(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排ガスを燃焼削減するためのシステムであって、
ａ）排ガス入口と、
ｂ）前記排ガス入口を受け入れるように構成された入口マニホルドであって、
第１外壁および第１透過性内壁を有する第１プレナムチャンバと、
前記第１プレナムチャンバを通して前記第１透過性内壁に第１ガスを供給するように構成された第１プレナム入口と、
前記第１プレナムチャンバを通る少なくとも１の孔であって、前記排ガス入口に結合され、前記第１プレナムチャンバの前記第１外壁および前記第１透過性内壁を通って延びる少なくとも１の孔と、
を有する入口マニホルドと、
ｃ）前記入口マニホルドに結合され、（ｉ）前記排ガス入口から少なくとも１の孔を通って排ガスを受け取り、（ｉｉ）前記第１透過性内壁を通って第１ガスを受け取るように構成された熱反応チャンバであって、
中央チャンバと、
前記中央チャンバを少なくとも部分的に取り囲む第２プレナムチャンバであって、第２ガスの供給を受け入れるように構成された第２プレナム入口を有する第２プレナムチャンバと、
前記中央チャンバと前記第２プレナムチャンバとの間の第２透過性内壁と、
前記第２プレナムチャンバを少なくとも部分的に規定する第２外壁と、
を有する熱反応チャンバと、
ｄ）第１ガス、第２ガス、または第１ガスと第２ガスの両方の流れを維持し、前記第１透過性内壁の少なくとも一部および前記第２透過性内壁の少なくとも一部の表面での燃焼を制御するように構成されたコントローラとを備え、
ｉ．前記第１透過性内壁の表面の少なくとも一部が、可燃性ガスを含む混合物を透過させるように構成されたバーナー面を含み、前記第２透過性内壁の表面の少なくとも一部が、不燃性ガスを含む混合物を透過させるように構成され、または、
ｉｉ．前記第２透過性内壁の表面の少なくとも一部が、可燃性ガスを含む混合物を透過させるように構成されたバーナー面を含み、前記第１透過性内壁の表面の少なくとも一部が、不燃性ガスを含む混合物を透過させるように構成されていることを特徴とするシステム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記入口マニホルドは、長さと直径の比が約１：１〜約１：６の実質的に円筒形であることを特徴とするシステム。
【請求項３】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記少なくとも１の孔が、前記第１プレナムチャンバと流体連通する１または複数の微細孔をさらに含むことを特徴とするシステム。
【請求項４】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記少なくとも１の孔が、約１／４インチ〜約４インチの直径を有することを特徴とするシステム。
【請求項５】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記熱反応チャンバは、長さと直径の比が約１：０．１〜約１：１０の実質的に円筒形であることを特徴とするシステム。
【請求項６】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記第１透過性内壁が、約０．１２５インチ〜約２インチの範囲内の平均厚さを有することを特徴とするシステム。
【請求項７】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記第１透過性内壁の少なくとも一部が、金属繊維、セラミック繊維、金属発泡体、セラミック発泡体またはそれらの組合せを含むことを特徴とするシステム。
【請求項８】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記第１透過性内壁の表面の少なくとも一部が、可燃性ガスを含む混合物を透過させるように構成されたバーナー面を含み、前記第２透過性内壁の表面の少なくとも一部が、不燃性ガスを含む混合物を透過させるように構成されていることを特徴とするシステム。
【請求項９】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記第１透過性内壁および前記第２透過性内壁が、約１：１〜約１：１０の範囲の表面積比を有することを特徴とするシステム。
【請求項１０】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記第２透過性内壁の表面の少なくとも一部が、可燃性ガスを含む混合物を透過させるように構成されたバーナー面を含み、前記第１透過性内壁の表面の少なくとも一部が、不燃性ガスを含む混合物を透過させるように構成されていることを特徴とするシステム。
【請求項１１】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記第１透過性内壁が、前記熱反応チャンバの実質的に水平な天井を含み、前記第２透過性内壁が、前記熱反応チャンバの実質的に垂直な柱を含むことを特徴とするシステム。
【請求項１２】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記第１透過性内壁が、前記熱反応チャンバの実質的に垂直な柱を含み、前記第２透過性内壁が、前記熱反応チャンバの実質的に水平な天井を含むことを特徴とするシステム。
【請求項１３】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記排ガス入口が、排ガスを、酸化剤、燃料または不活性ガスとともに、前記第１プレナムチャンバを通して前記第１透過性内壁に供給するように構成されていることを特徴とするシステム。
【請求項１４】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記可燃性ガスが、水素ガス、１または複数のガス状炭化水素、またはそれらの混合物を含むことを特徴とするシステム。
【請求項１５】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記不燃性ガスが、不活性ガス、窒素、空気またはそれらの組合せを含むことを特徴とするシステム。
【請求項１６】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記第１ガス、前記第２ガス、前記可燃性ガスまたは前記不燃性ガスのうちの少なくとも１つに、酸化剤が添加されることを特徴とするシステム。
【請求項１７】
請求項１に記載のシステムにおいて、
当該システムが出口ガス装置をさらに含むことを特徴とするシステム。
【請求項１８】
請求項１に記載のシステムにおいて、
可燃性ガスの供給ラインが、前記第１プレナム入口、前記第２プレナム入口、または第１および第２プレナム入口に接続されていることを特徴とするシステム。
【請求項１９】
請求項１に記載のシステムにおいて、
不燃性ガスの供給ラインが、前記第１プレナム入口、前記第２プレナム入口、または第１および第２プレナム入口に接続されていることを特徴とするシステム。
【請求項２０】
請求項１に記載のシステムにおいて、
当該システムが、前記第１透過性内壁、前記第２透過性内壁、または前記第１透過性内壁と前記第２透過性内壁の両方のうちの１または複数のバーナー面で、可燃性ガスを点火するのに十分な少なくとも１の点火要素をさらに備えることを特徴とするシステム。
