CN216825596U - 一种半导体废气处理系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种半导体废气处理系统是由真空抽气装置、电浆处理装置及射流式微气泡湿式洗涤装置组成。真空抽气装置采用增压泵及干式泵的两段式组合。电浆处理装置安装在两泵之间进行低气压电浆处理，可在低耗能下完成高效率的气体解离反应，同时克服生成物可能回流污染制程系统的困难。尤其在操作上不需要使用大量稀释氮气，可降低真空抽气装置的操作规格，更可以减少产生氮氧化物。最后采用射流式微气泡湿式洗涤装置，可有效处理电浆解离后的反应生成气体及微粒，更可于真空抽气装置输出端产生粗真空，提升排气效率，并大幅降低微粒阻塞的问题。
Description
技术领域
本实用新型是有关于一种废气处理系统，特别是有关于一种半导体废气处理系统。
背景技术
半导体的生产过程会使用大量的易燃性、腐蚀性或高毒性的反应气体，但是在许多半导体制程中反应气体的利用率非常低，因此在制程中未完全反应的残余气体及反应生成物必须排出反应制程室。这些混合气体一般称为制程废气或是尾气都必须经由转化为无害或可处理的物质才能排出。
现行废气系统主要由和反应制程室相接的涡轮真空泵(turbo pump)、机械泵及局部废气处理系统(local scrubber system)所构成。制程废气经由涡轮真空泵、排气管道及机械泵依序抽出反应制程室，再送入局部废气处理系统进行处理后送到中央废气处理系统(central scrubber system)排出。
为了妥善处理制程废气，目前有许多种技术被提出及使用。举例而言，目前有一种现有技术在排放制程废气之前，会使用抽气泵将制程废气排放至燃烧洗涤塔进行废气处理，如中国台湾第I487872号发明专利。然而，燃烧洗涤塔对于含氟化合物处理效果不佳，而且须随时保持运作并提供大量燃料气体，因此成本大幅增加且耗费能源。又，目前虽然有另一种现有技术采用触媒热裂解法，但触媒会有老化及毒化问题，且触媒更换及回收处理成本相当高。此外，触媒热裂解法同样须随时保持运作且同样会耗费大量能源。
除此之外，目前虽有技术使用电浆火炬洗涤塔进行废气处理，如中国台湾第I285066号发明专利，电浆虽已被证实可有效分解制程废气，尤其针对须高温处理的全氟碳化合物((Perfluorinated Compounds,PFCs)。但其是在大气压力下运行，须耗费大量能源，同时因为电浆温度超过上千度，系统零组件不但成本高且使用寿命短。尤其大气电浆的稳定性不佳，容易因为操作条件的变化而产生电浆熄灭的问题。
另一方面目前已有理论技术提出在机械泵前加装电浆处理装置，在低气压下进行废气处理。结果显示，因为在低气压下电子能量较高能有效解离废气，虽然处理效果良好，但是因为电浆处理装置直接和涡轮真空泵后端相接，会有气体反应物回流污染制程的疑虑，因此无法被半导体制程所接受，目前并未使用。
现行机械泵多采两段式组合，即第一段为增压泵(Booster Pump)，第二段为干式泵(Dry Pump)。增压泵因抽气速率(pumping rate)大能加速系统达到较低气压，以利于第二段干式泵达成操作设定气压。现有机械泵操作必须在第二段(后段)干式泵引入大量吹净气体(purge gas)，如氮气以稀释易燃性、腐蚀性或高毒性的制程废气，同时以减缓在制程中生成的固体微粒造成的管道堵塞问题。由于气体流量相当大，必须使用大功率的抽气泵，无形中增加运作成本且耗费能源。而且，大量氮气后续进入现行的局部废气处理系统如燃烧式或是热反应式洗涤塔，会产生大量氮氧化物(NOx)等温室气体，造成二次污染环境。
再者，即使引入大量吹净气体，在某些制程中固态粒子依然会阻塞第二段(后段)的干式泵，尤其是其出口处。这会严重降低抽气效率，同时提高干式泵的操作电流，不但增加能源消耗增加营运成本，甚至造成干式泵损坏引发制程停机。
实用新型内容
为了解决上述现有技术的问题，本实用新型的目的在于提供一种可以有效处理废气的系统，且能降低机械泵能源消耗及大幅减少氮氧化物(NOx) 等温室气体产生量，同时能有效解决固态粒阻塞的问题以提升干式泵使用寿命。另一方面，本实用新型采用低气压电浆废气处理，同时与常压电浆火炬比较，低气压电浆容易激发，且运作稳定耗能较低，部件损坏率较低，且维修周期长。更重要的是无生成气体及粒子回流污染半导体制程室的问题，因此可为现行半导体制程系统接受。
与此前技术不同，本实用新型的半导体废气处理系统包含两段式真空装置、电浆处理腔、反应气体供应腔以及射流式微气泡湿式洗涤装置。同时亦包含整合控制信号以确保在有制程废气需要处理时才激发电浆及输入混合反应气体的操作模式用以节约能源，提高电浆系统使用寿命。
