TWI399236B - 從氣體混合物中回收惰性氣體之方法 - Google Patents

Description

從氣體混合物中回收惰性氣體之方法

本發明係關於一種從一氣體流中回收惰性氣體之方法及裝置。本發明可用於從一自一半導體處理室排放出之排出氣體流中回收惰性氣體，並亦可用於從患者呼出之氣體中回收惰性氣體。

在積體電路製作中之常見要求係對形成於半導體基板上之介電材料中的例如接點、通路及溝槽等開口進行電漿蝕刻。隨著器件幾何尺寸變得愈來愈小，需要形成具有高的縱橫比的深且窄之開口。一種適用於在氧化矽中形成此等開口之技術係電漿蝕刻技術，其中向一電漿蝕刻反應器之處理室中提供一總體分子式為C_x F_y H_z (其中x1，y1且z0)之碳氟化合物蝕刻氣體連同一種或多種惰性氣體，該一種或多種惰性氣體起到為蝕刻氣體提供一惰性載送氣體及幫助氟腐蝕氧化矽之雙重作用。

吾人已發現，與僅使用氬之系統相比，使用氙作為其中一種惰性氣體會提供增大的選擇性並降低抗蝕劑損壞。然而，由於氙係以極低之濃度存在於大氣中，因而其成本極高(目前氙之價格為$4/sl左右)，且其可用性可能略微有限。假定在一包含四個處理室之電漿蝕刻反應室中氙之估計使用量約為每年250,000至500,000升，則回收及再使用例如氙及/或氪等包含於來自處理工具之排氣流排放物內的昂貴惰性氣體非常可取。

然而，排氣流中之其他組分會防礙對此種惰性氣體或惰性氣體混合物之回收。該等組分可包括：．未消耗之反應物；．來自電漿蝕刻之副產物；．提供至一幫浦系統以用於自該室抽吸出排氣流之吹掃氣體；及．其他惰性氣體。

未消耗之碳氟化合物蝕刻劑尤其不為吾人所樂見，乃因吾人已知該等氣體具有相對高的溫室效應。

氙氣亦具有若干種醫學用途，舉例而言，用作臨床麻醉劑及用作神經系統保護劑。在此等應用中，將一通常包含氧氣及氙氣作為主要組分之氣體混合物輸送給患者。由於氙氣成本之原因，期望回收並再使用由患者呼出之氣體內所包含之氙氣。

在一第一態樣中，本發明提供一種從一包含複數種組分且其中一種係惰性氣體之氣體混合物中回收一惰性氣體之方法，該方法包含如下步驟：將該氣體混合物提供給一氣相色譜柱以用於分離該氣體混合物之各種組分並依序自其排出各種組分；向該柱提供一載送氣體；將自該柱排出的一包含載送氣體及惰性氣體之排放氣體分離成一富含惰性氣體之氣體流及一富含載送氣體之氣體流；及純化該富含惰性氣體之氣體流。

較佳將該富含載送氣體之氣體流返回至氣相色譜柱。因此，存在於該富含載送氣體之氣體流中之任何氣體皆不會丟失，而是返回至該氣相色譜柱。

可將該排放氣體傳送至一薄膜分離器以用於將該排放氣體分離成富含惰性氣體之氣體流及富含載送氣體之氣體流。另一選擇為，可將該排放氣體傳送至一含有一吸附材料之儲存容器以用於選擇性地吸附包含於該排放氣體內之惰性氣體。較佳藉由抽空及/或熱再生而自吸附材料中釋放出惰性氣體。然後可將該富含惰性氣體之氣體流自該儲存容器傳送至一薄膜分離器以用於使該富含惰性氣體之氣體流純化而不含載送氣體。該薄膜分離器可將該富含惰性氣體之氣體流分離成一第二富含惰性氣體之氣體流及一惰性氣體貧乏之氣體流，可將該惰性氣體貧乏之氣體流再次返回至該氣相色譜柱，以使存在於該惰性氣體貧乏之氣體流中之任何惰性氣體皆不會丟失，而是返回至該氣相色譜柱。

可藉由自該富含惰性氣體之氣體流中除去水、烴、載送氣體及輕碳氟化合物中的一種或多種來純化該富含惰性氣體之氣體流。較佳重複純化該富含惰性氣體之氣體流，直至該富含惰性氣體之氣體流內惰性氣體之濃度處於或高於一預定位準為止。可在將排放氣體分離成富含惰性氣體之氣體流及富含載送氣體之氣體流之前除去該排放氣體中之二氧化碳，舉例而言，在一個或多個設置於該氣相色譜柱與該氣體分離器件之間的陷阱中除去二氧化碳。

較佳在將該氣體混合物提供至該氣相色譜柱之前對該氣體混合物加以處理以除去其一種或多種組分。可在一消除器件中處理該氣體混合物，以將該氣體混合物之一種或多種組分變換成其他物質。該消除器件可包含一種用於與該氣體混合物中之至少一種組分反應之反應物。另一選擇為，或者另外，可將該氣體混合物經由一分離器傳送以從該氣體混合物中分離出一種或多種組分。此可使該氣體混合物中原本將與至少某些惰性氣體以相同速度並因而隨該至少某些惰性氣體一起穿過氣相色譜柱之組分能夠在該氣體混合物進入該柱之前從該氣體混合物中除去。此可利於隨後純化從該柱輸出之排放氣體。

因此，在一第二態樣中，本發明提供一種從一包含複數種組分且其中一種係惰性氣體之氣體混合物中回收一惰性氣體之方法，該方法包含如下步驟：將該氣體混合物提供給一氣相色譜柱以用於分離該氣體混合物之各種組分並依序自其排出各種組分；向該柱提供一載送氣體；將自該柱排出的一包含載送氣體及惰性氣體之排放氣體分離成一富含惰性氣體之氣體流及一富含載送氣體之氣體流；其中在將該氣體混合物提供至該柱之前對該氣體混合物加以處理以自其除去一種或多種原本將隨至少某些惰性氣體穿過該柱之組分。