【請求項２１】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記コントローラが、（ｉ）前記第１ガスおよび第２ガスのうちの少なくとも一方の流量、（ｉｉ）前記第１ガスおよび第２ガスのうちの少なくとも一方の組成、および（ｉｉｉ）前記第１透過性内壁および第２透過性内壁のうちの少なくとも一方の１または複数のバーナー面の点火、のうちの少なくとも一つを制御することによって燃焼を制御することを特徴とするシステム。
【請求項２２】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記ガス供給ラインが、可燃性ガス、不燃性ガス、または可燃性ガスと不燃性ガスの組合せを、前記第１プレナム入口、前記第２プレナム入口、または第１および第２プレナム入口のいずれか一つ又はそれ以上に供給することを特徴とするシステム。
【請求項２３】
請求項１に記載のシステムを用いる排ガスの燃焼削減方法において、当該方法が、
前記排ガス入口および前記入口マニホルドを介して排ガスを前記熱反応チャンバに導入するステップと、
前記第１透過性内壁および第２透過性内壁の少なくとも一方のバーナー面における可燃性ガスの流れを制御するステップと、
前記第１透過性内壁および第２透過性内壁のうちの１または複数の少なくとも一部への不燃性ガスの流れを制御するステップとを含み、
可燃性ガスが排ガスを減少させ、
不燃性ガスの流れが、前記第１透過性内壁または第２透過性内壁の少なくとも一方の表面における粒子の形成を防止または除去することを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示の態様は、概して、半導体ウェハの製造中に形成される排ガスの燃焼削減のためのシステムおよび方法に関する。特に、本明細書に記載のシステムの実施形態は、従来の削減システムよりも低いエネルギー使用量および高い効率で、ヘキサフルオロエタン（Ｃ２Ｆ６）およびテトラフルオロメタン（ＣＦ４）などの高い温室効果ガス指数を有するものを含む大気汚染ペルフルオロカーボンや、シラン（ＳｉＨ４）およびテトラエトキシシラン（Ｓｉ（ＯＣ２Ｈ５）４、略してＴＥＯＳ）などの粒子形成ガスを燃焼することができる。より詳細には、好ましい一実施形態では、本開示は、反応チャンバの複数の透過性内面を通って導かれる不燃性ガスと可燃性ガス（またはガス混合物）の組合せを熱燃焼のために利用する排ガス削減システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ヘキサフルオロエタンやテトラフルオロメタンなどのフルオロカーボンガスは、大気中に放出されると非常に長い寿命を持つ地球温暖化化合物である。これらのガスや、三フッ化窒素（ＮＦ３）および六フッ化硫黄（ＳＦ６）のような他のフッ素化ガスは、半導体の製造において、シリコンウェハのエッチング、改質および構成中に、並びに、製造プロセスで使用される機械の洗浄中に使用されている。空気に曝されるか、または燃焼すると二酸化ケイ素（ＳｉＯ２；シリカとも呼ばれる）および他の固体を形成するシランおよびＴＥＯＳのような二酸化ケイ素前駆体は、シリコンウェハを製造するプロセスにおいても使用される。粒子状物質に加えて、それらのフッ素化ガスおよび水素化物は、通常、窒素を用いて製造機械から一掃され、一緒になって排気流を構成する場合がある。それらのガスが環境負荷を低減するために排ガス削減システムによって処理されると、ケイ素含有気相分子が反応して固体堆積物を形成し、それが例えば、排気流の流れを妨げ、それにより削減システムの性能を制限する可能性がある。
【０００３】
半導体製造プロセスの排ガスを削減するように設計されたシステムは、商業的に使用されており、排ガスを受け入れ、ペルフルオロカーボンおよび二酸化ケイ素前駆体を酸化し、最終的に排気を処理して環境への有害ガスの放出を防止するための様々な手段を用いる。それらの既存のシステムは、通常、反応チャンバ内に供給される燃料ガス（例えば、メタン）からの熱エネルギーを利用して、ＣＯ２およびＨＦへのフルオロカーボンの反応を引き起こすのに十分なレベルに排気流を加熱し、その後、湿式スクラバを介して排気流からＨＦを除去し、苛性処理で中和する。とりわけシランおよび四フッ化ケイ素（ＳｉＦ４）を含むケイ素含有ガスは、粒子状物質を生成する固体形成化合物を生成することが知られており、それらが、反応チャンバ内に蓄積して、チャンバ内への排ガスの通過を妨げる可能性がある。そのような粒子状物質の蓄積は、排ガスと燃料ガスとの適切な混合および反応を妨害し、その結果、削減システムがペルフルオロカーボンガスを処理することができず、それにより排ガスが未処理のままシステムを通過する可能性がある。したがって、固形粒子状物質の管理は、適切な排ガス削減に不可欠である。
【０００４】
固体粒子状物質の蓄積を管理するための１つのアプローチは、削減システムを頻繁に停止し、それにより内部へのアクセスを得て固体形成の蓄積を手動で除去するというものである。しかしながら、そのような方法は、半導体製品の製造を中断し、かつ危険な排ガスに人が曝されるのを防ぐために厄介な安全プロトコルを必要とするコストのかかる解決策である。
【０００５】
米国特許第５，８３２，８４３号には、削減システムの内部から固形物を除去するための機械的スクレーパの使用を提供する別のアプローチが記載されている。このアプローチでは、機械部品を高温腐食性ガスに曝す必要があり、その結果、機械的強度と材料の厚さの両方が低下して、装置の早期故障を招く。
【０００６】
米国特許第７，５６９，１９３号には、反応チャンバを囲む多孔質表面の使用を提供する、さらに別のアプローチが記載されている。このアプローチは、非反応性冷却ガスが多孔質表面を通って流れて固体を機械的に寄せ付けずに反応チャンバの壁に蓄積するのを防ぐとされる反応チャンバの使用を提供する。このアプローチは固体の堆積を防ぐのに役立つ可能性があるが、固体の蓄積を効果的に防ぐために必要とされる比較的大量の冷却ガスが、排ガスの反応速度に悪影響を及ぼし、その結果、所望の反応を完了するために追加の燃料ガスの使用を必要とする。
【０００７】
さらに別のアプローチとして、米国特許第５，６０３，９０５号には、反応チャンバを取り囲む多孔質または有孔表面を有するシステムが記載されている。この特許に記載の反応チャンバは、予混合された燃料および空気を使用し、それらが、表面を通過して発火し、反応チャンバの内面に無炎燃焼を確立すると述べられている。反応熱は、反応生成物をもたらし、その反応生成物が、固体粒子状物質を寄せ付けずに、表面へのその付着を防ぐ。前の段落で説明した方法と同様に、このアプローチは効果的に固形物の蓄積を減らし、さらには防止することができる。しかしながら、例えば、適切な予混合物を有する燃料を内面に提供し、かつ／または燃焼パラメータを監視するのに必要とされる制御とシステムの複雑さにより、内面の十分な表面積にわたって無炎燃焼に十分な条件を維持することは、費用がかかり、かつ／または困難であるという点で、問題が生じ得る。ある種の削減システムは、反応チャンバの上面に固体（すなわち、非多孔質）の断熱壁を利用することによってそのような困難を克服しようと試みているが、それでもなお、そのような設計は、チャンバ内で起きる燃焼反応によって生じる固体粒子状物質の堆積を受けやすい。
【０００８】
したがって、燃料必要量を減らし、排ガス反応のための十分な熱環境を維持し、反応チャンバの内面上の固体粒子状物質の蓄積を減らす、改良された排ガス削減システムを提供することは有利であろう。
【発明の概要】
【０００９】
本開示の様々な態様の中には、システム内の堆積生成物の蓄積を低減しながら、熱反応器内でガス状半導体廃棄物の効率的かつ制御された燃焼を提供するためのシステムおよび方法がある。
【００１０】
