JP2001059677A - 多結晶シリコン製造プロセスでの排ガス処理方法 - Google Patents
多結晶シリコン製造プロセスでの排ガス処理方法Info
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Abstract
応炉から排出される排ガス中の塩化物の分離除去効率を
高める。塩化物中のトリクロロシランの回収効率を高め
る。 【解決手段】 CVD反応炉1から排出される排ガス
を、先ず冷却器2に通し、排ガス中の塩化物を凝縮分離
する。次に、排ガスを加圧して活性炭充填塔4に通し、
低沸点の塩化物を高沸点の塩化物に変成する。更に、排
ガスを再度冷却器5に通し、排ガス中の塩化物を凝縮分
離する。最後に、排ガスを活性炭充填塔6に通し、排ガ
ス中に残る塩化物を吸着除去する。活性炭充填塔4での
変成処理で問題となるトリクロロシランの消費を抑える
ために、冷却器2でのガス冷却温度を−40〜−30℃
とする。或いは、冷却器2から排出される排ガスにSi
H2 Cl2 を添加する。
Description
シリコンを製造するためのCVD反応炉で発生する排ガ
スからH2 を精製するために、排ガス中の塩化物を分離
除去する多結晶シリコン製造プロセスでの排ガス処理方
法に関する。
めのCVD反応炉では、例えば次の3つの反応が同時並
行的に起こる。 4SiHCl3 →Si+3SiCl4 +2H2 SiHCl3 +H2 →Si+3HCl SiHCl3 +H2 →SiH2 Cl2 +HCl
クロロシラン(SiHCl3 )及び水素(H2 )が供給
されると、及びの反応により多結晶シリコン(S
i)が製造されると同時に、四塩化珪素(SiC
l4 )、塩化水素(HCl)及び水素(H2 )が発生す
る。また、の反応により二塩化珪素(SiH2 C
l2 )及び塩化水素(HCl)が発生する。
原料ガスを含め、四塩化珪素(SiCl4 )、トリクロ
ロシラン(SiHCl3 )、二塩化珪素(SiH2 Cl
2 )、塩化水素(HCl)及び水素(H2 )の混合ガス
が、排ガスとして排出される。
リクロロシラン(SiHCl3 )及び水素(H2 )を含
んでいる。このため、排ガス中の塩化物が分離除去さ
れ、水素(H2 )が精製される。精製された水素
(H2 )ガスは原料ガスとしてCVD反応炉に導入され
る。排ガス中から分離除去された塩化物についても、ト
リクロロシラン(SiHCl3 )が抽出され、原料ガス
として再使用される。
ガス中の塩化物を分離除去する排ガス処理方法として
は、例えば特開平9−263405号公報に記載された
ものがある。
た排ガス処理方法では、先ず、CVD反応炉から排出さ
れた排ガスが1段目の冷却器に送られ、排ガス中の塩化
物がある程度凝縮除去される。次いで、その排ガスが加
圧され、2段目の冷却器に送られることにより、排ガス
中に残る塩化物が凝縮除去され、塩化物を僅かに含む水
素ガスが得られる。最後に、この水素ガスが活性炭に通
され、ガス中の塩化物が吸着除去されることにより、C
VD反応炉での再使用が可能な高純度の水素ガスが得ら
れる。
には、そのままでは凝縮しにくい低沸点の塩化物(HC
l、SiH2 Cl2 )を、高沸点の塩化物(SiHCl
3 、SiCl4 )に変成させる、塩化物化が有効であ
る。この塩化物化のために、特開平9−263405号
公報に記載された排ガス処理方法では、活性炭の触媒作
用が用いられており、その活性炭の配置位置としては、
加圧機と2段目の冷却器の間が好ましいとされている。
スを活性炭に通すことにより、排ガス中の低沸点のHC
lが、同じく排ガス中の比較的低沸点のSiH2 Cl2
等と反応し、高沸点のSiHCl3 ,SiCl4 に変成
される。
性炭の触媒作用による塩化物の変成処理では、後で詳し
く述べるが、CVD反応炉での原料ガスであるSiHC
l3 の生成反応と消費反応が同時並行的に起こってお
り、従来の排ガス処理方法では、SiHCl3 の消費反
応が大きく優り、その結果、活性炭層の通過により、有
用物であるSiHCl3 が減少し、2段目の冷却器での
SiHCl3 の回収効率を低下させていることが判明し
た。
上げるために用いた活性炭による変成処理で問題となる
SiHCl3 の回収効率の低下を抑制して、SiHCl
