CN110339673A - 金属有机化学气相沉积设备的尾气处理装置及应用 - Google Patents
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Abstract
一种金属有机化学气相沉积设备的尾气处理装置及应用，该尾气处理装置包括：进气单元，其输入待处理的废气；吸收单元，其上设有排气口且与所述进气单元连接，所述吸收单元内设有用于吸收所述待处理的尾气的吸收液；监测单元，用于监测所述吸收单元中吸收液的参数并输出到监测单元中，所示参数包括pH值、ORP值和/或温度；以及控制单元，基于所述监测单元输出的包含参数值的信号来控制所述尾气处理装置中的伺服部件，从而调节所述吸收液的对应参数。本发明装置处理能力大大提升，最多可同时满足十数台MOCVD设备的尾气处理。负压采用文丘里及风机同时控制，负压范围广、精确度高。
Description
技术领域
本发明属于废气处理技术领域，具体涉及一种金属有机化学气相沉积设备的尾气处理装置及应用。
背景技术
近十几年来，随着化合物半导体技术的快速发展和相关电子、光电器件市场需求的迅猛增长，MOCVD技术获得了非常广泛的应用，例如：太阳能电池、激光器、光探测器、晶体管以及发光二极管等，极大地推动了微电子、光电子技术的发展。目前国内企业拥有的生产型MOCVD机台数量达数百台。其适用范围广泛，几乎可以生长所有化合物及合金半导体，适合于生长各种异质结构材料。具有以下独特优势：(1)能在较低的温度下制备高纯度的薄膜材料，减少了材料的热缺陷和本征杂质含量；(2)能达到原子级精度控制薄膜的厚度；(3)采用质量流量计易于控制化合物的组分和掺杂量；(4)通过气源的快速无死区切换，可灵活改变反应物的种类或比例，达到薄膜生长界面成份突变，实现界面陡峭；(5)能大面积、均匀、高重复性地完成薄膜生长，适用于工业化生产。
MOCVD设备由于采用了有机金属和V族氢化物做为源，生长过程中通入V族气体(砷烷、磷烷)的一种或多种，III族金属有机气体(三甲基镓、三甲基铝、三甲基铟)的一种或多种，在衬底上发生气相外延反应，形成III-V材料薄膜。在此工艺过程中，产生过量的砷烷、磷烷废气。
砷烷、磷烷是对人体有害的剧毒气体，医学毒理研究成人一次吸入250ppm的砷烷、磷烷便会迅速致死，国家环保标准，砷烷、磷烷的允许排放浓度为1mg/m3。目前，半导体行业砷烷、磷烷的废气处理方案大致分为干法和湿法两类。干法包括焚烧、吸附等方式，成本较高。湿法是通过化学溶液的氧化还原反应吸收有害气体，是较为常用的尾气处理方式。湿法设备主要从国外进口，设备处理能力有限，费用很高，难以精确控制管路负压，腔体及管路易结晶堵塞。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提出一种金属有机化学气相沉积设备的尾气处理装置及应用，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种金属有机化学气相沉积设备的尾气处理装置，包括：
进气单元，其输入待处理的废气；
吸收单元，其上设有排气口且与所述进气单元连接，所述吸收单元内设有用于吸收所述待处理的尾气的吸收液；
监测单元，用于监测所述吸收单元中吸收液的参数并输出到监测单元中，所示参数包括pH值、ORP值和/或温度；以及
控制单元，基于所述监测单元输出的包含参数值的信号来控制所述尾气处理装置中的伺服部件，从而调节所述吸收液的对应参数。
作为本发明的另一个方面，还提供了一种逻辑控制单元，所述逻辑控制单元用于执行如下逻辑：
当监测到吸收液的pH值低于7.5时，控制单元控制向吸收液中添加氢氧化钠溶液；
当监测到吸收液的pH值高于7.7时控制单元控制向吸收液中添加磷酸溶液；
当监测到吸收液的pH值为7.5-7.7时，控制单元控制ORP计监控吸收液的ORP值；
当监测到吸收液的ORP值低于800-900mV、优选820mV时，控制单元控制向吸收液中添加次氯酸钠；
当监测到吸收液的ORP值达到800-900mV、优选820mV时，控制单元控制停止加药，再次监控吸收液的pH值，重复上述步骤。
