TWI492782B - 處理廢氣流之方法 - Google Patents

Description

處理廢氣流之方法

本發明係關於一種處理一廢氣流之方法。

有許多使用產生有毒物質之處理氣體的已知製程，該等有毒物質係排出自一處理腔室且隨後需要處理。半導體晶圓、平板顯示器及太陽能電池組件的製造係需要在一處理腔室中使用處理氣體進行處理的產品之實例。此等製程產生含有諸如矽烷(SiH₄ )、砷烷(AsH₃ )及氫氣(H₂ )氣體的廢氣，該等氣體易燃或有毒，且在釋放進大氣前需進行處理或其他處置。

可藉由若干不同方式之任意者處理廢氣。通常，在一燃燒器(或將能量傳遞給氣流的其他處理器件，其包括電漿、電加熱催化塔、電爐等)中使廢氣起反應以在處理之前熱分解或另外處理廢氣流中的有毒物質。本文具體使用一燃燒器/燃燒室之一實例，但是消除器件可為將能量引入一氣流之一技術範圍。廢氣變熱且因此需要在排放進大氣前進行冷卻。可用於冷卻的方法包括與冷卻流體之直接接觸(與水、空氣等混合)或與一冷卻流體之間接接觸(熱交換器、散熱器等)。經常使用之一方法(如EP0694735所描述)具有一水柱或水堰配置，該水柱或水堰配置可用於燃燒室之下游一冷卻氣體。在此配置中，藉由密切接近或接觸流水而冷卻氣體，且使燃燒氣體中的微粒和粉末留滯水中。依此方式冷卻燃燒氣體需要大量的水，其大大增加處理成本。此外，該配置需要管理及處置濕粉末且水系統中存在微粒可能降低可靠性；此外，微粒可能有毒，如在氧化砷之例中。在有毒固體之例中，與習知濕式洗滌相比，廢氣流過濾輸送較小體積之被污染材料。

在另一冷卻配置中，藉由一經引入以冷卻燃燒氣體之氣流冷卻燃燒氣體。若燃燒氣體含有微粒，則使氣流及燃燒氣體穿過一過濾系統以移除微粒且使空氣可再循環或釋放進大氣。用於過濾矽粉的過濾系統通常只有在氣流相對冷卻且氣流中的成份不在系統中冷凝時才能作業以將微粒從氣流中移除。因此必須使用更大量之空氣以冷卻燃燒氣體以使過濾發生。若來自一處理腔室的廢氣在燃燒器中產生一高的熱負載(例如其中廢氣含有氫氣或矽烷)，則必須使用又更大量之空氣以充分地冷卻燃燒氣體以使過濾發生。

在一些配置中，將一真空泵抽配置放置於處理器件之下游。該真空泵抽配置必須具有足夠的容量以不僅抽送燃燒氣體而且抽送經引入以冷卻氣體的空氣。大致而言，一真空泵抽配置的成本隨泵抽容量的增加而增加。若需要更大量之空氣以冷卻含有諸如氫氣或矽烷之成份之廢氣，則問題更嚴重。

半導體晶圓或其他處理技術發生於一處理腔室內，此作業通常在1mTorr至1Torr之範圍內之低壓下發生(但是諸如SACVD之製程可在接近大氣壓力下發生)。使用一真空泵抽配置達成此等低壓。若廢氣易燃，則隨後需要在真空泵抽配置前(真空泵抽階段之間)處理易燃成份。氣體的易燃性取決於一系列自持的單個反應；為了將能量成功地從一組分子(燃燒產物)轉移至另一組分子(反應物)，必須使兩個分子組接近以進行能量吸收。稀釋發生作用以圍繞並分離反應分子；此導致能量被惰性分子(可將容納反應的容器之壁視為惰性分子)吸收。最終不再可能發生一自持反應，且此可定義為燃燒下限。

降低一系統之壓力增大一反應容器內分子的分離。該製程的惰性及反應分子維持一恆定比例；但是容器之壁保持一恆定表面積。在低壓下此恆定表面積導致更大比例之能量在其活化反應分子前被一容器之壁吸收。因此，在低壓下維持一連鎖反應所需的反應分子濃度比大氣壓力下所需之濃度高。所以，在若壓力增至大氣壓力，則在低壓下不易燃的氣流變得易燃。因此，在可燃氣體在大氣壓力下變得可能有害/易燃前，可以一受控方式使可燃氣體在低壓下起反應。

