分解化合物的方法和设备 概括地讲，本发明涉及化合物的分解；更具体地讲，本发明涉及但不限于将化合物分解成环境上可接受的物质的方法和设备。
化合物，尤其是环境上不希望的物质(可包括危险物质)如卤代有机化合物或可挥发性有机化合物广泛在生产领域用作反应剂、溶剂和致冷剂。
众所周知，这些环境上不希望的物质因产生有害物质和/或破坏同流层臭氧层和/或产生全球变暖作用而对人和环境有害。虽然这些环境上不希望的物质广泛用于工业、化学、汽车和药物制造业，但显然必须停止或严格限制这些物质的使用，或必须改善这些物质的破坏作用，以满足日益增多的条款。
在许多生产局面下，不能不使用许多环境上不希望的物质，因为目前无环境上可接受的替代物可以使用。因此，将环境上不希望的物质分解成环境可接受和/或无害物的有效且价格合理的方法不仅对满足防污染条款和保护环境是必须的，而且对持续生产许多要求使用环境上不能接受的物质的产品也是必须的。
过去，分解或将环境上不希望的物质变成环境上可接受的物质主要采用三种方法。第一种方法包括使用射频(RF)诱发等离子反应来分解环境上不希望的物质。不过已证明，仅采用RF等离子诱发反应的方法不能有效地以所需效率水平摧毁一些环境上不希望的物质，而且还证明这种方法在成本效果方面不行。目前使用的装置不能以合适的效率捣毁卤代有机化合物。这种方法的缺点之一是很难以受控方式维持等离子体以破坏环境上不希望地物质。
捣毁环境上不希望的物质的第二种方法包括烧掉环境上不希望的物质。由于烧掉大量的氢或烃形式的烧料，因此烧蚀法效率极低。另外，不能在真空下进行燃烧，因而用于生产的真空泵一定会受到环境上不希望的物质的侵害，从而增加了真空泵的保养问题。在某些情况下，需要在真空下捣毁环境上不希望的物质以避免环境上不希望的物质暴露到真空泵上。
分解环境上不希望的物质的第三种方法包括利用低温泵送将环境上不希望的物质转化成液体形式。环境上不希望的物质的液体形式可以同收，但在环境上仍不安全，在处理和运输方面仍有风险。这种方法的缺点是费用昂贵和要精心维护。另外，低温泵送设备具有较大的底脚(footprint)。在许多生产情况下，大量产生环境上不希望的物质的空间不能利用。另外，如果在冷凝形式自燃且仍为有害物的化合物可能冷凝的条件下采用低温泵送，可能产生潜在的危险。由于这种危险，在许多工业中低温泵送不是一种变通方案。
捣毁环境上不希望的物质如卤代有机化合物的效率目标为80％或更高。上述方法中没有一种能在成本效果方面提供这种效率水平。所以，采用成本效果方面有效的方法捣毁环境上不希望的物质是很期望的。
用于分解化合物的方法和设备包括一个反应室，该反应室具有一个入口以将化合物流输送到反应室和一个出口；一个装在反应室内的元件；一种能产生能量用于加热该元件的能源；以及一个通过物理方式偶连到反应室入口的导管，用以引导化合物流碰撞该元件以便在加热该元件时使化合物接收来自元件的热。
图1示出了本发明实施方案的侧视图；
图2示出了本发明部分的实施方案；
图3示出了用于本发明的元件的实施方案；
图4示出了本发明部分的实施方案；
图5示出了用于本发明的元件另一实施方案；
图6示出了用于本发明的元件另一实施方案；
图7示出了本发明部分的另一实施方案；
图8示出了本发明部分的另一实施方案；
图9示出了本发明部分的另一实施方案；以及
图10示出了可利用本发明的应用的实施方案。
提供了一种分解或使化合物70(可以是环境上不希望的物质)反应成目地产物77的设备和方法，其中产物77是所需的环境上可接受的物质或在转化成环境上可接受的物质之前可进一步使用的物质。
图1示出了本发明设备的实施方案的简化示意图。提供壳体10以容纳反应室20。能源60可设立在壳体10内或外。由能源60产生能62，传递到反应室20。反应室20的一部分壁必须能传送由能源60产生的能62。其一个例子是由石英构成并在反应室20内形成的窗。壳体10的壁应当由含有来自能源60的能62的材料构成。不锈钢是这种材料的一个例子。壳体10具有一个入口12和出口14，分别物理偶连到反应室20的入口22和出口24。反应室20的入口22和出口24在反应室20的壁内以开孔形式示出。
