KR20050017388A - 암모니아를 농축하는 방법 및 이를 위한 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 습기 및/또는 금속 불순물 및/또는 가스 불순물을 갖는 조질의 암모니아 스트림을 농축하기(enriching) 위한 방법에 관한 것이다. 조질의 암모니아 스트림은 응축되어 조질의 액체 암모니아 스트림을 형성한다. 증류 막 또는 투과증발(pervaporation) 막을 조질의 액체 암모니아 스트림과 접촉시켜 농축화 암모니아 증기 스트림을 형성하고, 이는 투과물로서 제거한다. 조질의 암모니아 스트림이 제조 기구로부터 유래되는 경우, 농축화 암모니아 증기 스트림은 제조 기구로 재순환될 수 있다. 또한, 본 발명은 조질의 암모니아 스트림을 농축하기 위한 장치에 관한 것이다.

Description

암모니아를 농축하는 방법 및 이를 위한 장치{PROCESS AND APPARATUS FOR ENRICHING AMMONIA}

본원은 2003년 8월 13일자로 출원된 미국 가출원 제 60/494,729 호를 우선권으로 주장한다.

본 발명은 금속 불순물 및/또는 가스 불순물 및/또는 습기를 갖는 조질의 암모니아 스트림을 농축하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

반도체 제조시, 암모니아는 습기, 가스 불순물 및 금속을 비롯한 폭넓게 다양한 오염물을 제거하기 위해서 사용된다. 가스 불순물은 산소, 질소, 수소, 일산화탄소, 및 이산화탄소를 포함한다. 금속은 나트륨, 칼륨, 알루미늄, 칼슘, 철, 니켈, 크롬, 구리, 망간 및 아연을 포함한다.

반도체 제조에서 사용되는 암모니아를 회수하여 재순환하는 것은 바람직할 것이다. 회수 및 재순환은 원료 비용을 아끼고 공정 폐수를 줄인다. 암모니아내 오염물의 존재는 직접적인 회수 및 재순환을 방해한다.

미국 특허 제 6,065,306 호는 조질의 암모니아 스트림으로부터의 오염물을 제거하기 위한 방법을 개시하고 있다. 조질의 암모니아 스트림은 온도 스윙식 흡착 유닛에 의해 습기를 제거하고 가스 분리 막에 의해 가스 불순물을 제거함으로써 농축된다.

암모니아를 회수 및 재순환하기 위한 방법 및 장치를 보유하는 것은 바람직할 것이다. 추가로, 조질의 암모니아 스트림을 농축하기 위한 방법 및 장치를 갖는 것은 바람직할 것이다. 추가로, 조질의 암모니아 스트림으로부터 습기, 금속 및 가스 불순물을 제거하기 위한 방법 및 장치를 갖는 것 또한 바람직할 것이다. 추가로, 반도체 제조 공정에서 조질의 암모니아 스트림을 농축하기 위한 방법 및 장치를 갖는 것 또한 바람직할 것이다.

놀랍게도 암모니아를 회수 및 재순환하기 위한 방법 및 장치가 존재할 수 있음이 발견되었다. 추가로, 놀랍게도 반도체 제조 공정중에서 암모니아를 회수 및 재순환하기 위한 방법 및 장치가 존재할 수 있음이 발견되었다. 추가로, 조질의 암모니아 스트림을 농축하기 위한 방법 및 장치가 존재할 수 있음이 발견되었다. 추가로, 암모니아를 농축하고 습기, 금속 불순물, 및 가스 불순물을 제거하기 위한 방법 및 장치가 존재할 수 있음이 놀랍게도 발견되었다.

본 발명은 그 내부에 습기 및/또는 금속 불순물 및/또는 가스 불순물을 갖는 조질의 암모니아 스트림을 농축하기 위한 방법에 관한 것이다. 조질의 암모니아 스트림은 응축되어 조질의 액체 암모니아 스트림을 형성한다. 증류 막 또는 투과증발(pervaporation) 막이 조질의 액체 암모니아 스트림과 접촉하여 농축화 암모니아 증기 스트림을 형성하고, 투과물로서 제거된다. 조질의 암모니아 스트림이 제조 기구로부터 유래하는 경우, 농축화 암모니아 증기 스트림은 제조 기구로 재순환될 수 있다.

본 발명은 그 내부에 습기 및/또는 금속 불순물 및/또는 가스 불순물을 갖는 조질의 암모니아 스트림을 농축하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 a) 조질의 암모니아 스트림을, 제 1 조질의 암모니아 액체 스트림 및 제 1 조질의 암모니아 증기 스트림을 형성하기에 충분한 조건하에서 유지된 제 1 분리기로 수송하는 단계; b) 가스 분리 막을 제 1 조질 암모니아 증기 스트림과 접촉시켜, 투과물로서 제거되는 제 1 농축화 암모니아 증기 스트림을 형성하는 단계; c) 제 1 농축화 암모니아 증기 스트림을 제 1 분리기에 수송하는 단계; d) 제 1 조질의 암모니아 액체 스트림을, 제 2 조질의 암모니아 액체 스트림 및 생성물 스트림으로서 제 2 농축화 암모니아 증기 스트림을 형성하기에 충분한 조건하에서 유지된 제 2 분리기로 수송하는 단계; e) 가스 증류 막을 제 2 조질의 암모니아 액체 스트림과 접촉시켜 투과물로서 제거되는 제 3 농축화 암모니아 증기 스트림을 형성하는 단계; 및 f) 제 3 농축화 암모니아 증기 스트림을 상기 제 1 분리기로 수송하는 단계를 포함한다.