較佳自至少一個用於接納一包含該氣體混合物之廢氣之廢氣儲存容器中向該氣相色譜柱提供該氣體混合物。在將該廢氣儲存於該至少一個儲存容器內之前可壓縮該廢氣。另一選擇為，或者另外，可在設置於每一儲存容器內之吸附劑上選擇性地吸附該惰性氣體。可藉由抽空、吹掃及/載熱再生而自該吸附劑釋放出該惰性氣體。可自一用於向該氣相色譜柱提供載送氣體之載送氣體源提供一種用於再生該至少一個儲存容器內之吸附材料之吹掃氣體。

該惰性氣體可包含氙、氪、氖及其混合物中之一種。該載送氣體可包含氦及氫中之一種。

在一第三態樣中，本發明提供一種用於從一包含複數種組分且其中一種係惰性氣體之氣體混合物中回收一惰性氣體之裝置，該裝置包含：一用於分離該氣體混合物之各種組分並依序自其排出各種組分之氣相色譜柱；用於向該柱提供一載送氣體之構件；分離構件，其用於將自該柱排出的一包含載送氣體及惰性氣體之排放氣體分離成一富含惰性氣體之氣體流及一富含載送氣體之氣體流；及用於純化該富含惰性氣體之氣體流之構件。

在一第四態樣中，本發明提供一種用於從一包含複數種組分且其中一種係惰性氣體之氣體混合物中回收一惰性氣體之裝置，該裝置包含：一用於分離該氣體混合物之各種組分並依序自其排出各種組分之氣相色譜柱；用於向該柱提供一載送氣體之構件；分離構件，其用於將自該柱排出的一包含載送氣體及惰性氣體之排放氣體分離成一富含惰性氣體之氣體流及一富含載送氣體之氣體流；及處理構件，其用於在將該氣體混合物提供至該柱之前對該氣體混合物加以處理以自其除去一種或多種原本將隨至少某些惰性氣體穿過該柱之組分。

上文所述的與本發明之第一態樣相關之特徵亦同等地適用於第二至第四態樣，反之亦然。

圖中所示之氣體回收系統旨在用於回收從一電漿蝕刻反應室之處理室中排放出之排出氣體流內所包含之惰性氣體。然而，本發明並非僅限於此一用途。舉例而言，本發明之各態樣亦可用於在使用氙作為一外科麻醉劑時藉由從患者呼出之氣體中分離出氙來回收氙，及在使用氙作為產生極遠紫外光(EUV)輻射之源時藉由從提供至一幫浦系統(用於從一電漿室中抽運氙)之吹掃氣體中及從自該室抽運之氣體流內之氣體污染物中回收氙。

儘管下文所述之實例係關於從一排出氣體流中回收氙，然而本發明並非僅限於回收氙。本發明亦適用於回收其他氣體，例如氪及氙與氪之混合物。所回收氣體可「原樣地」再使用，或者可在再使用之前將其與另一氣體相混合。舉例而言，可在再使用所回收之惰性氣體之前將其與新鮮的氬相混合。本文所用術語「惰性氣體」並非僅限於單種氣體，而是亦包括兩種或更多種惰性氣體之混合物。

參見圖1，一電漿蝕刻反應器之處理室10設置有至少一個第一入口12，該至少一個第一入口12用於從在圖1中14處所示之氣體源中接收過程氣體。可為每一種相應之氣體提供一質量流控制器，該質量流控制器由一系統控制器來控制以確保向處理室10提供所需量之氣體。在本實例中，該等過程氣體包含一蝕刻劑及氧氣作為正在處理室10中實施之過程之反應物並一同包含氦及氬。適合之蝕刻劑之實例包括總體分子式為C_x F_y (其中x1且y1)之全氟化合物，例如CF₄ 、C₂ F₆ 、C₃ F₈ 及C₄ F₈ ，當然亦可使用其他蝕刻劑，包括氫氟碳化合物氣體(例如CHF₃ 、C₂ HF₅ 及CH₂ F₂ )、氟、NF₃ 、SF₆ 、或者任何其他適合之含鹵素組分，例如Cl₂ 或者HBr。通常向處理室10提供相對少量之氦，以冷卻晶圓之背面。氬能為正在處理室10中實施之過程提供一促進氣體。

電漿蝕刻反應器可係任何適用於產生一電漿來將一位於其中之基板之表面蝕刻至一所需幾何形狀之反應器。其實例包括以感應方式耦合之電漿蝕刻反應器、電子回旋共振(ECR)電漿蝕刻反應器、或者其他高密度電漿反應器。在本實例中，電漿蝕刻反應器係一在其中進行半導體製造製程之反應器，因而基板之表面可包含一多晶矽或介電質薄膜。另一選擇為，可在電漿蝕刻反應器內進行平板顯示器之製造。

處理室10設置有一第二入口16以用於接收惰性氣體，例如氪、氙、或者氪或氙之混合物。在所示實例中，惰性氣體係氙。氙係自一氙供應源18提供，氙供應源18通常包括一個或多個向一緩衝罐20提供氙之氣瓶，氙自該緩衝罐20經由一受系統控制器控制之質量流控制器22提供至第二入口16。如圖1所示，質量流控制器22發出一表示其當前設定值之信號至一再循環控制器23。

由一在圖1中26處所示之幫浦系統自處理室10之出口24抽吸出一排出氣體流。在蝕刻過程中，將僅消耗該等反應物之一部分，因而自處理室10之出口24排放出之排出氣體流將含有反應物、提供至該室之不可反應性惰性氣體、及來自蝕刻過程之副產物的混合物。舉例而言，排出氣體流可包含如下之混合物：C_x F_y 、O₂ 、Xe、Ar、He、SiF₄ 、及CO與CO₂ 中一者或二者。

幫浦系統26包括一用於自處理室10抽吸出排出氣體流之渦輪分子幫浦28。氙分子相較更輕之氣體偏「重」且因而在穿過渦輪分子幫浦28時移動更慢。由於對重的氙分子作功，因而其內能增加並產生熱量。由於渦輪分子幫浦28之金屬葉輪具有高的熱傳導率，因而該熱量經由葉片迅速地傳導，而渦輪分子幫浦28之定子組件保持較冷。為防止在抽運氙期間使幫浦受損，經由一使吹掃氣體源32與渦輪分子幫浦28之吹掃口34相連接之導管系統30向渦輪分子幫浦28提供一輕於氙之吹掃氣體，例如氦，或者在本實例中為氮。平均而言，例如N₂ 及He等更輕之氣體分子的移動快於Xe，因而該等氣體對葉片具有更高之撞擊速率。由於該等氣體亦具有高於Xe之熱傳導率，因而吹掃氣體分子自幫浦葉片吸收熱量。此可使渦輪分子幫浦28內之溫度保持處於能使幫浦可靠運作之週期遠長於在不存在此一吹掃氣體時之可能週期之位準。

