专利名称：半导体生产过程中废气的处理设备及方法
半导体生产过程中废气的处理设备及方法技术领域该发明描述半导体生产过程中废气的处理设备及方法，特别涉及一种处理在制造基于硅 的电子和光电器件过程中产生的硅烷(SiH4)废气的器具和方法，是关于一种用相当低的成 本安全高效处理大规模真空加工基于硅的电子和光电设备的过程中产生的硅烷废气的设备 和方法。
背景技术：
真空加工设备广泛应用于大规模制造基于硅的半导体器件过程中，像集成电路和太阳能 电池，包括基于硅薄膜的大面积光电池组件等。化学气相沉积(CVD)和化学气相蚀刻是当前制 作所指产品的比较流行的技术手段。例如，集成电路中的多晶硅或二氧化硅层可通过SiH4气 体或其它相似气体经化学气相沉积法沉淀。在另外一个例子中，硅烷被用于等离子体增强化 学气相沉积过程来生产基于硅膜的氢化非晶硅和纳米非晶硅的太阳能电池。在化学气相沉积 过程之后，多余的气体滞留在化学气相沉积系统之中，之后排气系统可以将反应气体排放到 大气当中。然而，由于硅垸能在空气中自动燃烧，所以出于安全和对环境保护的目的，不能 把它直接排放到大气中。 一般而言，真空加工设备中的含硅烷的多余反应气体必须经过废气 洗涤器处理，以免把有害的污染物质排放到环境中。因此，在排放反应气体的设备中，废气 洗涤器是不可缺少的一部分。硅烷和相似气体必须从废气流中过滤掉或者是转化成可以被安全处置的合成物。通常把 硅烷转化成合成物的方法是将它在一个所谓的"燃烧箱"中加以燃烧。在燃烧箱中一般是以 天然气为燃料，这时SiHU经过反应转化成Si02，其化学反应为2SiH4+202—2Si02+4H2。 然而，如果系统突然发生故障，燃烧箱就有成为火源的危险。比如说，如果废物处理系统出 故障的话，SiH4残留就会在燃烧箱中聚集，很有可能导致不可控制的燃烧。另外一个重要问 题是，由于硅的氧化物粉尘沉积，燃烧箱很容易被阻塞，因此频繁的清理和维护是非常必要 的，但这会耽搁设备的正常运行。及时地处理在燃烧箱中和管道中游离的二氧化硅粉尘(一 种黄色粉末)操作起来有很大难度，并造成环境污染。美国专利号6174349、6126906和5183646 中描述了关于燃烧箱的废气处理程序和设备。湿的洗涤器和其它处理设备也已经被应用。美国专利号6174349就为人们提供了一种结 合燃烧箱的潮湿洗涤器。美国专利号5955037提供了一种氧化的处理方法。美国专利号5320817中使用一种可生成氢铝化合物的金属盐来清除硅垸。美国专利号6949234描述了一 种基于水的湿洗涤器，但这种洗涤器比较贵重，很难应用于大量硅垸废气的处理。其它类型 的湿洗涤器是基于湿的化学反应，让硅烷和像NaH0这样的雾状氧化物反应，这种方法效率高， 处理量大，但是过程和设备非常复杂，容易出故障。另外一种处理硅烷的方法是干化学反应处理法，在高温条件下使用接触反应和燃烧相结 合的方法。这种设备价格昂贵，需要很高的电力，消耗品成本也非常高(反应盒需要频繁的 替换)。此外，像"气体反应柱"并不能像大规模生产设备所要求的那样处理流速超过每分 钟一标准升(SLPM)的高速硅烷气流。另外一个处理硅烷的技术是通过所谓的"干处理器"将低压的高密度等离子体施加在含 有硅垸的废气混合物之中，硅烷被分解沉积在多层电极上面(表面积很大)，电极被定期地 清理和更换。这种方法并不是很可靠，由于气体管道压力的不断变化和混合废气的合成物的 存在，经常导致等离子体的消失。此外，95%-99%的处理效率并不能达到政府机构制定的严格 的安全和环保规章和要求。总之，现有的硅烷处理方法都受到设备花费和操作费用昂贵，维修和保养要求高，产生 液体或固体污染物，存在操作危险，或者占据空间较大等诸多因素的制约。