有害气体净化柱和净化方法 【技术领域】
本发明涉及用于净化含粉末物的有害气体的净化柱和方法。具体涉及有利于净化例如从半导体制造工艺中排放的含有粉末物质的有害气体的净化柱和净化方法，这种净化柱和方法不会造成任何过大的压力损失，同时又使得净化操作和设备维修变得更为容易。
背景技术
半导体工业应用了各种气体，例如大量的氢化物气体如砷化氢、磷化氢、硅烷、乙硼烷、硒化氢。因为这些气体是有毒的，所以在例如半导体工艺中将含有这些气体的气体排放到空气中之前需要净化。从半导体工艺中排放的含有磷化氢的气体包括大量作为分解产物的固体磷粒子，而排放地含有硅烷的气体则含有固体二氧化硅粒子，因此处理这些排放气体必须考虑除去固体的磷粒子或二氧化硅粒子。
众所周知净化含有磷化氢的排放气体的干方法，在这种方法中，使气体与下列净化剂中的一种净化剂接触，通过磷化氢与这种净化剂的化学反应进行净化，这些净化剂是：主要由二氧化锰和氧化铜构成的净化剂；主要由二氧化锰和银化合物构成的净化剂；通过将金属氧化物例如氧化铁或氧化钴加到氧化铜等氧化合中而制备的净化剂。
已知用于净化含有硅烷的排放气体的湿方法，在这种方法中采用例如洗涤塔或喷淋塔来水解硅烷气体。还已知利用燃烧法，在这种方法中采用例如丙烷作燃料的火焰来燃烧硅烷气体。还已知一种干方法，在这种方法中，使硅烷与下列净化剂接触，通过与其发生的化学反应进行净化，这些净化剂是：主要由二氧化锰和氧化铜组成的净化剂；主要由二氧化锰和银化合物构成的净化剂；或主要由氢氧化锶和四氧化三铁构成的净化剂。
然而已知的湿方法有缺点，因为二氧化硅常常堵塞管道或净化装置，而且形成大量泥浆，这使得设备的维护复杂化。燃烧法也有缺点，因为必须在事先用例如过滤器除去可能堵塞燃烧喷口的粉末二氧化硅。换言之，采用过滤器除去粉末物质这种方法除净化装置外还需增加除去粉末物质的系统，在这种系统中过滤器在很短时间内便会堵塞，因而需频繁更换过滤器。
干法也有缺点，因为过大的压力损失多半起源于净化剂床由磷或二氧化硅粉末的堵塞，因此即使净化剂还具有净化能力，也必须换成新的净化剂。
【发明内容】
因此本发明的目的是提供一种有助于净化的净化装置，该净化包括除去从例如半导体制造工艺排出的含有粉末物质的有害气体中的粉末物质，同时不会堵塞净化装置等，因而使得净化操作和设备的维修变得更为容易，使得净化剂可以充分发挥其净化能力。
由于我们努力广泛地探索解决上述问题的可能的方案，所以本发明的发明人已发现，如果用于执行干法的净化柱具有位于净化剂床上面的粉末物质收集器，则可很容易地除去有害气体中的粉末物质，净化有害气体，而不会使粉末物质堵塞净化剂床，同时，可以从收集器中除去粉末物质，使得设备的后处理和维护变得更为容易，这样便奠定了本发明的基础。
因而，按照本发明的一个方面，提供了一种用于净化包含粉末物质的有害气体的净化柱，该净化柱具有气体入口、净化剂床和排出已净化气体的气体出口，其中，净化柱具有：水平板，该板装在净化剂床的上面，位于该净化柱中气体入口的下面，使得水平板的外边缘与净化柱内壁表面紧密接触；直立管，穿过水平板的中心，用于将有害气体从气体入口引导到该水平板的下面；粉末物质收集器，由净化柱的内壁表面、水平板的上表面和管子的外壁表面形成的环形空间构成。
