本發(fā)明涉及電子級多晶硅生產(chǎn)領域，特別是改良西門子法回收氫氣的硼、磷元素雜質(zhì)的去除。
背景技術：
現(xiàn)有改良西門子法多晶硅生產(chǎn)技術中，尾氣回收主要采用干法回收。氫氣、氯硅烷和氯化氫組成的混合物通過低溫淋洗、吸收等過程進行分離，包含了少量氯硅烷、氯化氫和其他雜質(zhì)的氫氣通往吸附塔，在吸附塔中利用活性炭進行純化。
目前吸附塔中通常都采用單一吸附物質(zhì)進行吸附，而氫氣中包含了氯硅烷、氯化氫、BCl3、PCl3及其他未知組成的雜質(zhì)，單一吸附物質(zhì)的吸附塔無法很好的對氫氣進行純化。
電子級多晶硅生產(chǎn)，特別是對于集成電路用半導體級高純多晶硅的生產(chǎn)中，各原料的控制需非常嚴格，通過氫氣帶入還原爐的雜質(zhì)將直接導致多晶硅產(chǎn)品的純度不足。
例如現(xiàn)有技術中通常采用椰殼活性炭作為吸附材料，椰殼活性炭雖然擁有很多優(yōu)點，但基于材料本身特性，其孔隙基本為微孔，即孔徑小于2nm，而氫氣中含有的一些雜質(zhì)利用微孔吸附效果不佳，并會因此導致部分重要目標雜質(zhì)例如B、P的吸附效果。
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明要解決的技術問題是：提供一種用于電子級多晶硅尾氣純化的多層吸附裝置及其使用方法，實現(xiàn)穩(wěn)定生產(chǎn)電子級多晶硅的目標。
一種用于電子級多晶硅尾氣純化的多層吸附塔，塔體通過若干層塔板分為若干個塔室，塔頂設有氣體出口管和塔底設有氣體入口管；所述塔體外部繞有中空的外盤管，所述外盤管的兩端設有外盤管入口和外盤管出口。
優(yōu)選的，塔體內(nèi)置有中空內(nèi)筒，所述中空內(nèi)筒自塔底貫穿塔室直至靠近塔頂位置，所述中空內(nèi)筒下部設有外延伸段，所述外延伸段通過塔底的孔穿出塔外，所述中空內(nèi)筒設有內(nèi)筒出口管和內(nèi)筒入口管，所述內(nèi)筒出口管設在所述中空內(nèi)筒的底部，所述內(nèi)筒入口管自所述中空內(nèi)筒的底部延伸至頂部，所述中空圓筒外部纏繞有中空的內(nèi)盤管，所述內(nèi)盤管的兩端設有內(nèi)盤管入口和內(nèi)盤管出口，所述內(nèi)盤管入口和內(nèi)盤管出口穿出塔體。
所述塔室可以多個，優(yōu)選的是2～6個，所述塔室內(nèi)各自獨立的填充有吸附材料。每一層塔室的底板是可拆卸的，吸附材料堆填在底板上的。安裝時從下往上一層一層安裝填充。
所述塔室可以為4個，所述吸附材料各自獨立的選自分子篩、1號活性炭、2號活性炭和3號活性炭，所述1號活性炭為椰殼活性炭，所述2號和3號活性炭為煤質(zhì)活性炭。
所述分子篩的孔徑為0.3-1nm；所述1號活性炭為椰殼活性炭，其主要孔徑小于2nm，對應孔容為3-6ml/g；所述2號活性炭為煤質(zhì)活性炭，其主要孔徑為2-50nm，對應孔容為1-3ml/g；所述3號活性炭為煤質(zhì)活性炭，其主要孔徑大于50nm，對應孔容為0.5-2ml/g。
一種使用上述任一所述多層吸附塔純化電子級多晶硅尾氣的方法：
