CN101554562A - 废气处理系统及处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种废气处理系统及处理方法，该废气处理系统包括：炉体，具有炉壁和顶盖，且定义炉室；燃料，置于该炉室中，且所述燃料中有供气体流过的间隙；空气进口，设置于该炉体下部；出气口，设置于该炉体上部；以及废气进口，其中待处理的废气从该废气进口进入炉室，且流经燃烧的燃料之间的间隙。这种废气处理装置具有不可比拟的性价比，特别适用于大规模半导体和真空镀膜生产过程中所排出的硅烷或其它可燃或可热沉积的废气的高效率处理。

Description

废气处理系统及处理方法

技术领域

本发明总地涉及废气处理，更特别地，涉及在制造基于硅的半导体器件的过程中产生的硅烷(SiH₄)废气的处理系统和处理方法。

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，例如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造所述产品较常用的技术手段。例如，集成电路中的多晶硅或二氧化硅层可通过硅烷(SiH₄)气体或其它含硅气体经化学气相沉积法淀积。在另一示例中，硅烷被用于等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺来生产基于硅薄膜的氢化非晶硅和纳米硅的太阳能电池。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，由于硅烷能在空气中自动燃烧，所以出于安全和环保目的，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剩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，在需要将反应气体排放出来的设备中，废气洗涤器是不可缺少的重要部分。

硅烷和类似气体必须从废气流中过滤掉或者转化成可被安全处置的合成物。通常把硅烷转化成合成物的方法之一是将它在所谓的“燃烧箱”中加以燃烧。燃烧箱一般以天然气为燃料，这时SiH₄经过反应转化成氧化硅(SiO₂)，其化学反应为：SiH₄+2O₂→SiO₂+2H₂O。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，如果废物处理系统的进气口出故障的话，残留的SiH₄就会在燃烧箱中聚集，很有可能导致随后不可控制的燃烧。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，但这样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硅氧化物粉尘(一种黄色粉末)操作起来也有很大难度，并造成环境污染。美国专利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应用于硅烷废气的处理。美国专利6174349提供了一种结合燃烧箱的潮湿洗涤器。美国专利5955037提供了一种氧化的处理方法。美国专利5320817使用一种可生成氢铝化合物的金属盐来清除硅烷。美国专利6949234描述了一种基于水的湿洗涤器，但这种洗涤器比较贵重，很难应用于大量硅烷废气的处理。其它类型的湿洗涤器是基于湿的化学反应，让硅烷和诸如氢氧化钠(NaOH)的雾状物反应，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与燃烧相结合的方法。这种设备价格昂贵，需要很高的电力，消耗品成本也非常高(反应盒需要频繁地替换)。此外，诸如“气体反应柱”(gas reactorcolumn)一类的装置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。

另外一种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烷的废气混合物中，硅烷被分解沉积在表面积很大的多层电极上面，电极被定期地更换和清理。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当今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成本和运行费用昂贵，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，它们需要诸如水、电、压缩空气等基础设施的支持，不具备单独可靠运行的特性。这类硅烷处理设备的效能有时候非常差。另外，传统的废气处理系统的性能很大程度上取决于混合废气中气体的类型。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地中和。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用于低成本和大批量地生产基于硅的器件，例如大面积的基于硅薄膜的光电器件。

发明内容

基于上述考虑，本发明的目的之一在于为基于硅的各类功能器件生产过程中排放的废气提供一种高效、高产、易于操作的处理设备。

本发明的另一目的是为处理硅烷提供一种既安全可靠，又成本及费用低廉的装置。

根据本发明的一个方面，提供一种废气处理系统，包括：炉体，具有炉壁和顶盖，且定义炉室；燃料，置于该炉室中，且所述燃料中有供气体流过的间隙；空气进口，设置于该炉体下部；出气口，设置于该炉体上部；以及废气进口，其中待处理的废气从该废气进口进入炉室，且流经燃烧的燃料之间的间隙。

在本发明一示例性实施例中，所述废气流经燃料的燃烧旺盛的区域。

在本发明一示例性实施例中，该废气进口设置于炉体上部与该出气口相对的一侧，且在该废气进口与该出气口之间在该顶盖上形成有分隔构件，从而该废气进口与该出气口被该分隔构件以及所述燃料分隔开。在一示例中，该分隔构件是一凹区；在另一示例中，该分隔构件是向下延伸的阻挡板。

在本发明一示例性实施例中，该废气进口设置于炉体下部在与该空气进口不同的位置处。

在本发明一示例性实施例中，该废气处理系统还包括设置于所述炉体底部的煤灰收集和排出装置。在一示例中，该煤灰收集和排出装置包括收集煤灰的屉斗，以及排出煤灰的煤灰排出口。

在本发明一示例性实施例中，该废气处理系统还包括设置于所述炉体上部的加料门，用于添加燃料到所述炉室内。

在本发明一示例性实施例中，所述燃料包括适当大小的煤块、蜂窝煤、以及中间打孔的煤饼中的一种或多种。

在本发明一示例性实施例中，所述废气包括H₂、含硅气体、含硼气体、以及含磷气体中的一种或多种。作为示例，所述含硅气体包括SiH₄、Si₂H₆、SiF₄、SiH₃Cl、以及SiH₂Cl₂。