このため、要約すると、本開示の一態様は、排ガス入口と、排ガス入口から排ガスを受け入れるように構成された入口マニホルドと、熱反応チャンバと、ガスの流れを維持し、入口マニホールドおよび／または熱反応チャンバの内面における燃焼を制御するように構成されたコントローラとを含む排ガスの燃焼削減システムである。入口マニホルドは、第１外壁および第１透過性内壁を有する第１プレナムチャンバと、第１プレナムチャンバを通して第１透過性内壁に第１ガスを供給するように構成された第１プレナム入口と、第１外壁および第１透過性内壁を通って延びる排ガス入口と流体連通する少なくとも１つの孔とを含む。熱反応チャンバは、中央チャンバと、中央チャンバを少なくとも部分的に取り囲む第２プレナムチャンバであって、第２ガスの供給を受け入れるように構成された第２プレナム入口を有する第２プレナムチャンバと、中央チャンバと第２プレナムチャンバとの間の第２透過性内壁と、第２プレナムチャンバを少なくとも部分的に規定する第２外壁とを有する。一実施形態では、第１透過性内壁の表面の少なくとも一部が、可燃性ガスを含む混合物を透過させるように構成されたバーナー面を含み、第２透過性内壁の表面の少なくとも一部が、不燃性ガスを含む混合物を透過させるように構成されている。代替的な実施形態では、第２透過性内壁の表面の少なくとも一部が、可燃性ガスを含む混合物を透過させるように構成されたバーナー面を含み、第１透過性内壁の表面の少なくとも一部が、不燃性ガスを含む混合物を透過させるように構成されている。
【００１１】
本開示の他の態様および特徴は、部分的に明らかとなり、かつ以下に詳細に部分的に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
本開示のこれらの特徴、態様および利点、および他の特徴、態様および利点は、以下の詳細な説明、添付の特許請求の範囲および添付の図面からより完全に明らかになるであろう。図面は本開示の例示的な実施形態に係る特徴を示している。
【図１】図１は、本開示の一態様に係る排ガス削減システムの例示的な実施形態の概略断面図である。
【図２】図２は、本開示の態様に従って使用するためのバーナーモジュールの一実施形態の概略断面図であり、バーナーモジュールが、可燃性ガスを含む混合物を透過させるように構成されたバーナー面を有している。
【図３】図３は、本開示の態様に従って使用するための非バーナー透過性壁モジュールの一実施形態の概略断面図であり、非バーナー透過性壁モジュールが、不燃性ガスを含む混合物を透過させるように構成された表面を有している。
【図４】図４は、本開示の態様に係る排ガス削減システムの、底部から見た熱反応チャンバの一実施形態の概略断面図であり、反応チャンバの内面が、可燃性ガスを含む混合物を透過させるように構成されている。
【図５】図５は、実施例１でさらに説明されるように、本開示の排ガス削減システムの反応チャンバの内面上の固体粒子状物質の最小の蓄積を示す写真の略図である。
【図６】図６は、実施例２でさらに説明されるように、先行技術の排ガス削減システムの反応チャンバの内面上の固体粒子状物質の相当な蓄積を示す写真の略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本開示の態様は、システム内の分解生成物の蓄積を低減しながら、熱反応器内において、エネルギー効率の高い、制御された排ガスの削減を与えるシステムおよび方法に関する。
【００１４】
図１は、本開示の第１の実施形態に係る排ガス削減システム１（炉とも呼ばれる）の断面構造図を示している。排ガス削減システム１は、製造プロセス中、例えば、半導体ウェハの製造中に生成された排ガスを分解のために熱反応チャンバ３０に供給するための１または複数の排ガス入口１０を備える。半導体製造プロセスの排ガスは、典型的には、ハロゲン化化合物、粒子形成物質、またはハロゲン化化合物と粒子形成物質の組合せを含む。いくつかの実施形態では、１または複数の排ガス入口１０が、１または複数のノズルまたは管を含むことができ、１または複数のノズルまたは管が、入口マニホールド２０の１または複数の開口部に挿入されるか、または入口マニホールドの１または複数の孔を通り抜けるように構成され、入口マニホールド２０は、図１に示すように、熱反応チャンバ３０の末端部分に配置することができ、または別の領域に配置することができる。一実施形態では、排ガス削減システム１が、１種類の排ガスまたは複数の排ガスの組合せを入口マニホールド２０を介して反応チャンバ３０に供給するように構成された１つの排ガス入口１０を備える。別の実施形態では、排ガス削減システム１が、２以上の排ガス入口１０を含み、それら排ガス入口が、１または複数の排ガスを入口マニホールド２０を介して反応チャンバ３０に供給するように構成されている。例として、２以上の排ガス入口を含む排ガス削減システムでは、各排ガス入口が、同じ排ガスを運ぶか、または異なる排ガスを入口マニホールド２０を介して反応チャンバ３０に供給するように独立して機能することができる（例えば、複数の排ガス入口を含むシステムでは、複数の排ガス入口の各々が同じガスまたは異なるガスを反応チャンバ内に運ぶことができる）。
【００１５】
上記実施形態の何れにおいても、（図１に示すように）１または複数の排ガス入口１０が孔２５を介して熱反応チャンバ３０と流体連通する構成において、入口マニホールド２０が、孔２５で１または複数の排ガス入口１０に結合されるようにしてもよい。特定の実施形態では、１または複数の排ガス入口１０が、補助ガス入口１４を介して、酸化剤、燃料（例えば、メタン、エタン、プロパン、ブタンまたは天然ガス）および／または不活性ガスと組み合わせて、排ガスを供給するようにさらに構成されるようにしてもよく、補助ガス入口では、排ガスが、孔２５を通過する前またはそれと同時に、そのような酸化剤、燃料および／または不活性ガスと混合されて、熱反応チャンバ３０に伝えられるようにしてもよく、それにより、例えばペルフルオロカーボン排ガスの分解を改善することができる。
【００１６】
一般に、入口マニホールド２０は、図１に示すように、ディスク形状の構成要素を含むが、入口マニホールド２０は、以下でより十分に説明するように、１または複数の排ガス入口１０から熱反応チャンバ３０への排ガスの伝達に適合する任意の形状を含むことができる。より具体的には、再び図１を参照すると、入口マニホルド２０が、第１外壁２１および第１透過性内壁２３を備え、第１プレナムチャンバ２２の境界を形成している。第１透過性内壁２３は、ガスの通過を許容する大きさの穴を含み、熱反応チャンバ３０から入口マニホールド２０を分ける内壁の実質的に全表面にわたって延在することができる。第１プレナムチャンバ２２はさらに、第１プレナムチャンバ２２を通って第１透過性内壁２３に第１ガス（例えば、空気、窒素、不活性ガス、酸化剤、燃料、燃料など、またはそれらの組合せ）を供給するように構成されたプレナム入口２４を備える。特定の実施形態では、第１ガスが、酸化剤、不燃性ガスまたは燃焼性ガスを含むことができ、より具体的には、第１ガスが、窒素、酸素、空気、水素、ガス状炭化水素またはそれらの混合物を含むことができる。
【００１７】