需要純化氫氣時，將需純化的循環(huán)氫氣通過換熱器冷卻至-20到0℃之間后，從所述氣體入口管通入多層吸附塔去除雜質(zhì)，控制吸附塔的壓力為0.5～2個大氣壓，得到純化后的氫氣從所述氣體出口管通入電子級多晶硅生產(chǎn)系統(tǒng)。
需要再生所述吸附塔內(nèi)的吸附材料時，向所述內(nèi)盤管、外盤管或內(nèi)筒中的至少一個通入熱介質(zhì)將所述吸附塔升溫至150～200℃，控制吸附塔的壓力為0.5～2個大氣壓，從所述氫氣出口反吹入純氫氣，將吸附塔內(nèi)吸附材料進行再生。
優(yōu)選的內(nèi)盤管、外盤管或內(nèi)筒中都通入熱介質(zhì)加熱。
一種尾氣純化的系統(tǒng)，包含本發(fā)明任一所述的多層吸附塔。
以上有三個加熱區(qū)域，外盤管加熱外部區(qū)域，內(nèi)筒加熱內(nèi)部區(qū)域，內(nèi)盤管加熱中間區(qū)域。優(yōu)選的三個區(qū)域同時加熱，達到最佳的加入效果。
本發(fā)明中所述的吸附材料為多孔介質(zhì)，該類多孔介質(zhì)吸附氫氣中雜質(zhì)主要依靠其不同大小的微孔，若孔徑遠大于分子運動直徑，則不易發(fā)生吸附，若孔徑略大于分子運動直徑，則發(fā)生牢固的吸附，但是再生不易，若孔徑小于分子運動直徑，則不發(fā)生吸附。以往通用的活性炭往往孔徑集中于2nm以下，不僅吸附總?cè)萘坎患眩視纬筛偁幬?，影響關鍵目標物質(zhì)的吸附。針對以上的特點，本發(fā)明同時兼顧吸附介質(zhì)再生的便利性，選擇了上述不同孔徑的多孔介質(zhì)為吸附材料。所述吸附材料的排列順序以主要有效孔徑分布的大小為標準。本發(fā)明優(yōu)選的選用了分子篩、椰殼活性炭、煤質(zhì)活性炭綜合運用的方式對氫氣進行吸附除雜。這4個特性的吸附材料進行多重吸附可以較為有效的吸附氫氣中的一系列雜質(zhì)，每一層吸附物質(zhì)都針對不同的需去除的雜質(zhì)有較強的吸附能力，其中，所述分子篩針對O2、N2、BH3、PH3；所述1號活性炭針對CH4、CO2、HCL、BCL3、PCL3，所述2號活性炭針對三氯氫硅、二氯二氫硅、四氯化硅；所述3號活性炭主要用于六氯化二硅、聚硅烷的吸附。
孔容標示了吸附介質(zhì)的總吸附能力，因為總孔容差別不大，對應的孔容能一定程度上反映吸附介質(zhì)的孔結(jié)構特性，所以以主要孔徑的對應孔容作為吸附介質(zhì)性能的次要指標。
經(jīng)過一段時間的吸附操作后，進行再生操作，在整個生產(chǎn)過程中，吸附和再生可以不斷重復進行。
傳統(tǒng)的理論認為，煤質(zhì)活性炭中含有的雜質(zhì)不利于電子級多晶硅系統(tǒng)，但是本發(fā)明的實際的效果顯示，煤質(zhì)活性炭因為性能穩(wěn)定，在氣體吸附過程中不會析出B、P等雜質(zhì)。由于氫氣中B\P等雜質(zhì)含量極其微量，無法直接用儀器測量，我們以成品多晶硅的電阻率和少子壽命進行比較，發(fā)現(xiàn)采用本發(fā)明的多層吸附相對于傳統(tǒng)的單層椰殼活性炭吸附，改善效果非常明顯，本發(fā)明成品多晶硅的電阻率和少子壽命都大有提高。