3 の回収効率の向上を図る多結晶シリコン製造プロセス
での排ガス処理方法を提供することにある。
れる排ガスを、活性炭の触媒作用により変成処理する場
合、活性炭層では次の2つの反応が同時並行的に進行す
る。 HCl+SiH2 Cl2 →SiHCl3 +H2 HCl+SiHCl3 →SiCl4 +H2
を冷却による凝縮分離の後、活性炭触媒により変成処理
する場合、活性炭層中でのHClとSiH2 Cl2 の反
応により、SiHCl3 が変成されるが()、それと
同時に、過剰に存在するHClが、変成されたSiHC
l3 とも反応して、更に高沸点の塩化物であるSiCl
4 に変成してしまう()。SiHCl3 は原料ガスで
あるため、理想はの反応であり、そのためには冷却器
の出口でのガス組成はSiH2 Cl2 :HCl=1:1
であることが望まれるが、現実のガス組成はSiH2 C
l2 :HCl=1:2.5程度であり、その結果、の
反応が多く起こり、原料ガスであるSiHCl3 が消費
されることになる。
却温度に依存し、従来はより多くの塩化物を凝縮させる
ために、ガス冷却温度は−40℃未満に制御されてい
る。しかし、このガス冷却温度が例えば−42℃の場
合、冷却器の出口でのガス組成はSiH2 Cl2 :HC
l=1:2.5程度となり、余剰のHClが多く存在す
るために、の反応で変成されたSiHCl3 までもが
の反応によりSiCl4に変成され、活性炭層の通過
によりSiHCl3 が減少する結果となる。
排ガス処理方法は、かかる知見に基づいて開発されたも
のであり、第1の排ガス処理方法は、半導体用の多結晶
シリコンを製造するためのCVD反応炉から排出される
排ガスを冷却して排ガス中の塩化物を凝縮回収した後、
その排ガスを活性炭に通して排ガス中の低沸点の塩化物
をを高沸点の塩化物に変成させる際に、前記凝縮回収で
の排ガスの冷却温度を−40℃以上とするものである。
に通す前の排ガスにSiH2 Cl2を添加するものであ
る。
排ガスの冷却温度を−40℃以上と従来より高くするこ
とで、活性炭に供給される排ガス中のSiH2 Cl2 に
対するHClの比率が下がり、活性炭層でのの反応が
抑制されることにより、SiHCl3 の損失が低減さ
れ、更には変成によりSiHCl3 の量が増大する。
とにより排ガス中のSiH2 Cl2に対するHClの比
率が下がるのは、HClはいずれにしても非常に凝縮し
にくいのに対し、SiH2 Cl2 は冷却温度を高めるこ
とにより凝縮が抑制されるためである。
給される排ガス中のSiH2 Cl2に対するHClの比
率を下げる点からは高い方がよく、−35℃以上が特に
好ましいが、後述するようにそのガスを加圧する場合
は、−30℃を超えると加圧で塩化物が液化する可能性
があり、危険であるので、−30℃以下に抑えるのが好
ましい。冷却器でのガス冷却温度を−35〜−30℃と
することにより、冷却器の出口での排ガス中のSiH2
Cl2 に対するHClの比率は1.8程度まで低減され
る。
に通す前の排ガスにSiH2 Cl2を添加することによ
り、凝縮回収での排ガスの冷却温度に関係なく、活性炭
に供給される排ガス中のSiH2 Cl2 に対するHCl
の比率が下がり、活性炭層でのの反応が抑制される結
果、SiHCl3 の変成量が増大する。
いては、HClに対するSiH2 Cl2 の比率はモル比
で1〜1.5が理想であるが、1〜2の範囲内であれ
ば、SiHCl3 の減少を防止する効果は得られるの
で、この比率が1〜2、望ましくは1〜1.5となるよ
うに選択することが推奨される。
から分離回収したものを使用するのが経済的で好まし
い。
炭による変成処理を受けた排ガスは、残存する塩化物を
除去することが必要である。この方法としては、その排
ガスを再度冷却して排ガス中の塩化物を凝縮除去するも
のが、設備が簡単で好ましい。活性炭による変成処理に
より、後段の塩化物除去設備は簡単なものとなる。
に、1回目の冷却後の排ガスを加圧することが好まし
い。ここにおける加圧力は、高いほど塩化物の凝縮を促
進するが、高圧プロセスでの危険性や経済性を考慮して
10kg/cm2 G未満が好ましい。2回目の冷却の後
の排ガスについては、再度活性炭に通して、排ガス中に
