專利名稱：廢氣處理系統(tǒng)及處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總地涉及廢氣處理，更特別地，涉及在制造基于硅的半導(dǎo)體器件
的過程中產(chǎn)生的硅烷(SiH4)廢氣的處理系統(tǒng)和處理方法。
背景技術(shù)：
真空加工設(shè)備廣泛應(yīng)用于大規(guī)模制造基于硅的半導(dǎo)體器件過程中，例如 集成電路和太陽能電池，包括基于硅薄膜的大面積光電池組件等?；瘜W氣相 沉積(CVD )和化學氣相蝕刻是當前制造所述產(chǎn)品較常用的技術(shù)手段。例如， 集成電路中的多晶硅或二氧化硅層可通過硅烷(SiH4)氣體或其它含硅氣體 經(jīng)化學氣相沉積法淀積。在另一示例中，硅烷被用于等離子體增強化學氣相 沉積(PECVD)工藝來生產(chǎn)基于硅薄膜的氫化非晶硅和納米硅的太陽能電池。 在化學氣相沉積過程之后，多余的氣體滯留在化學氣相沉積系統(tǒng)中，之后排 氣系統(tǒng)可以將反應(yīng)氣體排放到大氣當中。然而，由于硅烷能在空氣中自動燃 燒，所以出于安全和環(huán)保目的，不能把它直接排放到大氣中。 一般而言，真 空加工設(shè)備中的含硅烷的剩余反應(yīng)氣體必須經(jīng)過廢氣洗滌器處理，以免把有 害的污染物質(zhì)排放到環(huán)境中。因此，在需要將反應(yīng)氣體排放出來的設(shè)備中， 廢氣洗滌器是不可缺少的重要部分。
硅烷和類似氣體必須從廢氣流中過濾掉或者轉(zhuǎn)化成可被安全處置的合 成物。通常把硅烷轉(zhuǎn)化成合成物的方法之一是將它在所謂的"燃燒箱"中加 以燃燒。燃燒箱一般以天然氣為燃料，這時SiH4經(jīng)過反應(yīng)轉(zhuǎn)化成氧化硅 (Si02)，其化學反應(yīng)為SiH4+202—Si02+2H20。然而，如果系統(tǒng)突然發(fā)生 故障，燃燒箱就有成為火源的危險。比如說，如果廢物處理系統(tǒng)的進氣口出 故障的話，殘留的SiH4就會在燃燒箱中聚集，很有可能導(dǎo)致隨后不可控制的 燃燒。另外一個重要問題是，由于硅的氧化物粉塵沉積，燃燒箱很容易被阻 塞，因此頻繁的清理和維護是非常必要的，但這樣會耽擱設(shè)備的正常運行。 及時地處理在燃燒箱中和管道中游離的硅氧化物粉塵(一種黃色粉末)操作 起來也有很大難庋，并造成環(huán)境污染。美國專利6174349、6126906和5183646中描述了關(guān)于燃燒箱的廢氣處理程序和設(shè)備。
濕的洗滌器和其它處理設(shè)備也已經(jīng)應(yīng)用于硅烷廢氣的處理。美國專利
6174349提供了一種結(jié)合燃燒箱的潮濕洗滌器。美國專利5955037提供了一 種氧化的處理方法。美國專利5320817使用一種可生成氫鋁化合物的金屬鹽 來清除硅烷。美國專利6949234描述了一種基于水的濕洗滌器，但這種洗滌 器比較貴重，很難應(yīng)用于大量硅烷廢氣的處理。其它類型的濕洗滌器是基于 濕的化學反應(yīng)，讓硅烷和諸如氬氧化鈉(NaOH)的霧狀物反應(yīng)，這種方法 效率高，處理量大，但是過程和設(shè)備非常復(fù)雜，容易出故障。
另外一種處理硅烷的方法是干化學反應(yīng)處理法，在高溫條件下使用接觸 反應(yīng)與燃燒相結(jié)合的方法。這種設(shè)備價格昂貴，需要很高的電力，消耗品成 本也非常高(反應(yīng)盒需要頻繁地替換)。此外，諸如"氣體反應(yīng)柱"(gas reactor column ) —類的裝置并不能像大規(guī)模生產(chǎn)設(shè)備所要求的那樣處理流速超過每 分鐘一標準升(SLPM)的高速硅烷氣流。
另外一種處理硅烷的技術(shù)是通過所謂的"干處理器，，將低壓的高密度等 離子體施加在含有硅烷的廢氣混合物中，硅烷被分解沉積在表面積很大的多 層電極上面，電極被定期地更換和清理。這種方法并不是很可靠，由于氣體 管道壓力的不斷變化和混合廢氣的合成物的存在，經(jīng)常導(dǎo)致等離子體的消 失。此外，95%-99%的處理效率并不能達到當今政府機構(gòu)制定的嚴格的安全 和環(huán)保規(guī)章和要求。
