專利名稱：現(xiàn)場處理廢氣流的裝置和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種從廢氣流中去除不想要的成份的方法，所述成份如氟、硅烷、氣態(tài)氟化物、酸性氣體和氣態(tài)氯化物，更具體地說在制造半導體的過程中利用濕式洗滌設備和方法除去上述類型的不想要的成份。
背景技術：
關于使用濕式洗氣方法凈化去除半導體排出氣，各種用途都需要除去氫化物氣體、酸性氣體及夾帶的固體。尤其是在使用或制造SiH4(硅烷)、NH3(氨氣)、F2(氟氣)、HF(氟化氫)、SiF4(四氟化硅)、或COF2(碳酰氟)、如某種CVD(化學汽相沉積)方法時更是如此。
在這些廢氣流處理的應用中，現(xiàn)有技術一般采用一種多成份洗氣系統(tǒng)。在這樣一種設備中，硅烷和任意的氨在一種凈化系統(tǒng)室中被熱氧化，及HF、F2、SiH4、COF2和任意的氨在另一個單獨地室中用水洗滌。熱氧化的缺點是(i)高能耗，及(ii)氨的氧化產(chǎn)生NOx。此外，高溫加熱室由于酸性氣體被加熱而加快了對加熱室下游的腐蝕，但是酸性氣體在加熱設備中不會減少。水洗滌室直接位于加熱室的下游。熱酸性氣體在位于水洗滌設備和加熱設備之間的熱、濕接觸區(qū)域產(chǎn)生腐蝕。
因而迫切需要人們開發(fā)出一種簡單的、可靠的洗滌設備以有效地處理含有上述類型氣體的廢氣流。
更具體地說，涉及除去廢氣流中含有的含氟化合物，全氟氣體被廣泛用在芯片生產(chǎn)中以就地制備氟氣和用于等離子助反應中的含氟自由基。這些高活性物質(zhì)被制備以從操作室中除去硅或蝕刻晶片上的材料如氮化物、氧化物或聚硅。最常用的碳基全氟物質(zhì)包括CF4、C2F6和C3F8。三氟化氮(NF3)和六氟化硫(SF6)也被廣泛使用。
全氟化合物(PFCs)還是最強的溫室氣體，其全球變暖能力比二氧化碳高3到4個數(shù)量級。此外，PFCs極穩(wěn)定，在大氣里可以存在幾千年。即使半導體工業(yè)不是最大的PFC排放源，也應積極地尋求對策以減少PFC排放以保護環(huán)境。
正在進行的對減少PFC排放的研究集中在下面四個領域最優(yōu)化、使用替代的化學物質(zhì)、回收/循環(huán)技術及凈化工藝。
最優(yōu)化方法涉及調(diào)整反應器的操作條件，從而在半導體制造池中提高PFC的轉(zhuǎn)化率。在半導體制造方法中存在的非最優(yōu)化條件導致PFC使用隨著氣體種類和使用方法的變化而變化。例如，使用CF4和CHF3結(jié)合的氧化物蝕刻利用率最低——15％。報導的鎢沉淀方法使用NF3可將利用率提至68％。近來在半導體池中進行的最優(yōu)化等離子凈化工藝被證實可將NF3的利用率提高到99％。
高PFC轉(zhuǎn)化率不可避免地形成有害的空氣污染物(HAPs)。分解產(chǎn)物主要包括氟(F2)和四氟化硅(SiF4)氣體及少量的HF和COF2。相對于送到半導體制造池的初始PFC的量全氟化氣體的破滅產(chǎn)生大量的增大的HAP產(chǎn)量。例如，假設PFCs按化學計算量轉(zhuǎn)化為F2，每分鐘1升(1pm)流速的NF3每分鐘能產(chǎn)生1.5升(1pm)的F2。在半導體制造方法系統(tǒng)中四個室的廢氣流每分鐘能產(chǎn)生6標準升(slm)的含氟氣體，導致后泵排出物含3％的F2(每個泵含501pm壓盤物N2)。
這些估測值兩倍于六氟化的PFCs(相對于NF3)并可能在未來隨著300毫米晶片制造的計劃產(chǎn)量而增加。這些預測表明情況比較不利，并且不能解釋使用PFCs方法的短期延續(xù)性和周期性，在初始凈化階段較低的F2排出濃度，及與PFC循環(huán)同步的兩個或三個室的減少的概率。但是，這種預測顯示了半導體制造過程中PFC問題的嚴重量性和不好的特性。
含氟的HAPs的毒性和苛性除了危害排出系統(tǒng)的完整性，還會對人的健康和環(huán)境產(chǎn)生十分不利的影響。特別是F2的氧化能力高于半導體制造裝置中所使用或產(chǎn)生的任何其它化合物，且其反應活性遠高于其它的鹵素。在最優(yōu)化等離子方法中大量的F2和其它含氟的有害無機氣體需要采用現(xiàn)場處理(POU)減少工藝以降低潛在的危險并延長操作室的使用壽命。
現(xiàn)成除去F2有幾個可替代的方法。當氟的濃度高時，氟和除了氧氣、氮氣和稀有氣體之外的元素發(fā)生放熱反應。結(jié)果不需要向系統(tǒng)中提供能量，利用自然發(fā)生的反應除去高活性氣體，從而達到減少氟的目的。這種可能的工藝的主要問題是存在熱分解和形成可接受的副產(chǎn)品。
另一種減少氟的工藝是提供可能的溶液，包括濕法和干法反應工藝，及熱反應工藝。
在干法中，含氟的氣流通過填有反應性物質(zhì)的干燥床流動。適宜的干燥化學物質(zhì)將使氟轉(zhuǎn)化為無害的固體或氣體，并不會產(chǎn)生過多的熱量。所述產(chǎn)生熱量是一個不利因素，尤其是含有大量的F2時。
在一種熱反應方法中，熱量散發(fā)裝置使靠燃料或電能加熱的反應器內(nèi)的反應物和F2結(jié)合。通過加熱減少F2的方法得到的副產(chǎn)品包括熱酸，所述熱酸需要用后反應水洗滌器除去。在這些后反應水洗滌器中的凈化效率會打折扣，因為大多數(shù)酸性氣體的凈化效率由于溫度的影響而減少。此外，熱濃酸的保存需要昂貴的材料和建造費用以防止溫度升高時酸的腐蝕。
在濕法工藝中，優(yōu)點是含氟氣體和水的反應快速而有效。水和F2的主要反應產(chǎn)品是HF、O2和H2O2。反對使用水洗滌器的理由包括反應形成了不想要的OF2，及在高氟情況下需要大量的水以有效地除去F2。
比較前面的處理工藝可知，如果OF2副產(chǎn)品的形成和水消耗量大的問題可以得到解決，濕法凈化工藝是最吸引人的。
因此，在技術上需要現(xiàn)場使用濕法洗滌氟減少系統(tǒng)，所述系統(tǒng)可以阻止不想要的OF2的形成，及在高氟濃度下具有可接受的氟凈化效率并降低水的消耗量。
現(xiàn)在考慮到硅烷作為廢氣流中不想要的成份而要在氣流處理中將其除去，這種成份如上面所提到的優(yōu)選通過熱氧化除去。水洗滌除去硅烷相對于熱氧化方法一般被認為是不可取的，因為硅烷在水中只有很低的溶解度，和水的反應性很低?，F(xiàn)有技術中在有些時候使用化學物質(zhì)(如氫氧化鉀和氫氧化鈉)洗滌，但是使用這樣的氫氧化物除去硅烷一般需要大量的化學添加物，因而提高了操作費用?；瘜W洗滌例如被記載于“Efficiently handling effluent gases through chemicalscrubbing，”T.Herman and S.Soden，American Institute of PHysicsConference Proceedings 166，PHotovoltaic Safety，Denver，CO 1988。
除了前面用于減少硅烷的工藝之外，在水洗滌器中最后洗滌廢氣之前可從市場上購得某種設備來熱氧化硅烷。然而，這些設備的缺點是需要點火源及燃料、或電能來加熱。所述方法會在周圍環(huán)境中釋放出很高的熱量，導致過高的溫度和需要冷卻大量的排出氣體。
在除去硅烷的過程中另一個問題是廢氣流中還可能存在氨。硅烷和氨同時存在使得它們的高效去除變得特別困難。
因而當硅烷和氨氣同時存在于廢氣流時需要在氣體洗氣系統(tǒng)中開發(fā)出一種能有效地除去它們的技術。
因此，提供一種能有效地除去硅烷并能避免熱氧化處理的缺點的裝置和方法在技術上是顯著的進步。
在室溫下或接近室溫下除去硅烷在技術上是一個顯著的進步，或其它基本上低于熱氧化處理所使用的溫度條件。因而需要一種“冷燃燒”方法和裝置以通過低溫氧化除去硅烷。
另外一個問題是用水洗滌器處理廢氣流會起泡。在某些半導體的生產(chǎn)中，當廢氣流進入水洗滌器時會促使泡沫形成，所述泡沫在洗滌器內(nèi)部會產(chǎn)生不利影響。最嚴重的問題是大量的泡沫積累起來會完全地充滿洗滌器的內(nèi)部空間。當這種情況發(fā)生時，泡沫被氣相夾帶并帶出洗滌器。當泡沫在排出管表面聚結(jié)時會發(fā)生腐蝕。此外，當泡沫存在于洗滌器的液體槽時會產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象，因而泡沫會損壞使洗滌液循環(huán)的泵。最后，這種泡沫的活動會顯著地增加通過凈化器的壓降，因而不僅不利于洗滌器和廢氣流處理系統(tǒng)的操作，而且不利于上游對壓力敏感的半導體制造裝置的操作。
在廢氣流的水洗滌器的操作中出現(xiàn)的另一個問題是在洗滌器中所使用的含礦物質(zhì)的水。在世界上的某些地方和美國，供給水洗滌器的添加水硬度很大，即所述水含有高濃度的鈣、鎂和其它離子種類。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)當水洗滌器操作時的pH值高于約8.5時，水中的鈣會以碳酸鈣(CaCO3)的形式沉淀出來。這會產(chǎn)生許多問題。一個是碳酸鈣在與洗滌器相連的循環(huán)泵的內(nèi)部粘著在敏感的表面上，這會使泵失靈和出故障。另一個問題是碳酸鈣積聚在洗滌器的填充物表面上。這又增加了氣流通過洗滌器的壓降并降低了洗滌效率。最后，碳酸鈣沉淀會在洗滌器的水管中形成，這增加了壓降并因而降低了水的流速。
另一個更具一般特征的固體沉淀問題是在洗氣系統(tǒng)中與壓力傳感設備相連的管道的堵塞。這種管道被用于測量凈化設備入口處的壓力，以告訴設備工程師在凈化系統(tǒng)中是否存在堵塞。所述管道(壓力感應部件)有時由于顆粒或冷凝的氣體而堵塞。如果固體積聚在所述感應管道上，相關壓力感應設備顯示的數(shù)字是不準確的，并可能發(fā)出一個錯誤的信號而致使凈化系統(tǒng)不能工作。
一個相關的問題是在水洗滌器的入口處存在固體沉淀，這可能是由于在被處理的廢氣流中存在冷凝的氣體。
因而需要消除凈化系統(tǒng)中固體的形成或使其最小化，以避免或至少改進前述固體沉淀問題。
關于使用濕法洗滌凈化半導體排出氣，在這里需要除去酸性氣體和固體，如在使用或制備Cl2、F2、HF、HCl或NH3，如金屬蝕刻、LPVCD、EPI和CVD方法，所述洗氣系統(tǒng)使用單個對流入氣體進行處理的填料塔。在填料塔的上部是一個用洗滌液(通常為水)潤濕填料物質(zhì)的噴淋機構。氣體可以通過填料塔以和下落的水同樣的方向向下流動(并流)，或與水流方向相反向上流動(逆流)。使用逆流設計具有一個優(yōu)點，因為氣體出口處(塔頂)的水是清潔的并能發(fā)揮最大的洗滌功效。另一方面，采用并流方式在塔的氣體出口處(塔底)水被所吸收的酸性氣體飽和，因而限制了凈化效率。
