一种氢气退火炉废气处理系统及方法与流程

本发明涉及氢气退火炉，尤其涉及一种氢气退火炉废气处理系统及方法。

背景技术：

半导体技术的发展对半导体器件的品质要求越来越高，近十年来研究发现的硅中微小的原生缺陷如晶体的原生颗粒缺陷(COP)、激光散射层析缺陷(LSTD)等，都与硅中的氧有关。提升硅片质量的关键是使制作器件的硅表层中形成低氧区，以减少晶格缺陷。途径之一就是采用氢气退火工艺，在氢气中进行高温退火，通过氢促进氧的外扩散并与氧反应将氧消耗掉，以改善硅片质量。研究表明，氢气退火能降低硅片中氧化层错密度约一个数量级，对于减少硅片COP、LSTD等缺陷也有明显效果。

氢气退火工艺主要在氢气退火炉中完成，传统的氢气退火炉使用混合性气体，一般由量大的氮气与量小的氢气所组成(N：96％，O：4％)，在高温条件下，通过混合性气体中微量氢气与硅片中的氧发生反应，使硅片表层形成低氧区。这种混合性气体具有非易爆性，属于安全气体，反应完的废气可以直接进行排放。在氢气退火工艺过程中，退火形成的低氧区的质量和厚度除受退火温度和退火时间影响外，还与氢气浓度相关，氢气纯度越高，杂质越容易从金属表面逸出，杂质去除的速度越快，效果越好。随着现代半导体技术的发展，纯氢气退火的需求日益明显。在纯氢气退火中，工艺气体为易燃、易爆的氢气，反应管中的氢气纯度高达99.99％以上，工艺过程排放的废气中含有高含量的残余氢气，直接排放至空气中很容易达到氢气的爆炸极限4％-72％，稍有不慎即有可能发生着火或爆炸事故。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构简单、安全性高的氢气退火炉废气处理系统。本发明进一步提供基于该氢气退火炉废气处理的废气处理方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：一种氢气退火炉废气处理系统，包括废气导出管、阻燃单向阀废气燃烧装置及排废筒，所述废气导出管经所述阻燃单向阀与所述废气燃烧装置的进气端连通，所述废气燃烧装置的排气端与所述排废筒连通。

所述废气导出管与阻燃单向阀之间及阻燃单向阀与废气燃烧装置之间均采用VCR焊接连接。

基于该氢气退火炉废气处理系统的废气处理方法，包括以下步骤：

S1，加热使废气燃烧装置内的温度至氢气的燃点以上；

S2，利用废气导出管将废气经阻燃单向阀导入废气燃烧装置，同时废气燃烧装置中导入空气，废气与空气中的氧气燃烧；

S3，燃烧产生的水蒸汽及残余气体经排废筒排出。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述废气燃烧装置包括燃烧腔室、及设于燃烧腔室内的废气喷射管和加热电阻丝，所述废气喷射管沿竖直方向布置且进气口与所述阻燃单向阀连通，所述加热电阻丝为柱状并与所述废气喷射管平行布置，所述燃烧腔室底部设有空气进气滤孔，所述燃烧腔室与所述排废筒连通。

所述加热电阻丝设有两根，两根加热电阻丝对称布置于所述废气喷射管两侧，所述空气进气滤孔设有多个，多个空气进气滤孔均匀布置于燃烧腔室底部。

基于该氢气退火炉废气处理系统的废气处理方法，包括以下步骤：

S1，加热电阻丝通电，使燃烧腔室内温度至氢气的燃点以上；

S2，利用废气导出管将废气经阻燃单向阀导入废气喷射管，同时空气经空气进气滤孔进入燃烧腔室，废气与空气中的氧气燃烧；

S3，燃烧产生的水蒸汽及残余气体经排废筒排出。

氢气退火炉废气处理系统还包括安全保护组件，所述安全保护组件包括可编程控制器、用于检测废气喷射管的出气口处温度的热电偶、用于检测所述排废筒内氢气泄露的氢气检测探头以及用于采集氢气燃烧火焰的光谱信号的火焰探头，所述热电偶设于所述废气喷射管内并通过一温控仪与所述可编程控制器连接，所述氢气检测探头与所述可编程控制器连接，所述火焰探头设于所述燃烧腔室的侧壁上且高度比所述废气喷射管高，所述火焰探头与所述可编程控制器连接，所述可编程控制器与氢气退火炉气路系统的开关阀连接。