ここで使用されるプレナムチャンバは、所望の方法によりガスを分配する目的で、ガスまたはガスの組合せを収集または閉じ込めることを目的とした密閉型または部分的に密閉型のチャンバを意味する。このため、本開示の特定の態様に従って使用するためのプレナムチャンバは、実質的に均一な方法でガス（すなわち、パージガス）を透過性内壁に分配し、そのようなガスが透過性内壁以外の場所に流れるのを防ぐ密封ボリュームを提供するように機能する。そのような目的のために使用されるガスは、安価で化学的に安定／非反応性であることが好ましく、例えば、空気、窒素、不活性ガス（窒素以外）またはそれらの組合せのなかから選択することができる。しかしながら、酸素の混入により、窒素単独の使用と比較して、反応チャンバ内のペルフルオロカーボンを含む排ガスの改善された分解が可能になるため、空気、または空気と他のガスとの組合せが一般に好ましい。特定の実施形態では、パージガス（例えば、空気、窒素、不活性ガスまたはそれらの組合せ）が、室温で関連するプレナムチャンバに分配されるようにしてもよい。さらに他の実施形態では、パージガス（例えば、空気、窒素、不活性ガスまたはそれらの組合せ）が、関連するプレナムチャンバに分配される前に室温未満に冷却されるようにしてもよい。さらに他の実施形態では、パージガス（例えば、空気、窒素、不活性ガスまたはそれらの組合せ）が、関連するプレナムチャンバに分配される前に、室温より高い温度に加熱されるようにしてもよい。さらに他の実施形態では、パージガス（例えば、空気、窒素、不活性ガスまたはそれらの組合せ）が、室温から、反応チャンバ内での燃焼に必要な温度までの範囲内で、関連するプレナムチャンバに分配されるようにしてもよい。さらに他の実施形態では、パージガス（例えば、空気、窒素、不活性ガスまたはそれらの組合せ）が、反応チャンバ内での燃焼に必要な温度より低い温度で、関連するプレナムチャンバに分配されるようにしてもよい。パージガスは様々な温度で有用となり得るが、パージガスは比較的低温（例えば、周囲温度）で分配されることが一般に好ましく、それにより、有利には、耐久性を増加させてコストを削減するより広い範囲の様々な構成材料の使用が可能になる。
【００１８】
図１を再び参照すると、プレナム入口２４とは別に、かつそれとは離れた位置に、少なくとも１の孔２５が、１または複数の排ガス入口１０に結合され、第１外壁２１を通り、入口マニホールド２０を軸方向に（すなわち、入口マニホールドの幅方向に）通って中央マニホールド３１まで延び、それにより、排ガスが１または複数の排ガス入口１０から孔２５を通って熱反応チャンバ３０内へと実質的に妨げられることなく流れることを可能にしている。いくつかの実施形態では、１または複数の排ガス入口１０が、入口マニホルド２０の幅全体にわたって（孔２５を通って）中央チャンバ３１まで延び、すなわち、第１内部透過性面２３またはその近傍で終端となっている。他の実施形態では、１または複数の排ガス入口１０が、中央チャンバ３１へと、入口マニホールド２０の幅の少なくとも約９０％（孔２５を通って）延在している。さらに他の実施形態では、１または複数の排ガス入口１０が、中央チャンバ３１へと、入口マニホールド２０の幅の少なくとも約８５％、８０％、７５％、７０％、６５％、６０％、５５％、５０％、４０％、３０％または２５％（孔２５を通って）延在している。さらに他の実施形態では、１または複数の排ガス入口１０および少なくとも１の孔２５が、内部透過性面２３またはその近傍に終端点を有する別々の同心管を含む。好ましい実施形態では、内部透過性面２３が、排ガス入口１０から孔２５を通って中央チャンバ３１に至る排ガスの流れを、覆ったり、被覆したり、あるいは他の方法で妨げたりすることはない。
【００１９】
図１に示すように、プレナム入口２４は第１プレナムチャンバ２２の周縁部に配置されているのに対して、孔２５は、例えばプレナムチャンバの中央領域において、プレナムチャンバを軸方向に通って延びている。入口マニホールド２０は、１または複数の排ガス入口１０から入口マニホールド２０を通って熱反応チャンバ３０に至る排ガスの伝達を可能にするように構成された１、２、３、４、５、６またはそれ以上の孔を備えることができる。１または複数の孔は、幾何学的配置構成および／または位置が排ガス入口から熱反応チャンバへの排ガスの流れを実質的に妨げない限り、任意の幾何学的配置構成で、かつ／または他の孔および入口マニホルドの他の任意の構成要素に対する位置に、配置することができる。
【００２０】
本開示に係る１または複数の孔は、１または複数の排ガス入口から反応チャンバへの排ガスの供給に合った様々な形状および寸法を有することができる。特定の実施形態では、少なくとも１の孔の直径が、約１／４インチ〜約４インチの範囲にある。他の実施形態では、少なくとも１の孔の直径が、約１／２インチ〜約２インチの範囲にある。さらに他の実施形態では、少なくとも１の孔の直径が、約３／４インチ〜約１＋１／４インチの範囲にある。さらに別の実施形態では、少なくとも１の孔の直径が約１インチである。２以上の孔を含む本開示の実施形態では、そのような実施形態の孔が、互いに同じかまたは異なる直径を有することができる。
【００２１】
さらに、孔（これを介して１または複数の排ガス入口が排ガスを熱反応チャンバ内に伝える）内およびその近傍での固体粒状物質の堆積をさらに防ぐために、１または複数の孔が１または複数の微細孔を含むようにしてもよい。そのような１または複数の微細孔は、第１または第２プレナムチャンバと流体連通するようにしてもよく、それにより、排ガス以外の少量のガス（例えば、空気、窒素または不活性ガス）をプレナムチャンバから１または複数の微細孔を通して、孔壁と排ガス入口壁との間の孔の１または複数の側壁に沿って、熱反応チャンバ内に流すことができる。特定の実施形態では、１または複数の微細孔の直径が約０．０１〜約０．２５インチのサイズの範囲にある。特定の他の実施形態では、１または複数の微細孔の直径が約０．０３１〜約０．０６３インチ（または約１／３２〜約１／１６インチ）のサイズの範囲にある。２以上の微細孔を有する実施形態では、微細孔が同じサイズであっても異なるサイズであってもよい。
【００２２】
図１を再び参照すると、熱反応チャンバ３０は、入口マニホールド２０を通る通路を提供する少なくとも１の孔２５を介して１または複数の排ガス入口１０から排ガスを受け入れるように構成されている。熱反応チャンバ３０はさらに、第１プレナムチャンバ２２から第１透過性内壁２３を介して第１ガス（例えば、空気、窒素または不活性ガス）を受け入れるように構成されている。熱反応チャンバ３０は、中央チャンバ３１を含み、そこで、燃焼が起こり、燃焼生成物が排ガスと相互作用して、環境への排出前に、排ガスを容易に処理および除去できる生成物にほぼ完全に変換することができる。中央チャンバ３１は、第２プレナムチャンバ３２に隣接するか、少なくとも部分的に取り囲まれるか、または実質的に完全に取り囲まれるようにしてもよい。中央チャンバ３１と第２プレナムチャンバ３２は、第２透過性内壁３３によって分離されている。第２プレナムチャンバ３２は、プレナム入口３４をさらに備え、プレナム入口は、第２プレナムチャンバ３２を通って第２内部透過性壁３３への第２ガス（例えば、空気、窒素、不活性ガス、酸化剤、燃料など）の供給を受け入れるように構成されている。第２プレナムチャンバ３２は、第２外壁３５によって規定されているか、または少なくとも部分的に規定されている。特定の実施形態では、第２ガスが、酸化剤、不燃性ガスまたは燃焼性ガスを含むことができ、より具体的には、第２ガスが、窒素、酸素、空気、水素、ガス状炭化水素またはそれらの混合物を含むことができる。
【００２３】
コントローラは、プレナム入口２４，３４からプレナムチャンバ２２，３２内にそれぞれ通過する第１ガス、第２ガス、または第１ガスと第２ガスの両方の流れを維持するように構成されている。コントローラはさらに、第１透過性内壁２３および／または第２透過性内壁３３の少なくとも一部の表面での、例えば、燃料ガスまたは可燃性ガス混合物の燃焼を制御するように構成されている。
【００２４】
図１に示す実施形態では、第１透過性内壁２３の表面の少なくとも一部が、不燃性ガスを含む混合物を透過するように構成され、第２透過性内壁３３の少なくとも一部が、可燃性ガスを含む混合物を透過するように構成されたバーナー面４０を含む。
