TWI434729B - 用於自氣體流移除氟之方法及裝置 - Google Patents

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Description

用於自氣體流移除氟之方法及裝置
本發明係關於自氣體流移除氟，且可特別用於自用於半導體或平板工業中之處理工具所排出之含氟氣體移除氟。
在半導體及平板工業中一般使用CF4 、C2 F6 、NF3 、SF6 及分子氟(F2 )作為蝕刻劑前驅氣體以為諸如介電層蝕刻及腔室清潔之過程提供激態氟物質之來源。
在多數情況下，諸如原子氟之激態氟物質係就地形成或在腔室上游形成以與不想要之沈積物反應且形成易於抽走之揮發性氟化化合物。然而，在此等步驟期間氣體使用通常為效率低的，且因此自工具排放之氣體流可具有殘餘的氟化前驅氣體或許多其他氣態氟化反應副產物。
歸因於任何未用氟化氣體及氟化反應副產物之毒性及/或極高之全球暖化可能，必須在其被釋放至大氣之前將其自腔室排出氣體混合物移除(消除)。目前，消除通常係在諸如內燃式燃燒器、電熱式燃燒器、露焰燃燒器或電漿消除設備之設備中藉由燃燒技術來執行。在此等設備中，自處理腔室排出之氣體通過至一存在足夠之能量及反應性物質(分別為熱及燃料/氧化劑氣體之形式)的反應區，以實現氟化氣體至氫氟酸(HF)之轉化。
為了滿足嚴格的排放目標，隨後必須自氣體流移除氫氟酸，此通常係以濕式洗滌器來達成。此等過程需要大量的水來溶解HF，HF隨後藉由與如氟化鈣沈澱物(CaF2 )之鈣鹽起反應而得以自水移除。沈澱物係藉由沈降及"結塊"而得以與水分離，從而允許水被再用或通過至下水道系統。亦可藉由使自燃燒損毀設備排出之氣體通過一鈣鹽乾式反應床而移除氫氟酸，鈣鹽通常為效率低的，因為該床之表面上形成一氟化鈣層，使該表面為不可滲透的而無法進行進一步的反應。
本文所描述之本發明之意圖為解決此等問題中的一些。
在第一態樣中，本發明提供一種用於自氣體流移除氟化氣體之方法，其包含以下步驟：將含有氟化氣體之氣體流輸送至一燃燒區域，使該氟化氣體在該燃燒區域分解，將能夠與氟化氣體分解產物反應之鈣鹽傳輸至該氣體流中以與該氟化氣體分解產物反應以形成氟化鈣，及隨後自該氣體流移除氟化鈣鹽。
此提供了一種用於自氣體流移除氟化氣體(諸如，分子氟(F2 ))及全氟化氣體(例如，三氟化氮(NF3 )、四氟化碳(CF4 )、六氟乙烷(C2 F6 )、四氟化矽(SiF4 )及六氟化硫(SF6 ))之新方法。該方法有利地降低對使用昂貴多級水處理方法或效率低的乾式床反應器以自離開燃燒區域時之氣體流移除氟化分解(消除)產物的要求。
燃燒區域較佳為(但不限於)諸如內燃式燃燒器、電熱式燃燒器、露焰燃燒器、DC電漿及微波電漿反應器的設備之燃燒區域。已廣泛用於氟化氣體之損毀(消除)的此等設備可有利地與氟化鈣傳輸設備向後配合，因此允許使用者節約能量，而不需要大量的額外資本支出。
鈣鹽可在其進入燃燒區域之前，在其在燃燒區域內時，或在其已離開燃燒區域時被傳輸至含有氟化氣體之氣體流中。較佳在燃燒區域內或接近離開燃燒區域時將鈣鹽傳輸至氣體流中，因為當前之熱條件增強鈣鹽與氟化氣體分解產物之間的反應。
可使用熟習此項技術者所知之許多方法來將鈣鹽傳輸至含有氟化氣體之氣體流中，諸如鼓風吹送粉末技術、霧化噴霧技術、簡易噴霧技術及汽化技術。
