TWI238740B - Process and apparatus for abating chemical pollutants in a pollutant-containing gas stream - Google Patents

Description

1238740 A7 B7 五 發明説明（1 ) 本發明有關一種用於含有機與無機污染物之氣盤流 的處理裝置及方法，其適用於如由半導體材料及裝置、微 電子產品之製造；以及光碟及其它記憶裝置所產生的流體 處理。 發明背景 因半導體材料、裝置、產品與記憶體製造中所造成之 氣態排放物函蓋極廣範圍之在處理設備中所使用及所產生 的化學品，其包括無機與有機化合物、光阻之破壞產物以 及其它試劑，以及其它多種氣體，該等氣體必需在將廢氣 流自該設備排出前自廢氣流中移出，典型上對於此一產業 不娜之單一成伤物或多成份組成物之排放物與氧化劑相 混合，該氧化劑包括高純度氧氣、空氣、含氮之氧化物或 其它試劑，並且在中央反應室中於提升溫度下進行熱反應 及/或氧化。 在半導體製造方法中，不同製程操作可產生可燃氣體 流。可存在氫與不同氫化物、voc，s、PFC，s、11八1^等， 而若其與空氣'氧、或其它如含氮之氧化物、氮、氣等合 流則產生反應混合物。 然而當進行連續製程步驟中，在工作站所產生之廢氣 組合物隨時間產生極大變化，此外，在傳統半導”程設 備中可能在不同晶片製成工具使用許多不同化學品。又 因廢氣流中組合物的變化，以及在設備操：^ 礎適度處理廢氣的需要，已採用—普遍解決手法以對^ 製程設備提供-單-大型廢氣物處理“，就其處理系 基 個 統 本纸张尺度適用中國S家標準（CNS) A4規格（2]0\297公发：）

1238740 A7 ___ B7 五、發明説明（2 ) 言，此種系統大都為過度設計，且典型上不具有可不冒複 雜化學反應的危險而安全地處理大量混合化學流，除其常 使用觸媒化學品之大型氧化單元所造成的龐大成本外，關 於將經極度稀釋之混合氣流加熱至適當的提升溫度以達到 消除品質目標所需的操作成本亦為一課題。 再者在對氣體排放物考量的問題之一在於：酸霧、酸性 蒸氣、酸性氣體與氮氧化物的產生，本發明提供一方法以 減輕氮氧化物的生成，其係藉由將添加劑注入反應器，該 反應器不僅最小化或根除氮氧化物之生成，且方可產生較 低酸性、及腐蝕性較低的排放物。 本叙明^供一小型精緻單元，其可於使用時機下應用 之，其等被設計以提供單一工具或群組式化學製程工具、 單一處理操作、或一組相容消除製程操作，以有效快速地 去除污染物，而無須過度設計的體積容量、化學複雜性、 熱量產生以及功率消耗。 發明摘要 本發明提供一方法以減少在含污染物氣體流中的化 學污染物，其藉由將氣體流經由一導管注入反應室中，該 導管納有至少一第二通入管，經此被注入至少一種試劑（ 具有或不具有額外氣態、液態與固態試劑），而藉由混合或 述擇性的加熱以導致在氣體流中經控制的反應，所欲之試 劑可在混合流中同時同處（如受熱生成）而形成，經由通入 官或直接或間接作為反應先驅物的該試劑被加入反應室中 ，該試劑可擇自由氫、烴、氨氣、空氣、氧氣、水蒸汽、 本纸巧尺度適用中gg家標準（CNS) A4規格（2]〇χ2974^) ·:.......... 裝丨 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂— 1238740 A7 -_ ___B7 五、發明説明（3 ) 乙醇、醚類、鈣化物、胺，與此等氣體、液體與固體所混 口者群中，舉例言之，已知氨/空氣以及氨/氧之混合物為 有效的試劑，含污染物氣體流與試劑之反應係在65〇至95〇 °c之溫度範圍中。 本务明提供一裝置以自氣體流中去除污染物，其包括 一預反應注入區、一熱反應區段，一液滌段以達成所設定 I消除品質，在一實施例中，位於預反應注入區段及/或主要 熱反應區的埠係用以注入氣體，以此種方式可降低或減緩 在主要反應區段上粒子的累積。 该熱反應器供設有至少一通入管，其含有止於位在反 應器中導管一部處之導管；該導管凸伸至反應器並進入 一官路，該管路界定一可為燃燒區（受熱區或反應區）的 區域。 該熱反應裔包括一中央室，其納有加熱元件、一和外 壁與加熱元件間外部氣體空間相連通的側通入管，以及一 選擇性地與外部氟體空間相連的内部氣體空間，同為選擇 性地，可設有一分配器以自管路開口端一段距離將氣體、 液體及/或固體注入中央室中。 在一實施例中’分配器位於加熱區外，内部氣體空間 係藉由内壁與加熱元件以及孔口裝置加以界定，該孔口裳 置用以將氣體、液體與固體經由内壁、通入管段及/或中央 室開口而注入中央室内，該孔口可位於導管開口端處所產 生之加熱區的上游，及/或位於加熱區之下游區，當通過含 渦旋及/或喷灑室之液冷區段時，離開熱反應區之氣體被冷 本紙張尺度適用中國S家標準（CMS) Α4規格（2]0Χ297公茇） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