按照本发明的变型方面，提供了一种用于净化包含粉末物质的有害气体的净化柱，该柱具有气体入口、净化剂床和排放已净化气体的气体出口，其特征在于，该净化柱具有：水平板，装在净化剂床上面的位置，位于净化柱中气体入口的下面，使得水平板的外边缘与净化柱的内壁表面紧密接触；许多直立管，各个直立管穿过水平板，用于将有害气体从气体入口引导到水平板的下面；粉末物质收集器，由净化柱的内壁表面、水平板的上表面和各个管的外壁表面形成的空间构成。
按照本发明的另一方面，提供一种在净化柱中净化包含粉末物质的有害气体的方法，该净化柱具有气体入口、净化剂床和排放已净化气体的气体出口，其特征在于，将有害气体导入粉末物质收集器，该收集器由净化柱的内壁表面、水平板的上表面和直立管的外壁表面形成的环形空间构成，该水平板装在净化剂床上面的位置，位于净化柱中气体入口的下面，其外边缘与净化柱的内壁表面紧密接触，而该直立管穿过水平板的中心，用于将有害气体从气体入口引导到水平板的下面，因而有害气体中的部分粉末物质将落入收集器，然后使气体与净化剂接触，使其净化。
按照本发明的变型方面，提供一种在净化柱中净化包含粉末物质的有害气体的方法，该净化柱具有气体入口、净化剂床和用于排出已净化气体的气体入口，其特征在于，将有害气体引入粉末物质收集器，该收集器由净化柱的内壁表面、水平板的上表面和许多直立管的外壁表面形成的空间构成，该水平板装在净化剂床上面的位置，位于净化柱中气体入口的下面，其外边缘与净化柱的内壁表面紧密接触，而各个直立管穿过水平管，用于将有害气体从气体入口引导到水平板的下面，使得有害气体中的一部分粉末物质掉入收集器，然后该气体与净化剂接触而受净化。
【附图说明】
图1是示意截面图，示出实施本发明的净化柱的一个例子。
【具体实施方式】
本发明涉及净化例如从半导体生产工艺中排出的含有粉末物质的有害气体的净化柱以及净化这种气体的方法。
本发明的有害气体净化柱其特征为具有：水平板，这种板装在净化剂床上面的位置，位于净化柱中气体入口的下面，使得水平板的外边缘紧密接触净化柱的内壁表面；直立管(或多个直立管)，该直立管穿过该水平板，用于将有害气体从气体入口引导到水平板的下面；粉末物质收集器，该收集器由净化柱的内壁表面、水平板的上表面和直立管的外壁表面形成的空间构成。
本发明的气体净化方法其特征在于应用上述净化柱，将包含粉末物质的有害气体从气体入口引导到粉末物质收集器内，该收集器形成在净化柱内，由净化柱的内壁表面、水平板的上表面和直立管(或多根直立管)的外壁表面形成的空间构成，使得有害气体中的一部分粉末物质落入收集器内，然后使气体接触净化剂而被净化。
可以用本发明的净化柱和净化方法来净化任何种类的包含粉末物质的有害气体。这些气体的例子是分别在基体气体例如氮气、氢气、氩气、氦气中包含磷化氢和固态磷粒子、包含硅烷类例如硅烷、乙硅烷、二氯甲硅烷、三氯甲硅烷和二氧化硅固定粒子、包含砷化氢和固体砷粒子、或包含氨和氯化铵固体粒子的有害气体。
下面参考图1更详细说明本发明的气体净化柱和净化方法，但下面的说明无意限制本发明的范围。
图1是示意截面图，示出实施本发明的净化柱的例子。本发明的净化柱具有有害气体入口1、净化剂床2和排放已净化气体的气体入口3。按照本发明的显著特征，水平板4装在净化剂床2上面的位置，位于净化剂中气体入口1的下面，使得水平板4的外边缘紧密接触净化柱的内壁表面5，而直立管(或多个直立管)6穿过水平板4，用于将气体从气体入口1引导到水平板4的下面。在本发明中，粉末物质的收集器7由净化柱的内壁表面5、水平板4的上表面和直立管6的外壁表面形成。本发明的净化柱通常为圆筒形，而水平板4通常为圆盘形。
