分離和回收過氟化合物氣體的工藝方法和系統的製作方法

2024-03-28 19:10:05

專利名稱：分離和回收過氟化合物氣體的工藝方法和系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及氣體分離的工藝方法，尤其是從氣體混合物中分離和回收(或處理)過氟化合物氣體的工藝方法。特別地，本發明涉及將諸如半導體製造過程(尤其是蝕刻和表面淨化)的廢氣中所含有的過氟化合物氣體的低濃度氣體混合物增濃的方法。
當前的半導體工業在用到氣體的半導體製造過程，尤其是在半導體製造過程的各蝕刻過程以及在半導體製造過程的器室淨化過程中，廣泛應用諸如CF4、C2F6、C3F8、C4H10、CHF3、SF6、NF3及類似的過氟化合物。或者採用這些過氟化合物的純淨氣體或稀釋後的氣體(例如用空氣或氮氣或者其它惰性氣體稀釋)，或採用與其它過氟化合物氣體的混合物或者與其它載氣(例如惰性氣體)的混合物。這些過氟化合物氣體在製造過程中並不需要與其它物料反應因此，當清潔或排空反應器以進行製造過程的其它操作時，不應將廢氣或氣體混合物排放掉，即使廢氣或氣體混合物被空氣或任何其它氣體如惰性氣體大大稀釋也不能將其排放掉。大多數過氟化合物(亦稱為PFCs)在大氣中的壽命長達數千年並且是很強的紅外吸收劑。在1994年6月7～8日於美國德克薩斯的Dallas舉行的「Global Warming Symposium」上，四氟化碳(CF4)、六氟乙烷(C2F6)、三氟化氮(NF3)及六氟化硫(SF6)被確認為是與半導體工業有關的溫室氣體。
這次會議上由Michael T. Mocella所做的題為「Perfluorocompound Emission Reduction From SemiconductorProcessing ToolsAn Overview of Options And Strategies」的報告中，闡述了控制這些氣體在大氣層中排放量的多種可能的對策。
撇開使用非PFCs的替代物的過程不談，已知或正在開發的幾種方法有
·應用多種活化金屬的化學熱分解，其中必須對用完後的床層物料加以處理。即使該法極有發展前途，但目前仍認為它是未經工業驗證的。
·基於燃燒的分解過程(或化學熱過程)，採用火焰為分解過程提供熱能和反應物。該過程存在一些與應用氫氣或天然氣燃料相關的安全問題且所有PFCs物料均會產生燃燒產物HF(若溫度足夠高的話)，HF的排放量亦要考慮，也必須加以處理。可以用電阻加熱器產生高溫。
·基於等離子體的分解過程，它涉及應用諸如共軛射頻系統的等離子體將C2F6部分分解，使90％以上的C2F6分解掉。然而此類系統仍未經工業驗證。需要用氧氣來促進生成非PFCs產物的分解過程，HF也會產生出來，這必須在後續步驟加以處理。
·回收工藝，該法將PFCs物料回收而不是將PFCs物料分解，以將其用於再循環。由於該工藝被視為最新技術，因而此類工藝極令人感興趣。根據其作者的說法，(「based on combinations ofadsorption or low temperature trapping of PFCs」，有可能實現多種方案。然而仍存在多個難題、諸如與泵的輸送操作相關的大量氮氣的處理、CF4和NF3相近的沸點、多種工藝物流的混合和/或與吸附劑可能的反應。當設想採用再循環操作時，對於如何將此類混合物再循環存在著顯而易見的問題。
另一個用於分解含有PFCs物料的高氮氣含量廢氣物流的燃燒系統在1994年6月7-8日的同一次會議上由Larry Anderson所作的題為「Vector Technology’s Phoenix Combustor」的論文中給出。該分解系統亦採用一氣體火焰(天然氣和空氣或氫氣和空氣一起應用)，這也導致同樣的問題HF的生成和進一步的分解(外加任何燃燒過程所固有的NOx、CO2的生成)。
在同一次會議上由ATT Microelectronics and NovapureCorporation所提交的題為「PFCsConcentration and Recycle」的論文中，作者肯定了回收過程的優越性，該回收過程避免了二氧化碳、NOx和HF的生成(相較於燃燒過程)。簡而言之，該過程闡述了二床吸附器(活性碳)的應用，其中一床用來吸附而第二床進行再生PFCs物料被吸附在活性炭篩子上而「載」氣如氮氣、氫氣等不被吸附而排放到廢氣系統。當系統在第二吸附床中操作時，用真空泵將第一床抽真空，之後廢氣重被壓縮並回收PFCs氣體混合物。該系統一個尚未解決的問題是非極性的CF4不易被活性炭篩子吸附而與排放氣一起排出。而且任何吸附系統均對水分極其敏感，故必須從進料物流中將任何痕量的水分除去。
由美國專利第5,281,255號亦獲知採用由諸如聚二甲基矽氧烷這樣的橡膠狀聚合物或諸如取代聚乙炔(具有低的玻璃態轉化溫度)這樣的特定聚合物所製成的薄膜來回收沸點高於-50℃、基本上為烴類(CH4、C2H6及類似物)的可冷凝的有機組分的工藝方法。上述的烴類具有比空氣快得多的滲透通過膜的能力，其後在膜的透過側回收上述烴類。這樣透過物(烴類)基本上在大氣壓力下或較低壓力下得以回收，而非滲透物質(如空氣)仍處於進料物流的初始壓力下而被排放掉，因而進料物流中的全部壓能都損失掉了。
在PCT/CA 90/00195中還公開了一種由過氟2，2-二甲基1，3-間二氧雜環戊烯的無定形聚合物所製成的選擇性滲透膜，它適用於將烴或含氯氟烴從例如空氣中分離出來。顯然，此一特定型式的膜透過氧和氮的能力要快於烴類和含氯氟烴；未預料到烴類和含氯氟烴會在該薄膜的不滲透側得以回收，這與所有的膜、包括美國專利4,553,983和5,281,255中所說的那些膜均相反。在該PCT申請書中，還公開了一種過氟2，2-二甲基1，3-間二氧雜環戊烯的無定形聚合物和聚四氟乙烯的混和物。所有這些過氟聚合物均已知對大多數有害的含氯氟烴和烴類是不透性的，這使得它們適用於工業上的此類分離過程。然而，當前得不到這種膜，並且在該專利申請書中未說明此種膜是否適用於從空氣或氮氣中分離PFCs物料。
現今仍然需要一種用於從氣體物流中將PFCs物料增濃或回收的「環境適應性」的工藝過程。它能夠用於含有或飽和了水分的進料物流的處理；即使進料流量和/或進料物流中的PFCs濃度有大的或極大的變動時，它也能夠安全地進行PFCs物料的回收和/或增濃；由PFCs物料的分解不產生作為殘餘物的氫氟酸(HF)(進料中可能有的HF含量除外)。
現已出乎預料地發現採用某些優選的中空纖維膜可有效處理例如來自半導體製造過程的含過氟化合物的廢氣。中空纖維膜透過氣體混和物的「載氣」如空氣、氮氣、氧氣、氬氣和/或氦氣的能力要快於氣體混和物中的PFCs物料，而PFCs物料在膜的不滲透側得以回收。
優選的膜為玻璃狀聚合物膜，更優選的為不對稱或複合(有一不對稱的外層)膜。優選的這些玻璃狀聚合物膜不包括過氟化物膜。但根據本發明所採用的玻璃狀聚合物膜可包括一個薄層，該薄層包括用氟化聚合物諸如聚四氟乙烯、無定形過氟2，2-二甲基1，3-二氧化物及類似物所製成的後處理薄層。
