WO1999062621A1

WO1999062621A1 - Verfahren zur reinigung von prozessabgasen

Info

Publication number: WO1999062621A1
Application number: PCT/DE1999/001581
Authority: WO
Inventors: Gunter KRÖDEL; Lutz Fabian; Volkmar Hopfe
Original assignee: Centrotherm Elektrische Anlagen Gmbh + Co.
Priority date: 1998-05-29
Filing date: 1999-05-31
Publication date: 1999-12-09
Also published as: US20010012500A1; KR100581446B1; EP1083978A1; KR20010071347A; AU5150599A; US7014824B2; CN1141167C; CN1302222A; JP2002516741A; JP4776073B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung von Prozeßabgasen durch deren Einleitung in ein Abgasreinigungssystem mit einer Reaktionskammer und Nachbehandlung der die Reaktionskammer verlassenden Reaktionsprodukte in einer Wasch- bzw. Sorptionskammer mit zugehörigem Waschmittelkreislauf, wobei unmittelbar vor Eintritt der Prozeßabgase in das Abgasreinigungssystem (1) eine kontinuierliche Messung (2) der Art und der Menge der Schadstoffe im Prozeßabgas vorgenommen wird und gleichzeitig die Art und Menge der Schadstoffe der das Abgasreinigungssystem (1) verlassenden Reaktionsprodukte unmittelbar am Ausgang des Abgasreinigungssystems (1) kontinuierlich bestimmt wird (3) und daß die Meßsignale unmittelbar zur Einstellung der Betriebsparameter des Abgasreinigungssystems (1) verwendet werden.

Description

Verfahren zur Reinigung von Prozeßabgasen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung von Prozeß- abgasen durch deren Einleitung in ein Abgasreinigungssystem mit einer Reaktionskammer und Nachbehandlung der die Reaktionskammer verlassenden Reaktionsprodukte in einer Waschbzw. Sorptionskaπvmer mit zugehörigem Waschmittelkreislauf.

Als Reinigungsverfahren für Prozeßabgase sind unterschiedliche Verfahren bekannt geworden, wobei bisher in der Hauptsache thermisch wirkende Abgasreinigungsverfahren angewendet werden.

Beispielsweise ist ein Verfahren bekannt geworden, bei dem die Prozeßabgase in einer Reaktionskammer verbrannt/oxidiert bzw. thermisch zersetzt werden. Das erfolgt hier mit Hilfe einer durch ein Brenngas und Sauerstoff gespeisten Flamme und wonach die die Reaktionskammer verlassenden Abgase in eine Waschbzw. Sorptionskammer geleitet werden, in der die festen und/oder löslichen Bestandteile mit einem Sorptionsmittel aus dem Abgas ausgewaschen werden. Als Brenngase kommen beispielsweise Wasserstoff oder auch Erdgas in Betracht. Nachfolgend werden die nunmehr von schädlichen bzw. giftigen Bestandteilen gereinigten Abgase über eine lufttechnische Anlage in die Atmosphäre abgeleitet.

Mit einem derartigen bekannten Verfahren werden Prozeßabgase, insbesondere mit Schadstoffen angereicherte Abgase aus CVD- und/oder Ätzprozessen und auch Chamber-Cleaning-Prozessen so gereinigt, daß eine Belastung der Umwelt mit schädlichen oder eventuell toxischen Substanzen vermieden wird. Insbesondere können Prozeßabgase aus Anlagen zur chemischen Bearbeitung von Halbleitersubstraten für die Herstellung mikroelektronischer Bauelemente mittels CVD-Niederdruckprozessen (LP-CVD) mit einem derartigen Verfahren gereinigt, bzw. zu unschädlichen Substanzen umgewandelt werden.