【００２５】
本開示に係るバーナー面は、気体または液体燃料またはそれらの組合せの燃焼反応を安定化させる透過性面の領域として定義することができる。図２は、可燃性ガスを含む混合物を透過させるように構成されたバーナー面を有する例示的なバーナーモジュールを示している。より具体的には、図２は、パン型多孔質繊維層バーナー４の長さ方向に横断する断面図を示している。金属パン４１は側壁４３を有し、側壁４３の端部４６にスクリーン４５が溶接されている。セラミックおよび／または金属繊維の多孔質層４０を、スクリーン４５上に配置して取り付けることができる。多孔質層４０は出口表面を提供し、そこで、例えば、燃料ガス（例えば、メタン、エタン、プロパン、ブタンまたは天然ガス）と空気の混合物を含む可燃性ガスの混合物が、可視炎なしで燃焼して光を放つ。可燃性ガスは、バーナープレナムチャンバ４２、供給ライン４４を通ってバーナー４に供給されるようにしてもよく、供給ライン４４は金属パン４１に接続されるようにしてもよい。特定の実施形態では、本開示に従って使用するためのバーナーモジュールが、可燃性ガスまたは可燃性ガスの混合物から本質的になる混合物を透過させるように構成することができる。本開示に従って使用できる他の例示的なバーナーモジュールは、米国特許第８，２１５，９５１号、第５，４３９，３７２号および第５，３２６，６３１号に記載されており、その各々は本明細書に援用されるものとする。
【００２６】
図３は、不燃性ガスを含む混合物を透過させるように構成された例示的な非バーナー透過性壁モジュールを示している。この非バーナー透過性壁モジュール５は、外壁５１および側壁５３を有し、スクリーン５５が側壁５３の端部５６に溶接されている。高温金属繊維の多孔質層５０は、スクリーン５５上に置かれて取り付けられるようにしてもよい。非バーナー透過性壁面５０は、例えば、不活性ガス、窒素、空気またはそれらの組合せを含む不燃性ガスの出口表面を提供する。不燃性ガスは、プレナム入口５４によってモジュールに供給される。排ガスを反応ゾーン（すなわち、熱反応チャンバ）に供給するための１または複数の管（すなわち、供給ライン）５７は、外壁５１を貫通するようにしてもよく、図３に示すように、モジュールを部分的にまたは完全に通り抜けて、非バーナー透過性壁面５０まで延びるか、または非バーナー透過性壁面を通って延びるようにしてもよい。特定の実施形態では、本開示に従って使用するための非バーナー透過性壁モジュールは、不燃性ガスまたは不燃性ガスの混合物から本質的になる混合物を透過させるように構成することができる。
【００２７】
本開示の廃棄物削減システムの一実施形態では、図１に示すように、第２透過性内壁３３の表面の少なくとも一部が、可燃性ガスを含む混合物を透過させるように構成されたバーナー面を含み、第２透過性内壁３３の表面の少なくとも一部が、不燃性ガスを含む混合物を透過させるように構成されている。より具体的には、特定の実施形態では、第２透過性内壁３３の表面の１００％が、可燃性ガスを含む混合物を透過するように構成されたバーナー面を含む。別の実施形態では、第２透過性内壁３３の表面の少なくとも９０％が、可燃性ガスを含む混合物を透過するように構成されたバーナー面を含む。さらに別の実施形態では、第２透過性内壁３３の表面の少なくとも８０％が、可燃性ガスを含む混合物を透過するように構成されたバーナー面を含む。さらに別の実施形態では、第２透過性内壁３３の表面の少なくとも７５％が、可燃性ガスを含む混合物を透過するように構成されたバーナー面を含む。さらに別の実施形態では、第２透過性内壁３３の表面の少なくとも７０％が、可燃性ガスを含む混合物を透過するように構成されたバーナー面を含む。さらに別の実施形態では、第２透過性内壁３３の表面の少なくとも６０％が、可燃性ガスを含む混合物を透過するように構成されたバーナー面を含む。さらに別の実施形態では、第２透過性内壁３３の表面の少なくとも５０％が、可燃性ガスを含む混合物を透過するように構成されたバーナー面を含む。さらに別の実施形態では、第２透過性内壁３３の表面の少なくとも４０％が、可燃性ガスを含む混合物を透過するように構成されたバーナー面を含む。さらに別の実施形態では、第２透過性内壁３３の表面の少なくとも３０％が、可燃性ガスを含む混合物を透過するように構成されたバーナー面を含む。さらに別の実施形態では、第２透過性内壁３３の表面の少なくとも２５％が、可燃性ガスを含む混合物を透過するように構成されたバーナー面を含む。さらに別の実施形態では、第２透過性内壁３３の表面の少なくとも２０％が、可燃性ガスを含む混合物を透過するように構成されたバーナー面を含む。さらに別の実施形態では、第２透過性内壁３３の表面の少なくとも１０％が、可燃性ガスを含む混合物を透過するように構成されたバーナー面を含む。さらに別の実施形態では、第２透過性内壁３３の表面の少なくとも５％が、可燃性ガスを含む混合物を透過するように構成されたバーナー面を含む。反対に、上述した実施形態の何れかにおいては、第１透過性内壁２３の少なくとも５％、１０％、２０％、２５％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、７５％、８０％、９０％または９９％、および最大１００％が、不燃性ガスを含む混合物を透過させるように構成されている（すなわち、非バーナー面である）。例示的な実施形態では、第２透過性内壁３３の表面の１００％が、可燃性ガスを含む混合物を透過させるように構成されたバーナー面を含み、第１透過性内壁２３の表面の１００％が、不燃性ガスを含む混合物を透過させるように構成されている。
【００２８】
代替的な実施形態は、図１の全ての構成要素を含むが、第１透過性内壁２３の表面の１００％が、可燃性ガスを含む混合物を透過させるように構成されたバーナー面４０を含む点のみが異なる。別の実施形態では、第１透過性内壁２３の表面の少なくとも９０％が、可燃性ガスを含む混合物を透過させるように構成されたバーナー面４０を含む。さらに別の実施形態では、第１透過性内壁２３の表面の少なくとも８０％が、可燃性ガスを含む混合物を透過させるように構成されたバーナー面４０を含む。さらに別の実施形態では、第１透過性内壁２３の表面の少なくとも７５％が、可燃性ガスを含む混合物を透過させるように構成されたバーナー面４０を含む。さらに別の実施形態では、第１透過性内壁２３の表面の少なくとも７０％が、可燃性ガスを含む混合物を透過させるように構成されたバーナー面４０を含む。さらに別の実施形態では、第１透過性内壁２３の表面の少なくとも６０％が、可燃性ガスを含む混合物を透過させるように構成されたバーナー面４０を含む。さらに別の実施形態では、第１透過性内壁２３の表面の少なくとも５０％が、可燃性ガスを含む混合物を透過させるように構成されたバーナー面４０を含む。さらに別の実施形態では、第１透過性内壁２３の表面の少なくとも４０％が、可燃性ガスを含む混合物を透過させるように構成されたバーナー面４０を含む。さらに別の実施形態では、第１透過性内壁２３の表面の少なくとも３０％が、可燃性ガスを含む混合物を透過させるように構成されたバーナー面４０を含む。さらに別の実施形態では、第１透過性内壁２３の表面の少なくとも２５％が、可燃性ガスを含む混合物を透過させるように構成されたバーナー面４０を含む。さらに別の実施形態では、第１透過性内壁２３の表面の少なくとも２０％が、可燃性ガスを含む混合物を透過させるように構成されたバーナー面４０を含む。さらに別の実施形態では、第１透過性内壁２３の表面の少なくとも１０％が、可燃性ガスを含む混合物を透過させるように構成されたバーナー面４０を含む。さらに別の実施形態では、第１透過性内壁２３の表面の少なくとも５％が、可燃性ガスを含む混合物を透過させるように構成されたバーナー面４０を含む。反対に、上述した実施形態の何れかにおいては、第２透過性内壁３３の少なくとも５％、１０％、２０％、２５％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、７５％、８０％、９０％または９９％、および最大１００％が、不燃性ガスを含む混合物を透過させるように構成されている（すなわち、非バーナー透過性壁面、図１の符号５０である）。例示的な実施形態では、第１透過性内壁２３の表面の１００％が、可燃性ガスを含む混合物を透過させるように構成されたバーナー面４０を含み、第２透過性内壁３３の表面の１００％が、不燃性ガスを含む混合物を透過させるように構成されている。
