Нейтрализация процессных газов, применяемых в технологическом оборудовании при производстве ИС

31.01.2023

Нейтрализация процессных газов, применяемых в технологическом оборудовании при производстве ИС

Большинство операций по созданию полупроводниковых структур связано с процессами, осуществляемыми в газовой среде технологической камеры оборудования. Это процессы осаждения, травления, эпитаксии, диффузии, окисления и др.

Насчитывается более 100 различных газов, используемых в полупроводниковых технологиях [1]. Все газы можно разделить на следующие большие группы: окислители, пожароопасные, взрывоопасные, токсичные. Многие из них представляют серьезную опасность для человека и окружающей среды.

Газы могут применяться как в чистом виде, так и в виде смесей. Взаимодействуя с полупроводниковой подложкой, они образуют необходимые соединения. Продукты реакций также могут представлять опасность для человека. Приблизительно половина поступающих в технологическую камеру газов участвует в реакции, другая половина выходит в первоначальном состоянии. Соответственно должна быть решена задача, чтобы выбрасываемые в атмосферу газы были безвредны для окружающей среды.

Для этой цели применяют фильтры и скрубберы. Фильтры используют, как правило, при незначительных концентрациях вредных веществ, так как их срок службы невелик.

Скрубберы предназначены для промышленного использования и классифицируются на следующие типы: сухие, мокрые, термические, плазменные.

Сухие скрубберы представляют собой специальный картридж достаточно большого объема, предназначенный для поглощения вредных веществ путем адсорбции или химической реакции. Картридж имеет ограниченный ресурс работы, после чего подлежит замене либо регенерации.

Принцип работы мокрых скрубберов основан на растворении в воде газов с образованием кислот и последующей их нейтрализации в щелочном растворе. В результате раствор имеет нейтральную кислотность и может сбрасываться в обычную канализацию. Недостатком мокрых скрубберов является то, что они могут использоваться только для хорошо растворимых в воде газов [2].

Термический скруббер это, как правило, мокрый скруббер, дополнительно оснащенный высокотемпературным блоком. Эта высокотемпературная ступень позволяет расширить спектр нейтрализуемых газов за счет их предварительного разложения при температуре 900 °С и последующего растворения в водно-щелочном растворе.

Эти три типа скрубберов позволяют нейтрализовать более 95% всех применяемых газов.
Плазменные скрубберы основаны на разложении газов в плазме с последующей нейтрализацией в «сухой» (картридж) либо «мокрой» (жидкостная колонна) ступенях скруббера.
Данная работа посвящена созданию и исследованию жидкостного скруббера, рис. 1.



Рис.1. Схема жидкостного скруббера
Была поставлена задача рассчитать скруббер на поглощение хлора, как одного из часто применяемых и в то же время чрезвычайно опасного газа. Количество хлора выбрано 360 л/час. Абсорбентом является двухпроцентный раствор NaOH.
Теоретический расчет показал, что расход абсорбента для нейтрализации хлора до уровня ПДК составляет 0,55 м3/час.

На рис. 2 показан экспериментальны график нейтрализации хлора в скруббере. Эксперимент проводился в два этапа. На первом этапе абсорбент не подавался, и происходила адсорбция газа на поверхности колец Рашига. Приблизительно через 2 минуты процесс адсорбции переходил в насыщение, и весь хлор уходил на выброс. На втором этапе подавали абсорбент и в течение приблизительно такого же времени концентрация хлора падала до 0,001 мг/м3 при ПДК=0,1 мг/м3.


Рис.2. График поглощения хлора

Выводы:

1. Продемонстрирована нейтрализация хлора до уровня значительно меньшего, чем установленное значение ПДК, при расходе подаваемого хлора до 360 л/час.
2. Установлено, что при улучшении смачиваемости колец Рашига расход нейтрализуемого газа может быть увеличен.
3. Показано, что разработанный скруббер обладает малым гидравлическим сопротивлением.

Литература:

1. Тимонин А.С. Основы конструирования и расчета технологического и природоохранного оборудования. – Калуга: Издательство Н. Бочкаревой, 2001.
2. Мокрые скрубберы. [Электронный ресурс] URL: https://www.cesolutions.ru/production/gazoochistka/skrubbery/mokrye_scrubbery/.