渦輪分子幫浦28可在處理室10中產生至少10^{－ 3} mbar之真空。排出氣體流通常以約1 mbar之壓力自渦輪分子幫浦28排出。鑒於此，幫浦系統26亦包括一預抽幫浦36，以用於接收自渦輪分子幫浦28排放出之排出氣體流並將排出氣體流之壓力升高至一在本實例中略高於環境壓力之壓力。預抽幫浦36亦經由吹掃口38自導管30接收吹掃氣體，以防止損壞預抽幫浦36之幫浦機構。

因而，此時自預抽幫浦36排放出之排出氣體流除包含自處理室10排出之氣體外亦包含N₂ 。為自該排出氣體流除去某些組分，隨後經由一消除器件40吹掃該排出氣體流。消除器件40可呈任何所期望之形式，例如焚燒、電漿消除或熱分解單元，以用於自該排出氣體流中除去所期望之組分。作為將消除器件40定位於預抽幫浦36下游之替代形式，將消除器件40定位於渦輪分子幫浦28與預抽幫浦36之間可能更為可取；視消除器件40之性質而定，使消除器件40在一亞大氣壓力下運作而非在自預抽幫浦36排放出的排出氣體流之升高壓力下運作可能更為有效。

由於與C_x F_y 組分相比，在排出氣體流內存在一相對大比例之吹掃氣體，因而為使用電漿消除技術自排出氣體流中除去更穩定之C_x F_y 組分(例如CF₄ 及C₂ F₆ )所需之能量相對高。此外，對於一特定之氣體負載及通量，一大氣壓力電漿消除單元將需要相對精確及複雜之構造。亦由於需要提供一燃氣在一熱分解單元內燃燒該排出氣體流，因而在所示實例中，消除器件40係以一用於自該排出氣體流中除去SiF₄ 、酸氣體及更具反應性之C_x F_y 組分之氣體反應器柱形式提供。一合適之氣體反應器柱之實例闡述於的5,213,767號美國專利中，該美國專利之內容以引用方式倂入本文中。概言之，一氣體反應器柱包含若干經加熱之材料床，該等經加熱之材料床經選擇以自該排出氣體流中除去特定組分。在本實例中，該氣體反應器柱包含至少兩個受熱級，該至少兩個受熱級可方便地設置於由一電加熱爐圍繞之可移式筒內。第一級包含受熱之矽顆粒以用於預熱該排出氣體流並將更具反應性之C_x F_y 組分變換成SiF₄ 及C，SiF₄ 及C或者以煙灰形式從該柱落下，或者藉由存在於該排出氣體流內之O₂ 而轉變成CO或者CO₂ 。第二級包含較佳為石灰形式之受熱氧化鈣，以將SiF₄ 轉變成CaF₂ 及SiO₂ 、將HF及F₂ 轉變成CaF₂ 。該排出氣體流中相對不具有反應性之氣體，即在本實例中為惰性氣體He、Ar及Xe、N₂ 吹掃氣體、更穩定之C_x F_{2 X ＋ 2} 組分－例如CF₄ 及C₂ H₆ 、CO及/或CO₂ ，毫無變化地穿過氣體反應器柱。

儘管可提供單個消除器件40，然而如在圖2中所示，亦可並列地提供兩個或更多個消除器件40。舉例而言，當提供兩個氣體反應器柱時，可在預抽幫浦36與該等氣體反應器柱之間設置一個或多個閥門42、44，以遍能將自預抽幫浦36排放出之排出氣體流導向一個氣體反應器柱、同時另一氣體反應器柱離線，例如以便更換一個或多個筒，或者經受使用例如氮氣進行之吹掃。此使該排出氣體流能夠連續得到處理。在此種情形中，一由一個或多個閥門46、48形成之結構亦設置於氣體反應器柱之下游，以將來自該等氣體反應器柱之輸出連接至一氣體回收系統60(其將在下文中予以更詳細說明)之入口氣體導管50。亦可設置一旁通導管52來使自預抽幫浦36排放出之排出氣體流能夠轉向氣體導管50而不經過一氣體反應器柱，舉例而言，當該排出氣體流不含有將被氣體反應器柱除去之組分時。除非另外說明，否則再循環系統控制器23藉由向所有閥門及閥門結構發出適當信號而控制所有閥門及閥門結構之運作。

如上文所述，在本實例中，自消除器件40排放出之排出氣體流通常含有一包含如下之氣體混合物：He，Xe，Ar，N₂ ，一種或多種C_x F_{2 x ＋ 2} 組分，及CO₂ 與CO中之一者或兩者。鑒於氙之高成本，提供一用於從該氣體混合物中回收氙之氣體回收系統60，以使所回收之氙能夠再循環回至處理室10中進行再使用。在從處理室10排放出之排出氣體流中不含有氙之情況下，舉例而言，當正在處理室10中實施一不需要存在氙之過程時，設置一三通閥門54來使該排出氣體流能夠轉向至另一氣體處理系統。如圖2所示，三通閥門54可位於幫浦系統26與消除器件40之間以使該排出氣體流可傳遞至該另一氣體處理系統而不經過消除器件40。該另一氣體處理系統可包含一更有效之消除器件以用於在不存在氙且因此不存在任何原本會提供至幫浦系統26之吹掃氣體之情況下除去該排出氣體流中之C_x F_y 組分。