反应室20提供一个用于捣毁或分解化合物70的反应区。化合物70定义为气态化合物。化合物70的例子是卤代有机化合物、氢化物或由操作设备82产生的挥发性有机化合物。操作设备82的例子是用于半导体操作的RF等离子淀积或浸蚀设备。
化合物70必须引向或碰撞元件30以便以合适的效率分解化合物70。当分解化合物70时，可使其与反应室20内提供的反应物(以下公开)反应生成最终产物77。最终产物77由化合物70的分解部分构成。最终产物最好是一种环境上可接受的物质。最终产物77通过出口24和与反应室24的出口物理偶连的导管50排出。通过导管50排出后，最终产物77可排放到大气中，或流过洗涤系统，在此一部分最终产物77可与另一物质反应，再释放到大气中。洗涤系统是本领域公知的。
在某些应用中，希望或者必须将反应室抽真空。可采用物理偶连到导管50的真空泵79在反应室20内提供真空。因此，可将反应室20置于产生化合物70的操作设备82和真空泵79之间。真空泵79可以是已用于操作设备82(真空下操作生产化合物)下游许多过程的相同的泵。
本发明的操作可以在100毫乇或以上的低压下进行。不过，本发明的一个优点是也可在约100—500乇下进行操作。虽然操作可在高于这种水平下进行，但实际上安全性要求妨碍了这种类型的设备在大气压(760乇)或高于大气压下操作。前面讨论的捣毁化含物的先有技术的纯RF等离子法仅能在毫乇范围内进行，而不能在乇范围内进行，因为你必须在低于1乇以下维护RF等离子体，但这要引入其它维持RF等离子体如氢燃料之类的高费用装置。
反应室20的尺寸很重要；反应室20应足够大，以便化合物的停留时间足以允许捣毁化合物70。典型地，本发明设备的底脚足够小，以便可邻接产生化合物70的设备或作为顶部洗涤系统部分。
反应室20壁的内部最好由一种基本上不与化合物70或最终产物77反应的材料构成。反应室20的壁(不包括能透过能62的部分)可以透过也可以不透过辐射能如反应室20内发生反应放出的能和由元件30(以下介绍)辐射的能。
透明壁可以由石英构成。透明壁提供了某些辐射能逃逸的手段。据认为，当捣毁某些类型的化合物70时，允许一些辐射能逃逸使反应朝着最终产物(产物77)方向进行。如果一些辐射能留在反应室内，则反应可能走其它途径，朝化合物70方向进行。在反应室20的壁由石英构成的情况下，在化合物70和反应壁石英之间无实质性反应发生，因为化合物70已被分解并与一部分元件30反应生成最终产物77，和/或在一个实施方案中，石英不与能源60的能62感应性地偶合，因此它仍保持冷却(相对于元件30的温度)，不提供必要的热在接近其表面分解化合物70。
不透明壁可由金属构成，它不与能源60的能62偶合，带有辐射能吸收层，例如带有黑色阳极氧化或黑色二氧化锰涂层的钢或铝。据信，不透明壁将吸收和传递来自反应室20的一些辐射能并使反应朝最终产物77方向进行。另外，不透明壁的金属还提供了其它一些材料中未见的耐蚀性。
元件30设置在反应室20内。元件30是板材，由可通过能源60加热的材料构成。在一个优选实施方案中，被加热的元件30的部分加热到约200—1400℃。据认为，低于200℃的温度将不使大多数化合物70分解。高于1400℃的温度是不希望的，因为它们将开始熔化其中所用的材料。以下公开元件30不同实施方案的形状、尺寸和组成。元件30可由支撑结构35装在反应室20内。支撑结构35由能经受反应室20内的温度的材料构成。石英是制造支撑结构35的材料的例子。后面图示和说明了另一支撑装置。
某些反应物最好设置在反应室20内，以便与分解的化合物70反应，从而分解的化合物将不再结合。本发明的一个任选特征是将反应物90引入反应室20。反应物90可由穿过壳10的入口80送入并进入反应室20，另外，在通过导管48进入反应室20之前，反应物90也可与化合物70反应。在一些方法中，反应物90可与化合物70一起由设备82产生。
