JP4038149B2 - 処理排ガス中の燃焼可能なダストの自然発火を回避する方法および装置、および前記方法により得られるシリコンウェーハ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、処理排ガス中の燃焼可能なダストの自然発火を回避する方法および前記方法を実施するための装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば燃焼装置、焼き窯または溶解炉のような熱処理が行われる装置からの排ガスは、周囲に排出する前に少なくとも濾過および不活性化により抑留しなければならないダストを含んでいる。特に中程度の酸化段階の金属酸化物混合物および／または半金属酸化物混合物は高い反応性の産業ダストであり、自然発火温度１００℃未満を有し、例えば後方に接続された排ガスフィルター中でフィルター燃焼またはダスト爆発の傾向を示す。例えば排ガスをサイクロン分離器のようにサイクロン状容器に吹き込むダスト除去装置においては、主として大きな粒子が容器内壁におよび細かい粒子が後方に接続されたフィルター、例えば織物フィルターまたは繊維フィルターにより堆積する。高い反応性のダストの高い処理温度、火花の飛散および自然発火によりこの種のフィルター装置はしばしば使用できない。
【０００３】
チョクラルスキーによるるつぼ引き上げ法により高い純度の単結晶のシリコンウェーハを製造する装置においては、シリコン断片を場合により、例えばアンチモン、砒素、硼素または燐のようなドーピング物質を添加して、加熱可能な石英るつぼに入れ、溶融する。溶融物に種結晶を浸漬することにより、種結晶を回転させ、垂直に引き上げながら種結晶の端部で単結晶の結晶棒が成長する。
【０００４】
溶融物に石英るつぼの表面に接触することにより酸素が供給され、酸素が熱供給および回転による対流により溶融物に分配される。これにより溶融内容物質の酸化物が形成され、溶融物表面上に蒸発する。種々の珪素酸化物ＳｉＯ_ｘ（ｘ＝０〜２）のほかに、特にアンチモン、砒素、燐および硼素の酸素化合物が、高い蒸気圧により放出する。
【０００５】
るつぼ引き上げ装置は一般にわずかの真空下で保護ガス、有利にはアルゴンが貫流するので、るつぼ引き上げ装置の排ガス流中の種々の酸化段階の溶融内容物質の酸化物が放出する。これらの種々の酸化段階の微細に分散した金属酸化物混合物および／または半金属酸化物混合物は高い反応性であり、自然発火性であり、有毒である。これらの産業ダストは特に後方に接続された排ガスフィルター中でフィルター燃焼またはダスト爆発の傾向を有する。
【０００６】
第１工程で乾燥した、有利にはポリテトラフルオロエチレンで被覆された織物フィルターを使用してダストを分離し、１個以上の他の工程で吸収液として吸収液循環を流動する水性水酸化ナトリウム溶液を使用してダスト不含の排ガスからガス状有害物質を吸収することにより、排ガス、特に光導波体の成形品を製造する際の排ガスからダスト状およびガス状有害物質を除去する方法および装置は公知である（特許文献１参照）。
【０００７】
織物フィルター部品を使用してＳｉＯ_ｘダストを濾過する際にフィルター部品がその構造により折り目に放電および燃焼を引き起こし、これがフィルター材料を損傷し、ＳｉＯ_ｘダストが後方接続されたポンプに到達するかまたはポンプ排ガスにより周囲に達する。処理の全部の経過時間に関して処理パラメーター圧力および流動を一定に保つために、このフィルターを使用する場合はきわめて大きなフィルター面積が必要である。低い圧力で多くのガス流動は不可能であり、従って結晶引き出しに関する適当な処理パラメーターの選択は制限される。
【０００８】
るつぼ引き上げ装置の排ガス流中のダストを、反応ガスを使用して５０〜５００℃の温度で連続的に不活性化することを特徴とする、るつぼ引き上げ装置、特にシリコン単結晶を引き上げるためのるつぼ引き上げ装置の排ガスフィルターに生じる、燃焼可能な冶金学のダストを不活性化する方法は公知である（特許文献２参照）。連続的に不活性化するために、るつぼ引き上げ装置の排ガス導管と排ガスフィルターの間に加熱装置および少なくとも１個の反応ガス入口を有する反応室を導入し、その際結晶引き上げ条件に依存して反応室の温度および反応室への反応ガス供給を調節する。反応ガスとして空気、酸素、オゾンまたはこれらのガスの混合物を使用する。
【０００９】
その際反応ガスの連続的供給による不活性化は、るつぼ引き上げ装置のガス空間内で反応ガス分圧が上昇するという欠点を有する。るつぼ引き上げ装置への酸素の逆拡散は、例えばシリコン単結晶棒の導電性を損なう。るつぼ引き上げ工程に必要な真空条件および保護ガス流動条件およびるつぼ引き上げ装置中の酸素の分量を著しく損なわないために、酸化装置の容量が処理技術的に制限される。不完全な酸化により、溶融内容物質の高い反応性の、自然発火性および毒性の酸化物がダストフィルターに進入し、フィルター材料での放電および燃焼を引き起こし、例えば装置を浄化する際にダストの爆発を引き起こすことがある。