作为本发明的又一个方面，还提供了一种可读存储介质，所述可读存储介质存储有逻辑指令，所述逻辑指令用于使读取所述可读存储介质的逻辑控制单元执行如下逻辑：
当监测到吸收液的pH值低于7.5时，控制单元控制向吸收液中添加氢氧化钠溶液；
当监测到吸收液的pH值高于7.7时控制单元控制向吸收液中添加磷酸溶液；
当监测到吸收液的pH值为7.5-7.7时，控制单元控制ORP计监控吸收液的ORP值；
当监测到吸收液的ORP值低于800-900mV、优选820mV时，控制单元控制向吸收液中添加次氯酸钠；
当监测到吸收液的ORP值达到800-900mV、优选820mV时，控制单元控制停止加药，再次监控吸收液的pH值，重复上述步骤。
作为本发明的再一个方面，还提供了一种如上所述的尾气处理装置在尾气处理方面的应用。
基于上述技术方案可知，本发明的金属有机化学气相沉积设备的尾气处理装置及应用相对于现有技术至少具有以下优势之一：
1、本发明通过文丘里(Venturi)产生负压，负压范围较大，可根据需要自行调节负压值，且塔体内部保持负压，避免尾气泄露；喷嘴无堵塞、气液相接触效果好、免维护、喷淋区域全覆盖；冷却盘管使吸收液降温至30℃以内，减少药剂的浪费；自动监测pH值、ORP(氧化还原电位)值，使吸收液维持一定浓度，确保吸收效率；
2、本发明装置处理能力大大提升，最多可同时满足十数台MOCVD设备的尾气处理。负压采用文丘里及风机同时控制，负压范围广、精确度高。吸收液设置自动再生功能，可有效减少结晶的产生；
3、本发明是一种适用于半导体行业砷烷、磷烷尾气处理的装置，其处理效率较高，可达99％以上，处理后的砷烷、磷烷浓度均低于10ppb，远低于环保排放标准1mg/L，满足环保要求达标排放。
附图说明
图1为本发明一实施例所述的尾气处理装置的结构示意图；
图2为本发明一实施例所述的PLC逻辑控制框图。
上图中，附图标记如下：
1-进气管；2-储液箱；3-吸收塔；4-泄爆口；5-排气口；6-监测探头；7-风机。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明公开了一种尾气处理装置，包括：
进气单元，其输入待处理的废气；
吸收单元，其上设有排气口且与所述进气单元连接，所述吸收单元内设有用于吸收所述待处理的尾气的吸收液；
监测单元，用于监测所述吸收单元中吸收液的参数并输出到监测单元中，所示参数包括pH值、ORP值和/或温度；以及
控制单元，基于所述监测单元输出的包含参数值的信号来控制所述尾气处理装置中的伺服部件，从而调节所述吸收液的对应参数。
其中，所述吸收单元包括若干个串联的吸收塔，吸收塔上设有吸收塔进口和吸收塔出口；
其中，所述吸收塔进口设置在吸收塔的下部，所述吸收塔出口设置在吸收塔的上部；
其中，所述吸收塔顶部设有喷嘴，吸收塔底部设有填料和滤网；所述喷嘴用于喷淋吸收液；
其中，所述喷嘴采用螺旋喷嘴；
其中，所述填料包括带刺花环；
其中，所述滤网目数为80-120目、优选100目。
其中，所述监测单元包括设置在吸收单元上的监测探头；
其中，所述监测探头包括pH计、ORP计和/或温度传感器；
其中，所述pH计上设有自动温度补偿功能；
其中，所述吸收单元上设有观察窗；
其中，所述吸收单元上设有泄爆口；
其中，所述泄爆口采用的板材厚度比吸收塔的板材厚度小。
其中，所述尾气处理装置包括储液箱，储液箱内盛有吸收液；
其中，所述吸收液包括氧化性吸收液；
其中，所述吸收液包括次氯酸钠溶液；
其中，所述吸收液的温度不超过30℃；
其中，所述储液箱内设有可远程监控吸收液液位的液位计；
其中，所述储液箱底部设有用于储液箱降温的冷却盘管；
其中，所述尾气处理装置包括用于调节吸收液pH值、ORP值和/或温度的给药单元，给药单元与储液箱连接。
其中，所述进气单元包括洗涤器；
其中，所述洗涤器包括文丘里洗涤器；
其中，所述进气单元上设有用于检测吸收单元内压力的负压计；
所述尾气处理装置包括为吸收单元提供负压的风机，风机与排气口连通；
其中，所述风机采用变频风机；
其中，所述吸收塔内的压力为1500-2500Pa；
所述排气口上设有用于干燥处理后尾气的收雾除水层；