總之，現(xiàn)有的硅烷處理方法都受到設(shè)備成本和運行費用昂貴，維修和保 養(yǎng)要求高，產(chǎn)生液體或固體污染物，存在操作危險，或者占據(jù)空間較大等諸 多因素的制約。同時，它們需要諸如水、電、壓縮空氣等基礎(chǔ)設(shè)施的支持， 不具備單獨可靠運行的特性。這類硅烷處理設(shè)備的效能有時候非常差。另夕卜， 傳統(tǒng)的廢氣處理系統(tǒng)的性能很大程度上取決于混合廢氣中氣體的類型。每一 種廢氣混合物都需要一種特定的"反應(yīng)盒"或者化學方法來很好地中和。沒 有一種處理方法能夠用同一個化學氣相沉積反應(yīng)堆處理掉所有的廢氣。傳統(tǒng) 的硅烷處理設(shè)備不適用于低成本和大批量地生產(chǎn)基于硅的器件，例如大面積 的基于硅薄膜的光電器件。

發(fā)明內(nèi)容
基于上述考慮，本發(fā)明的目的之一在于為基于硅的各類功能器件生產(chǎn)過程中排放的廢氣提供一種高效、高產(chǎn)、易于操作的處理設(shè)備。
本發(fā)明的另一目的是為處理硅烷提供一種既安全可靠，又成本及費用低 廉的裝置。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種廢氣處理系統(tǒng)，包括爐體，具有爐 壁和頂蓋，且定義爐室；燃料，置于該爐室中，且所述燃料中有供氣體流過 的間隙；空氣進口，設(shè)置于該爐體下部；出氣口，設(shè)置于該爐體上部；以及 廢氣進口，其中待處理的廢氣從該廢氣進口進入爐室，且流經(jīng)燃燒的燃料之 間的間隙。
在本發(fā)明一示例性實施例中，所述廢氣流經(jīng)燃料的燃燒旺盛的區(qū)域。 在本發(fā)明 一 示例性實施例中，該廢氣進口設(shè)置于爐體上部與該出氣口相 對的一側(cè)，且在該廢氣進口與該出氣口之間在該頂蓋上形成有分隔構(gòu)件，從 而該廢氣進口與該出氣口被該分隔構(gòu)件以及所述燃料分隔開。在一示例中， 該分隔構(gòu)件是一凹區(qū)；在另一示例中，該分隔構(gòu)件是向下延伸的阻擋板。
在本發(fā)明一示例性實施例中，該廢氣進口設(shè)置于爐體下部在與該空氣進 口不同的位置處。
在本發(fā)明一示例性實施例中，該廢氣處理系統(tǒng)還包括設(shè)置于所述爐體底 部的煤灰收集和排出裝置。在一示例中，該煤灰收集和排出裝置包括收集煤 灰的屜斗，以及排出煤灰的煤灰排出口 。
在本發(fā)明一示例性實施例中，該廢氣處理系統(tǒng)還包括設(shè)置于所述爐體上 部的加料門，用于添加燃料到所述爐室內(nèi)。
在本發(fā)明一示例性實施例中，所述燃料包括適當大小的煤塊、蜂窩煤、 以及中間打孔的煤餅中的 一 種或多種。
在本發(fā)明一示例性實施例中，所述廢氣包括H2、含硅氣體、含硼氣體、 以及含磷氣體中的一種或多種。作為示例，所述含硅氣體包括SiH4、 Si2H6、 SiF4、 SiH3Cl、以及SiH2Cl2。
在本發(fā)明一示例性實施例中，該廢氣處理系統(tǒng)還包括設(shè)置于所述空氣進 口處的調(diào)風窗。
在本發(fā)明一示例性實施例中，該廢氣處理系統(tǒng)還包括設(shè)置于所述出氣口 處的足夠高的煙囪。
在本發(fā)明一示例性實施例中，該廢氣處理系統(tǒng)還包括設(shè)置于所述出氣口 處的空氣過濾器。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種組合式廢氣處理系統(tǒng)，其包括串聯(lián)和 /或并聯(lián)連接的多個上述廢氣處理系統(tǒng)。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種廢氣處理方法，其包括使用上述廢氣 處理系統(tǒng)中的任一種。
在本發(fā)明一示例性實施例中，該廢氣處理方法使用多個所述廢氣處理系 統(tǒng)，且所述多個廢氣處理系統(tǒng)被串聯(lián)和/或并聯(lián)以形成組合式廢氣處理系統(tǒng)。


為了更充分地理解本發(fā)明的上述及其他特征和優(yōu)點，下面將參考附圖詳
