CN108006667B - 一种氢气退火炉尾气处理系统及其处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种氢气退火炉尾气处理系统，包括：尾气出气管路、氢气尾气燃烧装置，所述尾气出气管路的一端与反应管连接，另一端与所述氢气尾气燃烧装置连接，还包括用于测量尾气出气管路中的尾气流量和氢气浓度的氢气测量组件、用于测量充入氢气尾气燃烧装置中的氧气流量的氧气流量测量组件、用于接收所述氢气测量组件传输的数据，并根据接收的数据控制所述氧气流量测量组件的氧气流量的智能控制运算端。本发明还公开了一种尾气处理方法，通过测定氢气浓度和尾气气体流量、根据氢气的浓度和流量通适量的氧气，使氢气在燃烧装置内部充分安全燃烧后，排放到大气环境中。本发明具有控制精度高、安全性能好、可靠性能高、结构简单等优点。

Description

一种氢气退火炉尾气处理系统及其处理方法

技术领域

本发明涉及半导体生产设备，尤其涉及一种高温氢气退火炉氢气尾气处理系统及其处理方法。

背景技术

在半导体行业，随着单晶硅尺寸的不断增加，晶体内部的缺陷也将不断的增加，采用氢气退火工艺，在高温环境下，可以有效的避免上述缺陷。氢气退火炉使用过程中的安全性至关重要，这主要是由于在工艺过程中采用了易燃、易爆的氢气作为工艺气体，稍有不慎即有可能发生着火或爆炸事故。空气中氢气的爆炸极限为4%-72%，且着火点低，随着工艺的要求不断的提升，保护氢气的浓度也不断的增加，目前行业内部逐步采用99.999%的氢气作为生产工艺过程中的保护气体，但氢气属于易燃易爆性气体，如果反应工艺中所排出的尾气不能有效的处理，将会造成一定的安全隐患。目前行业内部通俗的做法是把氢气尾气直接通入到空气中的加热丝进行燃烧，仅利用空气中的氧气燃烧氢气，或将含氢气的废气与空气导入废气燃烧室内进行燃烧。但是这些方法都存在不能准确地控制燃烧时所需的氧气量的缺陷，容易导致当氧气量不足或氢气浓度达到一定时发生爆炸的危险。如何安全有效的处理氢气尾气问题，一直是行业内关注的焦点和研究的重点。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种控制精度高、安全可靠性能高、结构简单的高温氢气退火炉氢气尾气处理系统。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种高温氢气退火炉尾气处理系统包括氢气测量组件、反应管、智能控制运算端、氧气流量测量组件、氢气尾气燃烧装置。根据氢气退火炉的工艺要求，氢气质量流量计通入定量的氢气至所述密闭的反应管内部，作为工艺过程中的保护气体。由于所述氢气质量流量计不断的通入保护氢气，则所述反应管内部的压力将不断的增加，此时氢气将会从所述反应管的炉口处的出气口排除，在氢气出气口的管路上串联所述氢气测量组件，并把所述氢气测量组件检测的尾气气体流量和尾气中氢气的浓度反馈给所述的智能控制运算端，智能控制运算端根据内置的算法计算出尾气中氢气的流量，并根据尾气流量及氢气流量，计算得到安全燃烧尾气中的氢气所需氧气流量的大小，通过信号传输，控制所述氧气流量测量组件通过适量的氧气流量，所述的尾气和氧气在氢气尾气燃烧装置内燃烧，燃烧后不含氢气的安全废气通过设备的外围系统排出。

所述氢气测量组件可以包括氢气质量流量计、氢气浓度检测传感器，所述氧气流量测量组件可以为氧气质量流量计。

作为本发明的进一步改进：

所述尾气出气管路上设置尾气冷却组件，由于从反应管排出的尾气温度很高，所述尾气冷却组件能够让尾气迅速降温，避免对管路后的氢气测量组件造成伤害；

所述尾气冷却组件为一个或多个尾气冷却元件，所述的尾气冷却元件包括冷却介质入口、冷却介质出口和冷却腔体，冷却介质通过所述冷却介质入口进入到所述冷却腔体内，并带走尾气中的热量，通过所述冷却介质出口排出。

