CN114904355B - 尾气处理装置 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供一种尾气处理装置，用于处理半导体工艺设备排出的氢气尾气。该尾气处理装置包括依次设置的进气腔、燃烧腔和冷凝腔，进气腔与燃烧相互隔绝，燃烧腔与冷凝腔相互连通，冷凝腔用于与厂务管道连通；其中，进气腔中设置有互不连通的氢气管路和氧气管路；氢气管路的进气口与半导体工艺设备的排气口连通，氧气管路的进气口与氧气源连通；氢气管路和氧气管路的出气口均与燃烧腔连通；燃烧腔用于供氢气和氧气燃烧；冷凝腔中设置有冷凝装置；冷凝装置用于冷凝燃烧产生的水蒸气，并收集冷凝水。本发明实施例提供的尾气处理装置，其能够避免氢气因燃烧不充分而产生爆鸣，并且能够避免冷凝水回流而影响燃烧反应的发生。

Description

尾气处理装置
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，具体地，涉及一种尾气处理装置。
背景技术
在半导体热处理工艺中，常常会采用氢气作为工艺气体，但在热处理工艺完成后，可能会在热处理设备中残留一定量的氢气。而由于该残留的氢气存在燃烧的风险，所以不能随意地排放到厂务管道中，而是需要对氢气进行尾气处理。
目前，被广泛使用的氢气处理方法为燃烧处理法，具体的，燃烧处理法是使氢气与氧气混合燃烧。但在采用燃烧处理法时，若氢气与氧气进气方式、混合方式、燃烧位置以及燃烧后排气的稳定性等因素没有处理好，则会导致氢气燃烧不充分而产生爆鸣，进而影响设备使用寿命。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种尾气处理装置，其能够避免氢气因燃烧不充分而产生爆鸣，并且能够避免冷凝水回流而影响燃烧反应的发生。
为实现本发明的目的而提供一种尾气处理装置，用于处理半导体工艺设备排出的氢气尾气，其包括依次设置的进气腔、燃烧腔和冷凝腔，所述进气腔与所述燃烧相互隔绝，所述燃烧腔与所述冷凝腔相互连通，所述冷凝腔用于与厂务管道连通；其中，
所述进气腔中设置有互不连通的氢气管路和氧气管路；所述氢气管路的进气口与所述半导体工艺设备的排气口连通，所述氧气管路的进气口与氧气源连通；所述氢气管路和所述氧气管路的出气口均与所述燃烧腔连通；
所述燃烧腔用于供氢气和氧气燃烧；
所述冷凝腔中设置有冷凝装置；所述冷凝装置用于冷凝燃烧产生的水蒸气，并收集冷凝水。
可选的，所述进气腔与所述燃烧腔之间设置有隔板，所述氧气管路为多条，多条所述氧气管路环绕所述氢气管路均匀分布；
所述氢气管路和多条所述氧气管路的出气口均穿过所述隔板伸入所述燃烧腔，且多条所述氧气管路伸入所述燃烧腔的部分均朝向所述氢气管路弯折。
可选的，多条所述氧气管路的进气口处均设置有流量控制装置，所述流量控制装置用于检测和控制所述氧气管路的进气流量。
可选的，所述氧气管路的进气口与大气环境连通；
所述氧气管路的进气口处还设置有过滤组件，所述过滤组件用于过滤大气中杂质。
可选的，所述氢气管路中靠近出气口处还设置有加热装置，所述加热装置包括支撑柱和加热丝；所述支撑柱沿所述氢气管路的中轴线延伸；所述加热丝绕设于所述支撑柱的外表面上，用于在氢气进入所述燃烧腔之前将其加热至燃点或高于燃点。
可选的，所述冷凝装置包括第一冷却装置和冷凝水收集装置；
所述第一冷却装置用于冷凝所述水蒸气；
所述冷凝水收集装置位于所述第一冷却装置下方，用于接收下落的冷凝水。
可选的，所述冷凝装置还包括第二冷却装置，所述第二冷却装置位于所述冷凝水收集装置下方，用于对所述水蒸气进行预冷却。
可选的，所述冷凝水收集装置包括甩水扇和接水盘；
所述甩水扇用于绕所述冷凝腔的中轴线旋转，以将下落的所述冷凝水向甩向周侧；
所述接水盘贴合所述冷凝腔的内壁设置，用于收集所述冷凝水。
