專利名稱：半導(dǎo)體生產(chǎn)過程中廢氣的處理設(shè)備及方法
半導(dǎo)體生產(chǎn)過程中廢氣的處理設(shè)備及方法技術(shù)領(lǐng)域該發(fā)明描述半導(dǎo)體生產(chǎn)過程中廢氣的處理設(shè)備及方法，特別涉及一種處理在制造基于硅 的電子和光電器件過程中產(chǎn)生的硅烷(SiH4)廢氣的器具和方法，是關(guān)于一種用相當(dāng)?shù)偷某?本安全高效處理大規(guī)模真空加工基于硅的電子和光電設(shè)備的過程中產(chǎn)生的硅烷廢氣的設(shè)備 和方法。
背景技術(shù)：
真空加工設(shè)備廣泛應(yīng)用于大規(guī)模制造基于硅的半導(dǎo)體器件過程中，像集成電路和太陽能 電池，包括基于硅薄膜的大面積光電池組件等?；瘜W(xué)氣相沉積(CVD)和化學(xué)氣相蝕刻是當(dāng)前制 作所指產(chǎn)品的比較流行的技術(shù)手段。例如，集成電路中的多晶硅或二氧化硅層可通過SiH4氣 體或其它相似氣體經(jīng)化學(xué)氣相沉積法沉淀。在另外一個例子中，硅烷被用于等離子體增強(qiáng)化 學(xué)氣相沉積過程來生產(chǎn)基于硅膜的氫化非晶硅和納米非晶硅的太陽能電池。在化學(xué)氣相沉積 過程之后，多余的氣體滯留在化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)之中，之后排氣系統(tǒng)可以將反應(yīng)氣體排放到 大氣當(dāng)中。然而，由于硅垸能在空氣中自動燃燒，所以出于安全和對環(huán)境保護(hù)的目的，不能 把它直接排放到大氣中。 一般而言，真空加工設(shè)備中的含硅烷的多余反應(yīng)氣體必須經(jīng)過廢氣 洗滌器處理，以免把有害的污染物質(zhì)排放到環(huán)境中。因此，在排放反應(yīng)氣體的設(shè)備中，廢氣 洗滌器是不可缺少的一部分。硅烷和相似氣體必須從廢氣流中過濾掉或者是轉(zhuǎn)化成可以被安全處置的合成物。通常把 硅烷轉(zhuǎn)化成合成物的方法是將它在一個所謂的"燃燒箱"中加以燃燒。在燃燒箱中一般是以 天然氣為燃料，這時SiHU經(jīng)過反應(yīng)轉(zhuǎn)化成Si02，其化學(xué)反應(yīng)為2SiH4+202—2Si02+4H2。 然而，如果系統(tǒng)突然發(fā)生故障，燃燒箱就有成為火源的危險。比如說，如果廢物處理系統(tǒng)出 故障的話，SiH4殘留就會在燃燒箱中聚集，很有可能導(dǎo)致不可控制的燃燒。另外一個重要問 題是，由于硅的氧化物粉塵沉積，燃燒箱很容易被阻塞，因此頻繁的清理和維護(hù)是非常必要 的，但這會耽擱設(shè)備的正常運(yùn)行。及時地處理在燃燒箱中和管道中游離的二氧化硅粉塵(一 種黃色粉末)操作起來有很大難度，并造成環(huán)境污染。美國專利號6174349、6126906和5183646 中描述了關(guān)于燃燒箱的廢氣處理程序和設(shè)備。濕的洗滌器和其它處理設(shè)備也已經(jīng)被應(yīng)用。美國專利號6174349就為人們提供了一種結(jié) 合燃燒箱的潮濕洗滌器。美國專利號5955037提供了一種氧化的處理方法。美國專利號5320817中使用一種可生成氫鋁化合物的金屬鹽來清除硅垸。美國專利號6949234描述了一 種基于水的濕洗滌器，但這種洗滌器比較貴重，很難應(yīng)用于大量硅垸廢氣的處理。其它類型 的濕洗滌器是基于濕的化學(xué)反應(yīng)，讓硅烷和像NaH0這樣的霧狀氧化物反應(yīng)，這種方法效率高， 處理量大，但是過程和設(shè)備非常復(fù)雜，容易出故障。