細描述本發(fā)明的示例性實施例。附圖不是按比例繪制的。附圖中
圖1是示出根據(jù)本發(fā)明一示例性實施例的廢氣處理系統(tǒng)的示意圖。
具體實施例方式
參照圖1，其示出根據(jù)本發(fā)明一示例性實施例的廢氣處理系統(tǒng)。該廢氣 處理系統(tǒng)可以是一個特制的或改造的燃燒爐，其包含爐壁60和頂蓋70以定 義爐室。在一示例性實施例中，耐高溫絕熱層61可附于爐壁60內(nèi)側(cè)。在另 一示例性實施例中，耐高溫絕熱層61還可附于頂蓋70的內(nèi)側(cè)(圖1未示出)。 托架63位于爐室下部，在爐室中在托架63上方可放置諸如煤、焦炭等的燃 料。托架63可以是欄桿式、網(wǎng)格狀、或者多孔板狀等，但本發(fā)明不限于此， 只要托架63允許氣體通過并允許煤灰泄漏下來即可。燃料66例如煤、焦炭 等可放置于爐室中在托架63上方。燃料66優(yōu)選是大小適中的煤塊，例如體 積與雞蛋相仿的煤塊，但也可使用多孔的煤餅、煤磚、或蜂窩煤等，本發(fā)明 不限于此。關(guān)鍵是使氣體可以通過其流過。加料門62優(yōu)選設(shè)置于爐上部。 收集并排出燃料灰例如煤灰的裝置優(yōu)選設(shè)置于爐底部。在本發(fā)明 一示例性實 施例中，屜斗65偉于爐底部以收集煤灰，排灰門64設(shè)置于爐下部以用于將 煤灰排出。
進氣口 67可設(shè)置于爐體下部。在一示例性實施例中，進氣口 67可安裝 有調(diào)風窗，從而控制提供到爐內(nèi)的空氣的流量。排氣口/出氣口 68可設(shè)置于 爐體上部。在一示例性實施例中，出氣口 68可設(shè)置于頂蓋70中(圖1所示)。 在另一示例性實施例中，出氣口 68亦可設(shè)置于爐壁60的上部(圖1未示出)。 出氣口 68上可裝有足夠高的煙囪，從而與進氣口 67處的調(diào)風窗協(xié)同作用以控制煤爐中的燃燒和反應(yīng)速度。出氣口 68還優(yōu)選安裝有空氣過濾器，以使 排放到大氣中的微粒粉塵最小化?？諝鈴倪M氣口 67進入爐室，在爐室內(nèi)幫 助燃料66燃燒，然后通過出氣口68排出。
根據(jù)本發(fā)明的燃燒爐還包括廢氣進口 17。廢氣進口 17可設(shè)置于爐體上 部與出氣口 68相對的一側(cè)，例如可設(shè)置在頂蓋70的與出氣口 68相對的位 置(圖l所示)，或者在爐壁60上部與出氣口 68相對的位置(未示出)。當 廢氣進口 17設(shè)置在爐體上部與出氣口 68相對的一側(cè)時，優(yōu)選地在頂蓋70 上有將廢氣進口 17與出氣口 68分隔開的構(gòu)件。例如，如圖l所示，在本發(fā) 明一示例性實施例中，在頂蓋70上在廢氣進口 17與出氣口 68之間形成有 凹區(qū)69,凹區(qū)69—直凹陷到燃津+66中，乂人而迫^f吏廢氣進口 17與出氣口68 被燃料上部，通常也就是燃燒最旺盛的區(qū)域，分隔開。在本發(fā)明另一實施例 中，該分隔構(gòu)件可以是形成在頂蓋70上在廢氣進口 17與出氣口68之間且 向下延伸到燃料66中的阻擋板。
在所述實施例中，運行時，含有硅烷的廢氣通過廢氣進口 17引入到爐 室中。廢氣流經(jīng)燃燒的煤塊中的間隙通道，硅烷在煤料表面的高溫條件下被 直接分解(SiH4 = Si + 2H2 )，或者和空氣中的氧氣反應(yīng)而生成二氧化硅沉淀 下來，依附在煤料的表面。最后，含有固體硅或二氧化硅的煤灰廢料下移， 穿過托架63而掉進煤灰屜斗65,最終通過排灰門64被清除出爐室。新煤料 以適當?shù)臅r間間隔從加料門62 ^皮填入爐體即燃燒室中。
在本發(fā)明另一示例性實施例中，廢氣進口 17亦可設(shè)置于爐體下部在與 空氣進口 67不同的位置處。運行時，廢氣通過燃料66中的間隙向上流動， 流過燃燒最旺盛的區(qū)域(即上部區(qū)域)，然后通過出氣口 68排出到外部。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，廢氣進口 17的設(shè)置不限于上述實施例。廢氣 進口 17還可以以其他方式設(shè)置，只要使通過廢氣進口 17進入爐室的廢氣流 經(jīng)燃燒的燃料之間的間隙即可，優(yōu)選地，使通過廢氣進口 17進入爐室的廢 氣流過燃料66的燃燒旺盛的區(qū)域。