为达成前述目的，本实用新型提出一种半导体废气处理系统，适用于处理制程废气源所产生的至少一制程废气，其特征在于：半导体废气处理系统由真空抽气装置、电浆处理装置及废气洗涤处理装置组成。其中，真空抽气装置为两段式泵结构，其包含第一泵及第二泵。第一泵产生一第一低压环境抽出制程废气源所产生的制程废气，第二泵于第一泵与第二泵之间产生第二低压环境，电浆处理装置设于第二低压环境下对制程废气进行低压电浆处理，同时加入适当的混合反应气体将该制程废气转化成无害、稳定或是可溶于水的反应生成气体，例如处理CH4及CHF3的混合气体通入水气，处理效率(Destruction RemovalEfficiency，DRE)可超过90％。利用水气混合处理 NF3，水气在电浆中被电子解离成O、H、OH的活性粒子，它们可以和NF3被电浆解离的粒子NFx反应。例如：OH+NF2→NOF+HF，H+NF→N+HF， H+F→HF。而HF可以用湿式洗涤方式有效处理。
同时低压电浆处理亦可以用于微小化或去除制程废气所携带固态微粒，例如在使用NF3进行制程腔体清洁时会产生SiF4、F、NFx等混合气体，同时之前制程的残余SiO2的微粒也一起混入废气中，这些微粒往往会聚合在一起转化为大颗的粒子，进而沈积在干式泵中形成阻塞。如果在进入干式泵前激发电浆使得SiO2和废气中残留的NFx及F反应，便能减少SiO2的大小使其随着气体排出而不易累积于泵中。
其中，废气洗涤处理装置是一种射流式微气泡湿式废气洗涤装置，其借由文丘里管(Venturi throat)原理在第二泵出气端产生第三低压环境，借由此第三低压环境提升第二泵的抽气效率进而能大幅降低第二泵累积的固体微粒。最后上述的反应生成气体及微粒的混合气体被湿式洗涤处理装置吸入进一步在洗涤液中形成微气泡，使得洗涤液充分溶解上述的反应生成气体以及捕捉上述的反应生成气体所携带的微粒。
其中，真空抽气装置为两段式真空装置，其第一泵设于制程废气源与电浆处理装置之间，借以利用该第一泵隔绝低压电浆处理后所得的反应生成气体及微粒，防止其回流而污染制程废气源。
其中，制程废气在被吸入第二泵之前会预先被电浆处理装置转化成稳定安全或可被后面所接的湿式洗涤装置有效处理的气体，如此在旧技术中第二泵(干式泵)必须输入大流量的吹净气体(如氮气)以稀释易燃性、腐蚀性或高毒性的制程废气的措施可以大幅减量操作。
其中，电浆处理装置依据控制信号于待机状态及运作状态之间进行切换，当制程废气源开始排放制程废气时，电浆处理装置才由待机状态切换成运作状态借以在第一低压环境下对制程废气进行低压电浆处理，当制程废气源停止排放制程废气时，电浆处理装置由运作状态切换成待机状态。
其中，电浆处理装置对制程废气进行低压电浆处理时同时依据上述的控制信号先以反应气体混合制程废气。
其中，电浆处理装置为电浆处理腔且利用混合器作为反应气体供应腔，用以导入反应气体，借以使得反应气体混合制程废气。
其中，制程废气为全氟碳化物(PFCs)、氮氧化物(NOx)、六氟化硫(SF6)、三氟化氮(NF3)、氨气(NH3)、硼乙烷(B2H6)、氢氟碳化物(HFCs)、碳氢化合物(CxHy)和/或CCl4等。
其中，若半导体制程为原子层沉积(Atomic layer deposition，ALD) 制程，则制程废气为三甲基铝(TMA)、四(乙基甲基氨基)锆(TEMAZ) 和/或四(乙基甲基氨基)铪(TEMAH)。
其中，反应气体可为氧气(O2)、氦气(He)、氩气(Ar)、氮气(N2)、氢气(H2)和/或水气(H2O)。
其中，真空抽气装置的第一泵为增压泵(Booster Pump)，真空抽气装置的第二泵为干式泵(Dry Pump)。
其中，真空抽气装置的该第一泵所产生的第一低压环境的气压为100 torr至10- 3torr。
其中，真空抽气装置的该第二泵所产生的第二低压环境的气压为100 torr至10- 3torr。
其中，废气洗涤处理装置为一种射流式微气泡湿式废气洗涤装置，其所产生的第三低压环境的气压为400torr至600torr。
其中，废气洗涤处理装置为一种射流式微气泡湿式废气洗涤装置，其包含：处理槽包含内槽及外槽用以盛装洗涤液；以及射流管，其中洗涤液经由射流管喷射注入处理槽的内槽中，借以将上述的反应生成气体切割形成微气泡以溶解于洗涤液中，再使得微气泡所扬起的洗涤液的水气满溢至外槽中。
其中，电浆处理装置为射频电浆产生源、微波电浆产生源或高压放电源。
其中，电浆处理装置为具有同轴微波共振腔的微波电浆产生源。
其中，微波电浆产生源包含微波源以及同轴设置的金属耦合天线、陶瓷管及中空的圆柱，其中陶瓷管位于圆柱的中心且金属耦合天线位于陶瓷管的中心，微波源设于陶瓷管上且位于金属耦合天线的一侧。
其中，微波电浆产生源的功率介于1,000W至5,000W之间。
其中，制程废气源为半导体制程室或者是涡轮真空泵连接半导体制程室以排放制程废气。