有益效果：使用本發(fā)明的多層吸附塔可以有效提高對于氫氣提純的效率，并以得到的高純度的氫氣為原料能夠生產(chǎn)出更高純度的集成電路用半導體級多晶硅。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的剖面圖，其中1～4分別為1～4塔室；5為氣體入口管，6為氣體出口管，7為中空內(nèi)筒，701為內(nèi)筒入口管，702為內(nèi)筒出口管，703為內(nèi)筒外延伸段，8為內(nèi)盤管，801為內(nèi)盤管入口，802為內(nèi)盤管出口，9為外盤管，901為外盤管入口，902為外盤管出口，。
具體實施方式
根據(jù)下述實施例，可以更好地理解本發(fā)明。然而，本領域的技術人員容易理解，實施例所描述的內(nèi)容僅用于說明本發(fā)明，而不應當也不會限制權利要求書中所詳細描述的本發(fā)明。
實施例1
一種用于電子級多晶硅尾氣純化的多層吸附塔，包括塔體和塔板若干層，塔體通過3層塔板分為4個塔室，塔底設有氣體入口管5，塔頂設有氣體出口管6；塔體內(nèi)置有中空內(nèi)筒7，所述中空內(nèi)筒7自塔底貫穿塔室直至靠近塔頂位置，所述中空內(nèi)筒7的下部設有外延伸段703，所述外延伸段703通過塔底的孔穿出塔外，所述中空內(nèi)筒7設有內(nèi)筒入口管701和內(nèi)筒出口管702，所述內(nèi)筒出口管701設在所述中空內(nèi)筒7的底部，所述內(nèi)筒入口管701自所述中空內(nèi)筒的底部延伸至頂部，所述中空圓筒外部纏繞有中空的內(nèi)盤管8，所述內(nèi)盤管的兩端設有內(nèi)盤管入口801和內(nèi)盤管出口802，所述內(nèi)盤管入口801和內(nèi)盤管出口802穿出塔體，所述塔體外部繞有中空的外盤管9，所述外盤管的兩端設有外盤管入口901和外盤管出口902。
將含有氯硅烷、氯化氫、BCl3、PCl3及其他多種雜質(zhì)的氫氣通過換熱器冷卻至-10℃，從吸附塔底部5口通入吸附塔，吸附塔內(nèi)壓力維持在1個大氣壓，氫氣經(jīng)過4層塔室吸附后，絕大多數(shù)雜質(zhì)被吸附，高純的氫氣從塔頂6口引出。經(jīng)過8小時連續(xù)運行后，吸附效果會開始有所下降，此時需要進入再生工序。先停止通入需純化的氫氣，在吸附塔內(nèi)置盤管、內(nèi)筒、外盤管中通入導熱油將吸附塔升溫至180℃后，從頂部通入反吹氫氣，壓力為2個大氣壓，將吸附塔內(nèi)吸附材料所吸附的雜質(zhì)吹掃出來，尾氣通往尾氣處理裝置，該再生過程持續(xù)4小時。再生過程完成后，在內(nèi)置盤管、內(nèi)筒、外盤管中通入乙二醇水溶液對系統(tǒng)進行降溫，經(jīng)過一段時間后，吸附塔溫度降至-10℃并穩(wěn)定10～30分鐘后，即可再次進行吸附過程。
在整個生產(chǎn)過程中，吸附和再生不斷重復進行。一般為整個系統(tǒng)配備3臺吸附塔并聯(lián)，保持有1臺吸附塔始終處于吸附狀態(tài)。
表1為傳統(tǒng)干法回收氫氣和本發(fā)明方法多層吸附回收氫氣之間的效果比較，使用氣相色譜儀對氫氣中的雜質(zhì)進行檢測。
表1 傳統(tǒng)干法回收氫氣和本發(fā)明方法多層吸附回收氫氣之間的效果比較
用本發(fā)明回收的氫氣與傳統(tǒng)干法回收氫氣制備的成品多晶硅的電阻率和少子壽命比較結(jié)果如表2，可見改善效果非常明顯。