Ein solches Abgasreinigungsverfahren geht beispielsweise aus der EP 0 347 753 Bl hervor, nach dem die Prozeßabgase in einer Reaktionskammer unter Sauerstoffüberschuß verbrannt und über eine Wasch- bzw. Sorptionskammer einer lufttechnischen Anlage zugeleitet werden. Der Aufbau einer Abgasreinigungsvorrich- tung, mit der die Prozeßabgase nach dem eingangs genannten Verfahren gereinigt werden können, ist beispielsweise in der DE 195 01 914 Cl beschrieben. Diese Vorrichtung besteht aus einem Brennraum innerhalb eines äußeren Rohres, in dem ein Brenner mit einer abwärts gerichteten Brennerflamme angeordnet ist, sowie einer Sorptionskammer oberhalb des Brennraumes. Die die Brennkammer verlassenden Abgase werden innerhalb des äußeren Rohres nach oben in die Sorptionskammer geleitet und durch einen Filter und über eine lufttechnische Anlage in die Atmosphäre abgeleitet. Zur intensiven Benetzung der durch die Sorp- tionskammer strömenden Abgase und dem sicheren Herausspülen der festen Reaktionsprodukte aus dieser, wird das Sorptionsmittel, z.B. Wasser, hier entgegen der Strömungsrichtung des Abgases gesprüht. Das Sorptionsmittel kann beispielsweise auch kegelförmig gegen die Strömungsrichtung des Abgases gesprüht werden. Die festen Reaktionsprodukte werden dabei entlang der Innenwandung des äußeren Rohres nach unten gespült und in eine Aufbereitungsanlage für das Sorptionsmittel geleitet.

Die aus einer Niederdruck-CVD-Anlage kommenden Prozeßabgase können beispielsweise SiH₄, PH₃, N₂0 in unterschiedlichen Oxi- dationsstufen und Konzentrationen und auch Öldämpfe und Stäube (Si0₂) enthalten. Diese Prozeßabgase werden in der Flamme eines Knallgasbrenners, der mit besagtem SauerstoffÜberschuß betrieben wird, verbrannt. Anstelle des Knallgasbrenners, der mit einem Wasserstoff/Sauerstoff Gemisch bevorzugt als innenmischender Brenner betrieben wird, kann natürlich auch ein mit Erdgas oder Flüssiggas betriebener Brenner verwendet werden.

Es ist leicht einzusehen, daß es aus Gründen des Umweltschutzes und aus Kostengründen notwendig ist, so wenig wie möglich Brenngas und Zusatzsauerstoff einzusetzen. Dabei ist natürlich sicherzustellen, daß sämtliche in die Reaktions- kammer eingeleiteten toxischen Bestandteile des Prozeßabgases auch vollständig in unschädliche Substanzen umgewandelt werden.

Um das sicherzustellen, ist es notwendig, daß die genaue Zu- sammensetzung des Prozeßabgases bekannt ist, so daß es möglich ist, die benötigte Brenngasmenge und den Zusatzsauerstoff festzulegen. Darüberhinaus ist es notwendig, die Flamme ständig zu überwachen, um eine optimale Verbrennung sicherzustellen.

Das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugt für solche Verfahren zur Abgasreinigung vorgesehen, bei denen die Prozeßabgase in irgend einer Weise thermisch behandelt werden. Das Verfahren kann selbstverständlich auch im Zusamenhang mit anderen Ver- fahren zur Abgasreinigung eingesetzt werden.

Da in der Regel die Zusammensetzung der Prozeßabgase bekannt ist, wie dies der Fall ist, wenn die Prozeßabgase aus nur einem Prozeß stammen, werden die Verfahrensparameter üblicher- weise anhand von Erfahrungswerten, oder anhand einer stöchio- metrischen Berechnung ermittelt. Da unbedingt garantiert werden muß, daß sämtliche Schadstoffe aus dem Prozeßabgas beseitigt werden, ist es unabhängig vom angewendeten Reinigungsverfahren notwendig, die Verfahrensparameter, z.B. den Sauer- stoffÜberschuß und die Menge des zugeführten Brenngases, oder andere Verfahrensparameter, sehr reichlich zu bemessen.

Sind aber nacheinander oder gleichzeitig Prozeßabgase aus unterschiedlichen Prozessen, oder Prozeßabgase mit stark unterschiedlicher Zusammensetzung zu reinigen, führt das zu erheblichen Schwierigkeiten bei der Bestimmung der nötigen Verfahrensparameter. Daraus resultieren erhebliche Mehr- aufwendungen, die das Verfahren zur Abgasreinigung deutlich verteuern.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Reinigung von Prozeßabgasen zu schaffen, mit dem die Nachteile des Standes der Technik effektiv beseitigt werden.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabenstellung wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß unmittelbar vor Eintritt der Prozeßabgase in das Abgasreinigungssystem eine kontinuierliche Messung der Art und der Menge der Schadstoffe im Prozeßabgas vorgenommen wird und gleichzeitig die Art und Menge der Schadstoffe der das Abgasreinigungssystem verlassenden Reaktionsprodukte unmittelbar am Ausgang des Abgasreinigungssystems kontinuierlich bestimmt wird und daß die Meßsignale unmittelbar zur Einstellung der Betriebsparameter der Abgasreinigungsanlage verwendet werden.