可选的，所述冷凝水收集装置还包括排水管，所述排水管的一端与所述接水盘连通；
所述冷凝腔侧壁与所述接水盘对应处开设由排水口，用于将所述排水管的另一端引出至所述冷凝腔外部，以将所述接水盘中的所述冷凝水排出至所述冷凝腔外部。
可选的，所述第一冷却装置和所述第二冷却装置均包括沿所述冷凝腔的内周壁设置的冷凝管本发明具有以下有益效果：
本发明提供的尾气处理装置，包括依次设置的进气腔、燃烧腔和冷凝腔；其中，进气腔中设置有氢气管路和氧气管路，用以向燃烧腔输送氧气和待处理的氢气，而由于进气腔中的氢气管路和氧气管路互不连通，因此氧气和氢气流入燃烧腔之前不会接触，设置专用的氧气管路和燃烧腔，能够使足量的氧气和氢气在通入后燃烧腔中充分混合并燃烧，从而避免发生爆鸣而导致装置内部部件损坏。而且，与燃烧腔连通的冷凝腔能够将氧气与氢气燃烧生成的高温水蒸气冷凝成水并将之收集，从而能够避免水蒸气影响氧气和氢气的燃烧。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种尾气处理装置的结构简图；
图2为现有的一种尾气处理装置的结构简图；
图3为本发明实施例提供的进气腔的局部放大图；
图4为图1中B-B方向上的截面图；
图5为图1中A-A方向上的截面图。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图来对本发明提供的尾气处理装置进行详细描述。
本实施例提供一种尾气处理装置，用于处理半导体工艺设备排出的氢气尾气。尾气处理装置包括处理腔室1，以图1所示的处理腔室1结构为例，处理腔室1大体为一管状腔室，并沿竖直方向延伸；处理腔室1的上端可以与厂务管道连通，以利用厂务管道负压抽出处理腔室1内部剩余气体，具体的，剩余气体例如为未参与燃烧反应的剩余氧气或者不与氢气发生反应的氮气、二氧化碳等。
处理腔室1包括由下至上依次设置的进气腔11、燃烧腔12和冷凝腔13，其中，进气腔11与燃烧12相互隔绝，燃烧腔12与冷凝腔13则相互连通，冷凝腔13(位于处理腔室1的上端)用于与厂务管道连通。其中，进气腔11中设置有互不连通的氢气管路112和氧气管路111,以保证在输送氧气和氢气的过程中，两者不会发生接触，更不会混合燃烧。氢气管路112的进气口与半导体工艺设备2的排气口连通，氧气管路111的进气口与氧气源连通；氢气管路112和氧气管路111的出气口均与燃烧腔12连通。专用的氧气管路111和燃烧腔12，可以使足量的氧气和氢气在进入用于供氢气和氧气燃烧的燃烧腔12后，再混合燃烧，从而能够避免氢气的不充分燃烧而发生爆鸣。
由于氧气和氢气燃烧会生成高温水蒸汽，若不及时对其进行处理，则会导致燃烧腔12中水蒸气含量升高，进而影响氢气与氧气的混合，因此本实施例中处理腔室1中的冷凝腔13设置在燃烧腔12的上方，并与燃烧腔12连通，冷凝腔13中设置有冷凝装置，用于冷凝燃烧产生的水蒸气，并收集冷凝水，从而避免冷凝水回流入燃烧腔12中而影响燃烧反应的进行。
传统的尾气处理装置包括氢气管路01和环绕氢气管路01设置的氧气管路02，如图2所示，氢气管路01中部开设有环形气口011，以使部分氧气与氢气预混合，并进行一次预燃烧；但由于氧气的进气流量往往不可控，所以在氧气与氢气在管路中部的预混合时，氧气量往往远小于氢气量，这就导致氢气的不充分燃烧，进而导致氢气在氢气管路01中发生爆鸣，造成管路部件损坏。由此可见，相较于传统的尾气处理装置，本实施例中的尾气处理装置使氢气和氧气集中在燃烧腔12燃烧会更加安全，而且尾气处理装置中的部件也更不易损坏，使用寿命更长。