一運載氣體亦可用於將鈣鹽傳輸至氣體流中，該運載氣體包括空氣、氮氣、氫氣、氧氣、甲烷、丁烷。還原或氧化運載氣體之使用可有利地改良鈣鹽與氟化分解產物之間的反應。
鈣鹽或其分解產物必須能夠與燃燒區域中形成之氟化分解產物反應以形成氟化鈣，較佳沒有產生將需要另外昂貴洗滌技術之大量不需要之額外氣態副產物，諸如酸或NOx。適合之鈣鹽之實例包括(例如)CaO(石灰)、CaCO3 、Ca(OH)2 (消石灰)，及諸如Ca(CH3 CH2 CO2 )2． H2 O之有機鈣鹽。隨後可藉由過濾器、旋風器及靜電沈澱器設備中之一者或組合來自氣體流移除鈣鹽。在霧化或簡易噴霧技術為有利之裝置中，較佳使用乙酸鈣(Ca(CH3 CH2 CO2 )2． H2 O)，因為其易於形成一濃縮水溶液、因此最大化鈣之量及限制供應至裝置之水的量且確保藉由與氟化氣體分解產物反應而形成之氟化鈣鹽保持大體上乾燥。
自氣體流移除氟化鈣可藉由燃燒設備本地之設備就地執行或藉由遠離燃燒設備之洗滌器單元來執行，此允許來自若干個燃燒設備之氟化鈣得以在一集中區域中移除，因此最小化超淨半導體處理區域受到微粒污染之可能性。
圖1示意性地說明用於自氣體流移除氟化氣體之裝置。該裝置包含路徑1，路徑1用於將(例如)藉由真空泵系統(未圖示)自半導體或平板顯示器處理工具抽汲之含有氟化氣體之氣體流輸送至燃燒區域2。燃燒區域2可為(例如)內燃式燃燒器、電熱式燃燒器、露焰燃燒器、DC電漿或微波電漿反應器之燃燒區域，其中將氟化氣體轉化(消除)為HF。燃燒區域2亦包含入口4，該入口4用於將鈣鹽(例如，氧化鈣、消石灰、碳酸鈣及乙酸鈣中之一者)傳輸至燃燒區域2內之氣體流中。視鈣鹽之特定組合物而定，可藉由此項技術中熟知之方法來將鈣鹽以溶液、粉末或蒸氣之形式傳輸至燃燒區域2中之氣體流中，諸如鼓風吹送粉末方法、霧化噴霧方法及汽化方法。鈣鹽可直接傳輸至燃燒區域中之氣體流中，或者首先傳輸至一另外運載氣體流中，該另外運載氣體流隨後經由入口4而供應至燃燒區域2中之氣體流中。鈣鹽或其分解產物在燃燒區域中與HF反應以形成氟化鈣。
路徑6將離開燃燒區域2之富含氟化鈣的氣體流輸送至氟化鈣移除設備10，在移除設備10中，自該氣體流移除氟化鈣，一含很少氟化鈣的氣體流經由路徑12離開移除設備10。移除設備10可為(例如)旋風器、過濾器及靜電沈澱器，或其組合。
為了自離開燃燒區域2之氣體流移除熱及確保氟化鈣保持為空浮的，且因此防止聚集於移除設備10上游之裝置之表面上，可經由入口8將諸如空氣、氧氣或氮氣之任選氣流供應至路徑6。
圖2展示圖1所說明之示意性裝置之消除部分的一較佳實施例。該裝置包含用於接收一或多個含有氟化氣體之排放氣體流的一或多個入口14。一或多個含有氟化氣體之排放氣體流沿著路徑1輸送至噴嘴16，該排放流自該噴嘴16噴射至燃燒區域2中。在所說明之實施例中，展示用於自連接至(例如)兩個處理腔室之兩個泵系統接收兩個含有氟化氣體之排放氣體流的兩個入口14。或者，來自一腔室之排放氣體流可經"分流"且輸送至入口14中之每一者。較佳實施例包含四個入口14。
