CN1678517A - 废气流的利用 - Google Patents

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Abstract

在利用来自半导体加工步骤中的含氨废气流的方法和装置中，废气流中所含氨例如在反应器(3)中分解成氢和氮，这样获得的气流通过氢分离器(5)以从中分离出氢气，分离的氢气在净化器(8)中净化，且净化氢气循环用于半导体加工。该方法和装置通过允许循环半导体加工废气的成分而能有效利用这种废气。

Description

废气流的利用
本发明涉及处理废气流的新方法，更具体而言涉及净化这种废气流中存在的氢用于再利用的方法。
在包括发光二极管(LEDs)制造的硅半导体和化合物半导体器件加工中越来越多地采用氢气。往往通过使氢气穿过钯扩散器本体，从气体中分离出杂质，从而就在使用前的加工位置立即就地净化氢气。然而，由于存在极度的易燃性，因此处理这种气体来替代从屋顶水平排放的要求日益提高。
氨也是许多半导体加工中的主要成分，而且经常与氢共同使用，或与氢依次使用。例如，氨尤其是在各种半导体元件，特别是LEDs的制造中用于在基材上制造氮化物膜。蓝光LEDs尤其可用于显示屏，特别是电视机或计算机显示屏中，可用于发光和其他器件，并且制造包含氮化镓(GaN)的半导体器件在光谱的蓝光部分发光增强而得到广泛应用。氮化镓膜通常通过采用例如分子束取向生长、金属有机化学汽相沉积(MOCVD)或其他化学汽相沉积方法的取向生长形成。MOCVD方法涉及有机金属镓化合物，例如三甲基或三乙基镓，与氨反应生成氮化镓。因此GaN取向生长步骤排放的废气包括高比例的氨。在取向生长步骤中也常用氢，例如作为载气，或在GaN取向生长步骤前或后的其他加工步骤中采用。
氨是TLV为25ppm的刺激性气体。然而，当其燃烧时，必需非常注意避免形成NOx，而公知的湿法洗涤加工可以很好地最后脱除氨气和/或以高硝酸盐排放率将其排入地下水中。
已知包含合适催化剂的热填充床可将氨分解成其组分气体氮和氢，生成1份氮和3份氢(以体积计)。这是一个吸热过程，需要对气体和催化剂加热，例如根据我们的英国专利申请2353034A的说明书进行。可向热床中加入其他成分，以除去会从反应器一起排放的其他气体或蒸汽。
同样公知的是，简单地燃烧氢是替代高水平环境排放的一种常用选择。然而，这又带来了特殊的问题，特别是标准燃烧器需要在所有时间供给足够的空气，以保证完全燃烧；此外，产生的大量热需要通过工厂可观的额外工程来处理，而且增加了成本。此外，还需要考虑氢的“回火”和氧化剂混合物的处理问题。
需要提供一种更有效和/或经济的处理半导体加工废气的方法。
根据本发明，提供了一种利用半导体加工步骤的含氨废气流的方法，包括将废气流中所含氨分解成氢和氮，使这样获得的气流穿过氢分离器，以便从中分离出氢气，在净化器中净化分离出的氢气，并将净化后的氢气用于半导体加工。
用于半导体加工工业所要求的气体要求具有非常高的纯度水平，以避免污染半导体器件，从而对器件的性能和/或寿命产生不利的影响。本发明人吃惊地发现，有可能对含氨废气进行处理，以回收氨中至少相当大比例的氢成分，并在半导体加工中循环使用这些氢，而仍能满足半导体加工中要求的纯度水平。
有益的是，含氨废气流是来自氮化镓取向生长沉积的废气。这样的氢可随后循环用于氮化镓沉积，或用于氮化镓沉积步骤上游或下游的半导体加工步骤。优选的是，该半导体加工步骤是氮化镓取向生长，净化的氢气在这里被循环使用。
有益的是，氢分离器是变压吸附系统。该变压吸附系统可采用任何合适的吸附材料(吸附剂)。
有益的是，氨分解步骤包括使氨与热催化剂接触。有益的是，氢分离器流出的氢气具有至少99％的纯度。例如，用变压吸附系统作为本发明的方法和装置中的氢分离器、用公知的吸附剂制备的氢可具有超过99％，通常超过99.9％的纯度。变压吸附系统中的变压吸附剂通常对于从氮中分离出氢特别有效。因此它们可有效地从气体混合物中分离氢气本身，或从气体混合物中分离氨的氢气组分(包括存在的任何氢气本身)。
有益的是，净化器流出的净化氢具有至少99.9％的纯度。例如，可使纯度超过99％，特别是超过99.9％的氢通过钯净化器，制备纯度为99.999％或以上的氢。
有益的是，将氢分离器流出的氢气在净化器中净化之前与新鲜的氢混合。作为选择，或同样地，可将净化器流出的净化气体与其他氢混合，并在半导体加工中利用混合的氢气流。用其他氢补充净化的气流在瞬间需要的氢大于可作为净化气流获得的氢的量的半导体加工步骤中特别有用。
本发明还提供了一种用于制造半导体产品的装置，它具有半导体加工设备和回收氢的废气回收回路，该废气回收回路包括接收来自半导体加工设备的废气并在其中分解氨以形成含有氮和氢的裂化装置流的氨裂化装置，分离来自氨裂化装置流的氢的氢分离器，净化分离出的氢的净化器，和将来自净化器的净化氢循环到半导体加工设备的循环管线。有益的是，该半导体加工设备是氮化镓取向生长室。优选氢分离器是变压吸附系统。优选氢净化器是钯净化器。
有益的是，该装置的布置应使其能处理5-80L/min的废气流。应该体会到的是，氢分离器的容量必须超过氨裂化装置的容量。氢分离器的容量有益地为5-360L/min。钯净化器的容量有益地为5-220L/min。
现在参考附图详细描述本发明的示例性实施方案，附图是根据本发明装置的示意图。
参考附图，该装置有反应器室1，载气流中的有机镓化合物G送入该室。有机镓化合物通过使氢载气鼓泡通过液体有机镓化学品的容器而引入载气中。然后将携带的有机镓化合物在被允许进入反应器之前与另外的氢、氨和氮混合。然后使气相混合物与要求在其上沉积GaN的热晶片接触。有机镓化合物与氨反应生成氮化镓，从而在室1中的基材上取向生长形成氮化镓。未反应的氨与氢和气相反应的副产物一起通过管线2除去，并通过真空泵(未示出)送入氨裂化器3，该真空泵一般可与反应器室1连接，或作为单独的部件存在。氨裂化器3包含将氨催化分解成氢和氮的热催化剂。来自裂化器3的气流通过管线4和压缩机10送入变压吸附系统5，在其中从氮和其他气体中分离出氢。压缩机10以约大气压取气，并将气体压缩到高于大气压约5-10psi(约0.35-0.7巴)。作为选择，可省去压缩机10，将真空泵改进成以高于大气压约5-10psi的压力在其出口产生气体。变压吸附系统5含有合适的吸附剂，例如一种或多种沸石分子筛、活性炭、硅胶和活性氧化铝。这种摆动吸附系统可从加拿大的Questair Inc.商购，一般包括一对PSA床或塔和相关的换向阀，换向阀的布置应使一个床或塔工作时，另一个床或塔在再生。床或塔之间的交替频率的选择应能基本维持高效分离而不中断，从而能获得连续的分离氢气流。摆动吸附系统5用于采用适当的加压循环体系而从氮和其他气体中分离氢。用变压吸附系统从氮分离氢是本领域公知的，且合适装置和条件的选择是本领域普通技术人员的常识。氮通过管线6排到空气中，如果合适的话可在进一步洗涤后排放。分离出的氢一般将具有99-99.9％的纯度，剩余的量一般主要由带有微量其他污染物的氮组成。在某些废气流的情况下，可固有存在或在裂化装置中处理形成固体颗粒。在这种情况下，可在裂化装置3出口或管线4中加入过滤器去除颗粒。
分离出的氢通过管线7送入钯净化器8中，残余的氮和其他杂质在净化器8中以公知的方式去除。在钯净化器8中净化后，通过管线9使氢循环与有机镓化合物G混合，一起喷射到室1中。
尽管在该实施方案中示出氢被循环用于室1中，但它也可以循环到进行不同半导体加工步骤，例如室1中所进行步骤的上游或下游步骤的不同反应器或室中。
尽管上面描述了包含两个平行布置的变压吸附床或塔的变压吸附系统，但在理论上也能采用单个床。在某些也许更简单和更廉价的环境下，应该理解这种床将优选地具有对需处理的废气流的所有非氢成分杂质足够的容量。由于当单一床或塔被再生以去除收集到的杂质时将没有供氢循环的容量，如果在再生相期间半导体工艺连续进行，就要求向该工艺补充提供新鲜的氢。因此，当处理时间较长而停机时间短时，采用包含一对并列运行的床或塔的变压吸附系统就特别优选。短停机时间指在变压吸附系统中再生吸附剂的时间很短。在许多情况下，在工艺步骤之间再生吸附剂是不现实的。此外，为简单起见，附图所示实施方案仅有一个取向生长室1，包括裂化装置3、氢分离器5和净化器8的循环管线可从两个或多个室接收废气和/或向两个或多个室供应循环氢。