另外一種處理硅烷的方法是干化學(xué)反應(yīng)處理法，在高溫條件下使用接觸反應(yīng)和燃燒相結(jié) 合的方法。這種設(shè)備價格昂貴，需要很高的電力，消耗品成本也非常高(反應(yīng)盒需要頻繁的 替換)。此外，像"氣體反應(yīng)柱"并不能像大規(guī)模生產(chǎn)設(shè)備所要求的那樣處理流速超過每分 鐘一標(biāo)準(zhǔn)升(SLPM)的高速硅烷氣流。另外一個處理硅烷的技術(shù)是通過所謂的"干處理器"將低壓的高密度等離子體施加在含 有硅垸的廢氣混合物之中，硅烷被分解沉積在多層電極上面(表面積很大)，電極被定期地 清理和更換。這種方法并不是很可靠，由于氣體管道壓力的不斷變化和混合廢氣的合成物的 存在，經(jīng)常導(dǎo)致等離子體的消失。此外，95%-99%的處理效率并不能達(dá)到政府機(jī)構(gòu)制定的嚴(yán)格 的安全和環(huán)保規(guī)章和要求?？傊?，現(xiàn)有的硅烷處理方法都受到設(shè)備花費(fèi)和操作費(fèi)用昂貴，維修和保養(yǎng)要求高，產(chǎn)生 液體或固體污染物，存在操作危險，或者占據(jù)空間較大等諸多因素的制約。同時，它們需要 像水、電、壓縮空氣等基礎(chǔ)設(shè)施的支持。這類處理設(shè)備的效能有時候非常差。另外，傳統(tǒng)的 廢物處理系統(tǒng)的性能很大程度上取決于混合廢物中氣體的類型。每一種廢氣混合物都需要一 種特定的"反應(yīng)盒"或者化學(xué)方法來很好的中和。沒有一種處理方法能夠用同一個化學(xué)氣相 沉積反應(yīng)堆處理掉所有的廢氣。傳統(tǒng)的硅烷處理設(shè)備不適合于低成本和大批量的生產(chǎn)基于硅 的器件，包括大面積的基于硅薄膜物質(zhì)的光電器件。發(fā)明內(nèi)容基于上述考慮，申請人擬訂了本發(fā)明的首要目的為基于硅的器件生產(chǎn)過程中的硅烷處 理提供一個高效、高產(chǎn)的設(shè)備。本發(fā)明進(jìn)一步目的是為處理硅垸提供既安全可靠，又有效、高產(chǎn)的設(shè)備和方法.本發(fā)明的第三個目的是提供一個設(shè)備成本低，操作費(fèi)用低的硅烷處理系統(tǒng)。為了達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明的半導(dǎo)體生產(chǎn)過程中廢氣的處理設(shè)備及方法，提供了一 個新的硅垸處理設(shè)備和方法。硅垸廢氣和燃煤及煤爐中的高溫氣體反應(yīng)生成硅沉積物和二氧 化硅析出物(沙塵)，并附著在煤的表面。煤灰和固體的硅化物一起被定時地清理出煤爐。如 果為即定的硅烷氣體流速選擇合適的煤爐型號，這種系統(tǒng)的處理效率幾乎是100%。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。圖1顯示一個包含燃煤爐的廢氣處理系統(tǒng)。圖2顯示了硅膜加工設(shè)備和廢氣處理系統(tǒng)之間的關(guān)系。
具體實(shí)施方式