每一噴嘴16位於形成於陶瓷頂板20中之各別孔18內，該頂板20界定燃燒區域2之上(如所示)表面。諸如EP－A－0 694 735中所描述的，燃燒區域2係在有小孔的燃燒器元件22之出口表面之邊界內。一充氣容積24形成於燃燒器與圓柱形外殼3之間。經由一或多個入口噴嘴(未圖示)將諸如天然氣或烴之燃料氣與空氣的混合物引入至容積24中，使得在使用期間，燃料氣與空氣之混合物將燃燒，而在燃燒器元件22之出口表面處無可視火焰。
為了最佳化燃燒條件以達成包含於排放氣體流內之特定氟化氣體的消除，較佳供應額外燃料氣及/或氧氣以在該排放流進入燃燒區域2中之前使該排放流濃化。類似於EP 0 802 370 A2中所描述的，因此，裝置包括藉由大體上同心地定位於噴嘴16內的噴槍28將氧氣引入至燃燒區域2上游之排放流中的構件。可藉由任何適合之構件(未圖示)來將額外燃料氣添加至燃燒區域上游之任何便利點處之排放氣體流中。然而，為了易燃性，氧氣及燃料氣在噴射至燃燒區域之前存在於排放流中之時間長度不應為明顯的，且因此噴槍28進入噴嘴16中之開口在排放物進入燃燒區域之噴射點之前終止於0.7與3管徑之間。燃料氣及/或氧化劑之相對比例可視排放流中存在之氟化化合物之類型而定來改變。
在噴射至區域2中後，濃化之排放氣體混合物即點燃以形成自噴嘴16延伸至腔室2中的火焰，實現氟化氣體之消除，由以下通式表示：氟化氣體＋燃料氣＋氧氣 → HF＋CO/CO2 及H2 O (1)
裝置亦包含位於陶瓷頂板20內之一或多個氟化鈣傳輸設備30，較佳為一霧化噴霧設備，雖然其他傳輸設備亦為適合的。氟化鈣係藉由上述構件中之任一者經由入口4而傳輸至燃燒區域中之氣體流中。傳輸設備30及其相應入口4經定位，使得所傳輸之氟化鈣與排放氣體流之充分混合發生於燃燒區域2中，而未抑止火焰自噴嘴16延伸至區域2中。在傳輸至區域2中之氣體流中後，鈣鹽或其分解產物即與由氟化氣體之消除而產生的氫氟酸反應以形成氟化鈣，由以下通式表示：HF＋鈣鹽 → CaF2 (2)
氣體流及氟化鈣隨後經由出口32離開消除裝置且輸送至上述設備10中之一者以便自氣體流移除氟化鈣。
圖3展示圖1所說明之示意性裝置之消除部分的另一較佳實施例。該裝置包含連接至燃燒區域2之一或多個燃燒噴嘴34，其具有類似於EP－A－0 819 887中所描述之燃燒噴嘴的構造及用途。每一燃燒噴嘴34具有一用於接收含有氟化氣體之排放氣體的入口36及一使排出氣體自其進入燃燒區域2的出口38。雖然圖3說明用於接收含有氟化氣體之排放氣體的單個燃燒噴嘴34，但該裝置可包含用於自單個或多個處理工具接收排放物的任何適合數目(例如，四個、六個或六個以上)的噴嘴34。在較佳實施例中，該裝置包含四個噴嘴34。
如圖3所說明，每一噴嘴34安裝於一第一環形充氣腔室40中，第一環形充氣腔室40具有：一入口42，其用於接收燃料與氧化劑之第一氣體混合物(例如，甲烷與空氣之混合物)，提供一用於在燃燒區域2內形成燃燒火焰的燃燒氣體；及複數個出口46，燃燒氣體自出口46離開充氣腔室40進入燃燒腔室2中。如圖3所說明，燃燒噴嘴34安裝於第一充氣腔室40中，使得噴嘴34大體上同軸地通過各別出口46且第一燃燒氣體混合物輸送至燃燒噴嘴34附近之燃燒腔室2中。
