CN107429913A - 辐射式燃烧器 - Google Patents

Abstract

公开了一种辐射式燃烧器和方法。该辐射式燃烧器用于处理来自制造加工工具的废气流并且包括：多孔套筒，所述多孔套筒至少部分地限定处理室且处理材料穿过其以便引入处理室；和电能设备，其与多孔套筒联接并且可操作成提供电能以加热多孔套筒，在处理材料穿过多孔套筒进入处理室时，所述多孔套筒加热处理材料。以这种方式，电能而不是燃烧能够被用于升高处理室内的温度，以便处理废气流。这在此类燃烧器的使用中提供更大的灵活性，因为能够在其中没有燃料气体存在或其中燃料气体的提供被认为是不期望的环境中使用燃烧器。而且，在处理材料穿过多孔套筒时加热处理材料而不是简单地使用辐射加热以加热处理室使得在处理材料运输通过多孔套筒时，显著更多的能量能够被施加至处理材料内。

Description

辐射式燃烧器

技术领域

本发明涉及辐射式燃烧器和方法。

背景技术

辐射式燃烧器是已知的，且通常被用于处理来自在例如半导体或平板显示器制造业中所使用的制造加工工具的废气流。在此类制造期间，在从加工工具泵送的废气流中存在残留的全氟化化合物（PFC）和其他化合物。PFC难以从废气中去除，且其到环境内的释放是不期望的，因为已知其具有相对高的温室活性。

已知的辐射式燃烧器使用燃烧以从废气流去除PFC和其他化合物。通常，废气流是包含PFC和其他化合物的氮气流。燃料气体与废气流混合，且该气流混合物被输运至由有小孔的气体燃烧器的离开表面侧向环绕的燃烧室内。燃料气体和空气被同时供应到有小孔的燃烧器，以在离开表面处影响无焰燃烧，并且其中，穿过有小孔的燃烧器的空气的量不仅足以消耗至燃烧器的燃料气体供应，而且还消耗注入燃烧室的气流混合物中的所有易燃物。

尽管存在用于处理废气流的技术，但是其中的每一个均具有其自己的缺点。因此，期望提供用于处理废气流的改善的技术。

发明内容

根据第一方面，提供一种用于处理来自制造加工工具的废气流的辐射式燃烧器，所述辐射式燃烧器包括：多孔套筒，所述多孔套筒至少部分地限定处理室并且处理材料穿过所述多孔套筒以便被引入处理室；和电能设备，其与多孔套筒联接且可操作成提供电能以加热多孔套筒，在处理材料穿过多孔套筒进入处理室时，所述多孔套筒加热处理材料。

第一方面认识到，已知的辐射式燃烧器通常利用燃料气体和空气以便在处理室内提供燃烧，以将处理室内的温度充分地升高至足以从废气流去除化合物。这要求提供燃料气体，燃料气体可能不容易可得，或者在一些加工环境中可能是不期望的。

因此，提供辐射式燃烧器或辐射式处理装置。燃烧器可以处理由制造加工工具提供的废气流。燃烧器可以包括多孔或有小孔的套筒，其限定处理室的至少一部分。多孔套筒可以允许处理材料穿过其并进入处理室。燃烧器还可以包括电能设备。电能设备可以与多孔套筒联接。电能设备可以提供加热多孔套筒的电能。加热的多孔套筒可以在处理材料穿过或被输运通过多孔套筒进入处理室时加热处理材料。以这种方式，电能而不是燃烧能够被用于升高处理室内的温度，以便处理废气流。这在此类燃烧器的使用中提供更大的灵活性，因为燃烧器能够在其中没有燃料气体存在或其中燃料气体的提供被认为是不期望的环境中使用。而且，在处理材料穿过多孔套筒时加热处理材料而不是简单地使用辐射加热来加热处理室使得在处理材料运输通过多孔套筒时，显著更多的能量能够被施加至处理材料内。

