四甲基氫氧化銨溶液的分解裝置的制作方法
本實用新型有關一種四甲基氫氧化銨(TMAH)溶液的分解裝置，主要是將四甲基氫氧化銨溶液、氧化劑以及觸媒混合，以產生氮氣以及醇類。
背景技術：
半導體制程中常采用四甲基氫氧化銨（TMAH，tetramethyl ammonium hydroxide）去除光阻，并且產生含四甲基氫氧化銨的廢水。由于四甲基氫氧化銨具有毒性，廢水不可直接排放，一般的作法是使用微生物或漂白水將廢水中的四甲基氫氧化銨分解后再排放。微生物分解四甲基氫氧化銨的速率慢，且須使用大面積的場地，無法符合目前半導體產業的需求。
使用漂白水分解四甲基氫氧化銨，一般是采用折點加氯法，通過反復在四甲基氫氧化銨廢水中加入次氯酸，并控制反應時的酸堿值在PH6至PH7之間，來達成分解四甲基氫氧化銨的目的。然而折點加氯法須耗用大量的次氯酸，且反應過程中因為要不斷的加次氯酸，酸堿值區間的控制難度高。此外，四甲基氫氧化銨與次氯酸反應氯化之后，與水作用又會還原成氨氮形式，大大的降低了分解效率，其分解效率約只有5%至10%。
技術實現要素：
本實用新型的一目的，在于提供一種四甲基氫氧化銨溶液的分解裝置。四甲基氫氧化銨溶液分解裝置主要包括一混合槽、至少一傳輸管及一觸媒槽，其中混合槽通過傳輸管連接觸媒槽。混合槽用以混合四甲基氫氧化銨溶液及氧化劑，并產生N(CH3)3ClOH，觸媒槽則用以容置一觸媒，并通過傳輸管由混合槽接收N(CH3)3ClOH及四甲基氫氧化銨溶液中的水分子。水分子與N(CH3)3ClOH反應產生NH(CH3)3OH，而觸媒則吸附水分子與N(CH3)3ClOH反應后產生的氧原子。NH(CH3)3OH、觸媒所吸附的氧原子以及水分子會反應產生氮氣以及醇類。此外四甲基氫氧化銨溶液、N(CH3)3ClOH、NH(CH3)3OH、氧化劑及/或鹽酸可經由傳輸管在混合槽以及觸媒槽之間流動，以達到混拌的效果，并增加氮氣以及醇類產生的效率。通過此裝置可使四甲基氫氧化銨溶液中的四甲基氫氧化銨去除率大于99%，并且可將半導體制程所產生的四甲基氫氧化銨廢水中的四甲基氫氧化銨濃度由4000ppm以下降至1ppm以下。
為達到上述目的，本實用新型提供一種四甲基氫氧化銨溶液的分解裝置，包括：一混合槽，用以混合一四甲基氫氧化銨溶液及一氧化劑，以產生一N(CH3)3ClOH，其中四甲基氫氧化銨溶液包括一四甲基氫氧化銨及一水分子，而氧化劑包括一次氯酸根或一次氯酸鹽；至少一傳輸管，連接混合槽；及一觸媒槽，用以容置一觸媒，并連接傳輸管，其中觸媒槽通過傳輸管由混合槽接收N(CH3)3ClOH及水分子，使得水分子與N(CH3)3ClOH反應產生一NH(CH3)3OH，且觸媒吸附水分子與N(CH3)3ClOH反應產生的一氧原子，并使NH(CH3)3OH、觸媒所吸附的氧原子以及水分子反應產生一氮氣以及一醇類。
在本實用新型分解裝置一實施例中，其中N(CH3)3ClOH、觸媒與水分子接觸后，產生NH(CH3)3OH及一鹽酸。
在本實用新型分解裝置一實施例中，其中觸媒包括碳元素或活性碳。
在本實用新型分解裝置一實施例中，其中混合槽或觸媒槽還用以接收一堿與鹽酸酸堿中和，使混合槽或觸媒槽中的酸堿值大于PH7。
在本實用新型分解裝置一實施例中，其中傳輸管在混合槽及觸媒槽之間形成回路，而四甲基氫氧化銨溶液、N(CH3)3ClOH、NH(CH3)3OH或氧化劑則經由傳輸管在混合槽以及觸媒槽之間流動。
附圖說明
圖1為本實用新型一實施例的四甲基氫氧化銨溶液的分解方法的步驟流程圖。
圖2為本實用新型一實施例的四甲基氫氧化銨溶液的分解裝置的構造示意圖。
