用于无水氨回收的方法和系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明一般涉及工业气体的处理，更具体地涉及来自半导体制造设备的废气的处 理。
【背景技术】
[0002] 氨（亦称〃氮烷〃）是氮和氢的具有化学式册13的化合物。氨，如在商业上使用的， 通常被称作无水氨，以强调在材料中不存在水。因为见13在-33. 34°C (-28. 012 °F )下在1 大气压的压力下沸腾，液态的氨必须在高压或低温下储存。虽然用途广泛，但氨同时是腐蚀 性和危险的。
[0003] 氨的一种商业用途是作为用于半导体生产的工艺气体。例如，氨用于半导体材料 在所谓金属-有机化学气相沉积（MOCVD)工艺中的外延沉积。MOCVD已经成为光电设备例 如发光二极管（LEDS)生产的主要工艺。
[0004] 在MOCVD机器中制造 LEDS使用的许多气体中，氨是最昂贵的气体之一。这部分是 因为氨工艺气体要求高纯度。例如，如果在氨气中存在水分（H2O)或氧分子（O2)，即使在高 于几 PPb的痕量浓度中，氧原子可被引入LED装置的晶体构造中。因为在氮化物-晶体生 长工艺中氨需要高的流速，即使气体中痕量的杂质，也可导致在装置中引入许多不需要的 原子。为应对这个问题，使用一般进行纯化且含有不超过Ippb水分或氧气的氨来制备最先 进的LEDS。
[0005] MOCVD机器可使用非常大量的氨气。例如，单个MOCVD工艺室每年可消耗约10吨 的超高纯度氨气，且半导体生产工厂可以有50或更多个MOCVD室。因而，氨的成本和在它 使用之后的处置是有问题的。
[0006] 图1描述现有技术的制造系统S，包括半导体制造设备M、洗涤器Sc和普通的废气 系统E。半导体制造设备M例如可以是MOCVD工艺室，将工艺气体注入其中以形成半导体材 料的外延层。制造设备M具有废气（例如册13、!12、队和痕量级的其它化合物），废气优选流 过洗涤器Sc，以在普通的废气系统E中处置剩余气体之前除去NH3。
[0007] 俄亥俄州克利夫兰的 Verantis Environmental Solutions Group 售卖〃MS 型小 型洗涤器"，其可以用来降低半导体制造设备的废气中的氨含量。小型洗涤器使用稀硫酸溶 液，据说它可实现大于95%的氨除去率。然而，要理解的是：由于使用消耗物（例如硫酸溶 液）并产生引起处理问题的废物，洗涤器例如Verantis小型洗涤器引入其自身的复杂性。
[0008] 当阅读以下描述并研宄附图的一些图时，现有技术的这些和其它限制对于本领域 技术人员是明显的。
[0009] 发明概述
[0010] 本发明的一个目标是提供用于从例如半导体制造设备的废气中有效地回收无水 氨的系统和方法。本发明的另外目标是回收具有可接受地低水平杂质的无水氨。
[0011] 用于循环含氨的废气的方法包括：(a)在装载阶段中，用含氨的输入气体装载容 器，其中所述容器含有可逆的氨吸附材料；(b)在所述装载阶段后的中间放空阶段，将所述 容器在真空条件下放空；和（C)在所述中间放空阶段后的卸载阶段中，将所述容器在真空 条件下卸载。优选地，所述中间放空阶段具有由时间阈值、蒸气压阈值和N2含量阈值的至 少一个所限定的持续时间。
[0012] 用于循环废气的设备包括含有可逆的氨吸附材料的容器，所述氨吸附材料当吸附 ("装载"）氨时放热，和当释放（"卸载"）氨时吸热。第一阀选择性地将含氨的废气源偶联 至所述容器的第一接口，第二阀选择性地将真空泵偶联至所述容器，且第三阀选择性地将 所述容器的第二接口偶联至输出。控制器打开和关闭第一阀、第二阀和第三阀，来实施所述 容器的装载阶段、中间放空阶段和卸载阶段。
[0013] 本发明的优点是：昂贵的无水氨可以回收并重复利用于各种工业应用中，例如在 MOCVD工艺中。此外，大大减少或消除洗涤来自废气的NH3并处置所得副产物的困难和费用。 例如，来自氨循环系统和/或方法的废气可具有小于20000ppm的废氨，且回收的氨气可以 被小于1000 Oppm的氮气（1% )所污染。
[0014] 当阅读下列描述并研宄附图的一些图时，这些和其它的实施方案、特征和优点对 于本领域技术人员是明显的。
[0015] 附图的简要说明
[0016] 现在将参考附图描述一些实例实施方案，其中相同的组件有相同的附图标记。该 实例实施方案意在说明，而不是限制本发明。附图包括以下的图：