不過，塔的體積、加濕填料和有效地除去固體都需要使用大量的以并流或逆流方式流過填料層的水。通過填料層的水流速度優(yōu)選大于10加侖/分鐘。這種使用高流速的干凈水的造價高，所用的操作設備會耗用大量的水，尤其是缺水的地區(qū)。解決這種問題的辦法通常是使用循環(huán)泵將用過的水送至填料塔頂繼續(xù)使用，凈水(補給)的流速會降低。然而，這種循環(huán)降低適用于前述氣體種類的洗滌器的凈化效率。
一種用于提高凈化效率和減少凈水補給速度的方法是使用一種化學噴射劑。這種物質(zhì)能和溶解的氣體反應，因而準許額外的氣體分子進入含水的洗滌液中，結(jié)果使所述成份的轉(zhuǎn)化達最大化。然而，在這種工藝中使用的化學試劑是昂貴的并可能存在另外的安全問題。
因而需要開發(fā)出一種能有效地除去固體和酸性氣體而又不需要使用化學添加劑的洗氣系統(tǒng)。提供一種用于處理廢氣的洗氣系統(tǒng)也是需要的，這種系統(tǒng)相對于典型的水洗滌器的優(yōu)點是凈水的補給速度被大大地降低了，同時不需要使用化學添加劑。
因此，本發(fā)明的一個目的是解決上面所討論的與現(xiàn)有技術中廢氣處理有關的問題。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種解決現(xiàn)有技術中這種問題的廢氣處理系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種能高效地使用水洗滌器的廢氣處理系統(tǒng)。
從下面的闡述和權利要求書中本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點將更為顯見。
發(fā)明概述本發(fā)明涉及一種從廢氣流中除去不想要的成份的裝置和方法。這種不想要的成份可以包括氟氣、硅烷、氣態(tài)氟化物、全氟碳化合物、酸性氣體、氫化物氣體和鹵化物氣體。這種氣體成份的具體例子包括(但不限于此)SiH4(硅烷)、NH3(氨氣)、F2(氟氣)、HF(氟化氫)、SiF4(四氟化硅)、和COF2(碳酰氟)。
更具體地說，本發(fā)明涉及使用了濕式洗滌設備和方法的廢氣處理系統(tǒng)，所述系統(tǒng)可以減少半導體制造業(yè)產(chǎn)生的廢氣流中的不想要的成份。
一方面，本發(fā)明涉及一種除去氣流中某種氣體成份的洗氣系統(tǒng)，這種洗氣系統(tǒng)包括一個氣/液接觸室，所述接觸室包括向接觸室導入氣流和洗滌液以使氣/液接觸的裝置，此外至少具有下述特征中的一個(a)用于導入化學試劑的化學噴射器，所述化學試劑在所述氣/液接觸中和氣態(tài)成份接觸以將其從氣流中除去，任意結(jié)合一種輔助壓力引發(fā)設備，如一種在向洗氣系統(tǒng)中注入化學試劑時可防止或至少部分地減少泡沫的多孔板；(b)設置用于導入氣流的入口，一種能提高從氣流中除去硅烷的氣體通過所述入口流動；(c)接受經(jīng)第一氣/液接觸室處理過的氣流的第二氣/液接觸室，其包括向所述第二接觸室中導入用于氣液接觸的第二洗滌液的裝置，其中第一氣/液接觸室按氣流和洗滌液并流的方式建造，其中第二接觸室按氣流和第二洗滌液逆流的方式建造。
(d)向用于氣/液接觸的洗滌液中導入泡沫抑制式防泡劑的防泡劑噴射器，以抑制洗滌室中產(chǎn)生的泡，任意結(jié)合一種輔助壓力引發(fā)設備如一種在向洗氣系統(tǒng)中注入化學試劑時可防止或至少部分地減少泡沫的多孔板；(e)抑制因洗滌液含有鈣而產(chǎn)生碳酸鈣沉淀的裝置，所述裝置選自(1)對進入接觸室之前的洗滌液施加一磁場的磁化區(qū)域；(2)將洗滌液的pH值維持在8.5以下的調(diào)節(jié)裝置；(3)在接觸室使用洗滌液之前設置一用于洗滌液流動的石灰-蘇打灰床(lime-soda ash bed)；及(4)在接觸室使用洗滌液之前用于沉淀洗滌液中所含鈣的沉淀器；(f)在洗氣系統(tǒng)的通道中抑制固體形成的裝置，所述裝置選自使吹掃氣沿著通道移動以抑制固體形成的裝置，和加熱所述通道以抑制固體形成的裝置；及(g)使氣流中的硅烷(當存在時)和氨結(jié)合而除去硅烷的裝置，這種裝置選自(1)在向洗氣系統(tǒng)中導入氣流之前加熱所述氣流的裝置；及(2)根據(jù)上述(c)所說的第二氣/液接觸室，及經(jīng)第一氣/液接觸室處理過的氣流進入第二氣/液接觸室前被導入潔凈干燥的空氣或其它含氧氣體的設備。
涉及洗氣系統(tǒng)的另一方面包括向洗滌設備中導入含有硅烷成份的氣流的入口結(jié)構。在這方面，氣流沿著入口結(jié)構流動，入口結(jié)構包括用于向氣流中導入一種氣體以提高洗滌系統(tǒng)除去硅烷成份的能力的設備。這種氣體可以包括潔凈干燥的空氣(或任何其它適合的含氧氣體)。所述氣體可采用任何適合的方式導入含有硅烷的氣流，如通過浸漬管鼓泡進入流動的水中，通過浸漬管上開的孔，通過多孔浸漬管、或通過頂部的進口或側(cè)壁的孔滴下，或通過入口管的側(cè)壁導入。
所述氣體導入設備的實施例如可以包括(i)具有環(huán)形氣體導入通道的上部入口部件，包括一個與上部入口部件的氣體流動通道相連的氣體可透過的壁，增強硅烷去除的氣體可通過所述通道流動，(ii)包括具有內(nèi)壁的環(huán)形溢流液貯槽的下部入口部件，內(nèi)壁表面通過入口結(jié)構的下部入口部件連接一個氣體流動通道，和在內(nèi)壁表面上產(chǎn)生溢流下降液膜和(iii)伸進氣體流動通道的氣體入口管并在氣體導入設備的上部入口部件和下部入口部件之一的底端終止；其中所述氣體導入設備被建造和設置以將含硅烷的氣體從氣源處導入洗滌設備中。
在另一個具體的實施方案中，用于提高除去硅烷成份的氣體被導入含硅烷氣流入口的流動通道，其中所述氣體在中間位置或含硅烷氣流的四周位置導入到含硅烷的氣流，使除去硅烷的氣體(如潔凈干燥的空氣或其它含氧氣體)和所述氣流充分接觸在冷燃燒作用下通過氧化反應除去硅烷成份。
前面所述的設備可以結(jié)合一種濕壁入口結(jié)構類型，這將在下面作出更詳細地說明。
本發(fā)明還涉及一種處理廢氣的洗氣系統(tǒng)，所述廢氣包括酸氣成份和可用水洗滌的除了酸氣成份之外的成份。這種洗氣系統(tǒng)包括用含水的洗滌液洗滌廢氣所含的酸性氣體成份的第一洗滌設備，所述第一洗滌設備的建造和設置按含水的洗滌液和廢氣彼此并流的方式進行以減少廢氣中的酸性氣體成份，同時減少的還有除酸氣成份之外的可用水洗滌的成份，及與水具有反應性的氣體；在第二洗滌設備中使用含水的洗滌液以洗滌氣流中殘留的酸性氣體成份、除酸氣成份之外的可用水洗滌的成份，及與水具有反應性的成份，所述第二洗滌設備的建造和設置按第二種含水的洗滌液和廢氣彼此逆流的方式進行以減少廢氣中的酸性氣體成份，同時減少的還有除酸氣成份之外的可用水洗滌的成份，及與水具有反應性的成份；及用于將酸氣成份減少了的廢氣從第一洗滌設備引入第二洗滌設備的裝置。
在上面所描述的洗氣系統(tǒng)中，在第一洗滌設備中酸性氣體成份和溶于水/與水反應的成份將會被減少，酸性氣體成份和溶于水/與水反應的成份的濃度在含水的洗滌液中將分別達到平衡值。
本發(fā)明的另一個方面是涉及一種氣液接觸物件，在洗滌容器里具有可移動裝置，所述洗滌容器具有將氣體和液體導入洗滌容器內(nèi)部以用于氣/液接觸的裝置，這種填充介質(zhì)裝置包括一種液體可透過的結(jié)構，如含在這種可透過液體的結(jié)構中的多孔袋和大量填充物。
這里所用的術語“多孔”指穿孔、或者包括開口、空隙、vias或其它通道或開放的空間，所述孔使得液體可從中流過。多孔結(jié)構的開放空間可以隨著填充物大小的變化而變化。
本發(fā)明還涉及一種除去氣流中所含的所述氣體成份的洗氣方法，所述的洗氣方法包括將氣流和洗滌液導入氣/液接觸室并使氣/液在這里接觸，其中所述方法還至少具有下述步驟中的一個(a)導入一種化學試劑，所述試劑在氣/液接觸中和氣體成份相接觸以將其從氣流中除去；(b)在氣流進入接觸室之前向其中導入一種氣體以從氣流中除去硅烷(如果存在硅烷的話)；(c)從接觸室排出的氣體進入第二氣/液接觸室并向第二接觸室導入第二種洗滌液以用于氣/液接觸，其中第一氣/液接觸在第一室中進行，包括氣流和洗滌液的并流接觸，其中在第二接觸室中的第二氣/液接觸包括氣流和第二洗滌液的逆流接觸；(d)在所述氣/液接觸中向洗滌液導入防泡劑以防止在接觸室中產(chǎn)生泡沫，在洗滌液中任意結(jié)合一種引發(fā)輔助壓力設備以防止接觸室里產(chǎn)生泡沫；(e)抑制來自含鈣洗滌液所產(chǎn)生的碳酸鈣沉淀，包括選自如下的一個步驟(1)對進入接觸室之前的洗滌液施加一磁場；(2)調(diào)整洗滌液的pH值以保持pH值小于8.5；(3)在接觸室里使用洗滌液之前使洗滌液沿著石灰-蘇打灰床流動；及(4)在接觸室里使用洗滌液之前使洗滌液中所含的鈣成份沉淀出來；及(f)抑制在洗氣系統(tǒng)通道中形成的固體，包括選自如下步驟中的一種使吹掃氣沿著通道流動以抑制其中形成的固體，和加熱通道和/或通過氣體流動抑制形成的固體。
另一方面，本發(fā)明涉及一種減少廢氣流中含氟化合物的方法，包括在存在還原劑的條件下使所述氣流和含水介質(zhì)相接觸，所述還原劑如硫代硫酸鈉、氫氧化銨、碘化鉀、或任何其它合適的還原劑。
另一方面，本發(fā)明涉及一種減少廢氣流中含氟化合物的裝置，包括根據(jù)含有氟化合物的廢氣流的流動方向連接水洗滌設備，所述設備設有氟化合物減少的廢氣流的排出口，還有向水洗滌設備中導入還原劑(如硫代硫酸鈉、氫氧化銨、碘化鉀或類似物質(zhì))的裝置，以減少氟化合物的含量并提高氟化合物的去除率，相對于現(xiàn)有的系統(tǒng)缺少這種還原劑噴入設備。
本發(fā)明的另一目的涉及一種半導體制造裝置，包括產(chǎn)生含有氟化合物的廢氣流的半導體制造裝置；及減少廢氣流中氟化合物含量的設備，包括用于氣/液接觸的水洗滌設備；向水洗滌設備中導入含有氟化合物的廢氣流的設備；從水洗滌設備中排出氟化合物含量減少了的廢氣流的設備；及一種還原劑源，操作時與水洗滌設備可操作地結(jié)合和將還原劑導入水洗滌設備的設備。
采用這種裝置的半導體制造裝置可以是任何適合的類型，例如等離子反應室、化學汽相沉積室、氣化室、外延生長室，或蝕刻池。
本發(fā)明的另一方面涉及一種廢氣凈化洗氣系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括一種用于洗滌廢氣的水洗滌器，所述系統(tǒng)被建造和設置以具有下述功能中的至少一種(1)使用添加或噴射了化學還原劑的水洗滌廢氣；(2)用水洗滌的廢氣含有硅烷，其中潔凈干燥的空氣被導入廢氣或洗滌液；(3)使用一種包括平衡洗氣塔和精加工傳質(zhì)塔的兩段式洗氣系統(tǒng)，減少了用于洗氣的添加水量，同時相對于一段式洗氣設備提高了洗滌效率；(4)從平衡洗氣塔(3)排出的氣體在導入精加工傳質(zhì)洗氣塔之前先被加入潔凈干燥的空氣，當在廢氣流中存在氨時可除去硅烷。