而且，传统的尾气处理装置顶部直接与厂务管道连通，以利用厂务管道内部负压将氢气和氧气燃烧产生的水蒸气抽出；但高温水蒸气在进入厂务管道内部后会发生冷凝并生成冷凝水，在厂务管道内部发生压力波动时，冷凝水会回流入尾气处理装置，影响氢气的燃烧，甚至会造成气体环境剧烈降温进而导致氢气和氧气燃烧反应的终止。而本实施例中的处理腔室1内部最上方设置有用于对水蒸气进行冷凝和收集冷凝水的冷凝腔13，以能够在腔室内部气体进入厂务管道之前预先水蒸气与其他气体分离，从而能够避免冷凝水倒灌入处理腔室1。可见，相较于传统的尾气处理装置，本实施例中的尾气处理装置能够保证氧气和氢气的稳定燃烧，而且能够避免厂务管道内部积水问题的发生。
在一些实施例中，如图1所示，氧气管路111为多条，多条氧气管道111环绕氢气管路112均匀分布。氢气管路112和多条氧气管道111的出气口均伸入燃烧腔12，且多条氧气管道111伸入燃烧腔12的部分朝向氢气管路的中轴线弯折，以使氧气流更靠近位于中部的氢气流，从而使氧气和氢气能够充分混合，以使氢气更充分的燃烧。
在一些实施例中，进气腔11与燃烧腔12之间设置有隔板113，进气腔11与燃烧腔12通过隔板113实现隔绝，氢气管路112和多条氧气管道111的出气口均穿过隔板113伸入燃烧腔12中。氢气管路112和多条氧气管道111穿过隔板113的位置处均密封连接。隔板113同时也可以作为氢气管路112和多条氧气管道111的安装板。
优选的，隔板113数量为两块，分别设置于氧气管道111的两端处。如图3所示，隔板113的外缘与处理腔室1的内壁密封连接，隔板113的与氢气管路外周面密封连接；如图4所示，隔板113上开设有与多条氧气管道111一一对应的多个安装孔，以使多条氧气管道111均穿设于对应的安装孔中，从而在两端处将氧气管道111固定。密封圈114设置在每条氧气管道111与对应的安装孔之间，用以使氧气管道111与对应的安装孔能够密封连接，以使氧气仅从氧气管路流通，从而使氧气的进气流量易于控制。具体的，密封圈114与氧气管道111和对应的安装孔之间采用过盈配合以保证密封性。以图4所示的氧气管路为例，其包括8条氧气管道111。具体的，氧气管道111为金属管。而且，隔板113的外缘焊接在处理腔室1的内壁上，隔板113的内缘焊接在氢气管路的外周面上。
而且，位于上方的一块隔板113和密封圈114的上表面均与燃烧腔12接触，换言之，位于上方的一块隔板113和密封圈114的上表面用作燃烧腔12的底面，因此，为了使两者能够承受燃烧腔12内部的高温，隔板113应当采用金属材料制成，密封圈114应当采用耐高温材料制成。
在一些实施例中，多条氧气管道111的进气口处设置有流量控制装置，流量控制装置用于检测和控制氧气管道111的进气流量，以能够根据半导体工艺设备2实际排出的氢气量，调整氧气的进气流量，以调整氧气和氢气的混合比，从而使燃烧腔12中氢气尽可能地完全燃烧，使氢气尾气被完全处理掉。
或者，在另一些实施例中，还可以根据半导体工艺设备2实际排出的氢气量，控制多条氧气管道111中的部分氧气管道111开启，另一部分氧气管道111关闭，以调整氧气和氢气的混合比。容易理解地，被开启的氧气管道111的条数越多，氧气进气流量就越大；被开启的氧气管道111的条数少，氧气进气流量就越小。
在一些实施例中，上述氧气管道111的进气口与大气环境连通；这样可以直接利用空气中的氧气，无需额外设置供氧设备，从而简化设备的制造工艺，而且能够减少设备占地空间。但由于空气中不免会存在一些尘粒等杂质，所以直接将空气引入处理腔室1内部，会影响处理腔室1内部的洁净度，甚至造成处理腔室1内部管状部件发生堵塞。为了避免这一问题的发生，本实施例中的氧气管路还包括过滤组件，过滤组件设置在氧气管道111内部，且位于氧气管道111的进气口处，以过滤空气中尘粒等杂质，保证处理腔室1内部的洁净度。