一額外危害在於真空泵抽配置(與許多機械產品一樣)包括移動的金屬零件，該等金屬零件可能接觸彼此而產生一火花，該火花因此點燃氣流。在一真空泵抽配置之後續階段此問題更為嚴重，其中氣體接近大氣壓力。可藉由在該真空泵抽配置之上游引入大量之一吹洗氣體(諸如氮氣)而緩解該問題。然而，如本文所述，極大的稀釋導致需要更大的泵抽機構、更高的惰性氣體成本及更高的功率消耗。一替代解決方案包括在一燃燒器中燃燒廢氣及隨後經由真空泵抽配置輸送該燃燒氣體。雖然此後者解決方案將易燃物質從廢氣中移除，但是燃燒氣體係熱且加熱該真空泵抽配置。因此必須冷卻該真空泵抽配置或必須冷卻流入泵中的氣體以避免損壞泵。然而，真空泵係經設計以在一給定在一給定製程流程中提供一真空，該製程流程降低真空性能且增加功率消耗。因此，僅包括加入大的冷卻氣流之一部分解決方案係不可取。

本發明提供一種用於處理來自一處理腔室之一廢氣流之方法，該方法包括下列步驟：使用一真空泵抽配置或大氣壓力管線輸送來自處理腔室之廢氣；在一消除器件之一消除區域中消除廢氣；及在該消除區域之下游注入一冷卻劑以藉由該冷卻劑的相變而在一冷卻區域中冷卻經消除之氣體。

本發明之其他較佳及/或視需要之態樣係定義於隨附申請專利範圍中。

為了理解本發明，現參考隨附圖式描述其實施例(僅舉例而言)，其中：

本發明之實施例提供一種用於在處理或消除後冷卻氣體之方法，該方法包括在將一冷卻劑注入一消除區域之下游之一冷卻區域。該冷卻劑可為一諸如水之液體，該液體視情況以一細微霧氣或噴霧注入從一處理器件中傳出的熱煙流。液體在從液相轉變為氣相時藉由蒸發冷卻吸收熱量。由於吸收熱量的主要方法係藉由相變，因此本發明亦包含注入其他狀態的物質使得其等可在系統中改變相態以吸收熱量。例如，可將二氧化碳作為一固體注入，且二氧化碳經歷昇華而改變相態為一氣體。或者，可注入冰微粒，其改變相態為液態水且隨後亦可改變相態為一氣體。然而，本文中對實施例之描述具體係關於將液體作為一冷卻劑注入氣流中。

藉由相變吸收能量係有利，因為其不會大大增加一下游裝置(例如一過濾裝置或真空泵抽配置)所處理的氣流體積。因此通常無需增加下游裝置的容量以應付增加的氣流體積。

該等方法允許在低於大氣壓、大氣壓(乾式過濾)、大氣壓(濕式洗滌)下將廢氣冷卻至(例如)低於一燃燒下限。

在低於大氣壓之應用之例中，該應用可處於介於約50mbar與750mbar之間之一壓力，通入一真空泵抽配置之氣體可處於從25℃至250℃之溫度範圍內。在此方法中，判定從處理器件中所傳出的氣體中所存在的熱能並控制液體之注入使得液體一旦蒸發隨後不會由於該真空泵抽配置所產生的壓力而冷凝且使得燃燒氣體不會熱至足以損壞泵抽機構。

在結合乾式過濾的之大氣壓應用之例中，控制液體之注入使得經冷卻之氣體混合物不冷凝且處於合理之低溫(例如依據過濾單元低於70℃)從而不損壞過濾器之濾膜。

在使用濕式洗滌器之大氣壓應用之例中，液體之注入因減少進入濕式洗滌器中之氣體流及預調節氣流中的廢棄物而協助濕式洗滌機構以改良濕式洗滌。濕式洗滌器可形成該處理系統之部分或可遠離該處理系統。在後者情況中，一單個濕式洗滌器接收來自一或多個消除單元之氣體。

廢氣之預調節包括將一液體例如水蒸發為氣體煙流。該濕式洗滌器快速冷卻氣體混合物，其導致氣體煙流變得飽和。經蒸發之液體在系統內傾向於圍繞固態微粒冷凝，該固態微粒作為成核位置，其因此形成具有一固態核心之液滴。該冷凝/成核製程改良藉由濕式洗滌器移除微粒，因為微粒係包含於一液滴中，該液滴使其顯著地變大且更容易與濕式洗滌介質混合。通入洗滌器中之氣體之溫度取決於濕式洗滌器單元之溫度容限，例如其中藉由一水堰而形成容器壁之一系統可使用超過100℃之一氣流作業，但是由聚丙烯所製成之一濕式洗滌器需要一低於約100℃之溫度。