所述尾气冷却元件与所述尾气出气管路材质均为不锈钢材料或石英材料，且所述尾气冷却元件与所述尾气出气管路固定为一体，所述冷却腔体内的冷却介质和尾气出气管路相互隔绝。

所述冷却介质首选纯净水，也可为压缩空气或其它能达到所需冷却目的的冷却介质。

可选地，不同所述尾气冷却元件之间的尾气出气管路上还可设有测量尾气出气管路内尾气温度的温度测量组件，当某一个尾气冷却元件后的尾气出气管路内的尾气温度达到适当温度时，后续管路上的冷却测量元件可不再通冷却介质，也可以直接撤除；

可选地，所述尾气冷却元件与所述氢气测量组件之间的尾气出气管路上也可设有测量尾气出气管路内尾气温度的温度测量组件，当测量温度超过适当温度时，可在尾气冷却元件与氢气测量组件之间的尾气出气管路上再新增尾气冷却元件。

所述氢气尾气燃烧装置是由氢气喷射管、密封燃烧腔体和加热炉丝组成。

所述氢气喷射管一端连接所述氢气尾气出气管路，冷却后的氢气尾气通入到所述氢气喷射管内，所述氢气喷射管另一端开口较小，呈尖嘴状。

所述氢气喷射管外侧焊有比所述氢气喷射管主体管路横截面积稍大的密封球碗。

所述密封球碗和所述密封燃烧腔体一端的密封球头连接，起到密封的作用。

所述密封燃烧腔体靠近所述密封球头的一侧开口氧气进气口，提供氢气燃烧所需的氧气。

所述氢气喷射管喷射出的氢气尾气与所述密封燃烧腔体内的氧气在所述燃烧喷嘴处相遇，并在加热炉丝提供足够的燃烧温度下燃烧处理。

所述密封燃烧腔体中间部分是直径较大的火焰燃烧腔体，具体来说，可以分为中间段和两端的延伸段，所述中间段的横截面积大于所述延伸段的横截面积，能够避免火焰的高温损坏所述密封燃烧腔体，且能够起到密封的作用，防止在发生意外的情况下氢气外泄。

所述密封燃烧腔体的另一端为出气口球碗，能与设备所接的外围排风密封，把燃烧后的废气排出。

此外，本发明还提供一种氢气退火炉的尾气处理方法，该方式可适用但不限用于本发明的尾气处理系统，其特征在于，包括如下步骤：

S1，测量尾气出气管路中的氢气浓度和尾气流量；

S2，将测量得到的氢气浓度和尾气流量传输给智能控制运算端；

S3，所述智能控制运算端根据测量得到的氢气浓度，尾气气体流量数据进行运算得到尾气中的氢气流量，并根据尾气中的氢气流量和尾气流量计算出能安全、充分燃烧尾气中的氢气所需的氧气流量；

S4，所述智能控制运算端根据计算得到的所需氧气流量控制充入氢气尾气燃烧装置的氧气流量，使得氢气、氧气及氮气在所述氢气尾气燃烧装置内部充分燃烧后，最终排放到大气环境中。

优选地，在所述S1步骤前，还包括对尾气出气管路中的尾气进行冷却的步骤S0。

优选地，在S0和S1步骤之间还包括对尾气测温并根据测温结果调整冷却过程的步骤S01。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1． 本发明公开的氢气退火炉尾气处理系统，在尾气出气管路设置了能够检测尾气流量和尾气中的氢气浓度的氢气测量组件，系统中还设置了智能控制运算端，智能控制运算端不仅能接收氢气测量组件的测量数据，还能根据尾气流量及尾气中的氢气流量来计算安全燃烧所需的氧气流量，并控制氧气质量流量计通入氢气尾气燃烧装置的氧气流量，使得系统控制精度高，安全性能好，可靠性高。