在一些实施例中，如图3所示，氢气管路112中靠近出气口处还设置有加热装置115。氢气管道112的进气口与半导体工艺设备2的排气口连通，出气口与燃烧腔12连通；具体的，氢气管道112的进气口位于底部。加热装置115包括支撑柱1151和加热丝1152；其中，支撑柱1151沿氢气管道112的中轴线延伸；加热丝1152绕设于支撑柱1151的外表面上；这样，在氢气管道112的内周面与支撑柱1151的外周面之间形成一个环形的进气通道，以使氢气流能够环绕在加热丝1152周围进气，从而使氢气流能够均匀受热。加热丝1152用于在氢气进入燃烧腔12之前将其加热至燃点或高于燃点，以使氢气在进入燃烧腔12并与氧气接触后迅速燃烧，而无需在燃烧腔12中额外设置点火装置。具体的，上述支撑柱1151可采用工业陶瓷材料制成，其具有良好的耐热性和绝缘性。
在一些优选的实施例中，如图3所示，上述氢气管道112包括互相连通的安装段1121和辅助加热段1122；其中，安装段1121与辅助加热段1122密封连接；辅助加热段1122为氢气管道112环绕在加热装置115周围的部分，辅助加热段1122外部还可以设置有辅助加热器，其也可以用于对流经辅助加热段1122的气体进行加热，以与加热丝1152配合对氢气进行加热。具体的，辅助加热器可以采用盘管式加热器(Coil Heater)。
在一些实施例中，尾气处理装置中还包括外壳(图中未示出)，外壳设置在处理腔室1的外部，用以保护处理腔室1，并固定部分处理腔室1内部的部件。具体的，处理腔室1的外壁与外壳的内壁焊接；上述氢气管道112的安装部1121的底端由处理腔室1底部引出，并固定在外壳上。
在一些实施例中，如图1所示，冷凝装置包括第一冷却装置131和冷凝水收集装置。第一冷却装置131用于将氧气和氢气燃烧生成的水蒸气冷凝；冷凝水收集装置位于第一冷却装置131下方，用于接收下落的冷凝水，以避免冷凝水下落至燃烧腔12中而影响其内部燃烧反应的发生。
在一些实施例中，冷凝装置还包括第二冷却装置132，第二冷却装置132位于冷凝水收集装置下方，用于对水蒸气进行预冷却，即，使高温水蒸气的温度降低，但不被冷凝，以避免到达第一冷却装置131处时水蒸气的温度过高无法被完全冷凝，从而提升第一冷却装置131的冷凝效率，并避免过量的水蒸气进入厂务管道中。
在一些实施例中，如图1和图5所示，冷凝水收集装置包括甩水扇133和接水盘134。其中，甩水扇133用于绕冷凝腔13的中轴线旋转，以既能够供水蒸气通过，又能够将下落的冷凝水向甩向周侧，也能够对进气冷凝腔13的气体起到一定的降温作用；而且甩水扇133在旋转时也能够带动处理腔室1内部气体向厂务管道流动，以促进燃烧反应生成的水蒸气进入冷凝腔13，并促进未参与燃烧反应的剩余气体进入厂务管道。接水盘134贴合冷凝腔13的内周壁设置，用于收集沿冷凝腔13的内壁流下的冷凝水或由甩水扇133直接甩出的冷凝水。
具体的，若甩水扇133的转速过高，则容易冷凝水打散而不易聚集成水滴；而若甩水扇133的转速过低，则冷凝水受到的离心力较小，导致冷凝水难以被甩出或者导致液化水难以被甩至冷凝腔13的内壁上。因此，甩水扇133的转速应当根据实际氢气的进气流量进行调节，且甩水扇133的合理转速应当满足甩水扇133能够将附着在扇叶表面的冷凝水甩至冷凝腔13的内壁上。
在一些实施例中，如图1所示，冷凝水收集装置还包括排水管135，排水管135的一端与接水盘134连通；处理腔室1(冷凝腔13)侧壁与接水盘134对应处开设由排水口，用于将排水管135的另一端引出至处理腔室1外部，以将接水盘134中的冷凝水排出至处理腔室1外部。具体的，在一些实施例中，接水盘134底部具有一定的倾斜角度，且该倾斜角度满足能够促进接水盘134内部冷凝水流向排水口，以将冷凝水及时排出，避免冷凝水溢出而影响下方燃烧腔12中燃烧反应的进行。