在圖3中更詳細地顯示一供用於圖1所示系統之氣體回收系統60之一實例。

氣體回收系統60包括至少兩個氣體儲存容器62、64以用於接收氣體混合物。一閥門66設置於儲存容器62、64之上游以用於選擇性地將其中一個儲存容器連接至入口氣體導管50，且一閥門68設置於儲存容器62、64之下游以用於選擇性地將其中一個儲存容器連接至一出口氣體導管70，以將該氣體混合物傳送離開儲存容器62、64。再循環系統控制器23控制閥門66、68在儲存容器62、64之間切換，以便當其中一個儲存容器62連接至入口氣體導管50時，另一儲存容器64連接至出口氣體導管70。換言之，對閥門66、68進行控制以使當正對其中一個儲存容器62供以氣體時，另一儲存容器64正被排空氣體。當儲存容器62充滿時，或者在一預定時間週期到期之後，切換閥門66以使另一儲存容器64轉而被供以氣體，並切換閥門68以使儲存容器62現在被排空氣體。其一作用係一進入氣體回收系統60之連續(或者，視向處理室提供氣體之方式而定，零星的)氣體流轉變成圖3中所示氣體回收系統100、200之其餘部分之批量氣體供應源(因輪流自儲存容器62、64向氣體回收系統100、200之其餘部分提供氣體)。

如圖3所示，可在閥門66之上游設置一預濃縮器71以在將氣體混合物儲存於儲存容器62、64中之前濃縮氣體混合物內氙的量。在所示實例中，預濃縮器71呈一薄膜分離器形式以用於至少將氣體混合物內之氙與該排出氣體流中之一種或多種氣體組分相分離。舉例而言，分離器71可經構造以將氣體混合物內之大多數氮氣與氣體混合物中之其餘部分相分離，以便自分離器71的一用於通至大氣之第一出口72a輸出一富含氮氣之氣體流，並自分離器71的一第二出口72b朝閥門66輸出一氮氣貧乏之氣體流。

現在將說明儲存容器62、64的兩種替代結構。

在圖3中所示之第一種結構中，儲存容器62、64係用於儲存氣體之壓力容器。為增大該等壓力容器之儲存容量，較佳在閥門66之上游設置一壓縮器73以用於在將氣體混合物提供至該等儲存容器之前壓縮氣體混合物。當設置一薄膜分離器71時，壓縮器73可在薄膜兩端提供一適當之壓力差。視氣體進入及離開每一儲存容器62、64時之各自質量流速率而定，可僅需要其中一個儲存容器62、64，因而可將閥門66、68設定成使氣體始終進入及離開單個容器。在此種情形中，可完全省卻儲存容器64。

在圖4所示之第二種結構中，儲存容器62、64包含吸附材料74以用於從進入該等儲存容器之氣體流之各組分中至少吸附氙。在此種結構中，儲存容器62、64所包含之吸附材料74並不優先吸附存在於氣體混合物中之N₂ 吹掃氣體或者He氣體，而是優先吸附氣體混合物中之其他組分。一種適合之吸附材料係活性碳，其在一既定活性碳體積情況下能提供一極大之表面積並因而提供許多個用於吸附氣體混合物之組分之位置、同時允許一明顯數量之N₂ 吹掃氣體(且亦允許相對少量的提供至處理室10之He氣體)穿過活性碳。一般而言，吸附材料74之表面積愈大，則可儲存於儲存容器62、64中之氣體量愈大。未由吸附材料74吸附之He及N₂ 可使用一設置於每一儲存容器出口下游之適當閥門76自儲存容器62、64排出。

在此種結構中，來自預抽幫浦36之氣體排放物之背壓將氣體混合物驅動至儲存容器62、64內。然而，類似於第一種結構，可在閥門66之上游設置一額外之壓縮器73來將氣體混合物驅動至儲存容器62、64內。

因而使用吸附材料74會增大儲存容器62、64之氙容量而無需第一結構中之壓縮器72，且亦會濃縮所吸附氣體混合物內之氙。

為在該第二種結構中排空儲存容器62、64，吸附材料74需要進行再生處理以釋放出所吸附之氣體。可執行如下處理中之任一種或多種處理而自吸附材料74中釋放出所吸附之氣體：．升高吸附材料之溫度；．降低儲存容器中之壓力；及．使用一種合適之再生吹掃氣體來吹掃儲存容器。

在所示方案中，當欲排空其中一個儲存容器62、64時，將一再生吹掃氣體傳送至該儲存容器中。吹掃氣體較佳係一低分子量氣體。在所示實例中，該吹掃氣體係氦，當然亦可轉而使用氫，其限制條件係在氣體回收系統60內之各種運作條件(舉例而言，溫度及壓力)下氫皆不與氣體混合物中之任一種組分反應。

氦吹掃氣體係由一氦供應源78提供，在本實例中，該氦供應源78包括一向一加壓緩衝罐80提供氦之高純度氦源，氦自該加壓緩衝罐80提供至一氦提供導管82。氦提供導管82經由一閥門84向儲存容器62、64提供一受控數量之氦。再循環系統控制器23對閥門84與閥門66、68同時進行控制，以將氦提供至將從中釋放出氣體之儲存容器而不提供至其中當前正吸附氣體之儲存容器。

除吹掃儲存容器62、64來使吸附材料74再生外，亦可升高吸附材料74之溫度來使吸附材料74再生。舉例而言，可使用一圍繞氦提供導管82之一部分或位於氦提供導管82之一部分內之氣體加熱器86來加熱吹掃氣體。另一選擇為，可圍繞每一儲存容器62、64佈置一加熱套88，以加熱將從中釋放出氣體之吸附材料74。此會提供藉由僅升高吸附材料74之溫度來使吸附材料74再生之選項。如圖5所示，可較佳地設置一類似於氣體儲存容器62、64之額外儲存容器90，其中閥門66、68及84由閥門66a、66b、68a、68b、84a、84b、84c、84d代替以使氣體混合物及氦吹掃氣體在三個儲存容器62、64、90之間切換，以便在任一既定時刻，氣體混合物皆正提供至第一個儲存容器、同時該等儲存容器中之第二個儲存容器正受到加熱以使該吸附材料再生且該等儲存容器中之第三個儲存容器正在冷卻以備接收氣體混合物。

如圖4及5所示，可設置一與氣體出口導管70進行流體連通之壓縮器92來降低儲存容器62、64中之壓力－或者以孤立之形式，或者與加熱吸附材料74及/或經由儲存容器62、64傳送一吹掃氣體相結合。當設置一壓縮器92時，可設置一背壓調節器93來控制儲存容器62、64內之壓力。

