现场处理废气流的装置和方法

专利名称：现场处理废气流的装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种从废气流中去除不想要的成份的方法，所述成份如氟、硅烷、气态氟化物、酸性气体和气态氯化物，更具体地说在制造半导体的过程中利用湿式洗涤设备和方法除去上述类型的不想要的成份。
背景技术：
关于使用湿式洗气方法净化去除半导体排出气，各种用途都需要除去氢化物气体、酸性气体及夹带的固体。尤其是在使用或制造SiH4(硅烷)、NH3(氨气)、F2(氟气)、HF(氟化氢)、SiF4(四氟化硅)、或COF2(碳酰氟)、如某种CVD(化学汽相沉积)方法时更是如此。
在这些废气流处理的应用中，现有技术一般采用一种多成份洗气系统。在这样一种设备中，硅烷和任意的氨在一种净化系统室中被热氧化，及HF、F2、SiH4、COF2和任意的氨在另一个单独地室中用水洗涤。热氧化的缺点是(i)高能耗，及(ii)氨的氧化产生NOx。此外，高温加热室由于酸性气体被加热而加快了对加热室下游的腐蚀，但是酸性气体在加热设备中不会减少。水洗涤室直接位于加热室的下游。热酸性气体在位于水洗涤设备和加热设备之间的热、湿接触区域产生腐蚀。
因而迫切需要人们开发出一种简单的、可靠的洗涤设备以有效地处理含有上述类型气体的废气流。
更具体地说，涉及除去废气流中含有的含氟化合物，全氟气体被广泛用在芯片生产中以就地制备氟气和用于等离子助反应中的含氟自由基。这些高活性物质被制备以从操作室中除去硅或蚀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质包括CF4、C2F6和C3F8。三氟化氮(NF3)和六氟化硫(SF6)也被广泛使用。
全氟化合物(PFCs)还是最强的温室气体，其全球变暖能力比二氧化碳高3到4个数量级。此外，PFCs极稳定，在大气里可以存在几千年。即使半导体工业不是最大的PFC排放源，也应积极地寻求对策以减少PFC排放以保护环境。
正在进行的对减少PFC排放的研究集中在下面四个领域最优化、使用替代的化学物质、回收/循环技术及净化工艺。
最优化方法涉及调整反应器的操作条件，从而在半导体制造池中提高PFC的转化率。在半导体制造方法中存在的非最优化条件导致PFC使用随着气体种类和使用方法的变化而变化。例如，使用CF4和CHF3结合的氧化物蚀刻利用率最低——15％。报导的钨沉淀方法使用NF3可将利用率提至68％。近来在半导体池中进行的最优化等离子净化工艺被证实可将NF3的利用率提高到99％。
高PFC转化率不可避免地形成有害的空气污染物(HAPs)。分解产物主要包括氟(F2)和四氟化硅(SiF4)气体及少量的HF和COF2。相对于送到半导体制造池的初始PFC的量全氟化气体的破灭产生大量的增大的HAP产量。例如，假设PFCs按化学计算量转化为F2，每分钟1升(1pm)流速的NF3每分钟能产生1.5升(1pm)的F2。在半导体制造方法系统中四个室的废气流每分钟能产生6标准升(slm)的含氟气体，导致后泵排出物含3％的F2(每个泵含501pm压盘物N2)。
这些估测值两倍于六氟化的PFCs(相对于NF3)并可能在未来随着300毫米晶片制造的计划产量而增加。这些预测表明情况比较不利，并且不能解释使用PFCs方法的短期延续性和周期性，在初始净化阶段较低的F2排出浓度，及与PFC循环同步的两个或三个室的减少的概率。但是，这种预测显示了半导体制造过程中PFC问题的严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统的完整性，还会对人的健康和环境产生十分不利的影响。特别是F2的氧化能力高于半导体制造装置中所使用或产生的任何其它化合物，且其反应活性远高于其它的卤素。在最优化等离子方法中大量的F2和其它含氟的有害无机气体需要采用现场处理(POU)减少工艺以降低潜在的危险并延长操作室的使用寿命。
现成除去F2有几个可替代的方法。当氟的浓度高时，氟和除了氧气、氮气和稀有气体之外的元素发生放热反应。结果不需要向系统中提供能量，利用自然发生的反应除去高活性气体，从而达到减少氟的目的。这种可能的工艺的主要问题是存在热分解和形成可接受的副产品。
另一种减少氟的工艺是提供可能的溶液，包括湿法和干法反应工艺，及热反应工艺。
在干法中，含氟的气流通过填有反应性物质的干燥床流动。适宜的干燥化学物质将使氟转化为无害的固体或气体，并不会产生过多的热量。所述产生热量是一个不利因素，尤其是含有大量的F2时。
在一种热反应方法中，热量散发装置使靠燃料或电能加热的反应器内的反应物和F2结合。通过加热减少F2的方法得到的副产品包括热酸，所述热酸需要用后反应水洗涤器除去。在这些后反应水洗涤器中的净化效率会打折扣，因为大多数酸性气体的净化效率由于温度的影响而减少。此外，热浓酸的保存需要昂贵的材料和建造费用以防止温度升高时酸的腐蚀。
在湿法工艺中，优点是含氟气体和水的反应快速而有效。水和F2的主要反应产品是HF、O2和H2O2。反对使用水洗涤器的理由包括反应形成了不想要的OF2，及在高氟情况下需要大量的水以有效地除去F2。
比较前面的处理工艺可知，如果OF2副产品的形成和水消耗量大的问题可以得到解决，湿法净化工艺是最吸引人的。
因此，在技术上需要现场使用湿法洗涤氟减少系统，所述系统可以阻止不想要的OF2的形成，及在高氟浓度下具有可接受的氟净化效率并降低水的消耗量。
现在考虑到硅烷作为废气流中不想要的成份而要在气流处理中将其除去，这种成份如上面所提到的优选通过热氧化除去。水洗涤除去硅烷相对于热氧化方法一般被认为是不可取的，因为硅烷在水中只有很低的溶解度，和水的反应性很低。现有技术中在有些时候使用化学物质(如氢氧化钾和氢氧化钠)洗涤，但是使用这样的氢氧化物除去硅烷一般需要大量的化学添加物，因而提高了操作费用。化学洗涤例如被记载于“Efficiently handling effluent gases through chemicalscrubbing，”T.Herman and S.Soden，American Institute of PHysicsConference Proceedings 166，PHotovoltaic Safety，Denver，CO 1988。
除了前面用于减少硅烷的工艺之外，在水洗涤器中最后洗涤废气之前可从市场上购得某种设备来热氧化硅烷。然而，这些设备的缺点是需要点火源及燃料、或电能来加热。所述方法会在周围环境中释放出很高的热量，导致过高的温度和需要冷却大量的排出气体。
在除去硅烷的过程中另一个问题是废气流中还可能存在氨。硅烷和氨同时存在使得它们的高效去除变得特别困难。
因而当硅烷和氨气同时存在于废气流时需要在气体洗气系统中开发出一种能有效地除去它们的技术。
因此，提供一种能有效地除去硅烷并能避免热氧化处理的缺点的装置和方法在技术上是显著的进步。
在室温下或接近室温下除去硅烷在技术上是一个显著的进步，或其它基本上低于热氧化处理所使用的温度条件。因而需要一种“冷燃烧”方法和装置以通过低温氧化除去硅烷。
另外一个问题是用水洗涤器处理废气流会起泡。在某些半导体的生产中，当废气流进入水洗涤器时会促使泡沫形成，所述泡沫在洗涤器内部会产生不利影响。最严重的问题是大量的泡沫积累起来会完全地充满洗涤器的内部空间。当这种情况发生时，泡沫被气相夹带并带出洗涤器。当泡沫在排出管表面聚结时会发生腐蚀。此外，当泡沫存在于洗涤器的液体槽时会产生气穴现象，因而泡沫会损坏使洗涤液循环的泵。最后，这种泡沫的活动会显著地增加通过净化器的压降，因而不仅不利于洗涤器和废气流处理系统的操作，而且不利于上游对压力敏感的半导体制造装置的操作。
在废气流的水洗涤器的操作中出现的另一个问题是在洗涤器中所使用的含矿物质的水。在世界上的某些地方和美国，供给水洗涤器的添加水硬度很大，即所述水含有高浓度的钙、镁和其它离子种类。已经发现当水洗涤器操作时的pH值高于约8.5时，水中的钙会以碳酸钙(CaCO3)的形式沉淀出来。这会产生许多问题。一个是碳酸钙在与洗涤器相连的循环泵的内部粘着在敏感的表面上，这会使泵失灵和出故障。另一个问题是碳酸钙积聚在洗涤器的填充物表面上。这又增加了气流通过洗涤器的压降并降低了洗涤效率。最后，碳酸钙沉淀会在洗涤器的水管中形成，这增加了压降并因而降低了水的流速。
另一个更具一般特征的固体沉淀问题是在洗气系统中与压力传感设备相连的管道的堵塞。这种管道被用于测量净化设备入口处的压力，以告诉设备工程师在净化系统中是否存在堵塞。所述管道(压力感应部件)有时由于颗粒或冷凝的气体而堵塞。如果固体积聚在所述感应管道上，相关压力感应设备显示的数字是不准确的，并可能发出一个错误的信号而致使净化系统不能工作。
一个相关的问题是在水洗涤器的入口处存在固体沉淀，这可能是由于在被处理的废气流中存在冷凝的气体。
因而需要消除净化系统中固体的形成或使其最小化，以避免或至少改进前述固体沉淀问题。
关于使用湿法洗涤净化半导体排出气，在这里需要除去酸性气体和固体，如在使用或制备Cl2、F2、HF、HCl或NH3，如金属蚀刻、LPVCD、EPI和CVD方法，所述洗气系统使用单个对流入气体进行处理的填料塔。在填料塔的上部是一个用洗涤液(通常为水)润湿填料物质的喷淋机构。气体可以通过填料塔以和下落的水同样的方向向下流动(并流)，或与水流方向相反向上流动(逆流)。使用逆流设计具有一个优点，因为气体出口处(塔顶)的水是清洁的并能发挥最大的洗涤功效。另一方面，采用并流方式在塔的气体出口处(塔底)水被所吸收的酸性气体饱和，因而限制了净化效率。