參考圖1，顯示一處理腔室10，處理氣體在處理期間或處理之後係從該處理腔室中排出。該系統通常包括一主真空泵抽配置11，該真空泵抽配置係用於排出氣體並將其輸送穿過該系統。該真空泵抽配置11亦將燃燒或其他經消除之氣體與該處理腔室10分隔。雖然未顯示，但是在一些系統中，可將該處理腔室直接連接至一消除單元。

取代一真空泵抽配置，可藉由將該處理腔室連接至具有一大氣壓力管線及適當閥門配置之氛圍而輸送處理氣體。

將廢氣12輸送至一消除單元，例如一燃燒器14。該燃燒器14可為一如所示之輻射式燃燒器(或其他將能量傳遞至氣流之消除器件，其包括電漿、電加熱催化塔、電爐)。GB0724717.4顯示一種用於處理廢氣之系統，其內容以引用的方式併入本文中。將一燃料氣體16引入該燃燒器並將其點燃以在該燃燒器之一消除或燃燒區域18中燃燒廢氣。

當廢氣被燃燒時，產生熱的燃燒氣體(消除氣體)20，該等氣體處於500℃至2000℃之範圍內之一溫度下。在將處於低壓或低於大氣壓下之燃燒氣體引入至一真空泵抽配置22前，使其等穿過一冷卻區域24。藉由注入將一冷卻劑引入至該冷卻區域24以藉由該冷卻劑之相變冷卻燃燒氣體，該冷卻劑可為一液體，例如水26。可將水作為一細微噴霧引入，其因此提供一相對較大的表面積與體積比率，使得液體更易於蒸發。細微噴霧可使用噴霧噴嘴產生，且可購自一系列公司，例如Spraying Systems Co.之一分公司AutoJet Technologies。

該真空泵抽配置22可結合該主真空泵抽配置11作業以將處理氣體從該處理腔室10中抽出並將經冷卻之燃燒氣體排出以進一步處理或釋放進大氣。藉由諸真空泵抽配置11、22所產生之真空將氣體從該處理腔室中抽出並穿過該消除器件(圖式中顯示為一燃燒器)。該真空泵抽配置通常包括相對彼此移動之金屬零件。若零件磨損或積累沉澱，則其可能導致零件互相接觸而產生一火花。然而，該燃燒器14已燃燒該真空泵抽配置上游之氣流中之易燃物質，且因此所產生之任何火花不會燃燒氣流且不損壞該真空泵抽配置或其他設備。此外，由於燃燒氣體20在進入該真空泵抽配置之前在冷卻區域中被冷卻，因而不過度加熱該真空泵抽且不需要額外的冷卻。

將水或其他液體引入冷卻區域且在接觸時冷卻熱的消除後之氣體20。可藉由液體蒸發的潛熱及經由加熱境經注入之液體之方法而使冷卻發生。

下文顯示適當冷卻劑之熱容量及相變性質。

水：

-　液體熱容量=4.2kJ kg^-1 K^-1

-　氣體熱容量=2.0kJ kg^-1 K^-1

-　蒸發潛熱=2270kJ kg^-1

二氧化碳

-　氣體熱容量=0.9kJ kg^-1 K^-1

-　蒸發潛熱=574kJ kg^-1

氮

-　氣體熱容量=1.0kJ kg^-1 K^-1

-　蒸發潛熱=199kJ kg^-1

此等普遍可用之材料中，目前水較佳，其便宜、易獲取且蒸發時具備大的冷卻效應。二氧化碳具有有用性質，包括降低易燃性及可作為一固體(雙重相變)或液體使用。

藉由經注入之液體之相變所產生之大的冷卻效應在氣態廢氣流中產生僅一小變化(即對於以20℃進入系統且以120℃離開系統之流體而言，1克水體積為~1.25升但卻具有~20升氣體之冷卻效應)。因此，無需提供更大容量的真空泵抽配置且如下文參考圖2所示亦無需為濕式洗滌器或過濾系統提供更大容量。減少穿過一真空泵之氣體流降低泵的能量損耗也減少所需真空泵的大小。

需要控制進入該冷卻區域24的水之數量以達成若干不同結果。首先，已知該真空泵抽配置之合理工作溫度。若亦已知燃燒氣體的溫度及質量或體積流量，可判定為達成燃燒氣體充分的溫度降低而必須引入該冷卻區域24之水之數量。精確控制引入水之數量亦避免浪費水孔增加經營成本。

