CN101472666B - 从气流中除氟用的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

从气流(1)中除去氟化气体的方法包括下列步骤：将含有氟化气体的气流(1)输送到燃烧区(2)，在燃烧区(2)中分解氟化气体，使能与氟化气体分解产物反应的钙盐(4)夹带到气流中以与氟化气体分解产物反应形成氟化钙，然后从气流中除去(10)氟化钙盐。

Description

从气流中除氟用的方法和装置
本发明涉及从气流中除氟，并特别可用于从半导体或平板工业中所用的工艺工具排出的含氟气体中除氟。
CF4、C2F6、NF3、SF6和分子氟(F2)常被用作半导体和平板工业中的蚀刻剂前体气体以便为介电层蚀刻和腔室清洗之类的方法提供受激氟类的来源。
在多数情况下，受激氟类，如原子氟原位形成或在腔室上游形成以与不想要的沉积物反应并形成容易泵出的挥发性氟化物。但是，通常，这些步骤中的气体利用效率低，因此从工具中排出的气流具有残留量的氟化前体气体或一系列其它气态氟化反应副产物。
由于它们的毒性和/或极高全球变暖潜势，必须在腔室废气混合物排放到大气中之前从中除去(减排)任何未用的氟化气体和氟化反应副产物。目前，通常在如向内燃烧器(inwardly fired burners)、电热燃烧器、明火燃烧器或等离子体减排器(plasma abatement devices)之类的设备中通过燃烧技术进行减排(abatement)。在这些设备中，来自工艺腔室的废气通入反应区，其中存在足以实现氟化气体向氢氟酸(HF)的转化的分别为热和燃料/氧化剂气体形式的能量和反应性物类。
为了达到严格的排放目标，必须随后从气流中除去氢氟酸，这通常用湿式洗涤器实现。这些需要大量的水来溶解HF，其随后通过与钙盐反应以氟化钙沉淀物(CaF2)的形式从水中除去。通过沉降和“结块”，从水中分离沉淀物，以便水可以再使用或通入污水系统。也可以通过使来自燃烧破坏设备的废气穿过钙盐的干反应性床来除去氢氟酸，由于在床表面上形成氟化钙层以致不能进一步反应，这通常低效。
本文所述的本发明的目的是解决这些问题中的一些。
在本发明的第一方面中，提供了从气流中除去氟化气体的方法，包括下列步骤：将含有氟化气体的气流输送到燃烧区，在燃烧区中分解氟化气体，使能与氟化气体分解产物反应的钙盐夹带到气流中以与氟化气体分解产物反应形成氟化钙，然后从气流中除去氟化钙盐。
这提供了新型的从气流中除去氟化气体，如分子氟(F2)和全氟化气体(例如三氟化氮(NF3)、四氟化碳(CF4)、六氟乙烷(C2F6)、四氟化硅(SiF4)、和六氟化硫(SF6))的方法。该方法有利地降低为了从离开燃烧区的气流中除去氟化分解(减排)产物而对昂贵的多级水处理法或低效的干床反应器的需求。
燃烧区优选为，但不限于，如向内燃烧器、电热燃烧器、明火燃烧器、DC等离子体和微波等离子体反应器之类设备的燃烧区。已经广泛用于氟化气体的破坏(减排)的这类装置可以有利地配备氟化钙夹带设备，由此允许使用者无需大的额外资本支出就可以节省能量。
钙盐可以在含有氟化气体的气流进入燃烧区之前；在燃烧区内时；或已经离开燃烧区时夹带到其中。优选使钙盐在燃烧区内部或在燃烧区出口附近夹带在气流中，因为所存在的热条件增强了钙盐与氟化气体分解产物之间的反应。
钙盐可以使用技术人员已知的许多方法，如空气吹粉技术、雾化喷雾技术、简单喷雾技术和汽化技术夹带到含有氟化气体的气流中。
也可以使用载气将钙盐夹带到气流中，包括空气、氮气、氢气、氧气、甲烷、丁烷。还原或氧化载气的使用可以有利地改进钙盐与氟化分解产物之间的反应。