(5)在上述(3)所述的兩段式洗氣系統(tǒng)中使用一種含有填料層的多孔密封結(jié)構，所述填料層作為精加工傳質(zhì)塔的填充物；(6)在洗氣系統(tǒng)中將廢氣和OF2還原劑相接觸；(7)在洗氣系統(tǒng)中通過化學防泡劑和/或限制洗滌液流動的孔板阻止泡沫的形成；(8)在洗氣系統(tǒng)中通過下述方法中的一種或多種防止CaCO3積聚(a)將用于洗滌的補給水進行磁化；(b)控制補給水的pH值；(c)蘇打灰-石灰軟化補給水；及(d)對補給水進行沉淀或絮凝處理；(9)通過將吹掃氣流通過光螺旋感應管路在洗氣系統(tǒng)中排除帶有光螺旋傳感管路的光螺旋部件的結(jié)渣，其中光螺旋感應管路根據(jù)需要可自由加熱；及(10)加熱洗氣系統(tǒng)使用的入口結(jié)構以向洗氣區(qū)域中導入廢氣。
本發(fā)明的另一方面涉及氣體洗氣系統(tǒng)的入口結(jié)構、從氣流中除去特定氣體成份的凈化裝置和方法、及具體的洗氣系統(tǒng)的特征、技術、子系統(tǒng)和方法。
以下將對本發(fā)明的其它方面，特征及實現(xiàn)方式予以評述，并且由所述公開的內(nèi)容和所附權利要求、本發(fā)明將更為顯見。
附圖簡要說明

圖1是一個測試裝置的示意圖，在除去F2和SiF4的過程中用于表征廢氣和溫度的測試設備的外形示意圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的水洗氣系統(tǒng)的剖視圖。
圖3是出口氟平衡值(以百萬分之一為單位)隨入口氟濃度變化的曲線圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明操作的洗氣設備的出口處所選擇測量的成份的濃度(ppm)隨時間變化的曲線圖。
圖5是一個入口結(jié)構的正面圖，所述按液體流動方向和洗氣設備相連的入口結(jié)構用于除去洗氣設備上游的硅烷。
圖6是另一個入口結(jié)構的部分剖視圖，所述結(jié)構用于除去廢氣流中的硅烷。
圖7根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方案的水洗氣裝置的剖視圖。
圖8是碳酸鈣沉淀速度(以磅/天表示)隨著用在水洗滌設備中的洗滌水的pH值變化的曲線圖。
圖9是水洗氣裝置貯槽中的碳酸及其衍生物的濃度隨洗滌液的pH值變化的曲線圖。
圖10是改進因素(相對于傳統(tǒng)的一段式洗氣器，當使用兩段式洗氣器時氨排出濃度的減少)相對于水流速度和不同的氨流速度變化的曲線圖。
圖11是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案裝有一網(wǎng)袋洗滌劑顆粒的部分展開圖，及一個相關的接受洗滌劑的洗滌器設備的外殼。
圖12是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的兩段式洗氣系統(tǒng)的代表性示意圖。
圖13是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方案的入口結(jié)構的正面剖視圖。
本發(fā)明的詳細說明，及優(yōu)選的實施方案下述公開的美國專利申請在這里完整地引作參考(1)美國專利申請第09/086,033號，1998年5月28日申請，發(fā)明人Jose I.Arno，名稱“現(xiàn)場除去氟化合物的裝置和方法；”
(2)美國專利申請第08/857,448，1997年5月16日申請，發(fā)明人Joseph D.Sweeney等人，發(fā)明名稱“用于向流體處理系統(tǒng)中導入含有固體微粒和/或固體形成流的防結(jié)渣入口結(jié)構；”(3)美國專利申請第08/778,386號，申請日為1996年12月31日，發(fā)明人為Scott Lane等人，名稱為“向流體處理系統(tǒng)中導入含固體顆粒流的防結(jié)渣入口結(jié)構。
本發(fā)明涉及一種廢氣凈化系統(tǒng)，例如可以包括下述特征中的一個或多個或相互兼容的特征(1)用添加或不添加化學試劑(如通過添加或噴射化學試劑，如氫氧化鉀或氫氧化鈉)的水洗滌廢氣；(2)洗滌含硅烷的廢氣，其中潔凈干燥的空氣被導入廢氣，如通過單個的、雙的或三個潔凈干燥的空氣噴射口，或在隔離液體的入口結(jié)構中通過鼓泡向液體導入潔凈干燥的空氣，如從上部開口的杯中或多孔插入件向液體或洗滌液導入空氣，可以選擇通過質(zhì)流監(jiān)測器產(chǎn)生的控制信號控制潔凈干燥氣體的流速，使含硅烷的廢氣進入洗氣系統(tǒng)，或可選擇地當并流地存在氨時加熱排出氣或流動通道，例如入口，廢氣流通過該入口流動；(3)使用包括一個平衡洗滌塔和一個“精加工”傳質(zhì)塔的兩段式洗氣系統(tǒng)，減少了所需要的補給水，同時相對于一段式洗滌設備又保持或增加了洗滌效率；(4)平衡洗氣塔(3)排出的氣體在導入精加工傳質(zhì)洗氣塔之前先被加入潔凈干燥的空氣，當在廢氣流中存在氨時可減少硅烷量，而不需要加熱廢氣；(5)在上述(3)所述的兩段式洗氣系統(tǒng)中使用一種含有填料層的多孔密封結(jié)構，所述填料層作為精加工傳質(zhì)塔的填充物；(6)在洗氣系統(tǒng)中將廢氣和OF2還原劑相接觸；(7)在洗氣系統(tǒng)中通過化學的(防泡劑)和/或物理的(孔板結(jié)構)阻止泡沫的形成；(8)在洗氣系統(tǒng)中通過下述方法中的一種或多種防止CaCO3積聚a)將用于洗滌的補給水進行磁化；b)控制補給水的pH值；c)蘇打灰-石灰軟化補給水；及d)對補給水進行沉淀或絮凝處理；(9)在洗氣系統(tǒng)中通過光螺旋傳感管路通入氮氣吹掃氣或其它吹掃氣防止光螺旋部件的光螺旋結(jié)渣，其中光螺旋感應管路根據(jù)需要可選擇地加熱；及(10)加熱洗氣系統(tǒng)使用的入口結(jié)構以向洗氣區(qū)域中導入廢氣。
本發(fā)明將會在下文中得到更詳細地描述，其中單個的特征及本發(fā)明不同方面的結(jié)合和變體可以在本發(fā)明不同的實施方案中使用。
在一個實施方案中，本發(fā)明使用化學噴射劑提高含有氟化合物的廢氣流在水洗滌處理中含氟化合物的凈化率。本發(fā)明適用于半導體制造工業(yè)，其中產(chǎn)生含有氟化合物的廢氣流，需要對其進行處理才能排放或滿足環(huán)境排放標準。
相比之下，標準水洗滌工藝不能除去高濃度的氟和其它氟化合物，本發(fā)明在技術上具有一個顯著的進步，提高了水洗氣系統(tǒng)的洗滌性能，在系統(tǒng)操作過程中減少了不想要的副產(chǎn)品的形成。
下面本發(fā)明主要介紹除去廢氣流中的含氟氣體，本發(fā)明的方法和裝置還可用于除去其它的含氟化合物及其它強氧化性氣體(如ClF3、Cl2等)和液體。
此外，本發(fā)明下面介紹的是單獨使用的洗滌設備，本發(fā)明的洗滌設備和方法還可以和其它的方法和裝置一起使用，如和熱處理設備一起使用作為預熱凈化和后熱凈化的水洗滌塔。
在本發(fā)明中使用一種還原劑提高對氟氣或其它含氟化合物的去除效率，并防止OF2的形成。還原劑可以固體或溶液的形式注入，所使用的還原劑在空氣里不易氧化。還原劑可以包括任何能在水洗滌環(huán)境中提高含氟化合物去除率的適宜的還原劑。優(yōu)選的還原劑的實例包括硫代硫酸鈉、氫氧化銨和碘化鉀。最優(yōu)選的還原劑是硫代硫酸鈉、一種無毒、非堿性、易于得到的和便宜的化合物。
本發(fā)明用于除去廢氣流中含氟化合物的裝置包括監(jiān)測含有氟化合物的廢氣流中氟化合物濃度的裝置，并相應地調(diào)整向水洗滌設備中導入還原劑的量。
這種裝置例如可以包括一種用于調(diào)整廢氣流的pH值的pH監(jiān)測設備，以一定的速度導入還原劑使還原劑的量與感應的pH值相適應。
另一方面，這種裝置可以包括一種測量廢氣流中氟含量的廢氣監(jiān)測器，根據(jù)氟化合物的感應濃度向廢氣流中以一定的速度導入一定量的還原劑。
一般地，監(jiān)測廢氣流中氟化合物的濃度的裝置可以變化較大，可根據(jù)相應的信號調(diào)整向水洗滌設備中導入的還原劑的量并被用于在含有氟化合物的廢氣流的凈化中減少還原劑的加入量。
本發(fā)明可有效地去除含氟化合物，如用作還原劑的氟，本發(fā)明提高了氟的去除率(相對于缺少這種化學試劑的水洗滌設備)并同時保持了可以接受含量的OF2。
圖1顯示了在除去F2和SiF4的過程中用來表征的廢氣流和溫度特征的裝置。一種配備有傳質(zhì)控制器的自動化氣體傳送歧管，用來向洗滌器中送入氮氣和氟氣和四氟化硅的混合物。一種水洗滌設備110用來處理廢氣流。在水洗滌設備110的出口是一個含有填料層的逆流流動精加工設備120。
為了減少洗滌器入口的腐蝕，入口的金屬部件130可以涂上鎳或其它耐腐蝕材料。此外，或作為替代方式，空氣或其它含有氧氣的氣體可以被導入入口以利于除去氣流中不想要的成份。這種空氣或其它氣體加入入口的方式可以采用鼓泡或非鼓泡形式，在本發(fā)明所給的申請中這是需要的也是想要得到的。
在水洗滌設備中待處理的氣體可以來自任何適宜的在上游過程，如等離子增強化學汽相沉積(PEVCD)方法。在這種方法中，在沉淀階段氨(NH3)和硅烷(SiH4)流入反應室以在晶片表面形成氮化硅層(典型地為Si3N4)。
在凈化階段，三氟化氮(NF3)流入所述室以侵蝕室壁上的沉淀。所述三氟化氮在反應室或緊鄰反應室前的室通過等離子作用分解為氟氣(F2)和氮氣(N2)。然后氟氣侵蝕反應室壁上的沉淀，因而“清洗”了所述室。
清洗過程中的副產(chǎn)品是氟氣、四氟化硅(SiF4)、氟化氫、未反應的NF3、及含量更少的其它化合物如碳酰氟(COF2)等。因而，在沉積步驟中，水洗氣系統(tǒng)接觸了SiH4和NH3，而在清洗步驟中，水洗氣系統(tǒng)接觸了F2、SiF4、HF、NF3、COF2和其它物質(zhì)。
其它的上游方法產(chǎn)生了通過本發(fā)明的裝置和方法易于處理的氣體排出物，包括(但不限于此)金屬蝕刻、氧化物蝕刻、聚合物蝕刻(polyetch)、氮化物蝕刻、低壓化學汽相沉積(LPVCD)、外延硅(EPI)、鎢化學汽相沉積(WCVD)、鎢蝕刻、聚硅、常壓化學汽相沉積(APCVD)、絕緣的化學汽相沉積(DCVD)及其它物質(zhì)。
選取一些點來測量洗滌器內(nèi)的氣體和水的溫度以在凈化過程中控制所述方法。所述凈化系統(tǒng)可以通過適宜的裝置控制，如包括計算機140的控制方法和控制系統(tǒng)。
洗滌器排出的紅外活性的氣相物質(zhì)被送入一種用于定量分析的FTIR分光光度計，如從MIDAC公司購買的MIDAC I-2000FTIR分光光度計。這種設備配備有長度為10米的涂鎳氣室150，并配有ZnSe窗和一種液氮冷卻的MCT測試儀。這種分光計配備有合適的監(jiān)測裝置，如在0.5cm-1的分辨率下平均16次掃描覆蓋了600-4200cm-1之間的光譜區(qū)域。定期(如每30秒)收集全部光譜以連續(xù)而又及時提供有關被測物質(zhì)的特征和濃度參數(shù)。通過就地使用已知的SiF4的HF的濃度校準分析儀以得到精確地定量分析值。使用MIDAC公司出版的定量分析光譜庫將二氟化氧(OF2)的吸光度轉(zhuǎn)換為濃度。