此外，最好能不允許液態水進入或冷凝於該真空泵抽配置之更高壓力區域內，其因此避免液壓鎖緊、該真空泵抽配置中可能的金屬及其他零件腐蝕。因此，控制引入該冷卻區域24之水之數量使得大體上所有水在進入該真空泵抽配置前蒸發。

可預定所需水26量以得到燃燒氣體20之預期流量或複數個預期流量，且相應地控制將水引入該冷卻區域24。或者，可在例如如所顯示之該冷卻區域之排氣口提供一或多個感測器28以感測燃燒氣體20之溫度或另一特性。該等感測器係經調適以向一控制單元29輸出一信號以控制水26流入該冷卻區域。

對於固定處理氣體(例如氫氣)流而言，可注入預定之水流；另可使用一調節注入水之數量之回饋循環以維持一預定之廢氣溫度(例如70℃)。

可藉由不同配置將水引入該冷卻區域24。例如，可將水霧化並以一霧氣引入(細微霧氣有助於蒸發)。可控制霧化以調節進入該冷卻區域24之水微粒之大小及數量。或者，可在壓力下以一或多個經由一噴嘴之細微噴注將水引入。再者，可將水沿一毛細管引入使得該冷卻區域之壓力及該毛細管之直徑及長度控制進入該冷卻區域之水之數量。

參考圖2，顯示一用於處理廢氣之系統30。圖2以一單元32顯示一處理腔室及真空泵抽配置，處理氣體34係排出自該單元。藉由一消除單元消除廢氣，或如所顯示在一燃燒器36中燃燒廢氣，該燃燒器可為一輻射式燃燒器。將一燃料氣體38引入該燃燒器並將其點燃以該燃燒器之一燃燒或消除區域40中燃燒廢氣。

在實線所示之一配置中，一過濾裝置42例如一粉末過濾器件過濾來自燃燒氣體之微粒、粉末或其他固態物質，其產生經過濾之氣體44及粉末46。

在虛線所示之另一配置中，提供一用於洗滌消除氣體之濕式洗滌器56。將一洗滌介質58例如水引入以留滯消除氣體中的微粒。空氣60及濕粉末62係排出自該濕式洗滌器56。

在一冷卻區域50中藉由引入一氣流52而冷卻排出自該燃燒器36之燃燒氣體48。如下文更詳細之描述，單獨使用氣流冷卻無法充分冷卻燃燒氣體或必須使用大量空氣以充分冷卻燃燒氣體48。因此，藉由注入而將一冷卻劑例如水或其他液體54引入該冷卻區域50以藉由該冷卻劑之相變而冷卻熱的燃燒氣體。冷卻主要藉由液體蒸發之潛熱而發生，但是應瞭解一些冷卻係藉由加熱冷卻劑而無相變而發生。

一典型過濾裝置42具有約70℃之一上限工作溫度。在該燃燒器36中可產生一高的熱負載，例如當燃燒來自一半導體或太陽能電池沈積製程之氫氣時。在此方面，數百升/分之氫氣可將燃燒氣體溫度提高至130℃以上。在先前技術中，該額外之熱負載需要大大增加引入該冷卻區域以用於冷卻之空氣之數量，其接著需要大得多(且更昂貴)之粉末過濾。在圖2配置中，藉由水54充分冷卻熱的燃燒氣體使得無需額外之空氣之數量且使得過濾裝置低於其上限工作溫度而作業。

若亦已知燃燒氣體48之溫度及質量或體積流量，則可而為達成燃燒氣體之充分的溫度降低必須引入該冷卻區域50之水54之數量。經引入之液體(例如水)之數量之精確控制亦避免浪費水及增加經營成本。

此外，需不准液態水進入過濾裝置，因為此經破壞其正常功能。因此控制引入該冷卻區域50之水之數量使得大體上所有水在進入該過濾器之前蒸發。關鍵是充分考慮燃燒室與過濾器之間的冷卻使得氣體煙流內的水不會開始凝出。此要求經冷卻之廢氣流之濕度低於冷卻點處之100%相對濕度。

若提供一濕式洗滌器56，則將液體52注入該冷卻區域藉由在該濕式洗滌器上游之經消除之氣體中提供成核及冷凝製程而增強該濕式洗滌器之效率。如前文所述控制注入該冷卻區域之液體之數量以將該濕式洗滌器之加熱限制於容限內。

