硅片外延生长的反应尾气的排出装置、系统及方法与流程

本发明涉及硅片外延生长领域，尤其涉及一种硅片外延生长的反应尾气的排出装置、系统及方法。

背景技术：

硅片外延生长是半导体芯片制造领域中的一个重要工艺，该工艺是指在经抛光的硅片上按照硅片的晶向再沉积一层排列有序的单晶硅薄层，即外延层，由此得到的带有外延层的硅片称为外延硅片。由于外延层的电阻率和厚度可控、无晶体原生粒子缺陷且无氧沉淀，使得外延硅片得到了非常广泛的应用。

硅片外延生长可以通过真空外延沉积、气相外延沉积和液相外延沉积等方法完成，而其中气相外延沉积的应用最为广泛。如果没有另外说明，本发明提及的外延生长都是指通过气相外延沉积完成的外延生长。

参见图1，其示出了现有的用于硅片w的外延生长的设备1a的示意图。如图1所示，该设备1a可以包括：

外延炉10a，该外延炉10a用于容纳硅片w，提供高温高压环境，并且通入有反应源气以实现硅片w的外延生长，其中，在硅片w的外延生长过程中会在外延炉10a中产生反应尾气；

尾气输送管道20a，该尾气输送管道20a用于输送来自外延炉10a的反应尾气，在图1中，通过空心箭头示意性地示出了经由尾气输送管道20a输送的反应尾气；

尾气净化装置30a，该尾气净化装置30a用于接收尾气输送管道20a输送的反应尾气、对接收的反应尾气进行无毒无害化的净化处理、并将处理后的反应尾气排放到大气中。

在图1示现有的用于硅片w的外延生长的设备1a中，反应尾气在经由尾气输送管道20a从外延炉10a输送至尾气净化装置30a的过程中会生成各种能够聚集在尾气输送管道20a内部的副产物bp，下文中将对这些副产物bp进行详细介绍。

通入到外延炉10a中以实现硅片w的外延生长的反应源气主要包括：二氯氢硅sih2cl2、三氯氢硅sihcl3、氯化氢hcl等，反应源气在外延炉内的高温和高压的作用下，化学键会断裂，从而形成硅原子si、氢原子h和氯原子cl，这些原子在从提供1120℃左右的加热温度的外延炉10a中随反应尾气被排出到尾气输送管道20a中时，被瞬态激发成亚稳态的活泼原子，进而在不同的环境条件下生成不同的副产物bp，以下进行举例说明。

在不与空气接触的情况下，反应尾气中的硅原子si、氢原子h和氯原子cl可能会形成氯硅烷，氯硅烷会进一步结合形成氯硅烷高聚物，氯硅烷高聚物会通过化学链连接成长链氯硅烷聚合物。氯硅烷的化学式可以表示为siaclbhc，其中a<7，b<6，c<3。氯硅烷在不接触空气时，在物理形态上体现为一种白色透明的粘性液体，不易流动，像矿物油或者凡士林一样。这种白色粘性液体会逐渐聚集并附着在尾气输送管道20a的内壁上，长期积累有可能堵塞尾气输送管道20a，导致尾气排气不畅，甚至可能会引发爆炸事故。

当排气管道及其相关部件产生泄漏导致氯硅烷与空气接触时，氯硅烷会与空气反应形成硅氧烷高聚物。硅氧烷的结构是核壳结构，外壳是一层sio2，内部包裹氯硅烷液体。硅氧烷的化学式可以表示为hsizo2，其中z<7。硅氧烷在物理形态上体现为一种附着在尾气输送管道20a的内壁上的黄绿色固体。由于氯硅烷是一种亚稳态的中间体，当尾气输送管道20a发生泄漏或者在尾气输送管道20a维护期间有空气瞬间涌入到尾气输送管道20a中使得尾气输送管道20a中的氯硅烷接触到空气中的水蒸气、氧气或者与高速气流产生摩擦时，氯硅烷的原子被瞬态高度激发振动，从而迅速发生猛烈的化学反应，导致氯硅烷自燃并产生明火，若持续在受限空间内反应，将会发出砰砰的爆炸声。