在用真空加工設(shè)備來制造與硅有關(guān)的器件時，本發(fā)明的廢氣處理系統(tǒng)的 廢氣進口 17可以與真空加工設(shè)備的真空泵的排氣口連接起來，例如通過諸 如金屬管的密封管連接。
本發(fā)明的廢氣處理系統(tǒng)成本很低，可安全高效處理大規(guī)模真空加工基于 硅的電子和光電設(shè)備的過程中產(chǎn)生的硅烷廢氣。該系統(tǒng)的上述燃料爐同時起到傳統(tǒng)的"燃燒箱"和"干處理器"的作用，但是要比所述設(shè)備簡單易行， 成本顯著降低，且具有更高的工作效率。硅烷廢氣通過特定的密封管道引入 爐體內(nèi)，流過燃燒的煤體而熱分解沉積在煤體上，或于高溫氣體反應(yīng)生成二 氧化硅析出物(沙塵)并附著在煤的表面。硅烷熱沉積中形成的氫氣也在爐 中燃燒掉。反應(yīng)后的無害氣體如水分由出氣口被排出爐體。煤灰和固體的硅 化物一起被定時地清理出爐體。如果為即定的硅烷氣體流速選擇合適的爐尺
寸，本系統(tǒng)的硅烷處理效率幾乎是100%。
煤燃燒區(qū)域的溫度(燃煤的表面溫度)可以很容易超過1000攝氏度。
大部分應(yīng)用于化學氣相沉積工藝的反應(yīng)氣體的分子都會在高溫條件下分解， 并在煤塊內(nèi)部通道上沉積。事實上，大部分揮發(fā)性氣體都會和由進氣口流入 的高溫空氣發(fā)生反應(yīng)，形成固體而沉積在煤體表面。硅烷分子被迫從高溫的 燃煤中經(jīng)過，在有氧氣的條件下直接和燃燒的煤的表面接觸并發(fā)生反應(yīng)(熱
CVD),或者和空氣反應(yīng)生成二氧化硅。不管是哪種反應(yīng)方式，都不會讓任 何殘留的硅烷氣體被釋放到大氣中。混合廢氣中的少量的摻雜物，例如諸如 磷烷(PH3)的含磷氣體和諸如硼烷(B2H6)的含硼氣體在這個過程中也被 處理掉了。
由于煤塊是定時添加的，固體沉積物也就和煤灰一起被清理出爐體，基 本不會對廢氣處理過程產(chǎn)生任何影響。由于硅化物是穩(wěn)定無毒的，且此過程 中不產(chǎn)生其它的固體或液體廢物，所以煤灰的處理不需要特殊的防污染程 序。所需的唯一原料就是合適的煤料，除此之外不需要任何輔助設(shè)備。這種 煤爐處理器功能多，緊湊，效率高，成本低，保養(yǎng)容易。由于體積緊湊，設(shè) 計簡單，操作安全，它很容易和任何化學氣相沉積系統(tǒng)相結(jié)合。通過單個或 多個氣相沉積系統(tǒng)或反應(yīng)堆，它可以處理大流量(高流速)的廢氣。這種煤 爐可以不間斷地工作。這種煤爐非?？煽?，因為它不依靠諸如水、電、天然 氣等輔助設(shè)施，所以不會因為這些設(shè)施的故障而停機。
本廢氣處理系統(tǒng)還可以處理其它含硅氣體，例如SisH6、 SiF4、 SiH3Cl、 以及SiH2Cl2等。此外，多種其它氣體例如各類氫化物和有機氣體等也可用
本發(fā)明的系統(tǒng)處理。
與當今市場上其它的硅烷處理系統(tǒng)相比，維持和操縱這種燃煤爐的成本
至少降低了一個量級，確實有助于大規(guī)模生產(chǎn)低成本的功能薄膜器件，例如 薄膜硅太陽能光伏模塊。
8下面，詳細描述根據(jù)本發(fā)明的處理廢氣的方法。本發(fā)明的廢氣處理方法 使用至少一個上述廢氣處理系統(tǒng)，例如圖1所示的廢氣處理系統(tǒng)。運行時，
空氣從空氣進口 67進入爐室以幫助燃料燃燒。廢氣例如硅烷廢氣從廢氣進 口 17進入爐室。分隔件例如凹區(qū)69迫使廢氣流經(jīng)燃料的上部，即燃燒最旺 盛的區(qū)域。在該區(qū)域中，廢氣如前所述地被處理成符合安全和環(huán)保標準的物 質(zhì)。最后，氣體物質(zhì)從出氣口 68排出，固體殘渣被爐體底部的屜斗65收集 且從排灰門64排出。
根據(jù)本發(fā)明一示例性實施例，運行時，可根據(jù)廢氣流量調(diào)節(jié)設(shè)置于空氣 進口67處的調(diào)風窗，以控制空氣的流量。
