专利名称：过程废气内可燃粉尘的过滤和惰化的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于避免过程废气内可燃粉尘自燃的方法及实施该方法的装置。
在用于按照左赫拉尔斯基坩埚拉晶法制造高纯度硅单晶体棒的设备中，将硅碎片在也许添家掺质材料例如锑、砷、硼或磷的情况下置入一个可加热的石英坩埚内并加以熔化。将一个种晶浸入熔化物内，通过转动并在种晶的端部上将其沿垂直方向拉伸，生长为一个单晶的晶体棒。
熔化物通过与石英坩埚表面接触而被提供氧，氧因热量供应及转动作用所导致的对流作用而分布在熔化物内。结果是，形成熔化物包含成分的氧化物，这些氧化物经由熔化物表面蒸发。这样，除不同的硅氧化物SiOx(x＝0至2)之外，锑和砷以及磷的氧化合物以及一定条件下硼氧化物特别是由于其高的蒸汽压力也被释放出去。
因坩埚拉晶设备通常有保护气体、最好是氩在轻微真空的情况下流过，熔化物内含成分的氧化物在不同的氧化阶段中排出到坩埚拉晶设备的废气流动体中。这些具有不同氧化态、细微分布的金属氧化物/半金属氧化物混合物的反应活性高、可自燃而且具有毒性。这些工业粉尘特别是在下游废气过滤器内容易导致过滤器着火或粉尘爆炸。
在德国专利DE 3603511 C2中说明了一种方法和装置，用于自废气、特别是在制造光波导预成型件时产生的废气中除去粉尘式或气体状有害物质，其中，在第一步骤中，借助一个干燥的、最好有聚四氟乙烯涂层的织物过滤器实施粉尘分离，在另外一个或多个步骤中，借助作为吸收液在吸收液回路中流动的水状氢氧化钠溶液吸收无粉尘废气中的气体有害物。
在借助织物过滤器元件过滤SiOx粉尘的情况下，由于其结构使然，这些元件可引起洞穴灼热及凹处着火现象，因而导致过滤材料受损及SiOx粉尘进入下游的泵内或经由泵废气进入环境中。如果使用这些过滤器，为了保持过程参数压力和流量在过程的整个持续时间上恒常不变，需要极大的过滤器面积。在低压下不可能达到高的气体流速，因此选择合适的拉晶过程参数受到限制。
在DE 19854235 A1中提到一种用于钝化在坩埚拉晶设备、特别是拉伸硅单晶体的坩埚拉晶设备的废气过滤器中产生的可燃冶金粉尘的方法，其特征为，将坩埚拉晶设备废气流内的粉尘在50至500℃的温度下借助一种反应气体连续钝化。为了实施连续钝化，在坩埚拉晶设备废气管路与废气过滤器之间设置一个带有加热装置和至少一个反应气体入口的反应室，其中，反应室的温度和反应室的反应气体供给量根据拉晶条件调节。所用反应气体是空气、氧气、臭氧或这些气体的混合物。
借助连续供给一种反应气体实施钝化的缺点是坩埚拉晶设备气体室内的反应气体分压上升。氧向坩埚拉晶设备中的反向扩散例如对硅单晶体棒的导电性具有不良影响。为了不显著影响坩埚拉晶过程所必需的真空条件和保护气流条件以及坩埚拉晶设备内的氧含量，氧化装置的能力在过程技术方面受到限制。不完全氧化会导致熔化物内含成分的反应活性高、自燃及毒性的氧化物进入粉尘过滤器内并且例如在清理该设备时引起过滤材料内洞穴灼热和着火以及纷尘爆炸。
在DE 3705793中说明一种过滤装置，用于及使来自热过程例如点火、燃烧炉、熔化炉或烘干设备的废气的气体净化和消毒，其中，借助一个由对热和飞扬火花不敏感的粉尘过滤器与一个催化器元件构成的组合，在一个结构单元内将粉尘和气态有害物从废气中除去。这些催化器元件最好用大气孔泡沫陶瓷制成，该泡沫陶瓷涂有适合于催化的金属化合物或纯金属。
用于转化气体有害物的催化剂必须涂敷并固定在载体材料上，载体材料用陶瓷、用耐高温材料如石英纤维或不锈钢纤维制成的织物或非织物制成。这些粉尘过滤器元件安装在用于随后转化气体有害物的、带有催化涂层的泡沫陶瓷元件上游。这些过滤器元件的清理工作困难，在例如掺有砷、磷或锑的硅氧化物混合物粉尘反应活性高、可自燃并且具毒性的情况下，为了将清理人员健康及安全的风险减至最低，过滤器清理工作的费用将极高。
通过一种用于避免过程废气内可燃粉尘自燃的方法解决该任务，其特征为，在过程进行期间，在对过程参数不产生不良影响的情况下，将粉尘阻挡在至少一个安置在一个压力容器中的、可耐受温度至少达250℃的烧结过滤器元件上，在过程终止之后，通过借助含氧气体在压力容器内反向冲击使其惰化。
