Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Reinigung von Abgasen, die insbesondere in Anlagen zur chemischen Dampfphasenab- scheidung (CVD) und zum Abtragen oder Abscheiden durch Plasmaprozesse anfallen.

Derartige Abgase enthalten neben unbedenklichen Gasen, wie z.B. Stick¬ stoff und Argon, toxische Schadstoffe, die durch das Reinigungsverfahren vollständig bzw. bis herab auf zulässige Grenzwerte beseitigt werden. Die Abgase werden zum Zwecke der Reinigung direkt nach der Fertigungsanla¬ ge oder nach Sammlung aus mehreren Anlagen durch die Reinigungsein¬ richtung geführt.

Zur Abgasreinigung sind eine ganze Reihe von Verfahren bekannt. Sehr häufig erfolgt sie durch Sorption der Schadstoffe, z.B. in einer oxidie- renden wässrigen Lösung. Dazu wird das Abgas in einer Kolonne, in ei¬ nem Sprühturm oder einer anderen Wascheinrichtung in intensiven Kontakt mit dem Sorptionsmittel gebracht. Schadstoffe, die auf diese Weise nicht oder wenig effizient sorbiert werden, können durch Verfahren der thermi¬ schen Zersetzung durch Aufheizen oder durch Verbrennung umgewandelt und aus dem Abgas beseitigt werden. Sind die toxischen Schadstoffe selbst nicht brennbar, so werden sie in einer Flamme unter Zufuhr von Sauer¬ stoff im Überschuß verbrannt. Die Verbrennung erfolgt in einer Brennkam¬ mer mit Brenner, an deren Wänden sich feste Verbrennungsprodukte, z.B. Si0 ₂ , niederschlagen. Da die Abscheidung fester Reaktionsprodukte in der Brennkammer nicht vollständig erfolgt, insbesondere aber, da bei der Verbrennung meist sekundäre, gasförmige Schadstoffe entstehen, werden bekanntermaßen mehrstufig wirkende Reinigungsverfahren eingesetzt, bei

ORIGINAL UNTERLAGEΞN

denen nacheinander Teilprozesse der Reinigung, wie thermische Zersetzung oder Oxidation, Kühlung, Hydrolyse, Sorption und Auswaschen fester Reaktionsprodukte ablaufen (EP 89 110 875).

Dazu wird das Abgas nacheinander durch eine Brennkammer und minde¬ stens eine Einrichtung, die nach dem Waschprinzip wirkt, geleitet. Es sind auch Einrichtungen zur Reinigung von Abgas vorgeschlagen worden, bei denen das Abgas nacheinander durch eine Brennkammer und eine Waschkammer geleitet wird, wobei diese konstruktiv eine Einheit bilden (EP 89 110 876).

Ein Nachteil der Abgasreinigung mit thermischer Zersetzung oder Oxidation der Schadstoffe in einer Brennkammer unter Bildung fester Reaktionspro¬ dukte ist es, daß sich diese an den Wandflächen der Brennkammer ab¬ scheiden. Bei großem Schadstoffdurchsatz wachsen auf diesen Wandflächen dicke Schichten auf. Diese Ablagerungen können bereits nach kurzer Zeit so stark werden, daß sie die Prozeßführung durch gestörte Strömungsver¬ hältnisse stark beeinträchtigen oder sogar durch "Zuwachsen" unmöglich machen.

Ein weitere Nachteil besteht in der Korrosion des Materials der Wandflä¬ chen und anderer Bauteile der Brennkammer unter Wirkung gasförmiger Reaktionsprodukte der Verbrennung. Kritisch erhöht wird diese Korrosion durch die hohe Temperatur der verbrannten Abgase oder durch deren Zu¬ sammensetzung, wenn die Abgase z.B. Halogenwasserstoffe (z.B. HCL, HF) und Wasserdampf enthalten.

Außerdem kann sich nachteilig auswirken, daß beim Abkühlen der ver¬ brannten Abgase auf dem Weg von der Brennkammer in eine nachfolgende Sorptionskammer oder So tionseinrichtung sekundäre, toxische Schadstoffe, z.B. Dioxine, entstehen.

Auch werden Ab- bzw. Adsorptionsverfahren eingesetzt, mit welchen eine partielle Entfernung von Schadstoffen aus dem Abgas gelingt (JP-PS 5812 2025, JP-PS 6203 0525, JP-PS 6213 6230).