残存する塩化物の全てを吸着除去することが好ましい。
基づいて説明する。図1は本発明の排ガス処理方法を実
施するのに適した多結晶シリコン製造設備のガス系統図
である。
スとしてトリクロロシラン(SiHCl3 )及び水素
(H2 )が供給される。これにより、CVD反応炉1で
は、多結晶シリコン(Si)が製造されると同時に、四
塩化珪素(SiCl4 )、二塩化珪素(SiH2 C
l2 )、塩化水素(HCl)及び水素(H2 )が発生す
る。その結果、CVD反応炉1からは、未反応の原料ガ
スを含め、四塩化珪素(SiCl4 )、トリクロロシラ
ン(SiHCl3 )、二塩化珪素(SiH2 Cl2 )、
塩化水素(HCl)及び水素(H2 )の混合ガスからな
る排ガスAが排出される。
れる。これにより、排ガスA中の塩化物の一部〔主に低
沸点であるHCl以外の塩化物(SiCl4 ,SiHC
l3,SiH2 Cl2 )〕が凝縮除去される。ここにお
けるガス冷却温度は、−40〜−30℃、好ましくは−
35〜−30℃の範囲内に設定される。これにより、冷
却器2から排出される排ガスBは、SiH2 Cl2 に対
するHClの比率の低いものになる。除去された塩化物
は精製され、このうちSiHCl3 は原料ガスとして再
使用される。
プレッサ3で加圧され、1段目の活性炭充填塔4に送ら
れる。活性炭充填塔4では、活性炭の触媒作用により、
凝縮しにくい低沸点のHClが比較的低沸点のSiH2
Cl2 と反応し、比較的高沸点のSiHCl3 に変成さ
れるが、それと同時に、変成されたSiHCl3 が、過
剰に存在するHClと反応して、更に高沸点の塩化物で
あるSiCl4 に変成する。しかし、冷却器2でのガス
冷却温度を上げ、排ガスB中のSiH2 Cl2に対する
HClの比率を下げているので、後者のSiHCl3 の
消費反応が抑制される。その結果、活性炭充填塔4から
排出される排ガスCは、原料ガスであるSiHCl3 を
多く含むものとなる。
は、次に2段目の冷却器5に送られる。これにより、排
ガスC中に残る塩化物の多くが凝縮除去される。ここに
おけるガス冷却温度は、塩化物の除去効率を優先して低
温が望ましく、具体的には−35℃以下、特に−40℃
以下が好ましい。
ことに加え、前段の活性炭充填塔4で低沸点のHCl及
び比較的低沸点のSiH2 Cl2 が比較的高沸点のSi
HCl3 及びSiCl4 に変成されているので、排ガス
C中の塩化物が効率よく凝縮除去される。しかも、除去
された塩化物は精製され、このうちSiHCl3 は原料
ガスとして再使用されるが、1段目の冷却器2での冷却
温度操作により、排ガスC中のSiHCl3 の分率が増
大しているので、SiHCl3 の回収効率が高い。
の塩化物を含む水素ガスである。こガスは、2段目の活
性炭充填塔6に送られ、僅かに残る塩化物が活性炭によ
り吸着除去されることにより、高純度の水素ガスEにな
る。この水素ガスEは、CVD反応炉1に原料ガスとし
て再供給される。
冷却温度を変化させたときのガスA〜Eの組成を調査し
たものであり、表1はそのガス冷却温度を−42℃とし
た従来例を示し、表2,3はそのガス冷却温度を−37
℃,−32℃とした本発明例を示す。2段目の冷却器5
でのガス冷却温度は、いずれの場合も−50℃とした。
出される排ガスBを活性炭充填塔4で変成処理したの
で、これに続く凝縮処理と吸着処理により、原料ガスと
して使用可能な高純度の水素ガスEが得られる。
を−42℃とした従来例(表1)では、1段目の冷却器
2から排出される排ガスB中のSiH2 Cl2 に対する
HClの比率が高く、その結果、活性炭充填塔4を通過
した排ガスC中のSiHCl 3 の分率が著しく低下して
いる。これは、SiHCl3 の回収効率の低下を意味す
る。
温度を−37℃,−32℃とした本発明例(表2,3)
では、1段目の冷却器2から排出される排ガスB中のH
Clの分率が低下し、SiH2 Cl2 の分率が上昇した
結果、活性炭充填塔4の通過による排ガスC中のSiH
Cl3 の分率低下が抑制されており、特に、1段目の冷
却器2でガス冷却温度を−32℃とした例(表3)で
は、活性炭充填塔4の通過により、排ガスC中のSiH
Cl3 の分率が通過前と比べて増大している。
収効率が従来より増大することになる。即ち、塩化物の