按照本发明，在过程进行期间，这些粉尘被阻挡在至少一个过滤器元件上，在过程终止之后，通过与过程进行期间的过滤方向相反地流入的含氧气体使粉尘从这个过滤器元件或这些过滤器元件上脱离，旋流进入压力容器室内，在那里通过氧气借助氧化使其惰化。
相反，在现有技术的方法中，具有反应活性的气态有害物首先借助过滤与粉尘分开，随后在催化剂元件上被钝化。粉尘被阻挡在一个过滤器元件上并且不作进一步处理。之后必须将被阻挡的反应活性高、可自燃且具有毒性的、对人和环境具有危险性的粉尘从过滤装置中取出并加以处理。
依照一个有利实施形式，本发明涉及一种用于过滤和惰化例如用于拉伸硅单晶体的坩埚拉晶设备的过程废气中的SiOx粉尘的方法，这些粉尘可能掺杂有选自包括砷、锑、硼或磷的组中的掺质材料，其中，a)这些过程废气被引导通过一个压力容器，该压力容器具有至少一个可再生的、也就是说可通过清理再使用的由不锈钢或陶瓷制成的多孔性烧结过滤器元件，b)在拉晶过程终止之后，通过含氧气体逆着过程方向反向流入清洁气体侧，将这个过滤器元件或这些过滤器元件上集聚的粉尘清理去，其中，这些集聚的粉尘旋流进入压力容器室中，对该过滤器元件或这些过滤器元件的反流冲洗促进压力容器室内的粉尘发生放热反应，由此，通过氧化使这些粉尘惰化。
在利用含氧气体沿相反方向反流冲洗之前，通过借助下游连接的真空泵将压力容器内的压力降低到优选＜100毫巴的范围内，最好将步骤b重复多次。在此情况下压差尽可能大。最好将惰化重复3至5次。之后，带有已惰化物质和经清理的一个过滤器元件或多个过滤器元件的过滤装置可供下一个过程使用。
所以，本发明允许被阻挡的反应活性高、可自燃并具有毒性的粉尘在过程终止之后通过借助含氧气体反流冲洗、粉尘在压力容器室内旋流和氧化而被惰化。在可能多次重复反流冲洗之后，可以将这些已惰化的粉尘安全地从系统中取走，而且在过滤器清理过程中或在处置这些粉尘的过程中不会发生粉尘着火现象。如果压力容器在该压力容器下部具有一个用于已惰化粉尘的排放法兰，是特别有利的。最好在设备停机时进行过滤装置的排空。
在那些在过程中所用压力低于大气压力的方法中，在过滤系统的下游连接真空泵，优选不透油的真空泵。如果这些反应活性高、可自燃并具有毒性的粉尘包含了颗粒大小小于过滤器等级的颗粒，可以将这些粉尘转送到真空泵的油中。在那里，微细、未聚集、小于5微米的颗粒粘合在泵的油内。较大的颗粒和颗粒聚集体会由于表面特性不佳而不能氧化或不能足够氧化，所以这些反应活性高、可自燃并具有毒性的粉尘在管路、过滤器、泵及其废气中对人和环境产生大的潜在危险。通过本发明方法，反应活性高、可自燃并具有毒性的粉尘相应于该过滤器或这些过滤器的过滤器等级被阻挡。优选使用过滤器等级为0.3至12微米的过滤器元件，特别优选3至5微米。最好将反应过滤系统的排出空气输送给过程排出空气。
过滤器面积相应于滤器等级这样选择，使得过程参数不受到不良影响，而且甚至在低压下能够达到大的气体流量。过滤器面积这样与过滤器等级协调一致，使得在整个过程持续时间上过滤器的阻挡速率保持不变。过滤器面积优选为0.5至5m2，特别优选1至3m2。
与现有技术的另一重要区别是过滤器系统内着火的风险被消除。在本发明的方法中，在一个最好用不锈钢制成并且可耐受温度至少达250℃的压力容器内使用至少一个能耐受温度至少达250℃的多孔的、烧结的、用不锈钢或陶瓷制成的过滤器元件。优选在一个压力容器内包含多个过滤器元件。
对于有毒性化合物例如砷或锑，由于粉尘的环境危害性，压力容器根据目的通过一个通风阀关闭。如此则防止毒性或致癌气体逸出。
本发明方法的另一优点是，过滤器装置的阻挡速率不仅在整个过程持续时间上、而且在过滤器整个使用寿命中均保持不变，使得运行成本减低，因为过滤器元件不必更换。在过程进行期间，即使在低压下该过滤装置仍确保高的通流速率。
可以借助本发明方法将废气中的粉尘滤除的过程例如是在其中将硅熔化的过程，如坩埚拉晶设备中的硅单晶体拉伸、多晶硅熔铸或制造太阳硅。
