專利名稱：從氣流中除氟用的方法和裝置的制作方法
從氣流中除氟用的方法和裝置
本發(fā)明涉及從氣流中除氟，并特別可用于從半導(dǎo)體或平板工業(yè)中所用的 工藝工具排出的含氟氣體中除氟。
CF4、 C2F6、 NF3、 SF6和分子氟(F2)常被用作半導(dǎo)體和平板工業(yè)中的蝕刻 劑前體氣體以便為介電層蝕刻和腔室清洗之類的方法"^供受激氟類的來源。
在多數(shù)情況下，受激氟類，如原子氟原位形成或在腔室上游形成以與不 想要的沉積物反應(yīng)并形成容易泵出的揮發(fā)性氟化物。但是，通常，這些步驟 中的氣體利用效率低，因此從工具中排出的氣流具有殘留量的氟化前體氣體 或一 系列其它氣態(tài)氟化反應(yīng)副產(chǎn)物。
由于它們的毒性和/或極高全球變暖潛勢，必須在腔室廢氣混合物排》文 到大氣中之前從中除去(減排)任何未用的氟化氣體和氟化反應(yīng)副產(chǎn)物。目 前，通常在如向內(nèi)燃燒器(inwardly fired burners)、電熱燃燒器、明火 燃燒器或等離子體減排器(plasma abatement devices)之類的設(shè)備中通過 燃燒技術(shù)進行減排(abatement)。在這些設(shè)備中，來自工藝腔室的廢氣通 入反應(yīng)區(qū)，其中存在足以實現(xiàn)氟化氣體向氫氟酸(HF)的轉(zhuǎn)化的分別為熱和 燃料/氧化劑氣體形式的能量和反應(yīng)性物類。
為了達到嚴格的排放目標(biāo)，必須隨后從氣流中除去氫氟酸，這通常用濕 式洗滌器實現(xiàn)。這些需要大量的水來溶解HF,其隨后通過與鈣鹽反應(yīng)以氟化 鉤沉淀物(CaF2)的形式從水中除去。通過沉降和"結(jié)塊"，從水中分離沉 淀物，以便水可以再4吏用或通入污水系統(tǒng)。也可以通過4吏來自燃燒破壞設(shè)備 的廢氣穿過4丐鹽的干反應(yīng)性床來除去氫氟酸，由于在^面上形成氟化鈣層 以致不能進一步反應(yīng)，這通常低效。
本文所述的本發(fā)明的目的是解決這些問題中的一些。
在本發(fā)明的第一方面中，提供了從氣流中除去氟化氣體的方法，包括下 列步驟將含有氟化氣體的氣流輸送到燃燒區(qū)，在燃燒區(qū)中分解氟化氣體， 使能與氟化氣體分解產(chǎn)物反應(yīng)的鈣鹽夾帶到氣流中以與氟化氣體分解產(chǎn)物 反應(yīng)形成氟化鈣，然后從氣流中除去氟化鈣鹽。
這提供了新型的從氣流中除去氟化氣體，如分子氟(F2)和全氟化氣體(例如三氟化氮(NFJ、四氟化碳(CF4)、六氟乙烷((^6)、四氟化珪(SiF4)、 和六氟化硫(SFJ )的方法。該方法有利地降低為了從離開燃燒區(qū)的氣流中 除去氟化分解(減排)產(chǎn)物而對昂貴的多級水處理法或低效的干床反應(yīng)器的需求。
燃燒區(qū)優(yōu)選為，但不限于，如向內(nèi)燃燒器、電熱燃燒器、明火燃燒器、 DC等離子體和微波等離子體反應(yīng)器之類設(shè)備的燃燒區(qū)。已經(jīng)廣泛用于氟化氣 體的破壞(減排)的這類裝置可以有利地配備氟化鈣夾帶設(shè)備，由此允許使 用者無需大的額外資本支出就可以節(jié)省能量。
釣鹽可以在含有氟化氣體的氣流進入燃燒區(qū)之前；在燃燒區(qū)內(nèi)時；或已 經(jīng)離開燃燒區(qū)時夾帶到其中。優(yōu)選使鉤鹽在燃燒區(qū)內(nèi)部或在燃燒區(qū)出口附近 夾帶在氣流中，因為所存在的熱條件增強了鈣鹽與氟化氣體分解產(chǎn)物之間的 反應(yīng)。
4丐鹽可以使用技術(shù)人員已知的許多方法，如空氣吹粉技術(shù)、霧化噴l^支 術(shù)、簡單噴霧技術(shù)和汽化技術(shù)夾帶到含有氟化氣體的氣流中。