虽然图1所示的净化柱只用一根单管作直立管6，但实施本发明的净化柱的改型柱可以具有许多管。当净化柱具有单管时，该管最好穿过水平板4的中心，因而由净化柱的内壁表面、水平板的上表面和管的外壁表面形成的粉末物质收集器具有环形空间。当净化柱具有许多管时，这些管可以例如这样装配，使得各个管的水平横截面中心位于一个彼此同心的但直径小于水平板直径的圆周上，并彼此间隔开相等的距离，该一根管或多根管的内直径或长度没有特别的限制，但在单管的情况下，该管的内直径最好等于1/20～1/2净化柱的内直径，而在许多管的情况，其总的横截面积最好等于净化柱横截面积的1/400～1/4，而且该管(或各个管)的顶端开口最好位于高于气体入口高度的位置。
本发明中应用水平板，使得其上表面与净化柱的内壁表面和管的外壁表面一起形成粉末物质收集器的空间。因此该收集器可能具有稍微不平的表面，或不均匀的厚度，而且不一定要准确地水平。该收集器的外边缘与净化柱的内壁表面紧密接触，所以粉末物质完全不会通过其外边缘向下掉。
水平板和直立管可用任何耐有害气体腐蚀的材料制作，这些材料不限制本发明的范围。材料的例子是碳钢、锰钢、铬钢、钼钢、不锈钢等。
水平板位于净化剂床的上方和气体入口的下方。水平板的上表面和气体入口的最下端之间的距离取决于粉末物质的种类和气体流速，但该距离通常是净化柱内直径的0.02～1.5倍，最好是0.1～0.5倍。如果该距离小于0.02倍，则它不能满意地捕获粉末物质。如果超过1.5倍，则它不能形成更有效益的收集空间，而是无意义地增大了净化柱。
水平板的下表面和净化剂床的最上部分之间的距离取决于净化柱的内直径而在1～20cm的范围内。此距离对内直径低于20cm的净化柱通常为1～10cm，而对内直径20～60cm的净化柱通常为2～15cm，对内直径超过60cm的净化柱通常为3～20cm。此距离是水平板和净化剂床之间净空高度。如果此距离小于上述各个范围的下限值，则从管子下端排出的有害气体便立即接触净化剂，结果，气体便以不均匀的方式流过净化剂床，如果此距离大于上限值，则无意义地增大了净化柱。最有效的方法是在水平板和净化剂床之间放置一个导流板，该板上具有可调节气流而保证其均匀性的导流孔。
下面说明实施本发明的气体净化法，该方法的特征在于，应用上述净化柱，将包含粉末物质的有害气体引入净化柱，具体引入粉末物质收集器，该收集器由净化柱的内壁表面、水平板的上表面和直立管的外壁表面构成，使得有害气体中的部分粉末物质落入收集器中，然后气体才与净化剂床接触，受到净化。
参考图1，将例如从半导体制造工艺中排出的包含粉末物质的有害气体经气体入口1引入到净化柱内，并使其流经粉末物质收集器11和净化剂床2，已净化的气体然后经气体出口3排出。粉末物质由于落入收集器而部分地从流过收集器的有害气体中除去。可以除去的粉末物质的比例通常为80％或更大，这取决于有害气体和粉末物质的种类、气体流速和净化柱的类型。为此可得到以下结论：流过净化剂床的气体压力损失会逐惭增加，但其速率只相当于或甚至低于不安装粉末物质收集器时速率的1/5。
虽然本发明不对流过净化柱的包含粉末物质的气流速度作任何特别限制，但是流过空净化柱的线速度通常为例如0.01～10cm/S。对气体温度或气体压力二者均没有任何特别限制，但温度一般为-20～100℃，而压力通常为大气压。
本发明的有害气体净化柱和净化方法有助于净化从例如半导体制造工艺中排出的包含粉末物质的有害气体，不会引起因粉末物质堵塞造成的压力损失急剧增大。本发明还有利于设备的后处理和维护。