【００２９】
図４は、本開示の態様に係る排ガス削減システムの熱反応チャンバの内部の一実施形態を下から見た図である。図４を参照すると、熱反応チャンバの１または複数の第２内部透過性壁３３（１または複数の出口面４０を含む）は、可燃性ガスを含む混合物を透過させるように構成され、天井面１５は、不燃性ガスを含む混合物を透過させるように構成されている。図４に示す熱反応チャンバは、中央反応チャンバ３１を形成するように配置された４つのバーナーモジュール４（例えば、図２に示すバーナーモジュール）を有する。バーナーモジュール４は、隣接するバーナーの側壁４３に接合された難燃性ポスト４７と互いに直角に交わり、それにより、ガスが、隣接するバーナーモジュール４の垂直接合線４８に沿って漏れないようになっている。非バーナー透過性壁モジュール（例えば、図３に示すような非バーナー透過性壁モジュール５）は、バーナーモジュール４の縁部に取り付けることができ、それにより、全体として、または部分的に天井面１５を形成して、中央チャンバ３１の第５の面（すなわち、頂部または天井）として機能することができる。この配置によって、４つのバーナーモジュール４は、バーナーモジュール４の出口面と非バーナー透過性壁モジュール５とにより囲まれた中央チャンバ３１を有する内向き燃焼炉として機能する。排ガスは、排ガス入口を通って、紙面に対して垂直な経路において１または複数の孔２５を通って、中央チャンバ３１内に進むことができる。中央チャンバ３１に入ると、排ガスは、紙面に対して垂直な、透過性壁モジュール面１５を取って進むガスの流れによって、非バーナー透過性壁モジュール表面１５から遠ざけられるようにしてもよい。第２内部透過性壁３３からの燃焼生成物は、排ガスの経路に対して垂直に進んで、排ガスの分解を助け、これは、本開示に従って使用するのに適した炉が１または複数のバーナーモジュールと１または複数の非バーナー透過性壁モジュールを備えることができることを実証している。
【００３０】
他の実施形態は、図１の構成要素のすべてを含むが、第１透過性内壁２３の表面の少なくとも一部が、可燃性ガスを含む混合物を透過させるように構成された表面を有するリング状バーナーである点のみが相違する。別の実施形態では、第２透過性内壁３３の表面の少なくとも一部が、可燃性ガスを含む混合物を透過させるように構成された表面を有するリング状バーナーである。さらに別の実施形態では、第１透過性内壁２３の一部および第２透過性内壁３３の一部がリング状バーナーからなり、各々が、可燃性ガスを含む混合物を透過させるように構成された表面を有する。さらに別の実施形態では、第１透過性内壁２３が同心リング状バーナーを含み、リング状バーナー間にギャップを有し、不燃性ガスを含む混合物を透過させるように構成された透過性内壁面から構成されている。さらに別の実施形態では、第２透過性内壁３３が、バーナー面と不燃性ガスを透過させるように構成された表面とが垂直方向に交互に配置されたリングを備える。リング状バーナーを含む特定の例示的な実施形態では、リング幅を、入口マニホールドおよび／または熱反応チャンバの半径の約１５％〜約５０％の範囲とすることができる。
【００３１】
図１の実施形態を含む特定の実施形態では、第１透過性内壁２３が、熱反応チャンバ３０の上面（例えば、実質的に水平な天井）の少なくとも一部または実質的にすべてを含み、第２透過性内壁３３が、熱反応チャンバ３０の側壁（例えば、実質的に垂直な柱）の少なくとも一部または実質的にすべてを含む。別の実施形態では、第１透過性内壁２３が、熱反応チャンバの側壁（例えば、実質的に垂直な柱）の少なくとも一部または実質的にすべてを含み、第２透過性内壁３３が、熱反応チャンバ３０の上面（例えば、実質的に水平な天井）の少なくとも一部を含む。一実施形態では、透過性内壁が、天井に近接する側壁の上部から、熱反応チャンバの底部に近接する側壁の下部まで延在することができる。さらに別の実施形態では、透過性内壁が、側壁の長さの少なくとも１０％から１００％未満まで延びることができ、例えば、側壁の長さの少なくとも２０％から８０％未満まで延びることができ、あるいは、側壁の長さの少なくとも３０％から５０％未満まで延びることができる。透過性内壁は、反応チャンバの中心軸を中心にして少なくとも部分的に周方向に延びるようにしてもよく、あるいは反応チャンバの中心軸を中心に３６０度全体に延びるようにしてもよい。例えば、透過性内壁は、反応チャンバの中心軸を中心に少なくとも９０度から最大３６０度まで延びることができる。さらに別の実施形態では、中心軸の周りに複数の透過性内部分を設けることができ、個々の透過性内部分の幅が１０度以下から９０度以上の範囲である。
【００３２】
ここに記載の各実施形態では、第１および第２透過性内壁が特定の表面積比を有するように入口マニホールドおよび熱反応チャンバを構成することが有利となり得る。図１を参照すると、例示的な実施形態では、第１透過性内壁２３および第２透過性内壁３３が、約１：１〜約１：１０の範囲の表面積比を有する。別の実施形態では、第１透過性内壁２３および第２透過性内壁３３が、約１：２〜約１：５の範囲の表面積比を有する。特定の好ましい実施形態では、第１透過性内壁２３および第２透過性内壁３３が、約１：２、１：３、１：４または１：５の表面積比を有する。
【００３３】
排ガス削減システム１を構成する入口マニホルドおよび熱反応チャンバは、任意の望ましい三次元形状を形成することができる。特定の実施形態では、入口マニホールドおよび熱反応チャンバが、単独でまたは組合せにより、立方体、直方体または円筒を形成することができる。好ましい実施形態では、図１に示すように、入口マニホールド２０および熱反応チャンバ３０が実質的に円筒形である。第１および第２透過性内壁は、それらがその一部となる入口マニホールドおよび／または熱反応チャンバと同じか又は異なる任意の望ましい形状を同様に形成することができる。より具体的には、第１透過性内壁および第２透過性内壁の一方または両方は、実質的に平坦（例えば、実質的に二次元の長方形またはディスク）、立方体、円筒形、またはガス透過性を含むそれらの機能が維持されることを可能にする任意の形状とすることができる。好ましい実施形態では、図１に示すように、第１透過性内壁２３が実質的に平坦でディスク状であり、第２透過性内壁３３が円筒形である。
【００３４】
一実施形態では、入口マニホールドが実質的に円筒形であり、長さと直径の比が約１：１〜約１：６である。別の実施形態では、入口マニホールドが実質的に円筒形であり、長さと直径の比が約１：２〜約１：５である。さらに別の実施形態では、入口マニホールドが実質的に円筒形であり、長さと直径の比が約１：２〜約１：６である。さらに別の実施形態では、入口マニホールドが実質的に円筒形であり、長さと直径の比が約１：２〜約１：４である。さらに別の実施形態では、入口マニホールドが実質的に円筒形であり、長さと直径の比が約１：１、１：２、１：３、１：４、１：５または１：６である。