亦如圖3所說明，第一充氣腔室40位於一第二環形充氣腔室48上方，該第二環形充氣腔室48具有一入口50，該入口50用於接收燃料與氧化劑之第二導燃氣體混合物(例如，甲烷與空氣之另一混合物)，用於在燃燒腔室2內形成導燃火焰。如圖3所說明，第二充氣腔室48包含圍繞第一充氣腔室40之第一孔隙46的第二孔隙52。第二孔隙52允許導燃氣體混合物進入燃燒腔室2以形成導燃火焰以便點燃經由孔隙46進入燃燒區域2之燃燒氣體以在燃燒腔室2中形成燃燒火焰。
離開孔隙46之第一燃燒氣體混合物由自離開孔隙52之第二導燃氣體混合物形成的導燃火焰點燃，以形成延伸至燃燒區域2中同心地圍繞離開噴嘴34之排放氣體流的路徑的燃燒火焰。經由噴嘴34輸送之排放氣體流經由至燃燒火焰之中心的出口38進入燃燒區域2，使得根據上述之通式(1)來消除氟化氣體。
燃燒腔室2在一大體上圓柱形之管道54之邊界內。管道54具有複數個孔隙56，氣體可自形成於管道54與外殼60之間的充氣腔室58通過孔隙56。使用一適合之氟化鈣傳輸設備來將鈣鹽傳輸至一經由入口4而饋入至充氣腔室58中的氣體流(例如，空氣)中，儘管其他傳輸設備亦為適合的，但較佳為一鼓風吹送粉末設備或霧化噴霧設備(未圖示)。鈣鹽濃化氣體經由孔隙56進入燃燒區域2。根據上述之通式2，鈣鹽或其分解產物隨後與HF反應以形成氟化鈣。排放流及氟化鈣隨後經由出口62離開燃燒區域2且自消除設備輸送至上述設備10中之一者以便自氣體流移除氟化鈣。
圖4示意性地說明用於自氣體流移除氟化氣體之第二裝置。該裝置大體上類似於圖1所說明之裝置，然而，用於將鈣鹽傳輸至氣體流中之入口4係位於路徑1中，使得在鈣鹽被輸送至燃燒區域2中之前，先將鈣鹽傳輸至含有氟化氣體之氣體流中。
在圖4中示意性展示之裝置的使用中，沿著路徑1來輸送含有氟化氣體之排放氣體流，其中使用上述構件中之任一者經由入口4來將鈣鹽傳輸至氣體流中。將含有氟化氣體及鈣鹽之氣體流輸送至燃燒區域2，其中氟化氣體經消除形成HF，HF與鈣鹽或其分解產物反應以形成氟化鈣。含有氟化鈣之氣體流隨後自燃燒區域2沿著路徑6輸送至上述一或多個氟化鈣移除設備10中之一者，其中自氣體流移除氟化鈣，氣體流隨後經由路徑12離開氟化鈣移除設備。
可視情況將一運載氣體(例如，空氣、氧氣及氮氣)經由入口8添加至沿著路徑6輸送之氣體流以促使氟化鈣在到達氟化鈣移除設備10之前保持為空浮的。
圖5示意性地說明用於自氣體流移除氟化氣體之第三裝置。該裝置大體上類似於圖1及圖4所說明之裝置，然而，用於將鈣鹽傳輸至氣體流中之入口4係位於路徑6中，使得將鈣鹽傳輸至離開燃燒腔室2之氣體流中。
在圖3中示意性展示之裝置的使用中，沿著路徑1來將含有氟化氣體之氣體流輸送至燃燒區域2，其中將氟化氣體消除。含有氟化氣體分解產物之氣體流經由路徑6輸送而遠離燃燒區域2，其中鈣鹽經由入口4傳輸至氣體流中，使鈣鹽或其分解產物能夠與氟化氣體分解產物反應以形成氟化鈣。含有氟化鈣之氣體流隨後沿著路徑6而進一步輸送至氟化鈣移除設備10，其中自氣體流移除氟化鈣，該氣體流隨後經由路徑12離開氟化鈣移除設備。
可視情況地將一運載氣體(例如，空氣、氧氣及氮氣)經由入口4下游之入口8而添加至沿著路徑6輸送之氣體流，以促使氟化鈣在到達氟化鈣移除設備10之前保持為空浮的。運載氣體亦可經由入口4而添加以氟化鈣。
1．．．路徑
2．．．燃燒區域
4．．．入口
6．．．路徑
8．．．入口
10．．．氟化鈣移除設備
12．．．路徑
14．．．入口
16．．．噴嘴