反应物90是一种能与化合物70反应生成全部或一部分最终产物77的物质。反应物90可以是氧化剂或还原剂，如水蒸汽、氧气、氨气、氢甲烷或与化合物70反应的一氧化二氮。化合物70，C2F6与水反应的例子如下：。如果使用反应物90，则元件30的撞击面可以由或可以不由与化合物70不反应的材料构成。
能源60最好是电热发生器，虽然可以使用其它装置，如电子束。从成本、安全性以及净化的角度看，不希望使用或燃烧燃料或使用电子束用加热元件30。燃烧法是不希望的，因为它还产生了不希望的最终产物。当能源60由电热发生器构成时，至少一部分元件30必须由能源60电加热到高于或等于200℃的温度。
能源60最优选由微波能源构成。优选微波能源是因为据认为为了破坏一些化合物70，必须利用微波能连同化合物70接收元件30的热来分子振动化合物70。还相信，必须是微波能源，而不是在低频下介电加热的其它形式破坏某些化合物70，后者是利用其它频率范围低于0.9GHz的能源在适当效率下不能捣毁的。据信，不使用微波能源在适当效率水平不能分解C2F6。在不要求微波能源进行分解的场合，仍优选微波能源，因其投资费用和操作费用等成本很低。
微波能源优选在100—5,000瓦和0.9—10GHz微波频率下操作。由于成本的原因，最优选频率为2.45GHz，而且美国联邦政府已授权工业应用这种频率。当使用微波能源时，如图1所示，最好使能源60从外部加到壳体10内，而能62通过波导65提供给反应室20。
当使用微波能源时，元件30必须由一种感应性偶合微波能的材料构成。感应性偶合微波能的材料利用微波能直接加热到等于或高于200℃的温度。感应性偶合微波能源的合适的材料的例子是铅、锌、锡、锑、银、铁、钛、镍和钴或其任何合金。其它材料可以与微波能源偶合，但可能不是合适的，因为它们有毒或具有其它不需要的特性，如在操作温度下挥发。不与微波能感应性偶合的材料的例子是铜、金、硅、石英、其它玻璃和陶瓷。不与微波能感应性偶合的材料可以用与微波能感应性偶合的材料掺杂。例如，元件30可以是由掺杂了任何上述与微波能偶合的材料的碳化硅构成。
对本发明来说，将化合物70引入反应室20的方式非常关键。化合物70被引入到反应室，以便它碰撞或撞击元件30，由此发生热壁反应。如果元件30的形状为图1所示的具有两个主表面的板型，则最好将元件30这样放置，以便由化合物70碰撞的元件30的主表面实质上不平行于化合物70的流体。表征这种情况的另一方式是使元件30的主表面设置在基本上与化合物30的流体垂直。
最佳方式是使化合物70的流体这样引入到反应室，以便化合物70是由例如卤代有机化合物构成时，它碰撞或撞击具有实心碰撞面的元件30。卤代有机化合物比例如挥发性有机化合物(如醇)的活化能高，而且据认为要求物理碰撞以达到合适的分解放率。
在图1所示的实施方案中，导管40物理偶连到反应室20的入口12和壳体10的入口24。导管40具有偶连到产生化合物70的操作设备82的入口端42和化合物70排出反应室20的出口端41。通过在化合物70排入反应室20侧限部分时限制其流动并将流体对准元件30，导管40用于将化合物70引入反应室20。在反应室20内的导管40部分应由能源60提供的能62可以透过的材料如石英构成。反应室20外的导管40部分可由例如不锈钢构成。导管40的内横截面首先取决于化合物70的所需流速。导管40伸入反应室20的目的是将流体对准元件30，且当能源60由微波能构成时，在化合物70碰撞元件30之前或之中，将化合物70暴露到微波能下。可能需要这种暴露以便以合适的效率分解某些化合物70。
为了获得化合物70的最佳破坏效果，出口端44设置在尽可能接近元件30。这种设置并不一定是优选的，因为在化合物70不回流到操作设备82的情况下，需要化合物70的非限制性流动。导管40的出口端44和化合物77引向的元件30的主表面之间的最小距离73最好是化合物70的流速不被改变的距离，也就是说，引向元件30的化合物70对产生化合物70的操作设备82是可透过的。这个最小距离也可以计算为在导管40的内截面积等于散逸面积(被定义为导管40的内截面的圆周长乘上出口端44和元件30的碰撞表面之间距离)情况下的距离。优选该距离，这样可以防止化合物70回流到产生化合物70的设备82并且不可能污染操作设备82。