如圖1中所示，該發(fā)明的核心是一個燃煤爐系統(tǒng)6，它包含爐壁60，廢氣進(jìn)口 n和空氣 進(jìn)口 67，排氣出口 68， 一個排放和收集煤灰的包括底門的裝置65。爐壁60里面裝有煤料66， 最好是多孔的煤餅，煤磚或是蜂窩煤，這樣可以使氣體通過高溫的燃燒區(qū)域。煤料中均勻分 布的通道(比如煤磚中的孔)之間的間隔不能太寬，太寬會有礙通過的廢氣和燃燒的煤充分 接觸和完全反應(yīng)。煤灰首先在煤爐的底部形成，由于煤料66的重力被向下推?？諝膺M(jìn)口 67 可以提供一個可調(diào)節(jié)的開口來控制應(yīng)用到燃燒區(qū)的空氣的流量，這樣就能控制煤爐中的反應(yīng) 速度。排氣出口68處裝有空氣過濾器，使排放到大氣中的微粒最小化。在燃煤爐6的操作過程中，硅烷廢氣通過廢氣進(jìn)口 17被引到爐壁60中。硅垸氣體流經(jīng) 燃燒的煤料66中的通道，在這個過程中，硅垸在煤料表面的高溫條件下被直接分解(SiH4 = Si + 2H2),或者和氧氣反應(yīng)生成二氧化硫沉淀下來，緊接著凝結(jié)在煤料的表面。最后，含有固 體硅的煤灰廢料在填新煤料的時候被清除出煤爐室。在這里有一個設(shè)置能夠保證在不打斷處 理操作的情況下不斷地把新煤料從一個儲料室(這里沒有顯示)填入燃煤室。在圖1的例子 中，煤料66的底部將會最先燃盡變成灰塵，因?yàn)榇颂庪x新鮮空氣最近(空氣進(jìn)口 67)，氧 氣含量最高。因此，新鮮的煤磚應(yīng)該被添放在煤爐的頂部。隨著煤的燃燒，煤磚會朝下移動， 最底下的煤磚就會變成煤灰。圖2演示的是在用真空加工設(shè)備來制造與硅有關(guān)的器件時,煤爐廢氣處理系統(tǒng)的安置方 法。氣體混合物通過入口 53流進(jìn)鍍膜設(shè)備10 ，廢氣混合物由鍍膜設(shè)備IO排出，流經(jīng)管道 16,然后被一組真空泵30抽出。真空泵30抽出的氣體經(jīng)進(jìn)氣口廢氣進(jìn)口 17進(jìn)入煤爐燃煤爐 6的爐壁60。經(jīng)過煤爐燃煤爐6的處理，不含硅的氣體通過排氣出口 68被排放到大氣中。設(shè)計爐壁時要考慮到它能容納多塊煤磚，這樣是為了使煤磚穩(wěn)定的速率統(tǒng)一的燃燒。這 些煤磚有均勻分布的通道或孔洞允許廢氣通過。煤燃燒區(qū)域的溫度(燃煤的表面溫度)可以 很容易超過1000攝氏度。大部分應(yīng)用于化學(xué)氣相沉積過程的反應(yīng)氣體的分子都會在高溫條件 下分解，并在煤磚內(nèi)部通道上沉積。事實(shí)上，由于高溫空氣的存在，大部分揮發(fā)性氣體都會 和空氣反應(yīng)在煤磚表面形成固體的沉積。由于煤磚是定時替換的，固體沉積物也就和煤灰一 起被清理出煤爐，基本不會對廢氣處理過程產(chǎn)生任何影響。所需的唯一原料就是合適的備好 的煤料，除此之外不需要任何輔助設(shè)備。這種煤爐處理器功能多，緊湊，效率高，成本低，保養(yǎng)容易。由于體積緊湊，設(shè)計簡單，操作安全，它很容易和任何化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)相結(jié)合。 通過單個或多個氣相沉積系統(tǒng)或反應(yīng)堆，它可以處理大流量(高流速)的廢氣。設(shè)備的停機(jī) 時間也就大大減少了。煤爐能夠高效地處理硅垸。由于煤爐爐壁有一定的長度，加上燃燒的煤料中有長長的通 道，硅垸分子就被迫從高溫的通道中經(jīng)過，在有氧氣的條件下直接和燃燒的煤的表面接觸并 發(fā)生反應(yīng)，或者和空氣反應(yīng)生成二氧化硅。不管是哪種方式，都不會讓任何殘留的硅烷氣體 被釋放到大氣之中。就像商業(yè)和居民用爐子取暖和做飯一樣，這種煤爐可以不間斷地工作。此過程中不會產(chǎn) 生其它的固體或者液體廢物，所以在處理灰塵時不用特別謹(jǐn)慎?；旌蠌U氣中的少量的摻雜物，如磷烷(PH3)和硼烷(B2H6)在這個過程中也被處理掉了。這種煤爐非?？煽?，因?yàn)樗灰揽肯袼?，電，天然氣等輔助設(shè)施，所以不會因?yàn)檫@些設(shè) 施的故障而停機(jī)。和當(dāng)今市場上其它的硅垸處理系統(tǒng)相比，維持和操縱這種燃煤爐的成本至少降低了 一個 量級。為硅烷處理系統(tǒng)提供價格便宜的燃煤爐，確實(shí)有助于大規(guī)模生產(chǎn)低成本，大面積的薄 膜硅光伏模塊。由于燃煤爐價格低廉，模塊化的廢氣處理系統(tǒng)可為各種各樣的真空鍍膜加工過程提供硅 烷廢氣的處理。