2． 本发明在尾气出气管路上还设置了尾气冷却装置，能够让尾气迅速降温，避免对管路后的氢气测量组件造成伤害。

3． 本发明在尾气出气管路上设置测量尾气温度的温度测量组件，可更加精确地控制尾气温度，进一步确保后续的氢气测量组件不会受到高温影响。

4． 本发明采用两端比中间段横截面大的密封燃烧腔体作为火焰燃烧腔体，能够避免火焰的高温损坏所述密封燃烧腔体，且能够起到密封的作用，防止在发生意外的情况下氢气外泄。

5． 本发明的整个系统与外界空气隔绝，使得燃烧时尾气燃烧装置中的气体成分可控，安全性高。

6． 本发明的装置结构简单，尾气处理方法操作性强，步骤简单。

附图说明

图1是本发明的系统原理示意图。

图2是本发明氢气尾气燃烧装置结构示意图。

图中各标号表示：

1、氢气质量流量计；2、反应管；3、尾气冷却瓶；31、冷却瓶进口；32、冷却瓶出口；33、冷却腔体；4、氢气浓度检测传感器；5、气体流量测量计；6、PC控制机；7、氧气质量流量计；8、氢气尾气燃烧装置；81、氢气喷射管；811、氢气进气口；813、密封球碗；814、燃烧喷嘴；82、密封燃烧腔体；821、密封球头；822、火焰燃烧腔体；824、出气口球碗；825、氧气进气口；83、加热炉丝；9、尾气出气管路。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本实施案例用于氢气退火炉氢气尾气处理，包括用于进气流量控制的氢气质量流量计1、工艺反应管2、尾气冷却瓶3、氢气浓度检测传感器4、气体流量测量计5、PC控制机6、氧气质量流量计7、氢气尾气燃烧装置8以及尾气出气管路9。在氢气退火工艺通入氢气之前，反应管2内一般为纯净的氮气，随着工艺的不断推进，氢气质量流量计1将从0逐步加大氢气的流量，直至稳定在一定的流量，此时尾气出气管路9中的氢气是从0逐步增大到与氢气质量流量计1流量相同，而在主工艺结束时反应管2内为纯净的氢气，随着工艺的不断推进，需要在反应管2中逐步的通入氮气，把反应管2中的氢气赶出，则尾气出气管路9中的氢气浓度不断的减小直至减少到0。氢气尾气从反应管2排出后，首先进入到尾气出气管路9中，并经过尾气冷却瓶3冷却。依次通过氢气浓度检测传感器4、气体流量测量计5分别检测尾气中所含氢气的浓度与尾气的流量，并把信号传递给PC控制机6，PC控制机6预设的逻辑关系计算出燃烧尾气中的氢气所需最佳的氧气的流量，并把信号传递给氧气质量流量计7，最佳比例的氢气、氧气和氮气能在氢气尾气燃烧装置8内安全可靠的燃烧。

如图1所示，在尾气出气管路9上放置尾气冷却瓶3，尾气冷却瓶3是焊接在尾气出气管路9上，此时尾气冷却瓶3中的冷却腔体33是一个与尾气出气管路9密封的腔体，能够保证氢气尾气与冷却介质不混合。

尾气冷却瓶3由冷却瓶进口31、冷却瓶出口32和冷却腔体33组成，冷却所用介质通过冷却瓶进口31进入到冷却装置，并在冷却腔体33内流动，最终从冷却瓶出口32流出，此过程中带走尾气出气管路9中的热量，保护在此管路后的氢气浓度检测传感器4和气体流量测量计5不受到高温影响。其中冷却介质的流量可根据冷却速度的需求来控制。