承上所述，本实用新型的半导体废气处理系统，采用低压(low pressure) 电浆处理装置，具有以下优点：
(1)真空抽气装置可产生第一低压环境抽出制程废气源所产生的制程废气，真空抽气装置可于第一泵与第二泵之间形成第二低压环境，且电浆处理装置可同时利用第二低压环境对制程废气进行低压电浆处理。另外，电浆处理装置可在制程废气开始被排放时才由待机状态切换成运行状态，以节省能源。
(2)废气洗涤处理装置为一种射流式微气泡湿式废气洗涤装置，其高速喷出洗涤液时可将低压电浆处理后所得的反应生成气体转化成微气泡，大幅度增加接触面积及接触时间，有助于溶解上述的反应生成气体及捕捉微粒，并且可同时在进气囗处产生约400torr至600torr之间的粗真空(rough vacuum) 状态，借以从其所连接的真空抽气装置有效的吸入上述的反应生成气体及微粒以便进行洗涤，还可避免真空抽气装置产生堵塞现象，提升真空抽气装置运行效率并减少所需功率。
(3)借由设置电浆处理装置在有害制程废气进入第二泵(干式泵)之前先行处理制程废气，可大幅减少通入氮气稀释有毒气体甚至不需通入氮气，因此能减少氮氧化物及氧化碳的产生以避免二次污染，且能降低所需操作规格，如抽气功率及抽气流量。
(4)借由导入对应的反应气体，例如氧气及水气，可形成稳定的前驱物，如氧化物，可有效使得较难处理的制程废气形成较易处理的反应生成气体，并且微小化微粒，甚至消除微粒，借以减少有毒气体及温室气体。
(5)电浆处理装置设于真空抽气装置的第一泵后，能有效防止低压电浆处理后所得的反应生成气体及微粒回流至制程废气源中，再者第二泵及废气洗涤处理装置也能提供负压吸力，更有助于上述的反应生成气体及微粒回流至制程废气源中且能防止堵塞现象。
(6)电浆处理装置可有效分解原子层沉积(ALD)制程的前驱物的化学键结，且可使得上述的反应生成气体成为气相以降低产生微粒的可能性，因此能有效延长维修周期。
(7)电浆处理装置可使用同轴微波共振腔的结构，其优点在于能加长微波和电浆的反应长度而达到电浆均匀分布的目标。使用功率例如为介于 1,000W至5,000W之间，视处理废气种类及流量而决定。
在此，为使审查员对本实用新型的技术特征及所能达到的技术功效有更进一步的了解与认识，谨佐以较佳的实施例及配合详细的说明如后。
附图说明
图1为本实用新型的半导体废气处理系统的示意图。
图2为本实用新型的半导体废气处理系统应用于处理制程废气的示意图。
图3为本实用新型的废气洗涤处理装置采用射流式微气泡湿式废气洗涤装置的示意图。
图4A为本实用新型的电浆处理装置采用微波电浆产生源的示意图，其中图4B为沿图4A的I-I’剖面线所得的示意图。
图5为本实用新型的半导体废气处理概念应用于改造现行废气处理系统的示意图。
附图标记说明：
10：半导体废气处理系统 57：排放通道
12：制程废气 58：水泵
14：反应气体 59：洗涤液
16：反应生成气体 60：混合器
20：制程废气源 61：混合腔
30：真空抽气装置 60a：第一进气端
32：第一泵 60b：排气端
32a：进气端 60c：第二进气端
32b：排气端 72：吸入腔
34：第二泵 74：喷射管
34a：进气端 76：混合管
34b：排气端 78：扩散管
40：电浆处理装置 a1：第一管件
42：电浆通道 a2：第二管件
42a：进气端 a3：第三管件
50：废气洗涤处理装置 a4：第四管件
50a：进气端 80:控制信号
51：负压射流管 1、2、3、4：管道
52：气体管路 5：微波源
53：内槽 6：天线
54：外槽 7：陶瓷管
55：过滤组件 8：圆柱
56：气液分离组件 I-I’：剖面线
具体实施方式
为利了解本创作的技术特征、内容与优点及其所能达成的功效，在此将本创作配合附图，并以实施例的表达形式详细说明如下，而其中所使用的附图，其主旨仅为示意及辅助说明书之用，未必为本创作实施后的真实比例与精准配置，因此不应就所附的附图的比例与配置关系解读、局限本创作于实际实施上的权利范围。此外，为使便于理解，下述实施例中的相同元件以相同的符号标示来说明。
另外，在全篇说明书与申请专利范围所使用的用词，除有特别注明外，通常具有每个用词使用在此领域中、在此揭露的内容中与特殊内容中的平常意义。某些用以描述本创作的用词将于下或在此说明书的别处讨论，以提供本领域技术人员在有关本创作的描述上额外的引导。
关于本文中如使用“第一”、“第二”、“第三”等，并非特别指称次序或顺位的意思，亦非用以限定本创作，其仅仅是为了区别以相同技术用语描述的组件或操作而已。
其次，在本文中如使用用词“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等，其均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