使用氣體感應室160以一個連續(xù)的方式分析含氟氣體，如一種氟氣/純空氣感應室(純空氣監(jiān)測系統(tǒng)，也包括在內(nèi))。這種電化學(pH)感應器使用了氣膜電鍍室技術以監(jiān)測有毒氣體的低濃度。這種感應器被特別設計以就地監(jiān)測在水蒸汽飽和條件下的F2。為了在監(jiān)測設備的監(jiān)測范圍內(nèi)(3ppmF2)進行連續(xù)地分析，洗滌氣體排出氣的已知流速被計量過的氮氣流稀釋。所結(jié)合的氣流被導入裝配有氟氣感應器的混合室170。監(jiān)測器對氟氣濃度的變化做出響應。每隔30秒濃度數(shù)據(jù)被送入計算機。通過根據(jù)已知的氟氣濃度校準感應器可得到精確的定量分析結(jié)果。
一種還原/氧化(REDOX)電極可替代pH計以控制化學物質(zhì)的噴射速度。不象pH計(根據(jù)酸的濃度決定何時添加還原劑)，REDOX電極是當貯液槽中水溶液的離子電壓達到一給定值時引發(fā)還原劑的加入。REDOX電極相對于pH控制系統(tǒng)的改進在于根據(jù)溶液的離子電勢噴入還原劑相對于pH調(diào)控的噴入方式是一種更直接的在溶液中平衡化學反應的方式。
圖2更詳細地說明了水洗滌器210，所述洗滌器類似于圖1系統(tǒng)中的水洗滌設備110。在水洗滌器中使水和污染氣流垂直并流進行操作。在一個面積很大的填料區(qū)域220中水活性物質(zhì)和水相接觸而發(fā)生水解。所得到的液體落入水槽中或貯液槽230，所得到的凈化氣流通過與一個風機相連的垂直管排出洗滌器。水洗滌器中的動力水包括流入系統(tǒng)中的新鮮水或補給水，排出水，及貯存在貯液槽230中的持續(xù)循環(huán)的水。使用安裝在氣體排出口的逆流填料精加工層240提高洗滌器的性能。入口250涂有鎳以減少固體沉淀并保護入口免受腐蝕。如圖2所示洗滌器中氣體的溫度和水溫在九個選取的點測量。
作為一種替代方式，可向系統(tǒng)中噴入化學試劑以提高含氟氣體的去除率并防止OF2副產(chǎn)品的形成，配有一種裝置向水溶液提供電子以完成下述反應和雖然可以使用任何適合的裝置提供電子，優(yōu)選的裝置使用插入洗滌液槽中的電極，所述電極和外部的直流電(DC)源相連。除了不需要加入化學試劑之外，產(chǎn)生電子只需要使用少量的直流電。
作為另外一種相關類型的裝置，它勿需噴入化學試劑就能提高含氟氣體的凈化率并防止OF2副產(chǎn)品的形成，使用犧牲陽極的方法向溶液中提供電子，例如陽極由金屬網(wǎng)或金屬板組成，并插入洗滌液貯槽中。金屬(M)如下式所示進行分解
在操作中，洗滌液槽中水溶液的酸性將防止在金屬表面上形成不期望的鈍化層。不象上面所描述的電解池，使用犧牲陽極的方法不需要外加電源。相反，犧牲陽極裝置的操作是基于伏打電池或原電池原理，根據(jù)這一原理犧牲金屬自發(fā)的氧化反應產(chǎn)生所需要的電子。
本發(fā)明的另一個實施方案涉及在水洗滌器中除去二氟化氧，而不需要加入化學還原劑。一方面，可以采用適合的射線照射排出介質(zhì)來完成二氟化氧的光分解，如使用波長為365納米的紫外光(在室溫下OF2在這個波長下出現(xiàn)量為1的氣相光分解；參見Gmelin Handbook，F(xiàn)Suppl.Vol.4，45頁)。這種射線接觸可以在洗滌器的排氣裝置或洗滌設備的主填料層進行。
在水洗滌器中不需要加入化學還原劑就能除去二氟化氧的另一種替代方式，洗滌器廢氣流可以被加熱至適宜的溫度，如250-270℃。在這個溫度下OF2通過單質(zhì)分子反應而分解(參見Gmelin Handbook，F(xiàn)Suppl.Vol.4，43頁)。
作為在水洗滌器中除去二氟化氧的另一種替代方式，向洗滌液中導入反應物以通過反應除去二氟化氧?？梢宰鳛檫@種目的的化學試劑包括(但不限于此)AlCl3、NH3、As2O3、Br2、CO、Cl2、(Cl2+Cu)、CrO3、H2、H2S、I、Ir、CH4、O3、(O2+H2O)、Pd、P2O5、Pt、Rh、Ru、SiO2。
在另一種實施方案中，鉑或鈀催化劑可用在水洗滌器的下游以凈化二氟化氧，從外部加入氫，或就地通過硅烷的分解產(chǎn)生氫，或向洗滌液中鼓泡加入氫，以上述方式提供反應濃度的氫。
本發(fā)明的特征和優(yōu)點在下面所述的實施例中會得到更詳細地說明。
實施例1在圖1和圖2顯示的一般類型的系統(tǒng)中，通過等離子反應室的凈化除去模擬半導體制造裝置中產(chǎn)生的廢氣流中的SiF4。
下面的表1概括了四氟化氫的凈化結(jié)果(破滅和凈化效率，％DRE)，噴入或不噴入苛性試劑。在這種情況下的凈化不包括還原劑的導入。
用120slpm氮氣平衡的固定濃度(300ppm)的四氟化硅被導入水洗滌器。所選擇的試驗條件代表或超過了在典型的等離子凈化過程中所釋放的廢氣濃度。被測得的凈化效率是水流速(0.5和1gpm)和洗滌器pH值(加入或不加入苛性試劑)的函數(shù)。在所有研究的情況中，所測得的洗滌器出口處的HF和四氟化硅的濃度略微高于光度計的監(jiān)測限，并明顯地低于它們各自的極限值(TLV)(SiF4TLV＝1ppm，HF TLV＝3ppm)。
表1在120slpm氮氣中入口濃度固定為300ppm的四氟化硅的凈化結(jié)果的總結(jié)

實施例2流速為0.5-5slpm的氟氣被導入裝配有鈍化的歧管的Vector-100水洗滌器(ATMI Ecosys Corporation，San Jose，CA)。用50slpm的平衡氮氣稀釋所述氣流使氟氣的濃度在1-6％之間。此外，通過將氮氣流速增至200slpm研究對洗滌器內(nèi)殘留時間的影響。使用標準的(1.2gpm)和低的(0.75gpm)水流速度測試洗滌器裝置的性能。當氟氣的濃度高時使用硫代硫酸鈉提高含氟氣體的去除率并防止副產(chǎn)品OF2的形成。
表2概括了實驗數(shù)據(jù)，并表明通過噴入作為還原劑的硫代硫酸鈉所獲改進。
表2氟氣去除結(jié)果的概括

使用標準式定義的破滅和凈化率百分數(shù)(％DRE)％DRE＝100×(1-出口F2平衡濃度/入口F2濃度)其中入口F2濃度是以ppm表示的F2入口濃度，出口F2平衡濃度按下式定義出口F2平衡濃度＝(出口F2濃度)ppm+1/2(出口HF濃度)ppm+(出口OF2濃度)ppm在上面的式子中，用入口和出口濃度定義DRE百分數(shù)，根據(jù)稀釋結(jié)果來調(diào)整，由于稀釋影響了濃度。這種測定顯示了出口氟的實際值相對于進入洗氣系統(tǒng)氟實際值的比值。
在所測試的各種條件下，水洗滌器對進入氟氣的去除率超過99％。應該注意到表2所示的去除效率表征了本發(fā)明的還原劑增強型水洗氣系統(tǒng)在最不利的情況下處理傳統(tǒng)的等離子室凈化釋放的廢氣。
最重要的是，表中所示的出口濃度代表了在長時間的和連續(xù)的向洗滌器中送入含氟氣體后所達到的平衡值。經(jīng)測試達到這種穩(wěn)定的狀態(tài)的時間在10-30分鐘，這取決于起始的氟氣濃度。洗滌室的延續(xù)時間一般是達到平衡時間的一部分。
圖3顯示了水的使用對氟氣凈化效率的影響。如已經(jīng)知道的，添加水的流速影響洗滌效率，這在高氟問題下是一個限定性因素。在沒有化學增強劑的情況下，當分別使用0.75和1.2gpm的水輸送約3％和6％的F2時(50slpm氮氣壓載物)，洗滌器出口處OF2的濃度超過3ppm。測試8-10(見表2)證實了化學噴射劑除了提高洗滌效率之外還阻止了OF2的形成。例如，測試6和8的試驗條件除了加入化學增強劑之外是類似的。使用化學噴射劑會使HF和F2的出口濃度降低10倍，并將OF2的濃度降至監(jiān)測限以下。
圖4顯示了洗滌器貯液槽pH值及HF和F2的排出濃度隨著時間的變化。所述曲線顯示了氣體的穿透(breakthrough)被明顯地延遲并為水pH值的函數(shù)。第二，在典型室凈化中釋放的隨時間而變化的氟氣濃度是不連續(xù)的。在起始階段，在所述室中產(chǎn)生的大量氟氣被用于和二氧化硅反應釋放出SiF4氣體。只是在SiO2被耗盡以后過量的氟氣通過設備釋放出來。
在試驗過程中收集的溫度數(shù)據(jù)顯示了放熱反應產(chǎn)生的熱量在洗滌器內(nèi)被有效地分散。在洗滌器入口內(nèi)引入的氣體和水蒸汽之間第一界面溫度變化測量值被記錄下來。在最高氟難題下最高溫度從17℃增到26℃(ΔT＝9℃)。周圍的熱交換器中的循環(huán)水吸收了F2水解所釋放的大量熱。此外，測試完成后在洗滌器內(nèi)部的任何地方?jīng)]有發(fā)現(xiàn)腐蝕的痕跡或材料的損壞?？偟膩碚f，洗滌器接觸并有效地凈化了3.2lbs.(相當于855升)氟氣。
前述的數(shù)據(jù)顯示了本發(fā)明的優(yōu)點，提高了從含氟氣流中除去氟氣的凈化率。
另一方面，本發(fā)明涉及用于減少硅烷的廢氣處理系統(tǒng)，即SiR4，其中R例如可以是氫、鹵代(F、Cl、Br、I)烷基(如C1-C8)、烷基、烷氧基、烯烴、炔、或任何其它適合的替代物。下面的討論直接是硅烷(SiH4)，應該理解其它的硅烷衍生物可同樣被凈化，例如四甲基乙烯基硅烷(TMVS)。
令人驚奇的是意外地發(fā)現(xiàn)當使用中性水作為洗滌液時在高效水洗滌設備中硅烷被分解的效率高達約50％。這是個令人十分驚奇的結(jié)果，因為人們都知道硅烷難溶于水并和非堿性水溶液沒有反應性。這可能是由于中性水中存在的少量氧氣充當了硅烷在水中反應的催化劑。
雖然在有些時候硅烷的凈化效率低于100％，硅烷在水洗滌器中會發(fā)生反應(甚至是適中的)是一個意義深遠的發(fā)現(xiàn)。在實際應用中，產(chǎn)生含硅烷廢氣的工業(yè)裝置不總是需要高效地分解硅烷；有時只需要將硅烷的濃度降至低爆炸極限之下。簡單地通過在水洗滌器中加入附加的水洗滌步驟，或向補給水中鼓泡加入空氣能提高分解率。
在水洗滌器中減少硅烷的第二種方法是使用苛性的化學噴射劑，如氫氧化鉀。前面所描述的水洗滌器可以裝配一種一體化化學試劑噴射系統(tǒng)，所述系統(tǒng)能計量加入水洗滌器的化學噴射試劑的速度，或根據(jù)給定點測量洗滌液pH值來決定。
前述方法的優(yōu)點是對于硅烷的凈化不需要熱氧化洗滌器或熱氧化室，所以廢氣處理系統(tǒng)的費用相對于使用熱氧化處理設備的系統(tǒng)顯著減少。另一個優(yōu)點是可避免腐蝕，因為酸性氣體沒有被加熱。另一個優(yōu)點是在洗滌器中生成了反應副產(chǎn)品二氧化硅，因而用廢水就可以洗除。在熱氧化設備中常出現(xiàn)的二氧化硅或氮化硅引起的堵塞可以避免。