Claims (13)

1.一种利用半导体加工步骤中的含氨废气流的方法，包括将废气流中所含氨分解成氢和氮，使这样获得的气流通过氢分离器，以便从中分离出氢气，在净化器中净化分离出的氢气，并将净化氢气用于半导体加工。
2.根据权利要求1的方法，其中半导体加工步骤是氮化镓取向生长，和循环净化的氢气用于该步骤。
3.根据权利要求1或权利要求2的方法，其中氢分离器是变压吸附系统。
4.根据上述权利要求任何一项的方法，其中净化器是钯净化器。
5.根据上述权利要求任何一项的方法，其中氨分解步骤包括使氨与热催化剂接触。
6.根据上述权利要求任何一项的方法，其中氢分离器流出的氢气流具有至少99％的纯度。
7.根据上述权利要求任何一项的方法，其中净化器流出的净化的氢气具有至少99.99％的纯度。
8.根据上述权利要求任何一项的方法，其中氢分离器流出的氢气在其在净化器中净化前与新鲜的氢混合。
9.根据上述权利要求任何一项的方法，其中净化器流出的净化气体与其他氢混合，并将混合的氢气流用于半导体加工。
10.一种半导体产品制造装置，具有半导体加工设备和回收氢的废气回收回路，该废气回收回路包括接收来自半导体加工设备的废气并在其中分解氨，形成含有氮和氢的裂化装置流的氨裂化装置，分离来自氨裂化装置流的氢的氢分离器，净化分离出的氢的净化器，和将来自净化器的净化氢循环到半导体加工设备的循环管线。
11.根据权利要求10的装置，其中半导体加工装置是氮化镓取向生长室。
12.根据权利要求10或权利要求11的装置，其中氢分离器是变压吸附系统。
13.根据权利要求10至12任何一项的装置，其中氢净化器是钯净化器。
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