CN101610829A - 处理气体物流的方法 - Google Patents
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Abstract
描述了用于处理含可燃气体如氢气或烃气的气体物流的方法。气体物流被输送到液体环式泵(18),向其中提供气体氧化剂和水。从泵(18)中排出水和气体物流,其中被排出的气体物流随后与液体分离,并且被输送到热解设备(42)用于热解可燃气体和氧化剂。通过液体环式泵中的水保持了气体物流中的任何颗粒物和酸性物质,从而抑制了热解设备(42)的腐蚀或阻塞。可以提供过滤器或其它设备(40)而在其进入热解设备(42)前从气体物流中除去水。
Description
本发明涉及处理气体物流的方法和装置。
许多半导体制造工艺使用或产生可燃气体。例如,在加工室中进行的外延沉积工艺可以使用硅源气体,典型地硅烷或氯硅烷化合物之一,在氢气气氛中,在高温下,典型地约800-1100℃,和在真空条件下。硅烷和氨可以被提供给工艺室来在基材上形成氮化硅薄膜。作为另一实例,燃料气体可以被添加到用于蚀刻介电薄膜的气体混合物中。
工艺工具典型地具有多个工艺室,其每个可以处于沉积、蚀刻或清洗工艺中的各自不同的工序,使得在任何给定的时间作为来自各室的排气的气体可以具有各自不同的组成。在这样的工艺中,仅仅小比例的气体被消耗并且因此提供给各室的大部分气体从各室中与来自工艺的固体和气体副产物一起被排出。
用于从工艺室抽出排出气体的排气系统典型地包括多个副泵(各自用于从相应的工艺室中抽出气体)和至少一个主泵(支持副泵)。因此,从工艺室中抽出的排气气体物流往往在歧管或排气系统中的其它相连的管道中被合并,使工艺气体和来自若干不同工艺的副产物汇集在一起。
虽然合并的排气本身往往不是可燃的,但是泵送这样的气体需要十分小心排气系统的泄漏完整性以便确保没有空气进入。如果排气高于其爆炸下限(LEL),在排气系统中的任何点火源可能导致产生穿过排气系统的危险的焰锋。
用于避免可燃气体物流着火的常见技术是向气体物流中引入过量的惰性吹扫气体,典型地氮气。用于连接到半导体加工室的排气系统中的真空泵历史上已经是注油泵或者多级无水泵。然而,这些泵具有用于将另外的吹扫气体带入其最后若干级从而有助于稀释排气至这样的水平(低于所述水平,将氧化气体添加到排气将不能提高排气高于其LEL)的有限的能力。
虽然在排气系统中可以提供设备来可控地热解或者以其它方式除去排气中所含的任何可燃气体,但是排气中腐蚀性、酸性物质的存在可能显著地降低热解设备的使用期限和效率。例如,酸性气体如HF或HCl可以作为来自在工艺室中进行的工艺的副产物产生,并且提供给工艺室的蚀刻气体可包括卤化合物如HCl、HBr、BCl3、Cl2和Br2和其组合。
本发明提供了处理包括第一和第二气体组分的气体物流的方法,该方法包括以下步骤:
输送气体物流至液体环式泵;
向泵提供液体,其用于在泵中形成液环并且用于从气体物流除去第一气体组分;
从泵中排出液体和气体物流;
将气体物流与液体分离;和
随后从气体物流中除去第二气体组分。
通过借助液体环式泵中的液体保持气体物流中存在的任何颗粒物和气体酸性物质,可以抑制用于从气体物流中除去气体组分的设备的腐蚀或阻塞。在气体物流中可能存在的酸性物质的实例包括含硫物质,如SO2,和含卤素物质,如HF、HCl、BCl3、HBr、Cl2和Br2。用于在泵中形成液环和从气体物流中除去气体酸性物质的合适的液体的实例包括水、水溶液、硫代硫酸盐溶液和苛性钠溶液。因此可以实现在用于从气体物流中除去危险或可燃气体的泵下游使用设备,而没有由于存在这样的颗粒物和酸性物质对这样的设备的使用期限和效率的影响。
此外,与多级真空泵和注油泵相比,提高气体容量的液体环式泵可以能够使待添加到气体物流的稀释吹扫气体的流量变大。