在一个实施例中，多孔套筒具有在80%和90%之间的孔隙率。

在一个实施例中，多孔套筒具有在200μm和800μm之间的孔隙大小。

在一个实施例中，多孔套筒包括环形套筒，其限定其内的圆筒形处理室。因此，辐射式燃烧器可以具有处理室，其内部几何形状被配置成与现有燃烧室相同。

在一个实施例中，多孔套筒包括以下中的至少一者：导电材料、陶瓷和电介质材料。取决于用以加热多孔套筒的机制，用于多孔套筒的材料可以变化。

在一个实施例中，多孔套筒包括烧结金属。

在一个实施例中，烧结金属包括以下中的至少一者：纤维、粉末、颗粒。

在一个实施例中，多孔套筒包括编织金属织物。

在一个实施例中，电能设备包括以下中的至少一者：射频电源、电气电源和微波发生器。因此，取决于用于加热针对多孔套筒所选定的材料的机制，电能设备可以变化。

在一个实施例中，电能设备包括与多孔套筒联接的联接器，联接器包括以下中的至少一者：射频导体、电气导体和波导。因此，取决于从该电能设备输运至多孔套筒的能量的类型，将电能设备与多孔套筒联接的联接器可以变化。

在一个实施例中，射频导体、电气导体和波导中的至少一者位于处理材料穿过其的气室（plenum）内，气室环绕多孔套筒。因此，联接器可以位于气室内，气室环绕多孔套筒，且从所述气室提供处理材料。这便利地重新使用现有空隙以将联接器定位成邻近多孔套筒，以便使至该多孔套筒的能量传递最大化。

在一个实施例中，射频导体、电气导体和波导中的至少一者在多孔套筒上延伸以加热遍及其区域。因此，联接器可以覆盖在多孔套筒上或在多孔套筒上展开，以加热其区域的整个或者期望部分。

在一个实施例中，射频电源使用射频导体提供射频电能，以感应加热传导性材料。因此，可以使用感应加热来加热多孔套筒。

在一个实施例中，射频电能具有在500Hz和500KHz之间、在20KHz和50KHz之间和大约30KHz中的一者的频率。

在一个实施例中，射频导体定位成接近传导性材料。因此，导体可以定位成邻近传导性材料，以便促进感应加热。

在一个实施例中，多孔套筒是圆筒形的，且射频导体围绕多孔套筒盘绕。因此，导体可以围绕多孔套筒缠绕。

在一个实施例中，射频导体是中空的，以接收冷却流体从而冷却射频导体。利用中空导体使得冷却流体能够被接收在该导体内，以便控制其温度和因此减少损耗，这改善了感应加热的效率。

在一个实施例中，冷却流体具有不大于100μs的传导率。

在一个实施例中，燃烧器包括增湿器，其可操作成提供增湿的空气作为处理材料，并且其中，冷却流体流通通过增湿器以加热提供至增湿器的水。因此，由冷却流体抽取的热可以被重复使用以加热提供至增湿器的水，以便减少增湿器的能量消耗。

在一个实施例中，提供至增湿器的水包括冷却流体中的至少一些。将冷却流体重新用作水进一步改善了加热效率，并减少了增湿器的功率消耗。

在一个实施例中，冷却流体被维持在高于环境温度的温度下。将冷却流体维持在高于环境温度的温度下帮助使在气室内凝结的可能性最小化。

在一个实施例中，电气电源使用电气导体提供电能以加热陶瓷材料。因此，可以使用电阻加热来加热多孔套筒。

在一个实施例中，微波发生器使用波导提供微波能量以加热电介质材料。因此，可以使用微波能量加热多孔套筒。

在一个实施例中，电介质材料包括碳化硅。

在一个实施例中，微波能量具有915MHz和2.45GHz中的一者的频率。在大约2.45GHz范围下操作为更小的布置提供准备，尽管相比于在915MHz范围下操作，在大约2.45GHz范围下操作能量效率更低。

在一个实施例中，燃烧器包括处理材料穿过其的多孔热绝缘体，该多孔热绝缘体设在多孔套筒和电能设备之间的气室中。围绕多孔套筒置放热绝缘体帮助使多孔套筒绝缘，这降低了气室内的环境温度，帮助保护联接器和增加处理室内的温度。