也可以使用載氣將釣鹽夾帶到氣流中，包括空氣、氮氣、氫氣、氧氣、 甲烷、丁烷。還原或氧化載氣的使用可以有利地改進釣鹽與氟化分解產(chǎn)物之 間的反應(yīng)。
4丐鹽或其分解產(chǎn)物必須能夠與燃燒區(qū)中形成的氟化分解產(chǎn)物反應(yīng)以形 成氟化鈣，優(yōu)選不產(chǎn)生要求進一步的昂貴洗滌技術(shù)的顯著量的不合意的額外 氣態(tài)副產(chǎn)物，如酸或N0x。合適的鈣鹽的實例包括例如CaO (石灰)、CaC03、 Ca (OH) 2 (熟石灰)和有機4丐鹽如Ca (CH3CH2C02) 2. H20。氟化4丐可以隨后通過過 濾器、旋風(fēng)分離器和靜電沉淀器之一或其組合從氣流中除去。在有利于霧化 或簡單噴霧技術(shù)的裝置中，優(yōu)選使用乙酸4丐，Ca(CH3CH2C02)2.H20,因為其容 易形成濃的水溶液，由此使4丐的量最大化并限制供應(yīng)到該裝置中的水量并確 保通過與氟化氣體分解產(chǎn)物反應(yīng)形成的氟化鈣鹽保持基本干燥。
可以通過燃燒設(shè)備附近的設(shè)備原位進行或通過遠離燃燒設(shè)備的洗滌裝 置從氣流中除去氟化4丐，這允許在集中化區(qū)域中除去來自幾個燃燒設(shè)備的氟 化鉀，由此使超凈半導(dǎo)體加工區(qū)域的孩i粒污染風(fēng)險最小化。
現(xiàn)在參照附圖通過實例描述本發(fā)明的優(yōu)選特征，其中


圖1顯示了從氣流中除去氟化氣體的第一示意圖。
圖2顯示了圖1中所示的示意圖的一個實施方案。
圖3顯示了圖1中所示的示意圖的另一實施方案。圖4顯示了從氣流中除去氟化氣體的第二示意圖。 圖5顯示了從氣流中除去氟化氣體的第三示意圖。 附圖不按比例。
不同附圖中的類似部件在下文中用相同參考數(shù)字表示。
圖1示意性顯示了從氣流中除去氟化氣體用的裝置。該裝置包含用于將 例如借助真空泵送系統(tǒng)(未顯示)從半導(dǎo)體或平板顯示器工藝工具中泵出的
含有氟化氣體的氣流輸送到燃燒區(qū)2的路徑1。燃燒區(qū)2可以是例如向內(nèi)燃 燒器、電熱燃燒器、明火燃燒器、DC等離子體和微波等離子體反應(yīng)器的燃燒 區(qū)，在此將氟化氣體轉(zhuǎn)化(減排)成HF。燃燒區(qū)2也包含用于使釣鹽，例如 氧化鉤、熟石灰、碳酸4丐和乙酸4丐之一在燃燒區(qū)2內(nèi)夾帶到氣流中的入口 4。 4丐鹽，根據(jù)其具體組成，可以通過本領(lǐng)域/>知的方法，如空氣吹粉法、霧化 噴霧法和汽化法以溶液、粉末或蒸氣形式在燃燒區(qū)2內(nèi)夾帶到氣流中。鈣鹽 可以直接夾帶到燃燒區(qū)中的氣流中，或首先夾帶到附加載氣流中，隨后將其 經(jīng)由入口 4供應(yīng)到燃燒區(qū)2中的氣流中。4丐鹽或其分解產(chǎn)物在燃燒區(qū)中與HF 反應(yīng)形成氟化鈣。
路徑6將離開燃燒區(qū)2的富含氟化4丐的氣流輸送到氟化釣去除設(shè)備10, 在此從氣流中除去氟化4丐，耗除氟化釣的氣流經(jīng)由路徑12離開去除設(shè)備IO。 去除設(shè)備10可以是，例如，魂貝分離器、過濾器和靜電沉淀器、或其組合。
為了從離開燃燒區(qū)2的氣流中除熱并確保氟化4丐保持在空氣中并因此防 止聚集在去除設(shè)備10上游的裝置表面上，可以經(jīng)由入口 8向路徑6供應(yīng)任 選流動氣體，如空氣、氧氣或氮氣。