在外延炉10a中的高温激发作用下，反应源气中的si-h键被打断，硅原子si会以化学键方式与h+、cl-、sih4离子结合形成硅尘。硅尘是一种亚微米级的粒子，并且会附着在整个尾气输送管道20a的内壁上，呈现出红褐色的硅层。

目前处理这些副产物的主要手段例如可以包括定期维护以去除尾气输送管道内的这些副产物以及定期更换新的管道，但这些方法费用高、成本大，而且有很大的危险性，比如在维护或更换的过程中，副产物与空气接触后可能会发生自燃甚至发生爆炸，给操作人员带来极大危险。

目前还可以采用在尾气输送管道中通入可与副产物反应的气体的方法来去除副产物，然而该方法会有可能会产生新的副产物的缺陷。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明实施例期望提供一种硅片外延生长的反应尾气的排出装置、系统及方法，能够简单高效地阻止尾气输送管道中的副产物的生成、聚集，从而能够大大提高外延排气系统的安全性及稳定性，并且能够节省人为维护保养费用及管道更换成本。

本发明的技术方案是这样实现的：

第一方面，本发明实施例提供了一种用于排出硅片外延生长的反应尾气的装置，所述装置包括：

用于输送所述反应尾气的尾气输送管道，其中，所述反应尾气在经由所述尾气输送管道输送的过程中会生成各种能够聚集在所述尾气输送管道内部的副产物；

设置在所述尾气输送管道外围的电磁波辐射器，所述电磁波辐射器构造成将电磁波辐射至所述尾气输送管道内部，以便通过利用电磁波阻止与所述副产物的化学键相同类型的化学键形成来防止所述副产物生成，并且通过利用电磁波打断已生成的所述副产物的化学键来减少所述副产物的量。

第二方面，本发明实施例提供了一种用于排出硅片外延生长的反应尾气的系统，所述系统包括：

根据第一方面所述的装置；

尾气净化装置，所述尾气净化装置构造成对所述尾气输送管道输送的反应尾气进行无毒无害化的净化处理并将处理后的反应尾气排放到大气中。

第三方面，本发明实施例提供了一种用于排出硅片外延生长的反应尾气的方法，所述方法应用于根据第二方面所述的系统，所述方法包括：

经由所述尾气输送管道输送所述反应尾气，其中，所述反应尾气在经由所述尾气输送管道输送的过程中会生成各种能够聚集在所述尾气输送管道内部的副产物；

利用所述电磁波辐射器将电磁波辐射至所述尾气输送管道内部，以便通过利用电磁波阻止与所述副产物的化学键相同类型的化学键形成来防止所述副产物生成，并且通过利用电磁波打断已生成的所述副产物的化学键来减少所述副产物的量；

利用所述尾气净化装置对所述尾气输送管道输送的反应尾气进行无毒无害化的净化处理并将处理后的反应尾气排放到大气中。

本发明实施例提供了一种硅片外延生长的反应尾气的排出装置、系统及方法，不需要对尾气输送管道进行定期维护以去除其内部的副产物，不需要定期更换新的管道，也不需要在尾气输送管道中通入可与副产物反应的气体，而是通过电磁波的能量来阻止化学键的形成从而防止副产物生成以及打断已存在的化学键从而减少副产物的量，因此简单高效地阻止了尾气输送管道中的副产物的生成、聚集，从而大大提高了外延排气系统的安全性及稳定性，并且节省了人为维护保养费用及管道更换成本，避免了新的副产物的生成。

附图说明

图1为现有的用于硅片的外延生长的设备的示意图；

图2为本发明实施例提供的一种用于排出硅片外延生长的反应尾气的装置的示意图；

图3为本发明实施例提供的另一种用于排出硅片外延生长的反应尾气的装置的示意图，其中，尾气输送管道中设置有压力控制阀；

图4为本发明实施例提供的另一种用于排出硅片外延生长的反应尾气的装置的示意图，其中，尾气输送管道包括波纹管；

图5为本发明实施例提供的另一种用于排出硅片外延生长的反应尾气的装置的示意图，其中，尾气输送管道包括弯曲部分；

图6为本发明实施例提供的另一种用于排出硅片外延生长的反应尾气的装置的示意图，其中，尾气输送管道中设置有泵；

图7为本发明实施例提供的另一种用于排出硅片外延生长的反应尾气的装置的示意图，其中，电磁波辐射器为远紫外光辐射灯；

图8为本发明实施例提供的一种用于排出硅片外延生长的反应尾气的系统的示意图；

图9为本发明实施例提供的一种用于排出硅片外延生长的反应尾气的方法的示意图；

图10为本发明实施例提供的一种用于硅片的外延生长的设备的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