在本发明一示例性实施例中，该废气处理系统还包括设置于所述空气进口处的调风窗。

在本发明一示例性实施例中，该废气处理系统还包括设置于所述出气口处的足够高的烟囱。

在本发明一示例性实施例中，该废气处理系统还包括设置于所述出气口处的空气过滤器。

根据本发明的另一方面，提供一种组合式废气处理系统，其包括串联和/或并联连接的多个上述废气处理系统。

根据本发明的另一方面，提供一种废气处理方法，其包括使用上述废气处理系统中的任一种。

在本发明一示例性实施例中，该废气处理方法使用多个所述废气处理系统，且所述多个废气处理系统被串联和/或并联以形成组合式废气处理系统。

附图说明

为了更充分地理解本发明的上述及其他特征和优点，下面将参考附图详细描述本发明的示例性实施例。附图不是按比例绘制的。附图中：

图1是示出根据本发明一示例性实施例的废气处理系统的示意图。

具体实施方式

参照图1，其示出根据本发明一示例性实施例的废气处理系统。该废气处理系统可以是一个特制的或改造的燃烧炉，其包含炉壁60和顶盖70以定义炉室。在一示例性实施例中，耐高温绝热层61可附于炉壁60内侧。在另一示例性实施例中，耐高温绝热层61还可附于顶盖70的内侧(图1未示出)。托架63位于炉室下部，在炉室中在托架63上方可放置诸如煤、焦炭等的燃料。托架63可以是栏杆式、网格状、或者多孔板状等，但本发明不限于此，只要托架63允许气体通过并允许煤灰泄漏下来即可。燃料66例如煤、焦炭等可放置于炉室中在托架63上方。燃料66优选是大小适中的煤块，例如体积与鸡蛋相仿的煤块，但也可使用多孔的煤饼、煤砖、或蜂窝煤等，本发明不限于此。关键是使气体可以通过其流过。加料门62优选设置于炉上部。收集并排出燃料灰例如煤灰的装置优选设置于炉底部。在本发明一示例性实施例中，屉斗65位于炉底部以收集煤灰，排灰门64设置于炉下部以用于将煤灰排出。

进气口67可设置于炉体下部。在一示例性实施例中，进气口67可安装有调风窗，从而控制提供到炉内的空气的流量。排气口/出气口68可设置于炉体上部。在一示例性实施例中，出气口68可设置于顶盖70中(图1所示)。在另一示例性实施例中，出气口68亦可设置于炉壁60的上部(图1未示出)。出气口68上可装有足够高的烟囱，从而与进气口67处的调风窗协同作用以控制煤炉中的燃烧和反应速度。出气口68还优选安装有空气过滤器，以使排放到大气中的微粒粉尘最小化。空气从进气口67进入炉室，在炉室内帮助燃料66燃烧，然后通过出气口68排出。

根据本发明的燃烧炉还包括废气进口17。废气进口17可设置于炉体上部与出气口68相对的一侧，例如可设置在顶盖70的与出气口68相对的位置(图1所示)，或者在炉壁60上部与出气口68相对的位置(未示出)。当废气进口17设置在炉体上部与出气口68相对的一侧时，优选地在顶盖70上有将废气进口17与出气口68分隔开的构件。例如，如图1所示，在本发明一示例性实施例中，在顶盖70上在废气进口17与出气口68之间形成有凹区69，凹区69一直凹陷到燃料66中，从而迫使废气进口17与出气口68被燃料上部，通常也就是燃烧最旺盛的区域，分隔开。在本发明另一实施例中，该分隔构件可以是形成在顶盖70上在废气进口17与出气口68之间且向下延伸到燃料66中的阻挡板。

在所述实施例中，运行时，含有硅烷的废气通过废气进口17引入到炉室中。废气流经燃烧的煤块中的间隙通道，硅烷在煤料表面的高温条件下被直接分解(SiH₄＝Si+2H₂)，或者和空气中的氧气反应而生成二氧化硅沉淀下来，依附在煤料的表面。最后，含有固体硅或二氧化硅的煤灰废料下移，穿过托架63而掉进煤灰屉斗65，最终通过排灰门64被清除出炉室。新煤料以适当的时间间隔从加料门62被填入炉体即燃烧室中。

在本发明另一示例性实施例中，废气进口17亦可设置于炉体下部在与空气进口67不同的位置处。运行时，废气通过燃料66中的间隙向上流动，流过燃烧最旺盛的区域(即上部区域)，然后通过出气口68排出到外部。

本领域技术人员应理解，废气进口17的设置不限于上述实施例。废气进口17还可以以其他方式设置，只要使通过废气进口17进入炉室的废气流经燃烧的燃料之间的间隙即可，优选地，使通过废气进口17进入炉室的废气流过燃料66的燃烧旺盛的区域。