본 발명은 그 내부에 습기 및/또는 금속 불순물 및/또는 가스 불순물을 갖는 조질의 암모니아 스트림을 농축하기 위한 장치에 관한 것이다. 장치는 a) 조질의 암모니아 스트림을 응축하여 조질의 액체 암모니아 스트림을 형성하기 위한 응축기 및 b) 상기 조질의 액체 암모니아 스트림으로부터 농축화 암모니아 증기의 투과물 스트림을 분리하는, 증류 막 또는 투과증발 막을 갖는다.

본 발명은 그 내부에 습기 및/또는 금속 불순물 및/또는 가스 불순물을 갖는 조질의 암모니아 스트림을 농축하기 위한 장치에 관한 것이다. 장치는 a) 제 1 조질의 암모니아 액체 스트림 및 제 1의 조질의 암모니아 증기 스트림을 형성할 수 잇는 제 1 분리기; b) 제 1 조질의 암모니아 증기로부터 제 1 농축화 암모니아 증기 스트림을 분리할 수 있는 가스 분리 막; c) 제 1 농축화 암모니아 증기 스트림을 제 1 분리기에 수송하기 위한 제 1 도관; d) 제 1 조질의 암모니아 액체 스트림을 제 2 분리기에 수송하기 위한 제 2 도관(여기서, 제 2 분리기는 상기 제 1 조질의 암모니아 액체 스트림으로부터 제 2 조질의 암모니아 액체 스트림 및 생성물 스트림으로서 제 2 농축화 암모니아 증기 스트림을 분리할 수 있다); e) 상기 제 2 조질의 암모니아 액체 스트림으로부터 제 3 농축화 암모니아 증기 스트림을 분리할 수 있는 가스 증류 막; 및 f) 제 3 농축화 암모니아 증기 스트림을 제 1 분리기에 수송하기 위한 제 3 도관을 갖는다.

제조 기구로부터 유래하는 경우, 조질의 암모니아는 전형적으로 증기의 형태를 취한다. 온도의 하강 및/또는 승압에 의해, 증기는 실질적으로 액체 상태로 응축될 수 있다. 응축 수단(응축기)는 임의의 응축 및/또는 가압 용기의 형태를 나타내며, 여기서 온도 및/또는 압력 및/또는 체적이 조절될 수 있다. 온도 범위는 전형적으로 약 -30℃ 내지 약 10℃로 변할 것이다. 압력 범위는 전형적으로 약 1.18 절대압 내지 약 6.075 절대압으로 변할 것이다. 조질의 암모니아 액체는 임의의 공지된 열역학적 형태, 예를 들어 임계 액체 또는 통상적인 액체의 형태일 수 있다.

응축후, 조질의 암모니아 액체를 증류 막 또는 투과증발 막과 접촉함으로써 농축화 암모니아 증기가 수득된다. 증류 막 또는 투과증발 막은 암모니아 증기를 방출하지만, 보유물로서 실질적인 함량의 금속 불순물 및/또는 습기를 보유한다.

투과증발 막은 전형적으로, 액체를 보유물 측면에 흡착시키고, 막을 통해 확산시키고, 그다음 투과물 측에서 탈착시킴으로써 수행된다. 증류 막은 전형적으로, 막 미세다공성 구조물을 통해 증발 및 확산시킴으로써 수행된다. 작동 온도 범위는 전형적으로 약 -30℃ 내지 약 10℃로 변할 것이다. -30℃의 온도에서, 작동 압력은 전형적으로 약 1.18 절대압 이상일 것이다. 10℃에서, 작동 압력은 전형적으로 약 6.075 절대압 이상일 것이다. 바람직하게는, 막의 작동 온도는, 상기 온도에서의 암모니아가 액화될 수 있도록 선택된 압력에서 약 0℃ 내지 약 5℃의 범위이다. 막 증류를 위해서, 임의의 작동 온도에서, 암모니아 압력은 암모니아가 막 미세다공성 구조를 투과하는 선택된 막의 암모니아 주입 압력을 능가하지 않아야만 한다.

증류 막은 전형적으로 미세다공성 중합체를 비롯한 미세다공성 물질로 구성된다. 증류 막 물질은 소수성이다. 막의 표면은 전형적으로 물 및 암모니아에 의해 습윤화될 수 있다. 미세다공성 막의 전형적인 공극 크기는 약 0.1 내지 약 100㎛이다. 바람직한 막의 공극 크기는 약 0.1 내지 약 5㎛이다. 가장 바람직한 막 공극 크기는 약 0.2㎛이다. 미세다공성 막은 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 테플론(PTFE), 및 폴리프로필렌을 비롯한 다양한 중합체로 제조될 수 있다.

투과증발 막 물질은 전형적으로 가스 분리 막에서 사용되는 종류의 조밀한 물질이다. 투과증발 막이 사용되는 경우, 주입 압력 제한치가 없는데, 이는 조밀한 막에 대한 주입 압력이 없기 때문이다.