圖2顯示了圖1所示的示意性裝置的減排區(qū)段的優(yōu)選實施方案。該裝置 包含一個或多個用于接收含有氟化氣體的排出氣流的入口 14。含有氟化氣體 的排出氣流沿路徑1輸送到噴嘴16,從中將排出氣流注入燃燒區(qū)2。在所示 實施方案中，顯示了兩個入口 14,其用于從連接到例如兩個工藝腔室的兩個 泵送系統(tǒng)中接收兩股含有氟化氣體的排出氣流?；蛘?，可以將來自一個腔室 的排出氣流"分流"并輸送到各入口 14。優(yōu)選實施方案包含四個入口 14。
各噴嘴16位于在陶瓷頂板20中形成的各自鉆孔18內(nèi)，該頂板劃定了 燃燒區(qū)2的上表面(如所示)。燃燒區(qū)2在如EP-A-0 694 735中所述的帶 孔燃燒器元件22的出口表面的界限內(nèi)。在燃燒器與筒形外殼3之間形成壓 力通風(fēng)空間24。將燃燒氣體如天然氣或烴，和空氣的混合物經(jīng)由一個或多個 入口噴嘴(未顯示)引入空間24以便在使用過程中，燃燒氣體和空氣的混合物在燃燒器元件22的出口表面處在無可見火焰的情況下燃燒。
為了優(yōu)化燃燒條件以實現(xiàn)排出氣流中所含的特定氟化氣體的減排，優(yōu)選
在排出氣流ii^燃燒區(qū)2之前供應(yīng)附加燃料氣體和/或氧氣以使該排出氣流 富燃料(enrich)。因此，該裝置包括與EP 0 802 370 A2中所述類似的用 于在燃燒區(qū)2上游將氧引入排出氣流的借助基本同心地位于噴嘴16內(nèi)的噴 槍28的工具。附加燃料氣體可以通過任何合適的工具(未顯示)在燃燒區(qū) 上游的任何方便位置添加到排出氣流中。但是，由于可燃性，氧氣和燃料氣 體在其注入燃燒區(qū)之前不應(yīng)該在排出氣流中停留明顯的時長，因此i^A噴嘴 16的噴槍28開口在排出物注入燃燒區(qū)的位置前的0. 7至3倍管直徑處到頭。 燃料氣體和/或氧化劑的相對比例可以隨排出氣流中存在的氟化物的類型改
變
在注入?yún)^(qū)域2后，富燃料的排出氣體混合物點燃以形成從噴嘴16延伸 到腔室2的火焰，其通過下列通式實現(xiàn)氟化氣體的減排
氟化氣體+燃料+氧—HF + C0/C02和H20 (1) 該裝置也包含位于陶瓷頂板20內(nèi)的一個或多個氟化鈣夾帶設(shè)備30, 優(yōu)選霧化噴霧設(shè)備，盡管其它夾帶設(shè)備也是合適的。氟化鈣通過任何上述設(shè) 備經(jīng)由入口 4夾帶到燃燒區(qū)中的氣流中。設(shè)定夾帶設(shè)備30及其相應(yīng)入口 4 的位置以便在燃燒區(qū)2中發(fā)生夾帶的氟化鉤與排出氣流的充分混合而不會抑 制從噴嘴16延伸到區(qū)域2的火焰。在區(qū)域2中夾帶到氣流中后，鈣鹽或其 分解產(chǎn)物通過下列通式與由氟化氣體的減排產(chǎn)生的氫氟^A應(yīng)形成氟化4丐
HF + 4丐鹽—CaF2 ( 2 )
氣流和氟化鈣^經(jīng)由出口 32離開減排裝置并輸送到上述設(shè)備10之一 中以從氣流中除去氟化鉤。
圖3顯示了圖l所示的示意性裝置的減排區(qū)的進一步優(yōu)選的實施方案。 該裝置包含在構(gòu)造和用途上與EP-A-0 819 887中所述類似的連接到燃燒區(qū)2 上的一個或多個燃燒噴嘴34。各燃燒噴嘴34具有用于接收含有氟化氣體的 排出氣體的入口 36和廢氣經(jīng)此ii7v燃燒區(qū)2的出口 38。盡管圖3顯示了用 于接收含有氟化氣體的排出氣體的單個燃燒噴嘴34,但該裝置可以包含任何 合適數(shù)量，例如4、 6或更多個從單或多工藝工具中接收排出物的噴嘴34。 在優(yōu)選實施方案中，該裝置包含四個噴嘴34。
如圖3中所示，各噴嘴34安裝在第一環(huán)形增壓腔室40中，該腔室具有 用于接收燃料和氧化劑的第一氣體混合物，例如曱烷和空氣的混合物以提供用于在燃燒區(qū)2內(nèi)形成燃燒火焰的燃燒氣體的入口 42，和燃燒氣體經(jīng)此離開 增壓腔室40進入燃燒腔室2的多個出口 46。如圖3中所示，燃燒噴嘴34安 裝在第一增壓腔室40中以使噴嘴34基本共軸通過各自的出口 46并將第一 燃燒氣體混合物送入燃燒噴嘴34周圍的燃燒腔室2。