在一个实施例中，燃烧器包括环绕气室的热绝缘体。提供环绕气室的热绝缘体也帮助使凝结最小化。

在一个实施例中，气室由非铁磁材料限定。提供限定气室的由非铁磁材料制成的结构帮助减少离开多孔材料和进入提供气室的材料的感应耦合，由此改善多孔套筒的加热效率。

根据第二方面，提供一种处理来自制造加工工具的废气流的方法，所述方法包括：使材料穿过多孔套筒以便引入处理室内，多孔套筒至少部分地限定处理室；以及，在处理材料穿过多孔套筒进入处理室时，通过使用来自与多孔套筒联接的电能设备的电能加热多孔套筒来加热处理材料。

在一个实施例中，多孔套筒具有在80%和90%之间的孔隙率和在200μm和800μm之间的孔隙大小中的至少一者。

在一个实施例中，多孔套筒包括环形套筒，其限定在其内的圆筒形处理室。

在一个实施例中，多孔套筒包括以下中的至少一者：导电材料、陶瓷和电介质材料。

在一个实施例中，多孔套筒包括烧结金属。

在一个实施例中，烧结金属包括以下中的至少一者：纤维、粉末、颗粒。

在一个实施例中，多孔套筒包括编织金属织物。

在一个实施例中，电能设备包括以下中的至少一者：射频电源、电气电源和微波发生器。

在一个实施例中，方法包括使用射频导体、电气导体和波导中的至少一者将电能设备与多孔套筒联接。

在一个实施例中，方法包括将射频导体、电气导体和波导中的至少一个定位在处理材料穿过其的气室内，气室环绕多孔套筒。

在一个实施例中，射频导体、电气导体和波导中的至少一者在多孔套筒上延伸以加热遍及其区域。

在一个实施例中，加热包括使用射频导体从射频电源提供射频电能，以感应加热传导性材料。

在一个实施例中，射频电能具有在500Hz和500KHz之间、在20KHz和50KHz之间和大约30KHz中的一者的频率。

在一个实施例中，方法包括将射频导体定位成接近传导性材料。

在一个实施例中，多孔套筒是圆筒形的，且射频导体围绕多孔套筒盘绕。

在一个实施例中，射频导体是中空的，且方法包括在射频导体内接收冷却流体以冷却射频导体。

在一个实施例中，冷却流体具有不大于100μs的传导率。

在一个实施例中，方法包括从增湿器提供增湿的空气作为处理材料，并且使冷却流体流通通过增湿器以加热提供至增湿器的水。

在一个实施例中，方法包括将冷却流体中的至少一些作为水提供至增湿器。

在一个实施例中，方法包括将冷却流体维持在高于环境温度的温度下。

在一个实施例中，加热包括使用电气导体从电气电源提供电能，以加热陶瓷材料。

在一个实施例中，加热包括使用波导从微波发生器提供微波能量，以加热电介质材料。

在一个实施例中，电介质材料包括碳化硅。

在一个实施例中，微波能量具有915MHz和2.45GHz中的一者的频率。

在一个实施例中，方法包括使处理材料穿过多孔热绝缘体，所述多孔热绝缘体设在多孔套筒和电能设备之间的气室中。

在一个实施例中，方法包括用热绝缘体环绕气室。

在一个实施例中，方法包括使用非铁磁材料限定气室。

在所附独立权利要求和从属权利要求中阐述其他具体和优选的方面。从属权利要求的特征可以与独立权利要求的特征酌情结合，并且组合成不同于在权利要求中明确阐述的那些组合的组合。

在装置特征被描述为可操作成提供功能的情况下，将理解的是，这包括提供该功能或者适于或配置成提供该功能的装置特征。

附图说明

现在将参考附图进一步描述本发明的实施例，附图中：

图1是通过根据一个实施例的辐射式燃烧器组件的剖视图；

图2是更详细的辐射式燃烧器的特征的剖视透视图，并且其中入口组件被去除；以及

图3是通过根据另一实施例的辐射式燃烧器的剖视图。

具体实施方式

在更详细地讨论实施例之前，将首先提供综述。实施例提供电动辐射式燃烧器，其使得能够在其中提供燃料气体以升高处理室的温度是不期望的或根本不可能的状况中处理来自制造加工工具的废气流。与不能获得所要求的功率密度的传统辐射加热器不同，在处理材料穿过多孔套筒进入处理室时，提供电能以通过加热多孔套筒来加热处理材料，这显著增大了功率密度和处理室内可实现的温度。

