氣 11收集管 12 廢氣收集幹管 15 水分注入口 20 氣體注入器 30渦流電漿反應器 31電漿火炬 15 201210679 32 33 34 35 36 37 38 40 41 42 43 44 50 51 52 53 54 60 61 62 63 64 70 71 反應器外壁 法蘭連接口 渦流電漿反應器末端 渦流電漿反應器頂部 氣旋渴流 高速氣旋喷流 直流電源供應 文氏滌氣塔 洗滌液 液體噴嘴 文氏管 衝擊板 洗滌液槽 洗蘇液循環栗浦 連續溢流閥 槽底排放閥 排放水 濕式洗滌塔 洗滌液喷嘴 除霧器洗滌喷嘴 除霧器 填充材料 泡沫去除器 馬達 回流管線 16 72 201210679 74 離心轉盤 75 誘引風車 110 電漿反應器 111 廢氣進口 112 電漿火炬 113 反應室 120 喷水器組 150 濕式洗務塔 160 風車 七、申請專利範圍： 1·—種全氟化物的電漿處理裝置，包含有： —渦流電漿反應器，其一端設有一電漿火炬，另一端設有一組 氣體注入器及一法蘭連接口，其中’利用該氣體注入器將廢氣 添加水分後以切線方式注入渦流電漿反應器内形成氣旋渦流， 廢氣受到電漿火炬激發進行化學反應再形成逆向的高速氣旋 噴流排出渦流電漿反應器， —文氏滌氣塔，連接於渦流電漿反應器之後，其中，有液體喷 嘴用於降溫、除酸及去除粒狀物， 、 —濕式洗滌塔’連接於文氏滌氣塔之後，其中，有填充材料 除霧器及洗務液喷嘴，用於去除酸性氣體，以及 —泡沫去除器，連接於濕式洗滌塔出口端。
2_如申請專利範圍1所述之全氟化物的電漿處理裝置，其中、 如·電裝反應益為圓柱形結構，其長度為内徑的1至3件。D 17