그다음, 증류 막 또는 투과증발 막 모듈로부터 배출되는 농축화 암모니아 증기는 선택적으로는 가스 분리 모듈을 통과하여 실질적인 함량의 가스 불순물을 제거함으로써 추가로 농축화 암모니아 증기를 형성하여 추가로 농축화될 수 있다. 모듈은 암모니아 증기의 통과를 허용하지만 보유물로서 실질적인 함량의 가스 불순물을 보유하는 가스 분리 막을 갖는다. 가스 분리 막은 전형적으로 중합체 물질로 구성된 조밀한 막으로 구성된다. 바람직한 물질은 나피온(NAFION, 등록상표) 중합체(이.아이 듀 퐁 드 네무아르 앤드 캄파니(E.I. du Pont de Nemours and Co.))이다. 나피온은 테트라플루오로에틸렌 및 퍼플루오로 3,6-디옥사-4-메틸-7-옥텐-설폰산의 공중합체이다. 다른 유용한 물질은 에탄-프로펜 삼원중합체 및 폴리클로로프렌이다.

가스 분리 모듈에서, 오염화 암모니아 생성물 스트림은 공정이 수행될 온도에서 암모니아가 액화되는 것을 예방하도록 계산된 압력까지 공급물 압력을 올리는 공정의 압축기 또는 기타 수단에 의해 압축된다. 공정은 약 -30℃ 내지 약 30℃의 온도에서 수행될 수 있다. 바람직하게는, 온도는 -30℃ 내지 10℃의 온도이다. -30℃에서, 압력은 약 1.18 대기압 미만이어야만 한다. 10℃에서, 압력은 약 6.075 대기압 미만이어야만 한다. 가장 바람직한 온도 범위는 약 0℃ 내지 약 5℃이다. 암모니아 스트림은, 하나 이상의 막에 도입되기 전에 냉각된다. 공정이 주변 온도 이하에서 수행되는 경우, 압축 공급 스트림은 열 교환기 내부에서 냉각될 수 있다. 하나의 유형의 열 교환기로는 예를 들어 2개의 경로의 플레이트-핀(two pass, plate-fin device)의 장치를 들 수 있는데, 여기서 액체 냉매 탱크로부터 수득되는 것과 같은 액체 냉매는 열 교환기를 통해 냉매 스트림으로서 공급된다. 냉각된 공급 스트림은 막 모듈에 공급되고, 이는 절연 물질로 충전된 냉각 박스내에 하우징될 수 있다. 가스 분리 모듈은 단일 모듈 또는 유닛일 수 있거나 일련의 2개 이상의 상기 모듈 또는 유닛일 수 있다.

암모니아의 재순환이 요구되는 경우, 농축화 암모니아 증기는 당업계에 공지된 임의의 수단에 의해 제조 기구로 직접 또는 간접적으로 수송된다. 전형적으로, 증류 막, 투과증발 막, 또는 가스 분리 막으로부터 배출되는 농축화 암모니아 증기는 비교적 낮은 온도 및 압력일 것이다. 또한, 일부 암모니아는 보유물 스트림 및 기타 공정 손실에 의해 손실될 것이다. 따라서, 농축화 암모니아 증기를 고온 및 압력으로 변형시키고 제조 기구로 되돌아가기 전에 손실된 암모니아를 보충하는 것이 바람직하다.

바람직한 공정에서, 증류 막, 투과증발 막, 또는 가스 분리 막으로부터 배출되는 농축화 암모니아 증기는 농축되고, 보급(make up) 암모니아가 여기에 첨가되어, 농축화 암모니아 액체를 형성한다. 그다음, 농축화 암모니아 액체를 증발하고 사용하기 위해서 제조 기구에 수송한다. 농축화 암모니아 액체를 형성하기 위해서 사용되는 응축 수단은 당업계에 공지된 임의의 응축 수단(응축기), 예를 들어 전술한 바와 같은 응축 수단일 수 있다. 이러한 용도를 위한 바람직한 응축 수단은 열-펌핑 응축기이다. 응축 온도 및 압력은 전술한 바와 같다. 농축화 암모니아 증기를 형성하기 위해서 사용된 증발화 수단은 당업계에 공지된 임의의 증발화 수단, 예를 들어 2개의 경로의 플레이트-핀 열 교환기 또는 열 펌프 증발기일 수 있다. 바람직한 증발화 수단은 열 펌프 증발기이다.

산업적인 수행에 있어서 조질의 암모니아 스트림은 오염물의 함량면에서 변할 수 있지만, 반도체 제조 기구에서 배출되는 전형적인 조질의 암모니아는 전형적으로 공급물내에 약 100ppm(parts per million)의 불순물을 가질 것이다. 이러한 불순물은 전형적으로, 질소, 산소, 수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 탄화수소, 유기물, 습기 및 금속을 포함한다. 본 발명의 방법으로부터의 가공화 암모니아 생성물 스트림은 전형적으로 이러한 불순물을 약 10ppm 이하 함유한다.