Der Hauptnachteil dieser Verfahren besteht jedoch darin, daß die Toxine nicht beseitigt werden, sondern wiederum mit gleicher oder höherer Schadstoffkonzentration kontaminierte feste bzw. flüssige Absorptionsmittel entstehen, für welche nur die Einlagerung in eine Deponie möglich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Wirksamkeit der Reinigung von Abgasen, insbesondere aus CVD- und Plasmaprozessen, mit Verfahren und Einrichtungen, in denen neben der thermischen Zersetzung oder Oxi¬ dation der Schadstoffe weitere Teilprozesse wie z.B. Sorption, erfolgen, zu verbessern. Weiterhin soll erreicht werden, daß die Korrosion von Teilen der Brennkammer im Interesse langer Lebensdauer verringert wird. Eine andere Teil-Aufgabe besteht darin, die Betriebszeit der Einrichtung zwi¬ schen zwei Säuberungszyklen zur Beseitigung von Ablagerungen fester Reaktionsprodukte deutlich zu verlängern. Darüber hinaus ist zu sichern, daß bei der Reinigung keine sekundären toxischen Schadstoffe entstehen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Einrichtung nach Anspruch 4 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausge¬ staltungen sind in den Ansprüchen 2 und 3 sowie 5, 6 und 7 beschrieben.

Das Verfahren geht davon aus, daß in einer Brennkammer Brenngas zur Erzeugung einer Flamme zugeführt wird, und daß in diese Flamme das Abgas eingeführt wird. In der Flamme erfolgt die thermische Zersetzung der Schadstoffe des Abgases. Sollen Schadstoffe oxidiert werden, wird dem Brenngas oder Abgas zusätzlich Sauerstoff beigemischt. Das verbrannte Abgas enthält feste und/oder gasförmige Reaktionsprodukte der Schad¬ stoffe.

Erfindungsgemäß wird direkt in die Brennkammer eine Flüssigkeit einge¬ führt und derart versprüht, daß sie den Raum über dem Brenner und über der Brenngasflamme feinverteilt erfüllt. Auf diese Weise werden zu¬ sätzlich zu den thermischen Teilprozessen unmittelbar und direkt in der Brennkammer eine Reihe weiterer Teilprozesse zur Abgsareinigung wirksam gemacht. Dies erfolgt, indem der verbrannte Abgasstrom durch den Raum,

der mit der feinverteilten Flüssigkeit erfüllt ist, geführt und danach aus der Brennkammer abgeführt wird. Wird als Flüssigkeit Wasser benutzt, können feste Reaktionsprodukte, z.B. SiO~, ausgewaschen werden. Wasser ist auch geeignet zur Sorption gas- und dampfförmiger Reaktionsprodukte, z.B. NO^, zur Hydrolyse, z.B. von HC1 oder HF, und auch zur Kühlung des Stromes verbrannter Abgase. Dem Wasser können auch reaktive, insbe¬ sondere neutralisierende Bestandteile zugegeben werden. Auf diese Weise wird die Bildung von Säuren bereits in der Brennkammer verhindert.

Durch den unmittelbaren Kontakt der Flüssigkeit mit dem verbrannten Ab¬ gasstrom innerhalb der Brennkammer wird die Effektivität der Abgasreini¬ gung entscheidend erhöht. Die Bildung fester Reaktionsprodukte erfolgt praktisch vollständig in der Brennkammer. Auf diese Weise werden gege¬ benenfalls zusätzlich angeschlossene Soφtionseinrichtungen nicht kon¬ taminiert und damit in ihrer Wirkungsweise nicht beeinträchtigt.

Durch den unmittelbaren Kontakt des heißen, verbrannten Abgasstromes mit der kalten Flüssigkeit wird die Bildung von sekundären, gasförmigen und in Wasser wenig löslichen toxischen Stoffen, wie z.B. Dioxinen ver¬ hindert. Das hat wahrscheinlich seine Ursache darin, daß der heiße Ab¬ gasstrom mit großem Temperaturgradienten abgeschreckt wird.