Die Bestimmung der Schadstoffmengen erfolgt bevorzugt mit Hilfe eines ersten und eines zweiten Detektors anhand von ausgewählten Schadstoffen, wobei beispielsweise am ersten und am zweiten Detektor wenigstens eines der Perfluorcarbone C₂F₆, CF₄, C₄F₈ sowie 0₂ und am zweiten Detektor zusätzlich HF detek- tiert wird.

Vorteilhaft dabei ist es, wenn die Betriebsparameter in Abhängigkeit von den Schadstoffmengen im Prozeßabgas geregelt werden.

Eine weitere Fortführung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß bei der Detektierung wenigstens eines der Schadstoffe durch den ersten Detektor eine Voreinstellung der Betriebsparameter des Abgasreinigungssystemes anhand von Er- fahrungswerten in Bezug auf Brenngasmenge, Sauerstoffanteil (i.a. SauerstoffÜberschuß) , Waschmittelmenge des Waschmittelkreislaufes und pH-Wert des Waschmittels vorgenommen wird. Insbesondere erfolgt die Voreinstellung der Betriebsparameter durch ein selbstlernendes System auf der Basis von vergleichsweise ermittelten Abgasspezies und Konzentrationen der Schadstoffe. Das hat den besonderen Vorteil, daß der Wirkungsgrad des Abgasreinigungssystems und die Grundeinstellungen ständig optimiert werden, wodurch die Einlaufphase des Abgasreini- gungssystems verkürzt wird.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die Betriebsparameter des Abgasreinigungssystems in Abhängigkeit von den Meßwerten des zweiten Detektors so eingestellt, daß die Konzentration der Schadstoffe am Ausgang des Abgasreinigungssystems auf ein Minimum geregelt wird.

Insbesondere werden die Betriebsparameter so eingestellt, daß die Konzentration der Schadstoffe in die Näher der Meßschwelle sinkt.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsignale nichtinvasiv und berührungslos gewonnen werden. Das hat den besonderen Vorteil, daß die teil- weise besonders aggressiven Bestandteile der zu reinigenden Prozeßabgase das Meßergebnis oder auch die Meßeinrichtung nicht beeinflussen können.

Bevorzugt werden die Meßsignale durch optische Spektroskopie gewonnen.

In weiterer Fortführung der Erfindung werden bei der Detektie- rung einer erhöhten Konzentration von HF durch den zweiten Detektor der pH-Wert des Waschmittels und/oder dessen Menge erhöht.

Wird hingegen eine erhöhte Konzentrationen von verbrenn-/oxi- dierbaren oder thermisch zersetzbaren Schadstoffen durch den zweiten Detektor detektiert, so wird die Brenngasmenge und/oder die Menge des zugeführten Sauerstoffs erhöht.

In einer vorteilhaften weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die Art und Menge der Schadstoffe mit einem anlageninternen Computer auf der Basis der Meßergebnisse des ersten und des zweiten Detektors simultan berechnet und die Betriebsparameter des Abgasreinigungssystems in Abhängigkeit von der eingangs- und ausgangsseitigen Schadstoffmengen kontinu- ierlich geregelt, wobei die Betriebsparameter unter Berücksichtigung der Menge des zugeführten Prozeßabgases geregelt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den besonderen Vorteil, daß der Brenngasverbrauch minimiert wird und daß eine Langzeitstabilität der Restemission garantiert werden kann, so daß die sonst üblichen Kontrollmessungen entfallen können. Auch können die Wartungsintervalle verlängert werden, da durch nichtver- meidbare Ablagerungen, z.B. im Brenner, entstehende Änderungen der Betriebsparameter automatisch ausgeregelt werden können. Außerdem gewährleistet das Verfahren einen großen Dynamikbereich der meßbaren Konzentrationen, so daß für den gesamten Bereich nur eine einzige Meßvorrichtung genügt.

Das Meßverfahren ist auch für Anlagenbatterien geeignet. Da- rüberhinaus kann die Schadstoffeinleitung in die Abgsareini- gungsvorrichtung ständig protokolliert werden, so daß außerdem eine Kontrolle des vorgelagerten Halbleiterprozesses ermöglicht wird.