【００３５】
一実施形態では、熱反応チャンバが実質的に円筒形であり、長さと直径の比が約１：４〜約１０：１である。別の実施形態では、熱反応チャンバが実質的に円筒形であり、長さと直径の比が約１：２〜約８：１である。
【００３６】
本開示に係る内部透過性壁は、熱反応チャンバ環境における透過性壁としての使用に適した特性を有する任意の材料を含む様々な材料から製造することができる。いくつかの実施形態では、一方または両方の透過性内壁が、セラミック発泡体、金属発泡体、セラミック繊維またはセラミック繊維の透過性マトリックス、金属繊維または金属繊維の透過性マトリックス、またはそれらの組合せから製造される。金属繊維を含む実施形態では、金属繊維は焼結されていても、焼結されていなくてもよい。特定の実施形態では、内部透過性壁は、その表面に固体が堆積した場合に洗浄に耐えることができるように耐久性があり、高温（例えば、１８００°Ｆ超）に耐えることができ、耐腐食性であり、かつ割れが生じ難い材料で構成されている。好ましい実施形態では、一方または両方の透過性内壁が、鉄、クロム、ニッケル、アルミニウム、またはそれらの組合せ若しくは合金を含む高温金属合金を含む。一方または両方の透過性内壁の流動抵抗は、関連する透過性内壁が流体連通するプレナム内部で比較的低い温度（例えば、室温）を維持するのに十分であり、そのような流動抵抗が、パージガス（例えば、空気、窒素、不活性ガスまたはそれらの組合せ）を内部透過性壁の表面に分配するのに十分であることが好ましい。任意選択的には、一方または両方の内部透過性壁を基材上に形成することができ、例示的な実施形態では、基材が有孔鋼板である。特定の実施形態では、一方または両方の透過性壁が、毎秒約０．０５〜約１０フィートの範囲で、より具体的には、毎秒約０．１〜約０．４フィートの範囲で、パージガスの流量（速度）を達成するように構成されるものであってもよい。他の実施形態では、一方または両方の透過性壁が、約５０％〜約９９．９％の範囲の多孔率／空隙体積率を有することができる。さらに他の実施形態では、一方または両方の透過性壁が、少なくとも約５０％、５５％、６０％、６５％、７０％、７５％、８０％、８５％、９０％、または９５％の多孔率／空隙体積率を有することができる。本開示の実施形態の１または複数の透過性壁の相対的に高い多孔率／空隙体積率は、有利には、望ましくない固体副生成物の堆積に利用可能な反応チャンバ内の表面積を最小化し、それにより本明細書に記載のシステムの性能を改善することができる。
【００３７】
内部透過性壁２３，３３の厚さおよび組成は、プレナムチャンバ２２，３２から内部透過性壁２３，３３を通るガスの流れを大きく補助または制限する。内部透過性壁２３，３３は、約０．１２５インチ〜約２インチの範囲の平均厚さを有することができる。特定の実施形態では、内部透過性壁２３，３３が、約０．２５インチ〜約２インチの範囲の平均厚さを有することができる。特定の実施形態では、内部透過性壁２３，３３が、約０．２５インチ〜約０．７５インチの範囲の平均厚さを有することができる。特定の実施形態では、内部透過性壁２３，３３が、約０．２５インチ〜約１インチの範囲の平均厚さを有することができる。一実施形態では、内部透過性壁２３，３３が、０．１２５インチの平均厚さを有することができる。別の実施形態では、内部透過性壁２３，３３が、０．２５インチの平均厚さを有することができる。さらに別の実施形態では、内部透過性壁２３，３３が、０．４インチの平均厚さを有することができる。さらに別の実施形態では、内部透過性壁２３，３３が、０．５インチの平均厚さを有することができる。さらに別の実施形態では、内部透過性壁２３，３３が、０．６インチの平均厚さを有することができる。さらに別の実施形態では、内部透過性壁２３，３３が、０．７５インチの平均厚さを有することができる。さらに別の実施形態では、内部透過性壁２３，３３が、１インチの平均厚さを有することができる。さらに別の実施形態では、内部透過性壁２３，３３が、１．２５インチの平均厚さを有することができる。さらに別の実施形態では、内部透過性壁２３，３３が、１．５インチの平均厚さを有することができる。さらに別の実施形態では、内部透過性壁２３，３３が、１．７５インチの平均厚さを有することができる。さらに別の実施形態では、内部透過性壁２３，３３が、２インチの平均厚さを有することができる。内部透過性壁２３、３３の平均厚さは、用途に応じて、または、低減される排ガス、使用される可燃性および不燃性ガス、利用可能な内部透過性壁の材料などを含む他の要因に応じて、同じとしても、あるいは異なるようにしてもよい。
【００３８】
特定の実施形態では、本開示に係る排ガス削減システムが、任意選択的に、熱反応チャンバの反応ゾーンを出るガスを急速に冷却するための冷却塔を含む。冷却塔は、例えば、米国特許第５，６０３，９０５号に記載されているような湿式急冷およびスクラバ、あるいはガス流を利用して、出て行くガスと混合して冷却する乾式急冷を含むことができる。そのような湿式冷却塔は、その上端部の周囲に環状トラフを有することができ、それが熱反応チャンバの開放端部（例えば、底部開放端部）と位置合わせされる。供給ラインを介して環状トラフに水が供給されて、冷却塔をオーバーフローし、塔の内面に沿った下方への水の連続的な流れを与え、それにより反応チャンバから離れる反応生成物流を冷却し、その流れ中の粒子が冷却塔の内面に付着するのを防止することができる。ガス流および水は、冷却塔の下端部からセパレータ内に排出され、セパレータは、固体粒子状物質およびＨＦ、ＨＣｌおよびＳＯ２のような可溶性化合物を含有する水を抜き出すための排水管を有する。冷却されたガス流は、セパレータから管を通って出て、多くの既知の形態の何れかのスクラバを通過し、そこで、セパレータを出るガス流中の残留可溶性化合物が捕捉される。洗浄されたガスは、環境的に安全な排気として大気に放出される。
【００３９】
本開示の排ガス削減システムは、ヘキサフルオロエタン（Ｃ２Ｆ６）およびテトラフルオロメタン（ＣＦ４）のような高い温室効果ガス指数を有する排ガス、およびシラン（ＳｉＨ４）のような粒子形成ガスの大幅な分解のために設計および試験されている。具体的に、一実施形態では、本開示の排ガス削減システムが、ペルフルオロカーボンについて８５％を超える分解除去効率（ＤＲＥ、ＥＰＡ試験プロトコル４３０−Ｒ−１０−００３または同様のプロトコルによって測定される）を有する。別の実施形態では、本開示の排ガス削減システムが、ペルフルオロカーボンについて９０％を超えるＤＲＥを有する。別の実施形態では、本開示の排ガス削減システムが、ペルフルオロカーボンについて９５％を超えるＤＲＥを有する。別の実施形態では、本開示の排ガス削減システムが、ペルフルオロカーボンについて９７．５％を超えるＤＲＥを有する。別の実施形態では、本開示の排ガス削減システムが、ペルフルオロカーボンについて９９％を超えるＤＲＥを有する。好ましい実施形態では、本開示の排ガス削減システムが、テトラフルオロメタンについて９５％を超えるＤＲＥを有する。ペルフルオロカーボンの分解に対するその高い能力に加えて、本発明の排ガス低減システムは、シランを効率的に分解する。一実施形態では、例えば、本開示の排ガス低減システムが、シランについて９０％を超えるＤＲＥを有する。他の実施形態では、本開示の排ガス削減システムが、シランについて９５％を超えるＤＲＥを有する。さらに別の実施形態では、本発明の排ガス削減システムが、シランについて９９％を超えるＤＲＥを有する。
【実施例】
【００４０】