本發明一方面涉及從氣體混合物中回收至少一種過氟化合物氣體的工藝方法，它包括如下的步驟a)提供一種包括至少一種過氟化合物氣體和至少一種載氣的氣體混合物，氣體混合物處於預先設定的壓力下；b)提供至少一個具有進料側和透過側的玻璃狀聚合物膜。聚合物膜至少對一種載氣是可透過性的，並至少對一種過氟化合物氣體物質是非過透性的；c)將至少一個聚合物膜的進料側與氣體混合物相接觸；d)在基本上與預先設定的壓力相同的壓力下在膜的進料側將一基本上含有至少一種過氟化合物氣體的濃縮氣體混和物取出作為第一不滲透物流；並e)在至少一個膜的透過側將一基本上含有至少一種載氣的乏氣混合物取出作為透過物流。
另一方面，本發明還涉及從半導體製造過程的流出氣體混和物中回收過氟化合物氣體或氣體混合物的工藝方法，它包括如下步驟對氣體混合物進行預處理基本上將絕大多數對膜有害的成分(氣體、顆粒及類似物)除去；將預處理後的氣體混合物輸送；提供至少一種具有一進料側和一透過側的玻璃狀聚合物膜；在第一壓力下將聚合物膜的進料側與預處理後的氣體混合物相接觸；在與第一壓力基本相同的壓力下在膜的進料側將過氟化合物的氣體或氣體混合物取出並在比第一壓力低的第二壓力下在膜的透過側將剩餘氣體取出。用到PFCs物料的半導體製造過程可以選自包括氧化物、金屬和絕緣層的刻蝕過程；包括矽的CVD過程的沉積過程；鎢的深度刻蝕，幹器室淨化及類似過程。
由於一些玻璃狀膜對可能對膜有害(即可能很快破壞或堵塞膜)的特定產物很敏感，因此在將氣體混合物送去膜之前，優選將其洗滌。用洗滌的方法優選將任何種類的存在於進料物流中可能對膜有害的物質除去，包括任何有害氣體如HF、NH3、WF6、O3、BCl3及任何腐蝕性物質，還有包括矽的氫化物如SiH4的任何自燃性物質以及平均直徑大於20微米的任何顆粒和任何的油霧。實際上，本發明的方法和系統中所用的壓縮機優選為密封且無油的。
本發明優選的方面涉及回收至少一種過氟化合物的氣體或氣體混合物的工藝方法，它包括如下步驟a)提供一種具有一進料側和一透過側的玻璃狀聚合物膜；b)在第一壓力下提供一含有至少一種過氟化合物氣體物料、至少一種對膜有害的物料及至少一種載氣的氣體混合物；c)在洗滌設備中處理上述氣體混合物以基本上除去對上述膜有害的物料並將上述有害物質的濃度降低到膜可以接受的水平，並在第二壓力下獲得一經洗滌的氣體混合物；d)基本上在上述第二壓力下或更高壓力下將上述膜的進料側與上述經洗滌的氣體混合物相接觸；e)在與上述第二壓力基本相同的壓力下，在膜的進料側將一含有濃度高於洗滌後的氣體混合物的至少一種過氟化合物氣體的濃縮氣體混合物取出作為不滲透物流；並f)在第三壓力下，在上述膜的透過側將一富含載氣而缺乏至少一種過氟化合物的乏氣或乏氣混合物取出作為透過物流。
根據本發明的一種優選方式，在用膜將PFCs物料增濃以後，採用原來所熟知的方法如選擇冷凝或吸附將各個不同的PFCs物料彼此分離以回收單一的PFCs物料或具有相近沸點的PFCs物料的混合物。根據本發明的另一優選方式，PFCs氣體混合物重被濃縮，例如用第二個膜將PFCs氣體混合物再度濃縮；或者將PFCs氣體混合物儲存起來或在工藝過程中再循環(進行或不進行額外的處理)。
本發明其它優選的工藝和系統方式包括設置真空泵、熱交換器、壓縮機或低溫泵以將PFCs氣體混合物壓縮、至少部分液化並儲存起來以供以後之用。本發明的另一個特徵包括提供有一工藝步驟，其中應用系列設置的多個膜來提濃PFCs氣體混合物；從任一膜單元所得的增濃的PFCs氣體混合物有可能用作該系列中任何一個或所有各膜單元透過側的吹除氣。本發明的另一方面是在將PFCs物料循環進入半導體製造過程之前或將其送去儲存以前，設有一PFCs氣體混合物的緩衝罐。
本發明另一方面是半導體的製造系統，它包括a)至少一臺適於接受過氟化合物氣體、載氣及類似物的反應器室，此外有一與反應器室相連接的反應器廢氣管道；b)至少一個具有一個進料側和一個透過側的玻璃狀聚合物膜分離單元，該膜至少對一種載氣是可滲透的而至少對一種過氟化合物氣體是不滲透性的，膜單元通過反應器廢氣管道與反應器室相連接，膜單元具有一個透過物排放管道和一個不滲透物管道；後者適於將至少部分含有不滲透物流的過氟化合物從上述膜單元導入反應器室。根據本發明的優選系統包括在反應器的廢氣物流進入膜單元之前設有預處理和/或後處理設備例如幹或溼或同時採用兩種洗滌機、熱分解器、催化分解器、等離子氣體分解器及多種在此所說的過濾機。在此還要說明的是，多個膜單元可序列設置，在一個膜單元或所有各膜單元的透過側或帶有或無不滲透性物料的吹除氣裝置。本發明系統的進一步的優選實施方案包括在不滲透物管道中(即在第一或多個膜單元和反應器室之間)的一臺緩衝器或緩衝罐；而在一個或多個富含PFCs的不滲透物流管路中設有壓縮機、熱交換器、低溫泵或真空泵，使得富含PFCs的物流能夠以液態儲存以供將來之用。優選的還有允許從緩衝器或緩衝罐及用於產生液態PFCs混合物的壓縮機等的旁路經過的合適的閥門，這一點文中還將更全面地解釋。
本發明優選的工藝和系統包括在對來自各膜單元的不滲透物流中的PFCs濃度設定恆定濃度值的條件下進行一個或多個膜單元的操作。在此一優選的系統和工藝中，來自各連續PFCs膜分離單元的不滲透物流中的PFCs濃度設定值當然要高於其前一膜分離單元的PFCs濃度設定值。合適的傳感器可放到來自各膜單元的不滲透物的廢氣管道中以連續或不連續地分析PFCs的濃度，或從來自各膜單元的不滲透物廢氣中周期或連續取樣，樣品可送到專用的在線或離線分析儀中分析。之後此信息前向送往一可以控制諸如各單元進料壓力、溫度、流量等的工藝操作控制器。另外，當討論吹除氣裝置的應用時，可採有開環或閉環方案來控制吹除氣。
本發明另一個優選的系統和工藝的實施方案包括將膜單元的第一級或後續各級的透過物流再循環(換言之，將載氣和其它工藝氣體再循環)。載氣可直接循環回反應器室或可送去熱交換器、壓縮機及類似設備將其壓縮成液體以儲存起來或者將來之用。可設置一再循環膜，其作用是將載氣從工藝氣體中分離出來。
本發明其它優選的工藝和系統還有將來自於半導體生產過程所排出的氣體混合物的預處理步驟的廢棄物用於生產一種或多種經純化後可在半導體工藝或其它化工過程中得以利用的過氟化合物或其它化學品。
根據本發明還有其它優選的工藝和系統，其中一種或多種不滲透物流經後處理將非過氟化合物除去。後處理方法包括上邊所提到的那些適於對膜的進料氣進行預處理的方法。
本發明另一方面是採用文中所說的膜單元從一個或多個氣室、管道拖車、淨化室或類似設備的排放物流中回收一相當純淨的PFCs物流的方法。
參考下文中的附圖簡要說明及詳細描述可進一步理解本發明的工藝和系統。


圖1為一採用一臺燃燒器的PFCs物料的分解效果對燃燒器火焰溫度作圖所得結果(現有技術)。
圖2表示根據本發明的一個工藝和系統的示意圖。
圖3為圖2一部分工藝和系統的詳圖。
圖4～7表示本發明四個不同的實施方案。
圖8表示對於不同的進料流量，在膜的殘留側(透過物側)的PFCs濃度與通過膜的壓降之間的關係。
圖9表示對於不同的進料溫度，在膜的殘留側(透過物側)的PFCs濃度與通過膜的壓降之間的關係。