钙盐或其分解产物必须能够与燃烧区中形成的氟化分解产物反应以形成氟化钙，优选不产生要求进一步的昂贵洗涤技术的显著量的不合意的额外气态副产物，如酸或NOx。合适的钙盐的实例包括例如CaO(石灰)、CaCO3、Ca(OH)2(熟石灰)和有机钙盐如Ca(CH3CH2CO2)2.H2O。氟化钙可以随后通过过滤器、旋风分离器和静电沉淀器之一或其组合从气流中除去。在有利于雾化或简单喷雾技术的装置中，优选使用乙酸钙，Ca(CH3CH2CO2)2.H2O，因为其容易形成浓的水溶液，由此使钙的量最大化并限制供应到该装置中的水量并确保通过与氟化气体分解产物反应形成的氟化钙盐保持基本干燥。
可以通过燃烧设备附近的设备原位进行或通过远离燃烧设备的洗涤装置从气流中除去氟化钙，这允许在集中化区域中除去来自几个燃烧设备的氟化钙，由此使超净半导体加工区域的微粒污染风险最小化。
现在参照附图通过实例描述本发明的优选特征，其中：
图1显示了从气流中除去氟化气体的第一示意图。
图2显示了图1中所示的示意图的一个实施方案。
图3显示了图1中所示的示意图的另一实施方案。
图4显示了从气流中除去氟化气体的第二示意图。
图5显示了从气流中除去氟化气体的第三示意图。
附图不按比例。
不同附图中的类似部件在下文中用相同参考数字表示。
图1示意性显示了从气流中除去氟化气体用的装置。该装置包含用于将例如借助真空泵送系统(未显示)从半导体或平板显示器工艺工具中泵出的含有氟化气体的气流输送到燃烧区2的路径1。燃烧区2可以是例如向内燃烧器、电热燃烧器、明火燃烧器、DC等离子体和微波等离子体反应器的燃烧区，在此将氟化气体转化(减排)成HF。燃烧区2也包含用于使钙盐，例如氧化钙、熟石灰、碳酸钙和乙酸钙之一在燃烧区2内夹带到气流中的入口4。钙盐，根据其具体组成，可以通过本领域公知的方法，如空气吹粉法、雾化喷雾法和汽化法以溶液、粉末或蒸气形式在燃烧区2内夹带到气流中。钙盐可以直接夹带到燃烧区中的气流中，或首先夹带到附加载气流中，随后将其经由入口4供应到燃烧区2中的气流中。钙盐或其分解产物在燃烧区中与HF反应形成氟化钙。
路径6将离开燃烧区2的富含氟化钙的气流输送到氟化钙去除设备10，在此从气流中除去氟化钙，耗除氟化钙的气流经由路径12离开去除设备10。去除设备10可以是，例如，旋风分离器、过滤器和静电沉淀器、或其组合。
为了从离开燃烧区2的气流中除热并确保氟化钙保持在空气中并因此防止聚集在去除设备10上游的装置表面上，可以经由入口8向路径6供应任选流动气体，如空气、氧气或氮气。
图2显示了图1所示的示意性装置的减排区段的优选实施方案。该装置包含一个或多个用于接收含有氟化气体的排出气流的入口14。含有氟化气体的排出气流沿路径1输送到喷嘴16，从中将排出气流注入燃烧区2。在所示实施方案中，显示了两个入口14，其用于从连接到例如两个工艺腔室的两个泵送系统中接收两股含有氟化气体的排出气流。或者，可以将来自一个腔室的排出气流“分流”并输送到各入口14。优选实施方案包含四个入口14。
各喷嘴16位于在陶瓷顶板20中形成的各自钻孔18内，该顶板划定了燃烧区2的上表面(如所示)。燃烧区2在如EP-A-0 694 735中所述的带孔燃烧器元件22的出口表面的界限内。在燃烧器与筒形外壳3之间形成压力通风空间24。将燃烧气体如天然气或烃，和空气的混合物经由一个或多个入口喷嘴(未显示)引入空间24以便在使用过程中，燃烧气体和空气的混合物在燃烧器元件22的出口表面处在无可见火焰的情况下燃烧。