본 발명의 장치의 실시양태는 하기 도 1에 도시되어 있으며, 일반적으로 (10)으로 표시된다. 장치(10)은 암모니아가 클리닝 목적용으로 사용되고 연속적으로 재순환되는 것으로 반도체 제조 방법 또는 기타 제조 방법을 나타낸다. 장치(10)은 일반적으로 및 개략적으로 공정에 의한 생성물로서 조질의 암모니아를 제조하는 제조 기구를 나타내는 기구(14) 및 (18)를 갖는다. 기구(14) 및 (18)의 특정한 구조 또는 기능, 또는 기구의 개수는 본 발명에 있어서 중요하지 않다. 실질적으로 증기 형태의 조질의 암모니아는 도관(16 및 19)를 통해 응축 용기(22)로 수송되고, 상기 도관은 도관(20)으로 모인다. 요구되거나 필요한 경우, 압축기(도시하지 않음) 또는 필터(도시하지 않음)이 기구(14/18)과 응축 용기(22) 사이에 설치될 수 있다. 응축 용기(22)에서, 조질의 암모니아는 온도 감소 및/또는 승압에 의해 실질적으로 액체 상태로 응축된다. 조질의 암모니아 액체는 도관(24)를 통해 증류 막 또는 투과증발 막 모듈(26)로 수송된다. 요구되거나 필요한 경우, 압축기(도시하지 않음)은 응축 용기(22)와 모듈(26) 사이에 설치될 수 있다. 모듈(26)은 막(29)을 가지며, 이는 보유물 측(28) 및 투과물 측(30)을 갖는다. 보유물 스트림(31)은 막(29)의 보유물 측(28)로부터 인출된다. 보유물 스트림(31)은 증가된 수준의 금속 및/또는 습기 오염물을 보유하는 암모니아의 농축물이다. 보유물 스트림(31)내의 금속 및 습기 오염물의 상대적인 수준은 응축된 조질의 암모니아 보다 높다. 암모니아는 투과물 측(30)에서 제 1 농축화 암모니아 증기의 형태로 증발되어, 도관(32)을 따라 열 펌프 응축기(34)로 이동한다. 제 1 농축화 암모니아 증기는 온도 감소 및/또는 승압을 통해 응축기(34)에서 응축된다. 보급 암모니아가 응축기(34)에서 첨가되어 농축화 암모니아 액체를 형성하고, 이는 도관(36)을 통해 열 펌프 증발기(38)로 수송된다. 증발기(38)에서, 농축화 암모니아 액체가 증발되어, 제 2 농축화 암모니아 증기를 형성하고, 상기 제 2 농축화 암모니아 증기는 도관(40)을 통해 제조 공정에서 사용하기 위해 기구(14 및 18)로 수송된다. 장치(10)은 다양한 공정 스트림으로의 유동을 조절하기 위한 밸브(15, 17, 33, 39 및 41)을 갖는다.

본 발명의 장치의 다른 실시양태를 도 2에 도시하였으며, 일반적으로 (42)로 표시하였다. 장치(42)는 암모니아가 클리닝 목적을 위해 사용되고 연속적으로 재순환되는 제조 방법을 나타낸다. 장치(42)은 일반적으로 및 개략적으로 공정에 의한 생성물로서 조질의 암모니아를 생산하는 제조 기구를 나타내는 기구(46) 및 (50)를 갖는다. 기구(42) 및 (50)의 특정한 구조 또는 기능, 또는 기구의 개수는 본 발명에 있어서 중요하지 않다. 조질의 암모니아 스트림은 도관(48 및 52)를 통해 응축 용기(54)로 수송되고, 상기 도관은 도관(53)으로 모인다. 요구되거나 필요한 경우, 압축기(도시하지 않음) 또는 필터(도시하지 않음)이 기구(42/50)과 응축 용기(54) 사이에 설치될 수 있다. 응축 용기(54)에서, 조질의 암모니아는 온도 감소 및/또는 승압에 의해 실질적으로 액체 상태로 응축된다. 조질의 암모니아 액체는 도관(56)를 통해 증류 막 또는 투과증발 막 모듈(58)로 수송된다. 요구되거나 필요한 경우, 압축기(도시하지 않음)은 응축 용기(54)와 모듈(58) 사이에 설치될 수 있다. 모듈(58)은 막(61)을 가지며, 이는 보유물 측(60) 및 투과물 측(62)을 갖는다. 보유물 스트림(60)은 막(61)의 보유물 측(60)으로부터 인출된다. 보유물 스트림(59)은 증가된 수준의 금속 및 습기 오염물을 보유하는 암모니아의 농축물이다. 암모니아 증기는 제 1 농축화 암모니아 증기의 형태로 투과물 측(62)으로부터 증발되어 도관(63)을 통해 가스 분리 모듈(64)로 수송된다. 요구되거나 필요한 경우, 압축기(도시하지 않음)이 모듈(58)과 모듈(64) 사이에 설치될 수 있다. 모듈(64)은 보유물 측(66), 막(67) 및 투과물 측(68)을 갖는다. 보유물 스트림(69)은 막(67)의 보유물 측(66)으로부터 인출된다. 스트림(69)은 암모니아 및 상승된 수준의 가스 불순물의 증기 농축물을 갖는다. 제 1 농축화 암모니아 증기가 모듈(64)를 통과함으로써 제 2 농축화 암모니아 증기로서 지칭되는 추가로 농축화 암모니아 증기가 발생하고, 이는 도관(70)을 통해 열 펌프 응축기(72)로 수송된다. 제 2 농축화 암모니아 증기는 온도 감소 및/또는 압력 증가를 통해 응축기(72)에서 응축된다. 보급 암모니아는 응축기(72)에서 첨가되어 농축화 암모니아 액체를 형성하고, 이는 도관(74)을 통해 열 펌프 증발기(76)로 수송된다. 증발기(76)에서, 농축화 암모니아 액체는 증발되어, 제 3 농축화 암모니아 증기를 형성하고, 상기 제 3 농축화 암모니아 증기는 도관(78)을 통해 제조 공정에서 사용하기 위해 기구(46 및 50)로 수송된다. 장치(42)은 다양한 공정 스트림으로의 유동을 조절하기 위한 밸브(85, 87, 115, 124, 및 126)를 갖는다.