圖10表示對於不同的進料流量，在膜的回收側(不滲透側)的PFCs濃度與通過膜的壓降之間的關係。
圖11表示對於不同的進料溫度，在膜的回收側(不滲透側)的PFCs濃度與通過膜的壓降之間的關係。
圖12示意表示現有技術的氣室及其不同的氣體流動方式。
圖13示意表示包括一膜回收單元的氣室。
圖14表示通入一公共膜回收單元的多個氣室。
本發明採用特定型式的聚合物膜並通過在膜的不滲透側回收不滲透物流將含PFCs的氣體混合物增濃而使PFCs的回收，例如從半導體製造過程回收PFCs成為可能；而對環境無害的氣體滲透通過膜，之後可直接排放或再循環。該工藝方法較為簡單且比上邊所說的許多現有工藝方法對環境危害更小。不滲透物流或者可以返回半導體製造過程的反應室，送去儲存設備以備將來之用；或者送去PFCs回收設備在重新利用之前，在現場或離開現場將各個PFCs物料或相似的PFCs物料分離出來。
對本發明的應用而言，過氟化合物定義為含有C、S和/或N原子的化合物，其中所有的氫或除了一個氫外所有其它的氫均被氟取代。最普通的PFCs包括(並不限於此)任何下述化合物全氟化烴類如CF4、C2F6、C3F8、C4F10以及其它氟化物如CHF3、SF6、NF3，它們對膜無毒害作用。在特定條件下，PFCs也可包括BF3、COF2、F2、HF、SiF4、WF6、WOF4，只要它們對特定型式的膜不產生毒害作用。過氟化合物不包括含氯氟烴或含有二氫或多氫取代物的化合物，這是由於此類化合物通常與PFCs在膜的通透性上表現不同，並且對半導體製造過程沒有什麼用處。
用於本發明的膜優選為玻璃狀膜，例如優選由聚醯亞胺、聚醯胺、聚醯胺-醯亞胺、聚酯、聚碳酸酯、聚醚酮、聚碸、聚醚碸、烷基取代的芳族聚酯、聚醚碸共混物、芳族聚醯亞胺、芳族聚醯胺、聚醯胺-亞胺、氟化芳族聚醯亞胺、聚醯胺和聚醯胺-醯亞胺、玻璃狀聚合膜、纖維素醋酸酯及其共混物、它的共聚物及其取代聚合物(如烷基、芳基取代聚合物)以及類似物製成的聚合物膜。
不對稱膜是將聚合物溶液在可溶於溶劑的非溶劑中沉澱製成。該膜的典型特徵是一負載於一各向異性具有各種不同孔隙率的底物上的緻密分離層並且是在一個步驟中製成的。在美國專利4,113,628、4,378,324、4,460,526、4,474,662、4,485,056、4,512,893、5,085,676和4,717,394中公開了這種膜的實例及它們的製造方法。「394」和「676」兩個專利還公開了由所選的聚醯亞胺製備非對稱分離膜的方法。特別優選的膜是在「676」專利中所公開的聚醯亞胺不對稱氣體分離膜。
在一壓力驅動的氣膜分離過程中，氣體分離膜的一側與一複雜的多組分氣體混合物相接觸，混合物中的特定氣體比其它氣體更快地滲透通過分離膜。由此氣體分離膜允許一些氣體滲透通過而在相對意義上阻擋其它氣體通過。通過膜的相對氣體滲透速率是與膜材料的組成及其表面幾何形狀有關的特性參數。在現有技術中指出聚合物膜的固有滲透性是部分由材料的填充體積和分子自由體積所控制的氣體通過膜的擴散以及在膜材料內氣體溶解度的聯合作用效果。選擇性為由材料所分離的兩種氣體的滲透性之比。亦非常期望製成無損緻密分離層以獲得高的氣體選擇性。
複合氣體分離膜一般具有一負載於預成型的微孔底物上的緻密分離層。分離層和底物在成分上通常不同。複合氣體分離膜已發展成一種負載於各向異性的微孔底物上的超薄緻密分離層的結構。這些複合膜結構可由將預成型的超薄緻密分離層在一預成型的各向異性的載體膜上層壓製成。在美國專利4,664,669、4,689,267、4,741,829、2,947,687、2,953,502、3,616,607、4,714,481、4,602,922、2,970,106、2,960,462、4,713,292、4,086,310、4,132,824、4,192,824、4,155,793和4,156,597中公開了這些膜的實例及其製造方法。
另一方面，複合氣體分離膜可經多步製備工藝製得，其中首先做好一各向異性的多孔底物，之後將底物與成膜溶液相接觸。在美國專利4,826,599、3,648,845和3,508,994中公開了該製備方法的實例。
美國專利4,756,932公開了如何通過多種聚合物溶液層的共擠出，之後在一可溶於溶劑中的非溶劑中沉澱來製備複合中空纖維膜的方法。
根據本發明的一個實施方案，膜可與氟化或過氟化的聚合物層一起進行後處理或用氟化或過氟化的聚合物層塗覆膜或將膜與氟化或過氟化的聚合物共擠出，以增強對於從中分離出PFCs的氣體混合物中的低含量有害組分的耐受能力或增強與氣體混合物中的有害成分暫時性接觸時的耐受能力。
中空纖維成型工藝依賴於許多可能影響中空纖維膜的表面幾何形狀及性能的變量。這些變量包括用來製造纖維的聚合物溶液的組成、成型過程中注入中空纖維擠出物孔洞中的流體組成、紡絲頭的溫度、用以處理中空纖維擠出物的絮凝劑、絮凝劑的溫度、聚合物絮凝過程的快慢、纖維擠出速率、纖維在卷繞轉子上的卷繞速度及類似的變量。
待分離的含PFCs的氣體混合物通常含有至少一種PFCs和至少一種載氣如空氣、氮氣、氬氣、氦氣及類似的氣體及其混合物。
表I中列出了來自一半導體製造過程廢氣流的最常見的PFCs及其它氣體(沒有必要存在所有的氣體-在廢氣中僅可能存在一些氣體)。
最為常見的PFCs一般如下·用於器室淨化四氟化碳(CF4)、六氟乙烷(C2F6)、三氟化氮(NF3)、全氟丙烷(C3F8)、六氟化硫(SF6)三氟甲烷(CHF3)；·用於刻蝕通常採用與器室淨化所用的PFCs物料相同，但還用到其它的氣體如氬氣、三氯化硼、氯氣、溴化氫、氯化氫、氟化氫、磷化氫、矽烷、四氯化矽及類似氣體。
其中的一些氣體有時對膜是有害的(如表I所示)，優選在送去膜的進料氣體混合物中除去或破壞掉這些有害氣體。在氣體物流送去膜之前一般優選將下列混合物除去WF6、HF、F2、NH3、Cl2、HBr、HCl、O3及任何矽的氫化物、氫化鍺及類似物。可應用多種方法如洗滌(幹法或溼法洗滌器)、熱分解、等離子體分解、催化脫除等類似的方法將上述化合物脫除，通常使進料中的上述有害物質的含量水平低於約1％(體積)。然而，優選使各種有害物質的含量低於10ppm，最優選的低於1ppm。亦可採用那些處理方法中的一種或多種來處理分離得到的PFCs不滲透物質，在此稱之為後處理過程。
表1
SiF4、WF6、WOF4、HF、F2雖是過氟化合物，但通常不視為PFCs。
將對膜有毒害作用的產品除去的洗滌設備可以是一臺幹法洗滌器(它通常至少將F2、HF、HCl、HBr、Cl2、NH3、WF6和SiH4除去)。幹法洗滌器一般是樹脂類洗滌器或鹼石灰洗滌器，而一些包括諸如MnO2的催化劑的幹法洗滌器還能夠除去臭氧。另外按照美國專利4,743,435、4,784,837、4,910,001、4,996,030、5,182,088和5,378,439所公開的方法亦可將氣態氫化物除去。當為了除去多種有害組分而必須裝設不同的洗滌器時，優選安裝方式為首先是幹法洗滌器(或多個幹法洗滌器)，之後是溼法洗滌器。在洗滌器上遊工藝通常有必要設置一臺從物流中脫除顆粒的過濾機(除去直徑大於20微米的顆粒)並且根據本發明，推薦裝設一臺孔徑小於20微米、優選小於10微米的上遊過濾機，將顆粒及液滴除去以免阻塞膜。