其中，所述待处理的尾气为来自金属有机化学气相沉积设备的尾气。
其中，所述控制单元执行如下逻辑：
当监测到吸收液的pH值低于7.5时，控制单元控制向吸收液中添加氢氧化钠溶液；
当监测到吸收液的pH值高于7.7时，控制单元控制向吸收液中添加磷酸溶液；
当监测到吸收液的pH值为7.5-7.7时，控制单元控制ORP计监控吸收液的ORP值；
当监测到吸收液的ORP值低于800-900mV、例如为820mV时，控制单元控制向吸收液中添加次氯酸钠；
当监测到吸收液的ORP值达到800-900mV、例如为820mV时，控制单元控制停止加药，再次监控吸收液的pH值，重复上述步骤。
本发明还公开了一种逻辑控制单元，所述逻辑控制单元用于执行如下逻辑：
当监测到吸收液的pH值低于7.5时，控制单元控制向吸收液中添加氢氧化钠溶液；
当监测到吸收液的pH值高于7.7时控制单元控制向吸收液中添加磷酸溶液；
当监测到吸收液的pH值为7.5-7.7时，控制单元控制ORP计监控吸收液的ORP值；
当监测到吸收液的ORP值低于800-900mV、例如为820mV时，控制单元控制向吸收液中添加次氯酸钠；
当监测到吸收液的ORP值达到800-900mV、例如为820mV时，控制单元控制停止加药，再次监控吸收液的pH值，重复上述步骤。
其中，所述逻辑控制单元是PLC、FPGA、单片机、单板机、电脑或服务器。
本发明还公开了一种可读存储介质，所述可读存储介质存储有逻辑指令，所述逻辑指令用于使读取所述可读存储介质的逻辑控制单元执行如下逻辑：
当监测到吸收液的pH值低于7.5时，控制单元控制向吸收液中添加氢氧化钠溶液；
当监测到吸收液的pH值高于7.7时控制单元控制向吸收液中添加磷酸溶液；
当监测到吸收液的pH值为7.5-7.7时，控制单元控制ORP计监控吸收液的ORP值；
当监测到吸收液的ORP值低于800-900mV、例如为820mV时，控制单元控制向吸收液中添加次氯酸钠；
当监测到吸收液的ORP值达到800-900mV、例如为820mV时，控制单元控制停止加药，再次监控吸收液的pH值，重复上述步骤。
本发明还公开了一种如上所述的尾气处理装置在尾气处理方面的应用；
其中，所述应用是用于处理金属有机化学气相沉积设备的尾气；
其中，所述应用处理完的尾气中砷烷、磷烷的浓度均低于10ppb。
在一个实施方式中，本发明例如采用如下技术方案：
本发明提供了一种砷烷、磷烷尾气处理设备——Scrubber(洗涤塔)尾气处理装置。其主要反应原理为：PH3、AsH3和氧化性化学溶液进行反应，氧化成可溶性盐。此系统设计建立在充分的实验数据基础上，通过控制溶液的pH值和OPR值，能保证此反应充分进行。
NaClO+PH3--H3PO4+NaCl NaClO+AsH3--H3ASO4+NaCl
H3PO4+NaOH--Na3PO4+H2O H3PO4+NaOH--Na3ASO4+H2O
具体的，本发明的砷烷、磷烷处理装置包括尾气进气口、吸收塔、加药装置、冷却装置、负压控制装置、安全泄压装置及自动控制系统。其中，尾气进气口可同时满足多台MOCVD设备尾气处理需求；吸收塔共分为三级，每一级均装有喷头、填料和冷却设计，第三级吸收塔顶部装有收雾除水层；负压控制装置采用Venturi洗涤器，负压范围较大，且水气混合效果好；安全泄压装置采用塔体顶部泄爆口，泄爆口板材较塔体板材薄，承压较小，可保护塔体主体设备；自动控制系统监控系统负压值、温度、pH值、ORP值、液位等，可实现自动加药、自动排液(再生)等远程控制。本发明对砷烷、磷烷的处理效率可达99％以上，经实测，处理后的砷烷、磷烷浓度低于10ppb，远低于环保排放标准1mg/L。
在一个优选实施方式中，本发明例如采用如下技术方案：
一种砷烷、磷烷尾气处理装置，包括尾气进气口、吸收塔、加药装置、冷却装置、负压控制装置、安全泄压装置及自动控制系统。
其中，所述尾气进气口采用Venturi洗涤器，废气进入后与吸收液充分混合，吸收效果更好。
其中，所述吸收塔采用三级串联，经过导流板保证气体分布均匀，自下而上流动，吸收液储于塔体底部储液箱内，通过喷嘴自上而下均匀喷淋，通过填料保证吸收液与尾气充分接触。每一级吸收塔顶部有泄爆口，侧面有观察窗口。尾气在第三级吸收塔顶部，经除雾器，从设备顶端排气口排出。