雖然已通過舉例方式在圖式中描述了本實用新型的具體實施方式，并在本文中對其作了詳細的說明，但是本實用新型還允許有各種修改和替換形式。本實用新型的圖式內容可為不等比例，圖式及其詳細的描述僅為特定型式的揭露，并不為本實用新型的限制，相反的，依據專利范圍的精神和范圍內進行修改、均等構件及其置換皆為本實用新型所涵蓋的范圍。
【主要組件符號說明】：
20 四甲基氫氧化銨溶液的分解裝置 21 混合槽
211 輸入端 22 觸媒槽
221 輸入管 23 觸媒
24 傳輸管。
具體實施方式
請參閱圖１，為本實用新型一實施例的四甲基氫氧化銨溶液的分解方法的步驟流程圖。如圖所示，本實用新型所述的分解方法可包括步驟S101及S103。混合四甲基氫氧化銨溶液、氧化劑以及觸媒，其中氧化劑包括次氯酸根或次氯酸鹽，觸媒用以吸附四甲基氫氧化銨溶液與氧化劑反應后所產生的氧原子，如步驟S101所示。
本實用新型所述的四甲基氫氧化銨溶液包括四甲基氫氧化銨（TMAH，N(CH3)４OH）及水分子。在本實用新型一實施例中，四甲基氫氧化銨溶液可以是半導體制程所產生的含四甲基氫氧化銨的廢水。
本實用新型所述的觸媒，可以是具有導電性，且不會與四甲基氫氧化銨溶液與氧化劑反應后所產生的氧原子產生化學反應的物質。在本實用新型一實施例中，觸媒包括碳元素或活性碳，其中活性碳為本實用新型一較佳的實施例。活性碳具有較大的表面積，其吸附氧原子的效率及數量皆較佳，因此使用活性碳可提升本實用新型所述的分解方法的反應速率。
四甲基氫氧化銨溶液、氧化劑以及觸媒混合后，會產生氮氣以及醇類，如步驟S103所示。具體來說，四甲基氫氧化銨溶液、氧化劑以及觸媒混合后，會產生NH(CH3)3OH（三甲基氫氧化銨），而觸媒則會吸附氧原子，例如四甲基氫氧化銨溶液與氧化劑反應產生NH(CH3)3OH及氧原子，而觸媒則吸附四甲基氫氧化銨溶液與氧化劑反應后所產生的氧原子。而后觸媒所吸附的氧原子會與NH(CH3)3OH以及四甲基氫氧化銨溶液中的水分子反應，并產生氮氣以及醇類，如此一來將可有效分解四甲基氫氧化銨。
在本實用新型一實施例中，可以先將四甲基氫氧化銨溶液及氧化劑混合，之后再加入觸媒，請參考下列的化學化學反應式：
N(CH3)4OH + HOCl → N(CH3)3ClOH + CH3OH ……… (1)
N(CH3)3ClOH + H2O + C* → NH(CH3)3OH + HCl + C*O ……… (2)
3C*O + 2NH(CH3)3OH + H2O → N2 + 6CH3OH + 3C* ……… (3)
舉例來說，可先將四甲基氫氧化銨溶液與氧化劑次氯酸混合，使四甲基氫氧化銨（TMAH，N(CH3)４OH）與次氯酸反應，并產生N(CH3)3ClOH（一氯三甲基氫氧化銨），如化學反應式(1)所示。接著加入觸媒，使觸媒、N(CH3)3ClOH以及四甲基氫氧化銨溶液中的水分子接觸或混合，以產生NH(CH3)3OH（三甲基氫氧化銨）及氧原子，而觸媒則會吸附氧原子，例如N(CH3)3ClOH與水分子反應產生NH(CH3)3OH以及氧原子，而觸媒則吸附N(CH3)3ClOH與水分子反應所產生的氧原子，如化學反應式(2)所示。而后觸媒所吸附的氧原子會進一步與NH(CH3)3OH及水分子反應，并產生氮氣以及醇類，如化學反應式(3)所示。
化學反應式(2)以及化學反應式(3)中的C*表示包括碳元素的觸媒，C*O則表示吸附氧原子的觸媒，而非一氧化碳。由于氧原子本身并不穩定，一般情況下，兩個氧原子會結合成為氧氣（O2）以形成穩定的八隅體結構。本實用新型則是利用觸媒來吸附氧原子，以避免兩個氧原子結合成為氧氣，如化學反應式(2)所示。之后觸媒所吸附的氧原子可進一步與NH(CH3)3OH以及水分子反應產生氮氣以及醇類，如化學反應式(3)所示。