为了优化燃烧条件以实现排出气流中所含的特定氟化气体的减排，优选在排出气流进入燃烧区2之前供应附加燃料气体和/或氧气以使该排出气流富燃料(enrich)。因此，该装置包括与EP 0 802 370 A2中所述类似的用于在燃烧区2上游将氧引入排出气流的借助基本同心地位于喷嘴16内的喷枪28的工具。附加燃料气体可以通过任何合适的工具(未显示)在燃烧区上游的任何方便位置添加到排出气流中。但是，由于可燃性，氧气和燃料气体在其注入燃烧区之前不应该在排出气流中停留明显的时长，因此进入喷嘴16的喷枪28开口在排出物注入燃烧区的位置前的0.7至3倍管直径处到头。燃料气体和/或氧化剂的相对比例可以随排出气流中存在的氟化物的类型改变。
在注入区域2后，富燃料的排出气体混合物点燃以形成从喷嘴16延伸到腔室2的火焰，其通过下列通式实现氟化气体的减排：
氟化气体+燃料+氧→HF+CO/CO2和H2O(1)
该装置也包含位于陶瓷顶板20内的一个或多个氟化钙夹带设备30，优选雾化喷雾设备，尽管其它夹带设备也是合适的。氟化钙通过任何上述设备经由入口4夹带到燃烧区中的气流中。设定夹带设备30及其相应入口4的位置以便在燃烧区2中发生夹带的氟化钙与排出气流的充分混合而不会抑制从喷嘴16延伸到区域2的火焰。在区域2中夹带到气流中后，钙盐或其分解产物通过下列通式与由氟化气体的减排产生的氢氟酸反应形成氟化钙：
HF+钙盐→CaF2(2)
气流和氟化钙随后经由出口32离开减排装置并输送到上述设备10之一中以从气流中除去氟化钙。
图3显示了图1所示的示意性装置的减排区的进一步优选的实施方案。该装置包含在构造和用途上与EP-A-0 819 887中所述类似的连接到燃烧区2上的一个或多个燃烧喷嘴34。各燃烧喷嘴34具有用于接收含有氟化气体的排出气体的入口36和废气经此进入燃烧区2的出口38。尽管图3显示了用于接收含有氟化气体的排出气体的单个燃烧喷嘴34，但该装置可以包含任何合适数量，例如4、6或更多个从单或多工艺工具中接收排出物的喷嘴34。在优选实施方案中，该装置包含四个喷嘴34。
如图3中所示，各喷嘴34安装在第一环形增压腔室40中，该腔室具有用于接收燃料和氧化剂的第一气体混合物，例如甲烷和空气的混合物以提供用于在燃烧区2内形成燃烧火焰的燃烧气体的入口42，和燃烧气体经此离开增压腔室40进入燃烧腔室2的多个出口46。如图3中所示，燃烧喷嘴34安装在第一增压腔室40中以使喷嘴34基本共轴通过各自的出口46并将第一燃烧气体混合物送入燃烧喷嘴34周围的燃烧腔室2。
也如图3中所示，第一增压腔室40位于第二环形增压腔室48上方，该第二环形增压腔室具有用于接收燃料和氧化剂的第二引燃气体混合物，例如甲烷和空气的另一混合物以在燃烧腔室2内形成引燃火焰的入口50。如图3中所示，第二增压腔室48包含围绕来自第一增压腔室40的第一孔口46的第二孔口52。第二孔口52允许引燃气体混合物进入燃烧腔室2以形成用于点燃经由孔口46进入燃烧区2的燃烧气体的引燃火焰以在燃烧腔室2内形成燃烧火焰。
离开孔口46的第一可燃气体混合物被由离开孔口52的第二引燃气体混合物形成的引燃火焰点燃，从而形成延伸到同心围绕离开喷嘴34的排出气流路径的燃烧区2中的燃烧火焰。通过喷嘴34输送的排出气流经由出口38进入燃烧区2到燃烧火焰中心，从而根据上列通式(1)减少氟化气体。
燃烧腔室2在基本圆柱形导管54的界限内。导管54具有多个孔口56，气体可以通过这些孔来自在导管54与外壳60之间形成的增压腔室58。使用合适的氟化钙夹带设备，优选空气吹粉设备或雾化喷雾设备(未显示)(尽管其它夹带设备也合适)使钙盐夹带到气流，例如空气中，将其经由入口4送入增压腔室58。富含钙盐的气体经由孔口56进入燃烧区2。钙盐或其分解产物随后根据上述通式2与HF反应形成氟化钙。排出气流和氟化钙随后经由出口62离开燃烧区2并从减排设备输送到上述设备10之一中以从气流中除去氟化钙。