图1是通过根据一个实施例的，辐射式燃烧器组件（大体8）的横截面。图2更详细地示出辐射式燃烧器的特征，并且其中，入口组件被去除。在该实施例中，使用感应加热供应电能，不过将理解的是，其他加热机制，诸如微波加热或电阻加热是可能的。图3是通过根据另一实施例的辐射式燃烧器组件（大体80）的横截面，并且其中入口组件处于恰当位置。在该实施例中，再次使用感应加热供应电能，不过替代性加热机制，诸如微波加热或电阻加热是可能的。

辐射式燃烧器组件8和80，处理从诸如半导体或平板显示器加工工具的制造加工工具通常借助于真空泵送系统泵送的废气流。在入口10处接收排出流。排出流从入口10被输运至喷嘴12，喷嘴12将排出流注入圆筒形处理室14内。在该实施例中，辐射式燃烧器组件8、80包括周向布置的四个入口10，每一个均输运由相应的真空泵送系统从相应的工具泵送的废气流。替代性地，来自单个加工工具的排出流可以分成多个流，其中每一个均被输运至相应的入口。每一个喷嘴12位于在陶瓷顶板18、118中形成的相应孔16内，陶瓷顶板18、118限定处理室14的上部或者入口表面。

处理室14具有由呈圆筒形管的形式的有小孔的套筒20的离开表面21限定的侧壁。有小孔的套筒20由适合于选定的加热模式的材料制成。在该实施例中，使用感应加热，且因此有小孔的套筒20包括多孔金属，例如耐热合金的烧结金属纤维，诸如Fecralloy®（铬，20-22%；铝，5%；硅，0.3；锰0.2-0.08%，钇，0.1%；锆，0.1%，碳，0.02-0.03%；以及余量是铁）；314号不锈钢（最大0.25%的碳，最大2%的锰，1.5-3%的硅，最大0.045%的磷，最大0.03%的硫，23.0-26.0的铬，19.0-22.0的镍，以及余量是铁）；或Inconel 600®（Ni最小72.0%，Cr15.5%，Fe 8.0% Mn 1.0% C 0.15% Cu 0.5% Si 0.5%S 0.015%）。

有小孔的套筒20是圆筒形的，且同心地固持在绝缘套筒40内。绝缘套筒40是多孔陶瓷管，例如，氧化铝管，其可以通过烧结用于涂覆网状聚氨酯泡沫的氧化铝泥釉（slip）形成。替代性地，绝缘套筒40可以是卷起的陶瓷纤维毯。绝缘套筒40通过减小热损耗来帮助升高处理室14内的温度，并且也帮助降低气室22内的温度，其相应地降低用于感应加热的部件的温度，以改善其效率。

多孔陶瓷管和有小孔的套筒20通常有80%至90%的孔隙度，并且具有在200μm和800μm之间的孔隙大小。

气室体积22限定在圆筒形外部壳体24和绝缘套筒40的进入表面43之间。气室体积22有益地使用非铁磁材料被封闭，以便减少感应耦合。此外，圆筒形外部壳体24同心地封闭在外部绝缘套筒60内，以便如果由于例如杂散加热，圆筒形外部壳体24的温度变得升高，则将外表面温度降低至安全水平。

气体经由入口喷嘴30被引入气室体积22内。气体可以是空气、或空气和其他种类（诸如水蒸气、CO₂）的掺混物。在该示例中，引入增湿的空气，且增湿的空气从绝缘套筒40的进入表面23转到有小孔的套筒20的离开表面21。

在该实施例中，使用感应加热机制，且因此气室体积22也包含连接到用于通过RF感应加热有小孔的套筒20的射频（RF）电源（未示出）的工作线圈50。工作线圈50通常是盘绕的铜中空管，其由冷却流体（例如水）的流通冷却，并且具有低导电率（例如<100μS）。如果供应的空气富有水蒸气，那么可能有益的是在升高的温度下操作冷却流体，以便避免在工作线圈50上的凝结。这可以便利地通过使用闭环回路来实现。如上文所提到的那样，绝缘套筒40用作热绝缘体以保护工作线圈50。