不过，塔的体积、加湿填料和有效地除去固体都需要使用大量的以并流或逆流方式流过填料层的水。通过填料层的水流速度优选大于10加仑/分钟。这种使用高流速的干净水的造价高，所用的操作设备会耗用大量的水，尤其是缺水的地区。解决这种问题的办法通常是使用循环泵将用过的水送至填料塔顶继续使用，净水(补给)的流速会降低。然而，这种循环降低适用于前述气体种类的洗涤器的净化效率。
一种用于提高净化效率和减少净水补给速度的方法是使用一种化学喷射剂。这种物质能和溶解的气体反应，因而准许额外的气体分子进入含水的洗涤液中，结果使所述成份的转化达最大化。然而，在这种工艺中使用的化学试剂是昂贵的并可能存在另外的安全问题。
因而需要开发出一种能有效地除去固体和酸性气体而又不需要使用化学添加剂的洗气系统。提供一种用于处理废气的洗气系统也是需要的，这种系统相对于典型的水洗涤器的优点是净水的补给速度被大大地降低了，同时不需要使用化学添加剂。
因此，本发明的一个目的是解决上面所讨论的与现有技术中废气处理有关的问题。
本发明的另一个目的是提供一种解决现有技术中这种问题的废气处理系统。
本发明的另一个目的是提供一种能高效地使用水洗涤器的废气处理系统。
从下面的阐述和权利要求书中本发明的其它目的和优点将更为显见。
发明概述本发明涉及一种从废气流中除去不想要的成份的装置和方法。这种不想要的成份可以包括氟气、硅烷、气态氟化物、全氟碳化合物、酸性气体、氢化物气体和卤化物气体。这种气体成份的具体例子包括(但不限于此)SiH4(硅烷)、NH3(氨气)、F2(氟气)、HF(氟化氢)、SiF4(四氟化硅)、和COF2(碳酰氟)。
更具体地说，本发明涉及使用了湿式洗涤设备和方法的废气处理系统，所述系统可以减少半导体制造业产生的废气流中的不想要的成份。
一方面，本发明涉及一种除去气流中某种气体成份的洗气系统，这种洗气系统包括一个气/液接触室，所述接触室包括向接触室导入气流和洗涤液以使气/液接触的装置，此外至少具有下述特征中的一个(a)用于导入化学试剂的化学喷射器，所述化学试剂在所述气/液接触中和气态成份接触以将其从气流中除去，任意结合一种辅助压力引发设备，如一种在向洗气系统中注入化学试剂时可防止或至少部分地减少泡沫的多孔板；(b)设置用于导入气流的入口，一种能提高从气流中除去硅烷的气体通过所述入口流动；(c)接受经第一气/液接触室处理过的气流的第二气/液接触室，其包括向所述第二接触室中导入用于气液接触的第二洗涤液的装置，其中第一气/液接触室按气流和洗涤液并流的方式建造，其中第二接触室按气流和第二洗涤液逆流的方式建造。
(d)向用于气/液接触的洗涤液中导入泡沫抑制式防泡剂的防泡剂喷射器，以抑制洗涤室中产生的泡，任意结合一种辅助压力引发设备如一种在向洗气系统中注入化学试剂时可防止或至少部分地减少泡沫的多孔板；(e)抑制因洗涤液含有钙而产生碳酸钙沉淀的装置，所述装置选自(1)对进入接触室之前的洗涤液施加一磁场的磁化区域；(2)将洗涤液的pH值维持在8.5以下的调节装置；(3)在接触室使用洗涤液之前设置一用于洗涤液流动的石灰-苏打灰床(lime-soda ash bed)；及(4)在接触室使用洗涤液之前用于沉淀洗涤液中所含钙的沉淀器；(f)在洗气系统的通道中抑制固体形成的装置，所述装置选自使吹扫气沿着通道移动以抑制固体形成的装置，和加热所述通道以抑制固体形成的装置；及(g)使气流中的硅烷(当存在时)和氨结合而除去硅烷的装置，这种装置选自(1)在向洗气系统中导入气流之前加热所述气流的装置；及(2)根据上述(c)所说的第二气/液接触室，及经第一气/液接触室处理过的气流进入第二气/液接触室前被导入洁净干燥的空气或其它含氧气体的设备。
涉及洗气系统的另一方面包括向洗涤设备中导入含有硅烷成份的气流的入口结构。在这方面，气流沿着入口结构流动，入口结构包括用于向气流中导入一种气体以提高洗涤系统除去硅烷成份的能力的设备。这种气体可以包括洁净干燥的空气(或任何其它适合的含氧气体)。所述气体可采用任何适合的方式导入含有硅烷的气流，如通过浸渍管鼓泡进入流动的水中，通过浸渍管上开的孔，通过多孔浸渍管、或通过顶部的进口或侧壁的孔滴下，或通过入口管的侧壁导入。
所述气体导入设备的实施例如可以包括(i)具有环形气体导入通道的上部入口部件，包括一个与上部入口部件的气体流动通道相连的气体可透过的壁，增强硅烷去除的气体可通过所述通道流动，(ii)包括具有内壁的环形溢流液贮槽的下部入口部件，内壁表面通过入口结构的下部入口部件连接一个气体流动通道，和在内壁表面上产生溢流下降液膜和(iii)伸进气体流动通道的气体入口管并在气体导入设备的上部入口部件和下部入口部件之一的底端终止；其中所述气体导入设备被建造和设置以将含硅烷的气体从气源处导入洗涤设备中。
在另一个具体的实施方案中，用于提高除去硅烷成份的气体被导入含硅烷气流入口的流动通道，其中所述气体在中间位置或含硅烷气流的四周位置导入到含硅烷的气流，使除去硅烷的气体(如洁净干燥的空气或其它含氧气体)和所述气流充分接触在冷燃烧作用下通过氧化反应除去硅烷成份。
前面所述的设备可以结合一种湿壁入口结构类型，这将在下面作出更详细地说明。
本发明还涉及一种处理废气的洗气系统，所述废气包括酸气成份和可用水洗涤的除了酸气成份之外的成份。这种洗气系统包括用含水的洗涤液洗涤废气所含的酸性气体成份的第一洗涤设备，所述第一洗涤设备的建造和设置按含水的洗涤液和废气彼此并流的方式进行以减少废气中的酸性气体成份，同时减少的还有除酸气成份之外的可用水洗涤的成份，及与水具有反应性的气体；在第二洗涤设备中使用含水的洗涤液以洗涤气流中残留的酸性气体成份、除酸气成份之外的可用水洗涤的成份，及与水具有反应性的成份，所述第二洗涤设备的建造和设置按第二种含水的洗涤液和废气彼此逆流的方式进行以减少废气中的酸性气体成份，同时减少的还有除酸气成份之外的可用水洗涤的成份，及与水具有反应性的成份；及用于将酸气成份减少了的废气从第一洗涤设备引入第二洗涤设备的装置。
在上面所描述的洗气系统中，在第一洗涤设备中酸性气体成份和溶于水/与水反应的成份将会被减少，酸性气体成份和溶于水/与水反应的成份的浓度在含水的洗涤液中将分别达到平衡值。
本发明的另一个方面是涉及一种气液接触物件，在洗涤容器里具有可移动装置，所述洗涤容器具有将气体和液体导入洗涤容器内部以用于气/液接触的装置，这种填充介质装置包括一种液体可透过的结构，如含在这种可透过液体的结构中的多孔袋和大量填充物。
这里所用的术语“多孔”指穿孔、或者包括开口、空隙、vias或其它通道或开放的空间，所述孔使得液体可从中流过。多孔结构的开放空间可以随着填充物大小的变化而变化。
本发明还涉及一种除去气流中所含的所述气体成份的洗气方法，所述的洗气方法包括将气流和洗涤液导入气/液接触室并使气/液在这里接触，其中所述方法还至少具有下述步骤中的一个(a)导入一种化学试剂，所述试剂在气/液接触中和气体成份相接触以将其从气流中除去；(b)在气流进入接触室之前向其中导入一种气体以从气流中除去硅烷(如果存在硅烷的话)；(c)从接触室排出的气体进入第二气/液接触室并向第二接触室导入第二种洗涤液以用于气/液接触，其中第一气/液接触在第一室中进行，包括气流和洗涤液的并流接触，其中在第二接触室中的第二气/液接触包括气流和第二洗涤液的逆流接触；(d)在所述气/液接触中向洗涤液导入防泡剂以防止在接触室中产生泡沫，在洗涤液中任意结合一种引发辅助压力设备以防止接触室里产生泡沫；(e)抑制来自含钙洗涤液所产生的碳酸钙沉淀，包括选自如下的一个步骤(1)对进入接触室之前的洗涤液施加一磁场；(2)调整洗涤液的pH值以保持pH值小于8.5；(3)在接触室里使用洗涤液之前使洗涤液沿着石灰-苏打灰床流动；及(4)在接触室里使用洗涤液之前使洗涤液中所含的钙成份沉淀出来；及(f)抑制在洗气系统通道中形成的固体，包括选自如下步骤中的一种使吹扫气沿着通道流动以抑制其中形成的固体，和加热通道和/或通过气体流动抑制形成的固体。
另一方面，本发明涉及一种减少废气流中含氟化合物的方法，包括在存在还原剂的条件下使所述气流和含水介质相接触，所述还原剂如硫代硫酸钠、氢氧化铵、碘化钾、或任何其它合适的还原剂。
另一方面，本发明涉及一种减少废气流中含氟化合物的装置，包括根据含有氟化合物的废气流的流动方向连接水洗涤设备，所述设备设有氟化合物减少的废气流的排出口，还有向水洗涤设备中导入还原剂(如硫代硫酸钠、氢氧化铵、碘化钾或类似物质)的装置，以减少氟化合物的含量并提高氟化合物的去除率，相对于现有的系统缺少这种还原剂喷入设备。
本发明的另一目的涉及一种半导体制造装置，包括产生含有氟化合物的废气流的半导体制造装置；及减少废气流中氟化合物含量的设备，包括用于气/液接触的水洗涤设备；向水洗涤设备中导入含有氟化合物的废气流的设备；从水洗涤设备中排出氟化合物含量减少了的废气流的设备；及一种还原剂源，操作时与水洗涤设备可操作地结合和将还原剂导入水洗涤设备的设备。
采用这种装置的半导体制造装置可以是任何适合的类型，例如等离子反应室、化学汽相沉积室、气化室、外延生长室，或蚀刻池。
本发明的另一方面涉及一种废气净化洗气系统，所述系统包括一种用于洗涤废气的水洗涤器，所述系统被建造和设置以具有下述功能中的至少一种(1)使用添加或喷射了化学还原剂的水洗涤废气；(2)用水洗涤的废气含有硅烷，其中洁净干燥的空气被导入废气或洗涤液；(3)使用一种包括平衡洗气塔和精加工传质塔的两段式洗气系统，减少了用于洗气的添加水量，同时相对于一段式洗气设备提高了洗涤效率；(4)从平衡洗气塔(3)排出的气体在导入精加工传质洗气塔之前先被加入洁净干燥的空气，当在废气流中存在氨时可除去硅烷。