请参阅图1至图5，图1为本实用新型的半导体废气处理系统的示意图，图2为本实用新型的半导体废气处理系统应用于处理制程废气的示意图，图3为本实用新型的废气洗涤处理装置采用射流式微气泡湿式废气洗涤装置的示意图，图4A为本实用新型的电浆处理装置采用微波电浆产生源的示意图，其中图4B为沿图4A的I-I’剖面线所得的示意图，图5为本实用新型的半导体废气处理概念应用于改造现行废气处理系统的示意图。
如图1至图3所示，本实用新型的半导体废气处理系统10由真空抽气装置30、电浆处理装置40及废气洗涤处理装置50组成。当应用于处理制程废气时，本实用新型以真空抽气装置30连接制程废气源20的排气端，且真空抽气装置30于运作时可于制程废气源20与真空抽气装置30之间产生第一低压环境，借由产生负压可吸入制程废气源20所产生的制程废气12。电浆处理装置40设于真空抽气装置30上(在第一泵32及第二泵34之间)，且借由第一泵32及第二泵34之间的第二低压环境对制程废气进行低压电浆处理，借以使得原本较难处理的制程废气12成为较易处理的反应生成气体16，以便较易溶解于洗涤液中，并且微小化制程废气12所携带的微粒，甚至消除微粒，以防止堵塞发生且较易被捕捉。因此，本实用新型可大幅度减少或不需稀释制程废气，由于气体流量变低，自然可大幅度降低真空抽气装置30的操作规格，如抽气功率和/或抽气速率。同时真空抽气装置的第一泵32建立电浆处理装置40和制程废气源20的隔绝，使得低压电浆处理后所得的反应生成气体16或微粒无法回流至制程废气源20造成污染。废气洗涤处理装置 50于运作时可产生第三低压环境(在第二泵34及废气洗涤处理装置50之间)，借由产生负压可有效吸入低压电浆处理后所得的反应生成气体16，以防止堵塞及回流现象，并且反应生成气体16可被洗涤液转化成微气泡，借由大幅度增加接触面积及接触时间，可使得洗涤液充分溶解反应生成气体16以及其所携带的微粒。
详言之，上述的制程废气源20例如为用以进行半导体制程的半导体制程室，制程废气12则例如为上述的半导体制程所排放的废气，例如有毒废气或温室气体等携带有微粒的废气，其中本实用新型并不局限于特定的半导体制程室及其所实施的半导体制程的类型，只要会产生制程废气12即可适合以本实用新型的半导体废气处理系统10进行废气处理。举例而言，依据实际进行的半导体制程而定，本实用新型的制程废气源20除了可例如为半导体制程室，也可例如为半导体制程室搭配有涡轮泵(Turbo Pump)以排放制程废气的半导体制程系统。换言之，本实用新型的半导体废气处理系统10所适用的制程废气源20不限于上述举例，任何会排放半导体制程废气的废气来源均可适用于本实用新型。其中，制程废气12为半导体制程中所产生的制程废气例如为，但不限于，全氟碳化物(PFCs)、氮氧化物(NOx)、六氟化硫(SF6)、三氟化氮(NF3)、氨气(NH3)、硼乙烷(B2H6)、氢氟碳化物(HFCs)和 /或碳氢化合物(CxHy)等有毒气体或温室气体。若上述的半导体制程为原子层沉积(Atomiclayer deposition，ALD)制程，则制程废气例如为，但不限于，三甲基铝(TMA)、四(乙基甲基氨基)锆(TEMAZ)和/或四(乙基甲基氨基)铪(TEMAH)。
详言之，本实用新型的半导体废气处理系统10的真空抽气装置30例如包含连通的第一泵32及第二泵34的两段式组合。第一泵32的进气端32a 经由第一管件a1连通制程废气源20的排气端，在第一管件a1中(即第一泵 32及制程废气源20之间)产生第一低压环境用以抽出制程废气源20所产生的制程废气12。第一泵32的排气端32b经由第二管件a2连通混合器60、电浆处理装置40及第二泵34的进气端34a。真空抽气装置30的第二泵34建立第二低压环境于第一泵32及第二泵34之间。其中，第一泵32所产生的第一低压环境的气压例如为约100torr至10-3torr，第二泵34所产生的第二低压环境的气压例如为约100torr至10- 3torr。举例来说，第一泵32的工作压力范围例如为约100torr至10-3torr，第二泵34的工作压力范围例如为约100torr至 10-3torr。第一泵32例如为增压泵，第二泵34例如为干式泵。本实用新型的真空抽气装置30除了使用第一泵32，还加上第二泵34，借此可提除供辅助吸力，有助于加速达到所需的真空程度外，第一泵32同时隔绝第二管件a2 中的气体及微粒回流到制程废气源20。真空抽气装置30的第一低压环境及第二低压环境的气压范围以及第一泵32与第二泵34的工作压力范围虽列举如上，惟本实用新型的范围并非限定于此，只要泵可提供低压环境，即落入本实用新型请求保护的范围。