供应到有小孔的套筒20的电能加热有小孔的套筒20。这相应地在增湿的空气从有小孔的套筒20的进入表面23转到有小孔的套筒20的离开表面21时加热增湿的空气。此外，由有小孔的套筒20生成的热升高处理室14内的温度。改变供应到有小孔的套筒20的电能的量，以使处理室14内的名义温度改变至对于待处理的废气流而言恰当的温度。例如，有小孔的套筒20（具有150mm的示例直径和300mm的示例长度）被加热至800℃和1200℃之间，且增湿的空气同样地被加热至该温度。这通过以通常在大约10kW和20kW之间的水平下供应施加到具有上述示例尺寸的有小孔的套筒20的电能来实现。这提供具有π×0.15×0.3=0.14m²的有小孔的套筒20的表面积和在大约70kWm^-2和140kWm^-2之间的等效功率密度。所施加的功率与通过有小孔的套筒20的空气的流动速率有关。在该示例中，空气流动将具有在大约300l/min和600l/min之间的量级。本领域技术人员将认识到的是，功率、空气流动和温度的其他条件是可能的。通常，射频电能具有在500Hz和500KHz之间、优选地在20KHz和50KHz之间及更优选地大约30KHz的频率。引起包含待处理的有害物质的废气流在处理室14中以已知的方式与该热气体混合。处理室14的排出装置15开放，以使得燃烧产物能够从辐射式燃烧器组件8输出并通常根据已知技术由水堰（未示出）接收。

图3中示出的另一实施例具有细长顶板118，其延伸到由套筒20的非多孔、非铁磁上壁部分220限定的体积内。在该实施例中，工作线圈50和套筒20的多孔部分位于密封件200的远端。通过将工作线圈定位在距包括密封件200的密封表面合适的距离处，保护密封表面不受由多孔套筒20中的工作线圈生成的传输至所述密封表面并使其劣化的热的影响。将气体入口30定位成接近包括密封件200的表面、进入由套筒20的上部部分220和外部壳体24限定的气室22的部分，由于气体跨其表面的通行，这也提供对密封件200的更进一步程度的保护。

因此，能够看出的是通过入口10接收和由喷嘴12提供至处理室14的废气在处理室14内被处理，处理室14由有小孔的套筒20加热。取决于是否发生氧气富集以及取决于空气的湿度，增湿的空气向处理室14提供产物，诸如氧气（通常具有7.5%至10.5%的名义范围）以及水（通常具有10%至14%以及优选地12%的名义范围）。热分解处理室14内的废气流和/或产物与处理室14内的废气流发生反应，以清洁废气流。例如，可以在废气流内提供SiH₄和NH₃，其与处理室14内的O₂反应以生成SiO₂、N₂、H₂O、NO_x。类似地，可以在废气流内提供N₂、CH₄、C₂F₆，其与处理室14内的O₂反应以生成CO₂、HF、H₂O。同样地，可以在废气流内提供F₂，其与处理室14内的H₂O反应以生成HF、H₂O。

因此，实施例提供方法和装置以燃烧地破坏来自半导体的废气-类似于利用RF感应加热的多孔壁燃烧室的过程。

通过感应加热，高功率的间接加热是可能的。将感受器提供为多孔金属管允许通过允许气体穿过和加热至高温而模拟辐射式燃烧器燃烧系统的可能性。这开拓了赋予电气系统类燃烧器性能的方式。

能够改变实施例以反映现有燃烧器中采用的各种喷嘴和喷注策略。辐射式燃烧器元件可以是未烧结的陶瓷纤维，或者有益地是烧结的金属纤维。

在实施例中，微波或电阻加热被用于加热有小孔的套筒20。在微波加热的情形中，提供微波发生器，其与位于气室体积20中的波导联接，所述波导将微波能量输运至由电介质材料形成的有小孔的套筒20。在电阻加热的情形中，提供电源，其与位于气室体积20中的导体联接，所述导体将电能输运至由陶瓷材料形成的有小孔的套筒20。

