一种半导体制程废氢气回收再利用的一体化方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种半导体制程废氢气回收再利用的一体化方法及装置，一体化处理工序依次包括催化燃烧、喷雾洗涤、水气分离、吸附净化、变压吸附以及氢气纯化等工序，一体化处理装置包括催化燃烧器、喷雾洗涤器、水气分离器、鼓风机、第一吸附器、第二吸附器、吸附净化程控阀、增压机、集成式变压吸附器、变压吸附调节阀/程控阀、减压阀、氢气纯化器等结构。采用本发明专利技术所述的一种半导体制程废氢气回收再利用的一体化方法及装置，弥补了半导体制程废氢气无法回收的弱点，既能实现废氢气的回收，还可提纯至符合半导体制程所需的电子级氢气标准，且氢气收率高达80％，为半导体产业绿色与循环经济发展填补了空白。

Integrated method and device for waste hydrogen recovery and reuse in semiconductor process

The invention discloses an integrated method and device for recycling and reusing waste hydrogen in semiconductor process. The integrated processing sequence comprises catalytic combustion, spray washing, water gas separation, adsorption purification, pressure swing adsorption and hydrogen purification, etc. the integrated treatment device comprises a catalytic burner, a spray scrubber, and a water vapor. Separator, blower, first adsorber, second adsorber, adsorption and purification program control valve, supercharger, integrated pressure swing adsorber, pressure swing adsorption control valve / program control valve, pressure reducing valve, hydrogen purifier and other structures. An integrated method and device for waste hydrogen recovery and reuse in semiconductor manufacturing process is adopted, which makes up the weakness that waste hydrogen can not be recovered in semiconductor manufacturing process. The waste hydrogen can be recovered and purified to meet the electronic grade hydrogen standard required in semiconductor manufacturing process, and the hydrogen yield is as high as 80%, which is a semiconductor. The development of industrial green and circular economy has filled the gap.

【技术实现步骤摘要】
一种半导体制程废氢气回收再利用的一体化方法及装置
本专利技术涉及半导体制造过程中的废氢气回收再利用的环保领域，具体涉及一种半导体制程废氢气回收再利用的一体化方法及装置。
技术介绍