•、可I 1238740 A7 _____B7 五、發明説明（4 ) 卻。 自燃燒室之經冷卻氣體隨即通過反流/或順流填充床 液滌器以進行化學污染物之滌除，並藉由使氣體流死流動 液體或順或逆地流經填充床而補提並凝聚粒子，供設通入 管以將氣體導入床之上部以降低排放露點。 本發明亦選擇性地具有感應氣體、液體與/或固體裝置 ’以監控本發明處於所欲或最佳之操作狀態。 圖式簡要說明 第1圖為本發明進氣導管之圖式，說明一用以將氣體 延室壁與選擇性的分配器而導入氣體； 第2圖為一本發明熱反應器之正視剖面圖； 第3圖為本發明液體渦旋設計另一例的剖面固； 第4圖為一具有熱反應器與填充床液滌器的裝置。 較佳實施例之詳細說明 參照第1圖，其顯示反應室1 〇之通入管端，在此反應氣 體選擇性地經由預反應室區段之一個以上通入管U而被導 入室中，通入管11之較下部以由此反應氣體、液體及/或固 體得以進入之環形室12加以環繞，將空氣或氧氣經由埠13 注入並經由位於通入管丨丨出口處之外接槔14進入反應室中 ，供設另一環形室12以導入氮氣或其它氣體，其經由埠13 進入室12而自圓環槔17離開，並使氣體延反應器壁ι8(或其 匕策略性〉主入點）之表面向下流動，延反應器壁流動之氣體 可降低或緩和特定物質的累積。 在某些狀態下，在反應室中通入管11出口處產生加熱 本纸A尺度適用中國S家標丰（CNS ) A4規格（2]〇父297公發） (請先閲讀背面之注意寧項再填寫本頁)

1238740 A7 五、發明説明（5 ) 區或反應區，且其可能有必要導入其它試劑，為此一目的 ，在通入口管之下游可選擇性地供設一氣體、液體及/或固 體分配β 19，其位於加熱區或反應區之中或之外。 使用本赉明裝置之較佳實試例為：在混合物流經保持 在控制狀態下的主反應室之前或之後，藉由經過控制的該 乳體流與一種試劑的混合物；進而在此過程中起動所欲的 ι反應；以消除含化學污染物的氣體流，特別佳的試劑為氫氣 丈二、氨、空氣、氧氣、水蒸汽、醇類、醚類、鈣化合物 與月女’该醇類為甲醇、乙醇等低級醇、醚類則為二甲醚、 甲乙_等之低級賴，胺類則為甲胺、二甲胺等低級胺， 較佳之混合物為氨與氧氣或空氣之組合，此種混合物特別 適用於含如氣或氧之鹵基的流冑，因此在經控㈣狀態下， 將氨、氨與空氣或氨與氧氣加入崔的65〇至95〇t^^度範圍 下反應室混合區中的處理氣體，此一方法之 ;條洗器液體的pH值被提局至約3 _ 1 〇，其產生 更多酸性液與蒸汽為低的腐餘環境。 方法之特別優點在於 其產生一較典型生成