溼法洗滌機為例如在DELATECH Corporation 的題為「Selecting a CDOTMfor your Particular Application」的小冊子中所給出的型式。
根據本發明一個優選的方法，在通過膜兩側的壓降(即在膜的進料側與透過側之間的ΔP)、進料溫度(即在進料物流與膜本身之間溫度平衡後膜的溫度)以及進料流量之間存在一定的關係。業已發現，對於恆定的膜進料氣體流量和進料氣溫度，當通過膜的壓差增加時，在膜的不滲透側或「殘留」側的諸如C2F6的PFCs的回收量減少但在膜的透過側的PFCs的濃度增加。據此，根據本發明，通過膜的壓降ΔP最好不很高，通常低於13,600KPa(2000psig)，優選範圍在從約120～約1450KPa(從約3～約200psig)而最優選從約240～約510KPa(從約20～約60psig)。
就進料氣體混合物而言，它通常基本上是在大氣壓下得到的，故或者選擇將該進料氣壓縮以在膜兩側產生足夠高的壓降(但優選不採用這一作法，這是由於進料氣中所含有的許多物質通常可能對壓縮機造成損壞)，或在膜的透過側造成比大氣壓低的壓力(由於絕大多數可能損害真空設備的物質均滯留在膜的不滲透側，優選採用該方法)。為在膜的透過側造成低壓，一般真空泵或任何其它抽真空設備就足夠了。另一方面，若要將膜的進料物流壓縮，優選在將進料物流經過用溼法或幹法洗滌器、過濾機、催化脫除、電暈解離、熱分解和/或等離子分解等預處理過程以後將其壓縮。優選的壓縮機是密封且無油的，例如所知的商品名為POWEREX的壓縮機，可從美國俄亥俄州的Powerex Harrison Company獲得。為膜單元(或一系列膜單元的第一個膜單元)供料的壓縮機的壓縮比(定義為壓縮機出口壓力除以壓縮機入口壓力的比值)通常在約2∶1～約10∶1之間。要注意在系列膜單元的其它膜的進料處可能也需要輔助壓縮。可能需要在壓縮後的進料物流與諸如液氮的冷卻劑之間進行熱交換，例如在此所述的如果要對進入一特定膜單元的進料物流的溫度和/或壓力加以控制或者將不滲透側的PFCs濃度控制在設定值時就須如此。
無論選用通過膜的壓降為多少，根據以上的敘述，優選採用高的進料流量而非低的進料流量(即使該系統可在進料流量變動下工作)進料流量最高，則回收率亦最高。進料流量可在約0至約105Nm3/h每平方米可用膜分離面積，優選從約10-4至約10Nm3/hm2，更優選的從約0.1至約0.5Nm3/h.m2。
另一方面，壓縮機可置於預處理設備(幹和/或溼洗滌器、過濾機及類似設備)之後。
進料物流和/或膜的溫度也會對膜的不滲透側的PFCs的回收有影響。通常，當進料和/或膜的溫度增加時，對於恆定的流量和壓降，氣體混合物中的組分勢必更多地滲透通過膜，尤其是那些在低溫下已滲透快的物質更是如此。例如在環境溫度下氮氣和氧氣(空氣)就比PFCs的滲透要快的多，在較高的溫度如50℃～60℃下，氮氣和氧氣的滲透將會更快。
進料和/或膜的溫度通常在約-10℃至約100℃之間變動，優選在約10℃至約80℃之間，而特別優選在環境溫度(一般約20℃～25℃)至約60℃範圍內。
本發明工藝方法和系統的膜分離單元的另一個優選操作方案是在將排出一個或多個膜單元的不滲透物流中的一種或多種PFCs氣體的濃度設置為某一定值下來進行各膜單元的操作。按照此方法進行本發明工藝和系統操作的好處在於能夠減弱進料的壓力波動而顯著延長膜的使用壽命。在不滲透物流中維持恆定的PFCs濃度設定值的一種方法是將一部分不滲透物流優選以逆流方式輸送流經中空纖維膜的外側(即經過膜單元中空纖維的透過側)。在均轉讓給L』Air Liquide 5.A的美國專利5,240,471和5,383,957中已全面描述了這一實踐操作，但兩個專利均未提及將這些技術應用於PFCs的分離。這兩個專利傳授了吹除氣技術。由此，第N級的一部分或全部不滲透物流可用作第N+1級和/或第N+2級…等等的進料物流，但要牢記通常在實際上，在第N級、第N+1級及第N+2級等等之間均有小的壓降存在。這意味著在第N級不滲透側(進料側)的壓力大於其任一後續級諸如第N+1級或第N+2級等的進料側的壓力。
在經過一個或多個膜的第一步增濃步驟以後，優選進行第二個步驟，此時將不同的PFCs至少部分彼此分離，或將含量大的PFCs與含量小的其它PFCs分離開來。多種分離技術可用來分離兩種或多種過氟化合物，如蒸餾、吸附、冷凝及類似的分離技術。優選並且由於可能更適合於對半導體製造設備所放出的物流的分離，可採用一種冷凝工藝，諸如1994年在Technical Bulletin上題為「SolvalTM Solvent Condensation and Recovery System」的文章中所述的Air Liquide America Corporation的商品名為SOLVAL的冷凝工藝。在此冷凝工藝中，來自一個或多個膜單元不滲透側的流出物基本上進料加入一熱交換器。將液氮或另外的冷劑引入熱交換器並流過冷卻盤管。帶有氮氣的PFCs混合物引入熱交換器的殼側並流過殼程時繞冷卻盤管流動。混合物被冷卻並根據冷卻盤管的溫度有一部分PFCs蒸汽發生凝結、液化並收集下來。進入熱交換器的液氮的流量越高，冷卻盤管的溫度就越低，於是有更多的PFCs得以液化。
在一些優選實施方案中，濃縮後的PFCs混合物包括沸點相近的組分，因此難於將它們用分凝作用分離開來。例如，C2F6的正常沸點為-78.2℃而CHF3的正常沸點是-82.1℃；CF4的正常沸點是-127.9℃而NF3的正常沸點是-129℃。當期望將含有至少兩種沸點相近的物質的混合物分離時，那麼首先進行第一步分離如冷凝，將組分之間沸點不太接近的物質彼此分離以提供基本上純淨的不同物料或具有相近沸點的物料的混合物。之後，採用另外的工藝方法將具有相近沸點的物料的混合物分離。例如，當混合物的一種組分其極性強於其它組分時可採用吸附分離。NF3和CF4可用分子篩(例如NaX、CaX及NaA，其中「A」表示5埃的篩孔尺寸，「X」表示10埃的篩孔尺寸)、活性炭分離，或類似方法分離；其中極性物質(如NF3和CHF3)優選被吸附分離，這正與非極性物質如CF4相反。
圖1所示為現有技術中一燃燒器分解PFCs物料的效果與溫度(℃)的關係。例如，採用一臺空氣-燃料燃燒器時，當火焰的溫度達到使幾乎100％的NF3、CCl2F2(非PFCs但是用於電子工業的氯氟化合物)、CHF3及SF6得以分解(產生HF和其它不期望組分)時，而C2F6和CF4僅部分分解，尤其是C2F6隻有50％得以分解燃燒氣體不能就此排放出去。然而，當採用溫度約為1400℃的氧氣-燃料火焰時，有可能將大多數的C2F6分解掉，但仍然產生不期望的組分。在本發明中，於900℃下的燃燒可將除C2F6和CF4之外的所有PFCs物料除去，之後C2F6和CF4可一起再循環。