可以使用热解设备来热解位于与液体分离的气体物流中的可燃气体。可燃气体可以是任何可燃气体,实例包括烃,如C2H2、C2H4、CH2F2和CH3F、CO、H2、NH3。过滤器、旋风分离器或其它气体处理设备可以被提供来在与液体分离后从气体物流中除去任何水,因为存在于气体物流中的任何水分否则可能毒害或洗掉热解设备的组件。例如,热解设备可包括热解催化剂,例如Hopcalite(获自MolecularProducts),其可以至少最初被加热来抑制水在热解设备中的冷凝。由于在气体物流中的可燃气体的热解期间热量将在设备中产生,在气体物流的处理期间设备的外部加热的程度可以逐渐被降低或消除。热解设备可备选地包括被加热的高表面面积材料,或者适用于进行热解的其它加热的设备。
作为热解设备的备选方案,或者除热解设备之外,可以提供等离子体消除设备、燃烧装置、气体反应器塔或任何其它气体处理设备来从液体环式泵排出的气体物流中除去气体组分。这种气体组分也可以是可燃气体,或者其可以是全氟化的化合物,如CF4,或未被液体环式泵中的液体除去的其它气体。
将吹扫气体如空气的物流添加到气体物流可以将充足的气体氧化剂引入气体物流中来与可燃气体反应,使得气体物流免受随后的火灾或爆炸危险。这种气体氧化剂可以直接地被提供到热解和/或等离子体消除设备,或者它可以在这种设备的上游被提供给气体物流。例如,气体氧化剂可以被提供给液体环式泵的入口。
本发明的优选的实施方案涉及处理含可燃气体的气体物流,并且因此本发明还提供了处理含可燃气体的气体物流的方法,该方法包括以下步骤:
输送气体物流至液体环式泵;
向泵提供液体,其用于在泵中形成液环;
从泵中排出液体和气体物流;
将气体物流与液体分离;和
热解在与液体分离的气体物流中的可燃气体。
本发明还提供了处理含第一和第二气体组分的气体物流的装置,该装置包括:
用于接收气体物流的液体环式泵;
用于向泵提供液体的设备,所述液体用于在泵中形成液环和用于从气体物流除去第一气体组分,泵包括出口,用于从泵排出液体和气体物流;
分离设备,用于分离气体物流和从泵排出的液体;和
用于从气体物流中除去第二气体组分的位于分离设备下游的设备。
本发明进一步提供了处理含可燃气体的气体物流的装置,该装置包括:
用于接收气体物流的液体环式泵;
用于向泵提供液体的设备,所述液体用于在泵中形成液环,泵包括出口,用于从泵排出液体和气体物流;
分离设备,用于分离气体物流和从泵排出的液体;和
用于热解气体物流中的可燃气体的位于分离设备下游的设备。
在优选实施方案中,第一气体入口提供在液体环式泵的入口侧,以便含可燃气体的气体物流被吸入相邻转子叶片间的空间中,其中液体径向向外移动。第二气体入口可以提供在泵的入口侧,以便将气体氧化剂输送到泵的壳体。用于提供液体从而在壳体中形成液环的其它入口可以在泵的入口和出口侧之间,在壳体的底部提供。
以上相对于本发明的方法方面所描述的特征同样地适用于装置方面,反之亦然。
本发明现将仅仅举例并且参考附图进行描述,所述附图举例说明了用于处理气体物流的装置10的实施方案。在这种实施方案中,使用装置10来处理从工艺工具的一个或多个工艺室12中排出的气体物流。仅为简单起见,在附图中举例说明了两个工艺室12,但是可以使用装置10来处理从许多工艺室12中排出的气体物流。在使用期间,工艺气体被提供给工艺室用于加工位于室12中的基材,或者用于在加工步骤之间的室清洗。这些工艺可包括在基材上实施的沉积和刻蚀工艺,例如在形成半导体、平板显示器或太阳能设备期间。
由于不相似的工艺或清洗工艺可以在任何给定的时间在室12中进行,从室12通过副真空泵14(其可以是多级无水泵或分子泵)抽出的排出气体可以具有不同的组分,其由以下构成:未消耗的工艺和清洗气体,和来自在室12中发生的反应的副产物。这些排出气体可包括一种或多种可燃气体,例如,烃如C2H2、C2H4、CH2F2或CH3F、CO、H2、或NH3,其被提供给室12,本身作为工艺气体或者作为用于其它工艺气体的载气。排出气体还可包括固体颗粒物,如SiO2颗粒,其在工艺室12中产生,以及腐蚀性、酸性气体,如SO2或卤代物质HF、HCl、BCl3、HBr、Cl2和Br2之一,其可以是未消耗的工艺气体或者来自在工艺室12中进行的加工的副产物。