本纸强尺度適用中國@家標準（CNS) A4规木. ._、， 1238740 A7 --^__ 五、發明説明（6 ) 件41A係環型環繞室40，選擇性地，加熱元件4 IB亦可位於 室40之中，經由導入管端的任一處、及室40之出口端或兩 者之間位置，由藉由未示出單一或多的注入點，將空氣( 冷卻或加熱）導入反應室40。 注入點之位置可根據反應器所欲構造而變化，舉例言 之，在反應器進口端處常產生一加熱區域，藉此處理氣體 與試劑被導入，取決於最佳化學計童，注入點可位於加熱 區之上游或下游。 參照第3圖，其顯示一液體渦旋，氣體在室4〇底部之 離開反應器而進入液體渦旋50，在此液體進入與外室52垂 直之通管5 1以產生一旋渦動作，導致液體提高並溢流出内 壁而進入主室54以控制表面溫度，並保持壁上之連衍液體 薄膜，連同額外液體喷灑，其使液體與氣體、液鮭及/或固 體相接觸以將氣態流體冷卻至1 〇〇°C溫度以下，該液體涡旋 選擇性地具有一插孔（未示出），其延長反應室4〇至旋渦之 任一點。 在第3A圖示出一改良，其中液體經由喷頭51A直接進 入氣體流。 隨即離開液體渴旋區段之氣體被冷卻至1⑽。C以下。 參照第4圖’在圖式中所示者為使用上述所有特徵之 ‘私ό又備’由一個以上之站進入通入管7〇，並有需要時與 反應氣體、液體及/或固體、氧氣或其它氣體以及如第1圖 所述之如氮的惰性滌氣相混合，設備之產能取決於硬體元 件之尺寸、製程氣體與試劑等之種類，通過設備之典型氣 本紙張尺度適用中國s家標準（QvIS) Α4規格（2]0Χ297公焚） (請先閲讀背面之注意寧項再填寫本頁)

1238740 hi —— _ B7 五、發明説明（7 ) 體流率小於3005h，隨後在選擇性經線路”及/或乃導入空 氣的熱反應器74中處理該等氣體，該等氣體在熱反應器之 底部74離開並通過液體流渴旋76、線路77(加上選擇性的撒 水器78)而進入填充尿液滌器，由熱反應器之氣體等經過導 管61M，通過灌水器必進入含填料63之填充床，經此氮 體以及流及/或川員流方式流過填料，而與連續灌水器Μ所提 供水流相同或相反者，含粒子液體流至底部而進入井槽及/ 或再循環槽及/或直接排漏系統，氣體典型上經由埠61A而 導向除霧區段65，在此經由除霧填料66去除濕氣與多餘粒 子，並以連續或間歇性喷灑器67所提供的液體完成此區段 的清洗，由埠68射出之空氣提供直接氣冷並造成排出氣體 露點的降低，然後經煙道69而排出經處理氣體。 本發明可置放選擇性的監測器以監控目標組成，然後 將此資afl反饋以控至消除參數，諸如溫度與各別試劑之進 料速率。 第1實施倒 在具有第1圖之通入管之第4圖所示裝置中，測試在半 導體製程氣體中所存在的副產品-氟，基於待測氟2〇%之利 用以計算消除之達成（以分解去除速率測量％Dre)以及氮 氧化物的形成，賦與最佳氣體流速（以標準升/分鐘，s 1 m) 以及加入反應器通入管之氨氣以達到所指示之Dre。

測試 # 氣體 流速 slm 氨流 速slm 清除 幫浦 slm %dre 除NO PPM 除N02 PPM 1 敗氣 1.0-4.0 3.0 50 99.9+ <30 LDL* <30LDL 2 氟氣 1.0-2.0 1.0-3.0 100 99,9+ --——1 <40LDL <40LDL 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4规格（2]0X297公焚） (it先閲讀背面之注意寧項再填寫本頁)