權(quán)利要求
1. 一個廢氣處理系統(tǒng)，其特征是包括如下組成部分a)一個金屬或者金屬合金的密封的煤爐爐壁；b)煤料，所指煤料被置于所指爐壁中，所指煤料中間有相通的孔洞，氣體可從整個所指煤料中流通；c)一個安裝在所指爐壁上的廢氣進(jìn)口；d)一個安裝在所指爐壁上的開口可調(diào)節(jié)的空氣進(jìn)口，允許所指煤料在該爐壁中燃燒；e)不斷更換補(bǔ)充煤料的機(jī)制；f)收集和清理煤灰的機(jī)制；g)一個安裝在所指爐壁上的排氣出口，該出口和所指廢氣進(jìn)口之間被所指煤料隔開。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的廢氣處理系統(tǒng)來處理硅烷氣體的方法，其特征在于該方法的 實(shí)施由下列步驟構(gòu)成a) 打開所指空氣進(jìn)口，使空氣和所指煤料相接觸；b) 用點(diǎn)火器點(diǎn)燃所指煤料；c) 調(diào)節(jié)所指空氣入口，以達(dá)到所需要的煤的燃燒速度；d) 用所指廢氣進(jìn)口將硅烷導(dǎo)入所指廢氣處理系統(tǒng)中；e) 收集包含固體硅化物的煤灰；f) 為所指廢氣處理系統(tǒng)不斷更換添加所指煤料。
3、 根據(jù)權(quán)力要求l所述的廢氣處理系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)中的煤料是中間打孔的 煤餅、煤磚或蜂窩煤，中間有多個渠道允許氣體流經(jīng)整個煤料。
4、 根據(jù)權(quán)力要求l所述的廢氣處理系統(tǒng)，其特征在于所述的廢氣處理系統(tǒng)被安置于一 個由多個廢氣處理系統(tǒng)串聯(lián)而成的多級廢氣處理系統(tǒng)中，上一級的排氣出口和下一級的廢氣 進(jìn)口相聯(lián)接，所指的多個系統(tǒng)可以同步運(yùn)作。
5、 根據(jù)權(quán)力要求l所述的廢氣處理系統(tǒng)，其特征在于所述的廢氣處理系統(tǒng)被安置于一 個由多個廢氣處理系統(tǒng)并聯(lián)而成的廢氣處理系統(tǒng)，多個系統(tǒng)可以同步運(yùn)作。
6、 根據(jù)權(quán)力要求2所述的處理硅垸氣體的方法，其特征在于其中所指硅烷氣體含有體 積比例不超過6%的磷化物或硼化物。
全文摘要
本發(fā)明公開了一個新穎的使用燃煤爐處理硅烷的設(shè)備及方法，適用于半導(dǎo)體生產(chǎn)過程。在燃煤爐中穿孔的煤塊被有規(guī)律地替換添加。被鍍膜設(shè)備排出的廢氣進(jìn)入煤的燃燒區(qū)域，含硅的材料這時候被熱沉積在燃燒的煤的表面，或者和氧氣反應(yīng)生成二氧化硅而集聚在煤的表面。本發(fā)明的顯著特點(diǎn)是在不可比擬的低成本下就能高效可靠地為真空鍍膜系統(tǒng)處理廢氣。
文檔編號B01D53/46GK101234282SQ20071000256
公開日2008年8月6日 申請日期2007年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月29日
發(fā)明者李沅民, 昕 馬 申請人:北京行者多媒體科技有限公司