续言之，本实用新型的半导体废气处理系统10的电浆处理装置40设于真空抽气装置30的第一泵32及第二泵34之间，借以在制程废气进入第二泵34之前，电浆处理装置40先利用第二泵34所产生的第二低压环境对较难处理的制程废气进行低压电浆处理，以便将制程废气转化成较易处理的反应生成气体16并能微小化制程废气所携带的微粒，因此本实用新型可大幅度减少第二泵34所需的吹净气体(如氮气)稀释制程废气，大幅度降低抽气所需的功率；同时亦可防止真空抽气装置产生微小堵塞。而且真空抽气装置30 建立电浆处理装置40和制程废气源20的隔绝，使得反应生成气体16或微粒无法回流至制程废气源20造成污染。
此外，本实用新型的电浆处理装置40可依据控制信号80选择性地在待机状态及运作状态之间进行切换。例如，当制程废气源20开始排放制程废气12时，电浆处理装置40才由待机状态切换成运作状态借以在第二低压环境下对制程废气12进行低压电浆处理；当制程废气源20停止排放制程废气 12时，电浆处理装置40则由运作状态切换成待机状态，毋需随时保持运行，因此能节省所需能源。
详言之，本实用新型的电浆处理装置40提供具有电浆的电浆通道42 连通于真空抽气装置30的第一泵32的排气端32b与第二泵34的进气端34a 之间，例如可拆卸式或固定式设于第二管件a2上。其中，制程废气12例如先混合对应于制程废气12的至少一反应气体14，再穿过电浆通道42，借以使得制程废气12与反应气体14利用电浆通道42中的电浆进行反应，以便将制程废气12转化成至少一反应生成气体16，并微小化制程废气12所携带的微粒，甚至完全去除微粒。反应气体14的种类对应于上述的制程废气12，亦即反应气体14的种类由制程废气12而定，借以使得制程废气12与反应气体14利用电浆进行反应以形成预定的反应生成气体16。上述的反应气体14 例如为氧气(O2)、氦气(He)、氩气(Ar)、氮气(N2)、氢气(H2)和 /或水气(H2O)等。低压电浆处理后所得的反应生成气体16则为无害、稳定或是可溶于水等较易处理的气体。例如处理CH4及CHF3的混合气体通入水气，处理效率(DestructionRemoval Efficiency，DRE)可超过90％。例如，利用水气混合处理NF3，水气在电浆中被电子解离成O、H、OH的活性粒子，它们可以和NF3被电浆解离的粒子NFx反应。例如：OH+NF2→NOF+HF， H+NF→N+HF，H+F→HF。而HF可以用湿式洗涤方式有效处理。以射频电浆产生源为例，电浆处理装置40之电极结构可例如为柱状、板状或网状等，只要可形成具有电浆的电浆通道42即可适用于本实用新型。
除此之外，本实用新型可选择性同时依据控制信号80经由混合器60 导入上述的反应气体14，亦即当制程废气源20开始排放制程废气12时，才导入反应气体14，其中电浆处理装置40的电浆通道42为连通混合器60，且制程废气12例如借由混合器60先混合反应气体14再进入电浆通道42中以进行反应。混合器60例如设于第二管件a2上且设于电浆处理装置40的电浆通道42的进气端42a的前方。亦即，混合器60例如具有第一进气端60a、第二进气端60c及排气端60b连通至混合腔61，其中混合器60的第一进气端 60a连通第一泵32的排气端32b，用以导入制程废气12，混合器60的排气端 60b连通电浆处理装置40的电浆通道42的进气端42a，用以导出混合后的制程废气12与反应气体14。其中，混合器60例如具有第四管件a4，且第四管件a4的一端连通混合器60的混合腔61，而第四管件a4的另一端具有第二进气端60c，用以导入反应气体14，使得制程废气12能够在混合腔61中与反应气体14均匀混合。其中，混合器60及其混合腔61的形式及尺寸无特别限定，只要可使得制程废气12混合反应气体14即可适用于本实用新型。此外，本实用新型所采用的混合器60也可例如具有调节阀(未绘示)设于第一进气端60a及第二进气端60c，用以调节制程废气12与反应气体14的对应供应量，借以获得较佳反应效果。换言之，本实用新型可整合控制信号80以确保在有制程废气需要处理时才激发电浆及输入混合反应气体的操作模式用以节约能源，提高电浆系统使用寿命。
以电浆处理装置40为微波电浆产生源，如图4A及图4B所示的微波电浆处理装置为例，其中制程废气12与反应气体14的混合气体由混合器60的排气端60b排出，且经由管道1及管道2进入圆柱形微波共振腔，高功率微波(约1,000W至约5,000W)在电浆通道42中将混合气体解离为电浆状态。在低气压下，电子能得到足够的能量对于气体分子进行碰撞行解离反应，同时所产生的分子、原子及活化粒子亦产生各种不同的化学及物理反应，进而达成废气处理的目标。低压电浆处理后所得的反应生成气体16再经由管道3及管道4进入第二泵34。详言之，微波电浆产生源的圆柱形微波共振腔包含同轴设置的金属耦合天线6、陶瓷管7及圆柱8，其中陶瓷管7位于中空的圆柱8的中心且天线6位于陶瓷管7的中心，微波源5设于陶瓷管 7上且位于天线6的一侧。