分離除去効率を上げるために用いた活性炭による変成処
理で問題となるSiHCl3 の回収効率の低下が、高い
分離除去効率を維持しつつ抑制乃至回避されるのであ
る。
を高めるために1段目の冷却器2でガス冷却温度を上昇
させたが、これに代えて或いはこれと共に、冷却器2か
ら排出される排ガスBにSiH2 Cl2 を添加すること
も可能である。
度が−42℃のとき、冷却器2から排出される排ガスB
にSiH2 Cl2 を添加した場合の、ガスA〜Eの組成
を調査したものである。
2 Cl2 の添加によって0.34モル%から0.9モル
%に増加させたことにより、排ガスC中のSiHCl3
量は1.03モル%から1.83モル%に増加した(表
1参照)。
リコン製造プロセスでの排ガス処理方法は、活性炭によ
る変成処理を用いることにより塩化物の分離除去効率を
上げ、設備の簡略化を図ることができる。しかも、活性
炭による変成処理で問題となるSiHCl3 の回収効率
の低下を、高い分離除去効率を維持しつつ抑制乃至回避
し、この点からも経済性を高めることができる。従っ
て、この排ガス処理方法は、多結晶シリコンの製造コス
ト低減に大きな効果を発揮する。
多結晶シリコン製造設備のガス系統図である。
0)
クロロシラン(SiHCl3 )及び水素(H2 )が供給
されると、及びの反応により多結晶シリコン(S
i)が製造されると同時に、四塩化珪素(SiC
l4 )、塩化水素(HCl)及び水素(H2 )が発生す
る。また、の反応によりジクロロシラン(SiH2 C
l2 )及び塩化水素(HCl)が発生する。
原料ガスを含め、四塩化珪素(SiCl4 )、トリクロ
ロシラン(SiHCl3 )、ジクロロシラン(SiH2
Cl 2 )、塩化水素(HCl)及び水素(H2 )の混合
ガスが、排ガスとして排出される。
スとしてトリクロロシラン(SiHCl3 )及び水素
(H2 )が供給される。これにより、CVD反応炉1で
は、多結晶シリコン(Si)が製造されると同時に、四
塩化珪素(SiCl4 )、ジクロロシラン(SiH2 C
l2 )、塩化水素(HCl)及び水素(H2 )が発生す
る。その結果、CVD反応炉1からは、未反応の原料ガ
スを含め、四塩化珪素(SiCl4 )、トリクロロシラ
ン(SiHCl3 )、ジクロロシラン(SiH2C
l2 )、塩化水素(HCl)及び水素(H2 )の混合ガ
スからなる排ガスAが排出される。
Claims (4)
- 【請求項1】 半導体用の多結晶シリコンを製造するた
めのCVD反応炉で発生する排ガスからH2 を精製する
ために、排ガス中の塩化物を分離除去する多結晶シリコ
ン製造プロセスでの排ガス処理方法において、前記排ガ
スを冷却して排ガス中の塩化物を凝縮回収した後、その
排ガスを活性炭に通して排ガス中の低沸点の塩化物を高
沸点の塩化物に変成させる際に、前記凝縮回収での排ガ
スの冷却温度を−40℃以上とすることを特徴とする多
結晶シリコン製造プロセスでの排ガス処理方法。 - 【請求項2】 半導体用の多結晶シリコンを製造するた
めのCVD反応炉で発生する排ガスからH2 を精製する
ために、排ガス中の塩化物を分離除去する多結晶シリコ
ン製造プロセスでの排ガス処理方法において、前記排ガ
スを冷却して排ガス中の塩化物を凝縮除去した後、その
排ガスを活性炭に通して排ガス中の低沸点の塩化物を高
沸点の塩化物に変成させる際に、活性炭に通す前の排ガ
スにSiH2 Cl2 を添加することを特徴とする多結晶
シリコン製造プロセスでの排ガス処理方法。 - 【請求項3】 請求項1又は請求項2に記載の多結晶シ
リコン製造プロセスでの排ガス処理方法において、塩化
物を凝縮除去した後の排ガスを加圧して活性炭に通し、
その後、再度冷却して排ガス中の塩化物を凝縮除去する
ことを特徴とする多結晶シリコン製造プロセスでの排ガ
ス処理方法。 - 【請求項4】 請求項3に記載の多結晶シリコン製造プ
ロセスでの排ガス処理方法において、2回目の冷却の後
の排ガスを再度活性炭に通して、排ガス中に残存する塩
化物の全てを吸着除去することを特徴とする多結晶シリ
コン製造プロセスでの排ガス処理方法。
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