【００１０】
排ガスからのダストおよびガス状有害物を熱および火花の飛散に弱いダストフィルターと触媒部品の組み合わせにより１つの構造ユニットで除去することにより、熱処理、例えば燃焼装置、焼き窯、溶解炉または乾燥装置からの排ガスのガス浄化および解毒のためのフィルター装置は公知である（特許文献３参照）。この触媒部品は、有利には触媒に適した金属化合物または純粋金属が被覆された粗い孔の発泡セラミックからなる。
【００１１】
ガス状有害物の変換に用いるこの触媒は、セラミックから、石英繊維または特殊鋼繊維のような高温安定材料からなる織物またはフリースからなる担持材料に塗布され、固定されなければならない。ダストフィルター部品はガス状有害物を引き続き変換するための触媒が被覆された発泡セラミック部品の前に存在する。フィルター部品は浄化に費用がかかり、これは、例えば砒素、燐またはアンチモンをドープした珪素の酸化物混合物のような高い反応性の、自然発火性の有毒なダストの場合に、浄化作業人に関する健康および安全性の危険を最小にするために、フィルター浄化の下部構造に多くの費用を生じる。
【００１２】
【特許文献１】
ドイツ特許第３６０３５１１（Ｃ２）号明細書
【特許文献２】
ドイツ特許第１９８５４２３５（Ａ１）号明細書
【特許文献３】
ドイツ特許第３７０５７９３号明細書
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、高い反応性の、自然発火性および毒性のダストを除去するだけでなく、ダストの不活性化が付加的に処理に組み込まれている、技術水準の前記欠点を回避し、特に経済的に運転できる、処理排ガス中のダストを濾過し、不活性化する方法を提供することであり、その際主な処理パラメーター、温度、圧力およびガス流動はできるだけ広いパラメーター範囲で全部の処理経過時間にわたり一定に維持すべきである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記課題は、処理排ガス中の燃焼可能なダストの自然発火を回避する方法により解決され、ダストを、処理中に処理パラメーターを損なわずに、圧力容器内に取り付けられた、少なくとも２５０℃まで温度安定性であり、焼結された少なくとも１個のフィルター部品の所で抑留し、処理終了後に圧力容器内で酸素含有ガスを用いて逆噴射により不活性化することを特徴とする。
【００１５】
本発明により、ダストを、処理中に、少なくとも１個のフィルター部品の所で抑留し、処理終了後に、濾過に反対に配置された、処理中に流入する酸素含有ガスをフィルター部品から分離し、圧力容器空間内を流動し、ここで酸素により酸化することにより不活性化する。
【００１６】
これと異なり、技術水準の方法においては、ガス状反応性有害物を、まずダストから濾過により分離し、引き続き触媒部品の所で不活性化する。ダストをフィルター部品の所で抑留し、更に処理しない。抑留された高い反応性の自然発火性の有毒なダストは引き続き人間および環境への危険を冒してフィルター装置から取り出し、廃棄処理しなければならない。
【００１７】
１つの有利な実施態様により、本発明は、例えばシリコン単結晶を引き上げるためのるつぼ引き上げ装置の処理排ガス中の、場合により砒素、アンチモン、硼素または燐を含む群から選択されるドーピング物質でドープされたＳｉＯ_ｘダストを濾過し、不活性化する方法に関し、その際
ａ）処理排ガスを、少なくとも１個の、多孔性の、焼結した、再生可能な、すなわちダスト除去により再び使用可能な、特殊鋼またはセラミックからなるフィルター部品を有する圧力容器に導入し、
ｂ）フィルター部品を、結晶引き上げ工程が終了後、酸素含有ガスを、処理方向と反対の純粋ガス側に逆流することにより捕集したダストを除去し、その際捕集したダストが圧力容器空間を流動し、フィルター部品の逆洗浄が圧力容器空間内のダストの発熱反応を開始し、これによりダストが酸化により不活性化する。
【００１８】
有利には圧力容器内の圧力を後方に接続された真空ポンプを使用して１００ミリバール未満の範囲に減少し、反対方向で酸素含有ガスで逆洗浄することにより工程ｂ）を２回以上繰り返す。この場合に圧力の差はできるだけ大きく形成する。有利には不活性化を３〜５回繰り返す。その後不活性化した内容物および浄化したフィルター部品を有するフィルター装置を次の工程のために使用する。
【００１９】