在另一個實施方案中，使用圖5所示的入口室300可除去硅烷，所述室被特別設計以在包括這種洗滌設備的凈化系統(tǒng)中除去洗滌設備314上游的硅烷。含硅烷的氣體從上游處理設備(圖中未示出)經(jīng)過進料管道302輸入進口室300的入口通道304，然后流入進口管306，同時由合適的水源(圖5中未示出)經(jīng)管道318向進口管306中加入水。在進口管中，來自管道302的氣體和來自管道318的水相混合，同時噴入潔凈干燥的空氣(CDA)以有利于硅烷成份的氧化。如圖5所示沿著進口管間隔分布的噴入管道308、310和312，所述CDA可以連續(xù)地噴入氣/水混合器。
所得到的氣/空氣/水混合流然后進入洗滌設備314，氣流被水洗滌后得到硅烷含量減少的氣體，所述凈化后氣體從洗滌器314進入排出管道316。
入口室300可以由適宜的防腐材料(如不銹鋼)制成并用作非熱氧化器，并向進口管道中導入潔凈干燥的空氣。這種設計相對于傳統(tǒng)的熱氧化器的優(yōu)點在于不需要熱量，不會形成NOx，及由于溫度(如環(huán)境溫度或接近環(huán)境溫度)低而避免了腐蝕。
在操作中，在特定的位置向不銹鋼進口管306中通入廢氣和CDA。CDA和硅烷反應生成二氧化硅(SiO2)、硅酸(H2SiO3)、或一些含水的硅酸鹽(SiO2*xH2O)。不需要閃光或熱量，即使硅烷的入口濃度低于它的LEL。硅烷的凈化效率可高達95+％。根據(jù)進入入口處的廢氣流的具體特征(如硅烷濃度和N2流速)來調(diào)整用于凈化硅烷的CDA流速。
CDA可以在一個或多個位置同時導入進口管，或者按先后順序?qū)?。還可通過鼓泡進入洗滌液。這樣，在實際應用中硅烷的分解效率可以有選擇性地提高。當使用多個CDA段，在CDA段之間的距離可以通過實驗最優(yōu)化，所述距離是全部氣體流速和硅烷流速的函數(shù)。
這種入口結(jié)構的改進可以包含將含硅烷的氣流質(zhì)流控制器(MFC)和控制CDA進入入口的結(jié)構的閥相連。設置這樣的系統(tǒng)是當MFC不能工作時，CDA會打開，使有選擇的CDA流速進入特定的CDA段。這種附加的CDA使多余的流入洗滌器的硅烷得到凈化。這種控制系統(tǒng)還可使用N2代替CDA使用，因為N2可作為稀釋劑以確保硅烷的濃度低于它的LEL水平。
作為一個安全特征，需要使用大量的CDA控制硅烷的點燃，或用惰性氣體(如N2)稀釋硅烷。當MFC被正確地操作時不需要持續(xù)地高速流動CDA或N2，因為這樣會浪費CDA或N2。
除了CDA之外，水也是一種在入口裝置的操作中所需要的成份。所述水可以垂直進入入口裝置，這樣在廢氣通過的進口管的周圍形成了一外殼套。在一個描述的實施方案中，水被強制進入入口裝置的頂端并通過堰流動，以致于廢氣通過的管道的四周形成了一個濕的壁柱。濕的壁柱使入口裝置保持冷卻，還可除去任何硅烷/O2反應的固體副產(chǎn)品。這種裝置可以包括美國專利申請第08/857,448號申請，申請日1997年5月16日，發(fā)明人Joseph D.Sweeney等人，發(fā)明名稱“用于向流體處理系統(tǒng)中導入含有固體微粒和/或固體形成流的防結(jié)渣入口結(jié)構；”及美國專利申請第08/778386號，申請日為1996年12月31日，發(fā)明人為Scott Lane等人，名稱為“向流體處理系統(tǒng)中導入含固體顆粒流的防結(jié)渣入口結(jié)構，它們公開的內(nèi)容在這里完整地引作參考。
入口裝置另一個可能改進的方案包含將CDA鼓泡進入水中，在進口管通道的內(nèi)部形成濕的壁。
可以理解加入的CDA的最佳量依賴于所述裝置的操作中SiH4、N2、和其它氣體如NH3的具體流速。例如最佳CDA流速為每小時0.1-100標準立方英尺(scfh)。
圖6是另一個入口裝置400的部分剖視圖，所述裝置用于減少廢氣流中的硅烷含量。
入口裝置400接收來自上游源(圖中未示出)的含硅烷的廢氣，如來自半導體制造設施。氣體在管道402中導入并流入上部裝配有光照相部件406的入口管404。光照相部件可以通過較高溫度的氮氣或其它合適的氣體來加熱，或在環(huán)境溫度下，因而可防止所述部件出現(xiàn)堵塞(如在所述部件的通道的內(nèi)部，或在所述部件的周圍外殼套)。
這種設置可防止當廢氣含有可冷凝成份時光照相部件出現(xiàn)堵塞。
入口管404向下伸入比入口管的橫截面大的下部管狀通道構件410，將氣體排放到下部管狀通道構件410的內(nèi)部通道460。
下部管狀通道構件410包括一個上部裝配有氣體進入部件414和416的圓柱形外壁。氮氣或其它合適的氣體在壓力增至適當?shù)乃较陆?jīng)管道418流入內(nèi)部環(huán)形通道412。通道412與同外壁呈放射狀的空間分隔關系的多孔內(nèi)壁420結(jié)合。多孔內(nèi)壁可以由燒結(jié)的金屬、多孔篩或其它合適的可透過氣體的材料組成，所述內(nèi)壁使加壓的空氣經(jīng)過能透過的壁進入與內(nèi)部通道460相連的內(nèi)部通道430。
采用這種方式，上部部件和加壓的氣體相屏蔽，從而防止內(nèi)部的室表面和氣體接觸，因而固體在室表面上的冷凝或沉淀被減至最小。管狀通道構件410的上部被一個環(huán)形法蘭452蓋住，所述法蘭在裝置中通過O-環(huán)422和424密封。環(huán)形法蘭通過一個鎖緊環(huán)450固定，所述鎖緊環(huán)選擇的是可人工分離以允許內(nèi)部通過和分解裝置的結(jié)構。
管狀通道構件410的下部的特征在于外壁440和內(nèi)壁442呈放射狀空間分離關系，在它們之間形成了一個環(huán)狀空腔444。和環(huán)狀空腔相連的是一個連有合適的水源的水入口448。導入的水進入環(huán)狀空腔444并通過內(nèi)壁442上的上端446溢流流入壁442的內(nèi)表面，使室表面和待處理的氣流不接觸，同時并流地沖洗壁表面而除去任何可能和下降的水膜相接觸的顆粒。
管狀通道構件410的最下部連在一個徑向伸展的法蘭454上，在法蘭454的下面有一個襯墊456以防漏并使入口設備緊緊地固定在下游設備上，如水洗滌設備、氧化設備、化學試劑室、或其它廢氣處理系統(tǒng)的部件。
當使用圖6的入口設備將含硅烷的氣流導入洗滌器設備時，可有效地分解硅烷使其濃度處于低爆炸限以下。當在入口處潔凈干燥的空氣通過鼓泡進入水中時，在適當?shù)腃DA流速下硅烷的凈化率可達到98％+，如流速為約4-5標準立方英尺/小時。另一方面，CDA可以通過圖6所示的一個或兩個氮氣部件流動。
作為一個硅烷去除效率的具體實施例，圖6所示的結(jié)構用于含有硅烷的氣流的洗滌處理，及向氣流中導入潔凈干燥的空氣，下面的表A顯示了這樣一種洗氣系統(tǒng)的測試結(jié)果，兩者都是加入和不加入苛性(氫氧化鈉)添加物(象文中其它部分所描述，這種化學添加物可通過噴入洗滌設備的化學試劑發(fā)生作用)。
表A中的數(shù)據(jù)包括硅烷成份的入口濃度，以體積百萬分數(shù)表示(ppm)，其出口濃度，硅烷流速為480標準立方厘米/分鐘(sccm)，洗滌速度(洗滌液流速)為1加侖/分鐘(gpm)和0.5gpm，同時潔凈干燥的空氣的流速以標準立方英尺/小時(scfh)表示，及硅烷的干燥去除率百分數(shù)(干基的效率)，％DRE。
表ASiH4分解，硅烷流速為480sccm


前面顯示了在洗滌器的上游的氣流中導入CDA能有效地除去氣流中所含的硅烷。
在本發(fā)明中還可使用其它入口裝置，這種裝置可以包括美國專利申請第08/857,448號申請，申請日1997年5月16日，發(fā)明人JosephD.Sweeney等人，發(fā)明名稱“用于向流體處理系統(tǒng)中導入含有固體微粒和/或固體形成流的防結(jié)渣入口結(jié)構；”及美國專利申請第08/778,386號，申請日為1996年12月31日，發(fā)明人為Scott Lane等人，名稱為“向流體處理系統(tǒng)中導入含固體顆粒流的防結(jié)渣入口結(jié)構”，它們公開的內(nèi)容在這里完整地引作參考。
作為另一種除去氣流中硅烷的裝置，在洗滌操作之前或同時氫氧化鉀或其它合適的反應劑可以和氣流接觸，以基本上完全除去待處理氣流中所含硅烷。
在洗滌器中可能出現(xiàn)起泡現(xiàn)象，本發(fā)明在另一個實施方案中采用一定的方式以防止起泡，如待處理氣流中存在的原硅酸四乙酯(TEOS)或氯代硅烷會產(chǎn)生泡沫，在洗滌液環(huán)境中也會促使泡沫形成。在本發(fā)明的一個實施方案中，一種防泡劑可以噴入洗滌器。在另一個實施方案中，對與洗滌器相連的循環(huán)泵的排出管道進行結(jié)構改動，使導入洗滌塔填料層的循環(huán)的洗滌液的流速和壓力降低。具體地說，在循環(huán)泵排出管上設置一孔板以減少循環(huán)液的流速和壓力。這種孔板還會使泵產(chǎn)生輔助壓力，減少或消除初始泡沫或氣穴的形成，所述氣穴在有些時候，尤其是當TEOS或鹵代硅烷存在時會導致泡沫的形成。
更具體地說，通過圖7所示的化學噴射設備一種防泡的化學添加劑可以被加入水洗滌器中。
圖7顯示了一個水洗滌器500，氣流通過管道502導入圖中所示的入口結(jié)構504中。在洗滌室506中用含水的洗滌介質(zhì)洗滌氣流，洗滌后的氣流從洗滌室506經(jīng)過排出管道508被排出，還可通過后洗滌設備510，最后通過管道512從洗氣系統(tǒng)排出部件511排出。洗氣系統(tǒng)包括一個接收來自管道505中洗滌液進料和排放排出物和排出管518中的洗滌介質(zhì)的洗滌液循環(huán)泵514。化學噴射試劑通過管道520從化學噴射設備524的化學噴射管522流入循環(huán)泵514。添加的洗滌液通過進料管516流入后洗滌設備510。一種控制室526包括適合的監(jiān)視器、感應器、檢測儀器、計算器、調(diào)整和驅(qū)動設備，從而控制洗滌器系統(tǒng)和化學噴射設備。
化學試劑噴射系統(tǒng)524可用于噴射防泡化學試劑。所使用的防泡劑是合適的類型，其加入的濃度足以改變洗滌液的表面張力以防止泡沫的形成。本發(fā)明的防泡劑的實施例可以在寬范圍內(nèi)選擇，包括可由Dow Coming Corporation購得的防泡劑1410和1430，其為硅烷基材料。這種硅烷防泡劑材料使用時的濃度相對于含水洗滌介質(zhì)中的活性硅烷約為1-100ppm(重量)。在具體地應用中通過改變加入洗滌介質(zhì)中的防泡劑的量和監(jiān)測洗滌器中產(chǎn)生的泡沫決定加入的防泡劑的濃度。
另一種減少泡沫的方法是在泵循環(huán)管道上改變管道系統(tǒng)。例如在泵循環(huán)管道上設置一限流孔板，以減少或消除泡沫的形成。這種孔板減少了循環(huán)液的流速，以致于在操作中只有較少的洗滌液撞擊洗滌室中的填料表面，孔板還可作為壓降設備。這樣在填料塔上部洗滌液排出噴嘴的位置處壓力可以有效地降低。