如上所述，为达到最低80％的分解效率水平，化合物70必须被引向或碰撞元件30。化合物70所引向的元件30的表面必须位于化合物70流体的通路中。为了通过传导和/或辐射使元件30向化合物70热传递出口端44离元件30的主表面必须足够近(用距离73表示)，否则，化合物70的破坏就不可能在高于80％的效率水平上发生。
出口端44离元件30的距离不应大于这样一个距离，在该距离下，发生足够多的化合物热壁反应从而以最低80％的效率水平分解化合物。在引向元件30的化合物70可透过操作设备82时，出口端44离元件30的距离乘以2被视为可获得80％或更大破坏效率的最大距离。
另一种定义这个最大距离的方法是在散逸面积等于导管40内截面积情况下，出口端44与元件30间的距离乘以2。据认为，将导管40的出口端44放置在远于这个最大距离时会使太多化合物不能与元件30进行物理接触和/或使化合物70不能从元件30接受热量，因此，无法实现大于80％的分解效率。
达到合适的破坏效率所需的出口端44与元件30间的确切距离73将随多种参数而变化，例如化合物70的流速，化合物70的组成，元件30的温度，连同其它参数。一旦关键参数被确定下来，本技术领域中的熟练人员就能按照本发明适当地设计反应区。
为使本发明具有破坏化合物70所希望的效率，无论反应室20内有或没有等离子体(以下进一步说明)诱发化合物70的反应，能源60都必须供给足够的能量来加热元件30，使得当化合物70从元件30接收热量时，以所希望的效率水平破坏化合物70。
当化合物70由于从元件30吸收热量而是热的时候，化合物70对元件30物理碰撞可能是必须的，以使某些形式的化合物70的分子。例如卤代有机化合物分解。当化合物70由可燃的化合物组成时，从元件30接收热量被认为是引起燃烧并因此产生合适效率水平的破坏所必须的全部(条件)。即使在这种情况下，为实现所希望的效率，仍需将化合物70的流体引向元件30以便化合物70能从元件30接收热量。
在某些应用中，可能也希望在反应室20中产生等离子体。本发明可不用等离子体而在可接受的效率水平下操作，或者在操作中不用其它燃料而用元件30提供足够的辐射能来维持等离子体。在卤代有机化合物的破坏中，据认为等离子体可能是必须的，因为在其它形式的破坏无效时，它可以削弱和打断分子连接。在本领域中采用许多熟知的方法产生等离子体。气体(例如氧气或氮气)被能源60的能62所激发将产生等离子体。例如，把导管48接入导管40，可向反应器提供这些气体。
图2示出本发明的操作。为了便于说明，只示出了本发明的一部分。在操作中，在一个实施方案中，化合物70是在暴露于微波能的吸收与共振的环境下，通过导管40(箭头所示)流向元件30的。当化合物70的气体分子碰境元件30时，化合物70温度升高并由于对元件30的碰撞压力而被压缩。温度和气体密度不断增加直至化合物70爆炸。由于元件30设置在化合物70流体通路上，化合物70的爆炸引导至少一部分爆炸的化合物70回流入部分导管40中。据认为，这造成了本发明的设备能通过再处理部分已分解的化合物和/或终产物而有更高的化合物70的分解效率。这是由于这些爆炸引起的总压力变化不会导致回流入操作设备82，而形成毫秒级的重复性爆炸波，它们使化合物70的分子保持再处理状态和从元件30的碰撞表面再循环到部分导管40从而提高了化合物70的停留时间，结果得到了分解的高效率。由于表面碰撞、加热元件30所导致的化合物70的爆炸反弹和再处理不会在例如填充床反应器中发生。在填充床反应器中，分子不会通过与本发明同样的路径反回而被再处理。
对于一些化合物70，这种不用微波共振，而只通过加热元件30本身所发生的化合物70的爆炸反弹和再处理，比现有的无表面碰撞、辐射热分解方法效率明显地提高。
