以電漿結合觸媒破壞去除NF3
之初步研究

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李曼君(Man-Chun Lee) 查詢紙本館藏

畢業系所

環境工程研究所

論文名稱

以電漿結合觸媒破壞去除NF3 之初步研究
(NONE )

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摘要(中)

全氟化物因為具有穩定、安全、不自燃、低毒性以及常溫下不易起化學反應等優點，自從1930年代發明以來，被廣泛應用於工業生產，尤其是半導體製程。但是全氟化物中的氟原子與碳、氮、硫之間的分子鍵有很強的紅外光吸收能力，會造成溫室效應的日益嚴重。因此，如何有效控制溫室效應氣體的排放以減緩地球暖化趨勢，已成為世界各國之科學家努力研究的目標。
以半導體業來說，他們面對PFCs的排放控制有幾個策略，包括採用替代的化學物、回收再利用以及破壞削減等方法。而相較於替代化學物之開發不易，回收再利用的高成本，破壞削減是現階段比較可行的方向。而破壞削減的方式有燃燒破壞、觸媒熱裂解以及電漿破壞。本研究選擇具有高溫(中心溫度可達3,000℃以上)且低耗能(相對於燃燒法)等特點的電漿技術，再結合有降低活化能特質的觸媒技術，期能獲得高效能且省能源的解決途徑。
研究結果顯示在300 ℃下，Ni觸媒以及Pd觸媒分別在氧氣添加量為9.5%以及不加氧氣的條件下，對於轉化NF3都有良好的轉化率，如併用電漿，效果可再提升20 %以上；除此之外，加上電漿可以減緩觸媒經過時間轉化率下降的趨勢。能量效率方面，在此粗略估計實際應用在反應器的能量若能佔整個系統能量的18 %以上，電漿結合觸媒就會比單純使用觸媒具有競爭力。
產物方面，無論是電漿破壞或者是觸媒轉化，主要產物皆為NO、NO2以及N2O，對照最終產物以及反應速率常數，大致推測NF3的氧化途徑，但是因為氟化物監測上的困難，所以不甚完整，仍待後續研究深入探討。

摘要(英)

Due to their stability, safety and low toxicity, PFCs are widely used in industrial production, especially semiconductor manufacturing processes. But molecular bonds between F and C、N、S have strong capacities on infrared rays absorption, they will aggravate global warming once emitted into the atmosphere. Thus, how to effectively control PFC emissions to alleviate the increasingly deteriorated phenomenon has become the focus of scientific researches.
In addition to increasing the efficiency of utilizing PFCs, the semiconductor industry applies alternative chemicals, recovery/recycle systems and abatement techniques. Owing to the difficulty in development of alternative chemicals and high cost in recovery/recycle systems, the abatement techniques have become the primary way to control PFC emissions at present stage. This study investigates the effectiveness of plasma technology which has high temperature (central temperature 3,000 ℃ up) and low energy consumption (compare to burning), combined with catalysis technology which can lower activation energy for NF3 removal.
Results of the study indicate that both Ni and Pd catalyst are good at destroying and removing NF3 in 300 ℃. Destruction and removal efficiency of NF3 can be enhanced by more than 20 % if combined with plasma. Besides, poison of the catalysts can be alleviated with plasma on. As for the energy efficiency, if more than 18 % of the input energy is devoted to the reactor, plasma combined with catalyst has a higher energy efficiency compared with catalyst-only cases.
Major products detected in this study include are NO、NO2 and N2O for both plasma and catalysis destruction of NF3. Due to the difficulty of fluoride measurement, products analysis is not complete in this investigation, further studies are needed to better understand the reaction mechanisms.

關鍵字(中)

★ 結合觸媒
★ 填充床
★ 介電質
★ 電漿
★ 三氟化氮
★ 三氟化物

關鍵字(英)

★ combined plasma catalysis
★ packed bed
★ dielectric barrier discharge
★ plasma
★ PFC
★ NF3 conversion