在這種裝置中，限流孔板在系統(tǒng)的不同位置降低了系統(tǒng)中流體(洗滌液)的機械攪拌，如(i)在噴嘴處，由于通過它們的較低壓降；及(ii)在填料表面，由于在液面撞擊中只有較低的沖擊；及(iii)在泵的內(nèi)部，由于通過泵的液體流速較低。還可以在泵中形成輔助壓力，所述輔助壓力在某種程度上減少或消除了導致初始泡沫和氣穴的出現(xiàn)，尤其是當TEOS或鹵代硅烷存在時。
多種途徑可用于減輕廢氣處理系統(tǒng)中的碳酸鈣沉淀。一種途徑使用一種磁化工藝，其中添加水流過磁鐵。第二種途徑使用一種pH控制系統(tǒng)。第三種途徑使用石灰-蘇打灰塔來處理(軟化)添加水。第四種途徑是在洗滌器的上游使固體沉淀。
使用石灰-蘇打灰來軟化水在Pontius，F(xiàn).W.“Water Quality andTreatment”，4th Ed.，McGraw-Hill 1990，p.359有更詳細地描述，它描述了主要由鈣離子和鎂離子引起的硬度，所述鈣鎂離子是在地下水中存在的可溶性化學物質(zhì)(例如Ca(HCO3)2和Mg(HCO3)2)。通過石灰-蘇打灰軟化，這種可溶性化學物質(zhì)被轉(zhuǎn)化為不溶沉淀物碳酸鈣(CaCO3(s))和氫氧化鎂(Mg(OH)2(s))。
當兩種因素同時存在時通常出現(xiàn)碳酸鈣沉淀的問題。第一個因素是當?shù)氐乃泻写罅康目扇茆}鹽。第二個因素是所處理的氣流含有氨、所述氨提高了洗滌液的pH值。pH值的增加反過來促使可溶鈣鹽沉淀為碳酸鈣。
在一個實施方案中，通過使添加水通過磁鐵在洗氣系統(tǒng)中可防止碳酸鈣沉淀的形成。磁鐵用于使碳酸鈣離子和顆粒在進入洗滌器之前結(jié)合在一起。因而形成的離子和顆粒在通電下被防止粘在洗滌器的內(nèi)表面上。磁化裝置在現(xiàn)有技術中是已知的，根據(jù)本發(fā)明這種裝置可以適用廢氣凈化系統(tǒng)，以防止在洗滌液中出現(xiàn)碳酸鈣沉淀或其它沉淀物質(zhì)，通過使洗滌液(如水)通過磁化區(qū)域可限制或防止產(chǎn)生這種沉淀物質(zhì)。
在另一個實施方案中，通過控制洗滌液的pH值來控制洗氣系統(tǒng)中碳酸鈣的形成。如圖8所示，這是一個碳酸鈣沉淀相對于貯液pH值的變化曲線圖(洗滌設備的貯槽中的液態(tài)洗滌介質(zhì))，如果洗滌液的pH值保持在約8.5以下碳酸鈣將不會沉淀。
如圖9所示會形成Ca(HCO3)2(碳酸氫鈣)，它是CO2(水合)、H2CO3(水合)、HCO3-(水合)和CO32-(水合)的摩爾濃度相對于貯液pH值變化的曲線圖。碳酸氫鈣可溶于水而不會形成沉淀。為了控制pH值，洗滌器系統(tǒng)可以使用一體化化學試劑噴射系統(tǒng)(見圖7)。任何合適的化學試劑可用于控制pH值，例如包括酸如硫酸(H2SO4)和鹽酸(HCl)。
在另一個實施方案中，通過在洗滌設備的上游從洗滌介質(zhì)中除去鈣而防止碳酸鈣沉積。例如，洗滌設備的添加水可以通過一含有石灰和蘇打灰的塔。當所述水通過塔時，鈣離子會沉淀為碳酸鈣。
在另一個實施方案中，通過使添加水通過一絮凝室形成鈣沉淀或鈣絮凝物而防止碳酸鈣沉淀。絮凝室的內(nèi)部，一種化學添加劑(如氟化鈉)用于使鈣形成不溶性CaF2。另一種方法，使用氫氧化鈉的絮凝方法可以提高pH值，同時將二氧化碳氣體通入所述室。二氧化碳氣體在堿液中會轉(zhuǎn)變?yōu)镃O32-離子，然后鈣離子和CO32-復合形成固體——CaCO3。
為解決前述在洗氣系統(tǒng)的感應部件出現(xiàn)的形成固體和堵塞的問題，少量的惰性氣體吹掃氣(如氮氣)可以防止壓力感應部件出現(xiàn)固體沉淀，通過使惰性氣體以適當?shù)膲毫土魉偻ㄟ^壓力感應部件。這種吹掃氣的壓力必須足夠低以致于在壓力感應設備不會產(chǎn)生輔助壓力，否則會導致壓力讀數(shù)不準確。然而吹掃氣流必須足夠大以吹走任何存在的冷凝氣體，或清洗顆粒進入壓力感應部件的通道。當存在可冷凝氣體時所述惰性氣體還可以被加熱，這將進一步地防止所述部件上產(chǎn)生固體。
還需要將洗氣系統(tǒng)入口處產(chǎn)生的固體減到最小。就此來說加熱入口氣體輸送管道是有益的，由于這樣會使所有可冷凝氣體以氣相存在直到所述氣體進入洗滌器。
本發(fā)明的另一方面涉及一種兩段式洗氣系統(tǒng)，它將解決現(xiàn)有技術的廢氣處理系統(tǒng)中單段式洗滌設備面臨的問題。本發(fā)明的兩段式洗氣系統(tǒng)包括一個連有傳質(zhì)塔的平衡塔。平衡塔內(nèi)的操作十分接近于平衡和理想的享利定律(Henry’s Law)的狀態(tài)，但是塔長很短。下面的傳質(zhì)塔產(chǎn)生了另外高于第一塔中享利定律限定的水平。如果僅使用并流平衡塔，在低的水流速下就不能獲得高的效率，而在逆流塔中卻可以達到。然而，對于逆流塔，塔的高度高于工業(yè)裝置(如半導體制造)中所能接受的塔高，即所述塔在這種裝置中超過了所能接受的高度。
通過在傳質(zhì)塔的后面使用平衡塔，在低用水量的情況下可以到所能接受的塔的高度和優(yōu)良的廢氣凈化效率。就本發(fā)明的兩段式洗氣系統(tǒng)來說，這在技術上是一個顯著的進步。
此外，本發(fā)明的兩段式洗氣系統(tǒng)在處理廢氣流中十分有利于顆粒和沉淀的去除。平衡塔具有大的水流速和“寬開口”的桶結(jié)構，在初始氣體洗滌的操作中具有有效地洗滌性能。第二洗滌設備的傳質(zhì)塔的直徑和水流速度都小于第一洗滌設備。這種較小直徑/水流速度本身意味著在使用中極易堵塞，但是本發(fā)明中通過上游的平衡塔保護傳質(zhì)塔，在這種兩段式洗氣系統(tǒng)中堵塞可以避免。
因而本發(fā)明的兩段式洗氣系統(tǒng)包括第一洗滌階段(包括一填料塔)，其中廢氣沿著塔與洗滌介質(zhì)并流流動，如方向向下。在略微高于填料塔的位置可裝置一循環(huán)設備(如旋轉(zhuǎn)噴嘴)，因而來自洗滌器底部貯槽中的水以很高的速度循環(huán)。所述塔用于除去大部分酸性氣體可溶于水的氣體(除了酸性氣體之外)，它還可以除去許多或者存在于進入氣流中的固體，或者在洗滌器內(nèi)由進入的氣流和水反應形成的固體。
洗滌器的第一階段對于給定氣體物質(zhì)的去除效率依賴于氣體的流速和添加水的流速，通過改變各自的流速和測定去除的速度和程度不需要過多的試驗就可決定上述氣體流速和水的流速，從而決定氣體流速和洗滌液的流速，它們將為洗滌器第一段裝置提供所需要的效率。
進行了部分處理的氣流從第一段洗滌設備進入第二段水洗滌設備，在這里不想要的成份的濃度被進一步降低。所述“精加工”塔是一個氣體以逆流方式通過的垂直塔。這種塔優(yōu)選小于第一階段的塔。相對于第一階段塔較小尺寸的塔只需要更低流速的水便可潤濕填料層。所需要的水流速度是足夠低以致于可用新鮮的添加水可達此目的。因而塔的效率較高，兩段式洗氣系統(tǒng)的操作不需要使用化學噴射試劑或大量的新鮮水。
相對于傳統(tǒng)的單段水洗滌器，使用兩段式水洗滌器具有以下幾種優(yōu)點。對于給定的添加水的流動速度，這種兩段式設計可以達到更高的洗滌效率。另一方面，如果需要一種給定的效率，兩段式設計允許添加水的流速顯著降低。最后，兩段式裝置可以使洗氣系統(tǒng)接受更高的氣體流速，同時相對于單段式洗氣系統(tǒng)又能保持同樣的效率和添加水的流速。
在兩段式洗氣系統(tǒng)中，相對于單段式洗滌設計第二段使用較小流速的添加水同樣能增加洗滌效率。使用精加工洗滌器可以避免為了達到一定的(在兩段式洗氣系統(tǒng)中可以實現(xiàn)的)洗滌效率需要使用的化學噴射試劑。
在現(xiàn)有技術的單段式洗氣系統(tǒng)和本發(fā)明的兩段式洗氣系統(tǒng)的比較中，在各自的系統(tǒng)中通過水洗滌來處理氟氣、含氟的氮氣流。所得到的數(shù)據(jù)如下面的表B所示。
表B


前述數(shù)據(jù)顯示兩段水洗氣系統(tǒng)既提高了氟的凈化率，又降低了水的消耗量。
在一個具體的實施方案中，兩段式洗氣系統(tǒng)的第一段包括一個直徑為21英寸高度為18英寸的填料塔，半導體制造裝置排出的氣體以并流的方式通過它。第二段塔的直徑為4英寸高度為18英寸，相對于第一段塔允許更低的水流速度。對于這種設計使用小于0.5GPM的水流速度便可潤濕填料層；因而基于此目的可以使用新鮮的添加水。
在一個具體的實施方案中，在(第二塔)精加工塔中可使用一種新的塔壁內(nèi)襯，所述內(nèi)襯增加了精加工洗滌塔的效率。內(nèi)襯還可作為含有精加工洗滌器的填料材料的軟襯底。這種設計使得如果需要清洗時精加工洗滌器容易被去除和更換。此外，這種設計可以很容易對本領域中存在的單洗氣系統(tǒng)進行更新。
圖10是當使用精加工洗滌器時(相對于缺少精加工洗滌器的相應系統(tǒng))用于減少排出氣氨濃度的改進因素相對于水流速度(加侖/分)的曲線圖。曲線顯示了對于給定的添加水流速度精加工洗滌器將出口氨濃度降低了110倍(相對于缺少精加工洗滌器的相應系統(tǒng))。此外，相對于一段式洗氣系統(tǒng)所述精加工洗滌器僅使用1/3的添加水便可將出口氨濃度降低30倍。
精加工洗滌器的設計特征的一個顯著優(yōu)點是具有壁內(nèi)襯。作為實施例精加工洗滌器的直徑為4英寸，用在精加工洗滌器中的填料部分的直徑為1英寸。因而塔徑與填料的直徑之比為4。傳統(tǒng)設計規(guī)則要求這個比例從來不應小于8，優(yōu)選為最小為10-15。這是由于小的比例使洗滌液沿著塔壁向下溝流，因為壁上的空間遠遠地大于塔內(nèi)區(qū)域的空間。
一種壁內(nèi)襯可用在精加工塔中以保持洗滌填料，同時又能防止在壁上溝流因而獲得高的洗滌效率。由于系統(tǒng)的壓降限制，不可能簡單地使用較小尺寸的填料來解決前述溝流/旁流問題。
本發(fā)明的壁內(nèi)襯包括袋式、網(wǎng)式、籃式、或其它具有小孔的容器，以使待處理氣體和洗滌液都能通過它們流動。采用這種方式，所述內(nèi)襯可透過氣體和液體，允許氣/液接觸在內(nèi)襯的填料表面上進行。
在一個實施方案中，內(nèi)襯可以由惰性材料組成，如惰性聚合物，如聚乙烯、聚丙烯、聚硫砜、聚氯乙烯、聚碳酸酯等，玻璃纖維，或任何其它在結(jié)構上適合用作內(nèi)襯的材料，所述材料在精加工塔內(nèi)和其中使用的材料不會發(fā)生反應。
對于具體的實施例，內(nèi)襯可由塑料孔網(wǎng)材料組成，雖然根據(jù)所述材料的填料層的尺寸小的網(wǎng)孔或大的網(wǎng)孔都可有效地工作，為塑料絲組件并具有1厘米×1厘米的網(wǎng)孔，其取決于材料的填充空間，所述材料被用在精加工塔中并能提供廣泛的氣/液接觸。塑料絲的厚度約為1/16英寸，網(wǎng)的方向是使塑料絲可以垂直和水平地運動。在具體的實施方案中網(wǎng)可以變化，包括塑料絲之間或大或小的空間；包括細或粗的塑料絲；和/或包括對角(任何角度)指向的網(wǎng)，其中所述絲不能垂直和水平的運動。制造網(wǎng)的材料優(yōu)選用憎水的(即不容易被潤濕)化學惰性材料組成。