其中，所述喷嘴采用螺旋喷嘴。
其中，所述填料采用带刺花环，其叶片多、阻力小、表面积大，可充分进行气液交换，与吸收液反应更加充分。
其中优选地，所述吸收液为次氯酸钠溶液。通过pH仪、ORP计控制加药泵自动加药，使吸收塔保持较好的吸收状态。
其中，所述储液箱内部装有冷却盘管，通过循环冷却水降温。
其中，所述加药泵采用ORP自动控制。
其中，所述pH仪带自动温度补偿功能，根据pH值的高低自动添加氢氧化钠和磷酸溶液。
其中，所述ORP计监测吸收液ORP值，根据ORP值的高低决定是否添加次氯酸钠溶液。
其中，所述温度传感器监测塔内温度，根据温度高低决定是否开启循环冷却水。
其中，所述压力传感器监测Venturi负压，调节腔体所需负压值。
其中，所述液位计带远程输出，控制自动补液与排液(再生)。
其中，所述风机采用变频控制，可根据MOCVD设备需求调整负压值。
以下通过具体实施例结合附图对本发明的技术方案做进一步阐述说明。需要注意的是，下述的具体实施例仅是作为举例说明，本发明的保护范围并不限于此。
一种砷烷、磷烷尾气处理装置，如图1所示，包括进气管1、储液箱2、吸收塔3、泄爆口4、排气口5、监测探头6以及风机7，尾气进入本装置后气体流向如图中箭头所示。其中，所述进气管1采用Venturi洗涤器，并装有负压计，尾气与吸收液混合效果更好，负压值可精确控制。
其中，所述储液箱2用以存储氧化性吸收液，各吸收塔3通过循环水泵与该储液箱2相连，并安装监测探头6，包括pH计、ORP计、温度计，可实时监控储液箱吸收液状态，确保始终保持良好的吸收状态。
其中，所述吸收塔3共3个，即三级喷淋。每一喷淋塔内装有喷嘴、填料、滤网。各喷淋塔内均自上而下地喷淋吸收尾气，沿着尾气流动方向(图中箭头所示)，三个喷淋塔内尾气浓度依次降低。喷嘴采用低压(0.7-7bar)、大流量(2-12L/min)、细雾(实心锥，喷淋直径30cm)、螺旋喷嘴，确保喷淋区域全覆盖；填料采用带刺花环，其叶片多、阻力小、表面积大，可充分进行气液交换，与吸收液反应更加充分；滤网目数为100目，防止吸收液中固状杂物堵塞喷嘴；收雾除水层置于排气口下部，防止尾气将吸收液带出，影响尾气监测；冷却盘管设置在储液箱2内且通过循环冷却水使塔内吸收液温度不超过30℃，减少吸收液有效成分过热分解，降低药剂消耗。
其中，所述泄爆口4采用的板材较塔体薄，承压较小，可有效保护吸收塔3塔体主体设备。
其中，所述排气口5与风机7相连，优选地采用变频风机，保证吸收塔3内保持1500-2500pa的微负压状态，尾气从高压区向低压区流动，避免装置出现漏点及尾气反流导致外泄。
其中，所述电气控制系统的PLC逻辑控制框图如图2所示，其中，表示判断，表示决策，整个控制过程为无限循环过程。
优先监控储液箱中溶液pH值至7.5-7.7，低于7.5添加氢氧化钠，高于7.7添加磷酸；pH值达到设定范围后，监控ORP值，若ORP值低于820mv，添加次氯酸钠，达到820mv停止加药。ORP值达到设定范围后再次监控pH值且重复氢氧化钠/磷酸加药过程。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种尾气处理装置，其特征在于，包括：
进气单元，其输入待处理的废气；
吸收单元，其上设有排气口且与所述进气单元连接，所述吸收单元内设有用于吸收所述待处理的尾气的吸收液；
监测单元，用于监测所述吸收单元中吸收液的参数并输出到监测单元中，所示参数包括pH值、ORP值和/或温度；以及
控制单元，基于所述监测单元输出的包含参数值的信号来控制所述尾气处理装置中的伺服部件，从而调节所述吸收液的对应参数。
2.根据权利要求1所述的尾气处理装置，其特征在于，
所述吸收单元包括若干个串联的吸收塔，吸收塔上设有吸收塔进口和吸收塔出口；
作为优选，所述吸收塔进口设置在吸收塔的下部，所述吸收塔出口设置在吸收塔的上部；
作为优选，所述吸收塔顶部设有喷嘴，吸收塔底部设有填料和滤网；所述喷嘴用于喷淋吸收液；
作为进一步优选，所述喷嘴采用螺旋喷嘴；
