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CN101484749A - 气体燃烧装置 - Google Patents

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CN101484749A
CN101484749A CNA2007800250486A CN200780025048A CN101484749A CN 101484749 A CN101484749 A CN 101484749A CN A2007800250486 A CNA2007800250486 A CN A2007800250486A CN 200780025048 A CN200780025048 A CN 200780025048A CN 101484749 A CN101484749 A CN 101484749A
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M·R·柴尼亚克
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Abstract

气体的燃烧方法，包括以下步骤：将该气体输送到与燃烧腔室(44)连接的燃烧喷嘴(42)中，以及将用于在该燃烧喷嘴周围形成引燃火焰的气体提供给该腔室(44)。为了形成该引燃火焰，将氢气通过在该燃烧喷嘴周围延伸的第一组多个开孔(56)提供给该腔室，以及将氧化剂通过在该燃烧喷嘴周围延伸的第二组多个开孔(68)与该氢气分开提供给该腔室。

Description

气体燃烧装置
本发明涉及气体的燃烧装置和方法，其可以但并非专门用于可燃气体的燃烧。
半导体装置制备中的主要步骤是通过气相前体的化学反应在半导体基体上形成薄膜。一种已知的用于在基体上沉积薄膜的技术是化学气相沉积法(CVD)。在这种技术中，将工艺气体提供到容纳该基体的工艺腔室中并使其反应以在该基体表面上形成薄膜。
通常沉积在基体上的金属的实例是氮化镓(GaN)。GaN和相关材料的合金(例如InGaN、AlGaN和InGaAlN)都是用于制备绿色、蓝色和白色光的发光装置(例如LED和激光二极管)和粉末装置(例如HBT和HEMT)的化合物半导体。这些化合物半导体通常是使用通常称作MOCVD(金属有机化学气相沉积法)的CVD形式形成的。总的来看，这种工艺包括第III族金属Ga、In和/或Al的挥发性有机金属来源(例如三甲基镓(TMG)、三甲基铟(TMI)和三甲基铝(TMA))和氨在升高温度下在一起的反应以在适合的基体材料(例如Si、SiC、青玉或AlN)的晶片上生成材料薄膜。通常还存在氢气以为该有机金属前体和其他同一气体提供载气。
在该工艺腔室内进行该沉积工艺之后，通常在从该工艺腔室中排出的废气中包含残余量的提供给该工艺腔室的气体。工艺气体(例如氨和氢气)如果排放到大气中是非常有害的，因此鉴于此，在该废气排放到大气中之前，通常提供去除装置以对该废气进行处理以将该废气中更有害的组分转化为可以容易地从该废气中除去(例如通过常规洗涤)和/或可以安全排放到大气中的组分。
氨和氢气的混合物本身是可燃烧的，因此可以通过在燃烧腔室中的受控氧化方便地对其进行处理。该燃烧腔室具有用于接受待处理废气的燃烧喷嘴。该燃烧喷嘴周围环绕多个小直径喷嘴，其接受燃料和空气的气体混合物以在该燃烧腔室内部形成引燃火焰(pilot flame)。该引燃火焰的目的是为该废气提供可靠的点火源。该气体混合物通常是甲烷和空气的混合物，甲烷与空气之比约为1:14～1:16，将其提供给该燃烧喷嘴周围的充气腔室，并将该气体混合物从该充气腔室提供给这些小喷嘴。
因此需要单独提供甲烷以制备该气体混合物。鉴于存在用于MOCVD工艺中的氢气来源，因此在该气体混合物用氢气代替甲烷是理想的。然而，由于在该腔室内该废气的燃烧热可能将该充气腔室的温度提高到在氢气和空气的混合物的自燃温度之上的温度，因此简单地用氢气代替甲烷引起了重要的风险。这可以导致在该充气腔室内发生燃烧，存在火焰沿供给管路向前传播的风险。尽管可以使用仅为燃料的气体来产生该引燃火焰并由此消除自燃的风险，但仅由燃料产生的引燃火焰被证明容易随着进入该燃烧腔室内的废气流速的变化而吹灭。
在第一方面，本发明提供了可燃气体的燃烧方法，该方法包括以下步骤：将该气体输送到与燃烧腔室连接的燃烧喷嘴中，以及将用于在该燃烧喷嘴周围形成引燃火焰的气体提供给该腔室，其特征在于将氢气和氧化剂分开注入到该腔室中以形成该引燃火焰。
因此用将氢气和氧化剂(例如氧)分开提供到该燃烧腔室中以形成该引燃火焰代替了传统的将燃料和氧化剂的混合物提供到该燃烧腔室中以形成该引燃火焰。氧化剂的供给对该引燃火焰提供了稳定性，因为在引入该燃烧腔室内的气体流速范围内存在不取决于待燃烧气体的可控制的空气供给，同时氢气和氧的分开供给降低了由于在气体燃烧过程中气体的加热造成的气体供给管路着火的风险。
优选将氢气通过在该燃烧喷嘴周围延伸的第一组多个开孔注入到该腔室中，以及将氧化剂通过在该燃烧喷嘴周围延伸的第二组多个开孔注入到该腔室中。因此，在本发明的第二方面，提供了气体的燃烧方法，该方法包括以下步骤：将该气体输送到与燃烧腔室连接的燃烧喷嘴中，以及将用于在该燃烧喷嘴周围形成引燃火焰的气体提供给该腔室，其特征在于为了形成该引燃火焰，将氢气通过在该燃烧喷嘴周围延伸的第一组多个开孔提供给该腔室，以及将氧化剂通过在该燃烧喷嘴周围延伸的第二组多个开孔与该氢气分开提供给该腔室。