Die in die Brennkammer versprühte Flüssigkeit bildet beim Auftreffen auf deren Wandflächen einen Flüssigkeitsfilm. Dieser Flüssigkeitsfilm ver¬ größert die wirksame Grenzfläche zur Flüssigkeit mit der der Gasstrom in Kontakt gebracht wird. Der Flüssigkeitsfilm auf den Wandflächen trägt somit zur Sorption fester und gasförmiger Reaktionsprodukte aus dem ver¬ brannten Abgas, zur Reaktion mit sekundären Schadstoffen und zur Küh¬ lung bei. Insbesondere wird durch diesen Wasserfilm die Abscheidung fe¬ ster Reaktionsprodukte der Verbrennung an den Wandflächen verhindert. Das Aufwachsen dicker, die Prozeßführung beeinträchtigender Schichten wird vermieden.

Durch den Flüssigkeitsfilm wird aber auch der direkte Kontakt der heißen

verbrannten Abgase mit den Wandflächen vermieden. Korrosive Bestandteile werden erst nach Abkühlung und Sorption in der Flüssigkeit und damit in geringerer Konzentration auf den Wandflächen wirksam. Die Korrosion wird dadurch drastisch reduziert und die Lebensdauer der Bauteile der Brenn¬ kammer verlängert.

Der Flüssigkeitsfilm fließt an den Wänden der Brennkammer ab. Die Flüs¬ sigkeit, die im Bereich des Bodens der Brennkammer abgeführt wird; führt auch die sorbierten festen und gasförmigen Bestandteile der Verbrennung und Reaktionsprodukte des verbrannten Abgases ab.

Die Standzeiten der Brennkammer bis zu einer notwendig werdenden Säube¬ rung werden um ein Vielfaches vergrößert.

Das Verfahren wird mit einer Einrichtung ausgeführt, die im wesentlichen aus einer vorzugsweise rotationssymmetrischen Brennkammer mit einem Brenner und aus Zuführungen für das Brenngas und für das toxische Schadstoffe enthaltene Abgas besteht. Gegebenenfalls wird dem Brenngas oder Abgas zusätzlich Sauerstoff beigemischt. Als Brenngas wird z.B. ein Wasserstoff-/Sauerstoff-Gemisch oder ein Erdgas-/Sauerstoff-Gemisch ver¬ wendet. Über dem Brenner bildet sich die Brenngasflamme aus. Das er¬ hitzte bzw. verbrannte Brenn- und Abgas strömt durch die Brennkammer in Richtung eines Anschlusses für eine lufttechnische Anlage zur Abfuhr des gereinigten Abgases. Erfindungsgemäß wird in der Einrichtung im oberen Bereich der Brennkammer eine Sprüheinrichtung für eine Flüssig¬ keit angeordnet. Diese Sprüheinrichtung besteht aus einer Hohlkegeldüse und einer Vollkegeldüse, die beide in der Achse des Brenners befestigt sind. Der Abstand zwischen Brenner und Hohlkegeldüse wird derart einge¬ stellt, daß er zur Ausbildung der Brenngasflamme und zur vollständigen thermischen Zersetzung bzw. Oxidation der toxischen Schadstoffe aus¬ reicht. Die Hohlkegeldüse versprüht besagte Flüssigkeit derart, daß ein Winkelbereich um die Achse, in dem der Brenner angeordnet ist, frei von Flüssigkeit bleibt. Dieser Winkelbereich wird jedoch vorzugsweise auf Winkel 2 c - größer als 50° eingestellt. Durch das Versprühen der Flüs-

sigkeit mit der Hohlkegeldüse wird einerseits erreicht, daß im Raum zwi¬ schen Brenner und Hohlkegeldüse sich die Brennflamme ausbilden kann, ohne daß sie durch die Flüssigkeit gelöscht wird, andererseits wird durch den Flüssigkeitshohlkegel vermieden, daß der Strom des verbrannten Brenn- und Abgases mit Teilen in der Brennkammer, z.B. den Düsen und den Flüssigkeitszuführungen, in Kontakt kommt, ohne vorher in Kontakt mit der Flüssigkeit gewesen zu sein. Der axiale Abstand zwischen Hohlke¬ geldüse und Vollkegeldüse ist größer als der Radius der Brennkammer. Durch die Vollkegeldüse wird die Flüssigkeit in einen Vollkegel mit einem Winkel 2 ß größer 90° versprüht. Wesentlich größere Winkel als 90° sind zweckmäßig, um den Raum der Brennkammer zwischen den Düsen mög¬ lichst vollständig mit feinverteilter Flüssigkeit zu erfüllen.