作为进一步优选，所述填料包括带刺花环；
作为进一步优选，所述滤网目数为80-120目、优选100目。
3.根据权利要求1所述的尾气处理装置，其特征在于，
所述监测单元包括设置在吸收单元上的监测探头；
作为优选，所述监测探头包括pH计、ORP计和/或温度传感器；
作为进一步优选，所述pH计上设有自动温度补偿功能；
作为优选，所述吸收单元上设有观察窗；
作为优选，所述吸收单元上设有泄爆口；
作为进一步优选，所述泄爆口采用的板材厚度比吸收塔的板材厚度小。
4.根据权利要求1所述的尾气处理装置，其特征在于，
所述尾气处理装置包括储液箱，储液箱内盛有吸收液；
作为优选，所述吸收液包括氧化性吸收液；
作为进一步优选，所述吸收液包括次氯酸钠溶液；
作为优选，所述吸收液的温度不超过30℃；
作为优选，所述储液箱内设有可远程监控吸收液液位的液位计；
作为优选，所述储液箱底部设有用于储液箱降温的冷却盘管；
作为优选，所述尾气处理装置包括用于调节吸收液pH值、ORP值和/或温度的给药单元，给药单元与储液箱连接。
5.根据权利要求1所述的尾气处理装置，其特征在于，
所述进气单元包括洗涤器；
作为优选，所述洗涤器包括文丘里洗涤器；
作为优选，所述进气单元上设有用于检测吸收单元内压力的负压计；
所述尾气处理装置包括为吸收单元提供负压的风机，风机与排气口连通；
作为优选，所述风机采用变频风机；
作为优选，所述吸收塔内的压力为1500-2500Pa；
所述排气口上设有用于干燥处理后尾气的收雾除水层；
作为优选，所述待处理的尾气为来自金属有机化学气相沉积没备的尾气。
6.根据权利要求1所述的尾气处理装置，其特征在于，
所述控制单元执行如下逻辑：
当监测到吸收液的pH值低于7.5时，控制单元控制向吸收液中添加氢氧化钠溶液；
当监测到吸收液的pH值高于7.7时，控制单元控制向吸收液中添加磷酸溶液；
当监测到吸收液的pH值为7.5-7.7时，控制单元控制ORP计监控吸收液的ORP值；
当监测到吸收液的ORP值低于800-900mV、优选820mV时，控制单元控制向吸收液中添加次氯酸钠；
当监测到吸收液的ORP值达到800-900mV、优选820mV时，控制单元控制停止加药，再次监控吸收液的pH值，重复上述步骤。
7.一种逻辑控制单元，其特征在于，所述逻辑控制单元用于执行如下逻辑：
当监测到吸收液的pH值低于7.5时，控制单元控制向吸收液中添加氢氧化钠溶液；
当监测到吸收液的pH值高于7.7时控制单元控制向吸收液中添加磷酸溶液；
当监测到吸收液的pH值为7.5-7.7时，控制单元控制ORP计监控吸收液的ORP值；
当监测到吸收液的ORP值低于800-900mV、优选820mV时，控制单元控制向吸收液中添加次氯酸钠；
当监测到吸收液的ORP值达到800-900mV、优选820mV时，控制单元控制停止加药，再次监控吸收液的pH值，重复上述步骤。
8.根据权利要求7所述的逻辑控制单元，其特征在于，所述逻辑控制单元是PLC、FPGA、单片机、单板机、电脑或服务器。
9.一种可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质存储有逻辑指令，所述逻辑指令用于使读取所述可读存储介质的逻辑控制单元执行如下逻辑：
当监测到吸收液的pH值低于7.5时，控制单元控制向吸收液中添加氢氧化钠溶液；
当监测到吸收液的pH值高于7.7时控制单元控制向吸收液中添加磷酸溶液；
当监测到吸收液的pH值为7.5-7.7时，控制单元控制ORP计监控吸收液的ORP值；
当监测到吸收液的ORP值低于800-900mV、优选820mV时，控制单元控制向吸收液中添加次氯酸钠；
当监测到吸收液的ORP值达到800-900mV、优选820mV时，控制单元控制停止加药，再次监控吸收液的pH值，重复上述步骤。
10.一种如权利要求1-6任一项所述的尾气处理装置在尾气处理方面的应用；
作为优选，所述应用是用于处理金属有机化学气相沉积设备的尾气；
作为优选，所述应用处理完的尾气中砷烷、磷烷的浓度均低于10ppb。
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