下面具体用例子说明本发明，但是这些例子不限制本发明的范围。
例1
净化柱的制备
制备图1所示的用于净化有害气体的净化柱。该柱的内直径为110mm，高度为1000mm，其入口内直径为25mm，其水平板的外直径为110mm，厚度为5mm，其直立管的内直径为25mm，其高度为150mm。它们全用不锈钢SUS316L制作。气体入口的最下端和水平板的上表面之间的距离为100mm，而水平板的下表面和净化剂床的最上部分之间的距离为55mm。
气体通过净化剂床时压力损失的测定
在100个重量单位部分的商售制品中混合30个重量单位的氢氧化钾，由此形成净化剂，该商售制品主要由二氧化锰和氧化铜组成，称为Hopkalite(Nissan Gardler Catalyst Co.公司的挤压制品，制品为圆条形，直径为1.5mm，长度为3～10mm)。该净化剂放置在净化柱内，形成高度为500mm的净化剂床。
将在干燥气基体中每升包括1mg SiO2和1600ppm SiH4的有害气体经气体入口引入到净化柱中，该气体在净化剂层中以2.0cm/s的线速度通过空的净化柱，然后每隔1h测量该净化床上游和下游之间的压差。结果列于下面的表1。在压力损失测量期间在流出净化剂床的气体中没有检测到任何SiH4。
例子2～4
分别将每升含SiO2量改变为2.0mg、3.0mg和4.0mg，而在其它方面重复例1，由此再进行压力损失测定试验，结果列于表1。在进行任何一次测试期间在流出净化剂床的气体中未检测到任何SiH4。
例5
净化柱的制备
在制造净化柱时，将气体入口的最下端和水平板的上表面之间的距离改为50mm，而在其它方面按照例子1制作。
净化剂床中压力损失的测定
应用上述新的净化柱进行压力损失测定，并在其它方面重复例子1。测定结果示于表1。在测试期间在流出净化剂床的气体中没有检测到任何SiH4。
例6～8
进行压力损失测定，方法是应用例子5的净化柱，但分别将每升的SiO2量改为2.0mg、3.0mg和4.0mg，而在其它方面重复例1。结果示于表1。在进行任何一次测试中在流出净化剂床的气体中没有检测到任何SiH4。
比较例1
净化柱的制备
制备净化柱，方法是从图1所示的净化柱上除去水平板和直立管，并在净化柱的内直径和高度方面以及在净化剂床的位置方面重复例1。
净化剂床中压力损失的测定
进行压力损失测定，方法是应用上述柱，并在其它方面重复例1。结果示于表1。在测试期间在流出净化剂床的气体中。在测试期间在流出净化剂床的气体中没有检测到任何SiH4。
比较例2～4
进行压力损失测定，方法是应用比较例1的净化柱，并将每升的SiO2量分别改为2.0mg、3.0mg和4.0mg，在其它方面重复例1。结果示于表1。在任何一次测定期间在流出净化剂床的气体中没有检测到任何SiH4。
表1气体入口和水平板之间距离/净化柱的内直径SiO2量(mg/l) 压差(Pa) 2h后 4h后 6h后 例1 100/110 1.0 0 0 0 例2 100/110 2.0 0 0 0 例3 100/110 3.0 0 0 0 例4 100/110 4.0 0 0 0 例5 50/110 1.0 0 0 0 例6 50/110 2.0 0 0 0 例7 50/110 3.0 0 0 0 例8 50/110 4.0 0 0 0比较例1 - 1.0 0 20 40比较例2 - 2.0 30 190 660比较例3 - 3.0 40 660 1800比较例4 - 4.0 190 1300 3400