以下の非限定的な実施例は、本発明をさらに説明するために提供されるものである。当業者によって理解されるように、以下の実施例に開示される技術は、本発明者等が本発明の態様の実施において良好に機能することを見出したアプローチを示しており、よってその実施のためのモードの例を構成すると考えることができる。しかしながら、当業者によって理解されるように、本開示に鑑みて、開示された特定の実施形態に多くの変更を加えることができ、その場合においても、本発明の主旨および範囲から逸脱することなく、同様または類似の結果を得ることができる。
【００４１】
実施例１−例示的な実施形態による６×７および３×７バーナー上のシリカの堆積
特にシリカまたは他のケイ素含有固体からの、固体堆積に対する耐性を調べるために、図１と同様の構成を有する炉内で試験を行った。第２透過性内壁（図１の符号３３に対応）は、内径７インチ、高さ６インチの寸法であった。第１透過性内壁（図１の符号２３に対応する）は、排ガスを反応チャンバ３０内に搬送するための６つの孔２５を有する天井を形成する７インチのディスクであった。各排ガス管に、毎分５０リットルの窒素を含有するガス流を供給した。毎分２リットルの追加のシランを１本の排ガス管に供給した。排ガスの分解を助けるために天然ガスおよび過剰の空気を第２透過性壁を通して供給し、反応領域で生成されるシリカを遠ざけるために毎分５０リットルの清浄な乾燥空気を第１透過性壁に供給した。６４８０リットルのシランが消費された後、シリカの堆積について多孔質表面を検査した。第１透過性壁には、表面に０．１５立方インチ未満のシリカの堆積があったが、排ガスノズルからの流れは、図５に示すように、妨げられることはなかった。
【００４２】
実施例２−例示的な実施形態以外の６×７バーナー上のシリカの堆積
第１透過性壁を非透過性の耐火面で置き換えたことを除いて、実施例１に記載したものと同じ反応チャンバを用いて比較試験を行った。毎分２リットルの流量で２１６０リットルのシランを消費した後、０．７５立方インチを超えるシリカが不透過性の耐火面および排ガスノズルに付着した。シリカの大部分は、排ガスノズルの底部での堆積として観察され、図６に示すように、反応ゾーン内に延びるシリカの管状構造を形成した。この量のシリカ堆積は、ペルフルオロカーボンの分解効率に悪影響を及ぼすであろう。これらの試験から、本発明はシリカの蓄積を９０％以上減少させることができると云える。
【００４３】
実施例３−例示的な実施形態による６×７バーナー上のＣＦ４およびＮＦ３試験
（実施例１に記載されているように）第１透過性壁によってもたらされる固体堆積に対する抵抗の増加がＣＦ４およびＮＦ３などの厄介な物質の分解を妨げないようにするために更なる試験を行った。ＣＦ４とＮＦ３は熱燃焼によって分解するのが困難であるため、それらをベンチマークガスとして選択した。実験の開始時には、第１透過性壁を通って供給される相対的に低温の清浄な乾燥空気が反応ゾーンを急冷して分解効率を低下させることが予想された。しかしながら、驚くべきことに、ここに記載の試験は、反応チャンバの複数の透過性内面を介して導かれる不燃性ガスおよび可燃性ガス（またはガス混合物）の組合せの熱燃焼のための利用が、チャンバ表面の望ましくない固体粒子状物質の蓄積を効率的かつ効果的に防止することを示すものであった。
【００４４】
実施例１および２で述べたものと同じシステム構成で比較試験を行った。各システム構成に、排ガス管を通して、毎分５０リットルの窒素を含むガス流を供給した。実施例１のシステム構成では、毎分５０リットルの清浄な乾燥空気を第１透過性壁を通して供給した。実施例１および２のシステム構成の各々において、毎分０．２５リットルから始めて、毎分０．２５リットルの増分で毎分３リットルまで、ＮＦ３を１つの排ガス管に供給した。ＮＦ３の分解効率を流量の各増分で測定した。実施例１のシステム構成（第１透過性壁を有する）と実施例２のシステム構成（非透過性の耐火面を有する）との間で分解効率の差が１％未満であることが見出された。
【００４５】
ＮＦ３の代わりにＣＦ４を用いて試験を繰り返したが、結果は特に驚くべきものであった。各システム（ここでも実施例１および２に記載したようなシステム）に、毎分０．１リットルから始めて、毎分０．１リットルの増分で毎分１リットルまでのＣＦ４を含むガス流を、排ガス管を通して供給した。標準的な技法によって反応を助けるために、この排ガス管に追加の燃料および酸化剤を、補助ガス入口（例えば、図１において符号１４として示される）を通して供給した。実施例２のシステム構成（非透過性の耐火面を有する）よりも、実施例１のシステム構成（第１透過性壁を有する）によって供給された清浄な乾燥空気の方が、ＣＦ４分解がより多く、かつより合っていることが分かった。多孔質表面を有するＣＦ４の分解効率は９７％〜９７．３％の範囲であった。多孔質表面のないＣＦ４の分解効率は９５．２％〜９６．５％の範囲であった。業界標準は９５％超である。
【００４６】
ＣＦ４とＮＦ３を同時に複数の排ガス管に供給して試験を繰り返した。結果は上述した結果と同じか、またはそれ以上であった。問題のあるガスの分解により多くの排ガス管を使用すると、反応ゾーン内の温度の上昇および均一性により、分解効率はより容易に達成される。
【００４７】
第１透過性壁を通る空気流量の影響を、毎分５０リットルから毎分１５０リットルに流量を変えることによってさらに試験した。固体に抵抗する能力は、流量の増加とともに増加することが分かった。ＮＦ３の分解効率は流れの増加とともに減少し、毎分５０リットルをこの特定の形状についての理想的な流量とした。ＣＦ４の分解効率は、多孔質表面への流れが増加するにつれて増加した。
【００４８】
上述した結果を検証するために、異なる反応ゾーン形状を用いて更なる試験を行った。６つの代わりに４つの排ガス入口を有する直径６インチおよび長さ６インチの反応ゾーンを試験した。結果は前述したものと非常によく一致していた。
【００４９】
実施例４および５−例示的な実施形態による６×６バーナーの実地試験
実験室試験が成功した後、商業用半導体プロセスで作動する２つの現場設備で更なる試験を行った。選択した現場は、第三者により運転され、大量のシリカを生産した。試験が開始される前、それら現場は実施例２に記載された構成と同様の反応チャンバを含むシステムを設置しており、第１透過性壁は存在しなかったが、その代わりに、非透過性の耐火面が存在していた。この構成では、機械のオペレータが、反応チャンバ内の固体堆積に起因する頻繁な運転停止を経験し、その結果、ユニットを開けて固体を除去する必要があった。透過性表面を設置して、６ヶ月にわたって作動させた。この間に、反応チャンバ内のシリカ堆積は著しく減少した。
【００５０】
実施例４の現場では、要求されるサービス間のウェハのスループットが、多孔質表面を設置した後に、平均３．４倍に増加した。実施例５の現場では、多孔質面を設置した後に、サービス間の時間が２倍に増加したが、ウェハ堆積量（堆積した全厚）も２倍に増加した。
【００５１】
以上に鑑みれば、本開示のいくつかの目的が達成され、他の有利な結果が得られることが理解されよう。しかしながら、当業者には明らかなように、本発明のシステムおよび方法について多くの変更、変形、修正、並びに、他の使用および応用が可能である。本開示の主旨および範囲から逸脱しない、そのようなすべての変更、変形、修正、並びに、他の使用および応用は、本開示によって網羅されると見なされ、それは、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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