因此，在上文所述之任一種結構中，自其中一個儲存容器輸出之氣體混合物含有Xe、Ar、一種或多種C_x F_{2 x ＋ 2} 組分、及CO₂ 與CO中之一者或二者。當如在上文所述之第一種結構中一般，該等儲存容器係不含有吸附材料之壓力容器時，該氣體混合物將另外包含一些N₂ 吹掃氣體(相對量視是否使用一薄膜分離器71而定)及He。當該氣體混合物在進入該等壓力容器之前受到壓縮時，氣體係在一存在於氣體出口導管70兩端之間之壓力差作用下在氣體出口導管70內傳送。當儲存容器62、64包含活性碳作為吸附材料時，氣體係在存在於加壓緩衝罐80與氣體出口導管70之出口端之間的壓力差作用下或者在壓縮器92之抽運作用下在氣體出口導管70內傳送。視用於使活性碳再生之技術而定，該氣體混合物可另外包含He。

該氣體混合物由出口氣體導管70傳送至一氣體分離系統100以用於使氙氣與包含於該氣體混合物中之其他氣體分離。如在圖6中所示，氣體分離系統100包括一受熱氣相色譜柱102，該受熱氣相色譜柱執行使氙自該氣體混合物中之其他組分相分離之功能。吾人已知，氣相色譜柱係憑藉各種組分穿過該柱時之不同速度來分離氣體中之各組分。氣相色譜柱在此項技術中眾所習知，因而此處將不再予以詳細說明。組分穿過一特定氣相色譜柱時之速率相依於若干因素，等因素包括：．組分之化學及物理性質－相對大之分子穿過柱時慢於相對小之分子；．柱之溫度－升高柱溫度為使所有組分皆加速穿過之；．柱之長度－增大柱之長度會改良對各組分之分離；．氣體穿過柱之流速－減小流速會減小所有組分穿過柱時之速度；及．柱之成分－柱可包含一活性碳床、一分子篩或氣體材料來分離氣體混合物之各組分。

根據上面所列，會最大地影響對氣體內各組分之分離之因素係組分之化學及物理性質。與氣體混合物中其他組分之分子大小相比，氙分子之大小相對大。此外，由於氙係一種其外電子環距其原子核具有相對長之距離之大分子，因而氙具有高的電子親合性，且因而氙之分子趨於在弱的凡得瓦(Van der Waals)力作用下暫時保持於柱內。因此，氙擴散過柱102之填充床時遠慢於氣體混合物中之許多其他組分。舉例而言，在氣體混合物之可能組分中，He、Ar、O₂ 、N₂ 、CF₄ 及CO₂ 擴散過柱102時將快於Xe，而C₂ F₆ 擴散過柱102時將慢於Xe。

因此，將柱102之溫度及大小、以及氣體混合物進入柱102之流速組態成使許多其他組分自柱102之出口108穿出而氙仍保留於柱102內。該等因素較佳組態成使柱102之大小最小化並使其他組分從柱102輸出所用之時間、因而使氙與氣體混合物中之其他組分相分離所用之時間亦最小化。

視在氙保持處於柱102內之同時自柱102之出口108輸出之氣體內各組分之性質而定，可將該氣體藉助一三通閥門110(舉例而言)傳送至一氣體處理系統以從自出口108輸出之氣體中除去C_x F_{2 x ＋ 2} 組分、或者排至大氣中。

一旦已從柱102中排放出氣體混合物中之「較快」組分－此可使用一靠近柱102之出口108佈置之適當偵測器111來偵測，即可自柱102中萃取出「較慢」之氙。在所示結構中，自一連接至一高純度氦源114之第二氦提供導管112向柱102提供氦(或氫)載送氣體，該高純度氦源114向一加壓緩衝罐116提供一受控數量之氦，氦從該加壓緩衝罐116提供至氦提供導管112。如在圖6中所示，第二氦提供導管112經由一閥門118向柱102之入口106提供一加壓之載送氣體流，藉以沖洗柱102中之氙。若需要，亦可隨同該氣體混合物提供某些氦，以為進入柱102之氣體混合物提供一載送氣體。

為加熱該柱，一加熱器120圍繞柱102之至少一部分延伸。在正常使用中，柱102加熱至200℃左右。可使用進一步升高柱102之溫度來作為一種使該柱之填充床再生之技術。在此種情形中，如在圖7中所示，可與第一柱102並列地提供一第二柱122，以便當將一個柱加熱至一高於200℃之溫度以使該柱再生時，另一個柱被冷卻至200℃以備自導管70接收氣體混合物。在柱102、122之上游及下游佈置有適當之閥門124、126，以使該氣體流能夠選擇性地傳送至其中一個柱、並使一包含氙及氦載送氣體之排放氣體能夠自其中一個柱排放出。

返回圖6，在使用載送氣體沖洗柱102過程中，切換三通閥門110(或者，在圖7中，為三通閥門126)，以將從柱102排放出之氦與氙之氣體混合物導向至一儲存容器128。可在該三通閥門與儲存容器128之間設置一熱交換機構127，以在自柱102排放出之氣體混合物進入儲存容器128之前冷卻該氣體混合物。

較佳對載送氣體流入柱102內之流速加以選擇，以便可獨立於氣體混合物中其他「更慢」之組分(例如C₂ F₆ －當存在時)而沖洗該柱中之氙。在此種情況下，一旦已沖洗柱102中之氙－此可使用偵測器111來偵測，即可切換三通閥門110以將從柱102之出口108輸出之氣體引導回至氣體處理系統，以便能夠處理C₂ F₆ 以及從輸出108輸出之氣體中任何其他更慢之組分。

倘若在朝儲存容器128傳送之排放氣體內存在CO₂ ，如在圖6中所示，可在柱102與儲存容器128之間設置一個或多個CO₂ 陷阱150，以從排放氣體中除去CO₂ 。例如C₂ F₆ 及任何其穿過該柱之速率與至少某些氙相類似之細菌等物質可在將氣體混合物提供至柱102之入口106之前從氣體混合物中除去，舉例而言，藉由在導管70內設置一適當之電漿或薄膜反應器152以從氣體混合物中除去該等物質，或者以將該等物質轉變成一種或多種更輕之物質，該一種或多種更輕之物質將在氙開始從102中排出之前通過柱102。此可利於隨後對從柱102排放出的含惰性氣體之氣體進行純化。