雖然化學反應式(2)及(3)是以包括碳元素的觸媒為例，但這并非本實用新型權利范圍的限制，在本實用新型其它實施例中，只要如前所述，符合具導電性且不會與四甲基氫氧化銨溶液與氧化劑反應后產生的氧原子產生化學反應的條件，即可作為本實用新型所使用的觸媒。
若不使用觸媒，則結合成為氧氣的氧原子將不會參與化學反應式(3)所述反應，換句話說，化學反應式(3)所述的反應將不會發生。請參考下列不使用觸媒的化學反應式：
2N(CH3)3ClOH + 2H2O → 2NH(CH3)3OH + 2HCl + O2 ……… (4)
NH(CH3)3OH + HOCl → NH(CH3)２ClOH + CH3OH ……… (5)
2NH(CH3)２ClOH + 2H2O → 2NH２(CH3)２OH + 2HCl + O2 ……… (6)
NH２(CH3)２OH + HOCl → NH２(CH3)ClOH + CH3OH ……… (7)
2NH２(CH3)ClOH + 2H2O → 2NH3(CH3)OH + 2HCl + O2 ……… (8)
為方便后續說明，在此將上述化學反應式(4)至(8)中的NH(CH3)3OH（三甲基氫氧化銨）、NH２(CH3)２OH（二甲基氫氧化銨）及NH3(CH3)OH（甲基氫氧化銨）通稱為四甲基氫氧化銨衍生物，而化學反應式(4)至(8)中的N(CH3)3ClOH（一氯三甲基氫氧化銨）、NH(CH3)２ClOH（一氯二甲基氫氧化銨）及NH２(CH3)ClOH（一氯甲基氫氧化銨）通稱為四甲基氫氧化銨氯化物。
四甲基氫氧化銨衍生物與氧化劑反應會產生四甲基氫氧化銨氯化物，如化學反應式(5)、(7)所示，而四甲基氫氧化銨氯化物與水作用后又會產生四甲基氫氧化銨衍生物以及氧氣，如化學反應式(4)、(6)、(8)所示。換句話說，若不使用本實用新型所述的觸媒，四甲基氫氧化銨溶液則無法被分解轉換為氮氣及醇類。
在本實用新型一實施例中，氧化劑的用量為所須穆爾當量數的1至1.2倍。本實用新型所述的當量數，是指平衡前述化學反應式(1)、(2)、(3)所須使用的氧化劑莫耳數。雖然化學反應式(1)中是以次氯酸作為氧化劑，但次氯酸僅為本實用新型其中一實施例，并非本實用新型權利范圍的限制，在本實用新型其它實施例中，氧化劑可以是次氯酸鹽或是其它包括次氯酸根的液體，例如次氯酸鈉、次氯酸鈣、次氯酸鈉溶液或次氯酸鈣溶液。
在本實用新型一實施例中，觸媒、N(CH3)3ClOH以及四甲基氫氧化銨溶液中的水分子混合或接觸后，會產生NH(CH3)3OH（三甲基氫氧化銨）以及鹽酸，如化學反應式(2)所示。
由于本實用新型所述的四甲基氫氧化銨溶液的分解方法在偏酸的環境下進行，會產生毒性較強的Cl2及/或Cl3，為此在本實用新型一實施例中，可加入一堿，例如氫氧化納，使堿與鹽酸酸堿中和。在本實用新型一較佳實施例中，可使用氫氧化鈉將酸堿值調整至大于PH7，來避免Cl2及/或Cl3的產生。
通過本實用新型所述的四甲基氫氧化銨溶液的分解方法，可使四甲基氫氧化銨溶液中的四甲基氫氧化銨去除率達到99%以上。以一般半導體制程所產生的四甲基氫氧化銨廢水為例，廢水中的四甲基氫氧化銨濃度約在4000ppm以下，通過本實用新型所述的四甲基氫氧化銨溶液的分解方法，可將廢水中的四甲基氫氧化銨濃度降至1ppm以下，因此四甲基氫氧化銨的去除率為99.975%以上，請參考下列計算式：
本實用新型所述的四甲基氫氧化銨溶液的分解方法，可以進一步應用在四甲基氫氧化銨溶液的分解裝置中。
請參閱圖２，為本實用新型一實施例的四甲基氫氧化銨溶液的分解裝置的構造示意圖。如圖所示，四甲基氫氧化銨溶液的分解裝置20包括一混合槽21、至少一傳輸管24以及一觸媒槽22，其中混合槽21通過傳輸管24連接觸媒槽22。