根據本發明的一個工藝過程的總體特徵示於圖2，其中用數字1標記半導體製造過程(該過程可以是任何類型的利用PFCs物料和排放PFCs物料的工藝過程)。過程1的PFCs物料和載氣進料分別用23和22表示(用料倉和/或氣缸輸送，經由電子工業所熟知的傳統的整體式輸送系統或氣室供入工藝系統)。
PFCs物料、載氣和其它任何氣體(如化學反應氣體)的廢氣混合物24在廢物管線2從過程1回收得到。氣體混合物優選流經過濾機5a，之後在壓縮機C中壓縮。然後壓縮後的氣體混合物選擇流經一冷卻器或加熱器Q來為壓縮後的氣體混合物提供所需的溫度。之後，氣體混合物優選在幹法洗滌器3中洗滌將絕大多數矽的氫化物、NH3、AsH3、四乙氧基矽烷(TEOS)、滷素、滷化物等除去，接著優選在一溼法洗滌器4中將絕大多數氫化物、滷化物、滷素氣體除去(根據由管線2所提供的氣體混合物的性質，可能只需要幹法洗滌器3或溼法洗滌器4)；其後在過濾機5b中將尺寸大於20微米的灰塵、顆粒、液滴及類似物除去。此外，顆粒和灰塵亦可在幹法洗滌器3上遊的一臺過濾機中除去。25處的氣體混合物不再含有任何較大量的對膜單元6有害的組分。將氣體混合物25送去膜單元6的多個中空纖維的進料側(開孔側)，混合物的載氣然後滲透通過膜單元6的中空纖維作為廢氣7回收或排放掉(例如，若載氣中含有氦還有氬時，將其進一步淨化或不進行淨化後在工藝過程中回收或再循環是有益的)。含有(經濃縮的)PFCs物料的不滲透物流在8處得以回收並經管線9直接循環回過程1(或大量儲存起來以備日後在過程1中重新利用)或送去一分離單元，例如冷凝單元10。在冷凝單元10，一臺熱交換器接受管線15中的液氮LN2，將高沸點物質冷凝下來(採用不同的LN2的流量可容易地控制不同產品的冷凝)，在12中作為液體回收並送去例如一個將極性組分從非極性組分中分離出來的吸附過程(極性組分和非極性組分分別用19，20表示)，極性組分和非極性組分或在21中回收留待進一步的現場或離場處理(點劃線表示這不是所優選的方式)或在過程1中回收/儲存。
氣體組分經管線14輸送到例如一個壓力振動吸附系統13(或任何其它吸附系統)，在此所吸附的物質(一種或多種)在管線17回收而非吸附物質(一種或多種)在管線18回收。管線17和18的兩種產物或在21中回收(例如離場處理)或在過程1中再循環。
各物料或物料混合物或在過程1中再循環或在PFCs回收單元21中得以回收。24處為該工藝過程的其它氣體進口(例如用於稀釋其它氣體或吹掃器室的除PFCs和載氣以外的其它化學氣體)。那些其它的氣體有時是對膜有害的氣體(如SiH4、WF6及類似物)，它們用在半導體製造過程的其它步驟。
圖3是對圖2的膜系統和冷凝系統的詳細局部視圖。一進料物流41(其中所有有害成分已被除去)在壓縮機40中壓縮並將此物流送去膜42的進料側43。來自膜的透過側44的透過物流45通常都被排放掉。可要可不要的壓力調節器46控制膜下遊的壓力(不滲透物流)，而不滲透物流47進料加入例如一冷凝系統48，在此通過與液氮LN2進行熱交換將冷凝物流或液體物流49從不凝性物流或氣體物流50中分離出來。進行熱交換後，液氮LN2基本上全部蒸發為氣態氮GN2。
圖4表示本發明一過程和系統實施方案的簡化示意圖。來自半導體製造過程的原料氣90在進入第一級膜M1之前先在壓縮機92中將其壓縮。第一級膜M1產生一主要由載氣和工藝氣所形成的透過物流94及一富含一種或多種PFCs物料的不滲透物流96。背壓調節器97在膜M1兩側提供一壓力降。之後不滲透物流96進入第二級膜M2，產生第二股富含PFCs的不滲透物流98及主要由不能透過M1膜而能滲透通過M2膜的載氣和工藝氣所形成的第二級透過物流100。第二個背壓調節器99維持通過第二級膜M2的壓力降。可選擇的是，物流94和100可混合起來一併清除掉或進行如圖示物流100的再循環過程。圖4中所包括的選擇性及優選的系統的各組成部分包括允許PFCs產品物流98的一部分吹除通過膜M2的透過側的104閥和導管106，由此實現前述作為參考的「471」和「957」兩個專利中所說的過程效率。在循環氣流管線的102處還示出了選擇採用的真空泵。真空泵102若存在的話，使得循環氣物流100能夠與進料氣一起重新進入系統。
圖5表示與圖4基本上一致的系統和工藝，所不同的是在循環氣管路100上設有一再循環膜MR。還設有一導管110和真空泵112，使得能通過再循環膜MR分離載氣。這樣一來導管108中的循環氣體主要包括文中所定義的其它工藝氣體。
圖6和7表示本發明另外兩個可能的實施方案。幾個相同或不同的工藝過程60…61在圖6中得以利用(或同時或不同時應用)，它們採用類似或不同的PFCs氣體及稱之為工藝氣體的其它氣體。來自60…61的廢氣優選在洗滌器S1，SN中洗滌，之後將其用氮氣稀釋並分別在62…63中壓縮，之後這些氣體混合在一起作為一股物流67(實際上不同過程1…N可以依次或同時排出廢氣)。接著單一物流67優選在Sm過濾作為末淨化步驟，之後將其進料加入本發明的膜單元M1，其中透過物流65可排放掉而不滲透物流66和66a(濃縮PFCs物料)可循環回本工藝1…N中的一個或多個工藝過程，分別為60…61。另一方面，可將不滲透物流66c送去一個或多個膜單元M2，M3…MN，由此提高PFCs物料的純度。優選可採用一吹除氣物流66b吹除M1的透過側。膜單元M2、M3、及MN亦可設有吹除氣物流。本發明其它優點包括設有一臺或多臺真空泵(69a和69b)，一高壓PFCs儲罐68和/或一緩衝罐64。作為多個不同工藝過程的一個實施例，一個工藝過程可以是金屬氧化物刻蝕，另一個可能是氧化物刻蝕，而另外一個可能是鎢的CVD過程。
圖6中進一步示出了在膜單元M1的不滲透物流66流路中的質量流量測量裝置100，該裝置間接通過控制器200來控制透過物流的流量。控制器200接受來自流量測量裝置100的信號對管路67和65中的流量控制閥加以調節。管路66亦優選包括一背壓調節器，為清楚起見未示出。背壓調節器102、104及106所起的作用與上述的背壓調節器97(圖4)相同。其它的過程控制方案也是可行的。例如同前所述，在不滲透物流66中採用PFCs濃度設定值來操作M1可能會有好處。在這類實施方案中，流量測量裝置亦可包括分析設備以確定導管66中的PFCs濃度。可按要求對膜單元M1、M2、M3及MN採用相似的過程控制。此外，在後邊的膜單元中可採用相似的管路安排，在所標記的108a、108b、108c、104a、104b、104c、106a、106b及106c各處採用背壓調節器。
圖7是根據本發明的一個並行工藝實施方案，其中各過程1…N(相應在72和73中經氮氣稀釋和壓縮以後)都分別帶有一個膜系統M1…MN。各進料物流74…75進料加入膜系統M1…MN(若需要的話帶有預處理系統S1…SN)。透過氣體一起在78處排放掉，而各個不滲透物流79，80進行再循環，優選循環回與之相應的過程。本發明的優選系統包括一額外的膜單元Ms，優選具有自己的預處理系統ST。優選的還有一再循環膜單元MR，它從載氣中分離出有用的反應工藝氣體。注意採用合適的閥門布置，該實施方案可按並行或順序模式操作。