同时，它们需要 像水、电、压縮空气等基础设施的支持。这类处理设备的效能有时候非常差。另外，传统的 废物处理系统的性能很大程度上取决于混合废物中气体的类型。每一种废气混合物都需要一 种特定的"反应盒"或者化学方法来很好的中和。没有一种处理方法能够用同一个化学气相 沉积反应堆处理掉所有的废气。传统的硅烷处理设备不适合于低成本和大批量的生产基于硅 的器件，包括大面积的基于硅薄膜物质的光电器件。发明内容基于上述考虑，申请人拟订了本发明的首要目的为基于硅的器件生产过程中的硅烷处 理提供一个高效、高产的设备。本发明进一步目的是为处理硅垸提供既安全可靠，又有效、高产的设备和方法.本发明的第三个目的是提供一个设备成本低，操作费用低的硅烷处理系统。为了达到上述发明目的，本发明的半导体生产过程中废气的处理设备及方法，提供了一 个新的硅垸处理设备和方法。硅垸废气和燃煤及煤炉中的高温气体反应生成硅沉积物和二氧 化硅析出物(沙尘)，并附着在煤的表面。煤灰和固体的硅化物一起被定时地清理出煤炉。如 果为即定的硅烷气体流速选择合适的煤炉型号，这种系统的处理效率几乎是100%。
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。图1显示一个包含燃煤炉的废气处理系统。图2显示了硅膜加工设备和废气处理系统之间的关系。
具体实施方式
如图1中所示，该发明的核心是一个燃煤炉系统6，它包含炉壁60，废气进口 n和空气 进口 67，排气出口 68， 一个排放和收集煤灰的包括底门的装置65。炉壁60里面装有煤料66， 最好是多孔的煤饼，煤砖或是蜂窝煤，这样可以使气体通过高温的燃烧区域。煤料中均匀分 布的通道(比如煤砖中的孔)之间的间隔不能太宽，太宽会有碍通过的废气和燃烧的煤充分 接触和完全反应。煤灰首先在煤炉的底部形成，由于煤料66的重力被向下推。空气进口 67 可以提供一个可调节的开口来控制应用到燃烧区的空气的流量，这样就能控制煤炉中的反应 速度。排气出口68处装有空气过滤器，使排放到大气中的微粒最小化。在燃煤炉6的操作过程中，硅烷废气通过废气进口 17被引到炉壁60中。硅垸气体流经 燃烧的煤料66中的通道，在这个过程中，硅垸在煤料表面的高温条件下被直接分解(SiH4 = Si + 2H2),或者和氧气反应生成二氧化硫沉淀下来，紧接着凝结在煤料的表面。最后，含有固 体硅的煤灰废料在填新煤料的时候被清除出煤炉室。在这里有一个设置能够保证在不打断处 理操作的情况下不断地把新煤料从一个储料室(这里没有显示)填入燃煤室。在图1的例子 中，煤料66的底部将会最先燃尽变成灰尘，因为此处离新鲜空气最近(空气进口 67)，氧 气含量最高。因此，新鲜的煤砖应该被添放在煤炉的顶部。随着煤的燃烧，煤砖会朝下移动， 最底下的煤砖就会变成煤灰。图2演示的是在用真空加工设备来制造与硅有关的器件时,煤炉废气处理系统的安置方 法。气体混合物通过入口 53流进镀膜设备10 ，废气混合物由镀膜设备IO排出，流经管道 16,然后被一组真空泵30抽出。真空泵30抽出的气体经进气口废气进口 17进入煤炉燃煤炉 6的炉壁60。经过煤炉燃煤炉6的处理，不含硅的气体通过排气出口 68被排放到大气中。设计炉壁时要考虑到它能容纳多块煤砖，这样是为了使煤砖稳定的速率统一的燃烧。这 些煤砖有均匀分布的通道或孔洞允许废气通过。煤燃烧区域的温度(燃煤的表面温度)可以 很容易超过1000摄氏度。大部分应用于化学气相沉积过程的反应气体的分子都会在高温条件 下分解，并在煤砖内部通道上沉积。事实上，由于高温空气的存在，大部分挥发性气体都会 和空气反应在煤砖表面形成固体的沉积。由于煤砖是定时替换的，固体沉积物也就和煤灰一 起被清理出煤炉，基本不会对废气处理过程产生任何影响。