従って本発明は、抑留された高い反応性の、自然発火性の有毒なダストを、処理が終了後、酸素含有ガスで逆洗浄し、圧力容器空間中にダストを流動させ、酸化することにより不活性化することを可能にする。逆洗浄工程を場合により２回以上繰り返した後に、不活性化したダストを不安がないように装置から取り出すことができ、フィルター浄化またはダストの除去の際にダストの燃焼が生じない。圧力容器が圧力容器の下側部分に不活性化したダストの排出フランジを有する場合が特に有利である。フィルター装置の空白化は有利には装置の停止時に行う。
【００２０】
処理中に大気圧より低い圧力を使用する方法においては、フィルター装置の後方に真空ポンプ、有利には油がもれない真空ポンプを接続する。高い反応性の、自然発火性の、有毒なダストがフィルター速度より小さい粒度の粒子を有する場合は、この粒子を真空ポンプの油に移行することができる。ここで細かい凝結しない５μｍ未満の粒子がポンプの油中で結合する。大きな粒子および粒子凝結物は好ましくない表面状況により酸化されないかまたは十分に酸化されず、高い反応性の、自然発火性の、有毒なダストは導管、フィルター、ポンプおよびこれらの排ガス中で人間および環境に関する大きな危険の可能性を生じる。本発明の方法により、高い反応性の、自然発火性の、有毒なダストはフィルター部品のフィルター速度に相当して抑留される。有利には０.３〜１２μｍ、特に３〜５μｍのフィルター速度を有するフィルター部品を使用する。有利には浄化するフィルター装置の排気を処理排気に供給する。
【００２１】
フィルター速度に相当して、処理パラメーターが損なわれず、低い圧力で多くのガス流動を可能にするように、フィルター面積を選択する。フィルター面積は、フィルター速度に対して、フィルターの保持速度が全部の処理時間にわたり一定であるように決定する。フィルター面積は有利には０.５〜５ｍ^２、特に１〜３ｍ^２である。
【００２２】
技術水準との他の重要な相違は、フィルター装置での燃焼の危険が排除されることにある。本発明の方法においては、有利には特殊鋼からなり、少なくとも２５０℃まで温度安定な圧力容器中の、特殊鋼またはセラミックからなる、少なくとも２５０℃まで温度安定の、多孔質の焼結した少なくとも１個のフィルター部品を使用する。有利には圧力容器内に２個以上のフィルター部品が含まれる。
【００２３】
有毒な化合物、例えば砒素またはアンチモンの存在で、ダストの環境の不安のために、圧力容器が有利には吸入弁により閉鎖される。このやり方で有毒な、発ガン性ガスの排出が阻止される。
【００２４】
本発明の方法の他の利点は、全部の処理時間だけでなく、フィルター部品の全部の寿命にわたりフィルターユニットの保持速度が一定であり、フィルター部品を交換しなくてよいので、運転費用の低下を生じる。フィルター装置は処理中の圧力が低くても高い流動速度を保証する。
【００２５】
本発明の方法を使用して排ガスからダストを濾過する方法は、例えばるつぼ引き上げ装置中のシリコン単結晶引き上げ、ポリシリコンの注入または太陽電池用シリコンの製造のような珪素を溶融する方法である。
【００２６】
【実施例】
図１には本発明の方法を実施するために適した、有利な装置が示されている。図１の装置において、るつぼ引き上げ装置１の処理排ガスは特殊鋼からなる圧力容器２を通過し、圧力容器内に多孔質の焼結した特殊鋼からなる１９個の再生可能なフィルター部品がフィルター面積１.８ｍ^２およびフィルター速度３μｍを有して乾燥したガスを濾過するために使用され、更に真空装置４を通過し、排ガス導管５に排出される。シリコン単結晶棒のるつぼ引き上げ工程中に弁Ｖ２を開放する。るつぼ引き上げ装置中で真空装置４により１０〜５００ミリバールの圧力を形成し、アルゴン８を毎時３００〜１００００標準リットルの容積流で供給する。圧力容器への直接導管を介して処理排ガスが接線方向に圧力容器に到達する。ここでサイクロン効果により大きい粒子の分離を行う。その後処理排ガスをフィルター部品を通過してフィルター装置の純粋ガス側に導く。フィルター部品の所で３μｍのフィルター速度で微細な分離を行う。フィルター部品の後方で、処理排ガスは調節弁Ｖ４を介して真空装置４に到達し、真空装置は有利にはルーツポンプおよびロータリーピストンポンプからなる。真空装置４内で、構造の形式に帰因して、真空ポンプの油に少ない範囲で含まれる３μｍ未満の細かいダストの湿式分離および不活性化を行う。
【００２７】