优选该第一组多个开孔与该第二组多个开孔是同心的。优选将氢气从在该燃烧喷嘴周围延伸的第一充气腔室提供给该第一组多个开孔，以及将氧化剂从在该燃烧喷嘴周围延伸的第二充气腔室提供给该第二组多个开孔。
在第三方面，本发明提供了气体的燃烧装置，该装置包括燃烧腔室、待燃烧的气体通过其进入该燃烧腔室的燃烧喷嘴、和用于将用于在该燃烧喷嘴周围形成引燃火焰的气体提供给该腔室的装置，其特征在于该气体提供装置包括在该燃烧喷嘴延伸的第一组多个开孔、用于将氢气提供给该第一组多个开孔的装置、在该燃烧喷嘴延伸的第二组多个开孔、和用于将氧化剂提供给该第二组多个开孔的装置。
本发明还提供了化学气相沉积装置，包括工艺腔室、用于将氢气提供给该工艺腔室的氢气提供装置、用于将氨提供给该同一腔室的氨提供装置、和用于对来自该工艺腔室的废气进行处理的如前所述的装置。
与本发明的方法方面有关的上述特征同样适用于本发明的装置方面，反之亦然。
现在将参照附图对本发明的优选特征进行描述，其中：
图1图解说明了与燃烧装置连接的工艺腔室；
图2图解说明了图1的燃烧装置的一部分的横截面视图；和
图3图解说明了在图2的燃烧喷嘴周围的用于在该燃烧腔室内形成引燃火焰的开孔的设置。
首先参照图1，提供了用于处理来自用于加工例如半导体装置、平板显示装置或太阳能电池板装置的工艺腔室12的废气的燃烧装置10。该腔室12接收用于在该腔室内进行加工的各种工艺气体。在该实施例中，在该工艺腔室12内进行材料(例如GaN)层的MOCVD(金属有机化学气相沉积)。在升高的温度下，将包括第III族金属Ga、In和/或Al的有机金属来源(例如三甲基镓(TMG)、三甲基铟(TMI)和三甲基铝(TMA))、氨和氢气的气体从其各自的来源14、16、18输送到该工艺腔室12中以在适合的基体材料(例如Si、SiC、青玉或A1N)的晶片上生成材料薄膜。
该工艺气体到该工艺腔室12的供给是由分别位于气体供给管线26、28、30中的气体供给阀20、22、24的开关所控制的。该气体供给阀的操作是由供给阀控制器32所控制的，其为该气体供给阀发出控制信号34以依照预设的气体输送顺序开启和关闭该阀门。
用泵送系统从该工艺腔室12的出口抽吸出废气。如图1中所示，该泵送系统可以包括通常以涡轮分子泵的形式的二次泵36，用于从该工艺腔室中抽吸出该废气。该涡轮分子泵36可以在该工艺腔室12中产生至少10-3mbar的真空。该气体通常以约1mbar的压力从该涡轮分子泵36中排出。鉴于此，该崩送系统还包括初始泵或前级泵38，用于接收来自该涡轮分子泵36的废气并将该气体的压力提高到约为大气压力的压力。
在该腔室内的工艺过程中，将仅消耗该工艺气体的一部分，因此该废气将包含供给到该腔室的工艺气体和由该腔室内的工艺产生的副产物的混合物。因此该来自例如GaN MOCVD工艺的废气可能包含氢气和氨，因此本身可能是可燃烧的。可以通过将该来自泵送系统的废气输送到在其内部该气体得到可控制的氧化的该燃烧装置10的入口处40，方便地将这些气体除去。
参照图2，该入口40包括与该燃烧装置10的燃烧腔室44连接的至少一个燃烧喷嘴42。各燃烧喷嘴42具有用于接收该废气的入口46和该废气由其进入该燃烧腔室44的入口48。尽管图2图解说明了两个用于接收该废气的燃烧喷嘴42，但该入口可以包括任何适合数量(例如四个、六个或更多)的用于接收该废气的燃烧喷嘴42。在该优选实施方式中，该入口包括四个燃烧喷嘴42。
将用于在该燃烧喷嘴周围形成引燃火焰的气体提供给该燃烧腔室44。该引燃火焰的目的是为进入该燃烧腔室44的废气提供可靠的点火源。该用于形成引燃火焰的气体包括氢气和氧化剂(例如可以在空气流中输送给该燃烧腔室44的氧)。如下更详细的描述，该氢气和氧化剂分开提供给该燃烧腔室44。
各燃烧喷嘴42安装在具有用于接收用于形成引燃火焰的氢气的入口54和以开孔形式的氢气由其进入该燃烧腔室44的多个出口56的第一环状充气腔室52中。如图3中所示，来自各燃烧喷嘴42的出口48周围环绕有多个来自该第一充气腔室52的出口56。
用于在该工艺腔室12内进行的工艺的氢气来源18可以方便地提供用于形成该引燃火焰的氢气来源。如图1中所示，氢气供给管线58可以连接在该氢气来源18和用于将氢气供给该燃烧腔室44的入口54之间。阀60可以位于该氢气供给管线58中以响应于控制器32发出的信号62控制该燃烧腔室44的氢气供给。可替代地，单独的燃烧装置控制器可以控制该阀60的开启和关闭。
返回图2，第一充气腔室52位于具有用于接收用于在该燃烧腔室36内形成引燃火焰的氧化剂的入口66的第二环状充气腔室64之上。该第二充气腔室64的形状使得第二充气腔室64环绕在该燃烧喷嘴42和该第一充气腔室52的一部分的周围。该第二充气腔室64包括以开孔形式的氧化剂通过其在氢气附近进入该燃烧腔室44以和氢气一起形成引燃火焰的多个出口66。如图3中所示，多个来自该第二充气腔室64的开口68还环绕在来自各燃烧喷嘴42的出口48的周围，该来自第二充气腔室64的开口68与来自该第一充气腔室52的开口56基本同心，且环绕在其周围。
如图1中所示，氧化剂供给管线70可以连接在该氧化剂来源72和用于将氧化剂提供给该燃烧腔室44的入口66之间。阀74可以位于该氧化剂供给管线70中以响应于控制器32发出的信号控制该燃烧腔室44的氧化剂供给。可替代地，该燃烧装置控制器可以控制该阀74的开启和关闭。
可以将来自该燃烧腔室36内的废气燃烧的副产物输送到湿式洗涤器、固态反应介质或其他二次去除装置80中，如图1中所示。在通过该去除装置80之后，可以将该废气安全地排放到大气中。
尽管上面关于对由MOCVD装置排放的废气的处理进行了描述，但该燃烧装置10适用于任何可燃气体的处理。