(5)在上述(3)所述的两段式洗气系统中使用一种含有填料层的多孔密封结构，所述填料层作为精加工传质塔的填充物；(6)在洗气系统中将废气和OF2还原剂相接触；(7)在洗气系统中通过化学防泡剂和/或限制洗涤液流动的孔板阻止泡沫的形成；(8)在洗气系统中通过下述方法中的一种或多种防止CaCO3积聚(a)将用于洗涤的补给水进行磁化；(b)控制补给水的pH值；(c)苏打灰-石灰软化补给水；及(d)对补给水进行沉淀或絮凝处理；(9)通过将吹扫气流通过光螺旋感应管路在洗气系统中排除带有光螺旋传感管路的光螺旋部件的结渣，其中光螺旋感应管路根据需要可自由加热；及(10)加热洗气系统使用的入口结构以向洗气区域中导入废气。
本发明的另一方面涉及气体洗气系统的入口结构、从气流中除去特定气体成份的净化装置和方法、及具体的洗气系统的特征、技术、子系统和方法。
以下将对本发明的其它方面，特征及实现方式予以评述，并且由所述公开的内容和所附权利要求、本发明将更为显见。
附图简要说明

图1是一个测试装置的示意图，在除去F2和SiF4的过程中用于表征废气和温度的测试设备的外形示意图。
图2是根据本发明的一个实施方案的水洗气系统的剖视图。
图3是出口氟平衡值(以百万分之一为单位)随入口氟浓度变化的曲线图。
图4是根据本发明操作的洗气设备的出口处所选择测量的成份的浓度(ppm)随时间变化的曲线图。
图5是一个入口结构的正面图，所述按液体流动方向和洗气设备相连的入口结构用于除去洗气设备上游的硅烷。
图6是另一个入口结构的部分剖视图，所述结构用于除去废气流中的硅烷。
图7根据本发明的另一个实施方案的水洗气装置的剖视图。
图8是碳酸钙沉淀速度(以磅/天表示)随着用在水洗涤设备中的洗涤水的pH值变化的曲线图。
图9是水洗气装置贮槽中的碳酸及其衍生物的浓度随洗涤液的pH值变化的曲线图。
图10是改进因素(相对于传统的一段式洗气器，当使用两段式洗气器时氨排出浓度的减少)相对于水流速度和不同的氨流速度变化的曲线图。
图11是根据本发明的一个实施方案装有一网袋洗涤剂颗粒的部分展开图，及一个相关的接受洗涤剂的洗涤器设备的外壳。
图12是根据本发明的一个实施方案的两段式洗气系统的代表性示意图。
图13是根据本发明的另一个实施方案的入口结构的正面剖视图。
本发明的详细说明，及优选的实施方案下述公开的美国专利申请在这里完整地引作参考(1)美国专利申请第09/086,033号，1998年5月28日申请，发明人Jose I.Arno，名称“现场除去氟化合物的装置和方法；”
(2)美国专利申请第08/857,448，1997年5月16日申请，发明人Joseph D.Sweeney等人，发明名称“用于向流体处理系统中导入含有固体微粒和/或固体形成流的防结渣入口结构；”(3)美国专利申请第08/778,386号，申请日为1996年12月31日，发明人为Scott Lane等人，名称为“向流体处理系统中导入含固体颗粒流的防结渣入口结构。
本发明涉及一种废气净化系统，例如可以包括下述特征中的一个或多个或相互兼容的特征(1)用添加或不添加化学试剂(如通过添加或喷射化学试剂，如氢氧化钾或氢氧化钠)的水洗涤废气；(2)洗涤含硅烷的废气，其中洁净干燥的空气被导入废气，如通过单个的、双的或三个洁净干燥的空气喷射口，或在隔离液体的入口结构中通过鼓泡向液体导入洁净干燥的空气，如从上部开口的杯中或多孔插入件向液体或洗涤液导入空气，可以选择通过质流监测器产生的控制信号控制洁净干燥气体的流速，使含硅烷的废气进入洗气系统，或可选择地当并流地存在氨时加热排出气或流动通道，例如入口，废气流通过该入口流动；(3)使用包括一个平衡洗涤塔和一个“精加工”传质塔的两段式洗气系统，减少了所需要的补给水，同时相对于一段式洗涤设备又保持或增加了洗涤效率；(4)平衡洗气塔(3)排出的气体在导入精加工传质洗气塔之前先被加入洁净干燥的空气，当在废气流中存在氨时可减少硅烷量，而不需要加热废气；(5)在上述(3)所述的两段式洗气系统中使用一种含有填料层的多孔密封结构，所述填料层作为精加工传质塔的填充物；(6)在洗气系统中将废气和OF2还原剂相接触；(7)在洗气系统中通过化学的(防泡剂)和/或物理的(孔板结构)阻止泡沫的形成；(8)在洗气系统中通过下述方法中的一种或多种防止CaCO3积聚a)将用于洗涤的补给水进行磁化；b)控制补给水的pH值；c)苏打灰-石灰软化补给水；及d)对补给水进行沉淀或絮凝处理；(9)在洗气系统中通过光螺旋传感管路通入氮气吹扫气或其它吹扫气防止光螺旋部件的光螺旋结渣，其中光螺旋感应管路根据需要可选择地加热；及(10)加热洗气系统使用的入口结构以向洗气区域中导入废气。
本发明将会在下文中得到更详细地描述，其中单个的特征及本发明不同方面的结合和变体可以在本发明不同的实施方案中使用。
在一个实施方案中，本发明使用化学喷射剂提高含有氟化合物的废气流在水洗涤处理中含氟化合物的净化率。本发明适用于半导体制造工业，其中产生含有氟化合物的废气流，需要对其进行处理才能排放或满足环境排放标准。
相比之下，标准水洗涤工艺不能除去高浓度的氟和其它氟化合物，本发明在技术上具有一个显著的进步，提高了水洗气系统的洗涤性能，在系统操作过程中减少了不想要的副产品的形成。
下面本发明主要介绍除去废气流中的含氟气体，本发明的方法和装置还可用于除去其它的含氟化合物及其它强氧化性气体(如ClF3、Cl2等)和液体。
此外，本发明下面介绍的是单独使用的洗涤设备，本发明的洗涤设备和方法还可以和其它的方法和装置一起使用，如和热处理设备一起使用作为预热净化和后热净化的水洗涤塔。
在本发明中使用一种还原剂提高对氟气或其它含氟化合物的去除效率，并防止OF2的形成。还原剂可以固体或溶液的形式注入，所使用的还原剂在空气里不易氧化。还原剂可以包括任何能在水洗涤环境中提高含氟化合物去除率的适宜的还原剂。优选的还原剂的实例包括硫代硫酸钠、氢氧化铵和碘化钾。最优选的还原剂是硫代硫酸钠、一种无毒、非碱性、易于得到的和便宜的化合物。
本发明用于除去废气流中含氟化合物的装置包括监测含有氟化合物的废气流中氟化合物浓度的装置，并相应地调整向水洗涤设备中导入还原剂的量。
这种装置例如可以包括一种用于调整废气流的pH值的pH监测设备，以一定的速度导入还原剂使还原剂的量与感应的pH值相适应。
另一方面，这种装置可以包括一种测量废气流中氟含量的废气监测器，根据氟化合物的感应浓度向废气流中以一定的速度导入一定量的还原剂。
一般地，监测废气流中氟化合物的浓度的装置可以变化较大，可根据相应的信号调整向水洗涤设备中导入的还原剂的量并被用于在含有氟化合物的废气流的净化中减少还原剂的加入量。
本发明可有效地去除含氟化合物，如用作还原剂的氟，本发明提高了氟的去除率(相对于缺少这种化学试剂的水洗涤设备)并同时保持了可以接受含量的OF2。
图1显示了在除去F2和SiF4的过程中用来表征的废气流和温度特征的装置。一种配备有传质控制器的自动化气体传送歧管，用来向洗涤器中送入氮气和氟气和四氟化硅的混合物。一种水洗涤设备110用来处理废气流。在水洗涤设备110的出口是一个含有填料层的逆流流动精加工设备120。
为了减少洗涤器入口的腐蚀，入口的金属部件130可以涂上镍或其它耐腐蚀材料。此外，或作为替代方式，空气或其它含有氧气的气体可以被导入入口以利于除去气流中不想要的成份。这种空气或其它气体加入入口的方式可以采用鼓泡或非鼓泡形式，在本发明所给的申请中这是需要的也是想要得到的。
在水洗涤设备中待处理的气体可以来自任何适宜的在上游过程，如等离子增强化学汽相沉积(PEVCD)方法。在这种方法中，在沉淀阶段氨(NH3)和硅烷(SiH4)流入反应室以在晶片表面形成氮化硅层(典型地为Si3N4)。
在净化阶段，三氟化氮(NF3)流入所述室以侵蚀室壁上的沉淀。所述三氟化氮在反应室或紧邻反应室前的室通过等离子作用分解为氟气(F2)和氮气(N2)。然后氟气侵蚀反应室壁上的沉淀，因而“清洗”了所述室。
清洗过程中的副产品是氟气、四氟化硅(SiF4)、氟化氢、未反应的NF3、及含量更少的其它化合物如碳酰氟(COF2)等。因而，在沉积步骤中，水洗气系统接触了SiH4和NH3，而在清洗步骤中，水洗气系统接触了F2、SiF4、HF、NF3、COF2和其它物质。
其它的上游方法产生了通过本发明的装置和方法易于处理的气体排出物，包括(但不限于此)金属蚀刻、氧化物蚀刻、聚合物蚀刻(polyetch)、氮化物蚀刻、低压化学汽相沉积(LPVCD)、外延硅(EPI)、钨化学汽相沉积(WCVD)、钨蚀刻、聚硅、常压化学汽相沉积(APCVD)、绝缘的化学汽相沉积(DCVD)及其它物质。
选取一些点来测量洗涤器内的气体和水的温度以在净化过程中控制所述方法。所述净化系统可以通过适宜的装置控制，如包括计算机140的控制方法和控制系统。
洗涤器排出的红外活性的气相物质被送入一种用于定量分析的FTIR分光光度计，如从MIDAC公司购买的MIDAC I-2000FTIR分光光度计。这种设备配备有长度为10米的涂镍气室150，并配有ZnSe窗和一种液氮冷却的MCT测试仪。这种分光计配备有合适的监测装置，如在0.5cm-1的分辨率下平均16次扫描覆盖了600-4200cm-1之间的光谱区域。定期(如每30秒)收集全部光谱以连续而又及时提供有关被测物质的特征和浓度参数。通过就地使用已知的SiF4的HF的浓度校准分析仪以得到精确地定量分析值。使用MIDAC公司出版的定量分析光谱库将二氟化氧(OF2)的吸光度转换为浓度。