上述的微波电浆处理装置使用同轴微波共振腔的结构，其优点在由能加长微波和电浆的反应长度而达到电浆均匀分布的目标。一般圆柱型或矩型微波共振腔的电浆往往容易集中在进入口附近，无法有效形成均匀电浆。同轴微波分布由微波源5经由金属耦合天线6及陶瓷管7和外部圆柱8达成。陶瓷管7能使得微波有效的在天线6上传递，而不致使微波源耦合电浆反应集中在进入口附近，同时也达到隔离真空及保护天线6避免被电浆破坏的功能。惟，本实用新型的电浆处理装置40的种类不限于上述的微波电浆产生源，可采用任何现有技术如射频电浆产生源或高压放电源等，只要可于低压环境下形成电浆通道42并使制程废气12与反应气体14进行反应，均可适用于本实用新型。
本实用新型的半导体废气处理系统10的废气洗涤处理装置50借由文丘里管(Venturi throat)原理使射流结构喷射出洗涤液59，在第二泵34与废气洗涤处理装置50之间产生上述的第三低压环境，以吸入低压电浆处理后所得的反应生成气体16，并且将反应生成气体16转化成微气泡，借由大幅度增加接触面积及接触时间，可使得洗涤液充分溶解反应生成气体16以及捕捉微粒，因此本实用新型可防止真空抽气装置堵塞，有效延长维修周期，还能防止回流污染，因此可节能、环保及稳定地处理制程废气。详言之，如图3 所示，本实用新型所使用的废气洗涤处理装置50以采用文丘里管原理的射流式微气泡湿式废气洗涤器为例。其中，废气洗涤处理装置50利用负压射流管 51高速纵向喷出洗涤液59且产生第三低压环境(约400torr至600torr的负压)，以利用第三管件a3经由第二泵34吸入制程废气12所转化的反应生成气体16。洗涤液59的体积例如约占处理槽的内槽53体积的50％至90％，较佳为约占60％至80％，更佳为约占70％。而且，当洗涤液59由负压射流管 51高速向下冲击处理槽的内槽53中的洗涤液59时，反应生成气体16将会被切割而在洗涤液59中形成多个微气泡(平均直径小于约1.0毫米)，其尺寸远小于传统气泡，因此表面积远大于传统气泡，且在微气泡由处理槽的内槽53的洗涤液59的深处向上移动的过程中，由于接触面积及接触时间大幅度增加，使得微气泡可充分接触洗涤液59。因为反应生成气体16会溶解于洗涤液59中，所以微气泡在上升的过程中会逐渐缩小体积，进而消失于洗涤液59中。微气泡所扬起的洗涤液59的水气则会满溢至外槽54中。洗涤液 59包含处理对应的反应生成气体16的化学品。化学品例如但不限于选自于由盐水溶液、氢氧化钠、氢氧化钙、碳酸钙及碳酸氢钠所组成的族群。亦即，洗涤液59的组成可由需要被处理的反应生成气体16来决定，合适的碱可用于中和以降低酸性溶液的形成，例如由淡水和氢氧化钠或其他中和剂(如石灰)组成的溶液则可以有效地提取及中和大量的HCl、SO2或反应生成气体 16中的其他含酸成分。例如氢氧化钙(Ca(OH)2)，碳酸钙(CaCO3)和/ 或碳酸氢钠(NaHCO3)也可与洗涤液59混合，以帮助吸收各种生产来源中的其他酸性的制程废气。因此，在微气泡接触洗涤液59的过程中，反应生成气体16将可充分地溶解于洗涤液59中，且洗涤液59可充分地捕捉微粒。
后续，未被洗涤液59溶解的洗涤后气体则伴随洗涤液59扩散至内槽 53的液面上，而形成水气，因此内槽53上方的气液分离组件56可扮演过滤及捕捉水气的角色且仅允许上述洗涤后气体穿过气液分离组件56，因此可从排放通道57将已处理完成的干燥洗涤后气体例如排放至中央废气处理系统。此外，排放通道57中也可增设上述的气液分离组件，借由捕捉水气以排放更干燥的洗涤后气体。上述的气液分离组件56可为任何能够分离液体与气体的结构，例如由直径约为100微米至1微米玻璃纤维所组成的纤维床除雾器，借以过滤水气且仅允许气体穿过其中。至于，被气液分离组件56阻挡的洗涤液59则会掉落至外槽54中。随后，可例如利用过滤组件55过滤处理槽的外槽54中的洗涤液59，再利用水泵58将外槽54中已过滤的洗涤液59，重新经由负压射流管51注入处理槽的内槽53中，借以循环地产生负压以及切割反应生成气体16而在洗涤液59中形成多个微气泡。
