CN101066521A - 废气处理 - Google Patents

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Abstract

一种洗涤含卤素气体的方法，包括将含卤素气体与至少30℃的水接触，气体随后可选择地经过进一步处理步骤，包括将其与低于30℃的水接触和/或气体稀释步骤。一种实施该方法的装置，包括一个热洗涤腔体(6)和可选的冷洗涤腔体(7)和/或气体稀释装置(13)。

Description

废气处理
本申请是基于申请日为2003年3月27日、申请号为03807014.6的申请所提交的分案申请。
技术领域
本发明涉及废气的处理(洗涤)，更具体地说，涉及例如在半导体工业中的卤素或含卤素废气的处理。
背景技术
从废气中去除卤素已经广泛应用。近些年来，氟在某些半导体生产过程中的应用或产生已经逐渐普遍。然而，作为一种强氧化剂并具有1ppm的阈限值(TLV)，氟是一种剧毒物质。
用环境温度的水洗涤氟—主要生成氟化氢(HF)—的尝试通常不成功，因为氟与水的反应速度相对较低并且通常导致湿式洗涤器的高排放速度。
为提高湿式洗涤工艺的效率已经进行了各种尝试，例如洗涤器中氢氧化钠(NaOH)或氢氧化钾(KOH)的定量给料，尽管该过程生成了更高的氟去除率，却导致了从氟到剧毒副产物二氟化氧(OF2)的非常高的转化率。
作为进一步的例子，氨-气态形式和为氢氧化铵形式-已经作为添加剂用在水洗涤器中。然而，在发现氟含量降低的同时，氟化铵的形成也发生了，氟化铵以轻烟的形式从洗涤器中逸出。
在半导体工业中，含氟物用于在薄膜沉积步骤后清洗制作产品室的晶片。像SiH4(硅烷)和氨气(NH3)之类的气体可用于在晶片上沉积氮化硅薄膜。在进行几次沉积循环后采用清洗(NF3，F2等)步骤。
下游设备，包括真空泵和除气系统，需要能够轮流保持沉积和清洗气体。
发明内容
需要一种改良的方法/装置，能够在其中更加有效地处理卤素，尤其是氟，并足以有效以满足对于其排放量日益严格的规定。
用在此处的术语“卤素”包含卤素分子和卤素化合物，包括卤化物。同样的，用在此处的术语“氟”包含氟分子和氟化合物，包括氟化物。
根据本发明，提供了一种洗涤含卤素气流的方法，包括将该气流与至少30℃的水接触。水温至少为35℃是有利的。优选地，水温不超过100℃，更优选地从35℃到80℃，例如40℃到80℃。
本发明特别用于洗涤氟分子(F2)。
提高F2洗涤器中水的温度预计可能会导致气体中氟气(F2(气体))气压的增高，其结果是F2在水中的溶解率(给出F2(溶液)中F2的浓度)将会降低。更具体地说，基于所观察到的用纯净水在提高的温度下洗涤如HF的酸性物或如NH3的碱性物时洗涤效率的降低，可以想到限制速率的步骤是氟，F2(气)在水中的溶解：
F2(气)→F2(溶液)
本发明惊奇地发现当使用温水洗涤时从气体中除去F2的效率提高了。据信可能是因为在本发明中采用的高于30℃温度下，F2与水按如下方程的反应更容易发生：
F2+H2O→2HF+1/2O2
结果是F2(溶液)维持相对较低的水平，有利于F2在水中相对高的吸收率。F2生成二氟化氧(OF2)的竞争反应相对于转化成HF的反应在低温时更有利，但本发明人发现在温度提高到30℃或更高，生成HF的反应占主导地位。
水的加热可以常规方法实施，包括将加热器浸渍到洗涤装置的热水槽中或将在线加热器浸渍到所泵流体中。尽管本发明的方法可以用于洗涤任何卤素气体，但它在洗涤含有氟废气中表现出特别的优势。
水可以是蒸汽的形式(或气流)，气流和卤素在过程中混合。如果需要，水可包含附加成分来增强气流中卤素和其它物质的去除。
在一个优选的实施方式中，本发明的方法可以包括热阶段和冷阶段。在热阶段，卤素气体会优先地与热水反应，但气流在水中趋于饱和。在随后的第二阶段，在气体温度降低的过程中，对例如氨气的气体会有有效的去除，该阶段将会导致残留水蒸汽的减少。
众所周知在废气中硅烷存在之处提供空气稀释阶段有利于阻止产生火/爆炸，硅烷通常从湿洗涤器的入口加入。然而，已表明此操作降低了湿洗涤器的处理能力，因为它增加了体积流率并减少了洗涤器中待处理气体的接触时间。
硅烷(SiH4)是一种引火气体。经验表明若气流中硅烷含量＞2％，与空气接触时可能会发生以下反应：
SiH4+2O2-SiO2+2H2O+热
(空气)
通过使空气与含硅烷气流在旋风除尘器中混合，可以从气流中除去反应形成的较大颗粒。
假如加入到含硅烷气流中的空气稀释硅烷至低于它的引火极限，气体将不会进一步自发猛烈反应。
特别地，由本发明的方法已经发现，湿洗涤阶段后添加空气处理硅烷，得到较低的流量和与卤素较高的接触时间。因此可以添加更大量的空气到硅烷气流中，以确保硅烷的安全氧化和氧化引起的温度升高的最小化。因此，本发明的方法可以包含至少一个进一步处理步骤，紧接在与至少30℃的水接触的步骤之后。所述至少一个进一步处理步骤最好包含一个将气流与低于30℃的水接触的步骤，优选不高于25℃，更优选不高于20℃，和/或通过稀释气，优选空气稀释气流的步骤。如果存在，该稀释步骤在除尘装置中进行较有利。欧洲专利No.1023932A的说明书描述了一类合适的除尘器。