論文目次

目錄
圖目錄 IV
表目錄 VI
一、前言 1
研究緣起 1
研究目的 2
二、文獻回顧 3
2.1 全氟化物特性及應用 3
2.2 PFCs的排放管制及半導體業所採策略 8
2.3 電漿原理及應用 21
2.3.1 電漿原理 21
2.3.2 電漿應用 24
2.4 觸媒催化與應用 25
2.4.1 觸媒催化原理 25
2.4.2 觸媒應用 25
2.5 NF3的特性及應用 26
2.5.1 NF3特性 27
2.5.2 NF 3應用 31
2.5.3 NF 3的破壞去除研究 32
2.6 NF3在電漿中的轉化反應 33
三、實驗設備與方法 44
3.1 實驗設備 44
3.1.1 氣體供應系統 44
3.1.2 實驗參數控制系統 45
3.1.3 介電質放電系統 45
3.1.4 最終產物鑑定系統 49
3.2 實驗方法 49
3.2.1 介電質放電 50
3.2.2 填充床式 51
3.2.3單純觸媒升溫 52
3.2.4 觸媒結合電漿(室溫及高溫) 52
四、結果與討論 56
4.1介電質放電轉化NF3 56
4.1.1 Ar添加濃度對於NF3去除效果的影響 56
4.1.2 O2添加濃度對於NF3去除效果的影響 58
4.1.3 H2添加濃度對於NF3去除效果的影響 59
4.1.4 頻率對於NF3去除效果的影響 61
4.2 填充床式轉化NF3 62
4.2.1 O2添加濃度對於NF3去除效果的影響 63
4.2.2 H2添加濃度對於NF3去除效果的影響 64
4.3 單獨觸媒處理NF3 65
4.4電漿結合觸媒床轉化NF3 68
4.4.1 O2添加濃度對於NF3去除效果的影響(室溫) 68
4.4.2電漿結合觸媒的轉化效果 69
4.5 最終產物鑑定 71
4.5.1 介電質放電圖譜 71
4.5.2 填充床放電圖譜 74
4.5.3 觸媒床放電圖譜 76
4.5.4 各系統產物整理 80
4.6 能量效率的比較 82
4.7 氧化反應路徑之推估 83
五、結論 86
六、建議 87
七、參考文獻 88
圖目錄
圖2-1 PFC低溫回收流程 13
圖2-2 BOC Edward發展之TPU系統 16
圖2-3 日本Hiatchi公司發展PFCs處理設備CDS原型 18
圖3-2 介電質反應器 48
圖4-1 AR添加濃度對於NF3去除效果的影響 56
圖4-2 介電質放電中O2的添加濃度對於NF3去除效果的影響 59
圖4-3 介電質放電中H2的添加濃度對於NF3去除效果的影響 60
圖4-4 介電質放電中放電頻率對於功率的影響 61
圖4-5 介電質放電中放電頻率對於NF3去除率的影響 62
圖4-6 填充床中O2添加濃度對於NF3去除效果的影響 63
圖4-7 填充床中H2添加濃度對於NF3去除效果的影響 64
圖4-8 Ni觸媒轉化NF3 65
圖4-9 Pd觸媒轉化NF3 66
圖4-10 Ni及Pd觸媒在300 ℃時， NF3轉化率隨時間之變化 67
圖4-11 O2添加濃度對Ni觸媒轉化NF3效率的影響 68
圖4-12 O2添加濃度對Pd觸媒轉化NF3效率的影響 69
圖4-13 Pd觸媒在140℃下未施加電漿vs.施加電漿下的NF3轉化率 70
圖4-14 未添加氧氣以及氫氣的圖譜 71
圖4-15 未添加氧氣以及氫氣的DBD放電圖譜 72
圖4-16 以氧氣當平衡氣體的DBD放電圖譜 73
圖4-17 氣流中添加2%的氫氣DBD放電圖譜 74
圖4-18 氣流中添加9.5%的氧氣Al2O3床放電圖譜 75
圖4-19 氣流中添加0.5%的氫氣Al2O3床放電圖譜 76
圖4-20氣流中添加1.0%的氧氣經過Ni觸媒床之放電圖譜 77
圖4-21氣流中添加9.5%的氧氣經過Ni觸媒床圖譜 78
圖4-22氣流經過Pd觸媒床圖譜(300℃) 79
圖4-23氣流中添加9.5%的氧氣經過NI觸媒床之放電圖譜 80
圖4-24氣流經過Pd觸媒床之放電圖譜 80
圖4-25 NF3之氧化途徑(O2/Ar/N2) 85
表目錄
表2-1 全氟化物大氣中的濃度值、存活年限及GWP100比較 3
表2-2 半導體製程中使用PFCs氣體的種類以及流量 6
表2-3 熱電漿與非熱電漿之特性 23
表2-5 NF3—N2系統： 34
表2-6 NF3—Ar系統： 37
表2-7 NF3—N2—O2系統： 37
表2-8 NF3—N2—H2系統： 40
表3-1 鋼瓶氣體種類、濃度及來源 45
表3-2 氧化鋁擔體的性質 54
表4-1 各系統的產物整理 81
表4-2 能量效率的比較 83

參考文獻

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http://www.moonjeep.net/ecommerce/n.html N—夢之譜專業電子商務辭典
物質安全資料表，序號346，工研院工安衛中心。

指導教授

張木彬(Moo-Been Chang)

審核日期

2004-1-30

推文