图3—9示出了元件30的不同实施方案。图3示出了元件30的第一实施方案。在此，元件30由被能源60的能62加热的材料100组成。材料100的总量应足够大以便提供足够的热量吸收与辐射。在此实施方案里，化合物70所引向的元件30的表面由一种与分解的化合物70反应生成终产物77的反应物102构成。与化合物70反应的反应物102可以是，例如石英、二氧化硅(SiO2)、石墨、陶瓷、或者氧化铝。化合物70、C2F6与SiO2的一个反应实例如下：。如果如图1所示提供了一种反应物90，则下要求元件30由一种能与化合物70反应的材料组成。
据认为，为了获得所希望的破坏效率，化合物70所引向的元件30的表面必须至少与化合物70流体的内截面面积相同，也就是说，与导管40的出口端44开口处的内截面面积相同。元件30最好至少大于导管40内截面面积的2倍，以便有足够的停留时间引发分解破坏反应。元件30的碰撞表面可以是任何形状。
图4示出元件30的第二种实施方案。为了便于说明，只示出了该设备的一部分。在此，元件30具有能引导更多化合物流体回流并进入导管40出口端44后面的反应器中的形状。在这个实施方案中，所示的元件30具有弯曲的形状。在这种方式下，可增加化合物70的停留时间。此形状增加了化合物70从出口50流出前的停留时间，从而可发生最佳的破坏和向终产物的转化。
图4也示出了可使用多个元件30的一种实施方案。反应室20有一个第一端与一个第二端；出口50设置在第二端，第一端正对第二端。附加元件31可设置在位于化合物70的流路中导管第一端后面的出口端44。元件31与元件30一样。附加元件31优选通过支撑结构36设置在第一端上。支撑结构36可由与支撑结构35同样的材料构成，但是支撑结构36必须连到反应室20的壁上且元件31必须连到支撑结构36上。连接方法取决于支撑结构36和反应室20的组成。支撑结构62连接在反应室20壁上以及元件31连接到支撑结构36上的方式对本发明来说并不关键，它们可通过许多不同的方法实现。以此方式，化合物70，如图3所示的流体，能从附加元件31通过传导与辐射接收额外的热量。
图5示出了另一种实施方案，其中元件30具有引导化合物70流体进入导管40出口端44后面的反应室20的形状。在此实施方案里，所示元件30具有位于元件30的两端的侧壁104。侧壁104可以在与元件30的主表面不在同一平面上的任何位置，并且它能引导化合物流体进入导管40的出口端44后面的反应室20。图5只示出了侧壁104与元件30的主表面基本上垂直的形状。
图6示出了元件30的另一实施方案。其中元件30具有使挥发性化合物(VOC′s)组成的化合物70的破坏达到最佳的形状。VOC′s一般具有比卤代有机化合物低的活化能，因而需要较少的能量去破坏。另外，停留时间也无需与卤代化合物的停留时间一样长。在本例下，希望元件30有多个贯通的孔口32。图6示出了一种网孔形状一例，但许多其它形状也可以。金属丝网形状可以采用，并且从价格与使用方便的观点看可能是所希望的，因为金属丝网重量轻。
在这种情况下，可使用多个元件30，如图7中高度简化的形式(只表示了两个元件30)所示。有多个孔口32的元件30的使用优点是可以减少停留时间，但化合物仍然会通过传导与辐射从元件30接收热。在这个实施方案中，与用实心表面的元件30相比较，热量多以元件30辐射的形式被吸收而不是热传导形式。
当使用多个元件30时，可采用多种放置方式。第二个元件30(或随后元件)可以这样设置，以使所有或部分与第一个元件30没发生物理接触的化合物70会与第二个元件30发生物理接触(如图7所示)。或者，第二个元件30可以设置成与第一个元件30直接对齐，其中第一个元件30的孔口与第二个元件30的孔口上下对齐，以便与第一个元件30不发生物理接触的那部分化合物70也不会与第二个元件30发生物理接触。