본 발명의 장치의 실시양태는 하기 도 3에 도시되어 있으며, 일반적으로 (80)으로 표시된다. 장치(80)은 암모니아가 클리닝 목적으로 사용되고 연속적으로 재순환되는 것으로 반도체 제조 방법을 나타낸다. 장치(80)은 일반적으로 및 개략적으로 공정에 의한 생성물로서 조질의 암모니아를 생산하는 제조 기구를 나태나는 기구(84) 및 (88)를 갖는다. 기구(84) 및 (88)의 특정한 구조 또는 기능, 또는 기구의 개수는 본 발명에 있어서 중요하지 않다. 조질의 암모니아 스트림은 도관(86 및 90)을 통해 TSA 유닛(92)으로 수송되고, 상기 도관(86 및 90)은 도관(91)으로 모인다. TSA는 온도 스윙식 흡착기를 지칭한다. TSA 유닛(92)은 조질의 암모니아 스트림으로부터 부분 또는 실질적으로 모든 습기를 제거한다. 조질의 암모니아 스트림은 TSA 유닛(92)으로부터 도관(94)를 지나 응축 용기(96)로 수송된다. 요구되거나 필요한 경우, 압축기(도시하지 않음) 또는 필터(도시하지 않음)이 기구(84/88)과 TSA 유닛(92) 또는 응축 용기(96) 사이에 설치될 수 있다. 응축 용기(96)에서, 조질의 암모니아는 온도 감소 및/또는 승압에 의해 실질적으로 액체 상태로 응축되어, 조질의 암모니아 액체를 형성한다. 조질의 암모니아 액체는 도관(98)를 통해 증류 막 또는 투과증발 막 모듈(100)로 수송된다. 요구되거나 필요한 경우, 압축기는 응축 용기(96)와 모듈(100) 사이에 설치될 수 있다. 모듈(100)은 막(103)을 가지며, 이는 보유물 측(102) 및 투과물 측(104)을 갖는다. 보유물 스트림(99)은 막(103)의 보유물 측(102)로부터 인출된다. 보유물 스트림(99)은 증가된 수준의 금속 및/또는 증기 오염물과 암모니아의 농축물이다. 암모니아 증기는 제 1 농축화 암모니아 증기의 형태로 투과물 측(104)으로부터 증발되고, 도관(106)을 통과하여 가스 분리 모듈(108)로 수송된다. 요구되거나 필요한 경우, 압축기는 모듈(100)과 모듈(108) 사이에 설치될 수 있다. 모듈(108)은 가스 분리 막(111)을 갖는다. 막(111)은 보유물 측(110)과 투과물 측(112)을 갖는다. 보유물 스트림(113)은 막(111)의 보유물 측(110)로부터 인출된다. 스트림(113)은 암모니아 및 증가된 수준의 가스 불순물의 증기 농축물이다. 막(111)을 제 1 농축화 암모니아 증기와 접촉시키면, 제 2 농축화 암모니아 증기가 형성하고, 상기 제 2 농축화 암모니아 증기가 도관(114)를 통해 열 펌프 응축기(116)로 수송된다. 제 2 농축화 암모니아 증기는 온도 감소 및/또는 승압을 통해 응축기(116)에서 응축된다. 보급 암모니아는 응축기(116)에서 첨가되어 농축화 암모니아 액체를 형성하고, 이는 도관(118)을 통해 열 펌프 증발기(120)로 수송된다. 증발기(120)에서, 농축화 암모니아 액체는 증발되어, 제 3 농축화 암모니아 증기를 형성하고, 상기 제 3 농축화 암모니아 증기는 도관(122)을 통해 제조 공정에서 사용하기 위해 기구(84 및 88)로 수송된다. 장치(80)은 다양한 공정 스트림으로의 유동을 조절하기 위한 밸브(85, 87, 115, 124 및 126)을 갖는다.