壁內(nèi)襯因而提供了一種含有精加工洗滌器的填料的可移動滯留結(jié)構。這種塑料絲設計是十分有利的，當需要清洗填料物或塔壁內(nèi)表面時這種填料內(nèi)襯可以很容易地除去。采用所述內(nèi)襯設計還使本領域中存在的水洗滌設備的更新變得容易。
上面已經(jīng)參照“精加工”或兩段式洗滌設備中的第二段洗滌器對所述內(nèi)襯進行了詳細地描述，同樣所述內(nèi)襯結(jié)構還可用在第一段洗滌設備。在第一段洗滌設備中，因為裝配有套管或箱的容器的大小特征和空間特征，中等尺寸的填料不會出現(xiàn)精加工洗滌階段的旁流問題和溝流問題，但是同樣需要凈化第一段設備的內(nèi)表面和其中的填料表面。
因此，在兩段式洗氣系統(tǒng)的第一段設備的填料中同樣可以裝配類似于用在第二段洗滌設備中的內(nèi)襯。
因而含內(nèi)襯的填料可作為“箱”安裝(也可拆除)在精加工洗滌器和選擇地安裝在本發(fā)明的第一洗滌器中，這提高了洗氣系統(tǒng)的操作效率，避免了精加工洗滌器出現(xiàn)前述的氣體旁流和溝流現(xiàn)象。
圖11是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案裝有一壁內(nèi)襯和填料部件600的示意圖，包括一個具有開口604的網(wǎng)袋602，由適合的聚合物材料形成了在洗滌操作下能保持結(jié)構完整的十字繩606。網(wǎng)袋602含有大量的填料部件608。所示網(wǎng)袋可以裝配一上端封閉的構件610，如一種彈簧夾612和帶子614，所以通過鎖上彈簧夾和打開彈簧夾網(wǎng)袋可以人工地打開和關閉。
填料構件608可以是任何適合的形狀、尺寸、形式和材料，只要在給定的氣體洗滌操作中是有用的。例如，填料構件可以是環(huán)狀、鞍狀、螺旋狀、圓餅狀、或任何其它規(guī)則和/或不規(guī)則的形狀，例如可以包括鮑爾環(huán)、拉西環(huán)、或任何其它可以購得的填料。這種填料優(yōu)選為有高的比表面特征，從而在洗滌操作中實現(xiàn)高效的氣液接觸。
如圖11所示的壁內(nèi)襯和填料構件位于洗滌設備容器616的上部，其中安裝的這種壁內(nèi)襯也可以拆除。
圖12是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的兩段式洗氣系統(tǒng)700的示意圖。
兩段式洗氣系統(tǒng)包括一個內(nèi)部含有洗滌介質(zhì)層704的第一洗滌容器702。雖然圖示的是一種優(yōu)選的由填料物形成的“松散”層，還應注意到所述床層可以作為由用于氣/液接觸的填料材料形成的可移動插入層。床層704置于支架706上，所述支架包括柵條、篩網(wǎng)、隔板或其它適合的孔狀物，所述支架牢固地連在容器702的內(nèi)壁上并具有很高的結(jié)構強度足以支持填料層。優(yōu)選地，第一洗滌容器含有沒有任何內(nèi)襯或袋的填料物。
在填料層704的上面是一個接收來自上游生產(chǎn)裝置714(如半導體生產(chǎn)裝置)排出的待處理氣體的上部空間，廢氣從這里經(jīng)過管道716流到洗滌容器702，并通過入口設備718進入所述容器的內(nèi)部空間。廢氣在沿著管道716流動過程中可通過加熱設備720加熱，例如為了更有效地除去硅烷。
通過這種設置，從上游裝置來的氣體沿著填料層向下流動，到達加壓空間708，并從洗滌容器702排出進入管道760中。排出管道760通過接頭742連在洗滌容器702的壁上。
加壓空間708還可作為收集液態(tài)洗滌介質(zhì)712(如水合介質(zhì))的貯液槽710。液體通過管道722從貯槽710再循環(huán)，所述管道722通過接頭724連在容器702的壁上。洗滌液體從管道722流到泵726，所述泵將液體排到循環(huán)管道728中，液體從循環(huán)管道728流至動力室730，所述動力室驅(qū)動所結(jié)合的空心軸732，所述空心軸與輪轂736相連，輪轂上的臂裝配有緊密連接的噴嘴738。因而動力室使洗滌液從管道728經(jīng)空心軸732進入臂734和用于在袋704的填料層上分配噴灑的噴嘴738，如果需要從連有適合的洗滌液源(圖中未示出)的管道770添加這種液體。動力室按圖12的箭頭R所示的方向同時旋轉(zhuǎn)所述軸。如果精加工洗滌器存在的話，添加水優(yōu)選單獨地流動，這樣將能發(fā)揮最佳的洗滌作用；管道770含有來自精加工塔管道768的排出液。
管道770中的添加液可優(yōu)選通過一磁化區(qū)域796，以防止洗氣系統(tǒng)中的碳酸鈣沉淀。另一方面，所述區(qū)域796可以包括一個pH調(diào)整區(qū)、一個用于處理(軟化)洗滌液的石灰-蘇打灰塔，或一個通過適宜的處理使鈣和鎂沉淀出來的沉淀區(qū)域，從而使洗滌液在洗滌室的上游就除去了鈣和鎂。
在洗滌容器702中洗滌液介質(zhì)和氣體并流地向下流動。采用這種方式，大量的酸性氣體和可水洗除去的氣體(除了酸性氣體之外)將會從待處理氣體中除去，所述氣體中許多固體通過洗滌操作可同時除去。
在第一洗滌容器702中經(jīng)過處理的廢氣經(jīng)過管道760進入第二洗滌容器744。第二洗滌容器具有包含填料的袋746，可以參見圖11。
可以理解第二洗滌容器744的尺寸和結(jié)構特征減少了填料袋746的需要量，所述床可以由松散的填料組成。例如如上面所描述的，然而，在所述床的直徑較小時，設置圖中所示的袋可以提供一種壁接觸結(jié)構，所述結(jié)構可以避免不能對氣體進行充分處理的反常的旁流和溝流現(xiàn)象，還可以起到適當?shù)姆浪饔靡源_保精加工洗滌操作的高效性。
第二洗滌容器中的填料袋746位于支架748上，所述支架可以是和第一洗滌器中同樣或相似的類型。新鮮的洗滌液經(jīng)管道740導入洗滌容器744的上部，所述管道740可以和適宜的洗滌液源(圖中未示出)相連。管道740中的洗滌液可選擇性地通過一磁化區(qū)域798，以抑制或消除洗氣系統(tǒng)中的鈣沉淀。
另一方面，所述區(qū)域798可以包括一個pH調(diào)整區(qū)、一個用于處理(軟化)洗滌液的石灰-蘇打灰塔，或一個通過適宜的處理使鈣和鎂沉淀出來的沉淀區(qū)域，從而使洗滌液在洗滌室的上游就除去了鈣和鎂。
在第二洗滌容器上部的內(nèi)部空間洗滌液可通過一種分配裝置進行分配，所述分配裝置如第一容器中所示的，但是第二容器的直徑一般較小，通過所述容器的全部橫截面使用單個噴頭或噴嘴就足以導入所需的液體。
然后洗滌液沿著袋746中的填料向下流動并經(jīng)管道760導入容器744的氣體相接觸。來自管道760的氣體在所述容器底部導入并沿著袋746中的填料向上流動進行氣/液接觸以洗滌所述氣體。
洗滌過的氣體在容器744的內(nèi)部通過上部流入包含風機的管道764中，所述風機使用處理過的氣體排出系統(tǒng)外并解決了氣體處理過程中的壓降問題。另一方面，泵、壓縮機、渦輪機、鼓風機、抽氣器、排放裝置或其它動力流動裝置可以用來使氣體從處理系統(tǒng)排出。
通過了填料層的洗滌液從容器744的底部經(jīng)管道768排出，在最后的處置前還可進行進一步地處理，和/或在所述系統(tǒng)中循環(huán)使用，例如作為添加液流至管道770并導入第一洗滌容器702中。
可選擇的磁化區(qū)域796和798包括任何適合的磁化裝置，如C-500Physical Water Conditioner(Isaacson Enterprise，Stockton，CA)和可由SoPhTec International(Costa Mesa，CA)購得的商品名稱為SoPhTec的磁化系統(tǒng)。
上面所述的兩段式洗氣系統(tǒng)十分有利于降低氣體洗滌處理中干凈水的耗量。此外，所述包括多洗滌步驟的系統(tǒng)不需要化學處理，因而在技術上是一個顯著的進步，可以進行有效的洗滌處理而不需要大量的水，由于不需要使用化學試劑而降低了操作費用。
在小直徑洗滌器中除了使用一種含填料的袋外可以由一種能削弱旁流或溝流現(xiàn)象的裝置代替使用，至少在所述洗滌容器的部分內(nèi)壁表面上設置一流體流動中斷結(jié)構，如圖12中所示的洗滌容器744內(nèi)壁上的凸出部790。流體中斷結(jié)構可以采用適宜的形狀，如棒、凸起、隆起、彎鉤、一體化壁凸出部(例如通過所述壁表面壓花)、肋狀突起、壁上劃痕、在壁上嵌入顆粒、在壁內(nèi)銅焊或焊接的金屬貼花、壁表面上連接的纖維或棒等。這種突起結(jié)構將改變在洗滌容器壁面上流體流動的邊界層，并使流體在壁面上重新流回床層。
圖12所示系統(tǒng)的另一方面，從第一洗滌設備702經(jīng)由管道760流至第二洗滌設備744的廢氣流還可由管道747加入潔凈干燥的空氣或其它合適的氣體。這種潔凈干燥的空氣的導入有利于減少廢氣中不想要的成份，如硅烷，尤其是當氣流中存在氨時。為此，管道747可以連接一潔凈干燥的空氣源(圖中未示出)，或其它為此目的的適宜氣體。
可以理解雖然已經(jīng)對兩段式洗氣系統(tǒng)的實施方案作了介紹和描述，本發(fā)明的其它實施方案也可使用，其中提供了不止一個的洗滌容器和相關的洗滌步驟。
圖13是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方案的入口結(jié)構800的正面剖視圖。
如圖所示，入口結(jié)構800包括一個具有外壁832(優(yōu)選圓筒形)的室802，所述外壁和中間圓筒壁834是同軸的關系，在它們之間形成一環(huán)形空間836。外壁裝配有入口部件860，從合適的水源(圖中未示出)經(jīng)管道862向其加入冷卻水。外壁832還裝配了一出口部件864，在內(nèi)部空間836內(nèi)循環(huán)的水可通過它由管道866排出。
通過這種設置，冷卻水可以在環(huán)形的內(nèi)部空間836循環(huán)并排出以在入口結(jié)構保持一預定的溫度。
雖然上面描述的是作為冷卻的水，但是應該理解當需要對入口結(jié)構進行加熱時同樣可導入熱水，除了水之外其它液體也可以這種方式作為熱交換介質(zhì)。
如圖所示，中間壁上可設置開口815，冷卻水通過所述開口流入中間壁834和內(nèi)壁838組成的環(huán)形空間842。內(nèi)壁838向上延伸并在頂壁854的下面終止，所述頂壁與環(huán)形空間836和842相連，因而導入環(huán)形空間842的液體可以溢流過壁838的上部，如圖中箭頭C所指的方向，在與氣體流動通道849相連的壁838的內(nèi)表面上形成下落膜。作為壁上開口815的替代方式，中間壁834可以由多孔材料組成以允許液體通過。作為另一種替代方式，水或其它液體可以通過單獨的液體入口或出口(圖中未示出)供至環(huán)形空間842。