Der Hohlkegel fein verteilter Flüssigkeit wirkt infolge der hohen Dichte an Flüssigkeitströpfchen für die Flüssigkeit, die aus der Vollkegeldüse ver¬ sprüht wird als "Schutzschild", um das unkontrollierte Eindringen von Flüssigkeit in den Brennraum zu vermeiden.

Auf der Rückseite der Hohlkegeldüse wird eine in Richtung Gasstrom kon¬ vexe Fläche wirksam gemacht, deren Durchmesser größer oder gleich dem Durchmesser des Brenners ist. Dadurch wird gewährleistet, daß Flüssig¬ keit aus der Vollkegeldüse nicht direkt in den Brenner sprüht. Die kon¬ vexe Fläche wirkt als Spritzschutz. Auch von ihr abtropfende Flüssigkeit tropft außerhalb der Brennerfläche. Die Ausbildung der Brennflamme und die Verbrennung der toxischen Schadstoffe wird somit nicht durch Flüssig¬ keit aus der Vollkegeldüse beeinträchtigt.

Der Strom verbrannter Brenngase und toxischer Schadstoffe wird durch den Raum, der mit feinverteilter Flüssigkeit erfüllt ist, geführt. Hier erfolgen besagte nichtthermische Teilprozesse der Abgasreinigung. Es kann zweck¬ mäßig sein, an die Brennkammer über eine Absaugleitung eine zusätzliche Sorptionseinrichtung, wie z.B. ein Entfeuchter, eine Wascheinrichtung oder ein Filter, nachzuschalten. Auf diese Weise wird eine weitere Reduzierung des in der Brennkammer gereinigten Abgases von schädlichen Bestandteilen

erreicht. Die Nachschaltung einer zusätzlichen Soφtionseinrichtung empfiehlt sich besonders, wenn sie selektiv auf Schadstoffe wirkt, die in der Brerinkarnmer nicht aus dem Abgas entfernt wurden.

Der Verbrauch an Soφtionsmittel läßt sich drastisch reduzieren, wenn das aus der Brennkammer abfließende Soφtionsmittel, welches Reaktionspro¬ dukte der Abgasverbrennung und der Reaktion des verbrannten Abgases mit dem Wasser enthält, in einer Soφtionsmittelregenerierungsanlage re¬ generiert wird und das Soφtionsmittel im Kreislauf betrieben wird.

Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Einrich¬ tung besteht darin, in einem Teil des Raumes zwischen den beiden Düsen eine Schicht von Füllköφern einzubringen. Auf diese Weise wird die Kon¬ taktfläche zwischen Flüssigkeit und Gasstrom in an sich bekannter Weise erhöht, ohne zu beeinträchtigen, daß zunächst der verbrannte Gasstrom mit feinverteilter Flüssigkeit in Kontakt kommt.

Sowohl die versprühte Flüssigkeit aus der Hohlkegeldüse als auch die aus der Vollkegeldüse schlägt sich auf den Wandflächen der Brennkammer nie¬ der. Sie bildet auf diesen Wandflächen einen Flüssigkeitsfilm und läuft zum Boden der Brennkammer ab.

Die Erfindung wird anhand eines Verfahrensbeispiels und der Zeichnung einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt die Einrichtung im Längsschnitt.

Die erfindungsgemäße Einrichtung besteht im wesentlichen aus einer zylin¬ drischen Brennkammer 1 aus rostfreiem Stahlblech. Sie hat 18 cm Durch¬ messer und ist 60 cm hoch. Im Bereich des konisch ausgeführten Bodens 2 der Brennkammer 1 ist ein Brenner 3 angeordnet, dem das Brenngas H2 und C»2 über eine Zufuhr 4 zugeführt wird. Der Brenner 3 hat einen Durchmesser von 25 mm.