1238740 A7 B7 __ 五、發明説明（8 ) 測試1-使用一 3.0SLM氨的定流以處理氟之增加流（由 1.0至4.0 SLM)，在測試範圍之DRE在99.9%以上，對最廣 流體範圍之氟DRE則持織保持在99%以上 測試2-使用1.0與2.0 SLM之氟以及由1.0變化至3.0 SLM之氨，再一次，DRE保持在99.9%以上。 *LDL係研發實驗室中所用設定中四極質量光譜儀所 算得之監測下限，一氧化氮與二氧化氮通常不計在任何 • QMS讀出之内。 第二實施例 以同樣之裝置，測試在半導體製程氣體中所存在的副 產品-氯，基於待測氯20%利用率以計算消除之達成（以分解 去除速率測量％ DRE)以及氮氧化物的形成，賦與最佳氣體 流速（以標準升/分鐘，slm)以及加入反應器通入管之氨氣以 達到所指示之DRE。 測試 # 氣體 流速 slm 氨流 速slm 清除 幫浦 slm %DRE 除NO PPM 除N02 PPM 1 氯氣 1.0 1.0-6.0 240 96+ <40 LDL <40LDL 2 氯氣 .25-1.5 1.5 100 94 + <40** <10 3 氣氣 1.5 3.0 100 99.9 <40 <10 測試1-使用一 1.0 SLM氯的定流以及由1.0至6.0 SLM之 氨，在測試範圍之DRE在96%以上，並在較高氣流時，DRE 升高至高達99.9%。 測試2-使用1.5 SLM之氨以及由0.25變化至1.5 SLM之 氯，DRE由0.25 SLM氯流之99.99%變化到1.5 SLM氯流之 本紙張尺度適用中國®家標準（CNS) Α4規格（2]0Χ297公釐） Ή — — — — — — — — — — — — — — — — — — — It — — (請先閲讀背面之注意事項再蜞寫本頁) •訂- 1238740 A7 __ ____B7 五、發明説明（9 ) 94%。測試3-使用之氨由L5提高至3〇 slM，並將氯固定在 1.5 SLM，此一測試係用以比較以氨與氮莫鋼比率之函數組 成之DRE，同樣莫爾比例中，越高流速者具有較之低流速 更高的DRE。 **以FTTR獲得資料，LDL接近1PPM 第三實施例-NF3 以在第一實施例中所述之相似裝置，以三氟化氮測量 消除效率，以及含氮氧化物及/或氮氧化物之生成，對所 有經測試的具ίο。/。通入濃度氫的三氟化氮流（〇125_〇 5標 準升/分鐘（slm))而言，消除效率> = 99·999%，當氫通入濃 度>=1 8%，氮氧化物之生成便限制在分析指示監測下限之 下。 *通入濃度指氫之slm對所有經過各別通入管進入裝置 的所有氣流總和之比例。 第四實施例-Nox 在另一相似裝置中，進行測試以決定系統用以消除氮 氧化物的能力，將100標準立方每分鐘（sccm)之氮氧化物被 注入消除裝置通入管，測試變數包括7〇〇。〇與8〇〇。(：之熱反 應器設定點，以及在5至18slm之氫注入濃度，以18%之氫 >主入濃度，在700°C與800°C所達成之消除效率分別為>7〇% 與>85%。 第五實施例 在相似於第一實施例中所述者之裝置中，使用氫氣作 為處理氣體，以35 slm在約700至84(TC之溫度範圍下流動 本紙張H制巾聞家標準（⑽）Μ規格（2]〇Χ297公幻