Ein weiterer besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, daß dieses unabhängig von dem in der Abgasreinigungsanlage angewandten Reinigungsverfahren eingesetzt werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren ist also nicht an eine bestimmte Art und Weise der Abgasreinigung, gebunden, sondern ist auch für nichtthermische Verfahren geeignet. Der Unterschied besteht nur darin, daß jeweils andere Betriebsparameter der Abgasreinigungsanlage zu regeln sind. Die Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel und einer zugehörigen Zeichnungsfigur näher erläutert werden.

In einem Abgasreinigungssystem 1, das nach dem Prinzip der thermischen Zersetzung bzw. Oxidation in einer Flamme mit anschließendem Auswaschen der Reaktionsprodukte arbeitet, sollen die Prozeßabgase aus einem Chamber-Cleaning-Prozeß einer Halbleiter-CVD-Anlage entsorgt werden. Für diesen Chamber-Cleaning-Prozeß werden C₂F₆ und 0₂ verwendet. Das Prozeß- abgas aus diesem Chamber-Cleaning-Prozeß enthält neben den Ausgangssubstanzen und Purgestickstoff der Vakuumpumpe Reaktionsprodukte, wie z. B. CF₄ und C₄F₈.

Dieses Prozeßabgas wird zu dem Abgasreingungssystem 1 gelei- tet, das am Eingang 5 einen ersten Detektor 2 besitzt, der das Prozeßabgas nach Art und Menge analysiert. Als Meßmethode wird die Gasphasen-FT-IR-Spektroskopie eingesetzt, wobei auf die Auswahl der Materialien für die IR-Meßstrecke mit integrierter StickstoffSpülung besondere Beachtung geschenkt werden muß, da die Abgasbestandteile z. T. sehr aggressiv sind.

Am Reingasausgang 6 des Abgasreinigungssystems 1 wird ein zweiter Detektor 3 angeordnet, dessen Funktionsweise vergleichsweise mit der des ersten Detektors 2 ist.

Detektiert der erste Detektor 2 am Eingang 5 des Abgasreinigungssystems 1 eines oder mehrere der oben genannten Gase, so erfolgt über einen angeschlossenen Computer 4 aufgrund der Gasarten und deren Konzentrationen eine Voreinstellung des Abgasreinigungssystems 1 in Bezug auf Brenngasmenge, Sauerstoffanteil (i.a. SauerstoffÜberschuß) , Waschmittelmenge des Waschmittelkreislaufes und pH-Wert des Waschmittels. Am Reingasausgang 6 werden neben den Perfluorcarbonen C₂F₆, CF₄ und

C₄F₈ auch HF detektiert,

Bei der Umsetzung der Perfluorcarbone in der Flamme entsteht u. a. HF. Wird nun vom zweiten Detektor 3 am Reingasausgang 6 beispielweise eine höhere Konzentration als 1 ppm HF gemessen, werden der pH-Wert des Waschmittels und oder die Waschmittelkreislaufmenge erhöht, anderenfalls kann mit niedrigeren Werten gearbeitet werden. Auf gleicher Weise wird mit den Per- fluorcarbonen verfahren, d. h. wenn die Konzentration am Rein- gasausgang 6 zu hoch ist, wird die Brenngasmenge und oder die Sauerstoffmenge (abhängig von den Spezies) erhöht oder anderenfalls erniedrigt. Durch diese Methode wird der Medienverbrauch des Abgasreinigungssystems 1 ständig optimiert, die Betriebskosten niedrig gehalten und eine optimale Reinigung des Abgases realisiert.

Da die verwendete Software selbstlernend ist, werden die ermittelten optimalen Betriebsbedingungen als Grundlage für die Voreinstellung des Abgasreinigungssystems 1 bei vergleichs- weisen Abgasspezies und Konzentrationen verwendet. Dadurch werden auch die Grundeinstellungen ständig optimiert und die Einlaufphase des Abgasreinigungssystems 1 wird verkürzt.