儲存容器128含有吸附材料130來用於優先吸附氣體混合物中之氙、同時允許一較大數量之氦氣體穿過吸附材料130。一種適合之吸附材料係活性碳。一自儲存容器128連接至出口134之閥門132將一從儲存容器128排放出之富含氦之氣體流經由一適合之壓縮器136引導回至加壓之緩衝罐116。因此，自儲存容器排放出之氦可再循環回至柱102以便再用於沖洗柱102中之氙。此外，隨氦氣體從儲存容器128排放出之任何未被吸附之氙皆不會從氣體回收系統60中丟失，而是仍保留於氣體回收系統60內。

在已從儲存容器128中排放出氦後，切換閥門132以將出口自儲存容器128連接至一分離器104來純化一從儲存容器排放出之富含氙之氣體流。使用一壓縮器138來降低儲存容器128中之壓力，以從吸附材料130中釋放出氣體。如在圖6中所示，可圍繞儲存容器128設置一加熱器140，以加熱吸附材料130來幫助使該吸附材料再生而釋放出氣體。在此種情形中，可設置兩個類似於在圖4中所示儲存容器之儲存容器，以輪流從柱102接收氣體流，以便在正加熱一個儲存容器以從該吸附材料中釋放出氣體時，使另一個儲存容器受到冷卻以備從柱102接收氣體流。一背壓調節器141設置於儲存容器128與壓縮器136、138之間，以控制儲存容器128內之壓力。

因此，從壓縮器138排放出之富含氙之氣體將主要含有氙，但亦將包含一定量之氦，通常為10%左右之He－由儲存容器128內之吸附材料130吸附。該氣體混合物在一大於大氣壓力之壓力下(通常介於5 bar與10 bar之間)從壓縮器138傳送至一儲存罐180，氣體混合物自儲存罐180排放至氣體分離器104。在一較佳結構中，氣體分離器104包括一薄膜器件。對使用薄膜器件104作為氣體分離器之替代方案包括一用於因氣體熔點與沸點之差而使氙與其他氣體相分離之低溫分離器。由於與購買及運作薄膜器件相關聯之成本更低，因而該薄膜器件較上文所述之其他器件為佳。

薄膜器件104包含一半滲透性薄膜，氣體混合物中之其中一種組分選擇性地滲透過該半滲透性薄膜。在本實例中，該薄膜係一聚合物材料，其實例闡述於第6,168,649號美國專利中。使氣體混合物接觸該薄膜。自儲存罐180排放出之氣體之升高之壓力會在該薄膜兩端提供一壓力差。氣體混合物內之氦分子會比氙分子更迅速地滲透過該薄膜。此會在該薄膜之較高壓力側上提供一第二富含氙之氣體流，該氣體流中之氦被耗盡且通常包含不到0.5%之He。因此，薄膜器件104用於將該富含氙之氣體流純化而不含氦。在該薄膜之較低壓力側上獲得一第二氙貧乏(或富含氦)之氣體流。該第二氣體流自薄膜器件104之第一出口142傳送回至加壓之緩衝罐116，以使從該儲存容器排放出之氦可排放回至柱102以供再使用於沖洗柱102中之氙。此外，隨氦氣體從薄膜器件104排放出之任何未被吸附之氙皆不會從氣體回收系統60中丟失，而是仍保留於氣體回收系統60內。

倘若使用氫作為載送氣體，則可省去儲存容器128，且來自柱102之排放氣體可直接傳送至薄膜器件104，薄膜器件104用於將該排放氣體分離成富含氙之氣體流及一富含氦之氣體流。

在圖6及7所示之實例中，係將載送氣體提供至柱102之入口106。然而，視氙分子移動經過柱102時之速度而定，且當C₂ F₆ 亦不存在於柱102內時，藉由將載送氣體提供至柱102之出口108來「反沖」柱102中之氙，可更快地吹掃柱102。一向柱102之出口提供載送氣體之結構顯示於圖8中。在該結構中，氣體分離系統100包括一用於向該柱之入口106提供氦之第一氦提供導管112及一用於向柱102之出口108提供氦之第二氦提供導管146。系統100進一步包括一用於將來自柱102之入口106之排放氣體傳送至儲存容器128之第一排放氣體導管148、及一用於將來自柱102之出口108之排放氣體傳送至儲存容器128之第二排放氣體導管106。在使用中，氣體導管70中之閥門152開啟，且第一氦提供導管112中之閥門118、第一排放氣體導管148中之閥門154、及第二排放氣體導管150中之閥門156關閉，以將氣體混合物自氣體導管70經由柱102之入口106傳送。首先切換閥門結構158，以使來自氣體混合物中之較快氣體根據需要排至大氣或者引導至一氣體處理系統。在要沖洗來自柱102之出口108之氙時，關閉閥門152、154，開啟閥門156，並切換閥門結構158以將排放氣體引導至第二排放氣體導管150。在要沖洗來自柱102之入口106之氙時，關閉閥門118、152、156，開啟閥門154，並切換閥門結構158以將載送氣體引導至該柱之出口108內，以使排放氣體自柱102之入口106排放出並經由第一排放氣體導管148傳送至儲存容器128。因而，此種結構適用於沿任一所偏好之方向沖洗柱102中之氙。舉例而言，為週期性地清潔柱102，並因而除去任何陷獲於柱102之床內或者柱102之入口106或出口108處之氙，可經由柱102沿兩個方向中之任一方向將載送氣體傳送至儲存容器128，然後自儲存容器132之出口134傳送至緩衝罐116。藉由此種方式，使保留於柱102中之任何氙皆再次保留於氣體回收系統60中。作為對經由儲存容器128傳送載送氣體之替代方式，可設置一旁通導管將吹掃氣體直接自第一排放氣體導管148傳送至壓縮器136以便返回至緩衝罐116。

如上文所述，氣體分離系統100使用氦載送氣體來沖洗柱102中之氙。當將此一系統100與圖4及5所示之結構結合使用以便濃縮氣體混合物中之氙時，顯然可取之情形將係利用單個氦(或氫)源，而非利用兩個單獨之源。此一結構顯示於圖9中，其中將氦(或者氫)氣體自單個源78同時提供至儲存容器62、64以再生包含於其中之吸附材料74、及提供至柱102以沖洗柱102中之氙。在此種結構中，氦提供導管112與氦提供導管82流體連通，以使載送氣體可自緩衝罐80提供至柱102。壓縮器136與緩衝罐80流體連通，以使從儲存容器128之出口排放出之載送氣體返回至緩衝罐80。一導管170將從第一出口142排放出之富含氦之氣體流自氣體分離器104傳送回至導管50以與氣體混合物相組合及/或用於再生儲存容器62、64內之吸附材料74，從而使從第一出口142排放出之富含氦之氣體流保留於氣體回收系統內。