在用真空加工设备来制造与硅有关的器件时，本发明的废气处理系统的废气进口17可以与真空加工设备的真空泵的排气口连接起来，例如通过诸如金属管的密封管连接。

本发明的废气处理系统成本很低，可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。该系统的上述燃料炉同时起到传统的“燃烧箱”和“干处理器”的作用，但是要比所述设备简单易行，成本显著降低，且具有更高的工作效率。硅烷废气通过特定的密封管道引入炉体内，流过燃烧的煤体而热分解沉积在煤体上，或于高温气体反应生成二氧化硅析出物(沙尘)并附着在煤的表面。硅烷热沉积中形成的氢气也在炉中燃烧掉。反应后的无害气体如水分由出气口被排出炉体。煤灰和固体的硅化物一起被定时地清理出炉体。如果为即定的硅烷气体流速选择合适的炉尺寸，本系统的硅烷处理效率几乎是100％。

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工艺的反应气体的分子都会在高温条件下分解，并在煤块内部通道上沉积。事实上，大部分挥发性气体都会和由进气口流入的高温空气发生反应，形成固体而沉积在煤体表面。硅烷分子被迫从高温的燃煤中经过，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(热CVD)，或者和空气反应生成二氧化硅。不管是哪种反应方式，都不会让任何残留的硅烷气体被释放到大气中。混合废气中的少量的掺杂物，例如诸如磷烷(PH₃)的含磷气体和诸如硼烷(B₂H₆)的含硼气体在这个过程中也被处理掉了。

由于煤块是定时添加的，固体沉积物也就和煤灰一起被清理出炉体，基本不会对废气处理过程产生任何影响。由于硅化物是稳定无毒的，且此过程中不产生其它的固体或液体废物，所以煤灰的处理不需要特殊的防污染程序。所需的唯一原料就是合适的煤料，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。这种煤炉可以不间断地工作。这种煤炉非常可靠，因为它不依靠诸如水、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。

本废气处理系统还可以处理其它含硅气体，例如Si₂H₆、SiF₄、SiH₃Cl、以及SiH₂Cl₂等。此外，多种其它气体例如各类氢化物和有机气体等也可用本发明的系统处理。

与当今市场上其它的硅烷处理系统相比，维持和操纵这种燃煤炉的成本至少降低了一个量级，确实有助于大规模生产低成本的功能薄膜器件，例如薄膜硅太阳能光伏模块。

下面，详细描述根据本发明的处理废气的方法。本发明的废气处理方法使用至少一个上述废气处理系统，例如图1所示的废气处理系统。运行时，空气从空气进口67进入炉室以帮助燃料燃烧。废气例如硅烷废气从废气进口17进入炉室。分隔件例如凹区69迫使废气流经燃料的上部，即燃烧最旺盛的区域。在该区域中，废气如前所述地被处理成符合安全和环保标准的物质。最后，气体物质从出气口68排出，固体残渣被炉体底部的屉斗65收集且从排灰门64排出。

根据本发明一示例性实施例，运行时，可根据废气流量调节设置于空气进口67处的调风窗，以控制空气的流量。

在大规模制造基于硅的半导体器件时，还可以将多个所述废气处理系统并联或串联连接，从而形成一组合式废气处理系统。

尽管已经参考优选实施例特别描述和显示了本发明，但是本领域技术人员应当知道，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对形式和细节进行各种变化。因此，所述发明只是作为举例说明，本发明的范围只能由权利要求来确定。

Claims (10)

1、一种废气处理系统，包括：

炉体，具有炉壁和顶盖，且定义炉室；

燃料，置于该炉室中，且所述燃料中有供气体流过的间隙；

空气进口，设置于该炉体下部；

出气口，设置于该炉体上部；以及

废气进口，其中待处理的废气从该废气进口进入炉室，且流经燃烧的燃料之间的间隙。

2、根据权利要求1所述的废气处理系统，其中该废气进口设置于炉体上部与该出气口相对的一侧，且在该废气进口与该出气口之间在该顶盖上形成有分隔构件，从而该废气进口与该出气口被该分隔构件以及所述燃料分隔开。

3、根据权利要求1所述的废气处理系统，其中该废气进口设置于炉体下部与该空气进口不同的位置处。

4、根据权利要求1所述的废气处理系统，还包括设置于所述炉体底部的燃料灰收集和排出装置。

5、根据权利要求1所述的废气处理系统，其中所述燃料包括适当大小的煤块、蜂窝煤、以及中间打孔的煤饼中的一种或多种。

6、根据权利要求1所述的废气处理系统，其中所述废气包括H₂、含硅气体、含硼气体、以及含磷气体中的一种或多种。

7、根据权利要求6所述的废气处理系统，其中所述含硅气体包括SiH₄、Si₂H₆、SiF₄、SiH₃Cl、以及SiH₂Cl₂。

8、一种组合式废气处理系统，包括串联和/或并联连接的多个权利要求1所述的废气处理系统。

9、一种废气处理方法，其包括使用一个或多个权利要求1所述的废气处理系统。

10、根据权利要求9所述的废气处理方法，其中使用多个权利要求1所述的废气处理系统，且所述多个废气处理系统被串联和/或并联以形成组合式废气处理系统。

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