混合槽21用以混合四甲基氫氧化銨溶液以及氧化劑，其中四甲基氫氧化銨溶液包括四甲基氫氧化銨及水分子，氧化劑包括次氯酸根或次氯酸鹽。四甲基氫氧化銨溶液中的四甲基氫氧化銨與氧化劑在混合槽21中混合，并產生N(CH3)3ClOH（一氯三甲基氫氧化銨）。
觸媒槽22用以容置一觸媒23，并通過傳輸管24由混合槽21接收N(CH3)3ClOH及四甲基氫氧化銨溶液中的水分子，使得水分子與N(CH3)3ClOH反應產生NH(CH3)3OH（一氯三甲基氫氧化銨）及氧原子，且觸媒23吸附水分子與N(CH3)3ClOH反應所產生的氧原子，并使NH(CH3)3OH、觸媒23所吸附的氧原子以及水分子繼續在觸媒槽22中反應產生氮氣以及醇類。
當然在實際應用時，混合槽21內的N(CH3)3ClOH及水分子亦可能會產生反應，并于混合槽21內形成NH(CH3)3OH。為此由混合槽21輸送至觸媒槽22的溶液除了N(CH3)3ClOH及水分子之外，可能還包括氧化劑、NH(CH3)3OH及/或鹽酸等。
如本實用新型四甲基氫氧化銨溶液的分解方法中所述，觸媒23具有導電性，且不會與四甲基氫氧化銨溶液與氧化劑反應后所產生的氧原子產生化學反應。在本實用新型一實施例中，觸媒23包括碳元素或活性碳，其中活性碳為本實用新型一較佳的實施例，活性碳具有較大的表面積，其吸附氧原子的效率及數量皆較佳，因此使用活性碳可提升本實用新型所述的分解裝置的反應速率。
此外，如本實用新型四甲基氫氧化銨溶液的分解方法中所述，本實用新型所述的氧化劑，可以是次氯酸鹽或是其它包括次氯酸根的液體，例如次氯酸鈉、次氯酸鈣、氯酸鈉溶液或次氯酸鈣溶液。
在本實用新型一實施例中，混合槽21可包括一輸入端211，用以輸入四甲基氫氧化銨溶液以及氧化劑。
在本實用新型一實施例中，N(CH3)3ClOH與水分子反應會產生NH(CH3)3OH及鹽酸。如本實用新型四甲基氫氧化銨溶液的分解方法中所述，四甲基氫氧化銨溶液的分解反應在偏酸的環境下進行，會產生毒性較強的Cl2及/或Cl3。為此在本實用新型一實施例中，可在混合槽21及/或觸媒槽22中加入一堿，例如通過混合槽21的輸入端211將堿加入混合槽21，或觸媒槽22可進一步包括一輸入管221，并通過觸媒槽22的輸入管221將堿加入觸媒槽22，使堿與鹽酸酸堿中和。在本實用新型一較佳實施例中，可在混合槽21或觸媒槽22中加入氫氧化鈉，將混合槽21及/或觸媒槽22中的酸堿值調整為大于PH7，來避免Cl2及/或Cl3的產生。
在本實用新型一實施例中，傳輸管24可在混合槽21及觸媒槽21之間形成回路，使得四甲基氫氧化銨溶液、N(CH3)3ClOH、NH(CH3)3OH或氧化劑經由傳輸管在混合槽21以及觸媒槽22之間流動或循環，如此可達到混拌的效果，以增加氮氣及醇類的產生效率。
當然在本實用新型四甲基氫氧化銨溶液的分解裝置的另一實施例中，亦可不包括觸媒槽22及傳輸管24。混合槽21亦可用以容置觸媒23，并直接使用混合槽21使四甲基氫氧化銨溶液、氧化劑及觸媒23混合或接觸，例如通過一攪拌器(未顯示) 使四甲基氫氧化銨溶液、氧化劑及觸媒23混合或接觸，以產生氮氣及醇類。
說明書中所描述的也許、必須及變化等字眼并非本實用新型的限制。說明書所使用的專業術語主要用以進行特定實施例的描述，并不為本實用新型的限制。說明書所使用的單數量值(如一個及該個)亦可為多個，除非在說明書的內容有明確的說明。例如說明書所提及的一個裝置可包括有兩個或兩個以上的裝置的結合，而說明書所提的一物質則可包括有多種物質的混合。
以上所述者，僅為本實用新型的較佳實施例而已，并非用來限定本實用新型實施的范圍，即凡依本實用新型權利要求所述的形狀、構造、特征及精神所為的均等變化與修飾，均應包括在本實用新型的權利要求內。
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