為引導溢流的液體沿著壁838的內(nèi)表面向下流動，裝配一向下的導流凸壁850并從頂壁854向下延伸。
頂壁854支撐一向上延伸的圓筒壁852，所述圓筒壁在頂壁850的上端閉合，因而形成了一內(nèi)部壓力空間870，空氣、氮氣或其它氣體可按箭頭A所指的方向進入壓力空間870，并按箭頭B指示的方向流入氣體流動通道840。導入的氣體優(yōu)選潔凈干燥的空氣。
頂壁850環(huán)繞具有側(cè)臂812的入口管道814，所述側(cè)臂接收來自上游氣源808(如半導體制造裝置)的處理氣。這種含有待凈化成份的處理氣進入側(cè)臂812上的入口管道814，從那里流至內(nèi)部空間830包圍的主要中心段816。一個垂直長管818在內(nèi)部空間830里延伸，末端826位于氣流通道840。所述管818被入口管814的壁面874包圍。
管818的上端814通過管822和潔凈干燥的氣源或其它適合的氣源820相連。
如上所示的裝置，進入管道810并通過入口管814流動的廢氣通過入口管道的內(nèi)部空間830流動，沿著氣體流動通道840向下流動并在底端排出。如果需要，管道810中流動的氣體可以通過設置在管道810上的換熱器811選擇性加熱。
同時，溢流過內(nèi)壁838上端的液體在與氣體流動通道相連的壁838的內(nèi)表面上形成向下流動的液膜。另外，潔凈干燥的空氣或其它氣體被導入壓力空間870和管818，遮蔽入口結(jié)構的壁表面不與廢氣接觸，同時將廢氣和潔凈干燥的空氣或其它氣體相混合，這可以減少廢氣流中某種不想要的成份。例如，可以以一定速度向壓力空間870和管818中導入一定量潔凈干燥的空氣，用于基本上除去廢氣中所含的硅烷。作為另外一種可選擇的特征，入口管814可以通過適合的裝置(圖中未示出)加熱。
廢氣因而沿著入口的氣體流動通道840向下流動到洗滌器804，其中氣/液接觸可以進一步減少廢氣流中的特定成份。
入口室802可以通過焊接部806連在洗滌器804上，或通過其它連接或緊固方式，如耦聯(lián)、箍聯(lián)、裝配等。
本發(fā)明為洗氣系統(tǒng)提供了以下幾個方面的改進使用一種還原劑提高HF、F2和其它鹵素化合物氣體(如含氟化合物)的洗滌效率，同時防止形成有毒的物質(zhì)如OF2；分解硅烷氣體物質(zhì)；在洗滌操作中將泡沫的發(fā)生率和數(shù)量降至最低；防止了碳酸鈣沉淀和壓力感應部件的堵塞，及在洗氣系統(tǒng)中形成其它固體物質(zhì)；包括分段式洗氣系統(tǒng)，其可有效地降低用于洗滌操作的耗水量，及不需要或至少減少了化學試劑的使用；在一個封閉結(jié)構中使用洗滌填料，在小直徑洗滌塔中所述封閉結(jié)構可以防止旁流和溝流現(xiàn)象，并獲得高的氣/液接觸效率。
已經(jīng)參考具體的實施方案和技術特征對本發(fā)明作了描述，應該理解到本發(fā)明的使用并不限于此，還包括其它變形、更改和可替代的實施方案。因此，本發(fā)明包括基于本發(fā)明的主題和范圍之內(nèi)的各種變形、更改和其它實施方案，并與下述的權利要求書相一致。
權利要求
1.一種用于處理廢氣以除去廢氣中可水洗成份的洗氣系統(tǒng)，其通過將廢氣和含水的洗滌介質(zhì)在氣/液接觸室相接觸，包括一個圍成所述接觸室的內(nèi)部空間的室壁，所述接觸室包括使流體沿著室壁進入所述室內(nèi)部空間的設備。
2.一種氣液接觸部件，可拆除地安裝在洗滌容器上，所述洗滌容器帶有將氣體和液體導入洗滌容器內(nèi)部空間進行氣/液接觸的設備，所述填料介質(zhì)組件包括一個多孔袋和所述袋中所含的大量填料，以提供一個壁接觸結(jié)構來避免異常旁流和溝流現(xiàn)象。
3.根據(jù)權利要求2所述的氣/液接觸部件，其中所述袋由聚合物篩網(wǎng)構成。
4.根據(jù)權利要求2所述的氣/液接觸部件，還包括一個用于袋的人工操作的封閉構件。
5.一種用于除去廢氣流中所含的氟化合物的設備，包括用于氣/液接觸的水洗滌器；向水洗滌設備中導入含有氟化合物的廢氣流的設備；用于從所述水洗滌設備中排出減少了氟化合物的廢氣流的設備；及還原劑源，可操作地結(jié)合一水洗滌設備及在操作過程中將還原劑導入水洗滌設備，其中所述還原劑為硫代硫酸鈉，其導入量足以保持pH值為約4.5-約6.5。
6.如權利要求5所述的設備，其中還原劑源包括向水洗滌設備噴入還原劑的設備。
7.根據(jù)權利要求5的設備，還包括一個監(jiān)視含有氟化合物的廢氣流中氟化合物濃度的設備，及據(jù)此調(diào)整向水洗滌設備中導入還原劑的量。
8.一種半導體制造裝置，包括產(chǎn)生含有氟化合物的廢氣流的半導體制造工藝裝置；及減少廢氣流中氟化合物含量的設備，其包括用于氣/液接觸的水洗滌設備；向水洗滌設備中導入含有氟化合物的廢氣流的設備；從水洗滌設備中排出氟化合物含量減少了的廢氣流的設備；及還原劑源，可操作地結(jié)合一種水洗滌設備及在操作過程中將還原劑導入水洗滌設備，其中所述還原劑為硫代硫酸鈉，其導入量足以保持pH值為約4.5-約6.5。
9.如權利8所述的半導體制造裝置，其中半導體制造工藝裝置包括處理設備選自等離子反應室、化學汽相沉積室、氣化室、外延生長室，和蝕刻池。
10.如權利8所述的半導體制造裝置，其中還原劑源包括向水洗滌設備中導入還原劑的設備。
11.如權利8所述的半導體制造裝置，還包括監(jiān)視含有氟化合物的廢氣流中氟化合物濃度的設備，及據(jù)此調(diào)整向水洗滌設備中導入還原劑的量。
12.一種用于處理廢氣以除去廢氣中可水洗成份的洗氣方法，通過將廢氣和含水洗滌介質(zhì)在氣/液接觸室相接觸，該接觸室包括一個圍成所述接觸室的內(nèi)部空間的室壁，所述接觸包括使流體沿著室壁進入所述室內(nèi)部空間的內(nèi)部區(qū)域。
13.一種氣/液接觸方法，包括在含有填料的洗滌容器抑制壁的影響，至少一個步驟選自安裝在洗滌容器內(nèi)可拆除的填料介質(zhì)，包括多孔容器構件和其中所含的大量填料，使氣流和洗滌液通過多孔容器構件流動以在填料上進行氣/液接觸；及在所述洗滌容器的內(nèi)壁表面通過壁表面上物理結(jié)構增大的部件中斷流體的流動。
14.如權利要求13的方法，其中所述袋由聚合物篩網(wǎng)組成。
15.如權利要求13的方法，其中所述袋包括一人工操作的封閉構件。
16.一種除去氣流中所含的氟化合物的方法，包括在存在還原劑的條件下用含水的介質(zhì)洗滌氣流，其中導入足量的還原劑以使含水介質(zhì)中的pH值保持在約4.5-約6.5。
17.如權利要求16的方法，其中還原劑包括至少一種成份選自如下硫代硫酸鈉、氫氧化銨和碘化鉀。
18.如權利要求16的方法，其中還原劑包括硫代硫酸鈉。
19.如權利要求16的方法，其中還原劑包括氫氧化銨。
20.如權利要求16的方法，其中還原劑包括碘化鉀。
21.如權利要求16的方法，其中在洗滌過程中還原劑被注入含水介質(zhì)。
22.如權利要求16的方法，其中氟化合物包括氟氣。
23.如權利要求16的方法，其中氟化合物包括氣態(tài)氟化物。
24.如權利要求16的方法，其中含氟化合物的氣流包括半導體制造過程產(chǎn)生的廢氣。
25.如權利要求16的方法，其中含氟化合物的氣流包括在半導體制造裝置中等離子反應器凈化操作所釋放的廢氣。
26.如權利要求16的方法，還包括監(jiān)視氣流的操作條件和根據(jù)所述的操作條件導入一定量的還原劑。
27.如權利要求26的方法，其中所述氣流的操作條件是指pH。
28.如權利要求16的方法，其中所述氣流的操作條件是其中的氟化合物的濃度。
29.一種從廢氣流中除去所含的氟化合物的方法，包括在存在還原劑的條件下使所述氣流與含水介質(zhì)相接觸，所述還原劑和氟化合物反應以保持pH值為約6.5-約4.5，并減少其在廢氣流中的含量并不會形成OF2。
30.如權利要求29的方法，其中還原劑為硫代硫酸鈉。
31.一種包括用于洗滌廢氣的水洗滌器的廢氣凈化洗氣系統(tǒng)，所述系統(tǒng)被建造和設置以具有下述功能中的至少一種，所述功能選自(1)用添加或噴射了化學還原劑的水洗滌廢氣，其中所述還原劑為硫代硫酸鈉，其量足以保持水洗滌器中的pH值為約4.5-約6.5；(2)用水洗滌含有硅烷的廢氣，其中潔凈干燥的空氣被導入廢氣或洗滌液；(3)使用一種包括平衡洗滌塔和精加工傳質(zhì)塔的兩段式洗氣系統(tǒng)，減少了用于洗氣的添加水量，同時相對于一段式洗氣設備保持或提高了洗滌效率；(4)從平衡洗滌塔(3)排出的氣體在導入精加工傳質(zhì)洗氣塔之前先被加入潔凈干燥的空氣，當在廢氣流中存在氨時可除去硅烷。(5)在上述(3)所述的兩段式洗氣系統(tǒng)中使用一種含有填料層的多孔密封結(jié)構，所述填料層作為精加工傳質(zhì)塔的填充物；(6)在洗氣系統(tǒng)中將廢氣和OF2還原劑相接觸，其中所述還原劑為硫代硫酸鈉，其量足以保持水洗滌器中的pH值為約4.5-約6.5；(7)在洗氣系統(tǒng)中通過化學防泡劑和/或限制洗滌液流動的孔板阻止泡沫的形成；(8)在洗氣系統(tǒng)中通過下述方法中的一種或多種防止CaCO3積聚a)將用于洗滌的補給水進行磁化；b)控制補給水的pH值；c)蘇打灰-石灰軟化補給水；及d)對補給水進行沉淀或絮凝處理；(9)通過將吹掃氣流通過光螺旋感應管路在洗氣系統(tǒng)中排除帶有光螺旋傳感管路的光螺旋部件的結(jié)渣，其中光螺旋感應管路根據(jù)需要可自由加熱；及(10)加熱洗氣系統(tǒng)使用的入口結(jié)構以向洗氣區(qū)域中導入廢氣。
全文摘要
一種用于從氣流中除去不良成分(如鹵化合物、酸性氣體、硅烷、氨等)的系統(tǒng)，通過用含水的洗滌介質(zhì)洗滌廢氣流。鹵化合物(如氟氣、氟化物、全氟碳化合物和含氯氟烴)在存在還原劑(如硫代硫酸鈉、氫氧化銨或碘化鉀)的條件下被洗滌。在一個實施方案中，洗氣系統(tǒng)包括一個氣/液并流操作的第一酸性氣體洗滌裝置，和一個氣/液逆流操作的第二“精加工”裝置，從而只需要低消耗量的水就可獲得高凈化率。洗氣系統(tǒng)可以使用由多孔容器結(jié)構包裹的可拆除的填料插入層。本發(fā)明的凈化系統(tǒng)尤其適用于處理半導體制造工藝產(chǎn)生的廢氣。
文檔編號B01D53/14GK1565710SQ20041007167
公開日2005年1月19日 申請日期1999年12月15日 優(yōu)先權日1998年12月15日
發(fā)明者喬斯·I·阿爾諾, 馬克·R·霍爾斯特, 薩姆·伊, 約瑟夫·D·斯威尼, 杰夫·洛里里, 賈森·德塞夫 申請人:高級技術材料公司