尾气出气管路9和尾气冷却瓶3的材质首选不锈钢材料，可采用石英材料，亦可以采用其他耐高温耐尾气腐蚀的材料。尾气冷却瓶3内冷却所用冷却介质首选为纯净水，也可选用压缩空气或其它能达到所需冷却效果的冷却介质，并可以根据所需的冷却速度来选择冷却介质。

如图2所示，氢气尾气燃烧装置8由氢气喷射管81、密封燃烧腔体82以及加热炉丝83组成，氢气喷射管81上的燃烧喷嘴814在需放置在加热炉丝83的加热区域内，以此来保证燃烧喷嘴814处的温度能够达到氢气的燃点，顺利把尾气燃烧处理。

氢气喷射管81一端是氢气进气口811，与尾气出气管路9相连接，是氢气尾气进入到燃烧装置的接口。氢气喷射管81的中间一段焊接一个密封球碗813，可以与密封燃烧腔体82一端的密封球头821紧密配合，保证氢气尾气燃烧装置8的气密性和安全性。

密封燃烧腔体82靠近密封球头821一端处开有氧气进气口825，氧气可由此处进入到氢气尾气燃烧装置8内与尾气中的氢气燃烧。氢气喷射管81的燃烧喷嘴814这端在密封燃烧腔体82内部，在与之相对应的密封燃烧腔体82的外部是加热炉丝83，加热炉丝83可以保证尾气中的氢气和通入的氧气在燃烧喷嘴814处会和时拥有足够的温度使得氢气能够充分的燃烧。密封燃烧腔体82中间部分是直径较大的火焰燃烧腔体822，既能够观察氢气尾气是否燃烧，也能在出现危险的情况下氢气不泄露。

氢气喷射管81和密封燃烧腔体82的材质均为石英，也可以采用其它耐高温材料。

所述氢气浓度检测传感器4也可采用其它能够检测氢气浓度的组件替换。

所述气体流量测量计5也可采用其它能够检测气体流量的组件替换。

所述氧气质量流量计7也可采用其它能够检测氧气流量的组件替换。

尾气冷却瓶3可以为一个或多个，也可以采用其它冷却元件来替代，例如冷却管或冷却套。

尾气冷却瓶3也可以采用其它的能够实现对管路中的尾气进行冷却的方式连接在出气管路上，例如采用紧固密封件将其固定在管路上。

所述不同尾气冷却元件之间的尾气出气管路9上还可设有测量尾气出气管路9内尾气温度的温度测量组件，当某一个尾气冷却元件后的尾气出气管路9中的尾气温度达到适当温度时，后续管路的冷却测量元件可不再通冷却介质，也可以直接撤除；

所述尾气冷却元件与所述氢气测量组件之间的尾气出气管路9上也可设有测量尾气出气管路9内尾气温度的温度测量组件，当测量温度超过适当温度时，可在尾气冷却元件与氢气测量组件之间的尾气出气管路9上再增加尾气冷却元件，或者更换冷却介质，或者加速冷却介质的流动，或者将测量温度反馈到控制中心，停止系统运行或采用其它手段防止尾气温度过高对后续的测量组件造成损害。

所述PC控制机6可以采用其它能够进行数据计算和控制的智能运算控制端来替代。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种氢气退火炉尾气处理系统，包括：尾气出气管路（9）、氢气尾气燃烧装置（8），所述尾气出气管路（9）的一端与反应管（2）连接，另一端与所述氢气尾气燃烧装置（8）连接，其特征在于：还包括氢气测量组件、氧气流量测量组件（7）、智能控制运算端（6），所述氢气测量组件用于测量所述尾气出气管路（9）中的尾气流量和氢气浓度，所述氧气流量测量组件（7）用于测量通过氧气进气口（825）充入所述氢气尾气燃烧装置（8）的氧气流量，所述智能控制运算端（6）用于接收所述氢气测量组件传输的数据，并根据接收的数据进行运算并控制所述氧气流量测量组件（7）的氧气流量，所述氢气测量组件包括氢气浓度检测传感器和氢气质量流量计，所述尾气出气管路（9）上还设置有尾气冷却组件，所述尾气冷却组件用于对尾气迅速降温，所述尾气冷却组件为一个以上的尾气冷却元件（3），不同所述尾气冷却元件（3）之间和/或尾气冷却元件（3）与氢气测量组件之间的尾气出气管路（9）上还设有测量尾气温度的温度测量组件。

