CN105556211B - 生产气体减少的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种生产气体减少装置和方法。该生产气体减少装置包括：燃烧器，该燃烧器包括可操作用于可接收来自生产工艺工具的排出气体流的燃烧室，并在燃烧室内处于亚大气压的条件下对排出气体流进行处理，所述燃烧室进一步可操作用于接收燃料、氧化剂和稀释剂，所述燃料、氧化剂和稀释剂在所述燃烧室内可控燃烧来处理所述排出气体流以生成处理后的排出气流，所述稀释剂在所述处理后的排出气流中可压缩。通过以惰性可压缩气体的形式提供稀释剂，燃烧室内的体积增量减小，这减少了排出气流的体积并减少了二次泵的体积负载。所述体积增量的减少是由于在排出气流中的稀释剂变相导致的，这样可以从排出气流中有效地移除稀释剂组分。这导致了可观的能源节约，由于从燃烧室内产生的气体体积变得更小，而这些气体需要通过二次泵的方式被压缩到第二压力，例如大气压。

Description

生产气体减少的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种生产气体减少装置和方法。
背景技术
用于处理来自制造工艺工具中排放气体流流的装置在低于大气压的压力下运行，已知的这些工业工艺例如半导体和平板显示器制造工业。在这些制造中，残余的排放气体流中的含氟组分(PFCs)和其他组分从过程设备中泵送出流。PFCs难以控制或从排放气体中移除，并且将它们释放到环境中是不期望的，因为已经知道它们具有相当高的温室作用。
一种用于执行排放气体控制的方法是将来自工艺工具中的排放气在送入辐射式燃烧器前泵送到更高的亚大气压下。该辐射式燃烧器采用燃烧的方法来移除PFCs和生产气体流流中的其它组分。典型的，该排出气体流流是包括PFCs和其它组分的氮气流流。燃料气与该排放气混合并且上述气体流流混合物送入被孔状气体燃烧器的排放口表面水平环绕的燃烧室中。燃料气和空气同时供应到孔状燃烧器以影响在排放表面的无焰燃烧，且通过孔状燃烧器的空气数量足够多到不仅消耗供入燃烧器的燃料气，还能够完全燃烧喷射入燃烧室的气体流流混合物。处理后的气体流流产物从辐射式燃烧器中排出。此后，将处理后的气体流流在被排出前泵送至大气压。
虽然现在已有处理排出气体流流的技术，但是它们每个都有它们的缺点。因此，其非常期望能够提供一种用于处理排出气体流流的改进技术。
发明内容
根据第一个方面，在此提供一种生产气体减少设备，其包括：燃烧器，该燃烧器包括燃烧室，该燃烧室可操作来接收待在燃烧室中在低于大气压的压力下被处理的来自制造工艺工具的排出气体流，该燃烧室进一步可操作来接收控制燃烧室内的燃烧的燃料、氧化剂和稀释剂来处理排出气体流来生成处理后的排出气流，该稀释剂可在处理后的排出气流中可冷凝。
第一个方面认识到，如上面所述，在现有的方法下，该燃烧器在工艺工具的压力之间，但在大气压之下的压力下操作。例如，该燃烧器典型地在接近200mbar下运行，其中，生产气体借助于多级干式泵送机构使生产气体升高到该压力，其中，借助于第二泵，例如液体环式泵使燃烧副产物升高到第二压力，例如，大气压力。
典型地，碳化氢燃料为在燃烧室内的燃烧减少提供能源，并且通常该燃料是甲烷。根据下列反应式(1)，其与生产气体“P”一起燃烧以产生处理后的生产气体P’：
10P+CH4+2O2＝CO2+2H2O+10P’ (1)
假定大气压燃烧特性也适用于亚大气压燃烧，然后每个标准升每分钟(slm)的甲烷能够处理大约10标准升每分钟的工艺尾气。因为在CH4和纯氧的情况下，输入至燃烧室的气体的体积与由燃烧室输出的气体的体积之间的体积增加仅为10％(例如10slm的生产尾气被输入燃烧室并且11slm从燃烧室输出)。
然而，通常，O2将在空气中按体积含有20.9％，并且因而将伴随随后体积的N2。使用空气既是O2的便利来源又对燃烧室内有利，因为N2有利于调节燃烧室内的火焰速度和温度。
与空气一起，根据下面的等式(2)燃烧：
10P+CH4+2O2+8N2＝CO2+8N2+2H2O+10P’ (2)