重要的是要注意到對於本發明所有這些不同的實施方案，在有些例子中可優選通過膜造成壓力降。在一個實施方案中，可通過在膜的透過側造成負壓而保持進料氣在約大氣壓力下達到此一目的，該壓力一般大約即是從半導體製造過程所排出的氣體混合物的壓力。只要通常只是載氣滲透通過膜，那些透過氣體就不會對真空泵或其它真空系統造成損害；而與此相反，當在膜的上遊工序將氣體混合物壓縮時就將不僅表示要壓縮更多的氣體，而且還意味著對於壓縮機設備也有風險。
圖8表示在20℃下對於兩個不同的進料物流流量分別為170ml/min和130ml/min時，在一由聚醯亞胺製成的具有約0.2m2表面積的中空纖維膜上所得的結果，其中將進料物流加入此中空纖維，物料向中空纖維外側滲透。圖8清楚地顯示出對於在膜的不滲透側和透過側之間的低的壓力降，C2F6未得到提濃(與「殘餘物」一起在不滲透側回收到的0.2％的C2F6)。對高的壓力降，視進料流量不同，對於130ml/min的進料流量，C2F6的濃度在壓力降(通過膜的ΔP)約為7×105N/m2這一點處開始迅速增加。對高的進料流量(170ml/min)，濃度迅速上升點的壓力降明顯地要高一些(隨著進料流量的增加而增加)。
圖9表示進料物流的溫度(或膜的溫度)的影響-用與圖8同樣的膜。對於高的物流溫度，通過膜就必須要一高的壓力降以獲得同樣的PFCs物料的增濃效果。
圖10所示為對於兩個不同的進料流量在膜的不滲透側的C2F6的回收率與通過膜的壓力降之間的關係對於很低的壓力降，大約全部的C2F6得以回收；同時隨著通過膜的壓力降增加，滲透通過膜的C2F6的滲透率逐步增加；對於較低的流量，C2F6的滲透率增加得更快(比較130ml/min和170ml/min所得的曲線)。
圖11表示170ml/min的流量下溫度的影響在20℃時只有極少量的C2F6滲透通過膜，而在55℃下，當壓力降約為7×105N/m2時幾乎一半的C2F6滲透通過膜。
從回收的觀點來看(圖10和11)，對於給定的壓力降，在高流量和環境溫度下操作較好。但圖8和9卻指出大的壓力降是所必需的以達到一定純度的C2F6(並由此達到一定的濃度)。
圖12表示氣室的一般性操作，圖13-14表示本發明的一個方面。氣室(有時稱為氣盤)為半導體製造領域所熟知，對技術人員不需作什麼解釋。用於PFCs物料的氣室將具有一個PFCs排放物料。對於來自管道拖車、淨化室、氣體填料設備及類似設備的PFCs排放物也不需要作什麼解釋。雖然下邊的討論是針對氣室排放物的，但其思想適用於從任何的PFCs物料排放物中回收相當純淨的PFCs物料的過程。
所有的自動化氣室在氣缸變換之前或之後採用特定的吹掃管線。預吹掃管線一般用來吹掃工藝氣，而後吹掃管線一般用於除去吹掃氣的帶入物。下文結合圖12描述一個典型氣室的不同操作模式。工藝氣輸送模式工藝氣首先流經V1，之後通過一壓力還原調節器再流經V7。在工藝氣輸送模式下，工藝氣從V2、V3和V5閥的旁路經過。預吹掃管線排放管線吹掃一旦將工藝氣缸閥關閉，通過V4用氮氣激活真空發生設備並吹掃排放管線將空氣除去。此時亦將V2和V5之間的排放區域抽真空。之後周期地開關V4以用氮氣將V2和V5之間的區域再充氣。排放模式V7關閉，V4開啟，工藝氣經V5排放；V1保持開啟直至工藝氣安全達到大氣壓力(由一壓力傳感器控制)。在真空發生設備入口處有一0.040英吋的小孔對排放流量加以限定。真空模式V4打開，V1關閉而V2開啟，在V1和氣缸閥之間產生22-24英吋Hg的真空。注意在吹掃過程中V1始終是關閉的。氮氣壓力模式V4打開，V2和V3打開，將V6開啟用氮氣壓力(80psi)將真空狀態置換並對V1和氣缸閥之間的系統用氮氣衝壓。當V6關閉時，在V1和氣缸閥之間重又產生真空(圖12d)。在預吹掃階段周期地開關V6多次以產生真空/壓力吹掃動作。氮吹掃氣的吹除一旦完成了預吹掃，V3開啟的同時部分打開V6激活-豬尾吹掃氣排放管路。當工藝氣柱被排出以後，一股預先設定流量的氮氣將從豬尾管流入以防止帶入空氣。後吹掃管線真空模式V4打開，V2開啟，在V1和氣缸閥之間產生22英吋Hg的真空。
氮氣壓力模式V4打開，V2和V3開啟，將V6開啟用氮氣壓力(80Psi)將真空狀態置換並對V1和氣缸閥之間的系統用氮氣充壓。當V6關閉時，在V1和氣缸閥之間重又產生真空(圖12d)。在預吹掃階段周期地開關V6多次以產生真空/壓力吹掃動作。該過程一直進行到豬尾管至V1之間均在真空下才結束。
工藝氣洗滌現將工藝氣缸閥打開。V4開啟，之後將V1打開。其後周期地開關V5使工藝氣經一小孔通過排放管路洗滌。一旦該過程得以完成系統返回工藝氣輸送模式。
圖13示意表示對氣室150(為清楚起見其內部未示出)提供純淨PFCs物流的工藝過程。氣室150設有一通入膜分離器單元200的放空管或放空導管180，膜分離器單元200具有文中所說的不滲透物流220和透過物流240。
圖14示意表示設有多個(在此情形下為3個)氣室150a、150b及150c的裝置，所有這些氣室均通入一公共膜回收單元200。
現用不同的實施例來舉例說明本發明。
實施例實施例1一含有0.95％體積的C2F6、1.03％體積的CHF3、1.10％的CF4和96.93％氮氣的進料物流在544,218帕斯卡的壓力、293K(20℃)的溫度以及193sl/m(每分鐘標準升)的流量下，在一根據USP5,085,676所製成的聚醯亞胺膜的進料側加入。一真空系統在膜的另一側產生低壓。透過物流在6,579帕斯卡的壓力、293K的溫度及181sl/m的流量下回收得到；而在不滲透側，壓力仍維持在544,218帕斯卡，溫度為293K，流量為12sl/m。來自膜的不滲透(濃縮)物流包括C2F615.66％(體積)CHF39.54％(體積)CF418.15％(體積)N256.65％(體積)來自膜的透過物流包括C2F60.02％(體積)CHF30.48％(體積)CF40.01％(體積)N299.49％(體積)不滲透物流進一步送到一上述的深度冷凝系統，其中每磅不滲透物流與0.4942磅的液氮接觸熱交換，由此將絕大多數PFCs冷凝下來，如下文所示。蒸汽物流和液體物流的組成如下
蒸汽物流C2F61.03％(體積)CHF30.69％(體積)CF416.5％(體積)N281.78％(體積)該蒸汽物流主要包括在氮氣中稀釋的CF4。
流體物流C2F647.83％(體積)CHF329.00％(體積)CF421.81％(體積)N21.37％(體積)該液體物流基本上濃縮為三種液體組分C2F6、CHF3和CF4。之後或將此液體物流循環到工藝過程的進料物流入口處或將其回收並送往他處留待進一步處理(增濃、分離等)。
蒸汽物流優選循環回到深度冷凝系統的入口或將其處理(例如洗滌)並排放掉。
實施例2在與實施例1相同的條件下，將一含有0.95％體積的C2F6、1.03％體積的CHF3、1.10％的CF3和96.93％氮氣的進料物流在5，44×105帕斯卡的壓力、20℃的溫度以及193sl/m(每分鐘標準升)的流量下送到與實施例1中相同的膜上，所說的膜與採用液氮冷劑的同一深冷分離系統相連。來自膜的不滲透(濃縮)物流包括C2F615.66％(體積)CHF39.54％(體積)CF418.15％(體積)N256.65％(體積)它處於和進料物流相同的溫度和壓力，但流量為12sl/m。