使用气体感应室160以一个连续的方式分析含氟气体，如一种氟气/纯空气感应室(纯空气监测系统，也包括在内)。这种电化学(pH)感应器使用了气膜电镀室技术以监测有毒气体的低浓度。这种感应器被特别设计以就地监测在水蒸汽饱和条件下的F2。为了在监测设备的监测范围内(3ppmF2)进行连续地分析，洗涤气体排出气的已知流速被计量过的氮气流稀释。所结合的气流被导入装配有氟气感应器的混合室170。监测器对氟气浓度的变化做出响应。每隔30秒浓度数据被送入计算机。通过根据已知的氟气浓度校准感应器可得到精确的定量分析结果。
一种还原/氧化(REDOX)电极可替代pH计以控制化学物质的喷射速度。不象pH计(根据酸的浓度决定何时添加还原剂)，REDOX电极是当贮液槽中水溶液的离子电压达到一给定值时引发还原剂的加入。REDOX电极相对于pH控制系统的改进在于根据溶液的离子电势喷入还原剂相对于pH调控的喷入方式是一种更直接的在溶液中平衡化学反应的方式。
图2更详细地说明了水洗涤器210，所述洗涤器类似于图1系统中的水洗涤设备110。在水洗涤器中使水和污染气流垂直并流进行操作。在一个面积很大的填料区域220中水活性物质和水相接触而发生水解。所得到的液体落入水槽中或贮液槽230，所得到的净化气流通过与一个风机相连的垂直管排出洗涤器。水洗涤器中的动力水包括流入系统中的新鲜水或补给水，排出水，及贮存在贮液槽230中的持续循环的水。使用安装在气体排出口的逆流填料精加工层240提高洗涤器的性能。入口250涂有镍以减少固体沉淀并保护入口免受腐蚀。如图2所示洗涤器中气体的温度和水温在九个选取的点测量。
作为一种替代方式，可向系统中喷入化学试剂以提高含氟气体的去除率并防止OF2副产品的形成，配有一种装置向水溶液提供电子以完成下述反应和虽然可以使用任何适合的装置提供电子，优选的装置使用插入洗涤液槽中的电极，所述电极和外部的直流电(DC)源相连。除了不需要加入化学试剂之外，产生电子只需要使用少量的直流电。
作为另外一种相关类型的装置，它勿需喷入化学试剂就能提高含氟气体的净化率并防止OF2副产品的形成，使用牺牲阳极的方法向溶液中提供电子，例如阳极由金属网或金属板组成，并插入洗涤液贮槽中。金属(M)如下式所示进行分解
在操作中，洗涤液槽中水溶液的酸性将防止在金属表面上形成不期望的钝化层。不象上面所描述的电解池，使用牺牲阳极的方法不需要外加电源。相反，牺牲阳极装置的操作是基于伏打电池或原电池原理，根据这一原理牺牲金属自发的氧化反应产生所需要的电子。
本发明的另一个实施方案涉及在水洗涤器中除去二氟化氧，而不需要加入化学还原剂。一方面，可以采用适合的射线照射排出介质来完成二氟化氧的光分解，如使用波长为365纳米的紫外光(在室温下OF2在这个波长下出现量为1的气相光分解；参见Gmelin Handbook，FSuppl.Vol.4，45页)。这种射线接触可以在洗涤器的排气装置或洗涤设备的主填料层进行。
在水洗涤器中不需要加入化学还原剂就能除去二氟化氧的另一种替代方式，洗涤器废气流可以被加热至适宜的温度，如250-270℃。在这个温度下OF2通过单质分子反应而分解(参见Gmelin Handbook，FSuppl.Vol.4，43页)。
作为在水洗涤器中除去二氟化氧的另一种替代方式，向洗涤液中导入反应物以通过反应除去二氟化氧。可以作为这种目的的化学试剂包括(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。
在另一种实施方案中，铂或钯催化剂可用在水洗涤器的下游以净化二氟化氧，从外部加入氢，或就地通过硅烷的分解产生氢，或向洗涤液中鼓泡加入氢，以上述方式提供反应浓度的氢。
本发明的特征和优点在下面所述的实施例中会得到更详细地说明。
实施例1在图1和图2显示的一般类型的系统中，通过等离子反应室的净化除去模拟半导体制造装置中产生的废气流中的SiF4。
下面的表1概括了四氟化氢的净化结果(破灭和净化效率，％DRE)，喷入或不喷入苛性试剂。在这种情况下的净化不包括还原剂的导入。
用120slpm氮气平衡的固定浓度(300ppm)的四氟化硅被导入水洗涤器。所选择的试验条件代表或超过了在典型的等离子净化过程中所释放的废气浓度。被测得的净化效率是水流速(0.5和1gpm)和洗涤器pH值(加入或不加入苛性试剂)的函数。在所有研究的情况中，所测得的洗涤器出口处的HF和四氟化硅的浓度略微高于光度计的监测限，并明显地低于它们各自的极限值(TLV)(SiF4TLV＝1ppm，HF TLV＝3ppm)。
表1在120slpm氮气中入口浓度固定为300ppm的四氟化硅的净化结果的总结

实施例2流速为0.5-5slpm的氟气被导入装配有钝化的歧管的Vector-100水洗涤器(ATMI Ecosys Corporation，San Jose，CA)。用50slpm的平衡氮气稀释所述气流使氟气的浓度在1-6％之间。此外，通过将氮气流速增至200slpm研究对洗涤器内残留时间的影响。使用标准的(1.2gpm)和低的(0.75gpm)水流速度测试洗涤器装置的性能。当氟气的浓度高时使用硫代硫酸钠提高含氟气体的去除率并防止副产品OF2的形成。
表2概括了实验数据，并表明通过喷入作为还原剂的硫代硫酸钠所获改进。
表2氟气去除结果的概括

使用标准式定义的破灭和净化率百分数(％DRE)％DRE＝100×(1-出口F2平衡浓度/入口F2浓度)其中入口F2浓度是以ppm表示的F2入口浓度，出口F2平衡浓度按下式定义出口F2平衡浓度＝(出口F2浓度)ppm+1/2(出口HF浓度)ppm+(出口OF2浓度)ppm在上面的式子中，用入口和出口浓度定义DRE百分数，根据稀释结果来调整，由于稀释影响了浓度。这种测定显示了出口氟的实际值相对于进入洗气系统氟实际值的比值。
在所测试的各种条件下，水洗涤器对进入氟气的去除率超过99％。应该注意到表2所示的去除效率表征了本发明的还原剂增强型水洗气系统在最不利的情况下处理传统的等离子室净化释放的废气。
最重要的是，表中所示的出口浓度代表了在长时间的和连续的向洗涤器中送入含氟气体后所达到的平衡值。经测试达到这种稳定的状态的时间在10-30分钟，这取决于起始的氟气浓度。洗涤室的延续时间一般是达到平衡时间的一部分。
图3显示了水的使用对氟气净化效率的影响。如已经知道的，添加水的流速影响洗涤效率，这在高氟问题下是一个限定性因素。在没有化学增强剂的情况下，当分别使用0.75和1.2gpm的水输送约3％和6％的F2时(50slpm氮气压载物)，洗涤器出口处OF2的浓度超过3ppm。测试8-10(见表2)证实了化学喷射剂除了提高洗涤效率之外还阻止了OF2的形成。例如，测试6和8的试验条件除了加入化学增强剂之外是类似的。使用化学喷射剂会使HF和F2的出口浓度降低10倍，并将OF2的浓度降至监测限以下。
图4显示了洗涤器贮液槽pH值及HF和F2的排出浓度随着时间的变化。所述曲线显示了气体的穿透(breakthrough)被明显地延迟并为水pH值的函数。第二，在典型室净化中释放的随时间而变化的氟气浓度是不连续的。在起始阶段，在所述室中产生的大量氟气被用于和二氧化硅反应释放出SiF4气体。只是在SiO2被耗尽以后过量的氟气通过设备释放出来。
在试验过程中收集的温度数据显示了放热反应产生的热量在洗涤器内被有效地分散。在洗涤器入口内引入的气体和水蒸汽之间第一界面温度变化测量值被记录下来。在最高氟难题下最高温度从17℃增到26℃(ΔT＝9℃)。周围的热交换器中的循环水吸收了F2水解所释放的大量热。此外，测试完成后在洗涤器内部的任何地方没有发现腐蚀的痕迹或材料的损坏。总的来说，洗涤器接触并有效地净化了3.2lbs.(相当于855升)氟气。
前述的数据显示了本发明的优点，提高了从含氟气流中除去氟气的净化率。
另一方面，本发明涉及用于减少硅烷的废气处理系统，即SiR4，其中R例如可以是氢、卤代(F、Cl、Br、I)烷基(如C1-C8)、烷基、烷氧基、烯烃、炔、或任何其它适合的替代物。下面的讨论直接是硅烷(SiH4)，应该理解其它的硅烷衍生物可同样被净化，例如四甲基乙烯基硅烷(TMVS)。
令人惊奇的是意外地发现当使用中性水作为洗涤液时在高效水洗涤设备中硅烷被分解的效率高达约50％。这是个令人十分惊奇的结果，因为人们都知道硅烷难溶于水并和非碱性水溶液没有反应性。这可能是由于中性水中存在的少量氧气充当了硅烷在水中反应的催化剂。
虽然在有些时候硅烷的净化效率低于100％，硅烷在水洗涤器中会发生反应(甚至是适中的)是一个意义深远的发现。在实际应用中，产生含硅烷废气的工业装置不总是需要高效地分解硅烷；有时只需要将硅烷的浓度降至低爆炸极限之下。简单地通过在水洗涤器中加入附加的水洗涤步骤，或向补给水中鼓泡加入空气能提高分解率。
在水洗涤器中减少硅烷的第二种方法是使用苛性的化学喷射剂，如氢氧化钾。前面所描述的水洗涤器可以装配一种一体化化学试剂喷射系统，所述系统能计量加入水洗涤器的化学喷射试剂的速度，或根据给定点测量洗涤液pH值来决定。
前述方法的优点是对于硅烷的净化不需要热氧化洗涤器或热氧化室，所以废气处理系统的费用相对于使用热氧化处理设备的系统显著减少。另一个优点是可避免腐蚀，因为酸性气体没有被加热。另一个优点是在洗涤器中生成了反应副产品二氧化硅，因而用废水就可以洗除。在热氧化设备中常出现的二氧化硅或氮化硅引起的堵塞可以避免。