Natürlich entstehen bei der Umsetzung von C₂F₆ außer den o. g. Gasen weitere Reaktionsprodukte, die ebenfalls in die Auswertung mit einbezogen werden können. Bei zu vielen Komponenten wird allerdings die Auswertung und die zielgerichtete Einflußnahme auf die Betriebsbedingungen des Abgasreinigungs- sytems 1 erschwert, da die Zusammenhänge sehr komplex sind. Es wurden deshalb bewußt die o. g. Komponenten gewählt, weil:

C₂F₆ als eingesetztes Reaktionsgas mit der höchsten Konzentration erwartet werden kann, CF₄ das chemisch beständigste Perfluorcarbon ist C₄F₈ hoch toxisch sein kann

HF in großen Mengen bei der Umsetzung der Perfluorcarbone in der Flamme entsteht.

Während die Umsetzung der Perfluorcarbone vorwiegend durch die Brenngasparameter beeinflußt werden, sind für die Entfernung der sauren Gasbestandteile (HF) die Waschmittelparameter entscheidend.

Verfahren zur Reinigung von Abgasen

Bezugszeichenliste

Abgasreinigungssystem erster Detektor zweiter Detektor Computer Eingang Reingasausgang

Claims

Verfahren zur Reinigung von AbgasenPatentansprüche

1. Verfahren zur Reinigung von Prozeßabgasen durch deren Einleitung in ein Abgasreinigungssystem (1) mit einer Reaktionskammer und Nachbehandlung der die Reaktionskammer verlassenden Reaktionsprodukte in einer Wasch- bzw. Sorp- tionskammer mit zugehörigem Waschmittelkreislauf, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß unmittelbar vor Eintritt der Prozeßabgase in das Abgasreinigungssystem (1) eine kontinuierliche Messung der Art und der Menge der Schadstoffe im Prozeßabgas vorgenommen wird und gleich- zeitig die Art und Menge der Schadstoffe der das Abgasreinigungssystem (1) verlassenden Reaktionsprodukte unmittelbar am Ausgang des Abgasreinigungssystems (1) kontinuierlich bestimmt wird und daß die Meßsignale unmittelbar zur Einstellung der Betriebsparameter des Abgas- reinigungssystems (1) verwendet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Bestimmung der Schadstoffmengen mit Hilfe eines ersten und eines zweiten Detektors (2, 3) anhand von ausgewählten Schadstoffen erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß am ersten und am zweiten Detektor (2, 3) wenigstens einer der Schadstoffe und am zweiten Detektor (3) zusätzlich HF detektiert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, d a d u r c h g e - k e n n z e i c h n e t, daß die Betriebsparameter in

Abhängigkeit von den Schadstoffmengen im Prozeßabgas geregelt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n - z e i c h n e t, daß bei der Detektierung wenigstens eines der Schadstoffe durch den ersten Detektor (2) eine Voreinstellung der Betriebsparameter des Abgasreinigungssystemes (1) anhand von Erfahrungswerten in Bezug auf Brenngasmenge, Sauerstoffanteil (i.a. SauerstoffÜberschuß ) , Wasch- mittelmenge des Waschmittelkreislaufes und pH-Wert des Waschmittels vorgenommen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Voreinstellung der Betriebspara- meter durch ein selbstlernendes System auf der Basis von vergleichsweise ermittelten Abgasspezies und Konzentrationen der Schadstoffe vorgenommen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, d a d u r c h g e - k e n n z e i c h n e t, daß die Betriebsparameter des

Abgasreinigungssystems (1) in Abhängigkeit von den Meßwerten des zweiten Detektors (3) so eingestellt werden, daß die Konzentration der Schadstoffe am Ausgang des Abgasreinigungssystems (1) auf ein Minimum geregelt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Meßsignale nichtin- vasiv und berührungslos gewonnen werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Meßsignale durch optische Spektroskopie gewonnen werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß bei der Detektierung einer erhöhten Konzentration von HF durch den zweiten Detektor (3) der pH-Wert des Waschmittels und/oder dessen Menge erhöht wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß bei der Detektion von erhöhten Konzentrationen von Schadstoffen durch den zwei- ten Detektor (3) die Brenngasmenge und/oder die Menge des zugeführten Sauerstoffs erhöht wird.

12. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Art und Menge der Schadstoffe mit einem anlageninternen Computer (4) auf der Basis der Meßergebnisse des ersten und des zweiten Detektors simultan berechnet wird und daß die Betriebsparameter des Abgasreinigungssystems (1) in Abhängigkeit der eingangs- und ausgangsseitig bestimmten Schadstoffmengen kontinuierlich geregelt werden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Betriebsparameter unter Berücksichtigung der Menge des zugeführten Prozeß- abgases geregelt werden.