Über den Öffnungen 5 bildet sich die Brenngasflamme 6 aus. Das Abgas

mit den toxischen Schadstoffen wird dem Brenner 3 über die Zufuhr 7 zu¬ geführt. Es tritt durch die Bohrung 8 zentral in die Brenngasflamme 6 ein. Im Brennraum 9 erfolgt die thermische Zersetzung bzw. Oxidation der Schadstoffe. Die Pfeile 10 markieren die Richtung des Stromes verbrannter Brenn- und Abgase. Im Abstand von ca. 40 cm vom Boden 2 bzw. 55 cm sind nacheinander und axial eine Hohlkegeldüse 11 und eine Vollkegeldüse 12 angeordnet und an den Zuführungen 13 bzw. 14 für Wasser als ver¬ wendetes Soφtionsmittel befestigt. Die Hohlkegeldüse 11 versprüht Wasser derart, daß der Winkelbereich 15 (2 « . Ä- 80°) im wesentlichen frei von Wassertröpfchen ist und einen etwa hohlkegelförmigen Raum 16 feinverteilt erfüllt. Wasser aus der Vollkegeldüse 12 erfüllt feinverteilt praktisch den ganzen Raum (2 ß «^ 180°C) zwischen den beiden Düsen 17. Das ver¬ sprühte Wasser aus den Räumen 16 und 17 trifft auf die inneren Wandflä¬ chen der Brennkammer 3 und bildet einen Flüssigkeitsfilm 18 aus. An den Wandflächen fließt es in den konisch ausgeführten Boden 2 und wird dort über ein Abflußrohr 19 aus der Brennkammer 1 abgeleitet.

Die Rückseite der Hohlkegeldüse 11 ist als Kugelkalotte 20 mit einem Ra¬ dius von 40 mm ausgeführt, der Durchmesser der Kalotte ist 60 mm.

Das gereinigte Abgas wird durch den Anschluß 21 in die lufttechnische Anlage abgeführt.

Ergänzt wird die Reinigungseinrichtung durch Zündvorrichtungen für die Brenngasflamme und Kontrolleinrichtungen für die Flüsse der Brenngase und das Wasser sowie Sensoren und Aktuatoren zur Erhöhung der Proze߬ sicherheit.

Beispiel für die Verfahrensführung:

In einer CVD-Anlage zur Abscheidung von Phoφhorgas fallen sowohl bei der Schichtabscheidung auf Wafern als auch bei alternierend durch¬ geführten in-situ-Reinigungen der Prozeßkammer Abgasmengen von jeweils 55 1/min an. Das Abgas bei der Abscheidung enthält als Schadstoffe SiH., PH^ und Oxidationsprodukte dieser Stoffe. Das Abgas bei der in-situ-Rei-

nigung der Prozeßkammer enthält als Schadstoff das C-Tv, welches ther¬ misch zersetzbar und dann hydrolisierbar ist. Wesentlicher Bestandteil, vorzugsweise 90-95%, der Abgase für beide Prozesse ist Stickstoff.

Die Abgase werden der Reinigungsvorrichtung durch eine Abgasleitung zu¬ geführt. In der Brennkammer 1 der Reinigungseinrichtung wird durch Zu¬ fuhr von 15 1/rnin Wasserstoff und 10 1/min Sauerstoff über einen Brenner 3 eine Brennflamme aufrechterhalten. Nach vollständiger Verbrennung des Wasserstoffes ist in der Brennflamme noch überschüssiger, erhitzter Sauerstoff vorhanden. In der Achse des Brenners 3 wird das Abgas zuge¬ führt. Es erhitzt sich. Die Schadstoffe SiH. und PH^ werden zu Silizium¬ dioxid und Phosphoφentoxid sowie Wasser oxidiert. C ₂ F ₆ wird in HF und C0 ₂ zersetzt.

Das obere Drittel der Brennkammer 1 ist mit Tröpfchen von Wasser erfüllt. Dazu werden etwa 10 1/min Wasser in die Brennkammer 1 eingeführt und versprüht. Beim Auftreffen der Wassertröpfchen auf die inneren Wandflä¬ chen der Brennkammer 1 bildet sich auf diesen ein Wasserfilm 18 aus. Das Wasser fließt an den Wandflächen ab. Es wird im Bereich des Bodens 2 der Brennkammer 1 gesammelt und abgeführt. Das etwa 1000°C heiße, verbrannte Brenn- und Abgas strömt senkrecht vom Brenner 3 durch den mit Wassertröpfchen erfüllten Raum 16. Das feste Siliziumdioxid wird kolloidal in Wasser gelöst, das Phosphoφentoxid reagiert mit Wasser zur Phosphorsäure, das HF zu Flußsäure. Das gereinigte Abgas wird an der Deckelfläche der Brennkammer 1 abgeführt. Beim Auftreffen des heißen, verbrannten Brenn- und Abgases auf die Flüssigkeitströpfchen wird es auf kleiner 50°C abgekühlt. Reaktionsprodukte werden in den Wassertröpfchen sorbiert und mit diesem aus der Brennkammer transportiert.