富含氙之氣體流自薄膜器件104之第二出口144傳送至一儲存及遞送模組200。參見圖10，儲存及遞送模組200包含一壓縮器202，壓縮器202用於壓縮該富含氙之氣體流及將壓縮後之氣體流排放至一乾燥器204以除去從壓縮器202傳遞至氣體流之任何水份。乾燥器204可係一基於凝膠或沸石之乾燥器。該氣體流從乾燥器202傳遞至一用於儲存氙之儲存容器206以供返回至處理室10。倘若儲存容器206內之氙量降至一預定值以下，則可提供一新鮮氙源208將新鮮的氙直接提供至儲存容器206。儲存容器206及氙源208可如圖所示與氙源18及緩衝罐20相分離。另一選擇為，可省去氙源18及緩衝罐20，其中氙係在開始時從儲存容器206提供至室10。作為另一選擇，可例如在柱102之上游處向氣體回收系統60提供相對純淨之氙，以使該相對純淨之氙氣在到達儲存容器206之前由氣體回收系統60進行純化。

從儲存容器206輸出之氙穿過一氣體拋光器210，氣體拋光器210含有吸氣材料以供與存留於氣體流中之任何雜質(例如C₂ F₆ 及烴)進行反應。氣體拋光器210輸出一通常包含純度至少為99.9%、更通常至少為99.99%之氙及微量之氦之氣體流。

為能夠檢查從氣體拋光器210輸出之氙之純度，設置一閥門212來選擇性地將一部分氙輸出至一包含一適當偵測器216之再循環導管214，以偵測從儲存容器206輸出之氙之純度。如在圖10中所示，可將氙從氙源208經由閥門結構212選擇性地傳送至再循環導管214，以便能夠精確地校準偵測器216。將氙從偵測器216傳送回至壓縮器202，以使任何穿過再循環導管214之氙皆保留於模組200中並經受進一步純化。倘若從儲存容器206輸出之氙之純度低於一預定位準，則控制器23控制閥門結構212將氙源208連接至延伸於模組200與質量流控制器22之間的氣體導管252。控制器23可開啟儲存及遞送模組200中之閥門220，以向儲存容器206提供新鮮的氙，藉以提高儲存容器208內氙之純度。可控制閥門結構212繼續從儲存容器206向再循環導管214傳送氙，以便可持續地重新評定從儲存容器206輸出之氙之純度。倘若該純度變得等於或大於該預定位準，則控制閥門結構212以從儲存罐提供氙。倘若氙之純度受到嚴重損害，舉例而言，因系統60中之其中一個組件出現故障，則可使用三通閥門218將氙從儲存容器206排至大氣中，並隨後由氙源充注儲存容器206，藉以維持由系統60返回至該室之氙之純度。

應瞭解，上文說明係代表本發明之一實施例，毋庸置疑，熟習此項技術者將會聯想出本發明之其他實施例，此並不背離由其隨附申請專利範圍所界定之本發明之真正範疇。

舉例而言，氣體回收系統60可用於回收提供至複數個處理室10之惰性氣體。圖11顯示一其中提供氣體回收系統60來回收提供至四個處理室10之惰性氣體之實例。在本實例中，使用一各自之幫浦系統26從每一處理室10排放出氣體，其中每一幫浦系統26皆將氣體排放至一共用之消除器件40。為處理增多之氣體流，按比例縮放消除器件40及氣體回收系統60之大小。

在前述各實例中，係從氣體混合物中分離出單種惰性氣體，即氙。圖12顯示可如何修改該氣體回收系統以便能夠從氣體混合物中回收一氣體混合物，舉例而言，氙與氪之混合物。如圖所示，氣體回收系統100包括一三通閥門260，三通閥門260可在一其中將來自柱102之排放氣體傳送至一第一儲存容器128之第一位置與一其中將來自柱102之排放氣體傳送至一第二儲存容器262(類似於第一儲存容器128)之第二位置之間移動。此可使在正從柱102輸出氙時將一包含氙及氦載送氣體之排放氣體傳送至第一儲存容器128、而在正從柱102輸出氪時將一包含氪及氦載送氣體之排放氣體傳送至第二儲存容器262。每一儲存容器128、262之出口134皆連接至一各自之三通閥門132，以使從儲存容器128、262排放出之富含氦之氣體流能夠傳送至緩衝罐116，並使隨後從儲存容器128、262排放出之富含惰性氣體之氣體流能夠分別傳送至一各自之氣體分離器104以便將富含惰性氣體之氣體流純化而不含氦。如圖所示，在將從氣體分離器104排放出的該兩個經純化之富含惰性氣體之氣體流傳送至儲存及遞送模組200之前，可將該兩個經純化之富含惰性氣體之氣體流相組合。從氣體分離器104排放出之惰性氣體貧乏之氣體流則可傳送至緩衝罐116。