上述的负压射流管51例如具有吸入腔72及喷射管74，吸入腔72的侧壁具有至少一吸入口用以经由气体管路52连通第三管件a3，喷射管74的顶端为入射口，用以注入洗涤液59，喷射管74的底端为出射口延伸至吸入腔72的内部，借由喷出洗涤液59于吸入腔72中，以产生负压吸力。气体管路52可例如为垂直式或倾斜式设于吸入腔72的侧壁，气体管路52较佳为倾斜式设于吸入腔72的侧壁。其中，吸入腔72的底部依序连接有混合管76及扩散管78，且混合管76和/或扩散管78沉浸于内槽53的洗涤液59中，较佳为可使微气泡借由向下喷射冲击的动量抵达内槽53的最底部，再由最底部往上移动，借以增加微气泡接触洗涤液59的时间，微气泡通过洗涤液59的时间例如约为1至20秒，较佳为约1至10秒。除此之外，吸入腔72和/或气体管路52的腔壁可选择性具有清洗件，例如为喷嘴，用以例如先喷出洗涤液 59后，再喷出空气，借以达到清洁腔壁内部的功效，并可保持吸入腔72和/ 或气体管路52的腔壁干燥。此外，清洗件较佳为沿着吸入腔72和/或气体管路52的腔壁的切线方向且略呈倾斜地依序将洗涤液59及空气高速喷入吸入腔72和/或气体管路52中，借以产生由上而下沿着吸入腔72和/或气体管路 52流动的螺旋气流，可有效防止产生沉积物。
由于半导体制程所产生的制程废气会携带大量的微粒，因此传统技术为了避免产生堵塞，例如真空抽气装置堵塞，必须要使用大量吹净气体(如氮气)稀释泵送气体(即制程废气)，始能防止堵塞问题，因此必须使用较高操作规格的抽气泵进行抽气，无形中增加运作成本且耗费能源。相较于传统技术，本实用新型可大幅度减少稀释制程废气或不需稀释制程废气，也可大幅度降低所需操作规格，如抽气功率或抽气速率。本实用新型在制程废气进入第二泵34之前，借由电浆处理装置40预先处理制程废气12，能够有效分解前驱物的化学键结以降低产生微粒的可能性，且使得反应生成气体16成为气相。换言之，本实用新型不仅可使得制程废气12转化成无害、稳定或是较易溶解于洗涤液的反应生成气体16，还能使得固体微粒的尺寸缩小，以便容易被洗涤液捕捉，甚至完全去除微粒，所以本实用新型不容易发生堵塞现象。由此可知，本实用新型可采用较低的抽气功率，且可延长维修周期，并防止二次污染环境，而且本实用新型的半导体废气处理系统在低气压的状况下进行电浆处理，部件损坏率较低，较稳定。因此，本实用新型可达到节能、环保及稳定地处理制程废气的功效。
除此之外，本实用新型的废气洗涤处理装置50不仅可处理反应生成气体16，还可产生第三低压环境，其可提供负压吸力，减轻真空抽气装置30 运行所需功率，且能避免真空抽气装置30产生堵塞现象。详言之，废气洗涤处理装置50的进气端50a经由第三管件a3连通真空抽气装置30的第二泵34 的排气端34b吸入反应生成气体16。其中，废气洗涤处理装置50例如为湿式废气洗涤处理器和/或干式废气洗涤处理器。本实用新型的废气洗涤处理装置50较佳为可提供负压吸力的湿式废气洗涤器，且更佳为一种射流式微气泡湿式废气洗涤装置，其可产生粗真空状态(约400torr至600torr)的第三低压环境。由于废气洗涤处理装置50连通第二泵34，因此废气洗涤处理装置 50在第二泵34与废气洗涤处理装置50之间所产生的负压吸力可提供辅助吸力，有助于反应生成气体16经由第二泵34排放至废气洗涤处理装置50中。换言之，借由废气洗涤处理装置50所产生的负压吸力，本实用新型可防止低压电浆处理后所得的反应生成气体16及微粒产生回流现象，且可防止第二泵 34产生堵塞现象，并减轻真空抽气装置30运行所需功率。
除此之外，依据本实用新型的半导体废气处理概念，如图5所示，本实用新型可应用于改造现行废气处理系统，例如可就现有半导体已设置的真空泵进行改装，分离其中增压泵(即第一泵32)及干式泵(即第二泵34)，加入气体混合器(即混合器60)及电浆处理装置40，同时加入射流式微气泡湿式废气洗涤装置组成局部废气处理系统，取代现有电热式或燃烧式局部废气处理系统。
综上所述，本实用新型的半导体废气处理系统，采用低压(low pressure) 电浆处理装置，具有以下优点：
(1)真空抽气装置可产生第一低压环境以抽出制程废气源所产生的制程废气，真空抽气装置可在第一泵与第二泵之间形成第二低压环境，且电浆处理装置可同时利用第二低压环境对制程废气进行低压电浆处理。又，电浆处理装置可在制程废气开始被排放时才由待机状态切换成运行状态，以节省能源。
(2)废气洗涤处理装置为一种射流式微气泡湿式废气洗涤装置，其高速喷出洗涤液时可将低压电浆处理后所得的反应生成气体转化成微气泡，大幅度增加接触面积及接触时间，有助于溶解上述的反应生成气体及捕捉微粒，并且可同时在进气囗处产生约400torr至600torr之间的粗真空状态，借以吸入上述反应生成气体及微粒以便进行洗涤，还可避免真空抽气装置产生堵塞现象，提升真空抽气装置运行效率并减少所需功率。
(3)借由设置电浆处理装置在有害制程废气进入第二泵(干式泵)之前先行处理制程废气，可大幅减少通入氮气稀释有毒气体甚至不需通入氮气，因此能减少氮氧化物及一氧化碳的产生以避免二次污染，且能降低所需操作规格，如抽气功率及抽气流量。
(4)借由导入对应的反应气体，例如氧气及水气，可形成稳定的前驱物，如氧化物，可有效使得较难处理制程废气形成较易处理的反应生成气体，并且微小化微粒，甚至消除微粒，借以减少有毒气体及温室气体。