Claims (10)

1.可燃气体的燃烧方法，该方法包括以下步骤：将该气体输送到与燃烧腔室连接的燃烧喷嘴中，以及将用于在该燃烧喷嘴周围形成引燃火焰的气体提供给该腔室，其特征在于将氢气和氧化剂分开注入到该腔室中以形成该引燃火焰。
2.权利要求1的方法，其中将氢气通过在该燃烧喷嘴周围延伸的第一组多个开孔注入到该腔室中，以及将氧化剂通过在该燃烧喷嘴周围延伸的第二组多个开孔注入到该腔室中。
3.气体的燃烧方法，该方法包括以下步骤：将该气体输送到与燃烧腔室连接的燃烧喷嘴中，以及将用于在该燃烧喷嘴周围形成引燃火焰的气体提供给该腔室，其特征在于为了形成该引燃火焰，将氢气通过在该燃烧喷嘴周围延伸的第一组多个开孔提供给该腔室，以及将氧化剂通过在该燃烧喷嘴周围延伸的第二组多个开孔与该氢气分开提供给该腔室。
4.权利要求2或3的方法，其中该第一组多个开孔与该第二组多个开孔是同心的。
5.权利要求2～4中任意项的方法，其中将氢气从在该燃烧喷嘴周围延伸的第一充气腔室提供给该第一组多个开孔，以及将氧化剂从在该燃烧喷嘴周围延伸的第二充气腔室提供给该第二组多个开孔。
6.前述任意权利要求的方法，其中该氧化剂包括氧。
7.气体的燃烧装置，该装置包括燃烧腔室、待燃烧的气体通过其进入该燃烧腔室的燃烧喷嘴、和用于将用于在该燃烧喷嘴周围形成引燃火焰的气体提供给该腔室的装置，其特征在于该气体提供装置包括在该燃烧喷嘴延伸的第一组多个开孔、用于将氢气提供给该第一组多个开孔的装置、在该燃烧喷嘴延伸的第二组多个开孔、和用于将氧化剂提供给该第二组多个开孔的装置。
8.权利要求7的装置，其中该第一组多个开孔与该第二组多个开孔是同心的。
9.权利要求7或8的装置，其中该用于将氢气提供给该第一组多个开孔的装置包括在该燃烧喷嘴周围延伸的第一充气腔室、以及该将氧化剂提供给该第二组多个开孔的装置包括在该燃烧喷嘴周围延伸的第二充气腔室。
10.化学气相沉积装置，包括工艺腔室、用于将氢气提供给该工艺腔室的氢气提供装置、用于将氨提供给该同一腔室的氨提供装置、和用于对来自该工艺腔室的废气进行处理的依照前述任意权利要求的装置。
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