10．．．處理室

12．．．第一入口

14．．．氣體源

18．．．氙供應源

20．．．緩衝罐

22．．．質量流控制器

23．．．再循環控制器

26．．．幫浦系統

28．．．渦輪分子幫浦

30．．．導管系統

32．．．吹掃氣體源

34．．．吹掃口

36．．．預抽幫浦

38．．．吹掃口

40．．．消除器件

42．．．閥門

44．．．閥門

46．．．閥門

48．．．閥門

50．．．氣體導管

52．．．旁通導管

54．．．三通閥門

60．．．氣體回收系統

62．．．氣體儲存容器

64．．．氣體儲存容器

66．．．閥門

68．．．閥門

68a．．．閥門

68b．．．閥門

70．．．出口氣體導管

71．．．薄膜分離器

72a．．．第一出口

72b．．．第二出口

73．．．壓縮器

74．．．吸附材料

76．．．閥門

78．．．氦供應源

80．．．加壓緩衝罐

82．．．氦提供導管

84．．．閥門

84a．．．閥門

84b．．．閥門

84c．．．閥門

84d．．．閥門

86．．．氣體加熱器

88．．．加熱套

90．．．額外儲存容器

92．．．壓縮器

93．．．背壓調節器

100．．．氣體回收系統

102．．．受熱氣相色譜柱

104．．．分離器

106．．．入口

108．．．出口

110．．．三通閥門

111．．．偵測器

112．．．氦提供導管

114．．．高純度氦源

116．．．加壓緩衝罐

118．．．閥門

120．．．加熱器

122．．．第二柱

124．．．閥門

126．．．閥門

127．．．熱交換機構

128．．．儲存容器

130．．．吸附材料

132．．．閥門

134．．．出口

136．．．壓縮器

138．．．壓縮器

140．．．加熱器

141．．．背壓調節器

142．．．第一出口

144．．．第二出口

146．．．第二氦提供導管

148．．．第一排放氣體導管

150．．．CO₂ 陷阱

152．．．電漿或薄膜反應器

154．．．閥門

156．．．閥門

158．．．閥門結構

170．．．導管

180．．．儲存罐

200．．．儲存及遞送模組

202．．．壓縮器

204．．．乾燥器

206．．．儲存容器

208．．．新鮮氙源

210．．．氣體拋光器

212．．．閥門

214．．．再循環導管

216．．．偵測器

218．．．三通閥門

220．．．閥門

252．．．氣體導管

260．．．三通閥門

262．．．第二儲存容器

上文已參照附圖說明了本發明之較佳特徵，附圖中：圖1示意性地顯示一包含一氣體回收系統之系統之一實例；圖2示意性地顯示一用於來自圖1所示系統之處理室中之氣體排放物之消除系統之一實例；圖3示意性地顯示一氣體回收系統之第一實例；圖4示意性地顯示一氣體回收系統之第二實例；圖5示意性地顯示一氣體回收系統之第三實例；圖6示意性地顯示圖3至5中任一圖式所示氣體回收系統之氣體分離系統之第一實例；圖7示意性地顯示圖3至5中任一圖式所示氣體回收系統之氣體分離系統之第二實例；圖8示意性地顯示圖3至5中任一圖式所示氣體回收系統之氣體分離系統之第三實例；圖9示意性地顯示一使用單個吹掃氣體供應源向氣體回收系統之各個組件提供吹掃氣體之氣體回收系統之一實例；圖10示意性地顯示一供用於氣體回收系統中之純化器之一實例；圖11示意性地顯示一包含一氣體回收系統之系統之另一實例；及圖12示意性地顯示一氣體回收系統之一第四實例。

70．．．出口氣體導管

100．．．氣體回收系統

102．．．受熱氣相色譜柱

104．．．分離器

106．．．入口

108．．．出口

110．．．三通閥門

111．．．偵測器

112．．．氦提供導管

114．．．高純度氦源

116．．．加壓緩衝罐

118．．．閥門

120．．．加熱器

127．．．熱交換機構

128．．．儲存容器

130．．．吸附材料

132．．．閥門

134．．．出口

136．．．壓縮器

138．．．壓縮器

140．．．加熱器

141．．．背壓調節器

142．．．第一出口

144．．．第二出口

150．．．CO₂ 陷阱

152．．．電漿或薄膜反應器

180．．．儲存罐

200．．．儲存及遞送模組

Claims (14)

1. 一種從來自電漿蝕刻反應器之處理室之排放氣體混合物回收惰性氣體之方法，該排放氣體混合物包含複數種組分且其中一種係一惰性氣體，該方法包含如下步驟：將該氣體混合物提供給一氣相色譜柱以用於分離該氣體混合物之該等組分並依序自其排出該等組分；向該柱提供一載送氣體；將自柱排放出的一包含該載送氣體及該惰性氣體之排放氣體分離成一富含惰性氣體之氣體流及一富含載送氣體之氣體流；及純化該富含惰性氣體之氣體流，其中在該氣體混合物提供給一氣相色譜柱前，該氣體混合物係經過處理以除去其一種或多種組份，該處理係在一消除器件中執行，以將該氣體混合物中之一種或多種組份變換成其它物質。
2. 如請求項1之方法，其中將該富含載送氣體之氣體流返回至該氣相色譜柱。
3. 如請求項1或2之方法，其中將該排放氣體傳送至一薄膜分離器以用於將該排放氣體分離成該富含惰性氣體之氣體流及該富含載送氣體之氣體流。
4. 如請求項1或2之方法，其中將該排放氣體傳送至一含有一吸附材料之儲存容器以用於選擇性地吸附包含於該排放氣體內之惰性氣體。
5. 如請求項4之方法，其中將該富含惰性氣體之氣體流自該儲存容器傳送至一薄膜分離器以用於使該富含惰性氣體之氣體流純化而不含載送氣體。
6. 如請求項1之方法，其中藉由自該富含惰性氣體之氣體流中除去水來純化該富含惰性氣體之氣體流。
7. 如請求項1之方法，其中藉由自該富含惰性氣體之氣體流中除去烴來純化該富含惰性氣體之氣體流。
8. 如請求項1之方法，其中重複對該富含惰性氣體之氣體流的該純化，直至該富含惰性氣體之氣體流內惰性氣體之濃度處於或高於一預定位準為止。
9. 如請求項1之方法，其中該消除器件包含一用於與該氣體混合物之該等組分中之至少一種進行反應之反應物。
10. 如請求項1之方法，其中將該氣體混合物從至少一個用於接收一包含該氣體混合物之廢氣之廢氣儲存容器提供至該氣相色譜柱。
11. 如請求項10之方法，其中在將該廢氣儲存於該至少一個儲存容器內之前，壓縮該廢氣。
12. 如請求項11之方法，其中在一設置於每一儲存容器內之吸附劑上選擇性地吸附該惰性氣體，該惰性氣體係藉由抽空、吹掃及/或熱再生而自該吸附劑釋放出，而一用於再生該至少一個儲存容器內之該吸附材料之吹掃氣體係自一用於向該氣相色譜柱提供載送氣體之載送氣體源所提供。
13. 如請求項1之方法，其中該惰性氣體包括氙、氪、氖、及其一混合物中的一種。
14. 如請求項1之方法，其中該載送氣體包括氦與氫中的一種。