來自膜的透過物流包括C2F60.02％(體積)
CHF30.48％(體積)CF40.01％(體積)N299.49％(體積)不滲透物流進一步送到實施例1中所述的深冷分離系統而得到下述的蒸汽和液體物流C2F61.03％(體積)CHF30.69％(體積)CF416.5％(體積)N281.78％(體積)液體物流C2F647.83％(體積)CHF329.00％(體積)CF421.81％(體積)N21.37％(體積)液體物流基本上濃縮為三種液體組分C2F6、CHF3和CF4。將液體和蒸汽物流進行如同實施例1中所述的處理。
實施例3在與實施例1相同的條件下，將一含有0.20％體積的C2F6、0.01％體積的CHF3、0.06％的CF4、0.01％的NF3、0.01％的SF6和99.71％氮氣的進料物流在714,286帕斯卡的壓力、20℃的溫度以及199sl/m(每分鐘標準升)的流量下送到與實施例1中相同的膜上，所說的膜與採用液氮冷劑的同一深冷分離系統相連。來自膜的不滲透(濃縮)物流包括C2F60.5381％(體積)CHF30.02％(體積)CF40.1611％(體積)NF30.0245％(體積)SF60.0271％(體積)N299.2291％(體積)(處於和進料物流相同的溫度和壓力，但流量為73sl/m)。
來自膜的透過物流包括C2F60.0041％(體積)CHF30.0047％(體積)CF40.0014％(體積)NF30.0016％(體積)SF60.0004％(體積)N299.9878％(體積)透過物流的壓力為6579帕斯卡，流量為126sl/m。不滲透物流進一步送到實施例1中所述的深冷分離系統(每磅不滲透物流與0.4335磅的LN2接觸換熱)而得到下述的蒸汽和液體物流蒸汽物流C2F60.3418％壓力 714,286帕斯卡CHF30.0125％溫度 144KCF40.1592％流量 72.8sl/mNF30.0242％SF60.0118％N299.4505％液體物流C2F685.9100％壓力 714,286帕斯卡CHF33.2800％ 溫度 144KCF40.9900％ 流量 0.2sl/mNF30.1400％SF66.6900％N22.9900％實施例4在與實施例1相同的條件下，將一含有0.20％體積的C2F6、0.01％體積的CHF3、0.06％的CF4、0.01％的NF3、0.01％的SF6和99.71％氮氣的進料物流在319,728帕斯卡的壓力、20℃的溫度以及170sl/m(每分鐘標準升)的流量下送到與實施例1中相同的膜上，所說的膜與採用液氮冷劑的同一深冷分離系統相連。來自膜的不滲透(濃縮)物流包括C2F60.5600％(體積)CHF30.0200％(體積)CF40.1700％(體積)NF30.0300％(體積)SF60.0300％(體積)N299.2000％(體積)(處於和進料物流相同的溫度和壓力，但流量為112sl/m)。
來自膜的透過物流包括C2F60.0154％(體積)CHF30.0041％(體積)CF40.0039％(體積)NF30.0019％(體積)SF60.0009％(體積)N299.9738％(體積)透過物流的壓力為6579帕斯卡，流量為112sl/m。不滲透物流進一步送到實施例1中所述的深冷分離系統(每磅不滲透物流與0.4335磅的LN2接觸換熱)而得到下述的蒸汽和液體物流蒸汽物流C2F60.0072％壓力 714,286帕斯卡CHF30.0003％溫度 144KCF40.1145％流量 72.8sl/mNF30.0197％SF60.0003％N299.8580％液體物流C2F680.67％壓力 714,286帕斯卡CHF32.88％ 溫度 144KCF48.21％ 流量 0.2sl/mNF31.52％
SF64.34％N22.38％實施例5在與實施例2相同的條件下，將一含有1.00％體積的C2F6、0.01％體積的CHF3、0.01％的CF4和98.96％氮氣的進料物流在866,595帕斯卡的壓力、20℃的溫度以及5,000sl/m(每分鐘標準升)的流量下送到與實施例1中相同的膜上，所說的膜與第二膜相連(順序連接第一膜的不滲透側與第二膜的進料側相連)。來自第一膜的不滲透(濃縮)物流包括C2F633.93％(體積)CHF30.17％(體積)CF40.31％(體積)NF30.17％(體積)SF60.31％(體積)N265.11％(體積)處於與進料物流相同的溫度和壓力下，但流量為150sl/m。
來自第一膜的透過物流包括C2F60.0012％(體積)CHF30.0053％(體積)CF40.0009％(體積)NF30.0052％(體積)SF60.0009％(體積)N299.9865％(體積)來自第二膜的不滲透(濃縮)物流包括C2F696.52％(體積)CHF30.23％(體積)CF40.81％(體積)NF30.24％(體積)SF60.81％(體積)N20.39％(體積)
來自第二膜的透過物流包括C2F60.0636％(體積)CHF30.1358％(體積)CF40.0424％(體積)NF30.1339％(體積)SF60.0406％(體積)N299.58739％(體積)實施例6在與實施例2相同的條件下，將一含有1.00％體積的C2F6、0.2％的CF4和98.9％氮氣的進料物流在213,315帕斯卡的壓力、20℃的溫度以及6,366克/分鐘的流量下送到實施例1中相同的膜上，所說的膜與一轉換時間為15分鐘的真空轉換吸附系統(VSA)相連。來自膜的不滲透(濃縮)物流包括C2F674.2％(重量)CF410.8％(重量)N215.1％(重量)它處於與進料物流相同的溫度和壓力下，但流量為84克/分。
來自膜的滲透物流包括C2F60.001％(重量)CF40.014％(重量)N299.985％(重量)VSA不吸附物流包括C2F694.9％(重量)CF45.1％(重量)VSA吸附物流包括CF430.9％(重量)N269.1％(重量)實施例7本發明的一個系統用於從一半導體生產設備的廢氣中回收PFCs物料。第一膜分離單元包括三個中空纖維束，而第二膜分離單元僅包括一個中空纖維束。每一中空纖維束的表面積均相等；於是第一膜單元可以提供三倍於第一中空纖維束的傳質表面積。各中空纖維束亦用到例1中所述的中空纖維。將一含有2083Ppm的C2F6、595Ppm的CF4、其餘為氮氣的進料物流在約540千帕的壓力、305K(32℃)的溫度以及201scfh或95sl/m(每分鐘標準升)的流量下，進料加入一根據USP 5,085,676所製得的聚醯亞胺膜的進料側。PFCs的物料衡算表明進料中的PFCs流量約為0.4590 scfh或約0.217sl/m；產物(來自第二膜單元的不滲透物流)的PFCs濃度約為64.7％，氮氣濃度約為35.3％。由第二膜的不滲透物流中回收的PFCs的流量約為0.457 scfh或0.216sl/m，PFCs回收率約為99.5％。