电子级氢气(PH2，含氢量≥99.99999％(7N)，以下类同)作为一种特种气体，是现代电子工业不可或缺的重要化学品原料之一，而半导体产业是现代电子工业的核心，其制程大致分为上游的晶圆制造、中游的IC(集成电路)制造、下游IC封装及周边相关的光罩、设计、应用等产业。半导体产业的基础是硅材料产业，其中，90％以上的半导体器件(TFT-LCD(平板显示器)、OLED等)和集成电路，尤其是超大规模集成电路(ULSI)都是制作在高纯优质的硅单晶抛光片和外延片上的。近几年，全球以晶圆硅片为主的半导体产业规模已达到几万亿美元，比如，硅晶芯片制造与代工，韩国、中国大陆及台湾已占据该产业的60％以上。中国近十年累计进口芯片金额已超过1.8万亿美元，2016年更是达到了近2,300亿美元，已经超过石油进口额1,1160亿美元的1倍多，成为中国进口额最大的大宗产品。一个典型的硅晶芯片生产过程(制程)有400～500道工序步骤，其中大约需要使用50～100多种气体。PH2作为一种大宗气体，用量比较大，主要用于硅晶芯片制程的工艺气体之一，比如，PH2作为掺杂用气体、外延用气体、离子注入用气体、刻蚀气体、清洗气体、制造过程中各种设备使用的惰性气体，以及等使用。PH2在硅晶芯片的化学气相沉积(CVD)外延载气与保护气、等离子气体清洗，以及作为合成类似砷烷(AsH3)、磷烷(PH3)等含氢气体的氢分子来源等，尤其是在硅晶芯片薄膜制备与外延制程中的化学气相沉积(CVD)工序中，PH2的纯度直接影响到硅晶芯片的质量。在半导体制程消耗PH2的同时产生大量的含有各种杂质组分的废氢气(EH2)，包括硅晶芯片化学气相沉积(CVD)的薄膜制备及外延工序产生的反应产物氢气、CVD反应腔室清洗含氢废气、掺杂含氢废气、光刻含氢废气、芯片清洗含氢废气，以及燃烧产生的含氢废气等，其中，薄膜制备及外延的CVD工序是半导体制程电子废氢气(EH2)最主要的来源之一，其EH2的产出量是该工序中新鲜PH2使用量的1～5倍，约是废氢气(EH2)总排出量的20～60％。典型的CVD废气组成为，氢气(H2)含量约30～95％(体积比，以下类同)，主要的关键性杂质组分诸如易燃易爆有毒的SiH4、PH3、AsH3、BH3等含量超过1～5％，其它杂质包括TCH、N2、HCl、NH3、有机废气(VOCs)等含量也超过5～10％。由于EH2组分复杂，尤其是关键性杂质组分的存在，使得EH2的提纯回收再返回到半导体制程中变得相当困难。目前，大多数的半导体厂商都是将EH2经过催化燃烧及酸碱洗涤处理后通过并入氢排放系统直接放空，或作为燃烧气使用，造成资源的极大浪费。电子废氢气(EH2)回收再利用技术上存在如下困难：第一，EH2组分复杂：待回收的电子废氢气组分要比制备新鲜电子氢气的原料气复杂，会引入半导体制程中所产生的其它杂质，包括氧化物、有机物挥发性物质、无机物(比如无机酸、双氧水、硫化物、氯化物等)及其有毒易燃易爆的关键性杂质组分(SiH4、PH3、AsH3、BH3)等。因此，杂质的波动性对后续的氢气纯化工艺(钯膜或金属吸气剂)影响非常大；第二，EH2组分复杂影响回收技术的选择：原料气中含有易燃易爆的硅(氧)烷(SiH4)、毒性较大的磷烷(PH3)、腐蚀性较强的盐酸(HCl)与氨(NH3/NH4OH)、易挥发性有机蒸汽(VOCs)、氧气(O2)、CO、CH4，以及水等，首先需要将废氢气中的毒性组分及易爆易燃杂质先处理转化为无害组分或微量有害组分，再按照氢气纯化工序进料标准，选择脱除杂质的提纯回收再利用工艺。有害组分含量高低，直接影响提纯回收再利用工艺的选择，进而决定回收的氢气是否能返回到氢气纯化工序使用，最终是否能返回到半导体制程中实现再利用。其中，最敏感与关键杂质组分是SiH4、PH3、AsH3、BH3，以及酸性(HCl等)、碱性(NH3等)、含氯化合物(BCl3、PCl3等)、VOCs、光刻胶等其它杂质组分；第三，EH2来源复杂：半导体制造不同工序产生的废氢气组分不同，比如化学气相沉积(CVD)及外延工序中产生的废氢气含硅烷、磷烷、硼烷量较多，并且，废氢气量较大；等离子氢气蚀刻及清洗(PEC/PC)工序排出的废氢气中VOCs、水、有机物杂质(尤其是光刻胶质残留)等含量较多；因而，需要针对不同的半导体制造工序所产生的废氢气种类及数量，提出相应的综合技术方案；第四，EH2的前端处理：半导体工厂都配置专门的各种电子废气处理装置，如脱除酸碱废气的酸碱洗涤器、可燃或有毒废气的催化燃烧炉等，每个工厂所配置的前端处理工艺不一样，如何利用前端处理设备、预提纯工艺能否有效地与之耦合/匹配，形成一体化装置等等，也是提纯回收再利用工艺设计所考量的关键因素之一；第五，处理规模小型化一体化：现有的半导体制程废气处理设备大多为燃烧及洗涤，仅起到脱除有害物质后达到排放标准的作用，没有回收其中的氢气等有效组分，并且规模小，现场处理。