1238740 五 A7 發明説明（1〇y ，並將氧及/或氨氣加入氣體流中，以5至8slm加入氧，以 〇·25漸增至6.GSlm加入氨’氣體混合的點被固定在85(rc， 料質量光譜儀分析產物流，特別是氧、氮、氮氧化物以 及見等6¾現當使用氧與氨氣之組合時，當氨氣增加時 亚固疋氧乳置，隨氨濃度之增加而增加氮氧化物之生成， 在-疋閥值下，氮氧化物濃度下降，其指最佳氨與氧流率 之麵作狀態’其化學計童有利於氮氧化物之減少。 本發明已經充份說明，·對熟於此技之人士當可明瞭其 進一步改質，此種改良仍在本發明之範疇中，其以下述申 凊專利範圍界定之。 (請先閱讀背1¾之>it¥^4«舄本斉』 •Φ裝· .訂— -tr 本紙张尺度適用中國g家標準（CNS) A4規格（2]0X297公釐） 111238740 A7 B7 五、發明説明 元件標號對照 11…通入管 13，14，16，17···槔 15…環型室 19…分配器 40···中央室 42,53…内壁 5〇,76···液體渦旋 51···通道 5 2 · · ·外室 60···液滌器 54···主要室 61A，6 8…埠 6 3，6 6…填料 64,67…喷灑器 6 9…煙道 72,75,77···線路 74…熱反應器 78…灑水器 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 奉 圖式簡要說明 第1圖為本發明進氣導管之圖式，說明一用以將氣體 ^至壁與選擇性的分配器而導入氣體； 第2圖為一本發明熱反應器之正視剖面圖； 第3圖為本發明液體渦旋設計的剖面圖； 第3A圖為本發明液體渦旋設計之另一實例的剖面圖； 第4圖為一具有熱反應器與填充床液滌器的裝置。 语尺攻相+ !侧，·娜 匕（CNS) .VI規格（2 10X297公帑 -ίιά •線丨

Claims (1)

1. A8 -BT [238740 气产π月f曰修正法香壬《X 申請尋利範圍 第88106515號專利申請案申請專利範圍修正本 93年11月 1· 一種用於消除含污染物氣體流中化學污染物的方法， 其包含下列步驟： 將該氣體流經由一預反應段而導入一反應室中， 該預反應段包含收納有至少一個第二注入口的至少一 導管，該第二注入口係用以將至少一額外氣體、液體 及/或固體導入該預反應段中； 將該額外氣體、液體及/或固體導入該第二注入口 中； 藉由混合及任擇地加熱，使得該氣體流與該額外 乳體、液體與/或固體進行反應，以形成一先驅物反應 流； 將該先驅物反應流導入該反應室中，並在該室中 進行污染物消除反應，該反應的溫度範圍係介於65旳 至95〇°C之間。 2·如申請專利範圍第！項之方法，其更包含將氣體經由― 液體渦流器而排出該反應室的步驟。 3· t申料舰圍第1奴方法，其巾該餐氣體包括氮 氣0 4·如申請專利範圍第丨項 . 貝之方法’其中該額外氣體包括氨 fl。 5.如申請專利範圍第丨項之方 . 万/去其中该頜外氣體包括空 呆I。 (CN〇)A-i 7¾.¾ (21〇 X 297 (請先Mif背面之注意事項再填寫本頁) 裝 -----訂---------線| 經濟部智慧対產局員工消費合作社印袈 令舀S家標半 1238740