在另一个实施方案中，使用图5所示的入口室300可除去硅烷，所述室被特别设计以在包括这种洗涤设备的净化系统中除去洗涤设备314上游的硅烷。含硅烷的气体从上游处理设备(图中未示出)经过进料管道302输入进口室300的入口通道304，然后流入进口管306，同时由合适的水源(图5中未示出)经管道318向进口管306中加入水。在进口管中，来自管道302的气体和来自管道318的水相混合，同时喷入洁净干燥的空气(CDA)以有利于硅烷成份的氧化。如图5所示沿着进口管间隔分布的喷入管道308、310和312，所述CDA可以连续地喷入气/水混合器。
所得到的气/空气/水混合流然后进入洗涤设备314，气流被水洗涤后得到硅烷含量减少的气体，所述净化后气体从洗涤器314进入排出管道316。
入口室300可以由适宜的防腐材料(如不锈钢)制成并用作非热氧化器，并向进口管道中导入洁净干燥的空气。这种设计相对于传统的热氧化器的优点在于不需要热量，不会形成NOx，及由于温度(如环境温度或接近环境温度)低而避免了腐蚀。
在操作中，在特定的位置向不锈钢进口管306中通入废气和CDA。CDA和硅烷反应生成二氧化硅(SiO2)、硅酸(H2SiO3)、或一些含水的硅酸盐(SiO2*xH2O)。不需要闪光或热量，即使硅烷的入口浓度低于它的LEL。硅烷的净化效率可高达95+％。根据进入入口处的废气流的具体特征(如硅烷浓度和N2流速)来调整用于净化硅烷的CDA流速。
CDA可以在一个或多个位置同时导入进口管，或者按先后顺序导入。还可通过鼓泡进入洗涤液。这样，在实际应用中硅烷的分解效率可以有选择性地提高。当使用多个CDA段，在CDA段之间的距离可以通过实验最优化，所述距离是全部气体流速和硅烷流速的函数。
这种入口结构的改进可以包含将含硅烷的气流质流控制器(MFC)和控制CDA进入入口的结构的阀相连。设置这样的系统是当MFC不能工作时，CDA会打开，使有选择的CDA流速进入特定的CDA段。这种附加的CDA使多余的流入洗涤器的硅烷得到净化。这种控制系统还可使用N2代替CDA使用，因为N2可作为稀释剂以确保硅烷的浓度低于它的LEL水平。
作为一个安全特征，需要使用大量的CDA控制硅烷的点燃，或用惰性气体(如N2)稀释硅烷。当MFC被正确地操作时不需要持续地高速流动CDA或N2，因为这样会浪费CDA或N2。
除了CDA之外，水也是一种在入口装置的操作中所需要的成份。所述水可以垂直进入入口装置，这样在废气通过的进口管的周围形成了一外壳套。在一个描述的实施方案中，水被强制进入入口装置的顶端并通过堰流动，以致于废气通过的管道的四周形成了一个湿的壁柱。湿的壁柱使入口装置保持冷却，还可除去任何硅烷/O2反应的固体副产品。这种装置可以包括美国专利申请第08/857,448号申请，申请日1997年5月16日，发明人Joseph D.Sweeney等人，发明名称“用于向流体处理系统中导入含有固体微粒和/或固体形成流的防结渣入口结构；”及美国专利申请第08/778386号，申请日为1996年12月31日，发明人为Scott Lane等人，名称为“向流体处理系统中导入含固体颗粒流的防结渣入口结构，它们公开的内容在这里完整地引作参考。
入口装置另一个可能改进的方案包含将CDA鼓泡进入水中，在进口管通道的内部形成湿的壁。
可以理解加入的CDA的最佳量依赖于所述装置的操作中SiH4、N2、和其它气体如NH3的具体流速。例如最佳CDA流速为每小时0.1-100标准立方英尺(scfh)。
图6是另一个入口装置400的部分剖视图，所述装置用于减少废气流中的硅烷含量。
入口装置400接收来自上游源(图中未示出)的含硅烷的废气，如来自半导体制造设施。气体在管道402中导入并流入上部装配有光照相部件406的入口管404。光照相部件可以通过较高温度的氮气或其它合适的气体来加热，或在环境温度下，因而可防止所述部件出现堵塞(如在所述部件的通道的内部，或在所述部件的周围外壳套)。
这种设置可防止当废气含有可冷凝成份时光照相部件出现堵塞。
入口管404向下伸入比入口管的横截面大的下部管状通道构件410，将气体排放到下部管状通道构件410的内部通道460。
下部管状通道构件410包括一个上部装配有气体进入部件414和416的圆柱形外壁。氮气或其它合适的气体在压力增至适当的水平下经管道418流入内部环形通道412。通道412与同外壁呈放射状的空间分隔关系的多孔内壁420结合。多孔内壁可以由烧结的金属、多孔筛或其它合适的可透过气体的材料组成，所述内壁使加压的空气经过能透过的壁进入与内部通道460相连的内部通道430。
采用这种方式，上部部件和加压的气体相屏蔽，从而防止内部的室表面和气体接触，因而固体在室表面上的冷凝或沉淀被减至最小。管状通道构件410的上部被一个环形法兰452盖住，所述法兰在装置中通过O-环422和424密封。环形法兰通过一个锁紧环450固定，所述锁紧环选择的是可人工分离以允许内部通过和分解装置的结构。
管状通道构件410的下部的特征在于外壁440和内壁442呈放射状空间分离关系，在它们之间形成了一个环状空腔444。和环状空腔相连的是一个连有合适的水源的水入口448。导入的水进入环状空腔444并通过内壁442上的上端446溢流流入壁442的内表面，使室表面和待处理的气流不接触，同时并流地冲洗壁表面而除去任何可能和下降的水膜相接触的颗粒。
管状通道构件410的最下部连在一个径向伸展的法兰454上，在法兰454的下面有一个衬垫456以防漏并使入口设备紧紧地固定在下游设备上，如水洗涤设备、氧化设备、化学试剂室、或其它废气处理系统的部件。
当使用图6的入口设备将含硅烷的气流导入洗涤器设备时，可有效地分解硅烷使其浓度处于低爆炸限以下。当在入口处洁净干燥的空气通过鼓泡进入水中时，在适当的CDA流速下硅烷的净化率可达到98％+，如流速为约4-5标准立方英尺/小时。另一方面，CDA可以通过图6所示的一个或两个氮气部件流动。
作为一个硅烷去除效率的具体实施例，图6所示的结构用于含有硅烷的气流的洗涤处理，及向气流中导入洁净干燥的空气，下面的表A显示了这样一种洗气系统的测试结果，两者都是加入和不加入苛性(氢氧化钠)添加物(象文中其它部分所描述，这种化学添加物可通过喷入洗涤设备的化学试剂发生作用)。
表A中的数据包括硅烷成份的入口浓度，以体积百万分数表示(ppm)，其出口浓度，硅烷流速为480标准立方厘米/分钟(sccm)，洗涤速度(洗涤液流速)为1加仑/分钟(gpm)和0.5gpm，同时洁净干燥的空气的流速以标准立方英尺/小时(scfh)表示，及硅烷的干燥去除率百分数(干基的效率)，％DRE。
表ASiH4分解，硅烷流速为480sccm


前面显示了在洗涤器的上游的气流中导入CDA能有效地除去气流中所含的硅烷。
在本发明中还可使用其它入口装置，这种装置可以包括美国专利申请第08/857,448号申请，申请日1997年5月16日，发明人JosephD.Sweeney等人，发明名称“用于向流体处理系统中导入含有固体微粒和/或固体形成流的防结渣入口结构；”及美国专利申请第08/778,386号，申请日为1996年12月31日，发明人为Scott Lane等人，名称为“向流体处理系统中导入含固体颗粒流的防结渣入口结构”，它们公开的内容在这里完整地引作参考。
作为另一种除去气流中硅烷的装置，在洗涤操作之前或同时氢氧化钾或其它合适的反应剂可以和气流接触，以基本上完全除去待处理气流中所含硅烷。
在洗涤器中可能出现起泡现象，本发明在另一个实施方案中采用一定的方式以防止起泡，如待处理气流中存在的原硅酸四乙酯(TEOS)或氯代硅烷会产生泡沫，在洗涤液环境中也会促使泡沫形成。在本发明的一个实施方案中，一种防泡剂可以喷入洗涤器。在另一个实施方案中，对与洗涤器相连的循环泵的排出管道进行结构改动，使导入洗涤塔填料层的循环的洗涤液的流速和压力降低。具体地说，在循环泵排出管上设置一孔板以减少循环液的流速和压力。这种孔板还会使泵产生辅助压力，减少或消除初始泡沫或气穴的形成，所述气穴在有些时候，尤其是当TEOS或卤代硅烷存在时会导致泡沫的形成。
更具体地说，通过图7所示的化学喷射设备一种防泡的化学添加剂可以被加入水洗涤器中。
图7显示了一个水洗涤器500，气流通过管道502导入图中所示的入口结构504中。在洗涤室506中用含水的洗涤介质洗涤气流，洗涤后的气流从洗涤室506经过排出管道508被排出，还可通过后洗涤设备510，最后通过管道512从洗气系统排出部件511排出。洗气系统包括一个接收来自管道505中洗涤液进料和排放排出物和排出管518中的洗涤介质的洗涤液循环泵514。化学喷射试剂通过管道520从化学喷射设备524的化学喷射管522流入循环泵514。添加的洗涤液通过进料管516流入后洗涤设备510。一种控制室526包括适合的监视器、感应器、检测仪器、计算器、调整和驱动设备，从而控制洗涤器系统和化学喷射设备。
化学试剂喷射系统524可用于喷射防泡化学试剂。所使用的防泡剂是合适的类型，其加入的浓度足以改变洗涤液的表面张力以防止泡沫的形成。本发明的防泡剂的实施例可以在宽范围内选择，包括可由Dow Coming Corporation购得的防泡剂1410和1430，其为硅烷基材料。这种硅烷防泡剂材料使用时的浓度相对于含水洗涤介质中的活性硅烷约为1-100ppm(重量)。在具体地应用中通过改变加入洗涤介质中的防泡剂的量和监测洗涤器中产生的泡沫决定加入的防泡剂的浓度。
另一种减少泡沫的方法是在泵循环管道上改变管道系统。例如在泵循环管道上设置一限流孔板，以减少或消除泡沫的形成。这种孔板减少了循环液的流速，以致于在操作中只有较少的洗涤液撞击洗涤室中的填料表面，孔板还可作为压降设备。这样在填料塔上部洗涤液排出喷嘴的位置处压力可以有效地降低。