而现有回收氢气的装置经济规模大，无法与燃烧、洗涤等处理设备实现一体化；第六，现有新鲜PH2吸附提纯技术难以处理EH2，比如超低温吸附法、钯膜法、金属吸气剂法、变压吸附或变温吸附法、化学吸附法等，仅针对EH2中某些微量杂质具有脱除能力，而对EH2中多种复杂的杂质组分难以脱除干净，因此，只能将EH2净化制成工业级氢气，无法返回到半导体制程中再利用；第七，EH2回收仍需按有毒易燃易爆危险化学品处理标准，标准高执行严格；第八，回收电子废氢气的最大难点是，提纯回收再利用工艺既要受制于EH2的前端处理工艺，又要受制于后端氢气纯化工序，但前端处理影响最大。半导体工厂常常是现有的前端处理废气与后端的氢气纯化工序基本固定，因此，对中间设置废氢气提纯回收再利用的工艺要求更加苛刻。
技术实现思路
本专利技术提供一种半导体制程废氢气回收再利用的一体化方法及装置，以解决现有技术因杂质的波动性对后续的氢气纯化工艺(钯膜或金属吸气剂)影响非常大的技术问题。本专利技术采用的技术方案如下：一种半导体制程废氢气回收再利用的一体化方法，处理的原料气为来自半导体制程中的化学气相沉积CVD，或掺杂扩散与离子注入，或光刻，或其它工序直接排放的废氢气，其主要杂质组分为氮气N2、甲烷CH4、氨气NH3，少量的硅烷及多硅氧烷SiH4、磷烷及多磷烷PH3、砷烷及多砷烷AsH3、硼烷及多硼烷BH3，酸性组分，碱性组分，有机物及易挥发组分VOCs，金属氧化物及颗粒，水及含氧化合物，以及其他杂质，压力为常压或小于0.3MPa，温度为20～90℃，一体化方法包括如下工序：(1)催化燃烧，将来自半导体制程中的化学气相沉积或掺杂或光刻直接排放的废氢气原料与从加热的燃料气喷嘴中喷射出的高温燃料气混合，在800～1200℃的高温下，进行催化燃烧反应，将原料气中的有毒易燃组分氧化成无害的组分，形成燃烧混合裂解气，燃烧混合裂解气包括二氧化硅SiO2、砷及氧化物和其他金属氧化物颗粒，以及惰性组分：H2、N2、一氧化碳CO、二氧化碳CO2、水和其他组分；(2)喷雾洗涤，来自催化燃烧工本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种半导体制程废氢气回收再利用的一体化方法，其特征在于，包括如下工序：(1)催化燃烧，将来自半导体制程中的化学气相沉积或掺杂或光刻直接排放的废氢气原料与从加热的燃料气喷嘴中喷射出的高温燃料气混合，在800～1200℃的高温下，进行催化燃烧反应，将原料气中的有毒易燃组分氧化成无害的组分，形成燃烧混合裂解气；(2)喷雾洗涤，来自催化燃烧工序的燃烧混合裂解气，经过喷雾洗涤单元进行洗涤，将燃烧混合裂解气中可溶于水的组分溶解，并将其中的固体颗粒冲刷至喷雾洗涤单元底部，与水溶液一起排放出去，经过喷雾洗涤后形成温度低于100℃的饱和混合气；(3)水气分离，来自喷雾洗涤的饱和混合气，进入水气分离器，水滴从上升的混合气中释出，被水气分离器中所装填的填料所吸附并形成大水滴而排出，释出水分的混合气为干混合气；(4)吸附净化，来自水气分离工序的干混合气，进入由两个串联的吸附器组成的吸附单元，吸附器中装填一种或多种吸附剂，进一步干燥脱水、脱除少量未被完全燃烧的有毒气体组分以及燃烧所形成的不溶于水的氮氧化合物，得到净化混合气；其中，第一吸附器为一次性物理吸附进行粗净化，脱除可溶于水的极性杂质及水；第二吸附器为化学吸附进行精净化，脱除不溶于水的非极性或极性弱的杂质组分；(5)变压吸附，来自吸附净化工序的净化混合气，经过增压至1.0～5.0MPa，进入变压吸附系统，将净化混合气中的杂质组分吸附，不被吸附的气体所形成的非吸附相气体为氢气纯度为99.999～99.9999％的超高纯氢气中间产品，变压吸附系统中装载的吸附剂采用活性氧化铝、硅胶、活性炭/负载活性组分活性炭、分子筛/负载活性组分分子筛的一种或多种，吸附剂再生时采用超高纯氢气中间产品进行冲洗或抽真空再生；冲洗气或抽空及逆放所形成的解吸气，根据气体组分，一部分或直接作为燃烧气进入催化燃烧工序，一部分或作为原料气返回到催化燃烧工序，一部分或直接排放；(6)氢气纯化，来自变压吸附工序的超高纯氢气中间产品，在50～500℃的温度下，直接或通过减压阀减压至半导体制程用氢所需的压力，进入由金属吸气剂或钯膜或钯膜‑金属吸气剂耦合的氢气纯化工序，在操作温度为50～500℃、操作压力为常压至半导体制程用氢所需的压力条件下进行纯化，脱除痕量杂质，得到最终的电子级氢气产品。...

