电子工业,如半导体、平板显示器和太阳能电池的制造过程使用危险的有毒和易燃气体,如硅烷气体和氢气。目前,为了解毒这些危险气体,主要采用热氧化反应,将它们加热到1000℃以上并分解。


例如,硅烷气体,通常用于化学气性格(CVD)半导体(1)过程,引起爆炸性反应接触空气时,与大量的氮气稀释浓度后,浓度低于爆炸下限,它可以热处理和解毒。


过去,反应炉结构的发展仅限于提高加热手段的效率和减少热量耗散等能源的浪费,因此开发一种能实现节能的尖端技术已成为一个重要问题。


在通过目标驱动研发(A-STEP)的JST适应性无缝技术转移项目中,委托Kanken Techno有限公司根据工程研究生院Takanori Ichiki教授的研究成果,开发高效、低能的有毒气体净化企业。

研究人员开发可以实现节能的新技术 为设备生产过程中的废气排毒

图1:常规大气压力消减装置实例。在常规消减装置中,装置制造装置的泵出口用大量氮气稀释,以保证管道到消减装置的安全,并在常压下通过高温热处理进行解毒。反应器一般采用燃烧式、加热式和等离子体式。氮气的成本和加热氮气的能量都被浪费了。(图片:Kanken Techno Co., Ltd.)


开发团队关注了爆炸下限取决于可燃气体压力这一事实,并研究了可减少稀释气体数量的压力条件。


降低了从装置制造设备的泵出口到废气消减装置的管道内的压力,创造了一种提高爆炸下限而不引起化学反应的环境。


此外,作为分解废气的热源,他们发现了稳定产生电弧等离子体的最佳条件,电弧等离子体通常在常压下产生,在约0.1 ~ 10kpa的减压状态下产生。


通过这种方式,他们可以利用电弧等离子体热源,将危险气体与氧气进行热反应,在废气消减装置内以减压状态进行解毒处理。


由于CVD工艺不需要大量氮气的稀释,处理硅烷气体时,废气处理所需的能量已成功减少了高达75%。

研究人员开发可以实现节能的新技术 为设备生产过程中的废气排毒

图2:在本研究研制的消爆装置中,通过降低压力来提高管道中可燃气体的低爆炸极限。蓝色虚线内部保持0.1 ~ 10kpa的低压。与传统设备不同,泵出口不需要引入稀释氮气。此外,用于加热氮的能量也是不需要的。(图片:Kanken Techno Co., Ltd.)


通过优化工艺条件,在不改变设备结构的情况下,可简单地应用于含硅烷气体以外需要氮气稀释的可燃气体的废气。这有望在使用氢气的制造设备上找到应用,例如硅晶片的氢处理、外延生长和有机薄膜的灰化。


a - step是一项技术转让支持计划,其目的是将公共研究机构的研究成果作为重要技术在国民经济中的实际应用,从而回报社会。

研究人员开发可以实现节能的新技术 为设备生产过程中的废气排毒

图3:本研究开发的缓解装置。外形尺寸1350W x 900D x 1860H。(图片:Kanken Techno Co., Ltd.)


延伸阅读:


(1)化学气相沉积(CVD):这是一个生产薄膜材料的合成方法,以及衬底上沉积薄膜的方法,通过提供气源包含薄膜结构元素反应堆容器,和分解,导致化学反应源气体中的衬底晶片。


(2)爆炸下限(LEL):当可燃气体或可燃液体与空气或氧气混合,且在特定气体浓度范围内存在火源时,发生爆炸。这个浓度范围称为爆炸范围,较低的浓度为爆炸下限,较高的边限值为爆炸上限。


(3)电弧等离子体:这是两电极间释放能量,电流增大,电极间电压降低时所产生的等离子体。电子、离子和中性气体原子/分子的温度实际上变得相同。电弧等离子体的特点是电压低(10 ~几十伏),电流大(100 ~ 1000安培)。


(4)外延生长:外延生长是一种薄膜晶体生长技术,它是在基片晶体上进行晶体生长,并沿基片晶体表面排列的方式生长而形成的。这是一种用于制造高质量半导体晶圆等表面的技术。


(5)灰化:是指自由基和离子等被辐射到树脂表面,如光刻胶,从而蒸发分解树脂的过程。等离子体,如氧气或氢气,被使用。它也被称为灰处理或脱灰。


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