18．．．各別孔
20．．．陶瓷頂板
22．．．燃燒器元件
24．．．充氣容積
28．．．噴槍
30．．．氟化鈣傳輸設備
32．．．出口
34．．．燃燒噴嘴
36．．．入口
38．．．出口
40．．．第一環形充氣腔室
42．．．入口
46．．．出口
48．．．第二充氣腔室
50．．．入口
52．．．第二孔隙
54．．．管道
56．．．孔隙
58．．．充氣腔室
60．．．外殼
62．．．出口
圖1說明自氣體流移除氟化氣體之第一示意圖。
圖2展示圖1所說明之示意圖之實施例。
圖3展示圖1所說明之示意圖之另一實施例。
圖4說明自氣體流移除氟化氣體之第二示意圖。
圖5說明自氣體流移除氟化氣體之第三示意圖。
圖式並未按比例繪製。
在下文中不同圖式中之相同部分由相同參考數字指代。
1．．．路徑
2．．．燃燒區域
4．．．入口
14．．．入口
16．．．噴嘴
18．．．各別孔
20．．．陶瓷頂板
22．．．燃燒器元件
24．．．充氣容積
28．．．噴槍
30．．．氟化鈣傳輸設備
32．．．出口

Claims (15)

  1. 一種用於自一氣體流移除一氟化氣體之方法，其包含以下步驟：將含有該氟化氣體之該氣體流輸送至一燃燒區域，使該氟化氣體在該燃燒區域中分解，該方法亦包含如下之步驟：將一能夠與氟化氣體分解產物反應之鈣鹽傳輸至該氣體流中以與該等氟化氣體分解產物反應形成乾燥氟化鈣，及隨後自該氣體流移除該乾燥氟化鈣鹽。
  2. 如請求項1之方法，其中該氟化氣體為分子氟(F2 )及全氟化氣體中之一者或一混合物。
  3. 如請求項2之方法，其中該等全氟化氣體為三氟化氮(NF3 )、四氟化碳(CF4 )、六氟乙烷(C2 F6 )、四氟化矽(SiF4 )、六氟化硫(SF6 )中之一者或一混合物。
  4. 如請求項1之方法，其中該鈣鹽為CaO、CaCO3 、Ca(OH)2 、石灰、消石灰及Ca(CH3 CH2 CO2 )2 .H2 O中之一者或一混合物。
  5. 如請求項1至4中任一項之方法，其中該鈣鹽係傳輸至該燃燒區域下游之該氣體流中。
  6. 如請求項1至4中任一項之方法，其中該鈣鹽係傳輸至該燃燒區域內部之該氣體流中。
  7. 如請求項1至4中任一項之方法，其中該鈣鹽係傳輸至該燃燒區域上游之該氣體流中。
  8. 如請求項1至4中任一項之方法，其中該鈣鹽係藉由一鼓風吹送粉末技術來傳輸至該氣體流中。
  9. 如請求項1至4中任一項之方法，其中該鈣鹽係藉由一簡 易噴霧技術來傳輸至該氣體流中。
  10. 如請求項1至4中任一項之方法，其中該鈣鹽係藉由一霧化噴霧技術來傳輸至該氣體流中。
  11. 如請求項1至4中任一項之方法，其中該燃燒區域為一內燃式燃燒器之燃燒區域。
  12. 如請求項1至4中任一項之方法，其中該燃燒區域為一電熱式燃燒器之燃燒區域。
  13. 如請求項1至4中任一項之方法，其中該燃燒區域為一露焰燃燒器之燃燒區域。
  14. 如請求項1至4中任一項之方法，其中該燃燒區域為一電漿反應器之燃燒區域。
  15. 如請求項1至4中任一項之方法，其中該氟化鈣鹽係藉由過濾器、旋風器及靜電沈澱器中之一者而自該氣體流移除。
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