処理終了後および冷却時間の終了の１２０分前に弁Ｖ１.１、Ｖ１.２およびＶ１.３を空気洗浄のために開く。ポンプを進行させながら弁Ｖ１.１および１.２が一緒に毎時２２００標準リットルの新鮮な空気９を装置の排ガス管に供給する。弁Ｖ１.３により更に毎時４５００標準リットルの新鮮な空気１０をフィルター装置の粗製ガス側への導管に供給する。空気洗浄はるつぼ引き上げ装置の排ガス導管での調節した酸化およびフィルターキャンドルでのフィルターケーキの一次酸化に用いる。空気洗浄時間は３０分であり、この時間の間、弁Ｖ２、Ｖ４およびＶ５が開かれる。３０分後、弁Ｖ１.１、Ｖ１.２およびＶ１.３を閉鎖し、装置内の圧力を１５０ミリバールにする。弁Ｖ２を閉鎖し、弁Ｖ４を開放し、真空装置を更に進行する。逆洗浄弁Ｖ３は三方向弁であり、これは開放して５分後に圧力容器２から新鮮な空気装置への結合を生じ、同時に真空装置４への導管を閉鎖する。本発明のもう１つの実施態様においては、逆洗浄弁Ｖ３を圧搾空気と結合する。開放した弁Ｖ３により大きな速度で新鮮な空気または圧搾空気が真空下に存在するフィルター装置の純粋ガス側に流れる。これにより生じる圧力波はフィルター部品のダストを除去し、圧力容器空間内のダストを流動させ、その際ダストが酸素と混合する。これにより圧力容器空間内でダストの発熱反応として酸化が開始する。２０分の酸化時間後に逆洗浄弁Ｖ３を３分の時間真空装置４への通過に切り換え、真空装置は圧力容器２を再び真空にする。逆洗浄の工程を全部で３回繰り返す。粗製ガス側の洗浄はフィルター部品のダストを除去後繰り返すことができる。その後フィルター装置のダストの除去を終了し、フィルター装置を新たな方法のために使用する。
【００２８】
不活性化したダストを規則的な間隔で排出フランジ３で取り出す。図１に記載されるフィルター装置を使用して、例えば３０個までのシリコン単結晶棒を引き出すことができ、その後圧力容器２を排出フランジ３で取り出すことにより浄化しなければならない。
【００２９】
他の有利な実施態様において、処理排気導管７に圧力容器２の吸入導管６を接続する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法を実施するためのに有利な装置の図である。
【符号の説明】
１ るつぼ引き上げ装置、 ２ 圧力容器、 ３ 排出フランジ、 ４ 真空装置、 ５ 排ガス導管、 ６ 吸入導管、 ９、１０ 新鮮な空気

Claims (11)

1. るつぼ引き上げ装置の処理排ガス中の燃焼可能なダストの自然発火を回避する方法において、ダストを、処理中に処理パラメーター圧力およびガス流動を損なわずに、圧力容器内に取り付けられた、少なくとも２５０℃まで温度安定性であり、焼結された少なくとも１個のフィルター部品の所で抑留し、処理終了後に圧力容器内で酸素含有ガスを用いて逆噴射により不活性化し、その際フィルター面積およびフィルター速度を全部の処理時間にわたり一定であるように決定し、フィルター速度が０ . ３〜１５μｍであり、フィルター面積が０ . ５〜５ｍ ^２ であることを特徴とするるつぼ引き上げ装置の処理排ガス中の燃焼可能なダストの自然発火を回避する方法。
2. 処理が珪素またはドーピング物質含有珪素の溶融を含む請求項１記載の方法。
3. 処理がるつぼ引き上げ装置中のシリコン単結晶インゴットの引き上げである請求項１または２記載の方法。
4. ダストが珪素、硼素、燐、砒素およびアンチモンを含有する群から選択される酸化物または酸化物混合物を含有する請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 圧力容器内で少なくとも２５０℃まで温度安定な焼結したフィルター部品がセラミックまたは特殊鋼からなる請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 処理中に１０００〜５００００Ｐａの圧力を使用する請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 処理中に１時間当たり３００〜１００００標準リットルのガス流速度を有する、窒素およびアルゴンを含有する群から選択される不活性保護ガスを使用する請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 処理終了後に以下の工程：
   ａ）圧力容器を真空にする工程
   ｂ）圧力容器を酸素含有ガスで濾過と反対の方向に通気し、その際フィルター部品に捕集されたダストが圧力容器空間中を流動し、その際酸素と反応して不活性化する工程
   をそれぞれ交互に連続して少なくとも１回実施する請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
9. 酸素含有ガスが空気または圧搾空気である請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
10. 請求項１から９までのいずれか１項記載の方法により濾過された工程の排気を処理排気に供給する請求項１から９までのいずれか１項記載の方法。
11. 請求項３から１０までのいずれか１項記載の方法により得られたシリコンウェーハ。

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