在这种装置中，限流孔板在系统的不同位置降低了系统中流体(洗涤液)的机械搅拌，如(i)在喷嘴处，由于通过它们的较低压降；及(ii)在填料表面，由于在液面撞击中只有较低的冲击；及(iii)在泵的内部，由于通过泵的液体流速较低。还可以在泵中形成辅助压力，所述辅助压力在某种程度上减少或消除了导致初始泡沫和气穴的出现，尤其是当TEOS或卤代硅烷存在时。
多种途径可用于减轻废气处理系统中的碳酸钙沉淀。一种途径使用一种磁化工艺，其中添加水流过磁铁。第二种途径使用一种pH控制系统。第三种途径使用石灰-苏打灰塔来处理(软化)添加水。第四种途径是在洗涤器的上游使固体沉淀。
使用石灰-苏打灰来软化水在Pontius，F.W.“Water Quality andTreatment”，4th Ed.，McGraw-Hill 1990，p.359有更详细地描述，它描述了主要由钙离子和镁离子引起的硬度，所述钙镁离子是在地下水中存在的可溶性化学物质(例如Ca(HCO3)2和Mg(HCO3)2)。通过石灰-苏打灰软化，这种可溶性化学物质被转化为不溶沉淀物碳酸钙(CaCO3(s))和氢氧化镁(Mg(OH)2(s))。
当两种因素同时存在时通常出现碳酸钙沉淀的问题。第一个因素是当地的水中含有大量的可溶钙盐。第二个因素是所处理的气流含有氨、所述氨提高了洗涤液的pH值。pH值的增加反过来促使可溶钙盐沉淀为碳酸钙。
在一个实施方案中，通过使添加水通过磁铁在洗气系统中可防止碳酸钙沉淀的形成。磁铁用于使碳酸钙离子和颗粒在进入洗涤器之前结合在一起。因而形成的离子和颗粒在通电下被防止粘在洗涤器的内表面上。磁化装置在现有技术中是已知的，根据本发明这种装置可以适用废气净化系统，以防止在洗涤液中出现碳酸钙沉淀或其它沉淀物质，通过使洗涤液(如水)通过磁化区域可限制或防止产生这种沉淀物质。
在另一个实施方案中，通过控制洗涤液的pH值来控制洗气系统中碳酸钙的形成。如图8所示，这是一个碳酸钙沉淀相对于贮液pH值的变化曲线图(洗涤设备的贮槽中的液态洗涤介质)，如果洗涤液的pH值保持在约8.5以下碳酸钙将不会沉淀。
如图9所示会形成Ca(HCO3)2(碳酸氢钙)，它是CO2(水合)、H2CO3(水合)、HCO3-(水合)和CO32-(水合)的摩尔浓度相对于贮液pH值变化的曲线图。碳酸氢钙可溶于水而不会形成沉淀。为了控制pH值，洗涤器系统可以使用一体化化学试剂喷射系统(见图7)。任何合适的化学试剂可用于控制pH值，例如包括酸如硫酸(H2SO4)和盐酸(HCl)。
在另一个实施方案中，通过在洗涤设备的上游从洗涤介质中除去钙而防止碳酸钙沉积。例如，洗涤设备的添加水可以通过一含有石灰和苏打灰的塔。当所述水通过塔时，钙离子会沉淀为碳酸钙。
在另一个实施方案中，通过使添加水通过一絮凝室形成钙沉淀或钙絮凝物而防止碳酸钙沉淀。絮凝室的内部，一种化学添加剂(如氟化钠)用于使钙形成不溶性CaF2。另一种方法，使用氢氧化钠的絮凝方法可以提高pH值，同时将二氧化碳气体通入所述室。二氧化碳气体在碱液中会转变为CO32-离子，然后钙离子和CO32-复合形成固体——CaCO3。
为解决前述在洗气系统的感应部件出现的形成固体和堵塞的问题，少量的惰性气体吹扫气(如氮气)可以防止压力感应部件出现固体沉淀，通过使惰性气体以适当的压力和流速通过压力感应部件。这种吹扫气的压力必须足够低以致于在压力感应设备不会产生辅助压力，否则会导致压力读数不准确。然而吹扫气流必须足够大以吹走任何存在的冷凝气体，或清洗颗粒进入压力感应部件的通道。当存在可冷凝气体时所述惰性气体还可以被加热，这将进一步地防止所述部件上产生固体。
还需要将洗气系统入口处产生的固体减到最小。就此来说加热入口气体输送管道是有益的，由于这样会使所有可冷凝气体以气相存在直到所述气体进入洗涤器。
本发明的另一方面涉及一种两段式洗气系统，它将解决现有技术的废气处理系统中单段式洗涤设备面临的问题。本发明的两段式洗气系统包括一个连有传质塔的平衡塔。平衡塔内的操作十分接近于平衡和理想的享利定律(Henry’s Law)的状态，但是塔长很短。下面的传质塔产生了另外高于第一塔中享利定律限定的水平。如果仅使用并流平衡塔，在低的水流速下就不能获得高的效率，而在逆流塔中却可以达到。然而，对于逆流塔，塔的高度高于工业装置(如半导体制造)中所能接受的塔高，即所述塔在这种装置中超过了所能接受的高度。
通过在传质塔的后面使用平衡塔，在低用水量的情况下可以到所能接受的塔的高度和优良的废气净化效率。就本发明的两段式洗气系统来说，这在技术上是一个显著的进步。
此外，本发明的两段式洗气系统在处理废气流中十分有利于颗粒和沉淀的去除。平衡塔具有大的水流速和“宽开口”的桶结构，在初始气体洗涤的操作中具有有效地洗涤性能。第二洗涤设备的传质塔的直径和水流速度都小于第一洗涤设备。这种较小直径/水流速度本身意味着在使用中极易堵塞，但是本发明中通过上游的平衡塔保护传质塔，在这种两段式洗气系统中堵塞可以避免。
因而本发明的两段式洗气系统包括第一洗涤阶段(包括一填料塔)，其中废气沿着塔与洗涤介质并流流动，如方向向下。在略微高于填料塔的位置可装置一循环设备(如旋转喷嘴)，因而来自洗涤器底部贮槽中的水以很高的速度循环。所述塔用于除去大部分酸性气体可溶于水的气体(除了酸性气体之外)，它还可以除去许多或者存在于进入气流中的固体，或者在洗涤器内由进入的气流和水反应形成的固体。
洗涤器的第一阶段对于给定气体物质的去除效率依赖于气体的流速和添加水的流速，通过改变各自的流速和测定去除的速度和程度不需要过多的试验就可决定上述气体流速和水的流速，从而决定气体流速和洗涤液的流速，它们将为洗涤器第一段装置提供所需要的效率。
进行了部分处理的气流从第一段洗涤设备进入第二段水洗涤设备，在这里不想要的成份的浓度被进一步降低。所述“精加工”塔是一个气体以逆流方式通过的垂直塔。这种塔优选小于第一阶段的塔。相对于第一阶段塔较小尺寸的塔只需要更低流速的水便可润湿填料层。所需要的水流速度是足够低以致于可用新鲜的添加水可达此目的。因而塔的效率较高，两段式洗气系统的操作不需要使用化学喷射试剂或大量的新鲜水。
相对于传统的单段水洗涤器，使用两段式水洗涤器具有以下几种优点。对于给定的添加水的流动速度，这种两段式设计可以达到更高的洗涤效率。另一方面，如果需要一种给定的效率，两段式设计允许添加水的流速显著降低。最后，两段式装置可以使洗气系统接受更高的气体流速，同时相对于单段式洗气系统又能保持同样的效率和添加水的流速。
在两段式洗气系统中，相对于单段式洗涤设计第二段使用较小流速的添加水同样能增加洗涤效率。使用精加工洗涤器可以避免为了达到一定的(在两段式洗气系统中可以实现的)洗涤效率需要使用的化学喷射试剂。
在现有技术的单段式洗气系统和本发明的两段式洗气系统的比较中，在各自的系统中通过水洗涤来处理氟气、含氟的氮气流。所得到的数据如下面的表B所示。
表B


前述数据显示两段水洗气系统既提高了氟的净化率，又降低了水的消耗量。
在一个具体的实施方案中，两段式洗气系统的第一段包括一个直径为21英寸高度为18英寸的填料塔，半导体制造装置排出的气体以并流的方式通过它。第二段塔的直径为4英寸高度为18英寸，相对于第一段塔允许更低的水流速度。对于这种设计使用小于0.5GPM的水流速度便可润湿填料层；因而基于此目的可以使用新鲜的添加水。
在一个具体的实施方案中，在(第二塔)精加工塔中可使用一种新的塔壁内衬，所述内衬增加了精加工洗涤塔的效率。内衬还可作为含有精加工洗涤器的填料材料的软衬底。这种设计使得如果需要清洗时精加工洗涤器容易被去除和更换。此外，这种设计可以很容易对本领域中存在的单洗气系统进行更新。
图10是当使用精加工洗涤器时(相对于缺少精加工洗涤器的相应系统)用于减少排出气氨浓度的改进因素相对于水流速度(加仑/分)的曲线图。曲线显示了对于给定的添加水流速度精加工洗涤器将出口氨浓度降低了110倍(相对于缺少精加工洗涤器的相应系统)。此外，相对于一段式洗气系统所述精加工洗涤器仅使用1/3的添加水便可将出口氨浓度降低30倍。
精加工洗涤器的设计特征的一个显著优点是具有壁内衬。作为实施例精加工洗涤器的直径为4英寸，用在精加工洗涤器中的填料部分的直径为1英寸。因而塔径与填料的直径之比为4。传统设计规则要求这个比例从来不应小于8，优选为最小为10-15。这是由于小的比例使洗涤液沿着塔壁向下沟流，因为壁上的空间远远地大于塔内区域的空间。
一种壁内衬可用在精加工塔中以保持洗涤填料，同时又能防止在壁上沟流因而获得高的洗涤效率。由于系统的压降限制，不可能简单地使用较小尺寸的填料来解决前述沟流/旁流问题。
本发明的壁内衬包括袋式、网式、篮式、或其它具有小孔的容器，以使待处理气体和洗涤液都能通过它们流动。采用这种方式，所述内衬可透过气体和液体，允许气/液接触在内衬的填料表面上进行。
在一个实施方案中，内衬可以由惰性材料组成，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，玻璃纤维，或任何其它在结构上适合用作内衬的材料，所述材料在精加工塔内和其中使用的材料不会发生反应。
对于具体的实施例，内衬可由塑料孔网材料组成，虽然根据所述材料的填料层的尺寸小的网孔或大的网孔都可有效地工作，为塑料丝组件并具有1厘米×1厘米的网孔，其取决于材料的填充空间，所述材料被用在精加工塔中并能提供广泛的气/液接触。塑料丝的厚度约为1/16英寸，网的方向是使塑料丝可以垂直和水平地运动。在具体的实施方案中网可以变化，包括塑料丝之间或大或小的空间；包括细或粗的塑料丝；和/或包括对角(任何角度)指向的网，其中所述丝不能垂直和水平的运动。制造网的材料优选用憎水的(即不容易被润湿)化学惰性材料组成。