[0017] 图1是说明常规的半导体制造系统的流程图；
[0018] 图2是无水氨回收系统的第一实例的气体线路示意图；
[0019] 图3是无水氨回收系统的第二实例的气体线路示意图；
[0020] 图3A是无水氨回收系统的第三实例的气体线路示意图；
[0021] 图4是无水氨回收系统的第四实例的气体线路示意图；
[0022] 图5是无水氨回收系统的第五实例的气体线路示意图；
[0023] 图6是实例容器的剖面图，其可用于无水氨回收系统中；和
[0024] 图7是用于分离氨和其它气体的实例工艺的流程图。
[0025] 实施方案的描述
[0026] 图1是参考现有技术描述的。图2是无水氨回收系统10的第一实例的气体线路 示意图，通过举例而非限制性地说明，其包括阀Vi、Vo、Ve、VP1和VP2、容器14和真空泵15。 优选地，至少阀Vi、Vo和Ve能够自动控制。在这个非限制性实例中，容器14用于从系统10 排放的气体中吸附氨（NH3)。
[0027] 在这个实例中，管线11偶联至阀Vi，其可作为关闭阀。管线12将阀Vi偶联至阀 V〇,并偶联至容器14的入口（〃容器入口 〃）。阀Vo通过管线9偶联至真空泵15,并且管线 16分别通过阀VPl和VP2将真空泵15偶联至管线161和162。管线13将容器14的第二 接口偶联至阀Ve，其提供容器出口。
[0028] 在这个实例中，容器14含有一种或多种可逆的氨吸附材料。在这个实例中，阀VPl 可以在〃卸载阶段〃开动，使得从泵15流经管线16的回收氨可以从管线161输出用于重 复使用。阀VP2可以在放空阶段中开动，使得流经管线16的气体优选流向洗涤系统（未显 示）。
[0029] 在实施方案中，举例而非限制地说明，无水氨回收系统包括装载、放空和卸载容器 14的顺序（且通常是重复的）阶段，基于时间在放空和卸载阶段之间切换。如本文中使用 的，"装载阶段"描述当可逆的吸附材料吸附气体时的时间段，"放空阶段"描述当用泵（" 真空下"）将气体（例如氮气）从吸附材料中抽出的时间段，且"卸载阶段"是当氨在真空 下从吸附材料中抽出的时间段。在装载和放空阶段，没有回收氨，并且离开气体回收系统的 任何气体优选例如通过洗涤系统（未显示）来处置。容器的放空阶段在装载阶段和卸载阶 段之间，因此，本文中有时称作"中间放空阶段"。
[0030] 参考实例系统10,在装载阶段，打开阀Vi和Ve，和关闭阀Vo (来将真空泵15与主 要气体线路隔开），使得气体流入管线11、通过容器14并流出管线13。在装载阶段，离开纯 化容器14的气体主要是不纯的氮气（N2)和氢气（H2),并且可以排出。同样，氨、甲烷和其 它气体组分可以作为该废气的次要组分存在。
[0031] 关于容器14,例如基于时间段（〃时间基切换〃）、和/或基于气流（〃气流基切换〃） 和/或基于温度（〃温度基切换〃），可以开始放空阶段，或者由装载阶段"切换"至放空阶 段。例如当装载阶段的持续时间恒定且预定时，可以使用时间基切换，而当在装载阶段流过 系统的气体量恒定或预定时或者在变速流动的情况下使用流量计时，可使用流动基切换。
[0032] 当容器14包括放热和可逆的吸附材料并装配有温度传感器例如在容器中放置的 一个或多个热电偶时，可使用温度基切换。对于温度基切换，温升可用于估计可逆的吸附反 应进行程度，因而可用作该可逆吸附材料剩余容量的指示。在这个实例中，温度基切换可 能是有利的，因为它能够允许更有效的氨回收，特别是在输入气流变化的情况下。此外，在 这个实例中，温度基切换可允许更多的灵活性和简单的装置设置，可能消除领域中任何的〃 微调"，来适应不同和/或变化的气流。
[0033] 在实例中，当容器14的内部温度比参比温度高约25°C时，使用温度基切换将装载 阶段切换至放空阶段。在其它实例实施方案中，内部容器和参比温度之间的差值（〃温差 〃）在约1°C和75°C内，更优选5°C至40°C内。在又一的实例实施方案中，该温差为约10至 30°C。在某些实例中，参比温度可以是接近于容器14的环境温度或容器14入口气体温度， 例如用一个或多个热电偶测量的。
[0034] 该温差在某种程度上依赖于工艺。例如，如果NH3浓度低，可能无法实现远高于所 选温度阈值的温度，例如40°C。在某些实例实施方案中，就氨