通入到外延炉中以实现硅片的外延生长的反应源气主要包括：二氯氢硅sih2cl2、三氯氢硅sihcl3、氯化氢hcl等，反应源气在外延炉内的高温和高压的作用下，化学键会断裂，从而形成硅原子si、氢原子h和氯原子cl，但是硅si、氢h和氯cl这三种原子之形成的化学键通常只包括以下四种类型：

1)硅原子之间形成的共价键si＝si，该共价键的键能为226kj/mol；

2)硅原子与氯原子之间形成的共价键si＝cl，该共价键的键能为381kj/mol；

3)硅原子与氢原子之间形成的共价键si＝h，该共价键的键能为318kj/mol；

4)硅原子与氧原子之间形成的共价键si＝o，该共价键的键能为452kj/mol。

因此，只要在尾气输送管道中提供辐射能量大于上述共价键的键能的电磁波，便能够阻止以上述共价键结合的副产物的生成，并且能够使以上述共价键结合的副产物的共价键断裂，从而消除副产物。基于此，参见图2，本发明实施例提供了一种用于排出硅片外延生长的反应尾气的装置100。如图2所示，该装置100可以包括：

用于输送所述反应尾气的尾气输送管道110，在图2中，仅示意性地示出了该尾气输送管道110的介于两条弧形虚线之间的部分，并且通过空心箭头示意性地示出了经由尾气输送管道110输送的反应尾气，其中，所述反应尾气在经由所述尾气输送管道110输送的过程中会生成各种能够聚集在所述尾气输送管道110内部的副产物bp；

设置在所述尾气输送管道110外围的电磁波辐射器120，所述电磁波辐射器120构造成将电磁波ew辐射至所述尾气输送管道110内部，在图2中，通过带箭头的点划线示意性地示出了电磁波辐射器120辐射的电磁波ew，以便通过利用电磁波ew阻止与所述副产物bp的化学键相同类型的化学键形成来防止所述副产物bp生成，并且通过利用电磁波ew打断已生成的所述副产物bp的化学键来减少所述副产物bp的量。

根据本发明，不需要对尾气输送管道进行定期维护以去除其内部的副产物，不需要定期更换新的管道，也不需要在尾气输送管道中通入可与副产物反应的气体，而是通过电磁波的能量来阻止化学键的形成从而防止副产物生成以及打断已存在的化学键从而减少副产物的量，因此简单高效地阻止了尾气输送管道中的副产物的生成、聚集，从而大大提高了外延排气系统的安全性及稳定性，并且节省了人为维护保养费用及管道更换成本，避免了新的副产物的生成。

在尾气输送管道110输送反应尾气的过程中，可能需要对反应尾气的压力进行调整，以便控制反应尾气在尾气输送管道110中的流通速度，或切断反应尾气在尾气输送管道110中的流通。因此，在本发明的优选实施方式中，参见图3，所述尾气输送管道110中可以设置有压力控制阀pv。在这种情况下，反应尾气在经由尾气输送管道110输送的过程中生成的各种副产物bp易于聚集在压力控制阀pv处，因此可以使所述电磁波辐射器120在沿着所述尾气输送管道110的延伸方向上位于与所述压力控制阀pv相对的位置处，以便最大可能地防止副产物bp在压力控制阀pv处生成，或者最大可能地减少已经存在于压力控制阀pv处的副产物bp的量。

为了方便连接上下游的部件，尾气输送管道110可能需要伸缩。因此，在本发明的优选实施方式中，参见图4，所述尾气输送管道110可以包括波纹管cp。在这种情况下，反应尾气在经由尾气输送管道110输送的过程中生成的各种副产物bp易于聚集在波纹管cp处，因此可以使所述电磁波辐射器120在沿着所述尾气输送管道110的延伸方向上位于与所述波纹管cp相对的位置处，以便最大可能地防止副产物bp在波纹管cp处生成，或者最大可能地减少已经存在于波纹管cp处的副产物bp的量。