2.如权利要求1所述的氢气退火炉尾气处理系统，其特征在于，所述尾气冷却元件（3）包括冷却介质入口（31）、冷却介质出口（32）和冷却腔体（33），冷却介质通过所述冷却介质入口（31）进入到所述冷却腔体（33）内，并带走尾气中的热量，通过所述冷却介质出口（32）排出。

3.如权利要求2所述的氢气退火炉尾气处理系统，其特征在于，所述尾气冷却元件（3）的冷却腔体（33）固定于所述尾气出气管路（9）上，且所述冷却腔体（33）内的冷却介质与所述尾气出气管路（9）相互隔绝。

4.如权利要求1-3任一项所述的氢气退火炉尾气处理系统，其特征在于：所述氢气尾气燃烧装置（8）包括氢气喷射管（81）、密封燃烧腔体（82）和加热炉丝（83），所述氢气喷射管（81）一端的氢气进气口（811）连接所述氢气尾气出气管路（9），另一端的燃烧喷嘴（814）延伸入所述密封燃烧腔体（82）内，所述氧气进气口（825）与所述密封燃烧腔体（82）连接，所述加热炉丝（83）布置于所述密封燃烧腔体（82）外，且所述加热炉丝（83）位于所述燃烧喷嘴（814）的加热区域内。

5.如权利要求4所述的氢气退火炉尾气处理系统，其特征在于：所述氢气喷射管（81）外侧焊有密封球碗（813），且所述密封球碗（813）的横截面积大于所述氢气喷射管（81）主体管路的横截面积，所述密封球碗（813）和所述密封燃烧腔体（82）一端的密封球头（821）密封连接，所述密封燃烧腔体（82）靠近所述密封球头（821）的一侧连接所述氧气进气口（825）。

6.如权利要求5所述的氢气退火炉尾气处理系统，其特征在于：所述密封燃烧腔体（82）的另一端为出气口球碗（824），与设备所接的外围排风密封。

7.如权利要求4所述的氢气退火炉尾气处理系统，其特征在于：所述燃烧喷嘴（814）呈尖嘴状。

8.如权利要求4所述的氢气退火炉尾气处理系统，其特征在于：所述密封燃烧腔体（82）包括中间段和两端的延伸段，所述中间段的横截面积大于所述延伸段的横截面积。

9.一种氢气退火炉的尾气处理方法，其特征在于，采用如权利要求1-8任一项所述的氢气退火炉尾气处理系统进行尾气处理，包括如下步骤：

S1，测量尾气出气管路（9）中的氢气浓度和尾气流量；

S2，将测量得到的氢气浓度和尾气流量传输给智能控制运算端（6）；

S3，所述智能控制运算端（6）根据测量得到的氢气浓度，尾气流量数据进行运算得到尾气中的氢气流量，并根据尾气流量和尾气中的氢气流量计算出能安全、充分燃烧尾气中的氢气所需的氧气流量；

S4，所述智能控制运算端（6）根据计算得到的所需氧气流量控制充入氢气尾气燃烧装置（8）的氧气流量，使得氢气、氧气及氮气在所述氢气尾气燃烧装置（8）内部充分燃烧后，最终排放到大气环境中；

在所述S1步骤前，还包括对尾气出气管路（9）中的尾气进行冷却的步骤S0；

在S0和S1步骤之间还包括：对尾气测温并根据测温结果调整冷却过程的步骤S01。

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