(5)电浆处理装置设于真空抽气装置的第一泵后，能有效防止电浆处理后所得的反应生成气体及微粒回流至制程废气源中，再者第二泵及废气洗涤处理装置也能提供负压吸力，更有助于防止反应生成气体及微粒回流至制程废气源中且能防止堵塞现象。
(6)电浆处理装置可有效分解原子层沉积(ALD)制程的前驱物的化学键结，且可使得反应生成气体成为气相以降低产生微粒的可能性，因此能有效延长维修周期。
(7)电浆处理装置可使用同轴微波共振腔的结构，其优点在于能加长微波和电浆的反应长度而达到电浆均匀分布的目标。使用功率例如为介于 1,000W至5,000W之间，视处理废气种类及流量而决定。
以上所述仅为举例性，而非为限制性者。任何未脱离本实用新型的精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包含于后附的权利要求的范围中。
Claims (15)
1.一种半导体废气处理系统，适用于处理制程废气源所产生的至少一制程废气，其特征在于：
该半导体废气处理系统由真空抽气装置、电浆处理装置及废气洗涤处理装置组成；
其中，该真空抽气装置采用第一泵及第二泵的两段式组合，该第一泵产生第一低压环境用以抽出该制程废气源所产生的该制程废气，该第二泵在该第一泵及该第二泵之间产生第二低压环境；
其中，该电浆处理装置设于该第一泵与该第二泵之间，借以使得该制程废气在进入该第二泵之前，该电浆处理装置先在该第二低压环境下对该制程废气进行低压电浆处理，以便将该制程废气转化成反应生成气体并微小化或去除该制程废气所携带的多个微粒；以及
其中，该废气洗涤处理装置借由喷射出洗涤液在该第二泵与该废气洗涤处理装置之间产生第三低压环境，以经由该第二泵吸入该低压电浆处理后所得的该反应生成气体及这些微粒，且该反应生成气体被喷射出的该洗涤液切割成多个微气泡，使得该洗涤液充分溶解该反应生成气体以及捕捉该反应生成气体所携带的这些微粒。
2.如权利要求1所述的半导体废气处理系统，其中该真空抽气装置的该第一泵设于该制程废气源与该电浆处理装置之间，借以利用该第一泵隔绝该低压电浆处理后所得的该反应生成气体及其所携带的这些微粒，防止其产生回流而污染该制程废气源。
3.如权利要求1所述的半导体废气处理系统，其中该电浆处理装置依据控制信号在待机状态及运作状态之间进行切换，当该制程废气源开始排放该制程废气时，该电浆处理装置才由该待机状态切换成该运作状态借以在该第二低压环境下对该制程废气进行该低压电浆处理，当该制程废气源停止排放该制程废气时，该电浆处理装置是由该运作状态切换成该待机状态。
4.如权利要求3所述的半导体废气处理系统，其中该电浆处理装置对该制程废气进行该低压电浆处理时同时依据该控制信号先以反应气体混合该制程废气。
5.如权利要求4所述的半导体废气处理系统，其中该电浆处理装置利用混合器导入该反应气体，借以使得该反应气体混合该制程废气。
6.如权利要求1所述的半导体废气处理系统，其中该第一泵为增压泵，该第二泵为干式泵。
7.如权利要求1所述的半导体废气处理系统，其中该真空抽气装置的该第一泵所产生的该第一低压环境的气压为100torr至10-3torr。
8.如权利要求1所述的半导体废气处理系统，其中该真空抽气装置的该第二泵所产生的该第二低压环境的气压为100torr至10-3torr。
9.如权利要求1所述的半导体废气处理系统，其中该废气洗涤处理装置所产生的该第三低压环境的气压为400torr至600torr。
10.如权利要求1所述的半导体废气处理系统，其中该废气洗涤处理装置包含：
处理槽，包含内槽及外槽，用以盛装该洗涤液；以及
射流管，其中该洗涤液经由该射流管喷射注入该处理槽的该内槽中，借以将该反应生成气体切割形成这些微气泡以溶解于该洗涤液中，再使得这些微气泡所扬起的该洗涤液的水气满溢至该外槽中。
11.如权利要求1所述的半导体废气处理系统，其中该电浆处理装置为射频电浆产生源、微波电浆产生源或高压放电源。
12.如权利要求1所述的半导体废气处理系统，其中该电浆处理装置为具有同轴微波共振腔的微波电浆产生源。
13.如权利要求12所述的半导体废气处理系统，其中该微波电浆产生源包含微波源以及同轴设置的金属耦合天线、陶瓷管及中空的圆柱，其中该陶瓷管位于该圆柱的中心且该金属耦合天线位于该陶瓷管的中心，该微波源设于该陶瓷管上且位于该金属耦合天线的一侧。
14.如权利要求12所述的半导体废气处理系统，其中该微波电浆产生源的功率介于1,000W至5,000W之间。
15.如权利要求1所述的半导体废气处理系统，其中该制程废气源为半导体制程室或者是涡轮真空泵连接该半导体制程室以排放该制程废气。
Priority Applications (1)
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