本发明也提供了一种洗涤气流中卤素的装置，包括一个热洗涤腔体，其中气流可以与热水洗涤流体接触，一个用来给所述热洗涤腔体提供温度至少为30℃的水的供给装置，一个用来给所述热洗涤腔体提供含卤素气流的含卤素气体源，和一个从所述热洗涤腔体中排出处理后气体的出口。所述装置最好在所述热洗涤腔体下游进一步包括一个冷洗涤腔体，一个用来提供低于30℃的水给所述冷洗涤腔体的冷水供给装置，一个用于从热洗涤腔体的出口输送处理后的气体到冷洗涤腔体的连接通道，和一个用于从所述冷洗涤腔体排出处理后气体的出口。在一个本发明优选的实施方式中，所述冷洗涤腔体安装在热洗涤腔体的上游。
附图说明
为了更好的理解本发明，附图可以作为参考，但仅作为例证，其中：
图1以示意的形式表示实施本发明一种方法的设备；
图2a是图1所述装置中的气体传输排列的透视图；和
图2b是图2a中所述排列的侧视图。
具体实施方式
参照附图，本发明的装置包括壳体1，其底部有被分离器5分成两部分3和4的水槽2。
部件3作为水池并用来盛放冷水，例如15℃的水；部件4也作为水池并用来盛放热水，例如从35℃到70℃的水。部件4包含一个出口(没有示出)用于周期性地从系统中提取水。部件2包含一个入口(没有示出)用于周期性地引入新鲜水。水槽2具有电加热器和控制设备(没有示出)用来将水维持在这些温度。尽管没有在附图中示出，在部件3和4之间可以存在一个绝热壁，该绝热壁可以是封装有绝热气袋的双层壁。
壳体1内位于水槽2之上的是一个两部件填料塔，含有一个下部件6和一个上部件7。下部件6有一个带孔的底板6a，水通过该孔板排回到水槽2。上部件7通过一个分离装置与下部件6分开，以下参照图2描述该分离装置。下部件6和上部件7以填料填充，所述填料在每一部件中都为通过的水流提供独立于另一部件的分配通道，包含让水回流到水槽2中的通道。所述填料是由强防腐、耐热材料制成，例如聚丙烯。已经发现在每个塔部件6和7中提供总体积的约80到90％的空隙率的专用聚丙烯填料在实践中是特别合适的，尽管也可使用更高和更低的空隙率。作为例证，部件6和7的总容积可以为约0.1m3，以3∶1的比例分配于下部件6和上部件7之间，尽管在实践中可以使用宽范围变动的不同容积和不同分配。
提供两个泵8和9分别从冷水槽3和热水槽4中将水分别泵入到填料塔上部件7的分配管道和下部件6的分配管道中。
壳体1内提供一个用来使废气流进入壳体1内的入口10。入口10通过没有表示出的方法在水中提供混合水溶液和氮气“帘”来防止任何微粒堵塞和/或溶液回流到进行半导体加工的腔体内。
壳体1中还提供一个用来从壳体1中排出气流的出口11。
一个连接出口11和除尘器13的管12，气体从所述管流入。气流中的任何引火气体，例如硅烷，将会由空气风机提供的空气氧化或大大稀释，这取决于气流中硅烷的浓度。任何在氧化过程中形成的微粒(氧化硅，在引火气是硅烷的情形下)可以聚积在除尘器13的底部(并且如果通过管15可被适当的排入水槽2中)，而处理后的废气通过管16从除尘器13排出。在微粒排入水槽2之处，其中的部分可能与水一起再循环到塔部件6和/或7中。因此，在微粒流回水槽2处，泵8和9优选机械启动泵。从而，任何大的微粒或团块将被泵粉碎，所得小颗粒能悬浮流过塔而很少或没有沉淀出现。
参照图2，示出了分离塔部件6和7的分离装置。所述分离装置包括两个垂直分隔、共轴排列的板，包括下板14和上板15。使用中，下板14构成塔下部件6的顶板和塔上部件7的底板，并且有多个上升管16为来自下侧板15的气体提供交流通道，也就是说，从塔部件6进入到塔部件7。上板15在塔内通过支撑件(没有表示出)支撑，这样以大于上升管16高度的距离与下板14分隔，为每个上升管顶端到板15的底表面底之间提供间隙。上板上穿有圆孔17，设置打孔的位置以不与上升管16重合。孔17的直径优选小于上升管16的内径。例如，孔17的孔径可以为约16mm，上升管16的内径约为25mm。提供一个排水出口(没有表示出)来除去收集在板14顶面的水。所述水通过管道(没有表示出)回流到水槽4内，水的温度通常会在流过上部件7时略微提高。分离装置允许气流从部件6上流入部件7内，同时充分防止水从上部件7渗入部件6并进入填料直至上升管16(可以阻止气体通过)。
使用示于附图中的装置时，废气流从半导体处理腔室(没有表示出)中通过一个或多个真空泵泵入到入口10，接着进入填料塔的塔下部件6，在此废气流与由泵8通过填料中形成的分配通道泵送的热水接触。流经塔下部件6的水通过塔部件6下壁的孔回流到水槽2。
塔内的分配通道这样分布，以使当废气流和由泵9泵送的冷水接触时，废气流可进入塔上部件7的分配通道。
填料塔下部件6的主要目的是通过与热水接触除去氟和任何残留在气流中的微粒。气流中剩余的气体接着进入填料塔的上部件7，在此包括氨的残留气体通过与冷水接触进行洗涤。
所得气体接着进入旋风除尘器13进行如上所述的处理。周期性地，从系统排出和替换部分水。该步骤的进行是通过从水槽4中排出约25％的水，从水槽3输送相当量的水到水槽4，并引入新鲜的水到水槽3来替换所失的水。