但是，第一方面认识到在输入燃烧室的气体体积与由燃烧室输出的气体体积的体积增加几乎是翻倍的(即，10slm的输入燃烧室的生产气体和19slm的从燃烧室输出)。
由此，可提供生产气体减少装置。该装置包括燃烧器。该燃烧器可包括燃烧室，其从制造工艺工具接收生产或排出气体流。排出气体流可在燃烧室内在亚大气压下处理。该燃烧室可接收燃料、氧化剂和稀释剂。燃料、氧化剂和稀释剂可控制在燃烧室内的燃烧以处理排出气体流并产生处理后的排出气流。稀释剂可在处理后的排出气流中可冷凝。
第一方面认知到，由于在现有的方法中提供的N2的目的是用于调节燃烧室内的火焰速度和温度，因此使用N2的唯一便利之处在于其通常出现在空气中。如果可以使用其他形式的稀释剂比如可压缩的惰性气体来替代所述N2，该燃烧室内的体积差将会减小。这将减小排出气流的体积并减小所述二次泵的体积负载。所述体积差的减小是由于排出气流中的稀释剂变相获得的，该变相有效地从排出气流中移除稀释剂的组分。由于从燃烧室中产生的气体体积变小，而由于需要通过所述二次泵的方式将这些气体带至第二压力例如大气压，因此这导致可见的电力节约。
在一个实施例中，当输入至燃烧室时，稀释剂包括蒸汽。因此，稀释剂可以蒸汽形式与燃料和氧化剂混合以便与需要的性质一起引起燃烧，以便处理排出气体流。例如在排出气流内的惰性可压缩流变成液相使得稀释剂既有助于燃烧特性同时还可以由于排出气流中的稀释剂的变相而减少体积增加，从而有效地从排出气流体积中移除稀释剂组分。
在一个实施例中，稀释剂包括在蒸发之前用于输入至燃烧室的液体的组分。将理解的是这显著地简化了稀释剂的储存。
在一个实施例中，稀释剂在处理后的排出气流中被冷凝至液体。将理解的是从蒸汽至液体的变相导致体积的显著的减小。
在一个实施例中，将稀释剂以第一体积速率输送到燃烧室并且以第二体积速率占用处理后的排出气流，第二体积速率低于第一体积速率。
在一个实施例中，以具体的体积速率提供稀释剂以控制燃烧室内的燃烧条件以处理排放气体流。
在一个实施例中，稀释剂与燃料和氧化剂中的至少一者在输入燃烧室前结合。将理解的是，这显著地简化了稀释剂和/或燃料和氧化剂的储存。
在一个实施例中，燃料和氧化剂中的其中一者在输入燃烧室前与稀释剂溶解。
在一个实施例中，燃料和氧化剂均在输入燃烧室前与稀释剂溶解。
在一个实施例中，被稀释剂溶解的燃料和氧化剂中的其中一者在输入该燃烧室前汽化。
在一个实施例中，由稀释剂溶解的燃料和氧化剂中的至少一者和稀释剂在输入燃烧室前一起汽化。
在一个实施例中，稀释剂包括水、全氟化碳和碳化氢中的至少一者。
在一个实施例中，燃烧器包括辐射式燃烧器和具有多孔套筒的燃烧室，燃料、氧化剂和稀释剂行进穿过该多孔套筒以用于在靠近多孔套筒的燃烧表面处燃烧。
在一个实施例中，处理后的排出气流被提供到液体环式泵以压缩至大气压。
在一个实施例中，稀释剂在液体环式泵中压缩。因此，液体环式泵也充当有效的冷凝器。
在一个实施例中，该液体环式泵可以运行以洗涤处理后的排出气流。因此，该液体环式泵也能充当有效的洗涤器。
根据第二方面，在此提供了一种生产气体减少方法，包括：在亚大气压下的燃烧室内接收来制造工艺工具的待处理的排出气体流，在燃烧室内接收燃料、氧气和稀释剂，该燃料、氧气和稀释剂在燃烧室内可控燃烧来将排出气体流处理以产生排出气流；和压缩处理后的排出气流中的稀释剂。
在一个实施例中，接收步骤包括将稀释剂作为蒸汽引入燃烧室。
在一个实施例中，该稀释剂包括在汽化用于引入燃烧室前的液体。
在一个实施例中，冷凝的步骤包括在处理后的排出气流中将稀释剂冷凝成液体。
在一个实施例中，接收步骤包括将稀释剂以第一体积速率输送到燃烧室中并且冷凝步骤包括稀释剂以第二体积速率在处理后的排出气流中占据，其中第二体积速率小于第一体积速率。
在一个实施例中，接收步骤包括以特定的体积速率供应稀释剂来在燃烧室内控制燃烧情况以处理排出气体流。
在一个实施例中，该方法包括将稀释剂与燃料和氧化剂中的至少一者在输送入燃烧室前结合。
在一个实施例中，该方法包括将燃料和氧化剂中的至少一者在输送入燃烧之前被稀释剂溶解的步骤。