如上文參考圖1之描述可藉由噴霧、霧化或其他技術將水54引入該冷卻區域50。

10．．．處理腔室

11．．．真空泵抽配置

12．．．廢氣流

14．．．消除器件

16．．．燃料氣體

18．．．消除區域

20．．．燃燒氣體

22．．．真空泵抽配置

24．．．冷卻區域

26．．．液體

28．．．感測器

29．．．控制單元

30．．．系統

32．．．單元

34．．．處理氣體

36．．．燃燒器

38．．．燃料氣體

40．．．消除區域

42．．．過濾裝置

44．．．氣體

46．．．粉末

48．．．燃燒氣體

50．．．冷卻區域

52．．．氣流

54．．．液體

56．．．濕式洗滌器

58．．．洗滌介質

60．．．空氣

62．．．濕粉末

圖1示意地顯示用於處理來自一處理腔室之廢氣之一系統；及

圖2示意地顯示用於處理來自一處理腔室之廢氣之另一系統。

10．．．處理腔室

11．．．真空泵抽配置

12．．．廢氣流

14．．．消除器件

16．．．燃料氣體

18．．．消除區域

20．．．燃燒氣體

22．．．真空泵抽配置

24．．．冷卻區域

26．．．液體

28．．．感測器

29．．．控制單元

Claims (15)

1. 一種處理來自一處理腔室之一廢氣流之方法，該方法包括下列步驟：使用一真空泵抽配置或大氣壓力管線輸送來自該處理腔室之該廢氣；在一消除器件之一消除區域中消除該廢氣；在該消除區域之下游注入一冷卻劑以藉由該冷卻劑的相變而在一冷卻區域中冷卻該等經消除之氣體並形成一包含被冷卻之該等經消除之氣體及該冷卻劑之經冷卻之氣體混合物；使用在該冷卻區域下游之一乾式過濾裝置由該經冷卻之氣體混合物過濾微粒；及根據該等經消除之氣體之流量及/或溫度控制所注入之冷卻劑之數量使得大體上所有冷卻劑在該冷卻區域中蒸發，並使該經冷卻之氣體混合物，在該冷卻劑注入並穿過該乾式過濾裝置之後，不會被冷凝出來。
2. 如請求項1之方法，其中該冷卻劑包括一液體，且在該冷卻區域中藉由導致該經注入之液體相變為一氣體而冷卻該等經消除之氣體。
3. 如請求項1之方法，其中該冷卻區域處於一小於大氣壓之壓力，且位於一或該真空泵抽配置之上游，使得該真空泵抽配置之氣體負載大致不會因將該冷卻劑注入該氣流中而增加。
4. 如請求項1之方法，藉由一感測器感測該經消除之廢氣 之一特性，且根據該經感測之特性控制引入該冷卻區域之冷卻劑之數量。
5. 如請求項1之方法，其中以一噴霧或霧氣注入該冷卻劑。
6. 如請求項5之方法，其中該真空泵抽配置係定位於該冷卻區域之下游，且控制引入該冷卻區域之冷卻劑之數量使得該等經消除之氣體被冷卻至低於該真空泵抽配置之一上限工作溫度之一溫度。
7. 如請求項1之方法，其中該等經消除之氣體含有諸微粒，且一過濾裝置過濾該等經消除之氣體以移除該等微粒。
8. 如請求項7之方法，其中該過濾裝置具有一上限工作溫度，且控制引入該冷卻區域之冷卻劑之數量，使得該等經消除之氣體被冷卻至低於該上限工作溫度之一溫度。
9. 如請求項1之方法，其中該等經消除之氣體含有諸微粒，且一濕式洗滌器洗滌該等經消除之氣體以移除該等微粒。
10. 如請求項9之方法，其中該濕式洗滌器具有一上限工作溫度，且控制引入該冷卻區域之冷卻劑之數量，使得該等經消除之氣體被冷卻至低於該上限工作溫度之一溫度。
11. 如請求項9之方法，其中該注入之冷卻劑在該冷卻區域中蒸發以冷卻該等經消除之氣體，且在該冷卻區域之下游冷凝於該經消除之氣體中之諸微粒周圍以形成具有一 固態核心之諸液滴，使得該等液滴可藉由該濕式洗滌器進行有效洗滌。
12. 如請求項10之方法，其中該注入之冷卻劑在該冷卻區域中蒸發以冷卻該等經消除之氣體，且在該冷卻區域之下游冷凝於該經消除之氣體中之諸微粒周圍以形成具有一固態核心之諸液滴，使得該等液滴可藉由該濕式洗滌器進行有效洗滌。
13. 如請求項1之方法，其中空氣係被引入該冷卻區域以冷卻該等經消除之氣體。
14. 如請求項1之方法，其中該冷卻區域處於介於約50mbar與750mbar之間之一壓力。
15. 如請求項1之方法，其中該冷卻劑係水、氮氣或二氧化碳之一者。