从副真空泵14排出的气体物流在歧管16合并,并且被输送到装置10。如附图中所示,装置10包括液体环式泵18,其具有第一入口20,通过其合并的气体物流进入液体环式泵18。液体环式泵18包括在液体环式泵18的入口侧相邻第一入口20的第二入口22。气体氧化剂源24通过管道系统26连接到第二入口22,所述管道系统26将氧化剂提供给液体环式泵18。源24可便利地包括空气源,含有氧气作为气体氧化剂。含氧化剂的气体物流被提供给泵18,以便在第一入口20的压力优选地是50-500毫巴,更优选地80-120毫巴。
液体环式泵18进一步包括第三入口28,用于在泵18中形成液环的液体通过管道系统30输送通过该第三入口28。在这种实施方案中,液体是水,然而可以使用任何水溶液。如已知的,液体环式泵18包括可旋转地安装在环形壳体中的转子,以便相对于壳体的中心轴,转子轴是偏心的。转子具有叶片,所述叶片径向向外从其延伸并且围绕转子是等间隔的。随着转子旋转,叶片带动液体并且将其形成为在壳体内部的环形环。通过第一入口20进入液体环式泵18的废物物流,和通过第二入口22进入液体环式泵18的空气物流,被吸入相邻叶片间的空间中,并且围绕泵18被输送到泵出口32。
包含在进入液体环式泵18的气体物流中的任何固体颗粒物变成夹带在泵18内的液体中。此外,在这种气体物流中的相当大比例的腐蚀性、酸性气体被液体带入溶液中,由此显著地降低了这些气体在气体物流中的数量。例如,代替使用水作为提供给泵18的液体,苛性钠溶液可以被提供给泵18,从而在泵中形成液环并且从气体物流中除去Cl2和/或Br2。或者,硫代硫酸盐溶液可以被提供给泵18,从而实现在泵中形成液环和从气体物流中除去气体组分的双重作用。
酸性的且负载颗粒物的液体,与未溶解的气体(包括提供给泵18的气体氧化剂和包含在通过第一入口20进入泵18的气体物流中的可燃气体)一起,通过出口32从泵18中排出。气体和液体的这种混合物通过管道系统34被输送到流体储存器36,其用来分离气体物流与液体。通过出口38,气体从储存器36排出,而被收集的液体可以通过管道系统30被输送回到液体环式泵18的第三入口28。过滤器(未示)或类似物可以用于从液体中除去固体颗粒物,而离子交换装置或类似物可以被提供而在其被送回到液体环式泵18前从液体中除去酸性组分。虽然在本实施例中使用流体储存器36,但是可以使用适用于分离气体物流与液体的任何其它分离装置。
从储存器36排出的气体物流然后被输送到气体处理设备40,其从气体物流中除去水分。这种设备40可以由一种或多种过滤器,或者由旋风分离器提供。气体物流随后被输送到设备42用于从气体物流中除去可燃气体。在本实施例中,这种设备是热解设备42,其用于热解气体物流中的可燃气体和气体氧化剂。热解设备42可包括热解催化剂,如Hopcalite(获自Molecular Products),其可以至少最初通过加热器44来加热从而抑制在热解设备内的水的冷凝。由于在气体物流中的可燃气体的热解期间热量将在设备42中产生,在气体物流的处理期间设备42的外部加热的程度可以通过控制器46逐渐被降低或消除。热解设备可备选地包括被加热的高表面面积材料,或者适用于进行热解的其它加热的设备。设备42可以具有用于接收热解可燃气体用的气体氧化剂的气体入口,在该情况中,将氧化剂提供给液体环式泵可以被降低或者甚至被消除。
除热解设备之外,或者作为热解设备的备选方案,可以提供等离子体消除设备、燃烧装置、气体反应器塔或其它气体处理设备来从液体环式泵18排出的气体物流中除去气体组分。这种气体组分可以是可燃气体,或者其可以是另一气体,其没有通过液体环式泵中的液体从气体物流中除去,例如全氟化气体如CF4。
Claims (31)
1.一种处理包括第一和第二气体组分的气体物流的方法,该方法包括以下步骤:
输送气体物流至液体环式泵;
向泵提供液体,其用于在泵中形成液环并且用于从气体物流除去第一气体组分;