壁内衬因而提供了一种含有精加工洗涤器的填料的可移动滞留结构。这种塑料丝设计是十分有利的，当需要清洗填料物或塔壁内表面时这种填料内衬可以很容易地除去。采用所述内衬设计还使本领域中存在的水洗涤设备的更新变得容易。
上面已经参照“精加工”或两段式洗涤设备中的第二段洗涤器对所述内衬进行了详细地描述，同样所述内衬结构还可用在第一段洗涤设备。在第一段洗涤设备中，因为装配有套管或箱的容器的大小特征和空间特征，中等尺寸的填料不会出现精加工洗涤阶段的旁流问题和沟流问题，但是同样需要净化第一段设备的内表面和其中的填料表面。
因此，在两段式洗气系统的第一段设备的填料中同样可以装配类似于用在第二段洗涤设备中的内衬。
因而含内衬的填料可作为“箱”安装(也可拆除)在精加工洗涤器和选择地安装在本发明的第一洗涤器中，这提高了洗气系统的操作效率，避免了精加工洗涤器出现前述的气体旁流和沟流现象。
图11是根据本发明的一个实施方案装有一壁内衬和填料部件600的示意图，包括一个具有开口604的网袋602，由适合的聚合物材料形成了在洗涤操作下能保持结构完整的十字绳606。网袋602含有大量的填料部件608。所示网袋可以装配一上端封闭的构件610，如一种弹簧夹612和带子614，所以通过锁上弹簧夹和打开弹簧夹网袋可以人工地打开和关闭。
填料构件608可以是任何适合的形状、尺寸、形式和材料，只要在给定的气体洗涤操作中是有用的。例如，填料构件可以是环状、鞍状、螺旋状、圆饼状、或任何其它规则和/或不规则的形状，例如可以包括鲍尔环、拉西环、或任何其它可以购得的填料。这种填料优选为有高的比表面特征，从而在洗涤操作中实现高效的气液接触。
如图11所示的壁内衬和填料构件位于洗涤设备容器616的上部，其中安装的这种壁内衬也可以拆除。
图12是根据本发明的一个实施方案的两段式洗气系统700的示意图。
两段式洗气系统包括一个内部含有洗涤介质层704的第一洗涤容器702。虽然图示的是一种优选的由填料物形成的“松散”层，还应注意到所述床层可以作为由用于气/液接触的填料材料形成的可移动插入层。床层704置于支架706上，所述支架包括栅条、筛网、隔板或其它适合的孔状物，所述支架牢固地连在容器702的内壁上并具有很高的结构强度足以支持填料层。优选地，第一洗涤容器含有没有任何内衬或袋的填料物。
在填料层704的上面是一个接收来自上游生产装置714(如半导体生产装置)排出的待处理气体的上部空间，废气从这里经过管道716流到洗涤容器702，并通过入口设备718进入所述容器的内部空间。废气在沿着管道716流动过程中可通过加热设备720加热，例如为了更有效地除去硅烷。
通过这种设置，从上游装置来的气体沿着填料层向下流动，到达加压空间708，并从洗涤容器702排出进入管道760中。排出管道760通过接头742连在洗涤容器702的壁上。
加压空间708还可作为收集液态洗涤介质712(如水合介质)的贮液槽710。液体通过管道722从贮槽710再循环，所述管道722通过接头724连在容器702的壁上。洗涤液体从管道722流到泵726，所述泵将液体排到循环管道728中，液体从循环管道728流至动力室730，所述动力室驱动所结合的空心轴732，所述空心轴与轮毂736相连，轮毂上的臂装配有紧密连接的喷嘴738。因而动力室使洗涤液从管道728经空心轴732进入臂734和用于在袋704的填料层上分配喷洒的喷嘴738，如果需要从连有适合的洗涤液源(图中未示出)的管道770添加这种液体。动力室按图12的箭头R所示的方向同时旋转所述轴。如果精加工洗涤器存在的话，添加水优选单独地流动，这样将能发挥最佳的洗涤作用；管道770含有来自精加工塔管道768的排出液。
管道770中的添加液可优选通过一磁化区域796，以防止洗气系统中的碳酸钙沉淀。另一方面，所述区域796可以包括一个pH调整区、一个用于处理(软化)洗涤液的石灰-苏打灰塔，或一个通过适宜的处理使钙和镁沉淀出来的沉淀区域，从而使洗涤液在洗涤室的上游就除去了钙和镁。
在洗涤容器702中洗涤液介质和气体并流地向下流动。采用这种方式，大量的酸性气体和可水洗除去的气体(除了酸性气体之外)将会从待处理气体中除去，所述气体中许多固体通过洗涤操作可同时除去。
在第一洗涤容器702中经过处理的废气经过管道760进入第二洗涤容器744。第二洗涤容器具有包含填料的袋746，可以参见图11。
可以理解第二洗涤容器744的尺寸和结构特征减少了填料袋746的需要量，所述床可以由松散的填料组成。例如如上面所描述的，然而，在所述床的直径较小时，设置图中所示的袋可以提供一种壁接触结构，所述结构可以避免不能对气体进行充分处理的反常的旁流和沟流现象，还可以起到适当的防水作用以确保精加工洗涤操作的高效性。
第二洗涤容器中的填料袋746位于支架748上，所述支架可以是和第一洗涤器中同样或相似的类型。新鲜的洗涤液经管道740导入洗涤容器744的上部，所述管道740可以和适宜的洗涤液源(图中未示出)相连。管道740中的洗涤液可选择性地通过一磁化区域798，以抑制或消除洗气系统中的钙沉淀。
另一方面，所述区域798可以包括一个pH调整区、一个用于处理(软化)洗涤液的石灰-苏打灰塔，或一个通过适宜的处理使钙和镁沉淀出来的沉淀区域，从而使洗涤液在洗涤室的上游就除去了钙和镁。
在第二洗涤容器上部的内部空间洗涤液可通过一种分配装置进行分配，所述分配装置如第一容器中所示的，但是第二容器的直径一般较小，通过所述容器的全部横截面使用单个喷头或喷嘴就足以导入所需的液体。
然后洗涤液沿着袋746中的填料向下流动并经管道760导入容器744的气体相接触。来自管道760的气体在所述容器底部导入并沿着袋746中的填料向上流动进行气/液接触以洗涤所述气体。
洗涤过的气体在容器744的内部通过上部流入包含风机的管道764中，所述风机使用处理过的气体排出系统外并解决了气体处理过程中的压降问题。另一方面，泵、压缩机、涡轮机、鼓风机、抽气器、排放装置或其它动力流动装置可以用来使气体从处理系统排出。
通过了填料层的洗涤液从容器744的底部经管道768排出，在最后的处置前还可进行进一步地处理，和/或在所述系统中循环使用，例如作为添加液流至管道770并导入第一洗涤容器702中。
可选择的磁化区域796和798包括任何适合的磁化装置，如C-500Physical Water Conditioner(Isaacson Enterprise，Stockton，CA)和可由SoPhTec International(Costa Mesa，CA)购得的商品名称为SoPhTec的磁化系统。
上面所述的两段式洗气系统十分有利于降低气体洗涤处理中干净水的耗量。此外，所述包括多洗涤步骤的系统不需要化学处理，因而在技术上是一个显著的进步，可以进行有效的洗涤处理而不需要大量的水，由于不需要使用化学试剂而降低了操作费用。
在小直径洗涤器中除了使用一种含填料的袋外可以由一种能削弱旁流或沟流现象的装置代替使用，至少在所述洗涤容器的部分内壁表面上设置一流体流动中断结构，如图12中所示的洗涤容器744内壁上的凸出部790。流体中断结构可以采用适宜的形状，如棒、凸起、隆起、弯钩、一体化壁凸出部(例如通过所述壁表面压花)、肋状突起、壁上划痕、在壁上嵌入颗粒、在壁内铜焊或焊接的金属贴花、壁表面上连接的纤维或棒等。这种突起结构将改变在洗涤容器壁面上流体流动的边界层，并使流体在壁面上重新流回床层。
图12所示系统的另一方面，从第一洗涤设备702经由管道760流至第二洗涤设备744的废气流还可由管道747加入洁净干燥的空气或其它合适的气体。这种洁净干燥的空气的导入有利于减少废气中不想要的成份，如硅烷，尤其是当气流中存在氨时。为此，管道747可以连接一洁净干燥的空气源(图中未示出)，或其它为此目的的适宜气体。
可以理解虽然已经对两段式洗气系统的实施方案作了介绍和描述，本发明的其它实施方案也可使用，其中提供了不止一个的洗涤容器和相关的洗涤步骤。
图13是根据本发明的另一个实施方案的入口结构800的正面剖视图。
如图所示，入口结构800包括一个具有外壁832(优选圆筒形)的室802，所述外壁和中间圆筒壁834是同轴的关系，在它们之间形成一环形空间836。外壁装配有入口部件860，从合适的水源(图中未示出)经管道862向其加入冷却水。外壁832还装配了一出口部件864，在内部空间836内循环的水可通过它由管道866排出。
通过这种设置，冷却水可以在环形的内部空间836循环并排出以在入口结构保持一预定的温度。
虽然上面描述的是作为冷却的水，但是应该理解当需要对入口结构进行加热时同样可导入热水，除了水之外其它液体也可以这种方式作为热交换介质。
如图所示，中间壁上可设置开口815，冷却水通过所述开口流入中间壁834和内壁838组成的环形空间842。内壁838向上延伸并在顶壁854的下面终止，所述顶壁与环形空间836和842相连，因而导入环形空间842的液体可以溢流过壁838的上部，如图中箭头C所指的方向，在与气体流动通道849相连的壁838的内表面上形成下落膜。作为壁上开口815的替代方式，中间壁834可以由多孔材料组成以允许液体通过。作为另一种替代方式，水或其它液体可以通过单独的液体入口或出口(图中未示出)供至环形空间842。
为引导溢流的液体沿着壁838的内表面向下流动，装配一向下的导流凸壁850并从顶壁854向下延伸。