基于该氢气退火炉废气处理系统的废气处理方法，包括以下步骤：

S1，加热电阻丝通电，热电偶实时检测废气喷射管的出气口处温度，检测到的温度信号经温控仪发送至可编程控制器，废气喷射管的出气口处温度至氢气的燃点以上后，可编程控制器控制开关阀打开，废气依次经过废气导出管、阻燃单向阀导入废气喷射管，同时空气经空气进气滤孔进入燃烧腔室；

S2，开关阀保持打开状态T秒，火焰探头如果未检测到火焰，则发送火未燃信号至可编程控制器，可编程控制器控制开关阀关闭并发出火未燃报警；火焰探头如果检测到火焰，则发送点火正常信号至可编程控制器，可编程控制器控制开关阀保持打开状态，废气与空气中的氧气燃烧；燃烧过程中氢气检测探头实时检测排废筒内是否存在氢气泄露、热电偶实时检测废气喷射管的出气口处温度且火焰探头实时检测是否具有火焰，若出现氢气泄露、温度低于氢气燃点或火焰熄灭，则编程控制器控制开关阀关闭并发出氢气泄漏报警信号、温度低报警信号或火焰熄灭报警信号；

S3，燃烧产生的水蒸汽及残余气体经排废筒排出。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明公开的氢气退火炉废气处理系统，在废气导出管与废气燃烧装置之间设置有阻燃单向阀，废气只能从氢气退火炉的反应管流向废气燃烧装置，避免了废气燃烧装置内的火焰回燃至反应管而引发反应管内氢气燃烧甚至爆炸，结构简单，确保了安全。

本发明公开的氢气退火炉废气处理方法，同样具有上述优点，且通过燃烧对废气进行处理，节能环保。

附图说明

图1是本发明氢气退火炉废气处理系统的结构示意图。

图2是本发明中的燃烧装置的结构示意图。

图3是本发明中的燃烧装置底部的结构示意图。

图4是本发明中的废气喷射管的结构示意图。

图5是本发明中的安全保护组件的结构示意图。

图6是本发明氢气退火炉废气处理方法的流程示意图。

图中各标号表示：1、废气导出管；2、阻燃单向阀；3、废气燃烧装置；31、燃烧腔室；32、废气喷射管；321、进气口；322、出气口；33、加热电阻丝；34、空气进气滤孔；4、排废筒；5、安全保护组件；51、可编程控制器；52、热电偶；53、氢气检测探头；54、火焰探头；55、温控仪；6、开关阀；7、反应管；8、波纹管。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例一

如图1所示，本实施例的氢气退火炉废气处理系统，包括废气导出管1、阻燃单向阀2废气燃烧装置3及排废筒4，废气导出管1经阻燃单向阀2与废气燃烧装置3的进气端连通，废气燃烧装置3的排气端与排废筒4连通，该氢气退火炉废气处理系统在废气导出管1与废气燃烧装置3之间设置有阻燃单向阀2，废气只能从氢气退火炉的反应管7流向废气燃烧装置3，避免了废气燃烧装置3内的火焰回燃至反应管7而引发反应管7内氢气燃烧甚至爆炸，结构简单，确保了安全。本实施例中，氢气退火炉在反应管7的前法兰开设废气排放孔，在废气排放孔位置的法兰圆周端面安装连接接头，将废气导出管1的一端与连接接头连接，另一端与阻燃单向阀2连接；废气燃烧装置3的排气端与排废筒4通过波纹管8连通。

本实施例中，废气导出管1与阻燃单向阀2之间及阻燃单向阀2与废气燃烧装置3之间均采用VCR(Vacuum Coupling Radius Seal的简称，通常译为真空连接径向密封，在半导体制造行业应用较为广泛)焊接连接，相比管路之间常规的卡套连接，VCR焊接连接具有更好的气密性。