在一些实施例中，如图1所示，第一冷却装置131和第二冷却装置132均包括沿冷凝腔13的内壁设置的冷凝管。而且，冷凝管的进液口和排液口均从处理腔室1侧壁上开设的开口引出，以与外部冷却液源连通，使冷却液在冷凝管中循环流动，持续带走处理腔室1内部的热量。
本实施例提供的尾气处理装置，其中的处理腔室包括依次设置的进气腔、燃烧腔和冷凝腔；其中，位于最下方的进气腔中设置有氢气管路和氧气管路，用以向位于进气腔上方的燃烧腔输送氧气和待处理的氢气，而由于进气腔中的氢气管路和氧气管路互不连通，因此氧气和氢气流入燃烧腔之前不会接触，以能够使氧气和氢气在通入后燃烧腔中充分混合并燃烧，并能够避免氧气与氢气不充分混合而造成氢气的不充分燃烧，从而避免发生爆鸣而导致装置内部部件损坏。而且，位于最上方的冷凝腔能够将氧气与氢气燃烧生成的高温水蒸气冷凝成水并将之收集，从而能够避免水蒸气影响氧气和氢气的燃烧。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种尾气处理装置，用于处理半导体工艺设备排出的氢气尾气，其特征在于，包括依次设置的进气腔、燃烧腔和冷凝腔，所述进气腔与所述燃烧腔相互隔绝，所述燃烧腔与所述冷凝腔相互连通，所述冷凝腔用于与厂务管道连通；其中，
所述进气腔中设置有互不连通的氢气管路和氧气管路；所述氢气管路的进气口与所述半导体工艺设备的排气口连通，所述氧气管路的进气口与氧气源连通；所述氢气管路和所述氧气管路的出气口均与所述燃烧腔连通；
所述燃烧腔用于供氢气和氧气燃烧；
所述冷凝腔中设置有冷凝装置；所述冷凝装置用于冷凝燃烧产生的水蒸气，并收集冷凝水。
2.根据权利要求1所述的尾气处理装置，其特征在于，所述进气腔与所述燃烧腔之间设置有隔板，所述氧气管路为多条，多条所述氧气管路环绕所述氢气管路均匀分布；
所述氢气管路和多条所述氧气管路的出气口均穿过所述隔板伸入所述燃烧腔，且多条所述氧气管路伸入所述燃烧腔的部分均朝向所述氢气管路弯折。
3.根据权利要求2所述的尾气处理装置，其特征在于，多条所述氧气管路的进气口处均设置有流量控制装置，所述流量控制装置用于检测和控制所述氧气管路的进气流量。
4.根据权利要求2所述的尾气处理装置，其特征在于，所述氧气管路的进气口与大气环境连通；
所述氧气管路的进气口处还设置有过滤组件，所述过滤组件用于过滤大气中杂质。
5.根据权利要求1所述的尾气处理装置，其特征在于，所述氢气管路中靠近出气口处还设置有加热装置，所述加热装置包括支撑柱和加热丝；所述支撑柱沿所述氢气管路的中轴线延伸；所述加热丝绕设于所述支撑柱的外表面上，用于在氢气进入所述燃烧腔之前将其加热至燃点或高于燃点。
6.根据权利要求1所述的尾气处理装置，其特征在于，所述冷凝装置包括第一冷却装置和冷凝水收集装置；
所述第一冷却装置用于冷凝所述水蒸气；
所述冷凝水收集装置位于所述第一冷却装置下方，用于接收下落的冷凝水。
7.根据权利要求6所述的尾气处理装置，其特征在于，所述冷凝装置还包括第二冷却装置，所述第二冷却装置位于所述冷凝水收集装置下方，用于对所述水蒸气进行预冷却。
8.根据权利要求6所述的尾气处理装置，其特征在于，所述冷凝水收集装置包括甩水扇和接水盘；
所述甩水扇用于绕所述冷凝腔的中轴线旋转，以将下落的所述冷凝水甩向周侧；
所述接水盘贴合所述冷凝腔的内壁设置，用于收集所述冷凝水。
9.根据权利要求8所述的尾气处理装置，其特征在于，所述冷凝水收集装置还包括排水管，所述排水管的一端与所述接水盘连通；
所述冷凝腔侧壁与所述接水盘对应处开设有排水口，用于将所述排水管的另一端引出至所述冷凝腔外部，以将所述接水盘中的所述冷凝水排出至所述冷凝腔外部。
10.根据权利要求7所述的尾气处理装置，其特征在于，所述第一冷却装置和所述第二冷却装置均包括沿所述冷凝腔的内周壁设置的冷凝管。
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