   申W寻利範圍 6·如申請專利範圍第i項之 氣。 、决’其中該額外氣體包括氧 7·如申請專利範圍第1項之方法，盆Φ 氣與氧氣。 /、中该額外氣體包括氨 8·如申請專利範圍第丨項之方 氣與空氣。 /、中该額外氣體包括氨 9.如申請專利範圍第i項之方 蒸i。 . ' 八令该額外氣體包括水 1〇·如申請專利範圍第！項之方法， 類。 〃中5亥額外氣體包括醇 U·如申請專利範圍第1〇項 甲醇。 ’’其中該額外氣體包括 12·如申請專利範圍第1項之方法，立^ 類。 〃中該額外氣體包括醚 13·如申請專利範圍第12項 之方法，其中 (請先Μίί背面之注t事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印裂 該_包括二甲_ I4.如申請專利範圍第丨項之方法， 類。 〃中該額外氣體包括胺 B·如申請專利範圍第1項 烴類。 / ，其中該額外氣體更包括 16·如申請專利範圍第U項之方 。 其中該胺類包括甲胺 17·如申請專利範圍第丨項之方法，農卜 流中被消除之-污染物。/ 氮氧化物叫為該 不玳法尺度標芈（CMSM4 裝---Γ-----訂---------線 n —J U 經濟部智慧財產局員工消費合作社印絜 1238740 - B8 C8 〜--- ''、申請專利範圍 18.如申請專利範圍第丨項之方法，其中該反應的溫度範圍 係介於700T：至840°C之間。 19· 一種用於消除含污染物氣體流中化學污染物的熱反應 器，其包含： 一預反應注入段及一緊鄰的熱反應段，該熱反應段 包含一具有内壁的中央反應室及環設地圍繞著該内壁 t 以提供該内壁熱表面的電加熱元件； 該中央反應室之一通入端與一出口端，且該通入端 緊鄰該預反應注入段； 一位在該中央反應室内並鄰接於該通入端之受熱 區，其中進入該中央反應室之氣體在該通入端處額外地 進行反應與混合；以及 一位在該中央反應室附近的圓環埠，該圓環埠係供 氣體沿著該中央反應室的内表面流動以降低或消除微 粒物質在該中央反應室壁上的累積，該圓環埠位於該受 熱區的上游。 20. —種用於消除含污染物氣體流中化學污染物的熱反應 裔’其包含： 一預反應注入段及一相鄰的熱反應段， 泫熱反應段包括一中央反應室，該中央反應室具有 環狀地圍繞著其内壁以提供該内壁熱表面的電加熱元 件； … 該中央反應室之一通入端與一出口端且該通入端 緊鄰該預反應注入段； (请先Mti背面之注音V事項再填寫本頁) 訂---------养 A8 B8 C8 D8 :238740 ^青專利範圍 一位在該中央反應室内並鄰接於該通入端之受熱 區’其中進入該中央反應室之氣體進行反應與混合； 以及 一位在該中央反應室内供用以將氣體導入該中央 反應至的孔口，该孔口位於該受熱區的下游。 21.如申請專利範圍第2〇項之熱反應器，其中該等加熱元 件被環設於該内壁中的該室之周圍。 22·如申請專利範圍第20項之熱反應器，其中該等加熱元 件被環設於該内壁上的該室之周圍。 23.種用於處理一氣體流中氣體污染物的裝置，該裝置 包含： 一預反應注入段及一緊鄰的熱反應段； 該熱反應段包含有一具有内壁的中央反應室及環 狀地圍繞著該内壁以提供該内壁熱表面的電加熱元件； 该中央反應室之一通入端與一出口端，該通入端係 用於導入至少為氣體污染物及一試劑氣體的氣體混合 物，該出口端係用於至少為反應產物的氣體流； 一介於該中央反應室之該通入端與出口端間，用於 將空氣導入該中央反應室的孔口； 該預反應注入段包含至少一注入口，其用以將該氣 體污染物及試劑氣體流的氣體混合物導入該中央反應 室的通入端，該注入口包含有一導管，該導管之一部分 終止於該中央反應室内，其中該導管之該部分係位於一 突伸出該導管之-端的管路中，以界^位在該管路中之 入纸士尺度劢用f舀皁（CNS).A」現格（210 297 (¾先閱磧背面之注急事項再填寫本頁) n n J J 一口、» n J n n u n n I - 經濟部智慧財產局員工湞費合竹社印矣 1238740

   六、申請專利範圍 室，該管路具有 開口端 與该中央反應室内部連通的 位於料妓麵通入端的料 者該中央反應室之壁導入該中央反應室中,：、： 積的微粒； 主γ以4除所累 該導管更收納有一個 μ谨, 们弟一注入口，用以將該試劑氣 使仔虱肢污染物及試劑氣體在進入該 中央反應室之前預混合；以及 一氣體分配器’用以將-氣體、液體或固體導入位 於㈣路之該開口端下游的該中央反應室内。 24.如申請專利範圍第23項之裳置，其中該氣體分配器包 含有一歧管。 25·如申請專利範圍第23項之裝置，其中該氣體分配器包 含有一注入器。 2 6.如申請專利範圍第2 3項之裝置，其中該氣體分配器係 位於-受熱區之外’而該受熱區形成在接近該管路的 開口端。 27.如申請專利範圍第23項之裝置，其中該等加熱元件被 環設於該内壁中的該室之周圍。 28·如申請專利範圍第23項之裝置，其中該等加熱元件被 環設於該内壁上的該室之周圍。 中S 1家棕準（CN，S)A4現格（210 X 297 -J t 裝---*------訂------- (ti先閱^背面之注急事項再填寫本頁) 線 «