也如圖3中所示，第一增壓腔室40位于第二環(huán)形增壓腔室48上方，該 第二環(huán)形增壓腔室具有用于接收燃料和氧化劑的第二引燃氣體混合物，例如 曱烷和空氣的另一混合物以在燃燒腔室2內(nèi)形成引燃火焰的入口 50。如圖3 中所示，第二增壓腔室48包含圍繞來自第一增壓腔室40的第一孔口 46的 第二孔口 52。第二孔口 52允許引燃氣體混合物ii7v燃燒腔室2以形成用于 點燃經(jīng)由孔口 46 ii/v燃燒區(qū)2的燃燒氣體的引燃火焰以在燃燒腔室2內(nèi)形 成燃燒火焰。
離開孔口 46的第一可燃氣體混合物被由離開孔口 52的第二引燃氣體混 合物形成的引燃火焰點燃，從而形成延伸到同心圍繞離開噴嘴34的排出氣 ^J各徑的燃燒區(qū)2中的燃燒火焰。通過噴嘴34輸送的排出氣流經(jīng)由出口 38 i^7v燃燒區(qū)2到燃燒火焰中心，從而根據(jù)上列通式(1)減少氟化氣體。
燃燒腔室2在基本圓柱形導(dǎo)管54的界限內(nèi)。導(dǎo)管54具有多個孔口 56， 氣體可以通過這些孔來自在導(dǎo)管54與外殼60之間形成的增壓腔室58。使用 合適的氟化4丐夾帶設(shè)備，優(yōu)選空氣吹敘H殳備或霧化噴霧設(shè)備(未顯示)(盡 管其它夾帶設(shè)備也合適)使釣鹽夾帶到氣流，例如空氣中，將其經(jīng)由入口 4 送入增壓腔室58。富含4丐鹽的氣體經(jīng)由孔口 56進入燃燒區(qū)2。鉤鹽或其分 解產(chǎn)物)^根據(jù)上述通式2與HF反應(yīng)形成氟化4丐。排出氣流和氟化4丐^ 經(jīng)由出口 62離開燃燒區(qū)2并從減排設(shè)備輸送到上述設(shè)備10之一中以從氣流 中除去氟化4丐。
圖4示意性顯示了用于從氣流中除去氟化氣體的第二裝置。該裝置基本 類似于圖1所示的裝置，但是用于使4丐鹽夾帶到氣流中的入口 4位于路徑1 中以使4丐鹽在輸送到燃燒腔室2之前夾帶到含有氟化氣體的氣流中。
在圖4中示意性顯示的裝置的使用中，含有氟化氣體的排出氣流沿路徑 l輸送，其中使用任何前述設(shè)備經(jīng)由入口 4將4丐鹽夾帶到氣流中。將含有氟 化氣體和氟化釣的氣流輸送到燃燒區(qū)2，在此減少氟化氣體以形成HF，其與 鉤鹽或其分解產(chǎn)物^^應(yīng)形成氟化釣。然后將含有氟化鉤的氣流沿路徑6從燃 燒區(qū)2輸送到上述氟化鈣去除設(shè)備10之一中，在此從氣流中除去氟化鈣， 該氣流隨后經(jīng)由路徑12離開氟化鉤去除設(shè)備。可以任選將載氣，例如空氣、氧氣和氮氣經(jīng)由入口 8添加到沿路徑6輸 送的氣流中以助于氟化4丐保持在空氣中直至其到達氟化鈣去除設(shè)備10 。
圖5示意性顯示了用于從氣流中除去氟化氣體的第三裝置。該裝置基本 類似于圖1和4中所示的裝置，但是用于將鈣鹽夾帶到氣流中的入口 4位于 路徑6中以使媽鹽夾帶到離開燃燒腔室2的氣流中。
在圖3中示意性顯示的裝置的使用中，含有氟化氣體的氣流沿路徑1輸 送到燃燒區(qū)2,在此減少氟化氣體。經(jīng)由路徑6從燃燒區(qū)2中輸出含有氟化 氣體分解產(chǎn)物的氣流，在此使鉤鹽經(jīng)由入口 4夾帶到氣流中，以使4丐鹽或其 分解產(chǎn)物與氟化氣體分解產(chǎn)物反應(yīng)形成氟化鈣。然后將含有氟化4丐的氣流進 一步沿路徑6輸送到氟化4丐去除設(shè)備10，在此從氣流中除去氟化鉀，該氣流 卩ii^經(jīng)由i^圣12離開氟化鈣去^i更備。