从泵中排出液体和气体物流;
将气体物流与液体分离;和
随后从气体物流中除去第二气体组分。
2.根据权利要求1的方法,其中第一气体组分是气体物流的酸性组分。
3.根据权利要求2的方法,其中酸性物质包括含硫物质或含卤素物质。
4.根据权利要求3的方法,其中含卤素物质包括HF、HCl、BCl3、HBr、Cl2和Br2之一。
5.根据前述权利要求中任一项的方法,其中第二气体组分是可燃气体。
6.根据权利要求5的方法,其中可燃气体包括烃、CO、H2、NH3之一。
7.根据权利要求6的方法,其中烃包括C2H2、C2H4、CH2F2和CH3F之一。
8.根据前述权利要求中任一项的方法,其中通过热解从气体物流中除去第二气体组分。
9.根据权利要求8的方法,其中可燃气体是使用热解催化剂热解的。
10.根据权利要求8或权利要求9的方法,其中可燃气体是使用加热的设备热解的。
11.根据前述权利要求中任一项的方法,其中在等离子体消除设备中处理气体物流而从气体物流中除去第二气体组分。
12.根据前述权利要求中任一项的方法,其中将气体氧化剂提供给气体物流用于与第二气体组分反应而从气体物流中除去第二气体组分。
13.根据权利要求12的方法,其中气体氧化剂包括氧气。
14.根据权利要求13的方法,其中气体氧化剂在空气物流中被提供给泵。
15.根据权利要求12-14中任一项的方法,其中气体氧化剂被提供给泵。
16.根据前述权利要求中任一项的方法,其中液体包括水或水溶液。
17.根据前述权利要求中任一项的方法,其中在气体物流从液体中分离后,气体物流被输送通过用于从气体物流中除去液体的气体处理设备。
18.根据权利要求17的方法,其中气体处理设备包括过滤器和旋风分离器之一。
19.一种处理含可燃气体的气体物流的方法,该方法包括以下步骤:
输送气体物流至液体环式泵;
向泵提供液体,其用于在泵中形成液环;
从泵中排出液体和气体物流;
将气体物流与液体分离;和
热解在与液体分离的气体物流中的可燃气体。
20.用于处理含第一和第二气体组分的气体物流的装置,该装置包括:
用于接收气体物流的液体环式泵;
用于向泵提供液体的设备,所述液体用于在泵中形成液环和用于从气体物流除去第一气体组分,泵包括出口,用于从泵排出液体和气体物流;
分离设备,用于分离气体物流和从泵排出的液体;和
用于从气体物流中除去第二气体组分的位于分离设备下游的设备。
21.根据权利要求20的装置,其中用于从气体物流中除去第二气体组分的设备包括热解设备。
22.根据权利要求21的装置,其中热解设备包括热解催化剂。
23.根据权利要求21或权利要求22的装置,其包括加热热解设备从而在其中抑制水的冷凝的设备。
24.根据权利要求20-23中任一项的装置,其中用于从气体物流中除去第二气体组分的设备包括等离子体消除设备。
25.根据权利要求20-24中任一项的装置,其包括用于从气体物流中除去液体的位于分离设备下游的设备。
26.根据权利要求25的装置,其中用于从气体物流中除去液体的设备包括过滤器。
27.根据权利要求25的装置,其中用于从气体物流中除去液体的设备包括旋风分离器。
28.根据权利要求20-27中任一项的装置,其包括在所述用于从气体物流中除去第二气体组分的设备中的用于将气体氧化剂提供给气体物流用于与第二气体组分反应的设备。
29.根据权利要求28的方法,其中配置氧化剂提供设备来将空气物流提供给气体物流。
30.根据权利要求28或权利要求29的方法,其中配置氧化剂提供设备来将气体氧化剂提供给泵。
31.用于处理含可燃气体的气体物流的装置,该装置包括:
用于接收气体物流的液体环式泵;
用于向泵提供液体的设备,所述液体用于在泵中形成液环,泵包括出口,用于从泵排出液体和气体物流;
分离设备,用于分离气体物流和从泵排出的液体;和
用于热解气体物流中的可燃气体的位于分离设备下游的设备。
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