Claims (16)

1.一种洗涤含卤素气流的方法，包括将气流与至少30℃的水接触的第一阶段，和将气流与低于30℃的水接触的随后的第二阶段。
2.如权利要求1所述的方法，其中在第二阶段中水的温度低于25℃。
3.如权利要求2所述的方法，其中在第二阶段中水的温度低于20℃。
4.如权利要求1所述的方法，其中在第一阶段中将气流与温度为至少35℃的水接触。
5.如权利要求1所述的方法，其中在第一阶段中水为液相。
6.如权利要求1所述的方法，其中在第一阶段中将气流与水蒸气接触。
7.如以上任何一项权利要求所述的方法，其中在第一阶段中将气流与温度为35℃到80℃的水接触。
8.如以上任何一项权利要求所述的方法，其中在第二阶段后，使气流经历至少一个进一步处理步骤。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述至少一个进一步处理步骤包括用稀释气体稀释气流。
10.如权利要求8或9所述的方法，其中气流在除尘装置中与稀释气体接触。
11.如权利要求9或11所述的方法，其中稀释气体为空气。
12.如上述任一项权利要求所述的方法，其中含卤素气流是来自半导体制造的废气。
13.如上述任一项权利要求所述的方法，其中在第一和第二阶段中，所述气流通常安排成与水呈逆流关系。
14.如权利要求14所述的方法，其中在第一和第二阶段中，使气流主要向上流而使水主要向下流。
15.一种用于从气流中洗涤卤素的装置，包括热洗涤腔体，其中所述气流可与热水洗涤流体接触，用来给所述热洗涤腔体提供温度至少为30℃的水的供给装置，用来给所述热洗涤腔体提供含卤素气流的含卤素气流源，从所述热洗涤腔体中排出处理后气体的出口，在所述热洗涤腔下游的冷洗涤腔体，用来给所述冷洗涤腔体提供温度低于30℃的水的冷水供给装置，用于从热洗涤腔体的出口输送处理后的气体到冷洗涤腔体的连接通道，和用于从所述冷洗涤腔体排出处理后气体的出口。
16.如权利要求15所述的装置，进一步包括气体稀释部件，处理后的气流可在其中用稀释气体稀释。
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