본 발명의 방법의 다른 실시양태를 도 4에 도시하였으며, 일반적으로 (130)으로 표시하였다. 장치(130)는 암모니아가 클리닝 목적으로 사용되고 연속적으로 재순환되는 제조 방법을 나타낸다. 장치(130)은 일반적으로 및 개략적으로 공정에 의한 생성물로서 조질의 암모니아를 생산하는 제조 기구를 나태나는 기구(134) 및 (138)를 갖는다. 기구(134) 및 (138)의 특정한 구조 또는 기능, 또는 기구의 개수는 본 발명에 있어서 중요하지 았다. 조질의 암모니아 증기는 도관(137 및 139)를 통해 수송되고, 상기 도관은 도관(140)으로 모인다. 도관(140)은 도관(142)로 모이고, 이는 조질의 암모니아 증기를 필터(144)를 통해 응축 용기(146)로 수송한다. 응축 용기(146)에서, 온도, 체적, 및 압력을 조절함으로써 증기상(148)과 액체상(150) 사이에서 평형이 유지된다. 바람직하게는, 용기(146)의 증기상(148)은 약 1.18 대기압에서 유지되고 온도는 약 -30℃로 유지된다. 암모니아 증기는 도관(152)을 통해 용기(146)로부터 가스 분리 모듈(160)로 수송된다. 모듈(160)은 조밀한 중합체 물질의 막(158)을 갖는다. 막(158)은 보유물 측(154) 및 투과물 측(156)을 갖는다. 막(158)은 암모니아 증기를 투과시키지만 가스 불순물은 투과시키지 않는다. 보유물 스트림(162)은 막(158)의 보유물 측(154)으로부터 인출된다. 보유물 스트림(162)은 증가되거나 높은 수준의 가스 불순물을 보유하는 암모니아 증기의 농축물이다. 모듈(160)에서 배출되는 농축화 암모니아는 도관(168)을 통해 진공 펌프(170)의 작용에 의해 응축 용기(146)으로 되돌아가기 위해서 도관(142)을 통해 수송된다. 액체의 조질의 암모니아는 용기(146)로부터 펌프(174)에 의해 도관(172)를 통해 열 펌프 증발기(176)로 수송된다. 증발기(176)에서, 증기상(178)과 액체상(180) 사이에서 체적, 온도 및 압력을 조절함으로써 평형을 유지한다. 바람직하게는 증발기(176)의 증기상(178)은 약 750psig에서 유지되고, 온도는 약 90℃에서 유지된다. 농축화 암모니아 증기는 제조 공정에서 사용하기 위해서 증발기(176)으로부터 도관(206) 및 필터(208)를 통해 기구(134 및 138)로 수송된다. 증발기(176)에서 배출되는 조질의 암모니아 액체는 도관(182)을 통해 증류 막 또는 투과증발 막 모듈(186)에 수송된다. 모듈(186)은 막(192)을 가지며, 막(192)는 보유물 측(188) 및 투과물 측(190)을 갖는다. 막(192)는 조밀하거나 미세다공성 중합체 물질로 구성된다. 보유물 스트림(194)은 막(192)의 보유물 측(188)로부터 인출된다. 보유물 스트림(194)은 상승된 수준의 금속 불순물 및 물을 보유하는 암모니아의 농축물을 갖는다. 보유물 스트림(194) 내에서의 금속 불순물의 상대적인 수준은 증발기(176)에서 배출되는 조질의 암모니아 액체에서 보다 높다. 암모니아는 투과물 측(190)에서 증발하여 농축화 암모니아 증기를 형성하고, 진공 펌프(200)의 작용에 의해 도관(198)을 통해 용기(146)로 수송된다. 보급 암모니아가 도관(204)을 통해 증발기(176)에 첨가된다. 증류/투과증발 막 모듈(186), 가스 분리 모듈(160), 응축기(146), 및 증발기(176)의 작동 조건은 전술한 바와 같다. 장치(130)은 다양한 도관을 통해 다양한 공정 스트림의 유동을 조절하기 위해서 밸브(135, 136, 164, 184, 196, 202, 210 및 212)를 갖는다.

도 4에서 개시한 유형의 제 1 분리기는, 증기상 및 액체상을 제공하기에 충분한 조건, 즉 체적 수준, 온도 및 압력에서 조질의 암모니아를 보유하고 유지한다. 제 1 분리기는, 증기상을 제공하는 적당한 헤드스페이스가 존재하도록 조질의 암모니아의 처리량에 대해 사이징화하였다. 제 1 분리기는 임의의 응축 및/또는 저장 용기 또는 탱크의 형태를 취하되, 여기서 온도 및/또는 압력이 조절되도록 할 수 있다. 바람직한 제 1 분리기는 응축기이다. 응축기의 온도는 바람직하게는 약 -30℃ 내지 약 10℃의 범위일 것이다. -30℃에서, 압력은 약 1.18 대기압이어야만 한다. 이러한 공급 압력에서, 막 투과를 위한 원동력을 발생시키기 위해서, 진공 펌프가 막 유닛의 투과물 측에서 요구된다. 이러한 조건하에서, 압축기는 응축기를 위해서 요구되지는 않는다. 10℃에서, 압력은 약 6.075 대기압이어야 한다. 이러한 온도에서, 압축기는 응축기 이전에 암모니아 스트림을 압축하기 위해서 요구된다. 이러한 조건하에서, 진공 펌프는 막 유닛을 위해서 요구되지는 않는다. 가장 바람직한 작동 온도는 약 0℃ 내지 약 5℃이다. 임의의 경우에, 막 유닛의 작동 압력은 막 유닛에서의 암모니아 응축을 피하기 위해서 응축 온도에 상응하는 암모니아 증기압 미만으로 유지된다. 작동 압력은, 압력 한정 장치 및/또는 응축 온도보다 약간 높도록 암모니아 온도를 높임으로써, 조절된다.