基于上述氢气退火炉废气处理系统的废气处理方法，包括以下步骤：

S1，加热使废气燃烧装置3内的温度至氢气的燃点以上；

S2，利用废气导出管1将废气经阻燃单向阀2导入废气燃烧装置3，同时废气燃烧装置3中导入空气，废气与空气中的氧气燃烧；

S3，燃烧产生的水蒸汽及残余气体经排废筒4排出。

实施例二

如图2、图3和图4所示，在实施例一的基础上，本实施例的氢气退火炉废气处理系统，其废气燃烧装置3包括燃烧腔室31、及设于燃烧腔室31内的废气喷射管32和加热电阻丝33，废气喷射管32沿竖直方向布置且进气口321与阻燃单向阀2连通，燃烧腔室31底部设有空气进气滤孔34，外部环境中的空气持续不断地经空气进气滤孔34进入燃烧腔室31，无需提供额外的氧气供应，燃烧腔室31与排废筒4连通，加热电阻丝33为柱状并与废气喷射管32平行布置，相比常规在废气喷射管32上缠绕电阻丝的结构，更有利于空气到达废气喷射管32的出气口322处与喷射出的氢气进行燃烧。

本实施例中，加热电阻丝33设有两根，两根加热电阻丝33对称布置于废气喷射管32两侧，更有利于对废气喷射管32均匀加热；空气进气滤孔34设有多个，多个空气进气滤孔34均匀布置于燃烧腔室31底部，使得外部环境中的空气能够从各个方向均匀地到达废气喷射管32的出气口322处。

基于上述氢气退火炉废气处理系统的废气处理方法，包括以下步骤：

S1，加热电阻丝33通电，使燃烧腔室31内温度至氢气的燃点以上；

S2，利用废气导出管1将废气经阻燃单向阀2导入废气喷射管32，同时空气经空气进气滤孔34进入燃烧腔室31，废气与空气中的氧气燃烧；

S3，燃烧产生的水蒸汽及残余气体经排废筒4排出。

实施例三

如图5所示，在实施例二的基础上，本实施例的氢气退火炉废气处理系统，还包括安全保护组件5，安全保护组件5包括可编程控制器51、用于检测废气喷射管32的出气口322处温度的热电偶52、用于检测排废筒4内氢气泄露的氢气检测探头53以及用于采集氢气燃烧火焰的光谱信号的火焰探头54，热电偶52设于废气喷射管32内并通过一温控仪55与可编程控制器51连接，氢气检测探头53与可编程控制器51连接，火焰探头54通过一过渡腔管安装于燃烧腔室31的侧壁上且高度比废气喷射管32高，火焰探头54与可编程控制器51连接，可编程控制器51与氢气退火炉气路系统的开关阀6连接，设置安全保护组件5可避免高纯度的废气未经燃烧直接排放，进一步提高废气燃烧处理的安全性。

如图6所示，基于上述氢气退火炉废气处理系统的废气处理方法，包括以下步骤：

S1，加热电阻丝33通电，热电偶52实时检测废气喷射管32的出气口322处温度，检测到的温度信号经温控仪55发送至可编程控制器51，废气喷射管32的出气口322处温度至氢气的燃点以上后，可编程控制器51控制开关阀6打开，废气依次经过废气导出管1、阻燃单向阀2导入废气喷射管32，同时空气经空气进气滤孔34进入燃烧腔室31；

S2，启动延时保护程序，即开关阀6保持打开状态T秒(具体数值根据实际情况设置)，火焰探头54如果在T秒内未检测到火焰，则发送火未燃信号至可编程控制器51，可编程控制器51控制开关阀6关闭并发出火未燃报警；火焰探头54如果检测到火焰，则发送点火正常信号至可编程控制器51，可编程控制器51控制开关阀6保持打开状态，废气与空气中的氧气燃烧；燃烧过程中氢气检测探头53实时检测排废筒4内是否存在氢气泄露、热电偶52实时检测废气喷射管32的出气口322处温度且火焰探头54实时检测是否具有火焰，若出现氢气泄露、温度低于氢气燃点或火焰熄灭，则编程控制器51控制开关阀6关闭并发出氢气泄漏报警信号、温度低报警信号或火焰熄灭报警信号；

S3，燃烧产生的水蒸汽及残余气体经排废筒4排出。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。