尽管已经参考附图在本文中详细地公开了本发明的说明性实施例，但是应当理解的是，本发明不限于精确的实施例，且在不脱离如由所附权利要求及其等价物限定的本发明的范围的情况下，能够由本领域技术人员在其中实现各种改变和改型。

附图标记

辐射式燃烧器组件8

入口10

喷嘴12

处理室14

排出装置15

孔16

顶板18

有小孔的套筒20

离开表面21

进入表面23

气室体积22

外部壳体24

入口喷嘴30

绝缘套筒40

进入表面43

工作线圈50

外部绝缘套筒60

辐射式燃烧器组件80

顶板118

密封件200

套筒20的上部部分 220

Claims (16)

1. 一种用于处理来自制造加工工具的废气流的辐射式燃烧器，包括：

多孔套筒，所述多孔套筒至少部分地限定处理室且处理材料穿过其以便引入所述处理室内；以及

电能设备，其与所述多孔套筒联接并且可操作成提供电能以加热所述多孔套筒，在所述处理材料穿过所述多孔套筒进入所述处理室时，所述多孔套筒加热所述处理材料。

2.根据权利要求1所述的辐射式燃烧器，其特征在于，所述多孔套筒包括以下中的至少一者：导电材料、陶瓷和电介质材料。

3.根据权利要求1或2所述的辐射式燃烧器，其特征在于，所述多孔套筒包括烧结金属和编织金属织物中的一者。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的辐射式燃烧器，其特征在于，所述电能设备包括以下中的至少一者：射频电源、电气电源和微波发生器。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的辐射式燃烧器，其特征在于，所述电能设备包括与所述多孔套筒联接的联接器，所述联接器包括以下中的至少一者：射频导体、电气导体和波导。

6.根据权利要求5所述的辐射式燃烧器，其特征在于，所述射频导体、所述电气导体和所述波导中的所述至少一者位于气室内，所述处理材料穿过所述气室，所述气室环绕所述多孔套筒。

7.根据权利要求5或6所述的辐射式燃烧器，其特征在于，所述射频导体、所述电气导体和所述波导中的所述至少一者在所述多孔套筒上延伸以遍及其区域加热。

8.根据权利要求4至7中的任一项所述的辐射式燃烧器，其特征在于，所述射频电源使用所述射频导体提供射频电能，以感应加热所述传导性材料。

9.根据权利要求8所述的辐射式燃烧器，其特征在于，所述射频电能具有在500Hz和500KHz之间、在20KHz和50KHz之间和大约30KHz中的一者的频率。

10.根据权利要求5至9中的任一项所述的辐射式燃烧器，其特征在于，所述多孔套筒是圆筒形的，且所述射频导体围绕所述多孔套筒盘绕。

11.根据权利要求5至10中的任一项所述的辐射式燃烧器，其特征在于，所述射频导体是中空的，以接收冷却流体来冷却所述射频导体。

12.根据权利要求11所述的辐射式燃烧器，其特征在于，包括增湿器，所述增湿器可操作成提供增湿的空气作为所述处理材料，以及其中，所述冷却流体流通通过所述增湿器以加热提供至所述增湿器的水。

13.根据权利要求11或12所述的辐射式燃烧器，其特征在于，提供至所述增湿器的所述水包括所述冷却流体中的至少一些。

14.根据前述权利要求中的任一项所述的辐射式燃烧器，其特征在于，包括多孔热绝缘体，所述处理材料穿过所述多孔热绝缘体，所述多孔热绝缘体设在所述多孔套筒和所述电能设备之间的气室中。

15. 一种处理来自制造加工工具的废气流的方法，包括：

使材料穿过多孔套筒以便引入处理室内，所述多孔套筒至少部分地限定所述处理室；以及

在所述处理材料穿过所述多孔套筒进入所述处理室时，通过使用来自与所述多孔套筒联接的电能设备的电能加热所述多孔套筒来加热所述处理材料。

16.一种如前文所描述的和/或参考附图的辐射式燃烧器。