도 4에서 개시된 유형의 제 2 분리기는 증기상 및 액체상을 제공하기에 충분한 조건, 즉 체적 수준, 온도 및 압력에서 조질의 암모니아를 보유하고 유지한다. 제 2 분리기는, 증기상을 허용하기에 적당한 헤드스페이스가 존재하도록 암모니아의 처리량에 따라 사이징화한다. 제 2 분리기의 작동 온도 및 압력은 전형적으로 제 1 분리기의 작동 온도 및 압력에 비해서는 높은데, 이는 상승된 온도 및 압력으로 제조 기구에 농축화 암모니아 증기를 제공하는 것이 바람직하기 때문이다. 가장 바람직한 작동 압력은 약 750파운드/평방인치 게이지(psig)이다. 제 2 분리기는 온도 및/또는 압력이 조절될 수 있는 열 펌프 증발기 또는 임의의 가공 및/또는 저장 용기 또는 탱크의 형태를 취할 수 있다. 열 펌프 증발기가 가장 바람직하다.

도 4에서 개시한 유형의 증발기에서, 온도는 제조 기구에 의해 요구되는 증기압에 상응하는 임의의 값으로 설정될 수 있다. 예를 들어, 제조 기구가 750psig의 주입 암모니아 압력을 요구하는 경우, 증발 온도는 약 90℃로 설정될 수 있다. 응축기와 증발기 사이의 암모니아 액체의 이동은 압축기, 바람직하게는 미국특허 출원 제 09/383,699 호에서 개시한 바와 같은 열 펌프 장치에 의해 수행될 수 있다.

본 발명의 방법은 요구되는 바에 따라 연속적으로 또는 반연속적으로 수행된다. 연속적인 공정이 바람직하다.

당분야의 숙련자라면, 본 발명에 따른 방법 및 장치가 펌프, 압축기, 유동 조절기, 디지탈 또는 아날로그 게이즈, 열전기쌍 등과 같은 보조 장치를 갖거나 사용할 수 있음을 알 것이다.

본 발명은 반도체 제조 공정에 있어서 유용한다. 본 발명은 특히 갈륨 니트라이드 반도체 제조 공정에 있어서 유용한다. 또한, 본 발명은 클리너 및 제거제로서 암모니아를 사용하는 제조 방법에도 유용하다.

하기 내용은 본 발명의 비제한적인 실시예이다. 다른 언급이 없는 한, 모든% 및 부는 중량 기준이다.

실시예

시험은 본 발명에서 기술한 바와 같이 가스 분리 막의 잠재적인 성능을 평가하기 위해서 수행되었다. 약 0.5기압의 막(나피온(Nafion, 등록상표) 중합체로부터 제조됨)을 통한 압력에 있어서, 암모니아 투과도는, 작동 온도를 약 23℃에서 약 4℃로 낮춤에 따라, 약 16778 배럴에서 약 45015로 증가됨이 발견되었다. 감소된 온도로 인한 투과성 개선이, 원동력(또는 설정된 다운스트림 압력에 대한 공급물 압력)이 증가함에 따라 증가된다.

불순물 투과를 측정하기 위해서 추가의 시험을 수행하였다. 이러한 결과는 하기 표 1에 요약하였다.

전술한 바에서 알 수 있는 바와 같이, 암모니아의 회수율 및 암모니아 순도는 온도를 감소함에 따라 증가한다.

전술한 설명은 단지 본 발명을 설명하기 위한 것으로 이해되어야 한다. 본 발명으로부터 벗어나지 않은 채, 당분야의 숙련자라면 다양한 대체물 및 개조물을 고안할 수 있다. 따라서, 본 발명은 첨부된 특허청구범위의 범주에 속하는 모든 이러한 대체물, 개조물 및 변종을 포함하고자 한다.

본 발명에 따라, 반도체 제조 공정에서 유래되는 조질의 암모니아 스트림으로부터 습기, 금속 불순물 및 가스 불순물 등을 제거하여 암모니아를 회수 및 재순환할 수 있는 효과적인 방법 및 장치가 제공된다.

본 발명의 실시양태는 하기의 다수의 도면을 참고하여 일반적으로 설명된다.

도 1은 본 발명에 따른 방법 및 장치의 실시양태의 개략적인 도면이다.

도 2는 본 발명에 따른 방법 및 장치의 다른 실시양태의 개략적인 도면이다.

도 3은 본 발명에 따른 방법 및 장치의 다른 실시양태의 개략적인 도면이다.

도 4는 본 발명에 따른 방법 및 장치의 다른 실시양태의 개략적인 도면이다.