为了方便连接上下游的部件，尾气输送管道110可能需要弯曲。因此，在本发明的优选实施方式中，参见图5，所述尾气输送管道110可以包括弯曲部分be。在这种情况下，反应尾气在经由尾气输送管道110输送的过程中生成的各种副产物bp易于聚集在弯曲部分be处，因此可以使所述电磁波辐射器120在沿着所述尾气输送管道110的延伸方向上位于与所述弯曲部分be相对的位置处，以便最大可能地防止副产物bp在弯曲部分be处生成，或者最大可能地减少已经存在于弯曲部分be处的副产物bp的量。

反应尾气在尾气输送管道110中的流通可能需要提供动力。因此，在本发明的优选实施方式中，参见图6，所述尾气输送管道110中可以设置有泵pu。在这种情况下，反应尾气在经由尾气输送管道110输送的过程中生成的各种副产物bp易于聚集在泵pu处，因此可以使所述电磁波辐射器120在沿着所述尾气输送管道110的延伸方向上位于与所述泵pu相对的位置处，以便最大可能地防止副产物bp在泵pu处生成，或者最大可能地减少已经存在于泵pu处的副产物bp的量。

在本发明的优选实施方式中，所述尾气输送管道110由厚度为3-5mm的不锈钢管材制成。这样的钢管的材质和厚度适于电磁波在穿过管壁之后仍然具备足够的能量，以阻止化学键形成或打断已形成的化学键。

在本发明的优选实施方式中，所述电磁波辐射器120与所述尾气输送管道110之间的间距为1cm。该间距保证了电磁波在辐射至尾气输送管道110内部之后仍然具备足够的能量，以阻止化学键形成或打断已形成的化学键。

在本发明的优选实施方式中，参见图7，所述电磁波辐射器为辐射远紫外光的远紫外光辐射灯l。该远紫外光辐射灯l辐射的远紫外光是一种高频短波单色光，其光子能量为6.2-10.2ev，即使在穿过尾气输送管道110的壁之后，能量也远大于前述共价键的键能，从而能够阻止以前述共价键结合的副产物的生成，并且能够使以前述共价键结合的副产物的共价键断裂，从而消除副产物。

参见图8，本发明实施例还提供了一种用于排出硅片外延生长的反应尾气的系统10。如图8所示，该系统10可以包括：

根据本发明的装置100；

尾气净化装置200，所述尾气净化装置200构造成对所述尾气输送管道110输送的反应尾气进行无毒无害化的净化处理并将处理后的反应尾气排放到大气中。

参见图9，本发明实施例还提供了一种用于排出硅片外延生长的反应尾气的方法，所述方法应用于根据本发明的系统10。如图9所示，该方法可以包括：

s901：经由所述尾气输送管道110输送所述反应尾气，其中，所述反应尾气在经由所述尾气输送管道110输送的过程中会生成各种能够聚集在所述尾气输送管道110内部的副产物bp；

s902：利用所述电磁波辐射器120将电磁波ew辐射至所述尾气输送管道110内部，以便通过利用电磁波ew阻止与所述副产物bp的化学键相同类型的化学键形成来防止所述副产物bp生成，并且通过利用电磁波ew打断已生成的所述副产物bp的化学键来减少所述副产物bp的量；

s903：利用所述尾气净化装置对所述尾气输送管道110输送的反应尾气进行无毒无害化的净化处理并将处理后的反应尾气排放到大气中。

参见图10，本发明实施例还提供了一种用于硅片w的外延生长的设备1。如图10所示，该设备1可以包括：

根据本发明的用于排出硅片外延生长的反应尾气的系统10；

外延炉20，该外延炉10a用于容纳硅片w、提供高温高压环境、并且通入有反应源气以实现硅片w的外延生长，其中，在硅片w的外延生长过程中在外延炉10a中产生的反应尾气排出到系统10的装置100的尾气输送管道110中。

需要说明的是：本发明实施例所记载的技术方案之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。