所需的唯一原料就是合适的备好 的煤料，除此之外不需要任何辅助设备。这种煤炉处理器功能多，紧凑，效率高，成本低，保养容易。由于体积紧凑，设计简单，操作安全，它很容易和任何化学气相沉积系统相结合。 通过单个或多个气相沉积系统或反应堆，它可以处理大流量(高流速)的废气。设备的停机 时间也就大大减少了。煤炉能够高效地处理硅垸。由于煤炉炉壁有一定的长度，加上燃烧的煤料中有长长的通 道，硅垸分子就被迫从高温的通道中经过，在有氧气的条件下直接和燃烧的煤的表面接触并 发生反应，或者和空气反应生成二氧化硅。不管是哪种方式，都不会让任何残留的硅烷气体 被释放到大气之中。就像商业和居民用炉子取暖和做饭一样，这种煤炉可以不间断地工作。此过程中不会产 生其它的固体或者液体废物，所以在处理灰尘时不用特别谨慎。混合废气中的少量的掺杂物，如磷烷(PH3)和硼烷(B2H6)在这个过程中也被处理掉了。这种煤炉非常可靠，因为它不依靠像水，电，天然气等辅助设施，所以不会因为这些设 施的故障而停机。和当今市场上其它的硅垸处理系统相比，维持和操纵这种燃煤炉的成本至少降低了 一个 量级。为硅烷处理系统提供价格便宜的燃煤炉，确实有助于大规模生产低成本，大面积的薄 膜硅光伏模块。由于燃煤炉价格低廉，模块化的废气处理系统可为各种各样的真空镀膜加工过程提供硅 烷废气的处理。
权利要求
1. 一个废气处理系统，其特征是包括如下组成部分a)一个金属或者金属合金的密封的煤炉炉壁；b)煤料，所指煤料被置于所指炉壁中，所指煤料中间有相通的孔洞，气体可从整个所指煤料中流通；c)一个安装在所指炉壁上的废气进口；d)一个安装在所指炉壁上的开口可调节的空气进口，允许所指煤料在该炉壁中燃烧；e)不断更换补充煤料的机制；f)收集和清理煤灰的机制；g)一个安装在所指炉壁上的排气出口，该出口和所指废气进口之间被所指煤料隔开。
2、 根据权利要求l所述的废气处理系统来处理硅烷气体的方法，其特征在于该方法的 实施由下列步骤构成a) 打开所指空气进口，使空气和所指煤料相接触；b) 用点火器点燃所指煤料；c) 调节所指空气入口，以达到所需要的煤的燃烧速度；d) 用所指废气进口将硅烷导入所指废气处理系统中；e) 收集包含固体硅化物的煤灰；f) 为所指废气处理系统不断更换添加所指煤料。
3、 根据权力要求l所述的废气处理系统，其特征在于所述系统中的煤料是中间打孔的 煤饼、煤砖或蜂窝煤，中间有多个渠道允许气体流经整个煤料。
4、 根据权力要求l所述的废气处理系统，其特征在于所述的废气处理系统被安置于一 个由多个废气处理系统串联而成的多级废气处理系统中，上一级的排气出口和下一级的废气 进口相联接，所指的多个系统可以同步运作。
5、 根据权力要求l所述的废气处理系统，其特征在于所述的废气处理系统被安置于一 个由多个废气处理系统并联而成的废气处理系统，多个系统可以同步运作。
6、 根据权力要求2所述的处理硅垸气体的方法，其特征在于其中所指硅烷气体含有体 积比例不超过6%的磷化物或硼化物。
全文摘要
本发明公开了一个新颖的使用燃煤炉处理硅烷的设备及方法，适用于半导体生产过程。在燃煤炉中穿孔的煤块被有规律地替换添加。被镀膜设备排出的废气进入煤的燃烧区域，含硅的材料这时候被热沉积在燃烧的煤的表面，或者和氧气反应生成二氧化硅而集聚在煤的表面。本发明的显著特点是在不可比拟的低成本下就能高效可靠地为真空镀膜系统处理废气。
文档编号B01D53/46GK101234282SQ20071000256
公开日2008年8月6日 申请日期2007年1月29日 优先权日2007年1月29日
发明者李沅民, 昕 马 申请人:北京行者多媒体科技有限公司