Claims (14)

1. 조질의 암모니아 스트림을 응축하여 조질의 액체 암모니아 스트림을 형성하는 단계; 및

   상기 조질의 액체 암모니아 스트림과 증류 막 또는 투과증발(pervaporation) 막을 접촉시키되, 여기서 농축화 암모니아 증기 스트림이 투과물로서 제거되는 단계를 포함하는,

   습기 및/또는 금속 불순물 및/또는 가스 불순물을 갖는 조질의 암모니아 스트림을 농축하는(enriching) 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 조질의 암모니아 스트림이 제조 기구로부터 유래되고, 상기 농축화 암모니아 증기 스트림이 상기 제조 기구로 재순환되는 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 농축화 암모니아 증기 스트림과 가스 분리 막을 접촉시키되, 여기서 추가로 농축된 암모니아 증기 스트림이 투과물로서 제거되는 방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 조질의 암모니아 스트림이 제조 기구로부터 유래되고, 상기 추가로 농축된 암모니아 증기 스트림이 상기 제조 기구로 재순환되는 방법.
5. 제 3 항에 있어서,

   상기 조질의 암모니아 스트림이 응축 이전에 열적 스윙식 흡착기와 접촉하는 방법.
6. 조질의 암모니아 스트림을 제 1 분리기를 통해서 제 1 조질의 암모니아 액체 스트림 및 제 1 조질의 암모니아 증기 스트림으로 분리하는 단계;

   상기 제 1 조질의 암모니아 증기 스트림과 가스 분리 막을 접촉시키되, 여기서 제 1 농축화 암모니아 증기 스트림이 투과물로서 제거되는 단계;

   상기 제 1 농축화 암모니아 증기 스트림을 제 1 분리기로 통과시키는 단계;

   상기 제 1 조질의 암모니아 액체 스트림을 제 2 분리기를 통해 제 2 조질의 암모니아 액체 스트림 및 생성물 스트림으로서 제 2 농축화 암모니아 증기 스트림으로 분리하는 단계;

   상기 제 2 조질의 암모니아 액체 스트림과 가스 증류 막을 접촉시키되, 여기서 제 3 농축화 암모니아 증기 스트림을 투과물로서 제거하는 단계; 및

   상기 제 3 농축화 암모니아 증기 스트림을 상기 제 1 분리기로 통과시키는 단계를 포함하는,

   습기 및/또는 금속 불순물 및/또는 가스 불순물을 갖는 조질의 암모니아 스트림을 농축하기 위한 방법.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 조질의 암모니아 스트림이 제조 기구로부터 유래되고, 여기서 생성물 스트림이 상기 제조 기구로 재순환되는 방법.
8. 조질의 암모니아 스트림을 응축하여 조질의 액체 암모니아 스트림을 형성하기 위한 응축기; 및

   조질의 액체 암모니아 스트림으로부터 농축화 암모니아 증기 투과물을 제조하는 증류 막 또는 투과증발 막을 포함하는,

   습기 및/또는 금속 불순물 및/또는 가스 불순물을 갖는 조질의 암모니아 스트림을 농축하기 위한 시스템.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 조질의 암모니아 스트림이 유래되는 제조 기구 및 상기 농축화 암모니아 증기 스트림을 상기 제조 기구로 재순환할 수 있는 도관을 추가로 포함하는 시스템.
10. 제 8 항에 있어서,

    상기 농축화 암모니아 증기로부터 추가로 농축된 암모니아 증기 투과물을 제조하는 가스 분리 막을 추가로 포함하는 시스템.
11. 제 10 항에 있어서,

    상기 조질의 암모니아 스트림이 유래되는 제조 기구, 및 상기 추가로 농축된 암모니아 증기 스트림을 상기 제조 기구로 재순환할 수 있는 도관을 추가로 포함하는 시스템.
12. 제 10 항에 있어서,

    상기 응축기의 업스트림에 위치하는 열적 스윙식 흡착기를 추가로 포함하는 시스템.
13. 제 1 조질의 암모니아 스트림으로부터 제 1 조질의 암모니아 액체 스트림 및 제 1 조질의 암모니아 증기 스트림을 형성할 수 있는 제 1 분리기;

    상기 제 1 조질의 암모니아 증기 스트림으로부터 제 1 농축화 암모니아 증기 스트림을 분리할 수 있는 가스 분리 막;

    상기 제 1 농축화 암모니아 증기 스트림을 상기 제 1 분리기로 수송하기 위한 제 1 도관;

    상기 제 1 조질의 암모니아 액체 스트림을 제 2 분리기에 수송하기 위한 제 2 도관으로서, 상기 제 2 분리기가 상기 제 1 조질의 암모니아 액체 스트림으로부터 제 2 조질의 암모니아 액체 스트림 및 제 2 농축화 암모니아 증기 스트림을 분리할 수 있는 제 2 도관;

    상기 제 2 조질의 암모니아 액체 스트림으로부터 제 3 농축화 암모니아 증기 스트림을 분리할 수 있는 가스 증류 막; 및

    상기 제 3 농축화 암모니아 증기 스트림을 상기 제 1 분리기에 수송하기 위한 제 3 도관을 포함하는,

    습기 및/또는 금속 불순물 및/또는 가스 불순물을 갖는 조질의 암모니아 스트림을 농축화하기 위한 시스템.
14. 제 13 항에 있어서,

    상기 조질의 암모니아 스트림이 유래되는 제조 기구를 추가로 포함하고, 제 4 도관이 상기 생성물 스트림을 상기 제조 기구로 재순환시키는 시스템.