图8与9示出了在反应室20中如何支撑元件30的一种实施方案。图8示出了侧视图，而图9示出了俯视图。在这个实施方案中，元件30和反应室20具有的形状可使元件30在反应室20中实现自支撑。所示元件30是方形的，所示反应室20的壁是圆形的也可采用其它实现自支撑的形状。注意到反应室20壁可以成锥形以利于元件30放置在反应室20中。在这个实施方案中，元件30的表面积应使反应器20中留有足够的通过空间106以便使终产物77能经过出口55排出，而不会存在终产物77或化合物70通过导管40回流到设备82的风险。这种自支撑方案的优点是简单、低成本和低维修费用。
实施例1
介绍实施例旨在示出本发明超过先有技术的具体优点，而非成为本发明的限制。下面介绍了破坏由C2F6组成的化合物的具体实施例，参考图1。
反应室20设置在产生C2F6的设备和真空源(例如图1所示的真空泵79)之间的抽真空管上。在这个实施例中，反应室20是一个有大约10升容积的直立式反应器。反应室20在大约25毫乇时不工作，在约500—600毫乇(本实施方案中)的情况下正常运行。在这个实施例中，设备底脚只有大约18×23"。
元件30由掺了金属的基材组成，该基材与能源60的能62感应性偶合并加热到所希望温度。元件30组成的实例是含锌、砷、锡层的陶瓷或其中含有钛、镍、银层的硅，每一层的厚度通常小于1微米。元件30基本上水平设置在反应室20的中间。而元件30是否在反应室20里垂直放置取决于所希望的停留时间。元件30的碰境表面大约比导管40的内截面积大两倍。
导管40是一根内径大约100毫米(mm)的圆形管。导管40的出口端44大体设置在元件30中心的上方，离元件30碰撞表面的距离为25mm，以便使C2F6的流速恒定。
在这个实施例中，能源60是一种工作在2.45GHz和750瓦下的微波能源，这种能源穿过至少一部分反应室20发射微波能62。元件30被加热到大约200—900℃。
C2F6以大约每分钟1.5升的流量被引入反应器20。由氧气组成的反应物90以大约每分钟1.5升供入。C2F6撞击元件30，元件30将热量传递给C2F6。热壁反应就能紧靠元件30发生；C2F6和氧气生成终产物77的化学反应如下：。F-代表了各种可能生成的氟。在这个实施例中，C2F6在反应室20中的停留时间大约是500毫秒或者更少。
分解效率被证明可去除90％或更多的C2F6。如前所述，这种效率水平无法用其它成本效果方面有效的方法实现。因而使用本发明可分解许多生产设备中所需的环境上不希望的物质。
实施例2
参考图10，这是一个将本发明的系统用来分解化合物200并与反应物生成终产物205，随后用分解后的化合物205清洁操作设备250的应用实施例。图10示出了这个应用的简化图。例如，操作设置250可以是用来沉淀物质〔例如半导体晶片上的多晶硅(Si)，二氧化硅(SiO2)或者氮化硅(SiNx)〕的低压化学汽相淀积设备(LPCVD)。在该类设备中，这些物质的淀积也发生在放有半导体晶片的反应管道壁上。最好清理反应管道的表面以避免半导体晶片的颗粒污染。
化合物200通过反应室20中的导管40提供。在本实施例中，化合物205由氟化氮(NF3)或者全氟化物(PFC′S，例如C2F6或CF4)与氧(O2)混合组成。氧是反应物，它与化合物205反应生成终产物205。元件30由一种能被加热的材料组成；如果使用NF3则它优选图6所示形状；如果使用PFC＇S，则优选实心的元件30。在化合物200引向元件30表面而分解后，使用NF3所发生的反应实例如下：。在这个实施方案里，NO2和F-组成了终产物205。这里，希望终产物205由排出反应室20时很活泼的F-组成。因此，在反应室20中不应提供与F-反应的反应物。终产物205通过与反应室20物理偶合的导管50排出。导管50物理偶合在有一表面需清理的操作设备250上。对于这里所给实施例，下述反应可在设备250中发生并形成如下终产物210：
上述反应的终产物210通过与真空泵260物理偶合的导管255排出操作设备250，并进入大气或收集室(未示出)。
使用本发明进行清理的优点是可以在现场进行清理，也就是说，不用取出需清理的操作设备部分(反应管)。