在大規(guī)模制造基于硅的半導(dǎo)體器件時，還可以將多個所述廢氣處理系統(tǒng) 并聯(lián)或串聯(lián)連接，從而形成一組合式廢氣處理系統(tǒng)。
盡管已經(jīng)參考優(yōu)選實施例特別描述和顯示了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人 員應(yīng)當知道，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對形式和細節(jié)進 行各種變化。因此，所述發(fā)明只是作為舉例說明，本發(fā)明的范圍只能由權(quán)利 要求來確定。
權(quán)利要求
1、一種廢氣處理系統(tǒng)，包括爐體，具有爐壁和頂蓋，且定義爐室；燃料，置于該爐室中，且所述燃料中有供氣體流過的間隙；空氣進口，設(shè)置于該爐體下部；出氣口，設(shè)置于該爐體上部；以及廢氣進口，其中待處理的廢氣從該廢氣進口進入爐室，且流經(jīng)燃燒的燃料之間的間隙。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的廢氣處理系統(tǒng)，其中該廢氣進口設(shè)置于爐體 上部與該出氣口相對的一側(cè)，且在該廢氣進口與該出氣口之間在該頂蓋上形 成有分隔構(gòu)件，從而該廢氣進口與該出氣口被該分隔構(gòu)件以及所述燃料分隔開。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的廢氣處理系統(tǒng)，其中該廢氣進口設(shè)置于爐體 下部與該空氣進口不同的位置處。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的廢氣處理系統(tǒng)，還包括設(shè)置于所述爐體底部 的燃料灰收集和排出裝置。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的廢氣處理系統(tǒng)，其中所述燃料包括適當大小 的煤塊、蜂窩煤、.以及中間打孔的煤餅中的一種或多種。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的廢氣處理系統(tǒng)，其中所述廢氣包括H2、含 硅氣體、含硼氣體、以及含磷氣體中的一種或多種。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的廢氣處理系統(tǒng)，其中所述含硅氣體包括SiH4、 Si2H6、 SiF4、 SiH3Cl、以及SiH2Cl2。
8、 一種組合式廢氣處理系統(tǒng)，包括串聯(lián)和/或并聯(lián)連接的多個權(quán)利要求 1所述的廢氣處理系統(tǒng)。
9、 一種廢氣處理方法，其包括使用一個或多個權(quán)利要求1所述的廢氣 處理系統(tǒng)。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的廢氣處理方法，其中使用多個權(quán)利要求l所 述的廢氣處理系統(tǒng)，且所述多個廢氣處理系統(tǒng)被串聯(lián)和/或并聯(lián)以形成組合式 廢氣處理系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種廢氣處理系統(tǒng)及處理方法，該廢氣處理系統(tǒng)包括爐體，具有爐壁和頂蓋，且定義爐室；燃料，置于該爐室中，且所述燃料中有供氣體流過的間隙；空氣進口，設(shè)置于該爐體下部；出氣口，設(shè)置于該爐體上部；以及廢氣進口，其中待處理的廢氣從該廢氣進口進入爐室，且流經(jīng)燃燒的燃料之間的間隙。這種廢氣處理裝置具有不可比擬的性價比，特別適用于大規(guī)模半導(dǎo)體和真空鍍膜生產(chǎn)過程中所排出的硅烷或其它可燃或可熱沉積的廢氣的高效率處理。
文檔編號B01D53/74GK101554562SQ200810091629
公開日2009年10月14日 申請日期2008年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月11日
發(fā)明者李沅民, 楊與勝 申請人:福建鈞石能源有限公司