顶壁854支撑一向上延伸的圆筒壁852，所述圆筒壁在顶壁850的上端闭合，因而形成了一内部压力空间870，空气、氮气或其它气体可按箭头A所指的方向进入压力空间870，并按箭头B指示的方向流入气体流动通道840。导入的气体优选洁净干燥的空气。
顶壁850环绕具有侧臂812的入口管道814，所述侧臂接收来自上游气源808(如半导体制造装置)的处理气。这种含有待净化成份的处理气进入侧臂812上的入口管道814，从那里流至内部空间830包围的主要中心段816。一个垂直长管818在内部空间830里延伸，末端826位于气流通道840。所述管818被入口管814的壁面874包围。
管818的上端814通过管822和洁净干燥的气源或其它适合的气源820相连。
如上所示的装置，进入管道810并通过入口管814流动的废气通过入口管道的内部空间830流动，沿着气体流动通道840向下流动并在底端排出。如果需要，管道810中流动的气体可以通过设置在管道810上的换热器811选择性加热。
同时，溢流过内壁838上端的液体在与气体流动通道相连的壁838的内表面上形成向下流动的液膜。另外，洁净干燥的空气或其它气体被导入压力空间870和管818，遮蔽入口结构的壁表面不与废气接触，同时将废气和洁净干燥的空气或其它气体相混合，这可以减少废气流中某种不想要的成份。例如，可以以一定速度向压力空间870和管818中导入一定量洁净干燥的空气，用于基本上除去废气中所含的硅烷。作为另外一种可选择的特征，入口管814可以通过适合的装置(图中未示出)加热。
废气因而沿着入口的气体流动通道840向下流动到洗涤器804，其中气/液接触可以进一步减少废气流中的特定成份。
入口室802可以通过焊接部806连在洗涤器804上，或通过其它连接或紧固方式，如耦联、箍联、装配等。
本发明为洗气系统提供了以下几个方面的改进使用一种还原剂提高HF、F2和其它卤素化合物气体(如含氟化合物)的洗涤效率，同时防止形成有毒的物质如OF2；分解硅烷气体物质；在洗涤操作中将泡沫的发生率和数量降至最低；防止了碳酸钙沉淀和压力感应部件的堵塞，及在洗气系统中形成其它固体物质；包括分段式洗气系统，其可有效地降低用于洗涤操作的耗水量，及不需要或至少减少了化学试剂的使用；在一个封闭结构中使用洗涤填料，在小直径洗涤塔中所述封闭结构可以防止旁流和沟流现象，并获得高的气/液接触效率。
已经参考具体的实施方案和技术特征对本发明作了描述，应该理解到本发明的使用并不限于此，还包括其它变形、更改和可替代的实施方案。因此，本发明包括基于本发明的主题和范围之内的各种变形、更改和其它实施方案，并与下述的权利要求书相一致。
权利要求
1.一种用于处理废气以除去废气中可水洗成份的洗气系统，其通过将废气和含水的洗涤介质在气/液接触室相接触，包括一个围成所述接触室的内部空间的室壁，所述接触室包括使流体沿着室壁进入所述室内部空间的设备。
2.一种气液接触部件，可拆除地安装在洗涤容器上，所述洗涤容器带有将气体和液体导入洗涤容器内部空间进行气/液接触的设备，所述填料介质组件包括一个多孔袋和所述袋中所含的大量填料，以提供一个壁接触结构来避免异常旁流和沟流现象。
3.根据权利要求2所述的气/液接触部件，其中所述袋由聚合物筛网构成。
4.根据权利要求2所述的气/液接触部件，还包括一个用于袋的人工操作的封闭构件。
5.一种用于除去废气流中所含的氟化合物的设备，包括用于气/液接触的水洗涤器；向水洗涤设备中导入含有氟化合物的废气流的设备；用于从所述水洗涤设备中排出减少了氟化合物的废气流的设备；及还原剂源，可操作地结合一水洗涤设备及在操作过程中将还原剂导入水洗涤设备，其中所述还原剂为硫代硫酸钠，其导入量足以保持pH值为约4.5-约6.5。
6.如权利要求5所述的设备，其中还原剂源包括向水洗涤设备喷入还原剂的设备。
7.根据权利要求5的设备，还包括一个监视含有氟化合物的废气流中氟化合物浓度的设备，及据此调整向水洗涤设备中导入还原剂的量。
8.一种半导体制造装置，包括产生含有氟化合物的废气流的半导体制造工艺装置；及减少废气流中氟化合物含量的设备，其包括用于气/液接触的水洗涤设备；向水洗涤设备中导入含有氟化合物的废气流的设备；从水洗涤设备中排出氟化合物含量减少了的废气流的设备；及还原剂源，可操作地结合一种水洗涤设备及在操作过程中将还原剂导入水洗涤设备，其中所述还原剂为硫代硫酸钠，其导入量足以保持pH值为约4.5-约6.5。
9.如权利8所述的半导体制造装置，其中半导体制造工艺装置包括处理设备选自等离子反应室、化学汽相沉积室、气化室、外延生长室，和蚀刻池。
10.如权利8所述的半导体制造装置，其中还原剂源包括向水洗涤设备中导入还原剂的设备。
11.如权利8所述的半导体制造装置，还包括监视含有氟化合物的废气流中氟化合物浓度的设备，及据此调整向水洗涤设备中导入还原剂的量。
12.一种用于处理废气以除去废气中可水洗成份的洗气方法，通过将废气和含水洗涤介质在气/液接触室相接触，该接触室包括一个围成所述接触室的内部空间的室壁，所述接触包括使流体沿着室壁进入所述室内部空间的内部区域。
13.一种气/液接触方法，包括在含有填料的洗涤容器抑制壁的影响，至少一个步骤选自安装在洗涤容器内可拆除的填料介质，包括多孔容器构件和其中所含的大量填料，使气流和洗涤液通过多孔容器构件流动以在填料上进行气/液接触；及在所述洗涤容器的内壁表面通过壁表面上物理结构增大的部件中断流体的流动。
14.如权利要求13的方法，其中所述袋由聚合物筛网组成。
15.如权利要求13的方法，其中所述袋包括一人工操作的封闭构件。
16.一种除去气流中所含的氟化合物的方法，包括在存在还原剂的条件下用含水的介质洗涤气流，其中导入足量的还原剂以使含水介质中的pH值保持在约4.5-约6.5。
17.如权利要求16的方法，其中还原剂包括至少一种成份选自如下硫代硫酸钠、氢氧化铵和碘化钾。
18.如权利要求16的方法，其中还原剂包括硫代硫酸钠。
19.如权利要求16的方法，其中还原剂包括氢氧化铵。
20.如权利要求16的方法，其中还原剂包括碘化钾。
21.如权利要求16的方法，其中在洗涤过程中还原剂被注入含水介质。
22.如权利要求16的方法，其中氟化合物包括氟气。
23.如权利要求16的方法，其中氟化合物包括气态氟化物。
24.如权利要求16的方法，其中含氟化合物的气流包括半导体制造过程产生的废气。
25.如权利要求16的方法，其中含氟化合物的气流包括在半导体制造装置中等离子反应器净化操作所释放的废气。
26.如权利要求16的方法，还包括监视气流的操作条件和根据所述的操作条件导入一定量的还原剂。
27.如权利要求26的方法，其中所述气流的操作条件是指pH。
28.如权利要求16的方法，其中所述气流的操作条件是其中的氟化合物的浓度。
29.一种从废气流中除去所含的氟化合物的方法，包括在存在还原剂的条件下使所述气流与含水介质相接触，所述还原剂和氟化合物反应以保持pH值为约6.5-约4.5，并减少其在废气流中的含量并不会形成OF2。
30.如权利要求29的方法，其中还原剂为硫代硫酸钠。
31.一种包括用于洗涤废气的水洗涤器的废气净化洗气系统，所述系统被建造和设置以具有下述功能中的至少一种，所述功能选自(1)用添加或喷射了化学还原剂的水洗涤废气，其中所述还原剂为硫代硫酸钠，其量足以保持水洗涤器中的pH值为约4.5-约6.5；(2)用水洗涤含有硅烷的废气，其中洁净干燥的空气被导入废气或洗涤液；(3)使用一种包括平衡洗涤塔和精加工传质塔的两段式洗气系统，减少了用于洗气的添加水量，同时相对于一段式洗气设备保持或提高了洗涤效率；(4)从平衡洗涤塔(3)排出的气体在导入精加工传质洗气塔之前先被加入洁净干燥的空气，当在废气流中存在氨时可除去硅烷。(5)在上述(3)所述的两段式洗气系统中使用一种含有填料层的多孔密封结构，所述填料层作为精加工传质塔的填充物；(6)在洗气系统中将废气和OF2还原剂相接触，其中所述还原剂为硫代硫酸钠，其量足以保持水洗涤器中的pH值为约4.5-约6.5；(7)在洗气系统中通过化学防泡剂和/或限制洗涤液流动的孔板阻止泡沫的形成；(8)在洗气系统中通过下述方法中的一种或多种防止CaCO3积聚a)将用于洗涤的补给水进行磁化；b)控制补给水的pH值；c)苏打灰-石灰软化补给水；及d)对补给水进行沉淀或絮凝处理；(9)通过将吹扫气流通过光螺旋感应管路在洗气系统中排除带有光螺旋传感管路的光螺旋部件的结渣，其中光螺旋感应管路根据需要可自由加热；及(10)加热洗气系统使用的入口结构以向洗气区域中导入废气。
全文摘要
一种用于从气流中除去不良成分(如卤化合物、酸性气体、硅烷、氨等)的系统，通过用含水的洗涤介质洗涤废气流。卤化合物(如氟气、氟化物、全氟碳化合物和含氯氟烃)在存在还原剂(如硫代硫酸钠、氢氧化铵或碘化钾)的条件下被洗涤。在一个实施方案中，洗气系统包括一个气/液并流操作的第一酸性气体洗涤装置，和一个气/液逆流操作的第二“精加工”装置，从而只需要低消耗量的水就可获得高净化率。洗气系统可以使用由多孔容器结构包裹的可拆除的填料插入层。本发明的净化系统尤其适用于处理半导体制造工艺产生的废气。
文档编号B01D53/14GK1565710SQ20041007167
公开日2005年1月19日 申请日期1999年12月15日 优先权日1998年12月15日
发明者乔斯·I·阿尔诺, 马克·R·霍尔斯特, 萨姆·伊, 约瑟夫·D·斯威尼, 杰夫·洛里里, 贾森·德塞夫 申请人:高级技术材料公司