在过程终止之后并且冷却时间终止之前120分钟，阀V1.1、V1.2和V1.3打开以便实施空气吹洗。在泵运转的情况下，阀V1.1与V1.2结合在一起，将每小时2200公升的新鲜空气9送入该设备的废气管道中。通过阀V1.3将另外的每小时4500公升的新鲜空气10送给通向过滤器装置未处理气体侧的输入管路中。该空气吹洗用于坩埚拉晶设备废气管路内的被控制的氧化以及滤烛中的滤饼的初级氧化。空气吹洗时间达30分钟，在这段时间内阀V2、V4及V5是打开的。在30分钟之后，阀V1.1、V1.2及V1.3关闭并且设备内的压力达到150毫巴。阀V2关闭，阀V4打开并且真空系统继续运转。反流冲洗阀V3是一个三通阀，该三通阀在打开五分种之后，在同时关闭通向真空系统4的管路的情况下形成自压力容器2到新鲜空气系统间的连接。在本发明另一实施形式中，反流冲洗阀V3与压缩空气相连接。新鲜空气或压缩空气经过打开的阀V3以高速流入处于真空下的过滤装置清洁气体侧。由此产生的压力波的作用是，该过滤器元件被清理并且压力容器室内的粉尘产生旋流，在此，这些粉尘与氧混合。结果是，促进作为压力容器室内粉尘的放热反应的氧化。在20分钟的氧化时间之后，将反流冲洗阀转换到通向真空系统4，持续时间3分钟，该真空系统将压力容器2重新抽真空。将反流冲洗过程重复总计三次。
可以在将过滤器元件清理之后重复未经处理气体侧的清洗。随后，过滤装置的清理工作终止，该过滤装置可供一个新的过程使用。
以规律的间隔在排放法兰3上取走已惰化的粉尘。借助在
图1中所示过滤器装置，在必须通过在排放法兰3上取走以清理压力容器2之前，可以拉伸多达30个硅单晶体棒。
在另一优选实施形式中，压力容器2的通风管路6连接在过程排气管路7上。
权利要求
1.用于避免过程废气中的可燃粉尘自燃的方法，其特征为，在过程进行期间在不对过程参数产生不良影响的情况下将这些粉尘阻挡在至少一个安置在一个压力容器内、可耐受温度至少达250℃的烧结过滤器元件上，在过程终止之后，通过用含氧气体在压力容器内反向冲击将这些粉尘惰化。
2.如权利要求1的方法，其特征为，该过程包括熔化硅或含有掺杂材料的硅。
3.如权利要求1或2的方法，其特征为，该过程是在坩埚拉晶设备内拉伸硅单晶体棒。
4.如权利要求1至3中至少之一的方法，其特征为，这些棒包含从含有硅、硼、磷、砷和锑的组中选择出的氧化物或氧化物混合物。
5.如权利要求1至4中至少之一的方法，其特征为，可耐温度高达至少250℃的烧结过滤器元件的过滤器等级为0.3至15微米。
6.如权利要求1至5中至少之一的方法，其特征为，压力容器内的可耐受温度高达至少250℃的这些烧结过滤器元件用陶瓷或不锈钢制成。
7.如权利要求1至6中至少之一的方法，其特征为，在该过程内使用10至500毫巴的压力。
8.如权利要求1至7中至少之一的方法，其特征为，该过程使用从包含氦和氩的组中选择出的惰性保护气体，气体流速为每小时300至10000公升。
9.如权利要求1至8中至少之一的方法，其特征为，在过程终止之后，将步骤a)压力容器抽真空，b)用含氧气体沿与过滤相反的方向对压力容器通风，其中集聚在过滤器元件上的粉尘流入压力容器室内，在此，利用氧气进行反应惰化，交替地依序实施至少一次。
10.如权利要求1至9中至少之一的方法，其特征为，该含氧气体是空气或压缩空气。
11.如权利要求1至10中至少之一的方法，其特征为，将按照如权利要求1至10之一个或多个所述方法过滤的过程的排出空气输送给过程排出空气。
12.硅圆片，利用按照权利要求3至11之一的方法制得。
13.用于实施用于避免过程废气内可燃粉尘自燃的方法的装置，其特征为，该装置包含a)一个过程设备，在该设备中产生含有反应活性高、可自燃及具有毒性的废气，b)一个可对过程设备关闭的废气排放管，该废气排放管含有至少一个用于供应新鲜空气的阀，c)一个带有排放法兰的压力容器，其中安置至少一个可耐受温度高达至少250℃的烧结过滤器元件，d)一个反流冲洗阀，它与压力容器、一个真空系统和一个通风管路相连接，e)一个真空系统，及f)一个通风管路。
14.如权利要求13的装置，其特征为，该过程设备是一个坩埚拉晶设备。
全文摘要
本发明涉及一种用于避免过程废气中的可燃粉尘自燃的方法，其特征为，在过程进行期间，在不对过程参数产生不良影响的情况下，将这些粉尘阻挡在至少一个安置在一个压力容器内、可耐受温度达至少250℃的烧结过滤器元件上，在过程终止之后，通过用含氧气体在压力容器内反向冲击将这些粉尘惰化。
文档编号C30B15/00GK1453399SQ0312332
公开日2003年11月5日 申请日期2003年4月24日 优先权日2002年4月25日
发明者弗朗茨·贝克尔, 洛塔尔·雷曼, 霍斯特·韦希特勒 申请人:瓦克硅电子股份公司