可以任選將載氣，例如空氣、氧氣和氮氣經(jīng)由入口 4下游的入口 8添加 到沿路徑6輸送的氣流中以助于氟化鈣保持在空氣中直至其到達氟化鈣去除 設(shè)備IO。載氣也可以經(jīng)由入口 4與氟化釣一起添加。
權(quán)利要求
1. 從氣流中除去氟化氣體的方法，包括下列步驟將含有氟化氣體的氣流輸送到燃燒區(qū)，在燃燒區(qū)中分解氟化氣體，使能與氟化氣體分解產(chǎn)物反應(yīng)的鈣鹽夾帶到氣流中以與氟化氣體分解產(chǎn)物反應(yīng)形成氟化鈣，然后從氣流中除去氟化鈣鹽。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中氟化氣體是分子氟(F2)和全氟化氣體 之一或其混合物。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中全氟化氣體是三氟化氮(NF3)、四氟化 碳(CF4)、六氟乙烷(C2F6)、四氟化珪(SiF4)、六氟化硫(SF6)之一或 其混合物。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中4丐鹽是CaO、 CaC03、 Ca(0H)2、石灰、熟 石灰和Ca (CH3CH2C02) 2. H20之一或其混合物。
5. 根據(jù)前述權(quán)利要求任一項的方法，其中在燃燒區(qū)下游將鉤鹽夾帶到氣 流中。
6. 根據(jù)前述權(quán)利要求任一項的方法，其中在燃燒區(qū)內(nèi)部將4丐鹽夾帶到氣 流中。
7. 沖艮據(jù)前ii^又利要求任一項的方法，其中在燃燒區(qū)上游將鈣鹽夾帶到氣 流中。
8. 根據(jù)前述權(quán)利要求任一項的方法，其中通過空氣吹送粉末技術(shù)將鈣鹽 夾帶到氣流中。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1至7任一項的方法，其中通過簡單噴霧技術(shù)將4丐鹽夾 帶到氣流中。
10. 根據(jù)權(quán)利要求l至7任一項的方法，其中通過霧化噴霧技術(shù)將4丐鹽 夾帶到氣流中。
11. 根據(jù)前ii^又利要求任一項的方法，其中燃燒區(qū)是向內(nèi)燃燒器的燃燒區(qū)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1至10任一項的方法，其中燃燒區(qū)是電熱燃燒器的燃 燒區(qū)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1至10任一項的方法，其中燃燒區(qū)是明火燃燒器的燃 燒區(qū)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1至10任一項的方法，其中燃燒區(qū)是等離子體反應(yīng)器 的燃燒區(qū)。
15. 根據(jù)前述權(quán)利要求任一項的方法，其中通過過濾器、^X分離器和 靜電沉淀器之一從氣流中除去氟化鈣鹽。
全文摘要
從氣流(1)中除去氟化氣體的方法包括下列步驟將含有氟化氣體的氣流(1)輸送到燃燒區(qū)(2)，在燃燒區(qū)(2)中分解氟化氣體，使能與氟化氣體分解產(chǎn)物反應(yīng)的鈣鹽(4)夾帶到氣流中以與氟化氣體分解產(chǎn)物反應(yīng)形成氟化鈣，然后從氣流中除去(10)氟化鈣鹽。
文檔編號B01D53/68GK101472666SQ200780022578
公開日2009年7月1日 申請日期2007年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月16日
發(fā)明者A·J·西利 申請人:愛德華茲有限公司