對本領域的技術人員來說，對本發明作進一步的改進是顯而易見的。而下述的權利要求範圍並不受上文描述的不適當限制。
權利要求
1.一種從氣體混合物中回收至少一種過氟化合物氣體的工藝方法，其特徵在於如下步驟a)提供包括至少一種過氟化合物氣體和至少一種載氣的氣體混合物，所說的氣體混合物處於第一壓力和第一溫度下；b)提供第一個具有進料側和透過側的玻璃態聚合物膜；c)將所說的第一膜的進料側與上述的氣體混合物相接觸；d)在基本上與上述預先設定的壓力相同的壓力下從第一膜的進料側將一基本上含有至少一種過氟化合物氣體的濃縮氣體混合物取出作為第一不滲透物流；並e)從所說的第一膜的透過側將一基本上含有至少一種載氣的乏氣混合物取出作為第一透過物流。
2.根據權利要求1的工藝方法，其進一步的特徵在於用一壓縮機將上述的氣體混合物壓縮為其提供壓力。
3.根據權利要求1的工藝方法，其進一步的特徵在於在上述的氣體混合物進入第一膜的進料側之前先對其進行預處理，以在上述氣體混合物進料加入膜的進料側之前基本上將絕大多數對膜有害的物質除去。
4.根據權利要求2的工藝方法，其進一步的特徵在於上述的氣體混合物在壓縮之前先對其進行處理以在壓縮之前基本上將絕大多數對壓縮機有害的物質除去。
5.根據權利要求1的工藝方法，其進一步的特徵為所說的膜包括許多中空纖維。
6.根據權利要求5的工藝方法，其進一步的特徵在於所說的膜的進料側包括各個上述許多中空纖維的開孔側，而透過側為各中空纖維的外側。
7.根據權利要求1的工藝方法，其進一步的特徵為過氟化合物氣體是選自碳氟化合物、NF3、SF6、C3F8及其混合物。
8.根據權利要求1的工藝方法，其進一步的特徵為載氣選自Ar、N2、Kr、Xe、Ne、O2、He、H2、CO、CO2、H2O及其包括空氣在內的混合物。
9.根據權利要求1的工藝方法，其進一步的特徵為透明聚合物膜是由選自聚醯亞胺、聚醯胺、聚醯胺-醯亞胺、聚酯、聚碳酸酯、聚碸、聚醚碸、聚醚酮、烷基取代的芳族聚酯、聚醚碸共混物、氟化芳族聚醯亞胺、聚醯胺和聚醯胺-醯亞胺、及其共聚物以及取代聚合物的至少一種聚合物所製成的。
10.根據權利要求1的工藝方法，其進一步的特徵在於將第一不滲透物流送往與第一膜相似的第二膜的進料側，所說的第二膜產生過氟化合物濃度高於第一不滲透物流的第二不滲透物流；上述過程連續進行N級。
11.根據權利要求10的工藝方法，其進一步的特徵在於將第一透過物流排放掉而將來自第二膜的第二透過物流循環回到第一膜的進料側。
12.根據權利要求1的工藝方法，其進一步的特徵在於將至少一部分第一不滲透物流再循環。
13.根據權利要求1的工藝方法，其進一步的特徵在於不滲透物流包括選自SF6、C2F6、CHF3、CF4及NF3的過氟化合物氣體的混合物。
14.根據權利要求1的工藝方法，其進一步的特徵在於將不滲透物流的至少一種過氟化合物氣體與上述的不滲透物流中的其它過氟化合物氣體進一步分離。
15.根據權利要求1的工藝方法， 其進一步的特徵在於將至少一部分第一不滲透物流用作第一膜的進料側的吹除氣。
16.根據權利要求10的工藝方法，其進一步的特徵在於將來自第N級的至少一部分第N級不滲透物流用作其前置的任一膜的進料側和/或第N級膜的進料側的吹除氣。
17.根據權利要求1的工藝方法，其進一步的特徵在於本工藝是在將上述第一不滲透物流中的一種或多種過氟化合物氣體的濃度設置為恆定值下進行操作的。
18.根據權利要求1的工藝方法，其進一步的特徵在於將透過物流進行再循環或送去儲存。
19.根據權利要求1的工藝方法，其進一步的特徵在於多個相同或不相同的半導體製造設備按並流方式布置，各設備均有專用的相應膜分離單元，所說的各膜單元或相同或不相同。
20.根據權利要求19的工藝方法，其進一步的特徵是設有一個或多個備用膜，允許或者採用主膜操作或用備用膜置換主膜操作。
21.根據權利要求3的工藝方法，其進一步的特徵在於所說的處理方法選自等離子離解、熱分解、催化分解、洗滌及吸附等方法。
22.根據權利要求21的工藝方法，其進一步的特徵在於來自所說的預處理過程的廢氣用來產生過氟化合物。
23.一種半導體製造系統，其特徵為a)至少一臺適於接受過氟化合物氣體、載氣及類似物的反應器室、此外有一與反應器室相連接的反應器廢氣管道；b)至少一個具有進料側和透過側的玻璃態聚合物膜分離單元，上述的膜至少對一種載氣是可滲透的而至少對一種過氟化合物是基本上不可滲透的；所說的膜單元通過反應器廢氣管道與上述的反應器室相連接，該膜單元設有一透過物排放管道和一不滲透物管道；c)用於將來自上述膜單元的所說的不滲透物流的至少一部分循環返回至少一個反應器室的裝置。
24.一種半導體製造系統，其特徵為a)至少一臺適於接受過氟化合物氣體、載氣及類似物的反應器室，此外有一與反應器室相連接的反應器廢氣管道；b)位於反應器廢氣管道上的壓縮設備，將來自反應器室的廢氣壓縮；c)至少一個具有進料側和透過側的玻璃態聚和物膜分離單元，上述的膜至少對一種載氣是可滲透的而至少對一種過氟化合物基本上不可滲透的；所說的膜單元通過壓縮設備下遊的反應器廢氣管道與上述的反應器室相連接，該膜單元設有一透過物排放管道和一不滲透物管道；d)用於將來自上述膜單元的所說的不滲透物流的至少一部分循環返回至少一個反應器室的裝置；e)在反應器廢氣物流進入膜單元之前設置有預處理裝置，所說的預處理裝置選自等離子分解、熱分解、催化脫除、洗滌及吸附裝置；f)膜單元包括一個連接所說的膜的不滲透物流管道和膜的滲透側的吹除氣導管；g)在不滲透物管道上設置一緩衝器或衝擊罐；並h)在衝擊罐上遊的不滲透物流管道上設置一臺壓縮機、熱交換器、低溫泵或真空泵，使得富含全氟化碳的物流能夠以液態儲存，若期望的話，以備將來之用。
25.一種循環系統或從氣體混合物中回收過氟化合物氣體的系統，該系統特徵為a)一選擇採用的處理設備，用於產生經處理的適合壓縮的氣體混合物；b)一壓縮機，用於將經處理的氣體混合物壓縮以產生壓縮氣體混合物；以及c)一個具有進料側和透過側的玻璃態聚合物膜分離單元；所說的膜對至少一種載氣是可滲透的而基本上對至少一種過氟化合物氣體是不可滲透的；所說的膜單元通過一導管與上述壓縮機相連接；所說的膜單元具有一透過物流排放管道和一不滲透物流管道。
全文摘要
在此給出了從氣體混合物中回收至少一種過氟化合物氣體的工藝和系統。在一個實施方案中，本發明方法包括以下步驟a)提供一包括至少一種過氟化合物氣體和至少一種載氣的氣體混合物；氣體混合物處於預先設定的壓力下；b)提供至少一個具有進料側和透過側的玻璃態聚合物膜；c)將至少一個聚合物膜的進料側與氣體混合物相接觸；d)在基本上與預先設定的壓力相同的壓力下從膜的進料側將一基本上含有至少一種過氟化合物氣體的濃縮氣體混合物取出作為不滲透物流；以及e)從膜的透過側將一基本上含有至少一種載氣的乏氣混合物取出作為透過物流。
文檔編號B01D71/48GK1150057SQ96110278
公開日1997年5月21日 申請日期1996年7月16日 優先權日1995年7月17日
發明者Y·E·李, J·E·帕加尼希, D·瓦薩羅, G·K·福萊明格 申請人:液體空氣喬治洛德方法利用和研究有限公司