在一个实施例中，该方法包括将燃料和氧化剂二者均在输送到燃烧之前被稀释剂溶解的步骤。
在一个实施例中，该接收步骤包括将与稀释剂溶解的燃料和氧化剂至少其中之一在输送到燃烧室前蒸发。
在一个实施例中，该接收步骤包括将被稀释剂溶解的燃料和氧化剂中的至少一者在输送入燃烧室之前一起汽化。
在一个实施例中，稀释剂包括水、全氟化碳和碳化氢中的至少一者。
在一个实施例中，该燃烧器包括辐射式燃烧器和具有多孔套筒的燃烧室，燃料、氧化剂和稀释剂行进穿过多孔套筒以用于在靠近多孔套筒的燃烧表面处燃烧。
在一个实施例中，该方法包括将处理后的排出气流提供到液体环式泵以用于压缩到大气压。
在一个实施例中，冷凝步骤包括在液体环式泵中冷凝稀释剂。
在一个实施例中，该方法包括使用液体环式泵洗涤处理后的排出气流的步骤。
更特别的和优选的方面将伴随着独立和从属权利要求进一步指出。从属权利要求的特征可以与优选的独立权利要求特征结合，并且与权利要求中没有详细说明的特征结合。
其中专利描述的装置特征可以运行以提供这样一个功能，可以预料到的是这里包括装置特征其提供了这样一个功能或是适于或配置成提供这样一个功能。
附图说明
本发明的实施例现在将参照附图进一步描述，其中：
图1示出了根据一个实施例的生产气体减少装置。
具体实施方式
整体说明
在对实施例进行进一步详细说明以前，首先提供整体说明。在实施例中，亚大气压燃烧系统在稀释剂下运行，其中该稀释剂在排出气流中冷凝以便减少排放的尾气的体积。这减少了在排放到大气之前需压缩到大气压的尾气体积。
生产气体控制
根据一个实施例，图1图示了大体为100的生产气体减少装置。第一泵级10对例如半导体工艺室的工艺室进行抽空以提供处于例如1mbar的第一压力的生产或排出气体流P并将排出气体流P压缩到例如100-200mbar的中间压力。第一泵级10典型地包括干式泵。
辐射式燃烧器20或其它燃烧装置接收处于中间压力的排出气体流P。另外，辐射式燃烧器20除稀释剂D之外接收燃料/氧化剂混合物。该排出气体流P被提供入燃烧室，该燃烧室被有小孔气体燃烧器的放出表面横向地环绕。该燃料/氧化剂混合物与稀释剂D同时供应到有小孔燃烧器以在放出表面处引起无焰燃烧。行进穿过有小孔燃烧器的氧化剂的量不仅足以消耗供应至燃烧室的燃料还足以消耗在喷射入燃烧室的排出气体流中的可燃物。稀释剂D按照足以控制有小孔燃烧器的放出表面处的火焰速度的量供应并用于控制燃烧室内温度和其它燃烧特性。该经过处理后的排出气体流P’与燃烧室内燃烧生成的副产物一起从辐射式燃烧器排出。稀释剂D在处理后的排出气体流中冷凝。
该处理后的排出气体流P’被提供至第二泵级30，例如液体环式泵，其将处理后的排出气体流P’与燃烧室内的燃烧的其它副产物在排放到大气前压缩到第二压力，例如大气压。
实例运行
在该实例中，排出气体流P以10slm(标准升每分钟)的速率从第一泵级10提供到辐射式燃烧器20。为了处理排出气体流P，燃料/氧化剂混合物以3slm的速率，稀释剂D以8slm的速率一起被提供，以便根据反应式(3)适当地控制火焰速度、温度和燃烧室内的其它燃烧特性，以正确地处理排出气体流P：
10P+CH4+2O2+8D(g)＝CO2+8D(I)+2H2O+10P’ (3)
例如在接近200mabr下运行的这样的辐射式燃烧器20，被供燃有例如甲烷的碳化氢和氧气。其被稀释至稀释剂D的适当浓度。
由于在排出气体流P’中稀释剂D冷凝，因而其典型地在环境条件下为液态并且因而在被提供至燃烧室之前被加热以便汽化。该液体稀释剂D可因而与燃料和/或与氧化剂混合以便在被引入燃烧室之前以方便的方式储存。
稀释剂
在一个实施例中，该稀释剂D通常为水。在燃烧室内在火焰温度下提供充分量的水蒸汽的附加的优势在于，其提供额外的反应剂，以用于根据下面等式(4)的在排出气体流P中的F2减少：
F2+H2O＝2HF+1/2O2 (4)
这些所产生的过量的O2还有益，因为其与例如SiH4的沉积气体反应。