图4示意性显示了用于从气流中除去氟化气体的第二装置。该装置基本类似于图1所示的装置，但是用于使钙盐夹带到气流中的入口4位于路径1中以使钙盐在输送到燃烧腔室2之前夹带到含有氟化气体的气流中。
在图4中示意性显示的装置的使用中，含有氟化气体的排出气流沿路径1输送，其中使用任何前述设备经由入口4将钙盐夹带到气流中。将含有氟化气体和氟化钙的气流输送到燃烧区2，在此减少氟化气体以形成HF，其与钙盐或其分解产物反应形成氟化钙。然后将含有氟化钙的气流沿路径6从燃烧区2输送到上述氟化钙去除设备10之一中，在此从气流中除去氟化钙，该气流随后经由路径12离开氟化钙去除设备。
可以任选将载气，例如空气、氧气和氮气经由入口8添加到沿路径6输送的气流中以助于氟化钙保持在空气中直至其到达氟化钙去除设备10。
图5示意性显示了用于从气流中除去氟化气体的第三装置。该装置基本类似于图1和4中所示的装置，但是用于将钙盐夹带到气流中的入口4位于路径6中以使钙盐夹带到离开燃烧腔室2的气流中。
在图3中示意性显示的装置的使用中，含有氟化气体的气流沿路径1输送到燃烧区2，在此减少氟化气体。经由路径6从燃烧区2中输出含有氟化气体分解产物的气流，在此使钙盐经由入口4夹带到气流中，以使钙盐或其分解产物与氟化气体分解产物反应形成氟化钙。然后将含有氟化钙的气流进一步沿路径6输送到氟化钙去除设备10，在此从气流中除去氟化钙，该气流随后经由路径12离开氟化钙去除设备。
可以任选将载气，例如空气、氧气和氮气经由入口4下游的入口8添加到沿路径6输送的气流中以助于氟化钙保持在空气中直至其到达氟化钙去除设备10。载气也可以经由入口4与氟化钙一起添加。

Claims (14)

1. 从气流中除去氟化气体的方法，包括下列步骤：将含有氟化气体的气流输送到燃烧区, 在燃烧区中分解氟化气体, 其中该方法还包括以下步骤：使能与氟化气体分解产物反应的钙盐夹带到气流中以与氟化气体分解产物反应形成干的氟化钙，然后从气流中除去干的氟化钙盐，其中钙盐是CaO、CaCO3、Ca(OH)2、石灰、熟石灰和Ca(CH3CH2CO2)2.H2O之一或其混合物。
2. 根据权利要求1的方法，其中氟化气体是分子氟（F2）和全氟化气体之一或其混合物。
3. 根据权利要求2的方法，其中全氟化气体是三氟化氮（NF3）、四氟化碳（CF4）、六氟乙烷（C2F6）、四氟化硅（SiF4）、六氟化硫（SF6）之一或其混合物。
4. 根据前述权利要求任一项的方法，其中在燃烧区下游将钙盐夹带到气流中。
5. 根据权利要求1的方法，其中在燃烧区内部将钙盐夹带到气流中。
6. 根据权利要求1的方法，其中在燃烧区上游将钙盐夹带到气流中。
7. 根据权利要求1的方法，其中通过空气吹送粉末技术将钙盐夹带到气流中。
8. 根据权利要求1的方法，其中通过简单喷雾技术将钙盐夹带到气流中。
9. 根据权利要求1的方法，其中通过雾化喷雾技术将钙盐夹带到气流中。
10. 根据权利要求1的方法，其中燃烧区是向内燃烧器的燃烧区。
11. 根据权利要求1的方法，其中燃烧区是电热燃烧器的燃烧区。
12. 根据权利要求1的方法，其中燃烧区是明火燃烧器的燃烧区。
13. 根据权利要求1的方法，其中燃烧区是等离子体反应器的燃烧区。
14. 根据权利要求1的方法，其中通过过滤器、旋风分离器和静电沉淀器之一从气流中除去氟化钙盐。
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