【技术特征摘要】
1.一种半导体制程废氢气回收再利用的一体化方法，其特征在于，包括如下工序：(1)催化燃烧，将来自半导体制程中的化学气相沉积或掺杂或光刻直接排放的废氢气原料与从加热的燃料气喷嘴中喷射出的高温燃料气混合，在800～1200℃的高温下，进行催化燃烧反应，将原料气中的有毒易燃组分氧化成无害的组分，形成燃烧混合裂解气；(2)喷雾洗涤，来自催化燃烧工序的燃烧混合裂解气，经过喷雾洗涤单元进行洗涤，将燃烧混合裂解气中可溶于水的组分溶解，并将其中的固体颗粒冲刷至喷雾洗涤单元底部，与水溶液一起排放出去，经过喷雾洗涤后形成温度低于100℃的饱和混合气；(3)水气分离，来自喷雾洗涤的饱和混合气，进入水气分离器，水滴从上升的混合气中释出，被水气分离器中所装填的填料所吸附并形成大水滴而排出，释出水分的混合气为干混合气；(4)吸附净化，来自水气分离工序的干混合气，进入由两个串联的吸附器组成的吸附单元，吸附器中装填一种或多种吸附剂，进一步干燥脱水、脱除少量未被完全燃烧的有毒气体组分以及燃烧所形成的不溶于水的氮氧化合物，得到净化混合气；其中，第一吸附器为一次性物理吸附进行粗净化，脱除可溶于水的极性杂质及水；第二吸附器为化学吸附进行精净化，脱除不溶于水的非极性或极性弱的杂质组分；(5)变压吸附，来自吸附净化工序的净化混合气，经过增压至1.0～5.0MPa，进入变压吸附系统，将净化混合气中的杂质组分吸附，不被吸附的气体所形成的非吸附相气体为氢气纯度为99.999～99.9999％的超高纯氢气中间产品，变压吸附系统中装载的吸附剂采用活性氧化铝、硅胶、活性炭/负载活性组分活性炭、分子筛/负载活性组分分子筛的一种或多种，吸附剂再生时采用超高纯氢气中间产品进行冲洗或抽真空再生；冲洗气或抽空及逆放所形成的解吸气，根据气体组分，一部分或直接作为燃烧气进入催化燃烧工序，一部分或作为原料气返回到催化燃烧工序，一部分或直接排放；(6)氢气纯化，来自变压吸附工序的超高纯氢气中间产品，在50～500℃的温度下，直接或通过减压阀减压至半导体制程用氢所需的压力，进入由金属吸气剂或钯膜或钯膜-金属吸气剂耦合的氢气纯化工序，在操作温度为50～500℃、操作压力为常压至半导体制程用氢所需的压力条件下进行纯化，脱除痕量杂质，得到最终的电子级氢气产品。2.如权利要求1所述的一种半导体制程废氢气回收再利用的一体化方法，其特征在于：所述催化燃烧工序中采用的燃料气为新鲜的氢气、天然气、净化后的含甲烷或氢气或氮气的半导体制程废气、清洁空气以及变压吸附工序的解吸气中的一种或多种，燃料气利用催化燃烧工序催化燃烧反应腔体的余热进行预加热后再导入反应腔。3.如权利要求1所述的一种半导体制程废氢气回收再利用的一体化方法，其特征在于：所述变压吸附工序中，吸附剂的再生载气采用水蒸气、变压吸附工序产生的超高纯氢气中间产品、氢气纯化工序的氢气产品中的一种；再生载气与催化燃烧工序的燃料气或喷雾洗涤工序的饱和混合气或氢气纯化工序的氢气产品中的一种，进行热交换达到100～250℃的再生温度。4.如权利要求1所述的一种半导体制程废氢气回收再...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟雨明，陈运，刘开莉，蔡跃明，
申请(专利权)人：四川天采科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：四川,51