燃料可以在水中溶解以便于储存。例如酒精溶解在水中形成水溶液，其在引入到燃烧室前汽化。相似地，氧化剂可以溶解在水中以便于储存。例如，过氧化氢溶解在水中来提供水溶液，其在引入燃烧室前汽化。相似地，氧化剂和燃料均可以溶解在水中便于储存。如果它们源于70℃/300mbar的来源，则它们将需要接近2600J/g的能量来生成。将进行该生成的能量将基本上按照：
(8/22.4)×18×2600/60＝280Watts
该能量可源于在真空泵中产生的废热。在集成系统中，水(和泵)可电力地预热并将温度保持在产生热量和蒸发的平衡之间。
考虑到其中有接近10slm的生产气体P需要被处理的实例，将需要大约1slm的CH4和2slm的O2。为了稀释它们并提供利用空气获得的相似的燃烧特性，还将需要大约8slm的H2O作为稀释剂D。
水在处理后的排出气体流内冷凝并因此提供了大约10slm的生产排出气体流P’和大约1slm的CO2。这意味着仅需提供大约11slm而不是需要提供19slm被提供至二次泵级30，其显著地减少了被压缩的数量并减少用于压缩其的能量消耗。
二次泵级30可以为液体环式泵。提供液体环式泵是尤其有利的，因为其既帮助稀释剂的冷凝又可用于洗涤提供的气体流。
虽然上面的例子采用水作为稀释剂，将理解的是，稀释剂可以是在例如全氟化碳或碳化氢的排出气体流中冷凝的任何适当的混合物。
虽然本发明中详细进行公开的是参照相应附图进行具体图示的实施例，可以理解的是本发明不限于具体的实施例，而是任何本领域技术人员在不违背本发明的精神所做的任何改变和变形如同附加权利要求和它们所定义的等同变化。

Claims (15)

1.一种生产气体减少装置，包括：
燃烧器，包括：
燃烧室，其可操作以接收待在所述燃烧室内在亚大气压下处理的来自制造工艺工具的排出气体流，所述燃烧室还可操作以接收燃料、氧化剂和稀释剂，所述燃料、氧化剂和稀释剂控制在所述燃烧室内的燃烧来处理所述排出气体流以生成处理后的排出气流，所述稀释剂在所述处理后的排出气流中可冷凝。
2.根据权利要求1所述的生产气体减少装置，其中，所述稀释剂在被引入至所述燃烧室时包括蒸汽。
3.根据权利要求1或2所述的生产气体减少装置，其中，所述稀释剂包括在被汽化用于引入至所述燃烧室之前包括液体。
4.根据权利要求1或2所述的生产气体减少装置，其中，所述稀释剂在所述处理后的排出气流中冷凝成液体。
5.根据权利要求1或2所述的生产气体减少装置，其中，所述稀释剂以第一体积速率引入所述燃烧室并且以第二体积速率占用所述处理后的排出气流，所述第二体积速率小于所述第一体积速率。
6.根据权利要求1或2所述的生产气体减少装置，其中，所述稀释剂与所述燃料和氧化剂中的至少一者在引入所述燃烧室之前结合。
7.根据权利要求1或2所述的生产气体减少装置，其中，所述燃料和所述氧化剂中的至少一者在引入所述燃烧室之前被所述稀释剂溶解。
8.根据权利要求1或2所述的生产气体减少装置，其中，所述燃料和所述氧化剂两者在引入所述燃烧室之前被所述稀释剂溶解。
9.根据权利要求1或2所述的生产气体减少装置，其中，被所述稀释剂溶解的所述燃料和所述氧化剂中的至少一者在引入所述燃烧室之前汽化。
10.根据权利要求1或2所述的生产气体减少装置，其中，被所述稀释剂溶解的所述燃料和所述氧化剂中的至少一者和所述稀释剂在引入所述燃烧室之前一起汽化。
11.根据权利要求1或2所述的生产气体减少装置，其中，所述稀释剂包括水、全氟化碳和碳化氢中的至少一者。
12.根据权利要求1或2所述的生产气体减少装置，其中，所述处理后的排出气流被提供至用于压缩到大气压力的液体环式泵。
13.根据权利要求12所述的生产气体减少装置，其中，所述稀释剂在所述液体环式泵中冷凝。
14.根据权利要求12所述的生产气体减少装置，其中，所述液体环式泵可操作以洗涤所述处理后的排出气流。
15.一种生产气体减少方法，包括：
接收在燃烧室内在亚大气压下被处理的来自制造工艺工具的排出气体流，
在所述燃烧室内接收燃料、氧化剂和稀释剂，所述燃料、氧化剂和稀释剂控制在所述燃烧室内的燃烧以处理所述排出气体流来产生处理后的排出气流；和
在所述处理后的排出气流中冷凝所述稀释剂。
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